石灰窯

予熱装置を備えた回転式石灰窯（右側の錆色の水平管）、ワイオミング州、2010年
スリランカの伝統的な石灰窯

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）と呼ばれる石灰を製造するために使用される窯です。この反応の化学式は、CaCO 3 + 熱 → CaO + CO 2です。

この反応は840℃（1,540℉）以上の温度であれば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、反応を速やかに進めるためには、1,000℃（1,830℉）（この温度ではCO2の分圧は3.8気圧[ 1 ] ）前後の温度が用いられるのが通例である。 [ 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るべきである。

消石灰（水酸化カルシウム）は生石灰と水を混ぜて作ることができます。

歴史

先土器時代新石器時代

石膏、原始陶器、モルタル

チャタルホユクの考古学者

石灰は石灰岩を加熱することで容易に作れるため、古代から知られていたに違いなく、初期の文明はすべて、石灰を建築用モルタルや、泥塗り壁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漆喰でした。[ 4 ]この漆喰の使用は、今度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 ]モルタルにおいて、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、泥のすぐ後に粘土が、そして紀元前6千年紀には石灰が続きました。[ 4 ]

農業と石炭における石灰の使用

ウェールズ、ポース・クレイスの石灰窯。 2021年

農業における石灰の価値に関する知識も古くから存在していましたが、農業利用が広く可能になったのは、13世紀後半に炭田で石炭が安価になったことで[ 5 ] 、農業利用に関する記述が1523年に残されたためです[ 6 ]。石灰窯に関する最も初期の記述は、1世紀前の小規模製造に使用されたものとほとんど変わりません。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、海路で輸送され、石灰は沿岸の小さな港で製造されることが最も多かったのです。イギリス沿岸の埠頭には、今もなお多くの窯が保存された状態で残っています。

窯の種類

エストニア、タムサルの石灰岩リング窯跡のドローン動画 2021

常設の石灰窯は、大きく分けて2つの種類に分類されます。「フレア窯」（「間欠窯」または「周期窯」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、底に石炭を積み上げ、その上の窯は白亜だけで満たされます。数日間火を灯した後、窯全体の石灰を抜き取ります。

通常は石造りの窯で、白亜質または石灰岩を木材、石炭、またはコークスと重ねて点火しました。燃焼が進むにつれて、窯の底部から抜き穴を通して石灰が抽出されました。さらに、上部に石と燃料が重ねて追加されました。[ 7 ] [ 8 ]

初期の窯

典型的な初期の窯の断面

初期の窯の共通の特徴は、レンガ造りで底部（「目」）に空気取り入れ口を備えた卵カップ型の燃焼室でした。石灰岩は（多くの場合手作業で）均一な20～60mm（1～2mm）の厚さに砕かれました。+直径1⁄2インチ（約6.3cm ）の塊で、細かい石は除外されました。窯の 目を覆う格子状の棒の上に、石灰岩と木材または石炭がドーム状に層状に積み上げられました。石灰の投入が完了すると、窯の底から点火され、火は徐々に投入物の上へと広がりました。石灰が燃え尽きると、石灰は冷やされ、底から掻き出されました。細かい灰は落下し、「リドリング」と呼ばれる選別物とともに除外されました。

焼成中に原料が「呼吸」する必要があるため、塊石しか使用できませんでした。これは窯の大きさにも制限があり、窯がどれもほぼ同じ大きさだ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、火が消えてしまう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、窯への装入に1日、焼成に3日、冷却に2日、そして荷降ろしに1日かかり、1週間で完了するのが普通でした。燃焼度は、バッチごとに燃料使用量を調整することで試行錯誤的に制御されました。原料中心部と壁に近い部分の温度差が大きいため、通常は燃焼不足（つまり強熱減量が高い）、燃焼良好、そして完全燃焼の石灰が混在していました。燃料効率は一般的に低く、完成した石灰1トンあたり0.5トン以上の石炭（15 MJ/kg）が使用されていました。

工業規模の生産

石灰生産は工業規模で行われることもあった。例えば、イングランド北デヴォン州グレート・トリントン近郊のアネリーでは、3つの窯がL字型に集まっており、トリントン運河とトリッジ川沿いに位置していた。当時、舗装道路がまだ存在していなかったため、この窯は石灰岩と石炭を運び込み、焼成した石灰を運び出すために利用されていた。[ 9 ]

7基の窯が一般的で、積み込み班と積み下ろし班が週を通して交代で窯を稼働させていました。

めったに使われない窯は「怠け者の窯」として知られていました。[ 10 ]

オーストラリア

19世紀後半から20世紀初頭にかけて、オーストラリア、ビクトリア州ギプスランドのワラタという町は、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位置し、生石灰を船で輸出していました。1926年に採算が取れなくなり、窯は閉鎖されました。現在のこの地域は、町らしい設備はありませんが、観光地として知られています。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
  • 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
    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
  • 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コースから見た石灰岩窯跡
    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コースから見た石灰岩窯跡

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
  • 南オーストラリア州ウールベイの石灰岩窯跡

ウクライナ

  • ウクライナ、マンジキフ・クトの古い石灰窯
    ウクライナ、マンジキフ・クトの古い石灰窯
  • ウクライナ、マンジキフ・クトの古い石灰窯
    ウクライナ、マンジキフ・クトの古い石灰窯
  • ウクライナ、マンジキフ・クトの古い石灰窯
    ウクライナ、マンジキフ・クトの古い石灰窯
  • ウクライナ、マンジキフ・クトの古い石灰窯
    ウクライナ、マンジキフ・クトの古い石灰窯

イギリス

ノーサンブリア州ヘイドン・ブリッジ近郊のクリンドルダイクスにある大型窯は、この州に300以上ある窯の一つでした。1つの窯に4つの引き込みアーチを持つという点で、この地域では珍しいものでした。生産量が減少したため、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・ヘリテッジによって修復されました。

国鉄網の発達により、地方の小規模窯は採算が取れなくなり、19世紀を通して徐々に衰退していきました。これらの窯は、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、大規模プラントの建設を促しました。これらの産業では、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、1976年に開館したブラック・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ますが、最後に使用されたのは1920年代です。1960年代まで何世代にもわたって石炭と石灰岩の採掘が主流だったこの地域において、この窯は数少ない現存する窯の一つとなっています。[ 11 ]

  • イギリスの石灰窯
  • フロッグホールの19世紀の石灰窯
    フロッグホールの19世紀の石灰窯
  • ロンドンのバージェスパークに保存されている石灰窯
    ロンドンのバージェスパークに保存されている石灰窯
  • 古い石灰窯、ボスキャッスル、コーンウォール
    古い石灰窯、ボスキャッスル、コーンウォール
  • 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。
    エアシャー州ビースのブロードストーンにある大きな石灰窯
  • イギリス、デボン州のアネリー窯
    イギリス、デボン州のアネリー窯
  • 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 世紀の大型の単一石灰窯
    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 世紀の大型の単一石灰窯
  • 1800 年のダンバートン城と、手前に煙が出ている稼働中の石灰窯。
    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[ 12 ]

その他の国

現代の窯

簡易竪窯の断面図

竪窯

高カルシウム石灰の製造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であるため、回分式窯の効率は約20%に過ぎませんでした。効率向上の鍵となったのは、回分式窯の無駄な加熱・冷却サイクルを回避できる連続式窯の発明でした。初期の窯は、高炉に似た構造のシンプルな竪窯でした。これらは向流式竪窯です。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トンです。

向流竪窯

燃料はシャフトの途中まで注入され、この地点で最高温度になります。上部から投入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速度が上がります。バーナーの下では、高温の石灰が燃焼用空気に熱を伝達し、燃焼用空気によって冷却されます。機械式の火格子が下部の石灰を抜き取ります。ファンがガスを窯内に引き込み、エアロックから原料を追加することで窯内の液面レベルを一定に保っています。バッチ式窯と同様に、装入物を通るガスの流れを均一にするため、大きくて等級分けされた石しか使用できません。燃焼の度合いは、石灰の抜き取り速度を変えることで調整できます。熱消費量は 4 MJ/kg まで低くすることも可能ですが、通常は 4.5 ～ 5 MJ/kg です。バーナーの温度ピークがシャフト窯内では 1200 °C まで上昇するため、中焼および硬焼の石灰を製造するには理想的な条件となります。

再生式シャフト窯の2サイクル運転におけるガスの流れ

再生窯

これらは通常、交互に作動する一対のシャフトで構成されます。まず、シャフトAが「一次」シャフト、シャフトBが「二次」シャフトの場合、燃焼空気はシャフトAの上部から供給され、燃料はバーナーランスを介してそのやや下方から供給されます。炎は上下に流れます。高温ガスは下方に流れ、いわゆる「チャネル」を通ってシャフトBに渡り、シャフトBの排気口へと上昇します。同時に、両方のシャフトの下部から冷却空気が供給され、石灰を冷却するとともに、正圧を維持することで窯の下部からのガス排出を防止します。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排出され、石灰を予熱します。流れの方向は定期的に（通常1時間に5～10回）シャフトAとシャフトBで反転し、「一次」シャフトと「二次」シャフトの役割が入れ替わります。窯は3つのゾーン、すなわち上部の予熱ゾーン、中央の燃焼ゾーン、そして底部近くの冷却ゾーンで構成されています。サイクル運転により、一定で比較的低温（約950℃）の長い燃焼帯が形成され、高品質の軟焼反応性石灰の製造に最適です。排気ガス温度は120℃と低く、窯出口の石灰温度は80℃程度であるため、蓄熱窯の熱損失は最小限に抑えられ、燃料消費量は3.6MJ/kgと低くなります。これらの特徴により、蓄熱窯は現在、燃料費が高額な状況下で主流の技術となっています。蓄熱窯は1日あたり150～800トンの処理能力で製造されており、通常は300～450トンです。

環状シャフト窯内のガスの流れ

環状窯

これらの窯は同心円状の内部シリンダーを備えています。このシリンダーは冷却ゾーンから予熱された空気を集め、窯の中央環状ゾーンを加圧するために利用します。加圧ゾーンから外側に広がる空気は、上向きの向流と下向きの並流を生み出します。これにより、比較的低温の長い焼成ゾーンが形成されます。燃料消費量は4～4.5MJ/kgで、石灰は通常中程度の燃焼です。

予熱器付きロータリーキルン：高温ガスの流れ

ロータリーキルン

ロータリーキルンは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に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キルンの使用には、細粒から上質まで、より幅広い粒度の石灰石を使用でき、硫黄などの有害元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、排気ガス中の熱損失が過大だったため、燃料消費量は比較的高くなっていました。旧式の「ロング」ロータリーキルンは7～10MJ/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、燃料消費量は依然としてやや高く、通常は4.5～6MJ/kgの範囲です。図に示す設計では、キルンの上昇管の周囲に円状にシャフト（通常8～15本）が配置されています。高温の石灰石は、油圧式の「プッシャープレート」の作用によって、シャフトから順番に排出されます。1日あたり1000トンの生産能力を持つ窯が一般的です。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、軟質焼成、中質焼成、硬質焼成、そして死焼成の石灰（ドライム）を生産できます。

ガス洗浄

上記の窯の設計はすべて、相当量の粉塵を含んだ排ガスを排出します。特に石灰粉塵は腐食性が強いため、この粉塵を捕集するための装置が設置されており、通常は電気集塵機やバグフィルターが用いられます。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に含まれています。

二酸化炭素排出量

石灰産業は二酸化炭素を大量に排出する産業です。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の分解が必要であり、モルタルとして使用する場合など、用途によっては785kgのCO2が発生します。このCO2は、モルタルが劣化する際に再吸収されます。

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、CO2 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 CO2 に相当します。したがって、効率的な工業工場でも、総排出量は石灰 1 トンあたり約 1 トンの CO2 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、原子力などの完全に再生可能な電源である場合は、焼成プロセスからの CO2 の正味排出量がない可能性があります。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、これは主に必要な温度が低いためです。

参照

参考文献

  1. ^ CRC化学物理ハンドブック、第54版、p F-76
  2. ^ Parkes, GDおよびMellor, JW (1939). Mellor's Modern Inorganic Chemistry, London: Longmans, Green and Co.
  3. ^ Hewlett, PC (編) (1998). Lea's Chemistry of Cement and Concrete: 4th Ed , Arnold, ISBN 0-340-56589-6第1章
  4. ^ a b c d Carran, D.; Hughes, J.; Leslie, A.; Kennedy, C. (2012). 「ヨーロッパと北米以外における石灰建築材料利用の小史」 . International Journal of Architectural Heritage . 6 (2): 117– 146. doi : 10.1080/15583058.2010.511694 . S2CID 111165006 . 
  5. ^プラット、コリン（1978年）『中世イングランド』BCA、 ISBN 0-7100-8815-9、116～117ページ
  6. ^サー・アンソニー・フィッツハーバート著『農業書』、1523年
  7. ^スミス、ニッキー（2011年5月）「産業革命以前の石灰窯」（PDF）文化遺産の紹介。イングリッシュ・ヘリテッジ。 2013年4月21日閲覧。
  8. ^ Siddall, Ruth. 「窯の建築と技術」 .材料科学. ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン. 2016年3月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年4月21日閲覧。
  9. ^ Griffith, RS Ll. (1971). Annery Kiln, Weare Gifford. Grenville College project. 監督：B.D. Hughes氏.
  10. ^フッド、ジェームズ (1928).キルマーノック水路とクラウフォードランド・キルム・グレン・ラム協会紀要. 1919-1930. 126頁.
  11. ^ “The Limekilns - Black Country Living Museum” . www.bclm.co.uk. 2012年5月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年4月6日閲覧。
  12. ^ストッダート、ジョン（1800年）『スコットランドの風景と風俗に関する考察』ウィリアム・ミラー出版、ロンドン、見開き212ページ。
  13. ^ EU排出量取引制度 2009年12月11日アーカイブWayback Machine National Archives Gov UK
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。

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 – 2005年2月1日

詳細と画像:ウェインマンズ二重アーチ型石灰窯 - グレードII指定建造物

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