JP7218211B2

JP7218211B2 - セメント製造方法

Info

Publication number: JP7218211B2
Application number: JP2019038280A
Authority: JP
Inventors: 建佑林; 佳史細川; 博小津
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2023-02-06
Anticipated expiration: 2039-03-04
Also published as: JP2020142934A

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、以下の問題がある。第１に、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。第２に、焼成したクリンカのアルカリ含有率が高くなり、コンクリート用のセメントに用いると、アルカリ骨材反応に対するリスクが増加する。第３に、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、アルカリ骨材反応に対するリスクの増加を抑え、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％以上で、メジアン径が２５０μｍ以上で最大粒径が６０ｍｍ以下のバイオマス灰、都市ゴミ焼却灰、建設発生土、廃ガラス又は火山灰（以下「バイオマス灰等」という。）を、セメントキルンに付設されたクリンカクーラの８００℃以上１４００℃以下の領域に投入し、Ｒ₂Ｏ含有率が０．７２％以上１．３６％以下のセメントを得ることを特徴とする。

本発明によれば、アルカリ含有率の高いバイオマス灰等をクリンカクーラに粗粒又は造粒した状態で投入するため、バイオマス灰等がクリンカと反応せず、アルカリの溶出が抑制される。そのため、セメント焼成工程を安定に維持し、アルカリ骨材反応に対するリスクの増加を抑えることができる。また、バイオマス灰等に未燃カーボンが含まれている場合でも、未燃カーボンを燃焼させることができ、セメントの品質の低下を招くこともない
。

上記セメント製造方法において、前記バイオマス灰等を造粒してもよく、造粒することでセメントキルンへの飛散を防止したり、クリンカクーラの高温領域に投入した場合のクリンカとの反応を抑制することができる。

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る。

また、前記バイオマス灰等として塩基度が１以下のものを用いれば、バイオマス灰等に含まれるアルカリをより一層クリンカと反応し難くすることができる。

さらに、前記バイオマス灰等のＳＯ₃含有率を３％以下とすれば、バイオマス灰等に含まれるアルカリが硫酸アルカリになることを防止してバイオマス灰等に含まれるアルカリをより一層クリンカと反応し難くすることができる。

さらに、前記バイオマス灰等を投入する前に水洗することで、バイオマス灰等を脱塩し、セメントの品質において好ましくない塩素を除去することができる。

以上のように、本発明によれば、セメント焼成工程を安定に維持し、アルカリ骨材反応に対するリスクの増加を抑え、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。これらに加え、クリンカクーラ３に高アルカリリサイクル資源（以下適宜単に「リサイクル資源」という。）Ａを投入する投入装置１０を設けたことが本発明の特徴である。

上記セメント製造装置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等の燃焼熱で焼成し、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、投入装置１０を介してリサイクル資源Ａをクリンカクーラ３の８００℃以上１４００℃以下の領域に投入することを特徴とする。例えば、投入装置１０によってクリンカクーラ３の上部から第１室等の上記領域に落下させる。

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をクリンカクーラ３の８００℃以上１４００℃以下の領域に投入することで、リサイクル資源Ａ自体が焼結したり、クリンカと反応せず、アルカリの溶出が抑制される。リサイクル資源Ａは、ガラスよりも安定な鉱物（長石類）が多く存在しているものが、よりクリンカとの反応が抑制されるので好ましい。リサイクル資源Ａをクリンカクーラ３の８００℃未満の領域に投入すると、脱カーボンが十分でなく、１４００℃より高い領域に投入すると、クリンカと溶融反応し、クリンカ鉱物組成の変化を生じることやアルカリが溶出する成分となる可能性がある。

また、リサイクル資源Ａは、メジアン径（Ｄ５０）が２５０μｍ以上で、最大粒径が６０ｍｍ以下のものが好ましい。メジアン径が２５０μｍ未満では、クリンカクーラ３に吹込んでも、セメントキルン２内に飛散してクリンカと反応する可能性がある。飛散を防止するため、リサイクル資源Ａを造粒してもよい。一方、最大粒径が６０ｍｍより大きいと脱カーボンができない場合がある。焼却（燃焼）設備の主灰やボイラー灰にはそのまま投入できるものもあるが、細かいものは造粒すればよい。造粒後、リサイクル資源Ａに含まれる有機分は燃焼する。

また、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、クリンカクーラ３の８００℃以上１４００℃以下の領域に投入することで未燃カーボンを燃焼させることができるため、セメントの品質の低下を招くこともない。

リサイクル資源Ａの塩基度（ＣａＯ＋ＭｇＯ＋Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂）は、１以下、好ましくは０．７以下、より好ましくは０．５以下として、リサイクル資源Ａ自体が焼結したりクリンカと反応して水溶性アルカリが増加しないようにすることが好ましい。

さらに、リサイクル資源Ａは、ＳＯ₃含有率を３質量％以下、好ましくは２質量％以下、より好ましくは１質量％以下とすることで、リサイクル資源Ａ中のアルカリが硫酸アルカリになることを防止してアルカリを水溶しないようにすることができる。

リサイクル資源Ａの投入量を、クリンカクーラ３に供給されるクリンカ１００質量部に対して２５質量部以下に調整すれば、リサイクル資源Ａの脱カーボンに影響を及ぼすことがなく、また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でることを回避することができる。

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。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、水洗で容易に脱塩できる。但し、焼却（燃焼）設備で一度散水すると水和反応により固定されるので、乾燥したまま水洗する。湿灰は、やむを得ないため酸性水で水洗する。また、水洗を行い、フィルタープレス等での脱水工程を利用して造粒してもよい。また、水洗することでリサイクル資源Ａ中のクリンカと反応しやすいアルカリ化合物を事前に除去することもできる。

リサイクル資源Ａのクリンカクーラ３への投入パターンとしては、クリンカクーラ３の１０００～１４００℃の領域にメジアン径０．６ｍｍ～最大径６０ｍｍ（より具体的には１ｍｍ～３０ｍｍ）のものを投入する。この場合、高温領域に投入するので、リサイクル資源Ａを粗粒にしないとその多くがクリンカと反応してしまうおそれがある。そのため、リサイクル資源Ａを造粒した後投入することが好ましい。リサイクル資源Ａがバイオマス灰の場合、主灰はそのまま投入することも可能である。

もう一つの投入パターンとしては、クリンカクーラ３の８００～１２００℃の領域にメジアン径２５０μｍ～最大径２０ｍｍ（より好ましくはメジアン径５００μｍ～最大径１０ｍｍ）のものを投入する。この場合、低温領域に投入するので、リサイクル資源Ａが比較的細かくてもあまりクリンカと反応しない。リサイクル資源Ａがバイオマス灰の場合、主灰、ボイラー灰、サイクロン灰はそのまま投入することも可能である。

上述のように、本実施の形態では、アルカリ含有率の高いメジアン径が２５０μｍ以上で最大粒径が６０ｍｍ以下のリサイクル資源Ａをクリンカクーラ３の８００℃以上１４００℃以下の領域に投入するため、リサイクル資源とクリンカとの反応が抑制され、アルカリの溶出が抑制されたセメントを製造することができる。そのため、セメント焼成工程を安定に維持し、アルカリ骨材反応に対するリスクの増加を抑えることができる。さらに、リサイクル資源Ａに含まれる未燃カーボンを燃焼させることができるため、セメントの品質の低下を招くこともない。

尚、リサイクル資源Ａは、クリンカと若干反応するので、リサイクル資源Ａが投入された後のクリンカ中のＳｉＯ₂やアルカリ、ＭｇＯ含有量が上昇して強度低下が生じる場合には、セメントキルン２に投入する原料のＨＭ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。

また、リサイクル資源Ａの投入によってもたらされる硫酸アルカリやカルシウムラングベイナイトなどの水溶性アルカリの生成は抑制されているが、いくらかは生じてしまう場合がある。また、リサイクル資源Ａの投入によって、一部のアルカリは珪酸カルシウムなどクリンカ鉱物中に取り込まれ、水和反応が進むに従って溶出してくるものもある。しかし、バイオマス灰等のガラスが、ポゾラン反応を行うので、セメント硬化体のｐＨが低下しアルカリシリカ反応は生じない。もちろん、ポゾラン反応によりガラス中のアルカリも溶出するが、同時にポゾラン反応によりセメント硬化体のｐＨが低下するのでアルカリシリカ反応は生じない。ポゾラン反応性のない建設発生土を投入する場合には、より安全性を求めるならば石炭灰やスラグを同時に投入するか、後で混合すればよい。

次に、本発明に係るセメント製造方法の実施例について説明する。

表１に示す組成を有する普通ポルトランドセメントクリンカ試製品に、表２に示す組成を有する各種リサイクル資源を混合し、１１００℃で５分間焼成し、セメントクーラへの投入を模擬した。

上記焼成物に石膏をＳＯ₃換算で２％となるように添加して粉砕し、セメントを製造した。ＪＩＳＡ１１４６：２０１７モルタルバー法を参考に反応性骨材（ＪＩＳＡ１１４５：２０１７化学法におけるＳｃ＝６７３，Ｒｃ＝１２１無害でない）を使用したモルタル（水：セメント：骨材＝０．５：１．０：２．２５）を作製した。尚、ＮａＯＨの添加によるアルカリ量調整は実施しなかった。このようにして作製したモルタルを２０℃２４ｈｒ封緘養生して基長測定し、その後４０℃、相対湿度９５％で保管し、３ヶ月、６ヶ月における膨張率を測定し、基準を超えるか否かを調査した。判定基準は、３ヶ月における膨張率が０．０５以下、６ヶ月における膨張率が０．１以下である。その結果を表３に示す。尚、同表に記載の添加方法における「造粒」は、リサイクル資源を０．６ｍｍ～２．５ｍｍに造粒した場合を示す。また、高アルカリリサイクル資源を添加しない普通ポルトランドセメントクリンカについては、セメントのアルカリ含有率を高めるため、ＮａＯＨを添加して調整した。

同表より、試験に用いた骨材は、セメントのアルカリ含有率が高いと、モルタルの膨張率が高くなり、参考例２のように高アルカリリサイクル資源を添加しない普通ポルトランドセメントクリンカにＮａＯＨを添加してセメントのアルカリ含有率を１．２０％に高めると膨張率が判定基準を超過した。一方、参考例２に比べ、セメントのアルカリ含有率が１．２０％よりも高い実施例３の膨張率は基準値以内であった。このことから、高アルカリリサイクル資源に含まれるアルカリは溶出し難いので、アルカリ骨材反応が生じにくくなることが判る。

また、比較例１のように、セメントのアルカリ含有率が１．２５％と高く、メジアン径（Ｄ５０）が７５μと細かいと、膨張率が高くなって判定基準を超えて不良となっている。しかし、比較例１と同じ高アルカリリサイクル資源を用いた実施例１では、造粒することで膨張率が判定基準内に入り良好となっている。さらに、比較例２と実施例５、及び比較例３と実施例６でも同様の結果となっている。これらにより、細粒であるアルカリ含有率の高いリサイクル資源を用いる場合でも、造粒することでモルタルの膨張率を基準値以内に抑えられることが判る。

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
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
５ｂ２段目サイクロン
５ｃ３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
１０投入装置
Ａリサイクル資源
Ｒ１、Ｒ２セメント原料

Claims

Ｒ₂Ｏ含有率が２．５％以上で、メジアン径が２５０μｍ以上で最大粒径が６０ｍｍ以下のバイオマス灰、都市ゴミ焼却灰、建設発生土、廃ガラス又は火山灰（以下「バイオマス灰等」という。）を、セメントキルンに付設されたクリンカクーラの８００℃以上１４００℃以下の領域に投入し、Ｒ₂Ｏ含有率が０．７２％以上１．３６％以下のセメントを得ることを特徴とするセメント製造方法。
前記バイオマス灰等は造粒されたもの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。
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又は２に記載のセメント製造方法。
前記バイオマス灰等は、塩基度が１以下であ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。
前記バイオマス灰等は、ＳＯ₃含有率が３質量％以下であ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。
前記バイオマス灰等を投入する前に水洗す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。