(57)【要約】【課題】粘土系原料を他のセメント製造用原料と混合して粉砕する必要がなく、クリンカの成分を短時間に調整することなどが可能なセメントの製造方法を提供する。【解決手段】粘土系原料Ｓをそのまま、セメント焼成キルン１０の窯尻部１０ａ、仮焼炉９、またはプレヒータの内部温度が８００℃以上の高温部から選択される少なくとも一箇所に投入する。この粘土系原料は、ＳｉＯ２を３０．０％以上、８０．０％以下、Ａｌ２Ｏ３を１０．０％以上、３０．０％以下、Ｆｅ２Ｏ３を１．０％以上、１０．０％以下、ＣａＯを０．１％以上、５０．０％以下含有する、天然粘土、建設発生土、石炭灰、鉄鋼スラグなどである。窯尻部１０ａなどへの投入量は、製造されるセメントクリンカ１トン当たり、絶乾ベースで３．５ｋｇ以上、１０５．０ｋｇ以下投入することができ、この投入量を焼成されるクリンカの化学分析値などに基づいて制御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】
粘土系原料をそのまま、セメント焼成キルンの窯尻部、仮焼炉、またはプレヒータの内部温度が８００℃以上の高温部から選択される少なくとも一箇所に投入することを特徴とするセメントの製造方法。
【請求項２】
前記粘土系原料は、ＳｉＯ２を３０．０％以上、８０．０％以下、Ａｌ２Ｏ３を１０．０％以上、３０．０％以下、Ｆｅ２Ｏ３を１．０％以上、１０．０％以下、ＣａＯを０．１％以上、５０．０％以下含有することを特徴とする請求項１に記載のセメントの製造方法。
【請求項３】
前記粘土系原料は、天然粘土、建設発生土、石炭灰、鉄鋼スラグから選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のセメントの製造方法。
【請求項４】
前記粘土系原料を、製造されるセメントクリンカ１トン当たり、絶乾ベースで３．５ｋｇ以上、１０５．０ｋｇ以下投入することを特徴とする請求項１、２または３に記載のセメントの製造方法。
【請求項５】
セメント焼成キルンで焼成されたクリンカの化学分析値に基づいて、前記粘土系原料のセメント焼成キルンの窯尻部、仮焼炉、またはプレヒータの内部温度が８００℃以上の高温部から選択される少なくとも一箇所への投入量を制御することを特徴とする請求項１乃至４に記載のセメントの製造方法。
【請求項６】
焼成工程にもたらされる、前記粘土系原料以外の原料の化学分析値に基づいて、前記粘土系原料のセメント焼成キルンの窯尻部、仮焼炉、またはプレヒータの内部温度が８００℃以上の高温部から選択される少なくとも一箇所への投入量を制御することを特徴とする請求項１乃至４に記載のセメントの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セメントの製造方法に関し、特に、セメント原料である粘土系原料をそのままセメント焼成キルン（以下、「キルン」と略称する）の窯尻部などに投入してセメントクリンカを焼成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セメント製造の原料工程において、所望のセメントの化学成分に合致した調合原料を得るため、粘土系原料は、石灰石など他のセメント製造用原料と適正な割合で混合された後、原料ミルで粉砕され、ブレンディングタンクで均斉化された後、焼成工程のプレヒータに投入されていた。
【０００３】
プレヒータに投入された原料は、予熱された後、仮焼炉及びキルンで焼成されてクリンカとなり、クリンカクーラで冷却された後、仕上工程にもたらされる。ここで、クリンカの品質を管理するため、クリンカの成分分析結果に基づいて上記調合原料の調合比を変更していた。
【０００４】
一方、従来、有機質汚染土壌、有害物質によって汚染された土壌、油混入土、下水汚泥、生ごみなどの可燃物を含む廃棄物をセメント焼成設備のキルンの窯尻部または仮焼炉内など８００℃以上の高温部に直接投入し、廃棄物を粘土系原料の一部として再利用することが提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３４６５４０号公報
【特許文献２】
特開２００３−７１４２９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のセメントの製造方法においては、粘土系原料は、他の原料とともに粉砕する必要があるため、調合及び粉砕コストがかかる。また、クリンカの品質管理のため、クリンカの成分分析結果より調合原料の調合比を変更するが、調合原料の調合比を変更してから、その影響を受けたクリンカがキルンから排出されるまでに半日以上と長時間を要するため、すなわち、調合比の変更の効果が現れるまでに時間がかかるため、効率的ではないという問題があった。
【０００７】
一方、上記特許文献１及び２に記載の廃棄物の再生処理技術においては、有機質汚染土壌などの可燃物を含む廃棄物をセメント焼成設備のキルンの窯尻部などに直接投入しているが、特許文献１においては、溶媒を加えた後湿式ミルで粉砕し、特許文献２においても、汚染土壌を２００μｍ以下に粉砕した後、キルンの窯尻部などに直接投入している。また、大量の汚染土壌などをキルンの窯尻部などに投入すると、予め原料工程において調合された調合原料の組成と製造されるクリンカの組成とが大きく異なるおそれがあるため、処理量が限定されていた。
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来のセメントの製造方法などにおける問題点に鑑みてなされたものであって、粘土系原料を他のセメント製造用原料と混合して粉砕する必要がなく、クリンカの成分を短時間に調整することができ、汚染土壌などの廃棄物についても大量に再生処理することのできるセメントの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、セメントの製造方法であって、粘土系原料をそのまま、キルンの窯尻部、仮焼炉、またはプレヒータの内部温度が８００℃以上の高温部から選択される少なくとも一箇所に投入することを特徴とする。ここで、粘土系原料を「そのまま」投入するとは、受け入れた粘土系原料を粉砕することなく、また、粘土系以外の他のセメント製造用原料と混合したり、添加材、水などを加えることなく投入することをいう。
【００１０】
そして、本発明によれば、キルンの窯尻部などに粘土系原料をそのまま投入することにより、調合及び粉砕に要するコストを削減することができる。また、調合原料の調合比を変更した場合でも、その影響を受けたクリンカがキルンから排出されるまでの時間を大幅に短縮することができ、安定した品質のクリンカの製造及び多品種製造切替を容易に行うことができる。
【００１１】
前記粘土系原料の化学成分は、ＳｉＯ２：３０．０％以上、８０．０％以下、Ａｌ２Ｏ３：１０．０％以上、３０．０％以下、Ｆｅ２Ｏ３：１．０％以上、１０．０％以下、ＣａＯ：０．１％以上、５０．０％以下の範囲とすることができる。
【００１２】
また、前記粘土系原料は、天然粘土、建設発生土、石炭灰、鉄鋼スラグから選択される少なくとも一つを含むようにしてもよい。すなわち、本発明では、通常セメント原料として利用する天然粘土のみならず、建設発生土などの廃棄物についても再生利用することができる。尚、建設発生土とは、汚染土壌、及び汚染土壌以外の建設工事に伴って生ずる土砂などをいう。
【００１３】
前記粘土系原料を、製造されるセメントクリンカ１トン当たり、絶乾ベースで３．５ｋｇ以上、１０５．０ｋｇ以下投入することができる。
【００１４】
さらに、本発明は、キルンで焼成されたクリンカの化学分析値に基づいて、前記粘土系原料のキルンの窯尻部、仮焼炉、またはプレヒータの内部温度が８００℃以上の高温部から選択される少なくとも一つへの投入量を制御することを特徴とする。これによって、クリンカの化学分析値に対応した原料成分の制御をより迅速に行うことができる。
【００１５】
また、本発明は、焼成工程にもたらされる、前記粘土系原料以外の原料の化学分析値に基づいて、前記粘土系原料のセメント焼成キルンの窯尻部、仮焼炉、またはプレヒータの内部温度が８００℃以上の高温部から選択される少なくとも一箇所への投入量を制御することを特徴とする。これによって、焼成するセメントの品質を切り換える場合などに迅速かつ容易に対応することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は、本発明にかかるセメントの製造方法を実施するセメント製造設備を示すものであって、原料工程には、原料貯蔵場１、原料調合設備２、原料ミル３、ブレンディングタンク４が設けられ、粉砕されたセメント原料Ｒがセメント焼成系のサスペンションプレヒータに供給される。
【００１８】
セメント焼成系のサスペンションプレヒータは、複数段のサイクロン５、６、７、８と、仮焼炉９とで構成され、キルン１０の排ガスが、仮焼炉９、サイクロン８、７、６、５へ順に供給される。そして、最上段のサイクロン５にセメント原料Ｒが投入され、このセメント原料Ｒが最下段のサイクロン８に達するまでに８５０℃〜９００℃に加熱される。その後、セメント原料Ｒは、仮焼炉９及びキルン１０において焼成されてクリンカＣとなり、クリンカクーラ１１で冷却され、次工程の図示しない仕上工程において石膏が加えられた後粉砕され、セメントが得られる。
【００１９】
本発明は、上述のように、セメント原料である粘土分の一部（以下、「粘土系原料Ｓ」という）を、従来の原料調合設備２を介してではなく、キルン１０の窯尻部１０ａなどにそのまま投入することを特徴とする。窯尻部１０ａ以外にも、仮焼炉９や、最下段のサイクロン８の原料シュート８ａなどの高温部に投入することができ、これらのいずれか一箇所だけではなく、複数箇所に投入することもできる。
【００２０】
そのまま窯尻部１０ａなどに投入するため、粘土系原料Ｓが炭酸カルシウムを含むと吸熱反応を起こすため好ましくない。従って、粘土系原料Ｓは、石灰石を含まないようにすることが必要である。また、石ころなどのレキ分が含まれると、クリンカＣの品質に悪影響を及ぼすため、好ましくない。但し、レキ分を含まなければ、３０ｍｍ程度以下の塊状となっていても差し支えない。粘土系原料Ｓが含有する水分は、少ない方が好ましいが、５０％以下であれば差し支えなく、望ましくは３０％以下である。
【００２１】
上述のように、本発明では、石灰石を除くセメント原料を対象とすることができるが、化学分析値で示せば、ＳｉＯ２：３０．０％以上、８０．０％以下、Ａｌ２Ｏ３：１０．０％以上、３０．０％以下、Ｆｅ２Ｏ３：１．０％以上、１０．０％以下、ＣａＯ：０．１％以上、５０．０％以下の粘土系原料Ｓが対象となる。これらは、天然粘土に限定されず、建設発生土、石炭灰、鉄鋼スラグ等の廃棄物であってもよい。
【００２２】
また、油分の多い粘土分をキルン１０の窯尻部１０ａなどに直接投入すると、油分を瞬時に揮発、完全燃焼させることができるため、油分の付着による電気集塵機の集塵能力の減退を生じない。従って、排煙が悪化することがないため、従来油分を除去した後セメント原料として有効利用していた油混入土についても、油分を除去することなくそのまま利用することができる。
【００２３】
本発明では、製造されるセメントクリンカ１トン当たり、絶乾ベースで３．５ｋｇ以上、１０５．０ｋｇ以下の粘土系原料Ｓを窯尻部１０ａなどに投入することができる。粘土系原料Ｓを、従来の原料調合設備２を介さず窯尻部１０ａなどに直接投入することによって、調合原料の調合比を変更した場合でも、その影響を受けたクリンカＣがキルン１０から排出されるまでの時間が４時間程度と大幅に短縮される。そのため、調合原料の制御に対して敏速に応答できるようになり、安定した品質のクリンカ製造及び多品種製造切替が容易になる。
【００２４】
キルン１０の窯尻部１０ａなどへの粘土系原料Ｓの投入量は、キルン１０で焼成されたクリンカＣの化学分析値に基づいてフィードバック制御することが好ましい。また、粘土系原料Ｓ以外の原料による調合原料の化学分析値に基づいて、キルン１０の窯尻部１０ａなどへの粘土系原料Ｓの投入量をフィードフォワード制御するようにしてもよい。
【００２５】
次に、上記のように、粘土系原料Ｓをキルン１０の窯尻部１０ａなどへ投入した場合のクリンカ成分のシミュレーション結果について説明する。このシミュレーションは、現実の調合原料成分の分析結果に基づいて、ブレンディングタンク４、キルン１０、クリンカクーラ１１の原料またはクリンカの通過時間、混合モデルを用いてクリンカ成分変動を推定し、さらに、クリンカ成分による粘土系原料Ｓの投入量のフィードバック制御、及びキルン送り原料（セメント原料Ｒ）の成分による粘土系原料Ｓの投入量のフィードフォワード制御の効果をシミュレーションした。
【００２６】
シミュレーションには、現実の調合原料分析データを使用し、調合原料の成分（水硬率、ＨＭ）のばらつきの大きい場合と、小さい場合の両方について約２０日間のデータを用いた。そして、最初に粘土系原料Ｓを、製造されるセメントクリンカ１トン当たり、絶乾ベースで４０ｋｇ（以下、「４０ｋｇ／ｔ」のように記載する）の一定比率で投入してクリンカＣのＨＭの平均値を求め、次に、この平均値を目標にして上記フィードバック制御及びフィードフォワード制御のシミュレーションを行った。従って、両制御についても、粘土系原料Ｓの平均投入量は、４０ｋｇ／ｔである。また、粘土系原料Ｓの変動は、ＳｉＯ２を±１０％（中心は、ＳｉＯ２：５６％、Ａｌ２Ｏ３：１３．６％、Ｆｅ２Ｏ３：５．０％、ＣａＯ：９．２％）変化させたが、他の成分は、ＳｉＯ２に対する１次回帰で変化するものとした。
【００２７】
シミュレーションの結果を図２に示す。図の縦軸は、３０分ごとに測定するクリンカ成分のＨＭの推定標準偏差σであり、サンプリングや分析誤差は含まれない。また、この推定σは、調合原料と粘土系原料Ｓの成分から推定したものであって、燃料その他のキルンへの投入した物質の影響も考慮していない。
【００２８】
横軸はシミュレーションの条件を表している。
【００２９】
▲１▼は、粘土系原料Ｓを使用していない状態であり、調合原料のＨＭのばらつきの大きい場合と、小さい場合の２水準を表している。
【００３０】
▲２▼は、粘土系原料Ｓをキルン１０の窯尻部１０ａに定量投入した場合を示す。投入量は、４０ｋｇ／ｔである。ここで、粘土系原料Ｓの成分が一定の場合と、粘土系原料ＳのＳｉＯ２  が±１０％変動した場合のシミュレーション結果をプロットしている。
【００３１】
▲３▼は、クリンカのオンライン分析計（分析周期３０分）を用いて粘土系原料Ｓの投入量を変化させるフィードバック制御を行った場合を示している。粘土系原料Ｓの成分変動周期が長い場合（１００時間）には、この制御による効果が大きい。また、調合原料の成分変動が大きい場合には、その影響をも粘土系原料Ｓの添加量制御で抑制することができる。一方、粘土系原料Ｓの成分変動が短周期（２．５時間）の場合には、この制御による効果が小さい。
【００３２】
▲４▼上記の制御方法に加え、キルン送り原料をオンライン分析（分析周期３０分）し、この原料成分に基づいて粘土系原料Ｓの投入量を変化させるフィードフォワード制御を併用すると、調合原料成分の変動が相対的に大きい場合、すなわち、調合原料の成分変動が大きく、粘土系原料Ｓの添加量及び成分変動が小さい場合には、特にこの制御の効果が大きい。
【００３３】
以上のシミュレーション結果から、図１に示すように、キルン１０の窯尻部１０ａなどに粘土系原料Ｓをそのまま投入しても、クリンカ成分による粘土系原料Ｓの投入量のフィードバック制御、及びキルン送り原料成分による粘土系原料Ｓの投入量のフィードフォワード制御によって、粘土系原料Ｓを投入しない従来の場合に比較してクリンカの成分変動を低く抑えられることが判る。
【００３４】
次に、本発明にかかるセメントの製造方法の試験例について説明する。
【００３５】
この試験では、図３に示すように、３段のプレヒータサイクロン２１、２２、２３と、仮焼炉２４として、ＲＳＰ（商品名、川崎重工業株式会社、太平洋セメント株式会社製）とを備えたセメント焼成設備を用いて試験を行った。この設備では、最上段サイクロン２１に投入されたセメント原料Ｒは、プレヒータの下部より上昇する仮焼炉２４からの高温ガス及びキルン２５の排ガスと順次熱交換されながら脱炭酸され、キルン２５へ導かれる。
【００３６】
そして、粘土系原料Ｓをキルン２５の窯尻部２５ａに投入しない場合（比較例１）と、粘土系原料Ｓをキルン２５の窯尻部２５ａに５０ｋｇ／ｔ投入した場合（実施例１）と、１００ｋｇ／ｔ投入した場合（実施例２）とを比較した。ここで、いずれの場合も、窯入原料（キルン２５へ投入される原料）のＨＭが２．３５となるように制御した。尚、投入した粘土系原料Ｓの品質は表１に示すとおりである。
【００３７】
【表１】
2004331473.tif 000003
【００３８】
試験結果を表２に示す。尚、実施例１は、４日間連続運転の平均値、実施例２は、８時間連続運転の平均値、比較例１は、１日間連続運転の平均値である。
【００３９】
【表２】
2004331473.tif 000004
【００４０】
同表から明らかなように、実施例１及び２について、比較例１と同様の運転状況となり、粘土系原料Ｓを１００ｋｇ／ｔまで投入しても特に問題なくクリンカを焼成できることが判る。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、粘土系原料を他のセメント製造用原料と混合して粉砕する必要がなく、クリンカの成分を短時間に調整することができ、汚染土壌などの廃棄物についても大量に再生処理することのできるセメントの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるセメントの製造方法を実施するセメント製造設備を示す概略図である。
【図２】本発明にかかるセメントの製造方法によるクリンカ成分のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図３】本発明にかかるセメントの製造方法の試験に用いたセメント製造設備を示す概略図である。
【符号の説明】
１            原料貯蔵場
２            原料調合設備
３            原料ミル
４            ブレンディングタンク
５〜８    サイクロン
８ａ        原料シュート
９            仮焼炉
１０        キルン
１０ａ    窯尻部
１１        クリンカクーラ
２１〜２３        サイクロン
２４        仮焼炉
２５        キルン
２５ａ    窯尻部
【図１】
2004331473.tif 000005
【図２】
2004331473.tif 000006
【図３】
2004331473.tif 000007