JP6786158B2 - 石炭灰粒状材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、粒径が揃った石炭灰粒状材を連続して製造する方法に関する。

石炭火力発電所等から発生する石炭灰は、ポゾラン反応性を活用したコンクリート混和材やセメント混合材としての用途のほかに、セメントと水を添加して固化して粒状材にすれば、路盤材や骨材としても使用できる。

ここで、石炭灰を粒状化する方法として、特許文献１に記載の石炭灰砂の製造方法は、石炭灰にセメントおよび水を加え、ヘンシェルミキサーやアイリッヒミキサー等で高速混合して造粒する方法である。しかし、この方法で得られる石炭灰砂の粒径は、３ｍｍ以下程度と小さく、また、製造方法がバッチ方式であるため生産性が低い。

ところで、粉体の粒状物を連続して製造できる装置として、パン型ペレタイザーがあるが、この装置を用いて連続して製造した石炭灰粒状材の粒径は、５〜３０ｍｍ程度になりバラツキが大きい。

パン型ペレタイザーを用いた粒状材の製造において、粒径を揃える方法がいくつか提案されている。例えば、
特許文献２に記載の石炭灰砂の製造方法では、回転パン上の粉体が落下する領域に、落下粉体と衝突する回転羽根を設けると共に、回転羽根との衝突によって飛散する粉体が衝突する固定板を設けたパン型造粒機が用いられている。
特許文献３に記載の焼結用造粒原料の製造方法は、配合原料に水分を添加してドラムミキサーで混合する混合工程と、混合後の配合原料をパンペレタイザーにて造粒する造粒工程を経て、焼結用造粒原料を製造する方法であって、前記混合工程と造粒工程との間で、粗大粒子を含む混合後の配合原料を解砕して製造する方法である。
特許文献４に記載の焼結用造粒原料の製造方法は、パンペレタイザー内に渦流状に転動する配合原料の粒径の大きさに応じて、解砕羽根の種類や回転数、押力などを調整して粒子径に応じた解砕を行なうと共に、該パンペレタイザー内において引き続き再造粒処理して、焼結用造粒原料として望ましい形態の、粒径が比較的揃った擬似粒子を製造する方法である。
特許文献５に記載の焼結用造粒原料の製造方法は、パンペレタイザー内に滞留する配合原料の転動層にある粗大な擬似粒子を、該パンペレタイザー内の壁面スクレーパーおよび／または底面スクレーパーからなる解砕機能付きスクレーパーによって付着物の掻き落しと同時に解砕しつつ、適正粒子の大きさに再造粒して製造する方法である。
また、特許文献６に記載の焼結用造粒原料の製造方法は、パンペレタイザー内に滞留する配合原料の転動層にある粗大な擬似粒子を、複数の解砕歯を突設してなり、相互に逆方向に回転する解砕ロール対によって解砕しつつ適正粒子の大きさに再造粒して製造する方法である。

特開昭６１−１５１０５２号公報 特開平２−２５１４０８号公報 特開２０１４−２０１７６３号公報 特開２０１４−２２７５６８号公報 特開２０１４−２３４５４５号公報 特開２０１５−５４９８０号公報

しかし、特許文献２〜６の方法はいずれも、パン型ペレタイザーの改造が大掛かりになって汎用性が低い。

したがって、本発明は、パン型ペレタイザーを用いた石炭灰粒状材の製造方法であって、パン型ペレタイザーの改造が不要で、粒径が揃った石炭灰粒状材を連続的に製造する方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明者は、前記製造方法について鋭意検討した結果、予め混合した石炭灰と結合材の混合物を、所定の粒径の粉砕ボールをパン内に載置したパン型ペレタイザーに連続投入することにより、前記課題が達成できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は下記の構成を有する石炭灰粒状材の製造方法である。

［１］石炭灰と、該石炭灰１００質量部に対し２０〜７０質量部の下記結合材を混練した後、該混練物を、パン内にアルミナ、ジルコニア、鋼、または鉄からなる粉砕ボールを載置したパン型ペレタイザーに投入して造粒する、石炭灰粒状材の製造方法。
結合材：石炭灰１００質量部に対し５〜３０質量部のポルトランドセメント、混合セメント、エコセメント、速硬性セメント、ベントナイト、およびカオリン鉱物から選ばれる１種以上の固体結合材と、水からなる結合材
［２］前記水の混合量が、前記石炭灰と前記固体結合材の合計１００質量部に対し１２〜３８質量部である、前記［１］に記載の石炭灰粒状材の製造方法。
［３］前記粉砕ボールの使用量が、前記混練物１００質量部に対し２５〜１００質量部である、前記［１］または［２］に記載の石炭灰粒状材の製造方法。
［４］前記混練物を、パン型ペレタイザーに連続的または間欠的に投入する、前記［１］〜［３］のいずれかに記載の石炭灰粒状材の製造方法。
［５］石炭灰粒状材の粒径を、粉砕ボールの粒径と粉砕ボールの使用量で調整する、前記［１］〜［４］のいずれかに記載の石炭灰粒状材の製造方法。

本発明の石炭灰粒状材の製造方法は、パン型ペレタイザーを改造することなく、汎用のパン型ペレタイザーを用いて、粒径が揃った石炭灰粒状材を連続的に製造できる。したがって、本発明の石炭灰粒状材の製造方法によれば、所定の粒径の石炭灰粒状材を、簡易かつ多量に製造でき、石炭灰の利用を促進することができる。
また、本発明の石炭灰粒状材の製造方法は、石炭灰以外の粉体物の造粒にも適用できる。

本発明の石炭灰粒状材の製造方法は、前記のとおり、石炭灰と特定量の結合材を混練した後、該混練物を、パン内に粉砕ボールを載置したパン型ペレタイザーを用いて造粒して石炭灰粒状材を製造する方法である。

本発明の石炭灰粒状材は、結合材の混合量が少ない場合、石炭灰粒状材を粉砕することにより、石炭灰（粉末）が本来有していたポゾラン反応性を発揮できる粉体に容易に戻すことができる。また、結合材の混合量を増やすと、石炭灰粒状材の圧壊強度を高めることができ、所定の養生を行なった後には、路盤材や骨材として用いることができる。さらに、本発明の石炭灰粒状材を１０００℃前後の温度で焼成すると、より圧壊強度が高い石炭灰粒状材が得られる。

本発明で用いる石炭灰は、ＪＩＳ Ａ ６２０１「コンクリート用フライアッシュ」に規定するフライアッシュのほか、パン型ペレタイザーで造粒できる限り、粒径、形状、および未燃炭素量等の化学組成は問わない。

本発明で用いる結合材は、石炭灰と結合材の混練物のハンドリング性と圧壊強度発現性の点から、ポルトランドセメント、混合セメント、エコセメント、速硬性セメント、ベントナイト、およびカオリン鉱物（以下、総称して「固体結合材」と呼ぶ。）等から選ばれる１種以上と水を含む。これらの固体結合材の中でも、石炭灰粒状材の圧壊強度の発現性の点から、好ましくは、ポルトランドセメント、混合セメント、エコセメント、および速硬性セメントから選ばれる１種以上であり、より好ましくは、早強ポルトランドセメント、普通ポルトランドセメント、エコセメント、および速硬性セメントから選ばれる１種以上である。

前記固体結合材の混合量は、石炭灰１００質量部に対し、好ましくは５〜３０質量部、より好ましくは７〜２０質量部、さらに好ましくは１０〜１５質量部である。固体結合材の混合量が、５質量部未満では石炭灰粒状材の圧壊強度が十分でなく、３０質量部を超えると石炭灰の混合量が少なくなり、石炭灰の利用促進の点から好ましくない。

本発明で用いる水は、ＪＩＳ Ａ ５３０８「レディーミクストコンクリート」付属書Ｃに規定する上水道水、上水道水以外の水、および回収水が使用できる。

水の混合量は、石炭灰１００質量部に対し１５〜４０質量部、好ましくは１５〜３０質量部、より好ましくは１５〜２５質量部である。水の混合量が、１５質量部未満か、または４０質量部を超えると、石炭灰粒状材の球状成形性が劣ると共に圧壊強度の発現性が十分でない。

また、前記水の混合量は、石炭灰と固体結合材の合計１００質量部に対し、好ましくは１２〜３８質量部、より好ましくは１５〜３０質量部、さらに好ましくは１５〜２５質量部である。

石炭灰と結合材の混練には、ホイール型、ボール型、ブレード型、ロール型等の汎用の混練装置が使用でき、これらの中でも、混練物の広い範囲の含水状態に対応できるため、好ましくはパドルミキサ等のブレード型混練装置である。後述するように、石炭灰粒状材を連続製造するためには、石炭灰と結合材の混練物を連続的にパン型ペレタイザーに供給できるように、石炭灰と結合材の混練物は均質になるまで混練する。
前記の均質になるまでの混練時間は、例えば、１０ｋｇの混練物のホバートミキサー（ホバート・ジャパン社製Ａ−２００）を用いた低速混練（アジテーターの回転数は１０７ｒｐｍ）では、好ましくは１分間以上、より好ましくは２分間以上である。

本発明で用いるパン型ペレタイザーのパン内には、混練物の投入前に、粉砕ボールを載置する。粉砕ボールの材質は、特に限定されず、アルミナやジルコニア等のセラミックス球、およびクローム鋼等の鋼球が使用できる。

本発明において石炭灰粒状材の粒径は、使用する粉砕ボールの粒径によって制御でき、例えば、後述するように、粒径が０．３〜５ｍｍの石炭灰粒状材を製造するには、粒径が２０〜５０ｍｍの粉砕ボールを使用すればよい。これは、石炭灰粒状材が、回転するパン内を自由に移動する粉砕ボールとの衝突の際に跳ねたり、粉砕ボール同士間または粉砕ボールとパンの間の隙間に逃れることによって、粉砕ボールとの衝突による衝撃を直接受けることなく、粒が成長できる石炭灰粒状材の粒径は、使用する粉砕ボールの粒径に依存しているためと推察する。

また、粒径の異なる粉砕ボールを同時使用してもよい。後述の通り粒径の小さな粉砕ボールを併用した場合は、同径の粉砕ボールのみを使用した場合と比べ、造粒物（石炭灰粒状材）の大径化を抑制する効果が高い。

前記粉砕ボールの使用量は、内径６０ｃｍ、深さ１５ｃｍのパンを有するパン型ペレタイザーを２２ｒｐｍで回転させた場合、石炭灰と結合材の混練物１０ｋｇに対し、好ましくは２．５〜１０ｋｇである。前記粉砕ボールの使用量が前記範囲よりも少ないと、大径の造粒物が多くなり、前記範囲よりも多いと、過度に小径の造粒物が多くなり、生産性が低下する。なお、前記粉砕ボールの使用量は、石炭灰と結合材の混練物１０ｋｇに対し、より好ましくは３〜８ｋｇである。この混練物と粉砕ボールの量比は、使用するパン型ペレタイザーのサイズや運転条件に応じて、適宜調整するとよい。

石炭灰粒状材を連続製造するために、パン型ペレタイザーのパン内に、石炭灰と結合材の混練物を連続的に投入するか、所定の時間間隔で間欠的に投入する。製造状態を安定させるためには、連続的な投入が好ましい。石炭灰と結合材の混練物の投入には、ベルトコンベアやスクリューコンベア等の一般的な機械的輸送装置が使用できる。

前記石炭灰と結合材の混練物をパン型ペレタイザーのパン内へ投入する速度は、例えば、粒径４０ｍｍの粉砕ボールを２ｋｇ載置した内径６０ｃｍ、深さ１５ｃｍのパンを有するパン型ペレタイザーを、２２ｒｐｍで回転させる場合、開始時に予め５ｋｇの石炭灰と結合材の混練物をパン内に投入しておき、そこに５００ｇ／分の投入速度で新たな石炭灰と結合材の混練物を投入すれば、５００ｇ／分の連続製造状態が実現できる。

本発明を用いて製造した石炭灰粒状材は、製造直後から山積みしても粒子間の付着は生じない。なお、得られた石炭灰粒状材は、結合材による強度発現を促すため養生するのが好ましいが、かかる養生方法に制限はなく、雨濡れなどを防げる場所に静置する等の気中養生で十分である。

以下に、本発明を実施例によりを説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されない。
１．使用材料
（１）石炭灰（ＦＡ）
使用した石炭灰は、密度２．４０ｇ／ｃｍ^３、ブレーン比表面積２９２０ｃｍ^２／ｇ、および４５μｍふるい残分１８．８質量％である。なお、ＪＩＳ Ｒ ５２０４「セメントの蛍光Ｘ線分析方法」に準拠した化学分析結果を表１に示す。
（２）結合材
使用した結合材は、普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ、太平洋セメント社製）と上水道水の混練物である。なお、使用した前記普通ポルトランドセメントの、ＪＩＳ Ｒ ５２０４「セメントの蛍光Ｘ線分析方法」に準拠して測定した化学組成を表１に示し、ＪＩＳ Ｒ ５２０１「セメントの物理試験方法」に準拠して測定した諸物性値を表２に示す。

２．石炭灰と結合材の混練
前記石炭灰を５ｋｇ、普通ポルトランドセメントを５００ｇ、上水道水１Ｌを、ホバートミキサー（ホバート・ジャパン社製Ａ−２００）に投入して、低速（アジテーターの回転数は１０７ｒｐｍ）で１分間混練した。

３．石炭灰粒状材の製造
表３の粉砕ボール（鉄球）を載置したパン型ペレタイザー（パン：内径６０ｃｍ×深さ１５ｃｍ、角度４８°、回転方向反時計回り、回転数２２ｒｐｍ）に、前記混練物を予め６．５ｋｇ投入して造粒を開始し、その後は１５分間隔で６．５ｋｇの混練物を投入するという間欠型の原料の補充で、石炭灰粒状材を連続製造した。
約１時間の連続製造で得られた、各水準が２５ｋｇの石炭灰粒状材を、ＪＩＳ Ｚ ８８０１「試験用ふるい−第 1 部：金属製網ふるい」に規定する篩を用いてふるい分けした結果を表４に示す。

表４に示すように、本発明の製造方法によれば、パン型ペレタイザーを改造しないにも拘らず、粒径が揃った石炭灰粒状材を連続的に製造できることがわかる。
また、実施例５の２．３６ｍｍふるい残分について、ＪＩＳ Ｚ ８８４１「造粒物−強度試験方法」に準じて行った、落下操作５回の落下強度試験の落下強度は９２．１％と良好であった。

Claims (5)

1. 石炭灰と、該石炭灰１００質量部に対し２０〜７０質量部の下記結合材を混練した後、該混練物を、パン内にアルミナ、ジルコニア、鋼、または鉄からなる粉砕ボールを載置したパン型ペレタイザーに投入して造粒する、石炭灰粒状材の製造方法。
   結合材：石炭灰１００質量部に対し５〜３０質量部のポルトランドセメント、混合セメント、エコセメント、速硬性セメント、ベントナイト、およびカオリン鉱物から選ばれる１種以上の固体結合材と、水からなる結合材
2. 前記水の混合量が、前記石炭灰と前記固体結合材の合計１００質量部に対し１２〜３８質量部である、請求項１に記載の石炭灰粒状材の製造方法。
3. 前記粉砕ボールの使用量が、前記混練物１００質量部に対し２５〜１００質量部である、請求項１または２に記載の石炭灰粒状材の製造方法。
4. 前記混練物を、パン型ペレタイザーに連続的または間欠的に投入する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の石炭灰粒状材の製造方法。
5. 石炭灰粒状材の粒径を、粉砕ボールの粒径と粉砕ボールの使用量で調整する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の石炭灰粒状材の製造方法。