JP4642972B2 - セメントの製造に適用可能な燃焼プロセス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼プロセス、より詳細には鉱石系材料のか焼、特にセメントの製造に適用できる燃焼プロセスであって、材料を少なくとも１つの燃料および少なくとも１つの酸化剤によって作られる火炎によって本質的に形成される熱源と接触させて加熱するプロセスに関する。このか焼プロセスは、セメント調製プロセスに組み入れられている。また本発明は、金属を溶融するかまたは廃棄物の焼却(destruction)温度へ保持するなどのために、燃焼プロセスを用いて装填物を加熱することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
セメントの製造には、「クリンカー」と呼ばれる中間生成物の製造が含まれる。クリンカーは、鉱石系材料、特に粘土および石灰石を焼いて得られる生成物である。粉状の材料を、乾燥させた状態（ドライプロセス）か、または水をベースにしたスラリーの状態のいずれかで、ロータリーキルンへ送ることができる。通常、種々の鉱石系材料、特に炭酸カルシウム、シリカ、アルミナ、酸化鉄、および炭酸マグネシウムが所望の割合で得られるように、クリンカーの組成を注意深く制御する。キルンに装填した後、クリンカーを製造するための前駆物質に最初に乾燥工程と加熱工程とを施す。次に、この材料にか焼工程を施して二酸化炭素を除去することで、種々の鉱石の炭酸塩をこれらの鉱石の酸化物に転化する。温度は依然高いため、こうして得られた鉱石同士が化学的に反応して、本質的にカルシウムシリケートとカルシウムアルミネートとを生成する。この反応は「クリンカリング」とも呼ばれ、ロータリーキルンの高温ゾーンで行われる。結果として得られたクリンカーを、次に冷却して粉砕した後、添加材料と混合して、ポルトランドタイプセメントのようなセメントを形成する。
【０００３】
セメントの製造プロセスには多くの類似点があり、これらの種々のプロセスの間の本質的な違いは、本質的にクリンカー前駆物質の乾燥、予熱またはか焼に用いられる方法にある。概してこれらの全てのシステムにおいて、クリンカー製造プロセスは大体同じであり、すなわちロータリーキルンを使用して、クリンカー前駆物質を重力の下でキルンに沿って降下させる間、燃焼が行われているゾーンから高温ガスを向流として循環させるプロセスである。
【０００４】
例えばUS特許5,572,938から知られるように、クリンカーを製造する際にロータリーキルン内で酸素を使用することは、通常空気中の燃焼を用いて行う燃焼を本質的に改善することで、クリンカーの生産量を増加させることができる。しかし今までのところ、これらの技術はあまり良く制御されておらず、多くの場合製造コストのかなりな増加を製造業者に対して呈している。
【０００５】
種々のセメント製造技術が、特にUS特許3,302,938、US特許3,404,199、およびUS特許3,925,091に記載されている。これらの文献の記載は、本明細書に参照により取り入れられている。
【０００６】
セメントの製造にやはり酸素を用いる他のプロセスが、US特許5,007,823および5,580,237に記載されている。
【０００７】
一般に、クリンカー製造業者は、製造コストを下げるために、燃焼が比較的不十分であるという特性の燃料、および正味の発熱量（ＮＣＶ）が低く燃焼性の低い製品を、燃料としてキルンに取り入れようと努力している。一般に製造業者は、燃焼性が比較的低い全ての種類の廃棄物を使用して、前記廃棄物の焼却に対して特にプレミアムを受けることができるように努めている。実際、クリンカー製造プロセスは多量のエネルギーを消費するが、その理由は特にクリンカー製造作業における炭酸カルシウムの脱炭素反応が非常に吸熱反応であるために、多量のエネルギーを消費するからである。
【０００８】
クリンカーを製造する際にロータリーキルン内で容易に燃える通常の燃料は、石炭、重油、および天然ガスである。これらの燃料の正味の発熱量（ＮＣＶ）の値は、３０ないし４５×１０⁶Ｊ／ｋｇである。重油を予熱した後、霧状にして、その質量の一部が直径が５０ミクロン未満の液滴に転化された、サイズが２００ミクロン未満の液滴にすることができる。最も小さい液滴は急速に蒸発するため、火炎をバーナーの端の近くで点火することができる。
【０００９】
同様に、石炭粒子は粉砕してサイズ分布を１０ないし２０ミクロンにする。燃焼の急速で安定した点火は、サイズの制御だけでなく、粒子が加熱時に放出する可燃性の揮発性物質によって改善される。しかし、セメント製造業者はクリンカーの製造に使用する燃料のコストを下げる努力を続けており、現在のところ、特に燃焼性が低くて正味の発熱量（ＮＣＶ）が多くの場合１５×１０⁶Ｊ／ｋｇを下回る液体または固体廃棄物を燃やす努力をしている。しかしこれらの低品質な燃料は、多くの場合水分含有量が２０重量％を上回るか、または粒径が大きい（例えば質量の７５％が、２００ミクロンを上回るサイズの粒子または液滴からなる）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
燃やすことが難しいこれらの燃料を使用することは、燃焼ゾーン、特にクリンカーの製造に用いるロータリーキルンのか焼ゾーンにおいて、多くの問題、特に火炎の点火が不安定であること、および燃焼の度合いが極端に低いことにつながる。その結果、濃度が制御されていない一酸化炭素の発生、これらのキルンから出てくるガス中への炭化水素の放出、および灰の中の容認できないレベルの未燃成分、特にキルンから出てくるガス中の未燃成分につながる。そのため、より燃料を加えてこれらの低品質燃料からの有害な影響を補償しない限り、生産性が下がる。
【００１１】
本発明の基となる課題は、キルン内に噴射された燃料、特に正味の発熱量が低い燃料は、ロータリーキルン内で、ある程度の長い距離を移動しないと燃焼に寄与できなかったという本発明者による観察に由来する。キルン内で移動した距離が短すぎると、燃焼の質が低い。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃焼プロセスは、火炎が、第１の燃料および第１の酸化剤の噴射点の近くに配置され第１の燃料および第１の酸化剤の燃焼によって形成される第１の燃焼ゾーンと、第１の燃焼ゾーンの下流に配置され第２の燃料および第２の酸化剤を燃焼させるための第２の燃焼ゾーンとを備え、第２の燃料を火炎の第１の燃焼ゾーンを通してまたはその近くを流すことで予熱することを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、第２の燃料を第１のゾーンの火炎と接触させながら流す距離は、第２の燃料の少なくとも一部を少なくとも約４００℃、好ましくは約６００℃、より好ましくは８００℃の温度まで予熱するのに十分な距離である。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態においては、第２の燃料を火炎と接触させながら流す距離が、少なくとも第２の燃料が第２の燃焼ゾーンに到達したときにこの第２の燃料の温度が実質的に約１０００℃となる条件を満たす場合に、この第２の燃焼ゾーンにおける第２の燃料の燃焼が適切に行われて、煙のＮＯx含有量および未燃成分の量が減少することが見られた。
【００１５】
好ましくは、第２の燃料は、正味の発熱量（ＮＣＶ）が１５×１０⁶Ｊ／ｋｇ未満である燃料である。本発明の一態様によれば、第２の燃料は、水分含有量が約２０重量％以上で、かつ約９５重量％以下、好ましくは７０重量％以下である燃料であり得る。他の態様によれば、第２の燃料は、配分を２０重量％を上回る割合で含む。
【００１６】
もちろん、本発明においては、第２の燃料または複数の第２の燃料（特に、前述したものから選択する）の混合物、また１もしくは複数のこれらの第２の燃料と他の燃料（たとえば本説明の文脈の中で述べた第１の燃料、特に正味の発熱量（ＮＣＶ）が３０×１０⁶Ｊ／ｋｇを上回るもの）との混合物が使用できる。本発明の１つの実施形態によれば、酸化剤および燃料を噴射する先端と燃焼ゾーンの出発点との間の距離として規定される点火距離は、２ｍ未満、好ましくは約１ｍ未満である。
【００１７】
一般に、第１の火炎ゾーンは、約９０％を上回る第１の酸化剤が第１の燃料と反応したときに、大体は終了しているものとみなされる。
【００１８】
一般的に、第１の火炎のエネルギーはできる限り小さく、火炎がもたらす総エネルギーの多くて３０％、好ましくは多くて１５％に相当する。好ましくは、第１の火炎のエネルギーは、火炎がもたらす総エネルギーの約１％ないし１０％に相当する。この第１の火炎は好ましくは、温度ができるだけ高いゾーンを備えて、それと接触している第２の燃料の温度をできるだけ急速に上げる。
【００１９】
本発明の他の態様によれば、第１の燃料は、好ましくはＮＣＶが３０×１０⁶Ｊ／ｋｇを上回る燃料、すなわち容易に発火する燃料である。しかし、この高品質の燃料と、正味の発熱量が低い燃料または可燃性の低い燃料たとえば上述のように規定した燃料とを、しかしながら必要な温度特性を有する第１の火炎、特に好ましくは８００℃を上回る、より好ましくは１０００℃を上回る温度を有する第１の火炎が得られるような割合で混合することもできる。第１の酸化剤は、２１体積％を上回る酸素、好ましくは３５体積％を上回る酸素、より好ましくは５０体積％を上回る酸素を有する酸化剤であり、さらにより好ましくは工業用純粋酸素(industrially pure oxygen)、すなわち約８８体積％を上回る酸素を含む酸素である。このような酸素は、例えば、吸着による酸素の生成システムたとえばＶＳＡ（真空スウィング吸着）システムによって生成される酸素である。また第１酸化剤は、低温特性(cryogenic quality)の酸素すなわち純度が多くの場合９８％を上回る酸素によって、随意に単一でまたは空気との混合物として形成されていても良い。
【００２０】
第２の燃料についてはすでに前述した。第２の酸化剤は好ましくは空気、特にセメントキルン内に備え付けられるバーナーに普通用いられる空気である（第１の空気および／または第２の空気とも呼ばれる）。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明は、以下の限定するつもりのない実施例と図面とによって、より明瞭に理解される。
【００２２】
図１において、ゾーン１から来る未処理材料を予備か焼ゾーン３（または、ある態様においては、レポルタイプ(Lepol-type)交換器）へ送る。そこでは未処理材料の温度が、図の左から右へ流れる向流の高温ガスによって次第に上がる。
【００２３】
図２に、図１に示す火炎（１２）の詳細図を示す。この図において、他の図での部材と同じものには同じ参照番号を付す。火炎はロータリーキルン（４）の長い距離に渡っており、燃焼の始まりはバーナー（８）の端からある距離のところで効果的に開始する。バーナーの端と火炎の始まりとの間に見える不燃焼ゾーンを、ゾーン（１３）によって示す。第１の空気および主燃料をバーナー内に噴射し、一方で第２の空気を側面に沿って噴射する（これは従来技術による）。第１の空気は約１００℃の温度で噴射し、第２の空気の温度は多くの場合５００ないし９００℃である。一方、火炎の温度は、その最も高温の部分で少なくとも約１９００℃である。このようなロータリーキルン内での火炎の長さは、典型的にロータリーキルン（４）の直径の４ないし７倍である。
【００２４】
図３（ａ）および３（ｂ）に、前の図と同じ参照番号を用いて従来技術の火炎を示す。この場合、ゾーン（１３）によって示される点火距離（Ｄ）は、良好な燃焼を保証する上で適切であり、この距離（Ｄ）は一般に１ｍ未満である（図３（ａ））。一方、図３（ｂ）に示すのは典型的な適切でない火炎であり、すなわちゾーン（１３）が、約２ないし３ｍまたはそれ以上の容認できない距離Ｄに渡っている。この点火距離が長すぎるというだけでなく、点火位置すなわち未点火ゾーンの端が大きく変動する可能性があるために、火炎が孤立する危険がある。典型的に、低品質燃料を従来技術の既存の火炎中へ前述したように噴射することは、図３（ｂ）に示したような不適切な火炎につながり、これは燃焼の点からも、またプラントの安全性の点からも受け入れられないものである。
【００２５】
次の図（４、５、および６）に、本発明の種々の態様を示す。図４に示すのは本発明による第１の解決法であり、高温の酸素−燃料(oxy-fuel)の火炎が、低品質の第２の燃料の噴出の周囲に位置して、すなわちこの噴出を取り囲んでいる。第２の燃料が噴射され（２４において）、一方で、酸素／第１の燃料の混合物が同心のオリフィス（２３）を通して第２の燃料の周囲に噴射されて、前述したように、オリフィス（２４）を通して噴射された低品質燃料を予熱するのに十分な高温な火炎を形成している。図に示したように、火炎の上流側のゾーンの中心において、火炎がゾーン（２５）とともに成長する。ゾーン（２５）では、第２の燃料が、通常高温である酸素−燃料の火炎との接触によって予熱される。高温の酸素−燃料の火炎は、低品質燃料の周囲のゾーン（２６）で成長する。一方、下流側の第２の燃焼ゾーンが、図に示す垂直線（４０）を越えたところで、大きく成長する。この成長は一般に、酸化剤（すなわち高温の火炎（２６）で使用される酸素）の９０％をほぼ上回る量が、第２の燃料を予熱する高温の火炎を形成するために第１の（一般に高品質の）燃料とすでに反応したときに起こる。線（４０）の下流側には、本質的に第２の（低品質の）燃料とこれを取り囲む空気との間の燃焼から生じる火炎の第２の燃焼ゾーンが存在する。取り囲む空気とは、すなわち環状の空洞（２２）を通して噴射される第１の空気および／または環状の空洞（２１）を通して噴射されるいわゆる第２の空気である。なお空気は、従来技術の文脈にあるように、一般に５００ないし１０００℃の温度に予熱されている。この予熱はロータリーキルン内で形成されたクリンカーとの接触によって行われ、周囲温度の外部からポンプによって取り入れた空気を用いてクリンカーを冷却している。結局、全体の火炎（２９）は、第２の燃料を予熱する短い酸素−燃料の火炎によって本質的に形成される、ライン（４０）の上流側にある後方部分と、本発明に係る低品質燃料と空気との間の主燃焼が起こる下流部分（２７）とを有する。主燃焼は、本発明に従って火炎の上流部分で低品質燃料を予熱することで、適切な条件下で行うことができる。
【００２６】
図５に示すのは、本発明の他の態様である。ここでは、低品質燃料（２５）を加熱する火炎を噴射システムの中心に噴射し、加熱すべき低品質燃料は、オリフィス（２３）を通して噴射されたこの酸素−燃料火炎を囲んでいる。他の部材は図４で説明したものと同様のままであり、動作原理も同じである。すなわち、上流側のゾーンにおいて低品質燃料を予熱し、低品質燃料は通常好ましくは１０００℃以上の温度で下流部分に到達するため、環状の空洞（２２）および／または（２１）から出てくる第１および／または第２の空気とともに、非常に適切に燃える。
【００２７】
本発明の１つの特徴として、好ましくは酸素／第１の燃料の火炎によって予熱しなければならない低品質の第２の燃料を、前記火炎の中へまたはその外側へ、好ましくは５０ｍ／秒以下、より好ましくは２０ｍ／秒以下の速度で噴射する。一般に、予熱すべきこの第２の燃料の噴射速度が約１０ｍ／秒であることが、燃料がＮＣＶの低い燃料または水性燃料(aqueous fuels)たとえば精製ステーションからのスラッジなどであるときに、特に適していたことが分かっている。
【００２８】
本発明の文脈においては、第２の燃料に加えて固体廃棄物を噴射することも可能であることを、実際上排除するものではない。この固体廃棄物たとえばカーペット廃棄物(carpet waste)またはプラスチック廃棄物は、通常比較的粗い断片からなる。固体廃棄物を、前述と対照的に高い速度例えば約２００ｍ／秒で噴射して、クリンカーをクリンカリングするためのゾーンのできるだけ上流に投入し、熱分解させてクリンカーの形成に関係させることができる。
【００２９】
図６に示すのは、キルン内の既存のバーナー（３２）の修正に相当する本発明の態様である。全体のシステム（３２）は、低部に既存のバーナー（３２）を備え、上部には本発明のプロセスに係るアセンブリが付加されている。低部において、随意に廃棄物（特に固体廃棄物）を含む燃料が、第１の空気による作用によってオリフィス（３４）を通して噴射される一方で、第２の空気が環状パイプ（３３）内へ噴射され、こうして従来技術の燃焼システムを作っている。この燃焼システムの上方、より好ましくは同じ垂直軸上に、本発明に係る燃焼システムが配置されている。そこでは、予熱すべき第２の燃料（３５）が、環状のカバー（３６）を通して噴射される火炎の中心に、配置されている。この火炎は、前述したように、好ましくは酸素と第１の燃料とからなっていて、この第２の燃料を予熱する。この第２の燃料は、前述したように、好ましくは粉末または液体燃料からなり、火炎の第２の燃焼ゾーンにおいて、第２の空気、特に火炎と反応しなかった空気（３３と３４）との反応が可能になる前に、予熱されなければならない。この火炎の成分（３５と３６）は、重力によって、空気／燃料の成分と遭遇する。もちろん、本発明の一態様においては、やはり高温の火炎（３６）を中心に配置し、第２の燃料（３５）をこの高温の火炎（３６）の周囲に噴射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のクリンカー製造プラントを示す部分的な概略側面図。
【図２】従来技術のクリンカー製造用のロータリーキルンで用いる火炎を示す詳細図。
【図３】点火距離が適切であると考えられる火炎、および適切でない火炎すなわち容認できない火炎を示す概略図。
【図４】第２の燃料を酸素燃料の火炎中に噴射する本発明に係る燃焼プロセスの第１の態様を示す図。
【図５】第１の酸素／燃料の火炎を第２の燃料の噴射の中心に沿って送る本発明の第２の態様を示す図。
【図６】第１の酸素／燃料の火炎が第２の燃料を囲んでそれを予熱し、全体がキルン内に存在する空気／燃料の火炎の上方に配置される本発明の第３の態様を示す図。
【符号の説明】
１…ゾーン
３…予備か焼ゾーン
４…ロータリーキルン
８…バーナー
１２…火炎
１３…不燃焼ゾーン
２１…環状の空洞
２２…環状の空洞
２３…オリフィス
２４…オリフィス
２５…第２の燃料の予熱ゾーン
２６…第１の燃料の燃焼ゾーン
２７…火炎の下流部分
２９…火炎全体
３２…キルン
３３…環状パイプ
３４…オリフィス
３６…環状カバー
４０…垂直線
Ｄ…点火距離

Claims (16)

1. 鉱石系材料を焼成する方法であって、
   前記材料を、少なくとも１つの燃料および少なくとも１つの酸化剤によって作られる火炎によって本質的に形成される熱源と接触させて加熱し、
   火炎は、第１の燃料および第１の酸化剤の噴射点の近くに配置され第１の燃料および第１の酸化剤の燃焼によって形成される第１の燃焼ゾーンと、第１の燃焼ゾーンの下流に配置され第２の燃料および第２の酸化剤の燃焼によって形成される第２の燃焼ゾーンとを備え、
   第２の燃料を火炎の第１の燃焼ゾーンを通して流すことで予熱する方法であって、
   第２の燃料は、正味の発熱量（ＮＣＶ）が１５×１０ ⁶ Ｊ／ｋｇ以下（０Ｊ／ｋｇを含まない）である燃料であることを特徴とする方法。
2. 第２の燃料は、水分含有量が２０重量％以上で、かつ９５重量％以下である燃料であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 第２の燃料は、灰分を２０重量％を上回る割合（１００重量％を含まない）で含む燃料であることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 酸化剤または燃料の噴射点と第２の火炎の始まりとの間の点火距離が、２ｍ未満であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の方法。
5. 第２の燃料は、複数の第２の燃料を含み、第１の燃料と同じ燃料を０ないし５０体積％含むことを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の方法。
6. 第１の燃料は、第２の燃料として用いる燃料を０ないし１００体積％含むことを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の方法。
7. 第１の火炎のエネルギーは、火炎がもたらす総エネルギーの１５％を上回る値に相当することを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項記載の方法。
8. 第１の火炎のエネルギーは、火炎がもたらす総エネルギーの１ないし１０％に相当することを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項記載の方法。
9. 第１の燃料は天然ガスから選択されることを特徴とする請求項１ないし８いずれか１項記載の方法。
10. 第１の酸化剤は、２１体積％を上回る酸素を含む酸素富化された空気からなることを特徴とする請求項１ないし９いずれか１項記載の方法。
11. 第１の酸化剤は、５０体積％を上回る酸素を含むことを特徴とする請求項１０項記載の方法。
12. 第１の酸化剤は、９８体積％を上回る酸素を含むことを特徴とする請求項１1項記載の方法。
13. 第２の酸化剤は、空気からなることを特徴とする請求項１ないし１２いずれか１項記載の方法。
14. 第１の酸化剤の酸素濃度は第２の酸化剤の酸素濃度よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし１３いずれか１項記載の方法。
15. 第２の燃料を、５０ｍ／秒以下の速度で噴射することを特徴とする請求項１ないし１４いずれか１項記載の方法。
16. 第２の燃料を、２０ｍ／秒以下の速度で噴射することを特徴とする請求項１５記載の方法。

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