JP6277872B2 - 蓄熱式バーナの蓄熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱処理炉などに適用される蓄熱式バーナの蓄熱装置に関する。

熱処理炉等の工業炉では、熱効率の向上を図るために、蓄熱式バーナが用いられる。蓄熱式バーナは、排気時には蓄熱式バーナに設けられた蓄熱装置に炉内の燃焼排気の顕熱を蓄熱させ、また燃焼時には蓄熱装置に蓄熱された熱で燃焼用の空気を加熱する。蓄熱式バーナは、このような炉内の排気と燃焼とを交互に繰り返し行うことにより、熱回収をしながら効率よく加熱することができる。
蓄熱式バーナの蓄熱装置には、ハニカム構造や球状の蓄熱体が充填される。例えば、特許文献１には、体積あたりの表面積が大きく、蓄熱式バーナを小型化できる蓄熱体として、アルミナからなるハニカム構造の蓄熱体が開示されている。また、特許文献２には、熱衝撃に強い蓄熱体として、アルミナ等のセラミックからなる球状の蓄熱体が開示されている。

特開２００２−９８４８８号公報 特開２００８−１１５０２１号公報

しかし、特許文献１に記載のハニカム構造の蓄熱体は、一体の構造であるため、加熱時および冷却時の熱衝撃によって割れ等が入りやすいことが課題であった。また、特許文献２に記載の球状の蓄熱体は、蓄熱体が一体の構造のものに比べ、熱衝撃には強いものの、体積当たりの重量が小さく熱容量が小さいために、排熱の回収量が低いことが課題であった。
そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、熱衝撃に強く、排熱回収量が大きな蓄熱式バーナの蓄熱装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る蓄熱式バーナの蓄熱装置は、径の異なる複数種の球状の蓄熱体を有し、複数種の蓄熱体のうち、最も径の大きい蓄熱体である第１の蓄熱体に対する最も径の小さい蓄熱体である第２の蓄熱体の球径比は、０．６５未満であり、第１の蓄熱体および第２の蓄熱体の合計の数量に対する第２の蓄熱体の数量分率は、６５％以上９５％以下となることを特徴とする。

本発明に係る蓄熱式バーナの蓄熱装置によれば、熱衝撃に強く、排熱回収量が大きな蓄熱式バーナを提供することができる。

本発明の第１の実施形態の蓄熱式バーナを示す概念断面図である。 蓄熱体を示す概念図である。 ２種類の蓄熱体がφ１３ｍｍおよびφ８ｍｍである場合の、φ８ｍｍの蓄熱体の数量分率に対する空隙率を示すグラフである。 ２種類の蓄熱体がφ２０ｍｍおよびφ８ｍｍである場合の、φ８ｍｍの蓄熱体の数量分率に対する空隙率を示すグラフである。 ２種類の蓄熱体がφ１３ｍｍおよびφ５ｍｍである場合の、φ５ｍｍの蓄熱体の数量分率に対する空隙率を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態の蓄熱式バーナを示す概念断面図である。 従来例と実施例とにおける排熱回収量を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
［蓄熱式バーナ］
蓄熱装置の説明に先立ち、図１を参照して本発明の第１の実施形態の蓄熱式バーナ１について説明する。図１に示すように、蓄熱式バーナ１は、燃焼炉２の炉壁の開口部に設けられ、燃焼ガスと空気とを燃焼させることで、燃焼炉２を加熱する装置である。また、蓄熱式バーナ１は、燃焼炉２からの排気を吸引し、排気の顕熱を後述する蓄熱装置に蓄熱する。このような蓄熱式バーナ１は、燃焼炉２に複数設けられる。例えば、蓄熱式バーナ１が燃焼炉２に２台設けられる場合、一方の蓄熱式バーナ１が燃焼動作をしているときには、他方の蓄熱式バーナ１が排気動作を行うなど、互いに燃焼動作および排気動作を異なるタイミングで繰り返し行う。このように、複数設けられた蓄熱式バーナ１は、全体として燃焼炉２を連続して加熱しながらも、排気の顕熱を回収して使用することができるため、燃焼炉２を効率よく加熱することができる。

蓄熱式バーナ１は、本体１１と、蓄熱装置１２と、バーナ１３とを有する。本体１１は、燃焼炉２の開口部に接続される。本体１１には、燃焼炉２の開口部との接続位置に排気吸引口１４ａと、空気の供給路に接続される空気供給口１４ｂとが設けられる。
蓄熱装置１２は、後述する径の異なる２種類の球状の蓄熱体と、蓄熱体が充填される不図示の枠体とからなる。
バーナ１３は、排気吸引口１４ａに向かって本体１１の内部に設けられ、燃焼ガス供給路３から供給される燃焼ガスと空気供給口１４ｂから供給される空気とを燃焼させる燃焼装置である。

上記構成の蓄熱式バーナ１は、燃焼動作の際には、空気供給口１４ｂから供給される空気と、燃焼ガス供給路３から供給される燃焼ガスとを燃焼させることで、燃焼炉２の内部を加熱する。このとき、空気供給口１４ｂから供給された空気は、蓄熱装置１２を通過し、蓄熱体に蓄熱された熱が空気へと放熱されることにより加熱される。一方、排気動作の際には、蓄熱式バーナ１は、排気吸引口１４ａから燃焼炉２内の排気を回収する。回収された排気は、不図示の排気回収装置へと接続が切り替えられた空気供給口１４ｂへと送られ、排気回収装置に回収される。このとき、排気吸引口１４ａから回収された排気が蓄熱装置１２を通過することにより、蓄熱装置１２の蓄熱体には排気の顕熱が蓄熱される。

［蓄熱装置］
次に、図１〜図５を参照して、第１の実施形態に係る蓄熱装置１２について詳細に説明する。蓄熱装置１２は、図２に示すように球状の蓄熱体として、複数の第１の蓄熱体１２１と複数の第２の蓄熱体１２２とを有する。第１の蓄熱体１２１と第２の蓄熱体１２２とは径が異なる。第１および第２の蓄熱体１２１，１２２は、アルミナ、マグネシア、シリカ、ジルコニアおよび炭化珪素のうち少なくとも１種類以上を含むセラミックからなる。また、第１の蓄熱体１２１の径に対する第２の蓄熱体１２２の径の比である球径比は、０．６５未満となる。さらに、第１の蓄熱体１２１および第２の蓄熱体１２２の合計の数量に対する第２の蓄熱体１２２の数量分率は、６５％以上９５％以下となる。なお、第１の蓄熱体１２１および第２の蓄熱体１２２は、均一に混合され、蓄熱装置１２の枠体に充填される。

ここで、第１および第２の蓄熱体１２１，１２２の、球径比および数量分率の上記規定による効果について、図３〜図５を参照して説明する。
図３〜図５は、第１の蓄熱体１２１および第２の蓄熱体１２２の径および数量分率を変化させた場合の空隙率に与える影響を本発明者らが調査した結果である。図３〜図５の横軸は第１の蓄熱体１２１および第２の蓄熱体１２２の合計の数量に対する第２の蓄熱体１２２の数量分率、縦軸は枠体に第１の蓄熱体１２１および第２の蓄熱体１２２した際の空隙率をそれぞれ示す。また、図３では、第１の蓄熱体１２１の径を１３ｍｍとし、第２の蓄熱体１２２の径を８ｍｍとした。図４では、第１の蓄熱体１２１の径を２０ｍｍとし、第２の蓄熱体１２２の径を８ｍｍとした。図５では、第１の蓄熱体１２１の径を１３ｍｍとし、第２の蓄熱体１２２の径を５ｍｍとした。

図３に示すように、第１の蓄熱体１２１に対する第２の蓄熱体１２２の球径比が０．６１である場合、第１の蓄熱体１２１と第２の蓄熱体１２２とを混合させることにより空隙率が低下することを確認した。
また、図４に示すように、第１の蓄熱体１２１に対する第２の蓄熱体１２２の球径比が０．４０である場合、あるいは、図５に示すように、第１の蓄熱体１２１に対する第２の蓄熱体１２２の球径比が０．３８である場合、混合させることで空隙率が低下することを確認した。特に、第２の蓄熱体１２２の数量分率が６５％以上９５％以下の領域においては、空隙率が大幅に低下することを確認した。さらに、図５に示したパターンは、図４に示したパターンと比べ、空隙率がさらに低下することを確認した。

以上の結果から、本発明者らは、第１の蓄熱体１２１に対する第２の蓄熱体１２２の球径比を０．６５未満とすることで、第１および第２の蓄熱体１２１，１２２のうちいずれかを用いる場合に比べ、空隙率を低減させることができることを知見した。また、本発明者らは、第１の蓄熱体１２１に対する第２の蓄熱体１２２の球径比を０．６５未満とした上で、第２の蓄熱体１２２の数量比率を６５％以上９５％以下とすることにより、さら空隙率を低下させることができることを知見した。

なお、上記の第１の実施形態において、複数の球状の蓄熱体からなる第１および第２の蓄熱体１２１，１２２は、径の大きさにばらつきをそれぞれ有していてもよい。この際、第１の蓄熱体１２１の径の中央値をＴ_１、標準偏差をσ_１とし、第２の蓄熱体１２２の径の中央値をＴ_２、標準偏差をσ_２としたとき、下記（１）式を満たしていればよい。また、下記（１）において、中央値の代わりに平均値を用いてもよい。
０．６５×（Ｔ_１−２×σ_１）＞（Ｔ_２＋２×σ_２） ・・・（１）

また、上記の第１の実施形態では、蓄熱装置１２は、２種類の異なる径の蓄熱体を有する構成としたが、かかる例には限定されない。蓄熱装置１２は、３種類以上の異なる径の蓄熱体を有してもよい。この場合、複数種の蓄熱体のうち、最も径の大きい種類の蓄熱体に対する最も径の小さい種類の蓄熱体の球径比が、０．６５未満となればよい。
また、上記の第１の実施形態では、蓄熱式バーナ１は、燃焼炉等の工業炉に用いられるとしたが、かかる例に限定されず、例えば溶銑や溶鋼を収容する内壁が耐火物からなる鍋等を加熱する際に用いられてもよい。

［第１の実施形態の効果］
第１の実施形態の効果を以下に説明する。
（１）第１の実施形態に係る蓄熱式バーナ１の蓄熱装置１２は、径の異なる複数種の球状の蓄熱体を有し、複数種の蓄熱体のうち、最も径の大きい蓄熱体に対する最も径の小さい蓄熱体の球径比は、０．６５未満である。
上記構成により、蓄熱装置１２の空隙率を低減させることができ、同一径の球状の蓄熱体を用いた場合や、球径比が０．６５以上の径の異なる複数の球状の蓄熱体を用いる場合に比べ、蓄熱体の体積当たりの重量を大きくすることができる。このため、熱容量が大きくなることから、排熱回収量を増大させることができる。また、同一径の球状の蓄熱体を用いた場合や、球径比が０．６５以上の異なる複数の球状の蓄熱体を用いる場合に比べ、排熱回収量が同程度である場合には、設備を小型化することができる。さらに、ハニカム状のように一体型の蓄熱体ではないため、熱衝撃性に優れる。

（２）複数種の蓄熱体は、第１の蓄熱体１２１と、第１の蓄熱体１２１よりも径の小さい第２の蓄熱体１２２とからなり、第１の蓄熱体１２１および第２の蓄熱体１２２の合計の数量に対する第２の蓄熱体１２２の数量分率は、６５％以上９５％以下となる。
上記構成により、さらに空隙率を低減させることができるため、排熱回収量を増大させることができる。
（３）蓄熱体は、アルミナ、マグネシア、シリカ、ジルコニアおよび炭化珪素のうち少なくとも１種類以上を含むセラミックからなる。
上記構成により、蓄熱体の耐熱性を向上させることができる。

＜第２の実施形態＞
［蓄熱装置］
次に、図６を参照して本発明の第２の実施形態の蓄熱式バーナ１について説明する。第２の実施形態の蓄熱式バーナ１は、図６に示すように、蓄熱装置１２の構成が第１の実施形態と異なるが、それ以外の構成や動作は第１の実施形態と同様である。以下では、第２の実施形態に係る蓄熱装置１２について説明する。

第２の実施形態に係る蓄熱装置１２は、蓄熱式バーナ１の排気吸引口１４ａ側に設けられる第１の蓄熱装置１２ａと、空気供給口１４ｂ側に設けられる第２の蓄熱装置１２ｂとからなる。
第１の蓄熱装置１２ａは、第１の蓄熱体１２１と、第２の蓄熱体１２２とを有する。第１および第２の蓄熱体１２１，１２２は、第１の実施形態と同じである。第１および第２の蓄熱体１２１，１２２は、均一に混合され、第１の蓄熱装置１２ａの不図示の枠体に充填される。

第２の蓄熱装置１２ｂは、第３の蓄熱体と、第４の蓄熱体とを有する。第３の蓄熱体は、材質が金属からなることが第１の蓄熱体１２１と異なるが、それ以外の構成は、第１の蓄熱体１２１と同様である。第４の蓄熱体は、材質が金属からなることが第２の蓄熱体１２２と異なるが、それ以外の構成は、第２の蓄熱体１２２と同様である。つまり、第３の蓄熱体に対する第４の蓄熱体の球径比は、０．６５未満となる。さらに、第３の蓄熱体および第４の蓄熱体の合計の数量に対する第４の蓄熱体の数量分率は、６５％以上９５％以下となる。また、第３の蓄熱体および第２の蓄熱体は、均一に混合され、第２の蓄熱装置１２ｂの不図示の枠体に充填される。
なお、第１の蓄熱装置１２ａと第２の蓄熱装置１２ｂとは、一体に形成されてもよい。このとき、一つの枠体の中に第１および第２の蓄熱体１２１，１２２の混合体と、第３および第４の蓄熱体の混合体とが、順に充填されることで第１および第２の蓄熱装置１２ａ，１２ｂがそれぞれ形成される。

［第２の実施形態の効果］
第２の実施形態の効果を以下に説明する。
（１）第２の実施形態に係る蓄熱式バーナ１の蓄熱装置１２は、蓄熱式バーナ１の排気吸引側に設けられる第１の蓄熱装置１２ａと、蓄熱式バーナ１の空気供給側に設けられる第２の蓄熱装置１２ｂとを有し、第１の蓄熱装置１２ａは、アルミナ、マグネシア、シリカ、ジルコニアおよび炭化珪素のうち少なくとも１種類以上を含むセラミックからなる複数種の蓄熱体を有し、第２の蓄熱装置１２ｂは、金属からなる複数種の蓄熱体を有する。

第２の実施形態では第１の実施形態の効果に加えて、上記構成のように、燃焼炉２の高温の排気が吸引される排気吸引側に、耐熱性に優れたセラミックからなる蓄熱体を設けることにより、蓄熱装置１２の寿命を長くすることができる。一方、排気の温度が低温となる空気供給側に熱容量の大きな金属からなる蓄熱体を設けることにより、セラミックからなる蓄熱体を設ける場合に比べ排熱回収量を増加させることができる。

次に、本発明者らが行った実施例を説明する。
実施例では、図１に示した第１の実施形態に係る蓄熱装置１２を用いて燃焼炉２からの排熱の回収を行った。実施例では、第１の蓄熱体１２１として、径が１３ｍｍの球状のアルミナの蓄熱体を使用し、第２の蓄熱体１２２として、径が８ｍｍの球状のアルミナの蓄熱体（実施例１）、あるいは径が５ｍｍの球状のアルミナの蓄熱体（実施例２）を使用した。また、いずれの実施例においても第２の蓄熱体１２２の数量分率が６５％以上９５％以下となるように、第１および第２の蓄熱体１２１，１２２を混合し、蓄熱装置１２の枠体へと充填した。

また、比較例として、実施例と同様の枠体に球径が１３ｍｍの球状のアルミナの蓄熱体を充填して、同様に排熱の回収を行った。
図７の結果に示すように、比較例である球径が１３ｍｍの蓄熱体のみ場合に対して、球径が１３ｍｍと８ｍｍの２種類の蓄熱体を用いた実施例１の方が、回収熱量が増加することが確認できた。さらに、球径が１３ｍｍと５ｍｍの２種類の蓄熱体を用いた実施例２では、回収熱量がさらに増加することが確認できた。
以上の結果から、本発明に係る蓄熱バーナの蓄熱装置により、排熱回収量を増大させることができることが確認できた。

１ ：蓄熱式バーナ
１１ ：本体
１２ ：蓄熱装置
１２ａ ：第１の蓄熱装置
１２ｂ ：第２の蓄熱装置
１２１ ：第１の蓄熱体
１２２ ：第２の蓄熱体
１３ ：バーナ
１４ａ ：排気吸引口
１４ｂ ：酸素供給口
２ ：燃焼炉
３ ：燃焼ガス供給路

Claims (3)

1. 蓄熱体を有する蓄熱式バーナの蓄熱装置であって、
   前記蓄熱体は、径の異なる２種類の球状の蓄熱体からなり、
   前記２種類の蓄熱体のうち、径の大きい蓄熱体である第１の蓄熱体に対する、径の小さい蓄熱体である第２の蓄熱体の球径比は、０．６５未満であり、
   前記第１の蓄熱体および前記第２の蓄熱体の合計の数量に対する前記第２の蓄熱体の数量分率は、６５％以上９５％以下となることを特徴とする蓄熱式バーナの蓄熱装置。
2. 前記２種類の蓄熱体は、アルミナ、マグネシア、シリカ、ジルコニアおよび炭化珪素のうち少なくとも１種類以上を含むセラミックからなることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱式バーナの蓄熱装置。
3. 蓄熱式バーナの排気吸引側に設けられる第１の蓄熱装置と、
   蓄熱式バーナの空気供給側に設けられる第２の蓄熱装置とを有し、
   前記第１の蓄熱装置は、アルミナ、マグネシア、シリカ、ジルコニアおよび炭化珪素のうち少なくとも１種類以上を含むセラミックからなる前記２種類の蓄熱体を有し、
   前記第２の蓄熱装置は、金属からなる前記２種類の蓄熱体を有することを特徴とする請求項１に記載の蓄熱式バーナの蓄熱装置。

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