JP2005221162A - 電気炉における黒煙消去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気炉において発生する黒煙を排気ガス処理ダクトの燃焼室の入り口の空気供給管による空気供給と燃焼室のセラミック多孔体とヒーターの作用で消去する。
【解決手段】 電気炉１の加熱により発生する黒煙を含む排気ガスを処理する排気ガス処理ダクト４内に任意の間隔を存して備えて複数の燃焼室７ａ、７ｂ、７ｃを一連に構成する第１のセラミック多孔体８および第２のセラミック多孔体９と、前記第１と第２のセラミック多孔体で構成された各燃焼室に黒煙を含む排気ガスと空気を加熱するヒーター１０を備え、前記ダクトの一番下部の燃焼室の入り口付近に空気供給源と接続しかつ電気炉の排気口から排出される黒煙を含む排気ガスに空気を噴出する複数の噴出孔１２ａを有する空気供給管１２を備えた黒煙消去装置である。
【選択図】 図 ２

Description

この発明は、電気炉においてセラミックの焼成、ワックス等可燃成分を多く含む材料の加熱により生じる黒煙を簡単、且つ有効に消去しうる電気炉における黒煙消去装置に関する。

従来、代表的な例として、精密鍛造分野におけるロストワックス鋳造では、溶湯の鋳込みに際し、使用する鋳型に残ったワックスを燃やし、且つ加熱しておく必要があり、この際に生じる黒煙を処理する必要があった。大型且つ多量に処理する場合、過剰に加えた空気により黒煙の発生を防止できるガス炉が多く使用されているが、大学や企業の研究所における少量の試験装置には、電気炉が多く使用されている。しかしながら、加熱により生じた黒煙を無煙にするほどの酸素は電気炉故になく、また、処理量が少量故に、黒煙が生じてもそのまま排出されていたり、又は簡単な再燃焼装置を取り付けただけのものが多かった。
電気炉の消煙消臭装置として、電気炉より排出される排気ガス中の未燃焼成分を燃焼するヒーターを内蔵する再燃焼炉と、該再燃焼炉より排出される排気ガス中のガス成分を酸化する触媒が充填された触媒充填槽と、排気ガスを空気中に排出する排気ダクトを備えたものが提案されている（特許文献１参照）。

特開平１１−１６９３８６号公報

大学や企業の研究所における少量の試験装置で使用される電気炉の場合、黒煙を消去する装置が設けられていないものを使用する場合は、室外に排気すれども少量の黒煙とともに排気ガスが排出されるのが問題であった。
また、特許文献１の電気炉の消煙消臭装置では、電気炉から排出される排気ガス中の未燃焼性成分は再燃焼炉に導入されると径の大きい室となっており、ヒーターの加熱と邪魔板で左右に振り分けるもので、燃焼に必要な空気が不足し、排気ガスと空気の混合が十分になされず、しかも燃焼室の滞留時間が短いので、この構造では黒煙を完全には消去できない問題があった。

この発明は、このような問題点を解決するために、電気炉の排気ガス処理ダクトにおいて空気供給管と、燃焼室にセラミック多孔体とヒーターを備え、電気炉においてセラミックの焼成、ワックス等可燃成分を多く含む材料の加熱により発生する黒煙を含む排気ガスに空気供給管より不足する空気を供給しセラミック多孔体の作用とヒーターで加熱燃焼させて黒煙を消去しうる電気炉における黒煙消去装置を提供することを目的とする。

この発明の請求項１の電気炉における黒煙消去装置は、電気炉の加熱により発生する黒煙を含む排気ガスを処理する排気ガス処理ダクトに備えるものであって、前記ダクト内に任意の間隔を存して備えて複数の燃焼室を一連に構成する第１のセラミック多孔体および第２のセラミック多孔体と、前記第１と第２のセラミック多孔体で構成された各燃焼室にヒーターを備え、前記ダクトの一番下部の燃焼室の入り口付近に空気供給源と接続しかつ電気炉の排気口から排出される黒煙を含む排気ガスに空気を噴出する複数の噴出孔を有する空気供給管を備えたことを特徴する。

この発明の請求項２の電気炉における黒煙消去装置は、請求項１において、前記空気供給管は、前記ダクトの内周に備える環状管であって、その周面に設ける複数の空気噴出孔の角度が斜め下方に向けられたものであることを特徴とする。

この発明の請求項３の電気炉における黒煙消去装置は、請求項１又は２において、前記第２のセラミック多孔体の後部燃焼室の後流には、ダクトを開閉するダンパーを進退可能に備えたことを特徴とする。

上記したこの発明の電気炉における黒煙消去装置は、電気炉においてセラミックの焼成、ワックス等可燃成分を多く含む材料の加熱時に発生する黒煙を含む排気ガスが排気ガス処理ダクトに排出されるとき、先ず空気供給源により空気供給管より燃焼に必要な量の空気を供給して混合させ、排気口と第１セラミック多孔体間、第１と第２のセラミック多孔体間、第２のセラミック多孔体の後部に設けられる一連の各燃焼室においてヒーターの加熱により空気を混合した黒煙を含む排気ガスを燃焼させ、ヒーターで赤熱される第１と第２のセラミック多孔体を通過時に前記排気ガスと空気の一層の混合を促進するとともに燃焼させ、また第２のセラミック多孔体により前記排気ガスを滞留させて残りの未燃焼成分を燃焼させ、さらに第２のセラミック多孔体の後部の燃焼室においてもヒーターにより残りの未燃焼成分を加熱して黒煙を消去（焼失）させる。

前記空気供給管は、前記ダクトの内周に備える環状管であって、その周面に設ける複数の空気噴出孔の角度が斜め下方に向け、黒煙を含む排気ガスに空気を確実に打ち込み混合させる。
上記したこの発明の排気ガス処理ダクトの前記第２のセラミック多孔体の後流には、ダクトを開閉するダンパーを進退可能に備え、炉内のワックス等が燃え尽きた後は、ダンパーを閉じて温度低下を防止する。

この発明の電気炉における黒煙消去装置によれば、電気炉の排気ガス処理ダクト排出される黒煙を含む排気ガスに空気供給源により空気供給管より燃焼空気を供給混合してヒーターにより加熱燃焼させ、赤熱されるセラミック多孔体の通過時に混合燃焼を促進させ、主に第１と第２のセラミック多孔体間で前記排気ガスを滞留させて燃焼を促進させ、第２セラミック多孔体の後の燃焼室でもヒーターで排気の未燃焼成分を燃焼させて電気炉で発生する黒煙を簡単、且つ有効に消去させることができる。従って、この黒煙消去装置を備えた電気炉を大学や企業の研究所における少量の試験装置で使用すれば、黒煙を出すことなく使用できる。

この発明によれば、前記空気供給源として、排気ガス処理ダクトに周面に設ける複数の空気噴出孔の角度が斜め下方に向けられた環状の供給管を備えれば、黒煙を含む排気ガスに対して空気を打ち込むと、向流となって混合時間を長くして黒煙を含む排気ガスを巻き込む量が増大して空気と黒煙を含む排気ガスの混合を促進させることができる。
この発明によれば、ダクトを開閉するダンパーを備えたので、炉内のワックス等が燃え尽きた後は、ダンパーを閉じて温度低下を防止することができる。

この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１はこの発明の黒煙消去装置を備えた電気炉の正面図、図２は同縦断面図、図３は同要部拡大断面図、図４は空気供給管の底面図、図５は同断面図、図６はダクトとダンパーの切断平面図、図７は電気炉に鋳型を置いて加熱する状態の断面図である

図１ないし図３において、１は電気炉で、内部の炉床、周囲、頂面等に炉用ヒーター２が備えられ、その頂壁には排気口３に排気ガス処理ダクト４が設置されている。ヒーター２は制御盤（図示せず）に接続されて、炉温が加熱制御される。排気口３に設置する排気ガス処理ダクト４は耐火断熱材で形成される。電気炉１の炉床には後述の焼成するツリー等鋳型２０等を置く断熱材からなる載置台５が備えられている。電気炉の前面扉６を開閉可能として、ツリー等鋳型２０を出し入れする。
この発明はこの電気炉における排気ガス処理ダクト４に、ツリー等鋳型の焼成時にセラミックの焼成、ワックス等可燃成分を多く含む材料の加熱により発生する黒煙を処理する黒煙消去装置を設けたものである。

この発明の電気炉１の排気ガス処理ダクト４に備える黒煙消去装置は、前記ダクト４内に任意の間隔を存して備えて複数の燃焼室を一連に構成する第１のセラミック多孔体８および第２のセラミック多孔体９と、前記第１と第２のセラミック多孔体８、９で構成された各燃焼室７ａ、７ｂ、７ｃにヒーター１０が備えられ、前記ダクト４の一番下部の燃焼室７ａの入り口付近に空気供給源１３と接続しかつ電気炉の排気口から排出される黒煙を含む排気ガスに空気を噴出する複数の噴出孔１２ａを有する空気供給管１２が備えられている。

排気ガス処理ダクト４内の筒状の燃焼室７には、前記第１のセラミック多孔体８および第２のセラミック多孔体９が任意の間隔を存して横設され、排気口３と第１セラミック多孔体８との間に燃焼室７ａと、第１のセラミック多孔体８と第２のセラミック多孔体９との間に燃焼室７ｂ、第２のセラミック多孔体９の後に燃焼室７ｃが一連に構成されている。
このセラミック多孔体は、代表例としてセラミックフォームがあり、ウレタンフォーム濾材を基材としてセラミック原料をコーティング、焼成したもので、三次元網状骨格構造を有し、空隙率が大きく、表面積が大きく、三次元網状骨格構造のために通過させる気体の接触反応効率が高く、熱に強いものである。前記セラミック多孔体８、９はダクトの内径より大きい円板体で、ダクトの内部に任意の間隔をおいて設けた溝孔１５に嵌合して横設してある。セラミック多孔体８、９の厚みは、黒煙を含む排気ガスと空気がセラミック多孔体８、９を通過時に充分混合され、赤熱により加熱される厚みとするのが好ましい。セラミック多孔体を通過する排気ガス速度は例えば、約２〜３ｍ／ｓ程度としてある。
第１のセラミック多孔体８は、黒煙を含む排気ガスと空気をよく混合させる役割と、ヒーターにより赤熱されて３次元網目骨格構造を持ったヒーターと同じことになり、そこを通過する排気ガスと空気が燃焼される。また、第２のセラミック多孔体９は、邪魔板の役割を持ち、燃焼空間での滞留時間を長くし、より完全に燃焼を完了させる。その他、第１セラミック多孔体８は前記した第２のセラミック多孔体９の効果を、逆に第２のセラミック多孔体９は前記した第１のセラミック多孔体９の効果も有する。
前記セラミック多孔体８、９をダクト内に設ける間隔は、各燃焼室７ａ、７ｂ、７ｃで排気ガスと空気を所要時間滞留させて混合促進させて、ヒータにより加熱燃焼させるのに必要な間隔である。燃焼室７ｂにおける排気ガスの滞留時間は例えば、約３秒としてある。セラミック多孔体８、９の設置の仕方は前記の構造に限られるものではなく、他の手段でダクト内に設置することもできる。

排気ガス処理ダクト用ヒーター１０は、前記ダクト内の前記第１のセラミック多孔体８の前部、第１のセラミック多孔体８と第２のセラミック多孔体９との間、第２のセラミック多孔体９の後部の各燃焼室７ａ、７ｂ、７ｃに備えられ、各燃焼室で排気ガスと空気を燃焼させるとともに第１と第２のセラミック多孔体８、９を赤熱させる。このヒーター１０はセラミックファイバーの中に埋め込まれていてダクトの内周壁に備えられている。そして、ヒーター１０の配線は外部に端子が設けられ、制御盤（図示せず）に接続されている。

前記空気供給管１２は、燃焼により損傷しないように耐熱性を有する材質で作成し、ダクト４の一番下部の燃焼室７ａの入り口付近、すなわち電気炉１の排気口３の近くに備えられる。また、この空気供給管に燃焼空気の供給源１３として、コンプレッサーが接続される。
図４および図５において、この空気供給管１２は、環状の管体で、その内周に燃焼空気を噴出する複数の空気噴出孔１２ａが形成され、その供給管の注入管１２ｂには空気を供給するコンプレッサー１３が接続され高圧の空気を空気噴出孔１２ａより噴出できるようにする。そして、注入管１２ｂの途中には供給する空気の量を調整するためのエアー弁（エアー流量調整弁）１４が備えられる。
空気供給管１２は、ダクト４のセラミックファイバーの中に埋め込まれて、内周に設けた空気噴出孔１２ａをダクトの内部に露出させてダクトの通路に対して直角に設置され、電気炉から排出される黒煙を含む排気ガスに空気供給管１２の多数の空気噴出孔１２ａより所要量の燃焼空気を噴出させて混合させる。空気供給管１２の周面に設ける複数の空気噴出孔１２ａは空気供給管１２の軸線に対して角度θ、例えば４５度で斜め下方に向けて形成され、黒煙を含む排気ガスに対して空気を打ち込むと、向流（逆らう流れ）になって混合する時間が長くなるとともに、空気は高速で噴出されるので、周辺の排気ガスを巻き込む量が増大することにより空気と排気ガスの混合を促進させることができる。なお、前記空気供給管は環状としてあるが、これに限られるものではなく、例えばダクト内に空気供給管を１又は複数本直線状として配置することもできる。

上記排気ガス処理ダクト４の前記第２のセラミック多孔体９の後部燃焼室７ｃの後流には、前記ダクト４を開閉するセラミックボード製等耐火断熱材からなるダンパー１６が進退可能に備えられる。前記ダクト４にはダンパー１６を挿入する挿入溝１７が形成され、ダンパー１６を挿入溝１７に沿って進退してダクトを開閉可能とする。１８はダンパーを引き出したときに受けるダンパー受けである。１９はサンプリング管で、アルミナ碍管、例えば外形６φｃｍ、内径４φｃｍで、この管を前記第２のセラミック多孔体９の後流に前記ダクト４内に先端を臨ませて設置する。そして、このサンプリング管１９は酸素計測器に接続する。このサンプリング管１９で第２のセラミック多孔体９の後流の排気を吸引して酸素計測器で酸素を計測して酸素の濃度により排ガス処理の完了した時を判断する。

次に、この発明の黒煙消去装置を排気ガス処理ダクト４備えた電気炉１で、精密鋳造、ロストワックス鋳造をする場合を説明する。
ゴルフのクラブヘッド等成形品と同じ形状のもの２１を通路２２の両側に複数個ワックスで型どって、砂等耐火材で作成したツリー状の鋳型２０を作る。この鋳型のワックスをオートクレーブ等で４００℃以下で溶かし出す。
鋳造するときにツリー状鋳型２０に残っているワックスを燃やして鋳型を例えば約１０００℃に予熱する。この予熱された鋳型に溶融した金属例えば、チタン金属を流し込む。この鋳型が冷却された後、型を破壊して成形品２１を取り出す。
図７に示すように、電気炉１の載置台５にツリー状鋳型２０を載せて予熱して、該鋳型２０に残っているワックスを電気炉内の炉用ヒーター２で加熱して燃やす際に、始めの内は炉内に燃焼用空気があるので、その空気のある間はワックスを燃焼させても黒煙があまり出ないが、電気炉内にある空気量が少ないので、空気が不足すると残りのワックスを燃焼するときに不完全燃焼となって黒煙が発生して排気口３より前記ダクト４に排出されることになる。
この発明の黒煙消去装置を電気炉の排気ガス処理ダクト４に備えれば、この黒煙を含む排気ガスに対して空気供給管１２から噴出させる燃焼空気の打ち込んで黒煙を燃焼させるのに必要な空気（酸素）を送り込むことができ、ダクト内のヒーターに通電され、雰囲気温度が約８００℃以上になれば、セラミック多孔体の全体は赤熱される。よって、そこを通過する黒煙を含む排気ガスは３次元網目骨格構造を持ったヒーターの間を通過するのと同じことになり、完全に燃えて無煙化されることになる。混合促進や、滞留時間が長くなることにより、さらにその効率を上げる役割をする。
特に、電気炉より排出される黒煙を含む排気ガスに対して空気供給管１２の空気噴出孔１２ａから斜め下方に空気を打ち込むことにより実験的に最も混合が良くなり、その空気と良く混合した排気ガスを前記第１のセラミック多孔体の前部の燃焼室７ａでヒーター１０により加熱して燃焼させることができる。そして、前記排気ガスを赤熱される第１セラミック多孔体８を通過させるときに一層混合させるとともに加熱燃焼させ、かつ第１と第２のセラミック多孔体間の燃焼室７ｂでヒーター１０により加熱して滞留させた排気ガス中の黒煙等未燃焼性成分を燃焼させる。前記排気ガス中の黒煙等未燃焼性成分はこの燃焼室７ｂにおける加熱で十分燃焼させられてほとんど消去（焼失）される。この燃焼室７ｂの燃焼でも残ることがある排気の未燃焼性成分は赤熱される第２のセラミック多孔体９の通過時と、その後部の燃焼室７ｃにおけるヒーター１０による加熱で燃焼させて未燃焼成分を完全に消去させることができ、排気ガス処理ダクトから排出される排気の黒煙が消える。
燃焼室７ａ、７ｂ、７ｃにおける電気ヒーターで燃焼に必要な温度（例えば約８００℃）まで昇温し、燃焼室を通過する黒煙の燃焼を完了させる。サンプリング管１９に入る排気ガスの酸素濃度を酸素計測器で計測して排気の酸素濃度が所定値の２１％となった時が排気ガス処理の完了した時であるので、ヒーター１０をＯＦＦ、エアー弁１４を閉じ且つ排気ガス処理ダクトの最上段に設けたダンパーを閉めて、炉内の温度の低下を防止する。

実験例
ワーク９個（煙の出やすいワックス使用）
電気炉の温度設定の炉温： ７００℃
排気ガス処理ダクトにおけるダクト内温度：８００℃
打ち込み空気：テストの途中からエアー弁を半開にする。
この条件で消煙テストをした結果を表１に示す。

表１の消煙テストをした結果より、炉用ヒーター２をＯＮすると同時に排気ガス処理ダクト４用ヒーター１０をＯＮする。炉温３７４℃の時、ダクト内温度は７４６℃になっており、この頃白い煙が発生するのが見られた。炉温４７０℃の時、ダクト内温度は７８０℃になっており、この時ダクト内の酸素濃度が下がった。このことは、炉内で発生した黒煙を含む排気ガスの未燃焼成分がダクト内で燃え始めたことを表している。ここで空気供給管１２のエアー弁１４を半開にして空気を供給する。これにより酸素濃度が若干上昇した。炉温５９０℃の時、ダクト内温度は１０４３℃になっており、フレームの発生は見られないものの、ダクト内では黒煙を含む排気ガスの未燃焼成分が燃えていることを表しており、その結果、排気ガス処理ダクトから排出される排気に黒煙が見られることはなかった。炉温７００℃の時、ダクト内温度は８０２℃であり、この時の酸素濃度はほぼ２１％であった。このことは炉内での黒煙を含む排気ガスの未燃焼成分の発生がなくなったことを表し、排気ガス処理の必要がなくなったことを意味している。排気ガス処理が完了したならば、ヒーター１０をＯＦＦ、エアー弁１４を閉とし、且つ排気ガス処理ダクトの最上段に設けたダンパーを閉めて炉内の温度の低下を防止する。

なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の形態を実施しうるものである。

この発明の黒煙消去装置を備えた電気炉の正面図である。 同縦断面図である。 同要部拡大断面図である。 空気供給管の底面図である。 同断面図である。 ダクトとダンパーの切断平面図である。 電気炉に鋳型を置いて加熱する状態の断面図である

符号の説明

１ 電気炉
３ 排気口
４ 排気ガス処理ダクト
７ 燃焼室
７ａ、７ｂ、７ｃ 燃焼室
８ 第１のセラミック多孔体
９ 第２のセラミック多孔体
１０ ヒーター
１２ 空気供給管
１２ａ 空気噴出孔
１３ 空気供給源
１６ ダンパー
１９ サンプリング管
２０ 鋳型
２１ 成形品

Claims (3)

1. 電気炉の加熱により発生する黒煙を含む排気ガスを処理する排気ガス処理ダクトに備えるものであって、
   前記ダクト内に任意の間隔を存して備えて複数の燃焼室を一連に構成する第１のセラミック多孔体および第２のセラミック多孔体と、
   前記第１と第２のセラミック多孔体で構成された各燃焼室にヒーターを備え、
   前記ダクトの一番下部の燃焼室の入り口付近に空気供給源と接続しかつ電気炉の排気口から排出される黒煙を含む排気ガスに空気を噴出する複数の噴出孔を有する空気供給管を備えたことを特徴する電気炉における黒煙消去装置。
2. 前記空気供給管は、前記ダクトの内周に備える環状管であって、その周面に設ける複数の空気噴出孔の角度が斜め下方に向けられたものであることを特徴とする請求項１に記載の電気炉における黒煙消去装置。
3. 上記排気ガス処理ダクトの前記第２のセラミック多孔体の後部燃焼室の後流には、ダクトを開閉するダンパーを進退可能に備えた請求項１又は２に記載の電気炉における黒煙消去装置。
   

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