(57)【要約】【課題】  大きなエネルギー消費を伴うことなくセメントやセメント系固化材を製造する方法を提供することを目的とする。【解決手段】太陽熱を用いた焼成であって、クリンカ中の間隙質成分がボーグ式で、７質量％以下となるように調合したセメント原料を用いることを特徴とするセメントクリンカの製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽熱を用いた焼成であって、間隙質を低減させたことを特徴とするセメントクリンカの製造方法
【請求項２】
太陽熱を用いた焼成であって、クリンカ中の間隙質成分がボーグ式で、７質量％以下となるように調合したセメント原料を用いることを特徴とするセメントクリンカの製造方法。
【請求項３】
また、前記クリンカ中の間隙質が、ボーグ式で、Ｃ３Ａが６質量％、Ｃ４ＡＦが１質量％以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のセメントクリンカの製造方法。
【請求項４】
さらに、集光加熱による焼成温度が１４５０〜２２００℃であることを特徴とする請求項１、２、３のいずれかに記載のセメントクリンカの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セメントクリンカの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セメントクリンカは、現在、ロータリーキルンを用いて、石灰石を中心とする粉末状の原料を、化石燃料で１４５０℃程度の高温で焼成することにより製造されている。従って、極めて大きなエネルギー消費が伴う。現在のセメント製造システムでは、そのエネルギーの大部分を石炭や重油などの化石燃料で賄っている。しかしながら、地球温暖化抑止のためのＣＯ２削減への対応や枯渇性資源であるための供給不安が社会的問題となっている今日、化石燃料からの脱却・エネルギー転換を図る必要が生じてきている。
【０００３】
化石燃料に代わる代表的なエネルギーは太陽光であるが、一般に良く利用される「太陽光発電」に関しては、光起電力効果によって太陽光を電気エネルギーに直接変換する方法で、エネルギー変換効率は２５％以下と低いのが現状である。このため、太陽光発電による電気を用いた電気炉焼成は非効率的である。
【０００４】
一方、セメントは、これまでの汎用的な建築材料としての用途のほかに、たとえば、放射性廃棄物などを隔離するための特別な用途に用いるセメントなども登場しつつある。しかし、このような特殊なセメントは、化石燃料、鉄原料、アルミニウム原料由来の不純物、特に、Ｅｕ、Ｃｏ、Ｃｓのような半減期の長い核種を生成の原因となるＦｅ等の混入を嫌う。このため、灰分が混入する可能性のある化石燃料による直接加熱は好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３９３６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、炭酸カルシウムを主原料とするセメントクリンカを製造する際の熱源として、重油や石炭といった化石燃料を用いず、太陽熱を直接利用した加熱によってこれらの消費によるＣＯ２を削減したセメントクリンカの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］太陽熱を用いた焼成であって、間隙質を低減させたことを特徴とするセメントクリンカの製造方法、である。
【０００８】
〔２〕太陽熱を用いた焼成であって、セメントクリンカ中の間隙質成分がボーグ式で、７質量％以下となるように調合したセメント原料を用いることを特徴とするセメントクリンカの製造方法、である。
［３］また、前記クリンカ中の間隙質が、ボーグ式で、Ｃ３Ａが６質量％、Ｃ４ＡＦが１質量％以下であることを特徴とする［１］、〔２〕のいずれかに記載のセメントクリンカの製造方法である。
【０００９】
［４］さらに、集光加熱による焼成温度が１４５０〜２２００℃であることを特徴とする［１］、［２］、〔３〕のいずれかに記載のセメントクリンカの製造方法である。
【００１０】
本発明におけるセメントクリンカの製造装置は、レンズによって太陽エネルギーの集光する集光装置と、集光装置の焦点位置にセメントクリンカを焼成するための回転炉とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
太陽エネルギーの集光装置としては、凸面鏡、フレネルレンズ、凹レンズ、平面鏡式（ヘリオスタット）などがあるが、凸面鏡、フレネルレンズは大型化が困難であるため、平面鏡式（ヘリオスタット）もしくは凹面鏡と平面鏡式（ヘリオスタット）を組み合わせたものが好ましい。両方式では、数十ｍ２以上の集光面積とすることができ、太陽エネルギーのエネルギー密度の低さを補うことが可能である。
【００１２】
回転炉としては、パンペレ構造のパン型回転炉や樽型回転炉を用いることができる。原料を回転させながら、原料を均一に焼成することができ、回転速度を制御することで、炉中の滞留時間を調節できる。炉壁用の高温構造材として、２０００℃程度までであればアルミナ質一般的である。超高温の２５００℃までの耐熱材には、ジルコニア、マグネシア質やＳｉＣなどの非酸化物シリカ系耐熱セラミックスも用いることができる。
【００１３】
次に、本発明に係るセメント及びセメント固化材に含まれるセメントクリンカについて、説明する。
【００１４】
本発明に用いるセメントクリンカは、ボーグの式により算定した値として、Ｃ３Ａ（アルミネート相）とＣ４ＡＦ（フェライト相）の合計の含有率が７質量％以下のものである。アルミネート相とフェライト相の割合は、特に限定されない。また、アルミネート相とフェライト相のいずれか一方のみを含むものでもよい。
【００１５】
一般に、ポルトランドセメントの種類として、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメントなどが知られている。従来のポルトランドセメントにおけるケイ酸率は、概ね、３．７質量％以下である。また、従来のポルトランドセメントにおける間隙質の量（アルミネート相とフェライト相の合計の含有率）は、概ね、１４質量％以上である。
【００１６】
この理由は、セメントに最も必要なＣ３Ｓ（エーライト）の生成温度が間隙質の有無によって異なるためである。間隙質が存在しない場合、エーライトの生成温度は２０００℃以上であるが、間隙相存在下では１５００℃以下にまで低下する。つまり、化石燃料を利用する通常のセメントクリンカ製造においては、エーライトの生成させるためには一定以上の間隙質の存在が必要だからである。
【００１７】
太陽光による焼成の場合、理論的には太陽表面温度である約６０００℃までの昇温は可能であり、エネルギー消費もない。このため、化石燃料を利用する通常のセメントクリンカ製造のような焼成温度に対する制約はない。太陽光による焼成においては、間隙質の存在は、炉内コーティングを促進するため、反って操業上のトラブルの原因となる。
【００１８】
そこで、本発明では、従来のポルトランドセメントと異なり、ボーグの式により算定した値として、アルミネート相とフェライト相の合計の含有率が７質量％以下となるように配合割合を定めることによって、炉内コーティングトラブルを引き起こすことなくセメントクリンカを製造できることを見出した。
【００１９】
また、副次的な効果として、間隙質を少なくすることにより、放射化セメントに適した半減期の長い核種を生ずる不純物を少なくすることが可能となった。
【００２０】
ここで、ボーグの式とは、次の（１）〜（４）の式（ただし、各式の右辺中の「ＣａＯ」等は、酸化物換算のＣａ等の含有率を意味する。）をいう。セメントの化学分析の結果から、次の（１）〜（４）の式を用いて鉱物組成が算出される。なお、単位は、いずれも質量％である。
（１）  Ｃ３Ｓ（エーライト）＝（４．０７×ＣａＯ）−（７．６０×ＳｉＯ２）−
（６．７２×Ａｌ２Ｏ３）−（１．４３×Ｆｅ２Ｏ３）−（２．８５×ＳＯ３）
（２）  Ｃ２Ｓ（ビーライト）＝（２．８７×ＳｉＯ２）−（０．７５４×Ｃ３Ｓ）
（３）  Ｃ３Ａ（アルミネート相）
＝（２．６５×Ａｌ２Ｏ３）−（１．６９×Ｆｅ２Ｏ３）
（４）  Ｃ４ＡＦ（フェライト相）＝（３．０４×Ｆｅ２Ｏ３）
従来、ボーグの式により鉱物組成を算定する方法は、セメントの鉱物組成を求める最も一般的な方法として用いられている。
【００２１】
本発明で得られたセメントクリンカに、セメント中のＳＯ３が３．０質量％以下となるように石膏（例えば、二水石膏、半水石膏、３型無水石膏）を加えて粉砕することによってＪＩＳ  Ｒ  ５２１０に規格するセメントを得ることができる。また、セメント系固化材としては、これ以外に無水石膏や高炉スラグを添加して製造することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明によれば、大きなエネルギー消費を伴うことなく、不純物の少ないセメントクリンカを製造する方法を提供することができる。また、ロータリンキルンではキルン内壁レンガ損傷を受けやすい高温焼成においても、低間隙質クリンカ、及びそのセメントの製造が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本願発明の太陽エネルギーの集光装置と焼成炉の概略図。
【図２】焼成実験に用いた太陽エネルギーの集光装置と焼成炉の概略図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。図１は本発明の一実施形態で太陽エネルギーの集光装置として、凹面鏡と平面鏡式（ヘリオスタット）を用いたものである。
【００２５】
太陽光は、太陽追尾システムを装備した複数の平面鏡を含むヘリオスタットで、凹面鏡に投射する。凹面鏡の焦点位置には、セメント焼成用のパン型炉が設置される。
【００２６】
太陽光追尾システムについては、特開平０６−２５０７３９  ０７−３３２９６３  ０８−６３２３２  １０−１０６３１７  に開示されているものが使用可能である。
【００２７】
クリンカ生成の所要熱量４５０ｋｃａｌ／ｋｇクリンカとすると、１８８１ｋＪ／ｋｇクリンカとなる。即ち、１トンのクリンカを焼成するには、１８８１ＭＪの熱量が必要である。太陽光のエネルギー密度を仮に１ｋＷ／ｍ２として、８６０ｋｃａｌ／ｍ２・ｈ即ち３６００ｋＪ／ｍ２・ｈの熱量が得られる。これを一日の日照時間を５時間として、理論値の５０％の太陽熱がクリンカ焼成に用いることができた場合、所要面積は、２０９ｍ２となる。これを、正方形ミラー受ける場合、１辺が１４ｍ、円形ミラーで受ける場合、直径１６ｍとなる。
【００２８】
本発明の回転炉においては、原料充填は、バッチ方式、連続方式のいずれも可能であるが、連続方式の場合、炉の回転速度や傾きなどは、供給、焼成、排出の点から考慮して、定めることが好ましい。
【００２９】
また、原料供給形態は、炉壁へのコーティング付着を回避する上でも、焼成後のセメントクリンカのハンドリング面を考慮する上でも、９０μｍ残分で２０質量％以下まで細粒化したものを、５ｍｍ以上の大きさに予め造粒されていることが望ましい。
【００３０】
本発明のセメントクリンカの好適な実施形態の一例として、ボーグの式により算定した値として、アルミネート相とフェライト相の合計の含有率が７質量％以下、好ましくは５質量％以下、より好ましくは３質量％以下であり、エーライトとビーライトの含有率の合計が９０質量％以上、好ましくは９５質量％以上、であるものが挙げられる。エーライトとビーライトの割合は、セメント製品の使用用途による要求性能がことなるため、限定されない。エーライトとビーライトのいずれか一方のみを含むものでもよい。
【００３１】
また、本装置では、排出ガスはＣＯ２のみであるので、これを抽気して、ＣＯ２固定化装置に導いて、これを高濃度で回収することも可能である。
【実施例】
【００３２】
実験は、太平洋セメント株式会社の未公開発明（特願２００９−２２３５８２、発明者：一坪幸輝）を含む表１に示すセメント製造に用いたものと同じ化学成分の原料を用いて、図２に示した太陽エネルギーの集光装置と焼成炉を用いて行った。集光装置には１４００ｍｍ×１０５０ｍｍのフレネルレンズを用い、焼成炉部分にはマグネシア質ルツボを用いた。これに焼成用原料約３ｇをいれ、１８００℃程度の温度で焼成を行った。実験運転では、太陽光の追尾は手動で実施した。
【００３３】
実験例の目標値とした低間隙質量のセメント等の化学成分、諸率、鉱物組成、間隙質量（ボーグの式による値）を、表１に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
比較例として、焼成用原料として、石灰石、珪石、粘土を表２のクリンカ化学組成となるように、所定量、混合した後、これを９０μｍ残分で１５質量％以下まで細粒化して、焼成用原料を得た。次いで、この焼成用原料を内燃型ロータリーキルンで焼成し、表２のセメントクリンカ試料１、試料２、試料３、試料４、試料５を製造した。
【００３６】
次に、上記セメントクリンカ（１００質量％）に対して、セメント中のＳＯ３が、２．５質量％となるように石膏（例えば、二水石膏、半水石膏、３型無水石膏）を加えてそれぞれ添加し、小型遊星ボールミルで比表面積３５００ｃｍ２／ｇを目標に粉砕して低間隙質量のセメント試料１、試料２、試料３、試料４、試料５を製造した。セメントの化学成分、ｆ−ＣａＯ量は、それぞれＪＩＳ  Ｒ  ５２０４−２００２、ＪＣＡＳ−１−０１−１９９７に準じて分析した。
【００３７】
【表２】
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【００３８】
クリンカ中の間隙質成分がボーグ式で、３．８６質量％から１９．０７質量％となるように調合したセメント原料を用いて、１３００℃から２２００℃までの範囲でクリンカ製造を行った。
【００３９】
太陽熱も用いて製造した「試料１乃至５相当クリンカ」は、鉄含有率がすくなく、ロータリーキルンを用いると高温を要し、焼成に困難が生じる。しかし、本太陽熱利用の焼成炉で製造すると、大きなエネルギー消費を伴うことなく、間隙質のすくないクリンカが焼成できた。さらに、ボーグ式で、Ｃ３Ａが６質量％、Ｃ４ＡＦが１質量％以下であるクリンカについては、さらに、本太陽熱焼成炉での焼成温度維持が容易に実現できた。
【００４０】
このとき、「試料１乃至５相当クリンカ」は、比較的高温の焼成温度を要し、集光加熱による焼成温度は１６００〜２０００℃であった。化石燃料を用いたロータリーキルンでは炉内を１５００℃以上に維持することは困難であり、排ガスによる排熱が増大した。本太陽熱利用の焼成炉では、燃焼ガスの発生もなくエネルギーを消費することなく好適に製造できた。
【００４１】
一方、「試料６乃至８相当クリンカ」は、通常、ロータリーキルンを用いて得られる焼成クリンカと同様の間隙質量のクリンカであった。このときも、本太陽熱利用の焼成では、液相成分が分離してルツボに固着することもなく、良好なセメントクリンカが製造できた。
【図１】
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【図２】
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