JP2015091741A - セメント製造設備の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】仮焼炉における燃焼と熱量原単位との両者を同時に最適化することができるセメント製造設備の運転方法を提供する。【解決手段】予め仮焼炉の排ガス出口における第１の酸素濃度と仮焼炉への第１の燃料およびセメントキルンへの第２の燃料によって決定される熱量原単位との関係、並びにプレヒーターの排ガス出口における第２の酸素濃度と上記熱量原単位との関係を求めておき、上記第１および第２の酸素濃度が、いずれも上記熱量原単位が最小となる上記酸素濃度の値を含む範囲内になるように、第２の燃料の燃焼を補助する２次空気および第１の燃料を燃焼させる３次空気の量を調整する。【選択図】図５

Description

本発明は、仮焼炉を備えたセメント製造設備の運転方法に関するものである。

従来から、セメント原料を焼成するセメントキルンの前段に、プレヒーターで予熱されたセメント原料の一部を加熱して脱炭酸を促進（仮焼成）させることにより、上記セメントキルンの負荷を低減させる助燃炉（以下、本明細書においては仮焼炉と称する。）を設けたセメント製造設備が知られている。

そして、例えば下記特許文献１においては、この種の仮焼炉を設けたセメント製造設備において仮焼炉に投入した燃料（微粉炭等）を効率的に燃焼させる運転方法が提案されている。

特公平２−２２０１６号公報

しかしながら、上記従来のセメント製造設備の運転方法にあっては、仮焼炉における燃焼の最適化を図るために、仮焼炉に投入する微粉炭や燃焼用空気の量が過剰になった場合に、仮焼炉内におけるセメント原料の反応率は増加するものの、逆に仮焼炉から排出される排ガスの顕熱増加によって、焼成工程全体の熱消費量である熱量原単位（クリンカ１ｋｇを製造するために要する熱量）が高くなり、製造コストの高騰化を招くという問題点があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、仮焼炉における燃焼と熱量原単位との両者を同時に最適化することができるセメント製造設備の運転方法を提供することを課題とするものである。

一般に、セメント製造設備においては、セメントキルンの主バーナーから、内部をセメント原料の焼成温度に保持するために必要な燃料を燃焼用空気（１次空気）とともに供給するとともに、焼成されたクリンカを冷却するクーラーに冷却用の空気を一定の流量で供給している。そして、クーラーでクリンカと熱交換して高温となった上記空気の一部を２次空気としてセメントキルン内に供給して燃焼用空気の補助とするとともに、他の一部を仮焼炉に燃焼用空気（３次空気）として供給し、残部をクーラーから直接排気している。

したがって、例えば仮焼炉に供給する燃焼用空気の風量を増加させると、クーラーからの排気風量は減少する。一方で、仮焼炉の燃焼用空気の風量増加は、プレヒーターから排出されるプレヒーター排ガスの風量を増加させ、この結果熱量原単位の値が高くなる。これとは逆に、仮焼炉に供給する燃焼用空気の風量を減少させると、クーラーから直接排気される風量は増加するために、クリンカとの熱交換によって高温となった排気ガスの潜熱が利用されずに廃棄されることにより、同様に熱量原単位の悪化を招く。

以上のことから、本発明者等は、クーラーへの冷却用空気を一定の風量で供給している場合に、焼成工程全体では、プレヒーターからの排気ガスとクーラーからの排気ガスの増減は、互いにトレードオフの関係にあるために、これら排気ガスの顕熱の和が最小値となるように３次空気の風量を調整すれば、熱量原単位を最小とすることができるとの知見を得た。

しかしながら、実際のセメント製造設備における運転では、プレヒーターからの排気ガスおよびクーラーからの排気ガスの風量を直接的に把握することは困難である。
他方、通常仮焼炉の排ガス出口には、当該仮焼炉内における燃焼状態を確認するために酸素（Ｏ_２）濃度計が設置されている。

そこで、本発明者等は、セメント製造設備におけるプレヒーター、仮焼炉、セメントキルン、クーラー等の各設備を単位操作といわれる単位に分解して、各設備のマクロな反応や熱交換を記述するプロセスシミュレーションによって、焼成工程全体のマテリアルバランスや熱量原単位を計算することにより、プレヒーターからの排ガスのＯ_２濃度と熱量原単位との関係および仮焼炉からの排ガスのＯ_２濃度と熱量原単位との関係が求められるとの知見を得た。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたもので、請求項１に記載の発明は、セメント原料を予熱するプレヒーターと、このプレヒーターから抜き出された上記セメント原料の少なくとも一部を仮焼成する仮焼炉と、上記プレヒーターおよび仮焼炉を経た上記セメント原料を焼成してセメントクリンカとするセメントキルンと、このセメントキルンから排出された上記セメントクリンカを冷却するクーラーとを備え、上記仮焼炉に、導入される上記セメント原料を仮焼するに必要な量の第１の燃料を供給し、上記セメントキルンに、内部を焼成温度に保持するに必要な量の第２の燃料を燃焼用の１次空気と共に供給し、かつ上記クーラーに、上記セメントクリンカを冷却するための一定量の空気を導入し、当該空気のうちの一部を上記第２の燃料の燃焼を補助する２次空気として上記セメントキルンに供給し、他の一部を上記第１の燃料を燃焼させる３次空気として上記仮焼炉に供給するとともに、残部を当該クーラーから排気するセメント製造設備の運転方法において、予め上記仮焼炉の排ガス出口における第１の酸素濃度と上記第１および第２の燃料によって決定される熱量原単位との関係、並びに上記プレヒーターの排ガス出口における第２の酸素濃度と上記熱量原単位との関係を求めておき、上記第１および第２の酸素濃度が、いずれも上記熱量原単位が最小となる上記酸素濃度の値を含む範囲内になるように、上記３次空気および上記クーラーからの排気の風量を調整する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、上記仮焼炉に、上記第１の燃料を一定の供給量で供給するとともに、上記セメントキルンに、上記第２の燃料を上記焼成温度に保持するために必要な供給量に調整しつつ供給することを特徴とするものである。

なお、本発明において、熱量原単位とは、クリンカ1kgを作るために要する、セメントキルンおよび仮焼炉に投入する微粉炭やオイルコークスなどの熱量の総和であり、より具体的には、セメントキルンに投入する微粉炭等の燃料の単位重量のあたりの発熱量と投入量の積、および仮焼炉に投入する微粉炭等の燃料の単位重量のあたりの発熱量と投入量の積の和から求められるものである。

請求項１または２に記載の発明によれば、予め仮焼炉の排ガス出口における第１の酸素濃度と、第１および第２の燃料によって決定される熱量原単位との関係、並びにプレヒーターの排ガス出口における第２の酸素濃度と上記熱量原単位との関係を求めておき、運転時に、第１および第２の酸素濃度を計測して、これらが共に上記熱量原単位が最小となる酸素濃度の値を含む範囲内になるように、クーラーから仮焼炉に供給する３次空気の風量およびクーラーからの排気風量を調整することにより、仮焼炉における燃焼と熱量原単位との両者を同時に最適化することができる。

本発明の一実施形態が適用されるセメント製造設備の概略構成図である。 上記実施形態のシミュレーションにおいて用いた未反応核モデルの概略図である。 仮焼炉出口排ガスのＯ_２濃度とクーラー排気の顕熱との関係を示すグラフである。 仮焼炉出口排ガスのＯ_２濃度とプレヒーター排ガスの顕熱との関係を示すグラフである。 仮焼炉出口排ガスのＯ_２濃度と熱量原単位との関係を示すグラフである。 プレヒーター出口排ガスのＯ_２濃度と熱量原単位との関係を示すグラフである。

先ず、図１に基づいて、本発明の一実施形態が適用されるセメント製造設備の構成について説明すると、このセメント製造設備は、セメント原料を予熱するプレヒーター１と、このプレヒーター１から抜き出されたセメント原料の少なくとも一部を仮焼成する仮焼炉２と、プレヒーター１および仮焼炉２を経たセメント原料を焼成してセメントクリンカとするセメントキルン３と、セメントキルン３から排出されたセメントクリンカを冷却するクーラー４から概略構成されたものである。

ここで、プレヒーター１は、複数（図では４段）のサイクロン１ａ〜１ｄを垂直方向に連結したものであり、原料工程で粒度や成分が調整されて供給ライン５から最上段のサイクロン１ａに供給されたセメント原料を、順次下方のサイクロン１ｂ〜１ｄへと送る過程でセメントキルン３から高温で排出されるガスによって予熱する設備である。ちなみに、８０℃程度の温度で最上段のサイクロン１ａに投入された原料は、最下段のサイクロン１ｄにおいて８００℃以上の温度に達し、予熱に加えて石灰石の脱炭酸が起こる。

他方、最上段のサイクロン１ａから排出されるプレヒーター排ガスの排気ライン６には、図示されないファンが設けられており、このファンの吸引によってプレヒーター排ガスが系外に排気されるようになっている。このプレヒーター排ガスは、セメントキルン３および仮焼炉２から排出された燃焼排ガスや原料の脱炭酸によって発生したＣＯ_２が、最下段のサイクロン１ｄから最上段のサイクロン１ａの間でセメント原料と熱交換した後に系外に排出されるものであり、排気ライン６には、プレヒーター排ガスのＯ_２濃度（第２のＯ_２濃度）を計測するＯ_２濃度計６ａが設けられている。このプレヒーター排ガス顕熱は、熱損失として系全体の熱消費量である熱量原単位に影響を与えるものである。

また、仮焼炉２は、セメントキルン３における熱負荷を低減するために、プレヒーター１ｃまで加熱されたセメント原料を、ライン７から分取して脱炭酸を行うものである。この仮焼炉２は、炉内に投入した微粉炭（第１の燃料）８が、クーラー４から排気ライン９を介して回収された高温の３次空気１０によって燃焼し、セメント原料に熱を与えるものである。そして、仮焼炉２から排出されたセメント原料および未燃の微粉炭および排ガスは、ライン１７を介してプレヒーター１の最下段のサイクロン１ｄへ導入されるようになっており、当該ライン１７には、仮焼炉２からの排ガスのＯ_２濃度（第１のＯ_２濃度）を計測するＯ_２濃度計２ａが設けられている。また、排気ライン９には、３次空気１０の流量を制御するための流量調整弁１１が介装されている。

上記セメントキルン３は、軸線周りに回転駆動される円筒状部材で、窯尻部分３ａに、プレヒーター１および仮焼炉２で加熱された原料が供給されるとともに、窯前３ｂに設けられた主バーナー１２から微粉炭（第２の燃料）１３が燃料用の１次空気とともに供給されて、その燃焼ガスやフレームの輻射により内部がセメント原料の焼成に必要な１４５０℃に保持されるようになっている。そして、窯尻部分３ａからセメントキルン３内に供給されたセメント原料は、当該セメントキルン３の回転に伴って窯前３ｂ側へと送られる過程において、セメントキルン３内における熱交換によって加熱され、脱炭酸を完了し、さらに焼成されてセメントクリンカになる。

そして、このセメントキルン３においては、その入口におけるセメント原料の温度や脱炭率に応じて、セメント原料の脱炭酸およびクリンカ焼成反応が行えるように上記微粉炭の投入量を調整し、かつ当該微粉炭を完全に燃焼し、かつ窯尻部分３ａにおける排ガスのＯ_２濃度が所定の値となるように、燃焼用の１次空気の風量およびクーラー４から供給される燃焼補助用の２次空気１５の風量が制御されている。

次いで、クーラー４は、セメントキルン３から排出されたクリンカを冷却するためのもので、その底部には、クリンカを急冷するための冷却用空気１４が供給されるようになっており、この冷却用空気１４は、製造するクリンカの量に対応して、一定の量が供給されるようになっている。そして、このクーラー４において冷却されたクリンカは、クーラー出口において１５０℃程度になって排出されてゆく。

他方、冷却に用いられた空気１４は、クリンカとの熱交換により高温となり、一部がセメントキルン３における燃焼補助用の２次空気１５として当該セメントキルン３に供給され、他の一部が上述した仮焼炉２への３次空気１０として供給されるとともに、残部１６が、図示されない排気ラインに設けられたファンによって外部に排気されてゆく。このクーラー４からの排気も、プレヒーター排ガス同様に、その顕熱が熱損失として熱量原単位に影響を与えるものである。

そして、このセメント製造設備においては、後述するプロセスシミュレーション解析によって、予め仮焼炉２の排ガス出口においてＯ_２濃度計２ａによって計測される第１のＯ_２濃度と微粉炭８、１３の供給量によって決定される熱量原単位との関係、並びにプレヒーター１の排ガス出口においてＯ_２濃度計６ａによって計測される第２のＯ_２濃度と上記熱量原単位との関係が求められている。

そして、第１および第２のＯ_２濃度が、いずれも熱量原単位が最小となるＯ_２濃度の値を含む範囲内になるように、クーラー４からの排気ラインに設けられた上記ファンの回転数および排気ライン９に設けられた流量調整弁１１の開度が制御されることにより、クーラー４から仮焼炉２に供給される３次空気１０およびクーラー４から直接排気される排気１６の量が調整されている。

ここで、本発明者等が実施した上記プロセスシミュレーションについて具体的に説明すると、このプロセスシミュレーションでは、各設備を単位操作といわれる単位に分解した。例えばサイクロンであればセパレーター、ヒートエクスチェンジャー、リアクターなどである。そして、これらを回路図のように配置し、固体(粉体)やガスの流れ(ストリーム)を接続、最後に収束するまで反復計算を行って解を得た。なお、本プロセスシミュレーションは、汎用のプロセスシミュレーションソフトである、Aspen Tech 社のAspen Plus v7.2 を用いて行った。

また、本プロセスシミュレーションにおいては、セメント原料の脱炭酸と微粉炭８の燃焼が起こる仮焼炉２と最下段のサイクロン１ｄでは反応速度モデルを導入した。また、原料の反応モデルとして、未反応核モデルを採用した。この未反応核モデルは、図２に示すように、粒子内部に未反応の部分(未反応核)が存在し、その外側に反応生成物層が形成されるモデルである。反応速度は未反応核の径によって変化するため、反応率による反応速度の変化を考慮した計算を行うことができる。

セメント原料については、普通ポルトランドセメントのクリンカを製造できる組成とした。また、セメント原料に含まれるCaCO₃は、脱炭酸を行いCaOへ変化するとした。この脱炭酸反応は未反応CaCO₃表面で反応が起こり、反応界面が表面積に比例すると仮定し、グレインモデルを採用した。

この計算において、CO₂のガス境膜拡散による影響を考慮し、所定温度でのCO₂の平衡分圧P_{CO2_eq}を求め、計算におけるCO₂分圧との比で補正した。反応量は、下式に示すように、反応速度係数と滞留時間の積により算出した。なお、平衡分圧の温度依存性は、熱天秤などによる実測や例えば文献（"Thermodynamic evaluation and optimization of the (Ca + C + O + S) system"D. Lindberg and P. Chartrand, J. Chem. Thermo., 41 ,2009）などの値を用いる事ができる。

ここで、
k：反応速度[1/s]
A：2.2×10⁸ [1/s]
E：2.0×10⁵[J/mol]
R：気体定数 8.314
T：温度[K]
X：脱炭酸率(質量基準)
P_CO2：計算におけるCO₂分圧
P_{CO2_eq}：所定温度でのCO₂の平衡分圧

また、プレヒーター１は、サイクロン１ａ〜１ｄを垂直方向に連結したものであり、セメント原料をセメントキルン２から高温で排出される燃焼ガスによって予熱する。これにより、８０℃程度の温度で最上段のサイクロン１ａに投入されたセメント原料は、最下段のサイクロン１ｄでは８００℃以上の温度に達し、予熱に加えCaCO₃の脱炭酸が起こる。

さらに、仮焼炉２においては、一定量のセメント原料およびこれに対応した一定量の微粉炭が供給されるとともに、燃焼用の３次空気１０の風量が調整されるものとした。そして、この仮焼炉２における脱炭酸は、上述の通りに反応するとし、微粉炭は文献（"A random pore model for fluid-solid reactions: I. Isothermal, kinetic control"，S. K. Bhatia, D. D. Perlmutter，AIChE Journal vol26, 3 1980）、（"石炭ガス化反応のモデリング 石炭チャーのガス化反応速度と形状形態変化モデル"，梶谷史朗，電力中央研究所報告，2003）を参考にして燃焼するとした。

また、セメントキルン３においては、セメント原料が１４５０℃(焼成帯温度)のクリンカになるように微粉炭の投入量を調整し、かつ燃焼を補助する２次空気１５の風量は、微粉炭が燃えてセメントキルン３から排ガスとなって排出される際に、窯尻部分３ａにおける排ガス中の酸素濃度が２％になるように決めた。ちなみに、１４５０℃という値は、クリンカ焼成反応が一般的に起こるといわれる値であり、排ガス酸素２％という値は、セメントキルン３と仮焼炉２とが分かれているタイプのセメント製造設備における操業時の一般的な目標値である。

そして、セメントキルン３内において、主バーナー１２のフレームの輻射や燃焼ガスとの熱交換によって１４５０℃に加熱される際に、セメント原料が燃焼ガスから受け取る熱量は次の式で表される

α：原料が燃焼ガスから受け取る熱量割合
Q_{combustion_air}：燃焼ガスの顕熱[kcal/hr]
本実施形態においては、α=0.4とした。

また、クーラー４におけるクリンカと冷却空気１４との熱交換は、クリンカを固定層として考え、直交流として計算した。伝熱係数はranz-marshall式により導いた。伝熱量Qは、文献（”プロセス用キルン”，社団法人日本粉体工業技術協会，日刊工業新聞社，1985）を参考にして固定層単位体積あたりの粒子―流体間の伝熱量qを求め、文献（” mean temperature difference and temperature efficiency for shell and tube heat exchangers connected in series with two tube passes per shell pass”，Dodd, R.，IChemE vol.58,1980）を参考にして求めた直交流熱交換の補正係数Fと粒子の体積Vをかける事により計算した。クリンカ粒径は、20ｍｍとし、クーラー内部に堆積したクリンカの層厚は実機に合わせた厚さとした。

ここで
Q：伝熱量[J/s]
q：単位体積あたりの伝熱量[J/m^３s]
F：補正係数
V：粒子体積[m^３]
h：伝熱係数[J/m^２sK]
a：粒子の比表面積[1/m]

また、実際の運転においては、仮焼炉２からの排ガス中のＯ_２濃度によって、微粉炭８の燃焼管理を行っている。そこで、実際の運転にしたがって、仮焼炉２の排ガス中のＯ_２濃度が１．５％〜５％となるように、３次空気１０の量を調整した場合についての計算を実施した。

この結果、図３に示すように、クーラー４では、仮焼炉２の燃焼用空気として回収される３次空気１０の風量が増えるために、クーラー４からの排気風量は減少するとともに、温度が低下して排ガスの顕熱が減少した。

また、図４に示すように、仮焼炉２への３次空気１０の量を増加させた場合に、最下段のサイクロン１ｄ出口での排ガス温度の上昇によるプレヒーター排ガス温度の上昇に加え、燃焼用空気風量増加によって、プレヒーターからの持ち去り顕熱が増加した。

図５は、仮焼炉２の排ガス中のＯ_２濃度が１．５％〜５％となるように、３次空気１０の量を調整した場合における熱量原単位の変化を示すものである。また、プレヒーター１からの排ガス中のＯ_２濃度は、仮焼炉２から送られる排ガス中のＯ_２濃度のみならず、セメントキルン３からの排ガス中のＯ_２濃度の影響も受ける。図６は、プレヒーター１の出口における排ガス中のＯ_２濃度と熱量原単位との変化を示すものである。

なお、本シミュレーションにおいては、上記Ｏ_２濃度と熱量原単位との関係を、３種類の助燃率に対して解析した。ここで、助燃率＝（仮焼炉２に投入した燃料の熱量）／（セメントキルン３に投入した燃料の熱量＋仮焼炉２に投入した燃料の熱量）である。

図５および図６から、いずれの助燃率の場合においても、仮焼炉２での燃焼用空気量（３次空気１０）を増加させた場合に、熱量原単位は一方的に悪化するわけではなく最適点が存在していることが分かる。これは、仮焼炉２の燃焼良化を目的とした仮焼炉２への燃焼用空気（３次空気１０）の増加は、クーラー４からの排気１６による持ち去り顕熱を低下させるとともに、プレヒーター１からの排ガス温度の上昇と風量増加による持ち去り顕熱の増加を引き起こすためである。

したがって、予め図５および図６に示す関係を求めておき、運転時に、第１および第２の酸素濃度を計測して、これらが共に上記熱量原単位が最小となる酸素濃度の値を含む範囲内になるように、クーラー４からの排気ラインに設けられたファンおよび流量調整弁１１を制御して仮焼炉に供給する３次空気の風量およびクーラー４からの排気１６の風量を調整することにより、仮焼炉２における燃焼と熱量原単位との両者を同時に最適化することができる。なお、仮焼炉出口の排ガスのＯ_２濃度は、およそ２％から４％の間で調整し、プレヒーター排ガスのＯ_２濃度は、およそ０．５％から２％の間で調整することが望ましい。

１ プレヒーター
２ 仮焼炉
２ａ、６ａ Ｏ_２濃度計
３ セメントキルン
４ クーラー
８ 微粉炭（第１の燃料）
１０ ３次空気
１１ 流量調整弁
１３ 微粉炭（第２の燃料）
１５ ２次空気
１６ 排気

Claims (2)

1. セメント原料を予熱するプレヒーターと、このプレヒーターから抜き出された上記セメント原料の少なくとも一部を仮焼成する仮焼炉と、上記プレヒーターおよび仮焼炉を経た上記セメント原料を焼成してセメントクリンカとするセメントキルンと、このセメントキルンから排出された上記セメントクリンカを冷却するクーラーとを備え、上記仮焼炉に、導入される上記セメント原料を仮焼するに必要な量の第１の燃料を供給し、上記セメントキルンに、内部を焼成温度に保持するに必要な量の第２の燃料を燃焼用の１次空気と共に供給し、かつ上記クーラーに、上記セメントクリンカを冷却するための一定量の空気を導入し、当該空気のうちの一部を上記第２の燃料の燃焼を補助する２次空気として上記セメントキルンに供給し、他の一部を上記第１の燃料を燃焼させる３次空気として上記仮焼炉に供給するとともに、残部を当該クーラーから排気するセメント製造設備の運転方法において、
   予め上記仮焼炉の排ガス出口における第１の酸素濃度と上記第１および第２の燃料によって決定される熱量原単位との関係、並びに上記プレヒーターの排ガス出口における第２の酸素濃度と上記熱量原単位との関係を求めておき、
   上記第１および第２の酸素濃度が、いずれも上記熱量原単位が最小となる上記酸素濃度の値を含む範囲内になるように、上記３次空気および上記クーラーからの排気の風量を調整することを特徴とするセメント製造設備の運転方法。
2. 上記仮焼炉に、上記第１の燃料を一定の供給量で供給するとともに、上記セメントキルンに、上記第２の燃料を上記焼成温度に保持するために必要な供給量に調整しつつ供給することを特徴とする請求項１に記載のセメント製造設備の運転方法。

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