JP2997655B2 - 産業用燃焼装置の燃焼方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、産業用燃焼装置の
燃焼方法に関するものであり、より詳細には、燃焼装置
に供給すべき燃焼用空気を高周期切換式蓄熱燃焼システ
ムにより予熱し、予熱した該燃焼用空気を燃焼域に導入
し、予熱空気及び燃焼用燃料の存在下に燃焼反応を生起
し且つ維持する産業用燃焼装置の燃焼方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】燃焼装置と排熱回収用熱交換器とを備
え、熱交換器を低温の燃焼用空気又は燃料ガス、或い
は、燃焼用空気と燃料ガスとの混合気と、高温の排気ガ
スとに交互に接触させ、高温流体の排熱を蓄熱し、蓄熱
した熱量を放熱により低温流体に伝達するように構成さ
れた切換式蓄熱燃焼システムが知られている。このよう
な切換式蓄熱燃焼システムは、高炉用熱風炉、コークス
炉、或いは、ガラス溶解炉などの実用に供されている。

【０００３】この形式の燃焼システムは、例えば、燃焼
装置を構成する一対のバーナと、各バーナの燃焼用空気
導入経路に夫々配設された第１及び第２の切換蓄熱型熱
交換器とを備え、燃焼すべきバーナが所定の切換時間に
て定期的に切換えられ、第１及び第２バーナは交互に燃
焼する。例えば、第１バーナが燃焼する間、排気ガス
は、燃焼していない第２バーナの燃焼用空気導入路を介
して送出される。高温の排気ガスの排熱は、排気ガスと
第２熱交換器との熱交換により第２熱交換器に回収され
る。蓄熱した第２熱交換器には、引き続く第２バーナの
燃焼時に燃焼用空気が通され、燃焼用空気は、第２熱交
換器との熱交換により、予熱される。

【０００４】しかるに、従来の切換式蓄熱燃焼システム
は、バーナの切換時間が極めて長く設定されており、こ
の結果、温度効率又は排熱回収率が極めて低く、しか
も、過大な蓄熱容量を要するため、熱交換器を含む装置
全体を大形化してしまう。このような難点を解消すべ
く、温度効率の改善及び装置の小形化を企図して、切換
時間を極めて短時間、例えば６０秒以下に設定した所謂
高周期切換式蓄熱燃焼システム又は高速切換式蓄熱型燃
焼システム（High-cycle Regenerative CombustionSyst
em(HRS)) が近年提案されている。

【０００５】また、このような高周期切換式蓄熱燃焼シ
ステムにおける切換蓄熱型熱交換器として、ハニカム構
造のセラミック製蓄熱体が、本出願人による特願平２─
４１５５８３号（特開平４─２５１１９０号公報）にて
既に提案されている。同公報に開示されたハニカム状蓄
熱体は、以下の３つの設計条件に着目して構成されてい
る。即ち、(i)蓄熱量を増大させるべく、蓄熱体の見掛
け体積Ｖ当たりの正味体積Ｖｃを大きく設定し、（ii)
伝熱量を増大させるべく、蓄熱体の見掛け体積Ｖ当たり
の伝熱面積Ａｔを大きく設定し、(iii)流体の圧力損失
ΔＰを小さく設定する。そして、これら３つの条件の相
乗積、即ち、（Ｖｃ／Ｖ）×（Ａｔ／Ｖ）×（１／Δ
Ｐ）が略最大値を指示するように、熱交換器のセル壁の
ピッチ及びセル壁の壁厚、即ち、ハニカムピッチ及びハ
ニカム壁厚が決定されており、望ましいハニカムピッチ
Ｐとハニカム壁厚ｂとの比、即ち、Ｐ／ｂが、５乃至１
０の範囲、好ましくは７．５の値に設定される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
構造の燃焼設備においては、０．７乃至１．０の範囲の
高い温度効率を達成しようとすると、熱交換器の全体容
積又は嵩が実用に耐えないほど過大な実寸又は設計サイ
ズのものとなり、このため、熱交換器の熱交換能力を犠
牲にして、熱交換器の全体寸法を抑制し、或いは、所要
容積部分を部分的に削除せざるを得ず、この結果、熱交
換器の能力は、概ね０．６程度の温度効率を上限として
設定せざるを得なかった。かくして、従来技術の下で
は、燃焼排ガスが保有する顕熱により約２０℃程度の平
均外気温度の燃焼用空気を比較的低い温度効率の熱交換
器にて予熱又は加熱し、比較的低温の予熱空気流を炉内
燃焼域に供給し得るにすぎず、従って、炉内燃焼域に継
続的に供給し得る燃焼用空気の予熱温度は、５００乃至
６００℃程度の温度を定常的な予熱空気の高温限界とし
て設定し得るにすぎなかった。

【０００７】ここに、燃焼用空気の温度上昇は、相応す
る炉内燃焼域の温度上昇をもたらす。これに対し、窒素
酸化物（ＮＯｘ）等の燃焼生成物の炉内発生量は、一般
に、炉内燃焼域の温度が上昇するつれて増大する。従っ
て、従来技術において確立した燃焼理論及びこれに関す
る当業者の知識の下では、５００乃至６００℃を超える
高温の燃焼用空気による炉内燃焼反応は、窒素酸化物
（ＮＯｘ）等の燃焼生成物に関する排気規制の更なる厳
格化を求める社会的要求、或いは、更なる排気ガスの清
浄化を要求する近年の環境保護規制又は環境保護政策と
相反するものであり、許容し難い燃焼形態であると認識
されている。この結果、従来の燃焼炉においては、燃焼
装置に供給される燃焼用空気の予熱温度は、４００乃至
５００℃以下の温度に制限されており、高温の燃焼用空
気による燃焼形態は、依然として実用化されておらず、
一般には、その研究開発の努力すらなされていない。

【０００８】更に、従来技術に従って常温〜４００乃至
５００℃程度の温度範囲に予熱した燃焼用空気を燃焼装
置に吹込む形式の工業炉においては、燃焼用空気の酸素
濃度が１８％以下に低下したとき、燃焼火炎の失火現象
が生じ易いことが確認されている。しかるに、５００℃
を超える高温に燃焼用空気を予熱した場合、火炎自体を
継続的に生成し得るか否か、或いは、燃焼反応自体を定
常的に維持し得るか否かという問題については、知見に
乏しく、研究開発の意義が明確でないこととも相まっ
て、これまでは格別の研究がなされておらず、しかも、
仮に５００℃以上の高温の燃焼用空気により燃焼装置の
火炎を形成し且つ維持し得たとしても、上述の如く、多
量の窒素酸化物（ＮＯｘ）等が炉内に生成するものと認
識されていることから、このような高温予熱空気による
燃焼形態は、上記排気規制との関連において到底実用化
し得ない燃焼形態であるものと当業者に理解されてい
る。かくして、近年の研究開発の努力は、現在の実状で
は、比較的低温の燃焼用空気を段階的に炉内燃焼域に供
給し、或いは、炭化水素系燃料を段階的に炉内燃焼域に
供給する所謂二段燃焼法等の技術開発に主に向けられて
いる。

【０００９】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、燃焼用空気と燃焼排
ガスとの伝熱作用により、産業用燃焼装置に高温の燃焼
用空気を供給し、これにより、８００℃乃至９００℃を
超える高温の燃焼用空気による工業用燃焼炉等の新規な
燃焼形態を実用化し得る産業用燃焼装置の燃焼方法を提
供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明者は、上
記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、所定の設計
条件に基づいて設計されたハニカム型蓄熱体により、確
実に０．７乃至１．０の範囲の高い温度効率を発揮する
実用化可能なコンパクトな熱交換器を提供し得るととも
に、かかる熱交換器により８００℃乃至９００℃以上の
高温に予熱された燃焼用空気を継続的に供給し、超高温
予熱空気流の存在下に新規特性を有する燃焼火炎を継続
的に形成し且つ維持し得るとの事実を認識し、かかる知
見に基づき、本発明を達成したものである。

【００１１】即ち、本発明は、燃焼装置に供給すべき燃
焼用空気を高周期切換式蓄熱燃焼システムにより予熱
し、予熱した該燃焼用空気を燃焼域に導入し、前記燃焼
用空気による燃焼反応を生起し且つ維持する産業用燃焼
装置の燃焼方法において、前記高周期切換式蓄熱燃焼シ
ステムは、一対のハニカム構造の蓄熱体を備え、該蓄熱
体は、複数のハニカム壁と、該ハニカム壁によって画成
され且つ燃焼用空気及び燃焼排ガスの一方が選択的に流
通可能な複数の流路とを有し、前記燃焼システムの切換
時間が、６０秒以下の所定時間に設定され、前記燃焼装
置の燃焼域に供給すべき低温の燃焼用空気と、前記燃焼
装置の燃焼域の燃焼排ガスとが、前記切換時間の時間間
隔に相応して、前記蓄熱体の流路を交互に流通し、前記
ハニカム壁に伝熱接触し、前記燃焼排ガスは、前記蓄熱
体を加熱し、前記燃焼用空気は、前記蓄熱体を冷却し、
前記ハニカム壁を介してなされる前記燃焼排ガスとの熱
交換により加熱され、前記蓄熱体の温度効率が、０．７
乃至１．０の範囲内の値を示し、前記蓄熱体は、高温の
前記燃焼排ガスが保有する顕熱を蓄熱し、蓄熱した燃焼
排ガス保有顕熱を低温の前記燃焼用空気に放熱し、前記
温度効率による燃焼排ガス及び燃焼用空気の熱交換を実
行し、前記燃焼用空気は、前記蓄熱体を介してなされる
前記燃焼排ガスとの熱交換により８００℃以上の温度に
加熱され、８００℃以上に昇温した燃焼用空気流は、前
記燃焼域に導入され、燃焼用燃料が、高温の前記燃焼用
空気流に対して供給され、前記燃焼用空気流及び燃焼用
燃料により前記燃焼域の燃焼反応が生起し且つ維持され
ることを特徴とする産業用燃焼装置の燃焼方法を提供す
る。

【００１２】本発明の上記構成によれば、一般に１００
０℃〜１６００℃の温度を保有する燃焼炉（燃焼域）の
燃焼排ガスは、本発明の上記構成に従って０．７乃至
１．０の範囲の温度効率を有する上記高周期切換式蓄熱
燃焼システムのハニカム型熱交換器を通過し、燃焼排ガ
スが保有する顕熱は、該熱交換器に伝熱され且つ蓄熱さ
れ、他方、低温の燃焼用空気は、上記熱交換器との伝熱
接触により受熱し、加熱される。燃焼用空気は、対をな
すハニカム構造の蓄熱体（熱交換器）を交互に通過し、
継続的に高温に加熱されるとともに、加熱された燃焼用
空気の温度は、下式より明らかなとおり、７００℃を超
え、８００℃以上の温度に達する。 温度効率（ηt ） ＝（低温流体の出口温度Tco −低温流体の入口温度Tci ）／ （高温流体の入口温度Thi −低温流体の入口温度Tci ） ＝（低温流体の出口温度Tco −平均外気温度２０℃ ）／ （燃焼排ガス温度1000〜1600℃−平均外気温度２０℃） ＝ ０．７〜１．０ 低温流体の出口温度Tco ＝ ７０６〜１６００℃

【００１３】更に、本発明によれば、上記燃焼方法にお
いて、上記蓄熱体の温度効率が、少なくとも０．９の値
を示すように設定され、上記蓄熱体は、９００℃を超
え、９５０℃以上の温度に上記燃焼用空気を加熱し、上
記燃焼域の燃焼反応は、９５０℃以上の温度に昇温した
高温の上記燃焼用空気流の存在下に生起し且つ維持され
る。

【００１４】本発明の上記構成によれば、熱交換器を構
成する上記蓄熱体は、少なくとも０．９の温度効率を達
成し、下式より明らかなとおり、９００℃を超え、９５
０℃以上の高温に燃焼用空気を継続的に予熱することが
できる。 温度効率（ηt ） ＝（低温流体の出口温度Tco −低温流体の入口温度Tci ）／ （高温流体の入口温度Thi −低温流体の入口温度Tci ） ＝（低温流体の出口温度Tco −平均外気温度２０℃ ）／ （燃焼排ガス温度1000〜1600℃−平均外気温度２０℃） ＝ ０．９ 低温流体の出口温度Tco ＝ ９０２〜１６００℃

【００１５】上記８００℃以上の高温予熱空気、殊に、
上記９５０℃以上の高温の予熱空気流により火炎を形成
する上記超高温予熱空気燃焼法は、極めて広範囲の空気
比の燃焼用空気による炉内の安定燃焼を実現することが
判明した。かかる超高温予熱空気燃焼の高度の燃焼安定
性は、空気予熱温度の高温化により反応速度が増大し、
燃焼特性が全く変化したことによるものと考えられる。
また、燃焼用空気は、バーナーにより供給される燃料の
自己着火温度よりも高い温度に加熱され、着火過程にお
いて外部着火を要しない燃焼反応を生起することができ
る。しかも、２００乃至４００℃程度の温度に加熱され
るにすぎない従来の予熱空気にあっては、燃焼用空気
（予熱空気）の供給速度ないし気流流速を火炎吹きとび
限界以上に高速化することは理論的にも実務的にも不可
能であったのに対し、このような超高温予熱空気燃焼に
よれば、失火現象を回避しつつ、燃焼用空気の気流流速
又は供給流速を可成り高速化し（例えば、８０ｍ／ｓ以
上の気流速度に高速化し）、燃焼用空気を高速気流とし
て着火域又は燃焼域に導入し得る。このような燃焼用空
気流の高速化により炉内の燃焼ガス、殊に、炉内の燃焼
排ガスの炉内循環量が増大する結果、燃焼域の燃焼用空
気は、燃焼域に再循環した燃焼排ガスにより希釈され
る。これにより、燃焼反応に関与する燃焼用空気の空気
比又は酸素濃度が低減し、かかる空気比又は酸素濃度の
低減等に伴って窒素酸化物等の生成量が低減することが
判明した。従って、従来技術の認識の下では高温燃焼に
より増大又は増量するものと懸念されていた燃焼排ガス
の窒素酸化物含有量は、かかる懸念とは逆に、上記超高
温予熱空気燃焼による超高温雰囲気下の燃焼形態により
低減ないし削減するという当業者が全く予測し得ない意
外な結果を創出した。かくして、本発明に係る燃焼方法
によれば、従来技術により予熱不能な高温域に定常的又
は継続的に燃焼用空気を予熱するとともに、該高温域の
予熱空気により燃焼反応を生起し且つ維持することによ
り、工業加熱炉等の用途に有効に使用し得る新規な産業
用燃焼装置の燃焼方法を実現することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の好適な実施形態によれ
ば、上記ハニカム壁の壁厚は、1.6mm 以下の所定のハニ
カム壁厚に設定され、上記ハニカム壁の間隔は、５mm以
下の所定のハニカムピッチに設定される。本発明の更に
好適な実施形態によれば、前記蓄熱体の全体容積（Ｖ）
当たりの該蓄熱体の伝熱量（Ｑ）として定義される容積
効率（Ｑ／Ｖ）が、実質的に極大値を示すように設定さ
れる。上記容積効率は、蓄熱体の全体容積が過大であ
り、或いは、蓄熱体の伝熱量が過小である場合に、低率
の値を示すので、容積効率の極大値は、伝熱量及び蓄熱
体の全体容積の双方を最も効率的に得るための指標であ
る。従って、蓄熱体は、容積効率の極大値に実質的に相
当するハニカムピッチ及びハニカム壁厚にて、最適の伝
熱量を発揮し、しかも、大きな伝熱量に比して最小の全
体容積を有する。好ましくは、上記燃焼用空気流の流路
を縮小する流路縮小手段が、上記蓄熱体と上記燃焼域と
の間に設けられる。流路縮小手段を備えることにより、
上記蓄熱体から流出した高温の予熱空気流の流速が増大
し、比較的高速の高温予熱給気流が、炉内燃焼域に導入
される。

【００１７】

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明の実施例
について詳細に説明する。図１は、本発明の燃焼方法に
おいて使用される高周期切換式蓄熱燃焼システムの実施
例を示す概略全体構成図であり、図２は、図１に示す高
周期切換式蓄熱燃焼システムの概略構造図である。

【００１８】図１に示すように、高周期切換式蓄熱燃焼
システム１（以下、燃焼システム１という）は、燃焼用
空気の導入路２と、並列に配置された第１及び第２の切
換蓄熱型熱交換器１１、１２と、各熱交換器１１、１２
の下流側に配置された第１及び第２のバーナ２１、２２
と、これらのバーナ２１、２２の燃焼域を形成する燃焼
炉３０とを備えている。導入路２は、４方弁３を介して
第１及び第２分岐路４、５に接続されており、第１分岐
路４は、第１熱交換器１１を介して第１バーナ２１に連
通し、第２分岐路５は、第２熱交換器１２を介して第２
バーナ２２に連通している。４方弁３は、導入路２を第
１及び第２分岐路４、５の一方に連通させ、第１及び第
２分岐路４、５の他方を排気路６に連通させるように構
成されている。図１において、導入路２は、第１分岐路
４と連通し、排気路６は、第２分岐路５と連通してい
る。

【００１９】図２に示すように、第１及び第２バーナ２
１、２２は、３方弁として構成された燃料供給弁２３を
介して燃料供給系に連結されており、燃料供給弁２３
は、制御装置（図示せず）によって、第１及び第２バー
ナ２１、２２の一方に交互に燃料を供給するように制御
され、第１及び第２バーナ２１、２２を、交互に燃焼作
動させる。給気流の流路を縮小する流路縮小手段として
機能する縮径部又は絞り部２６が、第１熱交換器１１と
第１バーナ２１との間の領域および第２熱交換器１２と
第２バーナ２２との間の領域に夫々配設される。第１及
び第２バーナ２１、２２の燃料吐出口が開口する燃料吐
出域２５の径又は面積は、縮径部２６により低減した流
路に相応して縮小する。従って、第１及び第２熱交換器
１１、１２から流出した高温の予熱空気流は、縮径部２
６及び燃料吐出域２５の流路縮小作用に相応して高速化
し、炉内燃焼域３０に流入する。第１バーナ２１及び第
２バーナ２２の切換えは、６０秒以下に設定された所定
時間毎に実行される。第１及び第２バーナ２１、２２の
火炎は、燃焼炉３０内の受熱体３１に向けられており、
受熱体３１は、本例では、被加熱流体を通す伝熱コイル
として示されている。なお、第１及び第２バーナ２１、
２２には、パイロットバーナ及び点火用トランスなどの
付帯設備が一般に設けられるが、図を簡略化するために
図示を省略してある。

【００２０】４方弁３は、回転軸７に固定された板状の
弁体８を備え、回転軸７は、駆動装置（図示せず）によ
り回転され、弁体８の位置を切換える。回転軸７は、駆
動装置により、第１及び第２バーナ２１、２２の切換時
期と同期して回転され、第１バーナ２１が燃焼作動する
間、導入路２を第１分岐路４と連通させ且つ第２分岐路
５を排気路６と連通させる第１位置に弁体８を保持し、
他方、第２バーナ２２が燃焼作動する間、導入路２を第
２分岐路５と連通させ且つ第１分岐路４を排気路６と連
通させる第２位置に弁体８を保持する。

【００２１】第１バーナ２１が燃焼作動する間、燃焼炉
３０からの排気ガスは、第２熱交換器１２を通って排気
され、排気ガスの排熱は、第２熱交換器１２に蓄熱され
る。第２熱交換器１２は、引き続く第２バーナ２２の燃
焼作動の間に、第２分岐路５を介して導入される燃焼用
空気を予熱する。逆に、第２バーナ２２が燃焼作動する
間、燃焼炉３０からの排気ガスの排熱は、第１熱交換器
１１に蓄熱され、第１熱交換器１１は、引き続く第１バ
ーナ２１の燃焼作動の間に、第１分岐路４を介して導入
される燃焼用空気を予熱する。

【００２２】第１及び第２熱交換器１１、１２として、
ハニカム構造のセラミック製蓄熱体が用いられており、
燃焼用空気及び排気ガスは、各熱交換器１１、１２に形
成された複数の流路１３、１４を通される。図３（ａ）
は、４方弁の第１位置における燃焼用空気及び排気ガス
の通過経路を示す概略構成図であり、図３（ｂ）は、４
方弁の第２位置における燃焼用空気及び排気ガスの通過
経路を示す概略構成図である。また、図４は、第１及び
第２熱交換器１１、１２の構造を部分的に拡大して示す
斜視図である。

【００２３】４方弁が第１位置に位置するとき（図３
（ａ））、導入路２から導入される低温の燃焼用空気
（温度Tci)は、第１分岐路４を介して第１熱交換器１１
に通され、第１熱交換器１１の伝熱面と接触し、第１熱
交換器１１との熱交換により加熱される。かくして、燃
焼用空気は昇温され、比較的高温の燃焼用空気（温度Tc
o)として第１熱交換器１１から第１バーナ２１に供給さ
れる。他方、燃焼炉３０からの高温の排気ガス（温度Th
i)は、第２熱交換器１２を通され、第２熱交換器１２の
伝熱面と接触し、第２熱交換器１２との熱交換により第
２熱交換器１２を加熱する。かくして降温した排気ガス
は、比較的低温の排気ガス（温度Tho)として第２分岐路
５を介して排気路６に送出される。

【００２４】４方弁を第１位置から第２位置に切換えた
とき（図３（ｂ））、導入路２から導入される低温の燃
焼用空気（温度Tci)は、第２分岐路５を介して第２熱交
換器１２に送られ、排気ガスにより加熱された第２熱交
換器１２との熱交換により加熱され、比較的高温の燃焼
用空気（温度Tco)として第２熱交換器１２から送出され
る。他方、燃焼炉３０からの高温の排気ガス（温度Thi)
は、第１熱交換器１１を通され、第１熱交換器１１との
熱交換により第１熱交換器１１を加熱し、比較的低温の
排気ガス（温度Tho)として第１分岐路４を介して排気路
６に送出される。

【００２５】このように、蓄熱体を構成する切換蓄熱型
熱交換器、即ち、第１及び第２熱交換器１１、１２に
は、高温流体（燃焼排気ガス）と低温流体（燃焼用空
気）とが交互に供給され、伝熱接触により高温流体から
奪った熱量を低温流体との伝熱接触により低温流体に与
え、これにより、高温流体と低温流体との熱交換を行な
うように構成されている。かかる形式の熱交換器によれ
ば、従来の熱交換器にて限界とされていた６０乃至７０
％程度の温度効率を、流体の通過経路の切換時間を６０
秒以下の短時間に設定することにより、７０乃至１００
％に向上させることができる。

【００２６】図４に示す如く、第１及び第２熱交換器１
１、１２は、燃焼システム１に組み込み可能な幅Ｗ、長
さＬ及び高さＨを有し、複数の正方形断面の流路１３、
１４を備えた格子状のハニカム構造に構成されている。
各流路１３、１４を形成するセル壁１５の壁厚ｂ及び各
セル壁１５間のピッチＰは、以下の如く設定される所定
の壁厚及びピッチに夫々設定されている。

【００２７】本例の第１及び第２熱交換器１１、１２に
おいては、セル壁１５の壁厚及びピッチは、容積効率の
最大値に相応し且つ０．７乃至１．０の温度効率を確保
できる壁厚ｂ及びピッチＰに設定される。容積効率は、
蓄熱体の容積（流路を含む全体積）当たりの伝熱量を示
す指標であり、次式により定義される。 容積効率（Ｑ／Ｖ）＝ 蓄熱体の伝熱量Ｑ（Kcal/h）／
流路を含む蓄熱体の全体容積Ｖ（m³） 上記容積効率（Ｑ／Ｖ）は、本発明者が始めて提唱する
蓄熱体の性能の指標であり、蓄熱体の伝熱量Ｑ及び蓄熱
体の全体容積Ｖの双方と関連しており、熱交換器の全体
体積の小形化を図りつつ、熱交換器の温度効率を向上さ
せる上で、有意義な指標である。従って、この容積効率
が最大値を指示する条件下に設定されたセル壁１５の壁
厚ｂ及びピッチＰは、熱交換器の温度効率を向上させる
一方、熱交換器の全体容積の増大を抑制し得る。また、
温度効率ηt は、高温流体が保有する伝達可能な熱量と
低温流体が受熱する熱量との比を、流体の温度により指
示する指標であり、一般には、次式にて定義される値で
ある。 温度効率（ηt ） ＝（低温流体の出口温度Tco −低温
流体の入口温度Tci ）／（高温流体の入口温度Thi −低
温流体の入口温度Tci ）

【００２８】上記燃焼システム１では、低温流体、即
ち、燃焼用空気と、高温流体、即ち、排気ガスとは、水
当量及び熱伝達係数が実質的に等しいものと仮定され、
セル壁１５の壁厚ｂ及びピッチＰは、下式(1) より求め
られる容積効率（Ｑ／Ｖ）の最大値に相応する壁厚ｂ及
びピッチＰに設定される。 Ｑ／Ｖ＝ηt(Thi-Tci) (1-ε)Cm/τ・PM₂/PM₁ ・・・・・・・ (1) ここに、式(1) における温度効率ηt は、下式(2) によ
り求められ、 ηt ＝１／(1+2/PM₁ + exp(-2PM₁/PM₂)) ・・・・・・・ (2) 式(2) におけるＰＭ₁ 、ＰＭ₂ は、下式により求めら
れ、 ＰＭ₁ ＝ ｈＡ／Cg Gg ＰＭ₂ ＝ ｈＡτ／Cm Gm 上記各式における符号は、以下の通り定義される。 Tci: 低温側気体の入口温度 ℃ Thi :高温側気体の入口温度 ℃ ε : 蓄熱体の空隙率 Ａ : 伝熱面積 m² ｈ : 熱伝達係数 Kcal/m²h℃ τ : 切換時間 hr Cg : 気体の定圧比熱 Kcal/m³N℃ Gg : 気体の流量 m³N/h Cm : 蓄熱体の比熱 Kcal/m³ ℃ Gm : 蓄熱体の正味体積 m³ 上記温度効率ηt の演算式(2) は、本発明者が創案した
温度効率（ηt ）の好適な計算式である。上記蓄熱体
は、上記容積効率（Ｑ／Ｖ）が極大値を指示する空隙率
（ε）を有するとともに、上記温度効率（ηt ）が所定
の設定値を指示する熱伝達係数（ｈ）及び伝熱面積
（Ａ）を有し、上記ハニカムピッチＰ及びハニカム壁厚
ｂは、空隙率（ε）、熱伝達係数（ｈ）及び伝熱面積
（Ａ）に相当する値に決定される。なお、上記正味体積
(Gm)、伝熱面積（Ａ）及び流量（Gg) は、熱交換器全体
の正味体積、伝熱面積及び熱交換器の全流量である。

【００２９】また、上記空隙率εは、蓄熱体の流路容積
（空隙容積）と、空隙容積を含む蓄熱体の全容積との比
であり、次式により定義され、 空隙率 ＝ 流路容積（空隙容積）／蓄熱体の全体容積 本例においては、空隙率εは、下式により演算される。 空隙率（ε）＝（Ｐ−ｂ）² ／Ｐ² また、上記式における伝熱面積（Ａ）／蓄熱体の正味体
積（Gm）は下式により演算される。 Ａ／Gm＝４（Ｐ−ｂ）／（Ｐ² −（Ｐ−ｂ）² ） 本例においては、温度効率ηt は、０．７乃至１．０の
範囲内の設定値に、好ましくは、０．９に設定される。
燃焼空気の入口温度、即ち、低温側気体の入口温度（Tc
i ）は、２０℃に設定され、排気ガス、即ち、高温側気
体の入口温度（Thi ）は、１０００℃に設定される。な
お、当業者には容易に理解し得るとおり、燃焼炉の燃焼
排ガスは、一般に、１０００℃乃至１６００℃の温度を
保有しており、１０００℃の燃焼排ガス温度は、使用目
的より炉内燃焼域の温度を抑制ないし低減せざるを得な
い特定の形式の燃焼炉を除き、概ね燃焼排ガスの下限温
度に相当する。

【００３０】更に、上記蓄熱体の比熱Cmは下表に示す値
に設定される。本例の第１及び第２熱交換器１１、１２
では、セラミックス製蓄熱体からなるものと想定され、
下記のセラミックスの値（４０６）が採用された。 材 料 Ｃm セラミックス ４０６ スチール ８６０ なお、蓄熱体の素材は、特定のセラミックスの種類に特
に限定されるものではなく、例えば、コージライト、ム
ライト、炭化珪素、或いは、窒化珪素などの成形品を蓄
熱体の材質として好ましく用い得る。また、ＡＬＭＡＸ
ＴＡＰＥ：ＳＬＥＥＶＥ（アルマックス・テープ：ス
リーブ）の名称で三井鉱山株式会社から販売されている
アルミナ繊維などで作られた多孔性シート状セラミック
スを、多層又は単層で配列し、或いは、螺旋状に巻回
し、上記蓄熱体を構成することも可能である。また、上
記熱伝達係数ｈは下式(3) により演算される。 ｈ＝3.５Ｔ^0.23 Ｖn^0.8／ｄ^0.2 ・・・・・・・ (3) ここに、式(3) における各符号は、以下の通り定義され
る。 ｄ : 相当直径 ｍ 相当直径＝４×（流路断面積）／（流路断面の周囲長） Ｔ : 気体の平均温度Ｋ Ｔ＝２７３＋（Thi + Tci)/2 Ｖn: 標準状態（０℃ 1 atm) に換算した気体の流速・
mN/s 上記熱伝達係数ｈの計算式(3) は、本発明者が見出した
特定実験式である。なお、本例においては、流路断面積
は、各流路１３、１４の横断面の断面積であり、（ピッ
チＰ−壁厚ｂ）² で示され、流路断面の周囲長は、各流
路１３、１４の断面の周囲長であり、４×（ピッチＰ−
壁厚ｂ）で示されるので、相当直径は、（ピッチＰ−壁
厚ｂ）により簡略的に計算し得る。

【００３１】更に、流路の単位長さ当たりの圧力損失
（△Ｐ／Ｌ）は１０００乃至２０００mm H₂O/mの範囲の
設定値に好ましく設定し得る。本例では、△Ｐ／Ｌは、
１５００mm H₂O/mに設定され、気体の流速は、本発明者
が見出した下記の特定実験式、即ち、下式(4) により演
算された。 Ｖn ＝√( d/1.3 ・ 2g／γn ・273/Ｔ・△P/L ) ・・・・・・・ (4) ここに、式(4) における各符号は、以下の通り定義され
る。 ｇ : 重力の加速度 9.8m/s² Ｌ : 気体流路の長さ m γn : 気体の標準状態（０℃，1 atm)における比重量
Kg/m³N △P : 圧力損失 mmH₂O 図５乃至図８は、上記式(1) 乃至(4) により演算された
第１及び第２熱交換器１１、１２の容積効率（Ｑ／Ｖ）
を示す線図であり、図５は、４方弁３の切換時間τを１
５秒に設定して得られた容積効率を示し、図６、図７及
び図８は、切換時間τを３０秒、４５秒及び６０秒に夫
々設定して得られた容積効率を示している。また、温度
効率ηt は、０．９に設定されている。

【００３２】図５乃至図８の座標系は、Ｘ軸をセル壁１
５の壁厚ｂ、即ち、ハニカム壁厚ｂに設定し、Ｙ軸を容
積効率（Ｑ／Ｖ）に設定したＸＹ座標系であり、セル壁
１５のピッチＰ、即ち、ハニカムピッチＰを５mm、４m
m、３mm、２mm及び１mmに予め設定した場合に得られる
容積効率（Ｑ／Ｖ）とハニカム壁厚ｂとの関数曲線が、
例示的に示されている。

【００３３】図５乃至図８の各図、更には、後述する図
９乃至図２０の各図より明らかなとおり、本願発明者
は、1.6mm 以下のハニカム壁厚ｂおよび５mm以下のハニ
カムピッチＰを有するハニカム型のセラミック製蓄熱体
の熱交換能力に関し、仔細に検討した。かかる狭小流路
を備えたハニカム型蓄熱体は、通過流体に含有されるダ
スト、粉塵又は灰、或いは、ハニカム構造体の流路を通
過する際にハニカム壁面に付着ないし堆積する可能性を
有する流体又はガス含有成分により、比較的早期に流路
閉塞を生じさせる可能性が高く、従って、この種の粉塵
類又は付着成分を含有する燃焼排ガスを流通させる熱交
換器としては使用し難いものと考えられていた狭小流路
寸法を備えるハニカム型熱交換器である。各図におい
て、容積効率（Ｑ／Ｖ）─ハニカム壁厚ｂの関数曲線に
は夫々、極大値が現れており、任意のハニカムピッチＰ
に関して、所定のハニカム壁厚ｂにて容積効率（Ｑ／
Ｖ）の極大値（Ｑ／Ｖ）max が存在する。かかる極大値
（Ｑ／Ｖ）max は、本例の第１及び第２熱交換器１１、
１２における最適なセル壁１５のピッチＰ及び壁厚ｂを
指示する座標である。所定のハニカムピッチＰの関数曲
線における容積効率（Ｑ／Ｖ）の極大値（Ｑ／Ｖ）max
、例えば、ピッチＰ＝２mmの関数曲線における極大値
（Ｑ／Ｖ）max のＹ座標は、約１０．９×１０⁶Kcal/m³
Nhであり、該極大値のＸ座標、即ち、約０．３６mmがセ
ル壁１５の最適な壁厚ｂである。従って、セル壁１５の
ピッチ及び壁厚は、ピッチＰ＝２mm、壁厚ｂ＝０．３６
mmに好ましく設定し得る。

【００３４】各極大値（Ｑ／Ｖ）max の座標を通る容積
効率極大線Ｍが、各図に破線で示されており、任意のハ
ニカムピッチＰにおける容積効率（Ｑ／Ｖ）─ハニカム
壁厚ｂの関数曲線と、極大線Ｍとの交点の座標は、該ハ
ニカムピッチＰにおける最適なハニカム壁厚ｂを指示す
る。図５乃至図８から判るように、容積効率極大線Ｍ
は、切換時間τが増大するにつれて、全体的に低下する
とともに、各ハニカムピッチＰにおける極大値（Ｑ／
Ｖ）max は、より大きなハニカム壁厚ｂを指示するよう
に移行している。従って、切換時間τが長期化するにつ
れて、所定のハニカムピッチＰに対応する最適なハニカ
ム壁厚ｂは厚肉化することが判る。これは、比較的長い
切換時間τにて最大の容積効率（Ｑ／Ｖ）を確保するに
は、所定のハニカムピッチＰに対する最適なハニカム壁
厚ｂを増大させなければならないことを意味する。

【００３５】図９乃至図１２は、上記式(1) 乃至(4) に
より演算された第１及び第２熱交換器１１、１２におけ
るハニカムピッチＰ及びハニカム壁厚ｂの関係を示す線
図である。図９乃至図１２の座標系は、Ｘ軸をハニカム
ピッチＰに設定し、Ｙ軸をハニカム壁厚ｂに設定したＸ
Ｙ座標系である。各図には、等しい値の容積効率（Ｑ／
Ｖ）を指示する曲線、即ち、上記式(1) 乃至(4) により
等しい値の容積効率（Ｑ／Ｖ）を与えるハニカムピッチ
Ｐ及びハニカム壁厚ｂの座標を結ぶ曲線が、等高線の如
く、夫々図示されている。従って、同一の曲線上のピッ
チＰ及び壁厚ｂの座標は、一定の容積効率（Ｑ／Ｖ）に
対応する。

【００３６】図９は、４方弁３の切換時間τを１５秒に
設定したときに得られる上記容積効率の曲線（以下、等
高線と称する）を示し、図１０、図１１及び図１２は、
切換時間τを３０秒、４５秒及び６０秒に夫々設定して
得られる容積効率の等高線を示している。図９乃至図１
２には更に、図５乃至８と同様な容積効率極大線Ｍが破
線で示されている。容積効率極大線Ｍは、いわば等高線
の稜線に位置しており、容積効率極大線Ｍ上の座標は、
最大の容積効率（Ｑ／Ｖ）を与えるハニカムピッチＰ
（Ｘ座標）及びハニカム壁厚ｂ（Ｙ座標）を指示してい
る。各図には、極大値（Ｑ／Ｖ）max の７５％以上の容
積効率（Ｑ／Ｖ）に相応する座標の領域が斜線で示され
ており、この範囲内の座標におけるハニカムピッチＰ及
びハニカム壁厚ｂは、軽量且つコンパクトな第１及び第
２熱交換器１１、１２を得るためのセル壁１５のピッチ
Ｐ及び壁厚ｂとして好ましく採用し得る。なお、温度効
率ηt は、０．９に設定されている。

【００３７】また、各図には、更に好ましいハニカムピ
ッチＰ及びハニカム壁厚ｂの範囲として、ハニカム壁厚
ｂの上限を指示する上限界線Ｎが図示されている。上限
界線Ｎは、極大値（Ｑ／Ｖ）max の９０％以上の容積効
率（Ｑ／Ｖ）を与える領域の上限を指示しており、上限
界線Ｎよりも下方の斜線部分に位置する座標（ハニカム
ピッチＰ及びハニカム壁厚ｂ）は、より一層軽量な第１
及び第２熱交換器１１、１２を得るためのセル壁１５の
ピッチＰ及び壁厚ｂとして好ましく採用し得る。

【００３８】図１３乃至図１６は、上記式(1) 乃至(4)
において４方弁３の切換時間τを±５０％の範囲で変化
させた際に得られる上記容積効率極大線Ｍの変位を示す
線図である。図１３は、４方弁３の切換時間τを１５秒
に設定して得られた容積効率極大線Ｍを基準とし、図
６、図７及び図８は、切換時間τを３０秒、４５秒及び
６０秒に夫々設定して得られた容積効率極大線Ｍを基準
としている。なお、図１３乃至図１６の座標系は、Ｘ軸
をハニカム壁厚ｂに設定し、Ｙ軸を容積効率（Ｑ／Ｖ）
の極大値（Ｑ／Ｖ）max に設定したＸＹ座標系である。
また、各図には、ハニカムピッチＰを５mm、４mm、３m
m、２mmに予め設定し、切換時間τを変数とした場合に
得られる極大値（Ｑ／Ｖ）max とハニカム壁厚ｂとの関
数曲線が、例示的に示されている。なお、温度効率ηt
は、０．９に設定されている。

【００３９】各図において、予め設定された４方弁３の
切換時間τ、例えば、２０秒（図１３）に予め設定して
得られた容積効率極大線Ｍを中心に、切換時間τを±５
０％、例えば、１０秒及び３０秒の範囲内（図１３）で
変化させた場合に得られる容積効率極大線Ｍの変位領域
が斜線で示されている。この領域内にて、所定のハニカ
ムピッチＰに対するＸ座標（ハニカム壁厚ｂ）は、切換
時間τの変更又は誤差を許容し且つ好適な容積効率（Ｑ
／Ｖ）を与えるセル壁１５の壁厚ｂとして好ましく採用
し得る。

【００４０】図１７乃至図２０は、図９乃至１２と同様
な図であり、各図には、容積効率（Ｑ／Ｖ）の等高線
と、等高線の稜線に位置する容積効率極大線Ｍとが示さ
れている。各図には、容積効率極大線Ｍ上のＹ座標、即
ち、ハニカム壁厚ｂを±５０％の範囲内で変化させた場
合に得られるハニカム壁厚ｂ及びハニカムピッチＰの領
域が斜線で示されている。この範囲内の座標におけるハ
ニカムピッチＰ及びハニカム壁厚ｂは、軽量且つコンパ
クトな第１及び第２熱交換器１１、１２を得るためのセ
ル壁１５のピッチＰ及び壁厚ｂとして好ましく用い得
る。図２１乃至図２３は、上記式(1) 乃至(4) に従って
演算した温度効率ηt の帯域を示す線図である。図２１
は、４方弁３の切換時間τを１５秒に設定して得られる
温度効率ηt ≧０．７の領域を示し、図２２及び図２３
は、４方弁３の切換時間τを３０秒及び６０秒に夫々設
定した条件下に得られる温度効率ηt ≧０．７の領域を
指示する。また、図２１乃至図２３のＹ軸は、容積効率
（Ｑ／Ｖ）の極大値（Ｑ／Ｖ）max に関する絶対値を指
示する。なお、容積効率（Ｑ／Ｖ）は、ハニカムピッチ
Ｐ及びハニカム壁厚ｂの各条件下における蓄熱体の全体
容積及び伝熱量の相対的な良否を評価するための指標で
あり、容積効率（Ｑ／Ｖ）の極大値（Ｑ／Ｖ）max （絶
対値）の大小は、格別の意義を有するものではない。図
２１乃至図２３には、ハニカムピッチＰを５mm、４mm、
３mm、２mm、１mmに設定した場合に得られるハニカムピ
ッチ壁厚ｂ及び温度効率ηt の相関線図が示されてお
り、０．７以上の温度効率ηt を達成するハニカムピッ
チＰ及びハニカム壁厚ｂの帯域が斜線により図示されて
いる。

【００４１】以上説明したように、本例の高周期切換式
蓄熱燃焼システム１における第１及び第２の切換蓄熱型
熱交換器１１、１２は、４方弁３の切換時間τが６０秒
以下に設定され、上記式(1) 乃至(4) において、容積効
率（Ｑ／Ｖ）が極大値（Ｑ／Ｖ）max を指示する空隙率
εを有する。また、温度効率ηt は、０．７乃至１．０
の範囲内の設定値、好ましくは、０．９に設定され、燃
焼空気（低温流体）の入口温度（Tci ）は、２０℃に設
定され、排気ガス（低温流体）の入口温度（Thi ）は、
１０００℃に設定される。上記式(2) により、熱伝達係
数ｈ、伝熱面積Ａ及び切換時間τの関数として演算され
る温度効率ηt が、上記設定値０．７乃至１．0 に相当
するように、熱伝達係数ｈ及び伝熱面積Ａが設定され
る。第１及び第２熱交換器１１、１２は、上記空隙率
ε、熱伝達係数ｈ及び伝熱面積Ａに相当するセル壁１５
のピッチＰ及び壁厚ｂを有する。かかる構成の第１及び
第２熱交換器１１、１２では、セル壁１５のピッチＰ及
び壁厚ｂは、実質的に容積効率（Ｑ／Ｖ）の極大値（Ｑ
／Ｖ）max に相応しており、最適の伝熱量を発揮し、し
かも、大きな伝熱量に比して最小の全体容積を有する。
また、セル壁１５のピッチＰ及び壁厚ｂは、０．７乃至
１．０の範囲の温度効率を達成することができ、高周期
切換式蓄熱燃焼システムにおいて高率の温度効率を発揮
する。

【００４２】また、上記実施例において、セル壁１５の
ピッチＰ及び壁厚ｂは、好ましくは、所定の条件で演算
された極大値（Ｑ／Ｖ）max に対し、該極大値（Ｑ／
Ｖ）max の７５％以上の容積効率（Ｑ／Ｖ）を与える値
に設定される。これにより、所望の容積効率（Ｑ／Ｖ）
を確保しつつ、軽量且つコンパクトに第１及び第２熱交
換器１１、１２を設計することができる。更に好ましく
は、セル壁１５の壁厚ｂの上限は、極大値（Ｑ／Ｖ）ma
x の９０％以上の容積効率（Ｑ／Ｖ）を与える値に設定
される。これにより、第１及び第２熱交換器１１、１２
をより一層軽量化することが可能となる。

【００４３】更に、上記実施例では、第１及び第２熱交
換器１１、１２におけるセル壁１５のピッチＰ及び壁厚
ｂは、好ましくは、上記式(1) 乃至(4) において予め設
定された４方弁３の切換時間τを±５０％の範囲で変化
させた際に得られる容積効率（Ｑ／Ｖ）の極大値（Ｑ／
Ｖ）max に相応するように設定される。これにより、第
１及び第２熱交換器１１、１２は、好適な容積効率（Ｑ
／Ｖ）を確保しつつ、切換時間τの変更又は誤差を許容
することができる。

【００４４】また、上記実施例では、第１及び第２熱交
換器１１、１２は、所定の条件で演算された極大値（Ｑ
／Ｖ）max を与えるセル壁１５の壁厚ｂに対し、±５０
％の許容範囲内の壁厚ｂを有する。これにより、好適な
容積効率（Ｑ／Ｖ）を確保しつつ、軽量且つコンパクト
な第１及び第２熱交換器１１、１２を設計することがで
きる。かかる条件下において、熱交換器１１、１２を通
過する燃焼用空気は、７００℃を超え、８００℃以上の
超高温域、好ましくは、９００℃を超え、９５０℃以上
の超高温域に予熱され、縮径部２６を通って燃料吐出域
２５に流入する。比較的小径の燃料吐出域２５に流入し
た高温予熱空気流は、流路面積の減少に伴って高速化す
るとともに、第１及び第２バーナ２１、２２の燃料吐出
口より噴出した炭化水素系燃料と混合し、燃料の自己着
火温度よりも高温の予熱空気温度に起因する自己着火作
用により、或いは、所望により補助的なパイロットバー
ナの点火作用が誘引する着火現象により、炉内燃焼域３
０にて燃焼反応する。

【００４５】なお、上記ハニカム構造は、流体通路を分
割して蜂の巣状に配列した構造のものを広く意味してお
り、ハニカム構造の形式は、上記第１及び第２熱交換器
１１、１２のものに限定されることなく、種々の構造形
式を採用し得る。かかるハニカム構造の各種形式が図２
４に例示されており、流路断面の形状は、円形、三角
形、正方形、長方形、六角形等の他、円管、板などを組
合せたものなどを含むことを容易に理解できよう。更
に、図２４には、これら種々の形態のハニカム構造にお
けるハニカムピッチＰ及びハニカム壁厚ｂが示されてい
る。このような、形態の変更に伴い、上記空隙率ε及び
Ａ／Gmの算定式が、その都度、設定変更し得ることを容
易に理解できよう。

【００４６】また、上記実施例の燃焼システムは、第１
及び第２熱交換器１１、１２を所定位置に固定し、流体
通路４、５及びバーナ２１、２２を交互に切替えるよう
に構成されているが、流体の通過経路及び燃焼すべきバ
ーナを一定に保持し、熱交換器自体を回転させるように
構成された回転式の切換蓄熱型熱交換器に対して、本発
明を同様に適用し得る。かかる回転式の切換蓄熱型熱交
換器は図２５に例示されており、図２５において、回転
式の熱交換器１７は、セル壁１９により複数の流路１８
を形成してなる格子状のハニカム構造を備えている。熱
交換器１７は、駆動装置（図示せず）により矢印の方向
に回転され、低温流体、例えば燃焼用空気の流路４ａに
位置する部分と、高温流体、例えば排気ガスの流路５ａ
に位置する部分とが定期的に交代し、高温流体との熱交
換により蓄熱した熱を低温流体との熱交換により低温流
体に伝達するように構成されている。かかる回転式の熱
交換器１７は、上記第１及び第２熱交換器１１、１２と
実質的に同じ作用を奏しており、熱交換器１７のセル壁
１９のピッチ及び壁厚は、上述の実施例に基づいて、上
記第１及び第２熱交換器１１、１２におけるセル壁１５
のピッチＰ及び壁厚ｂと同様に決定し得る。

【００４７】更に、上記実施例では、流路を切換るため
の手段として、４方弁３が用いられているが、所謂ケー
ス切換型高速切換システム（ＣＥＭ）などの他の形式の
流路切換手段を採用しても良い。

【００４８】

【発明の効果】本発明の上記構成によれば、燃焼用空気
と燃焼排ガスとの伝熱作用により、産業用燃焼装置に高
温の燃焼用空気を供給し、これにより、８００℃乃至９
００℃を超える高温の燃焼用空気による工業用燃焼炉等
の新規な燃焼形態を実用化し得る産業用燃焼装置の燃焼
方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃焼方法において使用される高周
期切換式蓄熱燃焼システムの実施例を示す概略全体構成
図である。

【図２】図１に示す高周期切換式蓄熱燃焼システムの概
略構造図である。

【図３】４方弁の第１位置及び第２位置における燃焼用
空気及び排気ガスの通過経路を夫々示す概略構成図であ
る。

【図４】図１に示す第１及び第２熱交換器の構造を部分
的に拡大して示す斜視図である。

【図５】４方弁の切換時間を１５秒に設定し、式(1) 乃
至(4) により演算された第１及び第２熱交換器の容積効
率（Ｑ／Ｖ）を示す線図である。

【図６】４方弁の切換時間を３０秒に設定し、式(1) 乃
至(4) により演算された第１及び第２熱交換器の容積効
率（Ｑ／Ｖ）を示す線図である。

【図７】４方弁の切換時間を４５秒に設定し、式(1) 乃
至(4) により演算された第１及び第２熱交換器の容積効
率（Ｑ／Ｖ）を示す線図である。

【図８】４方弁の切換時間を６０秒に設定し、式(1) 乃
至(4) により演算された第１及び第２熱交換器の容積効
率（Ｑ／Ｖ）を示す線図である。

【図９】４方弁の切換時間を１５秒に設定し、式(1) 乃
至(4) により演算された第１及び第２熱交換器における
ハニカムピッチ及びハニカム壁厚の関係を示す線図であ
る。

【図１０】４方弁の切換時間を３０秒に設定し、式(1)
乃至(4) により演算された第１及び第２熱交換器におけ
るハニカムピッチ及びハニカム壁厚の関係を示す線図で
ある。

【図１１】４方弁の切換時間を４５秒に設定し、式(1)
乃至(4) により演算された第１及び第２熱交換器におけ
るハニカムピッチ及びハニカム壁厚の関係を示す線図で
ある。

【図１２】４方弁の切換時間を６０秒に設定し、式(1)
乃至(4) により演算された第１及び第２熱交換器におけ
るハニカムピッチ及びハニカム壁厚の関係を示す線図で
ある。

【図１３】４方弁の切換時間を１５秒に設定し、式(1)
乃至(4) において４方弁の切換時間を±５０％の範囲で
変化させた際に得られる容積効率極大線の変位を示す線
図である。

【図１４】４方弁の切換時間を３０秒に設定し、式(1)
乃至(4) において４方弁の切換時間を±５０％の範囲で
変化させた際に得られる容積効率極大線の変位を示す線
図である。

【図１５】４方弁の切換時間を４５秒に設定し、式(1)
乃至(4) において４方弁の切換時間を±５０％の範囲で
変化させた際に得られる容積効率極大線の変位を示す線
図である。

【図１６】４方弁の切換時間を６０秒に設定し、式(1)
乃至(4) において４方弁の切換時間を±５０％の範囲で
変化させた際に得られる容積効率極大線の変位を示す線
図である。

【図１７】４方弁の切換時間を１５秒に設定し、式(1)
乃至(4) により演算された第１及び第２熱交換器におけ
るハニカムピッチ及びハニカム壁厚の関係を示す線図で
あり、ハニカム壁厚を±５０％の範囲内で変化させた場
合に得られるハニカム壁厚及びハニカムピッチの領域が
斜線で示されている。

【図１８】４方弁の切換時間を３０秒に設定し、式(1)
乃至(4) により演算された第１及び第２熱交換器におけ
るハニカムピッチ及びハニカム壁厚の関係を示す線図で
あり、ハニカム壁厚を±５０％の範囲内で変化させた場
合に得られるハニカム壁厚及びハニカムピッチの領域が
斜線で示されている。

【図１９】４方弁の切換時間を４５秒に設定し、式(1)
乃至(4) により演算された第１及び第２熱交換器におけ
るハニカムピッチ及びハニカム壁厚の関係を示す線図で
あり、ハニカム壁厚を±５０％の範囲内で変化させた場
合に得られるハニカム壁厚及びハニカムピッチの領域が
斜線で示されている。

【図２０】４方弁の切換時間を６０秒に設定し、式(1)
乃至(4) により演算された第１及び第２熱交換器におけ
るハニカムピッチ及びハニカム壁厚の関係を示す線図で
あり、ハニカム壁厚を±５０％の範囲内で変化させた場
合に得られるハニカム壁厚及びハニカムピッチの領域が
斜線で示されている。

【図２１】４方弁の切換時間を１５秒に設定し、上記式
(1) 乃至(4) に従って演算した結果として得られる温度
効率ηt の帯域を示す線図である。

【図２２】４方弁の切換時間を３０秒に設定し、上記式
(1) 乃至(4) に従って演算した結果として得られる温度
効率ηt の帯域を示す線図である。

【図２３】４方弁の切換時間を６０秒に設定し、上記式
(1) 乃至(4) に従って演算した結果として得られる温度
効率ηt の帯域を示す線図である。

【図２４】ハニカム構造の各種形式を例示する熱交換器
の概略断面図である。

【図２５】回転式の切換蓄熱型熱交換器を例示する斜視
図である。

【符号の説明】

１ 高周期切換式蓄熱燃焼システム ２ 導入路 ３ ４方弁 ４ 第１分岐路 ５ 第２分岐路 ６ 排気路 １１ 第１熱交換器 １２ 第２熱交換器 １３、１４ 流路 １５ セル壁 ２１ 第１バーナ ２２ 第２バーナ ３０ 燃焼炉 ３１ 受熱体

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23L 15/02 F28D 17/02

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼装置に供給すべき燃焼用空気を高周
   期切換式蓄熱燃焼システムにより予熱し、予熱した該燃
   焼用空気を燃焼域に導入し、前記燃焼用空気による燃焼
   反応を生起し且つ維持する産業用燃焼装置の燃焼方法に
   おいて、 前記高周期切換式蓄熱燃焼システムは、一対のハニカム
   構造の蓄熱体を備え、該蓄熱体は、複数のハニカム壁
   と、該ハニカム壁によって画成され且つ燃焼用空気及び
   燃焼排ガスの一方が選択的に流通可能な複数の流路とを
   有し、 前記燃焼システムの切換時間が、６０秒以下の所定時間
   に設定され、前記燃焼装置の燃焼域に供給すべき低温の
   燃焼用空気と、前記燃焼装置の燃焼域の燃焼排ガスと
   が、前記切換時間の時間間隔に相応して、前記蓄熱体の
   流路を交互に流通し、前記ハニカム壁に伝熱接触し、 前記燃焼排ガスは、前記蓄熱体を加熱し、前記燃焼用空
   気は、前記蓄熱体を冷却し、前記ハニカム壁を介してな
   される前記燃焼排ガスとの熱交換により加熱され、 前記蓄熱体の温度効率が、０．７乃至１．０の範囲内の
   値を示し、前記蓄熱体は、高温の前記燃焼排ガスが保有
   する顕熱を蓄熱し、蓄熱した燃焼排ガス保有顕熱を低温
   の前記燃焼用空気に放熱し、前記温度効率による燃焼排
   ガス及び燃焼用空気の熱交換を実行し、 前記燃焼用空気は、前記蓄熱体を介してなされる前記燃
   焼排ガスとの熱交換により８００℃以上の温度に加熱さ
   れ、８００℃以上に昇温した燃焼用空気流は、前記燃焼
   域に導入され、燃焼用燃料が、高温の前記燃焼用空気流
   に対して供給され、前記燃焼用空気流及び燃焼用燃料に
   より前記燃焼域の燃焼反応が生起し且つ維持されること
   を特徴とする産業用燃焼装置の燃焼方法。
2. 【請求項２】 前記ハニカム壁の壁厚は、1.6mm 以下の
   所定のハニカム壁厚に設定され、前記ハニカム壁の間隔
   は、５mm以下の所定のハニカムピッチに設定されること
   を特徴とする請求項１に記載の産業用燃焼装置の燃焼方
   法。
3. 【請求項３】 前記蓄熱体の温度効率が、少なくとも
   ０．９の値を示すように設定されることを特徴とする請
   求項１又は２に記載の産業用燃焼装置の燃焼方法。
4. 【請求項４】 前記蓄熱体により前記燃焼用空気を９５
   ０℃以上の温度に加熱し、９５０℃以上の温度に昇温し
   た高温の前記燃焼用空気流により前記燃焼域の燃焼反応
   を生起し且つ維持することを特徴とする請求項１乃至３
   のいずれか１項に記載の産業用燃焼装置の燃焼方法。
5. 【請求項５】 前記蓄熱体の全体容積（Ｖ）当たりの該
   蓄熱体の伝熱量（Ｑ）として定義される容積効率（Ｑ／
   Ｖ）が、実質的に極大値を示すように設定されることを
   特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の産業
   用燃焼装置の燃焼方法。
6. 【請求項６】 前記燃焼用空気流の流路を縮小する流路
   縮小手段を前記蓄熱体と前記燃焼域との間に設けたこと
   を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の産
   業用燃焼装置の燃焼方法。