JP2012184878A - 蓄熱式バーナ加熱炉及びその操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱式バーナ加熱炉の各蓄熱式バーナの蓄熱体出側の排ガス流量のバランス調節を人手、時間をかけずに自動的に行うこと。
【解決手段】蓄熱体を内蔵し、交互に燃焼させる蓄熱式バーナ１を一対以上設けた蓄熱式バーナ加熱炉において、各蓄熱式バーナ１の蓄熱体出側に接続された排ガス配管１３に排ガス温度を調整するくせ取り用自動調節弁１４とくせ取り用自動調節弁１４の蓄熱式バーナ１側に排ガス配管内の排ガス温度を検出する温度検出器１５とが設置され、温度検出器１５で検出した排ガス温度を取り込んで各蓄熱式バーナ１の排ガス温度が均一になるように各蓄熱式バーナ１の蓄熱体出側の排ガス温度の目標値を演算し、演算結果に基づいてくせ取り用自動調節弁１４の弁開度指令信号１８を出力する温度制御装置１６を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼材等を加熱する蓄熱式バーナ加熱炉において、蓄熱式バーナの蓄熱体出側の排ガスの流量を調整して各蓄熱式バーナの排ガス温度を均一化する蓄熱式バーナ加熱炉及びその操業方法に関する。

スラブ、ビレット、ブルーム等の鋼材の加熱に、蓄熱体を備えた蓄熱式バーナが対で１組、または複数組配置された燃焼ゾーンで構成された蓄熱式バーナ加熱炉が利用されている。蓄熱式バーナの運転は、対になっている蓄熱式バーナを燃焼と蓄熱に交互に切り替えて行われるもので、一方の蓄熱式バーナが燃焼の時、対となる燃焼していない他方の蓄熱式バーナから燃焼排ガスを吸引して蓄熱体に顕熱を蓄え、一定時間経過後に蓄熱から燃焼へ切り替えることにより蓄熱体に蓄えた顕熱を燃焼空気の予熱として回収するものである（特許文献１参照）。

図３は前記特許文献１に記載されている従来の蓄熱式バーナ加熱炉の一例を示す概略図である。

図３において、蓄熱式バーナ加熱炉には、蓄熱体２を備えた蓄熱式バーナ１が対で複数組配置されている。蓄熱式バーナ１には燃料を供給する燃料配管１９が接続され、蓄熱体２には燃焼空気を供給する燃焼空気配管２０と排ガスを排出する排ガス配管２１が接続されている。各配管に設けられている燃料切替弁３、排ガス切替弁４、燃焼空気切替弁５を切り替えて蓄熱式バーナの燃焼あるいは蓄熱を交互に切り替え、一方の蓄熱式バーナが燃焼の時、他方の蓄熱式バーナは排ガスを吸引して前記蓄熱体２で蓄熱する。吸引する排ガス量の調節は蓄熱体出側の排ガス配管の排ガス流量調節弁６の弁開度を制御して行う。燃焼空気の流量は燃焼空気配管２０の燃焼空気流調弁７により調節する。なお、図３において、燃料、燃焼空気、排ガスの流れの方向を示す矢印は、図３の左側の蓄熱式バーナが燃焼状態にあり、右側の蓄熱式バーナの蓄熱体２が蓄熱状態にある場合の例である。

図２は排ガス流量調節、燃焼空気流量調節をするための手動弁(通称「くせ取り弁」)が蓄熱式バーナの燃焼空気配管及び排ガス配管に設置されている例を示す図である。

図２において、図３に示す蓄熱式バーナ加熱炉と同様に、加熱炉には蓄熱式バーナ１が対で複数組配置され、蓄熱式バーナには、図示していない燃料配管が接続され、図示していない蓄熱体には燃焼空気配管２０と排ガス配管２１が接続されている。排ガス配管２１には排ガス切替弁４、燃焼空気配管２０には燃焼空気切替弁５が設けられている。蓄熱状態にある蓄熱式バーナで吸引する排ガス量は排ガス配管２１の排ガス流量調節弁６の弁開度を調節して行う。燃焼空気の流量は燃焼空気配管２０の燃焼空気流調弁７により調節する。

図２においては、燃焼空気切替弁５が開で且つ排ガス切替弁４が閉になっている蓄熱式バーナ（炎が図示されているバーナ）は、燃焼空気の供給により燃焼状態にあり、逆に燃焼空気切替弁５が閉で且つ排ガス切替弁４が開になっている蓄熱式バーナ（炎が図示されていないバーナ）では、燃焼空気の供給がなく燃焼せずに排ガスの吸引により蓄熱状態にある。

燃焼空気配管２０には燃焼空気切替弁５と蓄熱式バーナ１の間に手動式のくせ取り弁８が設けられ、排ガス配管２１にも排ガス切替弁４と蓄熱式バーナ１の間に手動式のくせ取り弁９が設けられている。

くせ取り弁８の弁開度調節は、蓄熱式バーナ加熱炉の立ち上げ時(あるいは試運転時)に、各蓄熱式バーナの蓄熱体に接続されている燃焼空気配管２０のすべての圧力取り出し口１０に図示していない微差圧計を接続し、燃焼空気を流した時の圧力をみながら、くせ取り弁８の弁開度を微調節し、各バーナの燃焼空気の圧力を均一化することにより各バーナに流れる燃焼空気流量が同じになるようにバランス調節を行っている。

同様に各蓄熱式バーナの蓄熱体に接続されている排ガス配管２１のすべての圧力取出口１１に図示していない微差圧計を接続し、排ガスを流した時の圧力をみながら、くせ取り弁９の弁開度を微調整し、各バーナの排ガスの圧力を均一化することで、各バーナに流れる排ガス流量が同じになるようにバランス調整を行っている。燃焼空気用くせ取り弁８と排ガス用くせ取り弁９の弁開度を調節することにより、各蓄熱式バーナ間の蓄熱体を通過する燃焼空気量と高温の排ガス流量のバランスがとれ、蓄熱式バーナ単体において最適な排熱回収効率で運転できる。

特開２００３−３０２０４４号公報

蓄熱式バーナ加熱炉は、立ち上げた後、操業を続けるうちに蓄熱体(セラミックボール)の汚れ、損耗等の経年劣化により系の圧損が変わって各蓄熱式バーナ間で蓄熱体を通過する燃焼空気流量及び排ガス流量のバランスが崩れる。その結果、蓄熱式バーナ単体でみると、蓄熱体を通過する燃焼空気と排ガスの相対的な流量バランスが崩れ、蓄熱体を介した排ガスによる燃焼空気への熱交換のバランスが崩れ、排熱回収効率の悪い蓄熱式バーナが存在することになる。

また、前述の蓄熱体の汚れ、損耗等の経年劣化に起因する各蓄熱式バーナ間での燃焼空気及び排ガス流量のバランス崩れ、その結果として蓄熱式バーナ単体における蓄熱体を通過する燃焼空気と排ガスの相対的な流量バランスの崩れにより各蓄熱式バーナ間でバーナ排ガス温度のばらつきが起こる。前記特許文献１に開示されているようなＰＢ率(プルバック率)による制御では、燃焼ゾーン内の蓄熱式バーナのバーナ排ガス温度のなかで一番高い排ガス温度を抽出し、その温度が燃焼ゾーンの蓄熱式バーナの蓄熱体で所定の熱交換が行われた場合のバーナ排ガス温度（バーナ排ガス目標温度）となるように必要な排ガス流量が決定されるため、各蓄熱式バーナ間での排ガス温度のばらつきが大きくなると、所定の熱交換に必要な排ガス流量が得られず、排熱回収効率の悪い蓄熱式バーナが存在することになる。

上記の理由より排熱回収効率の悪い蓄熱式バーナが存在することになる結果として、蓄熱式バーナ加熱炉全体の排熱回収効率が低下し、燃料原単位の悪化につながる。

これらを回避するためには、定期的なくせ取り弁の弁開度調節の実施が必要となる。しかしながら、くせ取り弁の弁開度調節は、全て手作業で行われるために人手、時問を要している。

そこで、本発明は、蓄熱式バーナ加熱炉において、各蓄熱式バーナの蓄熱体出側の排ガス流量の調節を人手、時間をかけずに自動的に行うことができる蓄熱式バーナ加熱炉の操業方法及び蓄熱式バーナ加熱炉を提供するものである。

本発明の蓄熱式バーナ加熱炉の操業方法は、蓄熱体を内蔵し、交互に燃焼させる蓄熱式バーナを一対以上設けた蓄熱式バーナ加熱炉の操業方法において、各蓄熱式バーナの蓄熱体出側に接続された排ガス配管内の排ガス温度を検出し、検出された温度に基づいて各蓄熱式バーナの前記排ガス温度が均一になるように各蓄熱式バーナの蓄熱体出側の排ガス温度の目標値を演算し、演算結果に基づいて排ガス配管に設けられた自動温度調節弁の弁開度の調節を行うことを特徴とする。

また、本発明の蓄熱式バーナ加熱炉は、蓄熱体を内蔵し、交互に燃焼させる蓄熱式バーナを一対以上設けた蓄熱式バーナ加熱炉において、各蓄熱式バーナの蓄熱体出側に接続された排ガス配管に排ガス温度を調整する自動温度調節弁と該自動温度調節弁の蓄熱式バーナ側に排ガス配管内の排ガス温度を検出する温度検出器とが設置され、前記温度検出器で検出した排ガス温度を取り込んで各蓄熱式バーナの排ガス温度を均一になるように各蓄熱式バーナの蓄熱体出側の排ガス温度の目標値を演算し、演算結果に基づいて自動温度調節弁の弁開度調節信号を出力する温度制御装置を備えたことを特徴とする。

本発明は、各蓄熱式バーナの蓄熱体出側の排ガス温度が均一となるように排ガス温度の目標値を演算して自動温度調節弁の弁開度が自動的に調節されるので、手間、時間をかけずに各蓄熱式バーナ間の排ガス温度が調節可能となって排ガス温度が均一化でき、その結果、燃料原単位悪化を抑制することが可能となる。

燃料原単位の向上によりランニングコストの削減が可能となる。また、これまで手動で行ってきたくせ取り弁の開度調整を自動化することによりメンテナンス作業性が向上する。

本発明における蓄熱式バーナの蓄熱体出側の排ガス配管を示す図である。 従来の排ガス流量調節、燃焼空気流量調節をするための手動弁（くせ取り弁）の設置を示す図である。 従来の蓄熱式バーナ加熱炉の一例を示す概略図である。

本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明における蓄熱式バーナの蓄熱体出側の排ガス配管を示す図である。

図１において、蓄熱式バーナ加熱炉の蓄熱式バーナ１に接続されている排ガス配管１３に、温度制御装置１６の弁開度調節信号により自動的に弁開度が調節されるくせ取り用自動調節弁１４が配置され、このくせ取り用自動調節弁１４の下流側に排ガス切替弁４が配置されている。

排ガス配管１３には、くせ取り用自動調節弁１４の上流側（蓄熱式バーナ側）に排ガス温度を検出する温度検出器１５が設置されている。温度検出器１５の測定信号１７は温度制御装置１６へ入力される。くせ取り用自動調節弁１４は、温度制御装置１６から出力される弁開度指令信号１８により弁開度が調節される。

次に、くせ取り用自動調節弁１４の制御について説明する。
温度制御装置１６には、温度検出器１５で測定された各蓄熱式バーナの排ガス配管１３を通過する排ガスの温度測定信号１７が入力される。

温度制御装置１６では、以下のステップにて、排ガス温度均一化の目標値を決定し、くせ取り用自動調節弁１４の開度を調整する。

ステップ１：各蓄熱式バーナの排ガス温度でバーナの燃焼／蓄熱（バーナによっては蓄熱／燃焼）の１サイクル中の最大温度Ｔｎ（ｍａｘ）（ｎは、燃焼ヅーン内の蓄熱式バーナの本数）を抽出する。

ステップ２：ステップ１で求めた各蓄熱式バーナの排ガス温度の最大温度Ｔｎ（ｍａｘ）の平均値Ｔｓｖを演算する。

ステップ３：平均値Ｔｓｖを次サイクルの各蓄熱式バーナの排ガス最大温度Ｔｎ（ｍａｘ）の目標値として、開度指令信号１８をくせ取り用自動調節弁１４へ送り、弁開度を調節する。

このくせ取り用自動調節弁１４の開度調整は、蓄熱式バーナの燃焼／蓄熱（バーナによっては蓄熱／燃焼）の１サイクル時間単位で行われる。

以下、本発明を適用した時の一例を示す。
被加熱材は、厚み２５０ｍｍ×巾１，５００ｍｍ×長さ２，３００ｍｍの鋼片で、炉温は、約１２００°Ｃである。

加熱炉は、燃焼ゾーンが予熱帯上部および下部、第一加熱帯上部および下部、第二加熱帯上部および下部、均熱帯上部および下部の合計８ゾーンからなり、各燃焼ゾーンとも被加熱材進行方向の両側（炉壁）に蓄熱式バーナを対向して４対ずつ設置されている。

表１に、設備立ち上げ時及び本発明を適用しない場合と適用した場合のプルバック率（平均）、熱効率、燃料原単位悪化率の一例を示す。

ここで、プルバック率（平均）とは、各燃焼ゾーンにて発生した排ガス量のうち、蓄熱式バーナで吸引する排ガス量の割合の全燃焼ゾーンの平均値である。

これは、蓄熱体の汚れ、経年劣化によって、各バーナ間の排ガス流量のバランスが崩れた場合、燃焼ゾーンに存在するバーナの中に排ガス温度の極端に高いバーナが存在し、そのバーナの排ガス温度が燃焼ゾーンの蓄熱式バーナの蓄熱体で所定の熱交換が行われた場合のバーナ排ガス温度（バーナ排ガス目標温度）となるように排ガス流量、すなわち、プルバック率を決定するため、徐々にその率が下がり、各燃焼ゾーンの蓄熱式バーナで吸引される排ガス流量が少なくなる。

そのため、蓄熱式バーナの蓄熱体における熱交換効率(排ガスと燃焼空気間の熱交換の効率)が低下、すなわち加熱炉全体の熱効率｛（燃料熱量−炉からの排出熱量）／燃料熱量｝が下がり、その分だけ、燃料原単位が悪化する。(表1の（Ｂ）欄を参照)本発明を適用した場合、前述の各バーナ間のガス流量のアンバランスが小さくなり、各バーナの排ガス温度も平均化されるため、プルバック率が極端に低下することがなく、熱効率の低下、および燃料原単位悪化を最小化できた（表１の（Ｃ）欄を参照）。

１：蓄熱式バーナ
２：蓄熱体
３：燃料切替弁
４：排ガス切替弁
５：燃焼空気切替弁
６：排ガス流量調節弁
７：燃焼空気流調弁
８：くせ取り弁（燃焼空気用）
９：くせ取り弁（排ガス用）
１０：圧力取り出し口（燃焼空気用）
１１：圧力取り出し口（排ガス用）
１３：排ガス配管
１４：くせ取り用自動調節弁
１５：温度検出器
１６：温度制御装置
１７：排ガス温度測定信号
１８：弁開度指令信号
１９：燃料配管
２０：燃焼空気配管
２１：排ガス配管

ステップ１：各蓄熱式バーナの排ガス温度でバーナの燃焼／蓄熱（バーナによっては蓄熱／燃焼）の１サイクル中の最大温度Ｔｎ（ｍａｘ）（ｎは、燃焼ゾーン内の蓄熱式バーナの本数）を抽出する。

そのため、蓄熱式バーナの蓄熱体における熱交換効率(排ガスと燃焼空気間の熱交換の効率)が低下、すなわち加熱炉全体の熱効率｛（燃料熱量−炉からの排出熱量）／燃料熱量｝が下がり、その分だけ、燃料原単位が悪化する (表1の（Ｂ）欄を参照)。本発明を適用した場合、前述の各バーナ間のガス流量のアンバランスが小さくなり、各バーナの排ガス温度も平均化されるため、プルバック率が極端に低下することがなく、熱効率の低下、および燃料原単位悪化を最小化できた（表１の（Ｃ）欄を参照）。

１：蓄熱式バーナ
２：蓄熱体
３：燃料切替弁
４：排ガス切替弁
５：燃焼空気切替弁
６：排ガス流量調節弁
７：燃焼空気流調弁
８：くせ取り弁（燃焼空気用）
９：くせ取り弁（排ガス用）
１０：圧力取り出し口（燃焼空気用）
１１：圧力取り出し口（排ガス用）
１２：微差圧計
１３：排ガス配管
１４：くせ取り用自動調節弁
１５：温度検出器
１６：温度制御装置
１７：排ガス温度測定信号
１８：弁開度指令信号
１９：燃料配管
２０：燃焼空気配管
２１：排ガス配管

Claims (2)

1. 蓄熱体を内蔵し、交互に燃焼させる蓄熱式バーナを一対以上設けた蓄熱式バーナ加熱炉の操業方法において、各蓄熱式バーナの蓄熱体出側に接続された排ガス配管内の排ガス温度を検出し、検出された温度に基づいて各蓄熱式バーナの前記排ガス温度が均一になるように各蓄熱式バーナの蓄熱体出側の排ガス温度の目標値を演算し、演算結果に基づいて排ガス配管に設けられた自動温度調節弁の弁開度の調節を行うことを特徴とする蓄熱式バーナ加熱炉の操業方法。
2. 蓄熱体を内蔵し、交互に燃焼させる蓄熱式バーナを一対以上設けた蓄熱式バーナ加熱炉において、各蓄熱式バーナの蓄熱体出側に接続された排ガス配管に排ガス温度を調整する自動温度調節弁と該自動温度調節弁の蓄熱式バーナ側に排ガス配管内の排ガス温度を検出する温度検出器とが設置され、前記温度検出器で検出した排ガス温度を取り込んで各蓄熱式バーナの排ガス温度が均一になるように各蓄熱式バーナの蓄熱体出側の排ガス温度の目標値を演算し、演算結果に基づいて自動温度調節弁の弁開度調節信号を出力する温度制御装置を備えたことを特徴とする蓄熱式バーナ加熱炉。

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