JP4033500B2 - 燃料をキルンに導入するための方法及びバーナ - Google Patents

Description

本発明は、固体、液体又は気体燃料を、セメントクリンカー又は同様の製品を製造するためのロータリーキルンのようなキルンの燃焼帯域に導入するための（以下、説明した種類の、と称する）方法であって、燃料がダクト（単数又は複数）から導かれ、一次空気が、燃料ダクトとほぼ同心に且つその周りに整列した少なくとも２つの環状ダクトから導かれ、空気ダクトのうちの一方の空気ダクトの中の空気の部分はほぼ軸線方向に流れるが、もう一方の空気ダクトの中の空気の部分は、バーナの中心軸線を中心とする回転成分を有する空気からなり、２つの部分の中の一次空気の量は独立に制御される、前記方法に関する。本発明は又、本発明の方法を実施するためのバーナに関する。
この目的のためのバーナは周知である。もともと、バーナは単に、１本の単一パイプからなり、微粉炭ミールと空気の混合物が単一のパイプからキルンの燃焼帯域に噴射されていた。長い間、他の種類の液体又は気体燃料を導入するための追加のダクトのような特徴の結合でバーナの設計改善が行われた。その上、最新式のバーナは空気の噴射用の１本又は数本の別々のダクトを有し、その結果、少量の一次空気だけが微粉炭と一緒に噴射される。噴射された空気のいくらかに回転運動を与えることによって、キルン内の火炎形状を制御することが大いにできている。
上述した種類のバーナの例が欧州特許第B-0421903号に記載されている。この既知のバーナは燃料導入用の１本又は数本のダクトを有し、燃料導入用のダクトは一次空気を噴射するための２つの環状ダクトによって囲まれている。これらの空気ダクトのうちの最も内方の空気ダクトの環状ノズル開口には、空気に回転運動を与える斜めブレードが設けられる。最も外方のダクトでは、空気はほぼ軸線方向に導かれ、噴射される。ダクトを互いに対して軸線方向に調整することによって両ダクトのノズル領域の調整を行うことができ、且つ２つのダクト内の一次空気の部分を独立に制御することができる。従って、一次空気の流量及び流速並びに回転を受ける一次空気の量を調整する可能性があれば、このバーナで火炎形状の可変性が可能である。しかしながら、この種類のバーナの欠点は、一次空気が２つの別々の環状ノズルから噴射されることにあり、その結果、圧力損失が比較的高く、及び燃焼帯域で一次空気と燃料の混合が効果的に行われにくい。
上述した種類のバーナの第２の例が欧州特許第A-0650012号に記載されている。この既知のバーナも１本の単一の一次空気ダクトで囲まれた燃料導入用の１本又は数本のダクトを有し、一次空気ダクトは一次空気を環状ノズルの中に放出する。空気は多数の可撓性チューブを通してノズルの直ぐ前方に差し向けられ、可撓性チューブは機構によって横向きに曲げることができ、それにより、空気を回転させる。かくして、空気の回転、従って火炎形状を、チューブの曲げ角度を変えることによって及び一次空気の量を変えることによって変化させることができる。一次空気の全てをただ１本のノズルから供給する利点は、圧力損失を減少させ且つ空気と燃料のより効果的な混合、従ってより安定した火炎を確保することにある。しかしながら、この種類のバーナの欠点は、可撓性チューブを含む装置が比較的複雑な調節機構を必要とし、該調節機構は又、その意図した作業環境で傷つきやすく見えることにある。
本発明の目的は、燃料と空気の効果的な混合を最小の圧力損失で確保することができ且つ火炎形状を変化させることができる方法並びにバーナを提供することにあり、同時に、その構造は、ロータリーキルンの燃焼帯域内のバーナに課せられる高い熱的及び機械的負荷を考慮して合理的な使用寿命が確保されるような程度の頑強さを有する。
これは、一次空気の２つの部分を集合ダクト内で低速度で混合して単一の混合一次空気流にし、引続いてそれを所望の高い放出速度まで加速することを特徴とする、説明した種類の方法によって達成される。
本発明は又、固体、液体又は気体燃料を、セメントクリンカー又は同様の製品を製造するためのロータリーキルンのようなキルンの燃焼帯域に導入するためのバーナであって、燃料を導びくためのダクトと、燃料ダクトとほぼ同心に且つその周りに整列した、一次空気を導入するための少なくとも２つの環状ダクトとを有し、これらの空気ダクトのうちの一方の空気ダクトの中の空気の部分を軸線方向に流れさせ、もう一方の空気ダクトの中の空気の部分をバーナの中心軸線を中心とする回転成分で流れさせるように空気ダクトは配列され、部分の中の一次空気の量を独立に制御するための手段を更に有する前記バーナにおいて、一次空気ダクトが、混合一次空気を環状ノズルに導くための接合環状集合ダクトに一次空気を放出し、集合ダクトの流れ領域が空気の軸線移動方向に徐々に減少することを特徴とする前記バーナを含む。
かくして、操作上信頼できる仕方での燃料と空気の効果的な混合を最小の圧力損失で確保することができ、且つ火炎形状を望まれる最適なものに適合させることができる方法並びにバーナが得られた。これは、一次空気の２つの副流が、キルンに噴射されるのに先立って、比較的低速で混合されて１つの空気流になり、引き続いて１つのノズルを経て比較的高速で噴射される事実、及び一次空気の回転程度を、２つの一次空気流の相関量を変えることによって変化させることができる事実、及びすべての必要な制御手段をキルンの燃焼帯域の外側で容易に接近可能な仕方で設置することができる事実による。その結果、熱負荷を受けるバーナのこれらの部品を簡単且つ頑強な設計で製造することができる。一次空気流が混合される箇所から環状ノズルまでの集合ダクトの流れ領域、即ち、面積が５乃至１２のファクター又は因数だけ減少し（即ち、５分の１乃至１２分の１になり）、その結果、混合一次空気流の速度が上記流れ領域又は面積と等しいファクター又は因数だけ加速される（即ち、５倍乃至１２倍に加速される）のが好ましい。
セメント製造用ロータリーキルンの適用例に特に適した本発明によるバーナの特に好ましい実施形態では、一次空気ダクト及び集合手段は、一次空気ダクトの流れの軸線方向速度が２０乃至２５m/sの範囲にあるように配列され、その結果、混合一次空気流が１６０乃至２００m/sの流速まで加速されることが好ましい。
集合ダクトを、上述した仕方に相当した加速度を与えるであろう任意の実際的な仕方で形成しても良い。しかしながら、ダクトを２つの同心の環状要素で作り、そのうちの最も内方の環状要素はバーナの中心軸線とほぼ平行であるが最も外方の環状要素を３０乃至６０°の傾斜角度αで流れ方向に細まる円錐台形として形成することが好ましい。しかしながら、集合ダクトのその他の形状も考えられる。かくして、最も内方の環状要素を流れ方向に細まる円錐台形として形成しても良
い。しかしながら、もしこれが問題になるならば、最も内方の環状要素を最も外方の環状要素の傾斜角度よりも相当に小さい傾斜角度で形成しなければならない。
第２空気ダクトの空気を異なる仕方で、中でも前に注目したような斜めに向けられたチューブによって、バーナの中心軸線を中心に回転させても良い。しかしながら、空気を、第２空気ダクトの放出箇所のすぐ上流で第２空気ダクトに挿入された多数の斜めブレードによって回転させることが好ましい。
環状ノズルを、圧力損失の最小化を確保する仕方で形成すべきである。環状ノズルは２つの同心の環状要素から更になり、そのうちの少なくとも１つは円錐台形として形成され、その結果、互いに対する２つの要素の軸線方向の移動によってノズル領域を変化させることができる。
本発明を、今、概略図を参照して更に詳細に説明する。
図１ａは、本発明によるバーナの第１の実施形態の前部分における横断面図である。
図１ｂは同じバーナの正面図を示す。
図２ａ乃至図２ｂは、可変領域を有する一次空気ノズルの異なる変形の実施形態を示す。
図３ａは、本発明によるバーナの第２の実施形態の前部分における横断面図である。
図３ｂは同じバーナの正面図を示す。
油と微粉炭を混合燃焼するようになっているバーナが図１ａ及び図１ｂに示され、バーナは、燃料油を導き且つ霧化するための分離ランス１が挿入された保護パイプ２を有する。
２つのパイプ３、４が保護パイプ２の周りに同心に配列され、パイプ３と４はその間に、微粉炭と空気の混合物を導き、噴射するための環状ダクト６を形成する。油バーナ１を冷却し且つ無塵に保つために、全一次空気のうちの少量が内パイプ３と保護パイプ２の間の空間に導かれ、噴射されるのが良い。保護パイプ２に加えて、補足的な代替燃料を導入するための１本又は数本のパイプを内パイプ３に挿入することが可能であろう。
空気パイプ５がパイプ２、３、４の周りに同心に配列され、空気パイプ５は、回転空気と称される、一次空気のうちのいくらかを導くための環状ダクト８を微粉炭パイプ４と関連して形成する。多数の斜めブレード１０が、回転空気を回転運動させるためにダクト８の放出端に固定される。
バーナパイプ７がパイプ５の周りに同心に固定され、軸線方向空気と称される、一次空気のうちの残り部分を導くための環状ダクト９を放射状空気パイプ５と関連して形成する。燃焼帯域内温度がきわめて高いことを前提として、バーナパイプ７の外側はセラミック製耐熱ライニングを備える。
本発明によれば、一次空気ダクト８及び９は一次空気を接合環状集合ダクト１５の中へ放出する。図示した実施形態では、集合ダクトはパイプ４とバーナパイプ７に接合された円錐形環状要素７aとの間に設けられる。一次空気流は集合ダクト１５内で混合されて１つの空気流になり、集合ダクトのデザインのために、１つの空気流は環状ノズル開口１４からキルンの燃焼帯域に噴射される前に加速される。
ノズル開口１４は、環状要素７aに固定された最も外方のノズルリング１２と、微粉炭パイプ４に固定された最も内方のノズルリング１３との間に設けられる。ノズル１４の領域を、一方の又は両方のノズルリング１２、１３に円錐面を設けることによって、２つのノズルリングの互いに対する軸線方向の移動により変化させるのが良い。
図２ａ乃至図２ｄはノズル１４を形成するための異なる選択例を示す。
図２ａでは、ノズル１４の外部分１２は細長い細まり方向の円錐台形として形成され、内部分１２は円筒形として作られる。かくして、空気の流れ方向は僅かにバーナの中心線の方に調整される。
図２ｂのノズル１４には、平滑な円形開口が形成され、そこに最も内方のノズルリング１３が細長い末広がり方向の円錐台形で作られ、これにより、流れ方向はバーナの中心線から僅かに遠ざかるように調整される。
流れ方向が軸線方向に整列するように形成したノズル１４の例を図２ｃ及び図２ｄに示す。
微粉炭パイプ４のないバーナを図３ａ及び図３ｂに示す。この場合、最も内方のノズルリング１３は微粉炭パイプ４の代わりに内パイプ３に固定される。
図１ａ及び図１ｂに示したバーナの作動原理は、燃料油がバーナランス１によって導入され且つ霧化されることにある。一次空気の少量が、バーナランスを冷却し且つそれを清浄に保つために内パイプ３と保護パイプ２の間の空間に噴射される。微粉炭とキャリヤー空気の混合物が環状ダクト６から噴射される。一次空気は、例えば、ここに援用されるフランス特許第A-2348438号に記載されているような既知の方法で２つの一次空気ダクト８、９に導入され且つ分配される。２つのダクト８、９に供給される空気の量を互いに関して独立に制御するのが良い。２つの一次空気流は集合ダクト１５で混合され、１つの空気流になる。混合された空気流の流れ特性は２つの混ぜ合わされる空気流の特性の合成であり、且つ軸線方向並びに回転方向の流れ成分からなり、該流れ成分の相互関係は２つの一次空気を制御することによって可変であり、その結果、最適な火炎が達成される。前述したように、集合ダクト１５内の混合一次空気流は、環状ノズル１４からキルンに噴射される前に所望速度まで加速される。
微粉炭及びキャリヤー空気は、微粉炭粒子を浮遊させたままにするに十分大きいが、パイプを許容できない程度の摩擦にさらすほど大きくない速度でキルンに噴射されなければならない。通常、速度は２５乃至４０m/sの範囲である。
バーナが、例えばセメントクリンカーを製造するための在来のロータリーキルンに使用される場合には、バーナから噴射される一次空気の量は、典型的には、理論的に要求される燃焼空気の５乃至１５パーセントを構成する。典型的には二次空気と称される残りの燃焼空気は、本工程に含まれるバーナを通さずにキルンに導入される。かなりしばしば、後続の材料冷却器からの加熱された冷却空気が二次空気として利用され、冷却空気は、典型的には、約１０００℃のレベルまで加熱される。バーナをそのような適用例に使用するとき、一次空気の噴射速度は燃料の噴射速度よりもずっと大きく、通常、１６０乃至２００m/sの範囲内にあるべきである。一次空気は、ノズル１４から去るとき、高温の周囲二次空気を同伴させ、かくして、二次空気を燃料と混合する。約１０００℃の二次空気の高温のために、燃料は発火するであろう。
セメントクリンカーの安定生産を確保にするために最も重要な火炎形状を、一次空気の流量及び噴射速度を変化させることによって、そして空気が受ける回転の程度を変化させることによって変化させることができる。通常、空気流の適度な回転が要求され、従って、ダクト８から導かれるときに回転を受ける一次空気の量は、典型的には、全一次空気流量の０乃至３５パーセントを表す。

Claims (10)

1. 固体、液体又は気体燃料を、セメントクリンカー又は同様の製品を製造するためのロータリーキルンのようなキルンの燃焼帯域に導入するための方法であって、燃料が燃料ダクト（１，６）から導かれ、一次空気が、前記燃料ダクトとほぼ同心に且つその周りに配列された少なくとも２つの環状空気ダクト（８，９）から導かれ、一方の環状空気ダクト（９）の中の一次空気の部分はほぼ軸線方向に流れ、もう一方の環状空気ダクト（８）の中の一次空気の部分は、バーナの中心軸線を中心とする回転成分を有する空気からなり、前記２つの部分の一次空気の量は独立に制御される前記方法において、一次空気の前記２つの部分は集合ダクト（１５）内で放出速度よりも遅い速度で混合されて単一の混合一次空気流になり、引き続いて、この混合一次空気流が放出されるところの放出速度まで加速されることを特徴とする、前記方法。
2. 前記混合一次空気流の速度は５乃至１２倍に加速される、請求の範囲第１項に記載の方法。
3. 前記２つの環状空気ダクト内の一次空気の軸線方向流速は２０乃至２５ｍ／ｓの範囲にあり、前記混合一次空気流は１６０乃至２００ｍ／ｓの流速まで加速される、請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法。
4. 前記もう一方の環状空気ダクト（８）内の一次空気は、前記もう一方の環状空気ダクト（８）の放出端のすぐ上流で多数の斜めブレードを通り過ぎて差し向けられることによって、バーナの中心軸線を中心に回転させられる、請求の範囲第１項乃至第３項の何れか１項に記載の方法。
5. 固体、液体又は気体燃料を、セメントクリンカー又は同様の製品を製造するためのロータリーキルンのようなキルンの燃焼帯域に導入するためのバーナであって、燃料を導入するための燃料ダクト（１，６）と、前記燃料ダクトとほぼ同心に且つその周りに配列された、一次空気を導入するための少なくとも２つの環状空気ダクト（８，９）と、を有し、該環状空気ダクト（８，９）は、一方の環状空気ダクト（９）の中の空気の部分を軸線方向に流し、もう一方の環状空気ダクト（８）内の空気の部分をバーナの中心軸線を中心とする回転成分で流すように配列され、一次空気の前記２つの部分の量を独立に制御する手段を更に有する前記バーナにおいて、前記一次空気の環状空気ダクト（８，９）は、一次空気を、混合一次空気を環状ノズル（１４）に導くための接合環状集合ダクト（１５）の中へ放出させ、前記環状集合ダクト（１５）の流れ面積が空気の運動の軸線方向に徐々に減少することを特徴とする、前記バーナ。
6. 前記環状集合ダクト（１５）の流れ面積は、５分の１乃至１２分の１に減少する、請求の範囲第５項に記載のバーナ。
7. 一次空気空気の環状ダクト（８，９）及び制御手段は、一次空気の環状空気ダクト内の流れの軸線方向流速が２０乃至２５ｍ／ｓの範囲になり、且つ、前記集合ダクト（１５）は、混合一次空気流が１６０乃至２５０ｍ／ｓの流速まで加速されるように構成される、請求の範囲第５項又は第６項に記載のバーナ。
8. 前記集合ダクト（１５）は２つの同心の環状要素（４，７a；３，７a）で作られ、これらの環状要素（４，７a；３，７a）のもっとも外方の環状要素（７ａ）は、バーナの中心軸線に対して３０乃至６０°の傾斜角度で流れ方向に細まる円錐台形として形成される、請求の範囲第７項に記載のバーナ。
9. 前記もう一方の還状空気ダクト（８）は、その中の一次空気の部分に回転成分を与えるための多数の斜めブレード（１０）を前記もう一方の環状空気ダクト（８）の放出端のすぐ上流に備える、請求の範囲第５項乃至第８項の何れか１項に記載のバーナ。
10. 前記環状ノズル（１４）は２つの同心の環状要素（１２，１３）で作られ、これらの環状要素（１２，１３）の少なくとも一方は、前記環状ノズルの面積を互いに対する前記環状ノズルの２つの環状要素の軸線方向移動により変化させることができるように円錐台形として形成される、請求の範囲第５項乃至第９項の何れか１項に記載のバーナ。

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