JP2015535332A

JP2015535332A - 加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置

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Abstract

従来の単一の酸化剤である空気中の窒素（Ｎ２）の増加によりＮＯ２の排出が増加したのとは異なって、投入される燃料の酸化剤である空気と共に、別途に酸素を供給してＮＯＸの発生を減少させることができる加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置に関し、内部の燃焼チャンバに加熱素材が受容される加熱炉と、前記加熱炉に設置されて、燃料と空気の供給を受けて、前記加熱炉の燃焼チャンバに燃焼させるバーナーと、前記バーナーに燃料を供給する燃料供給ラインと、前記バーナーに空気を供給する空気供給ラインと、前記加熱炉の燃焼チャンバの内部に酸素を直接に供給する酸素供給ラインと、前記燃料供給ライン、空気供給ライン、及び酸素供給ラインとそれぞれ連結され、前記燃焼チャンバの内部の雰囲気温度が受信され、変換しようとする目標温度に到達するように前記バーナー及び加熱炉の燃焼チャンバにそれぞれ供給される燃料と酸化剤である空気及び酸素の流量をそれぞれ制御する燃焼制御部と、を含めて構成される。【選択図】図３

Description

本発明は、加熱炉内部の燃焼チャンバに加熱素材が収容された後、加熱炉に設置されたバーナーに燃料及び酸化剤が供給され、燃焼チャンバで燃焼される際、燃焼チャンバの温度設定によって燃料及び酸化剤の供給流量を自動的に制御できる加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置に関する。

一般的に鉄鋼工程において、加熱炉は、加熱素材、例えば、スラブ、ブルーム、ビレットなどを、後工程における圧延が可能になるように均一に加熱してくれる設備である。このような加熱炉は、通常、予熱台、加熱台、均熱台からなり、その各々は素材の抽出目標温度と盧内の滞留時間を考慮して雰囲気温度を設定してくれる。

盧内の雰囲気温度を合わせるために、バーナーを通じて燃料と酸化剤である空気を注入して、盧内で燃焼させ、雰囲気温度を合わせてくれる。この場合、熱源として使用される燃料は、通常、一般の製鉄所ではＣＯＧ（ＣｏｋｅＯｖｅｎＧａｓ）と高炉から発生するＢＦＧ（ＢｌａｓｔＦｕｒｎａｃｅＧａｓ）、ＬＤＧ（ＬｉｎｚＤｏｎａｖｉｔｚＧａｓ）またはＬＮＧ（ＬｉｑｕｉｆｉｅｄＮａｔｕｒａｌＧａｓ）を混合して使用する。この際、投入される燃料に比例して空気量を理論空然比に合わせて、該当燃料の完全燃焼が行われるように制御しなければならない。

つまり、燃料中に含まれている炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）との反応のために、空気中の酸素（Ｏ_２）が要求され、これために、通常、バーナー（ｂｕｒｎｅｒ）を通じて燃料と空気を供給することにより燃焼反応が起きるようにする。その際に供給される空気量が過大であれば、燃焼ガス量が増加し、排気ガスからエネルギー損失が増加し、燃焼温度が低下し、加熱能力が低下してしまうため、熱効率が減少し、空気中の窒素（Ｎ_２）の増加によりＮＯ_Ｘの排出も増加することになる。逆に、供給される空気が過少であれば、燃料の不完全燃焼による損失が増加し、燃焼効率、つまり、化学エネルギーから熱エネルギーへの変換比率が低下すると同時に、一酸化炭素、未然炭化水素などの排出が増加するようになる。

ただし、盧内に投入される燃料の完全燃焼のために供給される実際の空気量は、該当燃料の理論空然比よりも少し追加に供給することになるが、これは燃焼反応時に燃料の実質的な完全燃焼を確保するために、空気中の酸素量が追加に必要である理由である。つまり、追加に必要な酸素量を含む実際に投入される空気比を過剰空気比（ｕ）と言うが、理論空然比に該当する理論空気量（Ａ_ｏ）に過剰空気比（ｕ）を乗じた値が実際に盧内に投入される空気量になる。

例えば、特定加熱素材の理論空然比が燃料台の理論空気量（Ａ_ｏ）の比率が１対１０と仮定すると、供給される燃料量１に空気量１０を供給すれば、理論上完全燃焼が起きなければならない。しかし、実際には、理論空気量（Ａ_ｏ）のみ投入される場合、燃料の完全燃焼が起きないので、追加されるべき酸素量に備えた空気量がさらに必要となる。したがって、供給される燃料量１に対する完全燃焼のために、実際に投入されなければならない空気量は、理論空気量（Ａ_ｏ）に過剰空気比（ｕ）を乗じた値になる。つまり、理論空気量（Ａ_ｏ）が１０であり、過剰空気比（ｕ）が１．２であるとしたら、実際に投入される空気量は１２になってこそ、燃料量１の完全燃焼が起こるのである。

上述した従来技術による加熱炉の燃焼制御装置が図１及び２に示されている。
図１に示すように、従来の加熱炉の燃焼制御装置は、内部の燃焼チャンバ１ａに加熱素材（未図示）が受容される加熱炉１と、前記加熱炉１に設置されて、燃料と空気の供給を受けて前記加熱炉１の燃焼チャンバ１ａに燃焼させるバーナー２と、前記バーナー２に燃料を供給する燃料供給ライン３と、前記バーナーに空気を供給する空気供給ライン４と、前記燃料供給ライン３及び空気供給ライン４とそれぞれ連結され、前記燃焼チャンバ１ａの内部の雰囲気温度が受信され、変換しようとする目標温度に到達するように、前記バーナー２に供給される燃料及び空気のそれぞれの流量を制御する燃焼制御部５と、を含めて構成される。

前記加熱炉１には、燃焼チャンバ１ａの内部の雰囲気温度を感知できるよう、普通は２つの温度感知センサーが設置され、このような温度感知センサーによって感知された２つの信号を平均温度にして、加熱炉１の燃焼チャンバ１ａの内部の雰囲気温度とする。燃焼制御部５は、前記燃焼チャンバ１ａの雰囲気温度が受信され、変換しようとする目標温度に到達するように、バーナー２に供給される燃料及び空気のそれぞれの流量を制御するものである。

燃焼制御部５の燃焼制御の過程を、図２を参照すれば、燃焼制御部５は、前記燃焼チャンバ１ａの雰囲気温度が受信され、前記目標温度と比較して、温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）を出力する温度指示調節部１１と、前記温度指示調節部１１から前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）が受信され、燃料の増減量を決定する燃料増減選択部１２と、前記燃料増減選択部１２から決定された燃料の増減量に応じて、前記燃料供給ライン３から前記バーナー２に供給される燃料流量を調節する燃料流量指示調節部１３と、前記温度指示調節部１１から前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）が受信され、空気流量換算値［ｆ（ｘ１）］に変換して空気の増減量を決定する空気増減選択部１４と、前記空気増減選択部から決定された空気の増減量に応じて、前記空気供給ライン４から前記空気流量を調節する空気指示調節部１５を含めて構成される。この際、前記燃料増減選択部１２は、前記空気の増減量による燃料流量換算値［ｆ（ｘ２）］に対する信号が受信され、前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）によって決定された燃料の増減量をフィードバック制御し、前記空気増減選択部１５は、前記燃料の増減量による空気流量換算値［Ｆ（ｘ３）］に対する信号が受信され、前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）によって決定された空気の増減量をフィードバック制御する。

つまり、温度指示調節部１１によって出力された温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）は、加熱炉１の燃焼チャンバ１ａの雰囲気温度から変換しようとする目標温度の差値であって、雰囲気温度よりも目標温度が大きい場合（＋）、小さい場合（−）となり、その差異根を燃焼負荷を高めるか低めるかのことに帰結される。したがって、温度の設定値によって燃料流量の増減率と空気流量の増減率が決定されるのである。

上述した従来技術による加熱炉の燃焼制御装置は、燃料対空気によるダブル−クロス制御（ｄｏｕｂｌｅ−ｃｒｏｓｓｃｏｎｔｒｏｌｌ）であって、前述したように、投入される燃料に対して燃焼チャンバ１ａ内部で実質的な完全燃焼のために理論空気量（Ａ_ｏ）に過剰空気比（ｕ）だけ追加に空気量を投入しなければならない。追加に投入されなければならない空気量は、追加に必要な酸素量であるが、酸素とともに空気中の窒素（Ｎ_２）増加によりＮＯ_Ｘの排出も増加するという問題が発生する。

上記のような問題点を解決するために案出された本発明の目的は、従来の単一の酸化剤である空気中の窒素（Ｎ_２）の増加によりＮＯ_２の排出が増加したのとは異なって、投入される燃料の酸化剤である空気と共に、別途に酸素を供給してＮＯ_Ｘの発生を減少させることができる加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置を提供することにある。

特に、空気とは別に、酸化剤である酸素を投入する際、バーナーを通じて酸素を供給せず、加熱炉の燃焼チャンバの内部に酸素を直接に投入することで、燃料の完全燃焼を効率的に達成でき、輻射効率の増大により燃料を節減できる加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置を提供することにある。

一方、供給される燃料、空気、及び酸素の流量をそれぞれ自動制御することができるトリプル・クロス制御（ｔｒｉｐｌｅ−ｃｒｏｓｓｃｏｎｔｒｏｌｌ）を通じて、それぞれの燃料、空気、及び酸素の投入量などを最適にフィードバック制御できる加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置を提供することにある。

本発明のその他の目的、特定の長所及び新規の特徴は、添付された図面と関連された以下の詳細な説明及び望ましい実施例によって示される。

上記のような目的を達成するために、本発明に係る加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置は、内部の燃焼チャンバに加熱素材が受容される加熱炉と、前記加熱炉に設置されて、燃料と空気の供給を受けて、前記加熱炉の燃焼チャンバに燃焼させるバーナーと、前記バーナーに燃料を供給する燃料供給ラインと、前記バーナーに空気を供給する空気供給ラインと、前記加熱炉の燃焼チャンバの内部に酸素を直接に供給する酸素供給ラインと、前記燃料供給ライン、空気供給ライン、及び酸素供給ラインとそれぞれ連結され、前記燃焼チャンバの内部の雰囲気温度が受信され、変換しようとする目標温度に到達するように前記バーナー及び加熱炉の燃焼チャンバにそれぞれ供給される燃料と酸化剤である空気及び酸素の流量をそれぞれ制御する燃焼制御部と、を含めて構成される。

また、前記燃焼制御部は、前記燃焼チャンバの雰囲気温度が受信され、前記目標温度と比較して温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）を出力する温度指示調節部と、前記温度指示調節部から前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）が受信され、燃料の増減量を決定する燃料増減選択部と、前記燃料増減選択部から決定された燃料の増減量に応じて、前記燃料供給ラインから、前記バーナーに供給される燃料流量を調節する燃料流量指示調節部と、前記温度指示調節部から前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）が受信され、酸化剤の増減量を決定する酸化剤増減選択部と、前記酸化剤増減選択部から決定された酸化剤の増減量と、酸素流量設定値に応じて。前記空気及び酸素流量を相互連携して調節する酸化剤連携調節部を含み、前記燃料増減選択部は、前記酸化剤の増減量による燃料流量換算値［Ｆ（ｘ１）］に対する信号が受信され、前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）によって決定された燃料の増減量をフィードバック制御し、前記酸化剤増減選択部は、前記燃料の増減量による酸化剤流量換算値［Ｆ（ｘ２）］に対する信号が受信され、前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）によって決定された酸化剤の増減量をフィードバック制御することを特徴とする。

また、前記酸化剤の増減量による燃料の流量換算値［Ｆ（ｘ１）］は、［酸素流量現在値（Ｑ_{ｏ２＿ｐｖ}）／理論酸素量（Ａ_ｏ２）／過剰空気比（ｕ）］＋［空気流量現在値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｐｖ}）／理論空気量（Ａ_ｏ）／過剰空気比（ｕ）］であり、前記燃料の増減量による酸化剤流量換算値［Ｆ（ｘ２）］は、［燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）×理論空気量（Ａ_ｏ）×過剰空気比（ｕ）］であることを特徴とする。

また、前記酸化剤連携調節部は、前記酸化剤増減選択部から決定された酸化剤の増減量と、酸素流量設定値による空気流量換算値［Ｆ（ｘ３）］に変換して空気の増減量を決定する空気増減選択部と、前記空気増減選択部から決定された空気の増減量に応じて、前記空気供給ラインから前記バーナーに供給される空気流量を調節する空気流量指示調節部と、前記酸化剤増減選択部から決定された酸化剤の増減量と、酸素流量設定値による酸素流量換算値［Ｆ（ｘ４）］に変換して酸素の増減量を決定する酸素増減選択部と、前記酸素増減選択部から決定された酸素の増減量に応じて、前記酸素供給ラインから前記燃焼チャンバに供給される酸素流量を調節する酸素流量指示調節部と、を含み、前記空気増減選択部は、前記燃焼チャンバに供給される酸素の空気量換算値［Ｆ（ｘ５）］に対する信号が受信され、前記空気の増減量をフィードバック制御して、前記酸素増減選択部は、前記バーナーに供給する空気の酸素量換算値［Ｆ（ｘ６）］に対する信号が受信され、前記酸素の増減量をフィードバック制御することを特徴とする。

また、前記酸化剤の増減量と酸素流量設定値による空気流量換算値［Ｆ（ｘ３）］は、［温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）×燃料流量の最大値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｍａｘ}）−酸素流量設定値（Ｑ_{ｏ２＿ｓｖ}）／理論酸素量（Ａ_ｏ２）／過剰空気比（ｕ）］×理論空気量（Ａ_ｏ）×過剰空気比（ｕ）であり、前記酸化剤の増減量と酸素流量設定値による酸素流量換算値［Ｆ（ｘ４）］は、温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）×燃料流量の最大値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｍａｘ}）×酸素流量設定値（Ｑ_{ｏ２＿ｓｖ}）×理論酸素量（Ａ_ｏ２）×過剰空気比（ｕ）であり、前記燃焼チャンバに供給される酸素の空気量換算値［Ｆ（ｘ５）］は、［燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）−酸素流量現在値（Ｑ_{ｏ２＿ｐｖ}）／理論酸素量（Ａ_ｏ２）／過剰空気比（ｕ）］×理論空気量（Ａ_ｏ）×過剰空気比（ｕ）であり、前記バーナーに供給する空気の酸素量換算値［Ｆ（ｘ６）］は、［燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）−空気流量現在値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｐｖ}）／理論空気量（Ａ_ｏ）／過剰空気比（ｕ）］×理論酸素量（Ａ_ｏ２）×過剰空気比（ｕ）であることを特徴とする。

本発明に係る加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置は、従来の単一の酸化剤である空気中の窒素（Ｎ_２）の増加によりＮＯ_Ｘの排出が増加していたのとは異なって、投入される燃料の酸化剤である空気と共に、別途に酸素を供給してＮＯ_Ｘの発生を減少させることができる。

特に、空気とは別に、酸化剤である酸素を投入する際、バーナーを通じて酸素を供給せず、加熱炉の燃焼チャンバの内部に酸素を直接に投入することで、燃料の完全燃焼を効率的に達成でき、輻射効率の増大により燃料を節減することができる。

一方、供給される燃料、空気、及び酸素の流量をそれぞれ自動制御することができるトリプル・クロス制御（ｔｒｉｐｌｅ−ｃｒｏｓｓｃｏｎｔｒｏｌｌ）を通じて、それぞれの燃料、空気、及び酸素の投入量などを最適にフィードバック制御することができる。

従来技術による加熱炉の燃焼制御装置を示す概略説明図図１の実施例の燃焼制御の過程を示すブロック図本発明に係る加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置を示す概略説明図図３の実施例の燃焼制御の過程を示すブロック図

以下では、添付された図面を参考しながら、本発明に係る加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置の望ましい実施例について詳しく説明する。

本発明に係る加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置は、図３及び４に示すように、加熱炉１０、バーナー２０、燃料供給ライン３０、空気供給ライン４０、酸素供給ライン５０、及び燃焼制御部６０を含めて構成される。また、前記燃焼制御部６０は、温度指示調節部１００、燃料増減選択部２００、燃料流量指示調節部３００、酸化剤増減選択部４００、及び酸化剤連携調節部５００を含み、前記酸化剤連携調節部５００は、空気増減選択部５１０、空気流量指示調節部５２０、酸素増減選択部５３０、及び酸素流量指示調節部５４０を含む。

まず、本発明に係る加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置は、図３に示すように、内部の燃焼チャンバ１１に加熱素材（未図示）が受容される加熱炉１０が具備される。加熱炉１０の燃焼チャンバ１１に収容される加熱素材は、スラブ、ブルーム、ビレットなどであって、後工程で圧延が可能であるように前記加熱炉１０の燃焼チャンバ１１に入って加熱される。加熱炉１０の場合、通常、予熱台、加熱台、均熱台からなり、それぞれは加熱素材の抽出目標温度と滞留時間などを考慮して、燃焼チャンバ１１の内部に雰囲気温度に設定される。

バーナー２０は、図３に示すように、前記加熱炉１０に設置され、燃料と空気の供給を受けて、前記加熱炉１０の燃焼チャンバ１１に燃焼させる。バーナー２０によって燃料が燃焼し、火炎が起き、加熱炉１０の燃焼チャンバ１１の内部に収容された加熱素材は加熱される。前記バーナー２０に燃料及び空気が供給されるように、燃料供給ライン３０と空気供給ライン４０が設置される。

つまり、図３に示すように、燃料供給ライン３０は、前記バーナー２０に燃料を供給して、空気供給ライン４０は、前記バーナー２０に空気を供給する。燃料供給ライン３０と空気供給ライン４０を通じて、バーナー２０に供給される燃料及び空気の流量を調節するように、弁（未図示）が設置されるが、これは後述する燃焼制御部６０を通じて燃料及び空気の流量が制御される。

上述した加熱炉１０、バーナー２０、燃料供給ライン３０、及び空気供給ライン４０は、従来の一般的な加熱炉の燃焼制御装置と同一であり、燃料及び空気の流量のみを制御するダブル−クロス制御は広く知られている。本発明では、燃料の燃焼のための酸化剤である空気と共に、純粋な酸素を別途に供給して、後述する燃焼制御部６０が燃料の流量とともに空気及び酸素の連携制御をするトリプル・クロス制御を実現しようとする。それに伴い、従来の単一の酸化剤である空気中の窒素（Ｎ_２）の増加により、ＮＯ_Ｘの排出が増加していたのとは異なって、投入される燃料の酸化剤である空気と共に、別途に酸素を供給してＮＯ_Ｘの発生を減少させることができるのである。

このために、酸素供給ライン５０が、図３に示すように、別途に設置され、酸素供給ライン５０は、前記加熱炉１０の燃焼チャンバ１１の内部に酸素を直接に供給する。空気供給ライン４０がバーナー２０に空気が供給されるのとは異なって、酸素供給ライン５０は、加熱炉１０の燃焼チャンバ１１の内部に酸素を直接に供給されるが、これは、加熱炉１の燃焼チャンバ１１の内部に投入される酸素の供給位置、角度、及び速度などを適切に調節することにより、バーナー２０の炎に直接に投入することにより、予想されるＮＯｘの上昇を防ぎ、燃焼チャンバ１１の内部の熱循環を改善しようとするものである。これを通じた効果は、供給される空気の一部を酸素に切り替えることで、酸化剤の窒素（Ｎ_２）の比率を低めて燃焼の効率を高めることができる。つまり、空気とは別に、酸化剤である酸素を投入することで、空気中の窒素（Ｎ_２）による燃焼効率低下を防止し、燃料削減効果をもたらし、燃焼チャンバ１１の内部の全体的な輻射効率上昇により加熱素材の加熱能力を増加させて、生産性の向上をもたらすことができる。

上記のように、燃料、空気、及び酸素の供給によって、燃焼制御部６０は、図３に示すように、前記燃料供給ライン３０、空気供給ライン４０、及び酸素供給ライン５０とそれぞれ連結されて、前記燃焼チャンバ１１の内部の雰囲気温度が受信され、変換しようとする目標温度に到達するように、前記バーナー２０及び加熱炉１０の燃焼チャンバ１１に供給される燃料、空気、及び酸素の流量をそれぞれ制御する。燃焼制御部６０が燃焼チャンバ１１の内部の雰囲気温度が受信されるためには、未図示ではあるが、加熱炉１０の燃焼チャンバ１１の温度を感知する温度感知センサーが当然備えられ、燃料供給ライン３０、空気供給ライン４０、及び酸素供給ライン５０上には流量制御弁（未図示）が具備され、前記燃焼制御部６０の制御を受けて、バーナー２０及び加熱炉１０の燃焼チャンバ１１に供給される燃料、空気、及び酸素の流量が制御されるはずである。

このような燃焼制御部６０の燃焼制御の過程を、図４を参照しながら燃焼制御部６０の具体的な構成を見ると、燃焼制御部６０は、温度指示調節部１００、燃料増減選択部２００、燃料流量指示調節部３００、酸化剤増減選択部４００、及び酸化剤連携調節部５００を含む。

温度指示調節部１００は、ＴＩＣ（ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＩｎｄｉｃａｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌｌ）と呼ばれる構成であって、前記燃焼チャンバ１１の雰囲気温度が受信され、前記目標温度と比較して温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）を出力する。温度指示調節部１００は、名称の通り、燃焼チャンバ１１の雰囲気温度が受信され、指示するのはもちろん、変換しようとする目標温度を設定して、受信された雰囲気温度と目標温度とを比較して、温度設定値（ｔｉｃ−ｏｕｔ）を出力することになる。温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）は、雰囲気温度と目標温度との差異値であって、温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）によって燃焼負荷の変換値を示す。例えば、雰囲気温度が５００であり、目標温度が５１０と仮定すると、その差異値は＋１０になる。ここで出力される温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）は、単に温度差＋１０ではなく、雰囲気温度５００から目標温度５１０まで＋１０上昇するための燃焼負荷の変換値を示す。もちろん、温度指示調節部１００から出力された温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）を単に温度差＋１０に置き、温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）が受信される機能部に合わせて他の変換値に変換することもできるはずである。

燃料増減選択部２００は、前記温度指示調節部１００から前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）が受信され、燃料の増減量を決定する、すなわち，雰囲気温度５００で目標温度５１０の差異値である＋１０である温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）が受信されると、燃料の供給をさらに増加（＋）しなければならないということを決定し、雰囲気温度５００で目標温度５１０を上昇させるために、いくらの量をさらに増加させるかを決定することである。

燃料流量指示調節部３００は、ＦＦＩＣ（ＦｕｅｌＦｌｏｗＩｎｄｉｃａｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌｌ）と呼ばれ、前記燃料増減選択部２００から決定された燃料の増減量に応じて、前記燃料供給ライン３０から前記バーナー２０に供給される燃料流量を調節する。燃料流量指示調節部３００は流量制御弁としての機能を果たしながら、現在燃料の流量がどのくらいバーナー２０に供給されるかを指示する。

前記燃料増減選択部２００及び燃料流量指示調節部３００を通じて燃料がバーナー２０に供給されると同時に、燃料の燃焼のために酸化剤が共に供給されなければならない。このために酸化剤増減選択部４００及び酸化剤連携調節部５００が具備される。

酸化剤増減選択部４００は、前記温度指示調節部１００から前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）が受信され、酸化剤の増減量を決定する、すなわち、上述した燃料増減選択部２００によって決定された燃料の増減によって、完全燃焼に必要な酸化剤の量を決定するのである。

酸化剤連携調節部５００は、前記酸化剤増減選択部４００から決定された酸化剤の増減量と、酸素流量設定値に応じて、前記空気及び酸素流量を相互連携して調節する。加熱炉１０の燃焼チャンバ１１の内部を燃焼させる燃料の酸化剤で空気及び酸素を共に供給するので、酸化剤である空気及び酸素の流量を相互連携して調節するのである。この際、酸化剤の増減量とともに、酸素流量設定値（Ｑａｉｒ＿ｓｖ）をあらかじめ設定しておく。つまり、酸素流量設定値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｓｖ}）を酸化剤の増減量の２０％であると置けば、空気流量は８０％になるだろう。つまり、酸化剤の増減量が＋１０であるとすれば、酸素流量は＋２となって、空気流量は＋８になるだろう。ただし、酸素流量設定値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｓｖ}）は加熱素材の種類や加熱炉１の大きさ及び形状、または燃焼効率の極大化のために、酸素流量設定値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｓｖ}）を変化させることができる。

この際、図４に示すように、前記燃料増減選択部２００は、前記酸化剤の増減量による燃料流量換算値［Ｆ（ｘ１）］に対する信号が受信され、前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）によって決定された燃料の増減量をフィードバック制御して、前記酸化剤増減選択部４００は、前記燃料の増減量による酸化剤流量換算値［Ｆ（ｘ２）］に対する信号が受信され、前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）によって決定された酸化剤の増減量をフィードバック制御する。すなわち，燃料増減選択部２００によって燃料流量が決定されて、燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）がバーナー２０に供給される際、燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）に合う酸化剤流量現在値が十分に供給されているかをチェックする必要がある。したがって、酸化剤の増減量による燃料流量換算値［Ｆ（ｘ１）］に対する信号を燃料増減選択部２００が受信され、燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）をフィードバック制御するのである。また、酸化剤増減選択部４００も酸化剤流量が決定されて、酸化剤流量現在値が供給される際、供給される酸化剤流量現在値に合う燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）が十分に供給されているかを逆にチェックする必要があり、それによる相互フィードバック制御を行うのである。

前記酸化剤の増減量による燃料の流量換算値［Ｆ（ｘ１）］は、酸化剤は空気及び酸素の２種類なので、［酸素流量現在値（Ｑ_{ｏ２＿ｐｖ}）／理論酸素量（Ａ_ｏ２）／過剰空気比（ｕ）］＋［空気流量現在値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｐｖ}）／理論空気量（Ａ_ｏ）／過剰空気比（ｕ）］になる。また、燃料の増減量による酸化剤の流量換算値［Ｆ（ｘ２）］は、［燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）×理論空気量（Ａ_ｏ）×過剰空気比（ｕ）］になる。

酸化剤連携調節部５００は、空気及び酸素の連携調節のために、図４に示すように、空気増減選択部５１０、空気流量指示調節部５２０、酸素増減選択部５３０、及び酸素流量指示調節部５４０を含む。

空気増減選択部５１０は、前記酸化剤増減選択部４００から決定された酸化剤の増減量と、酸素流量設定値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｓｖ}）による空気流量換算値［Ｆ（ｘ３）］に変換して空気の増減量を決定する。すなわち、前記酸化剤の増減量と酸素流量設定値による空気流量換算値［Ｆ（ｘ３）］は、［温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）×燃料流量の最大値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｍａｘ}）−酸素流量設定値（Ｑ_{ｏ２＿ｓｖ}）／理論酸素量（Ａ_ｏ２）／過剰空気比（ｕ）］×理論空気量（Ａ_ｏ）×過剰空気比（ｕ）である。したがって、空気増減選択部５１０によって決定された空気の増減量は、温度指示調節部１００から信号が受信された酸化剤増減選択部４００から決定された酸化剤の増減量を基準にして、酸素流量設定値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｓｖ}）に対する値を除いた量が空気の増減量になる。

空気流量指示調節部５２０は、ＡＦＩＣ（ＡｉｒＦｌｏｗＩｎｄｉｃａｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌｌ）であって、前記空気増減選択部５１０から決定された空気の増減量に応じて前記空気供給ライン４０から前記バーナー２０に供給される空気流量を調節する。

また、酸素増減選択部５３０は、前記酸化剤増減選択部４００から決定された酸化剤の増減量と酸素流量設定値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｓｖ}）による酸素流量換算値［Ｆ（ｘ４）］に変換して酸素の増減量を決定する。すなわち、前記酸化剤の増減量と酸素流量設定値による酸素流量換算値［Ｆ（ｘ４）］は、［温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）×燃料流量の最大値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｍａｘ}）×酸素流量設定値（Ｑ_{ｏ２＿ｓｖ}）×理論酸素量（Ａ_ｏ２）×過剰空気比（ｕ）］である。したがって、酸素増減選択部５１０によって決定された酸素の増減量は、温度指示調節部１００から信号が受信された酸化剤増減選択部４００から決定された酸化剤の増減量を基準にして既に設定された酸素流量設定値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｓｖ}）に対する値になるのである。

酸素流量指示調節部５４０は、ＯＦＩＣ（Ｏ_２ＦｌｏｗＩｎｄｉｃａｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌｌ）であって、前記酸素増減選択部５３０から決定された酸素の増減量に応じて、前記酸素供給ライン５０から前記燃焼チャンバ１１に供給される酸素流量を調節する。

一方、酸化剤増減選択部４００から決定された酸化剤の増減量と、酸素流量設定値（Ｑ_{ｏ２＿ｓｖ}）に応じて、前記空気増減選択部５１０によって決定されて供給される空気流量現在値及び酸素増減選択部５３０によって決定されて供給される酸素流量現在値の値が、実際に供給されるそれぞれの流量現在値とマッチングされるか否かをフィードバック受けて確認する必要があり、それによって、相互連携してフィードバック制御する必要がある。

このために、図４に示すように、前記空気増減選択部５１０は、前記燃焼チャンバ１１に供給される酸素の空気量換算値［Ｆ（ｘ５）］に対する信号が受信され、前記空気の増減量をフィードバック制御して、前記酸素増減選択部５３０は、前記バーナー２０に供給する空気の酸素量換算値［Ｆ（ｘ６）］に対する信号が受信され、前記酸素の増減量をフィードバック制御する。

つまり、前記燃焼チャンバ１１に供給される酸素の空気量換算値［Ｆ（ｘ５）］は、［燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）−酸素流量現在値（Ｑ_{ｏ２＿ｐｖ}）／理論酸素量（Ａｏ_２）／過剰空気比（ｕ）］×理論空気量（Ａ_ｏ）×過剰空気比（ｕ）である。したがって、空気増減選択部５１０は、酸化剤増減選択部４００から決定された酸化剤の増減量及び酸素流量設定値（Ｑ_{ｏ２＿ｓｖ}）によって決定された空気流量と、実際の燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）を通じた酸化剤流量現在値から酸素流量現在値（Ｑ_{ｏ２＿ｐｖ}）に対する値を差し引いた実質的な空気流量現在値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｐｖ}）の値を相互比較してフィードバック制御できるのである。

また、前記バーナー２０に供給する空気の酸素量換算値［Ｆ（ｘ６）］は、［燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）−空気流量現在値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｐｖ}）／理論空気量（Ａ_ｏ２）／過剰空気比（ｕ）］×理論酸素量（Ａ_ｏ）×過剰空気比（ｕ）である。したがって、酸素増減選択部５３０は、酸化剤増減選択部４００から決定された酸化剤の増減量及び酸素流量設定値（Ｑ_{ｏ２＿ｓｖ}）によって決定された酸素流量と、実際の燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）を通じた酸化剤流量現在値から空気流量現在値（Ｑ_{ｏ２＿ｐｖ}）に対する値を差し引いた実質的な酸素流量現在値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｐｖ}）の値を相互比較してフィードバック制御できるのである。

前述したように、本発明に係る加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置は、従来の単一の酸化剤である空気中の窒素（Ｎ_２）増加により、ＮＯ_Ｘの排出が増加していたのとは異なって、投入される燃料の酸化剤である空気と共に、別途に酸素を供給して、ＮＯ_Ｘの発生を減少させることができる。

特に、空気とは別に、酸化剤である酸素を投入する際、バーナー２０を通じて酸素を供給せず、加熱炉１０の燃焼チャンバ１１の内部に酸素を直接に投入することで、燃料の完全燃焼を効率的に達成でき、輻射効率の増大により燃料を節減することができる。

以上及び図面に示されている本発明の実施例は、本発明の技術的思想を限定するものではない。本発明は、請求範囲に記載された事項によって特定され、本発明の技術分野で通常の知識を持った者は、本発明の技術的思想を様々な形で改良変更することが可能である。そのような改良及び変更は、通常の知識を持った者にとって自明なものである限り、本発明に属する。

１０加熱炉
１１燃焼チャンバ
２０バーナー
３０燃料供給ライン
４０空気供給ライン
５０酸素供給ライン
６０燃焼制御部
１００温度指示調節部
２００燃料増減選択部
３００燃料流量指示調節部
４００酸化剤増減選択部
５００酸化剤連携調節部
５１０空気増減選択部
５２０空気流量指示調節部
５３０酸素増減選択部
５４０酸素流量指示調節部

Claims

内部の燃焼チャンバに加熱素材が受容される加熱炉と、前記加熱炉に設置されて、燃料と空気の供給を受けて前記加熱炉の燃焼チャンバに燃焼させるバーナーと、前記バーナーに燃料を供給する燃料供給ラインと、前記バーナーに空気を供給する空気供給ラインと、前記加熱炉の燃焼チャンバの内部に酸素を直接に供給する酸素供給ラインと、前記燃料供給ライン、空気供給ライン、及び酸素供給ラインとそれぞれ連結され、前記燃焼チャンバの内部の雰囲気温度が受信され、変換しようとする目標温度に到達するように前記バーナー及び加熱炉の燃焼チャンバにそれぞれ供給される燃料と酸化剤である空気及び酸素の流量をそれぞれ制御する燃焼制御部と、を含み、
前記燃焼制御部は、
前記燃焼チャンバの雰囲気温度が受信され、前記目標温度と比較して温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）を出力する温度指示調節部と、
前記温度指示調節部から前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）が受信され、燃料の増減量を決定する燃料増減選択部と、
前記燃料増減選択部から決定された燃料の増減量に応じて、前記燃料供給ラインから、前記バーナーに供給される燃料流量を調節する燃料流量指示調節部と、
前記温度指示調節部から前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）が受信され、酸化剤の増減量を決定する酸化剤増減選択部と、
前記酸化剤増減選択部から決定された酸化剤の増減量と、酸素流量設定値に応じて。前記空気及び酸素流量を相互連携して調節する酸化剤連携調節部を含み、
前記燃料増減選択部は、
前記酸化剤の増減量による燃料流量換算値［Ｆ（ｘ１）］に対する信号が受信され、前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）によって決定された燃料の増減量をフィードバック制御し、
前記酸化剤増減選択部は、
前記燃料の増減量による酸化剤流量換算値［Ｆ（ｘ２）］に対する信号が受信され、前記温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）によって決定された酸化剤の増減量をフィードバック制御する
ことを特徴とする加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置。
前記酸化剤の増減量による燃料の流量換算値［Ｆ（ｘ１）］は、
［酸素流量現在値（Ｑ_{ｏ２＿ｐｖ}）／理論酸素量（Ａ_ｏ２）／過剰空気比（ｕ）］＋［空気流量現在値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｐｖ}）／理論空気量（Ａ_ｏ）／過剰空気比（ｕ）］であり、
前記燃料の増減量による酸化剤流量換算値［Ｆ（ｘ２）］は、
［燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）×理論空気量（Ａ_ｏ）×過剰空気比（ｕ）］である
請求項１に記載の加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置。
前記酸化剤連携調節部は、
前記酸化剤増減選択部から決定された酸化剤の増減量と、酸素流量設定値による空気流量換算値［Ｆ（ｘ３）］に変換して空気の増減量を決定する空気増減選択部と、
前記空気増減選択部から決定された空気の増減量に応じて、前記空気供給ラインから前記バーナーに供給される空気流量を調節する空気流量指示調節部と、
前記酸化剤増減選択部から決定された酸化剤の増減量と、酸素流量設定値による酸素流量換算値［Ｆ（ｘ４）］に変換して酸素の増減量を決定する酸素増減選択部と、
前記酸素増減選択部から決定された酸素の増減量に応じて、前記酸素供給ラインから前記燃焼チャンバに供給される酸素流量を調節する酸素流量指示調節部と、を含み、
前記空気増減選択部は、
前記燃焼チャンバに供給される酸素の空気量換算値［Ｆ（ｘ５）］に対する信号が受信され、前記空気の増減量をフィードバック制御して、
前記酸素増減選択部は、
前記バーナーに供給する空気の酸素量換算値［Ｆ（ｘ６）］に対する信号が受信され、前記酸素の増減量をフィードバック制御する
請求項１に記載の加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置。
前記酸化剤の増減量と酸素流量設定値による空気流量換算値［Ｆ（ｘ３）］は、
［温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）×燃料流量の最大値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｍａｘ}）−酸素流量設定値（Ｑ_{ｏ２＿ｓｖ}）／理論酸素量（Ａ_ｏ２）／過剰空気比（ｕ）］×理論空気量（Ａ_ｏ）×過剰空気比（ｕ）であり、
前記酸化剤の増減量と酸素流量設定値による酸素流量換算値［Ｆ（ｘ４）］は、
温度設定値（ｔｉｃ＿ｏｕｔ）×燃料流量の最大値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｍａｘ}）×酸素流量設定値（Ｑ_{ｏ２＿ｓｖ}）×理論酸素量（Ａ_ｏ２）×過剰空気比（ｕ）であり、
前記燃焼チャンバに供給される酸素の空気量換算値［Ｆ（ｘ５）］は、
［燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）−酸素流量現在値（Ｑ_{ｏ２＿ｐｖ}）／理論酸素量（Ａ_ｏ２）／過剰空気比（ｕ）］×理論空気量（Ａ_ｏ）×過剰空気比（ｕ）であり、
前記バーナーに供給する空気の酸素量換算値［Ｆ（ｘ６）］は、
［燃料流量現在値（Ｑ_{ｇａｓ＿ｐｖ}）−空気流量現在値（Ｑ_{ａｉｒ＿ｐｖ}）／理論空気量（Ａ_ｏ）／過剰空気比（ｕ）］×理論酸素量（Ａ_ｏ２）×過剰空気比（ｕ）である
請求項３に記載の加熱炉の酸素ランシング燃焼制御装置。