JP4747317B2

JP4747317B2 - 混合か焼炉

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Publication number: JP4747317B2
Application number: JP2009261123A
Authority: JP
Inventors: 裕和島; 直寛樋口; 佳典高山; 卓哉小松; 俊柱王
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2029-11-16
Also published as: JP2011105536A

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用いられる混合か焼炉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。

そして、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、流動化させることは容易であるが、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ため、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もある。

一方、粒子径がセメント原料よりも大きい熱媒体を用いた場合には、連結管等において付着や閉塞等が生じないものの、流動化させることが困難となり、熱媒体から熱の放出に時間を要してしまい、効率的に混合か焼を行うことが難しいという問題もある。さらに、セメント原料を熱媒体間の空隙において流動化させるためには、空筒風速を抑えるために、炉の断面積を大きくする必要がある。しかし、炉の断面積を大きくして空筒風速を抑えたとしても、上記セメント原料を上部１箇所から投入すると、上記セメント原料の分散が悪く、熱媒体と接触して一気にＣＯ₂ガスが発生してしまい、均一な流動層が形成できず、か焼効率が低下する恐れがあるという問題もある。

さらに、セメント原料よりも粒子径の大きい熱媒体を分解反応塔の上部より投入し、下部より抜き出すことにより移動層を形成し、セメント原料を熱媒体間の空隙で発生するＣＯ₂ガスにより噴流化させて、当該ＣＯ₂ガスとか焼された上記セメント原料とを回収する場合には、上記セメント原料を上部より投入した際にＣＯ₂ガスが発生し、上記移動層に供給される前に上部より排出されてしまう。この結果、ＣＯ₂ガスの発生量が安定しないという問題もある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、熱媒体の粒子径がセメント原料よりも大きい場合であっても、流動化または噴流化を容易に行い、セメント製造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混合か焼炉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、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に用いられ、上記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、媒体加熱炉においてか焼温度以上に加熱した熱媒体とを供給し、混合してか焼を行いＣＯ₂ガスを発生させるための混合か焼炉において、上記セメント原料より粒子径の大きい上記熱媒体を上部から供給する供給ラインと、上記熱媒体を下部より抜き出す排出ラインとを備えることにより、上記熱媒体を上から下に移動させる移動層が形成され、上記混合か焼炉は、上記移動層において、上記セメント原料を上記熱媒体間の空隙でか焼させることにより発生したＣＯ ₂ ガスの上昇にともない、上記セメント原料を噴流化させる噴流層が形成されているとともに、か焼された上記セメント原料をか焼により発生したＣＯ ₂ ガスに同伴させて回収する回収ラインと、この回収ラインに上記ＣＯ ₂ ガスとか焼した上記セメント原料とを分離させる分離手段とを備え、上記混合か焼炉において、上記セメント原料を投入する投入ラインが、上記熱媒体の上記供給ラインと上記排出ラインとの間に接続されてい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。

そして、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、上記セメント原料の投入ラインは、上記熱媒体の上記供給ラインと上記排出ラインとの間を１としたときに、上記熱媒体の上記供給ラインより下方に０．５〜０．９の間に接続されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記混合か焼炉は、上記セメント原料を投入する投入ラインが、上記熱媒体の上記供給ラインと上記排出ラインとの間の複数箇所に接続されていることを特徴とするものである。

また、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、上記セメント原料の投入ラインが、上記熱媒体の上記供給ラインと上記排出ラインとの間を１としたときに、上記熱媒体の上記供給ラインより下方に０．１〜０．９の間の複数箇所に接続されていることを特徴とするものである。

請求項１〜４に記載のセメント製造設備に用いられる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、媒体加熱炉においてか焼温度以上に加熱した熱媒体とを供給し、混合してか焼を行いＣＯ₂ガスを発生させるための混合か焼炉においては、上記セメント原料より粒子径の大きい上記熱媒体を上部から供給する供給ラインと、下部より抜き出す排出ラインとを備えることにより、上記熱媒体を上から下に移動させる移動層が形成されるとともに、上記セメント原料を上記熱媒体により形成された移動層の空隙で流動させ、か焼させる。

この結果、上記混合か焼炉は、上記熱媒体の粒子径が、上記セメント原料の粒子径より大きい場合でも、上記セメント原料のか焼によって発生したＣＯ₂ガスを、上記熱媒体間の空隙で流動化させ充満させて、当該ＣＯ₂ガス濃度を略１００％にさせることができる。また、上記セメント原料を上記熱媒体間の空隙で流動化させることにより、上記熱媒体からの受熱に優れている。このように、上記混合か焼炉によれば、当該混合か焼炉から略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。

なお、上記混合か焼炉は、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℃程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（ｒａｗｍａｔｅｒｉａｌ）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、混合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、上記混合か焼炉において、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、上記媒体加熱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やシュート内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、上記混合か焼炉に形成された上記移動層において、上記セメント原料を上記熱媒体間の空隙でか焼させることにより発生したＣＯ₂ガスの上昇にともない、上記セメント原料を噴流化させる噴流層が形成されているとともに、か焼された上記セメント原料をか焼により発生するＣＯ₂ガスに同伴させて回収する回収ラインが接続されているため、上記混合か焼炉の断面積を小さくして、上記熱媒体間の空隙に発生するＣＯ₂ガス空筒速度を大きくしている。これにより、設備の大型化を抑えることができるとともに、上記熱媒体からか焼された上記セメント原料を簡便に分離することができ、別途分離手段を設ける必要がないか、あるいは、分離手段の処理能力を極力抑えることができる。
なお、上記ＣＯ₂ガス空筒速度は、熱媒体の流動化速度より小さいために、熱媒体がＣＯ₂ガスに同伴されて、か焼炉上部より排出されることはない。

そして、上記回収ラインに上記ＣＯ₂ガスとか焼した上記セメント原料とを分離させる分離手段を備えているため、上記熱媒体間の空隙で発生した高濃度のＣＯ₂ガスと、か焼された上記セメント原料とを効率良く回収することができるとともに、回収後に高濃度の上記ＣＯ₂ガスと、か焼された上記セメント原料とを簡便に分離して、個別に回収することができる。

さらに、上記セメント原料を投入する投入ラインが、上記熱媒体の上記供給ラインと上記排出ラインとの間に接続されているため、上記セメント原料を投入する際に、このセメント原料が上記熱媒体間の空隙で発生したＣＯ₂ガスに同伴され、か焼されずに排出されることなく、上記移動層に供給することができ、熱媒体からの熱を受けて十分にか焼することができる。この結果、ＣＯ₂ガスの発生を安定させることができる。

また、請求項２に記載の発明においては、上記セメント原料の投入ラインが、上記熱媒体の上記供給ラインと上記排出ラインとの間を１としたときに、上記熱媒体の上記供給ラインより下方に０．５〜０．９の間に接続されているため、上記セメント原料を投入する際に、上記混合か焼炉の上部よりセメント原料が十分にか焼されずにＣＯ₂ガスに伴って排出されることを防ぐことができ、かつ、上記セメント原料を上記混合か焼炉の下部に接続されている上記熱媒体の排出ラインから、十分にか焼されずに上記熱媒体とともに排出されることを防ぐことができる。この結果、確実に上記移動層に供給して、熱媒体からの幅射熱を十分に受けてか焼するとともに、ＣＯ₂ガスの発生を安定させることができる。

そして、請求項３に記載の発明においては、上記混合か焼炉の上記セメント原料を投入する投入ラインが、上記熱媒体の上記供給ラインと上記排出ラインとの間の複数箇所に接続されているため、上記セメント原料を投入する際に、このセメント原料が上記熱媒体間の空隙で発生したＣＯ₂ガスに同伴されることなく、また上記移動層と共に底部より排出されずに上記熱媒体から幅射熱を受けて、十分にか焼することができる。この結果、混合か焼炉の空間を効率的に活用して、ＣＯ₂ガスの発生のさらなる安定化を図ることができ、ＣＯ₂ガスの回収率を向上させることができる。

さらに、請求項４に記載の発明においては、上記セメント原料の投入ラインが、上記熱媒体の上記供給ラインと上記排出ラインとの間を１としたときに、上記熱媒体の上記供給ラインより下方に０．１〜０．９の間の複数箇所に接続されているため、上記セメント原料を投入する際に、上記混合か焼炉の上部よりセメント原料が十分にか焼されずにＣＯ₂ガスに伴って排出されることを防ぐことができ、かつ、上記セメント原料を上記混合か焼炉の下部に接続されている上記熱媒体の排出ラインから、十分にか焼されずに上記熱媒体とともに排出されることを防ぐことができる。この結果、確実に上記移動層に供給して、熱媒体からの幅射熱を十分に受けてか焼するとともに、ＣＯ₂ガスの発生を安定させることができる。さらに、混合か焼炉の空間を効率的に活用して、ＣＯ₂ガスの発生のより一層の安定化が図れるとともに、ＣＯ₂ガスの回収率を向上させることができる。

加えて、上記混合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、従来よりも長さ寸法の短いロータリーキルンを用いることができる。

ここで、上記熱媒体としては、媒体加熱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、熱媒体として循環する間に、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混合か焼炉、熱媒体供給管またはバケットエレベータに投入した場合においても、その後脱炭酸して生石灰になるので、上述した生石灰の場合と同様の作用効果が得られる。この際に、上記石灰石を混合か焼炉または熱媒体供給管に投入すれば、か焼の際に発生するＣＯ₂ガスを回収することができるために好ましい。

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、循環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。

さらに、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、仮にセメント原料に接触した場合にも、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。

本発明に係るセメント製造設備のおけるＣＯ₂ガスの回収設備の一実施形態を示す概略構成図である。本発明に係るセメント製造設備のおけるＣＯ₂ガスの回収設備に用いられる混合か焼炉の一実施形態を説明する説明図である。図２の混合か焼炉に、セメント原料を投入する投入ラインを複数接続した混合か焼炉を説明する説明図である。本発明に係るセメント製造設備のおけるＣＯ₂ガスの回収設備に用いられる混合か焼炉の他の実施形態を説明する説明図である。図４の混合か焼炉に、セメント原料を投入する投入ラインを複数接続した混合か焼炉を説明する説明図である。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。

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の回収設備の一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の下端部が混合か焼炉１２に導入されている。

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、混合か焼炉１２内に導入されるようになっている。

さらに、混合か焼炉１２は、図２または図３に示すように、流動層型の粉体混合炉であり、熱媒体ｔを上部より供給する供給ライン２０と、熱媒体ｔを下部より抜き出す排出ライン２５が接続されている。この排出ライン２５は、バケットエレベータ１９を介して熱媒体の循環ライン１４となり、媒体加熱炉１５へ接続される。また、混合か焼炉１２の上部には、か焼前セメント原料ｋを移送管１０ａから供給するための投入ライン２９が接続されている。さらに、図２の変形例では、図３に示すように、投入ライン２９が混合か焼炉１２の上部に複数（図では、２箇所）箇所に接続されている。また、か焼前セメント原料ｋが、か焼されないうちにオーバーフローから排出されることがないように、か焼前セメント原料ｋの投入箇所を、側面部、熱媒体ｔの供給ライン２０と熱媒体ｔの排出ライン２５の間に１個所、もしくは複数個所に設けてもよい。

また、混合か焼炉１２の側面部の中央近傍には、か焼されたセメント原料（か焼済みセメント原料）ｋ’を抜き出す回収ライン１２ａが接続されている。この回収ライン１２ａは、戻りライン１６とされてロータリーキルン１の窯尻部分２に接続されている。また、熱媒体ｔの排出ライン２５から熱媒体ｔと同時に排出されるか焼済みセメント原料ｋ’は、重力沈降装置などの分離手段を用いて、熱媒体ｔを分離し、戻りライン１６に接続してもよい。そして、混合か焼炉１２には、内部で生成したＣＯ₂ガスｎを排出するためのＣＯ₂ガス排気管２２が接続されるとともに、このＣＯ₂ガス排気管２２が、第２のプレヒータ１０における加熱媒体として導入されている。

さらに、他の実施形態の混合か焼炉１２においては、図４または図５に示すように、噴流層型の粉体混合炉であり、熱媒体ｔを上部より供給する供給ライン２０と、下部より抜き出す排出ライン２５が接続されている。この排出ライン２５は、バケットエレベータ１９を介して熱媒体ｔの循環ライン１４となり、媒体加熱炉１５へ接続される。また、熱媒体ｔを供給する供給ライン２０と、熱媒体ｔを下部より抜き出す排出ライン２５との間に、か焼前セメント原料ｋを移送管１０ａより供給する投入ライン２９が接続されている。この投入ライン２９は、供給ライン２０と排出ライン２５との間を１としたときに、供給ライン２０より下方に０．５〜０．９の位置に接続されている。

さらに、図４の変形例では、図５に示すように、か焼前セメント原料ｋの投入ライン２９を供給ライン２０と排出ライン２５との間の複数箇所に接続するとともに、供給ライン２０と排出ライン２５との間を１としたときに、供給ライン２０より下方に０．１〜０．９の間の複数箇所に接続されている。

そして、他の実施形態の混合か焼炉１２においては、内部で生成したＣＯ₂ガスｎに同伴したか焼済みセメント原料ｋ’を回収する回収ライン２７が接続されている。また、この回収ライン２７には、ＣＯ₂ガスｎとか焼済みセメント原料ｋ’を分離するための分離手段２８が備えられている。この分離手段２８には、サイクロンが用いられている。また、分離手段２８には、ＣＯ₂ガスｎを排出するためのＣＯ₂ガス排気管２２が接続されるとともに、このＣＯ₂ガス排気管２２が、第２のプレヒータ１０における加熱媒体として導入されている。さらに、か焼済みセメント原料ｋ’をセメントキルン１の窯尻部分２に戻す戻りライン１６が接続されている。

さらに、媒体加熱炉１５は、内部に送られてくるか焼前セメント原料ｋよりも粒子径の大きい熱媒体ｔを、クリンカクーラ６からの抽気を燃焼用空気とするバーナ１７の燃焼によって当該熱媒体をか焼温度以上に加熱するためのものである。この媒体加熱炉１５は、既存の仮焼炉を改造して用いることも可能である。そして、この媒体加熱炉１５の排出側には、バーナ１７における燃焼によって発生した排ガスを排気する排気管１８が接続されている。この排気管１８は、セメントキルン１の排ガス管３ｂに接続されている。また、媒体加熱炉１５の下部には、混合か焼炉１２の上部から熱媒体ｔを供給する供給ライン２０が接続されている。

また、上記媒体加熱炉１５内は、１１００℃程度の高温に保持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、媒体加熱炉１５内に導入して、再び排ガス管１８から第１のプレヒータ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。

なお、図中符号２４は、ＣＯ₂ガスの排気ファンであり、符号２３は、ＣＯ₂ガスの排気ラインである。また、図中符号２１は、熱媒体ｔを循環させる際に消失さる熱媒体ｔを補うための熱媒体タンクである。
ちなみに、混合か焼炉１２として、流動層型のものを用いた場合には、当該混合か焼炉１２から排出されたＣＯ₂ガスｎを、ＣＯ₂ガス排気管２２や排気ライン２４から抜き出して、再び混合か焼炉１２に循環供給して使用することもできる。

次に、上記の一実施形態に示したセメント製造設備のＣＯ₂ガスｎの回収設備において、本発明に係る混合か焼炉１２を用いたＣＯ₂ガスｎの回収方法について説明する。
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を介して混合か焼炉１２へと供給されてゆく。

また、第２のプレヒータ１０に供給されたセメント原料ｋは、混合か焼炉１２から排出される高濃度かつ高温の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から混合か焼炉１２へと供給されてゆく。

一方、媒体加熱炉１５においては、内部の熱媒体ｔが、バーナ１７の燃焼によってセメント原料のか焼温度以上（例えば１２００℃程度）まで加熱される。その際、発生した排ガスは、排気管１８に送られ、セメントキルン１の排気管３ｂから排ガスととともに、第１のプレヒータ３に送られる。また、セメント原料のか焼温度以上に加熱された熱媒体ｔは、媒体加熱炉１５の下部に接続された供給ライン２０から、混合か焼炉１２へと供給されてゆく。

これにより、混合か焼炉１２内においては、図２または図３に示すように、上部に接続された供給ライン２０から熱媒体ｔを供給して、この熱媒体ｔを下部の排出ライン２５より抜き出すことにより移動層２６が形成されるとともに、か焼前セメント原料ｋを上部の投入ライン２９より投入する。そして、移動層２６を形成する熱媒体ｔ間の空隙において、か焼温度以上（例えば、９００℃以上）に加熱してか焼される。

そして、か焼されたか焼済みセメント原料ｋ’は、移動層２６を形成する熱媒体ｔ間の空隙内において、か焼の際に発生したＣＯ₂ガスｎの上昇にともなって、か焼済みセメント原料ｋ’が浮遊し流動層が形成されるとともに、オーバーフローにより回収ライン１２ａから回収されて、戻りライン１６よりセメントキルン１の窯尻部分２に送られてゆく。また、高濃度かつ高温のＣＯ₂ガスｎは、混合か焼炉１２の上部に接続されたＣＯ₂ガス排気管２２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、図２の混合か焼炉１２の変形例である図３に示す混合か焼炉１２のように、投入ライン２９を複数箇所に接続して、か焼前セメント原料ｋを混合か焼炉１２内に投入することにより、空筒速度を抑えるために炉の断面積を大きくした混合か焼炉１２においても、か焼前セメント原料ｋが分散され、熱媒体ｔからの伝熱が促進されることにより、か焼効率の低下を防ぐことができる。

さらに、混合か焼炉１２の他の実施形態である図４および図５においては、混合か焼炉１２の側面側上方に接続された供給ライン２０から熱媒体ｔを供給して、下部の排出ライン２５より抜き出することにより移動層２６が形成されるとともに、か焼前セメント原料ｋを供給ライン２０と排出ライン２５との間に接続された投入ライン２９より投入する。そして、移動層２６を形成する熱媒体ｔ間の空隙において、か焼温度以上（例えば、９００℃以上）に加熱してか焼されるとともに、この際に発生したＣＯ₂ガスｎに、か焼済みセメント原料ｋ’が同伴され、噴流層が形成される。

そして、か焼済みセメント原料ｋ’は、ＣＯ₂ガスｎに同伴され回収ライン２７から分離手段２８に送られ、サイクロンによりＣＯ₂ガスｎとか焼済みセメント原料ｋ’に分離される。そして、分離されたＣＯ₂ガスｎは、ＣＯ₂ガス排気管２２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。また、分離されたか焼済みセメント原料ｋ’は、回収ライン１２ａから戻りライン１６に送られ、セメントキルン１の窯尻部分２に供給される。

この際に、混合か焼炉１２の投入ライン２９を、供給ライン２０と排出ライン２５との間の複数箇所に接続することにより、炉内の空間を十分に利用し、熱媒体ｔ間の空隙においてか焼が行われるため、安定したＣＯ₂ガスｎが発生する。そして、このＣＯ₂ガスｎは、か焼済みセメント原料ｋ’を噴流化させる。また、図４の混合か焼炉１２の変形例である図５に示す混合か焼炉１２においては、熱媒体ｔの供給ライン２０と排出ライン２５の間を１としたときに、供給ラインから下方に０．１〜０．９の位置の複数箇所に投入ライン２９が接続され、複数箇所の投入ライン２９より、か焼前セメント原料ｋが投入される。これにより、熱媒体ｔ間の空隙において、熱媒体ｔの幅射熱を受けて、か焼が十分に行われ、高濃度のＣＯ₂ガスｎが安定して発生することになる。

そして、か焼前セメント原料ｋが、熱媒体ｔ間の空隙においてか焼され、高濃度のＣＯ₂ガスｎが発生する。このＣＯ₂ガスｎが浮流する移動層２６において、か焼済みセメント原料ｋ’は、十分な空筒速度を持ったＣＯ₂ガスに同伴されて噴流化される。そして、ＣＯ₂ガスｎに同伴されたか焼済みセメント原料ｋ’が、噴流化により上部の回収ライン２７より、分離手段２８に送られる。さらに、この分離手段２８のサイクロンにより、高濃度のＣＯ₂ガスｎとか焼済みセメント原料ｋ’が分離される。

さらに、分離手段２８のサイクロンにより分離されたか焼済みセメント原料ｋ’は、戻りライン１６よりセメントキルン１の窯尻部分２に送られていく。また、高濃度かつ高温のＣＯ₂ガスｎは、分離手段２８の上部に接続されたＣＯ₂排気管２２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。

そして、熱媒体ｔとか焼前セメント原料ｋを混合してか焼させると、発生するＣＯ₂ガスｎにより雰囲気がＣＯ₂約１００％になる。このため、か焼が全て終了しない限り、か焼温度は９００℃程度で略一定になる。

また、混合か焼炉１２において、粉体の流動化速度Ｕ_ｍｆ＜混合か焼炉の空筒速度＜粉体の終末速度Ｕ_ｔであれば、混合か焼炉でか焼済みセメント原料ｋ’は流動化し、流動層からオーバーフローにより、か焼済みセメント原料ｋ’が排出管１２ａに送られる。
一方、混合か焼炉１２において、粉体の終末速度Ｕ_ｔ＜混合か焼炉の空筒速度であれば、混合か焼炉でか焼済みセメント原料ｋ’は激しく流動または噴流化し、か焼済みセメント原料ｋ’は、発生したＣＯ₂ガスｎに同伴される。このため、サイクロンなどの粉体の分離手段を別途設けて、か焼された上記セメント原料を回収する。

ここで、上記空筒速度は、熱媒体ｔがか焼前セメント原料ｋと混合することにより、か焼温度まで低下する際に放出する熱量から、か焼前セメント原料ｋのか焼温度までの昇温に必要な熱量を差し引いたものが、か焼前セメント原料ｋのか焼に供するとして、そのか焼反応で発生するＣＯ₂ガスｎ流量を計算することができ、このＣＯ₂ガスｎ流量を混合か焼炉１２の断面積かつ熱媒体の空隙率で除すことにより求めることができる。

また、粉体が流動化を開始する流動化速度であるＵ_mf及び粉体が発生するＣＯ₂ガスｎに同伴される速度である終末速度Ｕ_tは、下記の式より求められる。

μ：流体の粘度（Ｐａ・ｓ）
ｄ_p：粉体の平均粒径（ｍ）
ρ_f：流体の密度（ｋｇ／ｍ³）
Ｒｅ_mf：流動層での粉体レイノルズ数
Ａｒ：アルキメデス数
ρ_p：粉体の密度（ｋｇ／ｍ³）
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ²）
φ_s：形状係数（真球の場合１）
ε_mf：流動層での空隙率

このように、上記セメント製造設備における混合か焼炉１２によれば、セメント製造設備における熱源を有効活用して、混合か焼炉１２において発生するＣＯ₂ガスｎを、１００％に近い高濃度で回収することができる。

さらに、混合か焼炉１２において、か焼前セメント原料ｋより粒子径が大きく、極端に比表面積が小さい熱媒体ｔにより、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、媒体加熱炉１５において熱媒体ｔをか焼温度以上の１０００℃以上に加熱しても、熱媒体ｔ同士あるいは熱媒体ｔ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できる。

加えて、混合か焼炉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１６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。

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混合か焼炉
１２ａ回収ライン
１３抜出ライン
１５媒体加熱炉
１６戻りライン
２０供給ライン
２５排出ライン
２６移動層
２７回収ライン
２８分離手段
２９投入ライン
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

セメント原料を、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に用いられ、上記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、媒体加熱炉においてか焼温度以上に加熱した熱媒体とを供給し、混合してか焼を行いＣＯ₂ガスを発生させるための混合か焼炉において、
上記セメント原料より粒子径の大きい上記熱媒体を上部から供給する供給ラインと、上記熱媒体を下部より抜き出す排出ラインとを備えることにより、上記熱媒体を上から下に移動させる移動層が形成され、
上記混合か焼炉は、上記移動層において、上記セメント原料を上記熱媒体間の空隙でか焼させることにより発生したＣＯ ₂ ガスの上昇にともない、上記セメント原料を噴流化させる噴流層が形成されているとともに、か焼された上記セメント原料をか焼により発生したＣＯ ₂ ガスに同伴させて回収する回収ラインと、この回収ラインに上記ＣＯ ₂ ガスとか焼した上記セメント原料とを分離させる分離手段とを備え、
上記混合か焼炉において、上記セメント原料を投入する投入ラインが、上記熱媒体の上記供給ラインと上記排出ラインとの間に接続されていることを特徴とする混合か焼炉。
上記セメント原料の投入ラインは、上記熱媒体の上記供給ラインと上記排出ラインとの間を１としたときに、上記熱媒体の上記供給ラインより下方に０．５〜０．９の間に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の混合か焼炉。
上記混合か焼炉は、上記セメント原料を投入する投入ラインが、上記熱媒体の上記供給ラインと上記排出ラインとの間の複数箇所に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の混合か焼炉。
上記セメント原料の投入ラインが、上記熱媒体の上記供給ラインと上記排出ラインとの間を１としたときに、上記熱媒体の上記供給ラインより下方に０．１〜０．９の間の複数箇所に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の混合か焼炉。