JP7063763B2 - フライアッシュの冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、未燃カーボンの含有量を減らすよう改質された高温のフライアッシュ（ＦＡ）を常温近くにまで冷却する、フライアッシュの冷却装置に関するものである。

火力発電所の微粉炭燃焼ボイラー等で回収されるフライアッシュは、含有する未燃カーボンの量を減少させることにより改質すれば、コンクリート用の混和材等として有効に利用することができる。フライアッシュから未燃カーボンを除去し減少させるためには、従来、ロータリーキルンを主要な構成とする加熱改質装置が使用されている。回転するそのキルンの内部でフライアッシュを加熱し、それが含有する未燃カーボンを自燃（発火燃焼）させて除去するのである。ロータリーキルン等からなる加熱改質装置は、たとえば下記の特許文献１に示されている。

ロータリーキルン等の加熱改質装置から取り出されたばかりの改質ずみフライアッシュは、通常７００～８００℃と高温であるため、冷却装置によって常温近くにまで冷却したうえで出荷の準備がなされる。改質ずみフライアッシュの冷却装置として、従来は、図３に示す水平設置型の（または若干の傾斜を付けた）ロータリークーラ１０１が使用されている。

水平設置型のロータリークーラ１０１は、図３（ａ）のとおり、軸心を水平（または略水平）にして回転するよう支持された円筒体１１０と、その外周面に冷却水を掛ける散水手段１１５とを有するものである。当該円筒体１１０は、図示のように、改質ずみフライアッシュの投入口１１１と、冷却したフライアッシュの取出し口１１２とを付設されているほか、取出し口１１２へ向けてフライアッシュを移送するための羽根１３０等を内側に有している。そのような円筒体１１０の外周面に散水手段１１５によって冷却水を掛けることにより、内部のフライアッシュを冷却する。

特開２０１４－４４０２６号公報

図３（ａ）のような水平設置型のロータリークーラ１０１は、冷却効率が十分とはいえず、装置のサイズや冷却水の使用量の割に、フライアッシュの冷却処理能力が高くない。冷却効率がすぐれない理由は図３（ｂ）に示すとおりである。すなわち、円筒体１１０の直径を大きくして、水冷される壁面の面積を大きく広げても、フライアッシュＸが壁面と接触する部分が図示のように下方の一部に限られるからである。通常、円筒体１１０内のフライアッシュＸが壁面と接触する面積は、散水により冷却されている円筒体１１０の周面全体の約１３％にすぎない。したがって、フライアッシュＸの冷却に関しても同程度の効率しか期待できない。
図３に示すロータリークーラ１０１ではなく、円筒状ケーシングを水冷構造にしてその内部に水冷構造の中空軸とともにスクリュウコンベヤを設けるような場合でも、冷却効率の大幅な向上は望めない。その場合も、ケーシングに対するフライアッシュの接触状況は図３（ｂ）と同様になり、水冷されるケーシングおよび中空軸の周面全体に対するフライアッシュの接触部分の面積は４０％程度にとどまるからである。

本発明は、上記のような課題を解決するために行ったものであり、改質された高温のフライアッシュを効率的に冷却することができるフライアッシュの冷却装置を提供することを目的とする。

発明によるフライアッシュの冷却装置は、未燃カーボンを自燃させることにより改質された高温のフライアッシュを、壁面が冷却される円筒状ケーシングの内部において冷却するフライアッシュの冷却装置である。そして、図３に示す装置とは異なり、上記の円筒状ケーシングが軸心を上下（鉛直または略鉛直）に向けた縦型のものであり、そのケーシングの内周面に沿って（つまり、当該内周面との間にフライアッシュの落下量が十分に少ない僅かな間隔をおいた位置に）、フライアッシュを上方へ移送する螺旋状の回転羽根（スクリュウ羽根）が設けられていることを特徴とする。
発明の冷却装置について図１・図２に一例を示す。ケーシング１０が、スプレー１５等の散水手段によって外壁を冷却される縦型のものであり、その内周面に沿って螺旋状の回転羽根３０が設けられている。

発明の冷却装置によれば、回転羽根を適切な速度で回転させるとき、円筒状ケーシング内のフライアッシュは、回転羽根の上面に載ったまま遠心力でケーシングの内周面に押し付けられ、回転する螺旋状のその羽根で押し上げられることにより、上方へ移送される。上記の遠心力はケーシングの全周においてフライアッシュに均等に作用し、またケーシングが縦型であってフライアッシュに作用する重力および上方への推進力もケーシングの内周の特定向きに偏ることがないため、フライアッシュは、ケーシングの内周面の全体に接触した状態を保ちながら上方へ移送される。つまり、フライアッシュは、図３（ｂ）に示される状態ではなく、図２において斜線で示されるように全周域にてケーシングの内周面に接触しながら、ケーシング内を上方へ（つまり長さ方向に）移動する。
冷却される円筒状ケーシングの内周面にフライアッシュが広く（内周面のほぼ１００％の部分で）接触することから、発明の冷却装置では冷却効率が高くなる。したがって、発明の装置は、比較的小型に構成されながらも冷却処理能力の優れたものとすることが可能である。

発明によるフライアッシュの冷却装置においては、さらに、上記ケーシングの内側に設けられた回転軸とそれより延びた支持アームとによって上記の回転羽根が支持され、上記の回転軸および支持アームのそれぞれが、一体に有する循環流路内に通水して冷却されるものであると好ましい。
図１に例示する冷却装置１においても、回転羽根３０は回転軸２０と支持アーム２１とによって支持されており、回転軸２０と支持アーム２１は、中空構造であって内部の循環流路内に矢印の向きに冷却水を流している。

改質されてロータリーキルン等から取り出された直後のフライアッシュは、前記のとおり７００～８００℃と高温である。そのまま冷却装置の円筒状ケーシング内に投入されると、冷却されているケーシングはともかくとして、上記の回転軸や支持アームが熱影響で損傷したり変形したりする恐れがある。変形が大きいと、それらによって支持された回転羽根の位置が変わるため、ケーシングの内周面と回転羽根との隙間が拡大してフライアッシュの落下量が増大したり、当該内周面に回転羽根が接触したりする不都合が発生する。
その点、上記のように回転軸と支持アームとのそれぞれが通水用の循環流路を有していて冷却されるものであるなら、上のような不都合が生じない。そのため、装置が安定的に運転され、フライアッシュの冷却が長期間にわたって円滑に行われる。

発明の冷却装置においては、とくに、上記の回転羽根が、上記の支持アームに対し、ボルト・ナットを用いて交換可能に取り付けられているのが好ましい。図１および図２の例でも、回転羽根３０は、ブラケット３２やボルト・ナット３３等を用いて、交換可能なように支持アーム２１に取り付けられている。
回転羽根は、フライアッシュと直接接触して高温にさらされる（薄型部品であること等から水冷構造にはされ難い）うえ、フライアッシュが常に擦れ合いながら移動するため、変形や摩耗を起こしやすい。一定程度以上に変形・摩耗を起こした場合には交換する必要が生じるため、上記のとおり、ボルト・ナット等を用いて支持アームに対し交換可能に取り付けられているのが有利である。仮に交換ができないなら、回転羽根の交換時に支持アームや回転軸まで交換しなければならないという不都合をまねく。

発明の冷却装置においては、さらに、上記ケーシングの下端部付近に、外周部が上記の回転羽根の下部につながっていて、上記回転軸とともに回転することにより上面上のフライアッシュを遠心力で外周部に移動させる回転底板が設けられているとよい。
回転底板は、図１の例では、冷却装置１の下部に設けられた符合４０の部品である。下面に、冷却水の循環流路を有する支持底板４１が、上記ケーシングに固定されることにより設置されている。
冷却装置内に投入された高温のフライアッシュは、その多くが投入直後に回転底板の上面に接触する。当該上面に載ったのち、その底板の回転にともなう遠心力の作用で、周囲にある回転羽根の上へ移動するのである。そのために回転底板は高温度になりやすく、熱影響で損傷したり変形したりしがちである。したがって、回転底板の直下に設置された支持底板（４１）が上記のように通水により冷却されるものであれば、その損傷や変形を防止することができ、冷却装置を長期間円滑に使用することが可能になる。

上記の円筒状ケーシングは、外周面に向けて散水する手段を付属し、または、周壁の内側に通水できる二重ジャケット構造のものであることにより、上記のとおり壁面が冷却されるものであるとよい。
図１の冷却装置１では、ケーシング１０の外周面に向けての散水手段として水スプレー１５等が外側に付設され、それによってケーシング１０の壁面が冷却される。スプレー１５等の散水手段を設けることに代えて、ケーシング１０を内外二重壁で構成した二重ジャケット構造にし、その二重壁の間に冷却水を流すようにするのも好ましい。
そのようにして均一かつ確実にケーシングを冷却すると、フライアッシュを適切に冷却できるうえ、熱によるケーシングの損傷および変形を効果的に防止することができる。

上記冷却装置において、冷却前のフライアッシュの投入口が上記円筒状ケーシングの下部にあり、冷却後のフライアッシュの取出し口が上記円筒状ケーシングの上部にあるとよい。図１に例示する冷却装置１においても、投入口１１が下部にあり、取出し口１２が上部にある。
発明の冷却装置においては、上記のとおり、ケーシングの内周面に沿って螺旋状の回転羽根がフライアッシュを上方へ移送し、その移送の間にフライアッシュを冷却する。そのため、冷却前の高温のフライアッシュをケーシングの下部に投入し、それを回転羽根にて上方へ移送し、移送された上部位置から冷却後のフライアッシュを取り出すのが、フライアッシュの移動経路として無駄がない。つまり、無駄な移動経路を設けないので、冷却装置をシンプルで低コストのものとして構成することが可能になる。

そして、冷却前のフライアッシュの上記投入口が、未燃カーボンを自燃させるロータリーキルンにおける改質ずみフライアッシュの取出し口（の下流側）に接続され、冷却後のフライアッシュの上記取出し口が、冷却ずみフライアッシュの袋詰め等を行う荷造り手段（の上流側）に接続されていると、さらに好ましい。
そのようにすれば、冷却装置の前後においてもフライアッシュの移動経路に無駄がなくなり、フライアッシュの改質手段であるロータリーキルンから、そのフライアッシュを冷却して荷造りするまでの経路がシンプルになり、設備上および運転上のコストを抑えることができる。

発明によるフライアッシュの冷却装置では、高温のフライアッシュが、冷却されている円筒状ケーシングの内周面の全域に接触した状態を保ちながら回転羽根により上方へ移送されるため、冷却効率が高い。したがって、小型であっても冷却処理能力の高い冷却装置を構成することが可能になる。円筒状ケーシングだけでなく、回転羽根を支持する回転軸等をも冷却し、またはさらに円筒状ケーシングの下部に設ける回転底板をも冷却するようにすると、発明の冷却装置は、高温度のフライアッシュが投入されるとしても長期間円滑に使用され得るものとなる。回転羽根を交換可能な構造にするのも、冷却装置を長期間使用するうえで好ましい。

発明の一例であるフライアッシュの冷却装置１を示す縦断面図である。 図１におけるII－II断面図であって、冷却装置１の部分的な水平横断面図である。 フライアッシュの冷却に従来使用されている水平設置型のロータリークーラ１０１を示し、図３（ａ）は縦断面図、同（ｂ）は同（ａ）におけるｂ－ｂ断面図である。

図１および図２に、発明の一実施例として、フライアッシュ（ＦＡ）の冷却装置１を示す。
火力発電所の微粉炭燃焼ボイラー等で回収されるフライアッシュは、ロータリーキルン等の加熱改質装置にて未燃カーボンを自燃させて改質するとき、７００～８００℃の高温の改質ずみフライアッシュとして取り出される。図示の冷却装置１は、そのような高温のフライアッシュ（加熱改質ＦＡ）Ｘｈを、常温に近い温度（３０～４０℃）のフライアッシュ（冷却改質ＦＡ）Ｘｃにして取り出すための装置である。

冷却装置１は、図１のとおり、中心線を鉛直にした縦型円筒状のケーシング１０と、その内側に中心線に沿って設けた回転軸２０等により構成している。回転軸２０は中空構造とし、上下の端部付近に設けた軸受２０Ａ・２０Ｂにより回転可能に支持するとともに、モータ２５や動力伝達機器２６等からなる回転駆動手段を接続したものである。回転軸２０には、それと一体に回転するよう螺旋状の回転羽根３０を取り付け、また、同じくともに回転する回転底板４０をケーシング１０の最下部位置に取り付けている。

ケーシング１０には、上記した高温のフライアッシュＸｈの投入口１１を図示のとおり下方に設け、上方に、常温近くにまで冷却したフライアッシュＸｃの取出し口１２を設けている。そして、内部のフライアッシュＸを冷却する目的で、スプレー１５と水膜形成器１６等からなる散水手段を外側に配置している。水膜形成器１６は、ケーシング１０の全周を囲む樋状の水受けであり、スプレー１５から噴射された冷却水を溜めるとともに内側向きにオーバーフローさせてケーシング１０の外周面に水膜１７を形成するものである。水膜１７としてケーシング１０の外周面を下向きに流れた冷却水は、下部にある受け器１８で受けたうえ排出し、または再度散水して冷却に用いる。

回転軸２０に取り付けている回転羽根３０は、薄い帯状の金属板を螺旋状に形成して連続させたもので、ケーシング１０の内周面のすぐ内側に配置している。ケーシング１０の最下部付近から最上部付近にまで連続する同一寸法・同一ピッチの羽根を複数条形成し、それらを等間隔に併設することによって一組の回転羽根３０を構成している。それぞれの羽根３０の幅（ケーシング１０の半径方向への寸法）は３～１５ｃｍ程度であり、上下に隣接する羽根の間隔も３～１５ｃｍ程度である。

回転羽根３０は、下記のa)～e)のようにして回転軸２０に取り付けている。
a) まず、図１のように、先端部に回転羽根３０を支持させるための支持アーム２１を回転軸２０に対して連結する。支持アーム２１は、回転軸２０から半径方向外向きに延びたもので、中空の管材で形成する。放射状に同じ間隔で同一高さに設ける複数本を一組とし、高さの異なる複数段の各位置に一組ずつ取り付ける。各組の支持アーム２１は、図２のように周方向に延びた連結管２２で互いに連結し、上下各段の支持アーム２１同士も、図１に示す連結管２３で連結する。このように連結するのは、支持アーム２１の剛性を高めるためである。

b) 回転軸２０と支持アーム２１、連結管２２・２３は、上記のとおりいずれも中空材で構成することに加え、内部に連続した通水路ができるように接続する。つまり、回転軸２０内にその下方端部から冷却水を送るとき、図示矢印のようにその冷却水が各部の通水路内に流れ、回転軸２０の上方端部から排水されるようにする。高温のフライアッシュＸｈが投入されるとき回転軸２０と支持アーム２１、連結管２２・２３を適切に冷却し、それらの損傷や変形を防止するためである。

c) 図１および図２に示すように、支持アーム２１の先端部および連結管２２の外側部分に、上下に延びていてケーシング１０の略全長に及ぶＨ形鋼状の支持フレーム３１を取り付け、その支持フレーム３１上の適切な高さ位置に支持板３２を取り付ける。そして支持板３２に対し、回転羽根３０を支持するためのボルト・ナット３３を装着する。そのナットの位置を調節すれば、支持板３２に対するボルトの突出量を変更できて、回転羽根３０の半径方向位置、すなわち回転羽根３０とケーシング１０との隙間を調整できる。ボルト・ナット３３を取り外すことにより、当然ながら回転羽根３０等の取外し・交換も行える。

d) 回転羽根３０は、前記のとおり薄い帯状の金属板を螺旋状に連続させた複数条の羽根３０を組み合わせたもので、各羽根３０は、図１・図２のように上下に延びた支持棒３５によって支えている。支持棒３５は、上記の支持板３２に装着したボルト・ナット３３の先端（ケーシング１０の半径方向外寄りの端部）にある平板部に、やはりボルト・ナット３４を用いて連結されるＬ形鋼状の部材である。その支持棒３５の外側（ケーシング１０の半径方向における外側）に、舌片状の略水平な羽根受け材３６を、前記した羽根同士の間隔に相当する間隔をあけて上下に多数取り付けている。それぞれの羽根３０は、それらの羽根受け材３６の各上面に、ビスまたは溶接によって取り付ける。

e) 回転羽根３０の位置は、支持フレーム３１上の支持板３２の高さを変更し、またはボルト・ナット３３の調整によって支持棒３５の半径方向位置を変更することにより調整する。そうした調整によって、回転羽根３０は、外側縁部の位置が、ケーシング１０の内周面との隙間が概ね均一になるようにするとよい。

ケーシング１０の下端部には、図１のとおり、回転軸２０に取り付けた回転底板４０を設けている。回転底板４０は、中央部から外周部付近にかけて下向きに傾斜した部分を有し、最外周の付近が回転羽根３０の下端部へ続く位置関係にある。回転軸２０に取り付けたものであるため、回転底板４０は回転軸２０とともに回転する。投入口１１から投入されたフライアッシュＸｈの多くは回転底板４０上に載るが、上記のように傾斜部分を有することと回転にともなう遠心力が作用することから、回転底板４０上のフライアッシュＸｈは、回転羽根３０上に移ったうえ、当該羽根３０により上方へ運ばれることになる。

高温のフライアッシュＸｈと接触することから、回転底板４０は、冷却水の循環流路を有する支持底板４１を直下に配置している。冷却される支持底板４１との接触を通じて回転底板４０も間接的に冷却するわけである。

以上のように構成した冷却装置１においては、投入口１１からケーシング１０内に投入される高温のフライアッシュＸｈは、螺旋状の回転羽根３０の作用でケーシング１０内を上向きに運ばれ、その間に、散水手段で冷却されているケーシング１０の内周面との接触により冷却されたうえ、常温に近いフライアッシュＸｃとして取出し口１２より取り出される。運転が継続される間、フライアッシュＸは、冷却されているケーシング１０の広い部分（ほぼ全域）で常に接触状態を保つため、図示の冷却装置１によって高い冷却効率がもたらされる。

上記の投入口１１は、未燃カーボンを自燃させるロータリーキルン（図示省略）における改質ずみフライアッシュＸｈの取出し口に直結させ、上記取出し口１２は、冷却ずみフライアッシュＸｃの袋詰め等を行う荷造り手段（図示省略）に直結させるとよい。そのようにすれば、フライアッシュＸの改質から冷却、荷造りまでを効率的かつ能率的に行うことができる。

１ 冷却装置
１０ 円筒状ケーシング
１１ 投入口
１２ 取出し口
１７ 水膜
２０ 回転軸
２１ 支持アーム
３０ 回転羽根
Ｘ・Ｘｈ・Ｘｃ フライアッシュ

Claims (7)

1. 未燃カーボンを自燃させることにより改質された高温のフライアッシュを、壁面が冷却される円筒状ケーシングの内部において冷却するフライアッシュの冷却装置であって、
   上記の円筒状ケーシングが軸心を上下に向けた縦型のものであり、そのケーシングの内周面に沿って、フライアッシュを上方へ移送する螺旋状の回転羽根が設けられていることを特徴とするフライアッシュの冷却装置。
2. 上記ケーシングの内側に設けられた回転軸とそれより延びた支持アームとによって上記の回転羽根が支持され、上記の回転軸および支持アームが、一体に有する循環流路内に通水して冷却されるものであることを特徴とする請求項１に記載したフライアッシュの冷却装置。
3. 上記の回転羽根が、上記の支持アームに対し、ボルト・ナットを用いて交換可能に取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載したフライアッシュの冷却装置。
4. 上記ケーシングの下端部付近に、外周部が上記の回転羽根の下部につながっていて上記回転軸とともに回転する回転底板が設けられ、当該回転底板も、直接または間接的に冷却されるものであることを特徴とする請求項２または３に記載したフライアッシュの冷却装置。
5. 上記円筒状ケーシングは、外周面に向けて散水する手段を付属し、または、周壁の内側に通水できる二重ジャケット構造のものであるために、壁面が冷却されるものであることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載したフライアッシュの冷却装置。
6. 冷却前のフライアッシュの投入口が上記円筒状ケーシングの下部にあり、冷却後のフライアッシュの取出し口が上記円筒状ケーシングの上部にあることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載したフライアッシュの冷却装置。
7. 冷却前のフライアッシュの上記投入口が、未燃カーボンを自燃させるロータリーキルンにおける改質ずみフライアッシュの取出し口に接続され、冷却後のフライアッシュの上記取出し口が、荷造り手段に接続されていることを特徴とする請求項６に記載したフライアッシュの冷却装置。

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