(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【0005】
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。
【課題を解決するための手段】
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【発明の効果】
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【発明を実施するための形態】
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。