(57)【要約】【課題】セメントキルンの微粉炭燃焼バーナーで使用する微粉炭の燃焼性を正確に且つ低コストで測定できるようにする。【解決手段】セメントキルンの微粉炭燃焼バーナーで使用する微粉炭の燃焼性を測定するにあたり、上記微粉炭を不活性ガス雰囲気中で１０，０００℃／秒以上の昇温速度で加熱して、上記微粉炭の熱分解を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメントキルンの微粉炭燃焼バーナーで使用する微粉炭の燃焼性を測定するにあたり、
上記微粉炭を不活性ガス雰囲気中で１０，０００℃／秒以上の昇温速度で加熱して、上記微粉炭の熱分解を行うことを特徴とする燃焼性測定の前処理方法。
【請求項２】
最高温度が１１００℃〜１４００℃の範囲内となるように上記微粉炭を加熱することを特徴とする請求項１に記載の燃焼性測定の前処理方法。
【請求項３】
電気炉の炉心に小径のセラミックス管を設置して、その中に不活性ガスを流し、その流れに沿って微粉炭を気流搬送することにより、当該微粉炭を昇温させて熱分解を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃焼性測定の前処理方法。
【請求項４】
上記セラミックス管の内径を４ｍｍ以上、１０ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項３に記載の燃焼性測定の前処理方法。
【請求項５】
２０℃における上記不活性ガスの流速を０．５〜５．０ｍ／秒とすることを特徴とする請求項３に記載の燃焼性測定の前処理方法。
【請求項６】
上記セラミックス管内に投入する微粉炭の供給速度を３０ｍｇ／分以上、１０ｇ／分以下とすることを特徴とする請求項３に記載の燃焼性測定の前処理方法。
【請求項７】
請求項１に記載の前処理方法で熱分解した試料を、酸素を含むガスを流しながら熱天秤にかけることにより、その燃焼速度を測定することを特徴とする燃料の評価方法。
【請求項８】
電気炉の炉心に小径のセラミックス管を設置して、その中に酸素を含むガスを流し、その流れに沿って、請求項１に記載の前処理方法で熱分解した試料を気流搬送することにより、当該試料を昇温させて、その燃焼速度を測定することを特徴とする燃料の評価方法。
【請求項９】
請求項７または８に記載の評価方法により、セメントキルンの微粉炭燃焼バーナーで使用する燃料の燃焼性を評価し、その評価結果に基づいて、燃料量、バーナー一次・二次空気量、微粉炭粒度の何れかを調節することを特徴とするセメントの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セメントキルンの微粉炭燃焼バーナーで使用する石炭やコークス等の微粉炭の燃焼性を測定する際に用いて好適な前処理方法、当該前処理方法を用いた燃料の評価方法およびセメントの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セメントキルンにおいて耐火物の劣化を防止し、セメントの品質を一定に保つためには、微粉炭燃焼バーナーのフレームの温度分布を一定に保つことが重要であり、その制御を行う上で、微粉炭燃焼バーナーの燃料となる石炭やコークス等の微粉炭の燃焼性を把握することが必要とされている。
セメントキルンにおいて、微粉炭は、微粉炭燃焼バーナーから噴出された直後に熱分解を開始し、それにより生成されたチャーが一定の温度に達したところで燃焼を開始することが知られている。微粉炭の燃焼性は、熱分解時の温度条件（昇温速度や最高温度など）の影響を受けるため、微粉炭の燃焼性を正確に測定するためには、その前処理として、実炉と同じ温度条件で微粉炭の熱分解を行う必要がある。
【０００３】
従来の燃焼性測定方法としては、例えば、ドロップチューブ炉等の管状炉を用いて微粉炭を熱分解した後、同装置または熱天秤を用いて燃焼速度を測定する方法が知られている。
また、石炭を急速に熱分解させる方法としては、例えば、特許文献１に記載の石炭の急速熱分解方法が知られている。
【特許文献１】特許第２８５３９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来は、セメントキルンにおいて微粉炭が熱分解を行う際の温度条件が十分には解明されていなかったため、それを忠実に再現して微粉炭の燃焼性を測定することは事実上不可能であった。
また、一般的なドロップチューブ炉や特許文献１に記載の熱分解装置では、本願発明者等が見出した熱分解時の温度条件（微粉炭の昇温速度）を実現することが難しく、そのため、微粉炭の燃焼性を正確に測定することは困難であった。
また、ドロップチューブ炉は設備が大型、複雑なうえ、専用のオペレータが必要になることから、非常にコストがかかるという問題点もあった。
【０００５】
本発明の課題は、セメントキルンの微粉炭燃焼バーナーで使用する微粉炭の燃焼性を正確に且つ低コストで測定できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者等は、上記課題について鋭意研究を重ねた結果、セメントキルンにおいて、微粉炭粒子が熱分解を開始する約４００℃から終了する約１１００℃までの間に同粒子が１０，０００℃／秒〜５０，０００℃／秒の昇温速度で加熱されること、かかる昇温速度で微粉炭の熱分解を行うようにすれば、その後の燃焼性測定で正確な測定結果が得られることを見出し、本発明を完成させたものである。
【０００７】
すなわち、本発明に係る燃焼性測定の前処理方法は、セメントキルンの微粉炭燃焼バーナーで使用する微粉炭の燃焼性を測定するにあたり、上記微粉炭を不活性ガス雰囲気中で１０，０００℃／秒以上の昇温速度で加熱して、上記微粉炭の熱分解を行うことを特徴とするものである。
【０００８】
上記前処理方法においては、最高温度が１１００℃〜１４００℃の範囲内となるように上記微粉炭を加熱することが望ましい。ここで、１１００℃は、実炉において微粉炭の熱分解が終了する温度であり、１４００℃は、微粉炭の燃焼開始温度（一つの粒子が燃焼を開始した温度を全粒子で平均した値）である約１３００℃よりも高い温度で、実炉内で平均的な粒子が燃焼前、燃焼中に受ける熱履歴を反映させた温度である。なお、最高温度を上記温度範囲の上限（１４００℃）に近付けた場合には、１１００℃程度に設定した場合に比べて加熱に要するコスト（電力費や炉の発熱体の価格等）が増大するが、チャーの焼結状態がより実炉に近づき、燃焼速度の測定精度を高めることができるという利点がある。
【０００９】
また、上記前処理方法においては、電気炉の炉心に小径のセラミックス管を設置して、その中に不活性ガスを流し、その流れに沿って微粉炭を気流搬送することにより、当該微粉炭を昇温させて熱分解を行う構成とすることが可能である。
【００１０】
この場合、不活性ガスの流速は、０．５〜５．０ｍ／秒（２０℃換算）の範囲内とすることが望ましい。セラミックス管内の昇温速度は、この不活性ガスの流速の他、炉の均熱状況により異なるが、１０，０００℃/秒程度以上の昇温速度を得るためには、不活性ガスの流速を０．５ｍ／秒以上とする必要がある。また、同流速を上げ過ぎると、ガス流量が増えることで不活性ガスが加熱され難くなり、昇温速度が低下していくため、ガス流速は５．０ｍ／秒未満であることが望ましい。
【００１１】
また、セラミックス管内に投入する微粉炭の供給速度は、３０ｍｇ／分以上、１０ｇ／分以下とすることが望ましい。３０ｍｇ／分未満では、供給速度が小さいため、微粉炭の大部分がセラミックス管壁に付着し、得られる熱分解試料が少なくなる結果、後の燃焼速度測定時にバラツキが大きくなる。一方、同供給速度が１０ｇ／分より大きくなるとセラミックス管が閉塞する。
【００１２】
また、セラミックス管の内径は、４〜１０ｍｍの範囲内（より好ましくは４〜６ｍｍの範囲内）とすることが望ましい。４ｍｍ未満では、微粉炭がセラミックス管壁に付着し、閉塞を起こすため好ましくない。また、１０ｍｍを超えると、セラミックス管に流れる不活性ガス流量が大きくなって、同ガスが電気炉により加熱され難くなり、昇温速度が低下するため好ましくない。
【００１３】
図４は、電気管状炉の炉心にアルミナ管を据え、内部にガスを流した場合の温度分布を熱流体解析により求めたものである。このグラフに示すように、内径を４ｍｍとした場合には、炉の温度を１１００℃、２０℃におけるガス流速を１．０６ｍ／秒（ガス流量０．８Ｌ／分）とすることにより、４００℃〜１１００℃において１０，０００℃／秒以上の昇温速度が得られる。これに対して、内径を１０ｍｍとした場合は、例えば、炉の温度を１００℃上げて１２００℃とし、かつガス流速を４０％増の１．４８ｍ／秒（ガス流量７．０Ｌ／分）とすることにより、同温度範囲において１０，０００℃／秒程度の昇温速度が得られる。
このように、内径が大きくなるほど、炉の温度等を上げる必要があり、１０，０００℃／秒以上の昇温速度を実現するのが困難になるため、セラミックス管の内径は１０ｍｍ以下にすることが望ましい。
なお、炉の温度が高くなるほど消費電力量が増加し、また炉の温度が１２００℃以上では、発熱体がカンタル線等から二珪化モリブデン、炭化珪素等に代わり、炉のコストが上昇する他、維持も困難になるため、かかる点を考慮すると、セラミックス管の内径は４ｍｍ〜６ｍｍの範囲内とすることがより好ましい。
因みに、ガスヒーターを用いて不活性ガスを３００〜４００℃に予熱することも考えられるが、この場合、昇温速度の大きな増加を見込むことができず、また微粉炭供給部の下に別途加熱した不活性ガスを加える等の改造が必要で設備が複雑になるため、上述したように、セラミックス管の内径は１０ｍｍ以下にすることが望ましい。
【００１４】
本発明に係る燃料の評価方法は、上述した前処理方法で熱分解した試料を、酸素を含むガスを流しながら熱天秤にかけることにより、その燃焼速度を測定することを特徴とするもの、若しくは、電気炉の炉心に小径のセラミックス管を設置して、その中に酸素を含むガスを流し、その流れに沿って、上述した前処理方法で熱分解した試料を気流搬送することにより、当該試料を昇温させて、その燃焼速度を測定することを特徴とするものである。
【００１５】
本発明に係るセメントの製造方法は、上記評価方法により、セメントキルンの微粉炭燃焼バーナーで使用する燃料の燃焼性を評価し、その評価結果に基づいて、燃料量、バーナー一次・二次空気量、微粉炭粒度の何れかを調節することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、微粉炭の燃焼性を測定するにあたり、微粉炭を不活性ガス雰囲気中で１０，０００℃／秒以上の昇温速度で加熱して、微粉炭の熱分解を行うようにしたので、生成されるチャーの熱分解による状態変化及び焼結状態をより実炉に近づけることができ、微粉炭の燃焼性を正確に測定することができる。
また、電気炉の炉心に配置された小径のセラミックス管内に不活性ガスを流し、その流れに沿って微粉炭を気流搬送することにより、当該微粉炭を昇温させるようにしたので、微粉炭の昇温が容易となり、たとえ１０，０００℃／秒以上の昇温速度であっても、これを容易に実現することができる。
また、一般的なドロップチューブ炉等と比較して、装置を小型化および簡素化することができるため、取り扱いが容易となり、装置にかかるコストを低減することができる。
【００１７】
また、本発明に係るセメントの製造方法によれば、上記のようにして得られた正確な燃焼性の測定結果に基づいて、燃料量、バーナー一次・二次空気量、微粉炭粒度の何れかを調節するようにしたので、微粉炭燃焼バーナーのフレームの温度分布を一定に保つことが可能となり、クリンカの品質のバラツキ等を防止して、長期に亘り安定した状態でセメントキルンを運転することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、セメントキルンにおいて微粉炭燃焼バーナーから噴出された後のコークスの微粉炭粒子の温度プロファイルと、熱分解によって揮発する成分の質量変化から熱分解の開始と終了の噴出後の時間と温度をそれぞれ熱流体解析により求めたものである。
このグラフによれば、微粉炭粒子が噴出後０．０４秒で約４００℃に達して熱分解を開始し、噴出後０．１１秒で約１１００℃に達して熱分解を終了し、微粉炭粒子が熱分解を開始してから終了するまでに１０，０００℃/秒程度以上の昇温速度で加熱されることが分かる。
したがって、実機セメントキルンで起きている微粉炭の熱分解を再現するためには、１０，０００℃/秒以上の昇温速度で微粉炭を加熱する必要がある。
また、図１から最大の傾きを求めると約５０，０００℃/秒となるので、５０，０００℃/秒以下の昇温速度で微粉炭を加熱することが望ましい。
【００１９】
図２は、本発明で使用する熱分解装置の一実施形態を示すもので、図中符号１が電気管状炉である。この電気管状炉１の炉心には、小径のアルミナ管２（内径４ｍｍ〜１０ｍｍ）が鉛直方向に起立した状態で配置されている。本実施形態では、小径のアルミナ管２が大径のアルミナ管３内に挿入された状態で、電気管状炉１の炉心に配置されている。
【００２０】
アルミナ管２の下方には、当該アルミナ管２から排出されたチャーを回収する受皿４が設置されている。一方、アルミナ管２の上方には、不活性ガス（Ｎ2など）をアルミナ管２内に供給するための給気管５が配置され、両配管２，５がアクリルボックス６を介して相互に接続された状態となっている。アクリルボックス６は透明な箱形容器で、その内部には、スクリューと振動を利用してホッパー７ａ内の微粉炭を先端の排出口７ｂに導く微粉炭供給フィーダ７が設置されている。本実施形態では、アルミナ管２の上端開口部２ａと給気管５の下端開口部５ａとを結ぶ線分の近傍に、微粉炭供給フィーダ７の排出口７ｂが配置されて、当該排出口７ｂから排出された微粉炭が不活性ガスの流れに引き込まれる形でアルミナ管２内に円滑に流入するようになっている。
【００２１】
上記構成からなる熱分解装置１０を使用して微粉炭の熱分解を行う際には、先ず、給気管５のバルブを開放してアルミナ管２内に不活性ガスを流し、その流速が０．５〜５．０ｍ／秒（２０℃換算）の範囲内となるように調節する。
また、電気管状炉１を作動させて、アルミナ管２内を通る微粉炭の昇温速度が１０，０００℃/秒程度以上、最高温度が１１００℃〜１４００℃の範囲内となるように炉の温度を調節する。
【００２２】
そして、以上の調節が完了したら、微粉炭供給フィーダ７を作動させ、アルミナ管２内に投入する微粉炭の供給速度が３０ｍｇ／分〜１０ｇ／分の範囲内となるようにスクリューの回転速度等を調節する。これにより、微粉炭供給フィーダ７からアルミナ管２内に所望量の微粉炭が連続的に投入される。
アルミナ管２内に投入された微粉炭は、不活性ガスの流れに乗ってアルミナ管２内を下方に進み、その過程で、電気管状炉１により１０，０００℃/秒以上の昇温速度で加熱されて、アルミナ管２の下端開口部２ｂから排出されるまでの間に熱分解終了温度（約１１００℃）に達し、アルミナ管２内で熱分解される。熱分解により生成されたチャーはアルミナ管２の下端開口部２ｂから排出されて、受皿４で回収される。
【００２３】
こうして得られた熱分解試料（チャー）は、例えば、酸素を含むガスを流しながら熱天秤（ＴＧ）にかけることにより、その燃焼速度を測定することが可能である。すなわち、熱天秤に熱分解試料をセットし、酸素を含む不活性ガス雰囲気の下で、所定の昇温速度で加熱して行くことで、その重量減少速度から燃焼速度を求めることができる。
【００２４】
また、前述した熱分解装置１０（図２）を用いて、熱分解試料の燃焼速度を測定することも可能である。この場合、微粉炭供給フィーダ７に熱分解試料をセットし、不活性ガスの代わりに、酸素を含む不活性ガスをアルミナ管２内に流して、アルミナ管２内で上記熱分解試料を燃焼させることにより、その燃焼量から燃焼速度を求めることができる。その際に、燃焼速度の温度依存性をみるため、反応温度を変化させることが望ましい。なお、この方法の場合には、燃焼した試料が管壁に付着するため、回収量と供給量から燃焼量を求めることは困難であるが、試料の反応前後での灰分含有率の変化から燃焼量を計算することが可能である。酸素濃度は、試験を行う最高温度においても試料全てが燃え尽きてデータが取得できないことのないように調整した値を用いる必要があるが、燃焼量の測定結果に与える影響（酸素濃度依存性）を確認しながら適宜に調整することが望ましい。
【００２５】
こうして熱天秤（ＴＧ）または熱分解装置１０（図２）で測定した燃焼速度（微粉炭の燃焼性）は、微粉炭燃焼バーナーのフレームの温度分布の制御に用いることができる。
例えば、燃焼性が悪い場合は、フレームが伸びてキルンの奥側の温度が上昇する一方、手前側の最高温度が低下する。そこで、このような場合には、一次空気量や二次空気量を増加させることにより、手前側で燃焼するように調整することが可能である。この他、燃料量を増加させたり、微粉炭粒度を小さくすることで調整することも可能であり、これらの調整と一次空気や二次空気の調整を組み合わせることにより、フレームの温度分布をより望ましい状態とすることが可能である。
【００２６】
以上のように、本実施形態によれば、微粉炭の燃焼性を測定するにあたり、微粉炭を不活性ガス雰囲気中で１０，０００℃／秒以上の昇温速度で加熱して、微粉炭の熱分解を行うようにしたので、生成されるチャーの熱分解による状態変化及び焼結状態をより実炉に近づけることができ、微粉炭の燃焼性を正確に測定することができる。
【００２７】
また、上記のようにして得られた正確な測定結果に基づいて、燃料量、バーナー一次・二次空気量、微粉炭粒度の何れかを調節するようにしたので、微粉炭燃焼バーナーのフレームの温度分布を一定に保つことが可能となり、クリンカの品質のバラツキや、キルン内壁に設置されている耐火物への熱衝撃による劣化等を防止して、長期に亘り安定した状態でセメントキルンを運転することが可能となる。
【実施例】
【００２８】
図３は、本発明に係る熱分解装置１０（図２）にてＮ2ガス中、昇温速度１０，０００℃／秒、最高温度１１００℃、１４００℃で熱分解を行った後、熱天秤（ＴＧ）を用いて、昇温速度１０℃／分、酸素濃度４％にて燃焼して求めたアウレニウスプロット（燃焼速度と温度の関係を示す直線）である。また、昇温速度が１，０００℃／秒程度以上と言われている一般に使用されているドロップチューブ炉（ＤＴＦ）を用いて最高温度１１００℃、１４００℃で熱分解を行い、同様な方法で求めたアウレニウスプロットを併せて示す。
【００２９】
この図３によれば、同じ熱分解温度では、本発明に係る熱分解装置１０の方が、燃焼速度が大きい。熱分解はその条件が厳しい（最高温度が高い、昇温速度が小さい）程、燃焼速度が小さくなることが知られていることから、本発明に係る熱分解装置１０は、一般的なドロップチューブ炉と比較して、昇温速度が十分に大きいことが分かる。このように、熱分解時の昇温速度の違いにより燃焼速度に差が出ることから、燃焼速度を正確に求めるための昇温速度は、セメントキルン内での実際の昇温速度である１０，０００℃/秒以上であると云える。
【００３０】
また、図３によれば、最高温度の違いによっても、燃焼速度に差が出ていることが分かる。したがって、この最高温度に関しても実炉に近い状態とすることにより、精度の高い測定結果を得ることができ、例えば、最高温度を熱分解がほぼ終了する１１００℃とするよりも、チャーが燃焼を開始する１４００℃程度まで上げる方が、チャーの焼結状態がより実炉に近づき、燃焼速度の精度を高めることができると考えられる。
しかしながら、前述したように、最高温度を高くするほど加熱に要するコスト（電力費や発熱体の価格等）が増大することとなるので、コストと測定精度のバランスを考慮して最高温度を決定する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】セメントキルンにおいて微粉炭燃焼バーナーから噴出された後のコークスの微粉炭粒子の温度プロファイルと、熱分解の開始と終了の時間と温度を示すグラフである。
【図２】本発明で使用する熱分解装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図３】図２の熱分解装置（最高温度１１００℃、１４００℃）を用いて熱分解を行った場合の燃焼速度の測定結果と、一般的なドロップチューブ炉（最高温度１１００℃、１４００℃）を用いて熱分解を行った場合の燃焼速度の測定結果をそれぞれ示すグラフである。
【図４】電気管状炉の炉心にアルミナ管を据えて、内部にガスを流した場合の温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１  電気管状炉（電気炉）
２  アルミナ管（セラミックス管）
６  アクリルボックス
７  微粉炭供給フィーダ
１０  熱分解装置
【図１】
2008201632.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2008201632.tif 000006