TW202022286A - 水泥窯用燃燒裝置及其運轉方法 - Google Patents

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內藤浩一
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日商太平洋水泥股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種強力形成水泥窯內之可燃性固形廢棄物之懸浮狀態，並且容易產生處於懸浮狀態之可燃性固形廢棄物之點火之水泥窯用燃燒裝置及其運轉方法。 本發明具備：固體粉末燃料用流路，其具備固體粉末燃料流之迴旋手段；第一空氣流路，其鄰接於固體粉末燃料用流路而配置於內側，且具備空氣流之迴旋手段；第二空氣流路，其配置於較固體粉末燃料用流路更靠外側之最外殼處，且具備空氣流之直進手段；及可燃性固形廢棄物用流路，其配置於第一空氣流路之內側。第二空氣流路係將構成空氣流之吹出口之開孔部於圓周方向分割為4個以上，且以可使自上述開孔部噴出之空氣流之流量依上述開孔部各自獨立而控制之方式構成。

Description

水泥窯用燃燒裝置及其運轉方法
本發明係關於一種水泥窯用燃燒裝置，尤其係關於一種將可燃性固形廢棄物活用作水泥熟料燒成中之輔助燃料之水泥窯用燃燒裝置。又，本發明係關於此種水泥窯用燃燒裝置之運轉方法。
廢塑膠、木屑、汽車破碎殘餘物（ASR：automobile shredder residue）等可燃性固形廢棄物具有能夠用作燒成用燃料之程度之熱量。因此，於用於水泥熟料之燒成之旋轉窯中，作為主燃料即粉煤之代替燃料，正推進可燃性固形廢棄物之有效利用。以下，將用於水泥熟料之燒成之旋轉窯稱為「水泥窯」。
習知，水泥窯中之可燃性固形廢棄物之燃料再利用水泥熟料之品質之影響較小，設置於窯後部之預燒爐中之利用正在發展。然而，預燒爐中之使用量接近飽和，因此，要求設置於窯前部之主燃燒器中之利用技術。
然而，於水泥窯之主燃燒器中，於將可燃性固形廢棄物用作代替燃料之情形時，有時會產生自主燃燒器噴出之可燃性固形廢棄物即便落於水泥窯內之水泥熟料上亦繼續燃燒之現象（以下稱為「落地燃燒」）。若產生該落地燃燒，則可燃性固形廢棄物之落地點周邊之水泥熟料被還原燒成，產生水泥熟料之白化或熟料燒成反應之異常。
為了不使可燃性固形廢棄物落地燃燒，要求如下技術，即，使水泥窯內之可燃性固形廢棄物之懸浮狀態長時間繼續，於懸浮狀態下完成該可燃性固形廢棄物之燃燒，或使可燃性固形廢棄物落地於水泥窯內之遠處（窯後側），於熟料原料到達熟料燒成之主反應區域之前，完成該可燃性固形廢棄物之燃燒。
例如，於下述專利文獻1中，作為可使可燃性固形廢棄物之大部分以懸浮狀態燃燒之技術，揭示有一種水泥窯，其係設置有用以使作為主燃料之粉煤噴出之主燃料燃燒器及吹入可燃性固形廢棄物之輔助燃燒器者，且來自主燃料燃燒器之一次空氣以於自水泥窯本體之窯前側之軸線方向觀察於一方向迴旋之方式供給，並且於該主燃料燃燒器之外方且相對於通過上述軸線之垂直線自主燃料燃燒器之頂部（0°）繞著軸線向與上述一方向相反方向55°之範圍內配置有輔助燃燒器。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2013-237571號公報
[發明所欲解決之課題]
然而，於專利文獻1之方法中，將可燃性固形廢棄物設為懸浮狀態之效果並不充分，可應用之可燃性固形廢棄物限於廢塑膠等容積比重較小者。又，即便係廢塑膠，亦有難以使外徑超過15 mm之尺寸者以懸浮狀態完全燃燒之課題。亦即，於專利文獻1之方法中可利用之可燃性固形廢棄物於容積比重或大小方面有較大之制約。
本發明鑒於上述課題，目的在於提供一種強力形成水泥窯內之可燃性固形廢棄物之懸浮狀態，並且容易產生處於懸浮狀態之可燃性固形廢棄物之點火之水泥窯用燃燒裝置及其運轉方法。 [解決課題之技術手段]
本發明者們對強力地形成水泥窯內之可燃性固形廢棄物之懸浮狀態並且容易產生處於懸浮狀態之可燃性固形廢棄物之點火之來自主燃燒器之可燃性固形廢棄物之吹入方法進行了銳意研究。其結果發現，對於來自主燃燒器之吹出口，於除1條流路之燃料流（包含粉煤之空氣流）以外，還具備2條一次空氣之流路之多通道式燃燒器中，將來自位於最外殼處之通道之一次空氣之直進流遍及沿整個圓周方向於空間上進行分割，並且獨立地控制各經分割之空氣流之流量，藉此可解決上述課題。
即，本發明之水泥窯用燃燒裝置， 係具備分隔為複數個同心圓筒狀構件之複數個流路者，其特徵在於具備： 固體粉末燃料用流路，其具備固體粉末燃料流之迴旋手段； 第一空氣流路（第一迴旋內流），其鄰接於上述固體粉末燃料用流路而配置於內側，且具備空氣流之迴旋手段； 第二空氣流路（第一直進外流），其配置於較上述固體粉末燃料用流路更靠外側之最外殼處，且具備空氣流之直進手段；及 可燃性固形廢棄物用流路，其配置於上述第一空氣流路之內側；且 上述第二空氣流路係將構成空氣流之吹出口之開孔部於圓周方向分割為4個以上，且以可使自上述開孔部噴出之空氣流之流量依上述開孔部各自獨立而控制之方式構成。
而且，固體粉末燃料用流路、第一空氣流路、第二空氣流路、及可燃性固形廢棄物用流路之各者延伸設置至水泥窯用燃燒裝置之前端面。
即，上述構成之水泥窯用燃燒裝置隔著固體粉末燃料用流路而於外側具備至少1個空氣流路（第一直進外流），於內側具備1個空氣流路（第一迴旋內流）。藉由獨立地調整流經該等至少2個空氣流路之空氣量，可因應使用之固體粉末燃料及可燃性固形廢棄物之種類等容易地進行用以獲得最佳之火焰之調整。
如上所述，構成第一直進外流之第二空氣流路配置於較固體粉末燃料用流路更靠外側之最外殼處，且構成空氣流之吹出口之開孔部於圓周方向分割為4個以上。而且，上述第二空氣流路以可使自各開孔部噴出之空氣流之流量依開孔部各自獨立地控制之方式構成。
因此，例如，藉由將自鄰接之開孔部噴出之空氣流之流量實質上設為零，自第二空氣流路之吹出口吹出之第一直進外流變為間歇性，實質上可構成為數條直進外流束。藉此，使自燃燒器噴出之空氣流亂流化之程度及範圍增大，自熟料冷卻器供給至水泥窯內之作為高溫空氣之二次空氣迅速且大量地引入燃燒器火焰內，從而可使可燃性固形廢棄物以懸浮狀態燃燒。
又，若燃燒器之燃燒長期化，則存在燃燒器火焰之形狀變形等燃燒器之燃燒狀態經時地變化之情形。進而，根據所使用之固體粉末燃料或可燃性固形廢棄物之種類，存在必須一面繼續運轉狀態一面調整燃燒條件之情形。根據上述構成，於第二空氣流路中藉由控制自構成空氣流之吹出口之各開孔部噴出之空氣流之流量，可依開孔部各自獨立地控制空氣流之流量，因此，可根據燃燒器火焰之形狀或燃料之燃燒狀態調整空氣流之供給條件，從而容易地進行用以獲得最佳之火焰之調整。
較佳為，上述水泥窯用燃燒裝置於自上述可燃性固形廢棄物用流路噴出之可燃性固形廢棄物流中具備直進手段。
根據該構成，可充分地進行上述可燃性固形廢棄物流與自各流路噴出之一次空氣、進而與上述二次空氣之混合。藉此，可藉由一面對可燃性固形廢棄物懸浮之周邊供給充足之量之氧，一面迅速地形成高溫之環境，而早期完成可燃性固形廢棄物之燃燒。
又，上述水泥窯用燃燒裝置亦可具備第三空氣流路（第一迴旋外流），該第三空氣流路配置於較上述固體粉末燃料用流路更靠外側且較上述第二空氣流路更靠內側，且具備空氣流之迴旋手段。
進而，上述水泥窯用燃燒裝置亦可除上述第三空氣流路以外或代替上述第三空氣流路而具備第四空氣流路（第二直進外流），該第四空氣流路配置於較上述固體粉末燃料用流路更靠外側且較上述第二空氣流路更靠內側，且具備空氣流之直進手段。於上述水泥窯用燃燒裝置除上述第三空氣流路以外還具備上述第四空氣流路之情形時，上述第四空氣流路亦可配置於較上述第三空氣流路更靠外側且較上述第二空氣流路更靠內側。
於此情形時，構成上述第二直進外流之上述第四空氣流路亦可與構成上述第一直進外流之上述第二空氣流路同樣地將構成空氣流之吹出口之開孔部於圓周方向分割為4個以上，且以可使自上述開孔部噴出之空氣流之流量依上述開孔部各自獨立地控制之方式構成。
根據上述構成，可更靈活地調整空氣流之供給條件。
又，上述水泥窯用燃燒裝置亦可設為如下者，即，中心角於複數個上述開孔部各者相同，該中心角係將上述第二空氣流路於相對於軸心正交之面切斷時之作為自上述第二空氣流路具有之上述開孔部之圓周方向之兩端連結軸心之角度。
又，本發明係上述水泥窯用燃燒裝置之運轉方法，其特徵在於：自上述第二空氣流路具有之複數個上述開孔部之各者吹出之空氣流之風速為0 m/秒～400 m/秒（其中，自所有上述開孔部吹出之空氣流全部為0 m/秒之情形除外）。
又，於上述水泥窯用燃燒裝置之運轉方法中，可將來自上述固體粉末燃料用流路之燃燒器前端之固體粉末燃料流之迴旋角度設為0°～15°。又，可將來自上述第一空氣流路（第一迴旋內流）之燃燒器前端之空氣流之迴旋角度設為30°～50°。
進而，於上述水泥窯用燃燒裝置之運轉方法中，亦可將上述固體粉末燃料用流路中之燃燒器前端之風速設為30 m/秒～80 m/秒，將上述第一空氣流路（第一迴旋內流）中之燃燒器前端之風速設為5 m/秒～240 m/秒，將上述可燃性固形廢棄物用流路之燃燒器前端之可燃性固形廢棄物流之風速設為30 m/秒～80 m/秒。
又，於上述水泥窯用燃燒裝置之運轉方法中，可將自上述可燃性固形廢棄物用流路噴出之可燃性固形廢棄物之粒徑設為30 mm以下。 [發明之效果]
根據本發明之水泥窯用燃燒裝置、及本發明之水泥窯用燃燒裝置之運轉方法，可使廢塑膠片等可燃性固形廢棄物不落地燃燒而作為代替燃料有效地利用。
以下，參照圖式，對本發明之水泥窯用燃燒裝置及其運轉方法之實施形態進行說明。再者，以下圖式係模式性地表示者，圖式上之尺寸比與實際之尺寸不一致。
圖1係模式性地表示本發明之水泥窯用燃燒裝置之一實施形態之前端部分之圖式。於圖1中，（a）係水泥窯用燃燒裝置之橫剖視圖，（b）係其縱剖視圖。再者，所謂橫剖視圖係指將水泥窯用燃燒裝置於與該裝置之軸向正交之平面切斷之剖視圖，所謂縱剖視圖係指將水泥窯用燃燒裝置於與該裝置之軸向平行之平面切斷之剖視圖。
再者，於圖1中，將水泥窯用燃燒裝置之軸向（即，空氣流方向）設為Y方向，將垂直方向設為Z方向，將與YZ平面正交之方向設為X方向而設定座標系統。以下，一面適當參照該XYZ座標系統，一面進行說明。若使用該XYZ座標系統進行記載，則圖1（a）與將水泥窯用燃燒裝置於XZ平面切斷時之剖視圖對應，圖1（b）與將水泥窯用燃燒裝置於YZ平面切斷時之剖視圖對應。更詳細而言，圖1（b）與將水泥窯用燃燒裝置於燃燒器前端附近之位置於YZ平面切斷時之剖視圖對應。
如圖1所示，水泥窯用燃燒裝置1呈同心圓狀具備複數個流路。更詳細而言，水泥窯用燃燒裝置1具備合計4個流路，即：固體粉末燃料用流路2；第一空氣流路11，其鄰接於固體粉末燃料用流路2而配置於內側；第二空氣流路12，其配置於較固體粉末燃料用流路2更靠外側之最外殼之位置；及第三空氣流路13，其配置於較固體粉末燃料用流路2更靠外側且較第二空氣流路12更靠內側。即，圖1所示之水泥窯用燃燒裝置1係所謂4通道式之燃燒裝置。於第一空氣流路11之內側配置油用流路3、可燃性固形廢棄物用流路4等。
於固體粉末燃料用流路2、及第一～第三空氣流路11～13中之固體粉末燃料用流路2、第一空氣流路11、及第三空氣流路13，分別作為迴旋手段之迴旋葉片（2a、11a，13a）固定於各流路之燃燒器前端部（參照圖1（b））。即，自第一空氣流路11噴出之空氣流形成相對於自固體粉末燃料用流路2噴出之固體粉末燃料流位於內側之迴旋空氣流（以下適當稱為「第一迴旋內流」）。自第三空氣流路13噴出之空氣流形成相對於自固體粉末燃料用流路2噴出之固體粉末燃料流位於外側之迴旋空氣流（以下適當稱為「第一迴旋外流」）。再者，各迴旋葉片（2a、11a、13a）構成為於水泥窯用燃燒裝置1運轉開始前之時點迴旋角度可調整。
另一方面，於位於最外殼處之第二空氣流路12未設置迴旋手段。即，自第二空氣流路12噴出之空氣流形成相對於自固體粉末燃料用流路2噴出之固體粉末燃料流位於外側之直進空氣流（以下適當稱為「第一直進外流」）。對於此方面，一面參照僅將第二空氣流路12自圖1抽出而模式性地進行圖示之圖2一面進行說明。
於本實施形態中，第二空氣流路12於圓周方向分割為複數個流路。更詳細而言，如圖2所示，第二空氣流路12藉由分隔部12c於圓周方向分隔有構成空氣流之吹出口之複數個開孔部（12-1、12-2、……）。於本實施形態中，將第二空氣流路12之分割數設為8個，構成所分割之各流路之開孔部（12-1、12-2、……、12-8）均具有相同之中心角Φ。此處，所謂中心角Φ，如圖2所示般，與將第二空氣流路12於相對於沿Y方向延伸之軸心O正交之面（XZ平面）切斷時之自各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）之圓周方向之兩端連結軸心之角度對應。
於本實施形態中，第二空氣流路12以可使自該開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之空氣流之流量依該第二空氣流路12之複數個開孔部（12-1、12-2、……、12-8）各自獨立地控制之方式構成。對於此方面，參照圖3進行說明。
圖3係模式性地表示包含圖1所示之水泥窯用燃燒裝置1之水泥窯用燃燒系統之構造之一例之圖式。圖3所圖示之水泥窯用燃燒系統20係重視控制之容易性而構成者，具備5台送風風扇F1～F5。
供給至粉煤搬送配管22之粉煤C（相當於「固體粉末燃料」）藉由送風風扇F1所形成之空氣流而供給至水泥窯用燃燒裝置1之固體粉末燃料用流路2。自送風風扇F3供給之空氣作為燃燒用空氣A經由空氣配管31而向水泥窯用燃燒裝置1之第一空氣流路11供給。自送風風扇F4供給之空氣作為燃燒用空氣A經由空氣配管33而向水泥窯用燃燒裝置1之第三空氣流路13供給。供給至可燃性固形廢棄物搬送配管24之可燃性固形廢棄物RF藉由送風風扇F5所形成之空氣流而供給至水泥窯用燃燒裝置1之可燃性固形廢棄物用流路4。
又，自送風風扇F2供給之空氣作為燃燒用空氣A經由空氣配管32而向水泥窯用燃燒裝置1之第二空氣流路12供給。更詳細而言，空氣配管21藉由8個分支管（321、322、……、328）而被分支，各分支管（321～328）連接於分割水泥窯用燃燒裝置1之第二空氣流路12之複數個開孔部（12-1、12-2、……、12-8）。於各分支管（321～328）分別設置有氣閥（B1～B8），能夠藉由調整氣閥（B1～B8）之開度而獨立地控制流經各分支管（321～328）之空氣流之流量。
圖3所圖示之水泥窯用燃燒系統20可藉由上述送風風扇（F1～F5）而使流經各流路（2、4、11、12、13）之空氣量獨立地控制。進而，對於第二空氣流路12，可藉由氣閥（B1～B8）而使自經分割之各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之空氣量獨立地控制。藉此，可容易地進行用以獲得與粉煤、石油焦、或其他固形燃料等固體粉末燃料之種類、廢塑膠、肉骨粉或生質等可燃性固形廢棄物之種類、以及各種水泥窯之操作環境對應之最佳之火焰的調整。
再者，於本說明書中，所謂「生質」係能夠作為燃料等利用之來自生物之有機質資源（但是，化石燃料除外），例如，廢舊草席之粉碎物、建設廢木材之粉碎物、木屑及鋸屑等屬之。
又，亦可自油用流路3供給重油等於水泥窯用燃燒裝置1點火時利用，進而，亦可供給粉煤以外之固體燃料或重油等液體燃料而於穩定運轉時與粉煤混燒（未圖示）。
即，於圖1～圖3中表示一實施形態之本發明之水泥窯用燃燒裝置1（及水泥窯用燃燒系統20）係除固體粉末燃料用流路2以外還具備3個空氣流路（11、12、13）之4通道式之燃燒裝置，且於水泥窯用燃燒裝置1使用時，以能夠控制5台送風風扇（F1～F5）、及8台氣閥（B1～B8）之運轉而控制流經各流路（2、4、11、12、13）之空氣量之方式構成。尤其是，對流經第二空氣流路12之空氣量，可針對分割該流路之複數個開孔部（12-1、12-2、……、12-8）之每一個進行控制。進而，除此以外，於水泥窯用燃燒裝置1使用前，設置於固體粉末燃料用流路2、第一空氣流路11、及第三空氣流路13之迴旋葉片（2a、11a、13a）之迴旋角度亦可調整。藉由此種構成，能夠視需要進行多樣之控制。
圖4係模式性地表示本發明之水泥窯用燃燒裝置之另一實施形態之前端部分之圖式。與圖1同樣地，於圖4中，（a）係水泥窯用燃燒裝置之橫剖視圖，（b）係其縱剖視圖。
圖4所示之水泥窯用燃燒裝置1相較於圖1之構成，不同點在於不具備用以形成第一迴旋外流之第三空氣流路13，其他方面共通。即，圖4所示之水泥窯用燃燒裝置1具備合計3個流路，即：固體粉末燃料用流路2；第一空氣流路11，其鄰接於固體粉末燃料用流路2而配置於內側；及第二空氣流路12，其配置於較固體粉末燃料用流路2更靠外側之最外殼之位置。即，圖4所示之水泥窯用燃燒裝置1係所謂3通道式燃燒裝置。再者，第二空氣流路12之構成與圖2相同，因此省略說明。
於圖4所示之3通道式燃燒裝置之情形時，相較於圖1所示之4通道式燃燒裝置，未形成第一迴旋外流。然而，與圖1所示之4通道式燃燒裝置同樣地，配置於較固體粉末燃料用流路2更靠外側之位於最外殼處之形成直進外流之第二空氣流路12由複數個開孔部（12-1、12-2、……、12-8）於圓周方向分割，從而可使經分割之各空氣流獨立地控制，因此，可進行用以獲得與水泥窯之操作環境對應之最佳之火焰之調整。
如上所述，於圖4所示之3通道式水泥窯用燃燒裝置1之情形時，與圖1所示之4通道式不同，不具備第三空氣流路13。因此，對於包含該水泥窯用燃燒裝置1之水泥窯用燃燒系統20，可如圖5所示般，設為相較於圖3不具備送風風扇F4之構成。
本發明者們藉由水泥窯用燃燒裝置1之燃燒模擬（軟體：ANSYS JAPAN公司製造、FLUENT）而進行火焰形狀及水泥窯內之溫度分佈、水泥窯內之氧濃度分佈、水泥窯內之氣流之亂流之程度之解析等，藉此，發現了用以使控制因子最佳化之基本之限定區域。
下述表1及表2係於以下燃燒器燃燒條件中發現之基本之限定區域之一例。再者，表1與圖1所例示之4通道式水泥窯用燃燒裝置1對應，表2與圖4所例示之3通道式水泥窯用燃燒裝置1對應。
＜燃燒器燃燒條件＞ 粉煤C之燃燒量：15 t/小時 作為可燃性固形廢棄物RF之廢塑膠（軟質塑膠）處理量：3 t/小時 作為可燃性固形廢棄物RF之廢塑膠之尺寸：將厚度0.5 mm之片材沖裁為直徑30 mm之圓形片狀 二次空氣量及溫度：150000 Nm3 /小時、800℃ 水泥窯用燃燒裝置1之燃燒器前端之直徑：700 mm
[表1]
Figure 108134623-A0304-0001
[表2]
Figure 108134623-A0304-0002
於表1中，作為基本之限定區域，列舉有上述固體粉末燃料用流路2、（形成第一迴旋外流之）第一空氣流路11、（形成第一直進外流之）第二空氣流路12、（形成第一迴旋內流之）第三空氣流路13、及可燃性固形廢棄物用流路4之燃燒器前端風速（m/秒）、一次空氣比（體積%）及開孔部比率（面積%）、以及迴旋葉片（2a、11a、13a）之迴旋角度。再者，於本說明書中，所謂「一次空氣比」係指相對於理論燃燒空氣量之一次空氣比（A0 比）。
同樣地，於表2中，作為基本之限定區域，列舉有固體粉末燃料用流路2、（形成第一迴旋外流之）第一空氣流路11、（形成第一直進外流之）第二空氣流路12、及可燃性固形廢棄物用流路4之燃燒器前端風速（m/秒）、一次空氣比（體積%）及開孔部比率（面積%）、以及迴旋葉片（2a、11a）之迴旋角度。
於上述各項目中，形成第一直進外流之位於最外殼處之第二空氣流路12之燃燒器前端風速（m/秒）尤其重要。更詳細而言，從自第二空氣流路12分割之各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之空氣流之燃燒器前端風速（m/秒）尤其重要。
其原因在於：如上所述，為了使可燃性固形廢棄物以懸浮狀態燃燒，必須於火焰內充分地形成空氣流成為亂流之區域，但藉由使第一直進外流之流量於圓周方向不同，可一方面為不會對水泥熟料之燒成造成影響之程度，一方面於火焰內形成強度之亂流。但是，若該亂流之程度變得過剩，則亦產生水泥窯內之溫度分佈變得不穩定，並且火焰之一部分直接與水泥熟料原料接觸之情形，所產生之水泥熟料之品質劣化。
鑒於該情況，從自位於最外殼處之第二空氣流路12分割之各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之各空氣流之燃燒器前端風速較佳為0 m/秒～400 m/秒。即，亦存在自特定之開孔部未噴出空氣流之情形。但是，自所有開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之各空氣流之燃燒器前端風速為0 m/秒之情形除外。
又，從自位於最外殼處之第二空氣流路12分割之各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之一次空氣量之總量、即藉由送風風扇F2而供給之一次空氣量（m3 N/分鐘）為固體粉末燃料流、可燃性固形廢棄物流、及其他所有一次空氣流中最大之空氣量。於藉由上述送風風扇F2而供給之一次空氣量小於其他空氣流之一次空氣量之情形時，有火焰內之亂流之形成不充分之情形。
又，於從自位於最外殼處之第二空氣流路12分割之各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之空氣流之燃燒器前端風速超過400 m/秒之情形時，有火焰內之亂流之形成過度，而產生上述水泥熟料之品質之降低之虞。
進而，位於最外殼處之第二空氣流路12之開孔部比率較佳為20面積%～100面積%。此處，所謂開孔部比率係如圖2所示般將第二空氣流路12於相對於沿Y方向延伸之軸心O正交之面（XZ平面）切斷時之開孔部（12-1、12-2、……、12-8）之合計面積相對於整體面積之比率。但是，於開孔部（12-1、12-2、……、12-8）中之將空氣流之風量設為0之開孔部12-X存在之情形時，該開孔部12-X不使空氣流流經，因此，實質上與封閉部對應。因此，開孔部12-X之面積採用不包含於開孔部之合計面積而計算所得之上述比率之值。
於開孔部比率未達100面積%之情形時，來自第二空氣流路12之一次空氣流之較佳之態樣為僅自較包含軸心O且與同心圓筒狀構件之軸向平行之平面（圖1及圖4內之Z1-Z1平面）更靠垂直下方側（-Z方向側）噴出空氣流之態樣。具體而言，係如下態樣，即，於圖2內，自開孔部（12-3、12-4、12-5、12-6）噴出一次空氣，自開孔部（12-1、12-2、12-7、12-8）不噴出一次空氣。
又，於圖1所示之4通道式燃燒器等具備第一迴旋外流（第三空氣流路13）之水泥窯用燃燒裝置1之情形時，作為考慮到來自第二空氣流路12之直進外流受到來自鄰接配置於內側之第三空氣流路13之迴旋外流之迴旋影響，而在與來自第三空氣流路13之迴旋外流之迴旋方向相同方向迴旋之情況之較佳之態樣，係如下所述。例如，於來自第三空氣流路13之迴旋外流於右螺旋之旋轉方向噴出之情形時，藉由自迴旋之上游側（於圖1（a）、圖2中為-X、+Z區域）吹出一次空氣流，於水泥窯內之火焰中可使來自第二空氣流路12之空氣流（直進外流）位於火焰下部。作為具體之一態樣，於圖2內，可採用自開孔部（12-4、12-5、12-6、12-7）噴出一次空氣，自開孔部（12-1、12-2、12-3、12-8）不噴出一次空氣之構成。
如此，藉由將噴出一次空氣之吹出口（開孔部）配置於相對於軸心O靠垂直下方側，而於燃燒器火焰內形成具有上升效果之亂流，即便為較大之可燃性固形廢棄物，亦可使懸浮狀態長時間持續。
又，開孔部比率未達100面積%之情形之來自第二空氣流路12之一次空氣流不同之較佳之態樣係使有一次空氣之噴出之吹出口與無噴出之吹出口交替地相鄰，將一次空氣於空間上間歇地吹出之方法。藉由如此般間隔地配置有噴流之吹出口與無噴流之吹出口，來自第二空氣流路12之空氣流以多條直進外流束之形式被供給而於火焰內形成空氣密度之濃淡部，以消除該密度差之方式產生亂流。作為具體之一態樣，於圖2內，可採用自開孔部（12-1、12-3、12-5、12-7）噴出一次空氣，自開孔部（12-2、12-4、12-6、12-8）不噴出一次空氣之構成。
再者，於上述中，對設置噴出一次空氣之開孔部（為方便起見稱為「開孔部12A」）、及不噴出一次空氣之開孔部（為方便起見稱為「開孔部12B」）之情形進行說明，但亦可藉由對兩者之流量設置較大之差而實現同樣之功能。即，開孔部12B可設為完全不噴出一次空氣之構成，亦可設為噴出相較於開孔部12A流量大幅降低之一次空氣之構成。
其次重要之基本之限定區域係上述固體粉末燃料用流路2、及（形成第一迴旋內流之）第一空氣流路11之迴旋角度（°）。其原因在於：藉由迴旋葉片（2a、11a）所產生之迴旋流，而形成具有燃燒裝置之點火之穩定性、及火焰穩定功能之燃燒器火焰內氣流之內部循環。進而，其原因在於：迴旋葉片（2a、11a）之迴旋角度通常於燃燒裝置運轉中固定，於運轉中無法進行最佳化之調整。
再者，於4通道式燃燒裝置中，除上述以外，（形成第一迴旋外流之）第三空氣流路13之迴旋角度（°）亦因同樣之理由而成為重要之要素。
再者，所謂迴旋葉片之迴旋角度係例如於將圖1所示之固定有迴旋葉片之圓筒狀構件如圖6所示般於平面上展開之情形時，水泥窯用燃燒裝置1之軸線9與迴旋葉片之中心線10所成之角度θ，與燃燒器前端之固體粉末燃料流或一次空氣流之迴旋角度一致。於圖6中，例示性地對固體粉末燃料用流路2之迴旋葉片2a進行圖示，固體粉末燃料用流路2之前端位置2b中之粉煤C（固體粉末燃料）之噴出方向相對於圓筒狀構件之軸線9之方向（圖式上Y方向）迴旋角度θ。對於其他迴旋葉片（11a、13a）中之迴旋角度亦係同樣地定義。
利用上述固體粉末燃料用流路2之迴旋葉片2a所得之固體粉末燃料流之迴旋角度較佳為設定為0°～15°。於該迴旋角度大於15°之情形時，有如下擔憂，即，自固體粉末燃料用流路2噴出之固體粉末燃料（粉煤C）與引入固體粉末燃料用流路2、空氣流路（11～13）、及火焰內之上述二次空氣之混合變得相當過度，藉由該固體粉末燃料而形成之火焰之溫度上升，並且火焰之形狀之控制變得困難，有所獲得之水泥熟料之品質降低之虞。
利用迴旋葉片11a所得之第一迴旋內流（來自第一空氣流路11之空氣流）之迴旋角度較佳為設定為30°～50°。於第一迴旋內流之迴旋角度未達30°之情形時，存在如下情況，即，自固體粉末燃料用流路2噴出之固體粉末燃料與第一迴旋內流之混合變得不充分，所獲得之水泥熟料之品質降低，並且難以充分地減少排氣NOx 。另一方面，於上述迴旋角度超過50°之情形時，存在如下情況，即，與固體粉末燃料流之混合變得或於激烈，難以控制火焰之形狀，所獲得之水泥熟料之品質降低。
又，於4通道式燃燒裝置中，利用迴旋葉片13a所得之第一迴旋外流（來自第三空氣流路13之空氣流）之迴旋角度較佳為設定為1°～50°。於第一迴旋外流之迴旋角度未達1°之情形時，存在如下情況，即，自固體粉末燃料用流路2噴出之固體粉末燃料與第一迴旋外流之混合變得不充分，所獲得之水泥熟料之品質降低，並且難以充分地減少排氣NOx 。另一方面，於上述迴旋角度超過50°之情形時，存在如下情況，即，與固體粉末燃料流之混合變得或於激烈，難以控制火焰之形狀，所獲得之水泥熟料之品質降低。
各流路（2、4、11、12、13）之一次空氣量（m3 N/分鐘）就穩定地形成火焰內之還原區域之觀點而言，較佳為儘可能地減少，但若過度減少，則火焰之形狀變化而高溫區域移行至水泥窯內部，因此，所獲得之水泥熟料之品質降低。於上述表1及表2所示之例中，來自固體粉末燃料用流路2之空氣流、及第一直進外流（來自第二空氣流路12之空氣流）之量（一次空氣量）設定為較其他空氣流更大。其原因在於：藉由將高溫之二次空氣順利地引入火焰內，使粉煤C（固體粉末燃料）及可燃性固形廢棄物RF急速地高溫化，而促進揮發成分之釋放，使火焰之還原狀態穩定化。
如上所述，根據本發明，於水泥窯用燃燒裝置1運轉前，將固體粉末燃料用流路2、及第一空氣流路11（第一迴旋內流）之各迴旋葉片（2a、11a）之迴旋角度設定為表2所示之範圍內，進而，於水泥窯用燃燒裝置1運轉時，進行利用送風風扇（F1、F2、F3）實現之流經空氣配管（22、31、32）之一次空氣量之調整，將各流路（2、11、12）之燃燒器前端風速及一次空氣量設定為表2所示之範圍內，藉此，可使水泥窯用燃燒裝置1之運轉條件於短時間內最佳化。
同樣地，於4通道式水泥窯用燃燒裝置1之情形時，於運轉前，將固體粉末燃料用流路2、第一空氣流路11（第一迴旋內流）、及第三空氣流路13（第一迴旋外流）之各迴旋葉片（2a、11a、13a）之迴旋角度設定為表1所示之範圍內，進而，於水泥窯用燃燒裝置1運轉時，進行利用送風風扇（F1、F2、F3、F4）實現之流經空氣配管（22、31、32、33）之一次空氣量之調整，將各流路（2、11、12、13）之燃燒器前端風速及一次空氣量設定為表1所示之範圍內，藉此，可使水泥窯用燃燒裝置1之運轉條件於短時間內最佳化。
接下來，對有關使構成位於最外殼處之第二空氣流路12之分割之吹出口之每一個開孔部（12-1、12-2、……、12-8）之燃燒器前端風速（m/秒）變化之情形之可燃性固形廢棄物RF（此處為軟質塑膠）落地燃燒之比率（窯內落下率）之燃燒模擬進行說明。
具體而言，對將以下燃燒器燃燒條件固定並使構成位於最外殼處之第二空氣流路12之分割之吹出口之每一個開孔部（12-1、12-2、……、12-8）之燃燒器前端風速變化之情形，藉由模擬（軟體：ANSYS JAPAN公司製造：FLUENT）而驗證粒徑30 mm之軟質塑膠之燃盡於火焰中或落地燃燒之哪一者產生。再者，模擬係於將藉由送風風扇F2經由空氣配管32而供給至位於最外殼處之第二空氣流路12之一次空氣量之總量設為一定之狀態下，對水泥窯用燃燒裝置1為4通道式燃燒器之情形（圖1）、及為3通道式燃燒器之情形（圖4）進行。
＜燃燒器燃燒條件＞ 粉煤C之燃燒量：15 t/小時 作為可燃性固形廢棄物RF之廢塑膠（軟質塑膠）處理量：3.0 t/小時 作為可燃性固形廢棄物RF之廢塑膠之尺寸：將厚度0.5 mm片材沖裁為直徑30 mm之圓形片狀 固體粉末燃料流之燃燒器前端風速、一次空氣比及迴旋角度（於4通道式燃燒器、3通道式燃燒器共通）：50 m/秒、5體積%、5° 第一迴旋內流之燃燒器前端風速、一次空氣比及迴旋角度（於4通道式燃燒器、3通道式燃燒器共通）：150 m/秒、2體積%、40° 第一迴旋外流之燃燒器前端風速、一次空氣比及迴旋角度（僅4通道式燃燒器）：100 m/秒、2體積%、30° 位於最外殼處之第一直進外流之一次空氣比（於4通道式燃燒器、3通道式燃燒器共通）：6體積% 可燃性固形廢棄物流之燃燒器前端風速及一次空氣比（於4通道式燃燒器、3通道式燃燒器共通）：50 m/秒、2體積% 二次空氣量及溫度：150000 Nm3 /小時、800℃ 水泥窯用燃燒裝置1之燃燒器前端之直徑：700 mm
對於4通道式燃燒器，將該模擬結果示於下述表3及圖7，以及對於3通道式燃燒器，將該模擬結果示於下述表4及圖8。
具體而言，於4通道式燃燒器中，於使自各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之各空氣流之燃燒器前端風速之組合不同之S41～S45之5個水準下進行模擬。再者，水準S41係模擬使自所有開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之各空氣流之燃燒器前端風速均勻且第二空氣流路12未分割之構成。
又，於3通道式燃燒器中，於使自各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之各空氣流之燃燒器前端風速之組合不同之S31～S36之6個水準之下進行模擬。再者，水準S31係模擬使自所有開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之各空氣流之燃燒器前端風速均勻，且第二空氣流路12未分割之構成。
再者，於任一通道數之情形時，構成各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）之交界之分隔部12c之厚度（圓周方向之長度）均設為相對於各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）之圓周方向之長度為5%以下而進行模擬。即，於如水準S41或水準S31般自所有開孔部（12-1、12-2、……、12-8）以相同之流量噴出一次空氣之情形時，即便存在構成各開孔部之交界之分隔部12c，其分隔部12c之厚度亦遠小於各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）之圓周方向之長度，因此，係無法實現間歇之空氣流之狀態。
[表3]
Figure 108134623-A0304-0003
[表4]
Figure 108134623-A0304-0004
根據表3及圖7、以及表4及圖8之結果，確認了無論水泥窯用燃燒裝置1為4通道式還是3通道式，相較於將自所有開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之各空氣流之燃燒器前端風速設為均勻之水準（S41、S31），使從自第二空氣流路12分割之各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之各空氣流之燃燒器前端風速之組合不同之水準（S42～S45、S32～S36）更可降低可燃性固形廢棄物RF之窯內落下率。藉此，根據本發明之水泥窯用燃燒裝置、及水泥窯用燃燒裝置之運轉方法，確認了可使粒徑至30 mm之可燃性固形廢棄物RF不落地燃燒而於燃燒器火焰內有效地燃盡。。
又，對水準S42、S44、及S45進行比較可知，即便將燃燒器前端風速之流量設為210 m/秒之開孔部之個數與將燃燒器前端風速之流量設為90 m/秒之開孔部之個數均相同，可燃性固形廢棄物RF之窯內落下率亦變化。於將通道數設為3通道之情形時，若對水準S32、S35、及S36進行比較，亦示出同樣之結果。據此亦可確認藉由使從自第二空氣流路12分割之各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之各空氣流之燃燒器前端風速之組合不同，可燃性固形廢棄物RF之窯內落下率變化。
亦即，根據本發明可知，可因應燃燒器之燃燒狀態、燃料之種類等水泥窯之操作環境，容易地進行用以獲得最佳之火焰之調整。
[另一實施形態] 以下，對另一實施形態進行說明。
＜1＞於上述實施形態中，設為構成第二空氣流路12之複數個開孔部（12-1、12-2、……、12-8）之中心角Φ均相同者進行了說明，但亦可包含具有不同之中心角之開孔部。
又，於上述實施形態中，對第二空氣流路12於圓周方向分割為8個開孔部（12-1、12-2、……、12-8）之情形進行了說明。然而，就將自一個開孔部噴出之空氣流之流量設為零而使得能夠形成間歇之直進外流之觀點而言，第二空氣流路12只要分割為至少4個以上之開孔部即可。即，上述分割數只要為4個以上即可，更佳為8個以上，進而較佳為12個以上。但是，由於必須根據開孔部之個數而設置氣閥及分支管，故而，若分割數過多則有控制內容複雜化或裝置規模擴大之擔憂。就該觀點而言，上述分割數較佳為16個以下。
＜2＞於圖3之例中，例示了水泥窯用燃燒系統20具備5台送風風扇（F1～F5）之情形，但該態樣為一例，並非將本發明限定於該構成之意旨。例如，於4通道式燃燒器中，亦可使用以對第一空氣流路11及第三空氣流路13引導空氣流之送風風扇（F3、F4）共通化。
＜3＞於上述實施形態中，作為控制自各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）噴出之空氣流之風速之方法，記載了調整氣閥（B1～B8）之開度之情形，但其為一例，可採用各種方法。
＜4＞於上述各實施形態之水泥窯用燃燒裝置1中，亦可進而具備第四空氣流路14，該第四空氣流路14配置於較固體粉末燃料用流路2更靠外側且較第二空氣流路12更靠內側，且具有空氣流之直進手段（參照圖9）。圖9係仿照圖4而圖示相對於圖4所圖示之水泥窯用燃燒裝置1進而具備第四空氣流路14之構成者。自第四空氣流路14噴出之空氣流形成相對於自固體粉末燃料用流路2噴出之固體粉末燃料流位於外側之直進空氣流（以下稱為「第二直進外流」）。
該第四空氣流路14亦可與第二空氣流路12同樣地藉由分隔部14c而於圓周方向分隔構成空氣流之吹出口之複數個開孔部（14-1、14-2、……、14-8）（參照圖10），且構成為能夠針對分割第四空氣流路14之複數個開孔部（14-1、14-2、……、14-8）之每一個而獨立地控制自該開孔部（14-1、14-2、……、14-8）噴出之空氣流之流量。根據該構成，能夠更靈活地調整空氣流之供給條件。再者，對於第四空氣流路14之分割數，亦與第二空氣流路12相同，只要為4個以上即可，更佳為8個以上，進而較佳為12個以上。但是，由於必須根據開孔部之個數設置氣閥及分支管，故而若分割數過多，則有控制內容複雜化或裝置規模擴大之擔憂，因此，上述分割數較佳為16個以下。
再者，於圖9中，例示了第四空氣流路14之分割數係與第二空氣流路12之分割數相同之8個之情形，但第四空氣流路14之分割數亦可與第二空氣流路12之分割數不同。即，分割第四空氣流路14之各開孔部（14-1、14-2、……）之中心角Φ2亦可與分割第二空氣流路12之各開孔部（12-1、12-2、……）之中心角Φ不同。進而，於分割第四空氣流路14之各開孔部（14-1、14-2、……）間，中心角Φ2亦可不同。
又，於圖9中，如（a）之橫剖視圖所示，於XZ平面上，將第二空氣流路12分割之各開孔部（12-1、12-2、……、12-8）之位置與將第四空氣流路14分割之各開孔部（14-1、14-2、……、14-8）之位置以進行以軸心O為中心之二維極座標顯示時之旋轉角不同之方式進行配置。藉由設為該配置，能夠更靈活地調整空氣流之供給條件。但是，亦可使兩者之上述旋轉角完全一致。
又，圖示雖省略，但亦可於圖1所圖示之水泥窯用燃燒裝置1中，於徑向上，在形成第一迴旋外流之第三空氣流路13與形成第一直進外流之第二空氣流路12之間進而具備形成第二直進外流之上述第四空氣流路14。
1:水泥窯用燃燒裝置 2:固體粉末燃料用流路 2a:設置於固體粉末燃料用流路之迴旋葉片 3:油用流路 4:可燃性固形廢棄物用流路 9:軸線 11:第一空氣流路 11a:設置於第一空氣流路之迴旋葉片 12:第二空氣流路 12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6、12-7、12-8:分割第二空氣流路而成之開孔部 12c:分隔部 13:第三空氣流路 13a:設置於第三空氣流路之迴旋葉片 14:第四空氣流路 14-1、14-2、14-3、14-4、14-5、14-6、14-7、14-8:分割第四空氣流路而成之開孔部 20:水泥窯用燃燒系統 22:粉煤搬送配管 24:可燃性固形廢棄物搬送配管 31、32、33:空氣配管 321、322、323、324、325、326、327、328:連接於空氣配管32之分支管 A:燃燒用空氣 C:粉煤 F1、F2、F3、F4、F5:送風風扇 RF:可燃性固形廢棄物
圖1係模式性地表示本發明之水泥窯用燃燒裝置之前端部分之一實施形態之圖式。 圖2係將第二空氣流路之部分自圖1抽出而圖示之模式性圖式。 圖3係模式性地表示包含圖1所示之水泥窯用燃燒裝置之水泥窯用燃燒系統之構造之一例之圖式。 圖4係模式性地表示本發明之水泥窯用燃燒裝置之前端部分之另一實施形態之圖式。 圖5係模式性地表示包含圖4所示之水泥窯用燃燒裝置之水泥窯用燃燒系統之構造之一例之圖式。 圖6係用以說明水泥窯用燃燒裝置之迴旋葉片之迴旋角度之模式性圖式。 圖7係表示有關利用本發明之4通道式之水泥窯用燃燒裝置及水泥窯用燃燒裝置之運轉方法之可燃性固形廢棄物落地燃燒之比率（窯內落下率）之燃燒模擬結果之曲線圖。 圖8係表示有關利用本發明之3通道式之水泥窯用燃燒裝置及水泥窯用燃燒裝置之運轉方法之可燃性固形廢棄物落地燃燒之比率（窯內落下率）之燃燒模擬結果之曲線圖。 圖9係模式性地表示本發明之水泥窯用燃燒裝置之前端部分之又一實施形態之圖式。 圖10係將第四空氣流路之部分自圖9抽出而圖示之模式性圖式。
1:水泥窯用燃燒裝置
2:固體粉末燃料用流路
2a:迴旋葉片
3:油用流路
4:可燃性固形廢棄物用流路
11:第一空氣流路
11a:設置於第一空氣流路之迴旋葉片
12:第二空氣流路
12c:分隔部
13:第三空氣流路
13a:設置於第三空氣流路之迴旋葉片

Claims (9)

  1. 一種水泥窯用燃燒裝置，其係具備分隔為複數個同心圓筒狀構件之複數個流路者，其特徵在於具備： 固體粉末燃料用流路，其具備固體粉末燃料流之迴旋手段； 第一空氣流路，其鄰接於上述固體粉末燃料用流路而配置於內側，且具備空氣流之迴旋手段； 第二空氣流路，其配置於較上述固體粉末燃料用流路更靠外側之最外殼處，且具備空氣流之直進手段；及 可燃性固形廢棄物用流路，其配置於上述第一空氣流路之內側；且 上述第二空氣流路係將構成空氣流之吹出口之開孔部於圓周方向分割為4個以上，且以可使自上述開孔部噴出之空氣流之流量依上述開孔部各自獨立地控制之方式構成。
  2. 如請求項1所述之水泥窯用燃燒裝置，其具備第三空氣流路，該第三空氣流路配置於較上述固體粉末燃料用流路更靠外側且較上述第二空氣流路更靠內側，並且具備空氣流之迴旋手段。
  3. 如請求項1所述之水泥窯用燃燒裝置，其具備第四空氣流路，該第四空氣流路配置於較上述固體粉末燃料用流路更靠外側且較上述第二空氣流路更靠內側，並且具備空氣流之直進手段， 上述第四空氣流路係將構成氣流之吹出口之開孔部於圓周方向分割為4個以上，且以可使自上述開孔部噴出之空氣流之流量依上述開孔部各自獨立地控制之方式構成。
  4. 如請求項2所述之水泥窯用燃燒裝置，其具備第四空氣流路，該第四空氣流路配置於較上述第三空氣流路更靠外側且較上述第二空氣流路更靠內側，並且具備空氣流之直進手段， 上述第四空氣流路係將構成氣流之吹出口之開孔部於圓周方向分割為4個以上，且以可使自上述開孔部噴出之空氣流之流量依上述開孔部各自獨立地控制之方式構成。
  5. 如請求項1至4中任一項所述之水泥窯用燃燒裝置，其中，中心角於複數個上述開孔部各者相同，該中心角係將上述第二空氣流路於相對於軸心正交之面切斷時之作為自上述第二空氣流路具有之上述開孔部之圓周方向之兩端連結軸心之角度。
  6. 一種水泥窯用燃燒裝置之運轉方法，其係請求項1至5中任一項所述之水泥窯用燃燒裝置之運轉方法，其中， 自上述第二空氣流路具有之複數個上述開孔部之各者吹出之空氣流之風速為0 m/秒～400 m/秒（但是，不包括所有上述開孔部吹出之空氣流全部為0 m/秒之情形）。
  7. 如請求項6之水泥窯用燃燒裝置之運轉方法，其中，來自上述固體粉末燃料用流路之燃燒器前端之固體粉末燃料流之迴旋角度為0°～15°， 來自上述第一空氣流路之燃燒器前端之空氣流之迴旋角度為30°～50°。
  8. 如請求項6或7所述之水泥窯用燃燒裝置之運轉方法，其中，上述固體粉末燃料用流路中之燃燒器前端之風速為30 m/秒～80 m/秒， 上述第一空氣流路中之燃燒器前端之風速為5 m/秒～240 m/秒， 上述可燃性固形廢棄物用流路中之燃燒器前端之風速為30 m/秒～80 m/秒。
  9. 如請求項6至8中任一項所述之水泥窯用燃燒裝置之運轉方法，其中，自上述可燃性固形廢棄物用流路噴出之可燃性固形廢棄物之粒徑為30 mm以下。
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