JP3668546B2

JP3668546B2 - 気流循環式管式加熱設備

Info

Publication number: JP3668546B2
Application number: JP34339195A
Authority: JP
Inventors: 護松尾
Original assignee: 日本ファーネス工業株式会社
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2015-12-28
Also published as: EP0870983A1; CA2241740A1; TW314582B; KR19990076721A; KR100299709B1; JPH09178101A; EP0870983A4; WO1997024554A1; US5951281A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炉内に被加熱物を流す管群を備え該管内を流れる被加熱流体を対流伝熱で加熱するボイラや管式加熱炉、過熱器、水素リフォーマなどのような管式加熱設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の加熱設備としては、例えば図６に示すような気流式ボイラが知られている。この気流式ボイラは、被加熱流体たるボイラ水を流す管１０３，…，１０３を炉内１０２に多数配置し、一方の炉壁に設けられたバーナ１０４から炉内１０２に火炎を噴出させて反対側の炉壁の排気口１０９から排気するように設けられている。バーナ１０４が設置された炉壁の前方には僅かな燃焼スペース１０８が設けられ、そこで火炎が形成されている。そして、燃焼ガスは炉内１０２の管１０３，…，１０３の間を縫うように通過する間に対流伝熱により管１０３内のボイラ水を加熱する。尚、符号１０１は炉体、１０５は燃料ノズル、１０６はウインドボックス、１０７はバーナスロートである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の気流式ボイラは、燃焼ガスが一方向に流れてそのまま排気されるので、排気温度を極力低くして熱効率を高める必要がある。そのためには、気流の平均温度を下げて管温度との温度差を小さくしなければならないので、大きな伝熱面積を必要とする。また、気流の上流での温度と下流での温度との差が大きいことから、上流の管と下流の管の熱流束に極端な差が生じる。このことからも、伝熱量が小さくなり大きな伝熱面面積を必要としている。このため、炉が大型化してしまう問題を有している。
【０００４】
また、炉内での燃焼スペースがないかあるいは僅かであるため、火炎が直ちに水管で冷却されることから、ＣＯが発生し易く、ガス燃料に限られ、液体燃料を使えないという問題を有している。
【０００５】
本発明は、高温でかつ強い循環流を生成して伝熱性能の高い気流循環式管式加熱設備を提供することを目的とする。また、本発明は、低動力で高温かつ多量の循環量を確保できる気流循環式管式加熱設備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、本発明の循環式管式加熱設備は、炉内に噴射される前の気流を加熱するバーナを備えた加熱室を炉の両側壁に配置すると共にこれら加熱室の間に炉内の循環気流を炉外に取り出して再び炉内へ還流させる炉外循環系路を設け、かつ該炉外循環系路が加熱室に近い取り出し口及び戻し口部分にそれぞれ備えられた蓄熱体と、循環ファンと、循環ファンの吸入口側と吐出口側とをいずれかの一方の蓄熱体にそれぞれ選択的に連結させて蓄熱体に対する気流の流れの方向を相対的に切り替えることによって蓄熱体を通して炉内からの循環気流の取り出しと炉内への供給を交互に行なわせる流路切替装置と、両蓄熱体の間の炉外循環系路において循環気流のガス性状を変えるための抜熱若しくは希釈を行う抜熱手段とを有し、両加熱室のバーナを交互に燃焼させると共に流路切替装置によって周期的に気流の流れ方向を反転する高温強循環流を炉内に形成するようにしている。
【０００７】
したがって、炉内を通過して被加熱物の加熱に使われた後の気流の一部は、循環ファンによって発生する負圧によって炉外循環系路へ導入され、循環ファンで昇圧された後再び炉内へ高速で噴射され、炉内に強循環流を形成する。この際、循環気流は炉外循環系路吸入側で蓄熱体を経てその顕熱を蓄熱体に捨てて低温とされる。そして、低温状態で循環ファンに導入され、昇圧された後反対側の蓄熱体を通過してそこでの直接熱交換によって再び高温とされてから炉内へ噴射される。
【０００８】
また、高温でかつ高流速の流れを炉内に惹き起こす循環気流は、加熱空間の広い領域において気流循環量をこれまでよりも格段に増加させることができ、伝熱効率を上げて伝熱量の増大を図れる。しかも、高温熱風の噴射方向即ち循環流の流れの方向が周期的に切り換えられるので、炉内温度分布がより均一化でき、加熱むらが少なくなる。
【０００９】
一方、炉外循環系路内では、抜熱手段による抜熱あるいは希釈によって循環気流のガス性状の変更が行われ、平衡温度の上昇が防がれている。ここで、循環気流の抜熱による平衡温度および戻し口温度は、次の数式１によって表される。
【００１０】
【数１】

【００１１】
この循環ファン吸い込み口の気流平衡温度ｔｃは循環気流の抜熱温度差△ｔと蓄熱体の温度効率に支配され、例えば循環気流の取り出し口温度ｔｈが１０００℃の場合には図２に示す関係にある。また、循環気流の希釈による平衡温度および戻し口温度は、次の数式２によって表される。
【００１２】
【数２】

【００１３】
この循環ファン吸い込み口の気流平衡温度ｔｃは循環気流への稀釈空気量△Ｇと蓄熱体の温度効率に支配され、例えば循環気流の取り出し口温度ｔｈが１０００℃、大気温度ｔｏが２０℃の場合には、図３に示す関係にある。かくして、炉外循環系路内での適量の抜熱あるいは希釈によるガス性状の変更によって平衡温度の上昇が起こらないようにされている。
【００１４】
ここで、抜熱手段は炉外循環系路の加熱室に近い取り出し口と戻し口に設置された両端の蓄熱体の間であれば特に設置箇所に限定を受けるものではないが、流路切替装置と循環ファンの吸い込み側との間に配置されていることが好ましい。また、抜熱手段は、例えば、空気や排ガスなどの少量の希釈用気体を循環気流に注入するもの、ボイラ水や石油などの被加熱流体を予熱する予熱器、あるいは両蓄熱体の間の流路の保温を薄くすることなどによって構成される。
【００１５】
また、本発明の気流循環式管式加熱設備において、バーナは、蓄熱体を備え該蓄熱体を介して燃焼用空気の供給若しくは循環気流の排気を行う２基で１組のバーナを交互に燃焼させる蓄熱型バーナシステムを使用することが好ましい。この場合、燃焼ガスが排気される際に、その顕熱が蓄熱体に回収されてから、再び極めて高い熱効率で燃焼用空気の予熱に使われて炉内へ戻されるため、燃焼用空気の温度は蓄熱体へ流出する燃焼排ガスの温度に近い高温にでき、高い熱効率を維持できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１に本発明を適用した気流循環式ボイラの一実施例を示す。この気流循環式ボイラは、ボイラ水を通過させる多数の管１９，…，１９を備えた炉１と、該炉１の両側壁に接続された加熱室２，２と、これら加熱室２，２内で循環気流を加熱して増熱させる熱源用バーナ及び増熱された高温の気流を炉内１８を通過させて反対側の加熱室２に取り出した後に再び噴射側の加熱室２内へ還流させる炉外循環系路４とから主に構成されている。熱源用バーナとしては、本実施例の場合、交互に燃焼する１組のバーナ３Ａ，３Ｂによって構成される蓄熱型バーナシステムが採用されている。炉外循環系路４は、バーナ３Ａ，３Ｂの切り替えに応じて周期的に気流の流れ方向を反転する高温強循環流１０を炉内１８に形成するように設けられている。この炉外循環系路４の循環気流出入口９Ａ，９Ｂは加熱室２の上部に配置され、加熱室２内で循環気流が熱源で所定温度まで加熱昇温されてから炉内１８を横切るように通過するように設けられている。気流は両側の加熱室２，２と炉外循環系路４を経て炉内１８を通過する循環流１０を形成する。
【００１８】
一方、蓄熱型バーナシステムは、それぞれ蓄熱体１１Ａ，１１Ｂを有する一対のバーナ３Ａ，３Ｂを流路切替手段１２を介して空気供給系１３あるいは排気系１４に選択的に接続して、一対のバーナ３Ａ，３Ｂの一方を燃焼させている間に停止中の他方から被加熱物の加熱に使った後の燃焼ガスを排気させるようにして成る。各バーナ３Ａ，３Ｂは、例えば炉１の両側壁に設置された加熱室２，２のそれぞれの頂部に据え付けられており、交互に作動する。なお、図中の符号１６は燃料ノズルである。
【００１９】
蓄熱体１１Ａ，１１Ｂはバーナボディあるいはこれと別体のケーシングなどに収められてバーナ３Ａ，３Ｂに組み込まれている。この蓄熱体１１Ａ，１１Ｂは、通過する排ガスとの間で熱交換を行い廃熱を回収すると共に回収した熱で燃焼用空気を予熱する。各バーナ３Ａ，３Ｂの蓄熱体１１Ａ，１１Ｂは、ダクト１５，１５を介して四方弁１２のポートに接続されている。また、四方弁１２の他のポートには、空気供給系１３及び排気系１４がそれぞれ接続されている。したがって、この四方弁１２を切り替えることで、各バーナ３Ａ，３Ｂ並びに蓄熱体１１Ａ，１１Ｂのうち何れか一方は空気供給系１３に、何れか他方は排気系１４にそれぞれ選択的に接続される。
【００２０】
他方、炉外循環系路４は、加熱室２，２に近い部分にそれぞれ蓄熱体５Ａ，５Ｂを備えると共に循環ファン６を有し、循環ファン６の吸入口側と吐出口側とを蓄熱体５Ａ，５Ｂのいずれか一方にそれぞれ選択的に連結させて蓄熱体５Ａ，５Ｂに対する気流の流れの方向を相対的に切り替えることによって蓄熱体５Ａ，５Ｂを通して炉内１８からの燃焼ガスの取り出しと炉内１８への供給を交互に行なわせる流路切替装置７並びに気流のガス性状を変えるための抜熱若しくは希釈を行う抜熱手段８を有し、流路切替装置７によって周期的に気流の流れ方向を反転する高温強循環流１０を炉内１８に形成するようにしている。
【００２１】
ここで、蓄熱体としては、熱源用バーナに使用される蓄熱体１１Ａ，１１Ｂも、また炉外循環系路４に配置される蓄熱体５Ａ，５Ｂも、比較的圧力損失が低い割に熱容量が大きく耐久性の高い材料、例えばセラミックスで成形されたハニカム形状のセル孔を多数有する筒体の使用が好ましい。例えば、排ガスのように１０００℃前後の高温流体と燃焼用空気のように２０℃前後の低温流体との熱交換には、コージライトやムライト等のセラミックスを材料として押し出し成形によって製造されるハニカム形状のものの使用が好ましい。また、ハニカム形状の蓄熱体は、コージライト、ムライト以外のセラミックス例えばアルミナやセラミックス以外の素材例えば耐熱鋼等の金属あるいはセラミックスと金属の複合体例えばポーラスな骨格を有するセラミックスの気孔中に溶融した金属を自発浸透させ、その金属の一部を酸化あるいは窒化させてセラミックス化し、気孔を完全に埋め尽くしたＡｌ₂Ｏ₃−Ａｌ複合体、ＳｉＣ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ａｌ複合体などを用いて製作しても良い。尚、ハニカム形状とは、本来六角形のセル（穴）を意味しているが、本明細書では本来の六角形のみならず四角形や三角形のセルを無数にあけたものを含む。また、一体成形せずに管などを束ねることによってハニカム形状の蓄熱体を得るようにしても良い。また、蓄熱体の形状も特にハニカム形状に限定されず、平板形状や波板形状の蓄熱材料を筒状のケーシング内に放射状に配置したり、パイプ形状の蓄熱材料を軸方向に流体が通過するように筒状のケーシング内に充填したものであっても良い。または、隔壁によって周方向に２室に区画形成され、軸方向に流体が通過可能とした筒状のケーシングを用意し、これの各室に球状、短管、短棒、細片、ナゲット状、網状などの蓄熱材料の塊りを充填することによって構成されたものでも良い。
【００２２】
また、循環ファン６の吸入側と流路切替装置７との間には抜熱手段８としてのボイラ水予熱器が設けられている。この予熱器８からは蓄熱体５Ａ，５Ｂの温度効率に見合った抜熱が実施できるように、ボイラ水が流される。このボイラ水の予熱による抜熱量は、数式３によって表される。
【００２３】
【数３】

【００２４】
この循環ファン吸い込み口の気流平衡温度ｔｃは抜熱温度差△ｔと蓄熱体の温度効率に支配され、例えば循環気流取り出し口温度ｔｈが１０００℃の場合には図２に示す関係にある。そこで、平衡温度の上昇が起こらないようにするため、炉外循環系路４内で適量の抜熱によるガス性状の変更が行われている。通常、蓄熱体５Ａ，５Ｂの温度効率が８０〜９０％程度の場合には抜熱温度差△ｔは、１００〜２００℃の範囲に設定される。
【００２５】
以上のように構成された気流循環式ボイラによると、次のようにして伝熱量の増加が実現できる。
【００２６】
熱源を構成する１組の蓄熱型バーナ３Ａ，３Ｂを交互に焚いて加熱室２内で火炎１７を形成して炉に向かう循環気流の増熱を図る。例えば、バーナ３Ａを作動させる場合には、バーナ３Ａ側を燃焼用空気供給系１３に接続するように四方弁１２を切り替え、かつ一方の燃料制御弁を開くと共に他方の燃料制御弁を閉じる。これにより、供給される燃焼用空気は、蓄熱体１１Ａを通過しながら排ガス温度に近い高温例えば８００〜１０００℃程度に予熱された後、各バーナスロート内に流れ込み、各燃料ノズルから噴射された燃料と混合されて燃焼する。一方、排気系に接続されているバーナ３Ｂ側では燃焼ガスが排出される。このとき、被加熱流体たるボイラ水の加熱に使われた後の燃焼ガス（排ガス）の熱は蓄熱体１１Ｂで回収される。そして、バーナ３Ａ側が作動を開始してから所定時間（例えば、２０秒〜６０秒）が経過すると、四方弁１２が切り替わると共に、これに連動して燃料制御弁の一方が閉じて他方が開く。これにより、バーナ３Ｂ側に燃焼用空気及び燃料が供給されて燃焼を開始する一方、バーナ３Ａが非作動の待機状態になる。このとき、バーナ３Ｂ側へ供給される燃焼用空気は、排ガスの廃熱で加熱された蓄熱体１１Ｂで予熱され、非常に高温（例えば、８００〜１０００℃程度）になる。
【００２７】
通常、高流速の循環気流の流れが火炎１７に衝突すると、火炎温度を下げて失火を招くが、循環気流の温度が燃料の発火温度よりも高温とされているため、着火ポイントでの温度がそう下がらないので着火性に優れ火炎の安定性があり火炎が吹き消えることがない。
【００２８】
以後、バーナ３Ａ及びバーナ３Ｂは所定時間毎に交互に作動し、非常に高温の燃焼用空気を用いて交互燃焼を繰り返し、加熱によって消費した分の循環気流の増熱を図る。
【００２９】
同時に、炉内１８の燃焼ガスは、循環ファン６によって発生する負圧によって炉外循環系路４へ導入され、循環ファン６で昇圧された後再び炉内１８へ高速で噴射され、炉内１８に強循環流１０を形成する。この際、循環気流１０は炉外循環系路４の循環気流出入口９Ｂの蓄熱体５Ｂを経てその顕熱を蓄熱体５Ｂに捨てて低温とされる。そして、低温状態で循環ファン６に導入され、昇圧された後反対側の蓄熱体５Ａを通過してそこでの直接熱交換によって再び高温とされてから炉内１８へ噴射される。
【００３０】
高温でかつ高流速の流れを炉内１８に惹き起こす循環気流１０は、多数の管１９，…，１９がめぐらされた炉内１８において気流循環量をこれまでよりも格段に増加させることができる。即ち、炉内１８を流れるガスの流量は投入された空気と燃料の量に循環するガス量を加えたものになり、循環気流量の増大によって炉内のガス流動が激しくなり、炉内ガスの混合の促進や対流伝熱量の増加が起きて局部的な温度差が解消されて温度分布は平滑になる。更に、循環気流の高速噴射によってガス循環率が増加すると、燃焼ガスの熱容量の増加のために伝熱量が増大する。つまり、循環気流量が増加すると、対流伝熱においては気流の速度が伝熱を支配するため、伝熱効率を格段に改善する。また、循環・気流１０の方向が周期的に反転するため、加熱むらがなく炉内温度がより均一化される。しかも、ガス循環率の増加と共に炉内最高温度は逆比例して低下してくるが、炉内平均温度はほとんど低下せず、炉内最高温度は炉内平均温度に近づき炉内温度分布は平均化してくる。
【００３１】
したがって、本発明の加熱方法では、炉内の平均ガス流量が炉に流入する空気（＋燃料）分だけではなくガス循環流量分だけ増加し、かつ高温のままでガス循環量を増加できると共に周期的に流れ方向が反転して加熱むらをなくす。そして、気流温度が炉内全域でほぼ均一に保たれ、管への熱流束が均一とされる。加えて、炉内温度を高温にしても、蓄熱体１１Ａ，１１Ｂでガスの熱が回収されて低温にしてから排出されるので、管の許容熱流束にまで気流温度を高められる。そこで、伝熱量を増大させると共に相対的に燃焼による温度上昇分を３００〜５００℃と小さく抑えることができる。
【００３２】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な形態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、本実施例においては、ボイラに適用した例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、炉内に管群を備えその中に被加熱物を流して気流による対流伝熱で加熱する方式の加熱設備であれば、管式加熱炉、過熱器、水素リフォーマなどのその他の加熱設備にも適用できる。
【００３３】
また、上述の実施形態では、蓄熱体１１Ａ，１１Ｂを備える２基で一組のバーナ３Ａ，３Ｂを交互に燃焼させる蓄熱型バーナシステムを熱源とする場合について説明したがこれに特に限定されず、酸素燃焼バーナやその他のバーナなども使用可能である。
【００３４】
また、抜熱手段８についてもボイラ水や石油などの被加熱物を予熱する予熱器に限られるものではなく、例えば、図示していないが、循環気流へ常温の空気を注入することによって直接熱を取り出す手段を採用しても良い。この場合、熱交換によって循環気流の性状を変えて数式４及び図３に示す関係が成立するようにしたものである。
【００３５】
【数４】

【００３６】
更に、図示していないが、抜熱手段８は炉外循環系路４の両蓄熱体５Ａ，５Ｂの間の流路の保温を薄くすることによっても構成できる。この場合、熱の利用効率は低下するが、設備的には保温材が少なくなるという利点が有る。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明の気流循環式管式加熱設備によると、循環気流は炉外循環系路吸入側で蓄熱体を経てその顕熱を蓄熱体に捨てて低温とされてから低温状態で循環ファンに導入され、昇圧された後反対側の蓄熱体を通過してそこでの直接熱交換によって再び高温とされてから炉内へ噴射されるので、低温用循環ファンを使って炉内に高温の強循環気流を形成できる。即ち、炉外の熱風循環系路を循環する間の循環気流は低温となるため循環ファンを大型化（能力を上げること）でき、吐出流量を大きくして強循環の生成を可能とする。対流伝熱においては気流の流速が伝熱を支配するため、循環気流が高流速で流れる本発明の気流循環式管式加熱設備によると、そのモーメンタムによって、加熱空間の広い領域において循環気流循環量をこれまでよりも格段に増加させて伝熱量の増大が図られる。しかも、本発明によると、気流の方向が周期的に反転するため、炉内温度の均一化によって炉内温度差が小さくなり、管の許容熱流束にまで気流温度が高められるから、伝熱面面積は従来型の１／２〜１／３で済み、その分設備をコンパクトにできる。また、炉内温度の均一化により、炉構造物に対する熱ストレスを小さくすると共に炉内全域の管への熱流束を均一にできる。しかして、循環気流の増量と高温化が対流伝熱量の増加をもたらすので、炉のコンパクト化あるいは加熱処理時間の短縮が可能である。
【００３８】
また、本発明の気流循環式管式加熱設備によると、炉内に達する前に十分な燃焼空間を有し、火炎が直ちに管に触れて冷却されることがないので、燃料がガス燃料に限定されることがない。
【００３９】
更に、請求項６の発明の場合、燃焼ガスが炉内から高温のまま排気されるとしても、蓄熱体で熱が回収されてから燃焼ガス・気流が排出されかつ再び極めて高い熱効率で燃焼用空気の予熱に使われて炉内へ戻される（熱の循環は完結している）ため、炉内雰囲気温度を高くしても、その熱を回収して周辺環境に悪影響を与えない程度に低温にしてから排出でき、尚かつ高い熱効率を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を気流循環式管式ボイラに適用した場合の実施の一形態を示す原理図である。
【図２】循環ファン吸入口の気流平衡温度と循環気流の抜熱度差との関係を蓄熱体の温度効率との関係で示すグラフである。
【図３】循環ファン吸入口の気流平衡温度と稀釈空気率との関係を蓄熱体の温度効率との関係で示すグラフである。
【図４】本発明の気流循環式管式ボイラの伝熱を説明する炉内温度分布図である。
【図５】図６の従来の気流式ボイラによる炉内温度分布図である。
【図６】従来の気流式ボイラの一例を示す原理図である。
【符号の説明】
１炉
２加熱室
３Ａ，３Ｂ熱源を構成する蓄熱型バーナ
４炉外循環系路
５Ａ，５Ｂ蓄熱体
６循環ファン
７流路切替装置
８抜熱手段
１０高温強循環流
１８炉内
１９管

Claims

被加熱物流体を通過させる管群を炉内に配置し該炉内に高温気流を通過させて前記管内を流れる被加熱物を加熱する設備において、前記炉内に噴射される前の気流を加熱するバーナを備えた加熱室を前記炉の両側に配置すると共にこれら加熱室の間に炉内の循環気流を炉外に取り出して再び炉内へ還流させる炉外循環系路を設け、かつ該炉外循環系路は前記加熱室に近い取り出し口及び戻し口部分にそれぞれ備えられた蓄熱体と、循環ファンと、前記循環ファンの吸入口側と吐出口側とをいずれかの一方の前記蓄熱体にそれぞれ選択的に連結させて前記蓄熱体に対する気流の流れの方向を相対的に切り替えることによって前記蓄熱体を通して炉内からの循環気流の取り出しと炉内への供給を交互に行なわせる流路切替装置と、両蓄熱体の間の炉外循環系路において循環気流のガス性状を変えるための抜熱若しくは希釈を行う抜熱手段とを有し、前記両加熱室のバーナを交互に燃焼させると共に前記流路切替装置によって周期的に気流の流れ方向を反転させ、周期的に流れ方向を反転させる高温強循環流を前記炉内に形成することを特徴とする気流循環式管式加熱設備。
前記抜熱手段は前記流路切替装置と循環ファンの吸い込み側との間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の気流循環式管式加熱設備。
前記抜熱手段は少量の気体を注入するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の気流循環式管式加熱設備。
前記抜熱手段は被加熱物を予熱する予熱器であり、該被加熱物の予熱によって循環気流の抜熱を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の気流循環式管式加熱設備。
前記抜熱手段は炉外循環系路の両蓄熱体の間の流路の保温を薄くすることによって構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の気流循環式管式加熱設備。
前記バーナは、蓄熱体を備え該蓄熱体を介して燃焼用空気の供給若しくは循環気流の排気を行う２基で１組のバーナを交互に燃焼させる蓄熱型バーナシステムであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の気流循環式管式加熱設備。