JP2020015655A - 改質フライアッシュの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 原料フライアッシュを加熱し、未燃カーボンを燃焼除去して未燃カーボン含有量の少ない改質フライアッシュを製造する方法において、未燃カーボンを十分に燃焼除去するためには、燃焼に必要な空気（酸素）が十分量存在する環境下において５００〜１０００℃程度で加熱する必要がある。フライアッシュと多量の空気を前記温度まで昇温させるためには多大なエネルギーを要し、より効率的に未燃カーボンの燃焼を行う方法が求められている。【解決手段】 原料フライアッシュを加熱に供するに先立ち、空気分級を行って粗粉を除去することで上記課題を解決する。分級点としては、４５μｍふるい残が３０質量％以下となる程度とすることが好ましい。【選択図】 図１
Description
本発明は改質フライアッシュの製造方法に関する。
フライアッシュをセメント混合材又はコンクリート混合材（以下、あわせて混合材と記す）として使用する場合、一般にフライアッシュに含まれる未燃カーボンが少ないものが好適とされる。
しかし、一般に石炭火力発電所から発生したフライアッシュの未燃カーボン含有量は様々であり、多いもので１５質量％ほど存在し、混合材として好適なものは一部に限られるのが現状である。
フライアッシュの未燃カーボンを減らす方法は種々提案されている。例えば、未燃カーボン粒子は、その粒径が大きいことが多く、分級により未燃カーボン含有量の多い粗粉と、少ない微粉に分けることが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
ここで、未燃カーボン粒子の比重はフライアッシュ粒子の比重よりも小さいため、大きな未燃カーボン粒子であっても小さなフライアッシュ粒子との重量差があまり無い。即ち、重量差等を利用した空気分級では、大きな未燃カーボン粒子を粗粉側に分配することは可能であるが、当該粒子より小さなフライアッシュ粒子も同時に粗粉側に分配されてしまうため、未燃カーボン粒子とフライアッシュ粒子を分離することができず、空気分級を行うだけでは微粉側の未燃カーボン含有量を充分に減らすことは困難であった。従って、実効性をもって分級により未燃カーボンを減らすためには、篩を用いるか、湿式分級に頼らざるを得なかったのが実情である。しかしながら、篩による分級では処理量に問題があり、連続的に大量のフライアッシュを処理することは多大な設備を要する。湿式分級では、処理後の乾燥や媒体に浸出するおそれのある重金属の処理などのコストが問題である。
より実用的な方法としては、フライアッシュを未燃カーボンの燃焼温度以上に加熱して未燃カーボンを燃焼除去する方法がある（例えば、特許文献３，４参照）。
未燃カーボンを十分に燃焼除去するためには、燃焼に必要な空気（酸素）が十分量存在する環境下において５００〜１０００℃程度で加熱する必要がある。フライアッシュと多量の空気を前記温度まで昇温させるためには多大なエネルギーを要し、より効率的に未燃カーボンの燃焼を行う方法が求められている。
本発明者らは上記課題に鑑み鋭意検討を行った。そして、フライアッシュに含まれる未燃カーボンの粒子径が小さいほど、加熱した際に素早く燃焼反応が進むことに着目し、本発明を完成するに到った。
即ち本発明は、原料フライアッシュを加熱し、未燃カーボンを燃焼除去して未燃カーボン含有量の少ない改質フライアッシュを製造する方法において、原料フライアッシュを加熱に供するに先立ち、空気分級を行って粗粉を除去することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法である。
本発明によれば、従来の方法に比べ、フライアッシュに含まれる未燃カーボンを短時間で効率的に除去することが可能である。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明において処理に供する原料フライアッシュは、石炭火力発電所などの石炭を燃焼する設備において発生する一般的なフライアッシュを指す。また、石炭と併せて、石炭以外の燃料や可燃系廃棄物が混焼され発生したフライアッシュも含む。
フライアッシュには炭素分の燃え残りとされる未燃カーボンが含有されており、含有量は多いもので１５質量％ほどである。この未燃カーボンが多いと、フライアッシュを混合材として使用した場合に問題を生じる。具体的には、未燃カーボン含有量が多いと、モルタルやコンクリートの表面に未燃カーボンが浮き出し、黒色部が発生するといった問題が生じる可能性が高い。さらに、化学混和剤などの薬剤が未燃カーボンに吸着すると言った問題も生じる可能性がある。
本発明では、原料フライアッシュを加熱に供するに先立ち、空気分級によってフライアッシュ中に含まれる粗粉を除去する。空気分級後に得られる微粉は未燃カーボン含有量が多少低減される場合もあれば、増加する場合もあるし、ほとんど変わらない場合もあるが、本発明においては空気分級によって未燃カーボン含有量が増減しても何ら問題はない。
空気分級によって粒子径の大きな未燃カーボン粒子を除去しておくことで、後の加熱工程において効率的な燃焼除去が可能である。これは、未燃カーボンの燃焼反応は非表面積が大きい方が、即ち粒子径が小さい方が素早く効率的に進むためである。
大きな未燃カーボン粒子と小さな未燃カーボン粒子が含まれるフライアッシュを共に加熱に供すると、小さな未燃カーボン粒子は早い段階で燃焼し消失しても、大きな未燃カーボンが燃焼し終わっておらず、これを燃焼させて未燃カーボン含有量を十分に低減させるには、さらに加熱時間を延ばして対処しなければならない。小さな未燃カーボンは燃焼し終わっているにもかかわらず、一部の大きな未燃カーボン粒子のためにフライアッシュ全体を加熱し続けることは非効率的であり望ましくない。
そこで、本発明では大きな未燃カーボン粒子のみを取り除いておくことにより、燃焼反応をより短時間で終わらせることを可能とする。未燃カーボン粒子を細かくするといった目的に限れば、粉砕により粒子径を小さくすることも当然可能であるが、本発明における改質フライアッシュの用途は混合材であり、フライアッシュが本来有する球形粒子が破壊されることは好ましくない。
フライアッシュを混合材として使用した際、フライアッシュの球形粒子が作用して、コンクリートの流動性が向上することが知られている。従って、粉砕によりフライアッシュの形状を破壊してしまうことはフライアッシュの混合材としての価値を低下させてしまうため望ましくなく、本発明においては空気分級により粗粉を除去することとしている。
空気分級には粉体の分級に使用される公知の技術を使用可能である。最も汎用的なものとしては遠心力場を利用した気流分級機があり、その他に重力場を利用した分級機、慣性力場を利用した分級機などがある。
空気分級以外の分級方法としては、例えば篩による方法が考えられるが、篩は処理能力の点から好ましくない。特許文献１にも記載があるように未燃カーボン含有量を低減させるといった目的であれば、処理能力の問題を抱えてでも篩を用いることは好適である。しかしながら、本発明においては分級工程において未燃カーボン含有量を低下させる必要は無く、篩を選択するメリットは存在しない。
分級点が小さいほど、微粉に含まれる未燃カーボンの粒子径も小さくなるため、未燃カーボン除去に必要な熱エネルギーが少なくてすむ傾向があり、一方、分級点が大きいほど回収できる微粉が多くなる傾向があるため、最終的な改質フライアッシュの回収率も高くなる傾向が強い。双方のバランスを考慮して分級点は適宜設定すればよい。
分級点の設定の目安としては、微粉の４５μｍふるい残分を３０質量％以下にできる条件に設定することが好ましく、より好ましくは同２０質量％以下、さらに好ましくは１０質量％以下にできる条件に設定する。当該調整は、原料フライアッシュの粒度に応じ、採用する空気分級機に合わせて公知の方法で行うことができる。
通常、原料フライアッシュの４５μｍふるい残分は５〜５０質量％と幅広いが、どのような原料フライアッシュであっても分級点を上記条件に固定しておけばよい。
なお、分級点を４５μｍふるい残分等の粗粉量（あるいは微粉量）を指標にして設定した場合、原料フライアッシュの時点で当該指標を満足する場合でも空気分級を行う必要がある。即ち、空気分級により得られた微粉と原料フライアッシュとでは、４５μｍふるい残分が同じであっても次の点で異なる。前者は空気分級により特に大きな未燃カーボンから優先的に除去されているため、４５μｍふるいを通過しないといっても特段大きくない（例えば４６〜１００μｍ程度の）粒子のみを含んだ状態である。一方で後者は何も処理を行っていないため、さらに大きな（例えば４６〜３００μｍ程度の）粒子を含んでいる可能性がある。このような理由から、原料フライアッシュの時点で４５μｍふるい残分が前記目標値以下であった場合でも空気分級を行う。
空気分級により得られた微粉はそのまま加熱に供することができる。加熱手段は特に限定されず、例えばロータリーキルン、旋回気流燃焼炉、流動層炉などを使用して加熱することが可能である。加熱温度は５００℃以上１０００℃以下とすることが好ましく、７００℃以上１０００℃以下とすることがより好ましい。加熱の温度及び時間は、回収されるフライアッシュに求める未燃カーボン含有量により適宜設定でき、温度が高いほど、時間が長いほど未燃カーボン含有量は少なくなる傾向があるが、本発明によれば、従来知られている未分級のフライアッシュを加熱するよりも、より低温及び／又は短時間で未燃カーボン含有量を低減できる。
加熱完了後のフライアッシュは冷却工程に導入することが好ましい。冷却は間接冷却、直接冷却のいずれでも良く、一般的には、２００℃以下、好ましくは１００℃以下まで冷却する。さらに最終的には室温程度まで自然冷却等により冷却して用いることになる。
本発明においては、上記加熱により得られる未燃カーボンが低減されたフライアッシュ（以下、改質フライアッシュと記す）は未燃カーボン含有量が３質量％以下、好ましくは２質量％以下と、ＪＩＳ ＩＩ種フライアッシュ同等以上まで低減されていることが好ましい。未燃カーボン含有量の測定は公知の技術により実施することが可能である。例えば、燃焼させて発生したＣＯ２・ＣＯガスを赤外線検出する方法；強熱減量を測定し、該強熱原料から未燃カーボン含有量を推定する方法；あるいはメチレンブルー吸着量に基づいて算出する方法；密かさ比重試験；マイクロ波を照射して未燃カーボン含有量を推定する方法などが挙げられる。
このようにして得られた改質フライアッシュは、公知の方法により混合材として使用することが可能である。
なお、空気分級により得られた粗粉は、別途加熱して未燃カーボンを燃焼除去して、単独または前記改質フライアッシュと混合して、混合材として使用することも可能であるが、経済性や改質フライアッシュの品質を考慮してセメントクリンカー原料とすることが最も好ましい。
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
国内の石炭火力発電所にて発生したフライアッシュを原料とし、２種類の空気分級機（分級機Ａ：強制渦式気流分級機、分級機Ｂ：自由渦式気流分級機）に導入して微粉を回収した。微粉の回収率はそれぞれ７０±５質量％となるように行った。原料、及び回収した微粉の未燃カーボン含有量と４５μｍふるい残分を表１に示す。なお、未燃カーボン含有量は９７５℃における強熱減量から推定した値、４５μｍふるい残分はＪＩＳ Ａ ６２０１に定められる４５μｍふるい残分試験方法に準じて実施し、得られた値である。
これら３つの試料について、熱重量測定（ＴＧ）を実施し、未燃カーボンの減少速度を算出した。ＴＧの測定条件は、常温から６００℃まで２０℃／分で昇温、その後６００℃で９０分間保持とし、仕込み量は１９．０±０．３ｍｇとした。ＴＧの測定結果を図１に示す。
原料と比較して、分級機Ａ微粉、分級機Ｂ微粉ともに重量減少速度が速い、即ち未燃カーボンの減少速度が速いことがわかる。例えば、図１における３０分から４０分の間での平均重量減少速度を算出すると表２のようになる。
分級機Ａ微粉については原粉の約１．４７倍、分級機Ｂ微粉については原粉の約１．１３倍の速度で未燃カーボンが減少することがわかる。
Claims (4)
- 原料フライアッシュを加熱し、未燃カーボンを燃焼除去して未燃カーボン含有量の少ない改質フライアッシュを製造する方法において、原料フライアッシュを加熱に供するに先立ち、空気分級を行って粗粉を除去することを特徴とする改質フライアッシュの製造方法。
- 空気分級が遠心力場を利用した気流分級である請求項１記載の改質フライアッシュの製造方法。
- 微粉の４５μｍふるい残分が３０質量％以下となるように分級点を調整して空気分級を行う請求項１又は２記載の改質フライアッシュの製造方法。
- 除去した粗粉をセメントクリンカー原料として利用する請求項１乃至３項いずれか１項記載の改質フライアッシュの製造方法。
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