JP2009216311A

JP2009216311A - 蓄熱式バーナおよびその運転方法

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Publication number: JP2009216311A
Application number: JP2008060801A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yasue; 孝安江
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: JP5258336B2

Abstract

【課題】火炎がシャープでかつ、ＮＯ_ｘを低減可能である蓄熱式バーナおよびその運転方法を提供する。
【解決手段】蓄熱体と、空気の経路上前記蓄熱体よりも炉内側において、空気の経路に燃料を供給する主燃料供給手段と、空気の経路上前記蓄熱体よりも炉から離れた側において、空気の経路に燃料を供給する予混合用燃料供給手段とを備えた蓄熱式バーナである。
【選択図】図１

Description

本発明はバーナおよびその運転方法に関し、更に詳しくは、主として工業用燃焼炉に用いる蓄熱式バーナおよびその運転方法に関する。

蓄熱式バーナは、例えば、その１対が焼成炉に設置され、蓄熱式バーナを介して排気と燃焼とを交互に繰り返すことにより、排気時に、蓄熱部に収納された蓄熱体によって熱を回収し、燃焼時にその熱で燃焼用空気を高温に予熱するため、大幅な省エネルギーが実現できる。

しかしながら、図３に示すような従来の蓄熱式バーナでは、高温に予熱された空気と燃料とがバーナ内で混合されて燃焼するため、常温空気での燃焼と比較して、火炎温度が高くなり、ＮＯ_ｘ排出濃度が高くなる問題があった。ここで、周知のとおり、燃焼によるＮＯ_ｘ生成の主要因は温度であり、燃焼炉温度が高い程、排ガス中のＮＯ_ｘは増加する。

そこで、図４に示すように、炉内温度が燃料の自着火温度以上になった時には、主燃料供給ノズルとは別の、炉内に直接開口させた第二燃料供給ノズルを用い、炉内で緩慢燃焼を行わせて、ＮＯ_ｘの発生を抑制する方法が提案され、採用されるようになった（特許文献１）。
特開平８−４９８３６号公報

このような緩慢燃焼を行わせた場合、火炎ピーク温度が低下し、ＮＯ_ｘが低減する一方で、従来より広い空間範囲で燃焼反応が起こることになり、火炎幅が大きく広がることになる。

このような緩慢燃焼、すなわち火炎幅が広い燃焼を、例えばセラミックス焼成に用いた場合には、被焼成物の焼成温度や酸素濃度等雰囲気条件の許容範囲が非常に狭いため、問題である。つまり、火炎が広がることにより、火炎近傍の被焼成物に、溶損や変色あるいは特性低下等の不良を生じやすくなる。あるいは、その問題を回避しようとすれば、被焼成物の詰め効率が低下することになり、生産性が低下するという問題が生じる。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、以下に示すバーナおよびその運転方法によって、上記課題を解決することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。即ち、本発明によれば、以下に示すバーナおよびその運転方法が提供される。

［１］蓄熱体と、空気の経路上前記蓄熱体よりも炉内側において、空気の経路に燃料を供給する主燃料供給手段と、空気の経路上前記蓄熱体よりも炉から離れた側において、空気の経路に燃料を供給する予混合用燃料供給手段とを備えた蓄熱式バーナ。

［２］蓄熱体内の少なくとも一部が燃料の自着火温度以上になったときに、全燃料の一部を予混合用燃料供給手段から供給し、蓄熱体内部または蓄熱体直後で予混合燃焼させ、その後、残りの燃料を、主燃料供給手段から供給する上記［１］に記載の蓄熱式バーナの運転方法。

［３］予混合用燃料を、予混合燃料の空気比が７〜１６となる量だけ、前記予混合用燃料供給手段から供給する上記［２］に記載の蓄熱式バーナの運転方法。

本発明のバーナおよび運転方法によれば、得られる火炎がシャープであるので、火炎近傍の被焼成物に、溶損や変色あるいは特性低下等の不良が発生する虞を軽減することができる。また、これと同時に、ＮＯ_ｘの発生を低減可能である。

以下、図面を参照して、本発明の蓄熱式バーナおよびその運転方法の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。

まず、本発明の蓄熱式バーナの一実施の形態について、図１および図２を用いて説明する。図１および図２は、本実施の形態の蓄熱式バーナを模式的に示す説明図であって、図１は蓄熱式バーナの模式的断面図、図２は蓄熱式バーナの予混合用燃料供給ノズル（予混合用燃料供給手段）１１を示す模式的断面図である。

本実施の形態の蓄熱式バーナ１は、蓄熱体３と、空気の経路上前記蓄熱体よりも炉内側において、空気の経路に燃料を供給する燃料ノズル（主燃料供給手段）５と、空気の経路上前記蓄熱体よりも炉から離れた側において、空気の経路に燃料を供給する予混合用燃料供給ノズル（予混合用燃料供給手段）１１とを備える。

このように構成することによって、燃焼炉、例えば、工業用の燃焼炉において、高温で燃焼させる場合、または蓄熱体等を用いて燃焼用空気を高温に予熱して燃焼させる場合に、火炎をシャープにしつつかつ、排気ガス中に含まれるＮＯ_ｘの量を低減させることができる。

本実施の形態においては、燃料ノズル５および予混合用燃料供給ノズル１１が、耐熱性の優れた耐火レンガ、耐火キャスタブル等の材料からなる蓄熱式バーナ１本体に固定されおり、このバーナ本体がバーナケースに覆われるように構成されている。

本実施の形態においては、燃料ノズル５および予混合用燃料供給ノズル１１の材料としては、耐熱性に優れることから、ステンレス、Ｎｉ基合金等の耐熱合金、またはムライト、再結晶ＳｉＣ、Ｓｉ−ＳｉＣ等のセラミックスを好適に用いることができる。

燃料ノズル５および予混合用燃料供給ノズル１１は、供給する燃料の流路となるとともに、燃焼炉内に燃料を噴射して供給するものであり、ＬＮＧ供給元ラインやＬＰＧボンベ等に接続して用いることが好ましい。

本実施の形態においては、予混合用燃料供給ノズル１１は、図２に示す構造とするのが好ましい。図２に示すとおり、本実施の形態の予混合用燃料供給ノズル１１は、先端封止燃料供給管４１に燃料噴出用孔４２を配設して構成される。このような構成により、予混合用燃料供給ノズル１１から噴出された燃料は、蓄熱体３の入口全域にわたって均一に供給される。

予混合用燃料供給ノズル１１の、空気の経路上炉から離れた側には、空気の供給と燃焼排気ガスの排気とを切り換え可能な給気／排気切替弁７が設置されている。なお、空気の供給側には、送風機等を接続する一方、燃焼排気ガスの排気側には、排風機等を接続し、燃焼炉内に対になるように二以上の蓄熱式バーナ１を配置するのが好ましい。

一方の蓄熱式バーナ１から空気を供給する際には、他方の蓄熱式バーナ１にて排気を行い、これらを一定周期、例えば、６０〜１２０秒間隔で切り換える。この際、排気ラインとなる蓄熱式バーナ１に配設された蓄熱体３は、燃焼排気ガスの熱により加熱される。一方、空気を供給する側の蓄熱式バーナ１に配設された蓄熱体３は、燃焼排気ガスを排気した際に十分に加熱されているために、蓄熱された熱を用いて空気を予熱して燃焼炉内に供給する。このように蓄熱式バーナ１を用いた燃焼においては、燃焼用の空気を燃焼排気ガスの熱を用いて予熱してから燃焼炉内に供給することで、燃焼に必要とされる熱エネルギーを低減させることができ、燃焼に用いる燃料の量を減少させることが可能となり、省エネルギーを実現することができるとともに、燃焼炉から排出されるＣＯ_２の総量を減少させることができる。

供給された燃料を完全に燃焼させるためには、供給する燃料の量および種類に応じて、必要とされる空気の量が決定される。一般的には、燃焼するために必要とされる燃料の量に比べて、より大量の空気が必要とされ、具体的には、供給される燃料の種類によっても異なるが、例えば、燃料をメタン（ＣＨ_４）とした場合、燃料の体積の約１０倍の量の空気が必要となる。このため、燃料ノズル５および予混合用燃料供給ノズル１１等の大きさは、用いられる燃料の種類や燃焼炉の大きさ等に応じて適宜決定することが好ましい。

また、蓄熱体３の材質および構造については、特に限定されることはないが、供給される空気および燃焼排気ガスの流路中に配置されることから、圧力損失が低く、熱容量が大きく、さらに耐熱性に優れたものであることが好ましく、例えば、セラミックスからなり、流体の流路となる複数のセルを有するハニカム構造体等を好適例として挙げることができる。このようなハニカム構造体は、上述した特性を満足し得るものであり、送風機および排風機等の能力を特別に上げずとも空気の供給と燃焼排気ガスの排気とを容易に行うことができる。

本実施の形態の蓄熱式バーナ１に用いられる燃料としては、通常のバーナに用いられている燃料を好適に用いることができるが、特に、メタン、ＬＮＧおよびＬＰＧ等の気体燃料であることが好ましい。このような気体燃料は、硫黄等の不純物をほとんど含んでおらず、また、含んでいたとしても容易に脱硫することができ、燃焼排気ガス中のＳＯ_ｘ等を削減することができるとともに、燃焼効率に優れることから、排出するＣＯ_２を削減することができる。

次に本発明の蓄熱式バーナの作用について説明する。本発明の蓄熱式バーナは、上述のとおり、蓄熱体と、空気の経路上前記蓄熱体よりも炉内側において、空気の経路に燃料を供給する主燃料供給手段と、空気の経路上前記蓄熱体よりも炉から離れた側において、空気の経路に燃料を供給する予混合用燃料供給手段とを備えている。そして、蓄熱体内の少なくとも一部が燃料の自着火温度以上になったときに、全燃料の一部を予混合用燃料供給手段から供給し、蓄熱体内部または蓄熱体直後で予混合燃焼させ、その後、残りの燃料を、主燃料供給手段から供給する。

予混合用燃料供給手段から蓄熱体の直前で供給された燃料は、燃焼空気と予混合された後、自着火温度以上の蓄熱体内部あるいは蓄熱体直後で自着火燃焼するが、希薄予混合燃焼となるため、ここではＮＯ_ｘはほとんど発生しない。その後、主燃料供給手段から供給された残りの主燃料がバーナ内あるいはバーナ直後に燃焼するが、その際、燃焼空気は、その一部が予混合燃焼により燃焼ガスとなっているため、低酸素空気での燃焼となり、ＮＯ_ｘ生成が抑制される。また、燃焼はバーナ内またはその直後で完結するため、通常のノズル混合燃焼バーナのように、火炎幅が狭いシャープな火炎が形成される。

予混合燃料は、予混合燃料の空気比（空気量/予混合燃料/理論空気量）が７〜１６程度となる量だけ供給することが望ましい。その空気比が７より小さいと、蓄熱体内での過熱によるバーナ損傷や予混合に伴う爆発危険性がある。また空気比１６より大きいとＮＯ_ｘ低減効果が小さい。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

内容積３ｍ^３の燃焼試験炉に、本発明の蓄熱式燃焼バーナを１対セットし、各条件（比較例１，２、実施例１，２）にて、ＬＮＧ燃料流量３０Ｎｍ^３／ｈ、空気流量３４５Ｎｍ^３／ｈまたは３７５Ｎｍ^３／ｈで燃焼させて炉を昇温していき、炉内温度１４００℃到達時点でＮＯ排出濃度（１５％Ｏ_２換算値）を計測した。

各条件とも、蓄熱体を通る排気流量と燃焼空気流量との比、即ち排気率は７５％程度であり、炉温１４００℃時の空気予熱温度は約１１００℃程度であった。全燃料の一部を予混合燃焼させた実施例では、予混合燃料の空気比で８．５あるいは１５となるようにＬＮＧ流量を設定した。即ち予混合ＬＮＧ流量は、空気流量が３４５Ｎｍ^３／ｈの条件では２．１Ｎｍ^３／ｈあるいは３．７Ｎｍ^３／ｈに設定し、空気流量が３７５Ｎｍ^３／ｈの条件では２．３Ｎｍ^３／ｈあるいは４．０Ｎｍ^３／ｈに設定した。なお、使用燃料ＬＮＧの理論空気量は１１．０であった。

次にバーナの火炎形成領域の水平面内に、保護管入熱電対を複数本設置し、昇温時の火炎温度分布を計測した。ここで、炉内制御温度＋１０℃以上の温度域を火炎領域と定義する。各実施例および比較例におけるグラフは、昇温中、炉内制御温度が１４３０〜１４６０℃付近において、計測対象のバーナが燃焼から排気に切り替わる直前のタイミングで計測した温度分布を示す。

（比較例１）主燃料供給手段で蓄熱式燃焼をさせた場合
比較例１は、図３の従来型の蓄熱式燃焼バーナに相当する。ＮＯｘ排出濃度は、空気流量３４５Ｎｍ^３／ｈ，３７５Ｎｍ^３／ｈにて、それぞれ１５８ｐｐｍ、１７５ｐｐｍであった。火炎温度計測結果を図５に示す。火炎幅は約４００ｍｍであった。

（比較例２）炉内直接噴出用燃料供給手段（第二燃料ノズル）で蓄熱式燃焼をさせた場合
図４の従来型の蓄熱式燃焼バーナを使用した。ＮＯ_ｘ排出濃度は、空気流量３４５Ｎｍ^３／ｈ，３７５Ｎｍ^３／ｈにて、それぞれ１０３ｐｐｍ、１２６ｐｐｍであった。

緩慢燃焼の効果により、ＮＯ_ｘ排出濃度は比較例１より３０〜３５％程度低い値を示した。火炎温度計測結果を図６に示す。比較例１と比較して、ピーク温度が低下し、全体的にブロードな温度分布となり、火炎幅は約８００ｍｍに広がった。比較例２の場合は、ＮＯ_ｘ排出濃度は低いが、火炎幅が広く、被焼成物に悪影響を及ぼすことが懸念される。

（実施例１）空気比が１５となる燃料流量を予混合用燃焼用燃料供給手段で燃焼させた場合
ＮＯ_ｘ排出濃度は、空気流量３４５Ｎｍ^３／ｈ，３７５Ｎｍ^３／ｈにて、それぞれ１１８ｐｐｍ、１５２ｐｐｍであった。

予混合燃焼の効果により、ＮＯ_ｘ排出濃度は比較例１より２５％程度低い値を示した。火炎温度計測結果を図７に示す。比較例１と比較して、わずかにピーク温度が低下しているが、火炎幅は同程度であった。

（実施例２）空気比が８．５となる燃料流量を予混合用燃焼用燃料供給手段で燃焼させた場合
ＮＯ_ｘ排出濃度は、空気流量３４５Ｎｍ^３／ｈ，３７５Ｎｍ^３／ｈにて、それぞれ１０１ｐｐｍ、１１４ｐｐｍであった。

予混合燃焼の効果により、ＮＯ_ｘ排出濃度は比較例１より３５％程度低い値を示した。比較例２と比較しても、同等またはそれ以下の値を示した。火炎温度計測結果を図８に示す。比較例１と比較して、さらにピーク温度が低下しているが、火炎幅は同程度であった。

以上の結果を表１にまとめた。

本発明の蓄熱式バーナおよびその運転方法は、セラミックス等を焼成する際に利用することができる。

本発明の一実施形態に係る蓄熱式バーナを示す模式的断面図である。本発明の一実施形態に係る蓄熱式バーナの予混合用燃料供給手段を示す模式的断面図である。従来技術の蓄熱式バーナの模式的断面図である。従来技術の他の蓄熱式バーナの模式的断面図である。比較例１の火炎温度計測結果を示すグラフである。比較例２の火炎温度計測結果を示すグラフである。実施例１の火炎温度計測結果を示すグラフである。実施例２の火炎温度計測結果を示すグラフである。

符号の説明

１：蓄熱式バーナ、３：蓄熱体、５：燃料ノズル（主燃料供給手段）、７：給気／排気切替弁、９：炉壁、１１：予混合用燃料供給ノズル（予混合用燃料供給手段）、１３：第二燃料ノズル、４１：先端封止燃料供給管、４２：燃料噴出用孔。

Claims

蓄熱体と、空気の経路上前記蓄熱体よりも炉内側において、空気の経路に燃料を供給する主燃料供給手段と、空気の経路上前記蓄熱体よりも炉から離れた側において、空気の経路に燃料を供給する予混合用燃料供給手段とを備えた蓄熱式バーナ。
蓄熱体内の少なくとも一部が燃料の自着火温度以上になったときに、全燃料の一部を予混合用燃料供給手段から供給し、蓄熱体内部または蓄熱体直後で予混合燃焼させ、その後、残りの燃料を、主燃料供給手段から供給する請求項１に記載の蓄熱式バーナの運転方法。
予混合用燃料を、予混合燃料の空気比が７〜１６となる量だけ、前記予混合用燃料供給手段から供給する請求項２に記載の蓄熱式バーナの運転方法。