JP2011526351A - 固体物と気体間の化学及び／又は物理反応を行う装置 - Google Patents

Abstract

本発明による装置は、遠心力により気体／固体物の混合体を固体流と気体流に分離する少なくとも一つの螺旋状及び／又は渦巻き状導管と、上記固体流を放出する固体物用導管と上記螺旋状及び／又は渦巻き状導管の端部に接続されるとともに、上記気体流を放出するための気体用導管に接続される又は気体用導管の一部により形成される少なくとも一つの分離室と、を備える固体物と気体間で化学及び／又は物理反応を行う装置、特に微粒子材料の予熱、冷却、及び／又はか焼装置である。上記螺旋状及び／又は渦巻き状導管（１ｂ）は、水平面に対して少なくとも３０°の角度（α）をなした状態かつ接線方向に上記分離室（２）に開口するとともに、上記開口周辺における上記分離室の横断面は、上記螺旋状及び／又は渦巻き状導管の横断面の０．５倍から１．５倍の大きさで設定されている。

Description

本発明は、固体物と気体間の化学及び／又は物理反応を行う装置に関し、特に、一つの段階上に他の段階を構成した複数の段階が設けられた微粒子材料の予熱、冷却、及び／又はか焼装置に関する。

セメント及び鉱物業界において、特に、微粒子材料を予熱、冷却、及び／又はか焼（calcining）するための並流熱交換器及びサイクロン分離機を備えるシステムは既知である。一般に、このような装置は、一つの段階上に他の段階を構成した複数の段階を設け、気体流が全ての段階を上昇して通過する間に、固体物は個々の段階へ反対方向に供給される。

このようなシステムには、巨大な構造上の高さを必要とするという不都合と、サイクロン分離機において分離度合が必ずしも満足のいく水準に達していないという不都合が存在した。例として、サイクロン内で制御不能な流れが頻繁に発生した。この制御不能な流れは、吸気口の気体流がサイクロン内で形成される乱流（turbulent flow）と重なったり、気体流の方向が円錐形のサイクロン内で逆流したりすることにより、例えば、サイクロンの吸気口で発生した。さらに、サイクロンの端に堆積する分離済みの粒子がサイクロンの吸入する気体流に再導入される恐れがあった。

構造形式の寸法が異なる場合には、吸気速度が同じ状態で遠心力が変化し、その結果異なる分離条件を生じるという他の問題があった。

それゆえ、米国特許第４３１８６９７号明細書では、セメント原料用の多段階構造の予熱器が提案されている。各段階は、上昇導管と隣接した螺旋状導管及び／又は渦巻き状導管をそれぞれ備える。螺旋状及び／又は渦巻き状導管は矩形断面を有し、平行六面体の分離室（parallelepipedal separation chamber）の側面に接続される。接続箇所は、平行六面体の分離室の側面全体にわたって延びている。分離室の下部は漏斗状に先細るように形成されて、そこから固体物を放出し、一方、気体を上昇させる役目を果たす。

米国特許第４３１８６９７号明細書

本発明が取り組む課題は、分離室における分離度合の点で、固体物と気体間の化学及び／又は物理反応を行う装置、特に微粒子材料の予熱、冷却、及び／又はか焼装置を改良することである。

本発明によると、上記課題は請求項１の特徴により解決される。

本発明の一態様は、遠心力により気体／固体物の混合体を固体流と気体流に分離する少なくとも一つの螺旋状導管（helical line）及び／又は渦巻き状導管（spiral line）と、上記固体流を放出する固体物用導管と上記螺旋状及び／又は渦巻き状導管の端部に接続されるとともに、上記気体流を放出するための気体用導管に接続される又は気体用導管の一部により形成される少なくとも一つの分離室と、を備える固体物と気体間で化学及び／又は物理反応を行う装置、特に微粒子材料の予熱、冷却、及び／又はか焼装置に関する。上記螺旋状及び／又は渦巻き状導管は、水平面に対して少なくとも３０°の角度（α）をなした状態かつ接線方向に（tangentially）上記分離室に開口するとともに、上記開口周辺における上記分離室の横断面は、上記螺旋状及び／又は渦巻き状導管の横断面の０．５倍から１．５倍の大きさで設定されている。

これにより、螺旋状及び／又は渦巻き状導管は、少なくとも分離室に通じる開口周辺において、水平面に対して少なくとも３０°の傾斜を有する。

本発明によると、「螺旋状及び／渦巻き状導管」は、少なくとも部分的に螺旋状及び／又は渦巻き状を成すように構成される導管を意味している。具体的には、螺旋状及び／又は渦巻き状導管のねじれは、例えば９０°の比較的小さな角度範囲のみにわたって延びてもよい。

米国特許第４３１８６９７号明細書による構成とは異なり、螺旋状及び／又は渦巻き状導管は分離室の側面全体とは接続していないが、接線方向に接続されている。さらに、米国特許第４３１８６９７号明細書に記載の螺旋状及び／又は渦巻き状導管は、水平には配向された接続スリーブによって分離室に通じている。

接線の開口と連結し、且つ、水平面に対して少なくとも３０°の角度をなす螺旋状及び／又は渦巻き状導管の接続部は、湾曲部における固体物の流れを分離室の壁に沿って下方に向ける。一方、気体流はねじれ流（twisting flow）の形で上昇する。

本発明の基礎を形成する実験では、開口周辺における分離室の横断面が、螺旋状及び／又は渦巻き状導管の横断面より０．５倍から１．５倍大きいことがさらに非常に重要であると判明した。螺旋状及び／又は渦巻き状導管の横断面がその長さにより変化する場合には、横断面の関係に関する重要な側面（aspect）は、特に、分離室に通じる開口周辺における螺旋状及び／又は渦巻き状導管の横断面にある。

従来の分離サイクロンにおいて、気体／固体物の混合体用導管（suspension line）も同じく接線方向に通常接続されるが、上記導管は分離室の横断面に比べて実質的に小さい横断面を有するとともに、水平に接続される。

本発明の基礎を形成する実験では、本発明による装置は、比較的小さな圧力損失と同時に、優れた分離度合を可能とすることが判明した。さらに、本発明による装置は、分離室に導入される固体／気体流や、分離室から放出される固体流及び気体流に対して何の弊害も及ぼさない。

従属項は本発明の他の構成に関連する。

本発明の好ましい構成によると、分離室は円形に、特に回転対称となるように形成される。

さらに、固体物用導管は分離室の下部領域に接続され、また、気体用導管は分離室の上部領域に接続される。さらに、分離室の下部領域は、漏斗状に先細るよう形成されてもよい。漏斗状に先細る固体物用導管は、分離室の一部に接続される。

開口部周辺における分離室の横断面は、気体用導管の横断面より０．５倍から１．５倍大きいことが好ましい。本発明の構成によると、気体用導管の下部は分離室を形成する。また一方、気体用導管が埋設方式で（in the manner of a submerged pipe）分離室内に延びることが同様に考えられる。

セメントの生産において、装置はとりわけ予熱器又はか焼器として用いることができる。予熱器の場合には、分離室と、関連する螺旋状及び／又は渦巻き状導管とをそれぞれ複数備える多段階及び／又は多重列構造が特に利点となる。

本発明の更なる利点及び実施形態を、記述と図面を用いて下記に詳細に説明する。

本発明による装置の側面図である。 ９０°回転させた図１による構成を示す側面図である。 図１による段階の構成を示す上面図である。 図１のIV-IV線に沿った分離室の断面図である。 図３のV-V線に沿った螺旋状及び／又は渦巻き状導管の断面図である。 第２の実施形態による装置の側面図である。 第３の実施形態による装置の側面図である。 一つの段階上に他の段階を配置した３つの段階を備える装置の側面図である。 図８による装置の上面図である。 セメントクリンカ製造用の構成を示す立体構成図である。

図１乃至図５は、固体物５と気体６間の化学及び／又は物理反応を行う装置を示す。これは、例えば、セメント製造中に微粒子材料を熱処理するための予熱器又はか焼器の場合がある。

上記装置は、気体／固体物の混合体用導管１、供給された固体物と気体を分離する分離室２、分離された固体物を放出するための固体物用導管３、及び分離された気体を放出するための気体用導管４を実質的に備える。

固体物５と気体間で化学及び／又は物理反応を行うため、気体／固体物の混合体は気体／固体物の混合体用導管１を介して分離室２に供給される。

気体／固体物の混合体用導管１は、上昇導管１ａの形を成す上昇導管部と、螺旋状及び／又は渦巻き状導管１ｂの形を成す下降導管部を有する。さらに、上昇導管１ａと螺旋状及び／又は渦巻き状導管１ｂを接続する再搬入ヘッド１ｃが設けられている。垂直方向で観察した場合、少なくとも螺旋状及び／又は渦巻き状導管１ｂの初端部は分離室２における開口端より高い位置にある。

螺旋状及び／又は渦巻き状導管１ｂでは、遠心力の影響により気体／固体物の混合体が固体流と気体流に分離される。

図示の実施形態において、螺旋状及び／又は渦巻き状導管１ｂは、水平面に対して少なくとも３０°の角度α、好ましくは３０°から６０°の範囲内で、接線方向に分離室２に開口する（通じる）。開口周辺において、漏斗状に先細る部分２ｂが隣接する分離室２は、円筒部２ａの形状をなす。

固体物用導管３は漏斗状に先細る分離室の一部２ｂに接続し、一方、円筒部２ａは気体用導管４と結合する。

図示の実施形態において、気体用導管４及び分離室の円筒部２ａは、同一の直径を有する。従って、分離室は気体用導管４の下部により形成されていると表現することも可能である。

図４は、図１のIV-IV切断面における分離室２の横断面を示す。また、図５は、図３のV-V切断面における螺旋状及び／又は渦巻き状導管１ｂの横断面を示す。

螺旋状及び／又は渦巻き状導管の開口周辺における分離室の中空断面は、螺旋状及び／又は渦巻き状導管の中空断面の０．５倍から１．５倍の大きさに設定される。

これらの寸法と、斜め下に向けられ、接線方向に分離室２と接続する螺旋状及び／又は渦巻き状導管１ｂによって、固体物５は曲線を描いて漏斗状に先細る分離室の一部２ｂに向けられ、その後、固体物用導管３に到達する（図１及び図３参照）。

気体６は、分離室の円筒部２ａの内壁に沿ってねじれ流とともに上方に向けて気体用導管４内に放出される（図１参照）。また、斜め下に向けられた分離室２内への流れは、螺旋状及び／又は渦巻き状導管１ｂの開口周辺内における分離室で発生されたねじれ流と吸気口の気体流とが重なることを防止する。

図３から分かるように、螺旋状及び／又は渦巻き状導管１ｂは、おおよそ１８０°の角度範囲に及んで延びる。本発明は上記角度範囲に限られるものではなく、角度範囲が大きく又は小さくなるように選択可能である。さらに、螺旋状及び／又は渦巻き状導管１ｂの断面寸法、半径、傾度、及び／又は断面形状を、気体／固体物の混合体の流れ方向内で変化させても何ら構わない。

図６は、気体用導管４．１が分離室２より小さな直径を有し、埋設方式で分離室２の中に突出する実施形態を示す。

図７による実施形態において、気体用導管４．２は分離室２より大きな直径を有する。しかしながら、本発明の基礎を形成する実験では、開口周辺における分離室２の横断面を気体用導管の横断面より０．５倍から１．５倍大きくすることが有効であると判明した。

また一方、気体用導管は少なくとも第１及び第２の断面寸法及び／又は形状を気体の流れ方向に有する場合がある。

螺旋状及び／又は渦巻き状導管１ｂの軸は、垂直であることが好ましい。しかし、螺旋状及び／又は渦巻き状導管１ｂが巻き付く軸は、垂直線に対して傾斜しても何ら構わない。

図８及び９を参照に、Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩの３段階構成を備える装置を下記に説明する。上記装置は、例えば、セメント原料用の３段階構成の予熱器である。各段階は、図１から７に従って構成される場合がある。

このような多段階構成では、処理される固体物が固体物用導管３’’’を介して上段階ＩＩＩに供給されるとともに、処理された固体物５の形で下段階Ｉから放出される。固体物用導管は、各段階の上昇導管周辺において開口し、一方、気体用導管の段階は次の段階の上昇導管と結合する。

これにより、固体物が上記３段階構成を下方向に通り抜ける間に、気体流は上記構成を通り抜けて逆方向に流れる。下段階で供給される気体６は、例えば、炉又はか焼器からの高温の排ガスである。第３段階において気体用導管４’’を介して放出される気体６’’は、例えば、除塵のために、下流に接続された高性能分離器又はろ過器に供給される。処理された固体物５は、例えば、さらなる処理のためにか焼器又は炉に向かう。

上昇導管１ａと下降螺旋状又は渦巻き状導管１ｂを備える気体／固体物の混合体用導管１の構成により、上記３段階構成は非常に小型且つ相互に入れ子状に配置できる。さらに、時計回り及び反時計回り方向となるように交互に形成された少なくとも２つの連続的段階の螺旋状又は渦巻き状導管１ｂ、１’ｂ、１’’ｂを提供してもよい（図９参照）。

本発明によると、螺旋状及び／又は渦巻き状導管１ｂの断面寸法、半径、傾度、及び／又は断面形状を、気体／固体物の混合体の流れ方向内で変化させても何ら構わない。このように、一方では、螺旋状及び／又は渦巻き状導管周辺において気体／固体物の混合体の事前分離に影響を与えることが可能である。他方では、螺旋状及び／又は渦巻き状導管１ｂを外部環境に適応させることが可能である。これは、複数の段階を相互にネスト化し、一つの段階上に他の段階を構成する場合において特に利点となる。

同様に、半径、傾度、断面形状、及び／又は断面寸法は、流れ方向に変更可能である及び／又は少なくとも部分的に続けて変更可能である。例として、半径の縮小は遠心力の増加をもたらし、例えば、半径の拡大は遠心力の減少に対応する。断面形状及び寸法の変更により、流量（流速）に影響を与えることが可能である。

最後に、図１０はセメント製造時における微粒子材料の熱処理用の構成を示す立体構成図であり、円筒形回転炉１０、か焼器２０、及び予熱器３０を備える。上記か焼器２０及び／又は予熱器３０は、図１から９に記載の装置に従って構成されてもよい。

Claims (13)

1. 遠心力により気体／固体物の混合体を固体流（５）と気体流（６）に分離する少なくとも一つの螺旋状及び／又は渦巻き状導管（１ｂ）と、
   前記固体流を放出する固体物用導管と前記螺旋状及び／又は渦巻き状導管の端部に接続されるとともに、前記気体流を放出するための気体用導管（４；４．１；４．２）に接続される又は気体用導管の一部により形成される少なくとも一つの分離室（２）と、を備える固体物と気体間で化学及び／又は物理反応を行う装置、特に微粒子材料の予熱、冷却、及び／又はか焼装置であって、
   前記螺旋状及び／又は渦巻き状導管（１ｂ）は、水平面に対して少なくとも３０°の角度（α）をなした状態かつ接線方向に前記分離室（２）に開口するとともに、前記開口周辺における前記分離室の横断面は、前記螺旋状及び／又は渦巻き状導管の横断面の０．５倍から１．５倍の大きさで設定されていることを特徴とする装置。
2. 前記分離室（２）は円形となるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記開口周辺における前記分離室（２）の横断面は、前記気体用導管（４；４．１；４．２）の横断面の０．５倍から１．５倍の大きさで設定されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記固体物用導管（３）は前記分離室（２）の下部領域に接続され、且つ、前記気体用導管（４）は前記分離室の上部領域に接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記分離室（２）の下部は、漏斗状に先細るように形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記固体物用導管（３）は、前記分離室（２）の漏斗状に先細る部分（２ｂ）に接続されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記気体用導管（４．１）は、埋設方式で前記分離室内に延びることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記気体用導管（４）は、前記気体の流れ方向において少なくとも第１及び第２の横断面寸法及び／又は形状を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記螺旋状及び／又は渦巻き状導管（１ｂ）が巻き付く軸は、垂直に対して傾斜することを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記装置は、分離室（２、２’、２’’）と、関連する螺旋状及び／又は渦巻き状導管（１ｂ、１’ｂ、１’’ｂ）とをそれぞれ複数備える多段階及び／又は多重列構造方式で設計されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記分離室（２）は、回転対称となるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記分離室（２）及び前記気体用導管（４．１；４．２）は異なる直径を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記請求項１乃至１２の何れか一項に記載の装置を備える、固体物と気体間で化学及び／又は物理反応を行う方法、特に微粒子材料の予熱、冷却、及び／又はか焼方法であって、
    前記気体／固体物の混合体は、前記気体流が前記分離室（２）内でねじれ流を発生させるように、前記螺旋状及び／又は渦巻き状導管（１ｂ）を介して前記分離室（２）内に導入されることを特徴とする方法。

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