JP3302062B2 - 蓄熱再生式バーナシステムおよびその運転方法 - Google Patents

蓄熱再生式バーナシステムおよびその運転方法

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JP3302062B2
JP3302062B2 JP32052292A JP32052292A JP3302062B2 JP 3302062 B2 JP3302062 B2 JP 3302062B2 JP 32052292 A JP32052292 A JP 32052292A JP 32052292 A JP32052292 A JP 32052292A JP 3302062 B2 JP3302062 B2 JP 3302062B2
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    • F23D14/22Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、排ガス顕熱を回収して
燃焼空気を予熱する蓄熱再生式バーナシステムおよびそ
の運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】蓄熱再生式バーナシステムとして、従来
から図7に示すものが知られている。この蓄熱再生式バ
ーナシステムは、一単位のシステムに4台のバーナ20
a〜20dを備えており、各バーナ20a〜20dの燃
料ノズル21a〜21dがそれぞれ開閉弁22a〜22
dおよび燃料制御弁23を介して燃料供給装置24に接
続され、流路25a〜25dが蓄熱器26a〜26dの
出側にそれぞれ接続されている。蓄熱器26a〜26d
は2つの入側ポートをそれぞれ備えており、一方の入側
ポートはそれぞれ開閉弁27a〜27dおよび空気制御
弁28を介してブロア29に接続され、他方の入側ポー
トはそれぞれ開閉弁30a〜30dおよび排ガス制御弁
31を介してファン32に接続されている。なお、蓄熱
器26a〜26dにはそれぞれセラミックスなどで構成
される蓄熱体が充填されている。
【0003】上記蓄熱再生式バーナシステムでは、バー
ナ20aと20b、バーナ20cと20dがそれぞれ対
になって動作し、それぞれのバーナ20a〜20dが下
記する表1のモードAとモードBの燃焼動作を所定時間
ごとに繰り返す。なお、表1中、○は開閉弁の開状態、
×は開閉弁の閉状態を示す。
【表1】
【0004】すなわち、モードAの燃焼動作では、開閉
弁22a,22cが開かれてバーナ20a,20cに燃
料ガスが供給され、開閉弁22b,22dが閉じられて
燃料ガスの供給は停止される。また開閉弁27a,27
cが開かれてバーナ20a,20cに燃焼空気が供給さ
れ、開閉弁27b,27dが閉じられてバーナ20b,
20dへの燃焼空気の供給は停止される。さらに、開閉
弁30a,30cが閉じられ、開閉弁30b,30dが
開かれる。そして、バーナ20a,20cには燃料ガス
と燃焼空気が供給され、これらが炉内(図示せず)に噴
射されて燃焼する。このとき、ブロア29から供給され
た燃焼空気は、後述するように、モードBの燃焼動作時
に蓄熱器26a,26cに回収された熱で予熱され、高
温状態でバーナ20a,20cに供給される。一方、バ
ーナ20b,20dはファン32の駆動に基づいて炉内
の燃焼排ガスを吸引し、この排ガスの顕熱が蓄熱器26
b,26dで回収される。
【0005】次に、モードAの状態で所定時間(典型的
には20〜120秒)経過すると、モードBの燃焼状態
に切り換えられ、モードAの状態とは逆に、開閉弁22
b,22dが開かれ、開閉弁22a,22cが閉じられ
る。また、開閉弁27b,27dが開かれ、開閉弁27
a,27cが閉じられるとともに、開閉弁30b,30
dが閉じられ、開閉弁30a,30cが開かれる。そし
て、ブロア29より供給された燃焼空気は蓄熱器26
b,26dで予熱され、燃料ガスと共にバーナ20b,
20dより炉内に噴射されて燃焼し、ファン32の駆動
に基づいてバーナ20a,20cから吸引された炉内の
排ガス顕熱が蓄熱器26a,26cで熱交換されて排気
される。このように、上記蓄熱再生式バーナシステムで
は、一対のバーナ20aと20c、20bと20dが交
互に燃焼状態と排気状態とに切り換えられ、排気時に回
収した排ガス顕熱を燃焼空気の予熱に利用して効率のよ
い燃焼が達成できる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記蓄
熱再生式バーナシステムでは、燃焼を終了するときは、
まず燃料制御弁23を閉じ、所定時間経過後に空気制御
弁28を閉じるようにしている。また、燃焼を開始する
ときは、まず空気制御弁28を開き、所定時間経過後に
燃料制御弁23を開くようにしている。その理由は、常
に燃料ガスよりも燃焼空気を先行させることにより、炉
内に燃料ガスだけが供給される状態を回避するためであ
る。そのため、図8に示すように、モード切換時に炉内
酸素濃度が一時的に急上昇して、省エネルギ効果が低下
したり、加熱処理材の酸化損失を招来するという問題点
があった。
【0007】また、各バーナが燃焼状態と非燃焼状態を
繰り返すようにしているので、バーナ着火時の点火ショ
ックにより炉内圧力が瞬間的に上昇し、その際に高温雰
囲気が炉開口部より放出されて熱損失、環境の悪化、炉
構成部品の熱損失を生じたり、その後圧力が瞬間的に低
下することにより大気が炉内に流入してエネルギ損失を
招くという問題点があった。なお、従来システムの操業
では、最少でも4台のバーナが必要であり、4台のうち
2台づつを燃焼と排気に使用するので、バーナ台数が多
くなり、その取付や配置面で制約を受け、コスト上昇の
原因となっていた。さらに、燃料ガスの切換弁とその切
換制御が必要なので、設備が複雑・高価となるうえ、ガ
ス切換弁のシール性に関し高い信頼性が求められてい
た。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するためになされたもので、蓄熱再生式バーナシステ
ムの運転方法として、2つの流路の間に燃料ノズルを有
し、かつ前記流路をそれぞれ蓄熱器に接続して一方の流
路に燃焼空気を供給して当該燃焼空気を蓄熱器により予
熱し、他方の流路から炉内の排ガスを排気して蓄熱器を
加熱することを所定時間毎に交互に繰り返す蓄熱再生式
バーナの2台を一組とした蓄熱再生式バーナシステム運
転方法において、前記2台の各蓄熱再生式バーナのそれ
ぞれの燃料ノズルから連続的に燃料を供給するととも
に、一方の流路に燃焼空気を供給し、かつ、他方の流路
から炉内の排ガスを排気する定格燃焼状態から次の定格
燃焼状態に移行する間に、前記2台の各蓄熱再生式バー
ナの燃料の供給量と燃焼空気の供給量と炉内排ガスの排
気量とを絞るとともに、いずれか一方の蓄熱再生式バー
ナの両方の流路に燃焼空気を供給し、かつ、他方の蓄熱
再生式バーナの一方の流路に燃焼空気を供給して他方の
流路から炉内の排ガスを排気する非定格燃焼状態を介在
させることを特徴とするものである。
【0009】また、本願の蓄熱再生式バーナシステム
は、2つの流路間に燃料ノズルを設けた2台のバーナ
と、2つの入側ポートをそれぞれ備えた4台の蓄熱器
と、燃料供給装置と、燃焼空気供給装置と、排気装置を
有し、上記燃料ノズルを制御弁を介して燃料供給装置に
接続し、上記蓄熱器の出側をそれぞれ上記流路に接続
し、上記蓄熱器の一方の入側ポートを並列配置された2
つの燃焼空気開閉弁および制御弁を介して上記燃焼空気
供給装置に接続するとともに、他方の入側ポートを排ガ
ス開閉弁と制御弁を介して上記排気装置に接続したもの
を一単位としている。
【0010】
【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例に
ついて説明する。図1,2は蓄熱再生式バーナ1(以下
「バーナ1」という。)を示し、このバーナ1の本体2
は周知の耐火物で構成されている。上記本体2の前面
(炉内対向部)には凹状の一次燃焼タイル3が形成さ
れ、この一次燃焼タイル3のほぼ中央に設けたノズル挿
入孔4に燃料ノズル7が挿入されている。また、本体2
には、一次燃焼タイル3を挟んで前面と後面を連絡する
流路5a,5bが形成され、これら流路5a,5bと一
次燃焼タイル3が複数の孔6a…6a,6b…6bを介
して連通されている。
【0011】図3は2台のバーナ1,1’を含む蓄熱再
生式バーナシステム(以下「バーナシステム」とい
う。)を示す。このバーナシステムにおいて、バーナ1
の燃料ノズル7は燃料制御弁11を介して燃料供給装置
12に接続され、流路5a,5bはそれぞれ蓄熱体10
a,10bを有する蓄熱器9a,9bの出側ポートに接
続されている。上記蓄熱器は9a,9bは2つの入側ポ
ートを備えており、一方の入側ポートがそれぞれ並列に
配置された開閉弁13a,14a、13b,14bを介
して空気制御弁15、さらにこの空気制御弁15を介し
て燃焼空気供給装置である給気ファン16に接続され、
他方の入側ポートがそれぞれ開閉弁17a,17bを介
して遮断弁18、さらにこの排ガス制御弁18を介して
排気装置である排気ファン19に接続されている。ま
た、バーナ1’も同様に接続されており、このバーナ
1’に接続されている構成部品については各符号
に「’」を付して適宜区別する。
【0012】以上のように構成されたバーナシステムの
運転方法について、図4〜6を参照して説明する。な
お、図4は各ステップにおける燃料噴射量、空気噴射
量、排ガス排気量、および排気状態と給気状態との区別
を示しており、実線は燃焼空気の給気状態、点線は排ガ
スの排気状態、一点鎖線は燃料の噴射状態を表し、図上
右側に向かう矢印が炉内に向かって噴射する状態を表
し、図上左側に向かう矢印が炉内から炉外に向かう排気
の状態を表している。また、図5は燃料と燃焼空気の供
給量、および排ガスの排気量を示しており、実線が供給
状態、点線が排気状態を表している。さらに、図6はそ
れぞれの開閉弁の開閉状態を示し、○は開状態、×は閉
状態を表している。また、定常運転とは流体の流れ、熱
伝導などが時間的に一定に保持されている状態を言い、
定格運転とは原動機(バーナ)が安全に出し得る動力
(出力)の限界を言う。
【0013】上記運転方法は8つのステップにより構成
されており、これらの8つのステップが繰り返し実行さ
れる。ただし、ステップ2,4,6,8の所要時間はス
テップ1,3,5,7に比べて短く設定されており、そ
れぞれの弁操作は予めプログラムされた制御内容にした
がってタイマ制御される。まず、ステップ1(S1)
は、燃料制御弁11、空気制御弁15、排ガス制御弁1
8はそれぞれ開放され、定格燃焼状態、すなわち、燃焼
容量が100%に設定される。また、バーナ1について
開閉弁13a,14a,17bが開かれ、開閉弁17
a,13b,14bが閉じられる。さらに、バーナ1’
について開閉弁17a’,13b’,14b’が開か
れ、開閉弁13a’,14a’,17b’が閉じられ
る。これにより、燃料供給装置12よりそれぞれのバー
ナ1,1’の燃料ノズル7,7’に燃料ガスが供給され
て炉内に噴射される。また、給気ファン16よりそれぞ
れのバーナ1,1’の流路5a,5b’に燃焼空気が供
給され、流路5a,5b’に供給された燃焼空気は、そ
の一部が孔6a,6b’より一次燃焼タイル3,3’に
噴射され、燃料ガスに撹拌混合されて一次燃焼する。次
に、流路5a,5b’から直接噴射された燃焼空気が燃
料ガスに接触混合されて二次燃焼する。すなわち、燃料
ガスは2段燃焼され、NOxの低減が図られる。なお、
以下の記述において、この2段燃焼の説明は省略する。
一方、排気ファン19の駆動に基づいて流路5b,5
a’より炉内の排ガスが吸引され、この吸引された排ガ
スは蓄熱器9b,9a’を介して排気されるとともに、
排ガスの顕熱が蓄熱体10b,10a’に奪われて回収
される。
【0014】ステップ2(S2)では、燃料制御弁11
が絞られるとともに、これに対応して空気制御弁15、
排ガス制御弁18も絞られて非定格燃焼状態、すなわ
ち、燃焼容量が50%に切り換えられる。また、バーナ
1について開閉弁14a,13b’,14b’は開状態
のままで、14bが開かれ、開閉弁17a,13bは閉
状態のままで、13a,17bが閉じられる。さらに、
バーナ1’について各開閉弁はステップ1と同一状態に
設定される。これにより、バーナ1では2つの流路5
a,5bにそれぞれ燃焼空気が供給されるが、各流路5
a,5bへの燃焼空気の供給量は第1ステップ(S1)
で流路5aに供給した空気量の25%、すなわち合計5
0%に制御される。バーナ1’では一方の流路5b’だ
けに燃焼空気が供給され、その供給量は50%に制御さ
れる。したがって、燃料ガスと燃焼空気の供給量と排ガ
スの排気量が非定格燃焼状態で平衡に保たれる。そし
て、バーナ1では燃料ノズル7から噴射された燃料ガス
と流路5a,5bから噴射された燃焼空気とが混合して
燃焼し、バーナ1’では燃料ノズル7’から噴射された
燃料ガスと流路5b’から噴射された燃焼空気とが混合
して燃焼する。このとき、バーナ1の流路5bに供給さ
れた燃焼空気が蓄熱体10bに蓄積された熱によって予
熱される。また、バーナ1’は、流路5b’からステッ
プ1(S1)の半分の量の燃焼空気が流れており、予熱
空気として燃焼に作用する。バーナ1,1’の合計した
排ガスは流路5a’から吸引される。
【0015】ステップ3(S3)では、燃料制御弁1
1、空気制御弁15、排ガス制御弁18がそれぞれ開放
されて定格燃焼状態、すなわち、燃焼容量が100%に
設定され、バーナ1について開閉弁14bが開状態のま
まで、17a,13bが開かれ、開閉弁13a,17b
が閉状態のままで、14aが閉じられる。また、バーナ
1’について各開閉弁はステップ1,2と同一状態に設
定される。そして、バーナ1では燃料ノズル7から噴射
された燃料ガスと流路5bから噴射された燃焼空気とが
混合して燃焼し、バーナ1’では燃料ノズル7’から噴
射された燃料ガスと流路5b’から噴射された燃焼空気
とが混合して燃焼する。このとき、蓄熱体10a,10
a’に排ガスの顕熱が回収され、蓄熱体10b,10
b’に蓄積された熱によって流路5b,5b’に供給さ
れる燃焼空気が予熱される。
【0016】ステップ4(S4)では、燃料制御弁1
1、燃焼空気制御弁15、排ガス制御弁18が、それぞ
れ絞られて非定格燃焼状態、すなわち、燃焼容量を50
%に設定し、バーナ1について各開閉弁はステップ3
(S3)と同一状態に設定される。また、バーナ1’に
ついて開閉弁14b’が開状態のままで、14a’が開
かれ、開閉弁13a’17b’が閉状態のままで、17
a’,13b’が閉じられる。そして、バーナ1では燃
料ノズル7から噴射された燃料ガスと流路5bから噴射
された燃焼空気が混合して燃焼し、バーナ1’では燃料
ノズル7’から噴射された燃料ガスと流路5a’,5
b’から噴射された燃焼空気が混合燃焼する。また、蓄
熱体10aに排ガスの顕熱がステップ3(S3)から継
続して回収され、蓄熱体10b,10a’,10b’に
蓄積された熱によって流路5b,5a’,5b’に供給
される燃焼空気が予熱される。
【0017】ステップ5(S5)では、燃料制御弁1
1、空気制御弁15、排ガス制御弁18が、それぞれ開
放されて定格燃焼状態、すなわち、燃焼容量を100%
に設定し、バーナ1について各開閉弁はステップ3(S
3),4(S4)と同一の状態に設定される。また、バ
ーナ1’について開閉弁14a’が開状態のままで、1
3a’,17b’が開かれ、開閉弁17a’,14b’
が閉状態のままで、13b’が閉じられる。そして、バ
ーナ1では流路5bから噴射された燃焼空気が燃料ガス
と混合して燃焼し、バーナ1’では流路5a’から噴射
された燃焼空気が燃料ガスと混合して燃焼する。また、
蓄熱体10a,10b’に排ガスの顕熱が回収され、蓄
熱体10b,10a’に蓄積された熱によって燃焼空気
が予熱される。
【0018】ステップ6(S6)では、燃料制御弁1
1、空気制御弁15、排ガス制御弁18が、それぞれ絞
られて非定格燃焼状態、すなわち、燃焼容量を50%に
設定し、バーナ1について開閉弁14bが開状態のまま
で、14aが開かれ、開閉弁13a,17bが閉状態の
ままで、17a,13bが閉じられる。また、バーナ
1’について各開閉弁はステップ5(S5)と同一状態
に設定される。そして、バーナ1では流路5a,5bか
ら噴射された燃焼空気が燃料ガスと混合して燃焼し、バ
ーナ1’では流路5a’から噴射された燃焼空気が燃料
ガスと混合して燃焼する。また、蓄熱体10b’に排ガ
スの顕熱が回収され、蓄熱体10a,10b,10a’
に蓄積された熱によって燃焼空気が予熱される。
【0019】ステップ7(S7)では、燃料制御弁1
1、空気制御弁15、排ガス制御弁18が、それぞれ開
放されて定格燃焼状態、すなわち、燃焼容量を100%
に設定し、バーナ1について開閉弁14aは開状態のま
まで、13a,17bが開かれ、開閉弁17a,13b
が閉状態のままで、14bが閉じられる。また、バーナ
1’について各開閉弁はステップ5(S5),6(S
6)と同一状態に設定される。そして、バーナ1では流
路5aから噴射された燃焼空気が燃料ガスと混合して燃
焼し、バーナ1’では流路5a’から噴射された燃焼空
気が燃料ガスと混合して燃焼する。また、蓄熱体10
b,10b’に排ガスの顕熱が回収され、蓄熱体10
a,10a’に蓄積された熱によって燃焼空気が予熱さ
れる。
【0020】ステップ8(S8)では、燃料制御弁1
1、空気制御弁15、排ガス制御弁18が、それぞれ絞
られて非定格燃焼状態、すなわち、燃焼容量を50%に
設定し、バーナ1について各開閉弁はステップ7と同一
状態に設定され、バーナ1’について開閉弁14a’が
開状態のままで、14b’が開かれ、開閉弁17a’,
13b’が閉状態のままで、13a’,17b’が閉じ
られる。そして、バーナ1では流路5aから噴射された
燃焼空気が燃料ガスと混合して燃焼し、バーナ1’では
流路5a’,5b’から噴射された燃焼空気が燃料ガス
と混合して燃焼する。また、蓄熱体10bに排ガスの顕
熱が回収され、蓄熱体10a,10a’,10b’に蓄
積された熱によって燃焼空気が予熱される。
【0021】このように、上記バーナシステムの運転方
法では、バーナ1,1’に連続的に燃料ガスが供給され
て燃焼され、燃料ガスの増減に応じて燃焼空気供給量と
排ガス排気量が制御されるので、点火ショックに伴う炉
内圧力の変動や炉内酸素の急激な変動がなく、安定した
燃焼状態が継続される。
【0022】なお、バーナシステムの運転方法は、上記
実施例に限るものでなく、バーナ1と1’を連続的に燃
焼状態に設定しながら、流路より給気と排気を繰り返す
ことができる方法であればよい。
【0023】また、非定格燃焼状態では、燃料ガスと燃
焼空気の供給量および排ガス排気量を定格燃焼状態の5
0%に制御するものとしたが、排気ファン19の能力に
余裕があれば50%以上に設定することも可能であるの
は当然である。
【0024】さらに、バーナの構造も上記実施例に限ら
れることなく、種々の蓄熱再生式が用いられる。なお、
実施例では2台のバーナを一つの単位として説明した
が、実際には炉の大きさによって複数の単位を用いたシ
ステムに構成することができる。また、実施例では蓄熱
器9a,9bをバーナ1の外部に設けるものとしたが、
これらの蓄熱器9a,9bを流路5a,5bにそれぞれ
内蔵してもよい。
【0025】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
かかる蓄熱再生式バーナシステムの運転方法では、それ
ぞれのバーナは常に燃焼状態に維持され、流路の少なく
とも一つから炉内の排ガスを排気するようにしているの
で、従来のバーナシステムにおいて発生していた点火シ
ョックがなく、炉内圧力を常時一定の圧力に維持するこ
とが可能である。また、炉内に燃焼空気だけが供給され
る状態がなくなるので、炉内酸素濃度を常に一定に維持
することが可能で、加熱処理材への悪影響と酸化損失を
防止することができる。なお、バーナ台数も従来の蓄熱
再生式バーナの半分で済むとともに、燃料切換弁とその
切換制御がなくなり、安全性が向上する。さらに、本発
明にかかる蓄熱再生式バーナシステムによれば、上記運
転方法の実施が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 バーナの断面図である。
【図2】 バーナの正面図である。
【図3】 蓄熱再生式バーナシステムの構成図である。
【図4】 バーナシステム運転方法の説明図である。
【図5】 バーナシステム運転方法の別の説明図であ
る。
【図6】 開閉弁の開閉動作の説明図である。
【図7】 従来の蓄熱再生式バーナシステム構成図であ
る。
【図8】 従来の蓄熱再生式バーナシステムの運転状態
を示す図である。
【符号の説明】
1,1’…バーナ、2…バーナ本体、3…一次燃焼タイ
ル、5a,5b…流路、6a,6b…孔、7…燃料ノズ
ル、8a,8b…連結管、9a,9b…蓄熱器、10
a,10b…蓄熱体、11…燃料制御弁、12…燃料供
給装置、13a,13b,14a,14b,17a,1
7b…開閉弁、15…燃焼空気制御弁、16…給気ファ
ン(燃焼空気供給装置)、18…排ガス制御弁、19…
排気ファン(排気装置)。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−222102(JP,A) 特開 平6−11121(JP,A) 実開 昭62−908(JP,U) 実公 昭47−35714(JP,Y1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F23L 15/00 - 15/02 F23D 14/22 - 14/24 F23D 14/66

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2つの流路の間に燃料ノズルを有し、か
    つ前記流路をそれぞれ蓄熱器に接続して一方の流路に燃
    焼空気を供給して当該燃焼空気を蓄熱器により予熱し、
    他方の流路から炉内の排ガスを排気して蓄熱器を加熱す
    ることを所定時間毎に交互に繰り返す蓄熱再生式バーナ
    の2台を一組とした蓄熱再生式バーナシステム運転方法
    において、 前記2台の各蓄熱再生式バーナのそれぞれの燃料ノズル
    から連続的に燃料を供給するとともに、一方の流路に燃
    焼空気を供給し、かつ、他方の流路から炉内の排ガスを
    排気する定格燃焼状態から次の定格燃焼状態に移行する
    間に、前記2台の各蓄熱再生式バーナの燃料の供給量と
    燃焼空気の供給量と炉内排ガスの排気量とを絞るととも
    に、いずれか一方の蓄熱再生式バーナの両方の流路に燃
    焼空気を供給し、かつ、他方の蓄熱再生式バーナの一方
    の流路に燃焼空気を供給して他方の流路から炉内の排ガ
    スを排気する非定格燃焼状態を介在させることを特徴と
    する蓄熱再生式バーナシステムの運転方法。
  2. 【請求項2】 2つの流路の間に燃料ノズルを設けた2
    台のバーナと、2つの入側ポートをそれぞれ備えた4台
    の蓄熱器と、燃料供給装置と、燃焼空気供給装置と、排
    気装置を有し、上記燃料ノズルを制御弁を介して燃料供
    給装置に接続し、上記蓄熱器の出側をそれぞれ上記流路
    に接続し、上記蓄熱器の一方の入側ポートを並列配置さ
    れた2つの燃焼空気開閉弁および制御弁を介して上記燃
    焼空気供給装置に接続するとともに、他方の入側ポート
    を排ガス開閉弁と制御弁を介して上記排気装置に接続し
    たものを一つの単位とする蓄熱再生式バーナシステム。
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