JPH0717414B2 - 流動層炉における造粒粒径制御方法および造粒用流動層炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セメントクリンカ（粉
砕されてセメントになる前の塊）の製造設備などとして
使用される造粒用の流動層炉において造粒物の粒径を制
御する方法、およびそのような制御を行う造粒用の流動
層炉に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】セメントクリンカは、石灰石や珪砂等を
配合・粉砕した原料粉を造粒し、焼成したのち冷却する
ことによって製造される。図６は、そのようなセメント
クリンカの製造設備（一部に新規事項を含む）を概略的
に示す系統図である。詳細は後述するが、図において符
号１０が造粒炉で、３が焼成炉、そして４および５が冷
却装置（クーラー）である。造粒炉１０や焼成炉３など
として近年では、図示のような流動層炉がよく採用され
る。流動層炉は一般的に、ロータリキルンなどと比べて
反応等の効率が高く、設備の占有スペースや燃費、有害
排気ガスなどの面で有利だからである。

【０００３】原料粉は、上方のサスペンションプレヒー
ター１等を経る間に予熱されて造粒炉１０に投入され、
ここで流動化しながら粒径が数ｍｍの粒（造粒物）にな
る。原料粉が高温ガスによって流動化し、熱間において
表面付近の一部が溶融し付着し合うことによって所定の
粒径に成長するのである。しかし、このときの粒の大き
さ（すなわち造粒粒径）は、設備の仕様やセメントの種
類等に合わせて適当な大きさに整えられねばならない。
造粒粒径が大きすぎると、造粒炉１０やその下流側装置
である焼成炉３などにおいて通常の風量（冷却装置４・
５から送られる熱風の量）では流動化しなくなって適正
な燃焼・焼成等ができなくなり、逆に粒径が小さすぎる
と、焼成炉３において造粒物同士の付着が進行しすぎて
いわゆるアグロメーションという不都合な現象を引き起
こすからである。

【０００４】かかる造粒粒径については、種々の外乱に
よって大きめになったり小さめになったりするため、何
らかの制御手段が必要である。従来は、流動層１０ａの
温度や原料粉の投入量、または原料粉（造粒物）の炉内
滞留時間によって制御していた。造粒のメカニズムにつ
いて詳細は不明だが、流動層温度を上げたり滞留時間を
増やしたりすると造粒粒径は大きくなり、原料粉の投入
量を増やすと粒径が小さくなることが、経験的に明らか
にされているからである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】流動層温度や原料粉投
入量、または炉内滞留時間によって行う従来の造粒粒径
制御は、応答性にすぐれず、操作（制御入力）を加えた
のちその結果が出るまでにかなりの時間がかかる。造粒
炉の種類・容量等にもよるが、セメントクリンカ用の直
径２〜３ｍの一般的な炉においては、応答時間が２〜４
時間となるのが普通である。応答性が悪いと、操作量の
過不足が起こりがちで的確な制御のできないことが多
く、また制御の自動化も難しいため、関連して必要とな
る操作が繁雑であるという不都合もある。このような課
題は、セメントクリンカの製造のみに関するものではな
く、原料粉を、流動層内で一部溶融させながら付着させ
て所定の粒径に造粒する種々の場合に共通する点が多
い。

【０００６】本発明の目的は、造粒粒径についての応答
性のよい確実な制御方法と、そのような制御方法を容易
に実現することのできる流動層炉とを提供することであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の造粒粒径制御方
法（請求項１）は、原料粉を、流動化させながら一部溶
融させて付着させることにより所定の粒径に造粒する流
動層炉（広義の流動層炉であるいわゆる噴流層炉などを
含む）における造粒粒径制御方法であって、a)圧縮ガス
を用いて原料粉を流動層炉内に吹き込むとともに、b)そ
の吹込みの条件を変更することによって造粒粒径を制御
するものである。吹込みの条件とは、吹込み箇所の高
さ（たとえば炉内の分散板上面から吹込み口までの高
さ）や、吹込み箇所の数、吹込み角度（方向）、
吹込みに使用するガスの量（原料粉量とガス量との比率
すなわち固気比）、あるいは吹込み速度−などであ
る。

【０００８】本発明の造粒用流動層炉（請求項２〜５）
は、原料粉を流動化させながら一部溶融させて付着させ
ることにより所定の粒径に造粒する流動層炉（噴流層炉
などを含む）であり、上記制御方法の実施に直接使用で
きるよう構成している。すなわち、請求項２の流動層炉
は、圧縮ガスを用いる原料粉の吹込み手段を、吹込み・
停止の切換え自在なものを含めて複数、流動層炉の側壁
に高さ方向に間隔をおいて設けたもの、請求項３の流動
層炉は、同様の吹込み手段を、吹込み・停止の切換え自
在なものを含めて複数、流動層炉の側壁に周方向に間隔
をおいて設けたもの、請求項４の流動層炉は、同様の吹
込み手段を、吹込み角度を（上下・水平、またはそのい
ずれにも）変更可能にして流動層炉の側壁に設けたも
の、そして請求項５の流動層炉は、同様の吹込み手段
を、圧縮ガスの量を変更可能にして流動層炉の側壁に設
けたものである。

【０００９】

【作用】本発明の造粒粒径制御方法にしたがって高温流
動層炉内に原料粉を吹き込むとともにその吹込みの条件
を変更すると、流動層炉における造粒粒径は速やかな応
答性のもとに制御され、その結果として、粒径のばらつ
きの小さい造粒物が容易に得られる。

【００１０】造粒粒径がいかなるメカニズムによって定
まるかは現在のところ明らかではないが、吹込み条件の
変更が粒径に対して速やかに影響することは、原料粉の
吹込み方によって、造粒物の種核（たねかく）となる粒
が下記のようにただちに増減するからではないかと推測
される。つまり、まず、原料粉を流動層炉内に吹き込む
場合には、重力落下させる場合などに比べ、その吹込み
条件を変えることによって炉内での原料粉の拡散状態を
容易かつ迅速にコントロールできる。種核は原料粉のい
くつかが溶融付着してできるため、原料粉の拡散状態は
そのまま種核発生数の多い・少ないに直結し、原料粉が
近くに密集しているとき種核は多くなるが、原料粉が散
らばったとき種核は少なくなる。一定生産量を保つ場
合、種核が多いと、流動中の原料粉が種核にさらに付着
してできる造粒物のそれぞれは小径化し、逆に種核が少
ないと各造粒物は大径化するので、結局は原料粉の吹込
み条件で造粒粒径を容易に制御できることになる。たと
えば、流動層内に広く拡散するように原料粉を吹き込め
ば、種核の発生数が減少してその分だけ造粒粒径が大き
くなり、逆に近くに集まるように原料粉を吹き込むと、
種核がたくさんできて造粒粒径は小さくなる。

【００１１】現に発明者らの実験では、前記のように
吹込み箇所の高さを変えることによって、図５(ａ)に示
す結果（詳細は後述）が得られた。すなわち、低い位置
（分散板の上面に近く、したがってノズルからの流動化
ガスの噴流流速が高い箇所）で吹込みを行った場合には
造粒粒径が大きく、また逆に分散板から離れた高い位置
で吹き込んだ場合には粒径が小さくなった。この事実
は、ガス流速が高い箇所で吹き込むとそのガスによって
原料粉が拡散して種核の数が減り、その結果として造粒
物各個の大きさは増す、また逆の場合には種核が増えて
造粒粒径が小さくなる−との推測を裏づけるものと考
えられる。

【００１２】同様に前記のように吹込み箇所の数を変
えると、たとえば時間あたり総量が一定の原料粉を流動
層炉内に入れて生産量を一定に保つ場合にも、各箇所で
の吹込み状態（したがって種核の発生数に関係する原料
粉の拡散状態など）が変わり造粒粒径が変化する。その
ほか、前記の吹込み方向や、の吹込みガス量、ある
いはの吹込み速度などを変更することによっても、原
料粉の拡散度合いがただちに変わり、結果として速やか
に造粒粒径が変化する。いずれの場合にも、流動層内で
の原料粉の拡散度合いが高いほど、粒径が大きくなる。

【００１３】本発明の請求項２に記載の造粒用流動層炉
は、上のに示す吹込み箇所の高さ変更を容易に実施で
きるように構成したものである。原料粉の吹込み手段
が、流動層炉の側壁に高さ方向に間隔をおいて複数設け
られており、そのうちには吹込みするか停止するかの切
換えが自在なものが含まれているため、吹込み箇所の高
さを変えて（あるいはその高さの組み合わせを変えて）
炉内に原料粉を吹き込むことができる。これにより、上
述のような（たとえば図５(ａ)に沿った）造粒粒径の変
更を速やかに行うことができ、応答性のよい制御によっ
て粒径精度の高い（つまり粒径のばらつきが小さい）造
粒を行うことが可能になる。同様に、請求項３に記載の
流動層炉では、上記の吹込み箇所数の変更を容易に行
えて応答性のよい造粒粒径制御ができる。炉内の流動状
態等が軸対称でない（炉内バーナの配置などにより原料
粉の流動が周方向に均一でない）場合には、吹込み箇所
の数を同じにしたまま、その場所（つまりどの吹込み手
段を用いるか）を変えることによって粒径制御を行える
こともある。

【００１４】請求項４の流動層炉は、上記のように吹
込み角度（方向）を変更することにより造粒粒径を制御
する。炉体側壁から鉛直面内で角度を変えると、吹込み
箇所の高さを変えた場合と同様に、分散板に近いガス流
速の高い部分や上方の低流速の部分などのうちから原料
粉の吹込み先を適当に選ぶことができ、その拡散状態を
自在に変更できるからである。流動層内の流動状態や温
度条件等は炉内において半径方向に不均一な場合が多い
ので、その角度を水平面内で変えることによっても造粒
粒径を制御できるのが普通である。なお、請求項５の流
動層炉は、上記のように吹込みに使用するガス量を変
更し、あるいは同時にのように吹込み速度を変更して
原料粉の拡散状態を変え、もって造粒粒径を制御するこ
とができる。

【００１５】

【実施例】本発明の第一〜第四実施例を図１〜図４にそ
れぞれ示し、それらに共通の全体系統図を図６に示す。

【００１６】図６の系統はセメントクリンカの製造設備
に関するもので、図中の符号１は、サイクロン１Ａ〜１
Ｄやバルブ１Ｌなどを含むサスペンションプレヒータ、
２は仮焼炉、１０は造粒炉、３は焼成炉、４および５は
冷却装置である。各炉のうち造粒炉１０と焼成炉３・冷
却装置４には流動層形式が採用され、冷却装置５は充填
層とされている。投入シュート１Ｋから系内に投入され
たセメント原料粉は、サイクロン１Ａ〜１Ｄや仮焼炉２
を経て予熱されたうえ、造粒炉１０へ投入される。造粒
炉１０において原料粉は数ｍｍサイズの粒に造粒され、
シュート１３や気密排出バルブ３Ａを経て焼成炉３に投
入される。焼成炉３で焼成された造粒物は、冷却装置４
へ送られて一次冷却され、さらに冷却装置５にて二次冷
却されたうえセメントクリンカとして回収される。冷却
装置４・５からの熱風は、焼成炉３を経て造粒炉１０・
仮焼炉２およびサスペンションプレヒータ１へ送られる
ようになっている。造粒炉１０の下部には、その熱風が
上向きに通過する多孔構造の分散板１１が設けられてい
て、その上で原料粉および造粒物の流動層１０ａが形成
される。多孔の分散板１１を有するため、下方への原料
粉および造粒物の落下が起こりにくい。なお、分散板１
１の上面付近には、加熱のための重油バーナ１４も付設
されている。

【００１７】サイクロン１Ｄで捕集された原料粉は、下
方からのガスの吹き上げを防ぐための二重開閉ダンパ１
Ｍを介し、供給管１Ｎ内を通して、従来なら重力落下さ
せることによって造粒炉１０内に投入していた。しか
し、ここに紹介する各実施例では、図６のとおり、造粒
炉１０の側壁上に設けたノズル２１やそれにつながるエ
ジェクタ２２・ブロア２８などからなる吹込み手段２０
によって、原料粉を炉１０内へ吹き入れるようにしてい
る。すなわち、原料粉をエジェクタ２２内のほぼ水平の
部分へ落としながら、ブロア２８からの圧縮空気ととも
にノズル２１から炉１０内へ吹き込むのである。重力落
下によるよりもこうして吹き込む方が、原料粉の投入量
を管理しやすく、また投入先の位置を設定できるうえ、
後述の各構成により原料粉の拡散状態をコントロールし
て造粒粒径を制御できる、といった利点があるからであ
る。

【００１８】図１に示す第一実施例の場合、造粒炉１０
への原料粉吹込み手段２０として、ノズル２１を三つ、
炉１０の側壁上に高さを異ならせて取り付けている。ノ
ズル２１はそれぞれ水平に向け、炉１０の側壁のうち流
動層１０ａが内部に形成される逆円錐台状のコーン部１
２にほぼ鉛直方向に並べて配置したうえ、それぞれに開
閉弁２３を付けた。そしてこうしたノズル２１に対し
て、ブロア２８（流量調整弁２８ａつき）およびエジェ
クタ２２の先を図のように滑らかに三方に分け、そのそ
れぞれを接続している。

【００１９】この例においてノズル２１のうちどれを使
うか、つまり開閉弁２３のどれを開いてどれを閉じるか
の選択によって流動層１０ａ内への原料粉の吹込み高さ
が変わるが、そうした選択によって、造粒炉１０による
造粒物の粒径を変えることができる。実験段階において
この造粒炉１０（直径が約２ｍ、流動層１０ａの高さ
（層高）は約５００〜１０００ｍｍ、層内温度は約１３
００℃）では、分散板１１の上面からノズル２１までの
高さと造粒粒径との関係が図５(ａ)のようになることが
わった。つまり、低い位置にあるノズル２１から原料粉
を吹き込むと、造粒物の粒径が大きくなる。また、同じ
く実験段階で、吹込みをするノズル２１の数（吹込み口
数。各ノズル２１が吹き込む原料粉と圧縮空気の量は一
定とする）と、時間あたりの造粒能力との関係が図５
(ｂ)になることも明らかになった。こうしてノズル２１
（の高さ）を変えて造粒粒径を制御すると、応答性が高
くなり（応答時間は、流動層１０ａの温度によって制御
する従来の場合の数分の一ですむ）、したがって通常の
運転により、製品としてのセメントクリンカの粒径のば
らつきを相当に小さく（粒径の標準偏差σは従来の場合
の約二分の一）することができた。

【００２０】焼成炉３からくるガスは分散板１１の上面
に近い低い位置で流速が高く、上部でやや低速であるほ
か、コーン部１２の内壁付近においては原料粉等ととも
に下向きに移動している。また、バーナ１４を中央へ向
けて対向的に複数配置してあるので、分散板１１上の中
央部付近にはいわゆる局部高温域が形成されている。こ
のように流動層１０ａ内に流速や温度の分布があること
から、ノズル２１のうちどれを使い、流動層１０ａ内の
どの辺に原料粉を吹き込むかを変更することによって、
吹き込んだ原料粉の拡散状態を変えることができ、それ
によって造粒粒径を変更できるのだと考えられる。

【００２１】図２に示す第二実施例は、やはり複数のノ
ズル２１を造粒炉１０の側壁に縦に並べて設けるものだ
が、各ノズル２１ごとにエジェクタ２２を装備している
ことに特徴がある。各エジェクタ２２への原料粉の供給
は、上方からの供給管１Ｎに切替バルブ（もしくは分配
器）２４を介して分岐管を接続することにより行う。図
１の実施例よりも吹込み手段２０の構成はやや複雑であ
るが、各ノズル２１からの原料粉および空気の量を、よ
り正確にコントロールできる利点がある。

【００２２】図３の第三実施例は、複数のノズル２１
を、造粒炉１０の側壁に周方向に間隔をおいて設けたも
のである。ブロア２８から各ノズル２１までの経路に
は、ノズル２１ごとの開閉弁２３の機能を兼ねたエジェ
クタ２２を接続している。吹込みをするノズル２１の数
を任意に設定することにより、造粒状態をコントロール
することができる。たとえば、総量（単位時間あたりに
各ノズル２１から吹き込む原料粉の合計量）を一定にし
て各ノズル２１の吹込み量と吹込み口数とを変えれば造
粒粒径の変更が可能で、口数のみを変えて総量を変える
なら、図５(ｂ)のように造粒量の変更が可能である。

【００２３】また、図４に示す第四の実施例では、ノズ
ル２１の向きを上下左右（縦・横）に変更可能にしてい
る。すなわち、ノズル２１は造粒炉１０の側壁に球面支
持具２１ａを用いて取り付け、エジェクタ２２との間は
可撓管２１ｂにて接続する。このノズル２１によって吹
込み角度を変えれば、流動層１０ａ内への原料粉の吹込
み高さや半径方向の吹込み位置を変えることができ、や
はり迅速・確実な造粒粒径制御が可能である。

【００２４】そのほか、ブロア２８に付設した流量調整
弁２８ａ（図１など参照）を操作して、吹込み空気量な
どを変更することのみによっても、造粒炉１０における
造粒粒径を制御することができる。これも、原料粉の拡
散状態を自在に変更できるからだと考えられる。

【００２５】なお、以上にはセメントクリンカの製造に
関する造粒粒径の制御を中心に紹介したが、本発明の制
御方法または流動層炉は、原料粉を流動化させながら一
部溶融させて付着させるという過程を含むものである限
り、他の用途の造粒工程においても効果的に実施するこ
とができる。たとえばガラス原料の予熱造粒も、そうし
た用途の一つである。

【００２６】

【発明の効果】本発明の造粒粒径制御方法によれば、流
動層炉における造粒粒径を高い応答性のもとに確実に制
御することができ、その結果として、粒径のばらつきが
小さい好ましい造粒物が得られる。また本発明の造粒用
流動層炉は、かかる制御方法を簡単な構成によって容易
に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例として、吹込み手段を含め
て流動層炉（造粒炉）を示す断面図である。

【図２】本発明の第二実施例としての流動層炉の一部を
示す側面図である。

【図３】本発明の第三実施例としての流動層炉を示す平
面図である。

【図４】本発明の第四実施例としての流動層炉の一部を
示す側面図である。

【図５】図５(ａ)・(ｂ)は、本発明（第一実施例）に関
連して行った実験結果を示すグラフである。

【図６】第一〜第四の各実施例に共通するセメントクリ
ンカ製造設備についての全体系統図である。

【符号の説明】

１０ 造粒炉（造粒用流動層炉） １０ａ 流動層 ２０ 吹込み手段 ２１ ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 季穂 東京都千代田区神田美土代町１番地 住友 セメント株式会社内 (72)発明者 橋本 勲 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社 明石工場内 (72)発明者 村尾 三樹雄 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番１ 号 川崎重工業株式会社 神戸工場内 (72)発明者 金森 省三 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番１ 号 川崎重工業株式会社 神戸工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料粉を、流動化させながら一部溶融さ
   せて付着させることにより所定の粒径に造粒する流動層
   炉における造粒粒径制御方法であって、 圧縮ガスを用いて原料粉を流動層炉内に吹き込むととも
   に、その吹込みの条件を変更することによって造粒粒径
   を制御することを特徴とする流動層炉における造粒粒径
   制御方法。
2. 【請求項２】 原料粉を、流動化させながら一部溶融さ
   せて付着させることにより所定の粒径に造粒する造粒用
   流動層炉であって、 圧縮ガスを用いる原料粉の吹込み手段を、吹込み・停止
   の切換え自在なものを含めて複数、流動層炉の側壁に高
   さ方向に間隔をおいて設けたことを特徴とする造粒用流
   動層炉。
3. 【請求項３】 原料粉を、流動化させながら一部溶融さ
   せて付着させることにより所定の粒径に造粒する造粒用
   流動層炉であって、 圧縮ガスを用いる原料粉の吹込み手段を、吹込み・停止
   の切換え自在なものを含めて複数、流動層炉の側壁に周
   方向に間隔をおいて設けたことを特徴とする造粒用流動
   層炉。
4. 【請求項４】 原料粉を、流動化させながら一部溶融さ
   せて付着させることにより所定の粒径に造粒する造粒用
   流動層炉であって、 圧縮ガスを用いる原料粉の吹込み手段を、吹込み角度を
   変更可能にして流動層炉の側壁に設けたことを特徴とす
   る造粒用流動層炉。
5. 【請求項５】 原料粉を、流動化させながら一部溶融さ
   せて付着させることにより所定の粒径に造粒する造粒用
   流動層炉であって、 圧縮ガスを用いる原料粉の吹込み手段を、圧縮ガスの量
   を変更可能にして流動層炉の側壁に設けたことを特徴と
   する造粒用流動層炉。