エンジニアのための熱技術情報誌

新型熱技術

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December
2018
Vol.

70

Exhaust Heat Recovery

工業炉をシンプルに省エネルギー化

Low NOx Design

解説。

ガスバーナを利用する加熱炉の場合，排熱回収により排気ガスからの熱損失を抑えることが非常に効果的です．
回収した熱はガスバーナの燃焼用空気を予熱することに用いられます．
これにより燃料消費量の大幅な低減と燃焼効率※の改善が可能です．

開発特集号
SPECIAL今回は新発売の新型 ecoNext と、独自に開発した高温空気燃焼技術について解説いたします。

従来型バーナ
C

A

25%
B

35%

40%

800℃
700℃
600℃
500℃
400℃

効率

従来型バーナ

燃料使用量
消費熱量

300℃

100%
A

製品処理熱量25%

B

炉体放散熱量（大気放散）

40%

C

排気熱量

35%

200℃
150℃
100℃

従来型バーナの熱収支

予熱燃焼空気温度、排ガス温度と燃料削減率の関係

一般的な工業炉の場合，排気ガス温度が高いため排気ガスか熱交換によって燃焼空気を予熱した場合の燃料削減率らの熱損失が 30% を超える場合もあり大きな損失となります．省エネ化には燃焼調整や炉体断熱を高めることも効果はありますが，排熱回収を行うことで飛躍的に向上します．

を示します 1)．一例として燃焼空気温度 500℃，排気温度 800℃の場合，燃料消費量 25% 減と大きく削減できることが分かります．

しかし排熱回収によって燃焼空気を予熱すると，NOx※が多量に排出されてしまいます．NOx は窒素の起源と生成機構によって大別されていますが ( 下表参照 )，一般的なガスバーナの場合空気中の窒素が高温で酸化することによって生成されるサーマ
ル NOx が支配的です．サーマル NOx は燃焼場における温度・酸素濃度が高く，燃焼ガスの滞留時間が長いほど生成量が増大し，その多くは局所的に高温となっている火炎後流のごく狭い領域で形成されます．
ガスバーナで熱効率を改善しつつ環境負荷を低減するには，燃焼技術によって抑制することが重要です．

サーマル NOx

空気中の窒素と酸素が 1800K 以上の高温で，右の拡大ゼルドヴィッチ

プロンプト NOx

同様に空気中の窒素を由来とするが，過濃火炎の火炎帯内で多く発生．

フューエル NOx

機構で生成される．強い温度依存性を持つHCN（シアン化水素：燃焼の中間物質）が重要な役割を占める．温度依存性は低い．
燃料中の窒素分を起源とする．石油・石炭燃焼の場合は重要だが，一般的にガス燃料は ( 窒素分が少ないため ) 関係しない．

拡大ゼルドヴィッチ機構
𝑁₂+𝑂⇄𝑁𝑂+𝑁

𝑂₂+𝑁 ⇄𝑁𝑂+𝑂

𝑁+𝑂𝐻⇄𝑁𝑂+𝐻※燃焼効率

燃料の持つ化学エネルギーがどれだけ熱に変換されたかを表す指標の事で，不完全燃焼による損失等が発生すると 100% より小さくなる．

※NOx

窒素酸化物の総称．環境負荷物質の 1 つ．特に NO₂は毒性が強く，酸性雨，光化学スモッグなどの原因物質となるほか人体への悪影響も大きい．このため NOx 排出量は健康の保護と生活環境の保全を目的として施設の種類・規模ごとに排出基準などが定められている ( 大気汚染防止法 )．代表的なものを次項に示す 2)．

ばいじんとＮＯｘの排出基準値一覧

ガス発生炉及び加熱炉

施設種類On

ガス発生炉
加熱炉

(％)
77

新設基準値
ばいじん3(g/m N )一般
特別0.050.030.10.03

3

金属溶解炉

金属溶解炉

金属加熱炉

金属加熱炉

4 万m N 以上
34 万m N 未満
34 万m N 以上
34万m N未満

0.1
0.2
0.10.211110.05
0.1
0.08
0.1

NOx(ppm)
150
150
180100~180100~180

ここで示す NOx は，排出ガスを空気で薄めて排出することで排出基準に適合させることを防ぐために，下式で表される標準酸素濃度補正方式を取り入れている．
C：窒素酸化物の濃度 (ppm) On：施設ごとに定める標準酸素濃度 (％) Os：排出ガス中の酸21-OⁿC=・Cs21-Os

素濃度 (20％を超える場合は､20％とする ) Cs：JISK0104 に定める方法により測定された窒素酸化物の実測濃度 (ppm)

高温空気燃焼とは工業炉全体の省エネ性能を維持しつつ NOx を低減する燃焼技術の 1 つに，高温空気燃焼があります．通常，燃焼空気温度が高いほど NOx 生成量は増大しますが，高温空気燃焼では燃焼空気を 1000℃以上の高温まで昇温します．これを燃料とともに高速で炉内に吐出することで，燃焼領域が広範囲に広がり，火炎後流の局所的な高温領域が小さくなることでNOx 生成を抑制することができます．また高温空気燃焼バーナによって形成される火炎は高温空気燃焼時の炉内写真を示し

肉眼で確認できないほど薄い不輝炎となることから，フレームレス燃焼と呼ばれることもます．正面に見えるのが高温空気あります．

燃焼バーナです．
通常はロウソクの炎に代表される高温空気燃焼では炉内の炉内温度分布明るい輝炎が見えるはずですが，広い範囲で緩慢に燃焼す

緩慢な燃焼反応の為に局所的な高るため，炉内温度分布も炉内 温 度 分 布

温領域が小さくなり，肉眼で確認均一化されます．

従 来バ ー ナ

できないほど火炎は薄くなります．

econext バーナ

新たな高温空気燃焼方式の開発
既存の高温空気燃焼器は燃焼空気温度を 1000℃以上まで上げる必要であること，リジェネバーナを 2 台必要とする点から汎用性に難がありました．弊社では研究を重ね，独自の高温空気燃焼方式を開発，燃焼空気温度 600℃〜 1000℃の温度帯でも汎用性を維持したまま低 NOx，安定燃焼を実現いたしました．( 特許出願済 )³燃焼空気

高温空気燃焼の範囲

1段既燃ガス1800

1段燃焼領域

燃焼空気温度 [K]1600

2段燃焼領域

新開発の高温空気燃焼方式

ガスを 2 段燃焼器の燃料，燃

高温空気燃焼1400

焼空気と混合・希釈．燃焼場

フレームレス燃焼

1200
1000の温度を上げつつ酸素濃度を本製品で拡大した燃焼領域

800

400

1 段燃焼器から排出される既燃

高温燃焼

不燃領域

600燃料)

1510

酸素濃度 [%]

燃焼空気温度帯でも安定した燃焼が可能となりました．

通常燃焼

20

下げることで従来よりも低い

5希釈→

新型 ecoNext のご紹介

Exhaust Heat Recovery

熱交換効率

燃料費削減率

75 % 30%

Low NOx Design

ecoNext 基本仕様

新 型 エ コ ネ ク ス ト 登 場 。

定格出力120 ｋW

ターンダウン比10

燃料

都市ガス 13 A

ガス供給圧力

10 kPa

燃焼用空気供給圧力

15 kPa

常用使用温度1000 ℃

バ−ナ制御

比例制御 , High-Low制御

火炎検知方式

紫外線光電管式点火方式

パイロットバーナ ダイレクト着火

設置条件

屋内

使用環境温度

最高 60 ℃ ，最低 0 ℃

重量約 65 kg

新開発の高温空気燃焼方式を採用した新型 ecoNext では，コンパクトでシンプルなシステムに加え，高い省エネ性能と低 NOx 排出量を実現いたしました．

NOx 排出量削減

高い省エネ率を実現する
熱交換器性能炉内温度におけるNOｘ排出量の比較ecoNext が搭載する熱交換器の効率と炉内温度の関係

従来型バーナ型

来従ナーバネエ

省規制値

18012060

熱交換器温度効率 [%]

240



25%
B40%側)効率 ( 予熱低温側温度

ecoNext
高温側温度効率 ( 排気側 )

ecoNext

A35%

C

300

NOx [ppm ,O₂ = 12%]従来型と ecoNext の熱収支の比較





C

5

A

25%

%

燃料投入量

,

30

,

%

ダウン

炉内温度 [℃]
効率0600

700

800

900

1,000

1,100

炉内温度 [℃]

従来型の省エネバーナと NOx 排出量を比較すると，生成量自体が大きく低減されているだけでなく，温度依存性も少なくなっています．このことから炉内温度によらず，大気汚染防止法で定められた排出基準値を守りながら，省エネルギー効果を最大限に発揮することが可能です．

独自の高温空気燃焼方式を採用した
結果，燃焼空気温度を高めることができ，熱交換器の能力を最大限発揮することが可能となりました．本製品は特に予熱能力が優れており，75% を超える温度効率を達成しています．

B

40%

燃料使用量
消費熱量

従来型バーナ

ecoNext
バーナ

100%

70%

A

製品処理熱量

25%

25%

B

炉体放散熱量（大気放散）

40%

40%

C

排気熱量

35%

5%

高効率の熱交換器を採用できたことで，燃料費削減率 30% を達成．燃料の使用量が削減されることに伴い，CO₂排出量も大幅に削減できます．

参考文献：

1) 高村 淑彦，加熱炉における効率的なエネルギー利用のすすめ 電気製鋼 (2013) 第 84 巻 2 号
2) 環境省，ばいじんと NOx の排出基準値一覧，[online] http://www.env.go.jp/air/osen/law/t-kise-6.html
3) 特許公開番号 2017-032196 フレームレス燃焼装置

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