JP2008126117A - 工業用の改質フライアッシュとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】処理する原料フライアッシュの含有未燃カーボンを燃焼除去し１％以下の極小量に低減させ、粒度分布を必要な最適微細粒度領域に安定維持させて、その全てをJIS１種灰、JIS2種灰、JIS４種灰の一種又は二種以上にして回収し、処理中の廃棄物を皆無にし、コンクリート用材料やプラスチック充填材等に適用することを可能ならしめる。
【解決手段】未燃カーボン含有率が3.90〜7.70重量％で平均粒径が18.40〜20.80ミクロンｍ の原料フライアッシュを攪拌流動搬送しながら未燃カーボンの自燃温度まで加熱し続いて空気冷却により600〜900℃の温度を保持して自燃焼成し、次いで前記攪拌のまま或いは高速攪拌して200℃以下に間接急冷し、そのまま回収するか或いは旋回螺旋流により風砕分級や単なる分級処理して回収することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法とそれで得た改質フライアッシュ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、火力発電施設等から発生するフライアッシュをJIS規格相当の高品質なフライアッシュに改質する製造方法とそれで得た改質フライアッシュに関するものである。併せてその特筆効果として改質フライアッシュをコンクリート材料等に利用した効果を紹介するものである。

石炭火力発電所では、燃料となる石炭塊を粉砕機により平均粒径で15〜40ミクロンｍ 程度まで微粉砕し、ボイラの入口で空気と混合しボイラの燃焼室内で燃焼する。この石炭にはカーボン分の他、灰分が5〜30％程度含まれており、この灰分が燃焼されずに石炭灰として残存しボイラから排出される。排出される石炭灰の成分は、二酸化珪素40〜60％、酸化アルミ（酸化アルミナ）20〜30％の他、酸化カルシウム5〜10％、酸化鉄3〜8％、未燃焼カーボン（以下未燃カーボンと言う）2〜10％などである。排出されたフライアッシュは回収される場所により、クリンカアッシュ、シンダアッシュ、フライアッシュに分類され、その成分も微妙に異なる。
フライアッシュは、発生する石炭灰全体の70〜80％程度を占め、一般に電気集塵器で回収される石炭灰であり、平均粒径10〜30ミクロンｍ の球形の粒子または球形の粒子が互いに凝集した状態で回収される。このフライアッシュの粒子には多くの未燃カーボンが含有または付着あるいは単独で混在する。

上記フライアッシュは、一部限られた条件で有効活用はあるものの、その他は未燃カーボン量が多い等その品質的な問題で産業廃棄物として埋め立て廃棄処理されてきた。しかしながら、大量に発生するフライアッシュを埋め立て廃棄処理するには、廃棄する場所の問題、費用の問題がある。
一方有効活用としては、セメントの粘土代替素材がある。そのほかに，フライアッシュセメントやコンクリート用混和材料として利用されている。これは未燃カーボンが少なく粒度が微細なフライアッシュに限り、セメントと混合される生コンクリートの混和材として利用するものであるが、原料石炭の産出地の多様化及びボイラでの燃焼条件変動が起因して、未燃カーボン含有量が多く且つ粒度分布と粒子形状、色彩のバラつきが大きく安定してないのが現状である。特に未燃カーボンが多いとAE剤吸着による空気連行性の阻害とスランプロスの増大等の問題により、コンクリート性状の改善に直接貢献することが困難である。

このため未燃カーボンの含有量を許容範囲にまで低減させ且つ細粒度分布を微細に均一に安定して得る方法を開発することが、コンクリート素材の他にも新たな素材として活用するためには不可欠な条件となる。
この未燃カーボンの含有量を低減する方法については、今まで静電分級、浮遊選鉱、篩い分級、湿式分級、破砕分級自燃還元法、振動分級、ジェットミル分級などの方式が試されてきたが、それぞれ一長一短であり、実用に供するには問題が多い。
例えば、その中で、静電分級は、2種類以上の粒子が混合されている粉体を帯電させ，電界の力を利用して，異なる粒子を種類別に選別する方法を利用して未燃カーボンの除去を行うが、強熱減量を1〜2%程度に低減できる反面、フライアッシュの回収率は70%程度である。
また、浮遊選鉱は、スラリー化した原料フライアッシュを入れた容器に界面活性剤を添加し，空気を吹き込みながら攪拌することで，容器上部より泡およびこれに付着した未燃カーボンを多く含む灰を除去する方法であるが、強熱減量の値は2〜4%程度に減少する程度である。
破砕分級自燃還元法は、強熱減量が3〜6%の原料フライアッシュを改良型気流粉砕装置で処理して，強熱減量の低い一次処理灰と未燃カーボン凝集灰に分級し，未燃カーボン凝集灰を未燃カーボンが自燃する温度条件のもとで燃焼除去し，一次処理灰と混合して低未燃カーボン灰を製造するが、強熱減量を1〜2%程度に低減することが可能である。
最近では、原料フライアッシュの粒子同士を衝突粉砕後分級するジェットミル（微粉砕機）が注目されているが、構造が複雑で保守に手間がかかることや大量生産には不向き等のため、実用化には多くの課題がある。

そこで本発明は、処理する原料フライアッシュの粒度分布、未燃カーボン量、含有成分の少なくともFe₂O₃+CaO+Al₂O₃を特定範囲にし、その原料フライアッシュの全てに対して、固着を防止して(1)フライアッシュ自体を造粒及び破砕することなくしかも球状化させながらその含有未燃カーボンを燃焼除去し1%以下の極小量に低減させると共に、粒度分布を原料フライアッシュの未燃カーボン分を除く実質粒度分布以上にしてJIS2種相当以上の特性を有する工業用の改質フライアッシュにして回収し、 (2)更に上記改質フライアッシュを廃棄物発生無く微細球状に破砕して粒度分布を原料フライアッシュの粒度分布より微細で必要な最適微細粒度領域に安定維持させて、その全てをJIS１種灰、JIS2種灰、JIS４種灰として分級処理し、JIS2種灰とJIS４種灰を単独あるいは混合してコンクリート用材料等に適用し、JIS１種灰をプラスチック充填材等に適用することを可能ならしめる改質フライアッシュとその製造方法を提供するものである。

而して、本発明の特徴とするところは図１の基本概念フロー図に示す如く次の通りである。
(1)、未燃カーボン含有率が3.90〜7.70重量%で平均粒径が18.40〜20.80ミクロンｍ の原料フライアッシュを攪拌流動搬送しながら未燃カーボンの自燃温度まで加熱し続いて加熱温度を600〜950℃の温度範囲内に保持して自燃焼成し、次いで間接冷却して200℃以下にして改質フライアッシュを回収することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法。
(2)、未燃カーボン含有率が3.90〜7.70重量%で平均粒径が18.40〜20.80ミクロンｍ の原料フライアッシュを攪拌流動搬送しながら未燃カーボンの自燃温度まで加熱し続いて加熱温度を600〜950℃の温度範囲内に保持して自燃焼成し、次いで間接冷却して200℃以下にすると共に強制攪拌して改質フライアッシュを回収することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法。
(3)、回収した改質フライアッシュを分級することを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の改質フライアッシュの製造方法。
(4)、未燃カーボン含有率が3.90〜7.70重量%で平均粒径が18.40〜20.80ミクロンｍ の原料フライアッシュを攪拌流動搬送しながら未燃カーボンの自燃温度まで加熱し続いて加熱温度を600〜950℃の温度範囲内に保持して自燃焼成し、次いで200℃以下に間接高速冷却した後、旋回螺旋流により風砕分級処理して改質フライアッシュを回収することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法。
(5)、未燃カーボンの含有率が3.90〜7.70重量%、含有成分の少なくともFe₂O₃+CaO+Al₂O₃の含有率が40重量%以下で平均粒径が18.40〜20.80ミクロンｍ の原料フライアッシュを攪拌流動搬送しながら未燃カーボンの自燃温度まで加熱し、続いて前記Fe₂O₃+CaO+Al₂O₃の含有率に応じて加熱時間と加熱温度を600〜950℃の温度範囲内に調節して固着を防止し、次いで200℃以下に間接冷却して改質フライアッシュを回収することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法。
(6)、未燃カーボン含有率が3.90〜7.70重量%、含有成分の少なくともFe₂O₃+CaO+Al₂O₃の含有率が40重量%以下で平均粒径が18.40〜20.80ミクロンｍ の原料フライアッシュを攪拌流動搬送しながら未燃カーボンの自燃温度まで加熱し続いて前記Fe₂O₃+CaO+Al₂O₃の含有率に応じて加熱時間と加熱温度を600〜950℃の温度範囲内に調節して固着を防止し、次いで間接冷却して200℃以下にすると共に強制攪拌して改質フライアッシュを回収することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法。
(7)、回収した改質フライアッシュを分級することを特徴とする上記(5)又は(6)に記載の改質フライアッシュの製造方法。
(8)、未燃カーボン含有率が3.90〜7.70重量%、含有成分の少なくともFe₂O₃+CaO+Al₂O₃の含有率が40重量%以下で平均粒径が18.40〜20.80ミクロンｍ の原料フライアッシュを攪拌流動搬送しながら未燃カーボンの自燃温度まで加熱して固着を防止し、続いて前記Fe₂O₃+CaO+Al₂O₃の含有率に応じて加熱時間と加熱温度を600〜950℃の温度範囲内に調節して固着を防止し、次いで200℃以下に間接高速冷却した後、旋回螺旋流により風砕分級処理して着色を防止し改質フライアッシュを回収することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法。

(9-1)、＜JIS４種灰相当品＞前記(4),(8)の製造方法により一部が得られる改質フライアッシュ。
二酸化珪素（重量％）：45.0以上
Fe₂O₃（重量％）：9.0以下
CaO（重量％）：4.0以下
Al₂O₃（重量％）：24.0以下
Fe₂O₃+CaO+Al₂O₃（重量％）：40.0以下
湿分（％）：1.0以上
45ミクロンｍ ふるい残分（重量％）： 70 以下
密度（g/cm³）:1.95以上
ブレーン比表面積（cm²/g）:1500以上
フロー値比（％）：75以上
活性度指数：材齢28日：60以上、材齢91日：70以上
のフライアッシュにおいて、
未燃カーボン含有率（強熱減量）：0.10〜1.0％、
平均粒径（ミクロンｍ ）：2.0〜40.0
形状：未燃カーボンを除き球状で短軸／長軸が1:1〜0.7の略球状、
比表面積（cm²/cm³）：2000≦
であることを特徴とする工業用の改質フライアッシュ。
(9-2)、＜JIS2種灰相当品＞前記(1),(2),(3),(5),(6),(7)の製造方法により全量が得られ、前記(4),(8)の製造方法により一部が得られる改質フライアッシュ。
二酸化珪素（重量％）：45.0以上
Fe₂O₃（重量％）：9.0以下
CaO（重量％）：4.0以下
Al₂O₃（重量％）：24.0以下
Fe₂O₃+CaO+Al₂O₃（重量％）：40.0以下
湿分（％）：1.0以上
45ミクロンｍ ふるい残分（重量％）：40 以下
密度（g/cm³）:1.95以上
ブレーン比表面積（cm²/g）:2500以上
フロー値比（％）：95以上
活性度指数：材齢28日：80以上、材齢91日：90以上
のフライアッシュにおいて、
未燃カーボン含有率（強熱減量）：0.10〜1.0％、
平均粒径（ミクロンｍ ）：2.0〜40.0
形状：未燃カーボンを除き球状で短軸／長軸が1:１〜0.7の略球状、
比表面積（cm²/cm³）：2000≦
であることを特徴とする工業用の改質フライアッシュ。

(9-3)、＜JIS１種灰相当品＞前記(4),(8)の製造方法により一部が得られる改質フライアッシュ。
二酸化珪素（重量％）：45.0以上
Fe₂O₃（重量％）：9.0以下
CaO（重量％）：4.0以下
Al₂O₃（重量％）：24.0以下
Fe₂O₃+CaO+Al₂O₃（重量％）：40.0以下
湿分（％）：1.0以上
45ミクロンｍ ふるい残分（重量％）：10以下
密度（g/cm³）:1.95以上
ブレーン比表面積（cm²/g）: 5000以上
フロー値比（％）：105以上
活性度指数：材齢28日： 90以上、材齢91日：100以上
のフライアッシュにおいて、
未燃カーボン含有率（強熱減量）：0.10〜1.0％、
平均粒径（ミクロンｍ ）：2.0〜40.0
形状：未燃カーボンを除き球状で短軸／長軸が1:１〜0.7の略球状、
比表面積（cm²/cm³）：2000≦
であることを特徴とする工業用の改質フライアッシュ。

本発明は、未燃カーボン含有率：3.90〜7.70重量％、含有成分の少なくともFe₂O₃＋CaO+Al₂O₃：40％以下、平均粒径：18.40〜21.80ミクロンｍ の原料フライアッシュを上記方法の構成によって、製造中固着が無く、廃棄物なく全量改質処理して、結果的に未燃カーボン含有量が1%以下の極めて少なくJIS規格に定められているフライアッシュの４種、2種、１種の規定を満たし且つ優れた新規な特性を示す前記 (13-1)〜(13-3)の工業用改質フライアッシュを確実に得ることができるものである。
また本発明方法は、連続処理のため設備の小型化と製造コストの大幅低減を有利に可能にする。
そこで、一般公知のフライアッシュ効果より格段に優れた特質と効果を呈する上記改質フライアッシュは，コンクリート用混和材，建設材料，船舶の艤装材料あるいはフィラー、プラスチックの充填材等として広く有利に利用することができる。
例えば，コンクリート用材料として前記(13-1)のフライアッシュを使用した場合，セメント代替の混入率が10重量％程度であれば，該改質フライアッシュを使用していないコンクリート（基準コンクリート）と同一配合であっても，その流動性，空気連行性，強度発現性能が基準コンクリートと略同一又はそれ以上のコンクリートを製造することができる。
また，前記(13-2)の改質フライアッシュを，コンクリート用材料の細骨材代替として使用した場合、混入率が60kg/m³程度であれば，該改質フライアッシュを使用していないコンクリート（基準コンクリート）と同一の配合であっても、その流動性，空気連行性、強度発現性能が基準コンクリートと略同一又はそれ以上のコンクリートを製造することができる。
さらに，上記(13-3)の改質フライアッシュは，粒子径が非常に小さい微細粒であり，また略球形粒子であるため，プラスチックの充填材などに利用できる。

次に図１に示す本発明の基本概念製造フローを実施する最適な設備例及び方法の各構成を最良とする技術的意義（作用効果）及び文言等の定義等について以下に詳細に説明する。

＜方法を実施する最適な設備例＞
而して、本発明において、前記製造方法（2-1）を実施する好ましい設備例は、本発明者等が発明し先に出願した特願2005-184138「フライアッシュ処理装置」が最適である。
この設備の概略は、図２に示しその主要構成とそれによる製造方法的意義は以下の通りである。
図１において、フライアッシュ処理設備は、回転軸を後方に下がり傾斜させた回転ドラム110の始端部から原料のフライアッシュを装入しこれを攪拌しながら昇温自燃ゾーン101、加熱ゾーン102、間接冷却・攪拌ゾーン103に順次流動搬送し終端部から連続的に取り出すことのできるロータリーキルン100と、前記ロータリーキルンの昇温自燃ゾーン101に配置した排気経路付の外熱式加熱手段200と加熱ゾーン102に配置した空気吹込燃焼手段300を有する焼成装置400と、間接冷却・攪拌ゾーン103に配置した間接冷却装置（外冷式水冷手段）500と、間接冷却装置500からの改質フライアッシュを導入して旋回螺旋流により粉砕分級するサイクロン式の風砕分級装置600と、前記風砕分級装置600から排出される前記改質フライアッシュを導入して粒度に応じて複数種類の改質フライアッシュに分別するサイクロン式分級装置700とバグフィルター式分級装置800を備えてなる。
外熱式加熱手段200は、空気吹込経路から空気を供給されながらガスバーナーで加熱することが好ましい。
前記製造方法(1),(4),(5),(8),(12),は、前記ロータリーキルン100のみで実施することができる。しかし加熱領域と冷却領域は熱膨張・収縮による破損や材質劣化の観点から分離した構造にすることが好ましい。また前記製造方法(2),(6),(10)は、前記ロータリーキルン100の間接急冷ゾーン103を加熱領域からその延長上に或いは上下や左右などの位置に中継搬送手段を介して離間分離し独自に高速攪拌駆動可能にすることにより有利に実施することができる。

＜風砕分級装置と分級装置の好ましい具体例＞
前記風砕分級装置600として、軸心が垂直状態に保持された円筒部と、前記円筒部の下端に同軸上に連設された円錐部と、前記フライアッシュ排出口から排出されるフライアッシュを流入させるため前記円筒部の周壁にその接線方向に連結された流入経路と、前記円筒部に連結された流出経路と、前記円錐部の下端に連設された回収ボックスと、前記円錐部の内周面に軸心方向へ突出して形成された棚状部と、前記棚状部の上面に近接して配置された回転式の粉砕手段と、前記粉砕手段を前記棚状部に沿って回転させる駆動手段と、前記回収ボックスに連通された気体供給手段と、を有するサイクロン式の風砕分級装置を用いることもできる。
この風砕分級装置600においては、被粉砕物である改質フライアッシュが高温高圧ガスと共に、或いは常温吸引空気と共に、流入経路から円筒部内へ流入すると、円筒部内に旋回流が発生し、改質フライアッシュは遠心力の作用で円筒部内周面に向かって流動し、内周面に当接した後、内周面に沿って螺旋流を描きながら下降していく。そして、フライアッシュが円錐部の内周面の棚状部に達すると、棚状部の上面に近接した状態で回転する粉砕手段による槌打作用で衝撃破砕が行われるとともに、フライアッシュ自身の慣性力に基づく衝撃作用、摩擦作用による破砕も行われるため、優れた粉砕機能を発揮する。
粉砕されたフライアッシュは、旋回流とともに螺旋流を描きながら円錐部の内周面に沿って下降していくが、気体流は回収ボックス内で反転して上昇していくため、気体流から分離された粒度の大きく重いフライアッシュが回収ボックス内へ回収され、重いフライアッシュが除去された後の気体は粒度の小さく軽いフライアッシュを随伴して流出経路から排出される。このように、円筒部、円錐部および回収ボックス内に発生する旋回流によりサイクロン機能を発揮するため、フライアッシュの分級機能も得ることができる。
この風砕分級装置600は、円錐部の内周面に棚状部を設け、この棚状部の上面に近接した状態で回転する粉砕手段601を設けることで形成することができる簡素な構造であるため、製造コストがかからず、故障の要因も少ない。
さらに、前記風砕分級装置から排出される粒度の小さく軽いフライアッシュを前記バグフィルター式分級装置800へ流入させるバイパス経路801を設ければ、前記風砕分級装置の流出経路から流出するフライアッシュを、前記分級装置を経由することなく、前記バグフイルターへ流入させることが可能となるため、前記分級装置による選別を必要としない種類のフライアッシュを効率良く製造することもできる。
前記サイクロン式分級装置700として、軸心が垂直状態に保持された円筒部と、前記円筒部の下端に同軸上に連接された円錐部と、前記焼成装置から排出されるフライアッシュを流入させるため前記円筒部の上部周壁にその接線方向に連結された高温高圧ガスによる改質フライアッシュ流入経路と、前記円筒部の上部に連結された流出経路と、前記円錐部の下端に連設された回収ボックスと、前記円錐部の内周面にその軸心方向に突設された旋回流制御用のベーンと、前記ベーンの勾配変更手段と、を有するサイクロン式の分級装置を用いることができる。
このような構成を有するサイクロン式分級装置においては、勾配変更手段でベーンの勾配を変更することにより、円錐部内に発生している旋回流の外周部分（円錐部の内周面寄りの部分）の渦流速を変更することで遠心力を変化させることができるので、旋回流とともに螺旋流を描きながら円錐部の内周面に沿って落下するフライアッシュの分級点を変更することができる。
即ち、ベーンの勾配を急にして（垂直に近づけて）、円錐部内に発生している旋回流の外周部分（円錐部の内周面寄りの部分）の渦流速を抑制すると、遠心分離力が減少するため、分級点が下がり、抑制を解除すると、遠心分離力が増大するため、分級点が上がる傾向が生じる。このように、乾燥状態にあるフ改質ライアッシュの分級作業において分級点を比較的容易に変更可能であるため、風砕分級装置からの改質フライアッシュを適切に分級することができる。

＜改質フライアッシュの製造方法の意義＞
次に本発明の改質フライアッシュの製造方法の基本概念の技術的意義を説明する。
(a)、未燃カーボン含有率が3.90〜7.70重量％で平均粒径が18.40〜20.80ミクロンｍ の原料フライアッシュを攪拌流動搬送しながら自燃温度まで加熱昇温する意義。
前記ロータリーキルン100の回転ドラムに設置した前記昇温自燃ゾーン101は、原料のフライアッシュ粒自体に影響を与えること無く単独混入または付着あるいは含有する未燃カーボンを約700℃程度の自燃温度迄に加熱昇温して自らの発熱で未燃カーボンの燃焼を開始させるものである。
(b)、(a)の加熱昇温後に自燃と空気流等により600〜900℃の温度を保持して未燃カーボンを燃焼除去する意義。
前記前記昇温自燃ゾーン101に連接の加熱ゾーン102は、約700℃程度の自燃温度になった未燃カーボンに常温空気を送風するのみで外部加熱することなく未燃カーボンの自己燃焼反応を進行させながら600〜900℃の温度を保持することによって、フライアッシュ同士の溶着を防止しながら未燃カーボンのみを比較的短時間で効率良く燃焼除去して1重量%以下の0.1重量%〜0.5重量%程度にまで激減させると共に、この未燃カーボン量（強熱減量）の激減によりフライアッシュ自体の形状を球状にして優れた特性の改質フライアッシュにし、未燃カーボン焼却分を減じた95%以上を回収することができ廃棄物を皆無にするものである。
(c)、フライアッシュ中の少なくともFe₂O₃+CaO+Al₂O₃、多くともFe₂O₃、FeO、CaO、Al₂O_3、Na₂O、K₂O等の含有率に応じて加熱時間と加熱温度を600〜950℃の温度範囲内に調節する固着防止の意義。
図７には、未燃カーボンを燃焼しながら、フライアッシュ自体の固着を防止して高生産で製造することが出来るFe₂O₃、FeO、CaO、Al₂O_3、Na₂O、K₂Oの含有率に応じた加熱温度と滞留時間（加熱時間）との関係を解明した結果を示す。
而して、原料フライアッシュの成分は、起源が石炭中の粘土であるため、SiO₂とAl₂O₃が主成分である。 特に、SiO₂が最も多く、50質量％〜70質量％含有している。その他、少量では有るが、Fe₂O₃、FeO、CaO、Na₂O、K₂O等が含まれる。
原料フライアッシュ中のSiO₂以外の成分が多くなると、フライアッシュの融点が低下する。すなわち、フライアッシュ中のAl₂O₃、Fe₂O₃、FeO、CaO、Al₂O_3、Na₂O、K₂Oの総量が多くなる程、多元酸化物に成るために融点が下がる。
融点が下がると焼成時に一部が液体と成り、フライアッシュの凝結が起こる。また、液体に成らなくとも、固体状態でも、上記したSiO₂以外の成分が多くなると、フライアッシュ (大半は球状)の粒子同士が焼結反応を起こし、一部溶けて固まる場合と同じ様な強固な塊に成長してしまう。
このような現象が一旦起きてしまえば、キルンでの連続的な燃焼処理は不能となる。すなわち、焼成不能で設備を止めざるを得なくなる。したがって、このような操業上の障害が起きない条件としては、図７に示した実績からフライアッシュ中(Al₂O₃質量%+Fe₂O₃質量%+FeO%+CaO質量%+Na₂O質量%＋K₂O質量%)を図７の曲線より下部の領域で操業する必要が有る。
上記したSiO₂以外の成分の総含有量が高いほど上記操業トラブル(閉塞現象)が起こりやすいため、総含有量が高いほどより低温に制御する必要が有ることを示している。
但し焼成反応を速くおこなうためには高温程有利である。すなわち図７の曲線の下側で例えば表１に示すように、できるだけ高い温度にコントロールして操業することが望ましい。

フライアッシュ中の粒子同士接触を減らし焼結反応を抑制するために、キルン内の攪拌板等の機械的手段により強制攪拌したり、SiO₂、Al₂O₃、NaCl、MgO等の微粉を新たに添加してもよい。

(e)、(b)に次いで200℃以下に間接放冷又は間接急冷する意義。
前記間接急冷ゾーン103は、未燃カーボンが激減し且つ球状化したフライアッシュを200℃以下に間接急冷してその球状を保形維持しそのまま製品として回収することができると共に、気送搬送により風砕処理に連続供給することも可能ならしめるものである。
(f)、(c)における間接冷却（放冷又は急冷）処理の際に、高速攪拌する意義。
前記加熱昇温により焼成処理したフライアッシュをこの間接冷却処理工程において，好ましくは急速冷却による粒体収縮と高速攪拌による粒体間衝突とを積極的に行うことで、前工程の自燃焼成中に一部分が造粒傾向にあってもそのフライアッシュを解砕して，全量微細球状のJIS2種相当以上の改質フライアッシュに製造することができるものである。

(g),(e)または(f)の間接冷却に次いで気送搬送し旋回螺旋流により風砕分級処理する意義。
例えば風砕分級装置600では、間接冷却装置500からの低温改質フライアッシュを高温高圧ガスと共に、或いは常温吸引空気と共に気送搬送し旋回螺旋流にして風砕することにより角のない略球状の微細な改質フライアッシュにすることができる。そしてこの風砕した改質フライアッシュを分級することにより全量多様な粒度分布構成の改質フライアッシュを連続的に回収確保することができるものである。
前記風砕の際、改質フライアッシュを予め好ましくは300〜500℃の高温高圧ガスにより瞬間加温しておくことにより、改質フライアッシュは表層部が昇温しているため風砕による不純物除去と微細化効率が高く且つ風砕中に表面性状を滑らかにして丸みを付けより球状化させてその強度を高位に安定させるものである。
また風砕分級装置600は、下方にて粒度が細区分領域の改質フライアッシュを回収し、上方からは二次分級対象の改質フライアッシュを気流で放出して分級装置700に搬送するものである。
(h),(g)の風砕分級処理に次いで分級する意義。
分級装置700は、例えば上記二次分級対象の改質フライアッシュを上方から気流導入しサイクロン効果で下降した粒度が微細区分の改質フライアッシュを回収し、上方からは微粉区分の改質フライアッシュを気流で放出して例えばバグフイルター800に搬送し微粉改質フライアッシュをここで全量回収するものである。

＜改質フライアッシュの特性の意義（作用効果）＞
JISで規定のコンクリート用フライアッシュの各種規定を表２に、使用目的を表３に示す。

そこで本発明による製造方法で製造した本発明の改質フライアッシュは、上記JIS規定条件を満足すると共に更に優れた効果を呈する下記特性を有するものである。
つまり本発明の改質フライアッシュは、前記(9-1)〜(9-3)の記載を纏めると、
二酸化珪素（重量％）：45.0以上
Fe₂O₃（重量％）：9.0以下
CaO（重量％）：4.0以下
Al₂O₃（重量％）：24.0以下
Fe₂O₃+CaO+Al₂O₃（重量％）：40.0以下
湿分（％）：1.0以上
45ミクロンｍ ふるい残分（重量％）：10以下
密度（g/cm³）:1.95以上
ブレーン比表面積（cm²/g）:1500以上
フロー値比（％）：75〜105以上
活性度指数：材齢28日：60以上、材齢91日：70以上
のフライアッシュにおいて、
未燃カーボン含有率（強熱減量）： 1.0％以下
平均粒径（ミクロンｍ ）：2.0〜40.0
形状：未燃カーボンを除き球状で短軸／長軸が1:1〜0.7の略球状、
比表面積（cm²/cm³）：2000≦
の４つの特性を満足する工業用の改質フライアッシュであり以下にこの４つの特性の新規意義について説明する。

(イ）、付着・含有の未燃カーボン含有率（強熱減量）を0.10〜1.0％にする理由。
強熱減量とは、「JIS A 0203 コンクリート用語」によれば、「試料をある一定の温度で強熱した場合の質量の減少量。セメントの場合は風化の程度を，フライアッシュの場合は未燃炭素量を，人工軽量骨材の場合は焼成の完全さを確かめる指標となる。」と定義されている。具体的には，JIS A 6201 コンクリート用フライアッシュ」によれば次のようである。試料約2gを105〜110℃に調節した空気浴中で２時間乾燥し，以後，恒量となるまで1時間ずつ乾燥を繰り返し，減量を求め，下式により湿分Bを算出する。次に，試料約1gを975±25℃に調節した電気炉で15分強熱し、デシケータ中で放冷した後，質量を量り，恒量になったときの減量から強熱減量Cを下式（数１と数２）により算出する。

この強熱減量は、図３に示すようにフライアッシュ中の未燃カーボン量の代表値である。
強熱減量が0.10〜1.0％の範囲内で少なくとも0.5〜0.8％であれば図３に示すようにフライアッシュの性質は原料石炭の影響を確実に受けない。
図３には未燃カーボン（炭素）量と強熱減量との関係を示す。
図４には未燃カーボン含有率（強熱減量）と空気量（％）との関係を示す。
更にこの範囲の未燃カーボンは、コンクリート材料に利用すると単位水量（kg/m³）を20〜40 kg/m³少なくし、しかもAE剤吸着による空気連行性を良好に維持し、スランプロスを増大させない。これによりコンクリートの圧縮強度を向上させ、且つ乾燥収縮歪量を減少させてひび割れ等の発生を有利に防止するものである。

(ロ）、平均粒径（ミクロンｍ ）を2.0〜40.0にする理由。
フライアッシュの形状はほぼ球に近く，その特徴を活かして，微粉末として利用する場合，コンクリートの流動性に寄与することから，単位水量を低減できるため，コンクリートの乾燥収縮ひずみの低減の可能性がある。平均粒径が40ミクロンｍ 程度であればコンクリート用細骨材の微粒分としての役割を果たすことができ，また，セメント粒子（平均粒径17ミクロンｍ 程度）よりも細かな粒子であれば充填効果によりコンクリートの強度増加が期待できる。

(ハ）、形状：付着未燃カーボンを除き球状で短軸／長軸比を1〜0.7にする理由。
同上。丸みを帯びた微粒子であることから，フレッシュコンクリートにおいてボールベアリングのような効果を発揮するため，コンクリートの流動性の確保が期待できる。
図５は，粒子の丸みを判定した結果を示している。円形度は粒子が球ならば1となり，立方体ならば0.65となる。真円度は1に近いほど円に近く，値が大きいほど粒子が角ばっていることを表す。改質フライアッシュは確実に球形に近くなっていることが分かる。
図６は，強熱減量と球形粒率の関係を示す。強熱減量が低いほど，すなわち，付着未燃カーボンを除去した改質フライアッシュは、より球形の粒子となりそれが多く含まれている。

(ニ）、ブレーン比表面積（cm²/cm³）を2000≦にする理由。
ブレーン比表面積（比表面積から計算した値）が大きいほど微粒子であり，ポゾラン活性が期待できる。充填効果も発揮されるためコンクリート強度の増大にも寄与する。

次に本発明の製造方法の各実施例とそれで得られた改質フライアッシュの各実施例を表４〜表８と図９〜図１５により詳細に説明する。

＜製造方法の実施例＞
表４に原料フライアッシュの諸特性を記載し、表５、表６に前記フライアッシュ処理設備による改質製造工程の諸条件を記載し、表５、表６に製造結果得られた改質フライアッシュの諸特性を記載した。
尚、表４、表５、表６において、平均粒径, 短軸／長軸比,比表面積は、レーザ回折粒度分布測定装置から算出し、ブレーン比表面積は、レーザ回折粒度分布測定装置から算出した値から近似的に求めた値である。
また分級回収記号でBPは高速攪拌冷却または急冷の直後の回収した第二の改質フライアッシュ，H/Cは風砕分級装置600のハイパーサイクロンから採取した第三の改質フライアッシュ，B/Cは分級装置700の分級サイクロンから採取した第四の改質フライアッシュ，BGはバグフィルター800から採取した第五の改質フライアッシュである。

次に、上記製造により得た改質フライアッシュ（改質石炭灰CfFA）をコンクリート材料にした実験状況を表７〜表９に記載し、その結果を図１１から図１４に紹介する。
表７にはフライアッシュコンクリートの調合設計を記載し、表８と表９にはフライアッシュを用いない基準：番号１、10、11と本発明による改質フライアッシュコンクリート：番号3〜7、8〜9、13〜15、17〜19、高速攪拌冷却後に回収した改質フライアッシュ01〜06とこれと比較用としてその他一般JIS規格フライアッシュコンクリート：番号2、6、12、16の各コンクリート調合を示し、表１０、表１１には各コンクリートのフレッシュ性状を示す。
図１１にはＡＥ減水剤の使用量を、図１２には空気量調整剤の使用量を、図１３には材齢7日、28日、91日の圧縮強度を、図１４にはコンクリートの経時温度変化を各々示す。

上記各表及び図９〜図１４等において、記載の記号は次の通りである。
W: 水
C: セメント
FA: フライアッシュ
S: 細骨材
G1: 粗骨材
G2: 粗骨材
s/a: 砂率
B/C: 分級・サイクロン
BG: バグフィルター
H/C: ハイパーサイクロン
AE： AE剤
基準（普通）：普通ポルトランドセメント
基準（高炉）：高炉セメント基準N：普通ポルトランドセメント
基準B：高炉セメント
基準BB：高炉セメントB種
基準21：呼び強度21
基準24：呼び強度24
基準BB21：高炉セメントを使用したコンクリートの呼び強度21

＜本コンクリート実験のまとめ＞
１．フレッシュ性状について
1.1 コンクリートの種類1-19について
(1),AE減水剤の使用量は，調合によらず粉体量（C＋改質フライアッシュ）に対して1.5％添加しているため，外割調合の場合は改質フライアッシュ混入率の増加とともに増加する。
(2),JIS灰を使用したものは，内割調合および外割調合ともに空気量調整剤の使用量が増加しており，特に外割75kg/m³においては基準の2.5倍が必要となる。
(3),改質フライアッシュを使用した場合は，強熱減量が1%以下になっているため内割調合では20％まで，外割調合では100kg/m³まで，空気量調整剤は基準コンクリートとほぼ同一使用量で同様なフレッシュ性状が得られる。
(4),強熱減量1%以下であれば，コンクリート品質管理は容易となる。
1.2 コンクリートの種類01-06について
(1),AE減水剤の使用量は，調合によらず粉体量（C＋改質フライアッシュ）に対して1.0％添加しているため，粉体量の増加とともに増加する。
(2),空気量調整剤は基準コンクリートとほぼ同一使用量で同様なフレッシュ性状が得られる。
(3),強熱減量が1%以下であれば，コンクリートの品質管理は容易となる。
２．圧縮強度について
1.1 コンクリートの種類1-19について
(1),建築用および土木用コンクリートに係らず内割調合の場合，改質フライアッシュ混入率の増加とともに圧縮強度が低下しており，混入率10％で10〜12％程度低下する。
(2),外割調合の場合は，改質フライアッシュ混入率の増加とともに圧縮強度は増加しており，混入率100kg/m³で10％程度増加している。
（註）圧縮強度比：建築用コンクリート（調合番号1〜9）においては調合番号1の基準コンクリートの圧縮強度に対する各調合の比率，土木用コンクリート（調合番号10〜19）においては普通ポルトランドセメントを使用した調合番号10の基準コンクリートの圧縮強度に対する各調合の比率
1.2 コンクリートの種類01-06について
(1),水粉体比（W/P）が大きくなるにつれて強度は低下する。
(2),同一水粉体比の場合，改質フライアッシュの混入量が多いほど強度は低下する。

本発明により製造した改質フライアッシュは、コンクリート用混和材，建設材料，船舶の艤装材料あるいはフィラーなどとして広く利用することができるものである。従って、火力発電所や石炭焚きボイラなどから排出されるフライアッシュを原料として工業用の改質フライアッシュを製造する産業分野及び改質フライアッシュを活用するコンクリート製造産業、コンクリートを活用する建設産業、船舶の艤装産業等において広く活用することができる。
改質フライアッシュ用途の具体例は次の通りである。
(1)、コンクリート材料分野：フライアッシュセメント，コンクリート混和材，細骨材等。
(2)、地盤改良材
(3)、道路材：アスファルトフィーラー材
(4)、建材：建築用内外装材，フロア−ボード，窯業材
(5)、農水産用：肥料，人工魚礁材
(6)、その他：トンネル裏込材，港湾工事岸壁裏込材への活用 ，コンパクションパイル中詰材，スラリー材（中詰材），水処理剤 ，汚泥等の固化処理剤

本発明の製造方法の基本概念フロー図である。 本発明の製造方法を実施する設備例として特願2005-184138「フライアッシュ処理装置」を示す概略説明図である。 フライアッシュ中に含有の炭素量と未燃カーボン含有率（強熱減量）との関係を示すグラフである。 フライアッシュ中の未燃カーボン含有率（強熱減量）と空気量（％）との関係を示すグラフである。 粒子の丸みの判定手法フローと判定結果を示す説明図である。 強熱減量と球形粒率と関係を示すグラフである。 燃カーボンを燃焼しながら、フライアッシュ自体の固着を防止して高生産で製造することが出来るＦｅ₂Ｏ₃、ＦｅＯ、CaO、Na₂O、K₂Oの含有率に応じた加熱温度と滞留時間（加熱時間）との関係を解明した結果のグラフを示す。 本発明方法の実施例における例番号１Aで製造した回収区分B/G,BG,H/C,の改質フラアッシュの粒度分布を示すグラフである。 本発明方法の実施例における例番号２Bで製造した回収区分B/G,BG,H/C,の改質フラアッシュの粒度分布を示すグラフである。 本発明方法の実施例における例番号3Cで製造した回収区分BPの改質フラアッシュの粒度分布を示すグラフである。 実施例の製造により得た改質フライアッシュをコンクリート材料にした実験結果として各実験例のＡＥ減水剤の使用量示すグラフである。図１2には空気量調整剤の使用量を、図１3には材齢7日、28日、91日の圧縮強度を、図１4には経時温度変化を各々示す。 上記各実験例の空気量調整剤の使用量を示すグラフである。 上記各実験例のコンクリートの材齢7日、28日、91日の圧縮強度を示すグラフである。 上記各実験例のコンクリートの経時温度変化を示すグラフである。

符号の説明

110 回転ドラム
100 ロータリーキルン
101 昇温自燃ゾーン
102 加熱ゾーン
103 間接急冷ゾーン
200 排気経路付の外熱式加熱手段
300 空気吹込燃焼手段
400 焼成装置
500 間接冷却装置（外冷式水冷手段）又は高速攪拌冷却ドラム
600 風砕分級装置
700 分級装置

Claims (9)

1. 未燃カーボン含有率が3.90〜7.70重量%で平均粒径が18.40〜20.80ミクロンｍ の原料フライアッシュを攪拌流動搬送しながら未燃カーボンの自燃温度まで加熱し続いて加熱温度を600〜950℃の温度範囲内に保持して自燃焼成し、次いで間接冷却して200℃以下にして改質フライアッシュを回収することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法。
2. 未燃カーボン含有率が3.90〜7.70重量%で平均粒径が18.40〜20.80ミクロンｍ の原料フライアッシュを攪拌流動搬送しながら未燃カーボンの自燃温度まで加熱し続いて加熱温度を600〜950℃の温度範囲内に保持して自燃焼成し、次いで間接冷却して200℃以下にすると共に強制攪拌して改質フライアッシュを回収することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法。
3. 回収した改質フライアッシュを分級することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の改質フライアッシュの製造方法。
4. 未燃カーボン含有率が3.90〜7.70重量%で平均粒径が18.40〜20.80ミクロンｍ の原料フライアッシュを攪拌流動搬送しながら未燃カーボンの自燃温度まで加熱し続いて加熱温度を600〜950℃の温度範囲内に保持して自燃焼成し、次いで間接高速冷却して200℃以下にし、次いで旋回螺旋流により風砕分級処理して改質フライアッシュを回収することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法。
5. 未燃カーボンの含有率が3.90〜7.70重量%、含有成分の少なくともFe₂O₃+CaO+Al₂O₃の含有率が40重量%以下で平均粒径が18.40〜20.80ミクロンｍ の原料フライアッシュを攪拌流動搬送しながら未燃カーボンの自燃温度まで加熱し、続いて前記Fe₂O₃+CaO+Al₂O₃の含有率に応じて加熱時間と加熱温度を600〜950℃の温度範囲内に調節して固着を防止し、次いで200℃以下に間接冷却して改質フライアッシュを回収することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法。
6. 未燃カーボン含有率が3.90〜7.70重量% 、含有成分の少なくともFe₂O₃+CaO+Al₂O₃の含有率が40重量%以下で平均粒径が18.40〜20.80ミクロンｍ の原料フライアッシュを攪拌流動搬送しながら未燃カーボンの自燃温度まで加熱し続いて前記Fe₂O₃+CaO+Al₂O₃の含有率に応じて加熱時間と加熱温度を600〜950℃の温度範囲内に調節して固着を防止し、次いで間接冷却して200℃以下にすると共に強制攪拌して改質フライアッシュを回収することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法。
7. 回収した改質フライアッシュを分級することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の改質フライアッシュの製造方法。
8. 未燃カーボン含有率が3.90〜7.70重量%、含有成分の少なくともFe₂O₃+CaO+Al₂O₃の含有率が40重量%以下で平均粒径が18.40〜20.80ミクロンｍの原料フライアッシュを攪拌流動搬送しながら未燃カーボンの自燃温度まで加熱して固着を防止し、続いて前記Fe₂O₃+CaO+Al₂O₃の含有率に応じて加熱時間と加熱温度を600〜950℃の温度範囲内に調節して固着を防止し、次いで旋回螺旋流により風砕分級処理して着色を防止し改質フライアッシュを回収することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法。
9. 二酸化珪素（重量％）：45.0以上
   湿分（％）：1.0以上
   45ミクロンｍ ふるい残分（重量％）： 70 以下
   密度（g/cm³）:1.95以上
   ブレーン比表面積（cm²/g）:1500以上
   フロー値比（％）：75以上
   活性度指数：材齢28日：60以上、材齢91日：70以上
   のフライアッシュにおいて、
   未燃カーボン含有率（強熱減量）：0.10〜1.0％、
   平均粒径（ミクロンｍ ）：2.0〜40.0
   形状：未燃カーボンを除き球状で短軸／長軸が1:1〜0.7の略球状、
   比表面積（cm²/cm³）：2000≦
   であることを特徴とする工業用の改質フライアッシュ。
   

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