JP2008063688A - アクリル繊維束の耐炎化処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気を熱源としないことで耐炎化処理のコストを大幅に低減でき、処理室中の温度分布を低減できるアクリル繊維束の耐炎化処理装置を提供する。
【解決手段】加熱された酸化性ガスを循環しつつ、該酸化性ガスによりアクリル繊維束を耐炎化処理する耐炎化処理装置であって、前記酸化性ガスの加熱手段として、バーナーを内包する燃焼室と、該燃焼室と伝熱部を介して連通された排ガス室とを有し、該バーナーにより燃料が燃焼して発生した排ガスが該燃焼室から該伝熱部を通じて該排ガス室に送られることで、少なくとも該伝熱部にて加熱するヒーターの少なくとも２台で構成されたヒーターアレイを具備し、前記少なくとも２台のヒーターは、その伝熱部を流れる排ガスの向きが該ヒーター間で互いに対向するように配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐炎化繊維や炭素繊維の原料となる耐炎化繊維の製造に使用するアクリル繊維束の耐炎化処理装置に関する。

従来、アクリル繊維を耐炎化処理する際に使用する耐炎化処理装置が具備する加熱手段としては、電気ヒーターを用いるのが一般的であった。しかし、電気ヒーターを使用することは、炭素繊維のコストアップにつながり、他の加熱手段が検討されている。

例えば、特許文献１には、ヒーター室に直焔燃焼装置を備えたアクリル繊維束の耐炎化処理装置が開示されている。また、特許文献２には、熱媒ヒーターを処理室に設けたアクリル繊維束の耐炎化処理装置が開示されている。
特開２００１−５５６３５公報 特開２００５−１６３２００公報

しかしながら、加熱手段として直焔燃焼装置を用いた場合には、処理室内の酸素濃度の低下、二酸化炭素濃度の増加、水分率の増加が起こり、これらを調整することが必要となる。また、加熱手段として熱媒ヒーターを用いた場合には、上記問題点は改善されるものの、一般的な熱媒を使用した場合には消防法の危険物として規制を受けるため装置が高価になる、さらに熱媒の取り扱いに注意を要するといった問題点がある。また、危険物ではない熱媒を使用した場合には熱媒自体が高価になってしまいコストメリットが得られない。

そこで、本発明では、電気を熱源としないことで耐炎化処理のコストを大幅に低減でき、上記従来技術の問題点を解決し、さらに処理室中の温度分布を低減できるアクリル繊維束の耐炎化処理装置を提供することを目的とする。

本発明のアクリル繊維束の耐炎化処理装置は、加熱された酸化性ガスを循環しつつ、該酸化性ガスによりアクリル繊維束を耐炎化処理する耐炎化処理装置であって、
前記酸化性ガスの加熱手段として、
バーナーを内包する燃焼室と、該燃焼室と伝熱部を介して連通された排ガス室とを有し、該バーナーにより燃料が燃焼して発生した排ガスが該燃焼室から該伝熱部を通じて該排ガス室に送られることで、少なくとも該伝熱部にて加熱するヒーターの少なくとも２台で構成されたヒーターアレイを具備し、
前記少なくとも２台のヒーターは、その伝熱部を流れる排ガスの向きが該ヒーター間で互いに対向するように配置されているアクリル繊維束の耐炎化処理装置である。

前記ヒーターは複数の伝熱部を有し、該伝熱部は互いに平行に配置した管であることが好ましい。

この耐炎化処理装置は、長手方向が一方向に揃えられ、かつ互いに等間隔に引き揃えられた複数のアクリル繊維束からなるアクリル繊維束シートを耐炎化処理する際に好適に使用できる。

この耐炎化処理装置では、例えば、前記アクリル繊維束の導入口及び導出口並びに前記酸化性ガスの導入口及び導出口を有する処理室と、ファン及び前記ヒーターアレイを内部に有するヒーター室とを有し、前記酸化性ガスの導入口及び導出口は、前記処理室内のアクリル繊維束の厚み方向に前記酸化性ガスを流すように配され、前記ファンは前記処理室内の前記酸化性ガスを循環させるように配置される。

本発明によれば、以下の効果を発揮できる。
１）電気を熱源としないので、耐炎化処理のコストを大幅に低減できる。
２）直焔燃焼タイプとは異なり燃焼排ガスを系外に排出するので処理室内の酸素濃度の低下、二酸化炭素濃度の増加、水分率の増加を起こすことがない。
３）燃料の燃焼による処理室内への影響がないので、燃料の種類に限定がなく、より安い燃料の選定が可能である。
４）熱媒を使用しないので高価な装置は必要なく、熱媒の取り扱いに注意を要する必要がない。
５）伝熱部を流れる排ガスと循環熱風が垂直になる配置で、少なくとも２台を伝熱部を流れる排ガス方向が対向するように重ねて配置したヒーターアレイの使用により、処理室中の温度分布を低減できる。

本発明のアクリル繊維束の耐炎化処理装置は、加熱された酸化性ガスを循環しつつ、該酸化性ガスによりアクリル繊維束を耐炎化処理する耐炎化処理装置である。また、長手方向が一方向に揃えられ、かつ互いに等間隔に引き揃えられた複数のアクリル繊維束からなるアクリル繊維束シートを耐炎化処理することもできる。

以下、アクリル繊維束シートを耐炎化処理する装置を例にとって、本発明を図面を使って説明する。

図１（ａ）は、耐炎化処理装置のアクリル繊維束シートの移送方向に沿った断面図であり、図１（ｂ）は、耐炎化処理装置のアクリル繊維束シートの移送方向に垂直な断面図である。図２（ａ）は、ヒーター３２１の上面図、図２（ｂ）は、正面図（部分、温度分布を併せて示す）である。

『アクリル繊維束シート１００』
本発明のアクリル繊維束の耐炎化処理装置では、耐炎化処理に供される複数のアクリル繊維束を、その長手方向が一方向に揃えられ、かつ互いに等間隔に引き揃えられたシート状のアクリル繊維束シート１００が、後述の処理室２００に移送される。

アクリル繊維束としては、耐炎化繊維、炭素繊維の原材料として用いられているアクリル繊維束であればよく、その組成、構成単繊維数、単位長さ当りの質量（目付）など特に限定しない。ただし、アクリル繊維束を互いに等間隔に引き揃える際の間隔は、繊維束の加熱効率、除熱効率に大きくな影響を及ぼす場合があるので、適宜調整する。アクリル繊維束の単繊維数が６０００本、目付０．７３ｇ／ｍの場合は、単位幅あたり２７７〜８３４本／ｍ、また、単繊維数が１２０００本、目付１．４７ｇ／ｍの場合は、単位幅あたり１３８〜４１７本／ｍ、そして、単繊維数が２４０００本、目付２．９４ｇ／ｍの場合は、単位幅あたり６９〜２０９本／ｍ、さらに、単繊維数が４８０００本、目付５．８７ｇ／ｍの場合は、単位幅あたり３４〜１０５本／ｍであることが好ましい。アクリル繊維束を本発明の耐炎化処理装置に供給する前に、コーム、溝ロールに通して各繊維束を所望の間隔で配列することにより、容易にアクリル繊維束を互いに等間隔に引き揃えることができる。

アクリル繊維束の移送速度は、例えば１〜２０ｍ／分とされる。

『処理室２００』
−シート導入口とシート導出口−
アクリル繊維束シート１００は、処理室２００の側壁に横長に設けられたスリット状の第一のシート導入口２１１（図１では上下方向に５段構成となっている）を通過して処理室２００内に入り、処理室２００の対向する側壁にシート導入口２１１に対向して設けられたスリット状の第一のシート導出口２１２から処理室２００外に出る。耐炎化処理を２段で行う場合には、アクリル繊維束シート１００は、アクリル繊維束シートの移送速度で駆動する処理室外ロール９００により方向転換され、第一のシート導出口２１２の下に設けられた第二のシート導入口２１３から処理室２００内に入り、第一のシート導入口２１１の下に設けられた第二のシート導出口２１４から処理室２００外に出る。３段以上の耐炎化処理を行う場合には、これらが繰り返される。このようにして、アクリル繊維束シート１００は、処理室２００内への導入・導出を所望の回数繰り返して耐炎化処理された後、最後のシート導出口（図１では、第五のシート導出口２２０）から次の耐炎化処理装置または炭素化装置に移送される。

シート導入口及びシート導出口の外側には、アクリル繊維束の耐炎化により処理室内に生じた有害なガスを処理室２００外への流出を防ぐために、特開２００１−１９４０７１号公報等に開示されているようなシール室２２１、２２２を設けることができる。

−処理室内の熱風の流れ−
処理室２００には、アクリル繊維束シート１００の上下に対抗して配された熱風導入口２３１と熱風導出口２３２が設けられている（図１では上方に熱風導入口２３１が配され、下方に熱風導出口２３２が配されている）。そして、後述するヒーター室３００で加熱された熱風が、熱風導入口２３１から処理室２００内に導入され、アクリル繊維束シート１００に吹き付けられる。図１ではアクリル繊維束シート１００に熱風の流れ（矢印２４０で図示している）が垂直に吹き付けられているが、熱風導入口２３１と熱風導出口２３２の配置を変更することでアクリル繊維束シート１００に平行に熱風を吹き付けることも可能である。アクリル繊維シート１００を加熱した熱風は、熱風導出口２３２からヒーター室３００に戻される。

なお、熱風としては、加熱された酸化性ガスを使用する。酸化性ガスとしては、酸素を含む気体であれば特に制限はなく、工業生産においては空気が経済面、安全面で特に優れている。空気を使用する場合、調湿、除塵を行うことで安定した生産が可能となる。また、酸化能力を調整する目的で、酸化性雰囲気ガス中の酸素濃度を変更することもできる。

酸化性ガスの風速は、０．３ｍ／ｓｅｃ〜３．０ｍ／ｓｅｃの範囲内にすることが好ましい。風速が０．３ｍ／ｓｅｃ未満の場合には、耐炎化炉内の熱風による被熱処理繊維束の蓄熱の除熱作用が得られにくくなり、除熱不良によるスモークを生じ易くなる。また、風速が３．０ｍ／ｓｅｃを超えた場合には、耐炎化炉内の熱風による繊維束のバタツキが大きくなり、耐炎化炉の底面に対して平行する面で隣接する繊維束同士の接触による単糸切れを生じ、毛羽の多い耐炎化繊維が得られ易くなる。

酸化性ガスによるアクリル繊維束の耐炎化処理する際の加熱温度は、急激な酸化反応を抑えるとの観点から、好ましくは２００〜３００℃である。

−熱風導入口２３１と熱風導出口２３２−
本発明の耐炎化処理装置では、熱風が滞留する場所があると処理室２００内に温度分布が生じ、また発生ガスの滞留を招くことがあるので、熱風導入口２３１及び熱風導出口２３２は、それぞれ処理室２００の上面及び下面の大部分または全てを占めることが好ましい。

熱風導入口２３１と熱風導出口２３２には、熱風の整流のため、多穴整流板２３３、２３４を設けることが好ましい。ここで、多穴整流板としては、熱風導入口２３１、熱風導出口２３２を覆う板に、例えば直径８〜２４ｍｍの孔を規則正しく多数穿った板を用いることができる。多穴整流板は、例えば金属製とすることができる。

熱風導入口２３１には、後述のファン３３０で生み出される熱風の流れを熱風導入口２３１に効率よく伝えるために整流板２３５を設けることが好ましい。

『ヒーター室３００』
ヒーター室３００内でヒーターアレイ３２０により加熱された熱風は、ファン３３０によりヒーター室の熱風出口３１２から処理室２００に送られる。そして、処理室２００内でアクリル繊維束シート１００を加熱した熱風は、ヒーター室の熱風入口３１１を通ってヒーター室３００内に戻ってくる。図１では、処理室２００の熱風導出口２３２とヒーター室の熱風入口３１１、及びヒーター室の熱風出口３１２と処理室２００の熱風導入口２３１とが接している例を示しているが、両者の間を保温された通風路で繋いでもよい。戻ってきた熱風は、ヒーター室３００内でヒーターアレイ３２０により再加熱され、ファン３３０によりヒーター室の熱風出口３１２から処理室２００に再度送られる。このように、所望の温度に加熱された熱風はヒーター室３００と処理室２００を循環している。

図１では、ヒーター室３００に戻ってきた熱風が、ヒーターアレイ３２０により加熱された後、ファン３３０により送風される様子を図示しているが、ヒーターアレイ３２０、ファン３３０の配置はその逆であってもよく、ファンを複数配置してもかまわない。ヒーターアレイ３２０による加熱の斑を低減するためには、ヒーターアレイ３２０の下流側にファン３３０を配置している図１の構成が好ましい。

−ファン３３０−
本発明の耐炎化処理装置に設置するファン３３０は、処理室の容積、耐炎化に好ましい風速、循環流路の圧力損失を考慮して、ファンの型式、モートル出力、設置台数を決めればよい。

−ヒーターアレイ３２０−
本発明の耐炎化処理装置では、加熱手段として、以下に述べるヒーター３２１を特定の方向で積み重ねたヒーターアレイ３２０を使用することで、加熱斑をなくし、処理室内の温度分布をなくすことを最大の特徴としている。

ヒーター３２１は、バーナー３２２を内包する燃焼室３２３と、該燃焼室３２３と伝熱部３２４（連通管）を介して連通された排ガス室３２５とを有している。燃焼室３２３では、バーナー３２２により燃料が燃焼し、それにより発生した高温の排ガスが伝熱部３２４を通じて排ガス室３２５に送られることで、少なくとも伝熱部３２４にて外部を加熱することができる。排ガスは、排ガス室３２５から排ガスファンに送られ大気放出される。必要であれば、排ガス処理器に送られ無害化された後、大気中に放出される。また、排ガス室３２５からの排ガスが３００℃程度以上である場合には、バーナー３２２へ供給する燃焼用空気と熱交換することで更にコストを低減することが可能である。

燃焼室３２３と排ガス室３２５とを連通させる伝熱部３２４の形状は、管にフィンを付けたタイプ、平板タイプ等を使用することができる（図２では管タイプを図示）。循環熱風に粉塵が多く含まれる場合には、伝熱部分が閉塞しにくい管タイプが好ましい。ヒーターに設けられる伝熱部３２４は１本でも良いが、図２に示すように複数本でも良い。図２では、ヒーター３２１中の複数の伝熱部３２４の設置間隔が同じである場合を示したが、設置間隔が同じであることは必ずしも必要でない。

ヒーターアレイ３２０は、このヒーター３２１の少なくとも２台で構成されている。ヒーター室３００内の酸化性ガスを加熱するために、少なくとも伝熱部３２４がヒーター室３００内に配置されるように設置される。燃焼室３２３及び／又は排ガス室３２５は、ヒーター室３００内に配置されていてもよく、装置の外に配置されていてもよい。

ここで、図２（ｂ）に示されているように、１本の伝熱部３２４に着目するとその温度は、燃焼室３２３側が高く、排ガス室３２５側が低くなる。また、複数の伝熱部３２４に着目すると、その温度はバーナーに近い方が高く、遠ざかるにつれ低くなっている。ただし、後者の温度分布は前者の温度分布に比べ小さく無視できるものである。

そこで、本発明の耐炎化処理装置の加熱手段であるヒーターアレイ３２０は、ヒーター３２１の伝熱部３２４を流れる排ガスの向きが、ヒーター３２１間で互いに対向するように、少なくとも２台のヒーター３２１が配置されている。すなわち、図３に示すように、例えば２台のヒーター３２１が各々の伝熱部３２４における排ガスの流れ方向が逆向きになるように配置される。こうすることで、ヒーターアレイ３２０全体として温度分布を小さくすることができる。より温度分布を小さくできることから、ヒーターアレイ３２０は、偶数のヒーター３２１で構成されていることが好ましい。また、ヒーター室３００内を循環する熱風の流れ方向と、ヒーター３２１の伝熱部３２４中の排ガスの流れ方向とが垂直となるように配置することが好ましい。

ヒーター３２１のバーナー３２２への燃料供給部及び排ガス室３２５からの排ガス排出部は、耐炎化処理装置の側面にあることが、耐炎化処理装置の回りでの作業が行える点で好適である。

『耐炎化処理装置の運転条件』
次に、実際に処理室長１４ｍ、処理室幅１ｍ、処理室高さ２ｍの処理室を有する耐炎化処理装置を使用してアクリル繊維束シートを耐炎化する際の運転条件について説明する。耐炎化処理装置の諸元は表１に示す。バーナーの燃料として液化天然ガスを供給し、燃焼量をコントロールすることによって、処理室内は設定温度である２３０℃に対して±２℃の範囲で維持することができた。

（ａ）は耐炎化処理装置のアクリル繊維束シートの移送方向に沿った断面図であり、（ｂ）は耐炎化処理装置のアクリル繊維束シートの移送方向に垂直な断面図である。 （ａ）はヒーターの上面図（部分断面図）、（ｂ）はヒーターの正面図（部分、温度分布を併せて示す）である。 本発明に適したヒーターアレイにおけるヒーターの配列を示す図である。

符号の説明

１００ アクリル繊維束シート
２００ 処理室
２１１、２１３、２１５、２１７、２１９ シート導入口
２１２、２１４、２１６、２１８、２２０ シート導出口
２２１、２２２ シール室
２３１ 熱風導入口
２３２ 熱風導出口
２３３、２３４ 多穴整流板
２３５ 整流板
２４０ 熱風の流れ
３００ ヒーター室
３１１ ヒーター室の熱風入口
３１２ ヒーター室の熱風出口
３２０ ヒーターアレイ
３３０ ファン
３２１ ヒーター
３２２ バーナー
３２３ 燃焼室
３２４ 伝熱部
３２５ 排ガス室
３４０ 伝熱部における排ガスの流れ
９００ 処理室外ロール

Claims (3)

1. 加熱された酸化性ガスを循環しつつ、該酸化性ガスによりアクリル繊維束を耐炎化処理する耐炎化処理装置であって、
   前記酸化性ガスの加熱手段として、
   バーナーを内包する燃焼室と、該燃焼室と伝熱部を介して連通された排ガス室とを有し、該バーナーにより燃料が燃焼して発生した排ガスが該燃焼室から該伝熱部を通じて該排ガス室に送られることで、少なくとも該伝熱部にて加熱するヒーターの少なくとも２台で構成されたヒーターアレイを具備し、
   前記少なくとも２台のヒーターは、その伝熱部を流れる排ガスの向きが該ヒーター間で互いに対向するように配置されているアクリル繊維束の耐炎化処理装置。
2. 前記ヒーターは複数の伝熱部を有し、該伝熱部は互いに平行に配置した管である請求項１記載のアクリル繊維束の耐炎化処理装置。
3. 長手方向が一方向に揃えられ、かつ互いに等間隔に引き揃えられた複数のアクリル繊維束からなるアクリル繊維束シートを耐炎化処理する請求項１または２に記載のアクリル繊維束の耐炎化処理装置。