(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室（１）と、該燃焼室（１）を加熱するバーナ（２）と、該バーナ（２）に燃焼空気を供給する給気系と、前記燃焼室（１）から排気ガスを排出する排気系と、を備え、
前記給気系および前記排気系の途中に、複数個の蓄熱体（３ａ、３ｂ）が並列に挿入され、
各蓄熱体（３ａ、３ｂ）の一端が、前記給気系の上流側配管（１１）および前記排気系の下流側配管（２２）に、それぞれ第一流路切替手段（４ａ、４ｂ）を介して接続され、各蓄熱体（３ａ、３ｂ）の他端が、前記給気系の下流側配管（１２）および前記燃焼室（１）の連絡孔（２１ａ、２１ｂ）に、それぞれ第二流路切替手段（５ａ、５ｂ）を介して接続され、
前記の各蓄熱体（３ａ、３ｂ）が、前記燃焼室（１）と、開放空間を介さず密接していることを特徴とする工業炉。
【請求項２】
前記給気系に、前記蓄熱体（３ａ，３ｂ）、前記第一流路切替手段（４ａ、４ｂ）および前記第二流路切替手段（５ａ、５ｂ）をバイパスするバイパス配管（３２）が設けられており、該バイパス配管（３２）には流路を開閉するバイパス弁（３３）が設けられていることを特徴とする請求項１記載の工業炉。
【請求項３】
前記給気系の第一流路切替手段（４ａ、４ｂ）より上流側および前記排気系の第一流路切替手段（４ａ、４ｂ）より下流側に、熱交換器（６）が挿入されることを特徴とする請求項１又は２記載の工業炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉の廃熱を利用して燃焼空気を予熱する工業炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工業炉において、炉から排出される排気ガスと、炉に供給される燃焼空気とで、熱交換を行い、排気ガスの有する熱で燃焼空気を予熱することで、高効率化および省エネルギ化を図ったものが知られている。ここで、熱交換に用いられる熱交換器には種々のものがあるが、セラミックなどからなる蓄熱型熱交換器は、高温領域における耐久性が高く、工業炉の廃熱回収に適している。例として、文献１には、複数の蓄熱型熱交換器を備え、給気と排気の流路を順次切り替えて、各熱交換器において蓄熱と予熱を交互に行う廃熱利用装置が提案されている。
【特許文献１】特開２００３−５６８４０号公報
【０００３】
ところで、文献１の発明は、炉から排出される排気ガスの有する熱を有効に利用しようとするものであるが、一方で、炉から直接放熱される熱も存在する。通常、炉の周囲には断熱材を設けて放熱を抑えているが、放熱を完全になくすことはできず、結果として放熱される熱のエネルギは無駄になっている。そこで、この熱も回収することができれば、さらなる高効率化および省エネルギ化を実現できると考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記事情を鑑みたものであり、炉から排出される排気ガスの有する熱のみならず、炉から直接放熱される熱をも回収し、燃焼空気の予熱に利用する工業炉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のうち請求項１の発明は、燃焼室と、該燃焼室を加熱するバーナと、該バーナに燃焼空気を供給する給気系と、前記燃焼室から排気ガスを排出する排気系と、を備え、前記給気系および前記排気系の途中に、複数個の蓄熱体が並列に挿入され、各蓄熱体の一端が、前記給気系の上流側配管および前記排気系の下流側配管に、それぞれ第一流路切替手段を介して接続され、各蓄熱体の他端が、前記給気系の下流側配管および前記燃焼室の連絡孔に、それぞれ第二流路切替手段を介して接続され、前記の各蓄熱体が、前記燃焼室と、開放空間を介さず密接していることを特徴とする。
【０００６】
本発明は、広く工業炉全般に適用されるものであり、炉の種類は問わず、るつぼ炉、溶融炉、加熱炉、焼却炉など、どのような炉であってもよい。燃焼室およびバーナの構造や規模は炉の種類によって異なりうるが、基本的には燃焼室にバーナが取り付けられており、バーナによって燃焼室内を加熱するものである。バーナにより燃焼させる際には、空気を供給する必要があり、バーナには給気系の配管が接続される。また、燃焼室からは、排気ガスを排出する必要がある。ここで、通常供給される燃焼空気は室温であり、排出される排気ガスは数百度から千数百度となる。このままでは、冷たい燃焼空気を供給することで炉内の温度が下がって燃焼効率が低下し、また排気ガスの持つ熱エネルギはすべて無駄になってしまうため、燃焼空気と排気ガスとで熱交換を行う。そこで、給気系および排気系の配管の途中に、複数個の蓄熱体が並列に挿入される。並列とはすなわち、配管が蓄熱体の個数分だけ枝分かれし、それぞれの配管に蓄熱体が設けられることをいう。蓄熱体としては、閉じた空間内に、アルミナなどのセラミックのパイプやボールを詰めたものが好適である。この蓄熱体に、給気系および排気系の配管がそれぞれ流路切替手段を介して接続される。ただし、排気系の上流側については、燃焼室と蓄熱体とを直結する連絡孔を設けることで、熱エネルギの損失をできるだけ少なくすることが望ましい。また、流路切替手段は、必ずしもいずれか一つの流路を選択するものではなく、複数の流路を同時に開いたり閉じたりすることもできるものとする。これらの流路切替手段により適宜流路を切り替えることにより、各蓄熱体に、排気ガスと燃焼空気とを交互に流通させる。高温の排気ガスが流通している間は、その熱エネルギが蓄熱体に蓄えられ、室温の燃焼空気が流通している間は、蓄えられた熱エネルギにより燃焼空気を予熱するのである。なお、各蓄熱体において、蓄熱と予熱の切り替えの周期をずらすことにより、常にいずれかの蓄熱体で予熱を行う状態にすることが望ましい。そして、これらの蓄熱体はすべて、燃焼室と開放空間を介さず密接している。これはすなわち、燃焼室から放熱される熱が直接蓄熱体に伝熱される状態であることを示す。
【０００７】
また、本発明のうち請求項２の発明は、前記給気系に、前記蓄熱体、前記第一流路切替手段および前記第二流路切替手段をバイパスするバイパス配管が設けられており、該バイパス配管には流路を開閉するバイパス弁が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明のうち請求項３の発明は、前記給気系の第一流路切替手段より上流側および前記排気系の第一流路切替手段より下流側に、熱交換器が挿入されることを特徴とする。ここで熱交換器とは、蓄熱体と異なり高温側と低温側の流路が分かれているもので、壁や配管を隔てて高温側から低温側へ間接的に伝熱するものとする。このように熱交換器を挿入することで、給気される燃焼空気は、まず熱交換器で予熱され、その後さらに蓄熱体で予熱される。逆に、排出される排気ガスは、まず蓄熱体で熱回収され、その後さらに熱交換器で熱回収される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のうち請求項１の発明によれば、蓄熱体により排気ガスの有する熱エネルギを回収して燃焼空気を予熱し、さらに、蓄熱体を燃焼室に密接させることで、燃焼室から直接放熱される熱をも回収し、燃焼空気の予熱に利用することができるため、従来の炉に増して高効率化および省エネルギ化を実現することができる。なお、一般に蓄熱体は高温領域における耐久性が高いため、千度を超える高温の排気ガスを生じる工業炉にも対応することができる。
【００１０】
本発明のうち請求項２の発明によれば、流路切替手段により各蓄熱体の蓄熱と予熱を切り替えている間にバイパス弁を開とすることで、切替時にバーナに燃焼空気が供給されなくなることを防ぐことができる。
【００１１】
本発明のうち請求項３の発明によれば、蓄熱体で回収しきれなかった排気ガスの熱エネルギを熱交換器により回収することで、さらに高効率化および省エネルギ化を図ることができる。一般に、間接型の熱交換器は蓄熱体に比べて熱伝達の効率がよいため、温度が低い熱源（すなわち、一度熱交換を行ったあとの排気ガス）からでも効率よく熱回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の工業炉の具体的な構成について、各図面に基づいて説明する。図１は、本発明の工業炉の実施例を示す系統図である。本実施例は、円筒形状の燃焼室１を有し、燃焼室１には加熱するためのバーナ２が設けられ、さらに燃焼室１の周囲には、二個の蓄熱体３ａ、３ｂが、燃焼室１と開放空間を介さずに密接して設けられている。そして、蓄熱体３ａ、３ｂには、給気系および排気系の配管が接続されている。より詳しくは、蓄熱体３ａ、３ｂの一端には、給気系上流側配管１１および排気系下流側配管２２が、第一流路切替手段４ａ、４ｂを介して接続されており、他端には、給気系下流側配管１２および燃焼室１の連絡孔２１ａ、２１ｂが第二流路切替手段５ａ、５ｂを介して接続されている。ここで、第一流路切替手段４ａ、４ｂは、それぞれ給気系上流側配管１１に設けられる給気入口弁４１ａ、４１ｂおよび排気系下流側配管２２に設けられる排気出口弁４２ａ、４２ｂからなる。同じく、第二流路切替手段５ａ、５ｂは、それぞれ給気系下流側配管１２に設けられる給気出口弁５１ａ、５１ｂおよび燃焼室１の連絡孔２１ａ、２１ｂに設けられる排気入口弁５２ａ、５２ｂからなる。これらの弁のうち、給気入口弁４１ａ、４１ｂ、排気出口弁４２ａ、４２ｂおよび給気出口弁５１ａ、５１ｂは、配管の途中に設けられるものであり、一般的なボール弁やバタフライ弁が用いられる。一方、排気入口弁５２ａ、５２ｂは、配管に設けられるものではなく、また、高温にさらされることから、ピストンを連絡孔２１ａ、２１ｂに抜き差しする形式のものとする。また、給気系の第一流路切替手段４ａ、４ｂより上流側および排気系の第一流路切替手段４ａ、４ｂより下流側には、熱交換器６が挿入される。熱交換器６は、燃焼空気と排気ガスとが隔離壁を隔てて対向して流れるものである。そして、給気系上流側配管１１の末端には、燃焼空気供給弁７２を介してブロワ７１が設けられ、排気系下流側配管２２の末端には排気口２３が設けられる。また、バーナ２には、燃焼ガスを供給するための燃焼ガス供給配管６１が接続される。燃焼ガス供給配管６１の末端には、燃焼ガス供給弁７４を介して燃焼ガス元栓７３が設けられる。なお、燃焼空気供給弁７２と燃焼ガス供給弁７４とは、連動装置７５によって連動して開閉し、燃焼空気と燃焼ガスが必ず同時に供給される。さらに、給気系の第二流路切替手段５ａ、５ｂの下流側には、バッファタンク３１が設けられる。そして、給気系のブロワ７１の直後にはバイパス配管３２が接続され、熱交換器６および蓄熱体３ａ、３ｂをバイパスし、バイパス弁３３を介してバッファタンク３１と接続されている。
【００１３】
次に、本実施例の炉を実際に用いる際の、燃焼空気および排気ガスの流れを図１に基づいて説明する。なお、図１は燃焼中のある時点における弁状態を示している。ブロワ７１から供給される燃焼空気は、まず熱交換器６に流入し、高温の排気ガスと熱交換して予熱される。続いて、燃焼空気は給気入口弁４１ａを通って蓄熱体３ａに流入し、さらに予熱される。そして燃焼空気は給気出口弁５１ａを通り、バッファタンク３１に流入し、バーナ２に供給される。一方、排気ガスは、燃焼室１の連絡孔２１ｂから蓄熱体３ｂに流入し、蓄熱体３ｂに蓄熱する。続いて、排気ガスは排気出口弁４２ｂを通り、熱交換器６に流入し、室温の燃焼空気を予熱する。そして、排気ガスは排気口２３から排出される。
【００１４】
続いて、流路切替手段の動作について説明する。図２は、各弁の動作を示すタイミングチャートであり、点火時を０秒として、横軸に時間をとり、各弁の開閉状況を表す。まず、０〜Ｔｓ秒の間は、図１に示す弁状態となっており、この間の燃焼空気および排気ガスの流れは、上述のとおりである。点火からＴｓ秒が経過すると、給気と排気の流路を入れ替えるが、この際、排気ガスが流入していた蓄熱体３ｂについては、内部の排気ガスを除去してから燃焼空気を流入させる必要がある。燃焼空気に排気ガスが混入すると、酸素濃度が低下して、失火や不完全燃焼の原因となるからである。そこで、点火からＴｓ秒後、まず蓄熱体３ａへの燃焼空気の供給をおよび蓄熱体３ｂへの排気ガスの供給を止め（給気入口弁４１ａおよび排気入口弁５２ｂを閉）、蓄熱体３ａへ排気ガスを、蓄熱体３ｂへ燃焼空気を供給する（給気入口弁４１ｂおよび排気入口弁５２ａを開）。ここで、燃焼空気は蓄熱体３ｂからバーナ２へは供給せず（給気出口弁５１ｂを閉のまま）、そのまま排気系へ排出することで（排気出口弁４２ｂを開のまま）、蓄熱体３ｂ内の排気ガスをパージする。この状態をｔｐ秒間維持した後、蓄熱体３ｂからバーナ２への燃焼空気の供給を開始する（給気出口弁５１ｂを開、排気出口弁４２ｂを閉）。ただし、このようにすると排気ガスをパージするｔｐ秒間の間はバーナ２へ燃焼空気が供給されなくなってしまう。そこで、その間だけバイパス弁３３を開とし、ブロワ７１から直接燃焼空気を供給する。これを蓄熱体３ａおよび３ｂで交互に繰り返すことで、常に燃焼空気を予熱することができる。なお、弁の切り替えにより生じる圧力変動はバッファタンク３１により吸収され、バーナ２へは安定的に燃焼空気が供給される。また、実際の弁の開閉には数秒程度の応答時間を要するため、それを見込んで弁の開閉時間（Ｔｓ、ｔｐ）を設定することが望ましい。
【００１５】
図３は、本実施例の炉の中心軸断面図である。ただし、給気系や排気系の各配管は省略している。本実施例はるつぼ炉であり、円筒形状の燃焼室１を備え、その内部にるつぼ１０１が設置される。燃焼室１の下部にはバーナ２が備えられ、るつぼ１０１の設置部分およびバーナ２の周囲には耐火レンガ１０２が設けられる。るつぼ１０１の上端にはシール１１０が設けられ、るつぼ１０１の内側と外側とを隔離している。そして、燃焼室１の上部周囲には、セラミックファイバーのブランケット１０３を介して蓄熱体３ａ、３ｂが設けられる。ここで蓄熱体３ａ、３ｂは、閉鎖された空間にアルミナ製の筒型（たとえば、長さ１００ｍｍ、外径３０ｍｍ、内径２０ｍｍのもの）の蓄熱材を多数詰めたものである。そして、ブランケット１０３には連絡孔２１ａ、２１ｂが設けられ、燃焼室１と蓄熱体３ａ、３ｂとが連絡されている（排気入口弁については省略）。蓄熱体３ａ、３ｂおよび燃焼室１の周囲は断熱レンガ１０４で覆われ、その周囲には断熱ボード１０５、超断熱材１０６が設けられ、さらにその表面に外装材１０７が設けられた構造となっている。また、熱交換器６は、炉の下部周囲に設けられる。このように構成することで、燃焼室１から蓄熱体３ａ、３ｂへ排気ガスが流通する際の熱エネルギの損失が最小限に抑えられ、さらに燃焼室１から蓄熱体３ａ、３ｂに直接熱が伝達され、その熱を燃焼空気の予熱に用いることができるため、熱エネルギを無駄にすることなく、効率が向上する。また、燃焼室１内において、高温のガスは上方へ移動することから、本実施例のように蓄熱体３ａ、３ｂを炉の上方に配置することで、より効率的に燃焼室１から蓄熱体３ａ、３ｂへ伝熱させることができる。熱交換器６については、炉から直接伝熱されるものではないが、本実施例のように炉の周囲に配置することで、省スペース化を図ることができる。なお、炉の具体的な大きさはとくに限定されないが、本実施例においては直径１．１ｍ〜１．４ｍ程度を想定している。炉をこのように形成し、たとえばＴｓ＝６０秒、ｔｐ＝１秒として稼動することで、室温（２０度）の燃焼空気を、熱交換器において２００度程度に予熱し、さらに蓄熱体において５００度程度まで予熱するものである。
【００１６】
本発明の工業炉は、上記の実施例に限定されるものではない。炉の種類は、るつぼ炉以外にも、溶融炉、加熱炉、焼却炉など、どのような炉であってもよい。また、蓄熱体についても、内部に充填される蓄熱材の素材や形状などは、自由に選択することができ、また蓄熱体が三個以上設けられるものであってもよい。蓄熱体の個数が増えると、流路の切り替えが複雑になり制御性やメンテナンス性の面で不利になるが、パージ中であっても少なくとも一つの蓄熱体で常に予熱できるので、より安定して高温の燃焼空気をバーナに供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の工業炉の系統図。
【図２】流路切替手段の動作を示すタイミングチャート。
【図３】炉の断面図。
【符号の説明】
【００１８】
１  燃焼室
２  バーナ
３ａ、３ｂ  蓄熱体
４ａ、４ｂ  第一流路切替手段
５ａ、５ｂ  第二流路切替手段
６  熱交換器
１１  給気系上流側配管
１２  給気系下流側配管
２１ａ、２１ｂ  連絡孔
２２  排気系下流側配管
３２  バイパス配管
３３  バイパス弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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