JP2006308249A - 蓄熱式バーナ及びその低ＮＯｘ燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 バーナからの火炎のリフトを確実に防止してバーナ近傍の火炎温度を高めつつも低ＮＯｘ燃焼を確実に実現でき、かつ均一に加熱できるようにする。
【解決手段】 １次燃料ノズル６を、燃焼用空気のノズル５内で燃焼用空気の流れの周りから噴射可能に設けるとともに、２次燃料ノズル７は、その配管４先端の噴出口に、噴射する２次燃料の周りから保炎空気を供給可能な流路を含む保炎機構を設けて、燃焼用空気とは異なる場所から燃焼用空気ノズル５とほぼ平行に炉内に直接吹き込み可能にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主として工業用加熱炉に用いられる蓄熱式バーナ及びその低ＮＯｘ燃焼方法に係り、特に燃料の自己着火温度以上の高温の予熱空気での燃焼において、火炎がバーナからリフトすることのない蓄熱式バーナ及びその低ＮＯｘ燃焼方法に関するものである。

蓄熱式バーナは高温の燃焼用空気を得て燃焼を行うものである。燃料と燃焼用空気を同一のノズル内に供給して燃焼させた場合には、燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度が非常に高くなる問題が発生する。そこで、従来から低ＮＯｘ燃焼を行うため、燃料を１次燃料と２次燃料に分けて供給し、１次燃料と燃焼用空気とは燃焼用空気ノズル内で混合させながら１次火炎を形成し、２次燃料は、燃焼用空気ノズル噴出口とは距離を隔てて独立した燃料噴出口より炉内に直接吹き込み１次火炎内に残存する酸素により炉内で緩慢燃焼させ２次火炎を形成する蓄熱式バーナが提案されている。

例えば蓄熱式バーナの蓄熱体を通過した高温の予熱空気を燃焼用空気ノズルから炉内に噴射するとともに、１次燃料を燃焼用空気ノズル内で予熱空気の周囲に吹き込んで予熱空気の周囲を取り巻くように空気過剰の１次燃焼火炎を形成する。更に２次燃料を燃焼用空気ノズルとは独立した開口から炉内に直接吹き込み、前記予熱空気とは前記１次燃焼火炎で隔離された状態を形成し、１次燃焼火炎中のＮＯｘを２次燃料で還元しながら、燃焼用空気と２次燃料とを緩慢に混合させて２次火炎を形成し、炉温が低いときは１次燃料割合を多くし、炉温が高いときは２次燃料割合を多くするようにしたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

このような燃焼方法によれば、１次燃料を超空気過剰状態で燃焼させた後、この１次燃焼火炎中のＮＯｘを２次燃料で還元し、更にその後、炉内において高温の燃焼用空気と２次燃料とを緩慢に混合させて２次燃焼を起こさせることができる。

１次燃焼火炎は、超空気過剰状態での燃焼のため、ＮＯｘの発生が抑制される上に、２次燃料による還元作用によって更にＮＯｘが低減される。

また、２次燃料は、高温の燃焼用空気により安定して緩慢燃焼することができるため、ＮＯｘの発生が抑制される。

炉温が燃料の着火温度より高いときは、２次燃料割合を多くするが、この場合、２次火炎がバーナからリフトする可能性がある。ここで、火炎のリフトとは、例えば図５のように火炎がバーナから離れた位置に形成されて燃焼している状態を言い、火炎の位置が不安定で、炉温が低下した場合には失火する危険性が高い。火炎が保炎されてリフトしない場合とは、例えば図６のように火炎がバーナ先端から形成されて燃焼している状態を言い、火炎の着火位置が安定で、炉温が低下した場合でも失火する危険性は少ない。

この特許文献１の技術では、燃焼用空気ノズルと２次燃料ノズルをバーナタイルより反炉内側に後退させて保炎する構造としている。更に、仮に火炎がリフトしても１次燃焼火炎が存在するため、１次燃焼火炎が火種となって２次燃料に着火するため失火しない構造となっている。従って、１次燃料の供給をなくすことは想定していない。

また、特許文献１の他に本発明と類似する低ＮＯｘ燃焼方法として、燃焼用空気の温度が４００℃と比較的低温であっても、炉内温度が高温である場合にＮＯｘが高くなる問題を改善するための技術も知られている。例えば、炉内が燃料の着火温度以上の条件において、燃焼用空気ノズルと高温用燃料供給ノズルとを距離を持たせて各々独立して炉内に開口させ、燃焼用空気ノズル内には、低温時用燃料供給口を内臓する構成にして、炉内温度が燃料自己着火温度以下の低温時においては、燃焼用空気ノズルから燃焼用空気を噴出すると同時に燃料は低温時燃料供給口からのみ噴出させて燃焼させ、炉内温度が着火温度以上の高温に達した時には、低温時用燃料供給口からの燃料の供給を停止し、高温用燃料供給ノズルからのみ燃料を噴射して、炉内において再循環流を形成しながら燃焼させるようにしたものも提案されている（例えば特許文献２参照）。

このような燃焼方法によれば、炉内の酸素濃度の低い場所での燃焼となり、また炉内での緩慢燃焼により局部的高温の場所の無い火炎となり、ＮＯｘ低減効果が得られる。

この特許文献２の技術の特徴は、その燃焼用空気ノズルの先端面と高温用燃料供給ノズルの先端面が炉内壁面と面一に設定され、保炎機構を有しないバーナであることである。従って、この特許文献２の燃焼方法では、火炎がバーナからリフトした状態で形成される。

特開平６−１５９６１３号公報 特許第２６８３５４５号

特許文献１においては、炉内温度が燃料の着火温度以上となった場合においても１次燃焼火炎を形成しているため、１次燃焼火炎にて生成するＮＯｘが存在し、ＮＯｘ低減に制約があるものの、１次燃焼火炎がバーナに接して形成されて、１次燃焼火炎のリフト（火炎がバーナから離れる状態）が発生しないので、２次燃料への着火性に優れている。なお、特許文献１の技術は蓄熱式燃焼を基本としているため、燃焼用空気の温度は、炉内ガス温度が高温になれば、それにつれて上昇する。本発明者らの実験によれば、炉内ガス温度が１３Ｏ０℃の場合、予熱空気の温度は１２００℃以上にまで昇温されることが判明している。

特許文献２においては、炉内温度が燃料の着火温度以上となる通常運転時にて、燃料は空気供給口から独立する高温用燃料供給ノズルから炉内に直接供給される。この高温用燃料供給ノズルは、既述したように保炎機構を有していない。従って、燃料と燃焼用空気が炉内で混合し燃焼を開始するのは、バーナから離れた位置とならざるを得ず、火炎がバーナから離れた位置に形成される。すなわち、特許文献２の燃焼方法では、火炎は必ずリフトする。

また、特許文献２の技術では、燃焼用空気の温度が４００℃と比較的低温であり、燃焼用空気温度が１０００℃を超えるような高温の予熱空気でのデータが無いので、高温予熱空気下での低ＮＯｘ燃焼が可能か明らかでない。

そこで、下表１に示す組成の燃料ガスと１０００℃の燃焼用空気を用い、かつ空気比Ｍを１．２の条件で、特許文献２の技術を応用した蓄熱式バーナを試験的に製作して燃焼実験を行ない、燃焼用空気ノズル軸芯上の温度分布を測定した。

この燃料ガス組成は、日本国内の一貫製鉄所で多く使用される燃料ガスの標準的組成である。なお、実験に使用した燃焼炉には、燃焼容量が１００万kcal/hの蓄熱式バーナを距離４ｍ離れて対向して設置し、火炎温度分布は熱電対により測定した。また、排ガス中のＣＯ（一酸化炭素）濃度、ＮＯｘ（窒素酸化物）濃度は、蓄熱体を通過した排ガスをサンプリングして測定した。なお、空気比（Ｍ）とは、燃料が完全燃焼するのに必要な空気の量（Ｘ）に対して、実際に供給した空気の量（Ｙ）との関係から、Ｍ＝Ｙ／Ｘで計算される値を言う。従って、空気比が１より大きいときには、燃焼が完結しても燃焼排ガス中に酸素が残存することになる。

結果は、図４のグラフに■印でプロットして示す線図（一点鎖線）Ａの通りである。図４のグラフは縦軸に火炎温度（℃）を、横軸にバーナからの火炎長手方向の距離（ｍ）をとったものである。

図４から明らかなように特許文献２の燃焼方法を蓄熱式バーナに適用した場合、燃料と燃焼用空気が混合するまでのバーナ近傍部約１ｍにおいては温度が低く、バーナから約１．５ｍ以上離れた場所の温度はバーナから離れるに従って上昇傾向にあった。また、ＣＯ濃度については、測定中に０〜２００ｐｐｍの間で変化した。これは、火炎がリフトして燃焼場所が移動しながら炉内の様々な場所で燃焼が行われた結果と推定され、燃焼器としては好ましくない。ＮＯｘ濃度については、３０ｐｐｍ（酸素濃度１１％換算値）と、低い値であった。

なお、同様の実験を、１次燃料流量の総燃料流量に対する比率を１０％として、特許文献１の燃焼方法にて実施した場合には、火炎温度分布は、図４の○印でプロットして示す線図（細線）Ｂのような分布となり、バーナ近傍部約１ｍにおいて１次燃焼火炎の存在により温度が急速に上昇しており、バーナから約１．５ｍ以上離れた場所の温度はほぼ一定になった。また、ＣＯ濃度については、０ｐｐｍであった。ＮＯｘ濃度については、３５ｐｐｍ（酸素濃度１１％換算値）と、前記特許文献２の技術を応用した蓄熱式バーナよりは高い値になった。

ところで、バーナを加熱炉に設置して被加熱物を加熱しようとする場合、炉内においてガス温度分布が平坦化していることが重要である。前記特許文献２の燃焼方法では、火炎がリフトするため、バーナ近傍のガス温度が低下し、被加熱物の加熱温度がバーナ近傍部分で低くなると推定される。そのため、被加熱物を均一な温度に加熱することができない問題が生じる。

また、炉内温度が燃料自己着火温度以下の低温時においては、空気供給口から燃焼用空気を噴出すると同時に燃料も燃焼用空気と直接混合させて燃焼させるため、炉内温度が燃料の自己着火温度に近づくにつれ、火炎の断熱火炎温度が上昇してＮＯｘの発生濃度が規制値を超えて上昇する問題が生じる。すなわち、特許文献２の燃焼方法においては、均一加熱ができない問題と、炉温が燃料の自己着火温度近くでＮＯｘの発生濃度が増大する問題とが残されていた。更に、この特許文献２の燃焼方法では、既述したように火炎がリフトするので、操業の急変や燃料組成の経時変化により、炉温や予熱空気温度が変化した場合の燃料の着火性の問題も存在していた。

本発明の第１の技術的課題は、１０００℃を超える高温の予熱空気燃焼において、バーナからの火炎のリフトを確実に防止してバーナ近傍の火炎温度を高め、これにより被加熱物がバーナ近傍に位置する場合においても、均一に加熱できるようにすることにある。

また、本発明の第２の技術的課題は、バーナ近傍の火炎温度を高めつつも、低ＮＯｘ燃焼を確実に実現できるようにすることにある。

本発明の請求項１に係る蓄熱式バーナは、以下の構成を有するものである。すなわち、バーナ個々に、燃料を１次と２次に分けて供給するための１次燃料ノズル及び２次燃料ノズルと、蓄熱体とを有し、これら蓄熱体を通して燃焼用空気の供給または燃焼ガスの排出を行い、かつ各蓄熱体に対する燃焼ガスおよび燃焼用空気の流れを相対的に切り替えて燃焼ガスの熱で加熱された蓄熱体を通して燃焼用空気を供給するようにした蓄熱式バーナであって、１次燃料ノズルを、燃焼用空気のノズル内で燃焼用空気の流れの周りから噴射可能に設けるとともに、２次燃料ノズルは、その配管先端の噴出口に、噴射する２次燃料の周りから保炎空気を供給可能な流路を含む保炎機構を設けて、燃焼用空気とは異なる場所から燃焼用空気ノズルとほぼ平行に炉内に直接吹き込み可能に構成したものである。

また、請求項１の蓄熱式バーナにおいて、保炎空気を流さない場合は、請求項２のように保炎機構を、以下の条件に設定したものである。
Ｄ２／Ｄ１≧１．５
Ｌ≦２Ｄ１
Ｍ＞１．０
ここで、Ｄ１は２次燃料供給配管先端の燃料噴出口の内径、Ｄ２は２次燃料供給配管の外径、Ｌは２次燃料供給配管先端のバーナ先端からの後退距離、Ｍは空気比であって、燃料が完全燃焼するのに必要な空気の量（Ｘ）に対して、実際に供給した空気の量（Ｙ）との関係から、Ｍ＝Ｙ／Ｘで計算される値である。

また、請求項１の蓄熱式バーナにおいて、保炎空気を流す場合は、請求項３のように保炎機構を、以下の条件に設定したものである。
Ｄ３−Ｄ２≧４mm
Ｌ＞０mm
ここで、Ｄ２は２次燃料供給配管の外径、Ｄ３は保炎空気の流れる流路の内径、Ｌは２次燃料供給配管先端のバーナ先端からの後退距離である。

また、本発明の請求項４に係る蓄熱式バーナの低ＮＯｘ燃焼方法は、バーナ個々に燃料を１次と２次に分けて供給可能であるとともに蓄熱体を有し、ある時間には炉内ガスを吸引してその顕熱を蓄熱体に蓄え、別の時間には蓄えた顕熱を燃焼用空気に与えて高温の予熱空気を得て燃焼を繰り返す際に、燃焼用空気の温度が燃料の自己着火温度以下の場合は、１次燃料のみを燃焼用空気に向けて噴射してバーナ内で混合させて燃焼させ、燃焼用空気の温度が燃料の自己着火温度以上で炉内の酸素濃度が低い場合は、１次燃料の供給を停止し、燃焼用空気は供給するとともに、該燃焼用空気とは異なる場所に設けた保炎機構を有する吹き込み口より２次燃料とその周りから保炎空気を炉内に直接吹き込んで燃焼させ、燃焼用空気の温度が燃料の自己着火温度以上で炉内の酸素濃度が高い場合は、１次燃料の供給を停止し、燃焼用空気は供給するとともに、保炎機構を有する吹き込み口より２次燃料のみを炉内に直接吹き込んで燃焼させることを特徴としている。

本発明の蓄熱式バーナにおいては、２次燃料ノズルの配管先端の噴出口に、噴射する２次燃料の周りから保炎空気を供給可能な流路を含む保炎機構を設けているので、２次燃焼火炎のリフトが防止でき、蓄熱式バーナの火炎温度分布についてバーナ近傍においても十分な温度を確保しつつ、火炎温度の急激な上昇を抑えることができる。このため、火炎長さ方向の温度分布の平坦化が図れ、被加熱物をバーナ近傍に配置した場合においても、被加熱物を均一な温度に加熱することが可能となる。

本発明の蓄熱式バーナの低ＮＯｘ燃焼方法においては、２次燃料の保炎空気による保炎、または炉内ガスとの拡散混合による保炎が可能になり、ＮＯｘ発生濃度を抑制しつつ、着火・保炎を確実を行わせることができ、火炎長さを安定させることができる。このため、排ガス中の未燃分（主としてＣＯ）排出が無くすことが可能となり、煤の発生や燃焼効率の低下を防止することができる。さらに排ガス中のＣＯを無くすことができるので、安全性も高めることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る低ＮＯｘ燃焼方法およびこの方法に用いられる蓄熱式バーナを図１乃至図３により説明する。図１は本発明の基本原理の説明図、図２は図１のａ部を拡大して示す詳細図、図３はその蓄熱式バーナの加熱炉への適用例を示す加熱炉の概略構成図、図４はその燃焼用空気ノズル軸芯上の温度分布の測定結果を従来例と比較して示すグラフであり、縦軸に火炎温度（℃）を、横軸にバーナからの火炎長手方向の距離（ｍ）をとったものである。

本発明の基本技術は、２次燃焼火炎を２次燃料供給配管の先端で保炎することである。本発明者らは、図１のような蓄熱式バーナを試作し、表１に示す組成の燃料を用い、かつ２次燃料供給配管の先端を図２のようにバーナ先端から後退させ、さらに２次燃料供給配管の周囲から保炎空気を流す実験を繰り返して本発明に至った。

図１において、１は燃焼試験炉の炉壁、２は蓄熱式バーナの本体であって、図３のように同様の蓄熱式バーナと対をなして運転される。これらの蓄熱式バーナは距離８ｍ隔てて対向して設置されている。３は１次燃料供給配管、４は２次燃料供給配管、５は燃焼用空気ノズル、６は１次燃料ノズル、７は２次燃料ノズル、８は蓄熱体である。蓄熱体８は、セラミックスなどの耐熱材料で作られており、その形状はハニカム形状など、伝熱面積の大きなものが好ましい。また、セラミックボールなど伝熱面積の小さな蓄熱体を用いることも可能であるが、その場合にはセラミックハニカムの場合より、重量を多く使用して蓄熱量を確保する。１１は１次燃料遮断弁、１２は２次燃料遮断弁、１３は保炎空気遮断弁、１４は燃焼用空気遮断弁、１５は排気遮断弁である。

本発明の蓄熱式バーナの燃焼状態においては、燃料を１次燃料と２次燃料に分けて供給する。１次燃料は高温の予熱空気とバーナ内部で混合し、１次燃焼火炎（あ）を形成する。一方、１次燃焼火炎の外側から燃焼用空気ノズル５とほぼ平行に２次燃料と保炎空気を２次燃料ノズル７から噴出する。２次燃料は、保炎されてバーナ先端から火炎（い）を形成する。

図２において、Ｄ１は２次燃料供給配管４の先端の燃料噴出口の内径（mm）、Ｄ２はその外径（mm）、Ｄ３は保炎空気の流れる流路の内径（mm）、Ｌは２次燃料供給配管４先端のバーナ先端からの後退距離（mm）を示す。本発明に至る実験では、様々な条件で燃焼試験を行い火炎のリフトの有無、ＮＯｘ発生濃度（ｐｐｍ）、燃焼排ガス中のＣＯ濃度（ｐｐｍ）を測定し、下表２に示す結果を得た。

表２から明らかなように、２次燃焼火炎を２次燃料供給配管の先端で保炎するには次の条件を満足させれば良いことがわかった。なお、保炎空気を流す場合には、その流量は燃焼用空気必要総流量の０．５〜５％とした。また、火炎のリフトは目視により判断した。

（１）保炎空気を流さない場合の条件
表２から、保炎空気を流さない場合でも、２次燃料供給配管先端をバーナ先端から後退させ、かつ２次燃料供給配管の先端を絞って高流速で燃料を噴射することで、燃料ガスの周囲が負圧になり、高温の炉内ガスを巻きこみ澱み点を形成することができると判断できる。このとき、空気比が１以上の適切な値以上であれば、炉内ガス中に残存する酸素と燃料が拡散混合して燃焼し、２次燃料供給配管の先端から火炎を形成することができる。この場合、保炎することが可能で、火炎はリフトしない。また、炉内ガス中の酸素濃度が低いため、火炎温度の急激な上昇は無く、ＮＯｘ濃度も低い。さらに、燃焼排ガスからＣＯが検知されない。これらより、保炎空気を流さない場合は、次の条件を満足するようなバーナ形状および燃焼方法を行うことで、火炎がリフトしない蓄熱式バーナおよびその低ＮＯｘ燃焼方法を提供できる。
Ｄ２／Ｄ１≧１．５
Ｌ≦２Ｄ１
Ｍ＞１．０
ここで、Ｄ１は２次燃料供給配管先端の燃料噴出口の内径、Ｄ２は２次燃料供給配管の外径、Ｌは２次燃料供給配管先端のバーナ先端からの後退距離、Ｍは空気比であって、燃料が完全燃焼するのに必要な空気の量（Ｘ）に対して、実際に供給した空気の量（Ｙ）との関係から、Ｍ＝Ｙ／Ｘで計算される値である。

この方法により、表１に示す組成の燃料ガスと１０００℃の燃焼用空気を用い、表２の実験ＮＯ５について燃焼実験を行い、燃焼用空気ノズル軸芯上の温度分布を測定したのが図４に△印でプロットして示す線図（太線）Ｃである。線図（太線）Ｃの温度分布は線図（一点鎖線）Ａと線図（細線）Ｂの間にあり、バーナ近傍においてもガス温度が上昇しており、バーナから約１．０ｍ以上離れた場所の温度はほぼ平坦であり、またバーナ近傍の火炎温度を高めつつも、火炎温度の急激な上昇が抑えられ、好ましい温度分布であった。また、ＣＯ濃度については０ｐｐｍで良好な燃焼が行われている。ＮＯｘ濃度については２８ｐｐｍ（酸素濃度１１％換算値）と、前記特許文献２の技術を応用した蓄熱式バーナに比べてもより低い値となった。

（２）保炎空気を流す場合
表２から、保炎空気を流す場合には、保炎空気を流さない場合に比べより緩和された条件で、火炎がリフトしない燃焼が可能である。この場合には、保炎空気を流す流路と２次燃料供給配管４との関係のみ重要である。この場合、保炎に必要な空気の流量は、全空気流量の０．５〜５％程度で良く、保炎した火炎温度の急激な上昇は無く、ＮＯｘ濃度の増加も小さい。さらに、燃焼排ガスからＣＯが検知されない。これらより、保炎空気を流す場合は、次の条件を満足するようなバーナ形状および燃焼方法を行うことで、火炎がリフトしない蓄熱式バーナおよびその低ＮＯｘ燃焼方法を提供できる。
Ｄ３−Ｄ２≧４mm
Ｌ＞０mm
ここで、Ｄ２は２次燃料供給配管の外径、Ｄ３は保炎空気の流れる流路の内径、Ｌは２次燃料供給配管先端のバーナ先端からの後退距離であり、保炎空気として総空気流量の０．５〜５％を流して、２次燃料供給配管先端で燃料と拡散混合させて燃焼させることで保炎する。

次に、前述の蓄熱式バーナを加熱炉へ適用した実施例について、前述の原理図（図１，図２）と同一部分には同一符号を付して示す図３に基づき説明する。図３において、２１は加熱炉、２２は鋼片などの被加熱物、２ａ，２ｂは蓄熱式バーナであって、対をなして運転される。なお、これらの蓄熱式バーナは加熱炉の奥行き方向（紙面に垂直方向）に複数ペア配置されていてもよい。また、これらの蓄熱式バーナは概略対向して設置されるが、隣り合って並べて配置してもよい。３ａ，３ｂは１次燃料供給配管、４ａ，４ｂは２次燃料供給配管であって、上流側から加圧された燃料が供給される。 ５ａ，５ｂは燃焼用空気ノズル、６ａ，６ｂは１次燃料ノズル、７ａ，７ｂは２次燃料ノズル、８ａ，８ｂは蓄熱体である。これら蓄熱体８ａ，８ｂは、セラミックスなどの耐熱材料で作られており、その形状はハニカム形状など、伝熱面積の大きなものが好ましい。また、セラミックボールなど伝熱面積の小さな蓄熱体を用いることも可能であるが、その場合にはセラミックハニカムの場合より、重量を多く使用して蓄熱量を確保する。１１ａ，１１ｂは１次燃料遮断弁、１２ａ，１２ｂは２次燃料遮断弁、１３ａ，１３ｂは保炎空気遮断弁であって、これが開くと上流側から加圧された空気が供給される。１４ａ，１４ｂは燃焼用空気遮断弁であって、これが開くと図には示されない燃焼用空気ファンから燃焼用空気が蓄熱体８ａ，８ｂを通過して炉内に供給される。１５ａ，１５ｂは排気遮断弁であって、これが開くと、図には示されない排気ファンにより炉内ガスが蓄熱体８ａ，８ｂを通過して排気される。

燃焼用空気の温度が燃料の自己着火温度以下の場合には、本実施例の蓄熱式バーナの燃焼状態においては、燃料は１次燃料のみ供給する。例えば、蓄熱式バーナ２ａが燃焼状態にあり、蓄熱式バーナ２ｂが蓄熱状態にあるときは、蓄熱式バーナ２ａ側の１次燃料遮断弁１１ａと燃焼用空気遮断弁１４ａが開いており、２次燃料遮断弁１２ａ、保炎空気遮断弁１３ａ、及び排気遮断弁１５ａが閉じている。また、蓄熱式バーナ２ｂ側の１次燃料遮断弁１１ｂ、２次燃料遮断弁１２ｂ、保炎空気遮断弁１３ｂ、及び燃焼用空気遮断弁１４ｂが閉じており、排気遮断弁１５ｂが開いている。

このとき、蓄熱式バーナ２ａ側に燃焼用空気が供給され、蓄熱体８ａで加熱されて炉内に供給される。そして１次燃料は、加熱された燃焼用空気と拡散混合して燃焼し、１次燃焼火炎（あ）が形成される。そして燃焼排ガスは蓄熱式バーナ２ｂから蓄熱体８ｂに熱を蓄えつつ排気される。

一定時間の後、蓄熱式バーナ２ａ，２ｂは逆動作となり、蓄熱式バーナ２ｂが燃焼状態になり、蓄熱式バーナ２ａが蓄熱状態になる。これを繰り返すことで蓄熱式燃焼が成立する。

燃焼用空気の温度が燃料の自己着火温度以上であって、かつ炉内の酸素濃度が低い場合には、本実施例の蓄熱式バーナの燃焼状態においては、燃料は２次燃料のみ供給し、かつ保炎空気も流して２次燃焼火炎を保炎しつつ燃焼させる。例えば、蓄熱式バーナ２ａが燃焼状態にあり、蓄熱式バーナ２ｂが蓄熱状態にあるときは、蓄熱式バーナ２ａ側の２次燃料遮断弁１２ａ、燃焼用空気遮断弁１４ａ、及び保炎空気遮断弁１３ａが開いており、１次燃料遮断弁１１ａと排気遮断弁１５ａが閉じている。また、蓄熱式バーナ２ｂ側の１次燃料遮断弁１１ｂ、２次燃料遮断弁１２ｂ、保炎空気遮断弁１３ｂ、及び燃焼用空気遮断弁１４ｂが閉じており、排気遮断弁１５ｂが開いている。

このとき、蓄熱式バーナ２ａ側に燃焼用空気が供給され、蓄熱体８ａで加熱されて炉内に供給される。そして２次燃料は、２次燃料供給配管４ａの先端でまず保炎空気との拡散混合で着火、保炎され、さらに炉内ガスと拡散混合して燃焼し、２次燃焼火炎（い）が形成される。そして燃焼排ガスは蓄熱式バーナ２ｂから蓄熱体８ｂに熱を蓄えつつ排気される。

一定時間の後、蓄熱式バーナ２ａ，２ｂは逆動作となり、蓄熱式バーナ２ｂが燃焼状態になり、蓄熱式バーナ２ａが蓄熱状態になる。これを繰り返すことで蓄熱式燃焼が成立する。

さらに、燃焼用空気の温度が燃料の自己着火温度以上であって、かつ炉内の酸素濃度が高い場合には、本実施例の蓄熱式バーナの燃焼状態においては、燃料は２次燃料のみ供給し、保炎空気は流さず、高温の炉内ガスを巻きこませて澱み点を形成して、炉内ガス中の酸素で２次燃焼火炎を保炎して燃焼させる。例えば、蓄熱式バーナ２ａが燃焼状態にあり、蓄熱式バーナ２ｂが蓄熱状態にあるときは、蓄熱式バーナ２ａ側の２次燃料遮断弁１２ａと燃焼用空気遮断弁１４ａが開いており、１次燃料遮断弁１１ａ、保炎空気遮断弁１３ａ、及び排気遮断弁１５ａが閉じている。また、蓄熱式バーナ２ｂ側の１次燃料遮断弁１１ｂ、２次燃料遮断弁１２ｂ、保炎空気遮断弁１３ｂ、及び燃焼用空気遮断弁１４ｂが閉じており、排気遮断弁１５ｂが開いている。

このとき、蓄熱式バーナ２ａ側に燃焼用空気が供給され、蓄熱体８ａで加熱されて炉内に供給される。そして２次燃料は、２次燃料供給配管４ａの先端で炉内ガスと拡散混合して保炎されつつ燃焼し、２次燃焼火炎（い）が形成される。そして燃焼排ガスは蓄熱式バーナ２ｂから蓄熱体８ｂに熱を蓄えつつ排気される。

一定時間の後、蓄熱式バーナ２ａ，２ｂは逆動作となり、蓄熱式バーナ２ｂが燃焼状態になり、蓄熱式バーナ２ａが蓄熱状態になる。これを繰り返すことで蓄熱式燃焼が成立する。

このように、燃焼用空気の温度が燃料の自己着火温度以上である場合、燃料を２次燃料のみに供給し、保炎しつつ拡散燃焼させることで、ＣＯの発生を防止しつつ低ＮＯｘ燃焼が可能になる。

本発明の基本原理の説明図である。 図１のａ部を拡大して示す詳細図である。 本発明の蓄熱式バーナの加熱炉への適用例を示す加熱炉の概略構成図である。 本発明の蓄熱式バーナの燃焼用空気ノズル軸芯上の温度分布の測定結果を従来例と比較して示すグラフである。 リフトした火炎の模式図である。 リフトしない火炎の模式図である。

符号の説明

２，２ａ，２ｂ 蓄熱式バーナ
３，３ａ，３ｂ １次燃料供給配管
４，４ａ，４ｂ ２次燃料供給配管
５，５ａ，５ｂ 燃焼用空気ノズル
６，６ａ，６ｂ １次燃料ノズル
７，７ａ，７ｂ ２次燃料ノズル
８，８ａ，８ｂ 蓄熱体
１１，１１ａ，１１ｂ １次燃料遮断弁
１２，１２ａ，１２ｂ ２次燃料遮断弁
１３，１３ａ，１３ｂ 保炎空気遮断弁
１４，１４ａ，１４ｂ 燃焼用空気遮断弁
１５，１５ａ，１５ｂ 排気遮断弁
２１ 加熱炉
２２ 被加熱物
Ｄ１ ２次燃料供給配管先端の燃料噴出口の内径
Ｄ２ ２次燃料供給配管の外径
Ｄ３ 保炎空気の流れる流路の内径
Ｌ ２次燃料供給配管先端のバーナ先端からの後退距離

Claims (4)

1. バーナ個々に、燃料を１次と２次に分けて供給するための１次燃料ノズル及び２次燃料ノズルと、蓄熱体とを有し、これら蓄熱体を通して燃焼用空気の供給または燃焼ガスの排出を行い、かつ前記各蓄熱体に対する燃焼ガスおよび燃焼用空気の流れを相対的に切り替えて燃焼ガスの熱で加熱された蓄熱体を通して燃焼用空気を供給するようにした蓄熱式バーナであって、
   前記１次燃料ノズルを、前記燃焼用空気のノズル内で該燃焼用空気の流れの周りから噴射可能に設けるとともに、
   前記２次燃料ノズルは、その配管先端の噴出口に、噴射する２次燃料の周りから保炎空気を供給可能な流路を含む保炎機構を設けて、前記燃焼用空気とは異なる場所から前記燃焼用空気ノズルとほぼ平行に炉内に直接吹き込み可能に構成したことを特徴とする蓄熱式バーナ。
2. 保炎機構は、以下の条件に設定されて成ることを特徴とする請求項１記載の蓄熱式バーナ。
   Ｄ２／Ｄ１≧１．５
   Ｌ≦２Ｄ１
   Ｍ＞１．０
   ここで、Ｄ１は２次燃料供給配管先端の燃料噴出口の内径、Ｄ２は２次燃料供給配管の外径、Ｌは２次燃料供給配管先端のバーナ先端からの後退距離、Ｍは空気比であって、燃料が完全燃焼するのに必要な空気の量（Ｘ）に対して、実際に供給した空気の量（Ｙ）との関係から、Ｍ＝Ｙ／Ｘで計算される値である。
3. 保炎機構は、以下の条件に設定されて成ることを特徴とする請求項１記載の蓄熱式バーナ。
   Ｄ３−Ｄ２≧４mm
   Ｌ＞０mm
   ここで、Ｄ２は２次燃料供給配管の外径、Ｄ３は保炎空気の流れる流路の内径、Ｌは２次燃料供給配管先端のバーナ先端からの後退距離である。
4. バーナ個々に燃料を１次と２次に分けて供給可能であるとともに蓄熱体を有し、ある時間には炉内ガスを吸引してその顕熱を蓄熱体に蓄え、別の時間には蓄えた顕熱を燃焼用空気に与えて高温の予熱空気を得て燃焼を繰り返す蓄熱式バーナによる燃焼方法であって、
   燃焼用空気の温度が燃料の自己着火温度以下の場合は、１次燃料のみを燃焼用空気に向けて噴射してバーナ内で混合させて燃焼させ、
   燃焼用空気の温度が燃料の自己着火温度以上で炉内の酸素濃度が低い場合は、１次燃料の供給を停止し、燃焼用空気は供給するとともに、該燃焼用空気とは異なる場所に設けた保炎機構を有する吹き込み口より２次燃料とその周りから保炎空気を炉内に直接吹き込んで燃焼させ、
   燃焼用空気の温度が燃料の自己着火温度以上で炉内の酸素濃度が高い場合は、１次燃料の供給を停止し、燃焼用空気は供給するとともに、前記保炎機構を有する吹き込み口より２次燃料のみを炉内に直接吹き込んで燃焼させることを特徴とする蓄熱式バーナの低ＮＯｘ燃焼方法。
   

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