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【発明の名称】 ハニカム状蓄熱体
【発明者】 【氏名】笠井 義幸

【氏名】梅原 一彦

【氏名】小谷 亘
【要約】 【課題】アフターバーンの際におけるハニカム構造体の破損が無く、蓄熱体の熱交換効率の低下の無いハニカム状蓄熱体を提供する。

【解決手段】複数のハニカム構造体２を積み重ねてなり、貫通孔３から構成される流路に排ガスと被加熱ガスとを交互に通過させて排ガス中の廃熱を回収するハニカム状蓄熱体１において、排ガス導入側および被加熱ガス導入側に存在するハニカム構造体２のセル開口率を、中央部分に存在するハニカム構造体２のセル開口率よりも大きく構成する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】複数のハニカム構造体を積み重ねてなり、貫通孔から構成される流路に排ガスと被加熱ガスとを交互に通過させて排ガス中の廃熱を回収するハニカム状蓄熱体において、排ガス導入側および被加熱ガス導入側に存在するハニカム構造体のセル開口率が、中央部分に存在するハニカム構造体のセル開口率よりも大きいことを特徴とするハニカム状蓄熱体。
【請求項２】前記ハニカム構造体がセラミックスからなる請求項１記載のハニカム状蓄熱体。
【請求項３】前記ハニカム構造体が、アルミナ、コージェライト、ムライト、アルミニウムチタネート、炭化珪素、窒化珪素、ジルコニア、磁器を主成分とする請求項２記載のハニカム状蓄熱体。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数のハニカム構造体を積み重ねてなり、貫通孔から構成される流路に排ガスと被加熱ガスとを交互に通過させて排ガス中の廃熱を回収するハニカム状蓄熱体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から、脱臭設備や、鉄鋼、アルミ、ガラス等の溶融及び加熱加工等に用いる一般産業用の燃焼加熱炉等において、ＣＯ2 対策およびエネルギー効率を改善するために、排ガス中の廃熱を回収し燃焼用空気を予め加熱する方法が行われている。これに用いる蓄熱体として、従来は、例えば特開昭５８−２６０３６号公報に記載の如く安価なセラミックボール、サドル、ペレット等が使用されていた。これらの蓄熱体は非常に安価に構成することができるが、排ガスあるいは燃焼用空気（被加熱ガス）が蓄熱体を通過する際の圧力損失が高く、また、蓄熱体の容積当たりの熱交換面積が小さいという問題があった。
【０００３】これを改善するために、近年は蓄熱体としてハニカム構造体を用いる事が、例えば特開平４−２５１１９０号公報に記載されているように行われている。ハニカム構造体では排ガス等の通過における圧力損失が低く、容積当たりの熱交換面積も大きいことから、ハニカム構造体は非常に効率的な熱交換を行うことができる。
【０００４】これらの蓄熱体を用いた産業用燃焼加熱炉および処理装置等において、排ガス中に有機・重合体等の低温凝固成分が含まれる場合があった。蓄熱体を有する産業用燃焼加熱炉等では、被加熱ガス導入側は比較的低温となり、これら低温凝固成分が蓄熱体内で凝固する場合があり、排ガスや燃焼用空気の流通の際圧力損失が高くなる。そのため、例えば従来の安価な蓄熱体を使用する場合には、短期間で交換を行ったり、洗浄除去した後に再度使用することが行われてきた。一方、ハニカム構造体を使用した場合でも、低温凝固成分はハニカム構造体を構成するセル孔を閉塞し、やはり排ガスや燃焼用空気の流通の際圧力損失を上昇させる問題があった。
【０００５】この問題を改善するために燃焼用空気の導入側からバーナー等を利用して高温ガスを導入し、セル孔に溜まった低温凝固成分を加熱して燃焼あるいは蒸発という手段で除去していた（以下アフターバーン）。これは、ハニカム構造体は従来の蓄熱体と比較して非常に高価であり、またその構造から破壊しやすい性質があり、交換、洗浄等の簡単な手段を用いることができないためであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ハニカム構造体において、上述したようにアフターバーンによって低温凝固成分を除去しようとすると、炉停止中の比較的短時間で処理を行う必要があり、ハニカム構造体が熱衝撃等によって破壊する場合が多発する問題があった。また、複数のハニカム構造体を積み重ねて本発明のハニカム状蓄熱体を構成しているため、被加熱ガスと接する側の下層のハニカム構造体が破壊されることによって、積み重ねたハニカム構造体が崩れて蓄熱体として機能しなくなる場合が発生する問題があった。
【０００７】本発明の目的は上述した課題を解消して、低温凝固成分の除去の際におけるハニカム構造体の破損が無く、蓄熱体の熱交換効率の低下の少いハニカム状蓄熱体を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のハニカム状蓄熱体は、複数のハニカム構造体を積み重ねてなり、貫通孔から構成される流路に排ガスと被加熱ガスとを交互に通過させて排ガス中の廃熱を回収するハニカム状蓄熱体において、排ガス導入側および被加熱ガス導入側に存在するハニカム構造体のセル開口率が、中央部分に存在するハニカム構造体のセル開口率よりも大きいことを特徴とするものである。
【０００９】本発明における実施の形態を説明する前に、上記構成の技術的作用について以下に説明する。蓄熱体は高温の排ガスが導入された時は蓄熱を行い、低温の燃焼用空気（被加熱ガス）が導入された時は放熱を行う。蓄熱、放熱は蓄熱体表面で行われるものであり、同材質の場合は、表面積が大きいほど温度の上昇、下降は素早く行われる。この点でハニカム構造体は従来のセラミックボール、ペレット等より体積当りの熱交換面積を大きくできるため、蓄熱体として効果的ではあるが、ハニカム構造体としては温度変化が激しく劣化しやすいこととなる。ここで、高温部分のセル開口率を大きくすると、幾何学的表面積は小さくなり熱交換面積が小さくなる。熱交換面積を小さくしたため単位時間あたりに吸熱、放熱される熱量は少なくなり、ハニカム構造体自身の昇温、降温速度が緩やかとなり熱衝撃は小さくなる。
【００１０】一方、蓄熱体として機能させるためには熱交換面積を広くする必要がある。これは、高温部分においてある程度熱量が吸収され温度が低下した部分のセル開口率を小さくすることで、幾何学的表面積を大きくし熱交換面積を広くして、蓄熱、放熱性を高めることができるためである。また、燃焼用空気の導入側では、本来セル開口率を小さくして幾何学的表面積を大きくすることが好ましいが、排ガス中に含まれる低温凝固成分除去のためアフターバーンを行うことを前提に排ガス導入側と同様に高温ガスに接触するため、排ガス導入側における考え方と同様にセル開口率を大きくする。また、低温凝固成分は蓄熱体中において排ガスが凝固点以下の部分で凝固されるものであり、一般的には燃焼用空気導入側直近で凝固する。そのため、燃焼用空気導入側のセル開口率を大きくすることによって凝固した成分によるセル孔閉塞も同時に防止することが可能である。
【００１１】従来の構成と比較すると、まず、全てのセル開口率が大きいものでは、炉稼働中における排ガス導入側およびアフターバーンの際に燃焼用空気導入側で発生する熱衝撃を弱めることが可能であり、ハニカム構造体の耐久性を向上することが可能であるが、熱交換面積は小さくなり、排ガス中から十分に廃熱を回収することができなくなる。十分に廃熱を回収するためには、ハニカム構造体容積を増加させることが必要となり好ましくない。また、全てのセル開口率を小さくしたものでは、十分に廃熱を回収することが可能であるが、炉稼働中における排ガス導入側や燃焼用空気導入側からのアフターバーンの際に発生する熱衝撃によってハニカム構造体が破壊し、燃焼用空気導入側での破壊は蓄熱体全てを破壊する要因となり、蓄熱体として機能しなくなる場合がある。
【００１２】本発明の構成では、排ガス導入側および燃焼用空気導入側のハニカム構造体におけるセル開口率を大きくすることで、これらのハニカム構造体の熱衝撃を弱め、ハニカム構造体の耐久性を向上するとともに、中央部分のハニカム構造体はセル開口率を小さくするため、十分に廃熱を回収することが可能である。また、燃焼用空気導入側のセル開口率を大きくすることは、低温凝固成分によるセル孔閉塞を同時に防止するものであり、加熱による燃焼除去および蒸発除去回数も減少することから、耐久性に優れ非常に好ましい蓄熱体として機能するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１は本発明のハニカム状蓄熱体の一例の構成を示す図である。図１に示す例において、ハニカム状蓄熱体１は、直方体形状のハニカム構造体２を、一方向に貫通孔３から構成される流路が揃うよう複数個積み重ねて（ここでは６層に積み重ねて）構成されている。図１において、図中上方が排ガスに接する高温側のハニカム構造体２であり、図中下方が被測定ガスに接する低温側のハニカム構造体２である。本発明の特徴は、上記構成のハニカム状蓄熱体１において、高温側のハニカム構造体２のセル開口率と低温側のハニカム構造体２の開口率とを、中央部分のハニカム構造体２のセル開口率よりも大きく構成した点である。なお、図１に示す例では、各ハニカム構造体の大きさはすべて同じであるが、各ハニカム構造体のセル開口率が、高温側および低温側の各１層のハニカム構造体２と、中央部分の４層のハニカム構造体２とで異ならせている。
【００１４】セル開口率の異なるハニカム構造体２は、セル開口率を異ならせた金型を各別に準備し、準備した金型を使用して例えばセラミック坏土を押出成形後、焼成することで得ることができる。また、ハニカム構造体２の材質は、従来から蓄熱体に使用されるものとして知られているものであればいずれの材質をも使用することができるが、セラミックス、特にアルミナ、コージェライト、ムライト、アルミニウムチタネート、炭化珪素、窒化珪素、ジルコニア、磁器を主成分とするものを使用することが好ましい。
【００１５】図２は本発明のハニカム状蓄熱体を使用した熱交換体を燃焼加熱炉の燃焼室に設置した例を示す図である。図２に示す例において、１１は燃焼室、１２−１、１２−２は図１に示す構造のハニカム状蓄熱体、１３−１、１３−２はハニカム状蓄熱体１２−１、１２−２から構成される熱交換体、１４−１、１４−２は熱交換体１３−１、１３−２の上部に設けた燃料投入口、１５−１、１５−２は熱交換体１３−１、１３−２の下部に設けた低温凝固成分除去用バーナーである。図２に示す例において、２個の熱交換体１３−１、１３−２を設けたのは、一方が高温の排ガスを流すことにより蓄熱を行っているとき、同時に他方が低温の被加熱ガスを加熱できるよう構成して、熱交換を効率的に行うためである。
【００１６】図２に示す例において、片側のハニカム状蓄熱体１２−１の下方より燃焼用空気が進入する。ハニカム状蓄熱体１２−１を通過した後に、燃料投入口１４−１から供給された燃料と混合され、燃焼室１１内で点火される。燃焼された排ガスは他方のハニカム状蓄熱体１２−２の上部より進入し、廃熱はハニカム状蓄熱体１２−２に蓄熱され、低温となった排ガスは外部へ放出される。次に、燃焼用空気の進入方向が切り替えられ、先程廃熱を回収した側のハニカム状蓄熱体１２−２の下部より燃焼用空気が進入する。この際、熱交換が行われ、燃焼用空気は予熱されハニカム状蓄熱体１２−２の上部で燃料投入口１４−２から供給された燃料と混合され、燃焼室１１内で点火される。排ガスは他方のハニカム状蓄熱体１２−１を通って排出されるが、この際、先程同様にハニカム構造体１２−１に廃熱が回収される。
【００１７】また、低温凝固成分の燃焼除去あるいは蒸発除去は、上述した通常の運転を中断した状態で、低温凝固成分除去用バーナー１５−１、１５−２を使用して行う。ここで、低温凝固成分は最も低温のハニカム構造体２すなわち図１の例では最下層のハニカム構造体２に溜まる。そのため、通常の運転を中断した状態で、各ハニカム構造体２の最下層の被加熱ガス供給側のハニカム構造体２を、各熱交換体１３−１、１３−２の下部から空気を導入すると同時にバーナー１５−１、１５−２からフレームを発生させて加熱することで、低温凝固成分を燃焼あるいは蒸発させた後、燃焼あるいは蒸発した排ガスを燃焼室１１内に移動させ、さらに外部へ放出するよう構成している。
【００１８】
【実施例】以下、実際の例について説明する。まず、セル開口率が大きい例として、リブ厚２５ｍｉｌ、セル数３０ｃｐｓｉ、開口率７４．５％のハニカム構造体と、セル開口率が小さい例として、リブ厚１７ｍｉｌ、セル数１００ｃｐｓｉ、開口率６８．９％のハニカム構造体の、２種類のハニカム構造体を準備した。２種類のハニカム構造体は、いずれも主成分がアルミナの同一組成の材料を使用して従来から公知の同一の製造方法に従って作製され、また同一の外形形状を有している。次に、準備したハニカム構造体を利用して以下の表１に示す構成Ａ〜Ｃに従って図１に示す形状のハニカム状蓄熱体を作製した。ここで、各ハニカム状蓄熱体の構成は、図１に示すように、排ガス導入側のハニカム構造体および被加熱ガス導入側のハニカム構造体をそれぞれ１層とし、中央部分のハニカム構造体を４層とした。
【００１９】次に、得られた各ハニカム状蓄熱体を実験装置に組み込み、所定の温度において合計で１０００時間保持するエージング試験を実施した。この際、バーナーによる低温凝固成分処理は２４時間毎に実施した。そして、エージング試験実施中において、ハニカム状蓄熱体を通過した排ガスの被加熱ガス導入側での温度を測定するとともに、排ガスまたは被加熱ガスがハニカム状蓄熱体を通過する際の圧力損失比を求めた。圧力損失比は、すべてのハニカム構造体をセル開口率の小さいもので構成した構成Ｂの圧力損失を１とし、それとの比較として求めた。また、エージング試験終了後、各ハニカム状蓄熱体のハニカム構造体の外観を調査した。この外観調査では、クラックが発生したものを○、クラックが発生しなかったものを×とした。結果を表１に示す。
【００２０】
【表１】

【００２１】表１の結果から明らかなように、全てのセル開口率を小さくした従来例としての構成Ｂでは、排ガス導入側および被加熱ガス導入側のハニカム構造体でクラックが発生していた。また、全てのセル開口率を大きくした従来例としての構成Ａでは、ハニカム構造体にクラックは生じていなかったが、エージングテスト中の被加熱ガス導入側における排ガス温度が高くなり、廃熱が十分に回収されていなかった。これに対し、本発目異例としての構成Ｃでは、排ガス導入側および被加熱ガス導入側の双方でハニカム構造体にクラックは見られず、また被加熱ガス導入側での排ガス温度も低く廃熱が十分回収されていることがわかった。さらに、全てのセル開口率が大きい従来例としての構成Ａと本発明の構成Ｃでは、全てのセル開口率が小さい従来例としての構成Ｂと比較して、圧力損失が低く、アフターバーンもこの実験で実施した２４時間毎の頻度よりも少なくすることが可能であると考えられる。
【００２２】本発明は上述した実施例にのみ限定されるものでなく、幾多の変形、変更が可能である。例えば、上述した実施例では、セル開口率が大きい排ガス導入側および被測定ガス導入側のハニカム構造体をそれぞれ１層設けたが、１層に限定されないことはいうまでもない。例えば、１層の高さが低いような場合は、２層以上のセル開口率の大きいハニカム構造体を用いても良い。
【００２３】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれば、排ガス導入側および被加熱ガス（燃焼用空気）導入側のハニカム構造体におけるセル開口率を大きくしているため、これらのハニカム構造体の熱衝撃を弱め、ハニカム構造体の耐久性を向上するとともに、中央部分のハニカム構造体はセル開口率を小さくするため、十分に廃熱を回収することが可能である。また、被加熱ガス導入側のセル開口率を大きくすることは、低温凝固成分によるセル孔閉塞を同時に防止するものであり、アフターバーン回数も減少することから、耐久性に優れ非常に好ましい蓄熱体として機能する。
【出願人】 【識別番号】０００００４０６４
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
【出願日】 平成１０年（１９９８）２月２７日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 暁秀 （外８名）
【公開番号】 特開平１１−２４８３７８
【公開日】 平成１１年（１９９９）９月１４日
【出願番号】 特願平１０−４７２９６