JP2010216743A - 溶融物の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素の排出抑制及び熱効率の両面において優れた溶融物の製造装置及び製造方法を提供する。
【解決手段】供給された原料Ｒに、酸水素ＯＨを燃焼させて生じた火炎を接触させて溶融させるバーナ３を備える溶融物の製造装置１等。酸水素ＯＨは、局所的に２０００℃の高温を発生させることができるため、この高温火炎を、供給された原料Ｒに接触させることで、速やかに原料Ｒを溶融させることができる。原料Ｒの溶融に化石燃料を用いないため、二酸化炭素が発生せず、二酸化炭素の排出を抑制することができる。バーナ３を電磁誘導加熱炉２に設け、加熱炉２で加熱されている原料Ｒに、バーナ３からの火炎を接触させて溶融させることができる。溶融物の製造装置１からの排ガスＧ２を用いて発電し、発電した電力を電磁誘導加熱炉２での加熱又は／及びバーナ３で燃焼させる酸水素ＯＨの製造に用いる発電装置１０、１１、１６を備えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶融物の製造装置及び製造方法に関し、特に、セメントクリンカの製造等に好適に用いることのできる溶融物の製造装置及び製造方法に関する。

セメントを製造するには、石灰石を主原料とする粉体原料をプレヒータ及び仮焼炉を通過させた後、ロータリーキルンで１，４５０℃以上の高温で焼成して水硬性を有するセメントクリンカを生成し、セメントクリンカに石膏、混合材を添加して微粉砕する。そのため、セメント製造工程では、エネルギーを多量に消費する。

近年の地球温暖化等の環境問題に対する関心の高まりから、エネルギー大量消費型のセメント産業には、空間資源の枯渇や、二酸化炭素の排出抑制等にこれまで以上の対応が求められているため、セメント製造にあたり、各種廃棄物を燃料の代替として用い、廃棄物の処理に資するとともに、化石燃料の原単位を低減するなど、資源リサイクル及び省エネルギーの両面に資する技術開発が継続して行われている。

その一環として、例えば、特許文献１等には、流動床プロセス固有の燃焼性能、熱伝達性能、粒子拡散及び造粒特性を利用することにより、低品位炭を効率よく燃焼させ、ＮＯｘの排出量を顕著に低減し、プロセスから排出される物及びガスからの熱回収効率を向上させることで、地球環境保全及び省エネルギーに対応することのできる流動床セメント焼成キルンシステムが提案されている。

特開平８−８１２４５号公報

しかし、上記特許文献１に記載の流動床セメント焼成キルンシステムでも、依然として化石燃料を用い、燃焼した化石燃料から二酸化炭素が発生するため、二酸化炭素の排出抑制の面で改善の余地があった。また、流動床プロセスでは、原料を流動化させるために焼成炉に空気を供給する必要があるため、該空気の加熱に伴う熱効率の低下を回避することができなかった。

そこで、本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、二酸化炭素の排出抑制及び熱効率の両面において優れた溶融物の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、溶融物の製造装置であって、供給された原料に、酸素と水素の混合気を燃焼させて生じた火炎を接触させて溶融させるバーナを備えることを特徴とする。ここで、酸素と水素の混合気とは、酸素と水素を別々に発生させた後、混合したものでもよく、水を電気分解して得られる、いわゆる酸水素ガスでもよい。尚、酸素と水素を別々に発生させる場合には、その混合比は概ね１：２であることが望ましい。

酸素と水素の混合気は、局所的に２０００℃の高温を発生させることができるため、この高温火炎を、供給された原料に接触させることで、速やかに該原料を溶融させることができる。ここで、酸素と水素の混合気自体の燃焼によって発生するのは、水蒸気だけであり、二酸化炭素や、ＮＯｘによる二次的な弊害が発生することがなく、これらのガスの昇温も不要であり、装置としてバーナと、溶融物の移動経路とを備えれば足りるため、コンパクトで熱効率のよい装置を構成することができる。加えて、酸素と水素の混合気を発生させるために要する電気エネルギーも僅少であるため、運転コストも低く抑えることができる。

上記溶融物の製造装置において、前記バーナを電磁誘導加熱炉に設け、該電磁誘導加熱炉で加熱されている原料に、該バーナからの火炎を接触させて溶融させることができる。これによれば、電磁誘導加熱炉によって原料の加熱を補助し、より効率よく溶融物を製造することができる。

上記溶融物の製造装置において、前記加熱炉は、複数のバーナを備え、該複数のバーナのうち、前記原料の流れの最も下流のバーナのみで酸素と水素の混合気を燃焼させて生じた火炎を前記原料に接触させて溶融させることができる。最も下流のバーナ以外のバーナでは、廃棄物から得られた燃料、化石燃料等を用いることもでき、この場合、これらの燃料から二酸化炭素が生成されることとなるが、その一方で、酸素と水素の混合気を発生させるための電力量を減少させることができる。

また、上記溶融物の製造装置において、前記加熱炉を、移動槽式、ロータリキルン式又は流動床式とすることができる。

さらに、上記溶融物の製造装置に、前記加熱炉に供給する原料を予熱する予熱装置を設け、該予熱装置で予熱した原料を前記加熱炉で加熱することができ、この予熱装置を、前記加熱炉の排ガスが供給され、該排ガスによって前記原料を予熱する１段又は複数段にわたって配置されたサイクロンとすることができ、さらに熱効率の高い溶融物の製造装置を提供することができる。

また、一端が閉塞し、他端が開放された管路と、該管路の閉塞端部に挿入されたノズルとを備え、前記閉塞端部に前記バーナの火炎を接触させることにより溶融した溶融物を供給するとともに、前記ノズルから水、含水物及び水蒸気のうち少なくとも一以上を該溶融物に噴射し、該溶融物を冷却しながら、前記水の蒸発による爆裂、前記含水物に含まれる水の蒸発による爆裂及び前記水蒸気の膨張のうち少なくとも一以上によって冷却物を破砕する溶融物の急冷装置を備えることができる。これにより、溶融物の急冷と急冷物の破砕を一つの装置を用いて略々同時に行うことができ、簡単な装置構成で急冷物の破砕物を得ることができ、装置の運転操作も容易である。

さらに、上記溶融物の製造装置において、該溶融物の製造装置からの排ガスを用いて発電し、発電した電力を前記電磁誘導加熱炉での加熱又は／及び前記バーナで燃焼させる酸素と水素の混合気の製造に用いる発電装置を備えることができる。これにより、溶融物の製造装置全体の電力消費量を低減することができる。

また、本発明は、溶融物の製造方法であって、供給された原料に、酸素と水素の混合気を燃焼させて生じた火炎を接触させて溶融させることを特徴とする。本発明によれば、上記発明と同様に、溶融物を製造するにあたって、二酸化炭素の排出を抑制し、高熱効率を確保することができる。

以上のように、本発明によれば、二酸化炭素の排出抑制及び熱効率の両面において優れた溶融物の製造装置及び製造方法を提供することができる。

本発明にかかる溶融物の製造装置の一実施の形態を示す全体構成図である。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、以下の説明においては、本発明にかかる溶融物の製造装置を用いてセメント原料（以下「原料」という）を溶融させ、セメントクリンカを製造する場合を例にとって説明する。

図１は、本発明にかかる溶融物の製造装置の一実施の形態を示し、この溶融物の製造装置１は、大別して、電磁誘導加熱炉（以下「加熱炉」という）２と、加熱炉２に設けられたバーナ３（３Ａ〜３Ｃ）と、バーナ３に酸水素ＯＨを供給する酸水素製造装置４と、加熱炉２に供給する原料Ｒを予熱する予熱装置としてのサイクロン６と、原料Ｒの溶融物Ｍを急冷してセメントクリンカＣＬを製造する急冷装置９と、サイクロン６から排出された排ガスＧ２で水蒸気Ｓ２を発生させる水管ボイラ１０と、水管ボイラ１０で発生した水蒸気Ｓ２を利用して発電するための蒸気タービン１１、発電機１６等で構成される。

加熱炉２は、原料供給部２ａと、溶融物排出部２ｂとを備える移動槽式の加熱炉であって、この加熱炉２には、傾斜した底面２ｃ及び側面２ｄを加熱する電磁誘導加熱装置１５が設けられる。加熱炉２の天井面には、バーナ３が貫通し、バーナ３の火炎によって加熱炉２の内部を流れる原料Ｒが加熱されて溶融する。

バーナ３は、酸水素製造装置４で製造した酸水素ＯＨをバーナ先端から加熱炉２の下方に向けて噴射し、噴射した酸水素ＯＨを燃焼させて生じた高温の火炎を加熱炉２の内部の原料Ｒに接触させて原料Ｒを溶融させるために備えられる。本実施の形態では３本（３Ａ〜３Ｃ）配置されているが、バーナ３の設置本数は、１本又は２本以上から適宜選択することができる。

酸水素製造装置４は、バーナ３に供給する酸水素ＯＨを発生させるために設けられ、発電機１６から供給される電力Ｗ１、受電した電力（又は廃棄物を利用したごみ発電設備からの電力等）Ｗ２を利用して酸水素ＯＨを製造する。酸水素製造装置４で製造した酸水素ＯＨは、配管１７を介してバーナ３に供給される。

サイクロン６は、加熱炉２の上方に位置し、サイクロン６の入口ダクト８に供給された原料Ｒを、加熱炉２からの排ガスＧ１及び急冷装置９からの水蒸気Ｓ１によって予熱するために備えられる。入口ダクト８には、抽気ダクト１９を介し、急冷装置９から溶融物Ｍを急冷することによって発生した水蒸気Ｓ１が供給される。尚、サイクロン６は、図示のような１基だけでなく、複数段にわたって設けることもできる。

急冷装置９は、右端が閉塞し、左端が開放された円筒状に形成された管路９ａと、管路９ａの右端部に挿入されたノズル９ｂと、管路９ａの左端から離間して設けられた衝突板９ｃとを備える。ノズル９ｂから水Ｗを供給部９ｄから供給された溶融物Ｍに噴射し、溶融物Ｍを冷却しながら、水Ｗが水蒸気となって膨張した水蒸気流で溶融物Ｍを左端側に移動させるとともに、水Ｗの蒸発による爆裂で急冷物を破砕する。尚、この急冷装置９も、冷却性能等に応じて図示のような１基だけでなく、複数段にわたって設けることもできる。

水管ボイラ１０は、サイクロン６から排出された排ガスＧ２の保有する熱を利用して水蒸気Ｓ２を発生させるために備えられ、蒸気タービン１１は、水管ボイラ１０によって発生した水蒸気Ｓ２によって回転し、発電機１６で電気を発生させる。発電機１６で発生させた電力は、電力線２５、２６を介して酸水素製造装置４及び電磁誘導加熱装置１５に各々供給され、酸水素ＯＨの製造及び加熱炉２の加熱に利用することができる。

ファン１２は、加熱炉２からの排ガスＧ１及び急冷装置９からの水蒸気Ｓ１等を吸引してコンデンサ１４に導くために備えられる。コンデンサ１４は、ファン１２から供給されたサイクロン６の排ガスＧ２に含まれる水蒸気を凝縮させて水に戻すために備えられる。コンデンサ１４によって凝縮させた水をノズル９ｂ及び酸水素製造装置４に搬送するため、配管２１〜２４が設けられる。

次に、上記構成を有する溶融物の製造装置１の動作について、図１を参照しながら説明する。

受電した電力Ｗ２を用い、酸水素製造装置４において酸水素ＯＨを発生させるとともに、電磁誘導加熱装置１５を加熱する。ファン１２を運転した後、所定の配合で所定の粒度に粉砕した原料Ｒを入口ダクト８に供給する。原料Ｒは、加熱炉２の排ガスＧ１によってサイクロン６に搬送され、サイクロン６において、排ガスＧ１と熱交換して昇温された後、原料シュート２０を介して加熱炉２の内部に供給される。

加熱炉２の内部において、原料Ｒを電磁誘導加熱装置１５によって加熱しながら左下方向に移動させ、高温になった原料Ｒに、さらに、バーナ３から噴射された酸水素ＯＨが燃焼して生じた高温火炎を接触させ、原料Ｒを溶融させる。溶融した原料（溶融物）Ｍは、急冷装置９に供給される。

急冷装置９において、供給部９ｄから供給された溶融物Ｍにノズル９ｂから水Ｗを噴射する。すると、溶融物Ｍは、水Ｗによって急冷され、管路９ａに噴射された水Ｗは、気化して水蒸気Ｓ１となり、さらに膨張する。ここで、管路９ａの右端部側は閉じているため、水Ｗが気化して膨張することにより生じた水蒸気Ｓ１が管路９ａ内で左方向に高速で移動し、この水蒸気流によって冷却された溶融物Ｍは、急冷されながら左方に高速で移動するとともに、水Ｗの蒸発による爆裂によって急冷物が破砕される。破砕された急冷物Ｐは、衝突板９ｃに衝突した後、排出部９ｅからセメントクリンカＣＬとして排出される。一方、水蒸気Ｓ１は、抽気ダクト１９を介して入口ダクト８へ搬送され、サイクロン６において原料Ｒを予熱した後、水管ボイラ１０に搬送される。

サイクロン６から排出された排ガスＧ２を水管ボイラ１０に搬送し、水管ボイラ１０で排ガスＧ２の保有する熱を利用して水蒸気Ｓ２を発生させる。発生した水蒸気Ｓ２を蒸気タービン１１に供給してこれを回転させ、発電機１６で発電する。

コンデンサ１４において、水管ボイラ１０からファン１２を介して搬送された排ガスＧ２に含まれる水蒸気を凝縮させる。凝縮した水Ｗは、コンデンサ１４から配管２１〜２３を介してノズル９ｂに搬送されて管路９ａ内の溶融物Ｍに噴射されるか、配管２１、２２、２４を介して酸水素製造装置４に搬送されて酸水素ＯＨの製造に利用される。

溶融物の製造装置１が継続して運転されている状態では、受電した電力Ｗ２に加え、発電機１６で発電した電力Ｗ１を、酸水素製造装置４及び電磁誘導加熱装置１５で利用することができる。また、原料Ｒは、加熱炉２の排ガスＧ１及び急冷装置９からの水蒸気Ｓ１によってサイクロン６で熱交換して昇温される。

以上のように、本実施の形態によれば、バーナ３から噴射された酸水素ＯＨを用いて原料Ｒを溶融させ、原料の溶融に化石燃料を用いないため、燃料からの二酸化炭素が発生せず、二酸化炭素の排出を抑制することができる。

また、酸水素ＯＨの燃焼によって発生するのは、水蒸気だけであり、原料Ｒから発生した二酸化炭素は存在するものの、従来のような燃料からの二酸化炭素、ＮＯｘによる二次的な弊害が発生することがなく、これらのガスの昇温による熱損失もない。また、溶融物の製造装置１は、コンパクトに構成することができるため、加熱炉２や急冷装置９等の断熱を効果的に行うことで高温雰囲気を維持することができ、高熱効率の溶融物の製造装置を実現することができる。

さらに、急冷装置９を用いることで、溶融物Ｍの急冷と急冷物Ｐの破砕を一つの装置を用いて略々同時に行うことができ、簡単な装置構成で急冷物Ｐの破砕物を得ることができ、装置の運転操作も容易である。

尚、上記実施の形態においては、加熱炉２にバーナ３と電磁誘導加熱装置１５とを設けたが、電磁誘導加熱装置１５は補助的に設けたものであって、必ずしも電磁誘導加熱装置１５を設ける必要がなく、バーナ３のみで原料Ｒを溶融させることもできる。

さらに、バーナ３Ａ〜３Ｃのすべてにおいて酸水素ＯＨを燃焼させる必要性は必ずしもなく、原料Ｒの流れから見て最も下流側のバーナ３Ａのみで酸水素ＯＨを燃焼させ、その他のバーナ３Ｂ、３Ｃでは、廃棄物から得られた燃料、化石燃料等を用いて原料Ｒを加熱することもできる。これらの燃料を燃焼させると、二酸化炭素等が生成されるが、原料Ｒの加熱によっても二酸化炭素が発生しているため、前記燃料の燃焼によって、溶融物の製造装置１から排出される二酸化炭素の総量が激増することもなく、バーナ３Ｂ、３Ｃで酸水素ＯＨを燃焼させないことで、電力量の低減に繋がるため、いずれを選択するかは状況に応じて適宜選択することができる。

また、上記実施の形態では、溶融物の製造装置１によってセメント原料Ｒを溶融させ、セメントクリンカＣＬを製造する場合を例にとって説明したが、セメントクリンカＣＬ以外にも、各種セメント鉱物、ガラス質組成物等の水硬性物質、溶融スラグ等の水硬性物質以外の物（例えば、骨材として用い得る）を製造する場合に、溶融物の製造装置１を好適に用いることができる。さらに、溶融物の製造装置１に、原料として、アスベスト、アスベスト含有物等の有害物質を用い、それらを溶融することで無害化することができる。

また、バーナ３において酸水素製造装置４で製造した酸水素ＯＨを用いたが、酸水素製造装置４を用いずに、酸素と水素を別々に発生させた後、混合したものをバーナ３に供給して燃焼させてもよい。

上記実施の形態では、移動槽式の加熱炉２を用いた場合を説明したが、従来セメント製造装置に用いられているロータリキルン式、又は流動床式の加熱炉を用いることもできる。

また、急冷装置９のノズル９ｂから水Ｗを噴射する代わりに、含水物を溶融物Ｍに噴射し、溶融物Ｍを冷却しながら、含水物に含まれる水の蒸発による爆裂により急冷物Ｐを破砕することもできる。さらに、ノズル９ｂから水蒸気を溶融物Ｍに噴射し、水蒸気の膨張により急冷物Ｐを破砕することもできる。また、ノズル９ｂから水Ｗと含水物を同時に噴射してもよい。

１ 溶融物の製造装置
２ 加熱炉
２ａ 原料供給部
２ｂ 溶融物排出部
３ バーナ（３Ａ〜３Ｃ）
４ 酸水素製造装置
６ サイクロン
８ 入口ダクト
９ 急冷装置
９ａ 管路
９ｂ ノズル
９ｃ 衝突面
９ｄ 供給部
９ｅ 排出部
１０ 水管ボイラ
１１ 蒸気タービン
１２ ファン
１４ コンデンサ
１５ 電磁誘導加熱装置
１６ 発電機
１７ 配管
１９ 抽気ダクト
２０ 原料シュート
２１〜２４ 配管
２５、２６ 電力線

Claims (9)

1. 供給された原料に、酸素と水素の混合気を燃焼させて生じた火炎を接触させて溶融させるバーナを備えることを特徴とする溶融物の製造装置。
2. 前記バーナは、電磁誘導加熱炉に設けられ、該電磁誘導加熱炉で加熱されている原料に、該バーナからの火炎を接触させて溶融させることを特徴とする請求項１に記載の溶融物の製造装置。
3. 前記加熱炉は、複数のバーナを備え、該複数のバーナのうち、前記原料の流れの最も下流のバーナのみで酸素と水素の混合気を燃焼させて生じた火炎を前記原料に接触させて溶融させることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融物の製造装置。
4. 前記加熱炉は、移動槽式、ロータリキルン式又は流動床式であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の溶融物の製造装置。
5. さらに、前記加熱炉に供給する原料を予熱する予熱装置を備え、該予熱装置で予熱した原料を前記加熱炉で加熱することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の溶融物の製造装置。
6. 前記予熱装置は、前記加熱炉の排ガスが供給され、該排ガスによって前記原料を予熱する１段又は複数段にわたって配置されたサイクロンを備えることを特徴とする請求項５に記載の溶融物の製造装置。
7. さらに、一端が閉塞し、他端が開放された管路と、該管路の閉塞端部に挿入されたノズルとを備え、前記閉塞端部に前記バーナの火炎を接触させることにより溶融した溶融物を供給するとともに、前記ノズルから水、含水物及び水蒸気のうち少なくとも一以上を該溶融物に噴射し、該溶融物を冷却しながら、前記水の蒸発による爆裂、前記含水物に含まれる水の蒸発による爆裂及び前記水蒸気の膨張のうち少なくとも一以上によって冷却物を破砕する溶融物の急冷装置を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の溶融物の製造装置。
8. さらに、該溶融物の製造装置からの排ガスを用いて発電し、発電した電力を前記電磁誘導加熱炉での加熱又は／及び前記バーナで燃焼させる酸素と水素の混合気の製造に用いる発電装置を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の溶融物の製造装置。
9. 供給された原料に、酸素と水素の混合気を燃焼させて生じた火炎を接触させて溶融させることを特徴とする溶融物の製造方法。

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