WO2002014773A1

WO2002014773A1 - Reservoir thermique

Info

Publication number: WO2002014773A1
Application number: PCT/JP2001/006985
Authority: WO
Inventors: Yutaka Suzukawa; Isao Mori; Hirokazu Katsushima; Yoshiyuki Kasai
Original assignee: NGK Insulators Ltd; Nippon Furnace Co Ltd; NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd; Nippon Furnace Co Ltd; JFE Engineering Corp
Priority date: 2000-08-14
Filing date: 2001-08-13
Publication date: 2002-02-21
Anticipated expiration: 2003-02-14
Also published as: AU2001278719A1; JP2004286232A

Description

技術分野

この発明は、蓄熱体、特に、熱応力による割れが防止でき、長期間安定して使用できる蓄熱体に関するものである。

明背景技術食

ここでは、この発明に係わる蓄熱体の使用目的の一つである蓄熱式パーナ用蓄熱体を例にあげて、従来技術を説明する。

蓄熱式パーナは、個々のパーナに付随して蓄熱体を取り付け、燃焼排気ガスと燃焼空気との間で熱交換を行ない、これにより高温予熱空気を得て熱効率の高い燃焼を行なうことのできるパーナである。

以下に、この蓄熱式パーナについて、これを加熱炉に設置した態様を例をあげて、図面を参照しながら説明する。

図 4は、蓄熱式パーナが設置された加熱炉を示す概略断面図である。

. 図 4において、 1は、加熱炉、 2 a 2 bは、加熱炉 1の炉壁に対向して設置された一対の蓄熱式パーナ、 3 a 3 bは、蓄熱式パーナ 2 a 2 b内に設けられた蓄熱体である。蓄熱体 3 a 3 bは、比表面積の大きなものが良く、特開平 4一 2 5 1 1 9 0号公報に開示されるように、複数個のハニカム構造体によって構成されている。 4 a 4 bは、燃料遮断弁であり、この弁が開いている間は、図には示されていない燃料供給源より加圧された燃料が所定流量でパーナ 2 a 2 bに供給される。

5 a 5 bは、燃焼空気弁であり、この弁が開いている間は、図には示されていない空気供給源より加圧された空気が所定流量でパーナ 2 a 2 bに供給される。 6 a、 6 bは、燃焼排ガス弁であり、この弁が開いている間は、図には示されていない排気ブロワにより蓄熱体 3 a、 3 bを通過した燃焼排ガス（以下、炉内ガスという）が所定流量で吸引され、大気に放出される。 7は、加熱炉 1内の鋼スラブ等の被加熱物である。丁1ぉょび丁2は、それぞれ温度計であり、 T 1は、高温側 (燃焼側）温度計、 T 2は、低温側（反燃焼側）温度計である。

図 4において、例えば、一方のパーナ 2 aが燃焼状態にある場合には、燃料遮断弁 4 aが開いて燃料が供給される。また、燃焼空気弁 5 aが開き、燃焼排ガス弁 6 aが閉じて一方の蓄熱体 3 aに空気が押し込まれる。蓄熱体 3 aを通過した空気は、蓄熱体 3 aより熱を奪って高温の予熱空気となってバ一ナ 2 aに供給される。一方、このとき他方のパーナ 2 bでは、燃料遮断弁 4 bおよび燃焼空気弁 5 が共に閉じ、燃焼排ガス弁 6 bが開いており、炉内ガスは、パーナ 2 bより吸引され、蓄熱体 3 bを経てこれを加熱した後、排気ブロワにより排気される。

上記蓄熱式パーナ 2 a、 2 bを用いた加熱炉 1において蓄熱燃焼を行う場合には、一定時間毎にパーナ 2 aと 2 bとの燃焼を交互に切り替える交番燃焼が行われる。切り替え時間は、概略 3 0秒〜 2分間と短いのが普通である。

そして、燃焼が切り替わり、他方のパーナ 2 bが燃焼状態になった場合には、燃料遮断弁 4 bおよび燃焼空気弁 5 bが共に開き、燃焼排ガス弁 6 bが閉じて他方の蓄熱体 3 bに空気が供給される。高温の蓄熱体 3 bを通過した空気は、蓄熱体 3 b より熱を奪って高温の予熱空気となってパーナ 2 bに供給される。

一方、このとき一方のパーナ 2 aでは、燃料遮断弁 4 aおよび燃焼空気弁 5 aが共に閉じ、燃焼排ガス弁 6 aが開いており、炉内ガスは、パーナ 2 aより吸引され、蓄熱体 3 aを経てこれを加熱した後、排気ブロワにより排気される。

このような蓄熱式バーナを用いた加熱炉においては、蓄熱パーナが蓄熱状態にある場合には、パーナに炉内ガスが吸引されるので、蓄熱体の高温側は、短時間で概略、炉内ガス温度まで加熱される。蓄熱体を通過した炉内ガスは、蓄熱体に熱を与えて低温となる。炉内ガスの吸引を継続すれば、蓄熱体の内部まで炉內ガス温度に加熱することが可能であるが、炉内ガスの吸引を継続すると、やがて蓄熱体を通過した炉内ガスが流出する蓄熱体の低温側でのガス温度が上昇する。蓄熱体を通過した炉内ガスは、燃焼排ガス弁を経て系外に排出されるので、蓄熱体の低温側でのガス温度は、燃焼排ガス弁の耐熱温度、例えば、経済的な値段で入手できる弁では

3 5 0 °C程度を越えることはできない。

なお、蓄熱体の低温側での炉内ガス温度は、低すぎても問題がある。即ち、燃焼排気ガス中には、水分の他、燃料成分中に硫黄分等が含まれると、 1 5 0 °C程度の温度以下で燃焼排ガスの一部が凝縮して燃焼水が生じることがある。燃焼水は、配管や燃焼排ガス弁を腐蝕させるために、蓄熱体の低温側での炉内ガス温度は、最高 3 5 0 °C以下、平均 1 8 0 °C程度に維持されることが好ましい。

—方、蓄熱式パーナが燃焼状態にある場合には、蓄熱体の低温側に常温の燃焼空気が供給され、これが蓄熱体を通過する間に高温の蓄熱体がら熱を奪い予熱されて、パーナに供給される。蓄熱パーナの運転にあたっては、できるだけ高温の予熱空気を得ることのできる運転をすることが好ましい。蓄熱式パーナでは、得られる予熱空気の温度は、炉内ガス温度が上限である。現実的には、炉内ガス温度より 5 0 〜1 0 0 °C程度低い予熱空気温度が得られれば良い。

即ち、適切に設計され、操業している蓄熱式パーナの蓄熱体にあっては、蓄熱体の高温側における蓄熱体通過ガスの温度は、炉内ガス温度と炉内ガス温度より 1 0 0 °C程度低い予熱空気温度との範囲内で変化し、一方、その低温側にあっては、蓄熱状態完了時において炉内ガスの流出温度の最高温度である 3 5 0 °C程度から燃焼状態完了時において常温空気の温度である 3 0 °C程度の温度範囲内で変化する。さて、従来の蓄熱式バーナ用蓄熱体にあっては、上述したように、蓄熱体は、比表面積の大きなものが良いことは経験的に知られており、比表面積の大きなハニカム構造体が用いられる。

例えば、燃焼容量が 1 0 0万 k c a 1 ZHの蓄熱式パーナにあっては、図 5に示すように、蓄熱体 3の大きさは、ガスの通過断面の寸法が縦 4 0 O mni X横 4 0 0 mmで、蓄熱体の高さが 4 0 O mm程度である。従来は、縦 1 0 0 mm X横 1 0 0 mm X高さ 1 0 O mmの直方体ハニカム構造体をガスの通過断面には、 4 X 4 = 1 _Λ

4

6個配列し、高さ方向には 4段積み重ねていた。そして、蓄熱体を構成するハニカム構造体のガス通過流路（細管）の断面積は、何れのハニカム構造体おいても同一であった。

図 6は、蓄熱体を構成する一個のハ-カム構造体 8を示す概略斜視図であり、ここでは、ハニカム構造体の縦、横、高さ方向寸法をそれぞれ、記号 d、 w、 hで示す。また、図 7は、ハニカム構造体 8のガス通過流路を拡大して示したもので、ノヽ二カム構造体 8の壁厚を記号 t、壁間距離（ピッチ）を記号 Pで示す。

本願発明者等の研究によれば、例えば、壁厚 t = 1 . 5 mm以下、ピッチ P = 5 mm以下のハニカム構造体であれば、蓄熱体の比表面積が 6 0 Ο πι ²/ !!! ³以上となり、熱交換性能が良く、また、壁厚 tが 1 . 5 mm程度であれば、壁中心部まで熱伝導で熱が伝わり均熱化するのに 1 s程度しかかからないので、温度変化に対する応答性に優れていることが分かつた。

従来の蓄熱式バーナ用蓄熱体にあっては、上述したように、縦 l O O mm X横 1 0 0 mm X高さ 1 0 0 mm程度の直方体ハニカム構造体を組み合わせて蓄熱体を形成していたが、この形成方法では、特に、炉内ガスの流入する高温側のハニカム構造体が加熱時の熱応力によって割れる問題があり、蓄熱体の交換周期が短く、保全費用の増大と、交換のために設備を止めることによる生産機械損失の増大を招レ、ていた。

本願発明者等は、上述した目的を達成するために、特開平 8— 2 4 7 6 7 1号公報おょぴ特開平 9一 3 3 0 3 4号公報に開示される蓄熱体を提案した。この蓄熱体は、図 8に示すように、燃焼空気が送り込まれる方向にハニカム構造体を複数層積層すると共に、空気の流れに直交する断面においても複数個に分割し、且つ、ハニカム構造体の高温側（燃焼側）のガス通過流路の面積を、低温側（反燃焼側）に比ベて広く形成したものである。このように構成した理由は、下記の通りである。ハニカム構造体の割れは、蓄熱体の高さ方向-（細管の軸線方向）温度偏差に起困して発生する熱応力が材料強度限界を超えると発生するものである。従って、高温ではハニカム構造体の強度が低下することを勘案し、その大きさに制約を与えて、 _g

ハニカム構造体に発生する温度偏差を小さくすれば、割れを防止することができる。

上述した先行発明によれば、熱応力による割れが防止でき、長期間安定して使用できる蓄熱体を得ることができるが、ハニカム構造体の使用温度とハニカム構造体の形状、即ち、ハニカム構造体の高さ（h ) 、幅（w) 、奥行き（d ) 、ガス通過断面の投影面積（細管の断面積）（w X d ) および体積（w X d X h ) との関係を定量的に規定するには至っていなかった。

従って、この発明の目的は、上記先行発明に更に改良を加えて、熱応力による割れが防止でき、長期間安定して使用できる蓄熱体を得るためのハニカム構造体の使用温度とハニカム構造体の形状との関係を定量的に規定した蓄熱体を提供すること κ あ。発明の開示

第 1の発明は、多孔性ハニカム構造体からなり、前記ハニカム構造体内に一定時間、高温ガスを通過させて前記ハニカム構造体を加熱し、次の一定時間、高温に加熱された前記ハニカム構造体内に低温ガスを通過させて前記低温ガスを加熱することを繰り返し行う蓄熱体において、前記ハニカム構造体は、前記ガスの流れの方向に複数個積層されると共に、前記ガスの流れに直交する断面においても複数個に分割され、且つ、前記ハニカム構造体は、下記表 1

伹し τ ハニカムの使用温度

h /、二カムの高さ

/、二カムの幅

d ハニカムの奥行き

w X d ハニカムのガス通路断面の投影面積

x d X h ハニカムの体積で規定される関係を有していることに特徴を有するものである。図面の簡単な説明

図 1は、ハニカム構造体の耐久性の実験結果を示すグラフである。

図 2は、この発明の実施例に使用した蓄熱体を示す概略斜視図である。

図 3は、六角形状ガス通過流路のハ-カム構造体を示す概略斜視図である。

図 4は、蓄熱式バーナー加熱炉を示す概略断面図である。

図 5は、ガス通過流路面積が同一のハニカム構造体からなる蓄熱体を示す概略斜視図である。

図 6は、テストピースのハニカム構造体を示す概略斜視図である。

図 7は、ガス通過流路を示す拡大図である。

図 8は、先行発明の蓄熱体を示す概略斜視図である。発明を実施するための最良の形態

本願発明者等は、熱応力による割れが防止でき、長期間安定して使用できる、蓄熱体におけるハニカム構造体の使用温度とハニカム構造体の形状、即ち、ハニカム構造体の高さ（h ) 、幅（w；) 、奥行き（d ) 、ガス通過断面の投影面積（細管の断面積）（w X d ) および体積（w X d X h ) との関係を定量的に規定すべく下記試験を行なった。

即ち、図 4に示すような蓄熱式パーナを設置した加熱炉において、図 8に示す蓄熱体の高温側に、寸法 w、 d、 hの異なるセラミック製ハニカム構造体をテストピースとして組み込み、蓄熱式パーナの燃焼負荷を変えて温度計 T 1で測定される炉内ガス温度の平均値を 1300°Cから 400°Cまで変化させ、同時に、温度計 T 2で測定される炉內ガス温度の平均値がほぼ 200°Cで一定になるように炉內ガス流量を調節して、蓄熱体の長期耐久性試験を行なった。テストピースの材質は、ァルミナを 90%以上含むセラミックスであった。

この結果、図 1に示すような結果を得た。図 1において、横軸は、温度計 T 1で測定した炉内ガスの平均温度、縦軸は、ハニカムテストピースの寸法、 w、 d、 h を示す。また、図中の実線は、ハニカム構造体が割れなかった温度範囲を示す。

図 1から明らかなように、ハニカム構造体のガス通過断面積（wX d) およぴハ二カムの高さ（h) が小さいほうが割れにくいことが判明した。また、使用温度が低いほど、（wX d) および（h) はより大きくて良いことが判明した。なお、ここまでは、先行発明に開示されている。

この発明は、更に、具体的に、ハニカム構造体の使用温度と、ハニカム構造体の高さ（h) 、幅（w) 、奥行き（d) 、ガス通過断面の投影面積（細管の断面積）

(wX d) および体積（wX d X h) との関係を、表 2に示すように規定して、熱応力による割れが防止でき、 ft期間安定して使用できる蓄熱体を得るものである。表 2は、最も割れが発生しやすい高温側領域（1 100°C<T≤ 1200°C、 1 200°C<T) の使用温度と、ハニカム構造体の高さ（h) 、幅（w) 、奥行き（ d) 、ガス通過断面の投影面積（細管の断面積）（wX d) および体積（wX d X h) との関係を規定したものである。

表 2

但し T ハニカムの使用温度

h /、二カムの高さ .

w /、二カムの幅

d ハニカムの奥行き

w X d ハニカムのガス通路断面の投影面積

w X d X h ハニカムの体積なお、本発明者等は、ガス通過流路が上述した四角形状のハニカム構造体以外に、図 3に示す六角形状ガス通過流路のハ二カム構造体についても実験した。その結果、図 3の寸法 Xを wと読み替え、 yを dと読み替えれば、上記表 3の結果があてはまることを見出した。

次に、この発明を実施例によって更に説明する。

(実施例 1 )

炉内最高温度が 1 2 5 0 °Cの線材用連続式ビレツト加熱炉に、表 3に示す組み合わせで、図 2に示すような、縦 4 5 O mm X横 4 5 O mm X高さ 4 0 0 mmの蓄熱体を有する蓄熱式パーナを設置して 2年間使用した。こめ結果、ハニカム構造体の割れ等による不具合は顕在化しなかった。

表 3

(実施例 2 )

炉内最高温度が 1 3 5 0 °Cの熱延用連続式スラブ加熱炉に、表 4に示す組み合わ _g

せで、実施例 1と同様な寸法の蓄熱体を有する蓄熱式バーナを設置して 2年間使用した。この結果、ハニカム構造体の割れ等による不具合は顕在化しなかった。表 4

以上説明したように、この発明によれば、先行発明に更に改良を加えて、ハニカム構造体の使用温度とハニカム構造体の形状との関係を定量的に規定することによつて、熱応力による割れが防止できることから、長期間安定して使用できる蓄熱体を得ることができ、しかも、ハニカム構造体の交換周期の延長により、保全費用の低減と、交換のために設備を止めることによる生産機械損失の低滅効果が得られるといった有用な効果がもたらされる。

Claims

請求の範囲

1 . 多孔性ハニカム構造体からなり、前記ハニカム構造体内に一定時間、高温ガスを通過させて前記ハニカム構造体を加熱し、次の一定時間、高温に加熱された前記ハニカム構造体内に低温ガスを通過させて前記低温ガスを加熱することを繰り返し行う蓄熱体において、

前記ハニカム構造体は、前記ガスの流れの方向に複数個積層されると共に、前記ガスの流れに直交する断面においても複数個に分割され、且つ、前記ハニカム構造体は、下記表 5

表 5

但し T ハニカムの使用温度

h ハニカムの高さ

w ノヽニカムの幅

d ハニカムの奥行き

w X d ハニカムのガス通路断面の投影面積

w X d X h ハニカムの体積で規定される関係を有していることを特徴とする蓄熱体。