特許 7657180 工業用炉の排気システム

(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】2025-03-27

(45)【発行日】2025-04-04

(54)【発明の名称】工業用炉の排気システム

(51)【国際特許分類】

   F23J 15/00 20060101AFI20250328BHJP

   F23G 7/06 20060101ALI20250328BHJP

   F23G 7/07 20060101ALI20250328BHJP

【ＦＩ】

F23J15/00 Z

F23G7/06 B

F23G7/06 101E

F23G7/06 103

F23G7/06 104

F23G7/07 R

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2022088344

(22)【出願日】2022-05-31

(65)【公開番号】P2023176186

(43)【公開日】2023-12-13

【審査請求日】2024-01-25

(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】

【氏名又は名称】鈴木 知

(72)【発明者】

【氏名】河本 祐作

(72)【発明者】

【氏名】田口 脩平

(72)【発明者】

【氏名】仲井 和成

(72)【発明者】

【氏名】大倉 莉奈

【審査官】大谷 光司

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－２６７２４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－００３２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２４０２２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２４１６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２３３９１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２３Ｊ１５／００－１５／０８

Ｆ２３Ｇ７／０６－７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

工業用炉の排気流路に設けられ、排気中の未燃燃料に自燃を生じさせる自燃生成部と、
該自燃生成部の上流に設けられ、未燃燃料の自燃を促進する自燃促進手段と、
上記自燃生成部の下流に設けられ、上記自燃生成部を経過した排気中の未燃燃料を検出するための検出手段と、
該検出手段の検出結果で上記自燃促進手段を制御する制御手段とを備え、
前記排気流路である排気管には、前記自燃促進手段、前記排気管内の温度を検出する温度センサ及び前記検出手段が設けられ、
前記未燃燃料はアンモニア燃料であり、
前記検出手段は、酸素検出センサであることを特徴とする工業用炉の排気システム。

【請求項2】

前記自燃生成部は、流通する排気の熱を蓄熱する蓄熱部であることを特徴とする請求項１に記載の工業用炉の排気システム。

【請求項3】

前記自燃生成部は、触媒であることを特徴とする請求項１に記載の工業用炉の排気システム。

【請求項4】

前記自燃促進手段は、排気を加熱するヒータであることを特徴とする請求項１～３いずれかの項に記載の工業用炉の排気システム。

【請求項5】

前記自燃促進手段は、排気に空気を供給する空気供給手段であることを特徴とする請求項１～３いずれかの項に記載の工業用炉の排気システム。

【請求項6】

前記自燃促進手段は、排気を加熱するバーナであることを特徴とする請求項１～３いずれかの項に記載の工業用炉の排気システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コンパクトかつ低コストな構成で排気中の未燃燃料（特に、バーナ燃料がアンモニアである場合の未燃アンモニア燃料）を処理することが可能で、排気を無害化できる工業用炉の排気システムに関する。

【背景技術】

【0002】

工業用炉の排気処理に関する技術として、特許文献１～４が知られている。特許文献１の「ラジアントチューブバーナー設備」は、ラジアントチューブの一端部における燃焼バーナー部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部において燃料ガスをラジアントチューブ内で燃焼させ、燃焼後の燃焼排ガスをラジアントチューブの他端部から排出させるラジアントチューブバーナーを備えたラジアントチューブバーナー設備において、前記のラジアントチューブにおける燃焼排ガスの排出方向下流側の位置に、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て構成されている。

【0003】

特許文献２の「工業炉」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て構成されている。

【0004】

特許文献３の「燃焼排ガスの窒素酸化物の低減方法及びその装置」は、燃焼装置内の７００～１３００℃の温度領域にアンモニアを吹込んで窒素酸化物を酸素存在下で分解する方法において、上記分解処理後の排ガス温度が６００～５００℃の領域に排ガスの流れ方向に平行に触媒面が配置された触媒層に上記分解処理後の排ガスを通過させて排ガス中の残存窒素酸化物と残存アンモニアとを同時に分解して無害化するようにしている。

【0005】

特許文献４の「アンモニア含有排ガスの除害装置」は、排ガス中のアンモニアを除く有害成分を除去する除去剤を充填した充填筒と、充填筒から導出した排ガスに酸素含有ガスを添加する酸素導入部と、添加した酸素とアンモニアとを反応させてアンモニアを無害な窒素と水とに分解する酸化触媒を充填したアンモニア分解筒とを備えるようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第６５２５９０８号公報

【文献】特許第６５２５９０９号公報

【文献】特開昭５４－７７２７７号公報

【文献】特開平１１－４２４２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

バーナーで燃料を燃やすときに空気比が「１」よりも低いと、未燃燃料を含む排ガスが大気中に排出されるおそれがある。

【0008】

特許文献１のラジアントチューブバーナーや、特許文献２の直火バーナーでは、排気の排出方向下流側の位置に後燃焼装置を設け、未燃燃料を燃焼させるようにしている。

【0009】

また、バーナー燃料としてアンモニアを用いる場合、未燃燃料として、アンモニアが大気中に排出されるおそれがある。アンモニアは、僅かな量であっても刺激臭がして、大気中に排出されると環境問題となる。

【0010】

特許文献３及び特許文献４では、触媒を用いてアンモニアを分解する除害装置を備えるようにしている。

【0011】

特許文献１や特許文献２が開示している後燃焼装置は、常時稼働させ続けなければならないため、燃料費が嵩むという課題があった。

【0012】

特許文献３や特許文献４が開示している除害装置は、設備が大がかりであり、このため、設置するための広いスペースが必要であると共に多大なコストがかかるという課題があった。

【0013】

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、コンパクトかつ低コストな構成で排気中の未燃燃料を処理することが可能で、排気を無害化できる工業用炉の排気システム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】

【0014】

本発明にかかる工業用炉の排気システムは、工業用炉の排気流路に設けられ、排気中の未燃燃料に自燃を生じさせる自燃生成部と、該自燃生成部の上流に設けられ、未燃燃料の自燃を促進する自燃促進手段と、上記自燃生成部の下流に設けられ、上記自燃生成部を経過した排気中の未燃燃料を検出するための検出手段と、該検出手段の検出結果で上記自燃促進手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

【0015】

前記自燃生成部は、流通する排気の熱を蓄熱する蓄熱部であることを特徴とする。

【0016】

前記自燃生成部は、触媒であることを特徴とする。

【0017】

前記自燃促進手段は、排気を加熱するヒータであることを特徴とする。

【0018】

前記自燃促進手段は、排気に空気を供給する空気供給手段であることを特徴とする。

【0019】

前記自燃促進手段は、排気を加熱するバーナであることを特徴とする。

【0020】

前記検出手段は、温度センサであることを特徴とする。

【0021】

前記検出手段は、未燃燃料検出センサであることを特徴とする。

【0022】

前記検出手段は、酸素検出センサであることを特徴とする。

【発明の効果】

【0023】

本発明にかかる工業用炉の排気システムにあっては、コンパクトかつ低コストな構成で排気中の未燃燃料を処理することができ、排気を無害化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明に係る工業用炉の排気システムの好適な実施形態を説明する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下に、本発明にかかる工業用炉の排気システム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。

【0026】

本実施形態に係る工業用炉の排気システムは、図１に示すように、例えばラジアントチューブバーナ２や直火型バーナ３などを備えた工業用炉１に備えられる。

【0027】

ラジアントチューブバーナ２を備えた工業用炉１の場合には、Ｕ字型に形成したラジアントチューブ２ａが工業用炉１の内部に配置される。

【0028】

ラジアントチューブ２ａの両端部は、炉壁１ａを貫通して工業用炉１の外部に延出され、ラジアントチューブ２ａの一端部側で、供給される燃料ガス及び燃焼用空気により燃焼動作が行われ、ラジアントチューブ２ａ内で発生した排気Ｅは、ラジアントチューブ２ａの他端部側に接続された排気管５に流通され、当該排気管５が接続された煙突４から外部へ排出される。

【0029】

直火型バーナ３を備えた工業用炉１の場合には、炉壁１ａに設けた直火型バーナ３に、燃料ガス及び燃焼用空気が供給され、直火型バーナ３の燃焼動作により工業用炉１内に発生した排気Ｅは、炉壁１ａに接続された排気管５に流通され、当該排気管５が接続された煙突４から外部へ排出される。

【0030】

本実施形態に係る工業用炉の排気システムでは、燃料ガスとして、アンモニア（ＮＨ３）を用いる場合を例示して説明する。しかしながら、炭素分を含む化石燃料を用いる場合であっても、ほぼ同様である。

【0031】

工業用炉１の排気流路を構成する排気管５には、その途中の適宜位置に、自燃生成部６が設けられる。

【0032】

自燃生成とは、排気Ｅ中の未燃の燃料ガスが自然着火して燃焼反応（自燃）が生じることをいう。

【0033】

自燃生成部６とは例えば、燃料ガスの着火点（発火点）以上の温度が保たれる、十分な酸素量が保たれる、という条件が揃った部位をいう。

【0034】

自燃生成部６は、排気管５の途中に、当該自燃生成部６の上流側（工業用炉１側）と下流側（煙突４側）とを区分けしつつ、排気Ｅが上流側から下流側へ流通するのを許容するように設けられる。

【0035】

自燃生成部６の一例は、排気管５を流通する排気Ｅの排熱を蓄熱する蓄熱部で構成される。

【0036】

蓄熱部は、例えば、排気管５内に、排気Ｅの流通方向に間隔を空けて２枚の格子状部材６ａを配置し、これら２枚の格子状部材６ａの間に、多数のボール状蓄熱材６ｂを充填することで構成される。

【0037】

排気Ｅは、自燃生成部６である蓄熱部における蓄熱材６ｂの隙間を通って、上流側から下流側へ向かって流れ、煙突４に至る。

【0038】

排気Ｅが自燃生成部６を流通するときに、蓄熱材６ｂは、蓄熱した排熱により、排気Ｅに含まれる未燃燃料ガスのアンモニアを自燃反応で燃焼させる。

【0039】

排気管５には、自燃生成部６よりも上流側に配置して、未燃燃料の自燃を促進する自燃促進手段が設けられる。

【0040】

自燃促進手段の一例は、供給される燃焼用空気及び燃料で燃焼動作されて排気Ｅを加熱するアフターバーナ７で構成される。

【0041】

アフターバーナ７は、燃焼用空気と燃料の混合により燃焼動作され、後述する制御手段としてのコントローラ１０により、起動・停止及び燃焼制御がなされる。

【0042】

アフターバーナ７には、燃料供給管８と燃焼用空気供給管９が接続される。

【0043】

アフターバーナ７は、燃焼動作されることで、排気Ｅの温度を上昇させる。

【0044】

排気Ｅが昇温されると、蓄熱材６ｂの温度を上昇させることができると共に、アンモニアの自燃を促進させることができる。

【0045】

この際、アフターバーナ７は、理想空燃比（空気比が１．０）で燃焼させることが好ましい。

【0046】

他方、アフターバーナ７を、空気過多、すなわち酸素過多のエアリッチ燃焼させることで、酸素分を蓄熱部（自燃生成部６）に供給することができ、自燃生成部６に、自燃を促進する酸素量を増加させることができる。

【0047】

排気管５には、自燃生成部６よりも下流側に配置して、自燃生成部６を経過した排気Ｅ中の未燃燃料を検出するための検出手段として、排気管５内の温度を検出する温度センサ１１と未燃燃料であるアンモニアを検出するアンモニア検出センサ１２とが備えられる。

【0048】

温度センサ１１は、自燃生成部６の近傍に配置され、自燃生成部６を通過した排気Ｅの温度を検出する。

【0049】

自燃生成部６近傍の排気Ｅの温度を検出することにより、当該排気Ｅとほぼ同等の温度である自燃生成部６の温度を間接的に検出する。

【0050】

排気Ｅは、蓄熱材６ｂを通るときにその熱が蓄熱材６ｂに蓄積され、自燃生成部６の出口では温度が低くなっている。

【0051】

そこで、自燃生成部６の下流側で排気Ｅの温度が自燃を生じる温度以上であれば、自燃生成部６の出口よりも上流の蓄熱材６ｂ全体は、自燃を生じる温度以上であり、確実に自燃させることができるので、自燃生成部６の下流側で排気Ｅの温度を検出することが好ましい。

【0052】

温度センサ１１及びアンモニア検出センサ１２は、排気管５の外部に設けられ、自燃促進手段であるアフターバーナ７を制御するコントローラ１０に接続される。

【0053】

コントローラ１０には、アフターバーナ７の燃料供給管８及び燃焼用空気供給管９のバルブ８ａ，９ａが接続される。

【0054】

コントローラ１０は、アフターバーナ７の起動・停止と、燃料供給管８及び燃焼用空気供給管９のバルブ８ａ，９ａの開閉制御によるアフターバーナ７の燃焼制御を実行する。

【0055】

コントローラ１０は、温度センサ１１及びアンモニア検出センサ１２の検出結果に基づき、設定温度よりも検出温度が低いときあるいはアンモニアが検出されたときのいずれかの場合に、アフターバーナ７を起動し燃焼運転する。

【0056】

この際、コントローラ１０は、必要に応じてアフタバーナ７の燃焼を、理想空燃比としたり、もしくはエアリッチで燃焼制御する。

【0057】

他方、設定温度よりも検出温度が高くかつアンモニアが検出されないときには、アフターバーナ７を停止する。

【0058】

具体的には、コントローラ１０は、例えば、温度センサ１１により検出された温度が設定温度よりも低い場合には、バルブ８ａ，９ａを開き作動させ、アフターバーナ７に燃料及び燃焼用空気を供給して燃焼させる。

【0059】

このとき、設定温度とは、例えば、排気Ｅに含まれるアンモニアに自燃が生じる温度（着火点）もしくはそれ以上の温度である。

【0060】

また、コントローラ１０は、例えば、アンモニア検出センサ１２により、自燃生成部６を通過した排気Ｅにアンモニアが検出された場合も、バルブ８ａ，９ａを開き作動させ、アフターバーナ７に燃料及び燃焼用空気を供給して燃焼させる。

【0061】

本実施形態に係る工業用炉の排気システムによれば、排気管５内は、自燃生成部６の上流側で、アフターバーナ７の燃焼に晒された排気Ｅは、加熱されかつ空気が供給されることにより、自燃作用が促進されて、排気Ｅに含まれる未燃アンモニアが燃焼する。

【0062】

さらに、排気Ｅは、空気とともに自燃生成部６を通過する際に、蓄熱材６ｂで加熱されて燃焼されることにより、排気Ｅ中にアンモニアが残存している場合、当該残存アンモニアも消失させることができる。

【0063】

このように、アンモニアを含む排気Ｅは、アフターバーナ７を経過して自燃生成部６へ流れ込み、そして、アフターバーナ７で加熱されかつ空気が供給された排気Ｅ中のアンモニアが、当該自燃生成部６において、窒素と水に分解される自燃作用を生じることにより、排気管５内でアンモニアを含む排気Ｅを無害化することができ、アンモニアが外部へ排出されることを防止できる。

【0064】

また、アフターバーナ７は、自燃生成部６の下流側に設けられている温度センサ１１及びアンモニア検出センサ１２の検出結果に基づいて点火され燃焼動作されるので、必要な場合のみ燃焼させることができる。

【0065】

このため、常時燃焼し続ける場合よりも、燃料の消費を抑えることができ、コストダウンを達成することができる。

【0066】

また、自燃促進手段を構成するアフターバーナ７と、自燃生成部６と、温度センサ１１及びアンモニア検出センサ１２は、排気管５に設けられるので、大掛かりな除害装置を備える場合よりもコンパクトにすることができる。

【0067】

このように本実施形態に係る工業用炉の排気システムであれば、コンパクトかつ低コストな構成で、排気Ｅ中の未燃燃料を処理して、排気Ｅを無害化することができる。

【0068】

上記実施形態では、加熱及び空気供給を行う自燃促進手段としてアフターバーナ７を備えた例について説明したが、アフターバーナ７に代えて、単に加熱手段として排気を加熱するヒータを備えるようにしても良い。

【0069】

あるいは、アフターバーナ７に代えて、単なる空気供給手段として、排気管５に接続され、当該排気管５内の排気Ｅに対して空気を供給する燃焼用空気供給管を備えるようにしても良い。

【0070】

自燃生成部６は、燃料が自燃する温度以上になっていれば、未燃の燃料は空気と混合されるだけで燃焼する。

【0071】

さらには、アフターバーナ７に代えて、これらヒータ及び燃焼用空気供給管の双方を備えるようにしても良い。

【0072】

これらヒータや燃焼用空気供給管も、コントローラ１０によって作動制御される。

【0073】

これらヒータや燃焼用空気供給管であっても、自燃促進手段として機能させて、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。

【0074】

上記実施形態においては、温度センサ１１及びアンモニア検出センサ１２双方を備える例について説明したが、これに限らず、温度センサ１１とアンモニア検出センサ１２のうち、いずれか一方を備えた構成であってもよい。

【0075】

上記実施形態では、自燃生成部６として蓄熱材６ｂを用いる例について説明したが、これに限らず、蓄熱材６ｂに代えて、アンモニアの分解作用を奏する触媒を用いてもよい。

【0076】

触媒の場合には、排気Ｅが、もしくはコントローラ１０による制御でアフターバーナ７やヒータによって加熱されたりさらに空気が供給された排気Ｅが、自燃生成部６である触媒に流れ込み、そしてこの触媒が温度上昇して活性化しアンモニアの分解反応が促進され、その結果自燃作用と相俟って、排気Ｅを効率よく無害化することができる。

【0077】

上記実施形態では、排気Ｅに含まれる未燃燃料を検出する検出手段としてアンモニア検出センサ１２を用いる例について説明したが、これに限らず、アンモニア検出センサ１２に代えて、酸素検出センサ１２ａを用いてもよい。

【0078】

アンモニア燃料の燃焼では、アンモニアと酸素とが反応して、窒素と水（水蒸気）とが生成される。

【0079】

このため、自燃生成部６が、アンモニアの着火点以上の温度でありながら、自燃生成部６を通過した排気Ｅ中から酸素が検出されるときには、アンモニアの完全燃焼が達成され、酸素過多であることが分かる。

【0080】

他方、酸素検出センサ１２ａで酸素が検出されないときもしくは酸素が微量しか検出されないときには、排気Ｅ中に未燃アンモニアが残存している可能性が高いことが分かる。

【0081】

このように、酸素検出センサ１２ａであっても、排気Ｅに含まれる未燃燃料を検出する検出手段として用いることができる。

【0082】

コントローラ１０は、酸素検出センサ１２ａが酸素が検出しないときは、アフターバーナ７を燃焼動作させるなどし、酸素を検出したときは、アフターバーナ７の燃焼を停止するなどするように制御する。

【0083】

さらに、上記実施形態においては、工業用炉１として、アンモニアを燃料とする工業用炉１を例に挙げて説明したが、これに限らず、化石燃料（都市ガスやオイルなどの炭化水素系燃料、以下同じ）を用いて燃焼熱を得る工業用炉１であってもよい。

【0084】

化石燃料で運転される工業用炉１の場合には、検出手段として酸素検出センサ１２ａを用いる。

【0085】

これにより、排気Ｅ中に含まれる未燃焼成分が含まれることによる危険や使用燃料量の無駄を防止できる。

【0086】

化石燃料の燃焼では、燃料と酸素が反応して、火炎が生成される。

【0087】

このため、自燃生成部６が、化石燃料の着火点以上の温度でありながら、自燃生成部６を通過した排気Ｅ中から酸素が検出されるときには、化石燃料の完全燃焼が達成され、酸素過多であることが分かる。

【0088】

他方、酸素検出センサ１２ａで酸素が検出されないときもしくは酸素が微量しか検出されないときには、排気Ｅ中に化石燃料が残存している可能性が高いことが分かる。

【0089】

コントローラ１０は、酸素検出センサ１２ａが酸素が検出しないとき、アフターバーナ７を燃焼動作させるなどし、酸素を検出したとき、アフターバーナ７の燃焼を停止するなどするように制御する。

【0090】

このように本実施形態に係る工業用炉の排気システムは、化石燃料を燃焼する工業用炉１に適用しても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

【0091】

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】

【0092】

１ 工業用炉
１ａ 炉壁
２ ラジアントチューブバーナ
２ａ ラジアントチューブ
３ 直火型バーナ
４ 煙突
５ 排気管
６ 自燃生成部
６ａ 格子状部材
６ｂ 蓄熱材
７ アフターバーナ
８ 燃料供給管
８ａ バルブ
９ 空気供給管
９ａ バルブ
１０ コントローラ
１１ 温度センサ
１２ アンモニア検出センサ（未燃燃料検出センサ）
１２ａ 酸素検出センサ
Ｅ 排気

【図1】