JP2011207682A - セメント製造用ロータリーキルン - Google Patents

Abstract

【課題】可燃性廃棄物の吹き込みに起因する弊害の発生を回避することができ、しかも可燃性廃棄物をより効率良く燃焼させて、その熱量を有効に活用することが可能になるセメント製造用ロータリーキルンを提供する。
【解決手段】円筒状のキルン本体１が、窯前ハウジング２および窯尻ハウジング間に回転自在に設けられるとともに、窯前ハウジング２に、キルン本体１の断面中心部に向けて燃料を噴出して内部を焼成温度に加熱する主燃料バーナ３が設けられ、主燃料バーナ３の外周面であって、かつ主燃料バーナ３の軸線Ｃよりも上方位置に、可燃性廃棄物を主燃料バーナ３の軸線Ｃに対して上向きの吹き込み角度θによって吹き込む補助バーナ１０を併設してなり、かつ可燃性廃棄物の搬送空気速度ｘを、１５〜４０ｍ／ｓの範囲に設定するとともに、吹き込み角度θ（°）を、３≦θ≦−０．３４２ｘ＋２１．４、の範囲に設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、廃プラスチック等の可燃性廃棄物を、セメントクリンカ焼成のための補助燃料として利用可能なセメント製造用ロータリーキルンに関するものである。

産業廃棄物の中でも廃プラスチック等の可燃性廃棄物は、焼却によって充分な熱量を発生するため、その燃焼によって生じる熱量を有効に利用すべく、セメントクリンカ焼成用のロータリーキルン内に窯前部から空気流に乗せて吹き込んで燃焼させ、主燃料として使用する微粉炭の使用量を削減する技術が以前より知られている。

図９は、従来のこの種のセメント製造用ロータリーキルンを示すもので、円筒状のキルン本体１が、外周部に設けられたサポートローラ（図示を略す。）によって回転自在に支持されるとともに、窯前ハウジング２に、キルン本体１側に向けて燃料を噴出して内部を焼成温度に加熱する主燃料バーナ３が設けられ、この主燃料バーナ３の上部に、可燃性廃棄物をキルン本体１内に吹き込む補助バーナ４を併設したものである。
なお、上記構成を備えたセメント製造用ロータリーキルンは、例えば、下記特許文献１、２にも開示されている。

特許第３９５９６２０号公報 特許第３５７８６７７号公報

ところで、上記可燃性廃棄物吹き込み用の補助バーナ４を備えた従来のセメント製造用ロータリーキルンにおいては、補助バーナ４から、主燃料バーナ３からの燃料の吹き込み角度と同じ角度で可燃性廃棄物を吹き込んでいるために、当該可燃性廃棄物がキルン本体１の軸線よりも下方で燃焼したり、あるいはセメント原料上に着地して燃焼したりするために、熱量を有効に利用することができず、よって可燃性廃棄物の使用率を上げることが難しいという問題点があった。

特に、補助バーナ４からの可燃性廃棄物の搬送空気速度が小さい場合や、可燃性廃棄物の寸法が大きい場合には、セメント原料上に着地する可燃性廃棄物の量が多くなり、この結果周囲のセメント原料が還元雰囲気に曝されて品質に悪影響を及ぼしたり、キルン本体１の耐火物の損傷を生じたりするおそれがあった。

また、当該課題を解決するために、搬送空気速度を過度に上げようとすると、キルン本体１内に導入される空気量が増加し、逆に熱効率の低下を招くとともに、可燃性廃棄物を粉砕して細粒化させようとすると、当該作業に多大の手間を生じて経済性に劣るという問題点が生じてしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、可燃性廃棄物の吹き込みに起因する弊害の発生を回避することができ、しかも可燃性廃棄物をより効率良く燃焼させて、その熱量を有効に活用することが可能になる補助バーナを備えたセメント製造用ロータリーキルンを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、円筒状のキルン本体が、窯前ハウジングおよび窯尻ハウジング間に回転自在に設けられるとともに、上記窯前ハウジングに、上記キルン本体の断面中心部に向けて燃料を噴出して内部を焼成温度に加熱する主燃料バーナが設けられたセメント製造用ロータリーキルンにおいて、上記主燃料バーナの外周面であって、かつ当該主燃料バーナの軸線よりも上方位置に、可燃性廃棄物を上記主燃料バーナの軸線に対して上向きの吹き込み角度θによって吹き込む補助バーナを併設してなり、かつ上記可燃性廃棄物の搬送空気速度ｘを、１５〜４０ｍ／ｓの範囲に設定するとともに、上記吹き込み角度θ（°）を、３≦θ≦−０．３４２ｘ＋２１．４、の範囲に設定したことを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記補助バーナは、先端部分が直管状に形成されるとともに、上記主燃料バーナの軸線に対する当該補助バーナの軸線の傾斜角度が、上記吹き込み角度θであることを特徴とするものである。

これに対して、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記補助バーナは、先端部分が円弧状に形成されるとともに、上記主燃料バーナの軸線に対する当該補助バーナの吹き込み口における軸線の接線角度が、上記吹き込み角度θであることを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記補助バーナの先端部下面と上記主燃料バーナの軸線との間の鉛直方向の間隙が、１０００ｍｍ以下であることを特徴とするものである。

さらに、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、上記補助バーナおよび上記主燃料バーナは、互いの吹き込み口の位置を鉛直方向に略一致させていることを特徴とするものである。

請求項１〜５のいずれかに記載の発明によれば、主燃料バーナの外周面であって、かつ当該主燃料バーナの軸線よりも上方位置に併設した補助バーナから、可燃性廃棄物を上記主燃料バーナの軸線に対して上向きの吹き込み角度θによって吹き込むようにしているために、ロータリーキルンの軸線の下方で燃焼したり、ひいてはセメント原料上に着地したりする可燃性廃棄物の量を大幅に低減することができる。

この結果、上述した従来の可燃性廃棄物の吹き込みに起因する弊害の発生を回避することができるとともに、吹き込む空気量を増加させたり、あるいは可燃性廃棄物を細かく粉砕したりすること無く、当該可燃性廃棄物の大部分を、ロータリーキルンの軸線近傍で燃焼させることが可能になるために、燃焼効率を向上させて、その熱量を有効に活用することが可能になる。

ところで、補助バーナの吹き込み角度θを大きくすれば、セメント原料上に着地する可燃性廃棄物の量を無くすことも可能になるが、反面ロータリーキルン内に上部における発熱量が多くなって、内面に露出する耐火物を傷めるおそれが生じる。

この点、本発明によれば、上記可燃性廃棄物の搬送空気速度ｘを、１５〜４０ｍ／ｓの範囲に設定するとともに、上記吹き込み角度θ（°）を、３≦θ≦−０．３４２ｘ＋２１．４、の範囲に設定しているために、特にロータリーキルンの上部における過度の温度上昇を抑制して、耐火物の損傷等による弊害の発生を防ぐこともできる。

なお、請求項１において、補助バーナを、主燃料バーナの軸線に対して上向きの吹き込み角度θによって併設するには、例えば請求項２に記載の発明のように、先端部分が直管状に形成された補助バーナを、上記主燃料バーナの軸線に対する傾斜角度が上記吹き込み角度θとなるように設置することができる。

あるいは、請求項３に記載の発明のように、先端部分が円弧状に形成された補助バーナを、その吹き込み口における軸線の接線角度が、上記主燃料バーナの軸線に対して上記吹き込み角度θとなるように設置してもよい。

いずれの場合においても、上記補助バーナの先端部下面と上記主燃料バーナの軸線との間の鉛直方向の間隙は、主燃料バーナに補助バーナを併設する際の施工上の便宜から、請求項４に記載の発明のように、１０００ｍｍ以下にすることが好ましい。

本発明のセメント製造用ロータリーキルンの第１の実施形態を示す縦断面視した概略構成図である。 本発明の第２の実施形態を示す縦断面視した概略構成図である。 本発明の第３の実施形態を示す縦断面視した概略構成図である。 本発明に至る解析に用いたセメント製造用ロータリーキルンのモデルを示す縦断面視した概略構成図である。 上記モデルによる解析結果であって、搬送空気速度および吹き込み角度を変化させた場合の可燃性廃棄物の着地率の変化を示すグラフである。 同、搬送空気速度および吹き込み角度を変化させた場合のキルン本体断面における平均ガス温度のピーク温度の変化を示すグラフである。 同、搬送空気速度および吹き込み角度を変化させた場合のキルン本体上側のガス温度の変化を示すグラフである。 実施例の結果を示す図表である。 従来のセメント製造用ロータリーキルンを示す縦断面視した概略構成図である。

図１〜図３は、それぞれ本発明に係るセメント製造用ロータリーキルンの実施形態を示すもので、図９に示したものと同一構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略化する。
図１に示すセメント製造用ロータリーキルンにおいては、窯前ハウジング２の端壁２ａから、キルン本体１の軸線Ｃに対して下向きに２〜３°の傾斜角度をもって上記主燃料バーナ３が設けられている。

そして、この主燃料バーナ３の上面に、廃プラスチック等の可燃性廃棄物をキルン本体１内に吹き込むための補助バーナ１０が取り付けられている。
ここで、補助バーナ１０は、上記端壁２ａから所定の長さＬの直管部分１０ａが、その軸線を主燃料バーナ３の軸線Ｃと一致させて当該主燃料バーナ３の上面に固定されているとともに、当該直管部分１０ａの先端側が、上記軸線Ｃに対して上向きに角度θだけ屈曲されている。なお、上記補助バーナ１０を、不定形耐火物等によって隙間無く主燃料バーナ３に固定すれば、施工が容易であり、かつ耐久性に優れるために好適である。

これにより、補助バーナ１０における先端の直管状の吹き込み部分１０ｂは、主燃料バーナ３の軸線Ｃに対して上向きの吹き込み角度θを有している。

また、図２に示すセメント製造用ロータリーキルンにおいては、上記主燃料バーナ３の上面側に補助バーナ１１が設けられている。
この補助バーナ１１は、全体が直管状に形成されるとともに、主燃料バーナ３の軸線Ｃに対して上向きの吹き込み角度θとなるように配置されている。

さらに、図３に示すセメント製造用ロータリーキルンにおいては、上記主燃料バーナ３の上面側に、先端が上向きとなる円弧状の補助バーナ１２が設けられている。
ここで、補助バーナ１２は、基端部１２ａが主燃料バーナ３の上面上に接して固定されるとともに、先端部１２ｂにおける接線と主燃料バーナ３の軸線Ｃとが上記吹き込み角度θを形成するような曲率半径Ｒに加工されている。

また、このセメント製造用ロータリーキルンでは、補助バーナ１２および主燃料バーナ３が、互いの吹き込み口の位置を鉛直方向に略一致させて配置されている。

以上の構成からなる図１〜図３に示したセメント製造用ロータリーキルンにおいては、いずれも補助バーナ１０〜１２および主燃料バーナ３は、補助バーナ１０〜１２の先端部下面と、主燃料バーナ３の軸線Ｃとの間の間隙が、１０００ｍｍ以下になるように配置されている。

また、補助バーナ１０〜１２からの可燃性廃棄物の搬送空気速度ｘが、１５〜４０ｍ／ｓの範囲に設定されている。そして、補助バーナ１０〜１２の吹き込み角度θ（°）が、３≦θ≦−０．３４２ｘ＋２１．４、の範囲に設定されている。

次に、上記吹き込み角度θをこのような範囲に設定した根拠について説明する。
図４に示すようなセメント製造用ロータリーキルンのモデルについて、熱流体解析を行った。この解析モデルにおいては、キルン本体１の外径を５．２ｍ、長さを８５ｍ、クリンカ生産量１４０ｔ／ｈとし、直径０．７ｍの主燃料バーナ３からオイルコークスを供給するとともに、外径０．２ｍの補助バーナ１０から可燃性廃棄物として廃プラスチックを供給して、上記キルン本体１内に供給して混合燃焼した場合を条件とした。

この際に、両者の供給量の割合は、熱量比においてオイルコークスが７０％、廃プラスチックが３０％とした。なお、廃プラスチックは、フラフ状であって寸法５〜３０ｍｍとした。

そして、可燃性廃棄物の搬送空気速度ｘ（ｍ／ｓ）を、１５、２０、３０および４０の４段階に変化させるとともに、各々の搬送空気速度ｘにおいて、吹き込み角度θを１〜１５℃の範囲で変化させた場合のキルン本体１底部への着地率（％）、キルン本体１の断面平均ガス温度のピーク温度（℃）、およびキルン本体１の上側の耐火物近傍におけるピークガス温度を算出した。

なお、着地率とは、廃プラスチックがキルン本体１の底部に着地した時における未燃分の熱量割合（％）を示すものである。また、キルン本体１の断面平均ガス温度のピーク温度および上側の耐火物近傍におけるピークガス温度は、それぞれキルン本体１の主燃料バーナ３から１０．５ｍ付近においてピーク温度となるために、当該距離における断面の平均ガス温度および上側耐火物近傍の温度で比較したものである。図５〜図７は、それぞれ上記解析の結果を示すものである。

先ず、図５の着地率の解析結果に見られるように、いずれの搬送空気速度においても、吹き込み角度が大きくなるに従って、着地率が減少している。これにより、廃プラスチックの利用効率を向上させることができるとともに、クリンカが還元雰囲気に曝されることに起因する品質の低下や耐火物の損傷等も防ぐことができる。
そして、上記着地率は、いずれの搬送空気速度においても、吹き込み角度θが３°を超えると、急激に低減することから、上記吹き込み角度θの下限を３°としたのである。

また、図６のキルン本体断面平均ガス温度のピーク温度の解析結果から、搬送空気速度が２０ｍ／ｓにおいては吹き込み角度θが５°以上、同３０ｍ／ｓにおいてはθ＝２〜３°以上、同４０ｍ／ｓにおいてはθ＝１〜２°以上で温度が上昇しており、よって廃プラスチックの燃焼が改善されていることが判る。

さらに、図７のキルン本体上側の耐火物近傍におけるピークガス温度の解析結果から、吹き込み角度θを大きくし過ぎると、上記上側耐火物近傍のガス温度が上昇し、耐火物の劣化を招くことが判る。そして、上記耐火物における温度の上限は、概ね１７００℃と考えられる。したがって、搬送空気速度が２０ｍ／ｓの場合に吹き込み角度θ１５．０°が、同３０ｍ／ｓの場合にθ＝１０．８°、同４０ｍ／ｓの場合にθ＝７．８°が上限であることから、上述したように搬送空気速度ｘ（ｍ／ｓ）に対して、吹き込み角度θの上限を（−０．３４２ｘ＋２１．４）に設定したのである。

次に、実際のセメント製造設備におけるロータリーキルンを用いて、補助バーナからの搬送空気速度および吹き込み角度を変化させた場合の試験を行った。
上記実際のロータリーキルンにおけるキルン本体の外径は５．４ｍであり、長さは９５ｍである。また、図８に示すように、クリンカ生産量は、いずれの場合も２１０ｔ／ｈと一定であった。なお、主燃料バーナから供給するオイルコークスと、補助バーナから供給する廃プラスチックとの供給量の割合は、熱量比において廃プラスチックが２３％であり、残りをオイルコークスとした。また、廃プラスチックは、フラフ状であって寸法５〜３０ｍｍのものを用いた。なお、補助バーナは、図１に示す直管接続で、Ｌ＝４．０ｍ、上向き角度３°〜１５°とした。

図８は、この結果を示すものである。
試験においては、廃プラスチックの吹込み量、仮焼炉石炭吹込み量、クリンカ生産量を一定とし、廃プラスチックの吹込み角度及び搬送空気速度を変化させて、同等品質のクリンカを生産するときのメインバーナーコークス吹込み量の変化をみた。

吹込み角度を５°、１５°とした本発明に係る実施例１、２では、比較例に対し、角度が大きくなるに従ってメインバーナーコークス吹込み量が減少し、熱量原単位が減少しており、廃プラスチックの熱量が有効利用されたことが判る。さらに、搬送空気速度を３０ｍ／ｓとした本発明に係る実施例３、４および同速度を４０ｍ／ｓとした実施例５においては、熱量原単位の低減効果が顕著となっていることが判る。なお、クリンカのｆ・ＣａＯは、いずれも０．５〜０．６％であり、クリンカ品質が同等であることが示されている。

なお、上記実施形態および実施例においては、いずれも補助バーナ１０〜１２を、主燃料バーナ３の上面側に配置した場合についてのみ説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、主燃料バーナ３の外周面であって、かつ当該主燃料バーナ３の軸線Ｃよりも上方位置である限りにおいて、例えば主燃料バーナ３の側面に配置してもよい。

１ キルン本体
２ 窯前ハウジング
３ 主燃料バーナ
１０ 〜１２ 補助バーナ
Ｃ 主燃料バーナ３の軸線
θ 吹き込み角度

Claims (5)

1. 円筒状のキルン本体が、窯前ハウジングおよび窯尻ハウジング間に回転自在に設けられるとともに、上記窯前ハウジングに、上記キルン本体の断面中心部に向けて燃料を噴出して内部を焼成温度に加熱する主燃料バーナが設けられたセメント製造用ロータリーキルンにおいて、
   上記主燃料バーナの外周面であって、かつ当該主燃料バーナの軸線よりも上方位置に、可燃性廃棄物を上記主燃料バーナの軸線に対して上向きの吹き込み角度θによって吹き込む補助バーナを併設してなり、
   かつ上記可燃性廃棄物の搬送空気速度ｘを、１５〜４０ｍ／ｓの範囲に設定するとともに、上記吹き込み角度θ（°）を、３≦θ≦−０．３４２ｘ＋２１．４、の範囲に設定したことを特徴とするセメント製造用ロータリーキルン。
2. 上記補助バーナは、先端部分が直管状に形成されるとともに、上記主燃料バーナの軸線に対する当該補助バーナの軸線の傾斜角度が、上記吹き込み角度θであることを特徴とする請求項１に記載のセメント製造用ロータリーキルン。
3. 上記補助バーナは、先端部分が円弧状に形成されるとともに、上記主燃料バーナの軸線に対する当該補助バーナの吹き込み口における軸線の接線角度が、上記吹き込み角度θであることを特徴とする請求項１に記載のセメント製造用ロータリーキルン。
4. 上記補助バーナの先端部下面と上記主燃料バーナの軸線との間の鉛直方向の間隙が、１０００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のセメント製造用ロータリーキルン。
5. 上記補助バーナおよび上記主燃料バーナは、互いの吹き込み口の位置を鉛直方向に略一致させていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のセメント製造用ロータリーキルン。

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