JP2010236747A - セメントキルン放散熱の回収および利用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セメント製造設備において、セメントキルン運転に支障を与えることなく、しかも実用可能なシステムでセメントキルンの表面から発生する放散熱を回収し、これを有効に利用する。
【解決手段】セメント製造設備において、セメントキルン上方に、セメントキルン長手方向に熱電変換素子を備えた受熱板を非接触状態で設置するとともに、熱電発電により、セメントキルン放散熱を電気エネルギーとして回収し、工場内で利用される。受熱板はセメントキルン表面温度が200℃以上の領域に、セメントキルンの形状にそって設置される。さらに、受熱板の放熱側に冷却水用配管が敷設され、得られた温水は工場内で有効利用される。
【選択図】図１

Description

セメント製造工程におけるセメントキルンの放散熱の回収とその利用方法に関する。

セメントキルンは、セメントの主成分である『クリンカ』を製造する焼成工程で用いられる。焼成工程では、回転しているセメントキルン内に原料を通過させ、バーナで加熱しセメント原料を昇温させる。キルン内部は最高約１５００℃まで昇温する為、鉄からなるセメントキルンの変形を防止する為、内部には耐火レンガを巻いている。
セメント製造設備における廃熱は、高温の排ガスを用いたセメント原料の乾燥の他、廃熱発電に有効利用されている。しかしながら、セメントキルンの表面から発生する放散熱は、キルンが常時回転しているためこれを回収することは極めて難しく、そのまま大気へ放出されているのが現状である。
世界規模で省エネルギーへの取組強化が望まれる中、今まで利用されることなく大気中に廃棄されていたこのような熱エネルギーを利用することができれば、更に効率的にセメントを製造することができ、ひいては地球温暖化防止にも貢献できる。

ロータリーキルンの放散熱を利用しようとする方法として、熱電変換素子を用いた手法が提案されている。特許文献１によれば、ロータリーキルンの側面や側面に内貼りされた耐火物の中に多数の熱電変換素子を取り付け、あるいは埋め込むことにより、ロータリーキルン表面の温度と放熱側の大気温度との差を利用した起電力により発電し、電気エネルギーとして放散熱を回収する方法が示されている。

しかしながら、熱電変換素子が直接ロータリーキルンに設置されているため、電気を回収するシステム自体も回転する構造となっており、複雑な回収システムになっている。さらに、ロータリーキルン内の温度は、ある時刻、ある瞬間、ある位置によって変動することから複雑な温度分布となっており、効率良く熱発電を行うには複雑な制御が必要になる。

加えて、セメントキルンの表面温度は、耐火レンガ溶損やキルンの高温による変形等の重大故障を防ぐ目的で、走査放射温度計も用いてオンラインでモニタリングしているが、熱電変換素子が直接キルン表面に設置された場合は、このモニタリングを正確に行うことができなくなり、大きな支障を招くことになる。
このため、セメント製造焼成工程において、セメントキルンの表面から発生する放散熱を、簡便にかつ有効に利用することは未だ実用化されていない。

一方、近年、熱電変換素子の技術開発は進んでおり、これまでより耐熱性、熱電効率に優れた熱電変換素子が開発され、熱電モジュール化されて市販されている。これにより広い分野での利用が可能となってきている。

特開２００２−２３５９８５号公報

そこで、本発明の目的は、セメント製造設備において、セメントキルン運転に支障を与えることなく、しかも実用可能なシステムでセメントキルンの表面から発生する放散熱を回収し、これを有効に利用する方法を提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、セメント製造設備において、実用的に簡便なシステムでセメントキルンの表面から発生する放散熱を回収し、セメント製造設備の中において効率的に有効利用する方法を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、セメント製造設備において、セメントキルン上方で、かつセメントキルン長手方向に熱電変換素子を備えた受熱板を非接触状態で設置し、熱電発電によりセメントキルン放散熱を電気エネルギーとして回収する。これにより、特段にセメントキルンを改造する工事を行わずに、簡便なシステムの設置によって、セメントキルン放散熱を回収および利用することができる。

また、該受熱板は、セメントキルン表面温度が200℃以上の領域を含む上方に設置される。これによって、効率よくセメントキルン放散熱を回収することができる。

さらに、該受熱板はユニットの組み合わせで構成され、かつセメントキルンの形状にそって設置される。これによって、さらに効率的にセメントキルン放散熱を回収することができる。

加えて、該受熱板の放熱側の面に冷却水用配管が敷設される。これによって、熱電変換素子における温度差を大きくし、効率よく電力を起こすことが可能となり、より効率的にセメントキルン放散熱の回収することができる。暖められた冷却水は工場内の暖房・保温等に有効利用することができる。

現状のセメント製造手段に支障を与えることなく、実用的に簡便なシステムにより、これまで大気中に棄てられていたセメントキルンの表面から発生する放散熱を電気及び温水の形態で回収し、セメント製造設備の中において運転コストの低減とエネルギーの有効利用ができる。

本発明かかわるセメントキルン上に設置された受熱板の設置図である。 本発明かかわるセメントキルン上に設置された受熱板を断面からみた設置図である。 セメントキルン表面温度のモニタリング結果の一例を示す図である。 本発明にかかわる受熱板の構成図である。 本発明にかかわる熱電モジュールを使用した場合の受熱板の構成図である。

次に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1および図２は、本発明にかかわるセメントキルン放散熱を回収・利用方法の一実施形態を示したものである。セメントキルン１からの放散熱を、セメントキルン上方に非接触状態で設置された熱電変換素子を含む受熱板２で受け、受熱板２の下面（セメントキルン側）と上面（大気側）との温度差により起電力を生じさせ、電力を得るものである。より大きな熱起電力を生じさせるために、受熱板の上に冷却水用配管３が設置されている。得られた電力は配電線４を通り、連接された蓄電装置５に蓄えられ、セメント工場内で利用される。

以下、詳細に説明する。
セメントキルン１は若干の傾斜をもっていくつかの支持台６（６ａ〜６ｄ）の上に設置され、常時ゆっくり回転した状態でセメントクリンカが焼成される。セメントキルン１の傾斜の高い側からセメント原料が投入され、傾斜の低い側からセメントクリンカが焼き出され、クーラー（不図示）で冷却される。セメントキルン1の外表面の温度は高いところでは２００℃を超え、もっとも高いところでは約３５０℃に達する。図３には、外径５．３ｍ、長さ９３ｍの回転型セメントキルン表面温度のモニタリング結果の一例を示す。縦軸はセメントキルン表面温度を、横軸はセメントクリンカ出口からの距離（ｍ）を示す。セメントキルン１の表面温度が２００℃以上と高い領域は、セメントクリンカの出口部分から１５ｍ〜８０ｍにかけてであり、特に２５０℃を超える領域は出口部分から３０ｍ〜６０ｍの約３０ｍである。

受熱板２は、セメントキルン1の上方、かつセメントキルンの長手方向に設置される。詳しくは、受熱板２が、セメントキルン表面温度の高い領域、好ましくはセメントキルン表面温度が２００℃を超える領域を含む上方に設置される。さらに好ましくは表面温度が２５０℃を超える領域を含む上方に設置される。

受熱板２を設置する高さは、セメントキルン1の上方１ｍ〜３ｍが好ましい。放散熱をより多く得るにはセメントキルン1に近いほど好ましいが、近すぎると故障時などの作業性が悪くなる、あるいはセメントキルン自体の冷却効果が阻害されるなどの支障をきたすおそれがある。

また、受熱板２とセメントキルン１の隙間に外部からの冷えた大気の入り込みを防ぐ目的で、受熱板の周囲には風除け板７が設けられることが好ましい。これによりセメントキルン1からの放散熱が効率よく受熱板２に伝わる。

さらに、効率的にセメントキルン１の放散熱を回収するためには、セメントキルン１の形状にそって受熱板２が設置されることが好適である。このため、受熱板２を湾曲状に作製することも有効である。しかし、セメントキルンの大きさは製造設備によってまちまちであることから、受熱板２（２a〜２ｃ）をユニットで作製し、これを設置するセメントキルン形状に応じて組み合わせて設置することが、実用上好適である。１ユニットの受熱板の大きさに制限はないが、例えば１ユニットが１〜２ｍ×１〜３mで設計される。

図４に受熱板２の構成を示す。受熱板２は熱電変換素子８、電極９、支持体１０から構成される。熱電変換素子８は、P型半導体とN型半導体が交互に並んで設置され、これに電極９が設置されている。これら熱電変換素子８および電極９の上下面にはこれらを支える支持体１０が設置されている。

また、実用的には熱電変換素子を含む熱電モジュール１１が有効に利用される。図５に熱電モジュール１１（１１a〜１１ｃ）を用いた場合の構成図を示す。熱電モジュールの内部には熱電変換素子および電極が効率よく設置されており、外部電極１２がついている。 複数の熱電モジュール１１は組み合わされ、一つのユニットとして受熱板を構成する。熱電モジュール１１間の外部電極１２は接続され、さらにこれら複数の熱電モジュール１２を固定保持する構造体１３で一体化されている。

また、受熱板２の上面（大気側）には、冷却水用配管３を設置することが有効である。放熱側となる受熱板２の上面が冷却水によって冷やされることによって、受熱板の上下面により大きな温度差が得られ、より大きな起電力が生じる。その際に使用される冷却水として工場循環水が利用される。工場循環水とは、セメントやセメント製造設備などの冷却の目的で、工場地下ピットに蓄えて適宜使用する水である。暖められた工場循環水は、工場内の暖房、保温に利用され、さらにエネルギーの有効利用ができる。

本システムはセメントキルン自体の改造を含む周辺の大規模な工事を行う必要がなく、基本的には受熱板設置工事だけで済むことから、工事期間も短く、設置費用は安価に済む。このため既存のセメント製造設備に適用する場合に特に有効である。

１ セメントキルン
２（２ａ〜２ｃ）受熱板
３ 工場循環水（冷却水）用配管
４ 配電線
５ 蓄電装置
６（６ａ〜６ｄ） 支点
７ 風除け板
８ 熱電変換素子
９ 電極
１０ 支持体
１１（１１ａ〜１１ｃ） 熱電モジュール
１２ 外部電極
１３ 構造体

Claims (4)

1. セメント製造設備において、セメントキルン上方で、かつセメントキルン長手方向に、熱電変換素子を備えた受熱板を非接触状態で設置し、熱電発電によりセメントキルン放散熱を電気エネルギーとして回収し利用することを特徴とするセメントキルン放散熱の回収および利用方法。
2. 該受熱板が、セメントキルン表面温度が２００℃以上の領域を含むセメントキルン上方に設置されることを特徴とする請求項1に記載のセメントキルン放散熱の回収および利用方法。
3. 該受熱板がユニットで構成され、かつセメントキルンの形状にそって設置されることを特徴とする請求項1および２に記載のセメントキルン放散熱の回収および利用方法。
4. 該受熱板の放熱側の面に、冷却水用配管が敷設されることを特徴とする請求項１〜３に記載のセメントキルン放散熱の回収および利用方法。

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