セメント窯

セメント窯は、ポルトランドセメントやその他の水硬性セメントの製造における焼成段階で使用され、炭酸カルシウムがシリカ含有鉱物と反応してケイ酸カルシウムの混合物を形成する。年間10億トン以上のセメントが製造されており、セメント窯はこの生産プロセスの中核を成す。セメント窯の能力がセメント工場の能力を左右することが多い。セメント製造におけるエネルギー消費と温室効果ガス排出の主要段階として、窯の効率改善はセメント製造技術の中心的な関心事となっている。セメント窯からの排出は温室効果ガス排出の主な発生源であり、全世界の非自然炭素排出量の約2.5%を占めている。^[1]

一般的な製造プロセスは次の 3 つの段階で構成されます。

• 石灰岩と粘土または頁岩の混合物を粉砕して細かい「原料混合物」を作る（Rawmill を参照）。
• セメント窯で原料混合物を焼結温度（最高1450℃）まで加熱する。
• 得られたクリンカーを粉砕してセメントを製造する（セメントミルを参照）。

第 2 段階では、原料混合物が窯に投入され、窯燃料の燃焼による高温ガスとの接触によって徐々に加熱されます。原料混合物の温度が上昇するにつれて、連続的な化学反応が起こります。

• 70～110℃ – 自由水が蒸発します。
• 400～600℃ – 粘土質鉱物は、主にSiO ₂とAl ₂ O ₃などの構成酸化物に分解されます。ドロマイト（CaMg(CO ₃ ) _{2 ）は、炭酸カルシウム（CaCO 3}）、MgO、CO ₂に分解されます。
• 650 ～ 900 °C –炭酸カルシウムがSiO ₂と反応してビーライト(Ca ₂ SiO ₄ ) (セメント業界では C2S とも呼ばれる)を形成します。
• 900～1050℃ – 残りの炭酸カルシウムは酸化カルシウム（CaO）とCO ₂に分解されます。
• 1300～1450℃ – 部分的（20～30%）溶融が起こり、ビーライトが酸化カルシウムと反応してエーライト（Ca ₃ O·SiO ₄）（セメント業界ではC3Sとも呼ばれる）を形成します。

エーライトは、ポートランド セメントの特徴的な成分です。通常、反応を完了するには 1400 ～ 1450 °C のピーク温度が必要です。部分溶融により、材料は塊または小塊に凝集します。通常、直径は 1 ～ 10 mm です。これがクリンカーと呼ばれます。次に、高温のクリンカーは冷却器に落下し、そこで熱の大部分が回収されて、クリンカーは 100 °C 前後まで冷却されます。この温度になると、クリンカーは保管場所へ簡単に運ぶことができます。セメント キルン システムは、これらのプロセスを実行するように設計されています。

ポートランドセメントクリンカーは、伝統的な静的石灰窯を改良した形で初めて（1825年に）製造されました。^{[2] [3] [4]} 基本的な卵カップ形の石灰窯には、ドラフトを増やしてセメントクリンカーの製造に必要な高温を得るために円錐形または蜂の巣形の拡張部が設けられました。ほぼ半世紀の間、この設計と小さな改良が唯一の製造方法であり続けました。窯の大きさは原料ミックスの塊の強度によって制限されていました。窯内の充填物が自重で崩壊すると、窯は消火してしまいます。このため、蜂の巣窯では1バッチあたり30トンを超えるクリンカーを製造することはありませんでした。1バッチの処理には1週間かかり、窯に充填するのに1日、燃焼するのに3日、冷却に2日、荷降ろしに1日かかりました。したがって、窯では年間約1500トンが生産されていました。

1885 年頃、連続窯の設計実験が始まりました。その 1 つが竪窯で、高炉に似た設計です。塊状の原料混合物と燃料が上部から連続的に投入され、クリンカーが下部から連続的に排出されます。底部から圧力をかけた空気が吹き込まれ、燃料が燃焼します。竪窯はロータリー窯に取って代わられるまで短期間使用されていましたが、1970 年以降、中国やその他の地域で限定的に復活し、輸送ルートから離れた農村部の小規模でローテクな工場で使用されました。中国では数千基の竪窯が建設されました。典型的な竪窯では、1 日あたり 100 ～ 200 トンの生産が可能です。

1885年からは回転窯の開発の試みが始まり、現在では世界の生産量の95%以上を占めています。

ロータリー窯は、鋼板で作られ、耐火レンガで裏打ちされた管で構成されています。管はわずかに傾斜しており (1 ～ 4°)、軸を中心に 1 時間あたり 30 ～ 250 回転でゆっくりと回転します。原料ミックスは上端から投入され、窯の回転により徐々に下方向に窯の反対側の端まで移動します。反対側の端では、ガス、油、または粉砕された固形燃料の形の燃料が「バーナー パイプ」から吹き込まれ、窯管の下部に大きな同心円状の炎が生成されます。材料が炎の下を移動すると、最高温度に達し、窯管から冷却器に落ちます。空気は最初に冷却器を通過し、次に燃料を燃焼させるために窯を通過します。冷却器では、空気は冷却クリンカーによって加熱されるため、窯に入る前に 400 ～ 800 °C になり、燃料が激しく急速に燃焼します。

最も初期の成功したロータリーキルンは、1890年頃にペンシルバニア州でフレデリック・ランサム^[5]の設計に基づいて開発され、直径約1.5メートル、長さ約15メートルでした。このようなキルンは、1日あたり約20トンのクリンカーを生産しました。燃料は当初、当時ペンシルバニア州で容易に入手できた石油でした。この燃料を使用すると、良好な炎を得るのが特に簡単でした。その後10年のうちに、粉砕した石炭を吹き込んで焼成する技術が開発され、入手可能な最も安価な燃料を使用できるようになりました。1905年までには、最大のキルンのサイズは2.7 x 60メートルになり、1日あたり190トンを生産しました。その時点で、開発からわずか15年後に、ロータリーキルンは世界の生産量の半分を占めていました。それ以来、キルンの容量は着実に増加し、今日の最大のキルンは1日あたり約10,000トンを生産しています。スタティック キルンとは対照的に、材料は素早く通過します。3 時間 (一部の古い湿式キルン) から 10 分程度 (短い予備焼成キルン) で済みます。ロータリー キルンは 1 日 24 時間稼働し、通常は年に 1 回か 2 回、必須のメンテナンスのために数日間停止するだけです。ロータリー キルンの主なメンテナンス作業の 1 つは、タイヤとローラーの表面加工と研削作業です。これは、キルンが最大 3.5 rpm の速度でフル稼働している間に行うことができます。加熱と冷却は時間がかかり、無駄が多く、損傷を与えるプロセスであるため、これは重要な作業です。18 か月もの中断のない稼働が達成されています。

最も古い時代から、原料ミックスの調製には2つの異なる方法が使用されていました。鉱物成分を乾式粉砕して小麦粉のような粉末にするか、水を加えて湿式粉砕し、塗料のような粘稠度を持ち、典型的な水分含有量が40～45%の細かいスラリーを生成するかのいずれかでした。^[6]

湿式法には、スラリーを窯に投入すると、水分を蒸発させるために大量の燃料が余分に消費されるという明らかな欠点がありました。さらに、窯の長さの大部分が乾燥プロセスに充てられるため、一定のクリンカー生産量を得るには、より大きな窯が必要でした。一方、湿式法には多くの利点がありました。硬質鉱物の湿式粉砕は、通常、乾式粉砕よりもはるかに効率的です。窯でスラリーを乾燥させると、その後の窯での加熱に最適な粒状の砕片になります。乾式法では、高速で流れる燃焼ガスによって原料が再び吹き飛ばされる傾向があるため、微粉末の原料を窯内に保持するのは非常に困難です。乾式窯に水を噴霧して乾燥混合物を「湿らせる」ことが慣例となり、そのため、長年、2 つの方法の効率にはほとんど差がなく、圧倒的多数の窯で湿式法が使用されていました。 1950 年までに、乾燥ゾーンの熱交換器を備えた典型的な大型湿式窯は、3.3 x 120 m の大きさで、1 日あたり 680 トンを生産し、生産されるクリンカー 1 トンあたり約 0.25～0.30 トンの石炭燃料を使用していました。1970 年代のエネルギー危機により新しい湿式窯の設置が中止される前は、5.8 x 225 m の大きさの窯で 1 日あたり 3,000 トンを生産していました。

湿式プロセスの歴史に関する興味深い補足事項として、一部のメーカーが実際に、非常に古い湿式プロセス施設を、廃燃料の使用によって収益性の高いものにしてきたことが挙げられます。廃燃料を燃焼するプラントは、燃料コストがマイナスになります（エネルギー含有量があり、高温で保持時間が長いセメント窯で安全に処分できる材料を処分する必要がある業界が支払います）。その結果、湿式プロセスの非効率性は、メーカーにとって有利になります。廃棄物の燃焼作業を古い湿式プロセスの場所に配置することで、燃料消費量が増えることは、実際にはメーカーの利益が増えることに相当しますが、それに応じて CO2 排出量も増えます_。このような排出量を削減する必要があると考えるメーカーは、湿式プロセスの使用を断念しています。

1930年代、ドイツでは、燃料の無駄を最小限に抑えるために窯システムを再設計する最初の試みが行われました。^[7] これにより、2つの重要な進歩がもたらされました。

• 格子予熱器
• ガスサスペンション予熱器。

格子予熱器は、回転窯の冷端に取り付けられたチェーン状の高温鋼製可動格子を含むチャンバーで構成されています。^[8] 乾燥粉末原料は、10～15% の水を加えて、塊状化パンで直径 10～20 mm の硬いペレットに加工されます。ペレットは可動格子に積み込まれ、窯の背面からの高温燃焼ガスが下からペレット層を通過します。これにより、原料は非常に効率的に乾燥し、部分的に焼成されます。その後、ペレットは窯に落下します。窯から吹き出される粉末状物質はほとんどありません。ペレットを作るために原料は湿らされるため、これは「半乾式」プロセスと呼ばれます。グレート プレヒーターは、原料ミックスをスラリー状にして高圧フィルターで脱水し、得られた「フィルター ケーキ」をペレット状に押し出してグレートに供給する「セミウェット」プロセスにも適用できます。この場合、ペレットの水分含有量は 17 ～ 20% です。グレート プレヒーターは 1950 年代から 60 年代に最も普及しており、当時の典型的なシステムでは、長さ 28 m、幅 4 m のグレートと 3.9 x 60 m の回転窯があり、1 日あたり 1,050 トンを生産し、生産されるクリンカー 1 トンあたり約 0.11 ～ 0.13 トンの石炭燃料を使用していました。1 日あたり最大 3,000 トンのシステムが設置されました。

ガスサスペンション予熱器の主要コンポーネントはサイクロンです。サイクロンは円錐形の容器で、その中に粉塵を含んだガス流が接線方向に通過します。これにより容器内に渦が発生します。ガスは同軸の「渦流探知機」を通って容器から出ます。固形物は遠心作用によって容器の外側の縁に投げ出され、円錐の頂点にあるバルブを通って出ます。サイクロンは元々、単純な乾式プロセス窯から出る粉塵を含んだガスを浄化するために使用されていました。代わりに、原料混合物の供給全体がサイクロンを通過するように強制すると、非常に効率的な熱交換が行われます。ガスは効率的に冷却されるため、大気への熱の無駄が少なくなり、原料混合物は効率的に加熱されます。複数のサイクロンを直列に接続すると、熱伝達効率がさらに高まります。

実際に使用されるサイクロン段の数は、1～6 です。ファン電力という形でのエネルギーは、ガスをサイクロン列に通すために必要であり、6 個のサイクロン列では、追加のサイクロンに必要な追加のファン電力のコストが、得られる効率上の利点を上回ります。原料ミルで原料を乾燥するには、暖かい排気ガスを使用するのが普通ですが、原料が湿っている場合は、効率の低い予熱器からの熱いガスが望ましいです。このため、最も一般的なサスペンション予熱器には 4 つのサイクロンがあります。予熱器列のベースから出る熱い供給物は通常 20% 焼成されているため、窯での後続の処理が少なくなり、したがってより高い比出力を達成できます。 1970 年代初頭に設置された典型的な大規模システムには、直径 6 メートルのサイクロンと、5 x 75 メートルの回転窯があり、1 日あたり 2,500 トンのクリンカーを生産し、生産されるクリンカー 1 トンあたり約 0.11 ～ 0.12 トンの石炭燃料を使用していました。

サスペンション プレヒーターの効率の代償として、詰まりやすいという欠点があります。硫酸塩やナトリウムおよびカリウムの塩化物などの塩は、窯の燃焼ゾーンで蒸発する傾向があります。これらは蒸気の形で運ばれ、十分に低い温度に達すると再び凝縮します。これらの塩は原料ミックスに再循環して燃焼ゾーンに再び入るため、再循環サイクルが確立されます。原料ミックスとクリンカーに 0.1% の塩化物が含まれる窯では、窯の中間材料に 5% の塩化物が含まれることがあります。凝縮は通常、プレヒーターで発生し、液体塩の粘着性の堆積物がほこりっぽい原料ミックスを固い堆積物に接着します。これは通常、ガス流が衝突する表面に付着します。これによりプレヒーターが詰まり、窯内で空気の流れを維持できなくなります。その場合、手動で堆積物を除去しなければなりません。現代の設備では、定期的に堆積物を除去できるように、脆弱な箇所に自動装置が設置されていることがよくあります。代替アプローチは、塩がまだ気相にある窯の入口で窯の排気の一部を「抜き取り」、この中の固形物を除去して廃棄することです。これは通常「アルカリ抜き取り」と呼ばれ、再循環サイクルを中断します。また、クリンカーのアルカリ含有量を減らすため、セメントの品質上の利点もあります。アルカリ含有量はセメントの重要な特性です。実際、アルカリ含有量が高すぎるセメントは、反応性非晶質シリカを含む骨材で作られたコンクリートで有害なアルカリシリカ反応(ASR)を引き起こす可能性があります。吸湿性で膨張するシリカゲルナトリウムが反応性骨材の内部に形成され、特徴的な内部亀裂が発生します。コンクリートマトリックスで発生するこの膨張化学反応により、コンクリートに高い引張応力が発生し、コンクリート構造を台無しにする可能性のある亀裂が発生します。ただし、高温ガスが無駄になるため、このプロセスは非効率的であり、窯の燃料消費量が増加します。

1970年代に日本で初めて予備焼成炉が開発され、その後、世界中で新しい大規模設備に選ばれるようになった。^[9] 予備焼成炉はサスペンションプレヒーターの発展型である。その考え方は、窯で燃焼できる燃料の量は窯の大きさに直接関係しているというものである。原料混合物を燃焼させるのに必要な燃料の一部を窯の外で燃焼させると、窯の大きさを一定に保ちながらシステムの出力を高めることができる。サスペンションプレヒーターのユーザーは、プレヒーターの底に追加の燃料を注入することで出力を増加できることを発見した。論理的な展開は、特別に設計された燃焼室をプレヒーターの底に設置し、その中に微粉炭を注入することだった。これは、窯燃料と焼成炉燃料の両方の燃焼空気がすべて窯を通過するため、「エアスルー」予備焼成炉と呼ばれている。このタイプの予備焼成炉は、焼成炉内で燃料の最大 30% (通常は 20%) を燃焼できます。焼成炉に注入される燃料が多すぎると、窯から吸い込まれる余分な空気によって窯の炎が過度に冷却されます。原料は、ロータリー窯に入る前に 40 ～ 60% 焼成されます。

究極の開発は「空気分離型」予備焼成炉で、焼成炉の高温燃焼空気は冷却器から直接ダクトに入り、窯を迂回します。通常、燃料の 60 ～ 75% が予備焼成炉で燃焼します。これらのシステムでは、ロータリー窯に入る原料は 100% 焼成されます。窯は原料を焼結温度まで上げるだけです。理論上は、すべての燃料が予熱器で燃焼すれば最大の効率が得られますが、焼結操作にはクリンカーを作るための部分的な溶融と塊状化が伴い、ロータリー窯の回転動作はこれを実行する最も効率的な方法のままです。大規模な最新設備では、通常、4 個または 5 個のサイクロンが 2 列に並列に並んでおり、1 つは窯に、もう 1 つは予備焼成炉チャンバーに接続されています。 6 x 100 m の回転窯では、1 日あたり 8,000 ～ 10,000 トンのクリンカーが製造され、製造されるクリンカー 1 トンにつき約 0.10 ～ 0.11 トンの石炭燃料が使用されます。これらの設備では、巨大な予熱塔と冷却装置があるため、窯は小さく見えます。このような窯では、年間 300 万トンのクリンカーが製造され、30 万トンの石炭が消費されます。直径 6 m が回転窯のサイズの限界と思われます。このサイズ以上になると、鋼鉄製のシェルの柔軟性が制御不能になり、窯が曲がると 耐火レンガのライニングが破損する傾向があるためです。

空気分離型予備焼成炉の特別な利点は、アルカリを多く含む窯の排気ガスの大部分、または 100% をアルカリ抜きとして取り出せることです (上記参照)。これはシステムの熱入力の 40% に過ぎないため、単純なサスペンション プレヒーター抜きよりも熱の無駄が少なく済みます。このため、セメント工場で高アルカリの原材料しか使用できない場合は、空気分離型予備焼成炉が常に推奨されています。

添付の数字は、北米（データは容易に入手可能）におけるより効率的なプロセスの使用への移行を示しています。しかし、例えばタイの窯あたりの平均生産量は北米の 2 倍です。

窯管と予熱器に加えて必須の機器は次のとおりです。

• クーラー
• 燃料工場
• ファン
• 排気ガス浄化装置。

初期のシステムでは、回転式冷却​​器が使用されていました。これは、キルンに似た回転シリンダーで、その中に熱いクリンカーが落とされました。^[10] 燃焼空気は、クリンカーが下降するにつれて冷却器を通って上昇し、空気流に流れ込みました。 1920 年代には、サテライト冷却器が一般的になり、最近まで使用されていました。これらは、キルンチューブに取り付けられた 1 セット (通常 7～9 本) のチューブで構成されています。キルンに密閉されており、別の駆動装置を必要としないという利点があります。 1930 年頃から、格子冷却器が開発されました。これは、長方形のチャンバーに囲まれた、冷気を吹き込む穴あき格子で構成されています。最大 0.5 m の深さのクリンカー層が格子に沿って移動します。これらの冷却器には、主に 2 つの利点があります。(1) クリンカーを急速に冷却するため、クリンカーの品質の観点から望ましいこと、(2) クリンカーが高温になると、クリンカーが高温になり、クリンカーが高温になるのを防ぐこと、(3) クリンカーが高温になると、クリンカーが高温になるのを防ぐこと、(4) クリンカーが高温になると、クリンカーが高温になるのを防ぐこと、(5) クリンカーが高温になると、クリンカーが高温になるのを防ぐこと、(6) クリンカーが高温になると、クリンカーが高温になるのを防ぐこと、(7) クリンカーが高温になると、クリンカーが高温になるのを防ぐこと、(8) クリンカーが高温になると、クリンカーが高温になるのを防ぐこと、(9) クリンカーが高温になると、クリンカーが高温になるのを防ぐこと、(10) クリンカーが高温になると、クリンカーが高温になるのを防ぐこと、(11) クリンカーが高温になると、クリンカーが高温になるのを防ぐこと、(12) クリンカーが高温になると、クリンカーが高温になるのを防ぐこと、(13) クリンカーが高温になると、クリンカーが高温になるのを防ぐこと、(14) クリンカーが高温になると、クリンカーが高温になるのを防ぐこと、(15) クリンカーが高温になると、クリンカー
₃S）、1250℃以下では熱力学的に不安定となり、ビーライト（C
₂徐冷時の S )と遊離CaO (C)：

C ₃ S → C ₂ S + C + 熱       （熱放出によって促進される発熱反応）、

（エーライトはセメントの凝結および硬化における初期の強度発現に関与するため、エーライト中のクリンカー含有量を可能な限り高くすることが望ましい）

（２）回転しないため、高温の空気をダクトから排出し、燃料の乾燥に使用したり、予備焼成炉の燃焼空気として使用したりすることができる。後者の利点により、現代のシステムでは、このタイプのみが使用されるようになった。

燃料システムは2つのカテゴリーに分けられます: ^[11]

• 直接発射
• 間接射撃

直接燃焼では、燃料は制御された速度で燃料ミルに供給され、細かい生成物はすぐに窯に吹き込まれます。このシステムの利点は、危険な粉砕燃料を保管する必要がないことです。燃料は製造されるとすぐに使用されます。このため、古い窯ではこのシステムが選ばれました。欠点は、燃料ミルを常に稼働させる必要があることです。燃料ミルが故障すると、バックアップ システムがない場合は窯を停止する必要があります。

間接燃焼では、燃料は断続的に稼働するミルで粉砕され、細かい製品は、燃料ミルの停止期間中に窯に供給するのに十分な大きさのサイロに保管されます。細かい燃料は、制御された速度でサイロから計量され、窯に吹き込まれます。この方法は現在、窯と予備焼成炉の両方に同じシステムから燃料を供給できるため、予備焼成炉システムに好まれています。細かい燃料を安全に保管するには特別な技術が必要であり、揮発性物質の多い石炭は通常、不活性雰囲気（例：CO ₂）で粉砕されます。

大量のガスを窯システムを通して移動させる必要がある。^[12] 特にサスペンションプレヒーターシステムでは、これを駆動するためにシステム出口で高い吸引力を発生させる必要がある。ファンはまた、冷却床に空気を送り込み、燃料を窯に送り込むのにも使用される。ファンはシステムで消費される電力のほとんどを占め、通常はクリンカー1トンあたり10～15kW·hに達する。

現代の窯から出る排気ガスは、通常、製造されたクリンカー1トンあたり2トン（または標準温度で1500立方メートル）に達します。 ^[13] ガスには大量の粉塵（通常1立方メートルあたり30グラム）が含まれています。各国の環境規制では、これを（通常）1立方メートルあたり0.1グラムにまで削減することが求められているため、粉塵捕集効率は少なくとも99.7％である必要があります。捕集方法には、電気集塵機やバグフィルターなどがあります。セメント窯の排出ガスも参照してください。

一次焼成に使用されてきた燃料には、石炭、石油コークス、重油、天然ガス、埋立地排ガス、石油精製所のフレアガスなどがあります。^[14] クリンカーは主に放射熱伝達によって最高温度に達し、そのためには明るい（つまり放射率が高い）熱い炎が不可欠であるため、明るい炎を生成する石炭などの高炭素燃料が窯焼成に好まれることが多いです。安価で入手しやすい場合は、天然ガスも使用されることがあります。しかし、生成される炎の光度がはるかに低いため、窯の出力が低くなる傾向があります。^[15]

これらの主燃料に加えて、さまざまな可燃性廃棄物が窯に投入されています。これらの代替燃料(AF) には次のものがあります。

• 中古自動車タイヤ
• 下水汚泥
• 農業廃棄物
• 埋立地ガス
• 廃棄物燃料（RDF）
• 化学廃棄物およびその他の有害廃棄物

セメント窯は、以下の理由から有害物質を処分する魅力的な方法です。

• 窯内の温度は他の燃焼システム（焼却炉など）よりもはるかに高い。
• 窯内のアルカリ性条件は、酸性の燃焼生成物を吸収できる高カルシウム原料混合物によってもたらされる。
• クリンカーが重金属をその構造内に吸収する能力。

注目すべき例としては、他の方法では処分するのが非常に難しい廃自動車タイヤの使用が挙げられます。タイヤは、通常、予熱窯の上端に転がして入れるか、長い湿式窯の途中にあるスロットに落として窯に投入されます。いずれの場合も、ガス温度が高いため (1000～1200 °C)、タイヤはほぼ瞬時に完全無煙燃焼します。あるいは、タイヤを 5～10 mm のチップに切り刻み、その状態で予備焼成炉の燃焼室に注入することもできます。タイヤに含まれる鋼鉄と亜鉛は化学的にクリンカーに組み込まれ、通常は原料として投入しなければならない鉄を部分的に置き換えます。

安全な運転を維持するためには、燃料とその燃焼生成物の両方を高レベルで監視することが必要である。^[16]

窯の効率を最大限に高めるには、高品質の従来型燃料が最良の選択です。しかし、いかなる燃料、特に有害廃棄物を燃やしても、有毒な排出物が発生する可能性があります。^[17] そのため、セメント窯のオペレーターは、排出物が継続的に最小限に抑えられるように、多くのプロセス変数を厳密に監視する必要があります。米国では、セメント窯はEPAによって大気汚染の主な発生源として規制されており、厳しい大気汚染防止要件を満たす必要があります。^[18]

キルン運転の目的は、環境基準を満たしながら、キルンのサイズが許す限りの最大速度で、必要な化学的および物理的特性を持つクリンカーを製造し、可能な限り低い運転コストで生産することです。^[19]キルンは制御戦略に非常に敏感であり、キルンの運転が不十分だとセメント工場の運転コストが簡単に2倍になる可能性があります。^[20]

望ましいクリンカー鉱物の形成には、原料混合物を上記の温度段階を通して加熱することが含まれます。窯の最も熱い部分、炎の下で起こる最終的な変化は、ビーライト( C ₂ S = 2CaO·SiO ₂、または Ca ₂ SiO ₄ ) と酸化カルシウムの反応で、エーライト( C ₃ S = 3CaO·SiO ₂、または Ca ₃ SiO ₅ ) を形成します。

Ca ₂ SiO ₄ + CaO → Ca ₃ SiO ₅

セメント化学表記法(CCN) では次のように略記される:

C ₂ S + C → C ₃ S       （高温で吸熱反応が促進される）

三ケイ酸カルシウム ( C ₃ S、エーライト、Ca ₃ SiO ₅ ) は 1250 °C 未満では熱力学的に不安定ですが、急速冷却 (急冷)によって室温で準安定状態を保つことができます。ゆっくり冷却すると、ビーライト( Ca ₂ SiO ₄ ) と CaOに戻る傾向があります。

反応が不完全な場合、クリンカーに過剰な量の遊離酸化カルシウムが残ります。遊離 CaO 含有量の定期的な測定は、クリンカーの品質を追跡する手段として使用されます。窯制御のパラメータとして、遊離 CaO データは、高速自動サンプリングと分析を使用しても、データが到着したときに 10 分「古い」場合があり、分単位の制御にはより即時のデータを使用する必要がありますので、あまり効果的ではありません。

ビーライトからエーライトへの変換には部分的な溶融が必要であり、その結果生じる液体が反応が起こる溶媒となります。液体の量、したがって仕上げ反応の速度は温度に関係します。クリンカーの品質目標を満たすための最も明白な制御は、仕上げ反応が必要な程度まで起こるようにクリンカーが最高温度に達することです。窯の高温端で一定の液体形成を維持するもう 1 つの理由は、焼結材料がダムを形成し、冷却器の上流の供給物が窯から溢れ出るのを防ぐためです。焼成ゾーンの供給物は、二酸化炭素を発生する粉末であるため、非常に流動性があります。燃焼ゾーンの冷却と、未燃焼材料の冷却器への損失は「フラッシング」と呼ばれ、生産の損失を引き起こすだけでなく、大きな損害を引き起こす可能性があります。

ただし、効率的な操作のためには、窯システム全体にわたって安定した状態を維持する必要があります。各段階での原料は、次の段階で処理できる温度に保たれていなければなりません。これを確実にするために、原料とガスの両方の温度をあらゆる点で最適化し、維持する必要があります。これを実現するために利用できる外部制御はいくつかあります。

• 供給速度: これは窯の出力を定義します
• ロータリーキルンの速度：これは原料がキルンチューブを通過する速度を制御します
• 燃料噴射率：システムの「ホットエンド」が加熱される速度を制御します。
• 排気ファンの速度または電力: ガスの流れと、システムの「ホットエンド」から「コールドエンド」に熱が引き出される速度を制御します。

前焼成炉の場合は、さらに制御が可能です。

• 窯と焼成炉への燃料の独立制御
• 複数の予熱ストリングがある場合の独立したファン制御。

ファン速度と燃料速度を独立して使用することは、燃料を燃焼させる、特に炭素を二酸化炭素に燃焼させるのに十分な酸素が常に存在しなければならないという事実によって制約されます。一酸化炭素が生成されると、燃料の無駄遣いを意味し、また、窯内の還元状態を示します。これは、クリンカーの鉱物構造の破壊を引き起こすため、絶対に避けなければなりません。このため、排気ガスは継続的にO ₂、CO、NO、およびSO ₂について分析されます。

クリンカーのピーク温度の評価は、常に問題を抱えてきました。高温のクリンカーは化学的に攻撃的で研磨性があるため、接触温度の測定は不可能であり、赤外線 高温測定などの光学的方法は、燃焼ゾーンのほこりや煙の多い雰囲気のため困難です。従来の評価方法は、クリンカーの層を観察し、経験から液体形成量を推測することでした。液体が形成されるほど、クリンカーは粘着性になり、材料の層は窯の上昇側でより高く上昇します。通常、液体形成ゾーンの長さを評価することも可能で、その長さを超えると、粉状の「新鮮な」供給物が見えます。赤外線測定機能の有無にかかわらず、カメラが窯のフードに取り付けられ、これが容易になります。多くの窯では、窯のモーターの消費電力から同じ情報を推測できます。これは、窯の壁の高い位置にある粘着性の供給物が窯の偏心回転負荷を増大させるためです。排気ガス分析装置からさらに情報を得ることができます。窒素と酸素からの NO の生成は高温でのみ起こるため、NO レベルは供給物と炎の温度の組み合わせの指標となります。SO _{2はクリンカー内の}硫酸カルシウムの熱分解によって生成されるため、これもクリンカーの温度の指標となります。現代のコンピュータ制御システムは通常、これらすべての情報源からの情報を使用して「計算された」温度を作成し、それを制御し始めます。

プロセス制御の実践として、窯の制御は、複数の相互に関連する変数、非線形応答、および可変プロセス遅延のため、非常に困難です。コンピュータ制御システムは、1960 年代初頭に初めて試されましたが、当初は主にプロセス測定の不備により、結果は芳しくありませんでした。1990 年以降、複雑で高度な監視制御システムが新しい設備の標準となっています。これらは、エキスパート システム戦略を使用して動作し、燃焼ゾーンの温度を「ちょうどよい」温度に保ちます。この温度を下回ると、窯の動作状態が壊滅的に悪化するため、応答の速い「ナイフ エッジ」制御が必要になります。

セメント工場からの排出物は、連続測定法と不連続測定法の両方で測定され、対応する国のガイドラインと基準に記載されています。連続測定は主に粉塵（粒子状物質）、NO _x（窒素酸化物）、SO ₂（二酸化硫黄）に使用され、大気汚染法に準拠するその他の関連パラメータは、通常、個別の測定によって不連続に測定されます。

以下の排出物の説明は、乾式プロセス技術に基づく最新の窯プラントに関するものです。

クリンカーの燃焼過程では_CO2が排出されます。CO2はこれらのガスの大部分を占めています。CO2_排出には原材料関連とエネルギー関連があります。原材料関連の排出は石灰石の脱炭酸（_{CaCO3 →} CaO+CO2 _{）中に発生し、総CO2}排出量の約半分を占めています。石炭よりも水素含有量が多い燃料の使用や代替燃料の使用は、温室効果ガスの純排出量を削減することができます。^[16]

1 トンのポルトランドセメントを製造するには、約 1.5 ～ 1.7 トンの原材料、0.1 トンの石炭、および 1 トンのクリンカー (その他のセメント成分と硫酸塩剤を除く) を製造中に粉砕して粉粒体にする必要があります。このプロセスでは、原材料の処理、燃料の準備、クリンカーの燃焼、およびセメントの粉砕の各ステップが、粒子状成分の主な排出源となります。1960年代には、セメントロータリーキルン工場の煙突から排出される粒子状物質の排出量が最大 3,000 mg/m ³と測定されていましたが、現在では法定限度は通常 30 mg/m ³であり、さらに低いレベルに抑えることが可能です。

クリンカーの燃焼プロセスは高温プロセスであり、窒素酸化物(NO _x ) が生成されます。生成される量は、主炎の温度 (通常 1850～2000 °C) に直接関係します。ロータリー キルン プラントの排気ガス中に存在するこの化合物のうち、一酸化窒素(NO) が約 95%、二酸化窒素(NO ₂ ) が約 5%を占めます。NO のほとんどは大気中でNO ₂に変換されるため、排出量は排気ガス 1 立方メートルあたり の NO _{2として示されます。}

削減対策を講じなければ、ロータリーキルンプラントの排気ガス中のプロセス関連の NO _x含有量は、ほとんどの場合、廃棄物焼却プラントに関する欧州法規の仕様（新規プラントの場合は0.50 g/m ^{3 、既存プラントの場合は 0.80 g/m 3}）を大幅に超過します。削減対策は、プラントの運用を円滑にし、最適化することを目的としています。技術的には、段階的燃焼と選択的非触媒 NO 還元（SNCR）を適用して、排出制限値に対応します。

原料混合物をポートランドセメントクリンカーに変換するには、高いプロセス温度が必要です。ロータリーキルンの焼結ゾーンのキルンチャージ温度は、約 1450 °C です。この温度に達するには、約 2000 °C の炎温度が必要です。クリンカーの品質上の理由から、燃焼プロセスは酸化条件下で行われ、その条件下では、燃焼空気中の分子状窒素の部分酸化により一酸化窒素(NO)の形成が支配的になります。この反応は、熱 NO 形成とも呼ばれます。ただし、予備焼成炉で支配的な低温では、熱 NO 形成は無視できます。この場合、燃料に結合した窒素により、燃料関連 NO と呼ばれるものが形成される可能性があります。段階的燃焼は、NO を減らすために使用されます。焼成炉燃料が、燃焼空気が不十分な状態で追加されます。これにより、CO が形成されます。
次に、CO が NO を分子状窒素に還元します。

2 CO + 2 NO → 2 CO ₂ + N ₂。

次に、残った CO を酸化するために高温の三次空気が追加されます。

硫黄は_、原材料および燃料を通じてクリンカーの焼成プロセスに投入されます。原材料の起源によっては、硫化物または硫酸塩として結合した硫黄が原材料に含まれている場合があります。セメント産業のロータリーキルン システムによるSO2排出量が多いのは、原材料に含まれる硫化物が原因であることが多く、キルン予熱器内の 370 °C ～ 420 °C の温度で酸化されて SO2 を形成します。硫化物のほとんどは、原材料に含まれる黄鉄鉱または白鉄鉱です_。たとえばドイツの原材料鉱床で見られる硫化物濃度を考えると、SO2排出量は_場所に応じて合計で最大 1.2 g/m3 になることがあります。場合によっては、注入された^水酸化カルシウムを使用して SO2 排出量を削減し_ます。

燃料とともに投入された硫黄は、ロータリー窯での燃焼中に完全に SO ₂に変換されます。予熱器と窯では、この SO _{2 が}反応してアルカリ硫酸塩を形成し、窯内で酸化条件が維持されていれば、クリンカーに結合します。

排ガス中のCOおよび有機結合炭素の濃度は、発電所などのエネルギー変換プラントで使用される燃料の燃焼率の目安となります。対照的に、クリンカー燃焼プロセスは、クリンカーの品質上の理由から常に過剰空気で操作する必要がある材料変換プロセスです。高温域での長い滞留時間と相まって、これは燃料の完全燃焼につながります。

クリンカー焼成プロセス中の CO および有機結合炭素の排出は、天然原料（地質学的歴史の過程で岩石に取り込まれた生物および植物の残骸）を介して投入された少量の有機成分によって引き起こされます。これらは窯の供給予熱中に変換され、酸化されて CO および CO _{2 を}形成します。このプロセスでは、少量の有機微量ガス（全有機炭素）も生成されます。したがって、クリンカー焼成プロセスの場合、クリーンガス中の CO および有機微量ガスの含有量は、燃焼条件に直接関係しない可能性があります。放出される CO ₂の量は、クリンカー1トンあたり約0.5トンです。^[21]

セメント産業の回転窯と従来の焼却炉は、主にクリンカー燃焼時の燃焼条件が異なります。窯の原料ガスと回転窯の排気ガスは、向流で運ばれ、完全に混合されます。したがって、回転窯内の温度分布と滞留時間は、燃料を介して導入された、または燃料から誘導された有機化合物が完全に破壊されるのに特に好ましい条件を提供します。そのため、セメント回転窯の排気ガスには、ポリ塩化ジベンゾ-p-ダイオキシンとジベンゾフラン (俗に「ダイオキシンとフラン」) の濃度が非常に低いものしか見つかりません。

PCBの排出挙動はダイオキシンやフランの排出挙動に匹敵します。PCB は代替原材料や燃料を介してプロセスに導入される可能性があります。セメント産業のロータリーキルン システムでは、これらの微量成分がほぼ完全に破壊されます。^{[引用が必要]}

ロータリーキルンの排気ガス中のPAH (EPA 610 による) は、通常、質量比で 90% 以上を占めるナフタレンが優勢な分布で現れます。セメント産業のロータリーキルン システムでは、燃料を介して投入される PAH がほぼ完全に破壊されます。排出物は、原材料の有機成分から生成されます。

通常、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレンは、ロータリーキルンの排気ガス中に特徴的な比率で存在します。BTEXは、予熱器内で有機原料成分が熱分解される際に生成されます。

塩化物は、クリンカー焼成プロセスの原材料および燃料に含まれる微量の追加成分です。これらは、燃料が燃焼するか、窯の原料が加熱されると放出され、主に窯の原料からのアルカリと反応してアルカリ塩化物を形成します。これらの化合物は、最初は気体で、窯の原料または窯の粉塵上で 700 °C ～ 900 °C の温度で凝縮し、その後、ロータリー キルン システムに再び入り、再び蒸発します。ロータリー キルンと予熱器の間の領域でのこのサイクルにより、コーティングが形成される可能性があります。窯の入口にバイパスを設けると、アルカリ塩化物のサイクルを効果的に削減し、コーティングの蓄積の問題を軽減できます。クリンカー焼成プロセス中、ガス状の無機塩素化合物はまったく放出されないか、または非常に少量しか放出されません。

ロータリーキルン内に存在するフッ素のうち、90 ～ 95% はクリンカーに結合し、残りは燃焼プロセスの条件下で安定したフッ化カルシウムの形で粉塵に結合します。測定ガス フィルターを通過する超微細粉塵分は、セメント産業のロータリーキルン システム内のガス状フッ素化合物の含有量が低い印象を与える場合があります。

クリンカーの燃焼プロセスにおける個々の元素の排出挙動は、入力シナリオ、プラント内での挙動、および集塵装置の沈殿効率によって決まります。原材料や燃料を介して燃焼プロセスに導入された微量元素（重金属など）は、その揮発性に応じて予熱器やロータリーキルンのホットゾーンで完全にまたは部分的に蒸発し、ガス相に存在する成分と反応して、キルンシステムの冷却部でキルンフィード上に凝縮します。揮発性および動作条件に応じて、キルンと予熱器に限定されるか、または乾燥および粉砕複合プラントも含むサイクルが形成される可能性があります。燃料からの微量元素は最初に燃焼ガスに入りますが、キルンと予熱器の保持能力により、非常に少量しか排出されません。

クリンカーの焼成プロセスで支配的な条件下では、非揮発性元素（ヒ素、バナジウム、ニッケルなど）はクリンカーに完全に結合します。

鉛やカドミウムなどの元素は、ロータリー窯と予熱器の間の部分で過剰な塩化物や硫酸塩と優先的に反応し、揮発性化合物を形成します。利用可能な表面積が大きいため、これらの化合物は 700 °C ～ 900 °C の温度で窯の供給粒子上に凝縮します。このように、窯予熱器システムに蓄積された揮発性元素はサイクロン予熱器で再び沈殿し、ほぼ完全にクリンカーに残ります。

タリウム（塩化物）は、サイクロン予熱器の上部ゾーンで 450 °C ～ 500 °C の温度で凝縮します。その結果、予熱器、原料の乾燥、および排気ガスの浄化の間でサイクルを形成できます。

水銀およびその化合物は、窯や予熱器内で沈殿しません。排気ガスの冷却により排気経路上で凝縮し、原料粒子に部分的に吸着されます。この部分は窯の排気ガスフィルターで沈殿します。

クリンカーの燃焼プロセス中の微量元素の挙動と集塵装置の高い沈殿効率により、微量元素の排出濃度は全体的に低いレベルにあります。^[要出典]