23

プロセスシミュレーターを用いたセメントプロセスモデルの開発
矢持田山野永代下克暁信忠志正Cement Process Modeling using Process Simulator

Makoto YANO
Tadashi MOCHINAGA
Katsushi TASHIRO
Akimasa YAMASHITA

Since the cement sintering process involves gas-solid phase reaction, each component in cement kiln shows toocomplicated behavior to allow a satisfactory quantitative analysis. We have developed a cement process modelusing Process Simulator which can reveal the behavior of each component in suspension preheater, kiln, andclinker cooler. Using this model, the following items have been studied：１）Material/heat balance in suspension preheater, kiln, and clinker cooler.
２）Behavior of each component in suspension preheater, kiln, and clinker cooler.
３）Analysis of the anticipated effect that would influence the cement calcination process when the operation
mode is changed.
In an effort of waste recycling and reduction of energy cost at cement plants, we are now trying to use plastic
wastes, used tires, and RDF for partial replacement of coal. The present model has proved to be highly
promising for the analysis of our ongoing program.

焼成工程の定量的解析が必要である。

1．はじめに

しかしながら、焼成工程におけるサスペンショ

セメント製造プロセスは、原料工程、焼成工程及ン・プレヒーター（SP）やキルン内の物性の挙動は、び仕上工程の３つに大別される。中でも焼成工程は気−固相反応を含む極めて複雑な反応を有しており、セメントの品質、エネルギー管理上最も重要なプロそれらを定量的に把握することは非常に困難とされセスである。てきた。

最近では、キルンでの高温焼成を生かした廃棄物

そこで、汎用プロセスシミュレーターを用いたセの燃焼処理が着目され、廃タイヤやRDFの利用に加メント焼成工程のモデル化を試みた。このモデル化

え、廃プラ等の有効利用の検討が行われている。こにより以下の項目の検討が可能になる。のように多様化する原燃料ソースに対応しながら、q

厳密なマテリアル／ヒートバランスの計算

一方ではセメント品質の維持管理、省エネルギーのw

キルン内の主要成分の挙動解析推進が要求されており、これらを満足するためには

e

運転条件変更時のプラント挙動の検討（ 23 ）

24

TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.44（2000）

Pre-homogenization
Pre-homogenization

Raw materials
materials
Raw

Raw materials
materials
Rawpreparation section
sectionpreparation

Suspension
Suspension
pre-heater
pre-heater

HomogeniHomogenization
zationRaw feed
feed
Rawmillmill

Rotary kiln
kiln
RotaryClinker
ClinkercoolercoolerSintering section
Loading andandLoading
dispatchdispatch

CementCementmill
mill

Gypsum andandGypsum
minor additions
additionsminor

Finished
Finishedproducts storage
storageproducts

Finish grinding
grinding
FinishsectionsectionFig.１ Cement
Cement process.
process.
Fig.１

・４CaO-Al２O３-Fe２O３〔C４AF〕

2．セメントプロセスの概要

これらの化合物はセメント原料の鉱物が分解・反当社セメントプラントでは、２系列（６S、７S）応して生成される。
焼成に必要な熱エネルギーは主にキルンでの微粉のキルンで普通ポルトランドセメントの製造を行っ炭の燃焼により供給されるが、最近ではゴミを固形ている。
Fig.１に示すようにセメントの製造工程は原料工燃料化したRDFも燃料として使用されている。また、SP側では廃タイヤ投入による代替エネルギーの使用程、焼成工程及び仕上工程で構成されている。

も進められている。
キルンで焼成されたクリンカーはクーラーで冷却・原料工程
セメントの原料は主成分として以下のものがあげされ、仕上工程へ送られる。

られる。
・仕上工程

・石灰石・粘土

仕上工程では、クリンカーにセメント硬化速度調・珪石節のために必要な石膏や混合材としてのスラグ等を・酸化鉄原料加え、仕上ミルで粉砕後、製品としてのセメントを原料工程では原料の調合が行われる。また、ここでは発電所で排出される石炭灰を粘土代替原料とし得る。

3．焼成工程の設備概要と焼成反応て使用している。調合された原料は堅型ミルにて細今回のモデル化は当社セメントプラントの７S焼成

かく粉砕され粉体原料となる。

系を対象として行った。
Fig.２に焼成工程の主な設備を以下に示す。

・焼成工程
焼成工程では粉体原料をSP及びキルンで焼成し、セメントの中間製品であるクリンカーを生成する。
クリンカーの主要化合物を以下に示す。

〔1〕各機器概要
・サスペンション・プレヒーター（SP）
SPはサイクロンを４段、縦方向に連結した構造

・３CaO-SiO２〔略号C３S〕
・２CaO-SiO２〔C２S〕となっている。最上段から投入された原料は、落・３CaO-Al２O３〔C３A〕

下しながらキルンから出る高温の排ガスによって（ 24 ）

東ソー研究・技術報告 第44巻（2000）

Raw
material

25Gas flow

SPexhaust
gas

Solid flow
Coolerexhaustgas

Used tires

Fuel coalSuspension

Kiln

pre-heater

Diameter：5.4m（SP）

LengthClinker：100m
2rpm
ClinkercoolerFig.２

Cement sintering section.

予熱されキルンへ入る。最下段では原料温度が800がって反応が進む。温度による主反応をTable１に示〜900℃に達しているため、一部炭酸カルシウムのす１）。

分解（脱炭酸反応）が始まる。

キルン出口は約1,450℃で固相にC３SとC２S、液相にCaO、Al２O３、Fe２O３などが溶け込んでおり、クーラ・キルン（回転窯）ーで急冷されると液相からC３AとC４AFが晶出されク

７Sキルンは直径5.4m、長さ100mの円筒形の窯で、リンカーとなる。

内部を耐火レンガで内張りした構造となっている。

クリンカーの概略組成を以下に示す。

キルンは３°の傾斜をつけてあり約２回／分で回C３S

60wt％

転しながら原料をキルン出口へと導く。出口付近

C２S20wt％

では微粉炭の燃焼により約1，450℃の温度で焼成さ

C３A

10wt％れクリンカーとなる。

C４AF

10wt％

4．モデリング・クリンカークーラー
キルンで生成されたクリンカーはクーラーの可〔1〕プロセスシミュレーター

動式プレート上へ落下し、クーラー出口へ運ばれ今回のモデリングには、アメリカAspen Tech.社がながらプレートの隙間から吹き込まれた空気によって冷却される。冷却に使われた空気はクリンカ

Table１ Main reactions in cement sintering process

ーの熱を奪い高温となるため、一部がキルンへ吹き込まれ微粉炭燃焼用の空気として利用される。
クーラーから出たクリンカーは約80℃まで冷却される。

Temperature〜700℃

vaporization

700℃〜900℃

CaCO3→CaO＋CO２

900℃〜1200℃

２CaO＋SiO２→C２S

1200℃〜1300℃

3CaO＋Al２O３→C３A〔2〕焼成反応

4CaO＋Al２O３＋Fe２O３→C４AF

焼成工程における反応を以下に示す。

1300℃〜1450℃

原料の主要成分としては以下の物質が挙げられる。
CaCO３，Main reaction

SiO２，Al２O３，Fe２O３

原料はSP及びキルンにおいて昇温されるにした（ 25 ）

C2S＋CaO→C３S
C２S ：２CaO・SiO２
C３S ：３CaO・SiO２
C３A ：３CaO・Al２O３
C４AF：４CaO・Al２O３・Fe２O３

26TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.44（2000）

ットを組む事で全量が平衡状態になる事を防ぎ、よHeat loss
Heat loss

り実機に沿うモデルを構築した。Fig.３に反応モデル
bypassbypassTo next
To
nextblockblockGas flow
Gas flow

RGIBBSRGIBBSの計算ユニットについての概略図を示す。
〔3〕物性モデル

Radiation
Radiation
heatheat（Gas-solid equilibrium（Gas-solidequilibrium
calculationblock）
calculation block）

物性推算には、1994年、A.D.Peltonにより発表された

To next
Tonextblockblock

Solid flow
Solid flow

Phase Diagrams of Ceramistsの気−固相平衡データより導き出されたパラメータを用いた。

Fig.３ Gas-solid equilibrium calculation unit.
Fig.３ Gas-solid equilibrium calculation unit.

〔4〕主要機器のモデル化
汎用シミュレーターでは、石化プラントで使用さを用れる蒸留塔、熱交換器、反応器等の一般的な機器はいた。Aspen Plusは世界的に使用されている汎用プロ標準でユニット化されているが、セメントプロセスセスシミュレーターのひとつであり、シミュレータの様な粉体焼成機器の専用ユニットは装備されていーの中では唯一固体反応を取り扱う事が可能である。

ない。そこで、前述した反応計算ユニットを組み合今回のモデリング作業では、セメントの固相物性、わ せ S P 及 び キ ル ン の モ デ ル 化 を 行 っ た 。 Fig.４、キルンのモデリング技術に関してAspen Tech.社の技Fig.５にSPおよびキルンのモデル化の概念図を示す。

開発したプロセスシミュレーター

Aspen Plus

計算ユニットを直列に繋げる事で、実機と同様に術協力を得た。

燃焼ガスと原料を向流に接触させ反応が行われるモ〔2〕反応モデルデルを構築した。

セメントプロセスで行われている気−固相反応を当初はキルンにのみ反応計算ユニットを組み合わモデル化するに当たり、Aspen Plusに内蔵される化学せたモデルを採用し、SP部については原料の脱炭酸平衡反応計算ユニット（RGIBBS BLOCK）を用いた。

反応だけを計算する簡易モデルとしていた。しかしこの計算ユニットでは供給される気相、固相が全て気相挙動が実機に沿わなかったため、SP部にも反応化学平衡状態になる様に計算が行われる。

計算ユニットによる組み合わせモデルを採用した。

しかし実機の反応では完全に化学平衡状態になる

その結果、SPで起こるCaCO ３の脱炭酸反応率が、原事はない。そこで、気相の一部のみを固相と反応さ料及び燃焼ガスの条件により自動的に算出される様せ、未反応の気相をバイパスさせた。この様なユニになった。

Plant
Plant

Model
ModelSPSP
exhaustexhaust
gas
gas

SPSP
exhaustexhaustgas
gas

Decomposition
Decompositionrate
rateofofCaCO
CaCO
３３
isisdetermined
determinedbybymixing
mixingofofraw
rawmaterialmaterialandandgasgas
automatically.
automatically.
Equilibrium
Equilibriumreaction
reaction

Raw
Rawmaterialmaterial

Raw
Rawmaterialmaterial
Gas
Gas
fromfromkilm
kilm

Gas
Gas
fromfromkilnkiln
Used
Usedtires
tires
To
Tokilnkiln

Fig.４
Fig.４ SPSPmodel.
model.

（ 26 ）

ToTokilnkiln

東ソー研究・技術報告 第44巻（2000）

27Plant
Kiln exhaust gas
Raw material

Fuel coal

ClinkerModel(Calcination reaction,vaporization

Calcination of volatile materials)

Kiln exhaust gas(Formation of calcium

Raw material

Sintering silicates/aluminates/ferrites)
Fuel coal
Clinker

Fig.５

Plant

Kiln model.

Combustion air
for fuel

Exhaust gas

Clinker

ProductAir

Exhaust gas

Model
Combustion air
for fuel
Clinker

ProductAir

Fig.６ Cooler model.

クリンカークーラーについては熱交換器の計算ユする。

Fig.６にクリ・原料ニットを組み合わせたモデルとした。

・燃料（微粉炭及び用済みタイヤ）

ンカークーラーのモデル概略図を示す。

・空気（燃料及び冷却用）〔5〕入出力データ
以下の項目の流量及び成分データをモデルに入力（ 27 ）

計算結果として以下のデータを得る事が出来る。

28

TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.44（2000）

SP
SPexhaust
exhaustgas
gas

Data
Dataforforfitting
fitting

Raw
Rawmaterialmaterial

Fuel
Fuelcoal
coalSPSP
CoolerCoolerExhaustExhaust gas
gas

Kiln
Kiln
Gas
Gasflowflow

Clinker
Clinker

Cooling
Coolingair
air

Solid
Solidflow
flow

Fig.７
Fig.７ Fitting
Fittingpoints.
points.

7070
Plant
dataPlant
data
Modelcalculation
Model calculationresult
resultWeight（％）
Weight（％）

6060
5050
4040
3030

6,600T/D

・微粉炭量

430T/D・用済みタイヤ量

25T/D〔1〕マテリアル／ヒートバランス

2020
101000・原料投入量Fig.８にクリンカーの組成について、プラントデー
タと本モデルによる計算結果との比較を示す。
C3S
C3S

C2S
C3A
C2S
C3A
Clinkermaincomponents
Clinker main components

C4AF
C4AF

各成分ともプラントデータとモデルによる計算結果がほぼ一致し、本モデルの妥当性が確認できた。

Fig.８ Clinker
Clinkermaincomponents.
Fig.８
main
components.

次にFig.９にプロセス主要部分の温度、流量についてプラントデータとモデルとの比較を示す。

・固相、及び気相の流量、組成、温度、エンタルピー

固相については、キルン落口のクリンカーについて流量と温度を比較した。それぞれ良い一致を見せ・SP及びキルン内の各成分挙動及び温度分布ている。
気相についてもSP排ガス、キルン排ガス、クーラ〔6〕モデルチューニング

ー排ガスの温度について比較を行った。これらの値モデルによる計算結果と実機運転データとの整合もプラントデータとモデルが良い一致を見せている。

性を取るために、Fig.７に示してある６ケ所の温度について、以下のパラメーターでチューニングを行っ〔2〕プロセス内気相挙動た。

本モデルの成果として、今まで困難とされてきた・SP部での対流伝熱量（ガスバイパス量）

SP及びキルン内部での物質挙動を把握することが可・SP部から大気中への放熱によるloss量能となったことが上げられる。Fig.10は気相成分のう・キルン部での対流伝熱量（ガスバイパス量）

ちCO２とSO２について、SP、キルン内の挙動を示して・キルン部から大気中への放熱によるloss量いる。また、SP部の厳密なモデル化による気相挙動・キルン部でのGas→Solidへの放射伝熱量の影響についても比較を行った。

・クーラー部の熱交換量

セメントの反応ではSP部およびキルンのSP側でCaCO３の分解によるCO２の発生（脱炭酸）が生じる。

5．計算結果モデルでもキルンのSP側からCO ２が増加しているこ

今回作成したモデルの検証を行うために実機運転とが確認された。

データとシミュレーション結果の比較を以下の項目

実機ではほとんどのsulfurが固相中に固定され、SPについて行った。この計算に用いた入力データを以排ガスにSO２は含まれていない。しかし簡易モデルで下に示す。

は排ガス中にSO２が含まれている。これは簡易モデル（ 28 ）

東ソー研究・技術報告 第44巻（2000）

SPexhaustgas

Gas flow
Solid flow

Raw material

SP

Plant data

SP exhaust gas［;］Kiln exhaust gas［;］

1600
1400
1200
1000
800
600
40020001600
1400
1200
1000
800
600
40020001600
1400
1200
1000
800
600
40020002000
10000Fig.９

CO（withsimple SP model）
2rigorous SP model）
CO（with2simple SP model）
SO（with2rigorous SP model）
SO（with2Clinker

Material and heat balance.

40
35

3000

30

2500

252000201500151000

10500

500Exhaust gas

Cooling air

Mass frac wt%

3000

S O2 ［T/D］

4000

CO2 ［T/D］

CoolerClinker temp.［;］

5000

SP

1600
1400
1200
1000
800
600
400
2000

Fuel coal

Clinker ［T/D］

3500

Cooler exhaust gas［;］

Kiln

Model
calculation
result

4000

29

100
90
80
70
60
50
40
30
20
100400;①700〜900;②900〜1200;

CaCO３→CaO＋CO２
2CaO＋SiO２→C2S③1300;〜

C2S＋CaO→C3SCaCO３②③①C2S

C3S

①CaO

SP850;

Kiln

1450;
Solid flow

Kiln

Gas flow
Fig.11The behavior of solid components in SP and kiln.

Fig.10 The behavior of gas components in SP and kiln.

主成分であるCaCO３、CaO、C２S、C３Sについて着目
では原料と燃焼ガスの反応が行われていない事が原し、Table１に上げた反応と比較した。Fig.11にSP、因と考察される。そこで厳密なSPモデルに改良する

キルン内での４成分の挙動について示した。
まず、SPからキルンにかけて脱炭酸反応により事で原料と燃焼ガスを反応させ、sulfur成分の挙動をCaCO３が減少し、CaOが増加していることからq式の実機に近づける様にした。
厳密なSPモデルでは、気相中のSO ２がSP出口に向反応が確認出来た。
次に生成したCaOとSiO２が反応しC２Sがキルンの前

かって減少し、ほとんどのSO２が固相に固定され、実機の状況がシミュレートされている事が確認された。

半部で増加しw式の反応が確認出来た。

〔3〕プロセス内固相挙動

成、増加しているのに対してC２Sが減少しておりe式

さらにキルン出口ではC２SとCaOが反応しC３Sが生プロセス内の固相の挙動についても、セメントのの反応が確認出来た。
以上の検証から、セメント気−固相反応のシミュ（ 29 ）

30

TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.44（2000）

レーションが出来る事が確認された。また、代表的

その結果、実機の状態をよく表すことが可能となな運転データと本モデルのシミュレーション結果とり、さらにプロセス内部の物質挙動についても把握の比較においても、セメントプロセスの運転状況をすることが可能になった。
今後このモデルを利用することで、原燃料の成分、良好にシミュレーション出来ると考えられる。

投入量の変化に対するプロセスの挙動解析や、セメ

6．ま と めントプロセスでの廃棄物の有効利用、及びエネルギ

汎用プロセスシミュレーターを用いて、気−固相反応を含むセメントプロセスのシミュレーションモデルが構築出来た。

著
氏名 矢 野者著
信Makoto YANO

氏名 持 永ーコストの削減などが期待される。

文者

献著
忠者

氏名 田 代 克 志

Tadashi MOCHINAGA

Katsushi TASHIRO入社 平成８年４月１日

入社 昭和62年４月１日

所属 南陽技術センター

所属 セメントエネルギー製造部 所属 南陽技術センター

プロセス技術室

入社 昭和56年４月１日

部長付（ 30 ）

著者

氏名 山 下 暁 正Akimasa YAMASHITA入社 昭和61年４月１日
所属 セメントエネルギー製造部

プロセス技術室

セメント課室長課長