JP5388837B2 - 忌避成分の少ないセメントの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セメントの製造方法に関し、特に、還元性物質をセメントキルン内に供給することによって、忌避成分の還元反応を促進し、忌避成分の少ないセメントを製造する方法に関する。

近年、廃棄物のセメント原料化及び燃料化によるリサイクルが推進され、廃棄物の処理量が増加するのに従い、廃棄物由来の鉛、亜鉛や六価クロムといった有害成分（以下、「忌避成分」という）が、許容量を超えてセメント製品中に含まれたり、セメントキルンの排ガス中に含まれたまま大気に放出される可能性も増加する傾向にある。

この忌避成分の除去方法の一つとして、特許文献１には、セメントキルンの内径をＤ、キルンの窯尻側から長手方向にキルン内部に向かう距離をＬとした場合に、該キルンのＬ／Ｄが０以上１２以下の領域に、燃料及び／又は可燃物を含む原料を還元材としてキルン窯尻部の傾斜面を利用して投入し、前記領域の還元雰囲気を維持しながら鉛を除去する方法が開示されている。

国際公開第０８／０５０６７８号パンフレット

しかし、上記特許文献に記載の技術では、投入する還元材の形状や密度によって、キルン窯尻部の傾斜面を転動した後のキルン内の到達位置が異なることが想定される。そして、到達位置によっては、還元効果が好適に発揮できないこともあり、その際には、必要以上の量の還元材を使用することとなる。また、還元材の粒径が小さい場合には、キルン内の燃焼ガスに同伴してプレヒータに達し、プレヒータ内で燃焼してしまうことが想定され、また、還元材を造粒した後にキルン内に投入しても、キルン内での燃焼反応によって膨張し、強度が低下して再度微粉となり飛散してしまうことがあった。そのため、還元材の使用量をさらに増加させる必要があり、運転コストの増加を招いていた。

そこで、本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、還元材の使用量を低減し、運転コストを低く抑えながら、忌避成分の含有量の少ないセメントを製造する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、セメントの製造方法であって、還元性物質の表面
を、軟化点又は融点がセメントキルンの焼点温度（約１４５０℃）より低く、忌避成分を含有する素材で被覆し、該被覆した還元性物質を前記セメントキルンに供給し、該被覆還元性物質の供給により、セメント製造工程における忌避成分の還元反応を促進し、該忌避成分を該セメント製造工程から除去することを特徴とする。ここで、セメントキルンの焼点温度とは、忌避成分の除去の対象となる個々のセメントキルンの焼点温度である。また、忌避成分とは、セメント製造工程において、主にリサイクル原燃料由来の鉛、亜鉛、六価クロム等、セメントの品質面で有害となり得る成分をいう。

そして、本発明によれば、還元性物質の表面を上記被覆素材で被覆することで還元性物質を保護し、セメントキルン内の所定の領域で被覆素材が軟化又は溶融して還元性物質を露出させることによって還元性物質による忌避成分の還元反応を有効に機能させ、忌避成分の揮発又は不溶化を促進することができるため、還元材の使用量を低減しながら、忌避成分の含有量の少ないセメントを製造することができる。また、被覆素材が忌避成分を含有することで、セメント原料中の忌避成分の除去と同時に、被覆素材として利用した産業廃棄物等に含まれる忌避成分の除去を行うことも可能となる。忌避成分を含む被覆素材には、鉛ガラスなどを使用することができる。

上記製造方法において、前記被覆素材の軟化点又は／及び融点を７００℃以上とすることができる。７００℃は、上記セメントキルンの略々最低温度であり、被覆素材の軟化点を７００℃以上とすることで、被覆素材の軟化により徐々に還元性物質を露出させることができる。この被覆素材として、耐熱ガラス、廃陶磁器などを用いることができる。また、被覆素材の融点を７００℃以上とすることで、セメントキルン内で確実に被覆素材を溶融させ、還元性物質を露出させることができる。この被覆素材として、塩化カルシウム、塩化ナトリウムなどの金属塩化物や、硫酸マグネシウム、酸化ナトリウムなどを使用することができる。

また、上記製造方法において、上記忌避成分を、鉛、亜鉛、六価クロムのうちの１又は２以上とすることができ、これらの忌避成分を除去するために必要であった設備コストや薬剤コストを削減することが可能となる。

さらに、上記製造方法において、上記還元性物質は、粒径が２００μｍ未満の微粉を含むことができる。これにより、そのままでは、セメントキルン内に供給しても、キルン内のガス流によって飛散し、還元反応に有効に寄与しない微粉であっても、成型あるいは造粒処理を行い、さらに被覆素材で被覆することによって還元性物質として好適に使用可能となる。

以上のように、本発明によれば、還元材の使用量を低減し、運転コストを低く抑えながら、鉛、亜鉛、六価クロム等の忌避成分の含有量の少ないセメントを製造することが可能となる。

本発明にかかるセメントの製造方法の一実施の形態を説明するための概略図である。 原料にコークスを５％添加した時のセメントキルンの焼成温度と鉛の揮発率の関係を示すグラフである。 セメントキルンに供給される被覆還元性物質の一例を示す概略図であって、（ａ）は１次成型物、（ｂ）は２次成型物を示す。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明にかかるセメントの製造方法を実施するためのセメント焼成装置を示す。このセメント焼成装置１は、セメント原料Ｍを予熱するプレヒータ４と、予熱された原料を仮焼する仮焼炉３と、仮焼された原料を焼成するためのセメントキルン（以下、「キルン」という）２及びキルンバーナー７と、キルン２から排出されたセメントクリンカを冷却するためのクリンカクーラ８と、還元性物質Ｒに被覆素材Ｃを被覆する還元性物質被覆設備５と、被覆還元性物質ＣＲをキルン２の窯尻２ａ（仮焼炉３及び最下段サイクロン４ａが備えられている端部）からキルン２内に供給する還元性物質供給設備６等を備える。

プレヒータ４は、仮焼炉３からの高温ガスによってセメント原料Ｍを数百℃まで予熱するため、複数のサイクロン４ａ〜４ｄを多段に備える。

仮焼炉３は、プレヒータ４によって予熱されたセメント原料Ｍを仮焼するため、微粉炭等を吹き込むバーナ（不図示）を備え、仮焼炉３には、クーラ抽気ダクト（不図示）を介してクリンカクーラ８からの熱ガスが導入される。

キルン２は、仮焼炉３によって仮焼されたセメント原料Ｍを焼成してセメントクリンカを生成するため、微粉炭等を吹き込むバーナ７を備える。クリンカクーラ８は、上記のようにして焼成されたクリンカを冷却するため、キルン２の下流側に配置される。

還元性物質被覆設備５は、還元性物質Ｒの表面にキルン２の焼点温度（約１４５０℃）よりも融点の低い物質からなる被覆素材Ｃを被覆し、被覆還元性物質ＣＲとするために備えられる。被覆素材Ｃを被覆する際に用いる方法として、（１）臼型又は箱型（開放面を１面有する多面体）の容器中に、還元性物質Ｒと、該還元性物質Ｒの周りに被覆素材Ｃとを充填して圧縮成型する圧縮成型法、（２）還元性物質Ｒを湿潤状態の被覆素材Ｃで覆い、これを傾斜回転円筒に供給して転動運動により造粒する転動造粒法、（３）被覆素材Ｃを予め溶融させた槽に還元性物質Ｒを浸し、引き上げて凝固させる方法等が挙げられるが、被覆素材Ｃの厚みを制御したい場合には、転動造粒法あるいは圧縮成型法が好ましい。尚、還元性物質被覆設備５は、セメント製造設備と連結されている必要はない。別に設置された還元性物質被覆設備５で被覆還元性物質ＣＲを製造し、これを還元性物質供給設備６に運搬することも可能である。

還元性物質供給設備６は、還元性物質被覆設備５において製造された被覆還元性物質ＣＲをキルン２の窯尻２ａに供給するためのシュート９を備える。尚、被覆還元性物質ＣＲを、窯尻２ａからではなく、キルン２の窯尻２ａから排ガスの流れの下流側に供給することもできる。

次に上記構成を有するセメント焼成装置１の動作について、図１を参照しながら説明する。

キルン２等の運転に先立ち、還元性物質被覆設備５において、還元性物質Ｒの表面にキルン２の焼点温度（約１４５０℃）よりも融点の低い物質からなる被覆素材Ｃを被覆して被覆還元性物質ＣＲを製造する。

ここで、還元性物質Ｒとして、コークス、石炭、活性炭、廃木材、廃プラスチックからなる群より選択される１又は２以上を使用することができる。尚、還元性物質Ｒの粒径は、小さすぎると飛散し、大きすぎると燃え残ってクリンカクーラ８内での還元反応によりセメントの色調異常が発生するため、２００μｍ以上５０ｍｍ以下、特に５００μｍ以上３０ｍｍ以下とするのが好ましく、１０００μｍ以上１０ｍｍ以下とするのがより好ましい。尚、２００μｍ未満の還元性物質Ｒであっても、被覆素材Ｃで被覆して粒径を大きくして好適に用いることもできる。被覆還元性物質ＣＲの形状は、転動し易い形状とすると、キルン２内での転動終点位置がばらつくため、多面体、特に成型のし易さを考慮して直方体、四面体が好適である。

また、被覆素材Ｃとしては、軟化点がキルン２の焼点温度よりも低いガラス、廃陶磁器類を使用することができる。特に、軟化点が８００℃程度の耐熱ガラスを使用することが好適である。また、軟化点の異なる複数のガラス、廃陶磁器を配合することによって、忌避成分の種類に応じた最適な温度範囲被覆層が変形することで還元性物質が露出し、還元反応を生じさせることが可能となる。このため、ガラス成分となり得るスラグなどのリサイクル材料も適宜配合して利用することもできる。

また、除去対象の忌避成分である鉛を多く含む鉛ガラスなどの素材を用いてもよい。鉛ガラスは、軟化点が６００℃程度であるため、内部の還元性物質Ｒが露出し、反応を開始する時間が耐熱ガラスを用いる場合より早まるものの、鉛ガラスの厚さを調整すること、あるいは軟化点の高いガラスと混合することなどにより、被覆素材Ｃとして利用することは充分に可能である。尚、被覆素材Ｃの材質や厚さを適切に選択することによっても、所望の温度領域において、所望の時間経過の後、還元反応を起こすことが可能となる。

加えて、キルン２の焼点温度（約１４５０℃）よりも融点の低い物質であり、さらにキルン２の略々最低温度である７００℃以上の融点を有する物質を使用することができる。具体的には、融点が７７６℃の塩化カルシウム、８０４℃の塩化ナトリウムなどの金属塩化物を使用することができる。その他にも、融点が１１２７℃の硫酸マグネシウムや、１１３２℃の酸化ナトリウムなどを使用することができる。これらは単独で、あるいは複数の物質を混合して使用することができる。

尚、上記した被覆素材Ｃは、被覆する方法に応じて、適宜利用し易い粒度に調整して使用される。

また、上記被覆素材Ｃの還元性物質Ｒに対する密着性を向上させるには、被覆素材Ｃに低温でガスを発生し難い物質を使用し、圧縮する際の成型圧を高くするのが好ましく、被覆還元性物質ＣＲの表面をわずかに溶融させ、その後大気下で凝固させるとさらによい。

また、被覆還元性物質ＣＲが、還元性物質供給設備６からシュート９を経てキルン２内に供給される際に、摩擦や衝撃によって内部の還元性物質Ｒが露出しないように、還元性物質被覆設備５で被覆した後にキルン２の廃熱によって表面を一度溶融させ、大気下で凝固させるとよい。

次に、上記還元性物質被覆設備５において製造された被覆還元性物質ＣＲを用いながらキルン２でセメントクリンカを焼成する動作について説明する。

キルン２の運転が開始されると、石灰石、粘土、珪石、鉄滓、鋳物砂、スラグ、アルミナスラッジ、廃棄物等を含むセメント原料は、原料工程において乾燥・粉砕・混合された後、原料供給路（不図示）を経由してセメント原料Ｍとしてプレヒータ４に連続的に供給される。

セメント原料Ｍは、プレヒータ４によって予熱され、仮焼炉３で仮焼された後、キルン２の窯尻２ａからキルン２内に供給される。そして、キルン２の回転により、セメント原料Ｍは窯尻側から窯前側へ向かって徐々に移動しながら、７００℃〜１４５０℃の温度条件下で焼成される。これと同時に、還元性物質供給設備６よりシュート９及び窯尻２ａを介してキルン２内に被覆還元性物質ＣＲを供給すると、被覆還元性物質ＣＲは、キルン２内の所定の領域に達し、被覆素材Ｃが溶融し、あるいは軟化して変形し、還元性物質Ｒを露出させ、セメント原料Ｍ中の忌避成分の還元揮発を促進する。例えば、図２に示すように、セメント原料Ｍ中に忌避成分として存在する鉛は、キルン２の焼成温度が１１００℃の際に５０％程度揮発することから、忌避成分として鉛を除去する場合には、キルン２内の所定の領域とは、キルン２内の原料温度が１１００℃程度となる領域である。

上記還元揮発によって揮発した鉛等の忌避成分を、キルン２に付設されている塩素バイパス設備等を介してセメント焼成装置１の系外に排出することで、忌避成分の含有量の少ないセメントを製造することができる。

内径が５．３ｍ、長さが１１０ｍのキルン２を使用し、還元性物質被覆設備５には、２段構成の圧縮成型機を使用し、１次成型物をさらに被覆成型するため、２段目の圧縮成型機の成型容器を１段目の容器よりも容積の大きいものを使用した。

キルン２に供給する被覆還元性物質ＣＲには、還元性物質Ｒとしてのコークス粉末に、被覆素材Ｃとして軟化点が約８００℃の耐熱ガラス粉末を被覆した物を用いた。被覆方法は次の通りである。まず、１段目の圧縮成型機の成型容器に、ガラス粉末Ｇａ、コークス粉末ＣＰ、ガラス粉末Ｇｂの順に積層して圧縮成型し、図３（ａ）に示すような１次成型物を得た。次に、２段目の圧縮成型機の成型容器にガラス粉末Ｇｃを入れ、その上にコークス粉末ＣＰと、ガラス粉末Ｇｃとが接触するように該１次成型物を据え、さらにその上にガラス粉末Ｇｄを充填して圧縮成型し、図３（ｂ）に示すような２次成型物（被覆還元性物質ＣＲ）を得た。尚、２次成型物における還元性物質Ｒの粒径は２０ｍｍ程度、被覆素材としてのガラスＧａ〜Ｇｄの被覆厚さは２ｍｍ程度である。この工程を繰り返すことで、必要な量の被覆還元性物質ＣＲを得た。

次に、実施例として、上記２次成型物（被覆還元性物質ＣＲ）を上記キルン２内へ供給し、比較例として、表面を被覆していないコークス（粒径２０ｍｍ程度）をキルン２内へ供給し、両者の還元揮発状態を比較した。その結果、実施例では、コークスの供給量を比較例の２／３に減らしても、クリンカ内に残留する鉛濃度が比較例と同程度の２０ｐｐｍに抑えられることが分かった。また、実施例では、キルン２内部への供給物（被覆還元性物質ＣＲ）の固着が比較例の約２／３程度に抑えられた。

１ セメント焼成装置
２ セメントキルン
２ａ 窯尻
３ 仮焼炉
４ プレヒータ
４ａ 最下段サイクロン
４ｂ〜４ｄ サイクロン
５ 還元性物質被覆設備
６ 還元性物質供給設備
７ キルンバーナー
８ クリンカクーラ
９ シュート
Ｃ 被覆素材
ＣＰ コークス粉末
ＣＲ 被覆還元性物質
Ｇａ〜Ｇｄ ガラス粉末
Ｍ セメント原料
Ｒ 還元性物質

Claims (4)

1. 還元性物質の表面を、軟化点又は融点がセメントキルンの焼点温度より低く、忌避成分を含有する素材で被覆し、
   該被覆した還元性物質を前記セメントキルンに供給し、
   該被覆還元性物質の供給により、セメント製造工程における忌避成分の還元反応を促進し、
   該忌避成分を該セメント製造工程から除去することを特徴とするセメントの製造方法。
2. 前記被覆素材の軟化点又は／及び融点が７００℃以上であることを特徴とする請求項１
   に記載のセメントの製造方法。
3. 前記忌避成分は、鉛、亜鉛、六価クロムのうちの１又は２以上であることを特徴とする
   請求項１又は２に記載のセメントの製造方法。
4. 前記還元性物質は、粒径が２００μｍ未満の微粉を含むことを特徴とする請求項１、２
   又は３に記載のセメントの製造方法。

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