石灰窯

石灰窯は、石灰石（炭酸カルシウム）を焼成して生石灰（酸化カルシウム）と呼ばれる石灰を生成するために使用される窯です。この反応の化学式は次のとおりです。

CaCO ₃ + 熱 → CaO + CO ₂

この反応は840℃（1,540℉）以上のどこでも起こり得るが、一般的には900℃（1,650℉）（この温度ではCO2の分圧は1気圧）で起こると考えられている_。しかし、反応を迅速に進めるためには、通常1,000℃（1,830℉）（この温度ではCO2の分圧は3.8気圧[1]）程度の温度_が用い^られる。^[2]過度の温度は、反応しない「燃え尽きた」石灰を生成するので避けられる。

生石灰と水を混ぜると消石灰（水酸化カルシウム）ができます。

石灰は石灰岩を加熱することで簡単に作れるため、最も古い時代から知られていたに違いなく、初期の文明はすべて、石灰をモルタルの建設や、泥塗りや床の安定剤として使用していました。^[3]ヨルダンのアイン・ガザル、イスラエルのイフタヘル、シリアのアブ・フレイラで紀元前7500～6000年に発見されたものによると、石灰の最も古い使用は、主に床の結合剤と壁を塗るための漆喰でした。^[4]この漆喰の使用は、石灰と灰から作られた原始的な陶器の開発につながった可能性があります。^[4]モルタルで最も古い結合剤は泥でした。^[4]トルコのチャタル・ヒュユクで発見されたものによると、泥の次に粘土が、そして紀元前6千年紀には石灰が続きました。^[4]

農業におけるその価値も古くから知られていましたが、農業での使用が広く可能になったのは、13世紀後半に炭田で石炭の使用によってそれが安価になったとき^[5]であり、農業での使用に関する記述は1523年にありました。^[6]石灰窯に関する最も古い記述は、1世紀前に小規模製造に使用されたものとほとんど変わりません。^[要出典]産業革命以前の時代では石灰岩や石炭などの鉱物の陸上輸送は困難だったため、海路で配送され、石灰はほとんどの場合、小さな沿岸港で製造されていました。^[要出典]イギリス沿岸の波止場では、今でも多くの窯が保存されて残っています。

永久石灰窯は、大きく分けて 2 つのカテゴリに分類されます。「フレア窯」(「間欠窯」または「定期窯」とも呼ばれます) と「ドロー窯」(「永久窯」または「連続窯」とも呼ばれます) です。フレア窯では、底に石炭層が積み上げられ、その上の窯は白亜だけで満たされます。火は数日間燃え続け、その後窯全体の石灰が空になります。

引き窯は通常は石造りで、白亜質または石灰岩を木材、石炭、コークスと重ねて火をつけた。燃え尽きると、石灰が引き窯の底から引き穴を通して抽出された。さらに石と燃料の層が上部に追加された。^{[7] [8]}

初期の窯の一般的な特徴は、卵カップ型の燃焼室で、底部（「目」）に空気取り入れ口があり、レンガで作られていました。石灰岩は（多くの場合手作業で）かなり均一な20〜60 mm（1〜2 mm ）に粉砕されました。+石灰岩と木材または石炭のドーム状の層が、窯の 穴を横切る格子棒の上に次々と積み上げられました。石灰の積み込みが完了すると、窯の底で火がつけられ、火は徐々に積み込み物を通して上方に広がりました。完全に燃え尽きると、石灰は冷やされ、底から掻き出されました。細かい灰が落ちて、「リドリング」とともに排除されました。

焼成中に原料が「呼吸」する必要があるため、塊状の石しか使用できませんでした。これにより窯のサイズも制限され、窯がすべてほぼ同じサイズであった理由も説明できます。一定の直径を超えると、半分燃えた原料は自重で崩壊し、火が消える可能性が高くなります。そのため、窯では常に 25～30トンの石灰がバッチで生産されました。通常、窯は原料の積み込みに 1 日、焼成に 3 日、冷却に 2 日、荷降ろしに 1 日かかり、1 週間で完了するのが普通でした。燃焼の程度は、燃料の使用量を変えることでバッチごとに試行錯誤して制御されました。原料の中心と壁に近い材料の間には大きな温度差があったため、通常は燃焼不足 (つまり、強熱減量が高い)、燃焼良好、完全燃焼の石灰が混ざったものが生産されました。一般的な燃料効率は低く、完成した石灰 1 トンあたり 0.5 トン以上の石炭が使用されました (15 MJ/kg)。

石灰生産は、時には工業規模で行われていた。例えば、イングランド北デヴォンのグレート・トリントン近郊のアネリーでは、L字型に集まった3つの窯がトリントン運河とトリッジ川のそばに位置し、舗装道路がまだ存在していなかった時代に、石灰岩と石炭を運び、焼いた石灰を運び出していた。^[9]

7 つの窯のセットが一般的でした。積み込み班と積み下ろし班が、週を通して交代で窯を操作しました。

めったに使用されない窯は「怠け者の窯」として知られていました。^[10]

19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて、オーストラリアのビクトリア州ギプスランドにあるワラタの町は、メルボルン市やギプスランド周辺で使用される生石灰の大部分を生産していました。現在ウォーカービルと呼ばれるこの町は、ビクトリア州の海岸線の孤立した場所にあり、船で石灰を輸出していました。1926 年に採算が取れなくなると、窯は閉鎖されました。現在のこの地域には、町のアメニティはありませんが、観光地として宣伝されています。石灰窯の遺跡は今でも見ることができます。

• オーストラリアの石灰窯
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  オーストラリア、ビクトリア州ウォーカービルの石灰岩窯跡
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  オーストラリア、ビクトリア州ウォーカービルのブッシュウォーキング トラックから見た石灰岩窯の遺跡

南オーストラリアのウールベイにも石灰窯が存在した。

• ウールベイの石灰窯
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  ウクライナ、マンジキフ・クートにある古い石灰窯
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  ウクライナ、マンジキフ・クートにある古い石灰窯
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  ウクライナ、マンジキフ・クートにある古い石灰窯
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  ウクライナ、マンジキフ・クートにある古い石灰窯

ノーサンブリア州ヘイドン ブリッジ近くのクリンドルダイクスにある大型窯は、同州にある 300 以上の窯のうちの 1 つです。1 つの窯に 4 つの引き出しアーチがあるという点で、この地域では珍しいものです。生産量が削減されたため、2 つの側面アーチは塞がれましたが、1989 年にイングリッシュ ヘリテージによって修復されました。

国営鉄道網の発達により、地元の小規模窯はますます採算が取れなくなり、19 世紀を通じて徐々に廃れていきました。小規模窯は、より大規模な工業プラントに取って代わられました。同時に、化学、鉄鋼、砂糖産業における石灰の新たな用途が、大規模プラントの誕生につながりました。また、より効率的な窯の開発も進みました。

1842年にウェストミッドランズ（旧ウスターシャー）のダドリーに建てられた石灰窯は、 1920年代に最後に使用されたが、1976年にオープンしたブラックカントリーリビングミュージアムの一部として現存している。1960年代まで何世代にもわたって石炭採掘と石灰岩採掘が主流だったこの地域で、この窯は現在では最後のものとなっている。^[11]

• イギリスの石灰窯
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  フロッグホールにある 19 世紀の石灰窯。
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  ロンドンのバージェス パークに保存されている石灰窯。
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  コーンウォール州ボスキャッスルの古い石灰窯。
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  エアシャー州ベイスのブロードストーンにある大きな石灰窯。
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  イギリス、デボン州にあるアネリー窯。
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  ノーサンブリア州ハウスステッド 近郊のクリンドルダイクスにある 19 世紀の大型単一石灰窯。
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  1800年のダンバートン城と、手前に煙の上がる稼働中の石灰窯が見える。^[12]

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  古い石灰窯、アントワン、ベルギー
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  石灰窯、オエイラス、ポルトガル
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  石灰窯ウンターマルクタール、バーデン ヴュルテンベルク州
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  ナミビア、シンプロンにある 1906 年の石灰窯

高カルシウム石灰を作るのに必要な理論的な反応熱（標準エンタルピー）は石灰1kgあたり約3.15MJなので、バッチ窯の効率は約20%しかありませんでした。効率向上の鍵となったのは、バッチ窯の無駄な加熱と冷却のサイクルを省いた連続窯の発明でした。最初は単純な竪窯で、構造は高炉に似ていました。これらは向流竪窯です。現代の派生型には、蓄熱式窯や環状窯があります。生産量は通常、1日あたり100～500トンの範囲です。

燃料はシャフトの途中まで注入され、この時点で最高温度になります。上部から供給された新鮮な原料は、まず乾燥され、800 °C まで加熱されます。ここで脱炭酸が始まり、温度が上昇するにつれて徐々に進行が速くなります。バーナーの下では、高温の石灰が燃焼空気に熱を伝達し、燃焼空気によって冷却されます。機械式格子が下部の石灰を抜き取ります。ファンがガスを窯に引き込み、エアロックから原料を追加することで窯内のレベルを一定に保っています。バッチ窯と同様に、充填物を通るガスの流れを均一にするために、大きくて等級分けされた石のみを使用できます。燃焼の程度は、石灰の抜き取り速度を変更することで調整できます。熱消費量は 4 MJ/kg まで低く抑えることが可能ですが、4.5 ～ 5 MJ/kg が一般的です。バーナーの温度ピークが 1200 °C に達するため、シャフト窯の条件は中焼きおよび硬焼きの石灰を製造するのに理想的です。

これらは通常、交互に操作される一対のシャフトで構成されています。まず、シャフト A が「プライマリ」シャフトで、B が「セカンダリ」シャフトの場合、燃焼空気はシャフト A の上部から追加され、燃料はバーナー ランスを介してそのやや下から追加されます。炎は上下です。高温のガスは下方に流れ、いわゆる「チャネル」を介してシャフト B に渡り、シャフト B の排気口に向かって上方に流れます。同時に、両方のシャフトで冷却空気が下部から追加され、石灰を冷却し、常に正圧を維持することで窯の下部からのガスの排出を不可能にします。燃焼空気と冷却空気は、シャフト B 上部の排気口から一緒に窯から出て、石を予熱します。シャフト A と B の流れの方向は定期的に (通常、1 時間あたり 5 ～ 10 回) 逆転し、「プライマリ」シャフトと「セカンダリ」シャフトの役割が変わります。窯には 3 つのゾーンがあります。上部の予熱ゾーン、中央の燃焼ゾーン、下部に近い冷却ゾーンです。サイクルにより、一定で比較的低温 (約 950 °C) の長い燃焼ゾーンが生成され、これは高品質の軟焼反応性石灰の製造に最適です。排気ガス温度が 120 °C と低く、窯出口の石灰温度が 80 °C の範囲であるため、再生窯の熱損失は最小限で、燃料消費量は 3.6 MJ/kg と低くなります。これらの機能により、再生窯は今日、燃料コストがかなりかかる状況下で主流の技術となっています。再生窯は、1 日あたり 150 ～ 800 トンの生産量で製造され、通常は 300 ～ 450 トンです。

これらには同心の内部シリンダーが含まれています。これにより、冷却ゾーンから予熱された空気が集められ、窯の中央の環状ゾーンを加圧するために使用されます。加圧ゾーンから外側に広がる空気により、上向きの逆流と下向きの並流が発生します。これにより、長くて比較的低温の焼成ゾーンが再び生成されます。燃料消費量は 4 ～ 4.5 MJ/kg の範囲で、石灰は通常中程度に燃焼します。

ロータリー窯は 20 世紀初頭に石灰製造に使用され始め、現在ではエネルギー コストがそれほど重要でない場合、新規設備の大部分を占めています。初期のシンプルなロータリー窯の使用には、細粒から上質まで、より幅広い石灰石サイズを使用でき、硫黄などの望ましくない要素を除去できるという利点がありました。一方、竪窯に比べて熱交換が悪く、排気ガスの熱損失が過剰になるため、燃料消費が比較的高くなっていました。旧式の「長い」ロータリー窯は 7 ～ 10 MJ/kg で稼働します。現代の設備では、竪窯と同様に固体とガスの接触が良好な予熱器を追加することでこの欠点を部分的に克服していますが、燃料消費は依然としてやや高く、通常は 4.5 ～ 6 MJ/kg の範囲です。図に示す設計では、竪窯の上昇管の周りに円形のシャフト (通常は 8 ～ 15 本) が配置されています。油圧式の「プッシャー プレート」の作用により、熱い石灰石がシャフトから順番に排出されます。1 日の生産量が 1,000 トンの窯が一般的です。ロータリー窯は、あらゆる石灰窯の中で最も柔軟性が高く、軟質、中質、硬質焼成、および完全焼成の石灰またはドライムを生産できます。

上記の窯の設計はすべて、相当量の粉塵を含んだ排気ガスを発生します。石灰の粉塵は特に腐食性があります。この粉塵を捕集するために、通常は電気集塵機またはバッグ フィルターの形で装置が設置されます。粉塵には通常、アルカリ金属、ハロゲン、硫黄などの元素が高濃度で含まれています。

石灰産業は、二酸化炭素を大量に排出します。1 トンの酸化カルシウムを製造するには、炭酸カルシウムを分解する必要があり、モルタルとして使用する場合など、用途によっては785 kg の_CO2が発生します。この CO2_は、モルタルが劣化すると再び吸収されます。

石灰を形成するために供給される熱（効率的な窯では 3.75 MJ/kg）が化石燃料の燃焼によって得られる場合、CO ₂が排出されます。石炭燃料の場合は 295 kg/t、天然ガス燃料の場合は 206 kg/tです。効率的な工場の電力消費は、石灰1トンあたり約20 kWhです。この追加入力は、電力が石炭で発電されている場合、1トンあたり約20 kgのCO _{2に相当します。したがって、効率的な工業プラントであっても、総排出量は石灰1トンあたり約1トンのCO 2}になる可能性がありますが、通常は1.3 t/tです。^[13]ただし、製造に使用される熱エネルギー源が太陽光、風力、水力、さらには原子力などの完全に再生可能な電源である場合、焼成プロセスからのCO ₂の正味の排出はありません。主に必要な温度が低いため、 重量あたりの製造に必要なエネルギーはポートランドセメントよりも少なくなります。

• 石灰窯の一覧
  • 米国の石灰窯の一覧
• ライムピット

ウィキメディア・コモンズには、石灰窯に関連するメディアがあります。

• 石灰とその用途に関する権威ある議論（米国の状況）
• ニューポート・ペンブルックシャーの石灰窯、ウェールズ西部
• 19世紀半ばのマスプラットによる石灰焼成とセメントに関する技術的説明
• 石灰の物理化学プロセス
• ソノマ州立大学図書館のライムキルンデジタルコレクション

ウェインマンズ ダブルアーチ型石灰窯 – グレード II 指定建造物に指定 – 2005 年 2 月 1 日

詳細と画像: https://web.archive.org/web/20140522012536/http://cowlingweb.co.uk/local_history/history/wainmanslimekiln.asp