JP5783836B2

JP5783836B2 - 焼成物の製造方法

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Publication number: JP5783836B2
Application number: JP2011166924A
Authority: JP
Inventors: 賢三杉本; 宏志永田; 敬司茶林; 中村　明則; 明則中村; 弘義加藤
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: JP2013028511A

Description

本発明は、水硬率（ＨＭ）が０．４以下である焼成物を、プレヒーター付きロータリーキルンを用いて焼成して得る方法に関する。詳しくは、廃棄物や副産物を原燃料として利用し、有用な焼成物を得るに際して、既存の設備を有効に利用可能な製造方法を提供するものである。

近年の地球環境問題と関連して、廃棄物、副産物等の有効利用は重要な課題となっている。セメント産業、セメント製造設備の特徴を生かし、セメント製造時に原料や燃料として廃棄物を有効利用あるいは処理を行うことは、安全かつ大量処分が可能という観点から有効とされている。

廃棄物、副産物等の中で、石炭灰、都市ごみ焼却灰、高炉水砕スラグ、高炉徐冷スラグ等、特に石炭灰は、通常のセメントクリンカー組成に比べ、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が多い。そのためこのような廃棄物、副産物等の使用量を増加させた場合、セメントクリンカー成分のうち間隙相に当たる３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３含有量が増加することになり、セメント物性に影響が生じる。従って、セメント製造での廃棄物、副産物等の利用量は、Ａｌ_２Ｏ_３成分の量により制約を受け、多量に使用できないという問題がある。

そのようななか、上記石炭灰を主成分とし、Ｃａを含む原料を副成分としてＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２（以下ＣＡＳ_２と略記する場合がある）を含有する焼成物を製造し、セメント混合材や細骨材などとする技術が提案されている（特許文献１、２等参照）。

またＣＡＳ_２以外にも、廃棄物の有効利用方法として、該廃棄物を焼成して水硬率が０．４以下の各種焼成物を得る方法が提案されている（例えば、特許文献３、４等参照）。

なお水硬率（ＨＭ）とは、焼成物中における各金属酸化物量からＣａＯ／（ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３）なる式で求められる指標である。従って、上記ＣＡＳ_２などの水硬率の小さな焼成物は、必然的にＣａの含有率が小さい。

ところで、ポルトランドセメントクリンカーなどの水硬率の大きな（通常、１．７〜２．５程度）焼成物、即ち、Ｃａの含有率が高い焼成物を得る際には、コスト等の点でＣａ源として石灰石が使用されることが通常である。このポルトランドセメントクリンカーを製造する際には、通常、プレヒーター付きロータリーキルンが用いられる（図１参照）。該プレヒーターとは、キルン窯尻からの排ガスの余熱を利用して、原料を予熱し、エネルギー効率を高めるためのものである。

上記ポルトランドセメントクリンカーの製造時には、石灰石（ＣａＣＯ_３）は６５０℃〜８５０℃程度の温度域で炭酸ガスを解離して酸化カルシウムへと変換される工程を経る。この反応は吸熱反応であり、通常のプレヒーター付きロータリーキルンは、このような脱炭酸ガスによる吸熱反応がプレヒーター内で起こることを前提に設計、構築されている。

特許第４４９４７４３号公報特許第４４５６８３２号公報特開２００７−２７５８６８号公報特開２００８−４９３３０号公報

しかしながら前記水硬率の小さな焼成物はＣａ含有率が低いため、Ｃａ源として全てＣａＣＯ_３を用いたとしても、脱炭酸による吸熱量が小さく、よってポルトランドセメント用のプレヒーター付きロータリーキルンを用いて焼成した場合、プレヒーター内やキルン窯尻の温度が上昇しすぎるという事態を生じることが明らかとなった。この傾向は、ＣａＣＯ_３以外のＣａ源も比較的多く含まれる廃棄物・副産物を原料に用いる場合においていっそう顕著である。

窯尻やプレヒーター温度の上昇はキルン内の焼成制御が難しくなるばかりか、過上昇の場合は装置の耐久性にも問題を生じる。また、窯尻温度やプレヒーター温度の上昇にともない、プレヒーターからキルン窯尻、そしてキルンへ流れる原料の温度も上昇し、その流れも悪化する。さらに、窯尻温度やプレヒーター温度の上昇、プレヒーターからキルン窯尻、そしてキルンへ流れる原料の温度の上昇は、電気集塵機などの排ガス処理設備性能の悪化に繋がる要素となる。

従って、本発明の目的は、既存のポルトランドセメント用のプレヒーター付きロータリーキルンの基本構造を変更することなく、効率よく水硬率（ＨＭ）が０．４以下である焼成物を得る方法を提供することにある。

本発明者等は上記課題を解決するため鋭意検討を進めた。そして従来は高いエネルギー効率を得るために、キルン窯尻からそのままプレヒーターへと導いていた排ガスの温度を、該プレヒーターに導入される前に温度低下させることにより、プレヒーター温度が上昇しすぎることを防止できることを見出し、本発明の完成に至った。

即ち本発明は、水硬率（ＨＭ）が０．４以下である焼成物を、プレヒーター付きロータリーキルンを用いて焼成して得る方法であって、プレヒーター最下段のサイクロンとロータリーキルン窯尻の間に設置された窯尻ハウジング内に散水し、
更に、前記窯尻ハウジングとロータリーキルンとの接続部付近であって、窯尻ハウジングの窯尻傾斜部とキルン窯尻接続部の最下部（０°）を中心として、回転方向に−４５°〜９０°の範囲に高圧でガスを吹き付けることを特徴とする前記焼成物の製造方法である。

また本発明は、上記方法を実施することの容易な製造装置をも提供する。

本発明の焼成方法によれば、多量の廃棄物、副産物等の有効利用を可能とする焼成物を、既存のポルトランドセメントの製造設備をほぼそのまま使用して製造することができ、製造コストの点で極めて有用である。

ＮＳＰキルンの模式図。ロータリーキルン窯尻及び窯尻ハウジング周辺の構造を示す側面方向から見た模式図。窯尻ハウジングに配置された散水ノズル及び高圧ガス導入ノズルの設置位置を示す窯尻方向から見た模式図。窯尻ハウジングとロータリーキルンとの接続部付近における好ましいガス吹きつけ位置を窯尻方向から見た断面模式図。

本発明において用いるプレヒーター付きロータリーキルンは、従来公知のポルトランドセメント製造用のプレヒーター付きロータリーキルン、具体的にはＳＰキルン、ＮＳＰキルン等をそのまま用いることができる。

ＳＰキルン、ＮＳＰキルン等においては、プレヒーターに複数のサイクロンが配置されており、これらサイクロンのうちの最下段のサイクロンとキルンの窯尻とは、プレヒーター下部から流れる原料をキルンへと導くための窯尻ハウジングにより接続されている。

本発明の特徴は、当該窯尻ハウジングにおいて、その内部に散水する点にある（図２参照）。この部分で散水することにより、キルンからの排ガスが冷却されることになり、結果としてプレヒーターの過剰な温度上昇を防止することができる。

なお、キルンからの排ガスの温度低下方法としては、熱交換装置を設けることなども考えられるが、十分な熱交換容量を得るためには複雑な形状を持たせる必要があり、これにより原料の円滑なキルンへの移動を妨げる虞がある。

散水量は上記目的を達せられる範囲であれば特に限定されることはないが、具体的に例示すると、９００℃から７００℃への２００℃の温度低減には、キルンからの排ガス１Ｎｍ^３当たり１００〜１３０ｇ程度が好ましく、１１０〜１１５ｇ程度がより好ましい。

散水方法は公知の方法を特に限定無く採用でき、例えば、図３に示すように窯尻ハウジングの窯尻傾斜部に１個〜複数個の散水ノズルを設ける方法が好適に採用できる。散水ノズルの数が少ないほど構造を簡単にできるが、万遍なく排ガス温度を低下させるという点からは散水ノズルの数は多い方が好ましい。これらの観点から、散水ノズルの数としては４〜１２個とするのが好適である。散水ノズルとしては、例えば、ガス冷却用一流体ノズルや二流体ノズル等が挙げられる。

用いる水としては一般的な工水、上水等を用いることが可能である。また焼成物の組成に影響を与えない範囲で、各種不純物を含んだ工場廃水等を用いることも可能である。なお水を用いるのは、不燃性であることに加え、気化熱が大きく、よって相対的に少量で排ガス温度を低下させることが可能なためである。

このような散水により、ロータリーキルン窯尻からの排ガスの温度を低下させることができ、もって原料やプレヒーターを構成する各装置の温度上昇を抑制することが可能となる。また窯尻ハウジング内への散水という簡便な手段で上記効果が得られるため、既設の装置に対してサイクロン毎に温度低減手段を設けるなどの大規模改造を行う必要性がない。

本発明においては、原料の窯尻ハウジングからキルン窯尻への移動をより円滑に進めるために、窯尻ハウジングのロータリーキルンとの接続部付近（窯尻シール部付近）に高圧でガスを吹き付けることも好ましい。

即ち、窯尻ハウジングとキルン窯尻との接続部には原料受け金物などによる摺動部からの原料漏れ防止策による段差が存在するのが一般的であり、本発明における焼成物の原料は、この段差部により原料の移動が妨げられる傾向が強い（図２参照）。この傾向は前述のとおり、原料温度が高いほど大きい。そこで、当該接続部に対して高圧でガスを吹き付け原料をキルン内に押し込む。該ガスが吹きつけられる位置は、窯尻ハウジングの窯尻傾斜部とキルン窯尻接続部の最下部（０°）を中心として、キルンの回転を考慮し、回転方向に−４５°〜９０°の範囲とすることが好ましく、−９０°〜９０°の範囲とすることがより好ましい（図４では−４５°〜９０°を示している）。

用いるガスとしては、自己燃焼性のないガスであれば特に限定されず、空気、窒素、アルゴン、二酸化炭素等が例示されるが、コスト等の点で空気が最も好ましい。

ガス圧は上記目的を達せられる程度に高圧であれば特に限定されないが、一般的にはノズル端圧で０．５〜２．０ＭＰａ程度が好ましい。吹き付けるガス量は上記目的を達せられる範囲であれば特に限定されない。また当該ガスの吹きつけは連続的に行っても良いし、断続的に行ってもよい。断続的に行う場合、その吹きつけ間隔は、１分〜１０分程度の間隔が好ましい。

高圧ガスの吹きつけを行うためのノズルの設置位置は、該ガスが窯尻ハウジングのロータリーキルンとの接続部付近に吹き付けることが可能な位置であれば特に限定されないが、通常は窯尻ハウジングの傾斜部の底部に設置すればよい。吹きつけの効率を考慮すると、上記接続部に近い方が好ましい。ノズルの数も特に限定されず１個〜複数個設置することができるが、上記目的を達成するためには、通常、６〜１２個である。複数個設置する場合、各々のノズルから吹き付けられるガスの当たる位置は異なる位置となるようにすることが好ましい。

本発明の焼成物を得るための製造設備には、上記したプレヒーター及びロータリーキルン等に加えて、ポルトランドセメントクリンカー製造設備が備える通常の装置を有していることが好ましい。具体的には、原料を乾燥する乾燥装置、上記乾燥された原料を粉砕する粉砕装置、およびロータリーキルンより得られる焼成物を冷却するクーラーなどが挙げられる。

本発明の水硬率が０．４以下の焼成物の製造方法において、用いる原料は特に限定されず、前記したＣＡＳ_２等の原料として公知の原料を特に限定することなく使用できる。例えば、廃棄物としては、具体的には、下水処理設備等よりより排出される含水汚泥、油等の有機物によって汚染された汚染土壌、廃プラスチック、木屑、廃液排水、コンクリート塊、煉瓦屑等が挙げられる。

勿論、石灰石、硅石、粘土、石炭灰など、セメントクリンカー原料として公知の原料を同時に使用することも特に制限されるものではない。

本発明において、本発明の効果を得るためには、原料の少なくとも一部はプレヒーター最下段のサイクロンよりも上流で装置内に投入される必要があり、熱効率等を考慮すると通常は、最上段のサイクロンへ投入することが好ましいが、必ずしも原料の全量がそのような位置にて投入される必要はなく、廃棄物の性状に応じて適宜、他の場所から投入してもよい。例えば、ロータリーキルンの窯尻ハウジング、仮焼炉等が挙げられる。

具体的には、含水汚泥のような塊状物は、プレヒーターの仮焼炉、プレヒーター最下段のサイクロンから窯尻ハウジングへの原料シュート、或いは、ロータリーキルンの窯尻ハウジングに供給されることが好ましい。特に、上記原料シュートや窯尻ハウジングに含水汚泥を供給し、該原料シュートや窯尻ハウジングを流れる原料とともにキルン内に供給する態様は、大量の供給量を安定して確保することができ好ましい。

また、汚染土壌のような粒状物は、粉砕することなく、前記原料シュート、窯尻ハウジングに供給することが好ましい。

本発明において、製造設備の運転条件は、目的とする焼成物を得られる条件範囲で適宜制御すればよい。例えばＣＡＳ_２を得る場合には、組成を調製した原料が、ロータリーキルン内での最高温度１０００℃〜１４００℃の範囲で焼成されるようにすればよい。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

石炭灰を主成分とし、Ｃａを含むポルトランドセメントクリンカー用の原料粉末を副成分として、水硬率（ＨＭ）が０．２となるように調整した原料を用いて、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２を含有する焼成物を製造した。

プレヒーターを備えた焼成装置としては、普通ポルトランドセメントクリンカーの生産量として約１２５万トン／年の能力を有するＮＳＰキルンを用いた。

このＮＳＰキルンにはプレヒーター最下段のサイクロンとロータリーキルン窯尻との間に設置された窯尻ハウジングの窯尻傾斜部に散水するために、ガス冷却用一流体ノズルを１０本設けた。また窯尻ハウジングの傾斜部とロータリーキルンとの接続部付近に空気を吹き付けるために、ビンブローを９基設置した。

上記焼成物用に調整された調合原料を約９０ｔ／ｈでプレヒーター最上部に設けた原料シュートから投入し、キルンにフィードした。キルンで焼成された焼成物がクーラーから出始めたところから随時試料を採取した。

原料及び焼成物の化学組成、鉱物組成は、原料又は焼成物をセメントの化学分析法に準ずる方法による化学分析（蛍光Ｘ線分析）にかけ、粉末Ｘ線回折の内部標準を用いたリートベルト解析にてＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２量を求めた。

９０ｔ／ｈでプレヒーターの最上段から原料の導入を開始すると同時にキルン昇温を行ったが、プレヒーター温度の上昇と、窯尻ハウジングの窯尻傾斜部での原料の流れの悪化で、充分な焼成が困難となった。

その後、プレヒーター最下段のサイクロンとロータリーキルン窯尻の間に設置された窯尻ハウジングの窯尻傾斜部へ１８ｔ／ｈの散水を行うとともに、ビンブローによるロータリーキルンとの接続部付近に高圧（１．０ＭＰａ）で空気を吹き付けることにより、原料の流れを回復し、キルンの昇温を継続し、安定した焼成状態が得られた。

表１に得られた焼成物の化学分析とＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２量を求めた結果を示す。上段が、散水およびビンブローによるガス吹きつけ前、下段が散水およびガス吹きつけ後のデータである。

表１中のＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２量の増加から高い温度での焼成が可能となっていることが理解される。

Claims

水硬率（ＨＭ）が０．４以下である焼成物を、プレヒーター付きロータリーキルンを用いて焼成して得る方法であって、プレヒーター最下段のサイクロンとロータリーキルン窯尻との間に設置された窯尻ハウジング内に散水し、
更に、前記窯尻ハウジングとロータリーキルンとの接続部付近であって、窯尻ハウジングの窯尻傾斜部とキルン窯尻接続部の最下部（０°）を中心として、回転方向に−４５°〜９０°の範囲に高圧でガスを吹き付けることを特徴とする前記焼成物の製造方法。
高圧でガスを吹き付ける手段がビンブローである請求項１記載の焼成物の製造方法
複数のサイクロンを有するプレヒーター、ロータリーキルン及びプレヒーター最下段のサイクロンとロータリーキルン窯尻との間に設置された窯尻ハウジングを有する水硬率（ＨＭ）が０．４以下である焼成物の製造装置であって、該窯尻ハウジングには、複数の散水ノズルが設けられており、更に、窯尻ハウジングとロータリーキルンとの接続部付近であって、窯尻ハウジングの窯尻傾斜部とキルン窯尻接続部の最下部（０°）を中心として、回転方向に−４５°〜９０°の範囲にガスが吹きつけられる位置にガスノズルを有することを特徴とする焼成物焼成装置。