JP6112684B2 - セメント原料からセメントクリンカーを製造する方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、セメント原料を予熱し、か焼し、引き続いて炉内で焼成してセメントクリンカーを製造する、セメントクリンカーの製造プロセスおよび設備に関する。

セメントクリンカーの製造においては、原料のか焼において、約０．５３ｋｇＣＯ_２／ｋｇクリンカーのＣＯ_２が形成され、必要な燃料の燃焼において、約０．２６〜０．２９ｋｇＣＯ_２／ｋｇクリンカーのＣＯ_２が形成される。通常これらの量のＣＯ_２は大気中に放出される。サイクロン予熱段の個数と放射および対流損失とに応じて、比燃料エネルギー必要量は２８００〜３２００ｋＪ／ｋｇクリンカーである。このため、形成されるＣＯ_２を排ガス内において大幅に濃縮し、続いてＣＯ_２を実質的に液化して、適切な地層中に長期間保存するか、あるいは別の目的に利用するプロセスが検討されてきた。

独国特許第１０２００８０２３８９９Ｂ４号明細書は、セメントクリンカー製造におけるＣＯ_２放出を低減するプロセスを記載している。このプロセスにおいては、石灰リッチな材料成分と低石灰の材料成分とが、別個のプレヒータにおいて予熱され、連結か焼器においてか焼され、続いて炉内で焼成されてセメントクリンカーになる。この場合、か焼器からの排ガスが、石灰リッチな材料成分の予熱用プレヒータにおいて利用され、炉からの排ガスが、低石灰の材料成分の予熱用プレヒータにおいて利用される。さらに、主として二酸化炭素および水蒸気を含有するか焼器排ガスを形成するために、燃料および純酸素が燃焼用としてか焼器の中に導入される。石灰リッチな材料成分の予熱用プレヒータからの排ガスは、少なくとも部分的に、循環ガスとしてか焼器に再循環され、キャリアガスとしてか焼器に導入される。

国際公開第２００８／０５９３７８Ａ２号パンフレットは次のようなセメント製造プロセスを開示している。すなわち、このプロセスにおいては、最初に、原料が回転式管型炉（１１００〜１３００℃）からの排ガスによって予熱され、引き続いて、原料は、ガス側を炉排ガスから分離して、か焼器における酸素燃焼焼成によって大部分がか焼される。酸素燃焼焼成においては、空気の代わりに酸素が酸化剤として用いられ、酸素は、酸素製造用として議論されるプロセス（深冷法、吸着法、膜法）のいずれかによって製造できる。この方法で、ＣＯ_２リッチなか焼器排ガスを生成できる。原料は、サイクロンによって酸素燃焼排ガスから分離され、回転式管型炉に流入する。か焼器排ガスは、２次流れを続いて酸素燃焼に再循環するために、冷却しなければならない。排ガス冷却の間、例えばプロセス蒸気または発電用蒸気を生産できる。しかし、このようなか焼器排ガスの利用法は、この場合、排ガスが原料の予熱に利用されないので、セメントの製造に大幅に高い燃料エネルギー消費量を必要とする結果をもたらす。従来型のセメント製造に比較して、燃料エネルギー必要量だけでも、７０％までだけ上昇して約５０００ｋＪ／ｋｇクリンカーになる可能性がある。さらに、工業上の実際から、熱交換器を、８５０〜９５０℃のガス流入温度と、同時に１ｍ^３当たり数１００ｇに及ぶ高いダスト負荷で運転することは非常に困難であることが分かっている。ダストは強固に付着し、高温であるが故に清浄化することが大変難しい。この場合、従来型の清浄化方法は、高温であることと、その結果としての材料の弱化とのために、失敗することになる。

国際公開第２０１０／０４６３４５号パンフレットは、同伴流れリアクターとして構成されるか焼器の代わりに、定置式流動床の原理によって作動するか焼器を用いることを提案している。その結果、か焼器内部において原料を気流搬送する必要性がなくなるので、この考え方は、排ガスの再循環なしで済ませるか、あるいはごく僅かしか必要としないことを約束するものである。従って、排ガスの冷却および再循環が全く必要でないか、あるいはごく僅かしか必要でなくなり、排ガスを、通常のように、原料の予熱に利用できる。このため、このプロセスにおける燃料エネルギー必要量は、予熱炉を用いる従来型のセメント製造の場合より、高くないか、あるいはごく僅かに高いだけである。

か焼器を定置式の流動床として構成する結果として、予備か焼の程度が大幅に低い高温原料が、冷却されるべき酸素燃焼排ガス径路に流入する。この方法で、可能性のある再炭酸塩化の効果を最小化できる。酸素燃焼排ガスからの熱は、炉排ガスからのＣＯ_２吸収用の燃焼後ユニットのための、そして引き続いて、洗浄溶液から比較的純粋なＣＯ_２を脱着するための熱源として利用される。さらに、冷却器からの排空気流れの廃熱は、この場合、脱着用の付加的な熱源として用いられる。

しかし、流動床の考え方を詳細に検討してみると、通常の非常に微細な原料の場合、非常に低いガス速度においても定置式の流動床を確保できないので、純酸素運転にも拘らず非常に大きな断面積が必要になるであろうことが分かる。従って、再炭酸塩化の可能性が低いという利点はもはや存在せず、非常に大きな構造容量と高い圧力低下との形の流動床になるという欠点が支配的になるであろう。

従って、プロセスにおける燃料必要量の大幅な増大なしに高度のＣＯ_２除去を実現するために、セメントクリンカー製造のためのプロセスおよび設備を改善することが本発明の目的になる。

本発明によれば、この目的は、請求項１および１０の特徴によって実現される。

セメント原料からセメントクリンカーを製造するための本発明によるプロセスは、次のステップ、すなわち、
−セメント原料の一部分をか焼器プレヒータにおいて予熱し、セメント原料の残りの部分を炉プレヒータにおいて予熱するステップと、
−か焼器プレヒータ（２）および炉プレヒータ（３）において予熱されたセメント原料を、酸素燃焼プロセスによって運転されるか焼器において予備か焼するステップと、
−予備か焼されたセメント原料を炉内で焼成するステップと、
−焼成されたセメント原料を冷却器において冷却するステップと、
−か焼器プレヒータをか焼器からのか焼器排ガスを用いて運転するステップと、
−炉プレヒータを炉からの炉排ガスを用いて運転するステップと、
を含み、
−さらに、か焼器としては同伴流れリアクターを使用し、その場合、か焼器排ガスの一部分を、か焼器プレヒータにおいて利用した後、か焼器に再循環し、かつ、
−炉排ガスをＣＯ_２の燃焼後除去操作にかける。

セメント原料からセメントクリンカーを製造するための本発明による設備は、
−セメント原料の第１部分を予熱するか焼器プレヒータと、
−セメント原料の第２部分を予熱する炉プレヒータと、
−か焼器プレヒータ（２）および炉プレヒータ（３）において予熱されたセメント原料を予備か焼するか焼器と、
−予備か焼されたセメント原料を焼成する炉と、
−焼成されたセメント原料を冷却する冷却器と、
から本質的に構成され、
−その場合、か焼器プレヒータはか焼器からのか焼器排ガスを用いて運転され、
−炉プレヒータは炉からの炉排ガスを用いて運転され、
−さらに、か焼器は、同伴流れリアクターとして構成されると共に、か焼器排ガスの一部分を、か焼器プレヒータにおいて利用した後に再循環する手段を備えており、かつ、
−ＣＯ_２除去用の燃焼後ユニットが、炉排ガスの流れの方向において炉プレヒータの下流側に配置される。

本発明の目的のため、酸素燃焼プロセスによって運転されるか焼器は、燃料および燃焼空気が、少なくとも７５ｍｏｌ％、好ましくは少なくとも９５ｍｏｌ％の酸素比率で用いられるか焼器である。

排ガス再循環を備えた従来型の同伴流れリアクターの実施形態は極めて簡易に実施できる。さらに、か焼器排ガス内部において予期される再炭酸塩化の効果は、予期されるものより大幅に低いことが実験によって示された。

本発明のさらなる実施形態が従属請求項の主題事項である。

燃焼後ユニットは、従来型の排ガススクラバーであって、好ましくはＣＯ_２を吸収する、従って排ガスからＣＯ_２を除去する低ＣＯ_２の溶剤が注入される排ガススクラバーとすることが望ましい。ＣＯ_２リッチになった溶剤は、ＣＯ_２吸収用の低ＣＯ_２溶剤として再注入できるように、従って回路として運転できるように、プロセスの廃熱を利用してＣＯ_２を再度取り除かれる。

しかし、代わりの方式として、燃焼後ユニットを、固体ベースの燃焼後ユニットであって、排ガス中に存在するＣＯ_２が固体と反応して、炭酸塩化合物を形成し、この炭酸塩を、プロセス廃熱を利用して再度か焼する燃焼後ユニット（炭酸塩ループとして知られる）とすることも可能である。この場合、炭酸塩は、カルシウム、マグネシウムおよびナトリウムの炭酸塩であることが望ましい。従って、セメントの原料そのものを使用することも可能である。しかし、炭酸塩ループの原理の場合には、再生熱用として、かなり高い温度レベルが予期されるであろう。

本発明の特定の一実施形態においては、ＣＯ_２の燃焼後除去用の必要熱量が、少なくとも部分的に、しかし好ましくは完全に、か焼器排ガスの少なくとも一部分の廃熱、炉排ガスの廃熱、および／または、冷却器からの排ガスの廃熱によって賄われる。この場合、ＣＯ_２の燃焼後除去用の必要熱量を、部分的に、か焼器プレヒータにおいて利用した後の非再循環か焼器排ガスの廃熱によって、あるいは、部分的に、炉プレヒータにおいて利用した後の炉排ガスの廃熱によって賄うことができる。

さらに、か焼器に再循環されるか焼器排ガスの一部分を、冷却器からの排ガスによって直接的または間接的に加熱する方式とすることができる。か焼器排ガスの非再循環部分は、好ましくは、ＣＯ_２の除去操作、特にＣＯ_２の液化操作にかけられる。一般的に、種々の不純物質源が分離される前のか焼器排ガスは、さらに輸送および貯留／利用するには純度が十分ではない。従って、ＣＯ_２の純度を、分離されるべき流れの中でさらに高めなければならない。この理由から、単一相または複数相における除去が用いられる上記のようなプロセスが提案されたのである。この場合、質量流れに基づく主たる部分であるＣＯ_２は液相において存在しており、一方、液化するのが難しい元素、例えば、酸素、窒素、アルゴンは気体相において蓄積する。しかし、この気体相は、時に、高濃度のＣＯ_２をまだ含有している。従って、ベントガスとも称されるこの気体相の流れを、炉の排ガスと共に、ＣＯ_２の燃焼後除去に通すことが有用である。好ましい一実施形態においては、か焼器プレヒータにおいて利用した後のか焼器排ガス、および／または、炉プレヒータにおいて利用した後の炉排ガスをプロセス蒸気（水蒸気）発生用の廃熱ボイラに導き、生成されたプロセス蒸気をＣＯ_２の燃焼後除去に利用する。

さらに、酸素燃焼プロセスおよびＣＯ_２の燃焼後除去を、見かけ上完全なＣＯ_２除去のためのエネルギー的に最適な状態が確立されるように、相互に適合させる試みがなされている。この状態は、非再循環か焼器排ガス、炉排ガスおよび／または冷却器排ガスからの利用可能なプロセス廃熱を、ＣＯ_２の燃焼後除去に完全に利用できるようになった時に確立される。プロセス熱の利用可能な余剰分は、か焼器およびそのプレヒータにおけるか焼の程度を低減することによって相殺できる。これは、そこで使用される酸素の供給におけるエネルギーの節減という利点を提供するであろう。結果的に生じる炉排ガス中の増大した量のＣＯ_２は、十分な利用可能廃熱によって分離できる。

一方、プロセス熱の不足が存在する場合は、か焼器およびそのプレヒータにおけるか焼の程度を増大することによって相殺できるであろう。結果的に、炉排ガス中のＣＯ_２含有量は、プロセス熱が余剰である場合には増大し、プロセス熱が不足している場合には減少する。か焼の程度を変化させるのに、２つの調整パラメータを利用できる。すなわち、か焼器への燃料の量の増減によって、か焼器出口におけるか焼の程度を高めたり低下させたりすることができ、炉プレヒータへの供給材料の量の増減によって、か焼器およびそのプレヒータにおける原料のか焼の程度を、高めたり低下させたりすることができる。

本発明のさらなる利点および実施形態は、以下の記述および図面によって表現される。

図１は、セメントクリンカー製造用の、連結ＣＯ_２操作機能を備えた本発明による設備の概略図である。 図２は、セメントクリンカー製造用の、分離ＣＯ_２操作機能を備えた本発明による設備の概略図である。 図３は、ＣＯ_２の燃焼後除去ユニットの概略図である。 図４は、廃熱ボイラの概略図である。

セメントクリンカー製造用の図１に示す設備においては、セメント原料１は、ガス側において分離された２つのプレヒータ、すなわち、か焼器プレヒータ２および炉プレヒータ３において予熱され、予熱された原料４は、続いて、同伴流れリアクターとして構成されるか焼器５において予備か焼される。このか焼器は、燃料６および燃焼ガス７を用いる酸素燃焼プロセスによって運転される。この燃焼ガスは、図示の例示的な実施形態においては、か焼器排ガス１７の再循環部分１７ａと、酸素リッチのガス流れ１８との混合物によって形成される。酸素リッチのガス流れ１８は、空気分留設備８において従来法（深冷空気分留、吸着法、膜技術）のいずれかによって生成され、少なくとも７５ｍｏｌ％、好ましくは少なくとも９５ｍｏｌ％の酸素含有量を有する。従来型の深冷プロセスにおいては、電気エネルギーの消費量は、現在のところ、約９９．５％の酸素純度において２５０ｋＷｈ／ｔ_Ｏ２〜３００ｋＷｈ／ｔ_Ｏ２の範囲内である。酸素に対する純度の要求がさらに低ければ、電気エネルギー消費量は低下する。複合化の改善と、例えば「３カラム技術（ｔｈｒｅｅ−ｃｏｌｕｍｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）」とによって、電気エネルギー消費量を１６０ｋＷｈ／ｔ_Ｏ２に低減できる。

予備か焼されたセメント原料９は、引き続いて、回転式管型炉として構成される炉１０の中に流入し、この炉内で、さらに１３００〜１５００℃に加熱され、完全にか焼されかつ反応して、特徴的なクリンカー相を形成する。高温のセメントクリンカー１１は、引き続いて後続の冷却器１２において５０℃〜２５０℃に冷却される。提案される考え方においては、クリンカーの冷却は冷却ガス１３によって行われ、種々の温度を有する排ガス１４、１５および１６が冷却器から形成される。冷却器からの最も高温の排ガス１４は、回転式管型炉１０に直接隣接するクリンカー冷却器１２の入口部において形成され、従来型の炉焼成における燃焼空気のように「２次空気（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ａｉｒ）」として用いられる。クリンカー冷却器１２の中央部分からの排ガス１５（中央部空気）は、間接熱交換器１９における燃焼ガス７の予熱用として利用される。この熱交換器における温度差が最小になると、燃焼ガス７予熱用の冷却器からの排ガス１５（中央部空気）の比率がエネルギー的に最適になる。燃焼ガス７は、か焼器排ガス１７の再循環部分１７ａと酸素リッチのガス流れ１８とから構成され、熱交換器１９において７００℃まで予熱される。

間接熱交換器１９における燃焼ガス７の予熱に利用するために、冷却器からの排ガス１５（中央部空気）を、物理的に分離することなく、排ガス１６と一緒に冷却器から取り出す構造的により簡単な解決策も考えられる。冷却器からの排ガス１５および１６からなる混合ガスは、結果的にかなり低い温度を有することになり、従って、燃焼ガス７を低い温度にしか予熱できないであろう。

代わりの方式として、この場合は、冷却器から生じる排ガスを、予熱された燃焼ガスとして直接か焼器において利用するために、か焼器排ガス１７の再循環部分１７ａと酸素リッチのガス流れ１８とから構成される燃焼ガス７を、冷却ガス１３の一部としてクリンカー冷却器に供給することも考えられるであろう。この代替方式の場合には、燃焼ガスは、１０００℃まで高温のセメントクリンカーによって直接予熱されるであろう。しかし、この選択肢は、冷却器の構造における構造的な要件を必要とするであろう。

熱交換器１９から流出する冷却器の排ガス１５と、また、クリンカー冷却器１２からの残りの排ガス１６とは、ＣＯ_２除去用の燃焼後ユニット２１への熱の供給用として、廃熱ボイラ２０においてプロセス蒸気２５を発生させるために利用できる。廃熱ボイラ２０において冷却された冷却器からの排ガス１３’は、例えば、セメント原料または原料１を乾燥させるための原料ミル２６において利用できる。

炉１０においては、燃料２２が、予熱された２次空気（＝排気空気１４）と１次空気の未予熱部分とによって燃焼され、炉から流出した後、炉の排ガス２３として炉プレヒータ３の中に流入する。炉の排ガス２３は、炉プレヒータ３における利用後、燃焼後ユニット２１に必要なプロセス蒸気２５を発生させるための廃熱ボイラ２４において熱供給用として役立つことができる。

冷却された炉排ガス２３と、冷却器からの冷却された排ガス１３’とは、複合運転の場合には、すなわち原料ミル２６を使用する場合には、廃熱ボイラ２４または２０の下流側において、セメント原料１の必要な乾燥を一緒に確保するのに十分な量の顕熱を有しなければならない。直接運転の場合には、原料ミル２６は使用されず、炉排ガスまたは冷却器からの冷却された排ガスは、冷却装置２７に送られるか、あるいは、付加的な廃熱をそれから抜き出して利用に供することができる。排ガス２３は、原料ミル２６または冷却装置２７を通過した後、ダストフィルタ２８における後処理に流入する。ダストが除去された排ガス２３は、続いて、任意選択的に排ガス脱硫設備２９に流入し、その後、最終的に燃焼後ユニット２１に送られる。排ガス脱硫設備は、石炭火力発電所の排ガス脱硫において通例になっている通常の湿式化学方式に従って運転できる。半乾式の排ガス脱硫において排ガスからダスト除去および脱硫を同時に行うことも当然可能である。この場合は、再循環されかつ湿潤化されたフィルタダストと共に、湿潤化された収着材が、フィルタの排気ガス上流側の中に導入される。この場合、このフィルタが、ダストフィルタ２８と排ガス脱硫設備２９とに取って代わるであろう。このような半乾式排ガス脱硫の有効性を増大するために、ダストフィルタを２つのユニット２８ａおよび２８ｂから構成することも可能である。この場合は、第１フィルタ２８ａにおいて排ガスからダストが除去され、収着材は、フィルタ２８ａの後のダストを含まない排ガスの中に導入され、フィルタ２８ｂの中に落とし込まれて、部分的に再循環される。残留ＳＯ_Ｘ含有分は、場合によっては、下流側の仕上げスクラバー、例えばＮａＯＨスクラバーによってさらに低減できる。

最も好ましい場合には、燃焼における適切な空気傾斜配分のような１次手段が、ＣＯ_２の燃焼後除去にとって好ましくない排ガス中の別の酸性ガスとしてのＮＯ_Ｘの的確な除去にも十分である。これが該当しない場合は、適切な２次手段によって確実に除去しなければならない。好ましい場合として、ＳＮＣＲ（選択的無触媒還元：ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｎｏｎｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）による窒素酸化物の除去がこの目的に適っている。ＳＮＣＲにおいては、排ガスのＮＯ_Ｘ含有分が、適切な温度（９００℃〜１１００℃）において、排気ガス流れの中でアンモニアまたは尿素の注入によって還元される。好ましさが劣る場合として、ＮＯ_Ｘの還元をＳＣＲ（選択的触媒還元：ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）によって行わなければならない場合がある。この場合は、窒素酸化物の除去が、触媒の存在の下で、３００℃〜４５０℃において、アンモニアまたは尿素の注入によって行われる。場合によって後続設置することができる廃熱ボイラ２４については、ＳＮＣＲまたはＳＣＲにおいて導入されるアンモニアからの硫酸アンモニウムの形成と、排ガス中に存在するＳＯ_３とを考慮しなければならない。硫酸アンモニウムは、ボイラの加熱表面上に強い腐食性の堆積物を形成する可能性がある。従って、代替方式として、排ガス脱硫設備からの排ガスの出口の後にＳＣＲプロセスを設けることも考えられる。しかし、この場合は、排ガスを、最初に、適切な熱伝達システムによってプロセスに必要な温度に再加熱しなければならず、その結果、廃熱ボイラ２４において再度冷却し得ることになるであろう。この場合、廃熱ボイラ２４は、脱硫および窒素酸化物の除去の下流側の排ガス側に配置される。

か焼器５からのＣＯ_２リッチなか焼器排ガス１７は、炉プレヒータ３とは別個のか焼器プレヒータ２において冷却される。か焼器排ガスの一部分１７ａを再循環ブロワによって再循環するために、当然の帰結として、か焼器排ガスを、最初に、ブロワに受け入れ可能な温度に冷却しなければならない。これは、ＣＯ_２の燃焼後除去用のプロセス蒸気を追加的に発生させるために、か焼器排ガスのエンタルピーを利用する別の廃熱ボイラ３０において実施できる。しかし、か焼器プレヒータを通過した後のか焼器排ガスが、再循環ブロワに丁度適合した約３８０℃〜４５０℃の温度を有するように、か焼器プレヒータを設計して運転することがさらに有利である。この場合は、廃熱ボイラ３０を省略できる。

か焼器排ガス１７の一部分１７ａは、か焼器５における流れの条件を維持するために再循環される。非再循環部分１７ｂは、燃焼後ユニット２１用のプロセス蒸気２５を発生させるためにその熱を利用するように、さらに別の廃熱ボイラ３１において冷却できる。熱伝達を改善するために、か焼器排ガス１７を、１０ｇ／標準ｍ^３未満、好ましくは１ｇ／標準ｍ^３未満のダスト含有量に浄化するように、廃熱ボイラの上流側に１つ以上の高性能サイクロンまたは簡易な電気フィルタを配置することが有利であり得る。しかし、ダストフィルタ３２ｂにおける、１００ｍｇ／標準ｍ^３未満、好ましくは２０ｍｇ／標準ｍ^３未満の値までのダストのほぼ完全な除去は、少なくとも廃熱ボイラ３１における冷却後に実施される。

代わりの方式として、再循環ブロワの許容温度を達成するために、すでに温度が低い酸素燃焼排ガス１７ｃを、か焼器排ガスの中に急冷用ガスとして供給する場合には、廃熱ボイラ３０を省略できる。ダストフィルタ３２ａを、廃熱ボイラ３１の上流側に、場合によっては、また再循環の取出点の上流側に設けることができる。この場合、酸素燃焼排ガス１７における熱の大部分を廃熱ボイラ３１において利用できるであろう。廃熱ボイラ３１においては、付着性が強いダストによる排ガスの汚染の程度が低いことによって、廃熱利用を技術的に極めて容易に実施できる。

燃焼後ユニット２１は、図３にその詳細が示されており、例えばモノエタノールアミン（ＭＥＡ）を溶剤として用いる溶剤回路から構成できる。これまで、多くの溶剤が開発され、試験されてきた。本発明は、明らかに、他の任意の溶剤に適用可能である。ダストフィルタ２８および排ガス脱硫設備２９において処理された炉排ガス２３は、最初に、排ガス冷却器２１０において約４０℃に冷却され、その後、吸収器２１１に供給される。吸収器には、溶剤と通常水とから構成される低ＣＯ_２の洗浄媒体２１６が存在している。

吸収器２１１においては、低ＣＯ_２の洗浄媒体２１６が、冷却された炉排ガス２３からＣＯ_２を９８％まで吸収する。残りのガス３８は、相対的に低ＣＯ_２の、水で飽和した状態において吸収器から流出する。ＣＯ_２を含有する洗浄媒体２１６’は、脱着器の所要圧力（ＭＥＡの場合は約２ｂａｒ）に応じて、それより高い圧力レベルに加圧され、場合によっては熱交換器２１２において予熱されて、予熱されたＣＯ_２含有洗浄媒体２１６’’としてその熱交換器から流出し、脱着器２１３に流入する。この脱着器２１３において、その脱着器を、生成されたプロセス蒸気２５を用いて底部において加熱することによって、従って、ＣＯ_２を洗浄媒体２１６’’から複数段において分離することによって、洗浄媒体を熱的に再生する。溶剤としてＭＥＡを使用する場合は、脱着器の必要熱量として、約３２００〜３６００ｋＪ／ｋｇ_ＣＯ２を想定するべきである。この場合、底部の加熱から形成される凝縮液２５’は廃熱ボイラ２０、２４、３０、３１の中に戻る。

低ＣＯ_２で主として窒素を含有する残りのガス３８だけでなく、ＣＯ_２リッチの排ガス３３も燃焼後ユニット２１から流出し、ＣＯ_２リッチの排ガス３３は、引き続いて、専用のＣＯ_２コンプレッサ３６（図２のような別個のＣＯ_２操作機能）に送られるか、あるいは、か焼器排ガス１７ｃと共に、連結ＣＯ_２部分凝縮ユニット３４（図１のような連結ＣＯ_２操作機能）に送られる。後者の場合には、場合によってはすでに高い圧力レベルにあるＣＯ_２リッチの生成ガスを、燃焼後ユニット３３から、その圧力レベルに正確に適合したコンプレッサ段に供給することが有利である。この圧力レベルは、例えば、溶剤ＭＥＡの場合は約２ｂａｒである。排ガス３３のＣＯ_２の純度は、通常、９５％より高く、好ましくは９９％より高い。

流出するＣＯ_２リッチの排ガス３３による水および溶剤の損失を低く維持するために、水の大部分は、脱着器の中に組み込まれるかまたは脱着器の上部に配置されるいわゆる「オーバヘッド凝縮器（ｏｖｅｒｈｅａｄ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）」（脱着器主凝縮器）において、冷却水（流入口２１３ａ、流出口２１３ｂ）によって凝縮される。その際、再度低ＣＯ_２になった洗浄媒体２１６は、最初に、脱着器２１３の底部から放出され、ＣＯ_２リッチの洗浄媒体２１６’を熱交換器２１２において予熱し、さらに冷却器２１４において冷却され、残留水損失を補給するように意図される補給水２１６ｂと一緒になって、吸収器２１１の中に戻る。

ダストフィルタ２８におけるダスト除去と、排ガス脱硫設備２９における脱硫と、場合によっては窒素酸化物の除去とは、ＣＯ_２除去用の下流側の燃焼後ユニット２１の運転および設計に影響する。この目的のために提案された多くの溶剤、特にアミンは、劣化作用を受け易い。この劣化作用は、熱的に、そしてまた、排ガス中の酸素および微量材料（例えば、ＳＯ_Ｘ、ＮＯ_Ｘ）によってもたらされる可能性がある。このため、上記のような適切なダスト除去と、窒素酸化物の除去と、脱硫とが極めて有利になるのである。洗浄媒体用の再生器２１５においては、溶剤を、部分的に、しかし一般的には不完全に再生でき、さらに、追加の熱が必要である。従って、新鮮な溶剤２１６ａ（補給流れ）と、再生器２１５において劣化生成物を除去された溶剤２１６ｃとが、時間間隔をもって、または連続的に洗浄媒体２１６に加えられる。

従って、例えば発電所の排ガスのＭＥＡ洗浄に関する一連の実験からも、被処理排ガスが、排ガス脱硫における特別な手段（ＮａＯＨを用いた排ガス冷却およびＳＯ_２の仕上げ洗浄）の結果として非常に低いＳＯ_Ｘの残留比率（＜４ｐｐｍ）しか含有していないとしても、１．５ｋｇ／ｔ_ＣＯ２の補給流れが必要であることが示されている。セメント工場における２０００ｐｐｍまでの通常のＳＯ_２濃度、あるいは場合によっては、炉排ガスの径路にか焼器が具備されていないことによるさらに高い濃度においては、過度の溶剤損失を防ぐために、排ガス脱硫のための２次的方策、例えば、発電所排ガス用として通常用いられる石灰懸濁液による湿式洗浄が実施される。場合によっては、ＮａＯＨ溶液による引き続く排ガス冷却および仕上げ洗浄によって、ＳＯ_２の残留含有量をさらに低減できる。この場合、排ガス脱硫からのガス側の出口におけるＳＯ_２濃度は、洗浄媒体の劣化を可能最低限度に抑えるために最低値に低下させるべきである。この方法で、残留ダスト含有量も最低値にすることができる。ダストフィルタの下流側の残留ダストは、例えば、燃焼後ユニットの溶剤回路に蓄積する可能性があり、フィルタによって溶剤から分離除去しなければならない場合がある。上記洗浄の上流側の排ガスのダスト含有量は、１４０ｍｇ／標準ｍ^３未満とすることが有利であり、そうするべきである。しかし、ダスト含有量は、いずれにせよ、排ガス中のＳＯ_２除去のための追加的手段によって最少化されることを予期することができる。

しかし、代わりの方式として、ＮＨ_３水溶液のような他の溶剤も使用可能である。この場合、ＣＯ_２洗浄は、かなり低い温度、通常２０℃未満、好ましくは１０℃未満で行われる。このプロセスの欠点は、有毒かつ可燃性の溶剤の使用であり、また、排ガスおよび溶剤の冷却のためのエネルギー消費量の増大である。この場合、場合によっては、例えば、多段排ガス冷却システムを排ガス脱硫の下流側に設けなければならないであろう。このプロセスの利点は、ＭＥＡに比べてＮＨ_４ＯＨ溶液の安定性が遥かに高いこと、および、脱着器における必要比熱量が低いことである。この場合、排ガスの汚染の程度に応じて、排ガスの洗浄を省略することができる。

洗浄媒体に対して最適な、圧力低下と、脱着器２１３の底部の温度および圧力とを考慮すると、底部加熱のために、十分な圧力（例えば、＞１４０℃の蒸気温度において３．５ｂａｒ）のプロセス蒸気２５を生成しなければならない。脱着器からの凝縮液２５’は、個々の廃熱ボイラ２０、２４、３０、３１または廃熱ボイラ用の連結蒸気ドラムに供給される給水を形成する。

廃熱ボイラ２０、２４、３０、３１は、例えば自然循環ボイラ（図４参照）として構成できるが、他の設計も想定可能である。図４に示す廃熱ボイラは、蒸気ドラム２０１と、下降管２０２と、加熱部分２０３と、上昇管２０４とから本質的に構成される。運転において、水は、蒸気ドラム２０１から下向きに下降管２０２を通過し、加熱部分２０３に流入する。これに必要な熱は、か焼器排ガス１７、炉排ガス２３、および／または冷却器１２からの排ガス１５、１６の廃熱によって賄われる。形成されたプロセス蒸気の混合物は、上昇管２０４内を上昇して蒸気ドラム２０１に戻る。上昇管２０４内の水／蒸気混合物と、下降管２０１内の水との間の密度差が循環の駆動力である。この場合、脱着器２１３の底部を操作するためのプロセス蒸気２５は、蒸気ドラム２０１から取り出すことができる。

代替方式として、廃熱ボイラ２０、２４、３０、３１を、連結蒸気ドラム２０１によって運転することも可能である。この場合、必要なプロセス蒸気２５は、連結ドラムから取り出して、脱着器の底部加熱用として使用する。この場合も、プロセス蒸気からの凝縮液２５’は、蒸気ドラム２０１に導入される給水を形成する。

か焼器排ガスの分岐において、ダストフィルタ３２ｂまたは廃熱ボイラ３１から流出するか焼器排ガスの非再循環部分１７ｂは、場合によってはさらに冷却され、かつ、場合によっては後続のＳＯ_２排ガス洗浄装置３５に流入する。このＳＯ_２排ガス洗浄装置３５は、酸素燃焼プロセスからのか焼器排ガスの特定の要件に適合しなければならない。排ガス洗浄装置３５に流入するか焼器排ガスは、従来型のセメント工場プロセスからの排ガスのＳＯ_Ｘ濃度の３倍までのＳＯ_Ｘ濃度を有することができるが、それでも、液化に関わる腐食問題を回避し、かつ、被貯蔵ＣＯ_２流れにおけるＳＯ_Ｘ含有量を非常に低く抑えるために、残留ＳＯ_Ｘ含有量は最低値に維持されなければならない。湿式洗浄の場合は、石灰石懸濁液におけるＳＯ_２吸収と引き続く酸化とは、ガス側において相互に分離された２つのタンク内で行わなければならない。この場合も、代わりの方式として、ダストフィルタ３２ａ／３２ｂにおけるダスト除去と、排ガス洗浄３５における脱硫とを、半乾式の排ガス洗浄として１つのユニットにおいて実施できる。腐食問題を回避し、かつ、被貯蔵ＣＯ_２流れにおけるＮＯ_Ｘ含有量を非常に低く抑えるために、か焼器排ガスの残留ＮＯ_Ｘ含有量を可能な限り低く維持しなければならない。炉排ガスの場合に類似の可能な低減方法（１次手段、ＳＮＣＲ、ＳＣＲ）を想定できる。窒素酸化物のＳＣＲ除去を、再循環取出点の上流側または下流側のいずれかに装着できる。この場合も、ＳＯ_３およびＮＨ_３から形成される硫酸アンモニウムが、下流側の廃熱ボイラ３１の加熱表面上に、腐食性が強い堆積物を形成する。従って、代わりの方式として、ＳＣＲによる排ガスからの窒素酸化物の除去を、同様に、脱硫後に、例えば熱輸送システムによって排ガスを約２５０℃〜３５０℃に再度加熱した後に、実施することが可能である。この場合は、廃熱ボイラ３１は窒素酸化物の除去に後続することになるであろう。

ダスト、硫黄酸化物および場合によっては窒素酸化物を除去されたか焼器排ガスは、引き続いて、燃焼後ユニット２１からのＣＯ_２リッチな生成ガス３３と一緒に、あるいはそれとは別個に、ＣＯ_２部分凝縮ユニット３６の中に流入する。か焼器排ガスの液化、あるいは、燃焼後ユニット２１からのＣＯ_２リッチな排ガスと一緒のか焼器排ガスの連結液化によって、被貯蔵ＣＯ_２の必要純度と供給される排ガスとに応じて、排出しなければならないＣＯ_２含有残存流れ３７（ベントガス）が形成される。この流れのＣＯ_２濃度は通常２０％〜６０％の範囲内である。

十分なプロセス廃熱が利用可能である場合には、ＣＯ_２を、燃焼後ユニット２１において、ベントガス流れから追加的に分離できる。燃焼後の別個のＣＯ_２操作機能の場合は、ＣＯ_２部分凝縮ユニット３４からのＣＯ_２含有ベントガス流れ３７を、さらに、燃焼後ユニット２１に送ってＣＯ_２を除去することができ、そして、そこで追加的に分離されたＣＯ_２をコンプレッサ３６に送り込むことができる。これによって、総計としてのＣＯ_２除去が増大する結果がもたらされる。（図１のような）燃焼後の連結ＣＯ_２操作機能の場合には、ＣＯ_２部分凝縮ユニット３４からのＣＯ_２含有残存流れ３７を、同様に、燃焼後ユニット２１に送ってＣＯ_２を除去することができ、そこで追加的に吸収されたＣＯ_２をＣＯ_２部分凝縮ユニット３４に送り返すことができる。この場合も、総計としてのＣＯ_２除去の増大を実現できる。洩れ込み空気の流入と、か焼器排ガス１７ｃ中の余剰酸素とによる汚染は、燃焼後ユニットからのＣＯ_２リッチな流れと一緒に、圧縮ＣＯ_２の輸送のための所望濃度に合致するＣＯ_２の乾濃度が実現する程度に避けることが可能であろう。この場合は、当初のＣＯ_２部分凝縮ユニット３４を、例えば３６の簡易なＣＯ_２コンプレッサに置き換えることが可能である。この場合、ベントガス流れはもはや形成されず、ユニットに流入する全排ガスがさらに輸送される。

生成されるプロセス蒸気２５の量は、基礎になっている部分酸素燃焼プロセスの品質のよって適合させることが可能である。部分酸素燃焼プロセスのプロセス複合化が高い程、その効率は高くなり、廃熱の発生は少なくなる。しかし、効率が高い程、プロセスはそれだけ複雑になる。従って、基礎になっている酸素燃焼プロセスの複合化を、炉排ガス２３からの十分なＣＯ_２の燃焼後除去に丁度十分な廃熱が利用可能である程度にのみ運転することが妥当であるように見える。極端な複合化手段（例えば、非常に多くの予熱段、冷却器からの排ガスの熱の最大利用）にも拘らず、廃熱の余剰分が利用可能である場合には、例えば、酸素燃焼焼成、従ってか焼器５におけるか焼の程度を、例えば次のような程度に低減することが可能である。すなわち、残存か焼比率が増大し、さらに、それによって回転式管型炉１０における焼成出力が増大する結果として、炉排ガス２３におけるＣＯ_２の量が利用可能な廃熱に適合する程度に、か焼器５におけるか焼の程度を低減できるのである。この方法で、酸素燃焼焼成出力を低減でき、従って、空気分留のための電気エネルギーを節減できる。プレヒータにおけるセメント原料の比率を低下させることによって、同様の効果を実現できる。この場合、プレヒータで予熱されるセメント原料は高い温度を有し、従って、最低のプレヒータ段において高いか焼度を有する。この場合も、か焼部分が、か焼器５から、回転式管型炉１０または炉排ガス径路の中に移動する。

１ セメント原料
２ か焼器プレヒータ
３ 炉プレヒータ
４ 予熱されたセメント原料
５ か焼器
６ 燃料
７ 燃焼ガス
８ 空気分留設備
９ 予備か焼セメント原料
１０ 炉
１１ セメントクリンカー
１２ 冷却器
１３ 冷却ガス
１４ 冷却器からの排ガス
１５ 冷却器からの排ガス
１６ 冷却器からの排ガス
１７ か焼器排ガス
ａ 再循環部分
ｂ 非再循環部分
ｃ 排ガス洗浄後の非再循環部分
１８ 酸素リッチのガス流れ
１９ 熱交換器
２０ 廃熱ボイラ
２０１ 蒸気ドラム
２０２ 下降管
２０３ 上昇管
２１ 燃焼後ユニット
２１０ 排ガス冷却器
２１１ 吸収器
２１２ 熱交換器
２１３ 脱着器
ａ 冷却水流入口
ｂ 冷却水流出口
２１４ 冷却器
２１５ 再生器
２１６ 低ＣＯ_２溶剤
ａ 新鮮溶剤
ｂ 補給水
ｃ 再生溶剤
２１６’ ＣＯ_２リッチの溶剤
２１７ 凝縮液
２２ 燃料
２３ 炉排ガス
２４ 廃熱ボイラ
２５ 蒸気
２５’ 凝縮液
２６ 原料ミル
２７ 冷却装置
２８ ダストフィルタ
２９ 排ガス脱硫設備
３０ 廃熱ボイラ
３１ 廃熱ボイラ
３２ ダストフィルタ
３３ ＣＯ_２リッチの排ガス
３４ ＣＯ_２部分凝縮ユニット
３５ 排ガス洗浄
３６ ＣＯ_２コンプレッサ
３７ ＣＯ_２含有残存流れ
３８ 残存ガス

Claims (10)

1. セメント原料（１）からセメントクリンカーを製造するプロセスであって、
   ａ 前記セメント原料（１）の一部分をか焼器プレヒータ（２）において予熱し、前記セメント原料（１）の残りの部分を炉プレヒータ（３）において予熱し、
   ｂ 前記か焼器プレヒータ（２）および前記炉プレヒータ（３）において予熱された前記セメント原料（４）を、酸素燃焼プロセスによって運転されるか焼器（５）において予備か焼し、
   ｃ 前記予備か焼されたセメント原料（９）を炉（１０）内で焼成し、
   ｄ 前記焼成されたセメント原料を冷却器（１２）において冷却し、
   ｅ 前記か焼器プレヒータ（２）を前記か焼器（５）からのか焼器排ガス（１７）を用いて運転し、
   ｆ 前記炉プレヒータ（３）を前記炉（１０）からの炉排ガス（２３）を用いて運転する、
   プロセスにおいて、
   ｇ か焼器（５）としては同伴流れリアクターを使用し、その場合、前記か焼器排ガス（１７）の一部分（１７ａ）を、前記か焼器プレヒータ（２）において利用した後、前記か焼器（５）に再循環し、かつ、
   ｈ 前記炉排ガス（２３）をＣＯ_２の燃焼後除去操作にかける、
   ことを特徴とするプロセス。
2. 請求項１に記載のプロセスにおいて、前記か焼器（５）に再循環されるか焼器排ガスの一部分（１７ａ）を、前記冷却器（１２）からの排ガス（１５）によって加熱する、ことを特徴とするプロセス。
3. 請求項１に記載のプロセスにおいて、前記ＣＯ_２の燃焼後除去用の必要熱量を、前記か焼器排ガスの非再循環部分（１７ｂ）の廃熱、前記炉排ガス（２３）の廃熱、および／または、前記冷却器（１２）からの排ガス（１５、１６）の廃熱によって賄う、ことを特徴とするプロセス。
4. 請求項１に記載のプロセスにおいて、前記ＣＯ_２の燃焼後除去用の必要熱量を、部分的に、前記か焼器プレヒータ（２）において利用した後の前記か焼器排ガスの非再循環部分（１７ｂ）の廃熱によって賄う、ことを特徴とするプロセス。
5. 請求項１に記載のプロセスにおいて、前記ＣＯ_２の燃焼後除去用の必要熱量を、部分的に、前記炉プレヒータ（３）において利用した後の前記炉排ガス（２３）の廃熱によって賄う、ことを特徴とするプロセス。
6. 請求項１に記載のプロセスにおいて、前記か焼器プレヒータ（２）において利用した後の前記か焼器排ガス（１７）、および／または、前記炉プレヒータ（３）において利用した後の前記炉排ガス（２３）をプロセス蒸気（２５）発生用の廃熱ボイラ（３０、２４、３１）に導き、生成されたプロセス蒸気（２５）を前記ＣＯ_２の燃焼後除去に利用する、ことを特徴とするプロセス。
7. 請求項１に記載のプロセスにおいて、前記か焼器排ガス（１７）の非再循環部分（１７ｂ）を、ＣＯ_２の除去操作、特にＣＯ_２の液化操作にかけ、かつ、そこで形成されるＣＯ_２含有残存流れ（３７）を、前記炉排ガスと共に前記ＣＯ_２の燃焼後除去操作にかける、ことを特徴とするプロセス。
8. 請求項１に記載のプロセスにおいて、前記酸素燃焼プロセスおよび前記ＣＯ_２の燃焼後除去を、次のような態様において相互に適合させる、すなわち、前記ＣＯ_２の燃焼後除去に利用可能なプロセス熱であって、前記か焼器排ガス（１７）の少なくとも一部分、前記炉排ガス（２３）、および／または前記冷却器（１２）の排ガス（１５、１６）からのプロセス熱が完全に利用されるような態様において相互に適合させる、ことを特徴とするプロセス。
9. 請求項８に記載のプロセスにおいて、プロセス熱の余剰分が、前記か焼器（５）およびそのプレヒータ（２）におけるか焼の程度を増大することによって生じるプロセス熱の減少および現存する不足によって相殺される、ことを特徴とするプロセス。
10. セメント原料（１）からセメントクリンカーを製造するための設備であって、
    ａ 前記セメント原料（１）の第１部分を予熱するか焼器プレヒータ（２）と、
    ｂ 前記セメント原料（１）の第２部分を予熱する炉プレヒータ（３）と、
    ｃ 前記か焼器プレヒータ（２）および前記炉プレヒータ（３）において予熱された前記セメント原料を予備か焼するための、酸素燃焼プロセスによって運転されるか焼器（５）と、
    ｄ 前記予備か焼されたセメント原料を焼成する炉（１０）と、
    ｅ 前記焼成されたセメント原料を冷却する冷却器（１２）と、
    を備え、
    ｆ その場合、前記か焼器プレヒータ（２）は前記か焼器（５）からのか焼器排ガス（１７）を用いて運転され、
    ｇ 前記炉プレヒータ（３）は前記炉（１０）からの炉排ガス（２３）を用いて運転される、
    設備において、
    ｈ 前記か焼器（５）が、同伴流れリアクターとして構成されると共に、前記か焼器排ガス（１７）の一部分（１７ａ）を、前記か焼器プレヒータ（２）において利用した後に再循環する手段を備え、かつ、
    ｉ ＣＯ_２除去用の燃焼後ユニット（２１）が、前記炉排ガス（２３）の流れの方向において前記炉プレヒータ（３）の下流側に配置される、
    ことを特徴とする設備。

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