JP5560469B2

JP5560469B2 - セメント製造装置

Info

Publication number: JP5560469B2
Application number: JP2011079487A
Authority: JP
Inventors: 大輔坂庭; 俊柱王; 裕和島
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: JP2012214309A

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、導管内に原料を均一に分散させて供給し、予熱を均等にして熱交換効率を高めるとともに、閉塞等を防止して、安定した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。

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接続され、該原料供給管は、その先端が前記導管の内壁面から導管の内径の０．１５〜０．５倍の長さの範囲で突出していることを特徴とする。

このように原料供給管の導管内への挿入長さを導管の内径の半分までの範囲に限定して、導管内を上昇する排ガスの流通を阻害しないようにしている。しかも、原料供給管の下面は凸状の円弧面であるので、排ガスの上昇流に対する抵抗は小さい。
セメント原料は、原料供給管の先端から導管のほぼ中心部に落下する。この導管内は、下段側サイクロンからの排ガスが旋回流となって上昇しており、この旋回流は、中心部では旋回方向の速度ベクトルは小さく垂直上向きの速度ベクトルが支配的であるため、中心部に落下した原料は、上昇成分に乗って上昇し、緩やかに遠心力で半径方向外方に分散して均等に広がりながら上昇する。したがって、上段側のサイクロンにはセメント原料がほぼ均等に供給される。

本発明のセメント製造装置において、前記原料供給管は前記導管の管軸方向から２０°〜５０°の角度で傾斜しているとよい。
これにより、原料供給管の先端から原料を慣性で導管のほぼ中心部に投下させることができ、中心部に発生する垂直上向きのベクトル成分に乗せて上昇させ、上段側サイクロンに均等に分散させて供給することができる。３０°〜４０°の角度がより好ましい。

更に、本発明のセメント製造装置において、前記導管の分配部を含む水平面から前記原料供給管の先端までの垂直距離が前記導管の内径に対して２．２５倍以上であり、前記下段側サイクロンの上端から前記原料供給管の先端までの距離が前記導管の内径に対して０．５倍以上であるとよい。
分配部を含む水平面から原料供給管の先端までの垂直距離を上記の範囲とすることにより、原料供給管の先端から導管の中心部に原料を投下したときにこの原料を旋回流の中心部で安定して分散させることができ、分配部からほぼ同量の原料を各サイクロンに供給することができる。導管の分配部を含む水平面から原料供給管の先端までの垂直距離が導管の内径に比べて小さ過ぎると、分配が均等になされず、上段側サイクロンの温度負荷に偏りが生じる。また、下段側サイクロンの上端から原料供給管の先端までの距離が小さ過ぎると、原料供給管から供給された原料が下段側サイクロンまで落下して、排ガスと原料との熱交換効率が悪化する。

本発明のセメント製造装置によれば、プレヒータの内部にセメント原料を均一に分散させて供給することができるので、その予熱を均等にすることが可能になる。更に、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以上増大するため、本発明の装置によって、熱量原単位の低減が可能になる。しかも、原料供給管の先端部を挿入した単純な構造であり、原料供給管の外周円弧面により排ガスの流れを阻害することもなく、安定した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一実施形態における原料供給管付近の縦断面図である。図１の横断面図である。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。導管内への原料供給管の挿入深さに対する導管出口の温度差の測定結果を示したグラフである。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と導管出口の温度差との関係を測定した結果を示すグラフである。原料供給管から供給される原料の導管内の流れ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。

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。
このセメント製造装置は、図８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１３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８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１３に対して最上段である４段目に２基のサイクロン１３が並列状態に接続されており、３段目のサイクロン１３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１３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１３と、３段目の一つのサイクロン１３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１３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１３にそれぞれ接続されている。図３及び図７には、下段側のサイクロン１３のみ示し、導管２１の上部は出口２１ａまでを示し、上段側サイクロン１３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ている。その接続位置は、導管２１の分配部２３を含む水平面Ｐから原料供給管２２の先端までの垂直距離Ｈが導管２１の内径Ｄに対して２．２５倍以上とされ、また、３段目サイクロン１３の上端２４から原料供給管２２の先端までの距離ｈが導管２１の内径Ｄに対して０．５倍以上とされている。なお、分配部２３は、導管２１の軸線Ｃ１と上段側の両サイクロンへの出口２１ａ中心間を結ぶ線Ｃ２との交点部分とする（図３参照）。

また、原料供給管２２は、図１に示すように、導管２１の管軸方向から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。また、原料供給管２２の先端は、導管２１の内壁面２１ｂから導管２１の内径Ｄの０．１５〜０．５倍の長さＬの範囲で突出しており、その先端面２２ａは垂直方向に沿う平坦面に形成されている。

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１３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１３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１３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、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４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３の模式図に示すように、下段側のサイクロン１３から導管２１を経由して分配部２３で二つに分配され、上段側の２基のサイクロン１３に分かれて流通する。２基のサイクロン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それぞれのサイクロン１３に導出される。
このように、導管２１内が二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基のサイクロンのうちの一方にのみ偏って供給され、そのサイクロン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、３段目サイクロン１３から導出される排ガスを分配して２基の４段目サイクロン１３に導く導管２１の分配部２３よりも下方位置に、原料供給管２２が傾斜して接続され、この原料供給管２２の先端２２ａを導管２１の内壁面２１ａから導管２２の内径Ｄの０．１５〜０．５倍の長さの範囲で突出させたことにより、導管２１内の旋回流の中心部Ｃに原料を投下することができる。前述したように、この中心部Ｃでは周方向の速度ベクトルは小さく、垂直方向の速度ベクトルが支配的であるため、投下された原料は、この上昇流に乗せて上昇しながら緩やかに半径方向外方に分散され、分配部２３から４段目の両サイクロン１３に均等に供給される。
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、導管２１内に挿入状態となっている原料供給管２２の下面は、外周円弧面であるので、下方から上昇してくる旋回流の流れに対する抵抗が小さく、閉塞等を防止して安定した操業を行わせることができる。

なお、導管２１の分配部２３を含む水平面Ｐから原料供給管２２の先端までの垂直距離Ｈに関しては、導管２１の内径Ｄに対して、Ｈ／Ｄを２．２５以上とすることで、導管２１内への原料供給管２２の挿入深さを前述の範囲としたときの均等化の効果が高くなる。また、下段サイクロン１３の上端２４からの距離ｈに関しては、下段サイクロン１３に原料が直落ちしないように導管２２の内径Ｄの０．５倍以上確保する。したがって、導管２１における原料供給管２２の位置は、導管２１全体の長さの中で、原料供給管２２から分配部２３を含む水平面Ｐまでの垂直距離Ｈ、下段サイクロン１３までの垂直距離ｈがそれぞれ導管２２の内径Ｄと上記の関係となるように設定される。

次に、導管の内径に対する原料供給管の挿入深さ（Ｌ／Ｄ）が０，０．２２，０．３３，０．４，０．５となる５種類設定し、分配部を経由した後の導管の左右の出口温度を測定して、その温度差を求めた。温度差がないことが望ましい。
条件としては、３段目サイクロンに風量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℃、セメント原料を３０．４ｔｏｎ／ｈ供給した。原料供給管の傾斜角度θは３５°、導管の分配部を含む水平面から原料供給管の先端までの垂直距離Ｈは導管の内径Ｄの２．９倍とした。
その結果を図５に示す。横軸が導管の内径に対する挿入深さ（Ｌ／Ｄ）を示し、縦軸は温度差（℃）を示す。

この図５に示される結果より、導管の内径に対する原料供給管の挿入長さ（Ｌ／Ｄ）が０．１５〜０．５までの範囲内であれば、出口の温度差がほぼ４０℃以下となり、Ｌ／Ｄが０．３５〜０．４０付近が最も温度差が小さくなっている。この図５において、Ｌ／Ｄ＝０．００となるのは、原料供給管の先端が導管の内壁面に開口している場合であり、そのような構造では、導管の出口温度差が８０℃近くにまで大きくなり、サイクロンへの負荷が偏ることがわかる。
実用的には、原料供給管は導管の内径に対して０．１５〜０．５倍の長さの範囲で突出するように挿入すれば、原料をほぼ均等に分配することができる。

次に、導管の分配部を含む水平面から原料供給管の先端までの垂直距離Ｈの導管の内径Ｄに対する比（Ｈ／Ｄ）が１．７５、２．２５、２．７５、２．９となる４種類設定し、同様に分配部を経由した後の導管の左右の出口温度を測定して、その温度差を求めた。導管の内径に対する挿入深さ（Ｌ／Ｄ）は０．３３に固定するとともに、その他のガスの風量や温度等は前述した条件とした。結果を図６に示す。横軸が導管の内径に対する分配部を含む水平面から原料供給管の先端までの垂直距離の比（Ｈ／Ｄ）を示し、縦軸は温度差（℃）を示す。
この図６に示される結果より、導管の内径に対する分配部を含む水平面から原料供給管の先端までの垂直距離の比（Ｈ／Ｄ）が２．２５未満では、その比（Ｈ／Ｄ）が小さくなるにしたがって出口の温度差が急激に大きくなるが、２．２５以上であれば、温度差がほぼ１０℃以下に安定している。

図７は、導管の分配部から導管の内径の２．９倍の距離Ｈの位置に、原料供給管を導管の内径のほぼ１／３の長さで突出させた場合の原料粒子の流れのみをシミュレーションにより求めたものであり、左右に均等に分配されていることがわかる。

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７参照））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、３基以上のサイクロンに分配して原料を供給する場合も含むものとする。

３プレヒータ
４セメントキルン
６窯尻部
１３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

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接続され、該原料供給管は、その先端が前記導管の内壁面から導管の内径の０．１５〜０．５倍の長さの範囲で突出していることを特徴とするセメント製造装置。
前記原料供給管は前記導管の管軸方向から２０°〜５０°の角度で傾斜し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。
前記導管の分配部を含む水平面から前記原料供給管の先端までの垂直距離が前記導管の内径に対して２．２５倍以上であり、前記下段側サイクロンの上端から前記原料供給管の先端までの距離が前記導管の内径に対して０．５倍以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のセメント製造装置。