JP2017023895A

JP2017023895A - 石炭灰の管理方法

Info

Publication number: JP2017023895A
Application number: JP2015142042A
Authority: JP
Inventors: 昂平大村; Kohei Omura; 関　卓哉; Takuya Seki; 卓哉関
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2017-02-02

Abstract

【課題】石炭火力発電所等から発生する石炭灰の化学組成は、燃料として使用する石炭の種類や品種、排出元によって大きく異なる。このような状況の中、石炭灰をポルトランドセメントクリンカー、ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２含有クリンカーの原料として用いた場合、品質面や製造面において様々な問題が生じるとされている。【解決手段】石炭火力発電所等にて使用する石炭等の燃料について、それぞれ８５０±５０℃強熱後残分の化学組成を分析し、該発電所等から発生する石炭灰の有用性及び用途を、該分析値をもって決定する。【選択図】なし

Description

本発明は石炭灰の管理方法に関する。

石炭火力発電所等から発生する石炭灰は、石炭を燃焼した際に発生する残渣であり、電力事業、一般産業を合わせると、国内で年間１０００万トン以上発生している。それと同時に石炭灰の有効利用は進められており、「石炭灰全国実態調査報告書（平成２４年度実績）／一般財団法人石炭エネルギーセンター」によると、平成７年度の石炭灰の有効利用は発生量の６７．１％であったが、年々有効利用率は増加し、平成２４年度には９７．６％に及び、概ね有効利用に対する意識が浸透していることがいえる。

石炭灰はＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、その多くがセメントクリンカー原料として有効利用されている。セメントの主要４成分はＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３であり、石炭灰は特にＡｌ_２Ｏ_３源、ＳｉＯ_２源として利用される。ここで、ポルトランドセメントクリンカー中のＡｌ_２Ｏ_３はほぼ全量を廃棄物由来としているが、ＳｉＯ_２量に関しては廃棄物のみで調整することができず、天然原料である珪石を使用している。

また、石炭灰の新たな処理技術のひとつとしてＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２を含有する焼成物の製造が提案されている。（特許文献１、２）

特許第４４５６８３２号公報特許第４４９４７４３号公報

石炭火力発電所等から発生する石炭灰の化学組成は、燃料として使用する石炭の種類や品種、排出元によって大きく異なる。特に、近年は低品位炭や廃棄物の燃料化が拡大傾向にあり、石炭灰組成の変動幅は一層大きくなる傾向にある。このような状況の中、石炭灰をポルトランドセメントクリンカー、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有クリンカー等の原料として用いた場合、品質面や製造面において様々な問題が生じるとされている。

該クリンカーの製造を、石炭灰の選定を行うことなく実施した場合、原料の化学組成が変動することによって、クリンカーの鉱物組成が大きく変動してしまう。また、化学組成と融点は密接な関係にあるが、原料の化学組成が変動することで生じる融点の変動はクリンカーの造粒度に大きく影響する。例えば、融点が低すぎると過度な溶融によりクリンカーサイズが必要以上に大きくなる。一方、融点が高すぎると造粒が十分に行われず、焼成工程を経た後でもクリンカーサイズが小さすぎたり、粉末状のままであったりする。このようにして粒度分布が広すぎるクリンカーがサイロに貯蔵された場合、サイロ内で偏析が生じることが避けられない。これを解決するためには、原料である石炭灰の組成を一定の範囲内とすることが必要である。

原料として有用である石炭灰を選別する方法としては、該発電所等から排出された石炭灰の化学組成を分析し、その分析値をもって原料としての有用性及び用途を決定する方法が簡易的であると考えられる。しかしながら、このような方法によって石炭灰の管理を実施すると、物流が複雑化し、所要時間とコストの面で望ましくない。この方法を物流面で分類すると、１）発電所等の石炭灰サイロから石炭灰を抽出し、一時保管場所に移送する過程、２）一時保管場所にある石炭灰をポルトランドセメントクリンカー、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有クリンカーの原料用サイロに移送する過程、といった２つの過程から成り、石炭灰の物流を複雑化してしまう。なおここで、一時保管場所とは石炭灰を抽出し、化学組成を分析し、分析結果を得、該石炭灰の有用性及び用途を決定するまでの間、保管する場所のことを言う。

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った。そしてその結果、石炭火力発電所等から発生する石炭灰の化学組成を予測することで、石炭灰の物流を複雑化することなく、石炭灰の化学組成変動に起因する種々の課題を解決できることを見出した。

本発明は、石炭火力発電所等にて使用する石炭等の燃料について、それぞれ８５０±５０℃強熱後残分の化学組成を分析し、該発電所等から発生する石炭灰の有用性及び用途を、該分析値をもって決定することを特徴とする石炭灰の管理方法である。

本発明によれば、石炭灰の物流を複雑化することなくポルトランドセメントクリンカー、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有クリンカーの品質安定化が可能である。石炭火力発電所等の石炭灰サイロから石炭灰を抽出し、そのまま該クリンカーの原料用サイロに移送することが可能であり、石炭灰の物流を簡素化、迅速化する。

加えて、該クリンカーの平均品質の向上、製造条件の安定化、廃棄物処理量の増加など多くの効果をもたらす。

石炭等の燃料における８５０±５０℃強熱後残分と、該燃料を燃焼させた際に発生した石炭灰の組成比較（ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３）石炭等の燃料における８５０±５０℃強熱後残分と、該燃料を燃焼させた際に発生した石炭灰の組成比較（Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣａＯ）石炭等の燃料における８５０±５０℃強熱後残分の化学組成から算出したＡｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２質量比と、得られた焼成物のＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２生成量の関係

本発明の方法において、始めに石炭火力発電所等にて受け入れた石炭等の燃料について、それぞれ８５０±５０℃強熱後残分の化学組成を分析することが必要である。該発電所等において使用される燃料は石炭のみである必要はなく、石炭が一部でも含まれていれば、その他の可燃性物質、例えば、パーム椰子殻（ＰＫＳ）、木材、廃タイヤ、廃プラスチックなどが混合して使用されていても構わない。化学組成はＪＩＳＭ８８１５「石炭灰及びコークス灰の分析方法」に準じて求めることが望ましいが、蛍光Ｘ線分析にて簡易的に求めても構わない。

続いて、石炭灰の有用性及び用途を、該分析値をもって決定する。ここで石炭灰とは石炭火力発電所等において、副産物として発生するフライアッシュ及びクリンカーアッシュを指す。本発明者等の検討によれば、該分析値と石炭灰の化学組成分析値は非常に良い一致を示すことから、該分析値をもって石炭灰の化学組成を予測することが可能である。通常、石炭火力発電所における微粉炭焚きボイラー内での燃焼温度が１３００℃以上であることを考慮すれば、８５０±５０℃強熱後残分が一致することは意外なことである。

８５０±５０℃強熱後残分における分析項目としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２ＣａＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｇＯ等が挙げられる。なかでも該分析値においてＡｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２質量比が０．４以上のものであれば、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有クリンカー製造用の原料として有用性がある。さらに、０．６以上であった場合、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２が多量に生成する可能性が大きくなり、より望ましい。ここで、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２の化学量論組成におけるＡｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２質量比は０．８５であり、一般的な石炭灰における該質量比は０．２〜０．７である。該質量比が０．４未満であった場合、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２が十分に生成しない可能性が高い。

また、ポルトランドセメントクリンカー用原料として使用可能である石炭灰については特に定めないが、該質量比は小さい方が望ましい。該質量比が小さいほど、多量の石炭灰を原料として使用することが可能であり、かつ天然資源である珪石の使用量が削減可能である。これはポルトランドセメントクリンカー中のＡｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２質量比が０．１〜０．３程度であり、一般的な石炭灰よりも小さい値であることによる。反対に、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有クリンカーの製造においては、該質量比が大きいものが優先される。即ち、本発明の方法に則って、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有クリンカー、ポルトランドセメントクリンカーを並行して製造することにより、ポルトランドセメントクリンカーの製造に用いる石炭灰の組成は、平均的に見るとＡｌ_２Ｏ_３量が少なく、ＳｉＯ_２量が多くなることが予測できる。

換言すれば、８５０±５０℃強熱後残分におけるＡｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２を求め、該値から、火力発電所における燃焼後の石炭灰の使用目的を、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有クリンカーの製造用とするか、ポルトランドセメントクリンカー製造用とするかの振り分けを容易に判断できる。

上述のようにして本発明の方法で使用目的を振り分けた石炭灰は、その後、公知の方法で使用できる。具体的には、前記ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有クリンカーやポルトランドセメントクリンカーにおけるＡｌ_２Ｏ_３原料やＳｉＯ_２原料として用いることができる。

通常、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有クリンカーを得るためには、石炭灰単独ではＣａＯ分が不足する。そのため、Ｃａを補うために、石灰石、生石灰、消石灰、高炉スラグ等を混合して焼成する。またＣａ含有原料としては、それ単独で焼成した際に、ポルトランドセメントクリンカーを生じるように成分調整された混合原料や、セメント製造過程で発生する各種集塵ダストを採用することも可能である。

ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有クリンカーを得るためには、上記のようにして成分調整を行った原料を１０００〜１３００℃で焼成すればよく、ポルトランドセメントクリンカー同様、キルン等で焼成することにより得ることができる。

本発明におけるポルトランドセメントクリンカーはポルトランドセメントとした際に汎用性性状を示す公知のクリンカーを指し、具体的には、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント等に使用される各種ポルトランドセメントクリンカーが該当する。

本発明における、ポルトランドセメントクリンカーを製造する方法は特に限定されることがなく、石炭灰を含む公知のセメントクリンカー用原料を、所望の各鉱物比率および係数となるように所定の割合で調整混合し、公知の方法、例えばＳＰキルンやＮＳＰキルン等で焼成することにより得ることができる。

該セメント原料の調整混合方法も公知の方法を適宜採用すれば良い。例えば、事前に廃棄物・副産物およびその他の原料の組成を測定し、これら原料中の各成分割合から上記範囲になるように各原料の調合割合を計算し、その割合で原料を調合すれば良い。

なお、本発明におけるポルトランドセメントクリンカーの製造に用いる原料は、従来セメントクリンカーの製造において使用される原料と同様のものが使用される。廃棄物、副産物等を使用することも可能である。廃棄物、副産物等から一種以上を使用することは、廃棄物、副産物等の有効利用を促進する観点から好ましいことである。使用可能な廃棄物、副産物等をより具体的に例示すると、高炉スラグ、鉄鋼スラグ、非鉄鉱滓、石炭灰、下水汚泥、上水汚泥、製紙スラッジ、建設発生土、鋳物砂、ばいじん、焼却飛灰、木屑、廃白土、ボタ、廃タイヤ、貝殻、都市ゴミなどの焼却灰等が挙げられる。

上記のようにして得られたＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有クリンカー及びポルトランドセメントクリンカーは各々単独で用いることも可能であるが、混合して用いることがより好適である。その場合の混合比は、ポルトランドセメントクリンカー１００質量部に対して、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有クリンカーが０．５〜１５質量部、好ましくは１〜５質量部である。

また、クリンカー等の水和性を調整するために、本発明においては石膏を加えた水硬性組成物とすることが好ましい。本発明の水硬性組成物を構成する石膏については、二水石膏、半水石膏、無水石膏等のセメント製造として公知の石膏が特に制限なく使用できる。石膏の添加量は、水硬性組成物中のＳＯ_３量が０．５〜５．０質量％となるように添加することが好ましく、１．８〜３．０質量％となるような添加量がより好ましい。該水硬性組成物は、特に制限されないが、２８００〜４５００ｃｍ^２／ｇの粉末度に調整されることが望ましく、３０００〜３８００ｃｍ^２／ｇに調整されることが特に望ましい。

水硬性組成物を上記粉末度に調整するための粉砕方法については、公知の技術が特に制限なく使用でき、本発明の水硬性組成物を構成するポルトランドメントクリンカー、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有クリンカー、石膏は、各成分を個別に粉砕後、混合しても、混合後に粉砕しても構わない。

また、本発明の水硬性組成物には、さらに高炉スラグ、シリカ質混合材、フライアッシュ、クリンカーアッシュ、炭酸カルシウム、石灰石等の混合材や粉砕助剤を適宜、添加混合、混合粉砕してもよい。また、セメント製造過程で発生する各種集塵ダストを混合してもよい。さらに必要に応じ、粉砕後に高炉スラグ、フライアッシュ等を混合し、高炉スラグセメント、フライアッシュセメント等にすることも可能である。

本発明の水硬性組成物は従来公知のポルトランドセメントと同様に使用することができる。

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。

日本国内の石炭火力発電所において使用された、石炭等の燃料における８５０±５０℃強熱後残分と、該燃料を燃焼させた際に発生した石炭灰、各１６種類について化学組成を分析した。該燃料の分析はＪＩＳＭ８８１５「石炭灰及びコークス灰の分析方法」に準じて実施し、石炭灰の分析は蛍光Ｘ線分析により実施した。その結果を図１及び図２に示す。

次に、１６種類の燃料のうち、上記方法により得た８５０±５０℃強熱後残分の化学組成から算出したＡｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２質量比が０．３２、０．４０、０．６５であったものから発生した石炭灰３種類を原料として用い、ポルトランドセメントクリンカー用原料粉末と所定の割合で混合し、１２００℃に保持した電気炉内で焼成した。

石炭等の燃料における８５０±５０℃強熱後残分の化学組成から算出したＡｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２質量比と、得られた焼成物のＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２生成量の関係を図３に示す。ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２等、各鉱物相の割合は粉末Ｘ線回折／リートベルト法により求めた。

Claims

石炭火力発電所等にて使用する石炭等の燃料について、それぞれ８５０±５０℃強熱後残分の化学組成を分析し、該発電所等から発生する石炭灰の有用性及び用途を、該分析値をもって決定することを特徴とする石炭灰の管理方法。
請求項１に記載の方法により得た分析値からＡｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２質量比を算出し、該質量比が０．４以上であるものを石炭火力発電所等にて燃焼させた際に発生する石炭灰を選別し、これとＣａ含有原料とを混合し、１０００〜１３００℃で焼成することを特徴とする、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２を２０質量％以上含有する焼成物の製造方法。
請求項１に記載の方法により管理、選別された石炭灰を原料として用いることを特徴とするセメントクリンカーの製造方法。
請求項２に記載の製造方法により得られたＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有焼成物と、請求項３に記載の方法により得られたセメントクリンカーと、石膏とを混合し、粉砕することにより得られる水硬性組成物。
請求項２に記載の製造方法により得られたＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２含有焼成物と、請求項３に記載の方法により得られたセメントクリンカーと、石膏とを混合し、粉砕する水硬性組成物の製造方法。