(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の流体流加熱区域を確立することのできる種類の加熱炉であって、内部にブロックが設置されているチャンバと、前記ブロックと前記チャンバの内壁との間にリング状に配列され、それぞれが前記チャンバの垂直軸に対して傾斜している、渦流発生用の複数のブレードと、流体が前記ブレードの間の隙間を通過して前記チャンバ内の前記ブレードより上に環状の流体流加熱区域を確立するような方法で、流体を前記チャンバへと送出するための手段と、前記チャンバ内の環状の流体流加熱区域が確立される領域に供給粒子材料を噴射するための手段と、加熱区域が確立されるチャンバ内の領域が前記ブレードより上へと高められるように、燃料を前記チャンバ内の前記ブレードより上の領域に噴射するための手段と、を含む加熱炉。
【請求項２】
前記ブロックを冷却するための手段をさらに備えた、請求項１記載の加熱炉。
【請求項３】
環状の流体流加熱区域を確立することのできる種類の加熱炉であって、内部にブロックが設置されているチャンバと、前記ブロックと前記チャンバの内壁との間にリング状に配列され、それぞれが前記チャンバの垂直軸に対して傾斜している、渦流発生用の複数のブレードと、高温の流体が前記ブレードの間の隙間を通過して前記チャンバ内の前記ブレードより上に環状の流体流加熱区域を確立するような方法で、高温の流体を前記チャンバへと送出するための手段と、前記チャンバ内の環状の流体流加熱区域が確立される領域に供給粒子材料を噴射するための手段と、前記ブロックを冷却するための手段と、を含む加熱炉。
【請求項４】
燃料を前記チャンバ内の前記ブレードより上の領域に噴射するための手段をさらに備えた、請求項３記載の加熱炉。
【請求項５】
燃料噴射手段が外周上に間隔を置いて設置された複数の燃料インレットチューブによるリングを含む、請求項１、２、または４の何れかに記載された加熱炉。
【請求項６】
複数の燃料インレットチューブが共通の流体インレット送出パイプに接続された共通のジョイントまたはハウジングに接続されている、請求項５記載の加熱炉。
【請求項７】
燃料インレットチューブがチャンバへと上向きに突出している、請求項５または６に記載された加熱炉。
【請求項８】
加熱炉が、前記チャンバ内で燃料と反応する高温流体ソースを含む、請求項１〜７の何れか１つに記載された加熱炉。
【請求項９】
前記ソースが、チャンバへの送出に先立って流体を加熱するための加熱器を含む、請求項８記載の加熱炉。
【請求項１０】
加熱器が、燃料を燃焼してチャンバに送出される流体を予熱するための手段を含む、請求項９記載の加熱炉。
【請求項１１】
高温流体が、チャンバ内に確立される必要のある加熱区域より低い温度でチャンバ内に送出される、請求項８〜１０の何れかに記載された加熱炉。
【請求項１２】
チャンバの温度が監視され、燃料及び反応流体の一方または両方の送出速度が既定温度からの温度変動に従って調節される、請求項１１記載の加熱炉。
【請求項１３】
反応流体が高温の空気または酸素を含み、燃料がチャンバ内の高温の空気または酸素の存在下で燃焼が可能な燃料を含む、請求項８〜１２の何れかに記載された加熱炉。
【請求項１４】
燃料が天然ガスを含む、請求項１３記載の加熱炉。
【請求項１５】
前記ブロックを冷却するための手段が、前記ブロック上にシュラウドの形式で提供された放射熱シールドを備えた、請求項２〜４の何れか、或いは請求項２〜４の任意項に従属する場合は請求項５〜１４の何れかに記載された加熱炉。
【請求項１６】
加熱炉がさらに、冷却ガスを前記ブロックの表面上に適用されるように前記シュラウドへと送出するための手段を含む、請求項１５記載の加熱炉。
【請求項１７】
冷却ガスを送出するための手段が、加熱炉の外部領域からシュラウドへと伸長する冷却ガス送出パイプを備えた、請求項１６記載の加熱炉。
【請求項１８】
前記ブロックが耐火材で構成され、また前記ブレードから遠ざかるにつれてその軸に沿って減少する断面積を有する、請求項１〜１７の何れかに記載された加熱炉。
【請求項１９】
前記ブロックが円錐形部分または円錐台部分で構成され、また前記シュラウドが円錐形状または円錐台形状のカバーを備えた、請求項１５〜１８の何れかに記載された加熱炉。
【請求項２０】
前記チャンバが、内部ステップまたは桟なしに製品アウトレットパイプへ至る円錐台部分を有する壁を有している、請求項１〜１９の何れかに記載された加熱炉。
【請求項２１】
請求項１〜２０の何れかに記載された加熱炉を使用して、７５０℃〜１０５０℃の温度範囲で、粘土、炭酸カルシウムまたは雲母をフラッシュ焼成する方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、加熱炉に関する。特に本発明は、環状の流体流加熱区域が確立されるような加熱炉に関する。こうした加熱炉は、例えば、米国特許第４，４７９，９２０号に説明されている。
一般に熱ガスは、加熱炉の運転チャンバ内に設けられた、リング状に配列された複数の傾斜したブレードもしくは羽根（以下、「リング配列傾斜ブレード群」と呼ぶ。）の間の隙間を通過する。当該リング配列傾斜ブレード群は、チャンバの壁と、例えばチャンバの軸上に位置する上方に尖った円錐部分のような、中央ブロックとの間の環状の隙間に設けられている。当該ブロックの周りのドーナツ形領域中の回転流路、および、その回転流路の内側の個々の渦巻きを辿るようにして、ガス流が生じる。これにより、例えば粒子材料のような、当該ガス流の中で暖められるべき材料が、効率的に滞留し、その材料への熱伝導が効率的になされることとなる。
前記のような種類の加熱炉は、粒子材料の熱処理に利用することができる。しかしながら、供給粒子材料が熱処理の実行温度で溶け出すような材料を含んでいる場合には、加熱炉の様々な部分に、特にリング配列傾斜ブレード群の上またはその周辺、及び中央ブロックの上またはその周辺に溶出材料が不必要に積層することが分かっている。後述のように、こうした積層は、粒子供給システムを妨害する、及び／或いは熱ガスを供給するために使用されるバーナーを消す背圧を発生させる場合がある。さらに、こうした材料の積層は、除去しなければ加熱炉を再度適正に運転することができない。そのためには、炉の使用を停止せざるを得ず、不本意にもその使用時間が制限される。こうした制限のために、先行技術による上述の種類の加熱炉は、連続的な加熱処理を行う幾つかの工程には適していない。
本発明の第１の態様に於いては、環状の流体流加熱区域を確立することのできるような加熱炉が提供されている。本加熱炉は、内部にブロックが設置されているチャンバと、前記ブロックと前記チャンバの内壁との間にリング状に配列され、それぞれが前記チャンバの垂直軸に対して傾斜している、渦流発生用の複数のブレードと、流体が前記ブレードの間の隙間を通過して前記チャンバ内の前記ブレードより上に環状の流体流加熱区域を確立するような方法で、流体を前記チャンバへと送出するための手段と、前記チャンバ内の環状の流体流が確立される領域に供給粒子材料を噴射するための手段と、加熱区域が確立されるチャンバ内の領域が前記ブレードより上へと高められるように、燃料を前記チャンバ内の前記ブレードより上の領域に噴射するための手段と、を含んでいる。
こうした手段によって噴射された燃料は、リング配列傾斜ブレード群の間の隙間から通常の方法でチャンバ内に送出される反応流体と反応することができる。例えば、燃料は可燃性燃料、反応流体は空気または酸素含有性の流体とすることができるが、こうした場合は、適正な上昇温度で十分な酸素が与えられれば、燃料と空気が自然に反応して所望の加熱区域が提供される。これは、環状流の一部、例えば上部、に於いてプラズマを構成する。
本発明の本態様による１つの優位点は、リング配列傾斜ブレード群を通じた運転チャンバへの過度に熱せられたガスの送出を回避できることにある。これにより、リング配列傾斜ブレード群及び／或いは周辺要素の損傷が防止され、また被処理材料の加熱表面への好ましくない付着が防止される。これに対して、材料流量の高速処理が要求される先行技術による加熱炉の場合は、炉のエネルギー需要が格段に上がり、リング配列傾斜ブレード群を通じて１６００℃乃至１７００℃という高温の熱ガスを送出する必要がある。これほどの高温では、リングが損傷する可能性がある。
本発明の好適な実施例では、反応流体を７００℃乃至９００℃の範囲、特には７００℃乃至８００℃の範囲で送出し、７５０℃乃至１０５０℃、例えば９２０℃乃至１０２０℃、の加熱区域温度を提供することができる。
燃料を噴射するための手段は、インレットパイプを通じて供給燃料が送られる共通のジョイントまたはハウジングから伸長する、リング状の燃料インレットチューブを備えることができる。インレットチューブは、運転チャンバまで続いている。好適には、同チューブはチャンバに於けるその末端が上向きにされていて、例えば前記プラズマによって所望の加熱区域が形成されるような燃焼を提供するために、噴射される燃料ジェットが主要な流体流へと供給される。
主要な流体流は、リング配列傾斜ブレード群に於ける隙間を通じて運転チャンバへと送出される前に予備加熱された空気を含むことができる。加熱された空気流は、予備加熱された燃焼燃料と、予備加熱された燃料の燃焼によって生成された排ガスとを空気の過剰供給によって結合させることにより供給することができる。
空気流の予備加熱の提供に使用することのできる燃料と、加熱炉内の運転チャンバへと直接噴射することのできる燃料とは、同じ燃料である場合も異なる燃料である場合もある。好適には、２つの燃料は同じものである。
加熱炉の運転に使用される燃料は、天然ガスとすることができる。代替としてこれを、燃料用オイル、微粉炭または亜炭材料から取得される可燃物とすることもできる。
運転チャンバ内の温度は、監視することができる。燃料及び／或いは反応流体の送出速度は、必要な加熱区域温度を表す所望基準からの温度変動の監視に基づく調節によって制御することができる。
本発明による加熱炉の一使用方法に於いては、供給材料には、約８００℃を越える温度で溶け出すような粒子材料を包含可能である。例えば、加熱炉を使用してフラッシュ焼成される供給材料には、例えばカオリン等の粘土、炭酸カルシウムまたは雲母等の鉱物粒子を包含可能である。加熱炉は、焼成温度が７５０℃乃至１０５０℃の範囲、例えば９２０℃乃至１０２０℃の範囲、となるように調節することができる。
本発明を具現する加熱炉に於いてこうした材料の熱処理を実行すれば、リング配列傾斜ブレード群に与える損傷、及び供給材料及び供給材料から発生し工程の停止及び加熱炉の運転チャンバの清掃を余儀なくさせる物質の好ましくない積層という先述の問題を回避することができる。
加熱されると溶け出すような粒子材料の熱処理に於いては、環状の流体流を生成する種類の先行技術による加熱炉に於いて発生する、供給材料及びこうした材料の加熱によって生成される物質の好ましくない積層という上述の問題が、以下のような影響によって発生することが分かっている。加熱炉に於いては、様々な臨界内面がオーバーヒートする傾向にあり、そのため、供給粒子材料がこうした表面に於ける溶融／焼結によって当該表面に固着する。この問題は、リング配列傾斜ブレード群に於いて特に顕著である。本発明の第１態様に一致する加熱炉は、特にリング配列傾斜ブレード群及びこれに隣接する領域に於いて発生するこうしたオーバーヒートを防止することに於いて有益である。さらなる入口手段を通じた燃料供給により、環状の流体流によって提供される加熱区域は、リング状ブレード及びリング状ブレード直上のチャンバ壁の領域及び内部ブロックから上へと移動され、これによって、こうした部材の表面のオーバーヒートが防止される。
オーバーヒートの問題はリング配列傾斜ブレード群に於いて特に顕著であるが、前記ブロックに於いても重大である。
従って、本発明の第２の態様に於いては、環状の流体流加熱区域を確立することのできるような加熱炉が提供されており、本加熱炉は、内部にブロックが設置されているチャンバと、前記ブロックと前記チャンバの内壁との間にリング状に配列され、それぞれが前記チャンバの垂直軸に対して傾斜している、渦流発生用の複数のブレードと、高温の流体が前記ブレードの間の隙間を通過してチャンバ内の前記ブレードより上に環状の流体流加熱区域を確立するような方法で、高温の流体を前記チャンバへと送出するための手段と、前記チャンバ内の環状の流体流が確立される領域に供給粒子材料を噴射するための手段と、前記ブロックを冷却するための手段と、を含んでいる。
ブロックを冷却するための手段は、便宜上、ブロックを覆って供給されたシュラウド形式の放射熱シールドを備えることができる。また便宜上、ブロック表面上に適用してシュラウドを冷却するための冷却ガスをシュラウドに送出するための手段が存在する場合もある。冷却ガスを送出するための手段は、加熱炉の外側からシュラウドへと伸長する１つまたは複数のインレットパイプを備えることができる。ガスのインレットパイプは、上方または下方領域から、或いはシュラウドの側面へと伸長させることができる。冷却ガスは、例えば、空気を含む場合がある。
ブロックは、先行技術の場合と同様に、リング配列傾斜ブレード群から遠ざかるにつれて軸に沿って断面積が低減する部分を備えている。例えば、同ブロックは、上側が尖った円錐部分または円錐台部分を備えることができる。同部分は、耐火材で生成可能である。シュラウドは、同様の形をしたカバー、例えば上側が尖った円錐台部分を、ブロックから間隔を置いて備えることができる。冷却ガスをシュラウドへ送出するための手段は、例えば炉の頂部からシュラウドの頂部へと下向きに伸長する、或いは、例えば炉の底部から上向きに伸長する冷却ガス送出パイプを含むことができる。
リング配列傾斜ブレード群より上の領域に於いては、チャンバは、狭い方の端部で製品出口パイブに接続された円錐台部分を有する壁を有することができる。こうした装置では、固体粒子材料、または固体粒子材料から形成される溶出物質が上に堆積するようなステップまたは桟の使用を回避することができる。
本発明の第２態様に一致する加熱炉は、ブロックに於けるオーバーヒートの発生を防止する点で有益である。シュラウドは、ブロックに対して放射熱シールドを提供し、また冷却ガスを送出してブロックの表面上に適用することにより、ブロックの冷却を可能にする。
空気等の冷却ガスは、例えばステンレス鋼製であることが可能なシュラウドと、例えばステンレス鋼製または耐火性物質であることが可能なブロックとの間に絶縁層を提供する。冷却ガスはまた、シュラウドからあらゆる伝導熱を除去するように働くため、その防熱板としての機能を増大させている。
さらに、運転チャンバの外囲いは、製品出口チャンバへと繋ぐことが可能であり、また内部に桟または低速区域のない平滑な輪郭を有する円錐形状として供給することが可能であることから、加熱炉の運転チャンバに於ける熱処理の後も壁に多大な付着物がなく、製品材料の運搬が容易である。
こうした手段は、加熱炉の運転チャンバ内の臨界表面温度が、加熱炉で処理される供給粒子材料の焼結温度より下に保持されることを保証するため、こうした表面への材料の多大な付着が防止される。
次に、添付の図面を参照しながら、本発明の実施例を例示として説明する。
図１は、環状の流体流加熱区域を生成するような先行技術による加熱炉の側断面図である。
図２は、環状の流体流加熱区域を生成するような、本発明を実施した加熱炉の側断面図である。
図１には、環状の流体流加熱区域を有する先行技術による加熱炉が示されている。外囲い１は、頂部２、基部３及び側壁４を有している。積み重ね式の環状部分５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅで構成される耐火材料製の構造物５は、基部３によって支持されている。環状の耐火性部分６は部分５ａ、５ｂの間に供給されており、環状の耐火性部分８は部分５ａ、５ｂ、５ｃの間に供給されて側壁４内の開口部４ａを覆っているため、構造物５の内部に通路７が供給されている。通路７は、開口部４ａで側壁４に固定されたパイプ９に繋がっている。
管状支持体１１は、部分６から通路７を通って上へと伸長している。支持体１１は、内部軸穴１４を有する円錐台状の耐火性部分１３と、穴１４の頂部と噛み合う部分１５ａによって部分１３の頂上へ配置された耐火性部分１５とを支えている。支持体１７は、管状支持体１１の上端近くに付着され、また部分５ｃから通路７へと伸長するフランジ１９へと付着されている。部分１３の下端と、外側の部分５ｄとの間には、リング状に配列された複数の傾斜したブレード（以下、「リング配列傾斜ブレード群」と呼ぶ。）２１が供給されている。ブレードは、米国特許第４，４７９，９２０号に於いて記述されている形式のものである。リング配列傾斜ブレード群２１は、部分５ｄと支持体１７の間に支持されている。
構造物５に於ける最上部の耐火性部分５ｅは出口チャンバ２５に固定されており、チャンバ７ａは同部分によって出口チャンバ２５と繋がっている。出口チャンバ２５からは、出口パイプ２８が伸長している。入口パイプ２７は、外囲い１の頂部２からチャンバ２５を通ってチャンバ７ａへと伸長している。
図１が示す加熱炉の使用に際しては、バーナー（図示されていない）からのチャンバ７ａに於ける加熱達成に要する温度の熱ガスが、パイプ９から通路７へと送出される。ガスは、リング配列傾斜ブレード群２１間の隙間を通って進む。これにより、チャンバ７ａに於けるリング配列傾斜ブレード群２１付近に環状の熱ガス流が確立される。炉内で熱処理される材料は、入口パイプ２７を通り、環状流によって提供される加熱区域へと導入される。この工程によって形成された粉状の生成物は、最終的に（加熱区域に於ける典型的には数秒である滞留時間の後に）チャンバ７ａからチャンバ２５へと運ばれ、出力ガスから製品固体材料が分離される出口パイプ２８に付着されたサイクロン（図示されていない）によって抽出される。
８００℃を上廻る温度、例えば９５０℃、でカオリン粉末を焼成するために図１が示す加熱炉を使用している間には、供給材料であるカオリンから形成された物質の好ましくない堆積が、炉内の様々な領域に、特に図１でＲ１．Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６として明示されている領域に生じることが発見されている。
図２は、環状の流体流加熱区域を生成するための本発明を実施した加熱炉を示している。図２に於いては、図１に示された加熱炉の品目に類似する品目が、同様の参照数字によって表示されている。
図２では、逆円錐形のシュラウド３１が、円錐形の耐火性部分１５とその下の部分１３の表面部分とを被覆するために提供されている。インレットチューブ３３は、外囲い１の軸に沿って下へと伸長し、シュラウド３１と結合している。最上部である部分５ｅは短くされており、上部チャンバ７ａの周りには、部分５ｅの頂部から伸長する円錐形の囲壁が形成されている。
囲壁３５の上端は、外囲い１の頂部２を抜けて外囲い１の外側の管状コネクタ３７へと固定された管状ネック３５ａを有している。コネクタ３７へは、アウトレットパイプ３９も固定されている。パイプ３９は、サイクロン４１に繋がっている。
インレットチューブ３３の上部は、パイプ３９の一部、及びコネクタ３７及びネック３５ａの内部を通じて、円錐形の囲壁３５へと至っている。
図２の部分１３には穴がなく、支持体１７と部分１３との間に供給されたステンレス製の支持リングであるブロック４２、４３によって支持されている。ブロック４２、４３の下には、複数の燃料インレットチューブ４５（図２には、そのうちの２つしか示されていない）によるリングが供給されている。チューブ４５は、その内端に於いて、チャンバ７ａのリング２１より上へと上向きに突出している。複数のチューブ４５は中央のジョイント４７に於いて結合され、ジョイント４７には、基部３、部分６ｃ及び管状支持体１１を通って伸長する単一のインレットパイプ４９が接続されている。
一連の供給材料インレットチューブ２３（１つしか示されていない）が提供されている。複数のチューブ２３は、壁４の外周に沿って間隔を置いて配置され、壁４及び部分５ｄを通ってチャンバ７ａへと進入するように固定されている。
図２が示す加熱炉の使用に際しては、反応流体、例えば熱い空気が通路７へと、チャンバ７ａに於ける加熱区域の提供に必要な温度を下回る温度、例えば７５０℃乃至８００℃で、矢印Ｘが示す方向に送出される。反応流体が空気である場合は、空気の加熱は、バーナー（図示されていない）内で燃料を燃焼し、燃焼する燃料及びこれによって発生する排ガスを、加熱される空気流と結合させることによって行なうことができる。
熱い流体は、リング配列傾斜ブレード群２１の隙間を通過し、これによってリング配列傾斜ブレード群２１より上側に環状流を形成する。燃料は、インレットパイプ４９に沿って送出され、ジョイント４７及びチューブ４５を経由してチャンバ７ａへジェットとして噴射される。チャンバ７ａ内では、燃料と反応流体との自然反応が起こり、これによって環流内にプラズマ加熱区域が提供される。これにより、チャンバ７ａに於いて加熱区域の確立される位置が、部分５ｄと部分１３の基部及びブロック４２、４３との間の狭い隙間から遠ざかった領域へと高められ、リング配列傾斜ブレード群２１のブレード及びリング配列傾斜ブレード群２１に隣接する表面のオーバーヒートが防止される。リング配列傾斜ブレード群２１及び隣接表面のオーバーヒートはまた、反応流体が、図１の加熱炉を使用する幾つかの工程に於いて必要とされる１５００℃乃至１６００℃よりも低い温度、例えば７５０℃乃至８００℃、で送出されることによっても防止される。
反応流体の予備加熱に使用される燃料は、チューブ２３を通じてチャンバ７ａへと送出される燃料と同一のものとすることができる。これには、例えば天然ガスが包含可能である。
粒子材料は、チューブ２３を通じて、環状流内に確立されたプラズマ加熱区域へと噴射される。冷却ガスは、インレットパイプ３３を下へシュラウド３１へと送出され、部分１５の表面及び部分１３の一部の上に掛けられる。冷却ガスは、部分１３及び１５のオーバーヒート、またシュラウド３１のオーバーヒートをも防止する。このため、粒子材料の付着が起こり得るブロック１５上の局部的な高温表面が除去される。
典型的には０．１秒にも満たないチャンバ７ａに於ける適当な滞留の後、処理済みの粒子材料は、円錐形の外囲い３５を通って上に、アウトレットパイプ３５へと引き寄せられる。この生成物は、サイクロン４１によって本生成物を含むガス流から抽出され、分離される。
重大なオーバーヒート、及び図２が示す加熱炉内で処理される粒子材料からの固体材料の積層は、図２の加熱炉の構造及び動作の違いによって発生しない。
図１の先行技術による加熱炉に於けるチャンバ２５とは違って、運転チャンバ７ａに於ける過度の高温表面、内部ステップ及び桟の除去、及び製品抽出装置により、当該表面上への材料の付着及び当該桟上への沈着物の集積が回避される。
結果的には、図２が示す加熱炉を使用することにより、熱処理工程の運転が、図１の先行技術による加熱炉の場合のように炉のチャンバ内部から堆積材料を頻繁に取り除く必要もなく、連続して可能である。
囲壁３５で囲まれたチャンバ７ａ内の温度は、壁３５の内側に取り付けられた、例えば熱電対（図示されていない）によって監視が可能であり、また適正な基準からの温度の変動は、燃料インレットチューブ４５を通じたチャンバへの燃料送出の速度を調節するための制御信号として使用することができる。
【図１】
0004115533.tif 000002
【図２】
0004115533.tif 000003