(57)【要約】【課題】セメント製造設備における熱源を有効活用することにより、セメント設備において発生するＣＯ2ガスを高い濃度で分離して回収することが可能となるＣＯ2ガスの回収方法および回収設備並びにセメントの製造方法を提供する。【解決手段】セメント製造設備の第１のプレヒータ３から抜き出されたか焼前のセメント原料を混合か焼炉１２に供給するとともに、セメント原料よりも粒子径の大きい熱媒体を、媒体加熱炉１４においてか焼温度以上に加熱した後に混合か焼炉１２に供給し、混合か焼炉１２において、か焼前のセメント原料を熱媒体によってか焼した後に、か焼されたセメント原料をセメントキルン１に供給し、かつ熱媒体を再び媒体加熱炉１４に戻して混合か焼炉との間で循環させるとともに、混合か焼炉１２内においてセメント原料のか焼により発生したＣＯ2ガスを回収する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント原料を、第１のプレヒータで予熱した後に、内部が高温雰囲気に保持されたセメントキルンに供給して焼成するセメント製造設備において発生するＣＯ2ガスを回収するための方法であって、
上記第１のプレヒータから抜き出されたか焼前の上記セメント原料を、混合か焼炉に供給するとともに、上記セメント原料よりも粒子径の大きい熱媒体を、媒体加熱炉においてか焼温度以上に加熱した後に上記混合か焼炉に供給し、上記混合か焼炉において、上記か焼前の上記セメント原料を上記熱媒体によってか焼した後に、か焼された上記セメント原料と上記熱媒体とを分離し、か焼された上記セメント原料を上記セメントキルンに供給し、かつ上記熱媒体を再び上記媒体加熱炉に戻して上記混合か焼炉との間で循環させるとともに、上記混合か焼炉内において上記セメント原料のか焼により発生したＣＯ2ガスを回収することを特徴とするセメント製造設備におけるＣＯ2ガスの回収方法。
【請求項２】
上記熱媒体は、上記セメントキルンにおいて焼成することによって得られたセメントクリンカ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設備におけるＣＯ2ガスの回収方法。
【請求項３】
上記第１のプレヒータから抜き出されたか焼前の上記セメント原料と、上記第１のプレヒータから独立した第２のプレヒータで予熱されたか焼前の他のセメント原料とを、上記混合か焼炉に供給するとともに、上記混合か焼炉内において発生したＣＯ2ガスを上記第２のプレヒータの熱源として利用した後に回収することを特徴とする請求項１または２に記載のセメント製造設備におけるＣＯ2ガスの回収方法。
【請求項４】
上記熱媒体を上記混合か焼炉の底部から抜き出して、当該混合か焼炉の上部に戻すことにより、上記熱媒体を上記混合か焼炉から排出されるＣＯ2ガスと接触させて、当該熱媒体から上記セメント原料を分離させた後に、上記媒体加熱炉へ戻すことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のセメント製造設備におけるＣＯ2ガスの回収方法。
【請求項５】
上記混合か焼炉内においてか焼された上記セメント原料の一部を、上記第１のプレヒータに戻すことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のセメント製造設備におけるＣＯ2ガスの回収方法。
【請求項６】
上記セメント原料の一部を、空気と熱交換させて、降温した当該セメント原料を上記第１のプレヒータに戻すとともに、加熱された上記空気を上記媒体加熱炉における燃焼用空気として供給することを特徴とする請求項５に記載のセメント製造設備におけるＣＯ2ガスの回収方法。
【請求項７】
セメント原料を、第１のプレヒータで予熱した後に、内部が高温雰囲気に保持されたセメントキルンに供給して焼成するセメントの製造方法において、
請求項１ないし６のいずれかに記載のセメント製造設備におけるＣＯ2ガスの回収方法によって、上記セメント原料のか焼により発生したＣＯ2ガスを回収することを特徴とするセメントの製造方法。
【請求項８】
セメント原料を予熱する第１のプレヒータと、この第１のプレヒータによって予熱された上記セメント原料を焼成するセメントキルンとを備えたセメント製造設備において発生するＣＯ2ガスを回収するための設備であって、
上記第１のプレヒータからか焼前の上記セメント原料を抜き出す抜出ラインと、この抜出ラインから抜き出された上記セメント原料が導入される混合か焼炉と、上記セメント原料よりも粒子径の大きい熱媒体を上記セメント原料のか焼温度以上に加熱する媒体加熱炉と、この媒体加熱炉において加熱された上記熱媒体を上記混合か焼炉に供給するとともに上記混合か焼炉から上記媒体加熱炉に戻す熱媒体の循環ラインと、上記混合か焼炉において上記熱媒体によって加熱されてか焼された上記セメント原料の一部を上記第１のプレヒータまたは上記セメントキルンに戻す戻りラインと、上記混合か焼炉内で発生したＣＯ2ガスを回収するＣＯ2ガス排気管とを備えてなることを特徴とするセメント製造設備におけるＣＯ2ガスの回収設備。
【請求項９】
上記第１のプレヒータから独立して設けられて他のセメント原料を予熱する第２のプレヒータと、この第２のプレヒータで予熱されたか焼前の上記他のセメント原料を上記混合か焼炉に供給する移送管とを備え、かつ上記混合か焼炉からの上記ＣＯ2ガス排気管が、上記第２のプレヒータの熱源として導入されていること特徴とする請求項８に記載のセメント製造設備におけるＣＯ2ガスの回収設備。
【請求項１０】
上記媒体加熱炉は、下方に加熱源を有する移動槽であることを特徴とする請求項８または９に記載のセメント製造設備におけるＣＯ2ガスの回収設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セメント製造設備において、主としてセメント原料のか焼時に発生するＣＯ2ガスを高濃度で回収するためのセメント製造設備におけるＣＯ2ガスの回収方法および回収設備並びにセメントの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界的かつ全産業にわたって、地球温暖化の主因たる二酸化炭素（ＣＯ2）ガスを削減する試みが推進されている。
ちなみに、セメント産業は、電力や鉄鋼等と共にＣＯ2ガスの排出量が多い産業の一つであり、日本におけるＣＯ2ガスの全排出量の約４％にのぼる。このため、当該セメント産業におけるＣＯ2ガスの排出削減は、日本全体におけるＣＯ2ガスの排出削減に大きな貢献を果たすことになる。
【０００３】
図７は、上記セメント産業における一般的なセメントの製造設備を示すもので、図中符号１がセメント原料を焼成するためのロータリーキルン（セメントキルン）である。
そして、このロータリーキルン１の図中左方の窯尻部分２には、セメント原料を予熱するための２組のプレヒータ３が並列的に設けられるとともに、図中右方の窯前に、内部を加熱するための主バーナ５が設けられている。なお、図中符号６は、焼成後のセメントクリンカを冷却するためのクリンカクーラである。
【０００４】
ここで、各々のプレヒータ３は、上下方向に直列的に配置された複数段のサイクロンによって構成されており、供給ライン４から最上段のサイクロンに供給されたセメント原料は、順次下方のサイクロンへと落下するにしたがって、下方から上昇するロータリーキルン１からの高温の排ガスによって予熱され、さらに下から２段目のサイクロンから抜き出されて仮焼炉７に送られ、当該仮焼炉７においてバーナ７ａにより加熱されてか焼された後に、最下段のサイクロンから移送管３ａを介してロータリーキルン１の窯尻部分２に導入されるようになっている。
【０００５】
他方、窯尻部分２には、ロータリーキルン１から排出された燃焼排ガスを最下段のサイクロンへと供給する排ガス管３ｂが設けられており、上記サイクロンに送られた排ガスは、順次上方のサイクロンへと送られて、上記セメント原料を予熱するとともに、最終的に最上段のサイクロンの上部から、排気ファン９によって排気ライン８を介して排気されて行くようになっている。
【０００６】
このような構成からなるセメント製造設備においては、先ずセメント原料の主原料として含まれる石灰石（ＣａＣＯ3）をプレヒータ３で予熱し、次いで仮焼炉７およびプレヒータ３の最下段のサイクロンにおいてか焼した後に、ロータリーキルン１内において約１４５０℃の高温雰囲気下で焼成することでセメントクリンカを製造している。
【０００７】
そして、このか焼において、ＣａＣＯ3→ＣａＯ＋ＣＯ2↑で示される化学反応が生じて、ＣＯ2ガスが発生する（原料起源によるＣＯ2ガスの発生）。この原料起源によるＣＯ2ガスの濃度は、原理的には１００％である。また、上記ロータリーキルン１を上記高温雰囲気下に保持するために、主バーナ５において化石燃料が燃焼される結果、当該化石燃料の燃焼によってもＣＯ2ガスが発生する（燃料起源によるＣＯ2ガスの発生）。ここで、主バーナ５からの排ガス中には、燃焼用空気中のＮ2ガスが多く含まれているために、当該排ガス中に含まれる燃料起源によるＣＯ2ガスの濃度は、約１５％と低い。
【０００８】
この結果、上記セメントキルンから排出される排ガス中には、上述した濃度の高い原料起源によるＣＯ2ガスと、濃度の低い燃料起源によるＣＯ2が混在するために、当該ＣＯ2の排出量が多いにもかかわらず、そのＣＯ2濃度は３０〜３５％程度であり、回収が難しいという問題点があった。
【０００９】
これに対して、現在開発されつつあるＣＯ2ガスの回収方法としては、液体回収方式、膜分離方式、固体吸着方式等があるものの、未だ回収コストが極めて高いという課題があった。
また、上記セメント製造設備から排出されたＣＯ2による地球温暖化を防止する方法として、当該排出源から低濃度で排出されたＣＯ2を分離・回収して略１００％にまで濃度を高め、液化した後に地中に貯留する方法等も提案されているものの、分離・回収のためのコストが高く、同様に実現には至っていない。
【００１０】
一方、下記特許文献１には、石灰石の焼成過程において発生するＣＯ2ガスを、利用価値の高い高純度のＣＯ2ガスとして回収する装置として、石灰石が供給される分解反応塔と、熱媒体として生石灰（ＣａＯ）が供給されるとともに当該生石灰を燃焼ガスによって石灰石のか焼温度以上に加熱する再熱塔と、これら分解反応塔と再熱塔とを連結する連結管とを備えたＣＯ2ガスの生成回収装置が提案されている。
【００１１】
そして、上記従来の回収装置においては、再熱塔で加熱された生石灰を連結管を通じて分解反応塔に供給し、流動層を形成させて石灰石を焼成することにより当該分解反応塔内にＣＯ2ガスを生成させるとともに、これによって生じた生石灰の一部を排出し、他部を再び連結管を通じて再熱塔に送って再加熱するようになっている。
【００１２】
このように、上記ＣＯ2ガスの生成回収装置によれば、石灰石の分解反応を行う場所である分解反応塔と、分解反応に必要な熱量の発生を行う場所である再熱塔とを分離することによって、石灰石の分解反応によって発生するＣＯ2ガスと熱媒体の加熱のために発生する燃焼排ガスとが混合することを防止することができるために、分解反応塔から高い濃度のＣＯ2ガスを回収することができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開昭５７−６７０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記特許文献１において開示されているＣＯ2ガスの生成回収装置によって生成したＣａＯを用いてセメントを製造しようとすると、上記生成回収装置によって石灰石を焼成した後に、さらに粘土等のＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3等の他のセメント原料を加えてセメントキルンにおいて焼成する必要がある。このため、原料の製粉を２系統に独立して行う必要があり、設備が大掛かりになるという問題点が生じる。
【００１５】
また、一般に石灰石のか焼反応が起こる温度は、図８に示すように、雰囲気中のＣＯ2ガス濃度が高くなるにしたがって急激に上昇し、１００％（大気圧（１ａｔｍ）の下での分圧１ａｔｍに相当）に近くになると、８６０℃を超える温度となる。このため、ＣＯ2ガスの回収率を高めるためには、石灰石を過度の高温に加熱する必要があり、燃料コストの高騰化を招くという問題点も生じる。
【００１６】
加えて、上記ＣＯ2ガスの生成回収装置においては、熱媒体として生石灰を用い、この生石灰によって石灰石を加熱してか焼しているために、再熱塔において上記生石灰を石灰石のか焼温度以上、具体的には１０００℃以上に加熱しておく必要がある。この結果、分解反応塔や再熱塔内で流動する生石灰等の粉体が固化しやすくなり、連結管等において付着や閉塞が生じて運転不能になるという問題点もある。
【００１７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、セメント製造設備における熱源を有効活用することにより、当該セメント設備において発生するＣＯ2ガスを高い濃度で分離して回収することが可能となるセメント製造設備におけるＣＯ2ガスの回収方法および回収設備並びにセメントの製造方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、セメント原料を、第１のプレヒータで予熱した後に、内部が高温雰囲気に保持されたセメントキルンに供給して焼成するセメント製造設備において発生するＣＯ2ガスを回収するための方法であって、上記第１のプレヒータから抜き出されたか焼前の上記セメント原料を、混合か焼炉に供給するとともに、上記セメント原料よりも粒子径の大きい熱媒体を、媒体加熱炉においてか焼温度以上に加熱した後に上記混合か焼炉に供給し、上記混合か焼炉において、上記か焼前の上記セメント原料を上記熱媒体によってか焼した後に、か焼された上記セメント原料と上記熱媒体とを分離し、か焼された上記セメント原料を上記セメントキルンに供給し、かつ上記熱媒体を再び上記媒体加熱炉に戻して上記混合か焼炉との間で循環させるとともに、上記混合か焼炉内において上記セメント原料のか焼により発生したＣＯ2ガスを回収することを特徴とするものである。
【００１９】
なお、上記か焼温度とは、石灰石、即ちＣａＣＯ3（炭酸カルシウム）がＣａＯ（酸化カルシウム）とＣＯ2に分解する反応が起こる温度をいう。
【００２０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記熱媒体が、上記セメントキルンにおいて焼成することによって得られたセメントクリンカであることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記第１のプレヒータから抜き出されたか焼前の上記セメント原料と、上記第１のプレヒータから独立した第２のプレヒータで予熱されたか焼前の他のセメント原料とを、上記混合か焼炉に供給するとともに、上記混合か焼炉内において発生したＣＯ2ガスを上記第２のプレヒータの熱源として利用した後に回収することを特徴とするものである。
【００２２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記熱媒体を上記混合か焼炉の底部から抜き出して、当該混合か焼炉の上部に戻すことにより、上記熱媒体を上記混合か焼炉から排出されるＣＯ2ガスと接触させて、当該熱媒体に付着した上記セメント原料を分離させた後に、上記媒体加熱炉へ戻すことを特徴とするものである。
【００２３】
さらに、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、上記混合か焼炉内においてか焼された上記セメント原料の一部を、上記第１のプレヒータに戻すことを特徴とするものである。
【００２４】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、上記セメント原料の一部を、空気と熱交換させて、降温した当該セメント原料を上記第１のプレヒータに戻すとともに、加熱された上記空気を上記媒体加熱炉における燃焼用空気として供給することを特徴とするものである。
【００２５】
さらに、請求項７に記載の発明は、セメント原料を、第１のプレヒータで予熱した後に、内部が高温雰囲気に保持されたセメントキルンに供給して焼成するセメントの製造方法において、請求項１ないし６のいずれかに記載のセメント製造設備におけるＣＯ2ガスの回収方法によって、上記セメント原料のか焼により発生したＣＯ2ガスを回収することを特徴とするものである。
【００２６】
次いで、請求項８に記載の発明は、セメント原料を予熱する第１のプレヒータと、この第１のプレヒータによって予熱された上記セメント原料を焼成するセメントキルンとを備えたセメント製造設備において発生するＣＯ2ガスを回収するための設備であって、上記第１のプレヒータからか焼前の上記セメント原料を抜き出す抜出ラインと、この抜出ラインから抜き出された上記セメント原料が導入される混合か焼炉と、上記セメント原料よりも粒子径の大きい熱媒体を上記セメント原料のか焼温度以上に加熱する媒体加熱炉と、この媒体加熱炉において加熱された上記熱媒体を上記混合か焼炉に供給するとともに上記混合か焼炉から上記媒体加熱炉に戻す熱媒体の循環ラインと、上記混合か焼炉において上記熱媒体によって加熱されてか焼された上記セメント原料を上記第１のプレヒータまたは上記セメントキルンに戻す戻りラインと、上記混合か焼炉内で発生したＣＯ2ガスを回収するＣＯ2ガス排気管とを備えてなることを特徴とするものである。
【００２７】
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、上記第１のプレヒータから独立して設けられて他のセメント原料を予熱する第２のプレヒータと、この第２のプレヒータで予熱されたか焼前の上記他のセメント原料を上記混合か焼炉に供給する移送管とを備え、かつ上記混合か焼炉からの上記ＣＯ2ガス排気管が、上記第２のプレヒータの熱源として導入されていること特徴とするものである。
【００２８】
さらに、請求項１０に記載の発明は、請求項８または９に記載の発明において、上記媒体加熱炉は、下方に加熱源を有する移動槽であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１〜６に記載の回収方法および請求項７に記載のセメントの製造方法並びに請求項８〜１０に記載の回収設備においては、第１のプレヒータから抜き出したか焼前のセメント原料を、混合か焼炉内に供給するとともに、媒体加熱炉においてセメント原料の焼温度以上に加熱した熱媒体を上記混合か焼炉に供給する。これにより、上記混合か焼炉において、上記か焼前の上記セメント原料が、上記熱媒体によってか焼される。
【００３０】
この結果、上記混合か焼炉内は、セメント原料のか焼によって発生したＣＯ2ガスで満たされ、当該ＣＯ2ガス濃度が略１００％になる。このように、上記回収方法または回収設備によれば、上記混合か焼炉から略１００％の濃度のＣＯ2ガスをＣＯ2ガス排気管から回収することができる。
【００３１】
また、特に請求項３または請求項９に記載の発明においては、上記混合か焼炉内で発生した高温のＣＯ2ガスを、第１のプレヒータから独立した第２のプレヒータに送ってセメント原料の予熱に利用した後に、そのまま排ガス管から回収することができる。
【００３２】
なお、上記混合か焼炉内は、１００％近い高濃度のＣＯ2ガス雰囲気下になるために、セメント原料のか焼温度は高くなるが、セメント原料中には、石灰石（ＣａＣＯ3）とともに粘土、珪石および酸化鉄原料、すなわちＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3およびＦｅ2Ｏ3が含まれている。
【００３３】
そして、上記セメント原料は、８００〜９００℃程度の温度雰囲気下において、
２ＣａＣＯ3＋ＳｉＯ2→２ＣａＯ・ＳｉＯ2＋２ＣＯ2↑          （１）
２ＣａＣＯ3＋Ｆｅ2Ｏ3→２ＣａＯ・Ｆｅ2Ｏ3＋２ＣＯ2↑        （２）
ＣａＣＯ3＋Ａｌ2Ｏ3→ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3＋ＣＯ2↑              （３）
で示される反応が生じ、最終的にセメントクリンカを構成する珪酸カルシウム化合物であるエーライト（３ＣａＯ・ＳｉＯ2）およびビーライト（２ＣａＯ・ＳｉＯ2）並びに間隙相であるアルミネート相（３ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3）およびフェライト相（４ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・Ｆｅ2Ｏ3）が生成されることになる。
【００３４】
この際に、図３に示す上記（１）式の反応温度のグラフ、図４に示す上記（２）式の反応温度のグラフおよび図５に示す上記（３）式の反応温度のグラフに見られるように、縦軸に示したＣＯ2ガスの分圧が高くなった場合においても、より低い温度で上記反応を生じさせることができる。
【００３５】
さらに、上記セメント原料においては、上記（１）〜（３）式で示す反応が生じることに加えて、珪石、粘土等の石灰石以外の原料から持ち込まれるＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3やその他の微量成分が鉱化剤となり、炭酸カルシウムの熱分解が促進されるために、図６に見られるように、炭酸カルシウム単独の場合と比較して、熱分解の開始温度および終了温度共に低下する。なお、図６は、上記セメント原料（ｆｅｅｄ）のサンプルおよび石灰石（ＣａＣＯ3）単独のサンプルを、それぞれ一般的なセメント製造設備における加熱速度に近い１０Ｋ／ｓｅｃの速度で加熱した際の重量の変化から、上記熱分解の推移を確認したものである。
【００３６】
ここで、上記鉱化剤の存在によって、炭酸カルシウム単独の場合と比較して、熱分解の開始温度および終了温度共に低下する理由の一つとして、以下のことが考えられる。
すなわち、ａをアクティビティ、Ｋを反応式ＣａＣＯ3＝ＣａＯ＋ＣＯ2の平衡定数としたときに、
ＰCO2＝（ａCaCO3／ａCaO）・Ｋ
において、一般に固体のアクティビティａは、純物質であれば種類によらず１であるものの、酸化カルシウム（ＣａＯ）については、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）の熱分解後、他の原料物質（すなわち上記鉱化剤）が固溶することにより、ａCaOの値が１より小さくなる。この結果、上式のＰCO2が高くなり、ＰCO2＝１ａｔｍとなる温度が低下して、よりか焼が促進されるためであると考えられる。なお、ａCaCO3は、石灰石の品種、産地に固有な値であり、他の原料成分の影響を受けることがない。
【００３７】
以上のことから、本発明によれば、混合か焼炉における運転温度を低下させても、所望のＣＯ2ガスの回収量を確保することができる。しかも、混合か焼炉において、セメント原料とは異なる粒径が大きく、よって極端に比表面積が小さい熱媒体によってセメント原料を加熱してか焼させているために、媒体加熱炉において上記熱媒体をか焼温度以上の１０００℃以上に加熱しても、上記熱媒体同士あるいは熱媒体と炉壁やシュート内壁の固着や融着を抑えて、コーチングトラブル等の発生を抑止することが可能になる。
【００３８】
また、混合か焼炉に導入されるか焼前のセメント原料は、通常のセメント製造プロセスと同様にしてセメント製造設備における第１のプレヒータにより予熱されているとともに、請求項３または９に記載の発明における他のセメント原料は、第２のプレヒータにおいて混合か焼炉から排出される高温のＣＯ2ガスにより予熱されている。
【００３９】
さらに、熱媒体を混合か焼炉と媒体加熱炉との間において循環使用しているために、混合か焼炉において大きな熱量を確保することができるとともに、既存のセメント製造設備に対して新たな熱エネルギーを加えることなく、か焼時に発生する原料起源のＣＯ2を、選択的に高濃度で回収することができる。
【００４０】
加えて、混合か焼炉において十分にか焼された高温のセメント原料をセメントキルンに戻しているために、セメントキルンにおいて焼成に要する燃料を削減することができる。この結果、セメントキルンとして、従来よりも長さ寸法の短いロータリーキルンや、流動層、噴流層を用いることができ、一層の省空間化、省設備コスト化あるいは省エネルギー化を図ることも可能になる。
【００４１】
さらに、請求項３または９に記載の発明によれば、ＣＯ2ガスが発生する際に生じる熱量を、上記他のセメント原料の予熱に利用することにより、システム全体としての熱効率を一段と高めることができる。
【００４２】
ここで、上記熱媒体としては、媒体加熱炉における加熱温度に対する耐熱性と、セメント原料と混合された場合の耐摩耗性を有する生灰石（ＣａＯ）、珪石（ＳｉＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等のセラミックス材料、耐熱合金等の金属材料の他、セメントクリンカを用いることができる。ちなみに、生灰石は、融点が２５００℃程度と高く、融着し難いという利点がある。また、熱媒体として循環する間に、徐々に摩耗して発生した微粉が原料に混合しても、セメント原料成分の一つであるために、弊害を生じることがない。さらに、生石灰に代えて石灰石を混合か焼炉、熱媒体供給管またはバケットエレベータに投入した場合においても、その後脱炭酸して生石灰になるので、上述した生石灰の場合と同様の作用効果が得られる。この際に、上記石灰石を混合か焼炉または熱媒体供給管に投入すれば、か焼の際に発生するＣＯ2を回収することができるために好ましい。
【００４３】
また、珪石も、融点が１７００℃程度と高く、融着し難いとともに、非常に硬度が高いために摩耗し難く、熱媒体として補充する量が少なくて済むという利点がある。さらに、循環過程において徐々に摩耗して生じた微粉が原料に混同しても、同様にセメント原料成分の一つであるために、不都合を生じることがない。
【００４４】
また、請求項２に記載の発明のように、上記セメントキルンにおいて焼成することによって得られた硬質かつ粒子径がセメント原料よりも遙かに大きなセメントクリンカを用いれば、経済的であるとともに、仮にセメント原料と接触して摩耗した場合にも、当該摩耗粉は既に成分調整されているために、セメント原料と同質の摩耗粉が再びセメントキルンに送られることになり、よって運転や製品としてのセメントキルンの品質に悪影響を与えるおそれがない。
【００４５】
また、混合か焼炉において熱媒体とセメント原料を混合させて熱交換する際に、セメント原料が、これよりも粒子径の大きい熱媒体の表面に付着する。そこで、請求項４に記載の発明のように、上記熱媒体を一旦混合か焼炉の底部から抜き出して、当該混合か焼炉の上部に戻すことにより、上記熱媒体を混合か焼炉から排出されるＣＯ2ガスと接触させて付着した上記セメント原料を分離させた後に、上記媒体加熱炉へ戻すことが好ましい。
【００４６】
ところで、セメントキルンから第１のプレヒータに送られてセメント原料を予熱する燃焼排ガス中には、Ｎ2ガスとともに、化石燃料が燃焼される結果生じたＣＯ2ガス（燃料起源によるＣＯ2ガスの発生）が含まれている。
そこで、請求項５に記載の発明のように、上記混合か焼炉内においてか焼されることにより、ＣａＯを多く含むセメント原料の一部を第１のプレヒータに戻せば、上記ＣａＯが燃焼排ガスと接触して、ＣａＯ＋ＣＯ2→ＣａＣＯ3、で示される化学反応が生じ、上記排ガス中の燃料起源によるＣＯ2ガスを吸収することができる。
【００４７】
そして、生成したＣａＣＯ3は、セメント原料とともに、再び混合か焼炉へと送られてか焼される。
このため、セメント原料がか焼される際に発生する原料起源のＣＯ2ガスに加えて、燃料起源のＣＯ2ガスも回収することが可能になる。
【００４８】
ここで、混合か焼炉から排出されたか焼後のセメント原料は、高温であり、かつ上述したＣａＯ＋ＣＯ2→ＣａＣＯ3の反応は、発熱反応である。このため、請求項６に記載の発明のように、混合か焼炉から排出された上記セメント原料の一部を、一旦空気と熱交換させて降温した後に、上記第１のプレヒータに戻し、他方加熱された上記空気を媒体加熱炉における燃焼用空気として供給するようにすれば、システム内の熱エネルギーの一層の有効活用を図ることができるために好適である。
【００４９】
さらに、請求項１０に記載の発明においては、上記媒体加熱炉として、下方に加熱源を有する移動槽を用いている。このため、燃焼ガス等の加熱ガスが、当該移動槽の底部から上方に向けて流れることにより、上記底部の熱媒体が最も高温となる。そこで、熱媒体を上記移動槽の底部から順次混合か焼炉へと供給することにより、媒体加熱炉内の熱媒体の全体を所望の温度まで加熱する場合と比較して、加熱に要する熱エネルギーを低減化することが可能になる。加えて、加熱ガスは、混合仮焼炉から排出された９００℃程度の熱媒体と炉上部で接触して熱交換するために、排出されるガス温度を１０００℃程度と低くすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係るＣＯ2ガスの回収設備の第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係るＣＯ2ガスの回収設備の第２の実施形態を示す概略構成図である。
【図３】雰囲気中ＣＯ2濃度と（１）式で示した反応温度との関係を示すグラフである。
【図４】雰囲気中ＣＯ2濃度と（２）式で示した反応温度との関係を示すグラフである。
【図５】雰囲気中ＣＯ2濃度と（３）式で示した反応温度との関係を示すグラフである。
【図６】ＣＯ2雰囲気下におけるセメント原料と石灰石単独とのか焼開始温度および終了温度の相違を示すグラフである。
【図７】一般的なセメント製造設備を示す概略構成図である。
【図８】雰囲気中のＣＯ2濃度と石灰石のか焼温度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
（実施の形態１）
図１は、本発明に係るセメント製造設備おけるＣＯ2ガスの回収設備の第１の実施形態を示すもので、セメント製造設備の構成については、図７に示したものと同一であるために、同一符号を付してその説明を簡略化する。
図１において、符号１０は、セメント製造設備のプレヒータ（第１のプレヒータ）３とは独立して設けられた第２のプレヒータである。
【００５２】
この第２のプレヒータ１０は、上記プレヒータ３と同様に、上下方向に直列的に配置された複数段のサイクロンによって構成されており、最上段のサイクロンに供給ライン１１からセメント原料が供給されるようになっている。そして、第２のプレヒータ１０の最下段のサイクロンの底部には、移送管１０ａの上端が接続されるとともに、この移送管１０ａの下端部が混合か焼炉１２に導入されている。この混合か焼炉１２は、例えば流動層式、ロータリーキルン式、移動層式等の粉体混合炉である。
【００５３】
他方、上記セメント製造設備のプレヒータ３においては、最下段のサイクロンからか焼前のセメント原料を抜き出す抜出ライン１３が設けられ、この抜出ライン１３の先端部が第２のプレヒータ１０からの移送管１０ａに接続されている。これにより、第２のプレヒータ１０からのか焼前のセメント原料と、プレヒータ３からのか焼前のセメント原料とが、混合か焼炉１２内に導入されるようになっている。
【００５４】
さらに、このＣＯ2ガスの回収設備においては、混合か焼炉１２と並列的に媒体加熱炉１４が設けられている。この媒体加熱炉１４は、内部にクリンカクーラ６から排出された粒子径がセメント原料よりも大きいセメントクリンカが充填される移動槽であり、下部側面には内部を加熱するバーナ１４ａが設けられている。また、底部には、クリンカクーラ６からの抽気ガスを燃焼用空気として導入するための導入管１４ｂが設けられている。さらに、この媒体加熱炉１４の天井部には、内部の燃焼排ガスを排気するための排ガス管１４ｃが設けられ、この排ガス管１４ｃがロータリーキルン１からの排ガス管３ｂに接続されている。この媒体過熱炉１４は、移動層式に限定されず、例えば流動層式、ロータリーキルン式等の粉体加熱炉を使用することもできる。
【００５５】
そして、この媒体加熱炉１４の下部には、内部で加熱されたセメントクリンカを混合か焼炉１２へと送る熱媒体供給管１５が接続され、この混合か焼炉１２の上部には当該混合か焼炉１２からの排気ダクトの一部を構成する媒体沈降装置１６が接続されている。また、混合か焼炉１２の底部には、セメントクリンカを抜き出す排出管１７が接続され、この排出管１７によって抜き出されたセメントクリンカが、バケットエレベータ１８を介して上記媒体沈降装置１６内に戻されるようになっている。
【００５６】
さらに、媒体沈降装置１６の底部には、上記セメントクリンカを媒体加熱炉１４へと戻す熱媒体戻り管１９が接続されている。そして、熱媒体供給管１５、排出管１７、バケットエレベータ１８および熱媒体戻り管１９によって、媒体加熱炉１４において加熱されたセメントクリンカを混合か焼炉１２に供給するとともに、当該混合か焼炉１２から媒体加熱炉１４に戻す熱媒体の循環ラインが構成されている。なお、図中符号２０は、この循環ラインを循環されるセメントクリンカの消失分を補うために、新たなセメントクリンカを補充するためのクリンカタンクである。
【００５７】
他方、媒体沈降装置１６の排出側には、混合か焼炉１２から排出されたＣＯ2ガスと、このＣＯ2ガスに同伴したか焼後のセメント原料および媒体沈降装置１６で熱媒体から分離されたか焼後のセメント原料を分離するためのサイクロン２１が接続され、このサイクロン２１の底部に、分離されたか焼後のセメント原料をロータリーキルン１の窯尻部分２に戻す戻りライン２２が接続されている。また、サイクロン２１の上部には、分離されたＣＯ2ガスを排出するためのＣＯ2排気管２３が接続されるとともに、このＣＯ2排気管２３が、第２のプレヒータ１０における加熱媒体として導入されている。なお、図中符号２４は、ＣＯ2ガスの排気ファンであり、符号２５は、ＣＯ2ガスの排気ラインである。
【００５８】
次に、上記第１の実施形態に示したＣＯ2ガスの回収設備を用いた本発明に係るＣＯ2ガスの回収方法およびセメントの製造方法の一実施形態について説明する。
先ずセメント原料を、供給管４、１１から各々プレヒータ３、第２のプレヒータ１０の最上段のサイクロンに供給する。
【００５９】
すると、プレヒータ３においては、順次下方のサイクロンへと送られる過程で、従来と同様にロータリーキルン１から排ガス管３ｂを介して供給される排ガスによって上記セメント原料が予熱される。そして、か焼温度に達する前（例えば、約８１０℃）まで予熱された上記セメント原料が、抜出ライン１３から移送管１０ａを介して混合か焼炉１２へと供給されてゆく。
【００６０】
また、第２のプレヒータ１０に供給されたセメント原料は、混合か焼炉１２から排出された高濃度かつ高温のＣＯ2ガスによって予熱され、最終的にか焼温度に達する前（例えば、約７６０℃）まで予熱されて移送管１０ａから混合か焼炉１２へと供給されてゆく。
【００６１】
一方、媒体加熱炉１４においては、内部のセメントクリンカ（熱媒体）がバーナ１４ａの燃焼によってセメント原料のか焼温度以上（例えば１２００℃程度）まで加熱される。そして、加熱されたセメントクリンカが、熱媒体供給管１５から混合か焼炉１２へと供給されてゆく。
【００６２】
これにより、混合か焼炉１２内においては、供給されるセメント原料がセメントクリンカと混合されてか焼温度以上（例えば、９００℃）に加熱され、か焼されるとともに、この際にＣＯ2ガスが発生する。そして、このＣＯ2ガスとか焼後のセメント原料は、混合か焼炉１２の上部から媒体沈降装置１６を介してサイクロン２１に送られ、当該サイクロン２１において固気分離される。そして、分離されたか焼後のセメント原料は、戻りライン２２からロータリーキルン１の窯尻部分２へと戻され、最終的にロータリーキルン１内で焼成される。
【００６３】
他方、サイクロン２１で分離された略１００％の濃度の高温のＣＯ2ガスは、ＣＯ2排気管２３から第２のプレヒータ１０における加熱媒体として導入される。この結果、ＣＯ2ガスの排気ライン２５から、原料起源による略１００％の濃度のＣＯ2ガスを回収することができる。
【００６４】
また、これと併行して、混合か焼炉１２内でセメント原料をか焼することによって降温したセメントクリンカは、逐次混合か焼炉１２の底部から排出管１７を介して抜き出され、さらにバケットエレベータ１８によって混合か焼炉１２の上方に搬送されて媒体沈降装置１６内に投入される。そして、この媒体沈降装置１６において、セメントクリンカは、付着していたセメント原料が混合か焼炉１２から送られてくるＣＯ2ガスによって分離された後に、熱媒体戻り管１９を介して再び媒体加熱炉１４へと戻されてゆく。
【００６５】
このように、上記セメント製造設備におけるＣＯ2ガスの回収方法および回収設備によれば、セメント設備における熱源を有効活用して、当該セメント設備において発生するＣＯ2ガスのうちの半分以上を占める原料起源によるＣＯ2ガスを、１００％に近い高い濃度で回収することができる。
【００６６】
この際に、混合か焼炉１２において、セメント原料とは異なる粒径が大きく、よって極端に比表面積が小さいセメントクリンカを熱媒体としてセメント原料を加熱してか焼させているために、媒体加熱炉１４において上記セメントクリンカをか焼温度以上の１０００℃以上に加熱しても、上記セメントクリンカ同士あるいはセメントクリンカと炉壁やシュート内壁の固着や融着を抑えて、コーチングトラブル等の発生を抑止することができる。
【００６７】
加えて、混合か焼炉１２において十分にか焼された高温のセメント原料を、戻りライン２２からロータリーキルン１に戻しているために、ロータリーキルン１において焼成に要する燃料を削減することができ、よって従来よりも長さ寸法の短いロータリーキルン１を用いることができる。
【００６８】
（第２の実施形態）
図２は、本発明に係るＣＯ2ガスの回収設備の第２の実施形態を示すもので、図１に示したものと同一構成部分については、同様に同一符号を付してその説明を簡略化する。
この回収設備においては、サイクロン２１からロータリーキルン１の窯尻部分２へと戻されるか焼後のセメント原料の戻りライン２２に、上記セメント原料の一部を分岐する分岐管３０が設けられている。そして、この分岐管３０は、熱交換器３１に導入されている。
【００６９】
この熱交換器３１は、空気の供給管３２から送られてくる空気を、分岐管３０から送られてくる高温（例えば、約９００℃）の上記セメント原料によって加熱するためのものであり、分岐管３０の出口側には、降温（例えば、３００℃程度）したセメント原料を第１のプレヒータ３に戻す移送ライン３３が接続されている。他方、熱交換器３１で加熱された空気の出口側は、当該空気を媒体加熱炉１４の燃焼用空気として供給する供給管３４が接続されている。
【００７０】
以上の構成からなる第２の実施形態に係るＣＯ2ガスの回収設備においては、混合か焼炉１２内においてか焼されることによりＣａＯを多く含むセメント原料の一部を、分岐管３０、熱交換器３１および移送ライン３３を介して第１のプレヒータ３に戻しているため、上記セメント原料が第１のプレヒータ３におけるセメント原料の加熱用の燃焼排ガスと接触して、ＣａＯ＋ＣＯ2→ＣａＣＯ3で示すように、当該燃焼排ガス中の燃料起源によるＣＯ2ガスを吸収する。
【００７１】
そして、生成したＣａＣＯ3は、セメント原料とともに、再び混合か焼炉へと送られてか焼される。
この結果、混合か焼炉１２においてセメント原料がか焼される際に発生する原料起源のＣＯ2ガスに加えて、ロータリーキルン１の主バーナ５や媒体加熱炉１４のバーナ１４ａにおける燃焼によって発生する燃料起源のＣＯ2ガスも回収することができる。
【００７２】
加えて、混合か焼炉１２から排出された約９００℃と高温のセメント原料の一部を、熱交換器３１において空気と熱交換させて約３００℃程度まで降温した後に、移送ライン３３から第１のプレヒータ３に戻すとともに、上記熱交換器３１において加熱された上記空気を、供給管３４から媒体加熱炉１４に燃焼用空気として供給しているために、システム内の熱エネルギーの一層の有効活用を図ることができる。
【００７３】
この際に、第１のプレヒータ３の下段においては、約８００℃の温度雰囲気になっているのに対して、これよりも低温の約３００℃のセメント原料が供給されることになるが、上述したＣａＯ＋ＣＯ2→ＣａＣＯ3で示す反応は発熱反応であるために、第１のプレヒータ３における熱バランスを崩すおそれもない。
【符号の説明】
【００７４】
１  ロータリーキルン（セメントキルン）
３  プレヒータ（第１のプレヒータ）
１０  第２のプレヒータ
１０ａ  移送管
１２  混合か焼炉
１３  抜出ライン
１４  媒体加熱炉
１５  熱媒体供給管
１９  熱媒体戻り管
２１  サイクロン
２２  戻りライン
２５  ＣＯ2ガスの排気ライン
３１  熱交換器
３３  セメント原料の移送ライン
３４  燃焼用空気の供給管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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