JP5183865B2 - 固気分離方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却すると固化する物質の蒸気を含み且つ粉塵が懸濁している懸濁ガスから該物質及び粉塵を別々に分離する固気分離方法及び装置、特に、セメントクリンカ製造用のキルン内で生じるガス（以下、キルンガスともいう）の処理に好適な固気分離方法及び装置に関する。

冷却すると固化する物質の蒸気を含み、且つダスト等の粉塵が懸濁した懸濁ガスから、前記物質を前記粉塵の混入を少なくして回収する方法は、次の二つの方法に大別される。

第１の方法は、気体分離法と以下に称する方法であり、高温下で前記物質を蒸気の状態のままにしておき、これから前記粉塵を分離し、粉塵が低減された懸濁ガスを冷却して前記物質を固化して回収する方法である。気体分離法は、高温を維持できれば、例えば、サイクロンのような通常の固気分離の単位操作を利用でき、設計も容易である。

斯かる気体分離法をキルンガスの処理に適用した技術として、例えば特許文献１〜３に記載の技術が知られている。しかし、これらの技術は、ダストの分離が不十分であったり、キルンガスに含まれる塩化カリウムや塩化ナトリウムを主成分とする揮発成分の物性や運転条件によっては、キルン内では気化しているが、キルンより低温の部分ではキルンガスと接触する部分にコーチングと称される付着物が付着して成長し、運転の障害となって安定した連続運転ができなくなる課題を有している。

第２の方法は、固体分離法と以下に称する方法であり、前記懸濁ガスを冷却して前記物質を固化させ、固化した該物質と前記粉塵との混合物からこれらを粒子サイズや比重の差、溶解度等の物性の違いを利用して分離するものが一般的であり、種々の効果的な単位操作が提案されている。

斯かる固体分離法をキルンガスの処理に適用した技術としては、例えば特許文献４に記載の技術が知られている。しかし、この技術は、キルンガスの冷却によって前記揮発成分のかなりの量がダストに強固に凝結・凝集するため、分級機による分離のみでは分離が困難であり、特許文献５に記載の技術のように、その後に水洗処理を必要とするなど、分離処理が複雑となる課題を有している。

特開昭４９−６９７５８号公報 特開昭５４−５４１３１号公報 特開平９−３０１７５２号公報 特開昭６３−２１００４９号公報 特開２００３−２８６０５０号公報

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、冷却すると固化する物質の蒸気を含み且つ粉塵が懸濁している懸濁ガスからそれに含まれる該物質及び該粉塵を別々に、該物質の装置への固着を抑えて好適に分離することができる固気分離方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、セメントキルンのキルンガスを取り扱うに当たり、キルンガスの熱を原料の予熱に利用している、サスペンションプレヒーター付きキルンのプレヒーター等に成長するコーチングを詳細に観察することで、コーチングの成長が以下のプロセスによることを見出した。

（１）キルンガスに含まれる前記揮発成分の沸点が高い場合、高温のキルンガスは装置内壁面や外部の空気の進入によって冷却され、該揮発成分が液化する。
（２）液化した前記揮発成分がキルンガス中を懸濁するセメント原料ダスト（以下、単にダストともいう。）を伴って装置内壁面に付着物として付着する。
（３）装置内壁面に付着した前記付着物がその成長に伴う断熱効果で冷えて固化する。
（４）固化により前記付着物が強度を持ち、これに上記（１）〜（３）が繰り返えされて付着物が層状に付着して成長し、厚いコーチングとなる。

上記プロセスによれば、コーチングの装置内壁面での成長は、上記（２）の過程で、装置内壁面に揮発成分が付着することから始まるので、揮発成分を装置内壁面に近づけなければ、コーチングを防ぐことができると考えられる。

本発明者らは、キルンガスの流路の内壁面に沿うように別のガスの層でカーテンを作って該内壁面を保護し、揮発成分を該内壁面に接触させない方法を考えた。この別のガスでカーテンを作る場合、キルンガスの流れに旋回流が形成されるようにその流路の外周に対して接線方向からガスを導入することで、カーテン効果をもたらす旋回流が当該ガスの導入位置の下流においても十分に維持されることを見出した。そして、さらに検討を行った結果、次の二つの知見を得、本発明を完成するに至った。

（１）キルンガスの流路に対し、その外周の接線方向から別のガスを導入して旋回流を形成することで、キルンガスも旋回するようになり、キルンガス中に懸濁されたダストの粗粒がサイクロンのような効果で遠心分離され、流路の壁面へと移動した。キルンガス中の揮発成分の固化物とダストを厳密に分離しなくてもよい場合には、十分にダストの分離・回収が可能である。

（２）別のガスの旋回流によって、キルンガスの流れが狭められるので、オリフィスのような作用によって、キルンガスの流路における別のガスの導入部分より上流側にも該流路壁面に沿った該別のガスの旋回流の逆流が生じた。コーチングが生じ易い部分であるキルンガスの処理部への導入部分の内面にもカーテン効果が及び、当該部分に新たにカーテン効果をもたらす気体を導入しなくても、当該部分のコーチングを防ぐことが可能であり、当該部分も分離処理に利用できる。

本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、冷却すると固化する物質の蒸気を含み且つ粉塵が懸濁している懸濁ガスから該物質及び該粉塵を別々に分離する固気分離方法であって、前記懸濁ガスを分離冷却流路内に導入する一方、前記分離冷却流路の中心軸を略中心軸として旋回する冷却ガスを該分離冷却流路に接続された導入路を通して該分離冷却流路内に導入し、前記冷却ガスで前記分離冷却流路の内壁面と前記懸濁ガスとの接触を防ぎつつ前記物質を冷却して固化させながら、同時に前記冷却ガスの導入に伴って生じる前記懸濁ガスの旋回流によって前記粉塵を遠心分離した後に回収し、しかる後、固化させた前記物質を分離し、前記分離冷却流路は、軸流サイクロンである固気分離方法を提供するものである。

また、本発明は、冷却すると固化する物質の蒸気を含み且つ粉塵が懸濁している懸濁ガスから該物質及び該粉塵を別々に分離する固気分離装置であって、前記懸濁ガスが導入され、前記懸濁ガスの冷却と前記粉塵の分離を同時に行う分離冷却流路と、前記分離冷却流路に接続され該分離冷却流路内にその中心軸を略中心軸とする前記冷却ガスの旋回流を導入する導入路と、前記分離冷却流路の壁部に配設され前記冷却ガスの導入に伴って生じる前記懸濁ガスの旋回流によって遠心分離された前記粉塵を回収する回収手段と、該回収手段より前記分離冷却流路の下流側に配設され固化した前記物質を分離する分離手段とを備え、前記分離冷却流路は、軸流サイクロンである固気分離装置を提供するものである。

本発明の固気分離方法及び装置によれば、冷却すると固化する物質の蒸気を含み且つ粉塵が懸濁している懸濁ガスからそれに含まれる前記物質及び前記粉塵を、該物質の固着の発生を抑えて好適に別々に分離することができる。本発明では、特に、固気分離と揮発成分の固化時の結晶の成長との時間スケールの大きな差を利用し、懸濁ガスから粉塵を分離しながら当該懸濁ガスを冷却してそれに含まれる固化する物質を冷却するので、小規模な装置でも効率よく分離を行うことができる。

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。

図１及び図２は、本発明の固気分離装置（以下、単に分離装置ともいう。）を、セメントクリンカ製造用のロータリーキルンのキルンガス煙道１０に付設され、キルンガス中の揮発成分（冷却すると固化する物質）及びダスト（粉塵）を当該キルンガスから別々に分離する分離装置に適用した第１実施形態を模式的に示すものである。

図１に示したように、本実施形態の分離装置１は、キルンガスが導入される分離冷却流路２と、分離冷却流路２に接続され分離冷却流路２内にその中心軸を略中心軸とする冷却ガスの旋回流を導入する導入路３と、導入路３に前記冷却ガスを送るファン４と、分離冷却流路２の壁部に配設され前記冷却ガスの導入に伴って生じる前記キルンガスの旋回流によって遠心分離された前記ダストを回収する回収手段５と、分離冷却流路２から排出されるガスを冷却する冷却手段６と、冷却手段６で冷却されたガスから固化した前記物質を分離する分離手段７と、キルンガス煙道１０から分離手段７に至るまでのガスの吸引を行う吸引ファン８と、吸引ファン８で排出されたガスを、ファン４を介して導入路３に導く循環路９とを備えている。

図２に示したように、分離冷却流路２は、流路断面が略円形の管で構成されており、両端部にはキルンガスの導入路２１と分離冷却処理を終えて排出されるガスの排出路２２が接続されている。分離冷却流路２は、直線的に形成されていることが好ましいが、本発明の効果に影響を及ぼさない範囲において、屈曲又は湾曲した形態とすることもできる。

本発明者らの検討結果によれば、キルンガスの処理中の分離冷却流路２内では、分離冷却流路２の内壁面から中心軸方向に向けて年輪状の等温線を形成するように温度分布が形成されており、分離冷却流路２の下流に進むにつれて流路断面の中心部分の最高温度は低下することがわかった。このことから、分離冷却流路２の長さは、この中心部分の最高温度がキルンガスに含まれている揮発成分の凝固点以下となる位置で処理を終えたガスが排出される長さ以上に設定することが、分離冷却流路２内でコーチングが発生することを一層防止できる点で好ましい。

導入路２１は、後述する冷却ガスの逆流によるカーテン効果を得る上では短い方が好ましく、分離冷却流路２の内径の２倍程度以下、特に１倍程度以下の長さが好ましい。また、流路断面形状を楕円形とすることもできる。

本実施形態では、分離冷却流路２は、その長さ方向中間部において下流に進むにつれて流路の断面が漸次連続的に狭められた形態を有している。分離冷却流路２をこのような形態とすることで、後述するようにキルンガスの流れが冷却ガスによって中心部分に狭められることと相まって、キルンガスの流れが狭められる位置から上流側における分離冷却流路２の内壁部分に冷却ガスの逆流を生じさせ、この冷却ガスの逆流によって当該部分におけるキルンガスと内壁部分との接触を防いでコーチングの発生を抑えている。このような逆流を効果的に起こすには、導入路３との接続後の下流側における導入路２１の断面積と導入路３の断面積の和より、導入路３と接続後の下流側における分離冷却流路２の断面積が小さくなっていて、冷却ガスが簡単に後方に流れ難くすることが好ましい。

分離冷却流路２の下流側（排出路２２との接続側）の端部は、冷却ガスの導入によるカーテン効果を損なわない範囲で、分離冷却流路内の温度分布を壊すような形態とすることが好ましい。本実施形態では、分離冷却流路２の下流側の端部は、下流に進むにつれて流路断面が漸次連続的に広がるように設けられている。そして、この流路断面が広がった部分において、該部分と二重になるように、かつ、流路断面が広がる前の分離冷却流路と同心となるように排出路２２が接続されている。この場合、排出路２２の流路断面は、流路断面が広がる前の分離冷却流路の流路断面と同じとすることが好ましい。排出路２２の分離冷却流路２との接続方法（排出路２２の径や、分離冷却流路２との重なり具合、つまり、分離冷却流路２への差し込み具合）は、排出されるガスに含まれるダストの性状等を考慮して設定する。

導入路３は、分離冷却流路２のかなり上流側において流路の外周に対して接線方向から接するように接続されており、冷却ガスをキルンガスの流れに対して接線方向に導入し、分離冷却流路２の中心軸を略中心軸とする冷却ガスの旋回流を形成する。そして、導入された冷却ガスは、分離冷却流路２の内壁面に沿って旋回流を維持し、この冷却ガスのカーテンが高温のキルンガスの接触から当該内壁面を保護する。

このようにして形成した冷却ガスの旋回流は、その中心部を流れようとするキルンガスにも旋回流を発生させるため、サイクロン効果でダストを分離冷却流路２の外周方向に遠心分離しながら冷却する。

導入路３には、作業口３０が設けられており、分離冷却流路２にキルンガスを導く導入路２１の入口部分がコーチングの成長によって閉塞されないように、内壁部に付着したコーチングをこの作業口３０から落とすことができるようになっている。この作業口３０は、冷却ガスの導入路３が、冷却ガスによって高温から保護されており、また、冷却ガスの流速のため、ベルヌーイの法則に従って周囲に比べて負圧となることが多いので、ダストや導入管に付着したコーチング等が飛び出しにくく安全であり、運転をしながらでも作業を行える。また、キルンガスの導入路２１にも近く、作業がし易いので好ましい。

導入路３は、冷却ガスの流速を調整する流速調整手段としてゲートを備えている。本実施形態のようなセメントクリンカ製造用のキルンの塩素バイパスでは、バイパスさせたい塩素の量に応じてキルンガスの量を３倍程度の範囲で変えることがある。このような場合に、分離冷却流路２から排出される排出ガスの温度を変化させないようにするには、冷却ガスの導入量をキルンガスの量に略比例して変化させる必要がある。このような場合に、ゲートで冷却ガスの流速を調整することで、キルンガスの流量の変化に伴って冷却ガスの流量に変更を生じた場合にも冷却ガスの流速を適切にコントロールすることができる。

回収手段５は、分離冷却流路２の内壁面において上方に向けて開口するホッパ５０を備えている。前記冷却ガスの旋回流で分離冷却流路２の外周方向に分離されたダストは、このホッパで回収される。ホッパ５０の開口面積は冷却ガスによる効果を損なわず、コーチングの塊によって開口部が塞がらない範囲の広さに設定する。この場合、ガスの流れが乱れることを防ぐ上で、ダストがその堆積を利用してホッパの開口部を埋め尽くすように充填された状態で運転し、分離冷却流路２の内壁面を滑らかな曲面状に維持することが好ましい。また、ホッパ５０は、より多くのダストを回収する上では分離冷却流路２の排出口近傍に配置することが好ましいが、それ以外の位置や、冷却ガスの導入部分の下流側の近傍及び分離冷却流路２の下流といった複数箇所に配設することもできる。

冷却手段６は、分離冷却流路２から排出されるガスを分離手段７のバグフィルタの耐熱温度まで冷却するものであればその冷却手法に特に制限はない。ガスの処理量を抑える上で熱交換器を用いることが好ましいが、空気等の冷却ガスを導入して冷却してもよい。

分離手段７は、バグフィルタを備えた集塵装置で構成されており、分離冷却流路２内で固化されたキルンガス中の揮発成分の固化物を分離・回収する。集塵装置には従来からキルンガスの処理に用いられているものが採用される。

循環路９は、吸引ファン８の排気口とファン４の吸気口の間を接続する管路であり、吸引ファン８からの排出ガスを冷却ガスの一部又は全部としてファン４及び導入路３を介して再び分離冷却流路２に導く。

次に、本発明の固気分離方法の実施形態を、前記固気分離装置１を用いた実施形態に基づき説明する。

先ず、キルンからキルンガスの一部を導入路２１を介して分離冷却流路２内に導入する。キルンから導入されるキルンガスは、およそ９００〜１３００℃の高温のガスであり、塩化カリウムと塩化ナトリウムを主成分とする蒸気を揮発成分として含むとともに、ダストが懸濁した状態の懸濁ガスである。

分離冷却流路２に導入するキルンガスには、ガス吸着性の冷却剤を添加することが好ましい。斯かる冷却剤を添加することで、キルンガスの冷却効果が得られる他、当該キルンガスに含まれる亜硫酸ガスを吸着させて、酸露点を上げることができるので、装置の腐食防止効果も得ることができる。亜硫酸ガスの化学吸着には、反応速度を考慮すると、８００℃程度の温度が好適であり、キルンガスの温度が斯かる温度となる領域で添加することが好ましい。このようなガス吸着性の冷却剤としては、後述するように回収手段で回収された比較的粒径の細かいダスト、セメント原料、石灰石粉等が挙げられる。該冷却剤の添加量は、排出路２２の温度や亜硫酸ガス濃度に応じて設定することができる。

上述のようにキルンガスの一部を分離冷却流路２に導入する一方で、ファン４によって、分離冷却流路２の中心軸を略中心軸として旋回する冷却ガスを導入路３を通して分離冷却流路２内に導入する。該冷却ガスには、空気を用いることが好ましい。冷却ガスの温度は、キルンガス中の前記揮発成分を固化し得る冷却効果が得られる温度であればよいが、前記揮発成分やその冷却に伴う生成成分の露点、流路の耐熱性を考慮すると、１００〜３５０℃が好ましく、１５０〜２００℃がより好ましい。冷却ガスの一部又は全部を分離手段７からの排気ガスとすると、処理に関わるガス量を軽減できるほか、亜硫酸ガスを石膏として回収し、セメント原料として利用できる点においても好ましい。

次いで、分離冷却流路２内に導入した前記冷却ガスの旋回流で分離冷却流路２の内壁面と前記キルンガスとの接触を防ぎつつ前記揮発成分を冷却して固化させながら、前記冷却ガスの導入に伴って生じる前記キルンガスの旋回流によって前記ダストを遠心分離し、回収手段５で回収する。

即ち、前述した温度分布が形成されている分離冷却流路２内では、キルンガスと冷却ガスとが、０．３〜３秒の間で流路の周縁から中心に向けて層状に徐々に混合される。そして、この冷却ガスとの混合に伴うキルンガスの冷却によって、前記揮発成分が急速に冷却されて固化し、微粒のヒュームとなる。つまり、遠心力を利用した固気分離法における０．１〜１秒以内の時間スケールと比較すると、徐々に混合されており、揮発成分の固化時の結晶の成長時間スケール（初期生成ではなくヒュームの成長で、通常は数秒から数分、さらには１時間以上かかる）と比較すると、揮発成分は急激に冷却されるため。この揮発成分のヒュームは、冷却ガスの導入に伴って生じる旋回流による遠心力の作用を殆ど受けない程の微粒であり、分離冷却流路内で遠心分離されることなく分離冷却流路２の中心部分のキルンガスの流れに乗って下流に送られる。その一方で、ダストは、冷却ガスの導入に伴って生じる旋回流による遠心力の作用で、分離冷却流路２の外周方向に移動し、回収手段５によって回収される。

遠心分離作用によってダストをどの程度分離するかは、定性的にはサイクロンを設計する場合の限界粒子径を求める式に準じて考えることができる。分離冷却流路２の内径に相当するような寸法（例えば、分離冷却流路２の流路断面が円のときは分離冷却流路２の内径）を小さくするか、軸方向の長さを長くするか、又は冷却ガスの導入速度を増せば、より微小なダストまで分離回収することができる。ガスの乱れや粒子の運動の乱れのため、斯かる遠心力を作用させることによって分離回収し得るダストの粒子サイズの下限は、実用上５〜１０μｍ程度であることが多い。

キルンガスに含まれるダストに相当するセメント原料の粒子サイズは、概ね（９０％以上が）２〜１００μｍであるが、凝集などのため、サイクロンの集塵機構で評価される粒子サイズは概ね１０〜５０μｍに分布している。つまり、セメント原料の予熱装置であるサスペンションプレヒーターはサイクロンで集塵された粒子が下段へと供給され、最終的にキルン原料になるように構成されているので、導入路２１から導入されるキルンガス中のキルン原料であるダストもこのように凝集した粒子が主体となっている。そのため、本実施形態においては、上記遠心力を作用させることによってキルンガスに含まれるダストを概ね分離回収することができる。

回収されたダストは、再利用することが好ましい。回収されたダストは、ホッパの設置箇所によってその粒径が異なり、冷却ガスの導入部分の下流側近傍で回収される概ね３０μｍ以上の粒径を有し、中には１０ｍｍを超えるかなり粗い粒子も含むものや、分離冷却流路の下流で回収される数μｍ〜１００μｍ程度の粒径のものがあるので、複数の回収手段５を設けることもできる。前者のように比較的粒径の大きなダストは、処理のし易さを考慮するとキルンに再投入することが好ましい。回収したダストをキルンに再投入する場合には、キルンに投入されるキルン原料の流れるサスペンションプレヒーターのボトムサイクロンのシュートやキルン出口ダクトに特別な耐火物施工のないシュートを取り付けて行うことが好ましい。投入量の調整や気密性確保のため差し込みダンパー、ロータリフィーダー、スクリューコンベアを取り付けることがより好ましく、温度が高い部分では耐火物施工を施すことが好ましい。また、サスペンションプレヒーターの送入原料や調合原料に戻しても良い。一方後者のように、比較的粒径の細かいダストは、消石灰を半分程度含んでおり、一部が石膏や硫化カルシウムとなっているため、その全量又は一部をクリンカやセメントに添加することで、硫化カルシウムの効果でセメントの微量成分の溶出を抑制することができる。また、分離手段７で分離回収された前記揮発成分の固化物とともに回収して処理してもよい。また、循環させて前記冷却剤として使用することで、キルンガス中の亜硫酸ガスとの反応が促進されるので、石膏の代替品としてセメントに添加する際にさらに好適に利用できる。さらに、前者と同様にキルンに再投入することもできる。

本実施形態では、導入路３を介して前記分離冷却流路２内に導入した前記冷却ガスで前記キルンガスの流れを狭めることで生じるオリフィス効果によって、当該キルンガスの流れと逆方向の該冷却ガスの流れが形成される。そしてこの流れによって、分離冷却流路２における該冷却ガスの導入部分よりも上流側の部分の内壁面と前記キルンガスとの接触が防がれるため、当該内壁面の部分におけるコーチングの発生を防ぐことができる。

分離冷却流路２から排出される排出ガスの温度は、キルンガスに含まれる亜硫酸ガスの露点、前記揮発成分の融点を考慮すると、１３０〜５００℃とすることが好ましい。

その後、前記排出ガスを前記バグフィルタの耐熱温度以下に冷却し、固化させた前記揮発成分を当該バグフィルタで分離・回収する。

本実施形態では、吸引ファン８から排出される排出ガスを、前記冷却ガスの全部又は一部として吸引ファン８、循環路９、ファン４及び導入路３を経由して分離冷却流路２に導入する。これにより、ガスの処理量を軽減できるので好ましい。

以上説明した本実施形態の固気分離装置１及びこれを用いた固気分離方法によれば、キルンガスから、それに含まれる揮発成分及びダストを、該揮発成分の装置への固着を抑えて好適に分離することができる。特に、本実施形態では、固気分離と揮発成分の固化時の結晶の成長との時間スケールの大きな差を利用し、キルンガスからダストを分離しながらキルンガスを冷却してそれに含まれる揮発成分を冷却するので、小規模な装置でも効率よく分離を行うことができる。

図３は、本発明の実施に当たって、コンピュータシミュレーションによって、以下のようにして固気分離流路内の温度分布及び粉塵の流れを計算した結果を示したものである。計算に際しては、図３に示すような導入路側の端部も窄めた形状の分離冷却路を用い、回収手段のホッパは省略した。また、計算を短時間で行うために、ガスを導入路側の端部から均等に押し込んだとき、その影響が導入路の入口に大きく現れるので、導入路を実際より長くして入口付近を仮想的な部分と見なす（つまり無視する）ことで対応した。また、ガスに含ませる粒子間の相互作用は無視した。

＜温度分布＞
導入路側から１１００℃のガス（二酸化炭素２５％、酸素３％、水蒸気８％、窒素６４％）をベースガスとして２．４ｍ／秒で吹き込み、さらに冷却ガスの導入路から３０℃の空気を冷却ガスとして７．８ｍ／秒で吹き込んで計算した。その結果を図３に示す。

＜粉塵の流れ＞
上記ベースガスに同伴させて密度が２０００ｋｇ／ｍ³の球形粒子を１２８個導入路の側の断面における周方向に３２、半径方向に４均等に分散配置した位置から吹き込んだ場合について、３μｍ、１０μｍ及び３０μｍの三種類の粒径を対象に粒子間の相互作用を無視して計算した。その結果を図４に示す。

図３に示したように、分離冷却流路の排出側の端部では、中心部でも５００℃以下にガス温度が下がり、導入側の内壁面も冷却ガスの逆流で保護されていることがわかった。また、図４（ａ）〜（ｃ）に示したように、１０μｍ以上の粒子が殆ど壁面に寄っていることがわかった。

実際の設計に当たっては、より詳細なモデルで厳密な計算を行う必要があるが、上記モデルに回収手段として図２に示すようなホッパ５０を接続してもキルンガスに含まれる揮発成分の融点が略６００℃以上であるので、分離冷却流路や排出路の内壁面にはコーチングの付着は発生せず、また１０μｍ以上（詳細には８μｍ程度以上）の粒子は冷却ガスの導入による遠心分離作用によって回収できることが計算できた。また、このようなシミュレーションの結果に基づいて、内部の詳細な形状や懸濁ガス及び冷却ガスの速度等の運転条件を設定することができる。

本発明は、前記実施形態に制限されない。
例えば、循環路９で循環させずに排出してもよい。排出ガスには亜硫酸ガス等が含まれるので、処理を行ってから排出する必要があり、該排出ガスをセメントクリンカの生産工程に戻して処理することが好ましい。

また、前記実施形態では、冷却ガスの導入路３を一つ備えたものとしたが、複数の導入路を備えていても良い。導入路３を複数備えていると、キルンガスが分離冷却流路２の中心部分を流れやすくすることができるため、ダストの分離や前記ガスの逆流をきれいに発生させやすくなるので好ましい。

また、設計上導入路２１を長く設定しなければならず、冷却ガスの逆流効果が十分に期待できない場合には、導入路２１の導入口から新たに冷却ガスを導入することもできる。この場合にも、分離冷却流路２における冷却ガスの導入路３と同様に、キルンガスに旋回が生じるように外周に対し接線方向から冷却ガスを導入することが好ましい。

また、分離冷却流路２へのキルンガスの導入路２１にも冷却ガスの導入路３を接続し、この導入路から導入する冷却ガスによって、当該導入路２１へのコーチングの付着を防止できるようにすることもできる。冷却ガスには、前記実施形態における導入路３に用いたものと同様のガスを用いることができる。このように分離冷却流路２とは別に冷却ガスを導入することで、導入路２１の距離が長く、冷却ガスの逆流によるコーチングの付着防止効果が十分に得られない場合にも、効果的にコーチングの付着を防止することができる。

また、導入路３からの冷却ガスの逆流をより起こし易くするためには、分離冷却流路２の流路を該冷却ガスで中心部より狭める構造が好ましい。このためには、例えば、分離冷却流路２は、図１及び図２では、導入路３との接続部の前後でその内径を拡げているが、そのように拡げずに導入路２１の内径と同じままとすることが好ましい。

また、本発明の効果を損なわない範囲において、キルンガスの導入路２１の導入口に邪魔板や堰を設けて流路を外周から絞ることは冷却ガスの逆流を引き起こす上で有効である。

〔実施例１〕
図１に示す装置を使用し、循環路による排出ガスの循環及び冷却剤の添加は行わずにキルンガスの固気分離処理を行ったところ、分離冷却流路において遠心分離によって回収されたダストは、キルン原料であるボトムサイクロンで捕集された原料に比べて塩素とカリウムがそれぞれ２．５％程度多く、ＳＯ₄が５％程度多い以外は、略同等のダストが回収できた。一方、分離手段で分離回収された回収物について化学分析を行った結果、当該回収物は、塩化カリウム５０％、塩化ナトリウム５％及び硫化カリウム１０％を含み、化合物は不明であるが、鉛、カドミウム及びセレンも合計で１％程度含まれていた。残りの部分は、前述のキルン原料が主体であるが、それよりはＳＯ₄が５％程度多く、Ａｌ₂Ｏ₃も多く含まれていた。この結果は、分離冷却流路において遠心分離されなかったキルン原料の微粒成分が多めに回収されたためであると推定された。この結果から、該回収物は、微粒成分を多く含むダストが約３０％、揮発成分の固化物が約６０％、ガスに含まれていた亜硫酸ガス等が化学吸着（反応）したものが約１０％と推定された。同様に、遠心分離作用によって回収された回収物は、ダストが約８５％、揮発成分の固化物が約１０％、亜硫酸ガスが約５％と推定された。

〔比較例１〕
回収手段のホッパを回収物で満たし、回収物を回収しないで、全量を分離手段で分離回収する運転を行った。このときの分離手段による回収物について、実施例１と同様に化学分析した結果、ダストが約７０％、揮発成分の固化物が約２５％、化学吸着した亜硫酸ガスが約１０％と推定された。この回収物を篩やセパレータ等を用いて種々機械的な分級を試みたが、揮発成分の固化物が最大でも３５％程度までしか上がらなかった。この原因としては、全量を分理手段の回収物として回収したため、大部分が微小粒子である揮発成分の固化物が、回収物に含まれる粗粒に強く凝集したためであると考えられる。

そこで、従来から固体分離法に用いられているサイクロンを分級機として備えている固気分離装置をセメントクリンカ製造用のキルンの塩素バイパスに適用したときのデータを用いて、実施例１及び比較例１の結果を以下のように検討した。

すなわち、従来の固気分離装置による回収物中の揮発成分の固化物の濃度が、実施例１と変わらない約６０％であるデータについて調べたところ、分級機で回収された回収物中の揮発成分の固化物の濃度は、約１７％であった。ここで、ある着目した成分の分離手段における回収物として回収される割合（回収率）を求める。当該着目成分について、濃度Ｎ１の分級機による回収物と濃度Ｎ２の分離手段による回収物を、ａ：（１−ａ）で混合すると、前述の全量を分離手段で分離回収した場合の濃度Ｎになると考えれば、
ａＮ１＋（１−ａ）Ｎ２＝Ｎ
である。この式を解いて、
ａ＝（Ｎ−Ｎ２）／（Ｎ１−Ｎ２）
が求まる。従って、前記回収率は、
（１−ａ）Ｎ２／Ｎ＝（１−Ｎ１／Ｎ）／（１−Ｎ１／Ｎ２）
となる。

前記揮発成分の固化物の濃度に着目して当該固化物の回収率を計算すると、
実施例１は（１−１０／２５）／（１−１０／６０）＝７２％
比較例１は（１−１７／２５）／（１−１７／６０）＝４５％
であった。

比較例１による方法は、固体分離法に当たり、もし凝集しなかった微粉側だけ分離手段で回収物として分離回収するとすれば、実施例１と同程度の分理能力を発揮することができるのだが、凝固や凝集のため粗粉側にどうしても多くの揮発成分の固化物が含まれてしまい、当該固化物のみの回収の観点からは非効率になっている。この点本発明によれば濃度が同程度であれば回収効率が高いことがわかった。

本発明の固気分離方法及び装置は、前記実施形態のように、セメントクリンカ製造用のキルンのキルンガスの処理に好適であるが、これ以外に、例えば、ゴミ焼却場の排ガス処理にも適用でき、排ガスに含まれる蒸気状の食塩等の塩化物や重金属類と、ゴミに含まれる微粉とを別々に分離することができ、急冷によるダイオキシン類の生成を抑制する効果も期待できる。

本発明の固気分離装置の一実施形態を模式的に示す図である。 図１の要部を模式的に示す拡大図であり、（ａ）は冷却ガスの導入路の接合部分の縦断面図（（ｂ）のＡ−Ａ断面図）、（ｂ）は分離冷却流路を下流側から視た図、（ｃ）は排出路と回収手段の位置関係を示す図である。 本発明における分離冷却流路内の温度分布の概略をコンピュータシミュレーションで計算した結果を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明における分離冷却流路内を流れる懸濁ガス中の粉塵の流れをその粒径毎にコンピュータシミュレーションで計算した結果を示す透視図である。

符号の説明

１ 固気分離装置
２ 分離冷却流路
３ 導入路
４ ファン
５ 回収手段
６ 冷却手段
７ 分離手段
８ 吸引ファン
９ 循環路
１０ キルンガス煙道
１１ 塩素バイパス

Claims (8)

1. 冷却すると固化する物質の蒸気を含み且つ粉塵が懸濁している懸濁ガスから該物質及び該粉塵を別々に分離する固気分離方法であって、
   前記懸濁ガスを分離冷却流路内に導入する一方、前記分離冷却流路の中心軸を略中心軸として旋回する冷却ガスを該分離冷却流路に接続された導入路を通して該分離冷却流路内に導入し、前記冷却ガスで前記分離冷却流路の内壁面と前記懸濁ガスとの接触を防ぎつつ前記物質を冷却して固化させながら、同時に前記冷却ガスの導入に伴って生じる前記懸濁ガスの旋回流によって前記粉塵を遠心分離した後に回収し、しかる後、固化させた前記物質を分離し、
   前記分離冷却流路は、軸流サイクロンであり、前記分離冷却流路の下流側の端部は、下流に進むにつれて流路断面が漸次連続的に広がるように設けられ、この流路断面が広がった部分において、該部分と二重になるように、かつ、流路断面が広がる前の分離冷却流路と同心となるように排出路が接続されており、該排出路に、前記冷却ガスの旋回流の中心部を流れる前記懸濁ガスを排出し、該排出された懸濁ガスを冷却することにより該懸濁ガス中の前記物質を冷却して固化させ、固化させた前記物質を分離し、
   前記分離冷却流路の下流側の端部の流路断面が広がった部分において、上方に向けて開口するホッパが配設されており、前記懸濁ガスの旋回流によって遠心分離された前記粉塵を該ホッパで回収する、
   固気分離方法。
2. 前記分離冷却流路内に導入した前記冷却ガスで前記懸濁ガスの流れを狭めて該懸濁ガスの流れと逆方向に該冷却ガスの流れを形成する請求項１に記載の固気分離方法。
3. 前記粉塵及び前記物質を分離した前記懸濁ガスを前記冷却ガスの全部又は一部として前記分離冷却流路に導入する請求項１又は２に記載の固気分離方法。
4. 前記懸濁ガスに、ガス吸着性の冷却剤を添加する請求項１〜３の何れか１項に記載の固気分離方法。
5. 前記懸濁ガスが、セメントクリンカ製造用のキルンから導かれるガスである請求項１〜４の何れか１項に記載の固気分離方法。
6. 冷却すると固化する物質の蒸気を含み且つ粉塵が懸濁している懸濁ガスから該物質及び該粉塵を別々に分離する固気分離装置であって、
   前記懸濁ガスが導入され、前記懸濁ガスの冷却と前記粉塵の分離を同時に行う分離冷却流路と、
   前記分離冷却流路に接続され該分離冷却流路内にその中心軸を略中心軸として前記冷却ガスの旋回流を導入する導入路と、
   前記分離冷却流路の壁部に配設され前記冷却ガスの導入に伴って生じる前記懸濁ガスの旋回流によって遠心分離された前記粉塵を回収する回収手段と、
   該回収手段より前記分離冷却流路の下流側に配設され固化した前記物質を分離する分離手段と
   を備え、
   前記分離冷却流路は、軸流サイクロンであり、前記分離冷却流路の下流側の端部は、下流に進むにつれて流路断面が漸次連続的に広がるように設けられており、
   前記分離手段は、前記分離冷却流路の流路断面が広がった部分において、該部分と二重になるように、かつ、流路断面が広がる前の分離冷却流路と同心となるように接続された排出路であり、
   前記回収手段は、前記分離冷却流路の下流側の端部の流路断面が広がった部分に配設された、上方に向けて開口するホッパである、
   固気分離装置。
7. 前記分離冷却流路の流路断面が前記導入路の接続位置より下流において狭められている請求項６に記載の固気分離装置。
8. 前記分離手段から排出されるガスを前記導入路に導く循環路を備えている請求項６又は７に記載の固気分離装置。

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