JP2687830B2 - 蓄熱式バーナを用いた加熱炉における排熱回収方法 - Google Patents

蓄熱式バーナを用いた加熱炉における排熱回収方法

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JP2687830B2 JP4342578A JP34257892A JP2687830B2 JP 2687830 B2 JP2687830 B2 JP 2687830B2 JP 4342578 A JP4342578 A JP 4342578A JP 34257892 A JP34257892 A JP 34257892A JP 2687830 B2 JP2687830 B2 JP 2687830B2
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    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、鉄鋼加熱炉等に用い
られる蓄熱型交番燃焼バーナシステムを用いた加熱炉に
おける排熱回収方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近時、蓄熱式のバーナを用いた加熱炉は
多くの分野において用いられている。これらの加熱炉に
は、排気ガスとしての高温燃焼排出物から熱を引出して
蓄熱するための流入する燃焼空気を予熱するための熱の
連続移動を伴う蓄熱ユニットが設けられている。従来か
ら、よく知られているタイプとして炉の両側に2つのバ
ーナと蓄熱ユニットを対称的に配列されたものである。
しかし、最近の蓄熱システムは完全な対象形でなく、代
わりに特定の対で用いられるバーナを含む蓄熱式バーナ
装置が開発されている。
【0003】従来からの上記の蓄熱システムについての
従来からの問題点としては、N2 を結合した燃料を用い
た場合と同様に、空気の極端な高温予熱と炎温度の結果
として生ずる燃焼排出物中に必然的に存在する極端に高
いNOx濃度がある。この結果、従来の蓄熱システムは
これらNOxの減少に適合出来ないので新しい方法の開
発が望まれていた。その1つとして前述の特開平2−1
0002号公報には図7に示すような蓄熱システムを用
いてNOxの生成を抑制する方法が開示されている。
【0004】即ち、炉から出た排気ガスから交互に熱を
引き出して、そこを通過する供給された燃焼空気を加熱
するために設けられた蓄熱ベッドを有する型式の蓄熱バ
ーナの一組においてNOxの生成を抑制する方法であっ
て、炉から高温排気ガスを引出し、ガス流を該排気ガス
流に噴射し、該噴射されたガス流中に高温排気ガスの一
部を随伴させ、噴射されたガス流と高温排気ガスの随伴
部とをバーナ室に通過させ、バーナ室での燃焼プロセス
を該高温排気ガス部分で混合(汚染)し、これによりN
Oxの生成を抑制する方法である。この図7に示すよう
な蓄熱システム21は、離れた第1および第2蓄熱バー
ナ24a,24bの一組を有し、各バーナ24a,24
bは、燃料と各バーナ24a,24bに結合された蓄熱
ベッド28a,28bから供給された予熱燃焼空気流と
を混合するための燃焼室22を有し、周期的に作動する
ように適合された各バーナ24a,24bにおいて、排
気ガス流が炉を出て第2バーナ24b室を通過し、該第
2バーナ24bに接続された蓄熱ベッド28bに流れる
間に、第1バーナ24aが高温ガスを炉内部に向ける燃
焼状態にある型式の蓄熱バーナ装置である。26は燃焼
空気/排気通路、30は燃焼ブローワ、32は空気弁、
34は排気弁、37は制御弁である。
【0005】また、鉄鋼等の連続加熱炉としては、図8
に示すような加熱炉が用いられている。図8における加
熱炉は、炉内を幾つか例えば4区画、場合によっては5
または6区画のゾーン101,102,103,104
に分けて構成し、各ゾーン毎に加熱用バーナ105,1
05…105が設置されている。バーナ105は、各ゾ
ーン101,102,103,104において被加熱物
Wの上方と下方に夫々設けられ、被加熱物Wに沿って火
炎を形成するように設置されている。この鉄鋼加熱炉の
各ゾーン101,102,103,104のバーナ10
5は、火炎が被加熱物Wを直接舐めないように、被加熱
物搬入口106側に設けられた煙突107に向けて燃焼
ガスが流れるように配置され、上流側(被加熱物搬出口
108寄り側)のゾーンの燃焼ガスが順次下流側のゾー
ンに流入しながら、最も下流の被加熱物搬入口106付
近のゾーン104から大気中に排出されるように設けら
れている。これによって各ゾーン101,102,10
3,104における炉内縦方向の温度分布をある程度均
一に保つように設けられている。
【0006】また、前述の図8に示すような加熱炉で
は、上流側のゾーンで発生した燃焼ガスに下流側のゾー
ンで発生した燃焼ガスが加わりながら、被加熱物搬入口
106側の煙突107に向けて順次燃焼ガスが流れるた
め、上流側の燃焼が下流側の燃焼に与える影響を把握す
ることが難しいことから、各ゾーン101,102,1
03,104の温度を所望の温度に設定して保つことが
難しいと言う問題が生じた。
【0007】以上述べたような蓄熱式バーナを鋼材の直
火式加熱炉などの高温の加熱炉に用いた場合、蓄熱体へ
導入される燃焼排ガスの温度が1000℃以上と非常に
高温であることから、燃焼用空気に比べ、燃焼排ガスの
比熱が増大し、燃焼用空気を排ガス温度とほぼ同程度ま
で、予熱しても、燃焼排ガスの顕熱を十分に回収しきれ
ずに、300〜500℃程度の燃焼排ガスが、排出され
てしまう。また、炉内温度が、1300℃の場合、12
00℃程度の高温の予熱空気が得られるため、従来バー
ナに比べ、火炎温度が高くなり、燃焼排ガス中のNOx
濃度が非常に高いという問題が生じ、これを解決する必
要があった。これらNOx対策として、従来、バーナの
低NOx用に蒸気を用いることが行われていたが、その
場合、多くは、他のボイラーで発生した蒸気を別の所か
らわざわざ配管を引いてこなければならないという問題
点があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本願発明は、以上の従
来技術の問題点を解消するためのものである。即ち本願
発明は、蓄熱式バーナを用いた加熱炉において、 (1) 炉内温度パターンを任意に設定すること (2) 燃焼排ガスの排熱回収が可能であること (3) 低NOx濃度の燃焼排ガスであること の条件を達成する「蓄熱式バーナを用いた加熱炉におけ
る排熱回収方法」を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明の第1は、1つの炉体内が複数に区画された
各ゾーン毎に、蓄熱体を通してバーナへの燃焼用空気の
供給及びバーナからの燃焼ガスの排出を行う蓄熱型交番
燃焼バーナシステムを少なくとも1システム以上を設
け、各ゾーン毎に炉内温度を任意に制御すると共にゾー
ン内温度を均一にし、さらに蓄熱体出口側に排熱ボイラ
ーを設け、前記バーナからの燃焼ガスの蓄熱体通過後の
排ガス顕熱を排熱ボイラーにて回収し、該排熱ボイラー
の回収蒸気をバーナの低NOx用噴射蒸気として用いる
ことを特徴とする蓄熱式バーナを用いた加熱炉における
排熱回収方法である。
【0010】本発明の第2は、被加熱物の搬入口と搬出
口とを有する炉体に、蓄熱体を通してバーナへの燃焼用
空気の供給及びバーナからの燃焼ガスの排出を行う蓄熱
型交番燃焼バーナシステムを少なくとも1システム以上
を設けた単位炉を構成し、該単位炉を複数体連結して1
つの炉を構成し、各ゾーン毎に炉内温度を任意に制御す
ると共にゾーン内温度を均一にし、さらに各単位炉毎に
蓄熱体出口側に排熱ボイラーを設け、前記バーナからの
燃焼ガスの蓄熱体通過後の排ガス顕熱を排熱ボイラーに
て回収し、該排熱ボイラーの回収蒸気をバーナの低No
x用噴射蒸気として用いることを特徴とする蓄熱式バー
ナを用いた加熱炉における排熱回収方法である。
【0011】
【作用】本発明においては、1つの炉体を区画したゾー
ン毎、或いは連結することによって1つの炉体を構成す
る単位炉毎に、蓄熱体を通してバーナへの燃焼用空気の
供給及びバーナからの燃焼ガスの排出を行う蓄熱型交番
燃焼バーナシステムを少なくとも1システム以上を設
け、各ゾーン毎或いは単位炉毎に、炉内温度を任意に変
化させ得るようにしたので、各ゾーン毎或いは単位炉毎
に、蓄熱型交番燃焼バーナシステムの燃焼量を制御する
ことによって、加熱炉全体としての炉内温度パターンを
任意に設定し得る。そして、この炉内温度変化は各ゾー
ン或いは単位炉内においてのみ起り、隣の他のゾーン或
いは単位炉に影響は与えない。そこで、各ゾーン或いは
単位炉毎に独立して温度設定が行われて加熱炉全体とし
ての炉内温度パターンが設定される。かかる上記の加熱
炉の蓄熱体出口側に小型排熱ボイラーを設置したので、
蓄熱体通過後の排ガス顕熱を排熱ボイラーにて回収し、
その蒸気をバーナの低NOx用噴射蒸気として用いるよ
うにしたので効率よく熱回収が出来かつ低NOxの排ガ
スが得られるものである。
【0012】
【実施例】蓄熱式バーナを鋼材の直火式加熱炉などの高
温の加熱炉へ用いた場合、炉内温度1300℃で、燃焼
切換時間を30秒、蓄熱体の容積を排ガス量及び燃焼切
換時間に対して、適正に決定すれば、予熱空気温度を1
200℃まで予熱することが出来る。(温度効率で90
%以上)しかしながら、蓄熱体入口の排ガス温度が13
00℃と高温の場合には、例えば表1に示すような組成
の製鉄所で使用されている副性ガスでは、空気比を1.
1とした場合、次のように算定並びに測定される。 a.理論空気量 2.585Nm3 /Nm3 −燃料 b.理論排ガス量 3.288Nm3 /Nm3 −燃料 c.実際空気量 2.843Nm3 /Nm3 −燃料 d.実際排ガス量 3.572Nm3 /Nm3 −燃料
【0013】
【表1】 即ち、燃焼排ガス量が燃焼用空気量の約1.26倍(d
/c)である。さらに、表2並びに図6に示すように2
00〜1300℃における空気と排ガスの定圧比熱(K
cal/Nm3 .℃)を夫々求めた。
【0014】
【表2】 その結果、1300℃における燃焼排ガス比熱B(0.
397Kcal/Nm3 .℃)と1200℃における燃
焼用空気比熱A(0.343Kcal/Nm3.℃)の
比率B/Aは1.15倍(予熱空気温度を1200℃)
を示す。また、表3に、畜熱体入口の排ガス温度130
0,1200,1100℃の各温度別の予熱空気温度、
蓄熱体出口排ガス温度を排熱回収効率63%として示
す。
【0015】
【表3】 表1の結果及び表2より、排ガスの顕熱は、1200℃
まで予熱した空気の顕熱の約1.45倍もあり (排ガス量比1.26)×(排ガス比熱/燃焼用空気比
熱=1.15)=1.45 1200℃の予熱空気により、1300℃排ガス顕熱の
約63%を回収しても、蓄熱体出口の排ガス温度は52
0℃になり蒸気を発生させるための熱量を十分に有して
いることになる。本発明はこれらの検討に基づいて成さ
れたものである。
【0016】次に、図1に基づいて、本発明の蓄熱式バ
ーナの燃焼系フローについて説明する。図1は、蓄熱式
バーナの燃焼系フローの説明図である。図1において、
1は加熱炉、2a,2b,2c,2dはボックス型の1
ゾーン、2ゾーン、3ゾーン、4ゾーンで示される単位
炉、8は排熱回収ボイラー、9はバーナ、13は燃焼ガ
ス排気系、19は排熱回収蒸気系を示す。図1におい
て、加熱炉1は、ボックス型の単位炉2a,2b,2
c,2dを複数連結して全体として加熱炉を構成したも
のである。各単位炉2a,2b,2c,2dには夫々1
システム以上の蓄熱型交番燃焼バーナ9a,9bが配置
されている。
【0017】また排熱回収ボイラー8を、切換え燃焼後
の排ガス煙道の燃焼ガス排気系13側に設置し、排熱回
収ボイラー8により回収された蒸気を排熱回収蒸気系1
9の経路により蓄熱型交番燃焼バーナ9a,9bに供給
して、燃焼排ガス中のNOxガス濃度を低減せしめる。
なお、図1においては、2aゾーンの単位炉についての
み説明したが2b〜2dゾーンの単位炉についても同様
である。
【0018】次に、本発明を適用した加熱炉について、
図2に基づいて説明する。図2は本発明の実施態様例で
ある蓄熱式バーナを用いた加熱炉の説明図である。図2
において、3は被加熱物入口、4は被加熱物搬出口、5
は炉圧制御手段、6は開閉ダンパー、7はダクトであ
り、他の符号は図1と同一なので説明を省略する。この
加熱炉1のボックス型の各単位炉2には、被加熱物入口
3と被加熱物搬出口4とが夫々設けられ、その天井部分
に或いはその他の部分に炉圧制御手段5が設けられてい
る。炉圧制御手段5としては、開閉ダンパー6を有する
ダクト7が設けられ、必要に応じてファン(図示なし)
により誘引排気が行われたり、或いは煙突が接続され、
トンネル効果によって排気するように設けられている。
本実施例の場合、炉圧制御手段5は開閉ダンパー6の操
作によってダクト7の開度を変化させ、排気量或いは吸
気量を調整可能としている。また、各単位炉2a〜2d
の各炉圧制御手段5a〜5dは集合煙突20に夫々連結
している。
【0019】各単位炉2a〜2dには、少くとも1シス
テム以上、好ましくはコンベア(図示なし)上の被加熱
物Wの上方と下方とに夫々1システム以上の蓄熱型交番
燃焼システムが配置され、被加熱物Wに沿って水平炎が
形成されるように設けられている。ここで蓄熱型交番燃
焼システムは、その構造及び燃焼方式に特に限定を受け
るものではなくどのような構造のものでも使用が可能で
あるが、本実施例では、蓄熱体とバーナとを一体化した
ものを2基組合わせて交互に燃焼させ、燃焼させていな
い方のバーナ及び蓄熱体を通して排ガスを排出し得るよ
うに設けたものが使用されている。
【0020】図3は加熱炉の単位炉の側面図で、図4は
単位炉の蓄熱型交番バーナシステムの一例を示す概略説
明図である。図において、10はウインドボックス、1
1は蓄熱体、12は燃焼用空気供給系、13は燃焼ガス
排気系、14は四方弁、15は押込みフアン、16は誘
引フアン、17は三方弁、18は燃料供給系である。
【0021】次に、本加熱炉の蓄熱システムを図3並び
に図4に基づいて説明する。2基のバーナ9a,9bの
夫々の蓄熱体11a,11bを経てウインドボックス1
0に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給系12及び燃
焼ガスを排出する燃焼ガス排気系13とを各バーナ9
a,9bに選択的に接続可能とし、一方のバーナには蓄
熱体11を通して燃焼用空気の供給を図ると共に他方の
バーナからは蓄熱体11を通して燃焼ガスの排出を図る
ように設けられている。図示されてないが蓄熱体11を
出た排気は四方弁14の後に設けた排熱回収ボイラー8
にて蒸気を回収し回収蒸気はバーナ9に供給される。燃
焼ガス排気系13と燃焼用空気供給系12とは四方弁1
4によって選択的にいずれか一方のバーナ9のウインド
ボックス10に接続され、例えば押込みフアン15によ
って供給される燃焼用空気がウインドボックス10に供
給されると同時に例えば誘引フアン16によって燃焼ガ
スがウインドボックス10から吸引され大気中に排出さ
れる。
【0022】また、燃料は三方弁17を介していずれか
一方のバーナ9a,9bに燃料供給系18を選択的に接
続して供給される。更に、蓄熱体11としては比較的圧
力損失が低い割りに熱容量が大きく耐久性の高い材料例
えばフアインセラミックスで成形されたハニカム状の筒
体の使用が好ましいが、特にこれに限定されるものでは
なく他の材料或いは構造から成る蓄熱体を使用しても良
い。尚、図示していないが、蓄熱型交番燃焼バーナシス
テムには、通常パイロットバーナやその点火用トランス
などの付帯設備が装備される。また、燃焼用空気供給ラ
インには必要に応じて蒸気或いは水が注入可能に設けら
れ、燃焼用空気の予熱を行うことがある。
【0023】本実施例の場合、蓄熱型交番燃焼バーナシ
ステムは図3及び図4に示すように、1対のバーナ9
a,9bを同一壁面に並べて設置すると共に該壁面と相
対向する2対のバーナ群即ち2システムを1組として装
備されている。この場合、燃料及び燃焼用空気は同一壁
面上の隣りあったバーナ9a,9bの間で選択的に供給
されるが、燃焼ガスは対向するバーナ9a,9bの間で
交互に排出される。即ち、1組のバーナ9a,9bは対
向する用に被加熱物搬入口3側と被加熱物搬出口4側と
の炉壁に設置され、一方の炉壁のバーナ9aを燃焼させ
るときには他方の炉壁のバーナ9bを停止させ、停止中
のバーナ9b側から燃焼ガスを排気することによって蓄
熱体11で燃焼ガスの排熱を回収し、その熱を燃焼用空
気の予熱に利用することによって再び炉2内に還流させ
るようにしている。この場合、最も短い距離で配管を行
うことが出来る。
【0024】以上のように構成されているので、1対の
バーナ9a,9bを交互に燃焼させてその燃焼ガスを停
止中のバーナの燃焼ガス排気系13を通して排気させれ
ば、火炎及び燃焼ガスは被加熱物に沿って平行に流れ、
対向設置された相手側のバーナ9のウインドボックス1
0へ吸引されて炉外へ排出される。即ち、各単位炉2で
発生した燃焼ガスは隣りあった単位炉2へ流出すること
無く炉外に排出される。そして、その排出の際に蓄熱体
11並びに排熱回収ボイラー8で燃焼ガスの排熱を回収
し、これを燃焼用空気の予熱並びに回収蒸気をバーナ9
に供給してNOx低減に利用する。かくして、各単位炉
2毎にバーナ9a,9bの燃焼量を制御させて炉内温度
を所定温度に調整し、加熱炉1全体として所望の炉内温
度パターンとなるように制御する。この場合、炉内圧は
炉圧制御手段5を開閉させることによって適宜圧力に調
整され隣の単位炉2内へ燃焼ガスが流れ込むことがない
ように配慮されている。ここで、燃焼と排気の切替えは
従来の交番燃焼よりも遥かに短いサイクル、例えば20
秒〜2分間隔、好ましくは約1分間隔に行うか、或いは
排出される燃焼ガスが所定の温度例えば200℃程度と
なったときに行う。
【0025】以上述べたような加熱炉は、全燃焼量40
00万kcal/hで、100万kcal/hの容量の
バーナが40本設置されている。燃焼系統は、4系統に
分れており、それぞの系統の排ガスは200万kcal
/hの熱量を有している。それぞれの煙道に、小型ボイ
ラーが設置されている。上記のような加熱炉を用いた場
合、図5に示すような炉内温度パターンを得ることがで
きる。また、各ボイラーでは、1.5T/H(圧力5.
0kg/cm2 )の蒸気が発生しており、排出ガスのN
Ox濃度(1000ppm以下)のバーナの低NOx対
策用蒸気として有効に利用される結果を得ている。ま
た、その他の製鉄所で使用されている副性ガス、例えば
コークス炉ガス、都市ガスとして使用されている天然ガ
スなどでも、炉内温度が高温になった場合には、同様の
ことが言える。従って、その煙道に小型ボイラーを設置
することで、バーナのすぐ近くで蒸気を発生させ、バー
ナの低NOx用蒸気として使うことが出来る。
【0026】
【発明の効果】本願発明の蓄熱式バーナを用いた加熱炉
における排熱回収方法によれば、蓄熱式バーナを用いた
加熱炉における本来の効果である (1) 炉内温度パターンを任意に設定すること (2) 各ゾーン或いは単位炉内の温度分布を均一にする
こと が達成できる同時に、蓄熱体出口側に小型排熱ボイラー
を設けので、 (1) 燃焼排ガスの排熱回収が可能となり (2) 低NOx濃度の燃焼排ガスでとなる の条件を達成する燃焼排ガス顕熱の有効利用により、バ
ーナの低NOx対策用蒸気を得ることができ、従来使用
していた蒸気発生用燃料の削減及び、他からの蒸気配管
が不要となる等の効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の加熱炉排ガスフローの説明図である。
【図2】本発明の蓄熱式バーナの燃焼系フローの説明図
である。.
【図3】本発明の実施態様例である蓄熱式バーナを用い
た加熱炉の説明図である。
【図4】図2の加熱炉の単位炉の側面図である。
【図5】炉内温度パターンの説明図である。
【図6】ガス温度と定圧比熱との関係グラフである。
【図7】従来の加熱処理炉の説明図である。
【図8】従来の加熱処理炉の説明図である。
【符号の説明】
1 加熱炉 2a,2b,2c,2d ボックス型の単位炉 3 被加熱搬入口 4 被加熱搬出口 5 炉圧制御手段 6 開閉ダンパー 7 ダクト 8 排熱回収ボイラー 9 バーナ 10 ウインドボックス 11 蓄熱体 12 燃焼用空気供給系 13 燃焼ガス排気系 14 四方弁 15 押込みフアン 16 誘引フアン 17 三方弁 18 燃料供給系 19 排熱回収蒸気系 20 集合煙突
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺本 豊和 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 佐藤 博明 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日本鋼管株式会社内

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1つの炉体内が複数に区画された各ゾー
    ン毎に、蓄熱体を通してバーナへの燃焼用空気の供給及
    びバーナからの燃焼ガスの排出を行う蓄熱型交番燃焼バ
    ーナシステムを少なくとも1システム以上を設け、各ゾ
    ーン毎に炉内温度を任意に制御すると共にゾーン内温度
    を均一にし、さらに蓄熱体出口側に排熱ボイラーを設
    け、前記バーナからの燃焼ガスの蓄熱体通過後の排ガス
    顕熱を排熱ボイラーにて回収し、該排熱ボイラーの回収
    蒸気をバーナの低NOx用噴射蒸気として用いることを
    特徴とする蓄熱式バーナを用いた加熱炉における排熱回
    収方法。
  2. 【請求項2】 被加熱物の搬入口と搬出口とを有する炉
    体に、蓄熱体を通してバーナへの燃焼用空気の供給及び
    バーナからの燃焼ガスの排出を行う蓄熱型交番燃焼バー
    ナシステムを少なくとも1システム以上を設けた単位炉
    を構成し、該単位炉を複数体連結して1つの炉を構成
    し、各ゾーン毎に炉内温度を任意に制御すると共にゾー
    ン内温度を均一にし、さらに各単位炉毎に蓄熱体出口側
    に排熱ボイラーを設け、前記バーナからの燃焼ガスの蓄
    熱体通過後の排ガス顕熱を排熱ボイラーにて回収し、該
    排熱ボイラーの回収蒸気をバーナの低NOx用噴射蒸気
    として用いることを特徴とする蓄熱式バーナを用いた加
    熱炉における排熱回収方法。
JP4342578A 1992-12-22 1992-12-22 蓄熱式バーナを用いた加熱炉における排熱回収方法 Expired - Fee Related JP2687830B2 (ja)

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