JP2013112579A - セメントキルン排ガスの処理システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水銀と有機汚染物質の両方のセメント製造装置からの排出量を包括的に効率よく低減する。
【解決手段】セメント焼成装置のプレヒータ３から排出されるガスＧ２にガス吸着材Ａを添加するガス吸着材添加装置７と、プレヒータの排ガスに含まれるダストを集塵する集塵装置８と、集塵したダストＤに含まれる水銀を回収する水銀回収装置９とを備えるセメントキルン排ガス処理システム１。集塵装置で集塵したダストを直接プレヒータへ戻す第１循環ルート１１と、集塵装置で集塵したダストを水銀回収装置を経由してプレヒータへ戻す第２循環ルート１２と、集塵装置で集塵したダストを直接セメントキルンの窯尻へ戻す第３循環ルート１３と、集塵装置で集塵したダストを水銀回収装置を経由してセメントキルンの窯尻へ戻す第４循環ルート１４とを備えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、セメントキルン排ガスの処理システム及びその運転方法に関し、特に、セメントキルン排ガス中の水銀及び有機汚染物質の含有量を低減させることで、セメント製造装置の外部への排出量を低減するためのシステム等に関する。

セメントキルン排ガスには、極微量の金属水銀（Ｈｇ）が含まれている。その起源は、セメントの主原料である石灰石等の天然原料が含有する水銀の他、フライアッシュ等の多品種にわたるリサイクル資源に含まれる水銀である。今後、廃棄物のセメント原料化及び燃料化によるリサイクルが推進され、廃棄物の処理量が増加するに従い、セメントキルン排ガスに含まれる水銀濃度が増加する可能性が考えられる。

そこで、例えば、特許文献１には、セメントの製造工程から排出される排ガスに含まれる水銀等を効率よく除去し、水銀等を除去した集塵ダストをセメント原料に再利用するため、セメントキルン排ガスを集塵機によって除塵した後、捕集した集塵ダストを加熱炉に導き、集塵ダスト中の水銀を揮発温度以上に加熱して揮発させ、その後、吸着材等により吸着して除去するセメント製造排ガスの処理方法が提案されている。

一方、セメント原燃料として利用されるフライアッシュ、主灰、汚泥及び鉱滓等のリサイクル資源の中には、ダイオキシン類に代表される残留性有機汚染物質（ＰＯＰｓ、Persistent Organic Pollutants）、もしくはその骨格となり得る成分を含むものが少なからず存在する。通常、セメント焼成を安定的に行っていれば、これらの有機汚染物質の大部分は、キルン排ガス集塵機ダストによって捕捉されてセメント製造装置内を循環し、高温域において分解されるため、キルン排ガスから大気中へ放出される有機汚染物質の量は極々僅かであり、当然のことながら排出規制を下回っている。

しかし、セメント焼成に何らかのトラブルが発生して不安定になった場合、ＰＯＰｓが非意図的に再合成されてしまう可能性があり、キルン排ガスから大気中への排出量が増大してしまう虞を否定できない。そのため、これらの有機汚染物質の含有量をさらに低減することが望ましい。

そこで、例えば、特許文献２には、有機汚染物質のセメント製造装置からの排出量を低減するため、プレヒータからの排ガスに含まれるダスト中の、有機汚染物質を吸着する固体炭素量を制御する有機汚染物質排出量低減方法が提案されている。

特開２００２−３５５５３１号公報 特開２００８−２２２４７７号公報

しかし、上記特許文献に記載の発明を実際にセメントキルン排ガスの処理に適用した場合には、セメントキルン排ガス中の水銀及び有機汚染物質を各々個別に処理することとなり、必ずしも効率的であるとは言えない面もあった。

そこで、本発明は、水銀と有機汚染物質の両方のセメント製造装置からの排出量を包括的に効率よく低減することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、セメントキルン排ガス処理システムであって、セメント焼成装置のプレヒータから排出されるガスにガス吸着材を添加するガス吸着材添加装置と、前記プレヒータの排ガスに含まれるダストを集塵する集塵装置と、該集塵したダストに含まれる水銀を回収する水銀回収装置とを備えることを特徴とする。ここで、有機汚染物質とは、ダイオキシン類（ＰＣＤＤ、ＰＣＤＦ、ｃｏ−ＰＣＢ）、ポリ塩化ビフェニル（ＰＣＢｓ）等の残留性有機汚染物質（ＰＯＰｓ）や揮発性有機化合物（ＶＯＣ）をいう。

そして、本発明によれば、ガス吸着材添加装置により、セメント焼成装置のプレヒータから排出される排ガスに含まれる揮発した有機汚染物質をガス吸着材に吸着させ、ガス吸着材を集塵装置で集塵して回収すると共に、集塵したダストに含まれる水銀を水銀回収装置で回収することで、セメント製造装置から排出される水銀と有機汚染物質の両方を包括的に効率よく低減することができる。

上記セメントキルン排ガス処理システムは、前記集塵装置で集塵したダストを直接前記プレヒータへ戻す第１循環ルートと、前記集塵装置で集塵したダストを前記水銀回収装置を経由して前記プレヒータへ戻す第２循環ルートと、前記集塵装置で集塵したダストを直接セメントキルンの窯尻へ戻す第３循環ルートと、前記集塵装置で集塵したダストを前記水銀回収装置を経由してセメントキルンの窯尻へ戻す第４循環ルートとを備えることができる。これによれば、セメント焼成装置からの排ガスの水銀濃度及び有機汚染物質濃度に応じて、集塵装置で集塵されたダストの循環ルートを適宜選択することができ、セメント製造装置から排出される水銀と有機汚染物質を、そのときの濃度に応じて包括的に低減することができる。

上記セメントキルン排ガス処理システムにおいて、前記水銀回収装置は、前記集塵装置で集塵したダストを加熱し、該加熱によって揮発した水銀を回収すること、もしくは集塵したダストを洗浄し、該洗浄によって液体側に移行した水銀を回収することができる。

また、本発明は、上記セメントキルン排ガス処理システムの運転方法であって、前記プレヒータから排出されるガスの水銀濃度及び有機汚染物質濃度が所定値未満の場合には、前記ガス吸着材の添加を中止すると共に、前記ダストを前記第１循環ルートを経由して前記プレヒータに戻し、前記プレヒータから排出されるガスの水銀濃度が所定値以上で、かつ該排ガスの有機汚染物質濃度が所定値未満の場合には、前記ガス吸着材の添加を中止すると共に、前記ダストを前記第２循環ルートを経由して前記プレヒータへ戻し、前記プレヒータから排出されるガスの水銀濃度が所定値未満で、かつ該排ガスの有機汚染物質濃度が所定値以上の場合には、該排ガスに前記ガス吸着材を添加すると共に、該排ガスに含まれるダストを前記第３循環ルートを経由して前記セメントキルンの窯尻へ戻し、前記プレヒータからの排ガスの水銀濃度及び有機汚染物質濃度が所定値以上の場合には、該排ガスに前記ガス吸着材を添加すると共に、該排ガスに含まれるダストを前記第４循環ルートを経由して前記セメントキルンの窯尻へ戻すことを特徴とする。

そして、本発明によれば、上記発明と同様に、セメント焼成装置からの排ガスの水銀濃度及び有機汚染物質濃度に応じて、集塵装置で集塵されたダストの循環ルートを適宜選択することができ、セメント製造装置から排出される水銀と有機汚染物質を、そのときの濃度に応じて包括的に低減することができる。

上記セメントキルン排ガス処理システムの運転方法において、前記集塵装置で集塵されたダストの疎水性固体状未燃炭素の含有率を０．２質量％以上とすることができる。これによれば、有機汚染物質の吸着効率を向上させ、効果的に有機汚染物質を回収することができる。

以上のように、本発明によれば、セメント製造装置から排出される水銀と有機汚染物質の両方を包括的に効率よく低減することができる。

本発明に係るセメントキルン排ガスの処理システムの一実施の形態を示す全体構成図である。 図１のセメントキルン排ガスの処理システムにおいて電気集塵装置の集塵ダストの疎水性固体状未燃炭素の含有率と、集塵装置出口のダイオキシン類（ＤＸＮｓ）濃度との関係を示すグラフである。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係るセメントキルン排ガスの処理システムの一実施の形態を示し、この処理システム１は、セメントキルン２、プレヒータ３及び仮焼炉５を備えたセメント焼成装置に付設され、ボイラ等６を通過したプレヒータ３からの排ガスＧ２にガス吸着材Ａを添加するガス吸着材添加装置７と、排ガスＧ２に含まれるダスト及びガス吸着材Ａを集塵する電気集塵装置８と、電気集塵装置８で集塵されたダスト及びガス吸着材Ａ（以下、「ＥＰダストＤ」という）に含まれる水銀を回収する水銀回収装置９とで構成される。

セメントキルン２、プレヒータ３、仮焼炉５及び電気集塵装置８は、セメント製造装置に一般的に用いられているものであり、これらについての詳細説明は省略する。尚、ボイラ等６とは、排ガスＧ１を用いて廃熱発電を行うボイラや、排ガスＧ１の調温・調湿を行うスタビライザ（調湿塔）や、プレヒータ３に供給するセメント原料Ｒを生成するためのドライヤ、ミル等の原料系の設備である。

ガス吸着材添加装置７によって添加されるガス吸着材Ａは、一般的にガス吸着に有効な多孔質材料であることが好ましい。さらには、この多孔質材料は、疎水性固体状未燃炭素を含有することがより好ましく、例えば、市販品の活性炭、各種産業から発生するフライアッシュ、ボトムアッシュ、オイルコークス燃焼灰等が挙げられる。

ここで、疎水性固体状未燃炭素とは、固体状炭素のうち疎水性を有する多孔質の炭素質の粒子をいう。例えば、フライアッシュ等に含まれる全未燃炭素から、トルエンと水との液液抽出によってトルエン側で捕集される。

さらに、疎水性固体状未燃炭素において、ＢＥＴ法による比表面積が３０ｍ²／ｇ以上（好ましくは５０ｍ²／ｇ以上）、ＢＪＨ法によるメソ孔（２〜５０ｎｍ）の細孔容積が０．０３ｍＬ／ｇ以上（好ましくは０．０４ｍＬ／ｇ以上、より好ましくは０．０５ｍＬ／ｇ以上）の構造を有するものが好適である。

また、ガス吸着材Ａの添加位置としては、電気集塵装置８の直前であることが好ましい。これは、排ガスＧ１がボイラ等６を通過することにより、温度が３００℃以下に低下し、排ガスＧ１中の有機汚染物質の一部が生成・再合成するため、この位置でガス吸着材Ａを添加することで、より効果的に有機汚染物質を吸着することができるからである。

電気集塵装置８の後段には、排ガスＧ１の水銀濃度及び有機汚染物質濃度に応じて、ＥＰダストＤを循環させるための４つの循環ルート１１〜１４が配置される。第１循環ルート１１は、ＥＰダストＤを直接プレヒータ３に戻し、第２循環ルート１２は、ＥＰダストＤを水銀回収装置９を経由してプレヒータ３に戻し、第３循環ルート１３は、ＥＰダストＤを直接セメントキルン２の窯尻４に戻し、第４循環ルート１４は、ＥＰダストＤを水銀回収装置９を経由して窯尻４に戻すように各々構成される。

水銀回収装置９は、電気集塵機８で集塵されたＥＰダストＤに含まれる水銀を回収するために備えられる装置であり、水銀を効率よく回収し得るものであればよい。例えば、電気集塵装置８で集塵されたＥＰダストＤを、水銀が揮発する温度以上に加熱することによりＥＰダストＤ中の水銀を揮発させ、その後、揮発した水銀を回収する装置、もしくは、ＥＰダストＤを水又は酸化剤の溶解した水を用いて洗浄することで、ＥＰダストＤ中に含まれる水銀を液体側に移行させ、液体側に移行した水銀をキレート樹脂等の吸着材により回収する装置を備えることができる。

水銀回収装置９において、ＥＰダストＤを加熱する方法は、間接加熱又は直接加熱とすることができる。ＥＰダストＤを間接加熱する装置としては、例えば、外熱式の加熱炉とすることができる。一方、ＥＰダストＤを直接的に加熱する装置としては、例えば、内熱式の気流炉とすることができる。ここで、ＥＰダストＤを加熱するための熱源としては、例えば、熱風発生装置により発生させた熱風とすることができるが、セメントキルン２やプレヒータ３の排ガス、セメントキルン２に付設されたクリンカクーラの排ガスを用いることもできる。

間接加熱の場合には、外熱炉内の通風量を必要最小限に抑えることにより、ＥＰダストＤを加熱した後のガス中の水銀濃度を高めることができて好ましい。一方、直接加熱の場合には、ＥＰダストＤを加熱するための熱風が流れるダクト内に、ＥＰダストＤを熱風の流れに対向するように投入することで、ＥＰダストを効率よく加熱することができるため、水銀も効率よくガス側に揮発させることができると共に、有機汚染物質の一部（ＰＣＢ等）も回収することができる。ＥＰダストＤを気流炉で直接加熱する場合には、外熱炉で間接加熱する場合と比べて加熱効率が高く、必要な熱エネルギーが少なくて済む。

水銀回収装置９において、ＥＰダストＤの加熱により揮発した水銀の回収方法は、例えば、乾式法又は湿式法とすることができる。乾式法は、吸着材を用いた吸着回収である。吸着材を充填した塔に水銀含有ガスを通すことにより、水銀を吸着回収する。使用する吸着材は、水銀を回収し得るものであればよく、最もよく知られる吸着材は活性炭である。また、活性炭以外の吸着材としては、水銀と反応し得る金属（アマルガム形成金属）、それらの代わりにアマルガム形成金属を担持した吸着材、これらを組み合わせたものでもよい。一方、湿式法は、揮発した水銀が水溶性の形態をとる場合に適用することができる。この場合、水溶性の水銀を含有するガスをスクラバー等で湿式洗浄し、水銀を液体側に移行させ、液体側に移行した水銀をキレート樹脂等の吸着材により回収することができる。

ＥＰダストＤの加熱により揮発した水銀の回収に関して、ＥＰダストＤから揮発した水銀の形態が不溶性の金属水銀であっても、湿式法を適用したい場合には、ＥＰダストＤを加熱する前後の上記排ガス等に塩素又は塩素化合物を添加し、ＥＰダストから揮発した水銀を水溶性の塩化水銀等へ積極的に転化させることにより、効率よく水銀を回収することができる。また、ＥＰダストＤの加熱に用いる熱風中に塩素化合物が含まれている場合には、塩素又は塩素化合物の添加量を最適に制御することにより、水銀の塩素化反応を無駄なく効率よく行うことができる。

次に、上記構成を有するセメントキルンの排ガス処理システム１の動作について、図１を参照しながら説明する。

セメントキルン２の運転時に、プレヒータ３に供給されたセメント原料Ｒは、プレヒータ３で予熱され、仮焼炉５で仮焼された後、セメントキルン２にて焼成されてセメントクリンカが生成される。一方、セメントキルン２から排出された排ガスは、セメントキルン２の窯尻４、仮焼炉５を経てプレヒータ３から排出され、プレヒータからの排ガスＧ１をファン等（不図示）を介して電気集塵装置８に導入する。
そして、排ガスＧ１の水銀濃度及び有機汚染物質濃度に応じて、循環ルート１１〜１４の選択を行い、電気集塵装置８で捕集したＥＰダストＤを、以下に示す要領で循環させる。尚、電気集塵装置８でＥＰダストＤを捕集した後の排ガスＧ３は、大気へ放出される。

排ガスＧ１の水銀濃度及び有機汚染物質濃度が所定値未満の場合には、ＥＰダストＤを第１循環ルート１１を介して直接プレヒータ３へ戻す。このとき、ＥＰダストＤ中のガス吸着材Ａは、セメント製造装置内を循環するため、ガス吸着材添加装置７からガス吸着材Ａを添加する必要はない。

次に、排ガスＧ１の水銀濃度が所定値以上で、かつ有機汚染物質濃度が所定値未満の場合には、水銀濃度を低減する必要があるため、ＥＰダストＤを第２循環ルート１２へ供給し、水銀回収装置９で水銀を回収した後、プレヒータ３へ戻す。これにより、セメント製造装置からの排ガスＧ１の水銀濃度を低減することができる。尚、この場合も、有機汚染物質濃度が所定値未満であるため、上記と同様、ガス吸着材Ａを添加する必要はない。

また、排ガスＧ１の水銀濃度が所定値未満で、かつ有機汚染物質濃度が所定値以上の場合には、有機汚染物質濃度を低減する必要があるため、ＥＰダストＤを第３循環ルート１３を介して直接セメントキルン２の、９００〜１１００℃と高温の窯尻４へ戻すことで、ＥＰダストＤ中の有機汚染物質を燃焼分解することができる。これにより、セメント製造装置からの排ガスＧ１の有機汚染物質濃度を低減することができる。ここで、窯尻４に投入されたＥＰダストＤに含まれるガス吸着材Ａの一部が燃焼してしまうため、ガス吸着材添加装置７により排ガスＧ１にガス吸着材Ａを添加する。

排ガスＧ１の水銀濃度及び有機汚染物質濃度が所定値以上の場合には、水銀及び有機汚染物質の両方の濃度を低減する必要があるため、ＥＰダストＤを第４循環ルート１４へ供給し、水銀回収装置９で水銀を回収した後、セメントキルン２の窯尻４へ戻す。これにより、セメント製造装置からの排ガスＧ１の水銀及び有機汚染物質濃度を低減することができる。尚、この場合も、窯尻４に投入されたＥＰダストＤに含まれるガス吸着材Ａの一部が燃焼してしまうため、上記と同様、排ガスＧ１にガス吸着材Ａを添加する。

以上のように、本実施の形態によれば、排ガスＧ１の水銀濃度及び有機汚染物質濃度に応じて、セメント製造装置から排出される水銀と有機汚染物質の両方を包括的に低減することができる。

尚、上記実施の形態では、セメントキルン２の排ガスＧ２に含まれるダストを捕集するために電気集塵装置８を配置するが、電気集塵装置８に代えて、バグフィルタ、サイクロン、移動式集塵装置等を配置し、それら集塵装置によって排ガスＧ２に含まれるダストを捕集し、各循環ルート１１〜１４に搬送するようにしてもよい。

セメントキルン２の運転時に、ガス吸着材添加装置７により排ガスＧ１に上記ガス吸着材Ａを添加して有機汚染物質を吸着した。図２は、その際に、集塵装置８で回収されたＥＰダストＤの疎水性固体状未燃炭素含有率と、集塵装置８の排ガスＧ３中のダイオキシン類（ＤＸＮｓ）の濃度との関係を示すグラフである。

疎水性固体状未燃炭素含有率は、ＥＰダストＤをトルエンを用いて液液抽出し、トルエン側に捕集された固体成分を分離後、塩酸を添加して処理し、再び固液分離をして乾燥させた物質（残渣）の重量を秤量して当初のＥＰダスト量をもとに残分率を求め、残分率及び残渣中の炭素量測定値をもとに、以下の計算式を用いて算出した。

疎水性固体状未燃炭素含有率（質量％）＝残渣中の炭素量測定値（質量％）×残分率（質量％）／１００
このグラフから明らかなように、集塵装置８で回収されたＥＰダストＤの疎水性固体状未燃炭素量が増加するに伴い、集塵装置８の排ガスＧ３中のダイオキシン類の濃度が減少するという負の相関を有していることが分かる。そして、集塵装置８で回収された集塵ダストＤの疎水性固体状未燃炭素含有率が０．２質量％以上となるように、ガス吸着材添加装置７から集塵装置８の入口ダクト等へ吸着材Ａを投入することで、排ガスＧ３中のダイオキシン類の濃度を環境基準の０．１ｎｇ−ＴＥＱ／ｍ³Ｎ以下に低減することができる。

１ セメントキルン排ガスの処理システム
２ セメントキルン
３ プレヒータ
４ 窯尻
５ 仮焼炉
６ ボイラ等
７ ガス吸着材添加装置
８ 電気集塵装置
９ 水銀回収装置
１１ 第１循環ルート
１２ 第２循環ルート
１３ 第３循環ルート
１４ 第４循環ルート
Ｄ ＥＰダスト
Ｇ１〜Ｇ３ 排ガス

Claims (5)

1. セメント焼成装置のプレヒータから排出されるガスにガス吸着材を添加するガス吸着材添加装置と、
   前記プレヒータの排ガスに含まれるダストを集塵する集塵装置と、
   該集塵したダストに含まれる水銀を回収する水銀回収装置とを備えることを特徴とするセメントキルン排ガス処理システム。
2. 前記集塵装置で集塵したダストを直接前記プレヒータへ戻す第１循環ルートと、
   前記集塵装置で集塵したダストを前記水銀回収装置を経由して前記プレヒータへ戻す第２循環ルートと、
   前記集塵装置で集塵したダストを直接セメントキルンの窯尻へ戻す第３循環ルートと、
   前記集塵装置で集塵したダストを前記水銀回収装置を経由してセメントキルンの窯尻へ戻す第４循環ルートとを備えることを特徴とする請求項１に記載のセメントキルン排ガス処理システム。
3. 前記水銀回収装置は、前記集塵装置で集塵したダストを加熱し、該加熱によって揮発した水銀を回収すること、もしくは集塵したダストを洗浄し、該洗浄によって液体側に移行した水銀を回収することを特徴とする請求項１又は２に記載のセメントキルン排ガス処理システム。
4. 請求項２又は３に記載のセメントキルン排ガス処理システムの運転方法であって、
   前記プレヒータから排出されるガスの水銀濃度及び有機汚染物質濃度が所定値未満の場合には、前記ガス吸着材の添加を中止すると共に、前記ダストを前記第１循環ルートを経由して前記プレヒータに戻し、
   前記プレヒータから排出されるガスの水銀濃度が所定値以上で、かつ該排ガスの有機汚染物質濃度が所定値未満の場合には、前記ガス吸着材の添加を中止すると共に、前記ダストを前記第２循環ルートを経由して前記プレヒータへ戻し、
   前記プレヒータから排出されるガスの水銀濃度が所定値未満で、かつ該排ガスの有機汚染物質濃度が所定値以上の場合には、該排ガスに前記ガス吸着材を添加すると共に、該排ガスに含まれるダストを前記第３循環ルートを経由して前記セメントキルンの窯尻へ戻し、
   前記プレヒータからの排ガスの水銀濃度及び有機汚染物質濃度が所定値以上の場合には、該排ガスに前記ガス吸着材を添加すると共に、該排ガスに含まれるダストを前記第４循環ルートを経由して前記セメントキルンの窯尻へ戻すことを特徴とするセメントキルン排ガス処理システムの運転方法。
5. 前記集塵装置で集塵されたダストの疎水性固体状未燃炭素の含有率が０．２質量％以上であることを特徴とする請求項４に記載のセメントキルン排ガス処理システムの運転方法。

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