JP3893677B2 - 蓄熱式バーナを有する炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃焼反応を熱源とする工業炉その他熱設備（これらを炉と総称する）に関し、特に、低ＮＯｘ燃焼を可能とした蓄熱式バーナとその対向壁との間隔及びそのバーナの燃焼容量に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、炉に使用されているバーナの火炎長は、図２の特性図に示されるように４ｍ程度が最大であり、バーナの配置は火炎長を考慮して設計するのではなく、炉内構造物、被加熱物などとの干渉を主体に設計するのが一般的であった。また、炉内幅は被加熱物の炉幅方向最大長さに搬送時の蛇行量を加味して決定するのが一般的である。
【０００３】
また、近年には、金属加熱炉、熱処理炉等の炉の熱効率を高める燃焼装置として、特開昭６２−９４７０３号公報、特開平２−１０００２号公報等に代表される構造の蓄熱式バーナが提案されている。この蓄熱式バーナは、第１のバーナと第２のバーナとを一対として、一対又は複数対のバーナ群を１つの燃焼室に配置し、各バーナはそれぞれ燃焼用空気及び燃焼排ガスが通過する蓄熱体を有し、第１のバーナ群と第２のバーナ群とを交互に燃焼させてバーナが非燃焼時にそのバーナの蓄熱体を通過する燃焼排ガスの熱をその蓄熱体に伝熱、蓄熱させて、燃焼時にその蓄熱体に蓄熱された熱を、通過する燃焼用空気が抜熱して予熱（加熱）されるサイクルを繰り返すように構成されている。この蓄熱式バーナは、高温の燃焼排ガス顕熱を蓄熱体に一旦蓄えて、燃焼用空気が通過する際に保持していた熱を燃焼用空気に伝熱して高温の燃焼用空気としてバーナに供給することで、高熱効率を達成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の排熱回収技術の代表的なものとしてレキュペレータ（燃焼用空気予熱器）が挙げられるが、このレキュペレータは炉尻から煙突間の煙道に配置され、一般的に金属製のパイプ内に燃焼用空気を流して外側に炉尻から排出された燃焼ガスを通過させて熱交換を行うものである。高温の燃焼ガスを通過させて高温の燃焼用空気を得るには、熱交換器を構成する金属材料の耐熱度、耐熱金属価格、熱交換器の大きさ等、設備費と省エネルギー効果との見合いで、経済的には予熱空気温度６００℃程度がレキュペレータ方式の排熱回収の最良策と言われてきた。
【０００５】
一方、燃焼技術の面では、同一バーナで燃焼用空気温度が高温化すると、火炎温度が上昇し、それに伴って燃焼用空気中の窒素が酸化し、いわゆるサーマルＮＯｘが大量に生成され大気を汚染する。一般的には、大気汚染防止法の許容するＮＯｘ排出量を満足できず、７００℃を越えるような高温の予熱空気を用いる工業用炉の実用化は不可能であると考えられてきた。
【０００６】
しかしながら、近年、地球温暖化など環境問題がクローズアップされ、ＣＯ₂ 削減対策としての省エネルギーの有用性が検討されるに至り、前述のような従来では考えられないような高温の予熱空気を用いても低ＮＯｘ燃焼が可能な燃焼方法（例えば、特開平６−１５９６１３号号公報、特開平７−１３９７２７号公報）が提案されている。
【０００７】
本発明者らは、低ＮＯｘ燃焼が可能な蓄熱式バーナを用いた炉を設計するに当たり様々な燃焼実験を繰り返し以下のような知見を得た。
（１）すなわち、前述のような、高温の燃焼用空気を用いた燃焼で低ＮＯｘを達成するには（上記各公報の燃焼方法）、それ以前のような燃料と空気の混合を確保して火炎内にある程度の高温領域を形成し安定燃焼させる保炎機構の考え方ではなく、燃料の自己着火温度（４００〜６００℃）を遥かに越える高温の予熱空気（８００℃以上）が着火エネルギーをも保持しているので、出来うる限り空気と燃料の混合を遅らせる燃焼方法を採ることとなるが、その場合には従来に比べて極端な長火炎となる、という問題点がある。
（２）さらに、対向する炉壁に蓄熱式バーナがそれぞれ配置された炉において、その蓄熱式バーナとその対抗壁との間隔を、バーナの火炎長さ以下に設定した場合には、そのバーナが排ガスを吸引する際に、未燃焼分と酸素分とを含む高温の混合ガスを吸引することとなり、バーナ吸引孔又は蓄熱体充填層で急速燃焼し、バーナ内は断熱構造と成っているので、最悪の場合に、耐火物又は／及び蓄熱体の耐熱温度を越える超高温ガスが発生し、バーナ耐火物又は／及び蓄熱体の溶損などの設備破壊が発生する、という実用上許されないような問題点がある。
【０００８】
本発明は、前述のような課題を解決するためになされたものであり、長火炎で設備破壊が起こらず、そして、省エネルギー及び低ＮＯｘ燃焼を達成した蓄熱式バーナを有する炉を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様に係る蓄熱式バーナを有する炉は、燃焼空気が８００℃以上で、且つ、前記燃焼空気と燃料の混合を遅らせる燃焼方法を採用した蓄熱式バーナを有する炉において、前記蓄熱式バーナとその対抗壁との間隔Ｌと、バーナの燃焼容量Ｂ_cとの関係が下記関係式を満たすように、前記間隔Ｌ又は前記バーナの燃焼容量Ｂ_cを設定し、
Ｌ≧ａ・Ｂ_c ³ ＋ｂ・Ｂ_c ² ＋ｃ・Ｂ_c ＋ｄ≧Ｌ／２ …（１）
但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄは係数であり、前記蓄熱式バーナの燃焼容量Ｂ _c の単位を千 Kcal ／Ｈとした場合に、前記係数が、
７．２×１０ ^-12 ≦ａ≦１０．８×１０ ^-12 、
−３．６×１０ ^-7 ≦ｂ≦−２．４×１０ ^-7 、
０．００２０≦ｃ≦０．００３０、
１．２６９３６≦ｄ≦１．９０４０、 …（２）
の範囲になるように設定される。
また、本発明の他の態様に係る蓄熱式バーナを有する炉は、上記の炉において、蓄熱式バーナが炉壁の壁面に対して傾斜して配置して、上記の関係式を満たすようにする。
また、本発明の他の態様に係る蓄熱式バーナを有する炉は、上記の炉において、対向する炉壁に蓄熱式バーナがそれぞれ配置される炉において、対向配置される蓄熱式バーナを、その空気吐出孔兼炉内ガス吸引孔が同軸とならないようにずらして配置する。
【００１０】
本発明者らは、低ＮＯｘ燃焼が可能な蓄熱式バーナを用いて炉を設計するに当たり様々な燃焼実験を繰り返して以下のような知見を得た。
従来方式のバーナの場合には、可燃物は燃料から得ており、酸素は燃焼用空気から得ており、そして、着火源はパイロットバーナ又は高温火炎域からの高温循環ガス保有エネルギー及びガス放射エネルギーであった。鉄鋼の連続鋼材加熱炉のような炉内温度が１０００℃を越え、大容量バーナが多数配置されている炉に使用されているバーナの場合には、高温火炎域からの高温循環ガス保有エネルギーを着火源とする保炎方式が広く採用されている。そして、火炎から発生する窒素酸化物、主として燃焼用空気中の窒素分が火炎の高温域で酸化することによって発生するサーマルＮＯｘは前述の高温火炎域で大量に生成され、予熱空気温度が６００℃以下の従来燃焼装置においては、火炎の安定性と低ＮＯｘ燃焼の両立が実用化技術課題の第１番目に挙げられていた。
【００１１】
前述のように、高温の燃焼用空気を用いた燃焼において低ＮＯｘを達成するには、従来のような燃料と空気の混合を確保し火炎内にある程度の高温領域を形成し安定燃焼させる保炎機構を有する（一般的にはバーナと称する）燃焼装置の考え方ではなく、燃料の自己着火温度（一般に使用される燃料の場合、４００〜６００℃）を遥かに越える高温の予熱空気（８００℃以上）が、燃焼の３要素（可燃物、酸素、着火源）の内、空気中の酸素のみならず着火エネルギーをも保持しているので、前述の従来バーナのような高温領域を形成させずとも、高温の空気と可燃物（燃料）を接触させることで燃焼が起こることを発明者らは数種のテストバーナ形式で確認した。
【００１２】
さらに、そのときの燃料と空気の混合を遅らせる形式の燃焼方法を採用したバーナが低ＮＯｘ燃焼となることを確認した。ただ、そのとき同時に、出来うる限り空気と燃料の混合を遅らせる燃焼方法を採ると、従来に比べて極端な長火炎となる問題があることをも確認した。加えて、蓄熱式バーナが対向する炉壁にそれぞれ配置された炉において、その蓄熱式バーナとその対抗壁との間隔を、バーナの火炎長さ以下に設定した場合には、そのバーナが排ガスを吸引する際に、未燃焼分と酸素分とを含む高温の混合ガスを吸引することとなり、バーナ吸引孔又は蓄熱体充填層で急速燃焼し、バーナ内は断熱構造と成っているので、最悪の場合に、耐火物又は／及び蓄熱体の耐熱温度を越える超高温ガスが発生し、バーナ耐火物又は／及び蓄熱体の溶損などの設備破壊が発生する、という実用上許されないような問題が発生することをも確認した。
【００１３】
さらに研究を進めた結果、燃料の自己着火温度を遥かに越える高温の予熱空気を用い実用上使用可能なＮＯｘ排出レベルとなるバーナの火炎長さはバーナの燃焼容量Ｂ_c を変数として、
ａ・Ｂ_c ³ ＋ｂ・Ｂ_c ² ＋ｃ・Ｂ_c ＋ｄ …（３）
で整理可能であることを見い出した。そして、その研究結果を整理すると、蓄熱式バーナの燃焼容量Ｂ_c の単位を千Kcal／Ｈとした場合に、前記火炎長さの式の係数が、
ａ＝９×１０^-12 、ｂ＝−３×１０^-7、ｃ＝０．００２５、ｄ＝１．５８６７
となった。そして、上記の係数値ついてその許容範囲を±２０％とすることにより、上記の（２）式のようにその範囲を定めている。
【００１４】
以上のような、研究成果を炉に適用して実用化するためには、火炎長に見合った炉内構造を採用する必要がある、或いは炉内構造に見合った火炎長さの蓄熱式バーナを採用する必要があるという認識を得て、本発明に至ったものである。従って、低ＮＯｘ燃焼を可能とした蓄熱式バーナを配置する炉においては、上記（１）式のように、蓄熱式バーナとその対抗壁との間隔Ｌ又は蓄熱式バーナの燃焼容量を、前述の火炎長の関連から設定することにより、炉内構造物、炉内耐火物と火炎との衝突が回避され、設備寿命を向上させることになる。また、前述の火炎長が蓄熱式バーナとその対抗壁との間隔Ｌの１／２以上の長さになるようにその間隔Ｌを設定することにより、蓄熱式バーナによる火炎が被加熱物に対して有効に作用して熱効率を向上させるようにしている。
【００１５】
また、蓄熱式バーナの炉壁への配置を、壁面に対して垂直ではなく傾斜させて前記関係式を満足させることによって、短炉幅の炉においても炉内構造物、炉内耐火物と火炎との衝突を回避させることができ、設備寿命を向上させることができる。
【００１６】
さらに、蓄熱式バーナが相互に対向する炉壁にそれぞれ配置された炉において、蓄熱式バーナの空気吐出孔兼炉内ガス吸引孔を同軸（又は対称）とならないようにずらして配置することによって、バーナの排ガス吸引中に、火炎長が操業異常で炉幅以上の火災長となっても、壁面に未然分と酸素分を含む高温の混合ガスが衝突することとなり、衝突時の混合ガスの乱れによって燃焼が完了するので、バーナ吸引孔又は蓄熱体充填層で急速な２次燃焼が発生せず、従って、耐火物又は／及び蓄熱体の耐熱温度を越える超高温ガスの発生はなく、バーナ耐火物又は／及び蓄熱体の溶損などの設備破壊が未然に防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図２はバーナの燃焼量と火炎長との関係について、発明者らの知見をまとめた特性図である。この図２の火炎長の長い方が本発明で見出された低ＮＯｘ燃焼を可能にした蓄熱式バーナの火炎長であり、短い方が従来型の燃焼方式の火炎長さを表している。
【００１８】
図１は本発明の一実施形態に係る蓄熱式バーナを有する炉の説明図である。炉内幅Ｌは、図２に示される燃焼量と火炎長さとの関係から決定しており、本実施形態において最大燃焼量は４０００Mcal／Ｈであるので、炉内幅Ｌ（本実施形態においては蓄熱式バーナとその対向壁との間隔と一致）を８ｍとしている。また、蓄熱式バーナ１２の配置は、そのノズルが対向しないようにバーナを両サイドでずらして配置しており、炉壁に対して直角に設置されている。なお、この蓄熱式バーナ１２は、低ＮＯｘ燃焼が可能なように構成されており、その火炎長は上記の（３）式により表現されるものである。
【００１９】
炉１０は２つのゾーンに分割されている。１ゾーンには５ペア計１０台の蓄熱バーナが配置され、２ゾーンには３ペア計６台の蓄熱式バーナが配置されている。各バーナには、燃料噴射を制御する燃料電磁弁２０、燃焼用空気噴射を制御する燃焼用空気電磁弁３０、さらに、炉内雰囲気すなわち燃焼排ガス吸引を制御する排ガス電磁弁４０が各々配置されている。さらに、各バーナには着火源としてパイロットバーナ（図示せず）、関連機器配管等が配置されている。
【００２０】
各ゾーンには、投入熱量を制御すべく燃料流調弁２１、２２が、また、投入燃料に見合った燃焼用空気投入量を燃焼用空気流調弁３１、３２が、さらに、排ガス吸引量を制御すべく排ガス流調弁４１、４２が配置され、燃料投入量を制御する炉内温度制御、燃料と空気の比率を制御する空気比制御を行いつつ、吸引排ガス量を制御する炉圧制御を行って炉を運転している。蓄熱体での排ガス放出顕熱、燃焼用空気吸収顕熱のバランスをとる場合には、燃焼排ガスの一部を直接炉外へ放出する方式を炉に採用する場合があるがこのような炉に本発明を適用しても何ら支障がない。燃料には、本実施形態においては供給圧力自体で圧送出来る天然ガスを適用しているが、その他の気体燃料、重油等の液体燃料、微粉炭等の固体燃料等如何なる燃料にも本発明は適用可能である。燃料用空気は燃焼用空気ブロワ３３より大気が圧送され、燃焼排ガスは排ガス誘引ファン４３によって誘引され煙突より大気に放散される。
【００２１】
本実施形態において、その被加熱物の炉内幅方向長さを７ｍとした場合には、バーナ燃焼容量（火炎長）との関係において決められる炉内幅Ｌ（本実施形態においては８ｍ）は、被加熱物の炉内幅方向長さとの関係から適切なものとなっており、その炉内幅Ｌを採用して、蓄熱式バーナを炉壁に対して垂直に配置できる。このことは被加熱物の炉内幅方向長さが８ｍ以上のものの場合においても同様であり、蓄熱式バーナを炉壁に対して垂直に配置できる。ところが、被加熱物の炉内幅方向長さが５ｍ程度の短い場合に、上記と同一の燃焼容量の蓄熱式バーナを使用した場合には、炉内幅を火炎長に合わせて十分に確保すると、５ｍ程度の被加熱物に対する通常の炉設置スペースに対して、その炉設置スペースを大幅に増大させることになるので、バーナを炉壁設置する際に、設置角度を垂直でなく傾斜設置することにより、火炎を斜向して炉内に発生させることで上記の（１）式を満足させて、炉設置スペースの巨大化を防止する。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば次のような効果が得られている。
（１）低ＮＯｘ燃焼を可能とした蓄熱式バーナを有する炉において、蓄熱式バーナとその対抗壁との間隔Ｌと、バーナの燃焼容量Ｂ_c との関係を上記の（１）式を満たすように、前記の間隔Ｌ又はバーナの燃焼容量Ｂ_c を設定したことにより、火炎と炉内構造物、炉内耐火物との衝突が回避させることができ、設備寿命が向上する。また、このようにして火炎と炉内構造物等との衝突が回避させることができるので、低ＮＯｘ燃焼を可能とした蓄熱式バーナを配置して操業することができ、省エネルギー、低ＮＯｘ燃焼が実現されている。
（２）また、蓄熱式バーナの炉壁への配置を、壁面に対して垂直ではなく傾斜させて上記の（１）式を満足させることによって、短炉幅の炉においても、火炎と炉内構造物、炉内耐火物との衝突が回避させることができ、設備寿命が向上する。
（３）さらに、蓄熱式バーナが相互に対向する炉壁にそれぞれ配置された炉において、対向配置される蓄熱式バーナを、その空気吐出孔兼炉内ガス吸引孔が同軸（又は対称配置）とならないようにずらして配置することによって、蓄熱式バーナが排ガス吸引中の場合に、火炎長が操業異常で炉幅以上になっても、壁面に未燃焼分と酸素分を含む高温の混合ガスを衝突することとなり、衝突時の混合ガスの乱れによって燃焼が完了するので、バーナ吸引孔又は蓄熱体充填層で急速な２次燃焼は発生せず、従って、耐火物又は／及び蓄熱体の耐熱温度を越える超高温ガスの発生はなく、バーナ耐火物又は／及び蓄熱体の溶損等の設備破壊が未然に防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る蓄熱式バーナを有する炉の説明図である。
【図２】燃焼量と火炎長さとの関係を示した特性図である。

Claims (3)

1. 燃焼空気が８００℃以上で、且つ前記燃焼空気と燃料の混合を遅らせる燃焼方法を採用した蓄熱式バーナを有する炉において、
   前記蓄熱式バーナとその対抗壁との間隔Ｌと、バーナの燃焼容量Ｂ_cとの関係が下記関係式を満たすように、前記間隔Ｌ又は前記バーナの燃焼容量Ｂ_cを設定し、
   Ｌ≧ａ・Ｂ_c ³ ＋ｂ・Ｂ_c ² ＋ｃ・Ｂ_c ＋ｄ≧Ｌ／２
   但し、ａ，ｂ，ｃ，ｄは係数であり、前記蓄熱式バーナの燃焼容量Ｂ _c の単位を千 Kcal ／Ｈとした場合に、前記係数が、
   ７．２×１０ ^-12 ≦ａ≦１０．８×１０ ^-12 、
   −３．６×１０ ^-7 ≦ｂ≦−２．４×１０ ^-7 、
   ０．００２０≦ｃ≦０．００３０、
   １．２６９３６≦ｄ≦１．９０４０、
   であることを特徴とする蓄熱式バーナを有する炉。
2. 蓄熱式バーナが炉壁の壁面に対して傾斜して配置されることを特徴とする請求項１記載の蓄熱式バーナを有する炉。
3. 対向する炉壁に蓄熱式バーナがそれぞれ配置される炉において、対向配置される前記蓄熱式バーナを、その空気吐出孔兼炉内ガス吸引孔が同軸とならないようにずらして配置したことを特徴とする請求項１記載の蓄熱式バーナを有する炉。

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