JP4302185B2 - キルンプラントからのＮＯｘ排出を減少させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、未精製材料の加熱処理用に低揮発性燃料が用いられるキルンプラントからのＮＯx排出を減少させる方法に関する。上記キルンプラントにおいて、キルンプラント燃料は、少なくとも３つの異なるゾーンにて焼成可能である。これらの少なくとも３つの異なるゾーンの第１のゾーンにおいて燃料の量ｃが燃焼し、これらの少なくとも３つのゾーンのうち第２のゾーンにおいて燃料の量ｂが燃焼する。この第２のゾーンには、他の少なくとも２つのゾーンからのＮＯ含有排ガスがさらに送り込まれる。これらの少なくとも３つのゾーンの最後のゾーンにおいて、燃料の量ａが燃焼する。未精製材料の少なくとも一部は、酸素含有ガスと一緒に、これらのゾーンに送り込まれる。第２のゾーン及び最後のゾーン内で燃焼した燃料の総量ｂ＋ａは、未精製材料の処理の必要によって決定される。第２のゾーン（２）で燃焼した燃料の量ｂ及び最後のゾーンで燃焼した燃料の量ａは、最小ＮＯ含有量が第２のゾーンからの排ガス内で達成されるまで、上方向及び下方向に調整される。
窒素酸化物ＮＯxは、燃料中の窒素の酸化及び燃焼空気中の窒素の酸化によって、燃焼中に形成される。燃焼ゾーン内の温度が１２００℃未満の場合には、ＮＯxは、単に燃料中に存在する窒素を基礎として形成されるだけである。このタイプは、燃料性ＮＯx（fuel NOx）と呼ばれる。温度が１２００℃を越えるレベルまで上昇すると、窒素酸化物は、さらに燃焼空気を基礎としても形成されるようになる。このタイプは、サーマルＮＯx（thermal NOx）と呼ばれる。燃料性ＮＯx（fuel NOx）及びサーマルＮＯx（thermal NOx）として形成される窒素酸化物の約９５％は、一酸化窒素ＮＯからなる。
窒素を含有する燃料が燃焼するシステムにおいて、下記式で表される反応が起こり得る。
（１）Ｎ_fuel＋Ｏ→ＮＯ
（２）Ｎ_fuel＋ＮＯ→Ｎ₂＋Ｏ
反応（１）は、ゾーン内でのＮＯ形成が、燃料中の窒素含有量及びゾーン内のガスの酸素含有量に依存することを示す。反応（２）は、このゾーンに送り込まれたガス内にＮＯが既に存在するとすれば、供給されたガス内に存在するＮＯの量は、燃料から放出された窒素化合物によって減少するであろうことを示す。よって、ＮＯの正味生成量は、供給されたガス内のＮＯ含有量に依存し、反応（２）の反応率が反応（１）に対する反応率よりも迅速に温度と共に上昇するので、温度の上昇は、正味期間内にか焼ゾーンから排出されるＮＯxの量の減少を導くであろう。か焼装置内の高温燃焼に関して、温度が約１００℃上昇すると、か焼装置からのＮＯxは１０〜１５％減少し得ることが知られている。この有利な条件の上限は、１２００℃である。この温度にて、燃焼空気からのサーマルＮＯxの形成は、反応（２）によるＮＯの減少を越えるであろう。
セメントクリンカー製造用にキルンプラントが用いられる場合には、熱処理は、鉱物未精製材料の予加熱、か焼、焼結及び冷却からなる。
Ｎ（窒素）含有燃料が燃焼する３つのゾーンは、キルン内の焼結ゾーンと、か焼装置内及び少なくとも１つの燃焼区画内のか焼ゾーンにおける２つの場所と、である。本発明の記載において、「燃焼区画」とは、燃料が焼成し、同時に処理されるべき材料が添加される場所である。「か焼装置」とは、キルンからの排ガスが通過するであろうキルンガスダクト内に配置された燃焼区画である。
セメントクリンカー製造用のキルンプラント内の温度は、焼結キルン自身内における温度である１２００℃をわずかに越える。キルン内での反応に必要な温度及び時間は、未精製材料の特性に依存する。よって、燃焼特性が低い未精製材料は高温及び／又は長い反応時間を要する。かような２０００℃に至るまでの高炎温度状態は、ＮＯx排出率を著しく増加させる。
用いられた燃料内の揮発性物質の含有量及びか焼が行われた温度が、か焼ゾーン内でのＮＯx形成に影響する因子であることを測定結果は示している。燃料内の揮発性物質の含有量が高いほど、ＮＯxに変換されるＮ fuelの量は小さくなることがわかる。
燃焼区画にクーラーからの第３の空気が独占的に送り込まれる態様にて配置されている追加の燃焼区画を具備するか焼ゾーンを構成することにより、種々の利点が得られることが認められている。かような燃焼区画は、未精製材料が燃焼区画に添加されるとすれば、か焼ゾーン内に含まれるべく構成される。
このタイプのプラントは、ヨーロッパ特許第１０３４２３号明細書（F.L.Smidth & Co.A/S、DK-C-151319に対応する）に開示されている。この特許から、セメント未精製材料のか焼用のプラント（ＳＬＣ−Ｓ）が公知である。上記ＳＬＣ−Ｓプラントにおいては、か焼装置内で用いられる燃料の完全燃焼を達成することが困難であるかもしれないことが考慮されている。このプラントにおいて、粗挽きされた未精製材料の粉はサイクロン予加熱器（１８，１８’、１９，２０，２１）を通過した後、燃焼区画（４）内に送り込まれる。燃料区画（４）内において、粗挽きされた未精製材料の粉はクーラー（２）からのホットエアー内でか焼される。予加熱に続いて、粗挽きされた未精製材料の粉は、燃焼区画（４）内の場所及びキルンガスダクト（２８）又は留置区画（retention compartment）（２９）内の場所の２つの場所にて、か焼ゾーンに向けられる。請求項４に記載されているように、バーナー（４５）を介してキルンガスダクト（２８）に燃料を送り込むことが可能であるが、請求項６第１３行〜第２７行によれば、この補助的な燃料は、キルンガスダクト内の粗挽きされた未精製材料の粉の量を確実に増加可能とするために、供給される。
米国特許第４０１４６４１号（Mitsubishi）明細書から、セメント未精製材料のか焼用プラントが公知である。このプラントにおいて、キルンの排ガス中の窒素酸化物の量は、キルンガスダクト内に、還元ガス（reducing gas）が送り込まれる領域を生成することによって減少される。クーラーからの（ダクト（５）を介しての）ホットエアー及びキルンからの（ダクト（１３）を介しての）ホットエアーは、サイクロン予加熱器（１４，１５，１６，１７）に経由される。サイクロン予加熱器において、クーラー及びキルンからの熱いガスに対する対向流内で未精製材料は予加熱される。クーラーからの供給ダクト（５）の下方に位置しているキルンガスダクトの領域において、ダクト（１２）を介して還元ガス（reducing gas）を導入することによって、還元状態（reducing condition）が形成される。還元ガス（reducing gas）は、か焼装置（８）に送り込まれている空気の容量が、か焼装置内で燃料のガス化を引き起こすに十分であるが、か焼装置（８）内で燃料の完全燃焼を引き起こすには不十分である場合に、か焼装置（８）内で形成される（請求項４、第１行〜第５行）。このプラントの特別の欠点は、石油コークス、無煙炭及び低いガス含有量の他の石炭などの着火が困難で緩やかに燃焼する燃料はロータリキルン内で沈殿してしまって、硫黄放出及びケーキングの問題を生ずるので、これらの燃料を使用できないことである。
米国特許第５３６４２６５号明細書（ＣＬＥ）から、さらに別のか焼システムが公知である。このシステムにおいて、ＮＯx排出は、燃焼区画（２０）内の還元ガス（reducing gas）の組成すなわちＣＯ及びＨ₂によって制限される。このプロセス中、燃焼区画内で形成されるコークスは、きわめて特有の反応特性を有する。しかし、この方法の最適化は、最小ＮＯx排出を確実にすることに関して、比較的困難である。なぜなら、作業中、２，３のパラメータだけが調節可能だからである。燃焼区画内で燃焼する燃料の量は、全体として粗挽きされた未精製材料の粉のか焼の所望の程度に依存する。
本発明の目的は、キルンプラントからのＮＯx排出を減少させ得、同時に、石油コークス、無煙炭及び低いガス含有量の他の石炭などの低い活性の燃料を比較的低い温度にてゾーン内で利用することができる方法を提供することにある。セメントクリンカーを生成する場合、比較的低い温度におけるゾーンが、粗挽きされた未精製材料の粉がキルンに入る前に、か焼ユニット内で見出される。
この目的は本発明により達成される。すなわち、他のすべての焼成ゾーンからのＮＯ含有排ガスが送り込まれるゾーンからの排ガス中で最小ＮＯ含有量が達成されるまで、ＮＯ含有排ガスが送り込まれるゾーン内での焼成に用いられる燃料の量ｂ、未精製材料及び酸素含有ガスが送り込まれるゾーン内での焼成に用いられる燃料の量ａが、それぞれ上方向及び下方向に調節される。燃料ｂ及びａが燃焼するゾーン内の温度は、９００〜１２００℃である。
実際に、第３の空気ダクト内に配置された燃焼区画内及びキルンガスダクト内に配置された燃焼区画であるか焼装置内の燃料の燃焼を伴うこの方法は、ＩＬＣプラント（インラインか焼装置（In-Line-Calciner））及びＳＬＣ−Ｓプラント（分離ラインか焼装置単一予加熱器ストリング（Separate-Line-Calciner-Single preheater string）の組合せである。したがって、かような組合せプラントからのＮＯx排出は、ＩＬＣプラントからのＮＯx排出及び等価容量のＳＬＣ−ＳプラントからのＮＯx排出の間の平均値となるであろうことが予想されるのは理由があることである。しかし、非常に驚くべきことに、本願請求項１記載の方法により操作されるプラントからのＮＯx排出は、２つの伝統的なプラント、ＩＬＣ及びＳＬＣ−Ｓのいずれかにおいて達成できるよりも低いのである。
さらに、現存するすべてのＩＬＣプラントを本願請求項１記載の方法に従って操作し得るプラントに転換することは、それほど困難ではない。これは、か焼ゾーン内で燃焼することが困難な燃料を使用することが可能であるということを意味する。
ヨーロッパ特許第１０３４２３号明細書に記載されている現存のＳＬＣ−Ｓプラントにおいて、すでに、還元ゾーン（reducing zone）を構成するキルンガスダクト内で燃料を燃焼させることが可能である。したがって、本発明は、これらのプラントにおいて、何らの主要なプラント構造上の改造を必要とせずに実行することができるものである。
か焼ゾーン内で用いられる燃料の総量の１０％近辺である燃料の適当な量ｂがキルンガスダクト内で焼成する場合に、か焼ゾーンからのＮＯx排出の顕著な減少を達成可能であろうが、一般的には、か焼ゾーンから排出されるＮＯx最小値は、２５〜７５％の燃料の量ｂが、か焼装置内で焼成する場合に確かめられる。
セメントクリンカー製造プロセス中のＮＯx排出を最小化するために、燃焼区画内及びか焼装置内でプロセスが比較的高温で行われることが有利である。なぜなら、反応（２）の反応率は、反応（１）の反応率に対して相対的に増加するからである。さらに、石油コークス及び無煙炭などの緩やかに燃焼する燃料の燃焼は、温度が高いほど増加する。プロセスがセメントの製造に利用される場合には、操作温度の上限は１２００℃近辺である。温度が１２００℃近辺である場合には、粗挽きされた原料の粉における液層の形成が始まり、粗挽きされた原料の粉を粘着性にする。
か焼装置及び燃焼区画内での温度の調整の有利な方法は、制御された態様にてか焼ゾーンに粗挽きされた原料の粉を送り込むことである。ゆえに、粗挽きされた原料の粉を分割することが特に有利であるべきことが証明されている。これは、粗挽きされた原料の粉を３つの副流になるように、か焼ゾーン内に送り込むということである。これらの３つの副流は、次いで、燃焼区画への粗挽きされた原料の粉の流入に加えて、か焼装置の前後にそれぞれ送り込まれる。この分割に関して、キルンからの排ガスと、燃焼区画からの排ガス及び部分的にか焼された未精製材料と、か焼装置の燃料と、の混合物がすぐ後に続くが、残りの未精製材料を添加する前のか焼ゾーンの部分の温度は、１０００〜１１５０℃に設定される。この温度ゾーンは、石油コークスや無煙炭などの燃焼が困難な燃料を用いる場合であっても、ＮＯxの好ましい分解を与える。
本発明を貼付図面を参照しながら、さらに詳細に説明する。
図１は、本発明の方法を実施するためのプラントの一例を示す。
図２は、か焼装置に入るＮＯx量の関数として、いくらかのＩＬＣプラントからのＮＯx排出量を示す。
図３は、か焼ゾーンに添加された燃料の総量に対して、か焼装置に添加された燃料の量の関数として、か焼装置からのＮＯx排出量を示す。
図１に示すキルンプラントは、セメントクリンカー製造用のキルンプラントである。該キルンプラントは、キルン１、か焼装置２及び燃焼区画３を備える。キルン１の後方に、クーラー４がある。クーラー４から、ホットエアーが、ダクト５を介して、か焼ゾーンに運ばれる。ホットエアーは、２つのダクト５ａ及び５ｂに分割される。ダクト５ｂはホットエアーをか焼装置２に導き、ダクト５ａはホットエアーを燃焼区画３に導く。か焼装置２には、ダクト６を介してキルン１からの熱い排ガス及びダクト７を介して燃焼区画３からの部分的にか焼された材料と混合した熱い排ガスが送り込まれる。
か焼された材料は、か焼装置２から、ダクト８を介して、浮遊状態にて、分離サイクロン９に向けられる。分離サイクロン９において、ガス／材料浮遊物は、か焼された材料の流れと、熱いガス流と、に分離される。か焼された未精製材料は、ダクト１０を介して、ロータリキルン１に運ばれる。熱いガス流は、ダクト１１を介して、数個のサイクロンを具備する浮遊物予加熱器に向けられる。予加熱器内の最下段のサイクロン１２のみが図１に示されている。
予加熱された未精製材料は、サイクロン１２から、三分割手段１３を介して下方に向けられ、３つのダクト１４，１５及び１６を介して、か焼ゾーンに向けられる。ダクト１４は、未精製材料をか焼装置の下流側の位置に、又は適当なか焼装置２内に送り込む。ダクト１５は、未精製材料をキルン１からの排ガス内に送り込む。こうして、粗挽きされた未精製材料の粉は、か焼装置２内に向けられる。ダクト１６は、未精製材料を燃焼区画３内に送り込む。ダクト１６は、材料を直接、燃焼区画３に向けるか又は第３のエアーダクト５に向ける。エアーダクト５は、図１に示されている。
未精製材料の流れの総量は、ダクト１４，１５及び１６の間で、制御された態様にて、かつ特別の環境下で、連続的に分配される。特別の環境としては、例えば、ダクト１４，１５及び１６の１個又は数個を通過する材料の流れを中断するように選択されているものであってもよい。
このプラントにおいて、燃料は、バーナー１７によってか焼装置２内で（ｂkcal／kgクリンカー）、バーナー１８によって燃焼区画３内で（ａkcal／kgクリンカー）、及びバーナー１９によってキルン１内で（ｃkcal／kgクリンカー）、焼成されてもよい。
図２は、キルンからか焼装置内に送り込まれるＮＯの量の関数として、いくらかのＩＬＣか焼装置内のＮＯ生成の記録されたデータを示す。このデータは、種々のカロリー値及び窒素含有量を表す異なる燃料により焼成される幾らかの異なるプラントからの測定値に関するので、無次元の例が選ばれている。ここで、

＝ＮＯへのＮ_fuelの転化率
そして、ＮＯ_IN、ＮＯ_OUT及びＮＯ_fuelは、kmol／h又はkg Ｎ等価／kgクリンカーにて計算される。
曲線が実験データに適合する場合には、下記関係式が得られる。

ｘの大きさを選ぶことができるのであれば、ｘはｙ＜０となるように選ばれるべきである。これは、か焼装置から排気されるＮＯxの量がか焼装置に供給される量よりも小さいことを意味する。請求項１に記載されているように、焼成がキルンプラント内の３つの位置で行われる場合には、かようなx値を選ぶことができる。
ｙとして上記式を用いるコンピュータによる計算例が、燃料がか焼装置並びに燃焼区画内で焼成するプラント用になされる場合には、図３に示す曲線が得られる。
この実施例において、７５０kcal／kgクリンカーの総量がキルンプラント内で焼成する。このうち、ｃ＝３００kcal／kgクリンカーは、ロータリキルン内で焼成する。石油コークスがロータリキルン内の燃料として用いられる場合には、ＮＯへのＮ fuelの転化率は、比較的低くなるであろう。これは、石油コークスの炎温度が特に高くなく、よって、生成されるサーマルＮＯxの量が非常に小さいが、同時に、１４００℃近辺のキルン内の温度が反応（２）を優勢にするに十分高いことによる。したがって、キルンに対する転化率は、石油コークスで焼成されるロータリキルンに対しては典型的であるｙ kiln＝０．３となるように設定される。
か焼ゾーンにて、焼成はａ＋ｂ＝４５０kcal／kgクリンカーで置換される。これは、か焼装置内のｂkcal／kgクリンカーと、燃焼区画内の４５０−ｂkcal／kgクリンカーに分配される。燃焼区画内の温度が１１００℃近辺に維持されるならば、石油コークスで焼成する場合には、燃焼区画内の転化率は、典型的にはｙ_burn＝０．５程度になるであろう。
か焼装置には、下記式が適用される。

排出量ＮＯ_out,calcは、ｂ／ａ＋ｂの関数として、図３に示される。

ｂ／ａ＋ｂ＝０ならば、プラントはＳＬＣ−Ｓプラントとして用いられる。この場合には、ＮＯxは、絶対値の最大レベルである。ｂ／ａ＋ｂ＝１ならばａ＝０で、プラントはＩＬＣプラントとして用いられる。
図３から明らかなように、

に対するＮＯx排出の最小限度がある。
最小限度は、基本的に、キルンによって生成されるＮＯxの量に依存する。キルンからか焼装置へのＮＯxの流入量が高いほど、燃焼区画内で焼成する燃料の量は低くなるべきである。

Claims (9)

1. 未精製材料の加熱処理用のキルンプラントからのＮＯｘ排出を減少させる方法であって、上記キルンプラントにおいてＮ含有燃料が少なくとも３つの異なるゾーンであるキルン（１）、か焼装置（２）および燃焼区画（３）において焼成可能であり、
   上記少なくとも３つの異なるゾーンのうち第１のゾーンであるキルン（１）において燃料の量ｃが燃焼され、このキルン（１）には酸素含有ガスが送り込まれ、
   上記少なくとも３つの異なるゾーンのうち第２のゾーンであるか焼装置（２）において燃料の量ｂが燃焼され、このか焼装置（２）には他の少なくとも２つのゾーンであるキルン（１）と燃焼区画（３）からそれぞれダクト（６）及びダクト（７）を介してＮＯ含有排ガスが送り込まれ、このか焼装置（２）を出る排ガスはキルンプラントから除去され、
   上記少なくとも３つの異なるゾーンのうち第３のゾーンである燃焼区画（３）において燃料の量ａが燃焼され、この燃焼区画（３）には酸素含有ガスが送り込まれ、
   ここで、上記か焼装置（２）及び燃焼区画（３）内で燃焼される燃料の総量ｂ＋ａは、上記キルン（１）に送り込まれている未精製材料の加熱処理の所望の程度を得るために要求されるエネルギーによって決定され、
   ａに対するｂの割合は、上記か焼装置（２）からの排ガス中の最小ＮＯ含有量を得るために調節され、
   上記少なくとも３つの異なるゾーンのうち上記か焼装置（２）及び燃焼区画（３）内の温度を９００〜１２００℃の範囲内に調整するように、予加熱器（１２）からの未精製材料の流れは、３つの流れ（１４，１５，１６）に分割され、
   上記３つの流れのうち第１の流れ（１５）は、上記キルン（１）から上記か焼装置（２）まで上記ダクト（６）を介して流れる排ガス中に送り込まれ、
   上記３つの流れのうち第２の流れ（１６）は、上記燃焼区画（３）に送り込まれ、
   ここで、上記３つの流れのうち第３の流れ（１４）は、上記燃焼区画（３）から部分的にか焼された材料を供給する上記ダクト（７）の下流側にあるか焼装置（２）を通る材料の流れに送り込まれることを特徴とする方法。
2. 請求項１の方法であって、前記第３の流れ（１４）は、前記か焼装置（２）の後方の位置にて、前記材料の流れに送り込まれることを特徴とする方法。
3. 請求項１または請求項２のいずれか１の方法であって、
   前記未精製材料及び酸素含有ガスは、前記燃焼区画（３）の頂部に送り込まれ、
   前記燃料もまた、焼成されて、上記燃焼区画（３）の頂部に送り込まれ、
   前記少なくとも部分的にか焼された材料及び前記排ガスは、上記燃焼区画（３）の底部から抽出されることを特徴とする方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１の方法であって、前記か焼装置（２）内の温度は、９００〜１１５０℃の範囲内にあることを特徴とする方法。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１の方法であって、前記燃焼区画（３）内の温度は、９００〜１２００℃の範囲内にあることを特徴とする方法。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１の方法であって、前記燃焼区画（３）内の温度は、１０００〜１２００℃の範囲内にあることを特徴とする方法。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１の方法であって、前記か焼装置（２）内の温度は、９５０〜１１５０℃の範囲内にあることを特徴とする方法。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１の方法であって、前記燃焼区画（３）内の温度は、１０５０〜１２００℃の範囲内にあることを特徴とする方法。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか１の方法であって、前記か焼装置（２）内の温度は、１０００〜１０５０℃の範囲内にあることを特徴とする方法。

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