JP5323440B2 - 蓄熱式バーナ - Google Patents

Description

本発明は、工業炉に用いられる蓄熱式バーナに関する。

近年、工業炉（加熱炉、熱処理炉、焼成炉、等を含む。）には、熱効率を向上させるために、いわゆる蓄熱式バーナが用いられている（例えば、特開平７−２９３８１５号公報、特開平８−４９８３６号公報、特開２００８−２３２４７４号公報、等参照）。かかる蓄熱式バーナにおいては、その給排気経路に蓄熱体が設けられている。

特開平７−２９３８１５号公報等に開示されているように、この種の工業炉には、一対の前記蓄熱式バーナが、互いに対向するように設けられている。かかる構成を有する前記工業炉は、以下のように動作するようになっている。

一対の前記蓄熱式バーナのうちの一方で燃料を燃焼している間に、他方で排気が行われる。このとき、当該他方の前記蓄熱式バーナにおける前記蓄熱体にて、排気ガスの保有する熱を前記蓄熱体で回収する蓄熱が行われる。その後、一対の前記蓄熱式バーナのうちの前記一方が燃焼から排気に切り換えられるとともに、前記他方が排気から燃焼に切り換えられる。すると、燃焼が行われる前記他方の前記蓄熱式バーナでは、前記蓄熱体によって、燃焼用空気の予熱が行われる。

そして、一対の前記蓄熱式バーナにおける燃焼と排気とが比較的短い周期で切り換えられることで、双方の前記蓄熱式バーナにて、排気ガスからの熱の前記蓄熱体による回収と、当該回収された熱による燃焼用空気の予熱とが行われる。これにより、高い熱効率を達成することができる。

また、特開平７−２９３８１５号公報等には、排気ガス中の窒素酸化物を処理する脱硝手段を備えた構成が開示されている。
特開平７−２９３８１５号公報 特開平８−４９８３６号公報 特開２００８−２３２４７４号公報

この種の工業炉においては、排気ガス中に、窒素酸化物の他にも、様々な成分が含まれ得る。

例えば、焼成条件によっては、ススや一酸化炭素が比較的多量に発生することがある。また、例えば、セラミックスの脱脂時には、バインダーの熱分解成分（メタン、エタン、プロパン、アルデヒド類等）が発生する。さらに、例えば、セラミックスの原料に含まれる、あるいはこの原料混合時の水等の溶媒に含まれる、ハロゲン成分が、セラミックスの焼成時に排気ガス中に混入することがある。

上述のような、排気ガス中の様々な成分を除去処理するための設備を、この種の工業炉における排気系統に設けると、装置スペースが増大し、装置コストも高くなる。

本発明は、かかる課題に対処するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、排気ガス中に含まれる様々な成分を、より効率よく処理することにある。

本発明の蓄熱式バーナは、蓄熱部を備えている。この蓄熱部は、排気ガスが導入されたときに当該排気ガスからの熱回収により蓄熱するとともに、排気ガスに代えて燃焼用空気が導入されたときに当該燃焼用空気への放熱により当該燃焼用空気を予熱するように構成されている。

なお、前記蓄熱式バーナには、脱硝部が設けられ得る。前記脱硝部は、前記蓄熱部よりも排気ガスの流動方向における下流側に配置されている。前記脱硝部は、排気ガス中の窒素酸化物を除去処理するように構成されている。

本発明の一つの特徴は、前記蓄熱式バーナが、前記蓄熱部を補助的に加熱する補助加熱部をさらに備えたことにある。

前記補助加熱部は、排気ガス中の可燃成分（上述のようなバインダーの熱分解成分やスス等）を燃焼させるように構成され得る。具体的には、例えば、前記補助加熱部は、補助バーナを備え得る。この補助バーナは、排気ガスの流動方向に沿って燃料を噴射するように、構成及び配置されている。

本発明の他の特徴は、前記蓄熱式バーナに、脱ハロゲン部が設けられたことにある。この脱ハロゲン部は、前記蓄熱部よりも排気ガスの流動方向における下流側に配置されていて、排気ガス中のハロゲン成分を除去処理するように構成されている。

本発明の蓄熱式バーナにおいては、前記補助加熱部により、前記蓄熱部が、補助的に加熱される。すなわち、排気ガスの保有する熱による前記蓄熱部に対する通常の加熱に加えて、前記補助加熱部により前記蓄熱部が加熱される。

具体的には、例えば、前記補助バーナの作動に伴って生じた熱によって、前記蓄熱部が加熱される。このようにして前記蓄熱部が良好に加熱されると、例えば、当該蓄熱部にて、前記可燃成分の処理（燃焼）が自発的に行われるようになる。これにより、従来は廃棄されていた前記可燃成分の処理時の発生熱量が、前記蓄熱部に良好に回収され得る。

また、本発明の蓄熱式バーナにおいては、前記脱ハロゲン部により、排気ガス中のハロゲン成分が除去処理される。

以上の通り、本発明によれば、前記補助加熱部により前記蓄熱部が良好に加熱されることで、排気ガス中に含まれる様々な成分が、より効率よく処理され得る。

以下、本発明の好適な実施形態を、実施例及び比較例を用いつつ説明する。なお、以下の実施形態に関する記載は、法令で要求されている明細書の記載要件（記述要件・実施可能要件）を満たすために、本発明の具体化の単なる一例を、可能な範囲で具体的に記述しているものにすぎない。

よって、後述するように、本発明が、以下に説明する実施形態や実施例の具体的構成に何ら限定されるものではないことは、全く当然である。本実施形態や実施例に対して施され得る各種の変更（modification）の例示は、当該実施形態の説明中に挿入されると、一貫した実施形態の説明の理解が妨げられるので、末尾にまとめて記載されている。

＜工業炉システムの構成＞
図１は、本発明の一実施形態が適用された工業炉システムＳ（以下、単に「システムＳ」と称する。）の全体構成の概略を示す図である。本実施形態のシステムＳは、セラミックスの脱脂及び焼成に用いられるものである。図１を参照すると、このシステムＳは、炉体１と、一対の蓄熱式バーナ２，２と、燃料供給経路３と、吸排気経路４と、を備えている。

炉体１は、その内部に被処理物としてのセラミックス成型体を装入可能に構成されている。本発明の一実施形態である、一対の蓄熱式バーナ２，２は、炉体１を挟んで互いに対向するように設けられている。これらの蓄熱式バーナ２，２は、炉体１に装着されている。各蓄熱式バーナ２には、燃料供給経路３及び吸排気経路４が接続されている。

炉体１、燃料供給経路３、及び吸排気経路４の具体的な構成は周知であるので、その詳細な説明は省略し、以下、本実施形態における蓄熱式バーナ２の具体的な構成について説明する。

＜＜蓄熱式バーナ＞＞
図２は、図１に示されている一対の蓄熱式バーナ２，２のうちの一方（図１における右方）の周囲を拡大した断面図である。なお、他方の蓄熱式バーナ２も、当該一方の蓄熱式バーナ２と同一の構成を備えているものとする。以下、図２を参照しつつ、本実施形態の蓄熱式バーナ２の具体的な構成について説明する。

蓄熱式バーナ２は、炉体１の側壁をなす炉壁１０に設けられた吸排気口１０ａに対応する位置にて、炉体１に装着されている。

蓄熱式バーナ２のバーナタイル２１の内部には、断面視にて略Ｌ字形状に屈曲したガス通路２１ａが設けられている。このガス通路２１ａにおける、炉壁１０側の一方の端部（図中左側の端部）は、吸排気口１０ａと接続されている。

バーナタイル２１には、メインバーナ２２が装着されている。メインバーナ２２は、ＬＮＧ（液化天然ガス）を燃料とするＬＮＧバーナである。このメインバーナ２２は、ガス通路２１ａの上述の屈曲部から排気ガス流動方向における上流側の端部に向かう方向に（すなわち吸排気口１０ａに向けて）、燃料としてのＬＮＧを噴射するように、構成及び配置されている。

メインバーナ２２は、燃料供給経路３と接続されている。燃料供給経路３における、メインバーナ２２に対応する位置には、メイン燃料噴射バルブ２２ａが介装されている。メイン燃料噴射バルブ２２ａは、図示しない制御盤の制御下で開閉することで、メインバーナ２２からの燃料の噴射の有無を切り換えるようになっている。

バーナタイル２１には、また、本発明の補助加熱部としての補助バーナ２３が装着されている。補助バーナ２３も、メインバーナ２２と同様のＬＮＧバーナである。

補助バーナ２３は、燃料供給経路３と接続されている。燃料供給経路３における、補助バーナ２３に対応する位置には、補助燃料噴射バルブ２３ａが介装されている。補助燃料噴射バルブ２３ａは、図示しない制御盤の制御下で開閉することで、補助バーナ２３からの燃料の噴射の有無を切り換えるようになっている。

補助バーナ２３は、蓄熱部２４に向けて燃料を噴射するように配置されている。すなわち、補助バーナ２３は、ガス通路２１ａの上述の屈曲部から排気ガス流動方向における下流側の端部に向けて、排気ガスの流動方向に沿って燃料を噴射することで、蓄熱部２４に流入しようとする排気ガス中の可燃成分を燃焼させるように、構成及び配置されている。

上述の蓄熱部２４は、ガス通路２１ａの、排気ガスの流動方向における下流側の端部と接続するように設けられている。この蓄熱部２４は、蓄熱式バーナ２が排気動作を行う際に排気ガスからの熱回収により蓄熱するとともに、蓄熱式バーナ２が燃焼動作を行う際に燃焼用空気への放熱により当該燃焼用空気を予熱するように構成されている。

本実施形態の蓄熱部２４は、ＳｉＣセラミックス製のハニカム成型体であって、上述の蓄熱機能とともに、ディーゼルパティキュレートフィルタの如く粒子状のススを捕集する機能をも有するように構成されている。

蓄熱部２４の、排気ガスの流動方向における上流側の端部には、空気導入部２５が設けられている。空気導入部２５は、蓄熱式バーナ２が排気動作を行う際に、蓄熱部２４内に外気を送り込むことで、当該蓄熱部２４内部にて酸素濃度を上昇させて可燃成分の燃焼を促進し得るようになっている。

空気導入部２５には、空気導入バルブ２５ａが介装されている。この空気導入バルブ２５ａは、図示しない制御盤の制御下で開閉することで、空気導入部２５による蓄熱部２４内への外気の導入の有無を切り換えるようになっている。

蓄熱部２４よりも排気ガスの流動方向における下流側には、脱硝部２６が配置されている。脱硝部２６は、排気ガス中の窒素酸化物を除去処理するように構成されている。かかる脱硝部２６の構成は周知であるので（例えば特開平７−２９３８１５号公報等参照）、その詳細な説明は省略する。

脱硝部２６に接続された吸排気経路４には、脱ハロゲン部２７が着脱可能に装着されている。すなわち、脱ハロゲン部２７は、脱硝部２６よりも排気ガスの流動方向における下流側に設けられている。

脱ハロゲン部２７は、排気ガス中のハロゲン成分を除去処理するように構成されている。具体的には、脱ハロゲン部２７の筐体内には、炭酸カルシウムのペレットが収容されている。そして、当該脱ハロゲン部２７の筐体には、炭酸カルシウムのペレットが外部に漏れ出さないような態様（位置やサイズ）で、排気ガス通過用の開口部が多数形成されている。

＜実施形態のシステムの動作の概要＞
以下、本実施形態のシステムＳの動作について、図１及び図２を参照しつつ説明する。

本実施形態のシステムＳにおいては、乾燥後のセラミックス成型体の焼成前の脱脂工程、及び、焼成工程において、一対の蓄熱式バーナ２，２が、交互に燃焼及び廃棄動作を繰り返す。すなわち、一対の蓄熱式バーナ２，２の一方が燃焼動作している間は、他方は排気動作する。そして、比較的短い周期で、一対の蓄熱式バーナ２，２における燃焼動作と排気動作とが切り換えられる。

燃焼動作を行う蓄熱式バーナ２においては、補助燃料噴射バルブ２３ａ及び空気導入バルブ２５ａが閉じられる一方、メイン燃料噴射バルブ２２ａが開かれる。これにより、メインバーナ２２から燃料が吸排気口１０ａに向けて噴射され、炉体１の内部が加熱される。

これに対し、排気動作を行う蓄熱式バーナ２においては、メイン燃料噴射バルブ２２ａが閉じられる。これにより、炉体１の内部から吸排気口１０ａを介して排出された排気ガスが、当該蓄熱式バーナ２におけるガス通路２１ａを通って、蓄熱部２４に向かって流動する。なお、必要に応じて空気導入バルブ２５ａが開かれることで、空気導入部２５により外気が蓄熱部２４に導入される。

＜＜排気動作側蓄熱式バーナの動作：脱脂工程＞＞
脱脂工程の初期段階においては、蓄熱部２４が低温である。よって、この段階では、蓄熱部２４の有する熱によっては、排気ガス中の可燃成分を燃焼させることが困難である。

そこで、この初期段階においては、補助燃料噴射バルブ２３ａが開かれる。これにより、補助バーナ２３から燃料が噴射され、燃料及び可燃成分が、蓄熱部２４よりも上流側にて燃焼する。この燃焼による熱によって、蓄熱部２４が急速に補助加熱される。

上述の初期段階を過ぎて、排気ガスそれ自体に保有される熱と、補助バーナ２３における燃料噴射による燃焼熱と、により、蓄熱部２４が充分に加熱されると、補助燃料噴射バルブ２３ａが閉じられて、補助バーナ２３における燃料噴射が停止する。

この段階においては、補助バーナ２３を作動させなくても、蓄熱部２４の有する熱によって、排気ガス中の可燃成分を自発的に燃焼させることができる。そして、かかる可燃成分の燃焼によって生じる熱によって、蓄熱部２４が効率的に加熱される。すなわち、この段階においては、蓄熱部２４が可燃成分処理部としても機能するとともに、この可燃成分処理によって生じた熱によって、蓄熱部２４における蓄熱がさらに効率的に行われる。

＜＜排気動作側蓄熱式バーナの動作：焼成工程＞＞
焼成工程においては、ハロゲンガスや窒素酸化物が発生することがある。このような場合、排気ガス中に含まれたハロゲンガスや窒素酸化物は、脱硝部２６及び脱ハロゲン部２７によって、除去処理される。

また、焼成対象によっては、酸素濃度が低く一酸化炭素濃度が高い還元炎で焼成が行われることがある。このような場合、排気ガス中には、一酸化炭素やススが比較的多く含まれる。そこで、これらを酸化（燃焼）処理するために、空気導入バルブ２５ａが開かれる。これにより、酸素が豊富に含まれた外気が蓄熱部２４内に導入され、当該蓄熱部２４内にてスス等の酸化処理が行われる。

ここで、焼成工程の初期段階において、蓄熱部２４が低温であることがある。このような場合、上述と同様に、補助燃料噴射バルブ２３ａが開かれる。これにより、蓄熱部２４が急速に補助加熱される。

その後、蓄熱部２４が充分に加熱されると、補助燃料噴射バルブ２３ａが閉じられて補助バーナ２３における燃料噴射が停止する。この段階においては、補助バーナ２３を作動させなくても、蓄熱部２４の有する熱によって、排気ガス中の一酸化炭素やススを良好に酸化処理することができる。そして、かかる酸化処理によって生じる熱によって、蓄熱部２４における蓄熱がさらに効率的に行われる。

＜実施形態の構成による効果＞
本実施形態においては、排気ガス中に含まれる有害成分（窒素酸化物やハロゲンガス）や可燃成分（バインダーの熱分解成分、スス、一酸化炭素、等。）が、蓄熱式バーナ２の内部で良好に処理される。したがって、これらの成分を良好に処理するための装置スペースの増大や装置コストの上昇が、可及的に抑制され得る。

また、本実施形態においては、排気ガス中に含まれる可燃成分が蓄熱部２４内にて燃焼処理されることで、従来は廃棄されていた当該成分の処理時の発生熱量が、蓄熱部２４によって良好に回収される。したがって、システムＳにおける熱効率が、従来よりも飛躍的に向上する。

さらに、本実施形態においては、蓄熱部２４が低温である工程初期段階にて、補助バーナ２３により、蓄熱部２４が補助的に加熱される。これにより、蓄熱部２４における蓄熱及び可燃成分の酸化（燃焼）処理が、効率的かつ良好に行われ得る。

以上のように、本実施形態によれば、排気ガス中に含まれる様々な成分が、より効率よく処理され得る。

＜変形例の例示列挙＞
なお、上述の各実施形態は、出願人が取り敢えず本願の出願時点において最良であると考えた、本発明の代表的な具現化の形態が単に例示的に記述されているものにすぎない。よって、本発明は、もとより、上述の各実施形態の個々にて開示された具体的な構成・態様に何ら限定されるものではない。したがって、上述の実施形態に対しては、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、種々の変形が施され得ることは当然である。

以下、変形例について、幾つか例示する。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。例えば、複数の実施形態や変形例が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得ることは、いうまでもない。

本発明（特に、本発明の課題を解決するための手段を構成する各構成要素における、作用的・機能的に表現されているもの）は、上述の実施形態や、下記の変形例の記載に基づいて、限定解釈されてはならない。このような限定解釈は、（先願主義の下で出願を急ぐ）出願人の利益を不当に害する反面、模倣者を不当に利するものであって、発明の保護及び利用を目的とする特許法の目的に反し、許されない。

（１）本発明の適用対象は、セラミックスの脱脂及び焼成用の工業炉システムに限定されない。すなわち、本発明は、蓄熱式バーナを備えた任意の工業炉に対して、良好に適用可能である。

（２）メインバーナ２２等に用いられる燃料としては、この種の蓄熱式バーナに適用可能な任意のものが利用可能である。すなわち、例えば、ＬＮＧの他に、メタンやＬＰＧ（液化石油ガス：Liquefied petroleum gas）等の気体燃料が、好適に用いられ得る。

（３）メインバーナ２２は、炉体１内に燃料を直接噴射し得るように、炉壁１０に設けられていてもよい。

あるいは、図３に示されているように、メインバーナ２２に加えて、炉壁１０に追加バーナ２８が設けられていてもよい。炉内温度が燃料の自着火温度以上になったときに、この追加バーナ２８から燃料を噴射することで、炉内にて緩慢燃焼が生じる。これにより、窒素酸化物の発生を抑制することができる。

また、図４に示されているように、予混合ノズル２９が、蓄熱部２４よりも燃焼用空気の流動方向における上流側（排気ガスの流動方向における下流側）、すなわち、蓄熱部２４と脱硝部２６との間の位置に設けられていてもよい。この予混合ノズル２９は、蓄熱部２４よりも燃焼用空気の流動方向における上流側にて、燃焼用空気に燃料を供給するようになっている。

かかる構成においては、蓄熱部２４内の少なくとも一部が燃料の自着火温度以上になったときに、予混合ノズル２９から燃料を噴射することで、窒素酸化物の発生を抑制しつつ良好な焼成を行うことが可能になる。

（４）蓄熱部２４の材質や構造も、上述の実施形態のものに特に限定されない。

例えば、蓄熱部２４は、アルミナ等のセラミックスや金属のハニカム構造体として構成され得る。あるいは、例えば、蓄熱部２４は、アルミナ等のセラミックスや金属の粒状体（ボール等）集合体として構成され得る。

蓄熱部２４には、スス捕集機能に代えて、あるいはこれとともに、脱硝機能が付与され得る。すなわち、例えば、ハニカム構造体として構成された蓄熱部２４の本体に、脱硝触媒が担持され得る。この場合、図２等における脱硝部２６は省略され得る。

同様に、蓄熱部２４には、脱ハロゲン機能が付与され得る。この場合、図２等における脱ハロゲン部２７は省略され得る。

（５）図５に示されているように、本発明の補助加熱部としての外部補助加熱部５０が、蓄熱部２４に対応する位置に設けられていてもよい。この場合、補助バーナ２３は省略され得る。

外部補助加熱部５０としては、例えば、電熱ヒータや、マイクロ波加熱手段、等が用いられ得る。外部補助加熱部５０としてマイクロ波加熱手段が用いられる場合、蓄熱部２４が、誘電正接の大きなＳｉＣからなることが好適である。これにより、蓄熱部２４における蓄熱部分（筐体を除いた、蓄熱機能を実質的に奏する部分。）が、選択的に加熱される。

（６）脱ハロゲン部２７の構成も、上述の実施形態のものに何ら限定されない。例えば、炭酸カルシウムペレットに代えて、炭酸カルシウム粉末やその他の脱ハロゲン触媒が適用可能である。

（７）その他、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されているものは、上述の実施形態・実施例や変形例にて開示されている具体的構造の他、当該作用・機能を実現可能な、いかなる構造をも含む。

本発明の一実施形態が適用された工業炉システムの全体構成の概略を示す図である。 図１に示されている一対の蓄熱式バーナのうちの一方（図１における右方）の周囲を拡大した断面図である。 図２に示されている蓄熱式バーナの一つの変形例を示す断面図である。 図２に示されている蓄熱式バーナの他の変形例を示す断面図である。 図２に示されている蓄熱式バーナのさらに他の変形例を示す断面図である。

符号の説明

Ｓ…工業炉システム
１…炉体 １０…炉壁 １０ａ…吸排気口
２…蓄熱式バーナ ２１…バーナタイル ２１ａ…ガス通路
２２…メインバーナ ２２ａ…メイン燃料噴射バルブ
２３…補助バーナ ２３ａ…補助燃料噴射バルブ
２４…蓄熱部 ２５…空気導入部 ２５ａ…空気導入バルブ
２６…脱硝部 ２７…脱ハロゲン部
２８…追加バーナ ２９…予混合ノズル
３…燃料供給経路 ４…吸排気経路 ５０…外部補助加熱部

Claims (1)

1. 排気ガスが導入されたときに当該排気ガスからの熱回収により蓄熱するとともに、排気ガスに代えて燃焼用空気が導入されたときに当該燃焼用空気への放熱により当該燃焼用空気を予熱するように構成された、蓄熱部と、
   前記蓄熱部を補助的に加熱するように設けられた、補助加熱部と、
   を備え、
   前記補助加熱部は、
   排気ガス中の可燃成分を燃焼させるために、排気ガスの流動方向に沿って燃料を噴射するように構成及び配置された補助バーナを備えた、蓄熱式バーナであって、
   前記蓄熱部よりも排気ガスの流動方向における下流側に配置されていて、当該排気ガス中の窒素酸化物を除去処理するように構成された脱硝部と、
   前記蓄熱部よりも排気ガスの流動方向における下流側に配置されていて、当該排気ガス中のハロゲン成分を除去処理するように構成された脱ハロゲン部と、
   をさらに備えたことを特徴とする蓄熱式バーナ。
   

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