JP3709775B2 - 蓄熱式バーナおよびその燃焼方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として工業用加熱炉に用いる蓄熱式バーナおよびその燃焼方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
蓄熱式バーナは、バーナ個々に蓄熱体を有し、燃焼中は、蓄熱体を通過して予熱された高温の燃焼用空気を用いて燃焼し、蓄熱中は、蓄熱体に炉内ガスを通過させて、これを加熱して熱を蓄える動作を繰り返すものである。燃料と燃焼用空気を同一のノズル内に供給して燃焼させた場合には、燃焼排ガス中のNOx濃度が非常に高くなる問題が発生する。そこで、従来から低NOx燃焼を行うため、燃料を一次燃料と二次燃料に分けて供給し、一次燃料と燃焼用空気とは一次ノズル内で混合させなながら一次火炎を形成し、二次燃料は一次火炎内に残存する酸素により炉内で緩慢燃焼させ二次火炎を形成する蓄熱式バーナが提案されている。このような蓄熱式バーナには、例えば、特許公報第2683545号に開示される技術がある。この技術では、燃焼空気供給口と燃料供給口とを距離を持たせて各々独立して炉内に開口させ、空気供給口内には、低温時用燃料供給口を内蔵する構成となっている。炉内温度が燃料の自己着火温度以下の低温時においては、前記空気供給口から燃焼用空気を噴出すると同時に、燃料は前記低温時用燃料供給口からのみ噴出させて燃焼させる。炉内温度が燃料の自己着火温度以上の高温に達したときには、前記低温時用燃料供給口からの燃料の供給を停止して、燃料供給口からのみ燃料を噴射して、炉内において再循環流を形成しながら燃焼させる燃焼方法である。
この方法によれば、酸素濃度の低い場での燃焼となり、また、炉内での緩慢燃焼により局部高温のない火炎となり、NOx低減効果が得られるとしている。
【0003】
他には、本出願人による特開平6−159613号公報に開示される技術がある。この技術では、燃焼用空気をバーナスロートにほぼ全量供給するとともに、バーナスロート内で燃焼用空気の流れの周りから燃焼用空気に向けて一次燃料を噴射して燃焼用空気の流れの周りに一次火炎を形成する一方、この一次火炎の外側でかつバーナスロートとほぼ平行に二次燃料を炉内に直接噴射する。一次燃焼ガスと燃焼用空気とが混合した高温の低酸素空気と二次燃料の炉内における混合を緩慢なものとした燃焼方法である。また、この方法では、炉温が低いときは一次燃料割合を多くし、炉温が高いときは二次燃料割合を多くする。
この方法によれば、一次燃料を超空気過剰状態で燃焼させた後、この一次火炎中のNOxを二次燃料で還元し、更にその後炉内において高温の燃焼用空気と二次燃料とを緩慢に混合させて二次燃焼を起こさせることができる。一次火炎は超空気過剰状態での燃焼のためNOxの発生が抑制される上に、二次燃料による還元作用によって更にNOxが低減される。また、二次燃料は高温の燃焼用空気とで安定して緩慢燃焼するため、NOxの発生が抑制されるとしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許公報第2683545号に開示される技術(以下、従来技術1という)においては、炉内温度が燃料の自己着火温度以上となる通常運転時にて、燃料は空気供給口とは別の燃料供給口から炉内に直接供給される。そのため、燃料と燃焼用空気が炉内で混合し燃焼を開始するのは、バーナから離れた位置とならざるを得ない。表1に示す組成の燃料ガスと1000℃の燃焼空気を用い、従来技術1に類似した蓄熱式バーナを試験的に製作して燃焼実験を行い、火炎軸心上の温度分布を測定したのが図2である。この燃料ガスの組成は、日本国内の一貫製鉄所で多く使用される燃料ガスの標準的組成である。
【0005】
【表1】
【0006】
このときの長さ方向の火炎温度分布は、図2中のA線のようになる。すなわち、燃料と燃焼用空気が混合するまでのバーナ近傍部約1m以内においては温度が低い。バーナから約1m以上離れた場所の温度はほぼ一定である。従って、従来技術1では、炉内において被加熱物がバーナ近傍に位置する場合には、バーナ近傍の火炎温度が低いことの影響を受け、被加熱物の加熱温度がバーナ近傍部分で低くなる。そのため、被加熱物を均一な温度に加熱することができない問題が生じる。また、炉内温度が燃料の自己着火温度以下の低温時においては、空気供給口から燃焼用空気を噴出すると同時に、燃料も燃焼用空気と直接混合させて燃焼させるため、炉内温度が燃料の自己着火温度に近づくにつれ、火炎の断熱火炎温度が上昇してNOxの発生濃度が規制値を超えて上昇する問題が生じる。従って、従来技術1においては、均一加熱ができない問題と、炉温が燃料の自己着火温度近くでNOxの発生濃度が増大する問題とが残されていた。
【0007】
一方、前記特開平6−159613号公報に開示される技術(以下、従来技術2という)においては、炉内温度が燃料の自己着火温度以上となった場合においても一次火炎を形成していることにより、バーナ近傍の温度は従来技術1よりも高くなる。しかしながら、二次燃料が低温状態のまま炉内へ噴射されることにより、バーナ近傍の温度は依然として低い問題と、一次火炎の空気比が適正でないとNOx発生量が増加する問題があった。従って、従来技術2においても被加熱物を均一な温度に加熱することができない問題およびNOx発生量を確実に低減する問題は十分に解消できていない。
【0008】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、バーナ近傍の火炎温度を従来技術よりも上昇せしめることにより、被加熱物がバーナ近傍に位置する場合においても、均一に加熱することを可能にすること、さらには、バーナ近傍の火炎温度を従来技術よりも上昇させつつも、NOx発生量を抑制できる燃焼空気比の範囲を明確にして、低NOx燃焼を確実に実現することを目的としたものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る蓄熱式バーナは、バーナ個々に蓄熱体を有し、ある時間には炉内ガスを吸引してその顕熱を蓄熱体に蓄える蓄熱状態と、別の時間には蓄えた顕熱を燃焼用空気に与えて高温の予熱空気(一次空気)を得て燃焼する燃焼状態とを繰り返す蓄熱式バーナであって、
別系統に構成された一次燃料の供給口および二次燃料の供給口と、
一次燃料供給口は前記蓄熱体を通過した一次空気が噴出する一次ノズル内に開口し、
二次燃料供給口は前記一次ノズルとほぼ平行に設けられた二次ノズル内に開口し、
前記二次ノズル内に二次空気を供給する二次空気供給口と、
を備えたことを特徴とするものである。
【0010】
また、本発明に係る蓄熱式バーナの燃焼方法は、バーナ個々に蓄熱体を有し、ある時間には炉内ガスを吸引してその顕熱を蓄熱体に蓄える蓄熱状態と、別の時間には蓄えた顕熱を燃焼用空気に与えて高温の予熱空気(一次空気)を得て燃焼する燃焼状態とを繰り返す蓄熱式バーナであって、
燃焼状態にあっては、燃料を一次燃料と二次燃料に分けて供給し、
一次燃料と一次空気とは空気比2以上の空気過剰条件で一次ノズル内で混合させながら一次火炎を形成し、
二次燃料と二次空気とは前記蓄熱体を経由せずに前記一次空気とは異なる系統から供給するとともに、空気比0.5以下の燃料過剰条件で二次ノズル内で混合させて二次火炎を形成することを特徴とするものである。
【0011】
また、蓄熱状態において、一次空気の温度が燃料の自己着火温度以上であるときは、燃焼状態のとき、一次燃料の供給を停止し、かつ、二次燃料と二次空気とを空気比0.5以下の燃料過剰条件で二次ノズル内で混合させて二次火炎を形成し、更に二次火炎と一次空気との拡散混合により燃料を完全燃焼させることを特徴とする。
【0012】
本発明において、空気比を上記のように限定した理由について図3により説明する。同図は、表1に示す組成の燃料ガスを、30℃または1000℃の空気と混合して燃焼させた場合における断熱火炎温度を、空気比の関係で計算して示したものである。この燃料ガスの組成は、日本国内の一貫製鉄所で多く使用される燃料ガスの標準的組成である。断熱火炎温度の計算方法は、水谷幸夫著、「燃焼光学」、森北出版株式会社(p51〜p67、1978年11月30日、第1版、第2刷)という文献によっている。
【0013】
図3において、空気温度が30℃での燃焼では、空気比が約1.0の条件で断熱火炎温度が約1900℃と最高値になるが、発生するNOxの濃度は、酸素濃度11%換算値にて90ppm以下であり、環境基準値に対して問題のない範囲であることが本発明者らの実験により確かめられている。
ところが、空気温度が蓄熱式バーナで予想される予熱空気温度である1000℃での燃焼では、空気比が約1.0の条件で断熱火炎温度が約2200℃という高温になり、発生するNOxの濃度は、酸素濃度11%換算値にて2000ppm以上にもなり、環境基準値に対して著しく高い濃度になってしまうことが本発明者らの実験により確かめられている。これが蓄熱式バーナを工業炉で使用する上で大きな問題となっていた点である。
また、図3より、予熱空気温度が1000℃であっても、空気比が0.5以下または2.0以上であれば、断熱火炎温度が1900℃未満となり、低NOx燃焼の可能性が示唆される。
【0014】
前記の従来技術1や2では、いずれも、高温の予熱空気での燃焼においては、主たる燃料供給口と主たる燃焼空気供給口との物理的距離を離して、空気比1.0近傍での燃焼をさせない工夫をしているものであるが、具体的に適切な空気比の範囲を限定していないため、燃焼条件が不明確であるばかりでなく、操業条件によりNOx濃度が変動する問題もあった。
本発明では、燃料を一次、二次に分けて供給するに当たり、一次燃料は、空気比が2.0以上なるような空気過剰の条件で供給することで、断熱火炎温度が1900℃未満で、かつ、従来バーナの火炎温度と同等の温度が得られることから、加熱能力としては十分であり、さらに、上記実験結果からNOx発生濃度が環境規制値上問題のない値となるものである。さらに、二次燃料についても、空気比が0.5以下となるような燃料過剰の条件で供給することで、断熱火炎温度が1900℃未満で、かつ、従来バーナの火炎温度と同等の温度が得られることから、加熱能力としては十分であり、さらに、燃料過剰燃焼であるため、上記実験結果からNOx発生濃度が環境規制値上問題のない値となるものである。
また、未消費酸素を含む一次火炎と未燃燃料を含む二次火炎とは、炉内で炉内ガスと相互に拡散混合しながら完全燃焼するが、この場合は、低酸素濃度酸化剤、低濃度(低カロリーガス)燃料との拡散燃焼であるから、NOx発生濃度が環境規制値上問題のない値となるものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図1は本発明の蓄熱式バーナの概要を示す断面図である。図1において、1は加熱炉、2は被加熱物、3、4は蓄熱式バーナ、3a、4aは蓄熱体、3b、4bは一次ノズル、3c、4cは一次燃料供給口、3d、4dは二次ノズル、3e、4eは二次燃料供給口、3f、4fは二次空気供給口、3g、4gは一次燃料遮断弁、3h、4hは二次燃料遮断弁、3i、4iは一次空気遮断弁、3j、4jは二次空気遮断弁、3k、4kは排ガス遮断弁である。
ここで、燃料は一次燃料と二次燃料に分けて別系統で供給する。一次燃料を供給する一次燃料供給口3c、4cは、それぞれ蓄熱体3a、4aを通過した高温の予熱空気(一次空気)が噴出する一次ノズル3b、4b内に開口させる。二次燃料を供給する二次燃料供給口3e、4eは、それぞれ一次ノズル3b、4bとほぼ平行に設けられた二次ノズル3d、4d内に開口し、さらに、二次空気を供給する二次空気供給口3f、4fを同じ二次ノズル3d、4d内に開口させる。なお、二次ノズル3d、4dは一次ノズル3b、4bの外側に一つの蓄熱式バーナ毎に複数設けることもできる。
また、上記のような蓄熱式バーナを備えた加熱炉の場合は、少なくとも一対、通常は複数対の蓄熱式バーナ3、4が加熱炉1に設置されている。蓄熱式バーナ3、4は、同一の構成であり、それぞれ燃焼作用と蓄熱作用を一定時間毎に交互に繰り返すものである。
【0016】
この実施形態の動作を一方の蓄熱式バーナ3について説明する。他方の蓄熱式バーナ4の動作も同様である。
蓄熱式バーナ3が燃焼状態にあるときには、燃料を一次燃料と二次燃料に分けてそれぞれ一次燃料供給口3c、二次燃料供給口3eより供給する。一次燃料は、一次ノズル3bに供給される蓄熱体3aを通過した高温の予熱空気(一次空気)と一次ノズル3b内で合流するように一次燃料供給口cより噴射する。この一次空気と一次燃料とは、一次ノズル3bから炉内へ噴射され、一次火炎aを形成する。このとき、一次燃料を空気比2以上の空気過剰条件で供給すると、図3に示す如く断熱火炎温度の上昇が小さく、従ってNOxの発生が抑制される。また、一次火炎aには未消費の酸素が含まれている。一方、一次火炎aの外側から一次ノズル3bとほぼ平行に二次次燃料と二次空気を二次ノズル3dから噴出する。この二次燃料と二次空気は二次火炎bを形成する。このとき、二次燃料を空気比0.5以下の燃料過剰条件で供給すると、図3に示す如く断熱火炎温度の上昇が小さく、従ってNOxの発生が抑制される。また、二次火炎bには未燃燃料が含まれている。
【0017】
この二次火炎b中の未燃燃料は、一次火炎a中の未消費の酸素と炉内で拡散混合しながら緩慢に混合され、緩慢燃焼して三次火炎cを形成する。このとき、一次火炎aから供給される酸素の濃度が炉内ガスとの拡散混合により希釈されてから三次火炎cを形成する。一方、二次火炎bから供給される未燃燃料の濃度が炉内ガスとの拡散混合により希釈されてから三次火炎cを形成する。そのため、三次火炎cは希釈燃焼となることから、図3に示す如く断熱火炎温度の上昇が小さく、従ってNOxの発生が抑制される。
また、一次火炎aは一次ノズル3bから炉内に噴出するので、バーナ近傍の温度低下を抑制でき、二次火炎bも二次ノズル3dから炉内に噴出するため、バーナ近傍の温度低下を抑制できる。
このように、この実施形態によれば、NOxの発生を抑制しつつ、バーナ近傍の温度低下を抑制して被加熱物2を均一に加熱することができる。
【0018】
また、蓄熱式バーナ3の蓄熱状態において、蓄熱体3aを通過した高温の予熱空気である一次空気の温度が燃料の自己着火温度以上であるときには、燃焼状態のとき、一次燃料遮断弁3gを閉じて一次燃料の供給を停止し、かつ、二次燃料と二次空気を空気比0.5以下の燃料過剰条件で供給する。このとき、二次燃料の炉内への吐出位置に形成される二次火炎bと、一次ノズル3bより噴出する一次空気とは、炉内で拡散混合して容易に三次火炎cを形成することが可能であるので、上記と同様の効果が得られる。
【0019】
以上の各実施形態に示す燃焼方法によれば、長手方向の火炎温度分布は、図2のB線で示すようになっている。同図からわかるように、バーナ近傍の約1m以内においても温度が従来例Aに比べて格段に高くなっている。また、バーナから1m以上離れた場所での温度は従来例Aと同様にほぼ一定となっている。
【0020】
【発明の効果】
以上のように、本発明の蓄熱式バーナおよびその燃焼方法を使用すれば、蓄熱式バーナの長さ方向の火炎温度分布について、バーナ近傍においても十分な温度を確保することができる。このことはまた、長さ方向の火炎温度分布の均一性を向上させることが可能となるものである。それ故、被加熱物をバーナ近傍に配置した場合でも、被加熱物を均一な温度に加熱することができる。また、NOx発生濃度も環境規制値上問題のない範囲となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の蓄熱式バーナの概要を示す断面図である。
【図2】バーナの長手方向の火炎温度分布の比較図である。
【図3】空気温度30℃、燃料温度30℃、および空気温度1000℃、燃料温度30℃における空気比と断熱火炎温度の関係を示す図である。
【符号の説明】
1 加熱炉
2 被加熱物
3、4 蓄熱式バーナ
3a、4a 蓄熱体
3b、4b 一次ノズル
3c、4c 一次燃料供給口
3d、4d 二次ノズル
3e、4e 二次燃料供給口
3f、4f 二次空気供給口
3g、4g 一次燃料遮断弁
3h、4h 二次燃料遮断弁
3i、4i 一次空気遮断弁
3j、4j 二次空気遮断弁
3k、4k 排ガス遮断弁
Claims (3)
- バーナ個々に蓄熱体を有し、ある時間には炉内ガスを吸引してその顕熱を蓄熱体に蓄える蓄熱状態と、別の時間には蓄えた顕熱を燃焼用空気に与えて高温の予熱空気(一次空気)を得て燃焼する燃焼状態とを繰り返す蓄熱式バーナであって、
別系統に構成された一次燃料の供給口および二次燃料の供給口と、
一次燃料供給口は前記蓄熱体を通過した一次空気が噴出する一次ノズル内に開口し、
二次燃料供給口は前記一次ノズルとほぼ平行に設けられた二次ノズル内に開口し、
前記二次ノズル内に二次空気を供給する二次空気供給口と、
を備えたことを特徴とする蓄熱式バーナ。 - バーナ個々に蓄熱体を有し、ある時間には炉内ガスを吸引してその顕熱を蓄熱体に蓄える蓄熱状態と、別の時間には蓄えた顕熱を燃焼用空気に与えて高温の予熱空気(一次空気)を得て燃焼する燃焼状態とを繰り返す蓄熱式バーナであって、
燃焼状態にあっては、燃料を一次燃料と二次燃料に分けて供給し、
一次燃料と一次空気とは空気比2以上の空気過剰条件で一次ノズル内で混合させながら一次火炎を形成し、
二次燃料と二次空気とは前記蓄熱体を経由せずに前記一次空気とは異なる系統から供給するとともに、空気比0.5以下の燃料過剰条件で二次ノズル内で混合させて二次火炎を形成することを特徴とする蓄熱式バーナの燃焼方法。 - 蓄熱状態において、一次空気の温度が燃料の自己着火温度以上であるときは、燃焼状態のとき、一次燃料の供給を停止し、かつ、二次燃料と二次空気とを空気比0.5以下の燃料過剰条件で二次ノズル内で混合させて二次火炎を形成し、更に二次火炎と一次空気との拡散混合により燃料を完全燃焼させることを特徴とする請求項2記載の蓄熱式バーナの燃焼方法。
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