JP4280303B2 - 耐熱性装置を使用せずに石膏を継続的にか焼する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は石膏をか焼する方法及び装置に関し、より詳細には非耐熱性ケトル内の一連の液浸管バーナーを使用し、継続的に石膏をか焼する方法及び装置に関する。
背景技術
破砕した石膏のか焼は、二水硫酸カルシウムを加熱により、焼石膏として周知である半水硫酸カルシウムに変換することを含む。従来のか焼装置及び方法は種々の形態を採っている。伝統的には、石膏のか焼は肉厚のドーム型底部を有しガス炎が放射される大型ケトル内で行われ、ケトル及びバーナーの炎は適当な耐熱性構造内に包囲される。通常は、か焼された材料が送られる関連するホットピット（hot pit）が存在する。ケトルは摂氏1093度から1316度（華氏2,000度から2,400度）の範囲の温度に耐えられなければならず、よってそのドーム型底部に典型的には4.45センチメートル（1と3/4インチ）の肉厚の高価な火室鋼板が必要とされる。米国特許3,236,509号はこのタイプの構成の典型例を示す。このアプローチは、非常に多くの欠点を有する。例えば、高温バーナーガスの無駄が大きく、また、修理又はケトルの停止が要求される場合に、関連する耐熱性レンガ室はまず長時間の冷却時間を必要とする。
上述の一般的なタイプの他のか焼ケトルは付随的な液浸燃焼デザインを有しており、そこではガス燃焼バーナーからの排出ガスがケトルの内容物に直接的に発射される。ここで、ガス炎はか焼される材料に対して直接的に当てられ、いわゆる“硬焼”材料、即ち不溶性石膏を生成する可能性が高い。米国特許4,176,157号及び4,238,238号はそのタイプのアプローチの典型を示す。更に、上述の一般的なタイプの従来技術のか焼ケトルの他の従来技術は、一連のクロス管を有し、それは略水平にケトルを完全に貫通し、耐熱性構造内部及びケトル周辺の高温ガスを付随的にその管を通じて、そしてさらにケトルの内容物を通じてその内容物を更に加熱するように方向付ける。米国特許3,307,915号及び4,163,390号はこのタイプのケトル構造の典型を示す。また、水平に並べられた回転式か焼構造も存在し、米国特許3,871,829号がそのタイプのアプローチの典型を示す。
通常は高価な耐熱性構造を必要とする上記のケトル構造の他、液浸燃焼原理を使用する非耐熱性ケトルも存在し、それはメインバーナー管を取り囲む補助的通風管構造を有し、硬焼の不溶性硬石膏の生成を減少させる。米国特許4,626,199号はこのタイプの構成の典型を示す。更に、種々のタイプの液浸燃焼加熱システムを備えるいわゆる非耐熱性円錐形ケトルが存在するが、それも非均一な硬焼石膏材料を生成する付随的リスクを有している。米国特許4,629,419号及び4,744,961号はそのような円錐形ケトル構成の典型を示す。さらに最近のか焼ケトルの変形は、米国特許4,744,963に記載される、いわゆる“ブースト”バーナー構成を有し、それは電気的ブーストカルロッド（calrods）とガス燃焼ブーストバーナーデザインとを有し、両者とも伝統的な耐熱性タイプのケトル構成に付随的なヒーターとして加えられるものである。
本発明は、幾つかの観点から従来技術によるか焼ケトル構造及びか焼方法の欠点を解消する。本発明は、か焼ケトル内で複数の液浸管バーナーコイルの位置を設定する工程と、低いプロファイルのデザインの初期、即ち、下部バーナーアセンブリを形成してケトルの迅速な始動を可能とする工程と、初めに容器に石膏材料を充填して実質的に下部バーナーユニットを覆い隠す工程と、下部バーナーユニットを点火して最初の充填材料を加熱する工程と、その後にケトルを連続的な追加の材料充填により満たし続け、より高い段のバーナー管アセンブリを覆い隠す工程と、一連のより高い段のバーナー管アセンブリを点火し、破砕された石膏材料をケトル内へ運搬し、か焼する継続的サイクルを確立する工程と、を有する方法を含む。
本発明の非耐熱性か焼ケトルは、好ましくは水平に配置されヘビ状のコイルとして形成されるがこれには限定されない一連の液浸管バーナーアセンブリを使用し、各々のバーナー管アセンブリはケトル内の特定のか焼領域内に配置される。各々のバーナー管はケトル外部の共通の煙突管へ排気を行う。ケトルは必要なか焼温度に耐えうる十分な肉厚を有する鋼材により構成され、好ましくは平坦な底部を有する。従って、ドーム形状の底部構成や下部に配置されるバーナー装置を必要としないので、本発明のケトル及びそれに関連するハウジング構造は垂直方向の全体サイズを小さくすることができる。さらに、ケトル底部に特別な火室の鋼材被覆（例えば、従来技術のケトルが動作しなければならないような高温に耐えるために従来必要とされていたようなもの）を要しない。石膏材料の全ての加熱はケトル内部で起き、ケトルに外部から印加させる熱が無いので、分離した耐熱性構造は必要とされない。また、高温のバーナーガスがか焼される石膏材料に対して直接的に当たることはなく、その代わりに、液浸管バーナーガスがバーナー管コイルから煙突管を通じてケトル外部へ排気を行うので、バーナー管として低容量の燃焼空気ブロワを使用することができる。これにより、初期投資が減少する。
更に、本発明は、実質的にか焼ケトル内に配置された一連のコイル型液浸管バーナーアセンブリを使用するので、バーナーにより発生した熱は本質的に全てケトルの内容物に高い熱伝達効率で伝達される。
更にまた、追加のバーナー及び熱変換器、即ち、バーナー管コイルをここで開示したケトル容器内に設置することができるので、同一サイズのケトル内に更に多くの熱伝達領域を設けることができ、これにより、ケトルについてさらに多い積量の出力容量が生じる。従って、本発明のケトル及びバーナーデザインによれば、同一サイズのケトルによって、あらゆる既知の従来技術デザインと比較してより多い積量の出力を達成することができる。本発明の変形として、追加の煙道ガスリサイクリング及びエアレーション（空気混入）装置を内部ケトル底部に設け、更なる加熱及びケトル内容物の循環を援助することができる。
代替的実施形態は、一連の液浸管バーナーコイルの代りに、ケトル内部に配置された単一のバーナー管コイルを有し、なおケトル外部へ排気を行い、ケトル内容物に対して全体的な熱伝達を提供する。そのような単一のバーナー管コイルケトルは、小容量ケトルで十分であるような特定の応用における使用に適している。
本発明の第１の目的は、少なくとも一つの内部配置された液浸管バーナーコイルを使用するか焼ケトルを提供することにあり、そのコイルはケトル外部へ排気を行い、ケトルの内容物はほぼ完全にそのバーナー管コイルによって加熱される。
本発明の他の目的は、内部配置された複数の液浸管バーナーアセンブリを有するか焼ケトルを提供することにあり、各々のアセンブリは好ましくは水平に配置されたコイルにより構成され、ケトル内の分割されたか焼領域内で動作する。
本発明の更に他の目的は、下部又は初期液浸管バーナーアセンブリとして高さの低いプロファイルのヘビ状のコイルデザインを有するものを使用し、か焼ケトルの初期始動サイクルを迅速化し、サイクル始動時における攪拌駆動装置をより低い馬力とすることにある。
本発明の更に他の目的は、分離型の耐熱性エンクロージャー構造を有しないか焼ケトルを提供することにあり、それによりケトルは動作温度が実質的に減少するので材料の要求が減少する。
本発明の更に他の目的は、ヘビーデューティな、ドーム形状の底部を有する構成を必要としないか焼ケトルを提供することにあり、それによりケトルの下部のバーナー構成を除去し、ケトル底部のエアレーションを可能とする。
本発明の更に他の目的は、同一サイズのケトルによって、か焼された材料の非常に多くの積量の出力を可能とするか焼ケトル構成を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、断面がほぼ涙形状であり、それにより個々の液浸バーナー管アセンブリについて長い先頭直線部を設けることが可能なケトルデザインを提供することにある。その代わりに、ケトルデザインは、断面が円形のデザインとし、外部配置されたバーナーボックスを有するようにすることもできる。
本発明の上述及び他の目的を達成する手段及びその達成方法は、添付図面を参照することにより以下の明細書から容易に理解される。添付図面において、
図１は、本発明の改良型か焼ケトル構造の部分断面側面図であり、ケトル支持構造を仮想線で示す。
図２は、図１のか焼ケトルの平面図であり、図示の便宜上ケトルカバーの一部が除去され、駆動モータ及びバーナー管装置が省略されている。
図３は、本発明のケトルシェルの平面図である。
図４Ａは、図１のか焼ケトルの下部バーナー管コイルの側面図である。
図４Ｂは、図４Ａの下部バーナー管コイルの平面図である。
図５Ａは、図１の中間バーナー管コイルの側面図である。
図５Ｂは、図５Ａの中間バーナー管コイルの平面図である。
図６は、図１の上部バーナー管コイルの側面図である。
図７は、図１のケトルのカバーの平面図である。
図８は、図１のか焼ケトル装置の変形実施形態の側面図であり、図示の便宜上多くの部分が省略されている。
図９は、本発明のか焼ケトル装置の代替実施形態の平面図であり、図示の便宜上特定の構成部が省略されており、異なる形状のケトルシェル及び複数の液浸管バーナー構成の変形が示されている。
図１０は、本発明の他の代替実施形態の平面図であり、図示の便宜上特定の構成部が省略されており、特定のか焼応用のための単一の液浸管バーナーを有するか焼ケトルを示している。
好適な実施形態の説明
図面において同一の参照符号は同一の要素に対応し、図１は全体的に参照符号２０により示される改良型か焼ケトル装置を示す。改良型ケトル装置２０は、ほぼ涙形状のケトルシェル２４（断面で示す）と、適当な構造の支持体２８上に配置された平坦底部２６と、を有するか焼ケトル２２を備える。ケトル２２は、人員の安全の理由から、図１に部分的に示される被覆材２９によりその外壁を適当な保護断熱材で覆うことが好ましい。また、ケトル装置２０は、適合する涙形状のケトルカバー３０（図１、２及び７参照）を有する。カバー３０は、破砕された石膏材料３４の継続的な充填を受け取るケトル入力上昇管３２を有し、その石膏材料３４は従来型のケトル供給コンベア３６により搬送される。集塵機供給パイプ３９に接続された集塵機上昇管ポート３７もカバー３０により保持される。オーバーフロータイプの排出管３８はケトルシェル２４の側壁を貫通して部分的に延び、その上端部はオーバーフロー排出口４０内で終端しており、排出口４０と排出パイプ３８とは一体としてか焼材料回収手段を構成する。か焼工程中は、より軽量となった焼石膏材料（図１中符号４２で示す）はケトル２２内で上昇し、排出口４０へ溢れ出る。従来の方法では、排出口４０は、ケトル２２内の焼石膏４２の上部レベル（参照文字“Ｙ”で示す）を規定するように機能する。オーバーフロー排出管３８の外端部又は下端部は適当な排出管４４と接続する。ケトルの排出コネクタ又はダンプゲート４６はケトルシェル２４の下縁部に配置され（図１の右下部参照）、必要であればケトル２２の内容物全ての排出を可能とする。これは、材料排出管を通じて、又は、関連する既存のホットピット（hot pit）構造内への排出により行われる（いずれも図示せず）。
混合手段を使用して、か焼動作中にケトルの内容物を混合する。より詳細には、本発明に係る改良型ケトル装置２０の頂部に、符号４８で示される攪拌駆動アセンブリを設ける。そのアセンブリは、モータ５０と、歯車減速機５２と、ドライブシャフト５４とを備える。ドライブシャフト５４はケトルカバー３０上に設けられた軸受シールブロック５６を貫通して下方へ延び、ドライブシャフト５４はその他端部がケトル底部２６に固着されたジャーナル軸受５８内に回転可能に配置される。材料を下方へ押しやるために各々が同軸上に傾けられた一連のケトル内容物の掃引部材（sweep）又は混合ブレード６０Ａ、６０Ｂ及び６０Ｃが夫々回転ドライブシャフト５４に取り付けられ、各々がケトル２２内の異なるか焼領域（以下により詳細に述べる）の攪拌動作のために設けられる。シャフト５４に取り付けられたスクレーパバー又はレーキ６２がケトル２２の底部近傍で回転する。スクレーパバー６２のブレードは傾斜しており、ケトル底部２６近傍にあるケトル内容物を上方へすき上げ、近傍のか焼領域内で混合させる。
図１、４−６に示すように、一連のバーナー管アセンブリはケトル２２内での動作のために水平に配列して設置されることが好ましいが、これは限定的ではない。それらアセンブリは、最初の（又は下部）バーナー管又は熱交換アセンブリ６４と、中間バーナー管アセンブリ６６と、上部バーナー管アセンブリ６８とにより示される。図示のように、３個のバーナー管アセンブリ６４、６６、６８の各々はコイル状アセンブリとして構成され、各々がケトル２２内の特定のか焼領域内に配置される。例えば、下部バーナー管アセンブリ６４は図１の文字Ａで示される下部か焼領域内で動作し、中間バーナー管アセンブリ６６は中間か焼領域Ｂ内で動作し、上部バーナー管アセンブリ６８は上部か焼領域Ｃ内で動作する。
図１及び４を参照すると、下部バーナー管アセンブリ６４はケトルシェル２４外部に配置される液浸管バーナー７０を備える。バーナー７０は矢印７２で示されるガス燃焼炎を生成する。参照符号７４で示される液浸バーナー管コイルは先頭管部７６を有し、その先頭管部７６はバーナー７０の出力に接続され、かつ、ケトルシェル壁２４を貫通して密閉可能に延びる。バーナー管コイル７４は、垂直上昇管８０内で終端する中間コイル部７８も有する。ケトルカバー３０上方に延在する上昇管８０から排出される使用済のバーナーガスは共通の煙突管８１内へ収集される（図１及び８参照）。
好ましくは、下部バーナー管アセンブリ６４はヘビ（蛇）状で高さの低いプロファイルデザインに形成される。これは、好ましくは中央及び上部バーナー管アセンブリ６６、６８に使用される、もっと高さがある円柱形コイル状のデザインと対照的である。即ち、下部バーナー管アセンブリ６４は好ましくは高さの低いデザイン、例えば、図示のように２段のみのコイル部、即ち、下部コイル８２と上部コイル８４を有するように形成される。また、両コイル段８２、８４は略水平に配列され、中間コイル部７８により接続される。図４Ａ及び４Ｂに示すように、下部及び上部コイル段８２、８４各々は符号８３及び８５で示される内部及び外部コイル部を有する（図４Ｂ）。その結果、下部バーナー管アセンブリ６４は、うずくまるような、堅固な、よりヘビ状のコイルデザインとなり、それにより、か焼領域Ａはか焼領域Ｂ及びＣに比べて垂直方向に短い、即ち、より浅く又は“うずくまるような”形状となる。
下部バーナー管アセンブリ６４は小型の垂直方向高さを有するけれども（文字Ａにより指定されるケトルか焼領域内に配置されているので）、構成された下部バーナー管コイル７４により提供され、か焼領域Ａ内に堆積した石膏３４をか焼し、又は少なくともその変換を開始させるために要求される熱を伝達するための依然として十分な加熱面が存在する。即ち、各々が分離した内部及び外部コイル部８３、８５を有する２つのヘビ形コイル段８２、８４の組み合わせは十分な全体的加熱管面領域を提供し、これにより、バーナー７０が発生するガス燃焼熱がコイル７４を通じてか焼領域Ａ内にある石膏材料４２へ十分に伝達される。
図4Ａ及び４Ｂに示すように、コイル７４の先頭直線バーナー管部７６は、その入口端部において、ケトルシェル２４により保持された配置プレート８６により支持される。好ましくは、その直線バーナー管部７６はケトル２２内へ十分な距離だけ延在し、ガス燃焼炎７２が下部バーナー管コイル７４のいずれの横断壁部にも直接当たらないようにする。これは、バーナー管コイル７４へのあらゆる望ましくない摩耗及び潜在的損傷を大幅に減少させるように働く。この先頭直線管部７６は、好ましくはスケジュール８０のステンレスパイプの如き適当なステンレス鋼材により形成される。垂直上昇管８０を含むバーナー管コイル７４の残りの部分は、好ましくはスケジュール８０のパイプの如き軟鋼により形成される。
中間バーナー管アセンブリ６６が図１及び図５Ａ、５Ｂに示される。下部バーナー管アセンブリ６４と同様に、中間液浸管バーナー９０は、下部バーナー７０の上部で、かつ、それと垂直方向に並列に配置され、ケトルシェル壁部２２上で動作するように配置される。参照符号９２で示される中間バーナー管コイルは、配置プレート９６により配置されケトルシェル壁部２２を貫通して延びて中間バーナー９０の排出口と接続する先頭直線部９４を有する。コイル９２は、高さがある略円柱形状の中央螺旋部９８を有し、その螺旋部は水平方向に並列な４個のコイル段１００を有し、本質的により小型である下部バーナー管コイル７４の２つのコイル段８２、８４と対照的である。中間コイル９２は水平上昇管１０２内で終端し、共通の煙突管８１と接続している。また、下部バーナーコイル７４と異なり、中間バーナー管コイル９２は内部及び外部コイル部８３及び８５を有しないことが好ましい。
最後に、図１、２及び６に示すように、上部バーナー管アセンブリ６８は、バーナー７０及び９０と垂直方向に並んで配置された上部液浸管バーナー１０６と、上部バーナー管コイル１０８とを備える。コイル１０８は、先頭直線管部１１０と中央螺旋管部１１２とを備え、垂直上昇管１１４内で終端しており、後者はカバー３０の上方で共通の煙突管８１と接続されている。先頭直線管部１１０は配置プレート１１６によりケトルシェル壁部２４に取り付けられ、上部バーナー管コイル１０６の排出口に接続される。中間バーナー管コイル９２と同様に、上部バーナー管コイル１０８は略円柱形状で水平方向に向けられ、本質的に４個のコイル段１１８を有する。中間バーナー管コイル９２と同様に、４個のコイル段１１８により提供されるバーナー管の全体の長さのため、上部バーナー管コイル１０８はケトルか焼領域Ｃ内にある石膏を加熱するための十分なバーナー管面領域を提供する。
本発明は、熱源手段、加熱手段及び循環手段を使用してケトル２２内で加熱された媒体を循環させ、その内容物全体を加熱することが理解される。例えば、熱源手段をバーナー７０、９０及び１０６により構成し、加熱手段及び循環手段を複数のバーナー管コイル７４、９２及び１０８の形態の熱伝達装置により構成することができる。さらに、バーナー管コイル内を循環する加熱された媒体を、コイル７４、９２及び１０８内を循環する加熱燃焼ガス（即ち、炎７２からの）により構成することができる。
図２、３、４Ｂ及び５Ｂに示すように、ケトル２２の好ましいほぼ涙形状の断面により、先頭バーナー管の配管のための長い領域が提供される。即ち、個々の液浸管バーナー７０、９０及び１０６は涙形状のケトル２２の“先端”近傍に配置され（図２参照）、ケトルの涙形状によりバーナーがケトルに対して接線方向に、即ち、平坦面を介して導入される。こうして、全てが好ましくはステンレス鋼管により構成される先頭直線バーナー管部７６、９４及び１１０は有利に十分な長さを有し、ガス炎７２が内部バーナー管壁面に直接当たることを防止する。これにより、バーナー管コイル７４、９２及び１０８の寿命が延び、メインテナンスを減少させることができる。
本発明に従って設計された一つの実施形態では、ケトル２２（図１）全体の垂直方向寸法は約4.57メートル（１５フィート）であり、ケトル２２の径は約4.57メートル（１５フィート）である。さらに、ケトルシェル壁部２４の肉厚は約1.91センチメートル（３／４インチ）であり、ケトル底部２６の肉厚と同様である。個々のバーナー管コイル部９２、１０８（及び、バーナー管コイル７４の外部コイル８５）の全体の直径（図５Ｂの寸法Ｄで示す）は約2.4メートル（８フィート）であり、（下部バーナー管コイル７４の）内部コイル８３の全体の直径は約1.83メートル（６フィート）である。個々のバーナー管コイル７４、９２及び１０８を形成する管の直径は公称20.32センチメートル（８インチ）である。そのコイル管の側壁の肉厚は1.27センチメートル（１／２インチ）である。先頭直線管部７６、９４及び１１０の長さは約1.52メートル（５フィート）であり、個々のバーナーコイル７４、９２及び１０８の全体長さは約22.86メートル（７５フィート）である。これにより、バーナー管コイル７４、９２及び１０８の各々は熱伝達のために約148,373平方センチメートル（23,000平方インチ）の総使用可能外面領域を有することになる。液浸管バーナーユニット７０、９０及び１０６の各々は5.274×10⁹ジュール（5,000,000ＢＴＵ）の適当な出力を有する。より大容量のバーナーが商業的に入手可能となれば、バーナー７０、９０及び１０６のためのそのような最大ＢＴＵ出力は容易に変化させることができることが理解される。
十分な高温ガスをケトル２２内に含めて、それにより生じるそのバーナーコイルの個々の外面領域からの熱伝達が所定のか焼領域内の材料４２を、バーナー管効率の約“８０％増”で摂氏143度から154度（華氏290度から310度）の範囲、好ましくは摂氏149度（華氏300度）に加熱するためにはある長さのバーナー管コイル（７４、９２、１０８）が必要であることが理解される。また、従来の経験及び従来のケトルデザインの使用から、必要な熱量（か焼されるべき石膏材料の１トン当たり）は典型的には、新規な石膏材料１キログラム当たりおよそ872,038.23ジュール（１トン当たり750,000ＢＴＵ）である。さらに、従来技術のか焼方法及び装置では、ケトル内に保持される新規な石膏３４について必要ないわゆる“滞留時間”、即ち、材料を入れてから出すまでの時間は一般的に最小時間で３０分と考えられていた。しかし、従来技術のケトルでは、均一な品質の焼石膏を得るための滞留時間は典型的に８０から９０分であった。
本発明では、その滞留時間は約４０から４５分に減少すると期待される。全能力で稼動した場合、個々の液浸管バーナーユニット（７０、９０、１０６）は、上記面領域を有する個々のバーナー管コイル（７４、９２、１０８）を通じて、８０％のバーナー効率において、ケトル２２内の個々のか焼領域内で約3.85キロワット／平方メートル（１７５ＢＴＵ／時／平方インチ）以上を発生する。また、（ケトル内容物４２と個々のバーナー管コイル７４、９２及び１０８との）温度差は、か焼される材料がか焼領域ＡからＣへと上昇するにつれて減少すると考えられる。
本発明の改良型か焼ケトル装置２０の使用においては、分離したホットピット構造は不要であることが理解される。これは、耐熱性構造を有する従来技術のケトルと異なり、本発明の改良型か焼ケトル装置２０は大型ヒートシンクとしては機能しない、即ち、長い冷却時間を必要としないため、例えばケトルの停止において、又は、ケトル外部のメインテナンスの問題で、典型的に本発明のケトル２２を“ダンプ”する必要が無いことによる。しかし、ケトル装置２０が、ホットピット構造が既に構築され且つ存在する既存の焼石膏ケトルラインへ改装部品を設置する如くに構成されるならば、ダンプゲート４６又はケトルシェル２４は必要に応じてそのような既存のホットピット内への排出が可能である。
重要なことに、本発明のケトル装置２０は従来技術のデザインと比較して、実質的に低い外部温度において動作する。上述のように、従来技術の耐熱性ケトル構造は摂氏1093度から1316度（華氏2,000から2,400度）という非常に高い動作温度に耐える必要があった。一方、本発明のケトル装置２０においては、か焼熱が液浸管バーナーコイル７４、９２及び１０８を介して内容物の内部から印加されるので、ケトル２２は内容物を保持するだけで、加熱することなく石膏４２がか焼される。即ち、液浸管バーナーにより発生する全ての熱がケトル自身に対してではなく、バーナー管コイルを通じてケトルの内容物に直接的に向けられる。よって、ケトルシェル壁部２４及び底部２６は通常はかなり低い温度、即ち、約摂氏149度（華氏300度）で動作する。このことは、先頭直線バーナー管部７６、９４及び１１０がバーナー７０、９０及び１０６により約摂氏871度から982度（華氏1,600から1,800度）まで加熱されるという事実にも拘わらずそうなる。更に、上昇管８０、１０２及び１１４から排出される使用済のバーナーガスの温度は約摂氏260度から316度（華氏500から600度）である。
ガス燃焼液浸管バーナーは、以下の会社により製造されたものが商業的に容易に入手可能である：ケベック州モントリールのPillard Combustion（Procedair）、インディアナ州MuncieのMaxon Corporation、ペンシルベニア州、LebanonのHauck Manufacturing Co.。好ましくは、現在では5.274×10⁹ジュール（5,000,000ＢＴＵ）の容量制限を有する最大容量ガス燃焼液浸管バーナーが選択される。商業的に入手可能であれば、例えば10.548×10⁹ジュール（10,000,000ＢＴＵ）の容量単位のさらに大型の液浸管バーナーを使用することもできるが、現在ではそのようなものは知られていない。バーナー７０、９０及び１０６のための燃焼は液化石油、即ち、ＬＰガス、又は天然ガスとすることができる。それらは、石炭又は油と共に使用されることを意図されていない。なぜなら、その種の炎はバーナー管４４、９２、１０８に好ましくない内部コーティングを生じさせるからである。
必要であれば、図８に示されるように、本発明の改良型か焼ケトル装置２０にリサイクリング又はエアレーション手段の形態の変形を加えることができる。即ち、一つの変形は、排気煙突管８１内の使用済のバーナーガスの一部をケトル２２内にリサイクルする装置の形態とすることができる。より詳細には、補助的なリサイクルパイプ１３２が煙突管８１から使用済の煙道ガスの一部を引き出す。これは、煙道ガスリサイクルブロワ１３４及びリサイクル供給パイプ１３６の使用により行われ、リサイクル供給パイプ１３６はケトル２２の底部に形成されたプレナム１３７に接続される。こうして、使用済の煙道ガス中の残余熱の殆どが回収され、補助的にケトルの内容物４２を加熱するように機能する。そのような排気煙道ガスは、摂氏260度から316度（華氏500から600度）程度まで低下しており、もはや摂氏982度（華氏1800度）というその当初の入力温度にはなく、十分に低温であるので、ケトル内容物４２内に望ましくない硬焼材料を容易に作り出すことができない。しかし、そのようなリサイクルされた煙道ガスはプレナム１３７とパッド１４０を通じてケトルの内容物４２と直接的に接触し、且つ、内容物４２を押し上げるので、集塵機供給パイプ１３８に接続する大型集塵機（図示せず）が必要となる。
その代りに、リサイクルパイプ１３２と共に熱交換器を使用することができる。例えば、図８の仮想線により外形が示され、参照文字Ｈ．Ｅ．で示される熱交換器を参照すると、それは煙突１３０からのリサイクルされた加熱燃焼ガスにより新鮮な空気を加熱し、加熱された新鮮な空気をリサイクルブロワ１３４へ供給するために使用することができる。
更に、必要であれば、ケトル内容物の直接的なケトル底部エアレーションを追加することもできる。これにより、ケトル内容物４２の流動化が増進する。即ち、図８に示すように、ケトル２２のエアレーションの目的での変形は、例えば、ケトル底部２６の内面上に形成されるエアレーションパッド１４０の形態のエアレーション手段であり、それらのパッドはプレナム１３７、パイプ１４２及びブロワ１４４を通じて強制的な非加熱空気の供給を受ける。そのような補助的エアレーション装置の使用も、エアレーション装置又は煙道ガスリサイクリング装置を用いないケトル２２と共に使用する場合に比べて大型の集塵機（図示せず）の使用を必要とする。か焼ケトル内でのそのような強制的エアレーションの使用は、ケトル内での石膏材料４２の流れを良好にすることを援助する。これにより、ケトル内にいわゆる“加熱焼石膏”が存在しないことがより確実となる。この変形は、バーナー管の直線部７６、９４及び１１０が垂直方向に相互に並んで構成されるケトル２２内のその領域の材料流動性に特に有用である。重要なことには、そのようなケトル底部のエアレーションは、耐熱性ピットを有する従来技術のケトルデザインでは採用できなかった。これは、それが従来技術のケトルの下に配置されたバーナーにとってじゃまとなり、さらにそれを動作可能とするためには温度の高すぎる位置に配置せざるを得ないからである。そのような変形の一方又は両方（即ち、煙道ガスリサイクリング及び／又は強制的エアレーション）が、必要に応じて本発明の改良型ケトル装置２０に使用できることが理解される。
さらに、ガス燃焼液浸管バーナー７０、９０及び１０６を使用する代りに、加熱された媒体の他の熱源（加熱混合ガスを除く）を管コイルに対して使用、即ち、循環させることができる。例えば、改良型か焼装置２０が例えば電気的発生プラントの如き信頼できる蒸気供給機の近傍に配置されれば、バーナー管アセンブリ６４、６６及び６８内部に循環する加熱された媒体をとして蒸気を使用することができる。加熱された油などのさらに他の熱源を使用することもできる。
図９に示すように、本発明の代替的実施形態は、参照番号１５０で示され、同様に複数の一連のバーナー装置を備える異なる形状のケトル装置に関する。即ち、か焼装置１５０は、円形ケトル１５２（断面）と、ケトル装置２０の好適な実施形態と同様の複数の一連の垂直方向に並んだ液浸管バーナー及び関連するバーナー管コイルと、を備え、そのバーナーの最上部の２つはそれぞれ参照符号１５４及び１５５で示され、最上部のバーナー管コイルは参照符号１５６で示される。ガス燃焼液浸管バーナー１５４の如き各々のバーナーは、ガセットを付されたアンカーブラケット１５８により円形ケトル１５２の外部に取り付けられる。円柱状に形成され、水平に並んだ複数段の上部バーナー管コイル１５６の如き各々のバーナー管コイルは、円形ケトル１５２の内部に配置され、さらにケトル１５２及びそのカバー１６０の外部へ排出上昇管１６２を通じて排出を行う。先頭直線管部１６４は上部バーナー管コイル１５６を円形ケトル１５２の側壁部を貫通して液浸管バーナー１５４へ接続し、同様に、残りの下方の一連のバーナー管コイル（図示せず）の直線部はそれら夫々の外部に配置されたバーナー（図９の次の下部液浸管バーナー１５５の部分的図示以外には図示せず）に接続する。好ましくは、直線部１６４はステンレス鋼の管材により形成される。他の点では、残りの構造、構成要素及び図８の代替実施形態のケトル装置１５０の循環動作は好ましい実施形態のケトル装置２０のものと同様である。
しかし、重要なことには、そのような代替的な円形ケトルデザインは、既存の円形か焼ケトルが既に存在する改装装置の状況において使用可能である。そこでは、既存の従来技術タイプのケトルにおける既存の被覆及び耐熱レンガ構造（図示せず）を除去し、液浸管バーナー１５４の如き一連の新規なバーナーをブラケット１５８を介して排出円形ケトルの外部に配置する。更に、上部バーナー管コイル１５６を含む一連のバーナー管コイルは、ケトル１５２の如き既存の円形ケトル内部に配置され、既存のケトル側壁部を貫通する部分１６４の如き直線管部を通じて接続される。
従って、本実施形態のような完全に新規な涙形状のケトル２２を作る代りに、本発明においては、新規な円形ケトル構造を作り、又は既存のケトル構造を改装して円形ケトル構成とすることができることが理解される。そのような改装は、既存のケトル構造が既に本発明の改良とともに使用されている場合には特にコスト面で有効である。必要であれば、本発明から離れることなく、涙形状又は円形以外の更に他の断面形状をか焼ケトルに使用することができる。
本発明の更に他の実施形態を図１０に示し、それは参照符号１７０で示される改良型か焼ケトル装置に関するが、複数ではなく単一のバーナー管コイルを備えるものである。即ち、ケトル１７２（断面では円形に図示されているが、涙形状又は他の形状とすることもできる）は、カバー１７４と、単一の液浸管バーナー１７６と、先頭直線バーナー管部１７８と、単一の（即ち複数でない）バーナー管コイル１８０とを備える。単一のバーナー管コイル１８０（但し、複数のコイル段を有する）は、煙突管（図示せず）に接続した単一の排出上昇管１８２を通じてケトル１７２及びカバー１７４の上方、即ち外部へ排出を行う。
図１０の代替的実施形態に係る単一のバーナー管コイルタイプのケトル装置１７０は、少ない積量の出力が必要とされる場合、又は小型のか焼ケトルが使用可能な場合、又は少ない総ＢＴＵ／時が要求される場合のか焼及び石膏処理及び変換処理に使用することができる。例えば、そのような変形された、単一バーナー管コイルデザインは、総直径が1.52メートル（５フィート）であり高さが1.83メートル（６フィート）である小容量ケトルに使用することができる。それにも拘わらず、図１０の代替的ケトル装置１７０は単一のバーナー管コイル１８０のみしか有しないけれども、好適な実施形態のケトル装置２０及び上述の代替的実施形態のケトル装置１５０に使用されるような複数の一連のバーナー管コイルと比較して、その動作、構成要素、材料及び変形されたケトル１７２の構造はケトル２２及びケトル１５２のものと同様である。
次に、本発明の改良型か焼方法により、ケトル内の液浸管バーナー及び関連するバーナー管コイルの特定の設定、即ち位置決めが非常に効率的で、始動が迅速であり、メインテナンスの少なくてよいタイプの継続的か焼方法が提供される。
より詳細には、本発明の改良型か焼ケトル装置２０のか焼サイクルの始動時には、バーナー７０、９０及び１０６はオフとされる。それから、空のケトル２２が、送りスクリューコンベア３６によりバーナー管コイル７４が隠れるまで石膏３４で部分的に充填、即ち、満たされる。ケトル２２に導入された石膏３４は例えば周囲温度、即ち摂氏16度から24度（華氏60から75度）である。最下部のバーナー管アセンブリ６４の好適な低いプロファイルデザインのため、ケトル２２の初期か焼領域Ａは比較的低く、よって始動目的のために迅速に満たすことが可能である。それから下部液浸管バーナー７０が点火され、それによりバーナー管コイル７４内の温度は約摂氏871度（華氏1,600度）に達する。これは、バーナー管コイル７４を通じる熱伝達が、初期の充填された石膏３４内の温度を約摂氏143度から154度（華氏290度から310度）、好ましくは約摂氏149度（華氏300度）に上昇させるまで継続する。ここで、中間か焼領域Ｂは石膏３４の追加充填により、中間バーナー管コイル９２が隠れるまで満たされる。それから、中間液浸管バーナー９０が点火され、ケトル２２内のより多くの充填材料３４が再度約摂氏149度（華氏300度）の温度まで上昇させられる。それから、材料３４の最後の充填が行われ、か焼領域Ｃを満たして上部バーナー管コイル１０８を覆い隠し、それからその上部バーナー管コイル１０８が点火される。好ましくは全てがフル能力で動作する３つのバーナー７０、９０及び１０６の継続動作により、ケトル２２の全ての内容物が約摂氏143度から154度（華氏290度から310度）であるか焼温度範囲内に、好ましくは好適なか焼工程温度である約摂氏149度（華氏300度）に維持される。その温度は、ケトル２２の各々の領域Ａ、Ｂ及びＣ（図１及び８参照）内に配置された熱電対１４６の如き周知の熱センサ手段により検出される。それから、更に追加の破砕された石膏３４が送りコンベア３６を通じてケトル入力上昇管３２へ導入され、本発明による継続的なか焼サイクルを開始する。か焼サイクル中、ケトル２２の内容物４２はミキサーブレード６０ａ、６０ｂ及び６０ｃ並びにスクレーパバー６２により継続的に混合される。
動作時には、破砕された新たな石膏３４がケトル２２に導入されるので、そのより密な重量によりその新たな石膏３４はケトル底部２６へと落下する。これにより、その次にはより軽い十分にか焼された石膏４２（それは、その余分な水分が加熱により飛ばされて蒸気となり、集塵機供給パイプ３９を通じて追い払われるので、そのころには頂上まで上昇する）が排出管４４の排出コーン４０へとあふれ出る。その後、バーナー７０、９０及び１０６の継続的なフル能力動作は、正確なケトルの温度検出及び送りコンベア３６を通じる送り排出レートの制御を伴って、改良型ケトル装置２０の継続的なか焼工程を確立する。排出コーン４０を通じてケトル２２から出て行くか焼された材料、即ち焼石膏の温度は約摂氏149度（華氏300度）であり、上昇管８０、９２及び１１４から出て行く排出ガスは約摂氏260度から316度（華氏500から600度）である。
理解されるように、上述の本発明の改良型か焼方法において、内部配置された複数の液浸管バーナーアセンブリの特定の設定、即ち、位置決め及び連続する始動点火は、ケトル装置２０全体の迅速な充填及び迅速な始動を考慮している。これは、始動時に、一つの外部から印加されるバーナー炎によりケトルの全内容物（及び耐熱構造）をゆっくりと加熱しなければならない従来技術のケトルデザインとは大きく異なる。
本発明の方法の大きな長所は、従来技術のデザインと異なり、所定のケトル空間内でより多くの積量の焼石膏出力が達成されることである。即ち、従来技術による、現在使用されている耐熱性タイプのケトルデザインは、通常、毎時１１トンの焼石膏を生成する。実際、殆どの従来技術のデザインの制限要因は、ケトルにどれだけ多くの熱を印加できるかということではなく、耐火性ケトル底部がどの程度の量の熱に対して、望ましくない急激な劣化なしに耐えられるかということにある。
しかし、本発明の改良型ケトルデザインは、現在の従来技術デザインで使用される同一サイズのケトルシェルについて、約毎時18,000−20,000キログラム（毎時18から20トン）の積量出力を有することが期待できる。さらに、本発明では、さらに大容量のバーナーを使用し、又はより多数の複数のバーナー及び関連するバーナー管コイルを使用すれば、同一サイズのケトルについて更に大積量の出力を得ることができる。例えば、従来技術のバーナー及びケトルのデザインでは、石膏のか焼のために、石膏7.911×10⁸ジュール（１トン当たり約750,000ＢＴＵ）を要することが知られている。よって、印加された熱15.822×10⁹ジュール（15,000,000ＢＴＵ）について（即ち、ユニット当たり5.274×10⁹ジュール（5,000,000ＢＴＵ）の３つの液浸バーナー管ユニット）、本発明は少なくとも毎時18,000−20,000キログラム（毎時18から20トン）の出力を有する見込みがある。従って、同一サイズのケトルシェルについて、本発明は、既知の現在使用されている従来技術デザインに比べて、時間当たり約２倍の積量の出力を提供する。また、本発明のデザインのケトルにより期待される効率は、か焼される材料の１キログラム当たり872,038.23ジュール（１トン当たり750,000ＢＴＵ）という現在の要求をさらに減少させる。
よって、残る実質的な制限は、ケトル２２内の石膏材料４２についての要求される滞留時間がどの程度かということである。毎時10,000キログラム（毎時１０トン）の最適条件で動作する現存の従来技術は、既知のケトル内で約80から90分の材料の滞留時間より得られる。しかし、本発明の改良型か焼装置では、滞留時間はたった40から45分、即ち、現在の滞留時間の半分に過ぎないと予測される。さらに、本発明のケトル及びバーナーのデザインでは、材料の滞留時間をたった30分とし、それでもなお十分に高い均一性と均質性を有する焼石膏製品を作る、即ち、か焼が不十分、又は過剰である材料を最小とすることができると考えられる。
従って、本発明の改良型か焼ケトル装置及び方法には多くの長所が存在する。一つの大きな長所は、非常に効率的な熱伝達が提供されることである。即ち、ケトルの底部が加熱される従来技術デザインにおいて生じるように熱を外部の耐熱レンガ壁へ逃す代りに（10％の熱損失を生じる）、本発明は実質的に全ての（伝達された）か焼熱をケトル及びその内容物内に与え、保持する。更に、段状コイルタイプのガス液浸管バーナーの使用に起因する、改良型ケトル装置によりもたらされる高い効率とほぼ一様な分散は、製造される焼石膏、即ち、か焼された石膏の従来技術より高い均一性を生むと考えられる。
さらに、実質的に一様に分配した、即ち、段状にした複数のバーナーコイルの使用により、ケトル内にホットスポットを生じる可能性が殆ど無くなり、また材料を過剰にか焼する可能性が殆ど無くなるのでいわゆる硬焼材料を生成することがなくなる。既知のように、従来技術の耐熱性タイプのケトル内、又は、従来技術の液浸燃焼管近傍に位置する円錐形ケトル内では、ドーム型底部領域の周囲に形成される“ホットゾーン”内では常にいわゆる硬焼材料を生成する可能性があった。
本改良発明では集塵機供給パイプ３９（図１）に接続された集塵機（図示せず）を使用する必要がある。しかし、本発明ではそれは実質的により清潔な排出ガスと共に動作する。即ち、本発明のか焼装置及び方法により生成される粉塵及び蒸気の排気は、既知の従来技術のケトルのそれより非常に清潔である。例えば、本発明において製作されるケトルの集塵機は、約毎秒3775.6×10³立方センチメートル（8,000ＣＦＭ）だけの粉塵を処理できればよいと予測される。一方、例えば液浸燃焼を有する従来技術の円錐ケトルでは、関連する集塵機は約毎秒1887.8×10⁴立方センチメートル（40,000ＣＦＭ）の粉塵を処理するサイズでなければならない。本発明のこの改良は、そのより小型の集塵機によって、それのみで大きなエネルギーの節約をもたらす。加えて、それを設置する際の初期資本費用が少なくてすみ、動作中のメインテナンスコストも減少する。
更なる長所として、本発明の先頭下部バーナー管コイルの高さの低いプロファイルにより、サイクルの始動時に材料の充填を浅くすることができる。これは、次にはサイクルの始動時に攪拌モータの負荷を最小に維持する。
本発明は、好ましくは複数のバーナーの動作を意図している（代替的に単一の大型コイルを使用することもできる）が、単に３個のバーナーのみに限定されないことが理解される。各々のバーナーコイルは特定のヘビ状コイルデザインに限定されるものではなく、バーナーコイルの配列も水平方向などの特定の配列に限定されるものではない。更に、本発明は特定のバーナー単位のＢＴＵ出力に限定されるものでもない。
本発明において予想されるか焼工程の効率改善の他に、本発明の改良型か焼工程を構成する上での初期資本費用は、厳格に被覆されたドーム型底部を有するケトルやあらゆる耐熱性周辺構造が不要であることから、大幅な減少が期待される。更に、従来技術においてケトル下部に位置する外部バーナー構造が無いことから、より短い構築、即ち、ケトルハウジング構造を建築することができる。
か焼ケトル動作の経験から、従来技術の耐熱性タイプケトルデザインにおいて行われている全てのメインテナンスの殆どのパーセンテージ、即ち90から95パーセントはケトルのドーム形状の底部に関連していることが分かっている。本発明はさらに、そのようなコスト及び時間を要するメインテナンスの問題を完全に除去する。
以上の説明から、当業者は本発明の独特の態様及び従来のタイプの石膏か焼方法及び装置に対する本発明の長所を容易に理解できると考えられる。更に、本発明を添付図面及び上記説明により示される特定の好適な及び代替的な実施形態との関連において説明したが、それは本発明の精神及び視野から離れることなく変化、変形及び等価物による代用が可能であることが理解される。従って、本発明は以下の請求の範囲に示されるものを除き、前述の記述及び図面によっては限定されるべきでないことが意図される。

Claims (12)

1. 石膏をか焼する方法において、
   破砕された石膏材料をか焼ケトルに供給する工程であって、前記か焼ケトルは、加熱された媒体を、前記加熱された媒体が前記ケトルの内容物に接触しないように前記ケトルの内部チャンバ内で循環させるための、少なくとも一つの内部配置された加熱手段を有し、更に、各々に内部配置された加熱手段が設けられた複数のか焼領域を有しており、前記加熱された媒体は、前記ケトルの内容物をか焼するために必要な熱を提供し、前記石膏材料は、前記加熱手段が覆い隠されるまで前記か焼ケトル内に供給されるところの工程と、
   前記加熱手段を通じて前記加熱された媒体を循環させて、前記ケトル内の前記石膏材料を摂氏143度から154度（華氏290度から310度）の範囲のか焼温度まで加熱し、もって、前記石膏材料をか焼された石膏にする工程と、
   前記ケトル内により多くの石膏材料を導入して、前記ケトル内の前記か焼された石膏を、前記ケトルから前記か焼された石膏を受け入れるための回収手段へ溢れ出させる工程と、を有することを特徴とする方法。
2. 前記ケトル内により多くの石膏材料を導入する工程は、毎時少なくとも１８トンの量の前記か焼された石膏が、前記回収手段に溢れ出るような速度で新たな石膏材料を連続的に導入することを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 石膏をか焼する方法において、
   初期充填用の破砕された石膏材料をか焼ケトル内に供給する工程であって、前記か焼ケトルは、下部か焼領域及び上部か焼領域を少なくとも含む複数のか焼領域を有しており、前記複数のか焼領域は各々、下部バーナー管コイル及び上部バーナー管コイルを有しており、前記石膏材料は、前記下部バーナー管コイルが覆い隠されるまで前記か焼ケトル内に供給されるところの工程と、
   前記下部バーナー管コイルを通じて加熱された媒体を循環させて、前記初期充填用の石膏材料を加熱する工程と、
   前記初期充填用の石膏材料が摂氏143度から154度（華氏290度から310度）の範囲の温度に達した後、前記上部バーナー管コイルが覆い隠されるまで、第２充填用の石膏材料を前記ケトル内へ供給する工程と、
   前記上部バーナー管コイルを通じて加熱された媒体を循環させて、充填された全ての前記石膏の温度を、摂氏143度から149度（華氏290度から300度）の範囲に到達させて、前記石膏をか焼された石膏にする工程と、
   前記ケトル内により多くの石膏材料を導入しつつ、前記ケトル内の前記か焼された石膏を、摂氏143度から154度（華氏290度から310度）の範囲の温度に維持し、前記ケトル内の前記か焼された石膏を、前記ケトルから前記か焼された石膏を受け入れるための回収手段へ溢れ出させて、連続的なか焼動作を提供する工程と、を有することを特徴とする方法。
4. 前記加熱された媒体を前記バーナー管コイル内に循環させる工程は、加熱されたガスを前記バーナー管コイル内で循環させることを含むことを特徴とする、請求項３記載の方法。
5. 前記加熱されたガスを、前記バーナー管コイルから、前記ケトルの外部に排出する工程をさらに有することを特徴とする、請求項４記載の方法。
6. 前記排出する工程は、共通の煙突管に連結された上昇管を介して、ガスを前記バーナー管コイルから排出することを含むことを特徴とする、請求項５記載の方法。
7. 共通の煙突管から前記排出ガスの一部を除去することによって、前記排出ガスの一部をリサイクリングし、そして、前記除去された排出ガスを前記石膏を通じて前記ケトル内に再循環させて、前記石膏をさらに加熱する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項６記載の方法。
8. 前記除去された排出ガスを再循環させる工程は、前記排出ガスを前記ケトルの底部近傍に導入することを特徴とする、請求項７記載の方法。
9. 前記加熱された媒体は、加熱された燃焼ガス若しくは加熱されたオイル又は蒸気のいずれかであることを特徴とする、請求項３記載の方法。
10. 前記石膏を摂氏143度から154度（華氏290度から310度）の範囲の温度に維持する工程中に、前記ケトル内で前記石膏を混合する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項３記載の方法。
11. 前記混合する工程は、前記下部か焼領域及び前記上部か焼領域の近傍にそれぞれ配置された下部混合ブレード及び上部混合ブレードに連結された、垂直方向に伸びるシャフトを、前記ケトル内で駆動することを含むことを特徴とする、請求項１０記載の方法。
12. 前記混合する工程は、前記ケトル内で前記石膏をエアレーションすること含むことを特徴とする、請求項１０記載の方法。

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