JP5570106B2 - セメントキルン排ガスの処理装置及び処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、セメント焼成設備を構成するセメントキルンから排出される燃焼排ガスから水銀を除去する装置及び方法に関する。

セメントキルンの排ガスには、微量の金属水銀（Ｈｇ）が含まれている。その起源は、セメントの主原料である石灰石等の天然原料が含有する水銀の他、フライアッシュ等の多品種にわたるリサイクル資源に含まれる水銀である。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に従い、セメントキルン排ガス中の水銀濃度が増加する可能性が考えられる。

しかし、セメントキルンの排ガスに低濃度で含まれる水銀を、多量の排ガスから除去することは極めて困難であり、セメントキルンの排ガス中の水銀が増加すると、大気汚染の原因となる虞があるとともに、フライアッシュ等のリサイクル資源利用拡大の阻害要因となる虞もある。

そこで、例えば、特許文献１には、セメントの製造工程から排出される排ガス中に含まれる水銀等を効率よく除去し、水銀等を除去した集塵ダストをセメント原料に再利用するため、セメントキルン排ガスを集塵機によって除塵した後、捕集した集塵ダストを加熱炉に導き、集塵ダスト中の水銀を揮発温度以上に加熱して揮発させ、その後、吸着剤等により吸着して除去するセメント製造排ガスの処理方法が提案されている。

ところで、ボイラ等の排ガス中の塩素（Ｃｌ）分が多くなると、水に可溶な２価水銀の割合が多くなり、後段装置で水銀が捕集し易くなることが知られている。従来、このような知見に基づき、ボイラ等に供給する燃料にＣａＣｌ₂などの塩素化合物を添加し、脱硫装置等での水銀除去率の向上を試みる水銀除去システムが提案されている（特許文献２及び３参照）。

特開２００２−３５５５３１号公報 特開２００４−３１３８３３号公報 特開２００６−２６３７００号公報

しかし、上記特許文献１に記載の処理方法においては、セメントキルン排ガスを集塵機によって除塵した後、捕集した集塵ダストを加熱炉に導き、集塵ダスト中の水銀を揮発させて除去するため、新たな熱源が必要になるとともに、集塵ダストを加熱炉の外周によって間接的に加熱するため、排ガス中の水銀量を効率よく低減することができないという問題があった。

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、セメントキルンから排出される燃焼排ガスから水銀を効率よく除去することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、セメントキルン排ガスの処理装置であって、セメントキルンの排ガスに含まれるダストを集塵する集塵装置と、該集塵装置で集塵されたダストを直接加熱するために、該ダストを、セメント焼成設備に付設された塩素バイパスにおける微粉を集塵する固気分離装置の下流側の排気ダクトに供給するダスト供給装置と、前記排気ダクトに塩素ガスを注入する塩素ガス注入装置又は塩化水素を注入する塩化水素注入装置と、前記加熱によって揮発した水銀を回収する水銀回収装置とを備えることを特徴とする。

そして、本発明によれば、塩素バイパスの排ガスを用い、セメントキルンの排ガスに含まれ、集塵装置で集塵されたダストを直接加熱するため、集塵ダスト中の水銀を揮発させるにあたり新たな熱源を必要とせず、水銀の除去に要するコストを低く抑えることができるだけでなく、水銀の揮発が促進され、後段の水銀回収装置でより多くの水銀を回収することができる。これに加え、塩素バイパスの排ガスには、微量の塩化水素が含まれており、これを利用し、ダスト中の不溶性の金属水銀を水溶性の塩化水銀に転化させることにより、後段の水銀回収装置の構成を簡易化することができる。また、塩素ガス又は塩化水素を注入することによって、塩素バイパスの排ガス中の塩化水素とも併せて、ダスト中の金属水銀の塩化水銀への転化を促進させることができる。

上記セメントキルン排ガスの処理装置において、前記集塵装置で集塵されたダストを加熱する塩素バイパスの排ガスは、３００℃以上７００℃以下の含塵ガスを固気分離する固気分離装置を通過したガスとすることができる。

さらに、上記セメントキルン排ガスの処理装置において、前記集塵装置で集塵されたダストを加熱した後の塩素バイパスからの２００℃以上６００℃以下の含塵ガスを固気分離する固気分離装置を備えることができる。これにより、集塵ダストから揮発した水銀の大部分を気相側に存在させることができる。また、必要に応じて集塵ダストを加熱した後の塩素バイパスの排ガスの顕熱を有効利用することができる。

さらに、本発明は、セメントキルン排ガスの処理方法であって、セメントキルンの排ガスに含まれるダストを集塵し、該集塵によって得られたダストを、セメント焼成設備に付設された塩素バイパスにおける微粉を集塵する固気分離装置の下流側の排気ダクトに供給して直接加熱し、かつ、前記排気ダクトに塩素ガス又は塩化水素を注入し、前記加熱によって揮発した水銀を回収することを特徴とする。本発明によれば、上記発明と同様に、集塵ダスト中の水銀を揮発させるにあたり新たな熱源を必要とせず、水銀の除去に要するコストを低く抑えることができるとともに、塩素バイパスの排ガスには、微量の塩化水素が含まれており、これを利用し、ダスト中の不溶性の金属水銀を水溶性の塩化水銀に転化させることにより、後段の水銀回収装置の構成を簡易化することができる。また、塩素ガス又は塩化水素を注入することによって、塩素バイパスの排ガス中の塩化水素とも併せて、ダスト中の金属水銀の塩化水銀への転化を促進させることができる。

上記セメントキルン排ガスの処理方法において、前記集塵によって得られたダストを加熱した後の塩素バイパスの排ガスに塩素ガス又は塩化水素を注入し、該塩素ガス又は塩化水素の注入点の上流側及び下流側の排ガスに含まれる金属水銀の濃度と塩化水銀の濃度を測定して塩化水銀への転化率を算出し、前記塩素ガス又は塩化水素の注入点の下流側の排ガスに含まれる塩素ガス又は塩化水素の濃度を測定し、前記塩化水銀への転化率の目標値、前記塩素ガス又は塩化水素の濃度の目標値を設定し、前記塩化水銀への転化率及び前記塩素ガス又は塩化水素の濃度が、前記各々の目標値に近づくような最適化演算を行って前記塩素ガス又は塩化水素の注入量を制御することができる。これによって、金属水銀の塩化水銀への転化率、及び塩素ガス又は塩化水素の濃度を最適に維持し、セメントキルンから排出される燃焼排ガスから水銀を効率よく除去することができる。

以上のように、本発明によれば、セメントキルンから排出される燃焼排ガスから水銀を低コストで効率よく除去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。

図１は、本発明にかかるセメントキルン排ガスの処理装置の一実施の形態を示し、この処理装置１は、大別して、セメントキルン排ガスに含まれるダストを集塵する電気集塵装置２と、セメントキルン（不図示）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、燃焼ガスの一部を冷却しながら抽気するプローブ４と、このプローブ４で抽気した燃焼ガス（抽気ガスＧ１）に含まれるダストの粗粉Ｄ１を分離するサイクロン６と、サイクロン６の排ガスＧ２に含まれる微粉Ｄ２を集塵する固気分離装置７と、固気分離装置７の排ガスＧ３を下流側に搬送するためのファン９と、ファン９とサイクロン１５との間の排気ダクト（以下、「ダクト」という）１２に電気集塵装置２で集塵されたダスト（以下、「ＥＰダスト」という）を供給するためのダスト供給装置１１と、排ガスＧ４によって加熱されたダストを含む排ガスを集塵するサイクロン１５と、サイクロン１５の排ガスＧ５を集塵する固気分離装置１６と、固気分離装置１６の排ガスＧ６から熱回収する熱交換器１８と、熱交換器１８を通過した排ガスＧ７から水銀を回収する水銀回収装置１９等で構成される。また、この処理装置１は、排ガスＧ４、Ｇ６中の金属水銀及び塩化水銀の濃度を測定するための濃度計１０、１４と、排ガスＧ６中の塩素ガス又は塩化水素の濃度を測定するための濃度計１７と、ダクト１２に塩素ガス又は塩化水素を注入する注入装置１３と、注入装置１３からの塩素ガス又は塩化水素の注入量を制御するための最適化演算機２０を備える。

電気集塵装置２は、セメントキルン排ガスの集塵装置として通常用いられるものであり、プローブ４、冷却ファン５及びサイクロン６は、一般的な塩素バイパス設備に設置されているものと同様の構成を有するものであるため、これらについての詳細説明は省略する。

固気分離装置７は、セラミックフィルタを備え、９００℃程度までの耐熱性を有する高耐熱型のバグフィルタであることが望ましい。こうしたバグフィルタとしては、ハニカムセル化した棒状のセラミック管を複数配列したものや、シート状のセラミックフィルタを用いたものなど、様々なタイプのものが開発されているが、本発明においては、排ガスＧ２に含まれる微細粒子を集塵し得るものであれば、フィルタのタイプは特に限定されない。

ダスト供給装置１１は、電気集塵装置２から搬送されたＥＰダストをダクト１２に供給するために備えられ、ロータリフィーダ、シュート、分散板等を備え、ＥＰダストをダクト１２中に分散させ、ダクト１２を通過する排ガスＧ４によってＥＰダストが効率よく加熱されるように構成される。

注入装置１３は、塩素バイパスの排ガスＧ３、又はファン９の排ガスによって加熱されたＥＰダストを含む排ガスＧ４に、塩素ガス又は塩化水素を注入するために備えられる。塩化水素の注入形態は、ガスであっても水溶液であってもよく、水溶液として注入されても、高温の排ガス中で速やかにガス化する。

サイクロン１５は、塩素ガス又は塩化水素が注入された排ガスＧ４を集塵するために備えられ、上記サイクロン６と同様に構成される。

固気分離装置１６は、サイクロン１５の排ガスＧ５を集塵するために備えられ、上記固気分離装置７と同様の構成を有する。

濃度計１７は、固気分離装置１６の排ガスＧ６に含まれる塩素ガス又は塩化水素の濃度を測定するために備えられ、濃度計の種類は特に限定されない。

熱交換器１８は、固気分離装置１６の顕熱を必要に応じて有効利用するために備えられる。排ガスＧ６中には、揮発した水銀が存在することから、水銀の再凝縮を避けるため、熱交換器１８には、排ガスＧ６と非接触のタイプの熱交換器を用いる必要があるが、例えば、熱交換器１８にて回収した熱を蒸気ボイラー用の熱源や空気予熱用の熱源として利用することができる。

水銀回収装置１９は、排ガスＧ６中の水銀（主に塩化水銀）を除去するために備えられる。この水銀回収装置１９としては、乾式、湿式のいずれの回収装置も用いることができるが、塩化水素に転化された水銀は水溶性であるため、湿式の水銀回収装置を使用することによって、排ガス中から効果的に水銀成分を除去することができる。尚、乾式の吸着装置、特に吸着媒体として活性炭を用いる場合には、熱交換器１８を通して排ガスＧ７の温度を１００℃程度まで下げる必要がある。一方、水銀回収装置１９として湿式のガス吸収装置を用いる場合には、排ガスＧ６を必ずしも熱交換器１８に通す必要はなく、直接水銀回収装置１９に導入することができる。

最適化演算機２０は、濃度計１０、１４による金属水銀及び塩化水銀の濃度の測定値から塩化水銀への転化率を算出し、予め設定された転化率の目標値、及び濃度計１７で測定された塩素ガス又は塩化水素の濃度と、予め設定された該濃度が、前記各々の目標値に近づくような最適化演算を行い、注入装置１３からの塩素ガス又は塩化水素の注入量を制御するために備えられる。

次に、上記構成を有するセメントキルンの排ガス処理装置１の動作について、図１を参照しながら説明する。

セメントキルンの運転時に、電気集塵装置２でセメントキルン排ガスを集塵し、捕集したＥＰダストに含まれる水銀を除去すべくダスト供給装置１１に移送する。

セメントキルンの運転時に、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、燃焼ガスの一部をプローブ４によって抽気すると同時に、冷却ファン５からの冷風によって、抽気ガスを約７００℃以下にまで急冷する。次いで、サイクロン６において、プローブ４から排気される抽気ガスＧ１を、粗粉Ｄ１と、微粉Ｄ２を含む排ガスＧ２とに分離し、粗粉Ｄ１をセメントキルン系に戻す。

その一方で、粗粉Ｄ１が除去された排ガスＧ２を固気分離装置７に導入し、排ガスＧ２の塩化カリウム等を含む微粉（塩素バイパスダスト）Ｄ２を回収する。回収した微粉Ｄ２は、ダストタンク８に貯留した後、セメント粉砕工程で利用したり、水洗後、セメント原料として利用する。

微粉Ｄ２が除去された排ガスＧ３は、ファン９及びダクト１２を介してサイクロン１５へ導入される。ここで、ダクト１２において、ダスト供給装置１１から供給されたＥＰダストを排ガスＧ３によって加熱し、ＥＰダストに含まれる水銀を揮発させる。

次に、注入装置１３によって、ファン９の排ガスによって加熱されたＥＰダストを含む排ガスＧ４に、塩素ガス又は塩化水素を注入し、ＥＰダストから揮発した金属水銀を水溶性の塩化水銀に転化させる。ここで、最適化演算機２０には、予め、金属水銀から塩化水銀への転化率の目標値と、排ガスＧ６中の塩素ガス又は塩化水素の濃度の目標値を設定する。そして、濃度計１０、１４による金属水銀及び塩化水銀の濃度を測定するとともに、濃度計１７によって塩素ガス又は塩化水素の濃度を測定し、最適化演算機２０に随時測定値が入力される。そして、測定された金属水銀及び塩化水銀の濃度から塩化水銀への転化率が計算される。この実測値が目標値をクリアするように維持されることが望ましい。一方、濃度計１７によって測定された塩素ガス又は塩化水素の値は、過剰に塩素ガス又は塩化水素が注入されないように、目標値よりも低いレベルに維持されることが好ましい。このように、各濃度計１０、１４、１７で測定された入力値及びその変動挙動と、予め設定された目標値をもとに、最適化演算機２０によって適正な注入量が計算され、予め設定された目標値に近づくように塩素ガス又は塩化水素の注入量が最適に制御される。金属水銀から塩化水銀への転化率の目標値は、ＥＰダスト中の水銀含有量、処理設備やその運転条件によって任意の値に設定されるが、概ね８０％以上に設定される。

次に、ＥＰダスト及び揮発した水銀を含む排ガスＧ４は、サイクロン１５に導入され、サイクロン１５で回収されたダストＤ３は、セメントキルンの原料系に戻される。一方、揮発した水銀を含む２００℃以上６００℃以下の排ガスＧ５は、固気分離装置１６に導入され、固気分離装置１６で回収されたダストＤ４は、セメントキルンの原料として利用したり、ダスト供給装置１１を介してダクト１２に供給して再加熱してもよい。

次に、固気分離装置１６の排ガスＧ６は、熱交換器１８に導入され、固気分離装置１６の顕熱を有効利用した後、排ガスＧ６は、水銀回収装置１９に導入され、排ガスＧ６中の水銀（主に塩化水銀）が除去される。尚、排ガスＧ６を熱交換器１８に導入せず、ガス吸収装置を用いた水銀回収装置１９に直接導入して水銀を除去することもできる。水銀回収装置１９において水銀が除去され、無害化した排ガスＧ８は大気に放出するか、キルン系に戻す。

以上のように、本実施の形態によれば、塩素バイパスの排ガスを用いて電気集塵装置２で捕集したＥＰダストを加熱するため、ＥＰダスト中の水銀を揮発させるにあたって新たな熱源を必要とせず、水銀の除去に要するコストを低く抑えることができる。また、これに加え、ＥＰダストを加熱した後の塩素バイパスの排ガスに、塩素ガス又は塩化水素を注入することによって、塩素バイパスの排ガス中の塩化水素とも併せて、ダスト中の金属水銀の塩化水銀（水溶性）への転化を促進させることができ、湿式の水銀回収装置を使用することで、排ガス中から効果的に水銀成分を除去することができる。

尚、上記実施の形態においては、セメントキルンの後段に電気集塵装置２を配置するが、電気集塵装置２に代えて、バグフィルタ、サイクロン、移動式集塵機等を配置し、それら集塵機によってセメントキルンの排ガスに含まれるダストを捕集し、ダスト供給装置１１を介してダクト１２に搬送するようにしてもよい。

また、水銀回収装置１９として、吸収液を用いるガス吸収装置等や、吸着剤により水銀を吸着除去するガス吸着装置を用いることができ、具体的には、カートリッジ式固定相吸着装置、連続クロスフロー式移層吸着装置等を用いることができる。この際、吸着剤としては、硫黄又は金属硫化物、活性炭又は活性炭を担持した吸着媒体、水銀と反応する金属又は水銀を担持した吸着媒体等を用いることが好ましい。この場合、熱交換器１８の排ガスＧ７に吸着剤を吹き込み、ガス化した状態の水銀を吸着除去し、排ガスＧ７から水銀を取り除く。水銀を吸着した吸着剤は、回収して別途適切な最終処理を行う。好ましい最終処理方法として、例えば、水銀リサイクル処理を専門的に行っている企業や機関への委託処理が挙げられる。

さらに、水銀回収装置１９に活性炭や活性コークスなどを用いた吸着装置を使用することで、水銀の他に、抽気ガスＧ１に含まれる微量のダイオキシンやＰＣＢ等の有機塩素化合物に代表される有害物質を吸着除去することもできる。

尚、上記の実施形態においては、サイクロン６で粗粉Ｄ１を分級した後に、微粉Ｄ２を含む排ガスＧ２を固気分離装置７に導入するが、サイクロン６を設けることなく、プローブ４で抽気した抽気ガスＧ１を固気分離装置７に直接導入してもよい。

本発明にかかるセメントキルン排ガスの処理装置の一実施の形態を示すフローチャートである。

符号の説明

１ セメントキルン排ガスの処理装置
２ 電気集塵装置
４ プローブ
５ 冷却ファン
６ サイクロン
７ 固気分離装置
８ ダストタンク
９ ファン
１０ （金属水銀濃度計及び塩化水銀）濃度計
１１ ダスト供給装置
１２ ダクト
１３ 注入装置
１４ （金属水銀濃度計及び塩化水銀）濃度計
１５ サイクロン
１６ 固気分離装置
１７ （塩素ガス又は塩化水素）濃度計
１８ 熱交換器
１９ 水銀回収装置
２０ 最適化演算機
Ｄ１ 粗粉
Ｄ２ 微粉
Ｄ３、Ｄ４ ダスト
Ｇ１ 抽気ガス
Ｇ２〜Ｇ８ 排ガス

Claims (5)

1. セメントキルンの排ガスに含まれるダストを集塵する集塵装置と、
   該集塵装置で集塵されたダストを直接加熱するために、該ダストを、セメント焼成設備に付設された塩素バイパスにおける微粉を集塵する固気分離装置の下流側の排気ダクトに供給するダスト供給装置と、
   前記排気ダクトに塩素ガスを注入する塩素ガス注入装置又は塩化水素を注入する塩化水素注入装置と、
   前記加熱によって揮発した水銀を回収する水銀回収装置とを備えることを特徴とするセメントキルン排ガスの処理装置。
2. 前記集塵装置で集塵されたダストを加熱する塩素バイパスの排ガスは、３００℃以上７００℃以下の含塵ガスを固気分離する固気分離装置を通過したガスであることを特徴とする請求項１に記載のセメントキルン排ガスの処理装置。
3. 前記集塵装置で集塵されたダストを加熱した後の塩素バイパスからの２００℃以上６００℃以下の含塵ガスを固気分離する固気分離装置を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のセメントキルン排ガスの処理装置。
4. セメントキルンの排ガスに含まれるダストを集塵し、
   該集塵によって得られたダストを、セメント焼成設備に付設された塩素バイパスにおける微粉を集塵する固気分離装置の下流側の排気ダクトに供給して直接加熱し、
   かつ、前記排気ダクトに塩素ガス又は塩化水素を注入し、
   前記加熱によって揮発した水銀を回収することを特徴とするセメントキルン排ガスの処理方法。
5. 前記集塵によって得られたダストを加熱した後の塩素バイパスの排ガスに塩素ガス又は塩化水素を注入し、
   該塩素ガス又は塩化水素の注入点の上流側及び下流側の排ガスに含まれる金属水銀の濃度と塩化水銀の濃度を測定して塩化水銀への転化率を算出し、
   前記塩素ガス又は塩化水素の注入点の下流側の排ガスに含まれる塩素ガス又は塩化水素の濃度を測定し、
   前記塩化水銀への転化率の目標値、前記塩素ガス又は塩化水素の濃度の目標値を設定し、 前記塩化水銀への転化率及び前記塩素ガス又は塩化水素の濃度が、前記各々の目標値に近づくような最適化演算を行って前記塩素ガス又は塩化水素の注入量を制御することを特徴とする請求項４に記載のセメントキルン排ガスの処理方法。

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