JPH07332617A - 輻射伝熱型燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構造により安全でかつ安価であり、し
かも効率的な輻射伝達を行うことができるとともに目詰
まりが生じ難く、汎用性がある輻射伝熱型燃焼装置を提
供する。 【構成】 少なくとも側面の一部に熱輻射体２８，３０
を有する燃焼室３２と、熱輻射体を通過する燃焼ガスを
導入し、該熱輻射体の輻射熱を受熱するよう被加熱体を
配置した被加熱室３１を設けることにより輻射伝熱型燃
焼装置を構成し、更にその熱輻射体として、耐熱金属管
外周に熱輻射材を有する棒状熱輻射体を互いに間隔を有
して複数本配置する等請求項各項記載の各種構成を採用
したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃焼ガスの熱を受けて
高温となり、その輻射熱により各種被加熱体を加熱し、
あるいは燃焼を補助するための輻射伝熱型燃焼装置に関
し、特に原動機、加熱炉、暖房器等の分野において難燃
性の低発熱量燃料を燃焼するのに用いて好適な輻射伝熱
型燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、原料ガスを加熱してプロセス
ガスにするため、また、水蒸気の発生等のために燃焼ガ
スとこれらのものを熱交換することが広く行われてお
り、その際、燃焼ガスの熱を効率良く熱交換する方法の
一つとして、燃焼ガスの熱を輻射熱とし、それにより各
種被加熱体を加熱することが行われている。

【０００３】一方、燃焼ガス用燃料としては各種のもの
が用いられており、近年は、特に難燃性ガスも効率良く
燃焼させることにより、上記のような輻射加熱源として
用いることや、あるいはガスタービンの排気熱を有効利
用するため、その排気中に少量の燃料を供給して再燃焼
させ、その熱により水蒸気を発生すること等が行われて
いる。このような燃焼においては、燃料が特に完全に燃
焼することが望まれるため、燃焼雰囲気を高温化する必
要があり、そのために、燃焼ガスの熱で熱輻射体を加熱
することにより燃焼室を高温化することも行われてい
る。

【０００４】難燃性ガスを効率良く安定して燃焼させる
ために輻射熱を利用するものとしては、例えば特開平３
−２３２７０２号公報に示されるような装置が従来から
知られている。即ち、図１０，１１に示すように、円筒
形の容器１の内面には断熱材が施され、容器１内にはガ
ス非透過性材料からなる隔壁３を配置し、この隔壁３に
よりその外周側に加熱室Ａを、その内周側に被加熱室Ｂ
をそれぞれ形成している。

【０００５】加熱室Ａには、円筒状のバーナー４、再熱
交換用配管６及び円筒状の多孔体５が配設され、かつ、
バーナー４には、容器１の外部から燃料導入管によって
燃料が供給され、また、再熱交換用配管６には、容器１
の外部からの燃焼空気導入管８が連結され、加熱室Ａに
は、燃焼ガス排出管９が連結されている。被加熱室Ｂ内
には、円筒状の多孔体１０が配設され、かつ容器１外部
から原料ガス供給管１１を介して原料ガスが導入される
とともに、容器１の外部のプロセスガス排出管１２と連
結されている。

【０００６】上記従来の装置において、燃焼空気導入管
８から導入される燃焼空気ａが、再熱交換用配管６によ
り予熱され、その後、燃料導入管７より導入された燃料
ガスｆが混合され、この混合ガスがバーナー４により燃
焼された高温ガスは、多孔体５を通過しながら輻射エネ
ルギが放射され、この輻射エネルギの多くは隔壁３を介
して被加熱室Ｂに伝達される。

【０００７】被加熱室Ｂ内に原料ガス供給管１１から導
入された原料ｄは、この輻射エネルギによって多孔体１
０を通過する際に加熱され、この加熱されたプロセスガ
スｅがプロセスガス排出管１２を通じて容器１外部に排
出される。また、バーナ４により燃焼された燃焼排ガス
ｏは、前記のように多孔体５を通過する際多孔体を加熱
し、輻射エネルギを放射させ、隔壁３と多孔体５間の燃
焼室を高温化し、燃料ガスｆが難燃性ガスであっても高
温雰囲気化で安定して燃焼する。多孔体５を通過した燃
焼ガスは、再熱交換用配管６内の燃焼空気を加熱し、燃
焼ガス排出管９から容器１の外部に排出される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の難燃性燃料
を安定燃焼させる輻射伝熱型燃焼装置においては、容器
１内部を隔壁３により加熱領域Ａと被加熱領域Ｂとに分
け、加熱領域と被加熱領域の間にガス非透過性隔壁を設
置しており、装置が複雑化し、メンテナンスが困難とな
り、しかもガス非透過性隔壁は輻射熱を通すため、光学
的に透明な耐熱ガラス製、あるいは光学的に不透明な耐
熱金属製、耐熱金属化合物製、耐熱セラミック製の薄
板、薄膜、環、管等を使用しなければならず、ガス非透
過性隔壁自身が１０００℃以上の高温になることから、
ガス非透過性隔壁の焼損の危険性があった。そのため、
もしもガス非透過性隔壁が破損した場合、反応物質の爆
発、等の危険もあり、その防止のためには高価な材料を
使用しなければならず、装置全体が高価なものとなる。
また、隔壁を介して輻射熱を被加熱体に伝達するため、
熱効率が低下する欠点があった。

【０００９】更に、熱輻射体としては多孔体を用い、燃
焼ガスを透過させて加熱していたものであるが、多孔体
は次第に未燃成分や燃料中の不純物により目詰まりを生
じ、燃焼ガスの透過性が悪くなり、燃焼効率を低下させ
るばかりでなく、放射する輻射熱量が低下し、熱効率も
低下する欠点があった。特に前記実施例以外にこのよう
な輻射伝熱型燃焼装置を高速でかつ大量に流動する、例
えばボイラの排ガス通路やガスタービン排気通路中に配
置する場合は、このような熱輻射体の目詰まりは、単に
輻射熱の放射量を減少させるのみでなく、ボイラ設備や
ガスタービン機関設備の効率にも大きな影響を与えるこ
ととなる。

【００１０】このような排ガス通路内に熱輻射体を配置
するに際しては、多孔体による目詰まりを防止するた
め、図１２に示すように、多数の棒状の熱輻射体１５を
排気通路７内の再燃焼器部分に設けることも行われてい
る。この熱輻射体１５は、図１３及び図１４に示すよう
に、中心に保持する支持用チューブ１６を側面から入れ
るための溝１７を形成した中空状のセラミック多孔体１
８に対し、支持用チューブ１６を側面から入れるための
溝２０を形成した中空状の断熱材２１を嵌挿した状態
で、前記セラミック多孔体１８の溝１７及び断熱材２１
の溝２０を通して断熱材２１の中心部に支持用チューブ
１６を入れ、各溝１７及び１８を塞ぐよう蓋状断熱材２
２を嵌入固定することにより形成している。

【００１１】この熱輻射体は、多孔体の目詰まりによる
各種問題点は解消できるものの、複雑な構造となるので
製造コストが上昇し、また、表面に露出する蓋状断熱材
２２は、排ガス流に対向するように配置すると焼損する
ので逆側に向けなければならず、その配置に制限があ
り、しかも排ガス流が常時一方向のみから流動する上記
設備のような用途に限定されることとなる。また、熱輻
射を行う輻射変換体として重要な空隙率や光学的厚さの
設定も自由にできない欠点もある。

【００１２】したがって、本発明は、簡単な構造により
安全でかつ安価であり、しかも効率的な輻射伝達を行う
ことができるとともに目詰まりが生じにくく、汎用性が
ある輻射伝熱型燃焼装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、側面が熱輻射体により形成され、かつ、そ
の少なくとも大半部がガス透過性熱輻射体である燃焼室
と、この燃焼室に隣接して設けられ、前記ガス透過性熱
輻射体を通過する燃焼ガスを導入して側面の熱輻射体の
輻射熱を受熱するよう被加熱体が配設される被加熱室と
を含んで輻射伝熱型燃焼装置を構成し、更に、燃焼室と
被加熱室とを同心を成す多重筒体に形成し、また、その
熱輻射体として、耐熱金属管外周に熱輻射材を有する棒
状熱輻射体を互いに間隔を有して複数本配置する等請求
項各項記載の各種構成を採用したものである。

【００１４】

【作用】本発明は、上記のように構成したので、燃焼室
で燃焼した高温ガスは、燃焼室の側面に設けた熱輻射体
を通過する際、熱輻射体を高温に加熱し輻射熱を放射さ
せる。その輻射熱により、被加熱体が加熱されるととも
に、燃焼室を高温に維持し、被加熱体は、上記輻射熱の
ほか燃焼ガスの熱も受け加熱される。また、熱輻射体と
して耐熱金属管外周に熱輻射材を有する棒状熱輻射体を
互いに間隔を有して複数本配置したものにおいては、燃
焼ガスによって熱輻射体の燃焼ガス流通部分で目詰まり
を生じることがなく熱輻射体の構成を簡素化する。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例を図面に沿って説明する。図
１、図２は、本発明をプロセスガス発生器に用いた実施
例を示し、円筒状容器２５の下部には下側耐火材２６を
設け、上部には中央部に孔を有する上側耐火材２７を設
けており、両耐火材間には互いに間隔を隔てて、外側輻
射多孔体２８と内側輻射多孔体３０とを配置している。
内側輻射多孔体３０の内方には被加熱室３１が、内側輻
射多孔体３０と外側輻射多孔体２８との間には燃焼室３
２が、外側輻射多孔体２８と容器２５の内周間には予混
合室３３が各々形成されている。

【００１６】被加熱室３１には、容器２５の上端壁中央
を貫通して多数の伝熱管３４が挿通され、外部から原料
ガスを導入するとともに被加熱室３１でそのガスを加熱
し、プロセスガスとして外部に供給している。被加熱室
３１には、後述するように燃焼ガスが内側輻射多孔体３
０を通して供給され、その燃焼ガスは、伝熱管の外周を
通って上部の排気管３５から外部に排出される。

【００１７】予混合室３３には燃料供給管３６が接続さ
れ、外部から空気等の酸化剤と予混合された燃料は予混
合室３３に均等に導入され、充分予混合された後、外側
輻射多孔体２８を通過し、燃焼室３２内に供給される。
燃焼室３２の下部には、点火用パイロットバーナー３７
が設けられ、始動時には、この点火用パイロットバーナ
ー３７の作動によって、燃料は燃焼を開始する。安定燃
焼後は、点火用パイロットバーナーは消火される。

【００１８】燃焼室３２で燃焼した燃焼ガスは、内側輻
射多孔体３０を通り、被加熱室３１内に入る。この時、
内側輻射多孔体３０は高温となり赤熱し、高温の輻射熱
を放出する。この輻射熱により、被加熱室３１内の伝熱
管３４は加熱され、外部から供給される原料ガスはプロ
セスガスとなる。この時、伝熱管３４は、外周囲を流動
する燃焼ガスとの直接接触によっても加熱される。

【００１９】内側輻射多孔体及び外側輻射多孔体の材料
としては、各種のものが使用可能であり、セラミック
製、耐熱金属製の繊維、布、金網、発泡体、焼結体等が
使用可能であり、後述するように、耐熱金属管の外周に
セラミック等の熱輻射材を設けて棒状輻射体とし、これ
を多数互いに間隔を隔てて燃焼ガス流通部を形成してな
る輻射多孔体を用いることもできる。

【００２０】上記実施例においては、燃焼室３２の内外
両側から高温の輻射熱を受けて高温化し難燃性の燃料で
も安定して燃焼させることができ、１００ｋｃａｌ／Ｎ
ｍ³程度の難燃性の燃料も燃焼可能となる。また、輻射
多孔体を円筒状とすることにより、平板、棒等を用いた
ものよりも強度が向上し、大型化することができる。

【００２１】なお、上記実施例においては輻射多孔体を
２重円筒にしたものを示したが、３重円筒以上の多重円
筒でも良く、また、必ずしも円筒に限らず、多角形の筒
でも良い。更に、筒は一体である必要はなく、分割した
板状の物を組合わせて筒状にしても良い。また、筒全体
がガス透過性の輻射多孔体で構成する必要はなく、一部
をガス非透過性の耐熱性輻射材料としても良い。また、
被加熱室は内側多孔体内から予混合ガスを供給し、外側
多孔体と容器内周間に伝熱管を配置することもでき、そ
のほか、内側の筒のみ輻射多孔体とし、外側の筒は断熱
材で形成し、この断熱材中に燃料管を配置し、燃料管が
燃焼室に対向する部分にノズルを設け、バーナーとする
こともできる。更にダクト状燃焼室の１端開口側にバー
ナーを配置し、その燃焼ガスを輻射多孔体を通過させて
輻射熱を放射させ、その輻射多孔体の片側で燃焼室内を
加熱し、他側で被加熱物を加熱するよう構成することも
できる。

【００２２】輻射多孔体としては、上記のような各種の
ものが使用可能であるが、例えば図３、図４に示すよう
な輻射多孔体を用いることもできる。即ち、耐熱金属管
４０の外周にセラミックフアイバー等のセラミック体か
らなる輻射変換物質４１を巻き、このようにして形成さ
れた棒状熱輻射体４２を、図４に示すように隣接する棒
状熱輻射体４２相互は互いに間隔を隔てて配置し、これ
を直角方向に配置したものと編むことにより輻射多孔体
４３とすることもできる。

【００２３】上記輻射多孔体４３は、前記図１に示す輻
射多孔体として用いることができるほか、前記の各種変
形実施例のものにも採用可能であるが、特に上記輻射多
孔体４３は、ボイラの廃ガスの熱、あるいはガスタービ
ンの排気熱等を再利用し水蒸気を発生させ、あるいは温
水を生成する設備に用いるのが好適である。

【００２４】即ち、図５、図６にガスタービンの排気熱
利用設備を示すように、ガスタービンの排ガスが流れる
排ガスダクト４５の上流側にディフューザー４６を備え
たダクトバーナ４７を配置し、その背面、即ち上流側に
前記棒状熱輻射体からなる上流側熱輻射体４８を設け、
ダクトバーナー４７の下流側には、ダクトバーナーと間
隔を隔てて、上流側熱輻射体４８と同様の構成からなる
下流側熱輻射体５０を配置し、その間に燃焼室５１を形
成する。

【００２５】上記構成により、ガスタービンから約１５
％程度酸素を含んだ約６００℃以上の高温排ガスが、断
熱材で構成される排ガスダクト４５に導入され、ダクト
バーナー４７の直近上流部の上流側熱輻射体４８により
整流される。ダクトバーナー４７における耐熱金属管を
通った燃料は、耐熱金属管に開けられた燃料噴出口から
噴射され、排気ガスと混合され燃焼室５１内で燃焼す
る。この燃焼熱により下流側熱輻射体５０はもとより、
上流側熱輻射体４８及びその間の燃焼室５１内も高温と
なり、排ガスダクト自体も高温となって両熱輻射体及び
ガスダクトは輻射熱を放射する。この熱によって、低酸
素濃度の排ガス雰囲気中でも安定して燃焼することがで
きる。

【００２６】上記両熱輻射体の耐熱金属管４０内には、
冷却流体として燃料、排ガス、ボイラ水等の水、空気等
の酸化剤、油、粉、及びこれらの混合物等を使うことが
でき、熱輻射体自体を被加熱物とすることができる。

【００２７】上記のような棒状熱輻射体を用いることに
より、熱輻射物質であるセラミックの破損や、耐熱金属
の焼損をなくすことができ、また、輻射変換体の基本特
性として重要な空隙率や光学的厚さを自由に設定できる
ほか、板状、円筒状等、形状を自由に設定でき、更に流
れの整流作用をも行うことができる。

【００２８】特に、従来この種の排気熱利用設備で用い
られていた棒状熱輻射体は、前記したように、また図１
２〜１４に示すように複雑な構造であり、かつ外表面に
一部が露出する、断熱材が排ガス流の下流側に向けて配
置しなければならないという配設上の制約等の欠点を有
していたものであるが、上記本発明の棒状熱輻射体は簡
単な構造で安価であり、配設上の制約がなく各種形態の
熱輻射体を容易に形成することができる。

【００２９】本発明を加熱炉に用いた実施例を図７、図
８に示す。この加熱炉５３は、円筒形の断熱筒５４と、
上部の熱輻射多孔体５５、下部の断熱材５６で構成され
る。熱輻射多孔体５５は、適宜の間隔で配置された耐熱
金属管６０で補強され、断熱材５６は、図８に示すよう
に、渦巻状の耐熱金属管からなる燃料供給管５７で補強
されるとともに、熱輻射多孔体５５と断熱材５６間は燃
焼室５８を形成し、燃料供給管５７の燃焼室５８に面す
る側にノズル孔５９を形成している。

【００３０】上記構成の加熱炉においては、燃料供給管
５７から供給される燃料は、ノズル孔５９から燃料室５
８に噴出して燃焼し、その燃焼ガスは熱輻射多孔体５５
を通過する。この時、熱輻射多孔体５５は高温に熱せら
れて輻射熱を放射し、図５の、上方において図示されな
い被加熱物を加熱するとともに、燃焼室５８内を高温に
保持することができ、それにより、難燃性燃料も安定し
て燃焼させることができる。

【００３１】上記実施例における熱輻射多孔体５５を補
強する耐熱金属管は適宜の形状に配置することができ、
燃料供給管と同様に渦巻状とすることができるととも
に、内部に前記実施例と同様に水、油等の冷却流体を流
すこともできる。

【００３２】また、上記実施例における燃料供給管を、
図９に示すように十字形と円形の組合せ形状とすること
もでき、熱輻射多孔体の耐熱金属管も必要に応じて同様
の形状とすることができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、上記のように構成し作用する
ので、簡単な構造により安全でかつ安価であり、しかも
効率的な輻射伝達を行うことができるとともに、燃焼室
を高温に維持できるので、難燃性燃料でも安定して燃焼
させることができる。特に被加熱体との間に隔壁を設け
る必要がないので、隔壁破損時の被加熱体の爆発等の危
険がなく、伝熱効率も向上する。また、燃焼室の両側面
に熱輻射体を設けたものにおいては、燃焼室をより高温
に維持することができる。

【００３４】また、熱輻射体として耐熱金属管外周に熱
輻射材を有する棒状熱輻射体を互いに間隔を有して複数
本配置したものにおいては、目詰まりを生じることな
く、簡単な構造で安価であり、配設の自由度が大きく、
各種形状の熱輻射体を容易に形成することができる。

【００３５】また、耐熱金属管内に被加熱流体を流通さ
せたものにおいては、熱輻射体の熱により、耐熱金属管
が焼損することを防止できるとともに燃焼熱を有効利用
することができる。

【００３６】更に、燃焼室に面する断熱材中に燃料供給
管を設け、燃料供給管の燃焼室に面する側に燃料ノズル
を設けたものにおいては、燃料供給管により断熱材を補
強できるとともに、燃料供給管が充分加熱されて燃料の
燃焼性が向上し、燃料ノズルの形成もきわめて容易とな
る。また、燃焼室への流動ガス取入部にも熱輻射体を配
置したものにおいては、その熱輻射体が流動ガスの整流
作用をなし、燃焼を安定させることができるとともに、
燃焼室を両側から輻射熱で加熱して高温化することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の縦断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ部の横断面図である。

【図３】本発明の熱輻射体の他の実施例を示す横断面図
である。

【図４】図３の熱輻射体を組み合わせてなる熱輻射体の
側面図である。

【図５】本発明の他の実施例の横断面図である。

【図６】図５のＢ−Ｂ部分の断面図である。

【図７】本発明の更に他の実施例の縦断面図である。

【図８】図７のＣ−Ｃ部分の断面図である。

【図９】本発明の更に他の実施例の横断面図である。

【図１０】従来のプロセスガス発生装置の縦断面図であ
る。

【図１１】図１０のＤ−Ｄ部分の横断面図である。

【図１２】従来の排ガスダクト内に配設する熱輻射体の
断面図である。

【図１３】同じく熱輻射体の一部拡大断面図である。

【図１４】同じく側面図である。

【符号の説明】

２５…円筒状容器、 ２６…下側耐火材、 ２７…
上側耐火材、２８…外側輻射多孔体、３０…内側輻射多
孔体、３１…被加熱室、３２…燃焼室、 ３３…
予混合室、 ３４…伝熱管、３５…排気管、
３６…燃料供給管、 ３７…パイロットバーナー、
４０…耐熱金属管、 ４１…輻射変換物質、 ４２…
棒状熱輻射体、４３…輻射多孔体、

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 側面が熱輻射体により形成され、かつ、
   その少なくとも大半部がガス透過性熱輻射体である燃焼
   室と、この燃焼室に隣接して設けられ、前記ガス透過性
   熱輻射体を通過する燃焼ガスを導入して側面の熱輻射体
   の輻射熱を受熱するよう被加熱体が配設される被加熱室
   とを含むことを特徴とする輻射伝熱型燃焼装置。
2. 【請求項２】 燃焼室と被加熱室とが同心を成す多重筒
   体に形成される請求項１記載の輻射伝熱型燃焼装置。
3. 【請求項３】 ガス透過性熱輻射体として耐熱金属管外
   周に熱輻射材を有する棒状熱輻射体を互いに間隔を有し
   て複数本配置することにより構成してなる請求項１又は
   ２記載の輻射伝熱型燃焼装置。
4. 【請求項４】 耐熱金属管内に被加熱流体を流通してな
   る請求項３記載の輻射熱型燃焼装置。
5. 【請求項５】 燃焼室に面する断熱材中に燃料供給管を
   設け、燃料供給管の燃焼室に面する側に燃料ノズルを設
   けてなる請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４記
   載の輻射伝熱型燃焼装置。
6. 【請求項６】 燃焼室への流動ガス取入部にも熱輻射体
   を配置してなる請求項３、請求項４、請求項５又は請求
   項６記載の輻射伝熱型燃焼装置。