特開 2021-185122 燃料燃焼装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-185122(P2021-185122A)

(43)【公開日】2021年12月9日

(54)【発明の名称】燃料燃焼装置

(51)【国際特許分類】

   C04B 7/44 20060101AFI20211112BHJP

   F27B 7/34 20060101ALI20211112BHJP

   F27D 7/02 20060101ALI20211112BHJP

【ＦＩ】

   C04B7/44

   F27B7/34

   F27D7/02 A

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2021-124708(P2021-124708)

(22)【出願日】2021年7月29日

(62)【分割の表示】特願2018-60419(P2018-60419)の分割

【原出願日】2018年3月27日

(71)【出願人】

【識別番号】000183266

【氏名又は名称】住友大阪セメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001081

【氏名又は名称】特許業務法人クシブチ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼木 智広

(72)【発明者】

【氏名】目次 康格

(72)【発明者】

【氏名】稲津 和喜

【テーマコード（参考）】

4G112

4K061

4K063

【Ｆターム（参考）】

4G112KA01

4G112KA02

4K061AA08

4K061BA01

4K061CA02

4K061CA23

4K061DA01

4K061DA03

4K061GA01

4K061GA06

4K063AA18

4K063BA07

4K063CA02

4K063DA13

4K063DA31

(57)【要約】

【課題】バイオマス燃料又は二酸化炭素回収技術を用いずに二酸化炭素の排出量削減が可能で、且つ、窒素酸化物の生成を抑制可能な燃料燃焼装置を提供する。
【解決手段】バーナー部１４１は、中心軸Ｃ１を中心とする環状の開口を有し、アンモニアを含まない主燃料を噴射する第１主燃料供給口１４１ａと、第１主燃料供給口１４１ａの内周側領域に配置される第２主燃料供給口１４１ｂ〜１４１ｄと、第１主燃料供給口１４１ａの外周側に中心軸Ｃ１を中心とする円弧に沿って間隔を空けて配置され、アンモニアを含む補助燃料を噴射する第１補助燃料供給口１４１ｆと、第１主燃料供給口１４１ａと第１補助燃料供給口１４１ｆとの間に中心軸Ｃ１を中心とする円弧に沿って間隔を空けて配置される第２補助燃料供給口１４１ｅと、第１主燃料供給口１４１ａと第２主燃料供給口１４１ｅとの間に中心軸Ｃ１を中心とする円弧に沿って間隔を空けて配置される補助燃料供給口１４１ｇとを有している。
【選択図】図１１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

セメントクリンカ焼成に使用されるバーナー部を有する燃料燃焼装置において、
前記バーナー部は、
当該バーナー部の中心軸を中心とする環状の開口を有し、アンモニアを含まない主燃料を環状に噴射する第１主燃料供給口と、
前記第１主燃料供給口の内周側領域に配置され、前記第１主燃料供給口から噴射される環状の主燃料の内周側領域に向けて、アンモニアを含まない主燃料を噴射する第２主燃料供給口と、
前記第１主燃料供給口の外周側に、当該バーナー部の中心軸を中心とする円弧に沿って間隔を空けて配置され、少なくともアンモニアを含む補助燃料を噴射する第１補助燃料供給口と、
前記第１主燃料供給口と前記第１補助燃料供給口との間に、当該バーナー部の中心軸を中心とする円弧に沿って間隔を空けて配置され、前記補助燃料と同じ燃料を噴射する第２補助燃料供給口と、
前記第１主燃料供給口と前記第２主燃料供給口との間に、当該バーナー部の中心軸を中心とする円弧に沿って間隔を空けて配置され、前記補助燃料と同じ燃料を噴射する他の補助燃料供給口とを有することを特徴とする燃料燃焼装置。

【請求項2】

前記第１補助燃料供給口は、前記第１及び第２主燃料供給口からの燃料の燃焼により、温度７００度以上、且つアンモニア：酸素の濃度比率が１：１．２５〜０．７５となる領域に燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載の燃料燃焼装置。

【請求項3】

前記第２補助燃料供給口は、前記第１及び第２主燃料供給口からの燃料の燃焼により、酸素濃度５％以下、且つアンモニア：酸素の濃度比率が１：１．２５以下となる領域に燃料を噴射することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料燃焼装置。

【請求項4】

前記第１補助燃料供給口は、前記第１及び第２主燃料供給口からの燃料の燃焼により、温度７００度以上の領域に、旋回角度０°以上、３０°以下で燃料を噴射し、
前記第２補助燃料供給口は、前記第１及び第２主燃料供給口からの燃料の燃焼により、酸素濃度５％以下となる領域に、旋回角度１０°以上、７０°以下で燃料を噴射し、
前記第１及び第２補助燃料供給口によって、前記第１及び第２補助燃料供給口からの前記燃料は、以下の式で求められるスワール数Ｓｗが０．０５以上、０．５以下とされることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料燃焼装置。
Ｓｗ＝Ｇφ／（Ｇｘ×ｒ）
Ｇφ：燃料供給口を流れる際の旋回方向の運動量（角運動量）
Ｇｘ：燃料供給口を流れる際の移動方向の運動量（軸方向運動量）
ｒ：燃料供給口の内面側の半径

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セメントクリンカ焼成に使用される燃料燃焼装置に関する。

【背景技術】

【0002】

地球温暖化防止の観点から二酸化炭素の排出量削減が求められている。
セメントクリンカ焼成に伴う二酸化炭素の排出量削減対策として、バイオマス等の可燃性廃棄物を燃料として利用する技術が提唱されている（例えば、特許文献１参照）。セメント分野以外では燃焼ガスから二酸化炭素を回収する技術が提唱されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７−１０６７８１号公報

【特許文献2】特許第５５４２７５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、バイオマス燃料（バイオ燃料とも称する）は供給量に限りがあるため、セメント産業のみならず発電等の他事業での需要増加の影響により供給が不安定になる懸念がある。また、二酸化炭素の回術技術は、設備の複雑化及び大型化を招き、コスト低減に不利である。
本発明は、上述の課題を考慮してなされたものであり、バイオマス燃料又は二酸化炭素回収技術を用いずに二酸化炭素の排出量削減が可能で、且つ、窒素酸化物の生成を抑制可能な燃料燃焼装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記目的を達成するために、セメントクリンカ焼成に使用されるバーナー部を有する燃料燃焼装置において、前記バーナー部は、当該バーナー部の中心軸を中心とする環状の開口を有し、アンモニアを含まない主燃料を環状に噴射する第１主燃料供給口と、前記第１主燃料供給口の内周側領域に配置され、前記第１主燃料供給口から噴射される環状の主燃料の内周側領域に向けて、アンモニアを含まない主燃料を噴射する第２主燃料供給口と、前記第１主燃料供給口の外周側に、当該バーナー部の中心軸を中心とする円弧に沿って間隔を空けて配置され、少なくともアンモニアを含む補助燃料を噴射する第１補助燃料供給口と、前記第１主燃料供給口と前記第１補助燃料供給口との間に、当該バーナー部の中心軸を中心とする円弧に沿って間隔を空けて配置され、前記補助燃料と同じ燃料を噴射する第２補助燃料供給口と、前記第１主燃料供給口と前記第２主燃料供給口との間に、当該バーナー部の中心軸を中心とする円弧に沿って間隔を空けて配置され、前記補助燃料と同じ燃料を噴射する他の補助燃料供給口とを有することを特徴とする。

【0006】

上記構成において、前記第１補助燃料供給口は、前記第１及び第２主燃料供給口からの燃料の燃焼により、温度７００度以上、且つアンモニア：酸素の濃度比率が１：１．２５〜０．７５となる領域に燃料を噴射することを特徴とする。

【0007】

また、上記構成において、前記第２補助燃料供給口は、前記第１及び第２主燃料供給口からの燃料の燃焼により、酸素濃度５％以下、且つアンモニア：酸素の濃度比率が１：１．２５以下となる領域に燃料を噴射することを特徴とする。

【0008】

また、上記構成において、前記第１補助燃料供給口は、前記第１及び第２主燃料供給口からの燃料の燃焼により、温度７００度以上の領域に、旋回角度０°以上、３０°以下で燃料を噴射し、前記第２補助燃料供給口は、前記第１及び第２主燃料供給口からの燃料の燃焼により、酸素濃度５％以下となる領域に、旋回角度１０°以上、７０°以下で燃料を噴射し、前記第１及び第２補助燃料供給口によって、前記第１及び第２補助燃料供給口からの前記燃料は、以下の式で求められるスワール数Ｓｗが０．０５以上、０．５以下とされることを特徴とする。
Ｓｗ＝Ｇφ／（Ｇｘ×ｒ）
Ｇφ：燃料供給口を流れる際の旋回方向の運動量（角運動量）
Ｇｘ：燃料供給口を流れる際の移動方向の運動量（軸方向運動量）
ｒ：燃料供給口の内面側の半径

【発明の効果】

【0009】

本発明では、セメントクリンカ焼成用の燃料にバイオマス燃料を用いたり、燃焼により発生した二酸化炭素回収技術を用いたりしなくても、二酸化炭素の排出量の削減が可能で、且つ、窒素酸化物の生成を抑制可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】セメントクリンカ製造システムを示す図である。

【図2】バーナー部を正面側から示した図である。

【図3】第２補助燃料供給口を有するバーナー部分を正面側から見た図である。

【図4】図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。

【図5】バーナー部の側断面視において各燃料供給口から噴射される燃料の流れを模式的に示した図である。

【図6】補助燃料とバーナー部周辺の温度との関係を示す図である。

【図7】補助燃料とバーナー部周辺の酸素濃度との関係を示す図である。

【図8】第１変形例に係るバーナー部を正面側から示した図である。

【図9】第２変形例に係るバーナー部を正面側から示した図である。

【図10】（Ａ）は第３変形例に係るバーナー部を正面側から示した図であり、（Ｂ）は分割チップを第１変形例のバーナー部に追加した場合を示した図である。

【図11】第４変形例に係るバーナー部を正面側から示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１はセメントの中間製品であるセメントクリンカを製造するセメントクリンカ製造システムを示す図である。
セメントクリンカ製造システム１は、原料供給設備２と、予熱設備３と、燃焼設備４と、冷却設備５と、集塵設備６と、燃料供給設備７とを備えている。原料供給設備２は、セメントクリンカの原料である石灰石、粘土、珪酸原料、酸化鉄原料及び他の原料からなる原料を供給する設備である。他の原料は、例えば、高炉スラグ、石炭灰、汚泥、スラッジ、ボタ、製鋼スラグ、鋳物砂などである。

【0012】

原料供給設備２は、上記原料を乾燥及び粉砕して分級を行い、所定の構成成分とした原料を混合及び保管する。上記乾燥及び粉砕は原料粉砕機、上記分級は分級サイクロン、上記混合はブレンディングサイロ、上記保管は原料ストレージサイロによりそれぞれ行う。なお、原料は公知の原料を広く適用可能である。また、原料供給設備２については公知の他の構成を広く適用可能である。

【0013】

予熱設備３は、原料供給設備２から供給される原料を予熱及び脱炭酸する設備であり、原料をニューサスペンションプレヒータ１００によって予熱及び脱炭酸し、燃焼設備４に供給する。ニューサスペンションプレヒータ１００は、投入口１０１と、多段サイクロンを構成する複数のサイクロン１０２ａ〜１０２ｅと、仮焼炉１０３と、仮焼炉バーナー１０４とを有している。
ニューサスペンションプレヒータ１００では、投入口１０１から投入された原料が、燃焼設備４のバーナー部１４１、及び冷却設備５から仮焼炉１０３に集められた高温排ガスにより、順次下方のサイクロン１０２ａ〜１０２ｄへと落下するにつれて、徐々に高温になるように予熱される。その後、原料は、仮焼炉１０３で仮焼されて脱炭酸が促進され、最下段のサイクロン１０１ｅから燃焼設備４に供給される。この予熱設備３によって、粉体原料が所定温度（例えば８００℃〜８５０℃）に予熱される。なお、予熱設備３は、ニューサスペンションプレヒータ１００に限定されず、公知の他の構成を適用してもよい。

【0014】

燃焼設備４は、予熱設備３で予熱された原料を所定温度（例えば１４５０℃以上）で加熱して水硬性の化合物（セメントクリンカに相当）に焼成する設備であり、ロータリーキルン１４０と、バーナー部１４１とを備えている。ロータリーキルン１４０は、耐火物を内張りした横型円筒形の回転窯であり、水平面より１°〜３°傾けた状態で回転することによって、窯尻１４０ａに供給された原料を攪拌しながら窯前１４０ｂへと移動させる。

【0015】

バーナー部１４１は、燃料供給設備７から供給されたセメントクリンカ焼成用の燃料をロータリーキルン１４０内へ供給する燃料供給部として機能する。バーナー部１４１については後述する。なお、バーナー部１４１と燃料供給設備７とによって、セメントクリンカ焼成用の燃料を燃焼する燃料燃焼装置が構成される。

【0016】

冷却設備５は、燃焼設備４によって生成されたセメントクリンカを冷却する設備であり、エアークエンチングクーラを備えている。エアークエンチングクーラは、例えば、ロータリーキルン１４０の窯前１４０ｂから落下したセメントクリンカを不図示の格子板の上面で受け止め、複数の格子板で搬送しながら下方からの送風によりセメントクリンカを冷却する。なお、冷却設備５は、エアークエンチングクーラに限定されず、公知の他の構成を適用してもよい。

【0017】

集塵設備６は、予熱設備３、燃焼設備４及び冷却設備５の少なくともいずれかで発生した高温排ガスに含まれる煤塵やダストを集塵する設備であり、例えば、電気集塵機を備えている。電気集塵機は、高温排ガスに含まれる燃料由来の煤塵や、セメント原料由来のダストを集塵できれば特に制限はなく、目的に応じて公知のものの中から適宜選択することができる。また、電気集塵機に限定されず、公知の他の構成を適用してもよい。

【0018】

燃料供給設備７は、燃焼設備４のバーナー部１４１に燃料を供給する設備であり、主燃料を供給する主燃料供給設備１７１と、補助燃料を供給する補助燃料供給設備１７２とを備えている。主燃料は、石炭などの化石燃料、廃プラスチックなどの可燃性廃棄物、又は化石燃料と可燃性廃棄物の併用などであり、バーナー部１４１に供給される。なお、バーナー部１４１に供給される燃料は液体燃料を含んでもよい。

【0019】

本実施形態において、主燃料は、化石燃料、又はコスト低減、廃棄物又は副産物の活用などに有利な材料が適用され、例えば、石炭、廃白土、木質チップ、未燃灰、廃油、再生油、廃アルカリ、又は肉骨粉の少なくとも一種類以上である。
これに対し、補助燃料は、二酸化炭素の排出量低減に有利な材料であり、本実施形態ではアンモニア（ＮＨ_３）である。

【0020】

アンモニアは、炭素を含まず、且つ、工業生産が可能であり、既に輸送手段及び大量貯蔵手段も確立され、水素キャリアーとしてその活用が期待されている物質である。なお、補助燃料は、少なくともアンモニアを含んでいればよい。つまり、補助燃料はアンモニアを含む燃料であり、主燃料はアンモニアを含まない燃料（他の燃料に相当）である。但し、主燃料がアンモニアを微量に含んでもよい。

【0021】

補助燃料供給設備１７２は、アンモニアと気体を混合してアンモニア含有ガス（補助燃料又は補助燃料ガスと称することもできる）を生成し、アンモニア含有ガスをバーナー部１４１に供給する。これにより、バーナー部１４１から主燃料と補助燃料とが噴射され、これらの燃料がロータリーキルン１４０内で燃焼し、ロータリーキルン１４０内を例えば１４５０℃以上にする。
なお、アンモニア含有ガス中の気体は、例えば空気である。この空気は、燃焼排ガス又は酸素を付加した空気でもよいし、空気以外の気体でもよい。また、気体は、圧縮空気であってもよい。

【0022】

また、アンモニアは、工業用アンモニアである。但し、工業用アンモニアに限定する必要はなく、廃棄物由来のアンモニア、例えば、畜産系廃棄物などのアンモニア含有廃棄物から回収したアンモニアを使用してもよい。
燃焼設備４に使用する燃料にアンモニアを使用することによって、アンモニアを使用しない場合と比べて、二酸化炭素の排出量を削減可能になる。したがって、バイオマス燃料を用いたり、二酸化炭素回出技術などを用いたりしなくても、二酸化炭素の排出量の削減が可能になる。

【0023】

補助燃料供給設備１７２、及びバーナー部１４１について更に説明する。
補助燃料供給設備１７２は、バーナー部１４１の異なる供給口にそれぞれアンモニア含有ガスを供給する２系統の補助燃料供給部１７３、１７４を備えている。
第１の補助燃料供給部１７３は、気体の供給経路１７３ａと、この供給経路１７３ａに混合設備１７３ｂを介してアンモニアを供給するアンモニア供給源１７３ｃとを備えている。気体の圧力、及び混合設備１７３ｂによるアンモニアの供給量を調整することによって、気体とアンモニアの濃度比、及びアンモニア含有ガスの供給量をそれぞれ可変可能である。

【0024】

第２の補助燃料供給部１７４についても、第１の補助燃料供給部１７３と同様に、気体の供給経路１７４ａと、この供給経路１７４ａに混合設備１７４ｂを介してアンモニアを供給するアンモニア供給源１７４ｃとを備え、気体とアンモニアの濃度比、及びアンモニア含有ガスの供給量をそれぞれ可変可能である。なお、第１及び第２の補助燃料供給部１７３、１７４に気体を供給する供給源は、共通の供給源でもよいし、別々の供給源でもよい。
これら第１及び第２の補助燃料供給部１７３、１７４によって、異なる濃度比でアンモニア含有ガスをバーナー部１４１に供給可能である。

【0025】

図２はバーナー部１４１を正面側から示した図である。
バーナー部１４１は、正面視で円形に形成されており、複数の同心円に沿って配置される多数の燃料供給口１４１ａ〜１４１ｆを有している。詳述すると、バーナー部１４１は、バーナー部１４１の中心軸Ｃ１を中心とする環状の開口を有する第１主燃料供給口１４１ａを有し、この第１主燃料供給口１４１ａの内周側領域に、複数（３つ）の第２主燃料供給口１４１ｂ、１４１ｃ、１４１ｄを有している。第１主燃料供給口１４１ａは、主燃料供給設備１７１から供給される主燃料を環状（筒状とも称する）に噴射する。また、第２主燃料供給口１４１ｂ〜１４１ｄは、第１主燃料供給口１４１ａから噴射される環状の主燃料の内周側領域に向けて主燃料供給設備１７１からの主燃料を噴射する。

【0026】

第１及び第２主燃料供給口１４１ａ〜１４１ｄは、バーナー部１４１の中心軸Ｃ１と平行な円形の流路である。第１及び第２主燃料供給口１４１ａ〜１４１ｄによって、主燃料の旋回角度は約０°に設定される。また、主燃料の噴射速度（主燃料を搬送する搬送空気の流速に相当）は、流速２５ｍ／ｓ以上、６０ｍ／ｓ以下に設定される。これらによって、バーナー部１４１の中心軸Ｃ１を中心とする所定範囲内に主燃料が直進流で噴射され、ロータリーキルン１４０内で主燃料が燃焼することによってロータリーキルン１４０内が高温に保持される。

【0027】

但し、旋回角度は０°に限定されない。図２には、第２主燃料供給口１４１ｂ〜１４１ｄの数が３つで、且つ大きさが異なる場合を示しているが、この構成に限定されない。第１及び第２主燃料供給口１４１ａ〜１４１ｄの形状及び数などは、ロータリーキルン１４０の仕様などに応じて適宜に変更してもよい。

【0028】

さらに、バーナー部１４１は、第１主燃料供給口１４１ａの外周側に、所定の間隔を空けて配置される第１補助燃料供給口１４１ｆ（第１の燃料供給口に相当）と、第１主燃料供給口１４１ａと第１補助燃料供給口１４１ｆとの間に配置される第２補助燃料供給口１４１ｅ（第２の燃料供給口に相当）とを有している。
第１補助燃料供給口１４１ｆは、バーナー部１４１の中心軸Ｃ１を中心とする所定半径の円に沿って間隔を空けて配置された円形の流路であり、本実施形態では等角度間隔で１８個設けられている。
また、第２補助燃料供給口１４１ｅは、第１補助燃料供給口１４１ｆよりも内周側にて、バーナー部１４１の中心軸Ｃ１を中心とする所定半径の円に沿って間隔を空けて配置された円形の流路であり、本実施形態では等角度間隔で１８個設けられている。

【0029】

第１補助燃料供給口１４１ｆは、中心軸Ｃ１に沿って延びる流路に形成され、第１補助燃料供給口１４１ｆは、中心軸Ｃ１に対して傾斜する流路に形成されている。また、第１補助燃料供給口１４１ｆには、第１の補助燃料供給部１７３からの補助燃料が供給され、第２補助燃料供給口１４１ｅには、第２の補助燃料供給部１７４からの補助燃料が供給される。
ここで、図３は第２補助燃料供給口１４１ｅを有するバーナー部分を正面側から見た図であり、図４は図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。また、図５はバーナー部１４１の側断面視において各燃料供給口１４１ａ〜１４１ｆから噴射される燃料の流れを模式的に示した図である。

【0030】

図３及び図４に示すように、第２補助燃料供給口１４１ｅは、燃料入口１４１ｘに対して燃料出口１４１ｙが正面視で周方向にオフセットした斜めの供給口に形成されている。このため、図４に噴射方向を矢印で示すように、第２補助燃料供給口１４１ｅからの補助燃料は中心軸Ｃ１を中心とした渦状に旋回する方向に噴射される。なお、図４中の中心軸Ｃ１は、実際の中心軸Ｃ１の位置を示すものではなく、説明の便宜上、中心軸Ｃ１が延びる方向を示すものである。

【0031】

図５に示すように、第１補助燃料供給口１４１ｆは、第２補助燃料供給口１４１ｅよりも外周側にて、補助燃料（図５中、符号Ｘ１を付して示す）を略中心軸Ｃ１に沿って噴射する。また、第２補助燃料供給口１４１ｅの内周側では、第１及び第２主燃料供給口１４１a〜１４１ｄから、主燃料（図５中、符号Ｙ０を付して示す）が中心軸Ｃ１に沿って噴射される。
第２補助燃料供給口１４１ｅは、第１主燃料供給口１４１ａと第１補助燃料供給口１４１ｆとの間において、アンモニア含有ガスからなる補助燃料を高速で噴射するので、アンモニア含有ガスの濃度を保ったまま、アンモニア含有ガスを流し易くなる。しかも、上記したように第２補助燃料供給口１４１ｅから斜めに補助燃料（図５中、符号Ｘ２）が噴射されるので、旋回流として流れる。

【0032】

次いで、第１補助燃料供給口１４１ｆからの補助燃料の燃焼について温度と酸素濃度の観点から説明する。
図６は補助燃料とバーナー部１４１周辺の温度との関係を示す図である。
図６中、実線矢印Ｘ１は、第１補助燃料供給口１４１ｆからの補助燃料を示している。また、図６中、符号Ｔ１は、主燃料によって最も温度が高くなる領域（以下、第１温度領域）であり、符号Ｔ２は、第１温度領域Ｔ１の次に温度が高くなる領域（以下、第２温度領域）であり、符号Ｔ３は、第２温度領域Ｔ２の次に温度が高くなる領域（以下、第３温度領域）である。なお、第３温度領域Ｔ３の外周は、温度が相対的に低い領域となる。
第１温度領域Ｔ１は、主燃料が燃焼した領域の最外周に相当（バーナーフレームの最外周に相当）し、少なくとも７００℃以上の温度である。図６に示すように、第１補助燃料供給口１４１ｆは、この第１温度領域Ｔ１に向けて補助燃料を噴射する。

【0033】

一般的に、アンモニアは主燃料に用いられる化石燃料等に比べ燃焼速度が遅く、焼成温度の低下、それに伴うセメント品質への悪影響が生じるおそれがある。
本実施形態では、アンモニア含有ガスからなる補助燃料を、第１温度領域Ｔ１（第１領域に相当）に向けて噴射するので、アンモニアが迅速に燃焼し、完全燃焼し易くなる。

【0034】

図７は補助燃料とバーナー部１４１周辺の酸素濃度との関係を示す図である。図７中、符号Ｓ１は、酸素濃度が最も低い領域（以下、第１低酸素領域）であり、符号Ｓ２は、第１低酸素領域Ｓ１の次に酸素濃度が低い領域（以下、第２低酸素領域）であり、符号Ｓ３は、第２低酸素領域Ｓ２の次に酸素濃度が低い領域（以下、第３低酸素領域）である。なお、第３低酸素領域Ｓ３の外周領域は、酸素濃度が相対的に高い領域となる。
第１低酸素領域Ｓ１は、酸素濃度５％以下であり、第２及び第３低酸素領域Ｓ２、Ｓ３は、酸素濃度が５％前後若しくはそれを超える領域であり、第３低酸素領域Ｓ３外側は第３低酸素領域Ｓ３よりも酸素濃度が高い領域である。図７に示すように、第１補助燃料供給口１４１ｆは、この第３低酸素領域Ｓ３外側に向けて補助燃料を噴射するので、相対的に酸素濃度が高い領域に補助燃料を供給でき、これによってもアンモニアが完全燃料し易くなる。

【0035】

さらに、第１補助燃料供給口１４１ｆからの補助燃料については、完全燃焼の反応式である式（１）に基づき、アンモニアと酸素の濃度比を、次に記載する第１条件を満たすように、アンモニアの供給量を設定している。この設定は、例えば、第１の補助燃料供給部１７３の調整等（例えば混合設備１７３ｂの調整）によって可能である。

【0036】

ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ・・式（１）

【0037】

発明者等の検討によれば、第１条件は、アンモニア：酸素の濃度比率が１：１．２５〜０．７５となる範囲であり、より好ましくは１：１〜０．７５となる範囲である。このようにして、本構成では、第１補助燃料供給口１４１ｆが、主燃料の燃焼により温度７００度以上、かつ、過度の酸素が存在しない領域に補助燃料を噴射する。さらに、第１補助燃料供給口１４１ｆからの補助燃料は、ロータリーキルン１４０内にできるバーナーフレームの輻射熱を受けるため、これによっても効率良く燃焼できる。
これらによって、窒素酸化物の発生を抑制しつつアンモニアを効率良く燃焼させることができる。従って、焼成温度の低下が回避され、セメント品質への影響を抑制することができる。

【0038】

続いて、第２補助燃料供給口１４１ｅからの補助燃料の燃焼について温度と酸素濃度の観点から説明する。図６及び図７中、破線矢印Ｘ２は、第２補助燃料供給口１４１ｅからの補助燃料を示している。第２補助燃料供給口１４１ｅは、図７に示すように、酸素濃度が最も低い第１低酸素領域Ｓ１に向けて補助燃料を噴射する。第１低酸素領域Ｓ１は酸素濃度５％以下であるので、アンモニアは穏やかに燃焼し、アンモニア由来の窒素酸化物の生成を抑制することができる。また、脱硝反応を実現する式（２）に基づき、アンモニア：酸素の濃度比率を１：０．２５以下に設定する。

【0039】

ＮＯ＋ＮＨ_３＋１／４Ｏ_２→Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ・・式（２）

【0040】

これにより、アンモニア由来の窒素酸化物の抑制と、アンモニア中間生成物質による窒素酸化物の還元作用とを期待できる。さらに、上記第１及び第２補助燃料供給口１４１ｆ、１４１ｅからの補助燃料は次の条件を満たしている。
各補助燃料のアンモニア濃度は、補助燃料供給設備１７２によって１７％以上、より好ましくは２０％以上、２５％以下となるように調整される。アンモニア濃度１７％以下だとアンモニア濃度が燃焼下限値未満となり、燃焼性悪化の原因となる。これに対し、上記のアンモニア濃度にすることで、燃焼性悪化を回避できる。

【0041】

また、各補助燃料供給口１４１ｆ、１４１ｅからの補助燃料は、流速５０ｍ／ｓ以上、より好ましくは１００ｍ／ｓ以上、３００ｍ／ｓ以下とされる。流速が５０ｍ／ｓ未満では補助燃料が速やかに拡散してしまい、想定する領域にアンモニア含有ガスを十分に供給することが困難になり、燃焼性悪化の原因になる。

【0042】

また、各補助燃料供給口１４１ｆ、１４１ｅからの補助燃料は、次の式（４）で求められるスワール数Ｓｗが０．０５以上、０．５以下、より好ましくは０．１以上、０．４以下とされることで、良好な燃焼を実現でき、安定して操業を行い易くなる。

【0043】

Ｓｗ＝Ｇφ／（Ｇｘ×ｒ）・・式（４）
Ｇφ：燃料供給口を流れる際の旋回方向の運動量（角運動量）
Ｇｘ：燃料供給口を流れる際の移動方向の運動量（軸方向運動量）
ｒ：燃料供給口の内面側の半径

【0044】

また、第１補助燃料供給口１４１ｆからの補助燃料、つまり、アンモニア：酸素の濃度比率が１：１．２５〜０．７５となる範囲、より好ましくは１：１〜０．７５となる範囲に供給される補助燃料は、流速５０ｍ／ｓ以上、より好ましくは１００ｍ／ｓ以上、３００ｍ／ｓ以下において、旋回角度０°以上、３０°以下、より好ましくは０°以上、１５°以下となるように第１補助燃料供給口１４１ｆ等が設定されている。
これによれば、第１補助燃料供給口１４１ｆからの補助燃料を、アンモニアの完全燃焼に有利な領域（第１領域に相当）である高温で、且つ、酸素濃度が相対的に低い領域に効果的に供給できる。この結果、主燃料とアンモニア含有ガスを効率良く燃焼させ、窒素酸化物を抑制し、安定した操業を行い易くなる。

【0045】

さらに、第２補助燃料供給口１４１ｅからの補助燃料、つまり、アンモニア：酸素の濃度比率が１：１．２５以下となる範囲に供給される補助燃料は、流速５０ｍ／ｓ以上、より好ましくは１００ｍ／ｓ以上、３００ｍ／ｓ以下において、旋回角度１０°以上、７０°以下、より好ましくは２０°以上、６０°以下となるように第２補助燃料供給口１４１ｅ等が設定されている。
これによれば、第２補助燃料供給口１４１ｅからの補助燃料を、窒素酸化物の抑制、及び還元作用に有利な領域（第２領域に相当）である、アンモニアが穏やかに燃焼して還元作用を持つ中間生成物の生成に有利な領域に供給でき、同時に安定した内部循環流形成が可能になる。したがって、窒素酸化物の発生を抑制し、安定した操業を行い易くなる。

【0046】

以上説明したように、本実施の形態では、燃料供給部として機能するバーナー部１４１は、アンモニアを含むアンモニア含有ガスを噴射するアンモニア噴射部として機能する第１及び第２補助燃料供給口１４１ｆ、１４１ｅを有するので、セメントクリンカ焼成用の燃料にバイオマス燃料を用いたり、燃焼により発生した二酸化炭素回収技術を用いたりしなくても、二酸化炭素の排出量の削減が可能になる。

【0047】

また、バーナー部１４１は、アンモニアを含まない他の燃料となる主燃料を噴射する主燃料噴射部として機能する第１主燃料供給口１４１ａを有するので、主燃料とアンモニア含有ガスの両方を用いてセメントクリンカを焼成することができる。なお、上記したように主燃料が微量にアンモニアを含んでいてもよい。

【0048】

また、第１及び第２補助燃料供給口１４１ｆ、１４１ｅは、主燃料の燃焼により相対的に高温となる第１領域である第１温度領域Ｔ１と、主燃料の燃焼により酸素濃度が所定値未満となる第２領域である第１低酸素領域Ｓ１とのそれぞれに向けてアンモニア含有ガスを独立して噴射するので、化石燃料等に比べ燃焼速度が遅いアンモニアを迅速に燃焼させ、且つ、過度の酸素により窒素酸化物が発生する事態を抑制できる。

【0049】

しかも、第１補助燃料供給口１４１ｆは、温度７００度以上の第１温度領域Ｔ１、且つ、アンモニア：酸素の濃度比率が１：１．２５〜０．７５となる第３低酸素領域Ｓ３外側に向けてアンモニア含有ガスを噴射するので、窒素酸化物の発生を抑制しつつアンモニアを効率良く燃焼させることができる。従って、焼成温度の低下が回避され、セメント品質への影響を抑制することができる。
また、第２補助燃料供給口１４１ｅは、酸素濃度５％以下、且つアンモニア：酸素の濃度比率が１：１．２５以下となる第１低酸素領域Ｓ１内に向けてアンモニア含有ガスを噴射するので、アンモニア由来の窒素酸化物の抑制と、アンモニア中間生成物質による窒素酸化物の還元作用とを期待できる。

【0050】

また、アンモニア含有ガスは流速５０ｍ／ｓ以上であるので、補助燃料が速やかに拡散して想定する領域にアンモニア含有ガスを十分に供給することが困難になる事態を避けることができ、燃焼性悪化を回避できる。

【0051】

また、アンモニア含有ガスは、上記式（４）で求められるスワール数Ｓｗが０．０５以上、０．５以下の領域に噴射され、第１補助燃料供給口１４１ｆは、第１温度領域Ｔ１に旋回角度０°以上、３０°以下でアンモニア含有ガスを噴射し、第２補助燃料供給口１４１ｅは、第１低酸素領域Ｓ１に旋回角度１０°以上、７０°以下でアンモニア含有ガスを噴射する。これにより、アンモニア含有ガスを効率良く燃焼させ、窒素酸化物も抑制することができる。

【0052】

なお、このセメントクリンカ製造システム１では、排気ガスの窒素酸化物の濃度と焼点温度とを検出するセンサーを設け、各センサーの検出範囲が、適正な範囲に管理されるように、気体とアンモニアの濃度比、及びアンモニア含有ガスの供給量をそれぞれ制御することが好ましい。例えば、ロータリーキルン１４０の出口ガスの窒素酸化物の濃度が過度に上昇した場合、混合設備１７３ｂ、１７４ｂによってアンモニアの供給量を減らすことで、窒素酸化物を低減することができ、予め定めた排出基準値以下に抑制することができる。
この制御は、作業員が手動で行ってもよいし、コンピュータ構成を備えた制御装置のフィードバック制御で行うようにしてもよい。

【0053】

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更することができる。
図８は第１変形例に係るバーナー部１４１を正面側から示した図である。
このバーナー部１４１は、上述の実施形態（図２参照）に対し、第１主燃料供給口１４１ａの位置と、第２補助燃料供給口１４１ｅの位置とが入れ替わった構成である。この構成では、第１主燃料供給口１４１ａの内周に第２補助燃料供給口１４１ｅが位置するので、バーナーフレーム中心付近の低酸素濃度領域に補助燃料を噴射できる。これにより、脱硝効果を向上でき、つまり、アンモニア由来の窒素酸化物の抑制と、アンモニア中間生成物質による窒素酸化物の還元作用とを期待できる。

【0054】

図９は第２変形例に係るバーナー部１４１を正面側から示した図である。
このバーナー部１４１は、図８に示す第１変形例に対し、第２補助燃料供給口１４１ｅの噴射方向が異なる構成である。第１変形例では、上述の実施形態と同様に（図２から図４参照）、第２補助燃料供給口１４１ｅが中心軸Ｃ１の周方向に沿って傾くことで、中心軸Ｃ１を中心とした渦状に旋回する方向に補助燃料を噴射している。これに対し、第２変形例では、第２補助燃料供給口１４１ｅが中心軸Ｃ１の径方向外側に更に傾くことで、補助燃料を旋回させるとともに拡散させている。

【0055】

この構成によれば、第１主燃料供給口１４１ａの内周にて、複数の第２補助燃料供給口１４１ｅが形成するリング状の内側かつ噴射方向にある内部循環領域の空気が誘引され、複数の第２補助燃料供給口１４１ｅからそれぞれ噴射された複数の補助燃料の間に同伴しやすくなる。これにより、内部循環領域における空気流を強化でき、脱硝効果を向上できる。さらに、内部循環領域における空気流が強く生じ、内側空気流と相まって第１主燃料供給口１４１ａからの主燃料の燃焼をより促進させる。すなわち、火炎温度をさらに上昇させることもができる。

【0056】

図１０（Ａ）は第３変形例に係るバーナー部１４１を正面側から示した図である。
このバーナー部１４１は、上述の実施形態（図２参照）の第１主燃料供給口１４１ａに分割チップ１８１を設けた構成である。分割チップ１８１は、第１主燃料供給口１４１ａが有する環状の開口に、中心軸Ｃ１を中心とする所定の角度毎に配置され、中心軸Ｃ１に対して反対側に行くほど幅広となる形状に形成されている。各分割チップ１８１によって、第１主燃料供給口１４１aから噴射された主燃料の濃度の濃淡が生じる。燃料濃度の高い領域では効率よく火炎が伝播し、かつ熱も伝わりやすいため、主燃料の燃焼速度を向上させることができる。なお、各分割チップ１８１には、冷却のための複数の空気抜き孔を形成してもよい。
これら分割チップ１８１を設けることにより、外側の第１補助燃料供給口１４１ｆから噴射された補助燃料が受ける輻射熱を増大させ、燃焼速度を向上させることができる。

【0057】

図１０（Ｂ）は上記分割チップ１８１を第１変形例のバーナー部１４１に追加した場合を示している。この場合も、分割チップ１８１によって、第１補助燃料供給口１４１ｆから噴射された補助燃料が受ける輻射熱を増大させることができ、燃焼速度を向上させることができる。

【0058】

図１１は第４変形例に係るバーナー部１４１を正面側から示した図である。
このバーナー部１４１は、上述の実施形態（図２参照）に対し、補助燃料を噴射する補助燃料供給口１４１ｇを追加している。図１１に示す例では、第１主燃料供給口１４１ａと、第２主燃料供給口１４１ｂ〜１４１ｄとの間に、等角度間隔で補助燃料供給口１４１ｇを追加している。この構成によれば、内部循環領域における空気流を強化でき、脱硝効果を向上できる。
なお、補助燃料供給口１４１ｇを追加する位置は図１１の態様に限定されない。例えば、第１主燃料供給口１４１ａの外周側に設けるようにしてもよく、その場合、主燃料の燃焼性が向上することに伴い、補助燃料の燃焼速度を向上させることができる。

【0059】

なお、上記実施形態では、バーナー部１４１が、主燃料の燃焼により相対的に高温となる第１領域である第１温度領域Ｔ１と、主燃料の燃焼により酸素濃度が所定値未満となる第２領域である第１低酸素領域Ｓ１とのそれぞれに向けてアンモニア含有ガスを独立して噴射する場合を説明したが、これに限定されない。
要は、アンモニア含有ガスを上記領域Ｔ１、Ｓ２の少なくともいずれかに向けて噴射するようにすればよく、二酸化炭素排出量の削減効果を十分に得ることができれば、上記領域Ｔ１、Ｓ２のいずれかだけに噴射するようにしてもよい。

【0060】

また、上記実施形態では、バーナー部１４１から主燃料とアンモニア含有燃料とを供給する場合を説明したが、アンモニア含有燃料だけでセメントクリンカを焼成可能であれば、バーナー部１４１からアンモニア含有燃料だけを供給する構成にしてもよい。この場合、二酸化炭素の排出量をより削減することができる。
また、上記実施形態では、セメントクリンカ焼成用の燃料焼成装置のバーナー部１４１に本発明を適用するようにしたが、これに限定しなくてもよく、例えば、仮焼炉バーナー１０４に適用してもよい。

【符号の説明】

【0061】

１ セメントクリンカ製造システム
２ 原料供給設備
３ 予熱設備
４ 燃焼設備
５ 冷却設備
６ 集塵設備
７ 燃料供給設備
１４０ ロータリーキルン
１４１ バーナー部（燃料供給部）
１４１ａ 第１主燃料供給口（主燃料噴射部）
１４１ｂ、１４１ｃ、１４１ｄ 第２主燃料供給口（主燃料噴射部）
１４１ｅ 第２補助燃料供給口（第２の燃料供給口、アンモニア噴射部）
１４１ｆ 第１補助燃料供給口（第１の燃料供給口、アンモニア噴射部）
１４１ｇ 補助燃料供給口
１７１ 主燃料供給設備
１７２ 補助燃料供給設備
１７３ 第１の補助燃料供給部
１７３ａ、１７４ａ 気体の供給経路
１７３ｂ、１７４ｂ 混合設備
１７３ｃ、１７４ｃ アンモニア供給源
１７４ 第２の補助燃料供給部
１８１ 分割チップ
Ｃ１ バーナー部の中心軸
Ｔ１ 第１温度領域（第１領域）
Ｓ１ 第１低酸素領域（第２領域）
Ｓ２ 第２低酸素領域（第１領域）
Ｓ３ 第３低酸素領域（第１領域）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】