環境対策、エネルギー効率の向上

砕に多くの電力を消費しています。利用し製造業ている産業廃棄物は、製鋼スラグ、鉱滓、3.1.3 窯業土石のエネルギー効率向上

石炭灰、鋳物砂などです。焼成工程では、製造部門が消費する二次エネルギーは日本全体の 43％

原料を約 1450℃で焼成する炉（ロータリ（2016 年度）で、窯業土石（セメント）分野はそのうちンキルン）で大量の石炭を消費しています。の 6.4％（全体では約 3％）を占めています。セメントはこのため、焼成炉の排熱を原料の乾燥に利基礎素材で生産量が多く、エネルギー多消費型製品です。

用する一方、燃料代替品として廃タイヤやこのため、本稿で述べる焼成工程の技術革新がエネルギ

廃プラスチックなどの産業廃棄物も使用

ー効率の向上に大きく寄与しています。産業廃棄物のエしています。仕上げ工程の電力消費は、主ネルギー有効利用にも貢献しています。にクリンカー（焼成体）の予備粉砕機と仕上げ粉砕機（ミル）です。

日本のセメント工場は、1970 年代の後半まで煙突から白くて長い煙を出していたので、遠くから２．セメント製造のエネルギー効率向上

でも容易に見分けることができました。白い煙の2.1 原料調合工程の省エネルギー対策

正体は石灰石とセメントの粉末、それに大量に使っていた石炭の灰でした。しかし 1980 年代にな

1960 年代までの原料の粉砕は、石灰石と粘土類

ると省エネルギー対策が重視されるようになり、をそれぞれロータリードライヤーで乾燥し、チュ石炭の消費量が減るとともに環境規制が強化され、ーブミルで混合粉砕する乾燥・粉砕別方式でした。

煙突の煙は目立たなくなりました。その後もエネ

ところが 1960 年代に SP（サスペンション・プレルギー効率の向上を目的に設備投資が続き、2010ヒーター：後述）が開発され、焼成炉の排熱を有効年にはクリンカー（セメント焼成体）のエネルギ利用できるようになりました。しかも原料を乾燥ー消費原単位が世界最小の水準に達しています。

した SP の排熱は、まだ 350℃～370℃もあります。

１．セメントの製造工程と使用するエネルギー
表 1 に示すのがセメン

表 1．セメントの製造工程
特性項目
役割

主要設備

原料調合工程焼成工程

原料の粉砕と調合

原料の乾燥と焼成

クリンカーの粉砕

クリンカー製造

セメントの調合

原料乾燥機

石膏ヤード

石灰石や粘土など仕上げ工程

トの製造工程と各工程のの原料ヤード（SP/NSP）：後述

予備粉砕機

役割、主要な設備、および使用産廃ヤード

仮焼炉（脱炭酸）

仕上げ粉砕機（ミル）

使用するエネルギーの種

原料粉砕機

焼成炉（キルン）

分級セパレーター類です。原料の調合工程

集塵機

クリンカー冷却器

混合機（特定副原料用）

では、石灰石と副原料に電力消費

約 28％

約 30％

約 42％

使用する産業廃棄物の粉燃料消費

約 0.5％

約 99％

約 0.5％

1そこで石灰石と粘土類のロータリードライヤーのSP キルンの構成を図 2 に示しますが、物理的に代わりに、SP の排熱をチューブミルに吹き込む方は「多段サイクロン型の原料予熱装置付き焼成炉」法が採用されるようになり、約 2 割の省エネルギになります。サイクロンは図 1 の右上に示した漏ー効果が得られました。その後、小型で大能力の斗型の粉体分離器です。粉体を含む気流は漏斗の図 1 に示す竪型で分級機能を内蔵する高効率ミル

上部から円周方向に沿って送入され、旋回しながが開発され、1980 年代からさらに約 1 割の節電効ら下方に移動します。粉体は遠心力で外周に飛ば果が得られています。

され、内壁に沿って落下します。粉体を分離した気流は、サイクロンの下部から円筒形のダクトを通って上方に移動し、外部に排出されます。構造が単純で安価なことから、古くから製粉工場の粉体回収や、石炭ボイラーの排ガス除塵機に使われてきました。最近は家庭用の電気掃除機にも同じ原理が応用されています。
SP キルンは通常は 4 段のサイクロンを縦に繋げ、最下部から 1050℃～1100℃の焼成炉（ロータリーキルン）排ガスを送入します。最下部のサイクロンでは、上から落下してきた原料（主に石灰石と粘土類）を旋回流の状態で加熱し、上段のサイクロンに移動します。上段ではその上のサイクロンから落下してくる原料を旋回流で加熱し、さ図 1．縦型原料ミル（分級機内臓・同時乾燥粉砕）（出典：国立科学博物館・技術の系統化調査報告
Vol.23 2016. March ）らに上の段のサイクロンに移動します。このように、焼成炉排ガスが次々に原料を加熱するので、最 上 段 の サ イ クロ ン か ら排 出 さ れ る段 階 で は350℃～370℃にまで低下します。一方、原料は最2.2 焼成工程の省エネルギー対策
国内のセメント工場は、かつて熱効率の劣る湿上段のサイクロンに入る段階ではまだ低温ですが、式キルンや、原料予熱装置のない乾式キルンが主浮遊→受熱→固気分離をくり返しながら下降し、流でした。しかし 1960 年代に入ると、原料予熱機最下段のサイクロンを出る段階では高温に熱せら能のある SP キルンがドイツで開発され、日本にれています。SP キルンは原料の予熱で石灰石も導入されました。その後、1970 年代に石灰の脱（CaCO3）の CO2 を約 40％分解（脱炭酸）しま炭酸効果が大きい仮焼炉を備えた NSP（ニューサす。このため、後に続く焼成炉の熱負荷を大きくスペンションプレヒーター）キルンが日本で開発軽減することができます。SP キルンは、通常は粉され、国内では 1997 年に転換が完了しています。

体の分離器として使われるサイクロンを、焼成炉排ガスと原料との熱交換に利用し、熱回収と原料2.2.1 SP キルン予熱を同時に実現した巧妙な装置です。
2

が開始された 1963 年から1970 年代の中期までに、新増設されるキルンはほとんどが SP キルンになりました。なお前述のように、
SP キルンから排出される排ガスは、原料調合工程の原料粉砕機に送られ、粉砕工程のエネルギー効率の向上にも寄与しています。
2.2.2 NSP キルン
日本最初のSP キルンは、径 4m・長さ 62m・能力1,200 トン／日でしたが、以降の SP キルンは次々と図２．SP キルンの構成とサイクロンの原理大型化され、1972 年には径 6.2m・長さ 125m・能力 5,300 トン／日という巨大キルン

図 3．NSP キルンの構成まで登場しました。一方、キルンの内（SP キルンに仮焼炉の追加）

径が大きくなると内張り煉瓦の支持（出典：セメンとの常識・力が弱くなり、操業中に脱落しやすくセメント協会会）なります。また焼成量が大きくなると吹込む燃料も多くなるので、最高温部の温度が上昇して煉瓦を短命化します。そこで SP キルンのプレヒーターと焼成炉（ロータリーキルン）の間に仮焼炉を追加し、焼成炉の熱負荷を軽減したのが図 3 に示す NSP（ニューサスペンションプレヒーター）キルンです。SP キルンでは、プレヒーターの石灰の脱炭酸率は約 40％でした。
したがって、残る 60％の脱炭酸と焼成反応は、焼莫大な省エネルギー効果がある SP キルンが開成炉（ロータリーキルン）が果たしていました。し発された結果、日本では最初に SP キルンの運転

かし、ロータリーキルンは原料を一定の時間、高3温の環境に曝しで焼成するのには適していますが、クリンカー粗粉砕用予備粉砕機の導入です。粉砕構造上の制約から熱効率を高めるのが困難です。

を粗粉砕と、製品に必要な粒度にまで粉砕する微そこで原料を噴流状態で加熱する仮焼炉を焼成炉

粉砕の二段階に分けることで、1 割から 2 割の節の前に設置し、原料の脱炭酸率を 40％から 80％電効果が得られています。四番目は仕上げ工程だ以上に高める方法が開発されたのです。その結果、けでなく、焼成工程も含めた廃熱発電の導入です。

ロータリーキルンでは残る約 20％の脱炭酸と、焼セメント工場の排ガスにはプレヒーター排ガス成だけを行なわせるだけになり、熱負荷が大幅に（キルン排ガス）と、クーラー排ガス（クリンカー低減されました。加熱の負荷が大幅に低下したロ冷却排ガス）があります。1970 年代までプレヒーータリンキルンは、同一サイズなら焼成能力を SP

ター排ガスの熱は原料乾燥に利用し、クーラー排キルンの 2 倍以上に増大させることが可能になっガスはキルンでの焼成と、仮焼炉の燃焼空気に利たのです。また、仮焼炉は原料の焼成ではなく脱用してきました。しかし 1980 年代からセメント炭酸が目的ですから、焼成より低温での操作でよの生産量が増大し、排ガス量も増加しました。そく、発熱量の少ない低品位炭も燃料に利用できる

こでプレヒーター排ガスとクーラー排ガスの熱をようになりました。

廃熱ボイラーで回収し、蒸気タービンと発電機で発電する廃熱発電が採用されるようになり、エネ

2.3 仕上げ工程の省エネルギー対策

ルギー効率の向上に寄与しました。

仕上げ工程では高温の灼熱クリンカーを冷却し、３．セメント産業の産業廃棄物利用粉砕して粒度を調整して製品セメントにします。
大量に消費するエネルギーは粉砕機の電力なので、省エネルギー対策も粉砕機と周辺設備が対象にな

セメントの製造には多くの燃料を必要とする一ります。節電に寄与したのは主に次の 4 対策です。

方で、ごみ焼却炉の燃焼残差や、無機質の廃棄物一つはクリンカー粉砕機（チューブミル型）の大がセメントの原料になります。現在では主に高炉型化で、主力工場では処理量が 30 トン／時からスラグ、石炭灰、排煙脱硫副生石膏、排水処理汚180 トン／時と 6 倍にもなりました。その結果、泥、非鉄金属の鉱滓、鋳物砂が原料として利用さチューブの径が 3.5ｍから 5.3ｍにもなり、長さはれています。燃料としては廃タイヤ、廃プラスチ5.9ｍから 15ｍにもなりました。単純化すると粉ック、木屑、廃油、廃白土が使われ、石炭のボタは砕能力はチューブの容積に比例し、所要動力はチ燃料と原料を兼ねて利用されています。現在のセューブの表面積にしか比例しません。その結果、メント産業は、産業廃棄物処理の一翼も担ってい粉砕能力あたりの動力が少なくなったのです。

るのです。
（おわり）

二つ目はチューブミルで得られる粉体クリンカ
ーを、再粉砕が必要な粉体と不要な粉体に分ける

参考：セメント協会資料（HP）、セメントハンドブ

セパレーターの改良です。効率のよいセパレータ

ック（セメント協会）､セメント産業の省エーの開発で粉砕効率を高め、約 2 割の節電を達成

ネルギー対策について（セメント協会）。

しました。三番目の対策はチューブミル前段への、

下田孝：セメント製造技術の系統化調査
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