JP4876513B2 - 蓄熟バーナ - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス製のハニカム蓄熱体を有する蓄熱バーナに関する。

近年、バーナ等の燃焼熱により被加熱物、例えば鋼片等を加熱するための加熱炉においては、熱効率を高めるため、加熱炉内の燃焼排ガスから相当量の熱量を回収して、この回収した熱により燃焼用空気を予熱するプレヒート技術の開発が進んでおり、各種の方法が考案されている。このようなプレヒート技術の一つとして、例えば、蓄熱体を有するバーナを２基設け、これらのバーナを交互に燃焼させて、その燃焼させていない側のバーナを通して炉内の高温の燃焼排ガスを排出する際に、このバーナの蓄熱体に燃焼排ガス中の熱を蓄熱し、次にこのバーナを燃焼させる際にその蓄熱体に蓄えられた熱により燃焼用空気を予熱する技術が提案されている。このような蓄熱体を有する直火バーナを用いることで省エネルギー化に寄与している。

ここで、前記バーナの蓄熱体としては、伝熱面積が大きく圧力損失の小さいこと、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食性に優れていることなどが要求されることから、セラミックスやアルミナ、耐熱金属等が使用されている。例えば、特許文献１には、蓄熱体として、ガスの流れ方向に沿うハニカム状のセル孔を多数形成したいわゆるハニカムセラミックスを採用した方法が開示されている。

しかし、前記蓄熱体としてセラミックス製のハニカム（ハニカムセラミックス）を用いた場合には、高温の燃焼排ガスによる蓄熱中のハニカム蓄熱体に被加熱物の鋼片から発生したスケール等が付着し、セラミックス製のハニカム内にＦｅが浸入することによる損傷が起こる場合があり、耐久性に問題を有していた。このような問題は、特にバーナに直接燃焼排ガスが導かれる直火式バーナにおいて大きな問題となっていた。例えば、通常使用されているセラミックス製のハニカムのセル厚みは約０．５ｍｍ程度であるが、１３５０℃程度の高温の燃焼排ガスに曝されるような環境下で使用すると、１年から２年程度で損傷するという問題があった。

このような問題に対して、特許文献２には、ハニカム蓄熱体の上にセラミックボールやペレットの如き不定形物からなる蓄熱体層を設け、この蓄熱体層を随時交換可能に構成する方法が記載されている。ここでは、鋼片から発生したスケール等をハニカム蓄熱体の上に設けたセラミックボール等からなる蓄熱体層に付着させ、この蓄熱体層のみを交換し、それ以外の蓄熱体は引続き使用するようにすることで、蓄熱体の交換を容易かつ短時間で行なうことを可能とし、交換のための費用を大幅に節減することを可能としたものである。
特開平１−１５９５１１号公報 特開平６−２０１２７６号公報

しかし、上記特許文献２に記載の構成では、燃焼用空気あるいは炉内の燃焼排ガスがセラミックボール等からなる蓄熱体層を通過する際に、この蓄熱体層による圧力損失が増加するばかりではなく、ハニカム蓄熱体の上にセラミックボール等を置くことによりハニカム流路を塞ぐこととなり、燃焼用空気あるいは炉内の燃焼排ガスが通過する流路断面積が減少し、圧力損失が増大するという問題があった。

そこで、本発明は、圧力損失を増加させることなく、且つ、セラミックス製ハニカムの損傷を防止することが可能なハニカム蓄熱体を有する蓄熟バーナを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような特徴を有する。
［１］セラミックス製のハニカム蓄熱体を有する蓄熱バーナにおいて、
ハニカム蓄熱体の燃焼排ガス流入側に、耐火材料により構成され、穴あけ加工された支持部材を燃焼排ガスまたは燃焼用空気の流路の側壁部に対向して設け、前記加工された穴に保持されたセラミックス製の棒状蓄熱体を、前記ハニカム蓄熱体に直接触れることなく、該棒状蓄熱体の軸方向が燃焼排ガスの流れ方向に対して略垂直となるように、ガス流れ方向に対して垂直方向に複数列、さらに、ガス流れ方向に対して複数列設置するとともに、
前記棒状蓄熱体の設置位置におけるガス流れ方向に対して垂直な平面内の開口率を２０〜７０％とし、
さらに、前記棒状蓄熱体のガス流れ方向の肉厚を２ｍｍ以上としたことを特徴とする蓄熱バーナ。
［２］上記［１］において、セラミックス製の棒状蓄熱体が、アルミナ（Ａ１_２Ｏ_３）、
炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化モリブデン（ＭｏＣ）のいずれかにより構成された棒体または
管体であることを特徴とする蓄熱バーナ。

本発明によれば、圧力損失を増加させることなく、且つ、セラミックス製ハニカムの損傷を防止することが可能なセラミックス製のハニカム蓄熱体を有する蓄熱バーナが提供される。

以下、本発明を実施するための最良の形態の一例を説明する。

図１及び図２は、本発明に係る蓄熱バーナの一実施形態を示す概略構成図である。図１及び図２に示すように、本発明に係る直火式蓄熱バーナ１は、例えば、鋼片等を加熱するための加熱炉２内から排出される燃焼排ガスまたはバーナ１の燃焼室に供給される燃焼用空気の流路に設けられたセラミックス製のハニカム蓄熱体３と、このハニカム蓄熱体３の燃焼排ガス流入側に設けられた、耐火材料により構成された支持部材４に保持されたセラミックス製の棒状蓄熱体５とを有する。ここで、図１は、従来設置されていたハニカム蓄熱体３の燃焼排ガス流入側の一部を取り除き、そこに棒状蓄熱体５を配置した場合、図２は、従来設置されていたハニカム蓄熱体３はそのままにして、燃焼排ガス流入側に棒状蓄熱体５を配置した場合を示す。図１の場合は、新たに棒状蓄熱体５を配置するスペース的な余裕がない場合等に好適であり、熱回収率の面からは従来設置されていたハニカム蓄熱体とほぼ同様となる。それに対し、図２の場合は、熱回収率は従来設置されていたハニカム蓄熱体より更に向上させることができる。

また、図３及び図４に、上記図１及び図２に示した前記支持部材４に保持された棒状蓄熱体５の一端側の斜視図を示す。この棒状蓄熱体５は、その軸方向が燃焼排ガスの流れ方向に対して略垂直となるように複数設置される。

ここで、前記棒状蓄熱体５の配置の仕方としては特に制限はない。但し、加熱炉２内から排出される高温の燃焼排ガス中に含まれる被加熱物の鋼片から発生したスケール等をこの棒状蓄熱体５に付着させ、後段側のセラミックス製のハニカム蓄熱体３に前記スケール等が到達しないようにする必要がある。そのため、前記燃焼排ガス中に含まれるスケール等の大部分が前記棒状蓄熱体５にぶつかり付着するような密度、例えば、ガス流れ方向に対して垂直な平面内での開口率を小さくすることが好ましい。開口率を小さくする、つまり棒状蓄熱体を密に設置することは、棒状蓄熱体での蓄熱量が増加し、後段側のハニカム蓄熱体に接する燃焼排ガスの温度を低下させることができ、ハニカム蓄熱体の寿命延長にも有利となる。ここで、開口率、つまりガス流れ方向に対して垂直な平面内でのガスもしくは空気が通過可能な部分の割合は、７０％以下とすることが好ましい。なお、あまり開口率が小さくなりすぎると圧力損失（抵抗）が増大するため、その下限は２０％以上とすることが好ましい。

前記棒状蓄熱体５は、例えば、燃焼排ガスまたは燃焼用空気の流路の側壁部に対向して設けた支持部材４に、ガス流れ方向に対して垂直方向に複数列、さらに、ガス流れ方向に対して複数列を保持させるようにして設置する。このとき、前記棒状蓄熱体５の配置は、前記ガス流れ方向に対して垂直方向及びガス流れ方向に対してランダムに設けるようにしてもよいが、図３に示すように前記ガス流れ方向に対して垂直方向及びガス流れ方向のそれぞれに対して一列に並べるように配置してもよく、図４に示すように前記ガス流れ方向に対して垂直方向には一列に並べ、ガス流れ方向に対しては一列おきに上下千鳥配置となるように設けてもよい。

ここで、前記セラミックス製の棒状蓄熱体５の材質としては、１４００℃以上の高温での耐熱性に優れるアルミナ（Ａ１_２Ｏ_３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化モリブデン（ＭｏＣ）のいずれかを用いることが好ましい。なお、これら材質の異なる棒状蓄熱体を混在させて用いることもできる。

前記棒状蓄熱体５は、その形状としては、特に制限されないが棒体（中実）のもの或いは管体（中空）のもの等を用いることができる。さらに、前記棒状蓄熱体の断面形状としては、特に制限されないが円形、楕円形、矩形のもの等を用いることができる。なお、前記棒状蓄熱体５としては、被加熱物の鋼片から発生したスケール等が付着した場合に容易に損壊することがないように、その肉厚は、ガスの流動方向に対して２ｍｍ以上とすることが好ましく、５ｍｍ以上とすることがさらに好ましい。後段側に設けたハニカム蓄熱体３のセル厚みが約０．５ｍｍ程度であるのに対して前記棒状蓄熱体５の肉厚を２ｍｍ以上とすることで、スケール等がこの棒状蓄熱体の表面に付着した場合でも、使用可能な年数を大幅に増加させることが可能となる。さらに、前記棒状蓄熱体５に蓄熱することで、後段側のハニカム蓄熱体３に到達する燃焼排ガスのガス温度が低下し、前記ハニカム蓄熱体３の耐久性の向上も図られ使用可能な年数の増加に寄与する
ここで、前記支持部材４とそれに保持された棒状蓄熱体５を、容易に交換可能なように構成してもよい。前記支持部材４とスケール等の付着した棒状蓄熱体５のみを交換することで、前記ハニカム蓄熱体３の使用可能な年数をさらに延長することが可能となる。

また、前記支持部材４の材質としては、耐火煩瓦、断熱ボード等の耐火材料であり、容易に穴あけ加工等ができるものを用いることが好ましい。

本発明においては、上記のような構成とすることで、スケール等を含んだ高温の燃焼排ガスが蓄熱体を通過して排出される場合であっても、前記棒状蓄熱体５にスケール等が付着され、その後段側のハニカム蓄熱体３にはスケール等がほとんど到達しないため、蓄熱体の使用可能な年数が大幅に増加する。また、前記棒状蓄熱体５は、耐火材料の支持部材４により保持されているため、ハニカム蓄熱体３に直接触れることなく設置することが可能となる。そのため、燃焼排ガスあるいは燃焼用空気が通過する際の圧力損失は、従来技術に係るボール状蓄熱体を置いた場合と比較して大幅に少なく、ハニカム蓄熱体のみを設置した場合とほぼ同程度することが可能となる。

以下、本発明の効果を実施例により説明する。

セラミックス製のハニカム蓄熱体（セル厚み：０．５ｍｍ）の燃焼排ガス流入側に、以下の仕様により棒状蓄熱体の設置を行った。棒状蓄熱体としては、アルミナ（Ａ１_２Ｏ_３）製、直径１０ｍｍ（φ１０）の円柱体を使用し、上記図４に示すように上下千鳥配置となるように設置した。このとき、棒状蓄熱体のガス流れ方向に対して垂直方向のピッチは１５ｍｍ間隔、上下方向のピッチは１５ｍｍ間隔、棒状蓄熱体群のガス流れ方向の厚さは５０ｍｍ、ガス流れ方向から見た平面内での開口率は６６．６％であった。また、前記棒状蓄熱体を保持する支持部材としては、耐火煩瓦を使用した。

なお、前記セラミックス製のハニカム蓄熱体としては、従来のものを使用した。

ここで、前記セラミックス製のハニカム蓄熱体及び棒状蓄熱体により構成される蓄熱体全体での圧力損失を測定したところ１９２ｍｍＡｑ／ｍと、セラミックス製のハニカム蓄熱体のみの圧力損失である１８０ｍｍＡｑ／ｍとほぼ同程度の圧力損失値であり、圧力損失の増加が少ないことが確認できた。

なお、比較例として、上記引用文献２に示すセラミックス製のハニカム蓄熱体の上にガス流れ方向の厚さが、同じく５０ｍｍとなるようにセラミックボールを設置した場合の圧力損失を測定したところ２３５ｍｍＡｑ／ｍであり、圧力損失の増加が顕著であった。

また、前記セラミックス製のハニカム蓄熱体及び棒状蓄熱体により構成される蓄熱体を備えたバーナの熱回収率（燃焼用空気で回収した熱量／燃焼排ガスの顕熟）を測定したところ、従来のバーナと同程度の８８％であった。

なお、従来技術に係るハニカム蓄熱体は、約２年程度で交換が必要であったが、本発明の棒状蓄熱体を設置した場合においては、実施した期間内でのスケール等の付着状況から判断して３年以上の使用が可能であると推定できる。

さらに、ハニカム蓄熱体に到達する燃焼排ガスの温度が、棒状蓄熱体がない場合で１２２０℃であったものが、棒状蓄熱体を設置することで１１５０℃まで低下し、これにより、ハニカム蓄熱体の寿命延長がさらに図られることが期待できる。

本発明に係る蓄熱バーナの一実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る蓄熱バーナの他の実施形態を示す概略構成図である。 支持部材に保持された棒状蓄熱体の配列の一例を示す図であり、棒状蓄熱体の一端側の斜視図である。 支持部材に保持された棒状蓄熱体の配列の他の一例を示す図であり、棒状蓄熱体の一端側の斜視図である。

符号の説明

１ 蓄熱バーナ
２ 加熱炉
３ ハニカム蓄熱体
４ 支持部材
５ 棒状蓄熱体

Claims (2)

1. セラミックス製のハニカム蓄熱体を有する蓄熱バーナにおいて、
   ハニカム蓄熱体の燃焼排ガス流入側に、耐火材料により構成され、穴あけ加工された支持部材を燃焼排ガスまたは燃焼用空気の流路の側壁部に対向して設け、前記加工された穴に保持されたセラミックス製の棒状蓄熱体を、前記ハニカム蓄熱体に直接触れることなく、該棒状蓄熱体の軸方向が燃焼排ガスの流れ方向に対して略垂直となるように、ガス流れ方向に対して垂直方向に複数列、さらに、ガス流れ方向に対して複数列設置するとともに、
   前記棒状蓄熱体の設置位置におけるガス流れ方向に対して垂直な平面内の開口率を２０〜７０％とし、
   さらに、前記棒状蓄熱体のガス流れ方向の肉厚を２ｍｍ以上としたことを特徴とする蓄熱バーナ。
2. セラミックス製の棒状蓄熱体が、アルミナ（Ａ１_２Ｏ_３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化
   モリブデン（ＭｏＣ）のいずれかにより構成された棒体または管体であることを特徴とす
   る請求項１に記載の蓄熱バーナ。

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