JP2008232474A

JP2008232474A - 蓄熱式バーナ

Info

Publication number: JP2008232474A
Application number: JP2007069802A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yasue; 孝安江; Masami Sato; 昌巳佐藤; Hitoshi Mori; 仁志森
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2027-03-19
Also published as: JP5051828B2; DE102008000744A1; US20080233524A1; US7946844B2

Abstract

【課題】コンパクトでありながら耐久性のある蓄熱式バーナを提供する。
【解決手段】燃焼用空気及び排気ガスが流通する、内部に蓄熱体７が配設された蓄熱部４を備え、排気ガスで蓄熱体７を加熱して蓄熱し、蓄熱部４に燃焼用空気を流通させて、蓄熱された蓄熱体４と熱交換して予熱し、この予熱された燃焼用空気を燃焼させる、蓄熱と燃焼を交互に繰り返して運転する蓄熱式バーナにおいて、蓄熱部４の炉内側の断面積を、蓄熱部４の給排気口側の断面積より小さくするとともに、蓄熱部４を被覆する耐火断熱材３の厚みを、蓄熱部の炉内側４ａでは厚くし、蓄熱部の給排気口側４ｂでは薄くしたことを特徴とする。なお、燃焼用空気及び排気ガスが流通し、燃料が供給されるバーナタイル２を耐火性材料で構成し、バーナタイル２を耐火断熱材３で被覆することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、工業用燃焼炉に用いる蓄熱式バーナの改良に関するものである。

近年、工業用燃焼炉には燃費を向上させるために、蓄熱式バーナが用いられている。この蓄熱式バーナは、特許文献１や特許文献２に示されるように、バーナの給排気経路に蓄熱体を備えたバーナであり、３０秒程度の比較的短い周期で交互に燃焼と排気を繰り返し、燃焼ガスの保有熱を排気側のバーナの蓄熱体により回収し、燃焼側のバーナでは燃焼用空気を蓄熱体に通して予熱することにより、高い熱効率を達成することができるようにしたものである。

この蓄熱式バーナは、例えば図４に示されるように、バーナ部５１と蓄熱部５２が直列に連結されている。なお、５３は炉壁、５４は耐火性材料で構成されたバーナタイル、５５は燃料ノズル、５６は耐火断熱材料で構成されたバーナ断熱壁、５７は耐火性材料で構成された蓄熱体である。この構造の蓄熱式バーナは、バーナ部５１と蓄熱部５２が分離しているため、燃焼と排気の繰り返しに起因する熱変動による熱応力が、バーナ部５１に作用することがないので耐久性に優れる。しかしながら、バーナ部５１の大部分と蓄熱部５２の全部が炉外に設置されるため、この炉外に設置された部分からの放熱を防ぐために、断熱材料で構成されたバーナ断熱壁５６のライニングが必要となる。特にファインセラミックの焼成等の高温用途（例えば炉内温度１４００℃以上）である程、耐火断熱壁５６が厚くなり、蓄熱式バーナ全体が大きくなってしまうという問題があった。

そこで、この問題を解決するために、図５に示されるようなバーナ部と蓄熱部が一体となった蓄熱式バーナが提案されている。図５に示される、６１は燃料ノズル、６２は耐火性材料で構成されたバーナタイル、６３は耐火性材料で構成された蓄熱体、６４は耐火断熱材料で構成されたバーナ断熱壁、６５は炉壁である。この図５に示される蓄熱式バーナは、バーナ部の半分以上もしくはそれ以上の部分が炉壁６５内に設置されるため、炉外に設置される部分は容積的に小さくすることができるという利点がある。蓄熱体６３の炉内側は高温に曝されるため高温であるが、蓄熱体６３の給排気口側は炉内側に比べて温度が低くなるため、図５に示される蓄熱式バーナでは、蓄熱体６３の高温になる部分が炉内に配設され、温度が低い蓄熱体６３の給排気口側のみが炉外に配設される構造であるため、バーナ断熱壁６４を薄くすることができ、その結果蓄熱式バーナ全体としてコンパクトにすることができる。しかしながら、この図５に示される蓄熱式バーナは、バーナタイル６２が蓄熱体６３に隣接して配設されているため、燃焼と排気の繰り返しに起因する蓄熱体６３の熱変動による熱応力６６が、バーナタイル６４に作用するため、バーナタイル６４に亀裂が入り破損したり、バーナタイル６４が押し出されて炉内に落下したりして、耐久性に問題があった。

そこで、コンパクトでありながら耐久性のある蓄熱式バーナの開発が要望されていた。
特公告Ｓ５１−４７１３１号公報実公開Ｈ０３−４６７４２号公報

本発明は、上記問題を解決し、コンパクトでありながら耐久性のある蓄熱式バーナを提供する。

上記問題を解決するためになされた本発明は、燃焼用空気及び排気ガスが流通する、内部に蓄熱体が配設された蓄熱部を備え、排気ガスで前記蓄熱体を加熱して蓄熱し、前記蓄熱部に燃料用空気を流通させて、蓄熱された蓄熱体と熱交換して予熱し、この予熱された燃焼用空気を燃焼させる、蓄熱と燃焼を交互に繰り返して運転する蓄熱式バーナにおいて、蓄熱部の炉内側の断面積を、蓄熱部の給排気口側の断面積より小さくするとともに、蓄熱部を被覆する耐火断熱材の厚みを、蓄熱部の炉内側では厚くし、蓄熱部の給排気口側では薄くしたことを特徴とする。

なお、燃焼用空気及び排気ガスが流通し、燃料が供給されるバーナタイルを耐火性材料で構成し、前記バーナタイルを耐火断熱材で被覆することが好ましい。

また、蓄熱部は略円錐形状もしくは略角錐形状であることが好ましい。

また、隣接する板状のセラミックハニカムを、間隔を開けて層状に、蓄熱部の内部に配設し、前記セラミックハニカムに燃焼用空気及び排気ガスを流通させることが好ましい。

蓄熱部の炉内側の断面積を、蓄熱部の給排気口側の断面積より小さくするとともに、蓄熱部を被覆する耐火断熱材の厚みを、蓄熱部の炉内側では厚くし、蓄熱部の給排気口側では薄くしたので、高温に曝される蓄熱部の炉内側は厚い耐火断熱材で被覆されることから、十分に断熱することができ、また、温度が低い蓄熱部の給排気口側は断面積が大きいので、蓄熱するための熱容量を確保することができ、効率良く蓄熱することができ、蓄熱部を従来と比較してコンパクトにすることができ、コンパクトな蓄熱式バーナを提供することが可能となる。

なお、燃焼用空気及び排気ガスが流通し、燃料が供給されるバーナタイルを耐火性材料で構成し、前記バーナタイルを耐火断熱材で被覆すると、バーナタイルに断熱機能を持たせる必要がないことから、バーナタイルを緻密で強度のある耐火性材料で構成することが可能となり、バーナタイルの耐久性が向上する。このように、バーナタイルを耐久性のある耐火性材料で構成することが可能となるので、燃焼用空気及び排気ガスが流通する流路の径であるスロート径を小さな径にして、燃焼用空気及び排気ガスの流速が速くなったとしても、バーナタイルが破損することがなく、バーナタイルをコンパクトにすることができ、コンパクトな蓄熱式バーナを提供することが可能となる。

また、蓄熱部を略円錐形状もしくは略角錐形状にすると、この蓄熱部を被覆する耐火断熱材の製作がし易くなる。

また、蓄熱部の内部に、セラミックハニカムを配設し、このセラミックハニカムに燃焼用空気及び排気ガスを流通させることとすると、セラミックハニカムの燃焼用空気及び排気ガスが流通する部分の表面積は大きいことから、効率良く熱交換することでき、蓄熱部をコンパクトにすることができ、コンパクトな蓄熱式バーナを提供することが可能となる。また、隣接する板状のセラミックハニカムを、間隔を開けて層状に配設することすると、前記間隔に燃焼用空気及び排気ガスが流通し、燃焼用空気及び排気ガスの流路が閉塞することがない。

（第１の実施形態）
以下に、図面を参照しつつ本発明の好ましい実施の形態を示す。
図１は本発明の実施の形態を示す蓄熱式バーナの側断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。１は工業用燃焼炉の炉壁である。この炉壁１に本発明の蓄熱式バーナが取り付けられている。本発明の蓄熱式バーナは、主にバーナタイル２、断熱壁３、蓄熱部４、燃料ノズル５、ハウジング６から構成されている。

バーナタイル２は、緻密な耐火煉瓦等の耐火性材料で構成されている。本実施形態では、バーナタイル２は略円筒形状をしていて、バーナタイル２の内部が、炉壁１の開口部と連通するように配設されている。なお、バーナタイル２をキャスタブル耐火性材料で構成することとしても差し支えない。

バーナタイル２の底部に開口するように燃料ノズル５が配設されている。この燃料ノズル５から燃料が供給される。本実施形態では、液化石油ガス（ＬＰＧ）や液化天然ガス（ＬＮＧ）等の気体燃料を使用するが、灯油等の液体燃料を燃焼用空気と混合して使用することとしても差し支えない。なお、本実施形態では、燃料ノズル５はバーナタイル２の底部に開口するように配設されているが、燃料ノズル５をバーナタイル２の側面に開口するように配設することとしても差し支えない。

バーナタイル２は、耐火断熱材３で被覆されている。この耐火断熱材３は、多孔質の耐火断熱煉瓦やキャスタブル耐火断熱材で構成されている。バーナタイル２の流路に開口した空間である蓄熱部４が、耐火断熱材３により構成されている。蓄熱部４はバーナタイル２の流路の軸線方向と略直交するように開口している。本実施形態では、蓄熱部４はバーナタイル２の下側面に開口している。

蓄熱部４の内部には、耐火性材料で構成された蓄熱体７が配設されている。蓄熱体７は、例えば球形状や円筒形状をした充填材が使用される。蓄熱体７は、蓄熱部４の底部に配設された金網で保持されるようになっている。燃焼用空気が蓄熱部４を流通しても、蓄熱体７はその自重により、炉内側に移動しないようになっている。耐火断熱材３は、金属性のハウジング６で覆われている。

蓄熱部４の底部は給排気口８となっている。この給排気口８から燃料用空気が給気され、排気ガスが排気される。炉外に設けられたブロア（図示せず）を稼働させて、切替バルブ９を所定時間（例えば３０秒）切り替えることにより、燃料用空気の給気及び、排気ガスの排気が交互に行われるようになっている。

燃焼時には、ブロアを稼働させて、燃焼用空気を、給排気口８からバーナタイル２の底部に供給し、燃料ノズル５から供給される燃料を燃焼させる。所定時間が経過すると、切替バルブ９を切り替えて、ブロアを稼働させて、給排気口８から排気ガスを吸引して、排気ガスを炉外に排気する。この際、高温の排気ガスが蓄熱部４を流通し、蓄熱部４の内部に充填された蓄熱体７の表面と前記排気ガスが接触することにより熱交換が行われて、蓄熱体７が加熱されて蓄熱される。

所定時間が経過した後には、再び切替バルブ９を切り替えて、給排気口８から燃焼用空気を給気する。この際に、蓄熱部４を燃焼用空気が流通して、蓄熱された蓄熱体７の表面と接触することにより、燃焼用空気が熱交換されて予熱されて、バーナタイル２に供給される。このように、蓄熱と燃焼を交互に繰り返して運転して、燃焼排ガスの保有熱を蓄熱体７により回収し、燃焼用空気を蓄熱体７に通して予熱することにより、高い熱効率を達成することができ燃費が向上する。

本発明では、蓄熱部の炉内側４ａの断面積を、蓄熱部の給排気口側４ｂの断面積より小さくするとともに、蓄熱部４を被覆する耐火断熱材３の厚みを、蓄熱部４の炉内側４ａでは厚くし、蓄熱部の給排気口側４ｂでは薄くしている。このように構成することにより高温（１０００℃〜１６００℃、本実施形態では１４００℃）に曝される蓄熱部の炉内側４ａは厚い耐火断熱材３で被覆されることから、十分に断熱することができる。また、温度が低い（１００℃〜４００℃、本実施形態では２００℃）蓄熱部の給排気口側４ｂは断面積が大きいので、蓄熱するための熱容量を確保することができる。

なお、本実施形態では、蓄熱部４の形状は、略円錐形状もしくは略角錐形状である。

また本発明では、バーナタイル２を耐火断熱材３で被覆することとしたので、バーナタイル２に断熱機能を持たせる必要がないことから、バーナタイル２を緻密で強度のある耐火性材料で構成することが可能となり、バーナタイル２の耐久性が向上する。蓄熱式バーナをコンパクトにするためには、燃焼用空気及び排気ガスが流通する流路の径であるスロート径ａを、燃焼可能な必要最小な径にする必要がある。スロート径ａを、小さくするほど燃焼用空気及び排気ガスの流速が速くなるが、前述したようにバーナタイル２を緻密で強度のある耐火性材料で構成することとしたので、バーナタイル２が破損することがない。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態について説明をする。図３に第２の実施形態の蓄熱部の詳細図を示す。この第２の実施形態では、蓄熱体としてセラミックハニカムを使用する。ここでセラミックハニカムとは、セラミックで構成された六角形や四角形等が隙間なく束ねられた構造をハニカム構造のことをいう。図３に示されるように、この第２の実施形態では、隣接する板状のセラミックハニカム１１を、間隔４ｃを開けて層状に、蓄熱部４の内部に配設している。このセラミックハニカム１１に燃焼用空気及び排気ガスが流通するようになっている。セラミックハニカム１１は、ハニカム構造であるので表面積が大きく、流通する燃焼用空気及び排気ガスを効率よく熱交換することが可能となる。

蓄熱部４の形状は、層状に配設されたセラミックハニカム１１に対応する形状となっているが、炉内側から給排気口８側につれて幅が広くなっている。このように、蓄熱部４を、炉内側から給排気口８側につれて幅が広くし、炉内側から給排気口８側につれて、セラミックハニカム１１の幅を広くしたので、高温に曝される蓄熱部４の炉内側は厚い耐火断熱材３で被覆されることから、十分に断熱することができ、また、温度が低い蓄熱部４の給排気口８側のセラミックハニカム１１の断面積が大きいので、蓄熱するための熱容量を確保することができ、効率良く蓄熱することができる。

前述したように、間隔４を開けてセラミックハニカム１１を配設したのは、燃焼用空気及び排気ガスの流路を確保するためであり、図３の矢印に示されるように、セラミックハニカム１１の外縁部分１１ａを流通する燃焼用空気及び排気ガスが、前記間隔４ｃを流通することにより、隣接するセラミックハニカム１１に流通するようになっている。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う蓄熱式バーナもまた技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

本発明の実施の形態を示す蓄熱式バーナの側断面図である。本発明の実施の形態を示す蓄熱式バーナの正断面図である。第２の実施形態の蓄熱部の詳細図である。従来の実施の形態を示す説明図である。従来の実施の形態を示す説明図である。

符号の説明

１炉壁
２バーナタイル
３耐火断熱材
４蓄熱部
４ａ蓄熱部の炉内側
４ｂ蓄熱部の給排気口側
４ｃ間隔
５燃料ノズル
６ハウジング
７蓄熱体
８給排気口
９切替バルブ
１１セラミックハニカム
１１ａセラミックハニカムの外縁部分
ａスロート径
５１バーナ部
５２蓄熱部
５３炉壁
５４バーナタイル
５５燃料ノズル
５６バーナ断熱壁
５７蓄熱体
６１燃料ノズル
６２バーナタイル
６３蓄熱体
６４バーナ断熱壁
６５炉壁
６６熱応力

Claims

燃焼用空気及び排気ガスが流通する、内部に蓄熱体が配設された蓄熱部を備え、排気ガスで前記蓄熱体を加熱して蓄熱し、前記蓄熱部に燃料用空気を流通させて、蓄熱された蓄熱体と熱交換して予熱し、この予熱された燃焼用空気を燃焼させる、蓄熱と燃焼を交互に繰り返して運転する蓄熱式バーナにおいて、
蓄熱部の炉内側の断面積を、蓄熱部の給排気口側の断面積より小さくするとともに、蓄熱部を被覆する耐火断熱材の厚みを、蓄熱部の炉内側では厚くし、蓄熱部の給排気口側では薄くしたことを特徴とする蓄熱式バーナ。
燃焼用空気及び排気ガスが流通し、燃料が供給されるバーナタイルを耐火性材料で構成し、前記バーナタイルを耐火断熱材で被覆したことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱式バーナ。
蓄熱部は略円錐形状もしくは略角錐形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の蓄熱式バーナ。
隣接する板状のセラミックハニカムを、間隔を開けて層状に、蓄熱部の内部に配設し、前記セラミックハニカムに燃焼用空気及び排気ガスを流通させることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の蓄熱式バーナ。