JP2000515234A - 環状の流体流加熱区域を有する加熱炉 - Google Patents

環状の流体流加熱区域を有する加熱炉

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Abstract

(57)【要約】 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が説明されている。本加熱炉は、内部に内部ブロックが供給されているチャンバ(7a)と、内部ブロックとチャンバ(7a)の内壁との間の複数の斜めブレードによるリング(21)と、を含んでいる。手段(4a)は、流体がブレードの間を通過して斜めブレードのリングより上のチャンバ内に環状の流体流加熱区域を確立するような方法で、流体をチャンバへと送るために供給されている。また手段(23)は、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に供給されている。ある装置に於いては、加熱区域が確立されるチャンバ内の領域が斜めブレードのリングより上へと高められるように、燃料をチャンバ内の斜めブレードのリングより上の領域に噴射するための手段(49)が追加供給されている。他の装置に於いては、内部ブロックを冷却するための手段(33)が供給されている。

Description

【発明の詳細な説明】 環状の流体流加熱区域を有する加熱炉 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、複数の斜めブレード、または斜めブレードのリングに於ける 複数の羽根、或いは加熱炉の運転チャンバ内に供給された複数の羽根の間の隙間 を通過する。ブレードリングは、チャンバの壁と中央ブロック、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、との間の環状の隙間に形成されている 。ガス流は、ブロックの周りのドーナツ形の領域に於ける回転経路、及び回転経 路内の個々の渦巻を辿って進むようにされている。これにより、ガス流に於いて 加熱される粒子材料等の材料の効率的な滞留及び同材料への効率的な熱伝導が保 証される。 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、特に斜めブレードのリングの上またはその 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、内部に内部ブロックが供給され ているチャンバと、内部ブロックとチャンバの内壁との間の斜めブレードによる リングと、流体がブレードの間を通過してチャンバ内の斜めブレードのリングよ り上に環状の流体流加熱区域を確立するような方法で、流体をチャンバへと送出 するための手段と、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斜めブレードのリングより上へと 高められるように、燃料をチャンバ内の斜めブレードのリングより上の領域に噴 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、複数の斜めブレード間の隙間から通 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。例えぱ、 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、斜めブレードのリングを通じた運転チ 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、 斜めブレードのリング及び/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、斜めブレードのリングを通じて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、斜めブレードのリング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、斜めブ レードのリングに与える損傷、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、斜めブレー ドのリング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 に斜めブレードのリング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斜めブレードのリングに於いて特に顕著であるが、内 部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、内部に内部ブロックが 供給されているチャンバと、内部ブロックとチャンバの内壁との間の斜めブレー ドによるリングと、流体がブレードの間を通過してチャンバ内の斜めブレードの リング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、流体をチャンバ へと送出するための手段と、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、内部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、内部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。 内部ブロックは、先行技術の場合と同様に、斜めブレードのリングから遠ざか 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 をシュラウドヘ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。 斜めブレードのリング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、内部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、内部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内部ブロックの表面上に適用することにより 、内部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内部ブロックとの 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1 1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、斜めブレードのリング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、ブレードリング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3 3は、外囲い1の軸に沿って下へと伸長し、シュラウド31に進入している。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75 0℃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、ブレードのリング21の隙間を通過し、これによってリング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21のブレー ド及びリング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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),AU,BR,CA,G B,JP,NZ,US (72)発明者 ドッドソン、クリストファー、エドワード カナダ、L6H 5P5 オンタリオ、オ ークビル、グレナダ 2004、ユニット 29

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 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 部に内部ブロックが供給されているチャンバと、内部ブロックとチャンバの内壁 との間の斜めブレードによるリングと、流体がブレードの間を通過してチャンバ 内の斜めブレードのリング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、流体をチャンバへと送出するための手段と、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斜めブレードのリングより上へと高められるように、 燃料をチャンバ内の斜めブレードのリングより上の領域に噴射するための手段と 、を含む加熱炉。 2. 内部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。 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 部に内部ブロックが供給されているチャンバと、内部ブロックとチャンバの内壁 との間の斜めブレードによるリングと、高温の流体がブレードの間を通過してチ ャンバ内の斜めブレードのリング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、高温の流体をチャンバへと送出するための手段と、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、内 部ブロックを冷却するための手段と、を含む加熱炉。 4. 燃料をチャンバ内の斜めブレードのリング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。 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。 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。 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。 8. 加熱炉が、チャンバ内で燃料と反応する高温流体ソースを含む、先行する 請求項の何れかに記載された加熱炉。 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。 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。 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乃至10の何れかに記載された加熱炉。 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。 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乃至12の何れかに 記載された加熱炉。 14. 燃料が天然ガスを含む、請求項13記載の加熱炉。 15. 内部ブロックを冷却するための手段が、内部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乃至4の何れか、或いは請 求項2乃至4の任意項に従属する場合は請求項5乃至14の何れかに記載された 加熱炉。 16. 加熱炉がさらに、冷却ガスを内部ブロックの表面上に適用されるように 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。 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。 18. 内部ブロックが耐火材で構成され、また斜めブレードのリングから遠ざ かるにつれてその軸に沿って減少する断面積を有する、先行する請求項の何れか に記載された加熱炉。 19. 内部ブロックが円錐形部分または円錐台部分で構成され、またシュラウ ドが類似形状のカバーを備えた、請求項15乃至18の何れかに記載された加熱 炉。 20. 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ヘ至 る円錐台部分を有する壁を有している、先行請求項の何れかに記載された加熱炉 。 21. 請求項1に記載され、また実質上、添付図面の図2を参照して先に説明 された加熱炉。 22. 請求項3に記載され、また実質上、添付図面の図2を参照して先に説明 された加熱炉。 23. 先行する任意の請求項に記載された加熱炉を使用して、750℃乃至1 05 0℃の温度範囲で、カオリン等の粘土、炭酸カルシウムまたは雲母をフラッシュ 焼成する方法。
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