(57)【要約】【課題】セメント製造の中間生成物であるクリンカを焼成するにあたり、可燃物を補助燃料として使用する比率が増大しても、クリンカの焼成に必要な所望温度の確保が可能な技術を提供すること。【解決手段】セメントの製造設備Ａに含まれるロータリーキルン７により原料を焼成してセメントクリンカを製造する方法において、ロータリーキルン７には、原料の流れ方向下流側の部位であって原料を焼くバーナ１３が設置される。このバーナ１３が設置された窯前部７ａから、発熱量２０００〜５０００ｋｃａｌ／ｋｇで粒径が５ｍｍ以下の可燃物を投入するとともに、前記バーナに供給される燃焼用空気を一次空気とし、バーナで焼成されたセメントクリンカを冷却した後の冷却後空気を二次空気とし、当該二次空気の温度を７００〜１０００℃の範囲に調整してロータリーキルンに導入する。【選択図】図１
2008179539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメントの製造設備に含まれる回転窯としてのロータリーキルンにより原料を焼成してセメントクリンカを製造する方法において、
ロータリーキルンは、原料の流れ方向下流側の部位であってバーナが設置される窯前部を有し、この窯前部から、発熱量２０００〜５０００ｋｃａｌ／ｋｇで粒径が５ｍｍ以下の可燃物を、セメント燃焼用の主たる燃料に対する補助燃料として投入するとともに、前記バーナに供給される燃焼用空気を一次空気とし、バーナで焼成されたセメントクリンカを冷却した後の冷却後空気を二次空気とし、当該二次空気の温度を７００〜１０００℃の範囲に調整してロータリーキルンに導入す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２】
前記一次空気をバーナヘ供給する前に予熱することを特徴とする請求項１に記載のセメントクリンカの製造方法。
【請求項３】
前記ロータリーキルンは、前記原料の流れ方向下流側の部位であってバーナが設置される窯前部を有し、この窯前部から、酸素濃度が大気よりも高い燃焼用ガスをさらに導入することを特徴とする請求項１に記載のセメントクリンカの製造方法。
【請求項４】
前記補助燃料は、汚泥・木材・稲わら・もみがら・草木から選ばれる一つ以上を含むことを特徴とする請求項１から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ものである。
【背景技術】
【０００２】
セメント工場で製造されるセメントは、石灰石，粘土，けい石，酸化鉄等を適切な比率で混ぜ合わせ、所定の化学成分となるように調合し、調合された原料を焼成して製造される。そして、最終的な商品である粉末状のセメントにするときに「せっこう」、その他混合材が加えられる。粉砕前であって、せっこうが加えられる前の状態を「セメントクリンカ」あるいは「クリンカ」と呼称する。
【０００３】
セメントクリンカの生成には高温での焼成を必要とするため、セメント製造用の燃焼用燃料のほとんどは、セメントクリンカを焼成することで消費される。そして、通常、当該燃料の大半は、石炭を中心とする化石燃料であり、一部は、タイヤや廃プラスチックなどの可燃性のある産業廃棄物等が代替燃料として使用されている。
【０００４】
ところで、地球環境保全の観点から、燃焼可能な廃棄物を利用した燃料の利用比率を高めることに対する期待は一層高まっている。
しかし、燃焼可能な廃棄物であっても、これを構成する素材は様々であり、発熱量が異なるため、廃棄物の使用比率を単に増大しても、前記原料を反応（焼結）させるために必要なカロリーを得られず、セメントの製造設備に含まれる回転窯としてのロータリーキルンに投入される原料の最高温度が低下してしまう虞がある。このため、廃棄物を利用した燃料の量や種類が制限される。
【０００５】
なお、セメント焼成用の技術として廃棄物を利用したものとして次の文献を例示できる。
【特許文献１】特開昭５８−９２７１８号公報
【特許文献２】特開平３−９８７００号公報
【特許文献３】特開２０００−１３０７４２号公報
【特許文献４】特開２００１−３３４２９６号公報
【特許文献５】特開２００２−３４８１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような実情に鑑みて為されたものであり、その解決しようとする課題は、セメントクリンカの製造時に使用される燃焼用燃料の一つである廃棄物の使用比率を増大しても、セメントクリンカを焼成するために必要な所望温度の確保が可能な技術を提供することにある。
【０００７】
前記した課題を解決するために、以下の手段を採用した。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち本発明セメントクリンカの製造方法は、セメントクリンカの生成で、燃料として使用する廃棄物の燃焼速度を高めることを主要な特徴とする。
以下詳しく述べる。
【０００９】
セメントの製造は、セメント工場に原料や燃料を受け入れてから、「原料粉砕工程」→「焼成工程」→「仕上げ工程」と三段階の工程を経て行われる。
「原料粉砕工程」は、石灰石、粘土、けい石、酸化鉄原料などを適切な比率で混ぜ合わせ、できあがったセメントが所定の化学成分となるよう調合する。調合した原料は「原料粉砕機」で細かく粉砕する。
【００１０】
「焼成工程」は、原料粉砕工程で得られた粉体原料を所定の温度で焼成してセメントクリンカにする工程をいう。この工程では単なる混合物であった粉体原料が高温になることで化学変化を生じさせ、セメントとして必要な水硬性をもった化合物に変化させる。焼成工程は、セメント製造の中心的な工程であり、この工程で既述したロータリーキルンを用いる。一般に焼成効率を向上させるため、原料を直接ロータリーキルンに送り込むのではなく、予熱装置であるプレヒータを通過させてから送り込む。プレヒータは、ロータリーキルンのうち、原料の流れ方向上流側の部位である窯尻部に設置される。
【００１１】
また、プレヒータの熱源は、ロータリーキルンで発生した排気を使用することが可能である。プレヒータのエアフローとしての上流部には排気風車が設置されており、当該風車の回転によってロータリーキルンの排気がプレヒータ側に流れるように構成されている。
【００１２】
「仕上げ工程」は、できあがったセメントクリンカを粉砕して最終的な商品である粉末状のセメントにする工程である。
本発明は、セメントの製造設備に含まれる回転窯としてのロータリーキルンにより原料を焼成してセメントクリンカを製造する方法において、前記ロータリーキルンは、前記原料の流れ方向下流側の部位であってバーナが設置される窯前部を有し、この窯前部から、発熱量２０００〜５０００ｋｃａｌ／ｋｇで粒径が５ｍｍ以下の可燃物を、セメント燃焼用の主たる燃料に対する補助燃料として投入することを特徴とする。
【００１３】
「補助燃料」には広範囲のものを使用できるが、汚泥・木材・稲わら・もみがら・草木から選ばれる一つ以上を含むバイオマス起源の可燃物が利用可能である。補助燃料として各種廃棄物を用いることができるが、廃棄物以外の他のものを混合してもよい。
【００１４】
乾燥状態にすることにより、その発熱量は２０００〜５０００ｋｃａｌ／ｋｇの範囲とすることができる。発熱量が当該範囲にあれば、セメントクリンカの製造時に使用される燃焼用燃料の一つである廃棄物の使用比率が増大しても、原料を焼くために必要とされる温度（１４５０℃以上）に到達し易くなる。
【００１５】
なお、一般に汚泥のうち特に下水汚泥は含水率が高い。このため、下水汚泥を燃焼するには大量の熱量を必要とする。けれども下水汚泥であっても乾燥していれば、その発熱量は２０００〜５０００ｋｃａｌ／ｋｇの範囲となる。乾燥は、例えば水分を５〜２０パーセント程度含む状態とする。
【００１６】
なお、このような可燃物は、粒径を５ｍｍ以下に粉砕する。粒径が小さければ、細分化によって表面積が増加し、燃焼時に酸素と反応し易くなり、燃焼速度を高められるからである。この粒径はなるべく小さいことが好ましく、０．５μｍ〜５００μｍの範囲がより好ましく、さらに好ましくは０．５μｍ〜１００μｍの範囲である。
【００１７】
また、本発明は、前記バーナに供給される燃焼用空気を一次空気とし、焼成されたセメントクリンカを冷却した後の冷却後空気を二次空気とし、当該二次空気の温度を７００〜１０００℃の範囲に調整してロータリーキルンに導入するようにしてもよい。クリンカの冷却は、クリンカを焼成するロータリーキルンに接して設けられ、かつ二次空気が導入されたクリンカクーラと呼称される冷却装置によって行う。この場合、二次空気の温度が７００〜１０００℃の範囲にあれば、廃棄物の使用比率が増大しても、原料を焼くために必要とされる温度に到達し易くなる。
【００１８】
さらに、本発明では、ロータリーキルンの窯前部から酸素濃度が大気よりも高い燃焼用ガスをロータリーキルンに導入してもよい。
ここで、「燃焼用ガス」とは、バーナに供給される前記一次空気と、クリンカクーラからロータリーキルンに導入される前記二次空気を総称したものである。酸素濃度の高いガスは、一次空気としても、または二次空気としても導入してよい。より好ましくは、一次空気中の酸素濃度を大気よりも０．５〜１０%高めるのがよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、発熱量２０００〜５０００ｋｃａｌ／ｋｇでかつ粒径が５ｍｍ以下の可燃物を、セメント燃焼用の主たる燃料（以下、主燃料）に対する補助燃料として投入することで、ロータリーキルン内の温度が低下しないようにすることができる。
【００２０】
このように、可燃物を代替燃料として用いることができるので、セメント製造における廃棄物の使用比率を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明、セメントクリンカの製造方法の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係るセメント製造設備１の概要を示す図であり、図２はその要部拡大図である。
【００２２】
図１において、セメント製造設備１は、石灰石、粘土、珪石、鉄原料よりなる原料を貯蔵する原料貯蔵庫１、原料を粉砕混合する原料ミル２、電気集塵機３、粘土ドライヤ４、原料混合貯蔵サイロ５（これら１〜５は原料粉砕工程に属する）、プレヒータ６、ロータリーキルン７、クリンカクーラ８（これら６〜８は焼成工程に属する）、クリンカサイロ９、仕上ミル１０、セメントサイロ１１等（これら９〜１１等は仕上げ工程に属する）を備えて構成されている。
【００２３】
図１で示す３つの矢印は、それぞれ実線矢印が原料からセメントの流れを示し、一点鎖線矢印が燃料の流れを示し、波線矢印は排ガスの流れを示す。
原料（石灰石、粘土、珪石、鉄原料）は、必要に応じて粘土ドライヤ４を経て、原料ミル２に導入される。これらの原料は、原料ミル２にて粉砕されて原料混合貯蔵サイロ５に導入され、その後、プレヒータ６にて予熱された後、セメント焼成用のロータリーキルン７に投入される。そして、ロータリーキルン７で原料は燃焼されて、セメントクリンカとなり、クリンカクーラ８で冷却された後、クリンカサイロ９に導入される。
【００２４】
プレヒータ６は、複数のサイクロンを多段に接続した多段サイクロン式の熱交換器であり、窯尻部に設置される。窯尻部とは、周知のごとくロータリーキルンのうち、原料の流れ方向上流側の部位である。プレヒータ６では、粉砕された原料を、ロータリーキルン７の排気を利用して、所定温度（８００〜９００℃）まで予熱する。当該排気の循環には排気風車１４が利用される。ロータリーキルン７は、若干下流側へ下方傾斜した横向き円筒状のキルンシェル（図示せず）を有し、このキルンシェルをその中心軸線回りに回転させながら、微粉石炭，石油コークスその他の燃料をバーナ１３で燃焼させ原料を更に加熱する。このようにすることで、プレヒータ６からの原料を１４５０℃以上に昇温して焼成反応させ、これによりセメントクリンカを生成する。その後、ロータリーキルン７の窯前部７ａに連結されたクリンカクーラ８によりセメントクリンカは冷却される。なお、周知のごとく窯前部とは、ロータリーキルン７のうち、原料の流れ方向下流側の部位であって、原料を焼くバーナ１３が設置される部位をいう。
【００２５】
前記セメントクリンカは、クリンカサイロ９に蓄えられた後、仕上ミル１０へと送られる。仕上ミル１０は、焼成工程で生産されたセメントクリンカに石膏を混ぜながらセメントクリンカを微粉砕してセメントを排出する。そして、仕上ミル１０から排出されたセメントは、セメントサイロ１１に導入された後、バラ積みトラックやバラ積み貨車又は袋詰めにされて供給先へと送られる。
【００２６】
ところでバーナ１３の燃料として、石炭や石油コークスを先に挙げたが、周知のごとく可燃性の廃棄物（可燃物）も利用される。ここでは、石炭や石油コークスを主燃料というのに対し、当該廃棄物を補助燃料ということにする。本実施形態では、可燃性の廃棄物として、主に汚泥（下水汚泥）を使用するが、その他、木材・稲わら・もみがら・草木を混合し、またはそれらの一つを使用することができる。次にその適用方法を説明する。
【００２７】
この方法は、前記選ばれた汚泥・木材・稲わら・もみがら・草木のうちの一つ以上を含むバイオマス起源の廃棄物をロータリーキルン７の窯前部７ａに、セメント燃焼用の補助燃料として投入することで、セメントクリンカを焼成するものである。汚泥・木材・稲わら・もみがらは、それらの発熱量が２０００〜５０００ｋｃａｌ／ｋｇとなるように乾燥されている。発熱量が２０００〜５０００ｋｃａｌ／ｋｇの範囲にあれば、これら廃棄物の使用比率が増大しても、原料を焼くために必要とされる所望温度に到達し易くなる。
【００２８】
また投入時の粒径が５ｍｍ以下、好適には０．５μｍ〜５００μｍとなるように加工されている。粒径が５ｍｍ以下の場合、同じ体積であるならば、細分化した方が廃棄物の表面積が増加し、燃焼時に酸素と反応し易くなり、可燃性廃棄物の燃焼速度を高められるからである。
【００２９】
また、酸素濃度が大気よりも高い燃焼用ガスを外部から窯前部７ａに導入することで、廃棄物の燃焼速度を高められるようにしている。当該酸素濃度の高い燃焼用ガスは排気風車１４の回転力によって上流側に向かう。なお、専用の風車によってロータリーキルン内に高濃度酸素を含む前記燃焼用ガスを導入してもよい。
【００３０】
さらに図２に示すように、バーナ１３に導入される燃焼用空気を一次空気Ａとし（図２白矢印参照）、バーナ１３で焼成されたセメントクリンカを冷却するクリンカクーラ８で冷却した後の冷却後空気を二次空気Ｂとする。クリンカーは１４５０℃以上の温度で焼成されるので、クリンカクーラ８内の空気（二次空気Ｂ）を所定時間にわたり冷却に用い、この二次空気Bの温度を７００〜１０００℃の範囲に調整する。その後、この二次空気Ｂをロータリーキルン７に導入する。この二次空気の導入は、クリンカクーラ８に設置された風車からクリンカクーラ８内の空気をロータリーキルン７の窯前部に送り込むことにより、また、プレヒータ６に設置されている排気風車１４によって後方（原料の流れ方向下流側）から吸引することによって行う。この場合、これらの風車の両方を利用することも可能である。
【００３１】
二次空気温度を高める方策としては、例えばクリンカクーラ内のクリンカ層厚を制御する方法、クリンカクーラ内のクリンカの移動速度を制御する方法、バーナのポジションをロータリーキルン内に入れ、二次空気の熱交換を良くする方法などがある。またさらにはクリンカクーラに可燃物を投入して温度を上げ、二次空気の酸素濃度の低下を純酸素を加えるなどして調整する方法がある。
【００３２】
二次空気の温度が７００〜１０００℃の範囲にあれば、廃棄物の使用比率が増大しても、原料を焼くために必要とされる所望温度に到達し易くなる。また、一次空気をバーナに供給する前に予熱しておくことも当該所望温度に到達し易くする上で有効である。一次空気の予熱方法として、例えばバーナ１３に一次空気の供給を行う前にクリンカクーラ８内に設置した図示しないパイプを介して熱交換するなどの方法がある。
【００３３】
なお、一般に汚泥（下水汚泥）は含水率が高い。このため、汚泥を燃焼させるには大量の熱量を必要とする。しかし、汚泥であっても乾燥した状態にしてあれば、その発熱量は２０００〜５０００ｋｃａｌ／ｋｇの範囲となる。
【００３４】
また本実施形態によれば、下水汚泥等を補助燃料として使用する場合、原料を焼くために用いる燃料のうち、補助燃料を０．５〜８０％の範囲とすることが可能である。０．５％未満では現実的に汚泥供給量の制御が難しく、８０％を超えると、キルン焼成のために十分な温度が得られない。
【００３５】
さらに、本実施形態によれば、下水汚泥等を補助燃料として使用しても、原料を焼くために必要とされる高温な所望温度に容易に到達し易くなる。この場合、発熱量２０００〜５０００ｋｃａｌ／ｋｇでかつ粒径が５ｍｍ以下の可燃物を、セメント燃焼用の主燃料に対する補助燃料として投入するので、当該廃棄物を主燃料に対する補助燃料として用いてもロータリーキルン内の温度が低下しない。よって廃棄物の使用比率をより増大することができる。
【００３６】
また、酸素濃度が大気よりも高い燃焼用ガスを導入することで燃焼速度を高めることができるばかりか、二次空気の温度を７００〜１０００℃にしてロータリーキルンに導入することで、さらに燃焼速度を高められる。よって、廃棄物の使用比率を大きくすることが可能である。
【００３７】
さらに廃棄物を乾燥させておきその粒径が５ｍｍ以下であって、かつ窯前からロータリーキルンに投入すると、補助燃料がロータリーキルン内で完全燃焼し易い（燃え残りにくい）ことが発明者の実験によってわかっている。燃え滓がなければ、ロータリーキルン内で原料にそれが混在しないようになるため、良質なセメントクリンカを製造できる。
【実施例１】
【００３８】
以下、本発明を実施例を挙げて説明する。
下水処理場で発生した下水汚泥をセメント工場の余熱により乾燥し、さらにボールミルにより１０分間粉砕して補助燃料を得た。この補助燃料の発熱量を事前に確認したところ、３８００ｋｃａｌ／ｋｇであった。また、篩い分けにより粒径を測定したところ、３０μｍであった。
【００３９】
次に、前記の補助燃料を、セメント製造用のロータリーキルンの、窯前に設置したバーナに主燃料（微粉炭）とともに空気輸送により供給した。供給量は、主燃料のカロリー比１０％（内割）とした。ロータリーキルン窯前の焼点温度を測定したところ、微粉炭のみを用いた場合で１４２０℃、補助燃料を１０％用いた場合で１４１０℃であり、セメントクリンカの焼成には特に支障のない温度であった。
【実施例２】
【００４０】
実施例１で用いた補助燃料を用い、その供給量を主燃料のカロリー比１０％（内割）から徐々に増加して実施例１と同様の試験を行った。その結果、カロリー比２０％の近傍でロータリーキルンの焼点温度の低下傾向が認められた。そこで、通常の燃焼空気とは別に酸素を供給した。酸素の供給量は二次空気の５体積％とした。その結果、焼点温度は１４２５℃となり、実施例１と同様にセメントクリンカの焼成に支障ない温度に保つことができた。
【実施例３】
【００４１】
実施例１で用いたものと同じ補助燃料を用い、供給量を主燃料のカロリー比（内割）の１０％として窯の焼点温度が１４１０℃近傍で安定していることを確認した後、実施例２と同様に補助燃料のカロリー比を徐々に増加する試験を行った。実施例２と同様に、カロリー比２０％の近傍でロータリーキルンの焼点温度の低下が確認された。また二次空気温度も低下した。そこで、クリンカクーラのクリンカ層圧を高めることにより、二次空気温度を３０℃高くし、７２５℃とするよう、クリンカクーラの運転を制御した。その結果、ロータリーキルン窯前の焼点温度は１４２３℃となり、セメントクリンカの焼成に支障ない温度に保つことができた。
【００４２】
（比較例）
実施例１で用いた下水汚泥を同様の方法により乾燥し、粉砕して補助燃料を得た。ただし、この場合、乾燥を十分に行わなかったため、この補助燃料の発熱量は１６３０ｋｃａｌ／ｋｇで、粒径は８ｍｍであった。
前記の発熱量１６３０ｋｃａｌ／ｋｇの補助燃料を、ロータリーキルン窯前に設置されたバーナに供給した。供給量は主燃料のカロリー比で２０％（内割）とした。ロータリーキルン窯前の焼点温度を測定したところ、１２００℃となった。これはセメントクリンカ焼成には不十分な温度であった。
そこで、実施例２と同様に酸素を二次空気に対して５体積％供給したが、焼点温度は１２５０℃まで回復したにとどまった。さらに、二次空気温度を実施例３と同様の方法により７００℃としたが、焼点温度への影響はなかった。いずれの場合も、焼点温度はセメントクリンカの焼成には不十分な温度であった。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】セメントの製造設備の説明図である。
【図２】図１の要部拡大図であって、ロータリーキルンを示す。
【符号の説明】
【００４４】
Ｉ  セメントの製造設備
１  原料貯蔵庫
２  原料ミル
３  電気集塵機
４  粘土ドライヤ
５  原料混合貯蔵サイロ
６  プレヒータ
７  ロータリーキルン
７ａ  窯前部
８    クリンカクーラ
９    クリンカサイロ
１０  仕上ミル
１１  セメントサイロ11
１３  バーナ
１４  排気風車
Ａ  一次空気
Ｂ  二次空気
【図１】
2008179539.tif 000003
【図２】
2008179539.tif 000004