(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント原料と加熱によりシアン化水素および／または悪臭を発生する廃棄物からなるセメント原料代替物とを用いてセメントを製造する方法において、セメント原料の化学成分を基準にしたときの廃棄物の化学成分の不足成分を添加した廃棄物を、サスペンションプレヒーターの下方部とロータリーキルン口元との間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】
廃棄物が、下水汚泥、あるいは下水汚泥と生石灰を含む物質との混合物であ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】
不足成分が、珪素および／またはアルミニウムであ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４】
不足成分を補う物質が、石炭灰であることを特徴とする請求項３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するものであり、さらに詳しくは本発明は、セメント原料と加熱によりシアン化水素および／または悪臭を発生する廃棄物からなるセメント原料代替物とを用いてセメントを製造する方法において、大気中にシアン化水素や悪臭成分を放出しにくいセメントの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セメント製造工程で廃棄物を処理する場合、大きく分けて燃料代替として使用する場合と原料代替として使用する場合とがある。このうち廃棄物を原料代替として使用する場合、化学成分調整のために他の原料、例えば石灰石、粘土、珪石および鉄原料と混合した調合原料として使用されるのが一般的である。現在セメント製造工程で処理される廃棄物の大部分がこの原料代替として使用され、多様化してきた廃棄物の処理方法の検討が進められている。
【０００３】
廃棄物を含んだセメント原料は、粉砕工程を経てサスペンションプレヒーター上部より投入され、熱交換されながらロータリーキルンへと送られ、さらに熱を受けながら塊状のセメントクリンカと呼ばれるものになる。一般に廃棄物中に含まれる有害物質、例えば塩素、重金属等はセメントクリンカ中に取り込まれるかあるいは蒸発と凝縮を繰り返し系内で循環する。系内で循環する場合も循環量が平衡状態に達した時点では、投入した有害物質と同量がクリンカあるいはキルンダストとして系外へ排出されることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
廃棄物処理に対するセメント業界への要望は年々大きなものとなってきており、廃棄物の種類も多くなり、塩素、重金属のような有害物質を含むものも少なくない。セメント産業はこれら世間の要望に応え、セメント製造工程において最大限の廃棄物処理を推進しているが、単に廃棄物処理を行うだけでなく、その処理に伴う環境対策が重要な課題となってきている。また、直接有害物質を含んでいなくとも、セメント製造工程での処理過程で有害物質の発生を阻止しなければならず、廃棄物の性状や成分を十分把握する必要がある。
【０００５】
例えば、廃棄物が未燃分および窒素分を含有している場合、従来のセメントの製造方法では、廃棄物を含んだセメント原料がサスペンションプレヒーター上部から投入され、約４００℃に加熱された廃棄物からシアン化水素が生成する可能性も否定できず、その大気中への排出を阻止する必要がある。
【０００６】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたもので、その目的は、セメント原料と加熱によりシアン化水素および／または悪臭を発生する廃棄物からなるセメント原料代替物とを用いてセメントを製造する方法において、大気中にシアン化水素や悪臭成分等を放出しにくいセメントの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、上記のような従来の課題を解決することができた。
すなわち本発明は、セメント原料と加熱によりシアン化水素および／または悪臭を発生する廃棄物からなるセメント原料代替物とを用いてセメントを製造する方法において、セメント原料の化学成分を基準にしたときの廃棄物の化学成分の不足成分を添加した廃棄物を、サスペンションプレヒーターの下方部とロータリーキルン口元との間に投入することすることを特徴とするセメントの製造方法を提供するものである。
また本発明は、廃棄物が、下水汚泥、あるいは下水汚泥と生石灰を含む物質との混合物であることを特徴とする前記のセメントの製造方法を提供するものである。
さらにまた本発明は、不足成分が、珪素および／またはアルミニウムである前記のセメントの製造方法を提供するものである。
また本発明は、不足成分を補う物質が、石炭灰であることを特徴とする前記のセメントの製造方法を提供するものである。
【０００８】
本発明によれば、廃棄物の加熱によって発生したシアン化水素や悪臭成分等は、サスペンションプレヒーターあるいはロータリーキルンとサスペンションプレヒーターを通過する。その際に悪臭成分は分解され、シアン化水素も分解されるかセメント原料および浮遊ダスト中に含まれるアルカリ成分と反応して捕捉される。したがって、シアン化水素や悪臭成分等の有害物質は、大気中に放出される可能性が少ない。また、捕捉された有害物質は、ロータリーキルンへ運ばれさらに熱を受けて分解されるのでクリンカに含有した状態では排出されない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照しながらさらに説明する。
図１は、本発明の方法を説明するためのセメント製造工程の中心をなす焼成工程の一例の概略図である。
このようなセメント焼成工程は、サスペンションプレヒーター１、ロータリーキルン２、仮焼炉３、ミキシングチャンバー４、クリンカクーラー５、キルンバーナー６から構成されている。
投入されるセメント原料と廃棄物からなる原料代替物とは、セメントの焼成工程を経て、脱炭酸反応および焼成反応により、セメントの一歩手前の姿であるセメントクリンカに変化する。
【００１０】
サスペンションプレヒーター１は、その下方の仮焼炉３（これが無いプロセスもある）、ロータリーキルン２およびクリンカクーラー５からの排ガスによって、セメント原料を熱交換により予熱するものである。また、ここではセメント原料における石灰石の主成分である炭酸カルシウムを酸化カルシウムおよび炭酸ガスに分解している。このとき、セメント原料の粉末温度は８５０℃にまで達する。またロータリーキルン２の窯尻２ｂ付近の排ガス温度は１０００℃程度である。上記のように、排ガスは、サスペンションプレヒーター１内で徐々にセメント原料と熱交換しながら上方に進み、サスペンションプレヒーター１の最上段サイクロン出口ガス温度は４００℃程度になる。
【００１１】
予熱・分解したセメント原料は続いてロータリーキルン２に入り、ロータリーキルン口元２ａに向かって転動しながら移動する。ロータリーキルン口元２ａには、微粉炭や重油などを燃料とするキルンバーナー６が設置されており、焼成用の空気も供給される。このロータリーキルン２内ではセメント原料の温度は徐々に高くなり、最も高いところ（焼点）では１４５０℃程度となる。ロータリーキルン２から排出されたクリンカはクリンカクーラー５へ入り冷却される。
【００１２】
前記のようにセメント原料はサスペンションプレヒーター１の最上部より供給されるが、この部分のガス温度は４００℃程度である。この部位より、廃棄物として下水汚泥の脱水ケーキと生石灰との混合物を投入した場合のキルン排ガス集塵機出口のシアン化水素濃度の例を、参考として表１に示す。廃棄物は、セメント原料１トン中に１９．３０kg分存在する。表１から、下水汚泥の脱水ケーキと生石灰との混合物をサスペンションプレヒーター１の最上部より投入することによって、通常キルン排ガス中にはほとんど含まれないシアン化水素が発生し大気中に排出されることがわかる。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
シアン化合物は廃棄物中にもごく微量含まれる場合もあるが、廃棄物中にシアン化合物が含まれていなくとも未燃分および窒素が含まれているとある条件下でシアン化水素が発生することがある。下水汚泥の脱水ケーキと生石灰との混合物を幾つかの加熱温度で加熱し、発生したシアン化水素の量を実験室レベルで調査した。その結果を参考として表２に示す。これによると４００℃を超えるとシアン化水素の発生が認められる。このことはセメント製造工程へ未燃分および窒素分を含む廃棄物を投入すると、加熱によりシアン化水素の発生が起こり得ることを意味する。
【００１５】
【表２】
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【００１６】
そこで、本発明者らは、シアン化水素が酸性ガスであることに注目し、セメント原料中に含まれるアルカリと反応させることでシアン化水素を捕捉することを考えた。すなわち、シアン化水素をサスペンションプレヒーターやロータリーキルン内のセメント原料や浮遊ダストとの接触により補足することを考え、次のような実験室でのテストを行った。小型外熱式ロータリーキルン回転炉に下水汚泥の脱水ケーキと生石灰との混合物（２００g／ｈ）を投入し、加熱温度４００または８５０℃で加熱したときの排ガス中のシアン化水素濃度を調べた。また、前記混合物を加熱温度８５０℃で加熱し、生じた排ガスを、あらかじめ仮焼して脱炭酸したセメント原料を詰めた石英管に通過させた場合の排ガス中のシアン化水素濃度を調べた。これらの結果を表３に示す。表３によれば、加熱温度の上昇により排ガス中のシアン化水素濃度は増加するが、セメント原料層を通過させることによってシアン化水素濃度は著しく減少しており、セメント原料中とのアルカリと反応したことがわかる。
【００１７】
【表３】
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【００１８】
この結果を基に実際にセメント製造工程で実験した結果が表４である。これは図１に示したようなセメント製造装置を使用し、下水汚泥の脱水ケーキと生石灰との混合物を、サスペンションプレヒーター１最下部に位置するミキシングチャンバー４に投入した場合（該混合物はセメント原料１トン中に１６．９５kg存在するようにした）と、サスペンションプレヒーター１の最上部（通常のセメント原料投入位置）より投入した場合（該混合物はセメント原料１トン中に１６．９５kg存在するようにした）の、キルン集塵機出口排ガスのシアン化水素濃度の例である。なお、サスペンションプレヒーター１の最上部からは、通常のセメント原料が投入されている。これより、サスペンションプレヒーター１の最上部より投入した場合は、キルン集塵機出口排ガス中にシアン化水素が検出されたのに対し、ミキシングチャンバー４より投入した場合はキルン集塵機出口排ガス中にはシアン化水素は含まれないことがわかる。これより実機でもセメント焼成工程内でのシアン化水素の捕捉が確認された。
【００１９】
【表４】
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【００２０】
また、下水汚泥のように悪臭成分を含むものについては臭気対策も必要である。アンモニアやアセトアルデヒド等の悪臭成分は大部分が加熱により分解することから、セメント製造工程でもできるだけ高温部位からの投入が有効である。表５に下水汚泥の脱水ケーキと生石灰との混合物をサスペンションプレヒーター１最下部に位置するミキシングチャンバー４に投入した場合（該混合物はセメント原料１トン中に１６．９５kg存在するようにした）と、サスペンションプレヒーター１の最上部（通常のセメント原料投入位置）より投入した場合（該混合物はセメント原料１トン中に１６．９５kg存在するようにした）の、キルン集塵機出口排ガスのアンモニア濃度の例を示す。なお、サスペンションプレヒーター１の最上部からは、通常のセメント原料が投入されている。このようにサスペンションプレヒーター１の最上部での投入では、投入位置の排ガス温度が４００℃程度であり、悪臭成分、本実施の形態ではアンモニアの分解が不十分でアンモニアが大気中に排出されているが、ミキシングチャンバー４からの投入では投入位置の排ガス温度が８５０℃程度であり、アンモニアは分解され大気中に排出されないことがわかる。
【００２１】
【表５】
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【００２２】
これらの結果から、廃棄物の加熱によって発生した排ガス中のシアン化水素はサスペンションプレヒーターやロータリーキルン内のセメント原料や浮遊ダストと接触することにより、また悪臭成分等は高温で分解されることにより、大気中への放出が抑制されることが分かる。また本発明者らのさらなる検討によれば、図１のセメント製造装置を使用する態様において、廃棄物の投入位置は、▲１▼仮焼炉３および仮焼炉３へ通じるダクト７、▲２▼ロータリーキルン２の原料入口側（窯尻２ｂ）、▲３▼ロータリーキルン２の原料出口側バーナー部（口元２ａと同義）としても良好な結果が得られることが分かった。
【００２３】
また、通常セメント原料は成分調整の上セメント焼成工程へ投入されるが、本発明のようにサスペンションプレヒーター下方部とロータリーキルン口元との間に廃棄物を投入すると、廃棄物の化学成分や投入量のバラツキが生じた場合、クリンカの品質に影響を及ぼす場合がある。さらに、あらかじめ廃棄物の化学成分や投入量に応じてセメント原料の化学成分を調整することは困難である。そこで、クリンカの品質上、廃棄物の化学成分がセメント原料の化学成分と大きく異なる場合は化学成分の調整が必要であるが、廃棄物に不足する成分を含んだ他の物質とを混合して投入することにより、本来のセメント原料の化学成分を調整することなく、またトラブル等で廃棄物がセメント製造工程に入って来なかった場合の化学成分の乱れを極力抑えることができる。原料代替として一般的に用いられている廃棄物の場合、とくに、下水汚泥、あるいはこれと生石灰との混合物である場合は、不足成分は主に珪素および／またはアルミニウムである。そして簡便には、これらの不足成分を補うには石炭灰を用いることが望ましい。表６には調合原料、下水汚泥の脱水ケーキと生石灰との混合物単独、あるいは、その混合物にフライアッシュを質量比２０％混合したものの水硬率の例を示す。水硬率とは下記式で表されるセメントの化学組成を表す比率の一つであり、品質あるいは工程を管理する上では最も重要なものである。
【００２４】
【数１】
水硬率＝ＣａＯ／（ＳｉＯ2＋Ａｌ2Ｏ3＋Ｆｅ2Ｏ3）
【００２５】
下記表６からわかるように、下水汚泥の脱水ケーキと生石灰との混合物単独では水硬率が調合原料と大きく異なるが、フライアッシュと混合することによって水硬率がほぼ同じとなり、仮にこれらの混合物が切れた（工程に入ってこない）としても品質上問題無い。
【００２６】
【表６】
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【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、セメント原料と加熱によりシアン化水素や悪臭を発生する廃棄物からなるセメント原料代替物とを用いてセメントを製造する方法において、大気中にシアン化水素や悪臭成分を放出しにくいセメントの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を説明するためのセメント製の焼成工程の一例の概略図である。
【符号の説明】
１    サスペンションプレヒーター
２    ロータリーキルン
２ａ    ロータリーキルン口元
２ｂ    ロータリーキルン窯尻
３    仮焼炉
４    ミキシングチャンバー
５    クリンカクーラー
６    キルンバーナー
７    仮焼炉へ通じるダクト
【図１】
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