(57)【要約】【課題】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。【解決手段】Ｒ2Ｏ含有率が１．５％以上のリサイクル資源を、セメントキルン２の窯前２ｂから該セメントキルン又は／及びクリンカクーラ３の１０００℃以上の領域に投入し、前記リサイクル資源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以上とするセメント製造方法。リサイクル資源は、強熱減量が２質量％以上２０質量％以下、メジアン径が５００μｍ以下が好ましく、リサイクル資源と共に石膏を投入してもよい。リサイクル資源の投入量を、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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｒ2Ｏ含有率が１．５％以上のリサイクル資源を、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、前記リサイクル資源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以上とすることを特徴とするセメント製造方法。
【請求項２】
前記リサイクル資源は、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。
【請求項３】
前記リサイクル資源のメジアン径が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。
【請求項４】
前記リサイクル資源はバイオマス灰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。
【請求項５】
前記リサイクル資源の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４のいずれかに記載のセメント製造方法。
【請求項６】
前記リサイクル資源と共に石膏も投入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。
【請求項７】
前記リサイクル資源の投入量を、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を特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のセメント製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１４７３５７号公報
【特許文献２】特許第５９９１９９８号公報
【特許文献３】特開２０１７−１３７２１６号公報
【特許文献４】特開２０１３−２２４２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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１．５％以上のリサイクル資源を、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、前記リサイクル資源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以上とすることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、高アルカリリサイクル資源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、高アルカリリサイクル資源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高アルカリリサイクル資源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。
【００１３】
上記セメント製造方法において、前記リサイクル資源として、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。
【００１４】
また、前記リサイクル資源としてメジアン径が５００μｍ以下のものを利用することで、リサイクル資源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。
【００１５】
さらに、前記リサイクル資源をバイオマス灰とすることができる。バイオマス灰とは、草木類を燃焼した際に生じるもので、主灰、ボイラー灰、サイクロン灰、バグフィルター灰等である。
【００１６】
また、前記リサイクル資源のＳＯ3／Ｒ2Ｏモル比を１以上とすることで、リサイクル資源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。
【００１７】
前記リサイクル資源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。
【００１８】
さらに、前記リサイクル資源の投入量を、リサイクル資源と反応した後のクリンカ全体の３０質量％以下に調整すれば、リサイクル資源の脱カーボンに影響を及ぼさない。
【発明の効果】
【００１９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【符号の説明】
【００４７】
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
【図１】
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