JP3754507B2 - ラジアントチューブバーナ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工業用加熱炉、熱処理炉等の熱源として使用されるラジアントチューブバーナに関し、詳しくは、バーナと蓄熱体を少なくとも２つ以上ラジアントチューブに配置し、各バーナが交番燃焼する、所謂蓄熱式ラジアントチューブバーナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、加熱炉を間接的に加熱して炉内雰囲気を所望の温度に調整することができるラジアントチューブバーナがある。代表的な例とし、図１３に示すような実公平２−２３９５０号公報のラジアントチューブバーナがあり、ラジアントチューブ１０の両端にバーナが備えられている。このバーナは燃料ノズル１２ａと空気ノズル１２ｂとを備えるバーナガン１１と、蓄熱体１３と、燃焼用空気噴射ノズル１４とを備えている。このバーナは、両端のバーナを交互に切り替えて交番燃焼させる蓄熱体ラジアントチューブバーナ（リジェネレーティブ方式のラジアントチューブバーナ）である。簡単に交番燃焼について説明すると、ラジアントチューブバーナは、一方のラジアントチューブバーナから燃焼用空気と燃料ガスが供給され、ラジアントチューブ内で燃焼し、その高温排ガスはラジアントチューブ内を流れて他方のラジアントチューブバーナ（蓄熱作用をする非燃焼バーナ）の燃焼用空気ノズルから吸引される。高速で高温空気をラジアントチューブバーナ内に噴出する燃焼用空気ノズルは、燃焼排ガス吸引時、高温の燃焼排ガスが高速で蓄熱体に向かって吸引されている。この状態を交互に繰り返して、熱回収効率向上とラジアントチューブ内の温度分布の均一化によるラジアントチューブの寿命延長が図られ、補修費の低減効果が得るものである。
【０００３】
さらに、図１４に示したような実開平６−６５７０５号公報に開示された三叉路型のラジアントチューブによる蓄熱体ラジアントチューブバーナも考案されている。図１４は、三叉路型のラジアントチューブバーナの概要を示す図であり、三叉路型のラジアントチューブ２０と、ラジアントチューブ２０の一端にバーナ２１が設けられ、ラジアントチューブ２０の両他端に蓄熱体２２が設けられている。燃料ガスと燃焼用空気がバーナ２１に供給され、燃焼排ガスは蓄熱体２２を介して排気されている。
【０００４】
また、図１３に示したラジアントチューブバーナでは、燃焼用空気噴射ノズル１４をラジアントチューブ内で偏心させた配置とすることにより、燃焼用噴出流速を１００ｍ／ｓ以上の高速にすることで、ラジアントチューブ内で自己排ガス循環流を形成して燃焼排ガスを強力・多量に巻き込みながら燃焼させて、局部的な高温域を形成しない燃焼を実現している。このような燃焼によって、蓄熱体ラジアントチューブバーナ最大の欠点であった窒素酸化物の大量発生を防止して低ＮＯｘ燃焼を達成している。
【０００５】
図１３のラジアントチューブバーナでは、セラミック製のハニカム蓄熱体を分割して挿入した場合、図１５，図１６に示すような構造となる。図１５は燃焼状態にあり、燃焼用空気がラジアントチューブバーナ内に供給され、高温に予熱した燃焼用空気と燃料ノズル１２ａから燃料ガスとがラジアントチューブ内に供給されて燃焼し、他方のラジアントチューブバーナでは、図１６に示すように、燃焼排ガスが燃焼用空気噴射ノズル１４からラジアントチューブ内に流入される。燃焼排ガスの顕熱が蓄熱体１３ａ〜１３ｅに蓄えられる。
【０００６】
しかし、図１５，図１６に示したように、蓄熱体の断面形状は通過流体の流れ方向（蓄熱体の長手方向）で一定であって、また、通過する流体は、ハニカム状蓄熱体のある枡目（細管）に流れ込むと他の枡目（細管）には拡散しない構造となっている。従って、ハニカムへ略均等にガス流体が流れ込む場合には、蓄熱性能を発揮するが、蓄熱体を通過する流体が流入前に、偏心した燃焼用空気噴射ノズル１４からラジアントチューブバーナ内に流入する際に、蓄熱体の断面での流入量に差が発生し、高温燃焼ガスが多量に流れ込んだ細管では、蓄熱容量以上の熱を蓄積できずに、十分な熱回収ができない。また、高温となった細管と、少量しか流れ込まない細管との温度差が大きくなり、熱応力が発生し蓄熱体が割れることがある。均等に常温空気が蓄熱体に流入したとしても蓄熱体が偏熱した状態にあるために、十分に熱回収ができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に示したラジアントチューブバーナは、燃焼用空気ノズルを偏心させることにより、ＮＯｘ濃度の低下を達成した高速空気噴流方式の蓄熱式ラジアントチューブバーナである。このラジアントチューブバーナは、燃焼用空気ノズルがラジアントチューブ内で偏心した配置であるのでラジアントチューブ円形断面での排ガスの流れは均一な速度で流れず、図１６に矢印（流量分布）で示したように、偏心した燃焼用空気ノズルを中心に偏流した排ガス流れとなってバーナ内に流入する。排ガス吸引ノズル（燃焼用空気ノズル）と蓄熱体との間隔が狭いと高速で吸引した燃焼排ガスは偏流を生じたまま蓄熱体の細管に流入するので偏熱が発生する。燃焼用空気ノズルから流入した燃焼排ガスは、ラジアントチューブ円形断面で拡散し、ラジアントチューブ断面で略整流された流れになるまで成長した後に蓄熱体を通過させるには、直線で数メートルの間隔が必要となり、バーナが巨大化し設備費が高騰する欠点がある。
【０００８】
また、高速で吸引した燃焼排ガスがラジアントチューブ断面で偏流した状態で蓄熱体に流入すると蓄熱体内で偏熱が発生する問題がある。更に、セラミックハニカム状蓄熱体は、図１５のように密接させて配置した場合には、周知のように、各ハニカムセル（隔壁）を浸透して排ガスは流れないのでラジアントチューブ断面円径方向へのガスの拡散は起こらない。従って、高温排ガスがハニカム構造蓄熱体流入時に偏流しているとハニカム構造体内では偏流状態は持続してハニカム構造体内で偏熱が発生し、ハニカム構造体をなす蓄熱物の熱膨張差によってハニカム構造の蓄熱体が熱変形したり、セラミックハニカムで最悪の場合は破損に至るおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、蓄熱式バーナの小型化が可能であって、蓄熱体での偏熱を防止して熱応力によるバーナ損傷の低減が図られるラジアントチューブバーナを提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、蓄熱式バーナの小型化が図られ、蓄熱体での偏熱を防止してバーナ損傷の低減が図られ、しかも安価であって、バーナの寿命の延命、補修費の低減が図られるとともに、バーナ損傷による緊急対策であるラジアントチューブバーナ燃焼を緊急停止による場合の投入熱量低減、作業能率低下等による損失が解消できるラジアントチューブバーナを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するためになされたものであり、請求項１の発明は、ラジアントチューブの端部に装着されたラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナ内にバーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体が収納され、前記蓄熱体間に、前記蓄熱体の断面方向における通過流体分布の整流用の空隙を少なくとも１箇所設けて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、蓄熱体間に空隙を設けることにより、ガス流の偏流を防止する。
【００１２】
そして、請求項１の発明は、
前記蓄熱体の厚みが少なくとも２種類存在するとともに、前記蓄熱体の内、最も厚みの薄い蓄熱体をラジアントチューブバーナの先端に近い位置に配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、最も厚みの薄い蓄熱体で、最も高温となる部分の熱ストレスを吸収する。
【００１３】
また、請求項２の発明は、
ラジアントチューブの端部に装着されたラジアントチューブバーナにおいて、前記ラジアントチューブバーナ内にバーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体が収納され、前記蓄熱体間に、前記蓄熱体の断面方向における通過流体分布の整流用の空隙を少なくとも１箇所設けて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、蓄熱体間に空隙を設けることにより、ガス流の偏流を防止する。その上で、
前記蓄熱体の厚みが異なるとともに、前記蓄熱体の内、ラジアントチューブバーナの先端に近い側に最も厚みの薄い蓄熱体を配置し、その蓄熱体から遠ざかる方向に厚みの厚い蓄熱体を配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、温度分布に応じて段階的に蓄熱体の厚さを変えることによって、熱ストレスを吸収する。
【００１４】
また、請求項３の発明は、請求項１および２の何れかに記載の発明において、
前記蓄熱体間の空隙のガス流路方向の間隔を、前記空隙に接する蓄熱体の厚さの薄い蓄熱体の厚みの１／１０以上としたことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、蓄熱体間の空隙の厚さの上限はラジアントチューブバーナの形状によって自ずから設定され、このような空隙を形成することによってガス流の偏流を防止する。
【００１５】
また、請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れかに記載の発明において、
前記蓄熱体が多数の細管によるハニカム構造体であることを特徴とするラジアントチューブバーナであり、ガス流の流動抵抗を可能な限り低減して、しかも、ガス流との接触面積を拡大できるのでラジアントチューブバーナの熱効率を高めることができる。
【００１６】
また、請求項５の発明は、請求項４に記載の発明において、
前記蓄熱体間の空隙が前記細管のピッチ以上であることを特徴とするラジアントチューブバーナであり、細管ピッチを基準として、空隙の間隔を設定することによって、ガス流の偏流を防止する。空隙の間隔の上限はラジアントチューブバーナの形状によって自ずから設定される。
【００１８】
また、請求項６の発明は、ラジアントチューブの端部に装着されるラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナ内にバーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体が細管によるハニカム構造体であり、前記蓄熱体間に少なくとも１箇所以上の空隙を持たせて、前記空隙の少なくとも１箇所に、前記細管の断面積より投影断面が大きい塊状蓄熱体を充填したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、バーナ軸方向に分割された蓄熱体で、排ガスによる熱ストレスを吸収し、空隙と塊状蓄熱体とによってガス流の偏流を防止する。
【００２０】
また、請求項７の発明は、ラジアントチューブ端部に装着されて交番燃焼するラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通するバーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体を蓄熱体間に空隙を持たせて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、前記燃焼用空気噴射口と前記燃料噴射口との関係を上記のようにすることによって、蓄熱体間に設けられた空隙によって、ガス流の偏流が防止できるとともに、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の低減が図られて、熱回収効率が改善できる。
【００２１】
また、請求項８の発明は、ラジアントチューブ端部に装着されて交番燃焼するラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通し、バーナ軸方向に区分けされた蓄熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体をハニカム構造体とし、少なくとも１箇所の前記蓄熱体間に空隙を持たせて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、ハニカム構造体からなる蓄熱体間に設けられた空隙により、ガス流の偏流が防止できるとともに、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の低減が図られて、熱効率が改善できる。
【００２２】
また、請求項９の発明は、ラジアントチューブに装着されて交番燃焼するラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通し、バーナ軸方向に区分けされた蓄熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体が細管によるハニカム構造体であって、少なくとも１箇所の前記蓄熱体間に空隙を持たせ、且つ、前記蓄熱体間の空隙間隔を少なくともハニカム構造体の細管ピッチの間隔以上であることを特徴とするラジアントチューブバーナであり、ハニカム構造体からなる蓄熱体間に設けられた空隙を細管ピッチを基準に設定することにより、ガス流の偏流が防止できるとともに、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の低減が図られて、熱効率が改善できる。
【００２３】
また、請求項１０の発明は、ラジアントチューブに装着されて交番燃焼するラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通し、バーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体がハニカム構造体をなし、前記ハニカム構造体の細管断面より投影断面が大きい塊状蓄熱体を充填した前記空隙を少なくとも１箇所設けて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、塊状蓄熱体を充填することによって、ガス流の偏流を防止することができる。
【００２４】
また、請求項１１の発明は、ラジアントチューブに装着されて交番燃焼するラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通し、バーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体がハニカム構造体をなし、少なくとも１箇所の前記蓄熱体間に空隙をもたせ、前記空隙が燃焼用空気噴射口近傍の最先端の蓄熱体に隣接する蓄熱体の両端に空隙を設けて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、燃焼排ガスの流入側の蓄熱体の両端に空隙を設けることにより、燃焼排ガスの偏流を防止する。
【００２５】
本発明者らは、複数の細管が設けられた蓄熱体のある細管に流れ込んだガス流が他の細管には流れ込まないことに起因して、部分的に異常高温状態が発生し、ラジアントチューブバーナが破壊に至るおそれがあるが、図１１，図１２に示したように、蓄熱体間に空隙を設けることにより、ガス流体が空隙に拡散して均一化されることによって、偏流が解消されることを見い出した。また、空隙の間隔が細管ピッチの２倍以上の間隔にすることによって拡散効果が大きいことを確認した。
【００２６】
更に、ハニカム間の空間を形成するスペーサを配置する代わりに、拡散空間内に球状、塊状、または充填した際に通気性のよい状態が形成できる物体を充填することで、流体の拡散効果と蓄熱効果が同時に得られることを確認した。また、偏流によるハニカムに発生する熱応力を低減するには、最初に流れ込む蓄熱体の厚さを薄くすることによって、発生する熱応力を低減できる効果を確認している。本発明は、これらに基づいてなされ、上記発明を達成したものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るラジアントチューブバーナの実施形態について、図面を参照して、種々の実施形態について説明する。
なお、本実施形態のラジアントチューブは部分的にＲＴと略記して説明する。また、ラジアントチューブバーナは、蓄熱体を備えており、従来例で説明したように交番燃焼することによって、熱回収効率の向上が図られるバーナであり、燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下し得るＲＴバーナである。
【００２８】
（実施形態１）
図１は、本発明に係るラジアントチューブバーナの一実施形態を説明するため図であり、同図（ａ）はＲＴバーナが装着されたＲＴ式加熱装置の概要を示し、同図（ｂ）はＲＴバーナの断面図である。同図（ａ）において、ＲＴ式加熱装置はＲＴ１とＲＴバーナ２とを備え、ＲＴ１の両端にＲＴバーナ２が挿入されて固定された構造であり、ＲＴバーナ２の流出入口２ｂは四方切替弁３に接続されている。ＲＴバーナ２は、バーナボディ２ａに燃料ノズル４とパイロット空気ノズル５とを備えるバーナガン６が装着され、ＲＴバーナ２の先端部にＲＴの中心から偏心した位置に燃焼用空気ノズル２ｃが設けられている。バーナボディ２ａ内にはバーナ軸方向に区分けされた複数のセラミックハニカム状の蓄熱体７と蓄熱体７間に充填されたセラミックボール蓄熱体８とが設けられている。このＲＴ式加熱装置では、ＲＴ１の両端にＲＴバーナ２が装着された構造であり、ＲＴ１の両端からＲＴバーナ２の装着・脱着が比較的容易な構造のＲＴ式加熱装置が形成されている。
【００２９】
続いて、ＲＴバーナ２について、同図（ｂ）を参照して説明する。バーナボディ２ａ内にセラミックハニカム状の蓄熱体７ａ〜７ｅが収納され、蓄熱体７ａ〜７ｅは、図９（ａ），（ｂ）に示したように、ＲＴ２に断面形状に合わせた円筒形状であり、その中心または中心から偏心した位置にバーナガン６が貫通する穴７Ａが形成され、多数の細管７Ｂがバーナ軸方向に形成されている。この円筒形状の蓄熱体の外観形状は、例えば、直径が約１４０ｍｍ 、長さＤが蓄熱体７ａで約３０ｍｍであり、最大１５０ｍｍである。流体通過断面形状は、例えば、細管を形成する隔壁厚さＴが０．４３ｍｍ、細管の開口枡目の一片の長さＬが２．１１ｍｍ、細管ピッチ（セルピッチ）Ｐが２．５４ｍｍであり、開口割合が６９．０％である。その伝熱面割合は１３．０３ｃｍ2 ／ｃｍ3 、蓄熱容積割合は３１．０％である。この材質はコージェライトからなるセラミックで形成されており、この蓄熱体の耐熱温度は１，３００℃である。無論、蓄熱体７ａ〜７ｅの材質は、コージェライトに限定することなく、他の公知のセラミックハニカム、金属製ハニカム、薄板を積層して中間に波板を介装させた段ボール形状のハニカムに代替できるものであり、ＲＴ式加熱装置の設定温度に対して耐え得る耐熱性を有する蓄熱体であればよい。
【００３０】
蓄熱体７ａ〜７ｅは５層で構成され、蓄熱体７ｂと７ｃ、７ｃと７ｄ、７ｄと７ｅにはそれぞれ略均等な間隔の空隙９が設けられ、蓄熱体７ａと７ｂ間にはセラミックボール蓄熱体（塊状蓄熱体）８が充填されている。蓄熱体７ａ〜７ｅの厚みＤは、７ａ＜７ｂ＜７ｃ＜７ｄ＜７ｅの関係となっている。最も厚さの薄い蓄熱体７ａはバーナボディ２ａ内の先端方向に設けられており、この蓄熱体７ａに最も高温の燃焼排ガスが流入する部分であり、そのために蓄熱体７ａに加わる熱応力を回避するために、その厚みＤは薄くしている。バーナボディ２ａの他端（流出入口２ｂ）に向かうに従って、燃焼用空気の顕熱が蓄熱体に吸収されて低下し、蓄熱体に加わる熱応力も低下する傾向にあるので蓄熱体の厚みＤは厚くしてもよい。その蓄熱体の厚みＤは発生する熱応力に応じて設定するばよい。また、蓄熱体７ａはセラミックボール蓄熱体８を支持する用途があり、セラミックボール蓄熱体（塊状蓄熱体）８の充填層の厚みは約２０ｍｍ程度である。また、空隙９の間隔は細管ピッチ以上であって、空隙９を形成する蓄熱体の厚みの薄い側の蓄熱体の厚みに以下とする。
【００３１】
また、ＲＴバーナ２の先端部は、図１０（ａ）〜（ｅ）に示したように、バーナガン６が中心または中心から偏心した位置に配置され、燃料ノズル４、パイロット空気ノズル５が開口し、その周囲に燃焼用空気ノズル２ｃが設けられている。交番燃焼時、燃焼排ガスの顕熱がセラミックハニカム状蓄熱体に蓄熱状態にある間、高温の燃焼排ガスは燃焼用空気ノズル２ｃからバーナボディ２ａ内に流入する。燃焼用空気ノズル２ｃは中心から偏心した位置に設けられており、バーナボディ２ａ内には高温高速の偏流した燃焼排ガスが流れ込む。セラミックボール蓄熱体８は、偏流した燃焼排ガスを拡散させて、燃焼排ガスを整流することによって、部分的な異常高温状態を回避することができる効果を有する。なお、偏流した燃焼排ガスを整流するには、セラミックボール蓄熱体８をＲＴバーナ２の先端部近傍の空隙に充填するのが効果的である。蓄熱体７ａ，７ｂ間の空隙９に、セラミックボール蓄熱体８を充填することで、通気性のよい充填層を形成し、燃焼排ガスの偏流を整流する補完作用を有する。なお、空隙９の隙間は、例えば２５ｍｍである。
【００３２】
（実施形態２）
図２は、本発明に係るラジアントチューブバーナの他の実施形態を示している。同図において、図１の実施形態と同様にＲＴバーナ２は、ＲＴ１の両端に装着され、ＲＴバーナ２にはセラミックハニカム状の蓄熱体７ａ〜７ｄが設けられ、蓄熱体７ａ〜７ｄの厚さＤは、図１の実施形態と同様の原理で、ＲＴバーナ２の先端方向程薄く、先端より遠ざかるにつれて厚くなっている。また、蓄熱体７ａと７ｂ間、７ｂと７ｃ間、７ｃと７ｄ間の空隙にはセラミックボール蓄熱体８が充填されている。このセラミックボール蓄熱体８は、図１で示したものと同一のものである。バーナガン６や燃焼用空気ノズル２ｃは図１０に示したような位置関係に配置されている。
【００３３】
図２の実施形態では、図１と比較して、蓄熱体間に空隙が形成されていないので、空隙による整流補完機能が減衰する。しかし、燃焼排ガスの偏流を整流する機能を向上させるために、ＲＴバーナ２の先端からセラミックハニカム状蓄熱体７ａまでの距離Ｂが十分に設けられ、比較的大きな空間が形成され、更に、セラミックボール蓄熱体８による充填層が形成されている。燃焼用空気ノズル２ｃから流入した燃焼排ガスは、矢印Ｐで示したように偏流して、ＲＴバーナボディ２ａ内に流入する。燃焼排ガスはＲＴバーナボディ２ａ内に設けた比較的大きな空間で全体に回り込むように流入させることによって、偏流を改善して、部分的に異常温度になるのを解消している。なお、蓄熱体７ａ〜７ｄは、図１の実施形態と同様の原理によって、それらの厚みは、ＲＴバーナ２の先端から遠ざかるにつれて厚くなっている。また、セラミックハニカム状蓄熱体の個数は、実施形態に限定することなく、ＲＴ式加熱装置の形状や燃焼温度等に応じて異なることはいうまでもない。
【００３４】
（実施形態３）
図３は、本発明に係るラジアントチューブバーナの他の実施形態を示している。同図において、図１の実施形態と同様にＲＴバーナ２は、ＲＴ１の両端に装着され、図１との相違はセラミックハニカム状蓄熱体７ａ〜７ｄのそれぞれの蓄熱体の厚さＤが均等であることであり、ＲＴバーナ２の先端近傍の蓄熱体７ａと７ｂ間のみにセラミックボール蓄熱体８による充填層が形成されている。また、蓄熱体７ｂと７ｃ間、及び７ｃと７ｄ間には空隙９が形成されている。燃焼用空気ノズル２ｃの偏心によって偏流した燃焼排ガスは、先ず、セラミックボール蓄熱体８で緩和するようになされている。蓄熱体７ａの厚さは、図１や図２に実施形態と比較して厚いが、偏流した燃焼排ガスはセラミックボール蓄熱体８による充填層で拡散させることで緩和させて蓄熱体７ｂで整流し、更に、蓄熱体７ｂ，７ｃ間の空隙９で偏流を緩和させて、蓄熱体７ｃで整流している。蓄熱体７ｃ，７ｄ及び蓄熱体７ｃ，７ｄ間の空隙９も同様な働きをして、偏流した燃焼排ガスは整流される。
【００３５】
図３の実施形態では、セラミックハニカム状蓄熱体７ａ〜７ｄの厚さＤが均等であるが、ＲＴバーナボディ２ａ内の先端に位置するセラミックハニカム状蓄熱体７ａが最も燃焼排ガスの温度の影響を受けるために、蓄熱体７ａが燃焼排ガスによる温度勾配による熱応力によって破損が生じない厚みに設定する。残りのセラミックハニカム状蓄熱体７ｂ〜７ｄの厚さも蓄熱体７ａと同じ厚さである。本実施形態では、セラミックボール状蓄熱体８による燃焼排ガスの拡散作用と、空隙９による燃焼排ガスの拡散によって整流作用を補完し、部分的な温度上昇を解消することができる。蓄熱体７ａ〜７ｄを同一形状のものを使用したとしても熱応力による破壊することがなく、蓄熱体の種類を少なくすることができるので、コスト的な利点が発生する。
【００３６】
（実施形態４）
図４ないし図７を参照して、本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態について説明する。図４ないし図７の実施形態は、セラミックハニカム状蓄熱体間の空隙に、セラミックボール蓄熱体を充填しない構造である。バーナボディ２ａには、燃料ノズル４とパイロット空気ノズル５とが装備されたバーナガン６が装着され、図１０（ａ）〜（ｅ）に示したように、ＲＴバーナ２の先端部にＲＴの軸中心から偏心した位置に燃焼用空気ノズル２ｃが設けられている。
【００３７】
図４の実施形態では、セラミックハニカム状の蓄熱体７ａ〜７ｅの厚みがＲＴバーンの先端から遠ざかるに従って厚さを厚くし、蓄熱体７ａ，７ｂ間、７ｂ，７ｃ間、７ｃ，７ｄ間にはそれぞれ空隙９が設けられている。蓄熱体７ａ〜７ｅの厚さは、一例であるが、図に示した通りである。空隙９は、図１の実施形態と同様な原理によって、偏流した燃焼排ガスを整流する作用を有する。本実施形態では、セラミックボール蓄熱体が充填されていないので、蓄熱体充填層での流動抵抗を小さくできる利点がある。
【００３８】
また、図５，図６の実施形態では、セラミックハニカム状の蓄熱体７ａ，７ｂ，７ｃの厚みが同一であり、蓄熱体７ｄ，７ｅとが同一の厚みである。図６ではセラミックハニカム状の蓄熱体７ａと７ｂ間、７ｂと７ｃ間、７ｃと７ｄ間にはそれぞれ空隙９が設けられているが、蓄熱体７ｄと７ｅ間には空隙が設けられていない。このようにセラミックハニカム状の蓄熱体の厚みを二種類とすることによって、蓄熱体のコストは安価なものとなる。図７の実施形態では、セラミックハニカム状の蓄熱体７ａ〜７ｄの厚みが均等であり、同一形状のセラミックハニカム状の蓄熱体を用いることによって、コスト的な利点が大きい。図７の実施形態では、セラミックハニカム状の蓄熱体７ａは、燃焼排ガスの顕熱を蓄積してその熱応力によって、破壊することがない厚さとする。
【００３９】
（実施形態５）
図８を参照して、本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態について説明する。図８の実施形態では、バーナボディ２ａの先端近傍に配置されたセラミックハニカム状蓄熱体７ａの厚さを薄いものとし、状蓄熱体７ａと７ｂ間にセラミックボール蓄熱体８が充填され、セラミックハニカム状蓄熱体７ｂ〜７ｄは空隙を設けることなく、充填されている。本実施形態では、セラミックボール蓄熱体８の充填層の厚みを厚くすることによって、この充填層の良好な通気性を利用して燃焼排ガスを拡散してその偏流を解消している。バーナガン６の構造等は上記実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００４０】
なお、図４から図８の実施形態では、ＲＴ式加熱装置の形状や燃焼排ガスの温度等に応じて、最適な形状のＲＴバーナを選択することにより、燃焼排ガスの偏流が解消され、燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度を低濃度に達成し得るとともに、熱回収効率を高めることができる。
【００４１】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、充填された蓄熱体に間隙を持たせた構造、または充填された蓄熱体の空隙に塊状蓄熱体を配置することによって、偏流して流入する流体を整流し、蓄熱式のラジアントチューブバーナの巨大化、設備費の高騰化を防止し、加えて、安価であって蓄熱体での偏熱を防止し蓄熱体の寿命の延命、補修費の低減を図り、更には、バーナ損傷による緊急対策としてラジアントチューブバーナの運転を停止した際の炉への投入熱量，作業能率の低下等による損失を低減することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のラジアントチューブバーナの一実施形態を示す図であり、（ａ）はＲＴ式加熱装置の断面図、（ｂ）はラジアントチューブバーナの断面図である。
【図２】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態を示す断面図である。
【図８】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態を示す断面図である。
【図９】蓄熱体を示す図である。
【図１０】ＲＴバーナの先端を示す図である。
【図１１】蓄熱体を流れる燃焼用空気の流れを示す図である。
【図１２】蓄熱体を流れる燃焼排ガスの流れを示す図である。
【図１３】従来のラジアントチューブバーナの一例を示す断面図である。
【図１４】従来のラジアントチューブバーナの他の例を示す断面図である。
【図１５】従来のバーナに流れる燃焼用空気の偏流を示す図である。
【図１６】従来のバーナに流れる燃焼排ガスの偏流を示す図である。
【符号の説明】
１ ラジアントチューブ
２ ラジアントチューブバーナ
２ａ バーナボディ
２ｂ 流出入口
２ｃ 燃焼用空気ノズル
３ 四方切替弁
４ 燃料ノズル
５ パイロット空気ノズル
６ バーナガン
７，７ａ〜７ｅ 蓄熱体
７Ａ 穴
７Ｂ 細管
８ セラミックボール蓄熱体（塊状蓄熱体）
９ 空隙
【発明の属する技術分野】
本発明は、工業用加熱炉、熱処理炉等の熱源として使用されるラジアントチューブバーナに関し、詳しくは、バーナと蓄熱体を少なくとも２つ以上ラジアントチューブに配置し、各バーナが交番燃焼する、所謂蓄熱式ラジアントチューブバーナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、加熱炉を間接的に加熱して炉内雰囲気を所望の温度に調整することができるラジアントチューブバーナがある。代表的な例とし、図１３に示すような実公平２−２３９５０号公報のラジアントチューブバーナがあり、ラジアントチューブ１０の両端にバーナが備えられている。このバーナは燃料ノズル１２ａと空気ノズル１２ｂとを備えるバーナガン１１と、蓄熱体１３と、燃焼用空気噴射ノズル１４とを備えている。このバーナは、両端のバーナを交互に切り替えて交番燃焼させる蓄熱体ラジアントチューブバーナ（リジェネレーティブ方式のラジアントチューブバーナ）である。簡単に交番燃焼について説明すると、ラジアントチューブバーナは、一方のラジアントチューブバーナから燃焼用空気と燃料ガスが供給され、ラジアントチューブ内で燃焼し、その高温排ガスはラジアントチューブ内を流れて他方のラジアントチューブバーナ（蓄熱作用をする非燃焼バーナ）の燃焼用空気ノズルから吸引される。高速で高温空気をラジアントチューブバーナ内に噴出する燃焼用空気ノズルは、燃焼排ガス吸引時、高温の燃焼排ガスが高速で蓄熱体に向かって吸引されている。この状態を交互に繰り返して、熱回収効率向上とラジアントチューブ内の温度分布の均一化によるラジアントチューブの寿命延長が図られ、補修費の低減効果が得るものである。
【０００３】
さらに、図１４に示したような実開平６−６５７０５号公報に開示された三叉路型のラジアントチューブによる蓄熱体ラジアントチューブバーナも考案されている。図１４は、三叉路型のラジアントチューブバーナの概要を示す図であり、三叉路型のラジアントチューブ２０と、ラジアントチューブ２０の一端にバーナ２１が設けられ、ラジアントチューブ２０の両他端に蓄熱体２２が設けられている。燃料ガスと燃焼用空気がバーナ２１に供給され、燃焼排ガスは蓄熱体２２を介して排気されている。
【０００４】
また、図１３に示したラジアントチューブバーナでは、燃焼用空気噴射ノズル１４をラジアントチューブ内で偏心させた配置とすることにより、燃焼用噴出流速を１００ｍ／ｓ以上の高速にすることで、ラジアントチューブ内で自己排ガス循環流を形成して燃焼排ガスを強力・多量に巻き込みながら燃焼させて、局部的な高温域を形成しない燃焼を実現している。このような燃焼によって、蓄熱体ラジアントチューブバーナ最大の欠点であった窒素酸化物の大量発生を防止して低ＮＯｘ燃焼を達成している。
【０００５】
図１３のラジアントチューブバーナでは、セラミック製のハニカム蓄熱体を分割して挿入した場合、図１５，図１６に示すような構造となる。図１５は燃焼状態にあり、燃焼用空気がラジアントチューブバーナ内に供給され、高温に予熱した燃焼用空気と燃料ノズル１２ａから燃料ガスとがラジアントチューブ内に供給されて燃焼し、他方のラジアントチューブバーナでは、図１６に示すように、燃焼排ガスが燃焼用空気噴射ノズル１４からラジアントチューブ内に流入される。燃焼排ガスの顕熱が蓄熱体１３ａ〜１３ｅに蓄えられる。
【０００６】
しかし、図１５，図１６に示したように、蓄熱体の断面形状は通過流体の流れ方向（蓄熱体の長手方向）で一定であって、また、通過する流体は、ハニカム状蓄熱体のある枡目（細管）に流れ込むと他の枡目（細管）には拡散しない構造となっている。従って、ハニカムへ略均等にガス流体が流れ込む場合には、蓄熱性能を発揮するが、蓄熱体を通過する流体が流入前に、偏心した燃焼用空気噴射ノズル１４からラジアントチューブバーナ内に流入する際に、蓄熱体の断面での流入量に差が発生し、高温燃焼ガスが多量に流れ込んだ細管では、蓄熱容量以上の熱を蓄積できずに、十分な熱回収ができない。また、高温となった細管と、少量しか流れ込まない細管との温度差が大きくなり、熱応力が発生し蓄熱体が割れることがある。均等に常温空気が蓄熱体に流入したとしても蓄熱体が偏熱した状態にあるために、十分に熱回収ができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に示したラジアントチューブバーナは、燃焼用空気ノズルを偏心させることにより、ＮＯｘ濃度の低下を達成した高速空気噴流方式の蓄熱式ラジアントチューブバーナである。このラジアントチューブバーナは、燃焼用空気ノズルがラジアントチューブ内で偏心した配置であるのでラジアントチューブ円形断面での排ガスの流れは均一な速度で流れず、図１６に矢印（流量分布）で示したように、偏心した燃焼用空気ノズルを中心に偏流した排ガス流れとなってバーナ内に流入する。排ガス吸引ノズル（燃焼用空気ノズル）と蓄熱体との間隔が狭いと高速で吸引した燃焼排ガスは偏流を生じたまま蓄熱体の細管に流入するので偏熱が発生する。燃焼用空気ノズルから流入した燃焼排ガスは、ラジアントチューブ円形断面で拡散し、ラジアントチューブ断面で略整流された流れになるまで成長した後に蓄熱体を通過させるには、直線で数メートルの間隔が必要となり、バーナが巨大化し設備費が高騰する欠点がある。
【０００８】
また、高速で吸引した燃焼排ガスがラジアントチューブ断面で偏流した状態で蓄熱体に流入すると蓄熱体内で偏熱が発生する問題がある。更に、セラミックハニカム状蓄熱体は、図１５のように密接させて配置した場合には、周知のように、各ハニカムセル（隔壁）を浸透して排ガスは流れないのでラジアントチューブ断面円径方向へのガスの拡散は起こらない。従って、高温排ガスがハニカム構造蓄熱体流入時に偏流しているとハニカム構造体内では偏流状態は持続してハニカム構造体内で偏熱が発生し、ハニカム構造体をなす蓄熱物の熱膨張差によってハニカム構造の蓄熱体が熱変形したり、セラミックハニカムで最悪の場合は破損に至るおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、蓄熱式バーナの小型化が可能であって、蓄熱体での偏熱を防止して熱応力によるバーナ損傷の低減が図られるラジアントチューブバーナを提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、蓄熱式バーナの小型化が図られ、蓄熱体での偏熱を防止してバーナ損傷の低減が図られ、しかも安価であって、バーナの寿命の延命、補修費の低減が図られるとともに、バーナ損傷による緊急対策であるラジアントチューブバーナ燃焼を緊急停止による場合の投入熱量低減、作業能率低下等による損失が解消できるラジアントチューブバーナを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するためになされたものであり、請求項１の発明は、ラジアントチューブの端部に装着されたラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナ内にバーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体が収納され、前記蓄熱体間に、前記蓄熱体の断面方向における通過流体分布の整流用の空隙を少なくとも１箇所設けて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、蓄熱体間に空隙を設けることにより、ガス流の偏流を防止する。
【００１２】
そして、請求項１の発明は、
前記蓄熱体の厚みが少なくとも２種類存在するとともに、前記蓄熱体の内、最も厚みの薄い蓄熱体をラジアントチューブバーナの先端に近い位置に配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、最も厚みの薄い蓄熱体で、最も高温となる部分の熱ストレスを吸収する。
【００１３】
また、請求項２の発明は、
ラジアントチューブの端部に装着されたラジアントチューブバーナにおいて、前記ラジアントチューブバーナ内にバーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体が収納され、前記蓄熱体間に、前記蓄熱体の断面方向における通過流体分布の整流用の空隙を少なくとも１箇所設けて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、蓄熱体間に空隙を設けることにより、ガス流の偏流を防止する。その上で、
前記蓄熱体の厚みが異なるとともに、前記蓄熱体の内、ラジアントチューブバーナの先端に近い側に最も厚みの薄い蓄熱体を配置し、その蓄熱体から遠ざかる方向に厚みの厚い蓄熱体を配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、温度分布に応じて段階的に蓄熱体の厚さを変えることによって、熱ストレスを吸収する。
【００１４】
また、請求項３の発明は、請求項１および２の何れかに記載の発明において、
前記蓄熱体間の空隙のガス流路方向の間隔を、前記空隙に接する蓄熱体の厚さの薄い蓄熱体の厚みの１／１０以上としたことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、蓄熱体間の空隙の厚さの上限はラジアントチューブバーナの形状によって自ずから設定され、このような空隙を形成することによってガス流の偏流を防止する。
【００１５】
また、請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れかに記載の発明において、
前記蓄熱体が多数の細管によるハニカム構造体であることを特徴とするラジアントチューブバーナであり、ガス流の流動抵抗を可能な限り低減して、しかも、ガス流との接触面積を拡大できるのでラジアントチューブバーナの熱効率を高めることができる。
【００１６】
また、請求項５の発明は、請求項４に記載の発明において、
前記蓄熱体間の空隙が前記細管のピッチ以上であることを特徴とするラジアントチューブバーナであり、細管ピッチを基準として、空隙の間隔を設定することによって、ガス流の偏流を防止する。空隙の間隔の上限はラジアントチューブバーナの形状によって自ずから設定される。
【００１８】
また、請求項６の発明は、ラジアントチューブの端部に装着されるラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナ内にバーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体が細管によるハニカム構造体であり、前記蓄熱体間に少なくとも１箇所以上の空隙を持たせて、前記空隙の少なくとも１箇所に、前記細管の断面積より投影断面が大きい塊状蓄熱体を充填したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、バーナ軸方向に分割された蓄熱体で、排ガスによる熱ストレスを吸収し、空隙と塊状蓄熱体とによってガス流の偏流を防止する。
【００２０】
また、請求項７の発明は、ラジアントチューブ端部に装着されて交番燃焼するラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通するバーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体を蓄熱体間に空隙を持たせて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、前記燃焼用空気噴射口と前記燃料噴射口との関係を上記のようにすることによって、蓄熱体間に設けられた空隙によって、ガス流の偏流が防止できるとともに、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の低減が図られて、熱回収効率が改善できる。
【００２１】
また、請求項８の発明は、ラジアントチューブ端部に装着されて交番燃焼するラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通し、バーナ軸方向に区分けされた蓄熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体をハニカム構造体とし、少なくとも１箇所の前記蓄熱体間に空隙を持たせて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、ハニカム構造体からなる蓄熱体間に設けられた空隙により、ガス流の偏流が防止できるとともに、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の低減が図られて、熱効率が改善できる。
【００２２】
また、請求項９の発明は、ラジアントチューブに装着されて交番燃焼するラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通し、バーナ軸方向に区分けされた蓄熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体が細管によるハニカム構造体であって、少なくとも１箇所の前記蓄熱体間に空隙を持たせ、且つ、前記蓄熱体間の空隙間隔を少なくともハニカム構造体の細管ピッチの間隔以上であることを特徴とするラジアントチューブバーナであり、ハニカム構造体からなる蓄熱体間に設けられた空隙を細管ピッチを基準に設定することにより、ガス流の偏流が防止できるとともに、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の低減が図られて、熱効率が改善できる。
【００２３】
また、請求項１０の発明は、ラジアントチューブに装着されて交番燃焼するラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通し、バーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体がハニカム構造体をなし、前記ハニカム構造体の細管断面より投影断面が大きい塊状蓄熱体を充填した前記空隙を少なくとも１箇所設けて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、塊状蓄熱体を充填することによって、ガス流の偏流を防止することができる。
【００２４】
また、請求項１１の発明は、ラジアントチューブに装着されて交番燃焼するラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通し、バーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体がハニカム構造体をなし、少なくとも１箇所の前記蓄熱体間に空隙をもたせ、前記空隙が燃焼用空気噴射口近傍の最先端の蓄熱体に隣接する蓄熱体の両端に空隙を設けて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナであり、燃焼排ガスの流入側の蓄熱体の両端に空隙を設けることにより、燃焼排ガスの偏流を防止する。
【００２５】
本発明者らは、複数の細管が設けられた蓄熱体のある細管に流れ込んだガス流が他の細管には流れ込まないことに起因して、部分的に異常高温状態が発生し、ラジアントチューブバーナが破壊に至るおそれがあるが、図１１，図１２に示したように、蓄熱体間に空隙を設けることにより、ガス流体が空隙に拡散して均一化されることによって、偏流が解消されることを見い出した。また、空隙の間隔が細管ピッチの２倍以上の間隔にすることによって拡散効果が大きいことを確認した。
【００２６】
更に、ハニカム間の空間を形成するスペーサを配置する代わりに、拡散空間内に球状、塊状、または充填した際に通気性のよい状態が形成できる物体を充填することで、流体の拡散効果と蓄熱効果が同時に得られることを確認した。また、偏流によるハニカムに発生する熱応力を低減するには、最初に流れ込む蓄熱体の厚さを薄くすることによって、発生する熱応力を低減できる効果を確認している。本発明は、これらに基づいてなされ、上記発明を達成したものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るラジアントチューブバーナの実施形態について、図面を参照して、種々の実施形態について説明する。
なお、本実施形態のラジアントチューブは部分的にＲＴと略記して説明する。また、ラジアントチューブバーナは、蓄熱体を備えており、従来例で説明したように交番燃焼することによって、熱回収効率の向上が図られるバーナであり、燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下し得るＲＴバーナである。
【００２８】
（実施形態１）
図１は、本発明に係るラジアントチューブバーナの一実施形態を説明するため図であり、同図（ａ）はＲＴバーナが装着されたＲＴ式加熱装置の概要を示し、同図（ｂ）はＲＴバーナの断面図である。同図（ａ）において、ＲＴ式加熱装置はＲＴ１とＲＴバーナ２とを備え、ＲＴ１の両端にＲＴバーナ２が挿入されて固定された構造であり、ＲＴバーナ２の流出入口２ｂは四方切替弁３に接続されている。ＲＴバーナ２は、バーナボディ２ａに燃料ノズル４とパイロット空気ノズル５とを備えるバーナガン６が装着され、ＲＴバーナ２の先端部にＲＴの中心から偏心した位置に燃焼用空気ノズル２ｃが設けられている。バーナボディ２ａ内にはバーナ軸方向に区分けされた複数のセラミックハニカム状の蓄熱体７と蓄熱体７間に充填されたセラミックボール蓄熱体８とが設けられている。このＲＴ式加熱装置では、ＲＴ１の両端にＲＴバーナ２が装着された構造であり、ＲＴ１の両端からＲＴバーナ２の装着・脱着が比較的容易な構造のＲＴ式加熱装置が形成されている。
【００２９】
続いて、ＲＴバーナ２について、同図（ｂ）を参照して説明する。バーナボディ２ａ内にセラミックハニカム状の蓄熱体７ａ〜７ｅが収納され、蓄熱体７ａ〜７ｅは、図９（ａ），（ｂ）に示したように、ＲＴ２に断面形状に合わせた円筒形状であり、その中心または中心から偏心した位置にバーナガン６が貫通する穴７Ａが形成され、多数の細管７Ｂがバーナ軸方向に形成されている。この円筒形状の蓄熱体の外観形状は、例えば、直径が約１４０ｍｍ 、長さＤが蓄熱体７ａで約３０ｍｍであり、最大１５０ｍｍである。流体通過断面形状は、例えば、細管を形成する隔壁厚さＴが０．４３ｍｍ、細管の開口枡目の一片の長さＬが２．１１ｍｍ、細管ピッチ（セルピッチ）Ｐが２．５４ｍｍであり、開口割合が６９．０％である。その伝熱面割合は１３．０３ｃｍ2 ／ｃｍ3 、蓄熱容積割合は３１．０％である。この材質はコージェライトからなるセラミックで形成されており、この蓄熱体の耐熱温度は１，３００℃である。無論、蓄熱体７ａ〜７ｅの材質は、コージェライトに限定することなく、他の公知のセラミックハニカム、金属製ハニカム、薄板を積層して中間に波板を介装させた段ボール形状のハニカムに代替できるものであり、ＲＴ式加熱装置の設定温度に対して耐え得る耐熱性を有する蓄熱体であればよい。
【００３０】
蓄熱体７ａ〜７ｅは５層で構成され、蓄熱体７ｂと７ｃ、７ｃと７ｄ、７ｄと７ｅにはそれぞれ略均等な間隔の空隙９が設けられ、蓄熱体７ａと７ｂ間にはセラミックボール蓄熱体（塊状蓄熱体）８が充填されている。蓄熱体７ａ〜７ｅの厚みＤは、７ａ＜７ｂ＜７ｃ＜７ｄ＜７ｅの関係となっている。最も厚さの薄い蓄熱体７ａはバーナボディ２ａ内の先端方向に設けられており、この蓄熱体７ａに最も高温の燃焼排ガスが流入する部分であり、そのために蓄熱体７ａに加わる熱応力を回避するために、その厚みＤは薄くしている。バーナボディ２ａの他端（流出入口２ｂ）に向かうに従って、燃焼用空気の顕熱が蓄熱体に吸収されて低下し、蓄熱体に加わる熱応力も低下する傾向にあるので蓄熱体の厚みＤは厚くしてもよい。その蓄熱体の厚みＤは発生する熱応力に応じて設定するばよい。また、蓄熱体７ａはセラミックボール蓄熱体８を支持する用途があり、セラミックボール蓄熱体（塊状蓄熱体）８の充填層の厚みは約２０ｍｍ程度である。また、空隙９の間隔は細管ピッチ以上であって、空隙９を形成する蓄熱体の厚みの薄い側の蓄熱体の厚みに以下とする。
【００３１】
また、ＲＴバーナ２の先端部は、図１０（ａ）〜（ｅ）に示したように、バーナガン６が中心または中心から偏心した位置に配置され、燃料ノズル４、パイロット空気ノズル５が開口し、その周囲に燃焼用空気ノズル２ｃが設けられている。交番燃焼時、燃焼排ガスの顕熱がセラミックハニカム状蓄熱体に蓄熱状態にある間、高温の燃焼排ガスは燃焼用空気ノズル２ｃからバーナボディ２ａ内に流入する。燃焼用空気ノズル２ｃは中心から偏心した位置に設けられており、バーナボディ２ａ内には高温高速の偏流した燃焼排ガスが流れ込む。セラミックボール蓄熱体８は、偏流した燃焼排ガスを拡散させて、燃焼排ガスを整流することによって、部分的な異常高温状態を回避することができる効果を有する。なお、偏流した燃焼排ガスを整流するには、セラミックボール蓄熱体８をＲＴバーナ２の先端部近傍の空隙に充填するのが効果的である。蓄熱体７ａ，７ｂ間の空隙９に、セラミックボール蓄熱体８を充填することで、通気性のよい充填層を形成し、燃焼排ガスの偏流を整流する補完作用を有する。なお、空隙９の隙間は、例えば２５ｍｍである。
【００３２】
（実施形態２）
図２は、本発明に係るラジアントチューブバーナの他の実施形態を示している。同図において、図１の実施形態と同様にＲＴバーナ２は、ＲＴ１の両端に装着され、ＲＴバーナ２にはセラミックハニカム状の蓄熱体７ａ〜７ｄが設けられ、蓄熱体７ａ〜７ｄの厚さＤは、図１の実施形態と同様の原理で、ＲＴバーナ２の先端方向程薄く、先端より遠ざかるにつれて厚くなっている。また、蓄熱体７ａと７ｂ間、７ｂと７ｃ間、７ｃと７ｄ間の空隙にはセラミックボール蓄熱体８が充填されている。このセラミックボール蓄熱体８は、図１で示したものと同一のものである。バーナガン６や燃焼用空気ノズル２ｃは図１０に示したような位置関係に配置されている。
【００３３】
図２の実施形態では、図１と比較して、蓄熱体間に空隙が形成されていないので、空隙による整流補完機能が減衰する。しかし、燃焼排ガスの偏流を整流する機能を向上させるために、ＲＴバーナ２の先端からセラミックハニカム状蓄熱体７ａまでの距離Ｂが十分に設けられ、比較的大きな空間が形成され、更に、セラミックボール蓄熱体８による充填層が形成されている。燃焼用空気ノズル２ｃから流入した燃焼排ガスは、矢印Ｐで示したように偏流して、ＲＴバーナボディ２ａ内に流入する。燃焼排ガスはＲＴバーナボディ２ａ内に設けた比較的大きな空間で全体に回り込むように流入させることによって、偏流を改善して、部分的に異常温度になるのを解消している。なお、蓄熱体７ａ〜７ｄは、図１の実施形態と同様の原理によって、それらの厚みは、ＲＴバーナ２の先端から遠ざかるにつれて厚くなっている。また、セラミックハニカム状蓄熱体の個数は、実施形態に限定することなく、ＲＴ式加熱装置の形状や燃焼温度等に応じて異なることはいうまでもない。
【００３４】
（実施形態３）
図３は、本発明に係るラジアントチューブバーナの他の実施形態を示している。同図において、図１の実施形態と同様にＲＴバーナ２は、ＲＴ１の両端に装着され、図１との相違はセラミックハニカム状蓄熱体７ａ〜７ｄのそれぞれの蓄熱体の厚さＤが均等であることであり、ＲＴバーナ２の先端近傍の蓄熱体７ａと７ｂ間のみにセラミックボール蓄熱体８による充填層が形成されている。また、蓄熱体７ｂと７ｃ間、及び７ｃと７ｄ間には空隙９が形成されている。燃焼用空気ノズル２ｃの偏心によって偏流した燃焼排ガスは、先ず、セラミックボール蓄熱体８で緩和するようになされている。蓄熱体７ａの厚さは、図１や図２に実施形態と比較して厚いが、偏流した燃焼排ガスはセラミックボール蓄熱体８による充填層で拡散させることで緩和させて蓄熱体７ｂで整流し、更に、蓄熱体７ｂ，７ｃ間の空隙９で偏流を緩和させて、蓄熱体７ｃで整流している。蓄熱体７ｃ，７ｄ及び蓄熱体７ｃ，７ｄ間の空隙９も同様な働きをして、偏流した燃焼排ガスは整流される。
【００３５】
図３の実施形態では、セラミックハニカム状蓄熱体７ａ〜７ｄの厚さＤが均等であるが、ＲＴバーナボディ２ａ内の先端に位置するセラミックハニカム状蓄熱体７ａが最も燃焼排ガスの温度の影響を受けるために、蓄熱体７ａが燃焼排ガスによる温度勾配による熱応力によって破損が生じない厚みに設定する。残りのセラミックハニカム状蓄熱体７ｂ〜７ｄの厚さも蓄熱体７ａと同じ厚さである。本実施形態では、セラミックボール状蓄熱体８による燃焼排ガスの拡散作用と、空隙９による燃焼排ガスの拡散によって整流作用を補完し、部分的な温度上昇を解消することができる。蓄熱体７ａ〜７ｄを同一形状のものを使用したとしても熱応力による破壊することがなく、蓄熱体の種類を少なくすることができるので、コスト的な利点が発生する。
【００３６】
（実施形態４）
図４ないし図７を参照して、本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態について説明する。図４ないし図７の実施形態は、セラミックハニカム状蓄熱体間の空隙に、セラミックボール蓄熱体を充填しない構造である。バーナボディ２ａには、燃料ノズル４とパイロット空気ノズル５とが装備されたバーナガン６が装着され、図１０（ａ）〜（ｅ）に示したように、ＲＴバーナ２の先端部にＲＴの軸中心から偏心した位置に燃焼用空気ノズル２ｃが設けられている。
【００３７】
図４の実施形態では、セラミックハニカム状の蓄熱体７ａ〜７ｅの厚みがＲＴバーンの先端から遠ざかるに従って厚さを厚くし、蓄熱体７ａ，７ｂ間、７ｂ，７ｃ間、７ｃ，７ｄ間にはそれぞれ空隙９が設けられている。蓄熱体７ａ〜７ｅの厚さは、一例であるが、図に示した通りである。空隙９は、図１の実施形態と同様な原理によって、偏流した燃焼排ガスを整流する作用を有する。本実施形態では、セラミックボール蓄熱体が充填されていないので、蓄熱体充填層での流動抵抗を小さくできる利点がある。
【００３８】
また、図５，図６の実施形態では、セラミックハニカム状の蓄熱体７ａ，７ｂ，７ｃの厚みが同一であり、蓄熱体７ｄ，７ｅとが同一の厚みである。図６ではセラミックハニカム状の蓄熱体７ａと７ｂ間、７ｂと７ｃ間、７ｃと７ｄ間にはそれぞれ空隙９が設けられているが、蓄熱体７ｄと７ｅ間には空隙が設けられていない。このようにセラミックハニカム状の蓄熱体の厚みを二種類とすることによって、蓄熱体のコストは安価なものとなる。図７の実施形態では、セラミックハニカム状の蓄熱体７ａ〜７ｄの厚みが均等であり、同一形状のセラミックハニカム状の蓄熱体を用いることによって、コスト的な利点が大きい。図７の実施形態では、セラミックハニカム状の蓄熱体７ａは、燃焼排ガスの顕熱を蓄積してその熱応力によって、破壊することがない厚さとする。
【００３９】
（実施形態５）
図８を参照して、本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態について説明する。図８の実施形態では、バーナボディ２ａの先端近傍に配置されたセラミックハニカム状蓄熱体７ａの厚さを薄いものとし、状蓄熱体７ａと７ｂ間にセラミックボール蓄熱体８が充填され、セラミックハニカム状蓄熱体７ｂ〜７ｄは空隙を設けることなく、充填されている。本実施形態では、セラミックボール蓄熱体８の充填層の厚みを厚くすることによって、この充填層の良好な通気性を利用して燃焼排ガスを拡散してその偏流を解消している。バーナガン６の構造等は上記実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００４０】
なお、図４から図８の実施形態では、ＲＴ式加熱装置の形状や燃焼排ガスの温度等に応じて、最適な形状のＲＴバーナを選択することにより、燃焼排ガスの偏流が解消され、燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度を低濃度に達成し得るとともに、熱回収効率を高めることができる。
【００４１】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、充填された蓄熱体に間隙を持たせた構造、または充填された蓄熱体の空隙に塊状蓄熱体を配置することによって、偏流して流入する流体を整流し、蓄熱式のラジアントチューブバーナの巨大化、設備費の高騰化を防止し、加えて、安価であって蓄熱体での偏熱を防止し蓄熱体の寿命の延命、補修費の低減を図り、更には、バーナ損傷による緊急対策としてラジアントチューブバーナの運転を停止した際の炉への投入熱量，作業能率の低下等による損失を低減することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のラジアントチューブバーナの一実施形態を示す図であり、（ａ）はＲＴ式加熱装置の断面図、（ｂ）はラジアントチューブバーナの断面図である。
【図２】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態を示す断面図である。
【図８】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施形態を示す断面図である。
【図９】蓄熱体を示す図である。
【図１０】ＲＴバーナの先端を示す図である。
【図１１】蓄熱体を流れる燃焼用空気の流れを示す図である。
【図１２】蓄熱体を流れる燃焼排ガスの流れを示す図である。
【図１３】従来のラジアントチューブバーナの一例を示す断面図である。
【図１４】従来のラジアントチューブバーナの他の例を示す断面図である。
【図１５】従来のバーナに流れる燃焼用空気の偏流を示す図である。
【図１６】従来のバーナに流れる燃焼排ガスの偏流を示す図である。
【符号の説明】
１ ラジアントチューブ
２ ラジアントチューブバーナ
２ａ バーナボディ
２ｂ 流出入口
２ｃ 燃焼用空気ノズル
３ 四方切替弁
４ 燃料ノズル
５ パイロット空気ノズル
６ バーナガン
７，７ａ〜７ｅ 蓄熱体
７Ａ 穴
７Ｂ 細管
８ セラミックボール蓄熱体（塊状蓄熱体）
９ 空隙
Claims (11)
- ラジアントチューブの端部に装着されるラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナ内にバーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体が収納され、前記蓄熱体間に、前記蓄熱体の断面方向における通過流体分布の整流用の空隙を少なくとも１箇所設けて配置し、
前記蓄熱体の厚みが少なくとも２種類存在するとともに、前記蓄熱体の内、最も厚みの薄い蓄熱体をラジアントチューブバーナの先端に近い位置に配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナ。 - ラジアントチューブの端部に装着されるラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナ内にバーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体が収納され、前記蓄熱体間に、前記蓄熱体の断面方向における通過流体分布の整流用の空隙を少なくとも１箇所設けて配置し、
前記蓄熱体の厚みが異なるとともに、前記蓄熱体の内、ラジアントチューブバーナの先端に近い側に最も厚みの薄い蓄熱体を配置し、その蓄熱体から遠ざかる方向に厚みの厚い蓄熱体を配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナ。 - 請求項１および２の何れかに記載のラジアントチューブバーナにおいて、
前記蓄熱体間の空隙のガス流路方向の間隔を、前記空隙に接する蓄熱体の厚さの薄い蓄熱体の厚みの１／１０以上としたことを特徴とするラジアントチューブバーナ。 - 請求項１ないし３の何れかに記載のラジアントチューブバーナにおいて、
前記蓄熱体が多数の細管によるハニカム構造体であることを特徴とするラジアントチューブバーナ。 - 請求項４に記載のラジアントチューブバーナにおいて、
前記蓄熱体間の空隙が前記細管のピッチ以上であることを特徴とするラジアントチューブバーナ。 - ラジアントチューブの端部に装着されるラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナ内にバーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体が細管によるハニカム構造体であり、前記蓄熱体間に少なくとも１箇所以上の空隙を持たせて、前記空隙の少なくとも１箇所に、前記細管の断面積より投影断面が大きい塊状蓄熱体を充填したことを特徴とするラジアントチューブバーナ。 - ラジアントチューブ端部に装着されるラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通し、バーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体を蓄熱体間に空隙を持たせて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナ。 - ラジアントチューブ端部に装着されるラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通し、バーナ軸方向に区分けされた複数の蓄 熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体をハニカム構造体とし、少なくとも１箇所の前記蓄熱体間に空隙を持たせて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナ。 - ラジアントチューブに装着されるラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通し、バーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体が細管によるハニカム構造体であって、少なくとも１箇所の前記蓄熱体間に空隙を持たせ、且つ、前記蓄熱体間の空隙間隔を少なくともハニカム構造体の細管ピッチの間隔以上であることを特徴とするラジアントチューブバーナ。 - ラジアントチューブに装着されるラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通し、バーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体がハニカム構造体をなし、前記ハニカム構造体の細管断面より投影断面が大きい塊状蓄熱体を充填した前記空隙を少なくとも１箇所設けて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナ。 - ラジアントチューブに装着されるラジアントチューブバーナにおいて、
前記ラジアントチューブバーナが前記ラジアントチューブ端部に挿入されるバーナボディと、前記バーナボディ内を貫通する空気ノズルと、前記空気ノズル内を貫通する燃料ノズルと、前記バーナボディの先端に形成した燃焼用空気噴射口と、前記ラジアントチューブバーナ内に収納され、前記空気ノズルが貫通し、バーナ軸方向に区分けされた複数の蓄熱体とを具備し、前記燃料ノズルの燃料噴射口に対して前記燃焼用空気噴射口が前記ラジアントチューブバーナの内径方向に離間し、且つ前記燃焼用空気噴射口または／および前記燃料噴射口を偏心させて配置し、前記蓄熱体がハニカム構造体をなし、少なくとも１箇所の前記蓄熱体間に空隙をもたせ、前記空隙が燃焼用空気噴射口近傍の最先端に隣接する蓄熱体の両端に空隙を設けて配置したことを特徴とするラジアントチューブバーナ。
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