JP5585084B2 - ロータリーキルンの冷却装置およびその冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロータリーキルン外表面の冷却に関する。

従来、特許文献１では、ロータリーキルンに霧を噴霧して冷却する技術が開示されている。この特許文献１にあっては、圧力水と圧力空気を混合させるノズル部を設けてキルンシェル面に霧を噴霧し、キルンシェル面に衝突した水の蒸発熱によってキルンシェルを冷却している。噴霧する霧はキルンシェル面が濡れない程度のものであって、キルンシェル面において水が全量気化し、蒸発する。この技術を用いることにより、キルンシェル表面に水膜が形成されないため赤外線温度計によるキルン表面温度の測定が可能となっている。

特開２００１−２４１８５１号公報

しかしながら特許文献１にあっては、霧が噴霧された部分に冷却効果が集中するためロータリーキルン全体を適切に冷却できないという問題があった。
本発明は上記問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、ロータリーキルン外表面の適切な冷却を可能としたロータリーキルンの冷却装置を提供することにある。

上述の目的を解決するため、本願発明では、内面に耐火物が設けられ、一端側に設けられたバーナによって燃料を燃焼させ、被処理物を加熱するロータリーキルンの冷却方法において、ロータリーキルンの回転軸より鉛直下方の外表面に向かって送風する冷却空気に霧を噴霧することとした。

よって、ロータリーキルン外表面を適切に冷却することができる。

本発明のロータリーキルン１における側面図である。 実施の形態１におけるロータリーキルン１の径方向断面図である。 冷却ファン２の斜視図である。 ロータリーキルン１における温度分布を示す図である。 実施の形態２におけるロータリーキルン１の径方向断面図である。 実施の形態２における冷却ファン２の冷却位置を示す図である。 実施の形態３におけるロータリーキルン１の側面図である。 実施の形態４におけるロータリーキルン１の径方向断面図である。 実施の形態４における側面図である。 本発明の比較例である。

［実施の形態１］
［ロータリーキルンの概要］
ロータリーキルン１の概要につき図１および図２に基づき説明する。図１はロータリーキルン１の側面図、図２は径方向断面図である。なお、ロータリーキルン１の回転軸方向（長手方向）をｙ軸とし、バーナ３０側をｙ軸負方向とする。また、鉛直上方をｚ軸正方向とし、ｙ軸およびｚ軸に直交する径方向の軸をｘ軸とする。ｘ軸正方向は図２の右側とする。

ロータリーキルン１は円筒状のキルンシェル５を有し、内周側に耐火レンガ１２が設けられている。ロータリーキルン１は、図２では時計回り方向に回転するものとするが反時計回りであってもよい。耐火レンガ１２の内周側には原料９が導入され、バーナ３０の熱により焼成が行われる。また、ロータリーキルン１の回転軸Ｌよりｚ軸の負方向側には冷却ファン２が設けられ、この冷却ファン２からの送風によってキルンシェル５を冷却する。

冷却ファン２からｚ軸正方向側に向かって冷却空気７の送風を行う。このためキルンシェル５には、円周上最もｚ軸負方向側の部分から冷却空気７が当たることとなる。なお、冷却ファン２は軸流ファンを用いるが、他の形式のファンであってもよい。また、冷却ファン２からの冷却空気７はロータリーキルン１のキルンシェル５のうち、回転軸Ｌより鉛直下方（ｚ軸負方向側）の外表面に向かって送風すればよく、冷却空気７を当てる位置は特に限定しない。

冷却ファン２は複数であってｙ軸に対し平行、または概略平行に１列設けられている。冷却の範囲、必要能力によっては２列以上であってもよい（実施の形態４以降参照）。冷却ファン２同士の間隔は１．５〜３．０ｍの等間隔に設けられ、吹出し方向はｚ軸正方向側である。また、冷却ファン２の吹出口とキルンシェル５の距離は、０．６〜３ｍの範囲とする（理由は後述）。

冷却ファン２からは霧４を含む冷却空気７が出力され、この霧４を含む冷却空気７はバーナ３０の取り付け側のキルン端部からｙ軸正方向側に向かって所定範囲内に少なくとも１箇所設置されるものとする。実施の形態１ではバーナ３０の取り付け側のキルン端部から、ロータリーキルン１内部の耐火物表面にコーティング層１３が付着する領域に前記冷却ファン２を設置することが特に好ましいが、該領域外であってもよい。

［冷却ファンの概要］
図３は冷却ファン２の斜視図である。冷却ファン２から空気の吹出し口の周囲にはノズル３が設けられ、このノズル３から水を吹出させて霧化し、霧４とする。

この冷却ファン２は、外表面を濡らすことなく効果的にキルンシェル５を冷却可能とするものである。具体的には、霧４の粒径をごく小さな大きさで１５０μｍ以下とし、キルンシェル５の外表面に到達するまでに蒸発させる。冷却ファン２によって冷却空気７の流れが形成され、この冷却空気７に向かって吹き出された霧４を含んだ空気流は、霧４の蒸発熱によって温度が低下する。この温度が低下した空気流がキルンシェル５に到達することにより、キルンシェル５の外表面を冷却する。

ノズル３は吹出し口部周囲に一定間隔で設けられ、冷却空気７の流れの中心方向（冷却ファン２の軸心方向）に向って内向きに傾斜して設置される（角度は３０°〜６０°）。角度が３０°未満の場合は空気流の断面全体に噴霧されなくなる一方、角度が６０°を越えると空気流の流れを乱し均一な空気流の妨げとなるためである。なお、ノズル３の傾斜角度は、冷却空気７の吹出し風速が早いほど大きくすればよい。

ノズル３の数は、必要な水量およびノズルの吐出能力に応じて決められる。冷却空気７の温度を均一に冷却するには、ノズル３を分散して設置することが効果的であり、冷却ファン２について１台当たり６〜５０個ほど設けられている。５個以下では霧４が均一になり難くい。また５０個を越えるとノズル３への配管が煩雑となり、さらに、冷却ファン２の空気の吹出し口に配置することは、ノズル径にもよるが、実施の形態１では物理的に困
難となるためである。

なお、霧４の粒径は１０〜１５０μｍとする。この粒径であれば、霧４は外表面に到達するまでに冷却ファン２で形成された空気流によって蒸発する。したがってキルンシェル５の外表面を濡らすことなく蒸発熱によって空気流の温度を低下させ、キルンシェル５を冷却可能とする。

該霧滴の大きさが２００μｍを越えると、冷却空気７の温度でキルンシェルに到達するまでに気化しきらないものが現れ、該霧滴がキルンシェル５に衝突する恐れがある。なお、水の供給量は冷却ファン２の１台当たり３０〜２７０ｌ／ｈｒである。流量は、噴霧ノズルのサイズ及び噴霧圧力によって調整する。ノズル部の噴霧圧力は０．３〜６ＭＰａである。

ここで、キルンシェル５の外表面の温度は通常で２５０〜４００℃であり、冷却ファン２の元の空気温度は５０〜１５０℃であり、このためノズル３から噴霧された霧４を、瞬時に気化させることが可能である。

また、霧４の蒸発熱によって冷却空気を生成したとしても、ノズル３からキルンシェル５までの距離が過大な場合はキルンシェル５からの放射熱によって外表面に到達する前に昇温してしまい、キルンシェル５の冷却効率が低下する。一方、ノズル３からキルンシェル５までの距離が過少であると、霧４が外表面に到達するまでの時間が短くなって蒸発するための時間を十分確保できない。したがって実施の形態１では、ノズル３からキルンシェル５までの距離は、０．６〜３ｍの範囲とすることが好ましい。距離が０．６ｍ未満では蒸発時間が不十分であり、３ｍを超過すると冷却空気が昇温するためである。

［キルン周囲の上昇気流と冷却効果の関係］
キルンシェル５の外表面には、ロータリーキルン１の熱による上昇気流２０が形成される（図２参照）。この上昇気流２０に冷却ファン２からの冷却空気７を同伴させることで、キルンシェル５外表面にわたって冷却空気７を導入し、効果的に冷却するものである。

また、ロータリーキルン１の回転動作に伴ってキルンシェル５が時計回り方向に回転する。そのため、キルンシェル５と冷却空気７との相対運動は、ロータリーキルン１の回転軸Ｌよりもｘ軸正方向側では逆方向、ｘ軸負方向側では順方向となる。逆方向となったｘ軸正方向側では冷却空気７とキルンシェル５の周速との相対速度差が大きくなるため、強制対流熱伝達速度が大きくなって冷却効果が向上する。一方、冷却空気７とキルンシェル５の回転との相対速度が順方向では、冷却空気７がキルンシェル５の回転に乗ってキルンシェル５の外表面に拡散し、効果的に外表面が冷却される。なお、霧４の蒸発熱による熱量分ほど、空気とキルンシェル５の温度差が大きく広がる。

［バーナと冷却位置の関係］
図４はロータリーキルン１のｙ軸方向温度分布を示す図である。ロータリーキルン１においてはバーナ３０から噴出される火炎の先端付近が最も高温となり、該火炎の存在する領域にコーティング層１３が付着するが、キルンシェル５の熱的負担が大きい。そのため、上述のようにバーナ３０の該火炎の先端付近に冷却ファン２を設け、冷却空気７を送風することによりキルンシェル５を効果的に冷却するものである。

また、ロータリーキルン１の全長をＹとすると、ロータリーキルン１のうちバーナ３０の火炎が存在する領域は、ロータリーキルン１のバーナ３０側端部から、バーナ３０の火炎噴射方向（ｙ軸正方向側）に向かってほぼ（１／３）Ｙの範囲内となる。

したがって、ロータリーキルン１のバーナ３０側端部から、バーナ３０の火炎噴射方向（ｙ軸正方向側）に向かってほぼ（１／３）Ｙの範囲内で、冷却空気７を送風することにより、ロータリーキルン１のうち最も冷却要請の高い領域を効果的に冷却するものである。

なお、図１では２つの冷却ファン２を用いてキルンシェル５を冷却しているが、霧４を含む冷却空気７はバーナ３０の取り付け部からｙ軸正方向側に向かってコーティング層１３が付着する領域（またはバーナ３０の火炎噴射方向に向かってほぼ（１／３）Ｙの領域）に１箇所以上送風すればよい（複数の場合は実施の形態４参照）。また上記領域以外の場所にあっては、適宜従来どおり霧４を含まない空冷式のファンを用いてもよい。また、設計上冷却効果を高めたい場合は、上記領域以外の場所に冷却ファン２を用いて霧４を含む冷却空気７を送風してもよい。また、冷却ファン２の個数は要求される冷却性能に合わせて適宜変更してもよい。

実施の形態１の効果
（１）内面に耐火物（耐火レンガ１２）を有し、一端側に設けられたバーナ３０によって燃料を燃焼させ、被処理物を加熱するロータリーキルンの冷却方法において、ロータリーキルン１の回転軸より鉛直下方（ｚ軸負方向側）の外表面に向かって送風する冷却空気７に霧４を噴霧することとした。
これにより、冷却ファン２から出力される霧４を含んだ冷却空気７を、キルンシェル５外表面に発生する上昇気流２０を用いて外表面にわたって導入することが可能となり、キルンシェル５を効果的に冷却することができる。また、霧４の蒸発熱によって冷却ファン２から送風される空気を冷却して冷却空気７を生成することにより、キルンシェル５外表面を濡らすことなく冷却して赤外線温度計によるキルンシェル５外表面の温度を正しく測定することができる。

（６）被処理物は、バーナ３０の熱によって融解し、耐火物の内周側表面に付着することでコーティング層１３を形成し、
冷却空気７は、ロータリーキルン１の外表面であって、コーティング層１３が形成される領域に１箇所以上送風されることとした。これにより、ロータリーキルン１において最も高温となるバーナ３０付近を適切に冷却することができる。

（７）冷却空気７は、ロータリーキルン１の外表面であって所定範囲内に１箇所以上送風され、
この所定範囲は、ロータリーキルン１の全長をＹとすると、ロータリーキルン１のバーナ３０側端部から、バーナ３０の火炎噴射方向に向かって（１／３）Ｙの範囲であることとした。
これにより、上記（６）と同様の効果を得ることができる。

（８）霧４に含まれる水滴の量を可変とすることとした。
これにより、キルンシェル５の温度によって冷却量を適宜変更することができる。

（９）冷却空気７を送風する位置は複数であって、水滴の量はそれぞれの位置において独立に制御可能であることとした。
これにより、キルンシェル５において冷却量を増加させたい位置に噴射される水滴の量を適宜増加させることができる。

［実施の形態２］
実施の形態２につき説明する。基本構成は実施の形態１と同様である。実施の形態１では冷却ファン２からの冷却空気７をｚ軸正方向側に向かって送風したが、実施の形態２ではｚ軸に対しｘ軸方向側（キルンシェル５の周方向）に傾斜して送風する点で異なる。

図５は実施の形態２におけるロータリーキルン１の径方向断面図、図６は冷却ファン２による冷却位置を示す図である。図６に示すように、キルンシェル５内には耐火レンガ１
２が設けられ、その内周側で原料９が焼成されている。なお、説明のため図６では上昇気流２０は省略する。

原料９は重力の影響により原料９はｚ軸負方向側に偏っているが、高温で焼成されるため原料９の表面が溶融して粘りが大きくなり、キルンシェル５の時計回り回転に伴って耐火レンガ１２の炉壁面１１またはコーティング層１３との摩擦抵抗が増大して回転する炉壁面１１によって掻き上げられる。このため、原料９はｘ軸負方向側において鉛直上方（ｚ軸正方向側）に掻き上げられる。一方、原料９のｘ軸正方向側はキルンシェル５の時計回り回転に伴って鉛直下方（ｚ軸負方向側）に移動する。

ここで、キルンシェル５内部には高温ガス１０が導入されているが、キルンシェル５のうち耐火レンガ１２および／またはコーティングシェル１３を介して原料９と接している位置では高温ガス１０には接しない。そのためキルンシェル５は、耐火レンガ１２および／またはコーティングシェル１３を介して高温ガス１０と直接接する高温ガス接触部Ｄ１において温度が上昇し、耐火レンガ１２および／またはコーティングシェル１３を介して原料と接する原料接触部Ｄ２において温度が低下する。

また、キルンシェル５は時計回り方向に回転するため、回転に伴って高温ガス接触部Ｄ１に接する時間が増大して温度も上昇し、ｘ軸正方向側において原料９と接する直前の領域（高温ガス１０と原料９との境界である境界領域Ｄ３）において最も高温となる。したがって、キルンシェル５ではこの境界領域Ｄ３において最も冷却要請が大きい。

したがって実施の形態２では、この境界領域Ｄ３を冷却するため、冷却ファン２からの冷却空気７の吹き出し方向をｚ軸正方向側（鉛直）からｘ軸正方向側に傾斜させる。これにより冷却空気７を直接境界領域Ｄ３に送風し、キルンシェル５のうち最も冷却が必要な部分を効果的に冷却するものである。なお、実施の形態２では３°〜３０°傾斜させるものとするが、キルンシェル５および冷却ファン２の形状、および位置関係によって適宜変更してもよい。

この傾斜角度は、ロータリーキルン１の直径に比例して大きくするが、傾斜角度が過大となるとロータリーキルン１の外周側（ｘ軸の正、負方向側）に冷却空気が流れてしまい、キルンシェル５の上部まで到達しにくくなる。また、傾斜角度が過小となるとシェル下部に冷却空気７が直撃して局所冷却を起す一方、キルンシェル５の上部へ冷却空気７が到達しにくくなるためである。

なお、境界領域Ｄ３はキルンシェル５の回転軸Ｌに対しｘ軸正方向側に位置するため、実施の形態１と同様に冷却空気７とキルンシェル５の回転との相対速度差が大きくなるため、強制対流熱伝達速度が大きくなって冷却効果が向上する（図５参照）。

実施の形態２の効果
（２）冷却空気７は、鉛直軸（ｚ軸）に対し、ロータリーキルン１の周方向に傾斜して
送風されることとした。
これにより、境界領域Ｄ３等、冷却要請の高い位置を適切に冷却することができる。

［実施の形態３］
実施の形態３につき説明する。基本構成は実施の形態２と同様である。実施の形態２は霧４を含む冷却空気７をロータリーキルン１の周方向に傾斜させたが、実施の形態３ではロータリーキルン１の軸方向に傾斜させる点で異なる。
図７は実施の形態３におけるロータリーキルン１の側面図である。実施の形態３では、冷却ファン２をロータリーキルン１の回転軸方向（ｙ軸方向）に傾斜させ、冷却空気７をｙ軸方向の所望の位置に噴射する。

実施の形態３の効果
（３）冷却空気７は、鉛直軸（ｚ軸）に対し、ロータリーキルン１の軸方向に傾斜して送風されることとした。
これにより、冷却位置をロータリーキルン１の軸方向で可変とし、所望の位置を効果的に冷却することができる。

［実施の形態４］
実施の形態４につき説明する。実施の形態１〜３では冷却ファン２はｙ軸に対し平行又は概略平行に１列設けられていたが、実施の形態４では２列設ける点で異なる。

図８は実施の形態４におけるロータリーキルン１の径方向断面図、図９は側面図である。なお、実施の形態４では冷却ファン２をｙ軸に対し平行又は概略平行に２列とするが、
２列以上であってもよい。

複数の冷却ファン２はｙ軸に対し平行又は概略平行に設けられた２列のレール４１，４２上に配置され、それぞれ独立してこのレール４１，４２上をｙ軸に対し平行移動可能に設けられている。冷却空気７の送風位置を適宜移動させることで、キルンシェル５の冷却位置を適宜変更することが可能である。また、２本のレール４１，４２上に冷却ファン２を設けることで、冷却空気７がキルンシェル５の広い範囲に一層行き渡らせることが可能となり、冷却効率も一段と高められる。

また、ｘ軸正方向側のレール４１に設けられた冷却ファン２をｘ軸正方向側冷却ファン２１、ｘ軸負方向側のレール４２に設けられた冷却ファン２をｘ軸負方向側冷却ファン２２とすると、ｘ軸正、負方向側の各冷却ファン２１，２２間の距離は１ｍ〜２ｍに設定される。ｘ軸正、負方向側の各冷却ファン２１，２２間の距離を１ｍ〜２ｍに設定することにより、キルンシェル５の下面部の全体に冷却空気７の流れが行き渡るようにするためである。このような配列により、キルンシェル５の冷却は各冷却ファン２１，２２からの冷却空気７によって直接、冷却が行われる。

また実施の形態４では、実施の形態２と同様に冷却ファン２をｚ軸に対しｘ軸方向に傾斜させる。キルンシェル５の外表面に広く冷却空気７が行き渡るように、冷却ファン２の吹出し方向の傾斜角度をｚ軸に対して、３°〜３０°ほど傾斜させる。これにより実施の
形態２と同様の効果が得られるものである。

実施の形態４の効果
（４）冷却空気７の送風位置は、ロータリーキルン１の回転軸（ｙ軸方向）に対し平行移動可能であることとした。
冷却空気７の送風位置を適宜移動させることで、キルンシェル５の冷却位置を適宜変更することができる。

（５）冷却空気７は、冷却ファン２から送風され、
ロータリーキルン１の回転軸に対し平行又は概略平行なレール４１，４２を設け、冷却ファン２は、レール４１，４２上を平行移動可能に設けられることとした。
これにより、簡易な構成に基づき容易に冷却ファン２を平行移動させることができる。なお、所望により実施の形態１〜４を適宜組み合わせてもよい。

本発明は、ロータリーキルンを利用するあらゆる産業の炉において、キルンシェルの外表面温度を監視し、温度を基準値以下に管理する場合に適用できる技術であって、特に炉内の最高温度が高温である炉であるほど有効である。生石灰の製造、軽量骨材の製造、ドロマイトの製造、高炉ダストの還元、各種廃棄物の処理（焼却灰、廃プラスチック、廃油、廃液、廃木材、脱水汚泥等）などロータリーキルンを利用する産業は多く、いずれの産業においても、本発明を適用することができる。

１ ロータリーキルン
２ 冷却ファン
３ ノズル
４ 霧
５ キルンシェル
７ 冷却空気
９ 原料
１０ 高温ガス
１１ 炉壁面
１２ 耐火レンガ
１３ コーティング層
１４ ダクト
１５ 吹出し口
２１ 冷却ファン
２２ 冷却ファン
３０ バーナ
４１ レール
４２ レール

Claims (10)

1. 内面に耐火物が設けられ、一端側に設けられたバーナによって燃料を燃焼させ、被処理物を加熱するロータリーキルンの冷却方法において、
   前記ロータリーキルンの回転軸より鉛直下方の外表面に向かって送風する冷却空気に、前記ロータリーキルンの外表面に到達するまでに蒸発するような粒径の霧を噴霧すること
   を特徴とするロータリーキルンの冷却方法。
2. 請求項１に記載のロータリーキルンの冷却方法において、
   前記冷却空気は、鉛直軸に対し、前記ロータリーキルンの周方向にロータリーキルンの回転方向と対向する向きに傾斜して送風されること
   を特徴とするロータリーキルンの冷却方法。
3. 請求項１に記載のロータリーキルンの冷却方法において、
   前記冷却空気は、鉛直軸に対し、前記ロータリーキルンの軸方向に傾斜して送風されること
   を特徴とするロータリーキルンの冷却方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のロータリーキルンの冷却方法において、
   前記冷却空気の送風位置は、前記ロータリーキルンの回転軸に対し平行移動可能であること
   を特徴とするロータリーキルンの冷却方法。
5. 請求項４に記載のロータリーキルンの冷却方法において、前記ロータリーキルンの回転軸に対し平行なレールを設け、 前記冷却空気は、冷却ファンから送風され、
   前記冷却ファンは、レール上を平行移動可能に設けられること
   を特徴とするロータリーキルンの冷却方法。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のロータリーキルンの冷却方法において、
   前記被処理物は、前記バーナの熱によって融解し、前記耐火物の内周側表面に付着することでコーティング層を形成し、
   前記冷却空気は、前記ロータリーキルンの外表面であって、前記コーティング層が形成される領域に少なくとも１箇所送風されること
   を特徴とするロータリーキルンの冷却方法。
7. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のロータリーキルンの冷却方法において、
   前記冷却空気は、前記ロータリーキルンの外表面であって所定範囲内に少なくとも１箇所送風され、
   前記所定範囲は、前記ロータリーキルンの全長をＹとすると、このロータリーキルンの前記バーナ側端部から、前記バーナの火炎噴射方向に向かって（１／３）Ｙの範囲であること
   を特徴とするロータリーキルンの冷却方法。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のロータリーキルンの冷却方法において、
   前記霧に含まれる水滴の量を可変とすること
   を特徴とするロータリーキルンの冷却方法。
9. 請求項８に記載のロータリーキルンの冷却方法において、
   前記冷却空気の送風位置は複数であって、前記水滴の量はそれぞれの位置において独立に制御可能であること
   を特徴とするロータリーキルンの冷却方法。
10. ロータリーキルンと、
    冷却ファンと
    を有するロータリーキルンの冷却装置において、
    霧噴霧手段をさらに設け、
    前記冷却ファンは、前記ロータリーキルンの回転軸より鉛直下方側の外表面に対して冷却空気を送風し、
    前記霧噴霧手段は、前記冷却空気に、前記ロータリーキルンの外表面に到達するまでに蒸発するような粒径の霧を噴霧すること
    を特徴とするロータリーキルンの冷却装置。

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