JP5174245B2 - 代替燃料のためのロータリーキルン - Google Patents

Description

本発明は、原料、例えばセメント原料粉末（ｃｅｍｅｎｔ ｒａｗ ｍｅａｌ）、石灰石またはその他の鉱物を含む原料を燃焼させる方法に関し、本方法は、原料と二次燃料とを１つの同じロータリーキルンに別々に導入し、そこで二次燃料が灰やコークスのような燃焼残渣の形態でガスと固形物に変換されるように、原料と二次燃料との両方を、ロータリーキルン中で一次燃料を燃焼させて形成されたガスで加熱するものである。本発明はまた、本方法を行うためのプラントにも関する。

二次燃料として利用することができる様々な燃料の例としては、車のタイヤ、鉄道枕木、家具、カーペット、廃材、庭から出る廃棄物、台所から出る廃棄物、ペーパースラッジ、バイオマス、石油コークス、廃水汚泥、肉骨粉、フーラー土、その他の産業由来の副産物、および、粒子の粗い石炭が挙げられる。

上述の方法は、欧州特許第０１０５３２２号Ｂ１において公知である。この特許は、セメント原料粉末を予熱器中で加熱し、これをロータリーキルンに導入し、燃焼させてクリンカーにし、その後クリンカークーラー中で冷却する、セメントクリンカーの製造方法の説明を記載している。加熱したセメント原料粉末と二次燃料とは同じ領域でロータリーキルンに導入され、ロータリーキルン中で一次燃料を燃焼させて形成された熱いガスと接触させることによって加熱される。二次燃料とセメント原料粉末とがロータリーキルンの同じ領域に導入されるため、セメント原料粉末は、二次燃料の燃焼に伴い形成された還元ゾーンとかなり接触した状態になると予想される。還元ゾーンは、一方においては酸化剤（例えばＯ_２）と他方においては燃料および燃焼からの中間生成物（例えば、遊離の炭素ＣＯおよびＨ_２）との化学量論的な比率において、燃料量が酸化剤量を超えるようになった場合に形成される。このような還元ゾーンは、常に燃料粒子の周辺や可燃性ガスおよび液体の周辺で局所的に発生しているものと予想される。上記欧州特許で説明された発明によれば、セメント原料粉末と還元ゾーンとがかなり接触した状態が起こり、それにより多くの不利益が伴うものと予想される。まず第一に、ロータリーキルンにおいて典型的なガスと主成分の固形物成分とが向流の状態にあるキルンシステムの領域において、結果として、キルンプラントのあるゾーン中でセメント原料粉末から構成要素が気相に放出され、続いてキルンプラントの他のゾーンにおいてそれらがセメント原料粉末に再吸収され、最終的に元に戻るといった物質循環が起こると予想される。例えば硫黄は、このような循環の一部である可能性がある。硫黄は主として、セメント原料粉末中でＣａＳＯ_４またはＣａＳＯ_３の形態をとる。ＣａＳＯ_４は、以下の反応（およびその他の類似の反応）によって還元される。

ガスが冷却されて、例えばサイクロンの最も低い場でＣａＯ／ＣａＣＯ_３とそれらが接触するようになると、硫黄はＣａＳ（場合によってはＣａＳＯ_３）の形態で再吸収される。それにより、予熱器と還元燃焼ゾーン間のシステム中に硫黄が蓄積すると予想される。硫黄に加えて、例えばハロゲン（Ｃｌ、Ｂｒ、Ｆ）、アルカリ化合物（Ｎａ、Ｋ）、ならびにＭｇ、ＰｂおよびＣｄを含む物質循環が起こると予想される。このような物質循環がそれぞれ独立して、および、組み合わされて、システム中で、主としてライザーダクトにおいて被膜積層の増加を引き起こす可能性がある。またこれらのサイクルに応じて固形物の流動特性も変化する可能性があり、例えばサイクロンを妨害する可能性がある。このような被膜や流れ特性の上述した変化はプラント中での物質の積層や妨害に関する問題を引き起こす可能性があるため、それらを回避することが望ましい。

セメント原料粉末中の還元ゾーンに関連する第二の問題は、例えばＦｅおよびＣｒのような金属が還元される可能性があることである。例えばＦｅは、以下に示す反応に従って還元される可能性がある。

金属の還元は、最終産物の品質に悪影響を与える可能性があることから、このような還元は回避すべきである。
上述の不利益に加えて、原料粉末が二次燃料と混合されたに燃料の表面上に堆積するという危険もあり、それによってガスと二次燃料間の物質輸送が完全にまたは部分的に制限され、燃料の変換率の低下を引き起こすと予想される。

本発明の目的は、上述の不利益をなくす、または、有意に少なくするための方法、加えてプラントを提供することである。

この目的は、本発明に従って導入部で述べたような方法によって達成され、本方法は、ガスおよび固形物への変換プロセスにおいて、二次燃料が導入された原料から分離された状態を維持することを特徴とする。それにより、二次燃料（すなわち局所的な還元ゾーンおよび還元条件を有する主要な領域）と原料との接触が最小限になる。従って、上述した原料の還元に伴う不利益がほとんど最小に低減されると予想される。

図１は、本発明に係る本方法を行うためのプラントを示す。 図２および３は、本発明に係る２つの実施態様を示す。 図２および３は、本発明に係る２つの実施態様を示す。

二次燃料を変換する化学反応の例としては、熱分解、燃焼およびガス化が挙げられる。これらの反応によって形成されたガスは、エネルギー、場合によっては可燃性ガスを含むと予想され、従ってこれらは、例えばか焼炉のような他のプロセスでエネルギー源／反応ガスとして利用できる可能性がある。燃料変換プロセス中に放出されたガスの組成は、次のプロセスへのエネルギー移動の方法とその効率にとって重要であると予想される。また上記ガスがロータリーキルンから送り出され、場合によっては浄化される場合も、他の化学的方法の還元剤として利用される可能性がある。これは、上記ガスが、金属の還元が必要とされることが多い鉱物産業で利用される場合に特に重要である。

その他の好ましい実施態様において、原料はセメント原料粉末と予想され、この場合、セメント原料粉末はロータリーキルンに導入される前に予熱され、続いてそれをセメントクリンカーに燃焼させ、続いてクリンカークーラー中で冷却させる。セメント原料粉末は、少なくとも７００℃に予熱されることが好ましく、さらに、導入する前に完全にまたは部分的にか焼されていることが好ましい。セメント原料粉末および二次燃料は、複数の注入口を通じて別々にロータリーキルンに導入される。二次燃料は、ロータリーキルンからクリンカークーラー方向に向かって、セメント原料粉末がロータリーキルンに導入されるポイントの手前のポイントに位置するロータリーキルンの領域に導入されて、変換される。従って、ガスおよび固形物への変換が行われる際に、二次燃料は、導入されたセメント原料から分離された状態を維持すると予想される。２つの導入ポイント間の距離は、原則的に考えられるあらゆる値と予想され、この距離は、局所的な還元ゾーンおよび還元条件を有する主要な領域と原料との接触が確実に最小限になるのに十分な距離であればよい。しかしながら、ロータリーキルンの中心線に沿った２つの導入ポイント間の距離が、少なくともロータリーキルンの内径に等しいことが好ましい。導入ポイントは、導入される材料が注入口から離れる位置の中心を意味するものとする。ロータリーキルンの中心線に沿った２つの導入ポイント間の距離は、それらがロータリーキルンの中心線に対して垂直に噴射される場合、２つの導入ポイント間の距離を意味するものとする。最適な距離は多くの要因に依存すると予想されるが、好ましくは、距離は、ロータリーキルンの内径の１〜４倍の範囲に維持されると予想される。

また上述したような方法は、一次燃料を燃焼させる際に形成されるガス中のＮＯ_ｘ含量を減少させることに寄与する可能性もある。ＮＯ_ｘの還元は、ロータリーキルンを通過するガス中のＮＯ_ｘが二次燃料周辺の還元ゾーンと接触し、加えて燃料変換プロセス中に放出された熱分解ガスおよびその他の還元ガスとも接触するようになると、それにより様々なＮＯ_ｘ還元反応が発生し、ガス中のＮＯ_ｘを還元させることによって達成される。好ましくは、プラント中の燃焼用空気の一部を、例えばクーラーからか焼炉に熱風を送るためのダクトを介してロータリーキルンを迂回させる。従って、ロータリーキルン中での二次燃料の変換は、全ての空気流をロータリーキルンを通過させようとする場合よりも低い速度で、加えて多くの場合はより低い温度で進行すると予想される。

上述のダクトで空気流の一部をロータリーキルンを迂回させた場合において、より高い温度と高い二次燃料の変換率を示すことが望ましい場合に、この空気の一部を原料粉末と共に導入することが有利である可能性がある。クーラーからの予熱された空気の代わりに、完全にまたは部分的にＯ_２が高濃度化された空気を用いてもよいし、またはその他の予熱されたプロセスガスを用いてもよい。

二次燃料から生じた灰は、その後の原料の加工で利用してもよいし、または、加工された材料と共にスラグ／灰として抽出してもよい。
二次燃料の導入ポイント周辺の領域において、燃料の固相がしっかりと混合されるように二次燃料に機械的に影響を与えるための手段がロータリーキルン内部に提供されていてもよい。このような手段は、金属、石または耐熱材料から製造されたリフターであってもよい。キルンの回転中に、リフターが燃料をロータリーキルン内部のより高いレベルに持ち上げると、燃料が再度ガスを通って下降すると予想される。このようにして混合速度が高められ、それにより表面における燃料粒子とガスとの接触が増加すると予想される。このようにして燃料の変換率が高められると予想されることから、固形物のガス流への取り込みを促進するのに利用することができる。また、ガス中の反応物の分布も確実に改善されると予想される。二次燃料が存在する領域に提供される例えば粉砕媒体のような手段は、変換プロセス中に燃料を粉砕するのに利用することができる。これは特に燃料のコークス成分によるものと予想されており、このような成分は、極めてもろいために粉砕媒体で容易に粉砕することができ、続いてガス流への取り込まれ、か焼炉で変換される。

また、二次燃料を燃焼させるための領域を制御するために、例えば端部を上向に曲げた構造または格子構造のような手段がキルン内部に提供されていてもよく、それにより加熱の結果として燃料が望ましい構造的特徴を示すようになるまで、燃料がこのような手段を通り過ぎてロータリーキルンを伝って下方に移動しないようにすることができる。それにより、実質的に燃料から生じた灰だけを上記手段を確実に通過させて、続いてこの灰を原料と混合できるものと予想される。

さらなる実施態様において、ロータリーキルンは、二次燃料を、完全にまたは部分的にガスと固形物に変換しつつ、導入された原料から分離された状態を維持するための手段を含む。原則的にこれらの手段は、変換プロセス中に二次燃料を原料から分離された状態を維持する能力がありさえすれば、あらゆる適切な手段からなっていてもよい。しかしながら、このような手段は、少なくとも二次材料の変換が起こるダクトを含むことが好ましい。この、または、これらのダクトは、ロータリーキルン内部に提供されてもよいし、ロータリーキルンの注入口の末端からロータリーキルン中を通って下流に延長されていてもよい。このようなダクトは、少なくともロータリーキルンの内径に等しい長さに延長していることが好ましい。このようなダクトは、ロータリーキルン内部の中心に実際に可能な限り最大の強さで固定されると予想され、例えばダクトの外側とロータリーキルンの内部とをそれぞれを繋ぐためのいくつかの耐熱性の固定手段を用いて固定される。このようなパイプの中心線は、好ましくは、実質的にロータリーキルンの中心線と平行である。ロータリーキルンの注入口の末端に最も近い位置に存在するダクトの末端に二次燃料が導入され、それによりロータリーキルン中で一次燃料を燃焼させて形成されたガスによってダクト中の二次材料が加熱されて、変換され、ここで前記ガスは、ダクトの他方の末端を通ってシステムに流入する。このロータリーキルン下流の最も遠くに位置するパイプの他方の末端は、ダクトから完全にまたは部分的に変換された二次燃料の固形物成分を有利に送り出して、ダクトに連結されたバイパスでロータリーキルンに直接導入された原料とそれとを混合することができる手段を含んでもよい。この方法において、固形物の燃焼が完了し原料との混合が可能になるようなポイントまで、二次燃料はガスおよび固形物への変換プロセス中に導入された原料から分離された状態を維持すると予想される。またダクトはキルンの外側に取り付けられてもよく、この場合、ダクトの一方の末端は注入口の１つに連結され、他方の末端はロータリーキルンに連結される。両方の実施態様に関して、逆の状況として、原料がダクトに導入され、二次燃料がダクトに連結されたバイパスでロータリーキルンに直接的に導入されることも考えられる。

さらなる実施態様において、加熱される二次燃料の固形物成分を、それらが灰になる前にロータリーキルンから方向転換させ、粉砕装置の方向に送り、そこでその固形物成分をより小さい粒度にする。粉砕前に燃料を加熱することによって、その後の粉砕プロセスで必要となる供給量をはるかに少なくすることができると予想され、これは主として、加熱プロセス中に起こる変換によって加熱される燃料の脆性が有意に高められることから、未処理の燃料よりも粉砕がより簡単になると予想されること、および、加熱期間中に揮発性成分が放出されるために、加熱される燃料の絶対質量が比較的少ないと予想されることに起因するものである。続いて加熱され粉砕された燃料は、例えば、ロータリーキルン中で、か焼炉中で、または、その他のプロセスで一次燃料として利用してもよい。従って、キルンシステムにおける重要な要素または燃料全体の必要条件を、比較的低コストの二次燃料の使用で代用することが可能であると予想される。

特定の実施態様において、ロータリーキルンは２つの別々のセクションを含み、ここでこれら２つのセクションは、異なる回転速度で稼働させるような手段を介して互いに連結される。その結果として、二次燃料を含むセクションは、この燃焼プロセスに特定して適応させた回転数で回転させることを可能にし、従ってプロセスを個別に最適化することを可能にすると予想される。

ここで、本発明を以下に示す図面（略図）を参照しながらさらに詳細に説明する：
図１は、本発明に係る本方法を行うためのプラントを示す。
図２および３は、本発明に係る２つの実施態様を示す。

図１はセメントクリンカーを製造するためのプラント１を示し、ここにおいてセメント原料粉末は予熱器２で予熱され、ロータリーキルン３中で燃焼させてクリンカーが形成され、続いてクリンカークーラー４中で冷却される。予熱したセメント原料粉末および二次燃料は、１つの同じロータリーキルン中で別々の注入口５、６を通って導入される。セメント原料粉末と二次燃料はいずれも、ロータリーキルン３中で一次燃料を燃焼させて形成されたガスによって加熱されると予想され、それにより二次燃料が燃焼残渣の形態でガスと固形物に変換される。プロセスガスは、ロータリーキルン３を通る既知の方式で吸い出され、さらにファン７によって予熱器２を通って移動させる。二次燃料の加熱中に形成されたガスは、ガスに混入した固形物も含めて追加の加工段階で利用される可能性があり、例えばか焼炉８で利用される。クリンカークーラー４からの熱風は、ダクト１６を介してか焼炉８に送られる。二次燃料は注入口６を通って導入され、ロータリーキルンからクリンカークーラー４方向に向かって、注入口５のセメント原料粉末がロータリーキルン３に導入されるポイントの手前のポイントに位置するロータリーキルン３の領域で変換される。その結果として、ガスおよび固形物への変換プロセス中に、二次燃料の大部分が導入されたセメント原料粉末と分離された状態を維持すると予想され、それにより、局所的な還元ゾーンおよび還元条件を有する主要な領域とセメント原料粉末との接触が最小限になると予想される。変換プロセスに続いて、二次燃料から生じた灰は、セメントクリンカーの形成で利用してもよいし、または、セメントクリンカーと共に抽出してもよい。

図２はロータリーキルン３を含むプラントを示し、ここにおいてダクト９は、ロータリーキルン３中で中心にマウントされる。ダクト９の中心線は、ロータリーキルン３の中心線に平行である。ロータリーキルン３の注入口の末端に最も近いダクト９の末端で、二次材料が注入口１０を通って導入されると、ダクト９中の二次材料がロータリーキルン３中で加熱されて、一次燃料を燃焼させるバーナー１１によって形成されたガスによって変換され、ここで前記ガスは、ダクト９の第二の末端を通って流れる。ロータリーキルン下流の最も遠くに位置するこのダクト９の他方の末端は手段１２を含んでおり、ここでこの手段１２は、変換された二次材料の固形物成分が、ダクト９を離れる前に確実に望ましい変換度を達成した状態にし、続いてそれらと注入口１３を通ってロータリーキルン３に直接導入された原料とをダクト９に連結されたバイパス中で混合するためのものである。この方法で、二次燃料は、ガスおよび固形物への変換プロセス中に、導入される原料と分離された状態を、原料との混合が可能になる程度に固形物が変換されるまで維持すると予想される。また逆の状況として、原料が注入口１０を通ってダクト９に導入され、二次燃料がダクト９に連結されたバイパスで注入口１３を通ってロータリーキルン３に直接導入されるということも考えられる。

図３はロータリーキルン３を含むプラントを示し、ここでこのプラントにおいて、ロータリーキルン３の外側に２つのダクト１４が提供され、それぞれロータリーキルン３に連結されている。ダクト１４の一方の末端において、二次材料は２つの注入口１５を通って導入され、それによりパイプ１４中の二次材料がロータリーキルンに連結されたダクト１４の他方の末端からのガスの流入によって加熱され、変換される。前記原料は、注入口１３を通ってロータリーキルン７に直接的に導入される。

１ プラント
２ 予熱器
３ ロータリーキルン
４ クリンカークーラー
５ 注入口
６ 注入口
７ ファン
８ か焼炉
９ ダクト
１０ 注入口
１１ バーナー
１２ 手段
１３ 注入口
１４ ダクト
１５ 注入口
１６ ダクト

Claims (9)

1. セメント原料粉末、石灰石またはその他の鉱物を含む原料のような原料を燃焼させる方法であって、該方法は、原料と二次燃料とを１つの同じロータリーキルン（３）に別々に導入し、そこで原料と二次燃料とをロータリーキルン（３）中で一次燃料を燃焼させて形成されたガスで加熱し、それにより二次燃料が燃焼残渣の形態でガスと固形物に変換されるものであり、該方法は、ガスおよび固形物への変換プロセスの間、二次燃料が、導入された原料と分離された状態を維持し、
   前記二次燃料が、ロータリーキルン（３）からクリンカークーラー（４）に向かう方向を基準として、セメント原料粉末がロータリーキルン（３）に導入されるポイントの手前のポイントに位置するロータリーキルン（３）の領域で導入され、変換されることを特徴とする、上記方法。
2. 前記原料がセメント原料粉末であることを特徴とし、ここで該セメント原料粉末は、ロータリーキルン（３）に導入される前に少なくとも７００℃に予熱され、ここで該セメント原料粉末を燃焼させてセメントクリンカーにし、その後クリンカークーラー（４）中で冷却される、請求項１に記載の方法。
3. ロータリーキルン（３）の中心線に沿った２つの導入ポイント間の距離が、少なくともロータリーキルン（３）の内径に等しいことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 完全にまたは部分的に変換された二次燃料の固形物成分が、前記セメント原料粉末と混合されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記二次燃料の固形物成分が燃焼して灰になる前に、それらがロータリーキルンを迂回して粉砕装置の方向に送られることを特徴とし、ここで該粉砕装置によって固形物成分がより小さい粒度になる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 原料を燃焼させるためのプラントであって、該プラントは、ロータリーキルン（３）を含むキルンシステムを含み、ここでロータリーキルン（３）中に原料と二次燃料とが導入され、一次燃料を燃焼させて形成されたガスによって加熱され、さらに該プラントは、ロータリーキルン（３）に二次燃料と原料とをそれぞれ別々に導入するための少なくとも２つの注入口（１０，１３，１５）を含むものであり、ここでロータリーキルン（３）が、二次燃料の変換プロセス中に、前記二次燃料が原料から分離された状態を維持するための手段（９，１４）を含み、
   前記二次燃料と原料とを分離する手段が、ロータリーキルンの外側に提供された少なくとも１つのダクト（１４）を含み、ここで前記ダクト（１４）の一方の末端は注入口（１５）の１つに連結され、他方の末端はロータリーキルン（３）に連結されることを特徴とする、上記プラント。
7. 前記原料がセメント原料粉末であること、および、前記キルンシステムが、セメント原料粉末をロータリーキルン（３）に導入する前に予熱するための予熱器（２）を含むこと、および、前記プラントが、燃焼させたセメント原料粉末を冷却するためのクリンカークーラー（４）を含むことを特徴とする、請求項６に記載のプラント。
8. 前記ロータリーキルン（３）が、２つのセクションを異なる回転速度で稼働させる手段を介して互いに連結された２つの別々のセクションを含むことを特徴とする、請求項６または７に記載のプラント。
9. 原料を燃焼させるためのプラントであって、該プラントは、ロータリーキルン（３）を含むキルンシステムを含み、ここでロータリーキルン（３）中に原料と二次燃料とが導入され、一次燃料を燃焼させて形成されたガスによって加熱され、さらに該プラントは、ロータリーキルン（３）に二次燃料と原料とをそれぞれ別々に導入するための少なくとも２つの注入口（１０，１３，１５）を含むものであり、ここでロータリーキルン（３）が、二次燃料の変換プロセス中に、前記二次燃料が原料から分離された状態を維持するための手段（９，１４）を含み、
   前記二次燃料と原料とを分離する手段が、少なくともロータリーキルン（３）中に提供されたダクト（９）を含み、ここで該ダクト（９）は、注入口（１０）の１つに連結され、ロータリーキルン（３）の下流方向に延長されることを特徴とする、上記プラント。

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