JPH11500706A - セメントクリンカーの製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、セメントクリンカーが、まず焼成帯において焼成され、次に冷却帯において冷却され、冷却は、少なくとも部分的に、燃料及び水蒸気の搬送によって行なわれるセメントクリンカー製造方法において、第１の冷却段階において、搬送された燃料がセメントクリンカーと混合されてまず熱分解され、得られた熱分解生成物は水蒸気と強い吸熱反応を起こし、これにより、セメントクリンカーは、その中に含まれる液相の少なくとも９５％、好ましくはすべてがガラスに転移するように急冷されることを特徴とする方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 セメントクリンカーの製造方法及び装置 本発明は、請求項１の前提部分及び請求項１０の包括的概念によるセメントク リンカーの製造方法及び装置に関する。 いわゆるポルトランドセメントクリンカーは、主に、エーライト（Ｃ₃Ｓ）及 びビーライト（Ｃ₂Ｓ）と、アルミン酸三カルシウム（Ｃ₃Ａ）と、鉄アルミン酸 四カルシウム（Ｃ₄ＡＦ）から成る。更なる成分として、特に、アルカリだけで なく遊離マグネシウム酸化物がある。 セメントクリンカーの冷却は、その構造、並びに、それから製造されるセメン トの鉱物学的組成や特性に影響を及ぼす。クリンカーの冷却速度は、特に、クリ ンカー中の結晶相含有量とガラス相含有量との比率に影響を及ぼす。緩慢な冷却 では、結晶形成はほとんどすべてのクリンカー成分に対して起こり、一方、急速 な冷却は結晶形成を妨げ、液相（２．９５ Ａｌ₂Ｏ₃＋２．２ Ｆｅ₂＋ＭｇＯ ＋アルカリ）をガラス状に固化させる。ロータリーキルンからのクリンカーにお ける液相の割合は、およそ２０〜２８％である。 クリンカーの急速な冷却は、特に、硫酸塩（マグネシウム、ナトリウム、カリ ウム等）に対するセメントの耐硫酸塩性を増加させる。遊離アルカリ及びＭｇＯ 結晶（ペリクレース）がガラス形成に加わる。これは、セメントの耐硫酸塩能力 に関与するＣ₃Ａ成分が、クリンカーの急冷により、ガラスの一部や更に遊離ア ルカリ及びＭｇＯ（ペリクレース）になり、従って、硫酸塩による腐食に耐える という事実によって説明することができよう。遊離アルカリが消滅するため、遊 離アルカリが骨材中のシリカを腐食することはもはや起こらない。 エーライトと、ビーライトと、ガラスのみから成るセメントクリンカー、即ち 、Ｃ₃ＡとＣ₄ＡＦがガラス中で結合されたセメントクリンカーは、ガラスポルト ランドセメントと称される。これは、特に、その強度を制限することなく、環境 からの影響に対する耐性について特段の能力を持つことを特徴とする。 いわゆるガラスポルトランドセメントは研究所内では既に製造されているが、 その工業生産を可能にする方法はまだ知られていない。 必要な冷却速度は、公知のクリンカー冷却プロセスでは、特に、いわゆるグレ ートクーラーを用いては達成できない。 活性ビーライトセメントの製造方法は、ＤＤ−Ａ−第２０６４２２号に開示さ れている。この例では、ロータリーキルンからのビーライトクリンカーは、第１ の冷却ステージに搬送され、ここには、褐炭粉及び特に二酸化炭素及び水蒸気を 含む低温放出ガスが送り込まれる。これにより、水蒸気や二酸化炭素による供給 燃料の気化が起こり、このような気化反応により、セメントクリンカーから必要 な反応エンタルピーが取り出される。 本発明の目的は、ガラスポルトランドセメントの工業生産のための方法及び装 置を提供することである。 この目的は請求項１及び１０の特徴項によって達成される。本発明によれば、 第１の冷却ステージに搬送された燃料はセメントクリンカーと混合され、まず熱 分解される。得られた熱分解生成物は水蒸気と強い吸熱反応を起こし、そこで、 セメントクリンカーは、その中に含まれる液相の少なくとも９５％、好ましくは すべてがガラスに転移するように急冷される。 熱分解から生じる気相熱分解生成物は、水蒸気と直接反応する。その結果、セ メントクリンカーを数秒のうちに１，４５０℃程度の焼成温度から急冷すること ができる。急冷プロセスは、液相クリンカー成分であるＣ₃Ａ及びＣ₄ＡＦを、遊 離アルカリ及びＭｇＯ（ペリクレース）を含むガラスに転移させる。 公知の水蒸気による燃料の気化により更なる冷却が行なわれ、これはやはり吸 熱的に進行する。しかし、これは、気相熱分解生成物の水蒸気との反応に比べて かなり緩慢に行なわれる。 本発明の更なる実施例及び利点は、従属クレームの主題として示したとおりで あり、図面を参照してより詳細に説明する。 第１図は、本発明による装置の概略図である。 第２図は、第１図のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 本発明によるセメントクリンカー製造装置について、まず第１図及び第２図を 参照して説明する。これは、主にセメントクリンカーを焼成するためのロータリ ーキルン２１と、リアクタ２３として構成された第１の冷却ステージと、例えば グレートクーラー２２として構成された第２の冷却ステージとから成る。 図示された実施例において、リアクタ２３は、ロータリーキルン２１の直径を 拡大した部分として構成され、キルンの出口端に設けられている。ロータリーキ ルン２１は、その出口端にキルンフード２１ａを有し、このキルンフードは接続 装置２４とともに、キルン２１からグレートクーラー２２への移行部を構成して いる。 キルンフード２１ａ並びに接続装置２４は、従来と同様に構成されている。純 水によって内側から有効に冷却されるクラッシャー、好ましくはロールクラッシ ャー２５が接続装置２４内に設けられている。ここで、クリンカーは、例えば２ ５ｍｍの粒径に粉砕された後、回転翼ゲート２６に搬送され、これにより、クリ ンカーはグレートクーラー２２に送られる。回転翼ゲート２６もやはり、純水を 用いて内側から冷却することが好ましい。グレートクーラー２２において、リア クタ２３で既に予冷されたセメントクリンカーが空気によってさらに冷却される 。これにより熱せられた冷却空気は、二次空気２７あるいは三次空気２８として 通例どおり、燃焼用空気として装置内で利用される。 接続装置２４内には、回転翼ゲート２６の直前の位置に圧力測定装置２９が設 けられている。制御装置３０を介して、この圧力測定装置は、圧力測定装置２９ の付近で圧力が増加しないように、クーラー２２の最初の２つのファン３１ａ及 び３１ｂの速度を制御する。 グレートクーラー２２によって発生された二次空気２７は、二次空気通路３１ を介してキルンフード２１ａの付近でロータリーキルン２１に導入される。二次 空気通路３１は二重壁構造を持ち、純水によって冷却される。二次空気通路３１ の中央部には、どんな燃料でもよい追加のバーナー３２が設けられている。 本実施例に示したリアクタは、直径がロータリーキルン２１のおよそ３倍であ り、リアクタの幅は自身の直径のおよそ５分の１に相当する。 図示された実施例では、ロータリーキルン２１は、２つの支持タイヤローラー スタンド３６及び３７により、リアクタ２３の付近で支持されており、これらの 支持タイヤローラースタンドはそれぞれリアクタの直前及び直後に配置されてい る。さらに、必要に応じ、支持タイヤローラースタンドをキルンの出口付近に設 けることもできる。リアクタ２３の前後に２つの支持ローラーステンドを設ける ことによって、リアクタ２３による付加重量を最適に分散させることができる。 各支持ローラースタンドは、２つの支持ローラーから成る。第１図において、支 持ローラースタンド３６及び３７の支持ローラー３６ａ及び３７ａが示されてい る。 さらに、リアクタ２３は、燃料、特に炭素質燃料の搬送用のスクリューコ ンベヤー３３として構成された装置を有している。このスクリューコンベヤーも やはり二重壁構造を持ち、純水によって冷却される。燃料の供給位置は、リアク タ２３内への高温原材料の入口付近にある。 リアクタ２３に必要な飽和水蒸気の全部あるいは一部は、上述の様々な装置部 分からの冷却水から得られる。更に、リアクタ２３は、燃料と混合されたセメン トクリンカーに水蒸気を吹き込むための装置３４を有している。この装置はリア クタ２３を画定する壁と平行に配置され、板状に構成されており、その縁部は、 リアクタ内に入ってくるクリンカーに対する抵抗を可能な限り少なくするために 、面取り加工されている。水蒸気は、リアクタ２３の基部付近で流れ出すことが 好ましい。 更に、リアクタ２３の下端には、閉鎖可能な開口部２３ａが設けられ、これは 、長期間のキルンの停止が必要な場合、破線で示す搬送装置３５により、リアク タ内にあるクリンカーをクーラー出口に搬送するものである。 上述の装置を用いてセメントクリンカーを製造する際、セメントクリンカーは 、まず、ロータリーキルン２１内の焼成帯において焼成され、次にリアクタ２３ に進む。やはり、そこに搬送される燃料、特に熱分解可能な成分を含む炭素質燃 料は、第１の冷却段階でセメントクリンカーと混合され、熱分解される。得られ た熱分解生成物、即ち、タールや若干のＣＯ₂及びＣＯを含む軽炭化水素などの 生成物は、やはり搬送されてくる水蒸気と強い吸熱反応を起こす。特に急速な反 応は、気相熱分解生成物と水蒸気の間で起こり、従って、セメントクリンカーは 、その中に含まれる液相の少なくとも９５％、好ましくはすべてがガラスに転移 するように急冷される。 第１の冷却段階において、セメントクリンカーは、１，４５０℃程度の焼成温 度からおよそ１，２５０℃に急冷され、第１の冷却段階における冷却速度は、６ ００Ｋ／分と６，０００Ｋ／分の間である。 熱分解生成物と水蒸気との間の反応において、ＣＨ₄，Ｈ₂，ＣＯ，ＣＯ₂、及 びＣ₄までの炭化水素などのガスが発生する。 やはりリアクタ２３で行なわれる第２の冷却段階において、主に生じることは 、搬送された燃料並びに蒸気とともにまだ存在する熱分解生成物の気化である。 この気化反応は、再び吸熱的に進行し、セメントクリンカーから必要な反応エン タルピーを引き出す。気化において、特に以下のような反応が生じる。 Ｃ ＋Ｈ₂Ｏ → Ｈ₂＋ＣＯ ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → Ｈ₂＋ＣＯ Ｃ ＋ＣＯ₂ → ２ＣＯ 即ち、本発明によるセメントクリンカーの製造方法では、クリンカーは、まず 、第１の冷却段階において、数秒以内におよそ１，４５０℃から１，２５０℃に 急冷される。第２の冷却段階において、主として吸熱気化によってセメントクリ ンカーの更なる冷却が行なわれる。第３の冷却段階において、およそ１，０００ 〜１，１００℃に冷却されたセメントクリンカーはグレートクーラーに供給され る。 熱分解によって、十分な急速気化生成物を発生するためにリアクタに導入され る石炭の量あるいは石炭と液体又は気体燃料との割合は、予熱器出口（キルンの 入口の手前）における予備焼成に必要な燃料とは全く無関係である。燃焼プロセ スに必要な空気は、二次空気通路３１を介してロータリーキルンに導入される。 二次空気の温度はおよそ７５０℃である。二次空気通路３１の中央部の追加のバ ーナー３２は、特にロータリーキルンの起動時に用いられ、また、リアクタ２３ に供給される燃料ガスが、焼結帯において原材料を焼結してクリンカーとするに は十分でない場合に用いることもできる。 液相からガラスへの転移をできる限り完全にするためには、セメントクリンカ ーと燃料を徹底的に混合し、水蒸気をできる限り均一に吹き込むことが必要であ る。水蒸気を導入するための装置３４は、通常、静止して設けられる。しかし、 化学反応にとって最も効果的な位置に到達できるように、ロータリーキルン／リ アクタ装置の回転運動の方向に往復動可能に設けてもよい。 液体及び／又は気体燃料は、第１の冷却段階において固体炭素質燃料よりもか なり急速に反応する。なぜなら、固体炭素燃料はまず熱分解によって粉砕しなけ ればならないからである。そこで、十分な冷却速度を設定するために、液体及び ／又は気体状の追加の燃料をリアクタ２３に導入してもよい。これには、水蒸気 の吹き込みに用いたと同様の装置が、特に適している。第１の冷却段階における 冷却速度は、６００Ｋ／分と６，０００Ｋ／分の間で設定することができる。 セメントクリンカーと搬送された燃料との混合は、本発明によれば、リアクタ 内でとりわけ確実に行なわれる。リアクタはロータリーキルンとともに運動する ため、導入されたセメントクリンカーは絶えず動いている。好適な実施例では、 リアクタの内部にセメントクリンカーを持ち上げるためのセラミック製リフター を設けることができる。これにより、更に徹底的な混合を行ない、しかも、セメ ントクリンカーの持ち上げ及び落下がその粉末化を導く。従って、セメントクリ ンカー塊の大きさが均質化される。このことは、セメントクリンカーの均一な冷 却を保証する。 ロータリーキルン／リアクタ装置の起動の際、二次空気通路３１に設けた追加 バーナー３２が用いられる。燃料／水素の比率をリアクタ２３の気化能力に合わ せた場合、燃焼プロセスは追加バーナー３２とは無関係に作動させることができ 、この場合には、消費される燃料や、炎の調節やロータリーキルンに搬送された 燃料の量は、予備焼成に必要な燃料とは無関係である。 上述のリアクタ２３によって、高温の原材料が既に予冷されたクーラーに入る ため、クーラーにおいて使用される空気の全量を、キルン用二次空気及び予備焼 成用三次空気として用いることができる。クーラー２２によって用いられる空気 の量は十分であり、過剰な空気はなく、そこで熱が大気中に放出されることはな い。このように、７５〜１００ｋｃａｌ／ｋｇのエネルギーを節約することがで きる。さらに、このような構成でなければ大気中に放出されるはずの大量の空気 のためのフィルター及び清浄装置を省くことが可能である。リアクタ内で生成さ れたガス（ＣＯ＋Ｈ₂）は、１，０００℃の温度で二次空気に触れる。一方、二 次及び三次空気はおよそ７５０℃である。そこで、炎の温度は２，３００〜２， ５００℃の温度に容易に到達することができる。焼成プロセスは、この高温の炎 によってさらに容易に制御することができる。また、焼成帯のライニングの保護 に必要なクリンカーのコーティングを、より簡単に制御することができる。 リアクタ２３内のセメントクリンカーは、数秒以内に２００〜２５０℃で急冷 されるため、エーライト及びビーライトのみが結晶化する。存在する唯一の他の 成分はガラスであり、その内部では、Ｃ₃Ａと、Ｃ₄ＡＦと、アルカリと、酸化マ グネシウムが結合している。このようなセメントクリンカーは、ガラスポルトラ ンドセメントと称される。 気化反応に用いられる燃料灰については、原材料の組成において考慮する必要 はない。これらの灰はクリンカー内のフィラーとなる。そこで、高比率の灰を含 むピットコール及び褐炭並びに高揮発性成分を含む石炭が用いられる。リアクタ ２３に供給される燃料は、乾燥したり粉砕したりする必要はなく、５〜１０ｍｍ の粒子の状態で搬送することができる。 急冷により、硫酸カルシウムは分解せず、ＣａＳＯ₄（無水石膏）としてクリ ンカー中に入る。 その結果、ロータリーキルンにおける硫黄循環という問題を抑えることができ 、硫黄の問題をかなり簡単にすることができるため、硫黄含有量の多い燃料を使 用することが可能となる。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．セメントクリンカーが、まず焼成帯において焼成され、次に冷却帯において 冷却され、上記冷却は、少なくとも部分的に、燃料及び水蒸気の搬送によって行 なわれるセメントクリンカー製造方法において、第１の冷却段階において、搬送 された上記燃料が上記セメントクリンカーと混合されてまず熱分解され、得られ た熱分解生成物は上記水蒸気と強い吸熱反応を起こし、これにより、上記セメン トクリンカーは、その中に含まれる液相の少なくとも９５％、好ましくはすべて がガラスに転移するように急冷されることを特徴とする方法。 ２．熱分解可能な成分を含む炭素質燃料が上記燃料として搬送されることを特徴 とする請求項１に記載の方法。 ３．上記第１の冷却段階における冷却速度を設定するために液体及び／又は気体 燃料を加えることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ４．上記第１の冷却段階における冷却速度は、６００Ｋ／分と６，０００Ｋ／分 との間であることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ５．上記セメントクリンカーは、上記第１の冷却段階においておよそ２００Ｋで 冷却されることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ６．上記セメントクリンカーは、上記第１の冷却段階において、１，４５０℃〜 １，２５０℃程度の焼成温度から急冷されることを特徴とする請求項１に記載の 方法。 ７．上記セメントクリンカーと上記燃料の混合の際、上記セメントクリンカーの 粉砕が同時に行なわれることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ８．第２の冷却段階において、上記水蒸気による上記搬送された燃料の気化が起 こり、この気化反応により上記セメントクリンカーから必要な反応エンタルピー を引き出すことを特徴とする請求項１に記載の方法。 ９．上記気化反応で生成された燃料ガスは、上記焼成帯における上記セメントク リンカーの焼成に用いられることを特徴とする請求項８に記載の方法。 １０．ａ）セメントクリンカーを焼成するためのロータリーキルン（２１）と、 ｂ）焼成された上記セメントクリンカーを冷却するためのクーラー（２２）と 、 ｃ）燃料を搬送するための装置（３３）と、 ｄ）水蒸気を吹き込むための装置（３４）とを備え、 ｅ）上記燃料を搬送するための装置（３３）と上記水蒸気を吹き込むための装 置（３４）とを有するリアクタ（２３）が設けられ、 ｆ）上記リアクタ（２３）は、上記ロータリーキルンの一部として構成され、 それとともに回転することを特徴とする、請求項１〜９に記載の方法によるセメ ントクリンカー製造装置。 １１．上記リアクタは、上記ロータリーキルン（２１）の直径を拡大した部分と して構成されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。 １２．上記リアクタ（２３）は、上記ロータリーキルン（２１）の排出端の実質 的に直前に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。 １３．上記ロータリーキルン（２１）は、上記リアクタ（２３）の直前及び直後 で支持されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。 １４．上記リアクタは、液体及び／又は気体燃料を導入するための装置を更に備 えたことを特徴とする請求項１０に記載の装置。