JP6785972B2 - セメントキルン用バーナ装置及びその運転方法 - Google Patents

セメントキルン用バーナ装置及びその運転方法 Download PDF

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Description

本発明は、セメントキルン用バーナ装置に関し、特に可燃性固形廃棄物をセメントクリンカ焼成での補助燃料として活用するセメントキルン用バーナ装置に関する。また、本発明は、このようなセメントキルン用バーナ装置の運転方法に関する。
廃プラスチック、木屑、自動車シュレッダーダスト（ＡＳＲ：automobile shredder residue）等の可燃性固形廃棄物は、焼成用燃料として利用可能な程度の熱量を有している。そこで、セメントクリンカの焼成に用いるロータリーキルンにおいて、主燃料である微粉炭の代替燃料として、可燃性固形廃棄物の有効利用が推進されている。以下では、セメントクリンカの焼成に用いるロータリーキルンを、「セメントキルン」と称する。
従来、セメントキルンでの可燃性固形廃棄物の燃料リサイクルは、セメントクリンカの品質への影響が小さい、窯尻部に設置されている仮焼炉での利用が進められていた。しかし、仮焼炉での使用量が飽和に近づいたため、窯前部に設置されている主バーナでの利用技術が求められている。
しかしながら、セメントキルンの主バーナにおいて、可燃性固形廃棄物を代替燃料として利用した場合、主バーナから噴出された可燃性固形廃棄物がセメントキルン内のセメントクリンカ上に着地しても燃焼を継続する現象（以下、「着地燃焼」と称する。）が生じる場合がある。かかる着地燃焼が生じると、可燃性固形廃棄物の着地点周辺のセメントクリンカが還元焼成され、セメントクリンカの白色化やクリンカリング反応の異常を生じさせる。
可燃性固形廃棄物を着地燃焼させないためには、セメントキルン内での可燃性固形廃棄物の浮遊状態を長時間継続させて、浮遊状態のまま当該可燃性固形廃棄物の燃焼を完了させるか、可燃性固形廃棄物をセメントキルン内の遠方（窯尻側）に着地させて、クリンカリングの主反応域にクリンカ原料が達する前に当該可燃性固形廃棄物の燃焼を完了させる技術が求められる。
例えば、下記特許文献１には、可燃性固形廃棄物の大部分を浮遊状態で燃焼させることができる技術として、主燃料である微粉炭を噴出させるための主燃料バーナと可燃性固形廃棄物を吹き込む補助バーナとが設けられたセメントキルンにおいて、主燃料バーナからの一次空気がセメントキルン本体の窯前側からの軸線方向視において一方向に旋回するように供給されると共に、かかる主燃料バーナの外方であって、上記軸線を通る鉛直線に対して主燃料バーナの頂部（０°）から軸線廻りに上記一方向と逆方向へ５５°までの範囲内に補助バーナを配置したセメントキルンが開示されている。
特開２０１３−２３７５７１号公報
しかしながら、特許文献１の方法では、可燃性固形廃棄物を浮遊状態にする効果が十分でなく、適用可能な可燃性固形廃棄物が廃プラスチック等のかさ比重が小さいものに限られる。また、廃プラスチックであっても、外径が１５ｍｍを超えるサイズのものを浮遊状態のままで完全に燃焼させることは困難であるという課題を有する。つまり、特許文献１の方法で利用できる可燃性固形廃棄物は、かさ比重や大きさの面において大きな制約を有している。
本発明は、上記の課題に鑑み、セメントキルン内での可燃性固形廃棄物の浮遊状態を強力に形成すると共に、浮遊状態にある可燃性固形廃棄物の着火が生じやすいセメントキルン用バーナ装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、セメントキルン内での可燃性固形廃棄物の浮遊状態を強力に形成すると共に、浮遊状態にある可燃性固形廃棄物の着火が生じやすい主バーナからの可燃性固形廃棄物の吹き込み方法について鋭意検討した。この結果、主バーナからの吹出口を、燃料流（微粉炭を含んだ空気流）１流路の他に、一次空気の流路を３つ備えた４チャンネル式バーナにおいて、最外殻に位置するチャンネルからの直進流を間欠的に噴出させることによって、上記課題を解決できることを見出した。
すなわち、本発明に係るセメントキルン用バーナ装置は、
複数の同心円筒状部材に仕切られた複数の流路を備えるセメントキルン用バーナ装置であって、
固体粉末燃料流の旋回手段を備える固体粉末燃料用流路と、
前記固体粉末燃料用流路に隣接して外側に配置され、空気流の旋回手段を備える第一の空気流路（第一の旋回外流）と、
前記第一の空気流路に隣接して外側に配置され、空気流の直進手段を備える第二の空気流路（第一の直進外流）と、
前記固体粉末燃料用流路に隣接して内側に配置され、空気流の旋回手段を備える第三の空気流路（第一の旋回内流）と、
前記第三の空気流路の内側に配置された可燃性固形廃棄物用流路とを備え、
前記第二の空気流路は、空気流の吹出口を構成する開孔部と、空気流が通流できないように遮蔽されている閉塞部とを有し、前記開孔部と前記閉塞部とが周方向に交互に配列されていることを特徴とする。
そして、固体粉末燃料用流路、第一の空気流路、第二の空気流路、第三の空気流路、及び可燃性固形廃棄物用流路の各々は、セメントキルン用バーナ装置の先端面まで延設される。
すなわち、上記構成のセメントキルン用バーナ装置は、固体粉末燃料用流路を挟んで外側に２つの空気流路（第一の旋回外流、第一の直進外流）と、内側に１つの空気流路（第一の旋回内流）を備える。これら３つの空気流路に通流される空気量を独立して調整することで、使用する固体粉末燃料及び可燃性固形廃棄物の種類等に応じて最適な火炎を得るための調整を容易に行うことができる。
上述したように、第一の直進外流を構成する第二の空気流路は、開孔部と閉塞部とが周方向に交互に配列されている。この結果、吹出口を構成する開孔部が間欠的に配置されることで、バーナ吹出口から吹き出される第一の直進外流は、実質的には数本の直進外流の束（ここでは、「直進外流束」と呼ぶ。）として構成される。これにより、バーナから噴出された空気流を乱流化させる程度及び範囲が増大し、クリンカクーラからセメントキルン内に供給される高温空気である二次空気がバーナ火炎内に速やかに多量に取り込まれ、可燃性固形廃棄物を浮遊状態で燃焼させることができる。
好ましくは、前記第二の空気流路を軸心に対して直交する面で切断したときの全体の面積に対する前記開孔部の合計面積の比率である開孔部比率は、前記全体の面積１００面積％に対して２０面積％以上８０面積％未満である。
開孔部比率を小さくし過ぎると、第一の直進外流としてバーナに供給される空気流の流量を十分に確保することができない。一方で、開孔部比率を大きくし過ぎると、直進外流束を構成する一本の直進外流と、隣接する他の一本の直進外流との間隔が、一本の直進外流の径に比べて小さくなりすぎる結果、上述したような、乱流を高める機能を十分に発揮できない場合がある。かかる観点から、前記開孔部比率は、前記全体の面積１００面積％に対して２０面積％以上８０面積％未満とするのが好ましく、２０面積％以上７０面積％以下とするのがより好ましく、２０面積％以上６０面積％以下とするのが更に好ましい。
複数の前記開孔部及び複数の前記閉塞部は、特に前記開孔部比率が４０面積％以上の場合には、前記第二の空気流路の軸心を中心とした回転対称の位置に配置されているものとしても構わない。更に、複数の前記開孔部及び複数の前記閉塞部は、前記第二の空気流路を軸心に対して直交する面上において、前記軸心を通過する鉛直線を基準とした線対称の位置に配置されているものとしても構わない。
前記開孔部比率が２０面積％以上４０面積％未満の場合、複数の前記開孔部は、前記第二の空気流路の軸心を含み当該同心円筒状部材の軸方向に平行な平面よりも鉛直下方側に、その６０面積％以上が配置されているものとしても構わない。鉛直下方側に前記開孔部の６０面積％以上を配置することによって、直進外流束はバーナ火炎内に上昇気流を形成し、可燃性固形廃棄物の浮遊状態を長時間持続させることができる。
好ましくは、前記セメントキルン用バーナ装置は、前記可燃性固形廃棄物用流路から噴出する可燃性固形廃棄物流に直進手段を備える。
かかる構成によれば、前記可燃性固形廃棄物流と、各流路から噴出する一次空気、更に前記二次空気との混合を十分に行うことが可能となる。これにより、可燃性固形廃棄物が浮遊する周辺に十分な量の酸素を供給しつつ、速やかに高温の環境にすることによって、可燃性固形廃棄物の燃焼を早期に完了させることができる。
また、本発明は、前記セメントキルン用バーナ装置の運転方法であって、前記第二の空気流路（第一の直進外流）におけるバーナ先端における風速が、１００ｍ／秒〜４００ｍ／秒であることを特徴とする。このとき、前記第二の空気流路からの対理論燃焼空気一次空気比率（Ａ0比：以下、「一次空気比」という。）を、２体積％〜１１体積％とするのが好ましい。
また、前記セメントキルン用バーナ装置の運転方法において、前記固体粉末燃料用流路からのバーナ先端における固体粉末燃料流の旋回角度を、０°〜１５°とすることができる。また、前記第一の空気流路（第一の旋回外流）からのバーナ先端における空気流の旋回角度を１°〜５０°とすることができる。更に、前記第三の空気流路（第一の旋回内流）からのバーナ先端における空気流の旋回角度を３０°〜５０°とすることができる。これらの旋回空気流により、固体粉末燃料や可燃性固形廃棄物等の着火の安定性が確保されると共に、バーナ先端部の火炎に保炎機能を持たせるためのバーナ火炎内気流の内部循環を形成することができる。
更に、前記セメントキルン用バーナ装置の運転方法において、前記第一の空気流路（第一の旋回外流）におけるバーナ先端における風速を６０ｍ／秒〜２４０ｍ／秒とし、前記第一の空気流路からの一次空気比（Ａ0比）を１体積％〜５体積％としても構わない。また、前記第三の空気流路（第一の旋回内流）におけるバーナ先端における風速を、５ｍ／秒〜２４０ｍ／秒とし、前記第三の空気流路からの一次空気比（Ａ0比）を１体積％〜５体積％としても構わない。更に、前記固体粉末燃料用流路のバーナ先端における固体粉末燃料流の風速、及び、前記可燃性固形廃棄物用流路のバーナ先端における可燃性固形廃棄物流の風速を、共に３０ｍ／秒〜８０ｍ／秒としても構わない。
また、前記セメントキルン用バーナ装置の運転方法において、前記可燃性固形廃棄物用流路から噴出される可燃性固形廃棄物の粒径を３０ｍｍ以下とすることができる。
本発明のセメントキルン用バーナ装置、及び本発明のセメントキルン用バーナ装置の運転方法によれば、廃プラスチック片などの可燃性固形廃棄物を、着地燃焼させることなく代替燃料として有効利用することができる。
本発明のセメントキルン用バーナ装置の先端部分の一実施形態を模式的に示す図面である。 図１から第二の空気流路の部分を抽出して図示した模式的な図面である。 図１に示すセメントキルン用バーナ装置を含むセメントキルン用バーナシステムの構造の一例を模式的に示す図面である。 図１のセメントキルン用バーナ装置の旋回羽根の旋回角度を説明するための模式的な図面である。 本発明のセメントキルン用バーナ装置及びセメントキルン用バーナ装置の運転方法による、可燃性固形廃棄物が着地燃料する割合（キルン内落下率）に係る燃焼シミュレーション結果を示すグラフである。
以下、本発明のセメントキルン用バーナ装置及びその運転方法の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の図面は模式的に示されたものであり、図面上の寸法比は実際の寸法比と一致していない。
図１は、本発明のセメントキルン用バーナ装置の一実施形態の先端部分を模式的に示す図面である。図１において、（ａ）がセメントキルン用バーナ装置の横断面図であり、（ｂ）が同縦断面図である。なお、横断面図とは、セメントキルン用バーナ装置を、同装置の軸方向に直交する平面で切断した断面図を指し、縦断面図とは、セメントキルン用バーナ装置を、同装置の軸方向に平行な平面で切断した断面図を指す。
なお、図１においては、セメントキルン用バーナ装置の軸方向（すなわち、空気流方向）をＹ方向とし、鉛直方向をＺ方向とし、ＹＺ平面に直交する方向をＸ方向として座標系を設定している。以下では、このＸＹＺ座標系を適宜参照しながら説明する。このＸＹＺ座標系を用いて記載すれば、図１（ａ）は、セメントキルン用バーナ装置をＸＺ平面で切断したときの断面図に対応し、図１（ｂ）は、セメントキルン用バーナ装置をＹＺ平面で切断したときの断面図に対応する。より詳細には、図１（ｂ）は、セメントキルン用バーナ装置を、バーナ先端の近傍の位置において、ＹＺ平面で切断したときの断面図に対応する。
図１に示されるように、セメントキルン用バーナ装置１は、同心円状に複数の流路を備える。より詳細には、セメントキルン用バーナ装置１は、固体粉末燃料用流路２と、固体粉末燃料用流路２に隣接して外側に配置された第一の空気流路１１と、第一の空気流路１１に隣接して外側に配置された第二の空気流路１２と、固体粉末燃料用流路２に隣接して内側に配置された第三の空気流路１３の合計４つの流路を備える。第三の空気流路１３の内側には、油用流路３、可燃性固形廃棄物用流路４等が配置される。
固体粉末燃料用流路２及び第一〜第三の空気流路１１〜１３のうち、固体粉末燃料用流路２、第一の空気流路１１、及び第三の空気流路１３には、各々旋回手段としての旋回羽根（２ａ，１１ａ，１３ａ）が、各流路のバーナ先端部に固定されている（図１（ｂ）参照）。すなわち、第一の空気流路１１から噴出される空気流は、固体粉末燃料用流路２から噴出される固体粉末燃料流に対して外側に位置する旋回空気流（以下、適宜「第一の旋回外流」という。）を形成する。第三の空気流路１３から噴出される空気流は、固体粉末燃料用流路２から噴出される固体粉末燃料流に対して内側に位置する旋回空気流（以下、適宜「第一の旋回内流」という。）を形成する。なお、各旋回羽根（２ａ，１１ａ，１３ａ）は、セメントキルン用バーナ装置１の運転開始前の時点において、旋回角度が調整可能に構成されている。
一方、第二の空気流路１２には、旋回手段が設けられていない。すなわち、第二の空気流路１２から噴出される空気流は、固体粉末燃料用流路２から噴出される固体粉末燃料流に対して外側に位置する直進空気流（以下、適宜「第一の直進外流」という。）を形成する。この点につき、図１から第二の空気流路１２のみを抽出して模式的に図示した、図２を参照しながら説明する。
本実施形態において、第二の空気流路１２は、間欠的な直進空気流を噴出するように構成されている。より詳細には、図２に示すように、第二の空気流路１２は、空気流の吹出口を構成する開孔部１２ｃと、空気流が通流できないように遮蔽されている閉塞部１２ｄとを周方向に交互に配列して構成されている。これにより、開孔部１２ｃは、周方向に関して間欠的な配置となるため、これらの開孔部１２ｃからは周方向に関して間欠的な直進空気流の束が噴出される。
本実施形態では、開孔部１２ｃと閉塞部１２ｄとは、それぞれ軸心Ｏを中心として回転対称の位置に配置されている。また、図１及び図２の例では、開孔部１２ｃの中心角と閉塞部１２ｄの中心角が等しい場合が図示されている。この場合、第二の空気流路１２を、Ｙ方向に延伸する軸心Ｏに対して直交する面（ＸＺ平面）で切断したときの全体の面積（（開孔部１２ｃの合計面積＋閉塞部１２ｄの合計面積）：１００面積％）に対する開孔部１２ｃの合計面積の比率、すなわち第二の空気流路１２の開孔部比率は、５０面積％となる。
図３は、図１に示すセメントキルン用バーナ装置１を含むセメントキルン用バーナシステムの構造の一例を模式的に示す図面である。図３に図示されたセメントキルン用バーナシステム２０は、制御のし易さを重視して構成したものであって、５基の送風ファンＦ１〜Ｆ５を備える。
微粉炭搬送配管２２に供給された微粉炭Ｃ（「固体粉末燃料」に相当）は、送風ファンＦ１によって形成された空気流により、セメントキルン用バーナ装置１の固体粉末燃料用流路２に供給される。送風ファンＦ２から供給される空気は、燃焼用空気Ａとして、空気配管３１を介してセメントキルン用バーナ装置１の第一の空気流路１１へ供給される。送風ファンＦ３から供給される空気は、燃焼用空気Ａとして、空気配管３２を介してセメントキルン用バーナ装置１の第二の空気流路１２へ供給される。送風ファンＦ４からの空気は、燃焼用空気Ａとして、空気配管３３を介してセメントキルン用バーナ装置１の第三の空気流路１３へ供給される。そして、可燃性固形廃棄物搬送配管２４に供給された可燃性固形廃棄物ＲＦは、送風ファンＦ５によって形成された空気流により、セメントキルン用バーナ装置１の可燃性固形廃棄物用流路４に供給される。
図３に図示されたセメントキルン用バーナシステム２０は、前記送風ファン（Ｆ１〜Ｆ５）により、各流路（２，４，１１，１２，１３）を通流する空気量を独立して制御することができる。これによって、微粉炭、石油コークス、又はその他固形燃料等の固体粉末燃料の種類、廃プラスチック、肉骨粉又はバイオマス等の可燃性固形廃棄物の種類、並びに種々のセメントキルンの操業環境に対応した最適な火炎を得るための調整を容易に行うことができる。
なお、本明細書において、「バイオマス」とは、燃料等として利用可能な生物由来の有機質資源（但し、化石燃料を除く。）であり、例えば、廃畳の粉砕物、建設廃木材の粉砕物、木粉及びおが屑等が該当する。
また、油用流路３から重油等を供給してセメントキルン用バーナ装置１の着火時に利用したり、更には、微粉炭以外の固体燃料又は重油等の液体燃料を供給して、定常運転において微粉炭と混焼したりすることもできる（不図示）。
すなわち、図１〜図３に一実施形態を示す本発明のセメントキルン用バーナ装置１（及びセメントキルン用バーナシステム２０）は、固体粉末燃料用流路２の他に３つの空気流路（１１，１２，１３）を備えた４チャンネル式のバーナ装置であり、セメントキルン用バーナ装置１の使用時には、５基の送風ファンＦ１〜Ｆ５の運転を制御して各流路（２，４，１１，１２，１３）を流れる空気量が制御可能に構成される。更に、これに加え、セメントキルン用バーナ装置１の使用前には、固体粉末燃料用流路２と、第一の空気流路１１と、第三の空気流路１３に設けられた旋回羽根（２ａ，１１ａ，１３ａ）の旋回角度も調整可能であるため、必要に応じた多様な制御が可能である。
本発明者らは、セメントキルン用バーナ装置１の燃焼シミュレーション（ソフトウェア：ANSYS JAPAN社製、FLUENT）によって、火炎形状とセメントキルン内の温度分布、セメントキルン内の酸素濃度分布、セメントキルン内の気流の乱流の程度の解析等を行うことにより、制御因子を最適化するための基本的な限定領域を見出した。
下記表１は、以下のバーナ燃焼条件において見出した基本的限定領域の一例である。
＜バーナ燃焼条件＞
微粉炭Ｃの燃焼量：１５ｔ／時間
可燃性固形廃棄物ＲＦとしての廃プラスチック（軟質プラスチック）処理量：３ｔ／時間
可燃性固形廃棄物ＲＦとしての廃プラスチックの寸法：厚さ０．５ｍｍシートを直径３０ｍｍに打ち抜いた円形シート状
二次空気量と温度：１５００００Ｎｍ3／時間、８００℃
セメントキルン用バーナ装置１のバーナ先端の直径：７００ｍｍ
Figure 0006785972
表１には、基本的限定領域として、上記固体粉末燃料用流路２、（第一の旋回外流を形成する）第一の空気流路１１、（第一の直進外流を形成する）第二の空気流路１２、（第一の旋回内流を形成する）第三の空気流路１３、及び可燃性固形廃棄物用流路４の、バーナ先端風速（ｍ／秒）、一次空気比（Ａ0比、体積％）及び開孔部比率（面積％）、並びに旋回羽根（２ａ，１１ａ，１３ａ）の旋回角度が列挙されている。
上記各項目の中では、第一の直進外流のバーナ先端風速（ｍ／秒）及び開孔部比率（面積％）が特に重要である。なぜなら、可燃性固形廃棄物を浮遊状態で燃焼させるためには空気流が乱流となる領域を火炎内に十分に形成する必要があるところ、第一の直進外流を空間的な間欠流とすることによって、セメントクリンカの焼成に影響を与えない程度ながら火炎内に強度の乱流を形成できるからである。更に、この第一の直進外流の速度を高めることで、乱流の程度や形成範囲を更に拡大することができる。ただし、この乱流の程度が過剰になると、セメントキルン内の温度分布が不安定になると共に火炎の一部がセメントクリンカ原料に直接に接触する場合も生じ、これによって産するセメントクリンカの品質が悪化するおそれもある。
かかる事情に鑑み、第二の空気流路１２から供給される空気流（第一の直進外流）のバーナ先端風速は、１００ｍ／秒〜４００ｍ／秒であるのが好ましい。この空気流は、固体粉末燃料流、可燃性固形廃棄物流、及び他の全ての一次空気流の中で、最も大きな風速である。また、第一の直進外流の一次空気量（ｍ3Ｎ／分）は、この値とバーナ先端風速（ｍ／秒）の積（バーナ先端風速（ｍ／秒）×一次空気量（ｍ3Ｎ／分））が、固体粉末燃料流、可燃性固形廃棄物流、及び他の全ての一次空気流の中で、最も大きくなる空気量である。
第二の空気流路１２から供給される空気流において、前記積の値、すなわちバーナ先端風速（ｍ／秒）×一次空気量（ｍ3Ｎ／分）の値が他の空気流よりも小さい場合、可燃性固形廃棄物の浮遊状態を強力に形成するという観点からは、乱流の形成が不十分になる可能性がある。また、バーナ先端風速が４００ｍ／秒を超える空気流では、火炎内の乱流の形成が過剰になり、上述のセメントクリンカの品質の低下が生じてしまうおそれがある。
更に、第一の直進外流を供給する第二の空気流路１２の開孔部比率は、２０面積％以上、８０面積％未満であるのが好ましく、開孔部と閉塞部が連続して隣り合う間欠的な吹出口とするのがより好ましい。吹出口を第二の空気流路１２内に間欠的に配置することで、第二の空気流路１２からの空気流は数本の直線外流の束として供給されて火炎内には空気密度の濃淡部が形成され、かかる密度差を無くすように乱流が生じる。
第二の空気流路１２の開孔部比率が８０面積％以上の場合、乱流形成の効果が小さくなり可燃性固形廃棄物の着地燃焼が生じ易い。また、第二の空気流路１２の開孔部比率が２０面積％未満の場合、火炎形状の乱れが過大及び局所的になり、上述のセメントクリンカの品質の低下が生じてしまうおそれがある。
次に重要となる基本的限定領域は、上記固体粉末燃料用流路２、（第一の旋回外流を形成する）第一の空気流路１１、及び（第一の旋回内流を形成する）第三の空気流路１３の旋回角度（°）である。その理由は、旋回羽根（２ａ，１１ａ，１３ａ）によって発生する旋回流により、バーナ装置の着火の安定性、及び保炎機能を持たせるバーナ火炎内気流の内部循環が形成されるからである。更に、旋回羽根（２ａ，１１ａ，１３ａ）の旋回角度は、通常、バーナ装置が運転中は固定されてしまい、運転中に最適化の調整ができないからである。
なお、旋回羽根の旋回角度とは、例えば、図１に示す旋回羽根が固定されている円筒状部材を図４に示すように平面上に展開した場合に、セメントキルン用バーナ装置１の軸線９と、旋回羽根の中心線１０とのなす角度θであり、バーナ先端における固体粉末燃料流又は一次空気流の旋回角度に一致する。図４では、例示的に、固体粉末燃料用流路２の旋回羽根２ａについて図示されており、固体粉末燃料用流路２の先端位置２ｂにおける微粉炭Ｃ（固体粉末燃料）の噴出方向が、円筒状部材の軸線９の方向（図面上Ｙ方向）に対して角度θだけ旋回されている。他の旋回羽根（１１ａ，１３ａ）における旋回角度についても同様に定義される。
上記固体粉末燃料用流路２の旋回羽根２ａによる固体粉末燃料流の旋回角度は、好ましくは０°〜１５°に設定される。この旋回角度が１５°よりも大きい場合、固体粉末燃料用流路２から噴出する固体粉末燃料（微粉炭Ｃ）と、固体粉末燃料用流路２、空気流路（１１〜１３）、及び火炎内に取り込まれた上記二次空気との混合が十分過剰となり、かかる固体粉末燃料によって形成される火炎の温度が上昇すると共に過剰に火炎の形状の制御が困難になり、得られるセメントクリンカの品質が低下してしまうおそれがある。
旋回羽根１１ａによる第一の旋回外流（第一の空気流路１１からの空気流）の旋回角度は、好ましくは１°〜５０°に設定される。第一の旋回外流の旋回角度が１°未満の場合、固体粉末燃料用流路２から噴出する固体粉末燃料と、第一の旋回外流との混合が不十分となり、得られるセメントクリンカの品質が低下してしまうと共に排ガスのＮＯxを十分に低くすることが困難な場合がある。一方で、上記旋回角度が５０°を超える場合、固体粉末燃料流との混合が激しくなりすぎて、火炎の形状の制御が困難になり、得られるセメントクリンカの品質が低下してしまう場合がある。
旋回羽根１３ａによる第一の旋回内流（第三の空気流路１３からの空気流）の旋回角度は、好ましくは３０°〜５０°に設定される。第一の旋回内流の旋回角度が３０°未満の場合、固体粉末燃料用流路２から噴出する固体粉末燃料と、第一の旋回内流との混合が不十分となり、得られるセメントクリンカの品質が低下してしまうと共に排ガスのＮＯxを十分に低くすることが困難な場合がある。一方で、上記旋回角度が５０°を超える場合、固体粉末燃料流との混合が激しくなりすぎて、火炎の形状の制御が困難になり、得られるセメントクリンカの品質が低下してしまう場合がある。
各流路（２，４，１１，１２，１３）の一次空気量（ｍ3Ｎ／分）は、火炎内の還元領域を安定的に形成するという観点からは、可能な限り低減するのが好ましいが、過剰に低減すると火炎の形状が変化して高温域がセメントキルン内部に移行することによって、得られるセメントクリンカの品質が低下してしまう。上記表１に示した例では、固体粉末燃料用流路２及び可燃性固形廃棄物用流路４からの空気流、並びに第一の直進外流（第二の空気流路１２からの空気流）の量（一次空気量）が、他の空気流よりも大きく設定されている。これは、高温の二次空気を火炎内に円滑に取り込み、微粉炭Ｃ（固体粉末燃料）及び可燃性固形廃棄物ＲＦを急速に高温化することで、揮発分の放出を促して、火炎の還元状態を安定化するためである。
以上のように、本発明によれば、セメントキルン用バーナ装置１の運転前に、固体粉末燃料用流路２、第一の空気流路１１（第一の旋回外流）、及び第三の空気流路１３（第一の旋回内流）の各旋回羽根（２ａ，１１ａ，１３ａ）の旋回角度を表１に示した範囲内に設定し、更に、セメントキルン用バーナ装置１の運転時に、送風ファン（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４）による空気配管（２２，３１，３２，３３）を流れる一次空気量の調整を行って各流路（２，１１，１２，１３）のバーナ先端風速及び一次空気量を表１に示した範囲内に設定することにより、セメントキルン用バーナ装置１の運転条件を短期間に最適化することができる。
次に、第一の直進外流（第二の空気流路１２からの空気流）のバーナ先端風速（ｍ／秒）及び開孔部比率（面積％）を変化させた場合の、可燃性固形廃棄物ＲＦ（ここでは軟質プラスチック）が着地燃焼する割合（キルン内落下率）に係る燃焼シミュレーションについて説明する。
（検証１）
具体的には、後述のようにバーナ燃焼条件を固定し、且つ第一の直進外流の一次空気比（Ａ0比）を５体積％に固定した上で、バーナ先端風速（ｍ／秒）を変化させた場合において、粒径３０ｍｍの軟質プラスチックの燃え切りが、火炎中又は着地燃焼のどちらで生じるかを、第二の空気流路１２の吹出口が図１（ａ）同様に間欠的な１２個に分割されている場合（実施例）と、分割されていない場合（比較例）との双方について、シミュレーション（ソフトウェア：ANSYS JAPAN社製、FLUENT）によって検証した。なお、第二の空気流路１２の開孔部比率（面積％）を変化させた場合には、一次空気比（Ａ0比）が変化しないように、第二の空気流路１２の厚さを変化させて一次空気量（ｍ3Ｎ／分）が同一となるようにした。
＜バーナ燃焼条件＞
微粉炭Ｃの燃焼量：１５ｔ／時間
可燃性固形廃棄物ＲＦとしての廃プラスチック（軟質プラスチック）処理量：３ｔ／時間
可燃性固形廃棄物ＲＦとしての廃プラスチックの寸法：厚さ０．５ｍｍシートを直径３０ｍｍに打ち抜いた円形シート状
固体粉末燃料流のバーナ先端風速、一次空気比と旋回角度：５０ｍ／秒、５体積％、５°
第一の旋回外流のバーナ先端風速、一次空気比と旋回角度：１００ｍ／秒、２体積％、３°
第一の旋回内流のバーナ先端風速、一次空気比と旋回角度：１５０ｍ／秒、７体積％、４°
可燃性固形廃棄物流のバーナ先端風速と一次空気比：５０ｍ／秒、２体積％
二次空気量と温度：１５００００Ｎｍ3／時間、８００℃
セメントキルン用バーナ装置１のバーナ先端の直径：７００ｍｍ
このシミュレーション結果を、下記表２及び図５に示す。
Figure 0006785972
表２及び図４の結果によれば、第一の直進外流のバーナ先端風速を上昇させることで、粒径３０ｍｍまでの可燃性固形廃棄物ＲＦのキルン内落下率を低下させる効果が確認できる。更に、第一の直進外流を構成する第二の空気流路１２を間欠的にしたことで、前記キルン内落下率を更に低下できていることが分かる。これにより、本発明のセメントキルン用バーナ装置１、及びセメントキルン用バーナ装置の運転方法によれば、粒径３０ｍｍまでの可燃性固形廃棄物ＲＦを、着地燃焼させることなくバーナ火炎内で有効に燃え切らせることができることが確認される。
（検証２）
検証１では、第二の空気流路１２の吹出し数を１２個で固定した場合について検証を行った。これに対し、検証２では、検証１の第一の直進外流のバーナ先端風速が１５０ｍ／秒である場合と同様の燃焼条件の下で、第二の空気流路１２の吹出し数を変化させた場合の、粒径３０ｍｍの軟質プラスチックの燃え切りが火炎中又は着地燃焼のどちらで生じるかをシミュレーション（ソフトウェア：ANSYS JAPAN社製、FLUENT）によって検証した。この結果を、下記表３に示す。
なお、第一の直進外流の一次空気比（Ａ0比）を５体積％、第一の直進外流のバーナ先端風速を１５０ｍ／秒に固定した上で、開孔数（吹出し数）を異ならせるということは、図２において、開孔部１２ｃの幅（周方向の長さ）と、開孔部１２ｃの厚み（径方向の長さ）とを調整することによって、開孔部１２ｃの面積の総和を一定にすることを意味する。
Figure 0006785972
表３及び表２の第一の直進外流のバーナ先端風速が１５０ｍ／秒での結果によれば、第一の直進外流のバーナ先端風速が１５０ｍ／秒という比較的低速な条件であっても、第一の直進外流の開孔数を減ずることで粒径３０ｍｍまでの可燃性固形廃棄物ＲＦのキルン内落下率を低下させる効果が確認できる。
例えば、表２（すなわち開孔数が１２個）における開孔部比率が６０面積％の場合、バーナ先端風速が１５０ｍ／秒において可燃性固形廃棄物ＲＦのキルン内落下率が１６％であった。これに対し、表３によれば、開孔数が８個で開孔部比率が６０面積％の場合、バーナ先端風速が１５０ｍ／秒において可燃性固形廃棄物ＲＦのキルン内落下率が７％となっており、開孔数を減じたことで前記キルン内落下率が低下することが確認される。また別の例として、表２において、開孔部比率を４０％とした場合、開孔数を減少するに連れて前記キルン内落下率が低下していることが確認される。開孔部比率が２０％、６０％、８０％の場合についても同様の結果が確認される。
また、第一の直進外流の開孔数が同じ場合、開孔部比率を減じることによって、粒径３０ｍｍまでの可燃性固形廃棄物ＲＦのキルン内落下率を低下させることが確認できる。例えば、表２において、開孔数を２４個とした場合、開孔部比率が低いほど前記キルン内落下率が低下していることが確認される。開孔数が８個、６０個の場合についても同様の結果が確認される。
これらの、第一の直進外流の開孔数や開孔部比率、更には表２に示す第一の直進外流のバーナ先端風速による効果は、バーナ火炎内に形成される乱流の大きさの影響に基づくものであると考えられる。すなわち、形成される乱流が大きいほど、粒径３０ｍｍまでの可燃性固形廃棄物ＲＦのキルン内落下率を低下させることができる。ただし、バーナ火炎内に形成される乱流が過剰に大きくなると、バーナ火炎の形成が不安定になり、セメントキルン内の温度分布が悪化することも確認された。
以上より、本発明のセメントキルン用バーナ装置１、及びセメントキルン用バーナ装置の運転方法によれば、固体粉末燃料等の主燃料の種類や特性、及び可燃性固形廃棄物の種類や特性などのバーナ運転の外部因子の変化に応じて、第一の直進外流のバーナ先端風速、開孔数及び開孔部比率を最適化することによって、種々の可燃性固形廃棄物を有効利用しつつ、望ましいバーナ火炎を形成することができる。
［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。
〈１〉上記実施形態では、第二の空気流路１２を構成する複数の開孔部１２ｃの中心角が全て同一であるものとして説明した。しかし、複数の開孔部１２ｃの中に、異なる中心角を有する開孔部１２ｃが含まれていても構わない。
同様に、上記実施形態では、周方向に開孔部１２ｃを挟み込む、複数の閉塞部１２ｄの中心角が全て同一であるものとして説明した。しかし、複数の閉塞部１２ｄの中に、異なる中心角を有する閉塞部１２ｄが含まれていても構わない。
〈２〉 図３の例では、セメントキルン用バーナシステム２０が、５基の送風ファン（Ｆ１〜Ｆ５）を備える場合を例示しているが、この態様は一例であり、本発明をかかる構成に限定する趣旨ではない。例えば、第一の空気流路１１と第三の空気流路１３とに空気流を導くための送風ファン（Ｆ２，Ｆ４）を共通化しても構わない。
１ ： セメントキルン用バーナ装置
２ ： 固体粉末燃料用流路
２ａ ： 固体粉末燃料用流路に設けられた旋回羽根
３ ： 油用流路
４ ： 可燃性固形廃棄物用流路
９ ： 軸線
１１ ： 第一の空気流路
１１ａ ： 第一の空気流路に設けられた旋回羽根
１２ ： 第二の空気流路
１２ｃ ： 開孔部
１２ｄ ： 閉塞部
１３ ： 第三の空気流路
１３ａ ： 第三の空気流路に設けられた旋回羽根
２０ ： セメントキルン用バーナシステム
２２ ： 微粉炭搬送配管
２４ ： 可燃性固形廃棄物搬送配管
３１，３２，３３ ： 空気配管
Ａ ： 燃焼用空気
Ｃ ： 微粉炭
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５ ： 送風ファン
ＲＦ ： 可燃性固形廃棄物

Claims (8)

  1. 複数の同心円筒状部材に仕切られた複数の流路を備えるセメントキルン用バーナ装置であって、
    固体粉末燃料流の旋回手段を備える固体粉末燃料用流路と、
    前記固体粉末燃料用流路に隣接して外側に配置され、空気流の旋回手段を備える第一の空気流路と、
    前記第一の空気流路に隣接して外側に配置され、空気流の直進手段を備える第二の空気流路と、
    前記固体粉末燃料用流路に隣接して内側に配置され、空気流の旋回手段を備える第三の空気流路と、
    前記第三の空気流路の内側に配置された可燃性固形廃棄物用流路とを備え、
    前記第一の空気流路、前記第二の空気流路、及び前記第三の空気流路のうち、前記第二の空気流路のみが、空気流の吹出口を構成する開孔部と、空気流が通流できないように遮蔽されている閉塞部とを有し、前記開孔部と前記閉塞部とが周方向に交互に配列されていることを特徴とする、セメントキルン用バーナ装置。
  2. 前記第二の空気流路を軸心に対して直交する面で切断したときの全体の面積に対する前記開孔部の合計面積の比率である開孔部比率は、前記全体の面積１００面積％に対して２０面積％以上８０面積％未満であることを特徴とする、請求項１に記載のセメントキルン用バーナ装置。
  3. 複数の前記開孔部及び複数の前記閉塞部は、前記第二の空気流路の軸心を中心とした回転対称の位置に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のセメントキルン用バーナ装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のセメントキルン用バーナ装置の運転方法であって、
    前記第二の空気流路におけるバーナ先端における風速が、１００ｍ／秒〜４００ｍ／秒であることを特徴とする、セメントキルン用バーナ装置の運転方法。
  5. 前記固体粉末燃料用流路からのバーナ先端における固体粉末燃料流の旋回角度が、０°〜１５°であり、
    前記第一の空気流路からのバーナ先端における空気流の旋回角度が、１°〜５０°であり、
    前記第三の空気流路からのバーナ先端における空気流の旋回角度が、３０°〜５０°であることを特徴とする、請求項４に記載のセメントキルン用バーナ装置の運転方法。
  6. 前記固体粉末燃料用流路におけるバーナ先端における風速が、３０ｍ／秒〜８０ｍ／秒であり、
    前記第一の空気流路におけるバーナ先端における風速が、６０ｍ／秒〜２４０ｍ／秒であり、
    前記第三の空気流路におけるバーナ先端における風速が、５ｍ／秒〜２４０ｍ／秒であり、
    前記可燃性固形廃棄物用流路におけるバーナ先端における風速が、３０ｍ／秒〜８０ｍ／秒であることを特徴とする、請求項４又は５に記載のセメントキルン用バーナ装置の運転方法。
  7. 前記第二の空気流路の、バーナ先端における空気流のバーナ先端風速（ｍ／秒）と一次空気量（ｍ3Ｎ／分）の積が、その他の空気流路の、バーナ先端における空気流のバーナ先端風速（ｍ／秒）と一次空気量（ｍ3Ｎ／分）の積よりも大きいことを特徴とする、請求項４〜６のいずれか１項に記載のセメントキルン用バーナ装置の運転方法。
  8. 前記可燃性固形廃棄物用流路から噴出される可燃性固形廃棄物の粒径が、３０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか１項に記載のセメントキルン用バーナ装置の運転方法。
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