WO2015045227A1 - セメント製造設備の運転方法 - Google Patents

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佳典 ▲高▼山
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    • F27D17/22—Arrangements for treatment or cleaning of waste gases for removing solid constituents
    • F27D17/25—Arrangements for treatment or cleaning of waste gases for removing solid constituents using cyclones

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a cement production facility equipped with a calcining furnace.
  • an auxiliary combustion that reduces the load on the cement kiln by heating a part of the cement raw material preheated by a pre-heater to promote decarboxylation (pre-firing) before the cement kiln that fires the cement raw material.
  • a cement manufacturing facility provided with a furnace hereinafter referred to as a calcining furnace in the present specification.
  • Patent Document 1 proposes an operation method in which fuel (pulverized coal or the like) introduced into a calciner is efficiently burned in a cement manufacturing facility provided with this type of calciner.
  • This invention is made
  • combustion air primary air
  • secondary air a part of the air, which has been heated by the cooler with the clinker, is supplied as secondary air into the cement kiln to assist the combustion air, and the other part is combusted in the calcining furnace. It is supplied as working air (tertiary air) and the remainder is exhausted directly from the cooler.
  • the amount of combustion air supplied to the calciner decreases.
  • an increase in the air volume of the combustion air in the calciner increases the air volume of the preheater exhaust gas discharged from the preheater, and as a result, the value of the calorific value increases.
  • the air volume of the combustion air supplied to the calciner is decreased, the air volume directly exhausted from the cooler increases, so that the latent heat of the exhaust gas that has become hot due to heat exchange with the clinker is reduced. When discarded without being used, the calorific intensity is similarly deteriorated.
  • the present inventors when supplying the cooling air to the cooler with a constant air volume, the increase and decrease of the exhaust gas from the preheater and the exhaust gas from the cooler in the entire firing process, Since they are in a trade-off relationship with each other, the knowledge that the basic unit of heat quantity can be minimized by adjusting the air volume of the tertiary air so that the sum of the sensible heat of these exhaust gases becomes the minimum value is obtained. It was.
  • an oxygen (O 2 ) concentration meter is installed at the exhaust gas outlet of the normal calciner to confirm the combustion state in the calciner.
  • the present inventors break down each facility such as a pre-heater, a calciner, a cement kiln, and a cooler in a cement manufacturing facility into units called unit operations, and describe the macro reaction and heat exchange of each facility.
  • the process simulation by calculating the material balance and heat intensity of the whole firing process, the O 2 concentration and the amount of heat of the exhaust gas from the relationship and the calciner of O 2 concentration and the amount of heat per unit of flue gas from the preheater the raw The knowledge that the relationship with the unit is required was obtained.
  • the present invention has been made on the basis of such knowledge, and the invention according to claim 1 pre-fires at least a part of the pre-heater for preheating the cement raw material and the cement raw material extracted from the pre-heater.
  • a calcining furnace that burns the cement raw material that has passed through the preheater and the calcining furnace to form a cement clinker, and a cooler that cools the cement clinker discharged from the cement kiln.
  • An amount of the first fuel necessary for calcining the cement raw material to be introduced is calcined to the firing furnace, and an amount of the second fuel necessary for maintaining the interior at the firing temperature is burned to the cement kiln.
  • a certain amount of air is supplied to the cooler to cool the cement clinker, and a part of the air is supplied to the second air.
  • the secondary air for assisting the combustion of fuel is supplied to the cement kiln, the other part is supplied to the calcining furnace as the tertiary air for burning the first fuel, and the remainder is exhausted from the cooler.
  • the relationship between the first oxygen concentration at the exhaust gas outlet of the calciner and the calorific value determined by the first and second fuels in advance, and the exhaust gas outlet of the preheater A relationship between the second oxygen concentration and the calorific value is obtained, and both the first and second oxygen concentrations are within a range including the value of the oxygen concentration at which the caloric value is minimized.
  • the air volume of the exhaust from the tertiary air and the cooler is adjusted.
  • the first fuel is supplied to the calcining furnace at a constant supply amount, and the cement kiln is supplied with the second fuel.
  • the fuel is supplied while being adjusted to a supply amount necessary for maintaining the firing temperature.
  • the calorific value is the total amount of heat required for making 1 kg of clinker, such as cement kiln and pulverized coal or oil coke to be put into a calciner, more specifically, cement kiln.
  • the relationship between the first oxygen concentration at the exhaust gas outlet of the calciner and the calorific value determined by the first and second fuels in advance, and the preheater The relationship between the second oxygen concentration at the exhaust gas outlet and the calorific value is obtained, and the first and second oxygen concentrations are measured during operation, and these are both the oxygen concentrations at which the caloric value is minimized.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a cement manufacturing facility to which an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an unreacted nucleus model used in the simulation of the above embodiment.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the O 2 concentration of the calciner outlet exhaust gas and the sensible heat of the cooler exhaust.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the O 2 concentration of the calciner outlet exhaust gas and the sensible heat of the preheater exhaust gas.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the O 2 concentration of the calciner outlet exhaust gas and the calorific value.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the O 2 concentration of the preheater outlet exhaust gas and the calorific value.
  • the cement manufacturing facility includes a preheater 1 for preheating cement raw material, and an extraction from the preheater 1. Discharged from the calcining furnace 2 for calcining at least a part of the cement raw material, the cement kiln 3 for calcining the cement raw material after passing through the pre-heater 1 and the calcining furnace 2 to form a cement clinker, and the cement kiln 3 It is comprised roughly from the cooler 4 which cools a cement clinker.
  • the preheater 1 is composed of a plurality of (four stages in the figure) cyclones 1a to 1d connected in the vertical direction.
  • the particle size and components are adjusted in the raw material process, and the supply line 5 is changed to the uppermost cyclone 1a.
  • This is a facility for preheating the supplied cement raw material with gas discharged at high temperature from the cement kiln 3 in the process of sequentially feeding the supplied cement raw material to the lower cyclones 1b to 1d.
  • the raw material charged into the uppermost cyclone 1a at a temperature of about 80 ° C. reaches a temperature of 800 ° C. or higher in the lowermost cyclone 1d, and decarboxylation of limestone occurs in addition to preheating.
  • the preheater exhaust gas exhaust line 6 exhausted from the uppermost cyclone 1a is provided with a fan (not shown), and the preheater exhaust gas is exhausted outside the system by the suction of the fan. .
  • the combustion exhaust gas discharged from the cement kiln 3 and the calcining furnace 2 and CO 2 generated by decarboxylation of the raw material are heated between the cement raw material and the heat between the lowermost cyclone 1d and the uppermost cyclone 1a.
  • the gas is discharged out of the system after replacement, and the exhaust line 6 is provided with an O 2 concentration meter 6a for measuring the O 2 concentration (second O 2 concentration) of the preheater exhaust gas.
  • This sensible heat of the preheater exhaust gas affects the heat intensity, which is the heat consumption of the entire system, as a heat loss.
  • the calcining furnace 2 performs decarboxylation by separating the cement raw material heated to the preheater 1c from the line 7 in order to reduce the heat load in the cement kiln 3.
  • pulverized coal (first fuel) 8 charged into the furnace is combusted by the high temperature tertiary air 10 collected from the cooler 4 through the exhaust line 9, and heats the cement raw material.
  • the cement raw material, unburned pulverized coal and exhaust gas discharged from the calcining furnace 2 are introduced into the lowermost cyclone 1d of the preheater 1 via the line 17, and the line 17 Is provided with an O 2 concentration meter 2 a for measuring the O 2 concentration (first O 2 concentration) of the exhaust gas from the calciner 2.
  • the exhaust line 9 is provided with a flow rate adjusting valve 11 for controlling the flow rate of the tertiary air 10.
  • the cement kiln 3 is a cylindrical member that is driven to rotate around an axis, and the kiln butt portion 3a is supplied with the raw material heated in the preheater 1 and the calcining furnace 2 and provided in the kiln front 3b.
  • Pulverized coal (second fuel) 13 is supplied from the main burner 12 together with primary air for fuel so that the inside is maintained at 1450 ° C. necessary for firing the cement raw material by the radiation of the combustion gas and the flame. It has become.
  • the input amount of the above pulverized coal is adjusted so that the decarbonation of the cement raw material and the clinker firing reaction can be performed, and the fine powder Combustion secondary air 15 supplied from the cooler 4 and the air volume of the primary air for combustion so that the charcoal is completely burned and the O 2 concentration of the exhaust gas in the kiln bottom portion 3a becomes a predetermined value.
  • the air volume is controlled.
  • the cooler 4 is for cooling the clinker discharged from the cement kiln 3, and the cooling air 14 for rapidly cooling the clinker is supplied to the bottom of the cooler 4.
  • the air 14 is supplied in a certain amount corresponding to the amount of clinker to be manufactured.
  • the clinker cooled in the cooler 4 is discharged at about 150 ° C. at the cooler outlet.
  • the air 14 used for cooling becomes high temperature by heat exchange with the clinker, a part is supplied to the cement kiln 3 as secondary air 15 for combustion assistance in the cement kiln 3, and the other part is the above-mentioned.
  • the remaining portion 16 is exhausted to the outside by a fan provided in an exhaust line (not shown).
  • the exhaust gas from the cooler 4 also has an influence on the calorific value as a sensible heat.
  • the first O 2 concentration measured by the O 2 concentration meter 2a at the exhaust gas outlet of the calcining furnace 2 in advance and the supply amount of pulverized coal 8, 13 relationship between the determined the amount of heat intensity, as well as the relationship between the second O 2 concentration and the amount of heat intensity which is measured in the exhaust gas outlet of the preheater 1 by O 2 concentration meter 6a is demanded.
  • the amount of the tertiary air 10 supplied from the cooler 4 to the calciner 2 and the amount of exhaust 16 directly exhausted from the cooler 4 are controlled by controlling the number and the opening degree of the flow rate adjusting valve 11 provided in the exhaust line 9. Has been adjusted.
  • each facility is broken down into units called unit operations.
  • unit operations For example, in the case of a cyclone, a separator, a heat exchanger, a reactor, etc. These were arranged as shown in the circuit diagram, solid (powder) and gas flow (stream) were connected, and iterative calculation was performed until convergence was finally achieved, thereby obtaining a solution.
  • This process simulation was performed using Aspen Plus v7.2 from Aspen Tech, which is a general-purpose process simulation software.
  • reaction rate model was introduced in the calcining furnace 2 where the decarbonation of the cement raw material and the combustion of the pulverized coal 8 occur and the cyclone 1d at the lowest stage.
  • an unreacted nuclear model was adopted as a reaction model for raw materials.
  • this unreacted nucleus model is a model in which an unreacted portion (unreacted nucleus) is present inside the particle and a reaction product layer is formed on the outside thereof. Since the reaction rate varies depending on the diameter of unreacted nuclei, it is possible to perform calculation in consideration of the change in reaction rate due to the reaction rate.
  • the cement raw material it was set as the composition which can manufacture the clinker of normal Portland cement.
  • CaCO 3 contained in the cement raw material is decarboxylated and changed to CaO. This decarboxylation reaction was performed on the surface of unreacted CaCO 3 , and the grain model was adopted assuming that the reaction interface was proportional to the surface area.
  • the equilibrium partial pressure P CO2 — eq of CO 2 at a predetermined temperature was obtained and corrected by the ratio to the CO 2 partial pressure in the calculation.
  • the reaction amount was calculated by the product of the reaction rate coefficient and the residence time as shown in the following equation.
  • the temperature dependence of the equilibrium partial pressure is measured by a thermobalance or the like, for example, a literature (“Thermodynamic evaluation and optimization of the (Ca + C + O + S) system” D. Lindberg and P. Chartrand, J. Chem. Thermo., 41, 2009). ) Etc. can be used.
  • the preheater 1 is a cyclone 1a to 1d connected in the vertical direction, and preheats the cement material with the combustion gas discharged from the cement kiln 2 at a high temperature.
  • the cement raw material charged into the uppermost cyclone 1a at a temperature of about 80 ° C. reaches a temperature of 800 ° C. or higher in the lowermost cyclone 1d, and in addition to preheating, decarboxylation of CaCO 3 occurs.
  • a certain amount of cement raw material and a certain amount of pulverized coal corresponding thereto are supplied, and the air volume of the tertiary air 10 for combustion is adjusted.
  • decarbonation in this calcining furnace 2 is supposed to react as described above, and pulverized coal can be obtained from literature ("A random pore model for fluid-solid reactions: I. Isothermal, kinetic control", S. K. Bhatia, D. D. Perlmutter, AIChE Journal vol26, 3 1980), ("Coal gasification reaction modeling ⁇ ⁇ Coal char gasification rate and shape change model", Sugaya Shitani, Power Research Institute report 2003) And burned.
  • the amount of pulverized coal input is adjusted so that the cement raw material becomes a clinker of 1450 ° C. (calcining zone temperature), and the air volume of the secondary air 15 that assists combustion burns pulverized coal.
  • the oxygen concentration in the exhaust gas in the kiln bottom portion 3a is determined to be 2%.
  • a value of 1450 ° C. is a value that is said to cause a clinker firing reaction in general
  • a value of 2% of exhaust gas oxygen is an operation in a cement production facility of a type in which the cement kiln 3 and the calciner 2 are separated. It is a general target value for time.
  • ⁇ Rate of heat received by the raw material from the combustion gas
  • Q combustion_air Sensible heat of the combustion gas [kcal / hr]
  • ⁇ 0.4.
  • the heat exchange between the clinker and the cooling air 14 in the cooler 4 was calculated as a cross flow with the clinker as a fixed layer.
  • the heat transfer coefficient was derived by the ranz-marshall equation.
  • the heat transfer amount Q is determined by referring to the literature ("Process Kiln", Japan Powder Industrial Technology Association, Nikkan Kogyo Shimbun, 1985), and obtaining the heat transfer amount q between the particles and the fluid per unit fixed bed volume.
  • Cross-flow heat exchange obtained from the literature (“mean temperature difference and temperature efficiency for shell and tube heat exchangers connected in series with two tube passes per shell pass”, Dodd, R., IChemE vol.58, 1980) Calculation was performed by multiplying the correction coefficient F and the volume V of the particles.
  • the clinker particle size was 20 mm, and the layer thickness of the clinker deposited inside the cooler was set to a thickness matched to the actual machine.
  • the combustion management of the pulverized coal 8 is performed based on the O 2 concentration in the exhaust gas from the calciner 2. Therefore, according to actual operation, calculation was performed for the case where the amount of the tertiary air 10 was adjusted so that the O 2 concentration in the exhaust gas of the calciner 2 was 1.5% to 5%.
  • FIG. 5 shows a change in the calorific value unit when the amount of the tertiary air 10 is adjusted so that the O 2 concentration in the exhaust gas of the calciner 2 is 1.5% to 5%. Also, O 2 concentration in the exhaust gas from the preheater 1 not only O 2 concentration in the exhaust gas sent from the calciner 2, also affected by the O 2 concentration in the exhaust gas from a cement kiln 3.
  • FIG. 6 shows changes in the O 2 concentration in the exhaust gas at the outlet of the preheater 1 and the calorific value.
  • auxiliary combustion rate (the amount of heat of the fuel input to the calciner 2) / (the amount of heat of the fuel input to the cement kiln 3 + the amount of heat of the fuel input to the calciner 2).
  • the relationship shown in FIG. 5 and FIG. 6 is obtained in advance, and the first and second oxygen concentrations are measured during operation, and both of these include a value of the oxygen concentration at which the calorific value is minimized.
  • Adjusting the air volume of the tertiary air supplied to the calciner and the air volume of the exhaust 16 from the cooler 4 by controlling the fan and the flow rate adjusting valve 11 provided in the exhaust line from the cooler 4 so as to be inside.
  • both the combustion in the calcining furnace 2 and the basic unit of calorie can be optimized simultaneously.
  • the O 2 concentration of the exhaust gas at the calciner outlet can be adjusted between approximately 2% and 4%, and the O 2 concentration of the preheater exhaust gas can be adjusted between approximately 0.5% and 2%. desirable.

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Abstract

仮焼炉における燃焼と熱量原単位との両者を同時に最適化できるセメント製造設備の運転方法を提供する。仮焼炉に第１の燃料を供給し、セメントキルンに内部を焼成温度に保持する第２の燃料を燃焼用の１次空気と共に供給し、かつクーラーにセメントクリンカを冷却する空気を導入し、当該空気の一部を２次空気として上記セメントキルンに供給し、３次空気として上記仮焼炉に供給するとともに、残部を当該クーラーから排気するセメント製造設備の運転方法において、予め仮焼炉の排ガス出口における第１の酸素濃度と上記第１の燃料及び上記第２の燃料によって決定される熱量原単位との関係、並びにプレヒーターの排ガス出口における第２の酸素濃度と上記熱量原単位との関係を求めておき、上記第１および第２の酸素濃度が、いずれも上記熱量原単位が最小となる上記酸素濃度の値を含む範囲内になるように、上記２次空気および上記３次空気の量を調整する。

Description

セメント製造設備の運転方法
　本発明は、仮焼炉を備えたセメント製造設備の運転方法に関するものである。
　従来から、セメント原料を焼成するセメントキルンの前段に、プレヒーターで予熱されたセメント原料の一部を加熱して脱炭酸を促進（仮焼成）させることにより、上記セメントキルンの負荷を低減させる助燃炉（以下、本明細書においては仮焼炉と称する。）を設けたセメント製造設備が知られている。
　そして、例えば下記特許文献１においては、この種の仮焼炉を設けたセメント製造設備において仮焼炉に投入した燃料（微粉炭等）を効率的に燃焼させる運転方法が提案されている。
特公平２－２２０１６号公報
　しかしながら、上記従来のセメント製造設備の運転方法にあっては、仮焼炉における燃焼の最適化を図るために、仮焼炉に投入する微粉炭や燃焼用空気の量が過剰になった場合に、仮焼炉内におけるセメント原料の反応率は増加するものの、逆に仮焼炉から排出される排ガスの顕熱増加によって、焼成工程全体の熱消費量である熱量原単位（クリンカ１ｋｇを製造するために要する熱量）が高くなり、製造コストの高騰化を招くという問題点があった。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、仮焼炉における燃焼と熱量原単位との両者を同時に最適化することができるセメント製造設備の運転方法を提供することを課題とするものである。
　一般に、セメント製造設備においては、セメントキルンの主バーナーから、内部をセメント原料の焼成温度に保持するために必要な燃料を燃焼用空気（１次空気）とともに供給するとともに、焼成されたクリンカを冷却するクーラーに冷却用の空気を一定の流量で供給している。そして、クーラーでクリンカと熱交換して高温となった上記空気の一部を２次空気としてセメントキルン内に供給して燃焼用空気の補助とするとともに、他の一部を仮焼炉に燃焼用空気（３次空気）として供給し、残部をクーラーから直接排気している。
　したがって、例えば仮焼炉に供給する燃焼用空気の風量を増加させると、クーラーからの排気風量は減少する。一方で、仮焼炉の燃焼用空気の風量増加は、プレヒーターから排出されるプレヒーター排ガスの風量を増加させ、この結果熱量原単位の値が高くなる。これとは逆に、仮焼炉に供給する燃焼用空気の風量を減少させると、クーラーから直接排気される風量は増加するために、クリンカとの熱交換によって高温となった排気ガスの潜熱が利用されずに廃棄されることにより、同様に熱量原単位の悪化を招く。
　以上のことから、本発明者等は、クーラーへの冷却用空気を一定の風量で供給している場合に、焼成工程全体では、プレヒーターからの排気ガスとクーラーからの排気ガスの増減は、互いにトレードオフの関係にあるために、これら排気ガスの顕熱の和が最小値となるように３次空気の風量を調整すれば、熱量原単位を最小とすることができるとの知見を得た。
　しかしながら、実際のセメント製造設備における運転では、プレヒーターからの排気ガスおよびクーラーからの排気ガスの風量を直接的に把握することは困難である。
　他方、通常仮焼炉の排ガス出口には、当該仮焼炉内における燃焼状態を確認するために酸素（Ｏ２）濃度計が設置されている。
　そこで、本発明者等は、セメント製造設備におけるプレヒーター、仮焼炉、セメントキルン、クーラー等の各設備を単位操作といわれる単位に分解して、各設備のマクロな反応や熱交換を記述するプロセスシミュレーションによって、焼成工程全体のマテリアルバランスや熱量原単位を計算することにより、プレヒーターからの排ガスのＯ２濃度と熱量原単位との関係および仮焼炉からの排ガスのＯ２濃度と熱量原単位との関係が求められるとの知見を得た。
　本発明は、かかる知見に基づいてなされたもので、請求項１に記載の発明は、セメント原料を予熱するプレヒーターと、このプレヒーターから抜き出された上記セメント原料の少なくとも一部を仮焼成する仮焼炉と、上記プレヒーターおよび仮焼炉を経た上記セメント原料を焼成してセメントクリンカとするセメントキルンと、このセメントキルンから排出された上記セメントクリンカを冷却するクーラーとを備え、上記仮焼炉に、導入される上記セメント原料を仮焼するに必要な量の第１の燃料を供給し、上記セメントキルンに、内部を焼成温度に保持するに必要な量の第２の燃料を燃焼用の１次空気と共に供給し、かつ上記クーラーに、上記セメントクリンカを冷却するための一定量の空気を導入し、当該空気のうちの一部を上記第２の燃料の燃焼を補助する２次空気として上記セメントキルンに供給し、他の一部を上記第１の燃料を燃焼させる３次空気として上記仮焼炉に供給するとともに、残部を当該クーラーから排気するセメント製造設備の運転方法において、予め上記仮焼炉の排ガス出口における第１の酸素濃度と上記第１および第２の燃料によって決定される熱量原単位との関係、並びに上記プレヒーターの排ガス出口における第２の酸素濃度と上記熱量原単位との関係を求めておき、上記第１および第２の酸素濃度が、いずれも上記熱量原単位が最小となる上記酸素濃度の値を含む範囲内になるように、上記３次空気および上記クーラーからの排気の風量を調整することを特徴とするものである。
　また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記仮焼炉に、上記第１の燃料を一定の供給量で供給するとともに、上記セメントキルンに、上記第２の燃料を上記焼成温度に保持するために必要な供給量に調整しつつ供給することを特徴とするものである。
　なお、本発明において、熱量原単位とは、クリンカ1kgを作るために要する、セメントキルンおよび仮焼炉に投入する微粉炭やオイルコークスなどの熱量の総和であり、より具体的には、セメントキルンに投入する微粉炭等の燃料の単位重量のあたりの発熱量と投入量の積、および仮焼炉に投入する微粉炭等の燃料の単位重量のあたりの発熱量と投入量の積の和から求められるものである。
　請求項１または２に記載の発明によれば、予め仮焼炉の排ガス出口における第１の酸素濃度と、第１および第２の燃料によって決定される熱量原単位との関係、並びにプレヒーターの排ガス出口における第２の酸素濃度と上記熱量原単位との関係を求めておき、運転時に、第１および第２の酸素濃度を計測して、これらが共に上記熱量原単位が最小となる酸素濃度の値を含む範囲内になるように、クーラーから仮焼炉に供給する３次空気の風量およびクーラーからの排気風量を調整することにより、仮焼炉における燃焼と熱量原単位との両者を同時に最適化することができる。
図１は、本発明の一実施形態が適用されるセメント製造設備の概略構成図である。 図２は、上記実施形態のシミュレーションにおいて用いた未反応核モデルの概略図である。 図３は、仮焼炉出口排ガスのＯ２濃度とクーラー排気の顕熱との関係を示すグラフである。 図４は、仮焼炉出口排ガスのＯ２濃度とプレヒーター排ガスの顕熱との関係を示すグラフである。 図５は、仮焼炉出口排ガスのＯ２濃度と熱量原単位との関係を示すグラフである。 図６は、プレヒーター出口排ガスのＯ２濃度と熱量原単位との関係を示すグラフである。
　先ず、図１に基づいて、本発明の一実施形態が適用されるセメント製造設備の構成について説明すると、このセメント製造設備は、セメント原料を予熱するプレヒーター１と、このプレヒーター１から抜き出されたセメント原料の少なくとも一部を仮焼成する仮焼炉２と、プレヒーター１および仮焼炉２を経たセメント原料を焼成してセメントクリンカとするセメントキルン３と、セメントキルン３から排出されたセメントクリンカを冷却するクーラー４から概略構成されたものである。
　ここで、プレヒーター１は、複数（図では４段）のサイクロン１ａ～１ｄを垂直方向に連結したものであり、原料工程で粒度や成分が調整されて供給ライン５から最上段のサイクロン１ａに供給されたセメント原料を、順次下方のサイクロン１ｂ～１ｄへと送る過程でセメントキルン３から高温で排出されるガスによって予熱する設備である。ちなみに、８０℃程度の温度で最上段のサイクロン１ａに投入された原料は、最下段のサイクロン１ｄにおいて８００℃以上の温度に達し、予熱に加えて石灰石の脱炭酸が起こる。
　他方、最上段のサイクロン１ａから排出されるプレヒーター排ガスの排気ライン６には、図示されないファンが設けられており、このファンの吸引によってプレヒーター排ガスが系外に排気されるようになっている。このプレヒーター排ガスは、セメントキルン３および仮焼炉２から排出された燃焼排ガスや原料の脱炭酸によって発生したＣＯ２が、最下段のサイクロン１ｄから最上段のサイクロン１ａの間でセメント原料と熱交換した後に系外に排出されるものであり、排気ライン６には、プレヒーター排ガスのＯ２濃度（第２のＯ２濃度）を計測するＯ２濃度計６ａが設けられている。このプレヒーター排ガス顕熱は、熱損失として系全体の熱消費量である熱量原単位に影響を与えるものである。
　また、仮焼炉２は、セメントキルン３における熱負荷を低減するために、プレヒーター１ｃまで加熱されたセメント原料を、ライン７から分取して脱炭酸を行うものである。この仮焼炉２は、炉内に投入した微粉炭（第１の燃料）８が、クーラー４から排気ライン９を介して回収された高温の３次空気１０によって燃焼し、セメント原料に熱を与えるものである。そして、仮焼炉２から排出されたセメント原料および未燃の微粉炭および排ガスは、ライン１７を介してプレヒーター１の最下段のサイクロン１ｄへ導入されるようになっており、当該ライン１７には、仮焼炉２からの排ガスのＯ２濃度（第１のＯ２濃度）を計測するＯ２濃度計２ａが設けられている。また、排気ライン９には、３次空気１０の流量を制御するための流量調整弁１１が介装されている。
　上記セメントキルン３は、軸線周りに回転駆動される円筒状部材で、窯尻部分３ａに、プレヒーター１および仮焼炉２で加熱された原料が供給されるとともに、窯前３ｂに設けられた主バーナー１２から微粉炭（第２の燃料）１３が燃料用の１次空気とともに供給されて、その燃焼ガスやフレームの輻射により内部がセメント原料の焼成に必要な１４５０℃に保持されるようになっている。そして、窯尻部分３ａからセメントキルン３内に供給されたセメント原料は、当該セメントキルン３の回転に伴って窯前３ｂ側へと送られる過程において、セメントキルン３内における熱交換によって加熱され、脱炭酸を完了し、さらに焼成されてセメントクリンカになる。
　そして、このセメントキルン３においては、その入口におけるセメント原料の温度や脱炭率に応じて、セメント原料の脱炭酸およびクリンカ焼成反応が行えるように上記微粉炭の投入量を調整し、かつ当該微粉炭を完全に燃焼し、かつ窯尻部分３ａにおける排ガスのＯ２濃度が所定の値となるように、燃焼用の１次空気の風量およびクーラー４から供給される燃焼補助用の２次空気１５の風量が制御されている。
　次いで、クーラー４は、セメントキルン３から排出されたクリンカを冷却するためのもので、その底部には、クリンカを急冷するための冷却用空気１４が供給されるようになっており、この冷却用空気１４は、製造するクリンカの量に対応して、一定の量が供給されるようになっている。そして、このクーラー４において冷却されたクリンカは、クーラー出口において１５０℃程度になって排出されてゆく。
　他方、冷却に用いられた空気１４は、クリンカとの熱交換により高温となり、一部がセメントキルン３における燃焼補助用の２次空気１５として当該セメントキルン３に供給され、他の一部が上述した仮焼炉２への３次空気１０として供給されるとともに、残部１６が、図示されない排気ラインに設けられたファンによって外部に排気されてゆく。このクーラー４からの排気も、プレヒーター排ガス同様に、その顕熱が熱損失として熱量原単位に影響を与えるものである。
　そして、このセメント製造設備においては、後述するプロセスシミュレーション解析によって、予め仮焼炉２の排ガス出口においてＯ２濃度計２ａによって計測される第１のＯ２濃度と微粉炭８、１３の供給量によって決定される熱量原単位との関係、並びにプレヒーター１の排ガス出口においてＯ２濃度計６ａによって計測される第２のＯ２濃度と上記熱量原単位との関係が求められている。
　そして、第１および第２のＯ２濃度が、いずれも熱量原単位が最小となるＯ２濃度の値を含む範囲内になるように、クーラー４からの排気ラインに設けられた上記ファンの回転数および排気ライン９に設けられた流量調整弁１１の開度が制御されることにより、クーラー４から仮焼炉２に供給される３次空気１０およびクーラー４から直接排気される排気１６の量が調整されている。
　ここで、本発明者等が実施した上記プロセスシミュレーションについて具体的に説明すると、このプロセスシミュレーションでは、各設備を単位操作といわれる単位に分解した。例えばサイクロンであればセパレーター、ヒートエクスチェンジャー、リアクターなどである。そして、これらを回路図のように配置し、固体（粉体）やガスの流れ（ストリーム）を接続、最後に収束するまで反復計算を行って解を得た。なお、本プロセスシミュレーションは、汎用のプロセスシミュレーションソフトである、Aspen Tech 社のAspen Plus v7.2 を用いて行った。
　また、本プロセスシミュレーションにおいては、セメント原料の脱炭酸と微粉炭８の燃焼が起こる仮焼炉２と最下段のサイクロン１ｄでは反応速度モデルを導入した。また、原料の反応モデルとして、未反応核モデルを採用した。この未反応核モデルは、図２に示すように、粒子内部に未反応の部分(未反応核)が存在し、その外側に反応生成物層が形成されるモデルである。反応速度は未反応核の径によって変化するため、反応率による反応速度の変化を考慮した計算を行うことができる。
　セメント原料については、普通ポルトランドセメントのクリンカを製造できる組成とした。また、セメント原料に含まれるＣａＣＯ３は、脱炭酸を行いCaOへ変化するとした。この脱炭酸反応は未反応ＣａＣＯ３表面で反応が起こり、反応界面が表面積に比例すると仮定し、グレインモデルを採用した。
　この計算において、ＣＯ２のガス境膜拡散による影響を考慮し、所定温度でのＣＯ２の平衡分圧ＰＣＯ２＿ｅｑを求め、計算におけるＣＯ２分圧との比で補正した。反応量は、下式に示すように、反応速度係数と滞留時間の積により算出した。なお、平衡分圧の温度依存性は、熱天秤などによる実測や例えば文献（”Thermodynamic evaluation and optimization of the（Ｃａ＋Ｃ＋Ｏ＋Ｓ）system”D. Lindberg and P. Chartrand, J. Chem. Thermo., 41 ,2009）などの値を用いる事ができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
ここで、
ｋ：反応速度［１／ｓ］
Ａ：２．２×１０８［１／ｓ］
Ｅ：２．０×１０５［Ｊ／ｍｏｌ］
Ｒ：気体定数８．３１４
Ｔ：温度［Ｋ］
Ｘ：脱炭酸率（質量基準）
ＰＣＯ２：計算におけるＣＯ２分圧
ＰＣＯ２＿ｅｑ：所定温度でのＣＯ２の平衡分圧
　また、プレヒーター１は、サイクロン１ａ～１ｄを垂直方向に連結したものであり、セメント原料をセメントキルン２から高温で排出される燃焼ガスによって予熱する。これにより、８０℃程度の温度で最上段のサイクロン１ａに投入されたセメント原料は、最下段のサイクロン１ｄでは８００℃以上の温度に達し、予熱に加えＣａＣＯ３の脱炭酸が起こる。
　さらに、仮焼炉２においては、一定量のセメント原料およびこれに対応した一定量の微粉炭が供給されるとともに、燃焼用の３次空気１０の風量が調整されるものとした。そして、この仮焼炉２における脱炭酸は、上述の通りに反応するとし、微粉炭は文献（”A random pore model for fluid-solid reactions: I. Isothermal, kinetic control”，S. K. Bhatia, D. D. Perlmutter，AIChE Journal vol26, 3 1980）、（”石炭ガス化反応のモデリング 石炭チャーのガス化反応速度と形状形態変化モデル”，梶谷史朗，電力中央研究所報告，2003）を参考にして燃焼するとした。
　また、セメントキルン３においては、セメント原料が１４５０℃（焼成帯温度）のクリンカになるように微粉炭の投入量を調整し、かつ燃焼を補助する２次空気１５の風量は、微粉炭が燃えてセメントキルン３から排ガスとなって排出される際に、窯尻部分３ａにおける排ガス中の酸素濃度が２％になるように決めた。ちなみに、１４５０℃という値は、クリンカ焼成反応が一般的に起こるといわれる値であり、排ガス酸素２％という値は、セメントキルン３と仮焼炉２とが分かれているタイプのセメント製造設備における操業時の一般的な目標値である。
　そして、セメントキルン３内において、主バーナー１２のフレームの輻射や燃焼ガスとの熱交換によって１４５０℃に加熱される際に、セメント原料が燃焼ガスから受け取る熱量は次の式で表される
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　α：原料が燃焼ガスから受け取る熱量割合
　Ｑｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ＿ａｉｒ：燃焼ガスの顕熱［ｋｃａｌ／ｈｒ］
　本実施形態においては、α＝０．４とした。
　また、クーラー４におけるクリンカと冷却空気１４との熱交換は、クリンカを固定層として考え、直交流として計算した。伝熱係数はranz-marshall式により導いた。伝熱量Ｑは、文献（”プロセス用キルン”，社団法人日本粉体工業技術協会，日刊工業新聞社，1985）を参考にして固定層単位体積あたりの粒子―流体間の伝熱量ｑを求め、文献（”mean temperature difference and temperature efficiency for shell and tube heat exchangers connected in series with two tube passes per shell pass”，Dodd, R.，IChemE vol.58,1980）を参考にして求めた直交流熱交換の補正係数Fと粒子の体積Vをかける事により計算した。クリンカ粒径は、２０ｍｍとし、クーラー内部に堆積したクリンカの層厚は実機に合わせた厚さとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
ここで
Ｑ：伝熱量［Ｊ／ｓ］
ｑ：単位体積あたりの伝熱量［Ｊ／ｍ３ｓ］
Ｆ：補正係数
Ｖ：粒子体積［ｍ３］
ｈ：伝熱係数［Ｊ／ｍ２ｓＫ］
ａ：粒子の比表面積［１／ｍ］
　また、実際の運転においては、仮焼炉２からの排ガス中のＯ２濃度によって、微粉炭８の燃焼管理を行っている。そこで、実際の運転にしたがって、仮焼炉２の排ガス中のＯ２濃度が１．５％～５％となるように、３次空気１０の量を調整した場合についての計算を実施した。
　この結果、図３に示すように、クーラー４では、仮焼炉２の燃焼用空気として回収される３次空気１０の風量が増えるために、クーラー４からの排気風量は減少するとともに、温度が低下して排ガスの顕熱が減少した。
　また、図４に示すように、仮焼炉２への３次空気１０の量を増加させた場合に、最下段のサイクロン１ｄ出口での排ガス温度の上昇によるプレヒーター排ガス温度の上昇に加え、燃焼用空気風量増加によって、プレヒーターからの持ち去り顕熱が増加した。
　図５は、仮焼炉２の排ガス中のＯ２濃度が１．５％～５％となるように、３次空気１０の量を調整した場合における熱量原単位の変化を示すものである。また、プレヒーター１からの排ガス中のＯ２濃度は、仮焼炉２から送られる排ガス中のＯ２濃度のみならず、セメントキルン３からの排ガス中のＯ２濃度の影響も受ける。図６は、プレヒーター１の出口における排ガス中のＯ２濃度と熱量原単位との変化を示すものである。
　なお、本シミュレーションにおいては、上記Ｏ２濃度と熱量原単位との関係を、３種類の助燃率に対して解析した。ここで、助燃率＝（仮焼炉２に投入した燃料の熱量）／（セメントキルン３に投入した燃料の熱量＋仮焼炉２に投入した燃料の熱量）である。
　図５および図６から、いずれの助燃率の場合においても、仮焼炉２での燃焼用空気量（３次空気１０）を増加させた場合に、熱量原単位は一方的に悪化するわけではなく最適点が存在していることが分かる。これは、仮焼炉２の燃焼良化を目的とした仮焼炉２への燃焼用空気（３次空気１０）の増加は、クーラー４からの排気１６による持ち去り顕熱を低下させるとともに、プレヒーター１からの排ガス温度の上昇と風量増加による持ち去り顕熱の増加を引き起こすためである。
　したがって、予め図５および図６に示す関係を求めておき、運転時に、第１および第２の酸素濃度を計測して、これらが共に上記熱量原単位が最小となる酸素濃度の値を含む範囲内になるように、クーラー４からの排気ラインに設けられたファンおよび流量調整弁１１を制御して仮焼炉に供給する３次空気の風量およびクーラー４からの排気１６の風量を調整することにより、仮焼炉２における燃焼と熱量原単位との両者を同時に最適化することができる。なお、仮焼炉出口の排ガスのＯ２濃度は、およそ２％から４％の間で調整し、プレヒーター排ガスのＯ２濃度は、およそ０．５％から２％の間で調整することが望ましい。
　本発明によれば、仮焼炉における燃焼と熱量原単位との両者を同時に最適化することができるセメント製造設備の運転方法が提供できる。
　１　プレヒーター
　２　仮焼炉
　２ａ、６ａ　Ｏ２濃度計
　３　セメントキルン
　４　クーラー
　８　微粉炭（第１の燃料）
　１０　３次空気
　１１　流量調整弁
　１３　微粉炭（第２の燃料）
　１５　２次空気
　１６　排気

Claims (2)

  1. 　セメント原料を予熱するプレヒーターと、このプレヒーターから抜き出された上記セメント原料の少なくとも一部を仮焼成する仮焼炉と、上記プレヒーターおよび仮焼炉を経た上記セメント原料を焼成してセメントクリンカとするセメントキルンと、このセメントキルンから排出された上記セメントクリンカを冷却するクーラーとを備え、上記仮焼炉に、導入される上記セメント原料を仮焼するに必要な量の第１の燃料を供給し、上記セメントキルンに、内部を焼成温度に保持するに必要な量の第２の燃料を燃焼用の１次空気と共に供給し、かつ上記クーラーに、上記セメントクリンカを冷却するための一定量の空気を導入し、当該空気のうちの一部を上記第２の燃料の燃焼を補助する２次空気として上記セメントキルンに供給し、他の一部を上記第１の燃料を燃焼させる３次空気として上記仮焼炉に供給するとともに、残部を当該クーラーから排気するセメント製造設備の運転方法において、
    　予め上記仮焼炉の排ガス出口における第１の酸素濃度と上記第１および第２の燃料によって決定される熱量原単位との関係、並びに上記プレヒーターの排ガス出口における第２の酸素濃度と上記熱量原単位との関係を求めておき、
    　上記第１および第２の酸素濃度が、いずれも上記熱量原単位が最小となる上記酸素濃度の値を含む範囲内になるように、上記３次空気および上記クーラーからの排気の風量を調整することを特徴とするセメント製造設備の運転方法。
  2. 　上記仮焼炉に、上記第１の燃料を一定の供給量で供給するとともに、上記セメントキルンに、上記第２の燃料を上記焼成温度に保持するために必要な供給量に調整しつつ供給することを特徴とする請求項１に記載のセメント製造設備の運転方法。
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