JP2013184843A - セメントクリンカの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
セメント製造における環境負荷を低減する方法について検討したものであり、普通ポルトランドセメントクリンカ、及び、セメントクリンカとしては比較的低温で焼成可能なアウイン系セメントクリンカを、石炭灰等の産業廃棄物を高い使用割合で使用し、環境負荷の小さい高周波誘導加熱を利用して焼成することを目的とした。
【解決手段】
造粒したセメント原料を高周波誘導加熱により加熱焼成して、セメント組成物を得ることを特徴とするセメントクリンカの製造方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、環境負荷の少ないセメントクリンカの製造方法に関する。

近年の地球温暖化等による環境問題の顕在化から、産業界には環境負荷低減への取組みが求められており、セメント産業においても例外でない。特にセメント産業は化石燃料の使用、ならびに石灰石原料の使用のため、二酸化炭素を多量に排出する産業であり、従来から各種リサイクル資源による代替原燃料の利用技術の開発が進められている。

セメントクリンカの焼成装置としては、通常、主として化石燃料を用いた燃焼バーナを伴うロータリーキルンが使用されているが、この他に流動床プロセスなどいくつか提案されている。上記環境負荷の問題を解決する一手段として、化石燃料を使用しない酸水素バーナと電磁誘導加熱装置によるセメントクリンカの製造例もある（特許文献１）。しかし、ロータリーキルンによる焼成システムが一般的であり、他のシステムはほとんど使用されていないのが実情である。

一方で、火力発電所からは副産物として石炭灰（フライアッシュ）が大量に発生し、その有効利用が課題となっている。セメント製造において、石炭灰はセメント原料における粘土代替として広く利用されているが、普通ポルトランドセメントの製造においては、化学組成上の制約からその使用量は限定的である。石炭灰使用量を増やしたセメントとしてアウイン系セメントの製造が検討されており（特許文献２）、環境負荷低減の点からも重要な取組みである。

特開２０１０−２１６７４３号公報 特開２０１１−２１９３４１号公報

特許文献１における発明は、通常のクリンカの製造方法とは異なる溶融物の製造装置および製造方法であり、酸素と水素の混合気を燃焼させて生じた特定のバーナを主に用いるものであって、電磁誘導加熱炉はあくまでも原料の加熱を補助するものであった。一般的に高周波誘導加熱炉は、装置が大掛かりで大量製品の製造に不向きであり、いままでセメント製造の加熱装置に主装置として採用されることはなかった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、セメント製造における環境負荷を低減する方法について検討したものであり、普通ポルトランドセメントクリンカ、及び、セメントクリンカとしては、比較的低温で焼成可能なアウイン系セメントクリンカを、石炭灰等の産業廃棄物を高い使用割合で使用し、環境負荷の小さい高周波誘導加熱を利用して焼成することを目的とした。

本発明は、造粒したセメント原料を高周波誘導加熱により加熱焼成して、セメント組成物を得ることを特徴とするセメントクリンカの製造方法である。

また、前記セメント原料として、１種以上のカーボン含有原料を含むことを特徴とする上記記載のセメントクリンカの製造方法である。

さらに、カーボン量がセメントクリンカベースで１０〜５０ｋｇ／ｔクリンカとなるよう調整したことを特徴とする上記記載のセメントクリンカの製造方法である。

加えて、前記セメント組成物がアウインを１０〜６０質量％含むことを特徴とする上記記載のセメントクリンカの製造方法である。

高周波加熱によるセメントクリンカ製造によって、化石燃料を用いず、二酸化炭素排出量を軽減し、環境負荷に少ないセメント製造が可能である。また、セメント原料として、未燃カーボンを大量に含む石炭灰等が有効利用でき、硬化性能の良好なセメントが製造できる。

本発明に係るセメントクリンカ製造装置の一構成例の概念構成に関するフロー図である。 本発明に係るセメントクリンカ加熱炉一構成例の概念構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係るセメントクリンカ製造装置の一構成例の概念構成に関するフロー図である。

高周波誘導加熱設備は、高周波電源（高周波インバータ）、整合器、加熱コイル１１、加熱炉（加熱容器１０、発熱体１３を含む）１００、温度制御回路、加熱コイル冷却機を含んで構成される。
図示した概念構成のセメントクリンカ加熱炉１００は、高周波電源から整合器（高周波変流器）を経て加熱コイルに１００Ｈｚ〜１ＭＨｚのＲＦ電流を供給し、磁界を発生させ、発熱体を発熱する。コイルは加熱防止のために、中空の金属管構造で、冷却水を流している。交番磁界によって、加熱炉内の発熱体１３が加熱し、加熱容器内のセメント原料を焼成する。加熱炉に設置したセンサーによって、温度制御がなされている。

図２は、本発明に係るセメントクリンカ加熱炉の一構成例「加熱炉１００」の概念構成図である。

加熱コイル１１の材質は、銅が好ましい。発熱体１３の材質はカーボン、スチール、タングステン、白金などの比較的電気抵抗の高い材質が好ましい。電気抵抗が高い発熱体ほど電流に対して強い抵抗となり、結果的に急速に加熱されるからである。
加熱容器１０の材質は、これが発熱体１３を兼ねるときは、上記発熱体の材質で構成する。

セメント原料は、セメント鉱物を構成するシリカ成分、カルシア成分、酸化鉄成分、アルミナ成分を含む原料に加え、カーボンを含む原料が使用される。カーボンは、本発明における高周波誘導加熱により発熱することから、セメント原料内部に配合することによって、原料内部から加熱燃焼することができ、均一で、かつ速やかなクリンカ焼成を行うことができる。なおカーボンの加熱に際しては、１００Ｈｚ〜３ＫＨｚの周波数が特に好ましい。
具体的な原料としては、炭酸カルシウム、珪石、粘土、銅がらみ等の鉄原料などが使用される他、各種リサイクル資源が使用される。カーボンを含む原材料としては、石炭灰、各種燃焼灰、ぼた、活性炭、コークスくずなどが使用でき、この中から１種以上の原料を含むことが好ましい。特に、石炭灰はセメント鉱物を構成する成分に加え未燃カーボンを含むことから、本発明においては好適な原料として使用される。

セメント原料に含まれるカーボン量としてはセメントクリンカベースで１０〜５０ｋｇ／ｔクリンカとなるように調整することが好ましい。カーボン量が１０ｋｇ／ｔクリンカ未満の場合、原料内部からの加熱燃焼を十分にすることができない。また、カーボン量が５０ｋｇ／ｔクリンカを超えると、カーボンの未燃焼分が残るため好ましくない。

セメント原料粉末は、所定の配合量で混合した後、これに水をスプレー等で、所定量加えて、パンペレタイザー等の造粒装置により、２〜２０ｍｍの粒径に造粒する。特に５〜１０ｍｍの粒径が好ましい。造粒することで、粉末が密接して、クリンカ反応が進行しやすくなるためである。２ｍｍ以下では、強度の十分な、球形な造粒が難しく、流動性の良いペレットとなりにくいからである。

造粒径はできるだけ均一に揃えることが好ましい。これは均一な加熱焼成により短時間で均一なクリンカ鉱物が得られること、また、クリンカ冷却の際にも均一かつ速やかな冷却により、均一で活性の高いクリンカ鉱物が生成される。
また、造粒物のサイズが大きすぎると、表面と内部での加熱ムラが大きくなること、冷却時に内部の冷却速度が遅くなることから、２０ｍｍ以下のサイズが好ましい。
このように本発明においては、高周波誘導加熱の利点を生かし、エネルギー効率の高い、環境負荷低減の少ないセメントクリンカの焼成を行うため、原料の造粒は必須である。

これら造粒された原料は加熱容器に入れて、高周波誘導加熱を行う。
高周波出力は、焼成量と所定温度までの昇温時間を決定し求めることができる。加熱に必要な電力は、式：Pa（kW）＝4.186×M×C×ΔTで表される。ここで、M＝被加熱材の重量（kg）、C＝被加熱材の比熱（cal/g・℃）、ΔT＝加熱温度−初温（℃）である。実際に供給する電力はロス分があるので、実際に供給する電力＝2.5×Paとなる。
普通ポルトランドセメントクリンカの焼成の場合の焼成条件は、１３００〜１４００℃で１０〜２０分、アウイン系セメントクリンカの焼成の場合は、１２００〜１３００℃で１０〜２０分が好ましい。それぞれのクリンカ焼成において、これらの温度以下で、これらの時間以下の焼成では、十分なクリンカ反応が完結しない。また、所定範囲以上の温度、時間でのクリンカ反応は、供給エネルギーが過剰となり、経済的な理由で不都合である。

本願発明におけるセメント組成物として、通常のポルトランドセメントクリンカを焼成することができるが、特にアウインを含むアウイン系セメントクリンカが好適である。アウイン系セメントクリンカは低温での焼成が可能であり、また、原料として未燃カーボンを含む石炭灰を多量に使用することが可能である。アウインの量としては、１０〜６０質量％が好ましい。アウインの量が１０質量％未満の場合、未燃カーボンを含む石炭灰の使用割合が低下する（およそ２００ｋｇ／ｔクリンカ以下）とともに、製造されたセメントの強度発現性が低くなるため好ましくない。一方、アウイン量が６０質量％を超える場合も、未燃カーボンを含む石炭灰の使用割合が低下する（およそ２００ｋｇ／ｔクリンカ以下）とともに、製造されたセメントの初期流動性が悪くなるため好ましくない。

なお、加熱炉１００は、造粒原料が、均一に加熱されるように、これを、図示した中心軸の周りに回転し、或いは、これと共に、中心軸を中心に揺動して、反応を促進することができる。

実験例

以下、実験例により本発明を説明する。
（１）実験例１
普通ポルトランドセメントのクリンカ製造の場合は、原料として、炭酸カルシウム、珪石、銅がらみ等の鉄原料、石炭灰（未燃カーボン量５２．５ｋｇ／トン）を用い、クリンカ中のセメント鉱物が、エーライト６０．２質量％、ビーライト１９．５質量％、アルミネート９．５質量％、フェライト９．５質量％となるように調合した。このとき、調合されたセメント原料中のカーボン量は、１０．９ｋｇ／ｔクリンカであった。

調合原料は、通常のセメント原料の粒度に粉砕した後、所定量の水と、界面活性剤と、メチルセルロース（バインダー）との混合液を噴霧して加えながら、パンペレタイザーにより、５〜１０ｍｍの粒径に造粒した。この造粒物を図２に示す高周波誘導加熱炉内のカーボン製加熱容器に入れ、１４００℃、１５分間、焼成した。本加熱容器には、５回転／分の揺動回転を加えた。焼成後、加熱容器から取り出して冷却し、クリンカ焼成物を得た。表１に、用いた原料の化学組成、混合量を示した。混合量を、１ｔクリンカを生成のための原単位量（ｋｇ／ｔクリンカ）とその質量％で示した。

得られたクリンカの鉱物組成は、粉末Ｘ線回折に基づくプロファイルフィッティング法により測定したところ、エーライト６０．８質量％、ビーライト１９．１質量％、アルミネート６．５質量％、フェライト１２．９質量％、遊離石灰０．４質量％であった。

（２）実験例２
アウイン系セメントクリンカの製造の場合は、原料として、炭酸カルシウム、アルミアッシュ、銅がらみ等の鉄原料、石炭灰（未燃カーボン量５２．５ｋｇ／トン）を用い、クリンカ中のセメント鉱物がアウイン２０質量％、ビーライト７０質量％、フェライト１０質量％、となるように調合した。このとき、調合されたセメント原料中のカーボン量は、２１．９ｋｇ／ｔクリンカである。

調合原料は、実験例１と同様に、所定量の水を加えて、パンペレタイザーにより、５〜１０ｍｍの粒径に造粒した。このとき、界面活性剤とメチルセルロースをバインダーとして添加した。この造粒物を高周波誘導加熱炉（図２）のカーボン製加熱容器に入れ、１２８０℃、１５分焼成した。本加熱容器には、５回転／分の揺動回転を加えた。焼成後、カーボン製加熱容器から取り出して冷却し、クリンカ焼成物を得た。表２に、用いた原料の化学組成、混合量を示した。混合量は、１ｔクリンカを生成のための原単位量（ｋｇ／ｔクリンカ）とその重量％で示した。

得られたクリンカの鉱物組成は、粉末Ｘ線回折に基づくプロファイルフィッティング法により測定したところ、アウイン１８．９質量％、ビーライト６９．４質量％、フェライト９．６質量％、アルミネート０．９質量％であり、クリンカ反応は完結していた。

（３）実験例３
実験例２と同じ原料を、造粒をせずに、通常のセメント原料のまま、図2に示すセメントクリンカ加熱炉で、１２８０℃、１５分焼成した。その結果、塊状の焼結体が得られたが、その内部まで、クリンカ反応が進行せず、良好な結果が得られなかった。

（４）実験例４
実験例２において、加熱条件は同一で、セメント原料に含まれるカーボン量をセメントクリンカベースで８ｋｇ／ｔクリンカとした造粒原料を図2に示すセメントクリンカ加熱炉で、１２８０℃、１５分焼成した。その結果、球状の焼結体が得られたが、その内部まで、クリンカ反応が進行せず、良好な結果が得られなかった。

1：造粒原料
10：加熱容器
11：加熱コイル
12：冷却水通路
13：発熱体
14：融着防止体
15：断熱材
16：温度センサー
100：加熱炉

Claims (4)

1. 造粒したセメント原料を高周波誘導加熱により加熱焼成して、セメント組成物を得ることを特徴とするセメントクリンカの製造方法。
2. 前記セメント原料として、１種以上のカーボンを含む原料を含むことを特徴とする請求項１記載のセメントクリンカの製造方法。
3. 前記セメント原料に含まれるカーボン量がセメントクリンカベースで１０〜５０ｋｇ／ｔクリンカとなるよう調整されることを特徴とする請求項２記載のセメントクリンカの製造方法。
4. 前記セメント組成物がアウインを１０〜６０質量％含むことを特徴とする請求項１記載のセメントクリンカの製造方法。