JP2005055036A

JP2005055036A - 蓄熱式バーナ

Info

Publication number: JP2005055036A
Application number: JP2003285088A
Authority: JP
Inventors: Motofumi Kaminaka; 基文上仲; Seiji Watanabe; 清治渡辺; Katsukuni Nagao; 勝邦長尾; Toshihiro Matsumura; 智弘松村
Original assignee: Sumikin Management Co Ltd; Rozai Kogyo Kaisha Ltd
Current assignee: Nippon Steel Business Service East Nippon Co Ltd; Rozai Kogyo Kaisha Ltd
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】セルフ型蓄熱式バーナにおけるショートパスの解消と燃料排ガスの低NOx化ならびに高効率化を図ること。
【解決手段】燃料に旋回を与えて高速で噴出させ、火口部で冷却用空気により一次燃焼させると共に、火口部周囲からの高速二次空気による燃料を包み込むような二次燃焼により温度分布の均一な長炎が形成されてショートパス現象が防止できる。また、燃焼排ガス吸引口を高速燃料噴出方向と垂直にバーナタイルの外周に設けたことによって、燃焼排ガスが二次空気噴出口と燃焼排ガスを排出することができ、従来のツイン型蓄熱式バーナに比べて遜色のない低NOxと高効率化を達成することができる。
【選択図】図1

Description

この発明は、燃焼排ガスの顕熱を回収して燃焼用空気を予熱するセルフ型の蓄熱式バーナに関するものである。

蓄熱式バーナは、燃焼排ガスの熱で燃焼用空気を予熱することによって省エネルギーを図るもので、バーナ本体に燃料噴射ノズルとバーナスロート部に通じる空気流路と、該空気流路に配置した通気性の蓄熱体とで構成されているのが一般的である。

従来の蓄熱式バーナは、2台または複数のバーナ群を一対として切替え使用するツイン型であったが、取付台数が多くて切替弁や配管系の制御が複雑となるという欠点を有していた。この欠点を解消した蓄熱式バーナとしては、バーナの蓄熱体を2分割して一方を燃焼排ガス流路とし、もう一方を燃焼用の空気流路として切替え使用し、この二つの流路の中間より燃料と予熱しない空気を連続的に供給する方式のセルフ型の蓄熱式バーナ等が提案されている。
特開平5‐256423号

例えば、図5に示すように、このセルフ型の蓄熱式バーナ101は、周知の耐火物で構成されたバーナ本体102と、バーナ本体102を前後に貫通する空気流路103A、103Bと、空気流路103A、103B内にそれぞれ設けられた耐熱性、通気性を有する部材からなる蓄熱体104A、104Bと、バーナ本体102の中心軸に配置された燃料ノズル105と中央空気流路106から構成される。空気流路103A、103Bには、連絡管107A、107Bが接続され、図示しない切替え機構により空気口および排気口に交互に接続され、燃焼用空気が一方の空気流路103Aの蓄熱体104Aと熱交換して予熱されて火炎を形成し、燃焼排ガスがもう一方の空気流路103Bの蓄熱体104Bと熱交換したのち外部に排出される。したがって、蓄熱式バーナ101は、1台のバーナで蓄熱体104A、104Bにより交互に排熱回収ができる。

このセルフ型の蓄熱式バーナ101は、空気流路103A、103Bの炉内に向いた開口部面積が大きいため、燃焼用空気の流速が小さくて火炎の長さを長くできず、燃焼ガスの炉内での滞留時間が短く、十分な熱伝達が終了しないうちに炉外に排出されるショートパス現象が起こり、廃熱回収率が悪く、また、燃焼排ガス中の酸素濃度を低くできずNOxが高いという問題点を有している。

この発明の目的は、上記セルフ型の蓄熱式バーナの問題点を解消し、従来のツイン型の蓄熱式バーナに比較して遜色のない低NOxで高効率なセルフ型の蓄熱式バーナを提供することであります。

本発明者らは、バーナ中心部より燃料を噴出するに際し、燃料に旋回を付与することにより噴出燃料の旋回力により周囲の燃焼排ガスが巻き込まれ、燃焼排ガス循環量を燃焼用空気に対して40%と多くできると共に、燃焼火炎の安定性が向上し、NOxと黒煙を同時に低下でき、火炎が吹き飛ばされずに安定燃焼する燃料噴出限界速度が旋回を付与しない場合の約2倍まで大きくできることを見い出し、既に特許出願している。
特開2001-235106号公報

この発明は、上記知見に基づき、バーナの中心に旋回羽根を内蔵した高速燃料噴出管を設け、その外側に冷却用空気噴出管を同心状に配置し、高速燃料噴出管および冷却用空気噴出管の先端に火口部を設け、該火口部の周囲に複数のスリット状の高速二次空気噴出口を設けると共に、火口部外周に複数の燃焼排ガス吸引口を高速燃料噴出方向と垂直に設け、複数の高速二次空気噴出口および燃焼排ガス吸引口を蓄熱体を内蔵した複数の給排気通路にそれぞれ連通したことを特徴とする。

この発明は、バーナの中心に旋回羽根を内蔵した高速燃料噴出管を設けたことによって、旋回を付与した燃料を従来の2倍の高速で噴出できるため、火炎はバーナ火口より遠くまで飛ばされて温度分布の均一な長炎が形成でき、ショートパスが防止できると共に、噴出燃料の旋回力により周囲の燃焼排ガスを巻き込むから、燃焼排ガス再循環効果によりNOxが低下する。また、高速燃料噴出管の外側に同心状に冷却用空気噴出管を配置したことによって、冷却用空気により高速燃料噴出管が冷却されて燃料の過高温化が防止でき、NOxの低下と高速燃料噴出管の焼損が防止できる。

この発明は、高速燃料噴出管および冷却用空気噴出管の先端に設けた火口部の周囲に複数の高速二次空気噴出口を設けたことによって、バーナ中心より高速噴射される燃料を包み込むように高速二次空気が均一に噴出され、安定な長炎が形成されると共に、二段燃焼効果によりNOxが低下する。また、火口部外周に複数の燃焼排ガス吸引口を高速燃料噴出方向と垂直に設けたことによって、燃焼排ガス吸引口が高速二次空気噴出口から遠くなり、二次空気を巻込むことなく燃焼排ガスの吸引と排出を行うことができる。

さらに、この発明は、複数の高速二次空気噴出口および燃焼排ガス吸引口を蓄熱体を内蔵した複数の給排気通路にそれぞれ連通したことによって、給排気通路の一方を二次空気流路、他方を燃焼排ガス流路として切替え使用することができる。

この発明の蓄熱式バーナは、燃料に旋回を与えて高速で噴出させ、火口部で冷却用空気によリー次燃焼させると共に、火口部周囲からの高速二次空気による燃料を包み込むような二次燃焼により温度分布の均一な長炎が形成されてショートパス現象が防止できる。

また、この発明は、燃焼排ガス吸引口を高速燃料噴出方向と垂直にバーナタイルの外周に設けたことによって、燃焼排ガスが二次空気噴出口と燃焼排ガス吸引口から吸引され、高速二次空気が混入することがなく燃焼排ガスを排出することができ、従来のツイン型蓄熱式バーナに比べて遜色のない低NOxと高効率を達成することができる。

この発明の蓄熱式バーナは、バーナの中心に高速燃料噴出管を設け、高速燃料噴出管の内部に旋回羽根を設置し、燃料に旋回を付与して高速で噴出するよう構成している。また、高速燃料噴出管の外側に同心状に冷却用空気噴出管を配置し、燃料噴出管ならびに燃料の過加熱を防止するよう構成している。

高速燃料噴出管の炉内側先端の火口部には、パイロットバーナの取付け孔を貫通させ、パイロットバーナの先端が燃料噴出口近傍に位置するよう取付け、パイロットバーナの後端には、紫外線式火炎検出器を取付ける。高速燃料噴出管の炉外側には、燃料供給管を接続する。また、冷却用空気噴出管の炉外側には、冷却用空気供給管を接続する。

バーナの火口部の周囲に設ける複数の二次空気噴出口は、給排気通路の断面積より小さいスリット状あるいはノズル状とし、二次空気を高速で噴出させるよう構成している。また、複数の燃焼排ガス吸引口は、高速燃料噴出方向と垂直に火口部の外周に設け、二次空気噴出口と離して二次空気の巻込みを防止するよう構成している。複数の高速二次空気噴出口および燃焼排ガス吸引口は、蓄熱体を内蔵した複数の給排気通路にそれぞれ連通させる。複数の給排気通路に配置する蓄熱体としては、セラミックスなどの耐熱材からなるハニカム状あるいはセラミックス球等の通気性の部材が適している。

また、蓄熱式バーナの各給排気通路の炉外側には、切替え弁を介してそれぞれ二次空気供給管と燃焼排ガス抜出し管を接続し、一方の給排気通路が二次空気吹込み中であれば、他方の給排気通路が燃焼排ガス抜出し中となるよう一定時間毎に切替え弁を切替え制御する。

この発明の蓄熱式バーナは、火口部の周囲より二次空気を高速で噴射させると共に、燃焼排ガス吸引口を高速燃料噴出方向と垂直に火口部の外周に設けたことによって、バーナ中心より高速噴射される燃料を包み込むように高速二次空気が均―に噴出され、安定な長炎が形成されると共に、燃焼排ガス中への二次空気の巻込みが防止され、従来のツイン型蓄熱式バーナに比べ遜色のない低NOxで高効率を確保することができる。

以下にこの発明の蓄熱式バーナの詳細を一例を示す図1〜図4に基づいて説明する。図1はこの発明の蓄熱式バーナの詳細断面図、図2はこの発明の蓄熱式バーナの正面図、図8は図1のA-A視図、図4はこの発明の蓄熱式バーナの一部を切り欠いた斜視図である。

図1〜図4において、1はこの発明の蓄熱式バーナ本体、2はバーナタイル、3はバーナタイル2の炉内側中央部に形成された火口部、4は蓄熱式バーナ本体1の中心部を貫通するバーナノズルで、その先端は火口部3に達している。5A、5Bは給排気通路、6A、6Bは給排気通路5A、5Bに入れられたセラミック球からなる蓄熱体、7はパイロットバーナ、8はパイロットバーナの後端に接続した紫外線式火炎検出器である。

蓄熱式バーナ本体1の鉄皮11の内側には、耐火断熱材12が内張りされている。給排気通路5A、5Bへのセラミック球投入蓋13の内側には、耐火断熱材14が内張りされ、取っ手15が付けられている。給排気通路5A、5Bに入れられた蓄熱体6A、6Bの球取出し蓋16の内側には、耐火断熱材17が内張りされ、取っ手18が付けられている。バーナタイル2の後端には、バーナタイル取付けフランジ25が設けられ、バーナ本体1先端のフランジ19に組込まれる。

蓄熱式バーナ本体1の中心部を貫通するバーナノズル4は、燃料用旋回羽根取付け管41、その外側の燃料噴出管42、燃料噴出管42と同心状の冷却用空気供給管43からなる。燃料用旋回羽根取付け管41には、燃料用旋回羽根41aが取付けられ、高速噴出される燃料に旋回を付与している。燃料噴出管42の後部側面には燃料供給口42bが設けられ、図示しない燃料供給系が接続される。また、燃料噴出管42外周と冷却空気供給管43の間には、冷却空気用旋回羽根43aが取付けられ、冷却空気に旋回を付与している。冷却用空気供給管43の後部側面には冷却空気供給口43bが設けられ、図示しない冷却空気供給系が接続される。

バーナタイル2の火口部3の周囲には、複数のスリット状の二次空気噴出口21A、21Bが設けられ、バーナノズル4より高速噴射される燃料を包み込むように二次空気が均一に高速噴射され、燃料と二次空気の混合が段階的かつ均一に行われる。バーナタイル2の外周部には、燃料噴出方向と垂直に燃焼排ガス吸引口22A、22Bが設けられ、それぞれ二次空気流路と連結され、二次空気噴出口21Aから二次空気が噴出している時には燃焼排ガスが反対側の二次空気噴出口21Bおよび燃焼排ガス吸引口22Bから吸引されるため、燃焼排ガス中に二次空気が混入することはない。バーナタイル2の火口部3のバーナノズル4の近傍に開口するパイロットパーナ挿入孔23、バーナタイル2の燃焼排ガス吸引口22A、22Bより後側には、炉体への取付けフランジ24を設けている。

冷却用空気供給管43の外側には、ノズル挿入管44が設けられ、ノズル挿入管44の外側には、耐火断熱材45が張り付けられている。燃料用旋回羽根取付け管41、燃料噴出管42、冷却用空気供給管43は、ノズルフランジ46に組込まれ、ノズル挿入管44から取り外すことができる。給排気通路5A、5Bの底部には、セラミック球の受け金物51A、51Bを設けると共に、図示しない給排気管が切替え弁を介して接続されている。

図中の数字のあとのA、Bは、切替え使用される流路を示し、例えば、燃焼用空気がA流路を、燃焼排ガスがB流路を流れる場合は、燃焼用の二次空気は給排気通路5Aの蓄熱体6Aを通過する際に蓄熱したセラミック球と熱交換して高温予熱され、スリット状の二次空気噴出口21Aから炉内に高速噴射され、長炎が形成される。燃焼排ガスは、二次空気噴出口21Bおよび焼排ガス吸引口22Bより吸引され、給排気通路5Bの蓄熱体6Bを通過する際に熱交換してセラミック球に熱を与え、図示しない切替え弁を介して排気管へ排出される。

燃焼用空気がB流路を、燃焼排ガスがA流路を流れる場合は、燃焼用の二次空気は給排気通路5Bの蓄熱体6Bを通過する際に蓄熱したセラミック球と熱交換して高温予熱され、スリット状の二次空気噴出口21Bから炉内に高速噴射され、長炎が形成される。燃焼排ガスは、二次空気噴出口21Aおよび焼排ガス吸引口22Aより吸引され、給排気通路5Aの蓄熱体6Aを通過する際に熱交換してセラミック球に熱を与え、図示しない切替え弁を介して排気管へ排出される。A流路、B流路の切替えは、約30秒毎に1回行われる。

燃焼開始操作は、図示しないブロワーを運転して燃焼用空気を例えば流路Aより蓄熱式バーナ本体1の給排気通路5Aの蓄熱体6Aを通過させて二次空気噴出口21Aから炉内に流入させると共に、排ガスブロワーを運転して燃焼排ガスを二次空気噴出口21Bおよび焼排ガス吸引口22Bより吸引し、給排気通路5Bを通って蓄熱式バーナ本体1の外へ排出させる。A、B給排気流路は、30秒毎に図示しない切替え弁を開閉制御して切替えられる。

次に、冷却用空気を冷却用空気供給管43から連続的に噴出させてからバィロットバーナ7を自動点火させ、パイロットバーナ火炎を形成させる。次いで燃料は燃料噴出管42より連続的に旋回羽根41aにより旋回を付与して高速で火口部3に噴出させ、火口部3内で冷却空気と混合して安定一次火炎が形成される。冷却空気量は、全供給空気量の3〜5%程度で十分である。残りの大部分の燃料は、火口部3の外部遠方まで旋回を付与されて高速噴出し、火口部3の周囲の二次空気噴出口21Aよリスリット状に高速噴射される高温の二次空気と混合し、二次燃焼して長炎が形成される。

前記図1〜図4に示す本発明の蓄熱式バーナと、比較例として図5に示す従来の蓄熱式バーナのそれぞれについて、燃焼試験を実施し、燃焼排ガス中の酸素濃度、NOx濃度を測定して酸素11%換算時のNOx濃度を求めた。その結果を表1に示す。

表1に示すように、比較例では、ショートパス現象により炉温が1200℃以上に上昇せず、燃焼排ガス中の酸素濃度を10%以下にできなかった。これに対し、液化天然ガスを燃料として用いた本発明例Aでは、燃焼排ガス中の酸素濃度を1%まで低減でき、炉温を1290℃まで昇温できた。更にセルフ型の蓄熱式バーナでは難しいとされている液体燃料を安定して燃焼させることができた。

また、灯油を燃料として用いた本発明例Bでは、燃焼排ガス中の酸素濃度を2%まで低減でき、炉温を1280℃まで昇温できた。本発明例A、Bは、燃焼排ガス中の酸素濃度を低くした低空気比燃焼ができたため、燃焼排ガス中のNOxは画期的に低減し、比較例の1/4程度となった。給排気流路の切替え時間は、比較例では20秒とツイン型蓄熱式バーナの30秒に比較して短かったが、本発明例ではツイン型蓄熱式バーナと同じ30秒で、比較例に比べて長くなっている。

この発明の蓄熱式バーナの詳細断面図である。この発明の蓄熱式バーナの正面図である。図1のA‐A視図である。この発明の蓄熱式バーナの一部を切り欠いた斜視図である。特開平5-256423号公報に開示の蓄熱式バーナの縦断面図である。

符号の説明

1、101 蓄熱式バーナ本体
2 バーナタイル
3 火口部
4 バーナノズル
5A、5B 給排気通路
6A、6B、104A、104B 蓄熱体
7 パイロットバーナ
8 紫外線式火炎検出器
11 鉄皮
12、14、17、45 耐火断熱材
13 セラミック球投入蓋
15、18 取っ手
16 球取出し蓋
19 フランジ
21A、21B 二次空気噴出口
22A、22B 燃焼排ガス吸引口
23 バイロットバーナ挿入子孔
24 取付けフランジ
25 バーナタイル取付けフランジ
41 燃料用旋回羽根取付け管
41a 燃料用旋回羽根
42 燃料噴出管
42b 燃料供給口
43 冷却用空気供給管
43a 冷却空気用旋回羽根
43b 冷却空気供給口
44 ノズル挿入管
46 ノズルフランジ
51A、51B 受け金物
102 バーナ本体
103A、103B 空気流路
105.燃料ノズル
106 中央空気流路
107A、107B 連結管

Claims

バーナの中心に旋回羽根を内蔵した高速燃料噴出管を設け、その外側に冷却用空気噴出管を同心状に配置し、高速燃料噴出管および冷却用空気噴出管の先端に火口部を設け、該火口部の周囲に複数のスリット状の高速二次空気噴出口を設けると共に、火口部外周に複数の燃焼排ガス吸引口を高速燃料噴出方向と垂直に設け、高速二次空気噴出口および燃焼排ガス吸引口を蓄熱体を内蔵した複数の給排気通路にそれぞれ連通したことを特徴とする蓄熱式バーナ。