JP7212553B2 - 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、特にアルカリ金属含有率の高いリサイクル資源を有効利用しながらセメントを製造する方法に関する。

アルカリ金属含有率の高いリサイクル資源（以下「高アルカリリサイクル資源」という。）として、バイオマス灰、都市ゴミ焼却灰、建設発生土、廃ガラス、火山灰、流動床石炭灰等が存在し、これらの再利用が求められている。

一方、炭素含有率の高い石炭灰をセメントクリンカの構成成分として有効に活用するため、特定の鉱物組成を有する第１のクリンカを焼成し、該クリンカと特定量の石炭灰を反応させて普通ポルトランドセメントクリンカを製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

また、特許文献２には、炭素含有率の高い石炭灰を大量に処理するため、特定の鉱物組成を有する第１のクリンカを焼成し、該クリンカと特定量の石炭灰、バインダー及び水で組成物を成形し、クリンカクーラ内の８００～１４００℃の領域に投入してセメントクリンカと混合すると共に、該成形物中に含まれる炭素及び有機物を燃焼させて除去し、さらに石膏を添加して粉砕するセメント組成物の製造方法が提案されている。

さらに、特許文献３には、セメント焼成装置の安定運転を維持しながら、低コストでセメントクリンカのＳＯ₃含有率を高めるため、廃石膏ボードを破砕し、破砕物を粗粒と細粒とに分級し、細粒をセメントキルンの窯前から吹き込みノズルを介して吹き込むにあたり、細粒の平均吹き込み位置をセメントキルンの１３００℃以上１４００℃未満の領域とするセメントクリンカの焼成方法が記載されている。

また、特許文献４には、特定の鉱物組成を有する第１のクリンカを焼成し、該クリンカと特定量の高炉水砕スラグをクリンカクーラ内の７１０～１４００℃の領域に投入してクリンカと混合し、クリンカを冷却すると同時に高炉水砕スラグを加熱及び冷却してクリンカと、高炉水砕スラグの処理物との混合物を得、混合物を粉砕するか、又は該混合物にさらに石膏を添加した混合物を粉砕することで、該高炉水砕スラグを含む高炉セメント等よりも強度発現性が高く、かつ、製造コストが低いセメント組成物の製造方法が記載されている。

特開２０１３－１４７３５７号公報 特許第５９９１９９８号公報 特開２０１７－１３７２１６号公報 特開２０１３－２２４２２７号公報

しかし、上記高アルカリリサイクル資源をセメントクリンカを製造する際の調合原料として利用すると、アルカリによってサイクロン詰まりやコーチングが発生して焼成工程が不安定になる。また、バイオマス灰、建設発生土及び焼却灰等に含まれる未燃カーボンや有機分によってもサイクロン詰まりや、プレヒータや仮焼炉のガス温度の上昇が生じる。

また、バイオマス灰、建設発生土及び焼却灰等をセメントに後添加して利用すると、それらに含まれる有機物や未燃カーボン、粘土によって混和剤の所要量が増加すると共に、練混ぜ及び成形後に未燃カーボンが上面に浮上してコンクリートの品質に悪影響を及ぼす。

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、セメント焼成工程を安定に維持し、セメントの品質の低下を招くことなく高アルカリ含有率のリサイクル資源を利用してセメントを製造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、Ｒ₂Ｏ含有率が２．５％以上のバイオマス灰、都市ゴミ焼却灰、建設発生土、廃ガラス、火山灰又は流動床石炭灰（以下「バイオマス灰等」という。）を、セメントキルンの窯前から該セメントキルン又は／及びクリンカクーラの１０００℃以上の領域に投入し、前記バイオマス灰等と反応した後前記クリンカクーラから排出されたクリンカのＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比を１．４以上、Ｃ₃Ａを６～１１質量％とすることを特徴とする。

本発明によれば、バイオマス灰等をセメントキルンの窯前から該セメントキルン等に投入することで、アルカリがセメントクリンカに取り込まれるため、アルカリによってサイクロン詰まりやコーチングが発生して焼成工程が不安定になることがない。また、バイオマス灰等に含まれる未燃カーボンや有機分が燃焼するため、サイクロン詰まりや、プレヒータや仮焼炉のガス温度の上昇が生じることもなく、セメントに後添加して利用した場合の問題点も解消される。さらに、焼成したクリンカのＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比を１以上とすることで、有機質土用セメント系固化材、フライアッシュセメント、高炉セメントの基材クリンカとして使用した場合、いずれもアルカリで活性化されて通常クリンカよりも強度が高くなり、フライアッシュセメント、高炉セメントにするとアルカリ骨材反応も防止できる。異なる用途のクリンカとしても窯前でバイオマス灰等を投入するので中間組成のクリンカが多く発生せず、クリンカ品種の切替が迅速となり歩留まりもよい。

上記セメント製造方法において、前記バイオマス灰等として、強熱減量が２質量％以上２０質量％以下のカーボン含有率の高いものを利用することができ、未燃カーボンを燃焼させることでセメントの品質の低下を招くこともない。

また、前記バイオマス灰等としてメジアン径が５００μｍ以下のものを利用することで、バイオマス灰等をセメントキルンで焼成されたクリンカと反応させて、アルカリを水溶性アルカリとして溶出し易くすることができる。

また、前記バイオマス灰等のＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比を１以上とすることで、バイオマス灰等自体でも焼結反応してアルカリが水溶性アルカリとなるので水和反応が活発化する。

前記バイオマス灰等と共に石膏も投入すれば、クリンカのＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比をさらに上昇させ、ＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比が２．０以上となると、硫酸アルカリ鉱物（カルシウムラングベイナイト）でもＳＯ₃が過剰となる。石膏が残存するほどにすると、固化材用クリンカとして最適である。

以上のように、本発明によれば、セメント焼成工程を安定に維持し、セメントの品質の低下を招くことなく高アルカリリサイクル資源を利用してセメントを製造することができる。

本発明に係るセメント製造方法を実施するセメント製造装置の一例を示す全体構成図である。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係るセメント製造方法を実施するためのセメント製造装置の一例を示し、このセメント製造装置１は、一般的なセメント製造装置と同様、セメント原料Ｒを予熱するプレヒータ５と、予熱された原料を仮焼する仮焼炉４と、仮焼された原料を焼成するセメントキルン２と、セメントキルン２で焼成したセメントクリンカを冷却するクリンカクーラ３と、プレヒータ５の排ガスを誘引するファン８と、高アルカリリサイクル資源（以下単に「リサイクル資源」という。）Ａをセメントキルン２内に吹き込む専用バーナ２ｄ等を備える。セメント製造装置１は、普通ポルトランドセメントクリンカを製造するものでもよく、混合セメントや固化材用のものでもよい。

上記セメントクリンカの製造装置１は、セメント原料Ｒ１を原料シュート７を介して３段目サイクロン５ｃの出口ダクトに供給し、最上段サイクロン５ｄ、３段目サイクロン５ｃ及び２段目サイクロン５ｂにおいてセメント原料Ｒ１を予熱する。２段目サイクロン５ｂで予熱したセメント原料Ｒ１を仮焼炉４に供給してバーナ４ａから吹き込んだ微粉炭等の燃焼熱で仮焼した後、最下段サイクロン５ａ及び原料シュート９を介してセメントキルン２の窯尻２ｃに供給する。窯尻２ｃに供給したセメント原料Ｒ２をセメントキルン２において主バーナ２ａから吹き込んだ微粉炭の燃焼熱で焼成し、生成されたセメントクリンカをクリンカクーラ３に供給して冷却する。

ここで、本発明は、Ｒ₂Ｏ含有率が１．５％以上の高アルカリのリサイクル資源Ａを、窯前２ｂに設けた専用バーナ２ｄを介して焼点からセメントキルン２の落ち口手前に吹き込み、リサイクル資源Ａを吹き込んだ後のクリンカのＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比を１以上、好ましくは１．４以上、より好ましくは２．０以上とすることを特徴とする。この専用バーナ２ｄからリサイクル資源Ａをセメントキルン２内に吹き込む代わりに、又はこの吹き込みと共に、クリンカクーラ３の１０００℃以上の領域にリサイクル資源Ａを投入してもよい。クリンカクーラ３の１０００℃以上の領域とは、クリンカクーラ３の第１室等である。

リサイクル資源Ａは、Ｒ₂Ｏ（Ｎａ₂Ｏ＋０．６５８Ｋ₂Ｏ）含有率が１．５％以上、好ましくは２．５％以上、より好ましくは３．５％以上のものであって、具体的には、バイオマス灰等である。バイオマス灰は、焼却設備で得られる箇所によって主灰、ボイラー灰、サイクロン灰、バグフィルター灰に区分される。

このリサイクル資源Ａをセメントキルンの窯前２ｂから該セメントキルン２又は／及びクリンカクーラ３の１０００℃以上の領域に投入し、得られたクリンカを、有機質土用セメント系固化材、フライアッシュセメント、高炉セメントの基材クリンカとして使用することで、いずれもアルカリで活性化されて通常クリンカよりも強度が高くなり、フライアッシュセメント、高炉セメントにするとアルカリ骨材反応も防止できる。また、リサイクル資源Ａ中のアルカリがセメントクリンカに取り込まれるため、アルカリによってサイクロン詰まりやコーチングが発生して焼成工程が不安定になることがない。さらに、リサイクル資源Ａに含まれる未燃カーボンや有機分が窯前で燃焼するため、サイクロン詰まりや、プレヒータ５や仮焼炉４のガス温度の上昇が生じることもない。また、セメントに後添加して利用した場合の流動性やカーボン浮きなどの問題点も解消される。リサイクル資源Ａの投入領域が１０００℃未満の場合には、反応しないリサイクル資源Ａが多く残る。

リサイクル資源Ａは、強熱減量が２質量％以上、好ましくは３質量％以上で２０質量％以下のカーボン含有量が高いものであってもよく、未燃カーボンを燃焼させることでセメントの品質の低下を招くこともなく、強熱減量を２０質量％以下とすればカーボンの燃焼熱でクリンカクーラ３の冷却効率に影響が出ることを回避することができる。

また、リサイクル資源Ａは、メジアン径（Ｄ５０）が２０～５００μｍ以下のものが好ましい。メジアン径が５００μｍを超えると、リサイクル資源Ａがセメントキルンで焼成されたクリンカと反応せずに灰に取り込まれているので水溶性アルカリ量に大きな影響がない。リサイクル資源Ａがバイオマス灰の場合、バグフィルター灰等、メジアン径が２０μｍ未満のものは、飛散してしまう可能性があるため、事前に造粒することが好ましい。バイオマス灰のボイラー灰、サイクロン灰はそのまま用いることができる。

また、リサイクル資源ＡのＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比を好ましくは１以上、より好ましくは１．４以上、さらに好ましくは２．０以上とすることで、リサイクル資源Ａのアルカリが水溶性アルカリになるので水和反応が活性化する。リサイクル資源のＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比が低い場合、他のリサイクル資源を添加したりしてＳＯ₃量を調節することで、リサイクル資源ＡのＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比を好ましくは１以上、より好ましくは１．４以上、さらに好ましくは２．０以上とする。リサイクル資源Ａを投入した後のクリンカのＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比を１以上、好ましくは１．４以上、より好ましくは２．０以上とする。ＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比調整材として石膏をリサイクル資源に混合し、混合物としたリサイクル資源Ａを投入するのが容易である。

リサイクル資源Ａを投入した後のクリンカのＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比をさらに上昇させることができ、ＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比が２．０以上となると、硫酸アルカリ鉱物でもＳＯ₃が過剰となる。石膏が残存するほどに調整することで、固化材用クリンカとして最適となる。

リサイクル資源Ａの投入量を、リサイクル資源と反応した後のクリンカ全体の３０質量％以下に調整することが好ましい。これ以上のリサイクル資源Ａを投入すると、脱カーボンにも影響する場合がある。

また、リサイクル資源Ａには、セメント製造において好ましくない塩素が入っているものがある。リサイクル資源Ａを１０００℃以上の領域に投入すると塩素は揮発し、クリンカには多くは含まれなくなる効果もある。特に、バイオマス灰は基本的に塩化カリウムとして混入しているので、１０００℃でも揮発させやすい。

リサイクル資源Ａを用いたセメント製造のパターンとしては、リサイクル資源Ａの種類にもよるが、リサイクル資源Ａの投入量をリサイクル資源と反応した後のクリンカ全体の５質量％以下とし、セメントのアルカリをＪＩＳ Ｒ ５２１０ ポルトランドセメントの規格範囲内（全アルカリ０．７５％以下）にし、焼成したクリンカの水溶性アルカリｗｓ－Ｒ₂Ｏを０．３以上とすることが挙げられる。

もう一つのパターンとしては、リサイクル資源Ａの添加量が多く、製造したセメントのアルカリ含有率が高い場合には、アルカリシリカ反応対策として、フライアッシュセメントやスラグセメントの基材又は固化材の基材として使用するものである。異なる用途のクリンカとしても窯前でリサイクル資源Ａが投入されるので中間組成のクリンカが多く発生せず、クリンカ品種の切替も迅速であり歩留まりがよい。

さらに、もう一つのパターンとしては、リサイクル資源Ａと共に石膏も混合して投入し、石膏が含まれるクリンカとし、硫酸アルカリと石膏が含まれるので固化材の基材として使用するものである。この場合、石膏が５～２０％、硫酸塩が０．５～１０％含まれるクリンカが好ましい。さらに、石膏やアルカリ硫酸塩を添加して、７０～９０質量％のポルトランドセメントと１０～３０％の石膏との混合物１００質量部に対して、アルカリ硫酸塩を０．５～１１質量部添加してセメント系固化材としてもよい。

上記いずれも場合でも、高アルカリのリサイクル資源Ａを使用することで、ＳｉＯ₂やアルカリ、ＭｇＯの量が上昇して、強度低下が生じるので、水硬率や下水汚泥使用量（Ｐ₂Ｏ₅）を増加させることにより、強度を回復することが好ましい。下水汚泥をリサイクル資源Ａに混合して窯前２ｂから投入してもよい。

次に、上記リサイクル資源Ａを用いたセメント製造方法の一例について説明する。

リサイクル資源Ａとしてバイオマス灰などを選定し、投入するバイオマス灰などの成分を考慮し、窯入原料の水硬率ＨＭを高めにしてクリンカを焼成する。この際、ボーグ式を用いて算出したセメント鉱物の組成が、Ｃ₃Ｓで６６～７１質量％、Ｃ₂Ｓで６～１１質量％、Ｃ₃Ａで８～１１質量％、及びＣ₄ＡＦで９～１２質量％である第１のセメントクリンカを焼成する。

次に、第１のセメントクリンカ１００質量部に対して高アルカリのバイオマス灰などを混合量０．５質量部以上５０質量部未満の割合で、窯前２ｂからセメントキルン２又は／及びクリンカクーラ３の１０００℃以上の領域に投入し、さらにＳＯ₃含有率の高い原料、例えば石膏をセメントクリンカと混合し焼成し反応させて、ボーグ式を用いて算出したセメント鉱物の組成が、Ｃ₃Ｓで５４～６６質量％、Ｃ₂Ｓで１２～２７質量％、Ｃ₃Ａで６～１１質量％、Ｃ₄ＡＦで８～１３質量％である普通ポルトランドセメントクリンカを得る。

次に、本発明に係るセメント製造方法の実施例について、表１を参照しながら説明する。

実施例１として、早強組成クリンカ試製品に、高ＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比の流動床ボトム灰（Ｄ５０：５０μｍに粉砕）を窯前落ち口に６％投入した場合の調合結果（計算値（クリンカベース））を示す。普通セメント並みの組成となり、Ｒ₂Ｏの量もＪＩＳ Ｒ ５２１０ ポルトランドセメントの規格範囲内（全アルカリ０．７５％以下）に収まり、ＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比は１を超えた。

実施例２として、早強組成クリンカ試製品に、バイオマス灰（Ｄ５０：８０μｍ）を２％、石膏（Ｄ５０：６０μｍ）を窯前落ち口に２％投入した場合の調合結果（計算値（クリンカベース））を示す。普通セメント並みの組成となり、Ｒ₂Ｏの量もＪＩＳ Ｒ ５２１０ ポルトランドセメントの規格範囲内に収まり、ＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比は２に近づいた。

実施例３として、早強組成クリンカ試製品に、建設発生土を５％（Ｄ５０：３５μｍに粉砕）、石膏（Ｄ５０：６０μｍ）を１％窯前落ち口に投入した場合の調合結果（計算値（クリンカベース））を示す。普通セメント並みの組成となり、Ｒ₂Ｏの量もＪＩＳ Ｒ ５２１０ ポルトランドセメントの規格範囲内に収まり、ＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比は１を超えた。

実施例４として、早強組成クリンカ試製品に、バイオマス灰（Ｄ５０：８０μｍ）を１０％、石膏（Ｄ５０：６０μｍ）を窯前落ち口に２％投入した場合の調合結果（計算値（クリンカベース））を示す。フライアッシュセメントやスラグセメントの基材セメントとして用いるための組成となり、長期的にはクリンカ鉱物から硬化体中にアルカリが溶出するのでｐＨが維持される。フライアッシュ、スラグが刺激されるので、さらに強度増進する。また、固化材の基材としても強度増進する。

実施例５として、早強組成クリンカ試製品に、バイオマス灰（Ｄ５０：８０μｍ）を１０％、石膏（Ｄ５０：６０μｍ）を８％窯前落ち口に投入した場合の調合結果（計算値（クリンカベース））を示す。アルカリは水溶性化率９０％以上で、石膏が５％含まれており、高強度の固化材用クリンカとなる。

１ セメント製造装置
２ セメントキルン
２ａ 主バーナ
２ｂ 窯前
２ｃ 窯尻
２ｄ 専用バーナ
３ クリンカクーラ
４ 仮焼炉
４ａ バーナ
５ プレヒータ
５ａ 最下段サイクロン
５ｂ ２段目サイクロン
５ｃ ３段目サイクロン
５ｄ 最上段サイクロン
７ 原料シュート
８ ファン
９ 原料シュート
Ａ リサイクル資源
Ｒ１、Ｒ２ セメント原料

Claims (5)

1. Ｒ₂Ｏ含有率が２．５％以上のバイオマス灰、都市ゴミ焼却灰、建設発生土、廃ガラス、火山灰又は流動床石炭灰（以下「バイオマス灰等」という。）を、セメントキルンの窯前から該セメントキルン又は／及びクリンカクーラの１０００℃以上の領域に投入し、前記バイオマス灰等と反応した後前記クリンカクーラから排出されたクリンカのＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比を１．４以上、Ｃ₃Ａを６～１１質量％とすることを特徴とするセメント製造方法。
2. 前記バイオマス灰等は、強熱減量が２質量％以上２０質量％以下であ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. 前記バイオマス灰等のメジアン径が５００μｍ以下であ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. 前記バイオマス灰等のＳＯ₃／Ｒ₂Ｏモル比が１以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセメント製造方法。
5. 前記バイオマス灰等と共に石膏も投入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。

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