JP5194493B2 - サンプリングプローブおよびその設置構造、セメント製造プロセス - Google Patents

Description

本発明は、セメントキルンの窯尻部の燃焼排ガスを採取する際に用いて好適なサンプリングプローブおよびその設置構造、並びに、それを用いたセメント製造プロセスに関するものである。

セメントキルンの燃焼制御には、窯尻部等の燃焼排ガスをサンプリングして、その組成を分析・把握することが必要とされている。
しかしながら、セメントキルンの窯尻部は、一般に、高温（１０００℃以上）かつ高ダスト雰囲気（１０００ｍｇ／ｍ³程度）で、一部溶融物を含む粘性のあるダストが低温部に固着し易い環境にあることから、かかる環境下で、連続的にダストを除き、かつ溶融したダストの固着を防ぎつつ、ガスサンプリングを継続することは困難であった。

高温・高ダストの排ガスを採取する従来のサンプリングプローブとしては、例えば、特許文献１に記載のガスサンプリングプローブが知られている。このガスサンプリングプローブにおいては、サンプリングパイプの内部にパージノズルを設けて、当該パージノズルにより、サンプリングパイプの先端部で水滴による除塵を行うようにしている。
特開平１１−１９０６８６号公報

しかしながら、上記従来のサンプリングプローブにおいては、セメントキルンの窯尻部で使用した場合に、高温雰囲気のため、除塵用の水滴がすぐに蒸発してしまい、十分な除塵能力を得ることができなかった。これを防止するために、例えば、噴霧量を増やすことも考えられるが、その場合、当該プローブ周辺部を冷却し過ぎて耐火物を劣化させてしまう虞があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、セメントキルンの窯尻部の燃焼排ガスを採取する際にも、少ない噴霧量で効率良くダストを除去することができるサンプリングプローブを提供することを目的とする。

本発明に係るサンプリングプローブは、セメントキルンの燃焼排ガスを採取するためのサンプリングプローブであって、先端に燃焼排ガスの吸込口を有する管状のプローブ本体と、このプローブ本体の内部から上記吸込口に向けて水を噴霧するノズルを有する噴霧機構とを備え、上記プローブ本体は、上記吸込口と上記ノズルとの間に内径が一定の除塵用の空間を有し、上記吸込口から上記ノズル先端までの距離をＬ（ｍｍ）、上記プローブ本体の上記内径をＤ（ｍｍ）とした場合に、Ｌ／Ｄが４〜８の範囲内となるように上記ノズルを配置することにより、上記吸込口から上記プローブ本体内に流入した燃焼排ガスが上記空間を通過する過程で、上記ノズルからの噴霧により、当該燃焼排ガスに含まれるダストを除去する構成としたことを特徴とするものである。

上記サンプリングプローブにおいては、吸込口からノズル先端までの距離をＬ（ｍｍ）、プローブ本体の内径をＤ（ｍｍ）とした場合に、Ｌ／Ｄが４〜８の範囲内となるように、ノズルを配置する。４未満では、図４のグラフに示すように、十分なダスト捕集率を得ることができず、一方、８を超えると、プローブ本体の先端部（このグラフでは吸込口から５０ｍｍ）における捕集率が極端に低くなって吸込口付近で閉塞等のトラブルが起き易くなるからである。

また、上記のように、Ｌ／Ｄを４〜８の範囲内とした場合には、燃焼排ガス（サンプルガス）の吸引量を０．５〜１０Ｌ／ｍｉｎの範囲内（より好ましくは１〜５Ｌ／ｍｉｎの範囲内）とすることが望ましい。０．５Ｌ／ｍｉｎ未満では、キルンの燃焼制御を行う際の応答遅れが大きくなって実用的ではなくなり、１０Ｌ／ｍｉｎを超えると、ダストを十分に除去しきれずにサンプルラインにダストが入り込み、例えば、バルブ等の流速が低下する箇所にダストが溜まり閉塞等のトラブルが起き易くなるからである。
また、ノズルからの散水量は、１〜７Ｌ／ｍｉｎの範囲内（より好ましくは２〜５Ｌ／ｍｉｎの範囲内）とすることが望ましい。１Ｌ／ｍｉｎ未満では、ダストを十分に除去しきれずにサンプルラインにダストが入り込む懸念があり、７Ｌ／ｍｉｎを超えると、噴霧量が多すぎて周辺の耐火物に悪影響を及ぼす可能性が高く、また気化熱が奪われるためにキルンの熱効率が低下して、キルンの生産性に悪影響を及ぼす虞があるからである。
また、噴霧粒径は、１００〜５００μｍの範囲内とすることが望ましい。１００μｍ未満では、噴霧により発生したミストがサンプルラインに入り込み、その後の気液分離が難しくなり、５００μｍ以上ではダストを落とす能力が著しく低下するからである。

さらに、噴霧用のノズルとしては、種々のタイプのノズルを使用することが可能であるが、充円錐ノズルが最も本発明の噴霧用ノズルとして適している。

本発明に係るサンプリングプローブの設置構造は、上記サンプリングプローブを使用して燃焼排ガスを採取する際に、上記プローブ本体の先端部が下向きとなるように、上記サンプリングプローブを設置することを特徴とするものである。

本発明に係るセメント製造プロセスは、上記サンプリングプローブを用いてセメントキルンの窯尻部における燃焼排ガスを採取した後、採取した燃焼排ガスの組成（例えば、ＮＯ_X、Ｏ₂、ＣＯ、ＣＯ₂、ＳＯ₂等の濃度）を分析して、その分析結果に基づいてセメントキルンの燃焼制御を行う（例えば、燃焼空気量を調整する）ことを特徴とするものである。

本発明に係るサンプリングプローブによれば、燃焼排ガスがプローブ本体内の空間を通過する過程で、ノズルからの噴霧により、当該燃焼排ガスに含まれるダストを除去するようにしたので、高温・高ダスト雰囲気下であっても、噴霧した除塵用の水滴がすぐに蒸発するのを防止することができ、少ない噴霧量で効率良くダストを除去することができる。
したがって、ダストの吸引や、ダスト固着による閉塞等のトラブルの発生を防止することができ、長期に亘って安定した状態で連続的に当該サンプリングプローブを使用することができる。また、噴霧量が低く抑えられることから、当該サンプリングプローブ周辺における耐火物の劣化を防止することもできる。

また、サンプリングプローブを使用して窯尻部の燃焼排ガスを採取する際に、プローブ本体の先端部が下向きとなるようにサンプリングプローブを設置したので、噴霧された水滴がプローブ本体の内壁面を洗い流しつつ排出されることとなり、これにより、プローブ本体の内壁面にダストが付着するのを防止することができるとともに、噴霧により発生したミストがサンプルラインに入り込むのを防止することができる。

また、本発明に係るセメント製造プロセスによれば、サンプリングプローブを用いてセメントキルンの窯尻部における燃焼排ガスを採取した後、採取した燃焼排ガスの組成を分析して、その分析結果に基づいてセメントキルンの燃焼制御を行うようにしたので、セメントキルンの温度分布を常に適切な状態に保つことができ、クリンカの品質のバラツキ等を防止して、長期に亘り安定した状態でセメントキルンを運転することができる。

セメント製造プロセスは、セメントの原料となる石灰石、粘土、けい石、酸化鉄原料等を適切な比率で混ぜ合わせて粉砕する原料粉砕工程と、原料粉砕工程で得られた粉体原料を所定の温度条件で焼成してクリンカーを生成する焼成工程と、クリンカを粉砕して粉末状のセメントにする仕上げ工程とを有している。

本発明に係るサンプリングプローブ１は、上記焼成工程における燃焼管理に用いられるもので、図１に示すように、先端部が下向きとなるようにセメントキルンの窯尻近傍の側壁２ａを貫通して、その先端部が燃焼排ガスの流路２ｂ側に突出する状態で設置されている。本実施形態では、図示省略の固定治具を用いて、サンプリングプローブ１の挿入角度と流路２ｂ内に突出する長さを調節できるようにしている。

図２は、本発明に係るサンプリングプローブの一実施形態を示す概略構成図である。
このサンプリングプローブ１は、先端に燃焼排ガスの吸込口５を有する管状のプローブ本体３と、このプローブ本体３の内部から吸込口５に向けて水を噴霧する噴霧機構４とを備えている。

プローブ本体３は２重管構造とされ、その内管３ａと外管３ｂとの間に冷却媒体（冷却水など）を流すための空隙３ｃを有している。プローブ本体３の基端側には、径方向に対向する位置に、冷却媒体の供給口６と排出口７がそれぞれ設けられている。また、内管３ａと外管３ｂとの間には、プローブ本体３の軸線に沿って一対の隔壁８が設けられ、それら隔壁８によって、空隙３ｃが供給口６側と排出口７側に二分されて両者が隔壁８の無い先端部で連通する形となっている。すなわち、内管３ａと外管３ｂの間に、プローブ本体３基端側の供給口６からプローブ本体３の先端部を経由してプローブ本体３基端側の排出口７に至る冷却媒体の流路が形成されている。これにより、三重管を用いた場合と比べ、細径となり軽量化することができる。

プローブ本体３の内部には、先端の吸込口５から吸い込んだ燃焼排ガスを基端側のサンプリング口９に導くためのガス流路１１が形成され、その中央部には、先端に噴霧用のノズル１２を有する散水管１３が配設されている。この散水管１３は、吸込口５からノズル１２先端までの距離をＬ（ｍｍ）、プローブ本体３の内径をＤ（ｍｍ）とした場合に、Ｌ／Ｄが４〜８の範囲内となるように、その位置が設定されている。これにより、プローブ本体３の内部には、吸込口５とノズル１２の間に除塵用の空間Ｓが形成され、燃焼排ガスがこの空間Ｓを通過する過程で、当該燃焼排ガスに含まれるダストがノズル１２からの噴霧により除去されるようになっている。本実施形態では、噴霧用のノズル１２として、噴霧角度が５〜６０度の充円錐ノズルが用いられ、その噴霧粒径が１００〜５００（μｍ）の範囲内に設定されている。

散水管１３には、図３に示すように、散水供給口１５から散水管１３に散水用の水を導く給水ライン１６が接続され、この給水ライン１６には、散水量を計測する散水流量計１７、散水用の水をノズル１２側に送る散水ポンプ１８、散水量を調整する流量調整バルブ１９が介装されている。本実施形態では、ノズル１２、散水管１３、散水流量計１７、散水ポンプ１８、流量調整バルブ１９、給水ライン１６等により、プローブ本体３の内部から吸込口５に向けて水を噴霧する噴霧機構４が構成されている。

一方、プローブ本体３のサンプリング口９には、サンプルガスをガス分析計２０に導くためのサンプルライン２１が接続され、このサンプルライン２１には、サンプルライン２１に流入した液体成分を除去するドレインセパレータ２２、散水の逆流を検知する逆流検知器２３、サンプルガス中の残留ダストを捕捉する加熱式フィルタ２４、サンプルガスに含まれる水分を除去する除湿器２５、サンプルガスの吸引量を計測するガス流量計２６、サンプルガスを吸引するガス吸引ポンプ２７、サンプルガスの組成を分析するガス分析計２０がそれぞれ介装されている。ガス分析計２０には、分析が終わったサンプルガスを排気する排気口２８が設けられている。

上記構成からなるサンプリングプローブ１により燃焼排ガスを採取する際には、先ず、プローブ本体３の供給口６から冷却媒体を供給して、プローブ本体３を冷却するとともに、噴霧機構４の流量調整バルブ１９を開放して、散水ポンプ１８を作動させることにより、ノズル１２からの噴霧を開始する。この際に、散水流量計１７の計測結果に基づいて流量調整バルブ１９の開度を調節することにより、ノズル１２からの散水量が１〜７（Ｌ／ｍｉｎ）の範囲内の所定値（例えば、３Ｌ／ｍｉｎ）となるように調整する。
その後、ガス吸引ポンプ２７を作動させることにより、サンプルガス（燃焼排ガス）の吸引を開始し、その吸引量が０．５〜１０（Ｌ／ｍｉｎ）の範囲内の所定値（例えば、２〜３Ｌ／ｍｉｎ）となるように調整する。

この状態において、吸込口５からプローブ本体３内に吸い込まれたサンプルガスは、プローブ本体３内のガス流路１１とサンプルライン２１を通って最終的にガス分析計２０に送り込まれることとなるが、ガス流路１１の上流部に位置する空間Ｓを通過する過程で、ノズル１２からの噴霧により、当該ガス中に含まれるダストの多くが除去される。その後、当該サンプルガスとともにサンプルライン２１に流入した液体成分がドレインセパレータ２２で除去された後、加熱式フィルタ２４において、当該サンプルガス中の残留ダストが除去され、除湿器２５において、当該サンプルガスに含まれる水分が除去される。こうして除塵および除湿されたサンプルガスはガス分析計２０に導かれ、このガス分析計２０において、その組成（例えば、ＮＯ_X、Ｏ₂、ＣＯ、ＣＯ₂、ＳＯ₂等の濃度）の分析が行われ、その分析結果がセメントキルンの燃焼制御装置（図示省略）に出力される。

燃焼制御装置は、上記分析結果に基づいて、セメントキルンの燃焼制御を行う。例えば、窯尻においてＯ₂濃度が１％以下になると、セメントキルン内で燃料が不完全燃焼を起こしてＣＯ濃度が１００００ｐｐｍ以上となり、熱効率が低下する現象が発生することとなるので、燃焼制御装置は、ガス分析計２０で求めたＯ₂濃度やＣＯ濃度に基づいて燃焼空気量を調整することにより、上記現象の発生を防止し、セメントキルン内の燃焼が適正な状態となるように制御する。

以上のように、本実施形態によれば、燃焼排ガスがプローブ本体３内の空間Ｓを通過する過程で、ノズル１２からの噴霧により、当該燃焼排ガスに含まれるダストを除去するようにしたので、高温・高ダスト雰囲気下であっても、噴霧した除塵用の水滴がすぐに蒸発するのを防止することができ、少ない噴霧量で効率良くダストを除去することができる。

特に、本実施形態では、Ｌ／Ｄが４〜８の範囲内となるようにノズル１２を配置して、その噴霧角度を５〜６０度の範囲に設定したので、ダストの吸引や、ダスト固着による閉塞等のトラブルの発生を効果的に防止することができ、長期に亘って安定した状態で連続的に当該サンプリングプローブ１を使用することができる。また、噴霧量が低く抑えられることから、当該サンプリングプローブ１周辺における耐火物の劣化を防止することもできる。

また、プローブ本体３を２重管構造として、その空隙３ｃに冷却媒体を流すようにしたので、高温雰囲気下にあっても、プローブ本体３やその内部空間の温度上昇を抑制することができる。また、プローブ本体３基端側の供給口６から流入した冷却媒体がプローブ本体３の先端部で折り返してプローブ本体３基端側の排出口７に至る構成としたので、プローブ本体３全体を均一に且つ効率良く冷却することができる。

また、サンプリングプローブ１を使用して窯尻部の燃焼排ガスを採取する際に、プローブ本体３の先端部が下向きとなるようにサンプリングプローブ１を設置したので、噴霧された水滴がプローブ本体３の内壁面を洗い流しつつ吸込口５から排出されることとなり、これにより、プローブ本体３の内壁面にダストが付着するのを防止することができるとともに、噴霧により発生したミストがサンプルライン２１に入り込むのを防止することができる。

また、サンプリングプローブ１を用いてセメントキルンの窯尻部における燃焼排ガスを採取した後、採取した燃焼排ガスの組成を分析して、その分析結果に基づいてセメントキルンの燃焼制御を行うようにしたので、セメントキルンの温度分布を常に適切な状態に保つことができ、クリンカの品質のバラツキ等を防止して、長期に亘り安定した状態でセメントキルンを運転することができる。

本発明に係るサンプリングプローブの設置例を示す断面図である。 本発明に係るサンプリングプローブの一実施形態を示すもので、（ａ）はその断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図２のサンプリングプローブの噴霧機構およびサンプルラインを示す概略構成図である。 散水供給圧０．９ＭＰａ、噴霧量３Ｌ／ｍｉｎとしたときのダストの捕集率を示すグラフである。

符号の説明

１ サンプリングプローブ
３ プローブ本体
３ａ 内管
３ｂ 外管
３ｃ 空隙
４ 噴霧機構
５ 吸込口
６ 供給口
７ 排出口
８ 隔壁
１２ ノズル
Ｓ 空間

Claims (4)

1. セメントキルンの燃焼排ガスを採取するためのサンプリングプローブであって、
   先端に燃焼排ガスの吸込口を有する管状のプローブ本体と、このプローブ本体の内部から上記吸込口に向けて水を噴霧するノズルを有する噴霧機構とを備え、
   上記プローブ本体は、上記吸込口と上記ノズルとの間に内径が一定の除塵用の空間を有し、上記吸込口から上記ノズル先端までの距離をＬ（ｍｍ）、上記プローブ本体の上記内径をＤ（ｍｍ）とした場合に、Ｌ／Ｄが４〜８の範囲内となるように上記ノズルを配置することにより、上記吸込口から上記プローブ本体内に流入した燃焼排ガスが上記空間を通過する過程で、上記ノズルからの噴霧により、当該燃焼排ガスに含まれるダストを除去する構成としたことを特徴とするサンプリングプローブ。
2. 燃焼排ガスの吸引量を０．５〜１０（Ｌ／ｍｉｎ）、上記ノズルからの散水量を１〜７（Ｌ／ｍｉｎ）、噴霧粒径を１００〜５００（μｍ）の範囲内にそれぞれ設定したことを特徴とする請求項１に記載のサンプリングプローブ。
3. 請求項１または２に記載のサンプリングプローブを使用して燃焼排ガスを採取する際に、上記プローブ本体の先端部が下向きとなるように、上記サンプリングプローブを設置することを特徴とするサンプリングプローブの設置構造。
4. 請求項１〜３の何れかに記載のサンプリングプローブを用いてセメントキルンの窯尻部における燃焼排ガスを採取した後、採取した燃焼排ガスの組成を分析して、その分析結果に基づいてセメントキルンの燃焼制御を行うことを特徴とするセメント製造プロセス。

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