7
Cement Science and Concrete Technology, No.65, 2011 529 要旨:流動層セメント焼成システムは、他の炉型式に比べ優れた反応効率を有する革新的なセメント製造 技術である。本研究では、中国山東省に建設された生産能力 1,000t/日の同システムにおいて試験製造さ れたクリンカーの化学分析、リートベルト解析及び顕微鏡観察等の品質確認試験を実施した。その結果、 同システムにて製造されたクリンカーは、ロータリーキルン方式で製造されたものとは生成プロセスや焼 成温度・焼成時間等が異なるものの、焼成状態は概ね良好であることが分かった。 流動層セメント焼成システムにて製造されたクリンカーの特徴 安藤重裕 * 1 野村博史 * 2 関広真紀 * 2 * 1 住友大阪セメント株式会社 セメント・コンクリート研究所(〒274-8601 千葉県船橋市豊富町 585) * 2 住友大阪セメント株式会社 セメント・コンクリート研究所(〒551-0021大阪府大阪市大正区南恩加島 7-1-55) キーワード:流動層セメント焼成システム(FAKS)、クリンカー 1. はじめに 流動層セメント焼成システム(以下、FAKS)は、炉内 の均一な粒子混合状態と一様な温度分布により、他の炉 型式に比べ優れた反応効率を有する革新的なセメント製 造技術である。その技術開発は、川崎重工業(株)と当 社の共同研究に始まり、(財)石炭利用総合センター(現 (財)石炭エネルギーセンター)と(社)セメント協会が実 施した 200t/日スケールアッププラントによる共同試験 をもって完了した。 この間、FAKS におけるクリンカーの生成プロセスに 関する調査研究が行われ、その成果については既に報告 がなされている 1) その後、カワサキプラントシステムズ(株) (現 川崎重 工業(株))は、(独)新エネルギー・産業技術総合開発機構 (NEDO)の国際石炭利用対策事業において、中国山東省 に 1,000t/ 日の FAKS を建設し、その性能確認のため試 験製造を実施した 2) 。当社は当該試験製造時に採取され たクリンカーについて、カワサキプラントシステムズ(株) より試料提供を受け、以下の品質確認試験を実施した。 2. FAKS の概要 FAKS の特長としてまず挙げられるのは、流動層に おける粒子混合状態が均一で燃焼反応や固体 - 気体間 の熱伝達率が良いため、低品位炭や揮発分の多い石炭等 Fig. 1 Outline of NSP rotary kiln and FAKS Watanabe et al., 2007

Characterization of Clinker Produced by Fluidized Bed Advanced Cement Kiln System

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流動層セメント焼成システムにて製造されたクリンカーの特徴

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  • Cement Science and Concrete Technology, No.65, 2011

    529

    1,000t/

    *1 *2 *2

    *1274-8601 585*2 551-0021 7-1-55

    FAKS

    1.FAKS

    200t/

    FAKS

    1

    NEDO

    1,000t/ FAKS

    2

    2.FAKS FAKS

    -

    Fig. 1Outline of NSP rotary kiln and FAKSWatanabe et al., 2007

  • Cement Science and Concrete Technology, No.65, 2011

    530

    CO2NOx

    NSP FAKS

    3

    FCK

    Fig. 1

    30

    FBQ PBC 2

    FAKS

    Fig. 2

    3. FAKS

    3 ABC

    A2

    FAKS 13mm

    Photo. 1

    4.4. 1JIS R 5202

    JCAS-01

    12 4. 2 XRD

    X XRD

    X XPert PRO MPD

    X CuKa

    45kV 40mA

    C3SM1M3 C2S

    C3AC4AFPericlase

    K2SO4K3NaSO42 f-CaO4. 312mm

    0.1 -

    Fig. 2 Schematic model of nucleation process in the FBK systemYuko et al., 2000

    VHX-5004. 4

    3,400

    100cm2/g

    SO3

    2.0

    Photo. 1Overview of clinker produced by FAKS

  • Cement Science and Concrete Technology, No.65, 2011

    531

    JIS R 5201

    4. 5

    3,400100cm2/g

    SO3 2.0

    V

    A

    Table 1

    55 45 2 1

    2

    Table 1

    AE

    JIS A 1101

    JIS A 1128

    JIS A 1108

    5.5. 1 Table 2

    f-CaO 0.41.1 3

    MgO

    5. 2 XRD Table 3

    A

    C C3S M1/C3S

    MgO C3S-M3

    B C2S

    2

    5. 3

    C Fig. 3 Fig. 6

    Fig. 3

    30m

    Table 1Specified Mix Proportion

    Sample NameW/C

    S/A

    Slumpcm

    Air Content

    Quantity of Material per Unit Volume of Concretekg/m3

    Water Cement Sand 1 Sand 2 Gravel

    B55 44.5 12 4.5

    168 305 559 237 1,005C 168 305 559 237 1,007

    B45 45.0 18 4.5

    167 371 549 232 968C 167 371 549 235 968

    Table 2Chemical Composition of FAKS Clinker

    Sample NameChemical Composition

    Ig.loss insol. SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO

    A 0.07 0.24 22.53 5.00 3.26 64.38B 0.42 0.34 21.28 5.44 2.43 65.53C 0.23 0.28 23.26 4.71 2.73 64.77

    Sample NameChemical Composition

    MgO SO3 Na2O K2O TiO2 f-CaO

    A 2.56 0.39 0.38 0.49 0.27 0.4B 2.81 0.62 0.18 0.52 0.23 1.1C 2.78 0.43 0.18 0.32 0.23 0.6

    Sample NameModulus Mineral Composition Based on Bogue Formula

    HM SM C3S C2S C3A C4AF

    A 2.09 2.73 52.5 25.0 7.7 9.9B 2.25 2.70 64.9 12.1 10.3 7.4C 2.11 3.13 51.3 28.0 7.9 8.3

  • Cement Science and Concrete Technology, No.65, 2011

    532

    Fig. 4

    10m

    Fig. 5

    FAKS1,325

    1,450 100

    Fig. 6

    5. 4 Table 4 Fig. 7

    Fig. 10 B

    2

    Table 3Mineral Composition of FAKS Clinker

    Sample NameMineral Composition

    C3S C2S C3A C4AF Periclase K2SO4 K3NaSO42 f-CaO

    A 56.7 25.6 6.6 8.5 1.8 0.4 0.4 0.3B 62.0 18.1 9.6 7.0 2.1 0.3 0.7 0.1C 57.2 24.7 5.9 9.4 2.1 0.3 0.4 0.0

    Sample NameRatio of Crystalline Phase in its Mineral Dierence between Rietveld Analysis and Bogue Formula

    M1/C3S '/C2S ort/C3A C3S C2S C3A C4AF

    A 0.21 0.07 0.38 4.2 0.7 -1.2 -1.4B 0.25 0.10 0.30 -2.8 5.7 -0.6 -0.4C 0.25 0.06 0.34 4.7 -2.3 -1.6 1.1

    Fig. 6Interstitial PhaseSample C

    Fig. 3Whole Texture of ClinkerSample C

    Fig. 4Alite CrystalsSample C

    Fig. 5Belite CrystalsSample C

  • Cement Science and Concrete Technology, No.65, 2011

    533

    B

    B 2 C3S HM

    Table 2

    3

    MgO

    A

    C

    5. 5 Table 5

    Table 6Fig. 11 Fig. 12

    Fig. 9Flow of FAKS Cement

    Fig. 8Setting Time of FAKS Cement

    Fig. 7 Density and Specific Surface Area of FAKS Cement

    Table 4Results of Physical Tests for FAKS Cement

    Sample NameDensityg/cm3

    Specic Surface Areacm2/g

    Setting Time TestFlowmmWater Content

    Initial Setting Time Final Setting Time

    A 3.15 3,640 29.2 2-45 3-48 212B 3.12 3,570 30.4 1-31 2-27 206C 3.15 3,630 30.0 2-02 3-08 206

    Sample NameCompressive StrengthN/mm2 Bending StrengthN/mm2

    3 days 7 days 28 days 91 days 3 days 7 days 28 days 91 days

    A 32.2 39.8 53.3 61.7 6.7 7.6 8.6 9.1B 34.2 42.6 54.8 60.8 7.2 8.1 8.7 8.2C 28.4 38.7 53.9 65.7 5.9 7.4 8.8 9.7

    Fig. 10Compressive Strength of FAKS Cement

  • Cement Science and Concrete Technology, No.65, 2011

    534

    6.0

    2

    B

    6.FAKS

    1 T. Yuko et al.New clinker formation process

    by the fluidized bed kiln system, Cement and

    Concrete Research, vol. 30, pp. 1113-11202000

    2

    165

    pp. 6-92007

    Table 6Compressive Strength of Concrete

    Sample Name

    W/C

    3 days 7 days 28 days 91 days

    Measured Value

    Compensated Value

    Measured Value

    Compensated Value

    Measured Value

    Compensated Value

    Measured Value

    Compensated Value

    B55-1

    55

    11.9 11.7 17.6 17.2 23.6 23.1 28.2 27.6B55-2 11.9 11.2 18.5 17.5 23.6 22.3 30.0 28.4C55-1 12.9 12.3 19.7 18.7 28.0 26.6 36.9 35.1C55-2 14.5 14.2 20.0 19.6 28.5 27.9 37.4 36.7

    B45-1

    45

    20.8 22.7 26.9 29.3 34.0 37.1 39.8 43.4B45-2 20.3 20.9 25.8 26.6 33.2 34.2 39.8 41.0C45-1 21.3 21.3 29.6 29.6 37.2 37.2 49.2 49.2C45-2 21.5 22.7 29.6 31.2 37.3 39.4 49.5 52.2

    UnitN/mm2

    Table 5Property of Fresh Concrete

    Sample NameW/C

    Slumpcm Air Content

    Temprature of ConcreteMeasured Value Compensated Value

    B55-1

    55

    5.6 6.6 5.6 21.0B55-2 4.1 6.9 4.9 21.1C55-1 5.2 7.7 5.0 20.7C55-2 4.8 5.8 5.6 20.7

    B45-1

    45

    8.3 3.8 7.8 21.5B45-2 7.2 5.7 6.6 21.7C45-1 8.4 8.4 6.0 21.2C45-2 9.2 6.5 7.1 21.2

    Fig. 11 Compressive Strength of Concrete with W/C of 55

    Fig. 12 Compressive Strength of Concrete with W/C of 45

  • Cement Science and Concrete Technology, No.65, 2011

    535

    Shigehiro ANDO*1, Hiroshi NOMURA*2 and Maki SEKIHIRO*2

    *1 SUMITOMO OSAKA CEMENT Co., Ltd., Cement/Concrete Research Laboratory585, Toyotomi-cho, Funabashi-shi, Chiba 274-8601, Japan

    *2 SUMITOMO OSAKA CEMENT Co., Ltd., Cement/Concrete Research Laboratory7-1-55, Minamiokajima, Taisyo-ku, Osaka-shi, Osaka 551-0021, Japan

    ABSTRACTFluidized bed Advanced cement Kiln SystemFAKSis an innovative cement manufacturing technology with higher reaction efficiency than any other kiln system. A FAKS plant with the capacity of 1,000 tons/day was constructed by Kawasaki Plant Systems in the International Coal Utilization Project by New Energy and Industrial Technology Development OrganizationNEDOin Shandong Province, China. And its performance tests were conducted. In this study, clinker samples from a FAKS plant were examined by Chemical Analysis, Rietveld Analysis and Optical Microscopy. Moreover, physical tests for cement and tests for slump, air content and compressive strength of concrete were performed to confirm their qualities. As a result, it is clear that clinker produced by FAKS was burned as well as by conventional rotary kiln system, though there are differences in the process of clinker minerals formation, burning conditions such as temperature and retention time in the kiln, etc. Compared among the clinker samples from a FAKS plant, there was a significant difference in especially the increase of compressive strength in the long term. It is obvious that the physical property of cement could have been affected by the difference of mineral composition in our tests. In addition, it is possible that it might have been affected by the difference of a melting state of minor constituents such as MgO in clinker minerals.

    KEY WORDSFluidized bed advanced cement kiln systemFAKS, Clinker

    CHARACTERIZATION OF CLINKER PRODUCED BY FLUIDIZED BED ADVANCED CEMENT KILN SYSTEM