JP5879629B2 - セラミック多孔体焼成用トンネルキルン - Google Patents
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Description
本発明は、有機バインダーを含むセラミック多孔体焼成用のトンネルキルンに関するものであり、特にセラミックハニカム構造体の焼成に適した台車式のトンネルキルンに関するものである。
セラミックハニカム構造体等の有機バインダーを含むセラミック多孔体を焼成するトンネル炉では、予熱帯において多量の有機バインダーガスが発生する。従来は高速の火炎を出せるハイスピードバーナを用いて高空気比で燃焼させ、大量の燃焼ガスを予熱帯に供給することによって撹拌効果を高め、温度分布を良好に保っていた。このほか、予熱帯に循環ファンを設けて撹拌効果を高めることも行われていた。このように炉内の温度分布を均一化する技術は存在するが、予熱帯における脱バインダーに長時間を要し、生産性の向上を図り難いという問題があった。その理由は次の通りである。
すなわち、予熱帯において発生した有機バインダーガスはセラミック多孔体の表面において燃焼するため、セラミック多孔体の外周部は高温になるが、セラミック多孔体は断熱性に優れているために内部の温度は比較的低温のままとなる。その後、徐々に内部の温度が上昇するとセラミック多孔体の内部において有機バインダーガスの燃焼が進行して高温となるが、セラミック多孔体は断熱性に優れているために外周部の温度は上がりにくい。このような原因で脱バインダー工程において内部と外周部との間に温度差が生じ、熱応力により切れと呼ばれるクラックを発生させることがある。従来はこの問題を回避するために、予熱帯を長くするとともに台車の走行速度を低速とし、脱バインダー工程を緩やかに進行させていた。
なお特許文献１や特許文献２には、予熱帯に窒素ガス等を打ち込み、雰囲気中の酸素濃度を低下させて有機バインダーの燃焼を抑制することにより、脱バインダーを短時間で完了させるようにしたトンネル炉が開示されている。しかしこのためには大量の窒素ガスを必要とし、ランニングコストが高くなるという問題がある。またトンネル炉は台車の搬入時に外気が侵入し易いという問題があり、予熱帯の酸素濃度を上記した切れを完全になくすることができる８％以下、望ましくは５％以下に維持することは容易ではない。これらの理由により、脱バインダー工程における切れの防止のためには、長い時間をかけて徐々に昇温しているのが実情である。
従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、有機バインダーを含むセラミック多孔体を、切れを発生させることなく、また窒素ガスを必要とすることなく、従来よりも短時間で焼成することができるセラミック多孔体焼成用トンネルキルンを提供することである。
上記の課題を解決するためになされた本発明は、予熱帯と焼成帯と冷却帯とを備え、台車に積載したセラミック多孔体を炉内で走行させて焼成するセラミック多孔体焼成用トンネルキルンであって、焼成帯の加熱手段として蓄熱再生式バーナを使用し、該蓄熱再生式バーナから排気される低酸素濃度の排ガスを予熱帯に打ち込む排ガス返送ラインを設けることにより、予熱帯を低酸素雰囲気としたことを特徴とするものである。
なお、予熱帯の前段に予備室を形成し、蓄熱再生式バーナから排気される低酸素濃度の排ガスを予備室にも打ち込む構造とすることが好ましい。
また、排ガス返送ラインに、排ガス中の酸素を消費させて酸素濃度を低下させる燃焼装置を設けた構造とすること、あるいは、予熱帯の炉内ガスを吸引して排ガス返送ラインに合流する経路を備え、該経路に予熱帯の炉内ガス中の酸素を消費させて酸素濃度を低下させる燃焼装置を設けた構造、あるいは、予熱帯の炉内ガスを吸引して燃焼装置の前段に合流する経路を備えた構造とすることが好ましく、その燃焼装置が触媒燃焼装置であることが好ましい。さらに、予熱帯の炉内ガスを吸引し排気させる経路にアフターバーナを具備し、セラミックス多孔体から発生する有機バインダーガスを完全燃焼させると同時に、排ガス返送ラインから打ち込まれた排ガス中に含まれる窒素酸化物を除去することが好ましい。
本発明のセラミック多孔体焼成用トンネルキルンは、焼成帯の加熱手段である蓄熱再生式バーナから排気される低酸素濃度の排ガスを排ガス返送ラインにより予熱帯に返送して打ち込む。蓄熱再生式バーナは炉内から吸引したガスの顕熱を蓄熱体に回収する構造のバーナであるから、その排ガスは比較的低温度であって、焼成温度が１４００℃を超えても２５０〜３００℃程度である。またその酸素濃度は燃焼条件により異なるものの、概ね３〜７％程度である。本発明はこのような蓄熱再生式バーナからの排気ガスを予熱帯に打ち込むことにより予熱帯の酸素濃度を低減させ、脱バインダー工程における有機バインダーの燃焼を抑制して切れを防止することができる。
請求項２のように、予熱帯の前段に予備室を形成し、蓄熱再生式バーナから排気される低酸素濃度の排ガスを予備室にも打ち込む構造とすれば、台車を予熱帯に進入させる際の外気の侵入を防止することができ、予熱帯を低酸素雰囲気に維持するうえで有利である。
請求項３のように、排ガス返送ラインに、排ガス中の酸素を消費させて酸素濃度を低下させる燃焼装置を設けた構造とすれば、蓄熱再生式バーナの排気ガスの酸素濃度が所定の濃度を上回った場合にも、低酸素濃度の排ガスを予熱帯に供給することができる。
予熱帯を低酸素濃度に維持するために、更に多くの低酸素ガスを必要とする場合には、請求項４または請求項５のように、予熱帯の炉内ガスを吸引して燃焼により酸素を消費させて酸素濃度を低下させたガスを、蓄熱再生式バーナから排気される低酸素濃度の排ガスとともに予熱帯に返送する構造とすることが好ましい。
また請求項６のように、燃焼装置として触媒燃焼装置を使用すれば、温度及び酸素濃度の低い領域においても燃焼反応を進行させて酸素を消費させることができるので好ましい。
さらに請求項７のように、予熱帯から炉内ガスを吸引してアフターバーナに導き、セラミックス多孔体から発生する有機バインダーガスを完全燃焼させると同時に、排ガス返送ラインから打ち込まれた排ガス中に含まれる窒素酸化物を除去するようにすれば、無触媒脱硝をすることができ、環境保護を図ることができる。
以下に本発明の実施形態を示す。
図１は本発明の第１の実施形態を示す説明図であり、１はトンネル炉の予熱帯、２は焼成帯、３は冷却帯である。また予熱帯１の前段には、予備室４が形成されており、その前後に設けられた昇降式扉５，６を交互に開閉することにより、外気の侵入を防止している。
図１は本発明の第１の実施形態を示す説明図であり、１はトンネル炉の予熱帯、２は焼成帯、３は冷却帯である。また予熱帯１の前段には、予備室４が形成されており、その前後に設けられた昇降式扉５，６を交互に開閉することにより、外気の侵入を防止している。
被焼成物である有機バインダーを含むセラミック多孔体は、台車７に積載されて図１の右方向に進行しながら、予熱帯１において約２００℃前後で脱バインダーされ、焼成帯２において１４００〜１５００℃で焼成され、冷却帯４で常温付近まで冷却されて取り出される。この実施形態ではセラミック多孔体はコージライト質のセラミックハニカム構造体であり、有機バインダーとしてメチルセルロースやポリビニルアルコールを含むものである。
焼成帯２には加熱手段として図２に示すような蓄熱再生式バーナ１０が設けられている。蓄熱再生式バーナ１０は燃焼用空気の流路に蓄熱体１１を備えたバーナであって通常は対をなして設置されており、３０秒前後の短時間で燃焼と排気を繰り返すものである。すなわち、図２のＡの状態では左側の蓄熱再生式バーナ１０は炉内ガスを吸引してその蓄熱体１１に蓄熱したうえ、排気している。一方、右側の蓄熱再生式バーナ１０は蓄熱体１１を通過することにより加温された燃焼用空気と燃料ガスとを供給され、燃焼している。図２のＢの状態では、左側の蓄熱再生式バーナ１０が燃焼し、右側の蓄熱再生式バーナ１０は炉内ガスを吸引している。空気切替弁１２と燃料切替弁１３とによって、３０秒程度の短い周期でＡ，Ｂの切替が行なわれる。
上記した蓄熱再生式バーナ１０においては炉内ガスは蓄熱体１１を通過する際に顕熱を奪われるので、その排ガス温度は２５０〜３００℃程度である。またその酸素濃度は燃焼条件により異なるものの、概ね３〜７％程度である。図１に示すように、本発明ではこの蓄熱再生式バーナ１０の排ガスを排ガス返送ライン１４により予熱帯１に返送して打ち込む。なお、排ガス温度が予熱帯１に打ち込むには高すぎる場合には、図１に示すように除熱設備１５を排ガス返送ライン１４に設け、２００℃前後にまで冷却してから予熱帯１に打ち込む。除熱設備１５としては、熱交換器を用いることができる。
これによって予熱帯１は低酸素濃度に維持されるため、予熱帯１で進行する脱バインダー工程における有機バインダーの燃焼が抑制され、切れを防止することができる。この結果、台車７の走行速度を速めて脱バインダー工程を短時間で行わせることができる。
またトンネルキルンではプッシャー等により台車７を炉内に押し込む必要があり、その際には入り口の昇降式扉５，６を交互に開閉する必要が生じるため、予備室４の雰囲気も予熱帯１の入り口部分の雰囲気と一致させておくことが好ましい。またプッシャー等の機器を保護するためには予備室４をより低温にしておくことが好ましい。そこで図１では除熱設備１５と直列に除熱設備１６を配置して排ガス温度をさらに下げ、予備室４にも打ち込んでいる。
予熱帯１では、セラミック多孔体から大量の有機バインダーガスが発生する。このため吸引ファン８により予熱帯１の炉内ガスを吸引し、アフターバーナ９により燃焼させ、無害・無臭としてから大気中に放出している。この点を更に詳細に説明すると次の通りである。
すなわち、セラミックス多孔体焼成用トンネルキルンの焼成帯２の温度は高温であるため、窒素酸化物（以下ＮＯｘ）濃度は高くなる。予熱帯１では、セラミックス多孔体から有機バインダーガスが発生し、排ガス返送ライン１４より打ち込まれたＮＯｘを含む排ガスに混入する。その後、予熱帯１の排ガスはアフターバーナ９で７５０〜８５０℃に昇温され、酸化処理されて煙突より排気されることになるが、その際、このアフターバーナ９では有機バインダーガスがＮＯｘに対して還元剤として作用するため、有機バインダーガスの酸化とＮＯｘの還元が同時に起こり、Ｎ２とＣＯ２及びＨ２Ｏが生成され排出される。脱硝効率としては数十％のレベルであるが、無触媒脱硝をすることができる。
脱硝効率を上げるために、アフターバーナ９にＮＨ３を注入してもよい。あるいは、アフターバーナの代わりに、触媒脱臭炉に触媒脱硝を付加してもよい。つまり有機バインダーガスの酸化としてＰｔ-Ｐｄ系の酸化触媒を用い、その前段にＴｉ-Ｖ系の脱硝触媒を設置し、反応温度を２５０〜３００℃に維持することで、積極的に脱硝を行うと共に、エネルギー消費を抑制することも可能である。
なお、予熱帯１を低酸素濃度に維持するために必要な低酸素ガス量は、予熱帯１で発生する有機バインダーガス量の増加とともに増加する。ここで、予熱帯１の炉圧を大気圧よりも高く維持し、かつ、予熱帯１を低酸素濃度に維持するために、更に多くの低酸素ガスを必要とする場合には、図６に示すように、予熱帯１の炉内ガスを吸引して排ガス返送ライン１４に合流する排気ライン２２を設けて、予熱帯１から吸引される炉内ガスの一部を燃焼装置１９に導いて燃焼させ、炉内ガス中の酸素を消費して酸素濃度を低下させたガスを、排ガス返送ライン１４中の排ガスとともに予熱帯１に返送する構成とすることができる。燃焼装置１９は、炉内ガス中の有機バインダーガスを燃焼させる役割と、その燃焼により炉内ガス中の酸素を消費して酸素濃度を低下させる役割とを持つもので、好ましくは触媒反応器である。また、燃焼装置１９は、大気放出前に設置されるアフターバーナとは異なるため必ずしも有機バインダーガスを完全燃焼させる必要はない。燃焼装置１９の設置個所は特に限定されず、図７に示すように、排気ライン２２と排ガス返送ライン１４との合流後に設置してもよく、この場合には、下記の燃焼装置１７と兼用することができる。
図３は本発明の第２の実施形態を示す説明図である。図１に示した第１の実施形態では、焼成帯２に設置された蓄熱再生式バーナ１０の排ガスを除熱設備１５，１６で冷却して予熱帯１と予備室４に打ち込み、酸素濃度の調整は行なっていない。しかし蓄熱再生式バーナ１０の運転状況によっては、酸素濃度が好ましい値である８％、望ましくは５％を上回ることがある。
そこで第２の実施形態では、排ガス返送ライン１４に排ガス中の酸素を消費させて酸素濃度を低下させる燃焼装置１７を設けた。蓄熱再生式バーナ１０の排ガス中には可燃成分はほとんど含まれていないので、燃料ガス供給管１８から排ガス中に燃料ガスを供給して燃焼させ、排ガス中の酸素を消費させる。この実施形態では燃焼装置１７が触媒燃焼装置であり、燃料ガスを触媒燃焼させる。この触媒燃焼装置は例えばセラミックハニカム構造体に白金やパラジウム等の貴金属酸化触媒を担持させたものであり、酸素濃度が低い領域においても燃料ガスを燃焼させることができ、それによって蓄熱再生式バーナ１０の排ガス中の酸素濃度を８％以下、望ましくは５％以下にまで下げることができる。なお、前記したように排ガス温度は２５０〜３００℃程度であるため触媒反応を進行させるうえで大きな支障はないが、２５０℃よりも低温となる場合には触媒燃焼装置の前段に加熱装置を設置するか、あるいは焼成帯２の蓄熱再生式バーナ１０の運転条件を調整して３００℃前後にまで昇温することが好ましい。なお、本発明における燃焼装置１７は触媒燃焼装置に特に限定されるものではなく、例えば、通常の直火式加熱炉とすることもできる。
なお、トンネルキルンの炉入口部では、台車下の空間を介して炉内雰囲気と外気が通じているため、この空間を通じて予熱帯１に外気が流入したり、予熱帯１に打ち込まれた低酸素濃度の排ガスが台車下の空間から流出したりしないようにすることが望まれる。
そこで台車７の進行方向前面あるいは後面に図４、図５に示すようなボード２０を取付け、台車下の空間を炉体の長手方向に分断し、ラビリンスシールの原理により台車下への排ガスの流れ込みを防止することが好ましい。また、従来と同様に台車７の両側はサンドシール２１により外気と遮断されていることは言うまでもない。
以上のように、本発明によれば焼成帯２に設置された蓄熱再生式バーナ１０からの排気ガスを予熱帯１に打ち込むことにより、窒素ガスを使用することなく予熱帯１の酸素濃度を低減させ、脱バインダー工程における有機バインダーの燃焼を抑制し、セラミック多孔体の内外の温度差に起因する切れを防止することができる。このため従来よりも昇温速度を上げて脱バインダー工程を短時間で迅速に進行させることが可能となり、生産性の向上を図ることができ、またトンネルキルンの全長を短縮化できるのでコストダウン効果も大きい。
なお、焼成帯２の加熱手段が通常のバーナである場合にはその排ガス温度は非常に高温であるから、外気を導入してダクトの耐熱温度まで冷却する必要がある。外気を導入すると酸素濃度が上昇するから、予熱帯１に返送しても本発明のような効果を達成することは容易ではない。また高温の排ガスを外気を導入せずに冷却するためには大型の除熱設備が必要となり、工業的な実現性に乏しい。
１ 予熱帯
２ 焼成帯
３ 冷却帯
４ 予備室
５ 昇降式扉
６ 昇降式扉
７ 台車
８ 吸引ファン
９ アフターバーナ
１０ 蓄熱再生式バーナ
１１ 蓄熱体
１２ 空気切替弁
１３ 燃料切替弁
１４ 排ガス返送ライン
１５ 除熱設備
１６ 除熱設備
１７ 燃焼装置
１８ 燃料ガス供給管
１９ 燃焼装置
２０ ボード
２１ サンドシール
２２ 排気ライン
２ 焼成帯
３ 冷却帯
４ 予備室
５ 昇降式扉
６ 昇降式扉
７ 台車
８ 吸引ファン
９ アフターバーナ
１０ 蓄熱再生式バーナ
１１ 蓄熱体
１２ 空気切替弁
１３ 燃料切替弁
１４ 排ガス返送ライン
１５ 除熱設備
１６ 除熱設備
１７ 燃焼装置
１８ 燃料ガス供給管
１９ 燃焼装置
２０ ボード
２１ サンドシール
２２ 排気ライン
Claims (7)
- 予熱帯と焼成帯と冷却帯とを備え、台車に積載したセラミック多孔体を炉内で走行させて焼成するセラミック多孔体焼成用トンネルキルンであって、
焼成帯の加熱手段として蓄熱再生式バーナを使用し、該蓄熱再生式バーナから排気される低酸素濃度の排ガスを予熱帯に打ち込む排ガス返送ラインを設けることにより、予熱帯を低酸素雰囲気としたことを特徴とするセラミック多孔体焼成用トンネルキルン。 - 予熱帯の前段に予備室を形成し、蓄熱再生式バーナから排気される低酸素濃度の排ガスを予備室にも打ち込むことを特徴とする請求項１記載のセラミック多孔体焼成用トンネルキルン。
- 排ガス返送ラインに、排ガス中の酸素を消費させて酸素濃度を低下させる燃焼装置を設けたことを特徴とする請求項１または２記載のセラミック多孔体焼成用トンネルキルン。
- 予熱帯の炉内ガスを吸引して排ガス返送ラインに合流する排気ラインを備え、該排気ラインに予熱帯の炉内ガス中の酸素を消費させて酸素濃度を低下させる燃焼装置を設けたことを特徴とする請求項１または２の何れかに記載のセラミック多孔体焼成用トンネルキルン。
- 予熱帯の炉内ガスを吸引して燃焼装置の前段に合流する経路を備えたことを特徴とする請求項３記載のセラミック多孔体焼成用トンネルキルン。
- 燃焼装置が触媒燃焼装置であることを特徴とする請求項３または４記載のセラミック多孔体焼成用トンネルキルン。
- 予熱帯の炉内ガスを吸引し排気させる経路にアフターバーナを具備し、セラミックス多孔体から発生する有機バインダーガスを完全燃焼させると同時に、排ガス返送ラインから打ち込まれた排ガス中に含まれる窒素酸化物を除去することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のセラミック多孔体焼成用トンネルキルン。
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