特許 7029277 リジェネレイティブバーナ、工業炉及び焼成品の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-02-22

(45)【発行日】2022-03-03

(54)【発明の名称】リジェネレイティブバーナ、工業炉及び焼成品の製造方法

(51)【国際特許分類】

   F23L 15/02 20060101AFI20220224BHJP

   F23D 14/22 20060101ALI20220224BHJP

   C04B 35/64 20060101ALI20220224BHJP

【ＦＩ】

F23L15/02

F23D14/22 Z

C04B35/64

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2017214164

(22)【出願日】2017-11-06

(65)【公開番号】P2019086202

(43)【公開日】2019-06-06

【審査請求日】2020-07-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000523

【氏名又は名称】アクシス国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】谷口 聡

(72)【発明者】

【氏名】得永 健

【審査官】長尾 裕貴

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－３２５４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２７２８５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－３０２５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／１２８１７２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２３Ｌ １５／０２

Ｆ２３Ｄ １４／２２

Ｃ０４Ｂ ３５／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃焼室、熱交換室、及び、燃焼室と熱交換室の間の連通路を備えたリジェネレイティブバーナであって、
燃焼室には、燃料ノズルの先端及び火炎噴射口が設置されており、連通路を通って燃焼室内に導入される燃焼空気を用いて燃料ノズルから燃焼室内に導入される燃料を燃焼室内で燃焼して、火炎噴射口から火炎を噴出させることができるように構成されており、
燃料ノズルは該リジェネレイティブバーナで燃焼する燃料の全量が燃焼室内に導入されるように構成されており、且つ、燃焼室の内壁から突出しないように、内壁に埋め込んだ状態で設置されており、
熱交換室は、空気ポート、及び、連通路と空気ポートの間に介在する蓄熱体を有し、空気ポートから熱交換室内に導入される燃焼空気が蓄熱体が充填されている空間を通過した後に連通路を通って燃焼室へと導入可能であると共に、連通路を通って熱交換室内に導入される排気が蓄熱体が充填されている空間を通過した後に空気ポートから排出可能であるように構成されており、
蓄熱体はセラミック又は金属製のボール、ハニカム又はメッシュの形態である、
リジェネレイティブバーナ。

【請求項2】

火炎噴射口と対向する位置に燃料ノズルの先端が設置されている請求項１に記載のリジェネレイティブバーナ。

【請求項3】

少なくとも一つの別のリジェネレイティブバーナからの排気を燃焼空気の一部又は全部として空気ポートを介して導入可能に構成されている請求項１又は２に記載のリジェネレイティブバーナ。

【請求項4】

空気ポートは、燃焼空気を供給するための燃焼空気ファンに連通しており、該燃焼空気ファンの入口は少なくとも一つの別のリジェネレイティブバーナからの排気を排出するための排気ファンの出口と連通している請求項３に記載のリジェネレイティブバーナ。

【請求項5】

請求項１～４の何れか一項に記載のリジェネレイティブバーナを複数備えた工業炉。

【請求項6】

複数のリジェネレイティブバーナのうち、少なくとも一つは請求項１～４の何れか一項に記載のリジェネレイティブバーナであり、
各リジェネレイティブバーナは、少なくとも一つの別のリジェネレイティブバーナからの排気を燃焼空気の一部又は全部として各自の空気ポートを介して導入可能に構成されている請求項５に記載の工業炉。

【請求項7】

工業炉は、入口、脱バインダー帯、焼成帯、冷却帯及び出口を順に備え、有機バインダーを含有するセラミック成形品を入口から出口に向かって搬送しながら焼成するための連続式工業炉であり、
焼成帯において、請求項１～４の何れか一項に記載の複数のリジェネレイティブバーナが設置されており、
焼成帯における炉内ガスを、脱バインダー帯に供給可能とする返送ラインを有する、
請求項５又は６に記載の工業炉。

【請求項8】

請求項７に記載の工業炉を用いて、脱バインダー帯において有機バインダーを含有するセラミック成形品からバインダーを除去する工程と、焼成帯において有機バインダー除去後のセラミック成形品を焼成する工程と、冷却帯において焼成後のセラミック成形品を冷却する工程と、を含む焼成品の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はリジェネレイティブバーナに関する。また、本発明はリジェネレイティブバーナを備えた工業炉に関する。また、本発明はリジェネレイティブバーナを用いた焼成品の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、加熱炉や燃焼炉等に用いる燃焼装置としてリジェネレイティブバーナが知られている。リジェネレイティブバーナは、燃料を燃焼させる機能に加えて、内部に設置された蓄熱体により燃焼排ガスの熱を回収する機能を有する。リジェネレイティブバーナは、燃焼と排気を交互に繰り返し、バーナ自身で排熱回収が可能であり、高効率な燃焼を行うことができる。このため、リジェネレイティブバーナは燃焼装置の燃料消費量を削減し、省エネルギー化に貢献するとして、各種の工業炉に採用されて普及している。

【0003】

従来のリジェネレイティブバーナは、サーマルＮＯｘを低減する為に、高温の予熱燃焼空気と燃料ガスを別々に噴射してバーナータイル外で混合し、緩慢燃焼する方法が採用されていた。このため、従来のリジェネレイティブバーナは本願の図２に示す様に、燃料ノズル２１２の先端及び空気孔２１８の先端がバーナ２００の炉内側先端に設置されていることから、燃料の全量がバーナータイル２１５外で燃焼空気と混合し燃焼させる構造となっていた（例：特開平８－１２１７１２号公報）。また、本願の図３に示す様に、燃料ノズルとしてメインノズル３１２ａとサブノズル３１２ｂの二つを設け、一部の燃料をバーナータイル３１５内で燃焼させるリジェネレイティブバーナ３００もある（例：特開平６－１５９６１３号公報、特開２００６－３０８２４９号公報）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平８－１２１７１２号公報

【文献】特開平６－１５９６１３号公報

【文献】特開２００６－３０８２４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来のリジェネレイティブバーナは上記のような構造を採用していることから、火炎の直進性が低く、上下左右に広がりながら燃焼する。この為、火炎による炉内撹拌効果が小さく、炉内の温度分布を均一にすることが難しかった。例えば、火炎近傍のワークに熔け不良が発生したり、炉内の特定部に熱量が集中して、一部のワークが過焼成状態になったりするなどの不具合が生じていた。

【0006】

また、図２に示すタイプのリジェネレイティブバーナでは、金属製の燃料ノズルが、蓄熱体が充填された空間を貫通する形で設置されている。このため、燃料ノズルは１年近く使用すると酸化して、表面に錆が発生する。錆が剥がれ落ちると燃焼空気に同伴されて炉内に飛散し、焼成後の製品の表面に斑点模様の変色が発生する不良が多発する不具合が有った。

【0007】

本発明は上記事情に鑑みて創作されたものであり、火炎の直進性が高いリジェネレイティブバーナを提供することを課題の一つとする。また、本発明はそのようなリジェネレイティブバーナを備えた工業炉を提供することを別の課題の一つとする。また、本発明はそのようなリジェネレイティブバーナを用いた焼成品の製造方法を提供することを更に別の課題の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討したところ、従来のリジェネレイティブバーナの研究開発は、サーマルＮＯｘの低減に過度に意識が向かっていたことに気が付いた。換言すれば、従来のリジェネレイティブバーナの研究開発は、サーマルＮＯｘ対策がもたらす負の側面、すなわち製品の歩留まり低下の問題を軽視していたことに気が付いた。そこで、本発明者は発想の転換を図り、歩留まり向上を重視する立場からリジェネレイティブバーナの新たな構造を見直したところ、燃料の全量をバーナータイル内に噴射し、バーナータイル内で燃焼させ、高速の火炎をノズルから噴射することが有効であることを見出した。

【0009】

本発明は上記知見に基づき完成したものであり、一側面において、
燃焼室、熱交換室、及び、燃焼室と熱交換室の間の連通路を備えたリジェネレイティブバーナであって、
燃焼室には、燃料ノズルの先端及び火炎噴射口が設置されており、連通路を通って燃焼室内に導入される燃焼空気を用いて燃料ノズルから燃焼室内に導入される燃料を燃焼室内で燃焼して、火炎噴射口から火炎を噴出させることができるように構成されており、
燃料ノズルは該リジェネレイティブバーナで燃焼する燃料の全量が燃焼室内に導入されるように構成されており、
熱交換室は、空気ポート、及び、連通路と空気ポートの間に介在する蓄熱体を有し、空気ポートから熱交換室内に導入される燃焼空気が蓄熱体が充填されている空間を通過した後に連通路を通って燃焼室へと導入可能であると共に、連通路を通って熱交換室内に導入される排気が蓄熱体が充填されている空間を通過した後に空気ポートから排出可能であるように構成されている、
リジェネレイティブバーナである。

【0010】

本発明に係るリジェネレイティブバーナの別の一実施形態においては、火炎噴射口と対向する位置に燃料ノズルの先端が設置されている。

【0011】

本発明に係るリジェネレイティブバーナの更に別の一実施形態においては、少なくとも一つの別のリジェネレイティブバーナからの排気を燃焼空気の一部又は全部として空気ポートを介して導入可能に構成されている。

【0012】

本発明に係るリジェネレイティブバーナの更に別の一実施形態においては、空気ポートは、燃焼空気を供給するための燃焼空気ファンに連通しており、該燃焼空気ファンの入口は少なくとも一つの別のリジェネレイティブバーナからの排気を排出するための排気ファンの出口と連通している。

【0013】

本発明は別の一側面において、本発明に係るリジェネレイティブバーナを複数備えた工業炉である。

【0014】

本発明に係る工業炉の一実施形態においては、
複数のリジェネレイティブバーナのうち、少なくとも一つは本発明に係るリジェネレイティブバーナであり、
各リジェネレイティブバーナは、少なくとも一つの別のリジェネレイティブバーナからの排気を燃焼空気の一部又は全部として各自の空気ポートを介して導入可能に構成されている。

【0015】

本発明に係る工業炉の別の一実施形態においては、
工業炉は、入口、脱バインダー帯、焼成帯、冷却帯及び出口を順に備え、有機バインダーを含有するセラミック成形品を入口から出口に向かって搬送しながら焼成するための連続式工業炉であり、
焼成帯において、本発明に係る複数のリジェネレイティブバーナが設置されており、
焼成帯における炉内ガスを、脱バインダー帯に供給可能とする返送ラインを有する。

【0016】

本発明は更に別の一側面において、本発明に係る工業炉を用いて、脱バインダー帯において有機バインダーを含有するセラミック成形品からバインダーを除去する工程と、焼成帯において有機バインダー除去後のセラミック成形品を焼成する工程と、冷却帯において焼成後のセラミック成形品を冷却する工程と、を含む焼成品の製造方法である。

【発明の効果】

【0017】

本発明に係るリジェネレイティブバーナを使用すると直進性の高い火炎が得られる。直進性の高い火炎は炉内に高速で噴出されるので炉内撹拌の効果が高く、炉内の温度分布の均一化に寄与する。これにより、炉内における積載位置によらず製品品質が安定し、製品の歩留まりを向上させるという工業的に極めて有利な効果をもたらすことができる。

【0018】

更に、本発明に係るリジェネレイティブバーナの好ましい実施形態においては、製品の歩留まりを向上させながら、サーマルＮＯｘを抑制するという効果も得ることができる。すなわち、当該実施形態によれば、焼成品の生産効率の向上及び環境負荷低減の両立を低コストで実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係るリジェネレイティブバーナの構造例を示す。

【図2】従来のリジェネレイティブバーナの構造例を示す。

【図3】従来のリジェネレイティブバーナの別の構造例を示す。

【図4】本発明に係るリジェネレイティブバーナを備えた工業炉の構成例である。

【図5】実施例１に係るトンネルキルン式の工業炉の構造である。

【図6】比較例１に係るトンネルキルン式の工業炉の構造である。

【図7】比較例２に係るトンネルキルン式の工業炉の構造である。

【図8】入口、脱バインダー帯、焼成帯、冷却帯及び出口を順に備え、有機バインダーを含有するセラミック成形品を入口から出口に向かって搬送しながら焼成するための連続式工業炉の構成例である。

【図9】実施例１の工業炉を運転したときの炉内温度分布である。

【図10】比較例１の工業炉を運転したときの炉内温度分布である。

【図11】比較例２の工業炉を運転したときの炉内温度分布である。

【図12】リジェネレイティブバーナに導入する燃焼空気中の酸素濃度と排ガス中のＮＯｘ濃度の関係を示すグラフである。

【図13】リジェネレイティブバーナからの排ガスを脱バインダー帯に打ち込んだときの排ガス中のＮＯｘの低減効果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

＜１．リジェネレイティブバーナの構成＞
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳述する。図１には本発明に係るリジェネレイティブバーナの構造例が示されている。リジェネレイティブバーナ１００は、燃焼室１１０、熱交換室１２０、及び、燃焼室１１０と熱交換室１２０の間の連通路１３０を備える。燃焼室１１０の内壁はバーナータイル１１５で構成することができる。

【0021】

燃焼室１１０には、燃料ノズル１１２の先端及び火炎噴射口１１４が設置される。燃焼室１１０は、連通路１３０を通って燃焼室１１０内に導入される燃焼空気を用いて、燃料ノズル１１２から燃焼室１１０内に導入される燃料を燃焼室１１０内で燃焼して、火炎噴射口１１４から火炎を噴出させることができるように構成されている。リジェネレイティブバーナ１００に設置される燃料ノズル１１２の数は一本でも良いし、複数本でもよいが、コスト面から一本とするのが通常である。燃料ノズル１１２は該リジェネレイティブバーナ１００で燃焼させる燃料の全量が燃焼室１１０内に導入されるように構成されていることで、燃焼室内で発生する燃焼エネルギーを増加させ、火炎噴射口１１４から噴出される火炎の速度を高めることができ、例えば火炎噴射口１１４において６０ｍ／ｓ以上の火炎速度とすることができ、８０ｍ／ｓ以上とすることもでき、例えば６０～１２０ｍ／ｓとすることができ、典型的には８０～１００ｍ／ｓとすることができる。ここで、本発明においては、噴射口での火炎速度ｍ／ｓ＝（燃焼空気量Ｎｍ³／ｓ＋燃料量Ｎｍ³／ｓ）×（（炉内温度Ｋ＋２７３）÷２７３）÷噴射口面積ｍ²で計算することとする。従来型のリジェネレイティブバーナは噴射口の外で燃焼するため、燃料量が０となり、噴射口における火炎速度は小さくなりやすい。また、本発明者の研究結果によれば、直進性の高い火炎は、バーナ噴射口から離れた場所においても火炎速度が低下しにくい。このため、従来型のリジェネレイティブバーナの燃焼空気量を増やして噴射口における火炎速度を本発明に係るリジェネレイティブバーナと同程度にしたとしても、直進性の高い火炎を発生する本発明に係るリジェネレイティブバーナのほうが炉内撹拌の効果が高く、炉内の温度分布の均一化に寄与する。

【0022】

燃料ノズル１１２の酸化を防止するという理由から、燃料ノズル１１２は燃焼室１１０の内壁から突出しないように、内壁に埋め込んだ状態で設置することが好ましい。また、火炎速度を高めるという理由から、燃料ノズル１１２の先端は燃焼室１１０を挟んで火炎噴射口と対向する位置（図１の実施形態においては、燃焼室１１０の奥壁１１６）に設置することが好ましい。連通路１３０の燃焼室１１０側におけるポート１３１は、火炎速度を高めるという理由から、出来る限り燃料ノズル１１２から近いところに設置することが好ましい。

【0023】

熱交換室１２０は、空気ポート１２２、及び、連通路１３０と空気ポート１２２の間に介在する蓄熱体１２３を有する。熱交換室１２０は、空気ポート１２２から熱交換室１２０内に導入される燃焼空気が蓄熱体１２３が充填された空間を通過した後に、連通路１３０を通って燃焼室１１０へと導入可能であるように構成されている。また、熱交換室１２０は、連通路１３０を通って熱交換室１２０内に導入される排気が、蓄熱体１２３が充填された空間を通過した後に空気ポートから排出可能であるように構成されている。空気ポート１２２に蓄熱体１２３が入り込まないようにするために、空気ポート１２２と蓄熱体１２３を通気性のあるセパレータ１２５で分離することが好ましい。セパレータ１２５としては、例えば、金属（例：ＳＵＳ）製の格子状構造体やパンチングプレートを使用することができる。蓄熱体１２３の交換を容易に行えるように、熱交換室１２０に蓄熱体１２３の出入口１２９を設けてもよい。

【0024】

蓄熱体１２３としては、特に制限はないが、セラミック又は金属製のボール、ハニカム又はメッシュの形態で提供することができる。耐熱性に優れかつ圧損の小さいセラミックハニカムを用いることが好ましく、その材質は耐食性や耐熱性を考慮して、ＳｉＣ系材料、コージェライト、ムライト、アルミニウムチタネート等から最適なものを選択することができる。

【0025】

リジェネレイティブバーナからの排気中の酸素濃度は、燃焼前の空気中の酸素濃度に比べて低くなる。そこで、酸素濃度の低下した排気を燃焼空気の一部又は全部として利用することで、サーマルＮＯｘを効果的に低減することが可能となる。このため、本発明に係るリジェネレイティブバーナ１００は、少なくとも一つの別のリジェネレイティブバーナからの排気を燃焼空気の一部又は全部として空気ポート１２２を介して導入可能に構成されていることが好ましい。サーマルＮＯｘを効果的に低減するという観点からは、リジェネレイティブバーナに導入される燃焼空気中の酸素濃度は、１９体積％以下であることが好ましく、１７体積％以下であることがより好ましい。リジェネレイティブバーナに導入される燃焼空気中の酸素濃度は、過度に低くなると不完全燃焼を引き起こして黒煙の発生が多くなるため、１４．５体積％以上であることが好ましく、１５．５体積％以上であることがより好ましい。

【0026】

一実施形態において、空気ポート１２２は、燃焼空気を供給するための燃焼空気ファンに連通しており、該燃焼空気ファンの入口は少なくとも一つの別のリジェネレイティブバーナからの排気を排出するための排気ファンの出口と連通させることができる。“別のリジェネレイティブバーナ”は、本発明に係るリジェネレイティブバーナでもよいし、本発明とは異なるリジェネレイティブバーナでもよいが、本発明に係るリジェネレイティブバーナであることが好ましい。このように、別のリジェネレイティブバーナからの排気を燃焼空気の一部又は全部として利用することで、リジェネレイティブバーナに導入される燃焼空気中の酸素濃度を簡便に低下させることができるようになる。

【0027】

＜２．工業炉＞
本発明の一側面によれば、本発明に係るリジェネレイティブバーナを備えた工業炉が提供される。工業炉の種類に特に制約はない。例えば、トンネルキルン、ローラーハースキルン及びプッシャーキルン等の連続炉とすることができ、ボックスキルン、シャトルキルン、カウベルキルン及びエレベータキルン等の単独炉（バッチ炉）とすることもできる。また、雰囲気条件の観点からは、大気焼成炉及び還元焼成炉の何れとすることもできる。還元焼成炉とは、ｍ値（理論空気量に対する実燃焼空気量の比）を１．０未満の状態で燃焼させる焼成炉のことである。

【0028】

図４には、複数のリジェネレイティブバーナ１００ａ、１００ｂを備えた工業炉４００の構成例が例示されている。複数のリジェネレイティブバーナ１００ａ、１００ｂのうち、少なくとも一つは上述した本発明に係るリジェネレイティブバーナであり、すべてが本発明に係るリジェネレイティブバーナであることが好ましい。工業炉４００においては、各リジェネレイティブバーナ１００ａ、１００ｂが、少なくとも一つの別のリジェネレイティブバーナ（典型的には一つの別のリジェネレイティブバーナ）からの排気を、燃焼空気の一部又は全部として各自の空気ポート１２２を介して導入可能に構成されている。

【0029】

図４に記載の工業炉４００においては、一方のリジェネレイティブバーナ１００ａが燃焼中である。リジェネレイティブバーナ１００ａに接続されている燃料配管１６８ａの途中に設置されたバルブ１２４ａが開いており、燃料は、燃料配管１６８ａを通ってリジェネレイティブバーナ１００ａへ供給される。また、他方のリジェネレイティブバーナ１００ｂは蓄熱中である。リジェネレイティブバーナ１００ｂに接続されている燃料配管１６８ｂの途中に設置されたバルブ１２４ｂが閉じていることで、燃料供給が遮断されている。

【0030】

炉体４１０の内部に滞留する燃焼後の排気は、排気ファン１４４の吸引力によって、蓄熱中のリジェネレイティブバーナ１００ｂの火炎噴射口１１４に吸い込まれる。その後、排気は熱交換室１２０を通過して蓄熱体１２３に熱を与えた後、空気ポート１２２から排出される。排出された排気は排気管１４２を通って排気ファン１４４の出口から排出される。排気ファン１４４の出口から排出された排気の一部はループ配管１５０を通って、燃焼空気ファン１５４に流れ込むように構成されている。図示の実施態様においては、燃焼空気ファン１５４の上流側にある空気配管１５２にループ配管１５０が連結されていることで、排気ファン１４４の出口から排出された排気は空気配管１５２を流れる空気と合流し、燃焼空気ファン１５４に流れ込むことが可能になっている。

【0031】

燃焼空気ファン１５４の出口からは、排気、又は排気と空気の混合ガスが排出される。排気中の酸素濃度は空気よりも低いことから、燃焼空気ファン１５４の出口から排出されるガスの酸素濃度は、一般的な空気中の酸素濃度である約２１体積％よりも低くなる。ループ配管１５０の途中に設置されたバルブ１２６の開度を調節することで、空気と混合する排気の割合を制御することが可能である。混合割合は適宜設定すればよいが、混合ガスの酸素濃度が先述した条件を満たすように選択することが望ましい。燃焼空気ファン１５４の出口から排出されたガスは、空気配管１５８を通り、空気ポート１２２を介して、燃焼中のリジェネレイティブバーナ１００ａに燃焼空気として供給される。

【0032】

一定時間の経過毎に、燃焼中のリジェネレイティブバーナと、蓄熱中のリジェネレイティブバーナの切り替えが行われる。切り替えによって、先ほど燃焼中であったリジェネレイティブバーナ１００ａが蓄熱中になり、先ほど蓄熱中であったリジェネレイティブバーナ１００ｂは燃焼中になる。この切り替えは燃料バルブ１２４ａ、１２４ｂ、排気用開閉弁１２８ａ、１２８ｂ及び燃焼空気用開閉弁１２７ａ、１２７ｂの開閉状態を逆転させることで行うことができる。排気用開閉弁１２８ａ、１２８ｂ及び燃焼空気用開閉弁１２７ａ、１２７ｂは三方弁を使用して排気及び燃焼空気の経路の切り替えを行ってもよい。バルブ（弁）としては電磁弁等の電気的駆動弁を用いることができる。このサイクルを繰り返すことで、交番燃焼が行われる。通常は、リジェネレイティブバーナ二台を一対として数十秒サイクルで交番燃焼が行われる。

【0033】

＜３．ワークの加熱方法＞
本発明の一側面によれば、本発明に係る工業炉を用いたワークの加熱方法が提供される。ワークは加熱処理を受ける物品であり、特に限定されるべきものではないが、フェライト及びセラミックコンデンサー等の電子部品、半導体製品、セラミック製品、陶磁器、酸化物系耐火物、ガラス製品、金属製品、アルミナ・グラファイト質及びマグネシア・グラファイト質等のカーボン系耐火物が例示される。また、ワークには窯道具も含まれる。１０００℃以上、典型的には１２００℃以上、より典型的には１４００℃以上、例えば１０００～２０００℃に加熱する場合に本発明に係る工業炉を使用することができる。なお、「加熱」の概念には「焼成」が含まれる。本発明を焼成炉のような温度の高い炉に適用することにより、リジェネレイティブバーナによる省エネ効果が向上する。

【0034】

図５には、複数のリジェネレイティブバーナを備えたトンネルキルン式の工業炉５００の構造が例示されている。工業炉５００においては、多数の被加熱製品５１２を積載した棚板５１４を乗せた台車５２０が、紙面の表裏方向に、炉体５１０内を移動するように構成されている。被加熱製品５１２は台車５２０が炉体５１０内を移動する間に加熱処理を受ける。炉体５１０の左右の内側壁には複数台で構成されたリジェネレイティブバーナ５０１、５０２、５０３、５０４のセットが設置されている。リジェネレイティブバーナの数には特に制限はなく、炉体５１０の大きさや長さに応じて適宜設定すれば良いが、二台を一対として交番燃焼するのが一般的であることから、偶数であることが好ましい。また、本発明に係るリジェネレイティブバーナ以外のリジェネレイティブバーナを一部に使用することも可能である。図示していないが、紙面の表裏方向には同様のリジェネレイティブバーナのセットが所要数設置される。

【0035】

被加熱製品５１２は、棚板５１４の最上面を構成する天板５１６、及び棚板５１４の最下面を構成する底板５１８の間に積載されている。天板５１６の上方及び底板５１８の下方にはそれぞれリジェネレイティブバーナ５０１、５０２、５０３、５０４からの高速火炎に曝される空間が設けられている。左右一対のリジェネレイティブバーナは交互に燃焼と排気を繰り返す。図５においては、一対のリジェネレイティブバーナ５０１、５０４が燃焼中であり、もう一対のリジェネレイティブバーナ５０２、５０３が蓄熱中である。本発明に係るリジェネレイティブバーナを使用すると、火炎の直進性が高いため火炎が四方に広がりにくい。また、火炎が高速に噴出されるため炉内ガスの攪拌効果が高く、炉内の温度分布が均一化されやすい。この結果、炉内の特定部（とりわけ炉幅方向中心部）に熱量が集中して火炎近傍のワークに熔け不良が発生したり、一部のワークが過焼成状態になるなどの不具合が生じたりするのを防止することが可能となる。

【0036】

一実施形態において、工業炉は、入口、脱バインダー帯、焼成帯、冷却帯及び出口を順に備え、有機バインダーを含有するセラミック成形品を入口から出口に向かって搬送しながら焼成するための連続式工業炉とすることができる。焼成帯において、本発明に係る複数のリジェネレイティブバーナを設置し、セラミック成形品の焼成に利用することができる。

【0037】

図８にはそのような連続式工業炉８００の構成例が示されている。有機バインダーを含有するセラミック成形品は、例えば台車８１０上の棚板に積載されて、入口８０１から炉内に入り、図８の紙面の右方向に進行する。脱バインダー帯８０２においては、有機バインダーを含有するセラミック成形品から有機バインダーを除去する工程を実施することができる。その後、セラミック成形品は焼成帯８０４まで進行し、ここで複数のリジェネレイティブバーナ１００を用いて焼成工程が実施される。焼成後のセラミック成形品は冷却帯８０６まで進行し、ここで常温付近まで冷却されて出口８０９から取り出される。脱バインダー帯８０２及び焼成帯８０４における加熱温度はセラミック成形品の材質や目的とする品質に応じて適宜設定される。例えば、セラミック成形品がコージライト質のセラミックハニカム構造体であり、有機バインダーとしてメチルセルロース及び／又はポリビニルアルコールを含む場合、約２００℃で脱バインダーが行われ、１４００～１５００℃で焼成が行われる。

【0038】

連続式工業炉８００においては、焼成帯８０４における炉内ガスを、脱バインダー帯の炉内に供給可能とする返送ライン８１２、８１４を有することが好ましい。これにより、連続式工業炉８００から排出される排ガス全体としてＮＯｘ濃度が低下するという効果が得られる。すなわち、返送ライン８１２、８１４を設けることで、連続式工業炉８００からの各種排ガスを集約して排気する煙突８２０から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度が有意に低下する。

【0039】

脱バインダー帯８０２において発生した有機バインダーガスはセラミック成形品の表面において燃焼するため、セラミック成形品の外周部は高温になるが、セラミック成形品は断熱性に優れているために内部の温度は比較的低温のままとなる。その後、徐々に内部の温度が上昇するとセラミック成形品の内部において有機バインダーガスの燃焼が進行して高温となるが、セラミック成形品は断熱性に優れているために外周部の温度は上がりにくい。このような原因で脱バインダー工程において内部と外周部との間に温度差が生じ、熱応力によりクラックを発生させることがある。

【0040】

そこで、焼成帯８０４における炉内ガスを、脱バインダー帯８０２の炉内に供給すると、脱バインダー工程においてセラミック成形品にクラックが生じるのを予防できるという効果も得られる。一方で、焼成帯８０４における炉内ガスの酸素濃度は、条件により異なるが、１０体積％以下とすることができ、例えば３～７体積％程度である。このため、当該炉内ガスを脱バインダー帯８０２の炉内に供給することで脱バインダー帯８０２の酸素濃度が低下すると、有機バインダーの燃焼が抑制されるので、セラミック成形品の内部と外周部の間の温度差が減少し、クラックの発生が抑制される。

【0041】

従って、連続式工業炉８００は、リジェネレイティブバーナ１００の空気ポートから排出された焼成帯８０４における炉内ガスを、脱バインダー帯８０２の炉内へ打ち込むための返送ライン８１４を有することができる。脱バインダー帯８０２の炉内へ打ち込まれた当該ガスは、脱バインダー帯８０２のバーナ８２９の燃焼空気として使用してもよいし、バーナ８２９の燃焼空気に使用せずに、炉内に直接打ち込んでもよい。返送ライン８１４の途中には、焼成帯８０４に近い側のリジェネ排気ファン８２１、及び脱バインダー帯８０２に近い側の脱バインダー帯二次燃焼空気ファン８２２が設置されており、これらにより脱バインダー帯８０２へ供給するガス量を制御可能である。また、連続式工業炉８００は、リジェネ排気ファン８２１を出た焼成帯８０４からの炉内ガスを分岐して、煙突８２０へと送る排気ライン８１３を有することができる。

【0042】

冷却帯８０６には、冷却空気ファン８３２により、冷却空気ライン８３１を通って冷却用空気が打ち込まれる。冷却空気は外気とすることができる。冷却帯８０６からの炉内ガスを部分的に使用することもできる。連続式工業炉８００は、冷却帯８０６における炉内ガスを抽出し、脱バインダー帯８０２の炉内へ打ち込むための、返送ライン８１２を有することができる。返送ライン８１２の途中には、冷却帯排気ファン８２３及び脱バインダー帯燃焼空気ファン８２４が設置されており、脱バインダー帯８０２へ供給するガス量を制御可能である。冷却帯８０６における炉内ガスは、省エネの理由により、脱バインダー帯８０２に設置されるバーナ８２９の燃焼空気として使用することも可能である。また、連続式工業炉８００は、冷却帯排気ファン８２３を出た冷却帯８０６からの炉内ガスを分岐して、煙突８２０へと送る排気ライン８１５を有することができる。脱バインダー帯８０２からの排ガスは脱バインダー排気ファン８２６により吸引し、排気管８２８を通って煙突８２０へ送ることができる。

【0043】

連続式工業炉８００において、焼成帯８０４に設置されたリジェネレイティブバーナ１００に使用する燃焼空気は、燃焼空気ファン８２５の送風力を利用し、空気配管８１９を通って供給される。燃焼空気としては、外気、リジェネ排気ファン８２１を出た焼成帯８０４からの炉内ガス、及び、冷却帯排気ファン８２３を出た冷却帯８０６からの炉内ガスの何れか又はこれらの二種以上の混合ガスを使用することができる。従って、連続式工業炉８００は、リジェネ排気ファン８２１を出た焼成帯８０４からの炉内ガスを空気配管８１９に送るためのループ配管８１７を有することができる。また、連続式工業炉８００は、冷却帯排気ファン８２３を出た冷却帯８０６からの炉内ガスを燃焼空気ファン８２５に送るための配管８１１を有することができる。冷却帯から排出される高温空気を燃焼空気として利用することにより、省エネ効果が得られる。

【0044】

焼成帯８０４及び／又は冷却帯８０６における炉内ガス温度が脱バインダー帯８０２に供給するには高すぎる場合には、除熱設備８１６を返送ライン８１２、８１４に必要に応じて設けてもよい。除熱設備８１６としては、例えば熱交換器を用いることができる。

【実施例】

【0045】

以下、本発明及びその利点をよりよく理解するための実施例を比較例と共に例示するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

【0046】

＜実施例１＞
図５に示す構造及びリジェネレイティブバーナの配置を有するトンネルキルン式の焼成炉を使用して、図５に示すような配置でコージェライト製のハニカム成形品を棚板に積載し、焼成試験を行った。この際、ループ配管８１７を利用してリジェネレイティブバーナからの排気を燃焼空気に混合する操作（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）は行ったが、リジェネレイティブバーナ１００の空気ポートから排出された焼成帯８０４における炉内ガスを、返送ライン８１４を経由して脱バインダー帯８０２の炉内へ打ち込むことは行わなかった。使用したリジェネレイティブバーナのすべてにおいて、燃料ノズルは燃焼室内にのみ燃料が導入されるように構成され、直進性の高速火炎を噴出する図１に示す構造のリジェネレイティブバーナとし、左右交互に交番燃焼を行った。通常量産時の焼成条件にて図５の点線で囲まれた棚板の下から一段目に温度測定チップ（リファサーモ）を積載し温度分布測定を実施した。結果を図９に示す（単位は℃）。最高温度と最低温度の差が２℃しかなく、炉幅方向及び炉高方向に均一性の高い温度分布が得られていることが分かる。これは火炎の直進性が高いことに起因すると考えられる。

【0047】

＜比較例１＞
図６に示す構造及びリジェネレイティブバーナの配置を有するトンネルキルン式の焼成炉を使用して、図６に示すような配置でコージェライト製のセラミック成形品を棚板に積載し、焼成試験を行った。図６に示す参照符号は図５の参照符号と同じ構成要素を意味する。但し、比較例１の焼成炉では、リジェネレイティブバーナとして、図２に示す緩慢燃焼型のリジェネレイティブバーナを使用した。その他の構成は、実施例１と同様である。比較例１の焼成炉に対して、実施例１と同じ運転条件で加熱試験を行い、実施例１と同様に焼成帯の炉内温度分布を解析した。結果を図１０に示す。バーナータイル外で緩慢燃焼をさせている為に、火炎が四方に広がると共に炉幅方向の中央部に高温領域が集中する傾向が見られた。最高温度と最低温度の差は５℃に広がった。比較例１においては棚板の隙間から吹き上がった火炎による製品の熔け不良も見つかった。

【0048】

＜比較例２＞
図７に示す構造及びリジェネレイティブバーナの配置を有するトンネルキルン式の焼成炉を使用して、図７に示すような配置でセラミック成形品を棚板に積載し、焼成試験を行った。図７に示す参照符号は図５の参照符号と同じ構成要素を意味する。但し、比較例２の焼成炉では、リジェネレイティブバーナとして、図２に示す緩慢燃焼型のリジェネレイティブバーナを使用した。また、比較例２の焼成炉では、火炎の吹き上がりによる熔け不良を防止し、且つ、炉幅方向の中央部の温度分布不良に伴う焼成品の品質バラツキを防止する為に、下から１段目の棚板の下方に“捨て板”と称する火炎遮蔽板５３１を施工し、且つ、熱量の集中する捨て板中央部上に断熱材５３２を敷いた。その他の構成は、比較例１と同様である。比較例２の焼成炉に対して、実施例１と同じ運転条件で加熱試験を行い、実施例１と同様に焼成帯の炉内温度分布を解析した。結果を図１１に示す。局所的に高温部分が見られるが、捨て板と断熱材施工により量産に適用可能な温度分布に改善した。しかしながら、比較例２では捨て板や断熱材と言った窯道具（消耗品）を使用する必要があるため、実施例１のほうが実用性が高い。

【0049】

＜燃焼空気中の酸素濃度と排ガス中のＮＯｘ濃度の関係＞
実施例１で使用した焼成炉において、ＥＧＲによるＮＯｘ低減効果の確認試験を行った。リジェネレイティブバーナは二台を一対として、図４に示す構造のループ配管構造とした。この際、ループ配管を通過する排気ガス量を制御することで、燃焼空気中の酸素濃度を変化させ、リジェネレイティブバーナを交番燃焼させたときの排気中のＮＯｘの濃度変化を見た。運転を開始し、炉内温度が安定状態になった後に、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を測定した。結果を図１２に示す。燃焼空気中の酸素濃度が２１体積％の場合は５００～５５０体積ｐｐｍであったＮＯｘ濃度が、燃焼空気中の酸素濃度の低下と共に低下し、燃焼空気中の酸素濃度が１６体積％では、２２０体積ｐｐｍ程度まで低下することが確認された。図１２中、ＮＯｘ濃度は燃焼空気中の酸素濃度を１５体積％に換算したときの値である。

【0050】

＜脱バインダー帯への排気の打ち込みによるＮＯｘ低減効果＞
実施例１で使用した焼成炉において、ループ配管を利用してリジェネレイティブバーナからの排気の一部を燃焼空気に混合して燃焼空気中の酸素濃度を約１６体積％に制御するように返送割合（排気の約２８体積％）を自動制御することに加えて、返送ライン８１４を利用してリジェネレイティブバーナからの排気の５０～７０体積％程度を脱バインダー帯に打ち込んだ。煙突から排出される排気中のＮＯｘ濃度を脱バインダー帯への打ち込みの有無で比較した。各運転条件について、運転を開始し、炉内温度が安定状態になった後に、ＮＯｘ濃度を測定した。結果を図１３に示す。リジェネレイティブバーナからの排気の一部を脱バインダー帯に打ち込むことで、ＮＯｘ濃度が１０％以上低下したことが分かる。

【産業上の利用可能性】

【0051】

本発明に係るリジェネレイティブバーナは、例えば、１０００℃を超える高温の工業炉を用いる産業分野、例えば、窯業、電子部品製造業、セラミック製造業、ガラス製造業、耐火物製造業、鉄鋼業等で有効に利用される。

【符号の説明】

【0052】

１００（１００ａ、１００ｂ） リジェネレイティブバーナ
１１０ 燃焼室
１１２ 燃料ノズル
１１４ 火炎噴射口
１１５ バーナータイル
１１６ 奥壁
１２０ 熱交換室
１２２ 空気ポート
１２３ 蓄熱体
１２４ａ、１２４ｂ バルブ
１２５ セパレータ
１２６ バルブ
１２７ａ、１２７ｂ 燃焼空気用開閉弁
１２８ａ、１２８ｂ 排気用開閉弁
１２９ 出入口
１３０ 連通路
１３１ 燃焼室側のポート
１３２ 熱交換室側のポート
１４２ 排気管
１４４ 排気ファン
１５０ ループ配管
１５２ 空気配管
１５４ 燃焼空気ファン
１５８ 空気配管
１６８ａ、１６８ｂ 燃料配管
２００ リジェネレイティブバーナ
２１２ 燃料ノズル
２１４ 蓄熱体
２１５ バーナータイル
２１８ 空気孔
２２０ 熱交換室
２２２ 空気ポート
３２４ 蓄熱体
３００ リジェネレイティブバーナ
３１０ 燃焼室
３１２ａ、３１２ｂ 燃料ノズル
３１４ 火炎噴射口
３１５ バーナータイル
３２０ 熱交換室
３２２ 空気ポート
３２４ 蓄熱体
４００ 工業炉
４１０ 炉体
５００ 工業炉
５１２ 被加熱製品
５１４ 棚板
５１６ 天板
５１８ 底板
５０１、５０２、５０３、５０４ リジェネレイティブバーナ
５３１ 火炎遮蔽板
５３２ 断熱材
８００ 工業炉
８０１ 入口
８０２ 脱バインダー帯
８０４ 焼成帯
８０６ 冷却帯
８０９ 出口
８１０ 台車
８１１ 配管
８１２、８１４ 返送ライン
８１５ 排気ライン
８１６ 除熱設備
８１７ ループ配管
８１９ 空気配管
８２０ 煙突
８２１ リジェネ排気ファン
８２２ 脱バインダー帯二次燃焼空気ファン
８２３ 冷却帯排気ファン
８２４ 脱バインダー帯燃焼空気ファン
８２５ 燃焼空気ファン
８２６ 脱バインダー排気ファン
８２８ 排気管
８２９ バーナ
８３１ 冷却空気ライン
８３２ 冷却空気ファン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】