バーナ装置及びそれを備える工業炉
【課題】バーナ装置において、ケミカルヒートポンプを利用することで、高効率での燃焼空気の加熱を実現する。
【解決手段】バーナ装置１は、バーナ３と、バーナ３の燃焼排ガスから回収した熱でバーナ３に供給される燃焼空気を予熱するレキュペレータ４と、レキュペレータ４に供給後の燃焼排ガスから熱を吸収し、吸収した熱をバーナ３に供給される前の燃焼空気に放出するケミカルヒートポンプ５を備える。ケミカルヒートポンプ５は、それぞれ蓄熱モード、待機モード、及び放熱モードを繰り返す。
【解決手段】バーナ装置１は、バーナ３と、バーナ３の燃焼排ガスから回収した熱でバーナ３に供給される燃焼空気を予熱するレキュペレータ４と、レキュペレータ４に供給後の燃焼排ガスから熱を吸収し、吸収した熱をバーナ３に供給される前の燃焼空気に放出するケミカルヒートポンプ５を備える。ケミカルヒートポンプ５は、それぞれ蓄熱モード、待機モード、及び放熱モードを繰り返す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナ装置及びそれを備える工業炉（各種金属加熱炉等を含む）に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業炉では、バーナから生じる燃焼排ガスはレキュペレータ、リジェネレイティブバーナといった熱交換装置においてその熱を回収し、燃焼に必要な空気を予熱することで熱効率を高め、省エネルギーを図ってきた（例えば、レキュペレータについて特許文献１参照、リジェネレイティブバーナについて特許文献２参照）。
【０００３】
しかし、レキュペレータの場合、熱交換後の排ガス温度は４００℃程度で予熱空気温度は５００℃程度であり、充分な熱回収が行われているわけではなく、更なる熱回収が望まれている。
【０００４】
また、リジェネレイティブバーナでは、熱交換後の排ガス温度は２００℃程度で予熱空気の温度は１０００℃程度となり、レキュペレータに比べて熱回収は改善されているが、２００℃程度の排ガスからも熱回収ができればさらなる省エネルギーが可能となる。また、現状では熱交換に必要な排ガス量は全体の約８０％であり、残りの約２０％は炉内被加熱物との熱交換後に８００℃程度で廃棄されており、有効利用されていない。
【０００５】
一方、吸熱や発熱反応を伴う化学反応を用いて蓄熱、吸熱を行うケミカルヒートポンプが知られている（例えば、特許文献３参照）。このケミカルヒートポンプは、その名の通り、入力以上の温度を出力させることができる。例えば、酸化カルシウム、水、及び水酸化カルシウムを用いた以下の反応式で示す系が挙げられる。
【０００６】
【数１】
【０００７】
この系では、Ca(OH)2に熱を加えることで反応が左に進み、CaOとH2O（水蒸気）が得られ、水蒸気を凝縮させて水として分離することで逆反応の進行を抑制できる。左向きの反応が終了後、得られたCaOに分離凝縮させていた水を蒸発させて水蒸気として供給することで反応が右に進み、熱量ＱＨを得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３８２８９６８号公報
【特許文献２】特公平７−２６７３０号公報
【特許文献３】特開平１−４９８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、バーナ装置における燃焼排ガスからの熱回収と燃焼空気の加熱にケミカルヒートポンプを利用することで、高効率での燃焼空気の加熱を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様は、バーナと、前記バーナの燃焼排ガスから回収した熱で前記バーナに供給される燃焼空気を予熱する主熱交換部と、前記主熱交換部に供給される前又は後の前記燃焼排ガスから熱を吸収し、吸収した熱を前記バーナに供給される前の前記燃焼空気に放出するケミカルヒートポンプとを備える、バーナ装置を提供する。
【００１１】
本発明のバーナ装置は、主熱交換部に加えてケミカルヒートポンプを備えることで高効率で燃焼空気を加熱できる。特に、ケミカルヒートポンプを備えることで燃焼空気を燃焼排ガスの温度よりも高い温度に加熱できる。また、ケミカルヒートポンプを備えることで、前記主熱交換部に供給された後の燃焼排ガス、つまり低温熱源からの熱回収を行って燃焼空気の加熱に利用できる。
【００１２】
例えば、前記主熱交換部はレキュペレータである。レキュペレータにケミカルヒートポンプを組み合わせることで、燃焼空気の高温化により燃料消費量を減少できる。また、燃焼排ガスが８００℃以下であっても、燃焼空気を８００℃以上に予熱できるので、省エネに適した高温空気燃焼を実現できる。
【００１３】
あるいは、前記主熱交換部はリジェネレイティブバーナの蓄熱体である。
【００１４】
リジェネレイティブバーナにケミカルヒートポンプを組み合わせて燃焼空気の加熱効率を向上することで、特にバーナ装置を新設する場合、蓄熱体を小型化することでき、排ガス吸引率（燃焼排ガス全体に対する蓄熱体の加熱に使用される燃焼排ガスの割合）も低減できる。その結果、排ガス吸引ファンを低容量化できる。また、蓄熱体の加熱に使用されることなく排出される高温排ガス量が増加し、例えば廃熱回収ボイラによる熱回収量を増やすことができる。
【００１５】
バーナ装置が新設と既存のいずれの場合でも、リジェネレイティブバーナにケミカルヒートポンプを組み合わせて燃焼空気の加熱効率を向上することで、バーナの切換え時間が延びる。その結果、例えば切換えバルブのようなバーナの切換えのための機器を長寿命化できる。バーナの切換え時間が延びることで、バーナの切換え時に炉内に生じる温度や圧力の変動を抑制でき、炉内均一性も向上する。
【００１６】
既存のバーナ装置の場合も、リジェネレイティブバーナにケミカルヒートポンプを組み合わせて燃焼空気の加熱効率を向上することで、燃焼空気の加熱効率の向上により、排ガス吸引率を低減できるので、排ガス吸引ファンの低容量化と高温排ガス量の増加を図ることができる。
【００１７】
具体的には、前記ケミカルヒートポンプは、化学蓄熱材が収容され、この化学蓄熱材と前記燃焼排ガス及び前記燃焼空気との間での熱交換のための熱交換器が設けられた反応部と、前記反応部において前記化学蓄熱材が前記燃焼排ガスから吸熱する際の生成物質を前記反応部から取り出して凝縮させ、前記反応部において前記化学蓄熱材が前記燃焼空気に放熱する際に前記生成物質を蒸発させて前記反応部に供給する凝縮蒸発部とを備える。
【００１８】
より具体的には、前記ケミカルヒートポンプは、３個の前記反応部を備え、個々の前記反応部は、前記化学蓄熱材が前記燃焼排ガスから吸熱する蓄熱モード、前記化学蓄熱材と前記燃焼排ガス及び前記燃焼空気との間での熱交換を行わない待機モード、及び前記化学蓄熱材が前記燃焼空気に放熱する放熱モードを繰り返し、前記３個の反応部間で、前記蓄熱モード、前記待機モード、及び放熱モードを繰り返す周期が互いにずれている。
【００１９】
この構成により、ケミカルヒートポンプによる燃焼空気の加熱効率の時間的な変動を抑制し、安定して燃焼空気を加熱できる。
【００２０】
好ましくは、個々の前記反応部の前記放熱モードの終了タイミングより前に、次の前記反応部における前記放熱モードの開始タイミングが到来する。このようにすると、３個の反応部で順に実行される放熱モード間に時間的なオーバーラップを設けることで、ケミカルヒートポンプによる燃焼空気の加熱効率の時間的な変動をさらに効果的に抑制できる。ここで便宜上、反応部を３個としたが、同じ動作が可能であれば３個以上の反応部を設けてもよいことは言うまでもない。
【００２１】
本発明の第２の態様は、前記のバーナ装置を備える工業炉を提供する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のバーナ装置は、燃焼排ガスからの熱の回収と回収した熱による燃焼空気の予熱のために、主熱交換部（レキュペレータやリジェネレイティブバーナ）に加えてケミカルヒートポンプを備えるので、主熱交換部に供給後の燃焼排ガス（つまり、低温熱源）からも熱回収して高効率で燃焼空気を加熱でき、燃焼空気を燃焼排ガスの温度以上の高温に加熱できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態のバーナ装置を備える炉を示す模式図。
【図２】本発明の第１実施形態のバーナ装置を示すブロック図。
【図３】１つの反応器のみに着目した場合の構造を示すブロック図。
【図４Ａ】反応器の運転モードを説明するための概念図。
【図４Ｂ】反応器の運転モードの代案を説明するための概念図。
【図５】反応器の運転モードの切り換えを説明するための模式的なタイムチャート。
【図６】各運転モードにおける弁の開閉状態を説明するための模式的なタイムチャート。
【図７Ａ】本発明の第１実施形態のバーナ装置の運転状態を示すブロック図。
【図７Ｂ】本発明の第１実施形態のバーナ装置の運転状態を示すブロック図。
【図７Ｃ】本発明の第１実施形態のバーナ装置の運転状態を示すブロック図。
【図８】本発明の第２実施形態のバーナ装置を備える炉を示す模式図。
【図９】本発明の第２実施形態のバーナ装置を示すブロック図。
【図１０Ａ】本発明の第２実施形態のバーナ装置の運転状態を示すブロック図。
【図１０Ｂ】本発明の第２実施形態のバーナ装置の運転状態を示すブロック図。
【図１０Ｃ】本発明の第２実施形態のバーナ装置の運転状態を示すブロック図。
【図１１】本発明の変形例のバーナ装置を示すブロック図。
【図１２】本発明の他の変形例のバーナ装置を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るバーナ装置１を備える工業炉２を概略的に示す。バーナ装置１は、バーナ３、レキュペレータ（主熱交換部）４、及びケミカルヒートポンプ５を備える。工業炉２の炉壁に取り付けられたバーナ３は、空気ライン７を介して燃焼空気ファン８から送り込まれる燃焼空気と共に燃料を炉内に噴出し、炉内で燃焼させる。燃焼排ガスを炉外に排出するための排ガスライン９にレキュペレータ４が設けられている。このレキュペレータ４において、排ガスライン９を通って排出される燃焼排ガスと空気ライン７を通ってバーナ３に送り込まれる燃焼空気との間で熱交換が行われ、燃焼空気が加熱される（一次熱交換）。空気ライン７はケミカルヒートポンプ５を通過している。レキュペレータ４において燃焼排ガスと熱交換した燃焼空気は、ケミカルヒートポンプ５において後述する化学蓄熱材１４と熱交換を行ってさらに加熱される（二次熱交換）。
【００２６】
図２及び図３を参照すると、ケミカルヒートポンプ５は、３個の反応器（反応部）Ａ，Ｂ，Ｃ、凝縮器１１、冷熱源１２、及び蒸発器１３を備える。
【００２７】
個々の反応器Ａ〜Ｃには、化学蓄熱材１４として水酸化カルシウムが収容されている。また、個々の反応器Ａ〜Ｃ内には第１熱交換器１５が配置されている。
【００２８】
前述の空気ライン７は、上流側空気ライン７ａと下流側空気ライン７ｂとを備える。上流側空気ライン７ａは、上流側が燃焼空気ファン８に接続され、下流側が空気入口バルブ１６ａを介して個々の反応器Ａ〜Ｃの第１熱交換器１５の入口に接続されている。一方、下流側空気ライン７ｂは、上流側が空気出口バルブ１６ｂを介して個々の反応器Ａ〜Ｃの第１熱交換器１５の出口に接続され、下流側がバーナ３に接続されている。
【００２９】
排ガスライン９においては、レキュペレータ４よりも下流側で排ガスライン９から分岐し、ケミカルヒートポンプ５を経て再び排ガスライン９に合流する迂回ライン１７が設けられている。この迂回ライン１７は、上流側迂回ライン１７ａと下流側迂回ライン１７ｂとを備える。上流側迂回ライン１７ａは、上流側が排ガスライン９に接続され、下流側が排ガス入口バルブ１８ａを介して個々の反応器Ａ〜Ｃの第１熱交換器１５の入口に接続されている。一方、下流側迂回ライン１７ｂは、上流側が排ガス出口バルブ１８ｂを介して個々の反応器Ａ〜Ｃの第１熱交換器１５の出口に接続され、下流側が排ガスライン９に接続されている。下流側迂回ライン１７ｂには、蒸発器１３の第２熱交換器１９が介装されている。
【００３０】
反応器Ａ〜Ｃと凝縮器１１を接続する蒸気取出ライン２１が設けられている。この蒸気取出ライン２１は、上流側が蒸気出口バルブ２２ｂを介して個々の反応器Ａ〜Ｃに接続され、下流側が凝縮器１１に接続されている。
【００３１】
反応器Ａ〜Ｃと蒸発器１３を接続する蒸気供給ライン２３が設けられている。この蒸気供給ライン２３は、上流側が蒸発器１３に接続され、下流側が蒸気入口バルブ２２ａを介して個々の反応容器Ａ〜Ｃに接続されている。
【００３２】
凝縮器１１と蒸発器１３は、常開の仕切バルブ２４が介設された凝縮水供給ライン２５で接続されている。
【００３３】
コントローラ２７は、バーナ３、燃焼空気ファン８、及び図示しない燃料供給装置による炉内での燃焼を制御すると共に、ケミカルヒートポンプ５をバルブ１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ，２２ａ，２２ｂ，２４の開閉により制御する。
【００３４】
図４Ａに概念的に示すように、本実施形態では、ケミカルヒートポンプ５が備える３個の反応器Ａ〜Ｃはそれぞれ、蓄熱モード、待機モード、及び放熱モードをこの順で繰り返す。また、図５に概念的に示すように、３個の反応器Ａ〜Ｃ間で蓄熱モード、待機モード、及び放熱モードを繰り返す周期が互いにずれている。まず、反応器Ａが蓄熱モードのとき、反応器Ｂは放熱モードで反応器Ｃは待機モードである。また、反応器Ａが待機モードのとき、反応器Ｂは蓄熱モードで反応器Ｃは放熱モードである。さらに、反応器Ａが放熱モードのとき、反応器Ｂは待機モードで反応器Ｃは蓄熱モードである。図６に示すように、個々の反応器Ａ〜Ｃにおける蓄熱モード、待機モード、及び放熱モードは、空気入口バルブ１６ａ、空気出口バルブ１６ｂ、排ガス入口バルブ１８ａ、排ガス出口バルブ１８ｂ、蒸気入口バルブ２２ａ、及び蒸気出口バルブ２２ｂの開閉をコントローラ２７が制御することで実現される。なお、図４Ｂに概念的に示すように、個々の反応器Ａ〜Ｃが本実施形態とは逆の順序、すなわち、蓄熱モード、放熱モード、及び待機モードの順でモードを繰り返してもよい。
【００３５】
以下、主として反応器Ａに着目して蓄熱モード、待機モード、及び放熱モードについて具体的に説明する。なお、図７Ａから図７Ｃにおいて、開弁しているバルブは黒塗りで示し、閉弁しているバルブは白抜きで示す。
【００３６】
まず、蓄熱モードについて説明する。蓄熱モードでは、反応器Ａ〜Ｃの化学蓄熱材１４が燃焼排ガスから熱を吸収して蓄積する。図７Ａに示すように反応器Ａが蓄熱モードのとき、反応器Ａの空気入口バルブ１６ａと空気出口バルブ１６ｂは閉弁し、排ガス入口バルブ１８ａと排ガス出口バルブ１８ｂは開弁している。また、反応器Ａが蓄熱モードのとき、反応器Ａの蒸気入口バルブ２２ａは閉弁し、蒸気出口バルブ２２ｂは開弁している。
【００３７】
反応器Ａが蓄熱モードのとき、レキュペレータ４を通過後の燃焼排ガスの一部が排ガスライン９から、上流側迂回ライン１７ａ及び開弁している排ガス入口バルブ１８ａを介して反応器Ａの第１熱交換器１５の入口に供給され、第１熱交換器１５を通過する。さらに、燃焼排ガスは反応器Ａの第１熱交換器１５の出口から開弁している排ガス出口バルブ１８ｂを介して下流側迂回ライン１７ｂに流入し、蒸発器１３の第２熱交換器１９を通って排ガスライン９に戻る。
【００３８】
蓄熱モードの反応器Ａでは第１熱交換器１５において燃焼排ガスの熱（熱量ＱＨ）が以下の式（１）における左向きの化学反応によって化学蓄熱材１４に吸収される。つまり、水酸化カルシウムに燃焼排ガスの熱ＱＨが加えられることで吸熱反応が起こり、水酸化カルシウムが酸化カルシウムとなると共に水蒸気が生成される。
【００３９】
【数２】
【００４０】
吸熱反応によって反応器Ａ内で生成された水蒸気は、開弁している蒸気出口バルブ２２ｂ及び蒸気取出ライン２１を通って凝縮器１１に供給される。凝縮器１１内では、冷熱源１２（例えば冷却水）との熱交換により水蒸気が凝縮して水となり凝縮熱ＱＬを放出する。凝縮器１１の水は凝縮水供給ライン２５及び開弁している仕切バルブ２４を介して蒸発器１３に供給される。
【００４１】
前述のように、反応器Ａの第１熱交換器１５から下側迂回ライン１７ｂに流入した燃焼排ガスは排ガスライン９に戻る前に蒸発器１３の第２熱交換器１９を通る。第２熱交換器１９を通過する燃焼排ガスと、蒸発器１３内の水（凝縮器１１で凝縮した水）との間で熱交換が行われる。この熱交換により、蒸発器１３内の水は燃焼排ガスから蒸発熱ＱＬを吸収して蒸発して水蒸気となる。蒸発器１３で生成された水蒸気は、反応器Ａが蓄熱モードであるときに放熱モードである反応器Ｂへ蒸気供給ライン２３を介して供給される。
【００４２】
次に、待機モードについて説明する。待機モードでは、反応器Ａ〜Ｃの化学蓄熱材１４は燃焼排ガス及び燃焼空気のいずれとも熱交換を行わない。図７Ｂに示すように反応器Ａが待機モードのとき、空気入口バルブ１６ａ、空気出口バルブ１６ｂ、排ガス入口バルブ１８ａ、排ガス出口バルブ１８ｂ、蒸気入口バルブ２２ａ、及び蒸気出口バルブ２２ｂはいずれも閉弁されている。つまり、待機モードにある反応器Ａは、バーナ３、空気ライン７、排ガスライン９、凝縮器１１、及び蒸発器１３のいずれからも遮断されている。
【００４３】
次に、放熱モードについて説明する。放熱モードでは、反応器Ａ〜Ｃの化学蓄熱材１４は蓄熱モードにおいて蓄積した熱を放出して燃焼空気を加熱する。図７Ｃに示すように反応器Ａが放熱モードのとき、反応器Ａの空気入口バルブ１６ａと空気出口バルブ１６ｂは開弁し、排ガス入口バルブ１８ａと排ガス出口バルブ１８ｂは閉弁している。また、反応器Ａが放熱モードのとき、反応器Ａの蒸気入口バルブ２２ａは開弁し、蒸気出口バルブ２２ｂは閉弁している。
【００４４】
反応器Ａが放熱モードのとき、蒸発器１３で生成された水蒸気（蓄熱モードである反応器Ｃから第２熱交換器１９に供給される燃焼排ガスとの熱交換により生成される。）が、蒸気供給ライン２３及び開弁している蒸気入口バルブ２２ａを介して、反応容器Ａ内に供給される。水蒸気（H2O）が供給された反応器Ａ内では、前述の式（１）における右向きの化学反応によって化学蓄熱材１４が前回の蓄熱モードで蓄えた熱ＱＨを放出する。つまり、酸化カルシウムに水が加えられることで発熱反応が起こり、水酸化カルシウムの生成と共に熱ＱＨが発生する。
【００４５】
反応器Ａが放熱モードのとき、レキュペレータ４を通過後の燃焼空気は、上流側空気ライン７ａ及び開弁している空気入口バルブ１６ａを介して反応器Ａの第１熱交換器１５の入口に供給され、第１熱交換器１５を通過する。前述のように反応器Ａ内では化学蓄熱材１４が熱ＱＨを放出しているので、第１熱交換器１５を通過する燃焼空気は化学蓄熱材１４との熱交換により加熱される。
【００４６】
本実施形態のバーナ装置１は、特に以下に列挙する特徴がある。
【００４７】
レキュペレータ４にケミカルヒートポンプ５を組み合わせることで、高効率で燃焼空気を加熱できる。高効率で加熱することで燃焼空気を高温化でき、燃料消費量を減少できる。また、ケミカルヒートポンプ５を備えることで燃焼空気を燃焼排ガスの温度よりも高い温度に加熱できる。例えば、燃焼排ガスが８００℃以下であっても、燃焼空気を８００℃以上に予熱でき、省エネに適した高温空気燃焼を実現できる。また、ケミカルヒートポンプ５を備えることで、レキュペレータ４に供給された後の燃焼排ガス、つまり低温熱源からの熱回収を行って燃焼空気の加熱に利用できる。ただし、燃焼排ガスをレキュペレータ４通過する前にケミカルヒートポンプ５の反応器Ａ〜Ｃのうち蓄熱モードのものに供給し、その後にレキュペレータ４に供給してもよい。
【００４８】
図５に示すように、３個の反応器Ａ〜Ｃが蓄熱モード、待機モード、及び放熱モードを順に繰り返し、かつ反応器Ａ〜Ｃ間でこれらのモードを繰り返す周期が互いにずれている。そのため、３個の反応器Ａ〜Ｃのうちのいずれかが常に放熱モードにあり、燃焼空気を加熱する。そのため、ケミカルヒートポンプ５による燃焼空気の加熱効率の時間的な変動を抑制し、安定して燃焼空気を加熱できる。
【００４９】
なお、図５において符号ｔで示すように、反応器Ａ〜Ｃのうちのいずれかの放熱モードの終了タイミングＴｅよりも前に、反応器Ａ〜Ｃのうちの次に放熱モードとなるもの（例えば、反応器Ａが放熱モードである場合、その次に放熱モードとなるのは反応器Ｂである。）の、放熱モードの開始タイミングＴｓが到来することが好ましい。このように、３個の反応器Ａ〜Ｃで順に実行される放熱モード間に時間的なオーバーラップｔを設けることで、反応器Ａ〜Ｃのうちの一つ（例えば反応器Ｂ）が放熱モードを開始してから充分な発熱反応が得られるまでの間の発熱量不足を反応器Ａ〜Ｃのうちのそれまで放熱モードであったもの（例えば反応器Ａ）が発熱量不足を補うので、ケミカルヒートポンプ５による燃焼空気の加熱効率の時間的な変動を、さらに効果的に抑制できる。なお、本実施形態では蓄熱モード後に待機モードとしているが、前述した図４Ｂのように放熱モード後に待機モードとする場合も、同様の時間的なオーバーラップを設けることで燃焼空気の加熱効率の時間的な変動を抑制できる。
【００５０】
（第２実施形態）
次に、図８から図１０Ｃを参照して本発明の第２実施形態に係るバーナ装置１を備える工業炉２を説明する。これらの図において、第１実施形態と同一の要素には同一の符号を付している。
【００５１】
本実施形態におけるバーナ装置１はリジェネレイティブバーナであり、対をなす２個のバーナ３Ａ，３Ｂを備える。個々のバーナ３Ａ，３Ｂ毎に、蓄熱体３１Ａ，３１Ｂが収容された蓄熱室３２Ａ，３２Ｂが設けられている。図８を参照すると、燃焼空気ファン８とバーナ３Ａ，３Ｂまでの空気ライン７の一部である下流側空気ライン７ｂは、下流側が給気切換バルブ３３Ａ，３３Ｂを介して個々の蓄熱室３２Ａ，３２Ｂに接続されている。また、図８を参照すると、排ガスライン９のうち上流側排ガスライン９ａは、上流側が排気切換バルブ３４Ａ，３４Ｂを介して個々の蓄熱室３２Ａ，３２Ｂに接続されている。さらに、排ガスライン９のうち下流側排ガスライン９ｂは、下流側が排ガス吸引ファン３５に接続されている。図８にのみ示すように、排ガスライン９にはケミカルヒートポンプ５を通過する排ガス量を調整するための調整弁４１が設けられている。
【００５２】
コントローラ２７は、給気切換バルブ３３Ａ，３３Ｂと排気切換３４Ａ，３４Ｂの開閉を制御し、一定時間毎に２つのバーナ３Ａ，３Ｂを燃焼側と排気側に切り変える。例えば、給気切換バルブ３３Ａを開弁する一方、吸気側切換バルブ３３Ｂを閉弁し、かつ排気切換バルブ３４Ａを閉弁して排気側切換バルブ３４Ｂを開弁する（第１の状態）。この第１の状態では、燃焼空気ファン８から供給される燃焼空気がケミカルヒートポンプ５と蓄熱体３１Ａで予熱されてバーナ３Ａで燃料と共に噴出され、炉内で燃料を燃焼させる。また、第１の状態では、炉内の燃焼排ガスは排ガス吸引ファン３５の吸引により蓄熱室３２Ｂ内の蓄熱体３１Ｂを通過後に排気され、その際に熱交換して蓄熱体３１Ｂを加熱する。つまり、第１の状態では、バーナ３Ａが燃焼側でバーナ３Ｂが排気側となり、排気側の蓄熱体３１Ｂが加熱される。給気切換バルブ３３Ａ，３３Ｂと排気切換バルブ３４Ａ，３４Ｂの開閉状態が第１の状態とは逆（第２の状態）となると、バーナ３Ｂが燃焼側でバーナ３Ａが排気側となり、排気側の蓄熱体３１Ａが加熱される。炉内で発生した燃焼排ガスのすべてが排ガス吸引ファン３５の吸引により排ガスライン９を通って排気されるのではなく、一部は主排ガスライン３６を介して排出される。例えば、一方のバーナ３Ａによる燃焼中、燃焼空気ファン８から送り込まれる空気は、まずケミカルヒートポンプ５において後述する化学蓄熱材１４と熱交換（一次熱交換）を行って加熱され、その後、バーナ３Ａ側の蓄熱室３２Ａの蓄熱体３１Ａ（他方のバーナ３Ｂによる燃焼中に加熱済み）と熱交換してさらに加熱される。
【００５３】
ケミカルヒートポンプ５の構成は第１実施形態と同様である。図９をさらに参照すると、ケミカルヒートポンプ５が備える３個の反応器Ａ〜Ｃ（硫酸カルシウム等の化学蓄熱材１４を収容している）の第１熱交換器１５の入口は、蓄熱体３１Ａ，３１Ｂよりも下流側の排ガスライン９から分岐した上流側迂回ライン１７ａと排ガス入口バルブ１８ａを介して接続され、一方、第１熱交換器１５の出口は排ガス出口バルブ１８ｂを介して下流側迂回ライン１７ｂ（排ガスライン９に合流する）に接続されている。また、反応器Ａ〜Ｃの第１熱交換器１５の入口は燃焼空気ファン８に接続された上流側空気ライン７ａと空気入口バルブ１６ａを介して接続され、一方、第１熱交換器１５の出口は空気出口バルブ１６ｂを介して下流側空気ライン７ｂに接続されている。さらに、反応器Ａ〜Ｃは、蒸気出口バルブ２２ｂを介設した蒸気取出ライン２１により凝縮器１１に接続され、蒸気入口バルブ２２ａを介設した蒸気供給ライン２３により蒸発器１３に接続されている。凝縮器１１と蒸発器１３は仕切バルブ２４を介設した凝縮水供給ライン２５で接続されている。
【００５４】
第１実施形態と同様に、図１０Ａ〜図１０Ｃに示すように、空気入口バルブ１６ａ、空気出口バルブ１６ｂ、排ガス入口バルブ１８ａ、排ガス出口バルブ１８ｂ、及び蒸気入口バルブ２２ａ、蒸気出口バルブ２２ｂの開閉を制御することで、３個の反応器Ａ〜Ｃが蓄熱モード、待機モード、及び放熱モードをこの順で繰り返し、かつ反応器Ａ〜Ｃ間でモードを繰り返す周期が互いにずれている。
【００５５】
本実施形態のバーナ装置１は、特に以下に列挙する特徴がある。
【００５６】
リジェネレイティブバーナ（蓄熱体３１Ａ，３１Ｂ）にケミカルヒートポンプ５を組み合わせることで、高効率に燃焼空気を加熱できる。例えば、蓄熱体３１Ａ，３１Ｂで熱交換後の２００℃程度の燃焼排ガスからの蓄熱と、それによる燃焼空気の加熱が可能である。特にバーナ装置１を新設する場合、ケミカルヒートポンプ５を利用して高効率で燃焼空気を加熱することで、蓄熱体３１Ａ，３１Ｂを小型化することでき、排ガス吸引率も低減できる。ここで、排ガス吸引率は排ガスライン９及び主排ガスライン３６を通って排出される燃焼排ガス全体に対する蓄熱体３１Ａ，３１Ｂの加熱に使用される燃焼排ガス（排ガスライン９を通って排出される燃焼排ガス）の割合である。排ガス吸引率の低減により、排ガス吸引ファン３５の低容量化できる。また、蓄熱体３１Ａ，３１Ｂの加熱に使用されることなく主排ガスライン３６から排出される高温排ガス量が増加し、例えば廃熱回収ボイラによる熱回収量を増やすことができる。
【００５７】
バーナ装置１が新設と既存のいずれの場合でも、リジェネレイティブバーナにケミカルヒートポンプ５を組み合わせて燃焼空気の加熱効率を向上することで、バーナ３Ａ，３Ｂの切換え時間が延びる。その結果、例えば給気切換バルブ３３Ａ，３３Ｂ、排気切換バルブ３４Ａ，３４Ｂのようなバーナ３Ａ，３Ｂの切換えのための機器を長寿命化できる。バーナの切換え時間が延びることで、また、バーナ３Ａ，３Ｂの切換え時に炉内に生じる温度や圧力の変動を抑制でき、炉内均一性も向上する。
【００５８】
既存のバーナ装置１の場合も、リジェネレイティブバーナにケミカルヒートポンプ５を組み合わせて燃焼空気の加熱効率を向上することで、排ガス吸引率を低減できるので、排ガス吸引ファン３５の低容量化と高温排ガス量の増加を図ることができる。
【００５９】
第２実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６０】
本発明は実施形態に実施形態に限定されず、以下に列挙するように種々の変形が可能である。
【００６１】
図１１に示すように、第１実施形態においてケミカルヒートポンプ５が２個の反応器Ａ，Ｂを備える構成も可能である。同様に、図１２に示すように、第２実施形態においてケミカルヒートポンプ５が２個の反応器Ａ，Ｂを備える構成も可能である。これの場合、個々の反応器Ａ，Ｂは蓄熱モードと放熱モードを繰り返す。また、２個の反応器Ａ，Ｂのうち一方が蓄熱モードである間は、他方が放熱モードとなる。
【００６２】
ケミカルヒートポンプ５の化学蓄熱材は実施形態で例示した水酸化カルシウムに限定されない。化学蓄熱材として採用する化学物質の特性により適した温度域があり、物質の選定により幅広い入力温度に対応できる。
【００６３】
空気ライン７、排ガスライン９等は必ずしも管路として構成される必要はなく、その一部又は全部が例えば炉壁等に穿設されたガス流路により構成されていてもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１ バーナ装置
２ 工業炉
３，３Ａ，３Ｂ バーナ
４ レキュペレータ
５ ケミカルヒートポンプ
７ 空気ライン
７ａ 上流側空気ライン
７ｂ 下流側空気ライン
８ 燃焼空気ファン
９ 排ガスライン
１１ 凝縮器
１２ 冷熱源
１３ 蒸発器
１４ 化学蓄熱材
１５ 第１熱交換器
１６ａ 空気入口バルブ
１６ｂ 空気出口バルブ
１７ 迂回ライン
１７ａ 上流側迂回ライン
１７ｂ 下流側迂回ライン
１８ａ 排ガス入口バルブ
１８ｂ 排ガス出口バルブ
１９ 第２熱交換器
２１ 蒸気取出ライン
２２ａ 蒸気入口バルブ
２２ｂ 蒸気出口バルブ
２３ 蒸気供給ライン
２４ 仕切バルブ
２５ 凝縮水供給ライン
２７ コントローラ
３１Ａ，３１Ｂ 蓄熱体
３２Ａ，３２Ｂ 蓄熱室
３３Ａ，３３Ｂ 給気切換バルブ
３４Ａ，３４Ｂ 排気切換バルブ
３５ 排ガス吸引ファン
３６ 主排ガスライン
４１ 調整弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナ装置及びそれを備える工業炉（各種金属加熱炉等を含む）に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業炉では、バーナから生じる燃焼排ガスはレキュペレータ、リジェネレイティブバーナといった熱交換装置においてその熱を回収し、燃焼に必要な空気を予熱することで熱効率を高め、省エネルギーを図ってきた（例えば、レキュペレータについて特許文献１参照、リジェネレイティブバーナについて特許文献２参照）。
【０００３】
しかし、レキュペレータの場合、熱交換後の排ガス温度は４００℃程度で予熱空気温度は５００℃程度であり、充分な熱回収が行われているわけではなく、更なる熱回収が望まれている。
【０００４】
また、リジェネレイティブバーナでは、熱交換後の排ガス温度は２００℃程度で予熱空気の温度は１０００℃程度となり、レキュペレータに比べて熱回収は改善されているが、２００℃程度の排ガスからも熱回収ができればさらなる省エネルギーが可能となる。また、現状では熱交換に必要な排ガス量は全体の約８０％であり、残りの約２０％は炉内被加熱物との熱交換後に８００℃程度で廃棄されており、有効利用されていない。
【０００５】
一方、吸熱や発熱反応を伴う化学反応を用いて蓄熱、吸熱を行うケミカルヒートポンプが知られている（例えば、特許文献３参照）。このケミカルヒートポンプは、その名の通り、入力以上の温度を出力させることができる。例えば、酸化カルシウム、水、及び水酸化カルシウムを用いた以下の反応式で示す系が挙げられる。
【０００６】
【数１】
【０００７】
この系では、Ca(OH)2に熱を加えることで反応が左に進み、CaOとH2O（水蒸気）が得られ、水蒸気を凝縮させて水として分離することで逆反応の進行を抑制できる。左向きの反応が終了後、得られたCaOに分離凝縮させていた水を蒸発させて水蒸気として供給することで反応が右に進み、熱量ＱＨを得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３８２８９６８号公報
【特許文献２】特公平７−２６７３０号公報
【特許文献３】特開平１−４９８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、バーナ装置における燃焼排ガスからの熱回収と燃焼空気の加熱にケミカルヒートポンプを利用することで、高効率での燃焼空気の加熱を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様は、バーナと、前記バーナの燃焼排ガスから回収した熱で前記バーナに供給される燃焼空気を予熱する主熱交換部と、前記主熱交換部に供給される前又は後の前記燃焼排ガスから熱を吸収し、吸収した熱を前記バーナに供給される前の前記燃焼空気に放出するケミカルヒートポンプとを備える、バーナ装置を提供する。
【００１１】
本発明のバーナ装置は、主熱交換部に加えてケミカルヒートポンプを備えることで高効率で燃焼空気を加熱できる。特に、ケミカルヒートポンプを備えることで燃焼空気を燃焼排ガスの温度よりも高い温度に加熱できる。また、ケミカルヒートポンプを備えることで、前記主熱交換部に供給された後の燃焼排ガス、つまり低温熱源からの熱回収を行って燃焼空気の加熱に利用できる。
【００１２】
例えば、前記主熱交換部はレキュペレータである。レキュペレータにケミカルヒートポンプを組み合わせることで、燃焼空気の高温化により燃料消費量を減少できる。また、燃焼排ガスが８００℃以下であっても、燃焼空気を８００℃以上に予熱できるので、省エネに適した高温空気燃焼を実現できる。
【００１３】
あるいは、前記主熱交換部はリジェネレイティブバーナの蓄熱体である。
【００１４】
リジェネレイティブバーナにケミカルヒートポンプを組み合わせて燃焼空気の加熱効率を向上することで、特にバーナ装置を新設する場合、蓄熱体を小型化することでき、排ガス吸引率（燃焼排ガス全体に対する蓄熱体の加熱に使用される燃焼排ガスの割合）も低減できる。その結果、排ガス吸引ファンを低容量化できる。また、蓄熱体の加熱に使用されることなく排出される高温排ガス量が増加し、例えば廃熱回収ボイラによる熱回収量を増やすことができる。
【００１５】
バーナ装置が新設と既存のいずれの場合でも、リジェネレイティブバーナにケミカルヒートポンプを組み合わせて燃焼空気の加熱効率を向上することで、バーナの切換え時間が延びる。その結果、例えば切換えバルブのようなバーナの切換えのための機器を長寿命化できる。バーナの切換え時間が延びることで、バーナの切換え時に炉内に生じる温度や圧力の変動を抑制でき、炉内均一性も向上する。
【００１６】
既存のバーナ装置の場合も、リジェネレイティブバーナにケミカルヒートポンプを組み合わせて燃焼空気の加熱効率を向上することで、燃焼空気の加熱効率の向上により、排ガス吸引率を低減できるので、排ガス吸引ファンの低容量化と高温排ガス量の増加を図ることができる。
【００１７】
具体的には、前記ケミカルヒートポンプは、化学蓄熱材が収容され、この化学蓄熱材と前記燃焼排ガス及び前記燃焼空気との間での熱交換のための熱交換器が設けられた反応部と、前記反応部において前記化学蓄熱材が前記燃焼排ガスから吸熱する際の生成物質を前記反応部から取り出して凝縮させ、前記反応部において前記化学蓄熱材が前記燃焼空気に放熱する際に前記生成物質を蒸発させて前記反応部に供給する凝縮蒸発部とを備える。
【００１８】
より具体的には、前記ケミカルヒートポンプは、３個の前記反応部を備え、個々の前記反応部は、前記化学蓄熱材が前記燃焼排ガスから吸熱する蓄熱モード、前記化学蓄熱材と前記燃焼排ガス及び前記燃焼空気との間での熱交換を行わない待機モード、及び前記化学蓄熱材が前記燃焼空気に放熱する放熱モードを繰り返し、前記３個の反応部間で、前記蓄熱モード、前記待機モード、及び放熱モードを繰り返す周期が互いにずれている。
【００１９】
この構成により、ケミカルヒートポンプによる燃焼空気の加熱効率の時間的な変動を抑制し、安定して燃焼空気を加熱できる。
【００２０】
好ましくは、個々の前記反応部の前記放熱モードの終了タイミングより前に、次の前記反応部における前記放熱モードの開始タイミングが到来する。このようにすると、３個の反応部で順に実行される放熱モード間に時間的なオーバーラップを設けることで、ケミカルヒートポンプによる燃焼空気の加熱効率の時間的な変動をさらに効果的に抑制できる。ここで便宜上、反応部を３個としたが、同じ動作が可能であれば３個以上の反応部を設けてもよいことは言うまでもない。
【００２１】
本発明の第２の態様は、前記のバーナ装置を備える工業炉を提供する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のバーナ装置は、燃焼排ガスからの熱の回収と回収した熱による燃焼空気の予熱のために、主熱交換部（レキュペレータやリジェネレイティブバーナ）に加えてケミカルヒートポンプを備えるので、主熱交換部に供給後の燃焼排ガス（つまり、低温熱源）からも熱回収して高効率で燃焼空気を加熱でき、燃焼空気を燃焼排ガスの温度以上の高温に加熱できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態のバーナ装置を備える炉を示す模式図。
【図２】本発明の第１実施形態のバーナ装置を示すブロック図。
【図３】１つの反応器のみに着目した場合の構造を示すブロック図。
【図４Ａ】反応器の運転モードを説明するための概念図。
【図４Ｂ】反応器の運転モードの代案を説明するための概念図。
【図５】反応器の運転モードの切り換えを説明するための模式的なタイムチャート。
【図６】各運転モードにおける弁の開閉状態を説明するための模式的なタイムチャート。
【図７Ａ】本発明の第１実施形態のバーナ装置の運転状態を示すブロック図。
【図７Ｂ】本発明の第１実施形態のバーナ装置の運転状態を示すブロック図。
【図７Ｃ】本発明の第１実施形態のバーナ装置の運転状態を示すブロック図。
【図８】本発明の第２実施形態のバーナ装置を備える炉を示す模式図。
【図９】本発明の第２実施形態のバーナ装置を示すブロック図。
【図１０Ａ】本発明の第２実施形態のバーナ装置の運転状態を示すブロック図。
【図１０Ｂ】本発明の第２実施形態のバーナ装置の運転状態を示すブロック図。
【図１０Ｃ】本発明の第２実施形態のバーナ装置の運転状態を示すブロック図。
【図１１】本発明の変形例のバーナ装置を示すブロック図。
【図１２】本発明の他の変形例のバーナ装置を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るバーナ装置１を備える工業炉２を概略的に示す。バーナ装置１は、バーナ３、レキュペレータ（主熱交換部）４、及びケミカルヒートポンプ５を備える。工業炉２の炉壁に取り付けられたバーナ３は、空気ライン７を介して燃焼空気ファン８から送り込まれる燃焼空気と共に燃料を炉内に噴出し、炉内で燃焼させる。燃焼排ガスを炉外に排出するための排ガスライン９にレキュペレータ４が設けられている。このレキュペレータ４において、排ガスライン９を通って排出される燃焼排ガスと空気ライン７を通ってバーナ３に送り込まれる燃焼空気との間で熱交換が行われ、燃焼空気が加熱される（一次熱交換）。空気ライン７はケミカルヒートポンプ５を通過している。レキュペレータ４において燃焼排ガスと熱交換した燃焼空気は、ケミカルヒートポンプ５において後述する化学蓄熱材１４と熱交換を行ってさらに加熱される（二次熱交換）。
【００２６】
図２及び図３を参照すると、ケミカルヒートポンプ５は、３個の反応器（反応部）Ａ，Ｂ，Ｃ、凝縮器１１、冷熱源１２、及び蒸発器１３を備える。
【００２７】
個々の反応器Ａ〜Ｃには、化学蓄熱材１４として水酸化カルシウムが収容されている。また、個々の反応器Ａ〜Ｃ内には第１熱交換器１５が配置されている。
【００２８】
前述の空気ライン７は、上流側空気ライン７ａと下流側空気ライン７ｂとを備える。上流側空気ライン７ａは、上流側が燃焼空気ファン８に接続され、下流側が空気入口バルブ１６ａを介して個々の反応器Ａ〜Ｃの第１熱交換器１５の入口に接続されている。一方、下流側空気ライン７ｂは、上流側が空気出口バルブ１６ｂを介して個々の反応器Ａ〜Ｃの第１熱交換器１５の出口に接続され、下流側がバーナ３に接続されている。
【００２９】
排ガスライン９においては、レキュペレータ４よりも下流側で排ガスライン９から分岐し、ケミカルヒートポンプ５を経て再び排ガスライン９に合流する迂回ライン１７が設けられている。この迂回ライン１７は、上流側迂回ライン１７ａと下流側迂回ライン１７ｂとを備える。上流側迂回ライン１７ａは、上流側が排ガスライン９に接続され、下流側が排ガス入口バルブ１８ａを介して個々の反応器Ａ〜Ｃの第１熱交換器１５の入口に接続されている。一方、下流側迂回ライン１７ｂは、上流側が排ガス出口バルブ１８ｂを介して個々の反応器Ａ〜Ｃの第１熱交換器１５の出口に接続され、下流側が排ガスライン９に接続されている。下流側迂回ライン１７ｂには、蒸発器１３の第２熱交換器１９が介装されている。
【００３０】
反応器Ａ〜Ｃと凝縮器１１を接続する蒸気取出ライン２１が設けられている。この蒸気取出ライン２１は、上流側が蒸気出口バルブ２２ｂを介して個々の反応器Ａ〜Ｃに接続され、下流側が凝縮器１１に接続されている。
【００３１】
反応器Ａ〜Ｃと蒸発器１３を接続する蒸気供給ライン２３が設けられている。この蒸気供給ライン２３は、上流側が蒸発器１３に接続され、下流側が蒸気入口バルブ２２ａを介して個々の反応容器Ａ〜Ｃに接続されている。
【００３２】
凝縮器１１と蒸発器１３は、常開の仕切バルブ２４が介設された凝縮水供給ライン２５で接続されている。
【００３３】
コントローラ２７は、バーナ３、燃焼空気ファン８、及び図示しない燃料供給装置による炉内での燃焼を制御すると共に、ケミカルヒートポンプ５をバルブ１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ，２２ａ，２２ｂ，２４の開閉により制御する。
【００３４】
図４Ａに概念的に示すように、本実施形態では、ケミカルヒートポンプ５が備える３個の反応器Ａ〜Ｃはそれぞれ、蓄熱モード、待機モード、及び放熱モードをこの順で繰り返す。また、図５に概念的に示すように、３個の反応器Ａ〜Ｃ間で蓄熱モード、待機モード、及び放熱モードを繰り返す周期が互いにずれている。まず、反応器Ａが蓄熱モードのとき、反応器Ｂは放熱モードで反応器Ｃは待機モードである。また、反応器Ａが待機モードのとき、反応器Ｂは蓄熱モードで反応器Ｃは放熱モードである。さらに、反応器Ａが放熱モードのとき、反応器Ｂは待機モードで反応器Ｃは蓄熱モードである。図６に示すように、個々の反応器Ａ〜Ｃにおける蓄熱モード、待機モード、及び放熱モードは、空気入口バルブ１６ａ、空気出口バルブ１６ｂ、排ガス入口バルブ１８ａ、排ガス出口バルブ１８ｂ、蒸気入口バルブ２２ａ、及び蒸気出口バルブ２２ｂの開閉をコントローラ２７が制御することで実現される。なお、図４Ｂに概念的に示すように、個々の反応器Ａ〜Ｃが本実施形態とは逆の順序、すなわち、蓄熱モード、放熱モード、及び待機モードの順でモードを繰り返してもよい。
【００３５】
以下、主として反応器Ａに着目して蓄熱モード、待機モード、及び放熱モードについて具体的に説明する。なお、図７Ａから図７Ｃにおいて、開弁しているバルブは黒塗りで示し、閉弁しているバルブは白抜きで示す。
【００３６】
まず、蓄熱モードについて説明する。蓄熱モードでは、反応器Ａ〜Ｃの化学蓄熱材１４が燃焼排ガスから熱を吸収して蓄積する。図７Ａに示すように反応器Ａが蓄熱モードのとき、反応器Ａの空気入口バルブ１６ａと空気出口バルブ１６ｂは閉弁し、排ガス入口バルブ１８ａと排ガス出口バルブ１８ｂは開弁している。また、反応器Ａが蓄熱モードのとき、反応器Ａの蒸気入口バルブ２２ａは閉弁し、蒸気出口バルブ２２ｂは開弁している。
【００３７】
反応器Ａが蓄熱モードのとき、レキュペレータ４を通過後の燃焼排ガスの一部が排ガスライン９から、上流側迂回ライン１７ａ及び開弁している排ガス入口バルブ１８ａを介して反応器Ａの第１熱交換器１５の入口に供給され、第１熱交換器１５を通過する。さらに、燃焼排ガスは反応器Ａの第１熱交換器１５の出口から開弁している排ガス出口バルブ１８ｂを介して下流側迂回ライン１７ｂに流入し、蒸発器１３の第２熱交換器１９を通って排ガスライン９に戻る。
【００３８】
蓄熱モードの反応器Ａでは第１熱交換器１５において燃焼排ガスの熱（熱量ＱＨ）が以下の式（１）における左向きの化学反応によって化学蓄熱材１４に吸収される。つまり、水酸化カルシウムに燃焼排ガスの熱ＱＨが加えられることで吸熱反応が起こり、水酸化カルシウムが酸化カルシウムとなると共に水蒸気が生成される。
【００３９】
【数２】
【００４０】
吸熱反応によって反応器Ａ内で生成された水蒸気は、開弁している蒸気出口バルブ２２ｂ及び蒸気取出ライン２１を通って凝縮器１１に供給される。凝縮器１１内では、冷熱源１２（例えば冷却水）との熱交換により水蒸気が凝縮して水となり凝縮熱ＱＬを放出する。凝縮器１１の水は凝縮水供給ライン２５及び開弁している仕切バルブ２４を介して蒸発器１３に供給される。
【００４１】
前述のように、反応器Ａの第１熱交換器１５から下側迂回ライン１７ｂに流入した燃焼排ガスは排ガスライン９に戻る前に蒸発器１３の第２熱交換器１９を通る。第２熱交換器１９を通過する燃焼排ガスと、蒸発器１３内の水（凝縮器１１で凝縮した水）との間で熱交換が行われる。この熱交換により、蒸発器１３内の水は燃焼排ガスから蒸発熱ＱＬを吸収して蒸発して水蒸気となる。蒸発器１３で生成された水蒸気は、反応器Ａが蓄熱モードであるときに放熱モードである反応器Ｂへ蒸気供給ライン２３を介して供給される。
【００４２】
次に、待機モードについて説明する。待機モードでは、反応器Ａ〜Ｃの化学蓄熱材１４は燃焼排ガス及び燃焼空気のいずれとも熱交換を行わない。図７Ｂに示すように反応器Ａが待機モードのとき、空気入口バルブ１６ａ、空気出口バルブ１６ｂ、排ガス入口バルブ１８ａ、排ガス出口バルブ１８ｂ、蒸気入口バルブ２２ａ、及び蒸気出口バルブ２２ｂはいずれも閉弁されている。つまり、待機モードにある反応器Ａは、バーナ３、空気ライン７、排ガスライン９、凝縮器１１、及び蒸発器１３のいずれからも遮断されている。
【００４３】
次に、放熱モードについて説明する。放熱モードでは、反応器Ａ〜Ｃの化学蓄熱材１４は蓄熱モードにおいて蓄積した熱を放出して燃焼空気を加熱する。図７Ｃに示すように反応器Ａが放熱モードのとき、反応器Ａの空気入口バルブ１６ａと空気出口バルブ１６ｂは開弁し、排ガス入口バルブ１８ａと排ガス出口バルブ１８ｂは閉弁している。また、反応器Ａが放熱モードのとき、反応器Ａの蒸気入口バルブ２２ａは開弁し、蒸気出口バルブ２２ｂは閉弁している。
【００４４】
反応器Ａが放熱モードのとき、蒸発器１３で生成された水蒸気（蓄熱モードである反応器Ｃから第２熱交換器１９に供給される燃焼排ガスとの熱交換により生成される。）が、蒸気供給ライン２３及び開弁している蒸気入口バルブ２２ａを介して、反応容器Ａ内に供給される。水蒸気（H2O）が供給された反応器Ａ内では、前述の式（１）における右向きの化学反応によって化学蓄熱材１４が前回の蓄熱モードで蓄えた熱ＱＨを放出する。つまり、酸化カルシウムに水が加えられることで発熱反応が起こり、水酸化カルシウムの生成と共に熱ＱＨが発生する。
【００４５】
反応器Ａが放熱モードのとき、レキュペレータ４を通過後の燃焼空気は、上流側空気ライン７ａ及び開弁している空気入口バルブ１６ａを介して反応器Ａの第１熱交換器１５の入口に供給され、第１熱交換器１５を通過する。前述のように反応器Ａ内では化学蓄熱材１４が熱ＱＨを放出しているので、第１熱交換器１５を通過する燃焼空気は化学蓄熱材１４との熱交換により加熱される。
【００４６】
本実施形態のバーナ装置１は、特に以下に列挙する特徴がある。
【００４７】
レキュペレータ４にケミカルヒートポンプ５を組み合わせることで、高効率で燃焼空気を加熱できる。高効率で加熱することで燃焼空気を高温化でき、燃料消費量を減少できる。また、ケミカルヒートポンプ５を備えることで燃焼空気を燃焼排ガスの温度よりも高い温度に加熱できる。例えば、燃焼排ガスが８００℃以下であっても、燃焼空気を８００℃以上に予熱でき、省エネに適した高温空気燃焼を実現できる。また、ケミカルヒートポンプ５を備えることで、レキュペレータ４に供給された後の燃焼排ガス、つまり低温熱源からの熱回収を行って燃焼空気の加熱に利用できる。ただし、燃焼排ガスをレキュペレータ４通過する前にケミカルヒートポンプ５の反応器Ａ〜Ｃのうち蓄熱モードのものに供給し、その後にレキュペレータ４に供給してもよい。
【００４８】
図５に示すように、３個の反応器Ａ〜Ｃが蓄熱モード、待機モード、及び放熱モードを順に繰り返し、かつ反応器Ａ〜Ｃ間でこれらのモードを繰り返す周期が互いにずれている。そのため、３個の反応器Ａ〜Ｃのうちのいずれかが常に放熱モードにあり、燃焼空気を加熱する。そのため、ケミカルヒートポンプ５による燃焼空気の加熱効率の時間的な変動を抑制し、安定して燃焼空気を加熱できる。
【００４９】
なお、図５において符号ｔで示すように、反応器Ａ〜Ｃのうちのいずれかの放熱モードの終了タイミングＴｅよりも前に、反応器Ａ〜Ｃのうちの次に放熱モードとなるもの（例えば、反応器Ａが放熱モードである場合、その次に放熱モードとなるのは反応器Ｂである。）の、放熱モードの開始タイミングＴｓが到来することが好ましい。このように、３個の反応器Ａ〜Ｃで順に実行される放熱モード間に時間的なオーバーラップｔを設けることで、反応器Ａ〜Ｃのうちの一つ（例えば反応器Ｂ）が放熱モードを開始してから充分な発熱反応が得られるまでの間の発熱量不足を反応器Ａ〜Ｃのうちのそれまで放熱モードであったもの（例えば反応器Ａ）が発熱量不足を補うので、ケミカルヒートポンプ５による燃焼空気の加熱効率の時間的な変動を、さらに効果的に抑制できる。なお、本実施形態では蓄熱モード後に待機モードとしているが、前述した図４Ｂのように放熱モード後に待機モードとする場合も、同様の時間的なオーバーラップを設けることで燃焼空気の加熱効率の時間的な変動を抑制できる。
【００５０】
（第２実施形態）
次に、図８から図１０Ｃを参照して本発明の第２実施形態に係るバーナ装置１を備える工業炉２を説明する。これらの図において、第１実施形態と同一の要素には同一の符号を付している。
【００５１】
本実施形態におけるバーナ装置１はリジェネレイティブバーナであり、対をなす２個のバーナ３Ａ，３Ｂを備える。個々のバーナ３Ａ，３Ｂ毎に、蓄熱体３１Ａ，３１Ｂが収容された蓄熱室３２Ａ，３２Ｂが設けられている。図８を参照すると、燃焼空気ファン８とバーナ３Ａ，３Ｂまでの空気ライン７の一部である下流側空気ライン７ｂは、下流側が給気切換バルブ３３Ａ，３３Ｂを介して個々の蓄熱室３２Ａ，３２Ｂに接続されている。また、図８を参照すると、排ガスライン９のうち上流側排ガスライン９ａは、上流側が排気切換バルブ３４Ａ，３４Ｂを介して個々の蓄熱室３２Ａ，３２Ｂに接続されている。さらに、排ガスライン９のうち下流側排ガスライン９ｂは、下流側が排ガス吸引ファン３５に接続されている。図８にのみ示すように、排ガスライン９にはケミカルヒートポンプ５を通過する排ガス量を調整するための調整弁４１が設けられている。
【００５２】
コントローラ２７は、給気切換バルブ３３Ａ，３３Ｂと排気切換３４Ａ，３４Ｂの開閉を制御し、一定時間毎に２つのバーナ３Ａ，３Ｂを燃焼側と排気側に切り変える。例えば、給気切換バルブ３３Ａを開弁する一方、吸気側切換バルブ３３Ｂを閉弁し、かつ排気切換バルブ３４Ａを閉弁して排気側切換バルブ３４Ｂを開弁する（第１の状態）。この第１の状態では、燃焼空気ファン８から供給される燃焼空気がケミカルヒートポンプ５と蓄熱体３１Ａで予熱されてバーナ３Ａで燃料と共に噴出され、炉内で燃料を燃焼させる。また、第１の状態では、炉内の燃焼排ガスは排ガス吸引ファン３５の吸引により蓄熱室３２Ｂ内の蓄熱体３１Ｂを通過後に排気され、その際に熱交換して蓄熱体３１Ｂを加熱する。つまり、第１の状態では、バーナ３Ａが燃焼側でバーナ３Ｂが排気側となり、排気側の蓄熱体３１Ｂが加熱される。給気切換バルブ３３Ａ，３３Ｂと排気切換バルブ３４Ａ，３４Ｂの開閉状態が第１の状態とは逆（第２の状態）となると、バーナ３Ｂが燃焼側でバーナ３Ａが排気側となり、排気側の蓄熱体３１Ａが加熱される。炉内で発生した燃焼排ガスのすべてが排ガス吸引ファン３５の吸引により排ガスライン９を通って排気されるのではなく、一部は主排ガスライン３６を介して排出される。例えば、一方のバーナ３Ａによる燃焼中、燃焼空気ファン８から送り込まれる空気は、まずケミカルヒートポンプ５において後述する化学蓄熱材１４と熱交換（一次熱交換）を行って加熱され、その後、バーナ３Ａ側の蓄熱室３２Ａの蓄熱体３１Ａ（他方のバーナ３Ｂによる燃焼中に加熱済み）と熱交換してさらに加熱される。
【００５３】
ケミカルヒートポンプ５の構成は第１実施形態と同様である。図９をさらに参照すると、ケミカルヒートポンプ５が備える３個の反応器Ａ〜Ｃ（硫酸カルシウム等の化学蓄熱材１４を収容している）の第１熱交換器１５の入口は、蓄熱体３１Ａ，３１Ｂよりも下流側の排ガスライン９から分岐した上流側迂回ライン１７ａと排ガス入口バルブ１８ａを介して接続され、一方、第１熱交換器１５の出口は排ガス出口バルブ１８ｂを介して下流側迂回ライン１７ｂ（排ガスライン９に合流する）に接続されている。また、反応器Ａ〜Ｃの第１熱交換器１５の入口は燃焼空気ファン８に接続された上流側空気ライン７ａと空気入口バルブ１６ａを介して接続され、一方、第１熱交換器１５の出口は空気出口バルブ１６ｂを介して下流側空気ライン７ｂに接続されている。さらに、反応器Ａ〜Ｃは、蒸気出口バルブ２２ｂを介設した蒸気取出ライン２１により凝縮器１１に接続され、蒸気入口バルブ２２ａを介設した蒸気供給ライン２３により蒸発器１３に接続されている。凝縮器１１と蒸発器１３は仕切バルブ２４を介設した凝縮水供給ライン２５で接続されている。
【００５４】
第１実施形態と同様に、図１０Ａ〜図１０Ｃに示すように、空気入口バルブ１６ａ、空気出口バルブ１６ｂ、排ガス入口バルブ１８ａ、排ガス出口バルブ１８ｂ、及び蒸気入口バルブ２２ａ、蒸気出口バルブ２２ｂの開閉を制御することで、３個の反応器Ａ〜Ｃが蓄熱モード、待機モード、及び放熱モードをこの順で繰り返し、かつ反応器Ａ〜Ｃ間でモードを繰り返す周期が互いにずれている。
【００５５】
本実施形態のバーナ装置１は、特に以下に列挙する特徴がある。
【００５６】
リジェネレイティブバーナ（蓄熱体３１Ａ，３１Ｂ）にケミカルヒートポンプ５を組み合わせることで、高効率に燃焼空気を加熱できる。例えば、蓄熱体３１Ａ，３１Ｂで熱交換後の２００℃程度の燃焼排ガスからの蓄熱と、それによる燃焼空気の加熱が可能である。特にバーナ装置１を新設する場合、ケミカルヒートポンプ５を利用して高効率で燃焼空気を加熱することで、蓄熱体３１Ａ，３１Ｂを小型化することでき、排ガス吸引率も低減できる。ここで、排ガス吸引率は排ガスライン９及び主排ガスライン３６を通って排出される燃焼排ガス全体に対する蓄熱体３１Ａ，３１Ｂの加熱に使用される燃焼排ガス（排ガスライン９を通って排出される燃焼排ガス）の割合である。排ガス吸引率の低減により、排ガス吸引ファン３５の低容量化できる。また、蓄熱体３１Ａ，３１Ｂの加熱に使用されることなく主排ガスライン３６から排出される高温排ガス量が増加し、例えば廃熱回収ボイラによる熱回収量を増やすことができる。
【００５７】
バーナ装置１が新設と既存のいずれの場合でも、リジェネレイティブバーナにケミカルヒートポンプ５を組み合わせて燃焼空気の加熱効率を向上することで、バーナ３Ａ，３Ｂの切換え時間が延びる。その結果、例えば給気切換バルブ３３Ａ，３３Ｂ、排気切換バルブ３４Ａ，３４Ｂのようなバーナ３Ａ，３Ｂの切換えのための機器を長寿命化できる。バーナの切換え時間が延びることで、また、バーナ３Ａ，３Ｂの切換え時に炉内に生じる温度や圧力の変動を抑制でき、炉内均一性も向上する。
【００５８】
既存のバーナ装置１の場合も、リジェネレイティブバーナにケミカルヒートポンプ５を組み合わせて燃焼空気の加熱効率を向上することで、排ガス吸引率を低減できるので、排ガス吸引ファン３５の低容量化と高温排ガス量の増加を図ることができる。
【００５９】
第２実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６０】
本発明は実施形態に実施形態に限定されず、以下に列挙するように種々の変形が可能である。
【００６１】
図１１に示すように、第１実施形態においてケミカルヒートポンプ５が２個の反応器Ａ，Ｂを備える構成も可能である。同様に、図１２に示すように、第２実施形態においてケミカルヒートポンプ５が２個の反応器Ａ，Ｂを備える構成も可能である。これの場合、個々の反応器Ａ，Ｂは蓄熱モードと放熱モードを繰り返す。また、２個の反応器Ａ，Ｂのうち一方が蓄熱モードである間は、他方が放熱モードとなる。
【００６２】
ケミカルヒートポンプ５の化学蓄熱材は実施形態で例示した水酸化カルシウムに限定されない。化学蓄熱材として採用する化学物質の特性により適した温度域があり、物質の選定により幅広い入力温度に対応できる。
【００６３】
空気ライン７、排ガスライン９等は必ずしも管路として構成される必要はなく、その一部又は全部が例えば炉壁等に穿設されたガス流路により構成されていてもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１ バーナ装置
２ 工業炉
３，３Ａ，３Ｂ バーナ
４ レキュペレータ
５ ケミカルヒートポンプ
７ 空気ライン
７ａ 上流側空気ライン
７ｂ 下流側空気ライン
８ 燃焼空気ファン
９ 排ガスライン
１１ 凝縮器
１２ 冷熱源
１３ 蒸発器
１４ 化学蓄熱材
１５ 第１熱交換器
１６ａ 空気入口バルブ
１６ｂ 空気出口バルブ
１７ 迂回ライン
１７ａ 上流側迂回ライン
１７ｂ 下流側迂回ライン
１８ａ 排ガス入口バルブ
１８ｂ 排ガス出口バルブ
１９ 第２熱交換器
２１ 蒸気取出ライン
２２ａ 蒸気入口バルブ
２２ｂ 蒸気出口バルブ
２３ 蒸気供給ライン
２４ 仕切バルブ
２５ 凝縮水供給ライン
２７ コントローラ
３１Ａ，３１Ｂ 蓄熱体
３２Ａ，３２Ｂ 蓄熱室
３３Ａ，３３Ｂ 給気切換バルブ
３４Ａ，３４Ｂ 排気切換バルブ
３５ 排ガス吸引ファン
３６ 主排ガスライン
４１ 調整弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナと、
前記バーナの燃焼排ガスから回収した熱で前記バーナに供給される燃焼空気を予熱する主熱交換部と、
前記主熱交換部に供給される前又は後の前記燃焼排ガスから熱を吸収し、吸収した熱を前記バーナに供給される前の前記燃焼空気に放出するケミカルヒートポンプと
を備える、バーナ装置。
【請求項２】
前記主熱交換部はレキュペレータである、請求項１に記載のバーナ装置。
【請求項３】
前記主熱交換部はリジェネレイティブバーナの蓄熱体である、請求項１に記載のバーナ装置。
【請求項４】
前記ケミカルヒートポンプは、
化学蓄熱材が収容され、この化学蓄熱材と前記燃焼排ガス及び前記燃焼空気との間での熱交換のための熱交換器が設けられた反応部と
前記反応部において前記化学蓄熱材が前記燃焼排ガスから吸熱する際の生成物質を前記反応部から取り出して凝縮させ、前記反応部において前記化学蓄熱材が前記燃焼空気に放熱する際に前記生成物質を蒸発させて前記反応部に供給する凝縮蒸発部と
を備える、請求項１に記載のバーナ装置。
【請求項５】
前記ケミカルヒートポンプは、３個以上の前記反応部を備え、
個々の前記反応部は、前記化学蓄熱材が前記燃焼排ガスから吸熱する蓄熱モード、前記化学蓄熱材と前記燃焼排ガス及び前記燃焼空気との間での熱交換を行わない待機モード、及び前記化学蓄熱材が前記燃焼空気に放熱する放熱モードを繰り返し、
前記３個以上の反応部間で、前記蓄熱モード、前記待機モード、及び放熱モードを繰り返す周期が互いにずれている、請求項４に記載のバーナ装置。
【請求項６】
個々の前記反応部の前記放熱モードの終了タイミングより前に、次の前記反応部における前記放熱モードの開始タイミングが到来する請求項５に記載のバーナ装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のバーナ装置を備える工業炉。
【請求項１】
バーナと、
前記バーナの燃焼排ガスから回収した熱で前記バーナに供給される燃焼空気を予熱する主熱交換部と、
前記主熱交換部に供給される前又は後の前記燃焼排ガスから熱を吸収し、吸収した熱を前記バーナに供給される前の前記燃焼空気に放出するケミカルヒートポンプと
を備える、バーナ装置。
【請求項２】
前記主熱交換部はレキュペレータである、請求項１に記載のバーナ装置。
【請求項３】
前記主熱交換部はリジェネレイティブバーナの蓄熱体である、請求項１に記載のバーナ装置。
【請求項４】
前記ケミカルヒートポンプは、
化学蓄熱材が収容され、この化学蓄熱材と前記燃焼排ガス及び前記燃焼空気との間での熱交換のための熱交換器が設けられた反応部と
前記反応部において前記化学蓄熱材が前記燃焼排ガスから吸熱する際の生成物質を前記反応部から取り出して凝縮させ、前記反応部において前記化学蓄熱材が前記燃焼空気に放熱する際に前記生成物質を蒸発させて前記反応部に供給する凝縮蒸発部と
を備える、請求項１に記載のバーナ装置。
【請求項５】
前記ケミカルヒートポンプは、３個以上の前記反応部を備え、
個々の前記反応部は、前記化学蓄熱材が前記燃焼排ガスから吸熱する蓄熱モード、前記化学蓄熱材と前記燃焼排ガス及び前記燃焼空気との間での熱交換を行わない待機モード、及び前記化学蓄熱材が前記燃焼空気に放熱する放熱モードを繰り返し、
前記３個以上の反応部間で、前記蓄熱モード、前記待機モード、及び放熱モードを繰り返す周期が互いにずれている、請求項４に記載のバーナ装置。
【請求項６】
個々の前記反応部の前記放熱モードの終了タイミングより前に、次の前記反応部における前記放熱モードの開始タイミングが到来する請求項５に記載のバーナ装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のバーナ装置を備える工業炉。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１６３３０６（Ｐ２０１２−１６３３０６Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５８５５（Ｐ２０１１−２５８５５）
【出願日】平成２３年２月９日（２０１１．２．９）
【出願人】（０００２１１１２３）中外炉工業株式会社 (170)
【出願人】（３０４０２１８３１）国立大学法人 千葉大学 (601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月９日（２０１１．２．９）
【出願人】（０００２１１１２３）中外炉工業株式会社 (170)
【出願人】（３０４０２１８３１）国立大学法人 千葉大学 (601)
【Ｆターム（参考）】
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