JP3005110B2 - 熱回収式燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃焼した後の排気ガス
の熱を燃焼用空気の加熱に使用するようにした熱回収式
燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】鍛造炉，焼準炉，調質炉などの工業用炉
とか、タービンの蒸気発生用加熱装置などに使用されて
いる燃焼装置には、省エネルギーを図る上から、燃焼し
た後の排気ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱するよ
うにした熱回収式の燃焼装置が多用されている。

【０００３】この種燃焼装置に使用されるレキュペレー
タは、一般的に、相互に近接して設けられた排気ガスラ
インと燃焼空気ラインとの間に所定の熱交換器を配し、
この両ライン内を流れる空気と排気ガスとの間で熱交換
させ、燃焼した後の排気ガスの熱を利用して燃焼用空気
を加熱するようにしたものである。このレキュペレータ
の使用により回収される熱は、温度レベルで見れば、約
５０％程度であり、前記工業用炉では、１２００℃の排
気ガスを利用する場合で熱交換した後の燃焼空気は６０
０℃程度になるものとされている。レキュペレータは、
その構成材料のみでなくスペース的にも著しい制限を受
け、時には炉とか加熱装置などの本体よりも大きな場所
をとることもある。

【０００４】そこで、最近、本件出願人は、図７，８に
示すような燃焼装置（特開平１−２２２１０２号公報参
照）を提案した。この燃焼装置１０は、炉などの本体Ｒ
内の被加熱物Ｗを加熱するバーナー１２を有し、このバ
ーナー１２近傍の炉壁に、外形が円筒状で内部がハニカ
ム状に仕切られた通気性のあるセラミックス製の蓄熱体
２２を設けている。この蓄熱体２２は、本体Ｒ内の高温
の排気ガスを炉外に排出するときにその熱を蓄熱体２２
に取込み、この熱により空気通路１９を流通する燃焼用
空気を加熱するようにしたものであり、この蓄熱体２２
を回転軸２３を介してモータＭにより回転させることに
より、燃焼空気への熱供給を継続して行うようにしてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この燃焼装
置１０は、高温となる本体Ｒ内に臨まされた蓄熱体２２
を回転しなければならないので、蓄熱体２２から回転軸
２３を介してモータＭに伝達される熱を遮断する断熱手
段を、回転軸２３とモータＭとの間に設けるか、あるい
はモータＭを蓄熱体２２の熱的影響がないように離間し
た位置に設置する必要がある。このような手段を施す
と、燃焼装置１０は大型化したり全体構成が複雑化する
ことになる。また、この燃焼装置１０の蓄熱体２２は、
作動中は高温となり停止中は冷えて低温となるので、セ
ラミックス製でも膨張と収縮が繰り返されるが、このよ
うに膨張収縮されるセラミックス製蓄熱体を回転させる
となれば、大型化は難しく、燃焼空気及び排気ガスが多
量に必要となる燃焼能力の高いものを得ることが困難と
なる。さらに、膨張と収縮が繰り返されかつ回転してい
る蓄熱体の中心にバーナーを設けることも困難となるの
で、バーナーと空気通路とが相互に離間し、バーナーか
ら放射された火炎の大小あるいはシャープさなどの調節
のフレキシビリティが低下し、制御性あるいは汎用性の
幅が小さくなるという不具合がある。このバーナーの制
御性などを向上させるために、種々の電気的制御機器を
使用することも可能であるが、このような機器を使用す
れば、装置全体のコストが高くなり好ましくない。

【０００６】本発明は、上述した従来技術に伴う課題を
解決するためになされたもので、構成が簡単で、火炎形
成にフレキシビリティがあり、大型化が可能で、省エネ
効果及び安全性が高く、寿命の長い熱回収式燃焼装置を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の熱回収式燃焼装置は、燃焼装置本体内の被加
熱体を加熱するバーナーと、燃焼空気が内部を流通する
バーナー近傍の空気通路と、燃焼した後の排気ガスを燃
焼装置本体外に排出する排気ガス通路と、排気ガスの熱
により空気通路を流通する燃焼空気を加熱する熱交換部
材とを有する燃焼装置において、前記熱交換部材をセラ
ミックス製で通気性のある蓄熱体により構成し、この蓄
熱体を燃焼装置本体の側壁に取付け、この蓄熱体に連通
するように設けられたバーナー本体ケース内に回転ダク
トを設け、この回転ダクト内に入口から出口まで独立の
前記空気通路と排気ガス通路を形成し、前記蓄熱体の略
中心位置に設けたバーナーに燃料を供給する燃料パイプ
を前記回転ダクトを貫通して設け、この回転ダクトを回
転手段により回転しつつ前記燃焼空気が空気通路から蓄
熱体を通過して燃焼装置本体内に、また排気ガスが蓄熱
体内を通過して排気ガス通路を通るように構成したこと
を特徴とする。

【０００８】前記回転ダクトは、周方向に空気通路と排
気ガス通路が交互に位置するようにすることが好まし
く、この空気通路は、先端を多数の小孔が開設された端
板により閉塞することが好ましい。

【０００９】また、前記回転ダクトは、蓄熱体との間に
所定の隙間を形成することが好ましく、さらに、前記燃
料パイプ中央にモーティブ空気を供給する空気パイプを
有することが好ましい。なおモーティブ空気を供給する
空気パイプを設ける場合でも、燃料は加熱されたモーテ
ィブを介して間接的に加熱される。

【００１０】

【作用】このようにすれば、燃焼装置の作動中は、燃焼
による幅射熱と排気ガス通路を流通する高温の排気ガス
とにより蓄熱体が加熱され、停止中は、冷却されること
になるが、蓄熱体は燃焼装置本体に固定された状態であ
るので、比較的大型のものを形成しても問題はなく、燃
焼能力の高いものが簡単な構成で得ることができる。そ
して、蓄熱体の略中心位置にバーナーを設けているの
で、燃焼時に、燃焼空気は、バーナーにより形成された
火炎の周辺に向って吹出され、バーナーから放射された
火炎の上方への変位を規制しつつ、燃料の完全燃焼を助
長する。また本発明のように蓄熱体を貫通するように燃
料パイプを設けると、蓄熱体の熱で燃料パイプ内の燃料
が加熱されて温度が高くなるため、燃焼効率が高くなる
利点がある。

【００１１】また蓄熱体を回転せず、通過する空気側、
つまり空気通路と排気ガス通路側を回転させることによ
り、空気通路から流出される燃焼空気は、加熱された蓄
熱体中を流通するときに加熱され、排気ガス通路を流通
する高温の排気ガスは蓄熱体を加熱し、燃焼空気により
蓄熱体が冷却されても、ダクトの回転により燃焼空気を
次々と高温の蓄熱体部分に導くようにしているので、燃
焼空気が温度低下することはなく、高温の燃焼空気によ
って行う燃焼作用もきわめて高温領域で行われ、燃焼開
始から所定の高温に達する時間が短時間となる。また、
空気通路の先端を多数の小孔が開設された端板により閉
塞し、空気通路から蓄熱体に向って高速の空気を吐出す
れば、蓄熱体と回転ダクトとの間からリークする排気ガ
スの量を抑制することができる。さらに、蓄熱体の略中
心位置にバーナーを設けているので、燃焼時に、燃焼空
気は、バーナーにより形成された火炎の周辺に向って吹
出され、バーナーから放射された火炎の上方への変位を
規制しつつ、燃料の完全燃焼を助長し、しかも回転ダク
トと蓄熱体との間に所定の隙間を形成すれば、燃焼後の
排気ガスを再循環してＮＯx の排出量も低減乃至コント
ロールすることができる。加えて、燃料パイプ中の空気
パイプにモーティブ空気を供給すれば、バーナーから放
射される火炎の大小あるいはシャープさなどを調節する
ことができ、火炎のフレキシビリティが増大し、制御性
あるいは汎用性の幅も大きなものとなる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。図１は、本発明の一実施例に係る熱回収式燃焼
装置の概略断面図、図２は、図１の２−２線に沿う断面
図、図３は、図１の要部を詳示したもので、図２の３−
３線に沿う断面図である。図１において、熱回収式燃焼
装置３０は、例えば、鍛造炉からなる燃焼装置本体３１
の下部に取り付けられ、この本体３１の内部に設けられ
た鋳塊などの被加熱物を加熱する熱源として使用され
る。

【００１３】この熱回収式燃焼装置３０は、前記本体３
１内の被加熱体に向って火炎を放射するバーナー３２
と、このバーナー３２の近傍に設けられ、内部に燃焼空
気が流通する空気通路３３と、この空気通路３３に近接
して設けられ燃焼した後の排気ガスを前記本体３１の外
部に排出する排気ガス通路３４（図２参照）と、前記排
気ガスの熱を前記空気通路３３を流通する燃焼空気に伝
達する熱交換部材３５とを有している。

【００１４】燃焼装置本体３１は、例えば、耐火レンガ
などの耐火材よりなり、側壁に開口部３１ａが開設さ
れ、この開口部３１ａの内部に前記熱交換部材３５が設
けられている。この熱交換部材３５は、セラミックス製
のハニカム状をした通気性のある蓄熱体３７からなり、
蓄熱体３７は前記開口部３１ａとの間に設けられたモル
タル部３６により支持されている。蓄熱体３７の中心に
は前記バーナー３２が設けられ、その先端は燃焼装置本
体３１内に臨むようにされている。このバーナー３２
は、通常のガスあるいは油バーナーであり、このバーナ
ー３２を囲むように設けられた蓄熱体３７を通って空気
通路３３からの燃焼空気が噴出される。したがって、こ
の燃焼空気は、バーナー３２の周囲から噴出されること
になるので、バーナー３２の炎は、燃焼空気自体により
上方に変位される事態が防止されるという副次的効果が
生じることになる。

【００１５】また、前記開口部３１ａの外側口縁部に
は、バーナー３２を支持するためのプレート３８が設け
られ、このプレート３８にバーナー本体ケース３９のフ
ランジ４０がガスケットＧを介してボルト４１により連
結され、バーナー本体ケース３９と蓄熱体３７が連通す
るようになっている。

【００１６】このバーナー本体ケース３９は、燃焼空気
をブロアなどにより導入する空気入口部４２と、排気ガ
スを外部に排出する出口部４３と、前記空気入口部４２
と前記蓄熱体３７との間に設けられた回転ダクト４４
と、この回転ダクト４４を回転させる駆動部４５とを有
している。

【００１７】前記出口部４３の胴部４３ａ内には、回転
ダクト４４の大径部４４ａが設けられている。この大径
部４４ａは、空気通路３３の一部であり、図２に示すよ
うに、断面が鋭角扇状とされている。この胴部４３ａ内
では、周方向に空気通路３３と排気ガス通路３４が交互
に位置するように設けられ、前記鋭角扇状の大径部４４
ａが空気通路３３であり、この間の断面が鈍角扇状とさ
れた部分が排気ガス通路３４とされている。

【００１８】この空気通路３３と排気ガス通路３４と
は、入口から出口に至るまで独立の通路となるように形
成され、例えば、空気通路３３は、空気入口部４２から
流れてくる空気を前記回転ダクト４４の小径部４４ｂか
ら次第に拡開された大径部４４ａを通って蓄熱体３７に
向って流出するようにしている。特に、本実施例の空気
通路３３は、蓄熱体３７側先端を多数の小孔４７が開設
された端板４８により閉塞しており、燃焼空気が小孔４
７を通って吐出されるときに高速流となって流れるよう
にし、これにより生じるベンチュリ効果により蓄熱体３
７と回転ダクト４４との間からリークしようとする排気
ガスを空気通路３３内に引き込み、リークする排気ガス
の量を抑制するようにしている。

【００１９】また排気ガス通路３４は、蓄熱体３７から
排出された排気ガスを断面が鈍角扇状とされた部分を通
って出口部４３における胴部４３ａの内部空間４３ｂに
導くように構成されている。

【００２０】前記駆動部４５は、出口部４３における胴
部４３ａの反蓄熱体側の端部を閉塞するように設けられ
た閉塞板４９の内端部と、回転ダクト４４における小径
部４４ｂの右端部に設けられた支持板５０の内端部とに
それぞれ設けられたシール部材Ｓと軸受Ｊにより回転ダ
クト４４を回動可能に支持し、両軸受Ｊ，Ｊ間に固着さ
れたスプロケット５１とモータＭにより回転される駆動
歯車５２とをチェーン５３を介して連結したものであ
る。

【００２１】このように、本実施例では、回転ダクト４
４を２つの軸受Ｊ，Ｊによりバランス良く支持している
ので、回転ダクト４４は比較的高速で回転させることが
でき、回転速度を速くすれば熱効率は向上する。回転ダ
クト４４の回転速度と熱効率との関係を実験により調べ
た結果、図５に示すようになった。

【００２２】実験は、燃料としてＬＰＧを使用し、本実
施例の燃焼装置を使用して燃焼させたとき、回転ダクト
４４の回転速度に対する排気ガスの温度、予熱される空
気の温度、炉内温度を測定することにより行った。図５
の横軸は回転ダクト４４の回転速度、縦軸は温度であ
る。

【００２３】この実験結果では、回転ダクト４４の回転
速度が１r.p.m.以下であれば、排気ガスの温度は急激に
上昇し、１r.p.m.以上となると、排気ガスの温度の低下
する割合が少なくなることが判明した。

【００２４】ここに、熱効率は、入熱量と排気ガスの熱
損失量との関係から求めることができ、次の式により与
えられる。

【００２５】η＝（Ｑ−Ｃp ・Ｇ・Ｔ）・１００／Ｑ この式に前記実験により得られた結果を代入して熱効率
を求める。例えば、２r.p.m.という比較的高速で回転し
ているときを選択すれば、これに対応する排気ガスの温
度は２５０℃である。したがって、このときの熱効率
は、 という値となり、９０％を越える優れた熱効率を発揮す
ることが判明する。

【００２６】このように比較的高速回転しているときに
優れた熱効率を発揮するのは、回転ダクト４４の回転速
度を上げると、回転ダクト４４から吐出される空気によ
って蓄熱体が大きく温度低下しない状態で排気ガスによ
り加熱されることになるので、吸入空気の温度はより高
くすることができるので、熱効率は向上することになる
ものと考えられる。

【００２７】前記空気入口部４２は、基管５４と分岐管
５５とを逆Ｔ字状に連結したもので、この基管５４の一
端は蓋体５６により閉塞され、他端は、前記回転ダクト
４４と連通するように小径部４４ｂの支持板５０に取り
付けられている。なお、図１中の符号「５７」は、整流
板である。

【００２８】さらに、回転ダクト４４の中心軸に沿って
前記バーナー３２に燃料を供給する燃料パイプ５８が設
けられているが、この燃料パイプ５８内に、バーナー３
２に対してモーティブ空気を供給する空気パイプ５９
（図３に示す）を設け、この空気パイプ５９から放出さ
れるモーティブ空気の量を調節することによりバーナー
３２から放射される火炎の大小あるいはシャープさなど
を調節している。このモーティブ空気の量は、図４に示
すように、理論空気量の火炎のシャープ性と熱損失との
関係で、２〜５％程度が適当である。このモーティブ空
気の調節により、火炎のフレキシビリティ、制御性ある
いは汎用性の幅を大きなものとすることができる。

【００２９】前記空気通路３３は、図３に示すように、
前記セラミックス製の蓄熱体３７の端面まで伸延せず、
このセラミックス製の蓄熱体３７との間に隙間ｔを設け
るように構成し、この隙間ｔを排気ガスの一部が図中破
線の矢印で示すようにバイパスして流れる連通部６０と
してもよい。このようにすれば、排気ガスの一部は空気
通路３３に再度吸引されて再燃焼することになるので、
排気ガス中のＮＯx の量を調整できる。特に、前述のよ
うに、回転ダクト４４の端板４８に開設された多数の小
孔４７を利用して高速の燃焼空気を吐出すれば、排気ガ
スの一部をより再燃焼させやすいものとなる。

【００３０】次に、実施例の作用を説明する。この熱回
収式燃焼装置３０を鍛造炉に取り付け、モータＭを回転
しつつバーナー３２に着火し、ブロアにより燃焼空気を
送風する。燃料パイプ５８を通りバーナー３２より噴射
された燃料流は、空気通路３３及び蓄熱体３７を通って
流れてきた燃焼空気により酸素補給を受け火炎となって
被加熱物である、例えば鋳塊などに向って伸びる。そし
て、鍛造炉内の温度は次第に上昇し、所定時間が経過す
ると鍛造炉内の鋳塊は加熱され軟化する。

【００３１】この場合、排気ガスは、蓄熱体３７を通っ
て排気ガス通路３４より流出することになるが、この蓄
熱体３７は、排気ガスの流通により加熱され高温となっ
ているので、この蓄熱体３７に回転する空気通路３３か
ら吐出された燃焼空気を流入させると、この燃焼空気は
蓄熱体３７により加熱される。

【００３２】この加熱は、蓄熱体３７に向って空気通路
３３から空気を吹出して直ちに燃焼空気を加熱するとい
う、いわば即時加熱方式となっているので、加熱時に熱
のロスがなく、高温の加熱空気を効率良く作ることがで
き、この高温の加熱空気によって行う燃焼作用もきわめ
て高温領域で行われ、燃焼開始から所定の高温に達する
時間が短時間となる。なお、排気ガスは蓄熱体３７に熱
伝達した後に、比較的低温の空気が流れている空気通路
３３の外周を通って排気ガス通路３４より排出されるの
で、必ずしも煙突は必要でない。

【００３３】燃焼中に、排気ガスの一部が、回転ダクト
４４とセラミックス製蓄熱体３７との間の連通部６０を
通る場合は、排気ガスの一部が空気通路３３側の空気に
混入して再度燃焼されるので、排気ガス中に含まれるＮ
Ｏx の排出量が所定値以下に抑制できる。また、この連
通部６０を設けることにより空気通路３３と排気ガス通
路３４との間を不必要にシールすることもなくなること
から、装置全体の構造も簡素化され、装置の組立て性も
向上するというメリットもある。

【００３４】図６は本発明に係る燃焼装置のさらに他の
実施例を示すもので、前記燃焼装置３０をラジアントチ
ューブ６１と連通したもので、排気ガスを炉内などに排
出せず、ラジアントチューブ６１内を流し、雰囲気温度
のみにより被加熱物を加熱した後に、排気ガス通路３４
から排出するようにしたものである。したがって、構造
的には前述したものと同様であるものの、クリーンな燃
焼装置３０となる。

【００３５】本発明は、上述した鍛造炉などの炉のみに
限定されるものでなく、他の種々の装置、例えば乾燥装
置、タービンの蒸気発生装置など加熱に関するものなら
ば、種々の装置に対しても使用することができる。ま
た、上述した実施例は、空気通路３３と排気ガス通路３
４とを回転ダクト４４内を仕切ることにより２つ形成し
ているが、本発明は、これのみに限定されるものではな
く、多数の空気通路と排気ガス通路とを形成してもよ
い。さらに、回転ダクト４４の中心にモーティブ空気を
供給する空気ダクトを設けたが、このダクトは必ずしも
設ける必要はない。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、回
転ダクトを回転し、蓄熱体は固定状態とされるので、蓄
熱体を大型化することができ、能力の大きな燃焼装置を
得ることができる。また、蓄熱体の略中心位置にバーナ
ーを設けているので、燃料の完全燃焼を助長し、ＮＯx
の排出量も低減乃至コントロールすることができる。さ
らに、空気通路の先端を多数の小孔が開設された端板に
より閉塞し、空気通路から蓄熱体に向って高速の空気を
吐出すれば、蓄熱体と回転ダクトとの間からリークする
排気ガスの量を抑制することができる。さらに、蓄熱体
の略中心位置にバーナーを設けているので、バーナーか
ら放射された火炎の上方への変位を規制しつつ、燃料の
完全燃焼を助長できる。加えて、燃料パイプ中の空気パ
イプにモーティブ空気を供給すれば、バーナーから放射
される火炎の大小あるいはシャープさなどを調節するこ
とができ、火炎のフレキシビリティが増大し、制御性あ
るいは汎用性の幅も大きなものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る熱回収式燃焼装置の概
略断面図である。

【図２】図１の２−２線に沿う断面図である。

【図３】図１の要部詳細図である。

【図４】モーティブ空気量の制御特性を示す図である。

【図５】本発明の実験結果を示すグラフである。

【図６】本発明のさらに他の実施例を示す概略断面図で
ある。

【図７】従来の燃焼装置を示す概略断面図である。

【図８】図７の要部拡大断面図である。

【符号の説明】

３１ 燃焼装置本体 ３２ バーナー ３３ 空気通路 ３４ 排気ガス通路 ３５ 熱交換部材 ３７ 蓄熱体 ３９ バーナー本体ケース ４４ 回転ダクト ４５ 回転手段 ４７ 小孔 ４８ 端板 ５８ 燃料パイプ ５９ 空気パイプ ６０ 連通部 ｔ 隙間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−129631（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−30648（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−190772（ＪＰ，Ｕ) 実公 平３−30683（ＪＰ，Ｙ２) 実公 昭57−52518（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23L 15/02 F23D 14/66

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼装置本体(31)内の被加熱体を加熱す
   るバーナー(32)と、燃焼空気が内部を流通するバーナー
   (32)近傍の空気通路(33)と、燃焼した後の排気ガスを燃
   焼装置本体(31)外に排出する排気ガス通路(34)と、排気
   ガスの熱により空気通路(33)を流通する燃焼空気を加熱
   する熱交換部材(35)とを有する燃焼装置において、前記
   熱交換部材(35)をセラミックス製で通気性のある蓄熱体
   (37)により構成し、この蓄熱体(37)を燃焼装置本体(31)
   の側壁に取付け、この蓄熱体(37)に連通するように設け
   られたバーナー本体ケース(39)内に回転ダクト(44)を設
   け、この回転ダクト(44)内に入口から出口まで独立の前
   記空気通路(33)と排気ガス通路(34)を形成し、前記蓄熱
   体(37)の略中心位置に設けたバーナー(32)に燃料を供給
   する燃料パイプ(58)を前記回転ダクト(44)を貫通して設
   け、この回転ダクト(44)を回転手段(45)により回転しつ
   つ前記燃焼空気が空気通路(33)から蓄熱体(37)を通過し
   て燃焼装置本体(31)内に、また排気ガスが蓄熱体(37)内
   を通過して排気ガス通路(34)を通るように構成したこと
   を特徴とする熱回収式燃焼装置。
2. 【請求項２】 前記回転ダクト(44)は、周方向に空気通
   路(33)と排気ガス通路(34)が交互に位置するようにした
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱回収式燃焼装置。
3. 【請求項３】 前記空気通路(33)は、先端を多数の小孔
   (47)が開設された端板(48)により閉塞したことを特徴と
   する請求項１又は２に記載の熱回収式燃焼装置。
4. 【請求項４】 前記回転ダクト(44)は、蓄熱体(37)との
   間に所定の隙間(t)を形成し、排気ガスが空気通路(33)
   内に流入する連通部(60)を形成したことを特徴とする請
   求項１乃至３に記載の熱回収式燃焼装置。
5. 【請求項５】 前記燃料パイプ(58)は、中央にモーティ
   ブ空気を供給する空気パイプ(59)を有する請求項１乃至
   ４に記載の熱回収式燃焼装置。