(57)【要約】【課題】排熱の回収が容易で、設備コストを抑制できる球状粒子製造装置を提供する。【解決手段】金属製の内筒８と、内筒を取り囲む外筒９と、内筒８の上部に配設された火炎燃焼装置２とを有する球状粒子製造装置１において、内筒８と外筒９との隙間に冷却用空気を挿通し、内筒８と外筒９との隙間を通過した冷却用空気を火炎燃焼装置８の燃焼用空気として用いる。【選択図】図１
2010075810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の内筒と、前記内筒を取り囲む外筒と、前記内筒の上部に配設された火炎燃焼装置とを有し、
前記内筒と前記外筒との隙間に冷却用空気を挿通することを特徴とする球状粒子製造装置。
【請求項２】
前記内筒と前記外筒との隙間を通過した冷却用空気を前記火炎燃焼装置の燃焼用空気として用いることを特徴とする請求項１に記載の球状粒子製造装置。
【請求項３】
前記内筒と前記外筒との隙間を通過した冷却用空気の一部を外部に放出し、火炎燃焼装置に供給される空気量を調節する燃焼用空気量調節手段を有することを特徴とする請求項２に記載の球状粒子製造装置。
【請求項４】
前記内筒と前記外筒との隙間を螺旋状に区分する仕切り板を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の球状粒子製造装置。
【請求項５】
前記内筒または前記外筒は、縦方向に伸縮可能な伸縮部材を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の球状粒子製造装置。
【請求項６】
前記冷却用空気は、前記内筒と前記外筒と隙間と全周に亘って連通する環状の緩衝室を介して供給されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の球状粒子製造装置。
【請求項７】
前記冷却用空気は、前記内筒と前記外筒との隙間の上部に供給され、下部から排出されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の球状粒子製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火炎によって原料粒子を溶融する球状粒子製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原料となる無機粉体を火炎中を通過させることによって溶融し、球状の粒子を得る装置が公知である。例えば、石灰系の無機粉体を溶融するためには、１２００℃以上の火炎が必要であり、従来の球状粒子製造装置は、煉瓦のような耐火物で炉体が形成されている。
【０００３】
特許文献１および２に記載された球状粒子製造装置では、炉体の内壁に沿って冷却用空気を噴射して、内壁を８００℃以下に冷却し、内壁への溶融した原料の付着（クリンカ）を抑制している。
【０００４】
炉体の最高温度が８００℃以下であれば、炉体を例えばＳＵＳ３１６Ｌなどの金属製にすることでコストの削減を図ることが視野に入れられる。しかしながら、炉体の内壁全面に十分な冷却用空気を供給することは容易ではなく、炉体が局所的に高温になる可能性が高いため、特許文献１および２に記載された球状粒子製造装置の炉体を金属体で構成することは危険である。
【０００５】
また、球状粒子製造装置の処理能力を大きくするには、火炎のスペースを確保するために炉体を大きくする必要がある。その場合、炉体の内壁を冷却するために、多量の冷却用空気を導入する必要があり、排ガスの量が増大するため、排ガスを処理するための集塵機や処理塔などの設備も大きなものが必要となり、コスト高となる。
【０００６】
さらに、このような球状粒子製造装置においても、排熱の回収による熱効率の向上が求められる。球状粒子製造装置では、粒子の融点以下に冷却した燃焼排ガスの温度をさらにバグフィルタのような球状粒子回収装置の耐熱温度（例えばテフロン（登録商標）でコーティングを施したバグフィルタでは約２５０℃）以下にするために、希釈空気を導入している。このため、球状粒子を分離した後の排ガスからは、もはや有効な熱回収ができない。
【０００７】
また、球状粒子を含んだ燃焼排ガスから熱回収するのに多管式やプレート式のような対流型熱交換器を使用するので、詰まりや摩耗等の不具合が発生する危険性が高い。放射型熱交換器を使用した場合でも、十分な熱回収ができなかったり、装置が大型化するといという問題がある。また、熱交換器に付着する粒子を定期的に除去する必要があり、メンテナンスコストが高くなるという問題もある。
【特許文献１】特開平１１−３３７０４２号公報
【特許文献２】特開２００２−１６６１６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記問題点に鑑みて、本発明は、排熱の回収が容易で、設備コストを抑制できる球状粒子製造装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明による球状粒子製造装置は、金属製の内筒と、前記内筒を取り囲む外筒と、前記内筒の上部に配設された火炎燃焼装置とを有し、前記内筒と前記外筒との隙間に冷却用空気を挿通するものとする。
【００１０】
この構成によれば、炉体をジャケット構造にすることにより、金属製の内筒の外面全体にくまなく冷却用空気を供給して冷却し、炉体を耐用温度以下に保つことができる。炉体を金属製にしたことで、コストを低減でき、設置スペースも小さくて済む。また、冷却用空気が燃焼ガスと分離されているため、内筒を介して熱交換し、高温となった冷却用空気を再利用することで、熱エネルギーの回収ができる。また、燃焼ガスに冷却用空気が導入されないので、排ガスの量が増加せず、粉体回収設備（サイクロンセパレータやバグフィルタ等）や排ガスの処理設備の容量も小さくて済む。
【００１１】
また、本発明の球状粒子製造装置において、前記内筒と前記外筒との隙間を通過した冷却用空気を前記球状粒子製造装置の前記火炎燃焼装置の燃焼用空気として用いてもよい。
【００１２】
この構成によれば、高温の燃焼ガスと冷却用空気との間で熱交換するので、冷却用空気の温度が高くなる。この高温の冷却用空気を燃焼用空気として再利用することで火炎の温度を高くできる。これにより、余分なエネルギ（燃料）を消費せずに粒子の球状化率を高められる。
【００１３】
また、本発明の球状粒子製造装置において、前記内筒と前記外筒との隙間を通過した冷却用空気の一部を外部に放出し、火炎燃焼装置に供給される空気量を調節する燃焼用空気量調節手段を有してもよい。
【００１４】
この構成によれば、内筒の冷却に最適な冷却用空気の流量を維持しながら、燃焼用空気の量を調節して空燃比を最適に維持できるので、高い燃焼効率が得られる。
【００１５】
また、本発明の球状粒子製造装置は、前記内筒と前記外筒との隙間を螺旋状に区分する仕切り板を有してもよい。
【００１６】
この構成によれば、冷却用空気の流路を狭めて流速を高めることができ、これによって、内筒を十分に冷却することができる。
【００１７】
また、本発明の球状粒子製造装置において、前記内筒または前記外筒は、縦方向に伸縮可能な伸縮部材を有してもよい。
【００１８】
この構成によれば、内筒と外筒との温度差による膨張率の違いを吸収できる。
【００１９】
また、本発明の球状粒子製造装置において、前記冷却用空気は、前記内筒と前記外筒と隙間と全周に亘って連通する環状の緩衝室を介して供給されてもよい。
【００２０】
この構成によれば、冷却用空気の流れに偏りができず、内筒を周方向に均等に冷却できる。
【００２１】
また、本発明の球状粒子製造装置において、前記冷却用空気は、前記内筒と前記外筒との隙間の上部に供給され、下部から排出されてもよい。
【００２２】
この構成によれば、火炎に近く内筒により大きな熱が伝達される上部から温度の低い冷却用空気を供給することができるため、効率的な熱交換が可能となり、内筒の最高温度を低くでき、冷却用空気の流量を小さくできる。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように、本発明によれば、炉体を金属製のジャケット構造とし、熱交換機構を設けたことで、炉体を耐用温度以下に保つことができる。また、冷却用空気を燃焼ガスと分離して炉体内に導入しないようにしたため、排ガスの量を低減できるとともに冷却用空気の２次利用によって効率のよい熱回収ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
これより、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の１つの実施形態の球状粒子製造装置１を示す。球状粒子製造装置１は、上端に火炎燃焼装置２が配設され、下端が縮径する概略円筒形の炉体３を有する。
【００２５】
炉体３は、火炎燃焼装置２の火炎を包含する溶融室４を形成する上部本体５と、溶融室４と連通する冷却室６を形成する下部本体７とを有する。上部本体５は、例えば、内径１１００ｍｍ、有効高さ１８００ｍｍ、ＳＵＳ３１６Ｌ製の内筒８と、内筒８を取り囲むＳＵＳ３０４Ｌ製の外筒９との２重管からなるジャケット構造を有する。例えば、内筒８と外筒９との隙間は、１８ｍｍであり、内筒８または外筒９には、内筒８と外筒９との隙間を螺旋状に区分する２条の帯状の仕切り板１０が設けられている。
【００２６】
また、上部本体５は、上端が、火炎燃焼装置２の径にあわせて傘状に縮径し、内筒８の上端には、火炎燃焼装置２を取り囲むように、蛇腹状に形成されて伸縮自在なベローズ（伸縮部材）１１が設けられている。ベローズ１１は、内筒８と外筒９との温度の違いによる、熱膨張の差を吸収する。ここで、ベローズ１１は、火炎燃焼装置２の周囲に配置されることで、口径が小さくて済み、直接火炎に晒されることもない。本実施形態では、ベローズ１１の内側にさらに遮蔽板１２を配置して火炎からの輻射熱も遮断するとともに、ベローズ１１への粉体の進入を防ぎ、その伸縮機能が損なわれないように保護している。また、外筒９の縮径した上端には、ベローズ１１を取り囲むように上方に延伸する隔壁１３が設けられている。
【００２７】
上部本体５は、外筒９上端の縮径部を取り囲むように配置され、内筒８と外筒９との隙間の上端と、ベローズ１１と隔壁１３との隙間を介して、全周に亘って連通する環状の吸気緩衝室１４が設けられている。吸気緩衝室１４には、ブロワ１５から、調整弁１６を介して、上部本体５、特に、内筒８を冷却するための冷却用空気を導入するための吸気管１７が設けられている。調整弁１６は、温度検出器１８が検出した内筒８に基づいて、内筒８の温度が設定温度になるように開度調整される。
【００２８】
また、上部本体５は、外筒９の下端部をさらに取り囲み、内筒８と外筒９との隙間の下端と全周に亘って連通する環状の排気緩衝室１９が設けられている。排気緩衝室１９は、内筒８と外筒９との隙間に挿通された冷却用空気を排気するための排気管２０を有する。
【００２９】
下部本体７は、外周に、冷却水が挿通される水冷ジャケット２１を有し、下端に、製造した球状粒子を搬送用空気と混合して、不図示の粉体回収装置（例えばバグフィルタ）に移送するための輸送管２２が設けられている。
【００３０】
火炎燃焼装置２は、概略３重管状の構造を有し、原料の無機粉体と、燃料ガスと、燃焼用空気とが供給され、溶融室４内に鉛直下向きに火炎を形成し、高温の火炎内で無機粉体を加熱できる。球状粒子製造装置１は、無機粉体を、溶融室４内において火炎内に供給することにより加熱して溶融し、冷却室６内において燃焼ガスとともに融点以下に冷却することで、粒子自身の表面張力により球形化した粉体を得る。
【００３１】
火炎燃焼装置２に供給される燃焼用空気は、内筒８と外筒９との隙間を通過した冷却用空気が再利用される。冷却用空気は、内筒８を耐用温度以下に保つために一定の流量を確保する必要がある。一方、燃焼用空気の流量は、燃料ガスの流量に応じた最適な空燃比から決定される。本実施形態では、冷却用空気の下限流量よりも必要な燃焼用空気の流量の方が少ない。このため、過剰な空気は、ブリード弁２３を介して外部に放出されるようになっている。具体的には、火炎燃焼装置２に供給される空気の質量流量は、流量検出器２４によって、例えば、オリフィス通過前後の差圧と空気温度とから算出することで検出され、流量検出器２４の検出値に基づいて、その流量が燃料ガスの流量に応じた最適な空燃比から算出される値となるように、ブリード弁２３の開度が調節、例えばＰＩＤ制御制御される（燃焼用空気量調節手段）。
【００３２】
例えば、無機粉体の溶融のために、火炎温度が約１２００℃必要である場合、燃料ガスとしてＬＰＧ（発熱量：２１８００ｋｃａｌ／ｍ３Ｎ）を１２ｍ３Ｎ／ｈ必要とし、そのために必要な燃焼用空気は、２８７ｍ３Ｎ／ｈである。
【００３３】
また、本実施形態では、例えば、ブロワ１５から吸気管１７を介して、通常の条件において、以下のように、内筒８を耐用温度以下に維持するために、３９０ｍ３Ｎ／ｈの冷却用空気が供給されるように設計されている。吸気緩衝室１４は、一旦、供給された冷却用空気の流速を低下させ、内筒８と外筒９との隙間の上端全体に、略均等な流量で冷却用空気を供給する。これにより、内筒８の外面に沿って、周方向に均等に、冷却用空気を挿通することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、隔壁１３があることにより、ベローズ１１の外周に沿った冷却用空気の通路が形成されている。これにより、吸気緩衝室１４からベローズ１１の周囲に、冷却用空気が均一かつ十分な流速で挿通され、ベローズ１１を冷却できる。
【００３５】
さらに、本実施形態では、内筒８と外筒９との隙間には螺旋状に仕切り板１０が設けられているので、内筒８外側を冷却用空気がまんべんなく流れるとともに、冷却用空気の流速を高くすることができる。冷却用空気の流速を高めることにより、内筒８と冷却用空気との間の熱交換を促進することができる。
【００３６】
本実施形態では、仕切り板１０に区分された内筒８と外筒９との隙間における冷却用空気の速度は、冷却用空気の平均温度を２００℃とすると、約８．９ｍ／ｓｅｃである。この流速８．９ｍ／ｓｅｃにおいて、火炎燃焼装置２の燃焼ガスと冷却用空気との間の内筒８を介しての単位面積当たりの熱伝達率は、円筒壁の熱伝達モデルに従って算出すると、約３２．８ｋｃａｌ／ｍ２・ｈ・℃となる。
【００３７】
図２に、上部本体５における高さによる、溶融室４内の燃焼ガス温度と、内筒８の内面温度と、内筒８と外筒９との隙間の冷却用空気温度との変化を示す。図示するように、この条件において、内筒８の最高温度は約６５０℃であり、安全率等を考慮しても、構造的に十分耐え得る温度である。
【００３８】
また、本実施形態では、内筒８と外筒９との隙間の上端に冷却用空気を供給して下端から排気するようにすることで、燃焼ガスと冷却用空気とが同じ側から供給される並流による熱交換とし、燃焼ガスの温度をより早く低下させることで、内筒８の最高温度を低くしている。
【００３９】
このように、本発明の球状粉体製造装置１の炉体３は、全て金属で構成できるので、耐火物を使用するよりも安価に設置することが可能であり、メンテナンスも容易である。
【００４０】
また、図２に示すように、排気管２０から排気された冷却用空気の温度は、約４３０℃であり、火炎燃焼装置２の燃焼用空気として再利用することで、その省エネルギー化に十分に貢献できる。つまり、本発明では、冷却用空気が高温の燃焼ガスと内壁８を介して熱交換するので、効率のよい熱回収が可能である。これは、従来、粉体の融点以下に冷却された排気ガスから熱回収するために必要としていた伝熱面積の大きな熱交換器の設置やそのメンテナンスを不要にするという大きな利点となる。また、本発明の球状粉体製造装置１では、燃焼排ガスを熱交換によって冷却するため、燃焼排ガスに冷却用空気を導入する必要がない。これにより、最終的な排ガスの体積が増加しないので、本発明の球状粉体製造装置１は、球状粒子の回収設備（バグフィルタなど）の容量が小さくて済むことも大きなメリットである。
【００４１】
また、本実施形態において、内筒８と外筒９との隙間での冷却用空気の流路長さは約５ｍであり、冷却用空気の圧損は、約５０ｍｍＨ２Ｏでしかない。このため、冷却用空気を供給するためのブロワ１５は、通常のバーナ装置用のものが使用でき、内筒８および外筒９に構造上大きな負荷をかけることもない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の１つの実施形態の球状粉体製造装置の概略断面図。
【図２】図１の球状粉体製造装置における燃焼ガス、内筒および冷却用空気の温度変化を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４３】
１…球状粒子製造装置。
２…火炎燃焼装置
３…炉体
４…溶融室
５…上部本体
６…冷却室
７…下部本体
８…内筒
９…外筒
１０…仕切り板
１１…ベローズ（伸縮部材）
１２…遮蔽板
１３…隔壁
１４…吸気緩衝室
１５…ブロワ
１７…吸気管
１９…排気緩衝室
２０…排気管
２３…ブリード弁（燃焼用空気調節手段）
【図１】
2010075810.tif 000003
【図２】
2010075810.tif 000004