JP2023131914A - 燃焼ガス抽気プローブ及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】抽気率を増強した場合にも抽気ガスを十分に冷却でき、かつ窯尻への冷風の逆流を抑制できる燃焼ガス抽気プローブ及びその運転方法を提供する。
【解決手段】プローブ２は、キルン１からの燃焼ガスＧ１の一部を抽気する内管２１と、内管２１に穿設され、内管２１が抽気した抽気ガスＧ２に対して冷風Ｃを各々吐出する複数の吐出口２５と、を備え、複数の吐出口２５は、各々の吐出口２５から吐出される冷風Ｃが内管２１内で互いに衝突しないように配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃焼ガス抽気プローブ及びその運転方法に関する。

塩素バイパスシステムは、セメント製造設備から塩素を含むガスを抽気し系外に排出することで、塩素に起因するキルンやプレヒータ系のコーチングトラブルを防止する。塩素バイパスシステムは、セメント製造設備を構成するキルンの窯尻近傍に設けられた燃焼ガス抽気プローブ（以下、「プローブ」ともいう）によって燃焼ガスの一部を抽気する。抽気された燃焼ガス（以下、「抽気ガス」ともいう）は低温ガス（以下、「冷風」ともいう）と混合され、抽気ガス中に含まれる塩素分は気体状態から固体状態に相転移し、塩化カリウムを主成分とする塩素バイパスダストと呼ばれる形で回収・系外除去される。このとき抽気ガスを急冷することにより、塩素分がバイパスダストの微粉側へ濃縮することが分かっている。

塩素バイパスシステムにおいて、ガス中に含まれる原料分（粗粉）と塩素分（微粉）はサイクロンで分離され、原料分はキルン側へと戻され、塩素分は系外に排出される。しかし、冷却速度が遅いと塩素分濃縮が低い粗粉と共にキルン側に戻る塩素分量が多くなり、塩素除去効率は低下する。

下記特許文献１には、冷風が導入される冷却管の旋回部が、抽気管を取り囲む円環状に形成された塩素バイパス装置が記載されている。冷風は、旋回部で旋回しつつ抽気管内へ流入することで、抽気ガスと冷風が攪拌、混合されるため、抽気ガスを冷風によって急速に冷却することができる。しかしながら、冷風を旋回させながら流入させており、抽気ガスと冷風が混合するまでに冷風の持つ運動量が減衰してしまい、十分に冷却ができないおそれがある。

ところで、近年、脱炭素や原燃料コスト低減を目的に廃プラスチックを始めとする廃棄物の活用が推進されており、セメント製造設備に持ち込まれる塩素量（インプット塩素量）が増加している。そのため、塩素バイパスシステムの能力増強、つまり抽気風量の増量（＝抽気率の増強）が必要となっている。

特許第５０５１３２５号公報

抽気風量を増量するとそのガス温度を一定以下に冷却するため、冷風量（低温ガス量）もそれに応じて増量させる必要がある。一方、それによりプローブ内のガス速度が増加するため、プローブ内の混合冷却域の形成が悪化し、短時間かつ均一な冷却が難しい。それに対応するため、例えばプローブの大型化や冷風の吹込みの調整が必要となる。他方、冷風の吹込み方法や条件によって、窯尻に冷風がリーク（逆流や吹き抜け）し、コーチング付着の助長（キルン運転への悪影響）や熱ロス（燃料の増し焚き）が発生する。

よって、本発明の目的は、抽気率を増強した場合にも抽気ガスを十分に冷却でき、かつ窯尻への冷風の逆流を抑制できる燃焼ガス抽気プローブ及びその運転方法を提供することにある。

本発明の燃焼ガス抽気プローブは、キルンからの燃焼ガスの一部を抽気するガス管と、
前記ガス管に穿設され、前記ガス管が抽気した抽気ガスに対して低温ガスを各々吐出する複数の吐出口と、を備え、
前記複数の吐出口は、各々の前記吐出口から吐出される前記低温ガスが前記ガス管内で互いに衝突しないように配置されている。

また、本発明の燃焼ガス抽気プローブの運転方法は、上記の燃焼ガス抽気プローブの運転方法であって、
前記吐出口から吐出される前記低温ガスの風速が２５～１８０ｍ／ｓを満たし、かつ前記抽気ガスの運動量に対する前記吐出口一口当たりの前記低温ガスの運動量の比が１．８～５．３を満たす。

本発明によれば、抽気率を増強した場合にも抽気ガスを十分に冷却でき、かつ窯尻への冷風の逆流を抑制できる。

本発明に係る燃焼ガス抽気プローブを含む塩素バイパスシステムの一実施形態を表わす全体構成図 プローブを模式的に示す断面図 図２のIII－III断面図 シミュレーション解析に用いたプローブの断面図 シミュレーション解析に用いたプローブの断面図 冷風－抽気ガス運動量比とプローブの出口断面における温度偏差の関係を示すグラフ 他の実施形態に係るプローブの断面図 他の実施形態に係るプローブの断面図 他の実施形態に係るプローブの断面図

以下、本発明に係る燃焼ガス抽気プローブ及びその運転方法における一実施形態について、図１～図３を参照しながら説明する。なお、各図において、図面の寸法比と実際の寸法比とは、必ずしも一致しておらず、また、各図面の間での寸法比も、必ずしも一致していない。

図１は、本発明に係る燃焼ガス抽気プローブを含む塩素バイパスシステムの一実施形態を模式的に示す全体構成図である。塩素バイパスシステム１００は、窯尻１ａから最下段サイクロン（不図示）に至るまでのキルン排ガス流路から燃焼ガスＧ１の一部を抽気するプローブ２と、プローブ２に冷風Ｃ（低温ガスに相当）を供給する冷風ファン３と、抽気ガスＧ２と冷風Ｃが混合された混合ガスＧ３に含まれる粗紛Ａ１を分離する分級機としてのサイクロン５と、サイクロン５から排出された微粉Ａ２を含む混合ガスＧ４を冷却する冷却器６と、冷却器６から排出された排ガスＧ５から微粉Ａ２を回収する集塵装置７と、集塵装置７の排ガスＧ６を誘引する排気ファン８と、を備える。

図２は、プローブ２を模式的に示す断面図である。プローブ２は、窯尻１ａからキルン排ガス流路の一部として上方へ向かう立上がり部１ｂに突設されている。プローブ２の入口２ａは、立上がり部１ｂ内のキルン排ガス流路に開口する。プローブ２による抽気率は、１０％以上であり、好ましくは１２％以上であり、より好ましくは１５％以上である。なお、抽気率は、窯尻１ａを単位時間に通過する燃焼ガスＧ１のガス風量(Ｎｍ３／単位時間)に対する、単位時間に抽気される抽気ガスＧ２のガス風量(Ｎｍ３／単位時間)の割合（比率）をいう。

また、抽気ガスＧ２の抽気量は、２，５００Ｎｍ３／ｈ以上が好ましく、１０，０００Ｎｍ３／ｈ以上がより好ましい。

プローブ２は、円筒状の内管２１（ガス管に相当）と、内管２１を囲む円筒状の外管２２と、内管２１と外管２２との間に形成された冷風通路２３と、冷風ファン３からの冷風を冷風通路２３に供給する供給口２４とを備える。抽気ガスＧ２は、内管２１内を矢印の方向に流れる。

プローブ２は、内管２１に穿設され、冷風通路２３に供給された冷風Ｃを抽気ガスＧ２に向かって吐出する複数の吐出口２５を備える。吐出口２５は、円状に形成されている。

図３は、図２のIII－III矢視図である。複数の吐出口２５は、内管２１の延伸方向において略同じ位置に配置され、好ましくは同じ位置に配置されている。言い換えると、複数の吐出口２５は、内管２１の延伸方向に対して垂直な面内に配置されていることが好ましい。ただし、複数の吐出口２５は、内管２１の延伸方向において完全に同じ位置に配置される必要はない。

本実施形態において、２つの吐出口２５は、内管２１の中心Ｏを対称の中心として点対称に配置されている。２つの吐出口２５は、内管２１の周方向に互いに１８０度ずれて配置されている。

吐出口２５は、中心２５ｃが水平線Ｈと平行となるように配置されている。２つの吐出口２５は、内管２１内の抽気ガスＧ２に対してそれぞれ冷風Ｃを吐出する。すなわち、２つの吐出口２５は、互い違いに配置されており、各々の吐出口２５から吐出される冷風Ｃは、内管２１内で互いに衝突しない。これにより、各々の吐出口２５から吐出される冷風Ｃは、互いに衝突して拡散することがなく、窯尻１ａ側へ向かう方向の流れが生じにくい。その結果、窯尻１ａへの冷風Ｃの逆流を抑えて、熱ロスを抑制できる。

内管２１は、吐出口２５の周囲を取り囲むノズル２６を有することが好ましい。円筒状のノズル２６は、吐出口２５の中心２５ｃと同軸上に配置される。吐出口２５の周囲にノズル２６を設けることで、冷風Ｃは吐出口２５の中心２５ｃに沿った方向に吐出される。なお、内管２１の肉厚が十分に大きい等の場合、ノズル２６は必ずしも必要ではない。

塩素バイパスシステム１００は、不図示の制御部を備える。制御部は、冷風ファン３の出力を調整できる。

制御部は、プローブ２の入口２ａにおける抽気ガスＧ２の風速、風量、温度から算出される抽気ガスＧ２の運動量ＭＧに対する、吐出口２５一口当たりの冷風Ｃの風速、風量、温度から算出される冷風Ｃの運動量ＭＣの比（ＭＣ／ＭＧ）が１．８～５．３の範囲となるように、冷風ファン３の出力を調整する。これにより、抽気率が増加した場合にも抽気ガスＧ２を十分に冷却でき、所定の塩素除去効率を維持した運転を可能とする（詳しくは後述の実施例を参照）。

なお、本明細書において、ガスの（単位時間当たりの）運動量は以下のように定義される。
ガスの運動量[kg・m/s²]＝密度[kg/m³]×風速[m/s]×風量[m³/s]

運動量の比（ＭＣ／ＭＧ）を下げ過ぎると、冷風Ｃの運動量ＭＣが抽気ガスＧ２の運動量ＭＧに対して小さいため、抽気ガスＧ２との十分な混合が得られにくくなる。そのため、運動量の比（ＭＣ／ＭＧ）は、１．８以上であり、好ましくは３．０以上である。

一方、運動量の比（ＭＣ／ＭＧ）を上げ過ぎると圧損が増加し、冷風ファン３の大型化も必要となる。また、運動量の比（ＭＣ／ＭＧ）の増加に伴う、プローブ２の出口断面２ｂにおける温度偏差（詳しくは後述する）の低減割合が縮小する一方で、プローブ２内を逆流して窯尻１ａに到達する冷風量が増加する。そのため、運動量の比（ＭＣ／ＭＧ）は、５．３以下であり、好ましくは４．０以下である。

冷風Ｃの風速は、２５～１８０ｍ／ｓが好ましく、５０～１５０ｍ／ｓがより好ましい。

なお、吐出口２５の開口面積を変動させる不図示の可変ノズルを設け、冷風Ｃの風量を維持したまま風速のみを増加させることで運動量の比（ＭＣ／ＭＧ）を増加してもよい。

以下、本発明についてさらに詳細に説明するために具体的な実施例等を示すが、本発明はこれら実施例の態様に限定されるものではない。

本発明者らは、抽気ガスＧ２と冷風Ｃの混合状態のシミュレーション解析を通じ、複数の吐出口２５の配置による効果確認を実施した。シミュレーション解析に用いたソフトウェアは、ＡＮＳＹＳ社製のＦｌｕｅｎｔ ２０２０ Ｒ２である。

シミュレーション解析に用いたプローブの断面形状を図４Ａ及び図４Ｂに示す（なお、外管２２は図示していない）。図４Ａは、内管２１が抽気した抽気ガスＧ２の流れ方向に対して直角方向に冷風Ｃを各々吐出し、かつ各々吐出される冷風Ｃが内管２１内で互いに衝突しないように、一対の吐出口２５を配置した例を示す。図４Ｂは、内管２１が抽気した抽気ガスＧ２の流れ方向に対して直角方向に、かつ抽気ガスＧ２の流れの中心方向に冷風Ｃを各々吐出するように、一対の吐出口２５０を配置した例を示す。

解析条件を表１に示す。塩素バイパスシステム１００での抽気率は１０～１５％とした。また、冷風Ｃは２０℃であり、プローブ２の出口断面２ｂ（図２を参照）における平均温度が４００℃となるように冷風Ｃを導入した。各条件では吐出口２５，２５０の面積を調整することで、所定の風量を維持したまま冷風Ｃの速度を変化させている。

冷風Ｃの風速は、プローブ２の入口２ａにおける抽気ガスＧ２の風速、風量、温度から算出される抽気ガスＧ２の運動量に対する、吐出口２５，２５０一口当たりの冷風Ｃの風速、風量、温度から算出される冷風Ｃの運動量の比を鑑みて設定し、解析した。

表１において、「冷風速度」は、冷風Ｃの風速を意味し、「冷風－抽気ガス運動量比」は、抽気ガスＧ２の運動量ＭＧに対する、吐出口２５，２５０一口当たりの冷風Ｃの運動量ＭＣの比（ＭＣ／ＭＧ）を意味する（後述の表２についても同様）。また、表１において、「互い違い型」は、吐出口が図４Ａに示す配置であることを意味し、「衝突型」は、吐出口が図４Ｂに示す配置であることを意味する。

プローブ２の出口断面２ｂにおける平均温度を４００℃となるように冷風Ｃを導入させ、抽気ガスＧ２の温度を塩素化合物の融点である６００～７００℃以下（特許第４２９４８７１号公報参照）に下げる観点から、ガス冷却の程度の判断は、プローブ２の出口断面２ｂにおける温度偏差が２００℃以下の達成可否を評価基準とした。ここで、プローブ２の出口断面２ｂにおける温度偏差とは、出口断面２ｂ内における平均温度からのバラツキである。

また、併せてプローブ２の入口２ａに達した冷風Ｃの割合を、プローブ２と窯尻１ａの接合部（入口２ａ）での温度低下（窯尻１ａの温度との差分）から算定し、導入した冷風Ｃの逆流率として評価した。プローブ２の出口断面２ｂにおける温度偏差、および窯尻１ａへの逆流率を表２に示す。表２において、「○」は逆流率が０であることを示し、「△」は逆流率が１０％以下であることを示し、「×」は逆流率が１０％を超えることを示す。

解析例１－１～２－２の「互い違い型」では、同条件であれば、解析例３－１～４－２の「衝突型」と比べて温度偏差がやや高いが、温度偏差が２００℃以下であり、十分な冷却がなされている。

また、解析例１－１～２－２の「互い違い型」では、窯尻１ａへの逆流が生じていない。これは、「衝突型」では、複数の吐出口２５０から各々吐出される冷風Ｃは、互いに衝突した後に窯尻１ａ側への速度ベクトルが発生するが、「互い違い型」では、冷風Ｃ同士の直接衝突がないため、窯尻１ａ側への速度ベクトルの発生量が少ないためである。

冷風－抽気ガス運動量比とプローブ２の出口断面２ｂにおける温度偏差の関係を図５に示す。図５に示されるように、冷風－抽気ガス運動量比は、１．８～５．３の範囲であり、３．０～４．０の範囲ではより早期にプローブ２内の抽気ガスＧ２の温度の均一化が図れる。

以上のように、本実施形態に係るプローブ２は、キルン１からの燃焼ガスＧ１の一部を抽気する内管２１と、内管２１に穿設され、内管２１が抽気した抽気ガスＧ２に対して冷風Ｃを各々吐出する複数の吐出口２５と、を備え、複数の吐出口２５は、各々の吐出口２５から吐出される冷風Ｃが内管２１内で互いに衝突しないように配置されている。

この構成によれば、各々の吐出口２５から吐出される冷風Ｃは、互いに衝突して拡散することがなく、窯尻１ａ側へ向かう方向の流れが生じにくい。これにより、抽気率を増強した場合にも抽気ガスＧ２を十分に冷却でき、かつ窯尻１ａへの冷風Ｃの逆流を抑制できる。

また、本実施形態に係るプローブ２においては、複数の吐出口２５は、内管２１の延伸方向において同じ位置に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、良好な冷却性能を達成することができる。

また、本実施形態に係るプローブ２においては、複数の吐出口２５は、内管２１の延伸方向に見たとき、内管２１の中心Ｏを対称の中心として点対称に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、良好な冷却性能を達成することができる。

また、本実施形態に係るプローブ２においては、複数の吐出口２５は、内管２１の周方向に等間隔に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、良好な冷却性能を達成することができる。

また、本実施形態に係るプローブ２の運転方法は、吐出口２５から吐出される冷風Ｃの風速が２５～１８０ｍ／ｓを満たし、かつ抽気ガスＧ２の運動量ＭＧに対する吐出口２５一口当たりの冷風Ｃの運動量ＭＣの比（ＭＣ／ＭＧ）が１．８～５．３を満たす。

この構成によれば、抽気率を増強した場合にも抽気ガスＧ２を十分に冷却でき、かつ窯尻１ａへの冷風Ｃの逆流を抑制できる。

また、本実施形態に係るプローブ２の運転方法においては、冷風Ｃは、内管２１の内壁面に衝突した後、窯尻１ａに逆流しないことが好ましい。

この構成によれば、逆流率を低く抑えることができる。

なお、燃焼ガス抽気プローブ及びその運転方法は、上記した実施形態の構成に限定されるものではなく、また、上記した作用効果に限定されるものではない。また、燃焼ガス抽気プローブは、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記した複数の実施形態の各構成や各方法等を任意に採用して組み合わせてもよく、さらに、下記する各種の変形例に係る構成や方法等を任意に一つ又は複数選択して、上記した実施形態に係る構成や方法等に採用してもよいことは勿論である。

（１）上記実施形態に係るプローブ２においては、複数の吐出口２５は、内管２１の延伸方向において同じ位置に配置されている、という構成である。しかしながら、プローブ２は、かかる構成に限られない。例えば、複数の吐出口２５は、内管２１の延伸方向において異なる位置に配置されてもよい。

（２）本実施形態に係るプローブ２においては、複数の吐出口２５は、内管２１の延伸方向に見たとき、内管２１の中心Ｏを対称の中心として点対称に配置されている、という構成である。しかしながら、プローブ２は、かかる構成に限られない。例えば、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、複数の吐出口２５は、内管２１の延伸方向に見たとき、内管２１の中心Ｏを対称の中心として点対称に配置されていなくともよい。

（３）本実施形態に係るプローブ２においては、２つの吐出口２５は、内管２１の周方向に等間隔に配置されている、という構成である。しかしながら、プローブ２は、かかる構成に限られない。例えば、図６Ｃに示すように、３つの吐出口２５が、内管２１の周方向に等間隔に配置されていてもよい。

１ ：キルン
１ａ ：窯尻
１ｂ ：立上がり部
２ ：プローブ
２ａ ：プローブの入口
２ｂ ：プローブの出口断面
３ ：冷風ファン
５ ：サイクロン
６ ：冷却器
７ ：集塵装置
８ ：排気ファン
２１ ：内管
２２ ：外管
２３ ：冷風通路
２４ ：供給口
２５ ：吐出口
２５ｃ ：吐出口の中心
１００ ：塩素バイパスシステム
Ａ１ ：粗紛
Ａ２ ：微粉
Ｃ ：冷風
Ｇ１ ：燃焼ガス
Ｇ２ ：抽気ガス
Ｇ３ ：混合ガス
Ｇ４ ：混合ガス
Ｇ５ ：排ガス
Ｇ６ ：排ガス
Ｈ ：水平線
ＭＣ ：冷風の運動量
ＭＧ ：抽気ガスの運動量
Ｏ ：内管の中心

Claims (6)

1. キルンからの燃焼ガスの一部を抽気するガス管と、
   前記ガス管に穿設され、前記ガス管が抽気した抽気ガスに対して低温ガスを各々吐出する複数の吐出口と、を備え、
   前記複数の吐出口は、各々の前記吐出口から吐出される前記低温ガスが前記ガス管内で互いに衝突しないように配置されていることを特徴とする燃焼ガス抽気プローブ。
2. 前記複数の吐出口は、前記ガス管の延伸方向において同じ位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼ガス抽気プローブ。
3. 前記複数の吐出口は、前記ガス管の延伸方向に見たとき、前記ガス管の中心を対称の中心として点対称に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼ガス抽気プローブ。
4. 前記複数の吐出口は、前記ガス管の周方向に等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の燃焼ガス抽気プローブ。
5. 請求項１～４の何れか１項に記載の燃焼ガス抽気プローブの運転方法であって、
   前記吐出口から吐出される前記低温ガスの風速が２５～１８０ｍ／ｓを満たし、かつ前記抽気ガスの運動量に対する前記吐出口一口当たりの前記低温ガスの運動量の比が１．８～５．３を満たすことを特徴とする燃焼ガス抽気プローブの運転方法。
6. 前記低温ガスは、前記ガス管の内壁面に衝突した後、窯尻に逆流しないことを特徴とする請求項５に記載の燃焼ガス抽気プローブの運転方法。