JP5862277B2

JP5862277B2 - 焼成炉

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Publication number: JP5862277B2
Application number: JP2011281581A
Authority: JP
Inventors: 新開　誠司; 誠司新開; 恵都子藤中; 赤澤　輝行; 輝行赤澤
Original assignee: Lixil Corp; ESTIR CO Ltd
Current assignee: Lixil Corp; ESTIR CO Ltd
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: WO2013094553A1; CN103998887A; JP2013130366A

Description

本発明は、タイル等の窯業製品を焼成するのに好適な焼成炉に係り、特にスターリングエンジンにより排熱エネルギーを回収するように構成された焼成炉に関する。

スターリングエンジンによって炉の排熱エネルギーを回収するものとして、特許文献１には溶融炉の排ガスダクトにスターリングエンジンの高温側熱交換部を配置することが記載されている。また、特許文献２には、アルミニウム溶解炉の溶解室の雰囲気に高温側熱交換部を晒すようにスターリングエンジンを配置することが記載されている。

特開２００２−６１５４０特開２０１１−１６９２５５

上記特許文献１，２のように、スターリングエンジンの高温側熱交換部を炉の排ガスダクトや、溶解室に、高温燃焼ガス雰囲気に晒すように設置して排熱エネルギーの回収を行う場合、燃焼ガスは腐食性成分（例えば硫黄酸化物や、溶融又は半溶融状態の飛灰粒子、アルカリ金属酸化物の蒸気など）を多く含んでおり、熱交換部が早期に腐食する。また、ダクト内のガス温度は通常は３００℃以下であり、このダクトにスターリングエンジンを配置しても排熱エネルギーを効率よく回収することはできない。

本発明は、長期にわたりスターリングエンジンによって排熱エネルギーを安定して回収することができる焼成炉を提供することを目的とする。

本発明の焼成炉は、予熱帯、焼成帯及び冷却帯を有する焼成炉において、スターリングエンジンを、その高温側の熱交換部を前記冷却帯に配置させて設置した焼成炉であって、該熱交換部は該焼成炉の炉体の左右の両側壁から該炉体の左右方向中央部近傍にまで延在していることを特徴とするものである。

該焼成炉としてはローラーハースキルン、トンネルキルン、シャトルキルンなどが好適である。

該ローラーハースキルンの場合、熱交換部は、ローラーの下側に配置されることが好ましい。

前記熱交換部は、炉体に設けられた貫通孔を通って炉内に差し込まれることが好ましい。この場合、貫通孔とスターリングエンジンとの間に振動吸収性を有した耐火性断熱材（例えば耐火断熱繊維）を介在させることが望ましい。

前記熱交換部は、雰囲気温度が３００〜８００℃の帯域に設置されることが好ましい。

本発明の焼成炉は、スターリングエンジンの高温側熱交換部を冷却帯に配置し、排熱エネルギーを例えば電力として回収するものである。この冷却帯は、焼成帯に続くものであるが、被焼成物の冷却を行うために大気が供給されるので、焼成帯から燃焼排ガスは全く又は殆ど流れ込まない。そのため、スターリングエンジンの熱交換部が高温の腐食性燃焼排ガスと接触することはなく、熱交換部の腐食が防止され、長期にわたって安定して排熱エネルギーを回収することができる。また、ＣＯ_２排出量削減にも寄与する。

本発明は、特にローラーハースキルンに適用するのに好適である。ローラーハースキルンは、多数のローラーを水平に配列し、被焼成物はローラーの上を搬送され、この間に焼成されるように構成されている。このローラーハースキルンは、ローラーの上側及び下側にスペースがあいており、このスペースはスターリングエンジンの熱交換部を配置するのに好適である。

この熱交換部をローラーハースキルンのローラーの下側に配置すると、熱交換部に付着堆積したダスト成分が落下しても被焼成物（製品）上に落下することがなく、不良品発生を防止することができる。

熱交換部をローラーハースキルンの側壁を通してローラー下側に差し込んだ場合、ローラー下側スペースの広い範囲に熱交換部を配置することができ、排熱エネルギーを効率よく回収することができる。

なお、従来のローラーハースキルンでは、冷却帯に冷却用空気（いわゆる「打ち込み空気」を供給して被焼成物を冷却していたが、この空気供給により焼成品が急冷されて焼成物に割れ、歪などが生じることがあったが、スターリングエンジンによって熱を吸収する場合、急冷を防止し、降温曲線をなだらかなものとし、焼成された製品の割れ、歪等を防止することもできる。

本発明では、スターリングエンジンの高温側熱交換部を８００℃以下、例えば３００〜８００℃の帯域に設置することが好ましい。この理由は次の通りである。タイル等の窯業製品は、８００℃よりも高い温度で焼成され、その一部（例えば釉薬層部分）が溶融又は半溶融状態のガラス状となっているので、スターリングエンジンの振動が作用するとこの溶融又は半溶融状態のガラス状部分に不均一な変形が生じるおそれがある。焼成品が８００℃よりも低温にまで降温していると、ガラス状部分もガラス転移点以下にまで降温して固体状態となっており、多少の振動が加えられても不均一な変形が生じない。これにより、外観の良好な窯業製品を歩留りよく得ることができる。

実施の形態に係るローラーハースキルンの長手方向の縦断面図である。図１のII−II線断面図である。別の実施の形態に係る焼成炉の断面図である。実施の形態に係るトンネルキルンの長手方向の縦断面図である。図４のＶ−Ｖ線断面図である。ローラーハースキルンのスターリングエンジン設置部の詳細な縦断面図である。図６と同一部分の水平断面図である。図７のスターリングエンジンの一部水平断面図である。図８のIX−IX線断面図である。

以下、本発明について図面を参照してさらに詳細に説明する。図１，２は本発明の実施の形態に係る焼成炉を示すものである。この焼成炉はローラーハースキルン１であり、多数のローラー２が水平、平行かつ同一高さに配列されており、タイル原料の成形体等の被焼成物がローラー群の上側を搬送されるように構成されている。ローラーハースキルン１内は入口側から予熱帯３、焼成帯４、冷却帯５となっている。焼成帯４には複数のバーナー６が設置されている。バーナー６は、キルン天井部に設けられてもよく、側壁部に設けられてもよい。

冷却帯５には冷却用空気の供給口７が設けられるとともに、該供給口７よりも焼成帯４側に排気口８が設けられている。排気口８は複数個設けられてもよい。予熱帯３には、キルン入口側に排気口９が設けられているが、キルン入口から排気してもよい。

図２の通り、このローラーハースキルン１の炉体１０は架台１１上に設置されている。各ローラー２は炉体１０の左右の側壁を貫通しており、その両端が軸受部材（図示略）によって支持されると共に、回転駆動装置（図示略）によって各ローラー２の軸心回りに回転駆動される。ローラー２は、アルミナ等の高耐熱性セラミック材料にて構成されているが、これに限定されない。

冷却帯５のローラー２の下側に高温側熱交換部２１を差し込むようにしてスターリングエンジン２０が設置されている。この実施の形態では、スターリングエンジン２０は炉体１０の左右両側に配置されており、熱交換部２１は左右の両側壁から炉体１０の左右方向中央部近傍にまで延在している。この実施の形態では、炉体１０の左右の側壁にそれぞれ貫通孔１２が設けられ、この貫通孔１２を通して高温側熱交換部２１が炉内に挿入されている。貫通孔１２の内周面とスターリングエンジン差込部外周面との間には、スターリングエンジン２０の振動が炉体１０に伝播することを緩和するために、ロックウール等の耐火断熱繊維１３が充填されている。

スターリングエンジン２０は、そのマシンベース２２が工場の床１９に固定されている。なお、ローラーハースキルン１の炉体１０は熱膨張によって炉体長手方向に伸縮するが、貫通孔１２の内周面とスターリングエンジン差込部外周面との間に耐火断熱繊維１３を充填してあるので、スターリングエンジン２０が床１９に固定されていても、炉体１０の伸縮はスターリングエンジン２０に拘束されない。また、耐火断熱繊維１３を介在させたことにより、スターリングエンジン２０の振動が炉体１０に伝播することも抑制される。

スターリングエンジン２０は、空気供給口７を設置した部分よりも焼成帯４側に間隔をおいて複数台配置されている。スターリングエンジン２０の設置台数及び位置は、最適な冷却曲線（炉内の冷却帯の温度分布）となるように選定されるのが好ましい。スターリングエンジン２０の低温側熱交換部は当然ながら炉外に配置されている。この実施の形態では、低温側熱交換部の冷熱源は工業用水となっているが、大量の冷水が得られる場合には冷水を冷熱源としてもよく、またその他の低温流体を用いてもよい。

このように構成されたローラーハースキルン１においては、タイル等の被焼成物はローラー２によって図１の左側から右側に向って搬送され、予熱帯３で予熱され、焼成帯４で焼成され、冷却帯５で冷却され、炉体１０外に送り出される。焼成帯４では、バーナー６に燃料及び空気が供給され、高温の燃焼ガスによって被焼成物が焼成される。被焼成物がタイルの場合、焼成帯４の最高温度は例えば１１００〜１２５０℃程度とされる。焼成帯４の下限温度は９００〜１０５０℃程度である。

前記予熱帯３の排気口９にダクトを介してインダクションファン（誘引排風機）が接続されており、焼成帯４からの排ガスのほぼ全量が予熱帯３に流れ込み、被焼成物を予熱した後、排気口９、ダクト及び排ガス処理設備を介して煙突から排出される。焼成帯４を通った焼成品は、冷却帯５において冷却されて降温する。

この冷却帯５内のガスの保有熱や輻射熱がスターリングエンジン２０の高温側熱交換部２１に吸収され、スターリングエンジン２０が駆動し、スターリングエンジン２０に接続された発電機によって発電が行われる。このようにしてローラーハースキルン１の排熱エネルギーを電力として回収することができる。なお、必要に応じ、供給口７から冷却用空気を供給し、排気口８から高温空気を排出する。この高温空気は、バーナー６への燃焼用空気と熱交換した後、煙突へ導かれる。

この実施の形態では、高温側熱交換部２１は冷却帯５のうちでも温度が８００℃以下となる帯域に設置されている。８００℃以下では、タイル釉薬等も固体状態となっているので、スターリングエンジン２０の振動が焼成品に伝播しても焼成品の製品外観が損なわれることが防止ないし抑制される。

スターリングエンジンは冷却帯５のうち温度が３００℃以上特に５００℃以上の帯域に設置されるのが好ましい。なお、従来の焼成炉の冷却帯では、専ら供給口７から供給される空気によって焼成品の冷却が行われていたが、この実施の形態では、スターリングエンジン２０によって熱を吸収するので、供給口７からの空気供給量を減少させることができ、場合によっては供給口７からの空気供給を停止することも可能である。また、このスターリングエンジン２０の吸熱によって焼成品を冷却する場合、供給口７からの空気供給のみによって冷却を行う場合に比べて焼成品の急激な冷却を防止することができ、製品の割れや歪も防止される。

冷却用空気を吹き込まない場合、スターリングエンジン２０によってより多くの排熱を回収することができる。なお、この実施の形態のように複数のスターリングエンジン２０を冷却帯の長手方向に配列設置した場合、各スターリングエンジンの排熱回収量を制御することにより冷却帯の温度分布を制御することも可能である。

このローラーハースキルン１では、冷却帯５にスターリングエンジン２０の高温側熱交換部２１を配置している。この冷却帯５には焼成帯４からの燃焼排ガスが殆ど流れ込まないので、燃焼排ガスによって高温側熱交換部２１が腐食するおそれがなく、スターリングエンジン２０を長期にわたって安定して運転することができる。

この実施の形態では、高温側熱交換部２１をローラー２の下側に配置しているので、高温側熱交換部２１に付着、堆積したダスト等が落下して被焼成物（製品）に付着することがない。

この実施の形態では、スターリングエンジン２０の高温側熱交換部を炉体１０の左右両側壁からローラー２の下側に差し込んでおり、ローラー２の下側スペースの広い範囲から排ガス保有熱や輻射熱などの排熱エネルギーを回収することができる。

ただし、本発明では、図３のように炉体１０の底部からスターリングエンジン３０の高温側熱交換部３１をローラー２の下側スペースに差し込んでもよい。図３のローラーハースキルン１Ａでは、炉体１０の底面部に貫通孔２５が設けられ、この貫通孔２５を通して高温側熱交換部３１が炉内に差し込まれている。スターリングエンジン３０の差込部と貫通孔２５の内周面との間には、耐火断熱繊維２６が充填されている。この耐火断熱繊維２６の充填層の上面側はセラミックプレート２７で覆われている。この実施の形態では、工場の床１９に凹所２９を設けてスターリングエンジン３０を設置している。このように、キルン底面を貫通させて、スターリングエンジンを設置することは、既設のキルンに対しても容易に適用することができる。

図６〜図９にスターリングエンジン設置部付近の詳細な構成の一例を示す。２０ａはスターリングエンジン２０の膨張空間である。２０ｂはヒータ管、２０ｃはヒータであり、高温側熱交換部２１を構成している。２０ｄは再生器、２０ｅはクーラ、２０ｆはディスプレーサ、２０ｇは圧縮空間、２０ｈはパワーピストン、２０ｉはバッファ空間、２０ｐのバイパス配管を示す。２０ｊは冷却水入口（又は出口）、２０ｋは冷却水出口（又は入口）を示す。２０ｍは発電機２０Ａの冷却水入口、２０ｎは発電機２０Ａの冷却水出口、２０ｒは固定子鉄心、２０ｓは回転子鉄心を示す。

図４は、本発明の実施の形態に係わる台車式トンネルキルン４０を模式的に示す断面図、図５は図４のＶ−Ｖ線断面図である。

台車式トンネルキルン４０の炉本体４２の入口側には入口置換室４４が、また、出口側には出口置換室４７が接続されており、炉本体４２は台車の進行方向に沿って順に予熱帯４６、焼成帯４８、冷却帯５０が設けられている。予熱帯４６と焼成帯４８には炉本体４２の内部空間を加熱領域５２と加熱処理領域５４とに区画するマッフル５６が設けられている。加熱領域５２の予熱帯４６には複数個のヒータＨが、また、焼成帯４８には複数個のバーナＢが設置されており、被加熱物Ｍをマッフル５６を介して間接加熱するようになっている。

炉本体４２の床部には台車走行用のレール５８が敷設されている。この台車式トンネル炉４０では、複数台の台車Ｄを炉長方向に連なった台車列として炉本体４２内を移動させることにより、台車Ｄ上に積載した被加熱物Ｍを加熱処理するようになっている。

台車Ｄの左右の両側縁部には遮蔽板６２が台車の全長にわたって付設されている。一方、炉本体４２には受け樋６４が炉壁４２ａの左右両側に入口から出口まで延設されており、受け樋６４にはシールサンドが満たされている。台車Ｄが炉本体４２に装入されると遮蔽板６２の先端がサンドシールの中に沈潜して炉内を移動することになるので、遮蔽板６２は炉内の熱気が台車Ｄの側縁部から台車の下部へ流入することと、後述する冷却空気の炉内への侵入を防止している。また、台車Ｄの前後の縁部には隣接する台車と嵌合して炉内の熱気が台車の下部へ流入することと、冷却空気の炉内への侵入とを防止する当接部（図示せず）が形成されている。さらに台車Ｄの下部には冷却用の空気が導入されて車輪や台車フレームの変形や溶損を防止するようになっている。

マッフル５６はステンレスなどの耐熱性金属板で断面凹型のチャンネル状に形成されており、上記のような構成を有する複数台の台車を台車列として収容している。このためマッフル５６は炉床６０と台車Ｄの上面とでほぼ密閉された加熱処理領域５４を形成すると同時に、炉本体４２の炉壁４２ａとマッフル５６との間に加熱領域５２を形成する。なお、加熱処理領域５４は冷却帯５０の冷却空間に連通している。記号Ｐ，Ｑは炉体を構成するユニットである。

次に各領域で発生する蒸発物などの排気経路について説明する。

第１の排気経路Ｉは、主として加熱処理領域５４に開口するマッフル内排気通路７２、７４および冷却帯排気通路６８、排ガス処理装置８２、８４とから構成されている。加熱処理領域５４は予熱帯４６に対応する予熱領域５４ａと、焼成帯４８に対応する焼成領域５４ｂとからなっており、予熱領域５４ａで被加熱物Ｍから発生する蒸発物Ｇ_１は矢印アに沿って流動し、予熱領域５４ａの高温側（焼成帯４８の近傍）に設けた第１のマッフル内排気通路７２を通って第１の排ガス処理装置８２へ導入される。そして蒸発物Ｇ_１中の有害物質は第１の排ガス処理装置８２で燃焼処理される。また、焼成領域５４ｂで被加熱物Ｍから発生する蒸発物Ｇ_２は矢印イに沿って流動し、焼成領域５４ｂの高温側（冷却帯５０の近傍）に設けた第２のマッフル内排気通路５４を介して第２の排ガス処理装置８４へ導入されて蒸発物Ｇ_２中の有害物質が燃焼処理されるようになっている。

ここで、排ガス処理装置８２、８４は、直接燃焼タイプの排ガス処理装置であり、蒸発物Ｇ_１中のダイオキシンや未燃焼の一酸化炭素ガスなどの有害物質を８００℃以上の高温で分解したり、あるいは燃焼させて安定した酸化物などとして無害化する装置である。

第１の排ガス処理装置８２と第２の排ガス処理装置８４とは排気通路９２によって直列に連通されている。従って、第２の排ガス処理装置８４で処理された蒸発物Ｇ_１とＧ_２とは完全に灰化しており、バグフィルタあるいはサイクロンなどの集塵装置８６で灰分を除去することにより、無害化された排気（例えば、水分や炭酸ガス）のみを煙突８８から外部へ放出することができる。

被加熱物Ｍは台車Ｄに積載されてこの加熱処理領域５４を移動する間に予熱帯４６ではヒータＨにより、また、焼成帯４８ではバーナＢによりマッフル５６を介して間接的に加熱される。被加熱物Ｍに含有される蒸発物は、温度の上昇に伴って蒸発量を増し予熱領域５４ａ内に充満する。第１のマッフル内排気通路７２は予熱領域５４ａの高温部に開口しているので、蒸発物Ｇ_１を効率よく捕集して第１の排ガス処理装置８２へ送給することができる。蒸発物Ｇ_１の大半は被加熱物Ｍが予熱領域５４ａを移動する間に発生して第１の排ガス処理装置８２で処理される。また、予熱温度よりも更に高温でなければ発生（蒸発）しない蒸発物は焼成領域５４ｂで発生するが、第１のマッフル内排気通路７２で捕捉されずに予熱領域５４ａから焼成領域５４ｂへ侵入した蒸発物Ｇ_１とともに、その大半は焼成領域５４ｂで分解したり酸化したりして無害化される。このように焼成領域５４ｂの高温部に設けた第２のマッフル内排気通路７４を通って第２の排ガス処理装置８４へ送給される蒸発物Ｇ_２は少量でありかつ相当量が無害化されているので、第２の排ガス処理装置８４は簡便で小容量のものでよい。

なお、冷却帯５０では、第２のマッフル内排気通路７４で捕捉されずに焼成領域５４ｂから冷却空間へ侵入した蒸発物Ｇ_２を冷却空気（矢印ウ）とともに冷却帯５０の高温側に設けた排気通路６８から第２の排ガス処理装置８４へ導入するようにしてもよい。このような排気経路とすることで蒸発物をより完全に処理することができる。

第２の排気経路IIは、主として加熱領域５２に開口している排気通路７６、７８から構成されている。加熱領域５２の予熱帯４６で発生する排気ガスｇ_１（加熱空気のみ）は加熱領域５２の低温側（入口近傍）に開口している排気通路７６を介してブロワ９０で吸引して煙突８８から排出する。また、加熱領域５２の焼成帯４８で発生する燃焼ガスｇ_２は、焼成帯４８の低温側（予熱帯近傍）の加熱領域５２に設けた排気通路７８を介して同様に煙突８８から排出する。

このトンネルキルン４０では、冷却帯５０に、１台又は長手方向に間隔をおいて複数台のスターリングエンジン３０が設置されている。この実施の形態では、炉体４２の底版１００に貫通孔１０２が設けられ、この貫通孔１０２を通して高温側熱交換部３１が炉内に差し込まれている。スターリングエンジン３０の差込部と貫通孔１０２の内周面との間には、耐火断熱繊維１０４が充填されている。この実施の形態では、工場の床１１０に凹所１１２を設けてスターリングエンジン３０を設置している。

上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は図示以外の形態とされてもよい。本発明はタイル以外の各種被焼成物の焼成用の焼成炉に利用することができる。また、スターリングエンジンの高温側熱交換部は図示以外の箇所に配置されてもよい。

本発明は、シャトルキルンなど、トンネルキルン及びローラーハースキルン以外の連続式焼成炉にも適用することができる。上記実施の形態では、スターリングエンジンによって発電機を駆動しているが、ポンプやコンプレッサーなどの回転機器の駆動に用いてもよい。

１，１Ａローラーハースキルン
２ローラー
５冷却帯
６バーナー
１０炉体
１１架台
１２，２５，１０２貫通孔
１３，２６耐火断熱繊維
２０，３０スターリングエンジン
２０Ａ発電機
２１，３１高温側熱交換部
２７セラミックプレート
４０トンネルキルン

Claims

予熱帯、焼成帯及び冷却帯を有する焼成炉において、スターリングエンジンを、その高温側の熱交換部を前記冷却帯に配置させて設置した焼成炉であって、
該熱交換部は該焼成炉の炉体の左右の両側壁から該炉体の左右方向中央部近傍にまで延在していることを特徴とする焼成炉。
請求項１において、該焼成炉はローラーハースキルン、トンネルキルン又はシャトルキルンであることを特徴とする焼成炉。
請求項１において、該焼成炉はローラーハースキルンであり、前記熱交換部が該ローラーハースキルンのローラーの下側に配置されていることを特徴とする焼成炉。
請求項１ないし３のいずれか１項において、前記熱交換部が炉体に設けられた貫通孔を通って炉内に差し込まれていることを特徴とする焼成炉。
請求項４において、該貫通孔とスターリングエンジンとの間に振動吸収性を有した耐火断熱材を介在させたことを特徴とする焼成炉。
請求項１ないし５のいずれか１項において、前記熱交換部は雰囲気温度が３００〜８００℃の帯域に設置されていることを特徴とする焼成炉。
請求項１ないし６のいずれか１項において、前記冷却帯は、冷却用空気の吹き込みなしにスターリングエンジンによって冷却が行われることを特徴とする焼成炉。