特許 7315747 工業用炉の排ガスダクト設備

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-18

(45)【発行日】2023-07-26

(54)【発明の名称】工業用炉の排ガスダクト設備

(51)【国際特許分類】

   F27D 21/00 20060101AFI20230719BHJP

   F27D 17/00 20060101ALI20230719BHJP

【ＦＩ】

F27D21/00 A

F27D17/00 105G

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022053701

(22)【出願日】2022-03-29

【審査請求日】2022-03-29

(73)【特許権者】

【識別番号】000211123

【氏名又は名称】中外炉工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100129791

【弁理士】

【氏名又は名称】川本 真由美

(74)【代理人】

【識別番号】100144200

【弁理士】

【氏名又は名称】奥西 祐之

(74)【代理人】

【識別番号】100094042

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 知

(72)【発明者】

【氏名】川端 健介

(72)【発明者】

【氏名】永田 一樹

(72)【発明者】

【氏名】高坂 篤

【審査官】櫻井 雄介

(56)【参考文献】

【文献】実開平０６－０８６０５８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特許第６６８６３４４（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開昭５３－０１１１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０７５６９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１５５２６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２５８３２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２７Ｄ ２１／００

Ｆ２７Ｄ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

炉体から排ガスを吸引して流通させる排ガスダクトと、該排ガスダクトよりも細径で形成され、該排ガスダクトの分岐部で分岐され、該排ガスダクトの合流部で合流され、これら分岐部と合流部との距離を十分に隔てて配置したバイパス配管と、該バイパス配管に設けられ、該バイパス配管を流れる排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとを備え、
上記バイパス配管には、上記排ガスダクトの上記分岐部と上記合流部との間で当該排ガスダクトに生じる圧力差で該排ガスダクトよりも速い流速で排ガスが流通されることを特徴とする工業用炉の排ガスダクト設備。

【請求項2】

炉体から排ガスを吸引して流通させる排ガスダクトと、該排ガスダクトよりも細径で形成され、該排ガスダクトの分岐部で分岐され、該排ガスダクトの合流部で合流されるバイパス配管と、該バイパス配管に設けられ、該バイパス配管を流れる排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとを備え、
前記排ガスダクトには、前記分岐部と前記合流部との間に、圧力差を生じさせるオリフィスが設けられ、
上記バイパス配管には、上記排ガスダクトの上記分岐部と上記合流部との間で当該排ガスダクトに生じる圧力差で該排ガスダクトよりも速い流速で排ガスが流通されることを特徴とする工業用炉の排ガスダクト設備。

【請求項3】

炉体から排ガスを吸引して流通させる排ガスダクトと、該排ガスダクトよりも細径で形成され、該排ガスダクトの分岐部で分岐され、該排ガスダクトの合流部で合流されるバイパス配管と、該バイパス配管に設けられ、該バイパス配管を流れる排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとを備え、
前記排ガスダクトには、前記分岐部と前記合流部との間に、圧力差を生じさせる屈曲部が設けられ、
上記バイパス配管には、上記排ガスダクトの上記分岐部と上記合流部との間で当該排ガスダクトに生じる圧力差で該排ガスダクトよりも速い流速で排ガスが流通されることを特徴とする工業用炉の排ガスダクト設備。

【請求項4】

炉体から排ガスを吸引して流通させる排ガスダクトと、該排ガスダクトよりも細径で形成され、該排ガスダクトの分岐部で分岐され、該排ガスダクトの合流部で合流されるバイパス配管と、該バイパス配管に設けられ、該バイパス配管を流れる排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとを備え、
前記排ガスダクトには、前記分岐部と前記合流部との間に、圧力差を生じさせる流量調整弁が設けられ、
上記バイパス配管には、上記排ガスダクトの上記分岐部と上記合流部との間で当該排ガスダクトに生じる圧力差で該排ガスダクトよりも速い流速で排ガスが流通されることを特徴とする工業用炉の排ガスダクト設備。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、排ガスダクトを流れる排ガス中の酸素濃度を正確に測定することが可能な工業用炉の排ガスダクト設備に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料を燃焼して運転される加熱炉や熱処理炉などの工業用炉では、炉体内における燃焼状態を把握するために、炉体から排出される排ガス中に含まれる残留酸素濃度を検出するようにしていて、この種の技術に関し、特許文献１～４が知られている。

【0003】

特許文献１の「雰囲気熱処理炉のバーナ燃焼状態判定方法および装置」は、ラジアントチューブバーナによって炉内温度が所定に維持され、かつ炉内雰囲気中のＯ２ガス濃度を検出するためのＯ２分析計を備えた雰囲気熱処理炉において、炉内雰囲気ガスとラジアントチューブバーナの排気ガスを前記Ｏ２分析計に切替え接続する切替手段を設けた切替流路と、炉操業中に、前記切替手段によって前記排気ガスを前記Ｏ２分析計に流通させるとともに、前記Ｏ２分析計のＯ２濃度出力に基づいてバーナ燃焼状態の良否を判定する判定手段とを備え、かつ前記ラジアントチューブバーナは複数設けられ、各ラジアントチューブバーナの排気ガスを順次切り替えて前記切替流路に流通させる開閉弁を設けて構成されている。

【0004】

特許文献２の「圧延鋼材の加熱方法および装置」は、圧延鋼材を収容する加熱炉と、該加熱炉に設置されていて燃料および空気を供給される燃焼バーナと、該燃焼バーナから離れた位置の加熱炉炉壁に設けられていて余剰空気が供給される余剰空気供給口と、加熱パターンをあらかじめ設定しかつ加熱炉炉内の温度に基いて燃料の供給流量を制御するように燃料配管に設けた調節弁を調節する温度制御装置と、排ガス中の酸素濃度を検出し適正な酸素濃度を指令する酸素濃度制御装置と、燃料の供給流量を検出する流量計と、該流量計からの実際の燃料流量値と前記酸素濃度制御装置からの実際の酸素濃度値とを受けて酸素濃度制御を含む空燃比制御を行うように空気配管に設けた調節弁を調節する空燃比制御装置と、前記温度制御装置からのあらかじめ設定された加熱パターンの特定点と前記流量計からのあらかじめ設定された燃料流量の実測値とが一致した時に余剰空気の供給を開始しかつ前記酸素濃度制御装置からの実測酸素濃度値に基いて余剰空気の供給流量を制御するように余剰空気配管に設けた調節弁を調節する余剰空気供給制御装置とから構成されている。

【0005】

特許文献３の「ジルコニア酸素センサ」は、測定筒内に測定ガスと略同程度の酸素分圧を有する基準ガスからなる調整ガスを流通させた状態で測定ガスの酸素分圧を測定することで、測定ガスの流速に影響されることなく、低酸素分圧の測定ガスの酸素分圧測定を正確に行えるようにしている。また、調整ガスの酸素分圧を、測定筒内に挿入配置したモニタセンサ部によってモニタ測定することで、調整ガスの酸素分圧を正確に把握できるようにしている。

【0006】

特許文献４の「連続熱処理炉の排ガス中酸素濃度測定装置」は、連続熱処理炉の排ガス流路内へガス採取管先端部を臨設し、該ガス採取管の後端部に酸素センサーを接続し、該ガス採取管の後端部と排ガス集合煙道間にガス吸引管を配設するようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特許第６６８６３４４号公報

【文献】特開昭５３－１１１０８号公報

【文献】特開平８－７５６９４号公報

【文献】実開平６－８６０５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

酸素センサは、排ガスが直接測定子に触れるように配管に取り付けた場合は、排ガスの流速が遅い場合に感度が悪くなる速度依存性の問題がある。

【0009】

排ガスダクトは内径が大きくて太く、酸素センサを直接排ガスダクトに取り付けた場合であっても、排ガスダクトの中心付近から離れたダクト内面付近の、速度分布の遅い位置でしか計測ができないため、感度が悪くなる。

【0010】

また、燃焼量を下げた場合、排ガスダクトを流れる排ガスの流量が減り、なおさら測定結果の正確性に問題があった。

【0011】

特許文献４では、排ガス流路（排ガスダクト）よりも細いガス採取管の後端部に酸素センサーを接続しているが、排ガスダクトの排ガス本流を測定することはできないので、この場合も、正確な測定結果を得ることができないという課題があった。

【0012】

本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、排ガスダクトを流れる排ガス中の酸素濃度を正確に測定することが可能な工業用炉の排ガスダクト設備を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明にかかる工業用炉の排ガスダクト設備は、炉体から排ガスを吸引して流通させる排ガスダクトと、該排ガスダクトよりも細径で形成され、該排ガスダクトの分岐部で分岐され、該排ガスダクトの合流部で合流され、これら分岐部と合流部との距離を十分に隔てて配置したバイパス配管と、該バイパス配管に設けられ、該バイパス配管を流れる排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとを備え、上記バイパス配管には、上記排ガスダクトの上記分岐部と上記合流部との間で当該排ガスダクトに生じる圧力差で該排ガスダクトよりも速い流速で排ガスが流通されることを特徴とする。

【0014】

本発明にかかる工業用炉の排ガスダクト設備は、炉体から排ガスを吸引して流通させる排ガスダクトと、該排ガスダクトよりも細径で形成され、該排ガスダクトの分岐部で分岐され、該排ガスダクトの合流部で合流されるバイパス配管と、該バイパス配管に設けられ、該バイパス配管を流れる排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとを備え、前記排ガスダクトには、前記分岐部と前記合流部との間に、圧力差を生じさせるオリフィスが設けられ、上記バイパス配管には、上記排ガスダクトの上記分岐部と上記合流部との間で当該排ガスダクトに生じる圧力差で該排ガスダクトよりも速い流速で排ガスが流通されることを特徴とする。

【0015】

本発明にかかる工業用炉の排ガスダクト設備は、炉体から排ガスを吸引して流通させる排ガスダクトと、該排ガスダクトよりも細径で形成され、該排ガスダクトの分岐部で分岐され、該排ガスダクトの合流部で合流されるバイパス配管と、該バイパス配管に設けられ、該バイパス配管を流れる排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとを備え、前記排ガスダクトには、前記分岐部と前記合流部との間に、圧力差を生じさせる屈曲部が設けられ、上記バイパス配管には、上記排ガスダクトの上記分岐部と上記合流部との間で当該排ガスダクトに生じる圧力差で該排ガスダクトよりも速い流速で排ガスが流通されることを特徴とする。

【0016】

本発明にかかる工業用炉の排ガスダクト設備は、炉体から排ガスを吸引して流通させる排ガスダクトと、該排ガスダクトよりも細径で形成され、該排ガスダクトの分岐部で分岐され、該排ガスダクトの合流部で合流されるバイパス配管と、該バイパス配管に設けられ、該バイパス配管を流れる排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとを備え、前記排ガスダクトには、前記分岐部と前記合流部との間に、圧力差を生じさせる流量調整弁が設けられ、上記バイパス配管には、上記排ガスダクトの上記分岐部と上記合流部との間で当該排ガスダクトに生じる圧力差で該排ガスダクトよりも速い流速で排ガスが流通されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明にかかる工業用炉の排ガスダクト設備にあっては、排ガスダクトを流れる排ガス中の酸素濃度を正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明にかかる工業用炉の排ガスダクト設備の好適な一実施形態を説明するための説明図である。

【図2】本発明にかかる工業用炉の排ガスダクト設備の変形例を説明するための説明図である。

【図3】本発明にかかる工業用炉の排ガスダクト設備の他の変形例を説明するための説明図である。

【図4】本発明にかかる工業用炉の排ガスダクト設備のさらに他の変形例を説明するための説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に、本発明にかかる工業用炉の排ガスダクト設備の好適な実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、工業用炉として、リジェネバーナシステムを備えた大型の加熱炉を例示して説明する。

【0020】

加熱炉には、高燃焼効率を達成するための空燃比制御に排ガス中の酸素濃度をフィードバックするために、酸素センサが備えられている。

【0021】

酸素センサは、例えば、ジルコニアを用いた酸素センサであり、排ガスの流路に測定子が露出するように配置される。

【0022】

本実施形態にかかる加熱炉１は、図１に示すように、燃焼運転が行われる炉体２と、炉体２と煙突３との間に設けられ、煙突３のドラフト力により、炉体２から排ガスを吸引して流通させる排ガスダクト４と、排ガスダクト４よりも細径で形成され、当該排ガスダクト４からの迂回路として設けられるバイパス配管５と、バイパス配管５に設けられた酸素センサ６とを備えている。

【0023】

排ガスダクト４内には、開度の調整が自在な流量調整弁７が設けられる。排ガスダクト４内に流量調整弁７を設けることにより、排ガスダクト４内の圧力（排ガスの動圧）は静的に、流量調整弁７の下流側の圧力が上流側の圧力よりも低くなる。

【0024】

また、流量調整弁７の開度により、具体的には、流量調整弁７により排ガス流量が絞られることにより、排ガスダクト４内の圧力は動的に、流量調整弁７の下流側の圧力が上流側の圧力よりも低くなる。

【0025】

いずれにしても、流量調整弁７により、排ガスダクト４内に圧力差を生じさせることができる。

【0026】

バイパス配管５の内径は、排ガスダクト４の内径よりも極端に小さく形成される。バイパス配管５の内径は、例えば、排ガスダクト４の内径に対して、１／２０の寸法で形成されている。

【0027】

排ガスダクト４における流量調整弁７より上流側、すなわち炉体２側に、バイパス配管５への分岐部４ａが設けられる。

【0028】

排ガスダクト４における流量調整弁７より下流側、すなわち煙突３側に、バイパス配管５からの合流部４ｂが設けられる。

【0029】

従って、バイパス配管５は、排ガスダクト４の分岐部４ａで分岐され、かつ排ガスダクト４の合流部４ｂで合流されて、排ガスダクト４に設けられている流量調整弁７を迂回し、当該流量調整弁７の上流側と下流側とを連通している。

【0030】

排ガスダクト４内の圧力については、流量調整弁７が設けられ、また排ガス流量が絞られることにより、排ガスダクト４の分岐部４ａ側の圧力よりも、排ガスダクト４の合流部４ｂ側の圧力が低くなり、排ガスダクト４を流れる排ガスの一部が、分岐部４ａからバイパス配管５内へ流れ込む。

【0031】

分岐部４ａからバイパス配管５内へ流れ込んだ排ガスは、当該バイバス管５内を流れ、合流部４ｂに達すると、排ガスダクト４内へ還流される。

【0032】

バイパス配管５内を流通する排ガスの流速は、バイパス配管５の内径が排ガスダクト４の内径よりも極端に小さいため、排ガスダクト４を流通する排ガスの流速よりも速い。

【0033】

酸素センサ６は、バイパス配管５を流れる排ガス中の酸素濃度を検出するために、当該バイパス配管５における分岐部４ａ側に設けられる。

【0034】

酸素センサ６は測定子６ａを有し、この測定子６ａは、排ガスダクト４から流れ込む排ガスが直接接触するように、バイパス配管５内に露出させて配置される。

【0035】

図示しないが、酸素センサ６は、フランジによる取り付けやネジ込み構造により、バイパス配管５にその外部から着脱自在に取り付けられる。

【0036】

本実施形態にかかる工業用炉では、煙突３のドラフト力により、炉体２から排ガスが比較的緩やかな流速で排ガスダクト（煙道）４に吸引される。

【0037】

排ガスダクト４に吸引された排ガスが流量調整弁７により、特に絞り操作によってその流量を制御することにより、流量調整弁７の下流側が上流側よりも低圧となり、流量調整弁７の上流側の分岐部４ａからバイパス配管５に排ガスの一部が流れ込む。

【0038】

バイパス配管５内に流れ込んだ排ガスは、内径の大きな排ガスダクト４から、内径が小さいバイパス配管５内に流れ込むと、流速が速められ、酸素センサ６の測定子６ａに高い流速で接触する。これにより、酸素センサ６によって酸素濃度の測定を正確に行うことができる。その後、バイパス配管５内の排ガスは、合流部４ｂから排ガスダクト４の排ガスと合流する。

【0039】

本実施形態にかかる工業用炉の排ガスダクト設備にあっては、加熱炉１の炉体２から排ガスが吸引される排ガスダクト４に、分岐部４ａと合流部４ｂとの間で圧力差が生じるので、排ガスダクト４を流通する排ガスの一部を、自ずとバイパス配管５に流入させることができる。

【0040】

バイパス配管５は、排ガスダクト４よりも細径に形成されているので、バイパス配管５に流れ込んだ排ガスの流速を、排ガスダクト４の排ガスよりも高めることができる。

【0041】

これにより、バイパス配管５の酸素センサ６の測定子６ａに、十分に速い流速の排ガスを接触させることができ、炉体２から排出された排ガス中の酸素濃度を精度よく測定することができる。

【0042】

図２から図４には、上記実施形態の変形例が示されている。図１に示した上記実施形態では、排ガスダクト４の分岐部４ａを、流量調整弁７より上流側に設け、排ガスダクト４の合流部４ｂを、流量調整弁７より下流側に設けることにより、流量調整弁７の上流側と下流側とで圧力差を生じさせてバイパス配管５内に排ガスの一部を流入させる構成としている。

【0043】

これに対し、図２に示した変形例では、流量調整弁７に代えて、圧力差を生じさせるオリフィス８を排ガスダクト４内に設けるようにしている。すなわち、オリフィス８の上流側と下流側とを連通するようにバイパス配管５を設けている。

【0044】

これにより、オリフィス８の上流側と下流側とに生じる圧力差で、上記実施形態と同様に、バイパス配管５内に排ガスの一部を流入させることができる。

【0045】

このような変形例であっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することはもちろんである。図２の場合には、分岐部４ａと合流部４ｂとの間にオリフィス８を設けるだけで、容易に圧力差を生じさせることができる。

【0046】

図３に示した変形例では、圧力差を生じさせる屈曲部４ｃを排ガスダクト４に設ける、あるいは排ガスダクト４に設けられている屈曲部４ｃを利用し、排ガスダクト４の屈曲部４ｃの上流側と下流側とを連通するようにバイパス配管５を設けている。

【0047】

これにより、屈曲部４ｃに生じる圧力損失によって当該屈曲部４ｃの上流側と下流側とに生じる圧力差で、上記実施形態と同様に、バイパス配管５内に排ガスの一部を流入させることができる。

【0048】

このような変形例であっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することはもちろんである。図３の場合には、排ガスダクト４自体の形態を利用して、さらに簡単な構造でバイパス配管５に排ガスの一部を流入させることができる。

【0049】

図４に示した変形例は、排ガスダクト４の分岐部４ａと合流部４ｂとの距離Ｌを十分に隔てて配置するようにし、これにより、これら分岐部４ａと合流部４ｂとの間を流通する排ガスの圧力損失による圧力差で、バイパス配管５内に排ガスの一部を流入させる構成であって、さらに簡単な構造でバイパス配管５に排ガスの一部を流入させることができる。

【0050】

このような変形例であっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することはもちろんである。

【0051】

また、上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0052】

１ 加熱炉
２ 炉体
３ 煙突
４ 排ガスダクト（煙道）
４ａ 分岐部
４ｂ 合流部
４ｃ 排ガスダクトの屈曲部
５ バイパス配管
５ａ バイパス配管の曲折部
６ 酸素センサ
６ａ 測定子
７ 流量調整弁
８ オリフィス
Ｌ 分岐部と合流部との距離

【要約】

【課題】排ガスダクトを流れる排ガス中の酸素濃度を正確に測定することが可能な工業用炉の排ガスダクト設備を提供する。
【解決手段】炉体２から排ガスを吸引して流通させる排ガスダクト４と、排ガスダクトよりも細径で形成され、排ガスダクトの分岐部４ａで分岐され、排ガスダクトの合流部４ｂで合流されるバイパス配管５と、バイパス配管に設けられ、パイパス配管を流れる排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ６とを備え、バイパス配管には、排ガスダクトの分岐部と合流部との間で当該排ガスダクトに生じる圧力差で排ガスダクトよりも速い流速で排ガスが流通される。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】