JP5195083B2 - セメントクリンカーの製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気炉の一種であるトンネル炉（連続炉）を用いてセメントクリンカーを製造するためのセメントクリンカーの製造装置に関するものである。

一般に、上記セメントクリンカーは、特許文献１に示すように、先ずセメント原料をプレヒータにおいて予熱した後に、仮焼炉に供給して燃料により仮焼成し、次いでロータリーキルン内に供給して約１５００℃の温度雰囲気下で焼成することにより製造されている。このようにして、ロータリーキルン内での焼成によって製造されたセメントクリンカーは、上記ロータリーキルンの窯前下部に設けられたクリンカクーラに送られ、２次空気によって冷却されたうえで、外部に取り出されている。

ところで、上記従来のセメントクリンカーの製造方法においては、クリンカクーラ内またはロータリーキルン内において、クリンカクーラに供給されるセメントクリンカーを冷却するための２次空気によって、セメントクリンカー中に含まれるクロムが酸化されるため、有害な六価クロムの生成が避けられないという問題があった。

加えて、ロータリーキルンを用いたセメントクリンカーの製造方法は、セメント原料を、ロータリーキルンで微粉炭や重油等の化石燃料による燃焼反応によって焼成しているために、地球温暖化を招く原因となる二酸化炭素の排出量が多くなってしまうとともに、上記燃焼によって発生したＳＯｘやＮＯｘも完全に除去することが難しく、地球環境の保護の観点から改善が望まれている。
さらに、これら二酸化炭素、ＳＯｘやＮＯｘに加えて、ロータリーキルンから排出される排ガスには、燃焼用に供給する空気に窒素が約８０％含有されている。このため、排ガスから二酸化炭素のみを分離して回収することは、排ガスの分離回収装置が必要以上に大型化する等して、経済的、技術的にも非現実的である。

そこで、上記ロータリーキルンを用いたセメントクリンカーの製造方法に代わる新たな製造方法として、例えば実験レベルにおいては、セメント原料を還元雰囲気下の電気炉内にて焼成させる方法が提案されている。
この電気炉を用いたセメントクリンカーの製造方法によれば、加熱溶融によってセメント原料を焼成するため、二酸化炭素の排出量を減少させることができ、かつＳＯｘやＮＯｘの発生も回避することができるとともに、クロムの酸化を抑えることにより、六価クロムの生成を抑制することができるという利点がある。

しかしながら、上記電気炉を用いたセメントクリンカーの製造方法にあっては、例えばポルトランドセメントクリンカーを製造する際に、上記還元雰囲気下において、原料とともにクリンカーが焼成されて、通常のポルトランドセメントクリンカーに含まれるケイ酸三カルシウム（３ＣａＯ・ＳｉＯ₂（以下、「エーライト」という））がケイ酸二カルシウム（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂（以下、「ビーライト」という））と遊離酸化カルシウム（ｆ．ＣａＯ（以下、「フリーライム」という））とに分解されてしまう。このため、得られたポルトランドセメントクリンカーから製造したセメントの強度が弱くなってしまうという問題がある。

また、製造されたセメントクリンカーを電気炉から排出して冷却する際に、同様に冷却空気中の酸素によってセメントクリンカー中に含まれるクロムが酸化され、有害な六価クロムが生成してしまうという問題点もある。
特開２００６−２４８８３８号公報

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、六価クロムの生成を抑制するとともに、二酸化炭素等の排出量を減少させることができ、かつ所望のセメント強度を確保することができるセメントクリンカーの製造装置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、一端部に形成されたセメント原料の供給部から他端部に形成されたセメントクリンカーの排出部に向けて、内部にセメント原料を焼成する焼成領域とこの焼成領域において焼成されたセメントクリンカーを冷却する冷却領域とが順次連続して形成された電気加熱トンネル炉と、この電気加熱トンネル炉の上記焼成領域に設けられて内部に可燃性流体を供給する第１の酸素濃度調整手段と、上記電気加熱トンネル炉の上記焼成領域に設けられて内部に酸素または空気を供給する第２の酸素濃度調整手段と、上記電気加熱トンネル炉の上記焼成領域に設けられて内部の酸素濃度を検出する濃度測定手段と、この濃度測定手段によって検出された酸素濃度が５体積％を超えた際に、上記第１の酸素濃度調整手段を作動させるとともに上記酸素濃度が０．５体積％よりも低下した際に、上記第２の酸素濃度調整手段を作動させる制御手段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２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記電気加熱トンネル炉内には、上記供給部と上記焼成領域との間に、上記セメント原料を予熱する予熱領域が形成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２に記載の発明において、上記電気加熱トンネル炉には、上記冷却領域内の空気の少なくとも一部を上記予熱領域に供給する予熱空気供給ラインと、上記予熱領域内の空気を上記冷却領域に供給する冷却空気供給ラインとが設けられていることを特徴とするものである。

さらにまた、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発明において、上記電気加熱トンネル炉から排出されるガスを回収する回収手段が備えられてい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４に記載の発明において、上記回収手段には、上記電気加熱トンネル炉から排出されるガスを密閉収容する容器が備えられていることを特徴とするものである。

請求項１〜５のいずれかに記載の発明においては、セメント原料を、電気炉を用いたトンネル炉（連続炉）内において加熱溶融または焼結により焼成しているために、ロータリーキルン内において焼成する場合と比較して、二酸化炭素の排出量を大幅に減少させることができる。

加えて、制御手段により、電気加熱トンネル炉内における焼成領域および冷却領域の酸素濃度を、５体積％以下に保持しているために、最終的に冷却されたセメントクリンカーとなって電気加熱トンネル炉から排出されるまで、セメント原料中等に含まれるクロムが過度に酸化されることがなく、よって六価クロムの生成を抑制することができる。

しかも、上記電気加熱トンネル炉内における焼成領域および冷却領域の酸素濃度を、０．５体積％以上の非還元性雰囲気下においてセメント原料を焼成および冷却しているために、エーライトの分解を防止して、所望のセメント強度を確保することもできる。

さらに、請求項２に記載の発明によれば、上記電気加熱トンネル炉内における焼成領域の上流側に、セメント原料を予熱する予熱領域を形成しているために、セメント原料の予熱、焼成および冷却を、連続的かつ効率的に酸素濃度が０．５〜５体積％の非還元性雰囲気下において行うことができる。

この際に、請求項３に記載の発明によれば、冷却領域内の空気の少なくとも一部を予熱領域に供給するとともに、上記予熱領域内の空気を上記冷却領域に供給することができるために、装置全体としての熱効率も向上させることができ、この結果セメントクリンカーの製造に要する全体のコストも一段と低減させることが可能になる。

請求項４に記載の発明によれば、セメント原料の焼成とともに電気加熱トンネル炉から排出される主として二酸化炭素含有の排ガスを、回収手段によって回収することができる。従って、回収手段によって回収した二酸化炭素を工業用原料として販売することも可能となるとともに、電気炉内の雰囲気の制御を簡素化することができる。また、電気加熱トンネル炉から大気中への二酸化炭素の放出も阻止できる。

請求項５に記載の発明によれば、排ガスを保管容器に収容して、地中などに埋設することもでき、大気に放出しないよう長期に亘って保管することもできる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係るセメントクリンカーの製造装置の第１の実施形態を示すもので、図中符号１が電気加熱トンネル炉である。
この電気加熱トンネル炉１は、周囲が電気ヒータを埋設した伝熱部材と断熱部材とによって閉塞的に覆われてトンネル状に形成されたもので、一端部にはセメント原料を搬入するための搬入扉（供給部）１ａが開閉自在に設けられるとともに、他端部には冷却されたセメントクリンカーを取り出すための搬出扉（排出部）１ｂが開閉自在に設けられている。

これにより、電気加熱トンネル炉１内は、搬入扉１ａおよび搬出扉１ｂを閉じた状態において、内部雰囲気が外部の影響を受けない閉鎖空間となるように構成されている。
そして、この電気加熱トンネル炉１の内部には、搬入扉１ａから搬出扉１ｂに向けて、順次搬入扉１ａから搬入されたセメント原料を予熱する予熱領域２と、予熱されたセメント原料を焼成する焼成領域３と、この焼成領域３において焼成されたセメントクリンカーを冷却する冷却領域４とが連続して形成されている。

ここで、これらの予熱領域２、焼成領域３および冷却領域４間には、間仕切りが設けられておらず、中央の焼成領域３においては、上記電気ヒータによって内部が１５００℃〜１６００℃に保持されるように設定されている。また、予熱領域２においては、後述する予熱用の空気とともにセメント原料を加熱するための電気ヒータが設けられている。

さらに、この電気加熱トンネル炉１の焼成領域３には、内部の酸素濃度を検出する酸素濃度計（濃度測定手段）５と、内部の酸素を燃焼させるための燃焼ガス（可燃性流体）を供給する燃焼ガス供給管（第１の酸素濃度調整手段）６と、電気炉１内に空気を供給する空気供給管（第２の酸素濃度調整手段）７とが設けられている。

そして、図示されない制御手段によって、酸素濃度計５によって検出された酸素濃度が５体積％を超えた際に、燃焼ガス供給管６から内部に燃焼ガスを供給し、他方酸素濃度計５によって検出された酸素濃度が０．５体積％よりも低下した際に、空気供給管７から内部に空気（酸素）を供給するようになっている。

また、この電気加熱トンネル炉１には、冷却領域４内の空気を抜き出して予熱領域２に供給するための予熱空気供給ライン８と、予熱領域２内の空気を抜き出して冷却領域４に戻す冷却空気供給ライン９とが設けられており、これら予熱空気供給ライン８および冷却空気供給ライン９には、各々送気ファン１０、１１が介装されている。

ここで、予熱空気供給ライン８の抜出口８ａは、冷却領域４の下流側に接続され、かつ供給口８ｂは予熱領域２の下流側に接続されている。また、冷却空気供給ライン９の抜出口９ａは、予熱領域２の上流側に接続され、かつ供給口９ｂは冷却領域４の上流側に接続されている。さらに、予熱空気供給ライン８には、余剰の空気を排気するための排気ライン１２が枝配管されるとともに、この排気ライン１２に排気ファン１３が介装されている。

これに加えて、排気ライン１２の排気ファン１３の下流側には、セメント原料の焼成とともに電気加熱トンネル炉１から上記余剰の空気として排出される主として二酸化炭素含有の排ガスを一時収容可能なガス回収装置１７が接続されている。このガス回収装置１７は、収容した排ガスを、冷却および／または圧縮することにより液化可能な装置であり、ガス回収装置１７の下流側には、上記排ガスを密閉収容する保管容器１８が接続されて、ガス回収装置１７から取り外し可能に設けられている。これにより、保管容器１８は、その所定容量の排ガスがガス回収装置１７から充填されると、排ガス充填済みの保管容器１８が取り外されて、新たな保管容器１８が取り付けられる。
そして、これらの排気ライン１２、排気ファン１３、ガス回収装置１７および保管容器１８によって、回収手段を電気加熱トンネル炉１から排出される排ガスを回収する回収手段が構成されている。

他方、電気加熱トンネル炉１の搬入扉１ａの外方には、セメント原料を貯蔵する原料タンク１４と、この原料タンク１４から排出されたセメント原料を計量するための計量ホッパ１５とが配設されており、計量ホッパ１５から排出された一定量のセメント原料が焼成用台車１６に積み込まれて、搬入扉１ａから電気加熱トンネル炉１内に送られるようになっている。なお、上記セメント原料は、従来のロータリーキルンを用いてセメントクリンカーを製造する場合と同一のものである。

次に、以上の構成からなるセメントクリンカーの製造装置の作用効果について説明する。
先ず、原料タンク１４に貯蔵されているセメント原料を計量ホッパ１５に排出し、ここで一定量に計量した後に、焼成用台車１６に積み込んで、順次（図では１台のみを示している。）搬入扉１ａから電気加熱トンネル炉１内に送り込んで行く。

すると、セメント原料は、先ず予熱領域２において、冷却領域４から抜き出された高温の空気および電気ヒータによって８００℃〜９００℃に加熱され、原料中の炭酸カルシウムが脱炭酸して生石灰になる。この際に、二酸化炭素ガスが生じて電気加熱トンネル炉１内の雰囲気が低酸素濃度となる。
次いで、予熱されたセメント原料は、焼成領域３に送られ、主として電気ヒータの熱源によって約１５００℃に加熱され、焼成されることによりセメントクリンカーになる。

そして、このセメントクリンカーは、冷却領域４に送られて、冷却空気供給ライン９から供給される給気によって約６００℃まで冷却された後に、搬出扉１ｂを開いて電気加熱トンネル炉１内から取り出される。
これらの工程と併行して、冷却領域２においてセメントクリンカーと熱交換することにより高温となった空気が、送気ファン１０によって予熱空気供給ライン８から抜き出され、予熱領域２に供給されてセメント原料の予熱に供される。

また、この予熱ライン２において、セメント原料を予熱することにより温度が低下した空気が、送気ファン１１によって冷却空気供給ライン９から抜き出され、再び冷却領域４に供給されてセメントクリンカーの冷却に供される。
そして、電気加熱トンネル炉１内における余剰の空気、すなわち、二酸化炭素含有の排ガスは、排気ファン１３によって排気ライン１２からガス回収装置１７に供給されて、このガス回収装置１７において液化された後に保管容器１８に充填される。

さらに、酸素濃度計５によって、５体積％を超える電気加熱トンネル炉１内の酸素濃度が検出された場合には、制御手段によって燃焼ガス供給管６から内部に燃焼ガスが供給される。そして、上記燃焼ガスが燃焼することにより、内部の酸素濃度が低下する。他方、上記酸素濃度計５によって、０．５体積％以下の酸素濃度が検出された場合には、上記制御手段によって空気供給管７から内部に空気（酸素）が供給されることにより、上記酸素濃度が上昇する。この結果、電気加熱トンネル炉１内は、常時０．５〜５体積％の酸素濃度の雰囲気下に保持されている。

以上のように、上記電気加熱トンネル炉を用いたセメントクリンカーの製造装置によれば、セメント原料を、電気ヒータの加熱によるトンネル炉内において焼成しているために、ロータリーキルン内において焼成する場合と比較して、二酸化炭素の排出量を大幅に減少させることができる。これに加えて、トンネル炉内においてセメント原料の焼成とともに排出される二酸化炭素は、排気ライン１２を通じてガス回収装置１７に収容されて、液化された後に、保管容器１８に充填される。このため、二酸化炭素は、工業用原料として販売する等して再利用が可能となるとともに、保管容器１８ごと地中に埋めて、周囲に放出しないように長期保管することもできる。従って、二酸化炭素の大気中への排出を阻止できる。

しかも、制御手段により、電気加熱トンネル炉内における焼成領域および冷却領域の酸素濃度を、０．５〜５体積％の範囲に保持しているために、最終的に冷却されたセメントクリンカーとなって電気加熱トンネル炉から排出されるまで、セメント原料中等に含まれるクロムが過度に酸化されることがなく、よって六価クロムの生成を抑制することができるとともに、エーライトの分解を防止して、所望のセメント強度を確保することもできる。

加えて、冷却領域４内の空気の一部を予熱領域２に供給するとともに、予熱領域２内の空気を冷却領域４に供給しているための、装置全体としての熱効率も向上させることができ、この結果セメントクリンカーの製造に要する全体のコストも一段と低減させることが可能になる。

この際に、予熱空気供給ライン８においては、セメントクリンカーを冷却することにより最も温度が高くなった冷却領域４の下流側から空気を抜き出して、予熱領域２の下流側に供給し、冷却空気供給ライン９については、セメント原料を予熱することにより、温度が低下した予熱領域２の上流側から空気を抜き出して、最も温度が高い冷却領域４の上流側に供給しているために、上記熱効率を一層向上させることができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明に係るセメントクリンカーの製造装置の第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、同一符号を付してその説明を簡略化する。
図２に示すように、このセメントクリンカーの製造装置においては、電気加熱トンネル炉２０内に、一端側の搬入扉２０ａから他端側の搬出扉２０ｂに向けて、順次焼成領域３および冷却領域４が形成されており、予熱領域２は、当該電気加熱トンネル炉２０の前段に設けられている。

この予熱領域２は、従来のロータリーキルンを用いたセメントクリンカーの製造設備におけるプレヒータ（予熱設備）を用いたものである。
すなわち、この予熱領域２は、上下方向に直列的に配置された複数段（図では２段）のサイクロン２１ａ、２１ｂによって構成されており、上段のサイクロン２１ａに供給管２２を介して原料タンク１４内のセメント原料が供給されている。また、上段サイクロン２１ａの底部には、下方のサイクロン２１ｂへとセメント原料を送るための移送管２３ａが接続されており、下段のサイクロン２１ｂの底部には、内部のセメント原料を焼成用台車1６に向けて供給するための移送管２３ｂが接続されている。

他方、下段のサイクロン２１ｂには、電気加熱トンネル炉２０の冷却領域４に接続された予熱空気供給ライン８の供給口８ｂが接続されている。そして、このサイクロン２１ｂからの排気管２４が上段のサイクロン２１ａに導入されるとともに、このサイクロン２１ａからの排気が冷却空気供給ライン９の抜出口９ａに接続されている。

以上の構成からなるセメントクリンカーの製造装置においては、原料タンク１４内のセメント原料は、供給管２２を介して上段のサイクロン２１ａに送られ、次いで移送管２３ａを介して下段のサイクロン２１ｂへと送られる。そして、この過程で、電気加熱トンネル炉２０の冷却領域４から予熱空気供給ライン８を通じて抜き出された高温の空気によって加熱される。

そして、これらのサイクロン２１ａ、２１ｂにおいて８００℃〜９００℃に加熱されたセメント原料は、移送管２３ｂから焼成用台車１６に積み込まれ、第１の実施形態と同様にして電気加熱トンネル炉２０内へと送られて行く。
他方、サイクロン２１ａ、２１ｂにおけるセメント原料との熱交換によって温度が低下した空気は、送気ファン１１によって冷却空気供給ライン９から再び電気加熱トンネル炉２０の冷却領域４へと戻されて、セメントクリンカーの冷却に供される。

以上のように、第２の実施形態のセメントクリンカーの製造装置によっても、第１の実施形態に示したものと同様に作用効果を得ることができる。

なお、上記第１および第２の実施形態においては、電気加熱トンネル炉１、２０の冷却領域４内の空気を、そのまま予熱空気供給ライン８を通じて予熱領域２に送気する場合について説明したが、これに限るものではなく、上記予熱空気供給ライン８に、さらに電気ヒータを設け、当該電気ヒータによって予熱空気供給ライン８の空気を昇温させた後に、予熱領域２に送るようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態を示す概略構成図である。 本発明の第２の実施形態を示す概略構成図である。

符号の説明

１、２０ 電気加熱トンネル炉
１ａ 搬入扉（供給部）
１ｂ 搬出扉（排出部）
２ 予熱領域
３ 焼成領域
４ 冷却領域
５ 酸素濃度計（濃度測定手段）
６ 燃焼ガス供給管（第１の酸素濃度調整手段）
７ 空気供給管（第２の酸素濃度調整手段）
８ 予熱空気供給ライン
９ 冷却空気供給ライン
８ａ、９ａ 抜出口
８ｂ、９ｂ 供給口

Claims (5)

1. 一端部に形成されたセメント原料の供給部から他端部に形成されたセメントクリンカーの排出部に向けて、内部にセメント原料を焼成する焼成領域とこの焼成領域において焼成されたセメントクリンカーを冷却する冷却領域とが順次連続して形成された電気加熱トンネル炉と、この電気加熱トンネル炉の上記焼成領域に設けられて内部に可燃性流体を供給する第１の酸素濃度調整手段と、上記電気加熱トンネル炉の上記焼成領域に設けられて内部に酸素または空気を供給する第２の酸素濃度調整手段と、上記電気加熱トンネル炉の上記焼成領域に設けられて内部の酸素濃度を検出する濃度測定手段と、この濃度測定手段によって検出された酸素濃度が５体積％を超えた際に、上記第１の酸素濃度調整手段を作動させるとともに上記酸素濃度が０．５体積％よりも低下した際に、上記第２の酸素濃度調整手段を作動させる制御手段とを備えてなることを特徴とするセメントクリンカーの製造装置。
2. 上記電気加熱トンネル炉内には、上記供給部と上記焼成領域との間に、上記セメント原料を予熱する予熱領域が形成されてい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ーの製造装置。
3. 上記電気加熱トンネル炉には、上記冷却領域内の空気の少なくとも一部を上記予熱領域に供給する予熱空気供給ラインと、上記予熱領域内の空気を上記冷却領域に供給する冷却空気供給ラインとが設けられていることを特徴とする請求項２に記載のセメントクリンカーの製造装置。
4. 上記電気加熱トンネル炉から排出される排ガスを回収する回収手段が備えられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のセメントクリンカーの製造装置。
5. 上記回収手段には、上記電気加熱トンネル炉から排出される排ガスを密閉収容する保管容器が備えられてい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ーの製造装置。

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