JP2007101128A

JP2007101128A - 蓄熱式バーナ装置とその運転方法

Info

Publication number: JP2007101128A
Application number: JP2005294027A
Authority: JP
Inventors: 実 ▲高▼畑; Minoru Takahata; Kenichi Wazaki; 謙一和▲崎▼; Hiroyuki Iwamoto; 博之岩本
Original assignee: Tokyo Gas Engineering Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Engineering Co Ltd
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2025-10-06
Also published as: JP4757596B2

Abstract

【課題】簡単な手段を付加するのみで、所望の低ＮＯｘ運転が可能であり、かつ運転コストも低減できる蓄熱式バーナ装置とその運転方法を提供する。
【解決手段】交互に燃焼しかつ蓄熱体を備えた蓄熱式バーナ対１ａ、１ｂを少なくとも１対備えた蓄熱式バーナ装置Ａにおいて、各蓄熱式バーナは、先端が燃料噴射口１４とされた燃料管路１３と、燃料管路１３を包囲する冷却用流路１６を有する。冷却用流路１６には冷却空気導入口１７と冷却空気導入口を活用した不活性ガス導入口１８とが接続しており、前記不活性ガス導入口１８から必要時に窒素のような不活性ガスを導入する。それにより、設定値を超えるＮＯｘが発生するのを抑制する。
【選択図】図３

Description

本発明は、交互に燃焼しかつ蓄熱体を備えた対をなす蓄熱式バーナを備えた蓄熱式バーナ装置とその運転方法に関する。

蓄熱体を備えた２つの蓄熱式バーナを一つの対とし、一方の蓄熱式バーナが燃焼中には、その高温燃焼排ガスの全部または一部を他方の蓄熱式バーナの蓄熱体に導いて熱回収し、所定時間が経過すると、燃焼を前記他方の蓄熱式バーナに切り替えるようにして運転を継続する蓄熱式バーナ装置は知られている。この形態の蓄熱式バーナ装置は、燃焼側の蓄熱式バーナにおいて燃焼用空気を高温状態となった蓄熱体を通過させることにより８００℃以上に予熱することができるために高効率で省エネルギーの運転が可能なる。蓄熱式バーナ装置には、双方の蓄熱式バーナの燃焼ガスが熱処理炉内に開放した状態で排出される形態のものと、双方の蓄熱式バーナをラジアントチューブで接続して燃焼排ガスの閉回路を構成するようにしたラジアントチューブバーナ装置とがある。

いずれの形態の蓄熱式バーナ装置においても、低ＮＯｘでの運転が求められており、そのためにいくつかの提案がなされている。特許文献１には、蓄熱体を通過して外部に排出される温度が低下した燃焼排ガスの一部を送風機を用いて燃焼用空気に混合する外部排ガス再循環方式によるＮＯｘ低減方法が記載されている。特許文献２には、燃料噴射口からの燃料噴出エネルギーを利用して燃料を噴射する室内に燃焼排ガス経路の燃焼排ガスを吸引するようにした自己排ガス再循環方式によるＮＯｘ低減方法が記載されている。また、特許文献３には、蒸気や不活性ガス等の燃料以外のガスを燃料と常時混合した状態で燃料噴射口から噴射させることにより、火炎の最高温度を下げてＮＯｘを低減させる方法が記載されている。

特開平６−２８８５１９号公報特開平１０−１３２２１１号公報特開平５−１５７２１２号公報

上記した蓄熱式バーナ装置、特に蓄熱式ラジアントチューブバーナ装置は、種々の熱処理炉で使用されており、炉の規模によっては、数十組みから数百組みという多数の蓄熱式バーナ装置が１つの熱処理炉に設置される。そのために、できるだけ簡単な構成で運転コストも低減できる蓄熱式バーナ装置が望まれるが、低ＮＯｘ化のために外部排ガス再循環方式を採用している蓄熱式バーナ装置は、装置全体が大掛かりで複雑となるのを避けられない。蒸気や不活性ガス等の燃料以外のガスを常時燃料に混入させて燃料ノズルから噴射させる方式のものは、混入させるための設備が必要となり、かつ常時混合させることから不活性ガス等の燃料以外のガスの消費量が多くなり、ランニングコストを高騰させる要因となる。そのようなことから、より経済的でかつより簡便なＮＯｘ低減方式を備えた蓄熱式バーナ装置の開発が望まれている。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、きわめて簡単な手段を付加するのみで、所望の低ＮＯｘ運転が可能であり、かつ運転コストも低廉となる蓄熱式バーナ装置とその運転方法を提供することを目的とする。

本発明による蓄熱式バーナ装置は、交互に燃焼しかつ蓄熱体を備えた対をなす蓄熱式バーナを少なくとも１対備えた蓄熱式バーナ装置において、各蓄熱式バーナは、先端が燃料噴射口とされた燃料管路と該燃料管路を外側から包囲する冷却用流路とを備えており、該冷却用流路には冷却空気導入口が少なくとも１つ以上備えられており、かつ前記冷却用流路には不活性ガスが導入できるようにされていることを特徴とする。

本発明による蓄熱式バーナ装置は、基本的に、低ＮＯｘ燃焼を目的とする従来の排ガス再循環のための装置を備えない。そのために、装置全体の構成が簡素化される。もちろん、後記するように、排ガス再循環によるＮＯｘ低減手段を併設してもよい。

本発明による蓄熱式バーナ装置では、対をなす蓄熱式バーナは、先端が燃料噴射口とされた燃料管路と該燃料管路を外側から包囲する冷却用流路とを備えている。そして、冷却用流路には、少なくとも１つ以上の冷却空気導入口が備えられ、燃焼時に冷却空気導入口から雰囲気空気が導入されることにより、燃料噴射口および燃料管路が冷却される。また、必要時には、冷却空気導入口または適宜の管路を利用して、冷却用流路内に不活性ガスを導入する。導入された不活性ガスは冷却用流路を通過して燃焼領域に達し、燃焼火炎に入り込む。それにより、燃焼は緩慢となり火炎の最高温度は低くなって低ＮＯｘ燃焼が達成される。不活性ガスは、単独の導入であってもよく、冷却空気と不活性ガスとの混合体としての導入であってもよい。用いる不活性ガスは任意であり特に制限はないが、例として、窒素ガス、燃焼排ガスなどを挙げることができる。中でも、取り扱いが容易なこと、比較的低コストであることから、窒素ガスが望ましい。

本発明による蓄熱式バーナ装置がプル方式の場合には、排気ファンによりバーナ内部は負圧に維持されること、および燃料噴射口から燃料ガスが噴出するときに負圧が発生することによって、冷却空気は冷却用流路に導入される。そのために、冷却空気導入のために、特別の圧送手段を必要としない。不活性ガスも同様であり、蓄熱式バーナ装置の近くを走る不活性ガス配管と冷却用流路とを単に連結するだけで、不活性ガスの必要な導入は行われる。そのために、装置全体の構成はきわめて簡素化する。もちろん、圧送手段を採用して冷却空気およびまたは不活性ガスを導入するようにしてもよい。しかし、その場合には装置全体が幾分複雑化する。

本発明による蓄熱式バーナ装置において、対をなす蓄熱式バーナは燃焼火炎が熱処理炉内にそのまま開放される形式のバーナであってもよい。その場合には、燃焼側の蓄熱式バーナからの燃焼排ガスは熱処理炉内に放出され、蓄熱側の蓄熱式バーナには熱処理炉内の高温の雰囲気ガスが導入されて、蓄熱体を加熱する。雰囲気ガスの汚染を嫌う熱処理炉の場合には、対をなす蓄熱式バーナとして、ラジアントチューブを備える蓄熱式ラジアントチューブバーナを用いる。

前記したように、上記形態の蓄熱式バーナ装置では排ガス再循環方式による低ＮＯｘ運転方式を採用していない。そのために、装置の簡素化が図られる。しかし、必要な場合には、上記の不活性ガスを冷却空気と共に燃焼火炎に送り込む低ＮＯｘ燃焼方式に加えて、排ガス再循環方式による低ＮＯｘ燃焼方式を併用することもできる。その場合に、対をなす蓄熱式バーナに、蓄熱中にある蓄熱式バーナからの燃焼排ガスの一部を燃焼中にある蓄熱式バーナに自己再循環させるための連結管を備えるようにしてもよく、通常の外部排ガス再循環方式を併用するようにしてもよい。

本発明による蓄熱式バーナ装置において、運転中、冷却用流路に不活性ガスを常時導入するようにしてもよい。しかし、バーナ装置の運転状態によって、不活性ガスの導入がなくても、燃焼排ガスに含まれるＮＯｘ濃度を設定値以下に維持できる場合がある。そのような運転環境下で不活性ガスを導入することは、不活性ガスの浪費であり、運転コストの増加に繋がる。そのために、不活性ガス導入のための配管中に開閉弁あるいは流量調整弁を取り付け、燃焼排ガスに含まれるＮＯｘ濃度が設定値を超えたときにのみ、不活性ガスを導入するようにすることは望ましく、運転コストを低減することができる。

そのためのより具体的な態様として、本発明による蓄熱式バーナ装置は、蓄熱式バーナからの燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘ測定手段と、蓄熱式バーナの前記冷却用流路に不活性ガスを導入する不活性ガス配管と、該不活性ガス配管に備えられた一組の開閉弁または流量調整弁と、ＮＯｘ測定手段からの信号により前記不活性ガス配管に備えた一組の開閉弁または流量調整弁の開閉制御を行う制御装置、とをさらに備える。

この態様では、運転中に燃焼排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を常時測定できるので、負荷変動等によりＮＯｘ濃度が上昇して設定値を超えたときには、制御装置からの指令によって常閉の開閉弁を開く、あるいは流量調整弁の開度を適量に調節する、という操作が可能となり、運転の容易性と不活性ガスの有効利用の双方を同時に満足することができる。

上記の態様において、蓄熱式バーナ装置が複数の蓄熱式バーナ対を備える場合に、前記１組の開閉弁または流量調整弁は、各蓄熱式バーナ対への不活性ガス配管にそれぞれ備えるようにしてもよい。蓄熱式バーナ装置に備えられる蓄熱式バーナ対の数が少ない場合にはこの態様であっても格別の問題は生じない。しかし、１つの熱処理炉に数十あるいは数百の蓄熱式バーナ対が設けられるような場合には、前記の形態では弁や配管の数が膨大な量となり、装置自体が複雑化しかつ制御装置も大掛かりなものとなる。そのような場合には、２対以上の蓄熱式バーナ対群に対して共通の不活性ガス配管を備えるようにし、該共通の不活性ガス配管に対して前記１組の開閉弁または流量調整弁を備えるよう構成することが望ましい。複数対の蓄熱式バーナ対群としては、当該熱処理炉における同一の燃焼制御グループあるいは同一の燃焼制御ゾーンでの蓄熱式バーナ群が挙げられる。なお、流量調整弁で複数の蓄熱式バーナ対群を制御する場合には、設備の簡略化および設備費低減のため、流量調整弁を不活性ガス主配管等できるだけ上流側に設置して一括制御するのが望ましい。このように、１組の開閉弁または流量調整弁で複数の蓄熱式バーナ対群を制御することにより、装置の簡素化と制御の容易化を図ることができる。

本発明は、また、上記した蓄熱式バーナ装置の運転方法として、運転中に該蓄熱式バーナ装置からの燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度を測定し、測定値が予め定めた設定値を超える場合には冷却用流路に不活性ガスを導入し、測定値が予め定めた設定値内の場合には冷却用流路への不活性ガスの導入を行わないようにすること特徴とする蓄熱式バーナ装置の運転方法をも開示する。不活性ガスの導入は、冷却空気に不活性ガスを混入して導入する態様でもよく、冷却空気を導入せずに不活性ガスのみを導入する態様であってもよい。

この運転方法を採用することにより、燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度が設定値以下の場合には不活性ガスの導入を行うことなく装置の運転を継続することができるので、不活性ガスの無駄な消費をなくした低コストかつ低ＮＯｘでの蓄熱式バーナ装置の運転が可能となる。

本発明により、構成の簡素化した低ＮＯｘ蓄熱式バーナ装置を得ることができ、かつ、不活性ガスの無駄な消費をなくした低コストかつ低ＮＯｘでの蓄熱式バーナ装置の運転が可能となる。

以下、添付の図面を参照して、本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は本発明による蓄熱式バーナ装置の一形態を説明する図であり、図２は蓄熱式バーナ装置の他の一形態を説明する図である。図３は蓄熱式バーナ装置を構成する各蓄熱式バーナにおける燃料管路の部分の一形態を説明する図であり、図４は本発明による蓄熱式バーナ装置の運転態様の一形態をその配管系と共に説明する図である。

図１に示すように、蓄熱式バーナ装置Ａは、少なくとも一対の対をなす２つの蓄熱式バーナ１ａ、１ｂを備える。各蓄熱式バーナ１（１ａ、１ｂ）は、燃料供給部１０と熱交換部２０とからなり、ラジアントチューブ３に接続している。蓄熱式バーナ対１ａ、１ｂの燃焼領域３０はラジアントチューブ３内に形成される。ラジアントチューブ３は熱処理炉Ｂの炉壁Ｂ１を貫通して炉内部Ｂ２に延出しており、燃焼熱はラジアントチューブ３を通して炉内の被加熱物を加熱する。なお、図１に示すものでは、ラジアントチューブ３はＵ型であるが、Ｗ型、Ｉ型などであってもよい。

燃料供給部１０は、図３に示すように、燃料導入口１１を備えた燃料室１２と、そこから燃焼領域３０に向けて延出する燃料管路１３とを有し、燃料管路１３の先端はノズル状の燃料噴射口１４とされている。燃料導入口１１は燃料ガス主配管８１（図４）に管路７２ａ、７２ｂ等を介して接続している。

燃料管路１３は冷却空気用管路１５により外側から包囲されており、その間は燃料噴射口１４側を開放した冷却用流路１６とされている。この例において、冷却空気用管路１５の燃料噴射口１４から離れた位置には、２つの冷却空気導入口１７、１８が設けられており、１つの冷却空気導入口１８は、例えば窒素である不活性ガス主配管８５（図４）に不活性ガス分岐管７４ａ、７４ｂ等を介して接続している（以下の説明では、単にわかりやすさの目的で、前記冷却空気導入口１８を「不活性ガス導入口１８」と記載する）。後記するように、不活性ガス導入のための不活性ガス分岐管７４ａ、７４ｂ等には開閉弁および必要なときには流量調整弁が備えられる。冷却空気導入口１７にも開閉弁等を取り付けておき、後記するように、不活性ガス導入口１８から不活性ガスを導入するときに、冷却空気導入口１７からの空気の取り込みを停止するようにしてもよい。

熱交換部２０は、外側箱体２１と側箱体２２およびエアポート部２７とからなり、側箱体２２の内側には内側箱体２３を備える。前記燃料供給部１０は側箱体２２の外側に取り付けてあり、前記燃料噴射口１４と冷却用流路１６は、軸線方向を前記ラジアントチューブ３の軸線方向と同じにして、内側箱体２３内に繋がっている。内側箱体２３の反対側の側壁には軸線方向をラジアントチューブ３の軸線方向と同じにして混合筒２４が取り付けてあり、該混合筒２４の周囲には、蓄熱体２６が配置されている。蓄熱体２６のラジアントチューブ３側の端部にはエアポート部２７が設けられ、該エアポート部２７はラジアントチューブ３に接続している。側箱体２２には燃焼用空気／燃焼排ガス出入口２８が設けられており、内側箱体２３には側箱体２２を貫通して燃焼排ガスの再循環ガス出入口２９が設けられている。

さらに、この例において、内側箱体２３の内部には、混合筒２４と同軸上にその開口部を外側から覆うようにして第２蓄熱体２６ａが配置されている。また、前記ラジアントチューブ３の中には、ＮＯｘを低減させるために、その軸線を前記混合筒２４の軸線と一致させて一次燃焼筒３２が支持台３３を介して取り付けてある。図において、３４はパイロットバーナである。

２つの蓄熱式バーナ１ａ、１ｂは、熱処理炉Ｂの炉壁Ｂ１に、熱交換部２０のエアポート部２７に接続するラジアントチューブ３を貫通させた姿勢で、実質的に平行に取り付けられている。また、各蓄熱式バーナ１ａ、１ｂの前記燃焼排ガスの再循環ガス出入口２９、２９は連結管４０により連通状態に接続されている。各蓄熱式バーナ１ａ、１ｂの前記燃焼用空気／燃焼排ガス出入口２８、２８は、それぞれ給排気切替弁４１ａ、４１ｂの第１ポート４２ａ、４２ｂに直接または管路４５ａ、４５ｂを介して接続しており、給排気切替弁４１ａ、４１ｂの第２ポート４３ａ、４３ｂは燃焼排ガス管路４６を介して排気ファン４７に接続している。給排気切替弁４１ａ、４１ｂの第３ポート４４ａ、４４ｂは、いずれも図示しない燃焼用空気源に接続している。燃焼用空気源は大気（雰囲気空気）であってもよく、その場合には、第３ポート４４ａ、４４ｂは大気に開放している。

上記蓄熱式バーナ１ａ、１ｂの燃焼運転の態様を、一方の蓄熱式バーナ１ａが燃焼状態、他方の蓄熱式バーナ１ｂが蓄熱状態にあるとして説明する。運転に当たり、排気ファン４７は作動しており、バーナ全体を負圧状態としている。一方の給排気切替弁４１ａは第１ポート４２ａと第３ポート４４ａが連通状態におかれ、他方の給排気切替弁４１ｂは第１ポート４２ｂと第２ポート４３ｂが連通状態におかれる。

蓄熱式バーナ１ａの燃料導入口１１から燃料ガスが導入され、燃料管路１３を通って燃料噴射口１４から内側箱体２３内に噴出する。バーナ全体が負圧に維持されていること、および噴出によるエゼクタ効果により、冷却空気導入口１７から空気が導され、それが冷却用流路１６を通って内側箱体２３内に流出するときに、燃料管路１３、燃料噴射口１４、および冷却空気用管路１５を冷却する。それにより、これらの熱損傷による寿命低下が阻止される。内側箱体２３内に導入された燃料ガスと冷却空気は、後記するように、前記連結管４０を通って導かれた燃焼排ガスと混合しながら、混合筒２４を通過して燃焼領域３０に至る。

燃焼用空気（大気）は、一方の給排気切替弁４１ａの第３のポート４４ａから管路４５ａを通り、蓄熱式バーナ１ａの燃焼用空気／燃焼排ガス出入口２８から側箱体２２を経て外側箱体２１内に流入する。流入した燃焼用空気は、前の燃焼サイクルにおいて燃焼排ガスにより高温に加熱されている蓄熱体２６を通過することにより８００℃以上に予熱された後、燃焼領域３０に至る。燃料ガスと一部の燃焼用空気の予混合気は、一次燃焼筒３２内を通過するときに１次燃焼し、さらに一次燃焼筒３２を出た後、残りの燃焼用空気と混合してラジアントチューブ３内で２次燃焼する。

燃焼ガス（燃焼排ガス）はラジアントチューブ３を通って、他方の蓄熱式バーナ１ｂ側に流入する。燃焼排ガスの一部は蓄熱体２６内を通過し、蓄熱体２６と熱交換をした後、側箱体２２を経て燃焼用空気／燃焼排ガス出入口２８から管路４５ｂに入り、給排気切替弁４１ｂの第１ポート４２ｂ、第２ポート４３ｂを通過し、燃焼排ガス管路４６を経由して排気ファン４７により大気に放出される。

燃焼排ガスの一部は蓄熱式バーナ１ｂの混合筒２４内に導入される。導入した燃焼排ガスは、燃焼側バーナ（蓄熱式バーナ１ａ）側の燃料ガス噴出によるエゼクタ効果による負圧によって吸引され、冷却空気導入口１７から導入される冷却空気と共に、内側箱体２３から連結管４０を通って、燃焼側バーナ（蓄熱式バーナ１ａ）の内側箱体２３に入り、噴射した燃料ガスと混合しながら混合筒２４を通過して燃焼領域３０に至る。燃焼火炎に、この自己再循環する燃焼排ガスが入り込むことにより、燃焼排ガスに含まれるＮＯｘ濃度は低減する。なお、自己再循環する燃焼排ガス中に、蓄熱側バーナの不活性ガス導入口１８から不活性ガスを導入させてもよい。

一定時間経過すると、給排気切替弁４１ａ、４１ｂの切り替えが行われ、給排気切替弁４１ａが排気側、給排気切替弁４１ｂが燃焼用空気導入側となる。それにより、蓄熱式バーナ１ｂが燃焼状態となり、その燃焼排ガスが蓄熱式バーナ１ａ側に導入され、先に燃焼用空気と熱交換することにより温度が低下した蓄熱式バーナ１ａの蓄熱体２６を加熱（蓄熱）する。すなわち、蓄熱式バーナ１ａがいわゆる蓄熱状態となる。以下、この切り替えが一定間隔で行われる。

なお、上記の説明では、燃料供給部１０の冷却空気用管路１５に形成した冷却空気導入口１７からの冷却空気の取り込みは、バーナ全体が負圧に維持されていることと、燃料ガスの噴出によるエゼクタ効果とによる受動的な取り込みとして示したが、送風機などによる能動的な送り込みであってもよい。

本発明による蓄熱式バーナ装置Ａでは、必要時に、燃料供給部１０に形成した冷却空気導入口１７、１８のいずれか（この例では、冷却空気導入口１８、すなわち「不活性ガス導入口１８」）から、例えば窒素（Ｎ_２）のような不活性ガスを導入できるようにしている。燃焼側の蓄熱式バーナにおいてあるいは非燃焼側の蓄熱式バーナからも不活性ガスを導入し、それを燃料ガスと共に燃焼領域３０に送り込むことにより、燃焼を緩慢にし、一層の低ＮＯｘ燃焼が可能となる。

不活性ガスの導入は、受動的な導入でもよく、高圧不活性ガス源からの能動的な導入でもよい。いずれの場合も、運転中、常時、冷却空気導入口１７，１８のいずれかである不活性ガス導入口１８から不活性ガスを導入するようにしてもよく、不活性ガス導入管路に開閉弁あるいは必要な場合には流量調整弁を設けて、設定値を超えてＮＯｘが発生するような運転状況下においてのみ、所要量の不活性ガスを導入し、設定値内での運転状況下では不活性ガスを導入しないようにしてもよい。後者の場合には、不活性ガスの消費量が低減するので、低コストでの低ＮＯｘ燃焼運転が可能となる。不活性ガスは冷却空気と共に導入するようにしてもよく、冷却空気の取り込みを停止した状態でより多量の不活性ガスを導入するようにしてもよい。

なお、図１では、１組の蓄熱式バーナ対を持つ蓄熱式バーナ装置Ａを示したが、熱処理炉の規模によっては、複数組みの蓄熱式バーナ対群でもって、一つの蓄熱式バーナ装置Ａが構成される。

図２に示す蓄熱式バーナ装置Ａ１は、前記した燃焼排ガスの自己再循環のための連結管４０を備えない点で、図１に示した装置Ａと異なる。連結管４０を備えないために、燃料供給部１０の燃料管路１３と冷却用流路１６および冷却空気用管路１５の構成、および熱交換部２０の構成が、図１に示した装置と一部相違する。すなわち、燃料供給部１０の燃料管路１３と冷却用流路１６および冷却空気用管路１５は、共に、蓄熱体２６を超える位置まで延出し、一方、熱交換部２０は内側箱体２３と混合筒２４を備えない。また、燃料管路１３の先端はノズル状でなく、図示のように、そのままで解放してもよい。そして、該冷却空気用管路１５の周囲には蓄熱体２６が配置されている。他の構成は、図１に示したものと同じであり、主な部材に同じ符号を付し説明は省略する。

この蓄熱式バーナ装置Ａ１の運転態様は図１に示した蓄熱式バーナ装置Ａとほぼ同じであり、燃料供給部１０の冷却空気用管路１５に形成した不活性ガス導入口１８からは、前記したと同様にして不活性ガスが導入される。導入された不活性ガスは燃焼領域３０に達し、ここで燃料ガスおよび蓄熱体２６で予熱された燃焼空気と混合することにより燃焼を緩慢にし、ＮＯｘ排出濃度を低減させる。

次に、図４を参照して、本発明による蓄熱式バーナ装置の運転態様の他の例をその配管系と共に説明する。図４に示す対をなす蓄熱式バーナ１（１ａ、１ｂ）は、図１に基づき説明したものと同じであり、同じ部材には同じ符号を付している。なお、図示しないが、蓄熱式バーナ１（１ａ、１ｂ）を、図２に示した燃焼排ガスの再循環のための連結管４０を備えない蓄熱式バーナ対にそのまま置き換えることもできる。

図４には１対の蓄熱式バーナ１（１ａ、１ｂ）のみが示されるが、実際には、第１配管系７０によって同一の燃焼グループをなす複数個の蓄熱式バーナ対群が並列に接続されており、さらに、前記第１配管系７０は、他の同様な燃焼グループを接続する配管系７０（不図示）と、第２配管系８０で接続されている。

第１配管系７０は、一対の燃料ガス導入配管７１ａ、７１ｂと、一対の不活性ガス導入配管７３ａ、７３ｂと、燃焼排ガス配管７５とからなる。一方の燃料ガス導入配管７１ａは燃料ガス分岐管７２ａを介して一方の蓄熱式バーナ１ａの燃料導入口１１に接続し、他方の燃料ガス導入配管７１ｂは燃料ガス分岐管７２ｂを介して他方の蓄熱式バーナ１ｂの燃料導入口１１に接続している。また、一方の不活性ガス導入配管７３ａは不活性ガス分岐管７４ａを介して一方の蓄熱式バーナ１ａの冷却空気導入口の１つである不活性ガス導入口１８に接続し、他方の不活性ガス導入配管７３ｂは不活性ガス分岐管７４ｂを介して他方の蓄熱式バーナ１ｂの冷却空気導入口の１つである不活性ガス導入口１８に接続している。なお、この例では、双方の蓄熱式バーナの冷却空気導入口１７は、大気に開放している。燃焼排ガス配管７５は図１に示した燃焼排ガス管路４６に接続しており、給排気切替弁４１ａ、４１ｂの切り替えにより、蓄熱側にある蓄熱式バーナの燃焼排ガスが燃焼排ガス配管７５内に導入される。また、図示していないが、燃料ガス分岐管７２（７２ａ、７２ｂ）および不活性ガス分岐管７４（７４ａ、７４ｂ）には、それぞれの導入配管からの分岐部近傍に分岐弁と、それぞれの蓄熱式バーナへの燃料導入口１１および不活性ガス導入口１８の近傍に手動弁（癖取り弁）が設けられている。

第２配管系８０は、燃料ガス主配管８１と、不活性ガス主配管８５と、燃焼排ガス集合配管８９とからなる。燃料ガス主配管８１は第１燃料ガス分岐管８２ａとそこから分岐する第２燃料ガス分岐管８２ｂを備え、第１燃料ガス分岐管８２ａは燃料ガス導入配管７１ａに接続し、第２燃料ガス分岐管８２ｂは燃料ガス導入配管７１ｂに接続している。第１燃料ガス分岐管８２ａの第２燃料ガス分岐管８２ｂの分岐部よりも上流側には手動の燃料ガス分岐元弁８３が備えられ、分岐部より下流には第１燃料ガス開閉弁８４ａが備えられる。第２の分岐管８２ｂには第２燃料ガス開閉弁８４ｂが備えられる。

不活性ガス主配管８５は、第１不活性ガス分岐管８６ａとそこから分岐する第２不活性ガス分岐管８６ｂを備え、第１不活性ガス分岐管８６ａは不活性ガス導入配管７３ａに接続し、第２不活性ガス分岐管８２ｂは不活性ガス導入配管７３ｂに接続している。第１不活性ガス分岐管８６ａの第２不活性ガス分岐管８６ｂの分岐部よりも上流側には手動の不活性ガス分岐元弁８７が備えられ、分岐部より下流には第１不活性ガス開閉弁８８ａが備えられる。第２不活性ガス分岐管８６ｂには第２不活性ガス開閉弁８８ｂが備えられる。

燃焼排ガス集合配管８９は燃焼排ガス分岐管９０を介して燃焼排ガス配管７５に接続しており、燃焼排ガス分岐管９０には手動の燃焼排ガス分岐元弁９１が備えられる。燃焼排ガス集合配管８９には、ＮＯｘセンサ９２のセンサ部が取り付けてあり、そこからのＮＯｘ情報が制御装置９３に送られる。制御装置９３からの指令に基づき、サイクルコントロールバルブ９４は、不活性ガス主配管８５からの第１不活性ガス分岐管８６ａおよび第２不活性ガス分岐管８６ｂに取り付けた第１不活性ガス開閉弁８８ａおよび第２不活性ガス開閉弁８８ｂの開閉を制御する。サイクルコントロールバルブ９４は、また、燃料ガス主配管８１からの第１燃料ガス分岐管８２ａおよび第２燃料ガス分岐管８２ｂに取り付けた第１燃料ガス開閉弁８４ａおよび第２燃料ガス開閉弁８４ｂの開閉、ならびに給排気切替弁４１ａ、４１ｂの切り替えも制御する。

上記の蓄熱式バーナ装置において、複数の蓄熱式バーナ対群が同一燃焼グループとして第１配管系７０により接続されており、燃料ガス導入のための第１と第２の燃料ガス開閉弁８４ａ、８４ｂ、不活性ガス導入のための第１と第２の不活性ガス開閉弁８８ａ、８８ｂ、および給排気切替弁４１ａ、４１ｂとを、サイクルコントロールバルブ９４により制御することにより、複数の蓄熱式バーナ群はグループとして同じ運転挙動をとる。熱処理炉の規模によっては、このような燃焼グループが複数個備えられ、それらは第２配管系８０を介して相互に接続される。複数の燃焼グループは制御装置９３および複数のサイクルコントロールバルブ９４によってすべてが同じ運転挙動をとるように制御されることもあり、それぞれが異なった運転挙動をとるように制御されることもある。

図４において、蓄熱式バーナ１ａが燃焼状態、蓄熱式バーナ１ｂが蓄熱状態にあるとする。また、不活性ガス主配管８５の不活性ガス分岐管８６ａ、８６ｂに備えた２つの不活性ガス開閉弁８８ａ、８８ｂは共に閉じているとする。燃料ガスは燃料ガス主配管８１→燃料ガス分岐元弁８３→第１燃料ガス分岐管８２ａ→第１燃料ガス開閉弁８４ａ→燃料ガス導入配管７１ａ→燃料ガス分岐管７２ａを通り、図３に示したように、蓄熱式バーナ１ａの燃料導入口１１から燃料管路１３を通って燃料噴射口１４から噴出する。その際に、冷却空気導入口１７からは冷却空気が、また、燃焼用空気／燃焼排ガス出入口２８から燃焼用空気が取り込まれ、燃焼が継続することは前記したとおりである。

燃焼排ガスはラジアントチューブ３を通って蓄熱側の蓄熱式バーナ１ｂに至り、前記のように、燃焼排ガスの一部は連結管４０を通って燃焼側の蓄熱式バーナ１ａに自己再循環する。他の燃焼排ガスは、燃焼排ガス管路４６→燃焼排ガス配管７５→燃焼排ガス分岐管９０→燃焼排ガス集合配管８９を通り、排気ファンから排出される。燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度が燃焼排ガス集合配管８９に取り付けたＮＯｘセンサ９２により常時測定されている。測定値が予め定めてある設定値を超えたとき、制御装置９３は、サイクルコントロールバルブ９４に、不活性ガス主配管８５からの第１不活性ガス分岐管８６ａに取り付けた第１不活性ガス開閉弁８８ａを開く信号を出す。それにより、不活性ガスは、不活性ガス主配管８５→不活性ガス分岐元弁８７→第１不活性ガス分岐管８６ａ→第１不活性ガス開閉弁８８ａ→不活性ガス導入配管７３ａ→不活性ガス分岐管７４ａを通って、燃焼中の蓄熱式バーナ１ａの不活性ガス導入口１８→冷却用管路１６に至り、そこから、冷却空気に混合する状態で、冷却用流路１６を通り、内側箱体２３で噴出した燃料ガスと混合し、燃焼領域３０に送り込まれる。それにより、燃焼は緩慢となり、燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度は次第に低減する。

ＮＯｘ排出濃度が設定値以下となったとき、制御装置９３はサイクルコントロールバルブ９４に前記第１不活性ガス開閉弁８８ａを閉じる信号を出す。それにより、不活性ガスの導入がない燃焼が継続する。負荷変動などにより再度ＮＯｘ濃度が設定値を上回る状態となったとき、制御装置９３は、再度、サイクルコントロールバルブ９４に前記第１不活性ガス開閉弁８８ａを開く信号を出す。以下、第１不活性ガス開閉弁８８ａの開閉が繰り返される。

一定時間経過した後、制御装置９３は、サイクルコントロールバルブ９４に信号を出し、燃料ガス主配管８１に接続する第１と第２の燃料ガス開閉弁８４ａ、８４ｂ、および給排気切替弁４１ａ、４１ｂの開閉状態を切り替える。それにより、蓄熱式バーナ１ａが蓄熱状態となり、蓄熱式バーナ１ｂが燃焼状態となる。その状態では、ＮＯｘ排出濃度が設定値を超えた場合に、第１不活性ガス開閉弁８８ａではなく、第２不活性ガス開閉弁８８ｂが開の状態となることによって、同じようにして低ＮＯｘ燃焼が継続する。

なお、他の運転方法として、各蓄熱式バーナ１ａ、１ｂの冷却空気導入口１７、１７に常開の開閉弁を取り付けておき、ＮＯｘ排出濃度が設定値を超えたときに、燃焼側蓄熱式バーナ１ａへの不活性ガスの導入開始と同時に、当該蓄熱式バーナ１ａの冷却空気導入口１７に取り付けた開閉弁を閉じる操作を行うようにしてもよい。それにより、不活性ガスの導入量を増大させることができ、より低ＮＯｘの燃焼が可能となる。さらに、図４に示す装置のように、燃焼排ガスの自己再循環のための連結管４０を備える蓄熱式バーナ形態の場合には、ＮＯｘ排出濃度が設定値を超えたときに、第１と第２の不活性ガス開閉弁８８ａ、８８ｂの双方を開いて、燃焼側および蓄熱側の蓄熱式バーナ１ａ、１ｂの双方に不活性ガスを導入するようにし、同時に、各蓄熱式バーナ１ａ、１ｂの冷却空気導入口１７、１７に設けた開閉弁を共に閉じるようにしてもよい。この操作により、さらに多くの量の不活性ガスを導入することが可能となる。

また、通常時の運転態様において、排出するＮＯｘ濃度が規定値をオーバーする運転が継続するような熱処理炉に蓄熱式バーナ装置を設置する場合には、不活性ガス主配管８５の元管あるいは燃焼ゾーン毎に不活性ガスの流量を流量制御弁で制御することにより、ＮＯｘ濃度が制御レベルの設定値を常時維持できるような運転態様をとることもできる。

さらに、第１不活性ガス開閉弁８８ａあるいは第２不活性ガス開閉弁８８ｂの開閉操作によりハンティングが類発する恐れがある場合には、不活性ガス主配管８５の元管あるいは燃焼ゾーン毎に開閉弁とそのバイパス弁を設置し、これらのバルブを開閉制御することによって、不活性ガスの流入量を制御してもよい。

前記したように、図４に示す配管系は、図２に示した燃焼排ガスの自己再循環のための連結管４０を備えない対をなす蓄熱式バーナ装置に対してもそのまま適用することができる。ただし、その場合には、燃焼排ガスの自己再循環のための連結管４０を備えないので、不活性ガスの浪費を無くすために、第１不活性ガス開閉弁８８ａが開のときは、第２不活性ガス開閉弁８８ｂを閉とし、第１不活性ガス開閉弁８８ａが閉のときは、第２不活性ガス開閉弁８８ｂを開とした運転態様をとることが望ましい。

図１に示した蓄熱式バーナ装置を実験炉に設置して燃焼試験を行った。本試験は、供給する燃料ガスをコークス炉ガス、冷却空気導入口の一つであって不活性ガス導入口として活用する導入口に導入する不活性ガスを窒素ガス（Ｎ_２）とした。また、対をなす試験バーナの一対の冷却空気口（不活性ガス導入口）に窒素ガス配管を接続して両バーナ同時に窒素ガスを導入できるようにし、その状態で、両バーナに導入する窒素ガス量を０ｍ^３／ｈ、４．０ｍ^３／ｈ、６．２ｍ^３／ｈ、１０．０ｍ^３／ｈ、１５．４ｍ^３／ｈと増加させていったときの、燃焼排ガス中のＮＯｘ排出濃度を測定した。

この場合、空気比を正確に測定するために窒素ガス配管接続口以外の冷却空気導入口は閉塞した。また、測定時の諸条件は、窒素ガス導入前は、燃焼容量１１４Ｍｃａｌ／ｈ、炉温９３０℃、空気比１．２２、窒素ガス導入時は、燃焼容量１１８Ｍｃａｌ／ｈ、炉温９３１℃〜９３６℃、空気比１．０６〜１．１４で行った。

図５に測定結果等を示す。図中、■および破線は実測値によるもの、◆および実線は実測値を燃焼容量１１８Ｍｃａｌ／ｈ、炉温９３０℃、空気比１．１５に補正したものを示す。

実測値も補正後の値も窒素ガスの導入量の増加にほぼ比例して燃焼排ガス中のＮＯｘ排出濃度が低下しているが、補正後の方がＮＯｘの低減効果が緩やかになっている。しかし、補正後でも、窒素ガス導入量６．２ｍ^３／ｈの場合にはＮＯｘ排出濃度は約１０％、１０．０ｍ^３／ｈで約１５％、１５．４ｍ^３／ｈでは２０％強に低下している。

上記のことから、本発明によれば、簡単な設備で蓄熱式バーナからのＮＯｘ排出濃度を大幅に低減させることができるだけでなく、必要な窒素ガス量も予測できるので、経済的な設備・運転が可能となる。

本発明による蓄熱式バーナ装置の一形態を説明する図。本発明による蓄熱式バーナ装置の他の形態を説明する図。本発明による各蓄熱式バーナにおける燃料管路の一形態を説明する図。本発明による蓄熱式バーナ装置の運転態様の一形態をその配管系と共に説明する図。窒素ガス導入量と燃焼排ガス中のＮＯｘ排出濃度との関係を示すグラフ図。

符号の説明

Ａ、Ａ１…蓄熱式バーナ装置、Ｂ…熱処理炉、Ｂ１…炉壁、Ｂ２…炉内部、１（１ａ、１ｂ）…蓄熱式バーナ、３…ラジアントチューブ、１０…燃料供給部、１１…燃料導入口、１２…燃料室、１３…燃料管路、１４…燃料噴射口、１５…冷却空気用管路、１６…冷却用流路、１７…冷却空気導入口、１８…冷却空気導入口を活用した不活性ガス導入口、２０…熱交換部、２１…外側箱体、２２…側箱体、２３…内側箱体、２４…混合筒、２６…蓄熱体、２６ａ…第２蓄熱体、２７…エアポート部、２８…燃焼用空気／燃焼排ガス出入口、２９…再循環ガス出入口、３０…燃焼領域、３２…一次燃焼筒、３３…支持台、３４…パイロットバーナ、４０…連結管、４１ａ、４１ｂ…給排気切替弁、４２ａ、４２ｂ…第１ポート、４３ａ、４３ｂ…第２ポート、４４ａ、４４ｂ…第３ポート、４５ａ、４５ｂ…管路、４６…燃焼排ガス管路、４７…排気ファン、７０…第１配管系、７１ａ、７１ｂ…燃料ガス導入配管、７２ａ、７２ｂ…燃料ガス分岐管、７３ａ、７３ｂ…不活性ガス導入配管、７４ａ、７４ｂ…不活性ガス分岐管、７５…燃焼排ガス配管、８０…第２配管系、８１…燃料ガス主配管、８２ａ…第１燃料ガス分岐管、８２ｂ…第２燃料ガス分岐管、８３…燃料ガス分岐元弁、８４ａ…第１燃料ガス開閉弁、８４ｂ…第２燃料ガス開閉弁、８５…不活性ガス主配管、８６ａ…第１不活性ガス分岐管、８６ｂ…第２不活性ガス分岐管、８７…不活性ガス分岐元弁、８８ａ…第１不活性ガス開閉弁、８８ｂ…第２不活性ガス開閉弁、８９…燃焼排ガス集合配管、９０…燃焼排ガス分岐管、９１…燃焼排ガス分岐元弁、９２…ＮＯｘセンサ、９３…制御装置、９４…サイクルコントロールバルブ

Claims

交互に燃焼しかつ蓄熱体を備えた対をなす蓄熱式バーナを少なくとも１対備えた蓄熱式バーナ装置において、
各蓄熱式バーナは、先端が燃料噴射口とされた燃料管路と該燃料管路を外側から包囲する冷却用流路とを備えており、該冷却用流路には冷却空気導入口が少なくとも１つ以上備えられており、かつ前記冷却用流路には不活性ガスが導入できるようにされていることを特徴とする蓄熱式バーナ装置。
対をなす蓄熱式バーナは、蓄熱式ラジアントチューブバーナであることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱式バーナ装置。
対をなす蓄熱式バーナは、燃焼排ガスの一部を蓄熱中にある蓄熱式バーナから燃焼中にある蓄熱式バーナに自己再循環させる連結管を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄熱式バーナ装置。
蓄熱式バーナからの燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘ測定手段と、蓄熱式バーナの前記冷却用流路に不活性ガスを導入する不活性ガス配管と、該不活性ガス配管に備えられた一組の開閉弁または流量調整弁と、ＮＯｘ測定手段からの信号により前記不活性ガス配管に備えた一組の開閉弁または流量調整弁の開閉制御を行う制御装置、とをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の蓄熱式バーナ装置。
蓄熱式バーナ装置は複数の蓄熱式バーナ対を備えており、前記１組の開閉弁または流量調整弁は各蓄熱式バーナ対への不活性ガス配管にそれぞれ備えられていることを特徴とする請求項４に記載の蓄熱式バーナ装置。
該蓄熱式バーナ装置は複数の蓄熱式バーナ対を備えており、２対以上の蓄熱式バーナ対群に対して共通の不活性ガス配管が備えられており、該共通の不活性ガス配管に対して前記一組の開閉弁または流量調整弁が備えられていることを特徴とする請求項４に記載の蓄熱式バーナ装置。
不活性ガスが窒素である請求項１ないし６のいずれかに記載の蓄熱式バーナ装置。
交互に燃焼しかつ蓄熱体を備えた対をなす蓄熱式バーナを少なくとも１対備えており、各蓄熱式バーナは、先端が燃料噴射口とされた燃料管路と該燃料管路を外側から包囲する冷却用流路とを備えており、該冷却用流路には冷却空気導入口が少なくとも１つ以上備えられており、かつ前記冷却用流路には不活性ガスが導入できるようにされている蓄熱式バーナ装置の運転方法であって、運転中に該蓄熱式バーナ装置からの燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度を測定し、測定値が予め定めた設定値を超える場合には冷却用流路に不活性ガスを導入し、測定値が予め定めた設定値内の場合には冷却用流路への不活性ガスの導入を行わないようにすること特徴とする蓄熱式バーナ装置の運転方法。
不活性ガスが窒素である請求項８に記載の蓄熱式バーナ装置の運転方法。