JP2013032884A - リジェネレイティブバーナ - Google Patents

Abstract

【課題】 高燃焼効率、低ＮＯｘといった特長を損なわず、かつ火炎の直進性を確保しながらも小型化が可能なリジェネレイティブバーナを提供する。
【解決手段】 バーナタイル２と蓄熱体９を収納した蓄熱室３とを備えた少なくとも一対のリジェネバーナ本体１が、一定時間ごとに燃焼と排気とを交番して行うリジェネレイティブバーナにおいて、バーナタイル２はその中央に一端を炉内に開口された中央ポート４を有し、リジェネバーナ本体１に燃料を供給する燃料供給管６が、バーナタイル２の側面から挿入され、その先端が中央ポート４の他端に接続されて、中央ポート４の他端から燃料を供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加熱炉、焼入炉、鍛造炉、熱処理炉、取鍋予熱装置その他に用いられるバーナに関し、特にリジェネレイティブバーナに関する。

リジェネレイティブバーナ（以下、適宜「リジェネバーナ」と略記する。）は、蓄熱媒体を有する２台のバーナを一対として、炉内ガスと燃焼空気を交互に流し高温空気として廃熱を回収し、燃焼効率の改善を図った交番燃焼方式のバーナ装置である。近年では改良が進み、より高い熱効率を目指したものや、メンテナンスの容易性を追求したものなど高性能化が進んでいる。たとえば特許文献１では、炉内ガスの通路を工夫することにより、炉内温度分布の均一化を実現したリジェネバーナが提供されている。

特開２００７―３０３６号公報

しかし、リジェネバーナは、２台一組のバーナや炉内ガスと燃焼空気の切替装置を必要とすることから、これを装備した工業炉は従来のものに比べ設備が大型化する。

また、製品の品質を均一化するために、炉内の温度分布の精度が要求される一般の熱処理炉等において、直進性に優れたシャープな炎は炉内のガスを撹拌する効果があり、温度分布の均一化には望ましいとされる反面、直進性のある炎にするためには、燃料供給部をバーナの中心軸方向に配置する必要があり、高温炉内ガスが通過するエアーレジスタや蓄熱室の内部を貫通させる必要がある。また、燃料供給部の加熱を防ぐため、冷却空気の投入や断熱材のライニングが必要である。このことにより、構造の大型化は避けられない。そのため、燃焼効率に優れたリジェネバーナの小型化は難しく、小型炉への導入が困難であるという問題がある。

一方、火炎の直進性を上げると燃焼効率の上昇により火炎が高温化してＮＯｘの生成率を増加させてしまうため、リジェネバーナにおいて、ＮＯｘの生成を抑えるためには、より燃焼性の低い緩慢燃焼をさせる必要がある。このため、低ＮＯｘ型のリジェネバーナにおいては、火炎の直進性を犠牲にせざるをえなくなるという問題もある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、高燃焼効率、低ＮＯｘといった特長を損なわず、かつ火炎の直進性を確保しながらも小型化が可能なリジェネレイティブバーナを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係るリジェネレイティブバーナは、バーナタイルと蓄熱体を収納した蓄熱室とを備えた少なくとも一対のバーナが、一定時間ごとに燃焼と排気とを交番して行うリジェネレイティブバーナにおいて、前記バーナタイルはその中央に一端を炉内に開口された中央ポートを有し、前記バーナに燃料を供給する燃料供給管が、前記バーナタイルの側面から挿入され、その先端が前記中央ポートの他端に接続されて、当該他端から燃料を供給することを特徴とする。

これにより、燃料供給管が、蓄熱室を通過することなくバーナタイルの側面から挿入されるため、燃料供給管が高温にさらされなくなり、保護部材が不要となる。その結果、リジェネバーナ本体を大幅に小型化することが可能となるだけでなく、燃料供給管の耐久性も飛躍的に向上する。また、燃料がバーナタイルの中央部に供給され、火炎の中央から噴射されることにより、直進性に優れた火炎が形成される。

ここで、前記燃料供給管は、前記バーナタイルの側面から直角または斜角をなして挿入されることが好ましい。

これにより、燃料供給管の構造をさらに単純化して、本体のさらなる小型化を図ることができる。

さらに、前記バーナタイルと前記蓄熱室との間に、排気時に前記バーナタイルを介して蓄熱室に流入する炉内ガスを整流するとともに、前記蓄熱体を前記蓄熱室内に保持する整流板を備えることが好ましい。

これにより、整流板が蓄熱室に流入する炉内ガスの流れを均一にするとともに、蓄熱体を蓄熱室内に保持する役目も果たすため、熱交換効率を向上させるだけでなく、蓄熱室の形状や配置に柔軟性をもたせて、本体のさらなる小型化を図ることが可能となる。

上述のとおり、本発明によれば、燃料供給管をバーナタイルの側面に配置して、燃料をバーナタイルの中央に直線的に供給することにより、コンパクトで火炎の直進性に優れたリジェネバーナが実現する。さらに、蓄熱室とバーナタイルとの間に整流板を配置することにより、排気時の熱効率を向上させることができるとともに、蓄熱体の形状および配置を合理化して、リジェネバーナの本体をさらにコンパクトにすることができる。ひいては、小型化と燃料供給管の長寿命化による運用コストの低減を図ることも可能となる。

本発明に係るリジェネバーナの中央縦方向の断面概略図である。 燃料供給管の取り付け例の概略図である。 （ａ）は整流板がない場合の排気時の炉内ガスの流れを示す図であり、（ｂ）は整流板がある場合の排気時の炉内ガスの流れを示す図である。

本発明の実施の形態について、まずその構成例を図に従って説明する。

図１は本実施形態に係るリジェネバーナの断面を概略的に示したものである。
リジェネバーナ本体１は、大別して、炉内に臨むバーナタイル２とこれに近接して配置された蓄熱室３から構成されており、本図のように炉壁２０に挿入して設置される。このとき、バーナタイル２が炉内に露出する。なお、リジェネバーナ本体１は交番用に２台を一対として設置する必要がある。

本構成例では、構造を単純なものとするために、リジェネバーナ本体１の概形を円柱とし、バーナタイル２をリジェネバーナ本体１の当該円柱の端部に充填するように配置している。よって、バーナタイル２も円柱形であり、その中心軸は本体の中心軸と一致する。以下、「軸」とは、バーナタイル２の円柱形の中心軸をいう。

バーナタイル２は、中央ポート４、通気孔５ａおよび通気孔５ｂを有し、燃料供給管６とパイロットバーナ７とが取り付けられている。

中央ポート４は、軸に沿ってバーナタイル２に直線状に穿たれた孔であり、バーナタイル２の炉内に臨む端面の中央を、炉側から軸に沿って円柱形にくりぬき、その端面をさらに同軸の円錐形にくりぬいた上で、その円錐の先端部分から、さらにバーナタイル２の内部に向かって穿たれている。そしてその炉と反対側の端部は、燃料供給管６の先端に接続されている。なお、中央ポート４は軸上にあるため、その向きはバーナタイル２の炉内に臨む面に対して垂直である。

通気孔５ａおよび通気孔５ｂはいずれもバーナタイル２に設けられた直線状の孔であり、バーナタイル２を、蓄熱室３に臨む端面から炉側に向かって貫通している。通気孔５ａは軸と斜角をなし、また、通気孔５ｂは軸と平行である。これらはいずれも複数設けられている。

給排気口８ａおよび給排気口８ｂは、それぞれ通気孔５ａおよび通気孔５ｂの炉側の開口部である。これらも通気孔５ａおよび通気孔５ｂにあわせて複数設けられている。給排気口８ａは中央ポート４が穿たれた円錐の側面上に、前記円柱の端面の円周に沿って一定の間隔をおきつつ各口の配置が対称となるよう開口されている。また、給排気口８ｂは炉との接面上に、中央ポート４を中心とする円周に沿って一定の間隔をおきつつ各口の配置が対称となるよう開口されている。

バーナタイル２には、燃料供給管６が側面から挿入され、その先端が軸上で中央ポート４の前記端部に接続されている。本構成例では、燃料供給管６の全長をより短くするために、軸に直角に挿入しているが、図２に示すように挿入の角度は斜角であってもよい。
パイロットバーナ７は、バーナタイル２の側面に穿たれた孔に挿入されている。この孔は、燃料ポート４の開口部の周囲にくりぬかれた前記円柱の側面に開口されている。
本構成例において、蓄熱室３は、バーナタイル２に隣接し、リジェネバーナ本体１の内部において、バーナタイル２が充填されていない円柱形の残りの部分全体を占有するように配置されている。したがって、蓄熱室３も円柱形であり、これを通過する燃焼用空気および炉内ガスは、円柱の一方の端面から流入し、他方から流出する。

蓄熱室３の内部は、ほぼ円筒形の空洞になっており、その中に蓄熱体９が格納されている。バーナタイル２に臨む円筒形の端部には、空洞の中心軸に垂直な断面全体を覆うように整流板１０が配置され、他端には、燃焼時にリジェネバーナ本体１の外部から燃焼用空気を供給し、排気時に炉内の燃焼済みガスを外部に排出するための燃焼空気口１１が設けられている。さらに、蓄熱室３の側面には、蓄熱体９の交換や清掃を行うための蓄熱体入出口１２が設けられている。

バーナタイル２と蓄熱室３との間にはエアーレジスタ１３が設けられている。本構成例では、リジェネバーナ本体１を小型化するために独立したエアーレジスタ部を廃しており、エアーレジスタ１３は、バーナタイル２の蓄熱室３に臨む端面の一部を抉り取って空隙を設け、これに蓄熱室３の円筒形の壁面の一部をつなぎ合わせて形成している。なお、通気孔５ａおよび通気孔５ｂの蓄熱室３側の端部はエアーレジスタ１３内に開口されている。

次に、このような構成を有するリジェネバーナがどのように機能するかについて説明する。

本構成例では二段燃焼法を採用している。これは、燃料に段階的に燃焼用空気を供給して燃焼速度を抑制し、火炎の高温化を防止してＮＯｘの生成を抑制するものである。

燃焼の際、燃料はリジェネバーナ本体１の外部から燃料供給管６に供給され、その先端から中央ポート４を介して炉内に噴射される。このとき、燃料が直線形状の中央ポート４を通過することにより、その噴出方向が整えられる。また、燃料の噴射速度は中央ポート４の形状および径の大きさに関係することから、中央ポート４の形状および径の大きさを適正に設定しておくことで、燃料の噴射速度も適正値に調整されている。燃料供給管６が軸に対していかなる角度でバーナタイル２に挿入されていても、燃料は中央ポート４を通過することとなるため、燃料の噴射の方向および直進性は損なわれず、また適正な噴射速度に調節されることから燃焼のタイミングも一定に保たれる。この結果、高い燃焼効率と火炎の直進性が確保される。

中央ポート４から軸方向に噴射された燃料は、まず、給排気口８ａから供給される燃焼用空気と混合され、パイロットバーナ７により点火されて第一段階目の燃焼が開始する。

次に、炉内に進入した燃料は給排気口８ｂから供給される燃焼用空気とさらに混合されて、本格的な第二段階目の燃焼が進行する。このような二段燃焼により、燃料の急激な燃焼による火炎の温度上昇が抑制されるため、ＮＯｘの発生を低下させることができる。

なお、給排気口８ａから供給される燃焼用空気は軸方向に対して斜角をなして入射するが、斜角は小さく、また各給排気口８ａが中央ポート４の開口部に対して互いに対称に配置されているため入射速度の軸に対する垂直成分は相殺する。よって、燃料の直進性が損なわれることはない。

また、給排気口８ａおよび給排気口８ｂから供給される燃焼用空気は、いずれも直線形状を有する通気孔５ａおよび通気孔５ｂをそれぞれ通過することにより、燃料と同様に直進性が確保されている。このため、給排気口８ａから供給される燃焼用空気の流れは、軸に平行な速度成分により点火直後の燃料の流れの直進性を補う働きがある。さらに、給排気口８ｂから供給される燃焼用空気の流れは、炉内において、軸方向に直線的に噴射される燃料の周囲をこれと平行にとり囲みつつ、十分に直進性を保ったまま燃料と混合されることにより、火炎全体の直進性に寄与している。

このようにして、バーナタイル２の中央から直線的に供給される燃料に、燃焼用空気がその直進性を損なうことなく段階的に送り込まれることにより、軸に対称で直進性に優れた火炎が形成される。

リジェネバーナは、一対のバーナが燃焼と排気とを交番して行い、一方が燃焼を行う間、他方は炉内の燃焼済みガスを排気し、これが帯びる熱をバーナ本体内部の蓄熱室に蓄える。そして、燃焼時に燃焼用空気を蓄熱室に通して予熱することにより、廃熱を回収し、燃焼効率の改善を実現する。

独立したエアーレジスタ部を廃すると、排気に際し、炉内ガスが蓄熱室３に一様に流入しにくくなり、熱交換率が低下するおそれがある。そこで、本構成例では、整流板１０をバーナタイル２と蓄熱室３との間に配置している。これにより、排気時に、通気孔５ａおよび通気孔５ｂからエアーレジスタ１３に流入した炉内ガスを整流し、均一な流れにした後、蓄熱室３内へと導いている。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、整流板１０の有無により、排気時における炉内ガスの流れが変わる様子を簡略化して示したものである。これらの図において、矢印は炉内ガスの流れを表す。

図３（ａ）は、整流板１０を配置しない場合である。エアーレジスタ１３の端部から流入した炉内ガスは、そのまま蓄熱室３に流入するため、大半が蓄熱室３の外周部を通過し、蓄熱室の内部にある蓄熱体９（本図において、およそ影を付した部分）まで行き渡らない。したがって、蓄熱体９の一部は熱交換が十分になされず、熱効率が低下することとなる。

これに対し図３（ｂ）では、整流板１０により、エアーレジスタ１３の端部から流入した炉内ガスが整流板１０の全面に一様に拡散してから蓄熱室３に入る。これにより炉内ガスが内部の蓄熱体９を満遍なく通過し、無駄のない熱交換がされることとなる。

この整流板１０は、さらに、蓄熱室３内の蓄熱体９を内部に保持する効果も果たす。よってこれを用いれば、蓄熱室３の形状によらず、任意の方向から炉内ガスを入室させることができ、かつ流路にあわせて内部の蓄熱体９を合理的かつ効率的に配置することができる。これにより、蓄熱室３自体の形状や配置も自由となるため、リジェネバーナ本体１自体の小型化にも寄与することとなる。本構成例では、バーナタイル２に隣接させて蓄熱室３を配置し、その側面から炉内ガスを入室させることにより、リジェネバーナ本体１を小型化している。

このように、本実施の形態に係るリジェネバーナは、燃料供給管６を側面から挿入することにより、本体の大幅なコンパクト化を実現すると同時に、燃料供給管６自体の耐久性を飛躍的に高め、メンテナンスコストを節減することができる。また、整流板１０をバーナタイル２と蓄熱室３の間に設けることにより、蓄熱体９の熱交換効率を低下させることなく、炉内ガスの流路と蓄熱室３の配置を合理化して、本体のさらなるコンパクト化を実現している。さらに、燃料供給管６からバーナタイル２の中央に、中央ポート４を介して噴射の直進性を維持したまま燃料が供給されることにより、ＮＯｘの発生を低減する二段燃焼を行いつつ、火炎の直進性をも確保している。これらにより、高効率かつ低ＮＯｘという本来の特長を損なうことなく、リジェネバーナ本体１を小型化して小規模で経済的な高性能工業炉も実現することができる。そして、ひいては、現在遅れている小型設備や熱処理炉へのリジェネバーナの普及を促進させることも可能となる。

以上、本発明に係るリジェネバーナについて実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の目的を達成できかつ発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々設計変更が可能であり、それらも全て本発明の範囲内に包含されるものである。

たとえば、バーナタイル２の形状は必ずしも円柱である必要はなく、長手方向に中心軸を有する多角柱であってもよい。

また、燃料供給管６は、その一部がバーナタイル２の軸上に達しているかぎり直線形状である必要はなく、たとえば、弧状であってもよい。

さらに、本実施の形態は、内部構造のコンパクト化を通じてリジェネバーナを小型化するものであるが、リジェネバーナを必ずしも小型にする必要はない。すなわち、独立したエアーレジスタを有する従来型の大容量バーナに応用して、火炎の直進性を確保しつつ、内部構造を合理化したリジェネバーナとして構成してもよい。

本発明は、加熱炉、焼入炉、鍛造炉、熱処理炉、取鍋予熱装置等のリジェネバーナとして広く利用することができ、特に中小企業向けの小型炉や熱処理炉のリジェネバーナとして好適である。

１ リジェネバーナ本体
２ バーナタイル
３ 蓄熱室
４ 中央ポート
５ａ，５ｂ 通気孔
６ 燃料供給管
７ パイロットバーナ
８ａ，８ｂ 給排気口
９ 蓄熱体
１０ 整流板
１１ 燃焼空気口
１２ 蓄熱体入出口
１３ エアーレジスタ
２０ 炉壁

Claims (3)

1. バーナタイルと蓄熱体を収納した蓄熱室とを備えた少なくとも一対のバーナが、一定時間ごとに燃焼と排気とを交番して行うリジェネレイティブバーナにおいて、
   前記バーナタイルはその中央に一端を炉内に開口された中央ポートを有し、
   前記バーナに燃料を供給する燃料供給管が、前記バーナタイルの側面から挿入され、
   その先端が前記中央ポートの他端に接続されて、当該他端から燃料を供給する
   ことを特徴とするリジェネレイティブバーナ。
2. 前記燃料供給管は、前記バーナタイルの側面から直角または斜角をなして挿入される
   ことを特徴とする請求項１記載のリジェネレイティブバーナ。
3. 前記バーナタイルと前記蓄熱室との間に、排気時に前記バーナタイルを介して蓄熱室に流入する炉内ガスを整流するとともに、前記蓄熱体を前記蓄熱室内に保持する整流板を備えることを特徴とする請求項１または２記載のリジェネレイティブバーナ。