JP5531525B2

JP5531525B2 - セメントの製造方法

Info

Publication number: JP5531525B2
Application number: JP2009212847A
Authority: JP
Inventors: 牧生山下; 久順田中; 誠一水間; 克彦市原
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2029-09-15
Also published as: JP2011063451A

Description

本発明は、高温雰囲気下に保持されたセメントキルンでセメント原料を焼成してセメントクリンカを製造する方法に係り、詳しくは上記セメントクリンカ中に含まれる三酸化硫黄（以下、ＳＯ₃と略す。）の量を所望の範囲内に制御とすることが可能となるセメントの製造方法に関するものである。

一般に、セメント製造設備においては、セメント原料をプレヒータにおいて所定の温度まで予熱してセメントキルンに導入し、当該セメントキルン内において、窯前に設けられた主バーナからの火炎によって約１４５０℃の高温雰囲気で焼成してセメントクリンカとした後に、当該セメントクリンカに急結防止用の二水石膏を加えて微粉砕することによりセメントを製造している。

ところで、上記製造工程において得られたセメントクリンカ中には、セメント原料自体や燃料中に含まれる硫黄（Ｓ）分が酸化されることにより生成したＳＯ₃が取り込まれており、最終的なセメントの品質を保持するために、上記セメントクリンカ中のＳＯ₃量に応じた量の上記石膏を添加している。

一方、上記セメントキルンの主バーナにおいて燃焼される燃料としては、通常石炭およびオイルコークスを使用しているが、近年における燃料の高騰化に伴い、上記石炭等に、産業廃棄物である廃油等の副燃料を添加して上記燃料の一部として使用している。
ところが、上記副燃料は、種類が多く、かつ含有される硫黄分の量も多様であることから、使用する燃料によって含有される硫黄分が変動し、この結果セメントクリンカ中のＳＯ₃量も大きく変動してしまう。

このため、上記セメントを製造する際に添加する上記石膏の量も変動し、得られたセメントの凝結時間等の品質に悪影響を及ぼすおそれがあった。
加えて、セメントクリンカの被粉砕性は、含有するＳＯ₃の量によって変化するために、セメントの品質管理上、上記燃料における硫黄分の変動にも拘わらず、セメントクリンカ中のＳＯ₃量を一定の範囲内に保持することが強く要請されている。

なお、下記特許文献１には、このようなセメントクリンカ中における微量成分の変動を予測して管理する手法が開示されている。

特開２００５−２１４８９１号公報

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、セメントキルンの主バーナに用いる燃料中の硫黄分が変動した場合においても、セメントクリンカ中のＳＯ₃量を所定の範囲内に保持することができ、よってセメントの品質を安定的に維持することが可能になるセメントの製造方法を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、窯前に設けられた主バーナからの火炎によって内部が高温雰囲気下に保持されたセメントキルン内に、当該セメントキルンの窯尻から内部に投入されたセメント原料を上記窯前側へ送りつつ焼成してセメントクリンカを製造するセメント製造方法において、上記セメントキルンの上記窯前側から、当該セメントキルン内の１４００℃以上の高温雰囲気中に、少なくとも上記主バーナの燃料中の硫黄分の変動量または製造された上記セメントクリンカに含まれる三酸化硫黄（ＳＯ₃）の量の変動量を補償する量の石膏を投入することにより、上記セメントクリンカに含まれる三酸化硫黄（ＳＯ₃）の量を１〜３重量％の範囲内に制御し、上記主バーナの燃料は石炭または石炭とオイルコークスの混合物を石炭ミルにおいて粉砕して得られた微粉炭であるとともに、上記石炭ミルに、上記石膏を供給して上記石炭または上記石炭とオイルコークスの混合物と共に粉砕して上記主バーナから上記セメントキルン内に投入することを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、上記石膏が、加熱処理された無水石膏であることを特徴とするものである。

請求項１〜２のいずれかに記載の発明によれば、セメントキルンの窯前側から、内部の１４００℃以上の高温雰囲気中に石膏を投入すると、上記高温雰囲気下において石膏が分解することにより、下式で示す反応が起こり、生成したＳＯ₃が、焼成されるセメント原料中に取り込まれる。
ＣａＳＯ₄ → ＣａＯ＋ＳＯ₃

したがって、主バーナでの燃焼用の燃料を、硫黄分の多いものから少ないものへと切り換える場合や、製造されたセメントクリンカに含まれるＳＯ₃量が減少した場合には、上記セメントキルンの窯前側から上記高温雰囲気中に投入する石膏の量を増加させることにより、容易かつ確実に上記セメントクリンカに含まれるＳＯ₃の量を予め設定した１〜３重量％の範囲内に制御することができる。

この際に、不燃物である上記石膏を、セメントキルン内における１４００℃以上の高温雰囲気中に投入することにより、完全に熱分解して上式で示すようにＳＯ₃を生成させることができ、よって効果的にセメントクリンカ中のＳＯ₃量を調整することができる。

この結果、セメントキルンの主バーナに用いる燃料中の硫黄分が変動した場合においても、セメントクリンカ中のＳＯ₃量を１〜３重量％の範囲内に保持することができ、よってセメントの品質を安定的に維持することが可能になる。

ここで、セメントクリンカ中のＳＯ₃量を１〜３重量％の範囲内に保持することに限定した理由について説明すると、一般に最終製品となるセメントにおいては、含有されるＳＯ₃量の増加に伴って、水和促進による強度発現効果が得られものの、当該ＳＯ₃量が過多になると、膨張性のエトリンガイトの生成による空隙増加によって強度が低下することが知られている。このため、JIS R 5210においては、ポルトランドセメントの品質を定めるための一項目として、ＳＯ₃の含有量の上限が規格化されている。

ちなみに、上記JIS R 5210によれば、上記ＳＯ₃量として、普通ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメントおよび耐硫酸塩ポルトランドセメントについては、３．０重量％以下、早強ポルトランドセメントおよび低熱ポルトランドセメントについては、３．５重量％以下、超早強ポルトランドセメントについては、４．５重量％以下とされている。

そこで、セメントクリンカ中のＳＯ₃量が変動する際に、セメントキルン内に投入する石膏の量を、セメントクリンカ中のＳＯ₃量が３重量％以下となるように制御することにより、常に上記JIS 規格を満たすセメントを製造することが可能になる。

また、これとは逆に、上記セメントにおけるＳＯ₃の含有量が少ないと、急結等の異常な凝結を呈することから、一般に、アルミネートを水との反応時間を抑制して上記セメントの凝結時間を延ばすために、セメントクリンカに石膏（ＣａＳＯ₄・２Ｈ₂Ｏ）を加えることにより、上記セメント中に含まれるＳＯ₃量を調製している。

そして、本発明者等は、セメントクリンカ中のＳＯ₃量と、石膏によるＳＯ₃添加量を変化させた場合のセメント凝結時間の変化を確認するための実証実験を行った。図４は、上記実証実験の結果を示すものである。
同図から、セメントクリンカ中のＳＯ₃量が１重量％増加するに連れて、凝結時間（始発時、終結時間）は、約２０min 短縮されたものの、石膏の添加によるＳＯ₃量の増加の影響は、本実験範囲に限っては認められなかった。

したがって、製造されたセメントクリンカに含まれるＳＯ₃量が減少した場合には、少なくとも当該ＳＯ₃量が１重量％以上となるようにセメントキルン内に石膏を投入することにより、所望のセメント凝結時間とすることができる。
以上のことから、セメントキルン内に投入する石膏の量を制御して、セメントクリンカ中のＳＯ₃量を１〜３重量％の範囲内に保持するようにしたのである。

なお、上記石膏の投入量を決定するに際しては、当該石膏を投入してから、上記反応によって生じたＳＯ₃がセメントクリンカ中に取り込まれるまでに時間差が生じるために、製造された上記セメントクリンカに含まれるＳＯ₃量の変動量に対応して上記投入量を決定するよりも、使用している燃料が変わる際に、予め新たな燃料中の硫黄分とこれまで使用した燃料中の硫黄分とを比較して、その変動量を補償する量の石膏を投入することが好ましい。

また、近年においては、セメントキルン内に廃タイヤ等の硫黄分を含む産業廃棄物も上記セメントキルン内を高温雰囲気下に保持するための燃料の一部として投入されている。これらの廃棄物の燃焼によって発生する硫黄分は、上述した主バーナの燃焼に用いられる燃料中の硫黄分と比較して少量と言えるために、上記セメントクリンカ中のＳＯ₃量の変動に与える影響も少ないといえる。しかしながら、上記主バーナの燃料における硫黄分の変動に加えて、上記廃棄物に含まれる硫黄分の変動も考慮して上記石膏の投入量を決定すれば、より一層セメントクリンカ中のＳＯ₃量の変動を上述した所定の範囲内に制御することが可能になる。

さらに、投入する石膏としては、請求項２に記載の発明のように、加熱処理された無水石膏であって、かつ５ｍｍ以下の粒度に粉砕したものであることが好ましい。このような無水石膏を使用することにより、セメントキルン内に投入するバーナにおいて閉塞が生じることを防止することができる。

加えて、Ｈ₂Ｏ分を有していない無水石膏を用いることにより、燃焼時に気化熱を奪って熱効率を低下させることが無く、かつ予め５ｍｍ以下に粉砕しておくことにより、上記セメントキルン内の高温雰囲気下において、瞬時に完全に熱分解させて所望の量のＳＯ₃を生成させることができる。

また、セメントキルン内に投入する方法としては、請求項１に記載の発明のように、燃料とともに主バーナから投入しても良い。かかる構成を採用することにより、確実に最も高温雰囲気下にある主バーナの火炎近傍に上記石膏を投入して分解させることができる。

この際に、主バーナの燃料が石炭である場合には、特に請求項１に記載の発明のように、石炭を微粉炭とする石炭ミルに上記石膏を投入して上記石炭と共に粉砕して混合したうえで、上記主バーナからセメントキルン内に投入するようにすれば、より一層確実に当該石膏を主バーナの火炎によって熱分解させることができるために好適である。

本発明の第１の実施形態を実施するためのセメント製造設備の概略構成図である。本発明の第２の実施形態を実施するためのセメント製造設備の概略構成図である。本発明の第１の実施形態を用いた実験結果を示すもので、（ａ）は石膏を投入した場合、（ｂ）は石膏を投入しなかった場合の各々のセメントクリンカ中のＳＯ₃量の変動を示すグラフである。セメントクリンカ中のＳＯ₃量と石膏によるＳＯ₃添加量を変化させた場合のセメント凝結時間の変化を確認するための実証実験の結果を示すグラフである。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係るセメントの製造方法の第１の実施形態を実施するためのセメント製造設備を示すもので、図中符号１がセメント原料を焼成するためのセメントキルンである。このセメントキルン１は、軸芯回りに回転自在に設けられたロータリーキルンであり、図中左方の窯尻部分２に、セメント原料を予熱するためのプレヒータ３が設けられるとともに、図中右方の窯前４に、内部を加熱するための主バーナ５が設けられている。なお、図中符号６は、焼成後のセメントクリンカを冷却するためのクリンカクーラである。

ここで、プレヒータ３は、上下方向に直列的に配置された複数段のサイクロンによって構成されており、供給管７を介して最上段のサイクロンにセメント原料が供給されるとともに、最下段のサイクロンの底部には、内部のセメント原料をセメントキルン１の窯尻部分２へと送る移送管３ａが接続されている。

他方、窯尻部分２には、セメントキルン１から排出された燃焼排ガスを最下段のサイクロンへと供給する排ガス管３ｂが設けられているおり、最上段のサイクロンの上部から排出された排ガスが、図示されない排気ファンによって排気ライン８を介して排気されて行くようになっている。

そして、セメントキルン１の主バーナ５には、燃料となる微粉炭の供給手段が設けられている。この供給手段は、上記燃料の元となる石炭、オイルコークスおよび副燃料の混合物を貯留する石炭サイロ１０と、この石炭サイロ１０から供給された石炭等を粉砕して所定の粒度の微粉炭とする乾式の石炭ミル１１と、この石炭ミル１１において得られた微粉炭を、図示されない供給ラインから供給される圧縮空気によって主バーナ５からセメントキルン１の内部へ投入する燃料供給管１２とから構成されたものである。

そしてさらに、このセメント製造設備においては、石膏ボード等の廃石膏を計量する計量器１３が設けられ、この計量器１３において計量された廃石膏が、石炭サイロ１０からの石炭と共に石炭ミル１１へ供給されるようになっている。
ここで、計量器１３は、石炭サイロ１０に供給された新たな石炭中の硫黄分１４、またはクリンカクーラ６から排出されたセメントクリンカ中のＳＯ₃量１５に基づいて決定された、投入すべき廃石膏の量を計量するものである。

次いで、以上の構成からなるセメント製造設備を用いた本発明に係るセメントの製造方法の第１の実施形態について説明する。
先ず、このセメント製造設備においては、石灰石、粘土、珪石および酸化鉄原料が粉砕混合されることによって得られたセメント原料が、供給管７からプレヒータ３の最上段のサイクロンに供給される。そして、この最上段のサイクロンに供給されたセメント原料は、順次下方のサイクロンへと落下するにしたがって、下方から上昇するセメントキルン１からの高温の排ガスによって予熱され、最終的に最下段のサイクロンから移送管３ａを介してセメントキルン１に導入される。

他方、石炭サイロ１０内に貯留されている燃料の元となる石炭等は、適宜石炭ミル１１に送られて粉砕され、微粉炭となって燃料供給管１２からセメントキルン１の窯前４に設けられた主バーナ５へと供給される。そして、この主バーナ５からセメントキルン１内に投入された微粉炭が燃焼することにより、セメントキルン１内の窯前４側は、約１４５０℃以上の高温雰囲気下に保持されている。

これにより、この窯尻部分２からセメントキルン１内に送られた上記セメント原料は、窯前４側へと徐々に送られる過程において、主バーナ５からの燃焼排ガスによって約１４５０℃まで加熱され、焼成されてセメントクリンカとなる。次いで、窯前４に到達したセメントクリンカは、クリンカクーラ６内に落下して図中右方に送られる。この際に、クリンカクーラ６内に供給された空気によって所定温度まで冷却されて最終的に当該クリンカクーラ６から取り出される。

また、これと併行して、このセメント製造設備に搬入された廃石膏ボード等の廃石膏は、予め１００℃〜３００℃の加熱雰囲気下によって乾燥されて無水石膏とされており、石炭サイロ１０に供給された石炭等における硫黄分１４が、現在使用されている燃料の硫黄分に対して減少した場合には、計量器１３において減少した硫黄分に相当する量の上記無水石膏が計量され、石炭ミル１１へと供給される。これにより、セメントクリンカ中のＳＯ₃量が、常時１〜３重量％の範囲内に保持されるように制御する。

なお、上記無水石膏の計量は、クリンカクーラ６から排出されたセメントクリンカに含まれるＳＯ₃量１５が減少した場合に、減少したＳＯ₃量に相当する量の上記無水石膏を計量して石炭ミル１１へと供給してもよい。

そして、この石炭ミル１１において、石炭サイロ１０から供給される上記石炭等と混合されつつ５ｍｍ以下の粒度に微粉砕されて無水石膏粉末となり、上記微粉炭とともに主バーナ５からセメントキルン１内に投入されて、１４００℃以上の主バーナ５の火炎によって熱分解される。

（実施例）
図３は、上記セメント製造設備を用いたセメント製造方法における実験結果を示すものである。
上記セメント製造設備において、セメントクリンカを時産１３０トンの割合で製造する際に、計測開始後から４日目に主バーナ５の燃料が新たなものと切り換えられ、この結果含有する硫黄分の減少によって、セメントクリンカ中のＳＯ₃量が０．２％低下することが予測された。

そこで、これを補償するために、計量器１３において、ＳＯ₃の含有量が４１％の廃石膏ボードを計量して、６５０ｋｇ／時の投入量（５．０ｋｇ−石膏／ｔ−クリンカ）で微粉炭と共に主バーナ５から投入した。
この結果、図３（ａ）に見られるように、その後もクリンカクーラ６から排出されたセメントクリンカ中のＳＯ₃に大きな変動は見られなかった。

これに対して、隣接するセメントキルン１において、同様に４日目から燃料を新たなものと切り換えるとともに、上記廃石膏ボードを投入しなかった場合には、図３（ｂ）に見られるように、６日目以降、予測した通りセメントクリンカ中のＳＯ₃量は約０．２％低下して、１重量％以下になってしまった。

以上のように、上記セメントの製造方法によれば、主バーナ５における燃焼用の燃料を、硫黄分の多いものから少ないものへと切り換える場合や、製造されたセメントクリンカに含まれるＳＯ₃量が減少した場合に、セメントキルン１の窯前４側から１４００℃以上の高温雰囲気中に投入する廃石膏起源の無水石膏粉末の量を増加させることにより、容易かつ確実にセメントクリンカに含まれるＳＯ₃の量を予め設定した１〜３重量％の範囲内に制御することができる。

特に、本発明においては、上記石膏ボード等の廃石膏を加熱処理して無水石膏にするとともに、予め５ｍｍ以下の粒度に粉砕して、主バーナ５から微粉炭とともにセメントキルン１内に投入しているために、上記廃石膏に含まれる水分によってセメントキルン１内における熱効率を低下させることが無く、かつ上記無水石膏粉末を完全に分解させることができるために、効果的にセメントクリンカ中のＳＯ₃量を調整することができる。

したがって、セメントキルン１の主バーナ５に用いる石炭等からなる燃料中の硫黄分が変動した場合や、製造されたセメントクリンカに含まれるＳＯ₃量が減少した場合においても、常にセメントクリンカ中のＳＯ₃量を１〜３重量％の範囲内に保持することができ、よってセメントの品質を安定的に維持することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明に係るセメントの製造方法の第２の実施形態を実施するためのセメント製造設備を示すもので、図１に示したものと同一構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略化する。
この製造設備においては、また、計量器１３において計量された廃石膏起源の無水石膏を、５ｍｍ以下の粒度に粉砕して無水石膏粉末とする粉砕機１６が設けられている。そして、セメントキルン１の窯前４には、この粉砕機１６によって粉砕された無水石膏粉末を、圧縮空気と共にセメントキルン１内であって、かつ主バーナ５の火炎に向けて投入する補助投入管１７が主バーナ５の上方位置に設けられている。

以上の構成からなるセメント製造設備を用いた本発明に係るセメントの製造方法の第２の実施形態においては、同様に石炭サイロ１０に供給された石炭等における硫黄分１４が、現在使用されている燃料の硫黄分に対して減少した場合に、計量器１３において減少した硫黄分に相当する量の上記無水石膏が計量され、粉砕機１６に供給される。そして、この粉砕機１６において粉砕されることによって得られた上記無水石膏粉末が、補助投入管１７から主バーナ５の火炎に向けて投入され、１４００℃以上の主バーナ５の火炎によって熱分解される。

したがって、第２の実施形態に示したセメントの製造方法によっても、第１の実施形態に示したものと同様に、セメントキルン１の主バーナ５に用いる石炭等からなる燃料中の硫黄分が変動した場合や、製造されたセメントクリンカに含まれるＳＯ₃量が減少した場合においても、常にセメントクリンカ中のＳＯ₃量を上述した１〜３重量％の範囲内に保持することができ、よってセメントの品質を安定的に維持することが可能になる。

なお、上記第１および第２の実施形態においては、いずれも投入する石膏として、廃棄物処理の一環としての効果を有することから、廃石膏ボード等の廃石膏を用いた場合についてのみ説明したが、これに限定されるものではなく、新たな石膏を上記セメントクリンカ中のＳＯ₃量の調整用として投入しても良い。

セメントを製造するに際して、セメントクリンカ中に含まれる三酸化硫黄（以下、ＳＯ₃と略す。）の量を所望の範囲内に制御するために利用可能である。

１セメントキルン
２窯尻部分
４窯前
５主バーナ
１０石炭サイロ
１１石炭ミル
１２燃料供給管
１３計量器
１６粉砕機
１７補助投入管

Claims

窯前に設けられた主バーナからの火炎によって内部が高温雰囲気下に保持されたセメントキルン内に、当該セメントキルンの窯尻から内部に投入されたセメント原料を上記窯前側へ送りつつ焼成してセメントクリンカを製造するセメント製造方法において、
上記セメントキルンの上記窯前側から、当該セメントキルン内の１４００℃以上の高温雰囲気中に、少なくとも上記主バーナの燃料中の硫黄分の変動量または製造された上記セメントクリンカに含まれる三酸化硫黄（ＳＯ₃）の量の変動量を補償する量の石膏を投入することにより、上記セメントクリンカに含まれる三酸化硫黄（ＳＯ₃）の量を１〜３重量％の範囲内に制御し、
上記主バーナの燃料は石炭または石炭とオイルコークスの混合物を石炭ミルにおいて粉砕して得られた微粉炭であるとともに、上記石炭ミルに、上記石膏を供給して上記石炭または上記石炭とオイルコークスの混合物と共に粉砕して上記主バーナから上記セメントキルン内に投入することを特徴とするセメントの製造方法。
上記石膏は、加熱処理された無水石膏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。