JP5316663B2 - セメント製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、プレヒータにセメント原料を供給しながらキルンで焼成してセメントクリンカを製造する装置に関する。

セメント製造装置には、セメント原料を予熱するためのプレヒータが設けられている。このプレヒータは、複数のサイクロンが上下方向に連結状態とされたものであり、その最下段のサイクロンがセメントキルンの窯尻部に接続されている。セメント原料は、ミルにより粉体にされた後、このプレヒータの途中位置で最上段のサイクロンとその下段のサイクロンとの間を連結している導管からプレヒータに供給される。プレヒータ内においては、セメント原料は、セメントキルンから上昇してくる排ガスの流れに乗って最上段のサイクロンに導かれた後、各サイクロンを順次下降しながら排ガスの熱を受けて予熱され、最下段のサイクロンからセメントキルンに供給される。
このセメント原料を導管に供給する場合、その上方に複数のサイクロンが設置されている関係上、これらサイクロンでの予熱を均等にするために均等に原料を供給する必要がある。

このセメント原料のような粉体を供給する装置として、特許文献１から特許文献３に記載の装置があり、それぞれ分散性を向上させる工夫がなされている。
特許文献１記載の装置は、セメント原料の粉体を供給する原料供給管（傾斜シュート）の底板の下端部上面に、確率曲線状に隆起した山形の凸部が設けられている。この凸部は下端側がもっとも高く上流側の高さが零になるように形成されており、供給した原料が凸部に当たると、左右に分散して導管内に供給されるようになっている。

一方、特許文献２においては、原料供給管（投入シュート）と導管（ダクト）との連結部に、水平軸線まわりに角変位し、最大限で投入シュートの内径の１／２まで突出可能な分散板が設けられた粉末材料の分散装置が提案されている。また、特許文献３記載の装置は、原料供給管（原料シュート）と導管（熱ガス導管）との接合部に、ガス流に対してほぼ直交する方向に原料スライド面を形成したものが開示されている。
これら特許文献２又は３記載の装置では、導管内に突出させた分散板や原料スライド面に原料を衝突させることにより、導管内に分散させて供給するようにしている。

特開平６‐１９１６１５号公報 特開平９‐２６２４５２号公報 実公昭６２‐２９９１９号公報

しかしながら、これら特許文献記載の装置では、原料供給管の下端部あるいは導管の内部に分散のための凸部や分散板が配置されるので、閉塞等の原因となり易いとともに、導管内に分散板を配置する場合は、下方から上昇してくる排ガス流通の抵抗となり、安定した操業を阻害するおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、導管上方の各サイクロンに原料を均等に供給し、予熱を均等にして熱交換効率を高めるとともに、圧力損失が低く、エネルギー消費の少ない操業を行わせることができるセメント製造装置を提供することを目的とする。

セメント製造装置の導管内では、下段側サイクロンからの排ガスが旋回流となって上昇するが、上段側サイクロンへの分配出口を複数設けた場合、導管内ではその分配出口の数に応じた排ガスの流れ（旋回流）が生じる。そのため、従来のように原料供給管の数が１個で、その原料供給管の導管への接続口を導管の内壁面に面一に設置した際には、原料供給管から導管に流出するセメント原料の大部分は、排ガスの旋回流のうちの原料供給管の接続口付近を流れる旋回流に乗って導管上部の分配出口から流出することになる。したがって、導管上部に設けられた各分配出口におけるセメント原料の流出量は均等にはならず、偏りが生じる。この場合、各分配出口における排ガスの温度差が大きくばらつき、熱交換効率が低下することになる。
また、特許文献２のように、原料供給管の接続口の下に分散板を設けたとしても、導管内への分散板の差し込み長さを十分に長くして設置しなければ、セメント原料の大部分は、導管の内壁付近を流れる旋回流に乗って、１つの分配出口に偏って流出することとなる。
そこで、本発明は以下の解決手段とした。

本発明のセメント製造装置は、セメントキルンで発生した排ガスを流通させる複数のサイクロンが上下方向に連結状態とされるとともに、複数の上段側サイクロンとその下方に配置される下段側サイクロンとの間に、下段側サイクロンから導出される前記排ガスを上方に流通させ分配して各上段側サイクロンに導く導管が設けられ、前記導管における前記複数の上段側サイクロンへの分配部よりも下方位置に、セメント原料を供給する原料供給管が前記上段側サイクロンへの分配出口の数と同数設けられており、各原料供給管の前記導管への接続口は、各分配出口に流れ込む排ガスの旋回流の個々の流れに対応する位置に１個ずつ配置されていることを特徴とする。

このように、上段側サイクロンへの分配出口の数と、原料供給管の数とを一致させるとともに、導管内に生じる各旋回流の流れに対応する位置に原料供給管の接続口を配置することで、各分配出口にセメント原料を均等に流出させてセメント原料を均等に予熱することができるので、排ガスとセメント原料との熱交換効率を高めることができる。また、導管に分散板等を設置する必要がないため、圧力損失が低く、エネルギー消費の少ない操業を行わせることができる。

本発明のセメント製造装置においては、前記上段側サイクロンへの分配出口の数をｎとした場合に、前記原料供給管の各接続口が、前記導管の軸線回りに３６０°／ｎずつずれた位置に配置されている構成、あるいは、導管の一側面の上下に離間してｎ個所定の間隔で配置されている構成を採用することができる。

本発明によれば、分配出口にセメント原料を均等に流出させることができるので、その予熱を均等にして熱交換効率を高めることができる。また、導管に分散板等を設置する必要がないため、圧力損失が低く、エネルギー消費の少ない操業を行わせることができる。

本発明のセメント製造装置の第１実施形態における導管内の排ガスの流れを立体的に示した模式図である。 導管内の横断面方向におけるガスの流れの速度ベクトルを示した模式図である。 セメント製造装置の全体を示す概略構成図である。 本発明のセメント製造装置の第２実施形態における導管内の排ガスの流れを立体的に示した模式図である。 導管の内径に対する分配部を含む平面から原料供給管の先端までの垂直距離の比率Ｈ／Ｄと各分配出口の排ガス温度差との関係を解析した結果を示すグラフである。 本発明のセメント製造装置の他の実施形態における導管内の排ガスの流れを立体的に示した模式図であり、分配出口を３個備える導管の例を示している。 本発明のセメント製造装置のさらに他の実施形態における導管内の排ガスの流れを立体的に示した模式図であり、分配出口を４個備える導管の例を示している。

以下、本発明に係るセメント製造装置の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
第１実施形態のセメント製造装置は、図３に全体を示したように、セメント原料として石灰石、粘土、珪石、鉄原料等を個別に貯蔵する原料貯蔵庫１と、これらセメント原料を粉砕、乾燥する原料ミル及びドライヤ２と、この原料ミルで得られた粉体状のセメント原料を予熱するプレヒータ３と、プレヒータ３によって予熱されたセメント原料を焼成するセメントキルン４と、セメントキルン４で焼成された後のセメントクリンカを冷却するためのクーラー５等とを備えている。

セメントキルン４は、横向きで若干傾斜した円筒状のロータリーキルンであり、軸芯回りに回転することにより、その窯尻部６にプレヒータ３から供給されるセメント原料を窯前部７に送りながら、その送る過程で窯前部７のバーナー８によって１４５０℃程度に加熱焼成してセメントクリンカを生成し、このセメントクリンカを窯前部７からクーラー５に送り出すようになっている。セメントクリンカは、クーラー５で所定温度まで冷却された後、仕上げ工程へ送られることになる。

また、セメントキルン４で発生する排ガスは、プレヒータ３を下方から上方に経由した後、排気管９を通って原料ミル及びドライヤ２に導入されるようになっており、原料ミル及びドライヤ２は、セメントキルン４からの排ガスが導入されることにより、セメント原料の粉砕と乾燥を同時に行うようになっている。この原料ミル及びドライヤ２には、集塵機１０、煙突１１等を備える排ガスライン１２が接続されている。

プレヒータ３は、セメントキルン４で発生した排ガスを流通させる複数のサイクロン１３が上下方向に連結状態とされて構築されたものであり、その最下段部分のサイクロン１３Ｄがセメントキルン４の窯尻部６に接続されている。
なお、図３においては、プレヒータ３の構成を簡略化して示したものであり、本実施形態ではプレヒータ３は上下４段のサイクロン１３により構成されている。この場合、３段目の一つのサイクロン１３Ｂに対して最上段である４段目に２基のサイクロン１３Ａ（本発明で言う、上段側サイクロン。）が並列状態に接続されており、３段目のサイクロン１３Ｂが２基並んで設けられていることにより、最上段のサイクロン１３Ａは２基ずつ、合計４基設けられている。プレヒータ３は、この構成と異なる構成のものとしてもよい。

そして、プレヒータ３の最上段側の２基の並列したサイクロン１３Ａと、３段目の一つのサイクロン１３Ｂとの間を連結する導管２１に、原料ミル及びドライヤ２からの原料が供給される原料供給管２２が接続されている。この導管２１は、３段目のサイクロン１３Ｂから垂直上方に延びた後、分配部２３を介して左右に分岐され、上段側の２基のサイクロン１３Ａに分配出口２１ａがそれぞれ接続されている。図１には、下段側のサイクロン１３Ｂのみ示し、導管２１の上部は分配出口２１ａまでを示し、上段側サイクロン１３Ａは省略している。

原料供給管２２は、この導管２１の分配部２３よりも下方位置に接続され、上段側のサイクロン１３Ａへの分配出口２１ａの数と同数設けられている。また、その接続位置は、各分配出口２１ａに流れ込む排ガスの旋回流の個々の流れに対応する位置に１個ずつ配置されている。そして、原料供給管２２の各接続口２２ａは、上段側のサイクロン１３Ａの分配出口２１ａの数をｎとした場合に、導管２１の軸線Ｃ１回りに３６０°／ｎずつずれた位置に配置されている。
図１に示すプレヒータ３では、最上段側の２基のサイクロン１３Ａに対応して原料供給管２２が２個接続されている。そして、導管２１の軸線Ｃ１の回りに１８０°回転させた位置、すなわち、各原料供給管２２の接続口２２ａが、互いに向かい合わせとなる位置に接続されている。また、導管２１内に開口する各原料供給管２２の接続口２２ａは、導管２１の内壁面に面一に設置されている。なお、接続口２２ａは、導管２１の内壁面に厳密に面一でなくとも、若干突出してもよい。また、分配部２３は、導管２１の軸線Ｃ１と上段側の両サイクロン１３Ａへの分配出口２１ａ中心間を結ぶ線Ｃ２との交点部分とする（図１参照）。なお、図１では、分配出口２１ａ中心間を結ぶ線Ｃ２に対して、両原料供給管２２の接続口２２ａが略９０°の角度で設置されているが、この角度はこれに限定されるものではなく、任意の角度に設定しても、各原料供給管２２の接続口２２ａを３６０°／ｎずつずれた位置に配置することで、旋回流の個々の流れにセメント原料を供給することができる。
また、原料供給管２２は、導管２１の軸線に対して２０°〜５０°の適宜の角度θで傾斜して形成され、この原料供給管２２を通してセメント原料が一定量ずつ落下しながら投入される。

このように構成したセメント製造装置において、原料貯蔵庫１からセメント原料が供給されると、このセメント原料は、原料ミル及びドライヤ２で粉砕、乾燥された後、原料供給管２２よりプレヒータ３に投入され、プレヒータ３内を落下しながら下方のセメントキルン４に供給される。このプレヒータ３では、セメントキルン４からの排ガスが、サイクロン１３内をセメント原料とは反対方向に下方から順次上方に流通しており、セメント原料は、これらサイクロン１３内を通過する際にセメントキルン４からの排ガスによって所定温度（例えば９００℃）まで予熱される。そして、予熱されたセメント原料が最下段のサイクロン１３Ｄからセメントキルン４の窯尻部６に供給される。

原料供給管２２からのセメント原料の供給についてさらに詳述すると、この原料供給管２２が接続されている導管２１には、下段側（３段目）のサイクロン１３Ｂから上昇してくる排ガスが流通しており、セメント原料は、その流れに乗って上段側（４段目）のサイクロン１３Ａに導かれる。一方、セメントキルン４での燃焼により発生した排ガスは、各サイクロン１３によって旋回流となってプレヒータ３内を上昇する。原料供給管２２から供給されるセメント原料は、この旋回流の中に投下されることになる。

この旋回流は、図２の横断面方向の速度ベクトルにより示されるように、導管２１の内壁面２１ｂ近傍では周方向の速度ベクトルが大きくなり、導管２１の中心部Ｃに向けて徐々に周方向成分が小さくなり、垂直上向きの速度ベクトルが大きくなる。
また、この旋回流は、図１の模式図に示すように、下段側のサイクロン１３Ｂから導管２１を経由して分配部２３で２つに分配され、上段側の２基のサイクロン１３Ａに分かれて流通する。２基のサイクロン１３Ａのうちの一方側に流れる流れを黒塗り矢印で示し、他方側に流れる流れを白抜き矢印で示しており、導管２１内ではこれらが螺旋状にねじれながら上昇する。そして、導管２１内を上昇して分配部２３まで到達し、この分配部２３から分岐した状態で分配出口２１ａからそれぞれのサイクロン１３Ａに導出される。
このように、導管２１内が２つの流れがねじれながら上昇する旋回流となることから、セメント原料がそのいずれか一方の流れにのみ投下されてしまうと、上段側の２基のサイクロン１３Ａのうちの一方にのみ偏って供給され、その一方のサイクロン１３Ａのみ負荷が増大することになる。

本発明のセメント製造装置は、下段側（３段目）サイクロン１３Ｂから導出される排ガスを分配して２基の上段側（４段目）サイクロン１３Ａに導く導管２１の分配部２３よりも下方位置に、セメント原料を供給する原料供給管２２を上段側サイクロン１３Ａへの分配出口２１ａの数と同数設け、各原料供給管２２の導管２１への接続口２２ａを、各分配出口２１ａに流れ込む排ガスの旋回流の個々の流れに対応する位置に１個ずつ配置することで、投下された原料が、この旋回流の流れに乗せて上昇しながら分配部２３から上段側の両サイクロン１３Ａに均等に供給される。図１に示す例では、１８０°対向して配置された各原料供給管２２から、２つの流れのそれぞれにセメント原料が供給される。そして、これら２つの流れのそれぞれに供給されたセメント原料は、その流れに乗って各上段側サイクロン１３Ａに供給される。

したがって、両サイクロンの負荷が均衡し、それぞれに供給されたセメント原料の予熱状態を均等にすることができる。プレヒータ最上段のサイクロン出口におけるガス温度差が例えば１００℃以上になると、熱量原単位が少なくとも３ｋｃａｌ／ｋｇ−ｃｌｉ以上増大するが、本発明の装置のように予熱状態を均等にすることにより、その温度差を小さくして、熱量原単位を低減させることができる。しかも、原料供給管２２の接続口２２ａは、導管２１の内壁面に面一に設置されているので、下方から上昇してくる旋回流の流れに対する抵抗がなく、圧力損失が低く、エネルギー消費の少ない操業を行わせることができる。
なお、３基以上のサイクロンを設けた場合には、図６及び図７に示すように、導管２１内に、分配出口２１ａの数に合わせて旋回流の流れが生じる。この場合には、原料供給管２２の導管２１への接続口２２ａを、各分配出口２１ａに流れ込む排ガスの旋回流の個々の流れに対応する位置に１個ずつ配置することで、投下された原料が、各旋回流の流れに乗って各分配出口２１ａから上段側サイクロンに均等に供給される。図６に示す例では、１２０°ずつずれた位置に配置された各原料供給管２２から、３つの旋回流の流れのそれぞれにセメント原料が供給され、その流れに乗って各分配出口２１ａから上段側サイクロンに均等に供給される。また、図７に示す例では、９０°ずつずれた位置に配置された各原料供給管２２から、４つの旋回流の流れのそれぞれにセメント原料が供給され、その流れに乗って各分配出口２１ａから上段側サイクロンに均等に供給される。
すなわち、原料供給管２２を、上段側サイクロンへの分配出口２１ａの数ｎに合わせて、３６０°／ｎずつずれた位置に配置することで、セメント原料を各旋回流の流れに乗せて上段側サイクロンに均等に供給することができる。

図４は、本発明のセメント製造装置の第２実施形態を示している。
この図４に示すセメント原料装置のように、原料供給管２２の各接続口２２ａを、導管２１の一側面の上下に離間して２個所定の間隔で配置することにより、排ガスの旋回流の２つの流れに対応する位置に１個ずつ配置する構成としてもよい。この場合も、各原料供給管２２から２つの流れのそれぞれにセメント原料を供給できる。そして、これら２つの流れに供給されたセメント原料は、その流れに乗って各上段側サイクロン１３Ａに供給される。したがって、上段側のサイクロン１３Ａへの各分配出口２１ａにセメント原料を均等に流出させることができ、その予熱を均等にして熱交換効率を高めることができる。
また、３基以上のサイクロンに分配して原料を供給する場合には、原料供給管２２を、上段側サイクロンへの分配出口の数ｎに合わせて、導管の一側面の上下に離間してｎ個所定の間隔で配置することで、旋回流の個々の流れに対応する位置に１個ずつ配置することができる。

実際に原料供給管の接続口を導管のどの位置に配置すればよいかは、分配出口の温度差を見ながら原料供給管の接続位置を変更することで、旋回流の個々の流れに対応する接続位置が決定される。具体的には、コンピュータシミュレーションを用いる方法や、冷間試験装置を用いる方法、実機において分配出口の温度差を見ながら接続位置を変更する方法が挙げられる。以下では、２つの旋回流の流れにセメント原料を投下できる原料供給管の接続位置をシミュレーションした結果について説明する。
シミュレーションの導管モデルは、図１に示すように、最上段のサイクロンへの分配出口２１ａを２個備え、原料供給管２２の接続口２２ａを導管２１の軸線回りに１８０°ずらして対向配置させた構成とした。また、上段側サイクロンの各分配出口２１ａの中心を通る水平面Ｐ１から原料供給管２２の各接続口２２ａの中心を通る水平面Ｐ２の間の垂直距離Ｈと、導管の直径Ｄとの比率Ｈ／Ｄを、１．０７，１．４７，１．８４，２．２２，２．６８に設定した５種類の導管モデルを構成し、これらの導管について熱流体シミュレーションを行った。そして、分配部を経由した後の導管の左右の分配出口温度を計算し、その温度差を求めた。また、導管の左右の分配出口から流出するセメント原料の割合を計算し、その割合差を求めた。
また、シミュレーションの条件としては、クリンカ生産量２００ｔｏｎ／ｈのセメントキルンのプレヒータを想定し、３段目のサイクロンに風量１４３００Ｎｍ^３／ｈ、温度６４０℃のガスを供給し、原料供給管に風量１４００Ｎｍ^３／ｈ、温度８０℃のガスを供給するものとした。なお、原料供給管２２の傾斜角度θは３５°に設定した。結果を、表１及び図５に示す。図５の縦軸は、左右の分配出口間の排ガス温度差である。

表１及び図５に示される結果より明らかなように、分配出口温度差が小さいほど、各分配出口における流出原料の割合差も小さく、セメント原料の予熱状態を均等に行うことができる。なお、実用的な比率Ｈ／Ｄの範囲（１．１〜３．０）では、分配出口温度差を概ね５０℃以内にできる。
また、比率Ｈ／Ｄが１．４〜２．７に設定される位置に原料供給管の各接続口を配置した場合は、左右の分配出口間の排ガス温度差を２０℃以内にして、流出原料の割合差を小さく抑えることができ、好ましい。
さらに、比率Ｈ／Ｄが１．５〜２．４に設定される位置に原料供給管の各接続口を配置した場合は、左右の分配出口間の排ガス温度差を１０℃以内にして、流出原料の割合差を小さく抑えることができ、より好ましい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、最上段のサイクロン１３Ａに接続されている導管への原料供給についてのみ説明したが、各段で複数設置されるサイクロンへの導管や、最下段のサイクロン１３Ｄとセメントキルンの窯尻部６との間を接続するライジングダクト２５（図３参照））に原料を供給する場合にも本発明を適用することもできる。
また、セメント原料としてミルから送られる生原料だけでなく、上部のサイクロンを経由した後に下部のサイクロンに導かれる予熱途中の原料を導管に供給する場合にも、本発明を適用することができる。

また、上記実施形態においては、各原料供給管２２から均等にセメント原料を供給し、各旋回流の流れに乗せることとしていたが、各原料供給管２２の上流に、各原料供給管２２へのセメント原料の供給量を調整する供給量制御器を設ける構成としてもよい。この場合、各原料供給管２２に供給されるセメント原料の供給量を制御して振り分けることができ、各分配出口２１ａに供給されるセメント原料の温度をより均等に予熱することができる。

３ プレヒータ
４ セメントキルン
６ 窯尻部
１３，１３Ａ〜１３Ｄ サイクロン
２１ 導管
２１ｂ 内壁面
２２ 原料供給管
２３ 分配部
２４ 上端
２５ ライジングダクト

Claims (3)

1. セメントキルンで発生した排ガスを流通させる複数のサイクロンが上下方向に連結状態とされるとともに、複数の上段側サイクロンとその下方に配置される下段側サイクロンとの間に、下段側サイクロンから導出される前記排ガスを上方に流通させ分配して各上段側サイクロンに導く導管が設けられ、前記導管における前記複数の上段側サイクロンへの分配部よりも下方位置に、セメント原料を供給する原料供給管が前記上段側サイクロンへの分配出口の数と同数設けられており、各原料供給管の前記導管への接続口は、各分配出口に流れ込む排ガスの旋回流の個々の流れに対応する位置に１個ずつ配置されていることを特徴とするセメント製造装置。
2. 前記上段側サイクロンへの分配出口の数をｎとした場合に、前記原料供給管の各接続口が、前記導管の軸線回りに３６０°／ｎずつずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載のセメント製造装置。
3. 前記上段側サイクロンへの分配出口の数をｎとした場合に、前記原料供給管の各接続口が、前記導管の一側面の上下に離間してｎ個所定の間隔で配置されていることを特徴とする請求項１記載のセメント製造装置。

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