JP2012057873A - 蓄熱式燃焼装置及び加熱炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 蓄熱式燃焼装置において、燃料を加熱炉内において燃焼させるあたり、空気噴出口や燃料噴出口が設けられた加熱炉の内壁の近くでも燃焼が行われるようにすると共に、燃焼時にＮＯｘが発生するのを抑制する。
【解決手段】 蓄熱材11が収容された蓄熱部12を通して燃焼用空気供給部13に導かれた燃焼用空気を空気噴出口14から加熱炉1内に噴出させると共に、燃料供給部15を通して導かれた燃料を燃料噴出口16から加熱炉内に噴出させて、燃料を加熱炉内において燃焼させる蓄熱式燃焼装置10において、空気噴出口と燃料噴出口とを所要間隔を介して設けると共に、上記の燃焼用空気供給部における空気噴出口の部分に、加熱炉内に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部13aを設けた。
【選択図】 図２

Description

この発明は、蓄熱材が収容された蓄熱部を通して燃焼用空気供給部に導かれた燃焼用空気を空気噴出口から加熱炉内に噴出させると共に、燃料供給部を通して導かれた燃料を燃料噴出口から加熱炉内に噴出させて、燃料を加熱炉内において燃焼させる蓄熱式燃焼装置及びこのような蓄熱式燃焼装置を用いた加熱炉に関するものである。特に、上記の蓄熱式燃焼装置において、上記のように燃料を加熱炉内において燃焼させるにあたり、上記の空気噴出口や燃料噴出口が設けられた加熱炉の内壁の近くにおいても燃焼が適切に行われるようにすると共に、燃焼の際にＮＯｘが発生するのを抑制するようにした点に特徴を有するものである。

従来から、加熱炉においては、燃焼排ガスの熱を利用して効率のよい燃焼を行うために、非燃焼時において、加熱炉内における燃焼排ガスを蓄熱材が収容された蓄熱部を通して排出させ、燃焼排ガスの熱を蓄熱材に蓄熱させる一方、燃焼時において、燃焼用空気をこのように蓄熱された蓄熱材が収容された蓄熱部を通して加熱させ、このように加熱された燃焼用空気を燃焼用空気供給部を通して空気噴出口から加熱炉内に噴出させて、燃料を燃焼させるようにした蓄熱式燃焼装置が用いられている。

ここで、蓄熱式燃焼装置としては、例えば、特許文献１等に示されるように、燃焼排ガスの熱を蓄熱させた蓄熱部を通して加熱された燃焼用空気を空気導入部から混合室に導くと共に、燃料供給ノズルを通して燃料を上記の混合室に導き、この混合室において上記の加熱された燃焼用空気と燃料とを混合させ、これを混合室から炉側の燃焼室に導いて燃焼させるようにしたものや、特許文献２，３等に示されるように、燃焼排ガスの熱を蓄熱させた蓄熱部において加熱された燃焼用空気を導く燃焼用空気供給部に、一次燃料ノズルから一次燃料を供給して一次燃焼させると共に、上記の燃焼用空気供給部から加熱炉内に燃焼用空気を噴出させる空気噴出口の周辺に、二次燃料を加熱炉内に噴出させる二次燃料噴出口を設け、この二次燃料噴出口から二次燃料を加熱炉内に噴出させて、この二次燃料を加熱炉内において二次燃焼させるようにしたものが広く利用されている。

しかし、特許文献１等に示されるように、加熱された燃焼用空気と燃料を混合させた混合気を燃焼室において燃焼させるようにした場合、燃焼室における燃焼温度が高くなって、ＮＯｘの発生が多くなるという問題があった。

また、特許文献２，３等に示されるように、加熱された燃焼用空気を導く燃焼用空気供給部に一次燃料ノズルから一次燃料を供給して一次燃焼させ、一次燃焼された後の燃焼用空気を燃焼用空気供給部から空気噴出口を通して加熱炉内に噴出させると共に、この空気噴出口の周辺に設けられた二次燃料噴出口から二次燃料を加熱炉内に噴出させて、二次燃料を加熱炉内において二次燃焼させる場合においても、二次燃料噴出口から加熱炉内に噴出された二次燃料が、上記の空気噴出口から噴出された燃焼用空気とすぐに接触して燃焼されると、この部分における燃焼温度が高くなって、依然としてＮＯｘの発生が多くなる。

このため、従来においては、上記の二次燃料噴出口を上記の空気噴出口から離れた位置に設けたり、空気噴出口から加熱炉内に噴出させる燃焼用空気の流速を高めたりして、燃焼用空気と二次燃料とを空気噴出口や二次燃料噴出口から離れた位置で徐々に接触させて燃焼させるようにし、ＮＯｘの発生を抑制することが提案されている。

しかし、このように燃焼用空気と二次燃料とを空気噴出口や二次燃料噴出口から離れた位置で徐々に接触させて燃焼させるようにした場合、空気噴出口や二次燃料噴出口が設けられた内壁近傍における加熱炉内の温度が十分に上昇されず、加熱炉内に温度むらが生じて、被処理物を適切に加熱処理することができなくなったり、また二次燃料が十分に燃焼されず、残った二次燃料が燃焼排ガスと一緒に他の蓄熱式燃焼装置における蓄熱部に導かれるようになり、燃焼効率が低下したり、またこのように二次燃料が導かれた他の蓄熱式燃焼装置における蓄熱部において燃焼が行われて、この蓄熱部における蓄熱材がオーバーヒートしたりする等の問題があった。

特開２００２−１３９２１７号公報 特許第３０３１９０８号公報 特許第３５５７０２８号公報

この発明は、蓄熱材が収容された蓄熱部を通して燃焼用空気供給部に導かれた燃焼用空気を空気噴出口から加熱炉内に噴出させると共に、燃料供給部を通して導かれた燃料を燃料噴出口から加熱炉内に噴出させて、燃料を加熱炉内において燃焼させる蓄熱式燃焼装置及びこのような蓄熱式燃焼装置を用いた加熱炉における上記のような問題を解決することを課題とするものである。

すなわち、この発明においては、上記のような蓄熱式燃焼装置において、燃料を加熱炉内において燃焼させるにあたり、空気噴出口や燃料噴出口が設けられた加熱炉の内壁の近くにおいても燃焼が適切に行われて、加熱炉の内壁の近傍における温度も十分に上昇され、加熱炉内に温度むらが生じるのを防止し、被処理物が適切に加熱処理されるようにすると共に、燃料が十分に燃焼されない状態で燃焼排ガスと一緒に他の蓄熱式燃焼装置における蓄熱部に導かれるのを抑制して、燃焼効率が低下するのを防止し、また他の蓄熱式燃焼装置において蓄熱部に収容された蓄熱材がオーバーヒートしたりするのを防止すると共に、燃焼の際にＮＯｘが発生するのを抑制することを課題とするものである。

この発明における蓄熱式燃焼装置においては、上記のような課題を解決するため、蓄熱材が収容された蓄熱部を通して燃焼用空気供給部に導かれた燃焼用空気を空気噴出口から加熱炉内に噴出させると共に、燃料供給部を通して導かれた燃料を燃料噴出口から加熱炉内に噴出させて、燃料を加熱炉内において燃焼させる蓄熱式燃焼装置において、上記の空気噴出口と燃料噴出口とを所要間隔を介して設けると共に、上記の燃焼用空気供給部における空気噴出口の部分に、加熱炉内に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部を設けた。

ここで、この発明における蓄熱式燃焼装置においては、加熱炉に向けてテーパー状に広がるように傾斜した上記の傾斜部の傾斜角θを１°〜３．５°の範囲にすることが好ましい。

また、この発明における蓄熱式燃焼装置においては、上記の燃焼用空気供給部がテーパー状に広がる前の部分における直径Ｄａと、テーパー状に広がった傾斜部における傾斜開始位置から空気噴出口までの直線最短距離Ｘとが、０．５≦Ｘ／Ｄａ≦２．０の条件を満たすことが好ましい。

また、この発明における蓄熱式燃焼装置においては、上記の燃焼用空気供給部がテーパー状に広がる前の部分における直径Ｄａと、上記の空気噴出口の中心と燃料噴出口の中心との間の間隔Ｌとが、０．２５≦Ｄａ／Ｌ≦０．３０の条件を満たすことが好ましい。

さらに、この発明における蓄熱式燃焼装置においては、燃料を加熱炉内に噴出させる燃料噴出口の部分にも、加熱炉内に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部を設けることができる。

そして、この発明における加熱炉においては、上記のような蓄熱式燃焼装置を用いるようにした。

この発明における蓄熱式燃焼装置のように、空気噴出口と燃料噴出口とを所要間隔を介して設けると共に、燃焼用空気供給部における空気噴出口の部分に、加熱炉内に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部を設けると、蓄熱材が収容された蓄熱部を通して燃焼用空気供給部に導かれた燃焼用空気を空気噴出口から加熱炉内に噴出させると共に、燃料供給部を通して導かれた燃料を燃料噴出口から加熱炉内に噴出させて、燃料を加熱炉内において燃焼させる際に、空気噴出口から噴出される燃焼用空気がテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部に沿って加熱炉内に広がるようにして噴出され、このように広がって噴出された燃焼用空気が上記の燃料噴出口から噴出された燃料と速やかに接触して燃焼され、空気噴出口や燃料噴出口が設けられた加熱炉の内壁の近くにおいても適切に燃焼が行われて、温度が上昇するようになる。

この結果、このような蓄熱式燃焼装置を用いた加熱炉においては、加熱炉内に温度むらが生じるのが防止されて、被処理物が適切に加熱処理されるようになると共に、燃料が十分に燃焼されない状態で燃焼排ガスと一緒に他の蓄熱式燃焼装置における蓄熱部に導かれるのが防止され、燃焼効率が低下したり、他の蓄熱式燃焼装置における蓄熱部に収容された蓄熱材がオーバーヒートしたりするのが防止されるようになる。

また、上記のように空気噴出口から噴出される燃焼用空気がテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部に沿って加熱炉内に広がるようにして噴出される結果、広がって噴出された燃焼用空気が加熱炉内の燃焼排ガスと混合されると共に燃焼用空気中における酸素濃度が低下し、このように酸素濃度が低下した燃焼用空気が広角に拡がって燃料噴出口から噴出された燃料と加熱炉の内壁に近い位置で接触して燃焼が行われるようになり、燃焼時における燃焼温度が急激に上昇するのが防止され、ＮＯｘが発生するのも抑制されるようになる。

この結果、本発明の加熱炉においては、空気噴出口の部分に加熱炉内に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部を設けたため、加熱炉の内壁近傍においても燃焼が行われ、加熱炉内の隅々まで均一に温度が上昇すると共に、ＮＯｘの発生も抑制されるようになる。

この発明の一実施形態に係る蓄熱式燃焼装置を用いた加熱炉の部分説明図である。 上記の実施形態に係る蓄熱式燃焼装置において、空気噴出口の部分に、加熱炉に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部を設けた状態を示した概略説明図である。 空気噴出口の部分が直線状になっていて、加熱炉に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部が設けられていない参考例に係る蓄熱式燃焼装置の概略説明図である。 空気噴出口の傾斜部における傾斜角θと、燃焼用空気と燃料とが接触する交点位置Ｐにおける燃焼用空気中における酸素濃度との関係を示した図である。 上記の実施形態に係る蓄熱式燃焼装置において、燃料を加熱炉内に噴出させる燃料噴出口の部分にも、加熱炉内に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部を設けた状態を示した概略説明図である。

以下、この発明の実施形態に係る蓄熱式燃焼装置及びこの蓄熱式燃焼装置を用いた加熱炉を添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、この発明に係る蓄熱式燃焼装置及び加熱炉は、下記の実施形態に示したものに限定されず、発明の要旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施できるものである。

この実施形態においては、図１に示すように、対になった蓄熱式燃焼装置１０を加熱炉１の内部に向けて対向するように設けている。

ここで、上記の蓄熱式燃焼装置１０において燃焼を行う場合には、燃焼用空気を蓄熱材１１が収容された蓄熱部１２に導き、この蓄熱部１２において上記の燃焼用空気を加熱させるようにする。そして、このように加熱された燃焼用空気を蓄熱部１２から燃焼用空気供給部１３を通してその先端に設けられた空気噴出口１４から加熱炉１内に噴出させると共に、ガス供給管（燃料供給部）１５を通して導かれた燃料を燃料噴出口１６から加熱炉１内に噴出させ、このように噴出された燃料を空気噴出口１４から噴出された燃焼用空気と加熱炉１内において接触させて燃焼させるようにしている。

一方、燃焼を行わない蓄熱式燃焼装置１０においては、ガス供給管１５を通して燃料を燃料噴出口１６に導くのを停止させると共に、加熱炉１内の燃焼排ガスを上記の蓄熱部１２を通して吸引、排気し、この燃焼排ガスの熱をこの蓄熱部１２に収容された蓄熱材１１に蓄熱させるようにしている。

そして、この実施形態の蓄熱式燃焼装置１０においては、図１及び図２に示すように、空気噴出口１４と燃料噴出口１６とを所要間隔を介して設けると共に、上記の燃焼用空気供給部１３における空気噴出口１４の部分に、加熱炉１に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部１３ａを設けている。

このように燃焼用空気供給部１３における空気噴出口１４の部分に、加熱炉１に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部１３ａを設けると、空気噴出口１４から噴出される燃焼用空気がテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部１３ａに沿って加熱炉１内に広がるようにして噴出されるようになる。

そして、このように広がって噴出された燃焼用空気が加熱炉１０内の燃焼排ガスと混合されると共に燃焼用空気中における酸素濃度が低下し、このように酸素濃度が低下した燃焼用空気が広角に拡がって上記の燃料噴出口１６から噴出された燃料と加熱炉１の内壁１ａに近い交点位置Ｐで接触して燃焼が行われるようになり、図３に示すように、傾斜部が設けられていない直線状になった空気噴出口１４’から燃焼用空気を直線的に噴出させて、燃料噴出口１６’から噴出された燃料と接触させる交点位置Ｐ’に比べて、上記の交点位置Ｐが加熱炉１の内壁１ａに近くなり、空気噴出口１４や燃料噴出口１６が設けられた加熱炉１の内壁１ａに近くにおいても、適切に燃焼が行われるようになる。

この結果、加熱炉１の内壁１ａ近くにおいても温度が適切に上昇されて、加熱炉１内において温度むらが生じるのが防止され、被処理物（図示せず）が適切に加熱処理されるようになると共に、燃料が十分に燃焼されない状態で燃焼排ガスと一緒に他の蓄熱式燃焼装置１０における蓄熱部１２に導かれるのも防止され、燃焼効率が低下したり、他の蓄熱式燃焼装置１０における蓄熱部１２に収容された蓄熱材１１がオーバーヒートしたりするのが防止されるようになる。

また、上記のように空気噴出口１４から噴出される燃焼用空気がテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部１３ａに沿って加熱炉１内に広がるようにして噴出され、噴出された燃焼用空気が加熱炉１内の燃焼排ガスと速やかに混合されると共にこの燃焼用空気中における酸素濃度が低下し、例えば、図４に示すように、空気噴出口１４の傾斜部１３ａにおける傾斜角θが大きくなるに従って、燃焼用空気と燃料とが接触する上記の交点位置Ｐにおける燃焼用空気中における酸素濃度が低下し、このように酸素濃度が低下した燃焼用空気が燃料噴出口１６から噴出された燃料と接触して燃焼が行われるようになる。

そして、このように酸素濃度が低下した燃焼用空気によって燃焼が行われるため、体積当たりの反応熱が少なくなり、上記のように燃料が加熱炉１の内壁１ａの近くで燃焼用空気と接触して燃焼されるにも拘らず、燃焼時における燃焼温度が急激に上昇するのが防止されて、ＮＯｘが発生するのも抑制されるようになる。

ここで、燃焼用空気供給部１３における空気噴出口１４の部分に、加熱炉１に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部１３ａを設けるにあたり、この傾斜角θが小さくなると、空気噴出口１４から加熱炉１内に噴出される燃焼用空気の広がりが少なくなって、上記のような効果を十分に得ることが困難になり、またこの傾斜角θが大きくなりすぎた場合には、燃焼用空気が傾斜部１３ａから剥離されて渦流などが生じ、燃焼用空気が傾斜部１３ａに沿って空気噴出口１４に適切に導かれなくなって、空気噴出口１４から加熱炉１内に噴出される燃焼用空気の広がりが悪くなり、上記のような効果を十分に得ることが困難になる。このため、上記の傾斜部１３ａにおける傾斜角θを１°〜３．５°の範囲にすることが好ましい。

また、上記のようにテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部１３ａを設けるにあたり、この傾斜部１３ａの長さが短いと、燃焼用空気が傾斜部１３ａに沿って空気噴出口１４に導かれる長さが短くなって、空気噴出口１４から噴出される燃焼用空気が適切に広がった状態で噴出されなくなる。一方、傾斜部１３ａの長さを長くした場合には、燃焼用空気が傾斜部１３ａから剥離されやすくなると共に、装置が大型化する。このため、テーパー状に広がる前の部分における燃焼用空気供給部１３の直径Ｄａと、テーパー状に広がった傾斜部１３ａにおける傾斜開始位置から空気噴出口１４までの直線最短距離Ｘとが、０．５≦Ｘ／Ｄａ≦２．０の条件を満たすようにすることが好ましい。

また、上記のように空気噴出口１４と燃料噴出口１６とを所要間隔を介して設けるにあたり、空気噴出口１４と燃料噴出口１６との間隔が小さくなりすぎると、空気噴出口１４から噴出される燃焼用空気が十分に広がらない状態で、燃料噴出口１６から噴出された燃料と接触するようになり、燃焼用空気中における酸素濃度が燃焼排ガスとの混合によって適切に低下しない状態で燃焼が行われ、燃焼温度が上昇してＮＯｘが発生しやすくなる。一方、空気噴出口１４と燃料噴出口１６との間隔が大きくなりすぎると、空気噴出口１４から噴出される燃焼用空気と、燃料噴出口１６から噴出された燃料とが適切に接触されなくなって、加熱炉１の内壁１ａから離れた位置で燃焼が行われるようになり、加熱炉１内に燃焼による温度むらが生じたり、燃料が十分に燃焼されない状態で燃焼排ガスと一緒に他の蓄熱式燃焼装置１０における蓄熱部１２に導かれたりするようになる。このため、燃焼用空気供給部１３がテーパー状に広がる前の部分における直径Ｄａと、上記の空気噴出口１４の中心と燃料噴出口１６の中心との間の間隔Ｌとが、０．２５≦Ｄａ／Ｌ≦０．３０の条件を満たすようにすることが好ましい。

なお、この実施形態の蓄熱式燃焼装置１０においては、燃焼用空気を一次燃焼させる例を示していないが、上記の燃焼用空気供給部１３に一次燃料を供給する一次燃料供給管（図示せず）とパイロットバーナ（図示せず）を設け、この燃焼用空気供給部１３を通して導かれる燃焼用空気を一次燃焼させるようにすることができる。

また、図５に示すように、上記の燃料噴出口１６の部分にも、上記の空気噴出口１４と同様に、加熱炉１内に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部１６ａを設けるようにすることもできる。そして、このように燃料噴出口１６の部分にも、加熱炉１内に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部１６ａを設けると、この燃料噴出口１６から噴出される燃料が上記の傾斜部１６ａに沿って加熱炉１内に広がるようにして噴出され、前記のように傾斜部１３ａに沿って空気噴出口１４から加熱炉１内に広がるようにして噴出された燃焼用空気と接触する交点位置Ｐがさらに加熱炉１の内壁１ａに近づき、加熱炉１の内壁１ａにさらに近い位置において適切に燃焼が行われるようになる。

１ 加熱炉
１ａ 内壁
１０ 蓄熱式燃焼装置
１１ 蓄熱材
１２ 蓄熱部
１３ 燃焼用空気供給部
１３ａ 傾斜部
１４ 空気噴出口
１５ ガス供給管（燃料供給部）
１６ 燃料噴出口
１６ａ 傾斜部
θ 傾斜部の傾斜角
Ｄａ 燃焼用空気供給部がテーパー状に広がる前の部分の直径
Ｘ 傾斜部における傾斜開始位置から空気噴出口までの直線最短距離
Ｌ 空気噴出口の中心と燃料噴出口の中心との間の間隔
Ｐ 空気噴出口から噴出された燃焼用空気と燃料噴出口から噴出された燃料とが接触する交点位置

Claims (6)

1. 蓄熱材が収容された蓄熱部を通して燃焼用空気供給部に導かれた燃焼用空気を空気噴出口から加熱炉内に噴出させると共に、燃料供給部を通して導かれた燃料を燃料噴出口から加熱炉内に噴出させて、燃料を加熱炉内において燃焼させる蓄熱式燃焼装置において、上記の空気噴出口と燃料噴出口とを所要間隔を介して設けると共に、上記の燃焼用空気供給部における空気噴出口の部分に、加熱炉内に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部を設けたことを特徴とする蓄熱式燃焼装置。
2. 加熱炉に向けてテーパー状に広がるように傾斜した上記の傾斜部の傾斜角θが１°〜３．５°の範囲であることを特徴とする請求項１に記載した蓄熱式燃焼装置。
3. 上記の燃焼用空気供給部がテーパー状に広がる前の部分における直径Ｄａと、テーパー状に広がった傾斜部における傾斜開始位置から空気噴出口までの直線最短距離Ｘとが、０．５≦Ｘ／Ｄａ≦２．０の条件を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した蓄熱式燃焼装置。
4. 上記の燃焼用空気供給部がテーパー状に広がる前の部分における直径Ｄａと、上記の空気噴出口の中心と燃料噴出口の中心との間の間隔Ｌとが、０．２５≦Ｄａ／Ｌ≦０．３０の条件を満たすことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載した蓄熱式燃焼装置。
5. 燃料を加熱炉内に噴出させる燃料噴出口の部分に、加熱炉内に向けてテーパー状に広がるように傾斜した傾斜部を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載した蓄熱式燃焼装置。
6. 請求項１〜請求項５の何れか１項に記載した蓄熱式燃焼装置を用いたことを特徴とする加熱炉。

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