JP2022017760A - コークス炉乾燥バーナー - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの低流量時においても失火を抑制することができ、保炎機能を向上できる。【解決手段】蓄熱室の上部に燃焼室と炭化室とが交互に配列された構造を有するコークス炉の炉体設備における火入れ時の炉体乾燥する際に使用されるバーナー４０であって、燃料Ｅが供給される内管４１と、空気が自然供給される外管４２と、を備えた二重管構造とされ、内管４１には、その先端面が閉止されるとともに先端側側壁に複数のガス穴４３が管軸方向に沿って複数配列されて設けられ、内管４１のノズル先端部４１ａ側から１列目のガス穴４３Ａの穴中心までの距離Ｙは、ガス穴４３Ａの穴径ｄ１としたときに、ｄ１／２≦Ｙ≦３ｄ１を満たす構成のコークス炉乾燥バーナーを提供する。【選択図】図４

Description

本発明は、コークス炉の炉体設備における火入れ時のコークス炉乾燥バーナーに関する。

従来、炭化室に装入された石炭を高温乾留してコークスを製造するコークス炉としては、蓄熱室の上部に複数の炭化室と燃焼室とが交互に配置された構造とされたものが提供されている。このコークス炉では、蓄熱室から燃料ガスや空気を燃焼室に供給して燃焼させ、この燃焼室に隣接して設けられた炭化室内に石炭を装入し、この石炭を高温で乾留することでコークスを製造する。

このようなコークス炉の炉体設備は、耐火煉瓦積みで築炉されており、築炉後の炉体は耐火煉瓦自体や目地モルタル等に含まれる水分で湿った状態にある。このため、実操業を開始する火入れに先立って、炉体を十分に乾燥させる必要がある。そして、築炉後の炉体乾燥は、コークス炉以外の炉でも実施されているが、特にコークス炉の炉体は、蓄熱室、燃焼室及び炭化室と複数の炉室に区切られた炉体構造をなしていることから、一般的には、炭化室でＣＯＧや軽油などの燃料を燃焼し、その燃焼排ガスを燃焼室、蛇腹、蓄熱室、水平煙道等の炉体全体に導き、最終的に煙道及び煙突から燃焼ガスを大気に排出することで、炉体乾燥を行っている。

このような炉体乾燥を行う方法として、例えば炉蓋に設置したバーナーを用いてコークス炉の乾燥を行うことが知られている。
ここで、コークス炉の炉材には、一般に珪石煉瓦が使用されており、築炉後の乾燥・昇温時には、相転移に伴う体積変化によって亀裂が生じるおそれがある。これを回避するためには、昇温速度を遅くする必要があり、特に乾燥初期の２５０℃以下の温度範囲において昇温速度を極度に遅くし、その後、徐々に昇温速度を上げながら煉瓦温度が８００℃になるまで昇温している。

ところで、炭化室にバーナーを配設し、その燃焼排ガスによって炉体を乾燥させる場合、バーナーは炭化室の入口近傍に設置され、その燃焼フレームが炭化室の奥行き方向に延在することになるため、炭化室の奥行き方向において燃焼フレームの温度偏差が生じる。よって、炭化室の炉壁を構成する珪石煉瓦の亀裂の発生を抑制するためには、燃焼フレームによって最も高温となる炭化室の炉壁位置の温度を監視して昇温する必要があった。このため、バーナーによる炉体の昇温速度をさらに遅くする必要があり、乾燥期間が非常に長くなるといった問題があった。
そこで、バーナーの燃焼フレームによる炭化室内の温度偏差を抑制するためには、バーナーの燃焼フレームによって直接炭化室の炉壁を加熱することがないように、バーナーの燃焼フレームを短炎化して、燃焼排ガスの顕熱によって炭化室を加熱することが考えられる。

上述のように、コークス炉の炉体を乾燥する場合、珪石煉瓦の相転移に伴う体積変化による亀裂の発生を抑制するために、乾燥初期の２５０℃以下の温度範囲において昇温速度を極度に遅くし、その後、徐々に昇温速度を上げながら煉瓦温度が８００℃になるまで昇温している。このため、乾燥初期では、燃料の供給量が極めて少なく、これに伴い空気比が大きくなる。一方、乾燥後半では、燃料の供給量が多くなり空気比が小さくなる。具体的にはＣＯＧを燃料とした場合、乾燥初期と乾燥後半とで、燃料の供給量が５０倍程度変化し、空気比も３０倍程度変化することになる。しかし、従来の短炎化バーナーでは、このような広い燃焼負荷範囲に対応することはできなかった。このように、従来では、コークス炉の炉体乾燥に適した短炎化バーナーは提供されておらず、コークス炉の炉体乾燥には多くの時間を要していた。

これに対して、炭化室にバーナーを設置し、その先端面が閉止されるとともに先端側の側壁に複数の小孔が設けられ、前記内管の外径ｄと前記外管の内径Ｄとの比Ｄ／ｄが２．５以上とすることで、炭化室にバーナーを設置して加熱乾燥する場合であっても、炭化室の奥行き方向における温度偏差の発生を抑制し、昇温速度の調整を適正に行うことで、乾燥期間の短縮を図ることができる炉体乾燥方法について、例えば特許文献１に提案されている。

特開２０１７－１７１９０１号公報

しかしながら、コークス炉の炉体設備における火入れ時の炉体乾燥する際に使用されるコークス炉乾燥バーナーでは、ガスの低流量時において燃料の供給量が少ない低流量時の場合に、ガス穴から噴出された燃料による炎が消えるおそれがあった。そのため、保炎性能を高め、失火をより確実に抑制できるバーナーが求められており、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ガスの低流量時においても失火を抑制することができ、保炎機能を向上できるコークス炉乾燥バーナーを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係るコークス炉乾燥バーナーでは、蓄熱室の上部に燃焼室と炭化室とが交互に配列された構造を有するコークス炉の炉体設備における火入れ時の炉体乾燥する際に使用されるコークス炉乾燥バーナーであって、燃料が供給される内管と、空気が自然供給される外管と、を備えた二重管構造とされ、前記内管には、その先端面が閉止されるとともに先端側側壁に複数のガス穴が管軸方向に沿って複数配列されて設けられ、前記内管のノズル先端部側から１列目の前記ガス穴の穴中心までの距離Ｙは、前記ガス穴の穴径ｄ１としたときに（１）式を満たすことを特徴としている。

本発明では、ノズル先端部側から１列目のガス穴の穴中心までの距離Ｙが（１）式を満たすように設けられているので、内管のノズル先端部の前方領域に燃料ガスが滞留するガス溜まりを発生させることができ、外管内を流れる空気の流速が抑えられた低速領域が拡大され、保炎効果を向上させることができる。これにより、燃料ガスの供給量が少ない低流量時の場合でも、ガス穴から噴出された燃料による炎が消えることを抑制することができる。
また、内管は、その先端面が閉止されるとともに先端側の側壁に複数のガス穴が設けられているので、バーナーの短炎化を図ることができる。

よって、広い燃焼負荷範囲においても燃焼が安定していることから、乾燥初期から乾燥後半の全領域において、安定して乾燥を行うことができる。
また、バーナーの短炎化が図られているので、バーナーによって直接炭化室の炉壁を加熱することを抑制して、バーナーの燃焼排ガスの顕熱によって炭化室の炉壁を加熱乾燥することができ、炭化室の奥行き方向における温度偏差の発生を抑制することができる。これにより、昇温速度の管理を炭化室全体の適正な温度に応じて行うことができ、火入れ時の炉体乾燥の乾燥期間の短縮を図ることができる。また、局所的に高温になる部分が存在しないため、炭化室の炉壁を構成する耐火煉瓦の亀裂の発生を抑制することができる。

また、本発明に係るコークス炉乾燥バーナーでは、前記内管のノズル先端部の外周縁部の曲率半径Ｒは５ｍｍ以上であることを特徴としてもよい。

この場合には、内管のノズル先端部の外周縁部の曲率半径を５ｍｍ以上とすることで、燃料ガスがノズル先端部の前方に向けて流れ易くなる。そのため、保炎効果をより向上させることができ、燃料ガスの供給量が少ない低流量時の場合における失火をより確実に抑えることができる。

また、本発明に係るコークス炉乾燥バーナーでは、前記内管における前記１列目の前記ガス穴のガス穴径をｄ１とし、２列目以降の前記ガス穴のガス穴径をｄ２としたときに（２）式を満たすことを特徴とすることが好ましい。

本発明によれば、１列目のガス穴のガス穴径ｄ１と２列目以降のガス穴径ｄ２との関係が（２）式を満たすように設けられているので、燃料ガスがノズル先端部の前方に向けて流れ易くなり、安定した保炎効果が得られる。そのため、燃料ガスの供給量が少ない低流量時の場合における失火をより効果的に抑えることができる。

また、本発明に係るコークス炉乾燥バーナーでは、前記１列目のガス穴径ｄ１と、前記２列目以降のガス穴径ｄ２との穴径比ｄ１：ｄ２は、５：３～７：３とされていることを特徴としてもよい。

このような構成によれば、１列目のガス穴径ｄ１と、２列目以降のガス穴径ｄ２との穴径比ｄ１：ｄ２を５：３～７：３となるように設けることで、ノズル先端部にガス溜まりを発生させて高い保炎効果をもたせることができ、短炎（不輝炎）を継続しつつ、ターンダウン比を向上させることができる。そのため、１列目のガス穴を大径にすることによって圧損を低減できるので、燃料ガスの供給量が低流量から高流量まで、従来実施していたガス量に応じたノズルチップ（内管の先端部）の交換が不要となって連続稼働が可能となることから、工期の短縮を図ることができる。

また、本発明に係るコークス炉乾燥バーナーでは、前記外管には、周方向に間隔をあけて複数の空気取入口が形成され、前記空気取入口は、前記外管の管軸方向に沿って延びる長孔に形成され、前記外管には、該外管に同軸に設けられ、前記管軸方向にスライド可能に設けられた開閉筒が設けられ、前記開閉筒は、前記空気取入口に対して全閉位置と、全開位置との間の任意の位置で位置決めされることを特徴としてもよい。

このような構成によれば、外管の周方向に間隔をあけて配列される複数の空気取入口に対して開閉筒が管軸方向にスライドすることで空気取入口の開口量を調整することができる。この場合には、開閉筒のスライド位置に関わらず、複数の空気取入口のそれぞれを同じ開口量に精度よく調整することができる。
これにより、各空気取入口から外管内に吸引される空気吸引量のばらつきを低減することができる。したがって、乾燥工程における多数のバーナーの空気比をばらつきを低減するように制御することができる。また、この場合には、開閉筒を外筒に沿って管軸方向にスライドさせる簡単な構成となる。

また、本発明に係るコークス炉乾燥バーナーでは、前記開閉筒を位置決めする位置決め手段が設けられていることを特徴としてもよい。

このような構成によれば、位置決め手段により開閉筒のスライド位置を任意の位置に高い精度で位置決めすることができ、空気取入口の開口量を簡単な構造で容易に調整することができる。

また、本発明に係るコークス炉乾燥バーナーでは、前記外管は、外径寸法Ｄと長さ寸法Ｔの関係が（３）式を満たしていることが好ましい。

このような構成によれば、外管における外径寸法Ｄと長さ寸法Ｔの関係が（３）式を満たすように設けられているので、乾燥時に生じるコークス炉の騒音を小さく抑えることができる。そのため、外管の長さ寸法Ｔを長く設定することが可能となり、火炎をコークス炉内に進入させることを防止できる。

本発明のコークス炉乾燥バーナーによれば、ガスの低流量時においても失火を抑制することができ、保炎機能を向上できる。

本発明の一実施形態であるコークス炉の炉体設備における火入れ時の炉体乾燥方法が適用されるコークス炉の概略説明図である。 図１に示すコークス炉の断面説明図である。 炉体乾燥時における炭化室の断面説明図である。 本発明の一実施形態であるバーナーの断面説明図である。 図４に示す内管の先端部分の要部拡大図である。 開閉筒の構成を側方からみた示す半断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第１実施例の解析結果を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、第２実施例の解析結果を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、第３実施例の内管のガス穴の配置を示す図である。 第３実施例の解析結果を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、第４実施例の解析結果を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、第４実施例の解析結果を示す図である。 実施例によるブロア吸引圧毎の炉壁付近の温度の標準偏差を示す図である。

以下、本発明の実施形態によるコークス炉乾燥バーナーについて、図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施形態によるコークス炉乾燥バーナー（図３及び図４に示すバーナー４０）は、蓄熱室の上部に燃焼室と炭化室とが交互に配列された構造を有するコークス炉１の炉体設備における火入れ時の炉体乾燥する際に使用される。

本実施形態であるコークス炉１は、図１に示すように、並列された複数の炭化室１０を備えており、隣接する２つの炭化室１０の間に、燃焼室２０が配置されている。
そして、図２に示すように、並列する炭化室１０及び燃焼室２０の下方側に、蓄熱室３０が配設されている。

炭化室１０の上面には、図１及び図２に示すように、石炭を装入するための装入口１２が複数形成されており、炭化室１０の端部には、炭化室１０から発生する排ガスを排出するための上昇管１４が配置され、この上昇管１４がドライメン３に接続されている。
また、炭化室１０は、並列する炭化室１０の間に設けられた燃焼室２０からの熱を効率的に石炭へと伝達するために、炭化室１０の一対の炉壁（燃焼室２０側に位置する炉壁）の距離が比較的短くされている。すなわち、炭化室１０の炉幅が狭くされているのである。

燃焼室２０の上面には、図１及び図２に示すように、燃焼室２０内部の点検を行う点検孔２１と温度計２２とが配設されている。また、この燃焼室２０には、図２に示すように、仕切り壁２４が配設されている。
蓄熱室３０は、燃焼室２０に対して燃焼ガス及びエアを導入するとともに、燃焼室２０内の排ガスが排出される構成とされており、図２に示すように、燃焼ガス及びエアの供給管５及び煙道７に接続されている。

ここで、炭化室１０、燃焼室２０及び蓄熱室３０を含むコークス炉１の炉体設備は、珪石煉瓦を積み上げて構成されており、築炉時には、珪石煉瓦および目地モルタル等が水分を含んでいることから、実操業を開始する火入れ前には、炉体設備の乾燥を行う必要がある。
コークス炉１の炉体設備の乾燥は、図３に示すように、炭化室１０の炉蓋からバーナー４０を挿入し、このバーナー４０の燃焼排ガスを炭化室１０から燃焼室２０及び蓄熱室３０を含む炉体設備全体に導入することで実施される。

次に、本実施形態におけるバーナー４０の構造について、図４を参照して詳しく説明する。
バーナー４０は、燃料Ｅが供給される内管４１と、１次空気Ａ１が自然供給される外管４２と、を備えた二重管構造とされている。本実施形態では、外管４２とバーナータイル４８の間に、２次空気Ａ２が導入される２次空気流路４９が形成されている。
ここで、内管４１及び外管４２において、管軸Ｏ方向で先端側を前方とし、その反対側を後方として以下説明する。

内管４１は、その先端面がノズル先端部４１ａによって閉止されるとともに先端側の側壁に複数のガス穴４３（４３Ａ、４３Ｂ）が管軸Ｏ方向に沿って複数（本実施形態では２列）配列されて設けられている。ガス穴４３のガス穴径は３ｍｍ以上８ｍｍ以下の範囲内とされており、ガス穴４３の個数が１０個以上３０個以下の範囲内とされている。
なお、本実施形態では、図５に示すように、ノズル先端部４１ａ寄りの１列目のガス穴４３Ａと２列目のガス穴４３Ｂが周方向に千鳥配置により設けられている。これらのガス穴４３Ａ、４３Ｂが形成される領域は、内管４１のノズル先端部４１ａから後方に１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲内とされている。

ガス穴４３は、ノズル先端部４１ａ側から１列目のガス穴４３Ａの穴中心Ｃまでの距離Ｙにおいて、１列目のガス穴４３Ａの穴径をｄ１としたときに、（１）式を満たすように設定されている。

図５に示すように、内管４１のノズル先端部４１ａにおける外周縁部４１ｄの曲率半径Ｒは５ｍｍ以上となっている。
また、内管４１における１列目のガス穴４３Ａのガス穴径をｄ１とし、２列目以降のガス穴４３Ｂのガス穴径をｄ２としたときに（２）を満たすように設定されている。

内管４１における１列目のガス穴径ｄ１と、２列目以降のガス穴径ｄ２との穴径比ｄ１：ｄ２は、５：３～７：３とされている。

また、本実施形態では、内管４１の材質として高温酸化しにくいステンレス鋼のＳＵＳ３０４が採用されている。本実施形態では、ＳＵＳ３０４を使用することで、内管４１の内面に酸化鉄が生成されることを防ぎ、ガス穴４３の閉塞を抑制できる構成となっている。
この場合には、ガス穴４３が形成される内管４１にＳＵＳ３０４を用いることで、内管４１周辺の温度が８００℃を超えるような場合であっても、高温酸化によりノズル内面に酸化鉄が生成しガス穴４３の近傍に付着することによる閉塞を防止することができる。

図４に示すように、外管４２は、管本体４２Ａと、管本体４２Ａの後端側（基端部４２ｃ側）に設けられる空気導入筒部４２Ｂと、を有している。空気導入筒部４２Ｂは、周方向に一定の間隔をあけて複数の空気取入口４４が形成され、１次空気Ａ１が外管４２内に自然供給される構造とされている。内管４１の外周面４１ｂと外管４２の内周面４２ａとの間には、１次空気流路４２Ｃが形成されている。

空気取入口４４は、図６に示すように、空気導入筒部４２Ｂの管軸Ｏ方向の中央より前方の領域に配置されている。空気取入口４４は、外管４２の管軸Ｏ方向に沿って延びる長孔に形成され、複数の空気取入口４４が同形状となっている。外管４２は、複数の空気取入口４４が周方向に一定の間隔をあけて配列されることで、周方向に均一に１次空気Ａ１が外管４２内に供給されるように構成されている。

そして、図４に示すように、外管４２の管本体４２Ａは、外径寸法Ｄと管軸Ｏ方向の長さ寸法Ｔ（外管先端部４２ｂから炭化室１０の外面１０ａまでの距離）の関係が（３）式を満たすように設定されている。

図４に示すように、内管４１のノズル先端部４１ａは、外管４２の外管先端部４２ｂよりも後退した位置に配置されている。その後退距離は、例えば１５０ｍｍ以上６００ｍｍ以下の範囲内とされている。

また、図６に示すように、外管４２には、外管４２に同軸に設けられ、空気導入筒部４２Ｂに対して管軸Ｏ方向にスライド可能に開閉筒４５が設けられている。開閉筒４５は、複数の空気取入口４４を全閉する閉止位置と全開する全開位置との間の任意の位置で位置決め可能に構成されている。開閉筒４５は、閉止位置では空気導入筒部４２Ｂの外周側を覆うように配置され、全開位置では空気導入筒部４２Ｂの後方に退避するように配置される。

空気導入筒部４２Ｂの外周面４２ｅには、管軸Ｏ方向に沿って延びる帯状の案内ガイド４６が設けられている。案内ガイド４６は、長さ方向に延在するスリット４６Ａが形成され、このスリット４６Ａに沿って開閉筒４５に設けられるスライド片４５Ａがスライド可能に支持されている。
また、案内ガイド４６には、管軸Ｏ方向に目盛が表示された目盛板４６Ｂ（位置決め手段）が設けられている。これにより開閉筒４５を目盛板４６Ｂの目盛りに合せて空気導入筒部４２Ｂに対して任意の位置に位置決めすることができる。

そして、図１及び図２に示すように、コークス炉１の炉体設備の乾燥を行う際には、図４に示すバーナー４０を用いてＣＯＧや軽油などの燃料Ｅを燃焼し、バーナー４０の燃焼排ガスの顕熱によって炭化室１０の炉壁を加熱乾燥するとともに、この燃焼排ガスを、炭化室１０へと排出され、燃焼室２０及び蓄熱室３０を含む炉体設備全体に導入させる。
このとき、乾燥時の温度管理は、珪石煉瓦の相転移に伴う体積変化に起因する亀裂の発生を抑制するために、炭化室１０の炉壁のうち最も高温となる領域の温度を監視することになる。

次に、上述したバーナー４０の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態のバーナー４０では、図４及び図５に示すように、ノズル先端部４１ａ側から１列目のガス穴４３の穴中心Ｃまでの距離Ｙが上述した（１）式を満たすように設けられているので、内管４１のノズル先端部４１ａの前方領域にガスが滞留するガス溜まりを発生させることができ、外管４２内を流れる空気の流速が抑えられた低速領域が拡大され、保炎効果を向上させることができる。
これにより、燃料Ｅの供給量が少ない低流量時の場合でも、ガス穴４３から噴出された燃料Ｅによる炎が消えることを抑制することができる。
また、内管４１は、その先端面が閉止されるとともに先端側の側壁に複数のガス穴４３が設けられているので、バーナー４０の短炎化を図ることができる。

よって、広い燃焼負荷範囲においても燃焼が安定していることから、乾燥初期から乾燥後半の全領域において、安定して乾燥を行うことができる。
また、本実施形態では、バーナー４０の短炎化が図られているので、バーナー４０によって直接炭化室１０の炉壁を加熱することを抑制して、バーナー４０の燃焼排ガスの顕熱によって炭化室１０の炉壁を加熱乾燥することができ、炭化室１０の奥行き方向における温度偏差の発生を抑制することができる。これにより、昇温速度の管理を炭化室１０全体の適正な温度に応じて行うことができ、火入れ時の炉体乾燥の乾燥期間の短縮を図ることができる。また、局所的に高温になる部分が存在しないため、炭化室１０の炉壁を構成する耐火煉瓦の亀裂の発生を抑制することができる。

また、本実施形態では、内管４１のノズル先端部４１ａの外周縁部４１ｄの曲率半径Ｒを５ｍｍ以上とすることで、ガスがノズル先端部４１ａの前方に向けて流れ易くなる。そのため、保炎効果をより向上させることができ、燃料Ｅの供給量が少ない低流量時の場合における失火をより確実に抑えることができる。

また、本実施形態では、１列目のガス穴４３Ａのガス穴径ｄ１と２列目以降のガス穴４３Ｂのガス穴径ｄ２との関係が上述した（２）式を満たすように設けられているので、ガスがノズル先端部４１ａの前方に向けて流れ易くなり、安定した保炎効果が得られる。そのため、燃料の供給量が少ない低流量時の場合における失火をより効果的に抑えることができる。

さらに、本実施形態では、ガス穴４３における１列目のガス穴径ｄ１と、２列目以降のガス穴径ｄ２との穴径比ｄ１：ｄ２を５：３～７：３となるように設けることで、ノズル先端部４１ａにガス溜まりを発生させて高い保炎効果をもたせることができ、短炎（不輝炎）を継続しつつ、ターンダウン比を向上させることができる。そのため、１列目のガス穴４３Ａを大径にすることによって圧損を低減できるので、燃料Ｅの供給量が低流量から高流量まで、従来実施していたガス量に応じたノズルチップ（内管４１の先端部分）の交換が不要となって連続稼働が可能となることから、工期の短縮を図ることができる。

また、本実施形態では、図６に示すように、外管４２の周方向に間隔をあけて配列される複数の空気取入口４４に対して開閉筒４５が管軸Ｏ方向にスライドすることで空気取入口４４の開口量を調整することができる。この場合には、開閉筒４５のスライド位置に関わらず、複数の空気取入口４４のそれぞれを同じ開口量に精度よく調整することができる。
これにより、各空気取入口４４から外管４２内に吸引される第１空気Ａ１の空気吸引量のばらつきを低減することができる。したがって、乾燥工程における多数のバーナー４０の空気比をばらつきを低減するように制御することができる。また、この場合には、開閉筒４５を外管４２に沿って管軸Ｏ方向にスライドさせる簡単な構成となる。

また、本実施形態では、外管４２の空気導入筒部４２Ｂに設けられる目盛板４６Ｂにより開閉筒４５のスライド位置を任意の位置に高い精度で位置決めすることができ、複数の空気取入口４４の開口量を簡単な構造で容易に調整することができる。

また、本実施形態では、図４に示すように、外管４２における外径寸法Ｄと長さ寸法Ｔの関係が上述した（３）式を満たすように設けられているので、乾燥時に生じるコークス炉の騒音を小さく抑えることができる。そのため、外管４２の長さ寸法Ｔを長く設定することが可能となり、火炎をコークス炉内に進入させることを防止できる。

上述した本実施形態によるコークス炉乾燥バーナーでは、ガスの低流量時においても失火を抑制することができ、保炎機能を向上できる。

次に、上述した実施形態によるコークス炉乾燥バーナーの効果を裏付けるために行った実施例について以下説明する。

（第１実施例）
第１実施例は、内管４１に設けられるガス穴４３の管軸方向の位置を変えたときの保炎効果を確認するために、ＦＥＭモデルを作成して数値シミュレーション解析を行い、その効果を確認したものである。

図７（ａ）、（ｂ）は、第１実施例の解析結果を示している。図において、内管４１の内外にはガスの流速ベクトルが表示されている。
図７（ａ）に示す実施ケースは、内管４１の先端部にガス穴径３ｍｍのガス穴４３を周方向に間隔をあけて８個配置したものである。図７（ｂ）に示す比較ケースは、内管４１の先端部より後方の位置にガス穴径３ｍｍのガス穴４３を周方向に間隔をあけて８個配置したものである。図７（ａ）、（ｂ）に示す符号Ｓ１、Ｓ２の領域は、それぞれガスの流速が低速になっている滞留領域（低速領域）を示している。

第１実施例の結果では、ガス穴４３をノズル先端部４１ａに近付けて配置することにより、ノズル先端部４１ａの前方に形成される低速領域が拡大することが確認された。つまり、実施ケースの低速領域Ｓ１が比較ケースの低速領域Ｓ２よりも拡大することによって保炎効果が高められていることがわかる。
また、ガス穴４３の位置はノズル先端部４１ａに近いほど保炎効果が向上されることも確認された。

（第２実施例）
第２実施例は、上述した第１実施例で使用したＦＥＭモデルにおいて、２列のガス穴における列毎に異なるガス穴径とした実施ケースと、同じ穴径とした比較ケースについて数値シミュレーション解析を行い、保炎効果を確認したものである。

実施ケースは、１列目に穴径５ｍｍのガス穴を８個配置し、２列目に穴径３ｍｍのガス穴を８個配置した内管としている。比較ケースは、１列目と２列目のガス穴はそれぞれ穴径３ｍｍを８個配置した内管としている。
シミュレーション解析では、失火しやすいＣＯＧ量の低流量条件として１列目のガス穴における０．６Ｎｍ^３／ｈ周辺において一次エア口（空気取込口）の吸引圧（－ｍｍＡｑ）を変化させて失火条件を確認した。

図８（ａ）、（ｂ）は、第２実施例による結果を示している。図８（ａ）、（ｂ）は、ＣＯＧ量（Ｎｍ^３／ｈ）と１次エア口吸引圧（－ｍｍＡｑ）との関係を示している。１次エア口吸引圧が大きいほど空気比が大きくなる。図中の実線は失火が生じる失火ゾーンの境界線（失火境界線Ｑ１）を示しており、失火境界線Ｑ１より吸引圧が大きい領域が失火ゾーンとなる。また、図中の点線は、計画時の燃焼条件を示している。なお、１次エア口吸引圧の上限値は、実績により－４ｍｍＡｑとされる。

第２実施例の解析の結果、実施ケースの方が比較ケースに比べて消火ゾーンが小さくなり、失火しにくいことが確認できた。これは、１列目のガス穴の先端の圧損が低く、先端の流量が多くなったことで保炎効果が向上したことが確認された。

（第３実施例）
第３実施例は、上述した第１実施例で使用したＦＥＭモデルにおいて、２列のガス穴における列毎に異なるガス穴径とした実施ケースと、列毎に同じ穴径とした比較ケース１、２について数値シミュレーション解析を行い、ターンダウン比の向上を確認したものである。

実施ケース１は、図９（ｃ）に示すように、１列目に穴径５ｍｍのガス穴を８個配置し、２列目の穴径３ｍｍのガス穴を８個配置したノズル（内管）である。比較ケース１は、図９（ｂ）に示すように、穴径３ｍｍのガス穴を１列目と２列目のそれぞれに８個ずつ千鳥配置したノズルである。比較ケース２は、図９（ａ）に示すように、ノズル先端寄りに穴径８ｍｍガス穴を１個配置したノズルである。なお、第３実施例では、上記以外にも実施ケース２について数値シミュレーションを行った。実施ケース２は、穴径７ｍｍのガス穴を１列目に８個配置し、穴径３ｍｍのガス穴を２列目に８個配置したノズルである。

そして、数値シミュレーション解析では、ＣＯＧ量（Ｎｍ^３／ｈ）に対する内管のノズル圧損（Ｐａ）の関係（図１０）よりターンダウン比を比較して検討した。そして、ノズル圧損におけるノズルの背圧限界（圧損許容限界）を１３００Ｐａとし、この背圧限界に達した時点でノズルを交換するものとし、その交換頻度を確認した。
ここで、比較ケース２では、穴径８ｍｍのノズルが背圧限界の１３００Ｐａに達した時点で穴径１４ｍｍのノズルに交換し、次に背圧限界に達した時点で穴径２５ｍｍのノズルに交換した。

図１０は、第３実施例による結果を示している。図１０の符号Ｔ１１のグラフは実施ケース１、符号Ｔ２１のグラフは、比較ケース１を示している。符号Ｔ２２、Ｔ２３、Ｔ２４のグラフは、それぞれ比較ケース２の穴径８ｍｍ、１４ｍｍ、２５ｍｍのノズルのケースを示している。なお、符号Ｔ１２のグラフは実施ケース２を示している。

第３実施例による数値シミュレーション解析の結果、実施ケース１では、ターンダウン比が１：４２（ＣＯＧ量０．６～２５Ｎｍ^３／ｈ）を実現できることが確認された。このときのノズルの交替回数は、比較ケース２で２回、比較ケース１で１回、実施ケース１で０回であった。
このように１列目のガス穴を大径にすることによって圧損を低減できるので、従来実施していたガス量に応じたノズルチップの交換を不要とすることが可能となり、工期の短縮を図れる効果をもたせることができる。

（第４実施例）
次に、第４実施例について説明する。
第４実施例では、外管に形成される複数の空気取入口から取り入れられるエアの状態を確認するために、ＦＥＭモデルを作成して数値シミュレーション解析を行い、その効果を確認した。

第４実施例による数値シミュレーション解析では、図１１（ａ）に示すように上述した実施形態に示す前後スライド（管軸方向へのスライド）する第１開閉筒４５１をモデル化した実施ケースと、図１１（ｂ）に示すようにスライド方向が外管４２に対して周方向に回転させる回転スライドする第２開閉筒４５２をモデル化した比較ケースとを使用し、温度とエア流速の分布を解析することによりエア供給量のばらつきを確認した。
図１１（ａ）に示す符号４４Ａは第１開閉筒４５１によって開度が調整された空気取入口を示し、図１１（ｂ）に示す符号４４Ｂは第２開閉筒４５２によって開度が調整された空気取入口を示している。

図１１（ａ）、（ｂ）は、数値シミュレーション解析の結果であってバーナーにおける内管４１の先端部（ノズル先端部４１ａ）の近傍温度の分布を示している。
この結果、図１１（ａ）に示す実施ケースの前後スライドの第１開閉筒４５１におけるガス穴近傍（図の符号Ｋ１）の温度が、図１１（ｂ）に示す比較ケースの回転スライドの第２開閉筒４５２におけるガス穴近傍（図の符号Ｋ２）の温度よりも高温になっていることが確認された。一方、ノズル先端部４１ａよりも前方の領域（符号Ｋ３、Ｋ４）の温度は、第２開閉筒４５２の方が第１開閉筒４５１よりも高温になっていることが確認された。

また、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、数値シミュレーション解析の結果であってバーナーにおける内管４１の先端部（ノズル先端部４１ａ）の近傍の空気の流れを示すベクトルの分布を示している。図１２（ａ）は実施ケースを示し、図１２（ｂ）は比較ケースを示している。
図１２（ａ）、（ｂ）において、上側の分布図Ｖ１はバーナーとその前方領域を示した図であり、下側の分布図Ｖ２は上記分布図Ｖ１のバーナー部分（図の枠内）を拡大した図である。

図１２（ａ）、（ｂ）に示す符号Ｅ１、Ｅ２は、それぞれガス穴４３近傍の空気の流れ（ベクトル）を示している。
この結果、実施ケースの前後スライドの第１開閉筒４５１の方が比較ケースの回転スライドの第２開閉筒４５２よりも空気取入口４４からガス穴４３に向かう空気量が多いことが確認された。

図１３は、実験炉において、前後スライドの第１開閉筒４５１と回転スライドの第２開閉筒４５２におけるブロア吸引圧（－ｍｍＡｑ）毎の壁付近の温度の標準偏差を示している。なお、ブロアは、上記の外管に相当する。ブロア吸引圧は－５ｍｍＡｑ、－１０ｍｍＡｑ、－１５ｍｍＡｑとした。この結果、それぞれ前後スライドの方が標準偏差が小さくなっており、吸引圧、すなわち、エア供給量のばらつきが小さくなっていることが確認された。

（第５実施例）
次に、第５実施例について説明する。第５実施例では、内管の材質に一般構造用圧延鋼材ＳＳ４００を使用した比較ケースと、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４を使用した実施ケースと、を使用して腐食性能を評価した。
腐食試験は、実施ケースと比較ケースの試験体において、ガスノズル（内管）周辺の最高温度となる略８００℃程度の条件で１０日間、実機バーナーに適用して酸化物の付着状況を目視により確認した。

上記の腐食試験の結果、ＳＵＳ３０４を使用した実施ケースでは酸化物の付着がないことが確認された。さらに、約７０日の乾燥昇温期間において使用しても、ガス穴の閉塞が生じないことが確認された。

以上、本発明によるコークス炉乾燥バーナーの実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上述した実施形態では、内管４１のノズル先端部４１ａの外周縁部４１ｄの曲率半径Ｒを５ｍｍ以上としているが、５ｍｍ以上であることに限定されることはなく、外周縁部４１ｄが曲面になっていない形態であってもよい。

また、内管４１のガス穴４３における１列目のガス穴径をｄ１と、２列目以降のガス穴径をｄ２との関係が上記（２）式を満たすことに限定されることもない。

さらに、１列目のガス穴径ｄ１と、２列目以降のガス穴径ｄ２との穴径比ｄ１：ｄ２が５：３～７：３とされることに限定されることもない。

また、本実施形態では、外管４２に形成され第１空気Ａ１を外管４２内に吸引する複数の空気取入口４４の開口量の調整手段として、管軸Ｏ方向にスライドする開閉筒４５を設ける構成としているが、このような構成の開閉筒４５に限定されることはなく、他の構成であってもかまわない。例えば、従来のような管軸Ｏ回りに回転スライドする開閉筒を採用することも可能である。

また、本実施形態では、開閉筒４５を位置決めする位置決め手段として管軸Ｏ方向に沿って目盛りが刻まれた目盛板４６Ｂを採用しているが、他の位置決め手段であってもかまわない。

さらに、本実施形態では、外管４２が外径寸法Ｄと長さ寸法Ｔの関係が上記（３）式を満たすように設定されているが、これに限定されることはない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１ コークス炉
１０ 炭化室
１１ 炉壁
２０ 燃焼室
３０ 蓄熱室
４０ バーナー（コークス炉乾燥バーナー）
４１ 内管
４１ａ ノズル先端部
４１ｂ 外周面
４２ 外管
４２ａ 内周面
４２Ｂ 空気導入筒部
４２Ｃ １次空気流路
４３ ガス穴
４３Ａ １列目のガス穴
４３Ｂ ２列目のガス穴
４４ 空気取入口
４５ 開閉筒
４６ 案内ガイド
４６Ｂ 目盛板（位置決め手段）
Ａ１ １次空気
Ａ２ ２次空気
Ｅ 燃料
Ｏ 管軸

Claims (7)

1. 蓄熱室の上部に燃焼室と炭化室とが交互に配列された構造を有するコークス炉の炉体設備における火入れ時の炉体乾燥する際に使用されるコークス炉乾燥バーナーであって、
   燃料が供給される内管と、空気が自然供給される外管と、を備えた二重管構造とされ、
   前記内管には、その先端面が閉止されるとともに先端側側壁に複数のガス穴が管軸方向に沿って複数配列されて設けられ、
   前記内管のノズル先端部側から１列目の前記ガス穴の穴中心までの距離Ｙは、前記ガス穴の穴径ｄ１としたときに（１）式を満たすことを特徴とするコークス炉乾燥バーナー。
   

   
2. 前記内管のノズル先端部の外周縁部の曲率半径Ｒは５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のコークス炉乾燥バーナー。
3. 前記内管における前記１列目の前記ガス穴のガス穴径をｄ１とし、２列目以降の前記ガス穴のガス穴径をｄ２としたときに（２）式を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のコークス炉乾燥バーナー。
   

   
4. 前記１列目のガス穴径ｄ１と、前記２列目以降のガス穴径ｄ２との穴径比ｄ１：ｄ２は、５：３～７：３とされていることを特徴とする請求項３に記載のコークス炉乾燥バーナー。
5. 前記外管には、周方向に間隔をあけて複数の空気取入口が形成され、
   前記空気取入口は、前記外管の管軸方向に沿って延びる長孔に形成され、
   前記外管には、該外管に同軸に設けられ、前記管軸方向にスライド可能に設けられた開閉筒が設けられ、
   前記開閉筒は、前記空気取入口に対して全閉位置と、全開位置との間の任意の位置で位置決めされることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のコークス炉乾燥バーナー。
6. 前記開閉筒を位置決めする位置決め手段が設けられていることを特徴とする請求項５に記載のコークス炉乾燥バーナー。
7. 前記外管は、外径寸法Ｄと長さ寸法Ｔの関係が（３）式を満たしていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のコークス炉乾燥バーナー。
   

   

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