JP2007254244A - 人工骨材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被焼成物の溶融温度変化が生じても、溶融温度ぎりぎりまで焼成温度を上昇させることができ、該被焼成物表面の空隙が適切に被覆され、適正な吸水率が確保されることにより、天然骨材を上回る極めて良好な品質の人工骨材を製造できる人工骨材の製造方法を提供する。
【解決手段】石炭灰を主成分とする原料をロータリーキルンで焼成する人工骨材の製造方法において、該キルン送入原料中のＳｉＯ_２含有量を５０質量％以上とし、窯前側から被焼成物に向けアルミナ質物質を吹込み、減圧吸水率３．０％以下の人工骨材を得ることを特徴とする人工骨材の製造方法である。
【選択図】なし

Description

本発明は人工骨材の製造方法に関し、特に、石炭灰を主原料としロータリーキルンで焼成して人工骨材を製造するに際し、減圧吸水率の低い高品質の人工骨材を得る製造方法に関する。

石炭を燃焼させると、その質量の約１割に相当する石炭灰が発生する。近年の石炭炊き火力発電所の増加により、石炭灰の発生量が増加しており、その有効な利用方法が求められている。

石炭灰に必要に応じて他の成分を添加し、造粒等の前処理を施した後焼成すると、適度の強度を持った焼結物となり、コンクリート用の骨材等として活用可能となる。そこで、石炭灰からそれら人工骨材を製造し、有効利用を図る試みが種々行われてきている。

しかし、石炭炊き火力発電所は、安定した高品位の電力を提供することを第一の目的としているため、その副産物である石炭灰について一定の品質での供給を期待することは難しい。結局、発電所別により、あるいは同一発電所であっても、用いる石炭の銘柄や操業条件により、発生する石炭灰の性状は異なってくる。このような、性状の異なる石炭灰を原料として、如何に天然骨材並みの品質の優れた人工骨材を製造するかということがひとつの課題となっている。

前記石炭灰の性状の中で、特に石炭中の炭素が完全燃焼せずに残留したいわゆる未燃カーボンの値は石炭灰の出所により大きく異なり、１質量％未満のものから数質量％のものまで発生しているというのが現状である。この石炭灰中未燃カーボン量が高い場合、人工骨材焼成時に気泡発生や爆裂の原因となり、強度及び吸水率の良好な骨材が得られないという現象があった。

そこで、特許文献１においては、石炭灰を主原料とし、ロータリーキルンで焼成する人工骨材の焼成において、該ロータリーキルン内にノズルを挿入し、酸素を含有するガスを被焼成物に向けて吹き込むことで、未燃カーボンを燃焼・除去する技術が提供されており、この技術により２４時間吸水率が６％以下の良好な品質の人工骨材が得られる旨開示されている。

一方で、未燃カーボン以外の、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯといった主要化学成分も、石炭灰の出所や時期によりかなりの変動が見られる。人工骨材の焼成は、被焼成物の表面がわずかに溶融する状態まで温度を上げることにより、表面の空隙の相当部分が溶融物により被覆され、吸水率が適正な値となるという極めて微妙なものである。ここで、前記の主要化学成分の変動等により、被焼成物の溶融温度が変化すると、溶融温度ぎりぎりまで焼成温度を上昇させることが困難となり、良好な空隙の被覆がなされず、吸水率が悪化するという現象が起こり得る。したがって、天然骨材以上の極めて良好な品質の人工骨材を得たい場合には、化学成分の変動による、被焼成物の溶融温度変化等が生じても、溶融温度ぎりぎりまで焼成温度を上昇させることができ、表面空隙の被覆がなされ適正な吸水率が確保される技術が求められていた。

特開２００５−２３９５０７

そこで、本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであって、石炭灰の化学成分の変動等による、被焼成物の溶融温度変化が生じても、溶融温度ぎりぎりまで焼成温度を上昇させることができ、該被焼成物表面の空隙が適切に被覆され、適正な吸水率が確保されることにより、天然骨材を上回る極めて良好な品質の人工骨材を製造できる人工骨材の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を行った結果、ロータリーキルンの被焼成物の出口側である窯前側から、被焼成物の表面の溶融状態を調整する物質を吹き込むことにより、前記問題点を解消可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、人工骨材の製造方法であって、石炭灰を主成分とする原料をロータリーキルンで焼成する方法において、該キルン送入原料中のＳｉＯ_２含有量を５０質量％以上とし、窯前側から被焼成物に向けアルミナ質物質を吹込み、減圧吸水率３．０％以下の人工骨材を得ることを特徴とする。

あらかじめＳｉＯ_２含有量を高めに配合した原料を焼成し、キルン内の最高温度部分近くに達したところへ窯前側からアルミナ質物質を吹き込むことにより、溶融を開始した当初の被焼成物表面の溶融温度を適度に高め、生成鉱物による空隙の被覆を図ることができる。この生成鉱物は、ＳｉＯ_２含有量が高めである原料に対しアルミナ質物質が吹付けられることから、アノーサイトを中心とした鉱物となる。原料の化学成分が多少変動し、溶融温度が変化することがあっても、焼成の最終段階でのアルミナ質物質吹込みにより、溶融状態を調整可能であるので、溶融温度ぎりぎりまで焼成温度を上昇させることができ、溶融し過ぎや、溶融不足を起こすことなく、該被焼成物表面の前記生成鉱物による空隙被覆を適正化し延いては目的とする人工骨材の吸水率の適正化、骨材品質の向上を達成することができる。

また、前記本発明の方法においては、アルミナ質物質の吹込み量を、Ａｌ_２Ｏ_３換算で送入原料に対し、１質量％以上かつ１０質量％未満とすることが好ましい。アルミナ質物質の吹込み量が１％未満では、被焼成物表面の溶融状態の調整がほとんど不可能であり、該吹込み量が１０％以上となると、被焼成物表面に固着仕切れず粉末のまま残存するアルミナ質物質が増加するため、好ましくない。

さらに、前記本発明の方法においては、キルン送入原料のＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３質量比が３．０以上、かつ３．５以下であることが好ましい。該質量比が３．０未満では、キルン送入当初からアルミナ質成分の高い原料を焼成することになり、溶融温度の高温度化から焼成コストが増大するため好ましくない。該質量比が３．５以上となると、窯前からの吹込みという方法では成分の補填が間に合わなくなるため、これも好ましくない。

そして、前記本発明の方法においては、焼成温度が１２５０℃以上であることが好ましい。１２５０℃未満であると、前記アノーサイトを中心とした鉱物を十分に生成させることができず、好ましくない。

以上のように、本発明によれば、石炭灰の化学成分の変動等による、被焼成物の溶融温度変化が生じても、溶融温度ぎりぎりまで焼成温度を上昇させることができ、該被焼成物表面の空隙が適切に被覆され、適正な吸水率が確保されることにより、天然骨材を上回る極めて良好な品質の人工骨材を製造することが可能となる。

本発明の人工骨材の製造方法においては、その主原料として、石炭灰を用いる。石炭灰は石炭焚き火力発電所から排出されるもので、微粉炭ボイラーから飛散し電気集塵機等で回収されるフライアッシュ、循環流動層ボイラーから回収されるＰＦＢＣ灰等を用い、粒度調整のされていない原粉のままで用いることができる。主原料としての石炭灰の他に、下水汚泥、各種焼却灰、廃ガラスなどを副原料として用いることが出来る。これらの原料に必要に応じて結合材としての各種セメント類、粘結材としてのベントナイト、カオリン鉱物、珪酸ナトリウム、リグニン等を添加し配合原料とする。ここで、さらに必要な場合には成分調整材を添加する。成分調整材は、石炭灰を主成分とした原料の、軟化、溶融温度を調整するためのものであるが、本発明の人工骨材の製造方法においては、特に配合原料中のＳｉＯ_２含有量を５０質量％以上と限定しているので、これを満たすためにも、また、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３質量比を３．０以上、かつ３．５以下に調整するためにも、成分調整材が必要とされる場合がある。成分調整材としては、例えばＳｉＯ_２源として珪石粉、カオリン等、Ａｌ_２Ｏ_３源としてアルミナ粉末、水酸化アルミニウム粉末、アルミ灰等、ＣａＯ源として生石灰粉末、セメント等が用いられる。

これらの原料を混合する。混合方法は、エアブレンダー、機械式混合機等、適宜公知の混合方式を用いることができる。混合後の原料は、粉末状のままキルン送入原料とし、ロータリーキルンの転動作用により、転動造粒しながら焼成して人工骨材としても良いし、該粉末状の原料を事前に造粒してからキルンに送入して焼成しても良い。

事前に造粒する場合、所定範囲の粒径となるように成形できれば方法は問わず、パンペレタイザーを使用した転動造粒、加圧成形機を使用したプレス造粒、ヘンシェルミキサー（三井造船株式会社製、登録商標）等を使用した攪拌造粒等を採用することができる。

焼成装置としては、ロータリーキルンを用いる。アルミナ質物質吹込みにより被焼成物表面の溶融状態を調整する際にその転動作用を利用することになるため、ロータリーキルンを用いることは必須である。また、ロータリーキルンを用いることで、容易に大量生産が可能で、均質な焼成物を得ることができるという利点もある。

ロータリーキルンを用いた焼成は、好ましくは１２５０℃以上かつ１３５０℃以下の温度で行うが、所望とする人工骨材の品質（絶乾密度、吸水率など）を勘案し、適宜調整すると良い。燃料としては、微粉炭、粉砕オイルコークス、粉砕した可燃性廃棄物などの粉体燃料や、重油、廃油、廃溶剤等の液体燃料、ＬＰＧ、ＬＮＧ等の気体燃料等、一般的に用いられている燃料であれば、単独で用いても、混焼して用いても良い。コスト低減のためには、適宜廃棄物系の燃料をその一部に使用することが望まれる。特に、廃木材粉砕物、廃畳粉砕物等のバイオマス系の燃料を用いると、ＣＯ_２の排出低減にもつながり、より好ましい。

ロータリーキルンでの焼成時間は、概ね１５分から１２０分とするのが適当であるが、所望とする品質の骨材が得られるように適宜調整すると良い。焼成時のキルン内の酸素分圧は、３％〜１２％に調整すると良いが、特に限定されるものではない。

本発明において、窯前側から吹込むアルミナ質物質としては、アルミナ粉末、水酸化アルミニウム粉末（例えば、商品名：アルサイト、不二サッシ株式会社製）等を用いることができる。また、アルミナ粉末はノズル等への磨耗性が大きく、一方水酸化アルミニウム粉末は飛散性が高すぎるので、これらを緩和するために、適量の珪石粉末を混合することも出来る。アルミナ質物質の粒子径は、概ね平均粒子径で１〜１０００μｍのものを用いると、その効果が得られやすいので好ましい。平均粒子径が１μｍ未満では、瞬時に被焼成物表面の原料物質と反応し取り込まれてしまうため、前記の表面空隙の被覆効果が得られにくくなり、１０００μｍを超えると、逆に反応しきれない大径粒子がキルン出口まで残存することになり、さらに吹込み管等の磨耗も著しくなるため、好ましくない。

アルミナ質物質の吹込み方法としては、焼点付近の被焼成物上に所定量を吹付けられる方法であれば、特に限定されないが、例えば水冷管又は空冷管等の吹込み管を窯前から挿入して設置し、エジェクター等を利用した空気圧送や、モノ−ポンプ等の輸送ポンプにより吹付ける方法が採用できる。また、燃料とともに、バーナーから吹込むことも可能である。アルミナ質物質の吹込み量に関しては、前記のとおりＡｌ_２Ｏ_３換算で送入原料に対し、１質量％以上かつ１０質量％未満とすることが好ましい。アルミナ質物質の吹込み量が１％未満では、被焼成物表面の溶融状態の調整がほとんど不可能であり、該吹込み量が１０質量％以上となると、被焼成物表面に固着仕切れず粉末のまま残存するアルミナ質物質が増加するため、好ましくない。

このような製造方法により、減圧吸水率が３．０％以下の極めて良好な品質の人工骨材が得られる。ここで、減圧吸水率とは、一定の減圧下にて強制的に吸水を行って測定する方法であり、具体的には、密閉容器中に骨材を水没させ、真空ポンプで−４００ｍｍＨｇまで容器内を減圧し、１５分間静置した後に徐々に大気に開放し、骨材に含水した水量から減圧時の吸水率を求めた値である。

次に、本発明に係る人工骨材の製造方法の実施例を説明する。
石炭灰を主原料（７１．０質量％）とし、これに成形助剤として普通セメント（８．０質量％）と、成分調整材として珪石粉（２１．０質量％）を加え混合し、混合原料を得た。該混合原料を蛍光Ｘ線分析すると、ＳｉＯ２含有量は６４．５％であった。この混合原料をパンペレタイザーにより粒径５〜２０ｍｍの球状ペレットに造粒し、ロータリーキルン（φ１．２ｍ×２０ｍＬ）により焼成して人工骨材を製造した。このとき、ロータリーキルン内の焼点近傍の原料ペレットが融着を始める領域を目標にアルミナ粉末（日本軽金属株式会社製、ロットＡ３２）を送入原料に対し２．０質量％の割合で吹込んだ。このときの焼成条件と、得られた人工骨材の品質を、表１に実施例として示した。

一方、同一の混合原料造粒物を同一のロータリーキルンで、アルミナ粉末の吹付けなしで焼成した場合の焼成条件と得られた人工骨材の品質を、表１に比較例として示した。比較例と比べ、アルミナ粉末の吹込みを行った実施例においては、溶融温度ぎりぎりまで焼成温度を上昇させることが可能で、得られた人工骨材も減圧吸水率が低く、絶乾密度も高い、極めて良好な品質の骨材を得ることが出来た。

（表１）

本発明の人工骨材の製造方法は、石炭灰を主原料としロータリーキルンで焼成して人工骨材を製造するに際し、高品質の人工骨材を得る製造方法として、有効に活用できる。

Claims (4)

1. 石炭灰を主成分とする原料をロータリーキルンで焼成する人工骨材の製造方法において、該キルン送入原料中のＳｉＯ_２含有量を５０質量％以上とし、窯前側から被焼成物に向けアルミナ質物質を吹込み、減圧吸水率３．０％以下の人工骨材を得ることを特徴とする人工骨材の製造方法。
2. 前記アルミナ質物質の吹込み量が、Ａｌ_２Ｏ_３換算で送入原料に対し１質量％以上、かつ１０質量％未満であることを特徴とする請求項１に記載の人工骨材の製造方法。
3. キルン送入原料のＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３質量比が３．０以上、かつ３．５以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の人工骨材の製造方法。
4. 焼成温度が１２５０℃以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の人工骨材の製造方法。