JP2017193451A - セメントクリンカの焼成方法及び焼成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セメント焼成装置の安定運転を維持しながら、セメントクリンカのＳＯ3含有率を高める。【解決手段】セメントキルン２の窯前から吹き込みノズル２ｂを介して石膏Ｇを吹き込むにあたり、石膏Ｇの平均吹き込み位置を、セメントキルン２で得られたクリンカＣ中のＮａ2ＯとＫ2Ｏとの合計に対するＳＯ3のモル比が２．０未満の場合に１３００℃以上１４００℃未満の領域とし、前記モル比が２．０以上４．０未満の場合に１４００℃以上１４５０℃未満の領域とし、前記モル比が４．０以上の場合に１４５０℃以上の領域とするセメントクリンカの焼成方法。吹き込みノズル２ｂにおける平均吹き込み速度を調整することで、石膏Ｇの平均吹き込み位置を前記領域にすることができ、石膏Ｇを粉砕又は造粒した後、吹き込みノズル２ｂを介して石膏Ｇを吹き込むことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、セメントクリンカの焼成にあたり、廃石膏ボード等を利用してセメントクリンカに必要となるＳＯ₃成分を確保する技術に関する。

セメントクリンカの焼成では、クリンカ中のＳＯ₃含有率をある程度高くするように調整することが望ましい場合があり、例えば、早強セメントクリンカの焼成では、ＳＯ₃含有率を高めることで初期強度発現性のよいクリンカが得られる。

一方、新築・解体工事の建築現場から、建築物の壁や天井材等に使用される石膏ボードの廃材が発生する。これらの廃石膏ボードのうち解体系廃材は、その一部がセメント用原料や地盤安定化資材として有効利用されているが、大部分は埋立処分されている。今後、最終処分場の確保が困難な状況下では、廃石膏ボードの再資源化は重要課題である。

そこで、例えば、特許文献１には、クリンカ中のＳＯ₃含有率を高めるため、廃石膏ボードの粉末や、排脱石膏及び無水石膏等の石膏をセメントキルンの窯前から吹き込みノズルを用いて空気流により吹き込む技術が開示されている。

特開２０１１−０２６１７４号公報

しかし、上記特許文献１に記載の方法では、石膏をセメントキルンの窯尻から投入する場合よりも石膏中のＳＯ₃の揮発を抑制してクリンカのＳＯ₃含有率を高め、セメント焼成装置の安定運転を保ったまま廃棄物の有効利用量を増大させることが可能であるが、セメントキルン内の焼成雰囲気によっては、クリンカのＳＯ₃含有率が低下するおそれがあった。

そこで、本発明は、上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであって、セメント焼成装置の安定運転を維持しながら、セメントクリンカのＳＯ₃含有率を高めることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、セメントクリンカの焼成方法であって、セメントキルンの窯前から吹き込みノズルを介して石膏を吹き込むにあたり、該石膏の平均吹き込み位置を、前記セメントキルンで得られたクリンカ中のＮａ₂ＯとＫ₂Ｏとの合計に対するＳＯ₃のモル比が２．０未満の場合に１３００℃以上１４００℃未満の領域とし、前記モル比が２．０以上４．０未満の場合に１４００℃以上１４５０℃未満の領域とし、前記モル比が４．０以上の場合に１４５０℃以上の領域とすることを特徴とする。吹き込む石膏の粒度分布に広がりがあり、吹き込んだ石膏の全量を上記温度領域に吹き込むことは困難であるため、吹き込んだ石膏の吹き込み位置の平均値が上記温度領域に入ればよい。

本発明によれば、セメントキルンで得られたクリンカ中のＮａ₂ＯとＫ₂Ｏとの合計に対するＳＯ₃のモル比（クリンカの硫酸飽和度）に基づいて、石膏をセメントキルン内の適切な温度領域に吹き込むため、セメント焼成装置の安定運転を維持しながら、セメントクリンカのＳＯ₃含有率を高めることができる。

また、セメントキルンでは通常のクリンカの他に低アルカリ型クリンカ等も製造され、製造されるクリンカの種類によってクリンカ中のＮａ₂ＯとＫ₂Ｏとの合計モル量が異なるが、クリンカの硫酸飽和度に基づいて石膏をセメントキルン内の適切な温度領域に吹き込むことで、製造されるクリンカの種類や、製造されるクリンカ中のＮａ₂ＯとＫ₂Ｏとの合計モル量の変動に応じて石膏を適切にセメントキルンに吹き込むことができる。

クリンカの硫酸飽和度が２．０未満の場合は、セメントキルンの１３００℃以上１４００℃未満の領域に石膏を吹き込むことで、セメントクリンカのＳＯ₃含有率を高めることができる。また、クリンカの硫酸飽和度が２．０以上４．０未満の場合は、セメントキルンの１４００℃以上１４５０℃未満の領域に石膏を吹き込むことで、アウインＣ₄Ａ₃＄（３ＣａＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＳＯ₄）の生成を抑制しながらセメントクリンカのＳＯ₃含有率を高めることができる。さらに、クリンカの硫酸飽和度が４．０以上の場合は、セメントキルンの１４５０℃以上の領域に石膏を吹き込むことでアウインの生成を抑制したり、石膏がそのままセメントキルンから排出されるのを防止しながら、セメントクリンカのＳＯ₃含有率を高めることができる。

上記セメントクリンカの焼成方法において、前記吹き込みノズルにおける平均吹き込み速度を調整することで、前記石膏の平均吹き込み位置を前記領域にすることができる。また、前記石膏を粉砕又は造粒した後、前記吹き込みノズルを介して前記石膏の平均吹き込み位置が前記領域になるように吹き込むことができる。これらによれば、石膏の平均吹き込み位置を容易に調整することができる。

また、本発明は、セメントクリンカの焼成装置であって、セメントキルンの窯前から石膏を吹き込む吹き込みノズルと、前記セメントキルンで得られたクリンカ中のＮａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ及びＳＯ₃のモル量を測定する測定装置と、前記吹き込みノズルによる前記石膏の平均吹き込み位置を、前記測定値から算出されたＮａ₂ＯとＫ₂Ｏとの合計に対するＳＯ₃のモル比が２．０未満の場合に１３００℃以上１４００℃未満の領域とし、前記モル比が２．０以上４．０未満の場合に１４００℃以上１４５０℃未満の領域とし、前記モル比が４．０以上の場合に１４５０℃以上の領域とする制御装置とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、上記発明と同様、セメント焼成装置の安定運転を維持しながら、セメントクリンカのＳＯ₃含有率を高めることができ、製造されるクリンカの種類や、製造されるクリンカ中のＮａ₂ＯとＫ₂Ｏとの合計モル量の変動に応じて石膏を適切にセメントキルンに吹き込むことができる。

上記セメントクリンカの焼成装置において、前記吹き込みノズルの前段に設けられ、前記石膏を粉砕する粉砕装置と、該粉砕装置によって粉砕された粉砕物を前記吹き込みノズルへ搬送する搬送装置とを備えるように構成することができる。これにより、石膏の平均吹き込み位置を容易に調整することができる。

前記吹き込みノズルの前段に設けられ、前記石膏を造粒する造粒装置と、該造粒装置によって造粒された造粒物を前記吹き込みノズルへ搬送する搬送装置とを備えるように構成することができる。これにより、石膏の平均吹き込み位置を容易に調整することができる。

前記吹き込みノズルを、前記セメントキルンに主燃料を吹き込む主バーナの一部とすることができる。主燃料の吹き込みと、石膏の吹き込みを１つのバーナで行うことで、設備コストや運転コストを低減することができる。

以上のように、本発明によれば、セメント焼成装置の安定運転を維持しながら、セメントクリンカのＳＯ₃含有率を高めることなどが可能となる。

本発明に係るセメントクリンカの焼成装置の一実施の形態を示す概略図である。 焼成雰囲気ごとのＳＯ₃の分配率を示すグラフである。

次に、本発明に係るセメントクリンカの焼成装置の一実施の形態について、図１を参照しながら説明する。

本発明に係るセメントクリンカの焼成装置１は、セメント原料Ｍを焼成するセメントキルン２と、セメントキルン２の窯前から微粉炭等の主燃料を吹き込む主バーナ２ａと、セメントキルン２の窯前から所定の焼成雰囲気（領域）に石膏Ｇを吹き込む吹き込みノズル２ｂと、石膏Ｇを粉砕又は造粒する粉砕／造粒装置３と、セメントキルン２から排出されたクリンカＣ中のＮａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ及びＳＯ₃のモル量を測定する測定装置４と、吹き込みノズル２ｂの運転を制御する制御装置５とを備える。ここで、石膏Ｇは、廃石膏ボード粉末、排脱石膏、二水石膏、半水石膏及び無水石膏等である。

吹き込みノズル２ｂは、石膏Ｇをセメントキルン２の窯前から吹き込むために設けられる。石膏Ｇは、必要に応じて粉砕又は／及び造粒されたものを吹き込むことができる。この吹き込みノズル２ｂは、石膏Ｇの平均吹き込み位置を調整するため、吹き込み速度（吐出空気量等）を調整可能なブロワ等を備える。尚、この吹き込みノズル２ｂを主バーナ２ａの一部となるように一体に構成し、共通のブロワ等を用いて主燃料の微粉炭等と共に石膏Ｇを吹き込むこともできる。

粉砕／造粒装置３は、吹き込みノズル２ｂによる石膏Ｇの平均吹き込み位置を調整するため、受け入れた石膏Ｇを必要に応じて粉砕又は造粒するために設けられる。粉砕装置又は造粒装置のいずれか一方を設けてもよく、両方を設けてもよい。これらの装置の型式等は問わない。尚、粉砕／造粒装置３は、吹き込みノズル２ｂによる石膏Ｇの吹き込み速度の調整のみでは石膏Ｇの平均吹き込み位置を調整するのが困難である場合に備えられる。

制御装置５は、測定装置４からの測定信号を受信してクリンカＣ中のＮａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ及びＳＯ₃のモル量に関するデータを取得し、これに基づいてクリンカＣ中のＮａ₂ＯとＫ₂Ｏとの合計に対するＳＯ₃のモル比（クリンカＣの硫酸飽和度ＳＧ）を算出する。また、制御装置５は、クリンカＣの硫酸飽和度ＳＧ、吹き込む石膏Ｇの粒径及び比重等に基づき、吹き込みノズル２ｂが石膏Ｇを吹き込む速度等を調整して石膏Ｇの平均吹き込み位置を調整する。

制御装置５により制御される石膏Ｇのセメントキルン２での平均吹き込み位置は、硫酸飽和度ＳＧが２．０未満の場合は１３００℃以上１４００℃未満の領域とし、硫酸飽和度ＳＧが２．０以上４．０未満の場合は１４００℃以上１４５０℃未満の領域とし、硫酸飽和度ＳＧが４．０以上の場合は１４５０℃以上の領域とされる。

尚、測定装置４や制御装置５を設けずに、サンプリングしたクリンカＣのＮａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ及びＳＯ₃のモル量に関するデータを取得し、これに基づいて硫酸飽和度ＳＧを算出し、手動で吹き込みノズル２ｂに付設されたブロワ等の風量を調整して石膏Ｇの平均吹き込み位置を調整してもよい。

次に、上記セメントクリンカの焼成装置１の動作について、図１を参照しながら詳細に説明する。

セメントキルン２へセメント原料Ｍを投入すると共に、主バーナ２ａからセメントキルン２の内部へ燃料を吹き込み、セメント原料Ｍを焼成して生成したクリンカＣをセメントキルン２から排出する。

セメントキルン２から排出したクリンカＣを測定装置４に供給し、測定装置４でクリンカＣ中のＮａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ及びＳＯ₃のモル量を測定し、この測定値に関するデータを信号として測定装置４から制御装置５に送る。制御装置５で上記測定値に関するデータ情報を取得し、クリンカＣの硫酸飽和度ＳＧを算出する。

石膏Ｇを粉砕／造粒装置３に供給して石膏Ｇが所定の粒径となるように粉砕又は造粒する。粉砕又は造粒後の石膏Ｇを吹き込みノズル２ｂに供給する。制御装置５で制御された吹き込み速度で、石膏Ｇを吹き込みノズル２ｂからセメントキルン２における所定の領域に吹き込み、セメント原料Ｍと共にセメントキルン２で焼成する。

石膏Ｇとセメント原料Ｍとの焼成により得られたクリンカＣ中のＮａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ及びＳＯ₃のモル量を測定装置４で測定すると共に、このクリンカＣの硫酸飽和度ＳＧを制御装置５で再度算出し、算出して得られた値に基づいて上記の動作を繰り返す。

次に、上記セメントクリンカの焼成装置１の試験例について説明する。

セメントクリンカと、このクリンカに対して０．５％−ｃｌｉ（クリンカの質量の０．５％）のＳＯ₃を有するＣａＳＯ₄とを用意した。また、このクリンカのＳＯ₃含有率（％−ｃｌｉ）を測定すると共に硫酸飽和度を算出した。クリンカ中のＳＯ₃と硫酸飽和度とを図２（ａ）の左端の棒グラフに示した。

次に、上記セメントクリンカとＣａＳＯ₄とを内部温度が１３００℃の電気炉に投入して１０分間焼成し、電気炉内の固形物の一部と電気炉の排ガスとを回収した。回収した固形物及び排ガスのＳＯ₃含有率を測定すると共に、回収した固形物中のクリンカの硫酸飽和度を算出し、これらを図１（ａ）の左から２番目の棒グラフに示した。

続いて、電気炉の内部温度を１４００℃まで上昇させて電気炉中の固形物を１０分間焼成し、電気炉内の固形物の一部と電気炉の排ガスとを回収した。回収した固形物及び排ガスのＳＯ₃含有率を測定すると共に、回収した固形物中のクリンカの硫酸飽和度を算出し、これらを図１（ａ）の左から３番目の棒グラフに示した。

さらに、電気炉の内部温度を１４５０℃まで上昇させて電気炉中の固形物を１０分間焼成し、電気炉内の固形物の残りと電気炉の排ガスとを回収した。回収した固形物及び排ガスのＳＯ₃含有率を測定すると共に、回収した固形物中のクリンカの硫酸飽和度を算出し、これらを図１（ａ）の右端の棒グラフに示した。

また、上記０．５％−ｃｌｉのＳＯ₃を有するＣａＳＯ₄代えて、１．５％−ｃｌｉ、３．０％−ｃｌｉのＳＯ₃を有するＣａＳＯ₄を用いて上述した試験と同様の試験を行い、これらの結果を各々図２（ｂ）、（ｃ）に示した。

０．５％−ｃｌｉのＣａＳＯ₄を電気炉に投入すると、図２（ａ）に示すように、いずれの焼成温度においてもクリンカの硫酸飽和度（ＳＧ）は２．０未満であった。常温ではＣａＳＯ₄とクリンカとの各々にＳＯ₃が存在したが、焼成によってＣａＳＯ₄とクリンカとが反応し、ＣａＳＯ₄に含まれていたＳＯ₃の一部がクリンカ中に固溶し、その他が揮発した。ここで、焼成温度が１３００℃以上１４００℃未満の場合に、クリンカ中のＳＯ₃の含有率が最も高いことが判る。よって、セメントキルンから排出されたクリンカの硫酸飽和度が２．０未満の場合には、ＣａＳＯ₄をセメントキルンの１３００℃以上１４００℃未満の領域で焼成するのが好ましい。

１．５％−ｃｌｉのＣａＳＯ₄を電気炉に投入すると、図２（ｂ）に示すように、クリンカの硫酸飽和度（ＳＧ）は２．０以上４．０未満であった。常温ではＣａＳＯ₄とクリンカとの各々にＳＯ₃が存在したが、焼成によってＣａＳＯ₄とクリンカとが反応し、ＣａＳＯ₄に含まれていたＳＯ₃の一部がクリンカ中に固溶し、その他が揮発した。ここで、焼成温度が１３００℃以上１４００℃未満の場合にクリンカのＳＯ₃含有率が最も高く、焼成温度が１４００℃以上１４５０℃未満の場合にクリンカのＳＯ₃の含有率が２番目に高いことが判る。一方で、焼成温度が１３００℃以上１４００℃未満の場合はアウインが生成したが、焼成温度が１４００℃以上１４５０℃未満の場合はアウインがほとんど生成しなかった。よって、セメントキルンから排出されたクリンカの硫酸飽和度が２．０以上４．０未満である場合には、ＣａＳＯ₄をセメントキルンの１４００℃以上１４５０℃未満の領域で焼成するのが好ましい。

３．０％−ｃｌｉの石膏を電気炉に投入した場合、図２（ｃ）に示すように、いずれの焼成温度においてもクリンカの硫酸飽和度（ＳＧ）は４．０以上であった。常温ではＣａＳＯ₄とクリンカとの各々にＳＯ₃が存在したが、焼成によってＣａＳＯ₄とクリンカとが反応し、ＣａＳＯ₄に含まれていたＳＯ₃の一部がクリンカ中に固溶し、その他が揮発した。ここで、焼成温度が１４００℃以上１４５０℃未満の場合にクリンカ中のＳＯ₃含有率が最も高く、焼成温度が１４５０℃以上の場合にクリンカ中のＳＯ₃含有率が２番目に高いことが判る。一方で、焼成温度が１４００℃以上１４５０℃未満の場合は、電気炉に投入したＣａＳＯ₄の多くがクリンカと共に固体状で電気炉から排出されたが、焼成温度が１４５０℃以上の場合は、電気炉に投入したＣａＳＯ₄の多くがガス状で電気炉から排出された。よって、セメントキルンから排出されたクリンカの硫酸飽和度が４．０以上である場合には、ＣａＳＯ₄をセメントキルンの１４５０℃以上の領域で焼成するのが好ましい。

以上のように、上記実施の形態によれば、セメントキルン２で得られたクリンカＣ中のＮａ₂ＯとＫ₂Ｏとの合計に対するＳＯ₃のモル比（クリンカＣの硫酸飽和度ＳＧ）に基づいて、石膏Ｇをセメントキルン２内の適切な温度領域に吹き込むため、セメント焼成装置の安定運転を維持しながら、セメントクリンカＣのＳＯ₃含有率を高めることができる。

１ セメントクリンカの焼成装置
２ セメントキルン
２ａ 主バーナ
２ｂ 吹き込みノズル
３ 粉砕／造粒装置
４ 測定装置
５ 制御装置
Ｃ クリンカ
Ｇ 石膏
Ｍ セメント原料

Claims (7)

1. セメントキルンの窯前から吹き込みノズルを介して石膏を吹き込むにあたり、
   該石膏の平均吹き込み位置を、
   前記セメントキルンで得られたクリンカ中のＮａ₂ＯとＫ₂Ｏとの合計に対するＳＯ₃のモル比が２．０未満の場合に１３００℃以上１４００℃未満の領域とし、前記モル比が２．０以上４．０未満の場合に１４００℃以上１４５０℃未満の領域とし、前記モル比が４．０以上の場合に１４５０℃以上の領域とすることを特徴とするセメントクリンカの焼成方法。
2. 前記吹き込みノズルにおける平均吹き込み速度を調整することで、前記石膏の平均吹き込み位置を前記領域にすることを特徴とする請求項１に記載のセメントクリンカの焼成方法。
3. 前記石膏を粉砕又は造粒した後、前記吹き込みノズルを介して前記石膏の平均吹き込み位置が前記領域になるように吹き込むことを特徴とする請求項１又は２に記載のセメントクリンカの焼成方法。
4. セメントキルンの窯前から石膏を吹き込む吹き込みノズルと、
   前記セメントキルンで得られたクリンカ中のＮａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ及びＳＯ₃のモル量を測定する測定装置と、
   前記吹き込みノズルによる前記石膏の平均吹き込み位置を、前記測定値から算出されたＮａ₂ＯとＫ₂Ｏとの合計に対するＳＯ₃のモル比が２．０未満の場合に１３００℃以上１４００℃未満の領域とし、前記モル比が２．０以上４．０未満の場合に１４００℃以上１４５０℃未満の領域とし、前記モル比が４．０以上の場合に１４５０℃以上の領域とする制御装置とを備えることを特徴とするセメントクリンカの焼成装置。
5. 前記吹き込みノズルの前段に設けられ、前記石膏を粉砕する粉砕装置と、
   該粉砕装置によって粉砕された粉砕物を前記吹き込みノズルへ搬送する搬送装置とを備えることを特徴とする請求項４に記載のセメントクリンカの焼成装置。
6. 前記吹き込みノズルの前段に設けられ、前記石膏を造粒する造粒装置と、
   該造粒装置によって造粒された造粒物を前記吹き込みノズルへ搬送する搬送装置とを備えることを特徴とする請求項４に記載のセメントクリンカの焼成装置。
7. 前記吹き込みノズルは、前記セメントキルンに主燃料を吹き込む主バーナの一部であることを特徴とする請求項４、５又は６に記載のセメントクリンカの焼成装置。