JP5166213B2

JP5166213B2 - 溶融炉

Info

Publication number: JP5166213B2
Application number: JP2008288856A
Authority: JP
Inventors: 一義石井
Original assignee: Naniwa Roki Co Ltd
Current assignee: Naniwa Roki Co Ltd
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2028-11-11
Also published as: JP2010116587A

Description

本発明は、金属または非金属を溶融する溶融炉に関する。

従来、金属または非金属を溶融する溶融炉として、石炭コークスを燃料とする溶融炉が使用されている。特許文献１に示すような溶融炉は、円筒形状のシャフト炉で原料とコークスを交互に装入し、羽口から送り込まれた空気でコークスを燃焼させ、原料を溶融させる装置である。溶融炉の多くは鋳鉄鋳物の溶融に使用され、その特徴は連続かつ安定的に高品位の溶湯を大量生産できること、還元・精錬作用があり、コークスからの加炭作用があることなどのメリットがある。
特開２００５−９０７９２号公報

しかし、従来の溶融炉は、エネルギー効率が悪く、ＣＯ₂排出量が多い。また粉塵発生量や硫黄酸化物（ＳＯｘ）の排出量も多く環境対策に費用がかかるデメリットがある。
また、近年、鋳物用コークスの安定供給に対する不安、価格の高騰、ＣＯ₂削減問題など、石炭コークスを利用する鋳鉄鋳物製造業は極めて厳しい状況にある。

最近になって、燃料として固形バイオマスの利用が注目を浴びているが、従来から溶融炉への利用は至難と考えられていた。
その理由は、固形バイオマス燃料は、常温では石炭コークス以上の破壊強度を有するが、高温で炭化後は木炭と同様に脆く強度がないため、上からの材料の荷重により崩壊してしまう虞れがあり、さらに、従来の溶融炉に、石炭コークスとは成分、燃焼形態、熱間強度が異なる固形バイオマス燃料（バイオコークス）を炉頂投入した場合、固形バイオマス燃料（バイオコークス）は高温の炉頂ガスにより予熱帯で熱分解し粉砕されてしまう虞れがあったためである。即ち、炉内での燃焼に有効に働かず、したがって、固形バイオマス燃料を溶融炉に適用することは至難であった。

そこで、本発明は、固形バイオマス燃料の使用を可能として、エネルギー効率がよく、安定して原料を融解する溶融炉の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の溶融炉は、内部にバイオマス成型体を積み上げてベッド燃焼体を堆積する炉本体を備え、該炉本体が、１次燃焼空気を供給する複数の羽口を下部に有する円筒状の側壁部と、原料を装入するための筒状主シャフトを中央位置に立設した天井壁部と、出湯口を有する炉底部とを、備えた溶融炉に於て、上記ベッド燃焼体には、下方から順に、上記羽口から供給される１次燃焼空気で上記バイオマス成型体を燃焼させる１次燃焼帯と、上記バイオマス成型体の炭素還元反応によって還元反応を起こす還元帯と、上記１次燃焼帯で発生する熱で上記原料を加熱して溶融する溶融帯とが、形成され、さらに、上記主シャフトを中心とする上記天井壁部の仮想円上に、上記バイオマス成型体を上記溶融帯に直接に供給する複数本の筒状副シャフトを配設し、かつ、該副シャフトに２次燃焼空気供給口を設けて、上記炉本体へ２次燃焼空気を送る送風路として兼用し、上記ベッド燃焼体と上記天井壁部の内面との間に、可燃性ガスを燃焼させる２次燃焼空間を形成するように構成されたものである。

また、上記副シャフトは、垂直方向に対する傾斜角をαとすると、０°≦α≦30°として上記天井壁部に立設しているものである。

本発明の溶融炉によれば、バイオマス燃料の特性を失うことなく燃焼に有効利用し、溶融帯での燃焼が活発化するため、安定した操業が可能である。

以下、実施の形態を示す図面に基づき本発明を詳説する。
図１は本発明の溶融炉の実施の一形態を示す断面図である。
図１に示すように、本発明の溶融炉は、内部11にベッド燃焼体Ｂを堆積する炉本体１と、原料Ｃを装入するための主シャフト２と、バイオマス成型体Ａを供給するための複数本の副シャフト３と、を具備している。

炉本体１は、１次燃焼空気を供給する複数の羽口５を有する円筒状の側壁部13と、主シャフト２と副シャフト３とを立設する天井壁部12と、湯化した溶融物を排出する出湯口14を有する炉底部15と、を備えている。

バイオマス成型体Ａは、間伐材や茶カス、コーヒーカス、もみ殻等の植物性廃棄物を原料とし、結合剤を使用せずに金型により圧縮し、直径が一定の短円柱状に形成されている。所定温度に加熱することにより植物の主要成分であるセルロースとヘミセルロースとリグニンの化学結合を変化させて高硬度に結合させたものである。

植物由来のバイオマス成型体Ａは、燃焼により発生するＣＯ₂が光合成により同量吸収されるため、ＣＯ₂排出量を増加させない。また、硫黄分をほとんど含まないので硫黄酸化物（ＳＯｘ）の排出がなく、環境にやさしい燃料である。

バイオマス成型体Ａは、化学式Ｃ_nＨ_mＯ_pで示される。バイオマス成型体Ａは、200 ℃〜300 ℃で熱分解が始まり、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂がガスとして発生する。この熱分解は、バイオマス成型体Ａの特有の発熱反応である。そして、ガス化が終了すると炭素分と灰分が残る。

図１、及び、その斜視略図を示す図５に於て、主シャフト２は、炉本体１の炉径よりも十分に小径の円筒状に形成されており、天井壁部12の中央位置に立設されている。主シャフト２は、上方開口部に連結される原料投入用筐体６を備えている。原料投入用筐体６から原料Ｃが投入され、炉本体１と連通する主シャフト２内に原料Ｃが充填される構造となっている。原料Ｃは、ベッド燃焼体Ｂ上に下降して積み上げられる。

副シャフト３は、垂直方向に対する傾斜角をαとすると０°≦α≦30°として、天井壁部12上の主シャフト２を中心に取り囲むように配設されている。つまり、図５（Ａ）では、α＝30°の場合を示し、図５（Ｂ）では、α＝0 °の場合を示す。副シャフト３は、炉本体１の炉径よりも小径の円筒状に形成されており、内径との間に隙間を保ちつつ短円柱状のバイオマス成型体Ａを整列状又は不整列状に収納されている。バイオマス成型体Ａは、ベッド燃焼体Ｂ上に下降して積み上げられる。
また、副シャフト３は、上部に２次燃焼空気供給口20を設けている。２次燃焼空気供給口20は、副シャフト３内に所定圧力の空気を下方ヘ通し、炉本体１に２次燃焼空気を供給する。

図１と図２及び図３に示すように、ベッド燃焼体Ｂは、羽口５から供給される１次燃焼空気でバイオマス成型体Ａを燃焼させて1800℃〜2000℃まで発熱する１次燃焼帯16と、１次燃焼帯16で発生する熱で原料Ｃを1500℃〜1600℃に加熱して溶融する溶融帯18が形成されている。

１次燃焼帯16で燃焼するバイオマス成型体Ａの炭素燃焼は、化学式Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂で表される。発生したＣＯ₂は、加熱されて上昇する間にバイオマス成型体Ａの炭素還元反応によって可燃性のＣＯに分解される。この化学反応は、化学式ＣＯ₂＋Ｃ→２ＣＯで表される。このような還元反応を起こす部分を還元帯17と呼ぶ。
つまり、ベッド燃焼帯Ｂは、下方から順に、１次燃焼帯16と、還元帯17と、溶融帯18と、によって構成されている。

上述した本発明の溶融炉の使用方法（作用）について説明する。
溶融帯18で溶融した原料Ｃは下方に流下する。主シャフト２は、溶融に伴って消費される原料Ｃを溶融帯18に補給する。ベッド燃焼体Ｂ上に下降した原料Ｃは円錐形状（図４参照）に積み上がり順次溶融する。

ベッド燃焼体Ｂは、バイオマス成型体Ａの炭素燃焼により積み上げレベルが下がる。副シャフト３は、ベッド燃焼体Ｂの高さ寸法Ｈが常に一定に保たれるように、バイオマス成型体Ａを炉本体１の溶融帯18に直接に供給する。
バイオマス成型体Ａを1000℃以上の高温の溶融帯18に供給した場合、ガス化による可燃性ガス（ＣＯ、Ｈ₂）の燃焼反応が生じ、その後、炭化による炭素燃焼が生じる。バイオマス成型体Ａのガス化燃焼は、化学式Ｃ_nＨ_mＯ_p＋ａＯ₂＋ｂＨ₂Ｏ→ｃＣＯ＋ｄＣＯ₂＋ｅＨ₂で表される。なお化学式の係数に用いたn,m,p 及びａ〜ｅは自然数である。

なお、主シャフト２の内径と副シャフト３の内径の比率は、原料Ｃとバイオマス成型体Ａが常に一定の比率で下降するように、必要な燃料比とそれぞれのかさ密度の比率により必要断面積を求め設定する。
また、副シャフト３の本数は、多い方がバイオマス成型体Ａを均等に供給できるが、溶融炉の炉径に制限されるため、一般的には羽口５と同じ本数にし、６〜８本とするのが望ましい。

図３及び図４に示すように、ベッド燃焼体Ｂ上に、副シャフト３から下降したバイオマス成型体Ａが、安息角θを成して円錐形状に積み上がる。この際、バイオマス成型体Ａに原料Ｃの荷重がかからないため、熱間強度の低いバイオマス成型体Ａを崩壊させることなく積み上がる。積み上がったバイオマス成型体Ａは、ベッド燃焼体Ｂと天井壁部12の内面との間に、２次燃焼空間４を形成している。具体的には、図４に示すように、中央の原料Ｃの周りを取り囲むように、円錐形状に積み上がった複数のバイオマス成型体Ａが存在しており、隣接する山と山の間には２次燃焼空間４が形成している。

還元帯17で発生したＣＯと、バイオマス成型体Ａの熱分解により発生した可燃性ガス（ＣＯ、Ｈ₂）と、は副シャフト３から２次燃焼空気を供給され、２次燃焼空間４で燃焼する。２次燃焼空間４は、可燃性ガスが十分に燃焼するために必要な空間を自然に作り出している。言い換えれば、２次燃焼空間４が形成されていなければ、可燃性ガスの燃焼は不十分となり、完全に利用されないまま炉外に排出される。

２次燃焼空間４で可燃性ガスを燃焼させて発生した燃焼熱は、溶融帯18で原料Ｃの溶融に利用される。また、溶融に利用された後、高温の排ガスが主シャフト２内を通過して炉外に排出される。主シャフト２内の原料Ｃは排ガスにより200 ℃以上に加熱され、溶融帯18に供給される前に予熱される。この主シャフト２内を、予熱帯19と呼ぶ。
この際、副シャフト３は所定の圧力で２次燃焼空気を下方へ送風しているため、高温の排ガスが副シャフト３内に流入しない。副シャフト３内のバイオマス成型体Ａは、排ガスの影響を受けることなく溶融帯18に直接に供給される。

バイオマス成型体Ａを用いる本発明の溶融炉では、従来の石炭コークスを使用する溶融炉で利用していた炭素燃焼による熱に加えて、バイオマス成型体Ａの熱分解によって発生する可燃性ガスの燃焼熱を利用する。

以上のように、本発明は、炉本体１の溶融帯18にバイオマス成型体Ａを直接に供給するように構成しているので、バイオマス燃料の特性を失うことなく燃焼に有効利用し、溶融帯18での燃焼が活発化するため、安定した操業が可能である。

また、内部11にバイオマス成型体Ａをベッド燃焼体Ｂとして積み上げられる炉本体１を備え、炉本体１の天井壁部12の中央位置に、原料Ｃを装入する筒状主シャフト２を立設し、さらに、主シャフト２を中心とする天井壁部12の仮想円Ｚ₀上に、複数本のバイオマス成型体供給用の筒状副シャフト３を配設しているので、ベッド燃焼体Ｂの高さＨを常に一定に保つことができ、安定した操業が可能である。また、バイオマス成型体Ａに原料Ｃの荷重がかからないため、熱間強度の低いバイオマス成型体Ａを崩壊させることなく有効に利用できる。また、溶融帯18に供給される前に高温ガスの影響を受けることなく、溶融帯18での燃焼が活発化できる。

また、副シャフト３は、垂直方向に対する傾斜角をαとすると、０°≦α≦30°として天井壁部12に立設しているので、炉本体１の溶融帯18にバイオマス成型体Ａを滞りなく供給できる。α＞30°となると、副シャフト３内をバイオマス成型体Ａがスムーズに降下しなくなる虞れがある。

また、副シャフト３は、炉本体１へ燃焼空気を送る送風路を兼用しているので、バイオマス成型体Ａの熱分解により発生する可燃性ガスや還元帯17から上昇してくる可燃性ガスは、２次燃焼空間４で２次燃焼空気と供給されて燃焼し、発生した熱を溶融及び原料Ｃの予熱に利用することができる。また、バイオマス成型体Ａが、炉本体１の溶融帯18に供給前に高温ガスの影響を受けて損耗するのを防ぐことができる。

また、副シャフト３からベッド燃焼体Ｂ上に下降したバイオマス成型体Ａは、安息角θを成して積み上がり、ベッド燃焼体Ｂと天井壁部12の内面との間に、２次燃焼空間４を形成しているので、バイオマス成型体Ａの熱分解により発生する可燃性ガスや還元帯17から上昇してくる可燃性ガスは、２次燃焼空間４で十分に燃焼することができる。また、燃焼によって発生した熱を溶融及び原料Ｃの予熱に利用することができる。

本発明の溶融炉の実施の一形態を示す断面図である。要部拡大断面図である。要部拡大断面図である。要部説明用簡略斜視図である。全体の形状・構成説明のための斜視略図である。

１炉本体
２主シャフト
３副シャフト
４２次燃焼空間
５羽口
11 内部
12 天井壁部
13 側壁部
14 出湯口
15 炉底部
16 １次燃焼帯
17 還元帯
18 溶融帯
20 ２次燃焼空気供給口
Ａバイオマス成型体
Ｂベッド燃焼体
Ｃ原料
α 傾斜角
θ 安息角
Ｚ₀仮想円

Claims

内部（11）にバイオマス成型体（Ａ）を積み上げてベッド燃焼体（Ｂ）を堆積する炉本体（１）を備え、該炉本体（１）が、１次燃焼空気を供給する複数の羽口（５）を下部に有する円筒状の側壁部（13）と、原料（Ｃ）を装入するための筒状主シャフト（２）を中央位置に立設した天井壁部（12）と、出湯口（14）を有する炉底部（15）とを、備えた溶融炉に於て、
上記ベッド燃焼体（Ｂ）には、下方から順に、上記羽口（５）から供給される１次燃焼空気で上記バイオマス成型体（Ａ）を燃焼させる１次燃焼帯（16）と、上記バイオマス成型体（Ａ）の炭素還元反応によって還元反応を起こす還元帯（17）と、上記１次燃焼帯（16）で発生する熱で上記原料（Ｃ）を加熱して溶融する溶融帯（18）とが、形成され、
さらに、上記主シャフト（２）を中心とする上記天井壁部（12）の仮想円（Ｚ ₀ ）上に、上記バイオマス成型体（Ａ）を上記溶融帯（18）に直接に供給する複数本の筒状副シャフト（３）を配設し、かつ、該副シャフト（３）に２次燃焼空気供給口（20）を設けて、上記炉本体（１）へ２次燃焼空気を送る送風路として兼用し、上記ベッド燃焼体（Ｂ）と上記天井壁部（12）の内面との間に、可燃性ガスを燃焼させる２次燃焼空間（４）を形成するように構成されたことを特徴とする溶融炉。
上記副シャフト（３）は、垂直方向に対する傾斜角を（α）とすると、０°≦α≦30°として上記天井壁部（12）に立設している請求項１記載の溶融炉。