JP4236714B2 - セメント製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、ポルトランドセメントの製造においてセメント中の6価クロムの含有量を低減する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、セメント原料中には微量のクロム酸化物(主に3価)が含まれており、これはロータリーキルン中で例えば約1450℃の最高温度になっても、ほとんど揮発せずにセメントクリンカ中に取り込まれる。一方、ロータリーキルン内壁の耐火レンガには特に高温になる部分では、その耐久性を増すためにクロム酸化物(主に3価)を含有したものが使用される場合がある。この耐火レンガ中に含まれるクロム酸化物も、セメント製造中に少量づつ摩耗してセメントクリンカの中に取り込まれることが多い。これらのクロム酸化物(3価)の一部は、ロータリーキルン内の高温かつ酸化雰囲気中で酸化されて6価に変化してしまう。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このような6価のクロムは、環境保全の観点から可能な限りその生成を抑えることが望まれているが、この生成を防止する方法はこれまで見出されていなかった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、セメントクリンカの品質を損なわない程度にセメントクリンカ中に含まれる6価クロムを低減させることができるセメント製造方法を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
第1の発明に係るセメント製造方法は、ロータリーキルンを用いてポルトランドセメントを製造する際にロータリーキルン中に主燃料とは別に可燃性物質を添加する方法において、ロータリーキルンの被焼成物出口側から原料の最高温度地点よりロータリーキルンの被焼成物出口側にある被焼成物表面またはその内部に可燃性物質を供給し、これにより被焼成物及びキルンレンガに含まれる3価クロムの酸化防止及びロータリーキルン内に存在する6価クロムの還元を促進してセメントクリンカ中に含まれる6価クロムを低減させる方法である。
また、第2の発明に係るセメント製造方法は、ロータリーキルンを用いてポルトランドセメントを製造する際にロータリーキルン中に主燃料とは別に可燃性物質を添加する方法において、ロータリーキルンの被焼成物出口側から原料の最高温度地点よりロータリーキルンの被焼成物出口側にある被焼成物表面またはその内部に、被焼成物上に達する過程で燃焼してしまわないように可燃性物質を供給し、これにより被焼成物及びキルンレンガに含まれる3価クロムの酸化防止及びロータリーキルン内に存在する6価クロムの還元を促進してセメントクリンカ中に含まれる6価クロムを低減させる方法である。
6価のクロムがロータリーキルン内の極めて狭い部分で生成されることを実験・調査によって突き止めたことが、この発明に結びついたものであり、この発明のポイントは、ロータリーキルン内でクロムが3価から6価に酸化される狭い領域を流れている被焼成物上に少量の可燃性物質を添加することであり、この可燃性物質はそのバーナーノズルなどの供給口から被焼成物上に達する過程で周囲の高温と酸素により燃焼(酸化)してしまわないように、その近辺に存在するロータリーキルン用の主燃料に比ベて燃焼速度の遅いものが使用される。あるいは、主燃料と同様の燃焼速度を有しかつ主燃料よりも粗い粒の可燃性物質が使用される。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
セメント製造工程の中心をなす焼成工程は、図1に示すようにサスペンションプレヒーター1とロータリーキルン2から構成されている。これらの工程では、脱炭酸反応と焼成反応により、石灰石や粘土類などの原料粉末から、セメントの一歩手前の姿である塊状のセメントクリンカに変化させている。
【0006】
サスペンションプレヒーター1の最上部に供給された原料粉末は徐々に下に向かう。その際、サスペンションプレヒーター1の下方に設置された仮焼炉バーナー3(これが無いプロセスもある)ならびにロータリーキルン2やその後工程のクリンカクーラー4からの熱ガスによって予熱するとともに、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と炭酸ガスに分解する。このとき原料粉末の温度は約850℃にまで達する。また仮焼炉バーナー3の付近における排ガス温度は、900℃程度になる。
【0007】
予熱・分解した原料は続いてロータリーキルン2に入り、出口に向かって転動しながら移動する。原料の出口側には、微粉炭や重油などを燃料(ここでは主燃料と呼ぶこととする)とするキルンバーナー5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内では原料の温度は徐々に高くなり、最も高いところ(焼点)で1450℃程度となる。その後、温度は1300℃程度にまで低下してセメントクリンカとなり、ロータリーキルン2から排出される。また、焼点の位置はロータリーキルン2の大きさなどによっても異なるが、一般的なセメント焼成用ロータリーキルン2では、ロータリーキルン内径をDとして、原料の出口側から2D〜4Dの位置にあることが多い。
【0008】
ロータリーキルン2の被焼成物出口側から供給された燃焼用空気中の酸素は主燃料の燃焼に費やされ、その濃度は図2に示すようにロータリーキルン2の被焼成物出口側から被焼成物入口に向かうにつれて低下する。
【0009】
サスペンションプレヒーター1に供給されるセメント原料には、以下の表1にその例を示すように微量のクロム(ほとんどが3価)が含まれている。これは、その原料である石灰石などの中にもともと含まれているものである。なお、表1において、T.Crは3価のクロムと6価のクロムを合わせた合計の濃度を示している。
【0010】
【表1】
【0011】
これらのクロムは表1に示すように、ほとんどの場合は3価の形で存在するが、焼成されたセメントクリンカ、又はそれに少量の石膏を加えて粉砕して出来たセメントを分析すると、6価クロムが微量に検出される。これは、焼成工程中のどこかで3価から6価に酸化されたことを意味する。
【0012】
そこで、代表的な設備を持つセメント工場の焼成工程で各所から原料をサンプリングし、クロム(3価、6価)の状況を調べた結果を図3に示す。この図3から、サスペンションプレヒーター1には仮焼炉バーナー3が設置され、特に仮焼炉では高温且つ酸化雰囲気であるにも関わらず、6価のクロムは生成していないことが分かる。しかしながら、ロータリーキルン2から排出されたセメントクリンカ中には6価クロムが検出されるため、ロータリーキルン2内のどこかで6価クロムが生成していることになる。また、この生成は酸化反応であり高温である他に酸化雰囲気(酸素濃度が比較的高い状態)であることが必要となり、図2と併せて考えると、焼点付近からキルン出口辺りで起こっている可能性が高い。しかしながら、ロータリーキルン2の運転中にロータリーキルン2内各所から被焼成物をサンプリングすることは困難である。
【0013】
そこで、ロータリーキルン2を停止してロータリーキルン2内壁のレンガに付着堆積している原料(コーチングと呼ぶ)をサンプリングして分析したところ、表2に示すような結果が得られた。なお、使用したロータリーキルン2は、内径D=5mのもので、ロータリーキルン2の被焼成物出口側から被焼成物入口に向かって6m、12m、20m、32m及び70mの箇所でサンプリングを行った。
【0014】
【表2】
【0015】
この表2から、6価のクロムは予想通り焼点付近(ロータリーキルン2の被焼成物出口側から4Dの位置)辺りまでは検出されなかったが、それ以降で急激に生成していることが分かる。なお、表2に示したロータリーキルン2内のコーチング中の6価のクロムは表1に示したセメントクリンカ中の値よりも極めて大きな値を示している。これは、セメント原料及びコーチング外側の耐火レンガ中のクロムが長い時間の間にここに濃縮されるためであると考えられる。
【0016】
以上の検討より、6価のクロムの生成(3価から6価への酸化反応)はロータリーキルン2内の焼点付近以降、即ち高温且つ酸化雰囲気中で起こることが分かった。これは、言い換えるとサスペンションプレヒーター1内のように、酸化雰囲気であっても温度が低い(850℃程度)場合や、ロータリーキルン2内で1400℃付近まで温度が上昇しても酸素濃度が低ければ、6価のクロムの生成は起こらないと言える。
【0017】
そこで、以上の検討結果に基づき、ロータリーキルン2内の焼点付近以降での3価のクロムの6価への酸化を防止する方法について述べる。その方法は、この酸化領域で被焼成物中の3価のクロムが酸化するのを防止する、あるいは、すでに酸化して6価のクロムになったものを3価に還元するように、自ら酸化して酸素を消費する物質(ここでは副燃料と呼ぶ)を添加し、被焼成物がロータリーキルン2内のクロムの酸化する領域を通過する間中、それを継続することである。
【0018】
その具体的な方法は、ロータリーキルン2の被焼成物出口側に既に設置されている主燃料用のキルンバーナー5から一次空気と共に、あるいはその周辺に新たに設置したノズルから、主燃料(微粉炭や重油等)とは別に3価のクロムの酸化防止あるいは6価のクロムの還元に必要な量の副燃料を供給するとともに、これが被焼成物上に落下する以前に主燃料の燃焼による高温と別途供給される燃焼用空気中の酸素によって完全には燃焼(酸化)してしまわないような副燃料とすべきである。
【0019】
そのような副燃料とは、主燃料に比べて燃焼速度の遅いものであり、れき青炭粒、固形プラスチック粗粒、都市ゴミ等の廃棄物を圧縮・固形化した廃棄物固形塊、及び重油スラッジなどが用いられる。主燃料と同じあるいは類似の物質で主燃料と同様の燃焼速度を有する副燃料であれば、主燃料よりも粗い粒(平均粒径が5倍から100倍)のものが使用される。また、重油等の液体燃料であっても微粉化又は霧化せずに供給ノズルから被焼成物上に添加すれば、この発明の目的は達成できる。
【0020】
副燃料は、ロータリーキルン2内で最も高温になる位置(焼点)より被焼成物出口側、すなわち、キルンの被焼成物出口側から被焼成物入口に向かってキルン内径Dの約4倍奥の位置からキルンの被焼成物出口までの範囲にある被焼成物上に添加されるが、キルンの被焼成物出口側からキルン内径Dの2倍奥から1倍奥の範囲であればさらに効果的である。
【0021】
更に、このような副燃料の添加は、ロータリーキルンの被焼成物出口側に連結されているクリンカクーラー4の入口部であっても、この発明の目的は達成できる。これは、クリンカクーラー4の入口部での被焼成物(高温のセメントクリンカ)は1250℃程度の温度を有し、ここでは常温の空気をクリンカクーラー4の下部から被焼成物の流れに直交するように供給して被焼成物を冷却しているため、被焼成物と混ざり合った副燃料の酸化反応は起こり易く、その結果として被焼成物自身は還元され、ロータリーキルン2内で生成された6価のクロムは3価に戻るからである。
【0022】
本発明は、副燃料を初めから原料に混ぜておくのではなく、被焼成物中の3価のクロムが酸化されて6価になる高温且つ酸化性雰囲気中、あるいは6価に酸化された後の高温雰囲気中の被焼成物表面又はその内部に副燃料を供給することに意義がある。
【0023】
また、ロータリーキルン2内の添加位置は、前述の通り焼点付近よりもキルンの被焼成物出口側であるが、添加位置の調整は副燃料を供給するバーナーノズル等の噴出速度、すなわち固体副燃料にあっては搬送空気速度、液体副燃料にあっては供給圧力などで調整することができる。
【0024】
副燃料の添加量は、3価のクロムが6価へ酸化されるのを防止するに、あるいは生成した6価のクロムを3価に還元するに必要な量として規定されるが、現実には過剰に添加して強い還元雰囲気になると被焼成物中の3価の鉄が2価に還元されたり、2価の鉄が3価に酸化されにくくなり、セメントの品質、特に圧縮強度が低下する惧れがある。従って、このような現象が顕著に起こらない範囲で副燃料を添加する必要がある。これに関して実験的に添加した結果、セメントの品質を大きく損なわない副燃料として添加できる範囲は、セメント焼成系で使用される全熱量の0.5%以上5%以下であり、特に1%以上3%以下にすると望ましいことがわかった。
【0025】
【実施例】
実操業のセメント製造工程において、ロータリーキルン2のバーナー5に主燃料ならびにその搬送及び燃焼用の空気とともに少量の廃棄物固形塊を焼点付近に添加した。この場合のクリンカ焼成状況を表3に示すとともに製造されたセメントの品質を表4に示す。なお、表3及び表4には、従来の方法によりセメントを製造した場合のクリンカ焼成状況及びセメントの品質が比較のために記載されている。
【0026】
【表3】
【0027】
【表4】
【0028】
表3及び表4からわかるように、圧縮強度や凝結時間等の品質を損なうことなく、セメントクリンカ中に含まれる6価クロムを低減させることができた。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ロータリーキルンの被焼成物出口側から原料の最高温度地点よりロータリーキルンの被焼成物出口側にある被焼成物表面またはその内部に可燃性物質を供給することにより、酸素濃度が比較的低い雰囲気を形成して、製造されるセメントの品質を損なわずに、セメントクリンカ中に含まれる6価クロムを低減させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】セメント製造における焼成工程を示す図である。
【図2】ロータリーキルン内の原料温度及び酸素濃度の分布の例を示す図である。
【図3】セメント製造工程の焼成工程の各所におけるクロム濃度を示す図である。
【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
3 仮焼炉バーナー
4 クリンカクーラー
5 キルンバーナー
Claims (10)
- ロータリーキルンを用いてポルトランドセメントを製造する際にロータリーキルン中に主燃料とは別に可燃性物質を添加する方法において、
ロータリーキルンの被焼成物出口側から原料の最高温度地点よりロータリーキルンの被焼成物出口側にある被焼成物表面またはその内部に可燃性物質を供給し、これにより被焼成物及びキルンレンガに含まれる3価クロムの酸化防止及びロータリーキルン内に存在する6価クロムの還元を促進してセメントクリンカ中に含まれる6価クロムを低減させることを特徴とするセメント製造方法。 - ロータリーキルンを用いてポルトランドセメントを製造する際にロータリーキルン中に主燃料とは別に可燃性物質を添加する方法において、
ロータリーキルンの被焼成物出口側から原料の最高温度地点よりロータリーキルンの被焼成物出口側にある被焼成物表面またはその内部に、被焼成物上に達する過程で燃焼してしまわないように可燃性物質を供給し、これにより被焼成物及びキルンレンガに含まれる3価クロムの酸化防止及びロータリーキルン内に存在する6価クロムの還元を促進してセメントクリンカ中に含まれる6価クロムを低減させることを特徴とするセメント製造方法。 - 可燃性物質は、セメント製造に用いられる燃料全体の熱量に対して0.5%以上5%以下の熱量である請求項1または2に記載の方法。
- 可燃性物質は、セメント製造に用いられる燃料よりも燃焼速度が小さい物質である請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 可燃性物質は、れき青炭粒、重油スラッジ、固形プラスチック粗粒および可燃性廃棄物固形塊のうちのいずれかである請求項4に記載の方法。
- 可燃性物質は、セメント製造に用いられる燃料と同様の燃焼速度を有し、セメント製造に用いられる燃料に対して平均粒径が5〜100倍大きな粗粒を用いる請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 可燃性物質として液体燃料を用い、その液体燃料を微粒化又は霧化せずに被焼成物中に滴下する請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 可燃性物質を、ロータリーキルンの後段に連結するクリンカクーラーの入口部に添加する請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- ロータリーキルンのキルンバーナーの一次空気と共にロータリーキルン内に可燃性燃料を供給する請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- ロータリーキルンのキルンバーナーとは別に設けられたノズルからロータリーキルン内またはクリンカクーラーの入口部に可燃性燃料を供給する請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
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