炭酸ガス循環式石灰焼成設備
【課題】エネルギー効率が高く、しかも特殊な送風ファンを必要とせずに炭酸ガスを石灰焼成炉に帰還させて熱媒として使用することができる炭酸ガス循環式石灰焼成設備を提供する。
【解決手段】石灰焼成炉に投入される原料石灰石の予熱に供せられる上記炭酸ガスの一部であって、その予熱によって冷却された炭酸ガスが導かれる送風機３と、送風機３によって昇圧された炭酸ガスを駆動ガスとして供給する駆動ガス供給口と、熱分解により発生した炭酸ガスの一部を被駆動ガスとして供給する被駆動ガス供給口とをノズルに有し、そのノズル内を流れる上記駆動ガスによって被駆動ガスを吸い込み、両ガスを排出するエジェクター装置４と、エジェクター装置４から排出される炭酸ガスが導かれ、高温の熱源との熱交換を行う主熱交換器９とを備え、主熱交換器９の熱交換によって昇温された炭酸ガスを、石灰石の熱分解ガスとして石灰焼成炉に供給するように構成されていることを特徴とする。
【解決手段】石灰焼成炉に投入される原料石灰石の予熱に供せられる上記炭酸ガスの一部であって、その予熱によって冷却された炭酸ガスが導かれる送風機３と、送風機３によって昇圧された炭酸ガスを駆動ガスとして供給する駆動ガス供給口と、熱分解により発生した炭酸ガスの一部を被駆動ガスとして供給する被駆動ガス供給口とをノズルに有し、そのノズル内を流れる上記駆動ガスによって被駆動ガスを吸い込み、両ガスを排出するエジェクター装置４と、エジェクター装置４から排出される炭酸ガスが導かれ、高温の熱源との熱交換を行う主熱交換器９とを備え、主熱交換器９の熱交換によって昇温された炭酸ガスを、石灰石の熱分解ガスとして石灰焼成炉に供給するように構成されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石灰焼成炉で発生した炭酸ガスをその石灰焼成炉に循環させて熱媒として使用する炭酸ガス循環式石灰焼成設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は従来の生石灰製造設備のフロー図を示している。
【０００３】
同図に示す設備は、間接加熱式石灰炉１００と、それに高温の燃焼ガスを供給する燃焼空気ファン１０１を付帯した燃焼炉１０２と、石灰焼成後の排ガスから熱回収を行う空気予熱器１０３と、燃焼排ガス中の有害物質を除去する排ガス処理装置１０４と、有害物質が除去された燃焼排ガスを大気中に放出する煙突１０５とから主として構成されている。
【０００４】
上記燃焼ガスは石灰焼成炉１００に導かれ、炉内に設置されている伝熱管１０６内を流れる炭酸ガスとの間で熱交換が行われるようになっている。すなわち、熱交換器が石灰炉内に置かれている。
【０００５】
炭酸ガス循環装置１０７は、石灰焼成炉１００の予熱帯１０８と冷却帯１０９とを結ぶ配管の途中に介設された炭酸ガス冷却器１１０と、冷却された炭酸ガスを昇圧する炭酸ガス循環ファン１１１と、炭酸ガスを抜き出して貯蔵する炭酸ガス貯槽１１２から構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
上記生石灰製造設備における炭酸ガスの循環径路はシンプルに構成されているものの、上記炭酸ガス冷却器１１０によって炭酸ガスを常温近くまで冷却した後、生石灰を冷却するのに十分な量を冷却帯１０９に供給している。すなわち、熱分解によりせっかく発生した高温炭酸ガスの全量を炭酸ガス冷却器１１０によって常温近くまで冷却しているため、大量の熱が利用されずに捨てられていることになる。
【０００７】
そして、循環炭酸ガスは再度、製品生石灰の顕熱と燃焼ガスによって加熱されているのである。
【０００８】
吸熱反応である熱分解(CaCO3→CaO+CO2)の吸熱量が３．１５MJ/kg-CaOであり、通常の直接加熱式石灰焼成炉での生石灰製造エネルギー原単位は３．８MJ/kg-CaO程度であるのに対して、ここで捨てられる熱は約２倍の６MJ/kg-CaOにもなる。
【０００９】
これでは、直接加熱式石灰焼成炉の混合排気ガスから炭酸ガスを分離回収する方が総合的なエネルギー消費の観点から見ると有利になると言わざるを得ない。
【００１０】
また、図４に示すように、石灰焼成炉から排出される大量の炭酸ガスを回収するようにした炭酸ガス循環式石灰焼成炉も知られている。
【００１１】
同図において、石灰焼成炉１２０の上部より、コークスを混入した石灰石が充填層に供給される。電熱ヒーター１２１によって１，１００℃に加熱された循環炭酸ガスが石灰焼成炉１２０に供給されることによって石灰石は上部焼成帯１２２で焼成され、さらに降下して下部焼成帯１２３においてコークスの燃焼熱を得て焼成を完了し、製品の生石灰は排出バルブ１２４から炉外に排出されるようになっている（例えば、特許文献２参照）。
【００１２】
この石灰焼成炉１２０では、循環する炭酸ガスを加熱するための電熱ヒーター１２１が炉外に置かれ、図２に示したような炭酸ガス冷却器は設けられていない。
【００１３】
そして、石灰石の熱分解および石灰石の予熱によって７００℃乃至８００℃まで温度の低下した石灰焼成炉出口の炭酸ガスを、炭酸ガス循環ファン１２５を使用して循環させるようになっている。
【００１４】
上記炭酸ガス循環ファン１２５は、通常のファンの使用温度範囲を超えた高温流体を扱えるものでなければならず、例えば、炭化ケイ素などのセラミック材を使用した特殊ファンが必要となる。このような送風機は種類も送風量も限定されており、特に、製鉄所における石灰工場の規模で使用できるような機種は見当たらない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−２３１４２４号公報
【特許文献２】特開２００９−１６１３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
図３に示した従来の生石灰製造設備では、上述したように、エネルギー効率が悪いため、直接加熱式石灰焼成炉の混合排気ガスから炭酸ガスを分離回収する方が総合的なエネルギー消費（コスト）では有利になるという問題がある。
【００１７】
また、図４に示した炭酸ガス循環式石灰焼成炉では、特殊なセラミック送風機を使用しない限り成立しない高温度域で送風ファンを使用しなければならないため、そのような特殊なセラミック送風機が使用できるように設計すると、装置の規模と構成が制約されるという問題がある。
【００１８】
本発明は以上のような従来の石灰焼成炉における課題を考慮してなされたものであり、エネルギー効率が高く、しかも特殊な送風ファンを必要とせずに炭酸ガスを石灰焼成炉に帰還させて熱媒として使用することができる炭酸ガス循環式石灰焼成設備を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
石灰石(CaCO3)を熱分解して生石灰(CaO)を製造する過程において、大量の炭酸ガス(CO2)が石灰石内部から発生し、この炭酸ガスが地球温暖化へ悪影響を及ぼしている。
【００２０】
本発明は上記問題を考慮してなされたものであり、生石灰製造過程で発生する炭酸ガスを地中または海洋などに貯留すべく高濃度炭酸ガスの状態で回収することを可能にする間接加熱式の炭酸ガス循環式石灰焼成設備である。
【００２１】
なお、間接加熱式とは、高温の燃焼ガスが直接石灰石に接触して熱を伝えることがないことを示している。
【００２２】
本発明では、燃焼ガスが流れる径路と、石灰石の熱分解により発生する炭酸ガスの径路を分離することで、後者の炭酸ガスが流れる径路については約３％の水分を含むだけの、炭酸ガス分離プロセスの必要性がない高純度炭酸ガスが排気ガスとして生成される。
【００２３】
前者の燃焼ガスが流れる径路については空気に由来する窒素が大量に含まれており、通常のケースでは炭酸ガス濃度は２０％以下になる。しかし、熱分解で発生する炭酸ガス量は、燃焼により発生する炭酸ガスの約３倍であるため、熱分解によって発生する炭酸ガスの径路を分離することの意義は大きい。
【００２４】
本発明は、石灰石の熱分解により発生した炭酸ガスを石灰焼成炉内へ循環させて熱媒として使用する炭酸ガス循環式石灰焼成設備において、
上記石灰焼成炉に投入される原料石灰石の予熱に供せられる上記炭酸ガスの一部であって、その予熱によって冷却された炭酸ガスが導かれる送風機と、
上記送風機によって昇圧された炭酸ガスを駆動ガスとして供給する駆動ガス供給口と、熱分解により発生した炭酸ガスの一部を被駆動ガスとして供給する被駆動ガス供給口とをノズルに有し、そのノズル内を流れる上記駆動ガスによって上記被駆動ガスを吸い込み、両ガスを排出するエジェクター装置と、
上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスが導かれ、高温の熱源との熱交換を行う主熱交換器とを備え、
上記主熱交換器の熱交換によって昇温された炭酸ガスを、石灰石の熱分解ガスとして上記石灰焼成炉に供給するように構成されていることを要旨とする。
【００２５】
本発明において、上記送風機と上記エジェクター装置とを接続する流路に第２熱交換器を設け、この第２熱交換器に、原料石灰石の予熱を経ずに高温の状態で上記石灰焼成炉から排出された炭酸ガスの一部を導けば、上記エジェクター装置に供給する駆動ガスを加熱することができる。
【００２６】
本発明において、上記主熱交換器に補助エジェクター装置を接続し、この補助エジェクター装置の駆動ガス供給口に、第二の送風機によって昇圧された空気を供給し、被駆動ガス供給口に、上記石灰焼成炉の炉底から製品として排出される生石灰の冷却に供せられその石灰焼成炉から排出された排気を供給することができる。
【００２７】
本発明において、上記主熱交換器と上記補助エジェクター装置との間に燃焼器を設ければ、上記補助エジェクター装置から排出される排気を燃焼し、上記主熱交換器に高温の熱源として供給することができる。
【００２８】
本発明において、上記第２熱交換器と上記エジェクター装置とを接続する流路に第３熱交換器を設け、この第３熱交換器に、上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスとの熱交換に供せられて上記主熱交換器から排出される排ガスを導けば、上記エジェクター装置に供給する駆動ガスをさらに加熱することができる。
【００２９】
本発明において、上記第二の送風機と上記補助エジェクター装置の駆動ガス供給口とを接続する流路に第４熱交換器を設け、この第４熱交換器に、上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスとの熱交換に供せられて上記主熱交換器から排出される排ガスを導けば、上記補助エジェクター装置に供給する駆動ガスをさらに加熱することができる。
【００３０】
本発明において、上記燃焼器に燃料を供給する流路に第５熱交換器を設け、この第５熱交換器に、上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスとの熱交換に供せられて上記主熱交換器から排出される排ガスが導かれ、上記燃焼器に供給する燃料を加熱するように構成されている請求項３に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【００３１】
本発明において、炭酸ガスの流路に、熱媒として使用している炭酸ガスの濃度を測定する炭酸ガス濃度計が少なくとも一箇所設置するとともに、その炭酸ガス濃度計から出力される炭酸ガス濃度情報に基づいて上記補助エジェクター装置に供給する駆動ガスの送風量を制御するコントローラを備えれば、炭酸ガス循環式石灰焼成設備の外部に放出される炭酸ガスの濃度を規定値に維持することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の炭酸ガス循環式石灰焼成設備によれば、炭酸ガスを効率良く分離回収することができ、しかも特殊な送風ファンを必要とせず、炭酸ガスを石灰焼成炉に帰還させて熱媒として使用することができるという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る炭酸ガス循環式石灰焼成設備のフロー図である。
【図２】図１に示すエジェクター装置の動作原理を示す説明図である。
【図３】従来の生石灰製造設備のフロー図である。
【図４】従来の別の炭酸ガス循環式石灰焼成炉のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００３５】
図１は、本発明に係る炭酸ガス循環式石灰焼成設備のフロー図である。
【００３６】
同図における炭酸ガス循環式石灰焼成設備は、ベッケンバッハ式石灰焼成炉（以下、焼成炉と略称する）１を使用している。この焼成炉１は、石灰焼成後の炭酸ガス（循環ガス）の一部を用い、その焼成炉１に供給される原料石灰石の予熱と水分除去を行うようになっている。
【００３７】
本発明では、後述する主エジェクター装置（エジェクター装置）４を使用することで焼成炉１からの高温の炭酸ガスを冷却することなく熱分解用ガスとして焼成炉に循環させるようになっている。
【００３８】
図２は主エジェクター装置４の動作原理を示す説明図である。
【００３９】
主エジェクター装置４はノズル構造をなしており、スロート部を備えた噴射部４ａからノズル中心部に高速で流体ｆを噴射し、ディフューザー４ｂの入口部に飛び込むその流体ｆによってノズル内に負圧を発生し、噴射部４ａの周囲のガスを引き込んで排気ポート４ｃから噴射するようになっている。
【００４０】
本発明では、石灰石を予熱することによって２００℃程度まで冷却され、高温型送風ファンでも送風可能となった炭酸ガスを、上記主エジェクター装置４の駆動ガスとして駆動ガス供給口（一次流側）４ｄに供給し、また、熱分解により発生した炭酸ガスの一部を被駆動ガスとして被駆動ガス供給口（二次流側）４ｅに供給している。
【００４１】
図１において焼成炉１は塔状の炉筒１ａを有し、その炉筒１ａ内の中央部上方に上部中筒１ｂが設けられ、その下方に下部中筒１ｃが設けられている。
【００４２】
炉筒１ａの上部に設けられた原料投入装置（図示しない）からは原料である石灰石と燃料用のコークスが炉内に投入されるようになっている。
【００４３】
炉上部１ｄの外周壁には上部ガス供給口１ｅが周方向に複数備えられ、炉下部１ｆの外周壁には下部ガス供給口１ｇが周方向に複数備えられ、各ガス供給口１ｅ，１ｇに供給された後述の１，２００℃まで昇温された循環炭酸ガスｒｇによって、投入された石灰石が焼成され、製品となった生石灰は、炉底に位置する固定テーブル１ｈ上に堆積され、ホッパー１ｉを通じて回収されるようになっている。
【００４４】
循環炭酸ガスｒｇは、炉筒１ａ内を上昇して炉内の石灰石を加熱分解し、発生した炭酸ガスの約７０％は上部中筒１ｂの下部からその内部に入り、８６０℃の温度で炉外に排出される（炭酸ガスｃｇ１参照）。一方、残り約３０％の炭酸ガスｃｇ２は、予熱部１ｊを通過し、炉筒１ａの上部から投入された石灰石を予熱することによって熱を奪われ、２００℃程度まで温度が低下した状態でサイクロン２に導かれるようになっている。
【００４５】
サイクロン２で除塵された炭酸ガスｃｇ２はブロワー３によって昇圧され、主エジェクター装置４の１次流側に駆動ガスｏｇとして送られる。また、主エジェクター装置４の２次流側には循環流路５を通じて８６０℃の炭酸ガスｃｇ１が供給される。
【００４６】
なお、上記駆動ガスｏｇとなる炭酸ガスｃｇ２は、第２熱交換器７と第３熱交換器８を経由させることによって２００℃から６００℃まで昇温されている。なお、第２熱交換器７、第３熱交換器８の動作については後述する。
【００４７】
炭酸ガスｃｇ１と駆動ガスｏｇが合流し主エジェクター装置４から吐出される約７００℃の循環炭酸ガスｒｇは、次に、主熱交換器９に導入されて１，２００℃程度まで昇温され、上部ガス供給口１ｅおよび下部ガス供給口１ｇにそれぞれ供給されるようになっている。
【００４８】
主熱交換器９には燃焼器１０からの燃焼熱が与えられるようになっており、この燃焼器１０の燃焼に必要な空気は常温では燃焼効率が低いため、生石灰の冷却に使用され加熱された空気が補助エジェクター装置１１を介して供給される。
【００４９】
詳しくは、補助エジェクター装置１１の１次流側には、新たな空気源からブロワー１２を介して昇圧された空気が供給され、補助エジェクター装置１１の駆動ガスとして与えられるようになっている。それにより、ホッパー１ｉに導入された空気が下部中筒１ｃの上部から抜き出され、その抜き出された７５０℃の排気ｅが、補助エジェクター装置１１の２次流側に引き込まれるようになっている。
【００５０】
また、補助エジェクター装置１１の１次流側に通じる流路１３には第４熱交換器１４が設けられ、さらに、その流路１３から流路１５が分岐され、この流路１５は補助エジェクター装置１１の吐出側流路２１と接続されている。また、流路１５にはガス流量を調節するためのダンパ１６が設けられている。
【００５１】
上記ダンパ１６はコントローラ１７によって制御されるようになっており、そのコントローラ１７は、ＣＯ２貯蔵容器（図示しない）に通じるＣＯ２取出し流路１８に設けられた炭酸ガス濃度計１９が測定する炭酸ガス濃度に応じて開閉度をダンパ１６に指令するようになっている。
【００５２】
また、補助エジェクター装置１１から吐出される排気は、サイクロン２０で除塵された後、吐出側流路２１を通じて燃焼器１０に供給されるようになっており、その吐出側流路２１には第二の炭酸ガス濃度計２２が設けられている。
【００５３】
また、工場設備で発生した副成ガスも燃料ガスとして上記燃焼器１０に供給されており、この副成ガスを供給する燃料供給流路２３には第５熱交換器２４が設けられている。なお、上記各流路は管路で構成されている。
【００５４】
次に、上記構成を有する炭酸ガス循環式石灰焼成設備の動作について説明する。
【００５５】
ブロワー３により一部の炭酸ガスの圧力を０．１５MPa_abs程度の比較的高圧に高め駆動ガスとして主エジェクター装置４の一次流側に供給し、主エジェクター装置４を作動させると、石灰石の予熱を経ずに排出された炭酸ガスｃｇ１が主エジェクター装置４の二次流側に引き込まれ、循環炭酸ガスｒｇとして再び石灰焼成炉１へ供給される。
【００５６】
ここで、石灰石の予熱を経ずに排出された炭酸ガスｃｇ１は、循環する循環炭酸ガスｒｇに加え、焼成炉１内において熱分解により新たに発生した炭酸ガス分だけ流量が増加している。そのため、全量を主エジェクター装置４の二次流側へ供給すると、運転するにつれて焼成炉１内を循環する炭酸ガス流量が増加することになる。したがって、熱分解によって発生する炭酸ガスを系外へ排出する必要がある。
【００５７】
そこで、石灰石の予熱を経ずに排出された炭酸ガスの径路を、大気圧下の系外へ放出する放出流路２５と、主エジェクター装置４の二次流側へ供給する循環流路５とに分け、主エジェクター装置４に供給する駆動ガスｏｇの流量をブロワー３で調節してこれを一定に保つことで、循環流路５を流れる炭酸ガス流量を一定に保ち、熱分解で発生した炭酸ガスに相当する流量が大気圧下の系外へ押し出されるようにしている。
【００５８】
ところで、大気圧下の系外へ押し出される炭酸ガスｃｇ１は約８６０℃の温度を持っている。他方、主エジェクター装置４の駆動ガスｏｇは、ブロワー３から送り出しているだけであるため２００℃程度の比較的低温である。
【００５９】
エジェクター装置の性能を支配するのは高圧の駆動ガス、低圧の二次流ガス、両者混合後の混合ガスの間に成立する運動量保存であり、駆動ガスの高い運動量により、運動量の低い二次流ガスを両者の中間の運動力を持つ混合ガスに変えている。流体の運動量は次式で表される。
【００６０】
【数１】
ここで、ｐ：圧力、Ａ：流路断面積、ｍドット：質量流量（＝Ａρｖ）、ρ：密度、ｖ：流速である。
【００６１】
したがって、圧力ｐが一定のままでも密度ρを小さくすると流速ｖが増加して運動量は増加する。そのためには駆動ガスｏｇの温度を高める必要がある。
【００６２】
そのため、大気圧下の系外へ押し出される炭酸ガスｃｇ１を、第２熱交換器７に供給し、炭酸ガスｃｇ１の温度約８６０℃を利用して主エジェクター装置４の駆動ガスｏｇを加熱している。それにより、一次流側流路６を流れる炭酸ガスｃｇ１の温度を４１０℃程度まで上昇させる。なお、第３熱交換器８の動作については後述する。
【００６３】
一方、製品となる生石灰に注目すると、焼成炉１の上部から原料石灰石が供給され、予熱・水分除去を経て、約１，２００℃の循環炭酸ガスｒｇによって加熱されて熱分解し、約９００℃のまま焼成炉１を流下してくる。仮に、製品生石灰を９００℃の高温のままで排出させると、そのままではハンドリングできず、また、放熱させると約０．６MJ/kg-CaOだけエネルギー原単位を悪化させる。
【００６４】
そこで、熱交換により製品生石灰を冷却する際に生じた熱を、系内で必要とされる熱に充当することが考えられるが、その冷却熱媒として炭酸ガスを用いると、６００〜９００℃の温度域で製品生石灰が炭酸ガスと反応する再炭酸化が生じ、装置壁面などに硬い炭酸カルシウムが付着するという問題が発生する。
【００６５】
したがって、ここでの冷却熱媒には、燃焼器１０に供給する空気を使用する。生石灰が冷却された分だけ空気の温度は高くなり、この加熱された空気を使用すれば、少ない燃料で高温の燃焼用排ガスを得ることができる。
【００６６】
燃焼器１０に投入する燃料に対して空気比で約１（つまり当量空気）の大気を、焼成炉１における製品生石灰排出口側から吸引し炉内を上昇させることにより生石灰を冷却する。それにより、排出口での生石灰温度は約２５０℃まで冷却される。
【００６７】
一方、焼成炉１の空気出口１ｋでは、排気の温度は７５０℃まで加熱される。この排気は大気から吸引されるので吸引装置が必要となるが、この温度も７５０℃と高温のため、焼成炉１の下流側に補助エジェクター装置１１を配置する。この補助エジェクター装置１１の駆動ガスを作るのにブロワー１２を使用し、空気比０．２程度にて供給する。
【００６８】
なお、焼成炉１の上流側に送風ファンを設け、炉に対して空気を正圧で押し込むことも考えられるが、その場合には循環炭酸ガスの径路に空気が混入することが避けられない。焼成炉１内での循環炭酸ガスの径路と冷却空気ｃａの径路は、それらの径路を閉鎖分断することができず、同じ石灰石（熱分解してやがては生石灰となる）の流下径路で連続的に繋がっているからである。
【００６９】
本発明の目的は、熱分解ガスを分離不要な高純度の炭酸ガスとして回収することにあるから、冷却空気ｃａ→排気ｅの径路の圧力を循環炭酸ガスの径路（ほぼ大気圧）よりも高くしてはいけない。逆に、放出される炭酸ガスｃｇ１の濃度を高純度に維持するためには、若干量の循環炭酸ガスが、冷却空気ｃａ→排気ｅの径路に混入することを許容する必要がある。
【００７０】
しかしながら、循環炭酸ガスが大量に冷却空気ｃａ→排気ｅの径路に混入して、やがて燃焼排ガスに含まれて最終的に排出されるのは、炭酸ガス回収量低下に繋がることから好ましくない。そこで、ブロワー１２の下流で配管を分岐させ、一方の流路１３は補助エジェクター装置１１の一次流側へ繋げ、他方の流路１５は補助エジェクター装置１１をバイパスさせ、ダンパ１６を介して補助エジェクター装置１１下流側の吐出側流路２１に繋げている。
【００７１】
さらに、大気圧下の系外へ炭酸ガスを放出するＣＯ２取出し流路１８に炭酸ガス濃度計１９を設置して炭酸ガス濃度をモニターしている。この濃度が規定濃度以下に下がった場合、コントローラ１７はダンパ１６を閉じ側に動作させ、補助エジェクター装置１１の駆動ガス流量を増加させることで補助エジェクター装置１１の二次流系の圧力（＝冷却空気系圧力）を低下させる。それにより、大気圧下の系外へ放出される炭酸ガス系に混入する冷却空気流量を低減させることができる。
【００７２】
なお、大気圧下の系外へ放出された炭酸ガスはそのままＣＯ２貯蔵容器に一旦貯蔵されて、地下貯留される。現在、海底下地層に貯留される炭酸ガス濃度は海洋汚染防止法により９９．９％に決められている。したがって、本実施形態では大気圧下の系外へ放出する炭酸ガスの規定濃度を９９．９％以上に設定している。
【００７３】
また、ダンパ１６を閉じ過ぎると、混入する冷却空気流量はほとんどゼロになるが、逆に補助エジェクター装置１１の吸引効果が働きすぎて、前述のように回収すべき炭酸ガスが燃焼排ガスに含まれて排出されるようになる。したがって、ダンパ１６を過不足なく開閉動作させるようにコントローラ１７をプログラミングする。
【００７４】
次に、燃焼排ガスに注目する。
【００７５】
約７００℃の高温の排気ｅを燃焼器１０に供給し、合計空気比１．２程度で燃焼させた結果、約３，６００℃の高温燃焼排ガスｃｅが得られる。これを主エジェクター装置４の下流に設けられた主熱交換器９に供給して循環炭酸ガスｒｇとの間で熱交換を行うことにより、約１，２００℃の循環炭酸ガスｒｇと約９３０℃の燃焼排ガスｃｅが得られる。
【００７６】
上記主熱交換器９には、製鉄用途の石灰であれば不純物として煉瓦破片が若干量混入しても許容されることから、高炉送風空気を１，２００℃程度に加熱している熱風炉と同様に、燃焼器と煉瓦蓄熱からなる形式のものを使用することが実績もあり適している。
【００７７】
主熱交換器９を通過した燃焼排ガスｃｅは依然として９３０℃程度の高温の状態にあるため、熱回収に利用することができる。他方、系内で熱を必要としている加熱対象としては、主エジェクター装置４の駆動ガスのさらなる加熱、また、補助エジェクター装置１１の駆動ガスの加熱、さらにまた、燃焼器１０に供給する燃料ガスの３種類がある。９３０℃の燃焼排ガスｃｅには、これら３種類を加熱するのに足りる十分な量の熱がある。
【００７８】
そこで、上述したように、１次側流路６を流れる炭酸ガスｃｇ１の温度を２００℃から４１０℃程度まで上昇させたが、さらに、燃焼排ガス流路２６→第３熱交換器８に燃焼排ガスｃｅを通して主エジェクター装置４に供給する駆動ガスｏｇの温度を６００℃まで加熱する。
【００７９】
さらに、第３熱交換器８で熱交換に供せられた燃焼排ガスｃｅを、第３熱交換器８と第４熱交換器１４とを接続している別の燃焼排ガス流路２７を通じて第４熱交換器１４に供給することにより、補助エジェクター装置１１の駆動ガスを５００℃まで加熱する。
【００８０】
さらに、第４熱交換器１４で熱交換に供せられた燃焼排ガスｃｅを、第４熱交換器１４と第５熱交換器２４とを接続しているさらに別の燃料排ガス流路２８を通じて第５熱交換器２４に供給することにより、燃料ガスを３００℃まで加熱する。
【００８１】
これにより、燃焼排ガスｅｇの温度は最終的に４７０℃程度になり、煙突３０から大気中に放出される。この燃焼排ガスｅｇが持ち去る熱量は、生石灰製造エネルギー原単位を０．７MJ/kg-CaO程度悪化させている。系内にはこれ以上に熱の必要な対象がないため、この燃焼排ガスｅｇが持ち去る熱は、例えば排熱回収ボイラーなどにより系外で使用するエネルギーとして回収すればよい。
【実施例】
【００８２】
上記構成を有する炭酸ガス循環式石灰焼成設備を実施した場合の性能諸元を表１に示す。
【００８３】
【表１】
【００８４】
通常の直接加熱式石灰焼成炉での生石灰製造エネルギー原単位は３．８MJ/kg-CaO程度であるのに対して、本発明での生石灰製造エネルギー原単位は４．６MJ/kg-CaO程度と僅かに増加している。これは、熱分解で発生する炭酸ガスの経路（図１の流路２９参照）と燃焼排ガスの径路（同じく流路２５参照）との２系統を独立させており、それぞれに排熱が発生し、さらに炭酸ガスを高温で系内を循環するために排熱回収させる熱の需要が現状では系内に存在しないためである。
【００８５】
しかしながら、炭酸ガスを分離する従来方式では炭酸ガスを分離回収するプロセスが必要となるため、トータルのコストで考えると、本発明では１，４００円/t-CO2の追加燃料を投入しなければならないが、一方で分離回収のプロセスが不要となるため２，５００円/t-CO2の分離回収コストを削減でき、結局、１，１００円/t-CO2のコスト削減が可能になる。
【符号の説明】
【００８６】
１ 焼成炉
１ａ 炉筒
１ｂ 上部中筒
１ｃ 下部中筒
１ｄ 炉上部
１ｅ 上部ガス供給口
１ｆ 炉下部
１ｇ 下部ガス供給口
１ｈ 固定テーブル
１ｉ ホッパー
１ｊ 予熱部
１ｋ 空気出口
２ サイクロン
３ ブロワー
４ 主エジェクター装置
５ 循環流路
６ 一次流側流路
７ 第２熱交換器
８ 第３熱交換器
９ 主熱交換器
１０ 燃焼器
１１ 補助エジェクター装置
１２ ブロワー
１３ 流路
１４ 第４熱交換器
１５ 流路
１６ ダンパ
１７ コントローラ
１８ ＣＯ２取出し流路
１９ 炭酸ガス濃度計
２０ サイクロン
２１ 吐出側流路
２２ 炭酸ガス濃度計
２３ 燃料供給流路
２４ 第５熱交換器
２５ 放出流路
ｃｇ１，ｃｇ２ 炭酸ガス
ｃｅ 燃焼排ガス
ｅ 排気
ｏｇ 駆動ガス
ｒｇ 循環炭酸ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石灰焼成炉で発生した炭酸ガスをその石灰焼成炉に循環させて熱媒として使用する炭酸ガス循環式石灰焼成設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は従来の生石灰製造設備のフロー図を示している。
【０００３】
同図に示す設備は、間接加熱式石灰炉１００と、それに高温の燃焼ガスを供給する燃焼空気ファン１０１を付帯した燃焼炉１０２と、石灰焼成後の排ガスから熱回収を行う空気予熱器１０３と、燃焼排ガス中の有害物質を除去する排ガス処理装置１０４と、有害物質が除去された燃焼排ガスを大気中に放出する煙突１０５とから主として構成されている。
【０００４】
上記燃焼ガスは石灰焼成炉１００に導かれ、炉内に設置されている伝熱管１０６内を流れる炭酸ガスとの間で熱交換が行われるようになっている。すなわち、熱交換器が石灰炉内に置かれている。
【０００５】
炭酸ガス循環装置１０７は、石灰焼成炉１００の予熱帯１０８と冷却帯１０９とを結ぶ配管の途中に介設された炭酸ガス冷却器１１０と、冷却された炭酸ガスを昇圧する炭酸ガス循環ファン１１１と、炭酸ガスを抜き出して貯蔵する炭酸ガス貯槽１１２から構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
上記生石灰製造設備における炭酸ガスの循環径路はシンプルに構成されているものの、上記炭酸ガス冷却器１１０によって炭酸ガスを常温近くまで冷却した後、生石灰を冷却するのに十分な量を冷却帯１０９に供給している。すなわち、熱分解によりせっかく発生した高温炭酸ガスの全量を炭酸ガス冷却器１１０によって常温近くまで冷却しているため、大量の熱が利用されずに捨てられていることになる。
【０００７】
そして、循環炭酸ガスは再度、製品生石灰の顕熱と燃焼ガスによって加熱されているのである。
【０００８】
吸熱反応である熱分解(CaCO3→CaO+CO2)の吸熱量が３．１５MJ/kg-CaOであり、通常の直接加熱式石灰焼成炉での生石灰製造エネルギー原単位は３．８MJ/kg-CaO程度であるのに対して、ここで捨てられる熱は約２倍の６MJ/kg-CaOにもなる。
【０００９】
これでは、直接加熱式石灰焼成炉の混合排気ガスから炭酸ガスを分離回収する方が総合的なエネルギー消費の観点から見ると有利になると言わざるを得ない。
【００１０】
また、図４に示すように、石灰焼成炉から排出される大量の炭酸ガスを回収するようにした炭酸ガス循環式石灰焼成炉も知られている。
【００１１】
同図において、石灰焼成炉１２０の上部より、コークスを混入した石灰石が充填層に供給される。電熱ヒーター１２１によって１，１００℃に加熱された循環炭酸ガスが石灰焼成炉１２０に供給されることによって石灰石は上部焼成帯１２２で焼成され、さらに降下して下部焼成帯１２３においてコークスの燃焼熱を得て焼成を完了し、製品の生石灰は排出バルブ１２４から炉外に排出されるようになっている（例えば、特許文献２参照）。
【００１２】
この石灰焼成炉１２０では、循環する炭酸ガスを加熱するための電熱ヒーター１２１が炉外に置かれ、図２に示したような炭酸ガス冷却器は設けられていない。
【００１３】
そして、石灰石の熱分解および石灰石の予熱によって７００℃乃至８００℃まで温度の低下した石灰焼成炉出口の炭酸ガスを、炭酸ガス循環ファン１２５を使用して循環させるようになっている。
【００１４】
上記炭酸ガス循環ファン１２５は、通常のファンの使用温度範囲を超えた高温流体を扱えるものでなければならず、例えば、炭化ケイ素などのセラミック材を使用した特殊ファンが必要となる。このような送風機は種類も送風量も限定されており、特に、製鉄所における石灰工場の規模で使用できるような機種は見当たらない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−２３１４２４号公報
【特許文献２】特開２００９−１６１３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
図３に示した従来の生石灰製造設備では、上述したように、エネルギー効率が悪いため、直接加熱式石灰焼成炉の混合排気ガスから炭酸ガスを分離回収する方が総合的なエネルギー消費（コスト）では有利になるという問題がある。
【００１７】
また、図４に示した炭酸ガス循環式石灰焼成炉では、特殊なセラミック送風機を使用しない限り成立しない高温度域で送風ファンを使用しなければならないため、そのような特殊なセラミック送風機が使用できるように設計すると、装置の規模と構成が制約されるという問題がある。
【００１８】
本発明は以上のような従来の石灰焼成炉における課題を考慮してなされたものであり、エネルギー効率が高く、しかも特殊な送風ファンを必要とせずに炭酸ガスを石灰焼成炉に帰還させて熱媒として使用することができる炭酸ガス循環式石灰焼成設備を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
石灰石(CaCO3)を熱分解して生石灰(CaO)を製造する過程において、大量の炭酸ガス(CO2)が石灰石内部から発生し、この炭酸ガスが地球温暖化へ悪影響を及ぼしている。
【００２０】
本発明は上記問題を考慮してなされたものであり、生石灰製造過程で発生する炭酸ガスを地中または海洋などに貯留すべく高濃度炭酸ガスの状態で回収することを可能にする間接加熱式の炭酸ガス循環式石灰焼成設備である。
【００２１】
なお、間接加熱式とは、高温の燃焼ガスが直接石灰石に接触して熱を伝えることがないことを示している。
【００２２】
本発明では、燃焼ガスが流れる径路と、石灰石の熱分解により発生する炭酸ガスの径路を分離することで、後者の炭酸ガスが流れる径路については約３％の水分を含むだけの、炭酸ガス分離プロセスの必要性がない高純度炭酸ガスが排気ガスとして生成される。
【００２３】
前者の燃焼ガスが流れる径路については空気に由来する窒素が大量に含まれており、通常のケースでは炭酸ガス濃度は２０％以下になる。しかし、熱分解で発生する炭酸ガス量は、燃焼により発生する炭酸ガスの約３倍であるため、熱分解によって発生する炭酸ガスの径路を分離することの意義は大きい。
【００２４】
本発明は、石灰石の熱分解により発生した炭酸ガスを石灰焼成炉内へ循環させて熱媒として使用する炭酸ガス循環式石灰焼成設備において、
上記石灰焼成炉に投入される原料石灰石の予熱に供せられる上記炭酸ガスの一部であって、その予熱によって冷却された炭酸ガスが導かれる送風機と、
上記送風機によって昇圧された炭酸ガスを駆動ガスとして供給する駆動ガス供給口と、熱分解により発生した炭酸ガスの一部を被駆動ガスとして供給する被駆動ガス供給口とをノズルに有し、そのノズル内を流れる上記駆動ガスによって上記被駆動ガスを吸い込み、両ガスを排出するエジェクター装置と、
上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスが導かれ、高温の熱源との熱交換を行う主熱交換器とを備え、
上記主熱交換器の熱交換によって昇温された炭酸ガスを、石灰石の熱分解ガスとして上記石灰焼成炉に供給するように構成されていることを要旨とする。
【００２５】
本発明において、上記送風機と上記エジェクター装置とを接続する流路に第２熱交換器を設け、この第２熱交換器に、原料石灰石の予熱を経ずに高温の状態で上記石灰焼成炉から排出された炭酸ガスの一部を導けば、上記エジェクター装置に供給する駆動ガスを加熱することができる。
【００２６】
本発明において、上記主熱交換器に補助エジェクター装置を接続し、この補助エジェクター装置の駆動ガス供給口に、第二の送風機によって昇圧された空気を供給し、被駆動ガス供給口に、上記石灰焼成炉の炉底から製品として排出される生石灰の冷却に供せられその石灰焼成炉から排出された排気を供給することができる。
【００２７】
本発明において、上記主熱交換器と上記補助エジェクター装置との間に燃焼器を設ければ、上記補助エジェクター装置から排出される排気を燃焼し、上記主熱交換器に高温の熱源として供給することができる。
【００２８】
本発明において、上記第２熱交換器と上記エジェクター装置とを接続する流路に第３熱交換器を設け、この第３熱交換器に、上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスとの熱交換に供せられて上記主熱交換器から排出される排ガスを導けば、上記エジェクター装置に供給する駆動ガスをさらに加熱することができる。
【００２９】
本発明において、上記第二の送風機と上記補助エジェクター装置の駆動ガス供給口とを接続する流路に第４熱交換器を設け、この第４熱交換器に、上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスとの熱交換に供せられて上記主熱交換器から排出される排ガスを導けば、上記補助エジェクター装置に供給する駆動ガスをさらに加熱することができる。
【００３０】
本発明において、上記燃焼器に燃料を供給する流路に第５熱交換器を設け、この第５熱交換器に、上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスとの熱交換に供せられて上記主熱交換器から排出される排ガスが導かれ、上記燃焼器に供給する燃料を加熱するように構成されている請求項３に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【００３１】
本発明において、炭酸ガスの流路に、熱媒として使用している炭酸ガスの濃度を測定する炭酸ガス濃度計が少なくとも一箇所設置するとともに、その炭酸ガス濃度計から出力される炭酸ガス濃度情報に基づいて上記補助エジェクター装置に供給する駆動ガスの送風量を制御するコントローラを備えれば、炭酸ガス循環式石灰焼成設備の外部に放出される炭酸ガスの濃度を規定値に維持することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の炭酸ガス循環式石灰焼成設備によれば、炭酸ガスを効率良く分離回収することができ、しかも特殊な送風ファンを必要とせず、炭酸ガスを石灰焼成炉に帰還させて熱媒として使用することができるという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る炭酸ガス循環式石灰焼成設備のフロー図である。
【図２】図１に示すエジェクター装置の動作原理を示す説明図である。
【図３】従来の生石灰製造設備のフロー図である。
【図４】従来の別の炭酸ガス循環式石灰焼成炉のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００３５】
図１は、本発明に係る炭酸ガス循環式石灰焼成設備のフロー図である。
【００３６】
同図における炭酸ガス循環式石灰焼成設備は、ベッケンバッハ式石灰焼成炉（以下、焼成炉と略称する）１を使用している。この焼成炉１は、石灰焼成後の炭酸ガス（循環ガス）の一部を用い、その焼成炉１に供給される原料石灰石の予熱と水分除去を行うようになっている。
【００３７】
本発明では、後述する主エジェクター装置（エジェクター装置）４を使用することで焼成炉１からの高温の炭酸ガスを冷却することなく熱分解用ガスとして焼成炉に循環させるようになっている。
【００３８】
図２は主エジェクター装置４の動作原理を示す説明図である。
【００３９】
主エジェクター装置４はノズル構造をなしており、スロート部を備えた噴射部４ａからノズル中心部に高速で流体ｆを噴射し、ディフューザー４ｂの入口部に飛び込むその流体ｆによってノズル内に負圧を発生し、噴射部４ａの周囲のガスを引き込んで排気ポート４ｃから噴射するようになっている。
【００４０】
本発明では、石灰石を予熱することによって２００℃程度まで冷却され、高温型送風ファンでも送風可能となった炭酸ガスを、上記主エジェクター装置４の駆動ガスとして駆動ガス供給口（一次流側）４ｄに供給し、また、熱分解により発生した炭酸ガスの一部を被駆動ガスとして被駆動ガス供給口（二次流側）４ｅに供給している。
【００４１】
図１において焼成炉１は塔状の炉筒１ａを有し、その炉筒１ａ内の中央部上方に上部中筒１ｂが設けられ、その下方に下部中筒１ｃが設けられている。
【００４２】
炉筒１ａの上部に設けられた原料投入装置（図示しない）からは原料である石灰石と燃料用のコークスが炉内に投入されるようになっている。
【００４３】
炉上部１ｄの外周壁には上部ガス供給口１ｅが周方向に複数備えられ、炉下部１ｆの外周壁には下部ガス供給口１ｇが周方向に複数備えられ、各ガス供給口１ｅ，１ｇに供給された後述の１，２００℃まで昇温された循環炭酸ガスｒｇによって、投入された石灰石が焼成され、製品となった生石灰は、炉底に位置する固定テーブル１ｈ上に堆積され、ホッパー１ｉを通じて回収されるようになっている。
【００４４】
循環炭酸ガスｒｇは、炉筒１ａ内を上昇して炉内の石灰石を加熱分解し、発生した炭酸ガスの約７０％は上部中筒１ｂの下部からその内部に入り、８６０℃の温度で炉外に排出される（炭酸ガスｃｇ１参照）。一方、残り約３０％の炭酸ガスｃｇ２は、予熱部１ｊを通過し、炉筒１ａの上部から投入された石灰石を予熱することによって熱を奪われ、２００℃程度まで温度が低下した状態でサイクロン２に導かれるようになっている。
【００４５】
サイクロン２で除塵された炭酸ガスｃｇ２はブロワー３によって昇圧され、主エジェクター装置４の１次流側に駆動ガスｏｇとして送られる。また、主エジェクター装置４の２次流側には循環流路５を通じて８６０℃の炭酸ガスｃｇ１が供給される。
【００４６】
なお、上記駆動ガスｏｇとなる炭酸ガスｃｇ２は、第２熱交換器７と第３熱交換器８を経由させることによって２００℃から６００℃まで昇温されている。なお、第２熱交換器７、第３熱交換器８の動作については後述する。
【００４７】
炭酸ガスｃｇ１と駆動ガスｏｇが合流し主エジェクター装置４から吐出される約７００℃の循環炭酸ガスｒｇは、次に、主熱交換器９に導入されて１，２００℃程度まで昇温され、上部ガス供給口１ｅおよび下部ガス供給口１ｇにそれぞれ供給されるようになっている。
【００４８】
主熱交換器９には燃焼器１０からの燃焼熱が与えられるようになっており、この燃焼器１０の燃焼に必要な空気は常温では燃焼効率が低いため、生石灰の冷却に使用され加熱された空気が補助エジェクター装置１１を介して供給される。
【００４９】
詳しくは、補助エジェクター装置１１の１次流側には、新たな空気源からブロワー１２を介して昇圧された空気が供給され、補助エジェクター装置１１の駆動ガスとして与えられるようになっている。それにより、ホッパー１ｉに導入された空気が下部中筒１ｃの上部から抜き出され、その抜き出された７５０℃の排気ｅが、補助エジェクター装置１１の２次流側に引き込まれるようになっている。
【００５０】
また、補助エジェクター装置１１の１次流側に通じる流路１３には第４熱交換器１４が設けられ、さらに、その流路１３から流路１５が分岐され、この流路１５は補助エジェクター装置１１の吐出側流路２１と接続されている。また、流路１５にはガス流量を調節するためのダンパ１６が設けられている。
【００５１】
上記ダンパ１６はコントローラ１７によって制御されるようになっており、そのコントローラ１７は、ＣＯ２貯蔵容器（図示しない）に通じるＣＯ２取出し流路１８に設けられた炭酸ガス濃度計１９が測定する炭酸ガス濃度に応じて開閉度をダンパ１６に指令するようになっている。
【００５２】
また、補助エジェクター装置１１から吐出される排気は、サイクロン２０で除塵された後、吐出側流路２１を通じて燃焼器１０に供給されるようになっており、その吐出側流路２１には第二の炭酸ガス濃度計２２が設けられている。
【００５３】
また、工場設備で発生した副成ガスも燃料ガスとして上記燃焼器１０に供給されており、この副成ガスを供給する燃料供給流路２３には第５熱交換器２４が設けられている。なお、上記各流路は管路で構成されている。
【００５４】
次に、上記構成を有する炭酸ガス循環式石灰焼成設備の動作について説明する。
【００５５】
ブロワー３により一部の炭酸ガスの圧力を０．１５MPa_abs程度の比較的高圧に高め駆動ガスとして主エジェクター装置４の一次流側に供給し、主エジェクター装置４を作動させると、石灰石の予熱を経ずに排出された炭酸ガスｃｇ１が主エジェクター装置４の二次流側に引き込まれ、循環炭酸ガスｒｇとして再び石灰焼成炉１へ供給される。
【００５６】
ここで、石灰石の予熱を経ずに排出された炭酸ガスｃｇ１は、循環する循環炭酸ガスｒｇに加え、焼成炉１内において熱分解により新たに発生した炭酸ガス分だけ流量が増加している。そのため、全量を主エジェクター装置４の二次流側へ供給すると、運転するにつれて焼成炉１内を循環する炭酸ガス流量が増加することになる。したがって、熱分解によって発生する炭酸ガスを系外へ排出する必要がある。
【００５７】
そこで、石灰石の予熱を経ずに排出された炭酸ガスの径路を、大気圧下の系外へ放出する放出流路２５と、主エジェクター装置４の二次流側へ供給する循環流路５とに分け、主エジェクター装置４に供給する駆動ガスｏｇの流量をブロワー３で調節してこれを一定に保つことで、循環流路５を流れる炭酸ガス流量を一定に保ち、熱分解で発生した炭酸ガスに相当する流量が大気圧下の系外へ押し出されるようにしている。
【００５８】
ところで、大気圧下の系外へ押し出される炭酸ガスｃｇ１は約８６０℃の温度を持っている。他方、主エジェクター装置４の駆動ガスｏｇは、ブロワー３から送り出しているだけであるため２００℃程度の比較的低温である。
【００５９】
エジェクター装置の性能を支配するのは高圧の駆動ガス、低圧の二次流ガス、両者混合後の混合ガスの間に成立する運動量保存であり、駆動ガスの高い運動量により、運動量の低い二次流ガスを両者の中間の運動力を持つ混合ガスに変えている。流体の運動量は次式で表される。
【００６０】
【数１】
ここで、ｐ：圧力、Ａ：流路断面積、ｍドット：質量流量（＝Ａρｖ）、ρ：密度、ｖ：流速である。
【００６１】
したがって、圧力ｐが一定のままでも密度ρを小さくすると流速ｖが増加して運動量は増加する。そのためには駆動ガスｏｇの温度を高める必要がある。
【００６２】
そのため、大気圧下の系外へ押し出される炭酸ガスｃｇ１を、第２熱交換器７に供給し、炭酸ガスｃｇ１の温度約８６０℃を利用して主エジェクター装置４の駆動ガスｏｇを加熱している。それにより、一次流側流路６を流れる炭酸ガスｃｇ１の温度を４１０℃程度まで上昇させる。なお、第３熱交換器８の動作については後述する。
【００６３】
一方、製品となる生石灰に注目すると、焼成炉１の上部から原料石灰石が供給され、予熱・水分除去を経て、約１，２００℃の循環炭酸ガスｒｇによって加熱されて熱分解し、約９００℃のまま焼成炉１を流下してくる。仮に、製品生石灰を９００℃の高温のままで排出させると、そのままではハンドリングできず、また、放熱させると約０．６MJ/kg-CaOだけエネルギー原単位を悪化させる。
【００６４】
そこで、熱交換により製品生石灰を冷却する際に生じた熱を、系内で必要とされる熱に充当することが考えられるが、その冷却熱媒として炭酸ガスを用いると、６００〜９００℃の温度域で製品生石灰が炭酸ガスと反応する再炭酸化が生じ、装置壁面などに硬い炭酸カルシウムが付着するという問題が発生する。
【００６５】
したがって、ここでの冷却熱媒には、燃焼器１０に供給する空気を使用する。生石灰が冷却された分だけ空気の温度は高くなり、この加熱された空気を使用すれば、少ない燃料で高温の燃焼用排ガスを得ることができる。
【００６６】
燃焼器１０に投入する燃料に対して空気比で約１（つまり当量空気）の大気を、焼成炉１における製品生石灰排出口側から吸引し炉内を上昇させることにより生石灰を冷却する。それにより、排出口での生石灰温度は約２５０℃まで冷却される。
【００６７】
一方、焼成炉１の空気出口１ｋでは、排気の温度は７５０℃まで加熱される。この排気は大気から吸引されるので吸引装置が必要となるが、この温度も７５０℃と高温のため、焼成炉１の下流側に補助エジェクター装置１１を配置する。この補助エジェクター装置１１の駆動ガスを作るのにブロワー１２を使用し、空気比０．２程度にて供給する。
【００６８】
なお、焼成炉１の上流側に送風ファンを設け、炉に対して空気を正圧で押し込むことも考えられるが、その場合には循環炭酸ガスの径路に空気が混入することが避けられない。焼成炉１内での循環炭酸ガスの径路と冷却空気ｃａの径路は、それらの径路を閉鎖分断することができず、同じ石灰石（熱分解してやがては生石灰となる）の流下径路で連続的に繋がっているからである。
【００６９】
本発明の目的は、熱分解ガスを分離不要な高純度の炭酸ガスとして回収することにあるから、冷却空気ｃａ→排気ｅの径路の圧力を循環炭酸ガスの径路（ほぼ大気圧）よりも高くしてはいけない。逆に、放出される炭酸ガスｃｇ１の濃度を高純度に維持するためには、若干量の循環炭酸ガスが、冷却空気ｃａ→排気ｅの径路に混入することを許容する必要がある。
【００７０】
しかしながら、循環炭酸ガスが大量に冷却空気ｃａ→排気ｅの径路に混入して、やがて燃焼排ガスに含まれて最終的に排出されるのは、炭酸ガス回収量低下に繋がることから好ましくない。そこで、ブロワー１２の下流で配管を分岐させ、一方の流路１３は補助エジェクター装置１１の一次流側へ繋げ、他方の流路１５は補助エジェクター装置１１をバイパスさせ、ダンパ１６を介して補助エジェクター装置１１下流側の吐出側流路２１に繋げている。
【００７１】
さらに、大気圧下の系外へ炭酸ガスを放出するＣＯ２取出し流路１８に炭酸ガス濃度計１９を設置して炭酸ガス濃度をモニターしている。この濃度が規定濃度以下に下がった場合、コントローラ１７はダンパ１６を閉じ側に動作させ、補助エジェクター装置１１の駆動ガス流量を増加させることで補助エジェクター装置１１の二次流系の圧力（＝冷却空気系圧力）を低下させる。それにより、大気圧下の系外へ放出される炭酸ガス系に混入する冷却空気流量を低減させることができる。
【００７２】
なお、大気圧下の系外へ放出された炭酸ガスはそのままＣＯ２貯蔵容器に一旦貯蔵されて、地下貯留される。現在、海底下地層に貯留される炭酸ガス濃度は海洋汚染防止法により９９．９％に決められている。したがって、本実施形態では大気圧下の系外へ放出する炭酸ガスの規定濃度を９９．９％以上に設定している。
【００７３】
また、ダンパ１６を閉じ過ぎると、混入する冷却空気流量はほとんどゼロになるが、逆に補助エジェクター装置１１の吸引効果が働きすぎて、前述のように回収すべき炭酸ガスが燃焼排ガスに含まれて排出されるようになる。したがって、ダンパ１６を過不足なく開閉動作させるようにコントローラ１７をプログラミングする。
【００７４】
次に、燃焼排ガスに注目する。
【００７５】
約７００℃の高温の排気ｅを燃焼器１０に供給し、合計空気比１．２程度で燃焼させた結果、約３，６００℃の高温燃焼排ガスｃｅが得られる。これを主エジェクター装置４の下流に設けられた主熱交換器９に供給して循環炭酸ガスｒｇとの間で熱交換を行うことにより、約１，２００℃の循環炭酸ガスｒｇと約９３０℃の燃焼排ガスｃｅが得られる。
【００７６】
上記主熱交換器９には、製鉄用途の石灰であれば不純物として煉瓦破片が若干量混入しても許容されることから、高炉送風空気を１，２００℃程度に加熱している熱風炉と同様に、燃焼器と煉瓦蓄熱からなる形式のものを使用することが実績もあり適している。
【００７７】
主熱交換器９を通過した燃焼排ガスｃｅは依然として９３０℃程度の高温の状態にあるため、熱回収に利用することができる。他方、系内で熱を必要としている加熱対象としては、主エジェクター装置４の駆動ガスのさらなる加熱、また、補助エジェクター装置１１の駆動ガスの加熱、さらにまた、燃焼器１０に供給する燃料ガスの３種類がある。９３０℃の燃焼排ガスｃｅには、これら３種類を加熱するのに足りる十分な量の熱がある。
【００７８】
そこで、上述したように、１次側流路６を流れる炭酸ガスｃｇ１の温度を２００℃から４１０℃程度まで上昇させたが、さらに、燃焼排ガス流路２６→第３熱交換器８に燃焼排ガスｃｅを通して主エジェクター装置４に供給する駆動ガスｏｇの温度を６００℃まで加熱する。
【００７９】
さらに、第３熱交換器８で熱交換に供せられた燃焼排ガスｃｅを、第３熱交換器８と第４熱交換器１４とを接続している別の燃焼排ガス流路２７を通じて第４熱交換器１４に供給することにより、補助エジェクター装置１１の駆動ガスを５００℃まで加熱する。
【００８０】
さらに、第４熱交換器１４で熱交換に供せられた燃焼排ガスｃｅを、第４熱交換器１４と第５熱交換器２４とを接続しているさらに別の燃料排ガス流路２８を通じて第５熱交換器２４に供給することにより、燃料ガスを３００℃まで加熱する。
【００８１】
これにより、燃焼排ガスｅｇの温度は最終的に４７０℃程度になり、煙突３０から大気中に放出される。この燃焼排ガスｅｇが持ち去る熱量は、生石灰製造エネルギー原単位を０．７MJ/kg-CaO程度悪化させている。系内にはこれ以上に熱の必要な対象がないため、この燃焼排ガスｅｇが持ち去る熱は、例えば排熱回収ボイラーなどにより系外で使用するエネルギーとして回収すればよい。
【実施例】
【００８２】
上記構成を有する炭酸ガス循環式石灰焼成設備を実施した場合の性能諸元を表１に示す。
【００８３】
【表１】
【００８４】
通常の直接加熱式石灰焼成炉での生石灰製造エネルギー原単位は３．８MJ/kg-CaO程度であるのに対して、本発明での生石灰製造エネルギー原単位は４．６MJ/kg-CaO程度と僅かに増加している。これは、熱分解で発生する炭酸ガスの経路（図１の流路２９参照）と燃焼排ガスの径路（同じく流路２５参照）との２系統を独立させており、それぞれに排熱が発生し、さらに炭酸ガスを高温で系内を循環するために排熱回収させる熱の需要が現状では系内に存在しないためである。
【００８５】
しかしながら、炭酸ガスを分離する従来方式では炭酸ガスを分離回収するプロセスが必要となるため、トータルのコストで考えると、本発明では１，４００円/t-CO2の追加燃料を投入しなければならないが、一方で分離回収のプロセスが不要となるため２，５００円/t-CO2の分離回収コストを削減でき、結局、１，１００円/t-CO2のコスト削減が可能になる。
【符号の説明】
【００８６】
１ 焼成炉
１ａ 炉筒
１ｂ 上部中筒
１ｃ 下部中筒
１ｄ 炉上部
１ｅ 上部ガス供給口
１ｆ 炉下部
１ｇ 下部ガス供給口
１ｈ 固定テーブル
１ｉ ホッパー
１ｊ 予熱部
１ｋ 空気出口
２ サイクロン
３ ブロワー
４ 主エジェクター装置
５ 循環流路
６ 一次流側流路
７ 第２熱交換器
８ 第３熱交換器
９ 主熱交換器
１０ 燃焼器
１１ 補助エジェクター装置
１２ ブロワー
１３ 流路
１４ 第４熱交換器
１５ 流路
１６ ダンパ
１７ コントローラ
１８ ＣＯ２取出し流路
１９ 炭酸ガス濃度計
２０ サイクロン
２１ 吐出側流路
２２ 炭酸ガス濃度計
２３ 燃料供給流路
２４ 第５熱交換器
２５ 放出流路
ｃｇ１，ｃｇ２ 炭酸ガス
ｃｅ 燃焼排ガス
ｅ 排気
ｏｇ 駆動ガス
ｒｇ 循環炭酸ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石灰石の熱分解により発生した炭酸ガスを石灰焼成炉内へ循環させて熱媒として使用する炭酸ガス循環式石灰焼成設備において、
上記石灰焼成炉に投入される原料石灰石の予熱に供せられる上記炭酸ガスの一部であって、その予熱によって冷却された炭酸ガスが導かれる送風機と、
上記送風機によって昇圧された炭酸ガスを駆動ガスとして供給する駆動ガス供給口と、熱分解により発生した炭酸ガスの一部を被駆動ガスとして供給する被駆動ガス供給口とをノズルに有し、そのノズル内を流れる上記駆動ガスによって上記被駆動ガスを吸い込み、両ガスを排出するエジェクター装置と、
上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスが導かれ、高温の熱源との熱交換を行う主熱交換器とを備え、
上記主熱交換器の熱交換によって昇温された炭酸ガスを、石灰石の熱分解ガスとして上記石灰焼成炉に供給するように構成されていることを特徴とする炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項２】
上記送風機と上記エジェクター装置とを接続する流路に第２熱交換器が設けられ、この第２熱交換器に、原料石灰石の予熱を経ずに高温の状態で上記石灰焼成炉から排出された炭酸ガスの一部が導かれ、上記エジェクター装置に供給する上記駆動ガスを加熱するように構成されている請求項１に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項３】
上記主熱交換器に補助エジェクター装置が接続され、この補助エジェクター装置の駆動ガス供給口には第二の送風機によって昇圧された空気が供給され、被駆動ガス供給口には上記石灰焼成炉の炉底から製品として排出される生石灰の冷却に供せられその石灰焼成炉から排出された排気が供給されるように構成されている請求項１に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項４】
上記主熱交換器と上記補助エジェクター装置との間に燃焼器が設けられ、この燃焼器は、上記補助エジェクター装置から排出される排気を燃焼し、上記主熱交換器に高温の熱源として供給するように構成されている請求項３に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項５】
上記第２熱交換器と上記エジェクター装置とを接続する流路に第３熱交換器が設けられ、この第３熱交換器に、上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスとの熱交換に供せられて上記主熱交換器から排出される排ガスが導かれ、上記エジェクター装置に供給する駆動ガスをさらに加熱するように構成されている請求項２に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項６】
上記第二の送風機と上記補助エジェクター装置の駆動ガス供給口とを接続する流路に第４熱交換器が設けられ、この第４熱交換器は、上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスとの熱交換に供せられて上記主熱交換器から排出される排ガスが導かれ、上記補助エジェクター装置に供給する駆動ガスをさらに加熱するように構成されている請求項３に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項７】
上記燃焼器に燃料を供給する流路に第５熱交換器が設けられ、この第５熱交換器に、上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスとの熱交換に供せられて上記主熱交換器から排出される排ガスが導かれ、上記燃焼器に供給する燃料を加熱するように構成されている請求項３に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項８】
炭酸ガスの流路に、熱媒として使用している炭酸ガスの濃度を測定する炭酸ガス濃度計が少なくとも一箇所設置されるとともに、その炭酸ガス濃度計から出力される炭酸ガス濃度情報に基づいて上記補助エジェクター装置に供給する駆動ガスの送風量を制御するコントローラが備えられている請求項３に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項１】
石灰石の熱分解により発生した炭酸ガスを石灰焼成炉内へ循環させて熱媒として使用する炭酸ガス循環式石灰焼成設備において、
上記石灰焼成炉に投入される原料石灰石の予熱に供せられる上記炭酸ガスの一部であって、その予熱によって冷却された炭酸ガスが導かれる送風機と、
上記送風機によって昇圧された炭酸ガスを駆動ガスとして供給する駆動ガス供給口と、熱分解により発生した炭酸ガスの一部を被駆動ガスとして供給する被駆動ガス供給口とをノズルに有し、そのノズル内を流れる上記駆動ガスによって上記被駆動ガスを吸い込み、両ガスを排出するエジェクター装置と、
上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスが導かれ、高温の熱源との熱交換を行う主熱交換器とを備え、
上記主熱交換器の熱交換によって昇温された炭酸ガスを、石灰石の熱分解ガスとして上記石灰焼成炉に供給するように構成されていることを特徴とする炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項２】
上記送風機と上記エジェクター装置とを接続する流路に第２熱交換器が設けられ、この第２熱交換器に、原料石灰石の予熱を経ずに高温の状態で上記石灰焼成炉から排出された炭酸ガスの一部が導かれ、上記エジェクター装置に供給する上記駆動ガスを加熱するように構成されている請求項１に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項３】
上記主熱交換器に補助エジェクター装置が接続され、この補助エジェクター装置の駆動ガス供給口には第二の送風機によって昇圧された空気が供給され、被駆動ガス供給口には上記石灰焼成炉の炉底から製品として排出される生石灰の冷却に供せられその石灰焼成炉から排出された排気が供給されるように構成されている請求項１に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項４】
上記主熱交換器と上記補助エジェクター装置との間に燃焼器が設けられ、この燃焼器は、上記補助エジェクター装置から排出される排気を燃焼し、上記主熱交換器に高温の熱源として供給するように構成されている請求項３に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項５】
上記第２熱交換器と上記エジェクター装置とを接続する流路に第３熱交換器が設けられ、この第３熱交換器に、上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスとの熱交換に供せられて上記主熱交換器から排出される排ガスが導かれ、上記エジェクター装置に供給する駆動ガスをさらに加熱するように構成されている請求項２に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項６】
上記第二の送風機と上記補助エジェクター装置の駆動ガス供給口とを接続する流路に第４熱交換器が設けられ、この第４熱交換器は、上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスとの熱交換に供せられて上記主熱交換器から排出される排ガスが導かれ、上記補助エジェクター装置に供給する駆動ガスをさらに加熱するように構成されている請求項３に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項７】
上記燃焼器に燃料を供給する流路に第５熱交換器が設けられ、この第５熱交換器に、上記エジェクター装置から排出される炭酸ガスとの熱交換に供せられて上記主熱交換器から排出される排ガスが導かれ、上記燃焼器に供給する燃料を加熱するように構成されている請求項３に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【請求項８】
炭酸ガスの流路に、熱媒として使用している炭酸ガスの濃度を測定する炭酸ガス濃度計が少なくとも一箇所設置されるとともに、その炭酸ガス濃度計から出力される炭酸ガス濃度情報に基づいて上記補助エジェクター装置に供給する駆動ガスの送風量を制御するコントローラが備えられている請求項３に記載の炭酸ガス循環式石灰焼成設備。
【図１】
【図２】
【図４】
【図３】
【図２】
【図４】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２４６１８４（Ｐ２０１２−２４６１８４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１９５５１（Ｐ２０１１−１１９５５１）
【出願日】平成２３年５月２７日（２０１１．５．２７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２７日（２０１１．５．２７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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