(57)【要約】回転キルン内の鉱物処理中にＮＯｘ排出物を低減するとともにエネルギー効率を向上させる方法が記載されている。この方法は、空気を高速／高運動エネルギーでキルン内に注入し、キルンガスの成層化を減じる、或いは排除する工程を含んでいる。この方法は、回転キルン容器内または予備加熱装置／予備焼成装置の容器内で複数ガスを混合することを目的として適用することができる。
2004514866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉱物処理用キルンの回転容器内で高温のキルンガス流を混合する方法であって、その容器は円筒状の壁と、燃焼空気取入口／バーナーの端部と、キルンガス出口端とを有しており、キルンガス流は、燃焼空気を含む酸素含有ガスと、未燃焼の燃料と、酸素含有ガスとの中で燃やされた燃料の燃焼生成物とから本質的に構成されており、該方法は、キルンからのガス状汚染物質の放出を低減するのに有効であり、該方法は、容器壁と回転の軸線から間隔を設けた注入ポートで終端している注入管を通してガス流に空気を注入する工程を含んでおり、この空気は、キルンによって使用される燃焼空気の質量流量の約１％から約１５％の質量流量で、また、１ポンド（約０．４５ｋｇ）の注入ガスあたり約１ワット毎時から約１０ワット毎時のエネルギー入力レベルで注入されるとともに、キルンガス流内へと方向付けられて、回転容器の長さに沿った、キルンガス温度が華氏１８００度（約９８０℃）を超える一点で容器内のキルンガス流に回転運動量を付与するようにした方法。
【請求項２】
前記燃焼空気は加圧源から注入され、０．２０ａｔｍを超える静圧を与える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記キルンは高さＨの鉱物床を包含しており、前記空気注入ポートは前記容器壁から少なくとも距離Ｈだけ間隔を設けられている請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記空気注入ポートは、そのポートを通り、前記容器の回転の軸線に平行である線と４５度を超える角度を形成しているとともに、容器の前記キルンガス出口端を通って延びている経路に沿って注入空気を方向付けるように設置されている請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記酸素含有ガスに蒸気を添加して、前記キルンガス流に熱的バラスト（ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｌｌａｓｔ）を与えるようにした請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記酸素含有ガスに燃焼排ガスを添加して、前記キルンガス流に熱的バラストを与えるようにした請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記回転容器から外に出る前記キルンガス流の組成を監視する工程を更に含んでいる請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記酸素含有ガスの組成を調節する工程と、および／または、前記キルンガス流への空気の注入速度を変化させて、キルンガス流中のＮＯｘ含有量を最小限に抑える工程を更に含んでいる請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記鉱物処理用キルンは予備加熱装置または予備焼成装置付きセメント用キルンであって、前記空気は、前記回転容器の前記キルンガス出口端の２種のキルン径の内側の一点で回転容器に注入される請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記空気は、毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から毎秒約１０００フィート（約３００ｍ）の直線速度で注入される請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記回転容器の前記キルンガス出口端の近位で前記キルンガス流に補足燃料が導入される請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
作動中の鉱物処理用キルンの回転容器内に高温のキルンガス流を混合することで有害な汚染物質の排出物を低減するようにした方法であって、そのキルンは円筒状の壁と、燃焼空気取入口端と、キルンガス出口端とを有しており、前記キルンガス流は、燃焼空気を含む酸素含有ガス中で燃やされた燃料の燃焼生成物から本質的に構成されており、該方法は、前記容器内にあって、キルンの容器壁と回転の軸線の両方から間隔を設けた注入ポートで終端している管を備えている注入システムを通してキルンガス流に加圧源からの空気を注入する工程を含んでおり、この空気の圧力とポートの寸法を選択する際には、燃焼空気の質量消費量の１５％よりも低い質量流量で注入空気がポートを通して搬送されるようにし、また、キルン内のキルンガス流に衝撃を与えるように方向付けられて、キルンガス流に回転運動量を付与するようにした方法。
【請求項１３】
前記空気は加圧源から注入され、０．１５ａｔｍを超える静差圧を与える請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記注入空気は、１ポンド（約０．４５ｋｇ）の注入ガスあたり約１ワット毎時から約１０ワット毎時のエネルギーレベルを有している請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
作動中の鉱物処理用キルンの回転容器内で高温のキルンガス流を混合することでガス状の汚染物質の排出物を低減するようにした方法であって、その容器は円筒状の壁と、燃焼空気取入口端と、キルンガス出口端とを有しており、前記キルンガス流は、燃焼空気を含む酸素含有ガス中で燃料を燃焼させた生成物から本質的に構成されており、該方法は、容器内にあって、容器の壁と回転容器の回転の軸線の両方から間隔を設けた注入ポートで終端している管を備えている注入システムを通してキルンガス流に加圧源からの空気を注入する工程を含んでおり、空気の加圧源は、０．１５ａｔｍを超える差圧を空気に与えるように選択されており、前記空気注入ポートは、キルンによる燃焼空気の質量消費量の１５％よりも低い質量流量で空気注入システムを通してキルンに空気を搬入する断面寸法に設定されるようにし、また、キルンガス流に衝撃を与えるように方向設定されて、注入空気の主要方向のベクトル成分が回転容器の回転軸線に平行な線に直交するようにした方法。
【請求項１６】
前記空気は加圧源から注入され、０．１５ａｔｍを超える静差圧を与える請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記注入空気は、１ポンド（約０．４５ｋｇ）の注入ガスあたり約１ワット毎時から約１０ワット毎時のエネルギーレベルを有している請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
作動予備加熱装置または作動予備焼成装置付きの鉱物処理用キルンにおいて、高温のキルンガス流を混合することでガス状汚染物質の排出を低減する方法であって、そのキルンは回転容器を有しており、該容器は燃焼空気取入口端と、静止予備加熱器／静止予備焼成装置のタワー部分および中間遷移保存部とガス流により連絡される状態にあるキルンガス出口端とを有しており、キルンガス流は、燃焼空気を含む酸素含有ガス中で燃やされた燃料の燃焼生成物から構成された多数のガス状成分を含んでおり、キルンは改良により、回転容器のキルンガス出口端の近位で二次燃焼区域内にて補足燃料を燃やし、キルンから出るＮＯｘ排出物を低減する環境を任意で設けるようにしており、該方法は、回転容器のキルンガス出口端の２種のキルン径の内側に配置された注入ポートで終端している管を備えている空気注入システムを通してキルンガス流に空気加圧源からの空気を注入する工程を含んでおり、加圧源および注入ポートは、キルンによる燃焼空気の質量消費量の約１％から約１５％の質量流量で空気注入システムを通してキルンに空気を搬入するような寸法に設定され、キルンガス流に回転運動量を付与するように方向設定されている方法。
【請求項１９】
前記回転容器の前記キルンガス出口端の近位でキルンガス流に補足燃料を搬入する工程を更に含んでいる請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
補足燃料を燃やすように改良された長形の回転セメントキルンからの排出ガス流中のＮＯｘを低減する方法であって、前記キルンは、その長軸線を中心として回転するとともに円筒状の壁を有している傾斜型の円筒状容器から構成されており、その容器はその下端で加熱され、上端で鉱物原材料が充填され、一次バーナーおよび燃焼空気取入口を有している加熱された下端から上端を通してキルンガス流を流動させ、鉱物材料は、回転容器の最上部における乾燥区域から中間焼成区域を通り、更に、高温焼成区域に入ってからセメント焼成物として下端を出るキルンガス流に対する容器内の向流となって、重力の影響下で最大深度Ｈで流動する鉱物床を形成しており、補足燃料は容器壁のポートを通して容器内に充填されて、二次燃焼区域内で焼成鉱物材料と接触して燃えるようにし、該方法は、
容器のポートから延びて、所定の経路に沿って注入空気を方向付けるノズルで終端する空気注入管を通して毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から毎秒約１０００フィート（約３００ｍ）の速度で空気を注入する工程を含んでおり、容器のポートは、焼成区域のキルンガス流に関しては下流側で、かつ、焼成区域の上端のキルンガス流に関しては上流側である一点に位置し、ノズルは容器の壁から約Ｈないし約２Ｈの距離で容器内に設置され、注入空気の所定の経路は、回転軸線に平行な線区と４５度を越える角度を形成しているとともに、この注入点から容器の鉱物供給材料端を通って延びている方法。
【請求項２１】
前記補足燃料は、容器の壁のポートを通して焼成区域に搬入された燃焼可能な廃棄物である請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記空気は、キルン作動中に使用される総燃焼空気の質量の約１％から約１０％の流速で注入される請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
鉱物供給材料からセメント焼成物を製造する予備焼成装置付きセメントキルンであって、キルンは改良により、ＮＯｘ排出物が低減されるとともに燃焼効率が向上されており、予備焼成装置付きキルンは、一次バーナーで加熱された回転容器とガス流により連絡される状態および鉱物流により連絡される状態にあるとともに二次バーナーを有している静止予備焼成装置容器とを備えており、該改良されたキルンは、静止容器に設置された空気注入ノズルと、圧縮空気をノズルに搬送してから、毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から毎秒約１０００フィート（約３００ｍ）の直線速度で容器に入れる手段とを備えている予備焼成装置付きセメントキルン。
【請求項２４】
複数のノズルが、前記予備焼成装置容器に圧縮空気を搬入するように設置されている請求項２３に記載の改良された予備焼成装置付きキルン。
【請求項２５】
ＮＯｘ排出物が低減されるとともにエネルギー効率が向上された動作を行うように改良された鉱物処理キルンであって、そのキルンは、一次バーナーと下端の燃焼空気取入口とを有している傾斜型の回転容器から構成されており、鉱物が熱処理されている間は、容器内の鉱物床の鉱物はガス放出化学反応を受け、前記キルンは改良により、
（１）毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から毎秒約１０００フィート（約３００ｍ）の速度で回転容器に空気を注入する空気注入管であって、容器の壁のポートから延びて、容器内の所定の経路に沿って注入空気を方向付けるノズルで終端しており、ポートは、回転容器の下半分の長さに沿った一点に配置されて、鉱物床から放出されたガスを一次バーナーからの燃焼ガスと混合する空気注入管と、
（２）空気注入管と空気流により連絡されるファンまたはコンプレッサと、
（３）キルンへの空気注入速度を調節するための、ファン用またはコンプレッサ用の制御装置とを更に備えている鉱物処理キルン。
【請求項２６】
前記キルンは改良により、前記回転容器内に空気を注入するための２個以上の空気注入管を備えており、各注入管は容器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で終端している請求項２５に記載の鉱物処理キルン。
【請求項２７】
前記鉱物床の深度はＨであり、前記ノズルは、前記回転容器の壁から約Ｈないし約２Ｈの距離で回転容器内に設置されている請求項２５に記載の鉱物処理キルン。
【請求項２８】
各ノズルからの注入空気の所定の経路は、前記回転容器を通って流動する燃焼ガスに回転運動量を付与するのに効果がある請求項２５に記載の改良された鉱物処理キルン。
【請求項２９】
補足燃料搬送ポートと、そのポートから延びて、注入管の位置よりはキルン内のガス流に関して容器下流側に位置する一点で回転容器に入る投下管とを更に備えている請求項２５に記載の改良された鉱物処理キルン。
【請求項３０】
改良により、毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から約１０００フィート（約３００ｍ）の速度で回転容器内に空気を注入する第２の空気注入管を更に備えており、この第２の注入管は前記容器の壁のポートから延びてその回転容器に入り、更に、容器内の所定の経路に沿って注入空気を方向付けるノズルで終端しており、この第２の空気注入管は、補足燃料搬送ポートよりもキルン内のガス流に関して下流側にある回転容器上の一点に配置されて、鉱物床と燃焼中の補足燃料の両方から放出されたガスを一次バーナーからの燃焼ガスと混合し、該キルンは、下流側の空気注入管と空気流連絡状態にあるファンまたはコンプレッサと、下流側の空気注入点においてキルンに入る空気注入速度を調節するための、ファン用またはコンプレッサ用の制御装置とを更に備えている請求項２９に記載の改良された鉱物処理キルン。
【請求項３１】
回転キルン内における鉱物処理中に、ＮＯｘ排出を低減するとともにエネルギー効率を向上させる方法であって、その回転キルンは傾斜型の回転容器を備えており、該容器は、一次バーナーと、容器下端の燃焼空気取入口と、上部鉱物供給端とを有しており、鉱物床の鉱物はキルン内での熱処理中にガスを放出する化学反応を受け、該方法は、空気加圧源から毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から毎秒約１０００フィート（約３００ｍ）の速度で回転容器内へ空気を注入し、０．１５ａｔｍを越える静圧を付与して、鉱物床から放出されたガスの成層を一次バーナーからの燃焼ガスを利用して低減するようにした方法。
【請求項３２】
前記空気は、回転容器の壁のポートから延びて回転容器に入り、更に、回転容器の所定の経路に沿って注入空気を方向付けるノズルで終端する空気注入管を通して、回転容器内に注入される請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記空気は、２個以上のノズルを通して回転容器に注入される請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記鉱物床の最大深さはＨであり、前記ノズルは、回転容器の壁から約Ｈないし約２Ｈの距離で回転容器内に設置される請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記鉱物床の最大深さはＨであり、前記ノズルは、回転容器の壁から約Ｈないし約２Ｈの距離で回転容器内に設置される請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記キルンはライムキルン、セメントキルン、タルコナイトキルン、または軽量骨材キルンである請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
前記注入空気の所定経路は、回転容器を通って流動する燃焼ガスに回転運動量を付与するのに有効であり、前記空気の加圧源は０．２０ａｔｍを越える静圧を与える請求項３１に記載の方法。
【請求項３８】
前記キルン内に空気が注入される部位よりもキルン内のガス流に関して下流側に置かれた回転容器内のポートを通して搬送される補足燃料を燃やす工程を更に含んでいる請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記キルン内に空気が注入される部位よりもキルン内のガス流に関して下流側に置かれた回転容器内のポートを通して搬送される補足燃料を燃やす工程を更に含んでいる請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記補足燃料搬送ポートよりも前記キルン内のガス流に関して下流側にある一点で、毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から毎秒約１０００フィート（約３００ｍ）の速度で回転容器内に空気を注入して、鉱物床と燃焼中の補足燃料の両方から放出されたガスを一次バーナーからの燃焼ガスと混合する工程を更に含んでいる請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記補足燃料搬送ポートよりも前記キルン内のガス流に関して下流側にある一点で、毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から毎秒約１０００フィート（約３００ｍ）の速度で回転容器内に空気を注入して、鉱物床と燃焼中の補足燃料の両方から放出されたガスを一次バーナーからの燃焼ガスと混合する工程を更に含んでいる請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
前記キルン内への空気の注入速度は、キルン作動中に必要となる総燃焼空気の質量の約１％から約１０％である請求項３６に記載の方法。
【請求項４３】
前記キルン内への空気の注入速度は、キルン作動中に必要となる総燃焼空気の質量の約１％から約１０％である請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
前記キルン内への空気の注入速度は、キルン作動中に必要となる総燃焼空気の質量の約１％から約１０％である請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】
前記注入空気の前記所定経路は、前記回転容器を通って流動する燃焼ガスに回転運動量を付与するのに有効である請求項４０に記載の方法。
【請求項４６】
前記ノズルは矩形断面または楕円形断面の開口を備えている請求項３２に記載の方法。
【請求項４７】
鉱物供給材料からセメント焼成物を製造するための予備焼成装置付きセメントキルン内において、ＮＯｘ放出を低減するとともにエネルギー効率を向上させる方法であって、この予備焼成装置付きキルンは、一次バーナーにより加熱される回転容器部と、二次バーナーにより加熱される静止予備焼成容器部とを有しており、一次バーナーと二次バーナーの各々に、制御された量の予備加熱された燃焼空気が供給され、一次バーナーからの予備焼成装置付きキルン燃焼ガスは回転容器と予備焼成装置の容器部とを通ってから、鉱物供給材料と向流状態で連絡される一連のサイクロンに流入し、該方法は、燃焼空気総量の約１％から約７％に対応する質量流量で、また、毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から毎秒約１０００フィート（約３００ｍ）の速度で、第１のサイクロンの前の一点でキルンの予備焼成装置部に圧縮空気を注入する方法。
【請求項４８】
前記圧縮空気は２個以上のノズルを通して前記予備焼成装置の容器部内に注入される請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記空気は、前記予備焼成装置の容器部内に注入される前に、約４０ｐｓｉ（約２８０ｋＰａ）から約１５０ｐｓｉ（約１０３０ｋＰａ）の圧力まで圧縮される請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
前記ノズルは前記予備焼成装置の容器部内に方向付けられて、予備焼成装置の容器部内におけるガスの横断面方向の混合処理を最適化するようにした請求項４８に記載の方法。
【請求項５１】
前記ノズルは前記予備焼成装置の容器部内に方向付けられて、容器内の乱流を促進するようにした請求項４８に記載の方法。
【請求項５２】
前記ノズルは前記予備焼成装置の容器部内に方向付けられて、容器内の回転流を促進するようにした請求項４８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
＜＜発明の属する技術分野＞＞
本発明は、鉱物処理キルン、とりわけ、熱処理の間にその処理されている鉱物がガスを放出するキルンの作業効率の向上と、そこからの排出物の低減とを目的とする方法および装置に関するものである。より詳細には、本発明は、高速／高エネルギーの空気をキルンガス流中に注入し、ガス流の各種成分を混合し、放散されて鉱物床を覆うガスを発散させながら、加工途中の鉱物の熱伝達の効率を高めると同時に、キルンガス放出流中の汚染物質を低減することができるようにする処理に関連する。
【０００２】
＜＜発明の背景及び発明の概要＞＞
セメントを製造するのに広範に利用されている商業的プロセスでは、セメントの原材料を乾燥させ、か焼処理し、焼成処理するというそれぞれの工程は、各種の石灰質鉱物、シリカ、アルミナなどの細分割された原材料に、加熱した傾斜型の回転容器すなわちキルンを通過させることにより達成される。従来型の長形乾式処理用または長形湿式処理用のキルンとして公知であるものの中でも、全鉱物加熱処理は、通常は「回転容器」と称される加熱した回転するキルンシリンダ内で行われる。回転容器は、通例は、直径が１０フィート（約３．１ｍ）ないし１５フィート（約４．６ｍ）、長さが２００フィート（約６１ｍ）ないし７００フィート（約２１３ｍ）あり、容器が回転すると、キルンシリンダの上端に供給された原材料が、重力の影響下で、より下部の「火入れされた」端部に向けて移動させられ、この部分で、最終焼成処理が行われ、また、セメント焼成物製品が排出されて冷却処理とそれより後段の処理に付される。キルンの火入れ焼成処理区域におけるキルンガス温度は約１３００℃（およそ華氏２４００度）から約２２００℃（およそ華氏４０００度）の範囲にわたる。キルンガス吐出温度は、いわゆる湿式処理用のキルンの上部鉱物受容端においては約２５０℃（およそ華氏４００度）から３５０℃（およそ華氏６５０度）程度の低さである。乾式処理用の回転キルンの上端では、キルンガス温度は１１００℃（およそ華氏２０００度）に達する。
【０００３】
一般に、回転キルン内でのセメント製造処理は、原材料が低温ガス吐出口鉱物供給端から回転キルン容器の火入れされた焼成処理出口下端まで流動するのに、幾つかの段階を踏んで行われるものと、当該技術の熟練者ならば考える。鉱物材料は、キルンの全長を下流へ向けて移動するほど、より高いキルンガス温度を受けるようになる。従って、キルンガス温度が最低となるキルンシリンダの上部では、加工途中の鉱物材料は、まず、乾燥処理／予備加熱処理を受けてから、キルンシリンダの下流に移動し、最終的には、温度は焼成処理温度まで上昇している。鉱物が焼成処理を受けている（すなわち、二酸化炭素を放出している）キルンの長さは焼成処理区域分であるとされる。加工途中の鉱物はキルンを下流に移動して、最後には、ガス温度が最高となる区域、すなわち、キルンシリンダの火入れ下端に位置する焼成処理区域に入る。キルンガス流は鉱物原材料の流れと反対方向に流動し、焼成処理区域から中間焼成処理区域と鉱物乾燥処理／予備加熱処理の区域を通ってからキルンの上部ガス吐出口端を出て、キルン集塵システムに入る。キルンを通るキルンガスの流れは、キルンガス排気流に設置された通風誘導ファンにより或る程度までは制御することができる。ここ１０年から２０年にわたり、予備加熱処理／予備焼成処理用のセメントキルンは、従来の長形キルンよりもエネルギー効率が相当に高いことが分かっている。予備焼成処理用のキルンでは、供給原材料は静止逆流式の予備焼成処理容器内では焼成温度まで加熱され、その後、加熱された回転容器に投下されて、より高温の焼成反応を生じるようにされる。
【０００４】
環境への配慮と排出基準の規制強化とに応じて、鉱物処理産業界は、セメントおよび他の鉱物用の処理キルンからの排出物を低減するための重要な研究開発への努力に投資してきた。本発明は、セメントおよびライムストーンのような熱処理された鉱物生成物を製造中の熱効率の向上とガス状汚染物質の低減とを図る方法および装置を提供する。
【０００５】
本発明は、長形鉱物処理用のキルンと、セメント製造において、セメント焼成物をエネルギー効率よく製造する目的で既に認知されている特定のキルンとの両方についての応用例を見出している。本発明は、補足燃料の排出物を低減するとともに、そのエネルギー効率を向上させるという形の利点を提供し、この場合、タルコナイト、ライムストーン、セメントの原材料、粘土などの（これらに限定されないが）ガスを放出する鉱物の熱処理により、軽量の骨材を製造することを図っている。
【０００６】
本発明の一態様では、高エネルギー／高速の空気がキルンガス流中へ注入されて、処理が進むにつれて気体を放出する鉱物の熱処理中に、キルンガスの成層化を弱める、或いは、排除する。
【０００７】
本発明の別な態様では、キルンガス混合エネルギーは、回転容器内のキルンガスに回転運動量を付与するべく計画された態様で空気を高速で回転キルン内に注入することにより、キルンガス流に伝達される。高速空気を注入することが鉱物処理キルン内で横断面方向への混合作用を促進するように働き、鉱物床へのエネルギー伝達を容易にすることによりエネルギー効率が向上し、また同時に、かかる空気注入が一次燃焼区域における燃焼の化学量論と温度プロファイルを変化させることが明らかとなった。
【０００８】
本発明の一態様によれば、回転キルン内の鉱物処理中にＮＯｘ排出物を低減するとともにエネルギー効率を向上させる方法が提供される。キルンは傾斜型回転容器を備えており、該容器は一次バーナー、回転容器下端の燃焼空気取入口、および、鉱物供給原材料を導入するための上端を有している。この方法によって見出された特定の用途は、回転容器内の鉱物床の鉱物がキルン内における熱処理中にガス放出化学反応を受けるというものである。この方法は、毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から約１０００フィート（約３００ｍ）の速度で、通例は、約０．１５気圧よりも高い固定圧を供与する空気加圧源から回転容器内に空気を注入する工程を含んでおり、本発明の一態様では、キルンガスと鉱物との間の温度差が最大となる、回転容器の下半分の長さに沿った点において、鉱物から放出されたガスを一次バーナーからの燃焼ガスと混合するよう図っている。注入空気の質量流量は、キルンにより使用される燃焼空気の質量流量の約１％から約１５％の間である。
【０００９】
一実施形態では、空気が回転容器に注入される際に、回転容器壁のポートから回転容器内へと延在し、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ノズル内で終端している空気注入管を通して行うのが好ましい。通例は、回転容器の壁から約Ｈないし約２Ｈの距離で回転容器内に設置された２本以上のノズルを通して、空気は回転容器内に注入されるが、ここでは、Ｈは容器の鉱物床の最大深さである。注入空気の所定の経路は、回転容器を通って流動する燃焼空気に回転運動量を付与するように方向設定されているのが好ましい。本発明の一態様では、この方法は、空気がキルン内に注入される点から、キルン内のキルンガス流に関して下流側の回転容器内に搬送された補足燃料を燃焼させる工程を更に含んでいる。本発明のまた別な実施形態では、この方法は、補足燃料搬送ポートから、キルン内のガス流に関して下流側の点において毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から約１０００フィート（約３００ｍ）の速度で回転容器内に空気を注入し、鉱物床と燃焼している補足燃料の両方から放出されているガスを一次バーナーからの燃焼ガスと混合する工程を更に含んでいる。キルン内への空気の注入率は、キルン作動中の単位時間あたりの所要の燃焼空気全体の質量の概ね約１％から約１５％であり、もっと典型的な例では、約１％から約７％である。本発明の１つの特定の実施形態では、空気注入ノズルは、例えば、矩形断面または楕円形断面の開口よりも大きいアスペクト比の開口を有している。
【００１０】
本発明の別な態様では、予備加熱装置／予備焼成装置（ＰＨ／ＰＣ）のセメント用キルンについてＮＯｘ排出物を低減するとともに燃焼効率を向上させる方法が提供される。予備焼成装置キルンは、一次バーナー燃焼区域を備えた回転容器部と、二次バーナー燃焼区域を備えた静止予備焼成装置容器部とを有している。一次バーナーと予備焼成装置容器部各々に、予備加熱された燃焼空気が供給され、その供給量は制御されている。動作中は、一次燃焼区域からの燃焼ガスは回転容器および予備焼成装置容器部を通り、鉱物供給材料と向流状態にある一連のサイクロンに流入する。特定のキルンに適用されるような本発明の方法は、キルンが必要とする単位時間あたりの燃焼空気全体の約１％ないし約７％に対応する質量流量で、第１サイクロンの前の点に位置するキルンの予備焼成容器部に圧縮空気を注入する工程を含んでいる。空気は、２個以上の空気注入ノズルを通る毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から約１０００フィート（約３００ｍ）の速度で注入される。一実施形態では、空気は、予備焼成装置容器部内に注入される前に、平方インチあたり約４ポンド（約２８ｋＰａ）から約１５０ポンド（約１０３０ｋＰａ）の圧力へ圧縮され、より典型的な例では、約４０ポンド（約２８０ｋＰａ）から約１００ポンド（約６９０ｋＰａ）の圧力に圧縮される。ノズルは予備焼成装置容器内に方向設定されて、含有ガスと流体化された鉱物との横断面方向の混合を最適化するのが好ましい。一実施形態では、ノズルは容器内に乱気流を促進するように設置され別な実施形態では、ノズルは容器内で回転流またはサイクロン流を促進するように、予備焼成容器内へ方向設定される。
【００１１】
本発明の代替の実施形態では、改良された予備焼成装置のセメント用キルンが提供されるが、この改良例は静止予備焼成装置容器内または外に設置された空気注入ノズルと、圧縮空気をノズルに搬送するとともに、毎秒約１００フィート（約３０ｍ）ないし約１０００フィート（約３００ｍ）の直線速度で容器内に搬送する手段とを備えている。改良型のキルンは、予備焼成装置容器に圧縮空気を搬入するように設置された複数のノズルが装着されているのが好ましい。
【００１２】
本発明のまた別な実施形態では、改良によりＮＯｘ排出物を低減させるとともにエネルギー効率を増大させる動作を行う鉱物処理キルンが提供される。このキルンは傾斜型回転容器を備えており、該回転容器は一次バーナーと、容器の下端の燃焼空気取入口とを有している。このキルンは、熱処理中にガス放出化学反応を受ける鉱物の熱処理への特定の応用例を見出している。このキルンは改良により、毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から約１０００フィート（約３００ｍ）の速度で回転容器内に空気を注入する空気注入管を有している。注入管は容器の壁のポートから延びて回転容器に入り、容器の所定経路に沿って注入空気を方向付けるノズルで終端している。ポートは、回転容器の下半分の長さに沿った点に配置されて、鉱物床から放出されたガスを一次バーナーからの燃焼ガスと混合させる。キルンの別な改良例は、空気注入管と空気流により連絡状態とされているファンまたはコンプレッサと、キルン内への空気注入速度を調節する、ファンまたはコンプレッサ用の制御装置とを有している。ファンまたはコンプレッサは、固定式であるとともに、例えば、容器の回転中にポートの経路と整列された環状プレナム等を介して容器の壁のポートと空気流連絡状態にあるようにされてもよい。代替例として、ファンまたはコンプレッサは回転容器の壁に取付けられて、キルン内への直接的な空気注入を図ってもよい。周方向パワーリングを介して容器の表面に取付けられたファンまたはコンプレッサに動力が伝達される。
【００１３】
改良型の鉱物処理キルンに更に改良を加えて、回転容器内に空気を注入する２個以上の空気注入管を設け、この場合、注入管の各々は、容器の所定の経路に沿って注入空気の方向を設定するノズルで終端しているのが好ましい。回転容器内で回転容器の壁から約Ｈから約２Ｈの距離に１本または複数本のノズルが設置されるのが好ましいが、ここでは、Ｈは回転キルン容器内の鉱物床の最大深さである。空気注入ノズルは、各ノズルからの注入空気所定経路が回転容器を通って流れる燃焼ガスに回転運動力を付与するよう作動するように設置されるのが好ましい。
【００１４】
空気注入管は、ポートから回転容器内に延びて、ポートの位置では回転容器との接線に垂直になり、キルンガス流に回転運動量を付与するように選択された容器内の所定経路に沿って注入空気を方向付けるノズル内で終端するように取付けることができる。代替例として、注入管（単数または複数）は、回転容器のポートから延びて、ポート位置では接線に対して鋭角で容器に入り、また、管の端部を通って延びている回転容器の半径方向ラインには概ね垂直に入る。このように構成された空気注入管は、キルンガス流を横断する向きに注入空気を方向設定し、注入点においてはキルンガス流に回転運動量を付与するように作用する。一実施形態では、注入管の開口は、１より大きいアスペクト比を有するように形成される。
【００１５】
注入管は、加圧空気源と連絡するのが好ましく、好適には約０．１５気圧を越える、或いは、約０．２０気圧を越えるような静圧差を供与することができるファン、送風機、または、コンプレッサと連絡するように形成される。ファン、送風機、または、コンプレッサは、１ポンド（約０．４５ｋｇ）の注入空気あたり約１ワット毎時から１０ワット毎時（１ポンド（約０．４５ｋｇ）のキルンガスあたり約０．１ワット毎時から約１ワット毎時に対応する）の運動エネルギー入力で、キルンに継続的に注入空気を搬入するのに十分なだけの寸法が設定され、動力が付与されている。空気注入ノズルの開口の寸法は、付与された静圧で容器内に注入される空気の質量流量が約１％から約１５％になるように、より好ましくは、約１％から約１０％、或いは、約１％から約７％になるように選択され、この場合、空気は静止予備加熱装置／予備焼成装置部内に注入される。注入空気の直線速度は、通例は、毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から毎秒約１０００フィート（約３００ｍ）の範囲である。
【００１６】
一実施形態では、改良された鉱物処理キルンは、補足燃料搬送ポートと、ポートから延びて、注入管の位置よりキルンのガス流に関して下流側にある容器上の一点で容器に入る管とを更に備えている。このキルンは更に改良されて、空気注入管とガス流連絡状態にあるファンまたはコンプレッサの影響下で高速で回転容器内に空気を注入する１個以上の別な空気注入管を有するようにされてもよい。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するノズルで終端する。空気注入管は、補足燃料搬送ポートよりキルン内へのガス流に関して下流側にある回転容器上の一点に配置され、鉱物床および燃焼中の補足燃料から放出されたガスを一次バーナーからの燃焼ガスと混合する。ファンまたはコンプレッサには、下流側の空気注入点でキルン内に注入する空気の流速を調節する制御装置が設けられている。
【００１７】
本発明のまた別な態様では、補足燃料を燃焼させるように改良を加えられた長形の回転セメントキルンからの放出ガス流中のＮＯｘを低減する方法が提供される。動作中のキルンは、その長軸線を中心に回転する傾斜型円筒状容器を備えている。この容器は、その下端で一次バーナーにより加熱され、その上端で原材料が充填される。キルンガス流は、一次バーナーと、容器の上端を通る燃焼空気取入口とを有している加熱された容器下端から流出する。加工途中の鉱物材料は、回転容器の最上部の乾燥区域からのキルンガス流に対する容器内の逆気流に乗って、重力の影響下で最大深さＨで流動する鉱物床を形成する。鉱物床は中間焼成区域を通ってから高温の焼成区域に流入した後に、セメント焼成物として容器下端を出る。補足燃料は、ポートと、容器壁のポートと連絡状態にある投下管とを通って容器内に充填され、焼成区域の少なくとも一部と同所共存している二次燃焼区域で焼成中の鉱物と接触して燃焼する。キルンからの放出ガス流中のＮＯｘを低減する本発明の応用例は、容器内のポートから延びて、容器内の所定の経路に沿って注入空気を方向付けるノズルで終端する空気注入管を通して、毎秒約１００フィート（約３０ｍ）から毎秒約１０００フィート（約３００ｍ）の速度で空気を注入する工程を含んでいる。空気注入ポートは、焼成区域のキルンガス流に関して下流側にあって、かつ、焼成区域の上端のキルンガス流に関して上流側である一点に配置される。空気注入ノズルは容器の壁から約Ｈないし約２Ｈの距離で容器内に設置され、注入空気の所定の経路は、容器の回転軸線に平行な線分について４５度を越える角度を設け、注入点から発して容器内の鉱物供給材料を通って延びているのが好ましい。容器内への空気の注入速度は、キルン運転中に単位時間ごとに使用される燃焼空気全体の質量の約１％ないし約１０％になるように制御される。
【００１８】
＜＜発明の実施形態の詳細な説明＞＞
本発明によれば、空気が鉱物処理回転キルンに注入され、キルン内のガスにエネルギーを伝達し、横断面方向への混合作用を達成する。この発明は、軽量骨材用の各種キルンのような、ライムストーン、セメントの原材料混合物、或いは、粘土を処理するキルンや、タコナイトキルン等の、作動中は処理が進むにつれてガスを放出する鉱物を処理するキルン内において複数ガスの成層化を排除する目的で空気の注入をもたらす。注入空気の主たる目的は、エネルギーを供与して、加工途中の鉱物から放出された複数ガスをキルンの燃焼区域から来る複数燃焼ガスと混合することであり、従って、本発明について特に指定される多数の要素が存在するが、これらは全部または一部が協働して、本発明を広範な鉱物処理キルンについて利用することで実現される利点をもたらすキルンガスの横断面方向の混合という効果を達成する。
【００１９】
本発明は、キルン内のガスの成層化を減じる、或いは、排除する目的で、空気を注入することを説明する。典型的なキルンは、８フィート（約２．４ｍ）から２０フィート（約６．１ｍ）を越える程度までの直径を有し、長さ対直径比は１０：１から４０：１またはそれ以上である。焼成される一般的な鉱物としては、ポルトランドセメントの原材料、粘土、ライムストーン、タコナイト、および、これら以外の、熱処理されて、加熱時にガスを放出する鉱物材料がある。本発明における注入空気の目的は、エネルギーを供与して横断面方向の混合処理を行うことであり、空気は、燃焼用の酸素を提供する機能はほとんど無く、あったとしてもとるに足りない。セメントおよびライム用のキルンのような鉱物処理キルンについては、排出ガス中の酸素含有量を実用できる程度の低レベルに抑えながら、しかも、かなりの量の一酸化炭素または二酸化硫黄の生成を回避することは珍しくない。この態様で作動させて熱効率を最大化することが望ましい。少なすぎる燃焼空気で作動させることで燃料の不完全燃焼を生じたり、或いは、過剰な燃焼空気での作動により熱損失が増大するなど、熱効率は逆効果を蒙ることがある。
【００２０】
燃焼空気を導入して、キルンから排出された処理済鉱物生成物から熱を再生する回収熱交換器による鉱物処理を行うのが望ましい。入来する燃焼空気で再生される熱はこの処理のために供給される総エネルギーの相当な部分にあたる場合もある。一次燃焼区域以外の部位でキルンガス流に大気を注入することは、熱回収にマイナスの影響を与えるから、普通は好ましいと思われないが、本来的には、注入空気は、回収熱交換器により取り出される燃焼空気の代用とされる。
【００２１】
焼成用キルンのコンピュータモデル化で、処理中の鉱物により放出されるガスはキルン内で成層化されたままであることが判明した。向流式鉱物処理キルンの鉱物排出端において一次燃焼区域から来る高温ガスと比較した場合、放出されたガスは温度が遥かに低く、分子重量も密度も遥かに高いことが多い。この密度差の結果として、上述の放出ガスはキルンの底に残留する。焼成中の鉱物から放出されたガスに加えて、鉱物供給材料から放散されるか、或いは、キルンの中間部に推移する工程に添加される燃料として放出される燃焼可能な物質が存在することもある。放出ガスは、キルンガス流の上層レベルにおいては、ガス中の酸素含有物からこれら燃焼可能な物質を覆い隠して遮蔽する。低温ガスのこのような覆いは、鉱物床が高温の燃焼ガスと直接接触することも遮る。よって、この工程は間接加熱法を利用するために必要となる。キルン壁は高温の燃焼ガスにより加熱され、キルンの回転の結果、高温の壁が鉱物床と接触する。本発明により、処理空気全体のうち僅かな部分、すなわち、１５％に満たない部分が、キルン内のキルンガス流の運動量に回転成分を生ずるような態様で、回転容器内に注入される。この回転成分の結果として、キルンの最上部に沿って移動中のガスを焼成中の鉱物の床まで降下させ、低温の放出ガスの覆いを押し退けさせる。このように高温ガスを鉱物床と接触させることで別な伝達機構を付加し、従って、キルンに対するこの処理の熱効率を向上させる。
【００２２】
注入空気の運動エネルギーと、その結果として生じる回転運動量とにより、放出されたガスは高温の燃焼ガス、これらのガスから出た残留酸素、および、注入空気と混合される結果となる。このような横断面方向の混合作用の結果、ガスの覆いに含まれていた燃焼可能な成分の酸化が生じる。従って、一酸化炭素、二酸化硫黄、および、炭化水素のような不燃成分の放出が、所与の余剰空気レベルでは低減させることができる。あるいは、先の放出レベルを余剰空気を低下させたレベルに維持し、プロセス効率の向上を生じることもできる。熱伝達のこの新規な機構と、より低い余剰空気の利点は、回収熱交換器をバイパスする空気の一部から生じる負のエネルギー回収衝撃を軽減する。
【００２３】
本発明の空気注入機構は、キルンに沿って、燃焼ガス温度と鉱物床の温度との間にそれほどの差が存在しない点に置かれる。通例は、この点は、実用可能な限り燃焼区域に近接した位置であって、およそ華氏２８００度（約１５４０℃）と予測される装置の稼動温度制限により、混合作用発生後に燃焼できるようにするのに適した華氏にして約１６００度（約８７０℃）から約１８５０度（約１０１０℃）の温度により制限される焼成区域の低温端の位置に限定される位置となる。本発明の一実施形態では、空気注入管は回転容器の温度の高い方の半分（下半分）に配置される。回転キルン内で焼成される大方の鉱物の性質を考慮すると、焼成区域に当該装置を設置して成層を拡散させて排除することにより、上記利点も得られる。この装置はまた、鉱物がほぼ完全に焼成される下端に置くことで、加工途中の鉱物の上に高密度の気体の覆いが形成されるのを途絶させることができる。多数の空気注入管は、周方向に配置されるものであれ、軸線方向に配置されるものであれ、或いは、軸線方向と周方向の両方に配置されるのであれ、キルンに設置することができる。空気注入管は、各々を独立してファン、送風機、或いは、コンプレッサに接続してもよいし、或いは、加圧された多岐管と注入流が連絡する状態にあるようにしてもよい。
【００２４】
注入空気中に含有された酸素分を利用して、酸化窒素を抑える目的で段階的燃焼を設けることも可能である。燃焼空気について先に留意したような損失エネルギーの回収のため、鉱物処理用の回転キルンにおける段階的燃焼は先のような高エネルギーについての短所のせいで実用的ではない。焼却炉またはコークス処理用のキルンのような回転式キルンは段階的燃焼を実施することもできるが、かかるキルンは排出生成物中に多量の回収可能なエネルギーを有してはおらず、よって、鉱物処理キルンの機能上の制約を有してはいない。また、燃焼効率が向上しているせいで、完全燃焼を達成するのに要する余剰空気の量は少ない。キルン内での混合作用が向上し、またその結果、燃焼成層が無いため、プロセスでの所要エネルギーを過度に乱してはいない余剰空気の量で段階的燃焼を達成することができるようになる。空気を高エネルギーで注入して横断面方向の混合を実施することで、排出物制御を目的とした鉱物処理キルン内における段階的燃焼を採用することができるようになる。
【００２５】
図１から図４を参照すると、鉱物処理キルン１０は円筒状の壁１４、下部燃焼空気取入口端／バーナー端１６、および、上部ガス出口端１８を有している回転容器１２を備えている。動作中は、鉱物供給原材料２０がガス出口端１８に搬送され、回転容器１２の回転に伴って、鉱物床がガス出口端１８から空気取入口端／バーナー端１６に向けて移動し、燃焼生成物に向けて向流を流動させてキルンガス流を形成する。バーナー２４には一次燃料源２６が供給され、燃焼空気は回収熱交換器３０からフード２８を通して吸気され、燃焼空気取入口端部１６に入る。処理中の鉱物は燃焼空気取入口端部１６を出てから、回収熱交換器３０に搬送される。ファン、送風機、または、コンプレッサ３４と空気流連絡状態にある１個以上の空気注入管３２は回転容器１２の全長に沿った、鉱物床２２の加工途中の鉱物が焼成中である点か、或いは、キルンガス流と鉱物床の間の温度差が最も極端である点に配置され、すなわち、回転容器１２の下半分の、ガス出口端１８よりも燃焼空気取入口端／バーナー端１６の最も近位にある部分に配置されるのが典型である。キルンガス流に回転運動量を付与するように設計された経路に沿って注入空気を方向設定するように配置されたノズル２６として、空気注入管３２は回転容器で終端する。本発明の一実施形態では、ノズル３６の開口３８は１を超えるアスペクト比を有している（矩形断面の開口を例示している図８ａおよび図８ｂを参照のこと）。
【００２６】
図３および図４を参照すると、鉱物処理キルンは更に改良することで、補足燃料源４０から燃料搬送装置４２を通して搬送されて回転容器に入る補足燃料を燃焼させ、鉱物床２２の加工途中の鉱物と接触しながら燃えるようにすることができる。本発明の一実施形態では、燃料搬送装置４２と燃焼空気取入口端／バーナー端１６との間の一点でキルンガス流に回転運動量を付与するように、空気が注入される。補足燃料搬送装置４２とガス出口端１８の間の回転容器１２上の１個以上の別な点において、空気が注入されるようにしてもよい。
【００２７】
図５および図６を参照すると、２個以上の空気注入管３２が回転容器１２の円筒状壁１４の周方向に（或いは、軸線方向に）配置される。加圧空気は、多岐管４６により空気流連絡状態にあるファンまたは送風機３４により、注入管に搬送される。代替例として、図７に描かれているように、注入管ごとに送風機またはファン３４に直接的に接続されて、キルンガス流中に高エネルギー／高速空気を伝達することができるようにしている。空気注入管３４は、高エネルギーの注入空気５０を回転容器内に向けることでキルンガス流に回転運動量を付与するようにしたノズルの形態で、鉱物床２２の上面と回転容器１２の回転軸線との間のキルン内の一点で終端している。
【００２８】
図９ｂを参照すると、高エネルギー空気をキルン内に注入して、キルンガス流に回転運動量を生じることにより、キルン内で燃焼中の補足燃料要素５２は常にその燃焼生成物が取り除かれ、混合キルンガスと接触して、燃焼およびエネルギー伝達にとって最も好ましい条件を提供するようになる。
【００２９】
図１４および図１５を参照すると、キルンガス流中に回転運動量を付与するのに有効な高エネルギーの混合用空気を注入することで、例えば、鉱物床２２の鉱物を焼成することで生じた成層を散逸させるよう作用する。通常は鉱物床２２を覆っている一層高密度の二酸化炭素層を除去または散逸させると、キルンガス流と回転容器１２の円筒状の壁１４からの放射エネルギーが鉱物床に到達し、キルンガス流と最終工程に付された鉱物との間で一層効率的なエネルギー伝達を行えるようにすることができる（図１６を参照のこと）。
【００３０】
予備加熱装置／予備焼成装置のキルンの静止部分の多様な形状を例示している図１７から図２０を参照すると、高圧空気を静止部内に注入して、静止部分を通って流動するガス流中に乱気流または回転運動量のいずれかを生じさせる点７０が示されている。従って、空気は、例えば、圧縮装置から予備加熱装置／予備焼成装置のキルンの静止部の壁に配置された１個以上のノズルを通して高圧／高エネルギーで注入され、混合エネルギーを供与するのに伴い、結果として、このような予備焼成器具における成層化および局所的な燃焼の不均一性と関連する汚染物質を低減する。
【００３１】
図２１および図２２を参照すると、本発明の一実施形態では、キルンガス流を監視して回転容器１２のガス出口端１８またはその付近の排出物含有量／プロファイルを得ることで、空気注入制御装置、および、蒸気または燃焼排ガスをキルンガス流中に注入してキルンガス流に熱的バラストをもたらすための制御装置などの、キルン用の１個以上の制御装置に入力する排出物プロファイルの特性を表す信号を与える。
【００３２】
図２３に例示された本発明の一応用例では、空気注入ユニット３１が予備加熱装置／予備焼成装置のキルンペン（ｋｉｌｎ ｐｅｎ）の回転容器１２のガス出口端１８における２種のキルン径の内側に設置される。空気注入点におけるキルンガス流の温度は、およそ華氏２２００度（約１２００℃）から約１８００度（約９８０℃）である。補足燃料５８は燃料源６２に接続された補足燃料搬送管６０から噴霧され、回転容器１２のガス出口端１８における各種の高エネルギー注入空気が混合されたキルンガス流に還元条件を作り、予備加熱装置／予備焼成装置のキルンからのＮＯｘ排出物の低減を実施している。
【００３３】
＜＜実施例１＞＞
＜段階的燃焼＞　　　＜ライムキルン＞
段階的燃焼は、幾つかの手段により達成することができる。例えば、キルンは、燃焼に必要となる量より約０％から５％超過した空気で稼動する。このレベルの余剰空気では、幾らかの残留一酸化炭素および二酸化硫黄が生成される。燃焼区域に送る余剰空気を更に低減することで窒素酸化物の形成を低下させた結果、燃料の不完全燃焼のために、一酸化炭素および二酸化硫黄の望ましくない放出や、熱効率の損失を生じることになる。本発明の装置を取付けて、プロセスに与えた燃焼空気全部の１０％を注入することにより、一次燃焼区域において利用できる空気は、燃料を完全燃焼させるのには不十分となり、この区域を離れるガスは、不完全燃焼の生成物である、かなりの濃度の一酸化炭素および他種の気体を含有している。不完全燃焼の生成物は利用できる酸素を好適に引きつけるので、或いは、窒素酸化物から酸素を引きつけることさえ可能であるため一次燃焼区域は高温のままであるけれども、窒素酸化物は低減される。
【００３４】
総空気流量は燃焼に必要とされる量の１００％から１０５％であるので、キルン中程における１０％の注入の結果として、一次燃焼区域における所要の燃焼空気の９０％ないし９５％しか生じない。利用できる酸素が入手可能となった時に迅速に燃焼を完了するのに十分なだけの温度を保っているものの、窒素酸化物を生成する程には高温ではないキルンの温度区域において、追加空気が注入される。燃焼空気の１０％が、キルン内で燃焼ガスを横断面方向に混合させるのに十分なエネルギーで注入される。この結果、燃焼に必要な量を０％ないし５％超過した空気を生じ、残留一酸化炭素および二酸化硫黄を最小限に抑える。この混合用の区域は一次燃焼区域ほどの高温ではなく、そのため、この区域に目下のところ余剰酸素が存在していたとしても、窒素酸化物は形成されない。
【００３５】
＜＜実施例２＞＞
燃焼効率を向上させるために混合用空気を利用することは、キルン中央部における火入れに関連した混合用の空気の用途を請求項に記載している米国特許第５，６３２，６１６号に説明されている。高エネルギー空気を正接方向に注入する態様を利用してキルン内の大量ガスに回転成分を生じさせることで、燃料注入点の上流側（下り）で注入が生じると、混合用空気の効率が向上する。
【００３６】
＜＜実施例３＞＞
混合用の空気という概念は、キルン内のガスの成層化を認識した結果として発展した。キルン中央部の燃料に由来する重い二酸化炭素と熱分解ガスはキルンの底で層状化されたままであり、酸素を含有する高温ガスは最上部で層状とされる。
【００３７】
混合用の空気を注入する方法により得られる横断面方向の混合作用により、装置が燃料注入点の下流側（上り）に設置された場合に、不完全燃焼の残留生成物を燃え尽きさせることができる。窒素酸化物を低減するためには、各種気体が未だ酸素中に欠乏している時にそれら気体の横断面方向への混合を実施させることも不可欠である。よって、混合空気システムはキルン中央部の火入れ点よりも上流側（下り）に取付けられてキルンガスに回転運動量を付与することで、キルンガス全体にわたって、燃焼して熱分解中である燃料の噴流を混合させている。
【００３８】
理想的なキルンシステムは２つの空気注入システムを備えていることになるが、一方はキルン中央部の燃料注入より上流側に在って、キルンガスが未だ酸素中に消費されている間に横断面方向の混合を行わせ、他方は下流側に在って、注入空気と横断面方向に混合を行わせ、不完全燃焼の残留生成物なら何でも、完全に燃焼させる。
この具体例は、還元区域における燃焼を完了するのに十分な量よりも燃焼空気が５％少ないことを暗示している。実際には、燃焼空気中でわずか１％または２％不足しているだけで、放出窒素酸化物を抑制するには十分となるものと予測される。
【００３９】
＜＜実施例４＞＞
混合作用を向上させるために注入される少量の高圧空気の利用は、予備焼成装置のセメント用キルンに適用することもできる。予備焼成されたセメントキルンは二次火入れを採用しており、二次火入れ区域の後に幾らかの燃焼空気を導入するように改良することで、段階的燃焼をもたらすようにすることもできる。しかし、かかる改良例はコスト高である。また、予備焼成装置キルンを通して燃焼ガスを移動させるのに要する動力のせいで、これらのシステムは小さな圧力降下を伴って作動するように設計されている。従って、このシステムは、混合作用を最適化するようにも、適切な混合処理を行わせるのに滞留時間を長くするようにも設計されていない。このようなキルンシステムの性能を向上させることができるとすれば、非常に高速（高圧）の混合用空気によりエネルギーを導入することによって実現することができる。約４ｐｓｉ（約２８ｋＰａ）ないし約１５０ｐｓｉ（約１０３０ｋＰａ）、或いは、約４０ｐｓｉ（約２８０ｋＰａ）ないし１００ｐｓｉ（約６９０ｋＰａ）がより典型的である圧力は、かなりの量のエネルギーを導入して短時間のうちに良好な混合作用を生じさせるために利用することができる。非常に高い圧力を利用すれば、燃焼空気の総量のわずか数パーセント（１％ないし５％）だけでエネルギー導入を達成することができる。予備焼成装置システムの全体的な圧力降下を増大させずに、数百馬力のエネルギーを混合処理に投入することができる。回収熱交換器から転移される空気の量を最小限にするために、所要の空気量は限られたままである。混合効率を上げることで、燃焼効率を上昇させることができるようになるとともに、残留一酸化炭素を所望のレベルに至らせるのに要する余剰空気中で還元処理が行える。このように全体の余剰空気中と、一次燃焼区域の後で置換作用により低減した余剰空気中とにおける還元処理の結果、窒素酸化物の生成を最小限に抑えるのに好適である燃焼区域において利用できる酸素量が低下する。混合用空気の置換をより盛んにすると、一次燃焼区域は不足当量的（ｓｕｂｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）となって、高温の回転キルンで生成される窒素酸化物を好適に破壊し、予備焼成装置を通過する大気を生じる。
【００４０】
＜＜混合用空気がプロセスに及ぼす効果＞＞
焼成キルン内部の気体は、燃焼ガスと加工途中の鉱物から放出されるガスとの間の温度差と、その結果生じる密度差に起因して、高度に成層化されている。その結果、高温の燃焼ガスが鉱物床と直接接触することはない。キルン壁を加熱する高温ガスにより熱伝達は間接的に発生し、高温の壁は、キルンが回転すると、鉱物床の下で回転させられる。高温ガスから鉱物床への放射が存在する場合もあるが、このメカニズムは、一次燃焼区域におけるピーク温度より燃焼ガスが温度低下するので、些末ものとなる。キルンガスに回転運動量を付与する態様で高温の空気を注入することで、キルンの上面に沿って移動して鉱物床まで降下して接触する高温の燃焼ガスをもたらすというような、別な熱伝達の機構を付け足すことになる。このような付加的な熱伝達機構は焼成装置の熱効率を向上させるのに役立つ。
【００４１】
プロセスの途中でキルン内に周囲空気を注入することで、燃焼空気中に排出された生成物からの熱を回収させる回収熱交換器からの空気が排除される。回収熱交換器からの空気が減少するとこの回収熱交換器の効率に影響することがあるため、プロセスの途中で添加される混合用空気の量を最小限に抑えるのが望ましい。これにより、混合用空気を高圧で注入して、混合用空気が大量のキルンガスに回転運動力を付与するのに十分なだけの運動エネルギーを有するようにすることが必要となる。
【００４２】
＜＜予備焼成キルンに課される高エネルギー空気噴射の燃料ペナルティー＞＞
一般に信じられていることだが、冷却装置の下流側でセメントプロセスに加熱されていない空気を注入し、その結果として空気を冷却装置から排除させると、熱回収に容認できないほどの損失を生じる結果となる。詳しく吟味してみると、とりわけ高温区域において処理ガスを混合させるプロセスの利益を考慮すれば、このような熱回収の損失は最小限になることが、計算から判明している。計算の示すところでは、理論的燃焼空気の１０％が高エネルギーを利用して回転キルンに導入された場合は、これに対応する質量の予備加熱された空気が排除された結果として、冷却装置からの熱回収の低下は総エネルギー入力量の２％にも満たない。成層化を排除したことを原因とするプロセス効率の潜在的利得は、この熱損失を相殺して余りある。
【００４３】
＜＜予備焼成装置キルンにおけるタイヤの焼却＞＞
タイヤが丸ごと供給材料シュートに導入され、回転容器キルンの上端に転がり込むのに十分な運動量で投下される。予備焼成キルンの回転容器の上端における二次燃焼区域内のタイヤの発火率は、一次バーナーで対応する量だけ燃料を低減する要件によって制約される。この結果として生じる空気対燃料比の上昇は、主火炎の温度低下を生じる結果となり、不適切な火炎温度は約２０％の代替率で発生する。キルン出口におけるガスの成層化の結果として、別な問題が生じる。タイヤは、燃焼を完了するには不適切な酸素しか存在していないキルン容器の底に置かれている。その結果、燃焼可能な可燃性の高いガスが供給材料置き場の上方の入口チャンバーに入り、ここで、キルンの最上部からのガスを含有した酸素との幾ばくかの混合が行われる。この入口チャンバーにおいて生じた燃焼は局所的な高温を生じ、入口チャンバー内で容認できない程に高まる。
【００４４】
高エネルギー空気噴射を利用した場合、回転容器の上端付近において回転運動量を利用して燃焼空気の約１０％までを導入すると、容認できない主火炎温度または温度上昇が無ければ、タイヤ丸ごとの置換率はキルン燃料の３０％まで上昇させることができる。更に、空気噴射による混合作用は、燃えるタイヤによって低減させられた酸素ガスの分布を一層均一にすることで、より効率的なＮＯｘ低減を促進する。キルンガスの混合を向上させることで、入口チャンバー内の容認できない温度上昇の潜在的可能性を最小限に抑えている。
【００４５】
＜＜予備焼成装置出口におけるポリシウス燃料注入によるＮＯｘ制御＞＞
鉱物処理キルンの高温区域において生成されるＮＯｘを破壊する一方法は、下流側の或る点において華氏１８００度（約９８０℃）から２５００度（約１３７０℃）の温度の不足当量区域を設けることである。これは、ポリシウス（Ｐｏｌｙｓｉｕｓ）により説明されているように、キルン出口において炭化水素燃料を導入することにより、好適に実施することができる。この技術の制約は、キルンの出口付近のガスが高度に成層化されているという事実である。キルンの最上部におけるガスは他所より高温で酸素濃度も高く、キルンの底に沿って移動するガスほど低温で、キルンに入ってくる高温中間体（ｈｏｔ ｍｅａｎ）中に残留する炭酸カルシウムに由来する二酸化炭素が豊富で、尚且つ、予備焼成装置から導入された炭素に由来する一酸化炭素も豊富に包含している。
【００４６】
注入燃料の機能は、ダクトの断面に還元区域の均一な分布を達成することによっても向上させることができる。回転キルン内に空気噴射して混合用エネルギーを注入することにより、回転キルン内の層を分散させ、還元区域により均一なガス組成をもたらす。回転容器のガス出口端の近位でキルンの静止部にもさらに高エネルギーの空気噴流を注入することによって注入燃料は更に混合され、その結果還元区域が形成される（図２３を参照のこと）。
【００４７】
＜＜回転キルンにおける熱伝達の向上＞＞
＜ライムキルンの実施例＞
ライムキルンの焼成区域におけるガスは高度に成層化されている。１２フィート（約３．７ｍ）径のキルン（内径１１フィート（約３．４ｍ））では、キルンを通るガス速度は、通例、毎秒３０フィート（約９ｍ）から５０フィート（約１５ｍ）である。焼成ライムストーン床にわたるガス温度は華氏１８００度（約９８０℃）から４０００度（約２２００℃）であり、ライムストーン床と放出される二酸化炭素（分子量４４；これに対して燃焼ガスの分子量は２９）は華氏１５６０度（約８５０℃）の焼成温度である。高温の燃焼ガスと放出された二酸化炭素の間の大きな密度差の結果として、鉱物床は二酸化炭素で覆われたままである。熱伝達は放射によって起こり、また、鉱物床の下で回転させられている加熱されたキルン壁によっても起こる。
【００４８】
キルンガス速度に回転運動量を導入する高エネルギー噴射によって、二酸化炭素の層が焼成材料から拭い去られる結果となる。これにより、高温の焼成ガスが鉱物床と直接接触することができるようになる。目下利用できる、より広い表面積と、燃焼ガスと加工途中の鉱物の間の大きな温度差（キルン壁と比較された場合）のために、熱伝達率は上昇する。このような高エネルギー噴射が形成された層を分散させ、噴射によって誘導された回転運動量が形成層の再形成を阻害する。
【００４９】
高温の、酸素を含有するキルンガスを鉱物床と接触させることにより、二酸化炭素で先に覆われていた床の燃焼可能な成分は、この時点で燃焼させることができる。このような燃焼可能な成分は処理中の鉱物に自然に発生しているのであり、処理に利用されるエネルギーを提供するように導入された固形燃料の結果である。
回転キルンにおける鉱物床に固有発生する層を分散させることにより得ることができる多くの利点が存在する。
【００５０】
＜＜混合用空気の早期適用−二次燃焼区域より下流側における空気注入によるＮＯｘの低減と破壊＞＞
長形湿式または長形乾式のセメントキルンにおけるＮＯｘ低減は、キルン中ほどの二次燃焼区域を利用することで、うまく達成されてきた。１０年ほど前は、キルン中ほどにおける燃料注入技術は他に先駆けて、丸ごとのタイヤのようなエネルギー保有量の高い固形廃棄物材料をセメントキルンで燃やすことができるようにしてきた。この技術の副次的効果の１つは、ＮＯｘ排出物の約３０％減であった。
【００５１】
ＮＯｘ排出物は、セメントを生成するために使用された燃焼プロセスの結果である。セメントを製造するのに要する高温と酸化条件も窒素酸化物を生成する。その結果、キルンは、運転されている間にも、或るレベルのＮＯｘを生成する。生成されたＮＯｘのレベルは多くの要因で決まるが、予測することができる。各キルンごとの内部では、ＮＯｘ排出物レベルの上昇と減少は、通常は、燃焼区域の温度の上昇と下降に関連付けられる。ＮＯｘで表される物質の大半は燃焼区域内部の２種の異なるメカニズムの一方に基づいて形成される。第１のメカニズムは大気中窒素の高温酸化作用であり、第２のメカニズムは燃料中の窒素保有成分の酸化作用である。セメントキルンからのＮＯｘ排出物の大半はサーマルＮＯｘである。一般に、サーマルＮＯｘは、非常に高温の大気中窒素の直接酸化により生成される。この反応は温度感応性が非常に高い。温度が上昇すると、反応速度も上がる。ＮＯｘの第２の源は燃料中の窒素含有成分である。典型的な石炭は、約１．５重量％の窒素を含有している。このような成分は複雑に連鎖する反応を受け、この窒素の一部はＮＯｘに変換される結果となる。このような１組の反応は燃焼プロセス全体を通して一貫しており、温度によっても比較的影響されない。燃料をふんだんに含む火炎は燃料ＮＯｘの生成を減じる傾向にあり、酸素をふんだんに含む火炎は燃料ＮＯｘ生成を増大させ、或いは、それを助ける傾向がある。適切な焼成物の鉱物学に照らした酸化条件が必要となるキルンの焼成区域においては、燃焼プロセスは燃料ＮＯｘの生成を助ける。ＮＯｘを生成するまた別なメカニズムも存在する。普通は、サーマルＮＯｘおよび燃料ＮＯｘと比較して、それぞれの効果はそれほど重要ではない。
【００５２】
キルン中ほどにおける燃料注入システムは、長形湿式または長形乾式のセメントキルンにおいて相当なＮＯｘ低下をもたらすという既に証明済みの来歴がある。このシステムは、燃料の一部が長形湿式または長形乾式のキルンの中央付近に位置している二次燃焼区域で燃やされるという点で、段階的燃焼という既に認知された技術を利用している。キルン中ほどでの燃料注入がセメントキルンに及ぼす効果を研究した後、サーマルＮＯｘ形成メカニズムに及ぼす直接効果があることが判明している。該システムは、ピーク火炎温度を低下させ、そのことは、ＮＯｘ排出率を減少させる他にも、低温の二次燃焼区域において、そこより高温のキルンの区域で生じたＮＯｘを再燃焼させる機会もある。
【００５３】
本発明では、ノズルを通る総燃焼空気のおよそ１０％の注入量は、好ましくは１を超えるアスペクト比を有している開口を備えたノズルを通り、二次燃焼区域の下流側でキルンに入る。その時の速度は高速であり（少なくとも０．１５ａｔｍの、或いは、少なくとも０．２０ａｔｍであるのがより好ましい静圧差をもたらすことができる加圧源に由来する）、キルンガスに回転成分を付与するように、キルンガス流に対して或る角度で入射する。この回転成分はキルン内部で遥かに良好な横断面方向の混合作用を与える。キルンガスを混合させることにより、燃焼効率が向上し、排出物が低減する。混合用空気の注入は、キルン内部の空気流の挙動を変えることにより、ＮＯｘに影響を与える。キルン中ほどの燃料入口点より下流側で混合用空気を空気流に添加することにより、主要火炎と混合用空気のファンとの間の余剰空気の量を変動させることができる。この実施例では、キルン中ほどの燃料は一次バーナーの後の残存する余剰空気を使用するが、キルン中ほどの燃料入口点までに、キルンには余剰空気は全く存在しない。この状況は、ここでは、化学的な脱ＮＯｘの機会を提供している。次いで、混合用空気はキルン内で１０％の余剰空気を添加し直し、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】
【図１】高速の混合用空気を回転容器内に注入することを目的とした、本発明により改良された鉱物処理キルンの部分破断図である。
【図２】図１に類似する破断図である。
【図３】図１および図２に類似する破断図である。
【図４】図１、図２、および図３に類似する破断図である。
【図５】回転容器に高速の混合用空気を搬入する他の実施形態を例示する、本発明により改良された回転キルンの断面図である。
【図６】回転容器に高速の混合用空気を搬入する他の実施形態を例示する、本発明により改良された回転キルンの断面図である。
【図７】回転容器に高速の混合用空気を搬入する他の実施形態を例示する、本発明により改良された回転キルンの断面図である。
【図７ａ】線Ａ−Ａに沿って破断された図７のファンの部分破断平面図である。
【図８】図８ａおよび図８ｂは代替のノズル開口形状を例示する図である。
【図９ａ】高速注入空気を欠いたセメントキルン内の流れパターン（９ａ）を例示した図である。
【図９ｂ】補足燃料（タイヤ）搬送装置（図示せず）の上流側に本発明に従って高速注入空気が存在するセメントキルン内の流れパターン（９ｂ）を例示した図である。
【図１０ａ】高速注入空気を欠いた一次バーナー燃焼（１０ａ）の化学量論比を例示した図である。
【図１０ｂ】１０％の高速注入空気が存在する一次バーナー燃焼（１０ｂ）の化学量論比を例示した図である。
【図１１】図１０に類似しており、１０％の高速空気の注入より上流側でキルンに搬送される１５％の補足燃料で作動されるキルン内の３つの区域における燃焼の化学量論比を例示した図である。
【図１２】図１１に類似しており、キルンを改良することで、補足燃料を燃焼させるとともに、回転容器への燃料搬入点の上流側と下流側の両方で高速空気を注入するようにした、キルン燃料燃焼の化学量論比を例示した図である。
【図１３】図１２に例示されたキルンにおいて高速注入空気がキルンガス流に及ぼす効果を例示した図である。
【図１４】ガス（二酸化炭素）を放出する加工途中の鉱物を包含する回転キルン容器の断面図である。
【図１５】図１４に類似しており、高速空気を回転容器に注入することによりキルンガスを混合させているのを例示した図である。
【図１６】鉱物床から放出された気体の成層が存在しない場合の、加工途中の材料への放射エネルギー伝達を例示した図である。
【図１７】高速空気を注入する点を矢印で示した、高速注入空気で静止容器内の混合作用を促進する、市場で入手できる静止予備焼成容器の形状を例示する図である。
【図１８】高速空気を注入する点を矢印で示した、高速注入空気で静止容器内の混合作用を促進する、市場で入手できる静止予備焼成容器の形状を例示する図である。
【図１９】高速空気を注入する点を矢印で示した、高速注入空気で静止容器内の混合作用を促進する、市場で入手できる静止予備焼成容器の形状を例示する図である。
【図２０】高速空気を注入する点を矢印で示した、高速注入空気で静止容器内の混合作用を促進する、市場で入手できる静止予備焼成容器の形状を例示する図である。
【図２１】図１から図４に類似しており、キルンガス監視動作と、空気注入および空気流の制御装置または流体ガス注入の制御装置を図に表示した、改良により空気注入を図った鉱物処理キルンの部分破断図である。
【図２２】図１から図４に類似しており、キルンガス監視動作と、空気注入および空気流の制御装置または流体ガス注入の制御装置を図に表示した、改良により空気注入を図った鉱物処理キルンの部分破断図である。
【図２３】改良により空気注入と補足燃料搬入を行うことでＮＯｘ低減を図っている予備焼成キルンの回転容器の上端部の部分破断立面図である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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