JP2017029942A

JP2017029942A - フライアッシュの改質方法

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Publication number: JP2017029942A
Application number: JP2015154019A
Authority: JP
Inventors: 淳一寺崎; Junichi Terasaki
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2015-08-04
Filing date: 2015-08-04
Publication date: 2017-02-09

Abstract

【課題】外熱式ロータリーキルンの安定運転を維持しながら、フライアッシュに含まれる未燃カーボンをより確実かつ効率的に燃焼除去する。【解決手段】未燃カーボン含有率が１％以上１０％以下のフライアッシュＦＡを６５０℃以上８５０℃以下に加熱された外熱式ロータリーキルン２に供給し、キルンに供給するフライアッシュに含まれる未燃カーボン量をＣとし、キルンに供給する大気又は／及び酸素濃度調整ガス中の酸素量をＯ2とした場合に、Ｏ2／Ｃをモル比で１以上７以下に調整する。フライアッシュの供給量、大気又は／及び酸素濃度調整ガスの供給量、あるいはこれら両供給量を制御してＯ2／Ｃのモル比を調整することができる。キルンの排ガス中のガス成分、キルン内のフライアッシュの温度、及びキルンから排出される改質灰の未燃カーボン含有率に基づいて、キルンに供給する酸素量又は／及びキルン内の温度を調整することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、フライアッシュの改質方法に関し、特に、石炭焚き火力発電所等で発生したフライアッシュを加熱処理により改質する方法に関する。

従来、石炭焚き火力発電所等で発生したフライアッシュは、セメント用混合材、コンクリート用混和材、人工軽量骨材の原料等に利用されているが、未燃カーボン含有率の高いフライアッシュをセメント用混合材やコンクリートの混和材として使用すると、コンクリートの作業性が低下したり、コンクリートの打継部に黒色部が発生する虞がある。また、未燃カーボン含有率の高いフライアッシュを原料として人工軽量骨材を製造すると、人工軽量骨材の品質が低下するという問題もあった。

そのため、未燃カーボン含有率の低いフライアッシュだけをセメント用混合材等に利用し、未燃カーボン含有率の高いフライアッシュは、有効利用することができず、産業廃棄物として埋め立て処理されていたが、最終処分場が逼迫していることに鑑み、フライアッシュの用途拡大が望まれている。

そこで、静電分離や浮遊選鉱によってフライアッシュ中の未燃カーボンを除去したり、フライアッシュに含まれる未燃カーボンを外熱式ロータリーキルンで加熱して燃焼除去することが提案されている（特許文献１及び２参照）。

特許４５９９５４０号公報特許４８８３６２３号公報

しかし、上記特許文献に記載の外熱式ロータリーキルンを用いた燃焼除去技術では、加熱温度が低いと脱カーボンが不十分となる。一方、加熱温度を上昇させるとカーボンの燃焼は促進されるが、それに伴い粉体温度も急激に上昇するため、フライアッシュが溶融して塊状となり、それに伴って脱カーボン率が低下したり、フライアッシュがコーチングとしてキルン内に付着し、キルンの安定運転を阻害するという問題もあった。

そこで、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、外熱式ロータリーキルンの安定運転を維持しながら、フライアッシュに含まれる未燃カーボンをより確実かつ効率的に燃焼除去することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、フライアッシュの改質方法であって、未燃カーボン含有率が１％以上１０％以下のフライアッシュを６５０℃以上８５０℃以下に加熱された外熱式ロータリーキルンに供給し、前記外熱式ロータリーキルンに供給する前記フライアッシュに含まれる未燃カーボン量をＣとし、該外熱式ロータリーキルンに供給する大気又は／及び酸素濃度調整ガス中の酸素量をＯ₂とした場合に、Ｏ₂／Ｃをモル比で１以上７以下に調整することを特徴とする。

本発明によれば、Ｏ₂／Ｃをモル比で１以上７以下に調整することで、フライアッシュ中の未燃カーボンをより確実に燃焼させ、フライアッシュを効率よく改質することができる。

上記フライアッシュの改質方法において、前記フライアッシュの供給量、前記大気又は／及び酸素濃度調整ガスの供給量、あるいはこれら両供給量を制御して前記Ｏ₂／Ｃのモル比を調整することができる。

また、前記外熱式ロータリーキルンの排ガス中のガス成分、前記外熱式ロータリーキルン内の前記フライアッシュの温度、及び前記外熱式ロータリーキルンから排出される改質後のフライアッシュの未燃カーボン含有率に基づいて、前記外熱式ロータリーキルンに供給する酸素量又は／及び前記外熱式ロータリーキルン内の温度を調整することができる。これにより、フライアッシュの溶融を防止してキルン内におけるコーチングの生成を抑制し、キルンの安定運転を維持することができる。

さらに、前記外熱式ロータリーキルン内の通風量を一定とし、前記所定のＯ₂／Ｃモル比となるように酸素濃度調整ガスを供給することができ、未燃カーボンを含む飛散ダストの量を低減してフライアッシュを効率よく改質することができる。

前記外熱式ロータリーキルンの排ガスの一部を該外熱式ロータリーキルンに戻すことができ、外熱式ロータリーキルンの排ガスを循環利用することで熱効率を高めることができると共に、ＮＯｘの生成を抑制することができる。

前記外熱式ロータリーキルン内に設けられた複数のリフター部材を用いて該外熱式ロータリーキルン内を撹拌することができる。これにより、フライアッシュをより効率よく加熱することができ、未燃カーボンの燃焼除去効率が高まる。

前記酸素濃度調整ガスの酸素濃度を２１％以上５０％以下とすることができ、酸素富化燃焼により、ＮＯｘの生成をさらに抑制することができる。

以上のように、本発明によれば、外熱式ロータリーキルンの安定運転を維持しながら、フライアッシュに含まれる未燃カーボンをより確実かつ効率的に燃焼除去することなどが可能となる。

本発明に係るフライアッシュの改質方法を実施するための装置の一例を示す概略図である。

次に、本発明に係るフライアッシュの改質方法の一実施の形態について、図１を参照しながら説明する。尚、同図において、実線の矢線は固体の流れを、破線の矢線は気体の流れを、一点鎖線の矢線は制御信号の流れを各々示している。

フライアッシュの改質装置１は、外熱式ロータリーキルン（以下「外熱キルン」と略称する。）２と、窯尻部２ａへフライアッシュＦＡを供給するフライアッシュ供給部３と、窯尻部２ａへ大気又は酸素濃度調整ガス、あるいはこれらの両方（以下「燃焼用ガス」という。）Ｇを供給するガス供給部４と、外熱キルン２の排ガスＧ２に含まれるダストを集塵する集塵装置５とを備える。

外熱キルン２は、窯尻部２ａ及び窯前部２ｂと、加熱部２ｄを熱源としてフライアッシュＦＡ中の未燃カーボンを燃焼させるための炉２ｃを備え、窯尻部２ａに、フライアッシュＦＡ供給用の右端開口２ｅと、燃焼用ガスＧを供給する上端開口２ｆとを有する。また、図示を省略するが、炉２ｃ内のフライアッシュＦＡを撹拌するための複数のリフター部材を設けることが好ましい。尚、燃焼用ガスＧは窯尻部２ａに供給し、窯前部２ｂから排出したが、窯前部２ｂに供給し、窯尻部２ａから排出してもよい。

フライアッシュの改質装置１は、さらに、外熱キルン２に供給するフライアッシュＦＡ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６と、燃焼用ガスＧの酸素濃度及び風量を測定する酸素濃度及び風量測定部７と、加熱部２ｄに仕切りを設けて各区画毎に配置され、温度管理を精度よく行うための加熱温度管理用温度計８（８Ａ〜８Ｄ）と、外熱キルン２内のフライアッシュＦＡの温度を測定する温度計９と、外熱キルン２から排出される改質灰（未燃カーボンを除去した後のフライアッシュ）Ａ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１１と、外熱キルン２の排ガスＧ２のガス成分を測定する排ガス測定部１０と、これらの測定結果に基づいて、加熱部２ｄ、フライアッシュ供給部３及びガス供給部４を制御する制御部１２とを備える。

上記未燃カーボン含有率測定部６、酸素濃度及び風量測定部７、加熱温度管理用温度計８、温度計９及び未燃カーボン含有率測定部１１は、測定結果を示す信号を制御部１２へ随時送信する。尚、加熱温度管理用温度計８として熱電対等を、温度計９として放射温度計等を用いることができる。

排ガス測定部１０は、外熱キルン２の排ガスＧ２の酸素濃度、一酸化炭素濃度及び二酸化炭素濃度を測定するために設けられ、測定結果を示す信号を制御部１２へ随時送信する。

次に、上記改質装置１の動作及び本発明のフライアッシュの改質方法について、図１を参照しながら説明する。

外熱キルン２の加熱部２ｄへの高温ガスの導入、又は発熱体による熱供給により、加熱部２ｄを６５０℃以上８５０℃以下に加熱し、フライアッシュ供給部３からフライアッシュＦＡを外熱キルン２の右端開口２ｅから窯尻部２ａへ供給して炉２ｃで間接加熱する。加熱温度が６５０℃未満の場合には、脱カーボンが不十分となり、加熱温度が８５０℃を超えると、フライアッシュＦＡが溶融して炉２ｃの内部にコーチングが生成され、外熱キルン２の運転が不安定となる。フライアッシュＦＡは、炉２ｃの高温となった内面に接触して加熱されると共に、炉２ｃ内の複数のリフター部材によって掻き上げられて撹拌され、フライアッシュＦＡに含まれる未燃カーボンが燃焼する。

改質灰Ａは、窯前部２ｂに搬送され、窯前部２ｂの後段に配されるロータリー式又はグレート式等の冷却装置１３にて、冷却空気Ｇ４によって冷却されながら回収される。冷却後のガスＧ５は、加熱部２ｄの加熱用空気、又は燃焼用ガスＧの一部として利用することができる。一方、外熱キルン２からの排ガスＧ２は、集塵装置５で除塵され、除塵後の排ガスＧ３の一部は窯尻部２ａ又は窯前部２ｂに戻され、残りが大気に放出される。集塵装置５で回収された回収粉は、供給部３に戻すが、改質灰Ａの未燃カーボン含有率に影響がない場合には冷却装置１３の後段に戻すこともできる。

上記運転の際に、未燃カーボン含有率測定部６により、外熱キルン２に供給されるフライアッシュＦＡの未燃カーボン含有率を測定し、測定結果を示す信号を制御部１２に随時送信する。制御部１２は、この測定結果に基づいてフライアッシュＦＡの供給量を制御し、炉２ｃ内のフライアッシュＦＡの未燃カーボン量を調整することができる。フライアッシュ供給部３は、右端開口２ｅから窯尻部２ａへ所定量のフライアッシュＦＡを供給し、燃焼用ガスＧの酸素供給量が所定の範囲から外れる場合や、外熱キルン２に供給される未燃カーボン量を一定にする場合には、制御部１２からの制御信号に基づいてフライアッシュＦＡの供給量を調整する。

酸素濃度及び風量測定部７により、燃焼用ガスＧと排ガスＧ３の混合ガスの酸素濃度及び風量を測定し、測定結果を示す信号を制御部１２に随時送信する。制御部１２は、この測定結果に基づいて、炉２ｃ内に供給する燃焼用ガスＧの供給量を調整する。ガス供給部４は、制御部１２からの制御信号に基づいて、上端開口２ｆから窯尻部２ａへ所定の酸素量（酸素濃度×風量）となるように燃焼用ガスＧを供給する。

上記動作により、炉２ｃ内のフライアッシュＦＡに含まれる未燃カーボン量をＣとし、外熱キルン２に供給するガス（燃焼用ガスＧと排ガスＧ３の混合ガス）中の酸素量をＯ₂とした場合に、Ｏ₂／Ｃがモル比で１以上７以下、より好ましくは３以上７以下となるように調整する。これにより、後述するように、フライアッシュＦＡ中の未燃カーボンをより確実に燃焼させ、フライアッシュＦＡを効率よく改質することができる。

外熱キルン２の運転中は、温度計９によって外熱キルン２内のフライアッシュＦＡの温度を測定し、未燃カーボン含有率測定部１１により、改質灰Ａ中の未燃カーボン含有率を測定し、排ガス測定部１０によって排ガスＧ２のガス成分を測定し、各々の測定結果を示す信号を制御部１２に随時送信する。

制御部１２は、温度計９、未燃カーボン含有率測定部１１及び排ガス測定部１０の測定結果に基づいて、外熱キルン２に供給するガス（燃焼用ガスＧと排ガスＧ３の混合ガス）の酸素量や、炉２ｃ内の温度を調整する。尚、このような制御を行った場合には、外熱キルン２内の通風量が増減する。

一方、酸素濃度及び風量測定部７の測定結果に基づいて制御部１２によって燃焼用ガスＧの酸素濃度を調整し、外熱キルン２に供給するガス（燃焼用ガスＧと排ガスＧ３の混合ガス）の供給量を一定に維持することで外熱キルン２内の通風量が一定となるように制御し、未燃カーボンを含む飛散ダストの量を低減してフライアッシュを効率よく改質することもできる。

次に、上記フライアッシュの改質方法の試験例について説明する。

上記構成を有するフライアッシュの改質装置１を用い、化学組成と未燃カーボン含有率の異なる２種類のフライアッシュＦＡについて、キルン回転数と傾斜を固定（キルン通過時間を同じと）し、加熱温度、投入量（充填率）Ｏ₂／Ｃモル比、供給ガスの酸素濃度、リフターの有無を変更し、改質灰Ａの未燃カーボン濃度、すなわちフライアッシュＦＡの脱カーボン率の変化を調べた。試験結果を表１に示す。

同表において、実施例１〜６は、フライアッシュＦＡの未燃カーボン含有率が４．０質量％、実施例７〜１５は、フライアッシュＦＡの未燃カーボン含有率が８．０質量％である。これらを比較すると、フライアッシュＦＡの未燃カーボン含有率が低い方（４．０質量％の場合）が脱カーボン率が高くなることが判る。但し、実施例６と実施例１４は、リフター部材を用いた場合であるが、この場合には脱カーボン率は略々同様となっている。

実施例１のように、フライアッシュＦＡの充填率が２．５％と低い場合には、加熱温度が低く、Ｏ₂／Ｃモル比が小さく、酸素濃度が低くても、優れた脱カーボン率を得られるが、実施例２のように、充填率を５．０％に増加する、すなわちフライアッシュ投入量を増加させると脱カーボン率が低下する。そこで、実施例３に示すように、Ｏ₂／Ｃモル比を５に増加させると、脱カーボン率が大幅に向上することが判る。

実施例４〜６は、実施例３よりもさらに充填率を増加させて８．０％とした。実施例４において、充填率を増加させたことによって実施例３よりも脱カーボン率が低下するが、実施例５に示すように、酸素濃度を４１％に増加させれば、脱カーボン率が増加し、実施例３と比較しても遜色ない。

さらに、実施例６によれば、外熱キルン２内にリフター部材（不図示）を設けることで脱カーボン率が大幅に向上する。

一方、実施例７〜９では、上述のように、実施例１〜３より脱カーボン率が大幅に低下するが、実施例１０及び１１のように、Ｏ₂／Ｃモル比や酸素濃度を高めることで、脱カーボン率が向上する。

そして、実施例１２及び１３のように、フライアッシュＦＡの充填率を８．０％に増加させると脱カーボン率が低下し、実施例１３のように酸素濃度を増加させても、表１の実施例２及び４程度の脱カーボン率しか得られない。

そこで、実施例１４及１５のように、実施例１２及び１３と試験条件を同様にした上で、リフター部材を設ければ、脱カーボン率が大幅に改善し、略々１００％の脱カーボン率を得ることができる。

１フライアッシュの改質装置
２外熱キルン
２ａ窯尻部
２ｂ窯前部
２ｃ炉
２ｄ加熱部
２ｅ右端開口
２ｆ上端開口
３フライアッシュ供給部
４ガス供給部
５集塵装置
６未燃カーボン含有率測定部
７酸素濃度及び風量測定部
８（８Ａ〜８Ｄ）加熱温度管理用温度計
９温度計
１０排ガス測定部
１１未燃カーボン含有率測定部
１２制御部
１３冷却装置
Ａ改質灰
ＦＡフライアッシュ
Ｇ燃焼用ガス
Ｇ１燃焼ガス
Ｇ２、Ｇ３排ガス
Ｇ４冷却空気
Ｇ５（冷却後の）ガス

Claims

未燃カーボン含有率が１％以上１０％以下のフライアッシュを６５０℃以上８５０℃以下に加熱された外熱式ロータリーキルンに供給し、
前記外熱式ロータリーキルンに供給する前記フライアッシュに含まれる未燃カーボン量をＣとし、該外熱式ロータリーキルンに供給する大気又は／及び酸素濃度調整ガス中の酸素量をＯ₂とした場合に、Ｏ₂／Ｃをモル比で１以上７以下に調整することを特徴とするフライアッシュの改質方法。
前記フライアッシュの供給量、前記大気又は／及び酸素濃度調整ガスの供給量、あるいはこれら両供給量を制御して前記Ｏ₂／Ｃのモル比を調整することを特徴とする請求項１に記載のフライアッシュの改質方法。
前記外熱式ロータリーキルンの排ガス中のガス成分、前記外熱式ロータリーキルン内の前記フライアッシュの温度、及び前記外熱式ロータリーキルンから排出される改質後のフライアッシュの未燃カーボン含有率に基づいて、前記外熱式ロータリーキルンに供給する酸素量又は／及び前記外熱式ロータリーキルン内の温度を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載のフライアッシュの改質方法。
前記外熱式ロータリーキルン内の通風量を一定とし、前記所定のＯ₂／Ｃモル比となるように酸素濃度調整ガスを供給することを特徴とする請求項１、２又は３に記載のフライアッシュの改質方法。
前記外熱式ロータリーキルンの排ガスの一部を該外熱式ロータリーキルンに戻すことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のフライアッシュの改質方法。
前記外熱式ロータリーキルンの内壁に設けられた複数のリフター部材を用いて該外熱式ロータリーキルン内を撹拌することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のフライアッシュの改質方法。
前記酸素濃度調整ガスは、酸素濃度が２１％以上５０％以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のフライアッシュの改質方法。