JP3229105B2 - 石炭灰からのコンクリート混和材の製造方法 - Google Patents

石炭灰からのコンクリート混和材の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、石炭灰からのコンクリ
ート混和材の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料を燃焼して得られる高温燃焼場で石
炭灰を加熱しSiO2を選択的に気化させSiO2気化ガスを含
む高温の混合ガスを得、これを冷却ガスにより冷却して
SiO2ガスを凝結させSiO2超微粒子を多量に含むコンクリ
ート混和材を製造する方法が既に提案されている。
【0003】そのような従来の製造システムを図3に示
す。図3において01は燃焼炉で、微粉炭ホッパ03か
ら供給された微粉炭14及び酸素供給設備17からの酸
素16により高温燃焼が維持される。この高温燃焼場へ
石炭灰ホッパ04から石炭灰を供給すると石炭灰中の低
沸点鉱物質であるSiO2が炉内で選択的に蒸発気化し、燃
焼排ガスとともに下流の冷却部02に高温混合ガスとし
て流れる。
【0004】この高温混合ガスをファン06により送気
される冷却空気15により急冷すると高温混合ガス中の
SiO2ガスが凝結しSiO2を多量に含む超微粒子が生成す
る。このSiO2を多量に含む超微粒子(以下SiO2リッチ超
微粒子と呼ぶ)の粒径は冷却ガス量(冷却度)によって
制御できる。通常この冷却は燃焼炉出口ガス温度250
0℃からSiO2ガスが凝結、固体粒子化する1200℃ま
で行われる。この生成したSiO2リッチ超微粒子を含むガ
スはガス冷却器07により150℃まで冷却され、集塵
器08によりSiO2リッチ超微粒子13が捕集される。
【0005】一方、石炭灰中の主たる高沸点物質Al2O3
は燃焼炉01で溶融し燃焼炉炉壁に溶融スラグとして捕
捉され、炉底から溶融スラグとして流下し水チャンバ1
0で水砕され水砕スラグ12として回収される。このSi
O2リッチ超微粒子13及び水砕スラグ12を粉砕したも
のはコンクリート混和材として有効なものである。
【0006】本製造方法においては、石炭灰中の低沸点
物質SiO2(沸点2230℃)を気化させるに必要な高温
燃焼が必要であり、高温燃焼のためには酸素燃焼が必須
である。従来の方法では、微粉炭14の燃焼に必要な酸
素は深冷分離法による酸素製造装置あるいは圧力を変化
させることにより特定ガスの吸着と離脱を繰り返えすこ
とによる(PSA法(圧力スウィング吸着法))酸素製
造装置により供給されていた。
【0007】このように、従来システムでは深冷分離法
あるいはPSA法の酸素製造装置による酸素を使用して
いるため酸素製造原単位が高かった。また従来の方法に
おいては排ガス冷却器07による回収熱は蒸気として利
用されていた。このように高温排ガス顕熱を蒸気として
回収するため有効利用が限定され問題点があった。この
ため目的とするコンクリート混和材製造原単価が高いと
いう欠点があった。
【0008】また、前記した石炭灰からのコンクリート
混和材の製造方法においては、十分高いガス温度の混和
ガスを急冷する大量の冷却ガスが必要であるが、従来は
高温混合ガスの冷却ガスとして空気あるいは燃焼用酸素
分離後の分離ガス(窒素)を使用していた。更にまた従
来技術では石炭灰及び石炭の搬送ガスとしてハンドリン
グ上の安全性を確保するため100℃以下の空気を使用
していた。
【0009】その結果、本製造方法では、石炭及び石炭
灰の搬送用空気及び冷却ガス用空気中の窒素が高温燃焼
により窒素酸化物(NOX )に転換する割合が多く、排ガ
ス中のNOX 濃度が高くSiO2超微粒子を捕集後に排ガス処
理装置(脱硝装置)の設置が必要となり、単独設備では
本設備設置により設備建設コストがアップし結果として
SiO2超微粒子(コンクリート混和材)の製造コストがア
ップする。更に、石炭及び石炭灰の搬送ガスを空気とし
ているため、これらの予熱が十分できず、そのため炉内
の高温燃焼に必要な酸素量が多く必要であった。
【0010】以上、説明したような石炭灰からコンクリ
ート混和材を製造する方法では、超高温場燃焼を達成す
るために酸素燃焼が必須で、酸素製造装置による経済的
な酸素供給が必要である。また、高温燃焼による高温排
ガスの顕熱の有効利用がポイントである。またNOX の発
生をいかにして抑えるかもポイントである。すなわち、
低コスト酸素の供給、高温排ガスの有効利用及びNOX
低減が本製造方法の技術課題となっていた。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、高温燃焼場
で石炭灰を加熱しSiO2を選択的に気化させSiO2気化ガス
を含む高温の混合ガスを得、これを冷却ガスにより冷却
してSiO2ガスを凝結させSiO2超微粒子を多量に含むコン
クリート混和材を製造する方法において、製造原単位を
低下させた酸素を燃料燃焼に使用すると共に生成された
高温排ガスの顕熱を有効に活用することによって低価格
で石炭灰からコンクリート混和材を製造可能な方法を提
供することを課題としている。また、本発明は、前記し
た課題に加え、NOX の発生を低減させると共に、微粉炭
等の燃料供給の安全性を高め、かつ、有価ガスを回収す
ることにより更に低価格で石炭灰からコンクリート混和
材を製造可能な方法を提供することを課題としている。
【0012】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、前記
した工程でSiO2超微粒子を多量に含むコンクリート混和
材を製造する方法において、製造原単位を低下させた酸
素を燃料燃焼に使うという前項課題を解決するための次
の手段を採用する。即ち、酸素燃焼に必要な酸素を排熱
を利用した酸素製造プロセス、例えば溶融アルカリ塩の
温度スウィング法による酸素製造装置から供給する。こ
の溶融アルカリ塩の温度スウィング法では、高温溶融ア
ルカリ塩で酸素を吸収しそれを冷却して酸素を放出させ
ることを原理としており、例えば特開昭61−3610
5号公報、特公平1−24721号公報、米国特許第4
617182、4132766、4340578、42
87170号等に開示されている。
【0013】この温度スウィング法による酸素製造装置
では溶融アルカリ塩昇温に高温熱源を必要とするが、そ
の高温熱源として本発明では、例えばコンクリート混和
材製造において冷却ガス混合後の高温ガス(1200
℃)の顕熱を回収利用する。本発明によれば、前記した
ように燃料の酸素燃焼に必要な酸素を排熱を利用した酸
素製造プロセス、例えば溶融アルカリ塩の温度スウィン
グ法による酸素製造装置から供給すると共に、この酸素
製造装置の溶融アルカリ塩の加熱に必要な熱量は、前記
SiO2気化ガスを含む高温ガスから供給するので、燃料燃
焼に必要な酸素として製造原単位の低いものを用いるこ
とができ、経済的なコンクリート混和材の製造方法とす
ることができる。
【0014】また、上記に加え本発明ではNOX の発生を
低減させると共に、更に低価格な製造方法とするという
課題解決のため、前記SiO2超微粒子分離後の排ガスを前
記冷却ガスとして用いると共に前記高温燃焼場に対する
前記燃料と前記石炭灰の搬送ガスとして循環する。更に
また、SiO2超微粒子を多量に含むコンクリート混和材を
回収後のCO2 主体の排ガスをCO2 回収装置に導入してCO
2 を回収する工程も採用する。
【0015】以上述べた、本発明によるコンクリート混
和材の製造方法においては、循環されるSiO2超微粒子分
離後の排ガスによって、SiO2気化ガスを含む高温燃焼場
からの約2500℃程度の高温ガスを1200℃程度ま
でに冷却する。このように、本発明によれば従来の空気
に替わって、SiO2リッチ超微粒子分離後のCO2 を主体と
する排ガスを使用するので高温燃焼場及び冷却部へのN2
の導入が無くなるため、高温場でのN2ガスとO2ガスの反
応によるNOX の発生が著しく低減される。
【0016】また、本発明において利用する排ガスはCO
2 を主体とする不活性ガスであるため、石炭等の燃料、
未燃分を含む石炭灰の搬送に用いても自然酸化昇温や燃
焼等が発生せず安全である。また、SiO2超微粒子を回収
した後の排ガスからCO2 を回収する工程を採用したもの
とすることにより付加価値のあるCO2 を得て経済的なコ
ンクリート混和材の製造方法とすることができる。
【0017】
【実施例】以下本発明によるコンクリート混和材製造方
法の実施の態様について図面を用いて説明する。
【0018】ず、図1に基づいてコンクリート混和材
の製造装置の基本構成について説明する。図1において
高温燃焼炉40には送気ファン44から送気された空
気により石炭ホッパ42からの石炭混合気54が供給さ
れ、溶融アルカリ塩の温度スウィング法によるO2製造装
置57からの酸素59により2500℃程度の高温燃焼
が行われる。この高温燃焼場に石炭灰ホッパ43からの
石炭灰混合気55が供給されて石炭灰中のSiO2が選択的
に蒸発気化し、SiO2気化ガスと燃焼排ガスの高温混合ガ
スとして冷却部41へ流れる。この冷却部41には送気
ファン45から送気される常温空気56が投入され、高
温混合ガス中のSiO2ガスが凝結する温度1200℃まで
急冷される。
【0019】冷却されたことによりSiO2ガスは凝結し、
SiO2超微粒子を含む高温ガスとして更に後流に流れる。
この高温排ガスの顕熱は熱交換器46により回収され6
50℃まで冷却され更に熱交換器47により蒸気として
熱回収されて150℃程度まで冷却され集塵器48によ
りガス中からSiO2超微粒子62が捕集される。SiO2超微
粒子62分離後のガスはファン49を経て煙突50から
放出される。
【0020】一方、溶融アルカリ塩の温度スウィング法
による酸素製造装置57には空気ファン53により空気
が供給され、熱交換器46で管路58を経て加熱された
600℃程度の溶融アルカリ塩浴で酸素を吸収し、50
0℃に冷却された状態で酸素を放出する方法により酸素
59を製造する。酸素製造装置57で分離された窒素6
9は別途利用される。なお、61は高温炉で発生する溶
融スラグを急冷する水チャンバで、水砕スラグ60とし
て回収する。
【0021】に、図2に示す実施態様について説明す
る。なお、図2において図1に示した装置と変わらない
部分については同一の符号を付してあり重複するそれら
についての説明は省略する。燃焼炉40では石炭ホッパ
42からの石炭が搬送排ガス126とともに混合気とし
て124より供給され、溶融アルカリ塩の温度スウィン
グ法による酸素製造装置57で製造された酸素59によ
り高温燃焼が維持される。この高温燃焼場に石炭灰ホッ
パ43からの石炭灰が搬送排ガス126とともに混合気
125として投入されると、石炭灰中の低沸点物質であ
るSiO2は蒸発気化し、高温燃焼ガスの混合ガスとして下
流へ流れる。
【0022】このSiO2気化ガスを含む高温混合ガス(約
2500℃)を129から導入される冷却排ガス(約1
50〜250℃)で1200℃程度まで冷却するとSiO2
気化ガスは凝結しSiO2成分を多く含む超微粒子(フュー
ム)が生成される。この超微粒子を含む高温排ガスは超
微粒子を集塵器48で捕集して回収するに必要な温度1
50℃〜250℃まで熱交換器46,47により段階的
に熱回収冷却される。熱交換器46は酸素製造装置57
の溶融アルカリ塩の加熱(550℃→650℃)に必要
な高温熱源を供給するもので、これにより高温排ガスは
1200℃から650℃まで冷却される。また47は高
温排ガスを650℃から150〜250℃まで冷却する
熱交換器で、熱回収は蒸気あるいはガス加熱用であって
もよい。
【0023】冷却された排ガスからは捕集装置48によ
り超微粒子(あるいはコンクリート混和材)62が捕集
され、排ガスは抽気ファン133によりライン128か
ら冷却ガス129及び搬送排ガス126として使用され
る。更に、循環使用後の排ガスはCO2 回収装置134に
導入、CO2 が回収され一部排ガスはファン49により煙
突50から排気される。一方、燃焼炉40に投入された
石炭灰中のSiO2を除く主成分であるAl2O3 などは溶融ス
ラグとして炉底より排出され水チャンバ61で冷却され
水砕微粒スラグ60として回収され、これもコンクリー
ト混和材として利用される。なお、図2中、57は溶融
アルカリ塩の温度スウィング法を利用した酸素製造装
置、53はそれに対する送気ファンであり、図1に示し
たものと同様である。
【0024】以上のように本図2に示したシステムによ
れば、高温燃焼場で石炭灰を処理することによりSiO2
多く含む非晶質の超微粒子とAl2O3 を多く含む非晶質微
粒子のコンクリート混和材を製造する方法において、必
要な酸素を溶融アルカリ塩の温度スウィング法による酸
素製造装置から供給し、逆に本酸素製造装置に必要な高
温熱源を本製造方法から発生する高温排ガスより回収供
給し、更にはCO2 ガスを主体とする排ガスを冷却ガス及
び石炭、石炭灰の搬送排ガスとして循環使用するととも
にCO2 ガスを回収することができる。
【0025】以上、本発明を図示した実施態様に基づい
て具体的に説明したが、本発明がこの実施態様に限定さ
れず特許請求の範囲に示す本発明の範囲内で、種々変更
を加えてよいことはいうまでもない。例えば、前記実施
例では排熱を利用した酸素製造プロセスとして溶融アル
カリ塩を用いたプロセスを採用しているが、本発明にお
いてはこれに限らずその他公知の排熱を利用した酸素製
造プロセスを適宜採用してよい。
【0026】
【発明の効果】以上具体的に説明したように、本発明に
よる石炭灰からのコンクリート混和材の製造方法によれ
ば、次の効果を奏することができる。
【0027】(1)排熱を利用した酸素製造プロセス、
例えば溶融アルカリ塩の温度スウィング法による酸素製
造を使用するので、深冷分離法あるいはPSA法による
製造原単位0.4〜0.6kwh/Nm3-O2に比較して<0.
2kwh/Nm3-O2と低く、結果的に本発明によるコンクリー
ト混和材製造方法において安価な酸素を供給できる。し
かも、この酸素製造装置では温度条件スウィングの熱
源、例えば溶融アルカリ塩等を加熱する熱源が必要であ
るが、その熱源としてコンクリート混和材製造過程で得
られる高温ガスの顕熱を利用できる。以上によって石炭
灰からのコンクリート混和材の製造原単価を安くするこ
とができる。
【0028】(2)燃焼炉から発生する排ガスからSiO2
超微粒子捕集後の排ガス(CO2 )を空気に替わって石
炭、石炭灰の搬送ガス及び高温ガスの冷却用ガスとして
使用することにより、高温燃焼炉及び冷却部へのN2の導
入がなくなるため、高温場でのN2ガスとO2の反応による
NOX の発生が著しく低減でき、排ガス中における脱硝装
置が不要となる。
【0029】(3)不活性ガスである排ガス(CO2 )の
1部を石炭、石炭灰の搬送ガスとして使用することによ
り、石炭、若干の未燃分を含む石炭灰ハンドリングにお
ける自然酸化昇温あるいは燃焼など防止できるため安全
性を向上できる。
【0030】(4)SiO2超微粒子を回収した後の排ガス
はCO2 ,H2O のほか微量のSOX ,NO X を含んでいるが、
これから付加価値のあるCO2 を回収するプロセスを加え
ることにより、結果的に石炭灰からのコンクリート混和
材製造価格を低減したものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ンクリート混和材の製造方法の基本構成を説
明するためのコンクリート混和材製造システムの系統
図。
【図2】本発明によるコンクリート混和材の製造方法
施態様を説明するためのコンクリート混和材製造シス
テムの系統図。
【図3】従来のコンクリート混和材製造方法を説明する
ためのコンクリート混和材製造システムの系統図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 植田 勝征 長崎市飽の浦町1番1号 三菱重工業株 式会社長崎造船所内 (72)発明者 竹内 和広 長崎市飽の浦町1番1号 三菱重工業株 式会社長崎造船所内 (72)発明者 上野山 清 北九州市戸畑区大字中原46−59 新日本 製鐵株式会社機械・プラント事業部内 (72)発明者 若村 修 北九州市戸畑区大字中原46−59 新日本 製鐵株式会社機械・プラント事業部内 (72)発明者 谷 義勝 兵庫県川西市湯山台2丁目16−8 (56)参考文献 特開 平3−37144(JP,A) 特開 昭61−36105(JP,A) 特開 昭60−36305(JP,A) 特開 昭62−49926(JP,A) 米国特許4132766(US,A) 米国特許4287170(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 22/06 C04B 14/04 C04B 18/08

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料の酸素燃焼によって生ずる高温燃焼
    場に石炭灰を投入し、同石炭灰中の沸点の低いSiO2を選
    択的に気化させてSiO2気化ガスを含む高温ガスを得、こ
    れを冷却ガスにより冷却することによりSiO2ガスを凝結
    させSiO2超微粒子を多量に含むコンクリート混和材を製
    造する方法において、前記酸素燃焼に必要な酸素を排熱
    を利用した酸素製造装置から供給し、同酸素製造装置に
    必要な熱量を前記SiO2気化ガスを含む高温ガスから供給
    するとともに、前記SiO 2 超微粒子を回収した後の排ガス
    の一部を前記冷却ガス及び前記高温燃焼場への前記燃料
    及び石炭灰の搬送ガスとして循環使用し、前記排ガスの
    他の一部からCO 2 を回収することを特徴とする石炭灰か
    らのコンクリート混和材の製造方法。
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