(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ノズル（２６）の外周に、１次空気ノズル（２７）を設け、且つ、該ノズルの先端部に設けられているバッフル（２９）に１次燃焼ポート（２８）を形成してなるバーナ（３０）を、炉壁（３３）に所定間隔を置いて複数設け、一方炉外に設置した円筒管（１１）の内部に、駆動装置（２４）により軸心（１７）を中心として回転自在な蓄熱体（２５）を、前記軸心と同方向に多数の小径管（１２）を充填して形成し、該蓄熱体の両端部に一定空間のバッファ部を形成し、且つ、該バッファ部のそれぞれを円筒管の軸心と同方向に２分割し、一方を排ガスバッファ室（１３）（１４）、他方を燃焼空気バッファ室（１５）（１６）となし、更に、排ガスバッファ室には排ガス通路（１０）（１９）を、燃焼ガスバッファ室には燃焼空気通路（９）（２１）をそれぞれ連接して回転式蓄熱器を構成すると共に、該回転式蓄熱器を前記バーナ間に配設し、該蓄熱器の炉側に位置する排ガス通路及び燃焼空気通路を、炉壁に形成されている排ガス吸引孔（３１）及び燃焼空気ノズル（３２）を介しそれぞれ炉内と連通せしめる如くなしたことを特徴とする工業炉用燃焼装置。
【請求項２】
炉壁（３３）にあって、バーナ（３０）とバーナ（３０）間に排ガス吸引孔（３１）を設け、該吸引孔を中にしてその両側に燃焼空気ノズル（３２）を少なくとも２個配設すると共に、回転式蓄熱器の炉側に位置する燃焼空気通路（９）を少なくとも２本形成し、前記燃焼空気ノズルを介し炉内と連通する如く成したことを特徴とする請求項１記載の工業炉用燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス顕熱を燃焼用空気の高温予熱によって回収を行い、省エネルギに効果のある燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、加熱炉、熱処理炉、溶解炉あるいは焼却炉等の工業炉においては、炉の熱効率向上を目的とした燃焼装置に、排ガス顕熱で燃焼空気の高温予熱を行う手段として、排気と燃焼を交互に行い、排気時には蓄熱器に収納された蓄熱体によって熱を回収し、燃焼時に燃焼空気を予熱するリジェネレイティブバーナ（以降リジェネバーナとする）を使用している。リジェネバーナは、燃焼と排気の交互燃焼のため、燃料配管、燃焼空気配管、排ガス配管にそれぞれに切替弁が必要である。また、リジェネバーナを備える工業炉においては、２本１組にて燃焼を行うため、バーナの容量あるいは本数が２倍になる。
【０００３】
そこで、その解決手段として、特公平６−５６２６１に記載されている熱回収式燃焼装置が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図７は特公平６−５６２６１に記載の燃焼装置の構成を示した図である。この熱回収式燃焼装置の構成は、炉壁に取り付けられたバーナの近傍に配設された燃焼用空気が流通する燃焼空気通路４０と、燃焼した後の排気ガスを炉外に排出するようにした排ガス通路４２と、この排ガス通路４２を流通する排気ガスの熱より前記燃焼空気通路４０を流通する燃焼空気を加熱するように前記排ガス通路４２と燃焼空気通路４０との間に回転しうるように設けられた多数の通気孔を有する蓄熱体４１とを有する燃焼装置において、前記炉壁３４に開設された開口部に、内部を仕切り板４３で仕切ることにより前記空気通路４０と排ガス通路４２を形成した１つのダクト４４を連接し、このダクト４４の炉内側端部の前記仕切り板４３のない円筒部に前記蓄熱体４１を配置したことを特徴とする。
【０００５】
この熱回収式燃焼装置は、リジェネバーナの課題、すなわち、リジェネバーナの構成が、リジェネバーナの燃焼が燃焼と排気の交互燃焼のため２本１組で構成され、各バーナには、直近に蓄熱器を持ち、燃料配管、燃焼空気配管、排ガス配管に自動切替弁を備える構成となっているので、バーナ本数あるいは容量が２倍になる、自動切替弁が必要という課題を解決しているが、以下のような課題がある。
【０００６】
（１）工業炉の炉壁３４に直接蓄熱器３５を設置するため、炉壁３４開口部が蓄熱器３５の寸法に依存し、大きくなるため、バーナタイル３６の加工範囲が大きくなる。そのため、炉寸法がバーナタイル３６の大きさに制約され、炉３７がコンパクトにできない。
【０００７】
（２）燃焼装置の構成が図７に示すように、燃料ノズル３８と蓄熱器３５により構成され、蓄熱器３５が炉内に直接繋がっているために、炉内へ吹き込む燃焼空気噴出孔３９の面積が絞られないまま蓄熱器３５の燃焼空気通路４０の大きさとなり、燃焼空気の噴出スピードが遅く、火炎が短炎となり、高ＮＯｘ値となる。また、燃料ノズル３８が燃焼空気噴出孔３９と離れているため、炉の立ち上がり時の炉内温度が低温時等の燃焼性が悪化する条件下では、火炎が吹き消える可能性がある。
【０００８】
（３）蓄熱器３５中の燃焼空気通路４０は燃焼空気の炉内への噴出速度を上げるため、燃焼空気通路４０を狭く（燃焼空気の通路は全面積に対し、１／８〜１／２．５）しているため、蓄熱体４１において、燃焼空気と排ガスのとおる時間が異なり、熱回収率が悪化する。
【０００９】
（４）蓄熱体４１にセラミック性のハニカムを使用しており、熱応力に比較的弱く割れやすい。
【００１０】
（５）燃焼空気通路４０、排ガス通路４２は直接蓄熱器３５に繋がっているため、通路内に偏流が生じ、そのまま蓄熱体４１を通る。従って、蓄熱体４１を必要以上に長くする必要がある。
【００１１】
【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、次の構成を要旨とする。
【００２２】
（１）燃料ノズルの外周に、１次空気ノズルを設け、且つ、該ノズルの先端部に設けられているバッフルに１次燃焼ポートを形成してなるバーナを、炉壁に所定間隔を置いて複数設け、一方炉外に設置した円筒管の内部に、駆動装置により軸心を中心として回転自在な蓄熱体を、前記軸心と同方向に多数の小径管を充填して形成し、該蓄熱体の両端部に一定空間のバッファ部を形成し、且つ、該バッファ部のそれぞれを円筒管の軸心と同方向に２分割し、一方を排ガスバッファ室、他方を燃焼空気バッファ室となし、更に、排ガスバッファ室には排ガス通路を、燃焼ガスバッファ室には燃焼空気通路それぞれ連接して回転式蓄熱器を構成すると共に、該回転式蓄熱器を前記バーナ間に配設し、該蓄熱器の炉側に位置する排ガス通路及び燃焼空気通路を、炉壁に形成されている排ガス吸引孔及び燃焼空気ノズルを介しそれぞれ炉内と連通せしめる如く成した。
【００２３】
（２）請求項１記載の工業炉用燃焼装置において、炉壁にあって、バーナとバーナ間に排ガス吸引孔を設け、該吸引孔を中にしてその両側に燃焼空気ノズルを少なくとも２個配設すると共に、回転式蓄熱器の炉側に位置する燃焼空気通路を少なくとも２本形成し、前記燃焼空気ノズルを介し炉内と連通する如く成した。
【００２４】
（１）、（２）より、従って、
炉より回転式蓄熱器が独立しているため、バーナタイル部の加工は自由に行える。
【００２５】
回転式蓄熱器での燃焼空気通過断面積と排ガス通過断面積を等しくすることができるので、燃焼空気、排ガスそれぞれの蓄熱体を通る時間が等しく、排ガス顕熱の燃焼空気予熱での熱回収率は良好になる。
【００２６】
蓄熱体に独立した小径管を使用しており、蓄熱体に燃焼空気、排ガスそれぞれが通る時に、昇温、冷却といった熱応力を受ける。そこで、小径管間の隙間が昇熱時の膨張代になるため、この熱応力に強く、また、仮に一部破損しても、その部分だけ取り替えることが可能である。
【００２７】
円筒管内の蓄熱体の両端部にそれぞれ燃焼空気バッファ室、排ガスバッファ室をも設けて、燃焼空気通路、排ガス通路に比べ、急拡大部を構成している。従って、燃焼空気通路、排ガス通路より流入してきた燃焼空気や排ガスをそれぞれ、バッファ室で一旦受けとめて、蓄熱体前後の圧力を均等にできるため、偏流が起こらない。また、蓄熱体を通過して、燃焼空気通路、排ガス通路に流入するときも同じことがいえる。
【００２８】
燃焼空気ノズルは独立して設計できるので、燃焼空気の噴出速度を自由に設計でき、噴出速度を上げることで、排ガスの炉内での巻き込み量を多くして、火炎の長炎化と低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００２９】
バーナ部先端に保炎器である１次燃焼ポートを設置することで、炉温が低温時の用にバーナの燃焼性が悪い場合には、１次空気の量を多くして、燃焼性を高め、炉温が高い場合のようなバーナの燃焼性が良くなる場合には１次空気の量を減らし、２次空気量を増やして排ガス顕熱の熱回収量を増加させ、ＮＯｘ値の低減をはかる。
【００３０】
バーナタイル構造を無くすことによって、通常のバーナタイルがある場合と比較して、排ガス巻き込み量を多くすることができ、低ＮＯｘ性と、火炎の伸長をする事ができる。
【００３１】
バーナ２本に１台の割合で回転式蓄熱器を設置するため、回転式蓄熱器の数量を半分に減らすことができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
【００３３】
図１は本発明の参考例としての燃焼装置の概略図、図２は本発明の参考例としての燃焼装置を構成する回転式蓄熱器８の概略図、図３は請求項１，２の工業炉、図４、図５、図６は図２の細部の詳細図である。
【００３４】
図１に回転式蓄熱器８を備えた燃焼装置の縦断面図と炉内側より見た正面図を示し、本発明の参考例の説明を行う。バーナ５の構成は、バーナ５の中心に燃料ノズル１を配置し、その周囲に、燃料ノズル１が燃焼空気の顕熱によって高温にならないように、１次空気ノズル２を配置し、燃料ノズル１及び１次空気ノズル２の先端部に設けられているバッフル３、すなわち、炉内側に１次燃焼保炎用の１次燃焼ポート４を配置している。更にこの１次燃焼ポート４の周囲に、本参考例においては、４つの燃焼空気ノズル６をバーナ５軸線を中心に均等に配置している。従って、燃焼空気ノズル６はバッフル３の形状によって、任意の位置、個数を設けることが出来る。そして、１番外側、すなわち、燃焼空気ノズル６の外側に燃焼の邪魔にならないように排ガス吸引孔７を複数個配置する。また、回転式蓄熱器８はバーナ５近傍且つ炉外に配置され、回転式蓄熱器８の燃焼空気通路９とバーナ５の燃焼空気ノズル６は耐火材を施工した配管によって接続される。また、回転式蓄熱器８の排ガス通路１０とバーナ５の排ガス吸引孔７も同様に耐火材を施工した配管によって接続されている。
【００３５】
このバーナ５の燃焼の特徴は、燃料ノズル１を中心に燃焼空気ノズル６を配置しているので、火炎の形状が偏らず、良好な燃焼となる。また、１次空気を燃料の極近傍に吹き込み、同時に１次燃焼ポート４を設置していることで、炉内温度が低温時（＝燃焼空気温度が低温）のような燃焼性の悪化原因がある場合でも、燃焼性を良好に保つことが出来る。また、１次空気に常温の空気を使用することで、燃料ノズル１金物の保護も兼ねる。更に、１次空気の吹き込み量の調整により、バーナ５が低負荷時の火炎の立ち上がるのを防ぐことも出来るようになる。また、回転式蓄熱器８をこのようにバーナ５近傍の炉外に設置することにより、リジェネバーナに比肩する高効率の廃熱回収を行いながら、リジェネバーナと異なり、全数のバーナが燃焼し、燃料切替弁、燃焼空気切替弁、排ガス切替弁が不要である。更に、排ガス吸引孔７をバーナ５近傍に設置することで、燃焼への排ガス巻き込み量を増やし、低ＮＯｘ化が図れる。
【００３６】
次に、本発明の参考例である回転式蓄熱器８について図を用いて詳細に説明をする。この回転式蓄熱器８は円筒管１１内部の中央部分に蓄熱体２５が設けられている。この蓄熱体２５は軸心１７を中心にして軸心１７と同方向に充填された小径管１２から構成されており、軸心１７の端部に取り付けられた駆動装置２４により、円筒管１１内を自在に回転する。図４は蓄熱体１７とその円筒管１１内壁の様子を示す回転式蓄熱器８の上部よりみた断面図である。図のように、蓄熱体２５は円筒管１１に対して凹凸を持つ。従って、周方向の流れを考えると拡大縮小部を繰り返すこととなり、圧損が増大し流れにくくなる。よって、排ガスと燃焼空気の混合を最低限に押さえることができる。図５は軸心１７と蓄熱体２５の関係を示している。軸心１７と蓄熱体２５は図のように隙間なく接しており、軸心１７への蓄熱体２５の固定方法は、小径管１２間に接着材等で接合する。あるいは、蓄熱体２５上下をフランジのようなもので固定する。
【００３７】
前記蓄熱体の両端部にはバッファ部がそれぞれ形成されている。これらのバッファ部は、仕切壁２２，２３によってそれぞれ円筒管１１の軸心１７と同方向に２分割され一方は排ガスバッファ室１３，１４、他方は燃焼空気バッファ室１５，１６という構成になっている。更に、排ガスバッファ室１３，１４には、配管からなる排ガス通路１０，１９を連接し、炉側である排ガス通路１０はバーナ５の排ガス吸引孔７と耐火材を施工した配管により接続、他方の排ガス通路１９は排ガス吸引ブロワに配管により接続される。また、燃焼空気バッファ室１５，１６には、配管からなる燃焼空気通路９，２１を連接して、炉側である燃焼空気通路９はバーナ５の燃焼空気ノズル６と耐火材を施工した配管により接続、他方の燃焼空気通路２１は燃焼空気ブロワと配管によって接続される。燃焼空気バッファ室１６と排ガスバッファ室１３は、各通路から各バッファ室に対して急拡大となり、更に、蓄熱体２５の圧力抵抗が大きいので、バッファ室で圧力が均等となり、蓄熱体２５を通る流体の偏流防止となる。燃焼空気バッファ室１５と排ガスバッファ室１４は、各バッファ室から各通路に対し急縮小となり、バッファ室にて流体は整流され各通路に流れ込む、流体の各圧力、温度が均一となる。
【００３８】
図６は排ガスバッファ室１３，１４と燃焼空気バッファ室１５，１６の間の仕切壁２２，２３の様子を示している。図のように仕切壁２２，２３の厚みは小径管１２の２〜３倍あり、小径管１２が熱交換時、仕切壁２２，２３を通過する際、この仕切壁２２，２３によって排ガスあるいは燃焼空気が小径管１２内に封じ込められ、排ガスと燃焼空気の混合を連続的に起こらないようにしている。排ガスバッファ室と燃焼空気バッファ室の間の仕切壁の場合も同様である。
【００３９】
この回転式蓄熱器８の熱回収の方法は、炉内と連通している排ガス通路１０より高温の排ガスが回転式蓄熱器８に入り、排ガスバッファ室１３にて整流され、蓄熱体２５である各小径管１２内外を均等に流れる。そして、小径管１２と熱交換を行い、低温となり、排ガスバッファ室１６にて流体の温度、圧力を均等にして、排ガス通路１９より排ガス吸引ブロワを通して屋外に排出される。熱交換して高温となった蓄熱体２５は軸心１７を中心に回転をしており、仕切壁２２，２３上を通り排ガス通路側から燃焼空気通路側に移る。一方、燃焼空気ブロワにより常温の燃焼空気が燃焼空気通路２１を通して回転式蓄熱器８に送り込まれており、燃焼空気バッファ室１６にて整流され、蓄熱体２５である小径管１２を均等に通過する。そして、排ガスにより高温に熱せられた小径管１２と燃焼空気が熱交換を行い、燃焼空気が高温に予熱される。高温に予熱された燃焼空気は燃焼空気バッファ室１５で整流されて温度、圧力を均等にして、燃焼空気通路９よりバーナ５へ送られる。そして、再び低温となった小径管１２は軸心１７を中心に回転し、排ガス通路側に移り排ガスと再び熱交換を行う。以上により、蓄熱体２５が軸心１７を中心に連続的に回転されることによって、連続的に排ガス顕熱の熱回収を行うことができる。ここで、蓄熱体２５の回転は、連続的に回転しており、その回転速度は燃焼空気、排ガスの蓄熱体２５通過流量に比例して速くなる。
上述の参考例によれば、連続的に高効率の熱回収を行うため、全てのバーナを同時に燃焼することができ、切替弁が不要となる。また、バーナ部が回転式蓄熱器と独立しているので、バーナ設計を独立して行える。
さらに、本参考例の回転式蓄熱器を使用することにより、燃焼空気を高温に予熱する、高効率の熱回収を連続的に行うことができる。また、蓄熱体が独立した小径管により構成されているので、リーク量が少なく、耐スポーリング性が良好となる。
【００４０】
次に本願発明の実施例として、図３に請求項１記載の回転式蓄熱器８をバーナ３０間に備えた工業炉のイメージ図を示す。（ａ）は炉外より見た図、（ｂ）は炉内より見た図、断面（ｃ）はバーナ３０部の断面図、断面（ｄ）は回転式蓄熱器８と排ガス吸引孔３１の断面図である。この工業炉の構成は、炉壁３３に排ガス吸入孔３１をバーナ３０間の中心に配置し、その両脇に燃焼空気ノズル３２を配置し、それらは炉外に設置した回転式蓄熱器８の炉側に位置する。各ノズルは排ガス通路１０及び燃焼空気通路９とそれぞれ耐火材を施工した配管により接続される。ここで、回転式蓄熱器８は工業炉に可能な限り近傍、すなわち工業炉の炉壁３３から２ｍ以内の炉外に配置する。バーナ３０の構成は、バーナ３０中心に燃料ノズル２６、燃料ノズル２６周囲に１次空気ノズル２７を配置し、それらの先端部に設けられているバッフル２９を配置し、その炉内側に１次燃焼ポート２８を配置する。
【００４１】
この工業炉の特徴は、保炎器である１次燃焼ポート２８によって、炉温が低温時のように燃焼性が悪い場合は１次空気の量を増やして、燃焼性を良くし、炉温が高温のように燃焼性がよい場合は、低ＮＯｘ性、回転式蓄熱器８の熱回収を良くするために１次空気の流量を少なくする。バーナタイル構造を無くすことによって、排ガス巻き込み量を増やすことによる低ＮＯｘ性と火炎の伸長を図ることができる。また、従来のビュレット用加熱炉のようにバーナの大きさによって炉高の制約が生じる場合は、排ガス吸引孔３１、燃焼空気ノズル３２をバーナと平行に配置しているので、その制約が無くなる。更に、バーナとバーナの間に排ガス吸引孔を真ん中に、燃焼空気ノズルを排ガス吸引孔の左右に配置することで、燃料の未燃分が排ガス吸引孔から吸引されるのを防ぐ。
【００４２】
次に、本実施例に於ける回転式蓄熱器８について説明する。その詳細構成については、前述した参考例に於ける回転式蓄熱器とほぼ同様である。但し、本実施例の場合、請求項２記載のように、回転式蓄熱器８をバーナ３０とバーナ３０の間に配置することにより、各バーナ３０に付属する場合と比較して、その数量が半分で済む。すなわち、回転式蓄熱器８と炉側と連通している燃焼空気通路９が２本、排ガス通路１０が１本であり、燃焼ブロワ、排ガスブロワと連通しているのはそれぞれ１本づつである。炉側と連通している燃焼空気通路９は燃焼空気バッファ室１５に対して対称に配置されているため、  燃焼空気に偏りが生じない構成となっている。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１，２記載の回転式蓄熱器を備えた工業炉は、回転式蓄熱器を炉外に独立して持つため、回転式蓄熱器数をバーナ１本につき１台備える場合と比較して減らすことができる。また、バーナタイル構造を無くすことによって、低ＮＯｘ性と火炎の伸長を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は回転式蓄熱器を備えた燃焼装置の断面図、（ｂ）は回転式蓄熱器を備えた燃焼装置の炉内から見た正面図。
【図２】回転式蓄熱器のイメージ図。
【図３】（ａ）は回転式蓄熱器をバーナと独立して備えた工業炉の炉壁の１部の外側より見た図、（ｂ）は回転式蓄熱器をバーナと独立して備えた工業炉の炉壁の１部の内側より見た図、（ｃ）は回転式蓄熱器をバーナと独立して備えた工業炉のバーナの断面図、（ｄ）は回転式蓄熱器をバーナと独立して備えた工業炉の回転式蓄熱器の断面図。
【図４】図２の回転式蓄熱器内側の蓄熱体と蓄熱器外壁の関係（Ｉ部）を示した図。
【図５】図２の回転式蓄熱器の軸心と蓄熱体の関係（II部）を示した図。
【図６】図２の回転式蓄熱器内の仕切壁の詳細（III 部）を示した図。
【図７】特公平６−５６２６１に記載の燃焼装置の構成を示した図。
【符号の説明】
１…燃料ノズル                      ２…１次空気ノズル
３…バッフル                        ４…１次燃焼ポート
５…バーナ                          ６…燃焼空気ノズル
７…排ガス吸引孔                    ８…回転式蓄熱器
９…燃焼空気通路（炉側と連通）      １０…排ガス通路（炉側と連通）
１１…円筒管                        １２…小径管
１３…排ガスバッファ室（炉側と連通）
１４…排ガスバッファ室（排ガス吸引ブロワと連通）
１５…燃焼空気バッファ室（炉側と連通）
１６…燃焼空気バッファ室（燃焼空気ブロワと連通）
１７…軸心
１９…排ガス通路（排ガスブロワと連通）
２１…燃焼空気通路（燃焼空気ブロワと連通）
２２…仕切壁（排ガスバッファ室と燃焼空気バッファ室の仕切）
２３…仕切壁（排ガスバッファ室と燃焼空気バッファ室の仕切）
２４…駆動装置                      ２５…蓄熱体
２６…燃料ノズル                    ２７…１次空気ノズル
２８…１次燃焼ポート                ２９…バッフル
３０…バーナ                        ３１…排ガス吸引孔
３２…燃焼空気ノズル                ３３…炉壁
３４…炉壁                          ３５…蓄熱器
３６…バーナタイル                  ３７…炉
３８…燃料ノズル                    ３９…燃焼空気噴出孔
４０…燃焼空気通路                  ４１…蓄熱体
４２…排ガス通路                    ４３…仕切り板
４４…ダクト
【図１】
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【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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