(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に配置された加熱用管路内を流れる被加熱流体を主として輻射伝熱により加熱する輻射部と、
前記輻射部の炉壁部に配置された少なくとも１台の燃焼装置と、
内部に前記加熱用管路に接続された予熱用管路が配置され、前記予熱用管路内を流れる前記被加熱流体を前記燃焼装置から出る排気ガスの熱によって予熱する対流部と、
前記対流部を通過した前記排気ガスを排出するガス排出路とを備えてなる管式加熱炉の燃焼制御方法であって、
前記燃焼装置として、通気性を有する少なくとも１つの蓄熱体と、前記蓄熱体の少なくとも一部を通して前記輻射部に酸化剤を供給する酸化剤通路と、前記蓄熱体の少なくとも一部を通して前記排気ガスの一部を前記輻射部から排出する排気ガス通路とを備えて、前記排気ガスの一部により前記蓄熱体を加熱し加熱された蓄熱体により前記酸化剤を予熱する熱交換器とバーナとを備えた熱回収式燃焼装置を用い、
前記ガス排出路と前記排気ガス通路の両方に排気ガスを流し、
しかも前記加熱用管路の最高管壁温度が加熱管設計温度より低くなるように前記ガス排出路を流れる排気ガスの量と前記燃焼装置の前記排気ガス通路を流れる排気ガスの量の比率を定めることを特徴とする管式加熱炉の燃焼制御方法。
【請求項２】
前記熱交換器は、前記輻射部と該輻射部の外部とを連通する複数の連通路を備えて前記炉壁に取付けられた蓄熱体と、
前記酸化剤が流れる酸化剤通路と前記排気ガスが流れる前記排気ガス通路とを備えて前記蓄熱体の前記輻射部とは反対側の端部から前記複数の連通路の一部を通して前記酸化剤を前記輻射部内に供給するとともに前記蓄熱体の前記端部から前記複数の連通路の残部を通して排気ガスを排出するダクト構造体と、
前記蓄熱体と前記酸化剤通路及び前記排気ガス通路との間に相対的な回転運動を生じさせる回転機構とからなる請求項１に記載の管式加熱炉の燃焼制御方法。
【請求項３】
前記バーナの先端部は前記蓄熱体の中央部を貫通するように設けられている請求項２に記載の管式加熱炉の燃焼制御方法。
【請求項４】
前記加熱用管路の前記最高管壁温度を前記加熱用管路の出口管部分の管壁の温度を測定して求める請求項１に記載の管式加熱炉の燃焼制御方法。
【請求項５】
前記排気ガス通路から排出される前記排気ガスの流量を制御する流量制御弁が前記排気ガス通路に対して設けられ、前記加熱用管路の前記最高管壁温度に応じて前記流量制御弁を制御する請求項１に記載の管式加熱炉の燃焼制御方法。
【請求項６】
前記燃焼装置の前記排気ガス通路と前記ガス排出路の下流部分とを連通させ、
前記輻射部内を正圧に維持するように押込送風機を用いて前記酸化剤通路に前記酸化剤を供給することを特徴とする請求項１または２に記載の管式加熱炉の燃焼制御方法。
【請求項７】
前記燃焼装置の前記排気ガス通路と前記ガス排出路の下流部分とを連通させ、
誘引送風機を用いて前記輻射部内を負圧に維持するように前記排気ガス通路を通して前記排気ガスを誘引することを特徴とする請求項１または２に記載の管式加熱炉の燃焼制御方法。
【請求項８】
前記蓄熱体と前記酸化剤通路及び前記排気ガス通路との間の前記相対的な回転運動の回転速度を、１分間に２回転以上の回転速度にする請求項２に記載の管式加熱炉の燃焼制御方法。
【請求項９】
前記ダクト構造体は前記排気ダクトの内部を酸化剤ダクトが回転するように構成され、前記酸化剤ダクトは１分間に２〜４回転の回転速度で回転する請求項２に記載の管式加熱炉の燃焼制御方法。
【請求項１０】
前記輻射部内の圧力を検出し、
前記輻射部内の圧力が予め定めた範囲に入るように前記ガス排出路を通して排出する前記排気ガスの流量を制御する請求項１または２に記載の管式加熱炉の燃焼制御方法。
【請求項１１】
前記対流部を通る前記排気ガスの量と前記排気ガス通路を流れる前記排気ガスの量との比が、２対８から４対６の範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載の管式加熱炉の燃焼制御方法。
【請求項１２】
内部に配置された加熱用管路内を流れる被加熱流体を主として輻射伝熱により加熱する輻射部と、
前記輻射部の炉壁部に配置された少なくとも１台の燃焼装置と、
内部に前記加熱用管路に接続された予熱用管路が配置され、前記予熱用管路内を流れる前記被加熱流体を前記燃焼装置から出る排気ガスの熱によって予熱する対流部と、
前記対流部を通過した前記排気ガスを排出するガス排出路とを備えてなる管式加熱炉であって、
前記燃焼装置はバーナと排気ガスを利用して前記バーナに供給する酸化剤を予熱する熱交換器とが組み合わされて構成された熱回収式燃焼装置からなり、
前記熱交換器は、少なくとも１つの通気性を有する蓄熱体と、前記蓄熱体の少なくとも一部を通して前記輻射部に酸化剤を供給する酸化剤通路と、前記蓄熱体の少なくとも一部を通して前記排気ガスの一部を前記輻射部から排出する排気ガス通路とを備えて、前記排気ガスの一部により前記蓄熱体を加熱し加熱された蓄熱体により前記酸化剤を予熱するように構成され、
更に前記酸化剤通路に前記酸化剤を流し且つ前記ガス排出路及び前記燃焼装置の前記排気ガス通路の両方に前記排気ガスを流す送風装置が設けられており、前記加熱用管路の最高管壁温度が加熱管設計温度より低くなるように、前記ガス排出路を流れる排気ガスの量と前記排気ガス通路を流れる排気ガスの量の比率が前記送風装置により定められていることを特徴とする管式加熱炉。
【請求項１３】
前記熱交換器は、前記輻射部と該輻射部の外部とを連通する複数の連通路を備えて前記炉床部に取付けられた蓄熱体と、
前記酸化剤が流れる酸化剤通路と前記排気ガスが流れる前記排気ガス通路とを備えて前記蓄熱体の前記輻射部とは反対側の端部から前記複数の連通路の一部を通して前記酸化剤を前記輻射部内に供給するとともに前記蓄熱体の前記端部から前記複数の連通路の残部を通して排気ガスを排出するダクト構造体と、
前記蓄熱体と前記酸化剤通路及び前記排気ガス通路との間に相対的な回転運動を生じさせる回転機構とからなる請求項１２に記載の管式加熱炉。
【請求項１４】
前記バーナの先端部は前記蓄熱体の中央部を貫通するように設けられている請求項２に記載の管式加熱炉。
【請求項１５】
前記加熱用管路の前記加熱用管路の出口管部分に前記最高管壁温度を測定する温度センサが設けられている請求項１２に記載の管式加熱炉。
【請求項１６】
前記送風装置は、第１の流量制御弁を通して前記排気ガス通路から前記排気ガスを誘引する誘引送風機と、第２の流量制御弁を通して前記酸化剤通路に酸化剤を押込む押込送風機とからなり、
対流部を出る排気ガスを制御する第３の流量制御弁が前記ガス排出路に設けられ、
前記温度センサの出力に応じて前記第１の流量制御弁及び前記第３の流量制御弁の少なくとも一方が制御される請求項１５に記載の管式加熱炉。
【請求項１７】
前記送風装置として前記輻射部内を正圧に維持するように前記酸化剤通路に前記酸化剤を供給する前記押込送風機が用いられ、
前記燃焼装置の前記排気ガス通路と前記ガス排出路の下流部分とが連通されている請求項１２または１３に記載の管式加熱炉。
【請求項１８】
前記送風装置として前記輻射部内を負圧に維持するように前記排気ガス通路を通して前記排気ガスを誘引する誘引送風機が用いられている請求項１２または１３に記載の管式加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃焼装置から出る排気ガスの熱によって被加熱流体を予熱する対流部と輻射部とを備えた管式加熱炉及びその燃焼制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６（Ａ）は、従来の管式加熱炉の構成を示しており、図６（Ｂ）は概略横断面図を示している。鋼板製ケーシング１００の内に輻射部１０１と対流部１０２とを有している。輻射部１０１の炉壁部の一部を構成する炉床部１０３には複数台の燃焼装置１０４…が設置されている。輻射部１０１内には、内部に流れる被加熱流体が燃焼装置１０４…の燃焼からの輻射伝熱により加熱される加熱用管路１０５が配置されている。加熱用管路１０５は、代表的な例では、複数本の直管１０６…の上端と下端とにおいて、隣接する２本の直管がＵ字管を用いて直列接続した構造を有している。また輻射部１０１から排出される排気ガスの排出流路の下流側に位置する対流部１０２内部には、加熱用管路１０５に接続された予熱用管路１０７が配置されている。予熱用管路内１０７を流れる被加熱流体は、加熱用管路１０５に入る前に燃焼装置１０４から出る排気ガスの熱によって予熱される。予熱用管路１０７も加熱用管路１０５と同様にして複数本の直管をＵ字管を用いて直列接続して構成されている。対流部１０２を通過した排気ガスは、途中の流路に誘引送風機１０８を備えたガス排出路１０９を通して排出される。なお誘引送風機１０８を用いずに自然排気する場合もある。従来用いられる燃焼装置１０４では、図示しない押込送風機から供給される燃焼用空気が流量制御ダンパを備えたダクト１０４ａを介してバーナ１０４ｂに供給されている。また従来から、押込送風機を用いずに、煙突効果によって燃焼用空気を自然吸引することも行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような管式加熱炉の熱効率は、通常６０〜８５％である。熱効率を９０％以上に高めるためには、燃焼用空気等の酸化剤を予熱する酸化剤予熱器を設ける必要がある。しかしながら酸化剤予熱器を設置する場合には、広い敷地が必要となる上、炉本体並の建設費が必要となる。そのため、ある程度年数が経って酸化剤予熱器を交換する必要性が生じた場合には、多大の費用が必要になる。また最近は、炉に付随して設置する公害防止機器の新たな追加が必要になったりする場合があり、既設の炉では、追加機器の設置スペースを確保することが非常に難しくなっている問題がある。
【０００４】
本願発明の目的は、大型の酸化剤予熱器を用いることなく、熱効率を上げることができる管式加熱炉及びその燃焼制御方法を提供することにある。
【０００５】
本願発明の他の目的は、付属機器の設置スペースを少なくすることができて、安価に熱効率を上げることができる管式加熱炉及びその燃焼制御方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明では、内部に配置された加熱用管路内を流れる被加熱流体を主として輻射伝熱により加熱する輻射部と、輻射部の炉壁部に配置された少なくとも１台の燃焼装置と、内部に加熱用管路に接続された予熱用管路が配置されて予熱用管路内を流れる被加熱流体を燃焼装置から出る排気ガスの熱によって予熱する対流部と、対流部を通過した排気ガスを排出するガス排出路とを備えてなる管式加熱炉及びその燃焼制御方法を改良の対象とする。
【０００７】
本発明では、バーナと熱交換器とが組み合わされた熱回収式燃焼装置を用いる。本発明で用いることができる熱回収式燃焼装置は、通気性を有する少なくとも１つの蓄熱体と、蓄熱体の少なくとも一部を通して輻射部に酸化剤を供給する酸化剤通路と、蓄熱体の少なくとも一部を通して排気ガスの一部を輻射部から排出する排気ガス通路とを備えて、排気ガスの一部により蓄熱体を加熱し加熱された蓄熱体により酸化剤を予熱する熱交換器とバーナとを備えたものである。
【０００８】
本発明で用いることが可能な熱回収式燃焼装置としては、例えば米国特許第４、８５６、４９２号、ヨーロッパ特許出願公開第５２６，１７２Ａ２号、イギリス特許出願公開第２，２０８，４２３号Ａ、特開平１−１５９５１１号公報、特開平１−２２２１０２号公報、特開平５−２５６４２３号公報等に示されたものを用いることができる。
【０００９】
米国特許第４、８５６、４９２号、特開平１−１５９５１１号公報及び特開平５−２５６４２３号公報に示された第１のタイプの熱回収式燃焼装置は、基本的には、１つのバーナに対して２つ以上の蓄熱体を用いる。これらの装置では、排気ガス通路または酸化剤通路となる２つの通路内に例えば２つの蓄熱体を配置した場合、一方の蓄熱体を排気ガスで加熱し、排気ガスで加熱された他方の蓄熱体を通して酸化剤を炉内に供給する。
【００１０】
またヨーロッパ特許出願公開第５２６，１７２Ａ２号、イギリス特許出願公開第２，２０８，４２３号Ａ及び特開平１−２２２１０２号公報等に示された第２のタイプの熱回収式燃焼装置では、１つのバーナに対して設けた１つの蓄熱体に対して、酸化剤ダクトと排気ガスダクトとを備えた吸排気用ダクトを設け、蓄熱体と吸排気用ダクト（通常は酸化剤ダクト）との間に相対的に回転運動を生じさせている。このようにすると１つの蓄熱体の一部を通して排気ガスを排出して蓄熱体を加熱し、この蓄熱体の残部を通して酸化剤を炉内に供給することにより蓄熱体の顕熱によって酸化剤を予熱することができる。
【００１１】
本発明においては、上記２つのタイプのいずれの熱回収式燃焼装置も用いることができる。本発明の方法では、ガス排出路と燃焼装置の排気ガス通路の両方に排気ガスを流し、しかも加熱用管路の最高管壁温度が加熱管設計温度より低くなるようにガス排出路を流れる排気ガス（対流部を通る排気ガス）の量と全ての燃焼装置の排気ガス通路を流れる排気ガスの量との比率を定める。
【００１２】
ここで加熱管設計温度とは、加熱管の材質や被加熱流体の加熱温度等の条件に応じて炉の設計段階で定める加熱管の表面の許容できる最高温度である。最高管壁温度は、最も高くなる管壁部分の温度であり、通常、輻射部に配置される加熱用管路の出口管部分で計測する。前述の排気ガスの比率は、輻射部と対流部の伝熱面積の比率、蓄熱体の仕様（有効表面積、開口率、熱容量）、蓄熱体の伝熱面積に応じて異なっている。
【００１３】
本願明細書において、「酸化剤」とは、一般に純酸素、空気、酸素富化空気のような分子状酸素を含むガスを総称する者である。しかし特別の場合には、酸化剤としてハロゲン、酸化窒素のような酸化性元素あるいは化合物を用いることも可能である。
【００１４】
特に、熱回収式燃焼装置の熱交換器として、輻射部と該輻射部の外部とを連通する複数の連通路を備えて炉床部に取付けられた蓄熱体と、燃焼用空気等の酸化剤が流れる酸化剤通路と排気ガスが流れる排気ガス通路とを備えて蓄熱体の輻射部とは反対側の端部から複数の連通路の一部を通して燃焼用空気を輻射部内に供給するとともに蓄熱体の端部から複数の連通路の残部を通して排気ガスを排出するダクト構造体と、蓄熱体と酸化剤通路及び排気ガス通路との間に相対的な回転運動を生じさせる回転機構とを備えたものを用いるのが好ましい。またバーナの先端部が蓄熱体の中央部を貫通するように配置された燃焼装置を用いると、既存の管式加熱炉にも本発明を簡単に適用することができる。
【００１５】
ガス排出路を流れる排気ガス（対流部を通る排気ガス）の量と全ての燃焼装置の排気ガス通路を流れる排気ガスの量との比率は、熱交換器の排気ガス通路から排出される排気ガスの流量を制御する流量制御弁を排気ガス通路に対して設けるか、または対流部を出た排気ガスのガス排出路に流量制御弁を設け、加熱用管路の最高管壁温度に応じて両流量制御弁の少なくとも一方を制御することにより調整できる。
【００１６】
本発明では、酸化剤通路に燃焼用空気等の酸化剤を流し且つガス排出路及び燃焼装置の排気ガス通路の両方に排気ガスを流す送風装置を用いる。この送風装置で使用する送風機の種類及び台数は任意であるが、送風装置は、燃焼用空気を流して、しかもガス排出路と排気ガス通路の両方に排気ガスを流すことができるものであればいかなる構成でもよい。例えば、酸化剤通路への酸化剤の供給のための送風機と排気ガス通路から排気ガスを誘引するための送風機とを別個に設けてもよい。また共通の１台の送風機によって酸化剤の送風と排気ガスの誘引の両方を行わせてもよい。例えば、燃焼装置の酸化剤通路に酸化剤を供給する押込送風機を設け、燃焼装置の排気ガス通路を管路を介して炉のガス排出路の下流側に接続すると、押込送風機だけで酸化剤の送風と排気ガスの誘引の両方を行うことができる。この場合輻射部内は正圧に維持する。更に、燃焼用装置の排気ガス通路から排気ガスを誘引する誘引送風機を設け、この誘引送風機の排出口を管路を介して炉のガス排出路の下流側に接続すると、誘引送風機だけで酸化剤の送風と排気ガスの誘引の両方を行うことができる。この場合輻射部内は負圧に維持する。いずれにしても送風装置では、加熱用管路の最高管壁温度が加熱管設計温度より低くなるように、ガス排出路を流れる排気ガスの量と排気ガス通路を流れる排気ガスの量の比率を定めればよい。なお対流部を通る排気ガスの量と排気ガス通路を流れる排気ガスの量との比が、２対８から４対６の範囲にあれば、ほとんどの管式燃焼路において良好な結果を得ることができる。
【００１７】
【作用】
本発明で用いる燃焼装置では、酸化剤を蓄熱体を通して輻射部に供給する際に、酸化剤は排気ガスで加熱された蓄熱体の熱によって加熱される。酸化剤が加熱された分、理論火炎の温度は高くなるため、同じ排気ガス温度であっても熱効率は高くなる。したがって本発明のように熱交換器とバーナとが組み合わされた燃焼装置を用いると、大型で高価な酸化剤予熱器を用いる必要がなくなるため、排気ガスの熱を有効に利用して安価に熱効率を高めることができる。また既存の管式加熱炉にも、僅かな改造費だけで本発明を適用することができる。その上蓄熱体を炉壁部に取付けると、送風装置だけが炉外に設置されるため、従来の酸化剤予熱器を備えた管式加熱炉に比べ、設置スペースを小さくすることができ、残りのスペースをその他の機器の設置のために有効利用することができる。
【００１８】
本発明のように、熱交換器とバーナとが組み合わされた熱回収式燃焼装置を用いる場合に、熱交換器の熱交換効率を最大限高くすると、排気ガスの殆ど全部が蓄熱体を通して排出されることになるため、対流部を通過してガス排出路から排出される排気ガスが殆どなくなってしまう。その結果、被加熱流体は対流部で殆ど予熱されずに、輻射部内での輻射伝熱によって加熱されることになる。輻射伝熱で被加熱流体の大部分を加熱しようとすると、輻射部内の温度は高くせざるを得ない。特に既存の管式加熱炉に本発明を適用する場合に、このようなことを行うと、輻射部の温度が設計許容温度よりも高くなって、炉の寿命が短くなる上、加熱管の単位面積当りの吸収熱量が増えてしまい、被加熱流体がハイドロカーボンの場合にはコーキングを発生するおそれがある。そこで本発明のように、ガス排出路と排気ガス通路の両方に排気ガスを流し、しかも加熱用管路の最高管壁温度が加熱管設計温度より低くなるようにガス排出路を流れる排気ガスの量と排気ガス通路を流れる排気ガスの量の比率を定めれば、対流部での予熱を有効に利用して、しかも輻射部内の温度を下げることができる。したがって既存の管式加熱炉に本発明を適用しても、炉の寿命が短くなったり、コーキングが発生することはない。
【００１９】
【実施例】
以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図１は、本発明を既存の管式加熱炉に適用した一実施例の概略構成図を示している。したがって図６に示した従来の管式加熱炉と同様の部材には、図６に付した符号と同じ符号を付してある。本実施例は従来の管式加熱炉と比べて、燃焼装置１…の構成と送風装置の構成が異なる。まず最初に、本実施例で用いる燃焼装置１…の一例の具体的な構成について説明する。
【００２０】
図２は本実施例で用いる酸化剤を予熱するための熱交換器とバーナとが一体になった熱回収式燃焼装置１の一例の断面図を示しており、図３は図２のＡ−Ａ線断面図を示している。なおこれらの図では、細部の断面部分に付すハッチングを省略してある。図２において、１０３は管式加熱炉の炉壁部の一部を構成する炉床部であり、この炉床部１０３には燃焼装置１の熱交換器を配置する取付孔１０３ａが形成されている。取付孔１０３ａの周囲には、複数の取付用ボルト２…が周方向に所定の間隔をあけて埋設されている。これらの複数の取付用ボルト２…には、燃焼装置用熱交換器３を取付けるための金属製の取付板４に形成した複数の貫通孔５…が嵌合されている。取付板４は円環状を呈しており、外周部寄りの位置に周方向に所定の間隔をあけて形成された複数の貫通孔５…と複数のねじ孔６…とを有している。複数のねじ孔６…は、貫通孔５…の間に位置するように形成されており、このねじ孔６…には後述する吸排気用ダクト構造体２２を固定するためのボルト７…が螺合される。
【００２１】
取付板４の吸排気用ダクト構造体２２側の側面には、蓄熱体８の低温側ブロックまたは低温側セクションを構成する蓄熱体ユニット９を固定するための、金属製の固定金具１１が図示しないボルトとナットとからなる固定手段によって固定されている。また取付板４の輻射部側の側面には、蓄熱体８の高温側ブロックまたは高温側セクションを構成する蓄熱体ユニット１０を固定するための金属製の固定金具１２が図示しないボルトとナットとからなる固定手段によって固定されている。固定金具１１は、筒状部分１１ａの両端にフランジ部１１ｂ及び１１ｃを有している。フランジ部１１ｂには、図示しないボルトが貫通する複数の貫通孔が形成されており、フランジ部１１ｃの外側端面は後述するシール部材と接触してシール部を構成するように滑らかな表面を有している。また固定金具１２は筒状のリング部の外周面にボルトが貫通する孔を備えた図示しない複数の取付片を有しており、この複数の取付片に一端が取付板４に溶接された図示しないボルト部材が挿入され、ボルト部材にナットが螺合されて固定金具１２は取付板１４に固定されている。
【００２２】
本実施例で用いた低温側ブロックを構成する蓄熱体ユニット９は、金属によって形成されており、平板状の帯状鋼板と波板状の帯状鋼板とを重ね合わせてなる合板を筒状の巻枠９ａに巻回してコルゲート状に構成したものである。
【００２３】
高温側セクションを構成する蓄熱体ユニット１０は、平板状の帯状セラミックスペーパと波板状の帯状セラミックスペーパとを重ね合わせてなる合板を筒状の巻枠に巻回して構成し、これを焼成して形成したセラミックス製の蓄熱体である。なおセラミックス製の蓄熱体ユニット１０としては、公知の押し出し成形法によって製造したものも用いることができる。蓄熱体ユニット１０の中央部には、巻枠９ｃの外径寸法とほぼ同じ径寸法を有する貫通孔１０ａが形成されている。そして蓄熱体ユニット１０の内部に形成されて蓄熱体の複数の連通路の一部を構成する貫通孔のそれぞれは、軸線方向または長手方向と直交する方向の断面形状が山形または三角形を呈している。蓄熱体ユニット１０の外周面と固定金具１２との間には耐熱性を有する熱膨張性セラミックファイバ複合材からなる緩衝材１３が配置されており、固定金具１２に蓄熱体ユニット１０を固定する際に、蓄熱体ユニット１０が破損するのを防止している。本実施例においては、取付板４から緩衝材１３までの部材によって蓄熱構造体が構成されている。
【００２４】
蓄熱体ユニット１０と固定金具１２の外周側には、セラミックスファイバまたはキャスタブルからなる耐火材１４が配置されている。蓄熱体ユニット９の巻枠９ａの中心部の貫通孔と蓄熱体ユニット１０の貫通孔１０ａ内に配置したセラミックスファイバ製の筒１６の内部には、バーナノズル１５の先端部分が軸線方向への移動を許容する程度の僅かな間隙をあけるようにして挿入されている。そして筒１６の先端には、セラミック製のバーナフード１７が取り付けられている。このバーナフード１７は、バーナノズル１５の先端から噴射される炎を安定化し、炎が直接蓄熱体ユニット１０に戻るのを防止するために設けられている。バーナフード１７は、筒状部１７ａの外周に径方向に突出して周方向に連続して延びる円環状の鍔部１７ｂを有しており、鍔部１７ｂと蓄熱体ユニット１０との間の位置に周方向に所定の間隔をあけて形成された複数の貫通孔１７ｃ…を有している。
【００２５】
バーナノズル１５は、燃料ガスパイプ１８の内部にスペーサ１９を介して同心状にモーティブ酸化剤パイプ２０を配置し、燃料ガスパイプ１８の先端部にバーナチップ２１を取り付けた構造を有している。燃料ガスパイプ１８の後方端部には、燃料ガス入口部１８ａが設けられ、モーティブ酸化剤パイプ２０の後方端部にはモーティブ酸化剤入口２０ａが設けられている。モーティブ酸化剤パイプ２０には酸化剤だけでなく、蒸気が供給される場合もある。
【００２６】
取付板４の外壁部には吸排気用ダクト構造体２２が取付けられている。この吸排気用ダクト構造体２２は、排気ダクト２３の内部空間に酸化剤ダクト２４が回転可能に収納された構造を有している。排気ダクト２３は、筒状のダクト本体２３ａの軸線方向の両端にフランジ部２３ｂ及び２３ｃを有しており、一方のフランジ部２３ｂには、取付板４を貫通して延びる取付用ボルト２が貫通する複数の貫通孔２３ｂ1 …と取付板４に形成されたねじ孔６…と整合してボルト７が挿入される複数の貫通孔２３ｂ2 …とを有している。また他方のフランジ部２３ｃには、端板２３ｄがボルト止めされている。端板２３ｄの中央部にはパッキン収容部２３ｅが形成されており、このパッキン収容部２３ｅにグランドパッキン２５が収容されている。２６はグランドパッキン２５をパッキン収容部２３ｅに保持するためのパッキン押え板であり、パッキン押え板２６は端板２３ｄにボルト止めされている。ダクト本体２３ａには、排気ガス出口筒２３ｆが取り付けられている。
【００２７】
グランドパッキン２５によってシールされた状態で排気ダクト２３の内部の排気通路に挿入されたノズル外筒２７の先端部には、酸化剤ダクト２４が取付けられている。ノズル外筒２７の内部には同心円状にノズル内筒２８が配置されており、ノズル外筒２７とノズル内筒２８との間に酸化剤供給路２９が形成されている。ノズル外筒２７の先端部には、筒状のストッパ部材３０が固定されており、このストッパ部材３０にノズル内筒２８の一端が溶接されている。また、ノズル外筒２７の後端にはエンドキャップ３１が固定されており、このエンドキャップ３１にノズル内筒２８の他端が溶接されている。ノズル外筒２７の先端部には周方向に１２０度づつの間隔をあけて３つの連通孔３２（図２では１つの連通孔だけを示している。）が形成されている。酸化剤ダクト２４は、これら３つの連通孔３２に対応して設けた３つの分割酸化剤ダクト２４ａ…から構成されている。各分割酸化剤ダクト２４ａ…の先端部には、酸化剤ノズル部３３が固定されている。
【００２８】
図３に示すように、酸化剤ノズル部３３は、各分割酸化剤ダクト２４ａの先端部に対応した３つの筒状部３３ａ…とこれら３つの筒状部を相互に連結する連結部３３ｂとから構成されている。筒状部３３ａ…の内部には、それぞれ一端が各分割酸化剤ダクト２４ａの開口端部に固定された筒状のベローズ３４が配置されている。ベローズ３４の先端には、環状のシール部材３５が固定されている。シール部材３５は、蓄熱体ユニット９の端面と接触しながら回転する。
【００２９】
蓄熱体ユニット９の巻枠９ａの端部には、シール固定用筒状部材３６の一端が固定されている。この筒状部材３６は、酸化剤ノズル３３の連結部３３ｂ内を延びて、その他端は筒状のストッパ部材３０の内部で終端している。筒状部材３６の他端に形成されたフランジ部には、金属製のベローズからなるシール部材３７の一端が固定されている。シール部材３７は、ストッパ部材３０のフランジ部と接触して、バーナノズル１５に沿ってストッパ部材３０の内部に侵入する排気ガスが酸化剤ノズル３３の連結部３３ｂと筒状部材３６との間の間隙を通って漏れるのを防止している。
【００３０】
ノズル外筒２７を回転自在に支持する回転支持機構３８、３９は、排気ダクト２３の端板２３ｄにノズル外筒２７を囲むように固定された４本のロッド４０…に固定されている。４本のロッド４０…は、四角形の中心にノズル外筒２７が位置し、その四角形の角部に各ロッドが位置するような位置関係で配置されている。支持機構３８、３９は、各ロッド４０…に固定されてノズル外筒２７に向かって延びる４本のアーム３８ａ…、３９ａ…の先端にそれぞれ回転ローラ３８ｂ…，３９ａ…が取り付けられた構造を有している。
【００３１】
ノズル外筒２７の回転支持機構３８、３９の間に位置する部分には、酸化剤を導入する導入口２７ａが少なくとも１個形成されている。そしてこの部分を囲むように、パッキン押え部材４１がノズル外筒２７の外周を囲むようにして取付けられている。パッキン押え部材４１の内部には、導入口２７ａの両側に位置して導入口２７ａの周囲に形成した酸化剤導入空間４１ａを気密状態にするための２つのパッキン４２、４３が配置されている。ノズル外筒２７はパッキン押え部材４１の内部で回転し、パッキン押え部材４１は２本のロッド４０に固定されている。パッキン押え部材４１には、酸化剤導入空間４１ａに連通するようにして空気取入筒４４が固定されている。
【００３２】
４本のロッド４０の端部には、取付板４５が固定されており、この取付板４５の下端部には駆動用モータ４６が取付けられている。モータ４６の出力軸には、スプロケット４７が取り付けられ、このスプロケット４７に掛けられたチェーン４８は、ノズル外筒２７の端部に嵌合されたエンドキャップ３１に固定したスプロケット４９にも掛けられている。モータ４６が回転すると、その回転力がノズル外筒２７に伝達され、ノズル外筒２７が回転する。モータ４６と、スプロケット４７，チェーン４８とスプロケット４９と回転支持機構３８及び３９とにより、吸排気用ダクト構造体２２の空気通路及び排気通路と蓄熱構造体との間に相対的な回転運動を生じさせる回転機構が構成されている。エンドキャップ３１には、ストッパ部材５０が遊嵌されている。このストッパ部材５０はエンドキャップ３１の外周に突設された環状の凸部３１ａとエンドキャップ３１の外周に嵌合されて固定されたストップリング５１との間に配置されており、ストッパ部材５０の先端に設けた当接部材５０ａが取付板４に設けた当接部に当接することによりノズル外筒２７の蓄熱体側への移動を規制する。
【００３３】
また取付板４５の上側部分の中央部には、先端部にねじが形成されたねじ付きロッド５２が固定されている。このロッド５２は、バーナノズル１５と平行に延びており、そのねじ部にはねじ部材５３が螺合されている。ねじ部材５３は、バーナノズルの燃料ガスパイプ１８に一端が固定されたアーム部材５４の他端に回転自在に保持されている。バーナノズル１５の軸線方向の位置を調整する場合には、ねじ部材５３を回す。
【００３４】
次に燃焼装置１の作動状態について説明する。まず送風機が稼働している状態で、酸化剤ダクト２４から酸化剤である燃焼用空気が蓄熱体８の連通孔を通して輻射部１０１（図１）へと供給される。輻射部１０１に供給された燃焼用空気はバーナノズル１５から噴出した燃料と混合されて、図示しない予め点火したパイロット火炎により着火され、火炎を形成する。燃焼用空気は蓄熱体８の貫通孔を通るときに排気ガスで加熱された蓄熱体８によって加熱される。燃焼中は、酸化剤ダクト２４がモータ４６によって所定の回転数で回転している。具体的には、酸化剤ダクト２４は１分間に２〜４回転以上の回転速度で回転する。酸化剤ダクト２４の回転により蓄熱体８の温度が下がった部分は、輻射部側から排気ガスが排気ダクト２３へと流れることによって再度加熱される。
【００３５】
図１には、この燃焼装置１を概略的に２台図示してあるが、実際には炉の大きさに応じてさらに更に多くの燃焼装置が用いられる。本実施例では、複数台の燃焼装置１…に対して１台の押込み送風機１１１と１台の誘引送風機１１８とが用いられている。押込み送風機１１１の送風口と複数台の燃焼装置１…の各酸化剤通路につながる空気取入筒４４とは送風側接続管路１１２によって接続されている。また押込み送風機１１１の吸込み口には流量制御弁１１３を介して酸化剤導入管路１１４が接続されている。酸化剤導入管路１１４にはサイレンサ１１５が接続されている。
【００３６】
排気側接続管路１１６の一端には複数の分岐管路が設けられて、各分岐管路は複数台の燃焼装置１…の排気ガス通路の一部を構成する各排気ガス出口筒２３ｆにそれぞれ接続されている。排気側接続管路１１６には、流量制御弁１１７を介して誘引送風機１１８の吸込口が接続されている。誘引送風機１１８の送風口は、管路１１９を介して対流部１０７の下流側に位置するガス排出路１０９の先の煙道に接続されている。
【００３７】
輻射部１０１内に配置された加熱量管路１０５の出口部分を構成する管１０６の外壁には、管１０６の管壁温度を検出する温度センサ１２０が取り付けられている。手動で燃焼制御を行う場合には、温度センサ１２０の検出値を、図示しない制御盤の上に配置された表示装置に表示し、温度センサ１２０で測定した温度を見ながら、流量制御弁１１７を調整して燃焼装置の燃焼制御を行う。自動で燃焼制御を行う場合には、図に破線で示すように、温度センサ１２０の検出値に基づいて流量制御弁１１７を自動制御する。なお流量制御弁１２６を温度センサ１２０で測定した温度を見ながら、または自動調整して燃焼装置の燃焼制御を行ってもよい。いずれにしても、ガス排出路１０９と燃焼装置１…の排気ガス通路（または排気側接続管路１１６）の両方に排気ガスを流し、しかも加熱用管路１０５の出口部分の管壁温度（最高管壁温度）が加熱管設計温度より低くなるようにガス排出路を流れる排気ガスの量と排気ガス通路１０９を流れる排気ガスの量との比率を定めて燃焼を制御する。
【００３８】
弁制御装置１２１は、酸素センサ１２２の出力に基づいて輻射部１０１内の酸素濃度が予め定めた値になるように、流量制御弁１１３を制御する。通常、輻射部１０１内の酸素濃度が１．５％〜２．０％の値になるように制御を行う。なお蓄熱体８に酸化触媒を担持させて排気ガス中のＣＯの濃度を許容値まで低減させる場合には、酸素濃度を０．５％〜３．４％になるように制御すればよい。
【００３９】
誘引送風機１１８により吸い出された排気ガスは、対流部１０２を通ることなく排気管路１１９及びガス排出路１０９の先の煙道を通って外部に排出される。本実施例では、輻射部１０１内の圧力を一定に制御するために圧力センサ１２３と、流量制御弁（ダンパ）１２６の制御部１２４と弁制御装置１２５とを設けている。圧力センサ１２３は輻射部１０１内の圧力を検出し、弁制御装置１２５は検出した圧力が予め定めた範囲に入るようにガス排出路の流量制御弁１２６を制御する。一般的に、輻射部１０１内の圧力が−２ｍｍＨ2 Ｏになるように制御が行われる。
【００４０】
管式加熱炉が、次のような性能を有する場合について具体的に説明する。
【００４１】
設計吸収熱量 ：１．７０×１０６ ｋcal/H 、流体入口温度／出口温度：３００／３１０℃燃料 ：リファイナリーガス熱効率 ：７８％（本発明で用いる燃焼装置設置前）
加熱管材料 ：炭素鋼許容平均流速束 ：２７、０００ｋCal/ｍ２ H加熱管設計温度 ：３７５℃この管式加熱炉を用いて、全排気ガスの量（対流部１０２を通る排気ガスの量＋燃焼装置１…の排気ガス通路を流れる排気ガスの量）に対する対流部１０２を通る排気ガスの量の比率と、熱効率の変化と加熱用管路１０５の出口部分の管壁温度（最高管壁温度）との関係をシュミレーションにより求めたところ、図４に示す通りになった。この図から判るように、対流部１０２を通る排気ガスが１０％以上であれば、最高管壁温度が加熱管設定温度以下となることが判る。更に、対流部１０２を通る排気ガスの量を適当な値（この例では３０％）とすれば、最高の熱効率を得られることが判る。酸化剤予熱用の熱交換器を有しない燃焼装置を用いた従来の管式加熱炉と本実施例の管式加熱炉とを比較した場合、バーナの燃焼量が同じであるとすると、本実施例の管式加熱炉の方が１０％以上熱効率を高くすることができる。
【００４２】
実際の燃焼制御では、単に最高管壁温度が加熱管設計温度以下にならないようにするだけでなく、熱効率ができるだけ最高熱効率に近付くように、対流部１０２を流れる排気ガスの量と燃焼装置の排気ガス通路を流れる排気ガスの量とを定めることになる。上記条件の加熱炉であれば、ガス排出路（対流部１０２）を流れる排気ガスの量と排気ガス通路を流れる排気ガスの量の比を、２対８から４対６の範囲内にするのが好ましい。尚この範囲であれば、加熱炉の条件が多少異なっても、ほぼ満足のいく結果が得られる。
【００４３】
上記実施例においては、蓄熱体８をセラミックス製の高音側セクション１０と金属製の低温側セクション９とに分けて構成しているが、蓄熱体の材質及び構造は任意であり、上記実施例に限定されるものではない。また、上記実施例の燃焼装置では、バーナノズルが熱交換器の中心を貫通するように配置されているため、既存の管式加熱炉の炉床部に設けられた燃焼装置取り付け孔をそのまま利用して燃焼装置を取り付けることができる利点がある。
【００４４】
しかしながら、本発明で用いる熱回収式燃焼装置はこれに限定されるものではなく、バーナと特定の構造の熱交換器とが組み合わされているものであれば、どのような構造の燃焼装置でもよいのは勿論である。例えば、米国特許第４、８５６、４９２号、特開平１−１５９５１１号公報及び特開平５−２５６４２３号公報に示された熱回収式燃焼装置のように、排気ガス通路または酸化剤通路となる２つの通路内に例えば２つ以上の蓄熱体を配置し、一方の通路側の蓄熱体を排気ガスで加熱し、排気ガスで加熱された他方の通路側の蓄熱体を通して酸化剤を炉内に供給するタイプの熱交換器とバーナとを組み合わせた熱回収式燃焼装置を用いてもよい。
【００４５】
上記実施例では、酸化剤の供給と排気ガスの排出のために、それぞれ別個の送風機１１１、１１８を用いているが、酸化剤の供給と排気ガスの排出を共通の送風機により行うことができる。図５（Ａ）の例では、酸化剤の供給のために燃焼装置の酸化剤通路に押込み送風機１１１を配置している。そして排気ガス通路を排気管路１１９を介して炉のガス排出路１０９の下流側に接続している。この場合には、輻射部１０１内が正圧となるように制御弁１２６、１２７の開度を調節する。図中の数値は、各部の圧力を示しており、単位はｍｍＨ２Ｏである。また図５（Ｂ）の例では、燃焼用装置の排気ガス通路から排気ガスを誘引する誘引送風機１１８だけを設ける。そして誘引送風機１１８の排出口を管路１１９を介して炉のガス排出路１０９の下流側に接続する。この場合には、輻射部１０１内が負圧となるように制御弁１２６、１２７の開度を調節する。この図においても図中の数値は、各部の圧力を示しており、単位はｍｍＨ２Ｏである。このような構成を用いると、上記実施例と比べて送風機の数を半減することができる利点がある。
【００４６】
上記実施例では、炉床部１０３に燃焼装置１を配置しているが、箱型水平管式加熱炉では、燃焼装置のバーナが炉壁の側壁部に配置される場合がある。本発明は、このような場合にも当然適用できるものである。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、熱交換器とバーナとが組み合わされた熱回収式燃焼装置を用いるため、大型で高価な酸化剤予熱器を用いる必要がなくなり、排気ガスの熱を有効に利用して安価に熱効率を高めることができる。特に、本発明のように、ガス排出路と排気ガス通路の両方に排気ガスを流し、しかも加熱用管路の出口部分の管壁温度が加熱管設計温度より低くなるようにガス排出路を流れる排気ガスの量と排気ガス通路を流れる排気ガスの量の比率を定めれば、対流部での予熱を有効に利用して、しかも輻射部内の温度を下げることができる。したがって既存の管式加熱炉に本発明を適用しても、炉の寿命が短くなったり、コーキングが発生することがないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を既存の管式加熱炉に適用した一実施例の概略構成図である。
【図２】燃焼装置の一例の断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】全排気ガスの量に対する対流部を通る排気ガスの量の比率と、熱効率の変化と加熱用管路の最高管壁温度との関係を示す図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の変形例を示す図である。
【図６】（Ａ）は従来の管式加熱炉の構造を示す一部破断斜視図であり、（Ｂ）は加熱管と燃焼装置の配置状態の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  燃焼装置
２  取付用ボルト
３  燃焼装置用熱交換器
４  取付板
５  貫通孔
６  ねじ孔
７  ボルト
８  蓄熱体
９，１０  蓄熱体ユニット
１１，１２  固定金具
１３  ピラーマット
１４  耐火材
１５  バーナノズル
１７  バーナフード
２２  吸排気用ダクト構造体
２３  排気ダクト
２４  酸化剤ダクト
２４ａ  分割酸化剤ダクト
２７  ノズル外筒
２８  ノズル内筒
３４  ベローズ
３５，３７  シール部材
１００  ケーシング
１０１  輻射部
１０２  対流部
１０３  炉床部
１０４  燃焼装置
１０５  加熱用管路
１０６  直管
１０７  予熱用管路
１０８  誘引送風機
１０９  ガス排出路
１１１  押込み送風機
１１２  送風側接続管路
１１４  酸化剤導入路
１１５  サイレンサ
１１６  排気側接続管路
１１７  流量制御弁
１１８  誘引送風機
１２０  温度センサ
１２１  弁制御装置
１２２  酸素センサ
【図１】
0003595360.tif 000002
【図２】
0003595360.tif 000003
【図３】
0003595360.tif 000004
【図４】
0003595360.tif 000005
【図５】
0003595360.tif 000006
【図６】
0003595360.tif 000007