JP2014015338A - セメント原料予熱装置及びセメント原料の予熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 セメント原料を原料予熱装置から効率よく排出できるようにして、原料予熱装置の熱効率を向上させ、消費電力を低減する。
【解決手段】 粉粒状のセメント原料３を排ガス２で予熱し、排ガス２中に混合されたセメント原料３をサイクロン１１〜１４、３０によって分離捕集するセメント原料予熱装置１０において、サイクロン１１〜１４、３０のうち、最上段及び最下段に配置されるサイクロン３０、１１が、円筒部１６と、円筒部１６の下部に連結する上部コーン１７と、上部コーン１７の下部に連結し、下部に排出口１８が形成された下部コーン１９と、円筒部１６に連結する下部を有し、上部に出口部２０を有する内筒２１とを備え、下部コーン１９の排出口１８から上部コーン１７の下端までの高さＨ１は、上部コーン１７の下端の傾斜内面２３に当接するセメント原料３の粒子に働く下向きの力が、上向きの力よりも大きくなる高さ寸法以上に設定された構成。
【選択図】 図６

Description

本発明は、粉粒状のセメント原料を焼成炉、造粒炉又は造粒焼成炉の排ガスを利用して予熱し、排ガス中に混合されたセメント原料を多段に配置されるサイクロンによって分離捕集するセメント原料予熱装置及びセメント原料の予熱方法に関する。

上記セメント原料予熱装置の従来の一例として、図１０に示す最上段及び最下段に設けられるサイクロン１が、それ以外のサイクロンよりも排ガス２中に混合されたセメント原料３を高効率で捕集できるようにしたものがある。（例えば、特許文献１参照。）。この最上段及び最下段に設けられるサイクロン１は、所謂コマ型サイクロンであり、円筒部４と、この円筒部４の下端に結合する逆円錐状の胴体部５とを備えている。そして、この胴体部５の略中央部に反転上昇部５ａが形成され、この反転上昇部５ａよりも上側に上部コーン５ｂが形成され、反転上昇部５ａよりも下側に下部コーン５ｃが形成されている。そして、上部コーン５ｂの下端内径Ｄ１と、内筒６の内径ｄとは、Ｄ１≧ｄの関係がある。

上記のように構成されたコマ型サイクロン１によると、排ガス２及びこの排ガス２中に混合されたセメント原料３は、入口ダクト７から流入して円筒部４の内周面から逆円錐状の上部コーン５ｂの内周面に沿って旋回しながら下降する。そして、排ガス２は、反転上昇部５ａ付近で反転して上昇して内筒６内に吸引されて、この内筒６を通って上方に排出される。

そして、排ガス２中に混合されたセメント原料３は、円筒部４の内周面から逆円錐胴体部５の内周面に沿って旋回しながら下降して、下部コーン５ｃの下端に形成された排出口５ｄを通って下方に排出される。

特開平１０−８７３５５号公報

しかし、図１０に示すコマ型サイクロン１では、このサイクロン１内で旋回するセメント原料３の粒子に働く遠心力、重力、及び流体力を含む力を考慮していないので、例えば入口ダクト７から流入するセメント原料３が混合する排ガス２の入口流速が比較的大きい場合は、セメント原料３の粒子が、上部コーン５ｂの下端部（反転上昇部５ａ）付近で旋回しながら滞留し、下部コーン５ｃ内に流下せずに再飛散することがある。その結果、セメント原料３をサイクロン１の排出口５ｄから効率よく排出することができず、この原料予熱装置の熱効率が大きく低下し、消費電力が嵩むことが考えられる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、セメント原料を効率よく予熱すると共に、原料予熱装置から効率よく排出できるようにして、原料予熱装置の熱効率を向上させ、消費電力を低減することができるセメント原料予熱装置及びセメント原料の予熱方法を提供することを目的としている。

本発明に係るセメント原料予熱装置は、粉粒状のセメント原料を焼成炉、造粒炉又は造粒焼成炉の排ガスを利用して予熱し、排ガス中に混合されたセメント原料を多段に配置されるサイクロンによって分離捕集するセメント原料予熱装置において、多段に配置されるサイクロンのうち、最上段及び最下段の両方又はいずれか一方に配置されるサイクロンが、入口ダクトを有する円筒部と、この円筒部の下部に連結する略逆円錐台状の上部コーンと、この上部コーンの下部に連結し、排出口が下部に形成されている略逆円錐状の下部コーンと、前記円筒部の中心に下部が挿入する状態で前記円筒部に連結し、出口部として形成された上部が前記円筒部から上方に突出する内筒とを備え、前記下部コーンの排出口から前記上部コーンの下端までの高さは、前記上部コーンの下端の傾斜内面に当接するセメント原料の粒子に働く下向きの力が、上向きの力よりも大きくなる高さ寸法以上に設定されていることを特徴とするものである。

この発明に係るセメント原料予熱装置によると、排ガス中に混合されたセメント原料の粒子は、入口ダクトからサイクロン内に流入し、旋回しながらサイクロン内を流下して排出口から下方に排出される。そして、排ガスは、サイクロン内で旋回して内筒の出口部から上方に排出される。

つまり、サイクロン内で浮遊した状態で旋回する粒子には、外向きの遠心力と、内向きの流体力と、重力とを含む力が作用し、遠心力が流体力よりも大きい場合には、粒子は、下降しながら上部コーンの傾斜内面に向かって半径方向外側に向かって移動する。そして、粒子が上部コーンの傾斜内面に当接する状態では、遠心力、内向きの流体力、及び重力を含む合力において、下向きの力が上向きの力よりも大きいか否かによって、粒子が上下のいずれの方向に移動するかが決定される。

理論的には、粒子の旋回速度は、粒子の自由渦の中心に向かうに従って大きくなる。よって、例えば上部コーンの下端に向かうに従って粒子の旋回流速が大きくなる。ここで、粒子の旋回流速が大きいために、粒子に働く上向きの力が、下向きの力以上であるときは、上向き及び下向きの力がバランスする位置で粒子が旋回しながら上部コーン内で滞留することになる。しかし、粒子の旋回流速が小さくなり、粒子に働く下向きの力が、上向きの力よりも大きくなれば、粒子は、上部コーンの傾斜内面を旋回しながら流下して、下部コーンの排出口から排出される。

本発明は、下部コーンの排出口から上部コーンの下端までの高さについて、上部コーンの下端の傾斜内面に当接するセメント原料の粒子に働く下向きの力が、上向きの力よりも大きくなる高さ寸法以上に設定したことによって、粒子を、この上部コーンの下端から下部コーンの上部を形成する拡径部内に流下させることができる。そして、下部コーンの拡径部内に流下した粒子は、旋回の半径が大きくなって、旋回流速が小さくなり、これによって、粒子に働く上向きの力が小さくなる。その結果、粒子に働く下向きの力が上向きの力よりも更に大きくなり、下部コーンの排出口から効率よく排出される。

そして、多段に配置されるサイクロンのうち、最上段及び最下段の両方又はいずれか一方に配置されるサイクロンに本発明を適用することによって、セメント原料予熱装置全体での、セメント原料の排出効率を高めることができる。

この発明に係るセメント原料予熱装置において、前記下部コーンの排出口から前記上部コーンの下端までの高さは、前記上部コーンの下端の傾斜内面に当接するセメント原料の粒子に働く遠心力、重力、及び流体力を含む力と、前記上部コーンの傾斜内面の傾斜角度とに基づいて設定するとよい。

上部コーンの下端の傾斜内面に当接するセメント原料の粒子に働く下向きの力が、上向きの力よりも大きくなる位置での、下部コーンの排出口から上部コーンの下端までの高さは、上部コーンの下端の傾斜内面に当接するセメント原料の粒子に働く遠心力、重力、及び流体力を含む力と、上部コーンの傾斜内面の傾斜角度とに基づいて決まるので、これらの力及び傾斜角度に基づいて当該高さを正確に設定することができる。

この発明に係るセメント原料予熱装置において、前記下部コーンの排出口から前記上部コーンの下端までの高さは、前記入口ダクトに流入する排ガス中に混合されたセメント原料の入口流速に基づいて設定するとよい。

セメント原料の粒子に働く遠心力は、入口ダクトに流入する排ガス中に混合されたセメント原料の入口流速によって決まるので、このセメント原料の入口流速に基づいて下部コーンの排出口から上部コーンの下端までの高さを正確に設定することができる。

この発明に係るセメント原料予熱装置の最上段の前記サイクロンにおいて、前記入口ダクトに流入するセメント原料の入口流速が１３〜２０ｍ／Ｓであるときの、前記下部コーンの排出口から前記内筒の下端までの高さは、前記円筒部の内径の１．５７倍以上の寸法に設定するとよい。

このように、最上段のサイクロンにおいて、セメント原料の入口流速が１３〜２０ｍ／Ｓであるときの、下部コーンの排出口から内筒の下端までの高さを、円筒部の内径の１．５７倍以上の寸法に設定することによって、サイクロンに流入するセメント原料の粒子を所定の高い捕集効率で捕集して、効率よく排出口から排出することができる。

そして、下部コーンの排出口から内筒の下端までの高さを、円筒部の内径の１．５７倍未満の寸法に設定すると、サイクロン内の排ガスと、セメント原料とを効率よく分離することができず、セメント原料が上部コーン内で旋回しながら滞留してしまうことになり、セメント原料の粒子を所定の高い捕集効率で捕集して、効率よく排出口から排出することができない。

この発明に係るセメント原料予熱装置の最下段の前記サイクロンにおいて、前記入口ダクトに流入するセメント原料の入口流速が１３〜２０ｍ／Ｓであるときの、前記下部コーンの排出口から前記内筒の下端までの高さは、前記円筒部の内径の２．０倍以上の寸法に設定するとよい。

最下段のサイクロンは、最上段のサイクロンよりも排ガスの温度が高く設定されている場合があり、このような場合は、当該排ガスのガス粘性も増加している。このようにガス粘性が増加すると、セメント原料の粒子に働く流体力が大きくなり、内筒の入口に吸い込まれるセメント原料の吸出し流速が大きくなる。そのため、内筒の入口に吸い込まれるセメント原料の吸出し流速を小さくして、セメント原料がサイクロン内で旋回しながら滞留することを抑制する必要が有る。よって、下部コーンの排出口から内筒の下端までの高さ寸法を大きくして、内筒の下端と下部コーン傾斜内面との間隔を大きくする必要が有る。

ここで、入口ダクトから流入するセメント原料の入口流速が、最上段のサイクロンと略同一である場合、下部コーンの排出口から内筒の下端までの高さを、円筒部の内径の２．０倍以上の寸法に設定することで、最上段のサイクロンと同程度に、セメント原料の粒子を所定の高い捕集効率で捕集して、効率よく排出口から排出することができる。

そして、下部コーンの排出口から内筒の下端までの高さを、円筒部の内径の２．０倍未満の寸法に設定すると、サイクロン内の排ガスと、セメント原料とを効率よく分離することができず、セメント原料が旋回しながら上部コーン内で滞留しまうので、セメント原料の粒子を所定の高い捕集効率で捕集して、効率よく排出口から排出することができない。

この発明に係るセメント原料予熱装置において、前記下部コーンの排出口から前記内筒の下端までの高さは、低温側よりも高温側に配置されたサイクロンほど、その高さ寸法を大きく設定するとよい。

このようにするのは、上記のように、高温側に配置されたサイクロンは、低温側に配置されたサイクロンと比較して、その内部の排ガスのガス粘性が増加して、セメント原料の粒子に働く流体力が大きくなり、内筒の入口部に吸い込まれるセメント原料の吸出し流速が大きくなる。そのため、内筒の入口に吸い込まれるセメント原料の吸出し流速を小さくして、セメント原料がサイクロン内で旋回しながら滞留することを抑制する必要が有る。よって、下部コーンの排出口から内筒の下端までの高さ寸法を大きくすることで、低温側から高温側まで配置された全てのサイクロンにおいて、セメント原料の粒子を所定の高い捕集効率で捕集して、効率よく排出口から排出することができる。

この発明に係るセメント原料予熱装置において、前記上部コーンの下部が、前記下部コーンの上部を形成する拡径部内に挿入されて連結し、この挿入されている部分が所定長さの挿入部として形成されているものとするとよい。

このようにすると、上部コーンの下部から流下して下部コーンの上部を形成する拡径部内に流入するセメント原料の一部が、この拡径部の半径方向外側に向かって移動し、しかる後に、拡径部の傾斜内面で跳ね返って半径方向内側に向かって移動して来るものを、この上部コーンの挿入部の外面に衝突させ、そして、下方の下部コーンの排出口に向かわせて排出することができる。これによって、上部コーンの下部から流下して下部コーンの上部を形成する拡径部内に流入するセメント原料の粒子が、当該上部コーンの下部に形成された開口内に逆流することを抑制できる。その結果、セメント原料の粒子を所定の高い捕集効率で捕集して、効率よく排出口から排出することができる。

本発明に係るセメント原料の予熱方法は、粉粒状のセメント原料を焼成炉、造粒炉又は造粒焼成炉の排ガスを利用して予熱し、排ガス中に混合されたセメント原料を多段に配置されるサイクロンによって分離捕集するセメント原料の予熱方法において、多段に配置されるサイクロンのうち、最上段及び最下段の両方又はいずれか一方に配置されるサイクロンが、
入口ダクトを有する円筒部と、この円筒部の下部に連結する略逆円錐台状の上部コーンと、この上部コーンの下部に連結し、排出口が下部に形成されている略逆円錐状の下部コーンと、前記円筒部の中心に下部が挿入する状態で前記円筒部に連結し、出口部として形成された上部が前記円筒部から上方に突出する内筒とを備え、前記下部コーンの排出口から前記上部コーンの下端までの高さを、前記上部コーンの下端の傾斜内面に当接するセメント原料の粒子に働く下向きの力が、上向きの力よりも大きくなる高さ寸法以上に設定して、当該粒子を前記下部コーンの排出口に向かわせて排出することを特徴とするものである。

本発明に係るセメント原料の予熱方法は、本発明に係るセメント原料の予熱装置を使用して、セメント原料を予熱することができる。よって、本発明に係るセメント原料の予熱装置と同様の作用を奏する。

この発明に係るセメント原料予熱装置、及びセメント原料の予熱方法は、下部コーンの排出口から上部コーンの下端までの高さを、上部コーンの下端の傾斜内面に当接する排ガス中に混合されたセメント原料の粒子に働く下向きの力が、上向きの力よりも大きくなる寸法以上に設定した構成である。従って、セメント原料が上部コーンの傾斜内面に沿って旋回しながら滞留することを抑制して、セメント原料を、下部コーンに確実に流下させると共に、下部コーンの上部を形成する拡径部の拡径効果によって、下部コーンの排出口から効率よく排出させることができる。

そして、このように、セメント原料をセメント原料予熱装置内に適切な時間だけ滞留させて通過させることができるので、セメント原料を効率よく予熱することができ、しかも、原料予熱装置から効率よく排出できるので、原料予熱装置の熱効率を向上させ、消費電力を低減することができる。

本発明の一実施形態に係るセメント原料予熱装置の概略的な構成を示す系統図である。 図１に示すセメント原料予熱装置の最上段（第５段目）のサイクロンを示す縦断面図である。 図２に示すサイクロンの平面図である。 図２におけるＡ−Ａ断面図である。 図２に示すサイクロンの内部空間で旋回する排ガスとセメント原料を示す図である。 図２に示すサイクロンが備える上部コーンの下端の傾斜内面に当接するセメント原料の粒子に働く力を示す図である。 図２に示すサイクロンにおいて、入口流速に応じて決まる上部コーン下端の高さ及び上部コーンの下端内径を説明するための図であり、（ａ）は、入口速度が低速の場合を説明するための図、（ｂ）は、入口速度が中速の場合を説明するための図、（ｃ）は、入口速度が高速の場合を説明するための図である。 図２に示すサイクロンにおいて、旋回するセメント原料の半径方向内側に向かう速度と、内筒の下端の高さＨ２との関係を説明するための図である。 図２に示すサイクロンにおいて、上部コーンの下部から下部コーンの上部内に流下するセメント原料の粒子の流れを説明するための図である。 従来のセメント原料予熱装置の最上段及び最下段に設けられているサイクロンを示す縦断面図である。

以下、本発明に係るセメント原料予熱装置及びセメント原料の予熱方法の一実施形態を、図１〜図９を参照して説明する。図１に示すように、このセメント原料予熱装置は、仮焼炉ＰＣを有するセメント原料予熱装置１０で構成される、いわゆるサスペンションプレヒータ方式（ＳＰ方式）のものである。このセメント原料予熱装置１０は、Ｃ１〜Ｃ５で示す多段（図１では一例として５段のものを示す）のサイクロン１１、１２、１３、１４、３０によって構成されている。第４段目のサイクロン１４と第５段目のサイクロン３０との間の通路Ｔ１に原料投入部３５が設けられている。第１段目のサイクロン１１には、ロータリキルン３１から約１１００℃の排ガス２が通路Ｔ２、仮焼炉ＰＣ、及び通路Ｔ１１を介して導かれ、このサイクロン１１では、セメント原料３を捕集する際には、原料３の仮焼により、約９００℃まで温度が低下する。約９００℃に温度が低下した排ガス２は、第２段目のサイクロン１２に通路Ｔ３を介して導かれ、このサイクロン１２では、約７５０℃まで温度が低下する。約７５０℃の排ガス２は第３段目のサイクロン１３に通路Ｔ４を介して導かれ、このサイクロン１３では、約６００℃まで温度が低下する。約６００℃の排ガス２は第４段目のサイクロン１４に通路Ｔ５を介して導かれ、このサイクロン１４では、約４５０℃まで温度が低下する。約４５０℃の排ガス２は、第５段目のサイクロン３０に通路Ｔ１を介して導かれ、その通路Ｔ１の途中で原料投入部３５から粉粒状のセメント原料３が投入される。セメント原料３と共に第５段目のサイクロン３０に導入された排ガス２は、約３１０℃まで温度が低下し、系外に排出される。

そして、第５段目のサイクロン３０で捕集されたセメント原料３は、通路Ｔ６で導かれ、第３段目のサイクロン１３から第４段目のサイクロン１４に通路Ｔ５を介して導かれる排ガス２中に混入され、第４段目のサイクロン１４で排ガス２と分離される。分離されたセメント原料３は、通路Ｔ７で導かれ、第２段目のサイクロン１２から第３段目のサイクロン１３に通路Ｔ４を介して導かれる排ガス２中に混入され、第３段目のサイクロン１３で排ガス２と分離される。分離されたセメント原料３は、通路Ｔ８で導かれ、第１段目のサイクロン１１から第２段目のサイクロン１２に排ガス２を導く通路Ｔ３に供給されて、この通路Ｔ３内で混入され、第２段目のサイクロン１２で排ガス２から分離される。分離されたセメント原料３は、通路Ｔ９で導かれて仮焼炉ＰＣに導入され、仮焼炉ＰＣに導入された原料３は、ロータリキルン３１から仮焼炉ＰＣに通路Ｔ２を介して導入される排ガス２中に混入される。そして、この原料３及び排ガス２は、通路Ｔ１１を介して第１段目のサイクロン１１に導入され、原料３は、第１段目のサイクロン１１で排ガス２と分離されて通路Ｔ１０を介してロータリキルン３１に導入される。

図２及び図３は、図１に示すセメント原料予熱装置１０における最上段（第５段目）のサイクロン３０を示している。この最上段サイクロン３０は、リンデン型、例えば半リンデン型の入口ダクト１５を有する円筒部１６と、この円筒部１６の下部に連結する上部を有する略逆円錐台状の上部コーン１７と、この上部コーン１７の下部が挿入する状態で当該下部に連結する上部（拡径部２５）を有し、排出口１８が下部に形成されている略逆円錐状の下部コーン１９と、円筒部１６の中心に下部が挿入する状態でこの円筒部１６に連結し、出口部２０として形成された上部が円筒部１６から上方に突出する内筒２１とを備えている。

図３に示す２２は、リンデン部である。そして、図４に示すように、このリンデン部２２の底面の水平方向に対する角度θ１は、４５〜５５°であり、傾斜リンデン部を形成している。また、図２に示す上部コーン１７の角度θ２は、水平方向に対して例えば約６９°以上であり、下部コーン１９の角度θ３は水平方向に対して例えば約６５°以上である。

図５は、図２に示すサイクロン３０の内部空間で旋回する排ガス２とセメント原料３を示している。この図から分かるように、排ガス２は、サイクロン３０の内部空間で旋回しながら流下して、上部コーン１７の下端部付近で上昇して内筒２１を通って上方に排出される。そして、排ガス２に混合されたセメント原料３は、サイクロン３０の内部空間で旋回しながら流下して、下部コーン１９の排出口１８から下方に排出される。

図６は、図２に示すサイクロン３０が備える上部コーン１７の下端の傾斜内面２３に当接するセメント原料３の粒子３に働く力を示す図である。つまり、図６は、下部コーン１９の排出口１８から上部コーン１７の下端までの高さＨ１（図２参照）を決定する根拠を説明するための図である。つまり、当該高さＨ１は、上部コーン１７の下端の傾斜内面２３に当接するセメント原料３の粒子に働く下向きの力（ｍ・ｇ・ｓｉｎθ２）が、上向きの力（（ｍ・（ｖ^２／ｒ）−ＦＲ）・ｃｏｓθ２）よりも大きくなる高さ寸法以上に設定されている。

ただし、ｍは、粒子の質量、ｇは、重力加速度、θ２は、上部コーン１７の傾斜内面２３の傾斜角度、ｖは、旋回する粒子の円周方向の速度、ｒは、粒子の旋回半径であり、上部コーン１７の下端の内径Ｄ１の１／２である。そして、ＦＲは、粒体に対して旋回の中心方向に働く流体力である。そして、図６に示すｍ・ｇは、粒体に働く重力方向の力、ｍ・（ｖ^２／ｒ）は、粒体に働く遠心力、ＦＲは、粒体に働く流体力である。

図７は、図２に示す最上段のサイクロン３０において、入口流速ｖ１に応じて決まる上部コーン１７の下端の高さＨ１及び上部コーン１７の下端内径Ｄ１を説明するための図である。図７（ａ）は、入口流速ｖ１が低速（１３〜１５ｍ／ｓ）の場合を説明するための図、図７（ｂ）は、入口流速ｖ１が中速（約１８ｍ／ｓ）の場合を説明するための図、図７（ｃ）は、入口流速ｖ１が高速（約２０ｍ／ｓ）の場合を説明するための図である。

これら図７（ａ）〜図７（ｃ）から分かるように、入口流速ｖ１が低速、中速、高速となるに従って、排出口１８から下部コーン１９の下端までの高さ寸法Ｈ１が、大きくなるように設定されている。そして、高さ寸法Ｈ１の大きさに応じて上部コーン１７の下端内径Ｄ１も、幾何学的条件によって決まるので、大きくなっている。入口流速ｖ１が低速、中速、高速となるに従って、上部コーン１７の下端内径Ｄ１が、０．５４〜０．５７Ｄ、約０．６８Ｄ、約０．７８Ｄとなる。

このように、上部コーン１７の下端内径Ｄ１、及び高さ寸法Ｈ１を、入口流速ｖ１の大きさに応じて設定するのは、図６に示すように、入口流速ｖ１が大きいときに、上向きの力（（ｍ・（ｖ^２／ｒ）−ＦＲ）・ｃｏｓθ２）が大きくならないようにして、下向きの力（ｍ・ｇ・ｓｉｎθ２）と略等しいか、若しくはそれよりも小さくなるようにするためである。つまり、入口流速ｖ１が異なる場合であっても、（ｖ^２（旋回速度）／ｒ（旋回半径））を一定の大きさにするためである。

ただし、入口流速ｖ１と、上部コーン１７の下端内径Ｄ１との関係は、実機を使用した実験によって得られたものである。

次に、上記のように構成されたセメント原料予熱装置１０、及びセメント原料の予熱方法の作用を説明する。図２に示すセメント原料予熱装置１０によると、図５に示すように、排ガス２中に混合されたセメント原料３の粒子は、入口ダクト１５からサイクロン３０内に流入し、旋回しながらサイクロン３０内を流下して排出口１８から下方に排出される。そして、排ガス２は、サイクロン３０内で旋回して内筒２１の出口部２０から上方に排出される。

つまり、サイクロン３０内で浮遊した状態で旋回する粒子には、外向きの遠心力（ｍ・（ｖ^２／ｒ）と、内向きの流体力ＦＲと、重力ｍ・ｇとを含む力が作用し、遠心力が流体力よりも大きい場合には、粒子は、下降しながら上部コーン１７の傾斜内面２３に向かって（半径方向外側に向かって）移動する。

そして、粒子が上部コーン１７の傾斜内面２３に当接する状態では、遠心力、内向きの流体力、及び重力を含む合力において、下向きの力（ｍ・ｇ・ｓｉｎθ２）が上向きの力（（ｍ・（ｖ^２／ｒ）−ＦＲ）・ｃｏｓθ２）よりも大きいか否かによって、粒子が上下のいずれの方向に移動するかが決定される。

理論的には、粒子の旋回流速ｖは、粒子の自由渦の中心に向かうに従って大きくなる。よって、例えば上部コーン１７の下端に向かうに従って粒子の旋回流速ｖが大きくなる。ここで、粒子の旋回流速ｖが大きいために、粒子に働く上向きの力が、下向きの力以上であるときは、上向き及び下向きの力がバランスする位置で粒子が旋回しながら上部コーン１７内で滞留することになる。しかし、粒子の旋回流速ｖが小さいために、粒子に働く下向きの力が、上向きの力よりも大いときは、粒子は、上部コーン１７の傾斜内面２３を旋回しながら流下して、下部コーン１９を通ってその排出口１８から排出される。

本発明によると、図２に示す下部コーン１９の排出口１８から上部コーン１７の下端までの高さＨ１は、上部コーン１７の下端の傾斜内面２３に当接するセメント原料３の粒子に働く下向きの力が、上向きの力よりも大きくなる高さ寸法以上に設定されている。これによって、粒子を、この上部コーン１７の下端から下部コーン１９の上部を形成する拡径部２５内に流下させることができる。そして、下部コーン１９の拡径部２５内に流下した粒子３は、旋回の半径が大きくなって、旋回流速が小さくなり、これによって、粒子に働く上向きの力が小さくなる。その結果、粒子３に働く下向きの力が上向きの力よりも更に大きくなり、下部コーン１９の排出口１８から効率よく排出される。

そして、多段に配置されるサイクロン１１〜１４のうち、最上段及び最下段の両方又はいずれか一方に配置されるサイクロンに本発明を適用することによって、セメント原料予熱装置１０全体での、セメント原料３の排出効率を高めることができる。

従って、図１に示すセメント原料予熱装置１０、及びセメント原料の予熱方法によると、セメント原料３が上部コーン１７の傾斜内面２３に沿って旋回しながら滞留することを抑制して、セメント原料３を、下部コーン１９に確実に流下させると共に、下部コーン１９の上部を形成する拡径部２５の拡径効果によって、下部コーン１９の排出口１８から効率よく排出させることができる。

そして、このように、セメント原料３をセメント原料予熱装置１０内に適切な時間だけ滞留させて通過させることができるので、セメント原料３を効率よく予熱することができ、しかも、原料予熱装置１０から効率よく排出できるので、原料予熱装置１０の圧損及び消費電力を低減することができる。

また、図６に示すように、上部コーン１７の下端の傾斜内面２３に当接するセメント原料３の粒子に働く下向きの力（ｍ・ｇ・ｓｉｎθ２）が、上向きの力（（ｍ・（ｖ^２／ｒ）−ＦＲ）・ｃｏｓθ２）よりも大きくなる位置での、下部コーン１９の排出口１８から上部コーン１７の下端までの高さＨ１は、上部コーン１７の下端の傾斜内面２３に当接するセメント原料３の粒子に働く遠心力、重力、及び流体力を含む力と、上部コーン１７の傾斜内面２３の傾斜角度θ２とに基づいて決まるので、これらの力及び傾斜角度θ２に基づいて当該高さＨ１を正確に設定することができる。

更に、図７に示すように、セメント原料３の粒子に働く遠心力は、入口ダクト１５に流入する排ガス２中に混合されたセメント原料３の入口流速ｖ１によって決まるので、このセメント原料３の入口流速ｖ１に基づいて下部コーン１９の排出口１８から上部コーン１７の下端までの高さＨ１を正確に設定することができる。

そして、この実施形態のセメント原料予熱装置１０は、図９に示すように、上部コーン１７の下部が、下部コーン１９の上部を形成する拡径部２５内に挿入されて連結し、この挿入されている部分が所定長さの挿入部２６として形成されている。そして、この下部コーン１９の天壁２７が水平に形成されている。なお、図２に示すように、上部コーン１７にも天壁２８が形成されている。

このようにすると、図９に示すように、上部コーン１７の下部から流下して下部コーン１９の上部を形成する拡径部２５内に流入するセメント原料３の一部が、この拡径部２５の半径方向外側に向かって移動し、しかる後に、拡径部２５の傾斜内面２４で跳ね返って半径方向内側に向かって移動して来るものを、この上部コーン１７の挿入部２６の傾斜外面に衝突させ、そして、下方の下部コーン１９の排出口１８に向かわせて排出することができる。

これによって、上部コーン１７の下部から流下して下部コーン１９の上部を形成する拡径部２５内に流入するセメント原料３の粒子が、当該上部コーン１７の下部に形成されている開口内に逆流することを抑制できる。その結果、セメント原料３の粒子を所定の高い捕集効率で捕集して、効率よく排出口１８から排出することができる。

次に、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示す最上段のサイクロン３０において、入口流速ｖ１が低速、中速、高速の１３〜２０ｍ／ｓであるときに、下部コーン１９の排出口１８から内筒２１の下端までの高さＨ２を、円筒部１６の内径Ｄの１．５７倍以上の寸法に設定したことについて説明する。

このように、最上段のサイクロン３０において、セメント原料３の入口流速ｖ１が１３〜２０ｍ／Ｓであるときに、下部コーン１９の排出口１８から内筒２１の下端までの高さＨ２を、円筒部１６の内径の１．５７倍以上の寸法に設定することによって、サイクロン３０に流入するセメント原料３の粒子を所定の高い捕集効率で捕集して、効率よく排出口１８から排出することができる。

そして、下部コーン１９の排出口１８から内筒２１の下端までの高さＨ２を、円筒部１６の内径の１．５７倍未満の寸法に設定すると、サイクロン３０内の排ガス２と、セメント原料３とを効率よく分離することができず、セメント原料３が上部コーン１７内で旋回しながら滞留してしまうことになり、セメント原料３の粒子を所定の高い捕集効率で捕集して、効率よく排出口１８から排出することができない。

次に、最下段のサイクロン１１において、入口流速ｖ１が低速、中速、高速の１３〜２０ｍ／ｓであるときの下部コーン１９の排出口１８から内筒２１の下端までの高さＨ２を、円筒部１６の内径Ｄの２．０〜２．４倍、好ましくは約２．２倍の寸法に設定することについて説明する。この最下段のサイクロン１１は、当該高さＨ２以外は、図２に示す最上段のサイクロン３０と同等の構成であり、同等部分を同一の図面符号を使用して説明する。

最下段のサイクロン１１は、図１に示すように、最上段のサイクロン３０よりも排ガス２の温度が高く設定されており、当該排ガス２のガス粘性も増加している。このようにガス粘性が増加すると、セメント原料３の粒子に働く流体力ＦＲが大きくなり、内筒２１の入口に吸い込まれるセメント原料３の吸出し流速ｖ３が大きくなる（図８参照）。そのため、内筒２１の入口に吸い込まれるセメント原料３の吸出し流速ｖ３を小さくして、セメント原料３が傾斜内面２３に粒子が到達せずにサイクロン１１内で旋回しながら滞留することを抑制する必要が有る。よって、下部コーン１９の排出口１８から内筒２１の下端までの高さ寸法Ｈ２を大きくして、内筒２１の下端と、下部コーン１９の傾斜内面２４との間隔Ｈ３を大きくする必要が有る。

なお、吸出し流速ｖ３が大きくなると、セメント原料３がサイクロン１１内で旋回しながら滞留する可能性が高くなるのは、吸出し流速ｖ３が大きくなると、セメント原料３の粒子に働く流体力が大きくなり、上部コーン１７の傾斜内面２３に粒子が到達しなくなるからである。

そして、内筒２１の下端と、下部コーン１９の傾斜内面２４との間隔Ｈ３を大きくすることによって、吸出し流速ｖ３を小さくできるのは、以下の記載の通りである。図８に示す内筒２１の出口部２０から排出される排ガス２の流量Ｑは、予め設定されており一定である。そして、内筒２１の入口部から流入する排ガス２の流量Ｑは、Ｑ（一定）＝π・Ｄ２・Ｈ３・ｖ３の式で求められるので、間隔Ｈ３を大きくすることによって吸出し流速ｖ３を小さくすることができる。

ただし、Ｄ２は、内筒２１の入口部２９の内径、Ｈ３は、内筒２１の下端と下部コーン１９の傾斜内面２４との間隔、ｖ３は、排ガス２の吸出し流速である。

よって、セメント原料３の入口ダクト１５から流入する入口流速ｖ１（１３〜２０ｍ／ｓ）、及び内筒２１の出口部２０から流出する出口流速ｖ２（１５〜２０ｍ／ｓ）が、最上段のサイクロン３０と略同一である場合、下部コーン１９の排出口１８から内筒２１の下端までの高さＨ２を、円筒部１６の内径の２．０倍以上、好ましくは２．２倍の寸法に設定することで、最上段のサイクロン３０と同程度に、セメント原料３の粒子を所定の高い捕集効率で捕集して、効率よく排出口１８から排出することができる。

そして、下部コーン１９の排出口１８から内筒２１の下端までの高さＨ２を、円筒部１６の内径の２．０倍未満の寸法に設定すると、サイクロン１１内の排ガス２と、セメント原料３とを効率よく分離することができず、セメント原料３が旋回しながら上部コーン１７内で滞留しまうので、セメント原料３の粒子を所定の高い捕集効率で捕集して、効率よく排出口１８から排出することができない。

要は、上記のように、下部コーン１９の排出口１８から内筒２１の下端までの高さＨ２は、低温側（最上段側）よりも高温側（最下段側）に配置されたサイクロンほど、その高さ寸法を大きく設定することが好ましい。

このようにするのは、上記のように、高温側に配置された最下段のサイクロン１１は、低温側に配置された最上段のサイクロン３０と比較して、その内部の排ガス２のガス粘性が増加して、セメント原料３の粒子に働く流体力ＦＲが大きくなり、内筒２１の入口部２９に吸い込まれるセメント原料３の吸出し流速ｖ３が大きくなる。そのため、内筒２１の入口部２９に吸い込まれるセメント原料３の吸出し流速ｖ３を小さくして、セメント原料３がサイクロン１１内で旋回しながら滞留することを抑制する必要が有る。よって、下部コーン１９の排出口１８から内筒２１の下端までの高さ寸法Ｈ２を大きくすることで、低温側から高温側まで配置された全てのサイクロン１１〜１４において、セメント原料３の粒子を所定の高い捕集効率で捕集して、効率よく排出口１８から排出することができる。

ただし、上記実施形態では、図９に示すように、上部コーン１７の下端部を挿入部２６として形成したが、この挿入部２６を省略してもよい。

そして、上記実施形態では、図３に示すように、リンデン型、例えば半リンデン型の入口ダクト１５としたが、これ以外の型式の入口ダクトとしてもよい。

また、上記実施形態では、図１に示すように、サイクロンを５段設置する場合について説明したが、５段以外の複数段、例えば４段としてもよい。また、本発明をロータリキルンを用いたセメント焼成装置に適用した例を示したが、ロータリキルン以外の流動層造粒炉、噴流層造粒炉、流動層造粒焼成炉を用いたセメント焼成装置にも適用することができる。

更に、上記実施形態では、図１に示すように、最上段サイクロン３０及び最下段サイクロン１１の両方に本発明を適用したが、これに代えて、最上段サイクロ１４ン又は最下段サイクロン１１に本発明を適用してもよい。

そして、上記実施形態では、図６に示すように、下向きの力を（ｍ・ｇ・ｓｉｎθ２）とし、上向きの力を（（ｍ・（ｖ^２／ｒ）−ＦＲ）・ｃｏｓθ２）として説明したが、旋回するセメント原料３に働く力として上記以外の力が作用するときは、これらの力を考慮して、下向きの力及び上向きの力を決定することが必要である。

以上のように、本発明に係るセメント原料予熱装置及びセメント原料の予熱方法は、セメント原料を効率よく予熱すると共に、原料予熱装置から効率よく排出できるようにして、原料予熱装置の熱効率を向上させ、消費電力を低減することができる優れた効果を有し、このようなセメント原料予熱装置及びセメント原料の予熱方法に適用するのに適している。

２ 排ガス
３ セメント原料
１０ セメント原料予熱装置
１１ 最下段のサイクロン
１２、１３、１４ サイクロン
３０ 最上段のサイクロン
１５ 入口ダクト
１６ 円筒部
１７ 上部コーン
１８ 排出口
１９ 下部コーン
２０ 内筒の出口部
２１ 内筒
２２ リンデン部
２３、２４ 傾斜内面
２５ 拡径部
２６ 挿入部
２７、２８ 天壁
２９ 内筒の入口部
３１ ロータリキルン
３５ 原料投入部

Claims (8)

1. 粉粒状のセメント原料を焼成炉、造粒炉又は造粒焼成炉の排ガスを利用して予熱し、排ガス中に混合されたセメント原料を多段に配置されるサイクロンによって分離捕集するセメント原料予熱装置において、
   多段に配置されるサイクロンのうち、最上段及び最下段の両方又はいずれか一方に配置されるサイクロンが、
   入口ダクトを有する円筒部と、この円筒部の下部に連結する略逆円錐台状の上部コーンと、この上部コーンの下部に連結し、排出口が下部に形成されている略逆円錐状の下部コーンと、前記円筒部の中心に下部が挿入する状態で前記円筒部に連結し、出口部として形成された上部が前記円筒部から上方に突出する内筒とを備え、
   前記下部コーンの排出口から前記上部コーンの下端までの高さは、前記上部コーンの下端の傾斜内面に当接するセメント原料の粒子に働く下向きの力が、上向きの力よりも大きくなる高さ寸法以上に設定されていることを特徴とするセメント原料予熱装置。
2. 前記下部コーンの排出口から前記上部コーンの下端までの高さは、前記上部コーンの下端の傾斜内面に当接するセメント原料の粒子に働く遠心力、重力、及び流体力を含む力と、前記上部コーンの傾斜内面の傾斜角度とに基づいて設定されることを特徴とする請求項１記載のセメント原料予熱装置。
3. 前記下部コーンの排出口から前記上部コーンの下端までの高さは、前記入口ダクトに流入する排ガス中に混合されたセメント原料の入口流速に基づいて設定されることを特徴とする請求項１又は２記載のセメント原料予熱装置。
4. 最上段の前記サイクロンにおいて、
   前記入口ダクトに流入するセメント原料の入口流速が１３〜２０ｍ／Ｓであるときの、前記下部コーンの排出口から前記内筒の下端までの高さは、前記円筒部の内径の１．５７倍以上の寸法に設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセメント原料予熱装置。
5. 最下段の前記サイクロンにおいて、
   前記入口ダクトに流入するセメント原料の入口流速が１３〜２０ｍ／Ｓであるときの、前記下部コーンの排出口から前記内筒の下端までの高さは、前記円筒部の内径の２．０倍以上の寸法に設定されてい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セメント原料予熱装置。
6. 前記下部コーンの排出口から前記内筒の下端までの高さは、低温側よりも高温側に配置されたサイクロンほど、その高さ寸法を大きく設定したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のセメント原料予熱装置。
7. 前記上部コーンの下部が、前記下部コーンの上部を形成する拡径部内に挿入されて連結し、この挿入されている部分が所定長さの挿入部として形成されてい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セメント原料予熱装置。
8. 粉粒状のセメント原料を焼成炉、造粒炉又は造粒焼成炉の排ガスを利用して予熱し、排ガス中に混合されたセメント原料を多段に配置されるサイクロンによって分離捕集するセメント原料の予熱方法において、
   多段に配置されるサイクロンのうち、最上段及び最下段の両方又はいずれか一方に配置されるサイクロンが、
   入口ダクトを有する円筒部と、この円筒部の下部に連結する略逆円錐台状の上部コーンと、この上部コーンの下部に連結し、排出口が下部に形成されている略逆円錐状の下部コーンと、前記円筒部の中心に下部が挿入する状態で前記円筒部に連結し、出口部として形成された上部が前記円筒部から上方に突出する内筒とを備え、
   前記下部コーンの排出口から前記上部コーンの下端までの高さを、前記上部コーンの下端の傾斜内面に当接するセメント原料の粒子に働く下向きの力が、上向きの力よりも大きくなる高さ寸法以上に設定して、当該粒子を前記下部コーンの排出口に向かわせて排出することを特徴とするセメント原料の予熱方法。

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