JPWO2005050114A1 - 燃焼ガス抽気プローブ及び燃焼ガスの処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 プローブの先端金物の焼損を防止し、プローブ内で均一に高温のガスを急冷することができるとともに、外径を小さく抑えることが可能な燃焼ガス抽気プローブ等を提供する。【解決手段】 高温の燃焼ガスが流れる円筒状の内筒４ａと、内筒４ａを囲繞する円筒状の外筒４ｂと、内筒４ａに穿設された低温のガスの吐出孔４ｃと、内筒４ａと外筒４ｂとの間に低温のガスを供給し、吐出孔４ｃから低温のガスを、高温の燃焼ガスの吸引方向に対して略々直角中心方向に吐出させる低温ガス供給手段９とを備える燃焼ガス抽気プローブ４。吐出孔４ｃを複数設け、各々の吐出孔４ｃを、プローブ４の先端から、高温の燃焼ガスの吸引方向において略々同位置に配置してもよく、高温の燃焼ガスの吸引方向に複数段にわたって配置してもよい。低温のガス及び高温の燃焼ガスの流速を４０ｍ／ｓ以上、１００ｍ／ｓ以下とすることが好ましい。【選択図】 図２
Description
本発明は、燃焼ガス抽気プローブ及び燃焼ガスの処理方法に関し、特に、セメントキルンのキルン尻からボトムサイクロンに至るまでのキルン排ガス流路より燃焼ガスの一部を抽気して塩素を除去するためのセメントキルン塩素バイパス設備等に用いられる燃焼ガス抽気プローブ及び抽気した燃焼ガスの処理方法に関する。
従来、セメント製造設備におけるプレヒーターの閉塞等の問題を引き起こす原因となる塩素、硫黄、アルカリ等の中で、塩素が特に問題となることに着目し、セメントキルンの入口フード付近より燃焼ガスの一部を抽気して塩素を除去する塩素バイパス設備が用いられている。また、近年の塩素含有リサイクル資源の活用量の増加に伴い、セメントキルンに持ち込まれる塩素の量が増加し、塩素バイパス設備の能力の増大が不可避となっている。
この塩素バイパス設備には、上記入口フード付近より燃焼ガスの一部を抽気するため、入口フード付近にプローブを突設し、このプローブの後段に抽気ガス処理設備が設けられている。このプローブの先端は、入口フード付近で１０００℃程度の高温に晒されるため、耐熱度の高い鋳鋼を使用したり、入口フードの外部から取り入れた冷風等によって冷却してプローブを保護する必要がある。
また、キルン排ガス中の塩素等の揮発性成分は、プローブで４５０℃程度以下に急冷することによって、バイパスダストの微粉部分に濃縮されるため、後段のガス抽気排出設備にサイクロン等の分級手段を配置し、バイパスダストを揮発性成分濃度の低い粗粉ダストと、揮発性成分濃度の高い微粉ダストに分級し、粗粉ダストはキルン系に戻し、微粉ダストのみ塩素バイパス設備を介して系外に排出することにより、バイパスダスト量を低減することができる。そのため、この点からも、プローブにおいてキルン排ガスを急冷することが必要である。
上記の点に鑑み、例えば、特許文献１には、キルン排ガスの抽気抜出し部に、多数の空気噴出孔を有する二重管からなる空冷ボックス構造を設け、空気の入口を外管の接線方向に形成し、空気噴出孔を排ガス流が旋回流となるように斜め方向に設ける技術が記載されている。
また、特許文献２には、効率よくキルンバイパスにおける排ガスを急冷するため、二重管構造のプローブをキルン排ガス流路に連通させ、このプローブの内管を介してキルン排ガスの一部を抽気し、プローブの内管と外管との間の流体通路に冷却気体を供給し、冷却気体を内管の先端部の内側に案内してプローブの先端部に混合急冷域を形成する技術が開示されている。
しかし、従来の燃焼ガス抽気プローブでは、プローブの先端金物の焼損により、冷風が冷却に用いられずにキルン内に吸い込まれ、抽気が確保できなくなるという問題があった。
また、特許文献１に記載の抽気抜出し部では、多数の空気噴出孔を、排ガス流が旋回流となるように斜め方向に設けているため、噴出孔から噴出された冷却用の空気が排ガスの外側に偏在し、排ガスの流れ方向に対して垂直な断面における温度分布をみると、中央部に高温部分が偏在し、プローブ内で均一にキルン排ガスを急冷することができないおそれがあった。
さらに、上述のように、セメントキルンに持ち込まれる塩素量の増加に対処するため、塩素バイパス設備の能力を増強し、より多くのキルン排ガスを抽気して塩素量を除去する必要があるが、特許文献２に記載のプローブの構成をそのまま用いると、プローブの径が大きくなり、セメントキルン入口フード付近におけるキルン排ガス流路が狭いことと、入口フードに廃棄物処理のための種々の設備が存在することを考慮すると、大径化したプローブを入口フード部に設置するのが困難となるため、プローブの径を小さく抑える必要があった。
そこで、本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、プローブの先端金物の焼損を防止し、プローブ内で均一にキルン排ガス等を急冷することができるとともに、外径を小さく抑えることが可能な燃焼ガス抽気プローブを提供することなどを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、高温の燃焼ガスを、低温のガスにより冷却しながら抽気する燃焼ガス抽気プローブにおいて、高温の燃焼ガスの吸引方向に対して略々直角中心方向に低温のガスを流入させて混合冷却することを特徴とする。
そして、本発明によれば、低温のガスが、高温の燃焼ガスの吸引方向に対して略々直角中心方向に流入するため、ある程度の運動量を持った低温のガスが高温の燃焼ガスの流れの中心部にまで達し、効率よく十分に高温の燃焼ガスと混合され、燃焼ガスの流れ方向に対して垂直な断面における温度分布を均一にしながら高温の燃焼ガスを急冷することができる。また、従来の特許文献２に示されたプローブは、低温のガスが高速であると、プローブの先端からキルン側に流入するおそれがあったが、本発明では、低温ガスが、燃焼ガスの流れに対して反対方向の速度ベクトル成分を有さないため、低温ガスの吐出速度を高速にすることができる。これに伴い、内外筒間の低温ガスの流速を、流速の増加に伴う圧力損失の許容限度にまで高めることができるため、プローブの外径を小さく抑えることが可能となる。
前記燃焼ガス抽気プローブを、前記高温の燃焼ガスが流れる内筒と、該内筒を囲繞する外筒と、前記内筒に穿設された前記低温のガスの吐出孔と、前記内筒と外筒との間に前記低温のガスを供給し、前記吐出孔から該低温のガスを、前記高温の燃焼ガスの吸引方向に対して略々直角中心方向に吐出させる低温ガス供給手段とを備えるように構成することができる。
また、前記燃焼ガス抽気プローブを、前記高温の燃焼ガスが流れる内筒と、該内筒を囲繞するとともに、先端部に、前記内筒の先端部を覆う曲折部を有する外筒と、該曲折部の、前記高温の燃焼ガスの流れに面する部分に穿設された前記低温のガスの吐出孔と、前記内筒と外筒との間に前記低温のガスを供給し、前記吐出孔から該低温のガスを、前記高温の燃焼ガスの吸引方向に対して略々直角中心方向に吐出させる低温ガス供給手段とを備えるように構成することができる。このプローブでは、最も高温に晒されるプローブの先端部を保護することができ、プローブの寿命をさらに延ばすことができる。
前記燃焼ガス抽気プローブにおいて、前記吐出孔を複数設け、各々の吐出孔を、該プローブの先端から、前記高温の燃焼ガスの吸引方向において略々同位置に回転対称に配置することができ、前記吐出孔を複数設け、該複数の吐出孔を、該プローブの先端から、前記高温の燃焼ガスの吸引方向に複数段にわたって配置することもできる。
前記低温のガス及び前記高温の燃焼ガスの流速を、４０ｍ／ｓ以上、１００ｍ／ｓ以下とすることができる。これらの流速が４０ｍ／ｓを下回ると、プローブの径が大きくなり過ぎて好ましくなく、１００ｍ／ｓを超えると、プローブ及び内外筒間の圧力損失が過大となるため好ましくない。
前記プローブの先端に、前記高温の燃焼ガスの吸引方向に対して反対の方向に圧縮空気を噴射するブラスタを備えることができる。これによって、プローブが設置される排ガス流路の壁面等に付着した固結によってプローブの入口部が閉塞するのを防止することができる。
さらに、本発明は、燃焼ガスの処理方法であって、上記いずれかの燃焼ガス抽気プローブにおいて、前記高温の燃焼ガスの抽気量に関わらず、前記低温ガスの吐出量を一定に維持し、該プローブの出口から後段の抽気ガス処理設備までの間において、再度冷却用ガスを混合し、前記燃焼ガスを所定の温度に調整することを特徴とする。これによって、高い冷却速度を維持してＫＣｌの微結晶生成を保ち、高濃度のダストを少量回収する塩素バイパスシステムの性能を維持することができる。
以上説明したように、本発明によれば、長期に渡って焼損することなく性能を維持することができ、プローブ内で均一にキルン排ガス等の高温のガスを急冷することができるとともに、外径を小さく抑えることも可能な燃焼ガス抽気プローブを提供すること等が可能となる。
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。尚、以下の説明においては、本発明にかかる燃焼ガス抽気プローブ（以下、「プローブ」と略称する）及び燃焼ガスの処理方法をセメントキルンの塩素バイパス設備に適用した場合を例にとって説明する。
図１に示すように、セメント焼成設備のセメントキルン２の入口フード付近には、セメントキルン２の排ガス流路の一部となる立上り部３が連結され、この立上り部３に、高温の燃焼ガスを吸引するためのプローブ４が突設される。このプローブ４の後段には、２次混合室５と、サイクロン６と、熱交換器７と、バグフィルタ８等が配置され、これら全体で塩素バイパスシステム１を構成している。
図２は、本発明にかかる燃焼ガス抽気プローブの第１の実施の形態を示し、このプローブ４は、高温の燃焼ガスが矢印Ａ方向に流れる円筒状の内筒４ａと、内筒４ａを囲繞する円筒状の外筒４ｂと、内筒４ａに穿設された複数（同図では４個）の低温のガスの吐出孔４ｃと、内筒４ａと外筒４ｂとの間に形成された冷却空気通路４ｇと、低温ガス供給手段としての冷却ファン９（図１参照）からの低温のガスを冷却空気通路４ｇに供給する冷却空気入口部４ｄとを備える。
内筒４ａは、円筒状に形成され、高温燃焼ガスの入口部４ｅと、出口部４ｆとを備える。燃焼ガス入口部４ｅは、セメントキルン２の立上り部３に挿入され、燃焼ガス出口部４ｆは、後段の抽気ガス処理設備に接続される。
外筒４ｂは、内筒４ａを囲繞するように、断面が内筒４ａと同心円状の円筒状に形成される。外筒４ｂには、冷却ファン９からの冷却空気をプローブ４内に導くための冷却空気入口部４ｄが設けられ、外筒４ｂと内筒４ａとの間の空間は、冷却空気通路４ｇとなり、プローブ４の先端部において、この冷却空気通路４ｇが閉じられている。尚、外筒４ｂの外周部には、図示しない耐火物が施工される。尚、上記実施の形態においては、内筒４ａ及び外筒４ｂを円筒状に形成したが、内筒４ａ及び外筒４ｂの断面形状は、円形に限定されず、矩形状又は多角形状とすることも可能である。
吐出孔４ｃは、内筒４ａの燃焼ガス入口部４ｅから、高温の燃焼ガスの流れ方向（矢印Ａ方向）、すなわち内筒４ａの軸線方向において等位置に複数配置され、これらの吐出孔４ｃから、高温の燃焼ガスの流れ方向に対して略々直角中心方向（矢印Ｃ方向）に冷却ファン９によって導入された冷却空気が吐出される。尚、吐出孔４ｃの数は、図２では４個であるが、２乃至６個設けることが好ましい。
次に、上記構成を有するプローブ４の動作について、図１及び図２を参照しながら説明する。
セメントキルン２内で発生した１０００℃程度のキルン排ガスの一部を、プローブ４によって抽気する。この際、プローブ４に冷却空気入口部４ｄより、冷却ファン９からの冷却空気が供給され、冷却空気は、冷却空気通路４ｇを介して吐出孔４ｃから内筒４ａ内に導入され、燃焼ガスと混合される。これによって、高温の燃焼ガスは、プローブ４の出口ガス温度Ｔ1が４５０℃程度になるように急冷される。ここで、出口ガス温度Ｔ1を４５０℃程度に設定したのは、約４５０℃を超えると、ＫＣｌ等が付着性を有するようになるからである。プローブ４で冷却された抽気ガスを、さらに、２次混合室５において２次冷却ファン１２で冷却し、熱交換器７の入口温度Ｔ2が３５０℃程度となるように制御する。
上記セメントキルン２からの高温の燃焼ガスの冷却に際し、本発明にかかるプローブ４を用いると、吐出孔４ｃから内筒４ａ内に流入する冷却空気は、高温の燃焼ガスの吸引方向に対して直角中心方向にある程度の運動量（モーメンタム）を持って流入するため、低温ガスが高温の燃焼ガスの流れの中心部にまで達し、効率よく十分に高温の燃焼ガスと混合され、高温の燃焼ガスを急冷することができる。また、低温ガスが、燃焼ガスの流れに対して反対方向の速度ベクトル成分を有さないため、抽気されないキルン排ガスを冷却空気により冷却してしまうこともなく、低温ガスを高速にすることができ、内外筒間の低温ガスの流速を、流速の増加に伴う圧力損失の許容限度にまで高めることができるため、プローブの外径を小さく抑えることができる。
次に、サイクロン６からのダストを含む抽気ガスは、サイクロン６で分級される。そして、粗粉は、ロータリキルン系に戻され、微粉及び燃焼ガスは、熱交換器７に供給され、ファン１０からの冷却空気によって熱交換された後、バグフィルタ８で集塵され、ファン１１を介して排ガス処理系へ戻される。尚、ここで、バグフィルタの入口温度Ｔ3が１５０℃程度となるようにファン１０の風量を制御する。また、熱交換器７及びバグフィルタ８で集塵した塩素含有率の高いダストは、セメントミル系へ添加されたり、系外で処理される。尚、２次混合室５の出口ガス温度が１５０℃程度となるように２次冷却ファン１２で冷風を入れることにより、熱交換器７を不要とすることも可能である。
次に、本発明にかかる燃焼ガス抽気プローブの第２の実施の形態について、図３を参照しながら説明する。
このプローブ１４は、高温の燃焼ガスが矢印Ｄ方向に流れる円筒状の内筒１４ａと、内筒１４ａを囲繞するとともに、先端部に、内筒１４ａの先端部を覆う曲折部１４ｈを有する外筒１４ｂと、曲折部１４ｈの、高温の燃焼ガスの流れに面する部分に穿設された複数の低温のガスの吐出孔１４ｃと、内筒１４ａと外筒１４ｂとの間に形成された冷却空気通路１４ｇと、低温ガス供給手段としての冷却ファン９（図１参照）からの低温のガスを冷却空気通路１４ｇに供給する冷却空気入口部１４ｄとを備える。
このプローブ１４の主な構成要素は、上記図２に示したプローブ４と略々同様であるため、詳細説明を省略するが、本実施の形態では、外筒１４ｂの曲折部１４ｈによって内筒１４ａの先端部を覆っているため、冷却空気通路１４ｇを通過する冷却空気が外筒１４ｂの先端部の内側を回り込むように流れ、高温に晒される外筒１４ｂの先端部を保護することができ、プローブの寿命をさらに延長することができる。
次に、本発明にかかる燃焼ガス抽気プローブの第３の実施の形態について、図４を参照しながら説明する。
このプローブ２４は、上記第２の実施の形態におけるプローブ１４に、さらに、圧縮空気によってプローブ吸引口の固結を除去するためのブラスタ２１を設けたことを特徴としている。図２及び図３に示した、上記本発明にかかるプローブ４、１４は、外径を小さく抑えたことも特徴の一つであるが、これに伴い、プローブ４、１４が設置されるキルン排ガス流路の壁面に付着した固結によってプローブ４、１４の入口部が閉塞するおそれがあるため、ブラスタ２１を設置したものである。尚、図４において、図３に示したプローブ１４と同一の構成要素については、同一の参照番号を付して詳細説明を省略する。
ブラスタ２１は、外筒１４ｂの上方から立上り部３（図１参照）の垂直壁２３を経てキルン排ガス流路内に導入される。プローブ吸引口２５の固結２２を除去する際には、図示しない抽気ガス吸引ダンパー（燃焼ガス出口部１４ｆの後段に設けられ、高温の燃焼ガスを矢印Ｄ方向に流すためのダンパー）を閉め、抽気ガスの温度制御によって冷却空気の量を自動的に減少させた後、ブラスタ２１から圧縮空気を吹き込んで固結２２を除去する。固結２２を除去した後、前記抽気ガス吸引ダンパーを開けて通常運転に戻す。
上記ブラスタ２１を用いた固結除去を行うタイミングは、プローブ２４の出口圧力の低下、及びファン１１（図１参照）の電流の低下等で判断する。尚、ブラスタ２１で除去した固結によって吐出口１４ｃが詰まるような場合には、吐出口１４ｃに格子を設けるようにする。
尚、上記実施の形態においては、複数の吐出孔４ｃ、１４ｃをプローブ４、１４、２４の先端から、高温の燃焼ガスの吸引方向に略々同位置に配置したが、これら複数の吐出孔４ｃ、１４ｃを、プローブ４、１４、２４の先端から、高温の燃焼ガスの吸引方向に複数段にわたって配置するようにしてもよい。
また、冷却用ガスとして、空気に汚泥等の処理により発生した臭気を含む排気を加え、高温の燃焼ガスの冷却と、臭気処理とを同時に行うことも可能である。
さらに、上記実施の形態においては、本発明にかかる燃焼ガス抽気プローブ及び燃焼ガスの処理方法をセメントキルンの塩素バイパス設備に適用した場合を例にとって説明したが、塩素バイパスのみならず、セメントキルンのアルカリパイパス等、あるいはセメントキルン以外の燃焼炉等にも適用することができる。
１ 塩素バイパスシステム
２ セメントキルン
３ 立上り部
４ プローブ
４ａ 内筒
４ｂ 外筒
４ｃ 吐出孔
４ｄ 冷却空気入口部
４ｅ 燃焼ガス入口部
４ｆ 燃焼ガス出口部
４ｇ 冷却空気通路
５ ２次混合室
６ サイクロン
７ 熱交換器
８ バグフィルタ
９ 冷却ファン
１０ ファン
１１ ファン
１２ ２次冷却ファン
１４ プローブ
１４ａ 内筒
１４ｂ 外筒
１４ｃ 吐出孔
１４ｄ 冷却空気入口部
１４ｅ 燃焼ガス入口部
１４ｆ 燃焼ガス出口部
１４ｇ 冷却空気通路
１４ｈ 曲折部
２１ ブラスタ
２２ 固結
２３ 垂直壁
２４ プローブ
２５ プローブ吸引口
２ セメントキルン
３ 立上り部
４ プローブ
４ａ 内筒
４ｂ 外筒
４ｃ 吐出孔
４ｄ 冷却空気入口部
４ｅ 燃焼ガス入口部
４ｆ 燃焼ガス出口部
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６ サイクロン
７ 熱交換器
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９ 冷却ファン
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２１ ブラスタ
２２ 固結
２３ 垂直壁
２４ プローブ
２５ プローブ吸引口
Claims (8)
- 高温の燃焼ガスを、低温のガスにより冷却しながら抽気するプローブにおいて、
高温の燃焼ガスの吸引方向に対して略々直角中心方向に低温のガスを流入させて混合冷却することを特徴とする燃焼ガス抽気プローブ。 - 前記高温の燃焼ガスが流れる内筒と、
該内筒を囲繞する外筒と、
前記内筒に穿設された前記低温のガスの吐出孔と、
前記内筒と外筒との間に前記低温のガスを供給し、前記吐出孔から該低温のガスを、前記高温の燃焼ガスの吸引方向に対して略々直角中心方向に吐出させる低温ガス供給手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃焼ガス抽気プローブ。 - 前記高温の燃焼ガスが流れる内筒と、
該内筒を囲繞するとともに、先端部に、前記内筒の先端部を覆う曲折部を有する外筒と、
該曲折部の、前記高温の燃焼ガスの流れに面する部分に穿設された前記低温のガスの吐出孔と、
前記内筒と外筒との間に前記低温のガスを供給し、前記吐出孔から該低温のガスを、前記高温の燃焼ガスの吸引方向に対して略々直角中心方向に吐出させる低温ガス供給手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃焼ガス抽気プローブ。 - 前記吐出孔を複数設け、各々の吐出孔を、該プローブの先端から、前記高温の燃焼ガスの吸引方向において略々同位置に回転対称に配置したことを特徴とする請求項２または３に記載の燃焼ガス抽気プローブ。
- 前記吐出孔を複数設け、該複数の吐出孔を、該プローブの先端から、前記高温の燃焼ガスの吸引方向に複数段にわたって配置したことを特徴とする請求項２または３に記載の燃焼ガス抽気プローブ。
- 前記低温のガス及び前記高温の燃焼ガスの流速を、４０ｍ／ｓ以上、１００ｍ／ｓ以下とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃焼ガス抽気プローブ。
- 該プローブの先端に、前記高温の燃焼ガスの吸引方向に対して反対の方向に圧縮空気を噴射するブラスタを備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃焼ガス抽気プローブ。
- 請求項１乃至７のいずれかに記載の燃焼ガス抽気プローブにおいて、前記高温の燃焼ガスの抽気量に関わらず、前記低温ガスの吐出量を略々一定に維持し、該プローブの出口から後段の抽気ガス処理設備までの間において、再度冷却用ガスを混合し、前記燃焼ガスを所定の温度に調整することを特徴とする燃焼ガスの処理方法。
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