JP2011196615A - 加熱炉の廃熱回収設備及び廃熱利用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リジェネバーナから直接排出される排ガスとは別に炉から排出される排ガスの有効利用を可能とする加熱炉の廃熱回収設備を提供する。
【解決手段】加熱炉１は、加熱用の全バーナ２がリジェネバーナ２から構成され,該リジェネバーナ２から直接排出される排ガスとは別に炉から排出される排ガス１０Ｂの顕熱を、空気又は不活性ガスの加熱として熱回収するレキュペレータ８と、レキュペレータ８で熱交換された空気又は不活性ガスで上記加熱炉１に装入される前のスラブ３を予熱する予熱手段としての予備室１１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱炉内で使用する全てのバーナに、蓄熱体を利用したリジェネバーナ（蓄熱式バーナ）を採用した場合における、当該加熱炉で発生する高温の未利用廃熱の回収及び廃熱の利用に関する技術である。

通常のバーナとレキュペレータ（熱交換器）とを備えた加熱炉の場合、加熱炉の煙道に上記レキュペレータを設置することで、炉で発生した排ガス顕熱を回収し、回収した熱を上記通常のバーナの燃焼空気の予熱のために利用している（特許文献１参照）。
ここで、上記加熱炉のバーナの一部若しくは全部のバーナをリジェネバーナとして使用する場合がある。リジェネバーナは、各々にセラミックなどからなる蓄熱体を持った一対のバーナを交互に切り替えて燃焼する方式のバーナである。すなわち、一方のバーナが燃焼している間は、他方のバーナの蓄熱体を介して燃焼排ガスを排出することで当該蓄熱体に顕熱を蓄える。つまり、一方のバーナが燃焼のときに他のバーナは蓄熱を行う。そして燃焼と蓄熱を行うバーナを切り替えることで、蓄熱体に蓄えた顕熱を燃焼空気の予熱エネルギーとして使用する。このように、リジェネバーナの場合には、レキュペレータで回収した熱で燃焼空気を予熱する必要がないという利点がある。

特開昭６２−６７１０７号公報

上記加熱炉の一部のバーナをリジェネバーナに置き換えた場合には、煙道から排出される排ガスから回収した熱を、通常のバーナ（リジェネバーナ以外のバーナ）の燃焼空気の予熱に利用すればよい。しかしながら、上記加熱炉の全部のバーナをリジェネバーナに置き換えた炉の場合には、煙道から排出される排ガス顕熱から回収した熱で燃焼空気を予熱する必要がない。このため、全部のバーナをリジェネバーナとして加熱炉を建造する場合には、リジェネバーナから直接排出される排ガスとは別に炉から排出される排ガス（上記蓄熱体を通らないで炉から排出される排ガス）の顕熱を回収する設備を設けることはなかった。

本発明は、上記のような点に着目したもので、リジェネバーナから直接排出される排ガスとは別に炉から排出される排ガスの有効利用を図ることを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、加熱用の全バーナがリジェネバーナから構成される加熱炉で発生した廃熱を回収する廃熱回収設備であって、
リジェネバーナから直接排出される排ガスとは別に、炉から排出される排ガスの顕熱で、空気又は不活性ガスからなる流体を加熱して熱回収するレキュペレータと、
レキュペレータで熱交換された上記流体で上記加熱炉に装入される前の被加熱物を予熱する予熱手段と、を備えることを特徴とする加熱炉の廃熱回収設備を提供する。
不活性ガスとは、窒素、アルゴンなどの気体を指す。

次に、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した構成に対し、上記予熱手段は、上記熱交換された流体を、上記加熱炉の炉外における装入側及び抽出側の少なくとも装入側にある空間へ供給することで実現することを特徴とするものである。
次に、請求項３に記載した発明は、請求項１又は請求項２に記載した構成に対し、 上記予熱手段は、上記熱交換された流体を、加熱炉への装入待機中の被加熱物を収容する保温ボックスヘ供給することで実現することを特徴とするものである。
次に、請求項４に記載した発明は、加熱用の全バーナがリジェネバーナから構成される加熱炉で発生した廃熱利用方法であって、

リジェネバーナから直接排出される排ガスとは別に、炉から排出される排ガスの顕熱で、空気又は不活性ガスを加熱し、上記加熱した空気又は不活性ガスを上記燃焼加熱炉に装入前の被加熱物の予熱に使用することを特徴とする燃焼加熱炉の廃熱利用方法を提供する。

加熱炉で使用する全てのバーナをリジェネバーナにした場合は、全排ガスのうちの例えば１５〜２５％程度の排ガスはリジェネバーナの蓄熱体を通ることなく、煙道から排出されることとなる。
これに対し、本発明では、上記リジェネバーナから直接排出される排ガス（蓄熱体を通過した排ガス）とは別に、炉から排出される排ガス（蓄熱体を通過しない排ガス）の顕熱を回収し、回収した熱を炉外で有効利用する。このとき、本発明では、回収した熱で、炉に装入する前の被加熱物を予熱することで、加熱炉設備全体の熱効率が向上する。

なお、不活性ガスを加熱して熱回収する場合には、無酸化雰囲気への供給が可能となる。
また請求項２に記載した発明では、少なくとも装入側の空間に、排ガスよりも汚染度が低く且つ加熱した空気又は不活性ガスを供給する。この結果、少なくとも装入前の被加熱物が予熱されると共に、装入口を開いたときに炉内への冷気の侵入を低減可能となる。さらに、炉内の排ガスが開いた装入口から炉外へ漏れることも低減可能となる。

また請求項３に記載した発明では、排ガスの顕熱から回収した熱で、保温ボックス中の被加熱物を予熱可能となる結果、上記加熱炉に装入される前の被加熱物を予熱できる。

本発明に基づく第１実施形態に係る加熱炉設備の構成を説明するための図である。 本発明に基づく実施形態に係るリジェネバーナを説明するための図である。 本発明に基づく第２実施形態に係る加熱炉設備の構成を説明するための図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
本実施形態の加熱炉として、被加熱物としてのスラブを加熱する加熱炉を例に挙げて説明する。
（第１実施形態）
本実施形態の加熱炉１内は、図１に示すように、図１中左側から予熱帯１Ａ、第１加熱帯１Ｂ、第２加熱帯１Ｃ、均熱帯１Ｄの４つの加熱エリア１Ａ〜１Ｄに区分され、各加熱エリア毎にそれぞれ複数のバーナ２が配置されることで、連続して送られてくるスラブ３を加熱可能となっている。図１では、スラブ３を挟んで上下にそれぞれバーナ２が配置されている。

上記加熱炉１内に配置される各バーナ２は、全てリジェネバーナ２である。リジェネバーナ２は、図２に示すように、一対のバーナ２Ａ、２Ｂの組から構成される。なお、図２では、スラブ３を挟んで、上側と下側にそれぞれ一対のバーナ２Ａ、２Ｂの組が個別に配置されている。すなわち、上側のバーナ２で主としてスラブ３の上側を加熱し、下側のバーナ２で主としてスラブ３の下側を加熱する構成となっている。

上記一対のバーナ２Ａ、２Ｂの組から構成される各リジェネバーナ２は、各バーナ２Ａ、２Ｂにおける燃焼空気若しくは排ガス１０Ａが通過する流路位置に、セラミックなどからなる蓄熱体４を配置して構成される。
そして、燃焼に使用するバーナ２Ａを所定時間毎に切り替えて燃焼を行う。このとき、一方のバーナ２Ａ（燃焼に使用する側）が燃焼している間は、他方のバーナ２Ｂ側から燃焼排ガスを強制吸引する。これによって、バーナ２Ｂ側を通過する燃焼排ガス１０Ａとの熱交換によって強制吸引側の蓄熱体４に顕熱が蓄えられる。このように、一方のバーナ２Ａが燃焼している間に他のバーナ２Ｂの蓄熱体４への蓄熱が実行される。そして、上記燃焼と蓄熱とを切り替えることによって、上記燃焼排ガスが通過する際に蓄熱体４に蓄えた顕熱を、燃焼空気の予熱エネルギーとして使用する。

符号５は、排ガスファンである。その排ガスファン５は、上記リジェネバーナ２から直接排出される燃焼排ガス１０Ａ（蓄熱体４を通過した排ガス１０Ａ）を強制的に吸引して煙道６に送る。また、符号１４は、燃焼側のバーナ２に燃焼空気を供給するための燃焼エアブロアである。

また、煙道６における上記排ガスファン５からの排ガス導入位置よりも炉内側位置に、熱交換器としてのレキュペレータ８が配置されている。これよって、リジェネバーナ２から直接排出される排ガス１０Ａとは別に、炉内を煙道６側に移動して当該煙道６に排出される高温の排ガス１０Ｂは、レキュペレータ８によって、熱風ブロワ１２で供給された空気との間で熱交換が行われる。つまり、レキュペレータ８は、排ガス１０Ｂの顕熱で、空気を加熱して熱回収を行う。

ここで、熱回収する流体として空気を例にして説明するが、空気の代わりに窒素等の不活性ガスを熱回収するための流体として使用しても良い。不活性ガスで熱回収する場合には、熱回収した流体は、無酸化雰囲気の場所での使用が可能となる。
上記レキュペレータ８で熱交換された空気は、熱風供給配管９によって、加熱炉１の装入側の空間、つまり装入口１ａ手前の空間に供給可能となっている。

炉の装入口１ａの手前には、当該装入口１ａを覆うようにして予熱室１１が形成されていて、順次、予熱室１１を介して、スラブ３が装入口１ａから炉内に送られるようになっている。この予熱室１１が上記装入側の空間を規定する。そして、予熱室１１内に対し上記熱風供給配管９の下流側端部が接続する。なお、上記予熱室１１は、完全に密封した空間でなくても良い。これによって、加熱された空気が、上記予熱室１１内に圧送されることになる。

ここで、上記熱風ブロワ１２は、大気だけを吸引してレキュペレータ８に圧送して熱交換させても良いし、上記予熱室１１内の空気を一部導入するようにして、加熱した空気を循環させるようにしても良い。

（動作その他）
装入口１ａから炉内に装入されたスラブ３は、炉内を搬送されながら、各加熱エリアのリジェネバーナ２によって目的の加熱が実行される。
このとき、リジェネバーナ２の燃焼で発生した排ガス１０Ａの一部は、排ガスファン５によって強制吸引されて煙突７を通じて大気に排出される。上記排ガスファン５によって強制吸引される排ガス１０Ａは、加熱炉１から排出される全ての排ガス１０のおよそ７０〜８５％であり、その排ガス１０Ａの温度は、蓄熱体４との熱交換等によって、２００℃程度の温度となっている。

また、上記リジェネバーナ２からの排ガス１０Ａ以外の残りの排ガス１０Ｂ、つまり蓄熱体４を通じて吸引されなかった残りの排ガス１０Ｂは、炉内を装入口１ａ側に移動し、煙道６を通じて煙突７から排出される。この排ガス１０Ｂを第２排ガス１０Ｂとも呼ぶ。ここで、第２排ガス１０Ｂは、加熱炉１から排出されるガスのおよそ１５〜２０％程度であり、炉内温度相当の例えば約９００℃の温度となっている。

上記第２排ガス１０Ｂは、煙道６を通過する際にレキュペレータ８で熱交換されて例えば４００℃まで温度降下した後に、煙突７から排出される。一方、レキュペレータ８の熱交換によって加熱された空気は、装入口１ａ手前の予熱室１１に圧送される。これによって、装入口１ａ手前で炉内に装入される前のスラブ３が予熱されることとなる。
すなわち、順次スラブ３が予熱室１１に送られ、その後、装入口１ａを開けて予熱室１１内のスラブ３を炉内に装入する。

また、予熱室１１には、加熱された空気が圧送されているため、装入口１ａを開口したときに装入口１ａから炉内に冷気が侵入することを抑えると共に、炉内の排ガス１０Ｂが装入口１ａから漏れることを低減可能となる。
以上のように、上記リジェネバーナ２から直接排出される排ガス１０Ａとは別に炉から排出される排ガス１０Ｂの顕熱を回収することで、排ガス１０Ｂの顕熱を炉外で有効利用することが可能となる。このとき本実施形態では、回収した熱で、炉に装入する前のスラブ３を予熱することで、加熱炉１の設備全体の熱効率が向上する。

また、装入側の空間に、排ガス１０Ｂよりも汚染度が低く且つ上記加熱された空気を供給することで、装入前の被加熱物であるスラブ３が予熱されると共に、装入口１ａを開いたときに炉内への冷気の侵入を低減可能となる。さらに、炉内の排ガス１０Ｂが開いた装入口１ａから炉外へ漏れることも低減可能となる。
ここで、被加熱物がスラブ３の場合を例示したが、他の金属などを被加熱物とした加熱炉１であっても適用可能である。また、加熱炉１は、バッチ炉であっても良い。

また、レキュペレータ８で熱交換されて加熱された空気を、加熱炉１の抽出側の空間にも供給するようにしても良い。
また、装入側への加熱された空気の供給は、必ずしも予熱室１１を設けることなく、装入口１ａ手前に位置するスラブ３に向けて吹き付けるように構成しても良い。この場合、装入口１ａ手前でシャワーカーテンのように所定の幅（例えば装入口１ａの幅以上の幅）をもって噴射されることが好ましい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図面を参照して説明する。なお、上記第１実施形態と同様な装置などについては同一の符号を付して説明する。
本実施形態の加熱炉１設備の基本構成は、上記第１実施形態と同様である。
ただし、図３に示すように、レキュペレータ８で熱交換されて加熱された流体としての空気を保温ボックス２０に供給する点が、第１実施形態と異なる。
上記保温ボックス２０には、被加熱物としてのスラブ３が収容されていて、保温ボックス２０内のスラブ３は、順次加熱炉１に供給可能となっている。

これによって、排ガス１０の顕熱から回収した熱で、保温ボックス２０中の被加熱物としてのスラブ３が予熱可能となる。そして、炉に装入する前のスラグ３を予熱することで、加熱炉１設備全体の熱効率が向上する。
ここで、レキュペレータ８で熱交換されて加熱された空気を保温ボックス２０に供給すると共に、第１実施形態で説明した予熱室１１にも供給しても良い。

なお、レキュペレータで熱交換された空気で、上記加熱炉に装入される前の被加熱物を予熱する方法は、上記実施形態以外の方法でも良い。例えば、加熱炉に向けて搬送中にスラブ３に向けて、加熱した空気を噴射してスラブを予熱したりしても良い。
ここで、全実施形態において、レキュペレータ８で熱交換されて加熱される流体として、空気を例示した。レキュペレータ８で熱交換されて加熱される流体は、窒素等の不活性ガスであっても良い。そして、加熱された不活性ガスを、不酸素雰囲気の加熱炉、熱処理炉、保温ボックス等に送り込んで、被加熱材を予熱することに利用しても良い。

また、上記レキュペレータ８で熱交換されて加熱される流体として、低濃度の水素を採用しても良い。この場合には、不活性ガスによって水素濃度を低濃度とする。そして、この低濃度の水素ガスは、熱交換されて加熱された後に、例えば還元炉に導入する際の予熱に利用する。

１ 加熱炉
１ａ 装入口
２ バーナ（リジェネバーナ）
２Ａ バーナ（燃焼側）
２Ｂ バーナ（排気側）
３ スラブ（被加熱物）
４ 蓄熱体
８ レキュペレータ
１０ 排ガス
１０Ａ 第1排ガス（蓄熱体を通過する排ガス）
１０Ｂ 第２排ガス（蓄熱体を通過しない排ガス）
１１ 予熱室
２０ 保温ボックス

Claims (4)

1. 加熱用の全バーナがリジェネバーナから構成される加熱炉で発生した廃熱を回収する廃熱回収設備であって、
   リジェネバーナから直接排出される排ガスとは別に、炉から排出される排ガスの顕熱で、空気又は不活性ガスからなる流体を加熱して熱回収するレキュペレータと、
   レキュペレータで熱交換された上記流体で上記加熱炉に装入される前の被加熱物を予熱する予熱手段と、を備えることを特徴とする加熱炉の廃熱回収設備。
2. 上記予熱手段は、上記熱交換された流体を、上記加熱炉の炉外における装入側及び抽出側の少なくとも装入側にある空間へ供給することで実現することを特徴とする請求項１に記載した加熱炉の廃熱回収設備。
3. 上記予熱手段は、上記熱交換された流体を、加熱炉への装入待機中の被加熱物を収容する保温ボックスヘ供給することで実現することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した加熱炉の廃熱回収設備。
4. 加熱用の全バーナがリジェネバーナから構成される加熱炉で発生した廃熱利用方法であって、
   リジェネバーナから直接排出される排ガスとは別に、炉から排出される排ガスの顕熱で、空気又は不活性ガスを加熱し、上記加熱した空気又は不活性ガスを上記燃焼加熱炉に装入前の被加熱物の予熱に使用することを特徴とする燃焼加熱炉の廃熱利用方法。

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