(57)【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、過熱炉においてか焼温度以上に過熱した後に、混合か焼炉に供給して上記第１のプレヒータから抜き出されて当該混合か焼炉に供給される新たなか焼前の上記セメント原料と混合することにより、当該混合か焼炉内をか焼温度以上に保持して上記か焼前の上記セメント原料をか焼した後に、か焼された上記セメント原料を再び上記過熱炉に戻して上記混合か焼炉へ循環させる工程を繰り返すことにより、上記混合か焼炉内において発生したＣＯ2ガスを回収するとともに、上記か焼された上記セメント原料の一部を、上記セメントキルンに供給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】
上記混合か焼炉においてか焼された上記セメント原料の一部を、上記セメントキルンに供給す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】
上記過熱炉においてか焼された上記セメント原料の一部を、上記セメントキルンに供給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】
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、この混合か焼炉から供給される上記セメント原料をか焼温度以上に過熱する過熱炉と、この過熱炉で過熱された上記セメント原料を上記混合か焼炉に戻すとともに上記混合か焼炉内の上記セメント原料を上記過熱炉へ送る循環ラインと、上記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６】
上記戻りラインは、上記混合か焼炉および／または上記過熱炉から排出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ように配管されてい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ガスの回収設備。
【請求項７】
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５または６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１０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に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、耐火物製の伝熱管に充填された石灰石を移動させながら、燃焼炉から導かれた１０００℃〜１３００℃の高温ガスにより間接的に石灰石（ＣａＣＯ3）を生石灰（ＣａＯ）と炭酸ガス（ＣＯ2ガス）に焼成分解する焼成帯と、生成した炭酸ガスを循環使用して高温生石灰を冷却する冷却帯と、焼成帯で生成した高温炭酸ガスと生石灰の冷却により高温となった循環炭酸ガスとにより石灰石を予熱する予熱帯を備えた間接加熱式石灰石焼成炉が提案されている。
【００１１】
そして、上記加熱式石灰石焼成炉によれば、石灰石を高温燃焼ガスに直接接触させることなく間接的に焼成することにより、燃料の如何にかかわらず純度の高い生石灰を得ると共に、石灰石が充填された伝熱管内における上記ＣＯ2ガスの濃度が１００％近くになるために、上記石灰石の焼成時に発生する炭酸ガスを高濃度で回収出来るとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−２３１４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、図１１に示すように、石灰石のか焼反応が起こる温度は、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。
【００１４】
このため、上記間接加熱式石灰石焼成炉による従来技術によって石灰石をか焼した後に、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クリンカを製造しようとすると、上記伝熱管を既述の通り１０００℃〜１３００℃の高温ガスにより間接的に加熱する必要があり、この結果コストが嵩むという問題点がある。また、上記伝熱管を間接的に加熱するために、化石燃料を燃焼させて上記高温ガスを得ようとすると、逆に当該燃焼によって多量のＣＯ2ガスが発生してしまうという問題点もある。
【００１５】
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】
【００１６】
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、過熱炉においてか焼温度以上に過熱した後に、混合か焼炉に供給して上記第１のプレヒータから抜き出されて当該混合か焼炉に供給される新たなか焼前の上記セメント原料と混合することにより、当該混合か焼炉内をか焼温度以上に保持して上記か焼前の上記セメント原料をか焼した後に、か焼された上記セメント原料を再び上記過熱炉に戻して上記混合か焼炉へ循環させる工程を繰り返すことにより、上記混合か焼炉内において発生したＣＯ2ガスを回収するとともに、上記か焼された上記セメント原料の一部を、上記セメントキルンに供給することを特徴とするものである。
【００１７】
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。
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、上記混合か焼炉においてか焼された上記セメント原料の一部を、上記セメントキルンに供給することを特徴とするものであり、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、上記過熱炉においてか焼された上記セメント原料の一部を、上記セメントキルンに供給することを特徴とするものである。
【００１８】
さらに、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。
【００１９】
次いで、請求項５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、この混合か焼炉から供給される上記セメント原料をか焼温度以上に過熱する過熱炉と、この過熱炉で過熱された上記セメント原料を上記混合か焼炉に戻すとともに上記混合か焼炉内の上記セメント原料を上記過熱炉へ送る循環ラインと、上記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ものである。
【００２０】
ここで、請求項６に記載の発明は、上記戻りラインが、上記混合か焼炉および／または上記過熱炉から排出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ように配管されていることを特徴とするものである。
【００２１】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５または６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を特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１〜４に記載の回収方法および請求項５〜７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、過熱炉においてか焼温度以上に過熱した後に混合か焼炉に供給して、当該混合か焼炉内において新たに供給される上記か焼前のセメント原料と混合しつつか焼温度以上に保持することにより、か焼前のセメント原料がか焼される。
【００２３】
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。
【００２４】
また、特に請求項４または請求項７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。
【００２５】
この際に、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。
【００２６】
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。
【００２７】
この際に、図５に示す上記（１）式の反応温度のグラフ、図６に示す上記（２）式の反応温度のグラフおよび図７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。
【００２８】
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８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８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。
【００２９】
以上のことから、本発明によれば、過熱炉における運転温度（過熱温度）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、よって設備の熱負荷やコーチングトラブル等を低減させることが可能になる。
【００３０】
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４または７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。
【００３１】
さらに、か焼された高温のセメント原料の一部を混合か焼炉および過熱炉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。
【００３２】
加えて、請求項３に記載の発明のように、過熱炉においてか焼されたセメント原料の一部をセメントキルンに戻すようにすれば、当該過熱炉から排出されたか焼後のセメント原料は、混合か焼炉から排出されたセメント原料よりも高温であるために、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。
【００３３】
また、特に請求項４または７に記載の発明においては、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、混合か焼炉における熱分解に有効活用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【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】図１に示した第１の実施形態の変形例を示す概略構成図である。
【図３】図１に示した第１の実施形態の他の変形例を示す概略構成図である。
【図４】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５】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６】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７】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８】ＣＯ2雰囲気下におけるセメント原料と石灰石単独との焼成開始温度および終了温度の相違を示すグラフである。
【図９】図１に示したＣＯ2の回収設備について行ったプロセスシミュレーションの結果を示す図である。
【図１０】一般的なセメント製造設備を示す概略構成図である。
【図１１】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】
【００３５】
（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１０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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。なお、抜出ライン１３の中間部には、図示されない仮焼率調整用の分配弁を介して上記セメント原料の一部を従来と同様にロータリーキルン１の窯尻部分２へと供給する移送管３ａが接続されている。
【００３８】
混合か焼炉１２は、例えば流動床式、ロータリーキルン式、充填層式等の粉体混合炉であり、その底部には、混合されたセメント原料を抜き出す排出管１２ａが接続されている。そして、この排出管１２ａは枝配管され、一方が過熱ライン１４とされて過熱炉１５へ接続されると共に、他方が戻りライン１６とされてロータリーキルン１の窯尻部分２に接続されている。ここで、排出管１２ａと過熱ライン１４および戻りライン１６との分岐部には、図示されない分配弁が介装されており、本実施形態においては、過熱ライン１４への流量が戻りライン１６への流量より多く（例えば流量比が４：１に）なるように設定されている。
【００３９】
上記過熱炉１５は、内部に送られてくる上記セメント原料を、クリンカクーラ６からの抽気を燃焼用空気とするバーナ１７の燃焼によって当該セメント原料をか焼温度以上に過熱するためのものである。この過熱炉１５は、既存の仮焼炉を改造して用いることも可能である。そして、この過熱炉１５の排出側には、バーナ１７における燃焼によって発生した排ガスと上記セメント原料とを排気する排気管１８と、この排気管１８が接続されて排ガス中からセメント原料を分離するサイクロン１９と、このサイクロン１９で分離された上記セメント原料を再び混合か焼炉１２へと戻す戻り管２０とからなる循環ラインが設けられている。
【００４０】
他方、サイクロン１９において分離された排ガスを排出する排ガス管２１は、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。なお、上記過熱炉１５内は、１１００℃程度の高温に保持する必要があるのに対して、ロータリーキルン１からの排ガスは、１１００〜１２００℃の温度であるために、当該ロータリーキルン１からの排ガスの全量または一定量を、過熱炉１５内に導入して、再び排ガス管２１からプレヒータ３へと送るようにすれば、上記排ガスを有効利用することができる。
【００４１】
さらに、混合か焼炉１２には、内部で生成したＣＯ2ガスを排出するためのＣＯ2排気管２２が接続されるとともに、このＣＯ2排気管２２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２３は、ＣＯ2ガスの排気ファンであり、符号２４は、ＣＯ2ガスの排気ラインである。
【００４２】
ちなみに、混合か焼炉１２として、流動床式のものを用いた場合には、当該混合か焼炉１２から排出されたＣＯ2ガスを、ＣＯ2排気管２２や排気ライン２４から抜き出して、再び混合か焼炉１２に循環供給して使用することもできる。
【００４３】
次いで、図２は、上記第１の実施形態の変形例を示すもので、このセメント製造設備おけるＣＯ2ガスの回収設備においては、混合か焼炉１２から、か焼されたセメント原料の一部をロータリーキルン１に戻す戻りライン１６に加えて、過熱炉１５から排出されてサイクロン１９により分離された、か焼されたセメント原料の一部をロータリーキルン１に戻す戻りライン３０が設けられている。
【００４４】
さらに、図３に示す他の変形例においては、上記戻りライン１６が設けられておらず、過熱炉１５から排出されてサイクロン１９により分離された、か焼されたセメント原料の一部をロータリーキルン１に戻す戻りライン３０のみが設けられている。
【００４５】
（第２の実施形態）
図４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。
この回収設備は、図１０に示した既存のセメント設備をそのまま活用するとともに、当該セメント製造設備に上記回収設備を増設したものである。
【００４６】
すなわち、この回収設備においては、プレヒータ３の下から２段目のサイクロンから仮焼炉７へとセメント原料を送る移送管３ｃに、上述したセメント製造設備のプレヒータ３から混合か焼炉１２へとセメント原料を送る抜出ライン１３が枝配管されている。これにより、プレヒータ３において予熱されたか焼前のセメント原料が、混合か焼炉１２へ導入されるようになっている。
【００４７】
次に、上記第１および第２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。
【００４８】
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予熱される。そして、か焼温度に達する前（例えば、約７５０℃）まで予熱された上記セメント原料が、抜出ライン１３から混合か焼炉１２へと供給されてゆく。
【００４９】
他方、第２のプレヒータ１０に供給されたセメント原料は、後述する混合か焼炉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７５０℃）まで予熱されて混合か焼炉１２へと供給されてゆく。
【００５０】
そして、この混合か焼炉１２に供給されたセメント原料は、過熱ライン１４から過熱炉１５に送られ、ここでバーナ１７によってか焼温度以上（例えば、約１１００℃）に過熱された後に、排気管１８から排出されてサイクロン１９において固気分離され、セメント原料については、戻り管２０から混合か焼炉１２へと戻される。
【００５１】
この結果、混合か焼炉１２内においては、過熱されたセメント原料と、移送管１０ａおよび抜出ライン１３から供給されたか焼前のセメント原料が混合されて、内部雰囲気がか焼温度以上（例えば、９００℃）に保持され、これによりか焼前のセメント原料がか焼される。そして、この混合か焼炉１２においてか焼されたセメント原料の多くが、再び過熱炉１５へと循環供給される。
【００５２】
他方、図１および図４に示した第１および第２の実施の形態においては、混合か焼炉１２においてか焼されたセメント原料の一部は、戻りライン１６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。
また、図２に示した第１の実施形態の変形例においては、混合か焼炉１２においてか焼されたセメント原料の全量または一部が、過熱ライン１４から過熱炉１５に送られ、過熱炉１５においてか焼されたセメント原料の一部が、戻りライン３０からロータリーキルン１の窯尻部分２へと戻されて最終的にロータリーキルン１内で焼成される。
【００５３】
さらに、図３に示したその他の変形例においては、混合か焼炉１２においてか焼されたセメント原料の全量が、過熱ライン１４から過熱炉１５に送られ、過熱炉１５においてか焼されたセメント原料の一部が、戻りライン３０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。
【００５４】
他方、過熱炉１５内で発生したＣＯ2ガスを含む排ガスは、排ガス管２１からロータリーキルン１の排ガス管３ｂへと送られ、ロータリーキルン１からの排ガスと共にプレヒータ３の熱媒体として利用される。
【００５５】
これに対して、混合か焼炉１２内は、上記セメント原料のか焼によって発生したＣＯ2によって満たされるために、ＣＯ2排気管２２からは、略１００％の濃度の高温のＣＯ2ガスが、第２のプレヒータ１０における過熱媒体として導入される。この結果、ＣＯ2ガスの排気ライン２４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。
【００５６】
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、過熱炉１５におけるバーナ１７の熱量は、従来仮焼炉において消費されていた熱量に相当するために、新たな付加エネルギーを必要とすることなく、上記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。
【００５７】
加えて、図２または図３に示した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、過熱炉１５においてか焼されたセメント原料の一部を、戻りライン３０からロータリーキルン１に戻しているために、図１に示したものよりも高温にか焼されたセメント原料をロータリーキルン１に戻すことができる。このため、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とともに、さらにロータリーキルン１に代えて流動層、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。
【００５８】
（実施例）
図１に示したセメント製造設備おけるＣＯ2ガスの回収設備について、プロセスシミュレーションを行った。図９は、その結果を示すものである。
ここで、プロセスシミュレーションとは、主に化学工学プラントにおける複数の単位操作を数学モデル化してプラント全体を表現し、繰り返し計算によって各所の物質流量、温度、圧力等を算出するものである。
【００５９】
本実施例においては、平衡計算モデルの他、流路を所定の割合で分割する流量分割モデル、熱流を流路の入出力の温度差に変換するヒーターモデル、複数の分割された流路に各化学種を設定した割合で割り振るセパレーターモデル等を使用して、ロータリーキルン１、プレヒータ３、クリンカクーラ６、混合か焼炉１２，過熱炉１５等をモデル化した。
【００６０】
このモデル化にあたって、第１のプレヒータ３と第２のプレヒータ１０の各サイクロンでの熱交換では原料温度と排ガス温度とが等しくなるとした他、集塵効率を考慮した。また、最下段のサイクロンや混合か焼炉１２における石灰石の熱分解量は、平衡計算をベースに決定されるものとした。また、過熱炉１５の燃料量とロータリーキルン１の主バーナ５の燃料量は、それぞれ過熱炉１５の出口温度とロータリーキルン１の出口のクリンカ温度が所定の温度となるように調整するとともに、過熱炉１５や主バーナ５の必要空気量は、それぞれ過熱炉１５やロータリーキルン１の出口の酸素濃度が所定の値となるように決定した。さらに、クリンカクーラ６の熱回収率を一定とした。
【００６１】
このような解析条件の下で、混合か焼炉１２でか焼されたセメント原料を、ロータリーキルンに１、過熱炉１５に４の割合で割り振ったところ、過熱炉１５と主バーナ５に供給された燃料の熱量原単位は、クリンカ１ｋｇ当たり７１２ｋｃａｌであり、一般的なセメント製造プロセスと同等の値となった。
【００６２】
また、第２のプレヒータ１０からは、ＣＯ2が１００％の濃度で回収され、その量は焼成されるクリンカ１ｋｇ当たり０．２３４ｋｇであって、プレヒータ３から排出されるＣＯ2を含めた全ＣＯ2排出量の２９．２％に相当する。
【００６３】
したがって、本発明によれば、回収された濃度１００％のＣＯ2を、熱源として第２のプレヒータ１０において有効利用した後に回収することができ、よってセメント製造設備から排出されるＣＯ2の総排出量を、２９．２％削減し得ることが確認できた。また、ＣＯ2濃度が低いために有効利用が困難なプレヒータ３等から排出される燃料起源のＣＯ2は、クリンカ１ｋｇ当たり０．５６６ｋｇ（濃度２７．９％）と、通常のセメント製造プロセスから排出される値と比較して少なく、実質的なＣＯ2の排出量も削減されていることが確認できた。
【符号の説明】
【００６４】
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  過熱ライン
１５  過熱炉
１６、３０  戻りライン
１８  排気管
１９  サイクロン
２０  戻り管
２２  ＣＯ2ガス排気管
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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