(57)【要約】  回転炉（１０）における鉱物処理中のＮＯｘ排気を削減し、エネルギー効率を向上させる方法を提供する。本方法は、高速度／高運動エネルギーの空気を回転炉（１０）に注入し、炉ガスの層状化を低減又は消散させることを含む。本方法は、回転炉容器（１２）又は予熱／予焼成容器においてガスを混合するために適用することができる。【選択図】図２４ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
傾斜した回転容器と該傾斜した回転容器に結合された静止部とを有し、炉ガス流が該傾斜した回転容器から該静止部を通る方向に流れる予熱／予焼成炉を動作させる方法であって、
該静止部から該傾斜した回転容器の上端内に鉱物を進めるステップと、
該傾斜した回転容器の該上端からその下端へ鉱物を進めるステップと、
ある量の燃焼空気と可燃性燃料とを該傾斜した回転容器の該下端を通して導入するステップと、
ある量の高圧空気を該静止部に導入するステップであって、ここで、前記ある量の高圧空気は、該静止部に入るガスと固体の１ｋｇあたり２〜２０ｋｇ＊ｍ／秒の割合で該炉ガス流に運動量を与えるものであるステップと
を備える方法。
【請求項２】
前記ある量の高圧空気を前記静止部に導入することは、該静止部に入るガスと固体の１ｋｇあたり４〜１０ｋｇ＊ｍ／秒の割合で前記炉ガス流に運動量を与えることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ある量の高圧空気を前記静止部に導入することは、前記炉ガス流の流れの方向にほぼ垂直な方向に該ある量の高圧空気を導入することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ある量の高圧空気を前記静止部に導入することは、該静止部に鉱物を導入する位置の下流にある位置において該ある量の高圧空気を導入することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ある量の高圧空気を前記静止部に導入することは、ある量の未加熱の高圧空気を導入することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ある量の高圧空気を前記静止部に導入することは、該静止部に入るガスと固体の全質量流量の約１％〜約５％の質量流量の割合で該ある量の高圧空気を導入することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ある量の高圧空気を前記静止部に導入することは、該静止部に入るガスと固体の全質量流量の約２％の質量流量の割合で該ある量の高圧空気を導入することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記高圧空気を前記静止部に導入するステップは、約２ｐｓｉ〜約１００ｐｓｉの圧力で該高圧空気を導入することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記高圧空気を前記静止部に導入するステップは、約２ｐｓｉ〜約１５ｐｓｉの圧力で該高圧空気を導入することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記高圧空気を前記静止部に導入するステップは、約６ｐｓｉ〜約１２ｐｓｉの圧力で該高圧空気を導入することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ある量の高圧空気を前記静止部に導入するステップは、約６ｐｓｉの圧力で該量の高圧空気を導入することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
傾斜した回転容器と該傾斜した回転容器に結合された静止部とを有し、炉ガス流が該傾斜した回転容器から該静止部を通る方向に流れる炉を動作させる方法であって、
該静止部から該傾斜した回転容器の上端内に鉱物を進めるステップと、
該傾斜した回転容器の該上端からその下端へ鉱物を進めるステップと、
燃焼空気と可燃性燃料とを該傾斜した回転容器の該下端を通して導入するステップと、
該静止部に入るガスと固体の全質量流量の約１％〜約５％の質量流量の割合で、ある量の高圧空気を該静止部に導入し、該静止部を流れる該炉ガス流に運動量を与えるステップと
を備える方法。
【請求項１３】
前記ある量の高圧空気を前記静止部に導入することは、該静止部に入るガスと固体の全質量流量の約２％の質量流量の割合で該ある量の高圧空気を導入することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記高圧空気を前記静止部に導入するステップは、約２ｐｓｉ〜約１００ｐｓｉの圧力で該高圧空気を導入することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記高圧空気を前記静止部に導入するステップは、約２ｐｓｉ〜約１５ｐｓｉの圧力で該高圧空気を導入することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記高圧空気を前記静止部に導入するステップは、約６ｐｓｉ〜約１２ｐｓｉの圧力で該高圧空気を導入することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記ある量の高圧空気を前記静止部に導入するステップは、約６ｐｓｉの圧力で該ある量の高圧空気を導入することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
下端と上端とを有する傾斜した回転容器と、
該回転容器の該上端の近くに配置され、（i）静止容器と（ii）ある量の高圧空気を約２ｐｓｉ〜約１００ｐｓｉの圧力で該静止容器に導入するよう動作可能な注入器とを有する予熱／予焼成部と、
該傾斜した回転容器の該上端内へ鉱物を進めるよう動作可能な供給アセンブリであって、該回転容器へ進める前に鉱物を該静止容器を通過させるような供給アセンブリと
を備える鉱物処理炉。
【請求項１９】
前記注入器は、前記ある量の高圧空気を前記静止容器に垂直な方向に導入するよう配置されている請求項１８に記載の鉱物処理炉。
【請求項２０】
前記静止容器は、３次空気入口を有し、
前記注入器は、前記静止容器上の、該３次空気入口の上方の位置において前記ある量の高圧空気を導入するよう配置されている請求項１８に記載の鉱物処理炉。
【請求項２１】
前記注入器は、前記静止容器を通って流れる炉ガス流に対して該静止容器に入るガスと固体の１ｋｇあたり１〜１０ｋｇ＊ｍ／秒の割合で運動量を与えるように、前記ある量の高圧空気を該静止容器に導入するよう動作可能である請求項１８に記載の鉱物処理炉。
【請求項２２】
前記注入器は、前記静止容器上の、前記供給アセンブリの下方の位置において前記ある量の高圧空気を導入するよう配置されている請求項１８に記載の鉱物処理炉。
【請求項２３】
前記注入器は、前記静止容器上の、前記供給アセンブリの上方の位置において前記ある量の高圧空気を導入するよう配置されている請求項１８に記載の鉱物処理炉。
【請求項２４】
前記注入器は、前記供給アセンブリ内に配置されている請求項１８に記載の鉱物処理炉。
【請求項２５】
前記静止容器は、燃料入口を有し、
前記注入器は、前記静止容器上の、該燃料入口の上方の位置において前記ある量の高圧空気を導入するよう配置されている請求項１８に記載の鉱物処理炉。
【請求項２６】
鉱物処理炉を動作させる方法であって、
静止予焼成容器から傾斜した回転容器の上端内に鉱物を進めるステップと、
該傾斜した回転容器の該上端からその下端へ鉱物を進めるステップと、
該傾斜した回転容器の該下端に配置された主バーナーを動作させ、該傾斜した回転容器と該静止予焼成容器を通って流れ一連のサイクロンになる炉ガス流を生成するステップと、
圧縮された空気を該予焼成容器に注入し、そこを流れている該炉ガス流に運動量を与えるステップと、
を備える方法。
【請求項２７】
前記注入するステップは、未加熱の圧縮された空気を前記予焼成容器に注入することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記注入するステップは、圧縮された空気を前記予焼成容器の壁に配置されたノズルを通して注入することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記注入するステップは、圧縮機からの圧縮された空気を前記予焼成容器に注入することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記注入するステップは、圧縮された空気を前記炉ガス流の流れの方向にほぼ垂直な方向に注入することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記予焼成容器は、３次空気入口を有し、
前記注入するステップは、前記炉ガス流の流れの方向に対して該３次空気入口の下流の位置において圧縮された空気を前記予焼成容器に注入することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
前記予焼成容器は、燃料入口を有し、
前記注入するステップは、前記炉ガス流の流れの方向に対して該燃料入口の下流の位置において圧縮された空気を前記予焼成容器に注入することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
前記予焼成容器は、原料入口を有し、
前記注入するステップは、前記炉ガス流の流れの方向に対して該原料入口の下流の位置において圧縮された空気を前記予焼成容器に注入することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３４】
前記予焼成容器は、原料入口を有し、
前記注入するステップは、前記炉ガス流の流れの方向に対して該原料入口の上流の位置において圧縮された空気を前記予焼成容器に注入することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３５】
前記注入するステップは、圧縮された空気を該予焼成容器に注入し、そこを流れている前記炉ガス流に回転運動量を与えることを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３６】
下端と上端とを有する傾斜した回転容器と、
該回転容器の該上端の近くに配置され、壁を有する静止予焼成容器と、
該予焼成容器の該壁に配置されたノズルと、
該ノズルに流体連結され、該ノズルを通って該予焼成容器内に、ある量の圧縮された空気を生成・供給するよう動作可能な空気圧縮機と
を備える鉱物処理炉。
【請求項３７】
前記傾斜した回転容器の前記下端に配置され、該傾斜した回転容器と前記静止予焼成容器とを通って流れる炉ガス流を生成するよう動作可能な主バーナーを更に備え、
前記圧縮機は、該予焼成容器を通って流れている該炉ガス流に回転運動量を与えるよう該予焼成容器内に前記ある量の圧縮された空気を供給するよう動作可能である請求項３６に記載の鉱物処理炉。
【請求項３８】
前記傾斜した回転容器の前記下端に配置され、該傾斜した回転容器と前記静止予焼成容器とを通って流れる炉ガス流を生成するよう動作可能な主バーナーを更に備え、
前記ノズルは、前記炉ガス流の流れの方向にほぼ垂直な方向に前記ある量の圧縮された空気を前記予焼成容器へ供給するよう配置されている請求項３６に記載の鉱物処理炉。
【請求項３９】
前記予焼成容器は、３次空気入口を備え、
前記ノズルは、該予焼成容器を通る炉ガス流の流れの方向に対して該３次空気入口の下流の位置に配置されている請求項３６に記載の鉱物処理炉。
【請求項４０】
前記予焼成容器は、燃料入口を備え、
前記ノズルは、該予焼成容器を通る炉ガス流の流れの方向に対して該燃料入口の下流の位置に配置されている請求項３６に記載の鉱物処理炉。
【請求項４１】
前記予焼成容器は、原料入口を備え、
前記ノズルは、該予焼成容器を通る炉ガス流の流れの方向に対して該原料入口の下流の位置に配置されている請求項３６に記載の鉱物処理炉。
【請求項４２】
前記予焼成容器は、原料入口を備え、
前記ノズルは、該予焼成容器を通る炉ガス流の流れの方向に対して該原料入口の上流の位置に配置されている請求項３６に記載の鉱物処理炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鉱物処理炉、特に熱処理中に鉱物がガスを放出する処理炉の動作効率を向上させ排気を低減するための方法と装置に関する。より具体的には、本発明は、ガスの成分を混合し、鉱物床を覆う放出されたガスを放散させるとともに、処理中の鉱物へのより効率的な熱伝達を可能にし、同時にガス排出流中の汚染物質を削減するために高速度／高運動量の空気を炉のガス流に注入することに関する。
【背景技術】
【０００２】
セメントを製造するための広く使われている商業プロセスにおいて、セメント原料を乾燥する工程、焼成する工程、及びクリンカー(clinker)にする工程は、石灰質鉱物、シリカ、及びアルミナを含む細かく分割された原料を加熱された傾斜回転容器（rotary vessel）または炉を通すことで実現される。従来の長いドライまたはウエットプロセス炉においては、鉱物加熱プロセスの全体が、加熱された一般に回転容器と呼ばれる回転炉円筒体において行われる。回転容器は通常、直径１０〜１５フィート（約３．０５〜４．５７メートル）、長さ２００〜７００フィート（約６１．０〜２１３．４メートル）であり、容器が回転しながら、炉円筒体の上端に投入された原料が重力の影響によって「発火」下端の方へ移動するように傾斜されている。この下端では、最後のクリンカープロセスが行われ、生成されたセメントクリンカーが冷却及び次の処理のために吐出される。炉の発火クリンカー生成区間における炉ガス温度は、約１３００℃（約２４００°Ｆ）から約２２００℃（約４０００°Ｆ）の範囲である。炉ガス出口温度は低く、所謂ウエットプロセス炉の鉱物が投入される上端において約２５０℃（約４００°Ｆ）から約３５０℃（約６５０°Ｆ）の範囲である。ドライプロセス回転炉の上端では、炉ガス温度は１１００℃（約２０００°Ｆ）以下である。
【０００３】
一般に当業者は、原料が、回転容器の低い温度のガス出口・鉱物投入端から発火／クリンカー出口下端に流れながら、回転炉内でセメント製造プロセスが幾つかの段階に分かれて起こると考えている。炉の長さ方向に沿って鉱物原料が移動する時、上昇する炉ガス温度に曝される。従って、炉ガス温度が最も低い炉円筒体の上部において、処理中の鉱物原料は、乾燥／予熱処理がされ、その後、温度が焼成温度に上昇するまで炉円筒体に沿って下方へ移動する。鉱物が焼成処理（二酸化炭素を放出する）される炉の区間は、焼成区間と呼ばれる。処理中の鉱物原料は、最後にガス温度が最も高い区間、炉円筒体の発火下端にあるクリンカー生成区間に入る。炉ガス流は、処理中の鉱物原料の流れと反対方向にクリンカー生成区間から中間の焼成区間と乾燥／予熱処理区間とを通り上端のガス出口から炉塵収集システムへ流れる。炉を通る炉ガスの流れは、炉ガス排気流中に配置された送風機によってある程度制御可能である。予熱／予焼成セメント炉は、過去１０〜２０年に亘って、従来の長い炉よりもエネルギー効率がかなり高いことが証明された。予焼成炉では、原料は、静止向流予焼成容器内で焼成温度まで加熱され、その後、より高温のクリンカー生成反応を起こすために加熱された回転容器内に投下される。
【０００４】
《関連する出願への相互参照》
本出願は、２０００年９月１１日付で出願した米国仮特許出願第６０／２３１，６６３号と、２０００年１２月４日付で出願した米国仮特許出願第６０／２５１，１２９号と、２００１年３月１６日付で出願した米国仮特許出願第６０／２７６，３５５号との優先権を主張する２００１年９月１１日付で出願した米国特許第６，６７２，８６５号の継続出願である２００３年１１月２１日付で出願した同時係属米国特許出願第１０／７１９，４２３号の一部継続出願である２００５年５月２５日付で出願した米国特許出願第１１／１３７，２８８号の優先権を主張する出願である。これらの出願と特許を本明細書に援用する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
環境への関心と排気基準のより厳しい規制に対応して、鉱物処理産業は、セメント及び他の鉱物処理炉からの排気を削減するための重要な研究と開発に投資を行ってきた。本発明は、セメント、石灰石等の熱処理された鉱物製品の製造において熱効率を向上し、ガス状汚染物質の排気を削減するための方法と装置を提供する。本発明は、所謂長い鉱物処理炉と、セメントを製造する場合は、セメントクリンカーを製造するエネルギー効率の良さが既に認められた予焼成炉との両方に適用できる。本発明は、削減された排気という利点と、タコナイト、石灰石、セメント原料、軽量骨材を製造するための粘土等を含むガス放出鉱物の熱処理における補助燃料による向上したエネルギー効率という利点とを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様では、高エネルギー／高速度空気が炉ガス流に注入され、ガスを放出する鉱物の熱処理において炉内のガスが層状化しているのを低減又は消散させる。
【０００７】
本発明の別の態様では、回転運動量を回転容器内のガスに与えるように空気を高速度で回転炉に注入することで、炉ガス混合エネルギーを炉ガス流に供給する。鉱物処理炉における横断面内混合を促進する高速度空気の注入は、鉱物床へのエネルギー伝達を容易にすることでエネルギー効率を向上させ、同時に副産物である酸化窒素を削減するよう主燃焼区間における化学量論と燃焼温度プロファイルを変えることが分かった。
【０００８】
本発明の１つの態様によれば、回転炉における鉱物処理中にＮＯｘ排気を削減し、エネルギー効率を向上させる方法を提供する。回転炉は、下端に主バーナー及び燃焼空気入口と、原料を投入する上端とを有する傾斜した回転容器を備える。この方法は、回転容器内の鉱物床の中の鉱物が、熱処理中、ガスを放出する化学反応を起こす場合に有用である。この方法は、約０．１５気圧を超える静圧の空気加圧源から約１００〜約１０００フィート／秒の速度で空気を、本発明の１つの態様では、炉ガスと鉱物の間の温度差が最も大きい回転容器の長さ方向下半分にある位置において回転容器内へ注入し、鉱物から放出されたガスを主バーナーからの燃焼ガスと混合するステップを含む。注入される空気の質量流量は、炉によって使用される燃焼空気の質量流量の約１〜約１５％である。
【０００９】
１つの実施形態では、空気は回転容器に、好ましくは回転容器の壁内の開口から回転容器内へ延び先端がノズルになっている、回転容器内の所定の経路に沿って注入空気を方向付けるための空気注入管を通って注入される。通常、空気は、回転容器の壁から回転容器内へ約Ｈ〜約２Ｈの距離に位置する２つ以上のノズルを通って注入される。ここで、「Ｈ」は、回転容器内の鉱物床の最大深さである。好ましくは、注入される空気の該所定の経路は、回転容器を通って流れる燃焼ガスに回転運動量を与えるよう方向付けられている。本発明の一形態では、この方法は、炉ガス流に関して空気を注入する位置の下流で回転容器に供給された補助燃料を燃焼させるステップを更に含む。また、本発明の別の実施形態では、この方法は、約１００〜約１０００フィート／秒の速度で空気を、炉ガス流に関して補助燃料供給口の下流で回転容器内へ注入し、鉱物床と燃焼する補助燃料から放出されるガスを主バーナーからの燃焼ガスと混合するステップを更に含む。炉に注入する空気の割合は、通常、炉の動作中、単位時間あたりに要求される全燃焼空気の質量の約１〜約１５％、より典型的には約１〜約７％である。本発明の特定の一実施形態では、空気注入ノズルは、１を超えるアスペクト比の開口、例えば断面が矩形又は楕円の開口を有する。
【００１０】
本発明の別の態様では、予熱／予焼成（ＰＨ／ＰＣ）セメント炉において、ＮＯｘ排気を削減し燃焼効率を向上させる方法を提供する。予焼成炉は、主バーナー燃焼区間を有する回転容器部と、２次バーナー燃焼区間を有する静止予焼成容器部とを有している。これら主バーナー部と予焼成部にはそれぞれ、制御された量の予熱された燃焼空気が供給される。動作時、主バーナー燃焼区間からの燃焼ガスは、鉱物床と向流連通し、回転容器と予焼成容器部とを通って流れ、一連のサイクロンになる。予焼成炉に適用された場合の本発明の方法は、炉の予焼成容器部に第１のサイクロンの前の位置で、単位時間あたりに必要な全燃焼空気の約１〜約７％に相当する質量割合で圧縮された空気を注入するステップを含む。好ましくは、２つ以上のノズルを通して約１００〜約１０００フィート／秒の速度で空気を注入する。１つの実施形態では予焼成容器部に注入する前に、空気は約４〜約１５０、より典型的には約４０〜約１００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）の圧力に圧縮される。好ましくは、ノズルは、内部のガスと流体化された鉱物の横断面内混合を最適化するよう予焼成容器内へ方向付けられる。１つの実施形態では、複数のノズルが容器内に乱流を生成するよう配置される。別の実施形態では、ノズルは、容器内に回転又はサイクロン流を生成するよう予焼成容器内へ方向付けられる。
【００１１】
本発明の別の実施形態では、静止予焼成容器内又は上に配置された空気注入ノズルと、約１００〜約１０００フィート／秒の直線速度で圧縮空気をノズルを通して容器内に供給する手段とを備える変更された予焼成セメント炉が提供される。変更された予焼成炉は、圧縮空気を予焼成容器内に供給するよう配置された複数のノズルを備えるのが好ましい。
【００１２】
更に別の実施形態では、削減されたＮＯｘ排気と向上したエネルギー効率で動作するよう変更された鉱物処理炉が提供される。この炉は、主バーナーとその下端にある燃焼空気入口とを有する傾斜した回転容器を備える。この炉は、熱処理中、ガスを放出する化学反応をする鉱物を熱処理するのに使用される。この炉は、約１００〜約１０００フィート／秒の速度で回転容器内に空気を注入する空気注入管を備えるよう変更される。この空気注入管は、容器内の所定の経路に沿って注入空気を方向付けるために、回転容器の壁内の開口から回転容器内へ延び先端がノズルになっている。この開口は、鉱物床から放出されたガスと主バーナーからの燃焼ガスとを混合するために、好ましくは回転容器の長さ方向下半分にある位置に配置される。炉の追加の変更は、空気注入管と空気流連通しているファンまたは圧縮機と、炉への空気注入割合を調整するファンまたは圧縮機の制御部とを備える。このファンまたは圧縮機は、静止し、回転容器の回転中、該開口の経路と整列された例えば環状の空間を介して回転容器の壁内の開口と空気流連通する。或いは、ファンまたは圧縮機は回転容器の壁上に搭載され、炉に直接空気注入してもよい。電力は、回転容器の表面上に搭載されたファンまたは圧縮機に円周電力リングを介して供給される。
【００１３】
好ましくは、変更された鉱物処理炉は、回転容器内へ空気を注入するための２つ以上の空気注入管を備えるよう変更される。各注入管は先端が、容器内の所定の経路に沿って注入空気を方向付けるためのノズルになっている。好ましくは、ノズルは回転容器の壁から回転容器内へ約Ｈ〜約２Ｈの距離に位置する。ここで、「Ｈ」は、回転容器内の鉱物床の最大深さである。好ましくは、空気注入ノズルは、そのノズルからの注入される空気の該所定の経路が、回転容器を通って流れる燃焼ガスに回転運動量を与えるよう配置されている。
【００１４】
空気注入管は、該開口から回転容器内へ回転容器の該開口における接線に垂直に延び、その先端が、炉ガス流に回転運動量を与えるよう選択された容器内の所定の経路に沿って注入空気を方向付けるためのノズルになっている。或いは、注入管は回転容器の壁内の開口から回転容器内に該開口における接線に鋭角に延び、該管の端を通る回転容器の半径にほぼ垂直に延びるよう配置さてもよい。空気注入管は、注入位置において炉ガス流に回転運動量を与えるように、炉ガス流を横切って注入空気を方向付けるよう構成されている。一つの実施形態では、注入管の開口は、１を超えるアスペクト比を有するよう形成される。
【００１５】
注入管は、加圧された空気源、約０．１５気圧、好ましくは約０．２０気圧を超える静圧差を提供可能な例えばファン、送風機、又は圧縮機と連通するよう形成されている。このファン、送風機、又は圧縮機は、注入空気１ポンドあたり約１〜約１０ワット／時間（炉ガス１ポンドあたり約０．１〜約１ワット／時間に相当する）の運動エネルギーで注入空気を連続的に炉に供給するよう十分な大きさと動力を持つ。空気注入ノズルの開口のサイズは、回転容器の場合、注入空気の質量流量が、前記静圧において約１％〜約１５％、より好ましくは約１％〜約１０％となるように、静止予熱／予焼成部の場合は、約１％〜約７％となるように選択される。通常、注入空気の直線速度は、約１００〜約１０００フィート／秒の範囲である。
【００１６】
１つの実施形態では、変更された鉱物処理炉は、炉ガス流に関して空気注入管の位置から下流の位置に補助燃料供給口と、この供給口から回転容器内に延びる管とを更に備える。この炉は、空気注入管と空気流連通するファン、送風機、又は圧縮機の影響下において高速度で空気を注入するための１つ以上の追加の空気注入管を備えるよう更に変更が可能である。空気注入管は、その先端が、容器内の所定の経路に沿って注入空気を方向付けるためのノズルになっている。空気注入管は炉ガス流に関して補助燃料供給口の下流の回転容器上の位置に配置され、鉱物床と燃焼している補助燃料から放出されたガスと主バーナーからの燃焼ガスとを混合する。ファンまたは圧縮機は、下流の空気注入管において炉へ空気注入する割合を調整するために制御部を備える。
【００１７】
本発明の１つの態様では、補助燃料を燃焼させるよう変更された長い回転セメント炉からの排出ガス流内のＮＯｘを削減するための方法が提供される。炉は、動作時、長い軸を中心に回転する傾斜した円筒形の容器を備える。この容器は、その下端において主バーナーによって加熱され、その上端において原料が充填される。炉ガス流が、主バーナーと燃焼空気入口とを有する加熱される下端から容器の上端に流れる。処理中の鉱物材料は、回転容器の最上端にある乾燥区間から重力の影響下で炉ガス流と反対方向に流れる最大深さＨの鉱物床を形成する。鉱物床は、中間の焼成区間を通って流れ高温のクリンカー生成区間に入り、セメントクリンカーとして下端から吐出される。焼成区間の少なくとも一部と一致する２次燃焼区間において、補助燃料が容器壁内の開口とこれに連通する管を通して容器内に充填され、焼成している鉱物と接触して燃焼する。炉からの排出ガス流中のＮＯｘを削減する本発明の方法は、容器内の開口から延び、先端が、容器内の所定の経路に沿って注入空気を方向付けるためのノズルになっている空気注入管を通して約１００〜約１０００フィート／秒の速度で空気を注入するステップを含む。空気注入口は、炉ガス流に関してクリンカー生成区間の下流で、焼成区間の上端の上流に配置される。空気注入ノズルは、回転容器の壁から回転容器内へ約Ｈ〜約２Ｈの距離に位置し、注入された空気の所定の経路は、容器の回転軸に平行で注入点から鉱物供給部まで延びる線分と４５度を超える角度を成すのが好ましい。回転容器への空気注入割合は、炉の動作中、単位時間あたりに使用される全燃焼空気の質量の約１％〜約１０％に制御される。
【００１８】
本開示の別の態様では、炉の回転容器を出る炉ガスに運動量を与える方法を提供する。炉は、回転容器の上端の近くに配置された静止部を備える。この静止部は静止容器と、この静止容器と連通する複数の注入器を備える。注入器は、ある量の未加熱の空気を静止容器内に注入するよう構成されている。該ある量の未加熱の空気は、回転容器を出て静止容器を通って流れる炉ガスに運動量を与える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明によれば、鉱物処理回転炉に空気を注入して、炉内のガスにエネルギーを伝達し、横断面内混合を達成する。本発明は、動作時、ガスを放出する鉱物を処理する炉内においてガスが層状化しているのを消散させるために空気を注入することを可能にする。その炉の例は、石灰石又はセメント原料を処理する炉、軽量骨材製造炉のように粘土を処理する炉及びタコナイト炉である。空気を注入する主な目的は、処理中の鉱物から放出されるガスを炉の燃焼区間からの燃焼ガスと混合するためのエネルギーを提供することである。従って、本発明において規定され、全体で又は部分毎で協働し炉ガス横断面内混合効果を達成する多数の要素が存在する。横断面内混合効果は、様々な鉱物処理炉において本発明を使用した場合に利点を提供する。
【００２０】
本発明は、炉内においてガスが層状化しているのを低減又は消散させる目的のための空気注入を規定する。通常の炉は直径が８フィート（約２．４４メートル）〜２０フィート（約６．１０メートル）を超える範囲であり、長さと直径の比が１０：１から４０：１を超える範囲である。焼成される材料は、熱処理され、ガスを放出するポートランド・セメント原料、粘土、石灰石、タコナイト、及び他の材料である。本発明における空気を注入する目的は、横断面内混合のためのエネルギーを提供することである。その空気は、燃焼のための酸素を提供する機能はほとんどない。排気ガス中の酸素含有量を実用的な低いレベルに抑え、しかも一酸化炭素又は二酸化硫黄が多量に発生するのを避けることはセメント炉及び石灰炉等の鉱物処理炉に共通に行われている。熱効率を最大にするために、このように動作することが望ましい。少なすぎる燃焼空気で動作することは、熱効率に悪影響を及ぼす可能性があり、燃料の不完全な燃焼を引き起こす。また、過剰な燃焼空気は熱損失の増大を引き起こす。
【００２１】
炉から吐出された処理された鉱物製品から熱を回収する回収熱交換器を通して鉱物処理用燃焼空気を導入することが望ましい。導入される燃焼空気内の回収された熱は、本プロセスに供給される全エネルギーのかなりの割合を占める場合がある。主燃焼区間以外において周囲の空気を炉ガス流に注入することは、熱回収への悪影響のために通常、好ましいことではない。本質的に注入される空気で、回収熱交換器を通って引き込まれる燃焼空気を置換する。
【００２２】
焼成炉の計算機モデルは、処理されている鉱物から放出されたガスが層状化して炉内に留まることを示した。向流鉱物処理炉の吐出端にある主燃焼区間からの熱いガスと比べて、放出されたガスは、温度がずっと低く、多くの場合、分子量が高く、密度がずっと高い。この密度差の結果、これらの放出されたガスは炉の底に留まる。焼成中の鉱物から放出されたガスに加えて、鉱物原料又は炉の中間部で加えられた燃料から放出された可燃性の物質が存在する場合がある。前記放出されたガスは、炉ガス流の上部に含まれる酸素からこれらの可燃性の物質を覆う又は遮蔽する。また、この低温ガスのブランケットは、熱い燃焼ガスとの直接接触から鉱物床を遮蔽する。従って、このプロセスは、間接的な加熱方法を使用する必要がある。炉の壁は、熱い燃焼ガスによって加熱され、炉の回転により、炉の熱い壁と鉱物床とが接触することになる。本発明の手段により、全プロセスの空気の１５％未満が回転容器に注入され、炉内の炉ガス流の運動量に回転成分を与える。この回転成分によって、炉の上部に沿って流れていた熱いガスが焼成中の鉱物床の上へ下ろされ、冷たい放出ガスのブランケットを押しのける。熱いガスの鉱物床との接触によって、別の熱伝達機構が追加され、本プロセスの熱効率を向上させる。
【００２３】
注入された空気の運動エネルギーと回転運動量とによって、放出ガスが熱い燃焼ガス、及びこれらのガスからの残留酸素、及び注入された空気と混合される。この横断面内混合によって、ガスブランケットの中に含まれていたかも知れない可燃性の成分が酸化される。従って、一酸化炭素、二酸化硫黄、炭化水素等の未燃焼成分の排気が、所定の過剰な空気量において削減される。または、削減した過剰な空気量において以前の排気量が維持され、処理効率が向上する。熱伝達の新しい機構と過剰な空気の削減の利益は、回収熱交換器を通らない一部の空気によるエネルギー回収損失を和らげる。
【００２４】
本発明の空気注入機構は炉に沿った、燃焼ガスと鉱物床の間の温度差が大きい位置に配置される。通常、この位置は、約２８００°Ｆと予想されるこの装置のサービス温度限界によって制限される実用的な範囲で燃焼区間に近い位置から、混合後の燃焼を可能にする約１６００°Ｆ〜約１８５０°Ｆの範囲の適切な温度によって制限される焼成区間の低温側端にある位置までの範囲にある。本発明の一実施形態では、空気注入管は回転容器のより熱い側の半分（下半分）に配置されている。回転炉において焼成される大多数の鉱物の性質を考慮すると、この装置を焼成区間に設置し層状化を壊し消散させることによっても利益が得られる。また、この装置は、処理中の鉱物上に高密度のガスブランケットが形成されるのを阻害するために鉱物がほぼ完全に焼成される下端に配置することができる。炉の円周に沿って又は軸に沿って、又は軸と円周の両方に沿って複数の空気注入管を配置してもよい。空気注入管は、それぞれ独立にファン、送風機、又は圧縮機に接続されてもよい、又は加圧された多岐管に空気注入流が流れるよう連通されてもよい。
【００２５】
注入された空気に含まれる酸素を利用して、酸化窒素を抑えるために段階的な燃焼をさせることも可能である。燃焼空気における前記エネルギー回収の損失があるので、認識された高いエネルギー損失のために鉱物処理回転炉において段階的な燃焼は実施されない。回転炉、例えば焼却炉又はコークス処理炉は、段階的な燃焼を行うが、このような炉は、多量の回収可能なエネルギーを吐出物の中に持っていないので、鉱物処理炉の機能的な限界を有していない。また、向上した燃焼効率により、完全燃焼を達成するために、必要とする過剰な空気はより少ない。向上した混合とそれによる燃焼層の低減又は消散は、プロセスエネルギー要件を過度に変えることのない量の過剰な空気で段階的な燃焼を達成することを可能にする。横断面内混合のための高エネルギー空気注入は、鉱物処理炉において排気抑制のために段階的な燃焼を行うことを可能にする。
【００２６】
図１〜図４を参照すると、鉱物処理炉１０は、円筒形の壁１４を有する回転容器１２と、下部燃焼空気入口／バーナー端１６と、上部ガス出口端１８とを備える。動作時、原料２０はガス出口端１８に運ばれ、回転容器１２の回転によって、原料床は上部ガス出口端１８から空気入口／バーナー端１６に向って、炉ガス流を形成する燃焼生成物と反対方向に移動する。バーナー２４は主燃料源２６を備え、燃焼空気は回収熱交換器３０からフード２８を通って燃焼空気入口端１６内に引き込まれる。処理された鉱物は、燃焼空気入口端１６を出て、回収熱交換器３０に運ばれる。ファン、送風機、又は圧縮機３４と空気注入流用に連通した１つ以上の空気注入管３２が回転容器１２の長さ方向に沿って、鉱物床２２の処理中の鉱物が焼成する位置、又は炉ガス流と鉱物床の間の温度差が最も大きい位置、通常、回転容器１２の下半分、即ち、ガス出口端１８より燃焼空気入口／バーナー端１６により近い部分にある位置に配置される。空気注入管３２の回転容器１２内の端は、注入される空気を炉ガス流に回転運動量を与えるための経路に沿うよう方向付けるよう配置されたノズル２６になっている。本発明の一実施形態では、ノズル３６の開口３８は１より大きいアスペクト比を有している（横断面が矩形の開口を示す図８ａ、図８ｂを参照）。
【００２７】
図３、図４を参照すると、鉱物処理炉は、補助燃料源４０から燃料供給装置４２を介して回転容器内に供給される補助燃料を鉱物床２２の処理中の鉱物に接触して燃焼するように更に変更されてもよい。本発明の一実施形態では、燃料供給装置４２と燃焼空気入口／バーナー端１６との間の位置で、空気が炉ガス流に回転運動量を与えるよう注入される。必要に応じて、回転容器１２の燃料供給装置４２とガス出口端１８との間の１つ以上の追加の位置で空気が注入される。
【００２８】
図５、図６を参照すると、２つ以上の空気注入管３２が、回転容器１２の円筒形の壁１４上に円周に沿って（又は軸方向に）配置されてもよい。加圧された空気が注入管３２に多岐管４６を通してファン又は送風機３４によって運ばれる。或いは、図７に示したように、各空気注入管は、高エネルギー／高速度空気を炉ガス流に注入するためにファン又は送風機３４に直接接続されてもよい。空気注入管３４の先端は、鉱物床２２の上面と回転容器１２の回転軸の間の位置で、炉ガス流に回転運動量を与えるために回転容器１２内へ高エネルギー注入空気５０を導くノズルになっている。
【００２９】
図９ｂを参照すると、高エネルギー空気を炉に注入し炉ガス流に回転運動量を与えることで、炉ガス流内で燃焼している補助燃料エレメント５２は、燃焼生成物が絶えず取り除かれ、混合炉ガスに接触し燃焼とエネルギー伝達のより好適な条件を提供する。
【００３０】
図１４、図１５を参照すると、炉ガス流に回転運動量を与えるのに効果的な混合させる高エネルギー空気の注入は、例えば鉱物床２２の焼成中の鉱物から生成されたガス層を消散させるよう働く。通常、鉱物床２２を覆うより高密度の二酸化炭素層の除去又は消散により、炉ガス流及び回転容器１２の円筒形の壁１４からの放射エネルギーが、鉱物床に到達し、炉ガス流と処理中の鉱物との間のより効率的なエネルギー伝達を可能にする（図１６を参照）。
【００３１】
予熱／予焼成炉の静止部の様々な構成を示す図１７〜図２０を参照すると、静止部に高圧空気を注入し、その静止部を流れるガス流内に乱流又は回転運動を発生させるための位置７０が存在する。従って、例えば圧縮機から予熱／予焼成炉の静止部の壁に配置された１つ以上のノズルを通って高圧／高エネルギーで空気を注入して、混合させるエネルギーを提供し、結果として該予焼成炉内の層状化と局所的燃焼不均一に伴う汚染物質を削減することができる。
【００３２】
図２１、図２２を参照すると、本発明の一実施形態では、回転容器１２のガス出口端１８又はその近くにおいて、炉ガス流を排気含有物／プロファイルを求めて監視し、排気プロファイルを表す信号を１つ以上の制御部の入力に提供する。それらの制御部は、空気注入制御部と蒸気又は排ガスを炉ガス流に注入し熱バラストを提供する制御部とを含む。
【００３３】
図２３に示す本発明の１つの応用では、空気注入器３１が予熱／予焼成炉の回転容器１２のガス出口端１８から２炉直径以内に配置されている。空気注入点における炉ガス流の温度は約２２００°Ｆ〜約１８００°Ｆの範囲である。補助燃料５８は、燃料源６２に接続された補助燃料供給管６０から噴霧され、回転容器１２のガス出口端１８において高エネルギー注入空気により混合された炉ガス流に還元性条件を作成し、予熱／予焼成炉からのＮＯｘ排気を削減する。
【００３４】
図２４〜図２７を参照すると、予熱／予焼成炉の静止部５４の様々な構成は、静止部５４に高圧空気を注入し、静止部５４を流れる炉ガス流内で混合を行うための箇所を有することが示されている。従って、例えば圧縮機から予熱／予焼成炉の静止部５４の壁にある１つ以上の箇所を通って高圧で空気を注入して、ガスを混合する運動量を提供し、その結果、予熱／予焼成炉内の層状化と局所的燃焼不均一に伴う汚染物質を削減することができる。
【００３５】
図２４ａを参照すると、静止部５４は、回転容器１２の上端１８の近くに位置する静止容器（stationary vessel）又は上昇管７２を備える。すなわち、静止容器７２は、回転容器１２に結合され、炉ガス流７６が回転容器１２から静止容器７２内へ流れる。炉ガス流７６が静止容器７２の下端７８から上端８０へ流れる。
【００３６】
静止部５４は、３次空気等の予熱された燃焼空気を入口８５を通して導入する２次燃焼区間８２を備えてもよい。２次燃焼区間８２は、約１４００°Ｆ〜２０００°Ｆの温度範囲の加熱された３次空気８４の流れを備える。この位置で、加熱された３次空気８４の流れが静止部５４に導入され静止部５４内の燃焼を助ける。静止部５４は燃料入口８６と供給アセンブリ８８を備えてもよい。燃料入口８６は静止部５４へ開いており、これを通って石炭等の燃料を静止部５４内に導入することができる。供給アセンブリ８８は静止部５４へ開いており、これを通って鉱物等の原料を静止部５４内に導入することができる。また、予熱／予焼成炉の場合、静止部５４は、酸素を含むガス（通常、予熱された燃焼空気）を提供し、燃料入口８６を通って流れる燃料の分配と、供給アセンブリ８８を通って静止部５４に流れ込む原料の分配とを促進するノズルを燃料入口８６の近くに備えてもよい。
【００３７】
また、静止部５４は、図２４ａに示す静止容器７２にある量の高圧空気９２を導入するための注入器９０を備えてもよい。注入器９０は、その量の高圧空気９２を生成する圧縮機９１に接続された炭素鋼管８０の一部として実現されてもよい。その管の一部は、静止部に高圧空気が流れ込むための１つ以上の開口を備えて構成されてもよい。一実施形態では、注入器９０は静止容器７２の上半分内に配置される。高圧空気９２は周囲空気等の未加熱の空気であってもよい。言い換えれば、高圧空気９２は静止部５４に入る前に加熱されない。注入器９０から放射された高圧空気９２は、炉ガス流７６に運動量を与え、静止容器７２の下端７８から上端８０に流れる炉ガス流７６の層群を消散させる。即ち、高圧空気９２は、回転容器１２から出て静止部５４を通って流れる炉ガス流７６に運動量を与える。図２４ａには注入器９０が１つだけ示されているが、任意の数の注入器を使用してよいことは理解されるべきである。
【００３８】
一実施形態では、注入器９０は炉ガス流７６の流れる方向に垂直な方向に運動量を与えるある量の高圧空気９２を注入するよう配置されてもよい。そのような運動量は、混合されるガスと固体の質量に相対的に決められてよい。混合されるガスの質量に対する引き起された運動量の比が高いほど、混合が速くなる。例えば、２３００トン／１日の能力で動作する予焼成容器又はダクトは、固体とガスの約７８ｋｇ／秒の質量流量を有する。単一の注入器９０は、２４８ｍ／秒の速度で１．６６ｋｇ／秒の空気９２を注入する。これにより４１２ｋｇ＊ｍ／秒の運動量の追加ベクトルを与える。容器内の質量に対する追加運動量の比は、焼成流１ｋｇ（即ち、焼成容器に投入されるガスと固体の１ｋｇ）あたり５．２８ｋｇ＊ｍ／秒となる。
【００３９】
代表的な実施形態では、注入器９０は、質量に対する運動量の比が、焼成容器に投入されるガスと固体の１ｋｇあたり２．０〜２０．０ｋｇ＊ｍ／秒となるようにある量の高圧空気９２を注入するよう動作させてよい。より具体的な実施形態では、質量に対する運動量の比が、焼成容器に投入されるガスと固体の１ｋｇあたり４．０〜１０．０ｋｇ＊ｍ／秒となるようにある量の高圧空気９２を注入するよう動作させてよい。
【００４０】
一実施形態では、注入器９０は、その量の高圧空気９２を約６ｐｓｉの圧力で注入してよい。別の実施形態では、注入器９０は、その量の高圧空気９２を約６〜１２ｐｓｉの圧力で注入してよい。更に別の実施形態では、注入器９０は、その量の高圧空気９２を約２〜１５ｐｓｉの圧力で注入してよい。また、別の実施形態では、注入器９０は、上記の量の高圧空気９２を約２〜１００ｐｓｉの圧力で注入してよい。
【００４１】
一実施形態では、注入器９０は、その量の高圧空気９２を静止部５４の全質量流量（即ち、焼成容器に投入されるガスと固体の全質量流量）の約１％〜約５％の質量流量で注入してよい。別の実施形態では、注入器９０は、その量の高圧空気９２を静止部５４の全質量流量の約２％の質量流量で注入してよい。
【００４２】
一実施形態では、図２４ｂに示すように、注入器９０は、炉ガス流７６の流れる方向に対して斜めの方向に運動量を与える高圧空気９２を注入するよう配置されてもよい。また、２つの注入器９０が図２４ｂに示されているが、注入器９０は１つだけでもよい。逆に、２つより多い注入器９０を使用してもよい。
【００４３】
図２４ｃを参照すると、注入器９０を炉ガス流７６の流れる方向に関して、燃料入口８６と供給アセンブリ８８の下流に配置してもよい。即ち、注入器９０は燃料入口８６と供給アセンブリ８８の上方に配置される。注入器９０は、燃料入口８６と供給アセンブリ８８の下流にある位置で高圧空気９２を注入してよい。２つの注入器９０が図２４ｃに示されているが、注入器９０は１つだけでもよい。逆に、２つより多い注入器９０を使用してもよい。
【００４４】
図２４ｄに示すように、注入器９０を、静止容器７２を流れる炉ガス流７６の方向に関して３次空気８４の静止容器７２への入口８５の下流に配置してもよい。即ち、注入器９０は入口８５の上方に配置される。このように、注入器９０は３次空気８４の入口８５の下流にある位置で高圧空気９２を注入する。図２５に示すように、注入器９０を、高圧空気９２を注入して３次空気８４に運動量を与えるために、３次空気８４の入口８５と向い合わせて配置してもよい。図２４ｄ、図２５の実施形態では１つだけの注入器９０が示されているが、任意の数の注入器を使用してよいことは理解されるべきである。
【００４５】
図２６ａを参照すると、供給アセンブリ８８が静止部５４に結合され、鉱物等の原料９４が静止部５４から静止容器７２を通って回転容器１２の上端１８内に供給される。注入器９０を、静止容器７２を通る原料９４の流れる方向に関して、供給アセンブリ８８の下流に配置してもよい。この実施形態では、注入器９０は、上記ある量の高圧空気９２を注入し、供給アセンブリ８８から出た原料９４に運動量を与えて原料９４と炉ガス流との混合を容易にする。このために、注入器９０は、原料９４が静止部５４から回転容器１２の上端１８に進む間に原料９４の下流において高圧空気９２を注入する。図２６ａでは１つだけの注入器９０が示されているが、任意の数の注入器を使用してよいことは理解されるべきである。
【００４６】
図２６ｂに示すように、原料９４が供給アセンブリ８８を通って静止容器７２に進む間に、高圧空気９２により原料９４に運動量を与えるために、注入器９０を供給アセンブリ８８内に配置してもよい。図２６ｂでは１つだけの注入器９０が示されているが、任意の数の注入器を使用してよいことは理解されるべきである。
【００４７】
図２７を参照すると、注入器９０を燃料入口８６に向い合わせて配置してもよい。この実施形態では、注入器９０は、高圧空気９２を注入し、燃料入口８６から出た燃料に運動量を与えて燃料の混合を容易にする。図２７では１つだけの注入器９０が示されているが、任意の数の注入器を使用してもよい。
【００４８】
静止部５４の構成及び注入器９０の配置に係わらず、注入器９０は静止容器７２に上記ある量の高圧空気９２を注入して、炉ガス流７６及び／又は原料９４の横断面内混合を容易にする。即ち、注入器９０は上記ある量の高圧空気９２を注入し、乱流、回転流、又はサイクロン流等の混合する流れを静止容器７２内に発生させる。
【００４９】
《実施例１》
「段階的燃焼  石灰炉」
幾つかの手段で段階的燃焼を実現することができる。例えば、炉は、燃焼に必要な量より約０〜５％多い空気の量で動作する。この過剰な空気のレベルで、幾らかの残留一酸化炭素と二酸化硫黄が生成される。酸化窒素の形成を低減するための燃焼区間への過剰な空気の更なる削減は、燃料の不完全燃焼による一酸化炭素と二酸化硫黄の望ましくない排出と熱効率の低下とを引き起こす。本発明の装置の設置と本プロセスの全燃焼空気の１０％を注入することにより、主燃焼区間において利用可能な空気は、燃料を完全燃焼させるのに十分ではなくなり、この区間から出るガスは、かなりの濃度の一酸化炭素と不完全燃焼の生成物である他の物質を含むことになる。不完全燃焼の生成物が利用可能な酸素を優先的に引き付けるか、又は酸化窒素から酸素を奪うことができるので、主燃焼区間が高温のままであっても酸化窒素は削減される。
【００５０】
全空気流は燃焼に必要な空気の１００〜１０５％であるので、炉中央で１０％の空気を注入することは、主燃焼区間においては必要な燃焼空気の９０〜９５％だけしかないことになる。酸素が利用可能となった時に急速に完全燃焼するのに十分熱いが、酸化窒素を形成するほど熱くはない炉の温度区間において、追加の空気が注入される。燃焼空気の１０％を炉内の燃焼ガスを横断面内で混合させるのに十分なエネルギーで注入する。これにより、燃焼に必要な量より０〜５％多い空気の量となり、これが残留一酸化炭素と二酸化硫黄を最小にする。この混合区間の温度は、主燃焼区間ほど高くない。従って、この時、この区間には過剰な酸素が存在するが酸化窒素は形成されない。
【００５１】
《実施例２》
燃焼効率を向上させるために混合させる空気を使用することが、米国特許第５６３２６１６号明細書に記載されている。この米国特許には、炉中央の発火と一緒に混合させる空気を使用することが記述されている。炉内のガスの大部分に回転成分を生成する高エネルギー空気の接線方向の注入の使用は、燃料注入位置の上流（下がった位置）で注入を行う場合、混合させる空気の有効性を向上させる。
【００５２】
《実施例３》
混合させる空気の着想は、炉内のガスが層状化していることを発見した結果、考えついたものである。より重い二酸化炭素と炉の中央の燃料からの熱分解ガスは、炉の底に層となって留まり、酸素を含む高温のガスは、炉の上部に層となる。
【００５３】
混合させる空気の注入という方法によって得られた横断面内混合は、注入装置が燃料注入位置の下流（上がった位置）に配置されている場合、不完全燃焼の残留生成物の燃焼を可能にする。酸化窒素の還元にとって、酸素が欠乏している間に、ガスが横断面内混合されることが必須である。従って、空気混合装置は、炉の中央の発火位置の上流（下がった位置）に設置され、炉ガスに回転運動量を与え、燃焼し熱分解する燃料のプリュームと炉ガスを混合させる。
【００５４】
理想的な炉システムは、２つの空気注入システム、即ち、炉ガスの酸素が欠乏している間に、横断面内混合させるために炉の中央の燃料注入位置の上流に配置されたシステムと、不完全燃焼の残留生成物を燃焼させるために注入された空気と横断面内混合させるために下流に配置されたシステムとを有する。
【００５５】
これらの実施例は、燃焼空気を、還元区間において完全燃焼するのに十分な量より５％少なくすることを推奨する。実際には、燃焼空気の１〜２％の不足を達成することが酸化窒素排気を抑えるのに十分であると予想される。
【００５６】
《実施例４》
混合を促進するために注入される少量の高圧空気の使用は、予焼成セメント炉にも適用することができる。予焼成セメント炉は２次発火を使用し、２次発火区間の後に幾らかの燃焼空気を導入し、段階的燃焼を行うように変更することが可能である。しかし、このような変更はコストがかかる。また、燃焼ガスを予焼成炉を通して移動させるのに必要な動力のために、これらのシステムは低い圧力降下で動作するよう設計されている。従って、混合を最適化し、長い保持時間を使用して適切な混合を得るようには設計されていない。これらの炉システムの性能は、非常な高速度（圧力）の混合させる空気によってエネルギーを導入することによって向上する。約４〜約１５０ｐｓｉ、より典型的には約４０〜１００ｐｓｉの圧力を、かなりの量のエネルギーを導入し、適切な混合を短時間で実現するのに使用することができる。高圧力により、エネルギー導入を全燃焼空気の僅か数パーセント（１％〜５％）で実現することができる。予焼成システムの全体の圧力降下を増加させることなく、数百馬力のエネルギーを混合に投入することができる。回収熱交換器を通らない空気の量を最小にするために、必要な空気の量を抑える。混合効率を高めると、燃焼効率が増大し、残留一酸化炭素の所望のレベルを達成するのに必要な過剰な空気の削減を可能にすることができる。この過剰な空気全体の削減と、主燃焼区間の後の置換による過剰な空気の削減とにより、燃焼区間において利用可能な酸素がより少なくなり、好都合なことに酸化窒素の形成を最小にするであろう。混合させる空気の量を増やすと、主燃焼区間は半化学量論的になり、高温回転炉において生成される酸化窒素を好都合なことに壊す雰囲気になる。
【００５７】
《混合させる空気のプロセスへの効果》
焼成炉内のガスは、温度と、その結果の燃焼ガスと処理中の鉱物から放出されるガスとの密度差のために、かなり層状化している。その結果、熱い燃焼ガスと鉱物床の直接の接触がない。熱伝達は、熱いガスが炉壁を加熱することで間接的に起こり、炉が回転すると熱い壁が鉱物床の下を回転する。熱いガスから鉱物床への放射が存在する場合があるが、この機構は燃焼ガスの温度が主燃焼区間内のピーク温度から下がるにしたがい、重要でなくなる。炉ガスに回転運動量を与えるように高圧の空気を注入することは、炉の上部に沿って進む熱い燃焼ガスを下ろし鉱物床と接触させながら焼成炉へ熱を伝達する別の機構を追加する。この追加の熱伝達機構が焼成炉の熱効率を向上させる。
【００５８】
プロセスの中間における周囲空気の炉への注入は、吐出された生成物の熱を燃焼空気へ回収する回収熱交換器からの空気を削減する。回収熱交換器からの空気の削減は、熱回収効率に影響する場合がある。従って、プロセスの中間において追加される混合させる空気の量は最少にするのが望ましい。このことは、混合させる空気を、大部分の炉ガスに回転成分を与えるのに十分な運動エネルギーを持つように高圧で注入することを要求する。
【００５９】
《高エネルギー空気噴射の予焼成炉への燃料負担》
冷却器の下流におけるセメントプロセスへの未加熱の空気の注入と、その結果としての冷却器からの空気の削減により、受け入れがたい熱回収損失が発生すると一般に考えられている。詳細に調査すると、計算の結果、高温区間におけるプロセスガスの混合の利益を考えると、そのような熱回収損失は最少であることが分かった。計算によると、理論的な燃焼空気の１０％が高エネルギーを持って回転炉に導入された場合、対応する質量の予熱された空気が置換されることによって、冷却器からの熱回収が全入力エネルギーの２％未満分削減されることになる。層が消散することによるプロセス効率の可能な向上は、この熱損失を埋め合わせて余りがある。
【００６０】
《予焼成炉におけるタイヤの燃焼》
タイヤを丸ごと、回転容器炉の上端内へ転がるのに十分な運動量で原料投入口に導入又は投下することができる。予焼成炉の回転容器の上端にある２次燃焼区間におけるタイヤの発火率は、対応する量だけ主バーナーにおける燃料を削減するという要求によって、制限される。結果としての空気対燃料比の増大は、主要な火炎の温度が下がる結果となり、火炎の不適切な温度は約２０％の置換率において発生する。他の問題は、炉出口におけるガスの層状化である。タイヤが回転容器の底にあり、そこでは完全燃焼するのに不十分な量の酸素しかない。この結果、可燃性のガスが、原料棚の上にある入口チャンバーに入り、そこで、炉の上部からの酸素を含むガスと幾らか混合する。入口チャンバーにおける結果としての燃焼は、局所的な高温を発生し、入口チャンバーにおける許容できない熱蓄積を引き起こす。
【００６１】
回転容器の上端の近くで燃焼空気の約１０％までを回転運動量を持たせて導入する高エネルギー空気噴射の使用により、タイヤの置換率を、許容できない主要な火炎の温度低下なしに炉燃料の３０％に増加させることができる。また、空気噴射混合は、燃えるタイヤから発生する還元酸素ガスのより均一な分布を生成し、より効果的なＮＯｘ削減を促進する。炉ガスの混合の向上は、入口チャンバーにおける許容できない熱蓄積の可能性を最小にする。
【００６２】
《ＮＯｘを抑えるための予焼成炉出口におけるポリシウス燃料注入》
鉱物処理炉の高温区間で生成されたＮＯｘを壊す１つの方法は、下流のどこかで１８００°Ｆ〜２５００°Ｆの温度の半化学量論的な区間を作ることである。これは、ポリシウスによって記述されているように炉出口で炭化水素燃料を導入することで容易に実現できる。この技法の限界は、炉の出口ガスがかなり層状化するということである。炉の上部のガスはより熱く酸素含有量が多い。炉の底に沿って進むガスは、温度が低く、炉の熱い中間にある残留炭酸カルシウムからの二酸化炭素を多く含み、更に予焼成炉から導入された炭素からの一酸化炭素を多く含む場合がある。
【００６３】
注入された燃料の働きは、還元区間において回転炉の横断面上の均一な分布を達成することで高めることができる。回転炉に空気噴射によって混合させるエネルギーを注入し、回転炉内のガス層を壊すことは、より均一なガス組成を還元区間に提供する。注入された燃料の更なる混合と、結果としての還元区間は、回転容器のガス出口に近い炉の静止部分における追加の高エネルギー空気注入噴射の使用により実現できる（図２３参照）。
【００６４】
《回転炉内の熱伝達の向上》
石灰炉例：
石灰炉の焼成区間内のガスはかなり層状化されている。１２インチ直径炉（１１インチＩ．Ｄ．）においては、炉を通るガス速度は、通常、３０〜５０フィート／秒である。焼成中の石灰石床上のガス温度は１８００°Ｆ〜４０００°Ｆであり、石灰石床と放出された二酸化炭素（分子量４４、一方、燃焼ガスは２９）とは１５６０°Ｆ（約８５０℃）の焼成温度である。熱い燃焼ガスと放出された二酸化炭素の大きな密度差の結果として、鉱物床は、二酸化炭素に覆われたままである。熱伝達は放射と、加熱された炉壁が鉱物床の下を回転することによって発生する。  
炉ガス速度に回転成分を導入する高エネルギー空気噴射は、二酸化炭素層を焼成中の鉱物床から取り去る。これは、熱い燃焼ガスと鉱物床との直接接触を可能にする。利用可能なより大きな表面積と、燃焼ガスと処理中の鉱物（炉壁に比べて）との大きな温度差により、熱伝達速度は増加する。  
この高エネルギー噴射は、形成された層を壊し、高エネルギー噴射によって生じた回転成分は、層の再形成を妨げる。  
酸素を含む熱い炉ガスを鉱物床と接触させることで、それまで二酸化炭素に覆われていた鉱物床内の可燃性の成分は燃焼することができる。これらの可燃性の成分は、処理中の鉱物に自然に発生し、このプロセスにエネルギーを提供するために導入された固体燃料の結果である。  
回転炉内の鉱物床に伴う層を壊すことによって得られる多くの利益がある。
【００６５】
《混合させる空気の早い注入、２次燃焼区間の上流での空気注入によるＮＯｘの還元と削減》
長いウェット又はドライセメント炉におけるＮＯｘの削減が、炉中央の２次燃焼区間の使用により達成されてきた。約１０年前、炉中央の燃料注入技術が開発され、セメント炉が、タイヤ等のエネルギーを発生する固体廃棄物を燃焼させるのが可能となった。この技術の副次的な利益の１つは、ＮＯｘ排気の約３０％の削減であった。
【００６６】
ＮＯｘ排気は、セメントを生成するのに使用される燃焼プロセスの結果である。セメントを製造するのに必要な高温酸化条件は、酸化窒素も生成する。その結果、炉が稼働中に、あるレベルのＮＯｘを生成する。生成されるＮＯｘのレベルは多くの要因に依存するが、予測可能である。各炉内において、ＮＯｘ排気レベルの増加と減少は、通常、燃焼区間の温度の上昇と降下に関係している。ＮＯｘの大部分は、燃焼区間内の２つの異なる機構の１つから形成される。第１は大気の窒素の高温酸化であり、第２は、燃料中の窒素を含む化合物の酸化である。セメント炉からのＮＯｘ排気の大部分は、熱ＮＯｘである。一般に、熱ＮＯｘは、非常な高温において大気の窒素の直接酸化によって生成される。この反応は、温度に非常に敏感である。温度が上昇すると、反応速度が増加する。ＮＯｘ排気の第２の発生源は、燃料中の窒素を含む化合物である。典型的な石炭は、約１．５重量％の窒素を含む。これらの化合物は、複雑な一連の反応を経て、その窒素の一部がＮＯｘに変わる。この一連の反応は、燃焼プロセスを通して同じであり、温度によって比較的影響されない。燃料を多く含む火炎は、燃料ＮＯｘの生成を減少させる傾向があり、酸素を多く含む火炎は、燃料ＮＯｘの生成を増加させる傾向がある。適切なクリンカー鉱物組成のための酸化条件が必要な炉の燃焼区間において、燃焼プロセスは、燃料ＮＯｘの生成を助ける。他の幾つかのＮＯｘを生成する機構が存在する。通常、これらの効果は、熱ＮＯｘと燃料ＮＯｘに比べて相対的に重要でない。
【００６７】
炉中央の燃料注入システムは、長いウェット又はドライセメント炉におけるＮＯｘ削減の証明された歴史を有する。このシステムは、燃料の一部は長いウェット又はドライセメント炉の中央に近い２次燃焼区間で燃焼される認められた段階的燃焼技術の利点を利用する。炉中央の燃料注入のセメント炉への効果を研究した結果、熱ＮＯｘ生成機構に直接的な効果があることが判明した。この燃料注入は、ピーク火炎温度を下げることで、ＮＯｘ排気率を減少させ、また、炉の高温区間で生成されたＮＯｘがより低温の２次燃焼区間で再燃焼する。
【００６８】
この発明においては、２次燃焼区間の下流において全燃焼空気の約１０％が、望ましくは１を超えるアスペクト比の開口をもったノズルを通して、（少なくとも０．１５気圧、好ましくは０．２０気圧の静圧差を提供可能な加圧源から）高速度で、炉ガス流に斜めに炉に注入され、炉ガスに回転成分を与える。この回転成分は、炉内でずっと良い横断面混合を提供する。炉ガスを混合することによって、向上した燃焼と削減された排気が実現される。混合させる空気の注入は、炉内の空気流のパターンを変えることでＮＯｘに影響する。炉中央の燃料注入位置の下流において混合させる空気を加えることで、主要な火炎と空気ファンとの間の過剰な空気の量を変えることができる。この実施例では、炉中央の燃料は、主バーナーの後の残った過剰な空気を使用する。炉中央の燃料注入位置の近傍には、炉内に過剰な空気は残らない。この状況は、化学的脱酸化窒素の機会を提供する。次に、混合させる空気は、１０％の過剰な空気を炉に加え、不完全燃焼の残留生成物の酸化再燃焼の機会を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に従って回転容器に高速度の混合させる空気を注入するよう変更された鉱物処理炉の部分断面図である。
【図２】本発明に従って回転容器に高速度の混合させる空気を注入するよう変更された鉱物処理炉の部分断面図である。
【図３】本発明に従って回転容器に高速度の混合させる空気を注入するよう変更された鉱物処理炉の部分断面図である。
【図４】本発明に従って回転容器に高速度の混合させる空気を注入するよう変更された鉱物処理炉の部分断面図である。
【図５】本発明に従って回転容器に高速度の混合させる空気を注入するよう変更された回転炉の１つの実施形態の横断面図である。
【図６】本発明に従って回転容器に高速度の混合させる空気を注入するよう変更された回転炉の別の実施形態の横断面図である。
【図７】本発明に従って回転容器に高速度の混合させる空気を注入するよう変更された回転炉の別の実施形態の横断面図である。
【図７ａ】図７のファンの線Ａ−Ａに沿って一部切り取った平面図である。
【図８ａ】ノズル開口の形状を説明する図である。
【図８ｂ】ノズル開口の別の形状を説明する図である。
【図９ａ】高速度の空気の注入がないセメント炉内の流れパターンを説明する図である。
【図９ｂ】本発明に従って補助燃料（タイヤ）供給器（不図示）の上流で高速度の空気が注入されるセメント炉内の流れパターンを説明する図である。
【図１０ａ】高速度の空気の注入がない主バーナー燃焼の化学量論を説明する図である。
【図１０ｂ】１０％の高速度の空気が注入される主バーナー燃焼の化学量論を説明する図である。
【図１１】１０％の高速度の空気注入の上流で１５％の補助燃料が供給される炉の３つの区間における燃焼の化学量論を説明する図である。
【図１２】補助燃料を燃焼し、回転容器への燃料供給位置の上流と下流の両方で高速度の空気を注入するよう変更された炉の炉燃料燃焼の化学量論を説明する図である。
【図１３】図１２の炉内の炉ガス流に対する注入された高速度の空気の効果を説明する図である。
【図１４】ガス（二酸化炭素）を放出する処理中の鉱物を含む回転炉容器の横断面図である。
【図１５】回転容器に高速度の空気を注入することによって炉ガスを混合することを示す図１４と同様の横断面図である。
【図１６】鉱物床から放出されたガスの層がない処理中の材料への放射エネルギーの伝達を説明する図である。
【図１７】商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図であり、矢印は静止容器内における混合を促進する高速度空気の注入位置を示す。
【図１８】商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図であり、矢印は静止容器内における混合を促進する高速度空気の注入位置を示す。
【図１８ａ】商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図であり、矢印は静止容器内における混合を促進する高速度空気の注入位置を示す。
【図１９】商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図であり、矢印は静止容器内における混合を促進する高速度空気の注入位置を示す。
【図２０】商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図であり、矢印は静止容器内における混合を促進する高速度空気の注入位置を示す。
【図２０ａ】商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図であり、矢印は静止容器内における混合を促進する高速度空気の注入位置を示す。
【図２１】炉ガス監視と空気注入制御部の概略を示す空気注入するよう変更された鉱物処理炉の図１〜図４と同様の部分断面図である。
【図２２】炉ガス監視と空気注入制御部及び蒸気又はガス注入制御部の概略を示す空気注入するよう変更された鉱物処理炉の図１〜図４と同様の部分断面図である。
【図２３】ＮＯｘを削減するために空気を注入し補助燃料を供給するよう変更された予焼成炉の回転容器の上端部の部分断面立面図である。
【図２４ａ】静止容器内における混合を促進するために高圧空気を導入する注入器を備えるよう変更された商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図である。
【図２４ｂ】静止容器内における混合を促進するために高圧空気を導入する注入器を備えるよう変更された商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図である。
【図２４ｃ】静止容器内における混合を促進するために高圧空気を導入する注入器を備えるよう変更された商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図である。
【図２４ｄ】静止容器内における混合を促進するために高圧空気を導入する注入器を備えるよう変更された商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図である。
【図２５】静止容器内における混合を促進するために高圧空気を導入する注入器を備えるよう変更された商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図である。
【図２５ａ】静止容器内における混合を促進するために高圧空気を導入する注入器を備えるよう変更された商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図である。
【図２６ａ】静止容器内における混合を促進するために高圧空気を導入する注入器を備えるよう変更された商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図である。
【図２６ｂ】静止容器内における混合を促進するために高圧空気を導入する注入器を備えるよう変更された商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図である。
【図２７】静止容器内における混合を促進するために高圧空気を導入する注入器を備えるよう変更された商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図である。
【図２７ａ】静止容器内における混合を促進するために高圧空気を導入する注入器を備えるよう変更された商業上入手可能な静止予焼成容器の構成の概略を説明する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図７ａ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１８ａ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２０ａ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４ａ】
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【図２４ｂ】
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【図２４ｃ】
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【図２４ｄ】
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【図２５】
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【図２５ａ】
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【図２６ａ】
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【図２６ｂ】
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【図２７】
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【図２７ａ】
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【国際調査報告】
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