(57)【要約】【課題】装置構成が複雑とならず従って装置の製造コストが高くなることなく、従来よりも伝熱効率の高い間接加熱式キルンを提供する。【解決手段】  被処理物を回転させながら加熱処理する回転ドラムと、該回転ドラム外周に設けられた外筒とを有し、前記回転ドラム外表面と前記外筒の内表面の間に形成される加熱室に加熱媒体を導入して前記回転ドラム外周に沿って通流させることで前記回転ドラムに伝熱して加熱する間接加熱式キルンにおいて、前記加熱室内を通流する加熱媒体の流路の断面積を加熱媒体流れ方向に向かって連続的又は段階的に小さくするとともに、前記加熱媒体の加熱室入口部の流速をＶ１、前記加熱媒体の加熱室出口部の流速をＶ２とした時に、Ｖ１≦Ｖ２となるように、前記加熱室における加熱媒体の流路入口断面積と流路出口断面積の比を設定する。【選択図】図１
2008215723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物を回転させながら加熱処理する回転ドラムと、該回転ドラム外周に設けられた外筒とを有し、前記回転ドラム外表面と前記外筒の内表面の間に形成される加熱室に加熱媒体を導入して前記回転ドラム外周に沿って通流させることで前記回転ドラムに伝熱して加熱する間接加熱式キルンにおいて、
前記加熱室内を通流する加熱媒体の流路の断面積を加熱媒体流れ方向に向かって連続的又は段階的に小さくするとともに、
前記加熱媒体の加熱室入口部の流速をＶ１、前記加熱媒体の加熱室出口部の流速をＶ２とした時に、Ｖ１≦Ｖ２となるように、前記加熱室における加熱媒体の流路入口断面積と流路出口断面積の比を設定することを特徴とする間接加熱式キルン。
【請求項２】
前記外筒の内表面を耐火物で覆い、前記Ｖ１≦Ｖ２の設定を前記耐火物の厚みによって前記加熱媒体の流路の断面積を設定して行うことを特徴とする請求項１記載の間接加熱式キルン。
【請求項３】
前記加熱室内の少なくとも１の壁面に乾燥塗膜輻射率が０．８以上の耐熱塗料を塗布して塗膜を形成するとともに、前記回転ドラム外表面上の付着物を掻き取るスクレーパーを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の間接加熱式キルン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、間接加熱式キルンに関するものであり、詳しくは従来よりも伝熱効率の高い間接加熱式キルンに関する。
【背景技術】
【０００２】
間接加熱式キルンは、被処理物を回転させながら加熱処理する回転ドラムと、該回転ドラム外周に設けられた外筒とを有し、前記回転ドラム外表面と前記外筒の内表面の間に形成される加熱室に加熱媒体を導入して前記回転ドラム外周に沿って通流させることで前記回転ドラムに伝熱して加熱する。このような間接加熱式キルンは従来より例えば、バイオマス等の揮発分及び固定炭素分を含む可燃固形物を加熱して固定炭素分を多く含む炭化物を得る炭化炉、廃棄物などの被処理物を不活性雰囲気中で加熱して熱分解ガスと熱分解残渣とに分解するガス化溶融炉、あるいは乾燥機等様々な用途で用いられている。
【０００３】
図５は従来の間接加熱式キルンの概略正面図である。回転ドラム１は両端部２、３以外の部分の外周に外筒４が設けられ、前記回転ドラム１の外周面と前記外筒４の内周面の間に加熱室５が形成されている。また、前記加熱室５へ例えば燃焼ガスなどの加熱媒体を通流させて前記回転ドラム１へ伝熱することで回転ドラム１内部が加熱される。一方、被処理物は供給口６より回転ドラム１内へ供給される。前記供給口６より回転ドラム１内へ供給された被処理物は、前記回転ドラム１が回転したときに、供給口６側から排出口７側に攪拌しながら移送され、間接加熱によって加熱される。
【０００４】
図６は前記回転ドラム１と加熱室５の部分斜視図であり、図７は図５におけるＡ−Ａ断面図である。加熱媒体供給口１１に設けた複数の開口１２から、回転ドラム１の外周面と外筒４の内周面の間に形成された加熱室５へ加熱媒体が供給され、該供給された加熱媒体は回転ドラム１の外周に沿って回転ドラム１の周囲を略１周し、加熱媒体排出口１３に設けた複数の開口１４から外部へ排出される。なお、開口１２又は１３にダンパーを設けて加熱室５内を通流する加熱媒体の流量を調整できるようにするとよい。
【０００５】
また、加熱室５内であり加熱媒体入口側の開口１２と加熱媒体出口側の開口１３の間には金属板１０が設けられており、加熱媒体の逆流を防止している。なお、金属板１０と回転ドラム１の間には隙間１６が設けられ、金属板１０が回転ドラム１の回転の障害とならないようにしている。
さらに、外筒４の内表面は耐火材１５で覆われている。
【０００６】
このような従来の間接加熱式キルンは、通常回転ドラム１の外周面と外筒の内周面に設けた耐火材１５の内周面は同心円の関係にあり、加熱室５内を加熱媒体が流通する流路断面積は一定である。
【０００７】
しかしながら加熱媒体は、前記加熱媒体入口側の開口１２から加熱室５に導入され回転ドラム１と接触し始めた時点で最も回転ドラム１との温度差が大きく熱交換の効率が良いが、加熱媒体出口に近づくに連れて温度が低下し、加熱媒体は通常気体であるため温度の低下に伴って体積が小さくなるとともに流速も小さくなる。
そのため、加熱媒体の流速の低下によって加熱媒体から回転ドラム外表面への対流伝熱効率が低下してしまう。
【０００８】
そこで、対流伝熱効率を高めるため、特許文献１には加熱媒体の通流方向と回転ドラムの回転方向を逆方向にし、さらに回転ドラム外表面を凹凸面を有する縞鋼板で形成した間接加熱式キルンが開示されている。また特許文献２には伝熱面となる回転ドラムの周囲壁面に攪拌羽根やフィン等を設置して伝熱面積を増加することによって伝熱効率を高める間接加熱式キルンが開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−２９６０８５号公報
【特許文献２】特開２００３−２６２４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示された発明は、加熱媒体の通流方向と回転ドラムの回転方向を逆方向にするだけでは加熱媒体の流速低下を抑えることはできないことに加えて、回転ドラム外表面を凹凸面を有する縞鋼板で形成するため製造コストも高くなる。
【００１１】
また、特許文献２に開示された発明は、装置構成が大掛かりなものとなることに加えて、構造も複雑となるため、製造コスト及び保守コストが高くなる。
【００１２】
従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、装置構成が複雑とならず従って装置の製造コストが高くなることなく、従来よりも伝熱効率の高い間接加熱式キルン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】
【００１３】
上記課題を解決するため本発明においては、
被処理物を回転させながら加熱処理する回転ドラムと、該回転ドラム外周に設けられた外筒とを有し、前記回転ドラム外表面と前記外筒の内表面の間に形成される加熱室に加熱媒体を導入して前記回転ドラム外周に沿って通流させることで前記回転ドラムに伝熱して加熱する間接加熱式キルンにおいて、前記加熱室内を通流する加熱媒体の流路の断面積を加熱媒体流れ方向に向かって連続的又は段階的に小さくするとともに、前記加熱媒体の加熱室入口部の流速をＶ１、前記加熱媒体の加熱室出口部の流速をＶ２とした時に、Ｖ１≦Ｖ２となるように、前記加熱室における加熱媒体の流路入口断面積と流路出口断面積の比を設定することを特徴とする。
【００１４】
例えば前記外筒内表面を耐火材で覆った場合、回転ドラム表面への外部からの伝熱量Ｑｋｏ（ｋｃａｌ／ｈ）は以下の式で表すことができる。
Ｑｋｏ＝Ｑｃｇ−ｋｏ＋Ｑｒｇ−ｋｏ＋Ｑｒｍ−ｋｏ
ここで、Ｑｃｇ−ｋｏは加熱媒体から回転ドラム表面への対流伝熱（ｋｃａｌ／ｈ）、Ｑｒｇ−ｋｏは加熱媒体から回転ドラム外表面への輻射伝熱（ｋｃａｌ／ｈ）、Ｑｒｍ−ｋｏは耐火材内面から回転ドラム外表面への輻射伝熱（ｋｃａｌ／ｈ）である。
【００１５】
ここで、前記Ｑｃｇ−ｋｏは以下の式（１）で求めることができる。
【数１】
2008215723.tif 000003
ここで、ｈ２は回転ドラム外部対流熱伝達率（ｋｃａｌ／（ｍ２ｈ℃））、Ａ２は回転ドラム外表面積（ｍ２）、Ｔｇは加熱媒体温度（℃）、Ｔｋｏは回転ドラム外表面温度（℃）である。
【００１６】
さらに、（１）式中のｈ２は以下の式（２）で求めることができる。
【数２】
2008215723.tif 000004
ここで、λは加熱媒体の熱伝導率（ｋｃａｌ／（ｍｈ℃））、ｄは相当直径（ｍ）、Ｄは曲率直径（ｍ）、ρは加熱媒体の密度（ｋｇ／ｍ３）、νは動粘性係数（ｍ２／ｓ）、ｕは加熱媒体の流速（ｍ／ｓ）である。
【００１７】
従って、加熱室内を通流する加熱媒体の流路の断面積を加熱媒体流れ方向に向かって連続的又は段階的に小さくすることで、加熱媒体の流速ｕが連続的又は段階的に大きくなって、対流熱伝達率ｈ２が大きくなり、対流熱伝達が大きくなる。
さらに、加熱媒体は通常気体であるため温度の低下に伴って体積が小さくなるとともに流速も小さくなるが、前記加熱媒体の加熱室入口部の流速をＶ１、前記加熱媒体の加熱室出口部の流速をＶ２とした時に、Ｖ１≦Ｖ２となるように、前記加熱室における加熱媒体の流路入口断面積と流路出口断面積の比を設定することで、加熱媒体の流速ｕが小さくなることなく、加熱媒体入口部から出口部に渡って高い対流熱伝達を維持することができる。
【００１８】
また、前記外筒の内表面を耐火物で覆い、前記Ｖ１≦Ｖ２の設定を前記耐火物の厚みによって前記加熱媒体の流路の断面積を設定して行うことを特徴とする。
加熱媒体の流路断面積の設定は、例えば回転ドラムと外筒を偏心させる等の方法で設定してもよいが、このように耐火物の厚みで設定することで低コストで且つ簡単に設定を行うことができ、さらに設定の見直しも簡単に行うことができる。
【００１９】
また、前記加熱室内の少なくとも１の壁面に乾燥塗膜輻射率が０．８以上の耐熱塗料を塗布して塗膜を形成するとともに、前記回転ドラム外表面上の付着物を掻き取るスクレーパーを設けたことを特徴とする。
【００２０】
加熱室内の壁面のうち、回転ドラム外表面に耐熱塗料を塗布して塗膜を形成した場合、加熱媒体及び外筒内表面を覆う耐火材からの放射伝熱を受けやすくなり、加熱媒体から回転ドラム外表面への輻射伝熱Ｑｒｇ−ｋｏ（ｋｃａｌ／ｈ）及び外筒内表面を覆う耐火材内面から回転ドラム外表面への輻射伝熱Ｑｒｍ−ｋｏ（ｋｃａｌ／ｈ）が大きくなって、伝熱効率が高くなる。
【００２１】
一方加熱室内の壁面のうち、外筒内表面（外筒内表面を耐火材で覆った場合は耐火材内表面）に耐熱塗料を塗布して塗膜を形成した場合、外筒（外筒内表面を耐火材で覆った場合は耐火材）に加熱媒体より受けた熱を放射伝熱として回転ドラムに伝えやすくなり、伝熱効率が高くなる。
【００２２】
ここで、輻射率０．８以上とは経験的、経済的に見出した数値であり、輻射率が０．８以上の耐熱塗料塗膜の形成で伝熱効果を高める効果が顕著に大きくなる。輻射率が０．８未満であっても効果は現れるが、経済的に有利ではない。
【発明の効果】
【００２３】
以上記載のごとく本発明の間接加熱式キルンは、装置構成が複雑とならず従って装置の製造コストが高くなることなく、従来よりも伝熱効率の高いという利点がある。
従って、従来よりも伝熱効率が高いため、従来よりも少ない加熱媒体流量で従来と同様の回転ドラム内部温度とすることができ、製造コスト及びランニングコストを削減することができる。
さらに、従来と同じ加熱媒体流量を用いる場合においては、従来よりもキルン長を短くすることができ、製造コストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【実施例１】
【００２５】
本実施例１における間接加熱式キルンの概略正面図は、図５に示した従来の間接加熱式キルンの概略正面図と同様である。本実施例１においては、従来例と共通のものについては従来例と同一の符号を付して説明する。
回転ドラム１は両端部２、３以外の部分の外周には外筒４が設けられ、前記回転ドラム１の外周面と前記外筒４の内周面の間に加熱室５が形成されている。また、前記加熱室５へ例えば燃焼ガスなどの加熱媒体を通流させて前記回転ドラム１へ伝熱することで回転ドラム１内が加熱される。一方、被処理物は供給口６より回転ドラム１内へ供給される。前記供給口６より回転ドラム１内へ供給された被処理物は、前記回転ドラム１が回転したときに、供給口６側から排出口７側に攪拌しながら移送され、間接加熱によって加熱される。
【００２６】
図１は図５におけるＡ−Ａ断面図である。加熱媒体供給口１１に設けた複数の開口１２から、回転ドラム１の外周面と外筒４の内周面を覆う耐火材１５の間に形成された加熱室５へ加熱媒体として燃焼ガスが供給され、該燃焼ガスは回転ドラム１の外周に沿って回転ドラム１の周囲を略１周し、加熱媒体排出口１３に設けた複数の開口１４から外部へ排出される。なお、開口１２又は１３にダンパーを設けて加熱室５内を通流する燃焼ガスの流量を調整できるようにするとよい。
【００２７】
また、加熱室５内であり燃焼ガス入口側の開口１２と燃焼ガス出口側の開口１３の間には金属板１０が設けられており、燃焼ガスの逆流を防止している。なお、金属板１０と回転ドラム１の間には隙間１６が設けられ、金属板１０が回転ドラム１の回転の障害とならないようにしている。
【００２８】
本発明に特徴的な構成として、加熱室５の燃焼ガス流路の断面積を燃焼ガス流れ方向に向かって連続的に小さくしている。なお、本実施例においては燃焼ガス流路の断面積を燃焼ガス流れ方向に向かって連続的に小さくしているが、連続的ではなく段階的に小さくしてもよい。
【００２９】
燃焼ガスの流路断面積は、回転ドラム１の外周面と外筒４の内周面を同心円の関係とし、外筒４の内表面を覆う耐火材１５の厚みを調整することで設定している。なお本実施例においては耐火材１５の厚みによって燃焼ガスの流路断面積を設定しているが、外筒４の内表面と外筒４を覆う耐火材１５の内表面を同心円の関係とし、耐火材１５の内表面と回転ドラム１の該表面を偏心させることで燃焼ガスの流路断面積を設定してもよい。
【００３０】
さらに、加熱室５の燃焼ガス流路入口部の断面積をＳ１、燃焼ガス流路出口部の断面積をＳ２、燃焼ガス流路入口部での燃焼ガスの流速をＶ１、燃焼ガス流路出口部での燃焼ガスの流速をＶ２としたとき、Ｓ１とＳ２の比は、Ｖ１≦Ｖ２となるように決定する。
この時、Ｓ１とＳ２の比の具体的な計算は、回転ドラムの大きさ及び材質、燃焼ガスの種類及び燃焼室入口温度に応じて前述の式（１）及び（２）を用いて計算する。
【００３１】
このように構成することで、加熱室５内を通流する燃焼ガスの流路の断面積が燃焼ガス流れ方向に向かって連続的に小さくなり、燃焼ガスの流速（式（２）におけるｕ）が連続的に大きくなって、対流熱伝達率（式（１）におけるｈ２）が大きくなり、対流熱伝達を高めることに効果的に寄与する。
【００３２】
図２は回転ドラム内部を設定温度まで上昇して維持するために必要な燃焼ガス量をガス流路減少率に対してプロットしたグラフであり、縦軸は必要ガス流量、横軸はガス流路減少率を示している。ここでガス流路減少率とは、燃焼ガス流路入口部の断面積をＳ１、燃焼ガス流路出口部の断面積をＳ２を用いて（１−Ｓ２／Ｓ１）×１００で表される数値であり、この数値が大きいほど燃焼ガス流路入口部の断面積に対して燃焼ガス流路出口部の断面積が小さい。
【００３３】
図２から明らかであるように燃焼ガス流路面積を出口側で小さくすることで、必要な燃焼ガス量が少なくなり、即ち伝熱効率が高くなっている。これは対流熱伝達が大きくなるためである。
また、対流熱伝達率が大きくなるため、燃焼ガスから回転ドラム１への熱回収量が大きくなり、出口の燃焼ガス温度は低くなる。
【００３４】
さらに本実施例に特徴的な構成として、回転ドラム１の外表面及び耐火物１５の内表面に乾燥塗膜輻射率が１．０である耐熱塗料を塗布した。ここで、耐熱塗料の塗布量は、耐火物１５内表面は乾燥塗膜が３０μｍの膜厚となるように、また回転ドラム１の外周は熱伝導を妨げないために乾燥塗膜が３０μｍ以下の膜厚となるように設定した。
なお、本実施例１においては乾燥塗膜輻射率が１．０である耐熱塗料を塗布したが、乾燥塗膜輻射率が０．８以上である耐熱塗料であれば他の塗料を用いることもできる。
【００３５】
このように、回転ドラム１の外表面に耐熱塗料を塗布して塗膜を形成することで、回転ドラム１が燃焼ガス及び耐火材１５からの放射伝熱を受けやすくなり、伝熱効率を高めることに効果的に寄与する。
また、耐火材１５の内面に耐熱塗料を塗布して塗膜を形成することで、耐火材１５に燃焼ガスより受けた熱を放射伝熱として回転ドラムに伝えやすくなり、伝熱効率を高めることに効果的に寄与する。
【００３６】
また、回転ドラム１の外周に耐熱塗料を塗布して塗膜を形成すると、回転ドラム１の外表面の摩擦係数が大きくなり、燃焼ガスに含まれる灰等が付着しやすくなるため、金属板１０の先端部に回転ドラム１の外表面に付着した付着物を掻き取るスクレーパー１７を取り付けた。このことにより、耐熱塗料を塗布して塗膜を形成することによる弊害を取り去ることができる。
【００３７】
ここで、耐熱塗料を塗布して塗膜を形成して、効果的に伝熱効率を高めるためには回転ドラム１の外表面と耐火材１５の内表面の何れも輻射率１．０の耐熱塗料を塗布して塗膜を形成することが最適である。
【００３８】
図３は回転ドラム１の外表面と耐火材１５の内表面に複数の輻射率の組み合わせの塗膜を形成したときの伝熱効率の違いを確認するための解析条件である。乾燥塗膜輻射率０．５、０．７及び１．０の３種類の耐熱塗料を使用し、回転ドラム外表面輻射率／耐火材内表面輻射率が０．５から２．０の５種類の解析条件を設定した。
【００３９】
図４は回転ドラム内部を設定温度に上昇して維持するために必要な燃焼ガス量を回転ドラム外表面輻射率／耐火材内表面輻射率に対してプロットした解析結果のグラフであり、解析は図３に示した５種類の解析条件で行った。
図４から明らかであるように、回転ドラム外表面輻射率／耐火材内表面輻射率を１．０したときに、必要な燃焼ガス量が最も少なく、即ち伝熱効率が最も高いことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
装置構成が複雑とならず従って装置の製造コストが高くなることなく、従来よりも伝熱効率が高いため、製造コスト及びランニングコストの低い間接加熱式キルンとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図５におけるＡ−Ａ断面図である。
【図２】回転ドラム内部を設定温度まで上昇して維持するために必要な燃焼ガス量をガス流路減少率に対してプロットしたグラフである。
【図３】回転ドラムの外表面と耐火材の内表面に複数の輻射率の組み合わせの塗膜を形成したときの伝熱効率の違いの確認実験の実験条件である。
【図４】回転ドラム内部を設定温度に上昇して維持するために必要な燃焼ガス量を回転ドラム外表面輻射率／耐火材内表面輻射率に対してプロットした実験結果のグラフである。
【図５】間接加熱式キルンの概略正面図である。
【図６】前記回転ドラムと加熱室の部分斜視図である。
【図７】図５におけるＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１      回転ドラム
４      外筒
５      加熱室
１０    金属板
１１    加熱媒体供給口
１３    加熱媒体排出口
１５    耐火材
１７    スクレーパー
【図１】
2008215723.tif 000005
【図２】
2008215723.tif 000006
【図３】
2008215723.tif 000007
【図４】
2008215723.tif 000008
【図５】
2008215723.tif 000009
【図６】
2008215723.tif 000010
【図７】
2008215723.tif 000011