JP7416019B2

JP7416019B2 - 蓄熱器、及び、リジェネバーナ用の加熱ユニット

Info

Publication number: JP7416019B2
Application number: JP2021100159A
Authority: JP
Inventors: 崇仁鈴木; 大輝今仲; 健斗植松
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2021-06-16
Filing date: 2021-06-16
Publication date: 2024-01-17
Anticipated expiration: 2041-06-16
Also published as: JP2022191744A

Description

本発明は、蓄熱器、及びその蓄熱器を用いたリジェネバーナ用の加熱ユニットに関する。

リジェネバーナ装置は、バーナと蓄熱器を一体化した２組の加熱ユニット（蓄熱バーナ）と、加熱炉とを備え、２組の加熱ユニットのバーナを交互に駆動して加熱炉を加熱する（例えば、特許文献２の図４参照）。このとき、２組の加熱ユニットのうちの一方のバーナが蓄熱器で熱交換した高温空気で燃焼して加熱炉を加熱している間、他方の加熱ユニットでは、バーナは排気口の役割をし、加熱炉からの廃熱を蓄熱器内に流通させて、蓄熱器が有するハニカム状の蓄熱体に廃熱を蓄える。

ここで、従来の蓄熱器としては、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているものがある。
特許文献１では、蓄熱体の吸込み部側に制御装置を設けることで、蓄熱体内で発生する熱応力を低減させ、蓄熱体を長寿命化させる方法が提案されている。
特許文献２には、蓄熱体の形状を変更させ、炉内のスケールなどによる耐火物の腐食を均一化し、蓄熱体を長寿命化させる方法が提案されている。
ここで、蓄熱器内のガス流路を、特許文献２のように上下方向に設定する場合、蓄熱器の蓄熱容器内にグレーチングからなる床部材を設け、その上に蓄熱体が載置される。

また、ハニカム状の蓄熱体は、複数の蓄熱体ブロックの集合体で構成され、ガスの流通方向に沿った方向に複数の連通穴が形成されることで、蓄熱体全体で蓄熱可能となっている。すなわち、蓄熱体は、例えば、特許文献２に記載のように、複数の蓄熱体ブロックが２次元方向に並べられると共に、上下に積層して構成されている。また、隣り合う蓄熱体ブロック間に上下に延在する貫通穴が形成されて、その貫通穴を通じて各蓄熱体ブロックは熱交換を行う。

特開２００１－１７３９１７号公報特開２００３－２８７３７９号公報

特許文献１や２に記載の方法では、蓄熱体自体に与える熱応力は低減することができる。
しかし、蓄熱容器内のガス流路が上下方向となっている蓄熱器の場合、蓄熱体が載置される床部材（グレーチング）が経時的に変形し、その変形量が大きくなると、蓄熱体を構成する蓄熱体ブロックが崩れて、蓄熱器の蓄熱効率が悪くなるといった課題があった。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、蓄熱器の長寿命化を目的とする。

本開示は、蓄熱体が崩れる起点となる床部材の経時的な変形を抑制して、蓄熱体が損傷したりブロックの配置が崩れたりすることを防ぎ、蓄熱体の長寿命化を図る。
課題解決のために、本発明の一態様は、上側及び下側に内部にガスを流通するための開口がそれぞれ形成された蓄熱容器と、上記蓄熱容器に支持されて、上記蓄熱容器内を上下の二つの室に区画すると共にその二つの室を連通する連通口を有する床部材と、複数の蓄熱体ブロックの集合体から構成され、上記床部材の上面からなる載置面の上に載置された蓄熱体と、上記床部材から下方に延在し、下端部を上記蓄熱容器の床面に当接する１又は２以上の足部材と、を備えることを要旨とする。
また、本発明の態様は、本発明の態様の上記蓄熱器と、上記蓄熱容器の有する上記開口のいずれかに連通したバーナと、を備える、リジェネバーナ用の加熱ユニットである。

本発明の態様によれば、繰り返される熱負荷等により、蓄熱体を載置した床部材の上面が下方に変形することを、足部材によって防止する。この結果、本発明の態様によれば、蓄熱体を支持する床部材の載置面の表面形状を従来よりも長期に亘って維持可能となって、所定以上の蓄熱性能を有する蓄熱器の長寿命化が可能となる。

本発明に基づく実施形態に係る蓄熱器の構成を説明する模式的断面図である。床部材及び足部材の上端面位置を説明する上面図である。蓄熱体の斜視図（ａ）と、蓄熱体が分解した状態でしめす蓄熱体ブロックの例を示す斜視図（ｂ）である。床部材の変形例を示す図である。２組の加熱ユニットを示す模式図である。

次に、本発明に実施形態について図面を参照して説明する。
（構成）
本実施形態の蓄熱器は、図１に示すように、蓄熱容器１と、床部材３と、蓄熱体５とを備える。

＜蓄熱容器１＞
蓄熱容器１は、上側及び下側に内部にガスを流通するための開口である上側連通口２Ａと下側連通口２Ｂがそれぞれ形成され、ガスを上下に流通可能な空間を内部に有する。
本実施形態の蓄熱容器１は、箱形状となっていて、上下で対向する天板部１Ａ及び底板部１Ｂと、側壁部１Ｃとを有し、側壁部１Ｃの上部と下部にそれぞれガス流通用の開口（上側連通口２Ａと下側連通口２Ｂ）が形成されている。また、蓄熱容器１の内面は耐火物で構成されている。
側壁部１Ｃの内壁部には、下側連通口２Ｂよりも高い位置に、床部材３を支持するための段部１Ｄが形成されている。段部１Ｄは、下側が内側に張り出すように形成されて、上側から床部材３の外周部を支持可能となっている。

＜床部材３＞
床部材３は、蓄熱容器１内に配置され、蓄熱容器１内のガス流通空間を上下に向けて二つの室に区画する。床部材３の外周部は、蓄熱容器１の内壁面に支持されている。本実施形態では、蓄熱容器１の内壁面に形成された段部１Ｄによって、床部材３は、着脱可能な状態で蓄熱容器１内に配置可能となっている。床部材３を着脱可能とすることで、蓄熱体５のメンテナンスなどの時期に床部材３を交換可能となる。

本実施形態の床部材３は、図２のように、梁部材が縦方向及び横方向に掛け渡されてなる、格子状のグレーチングから構成される。すなわち、床部材３は、上面が蓄熱体５を載置する載置面を構成すると共に、格子形状とすることで、上下（厚さ方向）に開口した複数の連通口が形成されている。平面視で、梁部材が配置されている部分が閉塞部分となる。
床部材３の有する連通口の全開口面積は、上面視で、床部材３の床面の６０％以上が好ましい。上限は特にないが、床部材３の耐久性などを考慮すると、９５％以下、好ましくは９０％以下である。
ガスの流通を考えた場合、６０％以上の流通用の開口があることが好ましい。

＜足部材４＞
また、床部材３の下面には、１又は複数の足部材４が取り付けられている。各足部材４の長さは、床部材３を上記段部１Ｄに支持させたときに、足部材４の下端面４ａが蓄熱容器１の底板部１Ｂの上面１Ｂａ（床面）に接触する長さとする。このとき、足部材４の下端面４ａの形状は、当接する蓄熱容器１の底板部１Ｂの上面１Ｂａと面接触可能な形状であることが、安定性の点で好ましい。なお、底板部１Ｂの上面１Ｂａは平坦で必要は無い。底板部１Ｄの上面の高さに応じて各足部材４の長さを設計する。

各足部材４は、図２に示すように、床部材３を構成する梁部材の交差部分に設けることで、出来るだけグレーチングの開口を閉塞しないように配置する。
例えば、上面視で、足部材４の上端面のうちの、７割以上、好ましくは９割以上の面積が、床部材３の閉塞部分と重なっていることが好ましい。
すなわち、足部材４で出来るだけ、床部材３の連通口を塞がないように構成することが好ましい。

ここで、図２では、足部材４が、柱状の形状の場合を例示しているが、断面Ｌ字状のアングル材から構成しても良い。
また、図２では、足部材４を４つ設ける場合を例示しているが、足部材４の数は、１個から３個、又は５個以上であってもよい。
足部材４は、平面視における床部材３の中心Ｐに対し対称となるように配置する方が、安定性の観点から好ましい。
また、足部材４を床部材３に一体に固定しておくことで、足部材４のぐらつきが防止されると共に、床部材３と共に容易に容器内に取り出すことが可能となる。

＜床部材３及び足部材４の材料＞
床部材３及び足部材４は、耐熱温度が５００℃以上の材料からなることが好ましい。蓄熱容器１内を流通するガスの温度は、例えば２００℃前後であるので、床部材３及び足部材４の耐熱温度が５００℃以上することで、床部材３及び足部材４の熱変形をより抑えることが可能となる。
例えば、床部材３及び足部材４は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０９，ＳＵＳ３１０などの耐熱スチールから構成すればよい。
耐熱温度は高い方が好ましく、上限は特にない。

＜蓄熱体５＞
蓄熱体５は、図３に示すように、複数の蓄熱体ブロック５Ａの集合体から構成され、床部材３の上面からなる載置面の上に載置される。
各蓄熱体ブロック５Ａは、図３（ｂ）に示すように、例えば横断面十字形状の柱形状となっており、その蓄熱体ブロック５Ａを、それぞれ向きを揃えて３次元的に集積することで、上下に延びる連通穴が各蓄熱体ブロック５Ａ間に形成されている。

＜リジェネバーナ装置＞
リジェネバーナ装置は、図５に示すように、リジェネバーナ用の加熱ユニット２０（蓄熱バーナ）と、加熱炉２１を備える。
加熱ユニット２０は、図５に示すように、本実施形態の蓄熱器１０と、蓄熱容器１の有する開口のいずれかに連通したバーナ１１と、を備える。
本実施形態では、蓄熱器１０の上側連通口２Ａにバーナ１１が接続して構成されている。

そして、公知の方法によって、２組の加熱ユニット２０のバーナ１１を交互に駆動して加熱炉２１を加熱する構成となっている。このとき、２組の加熱ユニット２０のうちの一方のバーナ１１が蓄熱器１０で熱交換した高温空気で燃焼して加熱炉２１を加熱している間、他方の加熱ユニット２０では、バーナ１１は排気口の役割をし、加熱炉２１からの廃熱を蓄熱器１０内に流通させて、蓄熱器１０が有するハニカム状の蓄熱体５に蓄える、処理が実行される。

（作用その他）
本実施形態では、足部材４を設けることで、蓄熱体５を支えている床部材３の上面の変形を抑制することで、蓄熱体５に加わる外力を低減し、蓄熱体５の形状を維持させる。
ここで、蓄熱への使用前の蓄熱体５は形状が大きく、蓄熱体５は、床部材３が歪んでいても問題なく設置することができる。しかし、蓄熱体５を使用すると、熱負荷による熱衝撃で、図３（ｂ）に示すように、蓄熱体５が、柱状の細かい蓄熱体ブロック５Ａの状態に分解してしまう。

そして、蓄熱体５が細かい複数の蓄熱体ブロック５Ａに分離した状態で、床部材３の上に積層している場合、図４に示すように床部材３が傾くことで、各蓄熱体ブロック５Ａに回転モーメントやせん断力が発生する。
例えば、回転モーメントにより、蓄熱体ブロック５Ａが自立できなくなると、隣接している蓄熱体ブロック５Ａが支える状態になる。この状態が連鎖的に続くことで、蓄熱体ブロック５Ａの３次元的な集合が崩れてしまう。

ここで、回転モーメントについて着目すると、分解した蓄熱体５が転倒することなく耐えることが可能な条件は下記の（１）式が満たす角度となる。
ｔａｎ^－１（ｔ／Ｌ）＞ θ ・・・（１）
ここで、
ｔ：蓄熱体ブロック５Ａの厚み（ｍｍ）
Ｌ：蓄熱体ブロック５Ａの長さ（ｍｍ）
θ：蓄熱体ブロック５Ａが載っている箇所での、床部材３の水平に対する上下方向のゆがみ量（傾き角）
である。

また、せん断力に着目すると、せん断力により分解した蓄熱体５が滑ることなく耐えることが可能な条件は下記の（２）式を満たす角度となる。
ｔａｎ－１（μ）＞ θ ・・・（２）
ここで、
μ：蓄熱体ブロック５Ａが接触している部位の摩擦係数
θ：床部材３のゆがみ量（上下方向の傾き）
である。
そして、（１）式若しくは（２）式を越えるゆがみ量が床部材３に発生すると、分解した蓄熱体ブロック５Ａの積層状態が崩れてしまう。

これに対し、本実施形態では、足部によって床部材３が下方に歪むことを防止できる。
すなわち、本発明の態様によれば、繰り返される熱負荷等により、蓄熱体５を載置した床部材３の上面が下方に変形することを、足部材４によって簡易に防止することができる。この結果、本実施形態によれば、蓄熱体５を支持する床部材３の載置面の表面形状を従来よりも長期に維持可能となって、所定以上の蓄熱性能を有する蓄熱器の長寿命化が可能となる。

また、床部材３は熱交換を行う際に高温環境下にさらされる。これに対し、床部材３の耐熱温度を５００℃以上とすることで、更に床部材３が熱負荷によって歪みにくくなり、更に、蓄熱器の長寿命化が可能となる。
ここで、熱交換器が熱交換する際に、気体などの媒体が床部材３を通過する必要がある。そのため、床部材３には気体が流れる方向に開口を設け、流路を設置する必要がある。流路は床部材３が蓄熱体５を支えている平面積の６０％以上設けないと、熱交換効率が著しく低下するおそれがある。このため、本実施形態では６０％以上の開口としている。

また、足部材４を設けても、できるだけ、足部材４を床部材３の閉塞部分に固定することで、足部材４によって床部材３の開口をさほど狭くすることがない。
また、床部材３を蓄熱容器１に設けた段部の上に載せることで、床部材３を設置している。このため、床部材３の交換が容易であるとの効果も有する。

（実施例）
実際に、図１及び図２に示すように足部材４を設けた実施例の場合と、足部材４を設けない比較例の場合とで、同一の熱負荷条件で実験を行ってみた。ただし、実施例は、比較例に比べて蓄熱体５の容量を２倍に設定した。
実験の結果、比較例で床部材３が歪んで蓄熱体ブロック５Ａの集合が崩れた時点で、実施例の蓄熱体５を観察したところ、蓄熱体ブロック５Ａに崩れが発生しておらず、床部材３の変形も足部材４で抑制されていることを確認した。

（その他）
本開示は、次の構成も取り得る。
（１）上側及び下側に内部にガスを流通するための開口がそれぞれ形成された蓄熱容器と、上記蓄熱容器に支持されて、上記蓄熱容器内を上下の二つの室に区画すると共にその二つの室を連通する連通口を有する床部材と、複数の蓄熱体ブロックの集合体から構成され、上記床部材の上面からなる載置面の上に載置された蓄熱体と、上記床部材から下方に延在し、下端部を上記蓄熱容器の床面に当接する１又は２以上の足部材と、を備える。
（２）上面視で、上記床部材のうちの、上記連通口以外の部分を閉塞部分と記載したとき、上面視で、上記足部材の上端面のうちの、７割以上の面積が上記閉塞部分と重なっている。好ましくは、９割以上である。床部材が格子状に形成される場合、足部材としてアングル材を用いると、所定の剛性を確保しつつ、足部材の上端面を完全に閉塞部分に配置しやすくなる。

（３）上記床部材の外周部が、蓄熱容器の内壁面に形成された段部に上側から当接することで、当該床部材は蓄熱容器に着脱可能に支持され、上記足部材の上端部は上記床部材３に固定されている。
（４）上記床部材及び足部材は、耐熱温度が５００℃以上の材料からなる。
（５）上記床部材の有する上記連通口の全開口面積は、床部材の床面の６０％以上９５％以下である。
（６）本開示の蓄熱器と、上記蓄熱容器の有する上記開口のいずれかに連通したバーナ、を備える、リジェネバーナ用の加熱ユニットである。

１蓄熱容器
１Ｄ段部
２Ａ上側連通口（開口）
２Ｂ下側連通口（開口）
３床部材
４足部材
４ａ下端面
５蓄熱体
５Ａ蓄熱体ブロック
１１バーナ
２０加熱ユニット
２１加熱炉

Claims

上側及び下側に内部にガスを流通するための開口がそれぞれ形成された蓄熱容器と、
上記蓄熱容器に支持されて、上記蓄熱容器内を上下の二つの室に区画すると共にその二つの室を連通する連通口を有する床部材と、
複数の蓄熱体ブロックの集合体から構成され、上記床部材の上面からなる載置面の上に載置された蓄熱体と、
上記床部材から下方に延在し、下端部を上記蓄熱容器の床面に当接する１又は２以上の足部材と、
を備え、
上記床部材の外周部が、蓄熱容器の内壁面に形成された段部に上側から当接することで、当該床部材は蓄熱容器に対し着脱可能に支持され、
上記足部材の上端部は上記床部材に固定されている、
ことを特徴とする蓄熱器。
上面視で、上記床部材のうちの、上記連通口以外の部分を閉塞部分と記載したとき、
上面視で、上記足部材の上端面のうちの、７割以上の面積が上記閉塞部分と重なっている、
ことを特徴とする請求項１に記載した蓄熱器。
上記床部材及び足部材は、耐熱温度が５００℃以上の材料からなる、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した蓄熱器。
上記床部材の有する上記連通口の全開口面積は、床部材の床面の６０％以上９５％以下である、
ことを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか１項に記載した蓄熱器。
請求項１～請求項４のいずれか１項に記載した蓄熱器と、上記蓄熱容器の有する上記開口のいずれかに連通したバーナと、を備える、リジェネバーナ用の加熱ユニット。