JP2009299955A - バーナ燃焼方法及び高速噴流型拡散燃焼式バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】低発熱量燃料を用いた場合の噴流の直進性を緩和し、火炎長さを調節して最適炉内温度分布を実現する。
【解決手段】一次空気を炉内に噴出する一次空気流路１４と、二次空気を炉内に噴出する二次空気流路１６と、一次空気流路１４内に設けられ、燃料ガスを炉内に噴出する燃料供給管２８と、燃料供給管２８の先端部に設けられた保炎部材３０とを備え、燃料供給管２８の先端に燃料ガスを一次空気流路１４から炉内に噴出する一次空気に向けて拡散さる拡散チップ２９を設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、低発熱量燃料を用いる工業炉用バーナによる火炎長さを調整できる燃焼方法及び高速噴流型拡散燃焼式バーナに関するものである。

従来、ＮＯｘの抑制と炉内温度分布の均一化を図る技術として、例えば、図８に示すように、燃料供給管４２と燃焼用空気流路４３とを備えたバーナ部５１と、蓄熱体５２ａを収納した蓄熱室５２とからなる蓄熱式直火バーナ４１を炉壁４０に設け、前記燃料供給管４２と燃焼用空気供給口４４とから燃料４６および燃焼用空気４８を別々に炉内５０に噴出することにより緩慢燃焼させる低ＮＯｘ燃焼方法が特許文献１に開示されている。

この低ＮＯｘ燃焼方法は、燃料４６の噴出軸４７を燃焼用空気噴出軸４９に対して所定角度α（５〜４５°）だけ外方に傾け、燃料４６の噴出速度を６０ｍ／ｓｅｃ以上とし、７００℃以上の高温の燃焼用空気４８と燃料４６との各主流部が互いに重ならないように炉内５０に噴出し、燃料４６と燃焼用空気４８との混合を抑制しながら燃料４６と燃焼用空気４８のそれぞれの噴出流に炉内排ガスを自己再循環させることにより緩慢な燃焼状態を維持してＮＯｘを抑制する燃焼方法である。

しかしながら、前記燃焼方法では、燃料４６と燃焼用空気４８とが直接混合する前に、それぞれの流体の噴出運動量によって炉内排ガスを自己再循環させて炉内空間で緩慢燃焼をする。つまり、炉内空間に介在する燃焼ガスは、未反応の燃料、燃焼に寄与する以前の燃焼用空気、燃焼反応途中の中間生成物および燃焼排ガスとからなる混合ガスであるので、燃焼が未反応の未燃ガスが図示しない吸引排気動作中の蓄熱式直火バーナ内部の蓄熱体をオーバーヒートさせるばかりか、熱効率が低下する。さらに、８００℃以下（燃料の自己着火温度以下）の低炉温時には、補助バーナを設けない限り燃焼を継続することが不可能である。

そこで、本願出願人は、一次空気流路と二次空気流路とが所定距離をもって形成されたバーナタイルと、前記バーナタイルの後端部に取り付けられ、内部に二次空気供給管を備えた風箱と、前記風箱内に設けられ、先端部が前記一次空気流路内に突設した燃料供給管と、前記燃料供給管の先端部に設けられた保炎部材とを備え、前記燃料供給管からの燃料噴出方向が前記二次空気流路の中心軸に対して平行または内方に傾斜している高速噴流型拡散燃焼式バーナを出願している（特許文献２）。

このような高速噴流型拡散燃焼式バーナは、長炎が得られ、火炎からの輻射強度が増大し、炉内温度分布の均一化とＮＯｘ発生量を低減することができる。

しかし、この高速噴流型拡散燃焼式バーナでコークス炉ガスと高炉ガスの混合ガス等の低発熱量燃料（５００〜４０００kcal/m³N）が用いられる場合、低発熱燃料のため、必要な燃焼量を得るために大流量で噴射されるので、噴流の勢いが減衰しにくい。加えて、低発熱量燃料は一般的に燃えにくい。このため、火炎が必要以上に長くなり、炉内温度分布が均一にならないという問題が生じている。
特許第３０５２２６２号公報 特開２００２−３０３４０６号公報

本発明は、低発熱量燃料を用いた場合の燃料噴流の直進性を緩和し、火炎長さを調節して最適炉内温度分布を実現することができるバーナ燃焼方法及び高速噴流型拡散燃焼式バーナを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明のバーナ燃焼方法は、
燃料供給管から燃料ガスを炉内に噴出し、
該燃料供給管の周囲の一次空気流路から一次空気を炉内に噴出し、前記燃料ガスと混合させて一次火炎を形成する一方、
一次空気流路の近傍の二次空気流路から二次空気を炉内に噴出し、前記一次火炎と接触させて二次火炎を形成するバーナ燃焼方法において、
前記燃料供給管から炉内に噴出する燃料ガスを前記一次空気流路から炉内に噴出する一次空気に向けて拡散させるものである。

また、本発明の高速噴流型拡散燃焼式バーナは、
一次空気を炉内に噴出する一次空気流路と、
二次空気を炉内に噴出する二次空気流路と、
前記一次空気流路内に設けられ、燃料ガスを炉内に噴出する燃料供給管と、
前記燃料供給管の先端部に設けられた保炎部材とを備え、
前記燃料供給管の先端に燃料ガスを前記一次空気流路から炉内に噴出する一次空気に向けて拡散させる拡散チップを設けたものである。

前記拡散チップは、前記燃料供給管の先端から炉内に向かって径が拡がる円錐形状を有することが好ましい。

あるいは、前記拡散チップは、前記燃料供給管の先端を覆うキャップ形状を有し、燃料
ガスが一次空気に向かって噴出する複数の噴出孔を有することが好ましい。

前記拡散チップは、燃料ガスを一次空気に向けて拡散させる角度の異なるものに交換可能であることが好ましい。

前記手段からなる本発明の燃焼方法及び高速噴流型拡散燃焼式バーナによれば、燃料供給管から噴出する直進性の高い燃料ガスが拡散チップにより外側の一次空気に向けて拡散され、更に外側の二次空気と急速に混合してバーナ近傍で燃焼を開始するので、短炎にすることができる。

また、拡散チップを燃料ガスを一次空気に向けて拡散させる角度の異なるものに交換することで、設備に応じた最適火炎長さにすることができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の高速噴流型拡散燃焼式バーナ１０の概略構成図である。このバーナ１０は、炉壁２に設置され、大略、一次空気流路（兼燃焼室）１４と二次空気流路１６とが所定距離をもって形成されたバーナタイル１２と、前記バーナタイル１２の後端部に取り付けられ、内部に二次空気供給管２６を備えた風箱１８と、前記風箱１８内に設けられ、先端部が一次空気流路（兼燃焼室）１４内に突設した燃料供給管２８と、前記燃料供給管２８の先端部に設けられた複数の保炎部材３０とから構成されている。

前記風箱１８の上部は、一次空気と二次空気との割合を調節する調整弁２０（以下、調整弁２０という）を介して燃焼用空気供給口２２に連通している。調整弁２０は、コントロールモータ２４によって開度を調節され、これにより燃焼用空気を一次空気と二次空気に分配する分配比を制御する。例えば、燃料の自己着火温度（例えば８００℃）以下の低炉温時には、前記分配比を５０：５０に調節し、燃料の自己着火温度以上の炉温時には前記分配比を２０：８０に調節する。
なお、図示しない炉内温度調節計から前記コントロールモータ２４に開度信号を送信して前記分配比を自動調節してもよい。

燃焼用空気供給口２２と調整弁２０との間から分岐した二次空気供給管２６の先端部は、バーナタイル１２の二次空気流路１６に連結されている。

燃料供給管２８は、先端部がバーナタイル１２の一次空気流路（兼燃焼室）１４内に突設されている。なお、燃料の噴出速度は燃料の種類毎に適宜設定されており、例えば、燃料の一例であるＬＰＧ系の燃料ガスでは５０ｍ／ｓｅｃ、ＬＮＧ系の燃料ガスでは８０ｍ／ｓｅｃ、ＣＯＧ等の副生ガスでは１２０ｍ／ｓｅｃに設定される。

燃料供給管２８の一次空気流路１４内に位置する先端部外周には、保炎部材３０が固定されている。保炎部材３０は、旋回羽根やスタビライザー等からなり、一次空気流路１４から噴出する一次空気を渦流にする機能を有する。

燃料供給管２８の先端には、図２に示すように、燃料を拡散するための拡散チップ２９がねじ込みにより設けられている。この拡散チップ２９は、燃料供給管２８の先端から炉内に向かって拡がる円錐形状を有し、燃料供給管２８の内部に挿通された支持棒３１の先端に取り付けられている。拡散チップ２９の円錐面は、燃料供給管２８の中心軸に対して角度θをなしている。なお、燃料供給管２８内にセンター空気供給管を有するものでは、支持棒３１の代わりに、このセンター空気供給管の先端に拡散チップ２９を取り付けることができる。この場合、拡散チップ２９にセンター空気が通過する孔を設ける必要がある。また、拡散チップ２９は、燃料供給管２８の先端面、内壁、一次空気流路１４の出口周囲のバーナタイル１２の内壁にステーを用いて支持することもできる。

一次空気流路１４と二次空気流路１６との各中心軸１４ａ，１６ａ間の距離Ｌは、二次空気流路１６の直径ｄの２．０〜３．０倍が好ましい。２．０倍未満になると燃料と燃焼用空気（一次空気および二次空気）とがバーナ近傍の炉内排ガスを巻き込む前に急速混合してしまうためＮＯｘ発生量が著しく増大することになり、逆に、３．０倍を超えると、前述した従来技術の低ＮＯｘ燃焼方法における問題と同様に、炉内で燃料と燃焼用空気とが混合しにくくなるために燃焼が不安定になるとともに、ＣＯ等の未燃焼成分が増大することになるからである。

一次空気流量は、所要燃焼用空気流量の１／５〜１／２に調節可能であることが好ましい。ＮＯｘの抑制と炉内温度分布の均一化の観点から、炉の立ち上げ時と炉内温度が所定温度に達したときとで一次空気と二次空気の分配比が異なるからである。例えば、８００℃以下（燃料ガスの自己着火温度以下）の低炉温時には一次空気流量を所要燃焼用空気流量の１／２に調節し、前記自己着火温度より高くなると一次空気流量を所要燃焼用空気流量の１／５に調節する。
なお、炉内温度分布を調節する際、バーナ近傍の温度を高くしたい場合は、例えば、前記分配比を４０：６０にして一次空気流量を増やしてバーナ近傍の燃焼を促進させればよいし、バーナから遠方の温度を高くしたい場合は、例えば、前記分配比を２０：８０にして一次空気流量を減らして二次空気の噴出運動量を高くして、すなわち、二次空気の流速を速くして、燃焼ガスを遠方に到達させればよい。

次に、高速噴流型拡散燃焼式バーナ１０の燃焼動作、すなわち、低炉温時から所定炉温に昇温するまでの運転方法について説明する。
例えば、燃料の一例である１３Ａ都市ガス（以下、燃料ガスという）は、燃料供給管２８に供給され、その先端に設けた拡散チップ２９により角度θだけ周囲に向かって拡散されて噴出される。

燃焼用空気は、燃焼用空気供給口２２から供給され、調整弁２０により一次空気と二次空気との分配比を５０：５０に調節する。すなわち、所要燃焼用空気流量の１／２に調節された一次空気は、風箱１８から一次空気流路１４に流れ、保炎部材３０により渦流となって、燃料供給管２８から噴出された燃料ガスの周囲を覆うようにして流出し、図示しないパイロットバーナ等の点火手段にて着火したのち安定燃焼を継続する。このとき、一次空気は例えば、８０ｍ／ｓｅｃで噴出された燃料ガスに徐々に誘引されながら一次空気流路１４から炉内に噴出することになるため、一次空気と燃料ガスの接触面における相互の拡散が極めて少ない。これにより、一次燃焼が局部的なものになる結果、一次空気流路１４から炉内に噴出した一次燃焼火炎内には未燃焼部分が多く残留し、その中で熱分解された炭素成分が火炎の輝度を向上させることになる。

一次空気流路１４から噴出した一次燃焼火炎は、二次空気流路１６から噴出した二次空気と反応して二次燃焼する。炉温が所定温度、例えば、８００℃に到達すると、前記調整弁２０にて一次空気と二次空気との分配比を２０：８０に調節する。すなわち、一次空気は所要燃焼用空気流量の１／５に減少し、二次空気の割合が増加するから、二次空気の噴出速度は１００ｍ／ｓｅｃ以上となる。そして、二次空気は炉内雰囲気を攪拌しながら一次燃焼火炎と二次空気がそれぞれ炉内の排ガスを充分に巻き込んだのちに互いに接触して反応する。その結果、二次燃焼が緩慢になって火炎自体の体積が増大するとともに火炎からの輻射強度が増大し、これにより温度勾配および濃度勾配の小さい均一化された燃焼を形成でき、炉内温度分布の均一化とＮＯｘ発生量の顕著なる低減を図ることができる。なお、前記「濃度勾配の小さい」とは、酸素、排ガスおよび未反応燃料が火炎中に一定の分圧比で介在している状態をいう。

また、本実施形態の高速噴流型拡散燃焼式バーナ１０では、燃料供給管２８の先端に拡散チップ２９を設けたので、燃料供給管２８から噴出する直進性の高い燃料ガスが拡散チップ２９の円錐面に沿って外側の一次空気に向けて拡散され、更に外側の二次空気と急速に混合してバーナ近傍で燃焼を開始するので、短炎にすることができる。

また、拡散チップ２９は支持棒３１にねじ込みにより取り付けられているので、この拡散チップ２９を燃料ガスを一次空気に向けて拡散させる角度θの異なるものに交換することで、設備に応じた最適火炎長さにすることができる。

なお、図３に示すように、拡散チップ２９の円錐面に母線ｇに対して傾斜したリブ３２又は凹部を設けることで、拡散チップ２９に沿って噴出する燃料ガスを旋回させてもよい。このようにすると、燃料と一次空気の混合がさらに促進され、より短い火炎を形成することができる。

図４は、拡散チップ２９の円錐面の拡がり角度θに対する火炎長さの関係を示す。拡がり角度が０°すなわち拡散チップ２９が無い状態では火炎長さが５ｍであったものが、拡がり角度が６０°の円錐面を有する拡散チップ２９を用いると約半分くらいまで火炎を短縮することができることが分かる。図５（ａ）は、特許文献２に記載のバーナによる従来の火炎の形状を示し、図５（ｂ）は、本発明による火炎の形状を示す。

図６は、他の実施形態の拡散チップ３３を示す。この拡散チップ３３は、燃料供給管２８の先端を覆うキャップ形状を有し、燃料供給管２８の先端面にねじ込まれている。拡散チップ３３は、燃料ガスを一次空気に向かって噴出することで拡散させる複数の噴出孔３４を有している。各噴出孔３４の中心軸は、燃料供給管２８の中心軸に対して角度θをなしている。

この拡散チップ３３によっても、燃料供給管２８から噴出する直進性の高い燃料ガスが、拡散チップ３３の複数の噴出孔３４を通って外側の一次空気に向けて拡散され、更に外側の二次空気と急速に混合してバーナ近傍で燃焼を開始するので、短炎にすることができる。

また、拡散チップ３３は燃焼供給管２８にねじ込みにより取り付けられているので、この拡散チップ３３を燃料ガスを一次空気に向けて拡散させる角度θの異なるものに交換することで、設備に応じた最適火炎長さにすることができる。

なお、図７に示すように、拡散チップ３３の各噴出孔３４の中心軸を法線ｎに対して傾斜させることで、噴出孔３４から噴出する燃料ガスを旋回させてもよい。このようにすると、燃料と一次空気の混合がさらに促進され、より短い火炎を形成することができる。

なお、本実施形態の高速噴流型拡散燃焼式バーナ１０では、調整弁２０を用いて燃焼用空気を一次空気と二次空気とに分配供給するようにしたが、一次空気流路１４および二次空気流路１６にそれぞれ流量制御弁を介して接続された一次空気供給管と二次空気供給管を設けて、前記各流量制御弁をそれぞれ調節することにより一次空気および二次空気の各流量を設定するようにしてもよい。

高速噴流型拡散燃焼式バーナの概略構成図。 燃料供給管の拡散チップの拡大断面図。 図２の拡散チップの変形例を示す側面図（ａ）及び背面図（ｂ）。 拡散チップの円錐面の拡がり角度に対する火炎長さの関係を示すグラフ。 従来例と本発明の火炎形状を比較した図。 燃料供給管の拡散チップの他の例を示す拡大断面図。 図６の拡散チップの変形例を示す正面図。 従来の低ＮＯｘ燃焼方法の例を説明するための図。

符号の説明

１０…高速噴流型拡散燃焼式バーナ
１２…バーナタイル
１４…一次空気流路
１６…二次空気流路
１８…風箱
２０…一次空気および二次空気の割合を調節する調整弁
２２…燃焼用空気供給口
２４…コントロールモータ
２６…二次空気供給管
２８…燃料供給管
２９…拡散チップ
３０…保炎部材
３１…支持棒
３２…リブ
３３…拡散チップ
３４…噴出孔

Claims (5)

1. 燃料供給管から燃料ガスを炉内に噴出し、
   該燃料供給管の周囲の一次空気流路から一次空気を炉内に噴出し、前記燃料ガスと混合させて一次火炎を形成する一方、
   一次空気流路の近傍の二次空気流路から二次空気を炉内に噴出し、前記一次火炎と接触させて二次火炎を形成するバーナ燃焼方法において、
   前記燃料供給管から炉内に噴出する燃料ガスを前記一次空気流路から炉内に噴出する一次空気に向けて拡散させることを特徴とするバーナ燃焼方法。
2. 一次空気を炉内に噴出する一次空気流路と、
   二次空気を炉内に噴出する二次空気流路と、
   前記一次空気流路内に設けられ、燃料ガスを炉内に噴出する燃料供給管と、
   前記燃料供給管の先端部に設けられた保炎部材とを備え、
   前記燃料供給管の先端に燃料ガスを前記一次空気流路から炉内に噴出する一次空気に向けて拡散させる拡散チップを設けたことを特徴とする高速噴流型拡散燃焼式バーナ。
3. 前記拡散チップは、前記燃料供給管の先端から炉内に向かって拡がる円錐形状を有することを特徴とする請求項２に記載の高速噴流型拡散燃焼式バーナ。
4. 前記拡散チップは、前記燃料供給管の先端を覆うキャップ形状を有し、燃料ガスが一次空気に向かって噴出する複数の噴出孔を有することを特徴とする請求項２に記載の高速噴流型拡散燃焼式バーナ。
5. 前記拡散チップは、燃料ガスを一次空気に向けて拡散させる角度の異なるものに交換可能であることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の高速噴流型拡散燃焼式バーナ。

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