JP2007277048A - 焼成物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】(A)産業廃棄物、一般廃棄物、建設発生土、底質およびヘドロから選ばれた1種以上からなる原料に、CaO源を加えて、水硬率が0.1〜1.0となるように調整して調合物を得る原料調合工程と、(B)ロータリーキルン3に付設されたプレヒータ2で、上記調合物を熱風中に拡散させて、工程(C)の焼成時に焼成物の品質を低下させる可能性のある未燃カーボン等の阻害物質を除去する阻害物質除去工程と、(C)阻害物質を除去した調合物を、ロータリーキルン3に供給し、焼成して焼成物を得る焼成工程とを含む。
【選択図】図1
Description
例えば、焼成時に、焼成速度が速すぎたり、あるいは造粒物の粒径が大きすぎたりした場合、造粒物は、先ず、その表面が溶融する。次いで、造粒物の内部で、未燃カーボン等の炭素含有物質が燃焼してガス(二酸化炭素、一酸化炭素)が発生したり、あるいは、硫黄等の還元性物質によって、三酸化二鉄(Fe2O3)が還元されてガス(酸素)が発生する。これらのガスが、造粒物の内部で発泡するとともに、表面が溶融している造粒物から抜け出せなくなり、結果として、中空状で密度が小さく、機械的強度の小さい焼成物が製造されるという問題があった。さらに、三酸化二鉄(Fe2O3)が還元されると、造粒物の内部の融点が下がり、発泡したガスが抜けにくくなるという問題もあった。
ここで、造粒物の燃焼を防ぐには、ロータリーキルン内の酸素分圧を適正に管理すればよい。しかし、ロータリーキルン内の適正な酸素分圧は、造粒物に含まれるカーボンの含有量によって定まるので、廃棄物等のように原料に含まれるカーボンの含有量が変動する場合には、ロータリーキルン内の酸素分圧を適正に管理することが困難であるという問題があった。
例えば、廃棄物等から比較的高い密度の人工骨材を得る方法として、石炭灰を主原料とし、これに必要に応じて粘結材及び添加材と水を加えて成形物とし、その後、ロータリーキルン等の手段を用いた焼成時に、該成形物の温度が1000℃に達するまでに該成形物中の炭素含有量を0.2%以下、好ましくは0.1%以下にすることによって、発泡を防ぐ方法が提案されている(特許文献1)。
しかし、上記の文献の方法のように、焼成時に、キルン内で、造粒物中の炭素含有量を0.2%以下、好ましくは0.1%以下とするためには、非常に長い燃焼時間が必要になるという問題があった。すなわち、キルン内では、キルンに送られてくる熱風や、キルン内壁からの伝熱、バーナの火炎からの輻射等によって、造粒物に伝熱している。この伝熱方法では、キルン内で層状に充填されている造粒物への伝熱が遅く、造粒物と酸素との接触率も小さいために、長い燃焼時間が必要になる。また、造粒物と酸素との接触率を大きくするためには、造粒物の充填層の厚さを薄くしたり、造粒物の粒径を揃える等の処理が必要となり、この場合、生産性が低くなるという問題もあった。
また、上記の文献の方法で得られた焼成物は、その絶乾密度が2.0g/cm3程度であり、砂や砂利のような天然骨材(例えば、砂と砂利のそれぞれの絶乾密度は約2.5g/cm3である。)と比較して、品質的に劣っていた。
そこで、本発明は、産業廃棄物、一般廃棄物、建設発生土、底質およびヘドロのような化学組成が一定ではない原料を用いた場合であっても、大きな密度及び機械的強度を有し、粒度等の性状が均一であり、人工骨材や埋め戻し材等の土工資材として好適に用いうる焼成物を、効率良く製造することのできる焼成物の製造方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、以下の[1]〜[8]を提供するものである。
[1] (A)産業廃棄物、一般廃棄物、建設発生土、底質およびヘドロから選ばれた1種以上からなる原料に、CaO源を加えて、水硬率が0.1〜1.0となるように調整し、調合物を得る原料調合工程と、(B)上記調合物から、下記工程(C)における調合物の焼成時に焼成物の品質を低下させる可能性のある阻害物質を除去する阻害物質除去工程と、(C)阻害物質が除去された上記調合物を、ロータリーキルンを備えた焼成装置の当該ロータリーキルン内に供給し、焼成して焼成物を得る焼成工程とを含むことを特徴とする焼成物の製造方法。
[2] 上記原料調合工程(A)において、上記水硬率の標準偏差が0.1以下となるように、調合物を調製する[1]の焼成物の製造方法。
[3] 上記原料調合工程(A)における調合物の平均粒径は、300μm以下である[1]または[2]の焼成物の製造方法。
[4] 上記阻害物質除去工程(B)において、上記調合物を熱風中に拡散させることによって、該調合物から上記阻害物質を除去する[1]〜[3]のいずれかに記載の焼成物の製造方法。
[5] 上記阻害物質除去工程(B)における上記阻害物質は、未燃カーボン、硫黄、炭酸カルシウム、および、上記未燃カーボンおよび炭酸カルシウム以外の炭素含有物質、から選ばれる1種以上である[1]〜[4]のいずれかに記載の焼成物の製造方法。
[6] 上記焼成工程(C)における焼成装置は、さらにプレヒータを備えたものであり、かつ、上記阻害物質除去工程(B)における上記阻害物質の除去は、該プレヒータで行なわれる[1]〜[5]のいずれかに記載の焼成物の製造方法。
[7] 上記焼成工程(C)における焼成物の絶乾密度は、2.0g/cm3以上である[1]〜[6]のいずれかに記載の焼成物の製造方法。
[8] 上記の[1]〜[7]のいずれかに記載の方法によって製造された焼成物からなることを特徴とする土工資材。
この焼成物は、近年枯渇が懸念されている天然砕石、海砂、川砂、山砂等の天然骨材の代替物として、コンクリート用の人工骨材や、埋め戻し材等の土工資材として、好適に使用することができる。
また、本発明の焼成物の製造方法によれば、既存のセメント製造設備を焼成装置として使用することができるので、新たな処理設備を増設する必要がなく、処理コスト等の面でも有利である。特に、焼成装置として、既存のプレヒータが付設されたロータリーキルンを用いた場合、このプレヒータによって、調合物から阻害物質(未燃カーボン等)を効率よく除去することができる。
本発明の焼成物の製造方法は、(A)産業廃棄物、一般廃棄物、建設発生土、底質およびヘドロから選ばれた1種以上からなる原料に、CaO源を加えて、水硬率が0.1〜1.0となるように調整し、調合物を得る原料調合工程と、(B)上記調合物から、後工程である工程(C)における調合物の焼成時に焼成物の品質を低下させる可能性のある阻害物質(例えば、未燃カーボン、硫黄、炭酸カルシウム等)を除去する阻害物質除去工程と、(C)阻害物質が除去された調合物を、ロータリーキルンを備えた焼成装置の当該ロータリーキルンに供給し、焼成して焼成物を得る焼成工程とを含むものである。
本発明の焼成物を製造するための原料は、産業廃棄物、一般廃棄物、建設発生土、底質およびヘドロから選ばれた1種以上からなる。
本発明で使用する産業廃棄物としては、例えば、生コンスラッジ、各種汚泥(例えば、建設汚泥、浄水汚泥、赤泥、製鉄汚泥等)、各種焼却灰(例えば、石炭灰、焼却主灰、焼却飛灰、溶融飛灰等)、建設廃材、コンクリート廃材、ボーリング廃土、鋳物砂、ロックウール、灰ガラス、高炉2次灰等が挙げられる。産業廃棄物としては、1種を単独で用いてもよいし、2種を併用してもよい。
本発明で使用する一般廃棄物としては、例えば、下水汚泥、下水汚泥乾燥粉、下水汚泥焼却灰、都市ゴミ焼却主灰、都市ゴミ焼却飛灰、貝殻等が挙げられる。一般廃棄物としては、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
本発明で使用する建設発生土としては、例えば、建設現場や工事現場の堀削やダムの浚渫工事等で発生する土壌、泥土、残土や、廃土壌等が挙げられ、また、これらの土壌に対してハンドリング性や輸送性を向上させるために消石灰等の改質材を添加してなる改質土も含まれる。建設発生土としては、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
本発明で使用する底質としては、例えば、河川、湖沼、海等の水域の底に溜まった表層土等の堆積物が挙げられる。
本発明で使用するヘドロとしては、例えば、河川、湖沼、海等の水域の底に沈殿した有害物質等が混ざった汚泥等が挙げられる。
原料の平均粒径は、特に限定されないが、調合物の調製作業を容易にする観点から、好ましくは3mm以下、より好ましくは2mm以下、さらに好ましくは1mm以下である。
なお、「原料の平均粒径」とは、原料を構成する粒体または粉体の積算頻度分布(質量基準の分布)の50%に相当するもの、すなわち、50%重量累積粒径をいう。
原料の平均粒径を小さくするには、各種の粉砕機によって原料を粉砕すればよい。この際、粉砕方式としては連続式かバッチ式かを問わないが、経済性および効率性の観点から連続式が推奨される。原料は、水分を含む場合には、粉砕前にロータリードライヤー等の乾燥機で乾燥することが好ましい。
原料の中には、強熱減量分(ig.loss)として数%から数10%程度の有機物(炭素含有物質)を含むものもある。本発明では、阻害物質除去工程(B)において、炭素含有物質が除去されるので、原料中の炭素含有物質の含有率に対する制限は、通常、設ける必要がない。
CaO源としては、例えば、炭酸カルシウム、消石灰、生石灰、セメント等が挙げられる。
(H.M:Hydraulic Modulus)」とは、次式(1)に示すように、調合物中の「SiO2 +Al2O3 +Fe2O3」の合計量(100質量%)に対する「CaO」の質量比(質量%)である。
水硬率
(H.M) = CaO/(SiO2+Al2O3+Fe2O3) (1)
調合物の水硬率が0.1未満の場合は、該調合物を焼成してなる焼成物として高密度のものが得られにくくなるとともに、原料中に含まれている硫黄や塩素がガス化しやすく、この排ガス処理に要する設備を付設する労力やコストが増大するという問題がある。また、調合物の水硬率が1.0を超えると、該調合物を焼成してなる焼成物中に水硬性物質が生じやすくなり、この焼成物を屋外に保管しておく場合に固結する等のトラブルが起こりやすくなるという問題がある。
なお、調合物の水硬率が本発明の範囲内であれば、排ガス処理に要する脱硫装置等の設備を付設する必要がないか、もしくは、設備を付設する場合であっても、処理設備の稼動時の運転負荷を軽減することができる。
「水硬率の標準偏差」は次のように算出する。まず、調合物を対象にして複数(n個)のサンプルを取り、これらのn個のサンプルの各々について、水硬率を算出する。次いで、これらの水硬率の合計をサンプル数(n個)で除して得られた水硬率の平均値を算出する。そして、「(各サンプルの水硬率−水硬率の平均値)の2乗」の合計を自由度(n−1)で除して得られる値の平方根を「水硬率の標準偏差」とする。なお、サンプル数(n)は、好ましくは20以上、より好ましくは30以上とする。
調合物の水硬率の標準偏差が0.1を超えると、調合物の軟化点が一定とならないため、調合物の軟化点等に応じて温度が管理されているロータリーキルンの安定運転を阻害するという問題が生じうる。
本発明においては、水硬率のばらつき(すなわち、「各サンプルの水硬率」−「水硬率の平均値」)の最大値が0.1以下となるように、調合物を調製することが特に好ましい。この場合、サンプルの数は、例えば、30である。
ここでの混合は、公知の混合機で行えばよく、連続式とバッチ式のいずれを用いてもよい。混合機の例としては、リボンミキサー、ナウターミキサー(登録商標、ホソカワミクロン社製)、ヘンシェルミキサー(登録商標、三井鉱山社製)等に代表される攪拌型混合機や、エアブレンダー等に代表される空気噴霧型混合機等が挙げられる。
また、ボールミル等によって粉砕しつつ混合する方法も、水硬率を本発明の範囲内に調整するために有効な方法である。
該平均粒径が300μmを超えると、阻害物質除去工程(B)における熱風中での調合物の拡散性が低くなり、未燃カーボン等の阻害物質を十分に除去することが困難になることがある。
調合物の平均粒径を300μm以下にするには、例えば、粉砕と分級のいずれか1つまたは両方を行なえばよい。
調合物の平均粒径の下限値は、特に限定されないが、好ましくは1μm以上、より好ましくは5μm以上である。該平均粒径が1μm未満では、熱風中での拡散性を向上させうるものの、粉砕に要する労力およびコストが増大することがある。
なお、「調合物の平均粒径」とは、調合物を構成する粒体の積算頻度分布(質量基準の分布)の50%に相当するもの、すなわち、50%重量累積粒径をいう。
工程(A)で得られた調合物から、後工程である工程(C)における調合物の焼成時に焼成物の品質を低下させる可能性のある阻害物質を除去する工程である。
ここで、阻害物質とは、発泡や、燃焼による高温発生の原因となる物質をいい、具体的には、二酸化炭素等のガスを発生させかつ燃焼を起こしうる可燃物質や、酸素ガスを発生させる還元性物質等をいう。
阻害物質の例としては、未燃カーボン、硫黄、炭酸カルシウム、および、他の炭素含有物質等が挙げられる。ここで、「他の炭素含有物質」の例としては、廃プラスチックの粉砕物等が挙げられる。
阻害物質は、ロータリーキルン内で造粒物を発泡または溶融させて、最終的に得られる焼成物の品質を低下させる品質阻害物質であるとともに、調合物の焼成時に、ロータリーキルンの安定した運転を阻害する安定運転阻害物質になることがある。
例えば、未燃カーボン、硫黄、および、他の炭素含有物質等の阻害物質は、焼成時に、調合物の燃焼の発生原因となり、燃焼によって調合物の温度が急上昇するので、材料の温度履歴の管理が難しくなり、ロータリーキルンの安定な運転を阻害する。
また、炭酸カルシウム等の阻害物質は、焼成時に吸熱反応し、調合物の温度の上昇を抑制するので、未燃カーボン等と同様に、材料の温度履歴の管理が難しくなり、ロータリーキルンの安定な運転を阻害する。
調合物を熱風中に拡散させることによって、調合物中の阻害物質を燃焼させて除去することができる。例えば、調合物中の炭素含有物質(具体的には、未燃カーボン、炭酸カルシウム、他の炭素含有物質)は、一酸化炭素や二酸化炭素のガスとなり、硫黄は、二酸化硫黄のガスとなって、共に除去される。また、炭酸カルシウムは、脱炭酸されて酸化カルシウムとなり、焼成物の原料となる。
調合物中の阻害物質の燃焼は、表面で起こる燃焼が支配的である。そのため、調合物を熱風中に拡散させることによって、調合物を構成する粒子の表面に十分に伝熱され、調合物に含まれる阻害物質を効率良く燃焼させて除去することができる。また、調合物を熱風中に拡散させることによって、調合物を構成する粒子と酸素の接触率も増大し、調合物を構成する粒子中に存在する気孔中にも酸素が供給されやすくなり、その結果、調合物中の阻害物質の燃焼が促進され、阻害物質が効率良く除去される。なお、炭酸カルシウムを脱炭酸するためには、調合物の温度を短時間で上昇させることが望ましい。
熱風の温度は、好ましくは400〜1100℃、より好ましくは600〜1000℃である。また、熱風の酸素濃度(体積基準)は、好ましくは1%以上、より好ましくは4%以上、特に好ましくは7%以上である。なお、熱風の酸素濃度の上限値は、通常、20%以下である。
調合物が熱風中に滞留する時間は、0.1秒以上、好ましくは1秒以上、より好ましくは2秒以上である。
図1に、本発明の製造方法で用いられる焼成装置の一例を示す。図1に示すように、焼成装置1は、プレヒータ2とロータリーキルン3を備えている。プレヒータ2は、縦方向に多段に配列された複数のサイクロン2a,2b,2c,2dからなり、このプレヒータ2が、ロータリーキルン3の窯尻側に接続されている。
図1中、調合物10(黒色矢印)は、プレヒータ2の上部から供給され、最上段のサイクロン2aから順次下段のサイクロン2b,2cを加熱されながら下降して、仮焼炉4に導かれる。その後、調合物10は、仮焼炉バーナ5で加熱され、最下段のサイクロン2dを加熱されながら下降した後、原料入口側フード6を経由してロータリーキルン3に供給される。
図1中、符号11(白色矢印)は、ロータリーキルン3内で生じた排ガス(熱風)を示す。排ガス(熱風)11は、プレヒータ2の最下段のサイクロン2dから順次上段のサイクロン2c,2b,2aを上昇した後、管路7を経て排出される。
プレヒータ2の上部から供給された調合物10(黒色矢印)は、プレヒータ2内で、上昇する排ガス11(白色矢印)と対向し、熱風中で拡散しながら下降していくので、当該調合物10の表面には、十分に熱が供給される。また、調合物10と酸素の接触率も増大するので、短時間で効率的に、調合物中の阻害物質を燃焼させて除去することができる。
このように、既存のセメント製造設備である、プレヒータを付設したロータリーキルンを焼成装置として利用することによって、阻害物質の除去に十分な滞留時間を確保しつつ、プレヒータで効率的に調合物中の阻害物質を除去することができる。
工程(B)で阻害物質が除去された調合物を、ロータリーキルンを備えた焼成装置に供給し、焼成して焼成物を得る工程である。
調合物は、例えば、図1に示すように、ロータリーキルン3の窯尻側に接続されたプレヒータ2の上部に設けられた原料投入口を通じて、ロータリーキルン3内に供給される。
なお、調合物中の阻害物質を除去する工程を、ロータリーキルンに付設されたプレヒータで行わない場合、阻害物質を除去済みの調合物は、ロータリーキルンの窯尻側に設けられた投入口から供給してもよい。この場合、焼成装置は、プレヒータを備えず、少なくともロータリーキルンを備えたものであればよい。
ロータリーキルン3内に供給された調合物は、加熱されつつ、調合物中の液相を増していくとともに、ロータリーキルンの転動によって、調合物を構成している粒子同士が接触して、SiO2−Al2O3−CaOの結合反応が進み、ムライト、アノーサイト、ゲーレナイト等の鉱物化が行われる。このように調合物は、ロータリーキルン内で造粒しながら焼成されることによって、粒状の焼成物となる。この焼成物は、大きな機械的強度(一軸圧縮強度等)を発現する。
なお、焼成物は、ロータリーキルン3のバーナ(図示せず)が配設された原料出口側(窯前側)から排出されて、冷却用空気が流通するクーラー(図示せず)内で冷却された後、回収される。
絶乾密度は、好ましくは2.0g/cm3以上、より好ましくは2.2g/cm3以上、さらに好ましくは2.4g/cm3以上、特に好ましくは2.5g/cm3以上である。
吸水率は、好ましくは10%以下、より好ましくは5%以下、特に好ましくは3%以下である。
一軸圧縮強度は、好ましくは20MN/m2以上、より好ましくは25MN/m2以上、より好ましくは30MN/m2以上である。
すりへり減量は、好ましくは40%以下、より好ましくは35%以下、特に好ましくは25%以下である。ここで、すりへり減量とは、JIS A 1121 「ロサンゼルス試験機による粗骨材のすりへり試験方法」に準拠して測定した値をいう。
また、調合物は、阻害物質が除去されているので、焼成時に燃焼や吸熱反応を起こすことがなく、材料の温度履歴や炉内の酸素分圧の管理がしやすく、ロータリーキルンの安定運転が可能となる。また、材料の温度履歴の管理がしやすいので、調合物中の液相量がロータリーキルンの転動を妨げない上限量となるまで、ロータリーキルンの温度を上げることができ、ロータリーキルンを効率的に運転することができる。
原料となる石炭灰、建設発生土、底質およびヘドロの化学成分の組成例を表1に示す。
なお、実施例では、このうちの建設発生土を使用している。他の原料の組成例は参考のため記載する。
1.工程(A):原料調合工程
石灰石と、原料である建設発生土(表1参照)を、それぞれロータリードライヤーで乾燥し、次いでボールミルで粉砕した。その後、得られた粉砕物に対して、水硬率を調整するために石炭灰微粉を添加し、水硬率が0.85で、そのばらつきの最大値(ただし、サンプル数は30とした。)が0.1以下になるように調整して、調合物を得た。該調合物は、炭素量が3質量%であり、平均粒径が55μmであった。
2.工程(B):阻害物質除去工程
工程(A)で得られた調合物を、ロータリーキルンの窯尻側に接続されたプレヒータに投入し、プレヒータ内で、調合物を熱風中に拡散させて、調合物から阻害物質を除去した。プレヒータ内の熱風温度は、400〜1000℃であり、熱風の酸素濃度は10%であった。また、調合物がプレヒータ内で滞留していた時間は、3秒間程度であった。
プレヒータから排出された調合物中の炭素量は0質量%であり、調合物の強熱減量分(ig.loss)は0.5%であったので、調合物から、未燃カーボン等の阻害物質が除去されていることが確認できた。
3.工程(C):焼成工程
工程(B)で阻害物質を除去した調合物を、原料送入量を90トン/時間として、ロータリーキルンに供給した。この調合物を、滞留時間が30分となるようにロータリーキルン内を通過させて焼成し、粒状の焼成物を得た。ロータリーキルンは、窯の内径が3.8m、窯の長さが80m、平均入口温度が800℃、炉内の平均最高温度が1250℃であった。得られた焼成物の性状を表2に示す。
実施例1の「1.工程(A):原料調整工程」と同様にして、調合物を得た。該調合物は、炭素量が3質量%であり、平均粒径が55μmであった。
次に、実施例1の「2.工程(B):阻害物質除去工程」を行うことなく、「3.工程(C):焼成工程」を行った。
工程(C)においては、工程(A)で得た調合物を、原料送入量を20トン/時間として、ロータリーキルンに供給した。この調合物を、滞留時間が30分となるようにロータリーキルン内を通過させて焼成し、焼成物を得た。ロータリーキルンは、窯の内径が3.8m、窯の長さ55mが、平均入口温度が450℃、炉内の平均最高温度が1250℃であった。
2 プレヒータ
2a,2b,2c,2d サイクロン
3 ロータリーキルン
4 仮焼炉
5 仮焼炉バーナ
6 原料入口側フード
7 管路
10 調合物
11 排ガス(熱風)
Claims (8)
- (A)産業廃棄物、一般廃棄物、建設発生土、底質およびヘドロから選ばれた1種以上からなる原料に、CaO源を加えて、水硬率が0.1〜1.0となるように調整し、調合物を得る原料調合工程と、
(B)上記調合物から、下記工程(C)における調合物の焼成時に焼成物の品質を低下させる可能性のある阻害物質を除去する阻害物質除去工程と、
(C)阻害物質が除去された上記調合物を、ロータリーキルンを備えた焼成装置の当該ロータリーキルン内に供給し、焼成して焼成物を得る焼成工程と
を含むことを特徴とする焼成物の製造方法。 - 上記原料調合工程(A)において、上記水硬率の標準偏差が0.1以下となるように、調合物を調製する請求項1記載の焼成物の製造方法。
- 上記原料調合工程(A)における調合物の平均粒径は、300μm以下である請求項1または2記載の焼成物の製造方法。
- 上記阻害物質除去工程(B)において、上記調合物を熱風中に拡散させることによって、該調合物から上記阻害物質を除去する請求項1〜3のいずれか1項に記載の焼成物の製造方法。
- 上記阻害物質除去工程(B)における上記阻害物質は、未燃カーボン、硫黄、炭酸カルシウム、および、上記未燃カーボンおよび炭酸カルシウム以外の炭素含有物質、から選ばれる1種以上である請求項1〜4のいずれか1項に記載の焼成物の製造方法。
- 上記焼成工程(C)における焼成装置は、さらにプレヒータを備えたものであり、かつ、上記阻害物質除去工程(B)における上記阻害物質の除去は、該プレヒータで行なわれる請求項1〜5のいずれか1項に記載の焼成物の製造方法。
- 上記焼成工程(C)で得られる焼成物の絶乾密度は、2.0g/cm3以上である請求項1〜6のいずれか1項に記載の焼成物の製造方法。
- 上記の請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法によって製造された焼成物からなることを特徴とする土工資材。
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