JP4575242B2 - ロータリーキルン - Google Patents

Description

本発明は食品や廃棄物，セメント原料などを乾燥、或いは一般廃棄物や汚泥，食品滓などの産業廃棄物を熱分解、或いはセメント原料などを焼成する際などに使用されるロータリーキルンに関する。

ドラムを水平状態で回転させて使用するロータリーキルンにおいて、加熱効率を向上するために回転ドラムに攪拌翼を設置することが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、回転ドラムの内面円周方向に複数枚の攪拌翼を設置したものが示されている。

特開平８−２３３２３４号公報（要約）

伝熱量を増加させるために回転ドラムの内面に複数枚の攪拌翼を設置した構造のロータリーキルンは、一般に出口付近で被処理物の飛散量が増大するという問題がある。ロータリーキルンからは固体状生成物とガス状生成物とが排出されるが、ガス状生成物に固体状生成物が多量に混入すると、排ガスの処理が必要になる。また、例えば外熱式のロータリーキルンでは、一般に排ガス中に一酸化炭素，メタン等の可燃性ガスが含まれることから、これを燃焼してロータリーキルンの熱媒体として利用する場合が多い。しかし、この場合に、ガス中に飛散物が混入すると、燃焼する際にバーナの目詰まり等の原因になる。

本発明の目的は、回転ドラムの内面に攪拌翼を設けた構造のロータリーキルンにおいて、伝熱を促進させると共にドラムの出口付近で被処理物の飛散量が増大するのを抑制できるようにしたロータリーキルンを提供することにある。

本発明は、回転ドラムの内面に回転軸と平行或いはほぼ平行に攪拌翼を設けたロータリーキルンにおいて、攪拌翼の高さをドラムの入口側で高く、出口側で低くしたことにある。

攪拌翼は、回転ドラムの円周方向に複数枚設けることができる。また、攪拌翼は回転ドラムの入口側から出口側まで連続した一枚の長い板により形成しても良いし、或いは、複数枚の短尺の攪拌翼を回転ドラムの入口側から出口側まで、連続的に配置或いは断続的に配置しても良い。

一般に、ロータリーキルンは回転ドラムの出口に近づくほど被処理物の乾燥或いは炭化が進み、被処理物は飛散しやすい性状になる。本発明のように、攪拌翼の高さを回転ドラムの入口側で高く、出口側で低くすることにより、被処理物への伝熱を促進すると共に攪拌翼によって持ち上げられる被処理物の量が減少し、飛散を抑制することができる。

本発明のロータリーキルンは、攪拌翼の高さが回転ドラムの入口側で高く、出口側で低くなるように、連続的或いは段階的に変化している。

攪拌翼の高さは、回転ドラム内の全ての領域において、設定されている被処理物の最小の層高よりも低いことが望ましい。特に、設定されている被処理物の最小の層高さに対して０．５倍以上、1倍未満にすることが望ましい。

ロータリーキルンでは、一般に運転効率等を考慮して、回転ドラムに供給する被処理物の層高或いは回転ドラムの内面に接触する被処理物の接触長さを制限していること多い。攪拌翼の高さを被処理物の層高よりも低く設定することにより、被処理物の飛散抑制効果を高めることができる。

攪拌翼は回転ドラムの円周方向に複数枚設置することが望ましいが、その場合の攪拌翼の間隔は、ドラム内面に接触する被処理物の最小の接触長さよりも短く設定することが望ましい。これにより被処理物の混合がより促進される。

短尺の攪拌翼を回転ドラム回転軸方向に複数枚配置し、且つ、円周方向にも複数枚配置する場合、円周方向の攪拌翼の枚数は回転ドラムの入口側で少なく、出口側で多くすることが望ましい。これにより、一層の混合促進が図れる。

攪拌翼のドラム回転方向を向いている面と回転ドラム内面とで作られる角度は、ドラム入口側から出口側まで常に一定であるよりも、ドラム入口側で角度を小さくし、出口側で角度を大きくすることが望ましい。このように攪拌翼を傾斜させて設けることにより、被処理物の飛散抑制効果が高まる。

攪拌翼は、回転ドラムの回転軸方向に配置された複数本の伝熱管と、伝熱管の外周に設けたフィンとにより構成することができる。伝熱管には熱媒体を流すことができる。また、この場合、フィンの長さは回転ドラムの入口側で長く、出口側で短くすることが望ましい。攪拌翼を伝熱管で構成することにより、加熱効率を向上できる。

本発明において、回転ドラムの円周方向に複数枚の攪拌翼を設け、且つ回転軸方向に複数枚の攪拌翼を設ける場合には、円周方向の攪拌翼の間隔を予め設定されている被処理物と回転ドラムの接触部の最小長さよりも狭くし、しかも、ドラム入口側で円周方向の攪拌翼の枚数を少なく、出口側で多くすることが極めて望ましい。

本発明は、水平状態で回転する回転ドラムの内面に回転軸と平行に攪拌翼を設置したロータリーキルンにおいて、攪拌翼を回転ドラムの円周方向に複数枚且つ回転ドラムの入口から出口に向かって複数枚設け、円周方向の攪拌翼の枚数を回転ドラムの入口側で少なく、出口側で多くしたロータリーキルンを提案する。

また、水平状態で回転する回転ドラムの内面円周方向に回転軸と平行に複数枚の攪拌翼を設置したロータリーキルンにおいて、攪拌翼の間隔を予め設定されている被処理物と回転ドラムの接触部の最小長さよりも狭くしたロータリーキルンを提案する。

更に、水平状態で回転する回転ドラムの内面に回転軸と平行に複数枚の攪拌翼を設置したロータリーキルンにおいて、攪拌翼を回転ドラムの円周方向に複数枚且つ回転ドラムの入口から出口に向かって複数枚設け、円周方向の攪拌翼の間隔を予め設定されている被処理物と回転ドラムの接触部の最小長さよりも小さくし、円周方向の攪拌翼の枚数を回転ドラムの入口側で少なく、出口側で多くしたロータリーキルンを提案する。

以下、外熱式のロータリーキルンに本発明を適用した実施例について、図面を用いて説明するが、本発明は以下に述べる外熱式ロータリーキルンに限定されるものではない。

図１は本発明によるロータリーキルンの全体像を示した概略構成図である。本実施例のロータリーキルンは、回転ドラム１、加熱ガス５４の流路である加熱ガスジャケット２、被処理物５１を供給するためのスクリューフィーダ３、被処理物５１から発生する固体状生成物５２とガス状生成物５３を分離する出口フット４、回転ドラムに設置された攪拌翼５から構成されている。回転ドラム１は円筒状であり、回転軸を中心として水平状態で回転する。回転ドラム１の一端にはスクリューフィーダ３が連結されており、他端は出口フット４に挿入されている。回転ドラム１の外周には、加熱ガスジャケット２が配置されている。

攪拌翼５は、高さが異なる板を接続して一枚の板状にしたものであり、回転ドラムの入口側の高さが高く、出口側に行くにつれて高さが段階的に低くなっている。高さは段階的ではなく連続的に低くしてもかまわない。攪拌翼５は回転ドラム１の回転軸と平行に設けられており、また、回転ドラムの円周方向に等間隔に８枚設けられている。

図２は攪拌翼の高さ及び被処理物の層高が、回転ドラムの入口から出口に向かって変化する様子を示したものであり、回転ドラム内の全ての領域で攪拌翼の高さが被処理物の層高とほぼ等しくなっている。

ロータリーキルンを例えば乾燥プロセスに使用する場合には、回転ドラムの出口に近づくほど、被処理物の含水率は低下し、みかけの比重が小さくなる。また、廃棄物や食品滓等の熱分解プロセスに使用する場合には、回転ドラムの出口に近づくほど、被処理物は炭化が進み、同時に粉化する。その結果、下流に行くほど被処理物は飛散しやすくなる。しかし、本実施例のように、出口側の攪拌翼の高さを低くすると、攪拌翼によって持ち上げられる被処理物の量が減少すると同時に、落下の高低差が小さくなる。これにより、被処理物の飛散は抑制される。

なお、本実施例のように回転ドラム内面にほぼ垂直に攪拌翼が設けられている場合には、回転ドラム直径をＤ（ｍ）、回転ドラム長さをＬ（ｍ）、回転ドラムの回転数をＮ（ｒｐｍ）、被処理物の供給速度をＦ（ｋｇ／ｍｉｎ）、被処理物の嵩密度をρ（ｋｇ／ｍ^３）、被処理物の安息角をβ（°）としたときに、被処理物の層高ｈ（ｍ）を以下の式で求めることができる。

ｈ＝Ｄ／（０．７４／Ｆ×Ｄ^４×Ｎ×ｃｏｔβ×ρ／Ｌ）^{１／２．０５}
回転ドラムの長さＬを回転ドラムの入口からの距離に置き換えることにより、各位置での層高ｈを求めることもできる。

図３は、攪拌翼が無い場合を基準にして、本実施例による攪拌翼を設けた場合の熱伝達係数ｋの改善率を回転ドラムの領域ごとに示したものである。比較のために、攪拌翼が無い場合を基準にして、高さが一定の攪拌翼を設けた場合の熱伝達率ｋの改善率を図１６に示す。ここで、熱伝達係数ｋは、回転ドラムに与える熱量をＱ、回転ドラムの加熱部の面積をＡ、回転ドラムの入口部と出口部の温度差をΔＴとしたときに、以下の式で求められる。また、温度差ΔＴは、入口部の回転ドラム内壁温度をＴｗ１、出口部の回転ドラム内壁温度をＴｗ２、入口部の被処理物の温度をＴｍ１、出口部の被処理物の温度をＴｍ２としたときに、以下の式で求められる。

ｋ＝Ｑ／Ａ×ΔＴ
ΔＴ＝ｌｎ{（Ｔｗ１−Ｔｍ１）−（Ｔｗ２−Ｔｍ２）／［（Ｔｗ１−Ｔｍ１）／（Ｔｗ２−Ｔｍ２）］}
図３及び図１６では、攪拌翼を設置した場合の熱伝達係数が、攪拌翼を設置しない場合の熱伝達係数に比べて、例えば１５％高くなっていれば、熱伝達係数ｋの改善率は１５％と表現している。熱伝達係数の改善率は、図１６の場合には、回転ドラムの入口近傍では約１５％と高いものの、中間付近では約５％、出口付近では約２％とドラム出口に向かうにつれて低下している。これに対して、本発明では図３に示すように回転ドラムの入口及び中間付近で約１５％、出口近傍では約１７％と、回転ドラムの全ての領域において熱伝達係数が改善され、加熱が効率よく行われていることが確認された。

本実施例では、攪拌翼のドラム回転方向を向いている面と回転ドラムの内面とで作られる角度が、ドラム入口側と出口側とで変化し、更に攪拌翼の高さがドラム入口側で高く、出口側で低くなっている場合について説明する。図４は回転ドラムの断面図であり、（ａ）は入口付近の断面図、（ｂ）は出口付近の断面図である。攪拌翼と回転ドラム内面とで作られる角度を大きくすることにより、攪拌翼によって持ち上げられる被処理物の量が減少し、また、落下の高低差が小さくなる。したがって、被処理物の処理量が多く層高が高くなる入口側では、攪拌翼の高さを大きくすると共に角度θを小さくし、出口側では攪拌翼の高さを低くすると共に角度θを大きくすることが望ましい。これにより、被処理物の飛散をさらに抑制することができる。

攪拌翼を伝熱管で構成した場合について説明する。図５は回転ドラムの断面図であり、（ａ）は回転ドラムの入口付近の断面図を示し、（ｂ）は出口付近の断面図を示す。攪拌翼は回転ドラムの回転軸方向に配置された熱媒体の通る複数の伝熱管６で構成されており、伝熱管の外周にはフィン７が設けられている。フィン７の長さは回転ドラムの入口付近では長く、出口側ほど短くなっている。伝熱管の本数は回転ドラムの入口付近及び出口付近ともに同じであるが、フィンの長さを変えることによって、回転軸方向の攪拌翼の高さが調整されている。本実施例によれば、伝熱面積が増加するので、加熱効率の大幅な向上が図れる。

本実施例では、回転ドラムの内面円周方向に複数枚の攪拌翼を設け、且つ、攪拌翼を回転ドラムの入口から出口まで連続する一枚の長い板で構成した場合について説明する。図６はロータリーキルンの全体構造を示し、図７は回転ドラムの内面の展開図を示す。図８は図６のＡ−Ａ線断面図を示す。図９は、回転ドラムの円周の長さを攪拌翼の枚数で割ることにより求められる攪拌翼の間隔と、被処理物と回転ドラムの接触部の長さを、回転ドラムの入口から出口までの領域について示したものである。図１０は、回転ドラムの出口付近の被処理物と攪拌翼との接触状態を示したものである。

本実施例では、図７に示すように攪拌翼は一枚の長い板で構成されている。攪拌翼は図８に示すように、回転ドラムの回転軸を中心として放射状に複数枚、ほぼ等間隔で設置されている。

ロータリーキルンは、回転ドラムの入口部分で被処理物の量が多く、出口部分で少なくなる傾向があり、回転ドラムの内面に接触している被処理物の接触長さは図９に示すように回転ドラムの入口付近では長く、出口付近では短くなる。回転ドラム円周方向に配置されている攪拌翼の間隔を、図９に示すように、被処理物が回転ドラム内面に接触する部分の長さよりも小さくすれば、図１０に示すように被処理物には常に２枚以上の攪拌翼が接触するようになり、被処理物の滑りを回避し混合を促進することができる。

図１１は、攪拌翼を設置していないときの熱伝達係数ｋを基準としたときの、本実施例によるロータリーキルンの熱伝達係数ｋの改善率を、回転ドラムの入口付近と中間付近と出口付近の領域について示したものである。回転ドラムの入口よりも中間付近および出口付近の方が熱伝達係数の改善率が向上していた。

本実施例は、攪拌翼の高さを回転ドラムの入口から出口まで一定にした場合について説明したが、入口側の攪拌翼高さを高くし、出口側の攪拌翼高さを低くした場合にも適用できることは言うまでも無い。

攪拌翼の枚数を回転ドラムの入口側で少なく、出口側で多くした場合について説明する。図１２はロータリーキルンの全体構成を示す概略図、図１３は回転ドラムの内面の展開図である。図１４は、ドラム円周方向における攪拌翼の間隔と、被処理物が回転ドラム内面に接触する部分の円弧の長さを、回転ドラムの入口から出口までの各領域について示したものである。図１５は、攪拌翼を設置していない場合を基準にしたときの本実施例による熱伝達係数ｋの改善率を示したものである。

本実施例では、短尺の攪拌翼を回転ドラムの入口から出口まで配置している。入口に近いほど攪拌翼の枚数は少ない。攪拌翼の間隔は、図１４に示すように回転ドラムの全ての領域で被処理物と回転ドラムとが接触する円弧の長さよりも小さくなっており、滑りが生じる箇所は無いことがわかる。また、回転ドラムの入口に近いほど攪拌翼の枚数を減らしているので、入口部における被処理物の閉塞や引っかかりを回避できる。このため、攪拌翼の高さを全体的に高めに設定し、混合を促進させることが可能である。本実施例においても、図１５に示すように、熱伝達係数の改善率は回転ドラムの全領域において向上が見られた。

なお、本実施例を、入口側の攪拌翼高さが高く、出口側の攪拌翼高さが低い場合に適用できることはいうまでも無い。

本発明の実施例によるロータリーキルンの概略構成図。 図１のロータリーキルンについて、円周方向の攪拌翼の間隔と、被処理物と回転ドラムの接触部の円弧長さを、回転ドラム入口から出口までの範囲にわたって示した図。 図１のロータリーキルンの熱伝達係数改善率が、回転ドラムの入口から出口に向かって変化する様子を示した図。 攪拌翼を傾斜させて設けたロータリーキルンの断面図。 攪拌翼を伝熱管とフィンにより構成したロータリーキルンの断面図。 他の実施例によるロータリーキルンの概略構成図。 図６に示すロータリーキルンの回転ドラム内面の展開図。 図６に示すロータリーキルンのＡ−Ａ線断面図。 図６に示すロータリーキルンの攪拌翼の間隔と、被処理物と回転ドラムの接触部の円弧長さを、回転ドラムの入口から出口までの範囲で示した図。 図６に示すロータリーキルンについて、攪拌翼と被処理物が接触する状態を模式的に示した図。 図６に示すロータリーキルンの熱伝達係数改善率が、回転ドラムの入口から出口に向かって変化する様子を示した図。 本発明によるロータリーキルンの別の実施例を示す概略図。 図１２に示すロータリーキルンの回転ドラム内面の展開図。 図１２に示すロータリーキルンにおける攪拌翼の間隔と、被処理物と回転ドラムの接触部の円弧長さが、回転ドラムの入口から出口に向かって変化する様子を示した図。 図１２に示すロータリーキルンの熱伝達係数改善率が、回転ドラムの入口から出口に向かって変化する様子を示した図。 攪拌翼を設けない場合を基準にして、一定高さの攪拌翼を設けた場合の熱伝達係数改善率を、回転ドラムの入口、中間位置及び出口について示した図。

符号の説明

１…回転ドラム、２…加熱ガスジャケット、３…スクリューフィーダ、４…出口フット、５…攪拌翼、６…伝熱管、７…フィン、５１…被処理物、５２…固体状生成物、５３…ガス状生成物、５４…加熱ガス。

Claims (4)

1. 回転ドラムの内面に攪拌翼を設置したロータリーキルンにおいて、前記攪拌翼を前記回転ドラムの円周方向に複数枚且つ回転ドラムの入口から出口に向かって複数枚設け、前記円周方向の攪拌翼の枚数を前記回転ドラムの入口側で少なく、出口側で多くしたことを特徴とするロータリーキルン。
2. 請求項１において、前記攪拌翼の円周方向の間隔を被処理物と回転ドラムの接触部の弧の長さよりも小さくしたことを特徴とするロータリーキルン。
3. 請求項１において、前記攪拌翼の高さが被処理物の層高よりも低いことを特徴とするロータリーキルン。
4. 請求項１において、前記攪拌翼の高さが被処理物の層高に対して０．５倍以上、１倍未満であることを特徴とするロータリーキルン。

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