2005 年石炭灰有効利用シンポジウム【講演Ⅴ】石炭灰の溶融化技術に関する研究石川嘉崇電源開発㈱技術開発センター茅ヶ崎研究所リサイクル研究室課長 1．はじめに石炭は，燃焼の際の二酸化炭素の排出量が大きいことが懸念されるが，豊富な埋蔵量をもち，安定供給が見込め，かつ経済性に優れているため，現在もエネルギーの重要な柱となっており，電力業界を中心に使用量が増加している。現在日本では，石炭火力発電所の副産物である石炭灰の年間発生量は，約 1000万 tに達すると推定されており，今後の石炭火力発電所の新設・増設によりその発生量はさらに増大することが見込まれている。このうちの約 80％はセメント関係を中心に再利用されているものの，残りの 2 0％にあたる約 150万トンの石炭灰が管理型産業廃棄物として埋め立て処理されている。一方，1991 年に施行された「再生資源の利用の促進に関する法律（通称：再生資源利用促進法）」により，石炭灰は再生資源として利用できるように品質などを工夫すべき副産物（指定副産物）として政令で指定された。更に，2000 年 6 月に「循環型社会形成推進基本法」が施行され，廃棄物の排出抑制，資源の循環に関する社会的風潮が高まっている。石炭灰を有効利用していく上では，処理コストの低減及び微量重金属溶出等の環境問題の解決が必須条件である。また，石炭灰処分場は環境面から建設の制約を受け，現状瀬戸内地域をはじめとして石炭灰処分場の新設，増設が認められないところが多くなってきており，既設処分場の延命が求められている。本報告で述べる「石炭灰の溶融化技術に関する研究」は，石炭灰を溶融することで減容化，無害化し，環境上安全に石炭灰利用拡大を図ろうとする技術研究開発であり，燃料として安価な石炭の使用，石炭灰を溶融する際の排ガスを再利用することによる省エネルギー化も目指している。具体的には，石炭灰の溶融化技術は，石炭灰を高温溶融させ水砕してスラグ化する技術と，石炭灰の高温溶融物を遠心力や圧縮空気により吹き飛ばし無機繊維化する技術であり，灰捨て場に廃棄する石炭灰までを溶融し利用することを可能とするものである。 2．石炭灰（石炭）溶融発電システムについて表－1 に石炭灰（石炭）溶融発電システムの比較を示す。微粉炭ボイラに灰溶融炉を設置するケース，サイクロンボイラを導入するケース，スラグタップボイ講-V-1 2005 年石炭灰有効利用シンポジウムラを導入するケース，IGCC(石炭ガス化複合発電 )を導入するケースの 4 方式が考えられる。微粉炭ボイラに灰溶融炉を設置するケースでは，微粉炭ボイラの脇に灰溶融炉を設置し，微粉炭ボイラの排ガス処理系の集塵器で回収した石炭灰を投入し，溶融スラグ化する。また灰溶融炉の排ガス処理に，既設ボイラの排ガス処理系統を使用する。サイクロンボイラを使用するケースは，燃料となる石炭をサイクロンファーネスに投入して灰の大部分を溶融し，ボイラで熱回収するものである。スラグタップボイラを使用するケースは，ドイツ等では実績があり，スラグタップファーネスとボイラを U字型に接続することが特徴である。燃料となる石炭をスラグタップファーネスに投入して灰の大部分を溶融し，この底部にて溶融スラグを回収する。IGCCは，石炭ガス化炉において石炭を部分燃焼させて COや H 2 といった可燃ガスを回収し，これと同時に石炭中の灰分を溶融スラグ化するものである。さらに回収した COや H 2 を燃料として，ガスタービンと蒸気タービンを駆動させることで複合発電する。表－1 石炭灰（石炭）溶融発電システムの概要日本においては，ごみ発電等では溶融炉が用いられてはいるが，石炭火力については微粉炭ボイラ（乾式ボイラ）が主流である。今後は，増大する石炭灰の処理に対応するため，これらの石炭灰（石炭）溶融発電システムを積極的に取り入れていくことも一方策と考えられる。ただし，溶融化に用いる石炭灰（石炭）の成分および炉の溶融条件により，製造される石炭灰（石炭）溶融スラグと石炭灰溶融繊維の性状は変化するため、これらの条件を適切に制御してゆくことが重要な課題となる。以下に、本研究で得られた石炭灰（石炭）溶融スラグと石炭灰溶融繊維についてその概要を報告する。講-V-2 2005 年石炭灰有効利用シンポジウム 3．石炭灰（石炭）溶融スラグについて本報告ではスラグタップボイラおよび灰溶融炉方式の２種類の方法で製造された灰溶融スラグを用いた。スラグはガラス質でやや粗く，形状も角張っているので，磨砕整粒を行い，粒度分布を整えた上でコンクリート用骨材への適用性を検討した。 3.1 コンクリート用骨材としての性能図－1 に磨砕前後のスラグの状況を示す。コンクリート用骨材への適用性を検討するために密度，吸水率，粒度，微粒分量，粒形判定実積率，安定性，アルカリシリカ反応性，および 40t 破砕値等のコンクリート骨材としての物性試験及び有害物質の溶出，成分分析等の化学試験を行った。表－2 に試験結果を示す。磨砕整粒後の灰溶融スラグの物性値はコンクリート用骨材に関する各種規格を満足しており，有害物質の溶出がないことなどからコンクリート用細骨材として十分な品質を有していることが確認された。磨砕前図－1 磨砕後石炭灰溶融スラグ（スラグタップボイラ）講-V-3 2005 年石炭灰有効利用シンポジウム表－2 コンクリート用骨材に関する試験結果スラグ ST 磨砕磨砕整粒前整粒後試験項目絶乾密度 ( g / c m 3) 吸水率 (%) 微粒分量 (%) 安定性 (%) 粒形判定実積率 (%) アルカリシリカ反応性 (化学法） 40t 規格値 (JISA5005) 2.53 2.63 2.45 2.63 2.5以上 1.25 0.11 1.15 0.3 3.0以下 0.53 0.99 0.45 5.2 7.0以下 3.5 2.1 2.2 1.8 10以下 52 58 55 60 53以上害－－ 28.4 －－無破砕値 (％ ) スラグ YB 磨砕磨砕整粒前整粒後害－ 25.8 －無注）スラグ ST:スラグタップボイラによるスラグスラグ YB:灰溶融炉方式によるスラグ 3.2 灰溶融スラグを用いたコンクリートの性能磨砕整粒し粒度調整を行った石炭灰溶融化スラグを細骨材（砂）の一部に用いた数種類のコンクリートについて，フレッシュコンクリート試験及び硬化コンクリート試験を行い，その適用性について検討した。コンクリート打設時のブリーディング量（コンクリート表面の浮き水量）はスラグ置換率が高いほど大きくなる傾向を示したものの，コンクリートの品質目標を満足する結果であった。また，硬化コンクリートの圧縮強度と細骨材中のスラグ置換率との関係は，いずれのケースにおいてもスラグ置換率が大きいほど強度が若干高くなる傾向が見られた。 60 W/C=40%,SL=18cm 圧縮強度（N/mm 2 ） 55 50 W/C=50%,SL=8cm 45 W/C=50%,SL=18cm 40 W/C=60%,SL=18cm 35 30 -20 0 図－2 20 40 60 80 スラグ置換率（％）スラグ置換率と圧縮強度の関係講-V-4 100 120 2005 年石炭灰有効利用シンポジウム 3.3 コンクリート二次製品への実応用実際のコンクリート二次製品工場で，灰溶融スラグを用いて二次製品を製作し，コンクリート打設の作業性およびその品質を確認した。JIS A 5372：2000「プレキャスト鉄筋コンクリート製品」に規定された「道路用上ぶた式Ｕ字形側溝」を試作した。試作ケースとしては，細骨材の 50％を灰溶融スラグ細骨材で置換した。コンクリート製造工程上は，通常のものと差がなく，また出来上がった製品は，ＪＩＳ規格値を充分満足しコンクリート 2 次製品材料として十分適用可能であることが確認できた。図－3 脱型後の二次製品の外観 4．石炭灰溶融繊維について CaCO 3 を， CaO に換算して石炭灰と CaOの合計重量の約 30％添加して，試作した石炭灰溶融繊維（図－ 4）について，その基本的な特徴および他の繊維との比較検討をした試験結果について述べる。 4.1 石炭灰溶融繊維の特徴石炭灰溶融繊維は，全体に白色の繊維である。手触りおよび外観はロックウールによく似ている。繊維長は比較的短い。ショット（繊維化されなかった固形分）は石炭灰の性状により異なるが数％程度確認される。（図－ 4 参照）講-V-5 2005 年石炭灰有効利用シンポジウム図－4 試作した石炭灰溶融繊維表－3 に，石炭灰溶融繊維の基礎的な特徴を示す。表－3 項石炭灰溶融繊維の特徴目数繊維の平均直径（ μ m） 3.4 ショット（固形分）の含有率 2.1 （％）かさ密度（ ton/m 3 ） 4.2 値 0.14 石炭灰溶融繊維の化学分析結果表－ 4 に，試作した石炭灰溶融繊維の化学分析結果を示す。 SiO 2 が約 45％， Al 2 O 3 が約 20％をしめる。 CaOが，約 30％をしめるのは融点降下材として， Ca 分を添加しているためと考えられる。表－4 石炭灰溶融繊維の化学分析結果項 4.3 目数値（ wt％） Ig. Loss 0.2 SiO 2 46.0 Al 2 O 3 21.3 Fe 2 O 3 2.7 CaO 27.2 MgO 0.8 熱的性質石炭灰溶融繊維をガスバーナー内で赤熱状態まで加熱し，それを水中に投入し講-V-6 2005 年石炭灰有効利用シンポジウムても粉々になったり溜色したり，柔らかさが無くなることはなかった。熱分析装置を用い，空気中で 1300℃ まで加熱したが，熱重量曲線には重量の増減は見られなかった。また，示差熱分析では，1000℃ 以下には明確な吸熱，発熱ピークはなかったが， 1050℃ 付近に発熱ピーク， 1240℃ 付近に吸熱ピークがそれぞれ見られた。熱間収縮温度は，約 790℃ でロックウールの熱間収縮温度より高い値を示す（ JIS A 9504 規格では 650℃ 以上）。同様に熱伝導率は，0.4350（ W/mk）であり，ロックウールとほぼ同等であるが，若干値が大きいのはショットの影響と考えられる。 4.4 耐薬品性石炭灰溶融繊維を水酸化ナトリウム 40％水溶液に浸し，20℃ で 24 時間経過後，内容物を取り出し充分に水洗した後，乾燥器（ 105℃ ）中で乾燥させ重量をもとめた。その結果から溶解率（繊維重量の減少率）を求めると，ロックウール溶解率が 5％に対して，石炭灰溶融繊維の溶解率は 4.5％となりロックウール以上の耐アルカリ性を示すことがわかる。これは，小島らが中国製の石炭灰溶融繊維を用いて実験した実験結果とも一致し，ロックウールに比較して耐アルカリ性があることがわかった。繊維の用途としてセメント・コンクリート分野にも利用することが可能と考えられる。 5．おわりに石炭灰（石炭）溶融スラグは，今回の一連の実験ではコンクリート用骨材として充分な性能（物性値）を有しており，良質なコンクリート用細骨材（砂）の確保が近年難しくなっている状況を鑑みると，その代替品として有望なものとして位置づけることができると考えられる。また，石炭灰溶融繊維は，ロックウールなどの現状の無機繊維と比較して，優れた耐熱性と耐薬品性を有している。従って石炭灰溶融繊維は，断熱材，耐火材，不燃材，コンクリート補強材として有効利用が見込まれるものである。今後は，単に石炭灰（石炭）溶融化に関する技術開発だけでなく，製造された製品の市場での流通検討を重点的に進めて行くことが必要と考えている。（本報告のうち，石炭灰溶融繊維化に関する技術開発については，H14～ H17 年度の経済産業省の石炭生産・利用技術振興費補助金研究として実施されているものであり，研究にご協力いただいた方々に謝意を表します。）講-V-7 2005 年石炭灰有効利用シンポジウム参考文献 (1)Ishiga,T.,Ishikawa,Y.,Morihara,A.,Kawano,K.,Horiuchi,S.,and Shimizu,K.： Coal Ash Fusing System for Pulverized Coal Power Plant and Application of Coal Ach Slag for Concrete Aggregates,ACAA Symposium,2003.01, pp.19-1－ 19-10 (2)Ishikawa, Y.： Application of Coal Ash Slag for Concrete Aggregates, Advances in Waste Management & Recycling, 2003.10, pp. 611 – 620 (3)Ishikawa, Y.： A Study on a Technology to Produce Inorganic Fibers by Melting Coal Ash,World of Coal Ash, 2005.04 講-V-8 2005 年石炭灰有効利用シンポジウムいしかわ氏名石川よしたか嘉崇電源開発株式会社技術開発センター茅ヶ崎研究所 1979 年リサイクル研究室東京工業大学大学院修士課程終了工学博士主要経歴 1979 年電源開発（株）入社コンクリート材料特にフライアッシュを中心とした技術研究開発を一貫して担当。経済産業省、（社）エネルギー総合工学研究所、（社）エンジニアリング振興協会、（社）日本建築学会、（社）日本コンクリート工学協会等において石炭灰関連委員会の委員として活動。現在、（社）日本建築学会・材料施工委員会において、「フライアッシュを使用するコンクリートの調合設計・施工指針（案）同解説」改訂委員会の幹事として活動中。講-V-9