JP2004143647A

JP2004143647A - 加熱装置

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Publication number: JP2004143647A
Application number: JP2002312653A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Machida; 町田　和之; Hiroshige Inada; 稲田　浩成; Nobuyuki Yamamoto; 山本　伸之; Yasushi Oda; 小田　泰史; Masahiro Saeki; 佐伯　正裕; Atsushi Kawamura; 川村　篤志; Kaori Tsukamoto; 塚本　香緒里; Satoyuki Furukawa; 古川　智行
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-28
Also published as: JP4413487B2

Abstract

【課題】有害物質の排出を確実に防止し、加熱炉本体内への外気の侵入を防止するとともに、製品の品質低下を防止する加熱装置を提供する。
【解決手段】加熱装置が、被加熱物１を導出入する開口部５が形成された加熱炉本体２と、加熱炉本体（耐炎化炉本体２）内を排気する排気手段１１とを有する加熱装置において、開口部５の外側で被加熱物１に向かって加熱炉本体（耐炎化炉本体２）外の空気を吹き付けるエアカーテン手段１３を有し、その吹付角が０°より大きく９０°より小さいことを特徴とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維を製造する際に使用される耐炎化装置などの加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維あるいは樹脂フィルムなど長尺のものを製造する際には、繊維あるいは樹脂フィルムを連続的に加熱する加熱処理を施すことがある。例えば、炭素繊維の製造においては、ポリアクリロニトリル系繊維（以下、ＰＡＮ系繊維と記す）からなる前駆体繊維を、耐炎化炉本体（加熱炉本体）内で連続的に２００℃〜３００℃で焼成、耐炎化する耐炎化処理を施すことがある。以下、このような耐炎化処理の際に使用される耐炎化装置について説明する。
【０００３】
図１０に、耐炎化処理で使用される耐炎化装置の概略断面図を示す。この耐炎化装置は、前駆体繊維からなる糸条１を耐炎化する耐炎化炉本体２と、複数の糸条１，１・・・を平行に揃え、この糸条１，１・・・を繰り返し耐炎化炉本体２内に通糸するためのローラー３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃとを具備して概略構成される。
この耐炎化装置の耐炎化炉本体２の側壁には、糸条１，１・・・を導入および導出する開口部５，５・・・が形成されて耐炎化炉本体２の内部と外部とが連通している。ここで、開口部５が形成されていると、耐炎化処理の際に発生したシアンやアンモニアなどの有害物質が開口部５を通って耐炎化炉本体２外に排出することがあるので、その排出を防止するために、耐炎化炉本体２内部は排気手段１１によって強制的に排気されている。排気された排気ガスは、排気ガス処理装置に移送され、灯油などを燃料として用いて８００℃程度で燃焼処理される。
【０００４】
このような耐炎化装置では、有害物質の排出防止をより確実にするために、図１１に示すように、耐炎化炉本体２内部の開口部５近傍に、排気手段１１によって負圧にされたシール室６を設けることがある（例えば、特許文献１〜３参照）。このようにシール室６が設けられた耐炎化炉本体２では、耐炎化炉本体２中央の処理室７で発生した有害物質はシール室６に吸い込まれ、続いて、排気手段１１によって排気ガス処理装置に送られ、燃焼されて排気ガス処理される。
【０００５】
また、有害物質の排出を防止する別の方法として、耐炎化炉本体内部にエアカーテンを形成する方法が提案されている（特許文献４参照）。
図１２に、耐炎化炉本体２内部にエアカーテンを形成した耐炎化装置の概略断面図を示す。この耐炎化装置では、耐炎化炉本体２の内壁４１かつ糸条１の上側および下側にノズル４２を設け、このノズル４２から耐炎化炉本体２内側の糸条１に向けてガスを吹き付けてエアカーテンを耐炎化炉本体２内部に形成させている。その際、エアカーテンのガスには、ファン４３により供給された耐炎化炉本体２内のガスを使用している。また、ノズル４２の吹き出し口は幅広のスリット状にされている。
このような耐炎化装置では、エアカーテンによって開口部からの有害物質の排出がより防止されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６２−２２８８６５号公報（特許請求の範囲、第１図）
【特許文献２】
特開昭６２−２２８８６６号公報（特許請求の範囲、第１図）
【特許文献３】
特開昭６２−２２８８６７号公報（特許請求の範囲、第１図）
【特許文献４】
米国特許第６０２７３３７号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したシール室６を設けた耐炎化装置では、耐炎化炉本体２外への有害物質の排出を防止することはできるものの、シール室６は負圧にされているから、外気が開口部５を通ってシール室６内に侵入しやすくなる。シール室６に侵入した外気は、排気ガス処理装置に送られて燃焼されるが、耐炎化炉本体２外の空気は、本来は排気ガス処理する必要のないものであるから、排気ガス処理装置では有害物質の処理に必要な量以上の燃料を消費していた。
また、煙突効果などによって処理室７内に負圧の部分が形成されるため、開口部５から外気が処理室７内に侵入することがあった。開口部５から外気が処理室７内に侵入すると、侵入した外気も加熱しなければならなくなるため、加熱に要するエネルギー量の増大を招いていた。さらに、常温である外気が処理室７内に侵入することによって、処理室７内の温度分布が不均一になるため、耐炎化処理にムラが生じて最終的に得られる炭素繊維の製品品質が低下することがあった。しかも、処理室７内に侵入した外気も最終的には排気ガス処理に送られるので、その点からも排気ガス処理量の増大を招いていた。
【０００８】
また、上述したエアカーテンを用いた耐炎化装置では、エアカーテンのガスとして使用される耐炎化炉本体２内ガスに、耐炎化処理の際に発生したタールやシリカが含まれているため、エアカーテンのガスとともにタールやシリカも糸条１に吹き付けられて付着することがあった。タールやシリカが糸条１に付着すると、そこが欠陥になって糸切れを起こしたり、強度低下を引き起こしたりするので、最終的に得られる炭素繊維の品質が低下した。その他、タールやシリカはノズル１６ａ，１６ｂに付着しやすく、所定の風速が出ないトラブルがある。また、上述したエアカーテンを用いた耐炎化装置でも、外気が耐炎化炉本体２内部に吸い込まれ、排気ガス処理装置に送られるので、排気ガス処理におけるエネルギー消費量の増大、耐炎化炉の加熱エネルギー量の増大、外気による温度の不均一化が生じていた。
【０００９】
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、有害物質の排出を確実に防止し、加熱炉本体内への外気の侵入を防止するとともに、製品の品質低下を防止する加熱装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の加熱装置は、被加熱物を導出入する開口部が形成された加熱炉本体と、加熱炉本体内を排気する排気手段とを有する加熱装置において、
前記開口部の外側で被加熱物に向かって加熱炉本体外の空気を吹き付けるエアカーテン手段を有し、その吹付角が０°より大きく９０°より小さいことを特徴とする。
ここで、吹付角とは、図２に示すように、被加熱物の移動方向（符号１２の二点鎖線）と、ノズル１６ａ，１６ｂの吹き付け方向（符号１７の二点鎖線）との角度θのことである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の加熱装置の一実施形態例について図面を参照して説明する。この実施形態例は、加熱装置が、炭素繊維の製造に使用されるＰＡＮ系繊維の耐炎化装置である例である。
図１に、糸条が横方向に移動する横型の耐炎化装置の概略断面図を示す。この耐炎化装置は、ＰＡＮ系繊維からなる糸条１（被加熱物）を耐炎化する耐炎化炉本体２（加熱炉本体）と、複数の糸条１，１・・・を平行に揃え、この糸条１，１・・・を繰り返し耐炎化炉本体２内に通糸するためのローラー３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃとを具備して概略構成される。
【００１２】
この耐炎化装置において、耐炎化炉本体２の側壁１０には、糸条１を導入および導出するための開口部５，５・・・が形成されており、この開口部５は、開口幅Ｗが２インチ（５．０８ｍｍ）のスリット状に形成されている。さらに、耐炎化炉本体２は、開口部５側に位置するシール室６と、耐炎化炉本体２の中央部に位置し、耐炎化処理が施される処理室７とに仕切り板９，９で仕切られている。この仕切り板９，９には、糸条を通す孔８，８・・・が形成されている。
また、耐炎化炉本体２とローラー３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃとの間の糸条１には、ローラー３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃへの糸条１の巻付き防止及び耐炎化処理の際に副生し、糸条１に付着したシリカを除去するためのバータイプの静電除去装置１４が接している。
【００１３】
さらに、この耐炎化装置には、シール室６を排気する排気手段１１と、図２に示すような、耐炎化炉本体２の開口部５の外側で糸条１２に向かって耐炎化炉本体２外部の空気を吹き付けるエアカーテン手段１３とを有している。
【００１４】
排気手段１１は、シール室６内を排気して負圧にすると同時に、シール室６内のガスを排気ガス処理装置に送るものであり、例えば、ファンなどが使用される。
排気手段１１によって、シール室６内の圧力は、通常、０．０５〜１ｍｍＨ_２Ｏにされている。このような圧力範囲であれば、処理室７内で発生したアンモニアやシアンなどの有害物質を排気ガス処理装置に確実に送ることができる。
【００１５】
エアカーテン手段１３は、支持部１５，１５に取り付けられ、対向したノズル１６ａ，１６ｂを具備しており、このノズル１６ａ，１６ｂが、図２に示すように、耐炎化炉本体２外部の空気（以下、空気と略す）を糸条１２に向かって吹き付けることによってエアカーテンを形成する。その際、吹付角θは、０°より大きく９０°より小さく、好ましくは、３０°以上６０°以下である。吹付角θが上記範囲であることにより、有害物質の排出を確実に防止するとともに、加熱炉本体内部への外気の侵入を防止する。
【００１６】
図３には、ノズル１６ａ，１６ｂの断面図を示す。ノズル１６ａ，１６ｂは、幅方向の一端から空気が供給されるものであって、空気供給側から離間するにつれて内部が狭くされた流量調整室２１と、孔２２，２２・・・を通って供給された空気を吹き出す吹出口２３とを有している。このようなノズル１６ａ，１６ｂでは、孔２２，２２・・・によって圧力損失が発生して流量調整室２１内に空気が滞留しやすくなっているとともに、流量調整室２１の内部が空気供給側から離間するにつれて狭くされているので、流量調整室２１内外の差圧がほぼ等しくなる。その結果、各孔２２から空気を均一の流量で吹き出させることができる。
【００１７】
ノズル１６ａとノズル１６ｂとの間隔は、４〜４０ｍｍであることが好ましい。ノズル１６ａとノズル１６ｂとの間隔が４〜４０ｍｍであれば、エアカーテンによる糸条１の移送の乱れを防止できる。また、ノズル１６ａ，１６ｂの間隔が短くなれば、エアカーテンの風速が小さくてもシールが可能になる。ただし、ノズル１６ａとノズル１６ｂとの間隔を４ｍｍ未満にしてしまうと、糸条１を通すことが困難になるおそれがある。
【００１８】
ノズル１６ａ，１６ｂとローラー３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃとの距離Ｌは、５００ｍｍ以下であることが好ましい。ノズル１６ａ，１６ｂとローラー３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃとの距離Ｌが５００ｍｍ以下であれば、エアカーテンによって糸条１の移送が乱れた場合でも、ローラー３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃによってその乱れを抑えることができる。したがって、糸条１の移送での製品の品質低下を防止できる。
【００１９】
さらに、エアカーテン手段１３は、図４に示すように、吹き付ける耐炎化炉本体２外の空気の流量を調整する流量調整機構２４と、ノズル１６ａ，１６ｂに供給された耐炎化炉本体２外の空気の圧力を測定する圧力計２５とを有している。そして、圧力計２５で測定された圧力を流量調整機構２４にフィードバックして、吹き付ける空気の流量を調整することで、間接的にエアカーテン風速を管理することができる。
その際の、ノズル１６ａ，１６ｂへの空気供給手段としてはファン２６などを使用できる。
【００２０】
このようなエアカーテン手段１３によって形成されるエアカーテンの風速は、１〜５０ｍ／秒であることが好ましい。エアカーテン風速が１〜５０ｍ／秒であれば、シール室６が通常の圧力である場合に有害物質の排出と耐炎化炉本体２内部への外気の侵入とをより確実に防止できる。一方、風速１ｍ／秒未満であると、外気が耐炎化炉本体２内に侵入しやすくなり、風速５０ｍ／秒を超えると、エアカーテンの気流によって耐炎化炉本体２内の有害物質の排出を十分に防止できないおそれがある。
【００２１】
なお、このようなエアカーテン手段１３では、ノズル１６ａ，１６ｂの吹き出し口が幅広であるため、幅方向に流速分布が発生して、耐炎化炉本体２内のガスが外部に排出する箇所と、外気が侵入する箇所との両方が発生する可能性があるが、流速分布が生じた場合には、排気手段１１による排気量を高めて有害物質の排出防止を優先することが望ましい。
【００２２】
上述した実施形態例では、排気手段１１とエアカーテン手段１３によって、耐炎化炉本体２内で発生した有害物質の外部への排出が確実に防止されている。また、外気が耐炎化炉本体２内に侵入することが防止されているから、処理室７の加熱に要するエネルギー量を削減できるとともに、排気ガス処理量の削減により排気ガス処理に要するエネルギー量も削減できる。さらに、耐炎化炉本体２内部の温度分布の不均一化を抑制できるので、耐炎化処理のムラを防止することができ、最終的に得られる炭素繊維の製品品質を向上させることができる。
また、静電除去装置１４に加えてエアカーテンによっても、糸条に付着したシリカを除去することができるから、製品品質が向上する。
【００２３】
なお、本発明は、上述した実施形態例に制限されるものではない。例えば、上述した実施形態例では、加熱装置が耐炎化装置であったが、他の加熱装置、例えば、炭素繊維製造用の炭素化炉や糸条あるいはフィルムの乾燥装置などであってもよい。また、上述の耐炎化炉本体２は、糸条が横方向に移動する横型のものであったが、縦方向に移動する縦型のものであってもよい。
また、上述した実施形態例では、シール室６を有していたが、図５に示すように、シール室を有していなくてもよい。このように、シール室を有していない耐炎化炉３０を排気手段１１によって排気する場合には、耐炎化炉３０内部の構造が単純化される。
【００２４】
エアカーテン手段のノズルについても他のものを用いることができる。例えば、図６（ａ）に示すような、有底円筒に、長さ方向に延在するスリット状の吹出口３５が形成されたノズル３１であってもよい。図６（ｂ）に、ノズル３１を、その底面と平行に切断したときの断面図を示す。このノズル３１は二重構造を有しており、このノズル３１に供給された空気は、まず、内側の部分３２に入り、続いて、孔３３を通って外側の部分３４に入ってから吹出口３５から吹き出される。このようなノズル３１では、外側の部分３２と３４がバッファの役割を果たして、吹出口３５から吹き出す空気の流量を均一にできる。
また、上述した実施形態例の静電除去装置１４は、糸条に接するバータイプであったが、ノズルに供給する空気をコロナ放電などにより静電処理するものであってもよい。
【００２５】
【実施例】
（参考例）
図２に示すように、開口幅Ｗが２インチの開口部５が形成された耐炎化炉本体２の側壁１０の外側に設けられたエアカーテン手段のノズル１６ａ，１６ｂから空気を吹き付けてエアカーテンを形成させたときの、エアカーテン風速に対するシール室内ガス流出速度をシミュレーションした。
ここで、被加熱物の移動方向をＸ方向、被加熱物の移動方向の直交方向をＹ方向とし、図２中の境界Ｍの左側をシール室６内部とした。また、シミュレーションにおいては、ノズル１６ａ，１６ｂの幅を１／８インチ、吹付角θを３０°、ノズル１６ａ，１６ｂの間隔を１インチ、開口部５のＸ方向の寸法Ｃを４．５インチ、支持部１５のＸ方向の寸法Ｄを１０インチ、シール室６内部の温度を１１０℃、耐炎化炉本体２外部の温度を３０℃とし、空気物性の温度依存性を考慮した。また、シール室内ガス流出速度とは、境界Ｍにおける図２中Ｘ方向のガス速度のことであり、内側から外側の方向が正である。すなわち、シール室内ガス流出速度が０のときには、耐炎化炉内外間のガスの移動がない。
【００２６】
以下、シミュレーションの結果について説明する。
図７に、被加熱物がない場合のシール室内圧力別の、エアカーテン風速とシール室内ガス流出速度との関係を示す。図７から、エアカーテン風速を速くするに従って、シール室内ガス流出速度が高くなるが、シール室内圧力を低くすることにより流出速度を低減できることが分かる。
図８には、被加熱物がない場合のシール室内圧力と、シール室内ガス流出速度が０になるときのエアカーテン風速（図中では「ガス流出速度０のときの風速」と記載する）との関係を示す。図８から、有害物質の排出をより防止するためにシール室内圧力を低い場合は、エアカーテン風速を上げることで、より外気の侵入を防止できることが判明した。
【００２７】
図９に、シール室内圧力を−０．３２ｍｍＨ_２Ｏとし、厚さ１ｍｍの被加熱物がスリットを通っている場合の、エアカーテン風速とシール室内ガス流出速度との関係を示す。この場合には、図２における符号１２が被加熱物を示す。なお、図９中には、比較のために、被加熱物を通さない場合についても示す。
その結果、図９に示すように、被加熱物が開口部を通過する場合にも、エアカーテンの風速を速くすると、シール室内ガス流出速度が速くなるが、シール室内ガス流出速度を０にするためのエアカーテン風速は、被加熱物が存在しない場合の約２倍でよいことが判明した。
また、被加熱物の位置についても検討した。すなわち、図２中の上側のノズル１６ａから被加熱物１２までの距離をＡとし、下側のノズル１６ｂから被加熱物１２までの距離をＢとし、Ａ＋Ｂを１．０インチとして、Ａ：Ｂが０．５インチ：０．５インチの場合、０．７インチ：０．３インチの場合についてシミュレーションした。その結果、図９に示すように、いずれの位置でもほぼ同じ傾向を示すことが判明した。
【００２８】
（実施例）
図１に示すような、排気手段１１であるファンとエアカーテン手段１３とが備えられた耐炎化装置を用いてＰＡＮ系繊維の耐炎化処理を行った。ここで、エアカーテンの風速は、１５〜２０ｍ／秒、吹付角θは３０°、スリットの開口幅Ｗは、７０ｍｍ、対向したノズル１６ａ，１６ｂの間隔は、２０ｍｍ、シール室６内の圧力は−０．５〜―１．０ｍｍＨ_２Ｏ、シール室６内温度は２００℃、エアカーテンに供給される空気の温度は２０℃であった。
【００２９】
（従来例）
図１１に示すような、排気手段１１であるファンが備えられた耐炎化装置を用いて炭素繊維の耐炎化処理を行った。ここで、スリットの開口幅Ｗは、２５ｍｍであり、シール室６内の圧力は−０．５〜−１．０ｍｍＨ_２Ｏであり、シール室６内温度は１１０℃であった。
【００３０】
実施例および従来例において、有害物質の排出を確実に防止した状態での、排気ガス処理装置に送られるガス量を測定した。その結果、実施例では２８Ｎｍ^３／ｈであり、従来例では１４２Ｎｍ^３／ｈであった。すなわち、実施例では、外気の侵入が防止されたために、従来例に比べて１１４Ｎｍ^３／ｈも処理ガス量が少ないことが判明した。このように、実施例では、排気ガス処理量を削減できたので、排気ガス処理に要するエネルギー量も削減できた。また、処理室の加熱に要するエネルギー量を削減できた。
さらに、実施例では、外気の侵入が防止されたために、耐炎化炉本体内部の温度分布が均一化されるので、耐炎化処理のムラを防止することができ、炭素繊維の製品品質を向上させることができた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、加熱炉本体内の有害物質の排出が確実に防止され、また、加熱炉本体外の空気が内部に侵入することが防止されているから、加熱炉の加熱に要するエネルギー量を削減できるとともに、排気ガス処理量の削減により排気ガス処理に要するエネルギー量も削減できる。さらに、加熱炉本体内部の温度分布を均一にできるので、加熱処理のムラを防止することができ、最終的に得られる製品の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加熱装置の一実施形態例を示す概略断面図である。
【図２】図１に示す実施形態例のエアカーテン手段の要部を拡大した縦断面図である。
【図３】実施形態例で使用したエアカーテン手段のノズルの断面図である。
【図４】図１に示す実施形態例のエアカーテン手段の模式図である。
【図５】本発明の加熱装置の他の実施形態例を示す概略断面図である。
【図６】エアカーテン手段のノズルの他の例を示す図であって、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は断面図である。
【図７】エアカーテン風速と、シール室内のガス流出速度との関係を示すグラフである。
【図８】シール室内圧力と、ガス流出速度が０になるときのエアカーテン風速との関係を示すグラフである。
【図９】エアカーテン風速と、シール室内のガス流出速度との関係を示すグラフである。
【図１０】従来の加熱装置の一例を示す概略断面図である。
【図１１】従来の加熱装置の他の例を示す概略断面図である。
【図１２】従来の加熱装置の他の例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１　糸条（被加熱物）
２　耐炎化炉本体（加熱炉本体）
３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃ　ローラー
５　開口部
６　シール室
１１　排気手段
１３　エアカーテン手段
１６ａ，１６ｂ　ノズル
２４　流量調整機構
２５　圧力計

Claims

被加熱物を導出入する開口部が形成された加熱炉本体と、加熱炉本体内を排気する排気手段とを有する加熱装置において、
前記開口部の外側で被加熱物に向かって加熱炉本体外の空気を吹き付けるエアカーテン手段を有し、その吹付角が０°より大きく９０°より小さいことを特徴とする加熱装置。
加熱炉本体内の開口部近傍に、前記排気手段により排気されるシール室が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
前記吹付角が３０°〜６０°であることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱装置。
前記エアカーテン手段は、風速１〜５０ｍ／秒で加熱炉本体外の空気を吹き付けることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加熱装置。
前記エアカーテン手段には、加熱炉本体外の空気を吹き出すノズルが設けられているとともに、加熱炉本体の近傍には前記被加熱物を案内するローラーが設けられており、
前記ノズルと前記ローラーとの距離が５００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の加熱装置。
前記エアカーテン手段では、吹き付ける加熱炉本体外の空気の流量を調整する流量調整機構と、吹き付ける加熱炉本体外の空気の圧力を測定する圧力計とを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の加熱装置。
炭素繊維製造用耐炎化装置であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の加熱装置。
前記エアカーテン手段は、被加熱物の両側から加熱炉本体外の空気を吹き付けるように対向したノズルを有しており、それらのノズルの間隔が４〜４０ｍｍであることを特徴とする請求項７に記載の加熱装置。