JP4499190B2 - 予熱器排気ガスからの硫黄酸化物の除去 - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、硫黄酸化物排出物を除去するため、予熱器廃ガスを処理する方法、詳しくは、か焼炉からの排気ガス中に同伴されている微粒子として存在するＣａＯを、多段階予熱器の上方部段階へ導入し、硫黄酸化物、特に予熱器排気ガス中に存在するＳＯ₂と反応させてそれらを還元することにより予熱器廃ガスから硫黄酸化物を除去することに関する。
従来技術の簡単な説明
セメント製造工程からの廃棄ガス中には硫黄酸化物が汚染物質として存在する。それらは、一つには工程熱源である燃料の燃焼によって生ずる。廃ガス流中の硫黄酸化物の主な源は、セメント原料粉末中の或る成分、特にセメント原料粉末中に存在する黄鉄鉱の、予熱段階で典型的に起きる気化によるものである。硫黄酸化物は空気汚染の原因になるので、それらの放出の規制は次第に厳しくなってきている。
工業的廃ガスから硫黄酸化物を除去することは重要であるため、硫黄酸化物の放出を減少させるか又は無くすため、そのような廃ガスを処理する種々の技術が開発されてきた。
ウェアー(Weir)の米国特許第４，１０２，９８２号明細書は、廃ガスを定められた流通路を通って送り、その中に少なくとも一種の選択された液体反応剤を導入することにより、排煙ガスから二酸化硫黄等の汚染物質を除去する方法を記載する。二酸化硫黄等の酸性汚染物質を除去するために、石灰を含んだ洗浄溶液を用いてもよい。ウェアーは、廃ガスから二酸化硫黄を除去するために従来の湿式洗浄器中に石灰石を用いると、除去効率を低下する結果になることを述べている。
ヘゲマン(Hegemann)等の米国特許第４，５７６，８０３号明細書は、石灰を含む洗浄溶液で煙道ガスを洗浄することを記載するが、それは炭酸カルシウムを同様に含んでいてもよい。しかし、ヘゲマンは、石灰石を含んだ洗浄用溶液を用いて煙道ガスを洗浄している時に大きな効率を維持することについては記述していない。
エマー(Emmer)の米国特許第５，５１２，０９７号明細書は、微粉砕石灰石スラリーの懸濁物を吸収媒体として用いた逆噴射洗浄器に廃棄ガス流を通すことにより、そのガス流から硫黄酸化物を除去する方法を教示する。石灰石はセメント製造工程のために粉砕した材料から取っている。
水性洗浄器又は膨大な規模の洗浄装置を用いる必要はなく、廃棄ガス放出物から有害な硫黄酸化物を除去することは有利であろう。
従って、廃ガス流から硫黄酸化物を除去する簡単な方法に対する需要が依然として存在している。
従って、本発明の目的は、非水性硫黄酸化物除去剤を用いて、セメント製造工程の排出物流から硫黄酸化物を除去する効率的な方法を与えることにある。
別の目的は、膨大な規模の付加的設備を使用する必要のない方法により、セメント製造工程からの副生成物を用いて、その製造工程の廃棄ガス流から硫黄酸化物を除去することにある。
本発明の更に別な目的は、次に述べる本発明の説明から明らかになる。
一般に、前記目的及び他の目的は、クリンカー形成炉、クリンカー冷却器等の、高温又は低温燃焼ガス源、及び製造過程のか焼工程中に生ずるＣａＯ源を含む装置中でセメント原料粉末から硫黄排出物の少ないセメント製法を与えることにより達成される。一つの好ましい態様として、その装置は、クリンカー形成炉、好ましくは分離したか焼炉、及び垂直に配置した多段階予熱器、又は多段階ストリング(string)を有する予熱器からなる。
クリンカー形成炉は、供給端部及びクリンカー排出端部及び燃料をその排出端部へ供給し、クリンカー形成炉中に燃焼領域を確立するための手段を有する。燃焼領域中で生じた燃焼ガスをか焼炉へ排出するために、クリンカー形成炉の供給端部にはライザー・ダクト(riser duct)が存在する。
同様に、か焼炉は、ＣａＯ微粒子含有排気ガスを予熱器へ排出するためのダクトを有する。そのような排気ガスの一部分をか焼炉から取り出し、その部分を、排気ガスからＣａＯ微粒子を分離するための分離器機構へ送るための手段、及び分離されたＣａＯ微粒子を、多段階予熱器の上の段階(即ち、典型的には、四段階予熱器では第一又は第二段階、或は五段階予熱器では最初の三つの段階、ここで「第一」段階とは、熱処理される材料が最初に予熱器へ入る段階であり、「第二」段階とは、材料が通過する次の段階であり、以下順次予熱器を通って段階番号が大きくなる)へ送る手段も存在し、その予熱器中でＣａＯ微粒子とＳＯ₂ガスとの反応が行われ、硫酸カルシウムを形成し、それが予熱器ガスから分離され、最終的にセメントクリンカーへ配合される。
か焼炉は、か焼すべき予熱済みセメント原料粉末のための入口、燃料のための入口、燃焼ガスのための入口、使用済み燃焼ガス及びか焼済みセメント原料粉末のための出口を有する。
典型的には、(i)か焼済みセメント原料粉末微粒子を同伴した使用済み燃焼ガスのための、か焼炉の出口へ流通接続された(flow connected，流れが連結された)入口；(ii)分離されたガスのための、予熱器の最下部段階のガス入口へ接続された出口；及び(iii)分離されたか焼セメント原料粉末のための、クリンカー形成炉の供給端部に流通接続された出口；を有するか焼炉に流通接続されたガス固体分離器が存在する。上で示したように、クリンカー形成炉の供給端部をか焼炉の燃焼用ガスのための入口へ流通接続するライザー・ダクトも、クリンカー形成炉からか焼炉へ燃焼ガスを排出するために存在している。
装置にはクリンカー冷却器を組み込んでもよく、それはクリンカーセメントのための入口、冷却用ガスのための入口(単数又は複数)、冷却用ガスのための出口、及び冷却されたクリンカーのための出口を有する。冷却用ガスのための出口は、クリンカー形成炉、か焼炉及び(又は)多段階予熱器のいずれかのガスのための入口に流通接続されている(flow connected)。
【図面の簡単な説明】
本発明を添付の図面に関連して記述する。図中、
図１は、本発明による装置の、正しい縮尺にはなっていない模式図である。
図２は、多段階ストリング予熱器が用いられた場合の、本発明による装置の別の態様の、正しい縮尺にはなっていない模式図である。
好ましい態様の説明
図１には、本発明の方法を実施するための装置を例示する。この装置には、１で全体的に示した垂直に位置する多段階懸垂型予熱器、２で全体的に示したか焼炉、及び３で全体的に示した、図示する通りクリンカー形成炉でもよく、好ましい態様としてはロータリーキルンである、燃焼ガス源を有する。クリンカー冷却器及び高効率集塵機構も一般に完全な装置には含まれているが、図１には示していない。装置の部品の各々は慣用的なものであり、詳細には記述しない。
多段階予熱器１は、好ましい態様として直列に接続された複数のサイクロン型気体・固体分離器１０〜１３を有し、その各々はガス及びそれに同伴されたセメント原料粉末のための入口２１、分離されたガスのための出口２２、及び分離された固体のための出口２３を有する。図に示したものよりも多いか又は少ない段階を有する多段階予熱器を、本発明で用いてもよいことは分かるであろう。多段階予熱器１は、か焼器２から離れて行く各段階が、直ぐ前の段階よりも高いレベルに位置しており、最も高い段階１０が、か焼器２から最も遠く離れた位置にある段階であり、予熱用ガスが最終的に予熱器を出る段階でもある点で、好ましくは垂直に配置されているものとして言及する。多段階予熱器の別の配列も本発明には含まれている。
予熱器は、セメント原料粉末のための入口１５を有する。導管１６は、一つの分離器の出口２２を隣接する分離器の入口２１に流通接続している。慣用的やり方で、材料が一つの分離器から材料出口２３を通って排出された時、それはダクト１８を経て導管１６へ供給され、そこでその材料は気体に同伴され、次の下方へ隣接するサイクロン、即ち、サイクロン１０からサイクロン１１、サイクロン１２、サイクロン１３へ運ばれる。気体同伴／分離を交互に行う工程中、原料粉末は、か焼炉２から予熱器１へ供給された熱いガスにより加熱される。予熱されたセメント原料粉末の流れに対し向流状にガスは予熱器１を通って流れる。即ち、ガスは次の上方の隣接するサイクロン、即ち、サイクロン１３からサイクロン１２、サイクロン１１、サイクロン１０へ流れる。最上部サイクロン１０から排出された使用済み予熱用ガスは、既知のやり方で、その装置から導管１７を通り、高効率集塵器(図示せず)を通って排出される。
か焼炉２は慣用的なものでよく、当分野でよく知られている。か焼器は容器２０を有し、その容器は予熱されたセメント原料粉末のための入口３１を有し、その入口は予熱されたセメント原料粉末を受け取るために一連のサイクロン１０〜１３の最後のサイクロン１３の出口２３に流通接続されている。か焼器は、バーナー(図示せず)及び燃焼用ガスを受けるための入口３３も有する。か焼器２は、使用済み燃焼ガス及びか焼された同伴セメント原料粉末のための出口２５も有する。出口２５は、ダクト２６によりサイクロン型の気体・固体分離器２８へ接続されている。分離器２８は、熱い使用済み燃焼ガスのための出口２９を有し、そのガスはダクト１６を通って運ばれ、慣用的やり方で予熱器の下方部段階１３へ熱いガスを供給する。サイクロン２８は出口３４も有し、そこから材料をダクト３５を通りキルン３の供給物入口４３へ導管３５を通って供給する。クリンカー形成炉３からライザー・ダクト５２を通りか焼炉２へ燃焼ガスを供給する。
それ程好ましい態様ではないが、か焼とクリンカー形成段階の両方を一つの単位装置で行なってもよい。そのような単位装置でも、依然として燃焼ガスを予熱器１へ供給するためライザー・ダクトを使用するであろう。
クリンカー形成炉３は、供給端部４１及び排出端部４２を、その排出端部中の燃焼領域と共に有するロータリーキルン４０であるのが好ましい。燃料はキルンバーナー(図示せず)へ供給し、キルンの下方、即ち排出端部中に燃焼領域を形成し、慣用的やり方で、導管４３を通りキルン４０中へ入った既にか焼されたセメント原料粉末をクリンカーにするのに充分な温度を維持する。クリンカーの生成を最適にし、燃料の使用を制御するため、燃焼領域中に酸化性条件を維持する。
キルンの排出端部に流通接続されたクリンカー冷却機構(図１には示さず)では、冷却用ガスがセメントクリンカーを通りそれを越えて通過する間に加熱される。冷却用ガスの一部分は、予熱された二次燃焼用ガスとしてキルン４０へ戻される。
本発明によれば、か焼工程中に生成した同伴酸化カルシウム微粒子を含むか焼器２からの排気ガスの一部分も、導管３９を通り分離器機構６５へ分流し(divert)、そこで酸化カルシウム微粒子を排気ガスから分離する。分離された酸化カルシウム含有微粒子を、この場合の分離器１１である予熱器の上方段階へ導入し、そこでそれは、ガス流からの気化ＳＯ₂と反応して亜硫酸カルシウムを形成し、それをガス流から分離して導管６６を通り下流の予熱器１３又は予熱器の一層高い段階へ送る。
ＣａＯ微粒子は、セメント原料粉末からＳＯ₂ガスが最初に気化する温度範囲に曝された特別の上方部の予熱器へ送るのが好ましい。この予熱器は、最上部予熱器が第一段階予熱器として設計され、順次下の予熱器単位装置に順番が付けられている場合には、第二段階予熱器になるのが典型的である。
ＣａＯ微粒子は、排気ガス流から分離するのが好ましく、別個に、即ち同伴ガスとは別に、予熱器の上方段階に導入する。なぜなら、予熱器の上方段階にＣａＯ含有排気ガス流を導入すると、予熱器を出るガスの温度を望ましくない程上昇させる結果になることが発見されているからである。従って、本発明の好ましい態様では、分離されたガス流は、ＣａＯ微粒子が導入される予熱器段階ではなく、予熱器の下方段階、図示した態様では予熱器の第四段階１３へ、導管６６を経て導入し、それにより予熱器から出るガスの累積温度上昇を減少させるようにする。典型的には、分離器６５から分離された排気ガスを、できるだけ下の予熱器段階へ導入し、予熱器を出るガス温度の上昇を最小限に維持するようにする。しかし、そのような一層低いレベルの予熱器段階から今度は増大したガスを引くのに充分な吸引力が装置内に確実に存在するように注意を払わなければならない。図示した四段階予熱器機構では、予熱器第四段階１３から予熱器塔の外へガスを引き出すのを妨げる程の大きな圧力差は存在しないのが典型的である。
それ程好ましい態様ではないが、か焼器から取り出されたＣａＯ微粒子含有ガスを、微粒子分離工程にかけることなく、多段階予熱器の上方部段階に直接導入してもよい。
分離されたＣａＯ微粒子及び(又は)分離されたガスを特定の予熱器段階「へ」「導入」又は「送る」(或は同様な用語)と言う場合、そのような言葉は、ＣａＯ微粒子又はガスを直接予熱器段階へ、又は特定の予熱器段階へ導く排気ガス導管１６へ両方共導入してもよいことを意味するものとする。
か焼器２から引き出されたＣａＯ含有排気ガスの量を調節し、それによってＳＯ₂と反応するのに用いられるＣａＯの量を変動させるための手段が与えられている。出口ガス中のＳＯ₂の量と、与えられた量のガス中に存在するＣａＯ微粒子の量との両方を計算することができるならば、か焼器２から引き出された排気ガスの量を、化学量論的量のＣａＯが本発明の方法で用いるために装置から取り出されるように調節することができる。図示した装置では、そのガス調節手段は弁７０である。
図１に示す例ではサイクロン１３である予熱器の最下部段階から予熱された固体を導管５０を通り、か焼器２の材料入口３１へ送る。導管５０は、予熱された固体の流れをキルン３の入口３１とライザーダクト５２との間で分割することができる分割機構５１を持っていてもよい。それは、そのような材料を用いてライザー・ダクトを清浄にしたり、且つ(又は)ライザーダクト中の温度を低下させることを含めた多くの理由から、予熱された材料をライザーダクト５２中へ送るのが望ましい。典型的には、予熱原料粉末の、クリンカー形成炉３を出る燃焼ガス中に完全に同伴された量のものだけがライザーダクト５２中へ送られる。
図２は、本発明の別の態様を例示しており、この場合、多段階予熱器１００の平行多段階ストリング１０１及び１０２が用いられている。図示したように、か焼器１０３のための燃焼ガスは、クリンカー冷却器１０４により与えられている。
ストリング１０１は、予熱器段階１１１〜１１５からなり、粒状材料入口１１６を有するが、ストリング１０２は段階１２１〜１２５からなり、粒状材料入口１２６を有する。ロータリーキルン１０５は、ストリング１０２のための予熱用ガスを与える。
同伴ＣａＯ微粒子を含む燃焼ガスを出口ダクト１０６から取り出し、導管１３１を通り分離機構１０８へ送り、そこでＣａＯ微粒子を同伴ガスから分離する。
ストリング１０１及び１０２を通るガス及び固体の動き、及びＳＯ₂放出物を除去するための手段は、本質的に図１に記載した装置について述べたものと同じである。例えば、分離手段１０８からの微粒子を分割し、第二段階分離器１１２及び１２２へ夫々導管１４２及び１４３を通って送るが、ガスは段階１１３及び１２４のような予熱器の下方段階へ、夫々導管１４４送る１４５を経て送る。
図面に例示した本発明は、完全に新しい装置にすることもでき、或はセメントクリンカー製造或は他の特定の材料を熱処理し、その製造中にＣａＯ微粒子が副生成物となり、ガス状放出物中にＳＯ₂が排出される現存する懸垂予熱器／フラッシュか焼器機構を修正することにより用いることもできる。
本発明の目的が達成されていることは明らかである。
上に完全に記述した本発明により、その思想又は本質的特徴から離れることなく、他の特定の形態又は変更したもので具体化することもできることは理解されるべきである。従って、上に記載した態様は全ての点で例示的なもので、限定的なものではないものと考えられるべきであり、本発明の範囲は上記説明ではなく、請求の範囲によって示されており、その請求の範囲の意味及び同等の範囲に入る全ての変化が本発明に含まれる。

Claims (8)

1. セメントクリンカーの製造装置において、
   燃焼ガス源、
   か焼すべき予熱されたセメント原料粉末のための入口と、該燃焼ガス源に流通接続された燃焼用ガスのための入口と、使用済み燃焼ガス及びか焼済みセメント原料粉末のための出口とを有するか焼炉、
   セメント原料粉末のための多段階予熱器であって、該予熱器の各段階がセメント原料粉末のための入口及び出口と、予熱用ガスのための入口及び出口とを有し、該予熱器の諸段階が直列に接続されており、最下部段階から最上部段階まで垂直に配列されている該多段階予熱器、
   ＣａＯ微粒子を中に同伴して含む前記使用済み燃焼ガスを、前記多段階予熱器の最下部段階の予熱用ガスのための入口へ送る手段、
   前記使用済み燃焼ガスからＣａＯ微粒子を分離除去するための分離器機構、
   か焼炉からの前記使用済み燃焼ガスを前記分離器機構へ分流する手段、
   前記分離器機構から分離されたＣａＯ微粒子を前記予熱器の上方部段階へ送る手段、並びに
   ＣａＯ微粒子が分離除去された使用済み燃焼ガスを、前記分離器機構から前記予熱器の下方部段階へ送る手段、
   を具えた、上記装置。
2. 予熱器は、直列に接続された複数のサイクロン型気体・固体分離器を有する、請求項１記載の装置。
3. 予熱器は、直列に接続されたサイクロン型気体・固体分離器の平行な複数のストリングを有する、請求項２記載の装置。
4. 燃焼ガス源が、供給端部及び排出端部を有するクリンカー形成炉である、請求項１記載の装置。
5. クリンカー形成炉がロータリーキルンである、請求項４記載の装置。
6. か焼済みセメント原料粉末を、か焼炉からクリンカー形成炉の供給端部へ送る手段を更に具えた、請求項４記載の装置。
7. か焼済みセメント原料粉末をか焼炉からクリンカー形成炉の供給端部へ送る手段と、使用済み燃焼ガスの一部分を多段階予熱器の最下部段階の予熱用ガスのための入口へ送る手段の各手段は、か焼済みセメント原料粉末を中に同伴した使用済み燃焼ガスのための入口を有する気体・固体分離器を有し、使用済み燃焼ガスの一部分を多段階予熱器の最下部段階の予熱用ガスのための入口へ送る前記手段における気体・固体分離器は、予熱用ガスのための前記入口に流通接続された分離されたガスのための出口を有し、か焼済みセメント原料粉末をか焼炉からクリンカー形成炉の供給端部へ送る前記手段における気体・固体分離器は、前記クリンカー形成炉の供給端部へ流通接続されたか焼済みセメント原料粉末のための出口を有する、請求項６記載の装置。
8. 多段階予熱器、クリンカー形成炉及びか焼炉を有する装置でセメント原料粉末からセメントを製造する方法において、
   (i)セメント原料粉末を、前記予熱器からか焼炉へ、そしてクリンカー形成炉へ連続的に送る工程と、
   (ii)前記セメント原料粉末の流れの方向に対し向流状に処理ガスを、前記クリンカー形成炉からか焼炉へ、そして予熱器へ連続的に送る工程であって、前記予熱器中に存在する前記処理ガスがＳＯ ₂ 成分を含む該工程と、
   (iii)前記か焼炉を出る前記処理ガスの一部分を分割して取り出す工程であって、その部分は該処理ガス中に同伴されたＣａＯ微粒子を含む該工程と、
   (iv)前記分割取り出した部分中の前記処理ガスから前記ＣａＯ微粒子を分離する工程と、
   (v)前記分離したＣａＯ微粒子を前記予熱器の上方部段階へ送る工程であって、前記微粒子が、前記予熱器の前記上方部段階中の処理ガス中に存在するＳＯ₂ガスと反応する該工程と、続く
   (vi)前記分割取り出し部分からの分離された処理ガスを前記予熱器の下方部段階へ送る工程と、
   を含む、上記製法。

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