セメント元素分析 炭素と硫黄の測定のための
品質管理＆持続可能性のためのセメントの元素分析
セメントとコンクリートの生産は、世界で最もエネルギーを多く消費する工業プロセスの一つであり、世界のCO₂排出量の約7～8%を占めています。同時に、都市化とインフラ開発によって、セメントの世界的な需要は拡大を続けています。これにより、効率的な生産、一貫した製品品質、環境負荷の低減がメーカーにますます求められています。セメントの生産には、採石と原料の準備から、1450 °C程度の温度でのクリンカー形成、最終研削まで、いくつかの複雑なプロセスステップが含まれます。各段階では、安定した操業と高い製品性能を確保するために、材料の組成とプロセス条件を正確に制御する必要があります。
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この文脈では、炭素と硫黄の正確な決定が中心的な役割を果たします。これらの要素は、生ミックス設計、キルン効率、排出レベル、最終製品特性に直接影響します。したがって、信頼性の高い元素分析は、効果的なプロセス管理、品質保証、およびより持続可能なセメント生産への移行のための基盤を提供します。
セメント中の炭素分析–一貫性を表す
セメント製造における炭素は主に、例えば石灰石 (CaCO₃) などの炭酸塩鉱物と関連しており、これらはクリンカー製造の主原料となる。その濃度は窯内での計算時に放出されるCO₂の量を直接決定し、プロセス制御と排出監視の両方において重要なパラメータとなる。プロセスの観点からは、原料混合組成を制御し、効率的なクリンカー形成を確保するために正確な炭素分析が不可欠である。炭酸塩含有量の偏差は、窯内の不安定な状態、不完全反応、エネルギー消費の増加につながる可能性がある。さらに、クリンカーや代替燃料の残留炭素は不完全燃焼を示し、プロセス効率や排出に悪影響を及ぼす可能性がある。その結果、正確な炭素決定は、製品品質の一貫性を維持するだけでなく、エネルギー使用量を最適化し、セメント製造全体のCO₂排出量を管理するためにも重要である。
セメント中の硫黄分析-影響の大きいマイナー成分
硫黄は、主セメント酸化物に比べて通常濃度は小さいが、セメント生産において非常に影響力のある成分である。主にセメントの設定挙動を制御するために意図的に添加される硫酸塩(例:石膏)の形で発生する。同時に、原料や燃料を介して導入される硫黄は窯の化学において重要な役割を果たす。その濃度は、鉱床の形成、揮発性化合物の循環、燃焼プロセスの安定性に影響する。
{br}また、硫黄はSO₂排出に寄与し、適切に管理しないと酸が生成されるため、水分の存在下での材料の劣化につながる可能性があります。したがって、プロセスの安定性、製品性能、環境規制への準拠を確保するためには、継続的かつ正確な硫黄分析が不可欠です。{br}
セメント製造時の炭素と硫黄の定量
セメント製造は、原料の抽出からクリンカー形成、セメントの最終研削まで、多段階にわたるプロセスです（図1参照）。これらのステップ全体で、元素分析は、一貫した製品品質、効率的なプロセス制御、環境要件への適合を保証するために重要な役割を果たします。
| アプリケーション | 主なパラメータ | 分析目的 |
|---|---|---|
| 原材料 | C | 生ミックスコントロール |
| クリンカー | C, S | 窯の安定性 |
| セメント | C, S, LOI | 品質管理 |
| 代替燃料 | C, S, H | エネルギー&エミッション |
異なる材料間のセメント元素分析
原材料
図2:生の石灰岩。
石灰石、粘土、添加剤などの原料はセメント製造の基礎となります。その組成はクリンカー品質と窯効率を直接決定します。炭酸塩レベルを管理し、安定した原料混合を確保するためには、炭素含有量の決定が不可欠です。この段階での信頼性の高い精密分析は、プロセスの変動を回避し、下流での一貫した性能を保証します。
クリンカー
図3:完成したセメントへの均質化と研削前のクリンカー
クリンカー製造はセメント製造プロセスの中核であり、プロセスパラメータの厳密な管理が必要です。硫黄はキルン操業において重要な役割を果たします。硫黄の濃度と循環は、コーティング形成、プロセスの安定性、排出挙動に影響を与えます。継続的な監視により、オペレーターはビルドアップやリング形成などの運用上の問題を防止できます。過剰な硫黄分は、水分の存在下で硫酸の形成にもつながり、セメント材料の長期劣化を引き起こす可能性があります。
仕上げセメント
図4:セメントを研削し、仕上げたもの。
最終製品では、元素分析によって仕様への準拠と一貫した製品品質が保証されます。炭素と硫黄は、特にフィラーや補足材料などの添加剤が使用される場合に、全体的な組成に寄与します。さらに、LOI(着火損失)、水分、灰分などのパラメータにより、製品特性をさらに詳しく把握できます。信頼性の高い分析データは品質保証をサポートし、メーカーが規制や顧客の要件を満たすのに役立ちます。
代替燃料
図5:シュレッダーで粉砕した家庭ごみ由来の代替燃料(RDF)。
＜p＞バイオマス、RDF（ごみ由来燃料）、TDF（タイヤ由来燃料）、廃棄物などの代替燃料の使用の増加は、セメント生産の高いエネルギー需要の直接の結果です。ロータリーキルンは、最高1450 °Cの温度を必要とし、安定した操業のために燃料の選択と制御が重要な要素です。これらの燃料は、最終セメント製品の一部ではありませんが、生産プロセスに大きな影響を与えます。これらの燃料の組成は、エネルギーの投入、燃焼挙動、排出レベルに影響を与えます。炭素含有量は熱量の重要な指標として機能し、硫黄はSO₂排出量とキルン化学に直接影響します。水素も燃焼時の水生成を通じて効果的なエネルギーバランスに貢献します。その不均一性のため、代替燃料は、プロセス条件の一貫性を確保し、より持続可能なセメント生産への移行をサポートするために、正確で信頼性の高い元素分析が必要です。
セメント分析を正確に行うためのサンプル調製
セメント産業における正確な元素分析は、適切な試料調整に大きく依存します。信頼できる結果を得るには、特に代替燃料や副原料などの異種材料を扱う場合に、均質な試料が必要です。分析に適した粒子径を得るために、典型的な調整手順には、予備粉砕、微細研削、均質化が含まれます。燃焼ベースの元素分析では、通常100~300 mgの少量のサンプル量が使用されるため、分析部分が材料全体を代表するように適切な均質化が不可欠です。均質化が不十分だと、測定された炭素と硫黄の含有量に大きな偏りが生じる可能性があるため、これは不均一材料で特に重要であり、信頼できる結果を得るために不可欠な前提条件です。
サンプル調製はELTRAのコアポートフォリオには含まれていませんが、分析ワークフロー全体において重要な役割を果たしています。セメント業界におけるサンプル調製に適したソリューションは、例えばRETSCHから提供されており、不均一材料の粗大サイズ縮小と微細研削の両方をカバーしています。
セメントをより持続可能なものに
＜p＞セメント産業は、より持続可能な生産方法に向けて根本的な変革を遂げています。CO₂排出量の約7～8％はセメント産業から生じており、世界の炭素排出量に大きく貢献しています。今後35年間で世界のセメント生産が大きく成長すると予想されることから、より持続可能なソリューションが急務であることが浮き彫りになりました。 ＜strong＞グリーンセメント＜/strong＞は、クリンカーの含有量を減らし、スラグ、フライアッシュ、または石灰粘土などの代替材料を取り入れるとともに、革新的な生産技術を採用することで、CO₂排出量を大幅に削減することを目指しています。これらのアプローチは、＜strong＞エネルギー消費＜/strong＞を削減し、工業副産物の使用を通じて＜strong＞循環経済の概念＜/strong＞をサポートします。たとえば、代替セメント材料を使用して、炭素排出量を削減する一方で、高いパフォーマンスを維持します。最新の研究では、石灰石灰石灰化粘土セメント（LC3）がセメント製造における排出量削減の有望で、経済的に実行可能かつ持続可能なアプローチであることが示唆されています。＜/p＞
これは、材料組成の複雑さとプロセス制御の労力の増大を意味する。多くの補助セメント材料は強い変動性を示し、セメント製造プロセス中だけでなく、入荷材料に対してもバッチ間の一貫性を保証するために正確な元素分析が不可欠である。特に、製品品質と信頼性の高い環境性能を確保するためには、炭素と硫黄の正確な定量が必要である。
元素分析は、CO₂関連のパラメータを決定し、新しい製剤の開発をサポートする上でも重要な役割を果たします。グリーンセメント技術が進化するにつれて、信頼性が高く再現性のある分析データは、研究と産業実装の両方において重要な成功要因となります。
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革新的なプロゼッセおよび分析 COₑ削減技術
LOI判定のための分析手法
セメントおよび関連材料は通常、誘導炉または還元炉での燃焼によって分析されます。これらの方法では、サンプルを完全に分解し、炭素と硫黄を正確に検出できます。さらに、熱重量分析 (TGA) は、一般的に着火時の損失 (LOI) を決定するために使用され、水分、炭酸塩、およびその他の揮発性成分からの全質量損失を反映するいくつかのパラメータを提供します。燃焼ベースの元素分析は、セメントプラントで広く使用されているXRF技術を補完します。XRFは酸化物組成を提供しますが、炭素と硫黄を直接測定しないため、完全で詳細な材料の特性評価には専用の燃焼分析装置が不可欠です。{br}
ELTRA分析装置を用いたセメント中の正確な炭素および硫黄定量
ELTRAのELEMENTRAC CSシリーズアナライザは、従来のセメント製造と最新のセメント製造の両方の分析要求を満たすために特別に設計されており、微粉末から不均一燃料まで、多種多様なサンプルマトリックスにわたって炭素と硫黄の正確な測定を可能にします
赤外線検出器(IR)セル(図6参照)を使用して、炭素と硫黄を正確に測定します。分析装置は、顧客の要件に応じて構成できる最大4つのIRセルを搭載できます。キュベットが長いほど、10ppmのような低濃度では感度が高くなります。低濃度と高濃度の分析を最適に行うには、1つの元素に対して2つのIRセルの構成をお勧めします。これにより、1回の分析で高濃度の範囲を最適にカバーできます。サンプルの種類や分析要件に応じて、異なる炉技術には特定の利点があります。
ELEMENTRAC CS-i は強力な誘導炉で作動し、2000 °C以上の温度であらゆる種類の建設資材を純酸素雰囲気で溶解します。ルーチンの品質管理と高度な研究アプリケーションの両方をサポートします。オプションのオートローダは36または130の位置sで効率をさらに高め、ハイスループットのラボに特に有利です。このため、CS‑iはセメントやクリンカー分析で最高精度を必要とするラボに最適なソリューションです。
ELEMENTRAC CS-r は1350 °Cの還元炉で動作し、柔軟性と堅牢性を備えているため、さまざまな条件下で信頼性の高い性能を必要とする工業試験所に最適です。高速で一貫した結果が求められるプロセス指向の環境に適しています。このため、CS‑rはセメントプラントにおける信頼性のある代替燃料の特性評価に特に適しています。
ELTRAのデュアルファーナステクノロジーという1つの分析装置で誘導炉と抵抗炉を効率的に組み合わせることで、炭素と硫黄の元素分析に経済的なソリューションが得られます。ELEMENTRAC CS-d.分析装置は誘導炉と建設資材の分析用に最高2000 °Cの温度を組み合わせ、CS-d.は抵抗炉も備えています。石炭、コークス、代替燃料の分析に最適です。幅広いサンプルタイプで最大限の柔軟性を求めるラボにとって、CS-d.は理想的な選択肢です。
着火損失(LOI)判定のための熱重量分析(TGA)は、セメント分析において貴重な補完的手法を提供します。水分、炭酸塩含有量、揮発性成分などの全体的な材料挙動を評価する必要があるアプリケーションに特に適しています。これは、特に炭素と硫黄の正確な判定のための元素分析と組み合わせる場合に、日常的な品質管理とプロセス監視をサポートします。
セメント分析のパートナー
これらの装置を連携させることにより、セメント業界における元素分析のための包括的なソリューションを提供し、生産者がオペレーショナルエクセレンスと持続可能性の両方の目標を達成するのを支援します。 どの種類のセメントが生産されるかを独立させ、経済的な生産プロセスと販売製品の正しい仕様を保証するために、信頼できる品質管理プロセスが必要です。 ELTRAおよびその他のVERDER企業はセメント市場で十分に確立され、広く使用され、品質プロセスに不可欠な要素です。 特定の用途について質問がある場合は、
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ELTRAの製品およびサービスは、娘会社および十分に訓練された販売代理店のグローバルネットワークを通じて入手可能です。私たちのスタッフは、お客様のどのようなお問い合わせにも喜んで対応させていただきます。
お客様のニーズに合った最適なソリューションをご提案させていただきます。
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参照資料
· CEMBUREAU – Cement and CO₂ emissions; https://cembureau.eu/cement-101/key-facts-figures/
· McKinsey & Company – Cement industry and net-zero transition; https://www.mckinsey.com/industries/engineering-construction-and-building-materials/our-insights/cementing-your-lead-the-cement-industry-in-the-net-zero-transition
· International Energy Agency (IEA) – Cement roadmap; https://www.iea.org/reports/cement
· Scrivener KL, John VM, Gartner EM. Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO2 cement-based materials industry. Cement and Concrete Research. 2019; Vol. 114, 2-26. doi: 10.1016/j.cemconres.2018.03.015
· ASTM International – Cement standards; https://www.astm.org/products-services/standards-and-publications/standards/cement-standards.html
· Supplementary Cementitious Materials (SCMs); https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/supplementary-cementitious-material
· Hosen K, Chen B. Limestone calcined clay cement (LC3): A review of materials, properties, production and environmental impact. Journal of Building Engineering. 2025; Vol. 12, 113672. doi:10.1016/j.jobe.2025.113672.
· Mañosa J, Calderón A, Salgado-Pizarro R, Maldonado-Alameda A, Chimenos JM. Research evolution of limestone calcined clay cement (LC3), a promising low-carbon binder - A comprehensive overview. Heliyon. 2024 Jan 25;10(3):e25117. doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e25117.
· Report “What are green cement and concrete?” from Alo Hasanbeigi and Adam Sibal. 2023. Link: https://static1.squarespace.com/static/5877e86f9de4bb8bce72105c/t/657e7271bfb98b64707ed71f/1702785721176/Green+cement+and+concrete-R8.pdf