JP7402730B2

JP7402730B2 - 石炭灰の改質方法及び改質装置

Info

Publication number: JP7402730B2
Application number: JP2020061870A
Authority: JP
Inventors: 牧生山下; 智彦 ▲高▼橋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2023-12-21
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: JP2021162191A

Description

本発明は、石炭灰を改質する方法及び装置に関する。

石炭灰をコンクリート用混和材として利用する場合、この石炭灰に多くの未燃カーボンが含まれていると、コンクリートの製造に必要なＡＥ剤の量が多くなるおそれがあり、さらには、製造したコンクリートの表面に黒斑が生じるおそれがある。このため、石炭灰をコンクリート用混和材として利用する場合、予め石炭灰を改質して石炭灰の未燃カーボン含有率を低下させておき、その後で石炭灰をコンクリート用混和材としてセメント等と混合する必要がある。

石炭灰の未燃カーボン含有率を低下させる方法としては、下記特許文献１のように、石炭灰を加熱処理して石炭灰中の未燃カーボンを燃焼させる方法が知られている。下記特許文献１に記載の技術においては、未燃カーボンを含むフライアッシュ（石炭灰の一種）と酸素を含む燃焼用ガスとを外熱式ロータリーキルンの内部に供給し、外熱式ロータリーキルンの内部において燃焼用ガスによってフライアッシュを加熱処理する。これによりフライアッシュ中の未燃カーボンを燃焼させる。この際に、外熱式ロータリーキルンの内部に供給される未燃カーボンに対する酸素のモル比を１以上７以下にする。

一方、本発明者は、石炭灰の未燃カーボン含有率を低下させる方法について研究を進めた結果、次の知見を得た。すなわち、ロータリーキルンの内部において石炭灰を効率よく燃焼させることが可能か否かは、ロータリーキルンの内部に吹き込む燃焼用ガスの流量自体に大きく影響される。しかし、下記特許文献１に記載の技術は、ロータリーキルンの内部に吹き込む燃焼用ガスの流量自体を特定するものではなく、ロータリーキルンの内部において石炭灰を安定的に効率よく燃焼させることができない。

特開２０１７－２９９４２号公報

本発明は、上述した知見に基づいてなされたものである。本発明は、ロータリーキルンの内部に適切な量の燃焼用ガスを吹き込むことにより、ロータリーキルンの内部において石炭灰に含まれる未燃カーボンを燃焼用ガスにより効率よく燃焼させることを目的とする。

本発明の第一項目は、次のような石炭灰を改質する方法に係るものである。この方法は、ロータリーキルンの内部に石炭灰を投入する工程と、前記ロータリーキルンの内部に燃焼用ガスを吹き込む工程と、前記ロータリーキルンの内部において、前記石炭灰を前記燃焼用ガスによって加熱処理して当該石炭灰に含まれる未燃カーボンを燃焼させる工程とを備える。ここで、単位時間に前記ロータリーキルンの内部に投入する前記石炭灰に含まれる前記未燃カーボンの量をＣkg、前記単位時間に前記ロータリーキルンの内部に吹き込む前記燃焼用ガスの量をＧm³と定義した場合における比率「G/C」は0.19以上0.30以下である。

上記第一項目によれば、ロータリーキルンの内部に適切な量の燃焼用ガスを吹き込むことができるため、ロータリーキルンの内部において石炭灰に含まれる未燃カーボンを燃焼用ガスにより効率よく燃焼させることができる。

本発明の第二項目は、上記第一項目における前記「G/C」は0.20以上0.28以下である。

上記第二項目によれば、さらに好適な量の燃焼用ガスをロータリーキルンの内部に吹き込むことができるため、ロータリーキルンの内部において、石炭灰を燃焼用ガスにより円滑に搬送して石炭灰の過剰な加熱処理を抑制し、石炭灰の加熱処理に伴う石炭灰の比表面積の低下量を少なく抑えることができる。これにより、石炭灰の加熱処理によって石炭灰のコンクリート用混和材としての利用性を効果的に高めることができる。

本発明の第三項目は、上記第一項目又は上記第二項目において次の内容を含むものである。前記ロータリーキルンにおいては前記石炭灰を600℃以上800℃以下に加熱する。

上記第三項目によれば、石炭灰の加熱処理温度としては比較的低温の範囲内において石炭灰を加熱処理するため、石炭灰に含まれる未燃カーボンを低コストで燃焼させることができ、かつ、石炭灰の加熱処理に伴う石炭灰の比表面積の低下量を少なく抑えることができる。

本発明の第四項目は、次のような石炭灰を改質する装置に係るものである。この装置は、ロータリーキルン、石炭灰投入手段、ガス吹込手段及び調整手段を備える。前記石炭灰投入手段は、前記ロータリーキルンの内部に前記石炭灰を投入するものである。前記ガス吹込手段は、前記ロータリーキルンの内部に燃焼用ガスを吹き込むものである。前記ロータリーキルンは、前記石炭灰を前記燃焼用ガスによって加熱処理することにより、当該石炭灰に含まれる未燃カーボンを燃焼させるものである。前記調整手段は、単位時間に前記ロータリーキルンの内部に投入する前記石炭灰に含まれる前記未燃カーボンの量をＣkg、前記単位時間に前記ロータリーキルンの内部に吹き込む前記燃焼用ガスの量をＧm³と定義した場合における比率「G/C」を0.19以上0.30以下に調整するものである。

本発明の第四項目によれば、上述した第一項目と同様の効果を生じさせることができる。

以上のように、本発明によれば、ロータリーキルンの内部に適切な量の燃焼用ガスを吹き込むことにより、ロータリーキルンの内部において石炭灰に含まれる未燃カーボンを燃焼用ガスにより効率よく燃焼させることができる。

本発明の一実施形態に係る石炭灰の改質装置を示す概略図である。図１における改質装置が備える加熱装置の要部を示す模式図である。図２における加熱装置が備えるロータリーキルンを図２のＡ－Ａ線に沿って切断した概略的な拡大断面図である。本発明に係る石炭灰の改質方法及び改質装置における実験例を示すグラフである。

まず、本発明の一実施形態に係る石炭灰の改質装置について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る石炭灰の改質装置１を示す概略図である。図１に示すように、改質装置１は、分級装置１１、加熱装置２１及び回収装置３１を備えている。

分級装置１１は、石炭灰Ａ１を分級して微粉Ｆと粗粉Ｒとに分離する。分級装置１１としては、例えば、強制うず式の分級機、サイクロン型又はルーバー型慣性分級機、及び、振動篩装置等の乾式分級機を使用することができる。加熱装置２１は、分級装置１１から排出される微粉Ｆを燃焼用ガスＧ１によって加熱処理することにより、微粉Ｆから改質灰Ａ２を生成して排ガスＧ２を排出する。回収装置３１は、分級装置１１から排出される粗粉Ｒを回収する。

図２は、図１における改質装置１が備える加熱装置２１の要部を示す模式図である。図２に示すように、加熱装置２１は、微粉Ｆを燃焼用ガスＧ１により加熱処理して改質する装置である。加熱装置２１は、ホッパー２２（石炭灰投入手段）、ガス吹込管２３（ガス吹込手段）及びロータリーキルン２４を備えている。ロータリーキルン２４は、回転炉２４ａ、リフター部材２４ｂ及び排出部２４ｃを備えている。

ホッパー２２は、回転炉２４ａの内部に微粉Ｆ（微粉状の石炭灰）を投入するものである。ガス吹込管２３は、回転炉２４ａの内部に燃焼用ガスＧ１を吹き込むものである。ホッパー２２は、回転炉２４ａにおける石炭灰搬送方向Ｄ１（回転炉２４ａの軸方向、燃焼用ガスＧ１の吹込方向に平行な方向）の上流側において回転炉２４ａの上部に接続されている。ガス吹込管２３は、回転炉２４ａにおける「石炭灰搬送方向Ｄ１の上流側の端部」に接続されている。

ロータリーキルン２４としては、円筒状に形成された外熱式ロータリーキルンが用いられている。ロータリーキルン２４は、回転炉２４ａにおける石炭灰搬送方向Ｄ１の上流側が下流側よりも高くなるように、回転炉２４ａの軸方向が水平方向に対して0.1°(deg.)以上10°(deg.)以下に傾斜するように配置される。ロータリーキルン２４においては、熱媒体（図示せず）を回転炉２４ａの外表面に接触させて回転炉２４ａの内部を加熱するようになっている。

回転炉２４ａにおける石炭灰搬送方向Ｄ１の上流側端部には固定面ｓが形成されている。固定面ｓは回転炉２４ａにおける回転部（回転炉２４ａにおいて回転する部分であって固定面ｓ以外の箇所）に対して相対移動可能となっており、この回転部が回転しても固定面ｓは回転することなく固定されている。この回転部と固定面ｓとの間はシール構造となっているため、この回転部と固定面ｓとの間をガス（不図示）が通過することはない。

ロータリーキルン２４は、回転炉２４ａの内部において、微粉Ｆを回転炉２４ａの内部底面（水平方向に対して0.1°以上10°以下に傾斜している底面）に沿って滑らせることにより、微粉Ｆを石炭灰搬送方向Ｄ１に搬送しながら助燃空気Ｇ１と接触させて加熱する構成になっている。また、ロータリーキルン２４は、回転炉２４ａを回転炉２４ａの回転軸（図３に示す回転軸Ｏ）周りに回転させることにより、回転炉２４ａの内部における微粉Ｆを撹拌しながら加熱する構成になっている。

図３は、図２における加熱装置２１が備えるロータリーキルン２４を図２のＡ－Ａ線に沿って切断した概略的な拡大断面図である。図２及び図３に示すように、回転炉２４ａの内部には複数のリフター部材２４ｂが設けられている。各々のリフター部材２４ｂは、板状に形成されて石炭灰搬送方向Ｄ１に平行な方向において延設され、回転炉２４ａの内表面に固定されている。各々のリフター部材２４ｂは、回転炉２４ａの回転方向Ｄ２（回転炉２４ａの周方向）において間隔を互いに設けるように配置されている。各々のリフター部材２４ｂは、回転炉２４ａの内表面から回転軸Ｏに向かって突出するように設けられている。各々のリフター部材２４ｂは、回転炉２４ａの回転に伴って回転軸Ｏの周りを回転することにより、回転炉２４ａの内部における微粉Ｆを攪拌する。各々のリフター部材２４ｂの長さ（回転炉２４ａの径方向における長さ）は、回転炉２４ａの内径（直径）の0.05倍以上0.1倍以下であることが好ましい。

図２に示すように、ロータリーキルン２４は、回転炉２４ａの内部において、微粉Ｆを搬送及び攪拌しながら燃焼用ガスＧ１と接触させて加熱することにより、微粉Ｆに含まれる未燃カーボンを燃焼させて改質灰Ａ２を生成する。改質灰Ａ２の未燃カーボン含有率は、微粉Ｆの未燃カーボン含有率よりも低い。回転炉２４ａの内部においては、微粉Ｆに含まれる未燃カーボンの燃焼により一酸化炭素及び二酸化炭素（図示せず）が発生する。

図２に示すように、排出部２４ｃは、回転炉２４ａにおける石炭灰搬送方向Ｄ１の下流側の端部に設けられている。ロータリーキルン２４は、回転炉２４ａの内部から排出部２４ｃの内部に向けて改質灰Ａ２と排ガスＧ２とを排出する。排出部２４ｃの上部にはガス排出口（図示せず）が設けられており、排出部２４ｃの下部には灰分排出口（図示せず）が設けられている。排ガスＧ２は、ロータリーキルン２４の外部に設けられる誘引ファン（図示せず）に吸引されることにより、排出部２４ｃの内部から上記ガス排出口を通過してロータリーキルン２４の外部へ排出される。一方、改質灰Ａ２は、排出部２４ｃの内部において落下することにより、排出部２４ｃの内部から上記灰分排出口を通過してロータリーキルン２４の外部へ排出される。このように、排出部２４ｃの内部においては、改質灰Ａ２と排ガスＧ２とが互いに分離して各々排出される。

次に、本発明の一実施形態に係る石炭灰の改質方法として、図１に示す改質装置１の動作について説明する。図１に示すように、石炭灰Ａ１を分級装置１１に供給して分級することにより、石炭灰Ａ１を微粉Ｆと粗粉Ｒとに分離する。この際、好ましくは、石炭灰Ａ１を、次の（１）及び（２）の条件を満たすように分級する。（１）微粉Ｆの未燃カーボン含有率を2.0質量％以上6.5質量％以下とすること。（２）微粉Ｆのブレーン比表面積を3340cm²/g以上5600cm²/g以下とすること。

さらに、図１に示すように、分級装置１１から排出した粗粉Ｒを回収装置３１において回収する。回収装置３１に回収した粗粉Ｒをセメント原料としてセメント焼成装置（図示せず）に供給し、このセメント焼成装置において粗粉Ｒをセメント原料としてクリンカ（図示せず）を生成する。

図２に示すように、回転炉２４ａの外表面を熱媒体（図示せず）によって加熱することにより、回転炉２４ａの内部を600℃以上800℃以下に加熱する。また、回転炉２４ａを回転炉２４ａの回転軸（図３に示す回転軸Ｏ）周りに回転させる。微粉Ｆをホッパー２２の内部から回転炉２４ａの内部に投入し、燃焼用ガスＧ１をガス吹込管２３の内部から回転炉２４ａの内部に吹き込む。ここで、単位時間に回転炉２４ａ（ロータリーキルン２４）の内部に投入する未燃カーボン（図２に示す微粉Ｆに含まれる未燃カーボン）の量をＣkg、前記単位時間に回転炉２４ａ（ロータリーキルン２４）の内部に吹き込む燃焼用ガスＧ１の量をＧm³と定義した場合における比率「G/C」は0.19以上0.30以下である。好ましくは、この比率「G/C」は0.20以上0.28以下である。

回転炉２４ａの内部において、回転炉２４ａの内部底面に沿って微粉Ｆを石炭灰搬送方向Ｄ１に搬送する。この際に、回転炉２４ａの回転と当該回転に伴うリフター部材２４ｂの回転とにより微粉Ｆを攪拌する。好ましくは、例えば、回転炉２４ａ（ロータリーキルン２４）の勾配や回転炉２４ａ（ロータリーキルン２４）への微粉Ｆの供給量を調整することにより、微粉Ｆの供給速度を、次の（１）～（３）の条件をすべて満たすように調整する。（１）回転炉２４ａの内部における微粉Ｆの加熱時間が40分以下であること。さらに好ましくは、回転炉２４ａの内部における微粉Ｆの加熱時間が20分以上30分以下であること。（２）回転炉２４ａの内部における充填率が11％以下であること。この充填率とは、回転炉２４ａの内部における加熱空間（微粉Ｆを600℃以上800℃以下に加熱する場合は600℃以上800℃以下の空間）を占める微粉Ｆの割合、すなわち、「（上記加熱空間における微粉Ｆの体積×100）／上記加熱空間の容積」を意味する。（３）改質灰Ａ２のブレーン比表面積から微粉Ｆのブレーン比表面積を引いた値が-150cm²/g以上であること。

さらに、ロータリーキルン２４の内部において、回転炉２４ａの内部から排出部２４ｃの内部に改質灰Ａ２及び排ガスＧ２を排出する。改質灰Ａ２を排出部２４ｃの内部において落下させて灰分排出口（図示せず）から回収し、かつ、排ガスＧ２を誘引ファン（図示せず）により吸引してガス排出口（図示せず）から排出する。また、回収した改質灰Ａ２をコンクリート用混和材として利用する。

上記実施形態において、分級装置１１に代えて粉砕装置（図示せず）を設置することもできる。この場合、石炭灰Ａ１を上記粉砕装置により粉砕して微粉Ｆを生成し、この微粉Ｆを加熱装置２１に供給して加熱処理する。

また、上記実施形態において、分級装置１１及び上記粉砕装置のいずれも設けず、石炭灰Ａ１を直接加熱装置２１に供給することもできる。この場合、石炭灰Ａ１を加熱装置２１に供給する前に、石炭灰Ａ１のブレーン比表面積及び未燃カーボン含有率を測定しておくことが好ましい。そして、この石炭灰Ａ１のブレーン比表面積が3340cm²/g以上5600cm²/g以下であり、かつ、この石炭灰Ａ１の未燃カーボン含有率が2.0質量％以上6.5質量％以下である場合にのみ、この石炭灰Ａ１を加熱装置２１に供給することが好ましい。

さらに、上記実施形態において、ホッパー２２に投入される前の微粉Ｆのブレーン比表面積を測定する第１粒度測定部（図示せず）、回転炉２４ａの内部における酸素濃度を測定する酸素濃度測定部（図示せず）、回転炉２４ａの内部における微粉Ｆの充填状態を監視するための監視カメラ（図示せず）、改質灰Ａ２のブレーン比表面積を測定する第２粒度測定部（図示せず）、改質灰Ａ２の未燃カーボン含有率を測定する未燃カーボン含有率測定部（図示せず）を設けることもできる。

特に、上記実施形態において、上述した第１粒度測定部及び第２粒度測定部を設ける場合、改質灰Ａ２のブレーン比表面積から微粉Ｆのブレーン比表面積を引いた値を算出し、この値が基準値未満である場合、回転炉２４ａの内部における微粉Ｆの加熱温度を低下させるか、回転炉２４ａの内部における微粉Ｆの加熱時間を短縮することが好ましい。これにより、微粉Ｆの加熱処理状態を適宜好適化することができる。

なお、上記実施形態においては、熱媒体（図示せず）を回転炉２４ａの外表面に接触させて回転炉２４ａの内部を加熱するようになっているが、回転炉２４ａの外部からバーナー等で回転炉２４ａの外表面に火炎を放射して回転炉２４ａの内部を加熱することもできる。

次に、本発明に係る石炭灰の改質方法及び改質装置における実験例について説明する。この実験例では、外熱式ロータリーキルン（図２に示すロータリーキルン２４に相当）の内部に様々な石炭灰（図２に示す微粉Ｆに相当）を様々な流量で投入した。また、外熱式ロータリーキルンの内部に高温空気（図２に示す燃焼用ガスＧ１に相当）を様々な流量で吹き込んだ。さらに、外熱式ロータリーキルンの内部において、石炭灰を様々な温度で様々な時間加熱して改質灰（図２に示す改質灰Ａ２に相当）を生成した。

外熱式ロータリーキルンとしては高砂工業社の電気加熱式ロータリーキルンを使用した。この外熱式ロータリーキルンの仕様は次の通りである。内径が25cm、有効長が95cm、キルン傾きが0°～2°、回転数が最大2rpm、最大加熱可能温度が900℃、フィードが5(kg/h)～20(kg/h)、キルン内容積が44156cm³（計算値）である。

そして、各々の実験例（実験例Ａ１～Ａ１９、Ｂ１～Ｂ４、Ｃ１～Ｃ３、Ｄ１～Ｄ３、Ｅ１～Ｅ３及びＦ１～Ｆ４）において、改質灰の強熱減量（ig.loss）並びに石炭灰及び改質灰におけるブレーン比表面積変化量（ΔBl.）を測定した。なお、上記強熱減量は、改質灰の未燃カーボン含有率の指標である。すなわち、上記強熱減量の値が小さいほど、改質灰の未燃カーボン含有率が低いことになり、改質灰をコンクリート用混和材として有効に利用することができる。

ブレーン比表面積変化量は、改質灰のブレーン比表面積の値から石炭灰のブレーン比表面積の値を引いた値である。ブレーン比表面積変化量の絶対値が小さいほど、石炭灰の加熱処理に伴う石炭灰の粒状化を抑制することができており、改質灰をコンクリート用混和材として有効に利用することができる。

表１は、上記実験例において使用した石炭灰の性質を示している。表１における項目の内容は次の通りである。「種類」は、石炭灰の種類（石炭灰Ｂ～石炭灰Ｒ）を記号で示している。「Bl.」は、石炭灰のブレーン比表面積（cm²/g）を示している。「Ｌ値」は、石炭灰の明るさの指標であるＬ値（－）を示している。「水分」は、石炭灰における固有水分（恒温状態にある石炭灰を105℃に加熱することにより生じる石炭灰の質量減少分）の含有率（質量％）を示している。「ig.loss」は、ignition loss、すなわち、石炭灰の質量に対する強熱減量の百分率（％）を示している。「」内に化学式が記載された項目は、石炭灰における「当該化学式が示す化合物」の百分率（質量％）を示している。

表２～表７における項目の内容は次の通りである。「種類」は、表１において示した各々の石炭灰のうち使用した石炭灰の種類を示している。「C(g/h)」は、外熱式ロータリーキルンに投入した石炭灰の流量（g/h）を未燃カーボン換算で示している。「T(min)」は、石炭灰の加熱時間（min）、すなわち、外熱式ロータリーキルンの内部における加熱空間（石炭灰の加熱温度に維持されている空間）に石炭灰が滞留した時間（min）を示している。「G(L/min)」は、外熱式ロータリーキルンの内部に吹き込んだ高温空気の流量(L/min)を示している。「G/C(m³/kg)」は、「C(g/h)」に対する「G(L/min)」の比率（割合）であって単位を（m³/kg）に変換したものを示している。つまり、「G/C(m³/kg)」の値は、対応する「C(g/h)」に対する「G(L/min)」の単なる比率とは異なるものである。「ig.loss(％)」は、改質灰の質量に対する強熱減量の百分率（％）を示している。「ΔBl.(cm²/g)」は、改質灰のブレーン比表面積の値から石炭灰のブレーン比表面積の値を引いた値を示している。「AI(％)」は、改質灰における活性度指数を示している。

なお、表２に示す実験例Ａ１～Ａ１９においては、外熱式ロータリーキルンの内部に投入する石炭灰の量を10kg/hとし、外熱式ロータリーキルンの内部における石炭灰の加熱温度を700℃とし、外熱式ロータリーキルンの内部における充填率を11％とした。

図４は、本発明に係る石炭灰の改質方法及び改質装置における実験例を示すグラフである。このグラフは、表２における「G/C（m³/kg）」を横軸にして「ig.loss(％）」を縦軸にしたものである。表２及び図４に示すように、「G/C(m³/kg)」が0.19未満の範囲内においては、「G/C(m³/kg)」が増加するにつれて「ig.loss(％）」が急激に減少する。一方、「G/C(m³/kg)」が0.19以上の範囲内においては、「G/C(m³/kg)」が増加しても「ig.loss(％）」はわずかにしか減少しない。特に、「G/C(m³/kg)」が0.28から0.30になっても「ig.loss(％）」はほとんど減少しない。

つまり、実験例Ａ１～Ａ１９の組は、石炭灰を効果的に改質する方法（以下「第１の方法」とする。）を示している。この第１の方法は、ロータリーキルンの内部に石炭灰を投入する工程と、前記ロータリーキルンの内部に燃焼用ガスを吹き込む工程と、前記ロータリーキルンの内部において、前記石炭灰を前記燃焼用ガスによって加熱処理して当該石炭灰に含まれる未燃カーボンを燃焼させる工程とを備える。ここで、単位時間に前記ロータリーキルンに投入する前記石炭灰に含まれる前記未燃カーボンの量をＣkg、前記単位時間に前記ロータリーキルンに吹き込む前記燃焼用ガスの量をＧm³と定義した場合における比率「G/C」は0.19以上0.30以下である。

上述した第１の方法によれば、ロータリーキルンの内部に適切な量の燃焼用ガスを吹き込むことができるため、ロータリーキルンの内部において石炭灰に含まれる未燃カーボンを燃焼用ガスにより効率よく燃焼させることができる。

一方、表１に示すように、実験例Ａ１～Ａ１９において使用した石炭灰は、互いに異なる性質、すなわち、互いに異なるブレーン比表面積、Ｌ値（未燃カーボン含有率の指標）及び化学組成を有している。しかし、図４に示すように、実験例Ａ１～Ａ１９における「G/C(m³/kg)」の値と「ig.loss(％）」の値とは一定の相関関係（反比例）を有する。つまり、上述した第１の方法においては、どのような石炭灰を処理する場合であっても、石炭灰の処理条件さえ同一であれば、改質灰の未燃カーボン含有率がほぼ同一になると考えられる。

よって、実験例Ａ１～Ａ１９の組は、上述した第１の方法をさらに有効に利用する第２の方法も示している。この第２の方法とは、上述した第１の方法における石炭灰として、互いに異なる性質（ブレーン比表面積、未燃カーボン含有率及び化学組成）を有する複数の石炭灰の混合物を使用することである。具体的には、（１）異なる加熱装置（火力発電所）から排出された複数の石炭灰の混合物、（２）加熱装置（火力発電所）から排出された主灰（ボトムアッシュ）及び飛灰（フライアッシュ）の混合物を使用することである。

上述した第２の方法によれば、大量の石炭灰をロータリーキルンの内部においてまとめて加熱処理することができ、さらには、改質灰の未燃カーボン含有率をほぼ均一にすることができる。そして、これら改質灰をコンクリート用混和材として利用すると、製造されるコンクリート同士に品質の差異が生じにくくなるため、良質なコンクリートを安定して製造することができる。

表３に示す実験例Ｂ１～Ｂ４においては、外熱式ロータリーキルンの内部に投入する石炭灰の量を10kg/hとし、外熱式ロータリーキルンの内部における石炭灰の加熱温度を700℃とし、外熱式ロータリーキルンの内部における充填率を11％とした。

表３に示すように、実験例Ｂ１～Ｂ４の組においては、「G/C(m³/kg)」が0.14から0.20へと増加すると「ig.loss(％)」が1.4から1.2へと急激に低下するが、「G/C(m³/kg)」が0.20 から0.24へと増加しても「ig.loss(％)」は1.2から1.1へとわずかに減少するだけである。そして、「G/C(m³/kg)」が0.24から0.28へと増加しても「ig.loss(％)」は1.1に維持される。

また、表３に示すように、実験例Ｂ１～Ｂ４の組においては、「G/C(m³/kg)」が0.14から0.20と増加すると「ΔBl.(cm²/g)」が－140から－120へと増加する。さらに、「G/C(m³/kg)」が0.20から0.24へと増加すると「ΔBl.(cm²/g)」が－120から－100へとさらに増加する。しかし、「G/C(m³/kg)」が0.24から0.28へとさらに増加すると「ΔBl.(cm²/g)」が－100から－130へと減少してしまう。このため、「G/C(m³/kg)」が0.28を超えると「ΔBl.(cm²/g)」が－130からさらに減少すると考えられる。

つまり、実験例Ｂ１～Ｂ４の組は、上述した第１の方法をさらに有効に利用する第３の方法を示している。すなわち、この第３の方法においては、上述した第１の方法における「G/C(m³/kg)」が0.20以上 0.28以下である。

上述した第３の方法によれば、さらに好適な量の燃焼用ガスをロータリーキルンの内部に吹き込むことができるため、石炭灰に含まれる未燃カーボンをさらに効率よく燃焼させることができる。さらには、ロータリーキルンの内部において石炭灰を燃焼用ガスにより円滑に搬送することができ、石炭灰の加熱処理に伴う石炭灰の比表面積の低下量を少なく抑えることもできる。これらにより、石炭灰の加熱処理によって石炭灰のコンクリート用混和材としての利用性をさらに高めることができる。

表４に示す実験例Ｃ１～Ｃ３、表５に示す実験例Ｄ１～Ｄ３及び表６に示す実験例Ｅ１～Ｅ３においては、外熱式ロータリーキルンの内部に投入する石炭灰の量を10kg/hとすると「C(g/h)」が300となり、外熱式ロータリーキルンの内部に投入する石炭灰の量を15kg/hとすると「C(g/h)」が450となり、外熱式ロータリーキルンの内部に投入する石炭灰の量を20kg/hとすると「C(g/h)」が600となった。

表４に示す実験例Ｃ１～Ｃ３においては、外熱式ロータリーキルンの内部における石炭灰の加熱温度を600℃とした。表５に示す実験例Ｄ１～Ｄ３においては、外熱式ロータリーキルンの内部における石炭灰の加熱温度を700℃とした。表６に示す実験例Ｅ１～Ｅ３においては、外熱式ロータリーキルンの内部における石炭灰の加熱温度を800℃とした。

表４に示す実験例Ｃ１～Ｃ３、表５に示す実験例Ｄ１～Ｄ３及び表６に示す実験例Ｅ１～Ｅ３においては、「C(g/h)」が300であると外熱式ロータリーキルンの内部における充填率が11％になり、「C(g/h)」が450であると外熱式ロータリーキルンの内部における充填率が17％になり、「C(g/h)」が600であると外熱式ロータリーキルンの内部における充填率が23％になった。

表４～表６に示すように、実験例Ｃ１～Ｃ３の組、Ｄ１～Ｄ３の組及びＥ１～Ｅ３の組においては、「G/C(m³/kg)」が0.10から0.13及び0.20へと増加するにつれて「ig.loss(％)」が減少していき、かつ、「G/C(m³/kg)」が0.10から0.13及び0.20へと増加するにつれて「ig.loss(％)」の減少量も減少していく。すなわち、実験例Ｃ１～Ｃ３の組、Ｄ１～Ｄ３の組及びＥ１～Ｅ３の組においては、「G/C(m³/kg)」と「ig.loss(％)」との相関関係が表２に示す実験例Ａ１～Ａ１９の組と同様となる。

つまり、実験例Ｃ１～Ｃ３の組、Ｄ１～Ｄ３の組及びＥ１～Ｅ３の組は、上述した第１の方法をさらに有効に利用する第４の方法を示している。すなわち、この第４の方法とは、上述した第１の方法における石炭灰の加熱温度を600℃以上800℃以下に維持することである。

上記第４の方法によれば、石炭灰の加熱処理温度としては比較的低温の範囲内において石炭灰を加熱処理するため、石炭灰に含まれる未燃カーボンを低コストで燃焼させることができ、かつ、石炭灰の加熱処理に伴う石炭灰の比表面積の低下量を少なく抑えることができる。

表７に示す実験例Ｆ１～Ｆ４においては、外熱式ロータリーキルンの内部に投入する石炭灰の量を10kg/hとし、外熱式ロータリーキルンの内部における石炭灰の加熱温度を700℃とし、外熱式ロータリーキルンの内部における充填率を11％とした。

表７に示すように、実験例Ｆ１～Ｆ４の組においては、石炭灰の加熱時間T(min)が20から30及び40へと増加すると、「ig.loss(％)」が1.4から1.2及び1.0へと減少する。しかし、石炭灰の加熱時間T(min)が40から60へと増加しても、「ig.loss」は1.0のままに維持される。

表７に示すように、実験例Ｆ１～Ｆ４の組においては、石炭灰の加熱時間T(min)が20から30へと増加すると、「ΔBl.(cm²/g)」が－130から－120へと増加する。しかし、石炭灰の加熱時間T(min)が30から40へと増加してしまうと、「ΔBl.(cm²/g)」が－120から－150へとわずかに減少量が大きくなる。さらに、石炭灰の加熱時間T(min)が40から60へと増加してしまうと、「ΔBl.(cm²/g)」が－150から－550へと急激に減少することになる。

表７に示すように、実験例Ｆ１～Ｆ４の組においては、石炭灰の加熱時間T(min)が20から30へと増加しても、改質灰の活性度指数AI(％)は83のままで維持される。しかし、石炭灰の加熱時間T(min)が30を超えて40及び60にまで到達すると、改質灰の活性度指数AI(％)は83から80及び79にまで減少する。

つまり、実験例Ｆ１～Ｆ４の組は、上述した第１の方法をさらに有効に利用する第５の方法を示している。すなわち、この第５の方法とは、上述した第１の方法において、石炭灰の加熱処理時間T(min)を40以下とすること、より好ましくは、石炭灰の加熱処理時間T(min)を30以下とすることである。

上記第５の方法によれば、石炭灰の加熱処理時間T(min)を40以下とすることにより、石炭灰の加熱処理に伴う石炭灰の比表面積の低下を抑制することができる。また、石炭灰の加熱処理時間T(min)を30以下とすることにより、石炭灰の加熱処理に伴う石炭灰の活性度指数の低下を抑制することができる。

１石炭灰の改質装置
１１分級装置
２１加熱装置
２２ホッパー（石炭灰投入手段）
２３ガス吹込管（ガス吹込手段）
２４ロータリーキルン
２４ａ回転炉
２４ｂリフター部材
２４ｃ排出部
３１回収装置
Ａ１石炭灰
Ａ２改質灰
Ｄ１石炭灰搬送方向
Ｄ２回転方向
Ｆ微粉
Ｇ１燃焼用ガス
Ｇ２排ガス
Ｒ粗粉

Claims

石炭灰を改質する方法であって、
ロータリーキルンの内部に前記石炭灰を投入する工程と、
前記ロータリーキルンの内部に燃焼用ガスを吹き込む工程と、
前記ロータリーキルンの内部において、前記石炭灰を前記燃焼用ガスによって加熱処理して当該石炭灰に含まれる未燃カーボンを燃焼させる工程とを備え、
単位時間に前記ロータリーキルンの内部に投入する前記石炭灰に含まれる前記未燃カーボンの量をＣkg、前記単位時間に前記ロータリーキルンの内部に吹き込む前記燃焼用ガスの量をＧm³と定義した場合における比率「G/C」は0.19以上0.30以下であり、
前記ロータリーキルンとしては、外熱式ロータリーキルンが用いられており、
前記燃焼用ガスとしては、加熱された空気が用いられており、
前記未燃カーボンを燃焼させる工程においては、前記ロータリーキルンの内部において、前記石炭灰を600℃以上800℃以下に加熱するものとされており、
前記未燃カーボンを燃焼させる工程における前記石炭灰の加熱時間は、20分以上60分以下の範囲とされていることを特徴とする石炭灰の改質方法。
前記比率「G/C」は、0.20以上0.28以下であることを特徴とする請求項１に記載の石炭灰の改質方法。