JPH0894066A

JPH0894066A - 蓄熱体

Info

Publication number: JPH0894066A
Application number: JP6254569A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Nishiyama; 智彦西山; Kazuhisa Mitani; 和久三谷; Ryoichi Tanaka; 良一田中
Original assignee: Nippon Furnace Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nippon Furnace Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-09-24
Filing date: 1994-09-24
Publication date: 1996-04-12

Abstract

(57)【要約】【目的】高温ガスを高温のまま蓄熱体に導入してもＮＯ
ｘ、ＣＯ、ＨＣ等の有害排ガス成分の浄化を可能とす
る。また、蓄熱燃焼における高温下・腐食環境下での信
頼性を向上させる。【構成】高温ガスと低温ガスとを互いに逆方向から短時
間に交互に通過させることによって高温ガスの顕熱を低
温ガスに与える蓄熱体３を少なくとも流体の流れ方向に
複数に分割し、より好ましくは高温ガス導入口側寄りの
ものと低温ガス導入口側寄りのものとでは異なる材質あ
るいは異なる構造で形成され、更に好ましくは蓄熱対の
触媒反応温度領域に排気浄化触媒を担持させるようにし
ている。更に、これら蓄熱体３は、流路切替手段を介し
て燃料排ガスと燃焼用空気とを交互に蓄熱体に通過させ
ることによって得られる高温の燃焼用空気を用いて燃焼
させる蓄熱燃焼型のバーナのエアスロートに分割された
蓄熱体の一部を内装し、残りをバーナの外の前記流路切
替手段の付近に設置するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は蓄熱体に関する。更に、
詳述すると、本発明は高温ガスと低温ガスとを互いに逆
方向から交互に通過させることによって高温ガスの顕熱
を低温ガスに与える蓄熱体の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、蓄熱体を利用して燃焼用空気を排
ガス温度に近い高温にまで予熱して高効率な排熱回収を
行う蓄熱燃焼が考えられている。この蓄熱燃焼に使用さ
れる蓄熱体としては、例えば図に示すような薄い隔壁で
多数のセル孔を形成したハニカム形状のセラミックスが
好適なものとして従来注目を集めている。ここで、ハニ
カム形状とは、本来の正六角のセル孔を多数設けた場合
だけに限られず、図示のごとき正四角形のセル孔によっ
て形成されている場合も含まれている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高温ガ
スと低温ガスとを互いに逆方向から交互に流す場合、流
れの切替時の蓄熱体が全体にほぼ均一に加熱される前に
は、高温ガス導入口側寄りと低温ガス導入口側とではか
なりの温度差、例えば流れの切換から２０〜３０秒後で
は炉側で１０００℃、弁側で２００℃となって８００℃
の温度差が生じる。このような大きな温度差を伴う蓄熱
体の材質としては高温耐熱性・耐熱衝撃性のあるものに
限られることから高価なものとなってしまう。しかも、
セラミックハニカム蓄熱体の場合は様々な形状で製作可
能な材質でなければならない。また、用途によっては、
例えばアルミ溶解炉のようにフラックスを使用する設備
のバーナシステムなどに適用する場合などには、耐腐食
性も備えた材質でなければならないし、また排気中には
すすやアルミニウムヒューム、溶解用フラックスなどと
いったダスト類が混入しているため、小さなセル孔のハ
ニカムセラミックスでは長期の使用によって目詰まりを
起こす可能性がある。

【０００４】更に、一般に蓄熱燃焼を行った場合、燃焼
予熱空気温度が高温になりＮＯｘが増大する。また、反
応活性が高く低空気比でも十分燃焼が可能になるため、
還元雰囲気で燃焼させることが可能となる反面、還元燃
焼時に多量のＨＣ，ＣＯが発生する。これら有害排ガス
成分を減少させるため、従来はバーナ構造そのものの改
良を行っていたが、これらの問題と燃焼の安定性とは両
立が困難であることから、触媒による排ガスの浄化も考
えられる。触媒による排気の浄化は、排気温度が触媒反
応温度よりも高いとシンタリングを起こし、低すぎると
反応が不十分か全く起こさなくなってしまうことから、
一般には希釈用空気の注入や蓄熱体などからの放熱によ
って触媒の適正反応温度範囲にあらかじめコントロール
されている。例えばＣＯまたはＨＣのみの浄化に主に用
いられる白金触媒の場合には７００℃〜１５０℃の範
囲、ＣＯとＮＯｘとを同時に浄化させるのに用いられる
白金ロジウム触媒の場合には約５００℃〜３００℃の範
囲に調整される。そこで、蓄熱燃焼の蓄熱体そのものに
触媒を担持させようとする場合には、導入する高温側の
ガス温度を触媒反応が起こる程度まで希釈空気を注入し
て下げなければならないことから、蓄熱効率が低下する
問題がある。

【０００５】そこで、本発明は、高温ガスを高温のまま
蓄熱体に導入してもＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等の有害排ガス
成分の浄化を可能とする蓄熱体を提供することを目的と
する。加えて、本発明は、蓄熱燃焼における高温下・腐
食環境下での信頼性を向上させる蓄熱体を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明は、高温ガスと低温ガスとを互いに逆方向か
ら短時間に交互に通過させることによって高温ガスの顕
熱を低温ガスに与える蓄熱体を少なくとも流体の流れ方
向に複数に分割している。

【０００７】また、本発明の分割された蓄熱体は高温ガ
ス導入口側寄りのものと低温ガス導入口側寄りのものと
では異なる材質で形成されている。

【０００８】また、本発明の分割された蓄熱体は高温ガ
ス導入口側寄りのものと低温ガス導入口側寄りのものと
では異なる構造で形成されている。

【０００９】また、本発明の分割された蓄熱体は触媒反
応温度領域に排気浄化触媒を担持させている。

【００１０】更に、本発明の請求項１から４のいずれか
に記載の蓄熱体は、流路切替手段を介して燃料排ガスと
燃焼用空気とを交互に蓄熱体に通過させることによって
得られる高温の燃焼用空気を用いて燃焼させる蓄熱燃焼
型のバーナのエアスロートに分割された蓄熱体の一部を
内装し、残りをバーナの外の前記流路切替手段の付近に
設置するようにしている。

【００１１】

【作用】したがって、請求項１記載の発明の蓄熱体の場
合、熱効率を上げるため高温の燃焼排ガスと低温の燃焼
用空気とを短時間に交互に流す蓄熱燃焼を行うことによ
って蓄熱体の高温ガス導入口側寄りの部位とそれとは反
対の低温ガス導入口側寄りの部位とで大きな温度差を生
じさせても、分割された各蓄熱体での熱膨張差は少なく
なり割れを防止できる。

【００１２】また、蓄熱体の腐食は高温ガス導入口側寄
りの高温の部位で進行が著しく、低温ガス導入口側寄り
の低温部位では遅い。そこで、請求項２の蓄熱体の場
合、高温ガス導入口側寄りの蓄熱体にのみ耐熱性・耐酸
性を有する蓄熱体を採用し、蓄熱体としての機能を損な
わずに長寿命化と低コスト化を可能とする。

【００１３】また、請求項３の蓄熱体によると、ダスト
等が含まれる高温の燃焼排ガスを導入するときには、こ
れと最初に接触する高温ガス導入口側の蓄熱体にはフィ
ルタ機能を有する蓄熱体を採用することができ、蓄熱体
の目詰まり等を防止できる。

【００１４】また、請求項４の蓄熱体の場合、高温ガス
と低温ガスとを互いに逆方向から短時間に交互に通過さ
せることによって、蓄熱体の高温ガス導入口側と低温ガ
ス導入口側との間の温度差内で触媒反応温度範囲が設定
されるため、高温ガス中に含まれるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ
などを完全に浄化でき、かつそのときに発生した反応熱
は低温ガス・燃焼用空気を流す際の予熱に利用され、有
効に熱利用される。

【００１５】更に、請求項５の蓄熱体によると、蓄熱容
量・能力を変えずにバーナおよびそれを装備した設備の
小型化を可能とする。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の構成を図面に示す一実施例に
基づいて詳細に説明する。

【００１７】図４に本発明の蓄熱体を利用した蓄熱燃焼
型バーナシステムの一例を示す。この蓄熱燃焼型バーナ
システムは、一対のバーナ１，２を交互に燃焼させる際
に、図１〜図３に示す蓄熱体を利用して燃焼排ガス温度
に近い高温に予熱された燃焼用空気を得るようにしてい
る。即ち、一対のバーナ１，２の間において給気系と排
気系とを交互に切換、蓄熱体に燃焼排ガスと燃焼用空気
とを交互に流す直接熱交換によって、ほぼ燃焼排ガス程
度に近い温度、例えば７００〜８００℃あるいはそれ以
上の高温にまで燃焼用空気を予熱するようにしている。
この蓄熱燃焼型バーナシステムは、蓄熱体３をバーナボ
ディ４，５に連結して一体化したものを２基組合せ、一
方のバーナを燃焼させている間に他方の燃焼させていな
いバーナ及び蓄熱体を通して燃焼排ガスを排出するよう
に設けられている。２基のバーナ１，２には、燃焼用空
気を供給する給気系６と燃焼ガスを排出する排気系７と
が流路切替手段８の介在によって選択的に接続可能とさ
れ、一方のバーナ１（あるいは２）には蓄熱体３を通し
て燃焼用空気の供給を図る一方、他方のバーナ２（ある
いは１）からは蓄熱体３を通して燃焼ガスの排気を図る
ように設けられている。燃焼用空気は例えば図示してい
ない押し込みファン等によって供給され、燃焼排ガスは
例えば図示していない誘引ファンなどの排気手段によっ
て炉内から吸引され、ダスト捕集などの必要な処理が施
された後大気中に排出される。また、燃料供給系は、図
示していないが例えば三方弁などを介して選択的にいず
れか一方のバーナ１，２，の燃料ノズル９に交互に接続
され燃料を供給する。

【００１８】ここで、蓄熱体３としては、図３に示すよ
うな通路断面積が一定でかつ直線的に流路が貫通してい
るハニカム形状のセラミックス例えばコージライトやム
ライト、あるいは耐熱耐酸性に優れたその他の材料等の
使用が好ましい。このハニカム形状のセラミックスは熱
容量が大きく耐久性が高い割に比較的圧力損失が低い。
しかも、排気と給気とが交互に淀みなく行われる。この
ため、排ガス中のダストは、蓄熱体のハニカム形状の流
路内に付着し難いし、付着しても逆洗されるため汚れる
ことが少ない。更に、排ガスから熱を回収する際に排ガ
スが酸露点温度以下に低下してもセラミックスの表面に
排ガス中のイオウ分やその化学変化物質が捕捉されて下
流の排気系のダクトなどを低温腐食させることがない。

【００１９】更に、蓄熱体は少なくとも流体の流れ方向
に多層に分割して配置することが好ましい。これは、蓄
熱効率をあげるため一対のバーナ１，２を短時間で交互
燃焼させると、蓄熱体の温度は図５の（Ｂ）に示すよう
に、高温ガス導入口側すなわち炉側寄りの部位では高温
になるが、その反対側の低温ガス導入口側すなわち切換
弁側寄り部位では低温になる。このような蓄熱体３を一
体で成形した場合、頻繁に流路が切り替わるために温度
差が大きくなるため、熱膨張差による割れの発生の可能
性が高くなる。そこで、蓄熱体３を多層に分割すること
でブロック３ａ，３ｂ，３ｃ，…，３ｅごとにおける熱
膨張差を小さくして熱膨張差による割れを防止してい
る。一例として、図１に蓄熱体３を３つのブロック３
ａ，３ｂ，３ｃに分割したものを示す。このとき、各蓄
熱体３ａ，３ｂ，３ｃ間に緩衝材１２を挟むことが望ま
しい。尚、蓄熱体３はガスの流れ方向にのみ分割される
のではなく、必要に応じて流れ方向と直交する方向にも
分割される。

【００２０】また、蓄熱体３の腐食は高温ガス導入口１
０側寄りの高温の部位で進行が著しく、低温ガス導入口
１１側寄りの低温部位では遅い。したがって、蓄熱体３
全体を高価な耐腐食性材料で製作することは無用のコス
ト高を招く。そこで、耐腐食性材料で製作した蓄熱体を
炉側の高温部位にのみ使用し、その他の部位には安価な
蓄熱材を使用するようにしても良い。更に、蓄熱体の寿
命を延長させる方法として、高温部位のハニカムの壁厚
ｔを厚くすることも好ましい。この場合、蓄熱容量の低
下が予想されるが、熱伝導率の高い材質にすることで回
避できる。また、炉温が１５００℃程度の高温炉の使用
の場合は高温ガス導入口１０側寄りの第１及び第２の蓄
熱体３ａ，３ｂの部分に高耐熱蓄熱材を用いて、その他
を安価なものにすることが望ましい。

【００２１】更に、フラックスのような粉塵を伴う環境
下では、図３に示すようなハニカムタイプの蓄熱体を使
用すると目詰まりを起こす可能性がある。そこで、この
対策として図２に示すように、高温ガス導入口１０側寄
りの第１の蓄熱体３ａに、フィルタ代わりとして製作が
容易で安価な高耐熱性のボール形状やナゲット状の蓄熱
体を採用し、常時交換できるようにしておき、２層、３
層目にハニカムタイプの蓄熱体を使用しても良い。更
に、２層、３層目にハニカム蓄熱体に代えて第１層目よ
り粒子の細かなボールやナゲットの蓄熱体を採用しても
良い。

【００２２】また、本実施例では蓄熱体３をバーナスロ
ート部後方に設置していたが、できるだけ炉内の顕熱の
ロスを少なくすること及び炉壁厚み部分のスペース利用
を狙いとして炉側に蓄熱体を設置する場合がある。この
ような場合、一般にバーナ設置スペースに余裕がないこ
とから、必要とされる容量の蓄熱体全てを挿入できない
可能性がある。こういった場合、図示していないが、蓄
熱体３を分割し、一方はバーナのエアスロートに内装
し、もう一方は流路切替手段付近に設置すると、高温排
ガスのロスが少なく、炉のコンパクト化も図れる。更
に、上述したように多機能、多種構造の蓄熱体を組み合
わせて用いる場合、必ずしも同一の蓄熱室に納める必要
はない。機能及び構造に応じた蓄熱室を分割して設置
し、排ガス及びエアの流路を断熱ダクトで直列に連結す
ることで設計施工上の自由度が確保できる。

【００２３】また、ＮＯｘやＣＯまたはＨＣを伴う高温
ガスを使用する場合、例えば高温に予熱された燃焼用空
気を用いた蓄熱燃焼や還元燃焼の場合には、蓄熱体の一
部分に排気浄化触媒を担持させて使用することが好まし
い。例えばＣＯを酸化促進触媒により浄化したい場合、
約１５０〜７００℃の範囲で約５％までのＣＯが１００
％浄化できる。一方、蓄熱体の温度は、高温ガスと低温
ガスとを互いに逆方向から短時間に交互に通過させるこ
とによって高温ガス導入口１０側で高温（例えば１００
０℃程度）になるが、低温ガス導入口１１側では低温
（例えば２００℃程度）になる。そこで、図５の（Ａ）
に示すように、蓄熱体３を流体の流れ方向に多層に分割
し、各触媒の反応に適切な温度分布領域に該当するブロ
ックに触媒を担持させることによって、１００％のＣＯ
を浄化可能としている。また、ＣＯの浄化の場合、蓄熱
体内で発熱反応が起きるが、その熱は切り替え後に燃焼
用空気の予熱に利用できるため、熱的損失は発生しな
い。更に、ＣＯやＨＣの浄化が可能となれば、還元雰囲
気での燃焼が可能となり、被加熱物・アルミ溶湯などの
酸化を防止することができる。また、ＮＯｘについても
同様に必要温度範囲に合わせて触媒を担持させればよ
い。例えば、ＣＯまたはＨＣのみの浄化の場合には主に
白金触媒が用いられる。この白金触媒の反応温度範囲は
１５０℃〜７００℃程度で、それ以上の温度になるとシ
ンタリングを起こして使用できなくなり、それ以下であ
ると触媒反応を起こさなくなる。そこで、図５の（Ａ）
に示す場合には高温ガス導入口１０寄りの第２層めの蓄
熱体ブロック３ｂから低温ガス導入口１１寄りの最終層
の蓄熱体ブロック３ｅまでに白金触媒を担持させる。ま
た、ＣＯとＮＯｘとを同時に浄化させる場合には、白金
に一部ロジウムを付加させたものが用いられる。白金と
ロジウムとの比率は、白金：ロジウム＝５：１〜２０：
１程度が好ましく、温度範囲は約３００℃〜５００℃と
することが好ましい。そこで、図５の（Ａ）に示す場合
には、高温ガス導入口１０から第３層めの蓄熱体ブロッ
ク３ｃあるいはそれを含む前後の蓄熱体ブロック３ｂ，
３ｄの一部あるいは全部に白金ロジウムを担持させるこ
とが好ましい。したがって、燃焼排ガスを通過させてい
る間に、蓄熱体の１５０℃〜７００℃程度に加熱される
部分、即ち図５の（Ａ）において高温ガス導入口１０寄
りの第２層めの蓄熱体ブロック３ｂから低温ガス導入口
１１寄りの最終層の蓄熱体ブロック３ｅまでに白金触媒
を、及び／又は約３００℃〜５００℃に加熱される部
分、即ち第３層めの蓄熱体ブロック３ｃあるいはそれを
含む前後の蓄熱体ブロック３ｂ，３ｄの一部あるいは全
部に白金ロジウム触媒を担持させることによって、ＣＯ
またはＨＣあるいはＮＯｘを排ガス中から取り除くこと
ができる。

【００２４】尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の
一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の
要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能であ
る。例えば、本実施例では高温の燃焼用空気をバーナに
連結ないし内装した蓄熱体を利用した交番燃焼によって
得る場合について主に説明したがこれに特に限定される
ものではなく、例えば燃焼用空気供給系と排気系に対し
蓄熱体を相対的に回転させることによって、あるいは流
路切替手段を用いて蓄熱体に対する流体の流れ方向を切
り替えることなどによって、高温の燃焼排ガスの排熱を
利用して燃焼用空気を高温に予熱したものを単一のバー
ナに連続的に供給し、連続燃焼させるようにしても良
い。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
の場合、炉内側と流路切替手段側とで温度差が大きく生
じても割れなどが発生する虞がないので、短時間に流れ
を切り替えることが可能となり、熱効率が向上する。

【００２６】また、請求項２および３記載の発明の場
合、耐熱性・耐酸性を要する部分と要しない部分、ある
いはダストを含む流体と含まない流体とに分けてそれぞ
れ適切な蓄熱材料あるいは蓄熱構造を使用することがで
きるため、蓄熱体を低廉化できると共に設備の長期に亙
る連続使用が可能となる。

【００２７】また、請求項４記載の発明の場合、蓄熱体
に排気浄化触媒を担持させ燃焼排ガス中に含まれるＣＯ
およびＨＣを捕捉できるので、還元燃焼時などのように
燃焼の安定性を優先させるような場合でも、また複雑な
構造の低ＮＯｘバーナを使用しなくともＮＯｘの低減が
可能となる。

【００２８】更に、請求項５記載の蓄熱体の場合、熱効
率を変えずにバーナのコンパクト化ひいてはそれを装備
した設備全体のコンパクト化を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の蓄熱体の一実施例を示す説明図であ
る。

【図２】本発明の蓄熱体の他の実施例を示す説明図であ
る。

【図３】ハニカム状セラミックス蓄熱体の一例を示す斜
視図である。

【図４】蓄熱体を利用した蓄熱型バーナシステムの一例
を示す説明図である。

【図５】蓄熱体の温度分布状態を示す説明図で、（Ａ）
は蓄熱体の分解状態、（Ｂ）は蓄熱体の温度分布を示
す。

【符号の説明】

３蓄熱体３ａ〜３ｅ蓄熱体ブロック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中良一神奈川県横浜市鶴見区尻手２丁目１番53号日本ファーネス工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高温ガスと低温ガスとを互いに逆方向か
ら短時間に交互に通過させることによって高温ガスの顕
熱を低温ガスに与える蓄熱体において、該蓄熱体は少な
くとも流体の流れ方向に複数に分割されていることを特
徴とする蓄熱体。
【請求項２】分割された蓄熱体は高温ガス導入口側寄
りのものと低温ガス導入口側寄りのものとでは異なる材
質で形成されていることを特徴とする請求項１記載の蓄
熱体。
【請求項３】分割された前記蓄熱体は高温ガス導入口
側寄りのものと低温ガス導入口側寄りのものとでは異な
る構造で形成されていることを特徴とする請求項１記載
の蓄熱体。
【請求項４】分割された前記蓄熱体は触媒反応温度領
域に排気浄化触媒を担持させたことを特徴とする請求項
１から３のいずれかに記載の蓄熱耐。
【請求項５】流路切替手段を介して燃料排ガスと燃焼
用空気とを交互に蓄熱体に通過させることによって得ら
れる高温の燃焼用空気を用いて燃焼させる蓄熱燃焼型の
バーナのエアスロートに請求項１から４のいずれかに記
載の分割された蓄熱体の一部を内装し、残りをバーナの
外の前記流路切替手段の付近に設置することを特徴とす
る蓄熱体。