JP2011105535A - セメント製造設備におけるｃｏ２ガスの回収方法および回収設備 - Google Patents

Abstract

【課題】セメント製造設備における熱源を有効活用することにより、当該セメント設備において発生するＣＯ₂ガスを高い濃度で分離して回収することが可能となるセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスの回収方法および回収設備を提供する。
【解決手段】セメント原料ｋを、第１のプレヒータ３で予熱した後に、内部が高温雰囲気に保持されたセメントキルン１に供給して焼成するセメント製造設備において発生するＣＯ₂ガスｎを回収するための方法であって、か焼温度以上に加熱し蓄熱した蓄熱か焼炉１２に、第１のプレヒータ３から抜き出したか焼前のセメント原料ｋを供給してか焼し、か焼されたセメント原料ｋをセメントキルン１に供給するとともに、蓄熱か焼炉１２内においてセメント原料ｋのか焼により発生したＣＯ₂ガスｎを回収することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、セメント製造設備において、主としてセメント原料のか焼時に発生するＣＯ₂ガスを高濃度で回収するためのセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスの回収方法および回収設備に関するものである。

近年、世界的かつ全産業にわたって、地球温暖化の主因たる二酸化炭素（ＣＯ₂）ガスを削減する試みが推進されている。
ちなみに、セメント産業は、電力や鉄鋼等と共にＣＯ₂ガスの排出量が多い産業の一つであり、当該セメント産業におけるＣＯ₂ガスの排出削減は、日本全体におけるＣＯ₂ガスの排出削減に大きな貢献を果たすことになる。

図１０は、上記セメント産業における一般的なセメントの製造設備を示すもので、図中符号１がセメント原料を焼成するためのロータリーキルン（セメントキルン）である。
そして、このロータリーキルン１の図中左方の窯尻部分２には、セメント原料を予熱するための２組のプレヒータ３が並列的に設けられるとともに、図中右方の窯前に、内部を加熱するための主バーナ５が設けられている。なお、図中符号６は、焼成後のセメントクリンカを冷却するためのクリンカクーラである。

ここで、各々のプレヒータ３は、上下方向に直列的に配置された複数段のサイクロンによって構成されており、供給ライン４から最上段のサイクロンに供給されたセメント原料は、順次下方のサイクロンへと落下するにしたがって、下方から上昇するロータリーキルン１からの高温の排ガスによって予熱され、さらに下から２段目のサイクロンから抜き出されて仮焼炉７に送られ、当該仮焼炉７においてバーナ７ａにより加熱されてか焼された後に、最下段のサイクロンから移送管３ａを介してロータリーキルン１の窯尻部分２に導入されるようになっている。

他方、窯尻部分２には、ロータリーキルン１から排出された燃焼排ガスを最下段のサイクロンへと供給する排ガス管３ｂが設けられており、上記サイクロンに送られた排ガスは、順次上方のサイクロンへと送られて、上記セメント原料を予熱するとともに、最終的に最上段のサイクロンの上部から、排気ファン９によって排気ライン８を介して排気されて行くようになっている。

このような構成からなるセメント製造設備においては、先ずセメント原料の主原料として含まれる石灰石（ＣａＣＯ₃）をプレヒータ３で予熱し、次いで仮焼炉７およびプレヒータ３の最下段のサイクロンにおいてか焼した後に、ロータリーキルン１内において約１４５０℃の高温雰囲気下で焼成することでセメントクリンカを製造している。

そして、このか焼において、ＣａＣＯ₃→ＣａＯ＋ＣＯ₂↑で示される化学反応が生じて、ＣＯ₂ガスが発生する（原料起源によるＣＯ₂ガスの発生）。この原料起源によるＣＯ₂ガスの濃度は、原理的には１００％である。また、上記ロータリーキルン１を上記高温雰囲気下に保持するために、主バーナ５において化石燃料が燃焼される結果、当該化石燃料の燃焼によってもＣＯ₂ガスが発生する（燃料起源によるＣＯ₂ガスの発生）。ここで、主バーナ５からの排ガス中には、燃焼用空気中のＮ₂ガスが多く含まれているために、当該排ガス中に含まれる燃料起源によるＣＯ₂ガスの濃度は、約１５％と低い。

この結果、上記セメントキルンから排出される排ガス中には、上述した濃度の高い原料起源によるＣＯ₂ガスと、濃度の低い燃料起源によるＣＯ₂が混在するために、当該ＣＯ₂の排出量が多いにもかかわらず、そのＣＯ₂濃度は３０〜３５％程度であり、回収が難しいという問題点があった。

これに対して、現在開発されつつあるＣＯ₂ガスの回収方法としては、液体回収方式、膜分離方式、固体吸着方式等があるものの、未だ回収コストが極めて高いという課題があった。
また、上記セメント製造設備から排出されたＣＯ₂による地球温暖化を防止する方法として、当該排出源から低濃度で排出されたＣＯ₂を分離・回収して略１００％にまで濃度を高め、液化した後に地中に貯留する方法等も提案されているものの、分離・回収のためのコストが高く、同様に実現には至っていない。

一方、下記特許文献１には、石灰石の焼成過程において発生するＣＯ₂ガスを、利用価値の高い高純度のＣＯ₂ガスとして回収する装置として、石灰石が供給される分解反応塔と、熱媒体として生石灰(ＣａＯ)が供給されるとともに当該生石灰を燃焼ガスによって石灰石のか焼温度以上に加熱する再熱塔と、これら分解反応塔と再熱塔とを連結する連結管とを備えたＣＯ₂ガスの生成回収装置が提案されている。

そして、上記従来の回収装置においては、再熱塔で加熱された生石灰を連結管を通じて分解反応塔に供給し、流動層を形成させて石灰石を焼成することにより当該分解反応塔内にＣＯ₂ガスを生成させるとともに、これによって生じた生石灰の一部を排出し、他部を再び連結管を通じて再熱塔に送って再加熱するようになっている。

このように、上記ＣＯ₂ガスの生成回収装置によれば、石灰石の分解反応を行う場所である分解反応塔と、分解反応に必要な熱量の発生を行う場所である再熱塔とを分離することによって、石灰石の分解反応によって発生するＣＯ₂ガスと熱媒体の加熱のために発生する燃焼排ガスとが混合することを防止することができるために、分解反応塔から高い濃度のＣＯ₂ガスを回収することができる、とされている。

特開昭５７−６７０１３号公報

上記特許文献１において開示されているＣＯ₂ガスの生成回収装置によって生成したＣａＯを用いてセメント製造しようとすると、上記生成回収装置によって石灰石を焼成した後に、さらに粘土等のＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃等の他のセメント原料を加えてセメントキルンにおいて焼成する必要がある。このため、原料の製粉を２系統に独立して行う必要があり、設備が大掛かりになるという問題が生じる。

また、一般に石灰石のか焼反応が起こる温度は、図１１に示すように、雰囲気中のＣＯ₂ガス濃度が高くなるにしたがって急激に上昇し、１００％（大気圧（１ａｔｍ）の下での分圧１ａｔｍに相当）近くになると、８６０℃を超える温度となる。このため、ＣＯ₂ガスの回収率を高めるためには、石灰石を過度の高温に加熱する必要があり、燃料コストの高騰化を招くという問題も生じる。

加えて、上記ＣＯ₂ガスの生成回収装置においては、熱媒体として生石灰を用い、この生石灰によって石灰石を加熱してか焼しているために、再熱塔において上記生石灰を石灰石のか焼温度以上、具体的には１０００℃以上に加熱しておく必要がある。この結果、分解反応塔や再熱塔内で流動する生石灰等の粉体が固化しやすくなり、連結管等において付着や閉塞が生じて運転不能になるという問題点もある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、セメント製造設備における熱源を有効活用することにより、当該セメント設備において発生するＣＯ₂ガスを高い濃度で分離して回収することが可能となるセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスの回収方法および回収設備を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、セメント原料を、第１のプレヒータで予熱した後に、内部が高温雰囲気に保持されたセメントキルンに供給して焼成するセメント製造設備において発生するＣＯ₂ガスを回収するための方法であって、か焼温度以上に加熱し蓄熱した蓄熱か焼炉に、上記第１のプレヒータから抜き出したか焼前の上記セメント原料を供給してか焼し、か焼された上記セメント原料を上記セメントキルンに供給するとともに、上記蓄熱か焼炉内において上記セメント原料のか焼により発生したＣＯ₂ガスを回収することを特徴とするものである。

なお、上記か焼温度とは、石灰石、即ちＣａＣＯ₃（炭酸カルシウム）が、ＣａＯ（酸化カルシウム）とＣＯ₂に分解する反応が起こる温度をいう。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記蓄熱か焼炉を複数設け、そのうちの少なくとも１つの蓄熱か焼炉が上記セメント原料のか焼を行っている際に、他の蓄熱か焼炉の少なくとも１つをか焼温度以上に加熱して蓄熱を行い、これを複数の上記蓄熱か焼炉によって交互に繰り返し行うことにより、上記セメント原料のか焼により発生したＣＯ₂ガスを回収することを特徴とするものである。

そして、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記蓄熱か焼炉には、上記セメント原料よりも粒子径の大きい熱媒体を充填させることを特徴とするものである。

さらに、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、上記熱媒体は、上記セメントキルンにおいて焼成することによって得られたセメントクリンカ、珪石、生石灰のいずれかであることを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、上記第１のプレヒータから抜き出されたか焼前の上記セメント原料と、上記第１のプレヒータから独立した第２のプレヒータで予熱されたか焼前の他のセメント原料とを、上記蓄熱か焼炉に供給するとともに、上記蓄熱か焼炉内において発生したＣＯ₂ガスを上記第２のプレヒータの熱源として利用した後に回収することを特徴とするものである。

そして、請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、上記セメント原料を上記蓄熱か焼炉に供給してか焼する際に発生したＣＯ₂ガスによって上記セメント原料を流動化させることにより、か焼された上記セメント原料を上記蓄熱か焼炉からオーバーフローさせて上記セメントキルンに供給することを特徴とするものである。

さらに、請求項７に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、上記セメント原料を上記蓄熱か焼炉に供給してか焼する際に発生したＣＯ₂ガスに上記セメント原料を同伴させ、粒子分離手段により上記セメント原料とＣＯ₂ガスとを分離させて、か焼された上記セメント原料を上記セメントキルンに供給することを特徴とするものである。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、上記蓄熱か焼炉内においてか焼された上記セメント原料の一部を、上記第１のプレヒータに戻すことを特徴とするものである。

そして、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、上記セメント原料の一部を、空気と熱交換させて、降温した当該セメント原料を上記第１のプレヒータに戻すとともに、加熱された上記空気を上記蓄熱か焼炉における燃焼用空気として供給することを特徴とするものである。

さらに、請求項１０に記載の発明は、セメント原料を予熱する第１のプレヒータと、この第１のプレヒータによって予熱された上記セメント原料を焼成するセメントキルンとを備えた製造設備において発生するＣＯ₂ガスを回収するための設備であって、上記第１のプレヒータからか焼前の上記セメント原料を抜き出す抜出ラインと、この抜出ラインから抜き出された上記セメント原料が導入されるとともに、上記セメント原料のか焼温度以上に加熱し蓄熱する蓄熱か焼炉と、上記蓄熱か焼炉においてか焼された上記セメント原料の一部を上記第１のプレヒータまたは上記セメントキルンに戻す戻りラインと、上記蓄熱か焼炉内で発生したＣＯ₂ガスを回収するＣＯ₂ガス排気管とを備えてなることを特徴とするものである。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、上記第１のプレヒータから独立して設けられて他のセメント原料を予熱する第２のプレヒータと、この第２のプレヒータで予熱されたか焼前の上記他のセメント原料を上記蓄熱か焼炉に供給する移送管とを備え、かつ上記蓄熱か焼炉からの上記ＣＯ₂ガスが、上記第２のプレヒータの熱源として導入されていることを特徴とするものである。

そして、請求項１２に記載の発明は、請求項１０または１１に記載の発明において、上記蓄熱か焼炉は、複数備えられていることを特徴とするものである。

請求項１〜９に記載の回収方法および請求項１０〜１２に記載の回収設備においては、充填された熱媒体をか焼温度以上に加熱し蓄熱した蓄熱か焼炉に、第１のプレヒータから抜き出したか焼前のセメント原料を供給する。これにより、上記蓄熱か焼炉において、か焼前の上記セメント原料が上記熱媒体によってか焼される。

この結果、上記蓄熱か焼炉内は、セメント原料のか焼によって発生したＣＯ₂ガスで満たされ、当該ＣＯ₂ガス濃度が略１００％になる。このように、上記回収方法または回収設備によれば、上記蓄熱か焼炉から略１００％の濃度のＣＯ₂ガスをＣＯ₂ガス排気管から回収することができる。

さらに、請求項２に記載の発明においては、上記蓄熱か焼炉を複数用いて、第１のプレヒータから抜き出したか焼前のセメント原料をか焼するために、か焼炉と媒体加熱炉とを一つにすることができる。このため、高温の熱媒体を媒体加熱炉から取り出す必要がなくなる。この結果、バケットエレベータなどの設備を設ける必要がなく、設備にかかるコストを抑えることができるとともに、熱媒体の移動がないため高温物のハンドリングの問題や熱ロスを極力抑えることができる。さらに、上記蓄熱か焼炉を複数用いるために、媒体加熱時間やか焼時間を短縮することができ、効率良くＣＯ₂ガスを回収することができる。

また、特に請求項５または請求項１１に記載の発明においては、上記蓄熱か焼炉内で発生した高温のＣＯ₂ガスを、第１のプレヒータから独立した第２のプレヒータにおくってセメント原料の予熱に利用した後に、そのまま排ガス管から回収することができる。

なお、上記蓄熱か焼炉内は、１００％近い高濃度のＣＯ₂ガス雰囲気下になるために、セメント原料のか焼温度は高くなるが、セメント原料中には、石灰石（ＣａＣＯ₃）とともに粘土、珪石および酸化鉄原料、すなわちＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃およびＦｅ₂Ｏ₃が含まれている。

そして、上記セメント原料は、８００〜９００℃適度の雰囲気下において、
２ＣａＣＯ₃＋ＳｉＯ₂→２ＣａＯ・ＳｉＯ₂＋２ＣＯ₂↑ （１）
２ＣａＣＯ₃＋Ｆｅ₂Ｏ₃→２ＣａＯ・Ｆｅ₂Ｏ₃＋２ＣＯ₂↑ （２）
ＣａＣＯ₃＋Ａｌ₂Ｏ₃→ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃＋ＣＯ₂↑ （３）
で示される反応が生じ、最終的にセメントクリンカを構成する珪酸カルシウム化合物であるエーライト（３ＣａＯ・ＳｉＯ₂）およびビーライト（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）並びに間隙相であるアルミネート相（３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）およびフェライト相（４ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・Ｆｅ₂Ｏ₃）が生成されることになる。

この際に、図６に示す上記（１）式の反応温度のグラフ、図７に示す上記（２）式の反応温度のグラフおよび図８に示す上記（３）式の反応温度のグラフに見られるように、縦軸に示したＣＯ₂ガスの分圧が高くなった場合においても、より低い温度で上記反応を生じさせることができる。

さらに、上記セメント原料においては、上記（１）〜（３）式で示す反応が生じることに加えて、珪石、粘土等の石灰石以外の原料から持ち込まれるＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃やその他の微量成分が鉱化剤となり、炭酸カルシウムの熱分解が促進されるために、図９に見られるように、炭酸カルシウム単独の場合と比較して、熱分解の開始温度および終了温度共に低下する。なお、図９は、上記セメント原料（ｆｅｅｄ）のサンプルおよび石灰石（ＣａＣＯ₃）単独のサンプルを、それぞれ一般的なセメント製造設備における加熱速度に近い１０Ｋ／ｓｅｃの速度で加熱した際の重量の変化から、上記熱分解の推移を確認したものである。

ここで、上記鉱化剤の存在によって、炭酸カルシウム単独の場合と比較して、熱分解の開始温度および終了温度共に低下する理由の一つとして、以下のことが考えられる。
すなわち、ａをアクティビティ、Ｋを反応式ＣａＣＯ₃→ＣａＯ＋ＣＯ₂の平衡定数としたときに、
Ｐ_CO2＝（ａ_CaCO3／ａ_CaO）・Ｋ
において、一般に固体のアクティビティａは、純物質であれば種類によらず１であるものの、酸化カルシウム（ＣａＯ）については、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）の熱分解後、他の原料物質（すなわち上記鉱化剤）が固溶することにより、ａ_CaOの値が１より小さくなる。この結果、上式のＰ_CO2が高くなり、Ｐ_CO2＝１ａｔｍとなる温度が低下して、よりか焼が促進されるためであると考えられる。なお、ａ_CaCO3は、石灰石の品種、産地に固有な値であり、他の原料成分の影響を受けることがない。

以上のことから、本発明によれば、蓄熱か焼炉における運転温度を低下させても、所望のＣＯ₂ガスの回収量を確保することができる。しかも、上記蓄熱か焼炉において、セメント原料と異なり粒径が大きく、よって極端に比表面積が小さい熱媒体によってセメント原料を加熱してか焼させているために、当該蓄熱か焼炉において上記熱媒体をか焼温度以上の１０００℃以上に加熱しても、熱媒体同士あるいは熱媒体と炉壁の固着や融着を抑えて、コーチングトラブル等の発生を抑止することが可能になる。

また、上記蓄熱か焼炉に導入されるか焼前のセメント原料は、通常のセメント製造プロセスと同様にしてセメント製造設備における第１のプレヒータにより予熱されているとともに、請求項５または１１に記載の発明における他のセメント原料は、第２のプレヒータにおいて上記蓄熱か焼炉から排出される高温のＣＯ₂ガスにより予熱されている。

そして、請求項３に記載の発明のように、上記蓄熱か焼炉において、上記セメント原料よりも粒子径の大きい熱媒体を充填させているために、上記蓄熱か焼炉において大きな熱量を確保することができるとともに、既存のセメント製造設備に対して新たな熱エネルギーを加えることなく、か焼時に発生する原料起源のＣＯ₂を、選択的に高濃度で回収することができる。

加えて、蓄熱か焼炉において十分にか焼された高温のセメント原料をセメントキルンに戻しているために、セメントキルンにおいて焼成に要する燃料を削減することができる。この結果、セメントキルンとして、従来よりも長さ寸法の短いロータリーキルンや、流動化を図ることも可能になる。

また、請求項５または１１に記載の発明によれば、発生したＣＯ₂ガスが有する熱量を、上記他のセメント原料の予熱に利用することにより、システム全体としての熱効率を一段と高めることができる。

ここで、上記熱媒体としては、請求項４に記載の発明のように、上記蓄熱か焼炉における加熱温度に対する耐熱性と、セメント原料と混合された場合の耐摩耗性を有する生石灰（ＣａＯ）、珪石（ＳｉＯ₂）または、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のセラミックス材料、耐熱合金等の金属材料の他、セメントクリンカを用いることができる。ちなみに、生石灰は、融点が２５００℃程度と高く、融着し難いという利点がある。また、熱媒体として上記蓄熱か焼炉内で上記セメント原料のか焼を繰り返し行う間に、徐々に摩耗して発生した微粉が原料に混合しても、セメント原料成分の一つであるために、弊害を生じることがない。さらに、生石灰に代えて石灰石を上記蓄熱か焼炉に充填した場合においても、その後脱炭酸して生石灰になるために、上述した生石灰の場合と同様の作用効果が得られる。

また、珪石も、融点が１７００℃程度と高く、融着し難いとともに、非常に硬度が高いために摩耗し難く、熱媒体として補充する量が少なくて済むという利点がある。さらに、か焼の過程において徐々に摩耗して生じた微粉が原料に混合しても、セメント原料成分の一つであるために、不都合を生じることがない。

そして、請求項４に記載の発明のように、上記セメントキルンにおいて焼成することによって得られた硬質かつ粒子径がセメント原料よりも遙かに大きなセメントクリンカを用いれば、経済的であるとともに、仮にセメント原料と接触して摩耗した場合にも、当該摩耗粉は既に成分調整されているために、セメント原料と同質の摩耗粉が再びセメントキルンに送られることになり、よって運転や製品としてのセメントキルンの品質に悪影響を与えるおそれがない。

さらに、蓄熱か焼炉において熱媒体とセメント原料を混合させて熱交換する際に、セメント原料が、これよりも粒子径の大きい熱媒体の表面に付着する。そこで、請求項６に記載の発明のように、上記セメント原料を上記蓄熱か焼炉に供給してか焼する際に発生したＣＯ₂ガスによって、上記セメント原料を流動化させることにより、か焼された上記セメント原料を上記蓄熱か焼炉からオーバーフローさせて上記セメントキルンに供給することができる。この結果、簡便にか焼された上記セメント原料を蓄熱か焼炉から取り出すことができる。

また、請求項７に記載の発明の発明のように、上記セメント原料を上記蓄熱か焼炉に供給してか焼する際に発生したＣＯ₂ガスに、上記セメント原料を同伴させ粒子分離手段により、上記セメント原料とＣＯ₂ガスとを分離させて、か焼された上記セメント原料を上記セメントキルンに供給することができる。これにより、簡便にか焼された上記セメント原料を蓄熱か焼炉から取り出すことができる。

ところで、セメントキルンから第１のプレヒータに送られてセメント原料を予熱する燃焼ガス中には、Ｎ₂ガスとともに、化石燃料が燃焼される結果生じたＣＯ₂ガス（燃料起源によるＣＯ₂ガスの発生）が含まれている。
そこで、請求項８に記載の発明のように、上記蓄熱か焼炉内においてか焼されることにより、ＣａＯを多く含むセメント原料の一部を第１のプレヒータに戻せば、上記ＣａＯが燃料排ガスと接触して、ＣａＯ＋ＣＯ₂→ＣａＣＯ₃、で示される化学反応が生じ、上記排ガス中の燃料起源によるＣＯ₂ガスを吸収することができる。

そして、生成したＣａＣＯ₃は、セメント原料とともに、再び蓄熱か焼炉へと送られてか焼される。
このために、セメント原料がか焼される際に発生する原料起源のＣＯ₂ガスに加えて、燃料起源のＣＯ₂ガスも回収することが可能になる。

ここで、上記蓄熱か焼炉から排出されたか焼後のセメント原料は、高温であり、かつ上述したＣａＯ＋ＣＯ₂→ＣａＣＯ₃の反応は、発熱反応である。このため、請求項９に記載の発明のように、蓄熱か焼炉から排出された上記セメント原料の一部を、一旦空気と熱交換させて降温した後に、上記第１のプレヒータに戻し、他方加熱された上記空気を上記蓄熱か焼炉における燃焼用空気として供給するようにすれば、システム内の熱エネルギーの一層の有効活用を図ることができるために好適である。

さらに、請求項１２に記載の発明のように、上記蓄熱か焼炉を複数備えているために、少なくとも一つの蓄熱か焼炉において、か焼前の上記セメント原料をか焼している際に、他の蓄熱か焼炉の少なくとも一つにおいて、上記熱媒体をか焼温度以上に加熱し蓄熱することができ、これを交互にまたはローテーションを決めて繰り返し行うことにより、か焼前の上記セメント原料を連続的にか焼することができる。

本発明に係るＣＯ₂ガスの回収設備の第１の実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係るＣＯ₂ガスの回収設備の第１の実施形態の蓄熱か焼炉を説明する説明図である。 本発明に係るＣＯ₂ガスの回収設備の第１の実施形態の図２の蓄熱か焼炉の変形例を説明する説明図である。 本発明に係るＣＯ₂ガスの回収設備の第１の実施形態の蓄熱か焼炉の他の変形例を説明する説明図である。 本発明に係るＣＯ₂ガスの回収設備の第２の実施形態を示す概略構成図である。 雰囲気中ＣＯ₂濃度と（１）式で示した反応温度との関係を示すグラフである。 雰囲気中ＣＯ₂濃度と（２）式で示した反応温度との関係を示すグラフである。 雰囲気中ＣＯ₂濃度と（３）式で示した反応温度との関係を示すグラフである。 ＣＯ₂雰囲気下におけるセメント原料と石灰石単独とのか焼開始温度および終了温度の相違を示すグラフである。 一般的なセメント製造設備を示す概略構成図である。 雰囲気中のＣＯ₂濃度と石灰石のか焼温度との関係を示すグラフである。

（実施の形態１）
図１は、本発明に係るセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスｎの回収設備の第１の実施形態を示すもので、セメント製造設備の構成については、図１０に示したものと同一であるために、同一符号を付したその説明を簡略化する。
図１において、符号１０は、セメント製造装置のプレヒータ（第１のプレヒータ）３とは独立して設けられた第２のプレヒータ１０である。

この第２のプレヒータ１０は、上記プレヒータ３と同様に、上下方向に直列的に配置された複数段のサイクロンによって構成されており、最上段のサイクロンに供給ライン１１からか焼前のセメント原料（か焼前セメント原料）ｋが供給されるようになっている。そして、第２のプレヒータ１０の最下段のサイクロンの底部には、移送管１０ａの上端が接続されるとともに、この移送管１０ａの下端部が蓄熱か焼炉１２に導入されている。この蓄熱か焼炉１２は、第１の蓄熱か焼炉１２ａと第２の蓄熱か焼炉１２ｂにより構成され、各々に移送管１０ａの下端部が導入されている。

他方、上記セメント製造設備のプレヒータ３においては、最下段のサイクロンからか焼前セメント原料ｋを抜き出す抜出ライン１３が設けられ、この抜出ライン１３の先端部が第２のプレヒータ１０からの移送管１０ａに接続されている。これにより、第２のプレヒータ１０からのか焼前セメント原料ｋと、プレヒータ３からのか焼前セメント原料ｋとが、蓄熱か焼炉１２内に導入されるようになっている。

さらに、このＣＯ₂ガスｎの回収装置においては、第１の蓄熱か焼炉１２ａと第２の蓄熱か焼炉１２ｂとが並列的に設けられている。この第１の蓄熱か焼炉１２ａと第２の蓄熱か焼炉１２ｂは、図２に示すように、横型の蓄熱か焼炉１２の内部に粒子径がか焼前セメント原料ｋより大きい熱媒体ｔが充填されている。この熱媒体ｔは、クリンカクーラ６から排出されたセメントクリンカや、珪石、生石灰のいずれかが充填され、底部には内部を加熱するバーナ１４が各々に設けられているとともに、クリンカクーラ６からの抽気を燃焼用空気として導入するための導入管１５が設けられている。さらに、側面の一方側にか焼前セメント原料ｋを導入するための移送管１０ａが設けられているとともに、他方側にＣＯ₂ガスｎが分離したか焼されたセメント原料（か焼済みセメント原料）ｋ’をロータリーキルン１の窯尻部分２に戻す戻りライン１８が設けられている。そして、この第１の蓄熱か焼炉１２ａと第２の蓄熱か焼炉１２ｂの天井部には、内部の燃焼排ガスまたはＣＯ₂ガスｎを排気するための排ガス管１６が設けられている。

そして、各々の排ガス管１６は、ロータリーキルン１からの排ガス管３ｂおよび第１のプレヒータ３と、第２のプレヒータ１０とに接続されていて、蓄熱か焼炉１２から排出される燃焼排ガスとＣＯ₂ガスｎを切り替えて導入するための切替弁１７が各々に設けられている。この切替弁１７は、例えば、蓄熱か焼炉１２を蓄熱している時には、排出される燃焼排ガスを第１のプレヒータ３に送るように、蓄熱か焼炉１２でか焼している時には、排出されるＣＯ₂ガスｎを第２のプレヒータ１０に送るように、排ガス管１６の経路が切り替わるように設けられている。

さらに、図２に示す横型の蓄熱か焼炉１２の変形例である図３の蓄熱か焼炉１２は、第１の蓄熱か焼炉１２ａと第２の蓄熱か焼炉１２ｂの下部側面の一方側に、内部を加熱するバーナ１４が各々に設けられているとともに、クリンカクーラ６からの抽気を燃焼用空気として導入するための導入管１５が設けられている。また、下部側面の他方側には、蓄熱か焼炉１２を加熱し蓄熱する際に発生する燃焼排ガスを排出するための排出管１６ａが設けられている。この排出管１６ａは、蓄熱か焼炉１２が蓄熱時に、燃焼排ガスが排出される。

そして、図４に示す蓄熱か焼炉１２の変形例では、縦型の蓄熱か焼炉１２の内部に粒子径がか焼前セメント原料ｋより大きい熱媒体ｔが充填されている。そして、下部側面に内部を加熱するバーナ１４が各々に設けられているとともに、底部にはクリンカクーラ６からの抽気を燃焼用空気として導入するための導入管１５が設けられている。さらに、側面の一方側にか焼前セメント原料ｋを導入するための移送管１０ａが設けられている。また、この第１の蓄熱か焼炉１２ａと第２の蓄熱か焼炉１２ｂの天井部には、内部の燃焼排ガスまたはＣＯ₂ガスｎを排出するための排出管１６ｂが設けられ、この排出管１６ｂの出口側にサイクロン２６が設けられている。そして、このサイクロン２６の天井部には、燃焼排ガスまたはＣＯ₂ガスｎを排気するための排ガス管１６が設けられ、底部にはか焼時に発生したＣＯ₂ガスｎを分離したか焼済みセメント原料ｋ’をロータリーキルン１の窯尻部分２に戻す戻りライン１８が設けられている。

また、各々の排ガス管１６は、ロータリーキルン１からの排ガス管３ｂおよび第１のプレヒータ３と、第２のプレヒータ１０とに接続されていて、蓄熱か焼炉１２から排出される燃焼排ガスとＣＯ₂ガスｎを切り替えて導入するための切替弁１７が各々に設けられている。この切替弁１７は、例えば、蓄熱か焼炉１２を蓄熱している時には、排出される燃焼排ガスを第１のプレヒータ３に送るように、蓄熱か焼炉１２でか焼している時には、排出されるＣＯ₂ガスｎを第２のプレヒータ１０に送るように、排ガス管１６の経路が切り替わるように設けられている。
なお、図中符号１９は、ＣＯ₂ガスｎの排気ラインであり、符号２０は、ＣＯ₂ガスｎの排気ファンである。

次に、上記第１の実施形態に示したＣＯ₂ガスｎの回収設備を用いた本発明に係るＣＯ₂ガスｎの回収方法の一実施形態について説明する。
先ずか焼前セメント原料ｋを、供給ライン４、１１から各々プレヒータ３、第２のプレヒータ１０の最上段のサイクロンに供給する。

すると、プレヒータ３においては、順次下方のサイクロンへと送られる過程で、従来と同様にロータリーキルン１から排ガス管３ｂを介して供給される排ガス、および第１の蓄熱か焼炉１２ａからの燃焼排ガスによってか焼前セメント原料ｋが予熱される。そして、か焼温度に達する前（例えば、８１０℃）まで予熱されたか焼前セメント原料ｋが、抜出ライン１３から移送管１０ａを介して第２の蓄熱か焼炉１２ｂへと供給されてゆく。

また、第２のプレヒータ１０に供給されたか焼前セメント原料ｋは、蓄熱か焼炉１２ｂ内のか焼により発生したＣＯ₂ガスｎによって予熱され、最終的にか焼温度に達する前（例えば、７６０℃）まで予熱されて移送管１０ａから第２の蓄熱か焼炉１２ｂへと供給されてゆく。

一方、第２の蓄熱か焼炉１２ｂにおいては、図２および図３に示すように、移送管１０ａより供給されたか焼前セメント原料ｋが、内部に充填され予め加熱し蓄熱したセメントクリンカ（熱媒体）ｔと混合されてか焼温度以上（例えば、９００℃）に加熱されか焼されるとともに、この際にＣＯ₂ガスｎが発生する。

そして、第２の蓄熱か焼炉１２ｂ内に発生したＣＯ₂ガスｎは、排ガス管１６から第２のプレヒータ１０における加熱媒体として導入される。この際に、排ガス管１６に設けられた切替弁１７は、第２のプレヒータ１０に通じる経路を開き、第１のプレヒータ３に通じる経路を遮断して、ＣＯ₂ガスｎを第２のプレヒータ１０へ導く。また、か焼済みセメント原料ｋ’は、か焼の際に発生したＣＯ₂ガスｎにより流動化され、オーバーフローにより戻りライン１８からセメントキルン１の窯尻部分２へと戻され、最終的にロータリーキルン１内で焼成される。

また、図４に示す変形例では、第２の蓄熱か焼炉１２ｂにおいて、移送管１０ａよりか焼前セメント原料ｋが、内部に充填され予め加熱し蓄熱されたセメントクリンカ（熱媒体）ｔと混合されてか焼温度以上（例えば、９００℃）に加熱されか焼されるとともに、この際にＣＯ₂ガスｎが発生する。

そして、第２の蓄熱か焼炉１２ｂ内に発生したＣＯ₂ガスｎは、か焼済みセメント原料ｋ’を同伴して、排出管１６ｂからサイクロン２６に導入される。そして、サイクロン２６内で、ＣＯ₂ガスｎとか焼済みセメント原料ｋ’とに分離される。分離されたか焼済みセメント原料ｋ’は、底部に設けられた戻りライン１８からセメントキルン１の窯尻部分２に導入される。また、分離されたＣＯ₂ガスｎは、天井部の排ガス管１６から第２のプレヒータ１０における加熱媒体として導入される。この際に、排ガス管１６に設けられた切替弁１７は、第２のプレヒータ１０に通じる経路を開き、第１のプレヒータ３に通じる経路を遮断して、ＣＯ₂ガスｎを第２のプレヒータ１０へ導く。

他方、第１の蓄熱か焼炉１２ａにおいては、第２の蓄熱か焼炉１２ｂがか焼を行っているのと平行して、第１の蓄熱か焼炉１２ａ内部に充填されたセメントクリンカ（熱媒体）ｔが、バーナ１４と導入管１５により導入されたクリンカクーラ６からの抽気によって、か焼前セメント原料ｋのか焼温度以上（例えば、１２００℃）に加熱され蓄熱される。その際に排出された燃焼排ガスは、排ガス管１６からプレヒータ３における加熱媒体として導入される。このときに、排ガス管１６に設けられた切替弁１７は、第１のプレヒータ３に通じる経路を開き、第２のプレヒータ１０へ通じる経路を遮断して、燃焼排ガスを第１のプレヒータ３へ導く。この際に、図２に示す蓄熱か焼炉１２の変形例である図３に示す蓄熱か焼炉１２においては、燃焼排ガスが排出管１６ａより排出される。これにより、燃焼排ガスによりセメントクリンカ（熱媒体）ｔを効率よく加熱することができる。またこの場合には、天井部に設けられた排ガス管１６は閉じられる。

なお、セメントクリンカ（熱媒体）ｔは、１２００℃程度の高温に加熱して蓄熱する必要があるのに対して、ロータリーキルン１からの排ガスは、１１００〜１２００℃の温度であるために、当該ロータリーキルン１からの排ガスの全量または一定量を、蓄熱か焼炉１２ａに導入して、再び排ガス管１６からプレヒータ３へと送るようにすれば、上記排ガスを有効利用することができる。

さらに、図４に示すように、他の変形例の蓄熱か焼炉１２においては、燃焼排ガスが天井部に設けられた排出管１６ｂからサイクロン２６に導入され、排ガス管１６からプレヒータ３における加熱媒体として導入される。

また、第２の蓄熱か焼炉１２ｂ内で、セメント原料ｋがか焼された後は、再びバーナ１４と導入管１５より導入されたクリンカクーラ６からの抽気とにより、内部に充填されたセメントクリンカ（熱媒体）ｔを加熱し蓄熱する。このときに、排ガス管１６に設けられた切替弁１７は、第１のプレヒータ３に通じる経路を開き、第２のプレヒータ１０へ通じる経路を遮断して、燃焼排ガスを第１のプレヒータ３へ導く。

一方、蓄熱されている第１の蓄熱か焼炉１２ａにおいては、バーナ１４を停止した後に、移送管１０ａより供給されたか焼前セメント原料ｋが、セメントクリンカ（熱媒体）ｔと混合してか焼温度以上（例えば、９００℃）に加熱してか焼されるとともに、この際にＣＯ₂ガスｎが発生する。

そして、第１の蓄熱か焼炉１２ａ内に発生したＣＯ₂ガスｎは、排ガス管１６から第２のプレヒータ１０における加熱媒体として導入される。この際に、排ガス管１６に設けられた切替弁１７は、第２のプレヒータ１０に通じる経路を開き、第１のプレヒータ３に通じる経路を遮断して、ＣＯ₂ガスｎを第２のプレヒータ１０へ導く。また、か焼済みセメント原料ｋ’は、か焼の際に発生したＣＯ₂ガスｎにより流動化され、オーバーフローにより戻りライン１８からセメントキルン１の窯尻部分２へと戻され、最終的にロータリーキルン１内で焼成される。

このように、上記セメント製造整備におけるＣＯ₂ガスの回収方法および回収設備によれば、第１の蓄熱か焼炉１２ａと第２の蓄熱か焼炉１２ｂとを用いて、か焼と加熱および蓄熱を繰り返し行うことにより、連続的にＣＯ₂ガスの回収をおこなうことができるとともに、設備の簡素化を図ることができる。また、セメント設備における熱源を有効活用して、当該セメント設備において発生するＣＯ₂ガスｎのうちの半分以上を占める原料起源によるＣＯ₂ガスｎを、１００％に近い高い濃度で回収することができる。

この際に、蓄熱か焼炉１２において、か焼前セメント原料ｋと異なる粒径が大きく、よって極端に比表面積が小さいセメントクリンカを熱媒体ｔとして、か焼前セメント原料ｋを加熱してか焼させているために、蓄熱か焼炉１２においてセメントクリンカｔをか焼温度以上の１０００℃以上に加熱しても、熱媒体同士あるいは熱媒体と炉壁の固着や融着を抑えて、コーチングトラブル等の発生を抑止することが可能になる。

加えて、蓄熱か焼炉１２において十分にか焼された高温のか焼済みセメント原料ｋ’を、戻りライン１８からロータリーキルン１に戻しているために、ロータリーキルン１において焼成に要する燃料を削減することができ、よって従来よりも長さ寸法の短いロータリーキルン１を用いることができる。

（実施の形態２）
図５には、本発明に係るＣＯ₂ガスｎの回収設備の第２の実施形態を示すもので、図１に示したものと同一構成部分については、同様に同一付してその説明を簡略化する。
この回収設備においては、蓄熱か焼炉１２からロータリーキルン１の窯尻部分２へと戻されるか焼済みセメント原料ｋ’の戻りライン１８に、か焼済みセメント原料ｋ’の一部を分岐する分岐管２１が設けられている。そして、この分岐管２１は、熱交換器２２に導入される。

この熱交換器２２は、空気の供給管２４から送られてくる空気を、分岐管２１から送られてくる高温（例えば、９００℃）のか焼済みセメント原料ｋ’によって加熱するためのものであり、分岐管２１の出口側には、降温（例えば、３００℃）したか焼済みセメント原料ｋ’を第１のプレヒータ３に戻す移送ライン２３が接続されている。他方、熱交換器２２で加熱された空気の出口側は、当該空気を蓄熱か焼炉１２の燃焼用空気として供給する供給管２５が接続されている。

以上の構成からなる第２の実施形態に係るＣＯ₂ガスｎの回収設備においては、蓄熱か焼炉１２内においてか焼されることによりＣａＯを多く含むセメント原料の一部を、分岐管２１、熱交換器２２および移送ライン２３を介して第１のプレヒータ３に戻しているため、か焼済みセメント原料ｋ’が第１のプレヒータ３におけるか焼前セメント原料ｋの加熱用の燃焼排ガスと接触して、ＣａＯ＋ＣＯ₂→ＣａＣＯ₃で示すように、当該燃焼排ガス中の燃料起源によるＣＯ₂ガスｎを吸収する。

そして、生成したＣａＣＯ₃は、か焼前セメント原料ｋとともに、再び蓄熱か焼炉に送られてか焼される。
この結果、蓄熱か焼炉内１２においてか焼前セメント原料ｋが、か焼される際に発生する原料起源のＣＯ₂ガスｎに加えて、ロータリーキルン１の主バーナ５や蓄熱か焼炉１２のバーナ１４における燃焼によって発生する燃料起源のＣＯ₂ガスｎも回収することができる。

加えて、蓄熱か焼炉１２から排出された約９００℃と高温のか焼済みセメント原料ｋ’の一部を、熱交換器２２において空気と熱交換させて約３００℃程度まで降温した後に、移送ライン２３から第１のプレヒータ３に戻すとともに、熱交換器２２において加熱された上記空気を、供給管２５から蓄熱か焼炉１２に燃焼用空気として供給しているために、システム内の熱エネルギーの一層の有効活用を図ることができる。

この際に、第１のプレヒータ３の下段においては、約８００℃の温度雰囲気になっているのに対して、これよりも低温の約３００℃のか焼前セメント原料ｋが供給されることになるが、上述したＣａＯ＋ＣＯ₂→ＣａＣＯ₃で示す反応は発熱反応であるために、第１のプレヒータ３における熱バランスを崩すおそれもない。

１ ロータリーキルン（セメントキルン）
３ プレヒータ（第１のプレヒータ）
１０ 第２のプレヒータ
１０ａ 移送管
１２ 蓄熱か焼炉
１３ 抜出ライン
１６ 排ガス管
１８ 戻りライン
２２ 熱交換器
２５ 燃焼用空気の供給管
ｋ か焼前セメント原料（か焼前のセメント原料）
ｋ’か焼済みセメント原料（か焼されたセメント原料）

Claims (12)

1. セメント原料を、第１のプレヒータで予熱した後に、内部が高温雰囲気に保持されたセメントキルンに供給して焼成するセメント製造設備において発生するＣＯ₂ガスを回収するための方法であって、
   か焼温度以上に加熱し蓄熱した蓄熱か焼炉に、上記第１のプレヒータから抜き出したか焼前の上記セメント原料を供給してか焼し、か焼された上記セメント原料を上記セメントキルンに供給するとともに、上記蓄熱か焼炉内において上記セメント原料のか焼により発生したＣＯ₂ガスを回収することを特徴とするセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスの回収方法。
2. 上記蓄熱か焼炉を複数設け、そのうちの少なくとも１つの蓄熱か焼炉が上記セメント原料のか焼を行っている際に、他の蓄熱か焼炉の少なくとも１つをか焼温度以上に加熱して蓄熱を行い、これを複数の上記蓄熱か焼炉によって交互に繰り返し行うことにより、上記セメント原料のか焼により発生したＣＯ₂ガスを回収することを特徴とする請求項１に記載のセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスの回収方法。
3. 上記蓄熱か焼炉には、上記セメント原料よりも粒子径の大きい熱媒体を充填させることを特徴とする請求項１または２に記載のセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスの回収方法。
4. 上記熱媒体は、上記セメントキルンにおいて焼成することによって得られたセメントクリンカ、珪石、生石灰のいずれかであることを特徴とする請求項３に記載のセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスの回収方法。
5. 上記第１のプレヒータから抜き出されたか焼前の上記セメント原料と、上記第１のプレヒータから独立した第２のプレヒータで予熱されたか焼前の他のセメント原料とを、上記蓄熱か焼炉に供給するとともに、上記蓄熱か焼炉内において発生したＣＯ₂ガスを上記第２のプレヒータの熱源として利用した後に回収することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスの回収方法。
6. 上記セメント原料を上記蓄熱か焼炉に供給してか焼する際に発生したＣＯ₂ガスによって上記セメント原料を流動化させることにより、か焼された上記セメント原料を上記蓄熱か焼炉からオーバーフローさせて上記セメントキルンに供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスの回収方法。
7. 上記セメント原料を上記蓄熱か焼炉に供給してか焼する際に発生したＣＯ₂ガスに上記セメント原料を同伴させ、粒子分離手段により上記セメント原料とＣＯ₂ガスとを分離させて、か焼された上記セメント原料を上記セメントキルンに供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスの回収方法。
8. 上記蓄熱か焼炉内においてか焼された上記セメント原料の一部を、上記第１のプレヒータに戻すことを特徴する請求項１〜７のいずれかに記載のセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスの回収方法。
9. 上記セメント原料の一部を、空気と熱交換させて、降温した当該セメント原料を上記第１のプレヒータに戻すとともに、加熱された上記空気を上記蓄熱か焼炉における燃焼用空気として供給することを特徴とする請求項８に記載のセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスの回収方法。
10. セメント原料を予熱する第１のプレヒータと、この第１のプレヒータによって予熱された上記セメント原料を焼成するセメントキルンとを備えた製造設備において発生するＣＯ₂ガスを回収するための設備であって、
    上記第１のプレヒータからか焼前の上記セメント原料を抜き出す抜出ラインと、この抜出ラインから抜き出された上記セメント原料が導入されるとともに、上記セメント原料のか焼温度以上に加熱し蓄熱する蓄熱か焼炉と、上記蓄熱か焼炉においてか焼された上記セメント原料の一部を上記第１のプレヒータまたは上記セメントキルンに戻す戻りラインと、上記蓄熱か焼炉内で発生したＣＯ₂ガスを回収するＣＯ₂ガス排気管とを備えてなることを特徴とするセメント製造設備におけるＣＯ₂ガス回収設備。
11. 上記第１のプレヒータから独立して設けられて他のセメント原料を予熱する第２のプレヒータと、この第２のプレヒータで予熱されたか焼前の上記他のセメント原料を上記蓄熱か焼炉に供給する移送管とを備え、かつ上記蓄熱か焼炉からの上記ＣＯ₂ガスが、上記第２のプレヒータの熱源として導入されていることを特徴とする請求項１０に記載のセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスの回収設備。
12. 上記蓄熱か焼炉は、複数備えられていることを特徴とする請求項１０または１１に記載のセメント製造設備におけるＣＯ₂ガスの回収設備。

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