産業界の省エネルギー／環境負荷低減に大きく貢献する高性能工業炉

日本の産業発展、技術進歩の基礎となる工業炉

「炉」とは、耐火材と断熱材で覆われた空間でものを加熱したり溶解したりするための装置のことで多くのところで利用されています。身近なものでは、ケーキやピザを焼くオーブン、陶磁器を作製する窯（かま）などがあります。その中でも「工業炉」は、金属工業をはじめ、窯業や化学、食品加工、などの幅広い分野で使われています。

現在、日本全国の工業炉の数は約40,000基と推測され、日本の産業発展、技術進歩を支える極めて重要な存在です。工業炉には、用途に応じて、金属などを加工する前段階として加熱する「加熱炉」、原材料を溶かす「溶解炉」、金属やセラミックスに強度や耐腐食性など必要な性質を持たせるための「熱処理炉」等、多くの種類があります。

プロジェクトで開発された高性能工業炉を導入した神奈川県川崎市にあるJFEスチール株式会社東日本製鉄所の厚板圧延用加熱炉。板状のスラブを1,200℃まで加熱する

熱回収して交互に燃焼させる、省エネ効果抜群の「リジェネイティブバーナー」

例えば鉄鋼の加熱炉の場合、炉内温度は約1,200℃にもなります。その温度を維持するには、炉内に新鮮な空気と燃料を送り、燃焼させ続けなければなりません。燃焼に伴って炉内から排出される1,200℃近い排ガスの熱を回収し、新鮮な燃焼用空気（外気）を予熱して炉内に送り込むことができれば、大幅な省エネルギー効果が期待できます（図1）。

図1　排熱回収を行わない場合のバーナー

そこで、1980年代英国で、熱を貯めるための「蓄熱体」を内蔵したバーナーを搭載した「リジェネレイティブバーナー（以下リジェネバーナー）」と呼ばれる燃焼技術が考案され、欧米ではいくつかの工業炉に導入されました。

リジェネバーナーは、2個のバーナーを1セットとし、燃焼と排気を短時間に交互に切り換えて使用するものです。一方のバーナーが燃焼中は、もう一方のバーナーから燃焼排ガスを排出すると同時に、高温の排ガスで蓄熱体の温度を上昇させます。逆に、そのバーナーが燃焼するときは、高温の蓄熱体を通すことで燃焼用の新鮮な空気を予熱します。

これにより燃焼用空気を炉内温度近くまで上昇させることができます。2個のバーナーを交互に燃焼させるため、「交番燃焼」とも呼ばれます（図2）。一般的な1,200℃レベルの加熱炉の場合、排ガスの熱を回収しない場合と比べて、約50～70％の燃料を節約することができます。しかしながら、ある理由からリジェネバーナーは、日本では積極的に導入されてきませんでした。

図2　リジェネバーナーの仕組み

省エネと環境負荷の低減がトレードオフの関係にあったリジェネバーナー

日本でリジェネバーナーが普及しなかったことには理由があります。省エネルギー効果は高いもののリジェネバーナーには大きな欠点があったためです。炉内に高温の燃焼用空気を送り込み、火炎温度が高くなると環境汚染物質の一種であるNOx（窒素酸化物）が大量に発生してしまうのです。燃焼用空気の温度を上げれば上げるほど、つまり、排ガスの熱を回収するほど省エネは進みます。しかしそれに伴い、NOxの発生量も急増してしまいます（図3）。

図3　高温の燃焼用空気を炉に吹き込んだときの問題点

NOxは、燃焼による高温場で空気中の酸素と窒素が反応して生成されます。高温場の温度が1,500℃以上で急速に発生し始め、2,000℃から2,100℃に100℃上昇するだけでその量は10倍にもなってしまいます。常温の空気と燃料の燃焼による火炎温度は2,000℃程度です。その火炎温度が空気を高温にすることによって非常に高くなり、大量のNOxが発生するのです。つまり、省エネルギー効果と環境負荷低減が、トレードオフの関係にあるわけです。そのため、わが国では環境保護の観点からリジェネバーナー導入は敬遠されてきました。

ところが、リジェネバーナーの効率性を活かしながら大気汚染を引き起こさない、新しい工業炉を可能にするかもしれない革新的な燃焼方式が1990年代初めに、日本の工業炉メーカーによって発見されました。

JFEスチール東日本製鉄所の加熱炉に設置されたリジェネバーナーの列。本プロジェクトによりリジェネバーナーの短所を克服して、省エネ化とNOx低減を両立した

「工業炉は1基新造するだけでも数億円以上かかる高価なものです。そのため、現象が理論的にきちんと解明され、技術も確立されていないと、導入を決断する企業など現れるはずもありません。プロジェクトを通して、高温空気燃焼に関する理論の解明と技術の確立を行うことが、高性能工業炉の研究開発とそれに続く実用化には、何より重要な条件でした」と佐藤さんは言います。

所定の温度に加熱され炉から出でてきたスラブ