JP7471893B2 - 石炭灰の改質方法及び改質装置 - Google Patents

石炭灰の改質方法及び改質装置 Download PDF

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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（助燃空気）とを外熱式ロータリーキルン（加熱装置）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（助燃空気）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。
しかし、下記特許文献１に記載の技術を使用すると、石炭灰の加熱処理により石炭灰に含まれる未燃カーボンを効率よく燃焼させることができるが、石炭灰の加熱処理に伴って石炭灰同士が粒状化してしまうおそれがある。このため、この技術を使用しても、石炭灰を改質してコンクリート用混和材として有効に利用することが難しい。
特開２０１７－２９９４２号公報
そこで、本発明は、石炭灰同士の粒状化を抑制しながら、石炭灰に含まれる未燃カーボンを効率よく燃焼させることを目的とする。
本発明者は、石炭灰の特性について研究を進めた結果、次の知見を得ることができた。すなわち、石炭灰のSiO2含有率、Al2O3含有率、TiO2含有率、固有水分含有率、CaO含有率、MgO含有率、Na2O含有率、K2O含有率をそれぞれＳ質量％、Ａ質量％、Ｔ質量％、Ｗ質量％、Ｃ質量％、Ｍ質量％、Ｎ質量％、Ｋ質量％とした場合における前記石炭灰の造粒指標値「〔Ｓ＋1.5×（Ａ＋Ｔ）＋５×Ｗ〕／（Ｃ＋Ｍ＋Ｎ＋Ｋ）」が所定値を超えていると、前記石炭灰を所定温度（例えば800℃）で所定時間（例えば45min）加熱した場合に前記石炭灰の比表面積が大きく（例えば160cm2/g以上）減少してしまう。
本発明の第一項目に係る石炭灰の改質方法は、判定装置の内部にある石炭灰が加熱されると粒状化しやすいものであるか否かを判定する判定工程と、加熱されても粒状化しにくいものであると判定された前記石炭灰を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て改質灰を製造する加熱工程と、加熱されると粒状化しやすいものであると判定された前記石炭灰を回収装置に回収する回収工程とを備える。
ここで、前記判定工程の前に、前記石炭灰のSiO2含有率、Al2O3含有率、TiO2含有率、固有水分含有率、CaO含有率、MgO含有率、Na2O含有率、K2O含有率をそれぞれＳ質量％、Ａ質量％、Ｔ質量％、Ｗ質量％、Ｃ質量％、Ｍ質量％、Ｎ質量％、Ｋ質量％とした場合における前記石炭灰の造粒指標値「〔Ｓ＋1.5×（Ａ＋Ｔ）＋５×Ｗ〕／（Ｃ＋Ｍ＋Ｎ＋Ｋ）」を算出する演算工程をさらに備える。そして、前記判定工程においては、前記造粒指標値が基準指標値以下である前記石炭灰を前記加熱されても粒状化しにくいものであると判定し、かつ、前記造粒指標値が前記基準指標値を超える前記石炭灰を前記加熱されると粒状化しやすいものであると判定する。前記判定工程においては、前記基準指標値を5.0以上20.0以下の範囲にすることが好ましい。
上記第一項目によれば、加熱されても粒状化しにくい石炭灰（造粒指標値が基準指標値以下である石炭灰）を加熱処理するため、石炭灰の加熱処理に伴う石炭灰同士の粒状化を抑制することができる。これにより、加熱工程において、石炭灰同士の粒状化を抑制するために石炭灰の加熱を弱める必要がなく（例えば、石炭灰の加熱時間を過度に短くしたり加熱温度を過度に低くしたりする必要がなく）、石炭灰を効率よく加熱処理することができるため（例えば、石炭灰を適切な加熱時間及び加熱温度で加熱処理することができるため）、石炭灰に含まれる未燃カーボンを効率よく燃焼させることができる。このように、石炭灰同士の粒状化を抑制しながら、石炭灰に含まれる未燃カーボンを効率よく燃焼させることができる。
本発明の第二項目は、上記第一項目において、前記加熱工程を行う前に前記石炭灰の比表面積を測定することにより、当該石炭灰の比表面積の測定値である第１測定値を取得する第１粒度測定工程と、前記改質灰の比表面積を測定することにより、当該改質灰の比表面積の測定値である第２測定値を取得する第２粒度測定工程と、前記第１測定値から前記第２測定値を引いた値である算出値を算出し、当該算出値が基準算出値を上回っているかの判定である加熱状態評価を行う加熱状態分析工程とを備えるものである。前記判定工程においては、当該加熱状態分析工程において前記算出値が前記基準算出値を上回っているという前記加熱状態評価を行った場合、当該加熱状態評価がなされた後に前記基準指標値を5.0以上20.0以下の範囲内において下げる。
上記第二項目によれば、石炭灰の加熱状態が時間の経過と共に変化しても、石炭灰の粒状化を継続して抑制しながら石炭灰を加熱処理することができる。すなわち、加熱処理する石炭灰の量、未燃カーボン含有率及び比表面積、並びに、加熱温度などに時間の経過によって変化が生じた場合、この変化に伴って石炭灰の加熱工程において石炭灰が粒状化しやすくなるおそれがある。しかし、上記第二項目によれば、このような「おそれ」を速やかに検出して加熱工程において基準指標値を下げることにより、この加熱工程において石炭灰の粒状化を継続して抑制することができる。
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、前記加熱工程の前に、前記石炭灰を細粉化装置によって細粉化する細粉化工程をさらに備えるものである。当該第三項目によれば、石炭灰の比表面積を高めて石炭灰を加熱工程において加熱処理することになるため、結果的に改質灰の比表面積が大きくなり、改質灰をコンクリート混和材として好適に利用することができる。さらには、石炭灰に付着している揮発性不純物も細粉化工程において細粉化されるため、この揮発性不純物を加熱工程において効率よく揮発させることができ、揮発性不純物が付着していない改質灰をコンクリート混和材としてさらに好適に利用することができる。
本発明の第四項目は、演算装置、判定装置、加熱装置及び回収装置を備える石炭灰の改質装置に係るものである。前記演算装置は、石炭灰のSiO2含有率、Al2O3含有率、TiO2含有率、固有水分含有率、CaO含有率、MgO含有率、Na2O含有率、K2O含有率をそれぞれＳ質量％、Ａ質量％、Ｔ質量％、Ｗ質量％、Ｃ質量％、Ｍ質量％、Ｎ質量％、Ｋ質量％とした場合における前記石炭灰の造粒指標値「〔Ｓ＋1.5×（Ａ＋Ｔ）＋５×Ｗ〕／（Ｃ＋Ｍ＋Ｎ＋Ｋ）」を算出するものである。前記判定装置は、当該判定装置の内部に供給された前記石炭灰が加熱されると粒状化しやすいものであるか否かを判定するものであって、前記造粒指標値が基準指標値以下である前記石炭灰を、加熱されても粒状化しにくいものであると判定し、かつ、前記造粒指標値が前記基準指標値を超える前記石炭灰を、加熱されると粒状化しやすいものであると判定するものである。前記加熱装置は、前記造粒指標値が前記基準指標値以下である前記石炭灰を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て改質灰を製造するものである。前記回収装置は、前記造粒指標値が前記基準指標値を超える前記石炭灰を回収するものである。
上記第四項目によれば、上記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、石炭灰同士の粒状化を抑制しながら、石炭灰に含まれる未燃カーボンを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選別装置を示すブロック図である。 図１における改質装置が備える熱処理装置の要部を示す模式図である。 図３における熱処理装置が備えるロータリーキルンを図３のＡ－Ａ線に沿って切断して概略的に示す拡大断面図である。
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、石炭灰の改質装置１は、分級装置１１（細粉化装置）、選別装置２１、回収装置３１及び熱処理装置４１を備えている。
分級装置１１は、石炭灰Ａ１（原石炭灰）を細粉化するものであり、具体的には、石炭灰Ａ１を分級して細粉Ｆ（細粉状の石炭灰）と粗粉Ｒ（粗粉状の石炭灰）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のいずれかを使用することができる。選別装置２１は、分級装置１１から排出される細粉Ｆのうち加熱処理に適するもの（加熱されても粒状化しにくいもの）を選別する（図２の説明において後述する）。回収装置３１は、分級装置１１から排出される粗粉Ｒ、及び、選別装置２１において選別されなかった細粉Ｆ（加熱されると粒状化しやすい石炭灰）を回収する。熱処理装置４１は、選別装置２１において選別された細粉Ｆ（加熱されても粒状化しにくい石炭灰）を助燃空気Ｇ１によって加熱処理することにより、この細粉Ｆから改質灰Ａ２を製造すると共に排ガスＧ２を排出する。
図２は、図１における改質装置１が備える選別装置２１を示すブロック図である。図２に示すように、選別装置２１は、組成分析部２２（組成分析装置）、演算部２３（演算装置）、判定部２４（判定装置）及び加熱状態分析部２５（加熱状態分析装置）を有する。
組成分析部２２は、細粉ＦのSiO2含有率、Al2O3含有率、TiO2含有率、固有水分含有率、CaO含有率、MgO含有率、Na2O含有率、K2O含有率をそれぞれ測定して各測定値を取得する。ここで、固有水分含有率とは、細粉Ｆにおける固有水分（恒温状態にある細粉Ｆを105℃に加熱することにより生じる細粉Ｆの質量減少分）の含有率（質量％）を示している。組成分析部２２は、これら測定値をまとめて信号化してデータ信号Ｓ１を生成する。その後、組成分析部２２は、データ信号Ｓ１を演算部２３に送信し、かつ、細粉Ｆを判定部２４に供給する。なお、組成分析部２２としては、例えば、一般的な蛍光Ｘ線分析装置を使用することができる。
演算部２３は、データ信号Ｓ１を組成分析部２２から受信する。演算部２３は、受信したデータ信号Ｓ１に基づいて細粉Ｆの造粒指標値を算出する。ここで、この造粒指標値とは、細粉ＦのSiO2含有率、Al2O3含有率、TiO2含有率、固有水分含有率、CaO含有率、MgO含有率、Na2O含有率、K2O含有率をそれぞれＳ質量％、Ａ質量％、Ｔ質量％、Ｗ質量％、Ｃ質量％、Ｍ質量％、Ｎ質量％、Ｋ質量％とした場合における「〔Ｓ＋1.5×（Ａ＋Ｔ）＋５×Ｗ〕／（Ｃ＋Ｍ＋Ｎ＋Ｋ）」の値である。演算部２３は、この造粒指標値を信号化してデータ信号Ｓ２を生成する。そして、演算部２３は、生成したデータ信号Ｓ２を判定部２４に送信する。
判定部２４は、演算部２３から送信されたデータ信号Ｓ２を受信して細粉Ｆの造粒指標値を取得する。判定部２４は、この造粒指標値を予め定められている基準指標値（好ましくは5.0以上20.0以下の値）と比較する。さらに、判定部２４は、上記造粒指標値が上記基準指標値以下である細粉Ｆを、加熱されても粒状化しにくいものであると判定して熱処理装置４１に供給する。一方、判定部２４は、上記造粒指標値が上記基準指標値を超える細粉Ｆを、加熱されると粒状化しやすいものであると判定して回収装置３１に排出する。このようにして、判定部２４は、判定部２４の内部にある細粉Ｆが加熱されると粒状化しやすいものであるか否かを判定する。
加熱状態分析部２５は、熱処理装置４１（後述する図３に示す第１粒度測定部４２及び第２粒度測定部４６）から送信されるデータ信号Ｓ４、Ｓ５を受信する。加熱状態分析部２５は、これらデータ信号Ｓ４、Ｓ５に基づき、必要に応じてデータ信号Ｓ３を生成して判定部２４に送信する。なお、加熱状態分析部２５の具体的な動作については、石炭灰の改質装置１における動作の説明として後述する。
図３は、図１における改質装置１が備える熱処理装置４１の要部を示す模式図である。熱処理装置４１は、第１粒度測定部４２、ホッパー４３（石炭灰投入手段）、ガス吹込管４４（ガス吹込手段）、ロータリーキルン４５（加熱装置）及び第２粒度測定部４６を備えている。なお、ロータリーキルン４５は、回転炉４５ａを有している。
第１粒度測定部４２は、細粉Ｆを加熱処理する前に、細粉Ｆのブレーン比表面積を測定して第１測定値（細粉Ｆのブレーン比表面積の測定値）を取得する。その後、第１粒度測定部４２は、細粉Ｆをホッパー４３の内部に投入する。さらに、第１粒度測定部４２は、上記第１測定値を信号化してデータ信号Ｓ４を生成し、データ信号Ｓ４を図２に示す加熱状態分析部２５に送信する。
ホッパー４３は、回転炉４５ａの内部に細粉Ｆを投入するものである。ガス吹込管４４は、回転炉４５ａの内部に助燃空気Ｇ１を吹き込むものである。ホッパー４３は、回転炉４５ａにおける石炭灰搬送方向Ｄ１（すなわち、回転炉４５ａの軸方向に平行な方向）の上流側において回転炉４５ａの上部に接続されている。ガス吹込管４４は、回転炉４５ａ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おり、石炭灰搬送方向Ｄ１に平行な方向に助燃空気Ｇ１を吹き込む。
ロータリーキルン４５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４５は、回転炉４５ａ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４５においては、熱媒体（図示せず）を回転炉４５ａの外表面に接触させて回転炉４５ａの内部を加熱するようになっている。
回転炉４５ａ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４５ａにおける回転部（回転炉４５ａ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４５は、回転炉４５ａの内部において、細粉Ｆを回転炉４５ａ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、細粉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４５は、回転炉４５ａを回転炉４５ａの回転軸（図４に示す回転軸Ｏ）周りに回転させることにより、回転炉４５ａの内部における細粉Ｆを撹拌しながら加熱する構成になっている。
図４は、図３における熱処理装置４１が備えるロータリーキルン４５を図３のＡ－Ａ線に沿って切断して概略的に示す拡大断面図である。図３及び図４に示すように、回転炉４５ａの内部には複数のリフター部材４５ｂが設けられている。
各々のリフター部材４５ｂは、板状に形成されて石炭灰搬送方向Ｄ１と平行に延設され、回転炉４５ａの内表面に固定されている。各々のリフター部材４５ｂの間には、回転炉４５ａの回転方向Ｄ２（回転炉４５ａの周方向）において間隔が互いに設けられている。また、各々のリフター部材４５ｂは、回転炉４５ａの内表面から回転軸Ｏに向けて突出するように設けられている。この構成により、各々のリフター部材４５ｂが回転炉４５ａの回転に伴って回転軸Ｏの周りを回転すると、回転炉４５ａの内部においては各々のリフター部材４５ｂにより細粉Ｆがかき上げられて攪拌されるようになっている。各々のリフター部材４５ｂの長さ（回転炉４５ａの径方向における長さ）は、回転炉４５ａの内部における石炭灰Ａ１のかき上げ効果を高めるために、回転炉４５ａ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３に示すように、ロータリーキルン４５は、回転炉４５ａの内部において、細粉Ｆを搬送及び攪拌しながら助燃空気Ｇ１と接触させて加熱することにより、細粉Ｆに含まれる未燃カーボンを燃焼させて改質灰Ａ２を製造するものである。改質灰Ａ２の未燃カーボン含有率は、細粉Ｆの未燃カーボン含有率よりも低い。
図３に示すように、排出部４５ｃは、回転炉４５ａ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４５は、回転炉４５ａの内部から排出部４５ｃ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４５ｃ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４５ｃ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４５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４５ｃ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４５の外部へ排出される。一方、改質灰Ａ２は、排出部４５ｃの内部において落下することにより、排出部４５ｃ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４５の外部へ排出される。このように、排出部４５ｃ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。
第２粒度測定部４６は、排出部４５ｃから排出される改質灰Ａ２のブレーン比表面積を測定して第２測定値（改質灰Ａ２のブレーン比表面積の測定値）を取得する。さらに、第２粒度測定部４６は、この第２測定値を信号化してデータ信号Ｓ５を生成し、データ信号Ｓ５を図２に示す加熱状態分析部２５に送信する。
次に、本発明の一実施形態に係る石炭灰の改質方法について、図１に示す石炭灰の改質装置１の動作として説明する。まず、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を細粉Ｆと粗粉Ｒとに分離する。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）細粉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）細粉Ｆのブレーン比表面積を3340cm2/g以上4800cm2/g以下とすること。
さらに、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）を製造する。
図２に示すように、分級装置１１から排出した細粉Ｆを選別装置２１の組成分析部２２に供給する。組成分析部２２において、細粉ＦのSiO2含有率、Al2O3含有率、TiO2含有率、固有水分含有率、CaO含有率、MgO含有率、Na2O含有率、K2O含有率をそれぞれ測定して各測定値を取得する。その後、細粉Ｆを組成分析部２２から判定部２４に供給する。一方、組成分析部２２において、上述した各測定値を信号化してデータ信号Ｓ１を生成する。さらに、生成したデータ信号Ｓ１を組成分析部２２から演算部２３に送信する。
図２に示すように、演算部２３において、細粉ＦのSiO2含有率、Al2O3含有率、TiO2含有率、固有水分含有率、CaO含有率、MgO含有率、Na2O含有率、K2O含有率をそれぞれＳ質量％、Ａ質量％、Ｔ質量％、Ｗ質量％、Ｃ質量％、Ｍ質量％、Ｎ質量％、Ｋ質量％とした場合における細粉Ｆの造粒指標値「〔Ｓ＋1.5×（Ａ＋Ｔ）＋５×Ｗ〕／（Ｃ＋Ｍ＋Ｎ＋Ｋ）」を算出する。そして、演算部２３において、この造粒指標値を信号化してデータ信号Ｓ２を生成する。さらに、生成したデータ信号Ｓ２を演算部２３から判定部２４に送信する。
判定部２４において、受信したデータ信号Ｓ２から細粉Ｆの造粒指標値を取得する。さらに、判定部２４において、上記細粉Ｆの造粒指標値と予め設定されている基準指標値とを比較する。そして、この造粒指標値が当該基準指標値以下である場合、細粉Ｆを判定部２４から図３に示す第１粒度測定部４２（熱処理装置４１）に供給する。一方、上記造粒指標値が上記基準指標値を超える場合、細粉Ｆを判定部２４から図１に示す回収装置３１に排出する。
回収装置３１に排出した細粉Ｆを、回収装置３１に排出した粗粉Ｒと同様にセメント原料としてセメント焼成装置（図示せず）に供給する。そして、このセメント焼成装置において、この細粉Ｆをセメント原料としてクリンカ（図示せず）を製造する。
図３に示すように、熱処理装置４１においては、まず第１粒度測定部４２において細粉Ｆのブレーン比表面積を測定して第１測定値（細粉Ｆのブレーン比表面積の測定値）を取得する。その後、第１粒度測定部４２において、この第１測定値を信号化してデータ信号Ｓ４を生成する。さらに、生成したデータ信号Ｓ４を第１粒度測定部４２から図２に示す加熱状態分析部２５に送信する。
一方、回転炉４５ａ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４５ａの内部を800℃以下の範囲内で加熱する。また、回転炉４５ａを回転炉４５ａの回転軸（図４に示す回転軸Ｏ）周りに回転させる。さらには、助燃空気Ｇ１をガス吹込管４４から回転炉４５ａの内部に吹き込む。ここで、助燃空気Ｇ１の吹込流量を１(L/min)以上にする。そして、第１粒度測定部４２において上記第１測定値を取得した後、細粉Ｆを第１粒度測定部４２からホッパー４３の内部に投入することにより、ホッパー４３の内部において細粉Ｆを落下させて回転炉４５ａの内部に投入する。
図３及び図４に示すように、回転炉４５ａの内部において、細粉Ｆ（回転炉４５ａの内部に投入されたもの）を回転炉４５ａの内部底面に沿って石炭灰搬送方向Ｄ１に搬送する。この際に、回転炉４５ａの回転と当該回転に伴うリフター部材４５ｂの回転とにより細粉Ｆを攪拌する。好ましくは、細粉Ｆの供給速度を、次の（１）～（２）の条件がすべて満たされるように調整する。（１）回転炉４５ａの内部における細粉Ｆの加熱時間が45分以下であること。（２）回転炉４５ａ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４５ａの内部における加熱空間（細粉Ｆの加熱温度に維持されている空間）を占める細粉Ｆの割合、すなわち、「（上記加熱空間における細粉Ｆの体積×100）／上記加熱空間の容積」を意味する。
このように、回転炉４５ａの内部において、細粉Ｆを搬送及び攪拌しながら加熱処理することにより、細粉Ｆに含まれる未燃カーボンを燃焼させて改質灰Ａ２を製造する。そして、回転炉４５ａの内部から排出部４５ｃの内部に改質灰Ａ２及び排ガスＧ２を排出する。さらに、改質灰Ａ２を排出部４５ｃの内部において落下させて灰分排出口（図示せず）から排出し、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。
排出部４５ｃから排出した改質灰Ａ２を第２粒度測定部４６に供給する。第２粒度測定部４６において、改質灰Ａ２のブレーン比表面積を測定して第２測定値（改質灰Ａ２のブレーン比表面積の測定値）を取得する。その後、第２粒度測定部４６から改質灰Ａ２を排出してコンクリート用混和材として利用する。また、第２粒度測定部４６において、上記第２測定値を信号化してデータ信号Ｓ５を生成する。このデータ信号Ｓ５を第２粒度測定部４６から図２に示す加熱状態分析部２５に送信する。
図２に示すように、加熱状態分析部２５において、データ信号Ｓ４、Ｓ５を受信して第１測定値（細粉Ｆのブレーン比表面積の測定値）及び第２測定値（改質灰Ａ２のブレーン比表面積の測定値）を取得し、この第１測定値から第２測定値を引いた値である算出値を算出する。さらに、加熱状態分析部２５において、この算出値が基準算出値（加熱状態分析部２５において予め設定されている値）を上回っているかの判定（加熱状態評価）を行う。そして、加熱状態分析部２５において、この算出値が上記基準算出値を上回っていると判定した場合、その旨を信号化してデータ信号Ｓ３を生成し、生成したデータ信号Ｓ３を判定部２４に送信する。
判定部２４においては、データ信号Ｓ３を受信した場合、判定部２４において予め設定されている基準指標値を（好ましくは5.0以上20.0以下の範囲内において）下げる。これ以降は、判定部２４においては、新たな基準指標値に基づき、判定部２４に供給された細粉Ｆを熱処理装置４１又は回収装置３１のいずれに供給するかを決定する。
上記実施形態において、分級装置１１に代えて細粉化装置である粉砕装置（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（細粉化）して細粉Ｆを製造し、この細粉Ｆを選別装置２１に供給する。また、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を直接選別装置２１に供給することもできる。
さらに、上記実施形態において、回転炉４５ａ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４５ａの内部における細粉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。また、熱処理装置４１においては、第１粒度測定部４２をホッパー４３の内部に設けてもよく、第２粒度測定部４６を改質灰Ａ２の冷却器（図示せず）の内部に設けてもよい。
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３に示すロータリーキルン４５に相当）の内部に様々な石炭灰（図３に示す細粉Ｆに相当）を投入した。また、外熱式ロータリーキルンの内部に高温空気（図３に示す助燃空気Ｇ１に相当）を1L/minの流量で吹き込んだ。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800℃で45分間加熱して改質灰（図３に示す改質灰Ａ２に相当）を製造した。ただし、表３に示す実験例２０～実験例２７においては、表３に示す加熱温度及び加熱時間で石炭灰を加熱して改質灰を製造した。また、上述した充填率を１１％に調整し、かつ、高温空気比（単位時間において、外熱式ロータリーキルンの内部に供給される石炭灰に含まれる未燃カーボンの質量に対する、この外熱式ロータリーキルンの内部に吹き込む高温空気の流量の比率）を0.2m3/kgに調整した。
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。
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。
Figure 0007471893000001
表２における項目の内容は次の通りである。「石炭灰の種類」とは、実験例１～実験例１９それぞれにおいて使用した石炭灰の種類を示している。「造粒指標値」とは、石炭灰のSiO2含有率、Al2O3含有率、TiO2含有率、固有水分含有率、CaO含有率、MgO含有率、Na2O含有率、K2O含有率をそれぞれＳ質量％、Ａ質量％、Ｔ質量％、Ｗ質量％、Ｃ質量％、Ｍ質量％、Ｎ質量％、Ｋ質量％とした場合における「〔Ｓ＋1.5×（Ａ＋Ｔ）＋５×Ｗ〕／（Ｃ＋Ｍ＋Ｎ＋Ｋ）」の値である。「造粒の有無」とは、外熱式ロータリーキルンの内部における粒状石炭灰の有無を示している。なお、粒状石炭灰の有無については、外熱式ロータリーキルンの内部を「外熱式ロータリーキルンに設けられている改質灰の排出口」から観察することにより判定した。
表２に示すように、実験例１～実験例１３においては、石炭灰の造粒指標値が14.6以下となっており、粒状の石炭灰が見当たらなかった。一方、実験例１４～１９においては、石炭灰の造粒指標値が14.6を超えており、粒状の石炭灰が発見された。
Figure 0007471893000002
つまり、表２における実験例１～実験例１９の組は、石炭灰をコンクリート用混和材として有効に利用できるように効率よく改質する方法を示している。
この方法は、演算工程及び加熱工程を備える。前記演算工程においては、石炭灰のSiO2含有率、Al2O3含有率、TiO2含有率、固有水分含有率、CaO含有率、MgO含有率、Na2O含有率、K2O含有率をそれぞれＳ質量％、Ａ質量％、Ｔ質量％、Ｗ質量％、Ｃ質量％、Ｍ質量％、Ｎ質量％、Ｋ質量％とした場合における前記石炭灰の造粒指標値「〔Ｓ＋1.5×（Ａ＋Ｔ）＋５×Ｗ〕／（Ｃ＋Ｍ＋Ｎ＋Ｋ）」を算出する。前記加熱工程においては、前記造粒指標値が基準指標値以下である前記石炭灰を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て改質灰を製造する。
上記基準指標値は、石炭灰が粒状化しやすい条件で石炭灰を加熱する場合には低く設定され、かつ、石炭灰が粒状化しにくい条件で石炭灰を加熱する場合には高く設定されることが好ましい。例えば、石炭灰の加熱温度を高くするほど、また、石炭灰の加熱時間を長くするほど、さらには、石炭灰の加熱装置に吹き込む助燃空気の流量を少なくするほど、上記基準指標値は低く設定されることが好ましい。実験例１～１９のような条件で石炭灰を加熱処理する場合には、上記基準指標値を14.6に設定する。
上記方法によれば、加熱されても粒状化しにくい石炭灰（造粒指標値が基準指標値以下である石炭灰）を加熱処理するため、石炭灰の加熱処理に伴う石炭灰同士の粒状化を抑制することができる。これにより、加熱工程において、石炭灰同士の粒状化を抑制するために石炭灰の加熱を弱める必要がなく（例えば、石炭灰の加熱時間を過度に短くしたり加熱温度を過度に低くしたりする必要がなく）、石炭灰を効率よく加熱処理することができるため（例えば、石炭灰を適切な加熱時間及び加熱温度で加熱処理することができるため）、石炭灰に含まれる未燃カーボンを効率よく燃焼させることができる。このようにして、石炭灰同士の粒状化を抑制しながら、石炭灰に含まれる未燃カーボンを効率よく燃焼させることができる。
表３における項目の内容は次の通りである。「石炭灰の種類」とは、実験例２０～実験例２７それぞれにおいて使用した石炭灰の種類を示している。「第２測定値」とは、外熱式ロータリーキルンから排出した改質灰のブレーン比表面積を示している。「加熱温度」、「加熱時間」とは、外熱式ロータリーキルンの内部において石炭灰を加熱した温度及び時間をそれぞれ示している。「算出値」とは、実験例２０～実験例２７それぞれにおいて「使用した石炭灰のブレーン比表面積である第１測定値（表１に示す「Bl.」）から第２測定値を引いた値である。「改質灰のig.loss」とは、外熱式ロータリーキルンから排出した改質灰の質量に対する強熱減量の百分率（％）を示している。
表３に示すように、実験例２０～実験例２７においては、石炭灰の種類（特に、石炭灰のブレーン比表面積及び造粒指標値）、第２測定値及び算出値に関わらず、改質灰のig.loss（未燃カーボン含有率）が石炭灰のig.loss（未燃カーボン含有率）に比較して低くなっている。つまり、実験例２０～実験例２７は、次のことを示している。上記実施の形態のように、石炭灰のうち加熱されても粒状化しにくいもの（造粒指標値が所定値以下であるもの）を選別して加熱処理しても、石炭灰を細粉化（石炭灰のブレーン比表面積を高める）して加熱処理しても、上述した算出値が所定値以下となるように石炭灰を加熱処理しても、石炭灰から未燃カーボンを効率よく除去することができる。このため、これらのように加熱処理することにより、改質灰の未燃カーボン含有率を低下させることができ、その上で、改質灰のブレーン比表面積を高めて改質灰をコンクリート用混和材として好適に利用することができる。
Figure 0007471893000003
１ 石炭灰の改質装置
１１ 分級装置
２１ 選別装置
２２ 分析部（分析装置）
２３ 演算部（演算装置）
２４ 判定部（判定装置）
２５ 加熱状態分析部（加熱状態分析装置）
３１ 回収装置
４１ 熱処理装置
４２ 第１粒度測定部
４３ ホッパー（石炭灰投入手段）
４４ ガス吹込管（ガス吹込手段）
４５ ロータリーキルン（加熱装置）
４５ａ 回転炉
４５ｂ リフター部材
４５ｃ 排出部
Ａ１ 石炭灰
Ａ２ 改質灰
Ｄ１ 石炭灰搬送方向
Ｄ２ 回転方向
Ｆ 細粉
Ｇ１ 助燃空気
Ｇ２ 排ガス
Ｏ 回転軸
Ｒ 粗粉
Ｓ１～Ｓ５ データ信号
ｓ 固定面

Claims (5)

  1. 判定装置の内部にある石炭灰が加熱されると粒状化しやすいものであるか否かを判定する判定工程と、
    加熱されても粒状化しにくいものであると判定された前記石炭灰を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て改質灰を製造する加熱工程と、
    加熱されると粒状化しやすいものであると判定された前記石炭灰を回収装置に回収する回収工程とを備えており、
    前記判定工程の前に、前記石炭灰のSiO 2 含有率、Al 2 O 3 含有率、TiO 2 含有率、固有水分含有率、CaO含有率、MgO含有率、Na 2 O含有率、K 2 O含有率をそれぞれＳ質量％、Ａ質量％、Ｔ質量％、Ｗ質量％、Ｃ質量％、Ｍ質量％、Ｎ質量％、Ｋ質量％とした場合における前記石炭灰の造粒指標値「〔Ｓ＋1.5×（Ａ＋Ｔ）＋５×Ｗ〕／（Ｃ＋Ｍ＋Ｎ＋Ｋ）」を算出する演算工程をさらに備え、
    前記判定工程においては、前記造粒指標値が基準指標値以下である前記石炭灰を前記加熱されても粒状化しにくいものであると判定し、かつ、前記造粒指標値が前記基準指標値を超える前記石炭灰を前記加熱されると粒状化しやすいものであると判定することを特徴とする石炭灰の改質方法。
  2. 前記判定工程においては、前記基準指標値を5.0以上20.0以下の範囲にす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。
  3. 前記加熱工程を行う前に前記石炭灰の比表面積を測定することにより、当該石炭灰の比表面積の測定値である第１測定値を取得する第１粒度測定工程と、
    前記改質灰の比表面積を測定することにより、当該改質灰の比表面積の測定値である第２測定値を取得する第２粒度測定工程と、
    前記第１測定値から前記第２測定値を引いた値である算出値を算出し、当該算出値が基準算出値を上回っているかの判定である加熱状態評価を行う加熱状態分析工程とを備え、
    前記判定工程においては、当該加熱状態分析工程において前記算出値が前記基準算出値を上回っているという前記加熱状態評価を行った場合、当該加熱状態評価がなされた後に前記基準指標値を5.0以上20.0以下の範囲内において下げることを特徴とする請求項１又は２に記載の石炭灰の改質方法。
  4. 前記加熱工程の前に、前記石炭灰を細粉化装置によって細粉化する細粉化工程をさらに備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の石炭灰の改質方法。
  5. 演算装置、判定装置、加熱装置及び回収装置を備え、
    前記演算装置は、石炭灰のSiO2含有率、Al2O3含有率、TiO2含有率、固有水分含有率、CaO含有率、MgO含有率、Na2O含有率、K2O含有率をそれぞれＳ質量％、Ａ質量％、Ｔ質量％、Ｗ質量％、Ｃ質量％、Ｍ質量％、Ｎ質量％、Ｋ質量％とした場合における前記石炭灰の造粒指標値「〔Ｓ＋1.5×（Ａ＋Ｔ）＋５×Ｗ〕／（Ｃ＋Ｍ＋Ｎ＋Ｋ）」を算出するものであり、
    前記判定装置は、当該判定装置の内部に供給された前記石炭灰が加熱されると粒状化しやすいものであるか否かを判定するものであって、前記造粒指標値が基準指標値以下である前記石炭灰を、加熱されても粒状化しにくいものであると判定し、かつ、前記造粒指標値が前記基準指標値を超える前記石炭灰を、加熱されると粒状化しやすいものであると判定するものであり、
    前記加熱装置は、前記造粒指標値が前記基準指標値以下である前記石炭灰を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て改質灰を製造するものであり、
    前記回収装置は、前記造粒指標値が前記基準指標値を超える前記石炭灰を回収するものであることを特徴とする石炭灰の改質装置。
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