革新的セメント製造プロセス基盤技術開発の概要について

平成２４年１２月１７日

製造産業局住宅産業窯業建材課

宇部興産株式会社

住友大阪セメント株式会社

太平洋セメント株式会社

三菱マテリアル株式会社

第１回 革新的セメント製造プロセス基盤技術開発プロジェクト

中間評価検討会

資料５

目 次

１．プロジェクトの概要

２．目的・政策的位置付け

３．目標

４．成果、目標の達成度

５．事業化、波及効果

６．研究開発マネジメント・体制等

1

１．プロジェクトの概要

概 要

実施期間

予算総額

実 施 者

統括リーダー

○セメント産業はエネルギー多消費産業の一つであり、ＣＯ２排出量は我が国産業部門の約６％を占めている。

○我が国セメント産業の省エネ技術は既に世界最高水準にあり、既存技術による省エネはほぼ限界に達しているが、更なる省エネ・低炭素化に向けた取組が求められている。

○このため、本プロジェクトでは、セメント製造プロセスで最もエネルギーを消費するクリンカの焼成工程において、焼成温度低下等を可能とする革新的な製造プロセスの基盤技術の開発を行い、我が国セメント産業の一層の省エネ・低炭素化を図るもの。

平成２２年度～平成２６年度（５年間）

総額７．４億円[予定]（補助 [補助率：２/３]）（平成２２年度：１．４億円 平成２３年度：１．６億円 平成２４年度：１．６億円）

宇部興産㈱、住友大阪セメント㈱、太平洋セメント㈱、三菱マテリアル㈱

平尾 宙 太平洋セメント㈱ 中央研究所

2

２．プロジェクトの目的・政策的位置付け3

●省エネルギー技術戦略2011（NEDO、経済産業省）における「省エネ型製造プロセス」

4

●グリーン政策大綱（国家戦略室）における「省エネのさらなる深化－産業部門」

（出典） 第１７回エネルギー・環境会議（２０１２．１１．２７）配布資料より

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３．目標 （全体）

全体目標 妥当性・設定理由・根拠等

［中間目標：平成２４年度］

焼成温度低下等を実現する省エ

ネ型クリンカ焼成システムの要素

技術を開発し、単位セメント製造

重量当たりのエネルギー消費量（

以下、「エネルギー原単位」という

。）8％削減を目標とする革新的プロセスの設計提案を行い評価

する。

［最終目標：平成２６年度］

エネルギー原単位を8％削減するセメント製造プロセス全体の設

計提案を行い、実験的検証によ

って実用化への技術課題を明確

にする。

平成21年度NEDO事前研究によると、鉱化剤使用において

は、100～150℃の焼成温度低減によるエネルギー原単位

削減割合は2～3％にとどまる。また、セメント強度向上効果

によりクリンカの一部を石灰石等の混和材に置き換えるに

は、普通ポルトランンドセメントのJIS規格により混和材添加

率に制限があり、クリンカ使用量削減によるエネルギー原単

位削減割合は5％以下となる。そのため、現段階で想定でき

るエネルギー原単位削減量は、7～8％程度となる。

一方、平成21年度NEDO先導調査によれば、理論的には、

ビーライト割合約20％の普通ポルトランンドセメントに比べ、

例えばビーライト割合約60％の低熱ポルトランドセメントは、

約6％のエネルギー原単位削減が、また、ビーライト－アウ

イン系クリンカは鉱物組成の変化に応じ、6～20％のエネル

ギー原単位削減が期待できる。

6

キルンバーナ

原料

原 料粉砕機

クリンカ

高精度キルン内温度計測

キルン内部状況解明焼成プロセス解析

焼成温度低減

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析

省エネ型クリンカ焼成技術開発

クリンカ焼成プロセスの計測技術

(2)革新的セメント製造プロセスの設計

(1)省エネ型クリンカ焼成システムのための要素技術開発

エネルギー原単位８％削減

（ 融 合 ）

品質と省エネの両立

住友大阪社

太平洋社

宇部社

三菱マテ社

住友大阪社

鉱化剤使用

鉱物組成変更省エネセメント

ｽﾍﾟｸﾄﾙ計測等

放射温度計等

クーラ

統合ｼﾐｭﾚｰﾀ開発

研究開発分担研究開発分担7

３．目標 （鉱化剤：住友大阪セメント㈱）

要素技術 目標・指標

（事後評価時点）

目標・指標

（中間評価時点）

妥当性・設定理由・根拠等

(1)省エネ型クリンカ焼成技術開発

(a)鉱化剤使用によるセメントクリン

カ低温焼成技術開

発

実機適用への課

題を抽出する。

実験室規模の電気

炉で選定された鉱化

剤種類、量、割合及

び、鉱物組成のクリ

ンカについてテスト

キルンを用いた製造

試験を行い、実機焼

成での焼成温度低

減（100℃）を図るための焼成条件を明

確化する。

セメント焼成エネルギ－低減技術

の一つとして鉱化剤を用いた焼成

温度低下技術があるが、国内にお

いては鉱化剤の実機製造による適

用は十分に行われておらず、その

技術を確立することは重要である。

8

３．目標 （鉱物組成変更：太平洋セメント㈱）

要素技術 目標・指標

（事後評価時点）

目標・指標

（中間評価時点）

妥当性・設定理由・根拠等

(1) 省エネ型クリン

カ焼成技術開発

(b)鉱物組成変更

による省エネ型ク

リンカ焼成技術開

発

鉱物組成変更によ

る省エネ型クリン

カ焼成における諸

条件の最適化およ

び実機焼成におけ

る課題を抽出する。

ｱ) ビーライト活性化

によるクリンカ開発

テストキルンによる

焼成試験等に基づき、

実機焼成により普通

ポルトランドセメント

同等品質を達成する

ための製造条件を明

確化する。

ｲ) ビーライト－アウ

イン系クリンカ開発

テストキルンによる

試験焼成の結果等

に基づき、実機焼成

試験を行い、実機製

造における運転管理

や設備面での課題

等を明確化する。

セメント焼成エネルギ－低減のための技術の一つとして石灰石の割合を減じる方法があるが、セメントの強度が低くなるという問題があった。

これに対して、NEDO先導調査の結果より以下の方策が有効と判断された。

ｱ) ビーライトそのものの水和活性

を高める方法（ビーライト活性化による低カルシウム型クリンカの開発）及び

ｲ) ビーライトに水和活性の高い

アウインを共存させる方法（ビーライト－アウイン系クリンカの開発）

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３．目標 （省エネセメント：太平洋セメント㈱）

要素技術 目標・指標

（事後評価時点）

目標・指標

（中間評価時点）

妥当性・設定理由・根拠等

(1)省エネ型クリンカ焼成技術開発

(c)省エネセメントの開発

製造プロセス実用

化に向けた技術的

課題を抽出し、エ

ネルギー原単位

８％削減を可能と

する製造プロセス

を検討する。

省エネ型クリンカ等

の性能を把握の上

クリンカ性能の効果

的利用方法を検討

し、クリンカ性能向

上のための方策の

提案を行う。

エネルギー原単位削減手法として、

クリンカの一部を混和材で置換する

方法があり、上記省エネ型クリンカ

等を基材とした場合、それらの性能

を最大限に引出しつつ、更なる省エ

ネ性能向上が可能である。

10

３．目標 （シミュレーション：宇部興産㈱）

要素技術 目標・指標

（事後評価時点）

目標・指標

（中間評価時点）

妥当性・設定理由・根拠等

(2) クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析

革新的セメント製造プロセスの課題を抽出する

①セメントプロセス全体シミュレータの開発及び

②焼成システムを考慮できる統合シミュレータの開発を行い、それらからエネルギー原単位低減に向けた影響因子を定量化することにより、革新的セメント製造プロセス設計の課題抽出を行う。

セメントプラントのロータリーキルン内では、複雑な化学反応を行いながらクリンカを生成しているが、この化学反応は各温度で連続的に行われ、また内部循環している物質等もあり、現在もこの化学反応の詳細が追及できていない。

このキルン内部等のプラント運転の状況を解明することができれば、

・ 運転操作条件の最適化

・ 省エネ運転化

・ 運転トラブルのメカニズム把握

及び対策

・ 新プロセス開発

の大きな指針となり、セメント製造プロセスを考える上でも非常に重要であるが、実際のクリンカ生成モデル化技術は未だ発展途上であるため、実プラントと同様の燃焼システムを考慮できる統合シミュレータを開発するもの。

11

３．目標 （温度計測：三菱マテリアル㈱）

要素技術 目標・指標

（事後評価時点）

目標・指標

（中間評価時点）

妥当性・設定理由・根拠等

(3) クリンカ焼成プロセスの計測技術

開発

(a)スペクトル計測等によるキルン内

温度計測技術開

発

スペクトル計測等

による実機キルン

へ適用ができるキ

ルン内温度計測

技術を確立する。

スペクトル計測等によ

る技術選定を行い、炉

内環境模擬試験装置

による原理確認と温

度計測手法の確立と

実機キルンにおける

実証試験により、実機

キルンへ適用ができ

るキルン内温度計測

技術の確立を目指す。

①実機キルン内スペ

クトル計測等による温

度計測技術を選定す

る。

②炉内環境模擬試験

装置による原理確認

と温度計測手法を確

立する。

③実機キルンにおけ

る実証試験を行う。

低温焼成を行う場合、通常の焼成に比

べ焼成温度が目標値を下回ると一気に

温度が低下し品質低下を招くおそれが

あることに加え、セメントキルンは「原料

や燃料の品質変動」、「コーチングの落

下による原料移動速度変化」等の様々

な外乱があるため、セメントキルン低温

焼成の安定運転を行うためには、キル

ン温度の計測精度の向上が必須である。

また、本事業で開発する省エネセメント

は従来のセメントと較べ低温域での焼成

を行うが、こういった低温焼成ではクリン

カ粒径が小さくなり相対的にクリンカクー

ラからの粉塵の影響が大きくなるため、

現在使用している放射温度計計測では

精度の低下が懸念された。

このため、キルン内から放出されるスペ

クトル等を利用し、粉塵による影響を受

けにくい温度計測方法の開発が必要で

ある。

12

３．目標 （温度計測：住友大阪セメント㈱）

要素技術 目標・指標

（事後評価時点）

目標・指標

（中間評価時点）

妥当性・設定理由・根拠等

(3) クリンカ焼成プロセスの計測技術

開発

(b)放射温度計等によるキルン内温

度計測技術開発

窯前（キルン出口

部）からキルン内

部を分光測定する

ことにより、キルン

内部のガス温度

等の温度計測を

可能とする技術を

確立する。

①キルン内部の温度計測を行うため、窯前（キルン出口部）よりキルン内部の分光測定の実施、及びキルン二次空気含塵濃度測定装置の開発を実施し、単色放射温度計、二色放射温度計での含塵濃度の影響を評価する。

②キルン内部の温度計測を直接行うため、キルンセルに熱電対を直接挿入し信号を無線等にて伝送するシステムの開発を実施し、高温セル上での装着・耐久性等を評価し、6ヶ月以上の耐用を目指す。

③キルン操業状態と①②で得られる温度分布との関連を評価する。

セメントキルンでの温度測定は従来、

キルン入口及びキルン出口でのガ

ス温度測定のみであり、キルン内

部のガス温度等の温度計測は十分

に行われておらず、キルンの内部

状況を知る上で直接的かつ連続的

な温度測定は重要である。

13

４．成果、目標の達成度 （鉱化剤：住友大阪セメント㈱）

要素技術 目標・指標 成 果 達成度

(1)省エネ型クリンカ焼成技術開発

(a)鉱化剤使用によるセメントクリン

カ低温焼成技術開

発

実験室規模の電気炉で選

定された鉱化剤種類、量、

割合及び、鉱物組成のクリ

ンカについてテストキルンを

用いた製造試験を行い、実

機焼成での焼成温度低減

（100℃）を図るための焼成条件を明確化。

・廃棄物の賦存量調査では、想定

した廃棄物（F系、石膏系）について賦存量を調査し、安定供給の可能

性を確認した。

�実験室規模電気炉での鉱化剤の最適化では、焼成温度低減

（100℃～150℃低減）効果のある鉱化剤を用いて、電気炉による試

験により生成クリンカ物性確保を計

れる添加量、配合割合および焼成

条件等を把握した。

�テストキルンを用いた製造試験では、実験室規模の電気炉で選定さ

れた鉱化剤種類、量、割合及び、

鉱物組成のクリンカについて試製

し、実機焼成での焼成温度低減

(100℃)を図るための焼成条件を明確化した。

達成

14

2012/12/17

ⅰ．基礎実験（電気炉焼成試験、モルタル試験）焼成温度低減効果のある鉱化剤（F,SO3）を用いて、添加量、配合割合および焼成

条件等を変更して、電気炉による焼成試験を実施

組成範囲 普通ポルトランドセメント組成

焼成条件f.CaOとして0.3％となるような焼成温度。1300℃～1450℃

鉱化剤添加量

F（フッ素）：0.0～0.48％⇒ 最適添加量 0.2％（添加量15％増）

SO3 ：0.5～2.5％⇒ 最適添加量 2.0％（添加量15％増）

物理性状（モルタル）圧縮強さ ⇒ 強度増進凝結時間 ⇒ F添加により遅延傾向

電気炉で検討した範囲及び結果

(a)鉱化剤使用によるセメントクリンカ低温焼成技術開発ⅰ．基礎実験．基礎実験

15

2012/12/17

ⅱ．スケールアップ実験（テストキルン試験、モルタル試験）実験室規模の電気炉で選定された鉱化剤種類、量、割合及び、鉱物組成の

クリンカについてテストキルンを用いた製造試験実施

テストキルンで検討した範囲及び結果

組成範囲普通ポルトランドセメント組成副産物由来鉱化剤の影響確認 ⇒ 影響なし

焼成条件f.CaOとして0.8％となるような焼成温度。1300℃～1450℃

生成鉱物の確認ボーグ式及びリートベルト法により測定⇒ 鉱化剤添加によりC3SとC3A量低減、C2SとC4AF量増加

鉱化剤添加量

F（フッ素）：0.0～0.24％⇒ 最適添加量 0.2％（O2濃度で変化）

SO3 ：0.5～2.5％⇒ 最適添加量 2.0％（O2濃度で変化）

物理性状（モルタル）圧縮強さ ⇒ 強度増進凝結時間 ⇒ F添加により遅延傾向

(a)鉱化剤使用によるセメントクリンカ低温焼成技術開発ⅱ．スケールアップ実験．スケールアップ実験

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2012/12/17

図 凝結試験結果

iii)モルタル試験(圧縮強さ試験、凝結試験：JIS R 5201)

図 圧縮強さ試験結果

※試験用セメントは排脱二水石膏原単位を同一(SO3として1.0％)にして添加

テストキルン焼成試験

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

3日 7日 28日

モル

タル

圧縮

強さ

(N/m

m2 )

RUN9 RUN10 RUN11

0:00

0:30

1:00

1:30

2:00

2:30

3:00

始発時間 終結時間

凝結

時間

(h:m

m)

RUN9 RUN10 RUN11

(a)鉱化剤使用によるセメントクリンカ低温焼成技術開発iii)モルタル試験

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４．成果、目標の達成度 （鉱物組成変更：太平洋セメント㈱）

要素技術 目標・指標 成 果 達成度

(1)省エネ型クリンカ焼成技術開発

(b)鉱物組成変更による省エネ型クリンカ

焼成技術開発

ｱ) ビーライト活性化によるクリンカ開発

テストキルンによる焼成

試験等に基づき、実機焼

成により普通ポルトランド

セメント同等品質を達成

するための製造条件を明

確化する。

ｱ)ビーライト活性化による低カルシウム型クリンカの開発

・電気炉による添加剤の種類や量、焼成条件および粉砕条件等がビーライトの水和活性に及ぼす影響の調査を行い、普通ポルトランドセメント同等品質を目標とするビーライト活性化を達成するための、添加剤種類や量等の使用条件、焼成条件および粉砕条件を明確化した。

・前項の結果を踏まえてテストキルンによる焼成試験を行い、実機焼成により普通ポルトランドセメント同等品質を達成するための製造条件を明確化し、実機焼成に向けた課題の整理を行った。

達成

18

ビーライトの水和活性を向上させることにより、石灰石原料を減じても現行のOPC同等の品質を得られるポルトランドセメントクリンカを開発する。（Lクリンカーの初期強度増進）

開発目的

M

L

LSF*

kJ ／

kg －クリンカ

OPCMPC

LPC

HPC

M

L

LSF*

kJ ／

kg －クリンカ

OPCMPC

LPC

HPC

C2S=12.8%

C2S=18.8%C2S=40.8

%C2S=60.0%

ビーライト増による省エネ効果（先導調査結果）

石灰飽和度とクリンカ焼成熱量の関係

(b)鉱物組成変更による省エネ型クリンカ焼成技術開発ア))ビーライト活性化による低カルシウム型クリンカの開発ビーライト活性化による低カルシウム型クリンカの開発

19

ビーライト単相実験（電気炉）

クリンカー実験（電気炉、テストキルン）

・活性の高いビーライトの製造条件を明確化する。

最終評価実施

H22

H23・単相実験結果を踏まえ、クリンカー中のビーライトを高活性化する。

H24

・実験、市場調査、及びシミュレーション結果から総合評価を行う。

ア)ビーライト活性化による低カルシウム型クリンカの開発検討フロー検討フロー

20

実験因子 C2S単相+OPC LPC

各種ドーパント

(Na,Ba,Sr,B,P,V)

～20mol%初期強度増加

*但しNより若干低い易焼成低下の為

強度評価不可

～5mol% -初期強度変化なし

長期強度増加

冷却速度 水、空、徐冷水、空、徐で長期強度低下

但しBa置換時冷却による差異ほぼなし

粉末度3-5,000cm2/g 強度増進なし -5,000cm2/g～ N同等強度達成 -

評価項目

C2S単相+OPCBa=10mol%,空冷粉末度=3400cm2/g

LPCBa=5mol%,空冷粉末度=3400cm2/g

JIS規格適合性（強さ） ○ × （初期のみ）

現行N品同等性（強さ） △（超微粉砕で○） ×

エネルギー削減見込 3% 3%現状国内OPC代替可能量/%

（制約条件Ba量）2% 3%

検討項目

評価結果

ア)ビーライト活性化による低カルシウム型クリンカの開発結果概要結果概要

21

４．成果、目標の達成度 （鉱物組成変更：太平洋セメント㈱）

要素技術 目標・指標 成 果 達成度

(1)省エネ型クリンカ焼成技術開発

(b)鉱物組成変更による省エネ型クリンカ

焼成技術開発

ｲ) ビーライト－アウイン系クリンカ開発 テストキ

ルンによる試験焼成の結

果等に基づき、実機焼成

試験を行い、実機製造に

おける運転管理や設備

面での課題等を明確化

する。

ｲ)ビーライト－アウイン系クリンカの開発

・電気炉により、普通ポルトランドセメント同等品質を目標とする鉱物組成および焼成条件を明確化した。

・テストキルンにより、クリンカの焼成製造条件を明確化した。

・L/Dが実機同等の大型テストキルンにより、実機製造における焼成面での運転管理や設備面での課題等を明らかにした。

・大型テストキルンにより得たビーライトアウインクリンカは、仕上げ石膏添加の種類、量、粉末度などの最適化が必要であることを明らかにし、その最適条件を明確化した。最適化したセメントを用いて、コンクリートのフレッシュ性状、強度発現、耐久性を評価し普通ポルトランドセメント代替としての特徴を明らかにした。

・水和基礎解析を行い品質の最適化条件に及ぼす因子を明確化した。

一部

達成

22

実機キルン焼成

2010年度（H22) 2011年度（H23) 2012年度（H24)

低温焼成組成選定電気炉実験

テストキルン焼成鉱物組成

焼成温度評価f.CaO、熔融温度鉱物生成温度

f.CaO＝１％程度1/10ｽｹｰﾙﾓﾙﾀﾙ評価

ｶﾛﾘｰﾒｰﾀｰ

ﾓﾙﾀﾙ評価粉末度、石膏添加凝結調整、強度発現

ｺﾝｸﾘｰﾄ評価耐久性評価

5K-① 7月

5K-② 10月

1K 2月

ｱｳｲﾝ量40％前後C4AF量10％選定

広範な焼成条件探索試料分析

最適付近の焼成条件ﾄﾞｰﾊﾟﾝﾄ（低温焼成による

SO3揮発抑制）

最適焼成条件試料確保 各450kg

L/D＝18.5

水和反応解析

L/D＝8.6

追加検討↓仕上条件最適化：重要

↑ｸﾘﾝｶ最適化：完了

開発フロー

XRD

(b)鉱物組成変更による省エネ型クリンカ焼成技術開発イイ))ビーライトーアウイン系クリンカの開発（結果概要）ビーライトーアウイン系クリンカの開発（結果概要）

23

ｷﾙﾝ内径D（cm）

ｷﾙﾝ長さL（cm）

L/D ｷﾙﾝ傾斜角（°）

ｷﾙﾝ内通過時間（目安）

時産（kg/ｈ）

実験目的

電気炉 - - - -最高温度20分

80～90(g/ﾊﾞｯﾁ)

鉱物生成条件強度性状確認

ﾃｽﾄｷﾙﾝ（５K) 37 320 8.6 2 20分/30分 16ｷﾙﾝ焼成条件JISﾓﾙﾀﾙ

L/Dが実機同等のﾃｽﾄｷﾙﾝ（１K)

45 834 18.5 2.9 80分 60ｷﾙﾝ焼成条件粉砕仕上げ条件ｺﾝｸﾘｰﾄ，耐久性

参考:熊谷工場 550 10000 18.2 4.0 30分 332000

項目 主な内容

運転管理（焼成面）

f.CaO≒0％硫黄分の揮発抑制のために窯尻O2分圧を高く制御。

焼点温度は普通ポルトランドセメントクリンカー焼成時より約150℃低い値（硫黄成分の揮発を抑えた中で最高温度）

設備課題 現行設備でのキルン内コーチング過剰（硫黄成分）

■実機製造における運転管理および設備面での課題

■焼成実験に用いたテストキルンの概要

アウイン量 40％ 60％ ⇔ N 比較検討強度発現性状の最適化 ＝ 焼成条件の最適化（鉱物量、水和活性）

イ)ビーライトーアウイン系クリンカの開発（結果概要）クリンカ焼成条件クリンカ焼成条件

24

■仕上げ条件の最適化の一例

・石膏添加条件無水、二水粉末度、添加量・ｸﾘﾝｶ粉砕粉末度

↓強度発現性流動性などに影響大きい

クリンカ鉱物量

クリンカ粉末度(cm2/g）

無水石膏粉末度(cm2/g

SO3/Al2O3モル比

備考

アウイン量40％ 6000 6000 1.2 凝結は早い

アウイン量60％ 4000 6000 1.1 凝結は早い

■モルタルフローと強度が良好なセメント仕上げ条件

⇒ コンクリート評価用のセメントとして選定

合理化設計のため水和解析を実施石膏の最適化 硫酸ｲｵﾝ ｱﾙﾐﾅｲｵﾝのバランス強度発現の最適化

イ)ビーライトーアウイン系クリンカの開発セメント仕上げ条件セメント仕上げ条件

25

45 18.0 4.955 18.5 4.965 17.5 5.245 17.5 4.455 17.5 3.865 17.5 4.540 19.0 4.445 17.5 4.650 17.5 4.865 17.0 4.5

W/C(%)

スランプ(cm)

空気量(%)

N

アウイン40%

セメントの種類

アウイン60%

■フレッシュ性状

N アウイン60% アウイン40% 78S SP8SV 303A45 45 169 376 766 962 1.00 0.00655 47 169 307 827 958 1.00 0.00665 49 169 260 881 942 1.00 0.00645 45 182 404 729 916 1.00 0.00655 47 177 322 802 929 1.00 0.00665 49 171 263 869 929 1.00 0.00640 44 160 400 746 975 0.75 0.01545 45 160 356 780 979 0.75 0.02050 46 160 320 811 978 0.75 0.02065 49 160 246 895 957 0.75 0.006

アウイン40%

単位量(kg/m3)混和剤添加量(P×%)

W S Gセメント、C

N

s/a(%)セメントの種類

W/C(%)

アウイン60%

■コンクリート配合目標：スランプ18±2.5cm、空気量4.5±1.5%

C/W-強度の関係式を作成 → 36N/mm2となる配合決定 → 統一強度での耐久性評価実験

■耐久性評価（実施中のため進行中のイメージを示す）

最適化したｾﾒﾝﾄ 中性化 凍結融解 長さ変化 断熱温度上昇 備考

普通ﾎﾟﾙﾄﾗﾝﾄﾞｾﾒﾝﾄ ○ ○ ○ ○アウイン量40％ △ × ◎ ◎ 気泡間隔係数測定中

アウイン量60％ △ ○ ◎ ◎

イ)ビーライトーアウイン系クリンカの開発コンクリート評価コンクリート評価

26

【開発結果】

• 省エネルギー

– Nクリンカと比べ、脱炭酸量少なく、焼成温度約150℃と低く省エネルギー効果大。シミュレーションとあわせて検討。

• N代替としての品質– アウイン量40％，60％で可能– 焼成条件以上にｾﾒﾝﾄ仕上げ条件の影響が大きいことが判明。

• コンクリートとしての基本性能確認

【実用化課題】

• キルン製造

硫黄分の濃縮循環

• 品質課題– 凝結時間の調整（若干早い）

• コンクリート– 従来ｾﾒﾝﾄ（N）との差– C/W-強度の関係式の若干の相違

– 耐久性 課題が残る（評価中）

イ)ビーライトーアウイン系クリンカの開発まとめまとめ

27

４．成果、目標の達成度 （省エネセメント：太平洋セメント㈱）

要素技術 目標・指標 成 果 達成度

(1)省エネ型クリンカ焼成技術開発

(c)省エネセメントの開発

省エネ型クリンカ等の性

能を把握の上クリンカ性

能の効果的利用方法を

検討し、クリンカ性能向

上のための方策の提案

を行う。

・クリンカ性能の効果的利用方法の

探索では、省エネ型クリンカ等の性

能を把握し、それを基にクリンカ性能

の効果的利用方法を提案した。

・省エネセメントの創出では、前項の

提案に基づく品質設計を行うと同時

に、国内外のセメントの規格調査によ

り規格整備の必要性や品質要件の

整理等製品化に向けた課題の整理

を行った。決定した省エネセメントの

品質設計がJIS規格外であることが課題として挙げられた。

・その他技術の調査では、必要に応

じてクリンカ性能を向上させる技術等

に関する調査を行い、クリンカ性能向

上のための方策提案を行った。特に

高間隙質クリンカについて、テストキ

ルンによる焼成試験を行い、実機焼

成に向けた課題の整理を行った

達成

28

✔焼成エネルギー評価

相互作用も含め検討

テストキルン焼成・品質設計

✔物性評価

クリンカ焼成エネルギー低減 混合材量増加 8%削減目標＋ =

相互作用も含め検討

最終評価実施

＜ラボレベル＞

＜テストプラントレベル＞

実験因子 実験範囲

鉱物組成C3S≦70%, C3A≦13%（Bogue）

混合材 （LSP,BFS,FA） ≦10%

実験因子 実験範囲

鉱化剤の使用 F=0.2%,SO3=2.0%

液相量増加（低SM）C3A≦13%（Bogue）C4AF≦13%（Bogue）

種結晶（seed）添加 Hｸﾘﾝｶ添加≦3.0%

原料種 文献調査にて対応

原料粉末度 文献調査にて対応

(c)(c)省エネセメントの開発省エネセメントの開発29

太平洋セメント㈱

LSP混合量/%

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10

5,5B

FS

5,5F

A 0 10 0 10

5,5B

FS

5,5F

A

ブランク 高C3S 高C3A

JIS換

算圧縮強さ(N/mm

2 )

3d 7d 28d現行N品強さ

1.現行OPCベースで液相量増加、鉱化剤使用、種結晶添加等を行い焼成試験実施。⇒液相量増加、及び鉱化剤使用が温度低減には効果的。（各100℃以上）⇒最大で170℃程度の焼成温度低減効果。（C3A+4%, F+0.2%, SO3+2.0%)

2.ラボクリンカに適宜混合材を添加し、強さ試験を実施。⇒高C3A（+4%） + 石灰石（5～10%）で強度は現行OPC同等以上 すべての水準○

(c)省エネセメントの開発ラボ試験結果ラボ試験結果

30

・下記4水準を小野田工場5号テストキルンにて焼成試験実施（2012年1月）⇒調合原料を5mmφ程度に造粒して焼成。

⇒焼成結果は右図の通り。（f.CaO=1.0 ±0.2%）

⇒燃料原単位は最大2割程度低下。

1300

1350

1400

1450

1500

a b c d

焼成

温度

/℃

0

2

4

6

8

10

12

14

16

焚量

L/h

焼点温度 焚量

(c)省エネセメントの開発テストキルン試験結果テストキルン試験結果

C3S C2S C3A C4AFa - 0.0 0.5 0.0 0.93 60.8 19.1 9.0 8.5b C3A(+4%) 0.0 0.5 0.0 0.96 61.0 14.8 13.0 8.5c C3A(+4%)+seed(3%) 0.0 0.5 3.0 0.96 61.0 14.8 13.0 8.5d C3A(+4%)+(F,SO3) 0.2 2.0 0.0 0.98 63.5 8.6 15.3 8.4

組成水準 実験因子

LSDBogue式

F/% SO3/%Seed/%

31

32

ラボ試験同様に高C3A（+4%）+石灰石（5～10%）で強度は概ね現行OPC同等以上※2012年7月焼成品でも同等の結果を確認済み

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15

混合材量/wt%

圧縮

強さ

N/m

m2

■:3day

▲:7day

●:28day

close: x/wt%=LSPのみopen: x/wt%=LSP+(BFS or FA,5%)

― a― c

a 現行Nb C3A(+4%)c b+seed(3%)d b+(F,SO3)

水準 因子

LSP(5000)

BFS(4000)

FA(4000)

計

- - - 0

5 - - 5

10 - -5 5 -5 - 515 - -10 5 -10 - 5

10

15

評価水準

(c)省エネセメントの開発テストキルン品評価結果テストキルン品評価結果

32

・液相量増加（C3A,C4AF）・鉱化剤（F,SO3）・種結晶添加・原料種（文献調査）・原料粉末度（文献調査）

焼成

・C3S増加・C3A増加・混合材種（LSP,BFS,FA）・混合材量≦15%

物性

検討項目

クリンカ焼成エネルギー低減 混合材量増加 8%削減目標＋ =

セメント組成

省エネ見込み 1% 6～11%

物性 現行普通ポルトランドセメント以下 現行普通ポルトランドセメント同等以上

規格（JIS） 普通ポルトランドセメント JIS規格外

廃棄物原単位 現行普通ポルトランドセメント以上 現行普通ポルトランドセメント以上

総合評価 目標未達 目標達成だがJIS規格外

高C3A型普通ポルトランドセメント + LSP：5～10%

※省エネ見込みはシミュレーション結果を適用

(c)省エネセメントの開発結果概要結果概要

33

４．成果、目標の達成度 （シミュレーション：宇部興産㈱）

要素技術 目標・指標 成 果 達成度

(2)クリンカ焼成プロセスのシミュレーショ

ン解析

①セメントプロセス全体シ

ミュレータの開発及び

②焼成システムを考慮で

きる統合シミュレータの

開発を行い、それらから

エネルギー原単位低減

に向けた影響因子を定

量化することにより、革新

的セメント製造プロセス

設計の課題抽出を行う。

セメントプロセス全体シミュレータの開発で

は、原料余熱工程を含むプロセス全体に拡張したセメント全体シミュレータを製作し、さらに、理想的なﾌプラント検討のための[KilnSimu+(流動層版)]を製作した。このセメント全体シミュレータを使用し、電気炉・実機キルン及びテストキルン実験より得られたクリンカ生成反応パラメータ等のチューニングを行い、特定の実機プラントデータと合致できるようにした。

焼成システムを考慮できる統合シミュレータの開発では、[Fluent]を用いた微粉炭燃焼解析を実施し、バーナ燃焼フレーム形状およびキルン内温度分布等を予測し、 [微粉炭燃焼によるキルン内雰囲気温度分布推算]と[キルン内クリンカ温度分布推算]との連成解析を行い、特定の実機キルン運転実績と合致できるようにした。

革新的セメント製造プロセス設計の課題抽出では、上記のシミュレータを用い、既存プラントの省エネルギーに係わる重要因子を抽出し、設備・運転変更への評価を実施した。さらに、クリンカ焼成から見た理想的なプラント設計への指針抽出し、省エネルギーポテンシャル値の予測を行った。

達成

34

35

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析開発目標開発目標

35

(熱流体解析ソフト)

[Fluent]

[KilnSimu＋] 開発[KilnSimu＋（流動層版）] 開発

(キルンシミュレータ)[KilnSimu]

連成ソフト開発（双方向連成）

＜統合シミュレータの開発＞

＜セメント全体シミュレータの開発＞ 微粉炭燃焼解析

原料～クーラー工程まで範囲拡張

をﾍﾞｰｽに

・クリンカ生成反応速度実験（電気炉・テストキルン）

・実操業プラントデータ

設定パラメータ検討

実機プラント モデル化 テストキルン モデル化

省エネルギー運転評価/ポテンシャル量予測

＜革新的製造プロセス設計の課題抽出＞

＜既存プラントの省エネルギーに係わる重要因子の抽出＞＜クリンカ焼成から見た理想的なプラント設計への指針抽出＞

ツール開発

ツール利用

36

サイクロン

原料系

� 原料予熱工程まで拡張したセメント全体プロセスシミュレータ［KilnSimu＋］を開発し、熱流体解析ソフト［FLUENT］との連成を行うことで、詳細な燃焼計算まで考慮できる統合シミュレータを完成させた。

� 流動層プロセスを考慮できるよう［KilnSimu＋］を拡張し、 ［KilnSimu＋（流動層版）］を開発した。

� 原料予熱工程まで拡張したセメント全体プロセスシミュレータ［KilnSimu＋］を開発し、熱流体解析ソフト［FLUENT］との連成を行うことで、詳細な燃焼計算まで考慮できる統合シミュレータを完成させた。

� 流動層プロセスを考慮できるよう［KilnSimu＋］を拡張し、 ［KilnSimu＋（流動層版）］を開発した。

移動層

流動層

ガス側詳細燃焼計算

固相反応を考慮した原料温度・生成物予測

FLUENT

KilnSimu＋

KilnSimu+計算による温度分布

KilnSimu+計算による温度分布

KilnSimu+とFLUENTの連成

KilnSimu+による流動層モデル

従来計算範囲

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析統合シミュレータの開発統合シミュレータの開発

36

37

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析実操業キルンモデルの構築実操業キルンモデルの構築

37

キルンC1仮焼炉C2C3C4C5 キルンC1仮焼炉C2C3C4C5

計算値 実機データ

最高ガス温度 ℃ 1,768 1,395(焼点)最高ベッド温度 ℃ 1,409 -C3S % 58.7 55.7C2S % 17.3 23.9C3A % 10.1 9.9C4AF % 8.7 9.0f.CaO % 0.4 0.4

熱量原単位kcal/kg 913 899

MJ/t 3,824 3,761C1サイクロンSO3濃度(プラント管理値:<4.5%) % 2.1 2.6

キルン中心断面における温度分布図

� ガス温度は約1760℃に達し、ベッド温度は最高1400℃強� ベッド温度はキルン口元から約30mの間で保持され、

その中でエーライト(C3S)の生成が行われる� 原料系を含めて、ロータリーキルンによる

セメント製造プロセス全体の挙動評価が可能

� ガス温度は約1760℃に達し、ベッド温度は最高1400℃強� ベッド温度はキルン口元から約30mの間で保持され、

その中でエーライト(C3S)の生成が行われる� 原料系を含めて、ロータリーキルンによる

セメント製造プロセス全体の挙動評価が可能

� 既存設備の省エネ ポテンシャル

� 各種プラント条件変更� 理想プラントの検討と既存プラン比較

[キルン熱量原単位] = [クリンカ理論焼成熱等] + [排ガス顕熱/放散熱等]

実操業キルン（※） 3,824 = 1,394 + 2,430 MJ/t

クリンカ品質変化による燃費影響

プラント運転変化による燃費影響

� 省エネ型クリンカ焼成� クリンカ諸率 (HM,SM,IM)変化

（※）熱量原単位は、低位発熱量を使用し、全ての投入ｴﾈﾙｷﾞｰを計算

既存プラントの省エネルギーに係わる重要因子の抽出/評価

既存プラントの省エネルギーに係わる重要因子の抽出/評価

クリンカ焼成から見た理想的なプラント設計への指針抽出/評価

クリンカ焼成から見た理想的なプラント設計への指針抽出/評価

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析革新的製造プロセス設計の課題抽出革新的製造プロセス設計の課題抽出

38

キルン：φ0.37m×3.2mL (A重油)クリンカ製造能力： 25kg/H

キルン：φ4.8m×87.0mL (石炭)クリンカ製造能力： 208t/H

テストキルン(太平洋小野田)テストキルン(太平洋小野田) 実操業キルン(宇部)実操業キルン(宇部)

<想定>

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析省エネ型クリンカ焼成省エネ型クリンカ焼成

39

�鉱化剤使用によるクリンカ焼成・高F、高SO3 ［F：0.57%、SO3：4.5%］

�鉱物組成変更によるクリンカ焼成・ビーライト-アウィン 60%/40%・高C3A ［C3A：12%］

キルンC1仮焼炉C2C3C4C5 キルンC1仮焼炉C2C3C4C5

計算値

最高ガス温度 ℃ 1,621最高ベッド温度 ℃ 1,336C2S % 28.5C4AF % 10.7C3A3S % 57.4

熱量原単位kcal/kg 687

MJ/t 2,875C1サイクロンSO3濃度(プラント管理値:<4.5%) % 8.6

NK アウィン60% 差異

最高ガス温度､℃ 1,768 1,621 △147

ベッド最高温度､℃ 1,409 1,336 △73

熱量原単位､MJ/t 3824 2875 △949 (△24.8%)

C1-SO3､% 2.1 8.6 +6.5

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析ビーライトビーライト--アウィンアウィン 60%60%（実操業キルン）（実操業キルン）

40

�実操業キルンでのNK焼成と比較すると、熱量原単位は25%減となり、省エネ効果は非常に高い。

�但し、キルン～仮焼炉でのコーチング生成の懸念から、C1サイクロン原料SO3濃度を通常4.5％以下で管理しているが、アウィン60％焼成では 8.6%となり、運転トラブル発生が懸念される。

�実操業キルンでのNK焼成と比較すると、熱量原単位は25%減となり、省エネ効果は非常に高い。

�但し、キルン～仮焼炉でのコーチング生成の懸念から、C1サイクロン原料SO3濃度を通常4.5％以下で管理しているが、アウィン60％焼成では 8.6%となり、運転トラブル発生が懸念される。

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析省エネ型クリンカ焼成省エネ型クリンカ焼成 熱量原単位比較熱量原単位比較

41

� 鉱化剤を使った（高F、高SO3）クリンカ焼成及びビーライト-アウィン系クリンカ焼成は、低温焼成傾向を示し、大きな熱量原単位の低減ができる。但し、硫黄のキルン内部循環量が多く、現状プラントでの運転トラブルの懸念がある。

� 高C3A系クリンカ焼成は、熱量低減効果はなかった。

� 鉱化剤を使った（高F、高SO3）クリンカ焼成及びビーライト-アウィン系クリンカ焼成は、低温焼成傾向を示し、大きな熱量原単位の低減ができる。但し、硫黄のキルン内部循環量が多く、現状プラントでの運転トラブルの懸念がある。

� 高C3A系クリンカ焼成は、熱量低減効果はなかった。

クリンカ諸率変化ケース

クリンカ反応速度係数と熱量原単位比較

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析クリンカ諸率（クリンカ諸率（HM,SM,IMHM,SM,IM）変化）変化

42

諸率 化合物組成(%)HM SM IM C3S C2S C3A C4AF Total

No.1 ベースクリンカ 2.10 2.49 1.79 53.6 22.8 9.7 9.6 95.7No.2 HM減 1.95 2.50 1.80 37.1 38.8 10.2 10.1 96.2No.3 SM減 2.10 1.70 1.80 61.2 9.9 12.6 12.5 96.2No.4 IM減 2.10 2.50 0.80 63.2 15.9 2.1 15.0 96.2No.5 組合せ 1.95 1.70 0.80 57.0 15.9 2.9 20.4 96.2

反応速度係数 k [1/min]1350℃ 1450℃ 1550℃

No.1 ベースクリンカ 1.15 1.29 1.46No.2 HM減 1.21 1.39 1.55No.3 SM減 1.55 1.77 1.97No.4 IM減 1.18 1.32 1.49No.5 組合せ 1.64 1.89 2.11

熱量原単位[ MJ/t ]

差異

[ MJ/t ] ％

3,824 － －

3,701 △123 △3.23,799 △25 △0.73,822 △2 △0.13,778 △45 △1.1

� クリンカの融液量や融液粘度等から計算した反応速度定数と、キルン熱量原単位は単純に比例せず、C3SやC2S生成における発熱/吸熱差も大きく寄与し、諸率のみの変化では、HMの低下が比較的大きな熱量低減寄与となる。

� クリンカの融液量や融液粘度等から計算した反応速度定数と、キルン熱量原単位は単純に比例せず、C3SやC2S生成における発熱/吸熱差も大きく寄与し、諸率のみの変化では、HMの低下が比較的大きな熱量低減寄与となる。

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析プラント運転変化によるキルン燃費影響プラント運転変化によるキルン燃費影響

43

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析既存設備の省エネ既存設備の省エネポテンシャルポテンシャル

44

� クーラー設備（クーラー効率： 70%）改善による熱量原単位の低減は約6%に達するが、その他の項目で大きな改善の期待ができない。

� 但し、クリンカ粒径の小径化等でクーラー効率の悪化も懸念され、鉱物組成変化によるクリンカの省エネ効果を検討する場合、クーラー効率への影響把握が必要であり、今後、クリンカ造粒機構含めて、クリンカクーラーの（1次→2次元）モデルの検討が必要である。

� クーラー設備（クーラー効率： 70%）改善による熱量原単位の低減は約6%に達するが、その他の項目で大きな改善の期待ができない。

� 但し、クリンカ粒径の小径化等でクーラー効率の悪化も懸念され、鉱物組成変化によるクリンカの省エネ効果を検討する場合、クーラー効率への影響把握が必要であり、今後、クリンカ造粒機構含めて、クリンカクーラーの（1次→2次元）モデルの検討が必要である。

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析各種プラント条件変更（１）各種プラント条件変更（１）

45

生産量：196t/h熱量原単位：3,824MJ/t

f.CaO：0.45%

生産量：130t/h （▲34％）熱量原単位：4,021MJ/t （▲5%）

f.CaO：0.63%

生産量：188t/h熱量原単位：3,964MJ/t （▲4%）

f.CaO:0.16%

仮焼炉焚比による影響

仮焼炉54：キルン46仮焼炉54：キルン46 仮焼炉0：キルン100仮焼炉0：キルン100仮焼炉70：キルン30仮焼炉70：キルン30

f.CaO 10.15→0.16%窯尻ｶﾞｽ 1334→1183℃f.CaO 1.14→0.63%

NSP→SP化仮焼率アップ化

原料ベッド温度変化

� NSPプラントからSP運転を想定すると、キルン窯尻ガス温度やf.CaOの上昇により運転困難となり、運転調整すると、生産量 ▲34%、熱量原単位 ▲5%の運転となる。

� 仮焼炉側の比率を上げると、キルン側の熱量不足が顕著となり、f.CaOが上昇する。f.CaOを 1%以下にするためには、熱量原単位が ▲4%となる。

� 現状クリンカ焼成における仮焼炉焚比の変更は、熱量原単位の悪化となる。

� NSPプラントからSP運転を想定すると、キルン窯尻ガス温度やf.CaOの上昇により運転困難となり、運転調整すると、生産量 ▲34%、熱量原単位 ▲5%の運転となる。

� 仮焼炉側の比率を上げると、キルン側の熱量不足が顕著となり、f.CaOが上昇する。f.CaOを 1%以下にするためには、熱量原単位が ▲4%となる。

� 現状クリンカ焼成における仮焼炉焚比の変更は、熱量原単位の悪化となる。

現状滞留（30min）

厚焼き傾向

薄焼き傾向

現状

ショートキルン

ロングキルン

キルン回転数のみ変化（送入、投入エネルギー同量）

キルン回転数のみ変化（送入、投入エネルギー同量）

キルン長さのみ変化 ［同一径］（送入、投入エネルギー同量）

キルン長さのみ変化 ［同一径］（送入、投入エネルギー同量）

キルン回転数、アスペクト比(L/D)による影響

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析各種プラント条件変更（２）各種プラント条件変更（２）

46

� キルン内ベッド高さが高い焼成（厚焼き）の方が、クリンカf.CaOの残存が低い。� キルンを長くすると放熱が大きく、クリンカ焼成熱量不足となり、f.CaOの残存が高い。

一方、キルンを短くしすぎても焼成不足となる。� 本結果より、現状キルン長さを15%短くし、キルン回転数を下げた運転の方が高効率となる。

この際の熱量原単位は 1%改善される。

� キルン内ベッド高さが高い焼成（厚焼き）の方が、クリンカf.CaOの残存が低い。� キルンを長くすると放熱が大きく、クリンカ焼成熱量不足となり、f.CaOの残存が高い。

一方、キルンを短くしすぎても焼成不足となる。� 本結果より、現状キルン長さを15%短くし、キルン回転数を下げた運転の方が高効率となる。

この際の熱量原単位は 1%改善される。

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析各種プラント条件変更（３）各種プラント条件変更（３）

47

石炭種、微粉炭粒子径による影響

� 石炭の燃焼性を大きく変更した場合の影響評価として、［微粉炭粒子径] と ［石炭種］の変更を行ったが、双方とも現状の実操業プラントでの運転感覚とは乖離した結果となり、現段階では本シミュレータでのプラント運転想定が難しい。

� この結果を踏まえて、次年度以降、・双方向連成計算でやり取りする［データ項目］と［ベッド部分での着地燃焼概念］の追加・石炭種毎の高温側でのカーボン燃焼速度の見直し

など、双方向連成部分のブラッシュアップを行う。

� 石炭の燃焼性を大きく変更した場合の影響評価として、［微粉炭粒子径] と ［石炭種］の変更を行ったが、双方とも現状の実操業プラントでの運転感覚とは乖離した結果となり、現段階では本シミュレータでのプラント運転想定が難しい。

� この結果を踏まえて、次年度以降、・双方向連成計算でやり取りする［データ項目］と［ベッド部分での着地燃焼概念］の追加・石炭種毎の高温側でのカーボン燃焼速度の見直し

など、双方向連成部分のブラッシュアップを行う。

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析理想プラント検討と既存プラント比較理想プラント検討と既存プラント比較

48

� 本先導調査での流動層プラントの熱量原単位低減効果は、1000t/日規模のロータリーキルン比較で、 12％であった。今回の計算では、全て流動層プラントで 12％、ショートキルンタイプだと 6%の低減効果となり、ほぼ類似した結果となった。

� 流動層プラントが、高温度域でのクリンカ反応を促進するのに安定した滞留時間と温度を確保できることで、クリンカ焼成に適したプラントと考えられるが、本システムの焼成プラントが稼働していない現実を踏まえ、更なる本データの精査と課題抽出が必要である。

� 本先導調査での流動層プラントの熱量原単位低減効果は、1000t/日規模のロータリーキルン比較で、 12％であった。今回の計算では、全て流動層プラントで 12％、ショートキルンタイプだと 6%の低減効果となり、ほぼ類似した結果となった。

� 流動層プラントが、高温度域でのクリンカ反応を促進するのに安定した滞留時間と温度を確保できることで、クリンカ焼成に適したプラントと考えられるが、本システムの焼成プラントが稼働していない現実を踏まえ、更なる本データの精査と課題抽出が必要である。

クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析まとめまとめ

49

○統合シミュレータの開発 （全体シュミュレータ含）・原料～クーラー工程まで検討できる［KilnSimu+］を開発した。・［KilnSimu+］と燃焼解析の双方向連成を開発した。

○革新的セメント製造プロセス設計の課題抽出・省エネ型クリンカの省エネ効果を定量推定した。・既存及び理想プロセスの省エネに関するポテンシャル量を定量化し、

プロセス設計の課題の抽出を行った。

・本ツールを利用した省エネ検討の更なる深掘り・ロータリーキルンでの省エネ評価の精度アップ

・設定パラメータのチューニング見直し・クリンカ造粒メカニズムの推定と

クリンカクーラーモデルの二次元化 ＜鉱物組成変更によるクリンカ粒径影響＞

・燃焼解析との双方向連成のブラッシュアップ・理想モデルの追求・シミュレーションソフトの汎用化

＜残された課題＞

＜成果、目標の達成度＞

４．成果、目標の達成度 （温度計測：三菱マテリアル㈱）

要素技術 目標・指標 成 果 達成度

(3) クリンカ焼成プロセスの計測技術開発

(a)スペクトル計測等によるキルン内温度

計測技術開発

スペクトル計測等による

技術選定を行い、炉内環

境模擬試験装置による

原理確認と温度計測手

法の確立と実機キルンに

おける実証試験により、

実機キルンへ適用ができ

るキルン内温度計測技

術の確立を目指す。

①実機キルン内スペクト

ル計測等による温度計

測技術を選定する。

②炉内環境模擬試験装

置による原理確認と温度

計測手法を確立する。

③実機キルンにおける実

証試験を行う。

①計測対象である放射源（クリンカ）の温度のみを計測可能とする装置を作製した。

②実機キルン内の環境を構成する要因のうち、ガスおよび粉塵の温度と粉塵の濃度の状態を模擬できる炉内環境模擬試験装置の設計製作を行なった。同装置を使い、ガス温度、粉塵温度、粉塵濃度、カリウム添加量、等を変量した実験を行い、熱電対等による実測値との比較から、新しく提案した温度計測方法の妥当性や精度の確認を実行している。

③温度計測装置は、空冷による冷却で実機キルン周辺の高温環境下で正常に機能することを確認した。温度計測技術については、新しく開発した温度計測技術の妥当性の確認や問題点を抽出するために計測装置の改造を実施している。

一部

達成

50

計測への粉塵の影響が増加し現行の放射温度計では精度低下を予想

クーラー

冷却用空気

焼成帯（クリンカが焼成する場所）

焼成帯（クリンカが焼成する場所）

ロータリーキルン

キルンフット回転

粉塵

微粉炭バーナーフレーム

計測器新規計測場所

現行（放射温度計）

� 焼成温度の低下による炉内粉塵の増加

� 焼成温度把握ために計測位置を変更（落口⇒焼成帯）

冷却用空気

(a)スペクトル計測等によるキルン内温度計測技術開発はじめにはじめに －目標・指標の設定理由ー－目標・指標の設定理由ー

51

検討中の計測方法の妥当性確認に使う計測装置および試験装置

炉内環境模擬試験装置

・ 粉塵落下部、クリンカ加熱部からなる試験炉

・ クリンカ加熱部温度： 熱電対で測定可能

・ 粉塵温度： ホッパー内に差込んだ熱電対で測定可能

計測装置集光装置で集めた熱放射光を光ファイバーで検出器に導き検出する

(a)スペクトル計測等によるキルン内温度計測技術開発成果成果 －計測装置および試験装置の製作－－計測装置および試験装置の製作－

52

炉内環境模擬試験装置を使い、ガス温度、粉塵温度、粉塵濃度、カリウム添加量、等を変量した実験を行うに先立ち、装置の性能把握試験を行った。

� 炉内環境模擬試験装置から放出される熱放射スペクトルの安定性を確認した。

� 粉塵の影響を検出できるか確認した。

●粉塵濃度 780g/m3

（九工キルンの1/30程度の吸収率）

計測対象： 耐火煉瓦の表面に黒体塗料を塗布 1400℃

模擬粉塵： φ0.5mmの球状アルミナ 1000℃

測定波長範囲： 600～1100nm

粉塵落下で検出強度低下

700800

9001000

1100

600

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

600 700 800 900 1000 1100

波長 （nm）

カウント数

1

2

3

4

5

計測対象： 耐火煉瓦の表面に黒体塗料を塗布1400℃

計測条件： 1分間隔で5回繰り返し

(a)スペクトル計測等によるキルン内温度計測技術開発成果成果 －計測装置および試験装置の性能－－計測装置および試験装置の性能－

53

(a)スペクトル計測等によるキルン内温度計測技術開発未達目標達成時期未達目標達成時期

54

� 炉内環境模擬試験装置による原理確認と温度計測手法の確立

平成24年度3月。

� 実機キルンにおける実証試験

平成24年度3月： 計測装置の改造と実機キルンでの使用状態確認。

平成25年度： 実機キルン改造工事（計測方法２のため）と計測試験。

４．成果、目標の達成度 （温度計測：住友大阪セメント㈱）

要素技術 目標・指標 成 果 達成度

(3) クリンカ焼成プロセスの計測技術開発

(b)放射温度計等によるキルン内温度計

測技術開発

①キルン内部の温度計測を行うため、窯前（キルン出口部）よりキルン内部の分光測定の実施、及びキルン二次空気含塵濃度測定装置の開発を実施し、単色放射温度計、二色放射温度計での含塵濃度の影響を評価する。

②キルン内部の温度計測を直接行うため、キルンセルに熱電対を直接挿入し信号を無線等にて伝送するシステムの開発を実施し、高温セル上での装着・耐久性等を評価し、6ヶ月以上の耐用を目指す。

③キルン操業状態と①②で得られる温度分布との関連を評価する。

①分光光度測定により特定の吸収波長域を確認した。又、キルン二次空気含塵濃度測定及び単色放射温度計、二色放射温度計の含塵濃度等の測定外乱の影響を評価した。

②キルンセルに熱電対を直接挿入し信号を無線等にて伝送するシステムをロータリーキルンに実装してキルン内部の原料温度測定を実施した。伝送システムの６ヵ月以上の耐久性を確認、熱電対は保護管材質等を変えて測定した結果、定期的な交換が必要であることを確認した。

③放射温度計により測定した焼点温度および熱電対により測定したキルン内部原料温度とクリンカ焼成度との関連を調査し、各所温度測定値の寄与度を評価した。

達成

55

2011/09/29

測定波長毎の分光放射輝度測定（電気炉・実機) 結果① クリンカ特定吸収波長域確認 (1.3～1.4µm)② クリンカ放射率確認 (0.95)

分光放射輝度測定(電気炉) 測定要領図

(b)放射温度計等によるキルン内温度計測技術開発クリンカ放射特性測定クリンカ放射特性測定

56

2012/12/17

ダスト

温度 T

温度 Ta

温度 Tb

熱電対

放射温度計A

放射温度計B

ﾌｯﾄﾞｽﾛｰﾄ部 ①放射温度計

(単色)検出素子 PbSe 検出波長 3.8μm測定温度範囲 500～1500℃

②放射温度計

(2色)検出素子 InGaAs/InGaAs/Si 検出波長 1.55/1.35/0.9 μm測定温度範囲 350～3500℃※ 各波長での単色温度計に切替え可能 (1.55,1.35,0.9)

③熱電対 素線 R 線径φ0.5磁器保護管(φ13mm×455mmL)測定温度範囲 0～1600℃

■ フッドスロート部耐火物に熱電対を埋め込み温度測定

■ 対面から放射温度計により当該耐火物温度を同時測定

→ 両者の温度指示値を比較し ﾀﾞｽﾄ等外乱の影響を検証した

≪温度計仕様≫

(b)放射温度計等によるキルン内温度計測技術開発放射温度計選定予備試験放射温度計選定予備試験（実施要領）（実施要領）

57

2012/12/17

●単色PbSe3.8μ-２色InGaAs1.35μ-1.55μ 放射率ε＝1.0 放射率比ε＝1.0

単色 ２色PbSe InGaAs3.8μ 1.35μ

InGaAs1.55μ

ｎ数 ｎ数631 631

800

1,000

1,200

1,400

800 1,000 1,200 1,400

熱電対

２色(InGaA

s1.35-1.55)

800

1,000

1,200

1,400

800 1,000 1,200 1,400

熱電対

単色（PbSe）

800

1,000

1,200

1,400

800 1,000 1,200 1,400

熱電対

単色（PbSe）

800

1,000

1,200

1,400

800 1,000 1,200 1,400

熱電対

２色(InGaA

s1.35-1.55)

●単色PbSe3.8μ-２色InGaAs1.55μ-Si0.9μ 放射率ε＝1.0 放射率比ε＝1.0

単色 ２色PbSe InGaAs3.8μ 1.35μ

Si0.9μ

ｎ数 ｎ数2,787 2,787

800

1,000

1,200

1,400

800 1,000 1,200 1,400

熱電対

２色(InGaA

s1.55-S

i0.9）

800

1,000

1,200

1,400

800 1,000 1,200 1,400

熱電対

単色（PbS

e）

２色放射温度計より単色放射温度計の方が優位性あり。

■ 温度計有意性比較 ： 熱電対温度計との乖離比較

(b)放射温度計等によるキルン内温度計測技術開発放射温度計選定予備試験（結果）放射温度計選定予備試験（結果）

58

2012/12/17

2Kキルン

測定口3

測定口2

測定口1

測定ﾌﾟﾛｰﾌﾞ

熱電対

放射温度計

■キルン2次空気含塵濃度測定

測定口1 測定口2 測定口3 平均［g/m3N］ ［g/m3N］ ［g/m3N］ ［g/m3N］

条件Ⅰ 23.3 21.8 14.8 20.0条件Ⅱ 13.7 7.7 6.9 9.4

条件Ⅰ ･･･ 高含塵雰囲気 、 条件Ⅱ ･･･ 定常雰囲気

(b)放射温度計等によるキルン内温度計測技術開発キルンキルン22次空気含塵濃度測定次空気含塵濃度測定

59

2012/12/17

■ 放射温度計による焼成帯クリンカ温度測定精度改善

(1) 放射温度計による焼成帯クリンカ温度測定

単色温度計 の 素子Si 及び 素子PbSe 測定データ比較→温度指示値、大差なし

(2) 測定データの検証測定データの有効性検証のため、クリンカ焼成度 (ﾌﾘｰﾗｲﾑ) 分析結果との相関性を調査

→ 単色温度計の中では 素子Siの相関性が高かった

<フリーライムとの相関性>R2>0.5:有意 焼点Si 焼点PbSe

相関係数 0.5270 0.4499

単色Si 単色PbSe

平均温度 ℃ 1,393 1,389

Si f-CaO＝11.532-0.0054×焼点-0.0055×窯尻-0.0117×ｷﾙﾝ電力+1.9143×窯入HMPbSe f-CaO＝5.9841-0.0033×焼点-0.0046×窯尻-0.0126×ｷﾙﾝ電力+2.6233×窯入HM

(b)放射温度計等によるキルン内温度計測技術開発放射温度計選定本試験放射温度計選定本試験（結果）（結果）

60

2012/12/17

■ 熱電対によるキルン内クリンカ温度直接測定

（1) 連続測定装置(テレメーターシステム) の設置

熱電対による測定信号 (４点) を 送信器にて無線送信するシステム送信器への電源供給はキルンシェルに装着したバッテリーより行う

テレメーターシステム

（2) 使用熱電対

キルン44m部の周囲４ヶ所に熱電対挿入。保護管材質は金属製(カンタル)と磁器製（窒化珪素)を採用した。

◆ 耐熱性能 金属製 ＜ 磁器製◆ 耐衝撃性能 金属製 ＞ 磁器製

（内側）

耐火ﾚﾝｶﾞｼｪﾙ面（外側）

ｷｬｽﾀﾌﾞﾙ

250㎜

熱電対（保護被覆）

ﾚﾝｶﾞ止4分割（幅25×高さ75㎜）

A

B

C

D

保護管 熱電対形状 材質 径 (φ) 素子

Ａ ｿﾘｯﾄﾞ 窒化珪素 φ18 RＢ ｿﾘｯﾄﾞ 窒化珪素 φ18 RＣ ｼｰｽ ｲﾝｺﾈﾙ φ4.8 RＤ ｿﾘｯﾄﾞ ｶﾝﾀﾙ φ15 R

44m

(b)放射温度計等によるキルン内温度計測技術開発キルン内部クリンカ温度測定（実施要領）キルン内部クリンカ温度測定（実施要領）

61

2012/12/17

■熱電対によるキルン内クリンカ温度直接測定(3) テレメーターシステムによるキルン内クリンカ温度測定トレンド

(4) クリンカ焼成度(ﾌﾘｰﾗｲﾑ)との相関性

キルン内部クリンカ温度を加えても相関性の上昇は見られず、当該部位(44m部)の温度測定の有効性は確認できなかった。

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

ｷﾙ

ﾝ電

力(K

W)

温度

( ℃)

温度計時系列

ｷﾙﾝ内 焼点 C1出

窯尻 ｷﾙﾝ電力

↙焼点

←ｷﾙﾝ内

(44m部)

<フリーライムとの相関性>R2>0.5:有意 ｷﾙﾝ内有 ｷﾙﾝ内無

相関係数 0.4785 0.5270

(b)放射温度計等によるキルン内温度計測技術開発キルン内部クリンカ温度測定（結果）キルン内部クリンカ温度測定（結果）

62

2012/12/17

■ 放射温度計による焼成帯クリンカ温度測定(1) 放射温度計測定精度確認のため、単色温度計・２色温度計で

焼成帯クリンカ温度を測定した結果、単色温度計が優位であることを確認した。

(2) 単色温度計について素子別 (Si,PbSe)で、クリンカ焼成度との関連性より有効性を評価した結果、素子Siが若干優位であることを確認した

■ 熱電対によるキルン内クリンカ温度直接測定(1) 連続測定装置(テレメーターシステム)を導入し、キルン44m部のクリンカ温度

の連続測定を実施した。

(2) テレメーターシステム自体は６ヵ月以上の耐用可能であったが、熱電対については保護管材質等を変えて測定した結果、定期的な交換が必要であることを確認した。

(3) 当該温度測定値とクリンカ焼成度(f-CaO)との関連性を評価した結果、相関性上昇への寄与が見られず有効性を確認することはできなかった。

(b)放射温度計等によるキルン内温度計測技術開発まとめまとめ

63

64

シミュレーション解析技術

計測技術

●鉱化剤使用●ビーライト活性化●ビーライト－アウイン●省エネセメント

プロセス

８％削減

エネルギー原単位

省エネ型クリンカ焼成技術

省エネ

品質確保

（普通ポルトランドセメント同等）

少量混合材

［中間目標：平成２４年度］ 達成度

焼成温度低下等を実現する省エネ型クリンカ焼成システムの要素技術を開発し、エネルギー原単位8％削減を目標とする革新的プロセスの設計提案を行い評価する。

達成

研究開発成果の融合研究開発成果の融合

５．事業化、波及効果

●事業化の見通し

本基盤研究においては全セメント生産量の約80％を占める普通ポルトランドセメントと同等の品質確保を目標としているため、開発した技術が実用化すれば、現行製品を置き換えることになる。したがって、現行の販売ルートや販売先等をそのまま利用することが可能であり、開発した技術の普及が進みやすく、かつ省エネ効果が産業全体に波及すると予想される。

●波及効果

国内のセメント生産量がここ数年減少傾向である一方で、世界におけるセメント需要は、BRICsに代表される新興国の経済発展に伴い年々増加の一途を辿っていることから、当該産業におけるCO2排出抑制を目的とした省エネ技術開発は、国際的にも極めて重要な課題である。

したがって、我が国が省エネリーディングカントリーとしてセメント製造に関する革新的な省エネ技術を確立し世界に発信していくことは、グローバルな省エネ・低炭素化に貢献するとともに、この結果として、国内セメント産業の国際競争力強化にも繋がることになる。

65

66

６．研究開発マネジメント・体制等 （開発計画）実施項目／年度(平成) ２２ ２３ ２４ ２５ ２６

Ⅰ．省エネ型クリンカ焼成システムのための要素技術開発

１．省エネ型クリンカ焼成技術開発

(a)鉱化剤使用によるセメントクリンカ低温焼成技術開発

(b)鉱物組成変更による省エネ型クリンカ焼成技術開発

(c)省エネセメントの開発

２．クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析

３．クリンカ焼成プロセスの計測技術開発

(a)スペクトル計測等によるキルン内温度計測技術開発

(b)放射温度計等によるキルン内温度計測技術開発

Ⅱ．革新的セメント製造プロセスの設計

鉱化剤最適化 テストキルン焼成

ﾋﾞｰﾗｲﾄ活性化影響調査

ビーライト活性化 テストキルン焼成

ｱｳｨﾝ系 影響調査

アウィン系テスト／実機キルン焼成

ｸﾘﾝｶ性能利用 省エネセメントの創出

全体シュミレータ開発

統合シュミレータ開発

ﾌﾟﾛｾｽ設計課題抽出

実機ｷﾙﾝ内ｽﾍﾟｸﾄﾙ計測技術選定

実機実証

焼点温度測定技術開発

操業評価

要素技術開発融合

ｸﾘﾝｶ性能利用

キルンセル熱電対埋込み

炉内環境模擬試験装置

ｺﾝｸﾘｰﾄによる耐久性評価試験

統合シュミレータ開発

革新的セメント製造プロセス設計

実機 キ ル ン 実 証 試 験

要素技術開発の融合

市場調査

ﾐﾆﾌﾟﾗﾝﾄ省ｴﾈ評価 省ｴﾈ関連焼成ﾌﾟﾛｾｽ評価

精度向上検討

ﾐﾆﾌﾟﾗﾝﾄによるｸﾘﾝｶ製造試験及びセメントとしての品質評価

ﾐﾆﾌﾟﾗﾝﾄ改良

ﾐﾆﾌﾟﾗﾝﾄによるｸﾘﾝｶ製造試験及びセメントとしての品質評価

６．研究開発マネジメント・体制等 （研究開発実施体制）

本研究を円滑にすすめ目標達成に向けた各研究分担の成果の融合を図るために以下を役割とする全体会議を設置した。・本研究の進捗確認・本研究成果等の情報共有・本研究目標達成のための相互協力

宇部興産株式会社

≪研究実施場所≫

･ﾌﾟﾛｾｽ技術研究所等（山口県宇部市等）

≪研究項目≫

･ｸﾘﾝｶ焼成ﾌﾟﾛｾｽのｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析

住友大阪セメント株式会社

≪研究実施場所≫

･ｾﾒﾝﾄｺﾝｸﾘｰﾄ研究所等（大阪府大阪市等）

≪研究項目≫

･放射温度計等によるｷﾙﾝ内温度計測技術開発

･鉱化剤使用によるｾﾒﾝﾄｸﾘﾝｶ低温焼成技術開発

太平洋セメント株式会社

≪研究実施場所≫

･中央研究所等（千葉県佐倉市等）

≪研究項目≫

･鉱物組成変更による省ｴﾈ型ｸﾘﾝｶ焼成技術開発

･省ｴﾈｾﾒﾝﾄの開発

三菱マテリアル株式会社

≪研究実施場所≫

･中央研究所等（茨城県那珂市等）

≪研究項目≫

･ｽﾍﾟｸﾄﾙ計測等によるｷﾙﾝ内温度計測技術開発

全 体 会 議

統括リーダー

太平洋セメント株式会社

中央研究所 ｾﾒﾝﾄ･ｺﾝｸﾘｰﾄ研究部

ｾﾒﾝﾄ技術ﾁｰﾑﾘｰﾀﾞｰ 平 尾 宙

≪研究実施場所（事務局）≫

･太平洋セメント株式会社（右記）

≪研究項目≫

･革新的ｾﾒﾝﾄ製造ﾌﾟﾛｾｽの設計の提

技術委員会

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６．研究開発マネジメント・体制等 （研究開発費）

実施項目／年度(平成) ２２ ２３ ２４ 合計

(１) 省エネ型クリンカ焼成技術開発

89,447,503 93,338,185 95,091,418 277,877,106

(a) 鉱化剤使用によるセメントクリンカ低温焼成技術開発

22,142,726 26,335,083 25,741,418 74,219,227

(b) 鉱物組成変更による省エネ型クリンカ焼成技術開発

67,304,777 58,307,674 50,715,655 176,328,106

(c) 省エネセメントの開発 0 8,695,428 18,634,345 27,329,773

(２) クリンカ焼成プロセスのシミュレーション解析

60,586,214 62,472,994 38,000,000 161,059,208

(３) クリンカ焼成プロセスの計測技術開発

41,075,395 42,064,917 37,658,582 120,798,894

(a) スペクトル計測等によるキルン内温度計測技術開発

30,400,180 30,400,000 30,400,000 91,200,180

(b) 放射温度計等によるキルン内温度計測技術開発

10,675,215 11,664,917 7,258,582 29,598,714

合計 191,109,112 197,876,096 170,750,000 559,735,208

68

６．研究開発マネジメント・体制等 （費用対効果）

本研究開発は低炭素社会に向けた次世代型セメント製造プロセスの開発であり、将

来的には実用化し国内セメント製造全般に普及することを目指す。独立行政法人新エ

ネルギー・産業技術総合開発機構が制定した「革新的セメント製造プロセス基盤技術

開発」基本計画によれば、本基盤技術が実用化しエネルギー原単位8％削減が実現した場合、我が国のセメント業界全体に普及すれば、製造プロセスへの投入エネル

ギーを原油換算で年間約46万kl（暫定値）低減させることが期待でき、本プロジェクトの予算規模(H22～H26)約７億円に比べて十分な効果が得られるものと考えられる。

2020年 2030年 2050年セメント生産量※１ 6699万t 6580万t 6580万t消費エネルギー※２ 579万kL 569万kL 569万kL

省エネ効果 ＝ 569 × 8% 約46万kL

※1：H21年8月 平成21年8月26日公表（長期エネルギー需給見通し(再計算)について）より※2：H21年2月 地球温暖化問題に関する懇談会 中期目標検討委員会(第４回)より

69