JP5554259B2

JP5554259B2 - レキュペレータ

Info

Publication number: JP5554259B2
Application number: JP2011025819A
Authority: JP
Inventors: 佳史阪本
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2031-02-09
Also published as: CN102636037A; KR20150127764A; JP2012163303A; CN102636037B

Description

本発明は、燃焼排ガスの循環作用を十分に確保することが可能であると同時に、高い熱交換効率も確保することが可能で、かつダウンサイジングが可能なレキュペレータに関する。

従来、工業用炉に使用されるラジアントチューブでは、排ガスの熱を利用して燃焼空気を予熱するレキュペレータが備えられている。また、排ガスの一部を燃焼空気に混合して再燃焼することにより、排出されるＮＯｘ量を低減する技術も知られている。

例えば、特許文献１の「レキュペレータ」は、レキュペレータとバーナとの間の連絡管を単に燃焼空気用の連絡管に留まることなく、レキュペレータとバーナとの間の距離を利用して、レキュペレータから出た燃焼空気により、排ガスを循環することができるように、レキュペレータを改良するもので、バーナとレキュペレータとが対に配置されたラジアントチューブ式の加熱装置用のレキュペレータにおいて、レキュペレータの一部を、燃焼空気を噴射するノズルと、ノズルの外周をノズルの直径よりも大きい直径の管で取り囲み、該管の直径をノズルの先端から離れるに従って次第に減少させて成る混合管とから成るエジェクタとして構成し、それによってエジェクタを流動する燃焼空気の流動エネルギーによりエジェクタを介して排ガスの一部を吸引・循環させて、燃焼空気に混合するように構成している。

特開２０００−１４６１１８号公報

排ガスをバーナへ循環させるには、圧力の低い排気側へ流れていく排ガスを、圧力が高いバーナ側へ引き込まなければならない。特許文献１では、レキュペレータを経過した熱交換後の排ガスを、燃焼空気を噴射するエジェクタの作用で、当該燃焼空気と共にバーナ側へ送り込むようにしている。

レキュペレータで高い熱交換効率を確保する場合には、ラジアントチューブとレキュペレータとの間の隙間を小さくして排ガスの排気流路を狭め、これにより排ガスの流速を高めることが有効である。

しかしながら、排気流路を狭めるとそれに伴って圧損が大きくなり、レキュペレータを経過した熱交換後の排ガスの動圧と、圧力が高いバーナ側とで圧力差が大きくなり過ぎ、エジェクタによっても排ガスを十分にバーナ側へ吸引することができなくなってしまう。結局、レキュペレータで排ガスの排熱を利用する熱交換を確保し、エジェクタで排ガスを燃焼空気に混合してＮＯｘを低減する場合、排ガスの循環のために、排熱利用に限界があるという課題があった。

レキュペレータを長くすれば、熱交換効率を高めることができるが、レキュペレータを長く設定することは、同様な圧損の問題があると共に、排気流路が長大化し、ラジアントチューブが大型化してしまうという課題があった。

本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、燃焼排ガスの循環作用を十分に確保することが可能であると同時に、高い熱交換効率も確保することが可能で、かつダウンサイジングが可能なレキュペレータを提供することを目的とする。

本発明にかかるレキュペレータは、バーナで生成された燃焼排ガスを排出する排気管内で、当該燃焼排ガスと熱交換することにより、該バーナへ供給する燃焼空気を加熱するレキュペレータであって、上記排気管内に管軸方向に沿って設けられ、該排気管内を流通する燃焼排ガスに対し、燃焼空気源から供給される燃焼空気を対向して流通させる外管及び該外管内に管軸方向に沿って設けられると共に該外管から燃焼空気が流入する開口部が形成され、上記バーナへ燃焼空気を供給する内管により、二重管構造で構成されたレキュペレータ本体と、上記外管に形成され、上記開口部を介して上記内管内と上記排気管内とを連通して、該排気管内を該外管に向かって流通する燃焼排ガスの一部を該内管内に取り入れるための連通管と、該連通管と上記内管との間に設けられ、燃焼排ガスを該内管内に吸引するために、上記外管から該内管へ流入する燃焼空気の流速を増速するエジェクタとを備え、前記内管には、前記連通管から取り入れる燃焼排ガスの流量を調整する調整弁が設けられ、前記内管に連結されて燃焼排ガスを含む燃焼空気を前記バーナへ供給する接続管にはそれぞれ、シール部材が設けられ、前記調整弁が、該シール部材を介して、該内管を貫通してその外方から内方へ設けられる連結棒と、該連結棒に設けられ、前記連通管の開度を調節する弁体とを備えたことを特徴とする。

前記連結棒は、前記外管に接続されて燃焼空気を圧送する燃焼空気圧送管に設けられたシール部材を介して、該内管を貫通してその外方から内方へ設けられることを特徴とする。

本発明にかかるレキュペレータにあっては、燃焼排ガスの循環作用を十分に確保することができると同時に、高い熱交換効率も確保することができ、かつダウンサイジングすることができる。

本発明にかかるレキュペレータの第１実施形態を示す一部断面概略構成図である。本発明にかかるレキュペレータの第２実施形態を示す一部断面概略構成図である。本発明にかかるレキュペレータの第３実施形態を示す一部断面概略構成図である。本発明にかかるレキュペレータの第４実施形態を示す一部断面概略構成図である。

以下に、本発明にかかるレキュペレータの好適な実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態にかかるレキュペレータ７は基本的には、図１に示すように、バーナ６で生成された燃焼排ガスＧを排出する排気管部４内で、当該燃焼排ガスＧと熱交換することにより、バーナ６へ供給する燃焼空気Ａを加熱するレキュペレータ７であって、排気管部４内に管軸方向に沿って設けられ、排気管部４内を流通する燃焼排ガスＧに対し、燃焼空気源であるブロア１１から供給される燃焼空気Ａを対向して流通させる外管９及び外管９内に管軸方向に沿って設けられると共に外管９から燃焼空気Ａが流入する開口部１４が形成され、バーナ６へ燃焼空気Ａを供給する内管１０により、二重管構造で構成されたレキュペレータ本体５０と、外管９に形成され、開口部１４を介して内管１０内と排気管４内とを連通して、排気管４内を外管９に向かって流通する燃焼排ガスＧの一部を内管１０内に取り入れるための連通管１６と、連通管１６と内管１０との間に設けられ、燃焼排ガスＧを内管１０内に吸引するために、外管９から内管１０へ流入する燃焼空気Ａの流速を増速するエジェクタ１７とを備えて構成される。

図１では、本実施形態にかかるレキュペレータ７がラジアントチューブ１内に内蔵されている。ラジアントチューブ１は従来周知のように、おおよそＵ字状やＷ字状の外形形態で構成される。ラジアントチューブ１は、始端から終端に向けて順次、燃焼領域である燃焼管部２、放熱領域であるヒータ管部３及び排気経路である排気管部４を一連に備えている。ヒータ管部３は、炉壁２１から突出されて、炉５１内に配置される。炉壁２１を隔てて炉５１外に位置するラジアントチューブ１の終端には、排気管部４に連通させて排気ポート５が形成されている。

ラジアントチューブ１の始端に位置する燃焼管部２の内部には、供給される燃料と燃焼空気Ａ（図中、実線矢印で示す）による燃焼作用で燃焼排ガスＧ（図中、一点鎖線矢印で示す）を生成するバーナ６が設けられる。バーナ６で生成された燃焼排ガスＧは、燃焼管部２からヒータ管部３へ向かって流れていく。ヒータ管部３は、燃焼管部２から流入する燃焼排ガスＧで加熱されて、ヒータ機能を発揮する。

ヒータ管部３を加熱した燃焼排ガスＧは、ヒータ管部３から排気管部４へ向かって流れていく。排気管部４は、ヒータ管部３から流れ込んだ燃焼排ガスＧを排気ポート５へ向かって流通させ、燃焼排ガスＧは排気ポート５からラジアントチューブ１外方へ排出される。

ラジアントチューブ１の排気管部４の内部には、当該排気管部４の管軸方向に沿って排気ポート５側から挿入する形態で、その先端部７ａをヒータ管部３へ向けて、チューブ形態のレキュペレータ７が設けられる。レキュペレータ７には、バーナ６へ供給するための燃焼空気Ａが導入され、その内部に流通される。

レキュペレータ７は、熱交換作用で、バーナ６へ供給する燃焼空気Ａを、排気管部４内を流通する燃焼排ガスＧで加熱するようになっている。レキュペレータ７はその全体が排気管部４内部に収容され、レキュペレータ７の先端部７ａは、ヒータ管部３から排気管部４へ流入する燃焼排ガスＧの流れと向かい合うように配置される。排気管部４とその内方に位置するレキュペレータ７との間には、燃焼空気Ａと熱交換させつつ、燃焼排ガスＧを排気ポート５へ向かって流通させるために、レキュペレータ７の長さ方向に沿って断面環状の熱交換用流路８が形成される。

レキュペレータ７は、排気管部４の管軸方向に沿って設けられ、熱交換用流路８に面する中空の外管９と、外管９の内部にその管軸方向に沿って設けられる中空の内管１０とから二重管構造で構成されるレキュペレータ本体５０を備える。外管９には、排気ポート５側端部に、ブロア１１から送り込まれる燃焼空気Ａを圧送するための燃焼空気圧送管１２が接続される。内管１０には、排気ポート５側端部に、ラジアントチューブ１の燃焼管部２と接続される接続管１３が連結される。さらに、レキュペレータ７の先端部７ａに位置する内管１０の先端には、外管９と内管１０との接続部となる開口部１４が形成される。

従って、ブロア１１から圧送される燃焼空気Ａは、燃焼空気圧送管１２を介して、排気ポート５側から外管９内に流入し、外管９に流入した燃焼空気Ａは、熱交換用流路８をヒータ管部３から排気ポート５へ向かって流通する燃焼排ガスＧに対し対向流となって、レキュペレータ７の先端部７ａ（外管９の先端）へ向かって流通し、外管９の先端に達した燃焼空気Ａは、開口部１４を介して内管１０内に流入し、内管１０に流入した燃焼空気Ａは、外管９内部を流通する燃焼空気Ａとは逆向きに、レキュペレータ７の先端部７ａから排気ポート５側へ向かって流通して接続管１３に流入し、接続管１３に流入した燃焼空気Ａは、燃焼管部２のバーナ６に供給されるようになっている。

外管９には、内管１０の内径よりも僅かに小さな外径寸法で形成され、開口部１４に挿入されることで当該開口部１４を介して内管１０内と排気管部４内とを連通する連通管１６が形成され、これにより、排気管部４内を外管９に向かって流通する燃焼排ガスＧの一部を内管１０内に取り入れることが可能となっている。

さらに、連通管１６を、開口部１４を介して内管１０内方に挿入して、これにより局部的に内管１０の断面積を狭めるようにした内管１０と連通管１６との間には、燃焼排ガスＧを内管１０内に吸引するために、外管９から内管１０へ流入する燃焼空気Ａの流速を増速するエジェクタ１７が設けられる。このエジェクタ１７によって燃焼排ガスＧが排気管部４から内管１０内に取り込まれて、燃焼空気Ａに混合され、バーナ６へ向かって循環されるようになっている。外管９に形成される連通管１６は例えば、貫通穴周りに立ち上げ部を形成するバーリング加工などによって形成される。

次に、本実施形態にかかるレキュペレータ７の作用について説明する。ブロア１１から燃焼空気圧送管１２を介して圧送された燃焼空気Ａは、まず、レキュペレータ本体５０の外管９を流通することで、排気管部４の熱交換用流路８を排気ポート５へ向かって流通する燃焼排ガスＧで加熱される。燃焼排ガスＧと燃焼空気Ａとが対向流となるので、高効率で燃焼空気Ａを加熱することができる。

加熱されて外管９の先端に達した燃焼空気Ａは、内管１０の開口部１４から内管１０内部へ流入する。この際、開口部１４に挿入された連通管１６と内管１０との間には、エジェクタ１７が設けられているので、燃焼空気Ａの流速が高まり、これによって、排気管部４内の燃焼排ガスＧの一部が連通管１６を介して内管１０内部に吸引され、燃焼空気Ａに混合される。

内管１０を流通する燃焼排ガスＧを含む燃焼空気Ａは、接続管１３を介して、燃焼管部２のバーナ６へ供給される。バーナ６は、燃焼排ガスＧを含む燃焼空気Ａと燃料で燃焼されて、燃焼排ガスＧを生成する。このように燃焼空気Ａへ、燃焼排ガスＧが循環して混合する作用が確保されて、ＮＯｘの低減を図ることができる。

ヒータ管部３は、燃焼管部２から流入する燃焼排ガスＧで加熱されて、ヒータとして機能する。ヒータ管部３を流れた燃焼排ガスＧは排気管部４を流通し、その際、燃焼排ガスＧの一部は、レキュペレータ７にその先端部７ａから吸引され、また残りの燃焼排ガスＧは、熱交換用流路８を流通して燃焼空気Ａを加熱した後、排気ポート５から排出される。

本実施形態にかかるレキュペレータ７にあっては、外管９に形成され、開口部１４を介して内管１０内と排気管部４内とを連通して、排気管部４内を外管９に向かって流通する燃焼排ガスＧの一部を内管１０内に取り入れるための連通管１６と、連通管１６と内管１０との間に設けられ、燃焼排ガスＧを内管１０内に吸引するために、外管９から内管１０へ流入する燃焼空気Ａの流速を増速するエジェクタ１７とを備えたので、レキュペレータ７を通過（経過）した後の熱交換後の燃焼排ガスＧを吸引する構成の特許文献１とは異なり、レキュペレータ７を経過する前（熱交換前）の圧力が高い燃焼排ガスＧを、バーナ６側の圧力に対して小さな圧力差で吸引することができて、良好かつ確実なエジェクタ作用を確保でき、燃焼排ガスＧを十分にバーナ６側へ送り込むことができる。

また、レキュペレータ７を通過する前にエジェクタ作用を確保して燃焼排ガスＧを吸引するようにしたので、レキュペレータ７を通過する燃焼排ガスＧに対しては、熱交換用流路８を十分に狭めることができ、熱交換効率を向上することができて、燃焼空気Ａを十分かつ効果的に加熱することができる。これにより、燃焼排ガスＧが循環して混合する作用によるＮＯｘ低減効果を高めることができると同時に、高い熱交換効率も確保することができる。

また、熱交換効率を高めることができるので、チューブ形態のレキュペレータ７の長さを短くすることができ、それ自体のダウンサイジング、そしてまたラジアントチューブ１のダウンサイジングを促進することができて、低コスト化を実現することができる。

本実施形態にあっては、燃焼排ガスＧと燃焼空気Ａを対向流とすることができるので、さらに熱交換効率を向上することができる。

図２には、第２実施形態にかかるレキュペレータ７の一部断面概略構成図が示されている。第２実施形態では、内管１０には、連通管１６から取り入れる燃焼排ガスＧの流量を調整するために、連通管１６の開口端の開口度合を調節する調節弁１８が設けられる。

図示例にあっては、連通管１６の開口端に面する先端に、例えば円錐状の弁体１８ａを有するニードル弁１８が示されていて、連結棒１８ｂは、ラジアントチューブ１外方から接続管１３及び燃焼空気圧送管１２に設けたシール部材１９を介して、すなわち内管１０を貫通してその外方から内方にわたってスライド自在に設けられている。ニードル弁１８の連結棒１８ｂを、レキュペレータ７外部から押し引きしてスライドすることで、弁体１８ａを連通管１６の開口端から任意に接離させることができ、これにより内管１０内へ流れ込む燃焼排ガスＧの流量をレキュペレータ７外部から連続的に増減調整することができる。

連結棒１８ｂを押し引きする構造としては、シール部材１９をネジ構造とし、ラジアントチューブ１外部の連結棒１８ｂ端部にハンドル２０等を取り付けるようにして、当該ハンドル２０等を回転することによって押し引きするようにすれば、弁体１８ａ位置の微調整やその位置の再現が容易になる。ハンドル２０の代わりに、パルスモータ等を用いた回転駆動機構を設け、これにより弁体１８ａを自動的に駆動するようにしてもよい。

これにより、例えば、燃焼排ガスが流れる配管のフランジに、多種類の口径のオリフィス板を交換自在に取り付けるなどして、燃焼排ガスの燃焼空気への混合量を調整する場合に比べて、配管のフランジを外し、オリフィス板を入れ替え、さらに再度フランジを接続するなどの煩雑な作業を不要とすることができ、配管を分解することなく簡単な操作で外部から燃焼排ガスの燃焼空気への混合量を適正に調節することができる。このような第２実施形態にあっても、上記第１実施形態と同様の作用効果を奏することはもちろんである。

図３には、第３実施形態にかかるレキュペレータ７の装置例が示されている。第３実施形態は、第２実施形態のラジアントチューブ内蔵型のレキュペレータに代えて、炉壁２１に直接燃焼管部２及び排気管部４を配設したレキュペレータ付きのバーナであって、要するにラジアントチューブ１のヒータ管部３を省略した形態となっている。この場合、排気ポート５には、排気用ブロア２２が接続されて、燃焼排ガスＧが排気管部４内に流通されるようになっている。このような第３実施形態であっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することはもちろんである。

図４には、第４実施形態にかかるレキュペレータ７の装置例が示されている。第３実施形態に対し、第４実施形態では、連通管１６を内管１０の管軸方向に沿って延長することで、ニードル弁１８の連結棒１８ｂの長さ寸法を短縮可能としている。連結棒１８ｂを短くすることで、高温によって生じる連結棒１８ｂの曲がりや反りの影響を少なくすることができる。この場合、連通管１６の開口端を、その管径を広げて内管１０に接近させることで、エジェクタ１７を構成することができ、上記実施形態に対し遜色なく、燃焼排ガスＧを内管１０内へ吸引することができる。従って、このような第４実施形態にあっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することはもちろんである。

１ラジアントチューブ
２燃焼管部
３ヒータ管部
４排気管部
５排気ポート
６バーナ
７レキュペレータ
８熱交換用流路
９外管
１０内管
１１ブロア
１２燃焼空気圧送管
１３接続管
１４開口部
１６連通管
１７エジェクタ
１８ニードル弁
１８ａ弁体
１８ｂ連結棒
１９シール部材
２０ハンドル
２１炉壁
２２排気用ブロア
５０レキュペレータ本体
５１炉
Ａ燃焼空気
Ｇ燃焼排ガス

Claims

バーナで生成された燃焼排ガスを排出する排気管内で、当該燃焼排ガスと熱交換することにより、該バーナへ供給する燃焼空気を加熱するレキュペレータであって、
上記排気管内に管軸方向に沿って設けられ、該排気管内を流通する燃焼排ガスに対し、燃焼空気源から供給される燃焼空気を対向して流通させる外管及び該外管内に管軸方向に沿って設けられると共に該外管から燃焼空気が流入する開口部が形成され、上記バーナへ燃焼空気を供給する内管により、二重管構造で構成されたレキュペレータ本体と、
上記外管に形成され、上記開口部を介して上記内管内と上記排気管内とを連通して、該排気管内を該外管に向かって流通する燃焼排ガスの一部を該内管内に取り入れるための連通管と、
該連通管と上記内管との間に設けられ、燃焼排ガスを該内管内に吸引するために、上記外管から該内管へ流入する燃焼空気の流速を増速するエジェクタとを備え、
前記内管には、前記連通管から取り入れる燃焼排ガスの流量を調整する調整弁が設けられ、
前記内管に連結されて燃焼排ガスを含む燃焼空気を前記バーナへ供給する接続管にはシール部材が設けられ、
前記調整弁が、該シール部材を介して、該内管を貫通してその外方から内方へ設けられる連結棒と、該連結棒に設けられ、前記連通管の開度を調節する弁体とを備えたことを特徴とするレキュペレータ。
前記連結棒は、前記外管に接続されて燃焼空気を圧送する燃焼空気圧送管に設けられたシール部材を介して、該内管を貫通してその外方から内方へ設けられることを特徴とする請求項１に記載のレキュペレータ。