JP5739193B2 - クリンカダスト添加制御装置およびクリンカダスト添加制御プログラム - Google Patents
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Description
本発明は、原料セメントへクリンカダストを添加して製品セメントを得る工程を制御するクリンカダスト添加制御装置およびクリンカダスト添加制御プログラムに関する。
セメントクリンカの焼成工程においては、セメント原料および燃料から持ち込まれる塩素、アルカリ、硫黄等の揮発性成分は、キルン・プレヒータ系内で循環することにより順次濃縮される。この揮発性成分量を減少させるため、揮発性成分濃度の高いキルン排ガスを、図６に示すような塩素バイパスによって系外に抜き出し、塩素、アルカリまたは重金属を除去する方法が採用され、改良されている。
たとえば特許文献１記載の塩素バイパスによるキルン排ガス処理方法は、キルン排ガスの一部をキルンから抽気し、抽気した排ガスを６００度〜７００度以下に瞬間的に冷却した後、冷却された排ガス中のダストを分級器により粗粉と微粉とに分級し、分離された粗粉をキルンに戻し、微粉をセメント系に排出する。そして、抽気量や分級点を調整することで、熱損失を低減し、キルンの安定運転を確保できるようにしている。
上記のように塩素バイパスにより系外に放出される微粉はクリンカダストと呼ばれる。クリンカダストは冷却器および集塵機にて回収され、揮発性成分が濃縮されおり、セメントに添加することで有効に再利用されている。近年、産業廃棄物の有効利用の推進により、塩素含有量の多い燃料を利用せざるを得ず、クリンカダストに含まれる塩素濃度が高く、不安定になりやすくなっている。このような状況の中、現場では、オペレータがセメント塩素分析結果を見ながら手動でクリンカダストの添加比率を設定している。
一方、セメント製造の技術分野では、自動制御でセメント原料の調合を行う技術が知られている。たとえば、特許文献２記載の方法は、セメント原料が調合されるミル系の出側で得られるサンプル原料の成分含有率を測定し、混合原料の特性値を求め、特定の算出モデル等を利用してモジュラス予測値を目標値に対して追従させることで、原石切り出し量を計算している。
上記のように、セメントの製造工程では、オペレータがセメントの分析結果を見ながら手動でクリンカダストの添加比率を設定している。しかし、クリンカダストの成分濃度が変動することにより、同じクリンカダストの添加比率でも特定の成分が目標値を大幅に超過する危険性があるため、添加比率を低めに設定せざるを得ず、クリンカダスト処理量の増加は難しい。また、クリンカダストの添加比率を自動制御するとしても、ＰＩＤ制御のような単純なフィードバック制御では上記の超過危険性を解消するには不十分である。また、このような事情は、セメントの仕上工程に特有であり、セメントの原料調整技術は応用できない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、安定的に製品セメントの対象成分濃度を目標値に近づけ、従来の添加量より多くのクリンカダストを添加できるクリンカダスト添加制御装置およびクリンカダスト添加制御プログラムを提供することを目的とする。
（１）上記の目的を達成するため、本発明のクリンカダスト添加制御装置は、原料セメントへクリンカダストを添加して製品セメントを得る工程を制御するクリンカダスト添加制御装置であって、測定された製品セメントの対象成分濃度を取得する第１の濃度取得部と、前記測定された製品セメントの対象成分濃度と所定の原料セメントの対象成分濃度との差分から、新たに得られる製品セメントの対象成分濃度が所定の目標値になるようにクリンカダストの添加比率を算出する添加比率算出部と、を備えることを特徴としている。
これにより、クリンカダストの対象成分濃度を実際に測定することなく、その変動に応じて自動的にクリンカダストの添加比率を決定できる。その結果、安定的に製品セメントの対象成分濃度を目標値に近づけ、従来の添加量より多くのクリンカダストを添加できる。また、添加セメントの対象成分濃度が目標値を大幅に超過する事態を防止できる。
（２）また、本発明のクリンカダスト添加制御装置は、前記対象成分濃度が、塩素濃度であることを特徴としている。これにより、安定して製品セメントの塩素濃度を目標値に近づけることができ、十分な品質の製品セメントを供給できる。
（３）また、本発明のクリンカダスト添加制御装置は、前記対象成分濃度が、鉛濃度であることを特徴としている。これにより、安定して製品セメントの鉛濃度を目標値に近づけることができ、十分な品質の製品セメントを供給できる。
（４）また、本発明のクリンカダスト添加制御装置は、クリンカダストの容重に応じて、前記算出されたクリンカダストの添加比率を補正する補正部を更に備えていることを特徴としている。このような容重に応じた補正により、適当なクリンカダストの添加比率を正確に算出することができ、さらに安定的なクリンカダストの添加が可能になる。
（５）また、本発明のクリンカダスト添加制御装置は、前記測定された製品セメントの対象成分濃度が所定の上限値を超えたときには、前記算出されたクリンカダストの添加比率から所定値を引いた値を新たなクリンカダストの添加比率とする非定常制御部を更に備えていることを特徴としている。このように非定常状態においては、クリンカダストの添加量を急速に低減し、製品セメントの品質の維持を優先できる。
（６）また、本発明のクリンカダスト添加制御プログラムは、原料セメントへクリンカダストを添加して製品セメントを得る工程を制御するクリンカダスト添加制御プログラムであって、測定された製品セメントの対象成分濃度を取得する処理と、前記測定された製品セメントの対象成分濃度と所定の原料セメントの対象成分濃度との差分から、新たに得られる製品セメントの対象成分濃度が所定の目標値になるようにクリンカダストの添加比率を算出する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴としている。これにより、安定的に製品セメントの対象成分濃度を目標値に近づけ、従来の添加量より多くのクリンカダストを添加できる。
本発明によれば、安定的に製品セメントの対象成分濃度を目標値に近づけ、従来の添加量より多くのクリンカダストを添加できる。
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
（セメント仕上工程プラントの構成）
図１は、セメント仕上工程プラントの構成を示す概略図である。図１に示すように、セメント仕上工程プラント１００は、サンプラ１１０、分析装置１１５、セメントクリンカサイロ１２０、石膏添加設備１２５、計量器１３０、ＦＩＣ１３５、仕上ミル１４０、セパレータ１４５、クリンカダストサイロ１５０、計量器１６０、ＦＩＣ１６５、サンプラ１７０、分析装置１７５、セメントタンク１８０、サイロ別対象成分濃度設定部１８５および制御計算機（クリンカダスト添加制御装置）１９０を備えている。
図１は、セメント仕上工程プラントの構成を示す概略図である。図１に示すように、セメント仕上工程プラント１００は、サンプラ１１０、分析装置１１５、セメントクリンカサイロ１２０、石膏添加設備１２５、計量器１３０、ＦＩＣ１３５、仕上ミル１４０、セパレータ１４５、クリンカダストサイロ１５０、計量器１６０、ＦＩＣ１６５、サンプラ１７０、分析装置１７５、セメントタンク１８０、サイロ別対象成分濃度設定部１８５および制御計算機（クリンカダスト添加制御装置）１９０を備えている。
サンプラ１１０は、クリンカクーラー（図示せず）で冷却されたセメントクリンカをサンプリングし、サンプルを分析装置１１５へ供給する。なお、セメントクリンカおよび仕上ミル１４０による粉砕後のセメントを含めクリンカダスト添加前のセメントを原料セメントと総称する。
分析装置１１５は、セメントクリンカの対象成分の濃度を分析する。対象成分濃度の測定値は、制御計算機１９０へ送信する。セメントクリンカサイロ１２０は、セメントクリンカを一時的に蓄積するためのサイロである。石膏添加設備１２５は、セメントクリンカに石膏を添加する。計量器１３０は、ＦＩＣ１３５の制御に従ってセメントクリンカを計量し、計量されたセメントクリンカを仕上ミル１４０に投入する。ＦＩＣ１３５は、仕上ミル１４０に投入されるセメントクリンカの積算値を記憶しつつ、新たに仕上ミル１４０に投入するセメントクリンカの計量および投入を制御する。
仕上ミル１４０は、セメントクリンカを微粉砕する粉砕機である。セパレータ１４５は、仕上ミル１４０を通過したセメントを粗粉と微粉に分け、粗粉を再び仕上ミル１４０に戻す分級機である。
クリンカダストサイロ１５０は、塩素バイパス（図示せず）を経て回収したクリンカダストを一時的に蓄積するサイロである。計量器１６０、ＦＩＣ１６５の制御に従ってクリンカダストを計量し、計量されたクリンカダストをセメントに添加する。ＦＩＣ（Flow Indication Controller）１６５は、流量指示調節計であり、セメントに添加されるクリンカダストの積算値を記憶しつつ、新たにセメントに添加するクリンカダストの計量および投入を制御する。なお、上記の例のように仕上ミル工程後にクリンカダストを添加するのが好ましいが、仕上ミル工程前に添加しても良い。
サンプラ１７０は、セメントにクリンカダストが添加されて得られた製品セメントをサンプリングし、サンプルを分析装置１７５へ供給する。分析装置１７５は、製品セメントの対象成分の濃度を分析する。対象成分濃度の測定値は、制御計算機１９０へ送信する。
セメントタンク１８０は、製品セメントを蓄積するタンクとして複数のサイロで構成されており、サイロ別に対象成分濃度が設定されている。サイロ別対象成分濃度設定部１８５は、セメントタンク１８０のサイロ別の対象成分濃度を所定の濃度に設定する。制御計算機１９０は、原料セメントへクリンカダストを添加して製品セメントを得る工程を制御する装置である。制御計算機１９０の詳細については以下に説明する。
（クリンカダスト添加制御装置の構成）
図２は、制御計算機（クリンカダスト添加制御装置）１９０の機能的構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御計算機１９０は、第１の濃度取得部１９１、第２の濃度取得部１９２、添加比率算出部１９３、補正部１９６および非定常制御部１９７を備えている。
図２は、制御計算機（クリンカダスト添加制御装置）１９０の機能的構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御計算機１９０は、第１の濃度取得部１９１、第２の濃度取得部１９２、添加比率算出部１９３、補正部１９６および非定常制御部１９７を備えている。
第１の濃度取得部１９１は、測定された製品セメントの対象成分濃度を取得する。対象成分濃度としては、塩素濃度、鉛濃度が挙げられる。特に、塩素は製品セメントの品質に対して影響が大きく、制御対象としても重要である。
第２の濃度取得部１９２は、固定値として原料セメントの対象成分濃度を取得する。固定値には、所定値としてオペレータが設定した値を用いても良いし、測定周期を大きくとることで固定値として扱ってもよい。
添加比率算出部１９３は、取得した製品セメントの対象成分濃度と原料セメントの対象成分濃度との差分から、新たに得られる製品セメントの対象成分濃度が所定の目標値になるようにクリンカダストの添加比率を算出する。添加比率算出部１９３は、濃度推定部１９４および添加比率決定部１９５から構成されている。
濃度推定部１９４は、測定された製品セメントの対象成分濃度と所定の原料セメントの対象成分濃度との差分から、クリンカダストの対象成分濃度を推定する。クリンカダストの対象成分濃度は、クリンカダストの推定対象成分濃度ＣＤ_ＥＳ、製品セメントの対象成分濃度ＣＭ_ＡＮ、セメントクリンカのミル総輸送量ＣＬ_ＳＵＭ、クリンカダストの添加量ＣＤ_ＳＵＭ、セメントクリンカの対象成分濃度ＣＬ_ＡＮを用いて、数式(1)により算出できる。
原料セメントの投入量ＣＬ_ＳＵＭおよびクリンカダストの添加量ＣＤ_ＳＵＭは、測定値受信時のセメントクリンカ投入量積算値ＣＬ_ＳＵＭ２、前回測定値受信時のセメントクリンカ投入量積算値ＣＬ_ＳＵＭ１、測定値受信時のクリンカダスト投入量積算値ＣＤ_ＳＵＭ２、前回測定値受信時のクリンカダスト投入量積算値ＣＤ_ＳＵＭ１、測定間の積算時間ＴＭ_ＳＵＭ、単位時間ＴＭ_ＳＴＤを用いて、数式（２）、（３）により求められる。
添加比率決定部１９５は、推定されたクリンカダストの対象成分濃度に基づいて、新たに得られる製品セメントの対象成分濃度が所定の目標値になるようにクリンカダストの添加比率を決定する。これにより、クリンカダストの対象成分濃度を実際に測定することなく、その変動に応じて自動的にクリンカダストの添加比率を決定できる。その結果、安定的に製品セメントの対象成分濃度を目標値に近づけ、従来の添加量より多くのクリンカダストを添加できる。
添加比率は、偏差分の対象成分濃度ＡＮ_ＤＶ、製品セメントの対象成分濃度の管理目標値ＡＮ_ＳＶ、偏差分の添加比率ＡＲ_ＤＳＶ、測定値受信時の添加比率ＡＲ_ＳＶ２、新たな添加比率ＡＲ_ＳＶ３を用いて、数式(4)、(5)、(6)により決定できる。
補正部１９６は、製品セメントの容重に応じて、添加比率算出部１９３で算出されたクリンカダストの添加比率を補正する。このような容重に応じた補正により、適当なクリンカダストの添加比率を正確に算出することができ、さらに安定的なクリンカダストの添加が可能になる。
補正制御は、クリンカダストの容重として見掛け比重の測定値を用いて行うのが好ましい。補正部１９６は、計量器１６０で計測された見掛け比重の測定値を用いて、測定値受信間隔の間のクリンカダストの対象成分濃度の変動を予測し、変動に応じた添加比率を計算、設定する。補正制御は、クリンカダストの対象成分濃度がクリンカダストおよび製品セメントの測定値受信間隔では追従できないほど短い周期で変動する場合に有効である。
たとえば、クリンカダストの塩素濃度と見掛け比重との間には相関関係があるため、クリンカダストの見掛け比重を用いて重回帰式でクリンカダスト塩素濃度を予測することができる。たとえば、クリンカダスト塩素濃度補正値は測定値受信時に推定した塩素濃度ＣＤ_ＥＳを基準として、クリンカダスト見掛け比重の変化量ＣＤ_ＤＡＳＧ（補正時のクリンカダスト見掛け比重ＣＤ_ＡＳＧ２−測定値受信時のクリンカダスト見掛け比重ＣＤ_ＡＳＧ１）より重回帰係数Ａ１を用いて以下の数式(7)で求められる。
また、補正後のクリンカダストの添加比率ＡＲ_ＤＳＶは、以下の数式（８）により、クリンカダスト塩素濃度補正値ＣＤ_ＥＳＨを用いて再計算することができる。
非定常制御部１９７は、測定された製品セメントの対象成分濃度が所定の上限値を超えたときには、上限値の超過が１回目であれば、アラームを出力し、決定されたクリンカダストの添加比率から所定値を引いた値を新たなクリンカダストの添加比率とする。上限値は、現場の状況に応じて任意に設定できる値である。上限値の超過が２回目であれば、アラームの出力後、上限値より小さい所定値を新たなクリンカダストの添加比率として設定する。このように非定常状態においては、クリンカダストの添加量を急速に低減し、製品セメントの品質の維持を優先できる。
（クリンカダスト添加制御装置の動作）
次に、上記のように構成された制御計算機（クリンカダスト添加制御装置）１９０の動作を説明する。図３は、制御計算機１９０の動作を示すフローチャートである。
次に、上記のように構成された制御計算機（クリンカダスト添加制御装置）１９０の動作を説明する。図３は、制御計算機１９０の動作を示すフローチャートである。
まず、制御計算機１９０は、原料セメントの対象成分濃度および製品セメントの対象成分濃度を取得する（ステップＳ１）。そして、製品セメントの対象成分濃度が上限値を超えているか否かを判定し（ステップＳ２）、上限値を超えている場合には、アラームを出力し、非定常制御を行い（ステップＳ３）、ステップＳ７へ進む。
製品セメントの対象成分濃度が上限値を超えていない場合には、クリンカダストの対象成分濃度を推定し（ステップＳ４）、推定された対象成分濃度をもとにクリンカダストの添加比率を決定する（ステップＳ５）。なお、原料セメントの対象成分濃度を固定値とし、クリンカダストの対象成分濃度を推定する。
次に、決定された添加比率の補正を行う（ステップＳ６）。補正の動作の詳細は後述する。なお、補正しない実施形態も可能である。そして、運転終了の指示があったか否かを判定する（ステップＳ７）。運転終了の指示がなければ、ステップＳ１に戻る。運転終了の指示がある場合には、運転を終了する。
上記の補正の動作について説明する。図４は、補正の動作を示すフローチャートである。補正は、以下に説明するように製品セメントの対象成分濃度の分析周期の間に複数回行うことが好ましい。まず、クリンカダストの容重値を取得する（ステップＴ１）。容重値の取得は、補正周期と同等かそれより短い周期で行う。
次に、クリンカダストの添加比率を補正する（ステップＴ２）。そして、補正周期ＴＭが経過したか否かを判定し（ステップＴ３）、補正周期ＴＭが経過していない場合には、ステップＴ３に戻る。補正周期ＴＭが経過した場合には、補正回数が上限を超えたか否かを判定し（ステップＴ４）、上限を超えた場合には終了する。補正回数が上限を超えない場合には、ステップＴ１に戻り、補正の動作を繰り返す。なお、以上の制御計算機１９０の動作は、プログラムにより実行される。
（数式の導出）
次に、クリンカダストの添加比率を算出するための数式について、その導出過程を説明する。まず、クリンカダストの対象成分濃度は、数式(9)で表すことができる。
次に、クリンカダストの添加比率を算出するための数式について、その導出過程を説明する。まず、クリンカダストの対象成分濃度は、数式(9)で表すことができる。
これにより、偏差分の塩素濃度（ＡＮ_ＤＶ＝ＡＮ_ＳＶ−ＣＭ_ＡＮ）は、数式(10)のように計算できる。
ここで偏差分の添加比率をＡＲ_ＤＳＶとすると、ＣＬ_ＳＵＭ＝１のとき、ＣＤ_ＳＵＭ＝ＡＲ_ＤＳＶとなる。これを、数式(10)に代入すると、数式(11)が得られる。
数式(9)をＡＲ_ＤＳＶについて解くと数式(12)が得られる。
ここで、偏差分の塩素濃度ＡＮ_ＤＶ≪ＣＤ_ＥＳなので、分母のＡＮ_ＤＶ＝０とすると、数式(13)が得られる。
この偏差分の塩素濃度に、測定時の添加比率をフィードバックすると、数式(14)の通り新たな添加比率が得られる。
［実施例］
次に、セメント仕上工程プラントにおいて従来および本発明それぞれの制御を行った。従来の制御では、オペレータが所定の目標値に対して手動制御を行った。一方、本発明の制御では、クリンカダストの塩素濃度を推定し、推定された塩素濃度からクリンカダストの添加比率を決定することを繰り返す自動制御を行った。製品セメントの塩素濃度の測定値を受信する間隔は、１時間とし、原料セメントの塩素濃度は一定値に設定した。
次に、セメント仕上工程プラントにおいて従来および本発明それぞれの制御を行った。従来の制御では、オペレータが所定の目標値に対して手動制御を行った。一方、本発明の制御では、クリンカダストの塩素濃度を推定し、推定された塩素濃度からクリンカダストの添加比率を決定することを繰り返す自動制御を行った。製品セメントの塩素濃度の測定値を受信する間隔は、１時間とし、原料セメントの塩素濃度は一定値に設定した。
図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ比較例および実施例を示すグラフである。図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ３日分のトレンドを示している。図５（ａ）に示す例に比べ、図５（ｂ）に示す例では、添加セメントの対象成分濃度が目標値を大幅に超過する事態を防止できている。また、製品セメントの塩素濃度の標準偏差が小さく、目標値に近い値を取ることができている。
また、本発明の制御の導入前と導入後のデータを比較すると、３ヶ月間についてクリンカダスト処理量は、平均上昇率１５〜３５％で増加した。また、製品セメントの塩素濃度の標準偏差は、２７％減少した。なお、本発明の制御を適用している間、クリンカダスト添加比率は、０．０１〜０．２％で維持された。このように、本発明の制御の導入により、安定的に製品セメントの塩素濃度を目標値に近づけ、従来の添加量より多くのクリンカダストを添加できることが実証できた。
１００ セメント仕上工程プラント
１１０ サンプラ
１１５ 分析装置
１２０ セメントクリンカサイロ
１２５ 石膏添加設備
１３０ 計量器
１４０ 仕上ミル
１４５ セパレータ
１５０ クリンカダストサイロ
１６０ 計量器
１７０ サンプラ
１７５ 分析装置
１８０ セメントタンク
１８５ サイロ別対象成分濃度設定部
１９０ 制御計算機（クリンカダスト添加制御装置）
１９１ 第１の濃度取得部
１９２ 第２の濃度取得部
１９３ 添加比率算出部
１９４ 濃度推定部
１９５ 添加比率決定部
１９６ 補正部
１９７ 非定常制御部
１１０ サンプラ
１１５ 分析装置
１２０ セメントクリンカサイロ
１２５ 石膏添加設備
１３０ 計量器
１４０ 仕上ミル
１４５ セパレータ
１５０ クリンカダストサイロ
１６０ 計量器
１７０ サンプラ
１７５ 分析装置
１８０ セメントタンク
１８５ サイロ別対象成分濃度設定部
１９０ 制御計算機（クリンカダスト添加制御装置）
１９１ 第１の濃度取得部
１９２ 第２の濃度取得部
１９３ 添加比率算出部
１９４ 濃度推定部
１９５ 添加比率決定部
１９６ 補正部
１９７ 非定常制御部
Claims (5)
- 原料セメントへクリンカダストを添加して製品セメントを得る工程を制御するクリンカダスト添加制御装置であって、
測定された製品セメントの対象成分濃度を取得する第１の濃度取得部と、
前記測定された製品セメントの対象成分濃度と所定の原料セメントの対象成分濃度との差分から、新たに得られる製品セメントの対象成分濃度が所定の目標値になるようにクリンカダストの添加比率を算出する添加比率算出部と、
クリンカダストの容重に応じて、前記算出されたクリンカダストの添加比率を補正する補正部と、を備えることを特徴とするクリンカダスト添加制御装置。 - 前記対象成分濃度は、塩素濃度であることを特徴とする請求項１記載のクリンカダスト添加制御装置。
- 前記対象成分濃度は、鉛濃度であることを特徴とする請求項１記載のクリンカダスト添加制御装置。
- 前記測定された製品セメントの対象成分濃度が所定の上限値を超えたときには、前記算出されたクリンカダストの添加比率から所定値を引いた値を新たなクリンカダストの添加比率とする非定常制御部を更に備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のクリンカダスト添加制御装置。
- 原料セメントへクリンカダストを添加して製品セメントを得る工程を制御するクリンカダスト添加制御プログラムであって、
測定された製品セメントの対象成分濃度を取得する処理と、
前記測定された製品セメントの対象成分濃度と所定の原料セメントの対象成分濃度との差分から、新たに得られる製品セメントの対象成分濃度が所定の目標値になるようにクリンカダストの添加比率を算出する処理と、
クリンカダストの容重に応じて、前記算出されたクリンカダストの添加比率を補正する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とするクリンカダスト添加制御プログラム。
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