JP4585666B2 - 外熱式ロータリーキルンの制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機物を含む物質を加熱して乾留するのに使用する外熱式ロータリーキルンの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決使用とする課題】
従来、バーナを設けた加熱室を貫通し、ほぼ水平な軸線周りで回転するレトルトの一端から供給した被熱処理物を他端から排出する間に加熱処理を施すようにするとともに、レトルト内で生じた乾留ガスを加熱室へ排出させる排気筒をそのレトルトに設けた外熱式ロータリーキルンは、加熱室へ空気を一定量供給しつつ温度制御は、バーナーで行っていた。
【０００３】
すなわち、レトルトから排出される乾留ガスの量が安定していて、バーナーからとバーナー以外から供給される空気比が１以上に保たれている場合には、温度変化はバーナーの燃焼量を制御することによって管理することができる。
【０００４】
しかし、例えば、乾留ガスの量が大きく増加して加熱室が還元雰囲気になると、バーナーによる温度制御は困難になる。
【０００５】
これを防止するために、加熱室内に多量に空気を導入するようにすると、通常状態において空気比が過剰になり、多量の燃料が必要になって不経済となる。
【０００６】
また、レトルト内の圧力が不安定であって、例えばレトルト内の圧力が低くなると、レトルト内へ主としてその両端から外気の流入量が増加して、レトルトの内部で被処理物が燃焼し、炭化物の回収率が低下し、逆に、レトルト内の圧力が高くなると、乾留ガスがレトルトの両端から乾留ガスが漏洩する欠点があった。
【０００７】
加熱室内が還元雰囲気の場合は加熱室内に未燃ガスが存在するため、空気を増加すれば未燃ガスが燃焼して加熱室内の温度は上昇し、空気を減少すれば未燃ガスは増加して温度は低下する。
【０００８】
加熱室内の雰囲気が酸化雰囲気の場合は空気を増加すれば過剰空気となるから加熱室内の温度は低下し、空気を減少すれば過剰空気が減少して温度は上昇する。
【０００９】
以上のように還元雰囲気と、酸化雰囲気とでは温度の制御方法が異なり、制御方法を誤ると正しい操業を行うことができない。
【００１０】
これが本発明の解決すべき課題である。
【００１１】
【課題を解決するための手段、作用および効果】
このような課題を解決するために、請求項１の発明は、バーナを設けた加熱室を貫通し、ほぼ水平な軸線周りで回転するレトルトの一端から供給した被熱処理物を他端から排出する間に加熱処理を施すようにするとともに、前記レトルト内で生じた乾留ガスを前記加熱室へ排出させる排気筒を該レトルトに設けた外熱式ロータリーキルンの制御方法において、加熱室の温度を測定する温度測定手段と、
前記加熱室の雰囲気中の酸素濃度または一酸化炭素濃度を測定して加熱室の該雰囲気を酸化雰囲気または還元雰囲気と判定する判定手段と、加熱室内に空気を導入する空気導入手段とを設け、設定温度に対する温度測定手段の測定値の差（以下、温度偏差という）と加熱室雰囲気の判定結果に応じて加熱室内に導入する空気量を制御するようにしたから、所望の温度および雰囲気で操業することができる。
【００１２】
請求項２の発明は、加熱室が酸化雰囲気で、温度偏差がマイナスの場合は加熱室への導入空気量を減少させ、温度偏差がプラスの場合は導入空気量を増加させるようにしたから、酸化雰囲気における外熱式ロータリーキルンの操業を円滑に行うことができる。
【００１３】
請求項３の発明は、加熱室が還元雰囲気で、温度偏差がマイナスの場合は導入空気量を増加させ、温度偏差がプラスの場合は導入空気量を減少させるようにしたから、還元雰囲気における外熱式ロータリーキルンの操業を円滑に行うことができる。
【００１５】
請求項４の発明は、空気導入手段がバーナであるから、外に空気導入孔を設ける必要がなく外熱式ロータリーキルンの構造を簡単にすることができる。
【００１６】
請求項５の発明は、空気導入手段がバーナ以外に設けたものであるから、バーナの燃焼に大きな影響を及ぼすことなく外熱式ロータリーキルンの操業を円滑に行うことができる。
【００１７】
請求項６の発明は、レトルト内の圧力を負圧に保持する圧力制御手段を設けたから、レトルトからその中のガスが漏れ出すのを防止することができる。
【００１８】
請求項７の発明は、レトルト内の圧力が外気圧を０とした場合に−０．５Ｐａから−３０Ｐａの範囲としたから、請求項６の発明を確実に実現することができる。
請求項８の発明は、さらに、加熱室の酸素の有無により空気導入手段の制御出力を逆動作となるように切り換えて制御する切替器を備え、切替器は、温度偏差がマイナスで、且つ判定手段で酸素があると判定された場合には、加熱室への導入空気量を減少させ、判定手段で酸素が無いと判定された場合には、導入空気量を増加させるように空気導入手段を制御し、また、温度偏差がプラスで、且つ判定手段で酸素があると判定された場合には、加熱室への導入空気量を増加させ、判定手段で酸素が無いと判定された場合には、導入空気量を減少させるように空気導入手段を制御するようにしたから請求項１の発明を確実に実現することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するのに使用する外熱式ロータリーキルンの一実施の形態の構造を図１、２及び３に基づいて説明する。
【００２０】
１は耐火物で構築した炉体であって、その内部が加熱室２となっており、炉体１の長さ方向の壁面にはバーナー３と空気導入孔４が形成され、炉体１の長さ方向の端面には、互いに対応する孔５、５が形成されているとともに、煙導６が一側の壁面に設けられており、さらに、天上部分に炉内温度測定用の熱電対１４が取り付けられている。
【００２１】
７は耐熱性金属からなるレトルトであって、上記孔５を貫通し、両端近くに固定された転輪８、８がローラー９、９により支承されることにより、図１において右側が少し下がるほぼ水平な姿勢で回転自由に支持され、少なくとも一方のローラー９、９の駆動により一方向に回転するようになっている。
【００２２】
レトルト７の入り口（図１の左端）には、スクリューコンベア１０がわずかな隙間をあけて挿入され、出口（図１の右端）には数個の排出口１１が形成されているとともに、端面板の中心に窒素ガス打ち込み管１２がわずかな隙間をあけて挿入され、さらに、その管１２の中を通って炉圧サンプリング管１３が挿入されている。
【００２３】
レトルト７をわずかに傾斜したのは被処理物を移動させるためであるが、内周面に螺旋状の板を設けてスクリューコンベアの原理により被処理物を移動させるようにする場合にはレトルト７を水平にしてもよい。
【００２４】
レトルト７には、内側の端部が出口側に曲がった多数の排気筒１５がレトルト７を貫通して固定されている。
【００２５】
次に、本実施の形態の制御系統を図４に基づいて説明する。
バーナー系は、
加熱室２内の温度センサである熱電対１４と、その熱電対１４からの信号と設定値とを比較してその偏差に見合った制御量を出力するバーナー用温度調節計２０と、その出力によってコントロールモータ２１を作動させることによりバタフライバルブ２２の開度を変化させて、バーナー３の燃焼量を変動させる構成とした。
【００２６】
バーナー３の燃焼系のバタフライバルブ２２と空気配管途中に設けた均圧弁２３に接続してその均圧弁２３のロード圧用とした。
【００２７】
このために、バーナー３に供給されるエアーとガスは常に均等な圧力になり一定の空気比で温度制御をすることができる。
【００２８】
例えば、加熱室２内の温度が設定値より低い場合、バーナー３用に供給される空気量を調節するバタフライバルブ２２の開度を大きくすると、そのバタフライバルブ２２以降の配管途中の圧力が上昇してバーナー３へ供給する空気量は増加するが、これにともなって、ガス配管にある均斡弁２３のロード圧が上昇して（均圧弁２３のガス通路の開度が大きくなって）均圧弁２３以降のガスの圧力が上昇してガス量も増加するから燃焼量が多くなって加熱室２の温度は上昇する。
【００２９】
空気導入系は、ガス配管がないから均圧弁２３に関する事項を除けば基本的に同一であって、熱電対１４からの信号と設定値とを比較してその偏差に見合った制御量を出力する空気導入用温度調節計２４と、その出力によってコントロールモータ２７を作動させることによりバタフライバルブ２８の開度を変化させて、空気導入孔４からの空気導入量を変動させる構成とした。出力側に切替器２６を設けたことと、炉内の雰囲気をサンプリングして酸素濃度を測定する酸素計２５を設けて、その酸素計２５からの信号を切替器２６に出力する構成とした。
【００３０】
切替器２６は加熱室２内が酸化雰囲気（酸素がある）か還元雰囲気（酸素が無い）かを判別して、その状況によってコントロールモータ２７への制御用の出力を逆にするもので、本実施の形態ではシーケンサを使用したのであって、例えば、加熱室２内の温度が低い場合、酸化雰囲気ではバタフライバルブ２８の開度を小さくして空気導入量を減少させる動作をし、還元雰囲気ではバタフライバルブ２８の開度を大きくして空気導入孔４からの空気導入量を増加させるように動作する。
【００３１】
なお、加熱室２の酸素の検出位置は、加熱室２内の位置により微妙に濃度のムラが発生するから、ムラの少ない煙導６とした。
【００３２】
炉圧
レトルト７内の圧力を取り出す炉圧サンプリング管１３を炉圧発信器２９に接続して、その信号と設定値とを比較してその偏差に見合った制御量を出力する調節計３０と、その出力によってインバータ３１を作動させることによりを排気ファン３３の回転数を変化させてレトルト７内の圧力を調節する。
３４、３５は空気供給用のブロアである。
【００３３】
（実験例１）
条件
被熱処理物
名称：コーヒー滓
水分：５０％
灰分：２％（絶乾状態で）
可燃分：９８．０％（絶乾状態で）
使用した外熱式ロータリキルンの仕様
レトルト径：φ３００mm
レトルト炉内（加熱室）有効寸法：２４００mm
バーナー本数：６本
バーナー燃焼能力：１８，０００kcal/h
処理条件
投入量：１００kg/h
加熱温度（加熱室の温度）：８００℃
炉内滞留時間：１５min
加熱室の８００℃まで空気導入系の空気を全閉でバーナー系のみでｍ（空気比）＝１．２で昇温した後、レトルト内の炉圧を−５Psで制御させながら、原料をレトルト内に時間８０kg/hの割合で連続的に投入した。
投入開始して約３分後に乾留が始まった為か、加熱室の酸素濃度が７％前後から徐々に低下し始めた。
乾留ガスが加熱室内へ流入して加熱室内で燃焼して温度が上昇し始めたため、バーナーの燃焼量は次第に減少した。
酸素濃度が３％になったときに空気導入系を作動させて温度制御を同系に移して、導入空気量で温度制御を行いつつバーナーの燃焼量を低減して、約１８分後にほぼ定常状態になったときには、バーナー燃焼量を最低限の状態とした。
更に４０分後、バーナーの６本のうち最も入口側と、出口側のバーナーを除いて４本のバーナーを消火した。
【００３４】
加熱室の温度が上昇したときは導入空気を増加し、温度が低下したときは同空気を減少する制御を行った。
今回は加熱室から発生する燃焼ガスの再燃焼装置を用いないことを前提として試験したので、加熱室から排出される煙導中の燃焼ガスに未燃ガスが存在しないことが要求されたため、酸素濃度が２％以下にならないよう制御した。
温度が低くて導入空気量を減少して、煙導内の酸素濃度が２％になっても温度が依然として低い温度であった場合は、バーナーの燃焼系を作動させることを考慮していたが、煙導における酸素濃度は４％から９％の範囲内であって、その心配はなかった。
【００３５】
バーナーの燃焼は昇温時には約１００，０００kcal/hで燃焼したが、定常状態時には２本のバーナーを最低燃焼の状態５，０００kcal/h（２，５００kcal/h 本）であった。
尚、本試験中に加熱室の炉圧制御に関しては、設定値を外気圧に比べて０Paから-５０Paまで試験したが、−０．５Paより高くなると、ややもするとレトルトの入口や出口から乾留ガスの漏洩が認められ、又、-３０Paより低くなると、レトルト内への外気の侵入量が多くなって、被熱処理物に着火する傾向が認められた。
結果
従来のように温度制御ができなくなるような現象はなく、設定温度８００℃に対して１０℃以内で温度制御ができたこと、
レトルト内の炉圧が安定したため乾留ガスの漏洩は認められず、又、レトルト内での被熱処理物の燃焼が殆ど認められなくなったこと、
燃焼を最小限に絞って温度制御できることから、
・安定した品質の製品が得られた。
・炭化収率（炭素分）の多い製品が得られた。
・乾留ガスの漏洩が無かった。
・燃焼が従来に比べて約５５％減少した。
【００３６】
（実験例２）
条件
被熱処理物
名称：パルプスラッジ
形状：平均サイズがφ６mm×１０mmの造粒品
水分：０％
灰分：４９．７％
可燃分：５０．３％
使用した外熱式ロータリキルンの仕様
実験例１と同様
処理条件
投入量：８０kg/h
加熱温度（加熱室の温度）：８００℃
炉内滞留時間：１０min
加熱室から発生する燃焼ガスを後処理するために、加熱室から排出される煙導中の燃焼ガスに未燃ガスが存在しても、後処理装置（再燃焼装置を含む）で対応できることから、実験例１のような煙導における酸素濃度の規制はしなかった。
定常状態までは実験例１と同様。
バーナー６本を最低燃焼の状態で保持して制御をしないで、加熱室の雰囲気（酸素の有無で判断）によって空気導入系の制御出力を逆動作となるように切り替えて制御した。
煙導内で酸素が検出されたときは
温度が設定値より低い場合は空気導入量を減少することによって（過剰な空気量を減少させて）温度を上昇させ、温度が設定値より高い場合は空気導入量を増加して（空気で希釈することによって）温度を低下させる制御を行った。
煙導内で酸素が検出されないときは、切替器が作動して逆動作をした。
【００３７】
温度が設定値より低い場合は空気導入量を増加することによって（燃焼量を増加させて）温度を上昇させ、温度が設定値より高い場合は空気導入量を減少して（燃焼量を減少させて）温度を低下させる制御を行った。
【００３８】
尚、炉圧は-２Paに設定したが、乾留ガス量の変動が激し過ぎたので、炉圧の制御が間に合わず、ややもするとレトルト出口から乾留ガスの漏洩が認められた。
よって、レトルトの出口付近へ不活性ガスである窒素ガスを１２ｌ／分の割合で導入することによって、乾留ガスの漏洩が防止できた。（不活性ガスは窒素ガスに限らず、炭酸ガス、水蒸気でも同様の効果が得られる。）
結果
従来のように温度が暴走することなく、設定値に対して１５℃以内で温度制御ができた。
燃料は約３８％低減した。
他は実験例１と同様。
その他
１．酸素濃度で試験したが、ＣＯ濃度で行っても同様の結果が得られる。
２．酸化雰囲気か還元雰囲気かの何れかの雰囲気内で温度制御できることが明らかであれば、雰囲気を測定して制御出力を切り替える必要はない。
３．炉圧をサンプリングする位置は加熱室で行っても良く、要はレトルト内の圧力が希望する値で制御できればよい。但し、加熱室でサンプリングして制御する場合はレトルト内でサンプリングして制御するより設定値を低くすることになる。
４．導入空気の打ち込み方法は、乾留ガスの発生量の少ない被熱処理物に対しては有効であるが、乾留ガスの発生量が多い場合は、加熱室全体に導入孔を設けた方が乾留ガスとの混合がよく、制御性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】レトルトの排出部分の断面図である。
【図４】制御系統の説明図である。
【符号の説明】
１：炉体
２：加熱室
３：バーナー
４：空気導入孔
６：煙導
７：レトルト
１０：スクリューコンベア
１１：排出口
１３：炉圧サンプリング管
１４：熱電対
１５：排気筒

Claims (8)

1. バーナを設けた加熱室を貫通し、軸線周りで回転するレトルトの一端から供給した被熱処理物を他端から排出する間に加熱処理を施すようにするとともに、前記レトルト内で生じた乾留ガスを前記加熱室へ排出させる排気筒を該レトルトに設けた外熱式ロータリーキルンの制御方法において、
   前記加熱室の温度を測定する温度測定手段と、
   前記加熱室の雰囲気中の酸素濃度または一酸化炭素濃度を測定して加熱室の該雰囲気を酸化雰囲気または還元雰囲気と判定する判定手段と、
   前記加熱室内に空気を導入する空気導入手段とを設け、
   設定温度に対する前記温度測定手段の測定値の差（以下、温度偏差という）と前記加熱室雰囲気の判定結果に応じて前記加熱室内に導入する空気量を制御することを特徴とする外熱式ロータリーキルンの制御方法。
2. 前記加熱室が酸化雰囲気で、温度偏差がマイナス（設定温度より低い）の場合は前記加熱室への導入空気量を減少させ、温度偏差がプラス（設定温度より高い）の場合は導入空気量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の外熱式ロータリキルンの制御方法。
3. 前記加熱室が還元雰囲気で、温度偏差がマイナスの場合は導入空気量を増加させ、温度偏差がプラスの場合は導入空気量を減少させることを特徴とする請求項１に記載の外熱式ロータリキルンの制御方法。
4. 前記空気導入手段が前記バーナであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の外熱式ロータリキルンの制御方法。
5. 前記空気導入手段が前記バーナ以外に設けたものであることを特徴とする請求項１、２または３項に記載の外熱式ロータリキルンの制御方法。
6. さらに、レトルト内の圧力を負圧に保持する圧力制御手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の外熱式ロータリーキルンの制御方法。
7. 前記レトルト内の圧力が外気圧を０とした場合に−０．５Ｐａから−３０Ｐａの範囲であることを特徴とする請求項６に記載の外熱式ロータリーキルンの制御方法。
8. さらに、前記加熱室の酸素の有無により前記空気導入手段の制御出力を逆動作となるように切り換えて制御する切替器を備え、
   前記切替器は、前記温度偏差がマイナスで、且つ前記判定手段で酸素があると判定された場合には、前記加熱室への導入空気量を減少させ、前記判定手段で酸素が無いと判定された場合には、前記導入空気量を増加させるように前記空気導入手段を制御し、
   前記温度偏差がプラスで、且つ前記判定手段で酸素があると判定された場合には、前記加熱室への導入空気量を増加させ、前記判定手段で酸素が無いと判定された場合には、導入空気量を減少させるように前記空気導入手段を制御する請求項１に記載の外熱式ロータリーキルンの制御方法。

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