CN108779959B - 工业炉及其热利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够将炉壁散热减少和节能化结合起来的工业炉。一种连续式工业炉，其依次具备入口、加热带、冷却带以及出口，并用于一边将工件从入口朝向出口搬送一边进行加热处理，其中，加热带至少局部地具有炉壁隔热结构，该炉壁隔热结构具备：具有1个或2个以上的气体导入口的外壁、以及空开间隙地设置在该外壁的内侧的多孔质隔热层，加热带还具有1个或2个以上的排气口，该排气口用于：使从所述气体导入口依次经过所述间隙以及所述多孔质隔热层而流入加热带的炉内的气体流向入口侧，之后再进行吸引排出。

Description

工业炉及其热利用方法
技术领域
本发明涉及工业炉。另外，本发明还涉及工业炉的热利用方法。
背景技术
以往，从节能的观点考虑，致力于进行提高工业炉的热效率的举措，但是，目前，以全球变暖问题为契机，其要求越来越强烈。为实现工业炉的高热效率化，减少作为两大出热主要原因的炉壁散热和废气带走热量就显得非常重要，但是，目前，作为炉壁散热对策，采用了热传导率较低的无机纤维隔热材料(例：日本特许第3517372号公报)，作为应对废气带走热量的对策，采用了热交换型燃烧器(日本特开平10－238757号公报)、或蓄热再生型燃烧器(也称为蓄热式燃烧器)(例：日本特许第5051828号公报)，由此可知所谓的高性能工业炉正在实用化并被普及。
另外，对于废气带走的热量，以往，通常是利用锅炉、或热交换器进行热回收，将热用作炉自身或其它设备的热源(例：日本特开2010－48440号公报)，另外，最近，将未利用热在蓄热、冷热、发电等方面以及进一步其他方面的活用正在开发中，一部分正在实用化。亦即，废气带走的热量的减少以及排热利用确实已有了进步。
另一方面，关于炉壁散热，处于：进一步的减少已比较困难的状况。关于炉壁散热，虽然可以考虑到使壁外表面为双壁而向内部通入空气、水来进行热回收的方法，不过，通常，作为热源，温度低至100℃左右，大面积分散，因此，有效能(exergy)较低，用于回收的设备费用也不匹配，有效的热回收也未被实用化。另外，虽然利用了炉壁散热的热电发电、热声发电或冷热取出的开发也正在进行中，但是，转化效率仍然较低，还在开发途中。
关于炉壁散热量的减少，在2009年度NEDO调查报告书《高温设备·厂房等的以节能为目的的热辐射控制技术开发主题抽取用的调查》中，作为高度的热屏蔽方法，介绍了：使与传热逆流的低温的气体流动于在光学上呈半渗透性的多孔质层中的主动热屏蔽方法。日本特开平3－41295号公报中公开了主动热屏蔽方法的详细内容，其中特别说明了：在火箭喷嘴、航天飞机重返时的热屏蔽、新材料开发的炉以及核聚变炉壁的热防御等中的利用。另外，还记载有：除了能够使隔热层极薄以外，达到稳定状态的时间极短，因此，使熔矿炉、新材料开发炉的周转时间变短，设备能够有效利用并节能。
但是，所述NEDO调查报告书中，给出的结论是：“虽然该技术作为热屏蔽的技术比较卓越，但是，由于利用了由朝向入热的相反方向流动的气体的显热所带来的热移动，所以难以结合于高温设备·厂房等的节能”，实际上也没有应用该技术的例子。
另外，日本特开2005－048984号公报中，提出了一种热处理炉，其是在炉壁的内侧且沿着该炉壁的壁面配置有：具有透气性的耐火材料的热处理炉，其特征在于，在所述炉壁与所述耐火材料之间设置有间隙，在调整炉内气氛时，被导入到所述间隙的规定组成的气氛调整用气体通过了所述耐火材料的内部之后，被送入炉内。还记载了：根据该热处理炉，在调整炉内气氛时，能够大幅缩短将初期的炉内气氛置换为期望的炉内气氛所需要的时间，此外，气氛的控制性得到提高。另外，通过在炉壁与耐火材料之间导入气氛调整用气体，使得炉壁被气氛调整用气体冷却，炉壁的表面温度与以往相比有所降低，从而，炉的热效率、作业的安全性得到提高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第3517372号公报
专利文献2：日本特开平10－238757号公报
专利文献3：日本特许第5051828号公报
专利文献4：日本特开2010－48440号公报
专利文献5：日本特开平3－41295号公报
专利文献6：日本特开2005－048984号公报
非专利文献
非专利文献1：2009年度NEDO调查报告书《高温设备·厂房等的以节能为目的的热辐射控制技术开发主题抽取用的调查》、独立行政法人新能源·产业技术综合开发机构、2010年3月、第9页
发明内容
虽然日本特开平3－41295号公报中给出了将主动热屏蔽方法结合到节能中的启示，但是，对于如何能够节能则没有具体的探讨。实际上，前述的NEDO调查报告书中，主动热屏蔽方法也难以结合到节能中。该公报中记载了：工作气体的流入速度越大越好，可以为0.1～1.0m/s，在该公报的实施例1中，以热量1MW/m2、隔热厚度10mm、气体流速0.08以及0.8m/s进行了由主动热屏蔽所带来的效果的数值解析。但是，在该条件下，从通常的工业炉的工作条件来看，发生了非常大的排气热损失，很难结合到工业炉的节能中。
另外，日本特开2005－048984号公报中公开了：该公报中所记载的技术有助于热处理炉的热效率提高，但是，没有明确有助于热效率提高的具体的构成及其装置。当然，该公报中记载的技术应用了主动热屏蔽方法的原理，在将气氛调整用气体向炉外排放时，产生了相当量的废气带走热量，作为炉整体，很难提高热效率。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其一个课题在于提供一种能够将炉壁散热的减少和节能化结合起来的工业炉。另外，本发明的另一个课题在于提供一种能够将炉壁散热的减少和节能化结合起来的工业炉的热利用方法。
在想要将上述的主动热屏蔽方法应用于工业炉的炉壁隔热的情况下，使气体从由多孔质材料形成的炉壁隔热层的炉外侧朝向炉内侧流动，由此，炉壁散热明显减少，但是，在一侧流动的气体浸入炉内。因此，在将该气体向炉外排放时，产生了相当量的废气带走热量，作为炉整体，很难实现高效率化，这些都如上所述。
但是，如果换个角度，则该主动热屏蔽方法也可以说是：将很难实现热回收·热利用的炉壁散热转化为能够较高效地实现热回收·热利用的气体显热的技术。本发明的发明人着眼于这一点，对应用于工业炉的可能性进行了详细研究，结果判明：在应用于高温的连续式工业炉中的加热带以及冷却带的炉壁时，能够在炉内进行热利用，因此，作为考虑到了炉内以及炉外的气体显热的利用时的系统整体，能够实现节能化，以致完成本发明。
本发明的若干实施方式可以如下确定。
(1)一种连续式工业炉，其依次具备入口、加热带、冷却带以及出口，并用于一边将工件从入口朝向出口搬送一边进行加热处理，其中，
加热带至少局部地具有炉壁隔热结构，该炉壁隔热结构具备：具有1个或2个以上的气体导入口的外壁、以及空开间隙地设置在该外壁的内侧的多孔质隔热层，
加热带还具有1个或2个以上的排气口，该排气口用于：使从所述气体导入口依次经过所述间隙以及所述多孔质隔热层而流入加热带的炉内的气体流向入口侧，之后再进行吸引排出。
(2)根据(1)中记载的连续式工业炉，其中，从所述排气口排出的气体的温度为100～600℃。
(3)根据(1)或(2)中记载的连续式工业炉，其中，包括：气体经过所述多孔质隔热层而流入于加热带的炉内时的炉内温度为1000℃以上的部位。
(4)根据(1)～(3)中的任意一项中记载的连续式工业炉，其中，流入于加热带的炉内的所述气体包含炉内气氛调整用气体。
(5)一种连续式工业炉，其依次具备入口、加热带、冷却带以及出口，并用于一边将工件从入口朝向出口搬送一边进行加热处理，其中，
冷却带至少局部地具有炉壁隔热结构，该炉壁隔热结构具备：具有1个或2个以上的气体导入口的外壁、以及空开间隙地设置在该外壁的内侧的多孔质隔热层，
冷却带还具有1个或2个以上的排气口，该排气口用于：将从所述气体导入口依次经过所述间隙以及所述多孔质隔热层而流入冷却带的炉内的气体利用于工件的冷却，之后再进行吸引排出。
(6)根据(5)中记载的连续式工业炉，其中，从所述排气口排出的气体的温度为100～600℃。
(7)一种连续式工业炉的热利用方法，其是(1)～(4)中的任意一项中记载的连续式工业炉的热利用方法，其中，包括：
从所述气体导入口供给气体，该气体依次经过所述间隙以及所述多孔质隔热层后，流入于加热带的炉内的步骤；此处，在该气体经过所述多孔质隔热层期间，该气体和所述多孔质隔热层进行热交换，由此，该气体被升温，并且，所述多孔质隔热层朝向炉外侧的散热被减少，
使流入到炉内的该气体流向入口侧的步骤；此处，在该气体在炉内流向入口侧的期间，该气体和工件进行热交换，由此，该气体被降温，并且，工件被升温，
使流入炉内的该气体流向入口侧，之后进行吸引排出的步骤；以及、将被吸引排出的该气体所具有的显热在炉外进行利用的步骤。
(8)根据(7)中记载的方法，其中，在加热带的炉内的温度为400℃以上的部位，通过了所述多孔质隔热层而流入到炉内的气体所具有的气体显热在炉内平均利用了40％以上，之后再向炉外排出。
(9)一种连续式工业炉的热利用方法，其是(5)或(6)中记载的连续式工业炉的热利用方法，其中，包括：
从所述气体导入口供给气体，该气体依次经过所述间隙以及所述多孔质隔热层后，流入于冷却带的炉内的步骤；此处，在该气体经过所述多孔质隔热层期间，该气体和所述多孔质隔热层进行热交换，由此，所述多孔质隔热层朝向炉外侧的散热被减少，并且，所述多孔质隔热层的炉内侧的表面温度被降低，
利用由流入于炉内的气体所带来的对流传热以及与炉壁内表面之间的辐射传热，来对工件进行冷却，并且，流入于炉内的该气体一边在炉内流动一边因与工件之间的热交换而升温的步骤；
将流入于炉内的该气体利用于工件的冷却，之后再进行吸引排出的步骤；以及、
将吸引排出的该气体所具有的显热在炉外加以利用的步骤。
(10)一种连续式工业炉，其是依次具备入口、加热带、冷却带以及出口，并用于一边将工件从入口朝向出口搬送一边进行加热处理的连续式工业炉，其中，
加热带至少局部地具有炉壁隔热结构，该炉壁隔热结构具备：具有1个或2个以上的气体导入口的外壁、以及空开间隙地设置在该外壁的内侧的多孔质隔热层，
加热带还具有1个或2个以上的排气口，该排气口用于：使从所述气体导入口依次经过所述间隙以及所述多孔质隔热层而流入加热带的炉内的气体流向入口侧，之后再进行吸引排出，
冷却带至少局部地具有炉壁隔热结构，该炉壁隔热结构具备：具有1个或2个以上的气体导入口的外壁、以及空开间隙地设置在该外壁的内侧的多孔质隔热层，
冷却带还具有1个或2个以上的排气口，该排气口用于：将从所述气体导入口依次经过所述间隙以及所述多孔质隔热层而流入冷却带的炉内的气体利用于工件的冷却，之后再进行吸引排出。
(11)根据(10)中记载的连续式工业炉，其中，从加热带以及冷却带各自的排气口排出的气体的温度为100～600℃。
(12)根据(10)或(11)中记载的连续式工业炉，其中，包括：气体经过所述多孔质隔热层而流入于加热带的炉内时的炉内温度为1000℃以上的部位。
(13)根据(10)～(12)中的任意一项中记载的连续式工业炉，其中，流入加热带的炉内的所述气体包含炉内气氛调整用气体。
(14)一种连续式工业炉的热利用方法，其是(10)～(13)中的任意一项中记载的连续式工业炉的热利用方法，其中，包括：
从加热带的气体导入口供给气体，该气体依次经过加热带中的所述间隙以及所述多孔质隔热层后，流入于加热带的炉内的步骤；此处，在该气体经过加热带中的所述多孔质隔热层期间，该气体和加热带中的所述多孔质隔热层进行热交换，由此，该气体被升温，并且，加热带中的所述多孔质隔热层朝向炉外侧的散热被减少，
使流入于加热带的炉内的该气体流向入口侧的步骤；此处，在该气体在炉内流向入口侧的期间，该气体和工件进行热交换，由此，该气体被降温，并且，工件被升温，
使流入于加热带的炉内的该气体流向入口侧，之后再进行吸引排出的步骤；
将从加热带吸引排出的该气体所具有的显热在炉外进行利用的步骤；
从冷却带的气体导入口供给气体，该气体依次经过冷却带的所述间隙以及所述多孔质隔热层，之后流入于冷却带的炉内的步骤；此处，在该气体经过冷却带中的所述多孔质隔热层期间，该气体和冷却带的所述多孔质隔热层进行热交换，由此，冷却带中的所述多孔质隔热层朝向炉外侧的散热被减少，并且，冷却带中的所述多孔质隔热层的炉内侧的表面温度被降低，
利用由流入冷却带的炉内的气体所带来的对流传热以及与炉壁内表面之间的辐射传热，来对工件进行冷却，并且，流入冷却带的炉内的该气体一边在炉内流动一边因与工件之间的热交换而升温的步骤；
将流入于冷却带的炉内的该气体利用于工件的冷却，之后再进行吸引排出的步骤；以及、
将从冷却带吸引排出的该气体所具有的显热在炉外加以利用的步骤。
(15)根据(14)中记载的方法，其中，在加热带的炉内的温度为400℃以上的部位，通过了所述多孔质隔热层而流入于炉内的气体所具有的气体显热在炉内平均利用了40％以上，之后再向炉外排出。
通过操作本发明所涉及的连续式工业炉，能够通过炉壁散热的减少来实现节能化，对于连续式工业炉的运行成本减少、全球变暖对策非常有效。本发明可以说是：成功地实现了将以前作为难题的炉壁散热量的减少和节能化结合起来的划时代的发明。
附图说明
图1是：关于本发明所涉及的连续式工业炉的一实施方式，示意性地表示出了基本构成、以及沿着炉内的工件前进方向的加热曲线的图。
图2是：示意性地表示本发明所涉及的炉壁隔热结构以及其隔热原理的图。
图3是：对于使在多孔质隔热层中流动的每单位面积的气体流量发生变化时的炉壁散热、以及气体显热的变化，给出测算的结果的图表。
图4中，(a)是表示：由炉壁隔热用气体供给所带来的炉壁散热减少效果的图表。(b)是表示：与没有进行炉壁隔热用气体供给时相比，节能化所需要的炉壁隔热用气体所具有的显热的最低热利用率ηmin的图表。
图5是表示：测算出本发明的效果的连续炉模式的条件的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。图1是：关于本发明所涉及的连续式工业炉的一实施方式，示意性地表示基本构成、以及沿着炉内的工件前进方向的加热曲线(温度分布)的图。本实施方式所涉及的连续式工业炉依次具备入口11、加热带12、冷却带13以及出口14，能够一边将工件(未图示)从入口11朝向出口14搬送，一边进行加热处理。此处，所谓加热带是指：从连续式工业炉的入口至为了对炉内进行加热而设置于最靠近出口侧的位置的加热设备为止的工件前进方向上的范围；所谓冷却带是指：从设置于最靠近出口侧的位置的加热设备之后直接至连续炉的出口为止的工件前进方向上的范围。另外，在本实施方式中的连续式工业炉上连接有：加热带用的炉壁隔热用气体供给线15及排气线16、以及冷却带用的炉壁隔热用气体供给线17及排气线18。加热带的排气线16以及冷却带的排气线18中的至少一方能够与炉外的热回收设施相连接，优选为两方能够与炉外的热回收设施相连接。通过使高温气体向排气线16以及排气线18流动，能够在炉外进行热利用。
本实施方式中，炉壁隔热用气体供给线分开用于加热带以及冷却带。如后所述，炉壁隔热用气体的最佳流量在加热带和冷却带中是不同的，因此，通过采用像这样的构成，能够分为加热带和冷却带而容易地调整气体流量。不过，也可以由同一气体供给线分支用于加热带以及冷却带，还可以根据需要，在气体供给线设置流量控制阀，来进行流量调整。应予说明，连续式工业炉中通常还存在图示以外的供气、排气线，但是，此处省略。
工件为接受加热处理的物品，并没有特别限定，可例示：铁素体以及陶瓷电容器等电子部件、半导体产品、陶瓷产品、陶磁器、氧化物系耐火材料、玻璃产品、金属产品、氧化铝·石墨质以及氧化镁·石墨质等碳系耐火材料。另外，工件还包括窑工具。工件的加热温度根据加热目的而不同，从有效地发挥出节能效果的观点考虑，为1000℃以上，典型的为1200℃以上，更典型的为1400℃以上，例如，在加热到1000～2000℃的情况下，可以优选采用本发明所涉及的连续式工业炉。应予说明，“加热”的概念中包含“烧成”。通过应用于像烧成炉这样的温度较高的炉，使得热利用率进一步提高。
从入口11进入到炉内的工件一边朝向出口14搬送，一边接受按照规定的加热曲线的加热带中的加热以及冷却带中的冷却。图1中例示的加热曲线为简单的梯形曲线，不过，也可以为：例如，具有多段温度保持带的复杂的曲线。炉内的工件的搬送方法没有特别限制，例如可以采用窑车式、推送式、辊底式等。从出口14搬出：接受了规定的加热处理的工件。作为加热带12中的加热方式，可以举出：电阻加热、感应加热、介电加热、电弧加热以及辐射加热这样的利用电力的加热方式、以及利用使燃料在燃烧器(包括热交换型燃烧器、蓄热式燃烧器)中燃烧的加热方式等，没有特别限制。作为冷却带中的冷却方式，可以优选采用：通过向炉内供给冷却气体来进行的气体冷却方式。冷却带中，工件利用由流入炉内的冷却气体所带来的对流传热、以及与炉壁内表面之间的辐射传热，来进行冷却。
本实施方式所涉及的连续式工业炉中，加热带12以及冷却带13可以均具有炉壁隔热结构，该炉壁隔热结构具备：具有1个或2个以上的气体导入口24a、24b的外壁21、以及空开间隙22地设置在该外壁21的内侧的多孔质隔热层23。连续式工业炉中，加热带以及冷却带在工件的前进方向上具有规定的长度，因此，优选为，根据本发明所涉及的设置出上述炉壁隔热结构的加热带以及冷却带的长度，而分别设置2个以上的气体导入口24a、24b，以便向炉内均等地供给炉壁隔热用气体。这种情况下，针对于2个以上的气体导入口24a、24b而言的各气体供给线可以从共通的气体供给线分出，也可以分别准备出气体供给设备，来作为专用线。在待被供给的炉壁隔热用气体的种类没有不同的情况下，从减少气体配管敷设成本的观点考虑，优选为，从同一气体供给线分出。
如果通过加热带用的炉壁隔热用气体供给线15而从气体导入口24a供给炉壁隔热用气体，则该气体依次经过间隙22以及多孔质隔热层23之后再流入加热带12的炉内。在该气体经过加热带12的多孔质隔热层23期间，该气体和多孔质隔热层23进行热交换，由此，该气体被升温，并且，多孔质隔热层23朝向炉外侧的散热被减少。
另外，如果通过冷却带用的炉壁隔热用气体供给线17而从气体导入口24b供给炉壁隔热用气体，则该气体依次经过间隙22以及多孔质隔热层23之后再流入冷却带13的炉内。在该气体经过冷却带13的多孔质隔热层23期间，该气体和多孔质隔热层23进行热交换，由此，多孔质隔热层23朝向炉外侧的散热被减少，并且，多孔质隔热层23的炉内侧的表面温度被降低。
像这样，本实施方式中，加热带12以及冷却带13均具有本发明所涉及的上述炉壁隔热结构，从节能化的观点考虑，优选该实施方式。不过，也可以为：仅加热带12以及冷却带13中的任意一方具有本发明所涉及的上述炉壁隔热结构的实施方式。
虽然并未意图根据理论来限定本发明，但是，图2中示意性地给出本发明所涉及的炉壁隔热结构及其隔热原理。减少炉壁散热的原理非常简单，在炉壁隔热用气体经过多孔质隔热层23从炉外侧到炉内侧期间，该气体和多孔质隔热层23进行热交换，因此，传递到多孔质隔热层23的炉外侧的热被减少。在处于热稳定状态的多孔质隔热层23内，多孔质隔热层23(固体)的传热变化、气体的温度上升(显热变化)、以及隔热层/气体间的热交换达到平衡，隔热层温度Ts和气体温度Tg按以下所示的基础式赋予关系。
隔热层传热变化＝气体温度上升＝隔热层/气体热交换
Figure GDA0001794032380000101
Ts：隔热层温度[K](Ts’：无气体供给时)
Tg：气体温度[K]
λ：隔热层内热传导率(包含辐射传热效果)[W/(m·K)]
m：每单位面积气体质量流量[kg/(m2·s)]
Cp：气体比热[J/(kg·K)]
Ae：隔热层每单位体积的表面积[m2/m3]
he：隔热层热传递率[W/(m2·K)]
如果将多孔质隔热层23的厚度方向上的温度在没有透气气体的通常时(Ts’)和具有透气气体的本发明时(Ts)进行比较，则大致出现图2所示的不同。炉壁散热量为外表面温度的函数，因此，炉壁散热量降低了与外表面温度降低相对应的量。
在外壁21与多孔质隔热层23之间设置间隙22，由此，所流入的气体充满于间隙22中而形成气体层。由此，间隙22作为储压部而发挥作用，能够使气体在多孔质隔热层23的整个面移动，因此，气体能够在多孔质隔热层23中均匀地流动，从而散热抑制效果得到提高。另外，通过控制储压部与炉内的压力差，能够使规定流量的气体稳定地流动。为了使其作为均匀的储压部而发挥作用，间隙中的气体的流速应当为0.1～1m/s，从该观点考虑，作为间隙22的厚度，优选为5～50mm，更优选为10～30mm。
作为在外壁21与多孔质隔热层23之间设置有间隙22的状态下来保持多孔质隔热层23的方法，虽然没有限定，但是，可以举出：使用将多孔质隔热层23固定于外壁的螺柱销、陶瓷销以及螺栓等固定用部件、并放入垫片进行固定的方法，以及在外壁开孔而使螺柱销、陶瓷销以及螺栓等固定用部件贯通、并放入垫片进行固定的方法。另外，为了提高均匀流速控制性，可以在多孔质隔热层23的炉外侧表面设置开孔板。由于开孔板作为整流用的阻抗而发挥作用，所以经过多孔质隔热层23的气体流速的均匀性得到提高。
作为炉壁隔热用气体，只要考虑：与工件之间的反应性、炉内气氛、成本、比热等，进行适当设定即可，例如，可以为氧化性气体(空气、O2等)、惰性气体(N2、Ar、He等)、还原性气体(H2、CO等)，不过，通常从成本方面考虑优选使用空气。从节能的观点考虑，不需要特别实施加热或冷却，供给的炉壁隔热用气体的温度只要为周围温度(例：5～40℃)就足够了。
有时向工业炉供给气体，以便调整炉内气氛。例如，可以举出：在燃烧炉中对工件进行热处理而需要氧作为炉内气氛的情形、在需要惰性气体气氛的电炉中朝向炉内供给惰性气体的情形、以及为了吹除掉来自工件的挥发成分而供给空气等气体的情形等。像这样的气氛调整用气体本来并不是作为隔热用气体被供给的，不过，通过经过多孔质隔热层23而供给气氛调整用气体，还能够作为炉壁隔热用气体而发挥作用。这种情况下，炉壁散热的减少部分转化为气体显热的增加部分，通过在炉内或炉外使用该气体显热，得到节能效果。在加热带中经过多孔质隔热层23而供给气氛调整用气体的情况下，不会增加废气热损失就能够减少炉壁散热，结果可以得到能够减少燃料使用量(热值)的效果。
只要具有一般的隔热性能即可，对多孔质隔热层23的材质以及形状没有特别限制。若例示，作为多孔质隔热层23的材质，可以优选使用透气性较高的陶瓷纤维、氧化铝纤维、碳纤维等纤维质材料。由于多孔质隔热层自身柔软，因此，从保持炉体的强度的方面考虑，外壁21优选由铁或铁合金、铝、镍/铬系金属、不锈钢等金属制成。另外，作为多孔质隔热层23的形状，若例示，可以举出毯状以及板状，也可以将需要张数的这些金属进行层叠。另外，可以将毯折叠制成块状。此外，可以将这些形状组合使用。另外，关于多孔质隔热层23，考虑透气性(压力损失)与隔热性能的平衡，例如，堆密度可以为100～500kg/m3左右，空隙率可以为0.8～0.95左右。可以依据JIS R3311：1991来测定堆密度。可以利用下式计算出空隙率。
空隙率＝1－固体体积率
＝1－(堆密度/真密度)
多孔质隔热层23的热传导率即使较大，也表现出本发明的效果，但是，从尽可能抑制散热的观点考虑，优选使用0.1～1W/mK左右(依据JIS A1412－1：1999)的多孔质隔热层。可以根据要求的隔热性能，来设定多孔质隔热层23的厚度，若例示，可以为100～500mm左右。
在加热带12中采用本发明所涉及的炉壁隔热结构的部位只要根据加热曲线设定即可，在工件前进方向上，可以为加热带12的整个区域，也可以为一部分区域。另外，在加热带12中从多个气体导入口24a向多孔质隔热层23供给气体的情况下，可以使气体流量在所有的气体导入口24a相同，也可以使其按照加热曲线进行变化。从提高显热的利用效率的观点考虑，优选为，在炉温为最高温度的区域至少采用该炉壁隔热结构，例如，在炉内温度为1000℃以上的高温的区域采用该炉壁隔热结构，通过向该区域供给炉壁隔热用气体，能够提高节能效果。
同样地，对于冷却带13中采用本发明所涉及的炉壁隔热结构的部位，也只要根据加热曲线来设定即可，工件前进方向上，可以为冷却带13的整个区域，也可以为一部分的区域。另外，在冷却带13中从多个气体导入口24b向多孔质隔热层23供给气体的情况下，可以使气体流量在所有的气体导入口24b中相同，也可以使其根据加热曲线进行变化。以往，为了在冷却带中使被加热物的温度降低，进行如下操作：从设置于炉壁的冲孔供给温度低于工件的冷却用气体，使工件与冷却用气体热交换，之后再进行排气。这种情况下，冷却用气体实质上没有进行与炉壁的热交换，而是局部性地向炉内流入。另一方面，根据本发明，可以经过多孔质隔热层23而供给从该冲孔供给来的气体的总量或一部分。即便将本发明所涉及的炉壁隔热结构应用于冷却带，对燃料使用量的减少也没有帮助，但是，由此带来的炉壁散热的减少部分会转化为气体显热的增加部分，因此，可以通过在炉内或炉外使用该气体显热而结合到节能化中。虽然取决于加热曲线等条件，但是，通常，在冷却带13中所需要的每单位面积的气体流量若与加热带相比会增多。因此，冷却带中，如后述的图4的测算的那样，若按散热比还可以为0.1以下，与加热带12相比，由炉壁散热导致的热损失能够进一步有效地被减少。
对于本发明所涉及的炉壁隔热结构，无论是在设置于加热带12以及冷却带13中的哪一种的情况下，在与工件前进方向垂直的截面观察炉时，从炉内的温度分布的均匀化以及炉壁散热减少的观点考虑，都优选配置成包围炉室的整个周围。即，本发明中所谓炉壁为：包括炉室的侧壁、炉顶壁、以及炉床的概念。
图3(a)以及图3(b)中，关于使在多孔质隔热层中流动的每单位面积的气体流量发生变化时的炉壁散热以及气体显热的变化，使用上述的基础式测算出的结果则如图表所表示。炉内温度为1400℃(图3(a)的例子)以及1000℃(图3(b)的例子)，作为多孔质隔热层，使厚度为400mm(图3(a)的例子)以及300mm(图3(b)的例子)，作为热传导率，假设是堆密度130kg/m3左右的陶瓷纤维之时，其热传导率为0.1～0.6W/(m·K)(依赖于温度)。对于通常时(没有供给炉壁隔热用气体)的炉壁散热(图3(a)的例子中为905W/m2、图3(b)的例子中为576W/m2)，越增加气体流量，炉壁隔热用气体供给时的炉壁散热就会越减少。另一方面，所供给的气体的显热根据气体流量而增加。结果可知，将炉壁散热和气体显热合计起来而得到的热量大于通常时的炉壁散热，越使气体流量增加，整体的热量就会越增加。因此，作为考虑到了通过炉壁隔热用气体的供给而进行炉内以及炉外的热利用的热利用系统整体，为了使热效率得到提高，优选同时将产生的气体显热的大致一半以上在炉内或炉外进行热利用。
图4对于这种情况更详细地进行说明。图4(a)中，将炉温、隔热层厚度(d)作为参数，将无量纲气体流量(g)与炉壁散热比(r)的关系示于图表。可知：由炉壁隔热用气体供给所带来的炉壁散热减少效果。此处，图表的横轴为如下的量，即，待供给的气体流量利用图2所示的基础式与隔热层的隔热性能相关连，将供给气体的热容量速度(Cp×G/3.6[W/(m2·K)])除以隔热层内的热通过率(λ/d[W/(m2·K)])，进行无量纲化而得到该量。本说明书中，将该量称为“无量纲气体流量”。可知：该无量纲气体流量与炉壁散热比率之间的关系不依赖于隔热层的隔热性能(厚度)。另外，还可知：炉内温度越高，在相同无量纲气体流量下炉壁散热比也就越降低。由该结果可知：如果想要炉壁散热至少减少至30％左右的话，虽然还取决于炉内温度，但是，无量纲气体流量则应该为1～2。
如图3所示，由于除了炉壁散热减少，还根据炉壁隔热用气体供给量而产生废气显热，所以，为了利用该方法而减少炉的燃烧使用量、或者作为还包含炉外的热利用在内的整体系统来实现节能，就需要将含有所产生的气体显热的比例部分在炉内或者炉外进行热利用。因此，将与没有进行炉壁隔热用气体供给的通常时相比在热量上正好相等的情形下的气体显热的热利用率作为最低气体显热利用率ηmin，并示于图4(b)的图表。这种情况下，也不依赖于隔热性能，存在炉内温度较高就会使最低气体显热利用率降低的倾向。另外，可知：无论哪种条件，都是越使炉壁隔热用气体流量增多，如果不使气体显热的利用率增多，就越无法实现节能。
例如，在炉内温度1400℃、隔热层厚度0.4m的部分应用炉壁隔热用气体供给、并想要使该部分的炉壁散热比为30％的情况下，无量纲气体流量g为1。另外，为了得到由此带来的节能效果，需要使所产生的气体显热的热利用率η至少大于43％。
给出了用于制作图4(a)以及(b)的图表的计算条件。
＜g：无量纲供给气体流量＞
g＝Cp·G/(λ/d)/3.6
Cp：气体热容量[J/(kg·K)](此处，Cp＝1.34，为一定值。)
G：每单位面积气体流量[Nm3/(hr·m2)](Nm3是指换算为基准状态(0℃、1个大气压)时的体积(m3)。)
λ：隔热层内热传导率
λ＝A·ρ+(B/ρ)·Ts3+(C·T+D)·λf[W/(m·K)]
Ts：隔热层内温度[K]
ρ：堆密度：130[kg/m3]
λf：静止气体中的热传导率0.05[W/(m·K)]
A：6.9×10-5，B：1.5×10-8，C：－2.1×10-5，D：2.0
＜r：炉壁隔热用气体供给时的炉壁散热量相对于通常时的炉壁散热量的比值＞
r＝Qw/Qw0
Qw0：通常时的炉壁散热量[W/m2]
Qw：炉壁隔热用气体供给时的炉壁散热量[W/m2]
＜ηmin：用于实现系统的节能化的炉壁隔热用气体所具有的显热的必要最低限的热利用率＞
η：炉壁供给气体所具有的显热在系统中的热利用率
ηmin＝1－(Qw0－Qw)/Qg
Qg：炉壁隔热用气体在供给部位而达到炉内温度的状态下的保有气体显热
Qg＝Cp×G×(Ti－T0)[W/m2]
Ti：炉壁隔热用气体供给部位的炉内温度[℃]
T0：基准温度20℃
发生气体显热的热利用率η由如下所述而被决定的，即：单纯由炉壁供给来的气体的显热在炉内以及炉外进行热利用后，最终在多少温度被扔掉，但是，在这期间仅利用冷却用气体进行稀释来降低温度的情况下，需要减去该温度降低部分，来进行计算。本发明中，所谓冷却用气体是指：伴随着炉壁隔热用气体供给，为了形成所期望的加热曲线而不经过多孔质隔热层但需要从专用端口朝向炉内追加供给的冷却用气体。因此，即便不实施炉壁隔热用气体供给，原本需要朝向炉内供给的气体也不属于此处的冷却用气体。例如，即便不实施炉壁隔热用气体供给，在下述的几种情形下，像这样的氧、空气也不属于此处所称的冷却用气体，即，所述情形为：为了规定的加热曲线而需要冷却空气的情形、作为炉内气氛而需要过量的氧的情形、以及为了炉内搅拌而需要过量的空气的情形。另外，本发明中，在使用了加热用的燃烧器的情况下，使稳定燃烧最低限度所需要的空气比为1.05，将超过此时空气的空气、亦即除去了原本需要朝向炉内供给的空气之后的那部分空气作为冷却气体来处理。
通常，发生气体显热的热利用率用以下的式子计算出来。
η＝[1－ΣjQbj/ΣiQai]×100[％]
此处，
Qbj＝Cp·Gbj·(Tbj－T0)/3600
Qai＝Cp·Gai·(Tai－T0)/3600
ΣjGbj＝ΣiGai+ΣkGck
Qbj：部位j中的炉壁隔热用气体的排气后(炉外热利用的情形在之后)的气体显热[kW]
Qai：部位i中的炉壁隔热用气体刚入炉后的气体显热[kW]
Cp：炉壁隔热用气体的气体比热[kJ/(Nm3·K)](为了简化，Cp＝1.34，为一定值。另外，Nm3是指换算为基准状态(0℃、1个大气压)时的体积(m3)。)
T0：基准温度[℃](基准温度为炉的周围环境的温度，但是，本发明中，为了简单，定义为T0＝20℃。)
Gbj：部位j中的炉壁隔热用气体的废气流量[Nm3/hr]
Gai：部位i中的炉壁隔热用气体流量[Nm3/hr]
Gck：部位k中的伴随着炉壁隔热用气体供给而供给的冷却用气体流量[Nm3/hr]
Tbj：部位j中的炉壁隔热用气体的温度[℃]
Tai：部位i中的炉壁隔热用气体的温度[℃]
此处，在考虑仅是炉内时的热利用率η的情况下，将排出后的气体显热Qbj作为炉排气口处的气体显热。
假设在1400℃的温度带供给炉壁隔热用气体，在途中不供给冷却空气而是在炉内进行热利用，在500℃的温度带进行排气，则Ga1＝Gb1，炉内的热利用率ηf1为
ηf1＝1－(500－20)/(1400－20)＝65％。
这种情况下，相当于发生气体显热的22％(65－43)的热量会使炉内的燃料减少。此外，如果能够将炉排气温度500℃的废气在炉外进一步以50％的热利用率进行热利用，则炉外的热利用后的最终的排气温度为260℃((500－20)×0.5+20)，因此，系统整体的热利用率ηt1为
ηt1＝1－(260－20)/(1400－20)＝83％，
这种情况下，相当于发生气体显热的40％(83－43)的热量达到系统整体的节能效果。
另外，例如，在上述的例子中，在炉排气之前，炉内残留有热量，为了将炉内控制在规定温度，以与炉壁气体供给流量相同流量的气体，来进行稀释冷却，此时，
Gb2＝Ga2+Gc2
＝2·Ga2，
炉内的热利用率ηf2为
ηf2＝1－2×(500－20)/(1400－20)＝30％，
这种情况下，由于最低气体显热利用率(ηmin)低于43％，所以，炉内的燃料使用量增加。此外，如果在与上述的例子同样的条件下假定炉外的热利用，则系统整体的热利用率ηt2为
ηt2＝1－2×(260－20)/(1400－20)＝65％，
这种情况下，相当于发生气体显热的22％(65－43)的热量达到系统整体的节能效果。
在间歇式炉(batch type furnace)的情况下，在炉内利用该气体显热是非常困难的，虽然在炉外进行热回收，但是，特别是1000℃以上的高温的排气则通常受到风门等管道设备、热交换器等热利用设备的耐热性的制约，需要冷却至500℃左右，该操作会使热回收的效率降低。例如，作为与上述的连续炉的例子的对比，间歇式炉中，仅以空气将1400℃的气体显热稀释为500℃的气体，然后，在炉外进行热利用，此时，系统整体的热利用效率ηt3为炉外的热利用率(50％)本身，所以，ηt3＝50％，这种情况下，相当于发生气体显热的7％(50－43)的热量达到系统整体的节能效果。但是，即便在温度1400℃下进行热处理的炉的情况下，炉温为1400℃的时间也仅为暂时的，大部分时间为1400℃以下的状态。在炉温较低的情况下，由图4(b)的结果可知，由于最低气体显热利用率ηmin超过了50％，因此，如果以批量操作1周期进行评价，则无法达到系统整体的节能效果，当然多数情况下能量会增加。
另一方面，在连续炉的情况下，能够将在加热带12的高温部产生的气体显热在加热带12的低温部进行热利用。例如，如果从气体导入口24a依次经过间隙22以及多孔质隔热层23而流入于加热带12的炉内的炉壁隔热用气体流向入口11侧，则在该气体在炉内流动的期间，该气体与工件进行热交换，由此，该气体被降温，同时，工件被升温。由此，在加热带12中实现了气体显热的有效利用。在炉内流动之后，该气体能够从设置于加热带12的1个或2个以上的排气口26a被吸引排出。可以通过调整供排气量而对炉长方向的炉压进行操作，由此来进行流入炉内的炉壁隔热用气体的流动控制。
加热带12的排气口26a的设置位置只要根据加热曲线来确定即可，但是，从在炉内有效活用气体显热的观点考虑，例如，作为炉整体，优选将气体显热的50％以上、更优选将60％以上用于工件的加热，之后再进行排出。另外，为了达到容易在炉外进行热利用的温度，来自加热带12的废气温度更优选为100～600℃，进一步优选为250～500℃。因此，加热带的排气口26a优选设置于炉内的气体处于该温度范围的位置。由此，还可以在炉外进一步以50％以上的热回收率进行热利用。作为炉外的热利用对象，没有限定，除了将高温的气体显热直接用于其它工件的加热以外，也可以在锅炉以及热交换器(热水器、空气预热器等)等热回收设施中转化为蒸气、热水、高温空气等进行利用。应予说明，在没有作为热源的利用对象的情况下，利用效率降低为5～20％，不过，还可以转化为电进行利用。
另外，如果炉壁隔热用气体从气体导入口24b依次经过间隙22以及多孔质隔热层23朝向冷却带13的炉内流入，则利用由该气体带来的对流传热来对工件进行冷却。流入炉内的该气体在炉内流动期间因与工件之间的热交换而升温。工件还通过与炉壁内表面之间的辐射传热而被冷却。在炉内流动后，该气体可以从设置于冷却带13的1个或2个以上的排气口26b被吸引排出。对于冷却带13的排气口26b的设置位置，也只要根据加热曲线来确定即可，但是，为了达到容易在炉外进行热利用的温度，来自冷却带13的废气温度也与来自加热带12的废气同样地，优选为100～600℃，更优选为250～500℃。因此，冷却带13的排气口26b优选设置于炉内的气体处于该温度范围的位置。
应予说明，根据图3的测算，即便想要在冷却带进行利用而供给4.7Nm3/(hr·m2)左右的炉壁隔热用气体的情况下，从炉壁隔热层的炉内侧表面朝向炉内供给的气体的温度也仅比炉内温度低30℃左右，另外，炉壁隔热层的内表面的温度仅比炉内温度低10℃左右。亦即，在该温度域通过的工件(此处，被冷却)能够通过下述的对流传热和下述的辐射传热而被温和地冷却，即，所述对流传热是由被加热至炉内温度附近的气体带来的对流传热，所述辐射传热是指与温度稍微低于炉内温度的炉壁隔热层内表面之间的辐射传热。通常，工件(此处，被冷却)有时因为急剧的冷却操作、即局部暴露在温度差较大的气体中这样的操作而产生所谓的“冷裂”，但是，在采用本发明所涉及的炉壁隔热结构来冷却工件的情况下，冷却操作显得更加温和，因此，还存在容易避免该“冷裂”发生的优点。
为了提高包括在炉内以及炉外的热利用在内的热利用系统整体的热效率，优选为，考虑了何种程度的气体流量才能够在炉内或炉外有效地进行热利用的基础之上，再来确定向加热带以及冷却带各自供给的气体流量。由图3的图表可知：想要仅在炉内得到由供给炉壁隔热用气体所带来的节能效果的情况下，供给的气体流量越多，就越需要以更高的比率来利用同时所产生的气体显热。虽然还取决于加热曲线，但是，即便将该气体显热有效利用于炉内的工件加热，气体显热也会有过剩，因此，如果考虑炉外的热利用对象的热效率，则产生大量的气体显热是不所不希望的。从该观点考虑，把朝向加热带供给的炉壁隔热用气体的最佳气体流量限制在与冷却带相比时为较少的流量，这虽然取决于工件的热量速度、炉壁面积、加热曲线等炉的规格，但是，若例示，按每单位面积的气体流量计为1～3Nm3/(hr·m2)，则比较恰当。另外，如果以无量纲气体流量来表达，则0.5～3的范围比较恰当，优选为1～2。在流量小于下限值的流量的情况下，最低气体显热利用率较低，容易实现，但是，在能源方面量的效果比较小。另外，在大于上限值的情况下，最低气体显热利用率比较高，是不现实的。关于朝向冷却带供给的炉壁隔热用气体的最佳气体流量，虽然也取决于工件的热量速度、炉壁面积、加热曲线等炉的规格，但是，由于有着冷却工件这样的目的，所以通常比朝向加热带供给的炉壁隔热用气体的最佳气体流量还要多，例如3～6Nm3/(hr·m2)比较恰当。
像这样，通过将炉壁隔热用气体所具有的显热在炉内或炉外充分地进行活用，能够同时实现炉壁散热的减少和热利用率的提高，从而能够实现包含炉外在内的系统整体的节能化。此外，如果将根据加热曲线而分别朝向加热带以及冷却带供给的炉壁隔热用气体流量、炉壁隔热用气体导入部位、排气部位等诸多条件进行适当化的话，还能够仅在炉内就可实现节能效果。
【实施例】
以下，列举出了：测算出由本发明带来的炉壁散热的减少效果以及节能效果时的实施例，但是，本发明并不限定于实施例。
＜实施例1－1以及2－1、比较例1以及2＞
以图5以及表1所示的连续炉模式进行本发明的效果的测算。炉形式为气体燃烧式的连续炉。全长为90m，炉内尺寸为宽度2.8m、高度2.1m。如图5所示，该连续炉从炉入口朝向炉出口由低温加热带、中温加热带、高温加热带以及冷却带构成。炉的进出时间为30hr，炉内温度为图5所示的加热曲线图内的表给出的温度条件。加热带的最高温度为1400℃，其保持时间为4hr。作为工件的热容量，按加入了其处理速度的热容量速度计，产品和窑工具合计为0.465kW/K。在炉长方向上将炉三十等分，基于每长度3m的各炉段所记载的计算条件，来实施热收支计算。各炉段的炉壁面积为29.4m2。
应予说明，为了简化计算，热收支计算时使用的炉内气体的比热不依赖于温度、组成，而为一定值1.34kJ/Nm3。另外，本测算以每1炉段都设置有一个燃烧器为条件来进行，但是，由于每1炉段均具有3m的长度，所以实际的连续炉中，每1炉段均设置有多个燃烧器。
【表1】
连续炉模式的测算条件
Figure GDA0001794032380000201
*1：外表面温度、散热量的计算使用以下数学式
·外表面温度Te(℃)＝(100/1370)×(炉内温度(℃)-30)+30
·散热量(W/m2)＝(0.5*5.67*(((Te+273)/100)4-(303/100)4)+2.3*(Te-30)(5/4))
*2：蓄热排气流量、排气温度的计算使用以下数学式
·蓄热排气流量(Nm3/hr)＝燃烧气体流量(Nm3/hr)×排气率(％)/100
·蓄热排气温度(℃)＝炉内温度(℃)×(1-热回收率/排气率)
*3：炉内辐射传热
·炉内炉段(i)与炉内炉段(i+1)间的辐射传热量
按各自的炉内温度T(i)(℃)、T(i+1)(℃)计
辐射传热(i→i+1)(W/m2)＝Ai×5.67×10-8×{(T(i+1)+273)4-(T(i)+273)4}
Ai(m2)：炉内的辐射传热面积(测算中为1m2)
作为没有供给炉壁隔热用气体的通常状态下的炉壁散热，假设为隔热性较优异的陶瓷纤维的多孔质隔热层，测算中，以表1的＊1给出的式子设定散热量。例如，在炉内温度1400℃的情况下，多孔质隔热层的炉外侧表面温度为130℃，炉壁散热量为1245W/m2。所供给的炉壁隔热用气体为温度20℃的空气，适用于加热带以及冷却带。关于气体供给流量，如前述的说明，在加热带和冷却带中各自最佳条件是不同的。在该测算中，如表1所示，作为每单位面积的供给流量，加热带、冷却带中分别为2.2Nm3/(hr·m2)、4.7Nm3/(hr·m2)，作为供给炉壁隔热用气体的情形相对于没有进行炉壁隔热用气体的供给的情形而言的散热比率，在加热带低于700℃、加热带为700℃以上、冷却带中，分别为0.40、0.30、0.15。在加热带的温度域中改变散热比率是因为考虑到了：炉壁厚度在温度域是不同的，在隔热厚度较薄的情况下，即便流入相同的气体流量，散热比率也会稍微有所降低的。
低温加热带的燃烧器被导入气氛调整用空气，以便安全地除去来自工件的挥发物。作为过剩空气条件，设定空气供给流量，以使各炉段产生100Nm3/hr的燃烧气体。作为中温加热带以及高温加热带的燃烧器，对通常燃烧器和蓄热式燃烧器这2个例子进行了测算。燃烧器燃烧时(需要加热的情况下)的空气比无论是在中温加热带还是高温加热带的情形下都为1.05左右。其中，确定了在燃烧时不会使燃烧器喷嘴等金属部分烧损的最低空气流量(20Nm3/hr)。另外，从形成目标加热曲线的观点考虑，即便是加热带，也不需要加热，在需要冷却操作的情况下，以便达到规定温度而从燃烧器供给必要量的基准温度(20℃)的空气。在冷却带中，以便达到规定温度而从冷却端口供给必要量的基准温度的空气。
在供给炉壁隔热用空气的情况下(实施例)，加热带中，在各炉段朝向多孔质隔热层供给64.7Nm3/hr的空气流量，但是，低温加热带中，还包含该炉壁隔热用空气在内而在各炉段产生100Nm3/hr的燃烧气体地，从燃烧器供给相当于该差部分的空气流量。冷却带中，在各炉段朝向多孔质隔热层供给138.2Nm3/hr的空气流量，以便在该状态下达到规定温度地，从冷却端口也供给必要量的空气。
对于排气，在没有供给炉壁隔热用空气(比较例)和供给炉壁隔热用空气的情形(实施例)中为相同的位置，具体而言，设置了：低温加热带排气口(炉温296℃)、中温加热带排气口(炉温448℃)、冷却带排气口(炉温435℃)以及蓄热式燃烧器使用时的燃烧器排气口(排气温度根据燃烧器位置而为100～300℃左右)。
在使用了通常燃烧器的加热带中，如果想要在其温度域进行直接排气，则由于排气的温度较高，所以其带走热量较多，另外，排气口的设计也变得复杂，因此，通常不进行直接排气，在高温带产生的燃烧气体流向低中温带，与工件进行热交换之后再排气。另一方面，蓄热式燃烧器交替反复进行燃烧和排气，燃烧器自身为能够进行排热回收的燃烧器，即便炉内温度为1000℃以上，通过在燃烧器内进行热交换，来自燃烧器的排气的温度也为100～300℃左右。因此，在加热带中使用了蓄热式燃烧器的情况下，能够从加热带进行直接排气。蓄热式燃烧器的排气流量以及排气温度按表1的＊2给出的式子计算出来。
在以上的条件下，针对各炉段分别计算出：工件显热、炉壁散热、废气带走热量以及炉内辐射传热，计算出所必要的燃料热值。废气带走热量由各炉段中的供气、排气量以及来自邻接炉段的流出流入燃烧气体量计算出来。另外，炉内辐射传热按表1的＊3给出的式子计算出来。
通常燃烧器使用时、蓄热式燃烧器使用时这2个例子中，针对没有进行炉壁隔热用气体供给的情形(比较例)、和按照本发明进行了炉壁隔热用气体供给的情形(实施例)，实施了热收支计算，针对各例子求出最有效的燃烧、供排气条件，对此时的必要的燃料热值、废气带走热量进行比较，求出由本发明带来的燃料减少效果。将结果示于表2以及表3。应予说明，在本连续炉模式中，虽然没有考虑气体从连续炉的入口以及出口泄漏所导致的热损失，不过，即便于例如100℃下流出100Nm3/hr的流量，也只不过为3kW左右的热损失，因此为可无视的热量。
【表2－1】
Figure GDA0001794032380000231
【表2－2】
Figure GDA0001794032380000241
【表2－3】
Figure GDA0001794032380000251
对表2进行说明。作为热收支结果，对比较例、实施例分别示出了入热出热的结果、炉壁隔热用气体的炉内利用率、来自排气口的排气热、炉外的废气热利用、系统整体的实质热量。另外，由这些结果可知：作为实施例相对于比较例的效果，给出了炉内燃料热值的减少效果、炉外废气热利用的增加效果以及系统整体的实质热量减少效果。
首先，作为热收支结果，将入热和出热以kW为单位，针对炉整体和各温度带进行表示。入热仅为燃料热值A，出热明细示出有：工件显热、炉壁散热、废气带走热量以及辐射损失。此处，各温度带的出热明细内有几个成为入热，但是，为了简单，这种情况下，用负号表示。例如，在废气带走热量用负号表示的情况下，说明具有废气热。应予说明，各温度带的废气带走热量不仅为来自排气口的排气热，还包括有：伴随着炉内气体流入流出于邻接带的气体显热增减。
炉壁隔热用气体的炉内热利用率是表示：在中温带以及高温带从炉壁供给，在炉壁内以及炉内升温至炉内温度后的气体显热从排气口直至排出到炉外为止，作为加热带的热源而被利用的比例，具体而言，用表2中记载的式子计算出来。在计算由各炉段供给来的炉壁隔热用气体在炉排气口排气时的气体显热时，当还有与之相伴供给来的冷却用空气的情况下，需要将该冷却用空气流量加入炉废气流量。此处，由于来自中温带、高温带的各炉段的炉壁气体供给流量相同，因此，只要有供给了冷却空气的炉段，就可以将冷却空气的气体流量均等地分配给：包含该炉段在内的且在比该炉段更靠炉出口侧供给了炉壁隔热用气体的所有炉段，将均等配分的冷却气体流量加入来自各炉段的炉壁隔热用气体的供给流量，用该方法计算出炉废气流量。应予说明，关于低温带和冷却带，炉壁隔热用气体的炉内热利用率和燃料减少或炉整体的节能效果没有直接关连，因此省略了。
出热的明细中给出了各温度带的废气带走热量，但是，由于给出了从各温度带排向炉外的带走热量，所以，来自排气口(包括燃烧器排气)的排气带走热量也示于表中。应予说明，在炉外，通过热回收设备来对该带走热量进行热利用的情况下，不仅仅以总量的焓，应当以表示有效能源的有效能，来评价热量，此处将它们合并记载。
对于炉外的排热利用(B)，在炉整体的废气带走热量内的50％以上可以在其它工序被热利用。将炉内入热的燃料热值(A)减去该炉外的排热利用部分(B)得到的值表示为系统整体的实质热量(A－B)。
1.通常燃烧器使用时(实施例1－1、比较例1)
关于通常燃烧器使用时的必要燃料热值，实施例中为1251kW，相对于比较例1336kW而言，燃料减少率为6％。
首先，关于炉整体，对出热的明细进行比较可知，实施例中，炉壁散热因炉壁隔热用气体供给的效果而大幅降低，另一方面，废气带走热量则增加。
接下来，在各温度带进行了比较。在低温带，燃料热值从268kW(比较例)到253kW(实施例)，仅减少了15kW。由出热的明细可知：其主要原因为炉壁散热的减少部分。这是因为：从炉壁供给来的空气流量部分也有助于吹除掉来自工件的挥发成分，因此，实施例中，与从炉壁供给来的空气流量部分相应地，减少来自燃烧器的供给空气，使得低温带中的空气供给量整体不会增加，得到：通过与炉壁隔热层之间的热交换，来对置换为来自炉壁的供给之后的那部分进行预热所带来的效果。
在中温带，燃料热值从129kW(比较例)到11kW(实施例)，竟减少高达118kW的热值。出热明细可知：其主要原因在于，炉壁散热大幅减少，废气带入热(带走热量用负号表示)也稍微增加。更详细地进行分析，仅中温带的炉壁隔热用气体的炉内热利用率为26％，如图4中的说明，这表示中温带的炉壁隔热用气体供给与炉内的燃料减少无关连。并且，作为中温带，与废气的带走热量相比，带入热较多(带走热量用负号表示)且来自排气口的排气热大幅增加，这就说明：来自邻接的高温带的带入热大幅增加，该来自高温带的带入热是中温带中的燃料减少的真正主要原因。
在高温带，燃料热值从938kW(比较例)到987kW(实施例)，增加了49kW。由出热明细可知：其主要原因在于，炉壁散热大幅减少而废气带走热量增加到其以上。如图3中的说明，虽然是基于炉壁隔热用气体供给的原理的必然结果，但是，刨除连续炉中的仅高温带的热收支就会接近于间歇式炉的热收支，这表示：在间歇式炉中，该炉壁隔热用气体供给的技术很难结合到炉的节能中。在连续炉中，在该高温带增加的废气带走热量被带入邻接的中温带，在中温带进行热利用，由此，作为炉整体，能够节能。仅高温带的炉壁隔热用气体的炉内热利用率为55％，说明仅仅在炉内也能够进行热回收。
应予说明，中温带和高温带的平均炉壁隔热用气体的炉内热利用率为45％，由图4的图表可知，接近于最低气体显热利用率ηmin，但是，在利用燃烧来确保必要热量的燃烧炉的情况下，通过减少必要的热量，还能够得到同时燃烧用空气减少的协同效果，因此，达到这样的燃料减少效果。
在冷却带，没有进行燃烧，因此，单纯地利用炉壁隔热用气体供给，来减少炉壁散热，相应地，废气带走热量增加，并增加了炉壁散热所减少的那部分量，其增加量为80kW。测算例中，为了简化，使炉壁隔热用气体供给流量在冷却带整个区域中为一定的，但是，通过根据冷却加热曲线使其为最佳的炉壁隔热用气体供给量，能够进一步减少炉壁散热，使废气带走热量增加。
将结果汇总，炉内的燃料减少效果为6％，废气带走热量的50％能够在其它工序中进行热回收，使得炉外的废气热利用的增加效果为46％，由此可知，系统整体的实质热量减少效果为25％，得到大幅的节能效果。
2.蓄热式燃烧器使用时(实施例2－1、比较例2)
关于蓄热式燃烧器使用时的必要燃料热值，实施例中为1081kW，相对于比较例1244kW而言，燃料减少率为13％，比通常燃烧器使用时更有效。关于炉整体，对出热的明细进行比较可知，这种情况下，实施例中因为炉壁隔热用气体供给的效果，使得炉壁散热大幅减少，另一方面废气带走热量增加，但是，与通常燃烧器时进行比较，废气带走热量的增加部分更少，所以炉整体燃料减少率更大。
接下来，在各温度带进行比较，不过，关于低温带以及冷却带，测算条件与通常燃烧器时相同，结果也相同。
中温带中，燃料热值从388kW(比较例)降低到210kW(实施例)，其差为178kW，与通常燃烧器时(118kW)相比，进一步大幅减少。其主要原因在于，与通常燃烧器时相比，虽然炉壁散热减少相同，但是废气带入热(带走热量用负号表示)的增加部分更多，如果看看炉壁隔热用气体在炉内的热利用率可知，在中温带是从26％增加为44％，在高温带是从55％增加为68％，这两方平均从45％增加为60％。此外，作为其根本主要原因在于：在蓄热式燃烧器中，由于能够使由燃烧器燃烧产生的燃烧气体的90％再由燃烧器自身排出，因此，从中·高温带朝向炉的入口侧流动，而处于中温带的前头部分的排气口所排出的废气的流量若与通常燃烧器相比就显得极少。亦即，在通常燃烧器时，即便没有供给炉壁隔热用气体的情况下，高温带中产生的燃烧废气也会流向中温带而被用作中温带中的热源，因此，因为炉壁隔热用气体的供给而新产生的气体显热在炉内没能全部被利用完，以致有所残留。结果，为了形成：至炉排气为止的这之间设定的加热曲线，供给单纯的冷却用空气，据此需要进行稀释而使气体温度下降的操作。另一方面，在蓄热式燃烧器的情况下，由于从原来的高温带流向中温带的气体较少，所以，能够将因为壁隔热用气体的供给而产生的气体显热在中温带不会有残留地有效地热利用，因为该理由而使得炉内的热利用率得到提高。其中，关于因壁隔热用气体供给产生的热量，实施例1－1和实施例2－1是相同的，因此，在实施例2－1中，能够在炉内更多地进行热利用，相应地，被带到炉外的废气热减少，并是减少了在炉内更多地进行热利用的那部分量。
在高温带，燃料热值从587kW(比较例)到619kW(实施例)，增加了32kW。虽然其增加量比通常燃烧器时还要少，但是，这是由于：因为蓄热式燃烧器的效果而使得原来燃料热值较少。
将结果汇总，炉内的燃料减少效果为13％，废气带走热量的50％能够在其它工序进行热回收，使得炉外的废气热利用的增加效果为40％，由此，系统整体的实质热量减少效果为30％，比通常燃烧器时更加有效。
＜实施例1－2～1－5、实施例2－2～2－5＞
在实施例1－1以及实施例2－1中，在炉壁隔热用气体朝向低温加热带、中温加热带、高温加热带以及冷却带所有区域供给这样的条件下，进行了连续炉中的由本发明带来的节能效果的测算。此处，像表3中记载那样，将炉壁隔热用气体的供给部位组合选择，在使用通常燃烧器的情况下，使其它条件与实施例1－1相同，在使用蓄热式燃烧器的情况下，使其它条件与实施例2－1相同，计算热收支，得到了由本发明带来的燃料减少效果。将结果示于表3。
【表3】
Figure GDA0001794032380000301
在通常燃烧器使用时和蓄热式燃烧器使用时，看到了同样的倾向。无论哪个例子中都得到节能效果，但是，按照向中温带以及冷却带供给炉壁隔热用气体的情形(实施例1－5、实施例2－5)、向高温带以及冷却带供给炉壁隔热用气体的情形(实施例1－2、实施例2－2)、向低温带、高温带以及冷却带供给炉壁隔热用气体的情形(实施例1－4、实施例2－4)、向中温带、高温带以及冷却带供给炉壁隔热用气体的情形(实施例1－3、实施例2－3)、向低温加热带、中温加热带、高温加热带以及冷却带所有区域供给炉壁隔热用气体的情形(实施例1－1、实施例2－1)的顺序，系统整体的节能效果得到了提高。
由该结果可知：通过供给炉壁隔热用气体，使得低温加热带、中温加热带、高温加热带分别得到了节能效果，其贡献按低温加热带、中温加热带、高温加热带的顺序依次增大。
【产业上的可利用性】
本发明所涉及的连续式工业炉在例如使用超过1000℃的高温的连续炉的产业领域、例如窑业、电子部件制造业、陶瓷制造业、玻璃制造业、耐火材料制造业、钢铁业等中有效利用。
【符号说明】
11 入口
12 加热带
13 冷却带
14 出口
15 加热带用的炉壁隔热用气体供给线
16 加热带用的排气线
17 冷却带用的炉壁隔热用气体供给线
18 冷却带用的排气线
21 外壁
22 间隙
23 多孔质隔热层
24a、24b 气体导入口
25 送风机
26a、26b 排气口

Claims (9)

1.一种连续式工业炉，其依次具备入口、加热带、冷却带以及出口，并用于一边将工件从入口朝向出口搬送一边进行加热处理，其中，
冷却带至少局部地具有炉壁隔热结构，该炉壁隔热结构具备：具有1个或2个以上的气体导入口的外壁、以及空开间隙地设置在该外壁的内侧的多孔质隔热层，
冷却带还具有1个或2个以上的排气口，所述排气口用于：将从所述气体导入口又依次经过所述间隙以及所述多孔质隔热层而流入冷却带的炉内的气体利用于工件的冷却，之后再进行吸引排出。
2.一种方法，其是权利要求1所述的连续式工业炉的热利用方法，其中，包括：
从所述气体导入口供给气体，该气体依次经过所述间隙以及所述多孔质隔热层，之后流入于冷却带的炉内的步骤；此处，在该气体经过所述多孔质隔热层期间，该气体和所述多孔质隔热层进行热交换，由此，所述多孔质隔热层的朝向炉外侧的散热被减少，并且，所述多孔质隔热层的炉内侧的表面温度被降低，
利用由流入于炉内的气体所带来的对流传热、以及与炉壁内表面之间的辐射传热，来对工件进行冷却，并且，流入于炉内的该气体一边在炉内流动一边因与工件之间的热交换而被升温的步骤；
将流入于炉内的该气体利用于工件的冷却，之后再进行吸引排出的步骤；以及、
将被吸引排出的该气体所具有的显热在炉外进行利用的步骤。
3.根据权利要求2所述的连续式工业炉的热利用方法，其中，
从所述排气口排出的气体的温度为100～600℃。
4.一种连续式工业炉，其依次具备入口、加热带、冷却带以及出口，并用于一边将工件从入口朝向出口搬送一边进行加热处理，其中，
加热带至少局部地具有炉壁隔热结构，该炉壁隔热结构具备：具有1个或2个以上的气体导入口的外壁、以及空开间隙地设置在该外壁的内侧的多孔质隔热层，
加热带还具有1个或2个以上的排气口，所述排气口用于：使从所述气体导入口又依次经过所述间隙以及所述多孔质隔热层而流入加热带的炉内的气体流向入口侧，之后再进行吸引排出，
冷却带至少局部地具有炉壁隔热结构，该炉壁隔热结构具备：具有1个或2个以上的气体导入口的外壁、以及空开间隙地设置在该外壁的内侧的多孔质隔热层，
冷却带还具有1个或2个以上的排气口，所述排气口用于：将从所述气体导入口又依次经过所述间隙以及所述多孔质隔热层而流入冷却带的炉内的气体利用于工件的冷却，之后再进行吸引排出。
5.一种方法，其是权利要求4所述的连续式工业炉的热利用方法，其中，包括：
从加热带的气体导入口供给气体，该气体依次经过加热带中的所述间隙以及所述多孔质隔热层，之后流入于加热带的炉内的步骤；此处，在该气体经过加热带中的所述多孔质隔热层期间，该气体和加热带中的所述多孔质隔热层进行热交换，由此，该气体被升温，并且，加热带中的所述多孔质隔热层的朝向炉外侧的散热被减少，
使流入于加热带的炉内的该气体流向入口侧的步骤；此处，在该气体在炉内流向入口侧的期间，该气体和工件进行热交换，由此，该气体被降温，并且，工件被升温，
使流入于加热带的炉内的该气体流向入口侧，之后再进行吸引排出的步骤；
将从加热带吸引排出的该气体所具有的显热在炉外进行利用的步骤；
从冷却带的气体导入口供给气体，该气体依次经过冷却带的所述间隙以及所述多孔质隔热层，之后流入于冷却带的炉内的步骤；此处，在该气体经过冷却带中的所述多孔质隔热层期间，该气体和冷却带的所述多孔质隔热层进行热交换，由此，冷却带中的所述多孔质隔热层的朝向炉外侧的散热被减少，并且，冷却带中的所述多孔质隔热层的炉内侧的表面温度被降低，
利用由流入冷却带的炉内的气体所带来的对流传热、以及与炉壁内表面之间的辐射传热，来对工件进行冷却，并且，流入冷却带的炉内的该气体一边在炉内流动一边因与工件之间的热交换而被升温的步骤；
将流入于冷却带的炉内的该气体利用于工件的冷却，之后再进行吸引排出的步骤；以及、
将从冷却带吸引排出的该气体所具有的显热在炉外进行利用的步骤。
6.根据权利要求5所述的连续式工业炉的热利用方法，其中，
从加热带以及冷却带各自的排气口排出的气体的温度为100～600℃。
7.根据权利要求5所述的连续式工业炉的热利用方法，其中，
包括：气体经过所述多孔质隔热层而流入于加热带的炉内时的炉内温度为1000℃以上的部位。
8.根据权利要求5所述的连续式工业炉的热利用方法，其中，
流入于加热带的炉内的所述气体包含炉内气氛调整用气体。
9.根据权利要求5～8中的任意一项所述的连续式工业炉的热利用方法，其中，
在加热带的炉内的温度为400℃以上的部位，通过了所述多孔质隔热层而流入于炉内的气体所具有的气体显热在炉内平均利用了40％以上，之后再向炉外排出。
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