JP2021195270A - セメント製造排ガス中のｃｏ２分離回収方法及びｃｏ２分離回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セメント製造排ガスを適切に処理することができるセメント製造排ガス中のＣＯ２分離回収方法及びＣＯ２分離回収装置を提供する。【解決手段】本発明のセメント製造排ガス中のＣＯ２分離回収方法は、セメント製造設備からの排ガスをＣＯ２吸収材に接触させてＣＯ２を分離回収する前に、ＳＯｘ、ＮＯｘ、ハロゲン等の酸性成分及びＨ２Ｏ、ダスト等の有害成分を除去することにより、ＣＯ２吸収材の吸収能力の劣化を抑制でき、セメント製造排ガスを適切に処理できる。このようにＣＯ２吸収材の吸収能力の劣化を抑制することで、セメント製造排ガスを適切に処理できる。【選択図】図１

Description

本発明は、セメント製造設備の排ガス中のＣＯ_２分離回収方法及びＣＯ_２分離回収装置に関する。

火力発電等の各種燃焼設備において、温室効果ガスの削減のため、燃焼で発生、排出されるＣＯ_２を削減する努力がなされている。特に、社会活動に必要なエネルギーの大部分は石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料から得ていることから、この化石燃料から発生するＣＯ_２の量は膨大であり、このエネルギー起源のＣＯ_２を削減することが地球温暖化抑制に有効である。

燃焼排ガス中のＣＯ_２を削減する技術として、従来、例えば、特許文献１に記載の燃焼排ガス中に含まれる二酸化炭素を分離して水素と反応させることによりメタンを得るメタン化方法が知られている。このメタン化方法では、燃焼排ガスを二酸化炭素吸収材に接触させて燃焼排ガス中の二酸化炭素を吸収させる工程と、二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収材を加熱して二酸化炭素を主成分とするガスを取り出す工程と、二酸化炭素を主成分とするガスに第一の量の水素を添加したガスを、脱硫剤を充填した脱硫器に通じて、ガス中の硫黄化合物を除去する工程と、硫黄化合物を除去する工程を経たガスに第二の量の水素を添加し、メタン化触媒に通じたメタン化反応によりメタンに変換する工程と、を含んでいる。
このメタン化方法では、水素が添加された二酸化炭素を、脱硫剤を充填した脱硫器を通すことにより、ガス中の硫黄化合物を除去している。

特開２０１９−１７２５９５号公報

しかしながら、セメント設備の排ガス（セメント製造排ガス）には硫黄化合物以外の酸化物が多く含まれているため、例えば、特許文献１記載のような脱硫器を用いたとしても、セメント製造排ガスを適切に処理することができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セメント製造排ガスを適切に処理することができるセメント製造排ガス中のＣＯ_２分離回収方法及びＣＯ_２分離回収装置を提供することを目的とする。

本発明のセメント製造排ガス中のＣＯ_２分離回収方法は、セメント製造設備からの排ガスをＣＯ_２吸収材に接触させてＣＯ_２を分離回収する前に、酸性成分及び有害成分を除去する。

ここで、セメント製造排ガスに含まれるＳＯｘ、ＮＯｘ、ハロゲン等の酸性成分及びＨ_２Ｏ、ダスト等の有害成分は、ＣＯ_２吸収材に影響を与えＣＯ_２吸収能力を劣化させるおそれがある。さらにセメント製造排ガスに含まれるダスト（主としてセメント原料の粉末）は、装置配管内に付着してスケールを形成するなどにより配管の圧力損失を増大させ、ＣＯ_２分離回収装置にて処理可能なガス量を低下させる、等のおそれがある。
これに対し、本発明では、セメント製造設備からの排ガスを分離回収する前に上記酸性成分及び上記有害成分を除去することで、ＣＯ_２吸収材の吸収能力の劣化を抑制できる。このため、セメント製造排ガスからＣＯ_２を効率的に回収できる。

本発明のセメント製造排ガス中のＣＯ_２分離回収装置は、セメント製造設備に、該セメント製造設備からの排ガスから酸性成分及び有害成分を除去する有害成分除去部と、前記酸性成分及び前記有害成分が除去された前記排ガスをＣＯ_２吸収材に接触させてＣＯ_２を分離回収するＣＯ_２分離回収部とを備える。

本発明によれば、セメント製造設備の排ガス中のＣＯ_２から酸性成分及び有害成分を適切に除去することで、ＣＯ_２吸収材の吸収能力の劣化を抑制できる。

本発明の一実施形態に係るセメント製造排ガス中のＣＯ_２活用方法の手順を示すフローチャートである。 上記実施形態のセメント製造排ガス中のＣＯ_２活用システムを簡略化して示す図である。 上記実施形態のセメント製造排ガス中のＣＯ_２分離回収装置を構成するメタン化装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明のセメント製造排ガス中のＣＯ_２分離回収方法及びセメント製造排ガス中のＣＯ_２分離回収装置の、一実施形態について図面を用いて説明する。
この実施形態は、セメント製造排ガス中のＣＯ_２から酸性成分及び有害成分を適切に除去した後、メタンを生成して、そのメタンをセメント製造設備への化石燃料の一部及び全部の代替燃料として利用するようにした例である。

［ＣＯ_２活用システムの構成］
ＣＯ_２活用システム１００は、図２に示すように、セメント製造設備５０と、セメント製造設備５０に接続されて用いられる排ガス処理設備３０と、を備えている。本実施形態では、排ガス処理設備３０がセメント製造設備５０からの排ガス又は該排ガスから分離回収したＣＯ_２に水素を添加してメタンを生成し、生成したメタンをセメント製造設備５０への化石燃料の一部又は全部の代替燃料として供給する。

［セメント製造設備の構成］
セメント製造設備５０は、図２に全体を示したように、セメント原料として石灰石、粘土、珪石、鉄原料等を個別に貯蔵する原料貯蔵庫１と、これらセメント原料を粉砕、乾燥する原料ミル及びドライヤ２と、原料供給管２２を介して供給され、この原料ミルで得られた粉体状のセメント原料を予熱するプレヒータ３と、プレヒータ３によって予熱されたセメント原料を仮焼する仮焼炉４と、仮焼されたセメント原料を焼成するセメント焼成キルン５と、セメント焼成キルン５で焼成された後のセメントクリンカを冷却するためのクーラ６等とを備えている。

セメント焼成キルン５は、横向きで若干傾斜した円筒状のロータリーキルンであり、軸芯回りに回転することにより、その窯尻部５ａにプレヒータ３から供給されるセメント原料を窯前部５ｂに送りながら、その送る過程で窯前部５ｂのバーナ８によって１４５０℃程度に加熱焼成してセメントクリンカを生成し、このセメントクリンカを窯前部５ｂからクーラ６に送り出すようになっている。バーナ８には、石炭、石油等の化石燃料を供給する燃料供給系１５が接続されている。また、燃料供給ライン１５とは別に、熱エネルギーを補うために、廃プラスチックや廃タイヤなどの代替熱源の供給系（図示略）も備えられている。セメントクリンカは、クーラ６で所定温度まで冷却された後、仕上げ工程へ送られることになる。

プレヒータ３は、図２に示すように、セメント焼成キルン５で発生した排ガスを流通させる複数（４つ）のサイクロン１３が上下方向に連結状態とされて構築されたものであり、最下段のサイクロン１３とその上のサイクロン１３との間に仮焼炉４が接続されているとともに、仮焼炉４の燃焼ガスによって仮焼されたセメント原料を最下段のサイクロン１３からセメント焼成キルン５の窯尻部５ａに供給するようになっている。

仮焼炉４は、内部にバーナ４１を有しており、燃料供給ライン４２から供給される石炭等の燃料を燃焼させることで、上段のサイクロン１３から送られてくるセメント原料を仮焼し、その仮焼により生じた排ガスとともにライジングダクト２５を介して最下段のサイクロン１３に供給する。そのセメント原料は、最下段のサイクロン１３からセメント焼成キルン５の窯尻部５ａに供給される。一方、ライジングダクト２５はセメント焼成キルン５の窯尻部５ａから排ガスを最下段のサイクロン１３に送り出しており、仮焼炉４で生じた排ガスも、このライジングダクト２５を介してサイクロン１３に供給される。このため、セメント焼成キルン５の排ガス及び仮焼炉４からの排ガスが一体となってプレヒータ３を下方から上方に経由した後、排気管９を通って原料ミル及びドライヤ２に導入される。

原料ミル及びドライヤ２は、仮焼炉４及びセメント焼成キルン５からの排ガスが導入されることにより、セメント原料の粉砕と乾燥を同時に行うようになっている。この原料ミル及びドライヤ２には、集塵機１０、煙突１１等を備える排ガスライン１２が接続されている。

［排ガス処理設備の構成］
排ガス処理設備３０は、セメント焼成キルン５及び仮焼炉４で発生し、煙突１１から排出される前の排ガスを収集する排ガス収集ライン３１１と、該排ガス収集ライン３１１から送られてくる排ガスからＣＯ_２を分離回収し、分離回収したＣＯ_２に水素を添加してメタンを生成するメタン化装置３１と、生成したメタンをセメント製造設備５０へ供給するメタン供給装置３２とを備えている。
排ガス収集ライン３１１は、セメント製造設備５０の排ガスライン１２における集塵機１０と煙突１１との間に接続され、セメント焼成時に生じた排ガスの一部を収集する。セメント焼成により生じた排ガスであるので、石炭等の燃料の燃焼による排ガスも一部含まれるが、石灰石由来の排ガスを多く含んでいる 。

（メタン化装置の構成）
メタン化装置３１は、排ガスからＣＯ_２を分離回収するＣＯ_２分離回収装置３１０と、ＣＯ_２分離回収装置３１０で分離回収されたＣＯ_２に水素ガスを供給して混合する水素混合部３１６と、水素が混合されたＣＯ_２からメタンを生成するメタン製造部３１７と、を備えている。

ＣＯ_２分離回収装置３１０は、図３に示すように、排ガス収集ライン３１１で収集された排ガスからＳＯｘやＮＯｘ等の有害成分を除去する有害成分除去部３１２と、有害成分が除去された排ガスからＣＯ_２を分離して回収するＣＯ_２分離回収部３１３と、回収されたＣＯ_２を圧縮する圧縮部３１４と、圧縮されたＣＯ_２から水分を除去する除湿部３１５と、を備えている。

排ガス収集ライン３１１から送られてくる排ガスは、石炭、石油コークス、重油などの化石燃料や廃プラスチックや廃タイヤなどの燃焼排ガスであるため、ＣＯ_２が例えば、２０数％程度含まれるとともに、ＣＯ_２以外のガスや酸性成分及び有害成分が含まれている。このため、有害成分除去部３１２は、排ガスから酸性成分（例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の酸性ガス）及び有害成分（Ｈ_２Ｏ、ダスト等）を除去するものであり、ＮａＯＨ水溶液などを充填したスクラバー、除湿機、電気集塵機等を備える。これら酸性成分及び有害成分の除去により、ＮＯｘとともにハロゲンも除去されるので、次のＣＯ_２分離回収で用いられるアミン化合物の吸収材（ＣＯ_２吸収材）の劣化を防止するとともに、吸収能力の低下を抑制する。

脱硫方法（ＳＯｘ除去方法）としては、湿式の石灰石石膏法、水酸化マグネシウム法、ソーダ吸収法が知られている。これらはアルカリ溶液にてＳＯｘを吸収させる方法で、乾式法として石炭灰利用法がある。また、脱硫（ＳＯｘ除去）・脱硝（ＮＯｘ除去）を同時に処理する方法として乾式法の活性炭法、電子ビーム法がある。脱硝方法としては、乾式法として接触還元法（ＳＣＲ法等）、無触媒還元法があり、湿式法として酸化吸収法、酸化還元法、等モル吸収法がある。

一方、セメント製造設備からの排ガスはサスペンションプレヒータ部が脱硫装置として機能するためＳＯｘは一般的に数十ｐｐｍとなる場合が多い。
ここで、ＣＯ_２分離回収用吸収材への不純物の影響は、化学吸収法及び物理吸着法のいずれもアミン化合物と不純物成分との親和性に大きな差はないと考えられる。ＣＯ_２分離回収部３１３によるＣＯ_２の回収では、排ガス中のＳＯｘは吸収材中のアミン化合物と結合し、アミン化合物のＣＯ_２吸収能力を阻害し、時間の経過とともに吸収率が大きく低下する。このようにアミン化合物は塩基性が強く、ＳＯｘ以外のＮＯｘ、Ｃｌ及びＦ等のハロゲンはＣＯ_２吸収材に吸着される傾向にある。

また、メタン化の触媒として広く用いられるＮｉ触媒は、Ｈ_２に混在する硫黄化合物下では、Ｎｉ触媒の表面で硫黄化合物が反応し表面を覆いメタン化の収率を悪化させるため、有害成分除去部３１２で除去しておく必要がある。同様に、ＮＯｘ、Ｃｌ及びＦ等のハロゲンについてもＮｉ触媒表面に付着しメタン化の収率を悪化させる可能性があるため、有害成分除去部３１２で除去しておく必要がある。

本実施形態では、有害成分除去部３１２による脱硫（ＳＯｘ除去）及び脱硝（ＮＯｘ除去）方法は、上記いずれの除去方法を用いてもよい。例えば、本実施形態では、上記脱硫方法のいずれか、及び上記脱硝方法のいずれかを用いて窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の酸化性ガスを除去している。

ＣＯ_２分離回収部３１３は、一般的なＣＯ_２回収装置からなり、この内部にはＣＯ_２を吸収するＣＯ_２吸収材（アミン化合物を水に溶解した液体吸収材、アミン化合物を多孔質材に担持させた固体吸収材等）が設けられ、有害物質が除去された後の排ガスがこれに接触することにより、排ガス中のＣＯ_２がＣＯ_２吸収材に吸収される。そして、ＣＯ_２を吸収したＣＯ_２吸収材を加熱する等により、ＣＯ_２吸収材からＣＯ_２を取り出して回収する。なお、ＣＯ_２分離回収部３１３は、ＣＯ_２が除去された後の排ガスを外部に排出する。圧縮部３１４は、回収されたＣＯ_２を０．１ＭＰａ以上好ましくは０．５〜１．０ＭＰａの圧力をかけて圧縮する。除湿部３１５は、圧縮されたＣＯ_２を冷却することにより、ＣＯ_２内に含まれる水分を除去する。この除湿は、水分がメタン化装置内のＮｉ系触媒の酸化に影響するので、これをメタン化の前に除去するものである。

水素混合部３１６は、除湿されたＣＯ_２に水素ガスを供給して混合し、加圧する。水素ガスは、再生可能エネルギーを利用した人工光合成、水の分解等によって生成したものを利用することができる。この水素混合部３１６による水素の添加は、水素が混合されたＣＯ_２からメタンを製造しやすい濃度に適宜設定される。
メタン製造部３１７は、水素が混合されたＣＯ_２からメタンを生成する。このメタン製造部３１７は、一般的なメタン製造装置からなり、メタン化に活性を示す触媒（例えば、水素化触媒としてＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕが利用されるが、メタン化においては特に、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２など担持されたＮｉ及びＮｉ合金が触媒として利用される）が充填された反応器（図示省略）を複数備えており、これら反応器に水素が混合されたＣＯ_２を供給して反応させることによりメタンを製造する。一般的なメタン化の反応（ＣＯ_２＋４Ｈ_２→ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ）の際の条件は、温度が２００℃〜７００℃、好ましくは２００℃〜３５０℃、圧力は０．１〜３ＭＰａであり、メタンの反応収率を向上させるため多段で反応させる。

（メタン供給装置の構成）
メタン供給装置３２は、図２に示すように、メタン化装置３１により製造されたメタンを貯留するタンク（図示省略）と、タンクに接続され、メタンを窯前部５ｂのバーナ８及び仮焼炉４のバーナ４１のそれぞれに送るメタン供給ライン３２１及びポンプ３２２，３２３を備えている。このメタン供給ライン３２１は、セメント焼成キルン５のバーナ８に石炭や石油等の燃料を供給する燃料供給ライン１５及び仮焼炉４のバーナ４１に石炭等の燃料を供給する燃料供給ライン４２のそれぞれに接続されている。これにより、各バーナ８，４１には、燃料とともにメタンが供給される。

［ＣＯ_２活用方法］
上述したＣＯ_２活用システム１００を用いてセメント製造設備５０の排ガス中のＣＯ_２を削減して有効活用する方法について、図１に示すフローチャートに沿って説明する。

セメント製造設備５０では、セメント原料としての石灰石、粘土、珪石、鉄原料等を粉砕、乾燥させることにより得られた粉体状のセメント原料を予熱し、予熱されたセメント原料を仮焼した後焼成し、これを冷却することによりセメントクリンカが製造される。このセメントクリンカの製造に伴いセメント焼成キルン５及び仮焼炉４で発生する排ガスは、プレヒータ３を下方から上方に経由した後、排気管９を通って原料ミル及びドライヤ２に導入され、セメント原料の乾燥に用いられた後、集塵機１０を介して煙突１１から排出される。

このセメント製造プロセスにおいて、メタン化装置３１の排ガス収集部３１１により、セメント焼成時に生じた排ガスの一部を排ガス処理ライン１２の集塵機１０と煙突１１との間から収集する。次に、有害成分除去部３１２は、排ガスから酸性成分及び有害成分を除去する。この有害成分除去部３１２において、窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）、ハロゲン、及びＨ_２Ｏ、ダストなどが除去される。そして、ＣＯ_２分離回収部３１３により、排ガスからＣＯ_２が取り出されて分離回収される。このとき、ＣＯ_２が除去された排ガスを外部に排出する。

次に、圧縮部３１４により、回収されたＣＯ_２を０．１ＭＰａ以上好ましくは０．５〜１．０ＭＰａの圧力をかけて圧縮し、除湿部３１５によりＣＯ_２内に含まれる水分を除去する。そして、水素混合部３１６により、除湿されたＣＯ_２に水素ガスを供給して混合し、加圧する。そして、メタン製造部３１７により、水素が混合されたＣＯ_２からメタンを生成する。

このようにして生成されたメタンは、メタン供給装置３２のタンクに貯蔵される。そして、このタンクに貯蔵されたメタンを、メタン供給ライン３２１を介してセメント焼成キルン５及び仮焼炉４に供給する。セメント焼成キルン５には、燃料供給ライン１５から石油や石炭等の化石燃料が供給されるが、メタンを供給することにより、その化石燃料の一部をメタンで代替することができ、その分、化石燃料を削減することができる。同様に、仮焼炉４においても石炭等の燃料の一部又は全部をメタンで代替するため、化石燃料を削減することができる。

本実施形態では、セメント製造設備５０からの排ガスを分離回収する前に、セメント製造排ガスのＣＯ_２に含まれるＳＯｘ、ＮＯｘ、ハロゲン等の酸性成分及びＨ_２Ｏ、ダスト等の有害成分を除去することで、ＣＯ_２吸収材の吸収能力の劣化を抑制できる。このため、セメント製造排ガスからＣＯ_２を効率的に回収できる。また、ＣＯ_２吸収材も長期に安定した性能を維持することができる。そして、適切に処理されたＣＯ_２をメタンに変換することにより、セメント製造設備５０から排出されるＣＯ_２を削減できるとともに、このメタンをセメント焼成用キルン４及び仮焼炉４の代替燃料として使用することでメタンを有効活用できる。特に、地球温暖化の大きな原因となっている石炭や石油の化石燃料を石灰石由来のメタンで代替するので、化石燃料の使用を削減してエネルギー起源のＣＯ_２を低減でき、温室効果ガスの削減効果を高めることができる。

なお、本発明は上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、生成したメタンをセメント焼成キルン５及び仮焼炉４の両方に供給するようにしたが、いずれか一方に供給することも可能である。
また、セメント焼成キルン５及び仮焼炉４の両方の排ガスを利用してメタンを生成したが、仮焼炉を有しないセメント製造設備への適用も可能であり、その場合は、セメント焼成キルンからの排ガスからメタンを生成する。

１ 原料貯蔵庫
２ 原料ミル及びドライヤ
３ プレヒータ
４ 仮焼炉
５ セメント焼成キルン
５ａ 窯尻部
５ｂ 窯前部
６ クーラ
８ バーナ
９ 排気管
１０ 集塵機
１１ 煙突
１２ 排ガスライン
１３ サイクロン
１５ 燃料供給ライン
２２ 原料供給管
２５ ライジングダクト
３０ 排ガス処理設備
３１ メタン化装置
３１０ ＣＯ_２分離回収装置
３１１ 排ガス収集ライン
３１２ 有害成分除去部
３１３ ＣＯ_２分離回収部
３１４ 圧縮部
３１５ 除湿部
３１６ 水素混合部
３１７ メタン製造部
３２ メタン供給装置
３２１ メタン供給ライン
３２２，３２３ ポンプ
４１ バーナ
４２ 燃料供給ライン
５０ セメント製造設備
１００ ＣＯ_２活用システム

Claims (2)

1. セメント製造設備からの排ガスをＣＯ_２吸収材に接触させてＣＯ_２を分離回収する前に、酸性成分及び有害成分を除去することを特徴とするセメント製造排ガス中のＣＯ_２分離回収方法。
2. セメント製造設備に、該セメント製造設備からの排ガスから酸性成分及び有害成分を除去する有害成分除去部と、前記酸性成分及び前記有害成分が除去された前記排ガスをＣＯ_２吸収材に接触させてＣＯ_２を分離回収するＣＯ_２分離回収部とを備えることを特徴とするセメント製造排ガス中のＣＯ_２分離回収装置。

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