JP7453281B2 - 浸炭用ガス発生装置、及び浸炭用ガス生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、浸炭用ガス発生装置、及び浸炭用ガス生成方法に関する。

特許文献１及び特許文献２には、一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを生成する浸炭用ガス発生装置、及び浸炭用ガス発生装置を用いる浸炭用ガスの生成方法が開示されている。

特開２０１８－１４５４７１号公報 特開２０１５－００４１１０号公報

特許文献１及び特許文献２に開示された浸炭用ガス発生装置は、煤の発生抑制と発生した煤を除去するために、熱交換器、バブラ、及び除湿器を備える構成であった。このため、浸炭用ガス発生装置が全体的に大型となり、設置場所が限られるとの課題があった。

また、特許文献１及び特許文献２に開示された浸炭用ガス発生装置では、生成した浸炭用ガスを冷却する構成であった。このため、浸炭炉において浸炭用ガスを再加熱する必要があり、エネルギー効率の改善が求められていた。

さらに、特許文献１及び特許文献２に開示された浸炭用ガス発生装置では、天然ガスと支燃性ガスとを燃焼反応させることで浸炭用ガスを生成していた。つまり、浸炭用ガスの組成は、燃焼反応の条件によって決定されるため、所望のガス組成の浸炭用ガス（例えば、窒素ガスを含む浸炭用ガスや、所望のガス濃度の浸炭用ガス）の生成が困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、小型であり、エネルギー効率に優れ、かつガス組成の調整が容易な浸炭用ガス発生装置、及び浸炭用ガス生成方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］ 原料となる炭化水素系ガスを供給する第１ガス経路と、支燃性ガスを供給する第２ガス経路と、前記炭化水素系ガスと前記支燃性ガスとを不完全燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼室と、を含む燃焼部と、
前記燃焼部の二次側に位置する希釈部と、
前記希釈部の二次側に位置する触媒部と、を備え、
前記希釈部が、
前記燃焼室と連通する第１ガス流路と、
前記第１ガス流路に炭化水素系ガスを供給する、１以上の第３ガス経路と、
前記第１ガス流路に不活性ガスを供給する、１以上の第４ガス経路と、を有し、
前記触媒部が触媒を含み、前記触媒部において、前記炭化水素系ガス及び前記不活性ガスによって希釈された前記燃焼ガスと加熱された前記触媒とを反応させて、一酸化炭素ガスと水素ガスと不活性ガスとからなる浸炭用ガスを生成する、浸炭用ガス発生装置。
［２］ 前記燃焼部と前記希釈部との間に位置する改質部をさらに備え、
前記改質部が、前記燃焼室と前記第１ガス流路との間に位置し、前記燃焼室と前記第１ガス流路とそれぞれ連通する第２ガス流路を含み、前記燃焼ガスの一部を一酸化炭素ガスと水素ガスとに改質する、［１］に記載の浸炭用ガス発生装置。
［３］ 前記改質部が、改質した前記燃焼ガスの流れを分散させる分散板を含む、［２］に記載の浸炭用ガス発生装置。
［４］ 前記第３ガス経路及び前記第４ガス経路が、前記第１ガス流路のガス流れ方向において、同じ高さに位置する、［１］乃至［３］のいずれかに記載の浸炭用ガス発生装置。
［５］ 前記第３ガス経路が、前記第１ガス流路のガス流れ方向において、前記第４ガス経路の一次側に位置する、［１］乃至［３］のいずれかに記載の浸炭用ガス発生装置。
［６］ 炭化水素系ガスと支燃性ガスとを燃焼させて、燃焼ガスを発生させ、
前記燃焼ガスに炭化水素系ガスと不活性ガスとを供給して希釈ガスを得、
前記希釈ガスと加熱された触媒とを反応させて、一酸化炭素ガス、水素ガス、及び前記不活性ガスを含む浸炭用ガスを生成する、浸炭用ガス発生方法。
［７］ 前記希釈ガスを得る際、前記燃焼ガスに炭化水素系ガスと不活性ガスとをそれぞれ独立に供給する、［６］に記載の浸炭用ガス発生方法。
［８］ 前記燃焼ガスを発生させる際、前記炭化水素系ガスと前記支燃性ガスとの酸素比を、１：０．５～０．８とする、［６］又は［７］に記載の浸炭用ガス発生方法。
［９］ 前記燃焼ガスの一部を一酸化炭素ガスと水素ガスとに改質した後に、前記炭化水素系ガスと前記不活性ガスとを供給して前記希釈ガスを得る、［６］乃至［８］のいずれかに記載の浸炭用ガス発生方法。

本発明の浸炭用ガス発生装置は、小型であり、エネルギー効率に優れ、かつガス組成の調整が容易である。
また、本発明の浸炭用ガス生成方法は、エネルギー効率に優れ、かつガス組成の調整が容易である。

本発明を適用した一実施形態である浸炭用ガス発生装置の構成を示す模式図である。 本実施形態の浸炭用ガス発生装置を備える浸炭炉の構成を示す模式図である。 本実施形態の浸炭用ガス発生装置を備える浸炭炉に適用可能な熱供給機構の構成を示す模式図である。 本実施形態の浸炭用ガス発生装置の変形例を示す模式図である。 本実施形態の浸炭用ガス発生装置を備える浸炭炉に適用可能な熱供給機構の変形例を示す模式図である。 本実施形態の浸炭用ガス発生装置を備える浸炭炉に適用可能な熱供給機構の変形例を示す模式図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である浸炭用ガス発生装置について、これを用いる浸炭用ガス生成方法とともに図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

＜浸炭用ガス発生装置＞
先ず、本発明を適用した一実施形態である浸炭用ガス発生装置の構成について、説明する。図１は、本実施形態の浸炭用ガス発生装置の構成の一例を示す模式図である。
図１に示すように、浸炭用ガス発生装置１０は、燃焼部１１、改質部１２、希釈部１３、及び炉接続部１４を備えて、概略構成されている。

燃焼部１１は、浸炭用ガス発生装置１０において、鉛直方向上方に位置する。
燃焼部１１は、原料となる炭化水素系ガスを供給する第１ガス経路Ｌ１と、支燃性ガスを供給する第２ガス経路Ｌ２と、炭化水素系ガスと支燃性ガスとを不完全燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼室１１Ａと、を含む。

燃焼部１１の構造は、特に限定されるものではなく、公知文献（例えば、特開２０１５－００４１１０号公報）に記載の公知の構造を適用することができる。これにより、浸炭用ガス発生装置１０では、第１ガス経路Ｌ１から炭化水素系ガスが、第２ガス経路Ｌ２から支燃性ガス（例えば、酸素ガス）が、それぞれ燃焼室１１Ａ内に供給され、燃焼室１１Ａ内において、炭化水素系ガスと支燃性ガスとを旋回流を形成しながら燃焼させることで、燃焼室１１Ａ内に旋回流火炎を形成し、燃焼ガスを生成する。

改質部１２は、浸炭用ガス発生装置１０において、燃焼部１１と希釈部１３との間に位置する。改質部１２では、希釈部１３に必要な熱と、希釈部１３に供給する改質ガスとを得る。なお、改質ガスとは、燃焼ガスの一部が一酸化炭素ガスと水素ガスとに改質された混合ガスをいう。
改質部１２は、中空筒状の金属管１５と、金属管１５の内側に位置するガス流路（第２ガス流路）１２Ａと、分散板１６と、耐火物１７と、を含む。

ガス流路１２Ａは、燃焼室１１Ａと後述する希釈部１３内のガス流路（第１ガス流路）１３Ａ及びガス流路１３Ｂとの間に位置し、燃焼室１１Ａとガス流路１３Ａ，１３Ｂとそれぞれ連通する。したがって、ガス流路１２Ａには、燃焼室１１Ａから燃焼ガスが導入される。

金属管１５とガス流路１２Ａとの間には、耐火物１７が充填される。耐火物１７は、耐熱性に優れるものであれば、特に限定されるものではなく、例えばセラミック等の無機材料を適用できる。また、耐火物１７は、遮熱効果と、蓄熱効果とを備えるものがより好ましい。

改質部１２は、金属管１５の内側に耐火物１７を施工し、酸素燃焼火炎に対する耐熱性を高めた構造であるため、安定的に熱を保持することができる。なお、改質部１２では、１５００℃程度の温度まで達する。したがって、浸炭用ガス発生装置１０を構成する改質部１２によれば、外部から熱を補充することなく、燃焼熱によって燃焼室１１Ａから導入される燃焼ガスの一部を、一酸化炭素ガスと水素ガスとに、安定的に改質できる。

分散板１６は、ガス流路１２Ａに位置する。具体的には、分散板１６は、ガス流路１２Ａにおいて、ガス流れ方向の二次側（下流側）、すなわち、希釈部１３寄りに位置する。分散板１６の構造は、改質した燃焼ガスの流れを分散（整流）させることができれば、特に限定されるものではなく、例えば、１０以上の細孔を正方形列に配置した構造とすることができる。また、分散板１６の材質は、耐熱性及び耐火性に優れた材質であれば、特に限定されない。

改質部１２において、ガス流路１２Ａに分散板１６を設けることで、希釈部１３内のガス流路１３Ａに供給する燃焼ガスの熱を均一にし、燃焼ガスの流速を落とすことができる。このように、ガス流路１３Ａに供給する燃焼ガスの熱を均一にすることで、炉接続部１４に位置する触媒部１４Ｂの触媒が均一に加熱される。また、燃焼ガスの流速を落とすことで、ガスが後述する触媒部１４Ｂを通過する時間を確保できるため、触媒とガスとがよく接触する。したがって、後述する炉接続部１４における燃焼ガスと触媒との反応効率を高めることができる。さらに、燃焼ガスの流速を落とすことにより、改質部１２におけるガスの滞留時間が長くなる。したがって、燃焼ガスを安定的に改質できる。

希釈部１３は、浸炭用ガス発生装置１０において、改質部１２の二次側（鉛直方向下方）に位置する。希釈部１３では、改質部１２で得られた燃焼ガス（改質ガス）に炭化水素系ガス及び不活性ガスを供給して希釈する。
希釈部１３は、中空筒状の金属管１８と、金属管１８の内側に位置するガス流路１３Ａ，１３Ｂと、分散板１９と、耐火物２０と、１以上の第３ガス経路（炭化水素系ガス供給経路）Ｌ３と、１以上の第４ガス経路（不活性ガス供給経路）Ｌ４と、を含む。

ガス流路１３Ａは、改質部１２のガス流路１２Ａの二次側に位置し、ガス流路１２Ａを介して燃焼室１１Ａと連通する。したがって、ガス流路１３Ａには、ガス流路１２Ａで燃焼ガスの一部が改質された改質ガスが導入される。

ガス流路１３Ａには、第３ガス経路Ｌ３と第４ガス経路Ｌ４とが、それぞれ独立して接続されている。
第３ガス経路Ｌ３は、ガス流路１３Ａに希釈ガスとして炭化水素系ガスを供給する。
第４ガス経路Ｌ４は、ガス流路１３Ａに希釈ガスとして不活性ガスを供給する。
これにより、ガス流路１３Ａでは、改質部１２から供給される燃焼ガス（改質ガス）に炭化水素系ガス及び不活性ガスを供給して、任意の組成比となるように希釈できる。また、燃焼ガスを希釈することで、燃焼ガスを適切な温度に調整できるため、煤の発生を抑制できる。

ガス流路１３Ａの流路断面積は、改質部１２のガス流路１２Ａよりも小さい。これにより、炭化水素系ガス及び不活性ガスが、ガス流路１３Ａの中心まで到達しやすくなるため、燃焼ガス（改質ガス）と炭化水素系ガス及び不活性ガスとが均一に混合される。

なお、本実施形態では、ガス流路１３Ａには、第３ガス経路Ｌ３と第４ガス経路Ｌ４とが、それぞれ独立して接続されている構成を一例として説明したが、これに限定されない。第３ガス経路Ｌ３と第４ガス経路Ｌ４とが、ガス流路１３Ａの一次側で合流した後にガス流路１３Ａに接続される構成とし、炭化水素系ガスと不活性ガスとの混合ガスをガス流路１３Ａに供給してもよい。

本実施形態では、第３ガス経路Ｌ３及び第４ガス経路Ｌ４が、ガス流路１３Ａのガス流れ方向において、同じ高さとなるように、ガス流路１３Ａにそれぞれ接続されている。これにより、希釈部１３の鉛直方向の高さを短くできるため、浸炭用ガス発生装置１０の小型化が可能となり、浸炭炉１を小型化できる。

ガス流路１３Ｂは、ガス流路１３Ａの二次側に位置する。したがって、ガス流路１３Ｂには、ガス流路１３Ａで希釈された燃焼ガス（改質ガス）が導入される。
ガス流路１３Ｂの流路断面積は、ガス流路１３Ａとの接続側（一次側）から炉接続部１４のガス流路１４Ａとの接続側（二次側）に向かって漸次拡径されている。これにより、ガス流れが周方向に広げられて触媒部１４Ｂに均一に流入させることができるため、充填された触媒を有効に使うことが可能となる。その結果、反応効率が高められ、触媒の充填量を抑制できる。

分散板１９は、ガス流路１３Ｂにおいて、希釈された燃焼ガス（改質ガス）を均一に分散（整流）させる。これにより、燃焼ガスを後述する触媒と均一に反応させることができる。

分散板１９の構造は、希釈された燃焼ガス（改質ガス）の流れを分散（整流）させることができれば、特に限定されるものではなく、例えば、１０以上の細孔を正方形列に配置した構造とすることができる。また、分散板１９の材質は、耐熱性及び耐火性に優れた材質であれば、特に限定されない。

金属管１８とガス流路１３Ａ，１３Ｂとの間には、耐火物２０が充填される。耐火物２０は、耐熱性に優れるものであれば、特に限定されるものではなく、例えばセラミック等の無機材料を適用できる。また、耐火物２０としては、上述した耐火物１７と同じものを適用できる。

希釈部１３は、金属管１８の内側に耐火物２０を施工し、耐熱性を高めた構造であるため、安定的に熱を保持することができる。なお、希釈部１３では、触媒部１４Ｂにおいて燃焼ガスと触媒との反応が生じる温度以上に保つ必要がある。触媒の種類によって、異なるが、例えばニッケル系触媒を使用する場合は、希釈部１３の温度を１０５０℃以上に保持することが好ましい。

本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０によれば、希釈部１３の一次側に改質部１２が位置する構造であり、改質部１２において燃焼部１１の燃焼熱を蓄熱できるため、希釈部１３を介して、後述する炉接続部１４の触媒部１４Ｂで必要な熱を補うことができる。すなわち、希釈部１３の一次側に改質部１２が接触しているため、改質部１２から希釈部１３へ熱が移動する。これにより、炉接続部１４の触媒部１４Ｂにおいて、触媒の吸熱反応による触媒の温度低下を防ぐことができる。

炉接続部１４は、中空筒状の金属管２１と、金属管２１の内側に位置するガス流路１４Ａと、触媒が充填された触媒部（触媒層）１４Ｂと、分散板２２と、耐火物２３と、を含む。炉接続部１４は、浸炭用ガス発生装置１０において、希釈部１３の二次側（鉛直方向下方）、すなわち、下端に位置する。炉接続部１４は、希釈部１３で希釈された燃焼ガス（改質ガス）を触媒上で反応させて目的のガス組成の浸炭用ガスを生成する。また、炉接続部１４は、浸炭用ガス発生装置１０を炉本体２と接続する際の位置決めに用いるとともに、安定した接続を維持するための土台として用いられる。

触媒部１４Ｂは、ガス流路１４Ａにおいて、希釈部１３寄りに位置する。これにより、炭化水素系ガス及び不活性ガスの供給によって希釈された燃焼ガスを触媒部１４Ｂに供給し、燃焼ガスと加熱された触媒とを反応させて、一酸化炭素ガスと水素ガスと不活性ガスとからなる浸炭用ガスを生成することができる。

触媒部１４Ｂに充填される触媒は、燃焼ガスを一酸化炭素ガスと水素ガスと不活性ガスとからなる浸炭用ガスに変成させることができるものであれば、特に限定されるものではない。このような触媒としては、例えば、ニッケル系触媒が挙げられる。
なお、触媒部１４Ｂには、触媒が充填されていない空間があってもよい。

分散板２２は、ガス流路１４Ａにおいて、触媒部１４Ｂのガス流れ方向の二次側（下流側）、すなわち、触媒部１４Ｂの下方に位置する。これにより、触媒部１４Ｂが分散板２２によって支持され、触媒が下方に落下しない構造となっている。

分散板２２の構造は、希釈された燃焼ガスが触媒部１４Ｂを通過する際に、流れを分散させて均一化できれば、特に限定されるものではなく、例えば、１０以上の細孔を正方形列に配置した構造とすることができる。また、分散板２２の材質は、耐熱性及び耐火性に優れた材質であれば、特に限定されない。

金属管２１とガス流路１４Ａとの間には、耐火物２３が充填される。耐火物２３は、耐熱性に優れるものであれば、特に限定されるものではなく、例えばセラミック等の無機材料を適用できる。また、耐火物２３としては、上述した耐火物１７と同じものを適用できる。

炉接続部１４は、金属管２１の内側に耐火物２３を施工し、耐熱性を高めた構造であるため、安定的に熱を保持することができる。なお、炉接続部１４では、触媒部１４Ｂにおいて燃焼ガスと触媒との反応が生じる温度以上に保つ必要がある。触媒の種類によって、異なるが、例えばニッケル系触媒を使用する場合は、炉接続部１４の温度を１０５０℃以上に保持することが好ましい。

本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０によれば、炉接続部１４の一次側に希釈部１３が位置する構造であり、改質部１２及び希釈部１３において燃焼部１１の燃焼熱を蓄熱できるため、炉接続部１４の触媒部１４Ｂで必要な熱を補うことができる。すなわち、炉接続部１４の一次側に希釈部１３が接触しているため、改質部１２及び希釈部１３から炉接続部１４へ熱が移動する。これにより、炉接続部１４の触媒部１４Ｂにおいて、触媒の吸熱反応による触媒の温度低下を防ぐことができる。

＜浸炭用ガス発生方法＞
次に、本発明を適用した一実施形態である浸炭用ガス発生方法について、図面を参照しながら説明する。具体的には、本実施形態の浸炭用ガス発生方法は、上述した浸炭用ガス発生装置１０を用いて、浸炭用ガスを発生させる。

本実施形態の浸炭用ガス発生方法は、図１に示すように、先ず、燃焼部１１において、第１ガス経路Ｌ１から炭化水素系ガスを、第２ガス経路Ｌ２から支燃性ガス（例えば、酸素ガス）を、それぞれ図示略のバーナに供給し、燃焼室１１Ａ内において、炭化水素系ガスと支燃性ガスとを旋回流を形成しながら燃焼させることで、燃焼室１１Ａ内に燃焼ガスを生成する。

燃焼部１１において燃焼ガスを発生させる際、炭化水素系ガスと支燃性ガスとの酸素比を、１：０．５～０．８とすることが好ましい。さらに、燃焼熱を得る観点から、酸素比を１：０．６０～０．８０にすることがより好ましい。燃焼部１１において、酸素比を０．５以上とすることで、煤の発生を抑制できる。また、酸素比を０．８以下にすることで、一酸化炭素ガスと反応する二酸化炭素や水の生成を抑制できる。これにより、燃焼部１１において、一酸化炭素ガスを効率的に発生させることができる。

なお、酸素比とは、以下で定義される支燃性ガス量とする。
「酸素比」＝「バーナに供給する支燃性ガス量」÷「炭化水素系ガスを完全燃焼させるのに必要な支燃性ガス量」

次に、生成した燃焼ガスを燃焼室１１Ａから改質部１２のガス流路１２Ａに供給し、燃焼ガスの熱によって、燃焼ガスの一部を一酸化炭素ガスと水素ガスとに改質する。改質部１２において、燃焼ガスのうち、未燃焼の炭化水素系ガスを一酸化炭素と水素とに分解できるため、浸炭用ガスを効率的に発生させることができる。

次に、一部を一酸化炭素ガスと水素ガスとに改質した後の燃焼ガスをガス流路１２Ａから希釈部１３のガス流路１３Ａに供給し、燃焼ガスに炭化水素系ガスと不活性ガスとを供給して希釈ガスを得る。

ここで、ガス流路１３Ａ内の燃焼ガスに炭化水素系ガスと不活性ガスとを供給する際、それぞれ独立した第３ガス経路Ｌ３及び第４ガス経路Ｌ４を用いて、別々に供給する。これにより、燃焼ガスの熱エネルギーが、不活性ガスに吸収されることを抑制できる。したがって、燃焼ガスの熱エネルギーによる炭化水素系ガスの分解が促進され、一酸化炭素ガスと水素ガスとを効率よく発生させることができる。

次いで、炉接続部１４の触媒部１４Ｂにおいて、希釈ガスと加熱された触媒とを反応させて、一酸化炭素ガス、水素ガス、及び不活性ガスを含む浸炭用ガスを生成する。
本実施形態によれば、燃焼ガスを炭化水素系ガスと不活性ガスとで希釈した後、触媒と反応させるため、希釈する条件を調整することができる。これにより、所望のガス組成の浸炭用ガスを生成することができる。

＜浸炭炉＞
次に、本実施形態の浸炭用ガス発生装置を備える浸炭炉の構成について説明する。図２は、本実施形態の浸炭用ガス発生装置を備える浸炭炉の構成の一例を示す模式図である。
図２に示すように、浸炭炉１は、内側に加熱室２Ａを有する炉本体２と、浸炭用ガスを生成する浸炭用ガス発生装置１０と、を備えて、概略構成されている。
浸炭炉１は、加熱室２Ａに収容された被処理物Ｓを、一酸化炭素ガスと水素ガスと不活性ガスとからなる浸炭用ガスを用いて浸炭処理するものである。

（炉本体）
炉本体２は、浸炭処理の被処理物Ｓを収容可能な加熱室２Ａを少なくとも有する炉体である。また、炉本体２には、加熱室２Ａに浸炭用ガスを導入する供給口２ａと、加熱室２Ａから雰囲気ガスを排出する排気口２ｂと、が設けられている。

供給口２ａは、加熱室２Ａの上面に位置する。これにより、後述するように炉本体２の上方に配設された本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０で生成する浸炭用ガスを、直接、上方から加熱室２Ａ内に導入できる。

排気口２ｂは、加熱室２Ａの側面の、下方に位置する。これにより、浸炭処理を行った後の、加熱室２Ａ内の雰囲気ガスを室外に排出できる。

炉本体２の構造は、特に限定されるものではなく、公知文献（例えば、特開２０１５－００４１１０号公報）に記載の公知の構造を適用することができる。

（浸炭炉）
本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０を備える浸炭炉１は、図２に示すように、浸炭用ガス発生装置１０が、炉本体２の上方に位置するように、浸炭用ガス発生装置１０と炉本体２とが接続されている。すなわち、図１及び図２に示すように、供給口２ａ及び炉接続部１４を介して、炉接続部１４のガス流路１４Ａと加熱室２Ａとが連通され、炉接続部１４から導出される浸炭用ガスが、途中の流路で加熱されることなく直接、加熱室２Ａに導入される。

浸炭炉１において、本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０における浸炭用ガスの生成量（すなわち、炉本体２の加熱室２Ａに導入される浸炭用ガスの供給量）は、加熱室２Ａの容積に対して２～３０ｍ^３／ｈであることが好ましい。これにより、浸炭用ガス発生装置１０において浸炭用ガスを過剰に生成する必要がないため、浸炭用ガス発生装置１０の小型化、ひいては浸炭炉１の小型化が可能である。

また、浸炭炉１において、本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０で生成した浸炭用ガスの温度（すなわち、炉本体２の加熱室２Ａに導入される浸炭用ガスの温度）は、７００～１０００℃であればよく、８００～９５０℃であることが好ましく、８７０～９３０℃であることがより好ましい。これにより、浸炭用ガス発生装置１０で生成した浸炭用ガスを、さらに加熱して加熱室２Ａに供給する必要がないため、さらなる加熱機構が不要となる。したがって、浸炭用ガス発生装置１０の小型化、ひいては浸炭炉１の小型化が可能であり、熱効率に優れる。

また、浸炭炉１は、炉本体２から排出される排熱を、本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０の加熱源として用いる熱供給機構を備えることが好ましい。図３は、本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０を備える浸炭炉１に適用可能な熱供給機構３０の構成の一例を示す模式図である。

図３に示すように、熱供給機構３０は、ガス導出経路Ｌ５と、熱交換器３１，３２と、を有する。熱供給機構３０は、炉本体２から排出される排熱として、加熱室２Ａから排出される雰囲気ガス（ガス）を用いるものである。

ガス導出経路Ｌ５は、基端が加熱室２Ａの排気口２ｂと接続されており、加熱室２Ａ内の雰囲気ガスを加熱室２Ａの外側に導出する経路である。ガス導出経路Ｌ５には、基端側から炉接続部１４、熱交換器３１、及び熱交換器３２がこの順に設けられている。炉接続部１４では、ガス導出経路Ｌ５内を流通するガスによって、触媒部１４Ｂで必要な熱の一部を補うことができる。

熱交換器３１は、ガス導出経路Ｌ５において、炉接続部１４の二次側に位置する。また、熱交換器３１は、ガス導出経路Ｌ５と、第３ガス経路Ｌ３及び第４ガス経路Ｌ４とにわたって設けられている。これにより、熱交換器３１では、ガス導出経路Ｌ５内を流通するガスによって、希釈部１３で使用される炭化水素系ガス及び不活性ガスを予熱することができる。

熱交換器３２は、ガス導出経路Ｌ５において、熱交換器３１の二次側に位置する。また、熱交換器３２は、ガス導出経路Ｌ５と、第１ガス経路Ｌ１及び第２ガス経路Ｌ２とにわたって設けられている。これにより、熱交換器３２では、ガス導出経路Ｌ５内を流通するガスによって、燃焼部１１で使用される炭化水素系ガス及び支燃性ガスを予熱することができる。

浸炭炉１によれば、熱供給機構３０を備えるため、炉本体２から排出される排熱を、本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０の加熱源として用いることができる。これにより、熱効率に優れる浸炭炉１を提供できる。

＜浸炭方法＞
次に、上述した浸炭炉１を用いる浸炭方法について、図面を参照しながら説明する。上述した浸炭炉１を用いる浸炭方法は、上述した浸炭用ガス発生方法を含み、炉本体２の加熱室２Ａに収容された被処理物Ｓを浸炭用ガスにより浸炭処理するものである。
すなわち、本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０を用い、炭化水素系ガスと支燃性ガスとを不完全燃焼させて燃焼ガスを生成し、燃焼ガスを炭化水素系ガスと不活性ガスとで希釈した後に加熱された触媒と反応させて、一酸化炭素ガスと水素ガスと不活性ガスとからなる浸炭用ガスを生成し、生成した浸炭用ガスを再度加熱することなく加熱室２Ａに導入する。

具体的には、浸炭方法は、先ず、本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０を用いて、浸炭用ガスを発生させる。
次に、図１及び図２に示すように、供給口２ａ及び炉接続部１４を介して、上述した本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０で発生させた浸炭用ガスを加熱室２Ａに直接導入する。これにより、浸炭用ガス発生装置１０で発生させた浸炭用ガスを再び加熱することなく、所望の温度で加熱室２Ａに供給できる。

また、本実施形態の浸炭用ガス発生方法を含む浸炭方法は、図３に示すように、熱供給機構３０により、炉本体２からの排熱を用いて、浸炭用ガス発生装置１０で用いる触媒、炭化水素系ガス、支燃性ガス及び前記不活性ガスのうち、少なくとも一つ以上を予熱することが好ましい。浸炭用ガス発生装置１０の加熱に炉本体２の排熱を利用するため、浸炭炉１全体のエネルギー効率を向上できる。

以上説明したように、本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０によれば、希釈部１３において、燃焼ガスに炭化水素系ガス及び不活性ガスを供給して希釈し、炉接続部１４において触媒部１４Ｂの触媒上で反応させて目的のガス組成の浸炭用ガスを生成する構成となっている。このように、浸炭用ガス発生装置１０が、触媒を加熱するための熱源となる炭化水素系ガスを供給する第１ガス経路Ｌ１と、触媒と反応させる炭化水素系ガスを供給する第３ガス経路Ｌ３とを備え、炭化水素系ガスをそれぞれ独立して供給できるため、バーナの燃焼条件を完全燃焼に近い状態にすることができ、バーナからの煤の発生が抑制される。また、燃焼ガスを炭化水素系ガス及び不活性ガスによって希釈することにより、燃焼ガスを適切な温度に調整することができるため、煤の発生が抑制される。このため、浸炭用ガス発生装置１０は、熱交換器、バブラ及びドライヤを備える必要がない。したがって、浸炭用ガス発生装置１０全体の構造が簡素になり、小型化が可能となる。また、浸炭炉１の構成として本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０を用いる際、容易に設置でき、メンテナンスも簡便になる。

また、本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０によれば、炉本体２の上方に設置できるため、浸炭炉１の設置面積を小さくすることができる。したがって、浸炭炉１の小型化が可能となり、設置が容易となる。

また、本実施形態の浸炭用ガス発生方法によれば、炭化水素系ガスと支燃性ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させ、燃焼ガスに炭化水素系ガスと不活性ガスとを供給して希釈ガスを得、希釈ガスと加熱された触媒とを反応させて、一酸化炭素ガス、水素ガス、及び前記不活性ガスを含む浸炭用ガスを生成する構成となっているため、所望のガス組成の浸炭用ガスが得られる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上述した実施形態の浸炭用ガス発生装置１０によれば、炉接続部１４の触媒部１４Ｂで必要な熱を補うため、燃焼部１１の燃焼熱を蓄熱する炉接続部１４を用いる構成を一例として説明したが、これに限定されない。例えば、触媒部１４Ｂで必要な熱を補うため、電気ヒータ等の加熱器を備える構成としてもよい。

また、上述した本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０では、希釈部１３において、第３ガス経路Ｌ３及び第４ガス経路Ｌ４が、ガス流路１３Ａのガス流れ方向において、同じ高さとなるように、ガス流路１３Ａにそれぞれ接続される構成を一例として説明したが、これに限定されない。例えば、図４に示すように、第３ガス経路Ｌ３’がガス流路１３Ａのガス流れ方向において、第４ガス経路Ｌ４’の一次側に位置するように、ガス流路１３Ａにそれぞれ接続される構成の浸炭用ガス発生装置１０’としてもよい。

図４に示すような浸炭用ガス発生装置１０’によれば、炭化水素系ガスが不活性ガスよりも上流側で供給されるため、不活性ガスにより燃焼ガスの温度を調整できる。したがって、浸炭用ガス発生装置１０’によれば、効果的に煤の発生を抑制しながら、燃焼ガスの熱エネルギーによる炭化水素系ガスから一酸化炭素ガスと水素ガスとへの分解が促進される。また、燃焼ガスに含まれる高温の水蒸気によって、炭化系水素ガスの分解が促進される。

または、第３ガス経路Ｌ３’がガス流路１３Ａのガス流れ方向において、第４ガス経路Ｌ４’の二次側に位置するように、ガス流路１３Ａにそれぞれ接続される浸炭用ガス発生装置１０’を備える構成であってもよい。

図４に示すような浸炭用ガス発生装置１０’によれば、不活性ガスが炭化水素系ガスよりも上流側で供給されるため、炭化水素系ガスと燃焼ガスとが接触する前に、燃焼ガスを適切な温度までさげることができる。したがって、浸炭用ガス発生装置１０’によれば、煤の発生を抑制できる。

また、上述した本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０では、改質部１２、希釈部１３、及び炉接続部１４を構成する金属管１５，１８，２１、及び耐火物１７，２０，２３がそれぞれ別体として設けられている場合を一例として説明したが、これに限定されない。金属管及び耐火物は、任意の位置で一体となるように構成されていてもよい。

また、上述した本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０を備える浸炭炉１では、炉本体２から排出される排熱として、加熱室２Ａから排出される雰囲気ガス（ガス）を用いる熱供給機構３０を備える構成を一例として説明したが、これに限定されない。例えば、図５に示すように、炉本体２から排出される排熱として、加熱室２Ａから排出されるガスを燃焼させて得られる排ガスを用いる熱供給機構３０’を備える構成であってもよい。

図５に示すように、熱供給機構３０’は、加熱室２Ａから排出されるガスを燃焼させる燃焼除害装置３３、燃焼除害装置３３に支燃性ガス（例えば、空気）を供給する第６ガス経路Ｌ６、及び燃焼除害装置３３から排出される排ガスを流通する第７ガス経路Ｌ７を備える点で、上述した熱供給機構３０の構成と異なる。したがって、熱供給機構３０と同一の構成については同一の符号を付すとともに説明を省略する。

燃焼除害装置３３は、加熱室２Ａから排出されるガスから未利用の浸炭ガスを回収し、支燃性ガスと混合して燃焼除害する。その際に得られる排ガスの熱エネルギーを排熱として用いる。

第７ガス経路Ｌ７には、基端側から炉接続部１４、熱交換器３１、及び熱交換器３２がこの順に設けられている。炉接続部１４では、第７ガス経路Ｌ７内を流通する排ガスによって、触媒部１４Ｂで必要な熱の一部を補うことができる。

熱交換器３１では、第７ガス経路Ｌ７内を流通する排ガスによって、希釈部１３で使用される炭化水素系ガス及び不活性ガスを予熱することができる。

熱交換器３２では、第７ガス経路Ｌ７内を流通する排ガスによって、燃焼部１１で使用される炭化水素系ガス及び支燃性ガスを予熱することができる。

図５に示す浸炭炉１’によれば、熱供給機構３０’を備えるため、加熱室２Ａから排出されるガスを燃焼させて得られる排ガスを、本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０の加熱源として用いることができる。これにより、排熱の温度を上げることができるため、浸炭炉１’全体のエネルギー効率をさらに向上できる。

さらに、浸炭炉としては、図６に示すように、炉本体２から排出される排熱として、燃焼除害装置３３から排出された排ガスにより加熱された熱媒体を用いる熱供給機構３０’’を備える構成であってもよい。

図６に示すように、熱供給機構３０’’は、第７ガス経路Ｌ７に位置する熱交換器３４、及び熱交換器３４で加熱される熱媒体の熱交換経路（循環経路）Ｌ８を備える点で、上述した熱供給機構３０’の構成と異なる。したがって、熱供給機構３０’と同一の構成については同一の符号を付すとともに説明を省略する。

熱交換器３４は、第７ガス経路Ｌ７と熱交換経路Ｌ８とにわたって設けられており、第７ガス経路Ｌ７内の排ガスにより、熱交換経路Ｌ８内の熱媒体を加熱する。
熱媒体（蓄熱体）としては、使用環境が高温であるため、１０００℃以上の耐熱性を有するセラミックス系材料が好ましい。セラミックス系材料としては、特にＳｉＣ、アルミナ、ムライトなどが好ましい。

熱交換経路（循環経路）Ｌ８には、基端側から炉接続部１４、熱交換器３１、及び熱交換器３２がこの順に設けられている。希釈部１３では、熱交換経路Ｌ８内の熱媒体によって、触媒部１４Ｂで必要な熱の一部を補うことができる。

熱交換器３１では、熱交換経路Ｌ８内の熱媒体によって、希釈部１３で使用される炭化水素系ガス及び不活性ガスを予熱することができる。

熱交換器３２では、熱交換経路Ｌ８内の熱媒体によって、燃焼部１１で使用される炭化水素系ガス及び支燃性ガスを予熱することができる。

図６に示す浸炭炉１’’によれば、熱供給機構３０’’を備えるため、燃焼除害装置３３から排出された排ガスにより加熱された熱媒体を、本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０の加熱源として用いることができる。これにより、腐食性のある排ガスが浸炭用ガス発生装置１０に触れることがないため、浸炭用ガス発生装置１０の劣化を防ぐことができ、浸炭炉１’’全体の耐久性を向上できる。

また、上述した本実施形態の浸炭用ガス発生装置１０を備える浸炭炉１では、炉本体２から排出される排熱として、加熱室２Ａから排出されるガス、及びこのガスを燃焼させた排ガスを熱エネルギーとして用いる構成を一例として説明したが、これに限定されない。炉本体２から排出される排熱として、炉本体２から放熱される熱エネルギーを回収して利用する構成としてもよい。

１ 浸炭炉
２ 炉本体
２Ａ 加熱室
１０ 浸炭用ガス発生装置
１１ 燃焼部
１１Ａ 燃焼室
１２ 改質部
１２Ａ ガス流路（第２ガス流路）
１３ 希釈部
１３Ａ ガス流路（第１ガス流路）
１３Ｂ ガス流路
１４ 炉接続部
１４Ａ ガス流路
１４Ｂ 触媒部
１６，１９，２２ 分散板
３０ 熱供給機構
３１ 熱交換器
３２ 熱交換器
３３ 燃焼除害装置
３４ 熱交換器
Ｌ１ 第１ガス経路
Ｌ２ 第２ガス経路
Ｌ３ 第３ガス経路（炭化水素系ガス供給経路）
Ｌ４ 第４ガス経路（不活性ガス供給経路）
Ｌ８ 熱交換経路
Ｓ 被処理物

Claims (9)

1. 原料となる炭化水素系ガスを供給する第１ガス経路と、支燃性ガスを供給する第２ガス経路と、前記炭化水素系ガスと前記支燃性ガスとを不完全燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼室と、を含む燃焼部と、
   前記燃焼部の二次側に位置する希釈部と、
   前記希釈部の二次側に位置する触媒部と、を備え、
   前記希釈部が、
   前記燃焼室と連通する第１ガス流路と、
   前記第１ガス流路に炭化水素系ガスを供給する、１以上の第３ガス経路と、
   前記第１ガス流路に不活性ガスを供給する、１以上の第４ガス経路と、を有し、
   前記触媒部が触媒を含み、前記触媒部において、前記炭化水素系ガス及び前記不活性ガスによって希釈された前記燃焼ガスと加熱された前記触媒とを反応させて、一酸化炭素ガスと水素ガスと不活性ガスとからなる浸炭用ガスを生成する、浸炭用ガス発生装置。
2. 前記燃焼部と前記希釈部との間に位置する改質部をさらに備え、
   前記改質部が、前記燃焼室と前記第１ガス流路との間に位置し、前記燃焼室と前記第１ガス流路とそれぞれ連通する第２ガス流路を含み、前記燃焼ガスの一部を一酸化炭素ガスと水素ガスとに改質する、請求項１に記載の浸炭用ガス発生装置。
3. 前記改質部が、改質した前記燃焼ガスの流れを分散させる分散板を含む、請求項２に記載の浸炭用ガス発生装置。
4. 前記第３ガス経路及び前記第４ガス経路が、前記第１ガス流路のガス流れ方向において、同じ高さに位置する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の浸炭用ガス発生装置。
5. 前記第３ガス経路が、前記第１ガス流路のガス流れ方向において、前記第４ガス経路の一次側に位置する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の浸炭用ガス発生装置。
6. 炭化水素系ガスと支燃性ガスとを燃焼させて、燃焼ガスを発生させ、
   前記燃焼ガスに炭化水素系ガスと不活性ガスとを供給して希釈ガスを得、
   前記希釈ガスと加熱された触媒とを反応させて、一酸化炭素ガス、水素ガス、及び前記不活性ガスを含む浸炭用ガスを生成する、浸炭用ガス発生方法。
7. 前記希釈ガスを得る際、前記燃焼ガスに炭化水素系ガスと不活性ガスとをそれぞれ独立に供給する、請求項６に記載の浸炭用ガス発生方法。
8. 前記燃焼ガスを発生させる際、前記炭化水素系ガスと前記支燃性ガスとの酸素比を、１：０．５～０．８とする、請求項６に記載の浸炭用ガス発生方法。
9. 前記燃焼ガスの一部を一酸化炭素ガスと水素ガスとに改質した後に、前記炭化水素系ガスと前記不活性ガスとを供給して前記希釈ガスを得る、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の浸炭用ガス発生方法。

Images