(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の端部が開き、他方の端部が閉じている筒構造を有しているラジアントチューブと、
前記ラジアントチューブの開放端側に設けられた、該ラジアントチューブを加熱した後の排気ガスとの間の熱交換によって外部から供給される空気を予熱する連続式熱交換器と、
前記連続式熱交換器に隣接配置された、該連続式熱交換器によって予熱された空気を利用して燃料を燃焼させることによって、火炎を吐出するバーナと、
前記バーナとの間に間隙を空けて中心軸がバーナの中心軸と略同軸上になるように前記ラジアントチューブ内に配置された、バーナが吐出した火炎を流入させる混合筒と、
前記混合筒の内部であって前記混合筒の入口から該混合筒の内径の３倍以上の長さ位置に配置された、前記火炎から混合筒への熱の伝達を促進する熱放射促進体と、
を備えることを特徴とするラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項２】
前記熱放射促進体は、セラミック材料によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項３】
前記バーナの火炎吐出口の内径が、前記混合筒の内径より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項４】
前記バーナは、燃料を供給する燃料供給口と、前記連続式熱交換器によって予熱された空気の一部を供給する空気供給口とを有する保炎筒を備え、前記空気供給口は、保炎筒内に供給される空気の量が少なくとも定常燃焼状態では燃料供給口から供給される燃料の完全燃焼に不足する量になるように空気の量を制限することを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項５】
前記バーナは、前記保炎筒の出口側に設けられた、前記連続式熱交換器によって加熱された空気の他部を供給する第２の空気供給口を備え、第２の空気供給口は、前記空気供給口から供給される空気の量との和が少なくとも定常燃焼状態では燃料供給口から供給される燃料の完全燃焼に十分な量になるように空気の量を調整することを特徴とする請求項４に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項６】
前記バーナは、前記第２の空気供給口より空気の流れ方向下流側に配置された、前記保炎筒の内径よりも小さい吐出口を有し、前記保炎筒内で形成された火炎を吐出する吐出ノズルを備えることを特徴とする請求項５に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項７】
前記吐出ノズルは、セラミック材料によって形成されていることを特徴とする請求項６に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジアントチューブからの放射熱によって鋼板や鋼材を加熱するラジアントチューブ式加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、蓄熱サイクルと放熱サイクルとを繰り返し行う再生式の熱交換器を備えるラジアントチューブ式加熱装置が知られている（特許文献１〜３参照）。このようなラジアントチューブ式加熱装置によれば、蓄熱サイクルにおいて排気ガスの保有熱を蓄積すると共に、放熱サイクルにおいて蓄熱サイクルで蓄積した熱によって燃焼用空気を予熱することにより、燃料の燃焼効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１３２２２２号公報
【特許文献２】特開平１１−２５７６１１号公報
【特許文献３】特開平１１−３５１５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、蓄熱サイクルと放熱サイクルとを同時に行うことによって燃焼用空気を連続的に予熱する連続式の熱交換器を備えるラジアントチューブ式加熱装置を提案されている。このような連続式の熱交換器を備えるラジアントチューブ式加熱装置によれば、再生式の熱交換器を備えるラジアントチューブ式加熱装置より高効率化を実現できる。しかしながら、連続式の熱交換器を備えるラジアントチューブ式加熱装置では、燃料が燃焼する側が、常にラジアントチューブの一方の端部側であり、排気側よりも高温に維持される。このため、連続式の熱交換器を備えるラジアントチューブ式加熱装置では、再生式の熱交換器を備えるラジアントチューブ式加熱装置と比較して火炎温度がより高温になることから、温度依存性が高いＮＯ生成反応が促進され、ＮＯｘの排出量が増加する。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＮＯｘの排出量が増加することを抑制可能なラジアントチューブ式加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置は、一方の端部が開き、他方の端部が閉じている筒構造を有しているラジアントチューブと、前記ラジアントチューブの開放端側に設けられた、該ラジアントチューブを加熱した後の排気ガスとの間の熱交換によって外部から供給される空気を予熱する連続式熱交換器と、前記連続式熱交換器に隣接配置された、該連続式熱交換器によって予熱された空気を利用して燃料を燃焼させることによって、火炎を吐出するバーナと、前記バーナとの間に間隙を空けて中心軸がバーナの中心軸と略同軸上になるように前記ラジアントチューブ内に配置された、バーナが吐出した火炎を流入させる混合筒と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置は、上記発明において、前記混合筒の入口から該混合筒の内径の３倍以上の長さ位置に配置された、前記燃焼気から混合筒への熱の伝達を促進する熱放射促進体を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置は、上記発明において、前記熱放射促進体が、セラミック材料によって形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置は、上記発明において、前記バーナの火炎吐出口の内径が、前記混合筒の内径より小さいことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置は、上記発明において、前記バーナが、燃料を供給する燃料供給口と、前記連続式熱交換器によって予熱された空気の一部を供給する空気供給口とを有する保炎筒を備え、前記空気供給口は、保炎筒内に供給される空気の量が少なくとも定常燃焼状態では燃料供給口から供給される燃料の完全燃焼に不足する量になるように空気の量を制限することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置は、上記発明において、前記バーナが、前記保炎筒の出口側に設けられた、前記連続式熱交換器によって加熱された空気の他部を供給する第２の空気供給口を備え、第２の空気供給口は、前記空気供給口から供給される空気の量との和が少なくとも定常燃焼状態では燃料供給口から供給される燃料の完全燃焼に十分な量になるように空気の量を調整することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置は、上記発明において、前記バーナが、前記第２の空気供給口より空気の流れ方向下流側に配置された、前記保炎筒の内径よりも小さい吐出口を有し、前記保炎筒内で形成された火炎を吐出する吐出ノズルを備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置は、上記発明において、前記吐出ノズルが、セラミック材料によって形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るラジアントチューブ式加熱装置によれば、ＮＯｘの排出量が増加することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態であるラジアントチューブ式加熱装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、ラジアントチューブの断面形状の変形例を示す図である。
【図３】図３は、図１に示す熱交換器及びバーナの構成を示す拡大断面図である。
【図４】図４は、火炎分散器の一構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態であるラジアントチューブ式加熱装置の構成について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態であるラジアントチューブ式加熱装置の構成を示す断面図である。図２は、ラジアントチューブの断面形状の変形例を示す図である。図３は、図１に示す熱交換器及びバーナの構成を示す拡大断面図である。図４は、火炎分散器の一構成例を示す図である。
【００１８】
図１に示すように、本発明の一実施形態であるラジアントチューブ式加熱装置１は、焼き鈍し、焼入れ、焼きならし、焼戻し等のために鋼板や鋼材を加熱する加熱炉の炉壁Ｗに配設されている。ラジアントチューブ式加熱装置１は、ラジアントチューブ２を備えている。ラジアントチューブ２は、長さ方向における一方の端部２ａが開き、他方の端部２ｂが閉じた扁平な筒構造を有し、炉壁Ｗから炉内方向に突出させて配置されている。ラジアントチューブ２の端部２ａ側の断面形状は、互いに平行な２直線と両端部が２直線に接する半円とからなる角丸長方形形状になっている。
【００１９】
ラジアントチューブ２の端部２ｂ側の断面形状は、角丸長方形の直線部分の曲率の絶対値が両端の半円の曲率の絶対値より小さく、且つ、角丸長方形の直線部分の曲率の符号が負である形状、換言すれば、側面中央部が内側に凹んだ繭型の形状になっている。ラジアントチューブ２は、炭化ケイ素の粉末を高圧で圧縮した後、高温炉で焼結する冷間静水圧成形（Cold Isostatic Pressing : CIP）法によって製造される。この成形方法では、型から焼結体を抜く関係上、内面形状にアンダーカット部分を持つことができない。
【００２０】
このため、端部２ａ側の断面形状を角丸長方形形状として、その短辺側半径をラジアントチューブ２の長さ方向中央部でも同じにする場合には、断面を全て曲線で構成するために、上述のように端部２ｂ側の断面形状を繭型形状にするとよい。ラジアントチューブ２の断面形状は本実施形態の断面形状に限定されることはなく、図２に示すような断面形状を採用することができる。具体的には、図２（ａ）に示す断面形状は長軸径の長さと短軸径の長さとが異なる楕円形状を示している。図２（ｂ）に示す断面形状は、角丸長方形の直線部分の曲率の絶対値が両端の半円の曲率の絶対値より小さく、且つ、角丸長方形の直線部分の曲率の符号が正である形状を示している。
【００２１】
このような断面形状によれば、ラジアントチューブ２に平面部分が無くなるので、端部２ａと端部２ｂとの間の温度差によって発生した熱応力を曲率の変化として逃し、熱応力によってラジアントチューブ２に割れが発生することを抑制できる。なお、詳しくは後述するが、端部２ａ側では燃焼気が直接ラジアントチューブ２に接触しないために、端部２ａの温度は低く抑えられている。このため、端部２ａの構成面に平面部分があったとしても、端部２ａに掛かる熱応力の大きさは小さいので、ラジアントチューブ２に割れが発生することはない。
【００２２】
ラジアントチューブ２の端部２ａ側には、熱交換器３とバーナ４とが隣接して配設されている。熱交換器３は、炭化ケイ素を主成分とするセラミック製のハニカム部材を加工することによって形成された熱交換器エレメントによって構成され、ラジアントチューブ２を加熱した後の排気ガスとの間の熱交換によって冷風供給箱３ａを介して外部から供給される空気を予熱する。熱交換器３とバーナ４とを隣接配置することによって、ラジアントチューブ２の構造を簡素化できると共に、高温状態の予熱空気を短い距離で熱交換器３からバーナ４に供給でき、放熱による損失を少なく抑え、連結部材の熱膨張長さを小さくできる。熱交換器３をセラミック製の部材によって構成することによって、熱交換器の高耐熱・高効率化を実現することができる。
【００２３】
熱交換器３への排気ガス導入口付近には、セラミックフォーム５が配設されている。セミラミックフォーム５は、ラジアントチューブ２からの輻射熱を熱交換器３に到達する前に吸収すると共に、吸収した輻射熱をラジアントチューブ２内に還流するものである。セラミックフォーム５を配設することによって、ラジアントチューブ２からの輻射熱が直接熱交換器３に行かないようにし、炉内への有効熱を増大させることができる。
【００２４】
図３に示すように、バーナ４は、熱風供給箱６を介して熱交換器３と接続されている。熱風供給箱６はバーナ空気入口部６ａと一次空気供給部６ｂとを備え、熱交換器３で生成された高温空気はバーナ空気入口部６ａ内に供給される。バーナ空気入口部６ａ内に供給された高温空気の一部は、バーナ４を構成する保炎筒４ｂの底板と一体の板の外側に設けられた一次空気制限孔６ｃによって空気比が０．２程度になるように流量が制限されると共に円周方向の分布が均一にされながら、一次空気供給部６ｂ内に供給される。
【００２５】
一次空気供給部６ｂ内に供給された高温空気は、保炎筒４ｂの底板に切り起こしによって空けられた一次空気供給口６ｄから保炎筒４ｂ内に旋回しながら供給される。バーナ空気入口部６ａ内に供給された高温空気の別の一部は、径方向内向きに保炎筒４ｂの外周部に開けられた二次空気供給口６ｅから空気比が０．３程度になるように流量が制限されながら保炎筒４ｂ内に供給される。これにより、保炎筒４ｂ内部で燃料の燃焼に寄与する空気の量は、少なくとも定常燃焼状態では燃料の完全燃焼に不足する量になるので、保炎筒４ｂ出口側における残留酸素を無くし、ＮＯｘの生成を抑制できる。
【００２６】
バーナ空気入口部６ａ内に供給された高温空気の残りの一部は、保炎筒４ｂの中心軸Ｌと平行に保炎筒４ｂの先端部に開けられた三次空気供給口６ｆから空気比が０．７程度になるように流量が制限されながら吐出ノズル４ｃ内に供給される。三次空気供給口６ｆの総開口面積は、一次空気制限孔６ｃ及び二次空気供給口６ｅの総開口面積よりも大きく設計されている。これにより、三次空気供給口６ｆからの空気供給量は、一次空気制限孔６ｃ及び二次空気供給口６ｅからの空気供給量よりも多くなる。また、保炎筒４ｂ内部で不足する空気を三次空気として供給するので、未燃状態のまま排出される燃料を無くし、省エネルギー化を実現できる。また、三次空気は、保炎筒４ｂの中心軸に対し略平行に供給されるので、火炎中の未燃成分と緩慢に拡散し、局所的に高温で酸素過剰な箇所を少なくできるので、ＮＯｘの生成を抑制できる。
【００２７】
図示しないが、熱交換器３、冷風供給箱３ａ、及び冷風供給箱６の外周部とラジアントチューブ２の内周部との間にはセラミックファイバが充填されている。セラミックファイバを充填することによって、排気や空気の漏れを防止できると共に、各部の温度差によって生じる寸法の変化を吸収することができる。
【００２８】
バーナ４は、点火部４ａと、保炎筒４ｂと、吐出ノズル４ｃとを備えている。点火部４ａは、外側円筒部４ｄと外側円筒部４ｄの内径よりも小さい外径を有する内側円筒部４ｅとを備え、内側円筒部４ｅは外側円筒部４ｄ内に外側円筒部４ｄと接触することなく配設されている。外側円筒部４ｄと内側円筒部４ｅの一方の端部は図示しない外部装置に接続され、他方の端部は保炎筒４ｂに接続されている。外側円筒部４ｄ及び内側円筒部４ｅの中心軸は保炎筒４ｂの中心軸Ｌと同一軸上に配設されている。
【００２９】
外側円筒部４ｄの内周部と内側円筒部４ｅの外周分との間の隙間は燃料ガス流路４ｆとし機能し、図示しない外部装置から燃料ガス流路４ｆに供給された燃料ガスは燃料旋回弁４ｇによって一次空気と同じ回転方向の旋回を与えられながら保炎筒４ｂ内に供給される。内側円筒部４ｅの内部は点火補助空気流路４ｈとし機能し、図示しない外部装置から点火補助空気流路４ｈに供給された点火補助空気は保炎筒４ｂ内に供給される。点火補助空気は、最初に火炎を形成する際の助燃剤として機能する。
【００３０】
内側円筒部４ｅの中心軸上には支持ガイシ４ｉによって支持された状態で点火電極４ｊが配設されている。点火電極４ｊは、先端部が直角に曲げられた鋼材によって構成されている。図示しない外部装置は、最初に火炎を形成する際に点火電極４ｊと接地電極として機能する内側円筒部４ｅとの間に電圧を印加することによって、点火電極４ｊの先端部と内側円筒部４ｅとの間で電気火花を生成する。
【００３１】
保炎筒４ｂは円筒形状の部材によって構成されている。保炎筒４ｂ内部では、燃料ガス流路４ｇから供給された燃料ガスと一次空気供給口６ｄから供給された一次空気とが、旋回しながら混合され、火炎を保炎する。二次空気供給口６ｅから保炎筒４ｂ内に供給された二次空気は、部分燃焼気の中心まで到達して助燃すると共に燃料ガスと一次空気との旋回流を止める。吐出ノズル４ｃは、耐熱性が高いセラミックス製の部材によって構成され、出口側の内径は保炎筒４ｂの内径よりも小さく構成されている。このような構成によれば、保炎筒４ｂからの燃焼気の流れは、吐出ノズル４ｃの出口に向かって狭まっていくために、燃焼気の径方向の乱れが減衰した疑似的な層流となる。これにより、吐出ノズル４ｃ内に供給された三次空気及び火炎中の未燃焼成分は緩慢に拡散し、居所的に高温で酸素過剰な箇所を少なくできるので、ＮＯｘの生成を抑制できる。
【００３２】
図１に示すように、ラジアントチューブ２の内部には、その中心軸が吐出ノズル４ｃの中心軸Ｌと同一軸上になるように混合筒７が吐出ノズル４ｃとの間に間隙を空けて配設されている。混合筒７は、内径が吐出ノズル４ｃの出口側の内径の１．５倍程度の大きさを有し、炭化ケイ素をＣＩＰ法によって成形することによって形成されている。混合筒７の入口側は、混合筒７内に流入する火炎や排気の流れを妨げないように平滑な円断面形状を有している。混合筒７の外周部には、炭化ケイ素によって形成された突起部７ａが金属ケイ素によって接合されている。突起部７ａは、混合筒７がラジアントチューブ２の長さ方向略中央部に平行に配置されるように混合筒７を支持する。
【００３３】
ラジアントチューブ２の内部に混合筒７を設けることによって、バーナ４から吐出された火炎は、放熱されつつ燃焼するので、火炎の最高温度を低く抑え、ＮＯｘの生成を抑制できる。また、吐出ノズル４ｃの出口側の内径を混合筒７の内径より小さくすることによって、吐出ノズル４ｃから吐出される火炎は吐出ノズル４ｃの出口での速度から混合筒７内で減速し、圧力回復によってラジアントチューブ２内の雰囲気を混合筒７内に吸引する作用が発生する。これにより、エゼクタ効果によって排気ガスが混合筒７内に循環するようになるので、火炎の最高温度が低く抑えられ、ＮＯｘの生成をさらに抑制できる。
【００３４】
混合筒７の入口から混合筒７の内径の３倍以上の長さ位置には、円筒形状のセラミック製の熱放射促進体７ｂが配設されている。熱放射促進体７ｂは、火炎から混合筒７への熱の伝達を促進するものである。火炎から混合筒７への熱の伝達を促進することによって、火炎の冷却を促進してＮＯｘの排出を抑制できると共に、ラジアントチューブ２への熱伝達を促進して効率を高めることができる。なお、混合筒７の入口から混合筒７の内径の３倍程度の長さ位置では、火炎と三次空気や吸引雰囲気との間の運動量拡散は終了するので、この長さ位置より下流側であれば、障害物を入れても流れへの影響を小さい。また、本実施形態では、熱放射促進体７ｂを円筒形状の部材によって構成したが、図４に示すように断面形状が十字形状のコアバスタ等の火炎分散器８を熱放射促進体７ｂの代わりに配設してもよい。
【００３５】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
１  ラジアントチューブ式加熱装置
２  ラジアントチューブ
３  熱交換器
３ａ  冷風供給箱
４  バーナ
４ａ  点火部
４ｂ  保炎筒
４ｃ  吐出ノズル
４ｄ  外側円筒部
４ｅ  内側円筒部
４ｆ  燃料ガス流路
４ｈ  点火補助空気流路
４ｉ  支持ガイシ
４ｊ  点火電極
５  セラミックフォーム
６  熱風供給箱
６ａ  バーナ空気入口部
６ｂ  一次空気供給部
６ｃ  一次空気制限孔
６ｄ  一次空気供給口
６ｅ  二次空気供給口
６ｆ  三次空気供給口
７  混合筒
７ａ  突起部
７ｂ  熱放射促進体
８  火炎分散器
【図１】
0005966352.tif 000002
【図２】
0005966352.tif 000003
【図３】
0005966352.tif 000004
【図４】
0005966352.tif 000005