JP5441394B2

JP5441394B2 - セメント製造方法

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Publication number: JP5441394B2
Application number: JP2008294712A
Authority: JP
Inventors: 淳一寺崎; 紳一郎齋藤; 慶展辰巳
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2008-11-18
Filing date: 2008-11-18
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2028-11-18
Also published as: JP2010120799A

Description

本発明は、セメント製造方法に関し、特に、セメントキルンの窯尻から最下段サイクロンに至るまでのキルン排ガス流路より、燃焼ガスの一部を抽気したガスに含まれるダストから鉛等の重金属類を分離する方法に関する。

従来、セメント中の鉛（Ｐｂ）は固定化されるため、土壌への溶出はないと考えられてきた。しかし、近年のセメント製造におけるリサイクル資源の活用量の増加に伴い、セメント中の鉛の量も増加し、これまでの含有量を大幅に上回りつつある。濃度増加に伴い土壌への溶出の危険性が増加する虞もあるため、セメント中の鉛濃度をこれまでの含有量程度まで低減する技術が必要である。

また、近年、廃棄物のセメント原料化又は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に従い、セメントキルンに持ち込まれる塩素、硫黄、アルカリ等の揮発成分の量も増加し、塩素バイパスダストの発生量も増加している。塩素バイパスダストは、セメント粉砕工程で利用しているが、その発生量の増加や、鉛を含む重金属類のセメント許容濃度の超過が予測されることから、余剰の塩素バイパスダストの利用方法の開発が求められていた。

例えば、特許文献１には、セメント製造工程に供給される廃棄物中の塩素分及び鉛分を効果的に分離除去するため、廃棄物の水洗工程と、ろ別した固形分のアルカリ溶出工程と、このろ液から鉛を沈澱させて分離する脱鉛工程と、脱鉛したろ液からカルシウムを沈澱させて分離する脱カルシウム工程と、ろ液を加熱して塩化物を析出させて分離回収する塩分回収工程とを有する廃棄物の処理方法が開示されている。

また、特許文献２には、飛灰等の廃棄物から鉛及び亜鉛を分別して除去するにあたって、カルシウムイオンを含む溶液を混合してスラリーを得た後、固液分離して、亜鉛を含む固形分と、鉛を含む水溶液とを得る工程と、鉛を含む水溶液に硫化剤を添加した後、固液分離して、硫化鉛と、カルシウムイオンを含む溶液とを得る工程等を含む廃棄物の処理方法が記載されている。

さらに、特許文献３には、セメント製造工程からセメントキルン燃焼ガスの一部を抽気し、抽気した燃焼ガスに含まれるダストを集塵し、タリウム、鉛、セレンから選択される１つ以上を除去又は回収することを特徴とするセメント製造工程からの重金属除去・回収方法が記載されている。

また、特許文献４には、セメントキルンの窯尻の燃焼ガスのＯ₂濃度を５％以下及び／又はＣＯ濃度を１０００ｐｐｍ以上に制御することで、セメントキルン内の原料温度が８００〜１１００℃の領域を還元雰囲気化して鉛の揮発を促進し、その上で、セメントキルンの燃焼ガスの一部を抽気して燃焼ガスに含まれるダストを集塵し、集塵したダストから鉛を回収する鉛除去方法が記載されている。

特開２００３−１２１８号公報特開２００３−２０１５２４号公報特開２００６−３４７７９４号公報国際公開２００８／０５０６７８号パンフレット

しかし、上記特許文献１〜３に記載の方法においては、塩素バイパスダスト等に含まれる鉛等の重金属類を除去しているが、塩素バイパスダストを通じて系外に除去される重金属類の割合は、全体の３０％程度に過ぎず、たとえ、塩素バイパスダスト中の重金属類を１００％除去したとしても、残りの７０％程度は、依然としてセメントキルンで製造されるクリンカに取り込まれるため、セメントの重金属類含有率を低下させるのは容易ではない。そこで、セメントキルン内の重金属類の揮発を促進し、塩素バイパスダスト等への重金属類の濃縮率を高めることが重要である。

例えば、重金属類の揮発技術には、塩化揮発法と還元揮発法が知られている。しかし、一般的に行われる塩化揮発法をセメント焼成工程に適用すると、セメント製造において常識的な量を遙かに上回る量の塩素を投入する必要がある。一方、還元揮発法を適用するのは、セメントの色が黄色を呈することとなるため、セメントの品質面で問題となる。

また、特許文献４に記載の方法においては、重金属類の揮発率を上昇させるため、セメントキルンの窯尻部の酸素濃度を抑え、ＣＯガスを発生させるような雰囲気を形成するが、この場合、電気集塵機の爆発やダイオキシン類のような有害物質の発生する虞があるという問題がある。

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、セメントの品質に影響を与えることなく、セメント製造装置の安全性も確保し、環境負荷を増加させることなく、セメント製造工程から重金属類を効率よく分離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、セメント製造方法であって、セメントキルンのキルン中間から、該セメントキルンに付設されているプレヒータの最下段サイクロンまでの区間から固定炭素を含む物質を供給し、該セメントキルンの窯尻から前記最下段サイクロンに至るまでのキルン排ガス流路より燃焼ガスの一部を抽気し、該燃焼ガスに含まれるダストを集塵し、該集塵したダストから重金属類を分離するにあたって、単位時間当たり前記区間から投入する固定炭素を含む物質中の固定炭素量をαとし、単位時間当たり前記セメント焼成工程（プレヒータとキルン）に持ち込まれる重金属類量をβとした場合に、α／βを１５以上３０以下とすることを特徴とする。ここで、キルン中間とは、キルンの焼成帯に至る直前の窯尻側の部位をいう。また、固定炭素とは、石炭やコークス、瀝青質物質等から、水分、灰分及び揮発性成分を除いた残渣をいい、分離することができる重金属類は、鉛、亜鉛、カドミウム、アンチモン、セレン、砒素、タリウムである。

そして、本発明によれば、セメントキルンのキルン中間から、該セメントキルンに付設されているプレヒータの最下段サイクロンまでの区間から固定炭素を含む物質を供給することにより、窯尻の近傍での重金属類の揮発率を高め、また、揮発させた重金属類は、セメントキルンの燃焼ガスの一部を抽気する際に、その燃焼ガスに同伴して抽気されるため、塩素バイパスダスト等への重金属類の濃縮率を高めることができ、効率よく重金属類を回収することが可能になる。また、セメント製造装置の安全性も確保し、環境負荷を増加させることなく実施することが可能になる。さらに、重金属類を効率よく揮発させることができ、ダストへの重金属類の濃縮率を向上させることが可能になる。

上記セメント製造方法において、前記固定炭素を含む物質を造粒により粒度調整した後、前記区間から投入することができる。固定炭素を含む物質が小径であると、キルンを通過するガスにより低温側に飛散するため、重金属類の揮発温度領域への供給量が減少し、効率的な揮発率を確保できない。目安として、固定炭素を含む物質の粒径をｄ_pとし、投入部のガス風速をＶ_pとしたとき、ストークスの沈降速度式、ｄ_x ²＝（１８×μ×Ｖ_p）／（（ρ_p−ρ_g）×ｇ）から求められるｄ_xが、ｄ_p＜ｄ_xとなる場合には、ｄ_x以上の粒径となるように粒度を造粒により調整した方が好ましい。ここで、μはガス粘度、ρ_pは固定炭素を含む物質の密度、ρ_gはガス密度、ｇは重力加速度である。また、最大粒径については、大き過ぎるとセメントへの混入やセメント鉱物を形成する焼成帯まで燃焼が終了せず、セメントの色が黄色を呈することとなり、セメントの品質面で問題となることが懸念されるため、それらに影響しない大きさにすることが好ましい。

上記セメント製造方法において、前記粒度調整後の固定炭素を含む物質の粒径を５ｍｍ以上５０ｍｍ以下とすることができる。固定炭素を含む物質の粒径が５ｍｍ未満の場合には、該物質が飛散して重金属類の揮発温度領域への該物質の供給量が減少し、効率的な揮発率を確保できず、一方、固定炭素を含む物質の粒径が５０ｍｍを超える場合には、重金属類のセメントへの混入や、セメントの色が黄色を呈してセメントの品質面で問題となることが懸念される。

上記セメント製造方法において、前記造粒工程に際し、造粒前のドライベースの原料粉に対して１５質量％以上５０質量％以下の水分となるように水を添加することができる。添加する水の質量が１５質量％未満の場合には、原料粉が粘結せず所望の粒度のものが得られないという問題があり、一方、５０質量％を超える場合には、造粒後に粒同士が粘着したり、原料の粘着性が増加して造粒できないという問題がある。

上記セメント製造方法において、前記固定炭素を含む物質を、コークス、石炭、無煙炭、瀝青炭、褐炭、黒鉛、木炭、ミックスコークス、ファインコークス、活性コークス、電極くず、廃トナー、重油灰及びフライアッシュに含まれる未燃カーボンの各々０．１μｍ以上１ｍｍ以下の微粉、並びに難燃性プラスチック、フェノール樹脂、フラン樹脂、熱硬化性樹脂及びセルロースの各々炭化物の０．１μｍ以上１ｍｍ以下の微粉からなる群より選択される１又は２以上とすることができる。

以上のように、本発明によれば、セメントの品質に影響を与えることなく、セメント製造装置の安全性も確保し、環境負荷を増加させることなく、セメント製造工程から重金属類を効率よく分離することが可能になる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明においては、本発明にかかるセメント製造方法によって重金属の一つである鉛を分離する場合を例にとって説明する。

図１は、本発明にかかるセメント製造方法を適用したセメント製造装置を示し、このセメント製造装置１は、所定の粒径を有する固定炭素を含む物質Ｃ（以下、「物質Ｃ」と略称する）を生成する造粒装置２と、造粒物を乾燥させる乾燥装置３と、物質Ｃをセメントキルン（以下「キルン」と略称する）５のキルン中間から、セメントキルン５に付設されているプレヒータの最下段サイクロンまでの区間（本実施形態では窯尻５ａ）から投入するための投入装置４とを備える。

造粒装置２は、粉状に粉砕された固定炭素を含む物質を造粒して粒状物を生成するために備えられ、例えば、押出式（ディスクペレッタ、プレスペレッタ等）、圧縮式（タブレットマシーン、ブリケットマシーン等）、転動式（パンペレタイザー等）を用いることができる。ここで、固定炭素を含む物質には、コークス、石炭、無煙炭、瀝青炭、褐炭、黒鉛、木炭、ミックスコークス、ファインコークス、活性コークス、電極くず、廃トナー、重油灰及びフライアッシュに含まれる未燃カーボンの各々０．１μｍ以上１ｍｍ以下の微粉、並びに難燃性プラスチック、フェノール樹脂、フラン樹脂、熱硬化性樹脂及びセルロースの各々炭化物の０．１μｍ以上１ｍｍ以下の微粉等が用いられる。

乾燥装置３は、造粒装置２で造粒された物質Ｃを乾燥させてハンドリング性を向上させるために設けられ、キルン５やプレヒータの排ガス等を利用して物質Ｃを乾燥させることができる。尚、物質Ｃの強度が充分な場合には、乾燥装置３を省略することができる。

投入装置４には、ベルトフィーダー、エプロンフィーダー、振動フィーダーのような定量的に投入できる装置を用い、キルン５にはシュート４ａより造粒物を自然に落下投入してもよく、空気等を利用して窯尻５ａからキルン５内部に噴出してもよく、キルン５の胴体部より投入することもできる。また、造粒装置２からの造粒量が固定できるのあれば、造粒装置２からキルン５の内部にそのまま直接投入することもできる。

一方、図２に示すように、キルン５には、塩素バイパス装置１０が備えられ、キルン５の窯尻５ａから最下段サイクロン７（図１参照）に至るまでのキルン排ガス流路からの抽気ガスは、プローブ１１において冷却ファン１２からの冷風によって冷却された後、分級機１３に導入され、粗粉ダストと、微粉及びガスとに分離される。粗粉ダストは、キルン系に戻され、塩化カリウム（ＫＣｌ）等を含む微粉（塩素バイパスダスト）は、集塵機１４で回収される。尚、集塵機１４から排出された排ガスは、ファン１５を経てキルン５に付設されたプレヒータ、又はプレヒータの出口等の排ガス流路に戻される。

次に、上記セメント製造装置１を用いた本発明にかかるセメント製造方法について説明する。

先ず、図１において、造粒装置２により物質Ｃを造粒する。尚、物質Ｃを粒状とするのは、物質Ｃを窯尻５ａから投入した際に、物質Ｃが窯尻５ａ又はその近傍で飛散し、キルン排ガス流路を流れる排ガスに同伴して最上段サイクロン（不図示）側に流れ、その結果、鉛の揮発温度領域への物質Ｃの供給量が減少するのを回避するためである。

物質Ｃの造粒にあたっては、造粒後の物質Ｃの粒径を５〜５０ｍｍとすることが好ましい。物質Ｃの粒径が５ｍｍ未満の場合には、物質Ｃが飛散して鉛の揮発温度領域への物質Ｃの供給量が減少し、効率的な揮発率を確保できず、一方、物質Ｃの粒径が５０ｍｍを超える場合には、鉛のセメントへの混入や、セメントの色が黄色を呈してセメントの品質面で問題となることが懸念される。

また、造粒装置２における造粒操作は、原料粉に水のみを添加して行い、その際の水分添加量は、造粒前のドライベースの原料粉に対して１５質量％以上５０質量％以下の水分となるように添加することが好ましい。添加する水分の質量が１５質量％未満の場合には、原料粉が粘結せず所望の粒度のものが得られないという問題があり、一方、５０質量％を超える場合には、造粒後に粒同士が粘着したり、原料の粘着性が増加して造粒できないという問題がある。一方、所望の強度が得られない場合には、ベントナイト、リグニン、水ガラス、ポリビニルアルコール等の添加材を適宜加えることも可能である。

次に、乾燥装置３によって、造粒装置２で造粒された物質Ｃを乾燥させた後、キルン５におけるセメント焼成中に、物質Ｃを投入装置４によってキルン５の窯尻５ａから投入し、キルン５内での鉛の揮発を促進する。図３は、電気炉を用いた鉛の揮発率の試験結果を示すグラフであり、セメント製造工程より採取したキルン５に入る前の原料にコークス（固定炭素８７％）を添加して焼成した場合と、最下段サイクロン７から排出された原料のみを入れて焼成した場合とを比較している。同図より明らかなように、コークスを入れた場合には、焼成温度が９００℃〜１３００℃の領域で鉛の揮発率が大幅に上昇している。この温度範囲は、キルン５の窯尻５ａから中央部程度までに相当する。

また、物質Ｃの投入に際しては、単位時間当たり窯尻５ａから投入する物質Ｃ中の固定炭素量をαとし、単位時間当たりキルン５内に持ち込まれる鉛量をβとした場合に、α／βが１０以上４０以下となるように、物質Ｃの投入量を調節する。このような調節を行うことで、鉛を効率よく揮発させることができ、ダストへの鉛の濃縮率を向上させることが可能になる。尚、固定炭素量αとは、物質Ｃの投入量に物質Ｃ中の固定炭素の濃度を乗算したものをいい、また、キルン５内に持ち込まれる鉛量βとは、キルン５へのセメント原料の投入量にセメント原料中の鉛濃度を乗算したものをいう。

さらに、物質Ｃの投入と併せ、キルン５内に投入するセメント原料の配合やキルン５内で処理する廃棄物の処理量を調節し、窯尻５ａ又はその近傍での塩素濃度を高める。具体的には、プローブ１１によって抽気されたガスから集塵されるダストにおいて、塩素濃度が５〜４０質量％で、かつＣａＯ濃度が５〜５０質量％となるように調節し、これにより、鉛のセメント製造工程からの回収・除去を促進することが可能になる。

そして、キルン５で揮発した鉛は、図２において、プローブ１１によって抽気されたガスに含まれ、抽気ガスは、プローブ１１において冷却された後、分級機１３に導入され、粗粉ダストと、微粉及びガスとに分離され、微粉が集塵機１４で回収される。この微粉には、鉛がより多く揮発した分、鉛が従来よりも多く濃縮されているため、この鉛を分離することによりセメント製造工程から鉛を効率よく除去し、キルン５で製造されるセメントクリンカの鉛含有率を低下させることができる。

物質Ｃの投入量を変化させながら、物質Ｃをキルン５の窯尻５ａから投入し、キルン５内での鉛の揮発率を測定した。図４に測定結果を示す。尚、同図において、「Ｃ量」は、単位時間当たり窯尻５ａから投入する可燃物中の固定炭素量αに該当し、一方、「Ｐｂ量」は、単位時間当たりキルン５内に持ち込まれる鉛量βに該当する。

図４から明らかなように、Ｃ量／Ｐｂ量（α／β）を１０以上としたときに、鉛の揮発率が８５％を超えるようになり、さらに、Ｃ量／Ｐｂ量を１５〜３０とすると、鉛の揮発率が飛躍的に向上している。

次に、図２においてキルン５内に投入するセメント原料の配合や、キルン５内で処理する廃棄物の処理量を調節し、集塵機１４で集塵されるダスト中の塩素濃度及びＣａＯ濃度を変化させながら、ダスト中の鉛濃度を測定した。塩素濃度と鉛濃度との関係を図５に示し、ＣａＯ濃度と鉛濃度との関係を図６に示す。

図５及び図６から明らかなように、集塵したダストの塩素濃度が５〜４０質量％のとき及びＣａＯ濃度が５〜５０質量％のときには、ダスト中の鉛濃度が高くなり、ダストへの鉛の濃縮率が向上している。特に、塩素濃度が１５〜２５質量％及びＣａＯ濃度が１０〜２０質量％のときには、ダスト中の鉛濃度が飛躍的に高くなり、最も効率よく鉛を回収・除去することができている。

尚、上記実施の形態においては、塩素バイパスダストから鉛を分離する場合を例示したが、亜鉛、カドミウム、アンチモン、セレン、砒素、タリウムについても上記と同様の要領にて分離することができる。

また、塩素バイパスダスト以外にも、キルン５の窯尻ａから最下段サイクロン７に至るまでのキルン排ガス流路より燃焼ガスの一部を抽気し、抽気した燃焼ガスに含まれるダストであれば、上記と同様の方法にて上記重金属類を分離することができる。

本発明にかかるセメント製造方法を適用したセメント製造装置の一実施の形態を示す概略図である。セメントキルンに付設される塩素バイパス装置の全体構成を示すフローチャートである。電気炉を用いた鉛の揮発率の試験結果を示すグラフである。本発明にかかるセメント製造方法の試験結果を示すグラフである。本発明にかかるセメント製造方法の試験における塩素濃度と鉛濃度との関係を示すグラフである。本発明にかかるセメント製造方法の試験におけるＣａＯ濃度と鉛濃度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１セメント製造装置
２造粒装置
３乾燥装置
４投入装置
４ａシュート
５セメントキルン
５ａ窯尻
６仮焼炉
７最下段サイクロン
１０塩素バイパス装置
１１プローブ
１２冷却ファン
１３分級機
１４集塵機
１５ファン

Claims

セメントキルンのキルン中間から、該セメントキルンに付設されているプレヒータの最下段サイクロンまでの区間から固定炭素を含む物質を供給し、
該セメントキルンの窯尻から前記最下段サイクロンに至るまでのキルン排ガス流路より燃焼ガスの一部を抽気し、
該燃焼ガスに含まれるダストを集塵し、
該集塵したダストから重金属類を分離するにあたって、
単位時間当たり前記区間から投入する固定炭素を含む物質中の固定炭素量をαとし、単位時間当たり前記セメントキルン内に持ち込まれる重金属類量をβとした場合に、α／βを１５以上３０以下とすることを特徴とするセメント製造方法。
前記固定炭素を含む物質を造粒により粒度調整し、該粒度調整後の固定炭素を含む物質の粒径を５ｍｍ以上５０ｍｍ以下とし、該造粒工程において、造粒前のドライベースの原料粉に対して１５質量％以上５０質量％以下の水分となるように水を添加した後、前記区間から投入することを特徴とする請求項１に記載のセメント製造方法。
前記固定炭素を含む物質を、コークス、石炭、無煙炭、瀝青炭、褐炭、黒鉛、木炭、ミックスコークス、ファインコークス、活性コークス、電極くず、廃トナー、重油灰及びフライアッシュに含まれる未燃カーボンの各々０．１μｍ以上１ｍｍ以下の微粉、並びに難燃性プラスチック、フェノール樹脂、フラン樹脂、熱硬化性樹脂及びセルロースの各々炭化物の０．１μｍ以上１ｍｍ以下の微粉からなる群より選択される１又は２以上とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のセメント製造方法。