JP5826487B2 - セメント製造方法 - Google Patents

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装置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可能性もあるため、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必要がある。

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。

上記の点に鑑み、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、濾別した固形分のアルカリ溶出工程と、この濾液から鉛を沈澱させて分離する脱鉛工程と、脱鉛した濾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、この濾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当たって、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、セメント製造工程で発生する塩素バイパスダスト等から重金属類を回収するため、セメント製造工程から重金属類含有ダストとして分離し、該重金属類含有ダストから、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方法が記載されている。

日本特開２００３−１２１８号公報 日本特開２００３−２０１５２４号公報 日本特開２００６−３４７７９４号公報

しかし、上記特許文献に記載の従来技術においては、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から排出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、重金属類の揮発率を上昇させるため、例えば、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方法もあるが、ＣＯガスの発生により、セメントキルンの燃焼排ガスの集塵に用いる電気集塵機の爆発の危険が生ずるとともに、ＣＯガスの系外への排出による環境負荷の増加が懸念される。

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、環境負荷の増加も回避しながら、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。

本発明者らは、上記目的を達成するため、鋭意研究を重ねた結果、固定炭素含有率が所定の値以上の可燃物をセメントキルン内に投入することにより、該セメントキルンを含む焼成工程内で重金属類の揮発率を高めることができることを見出した。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、２０質量％以上の固定炭素を含有する可燃物を、造粒又は／及び分級により粒度調整をした後、セメントキルンの９００℃以上１３００℃以下の領域に供給し、該領域において、８０％以上の揮発率で重金属類を揮発させ、前記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経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、集塵したダストから重金属類を分離することを特徴とする。尚、固定炭素とは、燃焼に寄与する成分であり、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。

上記可燃物を、セメントキルンの９００℃未満の部分に投入した場合は、重金属類が効率よく揮発する領域に到達する前に大部分が燃焼し、重金属類の揮発率を十分に高めることが難しく、一方、１３００℃以上の部分に投入すると、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。上記温度域に可燃物を投入することによって、セメントキルン内の窯尻部での重金属類の揮発率を効果的に向上させることができ、塩素バイパスシステムを利用して塩素バイパスダストへの重金属類の濃縮率を高めることにより、セメント製造工程からの重金属類除去率を上昇させることができる。
また、可燃物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、可燃物粒径をｄpとし、投入部のガス風速をＶpとしたとき、ストークスの沈降速度式、ｄx2＝（１８×μ×Ｖp）／（（ρp−ρg）×ｇ）から求められるｄxが、ｄp＜ｄxとなる場合には、ｄx以上の粒径となるように粒度を造粒や分級により調整する。ここで、μはガス粘度、ρpは可燃物密度、ρgはガス密度、ｇは重力加速度である。さらに、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。

また、上記セメント製造方法において、前記可燃物の固定炭素含有率をα質量％とし、前記セメントキルンへ投入する前記固定炭素を含有する可燃物の量をクリンカ生産量１ｔ当たりβｋｇとした場合、αとβの積を３０以上５０００以下とすることができる。αとβの積が３０未満の場合には、重金属類の揮発率を十分に高めることが難しく、一方、αとβの積が５０００を超える場合には、それ以上の固定炭素を投入しても重金属類の揮発率が頭打ちとなり、また、有価で購入する場合には、該可燃物の使用に要するコストの増大も招くため現実的ではない。

さらに、上記セメント製造方法において、前記抽気した燃焼ガスからダストを集塵するに当たり、乾式集塵機又は湿式集塵機を用いることができる。

上記セメント製造方法において、前記可燃物をセメントキルンの９００℃以上１３００℃以下の領域に供給するに当たり、該可燃物をセメントキルンの窯尻へ投入するか、炭素含有物質を時間差で分解する様温度で分解する物質に覆われた状態で前記セメントキルンに付設されたプレヒータへ投入するか、又は前記可燃物をセメントキルンの胴体部に設けた入口から直接キルン内へ投入するかのいずれかの方法を用いることができる。

また、上記セメント製造方法において、前記可燃物を、コークス、コールタールピッチ、タイヤ、石炭、無煙炭、瀝青炭、亜炭、褐炭、黒鉛、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、セルロース、木炭、廃トナー、ミックスコークス、ファインコークス、電極くず、活性コークス、炭化物及びフライアッシュに含まれる未燃カーボン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。

上記セメント製造方法において、前記可燃物の粒径を１ｍｍ以上５０ｍｍ以下とすることができる。可燃物の粒径が１ｍｍ未満の場合には、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ず、一方、可燃物の粒径が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。

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ず、セメント製造装置の安全性を確保し、環境負荷の増加も回避しながら、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できる。

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類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、セメントキルン（以下「キルン」と略称する）２の窯尻２ａ（仮焼炉３及び最下段サイクロン４が備えられている端部）に可燃物Ｃを投入するための投入装置５を備える。

一方、図２に示すように、キルン２には、塩素バイパス装置１０が備えられ、キルン２の窯尻２ａから最下段サイクロン４（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２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。

図１において、キルン２におけるセメント焼成中に、可燃物Ｃを投入装置５によってキルン２の窯尻２ａに投入する。この可燃物Ｃは、固定炭素を２０質量％以上含有するものであって、例えば、コークス、コールタールピッチ、タイヤ、石炭、無煙炭、瀝青炭、亜炭、褐炭、黒鉛、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、セルロース、木炭、廃トナー、ミックスコークス、ファインコークス、電極くず、活性コークス、炭化物及びフライアッシュに含まれる未燃カーボン等が用いられる。このような固定炭素含有率を有する可燃物Ｃを投入する理由は次の通りである。

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、電気炉内にセメント製造工程より採取したキルン２に入る前の原料（最下段サイクロン４から排出された原料）１０００に対しコークス（固定炭素８７％＝α）を５０添加し（５０ｋｇ／ｔ−ｃｌｉ．に相当＝β、α×β＝４３５０）、焼成した場合と、最下段サイクロン４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２の窯尻２ａから中央部程度までに相当する。

キルン２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２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。

表１に示すように、実施例として可燃物Ａ（固定炭素３０質量％）、比較例として可燃物Ｂ（固定炭素１７質量％）を用い、両者をキルン２の窯尻２ａに投入装置５を用いて投入し、鉛揮発率を比較した。

表２に示すように、実施例として、可燃物Ａの投入量を３水準にわたって変化させ、各水準について３日間試験を行い、キルン２に入る前の原料（ａ）とキルン２の通過後のクリンカ（製品）（ｂ）を採取し、次式にて鉛揮発率を算出した。（１−ｂ／ａ）×１００％。尚、この式において、ａは原料の鉛含有率、ｂはクリンカの鉛含有率を示す。一方、比較例として、可燃物Ｂの投入量を３水準にわたって変化させ、各水準について３日間試験を行い、実施例と同様に鉛揮発率を測定した。尚、本比較例においては、可燃物Ａの投入量を一定に維持した。

表２の実施例及び比較例とも、試験時におけるキルン２のクリンカ生産量は、２８５ｔ／ｈであったため、可燃物Ａの投入量が、水準１の２ｔ／ｈの場合には、
２０００ｋｇ／ｈ÷２８５ｔ／ｈ＝７ｋｇ／ｔ−ｃｌｉ．となる。
従って、実施例の水準１では、７ｋｇ／ｔ−ｃｌｉ．＝α、可燃物Ａの固定炭素３０％＝βとすると、α×β＝２１０となる。
また、同様に計算すると、実施例の水準２では、３．５ｋｇ／ｔ−ｃｌｉ．＝α、可燃物Ａの固定炭素３０％＝βとすると、α×β＝１０５となる。

上記試験結果を図４に示す、同図から明らかなように、比較例では、水準１乃至３において、鉛揮発率に変化が見られないのに対し、実施例では、水準１から水準３に向かうにつれて、すなわち、可燃物Ａの投入量を低下させるに従って、鉛揮発率が徐々に低下している。これにより、固定炭素３０質量％の可燃物の投入が鉛揮発率の上昇に寄与することが判る。

次に、表３に示すように、実施例として、クリンカ生産量８５ｔ／ｈのキルン２に可燃物Ｃ（固定炭素８７％＝α）の投入量を４水準にわたって変化させ、比較例として、キルン２に可燃物Ｃを投入せずに、キルン２に入る前の原料（ａ）とキルン２を通過した後のクリンカ（製品）（ｂ）を採取し、上記計算式を用いて鉛揮発率を測定した。同表から明らかなように、比較例では鉛揮発率が８０％に達していないのに対し、実施例では可燃物Ｃの投入量の増加に伴って鉛揮発率が向上している。

尚、上記実施の形態においては、可燃物Ｃを投入装置５によってキルン２の窯尻２ａへ投入したが、炭素含有物質を時間差で分解する様温度で分解する物質に覆われた状態でキルン２に付設されたプレヒータへ投入してもよく、プレヒータへ投入した炭素含有物質がキルン２の９００℃以上１３００℃以下の領域に達した際に２０質量％以上の固定炭素を含有することで上記と同様の効果を奏する。また、可燃物Ｃをキルン２の胴体部に設けた入口から直接キルン２内へ投入することもできる。

また、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、鉛、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。

本発明にかかるセメント製造方法を実施するための装置の一例を示す概略図である。 セメント焼成炉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。

符号の説明

１ セメント製造装置
２ セメントキルン
２ａ 窯尻
３ 仮焼炉
４ 最下段サイクロン
５ 投入装置
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 (6)

1. ２０質量％以上の固定炭素を含有する可燃物を、造粒又は／及び分級により粒度調整をした後、セメントキルンの９００℃以上１３００℃以下の領域に供給し、
   該領域において、８０％以上の揮発率で重金属類を揮発させ、
   前記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経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、
   集塵したダストから重金属類を分離することを特徴とするセメント製造方法。
2. 前記可燃物の固定炭素含有率をα質量％とし、前記セメントキルンへ投入する前記固定炭素を含有する可燃物の量をクリンカ生産量１ｔ当たりβｋｇとした場合、αとβの積を３０以上５０００以下と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。
3. 前記抽気した燃焼ガスからダストを集塵するに当たり、乾式集塵機又は湿式集塵機を用い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。
4. 前記可燃物をセメントキルンの９００℃以上１３００℃以下の領域に供給するに当たり、該可燃物をセメントキルンの窯尻へ投入するか、炭素含有物質を時間差で分解する様温度で分解する物質に覆われた状態で前記セメントキルンに付設されたプレヒータへ投入するか、又は前記可燃物をセメントキルンの胴体部に設けた入口から直接キルン内へ投入するかのいずれかの方法を用いることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のセメント製造方法。
5. 前記可燃物を、コークス、コールタールピッチ、タイヤ、石炭、無煙炭、瀝青炭、亜炭、褐炭、黒鉛、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、セルロース、木炭、廃トナー、ミックスコークス、ファインコークス、電極くず、活性コークス、炭化物及びフライアッシュに含まれる未燃カーボン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乃至４のいずれかに記載のセメント製造方法。
6. 前記可燃物の粒径が１ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のセメント製造方法。

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