JP4540044B2 - 回転式熱交換装置用リフター、それを装備した回転式熱交換装置、およびニッケル酸化鉱石の熱処理法 - Google Patents

Description

本発明は、回転式熱交換装置用リフター、それを装備した回転式熱交換装置、およびニッケル酸化鉱石の熱処理法に係り、詳しくは、傾斜して設置の円筒状シェルに投入された原料を、装入側から排出側に向けて移動させる間に回転するシェル内で高温ガスと接触させ、熱交換効果を高めることができる回転式熱交換装置用リフターやそれに関連した鉱石熱処理法等に関するものである。

製鋼用二次原料であるフェロニッケルメタルは、ニッケル酸化鉱石を乾燥し假焼した後に溶解し、製錬処理を施すことによって得られる。そのために、ニッケル鉱石は予めその水分含有率が整えられ、ロータリキルンを移動する間に乾燥、予熱、假焼される。假焼されたニッケル酸化鉱は電気炉で溶解され、フェロニッケルメタルとして精製されると、生成スラグとは独立して溶湯の状態で取り出される。

ところで、ニッケル酸化鉱石は熱帯や亜熱帯といった湿潤気候帯で産出されることが多く、風化して細かく従って泥状であったり粘土質となっている。このニッケル鉱石はキルン排出側に設けられたバーナの火焔輻射によったり流通熱ガスとの接触により假焼されるが、その假焼前には乾燥し予熱しておく必要がある。

ロータリキルンは、鉱石原料を収容して回転するシェルが假焼物の排出側に向けて僅かに下り傾斜して設置される。炉体のゆっくりした回転に伴い内壁に沿って持ち上げられた原料は、安息角を越えると滑り落ちるカスケード運動を繰り返しながら、原料装入側から排出側へと移動する。一方、バーナによる微粉炭およびオイル燃焼によって発生した高温ガスは、キルン外の誘引送風機によって原料の装入側に向けて流通し、その間に接触した原料を乾燥し予熱する。

ところで、燃焼ガスは原料との接触により漸次降温するので、原料の水分が高いと乾燥や予熱に多くの時間とガス量を要し、乾燥・予熱ゾーンを長くしなければならなくなる。所望する假焼度を得るには、例えば１２０メートルを越える炉長が要求されることも稀でなくなる。

乾燥および予熱を可及的に短時間で終えるためには、乾燥・予熱ゾーンを通過するガス温度を高くしておくことが望まれる。しかし、燃焼ガス温度を上昇させるがためにキルン排ガス温度が３００℃ともなると、排ガス処理設備とりわけバグフィルタといった集塵器における耐用温度を超過する。排ガス温度を例えば２５０℃までにとどめようとするとバーナでの燃焼は抑えねばならず、電気炉に装入される鉱石の假焼不足を招いて電気炉負荷を大きくしてしまう。

ところで、原料はキルンの回転で混ぜ返されて熱交換の機会が増やされるとはいえ、熱ガスとの接触は流動原料層の表面部分に限られる。しかも、内壁に沿って持ち上げられる高さも原料の安息角に支配されることになり、通過ガスの大部分は原料層上の空間を素通りする。

ガスの持つ熱エネルギの原料への転化を高めるため、特公昭６３−３５５７２号公報には、炉内壁に幾つかの突起を設けることが開示されている。これは図１７に示すように、リフター５１を耐火壁５２の表面から突出させたものであり、破線で示した原料層５３の崩れを抑えて、実線の原料層５４のように層表面を拡げる。さらに一部の原料５５をリフター５１によって大きく持ち上げ、それを高所から落下飛散させ、その間も熱ガスとの接触の機会を与えるようにしている。

しかし、このリフターの採用によっても、所詮原料と熱ガスとの接触は断続的にしかなされない。また、原料層上には大きな空間を依然として残しており、ガスと原料との熱交換率は高いと言えない。特開昭５２−５７２２８号公報には、キルン断面を複数のセルに仕切るリフターが開示されている。これには、図１８に示すごとく、シェル軸心から放射状に延びるプレート６１が使用される。

この三枚のプレートからなるリフター６２は乾燥・予熱ゾーンに設置され、各セル６３で持ち上げられた原料６４を、そのセル内でプレート上を激しく滑らせ、順次假焼ゾーンへ送り出すというものである。原料はセル内で頻繁にかつ大きく攪拌されるので、熱ガスとの熱交換が促進され、ロータリーキルンの生産性を向上させ得るかのように見える。

しかし、このリフターによれば、原料表層の乾燥は進むが未乾燥原料と混在した状態が維持されるので、乾燥原料が未乾燥原料と熱ガスとの接触を阻害する。しかも、プレート交差部の尖った空間はキルン軸心近傍に位置するので、キルンの回転がこの部分の原料に及ぼす刺激は弱い。原料に水分が多い場合には交差部で付着し、これが成長するとセル内原料の混合は減退して熱交換率を落とす。原料のプレート膠着は熱ガスの流通路を狭め、下流に位置する假焼ゾーンにおける原料加熱の遅速も招く。
特公昭６３−３５５７２号公報 特開昭５２−５７２２８号公報

本発明は上記した問題に鑑みなされたもので、その目的は、原料全体の熱ガス接触度を高めて原料とガスとの高い熱交換率を達成できること、水分の多い原料であってもそれが付着して原料の動きを停滞させないようにしておくことができることおよびその乾燥・予熱を短いゾーンで可能にすること、バーナによる燃焼ガス温度を高めて原料假焼度を上げても、キルン排ガス温度を排ガス処理設備の機能維持温度以下に保持できるようにすること、燃焼ガス温度の上昇を図って次工程の電気炉操業負荷を軽減できること、その結果、キルンの安定した操業と高い生産性を確保できるようにしたリフターやそれを装備した回転式熱交換装置を提供することである。

さらには、キルン内の雰囲気温度を鉱石装入側においても可及的に高くできるようにして、キルン内温度の全体的嵩上げによりニッケル酸化鉱石の乾燥・予熱・予備還元・假焼作用を向上できるようにすること、バーナの燃焼度を上げるなどしてもキルン排ガス温度を下げまた排ガスボリュームも減らし、電気集塵設備における負荷の低減が図られるようにしたニッケル酸化鉱石熱処理法を提供することである。

本発明は、円筒状シェルに投入された原料を、装入側から排出側に向けて移動させる間に、回転するシェル内で原料装入側に向けて流通する高温ガスと接触させて熱交換できるようにした回転式熱交換装置で使用されるリフターに適用される。その特徴とするところは、図１を参照して、円筒状シェル４の内径の１／６以上の大きさの開口を原料装入側に持ち、そのシェルと同心状をなすインナーセル１２と、このインナーセルの外周スペースを、ラジアルプレート１１によって周方向に仕切った複数のアウターセル１３とを、円筒状シェル４の長手方向の一部の箇所に形成することができるようにしたことである。

インナーセル１２を画成するリーフプレート１０は、各アウターセル１３内の原料の一部をインナーセル１２へ篩い落とす孔付きパネルとなっている。また、アウターセル１３を画成するラジアルプレート１１も、各アウターセル１３内の原料の一部を隣りあうアウターセル１３に篩い落とす孔付きパネルとなっている（図４も参照）。

リフター７は、図８に示すように、アウターセル１３の原料入口側に、シェル軸線４ａに対して傾斜したスクレーパ３１を備える。

リフター７は、図３にあるように円筒状シェル４に直接固定されるものでよいが、図１０および図１１に示すように、円筒状シェル４に内挿可能なキャリッジ３２Ｂ，３２Ｃを装着させたものでもよい。

リフター７は、図１５の（ａ）に示すごとく、インナーセル１２の原料排出側にインナーセルへの熱ガス流入を阻止してアウターセル１３のみへ熱ガスを導入させるカバーガイド３５を備える。また、（ｂ）にあるように、インナーセル１２の原料排出側にインナーセルへの熱ガス流入量とアウターセル１３への熱ガス導入量を調整するガイドコーン３６を備えるようにしてもよい。

リフターは回転式熱交換装置に装備されればよいが、その熱交換装置はロータリキルン１であったり（図２を参照）、図示しないロータリドライヤであったり、図１６に示す熱回収用ロータリドラム４１といった態様で実用に供される。なお、ロータリキルンとする場合には、リフター７とキルンバーナ３との間に投炭装置８（図２を参照）を備えさせておくとよい。

ニッケル酸化鉱石の熱処理法の発明は、図２を参照して、円筒状シェル４の假焼物排出側に位置するバーナ３で発生させた燃焼ガスによりニッケル酸化鉱石２を假焼し、その後中流域に到達した熱ガスに炭材８ａを供給して燃焼させ、ガス温度の低下を抑制すると共に還元性雰囲気を醸成してニッケル酸化鉱石２を加熱および予備還元し、上流域に到った熱ガスにより、前記円筒状シェル４と同心状をなして長手方向へ延びるインナーセル１２を画成するリーフプレート１０と、そのインナーセルの外周スペースを周方向に仕切って複数のアウターセル１３を画成するラジアルプレート１１によってシェル回転方向へ周回されたニッケル酸化鉱石２を、乾燥および予熱するようにしたことである。

図１４の（ａ）に示すように、リーフプレート１０は孔付きパネルで形成しておき、各アウターセル１３Ｆ内の鉱石の一部を前記インナーセル１２Ｆ内に篩い落とし、アウターセル１３Ｆに残留する鉱石の乾燥を速めるようにする。もしくは、（ｂ）に示すように、ラジアルプレート１１に孔付きパネルを採用して、各アウターセル１３Ｇ内の鉱石の一部を隣りあうアウターセルに篩い落とし、アウターセルに残留する鉱石の乾燥を速めるようにすることもできる。

本発明によれば、リフターは、シェルと同心状で長手方向へ延びシェル内径の１／６以上の開口を有するインナーセルとその外周空間を分割したアウターセルとを円筒状シェルの一部に形成することができるものである。アウターセルは軸心から離れてシェル回転の影響を受けやすく、従って水分の多い原料であってもセル壁への付着を少なくして、原料の動きの鈍りを可及的に少なくする。原料の流動や混合が活発になれば、熱ガスとの接触の機会が増えて熱交換率が大いに向上する。

インナーセルを取り巻くリーフプレートを孔付きパネルで形成しておけば、各アウターセル内で乾燥させた原料をインナーセル内に篩い落とすことができる。アウターセル内では、残った原料の乾燥と予熱が速められる。篩い落とされた原料は、インナーセルを通過する熱ガスにより一層の乾燥と予熱が進む。流通ガスの熱エネルギの多くが原料に転化される。

ラジアルプレートを孔付きパネルで形成すれば、乾燥させた原料を隣りあうアウターセルに篩い落とすことができる。元のアウターセル内での熱交換は残った原料のみを対象とし、熱ガスのエネルギを原料の乾燥や予熱に充てる率が上がる。隣のセルに篩い落とされた原料は、そのセルの空間を流通する熱ガスによりさらに乾燥し予熱され、これによって熱ガスの降温が一層促進される。

シェル軸線に対して傾斜するスクレーパを各アウターセルの原料入口側に設ければ、原料をセルに掻き入れやすくなる。リフターの背面は後続するアウターセルに供給される原料を集めやすい位置へ案内し、セル入口直前での原料の散らばりが抑えられる。

リフターを円筒状シェルに固定しておけば、炉壁に施す不定形耐火材によって固定部分を覆っておくことができ、リフター取付部の熱保護がなされる。リフターがシェルと共に安定的に回転するので原料を持ち上げたときのリフターの変形は最小限に留まり、原料の流動に伴い発生する振動も抑制される。リフターにキャリッジを装着しておき、このキャリッジを介して円筒状シェルに着脱すれば、リフターのリニューアルは迅速となる。

インナーセルの原料排出側にアウターセルのみへ熱ガスを導入させるカバーガイドを取りつければ、熱ガスのインナーセルへの流入が阻止され、アウターセルで混合される原料の乾燥や予熱はおおいに促進される。インナーセルの素通り相当分のガス量を減らせば、回転式熱交換装置の運転エネルギの節減も図られる。

インナーセルの原料排出側に、インナーセルとアウターセルとの熱ガス導入量を調整するガイドコーンを設けてもよい。アウターセルへの熱ガス導入を促進できるだけでなく、インナーセルへも熱ガス供給を可能にする。インナーセル内で飛散しもしくは堆積する乾燥原料に対して、熱ガスの過剰供給を避けることができる。

リフターを回転式熱交換装置に搭載すれば、その熱交換装置での熱交換率が上がる。乾燥・予熱ゾーンの短縮化が図られ、装置の長大化が抑えられる。熱交換後のガス温度の低下も促進され、これに伴い排ガスのボリュームダウンもなされ、排ガス処理設備がある場合にはそれに及ぼす負荷を軽くする。一方、排ガス温度の低下は燃焼ガス発生時の高温化を許容し、原料の加熱度向上を可能にする。下流側に電気炉設備が存在する場合、その操業負荷の低減に大いに寄与する。結局、回転式熱交換装置の安定した稼働が維持されると共に、高い生産性が確保される。

上記した回転式熱交換装置がロータリキルンであれば、原料の假焼温度を高め、その加熱ガスの流通を利用して原料を予め乾燥し予熱することが容易なる。ロータリキルンのリフターとバーナとの間に投炭装置を設けておけば、バーナによって発生させた燃焼ガスが流通する間に降温しても中流域で加熱することができ、長いキルンの内部温度の嵩上げが図られる。リフターに到達する熱ガスの温度は高く維持され、原料装入側でのリフターによる乾燥・予熱が一層促進される。

上記した回転式熱交換装置がロータリドライヤであれば、熱交換率の高いリフターによってドライヤ長を短くすることができる。また、導入される熱ガス温度を低くしても乾燥が促進されやすく、設備の小型化や投入エネルギの節減が図られる。ロータリドライヤは各種プラントにおける事前処理段階で広く用いられる産業機械であり、既存ドライヤにも簡単に取りつけられ、その熱交換能力の改善に大いに寄与する。

上記した回転式熱交換装置を熱回収用ロータリドラムとし、高温の不定形物を装入して空気と熱交換させれば、空気を介して熱エネルギを回収できる。例えば各種金属製錬設備で発生する高温スラグを装入し、その熱エネルギを回収する際にリフターによって供給空気の初期温度上昇を速めることができる。

ニッケル酸化鉱石の熱処理法の発明によれば、ニッケル酸化鉱石を假焼した後の排ガスに投炭して燃焼させれば、ガス温度の低下が抑制されると共に還元性雰囲気を醸成してニッケル酸化鉱石の予備還元を促進させることができる。リフターへは温度低下の少ない熱ガスが到達し、水分の多い鉱石の乾燥と予熱を捗らせる。リフターはアウターセル内で鉱石を大きく混ぜ返し、乾燥および予熱の進行を速めてニッケル酸化鉱石の假焼の準備を整えやすくする。

リーフプレートを孔付きパネルで形成すれば、各アウターセル内の鉱石の一部をインナーセル内へ篩い落とすことができる。インナーセルを通過する熱ガスによって落下鉱石の予熱は飛躍的に向上する。アウターセル内では遅乾鉱石の熱交換が進められ、熱ガスの保有エネルギの多くが水分蒸発と鉱石予熱に充てられる。鉱石の予熱温度が上がれば炭材の燃焼温度も高くなり、炭材含有揮発分の焼却も進む。

ラジアルプレートを孔付きパネルとしておけば、各アウターセル内の鉱石の一部を隣りあうアウターセルに篩い落とすことができる。アウターセル内での遅乾鉱石の熱交換が進むことはもちろんのこと、乾燥鉱石が混入してきたアウターセルの鉱石層への持込み熱エネルギが増加する。鉱石の乾燥および予熱が十分になされれば、假焼前の予備還元率も上がる。

以下に、本発明に係る回転式熱交換装置用リフター、それを装備した回転式熱交換装置およびニッケル酸化鉱石の熱処理法を、図面を参照しながら詳細に説明する。図２は本発明が適用されたロータリキルン１であり、装入されたニッケル酸化鉱石２をバーナ３で発生させた燃焼ガスで加熱し、電気炉で製錬する前段階で鉱石の乾燥・予熱・假焼の処理が施されるようになっている。すなわち、傾斜して設置の円筒状シェル４に投入された原料鉱石２を、装入側から排出側に向けて矢印５方向へ移動させる間に、回転するシェル内で熱ガスに接触させて熱交換する。

このロータリキルン１は、リングギヤー１ａがシェル４を取り巻いており、それに噛みあうピニオン１ｂが図示しないモータで駆動され、前後に配置されたタイヤ１ｃ，１ｃに支えられて、１ないし１０ｒｐｍ程度で回転する。シェル４の内面は耐火煉瓦６Ａや不定形耐火物６Ｂなどで耐火処理が施され、假焼物２Ａを排出する側にバーナ３を備える点では公知のロータリキルンと異なるところがない。しかし、次に説明するリフター７と投炭装置８が備えられる点に注目すべきで、とりわけリフターは公知のものと著しく相違し、鉱石との熱交換率を飛躍的に向上させる配慮が払われている。

リフター７を詳しく述べると、図３に示すように、主としてコラム９、リーフプレート１０、ラジアルプレート１１とで構成される。そのプレート１０，１１は、後述するインナーセル１２とアウターセル１３とを画成する。コラム９は放射状に延び、その基部は円筒状シェル４に溶接されている（図３の右側の部分破断表示箇所を参照）。このリフター７は、円筒状シェル４の長手方向の一部の箇所、図２で言えば鉱石２の移動方向の上流側の乾燥・予熱ゾーン１Ａに設置される。

リフター７は、図３に示すように、シェルの一断面で８本のコラム９を有し、図示しないが、ある距離を隔ててシェル軸方向の他の断面においても並べられる。コラム９は３枚のフラットプレートからなるＨ形をした溶接組立品で、それぞれにＶ字形のトッププレート９ａやブラケット９ｂを介してボルト止めされた連結ビーム９ｃが取りつけられ、リフターとしての保形が図られる。なお、ウエブ９ｗを挟んで対向するフランジ９Ｐa ，９Ｐb は幅が異なっており、個々のラジアルプレート１１をコラム９に取りつけやすくしている。

トッププレート９ａと連結ビーム９ｃには、インナーセル１２とアウターセル１３の境界をなすリーフプレート１０が、当板で押さえてボルト止めされる。結果として、熱ガスを通過させることができる正八角形のインナーセル１２がシェルと同心状に形成される。このインナーセル１２の原料装入側の開口の大きさは、後で述べる理由でシェル内径とりわけ耐火壁面の対向距離の１／６以上に与えられる。

一方、軸線方向に並ぶコラム９，９間にはラジアルプレート１１が、コラムに設けたフィッティング９ｄ，９ｄに幅の狭いフランジ９Ｐb の側から当板してボルト止めされる。このラジアルプレート１１は、インナーセル１２の外周空間を周方向に分割して、８つのアウターセル１３を形成する。

ロータリキルン１の耐火壁の内径が例えば４．８メートルなら、インナーセル１２の開口の大きさは８０センチメートル以上とされる。インナーセルの開口が小さければラジアルプレート１１で仕切られるアウターセル１３を大きくできる反面、シェル軸心に接近して狭隘部分が生じる。ニッケル酸化鉱石は水分が２５％程度に予め整えられるとはいえ付着しやすい性状であるので、キルンに装入された鉱石の層内混合の円滑を図るためには、鉱石層の動きを活発にすることが好ましい。

開口をシェル直径の１／６以上としたのは、アウターセル１３内の鉱石層がシェルの回転の影響を受けやすくする意図である。１／６を下回らなければ、鉱石層内の流動が停滞しがちとなることを回避したり、軸心に近い部分で湿潤鉱石が付着するのを防止できるからに外ならない。なお、図３のように約１／２にしておけば、鉱石の乾燥・予熱に適した熱ガスの流通量を確保しやすく、また鉱石の周回に相応しいリフターの強度や剛性を与えやすくなる。

キルン断面はインナーセル１２を含めて９つのスペースに分割され、そのいずれもが熱ガスを円滑に通過させる。各セルを画成するプレート１０，１１には、例えば２０ミリメートル直径の孔１０ａ，１１ａが、図１に示すように多数設けられる。この孔付きパネルは、各セル内の鉱石の一部を通過させるためのもので、市販のパンチングメタルなどが使される。厚みは例えば５ないし１０ミリメートル程度で十分であるが、鉱石の挙動による磨耗は避けられず、適宜交換される。

シェルの長手方向へ延びるリーフプレート１０は、図４に示すように、各アウターセル１３内の乾燥鉱石の一部および目零れする鉱石をインナーセル１２に落とし、ラジアルプレート１１は隣りあうアウターセル１３へ篩い落とす。ニッケル酸化鉱石は含水率が高いので、乾燥したものと未乾燥のものとを混在させたままで熱ガスに接触させると乾燥や予熱の遅速をきたす。そこで、乾燥鉱石をできるだけ排除して大粒もしくは塊状の未乾燥鉱石への熱交換を加速するため、既乾鉱石や小粒物を除去できるようにしている。

ちなみに、リフター７はコラム９を円筒状シェル４に溶接して固定されるが、図３に示すように、炉壁に施す不定形耐火物６Ｂで覆い長い耐用性が発揮されるようにしておく。リフターに与えられた断面形状は、リフターに作用する荷重やその変動に対して安定を維持しまた振動を抑えるに好適なものであり、磨耗による損傷を除けば、永続性の高い構造となっている。複数のセルが形成されるから鉱石を分散でき、装入原料の増量も可能となる。なお、リフターの保守点検や修理は手間の掛かるものでなく、定期的なキルン休止時を利用して済ますことができる。

このようなリフター７を備えるロータリキルン１には、図２に示すごとく、その原料移動方向下流側の中流域に投炭装置８が設けられる。投炭装置は石炭８ａを熱ガス中に投入し、外気も合わせて供給することにより自然着火させる。これは、熱ガス温度が降下するのを防止するためと、炭材の燃焼によりニッケル酸化鉱石の予備的な還元反応も促そうとするためである。

投炭装置８はシェル４と共に回転するスクープフィーダ１４と空気供給パイプ１５とを備え、キルン近傍に設けられる図５に示す炭材フィーダ１６から石炭８ａが供給される。石炭に含まれる揮発物質の全部と一部のフリーカーボンは鉱石を加熱する間に焼却され、その燃焼に際して鉱石から酸素を奪う。鉱石の還元は予備的な程度に留まるが、図６に示す電気炉１７での還元処理を軽減する。残余カーボンはその還元溶融工程に供される粉コークスと化す。石炭の燃焼によって、図２中に一点鎖線で示した低温度域の広い通常のロータリキルンの温度分布とは異なり、炉内の高温域が二点鎖線のように拡大される。

スクープフィーダ１４は図５に示すごとくパイプ構造であって、炉体の半径方向に延びる。炉体の下半部を覆うように設置されたトラフ１８内の石炭８ａを、炉外側の開口部１４ａからすくい取ることができる。その開口部１４ａの近傍に設けたバルブ１４ｖの開閉時期を制御することにより、石炭の投入時間と投入量を調整することができる。このバルブを閉めている間は、炉内側の開口部１４ｂから進入した熱気によるスクープフィーダ１４内に付着する石炭の燃焼は防止される。

空気供給パイプ１５は大気開放されているので、炉内圧力が低ければ自然給気が可能となる。図２のように、押込送風機１９によって積極的に新気を供給することもできる。この空気供給パイプ１５に設けた図示しないバルブとスクープフィーダ１４のバルブの開度制御によってなされる中流域の高温化は、假焼物排出側での燃焼ガスの高温維持にも寄与する。

假焼されたニッケル酸化鉱石は電気炉１７へ直ちに送られ、還元溶融される。本発明は電気炉の構造や作動と直接関係がないので、その説明は省く。図６からも分かるように、キルン排ガスを処理するためにロータリキルン１には排ガス処理設備２１が付設される。バーナ３で発生した熱ガスは誘引送風機２２によって吸引され、排ガスに伴われた微細なダストを捕捉すべく、集塵器２３に導かれる。

集塵器として、今日では一般にバグフィルタが使用される。ダストを捕捉するバグは布製であるので、除塵すべき排ガスの温度はバグの耐用温度範囲になければならない。バグフィルタのような乾式集塵器を使用する場合、排ガスは結露を避けるべく１００℃を超えている必要があるが、集塵器としての稼働が問題とならない２５０℃以下に留めておかなければならない。

以上述べた構成をもとに、ロータリキルンにおける作動を図２を参照しながら、以下に説明する。傾斜した円筒状シェル４には、投入シュート２４を介して多含水ニッケル酸化鉱石２が投入される。これが排出方向へ移動する間に回転するシェル内で高温ガスと接触され、電気炉に装入するまでに乾燥、予熱および假焼される。

円筒状シェル４の原料移動方向下流に位置するバーナ３は、１，０００℃を超える火焔を発生させて高温ガスを生成する。上流域で乾燥、予熱、予備還元されたニッケル酸化鉱石２は、火焔の輻射熱や熱ガスとの接触で假焼される。假焼された鉱石２Ａは排出シュート２５から電気炉へ送られる。假焼で熱消費したガスは誘引送風機によって原料装入側へ向かい、中流域に達すると投炭装置８から石炭と適量の外気が供給される。

低下し始めたガス温度は石炭８ａの燃焼により持ち直され、同時に醸成される還元性雰囲気により鉱石２の予備還元と初期假焼が進行する。図７は、鉱石装入端（原料装入側）から１０ないし１５メートルの間（影を付した領域２６）にリフターを設置した場合の温度測定結果の一例を示している。下二本の線はリフターなし投炭装置なしの場合で、上二本は本発明を適用した場合である。

前者の場合を具体的に述べると、鉱石供給速度１００ｔ／ｈｒ、キルン内中間部温度６００℃、キルン内最高温度８５０℃、假焼鉱排出温度７５０℃であり、キルン排ガス温度は２５０℃となり、假焼鉱のニッケル還元率は２５％であった。後者の場合は、鉱石供給速度を１５０ｔ／ｈに増量させたが、投炭設備の効果によりキルン内中間部温度は８００℃にまで上昇し、キルン内最高温度１，１５０℃、假焼鉱排出温度１，０００℃とすることができた。そのときのキルン排ガス温度は２１５℃であり、安定操業が確認されると共に、假焼鉱のニッケル還元率は５０％にも及ぶ結果となった。

図７を見て分かるように、両者を比べると、本発明が適用された場合は温度の著しい嵩上げがなされている。注目すべきは、原料鉱石の温度がリフターの存在する箇所で急激に上昇していることであり、その一方で、排ガス温度は僅かであるが低くなっていることも見逃せない。

中流域から上流域のリフター７に到った高温ガスは、インナーセル１２とその周囲のアウターセル１３を通過する。図４のところで説明したように、ラジアルプレート１１は鉱石２を周回させ、リーフプレート１０は軸心からシェル半径の１／６以上離隔した位置にあって、各アウターセル１３でのシェル回転に伴う鉱石の流動を活発化させる。

アウターセル１３を通過する熱ガスで、流動する鉱石が乾燥し予熱される。乾燥した一部の鉱石は孔付きパネル１１，１２を通過してインナーセル１２や隣りあうアウターセル１３へ移る。残った鉱石はより一層激しく流動して混合が促進されると共に、高温ガスとの接触時間を増やして熱交換が加速される。リフター７を通過した鉱石は図５に示したごとくのカスケード運動をしながら排出側へ移動する。リフター７を通過した排ガスは排ガスダクト２７（図６を参照）を経て集塵器２３へ送られる。

以上の説明から分かるように、インナーセルと複数のアウターセルとを形成するリフターがロータリキルンに設けられるので、鉱石の大部分を移動させるアウターセルが軸心から離れて画成され、鉱石はシェルの回転の影響を受けやすくなる。水分の多い鉱石であっても孔付きパネル１０，１１への付着は抑制され、鉱石の動きが活性化される。鉱石の混合や攪拌が促進されれば熱ガスとの接触の機会が増加し、乾燥・予熱ゾーンにおける熱交換の向上は、その後の予備還元や假焼処理も捗らせ、安定した操業と高い生産性が発揮されるようになる。

熱交換率が上がる乾燥・予熱ゾーンは短くしておくことができ、キルンの長大化が回避される。熱交換後の排ガス温度やガス量の低下も著しくなり、バグフィルタでの熱負荷軽減がなされる。逆に言えば、排ガス温度の低下は燃焼ガス発生側での高温化を許容し、バーナ加熱温度を高めて假焼度を上げれば、電気炉操業時の電力負荷の軽減や電力原単位の低減が図られる。

上記した回転式熱交換装置としてロータリキルンを例にして説明したが、ロータリキルンは産業機械として広く用いられるものであり、ニッケル酸化鉱石の假焼のみならず、他の分野例えばセメント製造設備やごみ焼却灰溶融設備等においても、リフターはその機能を発揮する。

図８は改良されたリフター７Ａの斜視図であり、各セルの原料入口側に、すなわちラジアルプレート１１の前縁に、シェル軸線４ａに対して傾斜した原料掻き寄せ用のスクレーパ３１が設けられている。これは、コラムが装入鉱石の動きを阻害するようなことがあっても、原料を集めてセルに掻き入れやすくする。リフターの背面は後続するセルに供給される原料を掻き集めやすい位置へと案内し、スクレーパを境にした隣りあうセルでの原料の動きを制御しやすくする利点がある。

ちなみに、図示しないが、ラジアルプレート自体をシェル軸線４ａに対して浅く傾斜させたり、長手方向に緩やかに曲げておくこともできる。これは、セルの原料入口での鉱石の停滞解消よりも、セル内での鉱石の下流方向への移動を滑らかにする。その傾斜や曲がりの角度は、原料入口側でクローズであり、原料排出側ではオープンにすればよい。

図２の例は、リフター７が投入シュート２４から約１０メートル離れている場合を想定して描いたものであるが、図９はリフターを投入シュートの直近に配置した例である。原料の含水量が多くなければ、すなわち水分蒸発のための領域を長く確保しておく必要がない原料を加熱の対象とする場合に適用することができる。

（ａ）は、投入シュート２４Ａの先端がリフター７の原料入口近くに臨んでいる例である。シュートから流落する原料２ａが、シェル４の下部位に位置したアウターセル１３Ｍ内に直接投入されるようにした例である。（ｂ）は上部位に周回してきたアウターセル１３Ｎに投入シュート２４Ｂから直接原料２ａを投入する例で、原料がこぼれても下部位で周回するアウターセルですいく取らせることができる。

この図９からも分かるように、ロータリキルン１に装着されるリフターは一基とは限らない。（ａ）は二基を連続して設置した例であり、（ｂ）は両者の間隔を少し隔てた場合である。前者は原料を連続して周回させるが、後者では第二ステージのリフター７Ｎが第一ステージのリフター７Ｍの各セルからの原料を混ぜ合わせた状態ですくい取ることになる。この場合、乾燥および予熱された原料の熱を未乾燥原料に転化させると共に未乾燥原料の流動性を上げることに寄与し、熱交換効果はより一層増進する。

ところで、リフターはシェルに直接溶接して固定されていると説明してきたが、コラムをキャリッジに固定し、リフターをキャリッジと共に円筒状シェルに内挿できるようにしてもよい。図１０は図１などと同様にコラムを省いて描かれたリフター７Ｂを示すが、スキッド３２Ｂはラジアルプレート１１を止めている図示しない枠材を介して取りつけられる。このスキッドに代えて、図１１に示すごとくのサポートドラム３２Ｃをキャリッジとしたリフター７Ｃとすることもできる。

いずれのリフターもキャリッジ上の不定形耐火物を剥がせば、装入側へ簡単に引き出すことができる。整備済みのスペアリフターを装着し、ずれ防止を施してキャスタブルを打てば、操業に入ることができる。使用済みリフターは、次の置き替え時期までに保守点検しておけばよい。

今まで述べたリフターは、いずれもインナーセルの断面形が正八角形であったが、他の多角形であってもよい。所望するアウターセルの数に見合った形を選択すればよく、図１２は正三角形のインナーセル１２Ｄを持つリフター７Ｄの例である。図中のアウターセル１３Ｄ内の１から１２までの○数字は、原料２の流動形状の変遷順を教えている。インナーセル１２Ｄの存在で、原料がリーフプレート１０Ｄやラジアルプレート１１Ｄに膠着することなく、活発に流動していることが分かる。

インナーセル１２Ｄには鋭角部を残すが、篩い落とされてくるのは乾燥原料が主で、原料の付着や目詰まりの問題は生じない。なお、インナーセルは多角形に限らず、図１３のように円形のインナーセル１２Ｅとしてもよい。このリフター７Ｅではラジアルプレート１１Ｅの取りつけ位置を変更可能としておけば、原料の性状や処理量に応じてアウターセル１３Ｅの数を任意に変更することができる。

図１４は、リーフプレートかラジアルプレートのいずれか一方のみが孔付きパネルである例である。（ａ）はリーフプレート１０が篩の役目を果たし、ラジアルプレート１１Ｆは単なるフラットプレートである。（ｂ）はラジアルプレート１１が篩となっていて、リーフプレート１０Ｇは孔なしプレートである。（ｂ）の場合、インナーセル１２Ｇは各アウターセル１３Ｇをシェル周縁部に押しやる機能を有するにとどまる。極端に言えば、リーフプレートとラジアルプレートが共に孔なしパネルであっても、アウターセルでの原料と熱ガスの接触機会を増やすことができ、インナーセルの存在が本発明の所期の目的を十分に果たさせていることが分かる。

図１５の（ａ）のリフターは、インナーセル１２の原料排出側に、インナーセルへの熱ガスの流入を阻止してアウターセル１３のみへ熱ガスを導入させるカバーガイド３５が取りつけられた例である。このカバーガイド３５は、先に説明した図１４の（ｂ）に適用することができる。この場合、インナーセル１２を素通りするガスを無くして、アウターセル１３での熱交換が高められる。インナーセル流通相当分のガス量を減らせば、運転エネルギの節減も図られる。

（ｂ）では、インナーセル１２の原料排出側に截頭部分で開口するガイドコーン３６が採用されている。これによって、インナーセル１２への熱ガス流入量とアウターセル１３への熱ガス導入量を調整することができる。すなわち、アウターセル１３への熱ガス導入が積極的になされ、飛散しもしくは堆積する乾燥原料を収容するインナーセル１２への過剰供給は回避される。

カバーガイド３５にしてもガイドコーン３６にしても、各図の下に示したように数枚のブレードで形成してその開き度を変更可能にしておくなら、原料の性状に応じたガス分流制御が実現される。なお、ブレードの開度固定はブレードの内外周に、図示しないフープを掛けるなどすればよい。ちなみに、インナーセルは筒状でなければならないというものでなく、図１３に示したように、原料移動方向につれて断面直径が小さくなる錐体であってもよい。アウターセル１３Ｅでの原料の移動を速めたい場合に都合がよい。

本発明はロータリキルンに限らず、図示しないが、ロータリドライヤにも適用できる。そのドライヤの構成は、図２に示したロータリキルンからバーナと投炭装置を取り除き、バーナの位置から他設備の高温排ガスや別途生成した熱ガスを導入する構造としておけばよい。乾燥させたい原料は粉体、粒体、塊状体を問わず、投入シュートから供給できるものであればよい。リフターは原料装入側に限らず、シェル内に複数基を断続的に装備させるなど適宜の選択をすることができる。

熱交換率の高いリフターによってドライヤ長は短くなる。導入する熱エネルギの節減も図られる。バーナを使用してもよく、その場合、燃料原単位は低くなる。ロータリドライヤは各種プラントにおける事前処理段階で広く用いられる産業機械であり、既存ドライヤにも簡単に取りつけられ、熱交換率の改善に寄与させることができる。

本発明は、熱回収用ロータリドラムにも適用することができる。図１６のロータリドラム４１はその一例で、金属製錬設備で発生する高温スラグ２Ｓを装入し、その熱エネルギを回収しようとするものである。投入シュート２４から導入されたスラグ２Ｓが排出シュート２５に向けて移動する間に、空気導入管３７から供給されて矢印３８に流れる空気に熱エネルギを与える。リフター７は高温のスラグに触れることのない箇所、すなわち空気導入管３７に近いところに一基ないし数基が並べられる。

空気は、まずリフター７において周回するスラグ２Ｓによって予熱される。空気はリフター７のラジアルプレート１１によって攪拌され、リフターを通過するたびに昇温する。矢印３８方向に流れるにつれてスラグ温度は高くなるので、回収ダクト３９から導出される時点では、例えば５００℃の熱ガスとなる。この高温ガスは工場内での各種熱源として利用することができる。これから分かるように、本発明に係るリフターは不定形物からの廃熱回収にも有用なものである。

本発明に係る回転式熱交換装置用リフターの模式的斜視図。 リフターを装備したロータリキルンの縦断面図。 リフターの横断面構造図。 リフターにおける鉱石の流動ならびに篩い落とし状態の説明図。 図２中のＶ−Ｖ線矢視断面である投炭装置の拡大断面図。 ニッケル酸化鉱石の精製プラント全体概略図。 ロータリキルン内の熱ガスと原料の温度分布図。 スクレーパを備えたリフターの斜視図。 異なる原料供給形態のロータリキルンにおける原料装入側の部分図。 スキッドを装着させたリフターの斜視図。 サポートドラムを装着させたリフターの斜視図。 三つのアウターセルを形状するリフターにおける原料の挙動説明図。 円形断面のインナーセルが錐状をなすリフターの斜視図。 孔なしパネルを一部に使用した場合の原料の挙動図。 インナーセルにガイドコーン等を付したリフターの斜視図。 熱回収用ロータリドラムの一例の縦断面図。 先行技術におけるリフターと原料の挙動説明図。 シェル断面を放射状プレートで三分割した先行技術例。

符号の説明

１…ロータリキルン、２…ニッケル酸化鉱石（原料鉱石）、３…バーナ、４…シェル、４ａ…軸線、７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ，７Ｆ，７Ｇ，７Ｍ，７Ｎ…リフター、８…投炭装置、８ａ…石炭（炭材）、１０，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｇ…リーフプレート（孔付きパネル）、１１，１１Ｄ，１１Ｅ，１１Ｆ…ラジアルプレート（孔付きパネル）、１２，１２Ｄ，１２Ｅ，１２Ｆ，１２Ｇ…インナーセル、１３，１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆ，１３Ｇ，１３Ｍ，１３Ｎ…アウターセル、１７…電気炉、２３…集塵器（バグフィルタ）、３１…スクレーパ、３２Ｂ…スキッド（キャリッジ）、３２Ｃ…サポートドラム（キャリッジ）、３５…カバーガイド、３６…ガイドコーン、４１…熱回収用ロータリドラム。

Claims (15)

1. 円筒状シェルに投入された原料を、装入側から排出側に向けて移動させる間に、回転するシェル内で原料装入側に向けて流通する高温ガスと接触させて熱交換できるようにした回転式熱交換装置で使用されるリフターにおいて、
   前記円筒状シェル内径の１／６以上の大きさの開口を原料装入側に持ち、該シェルと同心状をなすインナーセルと、
   該インナーセルの外周スペースを、ラジアルプレートによって周方向に仕切った複数のアウターセルと、
   を前記円筒状シェルの長手方向の一部の箇所に形成することができるようにしたことを特徴とする回転式熱交換装置用リフター。
2. 前記インナーセルを画成するリーフプレートは、各アウターセル内の原料の一部をインナーセルへ篩い落とす孔付きパネルとなっていることを特徴とする請求項１に記載された回転式熱交換装置用リフター。
3. 前記アウターセルを画成するラジアルプレートは、各アウターセル内の原料の一部を隣りあうアウターセルに篩い落とす孔付きパネルとなっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された回転式熱交換装置用リフター。
4. 前記アウターセルの原料入口側に、シェル軸線に対して傾斜したスクレーパを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載された回転式熱交換装置用リフター。
5. 円筒状シェルに内挿可能なキャリッジが装着されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載された回転式熱交換装置用リフター。
6. 前記インナーセルの原料排出側にインナーセルへの熱ガス流入を阻止してアウターセルのみへ熱ガスを導入させるカバーガイドが備えられていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載された回転式熱交換装置用リフター。
7. 前記インナーセルの原料排出側にインナーセルへの熱ガス流入量とアウターセルへの熱ガス導入量を調整するガイドコーンが備えられていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載された回転式熱交換装置用リフター。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のリフターが装備されていることを特徴とする回転式熱交換装置。
9. 請求項８に記載の回転式熱交換装置は、ロータリキルンであることを特徴とする回転式熱交換装置。
10. 前記リフターとキルンバーナとの間に、投炭装置が備えられることを特徴とする請求項９に記載された回転式熱交換装置。
11. 請求項８に記載の回転式熱交換装置は、ロータリドライヤであることを特徴とする回転式熱交換装置。
12. 請求項８に記載の回転式熱交換装置は、熱回収用ロータリドラムであることを特徴とする回転式熱交換装置。
13. 円筒状シェルに投入された多含水ニッケル酸化鉱石を、装入側から排出側に向けて移動させる間に、回転するシェル内で高温ガスと接触させて乾燥、予熱および假焼するようにした熱交換方法において、
    円筒状シェルの假焼物排出側に位置するバーナで発生させた燃焼ガスにより、ニッケル酸化鉱石を假焼し、
    その後中流域に到達した熱ガスに炭材を供給して燃焼させ、ガス温度の低下を抑制すると共に還元性雰囲気を醸成してニッケル酸化鉱石を加熱および予備還元し、
    上流域に到った熱ガスにより、前記円筒状シェルと同心状をなして長手方向へ延びるインナーセルを画成するリーフプレートと、該インナーセルの外周スペースを周方向に仕切って複数のアウターセルを画成するラジアルプレートによって、シェル回転方向へ周回されたニッケル酸化鉱石を、乾燥および予熱することを特徴とするニッケル酸化鉱石熱処理法。
14. 前記リーフプレートを孔付きパネルで形成しておき、各アウターセル内の鉱石の一部を前記インナーセル内に篩い落とし、当該アウターセルに残留する鉱石の乾燥を速めるようにしたことを特徴とする請求項１３に記載されたニッケル酸化鉱石熱処理法。
15. 前記ラジアルプレートを孔付きパネルで形成しておき、各アウターセル内の鉱石の一部を隣りあうアウターセルに篩い落とし、当該アウターセルに残留する鉱石の乾燥を速めるようにしたことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載されたニッケル酸化鉱石熱処理法。