JP2007269539A - 人工骨材の製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度及び低吸水率で高品質の人工骨材を安定して製造することが可能な方法及び装置を提供する。
【解決手段】石炭灰に含まれる磁鉄鉱を除去し、磁鉄鉱が除去された石炭灰を含む原料に、結合材及び／又は粘結材を加えて成形物とし、成形物を焼成する。磁鉄鉱を除去することで、融点の降下、及び外核の形成を抑制し、未燃カーボンの燃焼、及びガスの揮発化を容易とし、発泡、骨材歪みなどが発生しない、所望の品質を備えた人工骨材を得ることができる。焼成された人工骨材の絶乾密度が１．５０ｇ／ｃｍ³以上、２．００ｇ／ｃｍ³以下、２４時間吸水率が０．１質量％以上、６質量％以下、圧かい荷重が、粒径５ｍｍ以上、１０ｍｍ未満の焼成物で０．５ｋＮ以上、又は、粒径１０ｍｍ以上、１５ｍｍ未満の焼成物で１．０ｋＮ以上の人工骨材を得ることができる。

Description

本発明は、人工骨材の製造方法及び装置に関し、特に、骨材の品質向上に寄与する高品質の人工骨材を製造する方法及び装置に関する。

近年の電力需要の増大に伴い、石炭焚き火力発電所より排出される石炭灰の量は年々増加する傾向にある。また、天然骨材の枯渇問題を背景として、石炭灰を主原料とした人工骨材については数多くの研究がなされ、種々の特徴を有する人工骨材が市場に出回っている。これらの人工骨材の品質（絶乾密度、吸水率、圧かい強度等）は、使用する原料や製法によって様々であり、その特性に応じて、土木・建築分野において様々に活用されている。

例えば、特許文献１には、石炭灰を主原料とし、造粒した原料をロータリーキルンで焼成して人工骨材を製造するにあたり、ロータリーキルンの窯尻から１つ又は複数のガス吹出し孔を備えたノズルを挿入し、酸素濃度が１０％以上のガスを該ノズルから半径方向かつ被焼成物の存在方向に向けて吹き込むことにより、未燃カーボンの高い石炭灰を主原料とした場合でも、仮焼領域で石炭灰中の未燃カーボンを十分に低減することができ、装置的にも高温雰囲気で長期間連続操業可能な人工骨材の製造方法が記載されている。

また、特許文献２には、未燃カーボンを多く含有する難焼成の石炭灰から、高強度かつ低吸水率の人工骨材を効率的に焼成するため、石炭灰を主成分とする粉粒体に水硬性材料を加えて成形物とした後、９００℃以上、１１００℃以下で仮焼し、成形物中のカーボンの量を１．０質量％以下とし、仮焼物を融着温度近傍にて本焼成することにより、絶乾密度が１．５０ｇ／ｃｍ³以上、２．１０ｇ／ｃｍ³以下で、２４時間吸水率が０．１質量％以上、６質量％以下で、圧かい荷重が、粒径５ｍｍ以上、１０ｍｍ未満の焼成物で０．５ｋＮ以上、又は、粒径１０ｍｍ以上、１５ｍｍ未満の焼成物で１．０ｋＮ以上の人工骨材を得る方法が記載されている。
特開２００５−２３９５０７号公報 特開２００５−２１９９７４号公報

ところで、上記人工骨材を製造する上で共通してかかえる問題として、炭種やボイラー形式・構造等によって発生する石炭灰の性状が随時異なるため、扱い難いという問題や、石炭灰に含まれる未燃カーボンや、主成分であるＳｉＯ₂の鉱物性状の差異により、天然砕石代替と同等の品質レベルを確保し難いという問題があった。これは、人工骨材の生成鉱物や、圧かい荷重や吸水率によるところが大きく、種々の改善策が検討・試行されているものの、有効性の高い解決策を見出せていないのが現状である。

さらに、石炭灰中が含有する酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｆｅ₃Ｏ₄）の形態により、内部に未燃カーボン・フラックス分が豊富に存在すると、融点降下を助長し、焼結・溶融化時にペレット内部にて反応が促進され、内部発泡・爆発等を引き起こし、骨材の品質を安定させることが困難であるという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来の人工骨材の焼成方法等における問題点に鑑みてなされたものであって、高強度及び低吸水率で高品質の人工骨材を安定して製造することが可能な方法及び装置を提供することを目的とする。

上記問題の解決に向けて鋭意研究した結果、石炭灰中に含有される酸化鉄の形態に着目した。石炭灰中に含まれる酸化鉄の形態は大きく２つに大別することができ、赤鉄鋼と磁鉄鉱に分類できる。この内、磁鉄鉱が存在すると、成型物が焼結したり、成型体の表面が硬化した場合、キルン内に燃焼に必要な酸素が存在しても、成型物の外核が強固であるため、必要な酸素を酸化鉄から供給することになる。この時、フラックス分として存在する酸化鉄が融点降下材として作用し、内部で発泡し、骨材に歪みを生じさせるように作用する。

しかし、磁鉄鉱を除去することで、融点の降下、及び外核の形成を抑制し、未燃カーボンの燃焼、及びガスの揮発化を容易とし、発泡や、骨材の歪みなどが一切発生しない、所望の品質を備えた人工骨材を得ることが可能となることを見出し、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明は、人工骨材の製造方法であて、石炭灰に含まれる磁鉄鉱を除去し、該磁鉄鉱が除去された石炭灰を含む原料に、結合材及び／又は粘結材を加えて成形物とし、該成形物を焼成することを特徴とする。

そして、上記方法によって、２４時間吸水率が０．１質量％以上、６質量％以下、圧かい荷重が、粒径５ｍｍ以上、１０ｍｍ未満の焼成物で０．５ｋＮ以上、又は、粒径１０ｍｍ以上、１５ｍｍ未満の焼成物で１．０ｋＮ以上の人工骨材を得ることができる。

また、本発明は、人工骨材の製造装置であって、石炭灰に含まれる磁鉄鉱を除去する除去手段と、該磁鉄鉱が除去された石炭灰を含む原料に、結合材及び／又は粘結剤を加えて成形物を成形する成形手段と、該成形物を焼成する焼成手段とを備えることを特徴とする。ここで、前記除去手段として磁選機を、成形手段としてパンペレタイザーを、焼成手段としてロータリーキルンを用いることができる。

以上説明したように、本発明にかかる人工骨材の製造方法及び装置によれば、高強度及び低吸水率で高品質の人工骨材を安定して製造することが可能となる。

本発明にかかる人工骨材の製造方法は、上述のように、石炭灰に含まれる磁鉄鉱を除去し、該磁鉄鉱が除去された石炭灰を含む原料に、結合材及び／又は粘結材を加えて成形物とし、該成形物を焼成することを特徴とする。

本発明において主原料として用いる石炭灰は、内部に発泡組成分を多量に含有する集合体と言える。石炭焚き火力発電所等におけるＮＯｘ対策等によって、石炭灰中の未燃カーボンが増加する傾向にあり、微量成分、ＳｉＯ₂の性状、ガラス分等の種々の要因が混在する中で、高品位の人工骨材を安定かつ大量生産することは容易ではない。

焼成物の軽量化は、（１）焼成物の焼結（絶乾密度の上昇）→（２）焼成物表面の液相の形成→（３）ガス（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ他）の発生→（４）軽量化（絶乾密度の低下）という流れで行われるものであり、上記（２）及び（３）の発泡過程、すなわち液相形成とガス発生の焼成温度域が重なるほど軽量化が促進されると考えられる。

本発明によれば、石炭灰が含有する磁鉄鉱を除去することにより、焼結性を意図的に抑制することが可能となる。そのため、ロータリーキルン内の充填率を高めても融点の降下が見られず、仮焼領域で効果的に未燃カーボンの燃焼・ガスの揮発化が行われ、高温領域での鉱物生成時において骨材中に気泡が発生したり、爆裂等が発生することを回避することができる。

石炭灰が含有する磁鉄鉱の除去は、要求される焼成骨材の特性によっても異なるが、磁選機等により除去することができるものはすべて除去することが好ましい。

上記石炭灰に、結合材又は／及び粘結材を加えて成型する。ここで、結合材又は／及び粘結材には、各種セメント類、ベントナイト、カオリン鉱物、珪酸ナトリウム等が挙げられる。

また、結合材又は／及び粘結材を加え、必要に応じて成分調整材を添加する。この成分調整材は、石炭灰の成分によって特に高温焼成を必要とするものや、急激に軟化しやすいなどの特異な場合においてのみ添加すればよく、ＳｉＯ₂源としては、ケイ石、粘土、カオリンが挙げられる。Ａｌ₂Ｏ₃源としては、アルミナ、水酸化アルミニウム、ＣａＯ源としては、炭酸カルシウム、セメント、石膏が挙げられる。

また、本発明は、石炭灰を主原料とするが、近年のリサイクル資源有効利用の観点から、下水汚泥、各種焼却灰、廃ガラス等を合わせて原料として用いることもできる。

石炭火力発電所等より排出された石炭灰（表１の原料）に対し、磁選機により磁鉄鉱を除去したものを主成分とし、成形助剤としてセメントを、成分調整としてケイ石を混合し（表１の実施例１）、この混合粉末をパンペレタイザーにより粒径５〜１５ｍｍの球状ペレットに造粒し、ロータリーキルン（φ１．５ｍ×２０ｍＬ）により焼成し、表２の実施例１に示す品質を有する人工骨材を得た。

一方、石炭灰に除鉄を施さないものを主成分とし（表１の比較例１）、上記と同様の要領で焼成を行って表２の比較例１に示す品質を有する骨材を得た。併せて、前記比較例１と同様の化学成分を有する原料（表１の比較例１）を用い、上記実施例１と同様の原料送入量にて焼成を実施して表２の比較例２に示す品質を有する骨材を得た。

表２より明らかなように、主成分となる石炭灰に除鉄を施して磁鉄鉱を除去することで、従来の石炭灰の原粉をそのまま使用した場合と比較して、絶乾密度が大きく、吸水率の低い優れた骨材品質を有し、かつ生産能力も併せて向上させることができ、石炭灰の性状が変動しても高品位の人工骨材を得ることも可能となった。

以上のように、本発明によれば、石炭灰から磁鉄鉱を除去することで、仮焼領域での焼結性を抑制し、未燃カーボンの燃焼・ガスの揮発が効果的に作用し、高温度領域において鉱物生成が容易となり、骨材物性の向上に寄与することを特徴とした高強度及び低吸水率の人工骨材を提供することが可能となる。

Claims (6)

1. 石炭灰に含まれる磁鉄鉱を除去し、
   該磁鉄鉱が除去された石炭灰を含む原料に、結合材及び／又は粘結材を加えて成形物とし、
   該成形物を焼成することを特徴とする人工骨材の製造方法。
2. 前記焼成された人工骨材の絶乾密度が１．５０ｇ／ｃｍ³以上、２．００ｇ／ｃｍ³以下、２４時間吸水率が０．１質量％以上、６質量％以下、圧かい荷重が、粒径５ｍｍ以上、１０ｍｍ未満の焼成物で０．５ｋＮ以上、又は、粒径１０ｍｍ以上、１５ｍｍ未満の焼成物で１．０ｋＮ以上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. 石炭灰に含まれる磁鉄鉱を除去する除去手段と、
   該磁鉄鉱が除去された石炭灰を含む原料に、結合材及び／又は粘結剤を加えて成形物を成形する成形手段と、
   該成形物を焼成する焼成手段とを備えることを特徴とする人工骨材の製造装置。
4. 前記除去手段は、磁選機であることを特徴とする請求項３に記載の人工骨材の製造装置。
5. 前記成形手段は、パンペレタイザーであることを特徴とする請求項３に記載の人工骨材の製造装置。
6. 前記焼成手段は、ロータリーキルンであることを特徴とする請求項３に記載の人工骨材の製造装置。