JP2648803B2 - フライアッシュ及び汚水スラッジの処理方法、フライアッシュ及び汚水スラッジを用いた軽量骨材の製造方法並びに軽量骨材 - Google Patents

フライアッシュ及び汚水スラッジの処理方法、フライアッシュ及び汚水スラッジを用いた軽量骨材の製造方法並びに軽量骨材

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、フライアッシュ（飛散灰）および汚水スラ
ッジの処理に係わり、特に、フライアッシュ及び汚水ス
ラッジの処理方法、フライアッシュ及び汚水スラッジを
用いた軽量骨材の製造方法並びに軽量骨材に関する。
［従来の技術］ フライアッシュは、石炭、特に粉末状の瀝青炭の燃総
から生成される微粒の副産物である。一般には、石炭燃
焼動力プラントから極めて大量のフライアッシュが生成
されるが、これらのフライアッシュでは、環境上許容し
得る手法で処理されなければならない。
フライアッシュが構造物を形成するのに処理され得る
ことや（ペファー氏などによる1934年１月９日刊行の米
国特許第1,942,769号公報）、使用可能な軽量骨材が処
理済のフライアッシュから形成され得ることは（デュプ
リン ジュニア氏などによる1960年８月16日刊行の米国
特許第2,948,848号公報、コニング氏による1972年11月
７日刊行の米国特許第3,702,257号公報、およびハンフ
リー氏による1973年10月16日刊行の米国特許第3,765,92
0号公報）、すでに公知の事項である。フライアッシュ
の処理過程では、フライアッシュ混合物を加熱すること
が典型的な手順に含まれるが、この加熱は回転炉の内部
で何度も行われる。
一方、汚水スラッジは廃水処理からの副産物である。
スラッジは、廃水の処理過程における種々な段階で液体
の流れから蓄積され、その後分離される沈殿固体からな
る。また、このスラッジは一次または二次沈殿物から生
成してもよく、あるいは、廃棄活性スラッジであっても
よい。さらには、生スラッジ、消化スラッジ、あるいは
脱水スラッジであってもよい。スラッジの特徴は、通過
した処理工程に応じて変化するようになり、また、それ
が消化によるような処理を受けたか否かによっても変化
する。しかしながら、スラッジの共通する特性は、重要
な有機物質を含むことにある。
［発明が解決しようとする課題］ 一般に、スラッジは焼却灰化によって処理された後、
不活性灰の陸上処理や、ラグーニング、ランドフィリン
グ、あるいは、肥料や土壌改良用としての陸上の散布、
および可能な場所に対する海洋投棄が続いて行われる。
汚水スラッジはフライアッシュとともに、経済的で環境
上安全な手法の処理という点で、重要なる問題を引き起
こしている。
1933年１月24日刊行の米国特許第1,895,159号公報に
は、汚水スラッジが灰のような吸水材料とスラッジとを
混合することによって処理され得ることが、グリーンア
ウォルト氏によってすでに提案されている。得られた集
合物は、その後コンクリート用の骨材として適用される
硬質気泡ケーキを形成するために、透過性の炉床上で焼
結される。また、他に汚水スラッジを処理する方法が、
ウェブスター氏などによる1977年６月７日刊行の米国特
許第4,028,130号公報に示されている。これは、空気中
に開いている領域中に配置され得る気硬性の組成物を形
成するために、消化汚水スラッジを石灰、フライアッシ
ュと、アルカリ土金属、硫酸塩、あるいは土のいずれか
１つとともに混合されるものであり、ランドフィルある
いは道路の基礎材料として用いるために、ある一定の期
間を過ぎると硬化するようになっている。
本発明の目的は、フライアッシュおよび汚水スラッジ
を組合わせてこれらを利用する方法と、有用な生成物に
形成するためにこの混合物を処理する方法を提供するこ
とにある。
また、本発明の目的は、処理され、かつ熱せられたフ
ライアッシュおよび汚水スラッジから形成される軽量な
骨材生成物を製造することにある。
また、本発明の目的は、回転炉内のフライアッシュの
処理に必要な大部分の燃料価を提供する汚水スラッジ
を、フライアッシュに混合することによって、フライア
ッシュから軽量骨材を形成する方法を提供することにあ
る。
本発明の前記およびその他の目的と諸利益とは、本発
明を実施するための好ましい方法を示す明細書中の詳細
な説明において明確になるであろう。
［課題を解決するための手段］ 本発明には、汚水スラッジとフライアッシュとの混合
物、ペレット化などによる混合物の凝集、回転炉内にお
ける凝集された混合物の硬化がある。冷却後に得られた
結節状の生成物は、コンクリート用の軽量骨材、石工
事、あるいは絶縁を目的として用いられ、また、他の商
用的な目的のためにも用いられ得る。他方、この生成物
は、経済的で環境上安全な手法で処理され得る。
混合物に加えられた汚水スラッジの量によって、汚水
スラッジの有機部における燃焼が、炉内および他の製造
工程で必要とされる熱エネルギー全体のなかで重要なる
割合を有することになる。しかも、炉内における汚水ス
ラッジの有機部の揮発あるいは燃焼後に、骨材内に形成
された隙間を通して、汚水スラッジは凝集された混合物
からの重要なる重量損失をもたらす。揮発性の有機物お
よび固定炭素の燃焼と焼成反応による骨材内部のガスの
封じ込みによって、骨材生成物の密度の更なる減少がペ
レットの膨脹から得られる。混合物は乾燥重量で約35乃
至99％のフライアッシュと、乾燥重量で約１乃至65％の
汚水スラッジとを含んでもよい。好ましくは、混合物は
乾燥重量で約65乃至95％のフライアッシュと、乾燥重量
で約５乃至35％の汚水スラッジのを含む。
回転炉内の処理に先行して行われる処理に対して、十
分なペレット強度を維持するために、種々な結合剤をフ
ライアッシュおよび汚水スラッジからなる混合原料に加
えてもよい。さらに、お互いのペレット、あるいは回転
炉表面との粘着を防止するために、ペレットはコーティ
ング剤で被覆されてもよい。
回転炉内における処理で重要な点は、各ペレットとガ
スの並流と、炉の供給端にメインバーナを配置すること
と、炉の全長に沿った全体に平坦な温度プロフィール
と、燃焼および炉の焼結領域における800乃至1200℃の
範囲のピークガス温度と、十分な温度と酸素とともに、
炭素と揮発性の有機化合物とを完全燃焼させるための保
持時間を有する炉の通過時におけるガス組成物および流
量とにある。炉の排出ガス内の高熱エネルギー含量はエ
ネルギーの再生に利用でき、また、フライアッシュおよ
び汚水スラッジからなる凝集された混合物の乾燥、ある
いは、フライアッシュを混合する前の汚水スラッジの乾
燥に利用できる。
［実施例］ フライアッシュんは、それ自体の供給源に応じてその
構造が変化する。また、フライアッシュが単一の供給源
から得られる場合には、動力プラントによって経験され
る特定の動作条件によっても、その構造が変化する。本
発明において使用可能な代表的なフライアッシュは、中
西部高地におけるいくつかの石炭火力動力プラントから
生成されるフライアッシュによって示されている。最初
の供給源は異なる２つのバッチを含んでいるが、これら
の各供給源からのフライアッシュに対する最終分析を、
次の第Ｉ表に示す。また、同一のフアイアッシュに対す
る灰の鉱物分析を次の第II表に示す。
前記第Ｉ表および第II表において、炭素の量と、点火
損失の割合と、フライアッシュの発熱量が大きく変化し
ていることが注目されるべき点である。これは、一部フ
ライアッシュを製造する石炭の不完全燃焼の程度と、燃
焼される石炭の型によるものである。本発明における利
点の１つは、各フライアッシュにおける大きな変化を上
手に利用できるように、フライアッシュの点火損失がそ
れ重要なパラメータにはなっていないことにある。代表
的なフライアッシュは０乃至20％の点火損失を有する
が、こうして全てのフライアッシュを上手に利用するこ
とができる。しかしながら、幾つかのフライアッシュの
供給源を利用できる場合には、種々な供給源からのフラ
イアッシュを混ぜ合わることで、最終的に５乃至10％の
点火損失を有するフライアッシュ混合物を生成するのが
有利なことである。
同様に、汚水スラッジもその組成と特性が大きく変化
する。さらに、汚水スラッジは廃水設備における処理レ
ベルによって、それ自体の水分含量が大きく変化する。
代表的なスラッジの例として、中西部高地における廃水
処理設備によって製造されたものがある。これらの設備
からのスラッジは、次の第III表に示す最終分析と、第I
V表に示す灰量の鉱物分析を有する。
フライアッシュとの混合の前には、フライアッシュと
汚水スラッジとの混合物における結果的な水分含量が凝
集に適するようなレベルに、スラッジの水分含量を減少
させなければならない。初期の水分含量によって、この
ようなスラッジの乾燥が、従来公知の機械的でかつ熱的
なスラッジ乾燥工程から達成され得る。乾燥中に形成さ
れた硬質塊を分解し、かつ、フライアッシュとの混合に
おいて均一な分散を助長するために、初期に乾燥された
汚水スラッジに対して、その後形状の縮小を必要として
もさしつかえない。
次いで、フライアッシュおよび汚水スラッジは、バッ
チあるいは連続ミキシングを有する材料調合部10で混合
される。この混合されたフライアッシュおよび汚水スラ
ッジの水分含量は、混合物の混ぜ合わせとその後の凝集
を容易にするために、約５乃至25％程度にするべきであ
る。フライアッシュおよび汚水スラッジは、汚水スラッ
ジが乾燥重量で約１乃至65％に対して、フライアッシュ
が乾燥重量で約35乃至99％の比率に混合される。この範
囲内において好ましい比率は、汚水スラッジが乾燥重量
で約５乃至35％に対して、フライアッシュが乾燥重量で
約65乃至95％となる。正確な凝集を行うために、混合さ
れた粒子の形成を促進するベントナイトのような結合剤
を加えることが必要でかつ望ましい。こうした結合剤は
得られた混合物の乾燥総重量で約20％を越えるべきでは
なく、好ましくは約５％を越えてはならない。結合剤
は、緑色凝集混合物の粘着性と完全性とによって不要な
場合もあり得る。
結合剤を有する場合、あるいは有しない場合のいずれ
においても、フライアッシュと汚水スレッジとの混合物
は、この混合物を直径で1/8乃至3/4インチの範囲内の小
ペレットに凝集する第１の凝集器12に供給される。第１
の凝集器12で生成された緑色ペレットは第２の凝集器14
に供給されるが、回転炉内部の熱処理中に緑色ペレット
どうしが粘着しあうことを防ぐために、この第２の凝集
器12で各ペレットを被覆するようにしてもよい。好まし
いコーディング剤は、点火損失の低いフライアッシュで
ある。また、ドロマイト、石灰石、ポルトランドセメン
ト、あるいは他の材料を、択一的にコーティング剤とし
て使用してもよい。回転炉内部における各ペレットの粘
着性によっては、このコーティング剤を必要としない場
合もあり得る。
コーティング剤を有無に拘らず、緑色ペレットは、次
の移床乾燥器16で乾燥される。各緑色ペレットは、好ま
しくは水分含量が５％未満となるように乾燥される。そ
の後、回転炉18内に各緑色ペレットが案内される。乾燥
した各ペレットは、外部燃焼がバーナ20を介して案内さ
れ、かつ、空気がバーナ20あるいはエアランス22を介し
て案内される回転炉の同一終端に供給される。各ペレッ
トは傾斜した回転炉を炉内を通過する高圧ガスであるガ
スの流れとともに同一の方向に（すなわち、共に流動的
に）、緩やかに移動する。炉内の最高温度は混合物の融
点未満である800乃至1200℃となり、また、炉の全長に
沿った温度プロフィールは比較的平坦になるべきであ
る。炉内のペレットは硬化されるようになり、各ペレッ
トは完全に焼成するとともに、熱分解および焼結する度
合が変化するようにもなる。ペレットの外側面はシェル
層を形成するようになり、ペレットの膨脹によってこの
シェル層がペレット内部で形成されるガスを閉じ込め
る。こうして多孔性を有する内部が形成されるようにな
る。得られた生成物は、低密度ではあるが硬質多孔性構
造を有する結節状物質となる。回転炉からの生成物は、
水冷式あるいは空冷式の冷却器24に供給され、生成物の
温度をさらに取扱い貯蔵でき得るような温度に低下させ
る。この冷却器24からの熱は、移床乾燥機内における緑
色ペレットの乾燥を含む種々な製造目的のために再生さ
れ、かつ利用されるようにしてもよい。
汚水スラッジを重要な点は、炉内における混合物の燃
料価が増えることと、天然ガスなどの炉の発火に必要な
外部燃料の量を減らすことにある。次の第Ｖ表には、10
0％のフライアッシュに対しての、それぞれの比率が65
％/35％のフライアッシュおよび汚水スラッジからなる
混合物の燃料量を別個に比較したものである。単位時間
あたりの不足トン数の割合が同一の生成物を生成する炉
に対して、加れる必要のある天然ガスの燃料は、全てフ
ライアッシュのものに比べて、フライアッシュと汚水ス
ラッジとの混合物を用いたものが約85％に減らされてい
るのが示されている。さらに、炉の排出ガス内には利用
可能な大量の燃料価があり、しかも、第１図全体に示す
ように、混合する前の汚水スラッジの乾燥、緑色ペレッ
トの乾燥とともに、共通の生成あるいは他の目的のため
のエネルギーの再生にこの熱エネルギーを利用してもよ
い。
冷却器と、（あるいは、）炉からの排出ガスは、乾燥
生成物に熱源を与える移床乾燥器16に供給され得る。こ
れに用いられないガスは、ガスクリーニングを通過し
て、ガス煙突に排出される。
動力プラントの研究は、汚水スラッジなしのフライア
ッシュの比較試験を含むフライアッシュと汚水スラッジ
との種々な混合に基づいて実施される。そして、炉の動
作パラメータその都度変化する。動力プラントにおける
工程フローを、第２図に示す。また、動力プラントの動
作結果を、第IV表、第VII表および第VIII表に示す。
使用されたフライアッシュと汚水スラッジとの種々な
混合は、第VII表に示されている。殆ど全ての場合にお
いて、ベントナイト形状の結合剤が加えられた。さら
に、第VI表に示すように、幾つかの試験混合物とともに
コーティング剤が用いられた。そして、各事例における
コーティング剤は、点火損失の低いフライアッシュＣで
あった。各混合時に用いられたフライアッシュは、幾つ
かの供給源からのフライアッシュを混合したものであっ
た。このフライアッシュ混合物における種々の成分比率
は、ある点火損失の割合を成し遂げるために選択され
た。試験１および試験２の場合、点火損失の割合はそれ
ぞれ10％および12.81％であった。また、試験３乃至試
験18の全てに対して、点火損失の割合は7.5％であっ
た。高速の混合チョッパーで材料に対して強力な軸方向
および放射方向の動きを伝えるバッチ混合器30によっ
て、原料成分の混合が行われた。
混合物は、水平に対し45゜乃至50゜の傾斜で、かつ、
15乃至20RPMの回転数で回転する直径40インチ、深さ6,5
インチのペレット用受皿32に供給された。第１のペレッ
ト用受皿32にて作られた各緑色ペレットは、同様の特性
を有する第２のペレット用受皿34に供給された。そし
て、乾燥コーティング材料を使用する場合には、この第
２ペレット用受皿に引き渡された。ペレット化の段階で
凝集された材料のサンプルは集められ、生成された緑色
ボールの品質を基めるために、水分、かさ密度、破壊に
対する18インチ番落下、湿気および乾燥状態の圧縮強
度、寸法が分析された。種々の試験により生成された緑
色ペレットの特性を、第VIII表に示す。
固体熱交換器に対するガスの下方吹抜け流を利用し
て、緑色ペレットが移床乾燥器36に供給された。緑色ペ
レットが載置される横断面は４フィートの活動乾燥長
と、毎分１秒未満から毎分４インチを越える間に変化す
る床部の速度を有し、幅11インチ、深さ６インチであっ
た。乾燥温度は150乃至200℃の範囲に維持された。ガス
の流れは、水分含量を乾燥ボールで５％未満に維持する
ように調整された。
乾燥ペレットは、内径22.75インチ、長さ13フィート
の回転炉38に供給された。供給物は、生成ガスが固体流
として同一方向に移動するように、回転炉の発火によっ
て共に流れた。供給端部では、乾燥器から入って来る各
ペレットが先ず乾燥かつ予加熱され、幾つかの有機化合
物は揮発されるとともに、可燃性物質の点火が始まっ
た。次の領域では、残留する有機物の揮発が発生し、タ
ンブリング床における各ペレット内の可燃性物質の燃焼
が実質的に完了した。そして、最後の加熱領域では、各
ペレットの完全燃焼と更なる硬化を確実にするために、
高温度における付加的な固体およびガス滞留時間が与え
られた。
２個の天然ガスバーナ40および２個のエアランス42
が、供給端部に配設された。第２のバーナは全てのテス
トに使用されてはいない。固体滞留時間を30乃至60分の
範囲で達成するために、炉38は２乃至3.9RPM間の速度で
動作された。また、炉の傾斜は１フィート当たり1/8イ
ンチであった。第VII表は、炉の動作速度および消費さ
れる天然ガスと空気の速度と、炉の全長に沿ったＴ−１
からＴ−４の各地点における温度を示している。また、
この第VII表は、各試験に用いられた混合物の発熱量
と、得られた結節状生成物のルーズかさ密度とを示して
いる。
炉からの結節状生成物は、内径15インチ、長さ12フィ
ートの回転冷却器44に搬送された。この回転冷却器は、
間接的に固体物を65℃未満に冷却した。この間接的な冷
却は、連続的に湿った外部表面に対するシェルを通過す
る熱伝導から得られた。冷却器の傾斜も同様に１フィー
ト当たり1/8インチとなっており、その速度は、約30分
の固体滞留時間をもたらす一定の6RPMに保持された。得
られた粒状の生成物はかさ密度に対して分析されてお
り、これらの試験の結果は第VIII表に示されている。
この動力プラントの動作により得られた生成物は、コ
ンクリート建築物用の軽量骨材に対する標準ASTM規格
（C 330指定）、コンクリート組積ユニット用の軽量骨
材（C 331指定）、および絶縁コンクリート用の軽量骨
材（C 332指定）を十分に満足することが確かめられ
た。これらの規格は、混合中の骨材の粒度分布によっ
て、55乃至70ポンド毎立方フィート間の最大ルーズかさ
密度を提供するものである。
［発明の効果］ 本発明によれば、フライアッシュと汚水スラッジと
を、フライアッシュが乾燥重量で約35乃至80％、スラッ
ジが乾燥重量で約20乃至65％の比率で混合し、この混合
物を凝集し、この凝集された混合物を重量で約５％未満
の水分含量に乾燥し、結節状の生成物を形成するために
回転炉における乾燥しだ凝集混合物を加熱して、この炉
における生成物を冷却する各手順からなるフライアッシ
ュおよび汚水スラッジの処理方法により、フライアッシ
ュおよび汚水スラッジを組合わせてこれらを利用する方
法と、有用な生成物に形成するためにこの混合物を処理
する方法を提供することができる。
図面の簡単な説明 第１図は、本発明を実施するのに好適な処理装置の配
列を示す概略図であり、第２図は、本発明における方法
を試験するために用いられる試験工場の概略図である。
18…回転炉
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭49−27066（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−84815（ＪＰ，Ａ) 特公 昭36−12580（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭57−10794（ＪＰ，Ｂ２) 永井彰一郎編 新しい工業材料の科学 新軽量建設材料昭和49年８月30日 金 原出版株式会社 12〜18頁

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】フライアッシュと汚水スラッジとを、フラ
    イアッシュが乾燥重量で約35乃至80％、スラッジが乾燥
    重量で約20乃至65％の比率で混合し、この混合物を凝集
    し、この凝集された混合物を重量で約５％未満の水分含
    量に乾燥した後、この乾燥した凝集混合物を回転する回
    転炉内において高圧ガスと共に同一方向に流動すると共
    に、前記回転炉の温度をその全長に渡ってほぼ同一な前
    記凝集混合物の融点未満の温度とし、かつ前記回転炉を
    通過する間に前記乾燥した凝集混合物を前記融点未満の
    温度で加熱して多孔性の結節状生成物を生成し、前記回
    転炉を通過した結節状生成物を冷却することを特徴とす
    るフライアッシュ及び汚水スラッジの処理方法。
  2. 【請求項２】前記フライアッシュと高燃料価を有する汚
    水スラッジとを混合し、この混合物を凝集し、この凝集
    された混合物を乾燥した後、この乾燥した凝集混合物を
    前記回転炉内の主な燃料源として利用しながら、前記凝
    集混合物を前記融点未満の温度で加熱することを特徴と
    する請求項１記載のフライアッシュ及び汚水スラッジの
    処理方法。
  3. 【請求項３】前記凝集混合物の加熱に必要とされる総燃
    料の中で小量の付加燃料が前記回転炉に加えられること
    を特徴とする請求項２記載のフライアッシュ及び汚水ス
    ラッジの処理方法。
  4. 【請求項４】フライアッシュと汚水スラッジとを、フラ
    イアッシュが乾燥重量で約35乃至99％、スラッジが乾燥
    重量で約１乃至65％の比率で混合し、得られた混合物を
    ペレッント状に形成し、このペレットを回転する回転炉
    内において高圧ガスと共に同一方向に流動すると共に、
    前記回転炉の温度をその全長に渡ってほぼ同一な前記ペ
    レットの融点未満の温度とし、かつ前記回転炉を通過す
    る間に前記乾燥したペレットを前記融点未満の温度で加
    熱して多孔性の結節状生成物を生成し、前記回転炉を通
    過した結節状生成物を冷却してなることを特徴とする軽
    量骨材の製造方法。
  5. 【請求項５】各ペレットが回転炉を通過する前に重量で
    約５％未満の水分含量に乾燥されることを特徴とする請
    求項４記載の軽量骨材の製造方法。
  6. 【請求項６】前記回転炉が約800乃至1200℃を上限とし
    て加熱されることを特徴とする請求項４記載の軽量骨材
    の製造方法。
  7. 【請求項７】前記回転炉の排出ガスの熱が再生されるこ
    とを特徴とする請求項４記載の軽量骨材の製造方法。
  8. 【請求項８】前記排出ガスの熱が、混合を行う前のスラ
    ッジの乾燥に用いられ、かつ各ペレットの乾燥に用いら
    れることを特徴とする請求項５記載の軽量骨材の製造方
    法。
  9. 【請求項９】冷却時において生成物から除去した熱が、
    ペレットの乾燥に用られることを特徴とする請求項５記
    載の製造方法。
  10. 【請求項１０】請求項１記載のフライアッシュ及び汚水
    スラッジの処理方法を用いて生成する軽量骨材であっ
    て、55乃至70ポンド毎立方フィートの最大ルーズ密度を
    有する軽量骨材であって、この骨材は乾燥重量で35乃至
    80％のフライアッシュと、乾燥重量で20乃至65％の燃焼
    していない汚水スラッジとによる熱硬化凝集物から本質
    的に構成され、硬質の多孔性結節状構造を有するもので
    あることを特徴とする軽量骨材。
  11. 【請求項１１】請求項１記載のフライアッシュ及び汚水
    スラッジの処理方法を用いて生成する軽量骨材であっ
    て、乾燥重量で35乃至80％のフライアッシュと、乾燥重
    量で20乃至65％の重要な有機含量を有する燃焼していな
    いスラッジとによる多孔性の結節状熱硬化凝集物から本
    質的に構成される軽量骨材。
JP50534492A 1991-01-11 1992-01-06 フライアッシュ及び汚水スラッジの処理方法、フライアッシュ及び汚水スラッジを用いた軽量骨材の製造方法並びに軽量骨材 Expired - Fee Related JP2648803B2 (ja)

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