JP5585104B2 - ロータリーキルンの冷却装置および冷却方法 - 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、気化し蒸発される。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、ロータリーキルンの冷却装置において、ロータリーキルンの回転軸よりも鉛直下方側の外表面に対して空気を送風する冷却ファンを設け、冷却ファンは、鉛直軸に対し、ロータリーキルンの周方向および／または軸方向に傾斜して前記冷却空気を送風することとした。

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。

本発明におけるセメント製造装置の概略図である。 本発明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１におけるロータリーキルン１の径方向断面図である。 ロータリーキルン１における温度分布を示す図である。 冷却ファンの周方向傾斜を示す図である。 被処理物と冷却位置の関係を示す図である。 冷却ファンの軸方向傾斜を示す図である。 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における側面図である。 実施の形態３を示す図である。

［実施の形態１］
［セメント製造装置の概要］
図１は、本発明のロータリーキルンの冷却装置を適用したセメント製造装置１００の模式図である。セメント製造装置は、ロータリーキルン１、サスペンションプレヒータ１１０、仮焼炉１２０、クリンカクーラ１３０を有する。

セメント原料はサスペンションプレヒータ１１０に投入されて予熱され、ロータリーキルン１の窯尻１０１に設けられた仮焼炉１２０を介してロータリーキルン１に供給される。窯前１０２からはバーナ３０がロータリーキルン１内に延在して燃料を噴射する。バーナ３０から噴射される燃料を燃焼することによりセメント原料（被処理物）は焼成され、クリンカとなって排出される。

ロータリーキルン１の鉛直下方側には冷却ファン２が設けられている。この冷却ファン２はロータリーキルン１と地面との間の空間に設けられ、ロータリーキルン１に対して冷却空気を送風する。

［ロータリーキルン］
ロータリーキルン１につき図２および図３に基づき説明する。図２はロータリーキルン１の側面図、図３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３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３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の内周側にはセメント原料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２参照）。また、冷却ファン２の送風量は可変とされ、冷却要請に合わせて送風量は適宜変更される。

冷却ファン２からは冷却空気７が送風され、この冷却空気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。

［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３参照）。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。

［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２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、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２参照）。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。

また、冷却空気７はｚ軸に対しｘ軸方向側（キルンシェル５の周方向）に傾斜して送風される。

図５はロータリーキルン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１２が設けられ、その内周側でセメント原料９（被処理物）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。

セメント原料９は重力の影響によりｚ軸負方向側に偏っているが、高温で焼成されるためセメント原料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、またはコーティング層１３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、セメント原料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、セメント原料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層１３を介してセメント原料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層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層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セメント原料９と接する直前の領域（高温ガス１０とセメント原料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。

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軸正方向側に位置し、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）。また、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してもよい。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ものである（図７参照）。

［実施の形態１の効果］
（１）（９）ロータリーキルン１の回転軸よりも鉛直下方側の外表面に対して冷却空気７を送風する冷却ファン２を設け、冷却ファン２は、鉛直軸に対し、ロータリーキルン１の周方向および／または軸方向に傾斜して冷却空気７を送風することとした。
これにより、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、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。
また、冷却空気７を鉛直軸（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することにより、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。
また、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ことにより、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。

（４）ロータリーキルン１の一端側に、ロータリーキルン１内に供給された被処理物（セメント原料）を加熱するバーナ３０を設け、
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、
冷却ファン２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少なくとも１箇所に対し、冷却空気７を送風することとした。
これにより、ロータリーキルン１において高温となるコーティング層１３付近を適切に冷却することができる。

（５）冷却ファン２は、ロータリーキルン１の外表面であって所定範囲内に少なくとも１箇所に対し、冷却空気７を送風し、
所定範囲は、ロータリーキルン１の全長をＹとすると、このロータリーキルン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、ロータリーキルン１において高温となるバーナ３０付近を適切に冷却することができる。

（６）冷却ファン２の送風量を可変とすることとした。可変とすることにより、冷却効果を向上させることができる。

（７）冷却ファン２は複数設けられ、冷却ファン２の送風量は、それぞれの冷却ファン２において独立に制御可能であることとした。独立制御とすることにより、冷却効果を向上させることができる。

（８）ロータリーキルン１は、セメント製造装置におけるロータリーキルン１であることとした。これによりセメント製造装置にあっても、上記と同様の効果を得ることができる。

［実施の形態２］
実施の形態２につき説明する。実施の形態１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２では２列設ける点で異なる。

図８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９は側面図である。なお、実施の形態２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２では冷却ファン２をｚ軸に対しｘ軸方向に傾斜させる。例えばキルンシェル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。

［実施の形態２の効果］
（２）冷却ファン２は複数であって、ロータリーキルン１の軸に対し平行に２列以上設けられることとした。ロータリーキルン１の軸に対し平行に２列以上設けることにより、より効果的に冷却することができる。

（３）冷却ファン２は、ロータリーキルン１の回転軸に対し平行移動可能とした。適宜移動させることにより、冷却効果を向上させることができる。

［実施の形態３］
図１０は実施の形態３を示す図である。実施の形態３では、ロータリーキルン１を支持するタイヤ１６（支持部）付近を冷却する。冷却ファン２１，２２から送風された冷却空気７を、ロータリーキルン１の外表面とタイヤ１６との接続部に当てるものである。

タイヤ１６はロータリーキルン１の全周を覆うため、このタイヤ１６付近が特に冷えにくい。そのためタイヤ１６とロータリーキルン１外表面との接続位置に送風することで、適切に冷却することができる。また、タイヤ１６の軸方向両側に向かって送風することにより、さらに冷却効果を向上させることができる。

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
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
１６ タイヤ（支持部）
２１ 冷却ファン
２２ 冷却ファン
３０ バーナ
４１ レール
４２ レール
１００ セメント製造装置

Claims (9)

1. ロータリーキルンの冷却装置において、
   前記ロータリーキルンの回転軸よりも鉛直下方側の外表面に対して冷却空気を送風する冷却ファンを設け、
   前記冷却ファンは、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前記冷却空気を送風すること
   を特徴とするロータリーキルンの冷却装置。
2. 請求項１に記載のロータリーキルンの冷却装置において、
   前記冷却ファンは複数であって、前記ロータリーキルンの軸に対し平行に２列以上設けられること
   を特徴とするロータリーキルンの冷却装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のロータリーキルンの冷却装置において、
   前記冷却ファンは、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装置。
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装置において、
   前記ロータリーキルンの一端側に、前記ロータリーキルン内に供給された被処理物を加熱するバーナを設け、
   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、
   前記冷却ファンは、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箇所に対し、前記冷却空気を送風すること
   を特徴とするロータリーキルンの冷却装置。
5. 請求項４に記載のロータリーキルンの冷却装置において、
   前記冷却ファンは、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箇所に対し、前記冷却空気を送風し、
   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装置。
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装置において、
   前記冷却ファンの送風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装置。
7. 請求項６に記載のロータリーキルンの冷却装置において、
   前記冷却ファンは複数設けられ、
   前記冷却ファンの送風量は、それぞれの冷却ファン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装置。
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、
   前記ロータリーキルンは、セメント製造装置のロータリーキルンであること
   を特徴とするロータリーキルンの冷却装置。
9. ロータリーキルンを有するロータリーキルンの冷却装置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も鉛直下方の外表面に向かって空気を送風することにより、前記ロータリーキルンを冷却し、
   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。
   

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