JP2004093122A

JP2004093122A - 鋼材加熱設備及び操業方法

Info

Publication number: JP2004093122A
Application number: JP2003293575A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Shimada; 島田　達哉; Yoshimoto Fujii; 藤井　良基; Koichi Takashi; 高士　弘一; Takamitsu Kusada; 艸田　隆充
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-08-15
Filing date: 2003-08-14
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】　少ない補助燃料で低空気比加熱炉から発生する未燃焼排ガスを、低コスト・低環境負荷で燃焼処理することのできる鋼材加熱設備を得る。
【解決手段　】鋼材を燃焼空気比1.0未満の無酸化雰囲気で加熱する際に、加熱炉から発生する未燃焼排ガスを炉外で完全燃焼処理する燃焼装置として、管状火炎バーナを配置し、前記加熱炉１１の加熱用バーナ１３に供給される燃料の種類、流量、空気流量、及び空気比から、前記加熱炉１１から発生する未燃焼排ガスの流量及びカロリーを演算する演算機構２６と、前記未燃焼排ガスの流量及びカロリーから前記管状火炎バーナに供給する空気流量を決定する空気流量調整機構２７を有することを特徴とする鋼材加熱設備。
【選択図】　図２

Description

　本発明は、鋼材を燃焼空気比1.0未満の無酸化雰囲気で加熱するに際して、加熱炉から発生した未燃焼排ガスを完全燃焼処理させる鋼材加熱設備及びその操業方法に関する。

　鋼材を炉内で加熱処理する場合、鋼材の酸化を抑制するために、燃焼空気比を1.0未満として炉内を無酸化雰囲気とする方法が従来から行われているが、このような方法で鋼材を加熱すると未燃焼排ガスが発生する。この未燃排ガスはCO等有害物質を含むことから、そのまま大気に放出できないため、無害化して大気中に放出する必要がある。この無害化の方法として、従来、加熱炉から発生した未燃焼排ガスを回収し、他のバーナを用いて燃焼処理することで無害化する、いわゆるアフターバーンが行われていた。

　また、未燃焼排ガスを熱源として再利用する過程を通じて無害化した上で、大気中に放出するという方法も採られていた。低空気比加熱炉から発生する未燃焼排ガスを熱源として再利用する従来技術としては、特許文献１および特許文献２に開示された技術がある。これらは、燃焼空気比1.0未満の低空気比加熱炉からの未燃焼排ガスを、高空気比加熱炉に供給して燃焼処理する技術である。また、特許文献２に開示された技術は、高空気比加熱炉を複数基設けることで、高空気比加熱炉を稼動させない場合であっても、低空気比加熱炉の連続操業を可能とするものである。
特開平４−276013号公報特開2002-3939号公報

　しかし、上記の未燃焼排ガスをバーナを用いて燃焼処理する場合、未燃焼排ガスは低カロリーであり、それ単身では燃えにくいため、加熱炉から発生する未燃焼排ガスの温度が、約700℃〜800℃の自己着火温度以下である場合には、補助燃焼用の高カロリーガスを加えて燃焼処理する必要がある。このため、補助燃焼用の高カロリーガスと補助燃料を投入するための設備が必要となりコスト高となる。また、補助燃焼用高カロリーガスの燃焼に起因して、CO₂が発生し環境負荷も大きくなる。

　一方、上記の未燃焼排ガスを熱源として利用する場合、低空気比加熱炉から発生する未燃焼排ガスを燃焼処理するためには、燃焼空気比1.0以上の高空気比加熱炉が不可欠であり、かつ、未燃焼排ガスを全量処理可能な十分な基数の高空気比加熱炉を設置することが必要となる。このため、低空気比炉単体での操業は不可能であり、この技術の適用は特定の設備に限られてしまう。

　また、高空気比加熱炉が設置された設備であっても、高空気比炉を用いて未燃焼排ガスを燃焼処理しきれなくなった場合には、未燃焼ガスの発生量を抑制するために、燃焼空気比を上げる必要が生じ、所定の低空気比での鋼材加熱自体ができなくなる。従って、低空気比加熱炉の連続操業のためには、複数の高空気比炉の設置が必要であり、設備的な負担を生じるとともに、高空気比加熱炉を操業させる必要がないにもかかわらず、低空気比加熱炉から発生する未燃焼排ガスを処理するためだけに、高空気比加熱炉も常に稼動させなければならないとすると、生産計画にも影響を与え、操業の自由度がなくなる。

　そこで本発明は、補助燃料を用いることなく又は用いたとしても、少ない補助燃料で低空気比加熱炉から発生する未燃焼排ガスを、低コスト・低環境負荷で燃焼処理することのできる鋼材加熱設備、及びその操業方法を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するため、本発明は以下の特徴を有している。

　第1の発明は、燃焼空気比1.0未満で鋼材を無酸化雰囲気加熱するに際して、加熱炉から発生する未燃焼排ガスを炉外で完全燃焼処理する装置として、管状火炎バーナを配置した点に特徴を有する鋼材加熱設備である。

　第２の発明は、前記加熱炉の加熱用バーナに供給される燃料の種類、流量、空気流量、及び空気比から、前記加熱炉から発生する未燃焼排ガスの流量及びカロリーを演算する演算機構と、前記未燃焼排ガスの流量及びカロリーから前記管状火炎バーナに供給する空気流量を決定する空気流量調整機構を有することを特徴とする第1の発明に記載の鋼材加熱設備である。

　第3の発明は、鋼材を燃焼空気比1.0未満の無酸化雰囲気で加熱する際に、加熱炉から発生する未燃焼排ガスを炉外で完全燃焼する燃焼装置として、管状火炎バーナが配置された鋼材加熱設備の操業において、前記加熱用バーナに供給される燃料の種類、流量、空気流量、及び空気比から、前記加熱炉から発生する未燃焼排ガスの流量及びカロリーを演算し、前記管状火炎バーナに供給する空気流量を決定することを特徴とする鋼材加熱設備の操業方法である。

　管状火炎バーナは、一端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した未燃焼ガス吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルを各々一個以上備え、前記未燃焼ガス吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹込み用ノズルの噴射方向が、燃焼室内周面の略接線方向と一致した構造を有するバーナであり、たとえば特開平11-281015号公報に記載されている。

　管状火炎バーナは、低カロリーガスでも安定的に燃焼させることができるため、炉から発生する低カロリーの未燃焼排ガスを、補助燃料なしで又は用いたとしても少量で完全燃焼でき、設備的に安価であり、かつ環境負荷を低減することができる。

　また、管状火炎バーナを用いることで、簡便な設備で低空気比加熱炉から直接に未燃焼排ガスを完全燃焼処理させることができ、設備的な負担や操炉上の負担なしに、低空気比加熱炉の連続操業を図ることが可能となる。

　本発明によれば、従来に比して小規模な設備で、燃焼空気比1.0未満の無酸化雰囲気で鋼材を加熱する際に、加熱炉から発生する未燃焼排ガスを、補助燃料を使用せず、又は少量の補助燃料で燃焼処理させることができるため、未燃焼排ガスを低廉に処理することが可能である。また、燃焼空気比1.0未満の低空気比加熱炉の連続操業が可能となり、低空気比燃焼による鋼材表面の酸化抑制を連続的に行うことができる。

　本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。図１は、加熱炉から発生する未燃焼ガスを燃焼処理するために設置される管状火炎バーナの説明図であり、（ａ）は管状火炎バーナの構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。図２は、本発明に係る鋼材加熱設備の一実施形態を示すものである。

　この管状火炎バーナは、管状の燃焼室１を有しており、一端は開放端で燃焼排ガスの排出口になっている。そして、他端部には管軸方向に沿って長いスリットが形成されており、このスリットに接続させて、未燃焼ガスと酸素含有ガスを別々に吹き込むノズル２が設けられている。

　ノズル２は、燃焼室１の内壁面の略接線方向に向けて設けられており、未燃焼ガスと酸素含有ガスの吹込みによって、燃焼室１内に旋回流が形成されるようになっている。また、ノズル２は先端部の形状が扁平で、かつ、その開口面積が縮小されており、未燃焼ガスおよび酸素含有ガスが高速で吹き込まれるようになっている。３は点火プラグである。

　上記のように構成される管状火炎バーナにおいて、ノズル２から吹き込まれて旋回流が形成された未燃焼ガスと酸素含有ガスとの混合気に点火すると、燃焼室1内のガスが密度差によって、遠心力により成層化され、密度が異なる同心軸のガス層ができる。

　すなわち、燃焼室１の軸心側には、密度の小さい燃焼反応後の高温の燃焼排ガスが存在し、燃焼室１内の内壁側（軸心から離れた側）には、密度の高い燃焼反応前の低温の未燃焼のガスが存在するようになる。

　このような状態は、流体力学的に非常に安定である。火炎は管状に形成されるが、流れ場が安定成層化されているため、膜状に安定な火炎となる。

　火炎の形成位置は、中心へ向かう速度と火炎伝播速度が釣り合う位置におのずと決まる。図１において４は管状の火炎を示す。

　又、燃焼室の内壁付近には、未燃焼の低温ガスが境界層の状態で存在しているので、燃焼室１の壁面が直接的な伝熱により高温に加熱されることなく、壁外への熱ロスを防ぐ。すなわち、断熱効果が大きいことに他ならず、それ故燃焼場の熱的安定が保たれる。

　燃焼室1内のガスは旋回しながら下流側に流れるが、その間、内壁側の混合ガスが継続的に燃焼して管状火炎を形成し、発生した排ガスは軸心側に移動し、開放端部から排出される。

　上記の構成による管状火炎バーナにおいては、回転場で成層化され、流体力学的にも熱的にも安定しており、燃焼ガス成分が非常に希薄又は過濃の状態になる条件でも、燃焼させることができるので、バーナ自身の安定燃焼範囲が広がる。

　すなわち、高カロリーガスのみならず、従来安定燃焼させることが困難であった低カロリーガスでも、安定して燃焼させることができるのである。従って、燃焼空気比1.0未満で鋼材を加熱した場合に発生する低カロリーガスである未燃焼排ガスを、安定的に燃焼させることができるのである。

　次に、上記管状火炎バーナを用いて未燃焼ガスを燃焼処理することのできる本発明の鋼材加熱設備の実施の形態を、図２に基づき説明する。

　この鋼材加熱設備においては、鋼材加熱炉１１で発生する燃焼排ガス流路の途中に、未燃焼排ガスを燃焼させるための管状火炎バ−ナ１６を備えている。この鋼材加熱設備を詳述すると、加熱炉１１内では、鋼材１２が燃焼空気比1.0未満の燃焼雰囲気で加熱される。鋼材１２を加熱するために、鋼材加熱用バーナ１３が用いられるが、鋼材加熱用バーナ１３に供給される燃焼用空気は、燃焼空気ブロワ１４から取り込まれ、空気予熱器１５で予熱された後、空気流量調整弁２４で流量調整して、加熱用バーナ１３に供給される。

　このように、燃焼用の空気を空気予熱器１５であらかじめ加熱することによって、鋼材１２を加熱する際に必要とする燃料を、少量化することが可能となる。燃料は燃料流量調整弁２５で流量調整して供給される。

　加熱炉１１から発生した未燃焼排ガスは、空気予熱器１５で自身の保有顕熱を燃焼用空気に与えて温度が低下した後、排ガス誘引ファン１７を通じて回収され、未燃焼排ガス吹き込みノズル１８から管状火炎バーナ１６内に供給される。

　一方、管状火炎バーナ１６に吹き込む燃焼用空気として、加熱炉１１に供給される燃焼用空気の一部が、アフターバーン用燃焼空気供給管２１を通じて、酸素含有ガス吹込み用ノズル１９から供給される。管状火炎バーナ１６に予熱された燃焼用空気を吹き込むことで、管状火炎バーナ１６の燃焼性がさらに向上する。

　また、この鋼材加熱設備は、鋼材加熱用バーナ１３に供給される燃料の種類・流量、空気流量、及び空気比等の情報をもとに、リアルタイムで加熱炉１１から発生する未燃焼排ガスの流量及びカロリーを推測する演算機構２６を有している。

　さらに、この演算機構２６から得られた情報により、管状火炎バーナ１６内で当該未燃焼排ガスを燃焼処理するために必要な空気流量を決定する空気流量調整機構２７を有しており、空気流量調整機構２７からの指令により、管状火炎バーナ用空気流量調整弁２８の開度が調整され、管状火炎バーナ１６に供給される燃焼用空気の流量が制御されるようになっている。

　したがって、これら演算機構２６および空気流量調整機構２７により、未燃焼ガスを燃焼処理するために必要な空気量を、過不足なく管状火炎バーナ１６に吹き込むことが可能であり、加熱炉１１の燃焼負荷が変動しても、管状火炎バーナ１６をより安定的に燃焼させることができる。

　なお、管状火炎バーナ１６に少量の補助燃料用の高カロリーガスを供給して、より安定な燃焼をさせても構わない。管状火炎バーナ１６で完全燃焼処理された後の排ガスは、煙道２２を通じて煙突２３から大気中に放出される。

　また、一ないしは複数の燃焼空気比1.0以上の高空気比加熱炉を用いて、燃焼空気比1.0未満の加熱炉から発生した未燃焼排ガスを処理する場合に、管状火炎バーナ１６を一ないしは複数用いて、アフターバーンさせることも有効である。

　例えば、低空気比炉から発生した未燃焼排ガスを、高空気比炉に供給するときに、その一部を管状火炎バーナ１６にも供給可能なようにすれば、高空気比炉で処理すべき未燃焼排ガス量が少なくなるため、設置すべき高空気比炉の数を減らすことができる。

　なお、低空気比炉から発生する未燃焼排ガス流量は、炉の操業状態により変動するが、高空気比炉行き未燃焼排ガス流量を、流量調整弁等で流量一定になるよう調整し、低空気比炉から発生する未燃焼排ガスの変動分は、管状火炎バーナ１６へ供給するように自動調整すれば、高空気比炉の燃焼の安定性を高めることができる。

　この場合、未燃焼排ガスの変動分は、前記演算機構２６で演算し、管状火炎バーナ１６へ供給する空気流量を、前記空気流量調整機構２７で調整することで、管状火炎バーナ１６の安定燃焼を継続することができる。

　図２により説明した鋼材加熱設備の加熱炉に、燃料としてコ−クス炉ガス（発熱量４６００ｋｃａｌ／Ｎｍ³）を供給し、空気比０．９および０．８の２水準で、普通鋼を炉温１２００℃で加熱した。加熱炉で発生したガスは約７００Ｎｍ³ ／ｈで、空気予熱器を通過させた後、管状火炎バ−ナによりガス中に含まれる未燃分を完全燃焼させてから、大気中に放散した。

　排ガスを大気放散する直前に、排ガス中に未燃分としてＣＯガスおよびススが残留していないか否かを把握するため、管状火炎バ−ナに供給する補助燃料（コ−クス炉ガス）の流量を、０、２０Ｎｍ³ ／ｈ、４０Ｎｍ³ ／ｈの３段階に変化させながら、ＣＯガス濃度やスス濃度の測定を行った。

　その結果を、従来から行われているアフタ−バ−ニング炉で燃焼排ガスを完全燃焼させる場合と比較して、空気比０．８の場合を表１に、空気比０．９の場合を表２に示す。

　表１および表２から明らかなように、燃焼排ガスを本発明の鋼材加熱設備の管状火炎バ−ナで燃焼処理した場合には、補助燃料を供給しなかった場合でもＣＯガスおよびススの発生がほとんど認められないのに対して、従来のアフタ−バ−ニング炉での燃焼処理の場合には、空気比０．８では補助燃料をそれほど必要としないものの、空気比０．９では補助燃料を２０Ｎｍ³ ／ｈ程度必要としており、本発明の鋼材加熱設備の方が、排ガスの燃焼処理に要する費用は安くなることが分かる。

（ａ）管状火炎バーナの側断面図である。

　　　　　　（ｂ）（ａ）におけるＡ−Ａ矢視の断面図である。
本発明の一実施形態に係わる鋼材加熱設備の全体構成図である。

符号の説明

　１　燃焼室
　２　燃料ガス、酸素含有ガス吹き込みノズル
　３　添加プラグ
　４　管状の火炎
　１１　加熱炉
　１２　鋼材
　１３　鋼材加熱用バーナ
　１４　燃焼用空気ブロワ
　１５　空気予熱器
　１６　管状火炎バーナ
　１７　排ガス誘引ファン
　１８　未燃焼排ガス吹き込みノズル
　１９　燃焼用空気吹き込みノノズル
　２０　鋼材加熱用燃焼空気供給管
　２１　アフターバーン用燃焼空気供給管
　２２　煙道
　２３　煙突
　２４　空気流量調整弁
　２５　燃料流量調整弁
　２６　演算機構
　２７　空気流量調整機構
　２８　管状火炎バーナ用空気流量調整弁
　２９　火炎

Claims

　鋼材を燃焼空気比1.0未満の無酸化雰囲気で加熱する際に、加熱炉から発生する未燃焼排ガスを炉外で完全燃焼処理する燃焼装置として、管状火炎バーナを配置したことを特徴とする鋼材加熱設備。
　前記加熱炉の加熱用バーナに供給される燃料の種類、流量、空気流量、及び空気比から、前記加熱炉から発生する未燃焼排ガスの流量及びカロリーを演算する演算機構と、前記未燃焼排ガスの流量及びカロリーから前記管状火炎バーナに供給する空気流量を決定する空気流量調整機構を有することを特徴とする請求項１に記載の鋼材加熱設備。
　鋼材を燃焼空気比1.0未満の無酸化雰囲気で加熱する際に、加熱炉から発生する未燃焼排ガスを炉外で完全燃焼する燃焼装置として、管状火炎バーナが配置された鋼材加熱設備の操業において、前記加熱用バーナに供給される燃料の種類、流量、空気流量、及び空気比から、前記加熱炉から発生する未燃焼排ガスの流量及びカロリーを演算し、前記管状火炎バーナに供給する空気流量を決定することを特徴とする鋼材加熱設備の操業方法。