JP6050663B2 - 排ガス燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機成分を含んだ排ガスを燃焼させて焼却処理を行うための排ガス燃焼装置に関する。

有機溶剤ガス等の有機成分を含んだ排ガスは、そのままでは大気に放出することはできないため、通常、燃焼させることで有機成分を除去する処理が行われる。
有機成分を含んだ排ガスを燃焼させる処理に用いられる排ガス燃焼装置は、その燃焼室内に排ガスとともに、燃焼促進用の空気を導入し、排ガスを燃焼させ、排ガスに含まれる有機成分を熱分解によって除去する（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１８９４１１号公報

近年、ＣＯ_２発生の抑制や、省エネルギー等、環境負荷の低減や資源保護に対する要請が高まっており、上記排ガス燃焼装置のような加熱装置は、燃焼ガスや電気を熱源として燃焼室を高温に加熱するため、環境や資源に対する配慮が特に重要であり、よりエネルギー効率を高めるための技術が要求されている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、よりエネルギー効率を高めることができる排ガス燃焼装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、有機成分を含んだ排ガスを燃焼させる排ガス燃焼装置であって、一端側に前記排ガスが導入される導入口を有するとともに、他端側に前記排ガスが加熱燃焼されることで生じる燃焼排気ガスを排気するための排気口を有する燃焼室と、前記排気口に設けられ、前記燃焼排気ガスから排熱を回収することで、外部から供給される燃焼促進用空気を加熱する熱交換器と、前記熱交換器により加熱された前記燃焼促進用空気を、前記熱交換器から前記燃焼室の前記導入口側に導いて前記燃焼室内に導入する導入路と、を備え、前記導入路が、前記燃焼室の他端側から一端側に向けて前記燃焼室内を通過して設けられ、前記熱交換器は、前記排気口内に配置されているとともに、前記燃焼促進用空気を通過させて加熱するための加熱経路が螺旋状に形成された螺旋状部を備え、前記排気口は、前記燃焼室の内外に連通する筒状空間を有し、前記熱交換器の螺旋状部は、円筒状に形成され、前記燃焼室の外側から前記筒状空間に挿入されていることを特徴としている。

上記のように構成された排ガス燃焼装置によれば、燃焼排気ガスから排熱を回収することで、外部から供給されて排ガスに混合される燃焼促進用空気を加熱する熱交換器を備えているので、加熱された燃焼促進用空気を排ガスに混合して燃焼室に導入することができる。
この結果、燃焼促進用空気を常温で燃焼室に導入する場合と比較して、燃焼促進用空気を導入することにより生じる燃焼室内の温度の低下を抑制し、効率よく短時間で排ガスを燃焼させることができる。さらに、熱交換器により加熱された燃焼促進用空気を燃焼室の導入口側に導いて燃焼室内に導入する導入路が燃焼室内を通過して設けられているので、熱交換器により加熱された燃焼促進用空気の温度を低下させることなく、導入口側に導くことができる。この結果、燃焼室内の温度の低下をより抑制することができ、より効率よく短時間で排ガスを燃焼させることができる。
以上のように、本発明によれば、排熱を回収して効率よく排ガスを燃焼させることができるので、よりエネルギー効率を高めることができる。
また、前記熱交換器が、前記排気口内に配置されているとともに、前記燃焼促進用空気を通過させて加熱するための加熱経路が螺旋状に形成された螺旋状部を備えているので、熱交換器は、螺旋状部を備えることで、燃焼排気ガスと接触する表面積を増やすことができ、効率的に排熱の回収を行うことができる。
また、前記排気口が、前記燃焼室の内外に連通する筒状空間を有し、前記熱交換器の螺旋状部が、円筒状に形成され、前記燃焼室の外側から前記筒状空間に挿入されているので、螺旋状部を筒状空間に挿入することで、熱交換器を容易に排気口に設けることができる。

上記排ガス燃焼装置において、前記導入路には、前記燃焼室内の熱を収集して前記燃焼促進用空気をさらに加熱する集熱手段が設けられていてもよく、この場合、導入路を通過する燃焼促進用空気の温度を効果的に維持することができる。

本発明の排ガス燃焼装置によれば、よりエネルギー効率を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る排ガス燃焼装置の断面図である。 熱交換器の外観図である。 （ａ）は、熱交換器の他の例を示す外観図であり、図３（ｂ）は、（ａ）中、Ｂ−Ｂ線矢視断面図である。 集熱手段を設けた空気導入管の一部分を示した外観図である。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る排ガス燃焼装置の断面図である。
図１において、排ガス燃焼装置１は、焼結部品等の脱バインダ処理等の熱処理によって生じる、有機溶剤ガス等の有機成分を含んだ排ガスを処理するための装置である。排ガス燃焼装置１は、このような有機成分を含んだ排ガスを燃焼させて、排ガスに含まれる有機成分を分解する。これによって、できるだけ前記排ガスが無害となるように処理する。

排ガス燃焼装置１は、加熱炉部２と、架台３とを備えている。架台３は、加熱炉部２を支持しており、内部には、後述するバインダ回収箱１３や、加熱炉部２に有機成分を含んだ排ガスを供給するための供給管１４等が収容されている。

加熱炉部２は、円筒状のマッフル４と、マッフル４の外側を覆うケース５とを備えている。
ケース５は、鋼板等を用いて形成された箱体であり、ケース５内側の上下面及び内側面には、耐火レンガやセラミックファイバ等の断熱材で形成された炉壁６（上面壁６ａ、下面壁６ｂ、側面壁６ｃ）が設けられている。側面壁６ｃは、断熱材と、この断熱材に一体に組み込まれた加熱用ヒータコイルとを含んで構成されている。この加熱用ヒータコイルは、マッフル４及びその内部を加熱するための熱源である。加熱用ヒータコイルは、図示しない制御部によって、マッフル４等が所定の設定温度となるように制御される。

マッフル４は、内部に燃焼室８が設けられた中空の部材であり、ＳＵＳ３１０Ｓ等の耐熱合金を用いて形成されている。円筒状のマッフル４は、その軸方向が鉛直方向に沿うようにケース５内に設置されている。
マッフル４の燃焼室８内は、前記加熱用ヒータコイルによって、８００〜９００度に昇温される。昇温された燃焼室８内には、上述の排ガスに加え、燃焼促進用空気が導入される。
燃焼室８内に導入された排ガスは、燃焼促進用空気と混合されて加熱されることで燃焼し、当該排ガスに含まれる有機成分が分解される。

マッフル４は、排ガスを燃焼室８内に導入するための導入管１０と、排ガスが加熱燃焼されることで生じる燃焼排気ガスを排気するための排気管１１とをさらに備えている。
導入管１０は、円筒状の部材であり、マッフル４の軸方向一端側の下側端面４ａからマッフル４の軸心に沿って下方向に突設されている。
導入管１０は、下面壁６ｂ及び架台３の上面を貫通して設けられている貫通孔１２に挿通されている。導入管１０の先端部には、架台３に収容されているバインダ回収箱１３に接続されている。また、導入管１０の側面側には、外部から有機成分を含んだ排ガスを供給するための供給管１４が接続されている。
導入管１０は、マッフル４内部の燃焼室８とバインダ回収箱１３との間、及び燃焼室８の一端側と供給管１４との間をそれぞれ連通している。

バインダ回収箱１３は、燃焼室８内で排ガスが燃焼しきれずに液化したバインダ等の廃液や、残滓を回収するための箱である。これら廃液や残滓は下方向に落下する。バインダ回収箱１３は、下方向に落下する廃液や残滓を、導入管１０を通じて受け止め回収する。

供給管１４は、一端が前記導入管１０に接続されるとともに、他端が排ガスを供給するための排ガス供給手段等に接続されている。排ガス供給手段は、所定の流量又は圧力によって排ガスを供給する。
排ガス供給手段が供給する排ガスは、供給管１４を通じて導入管１０に導入され、さらに導入管１０を通じて、マッフル４内部の燃焼室８内に導入される。燃焼室８内に供給される排ガスの流量は、排ガス供給手段、又は燃焼室８までの排ガスの経路に設けられた流量調整器（図示せず）によって設定される。
なお、燃焼促進用空気は、後述する空気導入管３０によって燃焼室８内に導入される。

燃焼室８は、複数の仕切板８ａによって、マッフル４の軸方向に沿って複数の空間に区画されている。仕切板８ａには通気孔８ｂが設けられており、この通気孔８ｂを介して互いに隣接する空間同士を連通している。通気孔８ｂは、隣接する仕切板８ａ同士の間で異なる位置に形成されており、燃焼室８内の一端側から他端側に至るまでに、各空間を蛇行しながら当該燃焼室８内を通過するような経路を構成している。

燃焼室８は、内部に導入される排ガスが上記各空間を通過しながら燃焼して燃焼室８内で燃焼を終えるように、その経路長や、室内温度等が設定されている。
燃焼室８内で燃焼を終えた排ガスは、燃焼排気ガスとなって、燃焼室８の他端側に到達する。

燃焼室８の他端側には、排気管１１が設けられている。排気管１１は、マッフル４の軸方向他端側の上側端面４ｂからマッフル４の軸心に沿って上方向に突設されている。
排気管１１は、上面壁６ａ及びケース５上面を貫通して設けられている貫通孔に挿通されている。排気管１１の先端部は、ケース５の上面から突出しており、マッフル４内部の燃焼室８と外部との間を連通している。
よって、燃焼室８内で生じる燃焼排気ガスは、燃焼室８の他端側に到達すると、排気管１１から外部に向けて排気される。

排気管１１は、マッフル４側の基端部から先端部に亘って、燃焼室８と外部との間を連通している筒状空間１５を有している。
筒状空間１５には、熱交換器２０が配置されている。この熱交換器２０は、排気管１１から排気される燃焼排気ガスから排熱を回収し、燃焼室８内に供給される燃焼促進用空気を加熱するための機能を有している。

熱交換器２０は、燃焼促進用空気が供給される空気供給部２１と、筒状空間１５に挿入された加熱部２２と、加熱された燃焼促進用空気を取り出すための取出部２３とを備えている。
図２は、熱交換器２０の外観図である。熱交換器２０は、内部を燃焼促進用空気が通過する加熱経路としてのステンレス鋼製のパイプ２５を用いて形成されており、空気供給部２１から、加熱部２２、取出部２３に亘って連通されている。
加熱部２２は、パイプ２５を螺旋状に形成することで、外観形状が円筒状となるように形成された螺旋状部２６を有している。

螺旋状部２６の内側には、空気供給部２１を基端として下方向に直線状に延びる直線部２７が配置されている。直線部２７の下端は、螺旋状部２６の下端に繋がっており、空気供給部２１を通じて供給される燃焼促進用空気が、螺旋状部２６に導かれる。
螺旋状部２６を通過した燃焼促進用空気は、螺旋状部２６の上端に繋がっている取出部２３から取り出される。

熱交換器２０は、外観形状が円筒状に形成された加熱部２２が排気管１１の筒状空間１５に挿入されて設置されている。筒状空間１５に挿入された加熱部２２は、燃焼排気ガスによって加熱され、パイプ２５内を通過する燃焼促進用空気を加熱する。
ここで、熱交換器２０の加熱部２２は、パイプ２５が螺旋状に形成された螺旋状部２６を備えているので、燃焼排気ガスと接触する表面積を増やすことができる。この結果、効率的に排熱の回収を行うことができる。

また、熱交換器２０の加熱部２２は、螺旋状部２６によって外観形状が円筒状に形成されており、燃焼室８の外側から筒状空間１５に挿入することで、熱交換器２０を容易に排気管１１に設けることができる。
よって、既存の排ガス燃焼装置１等に対しても、大がかりな設計変更や改造を行うことなく、熱交換器２０を設置することができる。

図１に戻って、熱交換器２０の取出部２３は、加熱した燃焼促進用空気を燃焼室８内に導くための空気導入管３０に接続されている。
空気導入管３０は、ケース５の上面側から下方向に向けて直線状に延ばされ、マッフル４内部の燃焼室８に挿入されている。空気導入管３０の先端部３０ａは開口しており、取出部２３と、燃焼室８とを連通する。よって、熱交換器２０を通過して加熱された燃焼促進用空気は、空気導入管３０を通じて、先端部３０ａから燃焼室８内に導入される。

空気導入管３０は、燃焼室８の他端側から一端側に向けて燃焼室８内を通過している。
空気導入管３０の先端部３０ａは、図に示すように、燃焼室８内の最下方であって一端側に位置する空間に開口している。よって、空気導入管３０は、加熱された燃焼促進用空気を、熱交換器２０から燃焼室８内の導入管１０側に導いて、燃焼室８内に導入する。
燃焼室８内の導入管１０側（一端側）では、導入管１０から導入される排ガスと、空気導入管３０から導入される燃焼促進用空気とが混合され、燃焼に供される。

上記のように構成された排ガス燃焼装置１によれば、燃焼排気ガスから排熱を回収することで、外部から供給されて排ガスに混合される燃焼促進用空気を加熱する熱交換器２０を備えているので、加熱された燃焼促進用空気を排ガスに混合して燃焼室８内に導入することができる。
この結果、燃焼促進用空気を常温で燃焼室に導入する場合と比較して、燃焼促進用空気を導入することにより生じる燃焼室内の温度の低下を抑制し、効率よく短時間で排ガスを燃焼させることができる。さらに、熱交換器２０により加熱された燃焼促進用空気を燃焼室８の導入管１０側に導いて燃焼室８内に導入する空気導入管３０が燃焼室８内を通過して設けられているので、熱交換器２０により加熱された燃焼促進用空気の温度を低下させることなく、導入管１０側に導くことができる。この結果、燃焼室８内の温度の低下をより抑制することができ、より効率よく短時間で排ガスを燃焼させることができる。
以上のように、本実施形態によれば、排熱を回収して効率よく排ガスを燃焼させることができるので、よりエネルギー効率を高めることができる。

また、本実施形態では、エネルギー効率を高めることができるので、従来の排ガス燃焼装置に比べ、加熱ヒータの容量を低減することができ、消費電力を削減することができる。

次に、本実施形態による排ガス燃焼装置１の効果を検証するために本発明者が行った試験の結果について説明する。
検証試験に用いた装置としては、実施例品として、上記実施形態にて示した排ガス燃焼装置１を用いた。また、比較例品として、常温の燃焼促進用空気を排ガスとともに導入管１０から導入する従来構成の排ガス燃焼装置（比較例品１）、及び排気管１１に上記実施形態にて示した熱交換器２０を備え、加熱した燃焼促進用空気を燃焼室８内に導く空気導入管が燃焼室の外側に設けられている構成の排ガス燃焼装置（比較例品２）を用いた。
試験条件としては、炉内温度８００度、排ガス導入量１００Ｌ／ｍｉｎに設定した。この試験条件下で各装置を運転したときの消費電力を測定し、その測定結果をそれぞれ比較した。

上記検証試験の結果、比較例品２では、比較例品１に対して、消費電力が１８．２％削減された。
さらに、実施例品では、比較例品１に対して、消費電力が２５．６％削減された。

この結果から、熱交換器２０によって燃焼促進用空気を加熱し、その後、燃焼室の外側に設けられた空気導入管を通じて燃焼室内に燃焼促進用空気を導入したとしても、燃焼促進用空気を加熱したことによって、消費電力が削減され、エネルギー効率が高められていることが判る。
なお、比較例品２では、燃焼室内に導入される直前の加熱された燃焼促進用空気の温度は、約３８５度であった。

また、実施例品では、燃焼室内を通過するように設けられた空気導入管による燃焼促進用空気の温度低下の抑制効果によって、さらに消費電力が削減され、さらにエネルギー効率が高められることが確認できた。
なお、実施例品では、熱交換器から取り出された直後であって、空気導入管に導入される前における燃焼促進用空気の温度は、約４３０度であった。従って、このまま、空気導入管を通過することで、８００度に設定された燃焼室内を通過する燃焼促進用空気は、さらに加熱されるため、燃焼室内に導入されるときには、より高温となっていると思われる。つまり、実施例品では、比較例品２と比べて、燃焼促進用空気の温度低下をより抑制できることが確認できる。

以上のように、上記検証試験によれば、本実施形態の排ガス燃焼装置が、常温又は温度の比較的低い燃焼促進用空気を導入する場合と比較して、よりエネルギー効率を高めることができることを確認することができた。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、
熱交換器２０の加熱部２２が、パイプ２５を螺旋状に形成した螺旋状部２６を有する構成を例示したが、例えば、集熱フィンを設け、燃焼排気ガスと接触する表面積を増やすように構成してもよい。
図３（ａ）は、熱交換器の他の例を示す外観図であり、図３（ｂ）は、（ａ）中、Ｂ−Ｂ線矢視断面図である。熱交換器２０の加熱部２２は、例えば図３に示すように、直線状のパイプ２５の外周面に、パイプ２５の長手方向に沿って延びる複数（図例では６つ）の集熱フィン４０を設けてもよい。この場合も燃焼排気ガスと接触する表面積を増やすことができ、効率的に排熱の回収を行うことができる。

また、上記実施形態では、空気導入管３０を直線状に延ばした場合を例示したが、燃焼室８内でより積極的に加熱を促進するために、空気導入管３０に燃焼室８内の熱を収集して燃焼促進用空気をさらに加熱するための集熱手段を設けてもよい。

上記集熱手段としては、例えば、図４（ａ）に示すように、空気導入管３０の外側面に集熱フィン３１を多数設けることができる。この場合、集熱フィン３１によって空気導入管３０の実質的な表面積を増加させ、燃焼促進用空気の加熱を促進することができる。
また、図４（ｂ）に示すように、燃焼室８内で蛇行させた蛇行部３２を設けることもできる。蛇行部３２を設けることで、空気導入管３０の燃焼室８内における表面積を増加させることができ、燃焼促進用空気の加熱を促進することができる。

１ 排ガス燃焼装置 ８ 燃焼室 １０ 導入管（導入口）
１１ 排気管（排気口） １５ 筒状空間 ２０ 熱交換器
２６ 螺旋状部 ３０ 空気導入管（導入路）
３１ 集熱フィン（集熱手段） ３２ 蛇行部（集熱手段）

Claims (2)

1. 有機成分を含んだ排ガスを燃焼させる排ガス燃焼装置であって、
   一端側に前記排ガスが導入される導入口を有するとともに、他端側に前記排ガスが加熱燃焼されることで生じる燃焼排気ガスを排気するための排気口を有する燃焼室と、
   前記排気口に設けられ、前記燃焼排気ガスから排熱を回収することで、外部から供給される燃焼促進用空気を加熱する熱交換器と、
   前記熱交換器により加熱された前記燃焼促進用空気を、前記熱交換器から前記燃焼室の前記導入口側に導いて前記燃焼室内に導入する導入路と、を備え、
   前記導入路が、前記燃焼室の他端側から一端側に向けて前記燃焼室内を通過して設けられ、
   前記熱交換器は、前記排気口内に配置されているとともに、前記燃焼促進用空気を通過させて加熱するための加熱経路が螺旋状に形成された螺旋状部を備え、
   前記排気口は、前記燃焼室の内外に連通する筒状空間を有し、
   前記熱交換器の螺旋状部は、円筒状に形成され、前記燃焼室の外側から前記筒状空間に挿入されていることを特徴とする排ガス燃焼装置。
2. 前記導入路には、前記燃焼室内の熱を収集して前記燃焼促進用空気をさらに加熱する集熱手段が設けられている請求項１に記載の排ガス燃焼装置。

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