JP2005090796A - 回転式加熱炉 - Google Patents

Abstract

【課題】回転型加熱炉において、回転側と固定側との間のシールを簡単な構成で確実に行なうことにある。
【解決手段】回転側の炉体１及び固定側の原料投入筒１６の双方に、環状のシール板２０及び２１をそれぞれ取り付け、これらのシール板２０，２１を隙間を介して互いに重ね合わせてシール装置１９を構成する。シール板２２，２１はその間の隙間に生じる流体抵抗により気体の漏れを止める。ラビリンスシールのような膨張室が不要であるため、隙間を十分に小さくしてシール効果を高めることができ、またシール板の内・外周面と対向面との間に絞り口を設ける必要がないので、この部分に必要十分な隙間を設けてシール板２０，２１の半径方向の熱膨張をフリーとし、熱膨張差により回転側と固定側とが接触することによる破損を回避することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、飛灰などを加熱処理する回転式加熱炉に関し、詳しくは回転運動をする炉体の気密を保持するシール構造に関する。

都市ゴミ焼却時に発生する飛灰（フライアッシュ）には重金属などの有害物が多く含まれているが、亜鉛や鉛などの有価物も含まれている。この有価物の飛灰からの分離回収は、再資源化による循環型社会の形成に有効である。飛灰からの有価物回収法として、飛灰を還元加熱して有価物をガス化分離する方法がある。その際、酸素濃度が高いとガス化した有価物が酸化され、固体として灰に付着して分離不能になる。従って、飛灰から有価物を分離回収する還元加熱炉の場合には、１％以下の酸素濃度で還元加熱を行なう必要があり、真空ポンプで真空引きをしたり、不活性ガス（例えば窒素ガス）で置換したりして低酸素雰囲気を形成することが必要である。

飛灰の還元加熱は900℃程度の高温で行なう必要があり、高温加熱の手段としては誘導加熱方式が一般的である。飛灰加熱用の加熱還元炉として、図６に示す静止型加熱炉が考えられる。図６において、直立した中空円筒状の炉体１の上下端に原料投入口２と原料取出し口３とが開口し、それぞれ真空遮断弁４及び５により開閉されるようになっている。炉体１の外側には誘導コイル６が配置され、また上部には真空排気管７が導出されている。炉内下部には、支持格子８上に発熱体としての耐熱性の鋼球９及び図示しないが還元材としてのカーボン粉末が装填されている。

飛灰処理を行なうには、原料投入口２から飛灰１０を投入し、真空遮断弁４を閉じて図示しない真空ポンプにより真空排気ノズル７を通して炉内を真空引きする。また、場合により炉内に窒素ガスをパージする。次いで、誘導コイル２により鋼球９と飛灰１０とを900℃まで加熱する。その後、亜鉛、鉛などのガス化した有価物を真空排気管７から吸引し、図示しないバグ・フィルタにより有価物の回収を行なう。有価物回収後の飛灰１０は、真空遮断弁５を開いて原料取出し口３から排出する。

このような静止型加熱炉は、誘導コイル６や鋼球９からの距離に応じて飛灰温度に温度勾配がつくため、飛灰温度を平均温度で管理した場合には有価物回収率が低下する。また、飛灰温度の下限を900℃とした場合には、誘導加熱の電力量が大きくなる。更に、飛灰１０を静止状態で加熱すると、鋼球９や耐火材への飛灰１０の付着や飛灰同士の固着のため、炉内面の定期的な掻き取り負荷が大きくなる。その上、静止型加熱炉は、飛灰１０の投入と取出しがバッチ処理となるため能率が悪い。

これに対して、炉体が回転運動を行なう回転型加熱炉は、飛灰と還元材の回転混合により飛灰温度の均一化が図れるとともに、飛灰の連続投入化による処理量の増加が可能になる。このような回転型加熱炉は、例えば特許文献１に記載されている。しかし、回転型加熱炉は真空引きや窒素ガスパージにより炉内を低酸素素雰囲気に維持する場合、回転側の炉体と固定側の原料投入部との間に気密を保持するためのシール機構を設ける必要があり、かつこのシール機構には耐熱性が要求される。

気密用のシール機構として、従来から種々のものが知られている。例えば、回転側と固定側との間に耐熱性の合成ゴムなどからなるシール材を挿入する方法があるが、900℃の高温の加熱炉に適用する場合には、水冷や空冷により200℃程度の耐熱温度まで冷却する必要があり、装置が複雑化する問題がある。また、磁性流体を利用した磁気シールは、低摩擦でかつ高真空が得られる長所があるが、使用温度が150℃と低いこと、粉塵環境下で使用するとシール性能が低下すること、高コストであることなどの問題がある。

高温環境で使用可能な非接触式シール構造として、絞り片と膨張室とを設けたラビリンスシールが知られており、特許文献１に記載の加熱炉にも用いられている。図７は、直通形のラビリンスシールを示す縦断面図で、絞り片１１により回転側と固定側との間に絞り口１２が形成されるとともに、隣接する絞り片１１，１１間に膨張室１３が形成されている。白抜き矢印で流れの方向を示した気体は、実線矢印で示した絞り口１２での縮流とその直後の膨張室１３での膨張とによる圧力降下により漏れ止めが行われる。
特開平６−２０７２２９号公報

ラビリンスシールは構成材に金属材料を選定可能であり、耐熱温度は確保される。ところが、ラビリンスからの漏洩量を所望以下に抑えるためには、絞り口１２の隙間Ｇ（図７参照）は0.1mm〜0.2mm程度に小さくする必要がある。一方、加熱炉の起動・停止や炉内温度変動に伴い、ラビリンスシールの回転側（絞り片１１側）と固定側との間には温度差が発生する。その場合、例えば100℃の温度差が生じると、外径が700mm程度の絞り片１１の場合、固定側との間に約0.6ｍｍの熱膨張差が生じる。そのため、隙間Ｇを上記程度に微小にしようとすると、絞り片１１が固定側と接触・破損し、シール性能が維持できなくなる恐れがある。

しかし、加熱炉の起動・停止や飛灰投入時の温度変動を考慮すると、ラビリンスシール部の温度差を抑えることは困難であり、またラビリンスシール部のみを一定温度以下に冷却保持しようとすると装置が複雑化する。ラビリンスシール部の隙間Ｇを大きくする方法もあるが、そうすると漏洩量の増加から排気用真空ポンプの大型化や窒素ガス補充量の増大を招き、初期コストや運転コストが増える。

そこで、この発明の課題は、回転型加熱炉において、回転側と固定側との間のシールを簡単な構成で確実に行なうことにある。

上記課題を解決するために、この発明は、回転支持された炉体と、この炉体と同軸に固定支持された原料投入筒とを備え、この原料投入筒は前記炉体の一端の回転中心に開口する原料投入口と対向し、この原料投入口を通して前記原料投入筒から前記炉体に供給された原料を低酸素雰囲気で加熱処理する回転式加熱炉において、環状の板材からなる第１のシール板と、外径が前記第１のシール板の外径よりも小さくて内径よりも大きく、かつ内径が前記第１のシール板の内径よりも小さい環状の板材からなる第２のシール板とを設け、前記第１のシール板の外周側を前記炉体又は原料投入筒に結合し、前記第２のシール板の内周側を前記原料投入筒又は炉体に結合するとともに、これらのシール板を隙間を介して互いに重ね合わせ、前記炉体と前記原料投入筒との間を気密にシールするようにするものである（請求項１）。

すなわち、この発明は、炉体及び原料供給筒の双方に取り付けた環状のシール板を隙間を介して互いに重ね合わせることにより、シール部を構成するものである。このシール部は重なり合うシール板間の隙間により流体抵抗を形成し、この隙間からの気体の漏れを止めるもので、ラビリンスシールのような膨張室が不要であるため、隙間を十分に小さくしてシール効果を高めることができる。また、隣接するシール板同士の重なりによりシールするので、シール板の内・外周面と対向面との間に絞り口を設ける必要がなく、この部分に必要十分な隙間を設けることにより、シール板の半径方向の熱膨張をこの隙間で容易に吸収し、回転側のシール板が固定側と接触することによる破損を回避することができる。

請求項１の発明において、前記炉体及び原料投入筒の前記シール板は、所定の間隔を置いてそれぞれ軸方向に複数枚配列し、これらのシール板を交互に重ね合わせるとよく、重なりが増加すればそれだけシール性が高くなる（請求項２）。

請求項２の発明において、環状の板材からなる第１及び第２の取付フランジを設け、前記第１の取付フランジの内周部を前記炉体又は原料投入筒の外側に結合し、前記第２の取付フランジの内周部を前記原料投入筒又は炉体の外側に結合し、前記第１のシール板を環状の間隔板を挟んで積層し、その外周部を前記第１の取付フランジにボルトで締め付け、前記第２のシール板を環状の間隔板を挟んで積層し、その内周部を前記第２の取付フランジにボルトで締め付けるとよい（請求項３）。

請求項３の発明によれば、シール板を炉体ないしは原料投入筒の外側に結合した取付フランジに積層支持させることにより、シール板の径寸法を炉体あるいは原料投入筒の径寸法の制約を受けることなく任意に拡大し、第１及び第２のシール板の重なり面積を増やしてシール性を高めることができる。また、取付フランジ上にシール板を間隔板を介して積層固定することにより、シール板の取付間隔を間隔板の板厚で正確に定めることができるようになる。

請求項１〜請求項３の発明において、前記第１及び第２シール板の一方の表面に突起を設け、この突起を隣接する前記第１及び第２シール板の他方の表面に接触させることができる（請求項４）。これにより、重なり合うシール板相互間の微小隙間が突起で規制され、シール板の組立誤差や熱変形（反り）で生じ得る微小隙間の不均一が矯正される。

この発明によれば、炉体及び原料供給筒の双方に取り付けた環状のシール板を隙間を介して互いに重ね合わせてシール部を構成することにより、高いシール作用を得ることができるとともに、シール板の半径方向の熱膨張をフリーとして、熱膨張差によるシール部の損傷を回避することができる。また、環状のシール板を重ね合わせる簡単な構成であり、製作が安価であるとともに寿命信頼性も高い。

以下、図１〜図４に基づいて、飛灰の加熱還元炉におけるこの発明の実施の形態を説明する。なお、従来例と対応する部分には同一の符号を用いるものとする。図１は、回転式加熱炉の全体構成を示す縦断面図である。図１において、中空円筒状の炉体１はローラ１４により、回転可能に斜めに支持され、モータ１５により回転駆動されるようになっている。炉体１の上端には炉体１の回転中心に原料投入口２が筒状に開口し、この原料投入口２と対向するように、円筒状の原料投入筒１６が炉体１と同軸に固定支持されている。原料投入筒１６は真空遮断弁４により開閉されるようになっている。

炉体１の下端には原料取出し口３が開口し、この原料取出し口３は真空遮断弁５により開閉されるようになっている。原料投入筒１６からは、真空排気ノズル７が導出されている。炉体１の外側には誘導コイル６が配置され、その内側には通水により誘導コイル６を冷却する水冷コイル１７が配置されている。炉内下部には、支持格子８上に発熱体としての耐熱性の鋼球９及び図示しないが還元材としてカーボン粉末が装填されている。

ここで、回転側の炉体１と固定側の原料投入筒１６との間には、隙間１８が存在する。そこで、炉体１と原料投入筒１６との間の気密を保持するために、シール装置１９が設けられている。図２は、シール装置部分の拡大図である。図２において、シール装置１９は環状の板材（耐熱鋼板）からなる第１のシール板２０と第２のシール板２１とを有し、第２のシール板２１は外径が第１のシール板２０の外径よりも小さくて内径よりも大きく、また内径が第１のシール板２０の内径よりも小さい。第１のシール板２０は外周部が炉体１側に結合され、第２のシール板２１は内周部が原料投入筒１６側に結合され、これらのシール板２０及び２１は所定の間隔で軸方向にそれぞれ複数枚（図示は各８枚）配列されるとともに、微小な隙間ｇを介して交互に重ね合わされている。

しかして、原料投入口２を形成する炉体１の筒部の外側及び原料投入口２と対向する原料投入筒１６の端部の外側に、環状の板材（耐熱鋼板）からなる第１の取付フランジ２２及び第２の取付フランジ２３がそれぞれ溶接により固着されている。第１の取付フランジ２２は第１のシール板２０と外径が略同一であり、第２の取付フランジは外径が第１のシール板２０の内径よりも小さくて、第２のシール板２１の内径よりも大きい。そこで、第１のシール板２０は、第１の取付フランジ２２上に載置された環状の調整台２４及び２５の上に環状の間隔板２６を挟んで積層され、最後に環状の押え板２７で押えられた状態で、それらを貫通して下から押え板２７にねじ込まれた通しボルト２８により締め付けられている。

同様に、第２のシール板２１は、第２の取付フランジ２３上に載置された環状の調整台２９の上に、環状の間隔板３０を挟んで第１のシール板２０と交互に積層され、最後に環状の押え板３１で押えられ、更に環状のカバー３２が押え板２７に微小な隙間を介して被さるように装着された状態で、それらを貫通して上から第２の取付フランジ２３にねじ込まれた通しボルト３３により締め付けられている。調整台２４，２５，２９、間隔板２６，３０、押え板２７，３１等にはすべて耐熱鋼が用いられ、また積層面間にはメタルシール材（金属性のＯリング）が介挿されている。カバー３２には、窒素ガス供給管３４が接続されている。

図３は、重なり合う１組の第１及び第２のシール板２０，２１の一部を拡大して示した斜視図である。各部の寸法を例示すると、炉体１の原料投入筒部及び原料投入筒１６の外径を240ｍｍとした場合、例えば第１のシール板２０の外／内径：700／500ｍｍ，第２のシール板２１の外／内径：580／460ｍｍ，シール板２０，２１の板厚：５ｍｍとし、そのときの隣接するシール板２０，２１間の重なり幅は40ｍｍであり、微小隙間ｇはシール板枚数に応じて0.05〜0.5ｍｍとする。一方、第１のシール板２０の間隔板２６の内径を620ｍｍとすれば、その内周面と第２のシール板２１の外周面との余裕隙間は20ｍｍとなり、第２のシール板２１の間隔板３０の外径を460ｍｍすれば、その外周面と第１のシール板２０の内周面との余裕隙間は20ｍｍとなる。

図４は、図１の加熱炉による飛灰還元処理の概要を示すのフロー図である。図４において、加熱炉の前段には、連続処理を行なうための前室として、真空チャンバ３５が設けられており、この真空チャンバ３５も加熱炉と併せて真空引き及び窒素ガスパージを行なうようになっている。しかして、加熱炉の運転立ち上げ時には、真空遮断弁４，５を閉じ、真空ポンプ３６により炉内を600〜1300Paに真空引きする。次いで、窒素ガス供給管３４から窒素ガスをパージし、炉内を大気圧より僅かに高い窒素ガス雰囲気に維持する。

一方、真空チャンバ３５では、入口の真空遮断弁３７を開いて飛灰を投入し、真空ポンプ３８で真空引きした後、窒素ガス供給管３９から同様に窒素ガスパージを行なう。次いで、加熱炉入口の真空遮断弁４を開いて炉内に飛灰を投入し、誘導コイル６に通電して飛灰の還元加熱を行なう。還元加熱中に真空ポンプ３６で吸引したガス化有価物は、冷却搭４０で冷却した後、バグフィルタ４１で回収する。加熱炉に飛灰を投入して空になった真空チャンバ３５には、真空遮断弁３７を開いて飛灰を再び投入し、真空引き、窒素ガス置換を行なって待機する。以後、この繰り返しにより、連続的に飛灰の加熱還元処理を行なう。

図示実施の形態において、互いに重なり合う第１及び第２のシール板２０，２１はシール部を構成し、このシール部は重なり合うシール板２０，２１間の隙間ｇに生じる流体抵抗により、炉体１の筒部（回転側）と原料投入筒１６（固定側）との間からの気体の漏れをシールする。漏れ量は基本的にゼロにはできないが、隙間ｇを狭くすることにより、漏れ量を減少させることができる。また、シール板２０，２１間の重なり幅（面積）を大きくし、更にはシール板２０，２１の枚数を増やすことによりシールパスを延長し、結果として漏れ量を許容範囲内に抑えることができる。その場合、ラビリンスシールのような膨張室が不要であるため、シール板２０，２１の枚数を増やしてもシール部の軸方向寸法は過大とはならない。

しかも、シール板２０，２１の外周部には、ラビリンスシールのような絞り口が不要であるため、この部分に十分な余裕隙間（例えば、図示実施の形態の場合は20ｍｍ）を設けることができる。従って、シール板２０，２１の半径方向の熱膨張はフリーであり、起動・停止時などの温度変化に伴い回転側と固定側とで温度差が生じても、熱膨張差によりシール板２０，２１の外周面が対抗面と接触して損傷を受ける心配がない。

一方、シール板２０，２１は、取付フランジ２２，２３を介して炉体１及び原料投入筒１６の外部に設けられている。従って、炉体１や原料投入筒１６の内径寸法に制約されることなく、シール板２０，２１の径寸法を設定し、重なり幅（面積）を増やしてシール作用を高めることができるとともに、シール装置１９は外部に位置するため、シール板２０，２１の交換などの維持管理が簡単である。その場合、図示の通りシール板２０，２１を間隔板２６，３０を介して取付フランジ２２，２３上に積層することにより、各シール板２０，２１の間隔を間隔板２６，３０の板厚により正確に定めることができる。

図５は、この発明の異なる実施の形態を示すシール板の要部拡大図である。この実施の形態では、シール板２０，２１の一方のシール板２１の表面に突起４２が設けられ、この突起４２は隣接する他方のシール板２０の表面に接触している。図示の場合、突起４２には半球状で、半径方向２箇所、周方向数箇所に等ピッチで配置されている。このような突起４２を設けることにより、微小隙間ｇをシール板２０，２１の組立誤差や熱変形、炉体１の回転ムラなどに関わらず、常に正確に維持することができる。突起４２はプラズマ溶射、抵抗溶接、ろう付けなどにより接合することができ、材料として銅系材料（例えば黄銅）を用いれば摩擦抵抗が少なくなる。突起４２の形状は任意であり、またシール板２０側に設けてもよい。

この発明の実施の形態を示す加熱炉の縦断面図である。 図１のシール装置部分の拡大図である。 図２における第１及び第２のシール板の要部拡大図である。 図１の加熱炉の運転フロー図である。 この発明の異なる実施の形態を示す第１及び第２のシール板の要部拡大図である。 静止型加熱炉を示す縦断面図である。 従来のラビリンスシールを示す縦断面図である。

符号の説明

１ 炉体
２ 原料投入口
３ 原料取出口
４ 真空遮断弁
５ 真空遮断弁
６ 誘導コイル
７ 真空排気管
９ 鋼球
１０ 飛灰
１４ 回転ローラ
１６ 原料投入筒
１９ シール装置
２０ 第１のシール板
２１ 第２のシール板
２２ 第１の取付フランジ
２３ 第２の取付フランジ
２６ 間隔板
３０ 間隔板
４２ 突起

Claims (4)

1. 回転支持された炉体と、この炉体と同軸に固定支持された原料投入筒とを備え、この原料投入筒は前記炉体の一端の回転中心に開口する原料投入口と対向し、この原料投入口を通して前記原料投入筒から前記炉体に供給された原料を低酸素雰囲気で加熱処理する回転式加熱炉において、
   環状の板材からなる第１のシール板と、外径が前記第１のシール板の外径よりも小さくて内径よりも大きく、かつ内径が前記第１のシール板の内径よりも小さい環状の板材からなる第２のシール板とを設け、前記第１のシール板の外周側を前記炉体又は原料投入筒に結合し、前記第２のシール板の内周側を前記原料投入筒又は炉体に結合するとともに、これらのシール板を隙間を介して互いに重ね合わせ、前記炉体と前記原料投入筒との間を気密にシールするようにしたことを特徴とする回転式加熱炉。
2. 前記炉体及び原料投入筒の前記シール板を所定の間隔を置いて軸方向にそれぞれ複数枚配列し、これらのシール板を交互に重ね合わせたことを特徴とする請求項1記載の回転式加熱炉。
3. 環状の板材からなる第１及び第２の取付フランジを設け、前記第１の取付フランジの内周部を前記炉体又は原料投入筒の外側に結合し、前記第２の取付フランジの内周部を前記原料投入筒又は炉体の外側に結合し、前記第１のシール板を環状の間隔板を挟んで積層し、その外周部を前記第１の取付フランジにボルトで締め付け、前記第２のシール板を環状の間隔板を挟んで積層し、その内周部を前記第２の取付フランジにボルトで締め付けたことを特徴とする請求項２記載の回転式加熱炉。
4. 前記第１又は第２のシール板の表面に突起を設け、この突起を隣接する前記第２又は第１のシール板の表面に接触させたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の回転式加熱炉。
   
   

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