JP5131750B2 - 造粒体、焼結体、及びそれらの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、造粒体や焼結体に関する。特に、焼却灰、汚泥あるいは建設発生土などの廃棄物を原料とした造粒体や焼結体に関する。

近年、焼却灰、汚泥や建設発生土の発生量は増大している。そして、簡単に廃棄することも困難になって来ている。従って、前記廃棄物の再利用が各方面で試みられている。しかしながら、廃棄物は品質が安定して無いことから、その再資源化は実に困難である。

さて、焼却灰や建設発生土廃棄物の再利用（再資源化）としては、セメント原料の他にも、コンクリート骨材とか路盤材などの土木材料として利用することが提案されている。例えば、骨材への再資源化は、粉末廃棄物を造粒して、セメント固化や焼成等の工程を経て行なわれる。そして、上記造粒は、そのまま、水を加えるだけでも、造粒できる場合もある。しかしながら、粒径が大きい場合とか、粒度分布が狭い場合には、造粒することが困難となる場合が多い。又、石炭火力発電所の微粉炭燃焼から発生する石炭灰の中、フライアッシュは、粒子が球状である為、そのままでは、造粒できない。

製紙スラッジ等の廃棄物は、製紙工程や古紙リサイクルの工程から発生し、製紙工程で回収されなかった微細繊維などの有機物や、顔料・染料として利用されているカオリン・タルク・炭酸カルシウム等の無機物から構成される。そして、減量化の為に、製紙スラッジは焼却されることが多い。このように焼却された製紙スラッジ（製紙スラッジ焼却灰）は、現在、工業的に再利用されているものはセメント原料として利用される程度である。そして、残り殆どの量は埋め立て処分されている。尚、骨材としての工業的な利用は殆ど出来ていない。

又、現在ＣＯ_２排出削減の観点から、カーボンニュートラルである製紙スラッジや木屑などの生物起源の原料を燃料としたバイオマス発電が増加しつつある。そして、バイオマス発電で排出される焼却灰は、品質が安定していないことから、再資源化は、一層、困難である。

ところで、上記廃棄物の再資源化を図る為、これ等の廃棄物の粉末を造粒することが行なわれる。この造粒には、ロールプレス、パンペレタイザ等が用いられる。この時、原料（粉末）の性状が造粒性に大きく作用する。そして、造粒が非常に困難な場合が多い。特に、パンペレタイザで連続して造粒する場合、原料によっては全く造粒できない場合がある。造粒できても、粒径が大きくなり、コントロールできない等の問題がある。

さて、従来からも、造粒技術が幾つか提案されている。
例えば、石炭灰の粒度調整が不要で、比較的最大粒径の大きい石炭灰を使用できると共に、造粒方法の種類によらず強度の高い造粒品が得られ、焼成温度範囲が広い為に運転が容易な人工軽量骨材を得る為、下水汚泥焼却灰に、石炭灰を全体に占める割合が重量比１０％乃至８０％となるように混合したものを原料とし、該原料を焼成することを特徴とする人工軽量骨材の製造方法が提案（特開平１１−３５３５６号公報）されている。

又、灰を固化して、舗装材等の建設資材として有効利用可能な十分な強度を有し、しかも重金属類の溶出の問題のない成形体を安価に製造することを目的として、灰にセメントと水を添加、混合し、得られた混合物を固化成形する方法において、該灰を粉砕処理する方法であって、該灰或いは粉砕灰にセメントと水とカルシウム化合物とを添加、混合することを特徴とする灰の固化成形方法が提案（特開２００２−１８４１１号公報）されている。

又、製紙スラッジ灰の特性若しくは機能性の活用の為、製紙スラッジ灰を主体とする廃棄物リサイクルシステムの構築を実現することを目的として、吸湿の少ない状態の製紙スラッジ灰を微粉砕処理した微粉砕物を加水注水のみにより造粒加工したことを特徴とする製紙スラッジ灰含有造粒物が提案（特開２００５−１０３４６４号公報）されている。
特開平１１−３５３５６号公報 特開２００２−１８４１１号公報 特開２００５−１０３４６４号公報

ところで、これまでも、上述した通り、各種の造粒技術が提案されて来たものの、それでも、造粒が困難な場合が多かった。特に、焼却灰や汚泥、或いは建設発生土に無機微粉やセメントを添加して造粒する場合でも、その添加量が少なく無く、廃棄物の再利用効率が悪い。

従って、本発明が解決しようとする課題は、焼却灰或いは建設発生土などの廃棄物を再資源化する為、水を加えて造粒する場合、その造粒が簡単であり、しかも廃棄物の利用度（再資源化効率）が高い技術を提供することである。

前記の課題を解決する為の検討が、本発明者によって、鋭意、推し進められて行く中に、スメクタイト粘土を用いると、造粒が容易になり、焼成工程でもすり減り等による骨材の形状が悪化することが抑制できることを見出すに至った。

上記知見を基にして本発明がなされたものである。
すなわち、前記の課題は、
有機質系原料焼却灰および建設発生土の群の中から選ばれる一種または二種以上の材と、
スメクタイトを主成分とする膨潤力が１１ｍｌ／２ｇ以上の粘土鉱物とを含有してなり、
前記材１００質量部に対して前記粘土鉱物は３〜３０質量部の割合である
ことを特徴とする造粒体によって解決される。

前記の課題は、
有機質系原料焼却灰および建設発生土の群の中から選ばれる一種または二種以上の材と、
スメクタイトを主成分とする膨潤力が１１ｍｌ／２ｇ以上の粘土鉱物と、
リグニン系有機バインダとを含有してなり、
前記材１００質量部に対して前記粘土鉱物は３〜３０質量部で前記リグニン系有機バインダは０．１〜１０質量部の割合である
ことを特徴とする造粒体によって解決される。

前記の課題は、
有機質系原料焼却灰および建設発生土の群の中から選ばれる一種または二種以上の材と、スメクタイトを主成分とする膨潤力が１１ｍｌ／２ｇ以上の粘土鉱物とが、前記材１００質量部に対して前記粘土鉱物は３〜３０質量部の割合で含まれ、更に水が加えられた混合物を、造粒する
ことを特徴とする造粒体の製造方法によって解決される。

前記の課題は、
有機質系原料焼却灰および建設発生土の群の中から選ばれる一種または二種以上の材と、スメクタイトを主成分とする膨潤力が１１ｍｌ／２ｇ以上の粘土鉱物と、リグニン系有機バインダとが、前記材１００質量部に対して前記粘土鉱物は３〜３０質量部で前記リグニン系有機バインダは０．１〜１０質量部の割合で含まれ、更に水が加えられた混合物を、造粒する
ことを特徴とする造粒体の製造方法によって解決される。

又、前記の課題は、
上記の造粒体が焼成されてなる
ことを特徴とする焼結体によって解決される。

又、前記の課題は、
上記の造粒体を６５０〜１３００℃で焼成する
ことを特徴とする焼結体の製造方法によって解決される。

焼却灰、汚泥および建設発生土の群の中から選ばれる一種または二種以上の廃棄物１００質量部に対して、スメクタイトを主成分とする膨潤力が１０ｍｌ／２ｇ以上の粘土鉱物を３〜３０質量部の割合で用いたので、造粒が非常に容易であった。又、強度向上の為に、造粒体を焼成した場合でも、焼成工程ですり減り等の形状悪化が起き難いものであった。

本発明は造粒体（造粒物）である。この造粒体は、有機質系原料焼却灰および建設発生土の群の中から選ばれる一種または二種以上の材（廃棄物）を含む。特に、単独では造粒が困難な粗い粒度を持つ製紙スラッジ焼却灰などの焼却灰、及び建設汚泥等の建設発生土の群の中から選ばれる一種または二種以上の材（廃棄物）を含む。かつ、スメクタイトを主成分とする膨潤力が１１ｍｌ／２ｇ以上の粘土鉱物を含む。尚、前記膨潤力の上限値には格別な制約は無いが、通常、我々が手にするスメクタイトを主成分とする粘土鉱物の膨潤力の上限値は、通常、３０ｍｌ／２ｇ程度である。尚、スメクタイトを主成分とする粘土鉱物として好ましい例はベントナイトである。そして、前記材（廃棄物）と粘土鉱物との割合は、材（廃棄物）１００質量部に対して粘土鉱物が３〜３０質量部（特に、４質量部以上。２０質量部以下。）である。又、好ましくは、材（廃棄物）１００質量部に対して有機系バインダが０．１〜１０質量部（特に、０．２質量部以上。５質量部以下）の割合で含まれる。

又、本発明は造粒体（造粒物）の製造方法である。この製造方法は、上記材（廃棄物）と上記粘土鉱物とを上記した割合で含む混合物を造粒する方法である。好ましくは、上記材（廃棄物）と上記粘土鉱物以外にも、有機系バインダが用いられる。特に、上記材（廃棄物）１００質量部に対して有機系バインダが０．１〜１０質量部（特に、０．２質量部以上。５質量部以下）の割合で用いられる。そして、造粒に際しては、特に、水を添加して造粒が行なわれる。水添加は、上記成分の混合と同時であっても良いが、通常は、前記混合物に水を添加して造粒する。

又、本発明は焼結体である。この焼結体は前記造粒体（造粒物）が焼成されたものである。

又、本発明は焼結体の製造方法である。この焼結体は前記造粒体（造粒物）を焼成するものである。この焼成に際しての温度は、６５０〜１３００℃（特に、８００℃以上。１２００℃以下）である。

更に詳しく説明する。
先ず、上記した原料（上記した廃棄物の粉末と、スメクタイトを主成分とする膨潤力が１０ｍｌ／２ｇ以上の粘土鉱物（例えば、膨潤力が１０ｍｌ／２ｇ以上のベントナイト））とを用意する。そして、これ等の原料に水を添加し、数ｍｍ〜十数ｍｍ径の造粒物を作成する。この造粒物を６５０℃以上の温度で焼結させ、人工骨材などとする。

上記造粒には、例えばロールプレス、パンペレタイザ、アイリッヒミキサ等が用いられる。すなわち、上記原料に水あるいは水溶液を添加し、前記造粒機を用いて造粒が行われる。尚、パンペレタイザが用いられて造粒が行なわれると、この造粒物は形状が球形であること、かつ、造粒をコントロールすることで任意の大きさの造粒物が得られる。従って、パンペレタイザを用いた造粒が好ましい。

造粒物の原料である廃棄物は、焼却灰、建設発生土が用いられる。これ等の中から一種のみが選ばれて用いられて良く、或いは二種以上が選ばれて用いられても良い。但し、通常は、一種類のものが選ばれて使用されることが好ましい。

焼却灰としては、製紙スラッジ焼却灰が挙げられる。尚、製紙スラッジ焼却灰とは、製紙工程や古紙のリサイクルで発生した汚泥を焼却した灰である。そして、主成分として、Ｃａ，Ａｌ等の無機成分を含む。又、薪、木炭、廃材、食品搾りかす等のバイオマス燃料を原料としたバイオマス発電から発生する焼却灰も挙げられる。そして、製紙スラッジ焼却灰などの如く、有機質系原料の焼却灰は、内部に細かな孔（気孔）が存在し、高吸水性（多孔質）の特徴を持つことから、好ましい原料である。すなわち、有機質系原料焼却灰の造粒・焼成物は高吸水性の骨材となることから、有機質系原料の焼却灰を造粒物原料とすることは好ましい。

建設発生土としては、例えば建設残土、汚染土壌や浚渫土が挙げられる。尚、これ等の中でも、粒子径７５μｍ以下のシルト・粘土質の含有量が７０％以上のものであることが好ましい。その理由は、砂分が余りにも多くなり過ぎると、造粒する時の粒径コントロールが困難になったからである。

上記各種焼却灰や建設発生土は、必要に応じて、粉砕され、そして造粒体の原料とされる。

さて、保水性の高い原料（粉体：粉末）は、通常、造粒性が良好である。
しかしながら、８８μｍ残分の量が３０％を越えた原料が用いられると、造粒性は、極端に、悪くなった。その理由は、粒子間を補完する小さな粒子が不足し、粒子間の付着強度が悪くなり、造粒困難になったのであろうと考えられる。
そこで、このような原料に対しては、粘土鉱物を混合すると、造粒性が良好になるであろうと考えられた。

しかしながら、粘土鉱物ならば如何なるものでも良いと言うものでは無いことが判って来た。すなわち、本発明者の研究の結果、スメクタイト鉱物を主成分とする粘土鉱物であることが大事であることが判った。しかも、それだけでは無く、膨潤力が１０ｍｌ／２ｇ以上の粘土鉱物であることが大事なことも判った。尚、膨潤力が１１ｍｌ／２ｇ以上の粘土鉱物であることが好ましかった。そして、前記条件が外れたものでは、本発明が奏する特長が得られなかった。そして、このような特徴の粘土鉱物が上記廃棄物１００質量部に対して３質量部以上用いられることが大事であった。好ましくは４質量部以上である。更に好ましくは５質量部以上である。造粒性の観点からすると、上限値には、格別な制約は無い。しかしながら、粘土鉱物の量が多くなることは、相対的に、廃棄物の使用量が減少（廃棄物の再資源化効率が低下）することである。従って、廃棄物の再資源化効率を高める観点から、粘土鉱物は３０質量部以下とした。好ましくは２０質量部以下である。更には、１５質量部以下である。

上記特徴の粘土鉱物の他にも有機系バインダ（例えば、リグニン系の物質）が用いられることは好ましい。すなわち、有機系バインダ（特に、リグニンの如きの水溶性の有機系バインダ）を含む溶液を添加して造粒した場合、造粒性が更に向上した。かつ、造粒後の強度も向上した。又、磨り減り性が更に改善された。有機系バインダの好ましい量は、材（廃棄物）１００質量部に対して０．１〜１０質量部である。更に好ましくは０．２質量部以上であった。そして、５質量部以下であった。

尚、上記有機系バインダの他にセメントを用いることも考えられる。

さて、造粒物の機械的強度の一層の向上を図る為には、焼成が行なわれる。焼成には、トンネルキルン、ローラーハウスキルン、流動床、ロータリーキルンを用いることが出来る。尚、製造の容易さ等の面から、ロータリーキルンを用いることが好ましい。そして、このような焼成窯で６５０〜１２００℃の温度で焼成すると、強度の高い焼結体（骨材）を得ることが出来る。

以下、具体的な実施例を挙げて本発明を説明する。
［実施例］
表−１
試料 廃棄物原料 粘土鉱物Ａ 粘土鉱物Ｂ 有機系バインダ
Ｎｏ１ 製紙スラッジ焼却灰 ０質量部 ０質量部 ０質量部
Ｎｏ２ 製紙スラッジ焼却灰 ０質量部 ５質量部 ０質量部
Ｎｏ３ 製紙スラッジ焼却灰 ３質量部 ０質量部 ０質量部
Ｎｏ４ 製紙スラッジ焼却灰 ５質量部 ０質量部 ０質量部
Ｎｏ５ 製紙スラッジ焼却灰 １０質量部 ０質量部 ０質量部
Ｎｏ６ 製紙スラッジ焼却灰 １２質量部 ０質量部 ０質量部
Ｎｏ７ 製紙スラッジ焼却灰 ５質量部 ０質量部 １質量部
Ｎｏ８ 製紙スラッジ焼却灰 ０質量部 ５質量部＊ ０質量部
Ｎｏ９ シルト乾燥粉末品 ０質量部 ０質量部 ０質量部
Ｎｏ１０シルト乾燥粉末品 ５質量部 ０質量部 ０質量部
Ｎｏ１１浄水汚泥乾燥粉末品 ０質量部 ０質量部 ０質量部
Ｎｏ１２浄水汚泥乾燥粉末品 ５質量部 ０質量部 ０質量部
＊製紙スラッジ焼却灰はｄ５０％＝４７．２μｍ
＊シルト（建設発生泥水）乾燥粉末品はシルト・粘土分８２％
＊浄水汚泥乾燥粉末品はシルト・粘土分７５％
＊粘土鉱物Ａは膨潤力が１３ｍｌ／２ｇのベントナイト（ホージュン社製の赤城）
＊粘土鉱物Ｂは膨潤力が８ｍｌ／２ｇのベントナイト（ホージュン社製の榛名）
＊Ｎｏ８の粘土鉱物Ｂは膨潤力が２ｍｌ／２ｇのカオリナイト
主原料として上記廃棄物原料の乾燥粉末とベントナイト等とを表−１の割合で用い、そして直径８００ｍｍのパンペレタイザで造粒した。すなわち、上記原料をパンペレタイザ中に投入した。更に、水、或いは有機系バインダ（リグニン）水溶液を散水装置で噴霧しながら、回転させ、造粒した。尚、必要に応じて、更に、原料を投入しながら連続運転し、造粒した。

この時、造粒性について調べたので、その結果を表−２に示す。

造粒後、電気炉にて６００℃，７００℃，１０００℃，１２００℃の温度で焼成した。そして、この焼成物の圧壊強度を調べたので、その結果を表−２に示す。

表−２
試料 造粒性 圧壊強度（Ｎ）
600 700 1000 1200
Ｎｏ１ 造粒できず - - - -
Ｎｏ２ 造粒できたものの、粒径コントロール難 - 4 4 10
Ｎｏ３ 造粒できたものの、粒径コントロール難 5 8 12 30
Ｎｏ４ 造粒性良好、粒径コントロール可 8 15 22 90
Ｎｏ５ 造粒性良好、粒径コントロール可 10 19 22 112
Ｎｏ６ 造粒性良好、粒径コントロール可 9 18 21 135
Ｎｏ７ 造粒性非常に良好、粒径コントロール可 25 35 51 252
Ｎｏ８ 造粒できたものの、粒径コントロール難 - 4 6 65
Ｎｏ９ 造粒やや難、粒径コントロール不可 - - - -
Ｎｏ１０造粒性良好、粒径コントロール可 10 20 28 190
Ｎｏ１１造粒できたものの、粒径コントロール難 7 10 22 90
Ｎｏ１２造粒性良好、粒径コントロール可 19 25 41 290

これによれば、本発明になるものは、造粒性が良く、かつ、造粒物を焼成した焼結体の強度が大きなことが判る。

特許出願人 太平洋マテリアル株式会社
代 理 人 宇 高 克 己

Claims (5)

1. 有機質系原料焼却灰および建設発生土の群の中から選ばれる一種または二種以上の材と、
   スメクタイトを主成分とする膨潤力が１１ｍｌ／２ｇ以上の粘土鉱物とを含有してなり、
   前記材１００質量部に対して前記粘土鉱物は３〜３０質量部の割合である
   ことを特徴とする造粒体。
2. 有機質系原料焼却灰および建設発生土の群の中から選ばれる一種または二種以上の材と、
   スメクタイトを主成分とする膨潤力が１１ｍｌ／２ｇ以上の粘土鉱物と、
   リグニン系有機バインダとを含有してなり、
   前記材１００質量部に対して前記粘土鉱物は３〜３０質量部で前記リグニン系有機バインダは０．１〜１０質量部の割合である
   ことを特徴とする造粒体。
3. 有機質系原料焼却灰および建設発生土の群の中から選ばれる一種または二種以上の材と、スメクタイトを主成分とする膨潤力が１１ｍｌ／２ｇ以上の粘土鉱物とが、前記材１００質量部に対して前記粘土鉱物は３〜３０質量部の割合で含まれ、更に水が加えられた混合物を、造粒する
   ことを特徴とする造粒体の製造方法。
4. 請求項１又は請求項２の造粒体が焼成されてなる
   ことを特徴とする焼結体。
5. 請求項１又は請求項２の造粒体を、６５０〜１３００℃で焼成する
   ことを特徴とする焼結体の製造方法。