JP2008232501A - 燃焼加熱炉の空燃比制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】酸化焼成から還元焼成まで幅広い燃焼制御が可能であり、しかも技術知識の乏しい作業員であっても酸素濃度の設定を簡便に行うことができる燃焼加熱炉の空燃比制御システムを提供する。
【解決手段】燃焼加熱炉に設けられたバーナー２と、バーナー２に燃料ガスを供給するガス供給ライン３と、バーナー２に燃焼用空気を供給する空気供給ライン４と、温度制御用コンピュータ１０とからなる。温度制御用コンピュータ１０は、（燃焼空気量＝ガス流量×理論空気量×空燃比）の第1式と、（空燃比＝２０.６／２０.６−酸素濃度）の第２式とを記憶しており、酸素濃度を入力すると上記の式に基づき、ガス流量に応じて燃焼空気量を自動制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、各種の窯業製品、セラミック製品の加熱・焼成等に用いられる燃焼加熱炉の空燃比制御システムに関するものであり、特に還元焼成が可能な燃焼加熱炉の空燃比制御システムに関するものである。

上記のような燃焼加熱炉は加熱源として複数のガスバーナーを備え、ガスバーナーに供給されるガス流量と空気流量を制御することによって、所望の温度カーブを得ている。このような燃焼加熱炉の運転制御は古くは人手によって行われていたが、厳密な焼成条件が要求される製品が増加してきたこと、夜間の無人運転が望まれること等の理由によって、近年においては温度制御用コンピュータによる自動制御が普通となっている。また還元焼成が必要な製品を焼成する場合には、温度とともに空燃比をも自動制御してバーナーを還元燃焼させている。

従来知られている空燃比制御システムの一般的なものとしては、均圧弁制御システム、（空気／ガス）フィードフォワードシステム、酸素濃度計によるフィードバック制御システムの３種類を挙げることができる。

均圧弁制御システムは、図１に示すようにガス供給ラインにガス均圧弁を設けておき、温度制御用コンピュータによって空気流量制御弁を開閉したとき、空気圧とガス圧とが等しくなるようにガス均圧弁を自動開閉させるシステムである。しかしこのシステムでは還元焼成は不可能である。

（空気／ガス）フィードフォワードシステムは、図２に示すように温度制御用コンピュータによって空気流量制御弁とガス流量制御弁とを同時に制御するシステムであり、両者の開度比率プログラムを作成しておき、強制的に還元燃焼させる。しかし季節、昼夜、炉圧、機器の経年変化などによって空気やガスの流量特性が変化するため、頻繁に機器調整を行わないと高精度の制御は不可能である。

酸素濃度計によるフィードバック制御システムは、図３に示すように温度制御用コンピュータによってガス流量制御弁を開閉するとともに、炉内に設置された酸素濃度計により測定された酸素濃度が目的値となるように、酸素濃度制御コンピュータが空気流量制御弁を開閉するシステムである。しかし酸素濃度計は応答性が悪く、故障も多いため、実用性に欠ける。

なお、いずれのシステムを用いても低温域ではガス量、空気量ともに少なく、炉内の循環ガス量が不足する。その結果、低温域では炉内の温度分布が不均一となり易く、製品によっては焼成品質にバラツキが生ずるという問題もある。このほか特許文献１に示されるように、燃焼用空気中に窒素ガスを混入することにより空燃比制御を行う方法もあるが、窒素ガス源が必要でコストがかかるため、特殊なセラミック製品の焼成以外にはあまり使用されていない。
特開２００３−２１４６０３号公報

本発明は上記した従来の問題点を解決し、空燃比の調整によって酸化焼成から還元焼成まで幅広い燃焼制御が可能であり、しかも技術知識の乏しい作業員であっても酸素濃度の設定を簡便に行うことができる燃焼加熱炉の空燃比制御システムを提供することを主な目的とするものである。また本発明の他の目的は、低温域においても炉内の温度分布の不均一を回避できる燃焼加熱炉の空燃比制御システムを提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、燃焼加熱炉に設けられたバーナーと、ガス流量計及びガス流量制御弁を備えバーナーに燃料ガスを供給するガス供給ラインと、空気流量計及び空気流量制御弁を備えバーナーに燃焼用空気を供給する空気供給ラインと、温度制御用コンピュータとからなり、この温度制御用コンピュータは、（燃焼空気量＝ガス流量×理論空気量×空燃比）の第1式と、（空燃比＝２０.６／２０.６−酸素濃度）の第2式とを記憶しており、酸素濃度を入力すると上記の式に基づき、ガス流量に応じて燃焼空気量を自動制御する機能を備えたものであることを特徴とするものである。

なお、温度制御用コンピュータが低温域では多量の空気が供給されるように別の制御を行い、所定温度に達した後に上記の式に基づき、燃焼空気量を自動制御する機能を備えたものとすれば、低温域においても炉内の温度分布の不均一を回避することができる。

本発明の燃焼加熱炉の空燃比制御システムは、温度制御用コンピュータに希望する酸素濃度を入力すると、それに応じて温度制御用コンピュータは、（燃焼空気量＝ガス流量×理論空気量×空燃比）の第1式と、（空燃比＝２０.６／２０.６−酸素濃度）の第2式とに基づいて、ガス流量に応じ燃焼空気量を自動制御する。このため技術知識の乏しい作業員であっても、目的とする酸素濃度条件下で製品の加熱焼成を行うことができる。

また請求項２のように所定温度に達する前は多量の空気が供給されるように別の制御を組み合せれば、低温域においても炉内の循環ガス量を確保することができ、温度分布の不均一による焼成品質のバラツキを防止することができる。

以下に本発明の実施形態を説明する。
図４において、１は各種の窯業製品、セラミック製品の加熱・焼成等に用いられる燃焼加熱炉の炉体、２はこの炉体１に設置されたバーナーである。この図では説明のために１本のバーナー２のみが示されているが、実際には複数本のバーナー２が設置されていることはいうまでもない。バーナー２はガスバーナーであり、３はガス供給ライン、４は空気供給ラインである。なお、この実施形態の炉体１はバッチ炉であり、好ましくはシャトルキルンである。

ガス供給ライン３にはガス流量計５及びガス流量制御弁６が設けられており、空気供給ライン４には空気流量計７及び空気流量制御弁８が設けられている。また炉体１には温度センサー９が設置されている。

１０は温度制御用コンピュータである。この温度制御用コンピュータ１０は、温度制御機能と空燃比制御機能とを備えており、図４中では温度制御部１１と空燃比制御部１２として示してある。温度制御部１１は、炉内温度をプログラムされた温度曲線に従って制御するものであり、温度センサー９によって検出された炉内温度が入力され、温度制御部１１はガス流量制御弁６に開度信号を出力してバーナー２に供給されるガス量を制御することは従来と同様である。

一方、空燃比制御部１２は本発明の特徴をなす部分である。この空燃比制御部１２はコンピュータ内演算式として、（燃焼空気量＝ガス流量×理論空気量×空燃比）の第１式と、（空燃比＝２０.６／２０.６−酸素濃度）の第２式とを記憶している。これらの２つの式と等価な、（燃焼空気量＝ガス流量×理論空気量×（２０.６／２０.６−酸素濃度））として記憶させてもよいことはいうまでもない。２０.６は空気中の酸素濃度を％表示した値である。

本発明では、目的とする酸素濃度を温度制御用コンピュータ１０に入力する。入力値として酸素濃度を用いたのは、セラミック製品の焼成条件として酸素濃度が指定される場合が多いためである。第２式によって空燃比が算出され、第１式によってその空燃比を達成するためには、燃焼空気量をガス流量の何倍にすべきかが決定される。ガス流量は温度制御部１１からの指令により変化しているが、その実際の流量をリアルタイムでガス流量計５により測定し、空燃比制御部１２はそのガス流量に対応する燃焼空気量を演算して、空気流量制御弁８を開閉制御する。また実際の燃焼空気量は空気流量計７によって確認され、フィードバック制御される。

この結果、炉内温度をプログラムされた温度曲線に従って制御しながら、炉内の酸素濃度を指定された値に維持することが可能である。このように本発明では空燃比制御部１２がガス流量に対して空気流量制御弁８をリアルタイムで開閉するため、酸化焼成から還元焼成まで任意の雰囲気制御が可能である。しかも還元焼成の場合には入力する酸素濃度をマイナスの値とすればよく、酸素濃度をゼロとすれば中性雰囲気中での焼成が可能となる。

上記のように、本発明のシステムを用いれば酸素濃度を入力することによって指定された酸素濃度条件下での焼成を自動的に行うことができる。このため技術知識の乏しい作業員であっても、操炉ミスを生ずることがない。

しかし上記した本発明のシステムを用いても、炉内温度が低い低温域においては図５に示すように空気流量もガス流量も少なく、従ってバーナー２の燃焼ガス量も少ないので、燃焼ガスによる炉内の撹拌効果が不十分となることは避けられない。製品の種類によっては低温域における温度履歴が焼成品質に大きな影響を与えることがあり、そのような製品については炉内における設置位置によって焼成品質のバラツキが生じるおそれがある。

そこで請求項２の発明では、炉内温度が所定温度に達した後は上記のとおりの空燃比制御を行うが、低温域では多量の空気が供給されるように別の制御を行う機能を温度制御用コンピュータ１０に付加しておく。具体的には、図６に示すようにガス流量は温度制御部１１からの指令によって制御するが、所定温度に達するまでの低温域においては、空気流量制御弁８に異なる開度指令を与えて過剰量の空気をバーナー２に供給する。

この段階においては、炉内の撹拌に必要な空気流量を供給することを目的とするものであり、具体的には炉体１の大きさによって必要な空気流量が決定される。しかし温度上昇とともにガス流量が増加して行くので必要な空気流量は図６に示すように徐々に低下し、所定温度に達した後は前記した本願発明の制御に切り替える。

このように低温域で別の制御を行えば、過剰空気により酸化燃焼となるものの、低温域においても炉内の循環ガス量を確保することができ、温度分布の不均一による焼成品質のバラツキを防止することができる。

なお、上記の実施形態では温度制御用コンピュータ１０が温度制御機能と空燃比制御機能のみを備えるものとして説明したが、実際には炉圧その他の制御機能をも備えたものとできることはいうまでもない。

従来の均圧弁制御システムの説明図である。 従来の（空気／ガス）フィードフォワードシステムの説明図である。 従来の酸素濃度計によるフィードバック制御システムの説明図である。 本発明の実施形態を示す説明図である。 通常運転時の温度変化及び流量変化を概念的に示すグラフである。 請求項２の発明における温度変化及び流量変化を概念的に示すグラフである。

符号の説明

１ 燃焼加熱炉の炉体
２ バーナー
３ ガス供給ライン
４ 空気供給ライン
５ ガス流量計
６ ガス流量制御弁
７ 空気流量計
８ 空気流量制御弁
９ 温度センサー
１０ 温度制御用コンピュータ
１１ 温度制御部
１２ 空燃比制御部

Claims (2)

1. 燃焼加熱炉に設けられたバーナーと、ガス流量計及びガス流量制御弁を備えバーナーに燃料ガスを供給するガス供給ラインと、空気流量計及び空気流量制御弁を備えバーナーに燃焼用空気を供給する空気供給ラインと、温度制御用コンピュータとからなり、この温度制御用コンピュータは、（燃焼空気量＝ガス流量×理論空気量×空燃比）の第1式と、（空燃比＝２０.６／２０.６−酸素濃度）の第２式とを記憶しており、酸素濃度を入力すると上記の式に基づき、ガス流量に応じて燃焼空気量を自動制御する機能を備えたものであることを特徴とする燃焼加熱炉の空燃比制御システム。
2. 温度制御用コンピュータは、低温域では多量の空気が供給されるように別の制御を行い、所定温度に達した後に上記の式に基づき、燃焼空気量を自動制御する機能を備えたものであることを特徴とする請求項１に記載の燃焼加熱炉の空燃比制御システム。

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