WO2015128910A1 - 流動仮焼炉 - Google Patents

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WO2015128910A1
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raw material
calciner
air
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俊柱 王
佳典 ▲高▼山
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三菱マテリアル株式会社
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    • F27B7/20—Details, accessories, or equipment peculiar to rotary-drum furnaces
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    • F27B7/2033—Arrangements of preheating devices for the charge consisting of a single string of cyclones with means for precalcining the raw material
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    • F27B7/20—Details, accessories, or equipment peculiar to rotary-drum furnaces
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    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
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    • F27D17/00—Arrangements for using waste heat; Arrangements for using, or disposing of, waste gases
    • F27D17/004—Systems for reclaiming waste heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D7/00—Forming, maintaining, or circulating atmospheres in heating chambers
    • F27D7/04—Circulating atmospheres by mechanical means

Definitions

  • the present invention relates to a fluid calciner that can reduce the unburned rate of fuel at the calciner outlet by optimizing the supply position of pulverized coal.
  • the raw material heated by the heat exchange with the high-temperature gas in the suspension preheater 7 is transferred from the lower cyclone 8 of the suspension preheater 7.
  • a part of the exhaust gas is discharged into the rotary kiln exhaust gas conduit 9 and the remainder is supplied to the raw material supply chute 12 of the fluid calciner 11.
  • the calcined raw material enters the separation cyclone 21 with the entire amount accompanying the calcining furnace exhaust gas.
  • a part of the raw material dispersedly charged into the rotary kiln exhaust gas conduit 9 is also calcined by the high-temperature rotary kiln exhaust gas and enters the separation cyclone 21 together with the rotary kiln exhaust gas.
  • the calcined raw material collected by the separation cyclone 21 is introduced into the rotary kiln 20 through the raw material chute 22.
  • the high-temperature air generated in the clinker cooler 18 is sucked into the rotary kiln 20 and the flow calciner 11 by the suction force of the attracting fan 23, respectively.
  • the suction amount to the rotary kiln 20 having a small ventilation resistance becomes excessive, the sectional area is reduced in a part of the rotary kiln exhaust gas conduit 9 and the suction amount to the fluid calciner 11 is adjusted by the damper 24. is doing.
  • a solid fuel such as coal
  • bituminous coal with good combustibility is pulverized into fine powder.
  • fuels such as poorly combustible coal and oil coke.
  • the pulverized coal is conventionally supplied from the pulverized coal supply pipe 16 connected to one side of the furnace body with respect to the thick fluidized bed formed of the cement raw material at the bottom. Since the pulverized coal is not sufficiently dispersed, the pulverized coal concentration tends to flow from the free board 17 to the outlet side.
  • Patent Document 1 a cylindrical furnace body whose vertical direction is the cylinder axis direction, an air distribution plate provided substantially horizontally at the bottom of the furnace body, and an air under the air distribution plate A chamber, a raw material supply chute for supplying a raw material on the upper side of the air dispersion plate, a fuel supply nozzle for supplying solid fuel to a fluidized bed on the upper side of the air dispersion plate, and secondary air
  • a fluidized calcining furnace of cement raw material having a secondary air duct for supplying (bleed air) the fuel supply nozzle is deflected to a tangential side from the centripetal direction with a downward slope of 20 ° or more with respect to the horizontal plane.
  • a fluid calcining furnace of cement raw material connected to the furnace body has been proposed.
  • the conventional fluidized calciner of cement raw material is for calcining the raw material by burning fuel, but the connection position of the fuel supply nozzle is based on experience values, and in the fluidized calciner Since the presence or absence of the raw material concentration and gas concentration (especially O 2 ) distribution is not considered, sufficient calcination cannot be performed when pulverized coal such as coal or coke is used as fuel. Furthermore, there is a problem that the operation is hindered due to the blockage of the conduit.
  • the present invention has been made in view of such circumstances. Even when pulverized coal such as coal or coke is used as fuel, the preburner reduces the unburned rate at the outlet of the fluid calciner. It is an object of the present invention to provide a fluid calcining furnace capable of performing sufficient calcining while preventing clogging.
  • a fluid calciner according to the present invention is a cylindrical furnace in which the axial center direction is arranged in the vertical direction and the upper end is closed by a top plate.
  • First to fourth bleed conduits are connected, and a fluidized air blow-in port for blowing fluidized air into the furnace body is disposed at the bottom of the furnace body, and the first and / or second bleed conduits are provided.
  • An exhaust duct for discharging combustion gas containing cement raw material in the furnace body is connected to the upper side wall of the furnace body located above the top plate with a space between the top plate and the pulverized coal injection
  • the inlet of the line is disposed below the suction port of the bleed conduit and above the fluidized air inlet, and the inlet of one of the pulverized coal injection lines is the third or fourth bleed conduit. It is arrange
  • the invention described in claim 2 is characterized in that, in the invention described in claim 1, the blowing ports of the pulverized coal blowing line are arranged in two places.
  • the invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the raw material chute is disposed adjacent to the first bleed conduit and the inlet of the pulverized coal injection line. Is arranged below the third extraction conduit that is radially opposed to the first extraction conduit.
  • the upper end portion of the cylindrical furnace body is closed by the top plate, and the top side wall of the furnace body is spaced apart from the top plate. Since an exhaust duct through which air in the body flows out is connected, a mixing chamber for a mixed fluid of cement raw material, pulverized coal and furnace gas flowing into the exhaust duct is formed in the upper part of the furnace body.
  • mixing with a furnace gas and pulverized coal can be promoted, and combustibility can be improved.
  • heat exchange of the cement raw material, pulverized coal, and the gas in the furnace is also promoted by mixing, the decarboxylation rate of the cement raw material can be improved.
  • the concentration of pulverized coal in the furnace is increased on the side wall side where the exhaust duct is connected by the suction force from the exhaust duct, It becomes relatively low at a distant position. For this reason, when pulverized coal is blown from one place, the dispersibility of the pulverized coal may be further deteriorated due to the synergistic effect of both.
  • the inlets of the plurality of pulverized coal injection lines are respectively disposed below the suction port of the extraction conduit and above the fluidizing air injection port, and one of them is provided. Since the inlet is arranged at a position away from the position where the exhaust duct is connected, the pulverized coal can be effectively dispersed in the furnace to improve the combustion.
  • the second aspect of the present invention as seen in the computational fluid dynamics calculation described later, by disposing at least one pulverized coal inlet at a position away from the position where the exhaust duct is connected.
  • the pulverized coal injection ports By arranging the pulverized coal injection ports in two places in total, it is possible to obtain substantially the same effect as in the case where they are arranged under all of the first to fourth extraction conduits (four places in total). For this reason, while being able to hold down equipment cost, management becomes easy and it is economical.
  • the pulverized coal injection port has a diameter with respect to the first extraction conduit.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of a fluid calciner according to the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing main trajectories of pulverized coal particles in the fluid calciner of FIG.
  • FIG. 3 is a layout view of the pulverized coal injection port in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a layout diagram of pulverized coal injection ports in a comparative example.
  • FIG. 5 is a pulverized coal concentration distribution diagram in the furnace of Comparative Example 5 of FIG. 4 by the above-described numerical fluid dynamics calculation.
  • FIG. 6 is a distribution diagram of the oxygen concentration in the furnace of the comparative example 5 of FIG.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a cement manufacturing facility equipped with a conventional fluid calciner.
  • the fluid calciner 1 of the present embodiment includes a plurality of pulverized coal injection lines 3 for injecting fuel into the furnace body 2, a raw material chute 4 for introducing cement raw material, and bleed air in the furnace body 2.
  • a fluidized air blowing port 2a for blowing fluidized air into the furnace body 2 is generally configured.
  • the furnace body 2 is formed in a cylindrical shape having an inner diameter of 5.0 to 6.5 m.
  • the furnace body 2 is arranged with the axial direction facing the vertical direction and the upper end portion is closed by the top plate 2b.
  • the first to fourth four bleed conduits 5a to 5d are connected to the lower side of the furnace body 2 by being piped in a downward slope whose angle between the center line and the horizontal plane is 55 to 65 °. Has been.
  • first to fourth extraction conduits 5a to 5d are arranged in the circumferential direction sequentially in plan view from the viewpoint that the centers of the respective suction ports are arranged on the same circumference and supply air evenly to the furnace bottom. They are arranged at substantially equal intervals in the clockwise direction.
  • the center of the suction port of the extraction conduits 5a to 5d is arranged at a height of 1500 to 2500 mm (H in FIG. 1) upward from the fluidizing air blowing port 2a, and inside the extraction conduits 5a to 5d.
  • the gas flow rate is generally set to 15 to 18 m / s.
  • the fluidized air inlet 2a is configured so that, for example, in the cement manufacturing facility including the conventional fluid calciner 11 shown in FIG. It will be blown into.
  • the air dispersion plate 14 is disposed in the horizontal direction.
  • the fluidizing air blowing speed from the fluidizing air blowing port 2a is determined by the raw material density and particle size distribution, and is set to 1.0 to 2.0 m / s for ordinary cement raw materials. ing.
  • the exhaust duct 6 is connected to the upper side wall of the furnace body 2 located above the first and second extraction conduits 5a and 5b.
  • the exhaust duct 6 is piped so as to rise upward as it is separated from the furnace body 2, and is connected so that the upper side wall 6a is located at a distance from the top plate 2b.
  • the mixing chamber C is formed between the connection part of the exhaust gas duct 6 and the top plate 2b.
  • the material chute 4 is disposed adjacent to the first extraction conduit 5a or the second extraction conduit 5b (in the present embodiment, adjacent to the first extraction conduit 5a), and at an angle to the horizontal plane. Is connected to the side wall of the furnace body 2 by a descending slope that generally ranges from 50 ° to 70 °.
  • the height of the raw material chute 4 is generally in the range of 1500 to 3000 mm (h in FIG. 1) upward from the fluidized air inlet 2a. Has been placed.
  • a raw material dispersion base 4a formed of a refractory is disposed at the lower portion of the inlet of the raw material chute 4.
  • a plurality of pulverized coal injection lines 3 for injecting pulverized coal as fuel, for example, coal or coke into the furnace body 2 are arranged 4).
  • These air inlets 3a are respectively disposed below the suction ports of the bleed conduits 5a to 5d and above the fluidized air air inlet 2a, and at least one of the air inlets 3a is a first air outlet 3a. It is arranged below the third or fourth extraction conduits 5c and 5d.
  • pulverized coal blowing lines 3 are connected so as to blow pulverized coal perpendicular to the axis of the furnace body 2 and toward the center of the furnace body 2, and the center of the blowing port 3a is, for example,
  • the bleed ducts 5a to 5d are arranged so as to be collinear with the center of the bleed conduits 5a to 5d.
  • the pulverized coal conveying air speed in the pulverized coal blowing line 3 is an adjustment item in operation, but the range is usually set to a range of 10 to 20 m / s.
  • the flow of the pulverized coal injected from the pulverized coal injection line 3 is input from the raw material chute 4 by the computational fluid dynamics calculation CFD (Computational Fluid Dynamics) performed by the present inventors. Is affected by the flow of the raw material to be discharged, the flow of gas from the extraction pipes 5a to 5d, and the flow of exhaust of the combustion gas containing cement raw material and pulverized coal in the furnace body 2 based on the connection position of the exhaust gas duct 6 It is obtained by locating.
  • CFD computational Fluid Dynamics
  • the actual flow calciner shape and operating conditions are digitized, and the gas flow, particle movement, chemical reaction, and heat transfer are numerically calculated by a computer with an analysis program installed. Is used to grasp the state of combustion / calcination in a fluid calciner, which is difficult by actual measurement. Note that the influence of the extracted air on the flow of pulverized coal is the same even if the extracted air is blown into or sucked into the extraction conduit 5.
  • the computational fluid dynamics calculation method and model are as follows.
  • Computational fluid dynamics calculation software Rflow (2) Turbulence model: k- ⁇ Model (3) Fluid: Incompressible ideal gas (4) Pressure-speed coupling: SIMPLE (5) Discretization scheme: Finite Volume Method (6) Momentum: Second Order Upwind (7) Turbulent kinetic energy: First Order Upwind (8) Turbulent dissipation rate: First Order Upwind (9) Energy: Second Order Upwind (10) Particle analysis: Discrete Element Method (11) Particulate fluid training: Two Way Coupling (12) Pulverized coal combustion: H 2 + O 2 -H 2 O, CH 4 + O 2 -H 2 O + CO 2 , CO + O 2 -CO 2 , C + O 2 -CO 2 (13) Raw material decarboxylation model: CaCO 3 -CaO + CO 2 , unreacted nuclear model Note that (2) to (11) are numerical fluid analysis of gas flow, etc., (12) is combustion analysis (13) is a general-purpose model widely used by those skilled in the
  • composition of coal used in this computational fluid dynamics calculation is as follows. Name Calorific value Volatile content Fixed carbon Water Ash (Kcal / Kg) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) Bituminous coal 6700 34.3 49.4 6.8 9.5
  • the amount of pulverized coal feed was also adjusted so that the total calorific value of pulverized coal thrown into a calcining furnace might become constant.
  • Example A In Example A, the inlets 3a of the plurality of pulverized coal injection lines 3 as shown in FIGS. 3 (a) to 3 (f) are respectively below the suction ports of the extraction pipes 5a to 5d and flowed.
  • Example 1 (FIG. 3 (a)) is the example which has arrange
  • Example 2 (FIG. 3B) is an example in which the inlets 3a of the two pulverized coal injection lines 3 are arranged below the second and third extraction conduits 5b and 5c, respectively.
  • 3 (FIG. 3C) is an example in which the inlets 3a of the two pulverized coal injection lines 3 are respectively disposed below the third and fourth extraction conduits 5c and 5d.
  • Example 4 is the example which has arrange
  • Example 5 is an example in which the inlets 3a of the two pulverized coal injection lines 3 are respectively arranged below the first and fourth extraction conduits 5a and 5d.
  • 6 is an example in which the injection ports 3a of the four pulverized coal injection lines 3 are respectively arranged below the first to fourth extraction conduits 5a to 5d.
  • a comparative example a comparative example in which the blowing port 3a of the pulverized coal blowing line 3 is disposed below the suction ports of the extraction conduits 5a to 5d and at the positions shown in FIGS. 4 (a) to (e). Similarly, for 1 to 5, the char reaction rate (%), the decarboxylation rate of the cement raw material particles (%), and the oxygen concentration (% ), Particle temperature (° C.) and gas temperature (° C.) of the cement raw material were calculated.
  • Comparative Example 1 is an example in which the inlet 3a of one pulverized coal injection line 3 is disposed below the second extraction conduit 5b.
  • FIG. 4B is an example in which the inlet 3a of one pulverized coal injection line 3 is disposed below the third extraction conduit 5c
  • Comparative Example 3 is This is an example in which the inlet 3a of one pulverized coal blowing line 3 is disposed below the fourth extraction conduit 5d.
  • the comparative example 4 (FIG.4 (d)) is the example which has arrange
  • (E)) is an example in which the inlets 3a of the two pulverized coal blowing lines 3 are arranged below the first and second extraction conduits 5a and 5b, respectively.
  • the decarbonation rate (%) of the cement raw material is a weighted average of the decarboxylation rate of each raw material particle at the calciner outlet according to the mass before calcining
  • the char reaction rate (%) Is a weighted average of the char reaction rate for each pulverized coal particle at the calciner outlet according to the mass of the char before reacting.
  • the performance is high when the average char reaction rate (%) is 60% or more and the decarboxylation rate (%) of the cement raw material is 45% or more.
  • Table 1 is a chart showing the results of the computational fluid dynamics calculation in the arrangement of FIG. 3, and shows the average value at the outlet of the exhaust gas duct 6 of Examples 1 to 6.
  • Table 2 is a chart showing the results of the numerical fluid dynamic calculation in the comparative example of FIG. 4, and shows the average value at the outlet of the exhaust gas duct 6 of the comparative examples 1 to 5.
  • Comparative Example 5 Although pulverized coal is blown into the furnace body 2 from two pulverized coal injection ports 3 a, the first and second injection ports 3 a are located below the exhaust duct 6. , The distribution of the pulverized coal introduced from the inlet 3a is biased, and the concentration of pulverized coal on the side wall connected to the exhaust duct, as shown in FIG. As a result, the pulverized coal dispersion effect is not improved even when compared with Comparative Examples 1 to 4 in which pulverized coal is blown from one place.
  • the pulverized coal injection line 3a has a plurality of injection ports 3a (two in Examples 1 to 5, In the sixth embodiment, and one of the inlets 3a is disposed below the extraction conduits 5c and / or 5d spaced from the position where the exhaust duct 6 is connected. Combustion can be improved by effectively dispersing pulverized coal inside.
  • the dispersibility of the pulverized coal in the furnace body 2 is improved, the oxygen consumption is uniform, the combustion is promoted, the gas temperature is increased, and the decarboxylation rate of the cement raw material is increased. It can be seen that the above average char reaction rate (%) is obtained, and the decarboxylation rate (%) of the cement raw material is 45% or more.
  • At least one air inlet 3a is disposed below the extraction conduit 5c and / or 5d spaced from the connection position of the exhaust duct 6, so that the air inlet If 3a is arranged in two places, an effect almost the same as the case where it is arranged in four places can be obtained. Therefore, considering the equipment cost and the ease of management, a sufficient effect can be obtained with two places. understood.
  • the pulverized coal inlet 3a is The char reaction rate and the decarboxylation rate of the cement raw material are further improved by disposing them below the first extraction conduit 5a and below the third extraction conduit 5c facing the radial direction of the furnace body 2. It becomes possible.
  • the raw chute 4 is disposed adjacent to the second extraction conduit 5b, and the pulverized coal injection port 3a is disposed below the second extraction conduit 5b and in the radial direction of the furnace body 2. The same effect can be obtained when it is arranged below the 4 extraction conduits 5d.
  • FIG. 2 shows the main trajectory of the pulverized coal particles in the fluidized calciner having the configuration of Example 3 by numerical fluid dynamics calculation based on the shape and operating conditions of an actual furnace similar to Example A. is there.
  • the upper end portion of the cylindrical furnace body 2 is closed by the top plate 2b, and the upper side wall of the furnace body 2 is spaced from the top plate 2b.
  • a mixing chamber C for a mixed fluid of cement raw material, pulverized coal and furnace gas flowing to the exhaust duct is formed in the upper part of the furnace body 2.
  • FIG. 5 and FIG. 6 show the case where the pulverized coal injection ports 3a are arranged as shown in Comparative Example 5 by numerical fluid dynamics calculation based on the same shape and operating conditions of the actual furnace as in Example A. The result of having analyzed the particle distribution and oxygen concentration distribution of the pulverized coal in the furnace body 2 is shown.
  • the present invention can provide a fluidized calciner capable of performing sufficient calcining while reducing the unburned rate at the outlet of the fluidized calciner and preventing clogging with a preheater.

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Abstract

　流動仮焼炉出口における未燃率を低減させて、プレヒータでの閉塞を防止しつつ、十分な仮焼を行うことが可能な流動仮焼炉を提供する。本発明は、上端部が天板（２ｂ）によって塞がれた筒状の炉体（２）の下部側壁に、複数の微粉炭吹込ライン（３）およびセメント原料の原料シュート（４）並びに第１～第４の抽気導管（５ａ～５ｄ）が接続され、炉体（２）の底部に流動化空気を吹き込む流動化空気吹込口（２ａ）が配設されるとともに、第１および／または第２の抽気導管（５ａ、５ｂ）上方の炉体の上部側壁に、天板（２ｂ）との間に間隔をおいて排気ダクト（６）が接続されてなり、微粉炭吹込ラインの吹込口（３ａ）は、各々抽気導管（５ａ～５ｄ）の吸引口の下方であり、かつ流動化空気吹込口（２ａ）の上方に配設されるとともに、そのうちの１つの吹込口（３ａ）は、第３または第４の抽気導管（５ｃ、５ｄ）の下方に配置されている。

Description

流動仮焼炉
　本発明は、微粉炭の供給位置を最適化することにより、仮焼炉出口における燃料の未燃率低減を可能とする流動仮焼炉に関するものである。
　従来、図７に示すように、流動仮焼炉１１を備えたセメント製造設備１０においては、サスペンションプレヒータ７において、高温ガスとの熱交換により加熱された原料が、サスペンションプレヒータ７の下段サイクロン８から排出され、その一部がロータリキルン排ガス導管９の中に分散投入され、残りが流動仮焼炉１１の原料供給シュート１２に供給されている。
　この流動仮焼炉１１においては、流動化空気吹込口１３、エアチャンバ１３ａおよび空気分散板１４を通じて空気が吹き込まれ、流動層１５が形成される。その際、上記空気は、微粉炭供給管１６から供給される燃料の一部を燃焼させるとともに、被仮焼原料を流動層１５に所定時間滞留させた後に、当該流動層１５上方のフリーボード１７に飛散させる。また、高温のクリンカクーラ１８からの高温空気が吸引口１９から略接線方向に吸引され、フリーボード１７においても、微粉炭供給管１６から供給される燃料が燃焼する。それにより、上部原料供給シュート１２から投入された原料および流動層１５表面より上方に飛散した原料が効率良くかつ迅速に仮焼される。
　そして、仮焼された原料は、その全量が仮焼炉排ガスに同伴されて分離サイクロン２１に入る。一方、ロータリキルン排ガス導管９内に分散投入された原料も高温のロータリキルン排ガスによって一部が仮焼され、当該ロータリキルン排ガスとともに分離サイクロン２１に入る。さらに、分離サイクロン２１で捕集された仮焼原料は、原料シュート２２を経てロータリキルン２０に導入される。
　他方、クリンカクーラ１８で発生した高温空気は、誘引ファン２３の吸引力によって、ロータリキルン２０と流動仮焼炉１１とに各々吸引される。しかし、通風抵抗の小さいロータリキルン２０への吸引量が過大になるため、ロータリキルン排ガス導管９の一部において、断面積を縮小するとともに、流動仮焼炉１１への吸引量をダンパ２４によって調整している。
　ところで、流動仮焼炉において、セメント原料を仮焼する燃料として、石炭などの固形燃料を用いることが一般的である。その中でも、燃焼性の良い瀝青炭を微粉末に粉砕して使用している。しかし、限られた資源を有効活用するために、燃焼性の悪い石炭やオイルコークスといった幅広い種類の燃料の使用が求められている。
　一方で、上記従来の流動仮焼炉においては、その底部にセメント原料によって形成された厚い流動層に対して、従来は炉体の側面の１箇所に接続された微粉炭供給管１６から微粉炭を吹き込んでいるために、微粉炭が十分に分散されずに微粉炭濃度に偏りを生じたままフリーボード１７から出口側へと流れていってしまう傾向になる。
　この結果、微粉炭の濃度が高いところでは酸素不足になり、逆に濃度が低いところでは酸素が余剰になって酸素消費が不均一になり、炉内で不完全燃焼が生じてチャー反応率が低下するという問題点があった。
　加えて、流動仮焼炉１１の出口における微粉炭のチャー反応率が低くなり、排ガスダクトに多く残った未燃炭素がプレヒータ７において燃焼することにより、プレヒータ７におけるガス温度が高くなって、サイクロンや原料シュートにおいて付着物が生成することによりサイクロンの出入り口や導管での閉塞が多発し、運転の支障となるといった問題点があった。
　他方、下記特許文献１においては、筒軸心方向を上下方向とした筒状の炉体と、該炉体の底部に略水平に設けられた空気分散板および該空気分散板の下側のエアチャンバと、該空気分散板の上側の原料を供給する原料供給シュートと、該空気分散板の上側の流動層に固形燃料を供給する燃料供給ノズルと、該空気分散板の上側に２次空気（抽気空気）を供給する２次空気ダクトとを有するセメント原料の流動仮焼炉において、該燃料供給ノズルは、水平面に対し２０°以上の下り勾配にて、かつ求心方向よりもタンゼンシャル側に偏向して該炉体に接続されているセメント原料の流動仮焼炉が提案されている。
　上記従来のセメント原料の流動仮焼炉は、燃料の燃焼により原料を仮焼させるものであるが、上記燃料供給ノズルの接続位置などは、経験値に基づくものであり、流動仮焼炉内での原料濃度やガス濃度（特に、Ｏ２）の分布の有無などが考慮されていないため、燃料に石炭やコークスなどの燃焼性の悪い微粉炭を使用した際に、十分な仮焼が行えない上に、導管の閉塞により運転に支障が生じるという問題がある。
　また、炉体などの耐火物については、燃焼性能が高くなりすぎると、炉壁付近の温度が局所的に高くなり過ぎてしまい、焼損する可能性が高いという問題が生じる。
特開平８－２３１２５４号公報
　本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料に石炭やコークスなどの燃焼性の悪い微粉炭を使用しても、流動仮焼炉出口における未燃率を低減させて、プレヒータでの閉塞を防止しつつ、十分な仮焼を行うことが可能な流動仮焼炉を提供することを課題とするものである。
　上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明に係る流動仮焼炉は、軸心方向を上下方向に向けて配置されるとともに上端部が天板によって塞がれた筒状の炉体の下部側壁に、当該炉体内に燃料を吹き込む複数の微粉炭吹込ラインおよびセメント原料を投入する原料シュートならびに周方向に順次間隔をおいて配置されて当該炉体内に抽気空気を導入するための第１～第４の抽気導管が接続され、上記炉体の底部に当該炉体内に流動化空気を吹き込む流動化空気吹込口が配設されるとともに、上記第１および／または第２の抽気導管の上方に位置する上記炉体の上部側壁に、上記天板との間に間隔をおいて上記炉体内のセメント原料を含む燃焼ガスを流出させる排気ダクトが接続されてなり、かつ上記微粉炭吹込ラインの吹込口は、各々上記抽気導管の吸引口の下方であり、かつ上記流動化空気吹込口の上方に配設されるとともに、そのうちの１つの上記微粉炭吹込ラインの吹込口は、上記第３または第４の抽気導管の下方に配置されてい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、上記微粉炭吹込ラインの上記吹込口は、２箇所に配設されていることを特徴とするものである。
　さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記原料シュートは、上記第１の抽気導管に隣接して配置されるとともに、上記微粉炭吹込ラインの吹込口は、上記第１の抽気導管に対して径方向に対向する第３の抽気導管の下方に配置されていることを特徴とするものである。
　請求項１～３のいずれかに記載の発明によれば、筒状の炉体の上端部を天板によって塞ぎ、上記炉体の上部側壁に、上記天板との間に間隔をおいて炉体内の空気を流出させる排気ダクトを接続しているために、炉体の上部に、排気ダクトへと流れるセメント原料、微粉炭および炉内ガスの混合流体のミキシングチャンバーが形成されている。
　そして、当該ミキシングチャンバーにおいて、炉内ガスと微粉炭との混合を促進させて燃焼性を向上させることができる。また、混合によりセメント原料、微粉炭および炉内ガスの熱交換も促進されるため、セメント原料の脱炭酸率を向上させることができる。
　ところで、単に上述したように炉体の上部側壁に排気ダクトを接続すると、炉内における微粉炭の濃度が、排気ダクトからの吸引力によって当該排気ダクトを接続した側壁側で高くなり、上記側壁から離れた位置において相対的に低くなる。このため、微粉炭を１箇所から吹き込んだ場合に、両者の相乗効果によって、一層微粉炭の分散性が悪化するおそれがある。
　これに対して、本発明においては、複数の微粉炭吹込ラインの吹込口を、各々抽気導管の吸引口の下方であって、流動化空気吹込口の上方に配設するとともに、そのうちの１つの吹込口を、排気ダクトが接続された位置から離間した位置に配置しているために、炉内に微粉炭を効果的に分散させて燃焼を良化することができる。
　この結果、上記排ガスダクトの接続位置との協働により、炉体上部の出口における燃料の未燃率を低下させ、プレヒータ内の温度を低く抑えてサイクロンや原料シュートでのプレヒータでの閉塞を防ぎ、円滑かつ良好な運転を行うことが可能になる。
　さらに、請求項２に記載の発明によれば、後述する数値流体力学計算に見られるように、少なくとも１つの微粉炭の吹込口を排気ダクトが接続された位置から離間した位置に配置することにより、上記微粉炭吹込口を合計２箇所に配設することにより、第１～第４の抽気導管の全ての下方（合計４箇所）に配設した場合と略同等の効果を得ることができる。このため、設備コストを抑えることができるとともに、管理が容易になるために経済的である。
　さらに、請求項３に記載の発明によれば、上記原料シュートが第１の抽気導管に隣接して配置されている場合に、上記微粉炭の吹込口を、第１の抽気導管に対して径方向に対向する第３の抽気導管の下方に配置することにより、一層チャー反応率やセメント原料の脱炭酸率を向上させることが可能になる。
図１は、本発明の流動仮焼炉の一実施形態を示す縦断面図である。 図２は、図１の流動仮焼炉における微粉炭粒子の主な軌跡を示す斜視図である。 図３は、本発明の実施例における微粉炭の吹込口の配置図である。 図４は、比較例における微粉炭の吹込口の配置図である。 図５は、上記数値流体力学計算による図４の比較例５の炉体内の微粉炭濃度分布図である。 図６は、上記数値流体力学計算による図４の比較例５の炉体内酸素濃度の分布図である。 図７は、従来の流動仮焼炉を備えたセメント製造設備を示す概略構成図である。
　図１および図３は、本発明の流動仮焼炉の実施形態を示すものである。
　これらの図において、本実施形態の流動仮焼炉１は、炉体２内に燃料を吹き込む複数の微粉炭吹込ライン３と、セメント原料を投入する原料シュート４と、炉体２内に抽気空気を導入するための第１～第４の抽気導管５ａ～５ｄと、炉体２内のセメント原料を含む燃焼ガスを流出させる排気ダクト６が炉体２に接続されるとともに、炉体２の底部に当該炉体２内に流動化空気を吹き込む流動化空気吹込口２ａが形成されることによって概略構成されたものである。
　ここで、炉体２は、内径が５．０～６．５ｍの円筒状に形成されたもので、軸心方向を上下方向に向けて配置されるとともに上端部が天板２ｂによって塞がれている。
　また、第１～第４の４本の抽気導管５ａ～５ｄは、その中心線と水平面とのなす角度が５５～６５°の範囲の下り勾配に配管されて炉体２の下部側部に接続されている。
　これら第１～第４の抽気導管５ａ～５ｄは、各々の吸引口の中心が同一円周上に配置され、かつ炉底部に均等に空気を供給する観点から、順次平面視において円周方向へ時計回り方向に略等間隔を置いて配置されている。ちなみに、抽気導管５ａ～５ｄの吸引口の中心は、流動化空気吹込口２ａから上方に１５００～２５００ｍｍの高さ寸法（図１のＨ）に配置されるとともに、当該抽気導管５ａ～５ｄ内のガス流速は概ね１５～１８m/sに設定されている。
　また、流動化空気吹込口２ａは、例えば、図７に示した従来の流動仮焼炉１１を備えたセメント製造設備と同様に、エアチャンバ１３ａおよび空気分散板１４を通じて、空気が炉体２内に吹き込まれるものである。なお本実施形態においては、空気分散板１４は水平方向に配設されている。なお、流動化空気吹込口２ａからの流動化空気の吹込み速度は、原料密度や粒度分布によって決定されるものであり、通常のセメント原料では、１．０～２．０m/sに設定されている。
　そして、第１および第２の抽気導管５ａ、５ｂの上方に位置する炉体２の上部側壁に、排気ダクト６が接続されている。この排気ダクト６は、炉体２から離間するにしたがって上り勾配となるように配管されており、かつ天板２ｂとの間に間隔をおいて上側壁６ａが位置するように接続されている。これにより、排ガスダクト６の接続部と天板２ｂとの間には、ミキシングチャンバーＣが形成されている。
　また、原料シュート４は、第１の抽気導管５ａまたは第２の抽気導管５ｂに隣接して（本実施形態においては第１の抽気導管５ａに隣接して）配置されるとともに、水平面との角度が概ね５０°～７０°の範囲をなす下り勾配によって、炉体２の側壁に接続されている。ここで、原料シュート４の投入口の中心は、流動仮焼炉の処理能力によって異なるが、概ね流動化空気吹込口２ａから上方に１５００～３０００ｍｍの範囲の高さ寸法（図１のｈ）に配置されている。なお、原料シュート４の投入口下部には、図３（ａ）に示すように、耐火物で形成した原料分散用の台４ａが配置されている。
　そして、燃料である微粉炭、例えば、石炭やコークスを炉体２内に吹き込む微粉炭吹込ライン３が、複数本（図３（ａ）～（ｅ）においては２本、図３（ｆ）においては４本）配設されている。そして、これら吹込口３ａは、各々抽気導管５ａ～５ｄの吸引口の下方であって、かつ流動化空気吹込口２ａの上方に配設されるとともに、そのうちの少なくとも１つの吹込口３ａが、第３または第４の抽気導管５ｃ、５ｄの下方に配置されている。
　これら微粉炭吹込ライン３は、それぞれ炉体２の軸線に対して垂直に、かつ炉体の２の中心に向けて微粉炭を吹き込むように接続されており、さらに吹込口３ａの中心が、例えば、抽気導管５ａ～５ｄの中心と鉛直方向に対して同一線上に位置するように配設されている。なお、微粉炭吹込ライン３における微粉炭の搬送空気速度は、運転上の調整項目であるが、通常その範囲は１０～２０m/sの範囲に設定されている。
　上記構成からなる流動仮焼炉１は、本発明者らが行った数値流体力学計算ＣＦＤ(Computational Fluid Dynamics)により、微粉炭吹込ライン３から吹き込まれた微粉炭の流れが、原料シュート４から投入される原料の流れ、抽気導管５ａ～５ｄからのガス流れ、および排ガスダクト６の接続位置に基づく炉体２内のセメント原料や微粉炭を含む燃焼ガスの排気の流れの影響を受けていることを突きとめることによって得られたものである。
　上記数値流体力学計算は、実際の流動仮焼炉の形状、および操業条件を数値化し、解析プログラムのインストールされたコンピュータによって、ガス流れ、粒子移動、化学反応、伝熱を数値計算し、コンピュータグラフィックを用いて、実測では困難である流動仮焼炉内での燃焼・仮焼の状況を把握するものである。なお、抽気空気は、抽気導管５に吹込みまたは吸込みでも微粒炭の流れに与える影響は同じである。
　数値流体力学計算の方法、モデルは下記のとおりである。
(1) 数値流体力学計算ソフト：Rflow　（株式会社アールフロー）
(2) 乱流モデル：k －ε Model
(3) 流体：非圧縮性理想気体
(4) 圧力－速度カップリング：SIMPLE
(5) 離散化スキーム：Finite Volume Method
(6) 運動量：Second Order Upwind
(7) 乱流運動エネルギー：First Order Upwind
(8) 乱流散逸率：First Order Upwind
(9) エネルギー：Second Order Upwind
(10)粒子解析：Discrete Element Method
(11)粒子流体練成：Two Way Coupling
(12)微粉炭燃焼：H2+O2－H2O、CH4+O2－H2O+CO2、CO+O2－CO2、C+O2－CO2
(13)原料脱炭酸モデル：CaCO3－CaO+CO2、未反応核モデル
　なお、(2)～(11)はガスの流れ等についての数値流体解析を行う際に、(12)は燃焼解析を行う際に、(13)は石灰石の脱炭酸反応を解析する際に、いずれも当業者において広く用いられている汎用のモデルである。
　また、本数値流体力学計算において用いた石炭の組成は、以下のとおりである。
　名称　　　　発熱量　　　　揮発分　　固定炭素　　水分　　灰分
　　　　　　　(Kcal/Kg)　　　(%)　　　　(%)　　　　(%)　　(%)
　瀝青炭　　　6700　　　　　34.3　　　49.4　　　　6.8　　9.5
　なお、微粉炭の種類が変わった場合は、上記の工業分析値の変更に加え、仮焼炉へ投入する微粉炭の総発熱量が一定となるように微粉炭フィード量も調整した。
　さらに、セメント原料の投入量、風速、温度などの実炉の操業条件は、例えば、下記のデータを使用した。
　・炉体２
　　　　炉内径＝５．１ｍ
　　　　炉長＝１４ｍ
　・微粉炭吹込ライン３
　　　　微粉炭のフィード量＝９．１ｔ／ｈ
　　　　搬送空気流速＝１１ｍ／ｓ
　　　　温度＝５０℃
　・原料シュート４
　　　　セメント原料：２７２ｔ／ｈ
　　　　温度＝７４０℃
　　　　搬送空気流速＝０．５ｍ／ｓ
　・抽気導管５（円周方向に４箇所配置）
　　　抽気空気
　　　温度＝８８０℃
　　　流速＝１６．５ｍ／ｓ
　・流動化空気吹込口２ａ
　　　流動化空気
　　　温度＝８００℃
　　　流速＝１．６４ｍ／ｓ
（実施例Ａ）
　実施例Ａにおいては、図３（ａ）～（ｆ）に示すような複数本の微粉炭吹込ライン３の吹込口３ａを、各々抽気導管５ａ～５ｄの吸引口の下方であって、かつ流動化空気吹込口２ａの上方に配設するとともに、そのうちの少なくとも１つの吹込口３ａを、第３または第４の抽気導管５ｃ、５ｄの下方に配置した実施例１～６について、上述した実炉の形状および運転条件に基づいて、数値流体力学計算によって、チャー反応率（％）、セメント原料粒子の脱炭酸率（％）、酸素濃度（％）、セメント原料の粒子温度（℃）およびガス温度（℃）を算出した。
　なお、実施例１（図３（ａ））は、２本の微粉炭吹込みライン３の吹込口３ａを、各々第１および第３の抽気導管５ａ、５ｃの下方に配置した例であり、実施例２（図３（ｂ））は、２本の微粉炭吹込みライン３の吹込口３ａを、各々第２および第３の抽気導管５ｂ、５ｃの下方に配置した例であり、実施例３（図３（ｃ））は、２本の微粉炭吹込みライン３の吹込口３ａを、各々第３および第４の抽気導管５ｃ、５ｄの下方に配置した例である。
　また、実施例４（図３（ｄ））は、２本の微粉炭吹込みライン３の吹込口３ａを、各々第２および第４の抽気導管５ｂ、５ｄの下方に配置した例であり、実施例５（図３（ｅ））は、２本の微粉炭吹込みライン３の吹込口３ａを、各々第１および第４の抽気導管５ａ、５ｄの下方に配置した例であり、実施例６（図３（ｆ））は、４本の微粉炭吹込みライン３の吹込口３ａを、各々第１～第４の抽気導管５ａ～５ｄの下方に配置した例である。
　さらに、比較例として、微粉炭吹込ライン３の吹込口３ａを、各々抽気導管５ａ～５ｄの吸引口の下方であって、かつ図４（ａ）～（ｅ）に示す位置に配置した比較例１～５についても、同様に上述した実炉の形状および運転条件に基づいて、上記数値流体力学計算によって、チャー反応率（％）、セメント原料粒子の脱炭酸率（％）、酸素濃度（％）、セメント原料の粒子温度（℃）およびガス温度（℃）を算出した。
　具体的には、比較例１（図４（ａ））は、１本の微粉炭吹込みライン３の吹込口３ａを、第２の抽気導管５ｂの下方に配置した例であり、比較例２（図４（ｂ））は、１本の微粉炭吹込みライン３の吹込口３ａを、第３の抽気導管５ｃの下方に配置した例であり、比較例３（図４（ｃ））は、１本の微粉炭吹込みライン３の吹込口３ａを、第４の抽気導管５ｄの下方に配置した例である。
　また、比較例４（図４（ｄ））は、１本の微粉炭吹込みライン３の吹込口３ａを、第１の抽気導管５ａの下方に配置した例であり、比較例５（図４（ｅ））は、２本の微粉炭吹込みライン３の吹込口３ａを、各々第１および第２の抽気導管５ａ、５ｂの下方に配置した例である。
　ここで、セメント原料の脱炭酸率（％）は、仮焼炉出口における原料粒子ごとの脱炭酸率を仮焼される前の質量に応じて加重平均したものであり、チャー反応率（％）は、仮焼炉出口における微粉炭粒子ごとのチャー反応率を、反応する前のチャーの質量に応じて加重平均したものである。なお、平均チャー反応率（％）は６０％以上において、セメント原料の脱炭酸率（％）は４５％以上において、その性能が高いと評価される。
　表１は、図３の配置における数値流体力学計算の結果を示す図表であり、上記実施例１～６の排ガスダクト６の出口における平均値を示すものである。また、表２は、図４の比較例における数値流体力学計算の結果を示す図表であり、上記比較例１～５の排ガスダクト６の出口における平均値を示すものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図４および表２に見られるように、比較例１～４においては、いずれも１箇所に設けた微粉炭吹込みライン３の吹込口３ａから炉体２内に微粉炭を吹き込んでいるために、当該１箇所が何処であれ、炉体２内における微粉炭の分散が十分になされずに、排ガスダクト６側に向けて流れて行くことが判った。
　この結果、微粉炭の濃度が高いところでは酸素不足になり、逆に濃度が低いところでは酸素が余剰になって酸素消費が不均一になり、炉内に不完全燃焼が生じてチャー反応率が低下するために、いずれも平均チャー反応率（％）が５４％未満であり、かつセメント原料の脱炭酸率（％）も４５％未満になってしまうことが判る。
　また、比較例５においては、２箇所の微粉炭の吹込口３ａから炉体２内に微粉炭を吹き込んでいるものの、当該吹込口３ａを、排気ダクト６の下方に位置する第１および第２の抽気導管５ａ、５ｂの下方に配置しているために、図５に示すように、当該吹込口３ａから投入した微粉炭の分布に偏りが生じ、排気ダクトを接続した側壁側で微粉炭濃度が高くなり、そのまま排ガスダクト６側へと流れてしまう結果、１箇所から微粉炭を吹き込む比較例１～４と比較しても、微粉炭の分散効果の改善が見られないことが判る。
　これに対して、図３および表１に見られるように、本発明の実施例１～６においては、微粉炭吹込ラインの吹込口３ａを、複数個所（実施例１～５においては２箇所、実施例６においては４箇所）に設けるとともに、そのうちの１つの吹込口３ａを、排気ダクト６が接続された位置から離間した抽気導管５ｃおよび／または５ｄの下方に配置しているために、炉内に微粉炭を効果的に分散させて燃焼を良化させることができる。
　これにより、炉体２内での微粉炭の分散性が向上し、酸素消費が均一で燃焼が促進されてガス温度が高くなり、かつセメント原料の脱炭酸率が高くなる結果、いずれも６０％以上の平均チャー反応率（％）が得られ、セメント原料の脱炭酸率（％）も４５％以上になることが判る。
　また、実施例１～５と実施例６とを比較すると、少なくとも１つの吹込口３ａを、排気ダクト６の接続位置から離間した抽気導管５ｃおよび／または５ｄの下方に配置することにより、吹込口３ａを２箇所に配置すれば、４箇所に配置した場合とほぼ同等の効果が得られるために、設備コストと管理の容易さを勘案すると、２箇所の配置で十分な効果が得られることが判った。
　さらに、実施例１の結果によれば、原料シュート４が平面視において排気ダクト６の下方に第１の抽気導管５ａと隣接して配置されている場合に、微粉炭の吹込口３ａを、上記第１の抽気導管５ａの下方と、これと炉体２の径方向に対向する第３の抽気導管５ｃの下方とに配置することにより、一層チャー反応率やセメント原料の脱炭酸率を向上させることが可能になる。なお、原料シュート４を第２の抽気導管５ｂと隣接して配置し、かつ微粉炭の吹込口３ａを上記第２の抽気導管５ｂの下方と、これと炉体２の径方向に対向する第４の抽気導管５ｄの下方に配置した場合も同様の効果が得られる。
（実施例Ｂ）
　図２は、実施例Ａと同様の実炉の形状および運転条件に基づいて、数値流体力学計算によって、実施例３の構成の流動仮焼炉における微粉炭粒子の主な軌跡を示したものである。
　上述したように、本発明に係る流動仮焼炉１においては、円筒状の炉体２の上端部を天板２ｂによって塞ぎ、炉体２の上部側壁に天板２ｂとの間に間隔をおいて排気ダクト６を接続することにより、炉体２の上部に、排気ダクトへと流れるセメント原料、微粉炭および炉内ガスの混合流体のミキシングチャンバーＣが形成されている。
　この結果、図２に見られるように、当該ミキシングチャンバーＣにおいて流れが複雑であるため、炉内ガスと微粉炭との混合を促進させて燃焼性を向上させることができ、よって実施例Ａにおいて示したように、セメント原料、微粉炭および炉内ガスの熱交換も促進されるために、セメント原料の脱炭酸率を向上させることができる。
（比較例）
　他方、図５および図６は、実施例Ａと同様の実炉の形状および運転条件に基づいて、数値流体力学計算によって、微粉炭の吹込口３ａを比較例５に示した配置とした場合の炉体２内における微粉炭の粒子分布および酸素濃度分布を解析した結果を示すものである。
　図５に見られるように、比較例５においては、２箇所の微粉炭の吹込口３ａから炉体２内に微粉炭を吹き込んでいるものの、当該吹込口３ａを、排気ダクト６の下方に位置する第１および第２の抽気導管５ａ、５ｂの下方に配置しているために、当該吹込口３ａから投入した微粉炭の分布に偏りが生じて、排気ダクトを接続した側壁側で微粉炭濃度が高くなり、そのまま排ガスダクト６側へと流れてしまう結果、微粉炭が十分に分散されていない。
　この結果、図６に見られるように、微粉炭の濃度が高いところでは酸素不足（低濃度）になり、逆に濃度が低いところでは酸素が余剰（高酸素濃度）になって酸素消費が不均一になるために、炉内に不完全燃焼が生じてチャー反応率が低下することが判る。このため、脱炭酸率が低下し、１箇所から微粉炭を吹き込む比較例１～４と比較しても、十分な改善効果が得られないことが判る。
　本発明は、流動仮焼炉出口における未燃率を低減させて、プレヒータでの閉塞を防止しつつ、十分な仮焼を行うことが可能な流動仮焼炉を提供することができる。
　　１　流動仮焼炉
　　２　炉体
　　２ａ　流動化空気吹込口
　　２ｂ　天板
　　３　微粉炭吹込ライン
　　３ａ　吹込口
　　４　原料シュート
　　５ａ～５ｄ　第１～第４の抽気導管
　　６　排ガスダクト

Claims (3)

  1. 　軸心方向を上下方向に向けて配置されるとともに上端部が天板によって塞がれた筒状の炉体の下部側壁に、当該炉体内に燃料を吹き込む複数の微粉炭吹込ラインおよびセメント原料を投入する原料シュートならびに周方向に順次間隔をおいて配置されて当該炉体内に抽気空気を導入するための第１～第４の抽気導管が接続され、上記炉体の底部に当該炉体内に流動化空気を吹き込む流動化空気吹込口が配設されるとともに、上記第１および／または第２の抽気導管の上方に位置する上記炉体の上部側壁に、上記天板との間に間隔をおいて上記炉体内のセメント原料を含む燃焼ガスを流出させる排気ダクトが接続されてなり、
    　かつ上記微粉炭吹込ラインの吹込口は、各々上記抽気導管の吸引口の下方であり、かつ上記流動化空気吹込口の上方に配設されるとともに、そのうちの１つの上記吹込口は、上記第３または第４の抽気導管の下方に配置されていることを特徴とする流動仮焼炉。
  2. 　上記微粉炭吹込ラインの上記吹込口は、２箇所に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の流動仮焼炉。
  3. 　上記原料シュートは、上記第１の抽気導管に隣接して配置されるとともに、上記吹込口は、上記第１の抽気導管に対して径方向に対向する第３の抽気導管の下方に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の流動仮焼炉。
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