JP4332621B2

JP4332621B2 - 竪型焼成炉及び焼成方法

Info

Publication number: JP4332621B2
Application number: JP2003024668A
Authority: JP
Inventors: 進市磯崎; 琢哉門脇; 断大谷; 壽能夫堅田; 光男谷; 真弘中田; 裕恭伊東
Original assignee: Yoshizawa Lime Industry Co Ltd
Current assignee: Yoshizawa Lime Industry Co Ltd
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2018-03-13
Also published as: JP2003261364A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は廃プラスチックを燃料とする石灰やドロマイト等を焼成する竪型焼成炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
竪型焼成炉はメルツ炉、シャフト炉型焼成炉等とも称され、その構造は図７に示すように、底部をチャンネル３で接続された少なくとも２基の丸形あるいは角形のシャフト炉１、２からなっている。各シャフト炉１、２には、上部より複数本の燃料吹込ランス４が垂設されている。ランス４の先端より上方が予熱帯、ランス４の先端からチャンネル３までが焼成帯、チャンネル３より下方が冷却帯である。焼成用の重油等の燃料は水蒸気で霧状にして燃料吹込ランス４から予熱帯と焼成帯の境界部に吹込まれ、高温雰囲気でガス化される。燃焼空気は上部から送風され、原石層の空隙でガス化された燃料と混合され、燃料は下向きに燃焼する。冷却空気は炉底部から各シャフトへ同時に送入され、冷却帯で生石灰を冷却しながら上昇し、チャンネル部で燃焼ガス等と合流して蓄熱側シャフトに入って上昇する間に、焼成帯での一部の脱炭酸、原石の予熱を行ったのち、炉頂より排出される。原石は蓄熱側シャフトにはじめに装入される。このような工程が一定時間保持されたのち、燃料・燃焼空気・冷却空気の炉内への供給と製品の排出が一時中止され、炉頂部ダンパの切替が行われ、焼成側シャフトと蓄熱側シャフトがそれまでと逆になる。
【０００３】
この竪型石灰焼成炉の燃料は当初は専ら重油が使用されたが、その後石炭、石油コークス、混炭油等も使用されるようになってきている。これらは予め燃焼させて熱風を石灰等の充填層に吹き込む方式がとられてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
廃プラスチックは最近、注目されるようになった新しい燃料で、従来の重油、ガスに比べて、低廉であることに魅力がある。
【０００５】
しかしながら、固形の廃プラスチックを燃焼させるには高温でかつ大きい燃焼室が必要であり、石炭や石油コークス等と同じやり方で充填層式の竪型焼成炉での燃料とするのは不適当であった。本発明者らはこの廃プラスチックを竪型焼成炉の燃料に用いる方法を開発するべく種々検討を重ねてきた。竪型焼成炉用燃料としての廃プラスチックの困難性は、温度によって、固体、溶融、ガス化の状態変化を起こして燃焼し、しかもその変化はサイズによって時間差が生じることにある。このため、広範囲なサイズ群からなる廃プラスチックを充填層の任意の領域に連続して供給する時、固体、溶融、ガス化の状態変化が入り交じり、供給ライン、噴射ノズルを閉塞させる。また、充填層内に吹き込まれた固形廃プラスチックの溶融、ガス化がスムースに行われないと空間に堆積しはじめて、原石中に浸透、拡散しなくなり、煤化現象を起こす等の問題を生じる。
【０００６】
本発明の目的は、このような問題点を解決して、廃プラスチックを安価な燃料として使用しうる竪型焼成炉および焼成方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討の結果、廃プラスチック吹込用のランスを新たに設けるとともにその下方の空隙を利用して廃プラスチックをうまく燃焼させることによって供給ライン、噴射ノズルの閉塞、空間堆積、煤化等の問題を解決しうることを見出した。
【０００８】
すなわち、本発明は、
底部がチャンネルで接続された少なくとも２基のシャフト炉よりなり、該シャフト炉の一方の原石充填層に燃料を吹込んで原石を焼成する炉において、該燃料吹込部より上部の原石充填層の径を下部よりも小径としてその段差部に燃料として廃プラスチックが吹込まれる空隙部が設けられていることを特徴とする、石灰やドロマイトのような原石を焼成する竪型焼成炉と、
底部がチャンネルで接続された少なくとも２基のシャフト炉よりなり、該シャフト炉の一方の原石充填層に燃料を吹込んで原石を焼成する炉において、原石充填層内に、燃料として廃プラスチックが吹込まれる底面が開放された通路が設けられていることを特徴とする、石灰やドロマイトのような原石を焼成する竪型焼成炉に関するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明が適用される竪型焼成炉のシャフト炉の数は最低２基あればよく、それ以上幾基あってもよい。このシャフト炉は丸形（円筒形）のほか角形（角筒形）であってもよい。
【００１０】
本発明においては、竪型焼成炉において廃プラスチック吹込用のランスを新たに設け、その径Ｄ_l（ｍｍ）が下記の式を満足するようにする。
【００１１】
【数４】

但し、Ｄ_l ：廃プラスチック吹込ランス径（ｍ）
Ｆ_p ：廃プラスチック供給量（ｋｇ／ｓｅｃ）
ｔ：廃プラスチック着火時間（ｓｅｃ）
θ ：原石安息角（度）
ρ_p ：廃プラスチック嵩密度（ｋｇ／ｍ³）
【００１２】
廃プラスチック吹込ランス６は、図１に示すように、原石充填層５内に進入しているその先端部分に原石が周縁から中心方向に斜めに滑落して安息角（θ）の斜面を形成し、その上方が空隙７になる。本発明においては、この空隙部に加え、空隙部に隣接する石灰間の空隙や、ランス底部の空間も廃プラスチックの燃焼に寄与すると考えて、この空隙部の２倍の容積を燃焼に有効な空隙部容積として［数４］を求めた。
【００１３】
この廃プラスチック吹込ランス径は外径であり、ランスを底面が開放された通路としたときにはその外径すなわち通路と直角方向の下端間の距離である。廃プラスチック吹込ランス径は廃プラスチックの粒径に依存するが、通常１０〜２００ｍｍ程度、特に８０〜１５０ｍｍ程度が適当である。
【００１４】
廃プラスチック供給量は通常８〜６５ｋｇ／ｈ程度、特に４０〜６０ｋｇ／ｈ程度が適当である。この供給量はランス１本当たりのものであり、ランスが底面が開放された通路の場合には、これを正方形の開口が横に連続していると考え、その正方形（外径²）１個当たりの供給量である。
【００１５】
廃プラスチックの着火時間とは燃焼場におかれたプラスチックが着火するまでに要する時間である。この着火時間は廃プラスチックの種類、粒径等に応じて変化するので用いる廃プラスチックを変更する場合には、その着火時間が不明である場合には予め測定しておく。着火時間は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ＡＢＳ等の燃焼性の良好なプラスチックの場合には、雰囲気温度６００℃では粒径１０ｍｍで５０秒程度、２０ｍｍで１００秒程度、粒径３０ｍｍで１８０秒程度である。雰囲気温度が８００℃になると粒径１０ｍｍで５秒程度、粒径２０ｍｍで１０秒程度、粒径３０ｍｍで２０秒程度になる。上記プラスチックに比べて燃焼性の劣るポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等は８００℃で、粒径２０ｍｍで２０秒程度、粒径３０ｍｍで３５秒程度である。廃プラスチックは種々の方法により粒状化され、たとえば押出し、カット等である。本発明ではとくに問わない。
【００１６】
石灰やドロマイト等の原石の安息角は水平面上に上方から石灰やドロマイト等を落下させ、円錐状の堆積を形成させてその斜面の傾斜角を測定した。この安息角は原石の種類、粒度分布等によって変化するが、通常３５〜４５°程度である。
【００１７】
廃プラスチック嵩密度は粉体を充填した容器の容積と重量から測定した。この嵩密度は廃プラスチックの種類、粒形等によって変化するが、通常２００〜４００ｋｇ／ｍ³程度、特に２５０〜３００ｋｇ／ｍ³程度である。
【００１８】
廃プラスチック吹込ランスの数はシャフト炉内径によってかわるが、通常８〜３３本で、通常１本当たりの炉の水平断面積がなるべく均一になるよう配置される。
【００１９】
廃プラスチック吹込ランスはシャフト炉上部側面から垂設し、石灰充填層に進入させればよい。その下端は焼成帯上面と同レベル付近又は最大５ｍの範囲とすればよい。
【００２０】
廃プラスチック吹込ランスを複数設ける場合にはランス先端の高さを変えることができる。その上下差は０．５〜５ｍ程度が適当である。この上下差を設けることによってまず上部に位置しているランスから吹込まれた廃プラスチックを燃焼させ、その燃焼熱を利用して下部に位置しているランスからの廃プラスチックの着火を促進することができる。
【００２１】
炉内に配されるランスは全数が廃プラスチック用または廃プラスチック吹込ランスに加えて通常燃料吹込ランスも併設することも可能である。後者の場合には、図２に示すように、廃プラスチック吹込ランス６の先端（吹出口）を通常燃料吹込ランス４の先端より０．５〜５ｍ（図２のＬ_y）下方に位置させ、かつ水平方向の相互間位置を該石灰焼成炉断面において、全燃料ランスが等間隔配置となる距離より短くすることが好ましい。これは炉内に吹込まれる廃プラスチックの燃焼には高温場が必要なため、通常燃料吹込ランスから下向流で吹出される熱風で廃プラスチック吹込ランス先端付近を予め加熱、好ましくは６００℃以上にしておくためである。全燃料ランスとは廃プラスチック吹込ランスと通常燃料吹込ランスとの合計である。尚、通常燃料吹込ランスに使用される燃料は廃プラスチック以外であり、例えば、重油、微粉炭、微粉コークス、灯油、気体燃料等である。
【００２２】
燃料吹込ランスは通常２重管になっていて、内側に霧化された燃料、その外側にはランス冷却用空気を送るようになっている。ところが、廃プラスチック吹込ランスの場合は廃プラスチックキャリアガスに冷却ガスを兼ねさせることができることからむしろ単管構造のほうが好ましく、単管でもランス壁面を２００℃以下に冷却して廃プラスチックの壁面付着を阻止できるばかりでなく、ランスの耐熱性も向上させることができる。このためガス流速は０．５〜３０ｍ／ｓｅｃ程度とすることが好ましい。その際、支端部の耐熱性を確保するために先端から２ｍ程度はＳＵＳ等の耐熱性材料を用いることが好ましい。
【００２３】
廃プラスチック吹込のため、図３に示すように、予熱帯８の径を焼成帯９の径より小径とし、予熱帯８下端部あるいはそのやや上に肩部１０を設けてそこに廃プラスチック吹込ランス６を接続する方法も有効である。廃プラスチックは肩部１０下に形成される空隙１１に吹込まれる。この予熱帯、焼成帯は丸形、角形のいずれであってもよい。
【００２４】
廃プラスチック吹込ランスとして、図４〜６に示すように、底面が開放された通路１２を焼成帯９の上部に設けることも好ましい。図４〜６の通路１２は図５に示すように断面がアーチ状をしており、図６に示すように平面形状は中心から等間隔に６方向に放射する形状になっている。この放射状通路１２は図４に示すように２段に設けられ、上段と下段とは角度を３０°ずらせて下段の通路１２は上段の通路の中間に位置させている。原石５は各アーチ状通路１２の下縁から中心方向に安息角をもって斜に滑落して空隙１３を形成する。廃プラスチックは炉壁１４に設けられた吹込口１５から空隙１３に吹込まれる。
【００２５】
この通路は、要は原石５の下降流を邪魔して空隙を形成しうる構造であればよく、平板状、三角屋根状等各種の形状とすることができる。材質は耐熱性があればよく、煉瓦、金属等を使用することができる。通路を形成する邪魔部材が架せられた炉壁には開口部を設けて、固形のままの廃プラスチックを吹込む廃プラスチック噴射ノズルを装備する。噴射ノズルは通路の大きさによって固形廃プラスチックが空間の広範囲に噴射分散されるように、単数または複数からなり、また、場合によっては噴射ノズルをスイング運転させる機構を付加する。
【００２６】
空隙の容積は廃プラスチックがそこを閉塞せずに連続的に着火し続けてうるだけ必要であり、
Ｖ≧Ｆ_p×ｔ／ρ_p
Ｖ：廃プラスチック燃焼室空隙部容積（ｍ³）
Ｆ_p ：廃プラスチック供給量（ｋｇ／ｓｅｃ）
ｔ：廃プラスチック着火時間（ｓｅｃ）
ρ _p ：廃プラスチック嵩密度（ｋｇ／ｍ³）
なる式を満足するようにする。具体的には５０秒間吹込まれても閉塞しない容積（５０秒間の吹込量を収容しうる容積）が目安となる。
【００２７】
本発明の竪型焼成炉で燃料として使用される廃プラスチックは燃焼するものであればよいが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニール、ポリ塩化ビニリデン、古紙または、これらの２種以上の混合物である。廃プラスチックは大きすぎると吹込み困難であるばかりでなく着火に時間がかかるので適当な粒径の上限は３０ｍｍ程度、好ましくは２０ｍｍ以下である。下限は特にないが、通常３ｍｍ以上である。
【００２８】
焼成する石灰石の粒径は従来と同様でよく、通常１０〜１５０ｍｍ程度、好ましくは４０〜８０ｍｍ程度である。
【００２９】
図７の装置を例として、操業方法を説明する。
【００３０】
この炉は２−シャフト１、２から構成され、両シャフト１、２の上部にスロート１６と称される炉の切替装置が配され、１シャフト１に燃焼空気を供給して、他シャフト２に排気口を設ける。
【００３１】
スロート１６はあるインターバルで切り替わり、スロート１６の燃焼空気供給側に該当するシャフトが「燃焼」、排気口側が「蓄熱」と交互になる。両シャフト１、２はそれぞれ上方から予熱帯、焼成帯、冷却帯を有して焼成帯下部はチャンネル３部を介して結合されている。
【００３２】
両シャフト１、２冷却帯の下方は切り出し装置１７と冷却空気吹き込み口が設けられて、シャフト内の製品を冷却しながら下降させ、炉外に排出させる。
【００３３】
炉内に吹込まれた廃プラスチックの燃焼には、高温場が必須条件（約６００℃以上）であり、５００℃ではどの廃プラスチックも燃焼しなかった。このため、炉のスタートアップ時に種々の手段により、ランス先端を昇温させる。例えば、２本のシャフト炉を連結するチャンネル部から燃料（気体、液体、固体）を吹込む、ランス先端に固体燃料（コークス、石炭など）を積層し、燃焼させるなどである。以上の手段により、廃プラスチック吹込ランス先端の雰囲気を高温状態に設定した後、ランスから廃プラスチックを吹込み、燃焼を開始する。
【００３４】
廃プラスチック吹込み前に液体燃料を吹込んで、燃焼させると雰囲気温度が上昇するため、その後廃プラスチック供給を開始しても、迅速に廃プラスチックが燃焼するため、ランス内での廃プラスチックの存在は発生しない。一方、吹込み初期に廃プラスチック供給速度を小さくさせて、廃プラスチックを着火、燃焼させると、雰囲気温度上昇するため、その後廃プラスチック供給量を増大させ、定常値に設定しても、燃焼速度が速いため、ランス内での廃プラスチックの残存は発生しない。
【００３５】
充填層内空隙部（ランス先端空間等）に吹込まれる廃プラスチックは、空隙部に堆積する。
【００３６】
この堆積した廃プラスチック粒子は、十分な酸素濃度がある高温場において、昇温→溶融→分解、気化→着火→燃焼という過程を経る。ここで、投入廃プラスチックは溶融するまでは上記空隙部に滞留するが、気化後は、石灰石の充填層を浸透して、着火、燃焼に至る。
【００３７】
従って、廃プラスチックの空隙部滞留時間は、廃プラスチックの着火時間に依存すると考えられ、いかに短時間で着火させるかということが、使用可能な廃プラスチック粒径、種類を決定する。
【００３８】
ガスの流れは図７で説明される。同図において、燃焼空気はスロートから左側シャフトの上部へ吹き込まれ、同シャフトの焼成帯上部まで下降する。その間に予熱帯の石灰石と熱交換して６００℃以上に加熱される。一方、空隙部位の石灰石は同温度以上を保持しており、同温度雰囲気に吹き込まれた固形廃プラスチックは空隙で固体−溶融−ガス化して石灰石中に浸透、拡散して石灰石間の空隙部で燃焼しながら下方へ移行する。そして、焼成帯を移行する間に完全燃焼して高温ガスを生成する。一方、焼成帯の石灰石はこの高温ガスを受けて脱炭酸反応する。チャンネル部位まで下降した温度ガスはチャンネルを通って右のシャフトに入り上昇する。この際、同シャフト内の石灰石を加熱して反応させる。そして、同シャフトの予熱帯を上昇する際、石灰石を予熱してスロートの排気口から炉外に排出される。この状態か１０数分間続けられた後、左シャフトの廃プラスチック供給は停止され、その後、右シャフトに燃焼空気が供給され、右シャフトの廃プラスチック供給が開始される。つまり、右シャフトが「燃焼」に入り、左シャフトが「蓄熱」となる。
【００３９】
このように、シャフトの切替えによって、焼成帯上部の空隙部は６００℃以上の温度を維持して吹き込まれた固形燃料を溶融−ガス化して焼成帯で完全燃焼を行い、平衡状態のガスの温度分布を形成する。
【００４０】
なお、同炉において、廃プラスチック吹き込みは上述の焼成帯上部だけでなく、炉内の熱量不足を補うために、チャンネル部に吹き込むことも可能である。
【００４１】
【実施例】
図７の竪型石灰焼成炉の上部肩部よりランス径１００ｍｍの廃プラスチック吹込ランス４本を等間隔に垂設した。この焼成炉のシャフト１、２は能力が７５ｔ／ｄで角形をしている。
【００４２】
廃プラスチックとして平均粒径１０ｍｍ、嵩密度３００ｋｇ／ｍ³のポリエチレンを用い、これを各ランスに１９ｋｇ／ｈで供給した。廃プラスチック吹込ランス下の空隙の温度は８００℃であり、着火時間は５秒であった。また、石灰石の安息角は４５°であった。
【００４３】
この場合、廃プラスチックの円滑燃焼に必要な最小ランス径は
【数５】

である。
【００４４】
焼成条件および結果を下表に示す。
【００４５】
【表１】

【００４６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、新しい燃料として注目されている産業廃棄物の廃プラスチックを充填層式立型石灰焼成炉の燃料として、有効活用することが可能となり、かつ製品品質を従来同様に維持しながら、製造コストの大幅低減を実現せしめた。
【図面の簡単な説明】
【図１】廃プラスチック吹込ランス先端部周辺の断面図である。
【図２】廃プラスチック吹込ランス先端を通常燃料吹込ランスより下方にした状態を示す側面図である。
【図３】廃プラスチック吹込ランスの他の例を示す側面図である。
【図４】廃プラスチック吹込ランスの他の例を示す断面図である。
【図５】図４のランスの断面図である。
【図６】図４のランスの平面図である。
【図７】従来の竪型石灰焼成炉の一例の構造を示す図である。
【符号の説明】
１，２…シャフト炉
３………チャンネル
４………通常燃料吹込ランス
５………原石
６………廃プラスチック吹込ランス
７………空隙
８………予熱帯
９………焼成帯
１０……肩部
１１……空隙
１２……通路
１３……空隙
１４……炉壁
１５……吹込口
１６……スロート
１７……切出装置

Claims

底部がチャンネルで接続された少なくとも２基のシャフト炉よりなり、該シャフト炉の一方の原石充填層の上から燃焼空気を吹込みかつ原石充填層に燃料を吹込んで原石を焼成する炉において、
該燃料吹込部より上部の原石充填層の径を下部よりも小径としてその段差部に空隙を形成してそこに燃料として廃プラスチックを吹込むランスが設けられ、
該空隙部の容積が、Ｖ≧Ｆ _ｐ ×ｔ／ρ ｐ
_Ｖ：廃プラスチック燃焼室空隙部容積（ｍ ^３））
Ｆ _p ：廃プラスチック供給量（ｋｇ／ｓｅｃ）
ｔ：廃プラスチック着火時間（ｓｅｃ）
ρ _p ：廃プラスチック嵩密度（ｋｇ／ｍ ³ ）
なる式を満足することを特徴とする、石灰やドロマイトのような原石を焼成する竪型焼成炉
底部がチャンネルで接続された少なくとも２基のシャフト炉よりなり、該シャフト炉の一方の原石充填層の上から燃焼空気を吹込みかつ原石充填層に燃料を吹込んで原石を焼成する炉において、
原石充填層内に、底面が開放された通路を設けてそこに廃プラスチックを吹込むランスが設けられ、該通路の下にはＶ≧Ｆ _ｐ ×ｔ／ρ ｐ
_Ｖ：廃プラスチック燃焼室空隙部容積（ｍ ^３））
Ｆ _p ：廃プラスチック供給量（ｋｇ／ｓｅｃ）
ｔ：廃プラスチック着火時間（ｓｅｃ）
ρ _p ：廃プラスチック嵩密度（ｋｇ／ｍ ³ ）
なる式を満足する空隙部が設けられていることを特徴とする、石灰やドロマイトのような原石を焼成する竪型焼成炉