JP6525909B2

JP6525909B2 - 工業炉

Info

Publication number: JP6525909B2
Application number: JP2016051224A
Authority: JP
Inventors: 健介川端; 毅有松; 寿雄惠上
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2019-06-05
Anticipated expiration: 2036-03-15
Also published as: JP2017166732A; TW201734365A; TWI686570B; WO2017159080A1

Description

本発明は、燃焼バーナーに燃料ガスと燃焼用空気とを供給し、前記の燃焼バーナーにより燃料ガスを炉内において燃焼させ、燃焼後の燃焼排ガスを、炉内から排気管を通して排出させる工業炉に関するものである。特に、前記のように燃焼バーナーに燃料ガスと燃焼用空気とを供給して、燃焼バーナーにより燃料ガスを炉内において燃焼させるにあたり、燃焼排ガス中に有害な窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）や、またＣＯガスや炭化水素ガス（ＨＣ）等の未燃成分ガスが含まれた状態で、燃焼排ガスが排気管を通して外部に排出されるのを防止するようにした点に特徴を有するものである。

従来から、加熱炉や熱処理炉等の工業炉においては、被加熱物を加熱させるにあたり、一般に、燃焼バーナーに燃料ガスと燃焼用空気とを供給して、前記の燃焼バーナーにより燃料ガスを炉内において燃焼させ、燃焼後の燃焼排ガスを、炉内から排気管を通して排出させるようにしている。

ここで、このような工業炉において、前記のように燃焼バーナーに燃料ガスと燃焼用空気とを供給して、燃料ガスを炉内において燃焼させるにあたり、燃焼効率を高めるために、燃料ガスに対する燃焼用空気の量を多くして燃焼を行うと、燃焼時にＮＯｘが多く発生し、ＮＯｘを多く含む燃焼排ガスが炉内から排気管を通して外部に排出されて、環境を大きく害するという問題があった。特に、近年においては、燃焼排ガス中におけるＮＯｘを大幅に低減させることが要望されている。

一方、ＮＯｘが燃焼排ガスに含まれるのを抑制するために、燃料ガスに対する燃焼用空気の量を少なくして燃焼を行うと、燃焼効率が低下すると共に、燃焼排ガス中にＣＯガスや炭化水素（ＨＣ）ガス等の未燃成分ガスが多く残り、この未燃成分ガスが炉内から排気管を通して外部に排出されて、安全性や環境の点において問題があった。

そして、近年においては、特許文献１に示されるように、ラジアントチューブバーナーからの燃焼排ガスを、窒素酸化物還元触媒を用いて浄化し、得られたＮＯｘ浄化ガスに空気比μ（実際の空気量／理論空気量）が１．０以上となるように燃焼用空気を添加した後、更に酸化触媒を用いて未燃成分を酸化除去させるようにしたものが提案されている。

ここで、特許文献１に示されるものにおいては、窒素酸化物還元触媒を収容させた第１の排ガス処理部と、酸化触媒を収容させた第２の排ガス処理部とを設けると共に、この第１の排ガス処理部と第２の排ガス処理部との間に空気を供給させることが必要になり、装置が複雑になって大型化する等の問題があった。

また、排ガス処理の一つとしては、三元触媒によって、安全、環境、人体などに悪影響なＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを酸化・還元し、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２、Ｎ_２に変化させて浄化するものが知られており、例えば、特許文献２に示されるように、蓄熱層を有する交番燃焼バーナーにおいて、各バーナー部の蓄熱層に三元触媒層を設け、三元触媒層の活性条件に合わせるように、炉内空気比を０．９８〜１．０２に調整して燃焼させるようにしたものも提案されている。

しかし、特許文献２に示されるものは、使用する炉の種類や使用条件が限定されており、様々な炉において様々な条件の下で使用することは困難であった。

特開２００１−２４１６１９号公報特開平７−１３３９０５号公報

本発明は、燃焼バーナーに燃料ガスと燃焼用空気とを供給し、前記の燃焼バーナーにより燃料ガスを炉内で燃焼させ、燃焼後の燃焼排ガスを、炉内から排気管を通して排出させるようにした工業炉における前記のような問題を解決することを課題とするものである。

すなわち、本発明における工業炉においては、燃料ガスを燃焼バーナーに燃料ガスと燃焼用空気とを供給して、燃料ガスを燃焼バーナーにより炉内において燃焼させた後、燃焼排ガスを炉内から排気管を通して排出させるにあたり、燃焼排ガス中に有害なＮＯｘや、またＣＯガスや炭化水素（ＨＣ）ガス等の未燃成分ガスが含まれた状態で、燃焼排ガスが外部に排出されるのを適切に防止することを課題とするものである。

本発明に係る工業炉においては、前記のような課題を解決するため、燃焼バーナーに燃料ガスと燃焼用空気とを供給し、前記の燃焼バーナーにより燃料ガスを炉内において燃焼させ、燃焼後の燃焼排ガスを、炉内から排気管を通して排出させる工業炉において、前記の排気管に、三元触媒を収容させた排ガス処理部を設けると共に、前記の排気管に設けた排ガス処理部よりも燃焼排ガスの排出方向下流側の位置に、排ガス処理部から排出される燃焼排ガスに含まれる未燃成分ガスを燃焼させる後燃焼装置を設けるようにした。

そして、前記の工業炉においては、前記の排ガス処理部に収容させた三元触媒により、燃焼排ガスに含まれるＮＯｘを燃焼排ガスに含まれる未燃成分ガスによって還元させるようにする。この場合、燃焼バーナーに燃料ガスと燃焼用空気とを供給するにあたり、燃料ガスに対する燃焼用空気の量を少なくして燃焼用空気の空気比μを１．０以下にすると、燃焼時に発生するＮＯｘの量が少なくなって燃焼排ガスに含まれるＮＯｘが減少し、更に燃焼排ガスに含まれるＮＯｘが前記の三元触媒により燃焼排ガスに含まれる未燃成分ガスによって十分に還元されるようになる。

また、本発明に係る工業炉においては、前記の燃焼バーナーに供給する燃料ガスの一部を、前記の排気管に設けた排ガス処理部よりも燃焼排ガスの排出方向上流側の位置に導く燃料ガス案内路と、この燃料ガス案内路を通して案内する燃料ガスの量を制御する制御手段とを設けることが好ましい。

ここで、前記の制御手段においては、前記の燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物の量に対応させて、燃料ガス案内路を通して案内する燃料ガスの量を制御させるようにする。

そして、前記のように燃焼バーナーに燃料ガスと燃焼用空気とを供給するにあたり、燃焼効率を高めるために、燃料ガスに対する燃焼用空気の量が多くなった状態で、燃料ガスを前記の燃焼バーナーにより燃焼させた結果、燃焼排ガス中にＮＯｘが多く含まれるようになった場合には、前記の燃焼排ガスが排気管を通して三元触媒を収容させた排ガス処理部に導かれる前に、前記の制御手段により燃料ガス案内路を通して適当量の燃料ガスを供給させるようにする。このようにすると、ＮＯｘが多く含まれる燃焼排ガスと適当量の燃料ガスとが一緒になって排ガス処理部に導かれ、前記の三元触媒の作用によって、燃焼排ガス中におけるＮＯｘが十分に還元されて排出されるようになる。

また、本発明に係る前記の工業炉においては、前記のように排気管に設けた排ガス処理部よりも燃焼排ガスの排出方向下流側の位置に、排ガス処理部から排出される燃焼排ガスに含まれる未燃成分ガスを燃焼させる後燃焼装置を設けるようにした。このようにすると、排ガス処理部において処理された燃焼排ガス中に未燃成分ガスが残っていても、この未燃成分ガスが前記の後燃焼装置により燃焼されてＣＯ₂やＨ₂Ｏに酸化され、未燃成分ガスが排出されるのが防止されるようになる。

また、本発明に係る工業炉においては、前記の燃焼排ガスの熱によって燃焼用空気を加熱させる熱交換手段を設け、この熱交換手段によって加熱された燃焼用空気を前記の燃焼バーナーに供給させるようにすることが好ましい。このようにすると、燃焼排ガスの熱を有効に利用して、効率のよい燃焼を行うことができるようになる。

本発明における工業炉においては、燃焼バーナーに燃料ガスと燃焼用空気とを供給し、燃料ガスを炉内で燃焼させて、燃焼後の燃焼排ガスを炉内から排気管を通して排出させるにあたり、前記のように排気管に三元触媒を収容させた排ガス処理部を設け、前記の燃焼排ガスを前記の排ガス処理部に導いて、燃焼排ガス中における有害なＮＯｘや、またＣＯガスや炭化水素（ＨＣ）ガスからなる未燃成分ガスを適切に処理するようにした。

この結果、本発明における工業炉においては、燃料ガスを燃焼用空気と混合させて炉内において燃焼させた場合に、燃焼排ガス中におけるＮＯｘや未燃成分ガスが、排気管に設けた排ガス処理部において適切に処理され、燃焼排ガス中にＮＯｘや未燃成分ガスが含まれない安全な状態で、燃焼排ガスを排気管を通して外部に適切に排出できるようになる。

本発明の第１の実施（参考）形態に係る工業炉を使用する状態を示した概略説明図である。本発明の第２の実施形態に係る工業炉を使用する状態を示した概略説明図である。本発明の第３の実施（参考）形態に係る工業炉を使用する状態を示した概略説明図である。本発明の第４の実施（参考）形態に係る工業炉を使用する状態を示した概略説明図である。本発明の第５の実施形態に係る工業炉を使用する状態を示した概略説明図である。

以下、本発明の実施（参考）形態に係る工業炉を添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、本発明に係る工業炉は、下記の実施形態に示したものに限定されず、発明の要旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施できるものである。

ここで、第１の実施（参考）形態に係る工業炉においては、図１に示すように、炉１０の炉壁１１に燃焼バーナー１２を設け、この燃焼バーナー１２に、燃料ガス供給管２１を通して炭化水素（ＨＣ）ガス等の燃料ガスを供給すると共に、燃焼用空気供給管２２を通して燃焼用空気を供給し、この燃焼バーナー１２において燃料ガスと燃焼用空気とを混合させて、燃料ガスを炉１０内で燃焼させるようにしている。

また、このように燃料ガスを炉１０内で燃焼させた後の燃焼排ガスを、炉１０内から排出させる排気管１３を設け、この排気管１３に三元触媒を収容させた排ガス処理部２３を設け、炉１０内で燃焼させた後の燃焼排ガスを、前記の排気管１３を通してこの排ガス処理部２３に導き、排ガス処理部２３に収容された三元触媒によって燃焼排ガスを処理するようにしている。

ここで、この実施（参考）形態に係る工業炉において、前記の燃料ガス供給管２１と燃焼用空気供給管２２とを通して燃焼バーナー１２に燃料ガスと燃焼用空気とを供給するにあたり、燃焼時に発生するＮＯｘの量を少なくするためには、燃料ガスに対する燃焼用空気の量を少なくし、例えば、燃焼用空気の空気比μを１．０以下して、前記の燃焼バーナー１２において燃料ガスを燃焼させるようにする。

このように燃料ガスに対する燃焼用空気の量を少なくして燃焼させると、燃焼排ガスに含まれるＮＯｘが減少すると共に、この燃焼排ガス中にＣＯガスや炭化水素（ＨＣ）ガス等の未燃成分ガスが残るようになる。

そして、このようにＮＯｘと未燃成分ガスとが残った燃焼排ガスを、炉１０内から前記の排気管１３を通して排ガス処理部２３に導くと、この排ガス処理部２３に収容された三元触媒により、燃焼排ガスに残ったＮＯｘと未燃成分ガスとが反応して、ＮＯｘがＮ_２に還元されると共に、未燃成分ガスがＣＯ_２やＨ_２Ｏに酸化された状態で排出されるようになる。

ここで、このようにＮＯｘと未燃成分ガスとが残った燃焼排ガスを排ガス処理部２３に収容された三元触媒によって処理するにあたり、燃料ガスに対する燃焼用空気の量がさらに少なくなって、燃焼排ガス中における未燃成分ガスが多くなり、排ガス処理部２３に収容された三元触媒によって十分に処理されず、排ガス処理部２３から未燃成分ガスが残った燃焼排ガスが排出されるおそれがある。

このため、第２の実施形態に係る工業炉においては、図２に示すように、前記の第１の実施（参考）形態に係る工業炉において、排気管１３に設けた前記の排ガス処理部２３よりも燃焼排ガスの排出方向下流側の位置に後燃焼装置２４を設け、この後燃焼装置２４に対して、必要に応じて、後燃焼用燃料ガス供給管２４ａから後燃焼用燃料ガスと、後燃焼用空気供給管２４ｂから後燃焼用空気とを供給するようにしている。

そして、この第２の実施形態における工業炉においては、排ガス処理部２３から排出された燃焼排ガスに残った未燃成分ガスを前記の後燃焼装置２４において燃焼させ、未燃成分ガスをＣＯ_２ガスやＨ_２Ｏに酸化させて排出させるようにしている。

このため、前記の排ガス処理部２３において未燃成分ガスが十分に処理されずに、未燃成分ガスが残った燃焼排ガスが排ガス処理部２３から排出されたとしても、この未燃成分ガスが後燃焼装置２４において燃焼されて処理されるようになり、未燃成分ガスが排出されるのを確実に防止できるようになる。なお、この実施形態においては、燃焼排ガスに残った未燃成分ガスを火炎によって燃焼させる後燃焼装置２４を用いるようにしたが、後燃焼装置２４はこのようなものに限定されず、電気加熱等によって燃焼排ガスに残った未燃成分ガスを燃焼させることもできる。

次に、第３の実施（参考）形態に係る工業炉においては、図３に示すように、前記の第１の実施（参考）形態に係る工業炉において、燃焼バーナー１２に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給管２２に代えて、炉１０内からの燃焼排ガスを排ガス処理部２３に導く前記の排気管１３内に、燃焼排ガスの熱によって燃焼用空気を加熱させる熱交換部（熱交換手段）２５ａを設け、この熱交換部２５ａに燃焼用空気を案内する燃焼用空気案内管２５ｂを設けると共に、前記の熱交換部２５ａにおいて加熱された燃焼用空気を燃焼バーナー１２に供給する加熱燃焼用空気供給管２５ｃを設けている。

そして、この第３の実施（参考）形態に係る工業炉においては、前記のように燃焼用空気案内管２５ｂを通して燃焼用空気を熱交換部２５ａに導き、この熱交換部２５ａにおいて燃焼排ガスの熱によって燃焼用空気を加熱させ、このように加熱された燃焼用空気を、前記の加熱燃焼用空気供給管２５ｃを通して燃焼バーナー１２に供給し、このように加熱された燃焼用空気と燃料ガスとを燃焼バーナー１２において混合させて、燃料ガスを炉１０内で燃焼させるようにしている。

このようにすると、燃料ガスを燃焼用空気と混合させて燃焼させる際に、燃焼排ガスの熱を有効に利用することができるようになる。また、このように熱交換部２５ａにおいて燃焼排ガスと燃焼用空気との間で熱交換を行うことにより、炉１０内から排気管１３を通して前記の排ガス処理部２３に導かれる燃焼排ガスの温度が低下し、燃焼排ガスの温度が、排ガス処理部２３に収容させた三元触媒を使用する温度領域を超えた温度になるのが防止され、三元触媒によって燃焼排ガスを適切に処理できるようになる。なお、この実施（参考）形態においては、熱交換部２５ａを排気管１３内に設けるようにしたが、熱交換部２５ａを排気管１３の外部に設けるようにすることも可能である。

次に、第４の実施（参考）形態に係る工業炉においては、図４に示すように、前記の第１の実施（参考）形態に係る工業炉において、燃料ガス供給管２１を通して燃焼バーナー１２に供給する燃料ガスの一部を、前記の排気管１３に設けた排ガス処理部２３よりも燃焼排ガスの排出方向上流側の位置に導く燃料ガス案内路２６と、この燃料ガス案内路２６を通して排ガス処理部２３よりも燃焼排ガスの排出方向上流側の位置における排気管１３に供給する燃料ガスの量を制御する制御弁（制御手段）２６ａとを設けている。

そして、この第４の実施（参考）形態に係る工業炉においては、前記の燃焼バーナー１２において燃焼された後の燃焼排ガスに含まれるＮＯｘの量に対応させて、前記の制御弁２６ａにより、燃料ガス案内路２６を通して排ガス処理部２３よりも燃焼排ガスの排出方向上流側の位置における排気管１３に供給する燃料ガスの量を制御するようにしている。

ここで、前記の燃料ガス供給管２１と燃焼用空気供給管２２とを通して燃焼バーナー１２に供給する燃料ガスと燃焼用空気とを供給するにあたり、燃焼効率を高めるために、燃焼用空気の空気比μが１．０を超えるように、燃料ガスに対する燃焼用空気の量を多くして、燃料ガスを前記の燃焼バーナー１２において燃焼させた場合、十分な量の燃焼用空気によって燃料ガスが燃焼され、燃焼排ガス中におけるＣＯガスや炭化水素（ＨＣ）ガス等の未燃成分ガスが減少する一方、燃焼時にＮＯｘが多く発生して、燃焼排ガス中にＮＯｘが多く含まれるようになる。

そして、このように燃焼排ガス中にＮＯｘが多く含まれるようになった場合には、前記の制御弁２６ａにより、前記の燃料ガス案内路２６を通して排ガス処理部２３よりも燃焼排ガスの排出方向上流側の位置における排気管１３に案内する燃料ガスの量を制御して、適当量の燃料ガスを排ガス処理部２３よりも燃焼排ガスの排出方向上流側の位置に供給し、前記のＮＯｘが多く含まれる燃焼排ガスと一緒にして、三元触媒を収容させた排ガス処理部２３に導くようにする。このようにすると、排ガス処理部２３に収容された三元触媒の作用によって、燃焼排ガス中におけるＮＯｘが燃料ガスとが反応して、ＮＯｘがＮ_２に還元されると共に、燃料ガスがＣＯ_２やＨ_２Ｏに酸化された状態で排出されるようになる。

次に、第５の実施形態に係る工業炉においては、図５に示すように、前記の第４の実施（参考）形態に係る工業炉において、前記の第２の実施形態に係る工業炉に示すように、前記の排ガス処理部２３よりも燃焼排ガスの排出方向下流側の位置における排気管１３に後燃焼装置２４を設けると共に、前記の第３の実施（参考）形態に係る工業炉に示すように、炉１０内からの燃焼排ガスを排ガス処理部２３に導く排気管１３内に、燃焼排ガスの熱によって燃焼用空気を加熱させる熱交換部２５ａを設け、この熱交換部２５ａに加熱させる燃焼用空気を案内する燃焼用空気案内管２５ｂを設けると共に、前記の熱交換部２５ａにおいて加熱された燃焼用空気を燃焼バーナー１２に供給する加熱燃焼用空気供給管２５ｃを設けている。

そして、この第５の実施形態に係る工業炉においては、前記の第３の実施（参考）形態に係る工業炉と同様に、燃焼用空気案内管２５ｂを通して燃焼用空気を熱交換部２５ａに導き、この熱交換部２５ａにおいて燃焼排ガスの熱によって燃焼用空気を加熱させ、このように加熱された燃焼用空気を、前記の加熱燃焼用空気供給管２５ｃを通して燃焼バーナー１２に供給し、加熱された燃焼用空気と燃料ガスとを燃焼バーナー１２において混合させて、燃料ガスを炉１０内で燃焼させるようにする。

このようにすると、前記のように燃料ガスを燃焼用空気と燃料ガスとを混合させて燃焼させる際に、燃焼排ガスの熱を有効に利用することができるようになると共に、炉１０から排ガス処理部２３に導かれる燃焼排ガスの温度が低下し、燃焼排ガスの温度が、排ガス処理部２３に収容させた三元触媒を使用する温度領域を超えた温度なるのが防止され、三元触媒によって燃焼排ガスを適切に処理できるようになる。

また、この第５の実施形態に係る工業炉において、前記の燃料ガス案内路２６を通して案内される燃料ガスの量が多くなって、燃焼排ガス中におけるＮＯｘをＮ_２に還元させるのに必要とされる量よりも多くの燃料ガスが排ガス処理部２３に導かれるようになると、排ガス処理部２３から未燃成分ガスが残った燃焼排ガスが排出されるようになる。このような場合には、前記の第２の実施形態における工業炉と同様に、排ガス処理部２３から排出された燃焼排ガスに残った未燃成分ガスを後燃焼装置２４において燃焼させ、未燃成分ガスをＣＯ_２ガスやＨ_２Ｏに酸化させて排出させるようにすることができる。

１０：炉
１１：炉壁
１２：燃焼バーナー
１３：排気管
２１：燃料ガス供給管
２２：燃焼用空気供給管
２３：排ガス処理部
２４：後燃焼装置
２４ａ：後燃焼用燃料ガス供給管
２４ｂ：後燃焼用空気供給管
２５ａ：熱交換部（熱交換手段）
２５ｂ：燃焼用空気案内管
２５ｃ：加熱燃焼用空気供給管
２６：燃料ガス案内路
２６ａ：制御弁（制御手段）
μ ：空気比

Claims

燃焼バーナーに燃料ガスと燃焼用空気とを供給し、前記の燃焼バーナーにより燃料ガスを炉内において燃焼させ、燃焼後の燃焼排ガスを、炉内から排気管を通して排出させる工業炉において、前記の排気管に、三元触媒を収容させた排ガス処理部を設けると共に、前記の排気管に設けた排ガス処理部よりも燃焼排ガスの排出方向下流側の位置に、排ガス処理部から排出される燃焼排ガスに含まれる未燃成分ガスを燃焼させる後燃焼装置を設けたことを特徴とする工業炉。
請求項１に記載の工業炉において、前記の排ガス処理部に収容させた三元触媒により、燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物を燃焼排ガスに含まれる未燃成分ガスによって還元させることを特徴とする工業炉。
請求項１に記載の工業炉において、前記の燃焼バーナーに供給する燃料ガスの一部を、前記の排気管に設けた排ガス処理部よりも燃焼排ガスの排出方向上流側の位置に導く燃料ガス案内路と、この燃料ガス案内路を通して案内する燃料ガスの量を制御する制御手段とを設けたことを特徴とする工業炉。
請求項３に記載の工業炉において、前記の燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物の量に対応させて、前記の制御手段により燃料ガス案内路を通して排気管に案内する燃料ガスの量を制御することを特徴とする工業炉。
請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の工業炉において、前記の燃焼排ガスの熱によって燃焼用空気を加熱させる熱交換手段を設け、この熱交換手段によって加熱された燃焼用空気を前記の燃焼バーナーに供給させることを特徴とする工業炉。