JP2018115789A - 蓄熱式燃焼設備 - Google Patents

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Abstract

【課題】 蓄熱式燃焼装置を用いた蓄熱式燃焼設備において、炉内における燃焼排ガスの熱を蓄熱部に収容された蓄熱材に蓄熱させて排出させるにあたり、燃焼排ガス中に含まれる各種の有害ガスを、三元触媒を用いて適切に処理すると共に、燃焼排ガスを処理した三元触媒の清掃や交換なども簡単に行えるようにする。
【解決手段】 蓄熱式燃焼装置10a,10bを用いた蓄熱式燃焼設備において、燃焼時に蓄熱部12a,12bに燃焼用空気を供給させると共に燃焼後の燃焼排ガスを蓄熱部から排出させる給排経路13a,13bを設け、炉内1aにおいて燃焼用空気と燃料ガスとを燃焼させた後の燃焼排ガスを、蓄熱部を通して排出させるにあたり、前記の給排経路に三元触媒を収容させた排ガス処理部41a,41bを設けると共に、排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスの温度を制御する熱交換器42a,42bを設けた。
【選択図】 図1

Description

本発明は、蓄熱材が収容された蓄熱部を通して燃焼用空気を蓄熱材に蓄熱された熱により加熱させ、この燃焼用空気と燃料供給部から供給された燃料ガスとを炉内において燃焼させる一方、炉内における燃焼後の燃焼排ガスを蓄熱材が収容された蓄熱部に導いて、燃焼排ガスの熱を蓄熱材に蓄熱させた後、この蓄熱部を通して燃焼排ガスを排出させるようにした蓄熱式燃焼装置が設けられた蓄熱式燃焼設備に関するものである。特に、前記の蓄熱式燃焼設備において、炉内における燃焼排ガスの熱を蓄熱部における蓄熱材に蓄熱させた後、この蓄熱部を通して燃焼排ガスを排出させるにあたり、燃焼排ガス中に含まれる有害な窒素酸化物(NOx)、COガスや炭化水素ガス(HC)のような未燃成分ガスなどを、三元触媒を用いて適切に処理し、前記の燃焼排ガスを適切な状態で排出できるようにすると共に、燃焼排ガスを処理した三元触媒の清掃や交換なども簡単に行えるようにした点に特徴を有するものである。
従来から、工業炉等においては、燃焼排ガスの熱を利用して効率のよい燃焼を行うために、炉内において燃焼された燃焼排ガスの熱を蓄熱部に収容させた蓄熱材に蓄熱させ、燃焼用空気を前記の蓄熱部に導いて、前記の蓄熱材に蓄熱された熱により燃焼用空気を加熱させ、このように加熱された燃焼用空気と燃料供給部から供給された燃料ガスとを炉内において燃焼させる一方、炉内における燃焼排ガスを蓄熱材が収容された蓄熱部に導いて、燃焼排ガスの熱を蓄熱部に収容された蓄熱材に蓄熱させた後、この燃焼排ガスを外部に排出させるようにした蓄熱式燃焼装置が設けられた蓄熱式燃焼設備が用いられている。
ここで、前記の蓄熱式燃焼装置において、前記のように蓄熱材に蓄熱された熱によって加熱された燃焼用空気と燃料供給部から供給された燃料ガスとを炉内において燃焼させるようにした場合、燃焼用空気の温度が高く、一般に燃焼排ガス中に含まれる窒素酸化物(NOx)の濃度が高くなり、特に、燃料ガスに対する燃焼用空気の量を多くし、空気比μ(実際の空気量/理論空気量)が1.0を超える状態で燃焼を行うようにした場合には、さらに燃焼排ガス中に含まれる窒素酸化物(NOx)の濃度が高くなったり、燃焼排ガス中に酸素ガス(O2ガス)が残ったりするという問題があった。
また、燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)の発生を減少させるため、燃料ガスに対する燃焼用空気の量を少なくし、前記の空気比μを1.0以下にして燃焼を行うと、燃焼排ガス中にCOガスや炭化水素(HC)ガス等の未燃成分ガスが多く残り、この未燃成分ガスが蓄熱部を通して外部に排出されてしまい、安全性や環境の点において問題があった。
そして、近年においては、特許文献1に示されるように、前記のような蓄熱式燃焼装置において、燃料ガスを燃焼用空気と一緒にして燃焼させるにあたり、炉内空気比を0.98〜1.02に調整すると共に、蓄熱材を収容させた蓄熱部内に三元触媒層を設け、この三元触媒層により燃焼排ガスを処理させるようにしたものが提案されている。
ここで、特許文献1に示される蓄熱式燃焼装置のように、蓄熱材を収容させた蓄熱部内に三元触媒層を設けた場合、蓄熱部内における温度を三元触媒が適切に作用する温度に調整することが困難であり、使用条件などに応じて、蓄熱部内における三元触媒層の位置を変更させたり、調整気体導入部から導入させる気体の種類を変更させたりすることが必要になる。
しかし、このように使用条件などに応じて、蓄熱材を収容させた蓄熱部内における三元触媒層の位置を変更させることは非常に面倒であり、時間やコストが多くかかり、蓄熱部における温度に対応させて調整気体導入部から導入させる気体の種類を変更させることも非常に面倒であり、さらに蓄熱部内における三元触媒層に燃焼排ガスに含まれる煤が詰まって、三元触媒の機能が低下したり、また三元触媒を蓄熱部内から取り出して交換したりする作業も非常に面倒で、コストが高くつく等の問題があった。
特開平7−133905号公報
本発明は、蓄熱材が収容された蓄熱部を通して燃焼用空気を蓄熱材に蓄熱された熱により加熱させ、この燃焼用空気と燃料供給部から供給された燃料ガスとを炉内において燃焼させる一方、炉内における燃焼後の燃焼排ガスを蓄熱材が収容された蓄熱部に導いて、燃焼排ガスの熱を蓄熱材に蓄熱させた後、この蓄熱部を通して燃焼排ガスを排出させるようにした蓄熱式燃焼装置が設けられた蓄熱式燃焼設備における前記のような問題を解決することを課題とするものである。
すなわち、本発明においては、前記のような蓄熱式燃焼設備において、炉内における燃焼排ガスの熱を蓄熱部における蓄熱材に蓄熱させた後、蓄熱部を通して排出させるにあたり、燃焼排ガス中に含まれる有害な窒素酸化物(NOx)、COガスや炭化水素ガス(HC)のような未燃成分ガスなどを、三元触媒を用いて適切に処理し、前記の燃焼排ガスを適切な状態で排出できるようにすると共に、燃焼排ガスを処理した三元触媒の清掃や交換なども簡単に行えるようにすることを課題とするものである。
本発明に係る蓄熱式燃焼設備においては、前記のような課題を解決するため、蓄熱材が収容された蓄熱部を通して燃焼用空気を蓄熱材に蓄熱された熱により加熱させ、この燃焼用空気と燃料供給部から供給された燃料ガスとを炉内において燃焼させる一方、炉内における燃焼後の燃焼排ガスを蓄熱材が収容された蓄熱部に導いて、燃焼排ガスの熱を蓄熱材に蓄熱させた後、この蓄熱部を通して燃焼排ガスを排出させるようにした蓄熱式燃焼装置が設けられた蓄熱式燃焼設備において、燃焼時に前記の蓄熱部に燃焼用空気を供給させると共に燃焼後の燃焼排ガスを蓄熱部から排出させる給排経路を設け、この給排経路に三元触媒を収容させた排ガス処理部を設けると共に、前記の排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスの温度を制御する温度制御手段を設けるようにした。
本発明のように、燃焼時に前記の蓄熱部に燃焼用空気を供給させると共に燃焼後の燃焼排ガスを蓄熱部から排出させる給排経路を設け、この給排経路に三元触媒を収容させた排ガス処理部を設けると共に、排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスの温度を制御する温度制御手段を設けるようにすると、蓄熱材を収容させた蓄熱部内に三元触媒層を設ける従来の場合のように、蓄熱部内における温度を三元触媒が適切に作用する温度に調整する必要がなくなると共に、蓄熱部内における三元触媒層の位置を変更させたり、調整気体導入部から導入させる気体の種類を変更させたりする必要がなく、前記の温度制御手段によって排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスの温度を適切に制御して、排ガス処理部における三元触媒により燃焼排ガスを簡単かつ確実に処理できるようになる。
また、前記のように三元触媒を収容させた排ガス処理部を、蓄熱部に燃焼用空気を供給すると共に蓄熱部から燃焼排ガスを排出させる給排経路に設けたため、三元触媒層を蓄熱部内に設けた従来の場合のように、燃焼排ガスに含まれる煤が蓄熱部内における三元触媒層に詰まるのが防止されるようになり、また前記のように給排経路を通して燃焼用空気を、三元触媒を収容させた排ガス処理部から蓄熱部に導く際に、燃焼用空気により排ガス処理部における三元触媒に付着した煤を除去させることもできるようになる。
ここで、本発明の蓄熱式燃焼設備においては、前記の炉内と蓄熱部との間の案内部分に、前記の炉内から蓄熱部に導かれる燃焼排ガスに含まれる酸素ガスを燃焼させて還元させる還元用燃料供給部を設けようにすることができる。そして、このように炉内から蓄熱部に導かれる燃焼排ガスに還元用燃料供給部から燃料ガスを供給して、燃焼排ガスに含まれる酸素ガスを燃焼させると、この燃焼時の熱も蓄熱部における蓄熱材に適切に蓄熱されるようになると共に、蓄熱部から給排経路を通して三元触媒を収容させた排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスに含まれる酸素ガスが燃焼により消費され、前記の酸素ガスによって三元触媒における触媒作用が低下するのが抑制され、燃焼排ガス中に含まれる有害な窒素酸化物(NOx)がより適切に還元されて処理されるようになる。
また、本発明の蓄熱式燃焼設備においては、前記の温度制御手段として、前記の蓄熱部と排ガス処理部との間に熱交換器を設け、この熱交換器において、蓄熱部から排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスの温度を、排ガス処理部に収容された三元触媒が適切に作用する温度に調整することができる。
また、本発明の蓄熱式燃焼設備においては、前記の温度制御手段において、前記の蓄熱部における蓄熱材に蓄熱させる燃焼排ガスの熱を制御させて、排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスの温度を調整させることもできる。ここで、蓄熱部における蓄熱材に蓄熱させる燃焼排ガスの熱を制御させて、排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスの温度を調整するにあたっては、蓄熱部における蓄熱材の量を変更させたり、蓄熱部を通して排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスの時間や流量を調整させたりすることができる。
本発明における蓄熱式燃焼設備においては、前記のように燃焼時に前記の蓄熱部に燃焼用空気を供給させると共に燃焼後の燃焼排ガスを蓄熱部から排出させる給排経路を設け、この給排経路に三元触媒を収容させた排ガス処理部を設けると共に、前記の排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスの温度を制御する温度制御手段を設けたため、前記の温度制御手段によって排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスの温度を制御するようにしたため、排ガス処理部における三元触媒により燃焼排ガスを簡単かつ適切に処理できるようになると共に、従来のように燃焼排ガスに含まれる煤が蓄熱部における三元触媒層に詰まるということがなく、三元触媒を収容させた排ガス処理部を通して燃焼用空気を蓄熱部に導く際に、燃焼用空気により排ガス処理部における三元触媒に付着した煤を除去させることができるようになる。
この結果、本発明における蓄熱式燃焼設備においては、炉内における燃焼排ガスを蓄熱部における蓄熱材に蓄熱させた後、蓄熱部を通して排出させるにあたり、燃焼排ガス中に含まれる有害な窒素酸化物(NOx)、COガスや炭化水素ガス(HC)のような未燃成分ガスなどを、三元触媒を用いて適切に処理し、前記の燃焼排ガスを適切な状態で排出できるようになると共に、三元触媒を収容させた排ガス処理部を外部に設置するので、燃焼排ガスを処理した三元触媒の清掃や交換なども簡単に行えるようになる。
本発明の実施形態に係る蓄熱式燃焼設備において、三元触媒を収容させた排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスの温度を熱交換器によって制御する例を示した概略説明図である。 前記の実施形態に係る蓄熱式燃焼設備における一方の蓄熱式燃焼装置において、炉内と蓄熱部との間の案内部分に還元用燃料供給部を設け、この還元用燃料供給部から燃料ガスを案内部分に供給して、炉内から蓄熱部に導かれる燃焼排ガスに含まれる酸素ガスを燃焼させる状態を示した概略説明図である。 前記の実施形態に係る蓄熱式燃焼設備において、制御装置により給気装置や排気装置を制御し、燃焼排ガスから各蓄熱部に収容された蓄熱材に蓄熱させる熱量を調整して、蓄熱部から排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスの温度を制御する例を示した概略説明図である。
以下、本発明の実施形態に係る蓄熱式燃焼設備を添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、本発明に係る蓄熱式燃焼設備は、下記の実施形態に示したものに限定されず、発明の要旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施できるものである。
この実施形態における蓄熱式燃焼設備においては、図1に示すように、対になった蓄熱式燃焼装置10a,10bを工業炉1の炉内1aに向けて対向するように設け、対になった各蓄熱式燃焼装置10a,10bにおいては、それぞれ燃料ガスを供給する燃料供給部11a,11bを設けると共に、蓄熱材xを収容させた蓄熱部12a,12bを設けている。
ここで、前記の図1に示す蓄熱式燃焼設備の状態においては、一方の蓄熱式燃焼装置10aにおいて、前記の燃料供給部11aから燃料ガスを供給すると共に、燃焼用空気を前記の蓄熱部12aに導き、この蓄熱部12aに収容された蓄熱材xに蓄熱された熱により燃焼用空気を加熱させて供給し、炉内1aにおいて燃料ガスを燃焼させるようにしている。一方、他方の蓄熱式燃焼装置10bにおいては、燃料ガスが燃焼させた後の燃焼排ガスを炉内1aから前記の蓄熱部12bに導き、燃料ガスにおける熱をこの蓄熱部12bに収容された蓄熱材xに蓄熱させた後、この蓄熱部12bから燃焼排ガスを排出させるようにしている。そして、このような操作を対になった蓄熱式燃焼装置10a,10bにおいて交互に行うようにしている。
そして、この実施形態における蓄熱式燃焼設備においては、前記の各蓄熱式燃焼装置10a,10bにおける各蓄熱部12a,12bに燃焼用空気を供給するにあたり、給気装置20から各蓄熱式燃焼装置10a,10bに向けて燃焼用空気を導く各空気案内経路21a,21bの部分にそれぞれ開閉弁22a,22bを設けている。ここで、前記の開閉弁22a,22bについては、弁を開いた状態を白抜きで示す一方、弁を閉じた状態を黒塗りで示している。
また、前記のように工業炉1の炉内1aにおける燃焼後の燃焼排ガスを各蓄熱式燃焼装置10a,10bにおける各蓄熱部12a,12bに導き、燃料ガスと、燃焼用空気との燃焼における熱を各蓄熱部12a,12bに収容された蓄熱材xに蓄熱させた後、各蓄熱部12a,12bからそれぞれ燃焼排ガスを、排気装置30により吸引して排気させる各排ガス案内経路31a,31bの部分にそれぞれ開閉弁32a,32bを設けている。また、前記の開閉弁32a,32bについても、前記の開閉弁22a,22bと同様に、弁を開いた状態を白抜きで示す一方、弁を閉じた状態を黒塗りで示している。
そして、前記の各蓄熱部12a,12bと、それぞれ対応する空気案内経路21a,21b及び排ガス案内経路31a,31bと接続させるように各給排経路13a,13bを設けると共に、各給排経路13a,13bにそれぞれ三元触媒を収容させた排ガス処理部41a,41bと、各蓄熱部12a,12bから対応する前記の排ガス処理部41a,41bに導かれる燃焼排ガスの温度を、各排ガス処理部41a,41bに収容された三元触媒が有効に作用する温度に調整するためのヒーターやクーラーなどの熱交換器42a,42bを設けている。
ここで、前記の蓄熱式燃焼設備において、図1に示すように、燃焼動作を行う一方の蓄熱式燃焼装置10aにおいては、給気装置20から燃焼用空気を案内する空気案内経路21aに設けられた開閉弁22aを開ける一方、前記の工業炉1の炉内1aにおける燃焼排ガスが、前記の排気装置30により蓄熱部12aを通して吸引されないように、前記の排ガス案内経路31aに設けられた開閉弁32aを閉じるようにする。
そして、前記の給気装置20から燃焼用空気を、前記の空気案内経路21aを通して前記の給排経路13aに導き、この給排経路13aに設けられた前記の三元触媒を収容させた排ガス処理部41aと熱交換器42aとを通して、前記の燃焼用空気を前記の蓄熱部12aに導き、この蓄熱部12aに収容された蓄熱材xに蓄熱された熱により前記の燃焼用空気を加熱させ、このように加熱された燃焼用空気と前記の燃料供給部11aから供給された燃料ガスとを工業炉1の炉内1aにおいて燃焼させるようにしている。
ここで、前記のように給排経路13aに設けられた三元触媒を収容させた排ガス処理部41aを通して、燃焼用空気を前記の蓄熱部12aに導くようにすると、排ガス処理部41aに収容された三元触媒に煤などが付着している場合には、この燃焼用空気により三元触媒に付着している煤などが除去されるようになり、排ガス処理部41aにおける三元触媒に煤などが付着して三元触媒における触媒機能が低下するのが防止される。
一方、蓄熱動作を行う他方の蓄熱式燃焼装置10bにおいては、給気装置20から燃焼用空気を案内する空気案内経路21bに設けられた開閉弁22bを閉じる一方、前記の工業炉1の炉内1aにおける燃焼排ガスを、前記の排気装置30により蓄熱部12bを通して吸引させるように、前記の排ガス案内経路31bの部分に設けられた開閉弁32bを開けるようにする。
そして、前記のように工業炉1内において燃料ガスを燃焼させた後の燃焼排ガスを前記の蓄熱部12bに導き、燃料ガスにおける熱をこの蓄熱部12bに収容された蓄熱材xに蓄熱させた後、この燃焼排ガスを前記の給排経路13bに設けた熱交換器42bに導き、この熱交換器42bにおいて燃焼排ガスの温度を排ガス処理部41bにおける三元触媒が作用するのに適した温度、例えば約400℃〜800℃に調整し、このような温度に調整した燃焼排ガスを排ガス処理部41bに導いて、排ガス処理部41bに収容された三元触媒により、燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)、酸素ガス(O2ガス)、COガスや炭化水素ガス(HC)のような未燃成分ガスなどを処理し、その後、前記の排ガス案内経路31bを通して排気装置30により排気させるようにする。
ここで、前記の蓄熱式燃焼設備において、各蓄熱式燃焼装置10a,10bにおいて、それぞれ燃料供給部11a,11bから燃料ガスを供給すると共に、各蓄熱部12a,12bから加熱された燃焼用空気を供給して、炉内1aにおいて燃料ガスを燃焼させるにあたっては、燃焼排ガスに含まれる酸素ガスによって各排ガス処理部41a,41bに収容された三元触媒の作用が低下するのを防止するため、前記の燃焼用空気の空気比μを0.98〜1.02の範囲にして燃焼させることが好ましい。
また、燃料ガスを燃焼させる前記の燃焼用空気の空気比μを大きくした結果、燃焼排ガスに含まれる酸素ガスの量が多くなった場合には、例えば、図2に示すように、炉内1aと蓄熱部12aとの間の案内部分(配管)に還元用燃料供給部14aを設け、この還元用燃料供給部14aから燃料ガスを供給し、炉内1aから蓄熱部12aに導かれる燃焼排ガスに含まれる酸素ガスをこの燃料ガスにより燃焼させて還元させるようにすることができる。なお、図2においては、炉内1aと一方の蓄熱部12aとの間の案内部分に還元用燃料供給部14aを設けた状態を示しただけであるが、図示していないが、当然、炉内1aと他方の蓄熱部12bとの案内部分にも還元用燃料供給部14bを設け、この還元用燃料供給部14bから燃料ガスを供給し、炉内1aから蓄熱部12bに導かれる燃焼排ガスに含まれる酸素ガスをこの燃料ガスにより燃焼させて還元させるようにすることができる。
また、前記の実施形態における蓄熱式燃焼設備においては、各蓄熱部12a,12bから対応する各排ガス処理部41a,41bに導かれる燃焼排ガスの温度を、排ガス処理部41a,41bに収容された三元触媒が有効に作用する温度に調整するため、前記の各給排経路13a,13bに熱交換器42a,42bを設けるようにしたが、燃焼排ガスの温度を排ガス処理部41a,41bに収容された三元触媒が有効に作用する温度に調整する方法はこのようなものに限定されない。
例えば、図3に示すように、制御装置43により給気装置20や排気装置30を制御し、給気装置20により各蓄熱部12a,12bから燃焼用空気を炉内1aに供給して燃料ガスを燃焼させる燃焼用空気の流量や、排気装置30により炉内1aから各蓄熱部12a,12bから対応する排ガス処理部41a,41bに導かれる燃焼排ガスの流量を制御して、燃焼排ガスから前記の各蓄熱部12a,12bに収容された蓄熱材xに蓄熱させる熱量を調整し、各蓄熱部12a,12bから排ガス処理部41a,41bに導かれる燃焼排ガスの温度を、排ガス処理部41a,41bに収容された三元触媒が有効に作用する温度に調整させるようにすることができる。
さらに、図示していないが、各蓄熱部12a,12bに収容させる蓄熱材xの量を変更させて、燃焼排ガスから前記の各蓄熱部12a,12bに収容された蓄熱材xに蓄熱させる熱量を調整し、各蓄熱部12a,12bから排ガス処理部41a,41bに導かれる燃焼排ガスの温度を、排ガス処理部41a,41bに収容された三元触媒が有効に作用する温度に調整させるようにすることもできる。
1 工業炉
1a 炉内
10a,10b 蓄熱式燃焼装置
11a,11b 燃料供給部
12a,12b 蓄熱部
13a,13b 給排経路
14a,14b 還元用燃料供給部
20 給気装置
21a,21b 空気案内経路
22a,22b 開閉弁
30 排気装置
31a,31b 排ガス案内経路
32a,32b 開閉弁
41a,41b 排ガス処理部
42a,42b 熱交換器
43 制御装置
x 蓄熱材

Claims (4)

  1. 蓄熱材が収容された蓄熱部を通して燃焼用空気を蓄熱材に蓄熱された熱により加熱させ、この燃焼用空気と燃料供給部から供給された燃料ガスとを炉内において燃焼させる一方、炉内における燃焼後の燃焼排ガスを蓄熱材が収容された蓄熱部に導いて、燃焼排ガスの熱を蓄熱材に蓄熱させた後、この蓄熱部を通して燃焼排ガスを排出させるようにした蓄熱式燃焼装置が設けられた蓄熱式燃焼設備において、燃焼時に前記の蓄熱部に燃焼用空気を供給させると共に燃焼後の燃焼排ガスを蓄熱部から排出させる給排経路を設け、この給排経路に三元触媒を収容させた排ガス処理部を設けると共に、前記の排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスの温度を制御する温度制御手段を設けたことを特徴とする蓄熱式燃焼設備。
  2. 請求項1に記載の蓄熱式燃焼設備において、前記の炉内と蓄熱部との間の案内部分に、前記の炉内から蓄熱部に導かれる燃焼排ガスに含まれる酸素ガスを燃焼させて還元させる還元用燃料供給部を設けたことを特徴とする蓄熱式燃焼設備。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の蓄熱式燃焼設備において、前記の温度制御手段として、前記の蓄熱部と排ガス処理部との間に熱交換器を設けたことを特徴とする蓄熱式燃焼設備。
  4. 請求項1又は請求項2に記載の蓄熱式燃焼設備において、前記の温度制御手段は、前記の蓄熱部における蓄熱材に蓄熱させる燃焼排ガスの熱を制御させて、排ガス処理部に導かれる燃焼排ガスの温度を調整することを特徴とする蓄熱式燃焼設備。
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