JP4447494B2 - 焼結物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、焼結物の製造方法に関し、特に、建設発生土、産業廃棄物等の廃棄物を主原料として用いて高強度かつ低吸水性の焼結物を製造する方法に関する。

従来、石炭灰や頁岩粉末をロータリーキルンに送入し、転動造粒しながら焼結、発泡膨張させて人工焼成骨材を製造するには、一般的には石炭灰等のＣａＯの含有量が低いため、そのまま焼成することは困難であり、ベントナイト等の粘結性材料や種々の副原料を加えて成分調整することが必要となり、コスト高を解消できなかった。

ー方、近年のセメントの需要減少に伴い、遊休セメント製造設備が増え、これらを解体して都市ごみの発酵処理装置等に転用することも提案されているが、解体、改造を伴った転用の場合には、将来、セメント需要が増加して供給不足となったときに、セメント製造設備に戻すことは困難である。

そこで、上記人工骨材及び遊休セメント製造設備における問題を解決するため、特許文献１には、セメント調合原料に焼却灰等の廃棄物等を混合した原料を転動焼成し、品質の安定した骨材を製造するとともに、セメント製造ラインをそのまま利用して骨材を製造可能とし、セメントの製造と人工骨材の製造とを任意選択的に実施することができる人工骨材の製造方法が開示されている。
特開２００４−２４４３０４号公報

しかし、上記特許文献１に記載の人工骨材の製造方法では、廃棄物等を混合した原料を、ロータリーキルンに投入して造粒しながら焼成する際に、焼結物を適度の粒径に転動造粒することが困難であるという問題があった。

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、建設発生土、産業廃棄物、あるいは一般廃棄物の大量使用を可能にするとともに、これらの廃棄物を主原料とした焼結物を製造するにあたり、遊休設備あるいは現有設備をそのまま活用し、焼結物の粒径を適度に維持しながら、生産性良く焼成物を製造する方法を提供することを目的とする。

上記課題を克服するために種々検討した結果、ロータリーキルンの回転とキルン内の温度分布を利用することにより、建設発生土等を主原料とした原料を粉状のまま、あるいは所定以下の粒状に成形してロータリーキルンで焼成すると、適度な大きさに造粒することができ、かつ、高密度、低吸水率、高強度の焼結物を効率良く製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、建設発生土、産業廃棄物、一般廃棄物、砕石場の屑石から選ばれた１種以上を主原料とし、該主原料に必要に応じて成分調整剤及び／ 又は焼結助剤を添加混合して所定の化学組成に調整した後、該原料を、粉状及び／又は粒状の状態でロータリーキルンに投入し、造粒しながら焼成して焼結物を製造する方法において、前記ロータリーキルンの有効内径の外周部の周速度で０．１２ｍ／秒以上、０．２２ｍ／秒未満と、前記ロータリーキルン内の焼成温度に対する窯尻ガス温度の比で１．５０以上、２．３０未満との組合せによって焼結物の造粒径を調節し、平均粒子径が１５ｍｍ以上、３０ｍｍ未満の焼結物を製造することを特徴とする。

また、本発明は、建設発生土、産業廃棄物、一般廃棄物、砕石場の屑石から選ばれた１種以上を主原料とし、該主原料に必要に応じて成分調整剤及び／又は焼結助剤を添加混合して所定の化学組成に調整した後、該原料を、粉状及び／又は粒状の状態でロータリーキルンに投入し、造粒しながら焼成して焼結物を製造する方法において、前記ロータリーキルンの有効内径の外周部の周速度で０．０４ｍ／秒以上、０．１２ｍ／秒未満と、前記ロータリーキルン内の焼成温度に対する窯尻ガス温度の比で２．３０以上、３．５０未満との組合せによって焼結物の造粒径を調節し、平均粒子径が５ｍｍ以上、１５ｍｍ未満の焼結物を製造することを特徴とする。
そして、本発明によれば、焼結物の造粒径を調節するにあたって、ロータリーキルンの有効内径の外周部の周速度と、前記ロータリーキルン内の焼成温度に対する窯尻ガス温度の比との組合せを変更するだけで済むため、簡単なプロセスで、低コストで粒度別の高密度、低吸水率及び高強度の焼結物を製造することができる。尚、キルンの有効内径の外周部とは、ロータリーキルンのシェルの内壁に接する部分である。また、焼成温度とは、キルン内の最高温度領域の焼結物の温度をいう。

前記焼結物製造方法において、前記ロータリーキルンに投入する粉状及び／又は粒状の原料の平均粒子径を、１μｍ以上、５ｍｍ以下とすることができる。これによって、原料の焼結性と、原料の粉砕にかかるコストとのバランスを取りながら焼結物を製造することができる。

以上のように、本発明によれば、建設発生土、産業廃棄物等を主原料として、簡単なプロセスかつ低コストで粒度別の高密度、低吸水率及び高強度の焼結物を製造することができる。

本発明で使用する建設発生土とは、建設現場や工事現場の掘削、ダムの浚渫工事等で発生する土壌、泥土、残土、さらに廃土壌等であり、これらにハンドリング性や輸送性を向上させるため、消石灰等の改質材を添加した改質土も含む。

また、本発明で使用する産業廃棄物としては、例えば、生コンスラッジ、各種汚泥(例えば、浄水汚泥、建設汚泥、製鉄汚泥等)、建設廃材、コンクリート廃材、ボーリング廃土、各種焼却灰(例えば、石炭灰、焼却飛灰、溶融飛灰等)、鋳物砂、ロックウール、廃ガラス、高炉２次灰等が挙げられる。

さらに、本発明で使用する一般廃棄物としては、例えば、下水汚泥、下水汚泥乾燥粉、下水汚泥焼却灰、都市ゴミ焼却灰、都市ゴミ焼却飛灰、貝殻等が挙げられる。

砕石場の屑石とは、道路用骨材、コンクリート用骨材等を採掘し篩い分け工程で出る篩い下品を言う。

本発明においては、上記した建設発生土、産業廃棄物、一般廃棄物、砕石場の屑石から選ばれた１種類以上を主原料として使用する。尚、以下、建設発生土、一般廃棄物、産業廃棄物及び砕石場からの屑石から選ばれる一種以上を廃棄物等ということがある。

本発明で使用する上記廃棄物等は、平均粒子径で１〜３００μｍのものを用いると、焼結性が良いために推奨され、特に好ましくは、平均粒子径で１〜５０μｍのものを用いる。３００μｍより大きい場合には、粉砕等によって粒度を調整したものを用いることができる。この際、粉砕は連続式、バッチ式を問わないが、経済性の観点から連続式が推奨される。平均粒子径が１μｍに満たない場合には、原料の焼結性は向上するものの、粉砕にかかるコストが高騰するために好ましくない。廃棄物等は、粉砕の前後に必要に応じロータリードライヤー等の乾燥機で乾燥して用いても良い。

上記廃棄物等の中には、強熱減量分として数％から数１０％程度の有機物を含むものもあるが、本発明では後述のように、原料形態は、粉末、あるいは所定の粒径以下の粒子形態で焼成するため、焼成過程での燃焼反応が容易に進行し、有機物は完全に燃焼するため、使用する廃棄物等には有機物含有量に対する規制を一切設ける必要はない。

本発明においては、上記廃棄物等を主原料として用い、該主原料に、必要に応じて成分調整剤及び／又は焼結助剤を添加し、予め所定の化学組成の原料とする。但し、廃棄物等の大量使用の観点から、成分調整剤及び／又は焼結助剤は極力使用しないことが好ましく、このために、上記した建設発生土、一般廃棄物等を適宜組み合わせ、主原料である廃棄物等自体の化学組成を目標とする原料の化学組成とする、あるいは少なくとも目標とする原料の化学組成に近づけることが好ましい。

目標とする原料の化学組成は、ＣａＯが５〜３０質量％、ＳｉＯ₂が３０〜７０質量％、 Ａｌ₂Ｏ₃が１０〜４０質量％含まれているように調整することが好ましい。

これは、ＣａＯが５質量％に満たない場合には、焼成温度が著しく上昇し、実用的ではないことや、易焼成性が悪くなるなど焼結物品質のコントロールが困難になるために好ましくなく、逆にＣａＯが３０質量％より多く含まれていると、やはり焼成温度が上昇し、易焼成性が悪くなるために好ましくない。

また、ＳｉＯ₂が３０質量％よりも少ないと、焼成温度が上昇し、易焼成性が悪くなるために好ましくなく、７０質量％よりも多いと焼成温度が著しく上昇し、実用的ではなく好ましくない。

Ａｌ₂Ｏ₃が１０質量％よりも少ないと、液相の大量発生等、安定した運転が困難になるために好ましくなく、Ａｌ₂Ｏ₃が４０質量％を超える量存在すると、焼成温度が著しく上昇し、実用的ではないために好ましくない。

ここで、成分調整剤とは、例えば、ＳｉＯ₂源としては、珪石粉、粘土、カオリン、ベントナイトと言ったものが挙げられる。また、Ａｌ₂Ｏ₃源としては、アルミナ粉、アルミ灰、ＣａＯ源としては、石灰石粉、消石灰、生石灰、セメント、石膏等が挙げられる。

上記成分調整剤の粒度については、廃棄物等の反応性から、平均粒子径で１〜３００μｍであることが好ましく、特に、平均粒子径で１〜５０μｍであることが好ましい。３００μｍより大きい場合には、粉砕や分級によって粒度を調整したものを用いることができる。

成分調整剤の粒度が１μｍよりも小さいと、粉砕等にかかる費用が高騰するために好ましくなく、３００μｍを超えると、廃棄物等との反応性が著しく悪くなり、成分調整剤としての効果が得られないために好ましくない。

一方、焼結助剤とはその名のとおり、焼結反応を促すために添加するものであって、主原料である廃棄物等、あるいは廃棄物等と上記成分調整剤の混合物に既に焼結性が備えられていれば、特に添加する必要はない。しかしながら、これらの原料成分では十分な焼結性が確保できない場合には、焼結助剤を添加する。

焼結助剤には、種々のものが挙げられるが、例えば、上記成分調整剤のうち、粘土やカオリン、ベントナイト、各種のＡｌ₂Ｏ₃源やセメント等は、焼結を促す効果を合わせ持っている。また、ＭｇＯも焼結を促す効果を有し、ＭｇＯはもちろんのこと、この成分を含有するＭｇ（ＯＨ）₂、ＭｇＣＯ₃、あるいはＣａＣＯ₃・ＭｇＣＯ₃（ドロマイト）、ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃（スピネル）、２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂（フォルステライト）等も好適である。また、鉄鋼副産物であるフェロニッケルスラグ等もＭｇＯの含有量が高いばかりでなく、その有効利用と言った観点からも、より好適な材料と言える。

ＫやＮａ等のアルカリ金属の酸化物や、複合酸化物、例えば、炭酸ナトリウムや炭酸カリウム等も焼結反応を促進する効果を示すことが知られており、その複合酸化物である正長石、曹長石等の長石族、硝石、雲母族、霞石も好適である。また、廃ガラスや赤泥等もその有効利用の観点から好適な材料と言える。

また、Ｆｅを含有する酸化物や複合酸化物、例えば、Ｆｅ₂Ｏ₃粉末や鉄さい等も焼結反応を促進する効果を合わせ持っているため、これらを必要に応じて添加しても良い。

上記添加する焼結助剤の粒度としては、やはり廃棄物等との反応性から、平均粒子径で１〜３００μｍが好ましく、特に、平均粒子径で１〜５０μｍであることが好ましい。３００μｍより大きい場合には、粉砕等によって粒度を調整したものを用いることができる。焼結助剤の粒度が１μｍより小さいと、粉砕等にかかる費用が高騰するために好ましくなく、３００μｍを超えると、廃棄物等との反応性が悪くなり、焼結助剤としての効果が得られないために好ましくない。

また、焼結助剤の添加量としては、焼結物中の焼結助剤成分元素の酸化物換算値として、ＭｇＯが０．１〜１０質量％、Ｒ₂Ｏが０．１〜１０質量％、Ｆｅ₂Ｏ₃が０．１〜１０質量％とすることが好ましい。尚、Ｒ₂Ｏとは、アルカリ金属酸化物の総称で、Ｒ₂Ｏ（質量％）＝Ｎａ₂Ｏ（質量％）＋０．６８５Ｋ₂Ｏ（質量％）で表すことができる。

ＭｇＯが０．１質量％よりも小さいと、焼結助剤としての効果が得られないために好ましくなく、１０質量％よりも大きいと、焼結助剤としての効果がそれ以上増加しないために好ましくない。

Ｒ₂Ｏが０．１質量％よりも小さいと、焼結助剤としての効果が得られなくなるために好ましくなく、１０質量％より大きいと、焼結時の液相の発生が急激になり、安定運転が妨げられるため好ましくない。

また、Ｆｅ₂Ｏ₃が０．１質量％よりも小さいと、焼結助剤としての効果が得られないために好ましくなく、１０質量％よりも大きいと、焼結時の液相の発生が急激になり、安定した運転を行えなくなることや、焼成の雰囲気等によっては、Ｏ₂を放出し、焼結物に多数の気泡を発生させる原因となるために好ましくない。

上記した廃棄物等からなる主原料、あるいは該主原料に必要に応じて添加される成分調整剤及び／又は焼結助剤との混合には、ナウターミキサーやエアーブレンデングサイロ等公知の混合機を用いることができ、連続式、バッチ式のいずれを用いても良い。結果的に、均質な混合物が得られれば良く、混合時間等は使用する設備に応じて適宜設定すれば良いが、混合が不十分となると良好な焼成物が得られなくなるため、最大の注意を払う必要がある。

また、粒度の粗い原料を用いる場合や、混合度を高めたい場合には、チューブミル等による粉砕を伴うものを使用しても良く、連続式、バッチ式を問わずいずれも用いることができる。粉砕混合時間は、経済性や混合性から、概ね３０分〜１時間程度が良いが、使用する設備に応じて適宜設定すると良い。混合された原料は、５ｍｍ以下の粉状及び／又は粒状の状態でロータリーキルンに投入され、造粒しながら焼成することにより焼成物が製造される。

原料は、粒状の状態のままでロータリーキルンに投入しても良いが、野外ホッパーからベルトフィーダーを介してキルンに送入する場合等、発塵や周囲環境に配慮が必要な場合、あるいはハンドリング面において問題を生じさせる可能性がある場合には、原料粉末を５ｍｍ以下の粒状に整粒し、ロータリーキルンへ投入しても良い。

この際、整粒にパンペレタイザーや、押出し成形機を用いても特段問題はないが、これらは習熟された技能を必要とすることや、設備コスト上の観点から好ましくなく、例えば、パグミルやスクリューフィーダーを使用し、原料輸送経路、あるいは整粒中の原料に直接散水することで、設備を簡素にすることができ、特別な技能を必要としないことから推奨される。また、整粒物の粒子径のコントロールは、散水量で調整することができ、最適な散水量は、原料粉末の粉末度や含水量によって異なるため、整粒物の状態をみながら、適宜調節すると良い。

整粒物が５ｍｍ以下であれば、形状は問わず、整粒の後、解砕や分級にて５ｍｍ以下に調整したものを用いても良い。整粒物が５ｍｍを超えると、内部まで均質に焼成し難くなるため好ましくない。

上述の要領で混合された粉状の原料、あるいは５ｍｍ以下に整粒された粒状の原料は、ロータリーキルンで焼成される。ロータリーキルンの使用は、セメント産業において、遊休設備の活用という観点から推奨されることは言うまでもないが、ロータリーキルンは、安定した品質の焼結物が連続して得られ易く、工業生産に向いていることに加え、前述の原料の配合調整による相乗効果もあり、極めて安定的に焼結物を製造することが可能となる。

ロータリーキルンを用いた焼成は、好ましくは８００〜１５００℃、より好ましくは、１１５０〜１３５０℃にて行うが、所望とする焼結物の品質（例えば、絶乾密度、吸水率等）を勘案し、適宜調整すると良い。尚、焼成温度が８００℃未満では、十分な焼成が行われず、原料が造粒されないまま排出されるおそれがあるために好ましくない。また、１５００℃を超えると、原料が溶融してしまい、運転に支障をきたすために好ましくない。

ここで、使用するロータリーキルンは、排気系にサイクロン等の原料循環予熱設備、プレヒーター、廃熱ボイラー等を付設しているか否かは問わない。また、窯尻にリフターを備えているものや、ロータリーキルンの内径を途中で搾めたり、広げるなどの加工を加えたものであっても良い。

燃料としては、重油、微粉炭、再生油、ＬＮＧ、ＮＰＧ等一般的に用いられているものであれば、単体あるいは混焼で使用しても良く、所定の焼成温度になるように焚き込み量を調整する。近年、セメントキルンにおいては、廃プラスチック、廃タイヤ、廃木材や肉骨粉等が、燃料代替として用いられているが、そのようなものが燃料の一部として使用されても良い。

ロータリーキルンでの焼成時間は、経済性の観点から概ね１５〜１２０分とするのが適当であるが、所定品質の焼結物が得られるように適宜調整すると良い。また、焼成時のロータリーキルン内のＯ₂分圧は、一般的な焼成範囲である３〜１２％に調整すれば良いが、この範囲に特に限定されるものではない。また、サイクロン等の原料循環系を備えていないロータリーキルンにて焼成を行う場合には、ロータリーキルン窯尻の風速が概ね５ｍ／Ｓ以下となるようにドラフトを調整すると良く、ロータリーキルン窯尻の風速が５ｍ／Ｓを越えると、多量の原料が系外へ飛散して焼結物の収率が低下するために好ましくない。

焼成品は、焼結物の品質をより高める目的、またより安定した運転を目的として、融着防止材をロータリーキルンの窯前から吹き込んでも良く、既に所望とする品質の焼成物が得られている場合、また、安定した運転が行われている場合には、特に融着防止材を使用する必要はない。

融着防止材としては、珪石、アルサイト（商品名、不二サッシ株式会社製、主成分：水酸化アルミニウム）、アルミナ、セメントの粉末やセメントの主要鉱物であるエーライト、ビーライト粉末等を用いることができる。融着防止材の粒子径は、概ね平均粒子径で１０〜１０００μｍのものを用いると、融着防止効果が得られ易いので好ましく、その純度は高いものほど良い。

融着防止材の平均粒子径が１０μｍより小さいと、焼成中に原料化して焼結物中に取り込まれる可能性が高く、融着防止材としての効果が減少してしまうことや、焼結物品質の低下を生じるために好ましくない。逆に、融着防止材の平均粒子径が１０００μｍよりも大きいと、送入部位等の磨耗が著しく、これら消耗部位や部品の交換が頻繁になるために好ましくない。さらに、融着防止材の平均粒子径が数ｍｍを超えると、融着防止材としての効果が減少し、また焼結物に融着したものとの分離が困難となるために好ましくない。

融着防止材の吹込み方法としては、焼点に融着防止材が所定量吹き付けられるものであれば、特に限定されないが、例えば、水冷管あるいは空冷管等の送入管をロータリーキルンの窯前に挿入し、エジェクタ等の空気圧送やモノポンプ等の輸送ポンプによって、融着防止材を吹き付けると装置が簡便にでき推奨される。

また、融着防止材の吹込み量は、ロータリーキルンの送入する混合原料に対し、３〜１０質量％が好ましく、３質量％よりも少ないと、融着防止材としての効果が得られ難く、１０質量％を超えても、融着防止材による融着防止効果はそれ以上増加しないため、経済的な面からみても好ましくない。

本特許は、原料中の液相成分を溶出させてロータリーキルン内で焼成しながら造粒するものであり、その具体的な方法として、ロータリーキルンの回転数と、キルン内の温度分布との組合せにより、その原料中の液相成分の溶出量を調整し、焼結物の粒子径を制御することを特徴とする。

冒頭述べたように、混合原料中には、主要成分であるＳｉＯ₂、Аｌ₂Ｏ₃の他に、ＣаＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＭｇＯ及びアルカリ成分と言った液相成分が含まれている。これらの液相成分は、高温下で液状化し、同時に生成される珪酸塩鉱物、アノーサイト等の生成鉱物の間隙を埋め、より強固で緻密な焼結物を形成する。

次に、ロータリーキルン内での温度分布について説明する。この温度分布は、キルンバーナーの燃料噴霧空気圧、クーラーからの二次空気量、キルン排気ファンの回転数等の変更等により調整することができる。

図１は、ロータリーキルン内の温度分布の概念図である。ロータリーキルン１は、窯前より燃料を吹き込み、バーナー２で燃焼させている。そのため、窯尻３から、キルン径の２〜３倍の長さの位置に最高温度領域があり、その温度は窯尻に行くほど低下する。しかし、前述したように、バーナーの燃料噴霧空気圧を高めたり、排気ファンの回転数を高めて吸引を強くすると、バーナーの炎は、窯尻３側に引っ張られ、窯尻ガス温度が上昇する。この操作を長炎操作と言う。逆に、排気ファン等の吸引を弱くすると、バーナーの炎は窯前側に戻され、窯尻ガス温度は低下する。この操作を短炎操作と呼んでいる。

上記長炎操作によって、最高温度領域は広がり（図中のＣ）、逆に短炎操作をすることにより最高温度領域は狭まる（図中のＡ）。この最高温度領域の違いによって、原料中の液相成分の溶出量を調節できることが判明した。尚、焼成温度とは、最高温度領域の焼結物の温度であり、固定型の放射温度計等で測定することができる。

しかし、焼結物の造粒は、ロータリーキルン内の最高温度領域の長短だけで行うのは困難であり、キルン内での転動作用が必要であることが判り、ロータリーキルンの回転数との関係について検討した。

最高温度領域の長短と、ロータリーキルンの回転数との関係であるが、最高温度領域を長く（長炎操作）し、ロータリーキルンの回転数を早くすると、焼結物の粒子径は大きくなり、逆に、最高温度領域を短く（短炎操作）し、ロータリーキルン回転数を遅くすると、焼結物の粒子径は小さくなることを見出した。これは、ロータリーキルン内での焼結物の転動が、造粒機であるパンペレタイザーの転動と似た作用を起こし、さらに原料中の液相量が造粒の粘結材となり焼結物を造粒しているものと考えられる。以上の結果を表１にまとめた。

表１に記載されたロータリーキルンの回転数は、キルンの大きさによって異なるため、キルンの有効内径の外周部の周速度を用いることとした。周速度を求めるための式は下記のとおりである。

周速度（ｍ／秒）＝ｒｘ（２πＮ）／３６００ ・・・（１）
ｒ：ロータリーキルンのシェル内半径（ｍ）
π：円周率
Ｎ：ロータリーキルンの回転数（ｒｐｈ）
また、ロータリーキルン内の最高温度の違いは、焼成温度を窯尻ガス温度で除した値で表せることが判り、この比を用いることとした。

原料中の液相成分の合計量については、１０〜３０質量％とするのが好ましい。この液相成分が、あまりに少ないと、焼結物の粒子径制御が難しく、逆に３０質量％以上となると、液相量が多すぎて粒子径の制御が困難となる。

ロータリーキルンの周速度で０．２２ｍ／秒以上の場合には、キルン内での滞留時間が短すぎ、一方、０．０４ｍ／秒以下では、十分な転動を得ることができず、焼結物の造粒が困難となる。

また、表１以外の組み合わせとして、キルン内の温度分布が長炎操作でロータリーキルンの周速度を遅くした組み合わせでも造粒することはできるが、焼結物が最高温度領域に長く留まるため、大径化し易く、焼成温度の操作を誤ると融着物が大量に発生すると言った危険性もある。融着物や大径焼結物に対しては、ジョークラッシャー等で破砕し使用する方法も考えられる。

また、逆に、キルン内の温度分布が短炎操作でロータリーキルンの周速度が速い組み合わせの場合でも、造粒は可能であるが、原料中の液相成分が十分に溶出していないため、粒径が５ｍｍ以下の物が多い焼結物となる可能性がある。

上記のようなロータリーキルンによる原料の焼成によって、絶乾密度が１．０ｇ／ｃｍ³以上、２．５ｇ／ｃｍ³以下、２４時間吸水率、減圧吸水率がともに、０．１質量％以上、焼結物の圧壊強度が０．５ｋＮ以上の焼結物を得ることができる。

この発明にかかる焼結物は、２４時間吸水率が低いばかりでなく、減圧吸水率も低いのが特徴であり、上記した２４時間吸水率、減圧吸水率が０．１質量％以上、１５質量％以下である焼結物が得られるのはもちろん、２４時間吸水率、減圧吸水率がともに０．１質量％以上、６質量％以下で、焼結物の圧壊強度が１．０ｋＮ以上の焼結物も容易に得ることができる。

ここで、減圧吸水率とは、一定の減圧下にて強制的に吸水を行わせるものであって、具体的には、密閉容器中に焼結物を水没させ、真空ポンプで−４００ｍｍＨｇまで容器を減圧し、１５分間静置した後に徐々に大気に開放し、焼結物に含水した水量から減圧時の吸水率を測定する。

この減圧吸水率は、コンクリートのポンプ圧送時の配管内における骨材の吸水率を推察する指標となるものであり、焼結物をコンクリート用骨材として使用する場合には、コンクリートにした際の良好なワーカビリティーを確保するために、焼結物は、２４時間吸水率のみならず、減圧吸水率を低くすることが重要である。

表面のみの焼成が進行し易い従来のペレット焼成は、外観上は緻密質であっても、焼結物内部に焼成むらが生じていることが多く、そのため、２４時間吸水率が低い場合でも、減圧吸水率が高くなることが一般的である。しかし、本発明によって得られる焼結物は、焼成過程において、核となる溶融粒子が他の溶融粒子を巻き込みながら粒成長し、焼結度を高めながら焼成が進行することから、表面から内部まで非常に焼きむらが少なく、均質で、緻密質な焼結物が得られる。そのため、２４時間吸水率が低いことはもちろんのこと、同時に減圧吸水率も低くなるという特徴があり、加えて強度も備わったものとなる。

また、本発明では、５ｍｍ以下の粉状及び／又は粒状の状態でロータリーキルンに投入するため、廃棄物等の主原料に含有されている有機物が、焼成中に燃焼され易いと言った特徴もあり、焼成中の焼結物の発泡化が抑制され、結果として絶乾密度も高い焼結物が得られ易い。

さらに、焼結物には、鉱物種として少なくともアノーサイト（ＣａＯ ２ＳｉＯ₂ Ａｌ₂Ｏ₃）が含有されていることが好ましい。

この焼結物は、生成相の主体が珪酸塩鉱物、アノーサイト、ガラスからなるものであるが、焼結物の原料となる廃棄物等は、数種の珪酸塩鉱物から構成されており、この珪酸塩鉱物同士が反応し、結合相としてガラスが生成する。さらに、該ガラスと珪酸塩鉱物との反応によって強固な鉱物質であるアノーサイトが析出し、主にガラスと珪酸塩鉱物との間に介在する。この強固な鉱物質であるアノーサイトが介在することにより、高い強度を発現することができる。

生成相中に占めるアノーサイトの含有量は、１５〜５０質量％、より好ましくは、２０〜４０質量％である。アノーサイトの含有量が１５質量％未満では、珪酸塩鉱物粒子間の結合がガラスによって担われる比率が高まることから、高い結合力が得られず、焼結物強度が低下するために好ましくない。逆に、５０質量％を超えると、結晶質相が増大することにより、易焼成性を維持することが困難となるために好ましくない。

また、焼結物の化学組成は、ＣａＯが５〜３０質量％、ＳｉＯ₂が３０〜７０質量％、 Ａｌ₂Ｏ₃が１０〜４０質量％であることが好ましい。これは、このような化学組成の焼結物は、易焼成性が良く、上記した性状、すなわち絶乾密度及び圧壊強度が高く、２４時間吸水率及び減圧吸水率がともに低い良好な性状を有する焼結物となるために好ましい。

以上、詳述した本発明によれば、高強度でかつ低吸水率の焼結物が得られるため、コンクリート用の骨材、路盤材、埋め戻し材、セメント原料の粘土の代替等として好適に使用することができ、しかも、建設発生土、産業廃棄物等の廃棄物を主原料とするため、廃棄物の有効利用を図ることができ、遊休のロータリーキルンをそのまま使用できるため、遊休設備の有効活用の観点からも、優れた効果を奏する。

試験に使用した廃棄物等（建設発生土、下水汚泥、石炭灰）の化学組成及び平均粒径を表２に示す。また、試験に使用した成分調整剤（炭酸カルシウム、普通ポルトランドセメント、ベントナイト）、及び焼結助剤（フェロニッケルスラグ）の化学組成及び平均粒径を表３に示す。

表２及び表３に示した原料を、表４に示した種々の割合で計量し、本発明の好ましい範囲の化学組成に配合し、該計量原料を、１３０ｍ³のエアーブレンディングサイロに８０トン投入し、エアーによる曝流混合を各々６時間行った。

続いて、得られた原料を粉末のまま、あるいは、パンペレタイザーで５ｍｍ以下に造粒した原料について、大きさの異なるロータリーキルンにて焼成試験を実施した。焼成条件を表５に、試験結果を表６に示す。 尚、キルン内の温度分布の変更方法として、短炎操作は、大小のキルンにおいていずれもバーナーの内流空気圧を強め（２ｋＰａ→３．５ｋＰａ）、外流空気圧を逆に弱め（３ｋＰａ→２ｋＰａ）た。さらに、排気ファンあるいは、集塵ファンのダンパーを閉め吸引を弱めた。長炎操作については、短炎操作の逆の操作を行った。

実施例１〜４は、粉末原料をそのまま、内径１．３ｍ、長さ２０ｍのロータリーキルンに１トン／ｈｒで投入し、緻密質な焼結物が得られるように重油燃料の焚き量を調整しながら焼成した。尚、実施例１〜２は、粒度１５〜３０ｍｍを、実施例３〜４は、粒度５〜１５ｍｍを製造した。

実施例５〜６は、５ｍｍ以下に造粒した原料を、内径１．３ｍ、長さ２０ｍのロータリーキルンに１トン／ｈｒで投入し、緻密質な焼結物が得られるように重油燃料の焚き量を調整しながら焼成した。尚、実施例５は、粒度１５〜３０ｍｍを、実施例６は、粒度５〜１５ｍｍを製造した。

実施例７〜８は、粉末原料をそのまま、内径３．２ｍ、長さ６０ｍのロータリーキルンに２０トン／ｈｒで投入し、緻密質な焼結物が得られるように重油燃料の焚き量を調整しながら焼成した。尚、実施例７は、粒度１５〜３０ｍｍを、実施例８は、粒度５〜１５ｍｍを製造した。

比較例１〜２は、粉末原料をそのまま、内径１．３ｍ、長さ２０ｍのロータリーキルンに１トン／ｈｒで投入し、緻密質な焼結物が得られるように重油燃料の焚き量を調整しながら焼成した。尚、比較例１は、長炎操作を行いロータリーキルンの周速度を遅くした場合、比較例２は、短炎操作を行いロータリーキルンの周速度を速くした場合を焼成条件とした。

比較例３は、５ｍｍ以下に造粒した原料を、内径１．３ｍ、長さ２０ｍのロータリーキルンに１トン／ｈｒで投入し、緻密質な焼結物が得られるように重油燃料の焚き量を調整しながら焼成した。比較例３は、長炎操作を行いロータリーキルンの周速度を遅くした場合を焼成条件とした。

比較例４は、粉末原料をそのまま、内径３．２ｍ、長さ６０ｍのロータリーキルンに２０トン／ｈｒで投入し、緻密質な焼結物が得られるように重油燃料の焚き量を調整しながら焼成した。比較例４は、長炎操作を行いロータリーキルンの周速度を遅くした場合を焼成条件とした。

また、キルン窯前より融着防止材として、珪石粉を原料投入量の５質量％吹き込んだ。こうして得られた焼結物は、外観上緻密質のものであった。得られた焼結物を、目開き５、１５、３０ｍｍの篩いにて篩い分けし、５〜１５ｍｍ、１５〜３０ｍｍの焼結物の重量比率を算出した。各々の目的とする粒度の絶乾密度、２４時間吸水率をＪＩＳ Ａ １１１０に準拠して測定した。焼結物の強度を測定するため、土木学会基準の高強度フライアッシュ人工骨材の圧壊強度試験方法に準拠して圧壊強度を測定した。

表６から明らかのように、いずれの実施例においても、所望粒度の造粒を行うことができ、さらに焼結物の品質においても良好な結果が得られた。一方、比較例については、比較例１及び３で融着物が発生して安定運転を行うことができず、すべての比較例について、所望の品質を備えた焼結物を得ることができなかった。

ロータリーキルン内の温度分布のパターンを説明するための概念図である。

符号の説明

１ ロータリーキルン
２ バーナー
３ 窯尻

Claims (3)

1. 建設発生土、産業廃棄物、一般廃棄物、砕石場の屑石から選ばれた１種以上を主原料とし、該主原料に必要に応じて成分調整剤及び／又は焼結助剤を添加混合して所定の化学組成に調整した後、該原料を、粉状及び／又は粒状の状態でロータリーキルンに投入し、造粒しながら焼成して焼結物を製造する方法において、 前記ロータリーキルンの有効内径の外周部の周速度で０．１２ｍ／秒以上、０．２２ｍ／秒未満と、前記ロータリーキルン内の焼成温度に対する窯尻ガス温度の比で１．５０以上、２．３０未満との組合せによって、焼結物の造粒径を調節し、平均粒子径が１５ｍｍ以上、３０ｍｍ未満の焼結物を製造することを特徴とする焼結物の製造方法。
2. 建設発生土、産業廃棄物、一般廃棄物、砕石場の屑石から選ばれた１種以上を主原料とし、該主原料に必要に応じて成分調整剤及び／又は焼結助剤を添加混合して所定の化学組成に調整した後、該原料を、粉状及び／又は粒状の状態でロータリーキルンに投入し、造粒しながら焼成して焼結物を製造する方法において、 前記ロータリーキルンの有効内径の外周部の周速度で０．０４ｍ／秒以上、０．１２ｍ／秒未満と、前記ロータリーキルン内の焼成温度に対する窯尻ガス温度の比で２．３０以上、３．５０未満との組合せによって、焼結物の造粒径を調節し、平均粒子径が５ｍｍ以上、１５ｍｍ未満の焼結物を製造することを特徴とする焼結物の製造方法。
3. 前記ロータリーキルンに投入する粉状及び／又は粒状の原料は、平均粒子径が１μｍ以上、５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の焼結物の製造方法。

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