(57)【要約】      （修正有）【課題】被加熱物と加熱用高温燃焼ガスとの直接接触が好ましくない固体加熱プロセスにおいて、熱効率を飛躍的に向上させることができ、かつ、処理量を大幅に増大させることが可能な間接加熱炉を提供する。【解決手段】［１］反応管５内部の被加熱物を加熱用高温燃焼ガスにより、該燃焼ガスと非接触で加熱する間接加熱炉１において、前記反応管がセラミック製の固定式反応管であり、さらに、前記加熱用高温燃焼ガスを炉内に供給するための燃焼装置が少なくとも一対の蓄熱式バーナ７ａ，７ｂである。［２］上記［１］において、炉内に供給される加熱用高温燃焼ガスの温度が１０００℃以上であることを特徴とする。［３］上記［１］又は［２］において、反応管内部の被加熱物を移送するためのスクリューコンベア９を備え、且つ、該スクリューコンベア主要部がセラミック製であることを特徴とする。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応管内部の被加熱物を加熱用高温燃焼ガスにより、該燃焼ガスと非接触で加熱する間接加熱炉において、
前記反応管がセラミック製の固定式反応管であり、
さらに、前記加熱用高温燃焼ガスを炉内に供給するための燃焼装置が少なくとも一対の蓄熱式バーナであることを特徴とする間接加熱炉。
【請求項２】
炉内に供給される加熱用高温燃焼ガスの温度が１０００℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の間接加熱炉。
【請求項３】
反応管内部の被加熱物を移送するためのスクリューコンベアを備え、且つ、該スクリューコンベア主要部がセラミック製であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の間接加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体無機物質の熱処理、特に前記固体無機物質と加熱用高温燃焼ガスとの直接接触が好ましくない場合の高温熱処理に好適な間接加熱炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被加熱物と加熱用高温燃焼ガスとの直接接触が好ましくない固体加熱プロセスでは、一般に間接加熱炉（外熱炉ともいう。）が用いられる。
【０００３】
しかし、従来の間接加熱炉は反応管に金属製のシェルが用いられていたため、最高加熱温度は９００℃程度であった。そのため、９００℃を超える高温を要する加熱プロセスには間接加熱炉は適用することができなかった。
【０００４】
このような問題に対して、反応管をセラミック製とし、反応管内部に固体被加熱物搬送用のスクリューコンベアを備えた間接加熱炉を用いることにより、９００℃以上の高温加熱プロセスにも間接加熱炉が適用できることが特表２００２−５２０１４３号公報（特許文献１）に記載されている。
【０００５】
図４に、前記セラミック製の反応管を備えた間接加熱炉を用いて被加熱物の熱処理を行う場合の一般的な装置構成の一例を示す。なお、図４に示す例では、石灰の焼成（石灰石の熱分解）を行う場合について記載している。
【０００６】
図４において、原料投入口１１０から供給室１２０内に投入された石灰石は、スクリューコンベア１３０の回転により反応管１４０内を移送され、出口室１５０内に運ばれる。石灰石は、前記反応管１４０内を出口室１５０に移送される間にその熱処理が行われる。出口室１５０内の熱処理後の生成物はシュート１６０を通して炉外に搬出される。
【０００７】
また、燃焼バーナ１７０で発生させた加熱用高温燃焼ガスは、ガス導入口１８０から炉内に導入され、反応管１４０内の石灰石を反応管１４０の管壁を介して間接的に加熱し、排出口１９０から炉排ガスとして炉外に排出される。前記排出口１９０から排出された炉排ガスは、空気予熱機２００に送られ、前記燃焼バーナ１７０に供給される燃焼用空気を予熱し、その熱量が有効利用される。
【０００８】
【特許文献１】
特表２００２−５２０１４３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示すような間接加熱炉の加熱形態は、炉内に供給された加熱用高温燃焼ガスから一度反応管１４０の管壁へ熱が伝わり、次に反応管１４０の管壁から被加熱物である石灰石へ伝熱されることにより行われる。このため熱伝達効率が悪く、炉排ガスの温度は約１０００℃という高温になる。この高温の炉排ガスで従来の金属製空気予熱機２００を用いて燃焼用空気を予熱するには、空気予熱機の焼損を防止するため希釈空気によりガス温度を８００℃程度まで下げる必要がある。
【００１０】
８００℃程度の温度の炉排ガスを用いた場合、得られる予熱空気の温度は最高でも６００℃程度である。したがって熱の回収効率は悪く、まだ大量の余剰熱が存在する。この余剰熱を用いて被加熱物である石灰石の予熱に利用する案も考えられるが、もともと加熱用高温燃焼ガスと被加熱物の直接接触は好ましくないプロセスに用いられる装置であることから、被加熱物の予熱も間接方式となり、熱効率の向上は困難である。さらに、希釈空気のために系外に排出される排ガス量が増加し、これがさらなる熱損失量増大の原因ともなる。
【００１１】
本発明は以上の問題点を解決するためになされたもので、被加熱物と加熱用高温燃焼ガスとの直接接触が好ましくない固体加熱プロセスにおいて、熱効率を飛躍的に向上させることができ、かつ、処理量を大幅に増大させることが可能な間接加熱炉を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は次の発明により解決される。
［１］反応管内部の被加熱物を加熱用高温燃焼ガスにより、該燃焼ガスと非接触で加熱する間接加熱炉において、前記反応管がセラミック製の固定式反応管であり、さらに、前記加熱用高温燃焼ガスを炉内に供給するための燃焼装置が少なくとも一対の蓄熱式バーナであることを特徴とする間接加熱炉。
［２］上記［１］において、炉内に供給される加熱用高温燃焼ガスの温度が１０００℃以上であることを特徴とする間接加熱炉。
［３］上記［１］又は［２］において、反応管内部の被加熱物を移送するためのスクリューコンベアを備え、且つ、該スクリューコンベア主要部がセラミック製であることを特徴とする間接加熱炉。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明にかかる間接加熱炉の一実施形態を示す概略構成図である。
【００１４】
図１に示す間接加熱炉１は、被加熱物である固体無機物質が投入される固体供給室２と、加熱用の高温燃焼ガスが供給される加熱室３と、加熱処理後の生成物を炉外に搬出する生成物出口室４とを備えている。
【００１５】
前記加熱室３内には被加熱物の加熱を行うセラミック製の反応管５が配置される。前記反応管５の一端側は固体供給室２と連通され、他端側は生成物出口室４に連通される。前記反応管５は、加熱室３の炉壁を構成するファイバーブロックやキャスタブル等の耐火物に固定して設置され、被加熱物が入れられる反応管５の内側と加熱室３側とは気密にシールされる。
【００１６】
また、前記加熱室３に設けられた加熱用高温燃焼ガスの導入／排出口６ａ，６ｂには、一対となる蓄熱式バーナ７ａ，７ｂが備えられている。なお、前記蓄熱式バーナは、２基のバーナが一組（一対）として設置されるが、その設置される組の数は炉の規模及び操業状況等により適宜変更され得る。
【００１７】
前記セラミック製の反応管５は、固定して設置される。一般に、反応管に金属製のシェルが用いられる金属シェル製横形円筒式キルン（炉）は、反応管が２〜５度程度傾斜して設置され、反応管が回転することにより内容物（被加熱固体）を出口側に送りながら加熱する。しかし、反応管にセラミック製のシェルが用いられるセラミック製横形円筒式キルン（炉）では、強度と変形許容度の問題から反応管を回転させるのは困難であり、その代替案として、反応管は回転させずに固定設置する。内容物（被加熱固体）は反応管の回転ではなく内部に設置したセラミック製スクリューコンベアで搬送される。
【００１８】
前記被加熱物である固体無機物質としては、例えば、鉱石（鋭錐石、ボーキサイト、硼砂、方解石、黄銅鉱、クロム鉄鉱、赤鉄鉱等）、金属ハロゲン化物（臭化カルシウム、塩化カルシウム、フッ化カルシウム、ヨウ化カルシウム、同様に、ハロゲン化第二鉄、ハロゲン化第一鉄、ハロゲン化カリウム、ハロゲン化ナトリウム等）、金属炭化物及び金属炭酸塩（炭酸カルシウム等）、金属酸化物（亜クロム酸塩等）、金属リン酸塩（リン酸カルシウム等）、金属硫化物及び金属硫酸塩（硫酸カルシウム等）を挙げることができる。
【００１９】
また、前記セラミック製の反応管５としては、例えば、高純度ＭｇＯ、高純度アルミナ、シリコンカーバイド、ベリリア、シリコンナイトライド、ボロンカーバイド製等の反応管を用いることができる。
【００２０】
以下、図１に示す間接加熱炉１を用いて石灰の焼成（石灰石の熱分解）を行う場合について説明する。
【００２１】
図１において、原料投入口８から固体供給室２内に投入された石灰石は、スクリューコンベア９の回転により反応管５内を移送され、生成物出口室４内に運ばれる。石灰石は、前記反応管５内を生成物出口室４に移送される間にその熱処理が行われる。生成物出口室４内の熱処理後の生成物はシュート１０を通して炉外に搬出される。
【００２２】
また、蓄熱バーナ７ａで発生させた加熱用高温燃焼ガスは、ガス導入／排出口６ａから加熱室３内に導入され、反応管５内の石灰石を反応管５の管壁を介して間接的に加熱し、ガス導入／排出口６ｂから蓄熱バーナ７ｂを通って炉排ガスとして炉外に排出される。
【００２３】
ここで、前記スクリューコンベア９としては、セラミック製とすることが好ましい。これにより、スクリューコンベアの焼損が防止され、高温の加熱用ガスを用いた場合でも安定した被加熱物の移送を行うことが可能となる。なお、セラミックとしては反応管３と同様のものを用いることができる。
【００２４】
以下、一対の蓄熱式バーナ７ａ及び７ｂを用いた加熱用高温燃焼ガスの加熱室３内への導入方法について説明する。
【００２５】
図示しないブロワ等により吹き込まれた常温の燃焼用空気は切替弁１１により蓄熱バーナ７ａ側に導かれる。蓄熱バーナ７ａ内に導かれた燃焼用空気は蓄熱バーナ７ａ内の高温に加熱された蓄熱体を通過し、その際に蓄熱体に蓄えられた熱により高温化される。高温化された燃焼用空気は蓄熱バーナ７ａに別途供給される燃料と混合され、その燃焼によって発生した高温ガスが加熱用高温燃焼ガスとしてガス導入／排出口６ａから加熱室３内に導入される。なお、燃焼の一部は加熱室３内でも起こる。
【００２６】
ここで、前記蓄熱体としては、セラミック製の蓄熱体とすることが好ましい。
【００２７】
加熱室３内に導入された加熱用高温燃焼ガスは、反応管５内の石灰石を反応管５の管壁を介して間接的に加熱し、その後、ガス導入／排出口６ｂから蓄熱バーナ７ｂ、及び、切替弁１２を通って炉排ガスとして炉外に排出される。前記ガス導入／排出口６ｂから排出される炉排ガスは蓄熱バーナ７ｂ内の蓄熱体を通過する構成になっており、その際に蓄熱体に顕熱を与えて蓄熱体を高温化させ、炉排ガス自体は降温する。
【００２８】
このような状態で所定時間運転した後、切替弁１１及び１２を切り替えることによりガスの流れを逆にする。つまり、ブロワ等により吹き込まれた常温の燃焼用空気は、今度は切替弁１１により蓄熱バーナ７ｂ側に導かれる。蓄熱バーナ７ｂ内に導かれた燃焼用空気は蓄熱バーナ７ｂ内の高温に加熱された蓄熱体を通過し、その際に蓄熱体に蓄えられた熱により高温化される。高温化された燃焼用空気は蓄熱バーナ７ｂに別途供給される燃料と混合され、その燃焼によって発生した高温ガスが加熱用高温燃焼ガスとしてガス導入／排出口６ｂから加熱室３内に導入される。加熱室３内に導入された前記加熱用高温燃焼ガスは、反応管５内の石灰石を反応管５の管壁を介して間接的に加熱し、その後、ガス導入／排出口６ａから蓄熱バーナ７ａ、及び、切替弁１２を通って炉排ガスとして炉外に排出される。前記ガス導入／排出口６ａから排出される炉排ガスは蓄熱バーナ７ａ内の蓄熱体を通過する構成になっており、その際に蓄熱体に顕熱を与えて蓄熱体を高温化させ、炉排ガス自体は降温する。
【００２９】
このように、一対の蓄熱式バーナの片側を燃焼用、他方を蓄熱用として使用し、例えば２０〜３０秒間隔で役割を切り替える。これにより、燃焼側のバーナに供給される燃焼用空気は、常に高温の蓄熱体を通過することとなり、燃焼用空気は高温に予熱される。予熱空気の温度は、炉排ガスの温度よりも５０〜６０℃低い程度の高温に達する。すなわち炉排ガスの温度が１１００℃程度の場合には１０５０℃程度の予熱空気が得られることとなり、熱効率が大幅に向上する。さらに、燃焼用空気が高温化することにより燃料との反応性が格段に向上し、燃焼の安定性にも大きく貢献する。その結果、蓄熱式バーナでの燃焼により発生する窒素酸化物の濃度を極めて低いレベルに抑えることが可能となる。
【００３０】
さらに、蓄熱式バーナを用いることにより、加熱室３内のガス流れが所定時間毎に逆転するため、加熱室３内のガスの混合が促進され、燃焼室３内の温度分布を高温で均一化できる。その結果、従来の蓄熱式バーナを使わない加熱方法と比較して、反応管５の単位長さ当たりの被加熱物への伝熱量が大きく増加することとなり、処理量を同一とした場合には炉のサイズをコンパクトにすることが可能となり、また、炉のサイズを同一とした場合には処理量を大幅に増加させることが可能となる。
【００３１】
なお、前記蓄熱式バーナの切り替えの間隔は、蓄熱式バーナの設置される組の数、炉の規模及び操業状況等により適宜変更され得る。
【００３２】
ここで、前記蓄熱式バーナ７ａ（又は７ｂ）から加熱室３内に供給される加熱用高温燃焼ガスの温度は１０００℃以上とすることが好ましい。加熱室３内に供給される加熱用高温燃焼ガスの温度を１０００℃以上とすることにより、放射伝熱効果に基づく被加熱物の加熱を、より効果的に行うことが可能となる。また、炉排ガスによる蓄熱体の加熱温度を高温にすることが可能となり、燃焼用空気の予熱温度を高温化でき、燃焼効率がより向上する。
【００３３】
なお、前記加熱用高温燃焼ガスの温度の上限は、セラミックス製の反応管３の耐熱強度によって決定されるが、およそ１５００℃程度とすることが好ましい。
【００３４】
また、蓄熱式バーナは、２基のバーナを一対とした切り替え式以外に、蓄熱体をバーナ内部で回転させて、１基のバーナで燃焼用空気の加熱と炉排ガスによる蓄熱とを同時に行うようにしたものを用いることもできる。
【００３５】
【実施例】
実施例として図１に示した構成の間接加熱炉を用いて粉石灰の焼成を行った場合の加熱室３内の温度分布と、反応管５内部の粉石灰の温度分布を計測した結果を図２に示す。
【００３６】
ここで、蓄熱式バーナは２組設置し、それぞれの切り替えは２０秒間隔で行った。その結果、加熱室３内の温度は、炉壁を構成する耐火物の蓄熱効果によって約１２００℃でほぼ均一に保持された。
【００３７】
粉石灰の焼成は、生成物出口室手前で粉石灰の温度が１０５０℃となるように処理量を調整した。
【００３８】
その結果、処理量は１日当たり７．２トンを達成した。また、焼成中の燃焼量は灯油３７ｋｇ／ｈであり、この時の製品単位質量当たりの熱原単位は５６００ｋＪ／ｋｇであった。
【００３９】
比較例として、図４に示した従来技術にかかる間接加熱炉で粉石灰の焼成を行った場合の加熱室３内の温度分布と、反応管５内部の粉石灰の温度分布を計測した結果を図３に示す。
【００４０】
加熱室３内の温度分布は、燃焼バーナ１７０の設置されている出口室１５０側で約１２００℃、供給室１２０側で約１０００℃程度まで降温している。
【００４１】
粉石灰の焼成は、実施例同様、出口室１５０手前で粉石灰の温度が１０５０℃となるように処理量を調整した。
【００４２】
その結果、処理量は１日当たり５．８トン程度であった。また、焼成中の燃焼量は灯油４０ｋｇ／ｈであり、この時の製品単位質量当たりの熱原単位は７５００ｋＪ／ｋｇであった。
【００４３】
以上のように、本発明にかかる間接加熱炉においては、従来の構成と比較して熱効率を飛躍的に向上（熱原単位を７５００ｋＪ／ｋｇから５６００ｋＪ／ｋｇに向上）できること、さらに、処理量を大幅に増大（５．８ｔ／ｄから７．２ｔ／ｄに増大）できることが確認された。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、被加熱物と加熱用高温燃焼ガスとの直接接触が好ましくない固体加熱プロセスにおいて、熱効率を飛躍的に向上させることができ、かつ、処理量を大幅に増大させることが可能な間接加熱炉が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる間接加熱炉の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】実施例として、図１に示した本発明にかかる間接加熱炉で粉石灰の焼成を行った場合の加熱室内の温度分布と、反応管内部の粉石灰の温度分布を計測した結果を示す図である。
【図３】比較例として、図４に示した従来技術にかかる間接加熱炉で粉石灰の焼成を行った場合の加熱室内の温度分布と、反応管内部の粉石灰の温度分布を計測した結果を示す図である。
【図４】従来技術にかかるセラミック製の反応管を備えた間接加熱炉を用いて被加熱物の熱処理を行う場合の一般的な装置構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  間接加熱炉
２  固体供給室
３  加熱室
４  生成物出口室
５  反応管
６ａ，６ｂ  ガス導入／排出口
７ａ，７ｂ  蓄熱式バーナ
８  原料投入口
９  スクリューコンベア
１０  シュート
１１，１２  切替弁
【図１】
2004361018.tif 000003
【図２】
2004361018.tif 000004
【図３】
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【図４】
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