(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱炉から排出される排ガスの顕熱を回収して燃焼用空気または燃料ガスを予熱するレキュペレータの補修時期または更新時期を決定する方法であって、
前記レキュペレータの熱回収効率の実測値γaと理論値γa'との比γa／γa'、もしくは前記燃焼用空気または燃料ガスのレキュペレータ出側温度理論値とレキュペレータ出側温度実測値との温度差のいずれか一方を前記レキュペレータの性能を評価するための第１の評価値として算出し、算出した前記第１の評価値を予め定めた閾値と比較して前記レキュペレータの補修時期または更新時期を決定することを特徴とするレキュペレータの補修及び更新時期決定方法。
ただし、
γa＝ΔＱa／ΔＱg  
γa’＝ΔＱa0／ΔＱg0  
ΔＱa＝Ｖa×Ｃpa×（Ｔao−Ｔai）
ΔＱg＝Ｖg×Ｃpg×（Ｔgi−Ｔgo）
Ｖa：燃焼用空気の流量、Ｃpa：燃焼用空気の比熱、Ｔai：燃焼用空気のレキュペレータ入側温度、Ｔao：燃焼用空気のレキュペレータ出側温度、Ｖg：排ガスの実排出量、Ｃpg：排ガスの比熱、Ｔgi：排ガスのレキュペレータ入側温度、Ｔgo：排ガスのレキュペレータ出側温度、ΔＱa0：レキュペレータで予熱される燃焼用空気の設計仕様上のレキュペレータ流量、ΔＱg0：レキュペレータで顕熱が回収される排ガスの設計仕様上の排出量
【請求項２】
前記第1の評価値を算出すると共に前記レキュペレータの熱通過率の実測値と理論値との比を第２の評価値として算出し、前記第1の評価値と前記第２の評価値に基づいて前記レキュペレータの補修時期または更新時期を決定することを特徴とする請求項１に記載のレキュペレータの補修及び更新時期決定方法。
【請求項３】
前記第1の評価値を算出すると共に前記レキュペレータのリーク率を第３の評価値として算出し、前記第1の評価値と前記第３の評価値に基づいて前記レキュペレータの補修時期または更新時期を決定することを特徴とする請求項１または２に記載のレキュペレータの補修及び更新時期決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼片などの金属片を加熱処理する加熱炉から排出される排ガスの顕熱を回収して燃焼用空気または燃料ガスを予熱するレキュペレータの補修時期と更新時期を決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼用空気予熱器あるいは燃料ガス予熱器として加熱炉の煙道に付設されるレキュペレータは、使用期間が長期に及ぶと、排ガスの顕熱を回収して燃焼用空気または燃料ガスを予熱するための熱交換チューブに亀裂や腐食孔が生じることによって熱交換チューブから燃焼用空気や燃料ガスが漏洩し、レキュペレータの性能低下を招く結果となる。また、レキュペレータの熱交換チューブに排ガス中のダストが多量に付着することによってもレキュペレータの性能低下を招く結果となる。
【０００３】
そこで、燃焼負荷中の加熱炉に投入される燃料ガスの投入量と排ガスのレキュペレータ入側圧力及びレキュペレータ出側圧力ならびに排ガスの炉尻温度から加熱炉の煙道内及び煙突内における諸排ガス圧力損失を計算し、その計算結果を基に煙突内抵抗を含めた煙突通風力と煙突入口までの排ガス圧力損失の総計とを求めて、煙突通風力と煙突入口までの排ガス圧力損失の総計との比が設定値よりも小さくなったときに、通風余裕がないとしてレキュペレータの補修を行うようにした方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３３８６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した先行技術では、煙突を含む煙道の通風余裕がなくなったときをレキュペレータの補修時期としているため、亀裂や腐食孔の発生あるいはダストの付着や詰りなどによるレキュペレータ単体の性能が低下したときにレキュペレータの補修時期や更新時期を適切に決定できない可能性があった。
本発明は、上述した問題点に着目してなされたもので、亀裂や腐食孔の発生あるいはダストの付着や詰りなどによるレキュペレータ単体の性能が低下したときにレキュペレータの補修時期や更新時期を適切に決定することのできるレキュペレータの補修及び更新時期決定方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、加熱炉から排出される排ガスの顕熱を回収して燃焼用空気または燃料ガスを予熱するレキュペレータの補修時期または更新時期を決定する方法であって、前記レキュペレータの熱回収効率の実測値と理論値との比、もしくは前記燃焼用空気または燃料ガスのレキュペレータ出側温度理論値とレキュペレータ出側温度実測値との温度差のいずれか一方を前記レキュペレータの性能を評価するための第１の評価値として算出し、算出した前記第1の評価値を予め定めた閾値と比較して前記レキュペレータの補修時期または更新時期を決定することを特徴とする。
【０００７】
本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のレキュペレータの補修及び更新時期決定方法において、前記第1の評価値を算出すると共に前記レキュペレータの熱通過率の実測値と理論値との比を第２の評価値として算出し、前記第1の評価値と前記第２の評価値に基づいて前記レキュペレータの補修時期または更新時期を決定することを特徴とする。
本発明の請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載のレキュペレータの補修及び更新時期決定方法において、前記第1の評価値を算出すると共に前記レキュペレータのリーク率を第３の評価値として算出し、前記第1の評価値と前記第３の評価値に基づいて前記レキュペレータの補修時期または更新時期を決定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、レキュペレータの熱回収効率の実測値と理論値との比、もしく燃焼用空気または燃料ガスのレキュペレータ出側温度理論値とレキュペレータ出側温度実測値との温度差のいずれか一方を前記レキュペレータの性能を評価するための第１の評価値として算出し、算出した第1の評価値を予め定めた閾値と比較することで、亀裂や腐食孔の発生あるいはダストの付着や詰りなどによるレキュペレータ単体の性能低下を定量的に評価することが可能となる。従って、上述した先行技術のように、煙道の通風力を基準としてレキュペレータの補修時期を設定する必要がないので、亀裂や腐食孔の発生あるいはダストの付着や詰りなどによるレキュペレータ単体の性能が低下したときにレキュペレータの補修時期や更新時期を適切に決定することができる。
【０００９】
また、レキュペレータ単体の性能低下を定量的に評価できるため、燃焼バーナとして蓄熱式バーナを用いた加熱炉において蓄熱式バーナの蓄熱体に排ガスを吸引する排ガス吸引路がレキュペレータよりも下流の煙道に接続されている場合でもレキュペレータの性能を正確に定量評価することができる。
さらに、レキュペレータ単体の性能が大きく低下する前にレキュペレータの熱交換チューブを補修したり更新したりする時期を早期に計画することが可能となるので、燃料原単位の削減やＣＯ２排出量の削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】レキュペレータが付設される加熱炉の一例を模式的に示す図である。
【図２】蓄熱式バーナの構成を模式的に示す図である。
【図３】エアレキュペレータの補修時期と更新時期を決定する補修及び更新時期決定装置の構成を示す図である。
【図４】エアレキュペレータの熱通過率比、熱回収効率比、熱風温度ロス及びリーク率の算出方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】エアレキュペレータの熱通過率比、熱回収効率比及び熱風温度ロスと比較される閾値の一例を示す図である。
【図６】エアレキュペレータの熱回収効率比、熱風温度ロス及びリーク率と比較される閾値の一例を示す図である。
【図７】エアレキュペレータの熱通過率比と熱回収効率比及び熱通過率比と熱風温度ロスとの関係を各加熱炉ごとに調査した結果を示す図である。
【図８】エアレキュペレータのリーク率と熱回収効率比及びリーク率と熱風温度ロスとの関係を各加熱炉ごとに調査した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図１〜図８を参照して本発明の一実施形態について説明する。
レキュペレータが付設される加熱炉の一例を図１に示す。図中符号１０は鋼片などの金属片を連続的に加熱処理する連続式の加熱炉を示し、この加熱炉１０の装入口１１から炉内に装入された金属片は予熱帯１２で予熱処理され、さらに加熱帯１３で加熱処理された後、均熱帯１４で均熱処理されるようになっている。
【００１２】
加熱炉１０は均熱帯１４で均熱処理された金属片を取り出すための抽出口１５を有し、装入口１１から炉内に装入された金属片はウォーキングビーム１６によって抽出口１５へ搬送されるようになっている。また、加熱炉１０は図２に示す如き構成の蓄熱式バーナ１７を予熱帯１２、加熱帯１３及び均熱帯１４に複数個ずつ配設して金属片を加熱するように構成されている。
【００１３】
蓄熱式バーナ１７は相対向する左右一対のバーナ１７１，１７２を有し、これらのバーナ１７１，１７２で天然ガスなどの燃料ガスを燃焼用空気と共に交互に燃やして加熱炉１０の内部に燃焼ガスを発生させるように構成されている。また、蓄熱式バーナ１７はバーナ１７１，１７２で発生した燃焼熱を利用して燃焼用空気を昇温するための蓄熱体１７３，１７４を有し、これらの蓄熱体１７３，１７４は例えばセラミックスなどから形成されている。
【００１４】
さらに、蓄熱式バーナ１７はバーナ１７１，１７２で発生した燃焼熱を蓄熱体１７３，１７４に取り込むための吸引ファン１７５と流路切換弁１７６を有し、この流路切換弁１７６を例えば図２（ａ）の状態から図２（ｂ）の状態に切り換えることによって、それまで蓄熱体１７３に供給されていた燃焼用空気が蓄熱体１７４に供給されると共にバーナ１７１で発生した燃焼熱が吸引ファン１７５の吸引力により蓄熱体１７３に取り込まれるようになっている。
【００１５】
蓄熱式バーナ１７で発生した燃焼ガスは、加熱炉１０の装入口１１と予熱帯１２との間に形成されたガス排出口１８から排出される。そして、ガス排出口１８から排出された燃焼ガスは高温の排ガスとなって煙道１９を流通し、図示しない煙突から大気中に放出されるようになっている。
煙道１９は、加熱炉１０から排出された排ガスの顕熱を回収して燃焼用空気を予熱するエアレキュペレータ２０を有している。このエアレキュペレータ２０は多数本の熱交換チューブなどから構成され、燃焼用空気はエアレキュペレータ２０の熱交換チューブ群を流通して予熱されるようになっている。
【００１６】
エアレキュペレータ２０は、例えば図３に示す補修及び更新時期決定装置２１によって補修時期や更新時期が決定される。この補修及び更新時期決定装置２１は流量センサ２２，２３を有し、エアレキュペレータ２０で顕熱が回収される排ガスの実排出量Ｖg（Ｎm３／h）は流量センサ２２により検出され、エアレキュペレータ２０で予熱される燃焼用空気のレキュペレータ流量Ｖa（Ｎm３／h）は流量センサ２３により検出されるようになっている。
【００１７】
また、補修及び更新時期決定装置２１は温度センサ２４，２５，２６，２７を有し、エアレキュペレータ２０で顕熱が回収される排ガスのレキュペレータ入側温度Ｔgi（℃）とレキュペレータ出側温度Ｔgo（℃）は温度センサ２４，２５により検出され、エアレキュペレータ２０で予熱される燃焼用空気のレキュペレータ入側温度Ｔgi（℃）とレキュペレータ出側温度Ｔgo（℃）は温度センサ２６，２７により検出されるようになっている。
また、補修及び更新時期決定装置２１は酸素濃度計２８，２９を有し、エアレキュペレータ２０で顕熱が回収される前の排ガス中の酸素濃度Ｏ２iは酸素濃度計２８によって計測され、エアレキュペレータ２０で顕熱を回収された後の排ガス中の酸素濃度Ｏ２oは酸素濃度計２９によって計測されるようになっている。
【００１８】
さらに、補修及び更新時期決定装置２１はデータベース３０を有し、このデータベース３０には、エアレキュペレータ２０で顕熱が回収される排ガスの設計仕様上の排出量Ｖg0（Ｎm３／h）、エアレキュペレータ２０で予熱される燃焼用空気の設計仕様上のレキュペレータ流量をＶa0（Ｎm３／h）、排ガスの比熱Ｃpg、燃焼用空気の比熱Ｃpa、エアレキュペレータ２０の伝熱面積Ｆ（ｍ２）、エアレキュペレータ２０の設計仕様上の排ガス側境膜熱伝達係数αg0、エアレキュペレータ２０の設計仕様上の燃焼用空気側境膜熱伝達係数αa0及び大気中酸素濃度Ｏ２0が予め格納されている。
【００１９】
また、補修及び更新時期決定装置２１はエアレキュペレータ２０の熱通過率、熱回収率、熱風温度ロス、リーク率などの各種性能を演算する演算装置３１と、この演算装置３１の演算結果を予め定めた各閾値と比較してエアレキュペレータ２０の補修や更新の必要性を判定装置３２とを有し、演算装置３１は例えば図４に示すフローチャートに従ってエアレキュペレータ２０の各種性能を演算するように構成されている。
【００２０】
すなわち、演算装置３１は、まず始めに、エアレキュペレータ２０の顕熱回収量ΔＱg（Ｎm３／h）を式（１）から算出する（ステップＳ１）。
ΔＱg＝Ｖg×Ｃpg×（Ｔgi−Ｔgo）    ……（１）
ただし、Ｖg：流量センサ２２で検出した排ガスの実排出量、Ｃpg：排ガスの比熱、Ｔgi：温度センサ２４で検出した排ガスのレキュペレータ入側温度、Ｔgo：温度センサ２５で検出した排ガスのレキュペレータ出側温度。
【００２１】
ステップＳ１でエアレキュペレータ２０の顕熱回収量ΔＱgを算出したならば、演算装置３１は燃焼用空気の顕熱増加量ΔＱa（Ｎm３／h）を式（２）から算出する（ステップＳ２）。
ΔＱa＝Ｖa×Ｃpa×（Ｔao−Ｔai）    ……（２）
ただし、Ｖa：流量センサ２３で検出した燃焼用空気の流量、Ｃpa：燃焼用空気の比熱、Ｔai：温度センサ２６で検出した燃焼用空気のレキュペレータ入側温度、Ｔao：温度センサ２７で検出した燃焼用空気のレキュペレータ出側温度。
【００２２】
ステップＳ２で燃焼用空気の顕熱増加量ΔＱaを算出したならば、演算装置３１はエアレキュペレータ２０の熱回収効率の実測値γaと理論値γa’を式（３）及び式（４）から算出する（ステップＳ２）。
γa＝ΔＱa／ΔＱg    ……（３）
γa’＝ΔＱa0／ΔＱg0    ……（４）
ただし、ΔＱa0：エアレキュペレータ２０で予熱される燃焼用空気の設計仕様上のレキュペレータ流量、ΔＱg0：エアレキュペレータ２０で顕熱が回収される排ガスの設計仕様上の排出量。
【００２３】
ステップＳ３で熱回収効率の実測値γaと理論値γa’を算出したならば、演算装置３１は熱回収効率の実測値γaと理論値γa’との比（以下「熱回収効率比」という。）を、エアレキュペレータ２０の性能を評価する第１の評価値として式（５）から算出する（ステップＳ３）。
熱回収効率比＝γa／γa’    ……（５）
【００２４】
ステップＳ３でエアレキュペレータ２０の熱回収効率比を算出したならば、演算装置３１はエアレキュペレータ２０の熱通過率の実測値Ｋと理論値Ｋ’を式（６）及び式（７）から算出する（ステップＳ４）。
Ｋ＝ΔＱg／（Ｆ×ΔＴm）    ……（６）
Ｋ’＝１／（１／αg＋１／αa）    ……（７）
ただし、
ΔＴm：対数平均温度差（＝（ΔＴ1−ΔＴ2）／ln（ΔＴ1／ΔＴ2））、
αg：エアレキュペレータのガス側境膜熱伝達係数（＝（Ｖg／Ｖg0）0.8×αg0）、
αa：エアレキュペレータの空気側境膜熱伝達係数（＝（Ｖa／Ｖa0）0.8×αa0）。
【００２５】
ステップＳ４で熱通過率の実測値Ｋと理論値Ｋ’を算出したならば、演算装置３１は熱通過率の実測値Ｋと理論値Ｋ’との比（以下「熱通過率比」という。）を、エアレキュペレータ２０の性能を評価する第２の評価値として式（８）から算出する（ステップＳ５）。
熱通過率比＝Ｋ／Ｋ’     ……（８）
【００２６】
ステップＳ５で熱通過率比を算出したならば、演算装置３１はエアレキュペレータ２０のリーク率を、エアレキュペレータ２０の性能を評価する第３の評価値として式（９）及び式（１０）から算出する（ステップＳ６）。
（Ｏ２i×Ｖg）＋（Ｏ２0×Ｌ）＝（Ｏ２0×（Ｖg＋Ｌ））    ……（９）
リーク率＝Ｌ／Ｖa    ……（１０）
ただし、Ｌ：エアレキュペレータから漏洩する空気量、Ｏ２i：酸素濃度計２８で計測した排ガス酸素濃度、Ｏ２o：酸素濃度計２８，２９で計測した排ガス酸素濃度。
【００２７】
ステップＳ６でエアレキュペレータ２０のリーク率を算出したならば、演算装置３１はステップＳ３で算出した熱回収効率比、ステップＳ５で算出した熱通過率比、ステップＳ６で算出したリーク率をエアレキュペレータ２０の性能定量化データとして判定装置３２に出力する（ステップＳ７）。
判定装置３２では、演算装置３１で算出されたエアレキュペレータ２０の熱通過率比、熱回収効率比及びリーク率の各値を予め定めた各閾値と比較してエアレキュペレータ２０の補修や更新の必要性を判定し、その判定結果を出力する。具体的には、図５（ａ）に示すように、エアレキュペレータ２０の熱通過率比が例えば６０％以下で熱回収効率比が例えば８０％以下の場合には、ダストの付着や詰りなどによってエアレキュペレータ２０の性能が低下したと判断し、エアレキュペレータ２０を補修する必要があると判定する。
【００２８】
また、図６（ａ）に示すように、エアレキュペレータ２０のリーク率が例えば２０％以上で熱回収効率比が例えば８０％以下の場合には、亀裂や腐食孔の発生などによってエアレキュペレータ２０の性能が低下したと判断し、エアレキュペレータ２０を更新する必要があると判定する。
上述した本発明の一実施形態のように、エアレキュペレータ２０の熱通過率比、熱回収効率比及びリーク率を上記の式（１）〜（１０）により算出することで、亀裂や腐食孔の発生あるいはダストの付着や詰りなどによるエアレキュペレータ単体の性能低下を定量的に評価することが可能となる。従って、上述した先行技術のように、煙道の通風力を基準としてレキュペレータの補修時期を設定する必要がないので、亀裂や腐食孔の発生あるいはダストの付着や詰りなどによるレキュペレータ単体の性能が低下したときにレキュペレータの補修時期や更新時期を適切に決定することができる。
【００２９】
また、レキュペレータ単体の性能低下を定量的に評価できるため、燃焼バーナとして蓄熱式バーナ１７を用いた加熱炉において蓄熱式バーナ１７の蓄熱体１７３，１７４に排ガスを吸引する排ガス吸引路がエアレキュペレータ２０よりも下流の煙道１９に接続されている場合でもエアレキュペレータ２０の性能を正確に定量評価することができる。
さらに、エアレキュペレータ単体の性能が大きく低下する前にエアレキュペレータ２０の熱交換チューブを補修したり更新したりする時期を早期に計画することが可能となるので、燃料原単位の削減やＣＯ２排出量の削減を図ることができる。
【００３０】
エアレキュペレータの設計仕様を理論値として熱通過率比、熱回収率比、熱風温度ロス及びリーク率を算出して熱通過率比と熱回収率比、熱通過率比と熱風温度ロス、リーク率と熱回収率比、リーク率と熱風温度ロスとの関係を各加熱炉、各煙道ごとに調査した結果を図７及び図８に示す。
図７に示すように、熱通過率比の低下に相関して熱回収率比は低下するが、熱風温度ロスへの相関は顕著ではない。また、図８に示すように、リーク率と熱回収率比及び熱風温度ロスに顕著な相関関係がないため、定性的な評価しかできず、補修・更新の優先順を決定し難い。
【００３１】
上述した本発明の一実施形態では、エアレキュペレータ２０の熱回収効率比が例えば８０％以下の場合にエアレキュペレータ２０を補修または更新する必要があると判定したが、例えばエアレキュペレータ２０の熱回収効率比を求める代わりに燃焼用空気のレキュペレータ出側温度理論値Ｔao’とレキュペレータ出側温度実測値Ｔaoとの温度差（以下「熱風温度ロス」という。）を式（１１）から算出し、図５（ｂ）に示すように、エアレキュペレータ２０の熱通過率比が例えば６０％以下で熱風温度ロスが例えば１００℃以上の場合にはエアレキュペレータ２０を補修する必要があると判定し、図６（ｂ）に示すように、エアレキュペレータ２０のリーク率が例えば２０％以上で熱風温度ロスが例えば１００℃以上の場合にはエアレキュペレータ２０を更新する必要があると判定してもよい。
熱風温度ロス＝Ｔao’−Ｔao    ……（１１）
なお、燃焼用空気のレキュペレータ出側温度理論値Ｔao’は式（１）及び式（６）から求めることができる。
【００３２】
また、上述した本発明の一実施形態では、エアレキュペレータが付設される加熱炉として金属片を連続的に加熱処理する連続式加熱炉を例示したが、エアレキュペレータが付設される加熱炉は例えばバッチ式の加熱炉であってもよい。
また、加熱炉に付設されるレキュペレータとしてエアレキュペレータを例示したが、加熱炉に付設されるレキュペレータは燃料ガスを予熱するガスレキュペレータであってもよい。
さらに、エアレキュペレータから漏洩する燃焼用空気のリーク量を算出する方法としてエアレキュペレータを通過する前の排ガス酸素濃度とエアレキュペレータを通過した後の排ガス酸素濃度を基に算出したが、燃焼用空気のレキュペレータ入側流量とレキュペレータ出側流量を基にリーク量を算出してもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１０…加熱炉
１１…装入口
１２…予熱帯
１３…加熱帯
１４…均熱帯
１５…抽出口
１６…ウォーキングビーム
１７…蓄熱式バーナ
１８…ガス排出口
１９…煙道
２０…エアレキュペレータ
２１…補修及び更新時期決定装置
２２，２３…流量センサ
２４，２５，２６，２７…温度センサ
２８，２９…酸素濃度計
３０…データベース
３１…演算装置
３２…判定装置
【図１】
0005614074.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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