JP6645975B2 - 補助熱交換器を有するレキュペレータバーナ - Google Patents

Description

本発明は、特に工業炉における使用に適したレキュペレータバーナに関する。

燃料焚き、特に、ガス焚きの工業炉において、空気の予熱によって燃焼排気熱の一部を回収することが可能である。

これに関して、独国公開特許第１９５４１９２２号は、管状のセラミックエレメントの形態を有するセラミックレキュペレータを有するバーナを説明している。これは、パイプの外側及び内側に、レキュペレータパイプの表面積を拡大するために、ピン状の突起が設けられている。燃焼排気ガスは、レキュペレータパイプの外側の周囲を流れる。加熱されるべき空気は、レキュペレータパイプの内側を反対方向に炉室へ流れる。そのようなセラミックレキュペレータがカウンタ−フロー熱交換器として作用することにより、例えば１２５０℃の温度の非常に高温の燃焼排気ガスから排気熱を回収することが可能である。経験的に、６５％〜７０％の燃焼効率が達成されることが示されてきた。

独国公開特許第１２３２３０４号からラジアントパイプを加熱するためのレキュペレータバーナが知られており、この場合、レキュペレータバーナは、壁部及び壁側部フランジを冷却するための外気によって潅流される熱交換器を備え、この熱交換器は、レキュペレータパイプを同心円上で取囲んでいる。

更に、欧州登録特許第１９９５５１６号からレキュペレータバーナが知られており、このバーナは、空気を予熱するために配置された平坦な外気導入パイプのマニホールドを備え、このパイプのマニホールドは、炉室から燃焼排気流を流す環状室に配置される。このレキュペレータの使用により、空気の予熱の改善及び８０％を超える効率の増大が可能である。しかしながら、この使用は、燃焼排気温度が約１０００℃までに制限される。このため、特に２００ｋＷ以下の低効率工業バーナを考慮して、達成すべき目的は、正当な支出で、かつ、高い燃焼排気温度で高い燃焼効率を得ることである。

この目的は、請求項１に従ったレキュペレータバーナによって達成される。

本発明に係るレキュペレータバーナは、レキュペレータと、レキュペレータを環状に取囲む補助熱交換器とを有する熱回収構造を備え、レキュペレータは、同様に、補助熱交換器は、それぞれ、外気によって順次潅流される。このとき、流入する外気は、先ず、補助熱交換器によって加熱され、その後、レキュペレータによって加熱される。流出する燃焼排気ガスは、先ず、レキュペレータで冷却され、その後、補助熱交換器で冷却される。

熱回収構造を異なる構造の２つの熱交換器、すなわち、高温に対して適したレキュペレータと、より低い温度に適し、かつ、最大の効率のために設計された補助熱交換器と、に分けることにより、熱回収構造は、熱ガスに適し、８０％を超える高い比燃焼効率を得ることを可能にすることができる。更に、この目的を達成するために、レキュペレータは、環状の補助熱交換器の中央の通路に配置される。レキュペレータの一端部を出た依然として高温の燃焼排気ガスは、補助熱交換器を異なる方向、好ましくは、反対方向に潅流する。これにより、使用しない熱損失、すなわち、環境への熱放出を最小限にすることができる。更に、この方法は、バーナ、特にバーナヘッドの領域において、コンパクトな構造設計に貢献する。レキュペレータの大部分は、バーナヘッドに配置される。これにより、レキュペレータが炉壁を貫通して延びない、又は、最小限にのみ貫通する構造設計が可能になる。

バーナに供給される空気の流れの方向は、補助熱交換器とレキュペレータとで異なり、好ましくは、これらは反対方向である。これは、炉壁の近くの熱交換器熱回収構造に外気を供給して、その部位での冷却効果を得ることを可能にする。例えば、バーナフランジを冷却することができ、その部位において、このシステムから取出した熱をこのシステムに戻すことができる。これは、炉壁を貫通して延びるラジアントパイプのフランジを比較的高温の耐えられる温度で維持できる点で、特にラジアントパイプに有利である。

フランジクーラにバイパスダクトを設けて、バーナに供給される全空気の一部のみがフランジクーラを通って流れ、残りの空気は、熱交換器構造に直接供給するようにすることができる。

好ましい実施形態であることを考慮して、補助熱交換器は、少なくとも０．０４ｍ^２／ｋＷの比伝熱面積を有している。これは、好ましくは、金属パイプ、あるいは、金属シートのカウンタフロー熱交換器によって達成される。この比伝熱面積の補助熱交換器の使用により、セラミック又は金属のレキュペレータとの相互作用で、８０％を超える比燃焼効率を達成することができる。

好ましくは、補助熱交換器は、互いに並列に配置された複数のエアダクトを備える。例えば、これらは、燃焼排気ガスダクト内に配置されたパイプとすることができる。特に非円形のエアダクトを有する平坦なパイプをパイプとする。好ましくは、高い表面積／容積比を得るために、平坦なパイプは、隙間状のダクトを有する。このように構成された金属の熱交換器は、小さい構造容積で、高い熱伝達効率を達成することができる。

環状の補助熱交換器は、一体構造ユニット、又は、複数の構成部分を結合した結果、環状の熱交換器としたものでもよい。この補助熱交器は、閉じた環状構造の代わりに、スリットを有する環状、すなわち、部分的に開いた環状の形状を有してもよい。

好ましくは、レキュペレータは、パイプによって形成され、このパイプを通して内側に空気を流し、また、このパイプの周囲の外側に燃焼排気ガスを流し、このパイプは、高温に耐えるセラミック又は金属からなる。

補助熱交換器を貫通して延びるレキュペレータは、好ましくは、補助熱交換器に設けられたシート部に対して、弾性的に押し付けられてシールされる。メンテナンスのため、レキュペレータは、簡単な方法で取外すことができる。更に、その結果、レキュペレータは、低いテンションで保持することができる。

更に、本発明に従った概念により、熱交換構造は、外気が潅流されるハウジング内に設けることができ、これにより、低い温度に保つことができる。ハウジングを介して導入される外気は、熱交換器構造に供給することができる。

本発明の有利な実施形態の更なる詳細は、本説明又は請求の範囲及び図面から推測することができる。これらを添付の図面に示す。

本発明の一実施形態に係る炉壁上のレキュペレータバーナの概略縦断面図である。 図１のレキュペレータバーナのＩＩ−ＩＩ線に沿った横断面図である。 本発明の一実施形態に係るレキュペレータバーナの熱交換器構造の熱容量及び温度曲線を示す図表である。

図１は、炉壁１１によって取囲まれた炉室１２を加熱するように配置されたレキュペレータバーナ１０を示す。このレキュペレータバーナ１０は、炉壁１１に設けられた開口１３を貫通して延び、この場合、レキュペレータバーナ１０は、開口１３に取付けられている。レキュペレータバーナ１０は、そのハウジング１５が炉壁１１上のフランジ１６によって保持されるバーナヘッド１４を有している。開口１３の炉室１２とは反対側の端部に、開口１３を貫通して延びて輻射熱を炉室１２へ放射するラジアントパイプ１８のフランジを収容するシート部１７が設けられている。好ましくは、ラジアントパイプ１８は、無炎酸化によって内側から加熱されるが、任意の他の方法で加熱されてもよい。

ハウジング１５は、熱交換器構造１９が設けられる室を取囲む。この熱交換器構造１９は、空気接続部２０を通してハウジング１５に供給された外気を−燃焼排気ガス熱によって−加熱するように配置されている。その結果、燃焼排気ガスは、熱を失って熱交換器構造１９を、そして、ハウジング１５を出る。

熱交換器構造１９は、好ましくはラジアントパイプ１８と同心で−少なくとも一部が−ラジアントパイプ１８内に延びるレキュペレータパイプ２３を有するレキュペレータ２２を備える。レキュペレータパイプ２３は、高い燃焼排気ガス温度に対して設計された金属パイプ又はセラミックパイプとすることができる。レキュペレータパイプ２３は、平滑な側壁を有する円筒状パイプ、又は、図示されるように、径方向内側及び／又は外側に突出する、例えば中空の突起のような形状の複数の突出部２４を有する異形パイプとして形成することができる。レキュペレータパイプ２３の内側は、エアダクト２５を取囲む。

レキュペレータ２２の外側は、補助熱交換器２６によって取囲まれ、補助熱交換器２６の内壁２７は、レキュペレータパイプ２３と共に燃焼排気ガスダクト２８を区画している。燃焼排気ガスダクト２８及びエアダクト２５は、反対方向に潅流される。エアダクト２５内の流れの方向は、バーナヘッド１４からラジアントパイプ１８へ向って形成されるのに対して（矢印２９参照）、燃焼排気ガスの流れの方向は、ラジアントパイプ１８から出てバーナヘッド１４へ向って形成される（矢印３０参照）。

径方向内側へ向って見て、レキュペレータ２２のエアダクト２５は、パイプ３１によって、１つ以上のガスライン３２、３３、あるいは、発火作動又は無炎作動等の異なる作動モードを可能にするいずれかの燃料ラインから、分離されている。

レキュペレータパイプ２３は、ラジアントパイプ１８から離れた端部に、フランジ３４又は、レキュペレータパイプ２３を補助熱交換器２６のシート部に保持するための他の接続部を有している。このシート部は、補助熱交換器２６のハウジング上部の表面３５上の平面、円錐面、あるいは、他の形状の環状表面とすることができる。好ましくは、フランジ３４は、テンションボルト３６又は同様の手段によってシート部に弾性的に押付けられている。ボルト３６は、ハウジングカバー３７によって保持された断熱材本体３８を貫通して延びている。ハウジングカバー３７が取外されたとき、レキュペレータパイプ２３のフランジ３４が露出して、保守及び検査目的でレキュペレータパイプ２３にアクセス可能になる。

補助熱交換器２６は、平坦なパイプ４０で取囲まれた少なくとも１つ、好ましくは複数のエアダクト３９を備えている。これらのパイプ４０は、ハウジング上部の表面３５とハウジング底部４１との間に延びている。パイプ４０は、プレートすなわちハウジング上部の表面３５及びハウジング底部４１で丸みを帯びた開口に気密的に保持される丸みを帯びた両端部を有している。中間の領域において、パイプ４０は、好ましくは平たくて、隙間にエアダクト３９が形成されている。好ましくは、この隙間の幅は、空気とパイプ壁との間の強い熱的接触を得るため、３ｍｍより小さい値に限定される。

パイプ４０は、補助熱交換器２６の燃焼排気ガスダクト４２内に配置され、この燃焼排気ガスダクトには、燃焼排気ガスが断熱材本体３８から離れてハウジング底部４１へ向かう方向に流れる。外気は、反対方向にパイプ４０を潅流する。燃焼排気ガスダクト４２は、外側を円周壁４３によって取囲まれ、この円周壁４３は、ハウジング１５と共に外気ダクト４４を区画している。外気ダクト４４は、フランジクーラ４５へ続く。フランジクーラ４５は、エアダクト４６を備え、このエアダクト４６は、ラジアントパイプ１８のフランジを通り過ぎてラジアントパイプ１８内へ延び、そこから補助熱交換器２６へ向って延びる。

上述のレキュペレータバーナは、以下のように作動する。

起動のため、空気が空気接続部２０に供給され、先ず、燃料−例えばガス−が燃料ライン３２に供給される。ガスは、ラジアントパイプ１８の内側を加熱するように配置された適当な点火装置によってレキュペータパイプ２３のラジアントパイプ側端部で着火する。一旦これが行われると、ガスは、燃料ライン３３に導入されて、燃料ライン３２に供給されるガスは徐々に減少して遮断される。図１において矢印で示された大きなサイズの高温ガス渦を生成し、燃料及び空気は、この渦の中に導入されて、無火炎式で酸化する。ラジアントパイプ１８内で、好ましくは、１０００℃を超える温度を得る。例えば、１２５０℃の燃焼排気ガス温度ＴＡ１を有する燃焼排気ガスは、レキュペレータパイプ２３の外側に沿って燃焼排気ガスダクト２８を通って流れる。図３は、レキュペレータパイプ１８の燃焼排気ガスの温度勾配を示す。内壁２７の開口端において、僅かに冷却された燃焼排気ガスは、補助熱交換器２６の燃焼排気ガスダクト２８でその方向を変えて、燃焼排気ガスダクト２８を離れる（図１、矢印群４７参照）。そして、燃焼排気ガスは、パイプ４０に沿って燃焼排気ガスダクト４２を通って接続部２１へ流れ、例えば４５０℃の温度に確実に冷却されて接続部２１から排出される。

外気は、例えば環境温度ＴＬ１（２０℃）を有し、接続部２０に供給されて、最初に外気ダクト４４内で僅かだけ加熱される。外気は、例えば僅かに上昇された５０℃の温度でフランジクーラ４５に到達し、そして、例えば２５０℃に加熱されて補助熱交換器２６のエアダクト３９に入る。ここで、空気は、ラジアントパイプ１８のフランジから離れる途中で、例えば９００℃に加熱されて、すぐにその方向を変えて、レキュペレータ２２のエアダクト２５に流入する。この時点で空気が既に高温になっているため、レキュペレータパイプ２２に生じる熱張力は、最小限に保たれる。

空気は、エアダクト２５を通る途中でで更に例えば１０００℃に加熱される。以下のテーブルは、６０ｋＷの正味出力の特性を有する一例として説明される本発明のレキュペレータバーナ１０と、補助熱交換器を有さない従来のレキュペレータバーナとの比較を提供する。
レキュペレータバーナ
１．補助熱交換器無 補助熱交換器有
熱伝達表面積（ｍ^２） １ １＋３．５
燃焼排気ガス入口温度ＴＬ１（℃） １２５０ １２５０
空気入口温度ＴＬ１（℃） ５０ ５０
燃焼排気ガス出口温度ＴＡ２（℃） ７５０ ４５０
空気予熱ＴＬ２（℃） ６４０ １０００
燃焼効率（％） ６５ ８１
燃料要求（ｋＷ） ９２ ７４
節約（％） − １９．５
１０ｋＷｈ／ｍ^２当りの天然ガスの節約（ｍ^３／ｈ） − １．８

６５％から８１％への燃焼効率の増加が燃料要求の確実な減少を生じさせる。年間５０００稼働時間で、これにより９０００ｍ^３の天然ガスの節約となる。

好ましくは８０％を超えてレキュペレータバーナの効率を改善するため、レキュペレータバーナ１０には、レキュペレータ２２を取囲む補助熱交換器２６が装備され、この場合、レキュペレータ、同様に、補助熱交換器は、好ましくは、専らカウンタ−フロー熱交換器として設計され、この場合、補助熱交換器２６には、炉壁１１に面する側に空気が供給される。補助熱交換器の比伝熱面積は、好ましくは、０．０４ｍ^２／ｋＷ燃料出力（ｆｕｅｌ ｐｏｗｅｒ）よりも大きい。

更に、ハウジング１５は、補助熱交交換器２６の周囲で冷却空気によって内側から冷却されることができる。更に、少なくとも任意的に、フランジ１６をこの場所では依然として高い燃焼排気ガス温度に対して保護するために、冷却空気は、最初にフランジクーラ４５に供給されることができる。これは、特に、ラジアントパイプ１８を使用する場合に有利である。

好ましくは、セラミックのレキュペレータパイプ２３が補助熱交換器２６の出口側の表面３５に対して弾性的に押圧されてシールされる。これは、メンテナンス中に有利である。補助熱交換器２６は、好ましくは、隙間を形成するエアダクト３９を有する。好ましくは、これらは、平坦なパイプ４０に形成される。

１０ レキュペレータバーナ、１１ 炉壁、１２ 炉室、１３ 開口、１４ バーナヘッド、１５ ハウジング、１６ フランジ、１７ シート部、１８ ラジアントパイプ、１９ 熱交換構造、２０ 空気接続部、２１ 燃焼排気ガス接続部、２２ レキュペレータ、２３ レキュペレータパイプ、２４ 突出部、２５ レキュペレータ２２のエアダクト、２６ 補助熱交換器、２７ 補助熱交換器２６の内壁、２８ レキュペレータ２２の燃焼排気ガスダクト、２９ レキュペレータ内の空気の流れの方向、３０ レキュペレータ内の燃焼排気ガスの流れの方向、３１ パイプ、３２ 着火作動用燃料ライン、３３ 無火炎作動用燃料ライン、３４ フランジ、３５ ハウジングの表面、３６ ボルト、３７ ハウジングカバー、３８ 断熱材本体、３９ 補助熱交換器２６のエアダクト、４０ パイプ、４１ ハウジング底部、４２ 補助熱交換器の燃焼排気ガスダクト、４３ 円周壁、４４ 外気ダクト、４５ フランジクーラ、４６ エアダクト

Claims (11)

1. 工業炉用のレキュペレータバーナ（１０）であって、
   前記レキュペレータバーナ（１０）が炉壁（１１）の開口（１３）を貫通して延び、前記炉壁（１１）が炉室（１２）を形成するように、前記炉壁（１１）に取付けるように構成されたバーナフランジ（１６）を含むバーナヘッド（１４）と、
   燃焼排気ガス熱によってバーナエアを予熱するように構成された熱回収構造（１９）であって、
   レキュペレータ（２２）、及び、該レキュペレータ（２２）を環状に取囲む補助熱交換器（２６）を含み、これらが順次、潅流される熱回収構造（１９）と、を備え、
   前記レキュペレータ（２２）は、少なくとも１つのエアダクト（２５）及び少なくとも１つの燃焼排気ガスダクト（２８）を備えたカウンタ−フロー熱交換器であり、
   前記補助熱交換器（２６）は、少なくとも１つの燃焼排気ガスダクト（４２）と、少なくとも１つの該燃焼排気ガスダクト（４２）に配置された非円形のエアダクト（３９）を有する複数の平坦なパイプ（４０）と、弾性的に押圧される前記レキュペレータ（２２）のフランジ（３４）と係合するように構成されるシート部と、を備えたカウンタフロー熱交換器であり、
   前記レキュペレータ（２２）の前記燃焼排気ガスダクト（２８）と、前記補助熱交換器（２６）の前記燃焼排気ガスダクト（４２）とは、潅流方向が異なり、
   前記レキュペレータ（２２）の前記エアダクト（２５）と、前記補助熱交換器（２６）の前記エアダクト（３９）とは、潅流方向が異なり、
   前記レキュペレータ（２２）のレキュペレータパイプ（２３）は、セラミックからなり、
   前記レキュペレータ（２２）と前記補助熱交器（２６）とは、異なる材料からなることを特徴とするレキュペレータバーナ。
2. 前記レキュペレータ（２２）の前記エアダクト（２５）は、前記炉室（１２）へ入る方向の加熱すべき空気を潅流することができ、前記レキュペレータ（２２）の前記燃焼排気ガスダクト（２８）は、前記炉室（１２）から出る方向の燃焼排気ガスが潅流することができることを特徴とする請求項１に記載のレキュペレータバーナ。
3. 前記補助熱交換器（２６）の前記エアダクト（３９）は、前記炉壁（１１）から離れる方向の加熱すべき空気を潅流することができ、前記補助熱交換器（２６）の前記燃焼排気ガスダクト（４２）は、前記炉壁（１１）へ向かう方向の燃焼排気ガスを潅流することができることを特徴とする請求項１又は２に記載のレキュペレータバーナ。
4. 前記補助熱交換器（２６）は、少なくとも０．０４ｍ^２／ｋＷ燃料出力の比伝熱面積を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレキュペレータバーナ。
5. 前記補助熱交換器（２６）は、複数の並列のエアダクト（３９）を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレキュペレータバーナ。
6. 前記レキュペレータ（２２）は、該レキュペレータ（２２）の前記エアダクト（２５）を取囲む前記レキュペレータパイプ（２３）を有し、燃焼排気ガス流が前記レキュペレータ（２２）の外側に接触することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレキュペレータバーナ。
7. 前記レキュペレータ（２２）は、異形パイプ（２３）によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレキュペレータバーナ。
8. 前記異形パイプ（２３）は、径方向内側に突出する突出部及び／又は径方向外側に突出する突出部（２４）を有していることを特徴とする請求項７に記載のレキュペレータバーナ。
9. 前記バーナフランジ（１６）にフランジクーラ（４５）が配置され、該フランジクーラ（４５）は、冷却エアダクト（４６）を備えていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のレキュペレータバーナ。
10. 前記冷却エアダクト（４６）は、前記補助熱交換器（２６）の前記エアダクト（３９）に接続していることを特徴とする請求項９に記載のレキュペレータバーナ。
11. 前記バーナヘッド（１４）は、外気ダクト（４４）を取囲むハウジング（１５）を備えていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のレキュペレータバーナ。

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