JP6017598B2 - リジェネレイティブ燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、自己排ガス再循環（ＦＧＲ）方式のリジェネレイティブ燃焼装置に関するものである。

リジェネレイティブ燃焼装置は、一般に、蓄熱体と一体化した一対のバーナを数十秒間隔で交互に燃焼させ、一方のバーナが燃焼している時には、その排気が他方のバーナの蓄熱体を加熱することで排気の熱エネルギーを回収し、次にそのバーナが燃焼するときには、加熱した蓄熱体を通過させて燃焼用空気を予熱することで高効率の燃焼を得るものであり、従来捨てていた排気の熱を回収して燃焼効率を高めることで燃焼装置の省エネ化を図っている。

このようなリジェネレイティブ燃焼装置における排ガス再循環方式は、燃焼によって生成した排ガスの一部を排ガス経路から再循環経路を経て燃料噴射室内に還流させて混合することにより、燃焼によって生成されるＮＯｘの低減化を図るものである。この際、燃料の噴射圧による吸引（エジェクタ効果）によって排ガスを還流させる方式を自己排ガス再循環（ＦＧＲ）方式と呼んでいる。自己排ガス再循環方式のリジェネレイティブ燃焼装置は、一対のバーナがそれぞれ備える燃料噴射室を繋ぐ連絡管（ＦＧＲ管）を備えており、各燃料噴射室には、燃料噴射ノズルと排気煙道を兼ねる混合管が対向して接続されている（下記特許文献１参照）。

特開平１０−１３２２１１号公報

自己排ガス再循環方式のリジェネレイティブ燃焼装置は、通過する排ガスの熱で前述した連絡管が加熱されて熱歪みが生じる。連絡管を流れる排ガスの方向は、一対のバーナーの燃焼の切り換えによって反転することになるので、連絡管の熱応力分布がバーナーの燃焼切り換えによって変化して、特定の箇所に繰り返し応力が生じることになる。このため連絡管は熱疲労を起こしやすい問題がある。

従来、前述した連絡管には、熱歪みを考慮して耐熱性の高いステンレス材料が用いられている。また、前述した繰り返し応力を吸収するため或いは既設のバーナーへの取付けを容易にするために、連絡管の中間部に波付き伸縮管を設けることがなされている。しかしながら、再循環する排ガスの温度は６００〜７００℃になる場合があり、ステンレス材料の鋭敏化や炭化減肉によって波付き伸縮管の部分が短期間に損傷を受けやすくなっている。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、自己排ガス再循環（ＦＧＲ）方式のリジェネレイティブ燃焼装置において、熱疲労に対して耐久性のある連絡管を設けること、波付き伸縮管を設けない熱伸縮の吸収構造を採用することで、ステンレス材料の鋭敏化や炭化減肉による短時間の損傷を回避すること、等が本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明によるリジェネレイティブ燃焼装置は、以下の構成を具備するものである。
一対のリジェネレイティブバーナーと各リジェネレイティブバーナーにおける燃料噴射室間を連通させる連絡管とを備えた自己排ガス再循環方式のリジェネレイティブ燃焼装置であって、前記連絡管は、一端側が前記燃料噴射室に接続される一対のスライド短管と、前記スライド短管の外周面にグランドシール構造を介してスライド自在に連結されるスライド管とを備え、前記スライド管の内側に沿って筒状の断熱部材を配置したことを特徴とするリジェネレイティブ燃焼装置。

このような特徴を有するリジェネレイティブ燃焼装置は、燃料噴射室間を連通する連絡管を、一対のスライド短管とスライド短管の外周面にグランドシール構造を介してスライド自在に連結されるスライド管とで構成し、連絡管の熱伸縮を熱損を起こし難いスライド構造によって吸収している。これによって、熱疲労に対して耐久性のある連絡管を設けることができ、メンテナンス性の高いリジェネレイティブ燃焼装置を得ることができる。

本発明の実施形態に係るリジェネレイティブ燃焼装置の要部を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るリジェネレイティブ燃焼装置の構成例を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るリジェネレイティブ燃焼装置の他の構成例を示した説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態の要部を示している。一対のリジェネレイティブバーナーの燃料噴射室１間を連通する連絡管（ＦＧＲ管）２は、一端側が燃料噴射室１に接続される一対のスライド短管２Ａと、スライド短管２Ａの外周面にグランドシール構造２０を介してスライド自在に連結されるスライド管２Ｂとを備え、スライド管２Ｂの内側に沿って筒状の断熱部材２Ｃを配置している。この際、スライド短管２Ａの外径と断熱部材２Ｃの内径をほぼ等しくしている。

ここで、スライド短管２Ａは、耐熱性を有するステンレス材料（ＳＵＳ３０４など）で構成されるが、スライド管２Ｂは、断熱部材２Ｃによって高温に加熱されるのを防ぐので、耐熱性を有さない鋼材（ＳＳ材）などで構成することができる。

グランドシール構造２０は、グランドパッキン２１と、グランドパッキン２１をスライド短管２Ａ又はスライド管２Ｂに保持する保持部材２２，２３と、保持部材２２，２３を締め込む締め込み部材２４によって構成され、締め込み部材２４の締め込みによって気密性を高めることができる。

このような連絡管２の構造によると、排ガスの熱による熱伸縮をスライド短管２Ａとスライド管２Ｂのスライド構造によって吸収するので、熱疲労に対する耐久性を高めることができる。この際、波付き伸縮管を用いないので、ステンレス材の鋭敏化や炭化減肉による短時間の損傷を回避することができ、また、スライド短管２Ａとスライド管２Ｂの管厚さを厚くすることで、高温酸化などの腐食を抑えて長期間の使用が可能になる。

スライド管２Ｂは、内部に断熱部材２Ｃを配置することで温度上昇を２００℃程度に抑えることができる。これによって、汎用の鋼材（炭素鋼）を使用することが可能になり、連絡管２のコスト低減が可能になる。

更には、スライド管２Ｂ内に配置される筒状の断熱部材２Ｃの内径とスライド短管２Ａの外径を略等しくすることで、連絡管２内を流れる排ガス流の内部損失の増加を抑えることができる。

このような連絡管２の構造を採用することで、比較的安価な構造であって、長期使用が可能な耐久性を得ることができる。また、グランドシール構造２０は、締め込みによって気密性を回復させることができるので、長期使用時の保守性を確保することができる。

図２は、前述した連絡管の構成を採用することができるリジェネレイティブ燃焼装置の構成例を示している。リジェネレイティブ燃焼装置１００は、ラジアントチューブ９の両端に一対のリジェネレイティブバーナー１０ａ，１０ｂを設置している。リジェネレイティブバーナー１０ａ，１０ｂは、同一構造を有しており、前述した連絡管２によって連通される燃料噴射室１を備え、燃料噴射室１には、燃料噴射ノズル４と混合筒５と排気煙道３を兼ねる筒状体が対向して接続されている。

また、リジェネレイティブバーナー１０ａ，１０ｂは、燃料噴射室１を囲むように給気部（排気部）７を有する空気筒６が設けられており、混合筒５（排気煙道３）と空気筒６の間に筒状蓄熱体１１が設置されている。この筒状蓄熱体１１は、内筒１２と外筒１３間にアルミナ製ボール等の多数の蓄熱体１４を充填することで構成されている。空気筒６は、バーナータイル１５を介してラジアントチューブ９に接続されており、ラジアントチューブ９に連通する混合筒５の先端部には、パイロットバーナー８が設置されている。

このようなリジェネレイティブ燃焼装置１００は、一方のリジェネレイティブバーナー１０ａが燃焼時には、給気部７から空気筒６内に供給された空気が、筒状蓄熱体１１の外筒１３の外周から求心状に蓄熱体１４の充填部に流入し、この充填部を流れた後、内筒１２内に流出して、この内筒１２の一端側からバーナータイル１５を経てラジアントチューブ９内に噴出し、混合筒５から噴出する燃料と燃焼排ガスとの混合気と混合して燃焼に供される。

一方、他方のリジェネレイティブバーナー１０ｂでは燃焼が停止状態で、当然燃料も噴射されておらず、排気状態となっている。即ち、一方のリジェネレイティブバーナー１０ａの燃焼排ガスは、バーナータイル１５から内筒１２内に流入した後、放射状に充填部に流入し、充填部を流れて外筒１３の外周から空気筒６内に流出し、排気部７から流出して排気される。

燃焼状態が切り換えられる次の時点では、他方のリジェネレイティブバーナー１０ｂが燃焼状態、一方のリジェネレイティブバーナー１０ａが燃焼停止状態となり、前述の説明と逆の経路で燃焼用空気が供給され、そして燃焼排ガスが排気される。このように給気部（排気部）７は燃焼状態が切り換えられる次の時点では、排気部（給気部）７として動作する。

以上の動作において、それぞれのリジェネレイティブバーナー１０ａ，１０ｂの燃料噴射室１間は連絡管２により連結されているため、燃焼状態のリジェネレイティブバーナー１０ａ（又は１０ｂ）における燃料の噴射により生ずる負圧により、排気状態のリジェネレイティブバーナー１０ｂ（又は１０ａ）においては、ラジアントチューブ９から、排気煙道３を兼ねる混合筒５を介して燃料噴射室１に燃焼排ガスの一部が吸引され、連絡管２を経て流れて、燃焼状態のリジェネレイティブバーナー１０ａ（又は１０ｂ）の燃料噴射室１内に流入し、上述したように燃料と混合されて排ガス再循環燃焼が行われる。

図２に示す実施の形態では、燃料噴射室１内における燃焼排ガスの再循環経路に網筒状蓄熱体等のＦＧＲ蓄熱体１６が設置されている。このため、一方側のリジェネレイティブバーナー１０ａ（又は１０ｂ）の燃料噴射室１内に至った燃焼排ガスは、このＦＧＲ蓄熱体１６を通って熱を放出した状態で連絡管２を流れ、他方側のリジェネレイティブバーナー１０ｂ（又は１０ａ）の燃料噴射室１内に流入する際に、ＦＧＲ蓄熱体１６の熱を奪って熱を回収する。従って、連絡管２を流れる燃焼排ガスの温度が低下するので、そこからの放熱が少なく、作業環境が向上すると共に、熱回収が行われるため効率も向上する。

図３は、前述した連絡管２の構成を採用することができる他のリジェネレイティブ燃焼装置の構成例を示している。この図においては、図２の構成要素と同様な構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。図４のリジェネレイティブ燃焼装置１００Ａでは、炉１７の適所に対を成すリジェネレイティブバーナー１０ａ，１０ｂを設置している。対を成すリジェネレイティブバーナー１０ａ，１０ｂの配置は、図に示すような配置の他、対向した配置等、適宜である。リジェネレイティブバーナー１０ａ，１０ｂの構成及び動作は図２のものと同様であるので、説明は省略する。

このようなリジェネレイティブ燃焼装置１００，１００Ａにおいて、一対の燃料噴射室１間を連通する連絡管２を図１に示す構成にすることで、連絡管２の耐久性を高めることができ、リジェネレイティブ燃焼装置１００，１００Ａのメンテナンス性を向上させることができる。

１００，１００Ａ：リジェネレイティブ燃焼装置，
１：燃料噴射室，２：連絡管（ＦＧＲ管），
２Ａ：スライド短管，２Ｂ：スライド管，２Ｃ：断熱部材，
２０：グランドシール構造，２１：グランドパッキン，
２２，２３：保持部材，２４：締め込み部材，
３：排気煙道，４：燃料噴射ノズル，５：混合筒，６：空気筒，
７：給気部（排気部），８：パイロットバーナー，９：ラジアントチューブ，
１０ａ，１０ｂ：リジェネレイティブバーナー，
１１：筒状蓄熱体，１２：内筒，１３：外筒，１４：蓄熱体，
１５：バーナータイル，１６：ＦＧＲ蓄熱体，１７：炉

Claims (2)

1. 一対のリジェネレイティブバーナーと各リジェネレイティブバーナーにおける燃料噴射室間を連通させる連絡管とを備えた自己排ガス再循環方式のリジェネレイティブ燃焼装置であって、
   前記連絡管は、
   一端側が前記燃料噴射室に接続される一対のスライド短管と、前記スライド短管の外周面にグランドシール構造を介してスライド自在に連結されるスライド管とを備え、前記スライド管の内側に沿って筒状の断熱部材を配置したことを特徴とするリジェネレイティブ燃焼装置。
2. 前記スライド短管の外径と前記断熱部材の内径を略等しくしたことを特徴とする請求項１記載のリジェネレイティブ燃焼装置。

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