JP4426923B2 - セメントキルンの排ガスの処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、各種の廃棄物を原料や燃料として用いるセメントキルンから排出される、水銀等の重金属を含む排ガスの処理方法に関する。

近年、廃棄物の最終処分場（埋立て地等）の確保が困難になりつつある中で、セメント製造の原料または燃料の一部として、各種汚泥や焼却灰等の廃棄物が用いられている。
しかし、これら廃棄物に含まれている水銀、亜鉛、セレン等の重金属は、セメントキルン内で揮発して、排ガス中に揮発成分または固体分として含まれた状態で排出される。排ガス中の水銀等の重金属は、有害物質であるため、適当な方法を用いて除去することが必要である。
かかる事情の下、セメントキルンの排ガスから重金属等を除去する方法として、種々の方法が提案されている。

例えば、セメント製造工程の排ガスから捕集した集塵ダストを加熱炉に導き、集塵ダストに含まれる揮発性金属成分（例えば、水銀）の揮発温度以上に加熱して上記揮発性金属成分をガス化して除去し、揮発性金属成分を除去した集塵ダストをセメント原料の一部に用いることを特徴とするセメント製造排ガスの処理方法が、提案されている（特許文献１）。
特開２００２−３５５５３１号公報

上述の文献に記載されているセメント製造排ガスの処理方法は、捕集した集塵ダストを加熱して、水銀等の揮発性金属成分を揮発させ除去するものであるため、除去対象物（揮発性金属成分）以外の本来加熱を要しない多量の固体分を加熱することになり、加熱炉の容積及び熱エネルギーの使用量の観点から、不経済な面がある。
一方、捕集した集塵ダストを、加熱せずにセメント原料の一部として用いた場合には、集塵ダストに含まれている重金属が、セメントキルン内で再び揮発し、以後、セメント製造設備内を循環することになる。また、セメントキルン内への新たな原料の供給に伴い、セメント製造設備内を循環する重金属の量が、次第に増大することになる。したがって、集塵ダストを無処理でセメント原料として使用することは、好ましくない。
そこで、本発明は、加熱手段を設けることなく、セメントキルンの排ガスに含まれている水銀等の重金属を効率的に除去することのできる方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、セメントキルンの排ガスに含まれているダストの中には、重金属の含有率の高いダストと、重金属の含有率の低いダストが混在し、これらのダストの中から、所定の手段を用いて、重金属の含有率の高いダストを選択的に回収したうえで、重金属の含有率の低いダストのみをセメントキルンに投入すれば、前記の課題を達成しうることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の［１］の方法を提供するものである。
［１］
セメントキルンの排ガスに含まれているダストを、所定の手段を用いて、重金属の含有率の高いダストと、重金属の含有率の低いダストに分離して回収した後、得られた重金属の含有率の低いダストを、前記セメントキルンに供給するセメントキルンの排ガスの処理方法であって、前記所定の手段が、重金属の含有率の高いダストとして、未燃カーボンを回収する手段であることを特徴とするセメントキルンの排ガスの処理方法。

本発明の方法によれば、セメントキルンの排ガス中に固体分として含まれている水銀等の重金属を、加熱して揮発させる方法（換言すれば、多量の熱エネルギーを消費する方法）を用いずに、効率的に除去することができる。
また、本発明の方法によれば、重金属の含有率の低いダストをセメントキルンに返送して、セメントクリンカ製造用の原料として用いているので、セメント製造設備内で循環する重金属の量を少量に抑えることができる。もっとも、加熱して重金属を揮発させる従来の方法と、本発明の方法を併用することもでき、前段階で、本発明の方法を用いて処理して重金属の含有率を低くしておけば、後段階（従来の方法）における熱エネルギーの消費量を削減することができる。
さらに、本発明の方法によれば、重金属の含有率の高いダストと、重金属の含有率の低いダストの両方を回収するため、セメント製造設備の系外に排出される排ガス中には、重金属が実質的に含まれず、周囲の環境中への重金属の拡散を防止することができる。

本発明の排ガスの処理方法は、セメントキルンの排ガスに含まれているダストを、所定の手段を用いて、重金属の含有率の高いダストと、重金属の含有率の低いダストに分離して回収した後、得られた重金属の含有率の低いダストを、セメントキルンに供給するものである。
ここで、「セメントキルン」とは、セメントクリンカを焼成するための加熱炉をいい、例えば、ロータリーキルンが挙げられる。
「セメントキルンの排ガス」とは、セメントキルン及びその関連設備（例えば、仮焼炉）においてセメントクリンカ原料の焼成または仮焼（脱炭酸反応）によって生じる排ガスを意味する。
「ダスト」とは、本明細書において、排ガス中の固体分を総称する語であり、粗粒分（粒径が６０μｍを超えるもの）、細粒分（粒径が１０〜６０μｍのもの）、及び微粒子（粒径が１０μｍ未満のもの）を含む。
「所定の手段」は、後で詳述するように、「重金属の含有率の高いダストとして、未燃カーボンを回収する手段」である。
「重金属」とは、本発明においては主に、揮発性の高い重金属（揮発時の温度が比較的低いもの）が対象となり、具体的には、水銀、亜鉛、セレン、タリウム等が挙げられる。

上述の「所定の手段」について、以下に説明する。
「所定の手段」は、重金属の含有率の高いダストとして、未燃カーボンを回収する手段である。
ダストの中でも未燃カーボンが、水銀等の重金属を吸着する性能が特に大きいとの知見を得たことから、この未燃カーボンを分離し回収することによって、排ガス中の重金属を効率的に除去しようというものである。
なお、回収される未燃カーボンの純度は、好ましくは６０質量％以上、より好ましくは７０質量％以上、特に好ましくは８０質量％以上である。未燃カーボンの大部分は、１０μｍ以下の粒径を有する微粒子である。
この場合、未燃カーボンを回収する手段として、例えば、風選機、振動篩等の乾式の手段や、重油、灯油等の有機溶媒及び水を用いた分離手段等の湿式の手段が挙げられる。
ここで、風選機とは、送風機を用いて下方から送風すると同時に、上方からダストを投入して落下させて、ダストの一部（未燃カーボンを主体とするもの）を上方に移動させ、かつ、ダストの残部（未燃カーボンを含まないもの）を下方に移動させることによって、ダストから未燃カーボンを回収する装置である。

振動篩とは、所定の容器内にダストを収容した後、該容器を自動的に振動させて、ダストの一部（未燃カーボンを主体とするもの）が下層を形成し、かつ、ダストの残部（未燃カーボンを含まないもの）が上層を形成するようにして、その後、下層部分（未燃カーボンを主体とするもの）のみを回収するように構成した装置である。
有機溶媒及び水を用いた分離手段とは、トルエン等の有機溶媒と、水と、ダストとを所定の容器内に収容して、所定時間、振とうした後、静置して、有機溶媒層と水層からなる液体を得て、次いで、この液体から分離して回収した有機溶媒層を対象にして、水との混合、振とう及び分離の処理を数回繰り返して、有機溶媒中に未燃カーボンを抽出するように構成した手段である。なお、有機溶媒中の未燃カーボンは、有機溶媒を必要に応じて加熱して、蒸散させることによって、容易に固体分として回収することができる。
有機溶媒及び水を用いた分離手段は、未燃カーボンが親油性で、ダスト（未燃カーボン以外のもの）が親水性であることから、ダスト（未燃カーボン以外のもの）が水層に、未燃カーボンが有機溶媒層に分離されることに着目したものである。

以下、本発明の排ガスの処理方法を、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の方法で用いられる排ガスの処理システムを示す図である。
図１中、まず、セメントクリンカ原料（具体的には、石灰石、粘土、珪石、鉄滓、鋳物砂・スラグ・アルミナスラッジ・都市ごみの焼却灰等の廃棄物等）を、ドライヤ（乾燥機）１で乾燥した後、原料ミル（粉砕機）２で粉砕して混合し、さらに必要に応じてフライアッシュを添加し、次いで、原料供給路３を経由してサスペンションプレヒータ４に供給する。
ここで、サスペンションプレヒータ４は、熱交換を行ないながらセメントクリンカ原料を予熱するためのものであり、複数のサイクロン４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄから構成されている。
セメントクリンカ原料は、サスペンションプレヒータ４内において、上段のサイクロン４ａから下方のサイクロンへと順次移動しながら予熱され、ロータリーキルン５へと供給される。なお、ロータリーキルン５は、セメントクリンカを焼成するための加熱炉（セメントキルン）である。
サスペンションプレヒータ４とロータリーキルン５の間には、仮焼炉６を併設してもよい。仮焼炉６は、セメント原料の仮焼（脱炭酸反応）を促進させるために設けられる。

ロータリーキルン５内に供給されたセメントクリンカ原料は、１，３００〜１，６００℃の温度条件下で焼成されて、セメントクリンカとなる。ロータリーキルン５から排出されたセメントクリンカは、石膏等を添加された後、仕上げミル７内で微粉砕され、セメントとなる。
ロータリーキルン５及び仮焼炉６内の燃焼によって発生する排ガス、及び、セメント原料が加熱分解（脱炭酸反応）される際に発生する排ガスは、ロータリーキルン５及び仮焼炉６からサスペンションプレヒータ４内に流入して、サスペンションプレヒータ４内を上方へと移動していき、最上段のサイクロン４ａに達した後、最上段のサイクロン４ａに接続されている排ガス路８（図１中、一点鎖線で示す。）内に流入する。そして、排ガスは、熱源となるために原料ミル２及びドライヤ１を通過し、排ガス路８から集塵機９内に流入し、集塵機９にて排ガス中のダストを除去する処理を施された後、処理済みガス用排出路１０を経由して、最終的には煙突１１から大気中へと排出される。

集塵機９は、セメントキルンの排ガス中の重金属（例えば、水銀）を含むダストを捕集するためのものである。集塵機９としては、通常、電気集塵機が用いられるが、それ以外の集塵機（例えば、重力集塵装置、慣性力集塵装置、遠心力集塵装置、濾過集塵装置等）を用いてもよい。
集塵機９を設置する場所は、サスペンションプレヒータ４から排出された排ガスの温度が３０〜１５０℃（特に、５０〜１２０℃）に低下した地点に定めることが好ましい。このように比較的低い温度下でダストを捕集した場合、ダストに含まれる重金属（例えば、水銀）の量が多くなるので、集塵機９による処理後の排ガスに含まれる重金属の濃度を低減することができ、好都合である。
集塵機９で捕集されたダストには、セメントの原料の一部を構成する廃棄物の種類によっても異なるが、通常、０．１〜１００ｍｇ／ｋｇ程度の水銀、及びその他の重金属が含まれている。

集塵機９で捕集されたダストは、水銀等の重金属の含有率の高いダストを除去する工程（高濃度部の除去工程）を経た後、重金属の含有率の低いダストとして、原料ミル２とサスペンションプレヒータ４の間の所定の地点にて、原料供給路３に投入され、セメントクリンカ原料の一部となる。
高濃度部の除去工程は、上述のとおり、具体的には、未燃カーボンの選択的除去によって行なわれる。
なお、図１中、矢印Ａで示す経路は、高濃度部の除去工程を設けない場合（本発明に該当しない場合）を示し、矢印Ｂで示す経路は、高濃度部の除去工程を設けた場合（本発明に該当する場合）を示す。

［実施例１］
セメント工場の電気集塵機で捕集したダスト１００ｇと、トルエン２００ミリリットルと、蒸留水２００ミリリットルとを、１リットルの分液ロートに入れて、３０分間振とうした後、トルエン層と水層を分離した。この操作を数回繰り返し、未燃カーボンをトルエン層中に抽出した。次いで、トルエン層を回収し、このトルエンを室温で自然に蒸散させて、固体分である未燃カーボン（純度：９０％）を得た。この固体分を乾燥させた後、質量を測定し、未燃カーボンの量とした。
次に、未燃カーボンを含むダスト（処理前のダスト）、未燃カーボン、未燃カーボンを含まないダスト（処理後のダスト）の各々について、水銀測定専用装置（商品名：ＳＰ−３Ｄ、日本インスツルメンツ社製）を用いて、水銀の量を測定した。
結果を表１に示す。表１から、電気集塵機で捕集したダストから未燃カーボンを除去することによって、ダストに含まれる水銀の量が大幅に減少することがわかる。

本発明の方法で用いられる排ガスの処理システムを示す図である。

符号の説明

１ ドライヤ（乾燥機）
２ 原料ミル（粉砕機）
３ 原料供給路
４ サスペンションプレヒータ
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ サイクロン
５ ロータリーキルン
６ 仮焼炉
７ 仕上げミル
８ 排ガス路
９ 集塵機
１０ 処理済みガス用排出路
１１ 煙突
Ａ 本発明の方法に属さない経路
Ｂ 本発明の方法に属する経路

Claims (1)

1. セメントキルンの排ガスに含まれているダストを、所定の手段を用いて、重金属の含有率の高いダストと、重金属の含有率の低いダストに分離して回収した後、得られた重金属の含有率の低いダストを、前記セメントキルンに供給するセメントキルンの排ガスの処理方法であって、
   前記所定の手段が、重金属の含有率の高いダストとして、未燃カーボンを回収する手段であることを特徴とするセメントキルンの排ガスの処理方法。

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