JP6622595B2 - セメントクリンカーの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は効率的なセメントクリンカーの製造方法に係る。

セメント産業は、大量生産・大量消費型産業であり、省資源・省エネルギーは最重要課題となっている。例えば、最も大量に製造されているポルドランドセメントは所定の化学組成に調整された原料を１４５０℃〜１５５０℃もの高温で焼成してクリンカーとする必要があり、焼成工程が最もエネルギー消費の大きい工程である。すなわち、クリンカーの焼成温度を低減することができればエネルギー削減につながる。クリンカーの焼成温度低減にはクリンカーの主要鉱物であるＣ_４ＡＦ（４ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｆｅ_２Ｏ_３）を増加させる技術が開発されている（特許文献１）。

一方、セメントクリンカーの製造に際しては所望の鉱物組成とし、かつｆ−ＣａＯの生成量を抑制するため適切な温度制御が必要である。セメントクリンカーを製造する際は、廃プラスチックを使用することが一般的であるが、プラスチック系廃棄物の発熱量は３０００〜１３０００ｋｃａｌ／ｋｇとばらつきがあり、使用した際は変動が大きく、安定した適切な温度制御が困難である。それを解決するため、二段階の粉砕を行うなどして発熱量の変動を少なくする方法が提案されている（特許文献２）。

特許第５６６５６３８号公報 特許第４３０２０５３号公報

ところで本発明者等の検討によれば、特許文献１記載のセメントクリンカーは、焼成するに際しては従来型のセメントクリンカーに比べて温度管理を厳にしなければならないという問題があることが判った。しかしながら、プラスチック系廃棄物は前記の通り発熱量の変動が大きく、これを使用する際は所定焼成物を安定的に得ることが困難である。そこで本発明では、炉内温度変動を小さくし、特許文献１のセメントクリンカーを安定的に得る方法を提供することを目的とする。

本発明者等は上記課題に鑑み、鋭意検討を行った。そして、特許文献２の方法を用いて所定発熱量に調整し、所定量を使用することによって、プラスチック系廃棄物が使用しても炉内温度変動を小さくして安定的に所定焼成物が得られることが可能なことを見出し、本発明を完成した。

ボーグ式により算出されるＣ_３ＡおよびＣ_４ＡＦの合計量が２２〜３２％、Ｃ_３Ｓ量が６０％以上、かつ鉄率（Ｉ．Ｍ．）が０．８〜１．３となるように原料を調整し、これを、プラスチック系廃棄物を熱源の一部として１３００〜１４００℃で焼成するに際し、プラスチック系廃棄物の熱量を５０００〜１００００ｋｃａｌ／ｋｇに調整すると共に、当該プラスチック系廃棄物由来の熱量が全熱量の５０％以下となるようにその使用量を調整して用いることを特徴とするセメントクリンカーの製造方法である。

なおここで、本発明におけるプラスチック系廃棄物とは熱可塑性又は熱硬化性の合成樹脂類を主成分とする廃棄物を示し、これに紙類、厨芥類、天然繊維類、木草類が混入していてもよい。

本発明によれば、プラスチック系廃棄物を使用するとともに、焼成温度の変動を小さくできるため、適切な炉内環境の制御ができ、よって焼成不良となってしまうセメントクリンカーの割合を大いに減ずることが可能となる。

本発明を実施するためのセメント製造装置の概略図である。

本発明のセメントクリンカーにおけるＣ_３Ａ、Ｃ_４ＡＦおよびＣ_３Ｓ量は、ボーグ式によって求められるものである。

ボーグ式は、係数・諸比率とならんで利用され、主要化学分析値を用いておよその主要化合物組成を算出する計算式であり、当業者には周知の式であるが、念のため、以下にボーグ式によるクリンカー中の各鉱物量の求め方を記しておく。

Ｃ_３Ｓ量 ＝ （４．０７×ＣａＯ）―（７．６０×ＳｉＯ_２）―（６．７２×Ａｌ_２Ｏ_３）―（１．４３×Ｆｅ_２Ｏ_３）
Ｃ_２Ｓ量 ＝ （２．８７×ＳｉＯ_２）―（０．７５４×Ｃ_３Ｓ）
Ｃ_３Ａ量 ＝ （２．６５×Ａｌ_２Ｏ_３）―（１．６９×Ｆｅ_２Ｏ_３）
Ｃ_４ＡＦ量 ＝ ３．０４×Ｆｅ_２Ｏ_３

また鉄率（Ｉ．Ｍ．）は、水硬率（Ｈ．Ｍ．）ケイ率（Ｓ．Ｍ.）、活動係数（Ａ．Ｉ．）および石灰飽和度（Ｌ．Ｓ．Ｄ．）とならんで、主要化学成分値を用いて求められ、クリンカー製造管理のための特性値として、回数・諸比率の一つとして利用されており、当業者には周知の係数であるが、念のため、以下に当該鉄率の計算方法を他の係数値と併せて記しておく。

水硬率（Ｈ．Ｍ．） ＝ ＣａＯ／（ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３）
ケイ酸率（Ｓ．Ｍ．） ＝ ＳｉＯ_２／（Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３）
鉄率（Ｉ．Ｍ．） ＝ Ａｌ_２Ｏ_３／Ｆｅ_２Ｏ_３
活動係数（Ａ．Ｉ．） ＝ ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３
石灰飽和度（Ｌ．Ｓ．Ｄ．） ＝ ＣａＯ／（２．８×ＳｉＯ_２＋１．２×Ａｌ_２Ｏ_３＋０．６５×Ｆｅ_２Ｏ_３）

なお、上記中の「ＣａＯ」、「ＳｉＯ_２」、「Ａｌ_２Ｏ_３」および「Ｆｅ_２Ｏ_３」は、それぞれＪＩＳ Ｒ ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析法」やＪＩＳ Ｒ ５２０４「セメントの蛍光Ｘ線分析法」などに準拠した方法により測定できる。

上述の通り、本発明のセメントクリンカーにおいては、Ｃ_３Ａ、Ｃ_４ＡＦの量はその合計が２２％〜３２％でなくてはならない。これらの量が２２％を下回ると強度発現性などの物性の良好なセメントクリンカーを１３００〜１４００℃の温度で焼成して得ることが困難になる。より好ましい合計量は２４％以上である。一方でこれらの量が３２％を上回ると液相量が多すぎるため、ロータリーキルン内でのコーチングの発達等、キルン運転に影響を及ぼす。より好ましい合計量は２８％以下である。またこの両成分のうち、Ｃ_４ＡＦは、低温でも十分に焼結させることができ、かつクリンカー中のｆ−ＣａＯ量を少なくできる点で、単独で１５％以上存在することが好ましい。

Ｃ_３Ｓ量は本発明のセメントクリンカーを用いたセメント組成物（以下、単に「セメント」）の強度発現性に対して極めて重要である。この量が６０％を下回るとＣ_３ＡおよびＣ_４ＡＦの合計量および後述する鉄率を所定の範囲にしても良好な強度発現性を得られない。Ｃ_３Ｓ量は６２％以上であることが好ましく、６３％以上であることが特に好ましい。なお上述したＣ_３ＡおよびＣ_４ＡＦの合計量は少なくとも２２％であるから、Ｃ_３Ｓ量の上限は７８％となる。凝結の開始から終結までの時間をある程度確保するために、７０％以下が好ましく、６５％以下がより好ましい。

本発明のセメントクリンカーにはさらにＣ_２Ｓが含まれていてもよい。その量は１８％以下であり、３％以上であることが好ましい。長期強度を得るという観点から、特に好ましくはＣ_３Ｓ量との合計量が６９％以上となる量である。

本発明のセメントクリンカーにおいては鉄率（Ｉ．Ｍ．）を０．８〜１．３とする。鉄率が０．８を下回ると十分な凝結性状が得られず、硬化体を形成しにくくなり、強度発現性を得ることができない。鉄率が１．３を超えると、本発明のセメントクリンカーにおける他の要件を満足していても十分な強度発現性（より具体的には、例えばモルタル強さ発現）を得ることができない。さらに鉄率が１．３を超える場合、凝結開始から終結までの時間が長くなりすぎる傾向にあり、この点からも鉄率は０．８〜１．３とする。より好ましい鉄率の範囲は１．０〜１．３であり、特に好ましくは１．１４〜１．２７である。

水硬率及びケイ酸率は特に限定されるものではないが、各種物性のバランスに優れたものとするために、水硬率は好ましくは１．８〜２．２、特に好ましくは１．９〜２．１であり、またケイ酸率は好ましくは１．０〜２．０、特に好ましくは１．１〜１．７である。

本発明においては、上記組成になるように計算、配合された原料をロータリーキルンにて１３００〜１４００℃で焼成する。組成の計算は、従来公知の方法によればよく、原料となる石灰石、軟珪石、粘土等の天然原料や、高炉スラグ、製鋼スラグ、非鉄鉱滓、石炭灰、下水汚泥、浄水汚泥、製紙スラッジ、建設発生土、鋳物砂、ばいじん、焼却飛灰、溶融飛灰、塩素バイパスダスト、木屑、廃白土、ボタ、廃タイヤ、貝殻、都市ごみやその焼却灰等の副産物・廃棄物原料の化学組成を各々測定し、調合比を求めるなどの方法によればよい。

なお通常、プラスチック系廃棄物は大部分が有機物であるため、上記鉱物組成の計算に際しては、プラスチック系廃棄物由来の元素は考慮しなくともよい。

本発明において使用するプラスチック系廃棄物の分析値例を表１に示す。

表１に示すように、プラスチック系廃棄物の発熱量には大きな幅があるため、本発明においては、５０００〜１００００ｋｃａｌ／ｋｇの範囲となるように調整する。調整後、
ロータリーキルンの下流にあるバーナーより吹き込むことによってクリンカー焼成温度が好ましくは１３００〜１４００℃となるよう調整を行う。

ロータリーキルンとしては公知のものを使用でき、具体的にはＳＰキルン、ＮＳＰキルン等を用いることができる。

調整されたプラスチック系廃棄物の発熱量は５０００〜１００００ｋｃａｌ／ｋｇの範囲とするが、好ましくは６０００〜８０００ｋｃａｌ／ｋｇである。またその使用量は石炭、重油等の他の熱源を合わせた全熱量の５０％以下、より好ましくは３０％以下で使用する。また、プラスチック系廃棄物の大きさについては例えば４０ｍｍ角以下に破砕して使用することが好ましい。

プラスチック系廃棄物の発熱量の調整方法は特に限定されず、公知の方法を採用すればよいが、例えば、予め分析した発熱量が異なるプラスチック系廃棄物を破砕機によって破砕混合、ミキサーによって混合、粉砕ミルによって粉砕混合、輸送経路内での循環混合、光学選別機や手選による有機物の回収、磁力選別機や浮力選別機による無機物の除去とする方法がある。調整後のプラスチック系廃棄物の分析値例を表２に示す。

本発明におけるプラスチック系廃棄物の使用方法について、図面を参照してより詳しく説明する。図１においては、プレヒーター（１）を経由してきたクリンカー原料は、ロータリーキルン（２）に導入されそこで焼成される。窯前側のバーナー（３）より調整されたプラスチック系廃棄物を微粉炭または重油と共に吹き込むことによって使用する。なお、図では同一のバーナーを用いているが、各々を別々のバーナーを使用して吹き込んでもよい。

本発明におけるセメントクリンカーは、１３００℃未満では十分に焼成が成されない傾向が強く、一方１４００℃を超えると溶融してしまい激しいコーチングを引き起こす傾向がある。そのため使用するプラスチック系廃棄物の発熱量および使用量を調整し、焼点温度計により温度をリアルタイムで測定し、必要に応じて温度制御を行う。

温度制御の具体的な方法としては、熱源の増減であり、微粉炭または重油の増減が好ましい。具体的には、所定の温度よりも高温になってきた場合、熱源となる微粉炭や重油の量を減らし、逆に低温になってきた場合には増やす操作を行えば良い。

本発明の製造方法で製造されたセメントクリンカーは、従来公知のセメントクリンカーと同様、セッコウと共に粉砕または個別に粉砕した後、混合することにより、セメントとすることができる。当該セメントとしては、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメントが挙げられる。またポルトランドセメントとする以外にも、各種混合セメントや、土壌固化材等の固化材の構成成分として使用することも可能である。

セッコウを加えてセメントとする場合、使用するセッコウについては、二水セッコウ、半水セッコウ、無水セッコウ等のセメント製造原料として公知のセッコウが特に制限なく使用できる。セッコウの添加量は、ポルトランドセメントの場合、そのなかのＳＯ_３量が１．５〜５．０質量％となるように添加することが好ましく、１．８〜３質量％となるような添加量がより好ましい。上記セメントクリンカーおよびセッコウの粉砕方法については、公知の技術が特に制限なく使用できる。

また、当該セメントには、高炉スラグ、シリカ質混合材、フライアッシュ、炭酸カルシウム、石灰石等の混合材や粉砕助剤を適宜添加して混合粉砕するか、粉砕後に混合材と混合してもよい。また塩素バイパスダスト等を混合してもよい。

セメントの粉末度は、特に制限されないが、ブレーン比表面積で２８００〜４５００ｃｍ^２／ｇに調整されることが好ましい。

さらに必要に応じ、粉砕後に高炉スラグ、フライアッシュ等を混合し、高炉スラグセメント、フライアッシュセメント等にすることも可能である。

１．プレヒーター
２．ロータリーキルン胴体
３．燃料バーナー

Claims (4)

1. ボーグ式により算出されるＣ_３ＡおよびＣ_４ＡＦの合計量が２２〜３２％、Ｃ_３Ｓ量が６０％以上、かつ鉄率（Ｉ．Ｍ．）が０．８〜１．３となるように原料を調整し、これを、プラスチック系廃棄物を熱源の一部として１３００〜１４００℃で焼成するに際し、プラスチック系廃棄物の熱量を５０００〜１００００ｋｃａｌ／ｋｇに調整すると共に、当該プラスチック系廃棄物由来の熱量が全熱量の５０％以下となるようにその使用量を調整して用いることを特徴とするセメントクリンカーの製造方法。
2. プラスチック系廃棄物の熱量を６０００〜８０００ｋｃａｌ／ｋｇに調整する請求項１記載のセメントクリンカーの製造方法。
3. プラスチック系廃棄物由来の熱量が全熱量の３０％以下となるようにその使用量を調整して用いる請求項１又は２記載のセメントクリンカーの製造方法。
4. プラスチック系廃棄物が４０ｍｍ角以下の大きさに破砕されたものである請求項１乃至３いずれか１項記載のセメントクリンカーの製造方法。

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