JP4163078B2 - ロータリーキルン用燃焼装置の一次空気供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、セメントクリンカ、マグネシアクリンカ、石灰等の製造に使用されるロータリーキルンに用いて好適なロータリーキルン用燃焼装置の一次空気供給装置に関し、液体燃料、粉末燃料等を用いた燃焼装置の燃焼用空気の供給系、特に一次空気の供給装置の改良に関するものである。

従来、セメントクリンカ、マグネシアクリンカ、石灰等の製造に使用されるロータリーキルンにおいては、このロータリーキルンの下流側に設けられた熱交換器より排出される熱交換後の空気を有効利用するために、一次空気供給装置を用いて、熱交換後の空気をロータリーキルンの下流側に設けられた燃焼装置に一次空気として供給する方法が採られている。
近年、上記のロータリーキルンにおいては、プラスチック粉、ゴミ屑、木屑、籾殻等の可燃性廃棄物を利用した粉末燃料、あるいは重油、廃油等の液状燃料等を、石炭粉末、コークス粉末等の可燃性粉末燃料と合わせて混焼することが多くなっている。

一般に、ロータリーキルンにおいては、粉末燃料と、外部からの一次空気とを噴射するとともに、この噴射時に高温の二次空気を巻き込んで燃焼させる場合、粉末燃料の燃焼は、一次空気量と、理論燃焼空気量と一次空気量との差に対応する二次空気量とにより行われる。この場合、一次空気の温度は６０〜８０℃であるが、二次空気の温度は８００〜１０００℃であるから、燃料の理論燃焼温度は一次空気比（一次空気量の理論燃焼空気量に対する比）によって左右され、一次空気比が小さい程、燃料の理論燃焼温度が高くなる。

例えば、固形粉末燃料を用いたセメントクリンカ焼成用ロータリーキルンにおいては、ロータリーキルンの下流側のクリンカクーラ（熱交換器）内のクリンカと熱交換した後の約８００〜１０００℃程度の熱風を燃焼装置に一次空気として供給することにより、ロータリーキルン内で燃焼に必要とされる空気量の７５％程度を賄う一方、残りの２５％のうち１５％程度を外部から取り入れる外気により、１０％程度を固形粉末燃料の搬送用空気によりそれぞれ賄う燃焼用空気供給システムが用いられている。

ところで、この燃焼用空気供給システムでは、合計で２５％もの外気を一次空気として取り入れているために、クリンカクーラ内の熱風のうち外部に排出される量が増大し、熱効率が悪い。
そこで、一次空気を２００℃程度の温風とし、外部より取り入れる外気の量を低減する一次空気供給装置が提案されている（特許文献１参照）。
この一次空気供給装置は、ロータリーキルンの下流側に設けられたクリンカクーラ内に、耐熱鋳鋼製の熱交換チューブを設け、該チューブ内を通して外気または２００℃程度の空気を一次空気としてロータリーキルンの下流側に設けられた燃焼装置に供給するようにした構成である。

また、ブロアにより外気を昇圧してからエゼクタに噴き込み、この外気の噴出速度を利用してクリンカボックス（熱交換器）内の熱交換後の空気を吸引し、比較的高温のまま一次空気として燃焼装置に供給する構成の一次空気供給装置も提案されている（特許文献２参照）。
特開昭５９−４６４１５号公報 特開昭６２−２５２８８３号公報

ところで、従来の熱交換チューブを用いた一次空気供給装置では、一次空気の使用量が少なくなったといっても、その全てが外気もしくは２００℃程度の温風であるから、その分、クリンカクーラ内の余剰空気（熱風）を外部に排出しなければならず、熱効率の点で改善の余地があるという問題点があった。
また、熱交換チューブを大量に使用するために、設備費が高く、その上、熱風下における使用及び硬いクリンカ粒子の衝突により熱交換チューブの摩耗やスケール付着が激しく、熱交換効率の低下、メンテナンス費用の増大という問題点があった。
さらに、クリンカクーラ内に配管されている熱交換チューブが邪魔になり、クリンカクーラ内のメンテナンスは容易ではない。

また、従来のブロアにより外気を昇圧する一次空気供給装置では、クリンカクーラ内の熱風を一次空気として用いていると、この熱風と外気が混ざって高温となった空気をファンで昇圧して燃焼装置に供給しようとしても、このファンが熱風中に含まれるクリンカ粒子により摩耗し易く、傷付き易いために、高速回転を行うことができない。したがって、圧力を２００ｍｍＡｑ〜３００ｍｍＡｑにしかできず、実際に必要とする空気量の２５〜３０％の一次空気を導入する必要が生じ、その結果、比較的温度の低い一次空気量の割合が増加し、却って熱効率を低下させてしまうという問題点があった。

また、一次空気を昇温させると、空気比重量が低下するために一次空気の有する総運動量が減少し、したがって、燃料が拡散し難くなり、燃焼装置の燃焼性が悪化し、燃焼温度を十分確保することができなくなるという問題点もあった。
このように、従来のロータリーキルンにおいては、一次空気比は、粉末燃料の場合で２０〜２５％程度、液体燃料の場合で１２〜１５％程度であって、一次空気比をこれ以上低下させることは、実用上困難であった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ロータリーキルン用燃焼装置に導入する外気の量を削減し、このロータリーキルン用燃焼装置に送られる一次空気を熱風化し、しかも熱風に含まれる微粒子を取り除くことにより、燃料燃焼用空気の高温化、高圧化を図ることができ、その結果、燃料の燃焼性を確保することができ、さらには、燃焼性の低い燃料を使用することができるロータリーキルン用燃焼装置の一次空気供給装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、ロータリーキルン用燃焼装置に一次空気を供給するための装置について種々の研究を重ねた結果、燃焼装置に導入する一次空気の熱風化と、熱風に含まれる微粒子を取り除くことにより、燃料燃焼用空気の高温化、高圧化が可能となり、その結果、燃料の燃焼性が確保され、さらには、燃焼性の低い粉末燃料や液体燃料であっても、従来の燃料と同様に使用することが可能なことを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のロータリーキルン用燃焼装置の一次空気供給装置は、ロータリーキルンの下流側に設けられた冷却器より冷却に用いられた空気を取り出し、この取り出した空気を前記ロータリーキルンに設けられた燃焼装置に一次空気として供給するロータリーキルン用燃焼装置の一次空気供給装置であって、外部から外気を取り込む取込口および前記外気の取込量を制御するダンパーを有し、前記冷却器と前記燃焼装置とを連通する流路と、当該流路に設けられて前記取込口から取り込まれた外気及び前記冷却器より排出される冷却に用いられた空気を混ぜ合わせ前記燃焼装置に一次空気として供給する供給手段と、前記流路かつ前記供給手段の入り口側に設けられて前記冷却器より排出される空気に含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集手段と、前記燃焼装置の一次空気供給口側に設けられ前記一次空気の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段の出力に基づき前記ダンパーの開閉度合いを制御することにより前記外気の取込量を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とする。

この一次空気供給装置では、外部から外気を取り込む取込口および前記外気の取込量を制御するダンパーを有し、前記冷却器と前記燃焼装置とを連通する流路と、当該流路に設けられて前記取込口から取り込まれた外気及び前記冷却器より排出される冷却に用いられた空気を混ぜ合わせ前記燃焼装置に一次空気として供給する供給手段とを有するので、この供給手段により、流路の取込口から取り込まれた外気及び冷却器より排出される空気を混ぜて高温に保持したまま燃焼装置に一次空気として供給することが可能になる。

これにより、燃焼装置に送られる一次空気を熱風化することが可能になり、燃料燃焼用空気の高温化、高圧化が可能となる。その結果、燃焼性の低い粉末燃料や液体燃料であっても、従来の燃料と同様に使用することが可能となる。
また、前記流路かつ前記供給手段の入り口側に設けられた微粒子捕集手段により、前記冷却器より排出される空気に含まれる微粒子を捕集するので、この微粒子により供給手段が損傷したり、摩耗したり等の虞がない。

また、温度測定手段により燃焼装置に供給される一次空気の温度を測定し、制御手段によりダンパーの開閉度合いを制御し、前記一次空気の温度範囲が所定の温度範囲になるように、流路の取込口から取り込まれる外気の取込量を制御する。
これにより、燃焼装置に供給される一次空気の温度が安定化し、燃焼温度を十分確保することが可能になり、燃料の燃焼性が向上する。

本発明のロータリーキルン用燃焼装置の一次空気供給装置は、前記微粒子捕集手段が、電気集塵機、濾過集塵機、遠心力集塵機のいずれか１種であり、かつ、耐熱性を有することを特徴とする。
前記濾過集塵機は、耐熱性バグフィルタが好ましい。
この一次空気供給装置では、微粒子捕集手段を電気集塵機、濾過集塵機、遠心力集塵機のいずれか１種とし、しかも、耐熱性を有することとしたことにより、冷却に用いられた空気が高温であっても、それに含まれる微粒子を効果的に除去し、微粒子捕集手段の微粒子捕集機能が熱により低下する虞もない。

本発明のロータリーキルン用燃焼装置の一次空気供給装置によれば、外部から外気を取り込む取込口および前記外気の取込量を制御するダンパーを有し、前記冷却器と前記燃焼装置とを連通する流路と、当該流路に設けられて前記取込口から取り込まれた外気及び前記冷却器より排出される冷却に用いられた空気を混ぜ合わせ前記燃焼装置に一次空気として供給する供給手段と、前記流路かつ前記供給手段の入り口側に設けられて前記冷却器より排出される空気に含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集手段とを備えたので、外気及び冷却に用いられた空気を高温に保持したまま燃焼装置に一次空気として供給することができ、外部から導入される外気の量を削減するとともに、燃焼装置に送られる一次空気を熱風化することができる。
したがって、燃料燃焼用空気の高温化、高圧化を図ることができ、燃焼性の低い粉末燃料や液体燃料であっても、燃焼効率を低下させることなく従来の燃料と同様に使用することができる。
また、微粒子捕集手段により冷却に用いられた空気に含まれる微粒子を捕集するので、この微粒子により供給手段が損傷したり、摩耗したり等の不具合を防止することができる。

また、前記燃焼装置の一次空気供給口側に設けられ前記一次空気の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段の出力に基づき前記ダンパーの開閉度合いを制御することにより前記外気の取込量を制御する制御手段とを備えたので、燃焼装置に供給される一次空気の温度を安定化することができ、燃焼温度を十分確保することができる。したがって、燃料の燃焼性を向上させることができる。

また、微粒子捕集手段を、電気集塵機、濾過集塵機、遠心力集塵機のいずれか１種とし、かつ、耐熱性を有することとしたので、冷却に用いられた空気が高温であっても、それに含まれる微粒子を効果的に除去することができる。しかも、これらの集塵機は、高温の空気に曝された場合であっても、その微粒子捕集機能が低下する虞がない。

本発明のロータリーキルン用燃焼装置の一次空気供給装置の一実施の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

図１は、本発明の一実施形態のセメント焼成設備におけるロータリーキルン用燃焼装置の一次空気供給装置を用いたクリンカ製造装置を示す断面図であり、図において、符号１はロータリーキルン、２はロータリーキルン１の下流側に設けられたクリンカクーラ（冷却器）、３はロータリーキルン１内に燃焼用ガスを噴出させるバーナー（燃焼装置）、４はクリンカクーラ２中央部の助燃炉二次空気ダクト５とバーナー３とを連通しかつ外部から外気を取り込む取込口６及び外気の取込量を制御するダンパー（バルブ）７を有する配管（流路）、８は配管４に設けられたファン（供給手段）、９はファン８の入り口側の配管４に設けられたクリンカ粒子捕集装置（微粒子捕集手段）、１０はバーナー３の一端部側（一次空気供給口側）に設けられた温度センサ（温度測定手段）、１１は制御部（制御手段）、１２はクリンカ粒子捕集装置９の出口側の配管４に設けられた風量計（流量計）である。

本実施形態の一次空気供給装置は、これら配管４、ダンパー７、ファン８、クリンカ粒子捕集装置９、温度センサ１０、制御部１１により構成されている。
クリンカクーラ２は、ロータリーキルン１にて焼成されたクリンカを急冷するためのもので、クーラ本体２１の底部にはロータリーキルン１から落下するクリンカを外部から導入するクリンカ冷却用の外気ｇにより急冷し、この急冷されたクリンカを外部に排出するための耐熱性の金属からなる搬送路２２が設けられ、この搬送路２２の下方には、外部からクリンカ冷却用の外気ｇを導入するための外気導入口２３ａ〜２３ｅが形成されている。

このクーラ本体２１の内部は、ロータリーキルン１側から下流側に向かって複数の温度領域Ｔ1〜Ｔ5に分けられ、温度領域Ｔ3、Ｔ_４には、クリンカの冷却に用いられた比較的高温の空気を抽気するための助燃炉二次空気ダクト５が設けられ、この比較的高温の空気は、助燃炉二次空気ダクト５を介して助燃炉（図示略）に導入され、この助燃炉での燃料燃焼用空気として利用される。

また、下流側の温度領域Ｔ_５には、排出される比較的低温の空気を外部へ排出するための排気用ダクト２４、及び所定の温度、例えば、１５０℃以下に冷却されたクリンカを取り出すためのクリンカ取出口２５がそれぞれ設けられている。
これら温度領域Ｔ1〜Ｔ5でのクリンカ冷却後の空気温度は、Ｔ1が最も高く、Ｔ2、Ｔ3、Ｔ4、Ｔ5となるに従って順次低下してゆく様になっている。そして、最も温度の高いＴ1、Ｔ2でのクリンカ冷却後の空気は、キルン用の二次空気として利用される。

ファン８は、クリンカクーラ２より助燃炉二次空気ダクト５を介して排出される冷却に用いられた比較的高温の空気、及び取込口６から取り込まれた外気を、バーナー３に一次空気として供給するもので、例えば、１２００〜２０００ｍｍＡｑの送風能力を有する送風機が好適に用いられる。この一次空気はバーナー３に供給される時点においても２５０〜４５０℃の高温になっているので、この温度に耐えられるファンの選定が重要である。

クリンカ粒子捕集装置９は、クリンカクーラ２より排出される空気に含まれるクリンカ粒子を捕集するもので、取込口６から取り込まれた外気に含まれる塵埃も同時に捕集することが可能である。
このクリンカ粒子捕集装置９としては、少なくともクリンカ粒子を捕集することができればよく、電気集塵機、濾過集塵機、遠心力集塵機のいずれか１種が好適に用いられるが、微粒子を高効率で捕集することから、濾過集塵機の一種である耐熱性のバグフィルタが好ましい。

このバグフィルタは、耐熱温度が４８０℃以上の耐熱性材料、例えば、ガラス繊維、アルミナ繊維等の無機繊維を用いたフィルタで、クリンカクーラ２より排出される空気に含まれる平均粒径が１ｍｍ以下程度のクリンカ粒子を捕集することができる。
このクリンカ捕集装置９には、捕集したクリンカを再飛散させることなくクリンカクーラ２に戻すための配管３１が設けられている。このクリンカ捕集装置９に捕集されたクリンカは、必ずしもクリンカクーラ２に戻す必要がなく、この場合には、外部に排出される。

温度センサ１０は、バーナー３の入り口における一次空気の温度をリアルタイムで測定し、その測定データを電気信号として制御部１１に出力するもので、熱電対が好適に用いられる。
制御部１１は、温度センサ１０から出力されるバーナー３の入り口における一次空気の温度の測定データ、及び風量計１２から出力されるクリンカ捕集装置９通過後の一次空気の空気量の測定データに基づき、ダンパー７及びファン８を制御することにより、取込口６からの外気の取込量を制御するもので、バーナー３の入り口温度を常に２５０℃以上かつ４５０℃以下の範囲で所望の風量、目標温度を保つように、外気の取込量及びファン８の送風量を制御する構成である。

次に、この一次空気供給装置の動作について説明する。
ロータリーキルン１からクリンカクーラ２に送り出された当初のクリンカの温度は１３００〜１４５０℃という高温であるが、搬送路２２上を下流側に向かって徐々に移動する際に、外気導入口２３ａ〜２３ｅ各々から導入されたクリンカ冷却用の外気ｇにより冷却され、温度領域Ｔ4では４００〜５００℃程度までに、温度領域Ｔ5では１５０℃以下程度までに、それぞれ冷却される。

冷却に用いられた空気は、例えば、Ｔ1、Ｔ2では９００℃以上、Ｔ3、Ｔ4では５００〜９００℃程度の高温であるが、Ｔ3、Ｔ4では、その多くが助燃炉二次空気ダクト５を経由して助燃炉（図示略）に導入され、残りの一部がファン８を稼働することで配管４に導入され、取込口６から取り入れられた外気と混ぜ合わされた後、クリンカ捕集装置９に導入される。なお、風量計１２で測定される一次空気量及びダンパー７の開度は常にリアルタイムで測定され、この測定データはリアルタイムで制御部１１に出力される。

このクリンカ捕集装置９では、クリンカクーラ２より排出される空気に含まれるクリンカ粒子を捕集し、捕集したクリンカ粒子を配管３１を経由してクリンカクーラ２に戻す。
このクリンカ捕集装置９から排出された空気は、高硬度のクリンカ粒子が除去されているので、ファン８に取り入れられても、損傷、摩耗等の虞がない。したがって、ファン８は高速回転を行うことができ、この高温の一次空気の高圧化も可能になる。

このクリンカ捕集装置９から排出された空気は、例えば、２５０〜４５０℃の温度範囲で所望の温度に保持されたまま、ファン８によりバーナー３に一次空気として供給される。
このバーナー３に供給される一次空気の温度は、温度センサ１０により常にリアルタイムで測定され、その温度測定データは電気信号として制御部１１に出力される。

制御部１１では、バーナー３に供給される一次空気の温度が、燃料燃焼用空気温度の安定化が可能な温度範囲である２５０℃以上かつ４５０℃以下の温度範囲で、しかも所望の目標温度であるかを判定し、この目標温度から外れている場合に、一次空気の実測温度と目標温度との差に応じて、ダンパー７に対して外気の取込量を制御するために該ダンパー７の開閉度合いを制御する電気信号を出力し、ファン８に対して所定の風量を維持する電気信号を出力する。

ファン８では、制御部１１から出力される電気信号に基づいて風量を制御し、ダンパー７では、制御部１１から出力される電気信号に基づいて開閉度合いを制御する。
その後、制御部１１においては、温度センサ１０等の温度測定データやファン８の風量測定データに基づき、再度、バーナー３に供給される一次空気の温度が２５０℃以上かつ４５０℃以下の温度範囲で、所望の目標温度、風量となるよう、再度、この一次空気の実測温度と目標温度との差、及び風量の差に応じて、ファン８に対して風量を制御する電気信号を、ダンパー７に対して外気の取込量を制御するために該ダンパー７の開閉度合いを制御する電気信号を、それぞれ出力する。
以上の動作を繰り返し行うことにより、バーナー３に供給される一次空気の温度を、常に２５０℃以上かつ４５０℃以下の温度範囲で、所望の目標温度及び風量に保持することができる。

以上説明した様に、本実施形態の一次空気供給装置によれば、クリンカクーラ２中央部の助燃炉二次空気ダクト５とバーナー３とを連通しかつ外部から外気を取り込む取込口６及び外気の取込量を制御するダンパー７を有する配管４と、配管４に設けられたファン８と、ファン８の入り口側の配管４に設けられたクリンカ粒子捕集装置９と、一次空気の風量を測定する風量計１２と、バーナー３の一端部側に設けられた温度センサ１０と、ダンパー７及びファン８を制御する制御部１１とにより構成したので、クリンカクーラ２から排出される空気及び外部から取り込まれた外気を、高温に保持したままバーナー３に一次空気として供給することができる。

したがって、バーナー３に供給する一次空気を熱風化することができ、外部から導入される外気の量も削減することができ、燃料燃焼用空気の高温化、高圧化を図ることができ、その結果、燃焼性の低い粉末燃料や液体燃料であっても、従来の燃料と同様に使用することができる。

また、ファン８の入り口側の配管４にクリンカ捕集装置９を設けたので、クリンカクーラ２より排出される空気に含まれるクリンカ粒子を捕集することができ、このクリンカ粒子によりファン８が損傷したり、摩耗したり等の不具合を防止することができ、一次空気の高圧化を容易に行うことができる。

また、温度センサ１０及び制御部１１を設けたので、バーナー３に供給される一次空気の温度を安定化することができ、燃料の燃焼性を向上させることができる。
また、クリンカ捕集装置９として、耐熱性のバグフィルタを用いたので、クリンカクーラ２より排出される空気が高温であっても、それに含まれるクリンカ粒子を効果的に除去することができ、クリンカ粒子の捕集機能が熱により低下する虞もない。

本発明のロータリーキルン用燃焼装置の一次空気供給装置は、セメントクリンカ、マグネシアクリンカ、石灰等の製造に使用されるロータリーキルンはもちろんのこと、燃料燃焼用空気を利用する各種の燃焼装置へも適用することができ、その工業上の効果は極めて大である。

本発明の一実施形態のセメント焼成設備におけるクリンカ製造装置を示す断面図である。

符号の説明

１ ロータリーキルン
２ クリンカクーラ（冷却器）
３ バーナー（燃焼装置）
４ 配管（流路）
５ 助燃炉二次空気ダクト
６ 外気取込口
７ ダンパー（バルブ）
８ ファン（供給手段）
９ クリンカ粒子捕集装置（微粒子捕集手段）
１０ 温度センサ（温度測定手段）
１１ 制御部（制御手段）
１２ 風量計
２１ クーラ本体
２２ 搬送路
２３ａ〜２３ｅ 外気導入口

Claims (3)

1. ロータリーキルンの下流側に設けられた冷却器より冷却に用いられた空気を取り出し、この取り出した空気を前記ロータリーキルンに設けられた燃焼装置に一次空気として供給するロータリーキルン用燃焼装置の一次空気供給装置であって、
   外部から外気を取り込む取込口および前記外気の取込量を制御するダンパーを有し、前記冷却器と前記燃焼装置とを連通する流路と、
   当該流路に設けられて前記取込口から取り込まれた外気及び前記冷却器より排出される冷却に用いられた空気を混ぜ合わせ前記燃焼装置に一次空気として供給する供給手段と、
   前記流路かつ前記供給手段の入り口側に設けられて前記冷却器より排出される空気に含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集手段と、
   前記燃焼装置の一次空気供給口側に設けられ前記一次空気の温度を測定する温度測定手段と、
   該温度測定手段の出力に基づき前記ダンパーの開閉度合いを制御することにより前記外気の取込量を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とするロータリーキルン用燃焼装置の一次空気供給装置。
2. 前記微粒子捕集手段は、電気集塵機、濾過集塵機、遠心力集塵機のいずれか１種であり、かつ、耐熱性を有することを特徴とする請求項１記載のロータリーキルン用燃焼装置の一次空気供給装置。
3. 前記濾過集塵機は、耐熱性バグフィルタであることを特徴とする請求項２記載のロータリーキルン用燃焼装置の一次空気供給装置。

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