JP2004044874A - 乾燥装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被乾燥物を加熱して水分を効率よく蒸発させることができる乾燥装置を提供する。
【解決手段】被乾燥物が投入される内熱式ロータリキルン１０と、加熱源となる熱風を供給する燃焼器２２とを具備し、ロータリキルン１２内に導入した熱風の熱により被乾燥物を加熱して乾燥させる乾燥装置において、ロータリキルン１２内で発生した水蒸気及び熱風の混合流体が流れる流路に水蒸気を選択的に分離除去する膜分離装置を設け、混合流体から水蒸気を分離除去したドライガスの一部を熱風に合流させて循環させる循環経路を設けた。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被乾燥物中に含まれている水分を加熱して除去するための乾燥装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、有機性廃棄物等の被乾燥物を減容化、あるいは飼料等の有価物に転換する目的で乾燥処理する場合、ロータリキルン式の乾燥装置を使用することが知られている。このようなロータリキルン式の乾燥装置には、ロータリーキルン（回転炉）の胴外壁に熱を加える外熱式と、ロータリーキルンの胴内部に直接加熱ガスを供給する内熱式とがあり、後者の内熱式の方が熱効率はよいとされている。
【０００３】
ここで、上述した内熱式ロータリキルン式の乾燥装置について、従来の構成例を図４に示して簡単に説明する。なお、図中の符号１は被乾燥物を供給する原料供給装置、２は外部燃料を燃焼させる燃焼器、３は燃焼器２に燃焼用空気を供給する空気供給装置、１０は内熱式ロータリキルンである。
内熱式ロータリキルン１０は、原料供給装置１に連結されている原料入口室１１と、被乾燥物（原料）を加熱するロータリーキルン１２と、乾燥物を外部へ排出する製品出口室１３と、回転支持部１４と、回転駆動装置１５とを具備して構成されており、原料供給装置１からロータリキルン１２内に投入された被乾燥物を加熱して製品の乾燥物を得る。
【０００４】
ロータリキルン１２内で加熱された有機性廃棄物等の被乾燥物は、水分（水蒸気）を排出して乾燥物となる。被乾燥物の加熱には、燃焼器２で外部燃料を燃焼させて生成される熱風の顕熱が使用され、加熱に使用した熱風及び水蒸気は必要に応じて適当な処置を施した後、大気へ放出される。このとき熱風を循環利用することにより、系外への排ガス量を減らし、熱効率を向上させる場合もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の内熱式ロータリキルン１０は、以下に示すような問題点を有している。
（１）熱風の流れがワンパスの場合、発生した燃焼熱を有効に使いきっていない。
（２）熱風を循環利用する場合、乾燥温度が１００℃以下の低温乾燥では、熱風循環量を多くすると湿度が高くなって乾燥速度が極端に遅くなり、装置が大型化するなど経済性が悪化する場合が多い。一方、乾燥温度が１００℃を越えるような高温乾燥では、高湿度乾燥は可能であるが、温度の影響で変質するような被乾燥物（たとえば食品）には使用できないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、被乾燥物を加熱して水分を効率よく蒸発させることができる乾燥装置の提供を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の乾燥装置は、被乾燥物が投入される加熱炉と、加熱源となる熱風を供給する熱風供給手段とを具備し、前記加熱炉内に導入した前記熱風の熱により前記被乾燥物を加熱して乾燥させる乾燥装置において、前記加熱炉内で発生した水蒸気及び前記熱風の混合流体が流れる流路に水蒸気を凝縮及び温度低下させることなく選択的に分離除去する膜分離装置を設け、前記混合流体から水蒸気を分離除去したドライガスの一部を前記熱風に合流させて循環させる循環経路を設けたことを特徴とするものである。
【０００８】
このような乾燥装置によれば、加熱炉内で発生した水蒸気及び熱風の混合流体が流れる流路に水蒸気を選択的に分離除去する膜分離装置を設け、混合流体から水蒸気を分離除去したドライガスの一部を熱風に合流させて循環させる循環経路を設けたので、ドライガスの保有する熱を有効に利用して加熱・乾燥することができる。
【０００９】
請求項１記載の乾燥装置においては、ドライガスの一部を熱風供給手段の燃焼用空気を予熱する加熱源として用いることが好ましく、これにより、マテリアルバランスをとるために排気されるドライガスの廃熱を有効利用することができる。
また、請求項１または２記載の乾燥装置は、膜分離装置で分離除去された水蒸気が、熱風供給手段の燃焼用空気を予熱する加熱源または前記被乾燥物を予熱する加熱源として用いられることが好ましく、これにより、水蒸気の廃熱を有効利用することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る乾燥装置の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態においては、加熱炉として内熱式ロータリキルン１０が採用され、この内熱式ロータリーキルン１０には、図示省略の原料供給装置から有機性廃棄物等の被乾燥物が供給される。なお、この内熱式ロータリキルン１０の基本構成は、上述した従来例と同様である。
内熱式ロータリーキルン１０に供給される被乾燥物は、ロータリーキルン１２内を原料入口室１１側から製品出口室１３側へ向かって流れる過程において、後述する循環加熱ガスによって加熱され、図中に矢印Ｓで示すようにして水分が水蒸気となって排出される。この結果、被乾燥物は水分が減少または除去されて乾燥物となる。
【００１１】
このようにして乾燥された乾燥物は、減容化されて製品出口室１３から出て次工程へと送られていく。
ロータリキルン１２内で被乾燥物から排出された水蒸気Ｓは、後述する循環加熱ガスと共に循環ガスとなり、循環ガスファン２１に吸引される。なお、以下の説明では、ロータリーキルン１２内で発生した水蒸気Ｓに循環加熱ガスを加えたものを「循環ガス」と呼び、燃焼器２２で生成された熱風に膜分離装置４０で循環ガスから水蒸気が分離除去されたドライガスの循環成分を加えたものを「循環加熱ガス」と呼ぶことにする。
【００１２】
循環ガスファン２１は、ロータリーキルン１２内から循環ガスを吸引して後述する循環経路を循環させる機能を有しており、吸引した循環ガスは循環経路に設けられた膜分離装置４０へ送出される。
この膜分離装置４０は、循環ガス（入口ガス）中に含まれている水蒸気（膜透過ガス）を凝縮及び温度低下させることなく分離して、残りのガス（出口ガス）をドライガスにする機能を有している。なお、膜分離装置の水蒸気出口側に真空ポンプ５３を設置し、この真空ポンプを作動させて膜分離装置４０の入口（循環ガス入口）と水蒸気出口との水蒸気の分圧差をつけることにより、水蒸気分離のための推進力を確保する。
この膜分離装置４０は、たとえば図２に示すように、ケーシング４１の内部に円筒状のエレメント（水蒸気透過膜）４２が設置された構成となっている。
【００１３】
ケーシング４１は、入口ガスを投入する入口ノズル４３と、膜透過ガスが流出する透過ガスノズル４５と、水蒸気を除去された出口ガスが流出する出口ノズル４６とを備えた容器である。
ケーシング４１の内部は、上下一対の仕切板４７，４８によって仕切られ、入口・出口ガス室５０及び透過ガス室５１となる空間が形成されている。入口・出口ガス室５０には入口ノズル４３及び出口ノズル４６が開口し、さらに、透過ガス室５１には透過ガスノズル４５が開口している。
【００１４】
エレメント４２は、一端（図示の例では下端部）が遮蔽板４２ｂによって閉じられ、他端が透過ガス室５１に開口して、上下一対の仕切板４７，４８を貫通して多数設けられている。このエレメント４２として、たとえば特許第１７００３８８号、特許第２８０８４７９号、特公平８−３２２９８に開示されているシリカゲル膜等の無機分離膜が使用可能である。
ここに開示されているシリカゲル膜は、耐熱性や耐酸性があり、有機酸または有機溶剤／水混合物からの水分離や、水蒸気を含むガス中から水蒸気を高性能で分離・除去することができる。
【００１５】
以下、膜分離装置４０における水蒸気分離の作用を説明する。
ロータリーキルン１２から流出した循環ガスは、入口ガスとして入口ノズル４３から入口・出口ガス室５０へ流れ込む。この循環ガス中に含まれている水蒸気は、出口ノズルへ向けて流れて行く過程で矢印５２（図２（ｂ）参照）のようにエレメント４２を透過し、該エレメント４２の中空部４２ａに入り込む。この膜分離装置４０は、液体を分離する場合は外部から熱の供給が必要であるが、本邸案のように気体を分離する場合は外部からの熱の供給や除去は特に必要ない。
この結果、循環ガスは、水蒸気の凝縮や温度低下を伴うことなく中空部４２ａ内の水蒸気（膜透過ガス）と、エレメント４２を透過しない水蒸気以外の他のガス成分であるドライガス（出口ガス）とに分離される。このうち、循環ガスから水蒸気を除去されたドライガスは、出口ノズル４６から流出する。
なお、膜分離装置４０においては、水蒸気が完全に除去されないこともあるので、出口ガスにはある程度の残存水蒸気が含まれている場合もある。
【００１６】
一方、エレメント４２を透過した水蒸気は、中空部４２ａを通って透過ガスノズル４５から流出する。この水蒸気は、次工程に送られて使用されたり、あるいは、大気へ放出される。
このようにして、膜分離装置４０で水蒸気とドライガスとを分離させると、循環してロータリーキルン１２へ戻されるドライガス中の水分は大幅に減少するので、乾燥装置の加熱源としては好ましいものとなる。
【００１７】
膜分離装置４０で水蒸気を除去されたドライガスは、その下流側において循環成分（ｇ１）と排ガス成分（ｇ２）とに分流する。
このうち、排ガス成分ｇ２は、熱風供給手段として設けられている燃焼器２２の燃焼用空気を予熱して昇温させる予熱器２３へ導かれれて加熱源として使用される。この予熱器２３は、空気ファン２４で吸引された大気を導入して排ガス成分ｇ２と熱交換させ、予熱した空気を燃焼器２２へ供給する。なお、予熱器２３で熱交換した排ガス成分ｇ２は、必要に応じて適当な処置を施した後に大気へ放出される。
【００１８】
燃焼器２２では、外部から導入した液化石油ガス（ＬＰＧ）等の燃料を上述した燃焼用空気を用いて燃焼させ、熱風を生成する。
また、循環成分ｇ１は、燃焼器２２で生成された高温の熱風と合流して循環加熱ガスとなり、ロータリーキルン１２へ投入される。こうしてロータリーキルン１２内を流れる循環加熱ガスは、ロータリーキルン１２内を原料入口室１１側から製品出口室１３側へ流れていく被乾燥物とは逆向きの流れ（向流）になっている。このため、温度の高い循環加熱ガスが製品出口１３側の被乾燥物を加熱して徐々に温度低下していくので、入口側から出口側へ徐々に加熱温度が上昇する加熱環境で乾燥してきた被乾燥物を、最終的に最も高温で加熱して水蒸気Ｓを排出させることができる。
【００１９】
このようなロータリーキルン１２内の加熱により発生した水蒸気Ｓは、循環加熱ガスと合流して循環ガスとなり、以下同様にして循環経路内の循環を繰り返すこととなる。
このように、循環ガスファン２１の作用によってロータリーキルン１２から吸引された循環ガスは、膜分離装置４０を通過して水蒸気を除去されたドライガスとなり、このドライガスの一部が循環成分ｇ１として排ガス成分ｇ２から分流した後、熱風と合流して循環加熱ガスとなり、加熱源としてロータリーキルン１２内へ供給される。そして、ロータリーキルン１２内で被乾燥物から蒸発してきた水蒸気Ｓと合流し、再度循環ガスとなって同様の経路の循環を繰り返す循環経路が形成されている。
【００２０】
また、ロータリーキルン１２内を循環する循環加熱ガス量は、燃焼器２２で発生する燃焼ガス量より多く設定され、かつ水蒸気の割合は小さいため、見かけ上多量のドライガスが通過して充分な加熱量を確保している。すなわち、排ガス成分ｇ２として分流させるドライガス量は、循環経路におけるマテリアルバランスをとるために必要な最小限の量にとどめ、残った分を循環成分ｇ１として大量に戻し、ロータリーキルン１２内の入口温度を乾燥に必要な５０℃〜３００℃程度の範囲内での所望の高温に維持している。
【００２１】
以下、上述した乾燥装置について、作用を説明する。
ロータリーキルン１２内に投入された被乾燥物は、逆向きに流れていく循環加熱ガスが保有している熱により加熱されながら原料入口室１１から製品出口室１３へ流れていく。この過程で被乾燥物に含まれている水分が水蒸気Ｓとなって排出され、同時に循環加熱ガスの温度が低下していく。この結果、循環加熱ガスは水蒸気Ｓと合流して循環ガスとなり、循環ガスファン２１に吸引されて被乾燥物と逆向きに流れ、キルン外へと流出する。一方、水蒸気Ｓが排出して残った被乾燥物は、乾燥物となって外部の次工程へ供給される。
【００２２】
上述したように循環加熱ガスを被乾燥物の流れに対して向流とすれば、ガス入口側の製品出口室１３近傍をガス出口側の原料入口室１１近傍よりも高温として良好な乾燥処理を行うことができる。
また、循環加熱ガスの流量は、燃焼器２２で生成する燃焼ガス量と比較してかなり多く、大量のドライガスを含む循環加熱ガスが通過することで廃熱量を低く抑え、燃焼器２２の燃料を節約して所望の高温を維持することができる。すなわち、ドライガスの一部を循環成分ｇ１として循環させることにより、ドライガスの保有する熱量を廃熱としてほとんど外部へ捨てることなく乾燥用の加熱源として使用できるので、熱効率がよく燃料消費量も少ない省エネルギーの乾燥装置となる。
【００２３】
［第１の実施形態による実施例］
図１に示す構想の装置を使用し、以下の条件で運転を実施した結果、膜分離装置のないロータリキルン乾燥機に比較して燃焼器の燃料を約４５％削減することができた。
１．装置仕様
膜分離装置
シリカ膜を使用
膜面積：８ｍ^２
２．運転条件
被乾燥物供給量：５５Ｋｇ／ｈ
ロータリキルン入口温度：９０℃
回収水蒸気量：１５Ｋｇ／ｈ
水蒸気回収率：８５％
【００２４】
＜第２の実施形態＞
続いて、本発明の第２の実施形態を図３に示して説明する。なお、上述した第１の実施形態と同様の構成部分については同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、膜分離装置４０で循環ガスから分離除去した水蒸気の保有する廃熱を有効に利用するため、水蒸気を加熱源として燃焼用空気を予熱する熱交換器２５を設けてある。この熱交換器２５は、空気ファン２４の上流側に配置されているが、下流側に設置してもよい。
【００２５】
このように構成すれば、予熱器２３で昇温される燃焼用空気を事前に熱交換器２５で昇温させるので、より高温とした燃焼用空気を燃焼器２２へ供給することができる。あるいは、熱交換器２５による昇温分だけ、予熱器２３へ供給するドライガスの排ガス成分ｇ２を低減することも可能である。従って、廃熱を有効に利用して、装置全体としての熱効率を上げることができる。
また、上述した熱交換器２５に代えて、膜分離装置４０で分離除去された水蒸気を加熱源として利用し、被乾燥物を予熱するようにしてもよい。
【００２６】
［第２の実施形態による実施例］
図３に示す構想の装置を使用し、第１の実施形態による実施例と同一条件で試験を実施したところ、膜分離装置のないロータリキルン乾燥機に比較して燃焼器の燃料を約４８％削減することができた。
【００２７】
さて、これまで説明した実施形態においては、加熱炉として内熱式ロータリキルン１０を採用した乾燥装置を説明したが、本発明の加熱炉はこれに限定されることはなく、たとえばトンネル乾燥機、通気バンド乾燥機など種々の加熱炉にも適用可能である。
なお、本発明の構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の乾燥装置によれば、以下の効果を奏する。
請求項１に記載の乾燥装置によれば、加熱炉内で発生した水蒸気及び熱風の混合流体が流れる流路に水蒸気を選択的に分離除去する膜分離装置を設け、混合流体から水蒸気を分離除去したドライガスの一部を熱風に合流させて循環させる循環経路を設けたので、ドライガスの一部は、ワンパスとなることなく何度も繰り返して加熱炉を循環するようになり、ドライガスの保有する熱を有効に利用して加熱することができる。このため、装置全体としての熱効率が向上し、熱風を生成する燃料を最小限にして省エネルギー運転を行うことができる。
【００２９】
また、ドライガスの一部を熱風供給手段の燃焼用空気を予熱する加熱源として用いれば、マテリアルバランスをとるために排気されるドライガスの廃熱を有効利用することができるので、装置全体の熱効率向上に有効である。
また、膜分離装置で分離除去された水蒸気は、これを熱風供給手段の燃焼用空気を予熱する加熱源として、あるいは、被乾燥物を予熱する加熱源として用いると、水蒸気の廃熱を有効利用することができるので、装置全体の熱効率向上に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る乾燥装置の第１の実施形態として構成例を示す図である。
【図２】図１における膜分離装置の構成例を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は水蒸気の分離除去を説明するための斜視図である。
【図３】本発明に係る乾燥装置の第２の実施形態として構成例を示す図である。
【図４】従来例を示す構成図である。
【符号の説明】
１０　　内熱式ロータリーキルン（加熱炉）
１１　　原料入口室
１２　　ロータリキルン
１３　　製品出口室
２１　　循環ガスファン
２２　　燃焼器（熱風供給手段）
２３　　予熱器
２４　　空気ファン
２５　　熱交換器
４０　　膜分離装置
４１　　ケーシング
４２　　エレメント（水蒸気透過膜）
４２ａ　中空部
４３　　入口ノズル
４５　　透過ガスノズル
４６　　出口ノズル
４７，４８　　仕切板
５０　　入口・出口ガス室
５１　　透過ガス室
５２　　水蒸気
５３　　真空ポンプ

Claims (3)

1. 被乾燥物が投入される加熱炉と、加熱源となる熱風を供給する熱風供給手段とを具備し、前記加熱炉内に導入した前記熱風の熱により前記被乾燥物を加熱して乾燥させる乾燥装置において、
   前記加熱炉内で発生した水蒸気及び前記熱風の混合流体が流れる流路に水蒸気を選択的に分離除去する膜分離装置を設け、前記混合流体から水蒸気を分離除去したドライガスの一部を前記熱風に合流させて循環させる循環経路を設けたことを特徴とする乾燥装置。
2. 前記ドライガスの一部が前記熱風供給手段の燃焼用空気を予熱する加熱源として用いられることを特徴とする請求項１記載の乾燥装置。
3. 前記膜分離装置で分離除去された水蒸気が、前記熱風供給手段の燃焼用空気を予熱する加熱源または前記被乾燥物を予熱する加熱源として用いられることを特徴とする請求項１または２記載の乾燥装置。

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