信頼性の高いCEMSと排出データ分析によるセメントの脱炭素化

はじめに

セメントの脱炭素化：プロセス排出からトレーサブルなガス分析まで

セメントの脱炭素化では、キルンおよびカルシナにおける脱炭酸反応と燃料燃焼によって発生するCO₂の削減が重要です。これらの工程はプラント排出量の大部分を占めるため、信頼性の高い測定が不可欠です。連続排出監視システム（CEMS）は、CO₂と汚染物質のデータを連続的に取得し、脱炭素化と規制への適合の基盤となります。

本記事では、セメントの脱炭素化に伴う技術的な課題について説明するとともに、プロセスの観点から低炭素クリンカの考え方を解説します。また、連続ガス分析が排出量報告、操業の安定化、長期的なCO₂削減をどのように支えるかについてもご紹介します。

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低炭素クリンカ：定義と測定可能なプロセス基準

クリンカ製造は、セメント製造プラントにおけるScope 1排出量の主因です。CO₂排出量を削減するには、クリンカの化学組成、キルン運転、燃焼挙動のいずれかを変更する必要があります。さらに、石灰石含有量の低減や混合材の使用など、原材料に関する対策により、製品単位でのCO₂排出原単位を低減できます。

低炭素クリンカとは、CO₂排出係数が低減されたクリンカを指します。プロセスの観点では、次の3つの定量化可能な要素によって定義されます。

クリンカ1 t当たりの脱炭酸反応由来CO₂排出量の削減
燃料由来CO₂排出量の削減
炭素回収技術に適したCO₂排ガス条件の確保

各要素について、以下のセクションで説明します。

クリンカ1 t当たりの脱炭酸反応由来CO₂排出量の削減

脱炭酸反応によるCO₂排出は化学的に避けられませんが、以下の対策により全体の排出量を削減できます。

キルンとカルシナの熱効率を向上させ、必要な脱炭酸率を得るための過剰加熱を回避
原料粉の化学組成の最適化と、必要熱量を低減する鉱化剤の使用
石灰石の一部を、必要な脱炭酸量が少ない材料に置き換える

これらの対策により、化学反応そのものをなくすことはできなくても、石灰石の主成分である炭酸カルシウム（CaCO₃）の分解に伴って発生するCO₂排出量を低減できます。

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燃料由来CO₂排出量の削減

燃料由来の排出量は、熱源に含まれる炭素量と燃焼の安定性によって決まります。

主な対策は以下のとおりです。

生物由来燃料や、RDFなどの廃棄物由来燃料といった代替燃料による化石燃料の置換率向上
不完全燃焼を防止するためのO₂/CO濃度の安定維持
熱損失を抑えるための過剰空気量の低減
燃料需要全体を最小限に抑えるためのカルシナ効率の向上

代替燃料を使用すると燃焼のばらつきが増大するため、安定した操業と適切な排出制御を維持するには、信頼性の高いプロセス監視とガス分析が必要です。低炭素クリンカ製造ラインでは、化石由来炭素の投入量を抑えながら、同じ焼結度を達成します。

炭素回収技術に適したCO₂排ガス条件の確保

クリンカ製造プロセスに二酸化炭素回収・有効利用・貯留（CCUS）を導入することで、その操業が規制や市場の観点から低炭素と位置づけられる可能性があります。導入に先立ち、以下のプロセス条件を適切に管理する必要があります。

予熱器またはカルシナの排ガス中のCO₂濃度が安定し、予測可能であること
回収効率に影響を及ぼすSO₂、HCl、粒子状物質などの汚染物質濃度が低いこと
回収性能と報告精度を検証するための信頼性の高いCEMSデータ

CO₂排ガスの組成が安定し、その特性が十分に把握されているセメント製造プラントは、将来的な炭素回収技術の導入に適した条件を備えることができます。

ただし、こうした脱炭素化対策の導入には、操業上の制約も伴います。代替燃料は燃焼のばらつきを増大させる可能性がある一方で、炭素回収には安定した排ガス条件が求められます。そのため、プラントでは排出量削減目標と、プロセスの安定性、クリンカ品質、生産性とのバランスを取る必要があります。この移行を支えるには、信頼性の高い排出監視が不可欠です。

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CEMSの重要なプロセス測定ポイント

セメント製造における信頼性の高いプロセス監視には、キルン、カルシナ、排ガス処理システム全体に配置された複数の重要な測定ポイントが不可欠です。各測定ポイントでは、燃焼制御、代替燃料の使用、規制への適合に必要な情報が得られます。

以下では、各プロセス工程の主要な測定ポイントでガス分析を行うことで、安定した低炭素クリンカ製造に必要な測定精度をどのように確保できるかをご紹介します。

キルン入口：ここでは、CO₂、O₂、CO、NOx、SO₂、HClを分析します。燃焼状態、脱炭酸反応の進行状況、硫黄・塩素循環の程度を把握できます。
カルシナ：通常、O₂、CO、NOx、SO₂、CO₂、HClを測定します。代替燃料の燃焼状態、カルシナの運転効率、燃焼条件の変化に伴うNOxの生成状況を把握できます。
予熱器出口：ここでは、CO₂、O₂、CO、NOx、SO₂、HClの測定値が得られます。焼成プロセス全体のガス組成を反映し、将来の炭素回収に向けたCO₂濃度の安定性評価に役立ちます。
石炭ミルまたは燃料調製設備の排気口：ミルまたはサイロの排気中のO₂とCOを監視します。これらの測定値により、燃料調製中のくすぶり燃焼、不十分な不活性化、その他の危険な状態を検出できます。
電気集塵機（ESP）または煙突出口：ここでは、CO₂、NOx、SO₂、HCl、CO、粉塵を測定します。これらの測定データは、許認可手続き、規制への適合の確認、年間CO₂排出量報告の基礎となります。

このようなプロセス監視を実現するには、キルンおよび排ガス処理システム全体の所定の測定ポイントで測定を行う必要があります。