JP5290099B2

JP5290099B2 - ガスの混合装置及びその運転方法

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Publication number: JP5290099B2
Application number: JP2009210714A
Authority: JP
Inventors: 淳一寺崎; 肇和田
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: JP2011056434A

Description

本発明は、ガスの混合装置及びその運転方法に関し、特に、セメントキルンの窯尻等から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使用されるガスの混合装置等に関する。

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、特許文献１には、高温の燃焼ガスが流れる内筒と、内筒を囲繞する外筒と、内筒に穿設された低温のガスの吐出口と、内筒と外筒との間に低温のガスを供給し、吐出口から低温のガスを、高温の燃焼ガスの吸引方向に対して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燃焼ガス抽気プローブが記載されている。

国際公開ＷＯ２００５／０５０１１４号パンフレット

しかし、特許文献１に記載の燃焼ガス抽気プローブ等、高い塩素除去能力を有する直交流冷却型プローブを用いた場合でも、プローブの設置角度等の設置条件によっては、抽気対象の燃焼ガスや、該燃焼ガスに含まれるダストがプローブ内又は二次冷却部において偏流を起こし、プローブの摩耗や、プローブ内のガス温度の偏分布を誘発し、プローブの寿命の短縮化や、性能の低下の原因となっていた。また、プローブの摩耗や、プローブ内のガス温度の偏分布を防止するため、摩擦防止板や偏流防止板を設置することも行われているが、期待された程の効果を得ることができなかった。

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、セメントキルン塩素バイパス設備等において、燃焼ガス抽気プローブの長寿命化、及び該プローブの塩素除去能力等の性能の向上を図ることなどを可能とするガスの混合装置等を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、ガス管と、該ガス管に穿設された複数の吐出口とを備え、該ガス管内を該ガス管の延設方向に流れる第１のガスに対して直角方向、かつ該第１のガスの流れの中心方向に、前記複数の吐出口の各々から第２のガスを吐出して、前記第１のガスと該第２のガスとを混合するガスの混合装置であって、前記複数の吐出口の各々から吐出される前記第２のガスの運動量ベクトルを合成したベクトルが、前記ガス管の横断面の中心から前記第１のガスの速度分布の重心位置へ向かう方向とは逆方向の成分を有することを特徴とする。

そして、本発明によれば、複数の吐出口の各々から吐出される第２のガスの運動量ベクトルを合成したベクトルが、ガス管の横断面の中心から第１のガスの速度分布の重心位置へ向かう方向とは逆方向の成分を有するように構成したため、第１のガスや該第１のガスに含まれるダストの偏流の程度に合わせて第２のガスを供給することができ、ダストの偏流や、ガス管の内面へのダストの衝突を最小限に抑えることができるとともに、ガス管内において第１のガスと第２のガスとを効率よく混合することができる。

上記ガスの混合装置において、前記複数の吐出口を、前記ガス管の延設方向に対して垂直な面内に配置することができ、ここで、複数の吐出口を、前記ガス管の延設方向に対して垂直な面内の２乃至４箇所に配置し、各々の吐出口から前記第２のガスの全量の１０％以上５０％以下のガスを吐出することができる。これにより、全体的にバランスよくガス管内に第２のガスを吐出することができ、ガス管内で第１のガスと第２のガスとを効率よく混合することができる。尚、各吐出口の位置は、第１及び第２のガスの混合状態をシミュレーションして決定することができ、各吐出口から吐出する第２のガスの量は、実機での測定結果から調整することが好ましい。

上記ガスの混合装置において、前記複数の吐出口を、前記ガス管の延設方向に対して垂直な面内の２箇所に配置し、該２箇所に配置された吐出口の各々を、前記ガス管の横断面の中心から前記第１のガスの速度分布の重心方向へ移動した位置に配置することができる。

また、前記複数の吐出口のうち、前記ガス管の横断面の中心から前記第１のガスの速度分布の重心方向への移動量が最も大きい吐出口の中心を、該横断面における前記第１のガスの速度分布において最も速度の高い部分を跨いで該最も速度の高い部分を中心にして全体流量の６０％を占める範囲内に位置することができる。

さらに、前記複数の吐出口を、前記ガス管の延設方向に対して複数段配置することもできる。

また、本発明は、上記各々のガスの混合装置の運転方法であって、前記第１のガスの流速又は／及び速度分布の重心位置に応じて、前記第２のガスの全流量又は／及び前記複数の吐出口の各々から吐出される前記第２のガスの流速を調整することを特徴とする。これにより、吐出口付近の混合状態に応じて該吐出口からの第２のガスの吐出量を調整することができ、効果的にガス管内のダストの偏流を防止し、ガス管内において第１のガスと第２のガスとを効率よく混合することができる。

以上のように、本発明によれば、２種類のガスをガス管内で効率よく混合することができ、セメントキルン塩素バイパス設備等において、燃焼ガス抽気プローブのみならず、プローブ後段の冷却部での冷却効率の向上や磨耗防止による長寿命化により、塩素除去能力等の性能の向上を図ることなどが可能となる。

本発明にかかるガスの混合装置を用いたセメントキルン塩素バイパス設備の抽気部を示す図であって、（ａ）は一部破断断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図（（ａ）における軸線Ｌが、図１（ｂ）において紙面に垂直になるように描いている）、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図１の抽気部の二次冷却部の拡大図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。本発明にかかる燃焼ガス抽気プローブの吐出口の配置例を説明するための概略図である。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、以下の説明においては、本発明にかかるガスの混合装置を、セメントキルンの窯尻等から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に適用した場合を例にとって説明する。

図１（ａ）は、本発明にかかるガスの混合装置を適用したセメントキルン塩素バイパス設備の抽気部を示し、この抽気部１は、セメントキルンの高温の燃焼ガスＧの一部を冷却しながら抽気するためのプローブ２と、このプローブ２の下流側のダクト３に設けられた二次冷却部４とで構成される。

プローブ２は、円筒状の内筒１２と、内筒１２を囲繞する円筒状の外筒１３と、内筒１２と外筒１３との間に形成された冷却空気通路１８と、冷却ファン（不図示）からの一次冷却空気を冷却空気通路１８に供給する一次冷却空気供給口１９等を備え、セメントキルンの立上り部１５に取付座１４を介して設置される。

内筒１２は、立上り部１５を流れる高温の燃焼ガスＧを、吐出口１２ｂから導入された一次冷却空気Ｃ１によって冷却しながら矢印Ｓ方向に抽気するために備えられる。この内筒１２の入口部１２ａは、セメントキルンの立上り部１５の燃焼ガス流路に面する。吐出口１２ｂは、内筒１２の中心Ｏ１を通る鉛直線Ｐを対称軸として線対称の位置に２つ設けられる。

吐出口１２ｂは、例えば、図１（ｂ）に示すように、吐出口１２ｂの中心１２ｃと内筒１２の中心Ｏ１とを結ぶ直線Ｌ１と、内筒１２の中心Ｏ１を通る水平線Ｈとのなす角が１５°になるように左右に各々１つずつ配置される。このような配置としたのは、燃焼ガスＧのプローブ２内での偏流（燃焼ガスＧの速度分布を参照番号３１で示す）を有するプローブ２の内部の温度分布のシミュレーションに基づいたものであって、これにより、プローブ２内のガス温度の偏分布が小さくなり、プローブ２によって、セメントキルンの高温の燃焼ガスＧの一部を効率よく冷却しながら抽気することができる。尚、吐出口１２ｂの取付個数と、取付位置は適宜変更することができる。

外筒１３は、内筒１２を囲繞するように、断面が内筒１２と同心円状の円筒状に形成される。この外筒１３は、フランジ部１３ａを介して取付座１４に固定される。外筒１３の内面と、内筒１２の外面との間には、冷却空気通路１８が形成され、この冷却空気通路１８に、一次冷却空気供給口１９から一次冷却空気Ｃ１が供給され、吐出口１２ｂを介して内筒１２の内部に導入される。

二次冷却部４は、プローブ２の下流側の、内筒１２に連設されたダクト３に設けられ、冷却ファン（不図示）からの二次冷却空気Ｃ２を冷却空気配管２１に供給する二次冷却空気供給口２２等を備え、二次冷却空気Ｃ２が冷却空気配管２１を介して吐出口２３からダクト３の内部に供給され、プローブ２から排出された抽気ガスＧ１を均一な温度に冷却するために備えられる。吐出口２３は、図１（ｃ）に示すように、ダクト３の中心Ｏ２を通る直線Ｑを対称軸として線対称の位置に２つ設けられる。尚、吐出口２３の取付位置の詳細については後述する。

燃焼ガスＧが一次冷却空気Ｃ１によって冷却された後の抽気ガスＧ１は、整流化された速度分布３２を有するが、ダクト３が曲折部３ａを有するため、曲折部３ａの下流側において偏流し、速度分布３３を有すようになる。

そこで、図２に示すように、例えば、２つの吐出口２３を、ダクト３の同一横断面内において、ダクト３の横断面の中心Ｏ２から抽気ガスＧ１の速度分布３３の重心位置Ｇｒ側に配置し、吐出口２３から中心Ｏ２に向かって冷却空気Ｃ２を吐出する。ここで、各吐出口２３から各々質量Ｍの二次冷却空気Ｃ２が速度Ｖで吐出された場合、運動量ベクトルＭＶは、図示のような大きさと方向を有する。そこで、２つの運動量ベクトルＭＶを合成すると、ベクトルＡとなり、このベクトルＡの方向は、ダクト３の横断面の中心Ｏ２から抽気ガスＧ１の速度分布３３の重心位置Ｇｒへ向かう方向とは逆方向となる。従って、吐出口２３を２箇所に配置した場合、吐出口２３をダクト３の横断面の中心位置Ｏ２から抽気ガスＧ１の速度分布の重心位置Ｇｒの方向へ移動させることは、言い換えれば、各吐出口２３から吐出される二次冷却空気Ｃ２の運動量ベクトルＭＶの合成ベクトルＡを、ダクト３の横断面の中心Ｏ２から抽気ガスＧ１の速度分布３３の重心位置Ｇｒへ向かう方向とは逆方向とすることに相当する。

また、ダクト３内の温度分布のシミュレーションによると、吐出口２３の中心２３ａを、抽気ガスＧ１の速度分布３３において、最も速度の高い部分３３ａを跨いでこの部分３３ａを中心にして全体流量の６０％を占める範囲Ｒ内に、吐出口２３の中心を位置させることが好ましい。これにより、プローブ２から排出された抽気ガスＧ１を二次冷却空気Ｃ２によって均一な温度に二次冷却することができる。

尚、上記実施の形態においては、吐出口２３を抽気ガスＧ１の流れに対して垂直な面内の２箇所に配置したが、３箇所以上に配置することも可能である。吐出口２３の他の配置例について、図３を参照しながら説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、各々吐出口２３を２〜５箇所に配置した例を示し、各図とも、ダクト３の抽気ガスＧ１の流れに対して垂直な断面を示している。

図３（ａ）は、吐出口を４箇所に配置した例であり、この場合、２箇所をダクト３の横断面の中心Ｏ２から抽気ガスＧ１の速度分布の重心位置Ｇｒの方向へ移動した位置に配置している。ここで、吐出口２３からの二次冷却空気Ｃ２の吐出方向は、ダクト３の横断面の中心Ｏ２であるため、各吐出口２３から各々質量Ｍの二次冷却空気Ｃ２が速度Ｖで吐出された場合、運動量ベクトルＭＶは、図示のような大きさと方向を有する。そこで、４つの運動量ベクトルＭＶを合成すると、ベクトルＡとなり、このベクトルＡの方向は、ダクト３の横断面の中心Ｏ２から第１のガスの速度分布の重心位置Ｇｒへ向かう方向とは逆方向となる。

図３（ｂ）は、吐出口２３をダクト３の横断面の中心位置Ｏ２と同じレベルに５箇所に配置した例であり、ここで、各吐出口２３から各々質量Ｍの二次冷却空気Ｃ２が速度Ｖ（最も右の吐出口２３からは速度Ｖ’）で吐出された場合、運動量ベクトルＭＶ、ＭＶ’は、図示のような大きさと方向を有するものとする。そこで、５つの運動量ベクトルＭＶを合成すると、ベクトルＡとなり、このベクトルＡの方向もダクト３の横断面の中心Ｏ２から第１のガスの速度分布の重心位置Ｇｒへ向かう方向とは逆方向となる。

図３（ｃ）は、吐出口２３を相対向する２箇所に配置した例であり、吐出口２３ａ、２２ｂから各々質量Ｍの二次冷却空気Ｃ２が各々速度Ｖ１、Ｖ２（Ｖ１＞Ｖ２）で吐出された場合を示している。この場合にも、各々の運動量ベクトルＭＶ１、ＭＶ２を合成して得られたベクトルＡの方向は、図３（ｃ）において、ダクト３の横断面の中心Ｏ２から第１のガスの速度分布の重心位置Ｇｒへ向かう方向とは逆方向となる。

以上のように、本発明では、配置する吐出口２３の数に関わらず、各吐出口２３から吐出される二次冷却空気Ｃ２の運動量ベクトルを合成したベクトルＡがダクト３の横断面の中心Ｏ２から第１のガスの速度分布の重心位置Ｇｒへ向かう方向とは逆方向の成分を有することを特徴としている。また、この場合、図３（ｂ）、（ｃ）の例のように、各吐出口２３から吐出される二次冷却空気Ｃ２の速度又は量は、同一である必要はない。尚、上記抽気部１を運転する際には、二次冷却空気Ｃ２の吐出後のダクト３内の温度分布を測定し、測定温度に応じて各々の吐出口２３からの冷却空気供給量等を制御することが好ましい。

また、上記実施の形態においては、セメントキルン塩素バイパス設備の抽気部１の二次冷却部４において、抽気ガスＧ１を二次冷却空気Ｃ２によって冷却する場合について説明したが、より一般的に、図１において、抽気部１のプローブ２の内筒１２とダクト３とを組み合わせた物を１本のガス管として捉え、抽気ガスＧ１を第１のガスとし、二次冷却空気Ｃ２を第２のガスとすると、抽気部１を第１のガスと第２のガスとを混合するガスの混合装置と捉えることができ、同ガス管内において、第１のガスに含まれるダストの偏流や、ガス管の内面へのダストの衝突を最小限に抑えることができるとともに、ガス管内において第１のガスと第２のガスとを効率よく混合することができる。

１抽気部
２プローブ
３ダクト
４二次冷却部
１２内筒
１２ａ入口部
１２ｂ吐出口
１２ｃ（吐出口の）中心
１３外筒
１３ａフランジ部
１４取付座
１５立上り部
１８冷却空気通路
１９一次冷却空気供給口
２１冷却空気配管
２２二次冷却空気供給口
２３吐出口
３１〜３３速度分布
３３ａ（速度分布３３において）最も速度の高い部分
Ｃ１一次冷却空気
Ｃ２二次冷却空気（第２のガス）
Ｇ燃焼ガス
Ｇ１抽気ガス（第１のガス）
Ｇ２第２のガス
Ｇｒ重心位置

Claims

ガス管と、該ガス管に穿設された複数の吐出口とを備え、該ガス管内を該ガス管の延設方向に流れる第１のガスに対して直角方向、かつ該第１のガスの流れの中心方向に、前記複数の吐出口の各々から第２のガスを吐出して、前記第１のガスと該第２のガスとを混合するガスの混合装置であって、
前記複数の吐出口の各々から吐出される前記第２のガスの運動量ベクトルを合成したベクトルが、前記ガス管の横断面の中心から前記第１のガスの速度分布の重心位置へ向かう方向とは逆方向の成分を有することを特徴とするガスの混合装置。
前記複数の吐出口は、前記ガス管の延設方向に対して垂直な面内に配置されることを特徴とする請求項１に記載のガスの混合装置。
前記複数の吐出口は、前記ガス管の延設方向に対して垂直な面内の２乃至４箇所に配置され、各々の吐出口から前記第２のガスの全量の１０％以上５０％以下のガスが吐出されることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスの混合装置。
前記複数の吐出口は、前記ガス管の延設方向に対して垂直な面内の２箇所に配置され、該２箇所に配置された吐出口の各々は、前記ガス管の横断面の中心から前記第１のガスの速度分布の重心方向へ移動した位置に配置されることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のガスの混合装置。
前記複数の吐出口のうち、前記ガス管の横断面の中心から前記第１のガスの速度分布の重心方向への移動量が最も大きい吐出口の中心が、該横断面における前記第１のガスの速度分布において最も速度の高い部分を跨いで該最も速度の高い部分を中心にして全体流量の６０％を占める範囲内に位置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のガスの混合装置。
前記複数の吐出口は、前記ガス管の延設方向に対して複数段配置され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ガスの混合装置。
請求項１乃至６のいずれかに記載のガスの混合装置の運転方法であって、
前記第１のガスの流速又は／及び速度分布の重心位置に応じて、前記第２のガスの全流量又は／及び前記複数の吐出口の各々から吐出される前記第２のガスの流速を調整することを特徴とするガスの混合装置の運転方法。