JP3771230B2

JP3771230B2 - ラジアントチューブバーナの燃焼方法

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Publication number: JP3771230B2
Application number: JP2003271486A
Authority: JP
Inventors: 良一田中; 敏明長谷川
Original assignee: 日本ファーネス工業株式会社
Priority date: 1993-10-20
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: JP2004003857A

Description

本発明は、ラジアントチューブバーナの燃焼方法に関する。更に詳述すると、本発明は、ラジアントチューブ内の温度場の高温化と共に平坦化を実現する燃焼制御方法に関する。

燃焼を利用する加熱装置を高性能化するための主要課題の一つである省エネルギー化は、これまで主として熱回収技術を使った排熱損失の低減化により進められてきた。例えばボイラシステムの場合、現在そのほとんどは空気予熱器およびエコノマイザ等を用いた排熱回収により、すでに９０〜９５％という高い熱効率が達成され、熱回収技術もほぼ限界まで進められてきた。従ってこれ以上の効率向上は僅かである上に、必然的に装置の大型化や複雑化によるイニシャルコストの急増を避けられず、投資対効果の面からもその意義は薄れつつある様に見える。

しかし、省エネルギー化を実現し得るより基本的な方法として、加熱装置内部の伝熱効率の改善がある。即ち、伝熱を従来よりも高効率に行わせるため、燃焼室内に形成される温度場を積極的に改善制御する技術の革新である。これが実現されれば、高い熱効率を維持しつつ、装置の小型化あるいは生産量の増加が期待でき、結果として省エネルギーと省資源とに貢献する加熱装置が実現することとなる。

一般論として、加熱装置において、高効率伝熱を実現するためには、温度場の高温化の必要がある。

そして、燃焼室内に形成される温度場を高温化するためには高いエンタルピを持つ酸化剤の利用、純酸素燃焼あるいは燃焼室断熱化向上などにより火炎温度を上昇させることが考えられる。実用的な手法としては図９に示すように、空気を予熱高温化する熱再循環による超過エンタルピー燃焼がある。
特開平１−１５９５１１号

しかしながら、超過エンタルピー燃焼は１９７１年にWeinbergが指摘したように、これまで超希薄混合気や低品位燃料の燃焼において火炎温度を通常燃焼のレベルまで上昇させるための手法とされてきており、高品位燃料の燃焼や適正空気比での燃焼には使われていなかった。しかも、火炎の上限温度には実用上多くの制約があり、過度の火炎高温化は高効率伝熱を実現するにはあまり現実的な意味を持たなかった。例えばボイラへの適用を考えると、過大な熱流束が伝熱管に定常的に与えられた場合、焼損などの危険性を常に伴うからである。

しかし、高品位燃料と高いエンタルピを持つ酸化剤を用いた超過エンタルピー燃焼によって断熱火炎温度を通常よりさらに高温化した場合であっても、高い熱流束を定常的に被加熱物に与えるのではなく、熱流束を時間的空間的に変化させるような火炎制御が行われるのであれば被加熱物の過熱や焼損を抑制し得る可能性があると考えられる。つまり、もし炉内温度場を時間平均的に上限温度以下に制御することができれば伝熱の高効率化に有効な手段となる。

このことは、高温の空気を用いた試験炉での燃焼試験で得られた熱流束分布測定結果（図７）からも明らかである。即ち、燃焼用空気温度が２００℃の場合、熱流束分布は比較的平坦ではあるが、局部的な最大熱流束ｑmax は平均熱流束ｑave の約１．２倍で、炉の後部に存在する最小熱流束ｑmin は平均熱流束ｑave の約０．６倍となっている。一方、空気温度が１０００℃の場合、熱流束の極大値は２００℃のときの平均熱流束ｑave の約２．２倍に増加するが、熱流束分布の不均一度はさらに増大する。よって、温度場の高温化に加えて平坦化を実現させ炉内全体に均一な熱流束が与えられれば、単位伝熱面積当たりの収熱量を増加させるような伝熱改善が可能なことが明らかである。

そこで、本発明は、焼損などの不具合の問題を招くことなく温度場の高温化を可能とし、かつＮＯｘなどの発生を抑制して熱回収を高効率で行うことができる加熱装置即ちラジアントチューブバーナシステムの燃焼制御方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明者らが鋭意研究の結果、高いエンタルピを持つ酸化剤を用いた燃焼により火炎発熱分布を炉内の特定の位置に定常的かつ定在的に存在することのないようにする新しい制御方法を見いだした。これによって、不均一分布を持つ高い熱流束を時間的および空間的に変化させれば、温度場の平坦化が実現された。即ち、本発明は、高いエンタルピを有する酸化剤と燃料とをラジアントチューブ内へ別々に噴射しチューブ内空間を利用して混合し燃焼させる一方、バーナを交互燃焼させて非定在火炎を形成し、あるいは別々に噴射された高いエンタルピを有する酸化剤と燃料とをチューブ内空間で混合して非量論比燃焼させ、若しくはバーナを交互燃焼させて非定在火炎を形成すると共に非量論比燃焼させることによって、温度場を平坦化させるようにしている。

温度場の平坦化を実現するための燃焼制御方法としては、例えば複数バーナの交互燃焼による火炎の温度パターンの変化が考えられる。これらの方法はバーナの頻繁なＯＮ−ＯＦＦ制御や急激な流量変化等によって実現されるが、これらの操作は通常燃焼であれば一般的に燃焼不安定化をもたらすものである。しかし、高いエンタルピを持つ酸化剤として予熱温度が８００℃以上の高温空気が用いられるがゆえに、反応速度の増大や可燃限界の大幅な拡大が燃焼の安定化に大きく寄与すると期待される。よって、これまで広く用いられてきた通常燃焼であれば種々の困難が生じる可能性の高い極端なレベルでの非量論比燃焼制御を実現するための混合制御の操作が極めて容易となる。

また、本発明者らは、高いエンタルピを有する酸化剤を用いて生じせしめた燃料濃度の高いリッチ燃焼ガスを高温還元剤として用いれば著しく窒素酸化物抑制に効果的であるとの実験的知見を得た。すなわち低公害燃焼を行うために、高いエンタルピを有する酸化剤を用いて生じせしめた燃料濃度の高いリッチ燃焼ガスを高温還元剤として利用することを特徴とする、熱装置の窒素酸化物を抑制する燃焼方法を見いだした。

また、高いエンタルピを有する酸化剤を用いて生じせしめた高温燃焼ガスを一酸化炭素発生領域に供給混合することによりその発生を抑制する手法についても同時に発生抑制効果が大なる事実を見いだした。

本発明にかかるラジアントチューブバーナの燃焼方法は、かかる知見にもとづくものであって、ラジアントチューブの両端にバーナをそれぞれ配置し、かつ該バーナのエアースロートに内装ないし連結させた蓄熱体を通して酸化剤の供給と燃焼排ガスの排気とを交互に行うようにし、前記燃焼排ガスの熱を用いて前記酸化剤を予熱してから供給し交互燃焼させるラジアントチューブバーナシステムにおいて、ラジアントチューブ内へ燃料と酸化剤とを互いに平行で、かつ酸化剤をラジアントチューブの内周壁に沿って噴射させる一方、燃料を主流となる大径の燃料噴流と小径の燃料噴流にして、酸化剤噴流に近い位置から小径の燃料噴流を噴射すると共に大径の燃料噴流を小径の燃料噴流よりも酸化剤噴流から離れた位置から噴射するようにしたものである。

また、本発明は、ラジアントチューブの両端にバーナをそれぞれ配置し、かつ該バーナのエアースロートに内装ないし連結させた蓄熱体を通して酸化剤の供給と燃焼排ガスの排気とを交互に行うようにし、前記燃焼排ガスの熱を用いて前記酸化剤を予熱してから供給し交互燃焼させるラジアントチューブバーナシステムにおいて、前記ラジアントチューブの内周壁に沿って予熱後の前記酸化剤を噴射させるエアスロートと、燃料を主流となる大径の燃料噴流と小径の燃料噴流とに分けて噴射する大径の燃料ノズル及び小径の燃料ノズルとを備え、前記酸化剤噴流に近い位置から前記小径の燃料ノズルを配置すると共に前記大径の燃料ノズルを前記小径の燃料ノズルよりも前記酸化剤噴流から離れた位置に配置し、前記ラジアントチューブ内へ互いに平行に前記酸化剤噴流と大小の燃料噴流とを噴射させるようにしている。

したがって、本発明によると、酸化剤と燃料とが炉内空間を利用して混合され燃焼するため、従来よりも高い温度場が形成される。しかも、火炎は一定位置に定まらない非定在火炎となり、ヒートフラックスパターンを移動させたり変化させる。このため、時間平均的に炉内温度場を上限温度以下に抑制する。即ち、ラジアントチューブの内周壁に沿って噴射される酸化剤たる燃焼用空気に小径の燃料ノズルから噴射された小径の燃料噴流と燃焼排ガスとが誘引されて巻き込まれ、超空気過剰状態で燃焼し、更に下流側で大量の燃焼排ガスと大径の燃料ノズルから噴射された大径の燃料噴流から成る主流の燃料とを巻き込んで、低酸素濃度下で緩慢燃焼を起こす。燃焼反応は燃料と燃焼排ガスとを巻き込みながら継続され、より緩慢燃焼を促進させる。

また、高いエンタルピを持つ酸化剤として予熱温度が８００℃以上の高温空気が用いられる場合、反応速度の増大や可燃限界の大幅な拡大が燃焼の安定化に大きく寄与すると期待される。それゆえこれまで広く用いられてきた通常燃焼であれば種々の困難が生じる可能性の高い極端なレベルでの非量論比燃焼（従来の非量論比燃焼制御法において用いられていた空気比０．７〜２をはるかに逸脱する例えば０．２〜１０程度の空気比での燃焼）を実現するための混合制御が極めて容易となる。例えば、メタンの可燃領域を図５に示すが、混合気温度が２０℃の場合、希薄限界は燃料濃度が約５．２％（当量比０．５２）、１０００℃の場合１．５％（当量比０．１４５）となる希薄限界の拡大は安定燃焼範囲の拡張を意味すると考えられ、よって熱流束分布を制御する方法に自由度の増大をもたらす。

以上の説明より明らかなように、本発明のラジアントチューブバーナシステム並びにその燃焼制御方法によると、ラジアントチューブの内周壁に沿って噴射される酸化剤に小径の燃料ノズルから噴射された小径の燃料噴流と燃焼排ガスとが誘引されて巻き込まれて超空気過剰状態で燃焼し、更に下流側で大量の燃焼排ガスと大径の燃料ノズルから噴射された大径の燃料噴流から成る主流の燃料とを巻き込んで低酸素濃度下で緩慢燃焼を起こすので、温度場の平坦化を図ると共に高温化が容易に達成できる。

しかも、火炎の位置の移動によって、火炎は一定位置に定まらない非定在火炎となり、ヒートフラックスパターンを移動させたり変化させる。このため、時間平均的に炉内温度場を上限温度以下に抑制する。例えば、火炎の周期的な混合変化を想定した場合、混合パターンが変化する毎に熱流束分布は図８のように非対称な分布も交互に変化を生じると考えられる。この際、熱流束の分布は、炉のほぼ中央を横切る面を中心として炉長方向に面対称となることが望ましい。なぜならそれら二つのパターンでつくられる熱流束分布の平均値（太い実線で示される）は図８に示すように、定在火炎（一定の場所に形成される火炎）の場合に形成される１０００℃の空気による熱流束の極大値よりも低いレベルで平坦化するからである。これを空気温度２００℃の熱流束と比較した場合、実に約１．７倍の平均熱流束を炉内全体に均一に与えるようになり、伝熱効率が飛躍的に改善されることがわかる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

本発明の燃焼方法は、ラジアントチューブの両端にバーナをそれぞれ配置し、かつ該バーナのエアースロートに内装ないし連結させた蓄熱体を通して酸化剤の供給と燃焼排ガスの排気とを交互に行うようにし、燃焼排ガスの熱を用いて酸化剤を予熱してから供給し交互燃焼させるラジアントチューブバーナシステムにおいて、ラジアントチューブ内へ燃料と酸化剤とを互いに平行で、かつ酸化剤をラジアントチューブの内周壁に沿って噴射させる一方、燃料を主流となる大径の燃料噴流と小径の燃料噴流にして、酸化剤噴流に近い位置から小径の燃料噴流を噴射すると共に大径の燃料噴流を小径の燃料噴流よりも酸化剤噴流から離れた位置から噴射するようにしたものである。

ここで、高いエンタルピを持つ酸化剤として、予熱温度が８００℃以上好ましくは１０００℃以上の高温空気が燃焼に用いられれば、通常燃焼なら一般的に燃焼不安定化をもたらすような燃焼制御に対しても、反応速度の増大や可燃限界の大幅な拡大が燃焼の安定化に大きく寄与するために燃焼安定性が維持される。よって、これまでの通常燃焼であれば種々の困難が生じる極端な超希薄や超過濃な燃料濃度レベルでの非量論比燃焼制御を実現するための混合制御の操作が極めて容易となる。そこで、高いエンタルピを有する酸化剤と燃料とを別々に噴射しラジアントチューブ内で混合するようにしている。この時、バーナの噴射口から高速で噴出される８００℃以上、好ましくは１０００℃以上の高温の燃焼用空気に誘引されてその周囲に比較的低速で噴射された燃料とラジアントチューブ内の排ガスとが巻き込まれ、低酸素濃度下で緩慢燃焼を起こす。更に、燃焼反応中にも燃焼ガス及び未反応の燃焼用空気の速い流れに燃焼排ガスが大量に巻き込まれて燃焼反応が継続され、より緩慢燃焼を促進する。このとき、燃焼反応は、通常燃焼における可燃限界を越えた極端な超希薄あるいは超過濃な非量論比となるが、前述したように安定燃焼を起こす。高いエンタルピを持つ酸化剤としては、主に高温の例えば８００℃以上に予熱された空気を指すが、これに特に限定されず、空気に酸素富化したものや所定量の酸素を含む空気以外のガスで約８００℃以上に加熱されたものなどを含む。高いエンタルピを持つ酸化剤（以下、総称して燃焼用空気と呼ぶ）の供給と燃焼ガスの排出とを交互に行う流路切替手段が設けられ、一方のバーナから燃焼用空気Ａを供給する間に他方のバーナから燃焼ガスＥを排出するように設けられている。この装置の特徴は、蓄熱体８５を有する流路切替手段の切り換え周期を非常に短くして熱再循環を行い、これにより熱回収の高効率化を図り、高いエンタルピを持つ酸化剤として予熱温度８００℃あるいはそれ以上の高温空気が得られる点である。即ち、この実施例の燃焼は、排熱回収熱交換器の温度効率を向上させるので、空気高温化と排熱損失低減化が同時に達成される。また、切り換え周期をより短くした場合、蓄熱体の必要蓄熱容量は少なくなるので、蓄熱体はコンパクトなセラミックハニカムで構成されている。

蓄熱体８５としては、特定の形状や材質に限定されるものではないが、１０００℃前後の燃焼排ガスのような高温流体と２０℃前後の燃焼用空気のような低温流体との熱交換には、例えばコージライトやムライト等のセラミックスを材料として押し出し成形によって製造されるハニカム形状のものの使用が好ましい。また、ハニカム形状の蓄熱体８５は、セラミックス以外の素材例えば耐熱鋼等の金属で製作しても良い。尚、ハニカム形状とは、本来六角形のセル（穴）を意味しているが、本明細書では本来の六角形のみならず四角形や三角形のセルを無数にあけたものを含む。また、上述の如く一体成形せずに管などを束ねることによってハニカム形状の蓄熱体１を得るようにしても良い。蓄熱体８５そのものは、１つ１つが独立した流路を構成するセルの集合から成るハニカム形状を成している。また、蓄熱体８５の形状も特に図示のハニカム形状に限定されず、図６の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、平板形状や波板形状の蓄熱材料２７を筒状のケーシング２８内に放射状に配置したり、図６の（Ｃ）に示すように、パイプ形状の蓄熱材料２７を軸方向に流体が通過するように筒状のケーシング２８内に充填したものであっても良い。コージライトやムライトなどよりもはるかに高温で使用可能なＳｉＮ等の蓄熱材料２７を使用する場合には、複雑なハニカム形状に成形することは容易ではないが、単純なパイプ形状や棒、ボールなどに成形することは容易である。そこで、図６の（Ｃ）や（Ｄ）に示すような蓄熱体構造の採用が好ましい。

図１に本発明の燃焼方法を実施するラジアントチューブバーナシステムの実施形態の一例を示す。このラジアントチューブバーナシステムは、ラジアントチューブ８１の両端にバーナ８２，８３をそれぞれ配置し、かつ該バーナ８２，８３のエアースロート８４に内装ないし連結させた蓄熱体８５を通して酸化剤（例えば燃焼用空気）の供給と燃焼排ガスの排気とを交互に行うようにし、約８００℃以上の高温に予熱された酸化剤たる燃焼用空気を用いて交互燃焼させるようにしたものである。尚、各バーナ８２，８３のエアースロート８４は例えば四方弁等の流路切替手段８６を介して燃焼用空気供給系８８と排気系８９とに選択的に接続され、一方のバーナ８２（あるいは８３）へ燃焼用空気が供給されると共に、他方のバーナ８３（あるいは８２）を経て燃焼排ガスが排出されるように設けられている。このため、蓄熱体８５は、燃焼排ガスが通過するときにはその顕熱を回収して蓄熱し、燃焼用空気が通過するときには蓄えられた熱を放出して燃焼用空気を予熱する。尚、両バーナ８２，８３は三方弁８７を介して選択的に接続される燃料供給系９０から交互に燃料が供給されて交互に燃焼する。例えば、図１の（Ｂ）に示すように、バーナ８２，８３はバーナボディ９１内に蓄熱体８５を内装し、それよりも下流側即ち空気噴射方向にエアースロート８４を構成するタイル９２を設けて中央の噴射口８４ａから燃焼用空気を噴射し、その周りから燃料を空気とほぼ平行に噴射するようにしている。燃料を噴射する燃料噴射ノズルは、大径の燃料ノズル９３と小径の燃料ノズル９４とから構成され、タイル９２の中央に形成されるエアースロート８４から離した位置に開口するようにタイル９２内に埋設されている。燃料ノズル９３，９４はエアースロート８４内を通過する８００℃以上の高温の燃焼用空気及び燃焼排ガスから耐火・断熱材から成るタイル９２によって保護され、コーキング及び焼損を起こさないように設けられている。このバーナ構造の場合、中央の空気噴射口８４ａから高速で噴射される高温の燃焼用空気の流れによって燃料ノズル９３，９４から噴射される燃料を誘引して巻き込み、同時にラジアントチューブ８１内の燃焼ガスを強力に巻き込んで緩慢燃焼を起こす。また、図１の（Ｃ）に示すように、エアースロート８４の噴射口８４ａをラジアントチューブ８１の内周壁に沿って燃焼用空気を噴射するように形成する一方、燃料の主流が空気噴流から離れて噴射するように設けて、燃料の主流と空気噴流とが混合する前にできるだけ大量の燃焼排ガスを巻き込むようにしても良い。尚、排気系８８と給気系８９とは図示していないが押し込みファンと誘引ファンに接続されている。

ここで、高いエンタルピを持つ酸化剤として、予熱温度が８００℃以上好ましくは１０００℃以上の高温空気が燃焼に用いられれば、通常燃焼なら一般的に燃焼不安定化をもたらすような燃焼制御に対しても、反応速度の増大や可燃限界の大幅な拡大が燃焼の安定化に大きく寄与するために燃焼安定性が維持される。よって、これまでの通常燃焼であれば種々の困難が生じる極端な超希薄や超過濃な燃料濃度レベルでの非量論比燃焼制御を実現するための混合制御の操作が極めて容易となる。

例えば、メタンの可燃領域を例に挙げると、混合気温度が２０℃の場合、希薄限界は燃料濃度が約５．２％（当量比０．５２）であったものが、１０００℃の場合には１．５％（当量比０．１４５）にもなる。同様に過濃限界側も希薄限界とともに拡大するので、このことは安定燃焼範囲の拡張を意味する。よって、火炎温度分布を混合によって制御する方法において、これまでの制限に比較して大幅な自由度の増大がもたらされる。このことから、図１の（Ｂ）あるいは（Ｃ）に示すような構造のラジアントチューブバーナにおいても、非量論比燃焼を起こし、それが安定して継続されるため、温度場が平坦化される。

即ち、図１の（Ｂ）に示す構造のラジアントチューブバーナの場合、中央のエアースロート８４の噴射口８４ａから高速で噴出される８００℃以上、好ましくは１０００℃以上の高温の燃焼用空気に誘引されてその周囲に比較的低速で噴射された燃料とラジアントチューブ８１内の排ガスとが巻き込まれ、低酸素濃度下で緩慢燃焼を起こす。更に、燃焼反応中にも燃焼ガス及び未反応の燃焼用空気の速い流れに燃焼排ガスが大量に巻き込まれて燃焼反応が継続され、より緩慢燃焼を促進する。このとき、燃焼反応は、通常燃焼における可燃限界を越えた極端な超希薄あるいは超過濃な非量論比となるが、前述したように安定燃焼を起こす。

また、図１の（Ｃ）に示す構造のラジアントチューブバーナにおいても、ラジアントチューブ８１の内周壁に沿って噴射される燃焼用空気に小径の燃料ノズル９４から噴射された燃料と燃焼排ガスとが誘引されて巻き込まれ、超空気過剰状態で燃焼し、更に下流側で大量の燃焼排ガスと大径の燃料ノズル９３から噴射された燃料とを巻き込んで、低酸素濃度下で緩慢燃焼を起こす。燃焼反応は燃料と燃焼排ガスとを巻き込みながら継続され、より緩慢燃焼を促進させる。

また、高品位燃料と高いエンタルピを持つ酸化剤を用いた超過エンタルピ−燃焼により断熱火炎温度を通常よりさらに高温化した場合、高い熱流束を定常的に被加熱物に与えるのではなく、例えば図１に示されるように、交互燃焼で非定在火炎を形成することによって熱流束を時間的あるいは空間的に変化させるような火炎制御を行えば、被加熱物のオーバーヒートや焼損を抑制することが可能と考えられる。したがって、炉内温度場を時間平均的に平坦化制御することができれば伝熱の高効率化に加えて伝熱放射管表面の温度偏差を低減し熱応力是正にも有効な手段となる。

斯くして、ラジアントチューブ熱装置の伝熱を高効率化するために、図１に示すように、高いエンタルピを有する酸化剤を用いて生じせしめた非量論比的燃焼と交互燃焼を単独に、あるいはそれらを組み合わせて利用することによって、ラジアントチューブの管壁温度偏差を３０℃〜５０℃以下にすることを実現できた。

また、従来の通常燃焼では、ラジアントチューブの表面負荷ｑとアウトプット効率αが炉内温度Ｔに対して定まっていたため、必要加熱量Ｑが決まるとその管径ｄは管長さ１として数式１から算出されていた。
＜数１＞
ｑ×（π／４）×ｄ２×１＝Ｑ／α atＴ

ラジアントチューブ表面の温度偏差を低減する燃焼制御方法、即ち、高いエンタルピを有する酸化剤を用いて生じせしめた非量論比的燃焼と交互燃焼を単独にあるいは組み合わせて利用する本発明の燃焼制御方法によれば、表面負荷ｑとアウトプット効率αを従来より大幅に増加することができる。

これまで、ラジアントチューブバーナシステムのラジアントチューブ直径としては、最小でも３Ｂ（ラジアントチューブの呼び径）以上が使われていた。これは、表面負荷ｑとアウトプット効率αが低かったためで、それ以下の直径で加熱を行うには多数のチューブを必要とし煩雑化するためであった。

しかし、高い表面負荷ｑとアウトプット効率αであれば、図２に示すように、３Ｂのラジアントチューブ即ち外径７５ｍｍ以下のチューブを使用することも可能となる。尚、小径の管で燃焼量を増加すれば供給流体流速が高速になり、至る所が燃焼速度よりも速く流れるので、通常燃焼では不安定になり失火するが、高いエンタルピを有する酸化剤つまり８００℃以上の高温に予熱された燃焼用空気を用いた燃焼では極めて安定性が高い燃焼が保持される。また、燃焼用空気そのものも、高温に予熱されることで膨張するため高流速となる。

更に、本発明の燃焼方法は、図３に示すようなラジアントチューブで実施する場合にも好適な結果を得る。このラジアントチューブ１００は、直管の中央を仕切壁１０２で仕切って右室１０３Ｒと左室１０３Ｌとに区画し、ダブルエンド型のラジアントチューブとしたものである。このラジアントチューブ１００の隣り合う端部には、流路切替手段と各室１０３Ｒ，１０３Ｌに臨む燃料ノズルとを設置し、交互に燃料を右室１０３Ｒと左室１０３Ｌに噴射して燃焼させるようにしても良い。この場合のチューブ形状は円形や楕円形に限られずその他の形状を採用しても良いが、より好ましくは図示の如き楕円形状とすることである。この形状のラジアントチューブ１００の場合、中仕切壁１０２によって分けられているチューブ１００の右半分の室１０３Ｒと左半分の室１０３Ｌとで交互に火炎が形成され、先端の折り返し通路１０４部分で反対側に抜けて排出されるため、ラジアントチューブ１００の表面温度が大きく異ならず均一化され、しかも表面負荷を上げることができる。従来の一般的なシングルエンド型のラジアントチューブは、先端部分でのみ内管と外管とが連通する同軸二重管形式で、内管の内側で燃焼して発生した燃焼ガスが外管と内管の間のスペースを通って戻ってくる構造とされている。このため、外管に必要な表面負荷を与えるためには内管は熱的に限界に近い状況で使用されることになる。実際には、Ｕ字管式等に比してその表面負荷は低い傾向にあった。しかし、図３のラジアントチューブ構造の場合、燃焼反応を起こす部分も燃焼ガスが戻る部分も表面に双方とも露出しているため、ラジアントチューブ表面の温度偏差を低減することができ、表面負荷とアウトプット効率が改善される。即ち、高いエンタルピを有する酸化剤（約８００℃以上に予熱された高温の燃焼用空気）を用いた非量論比的燃焼と交互燃焼の組み合わせによって仕切壁１０２によって仕切られたラジアントチューブの左右で非定在火炎が形成されるためヒートフラックス分布がラジアントチューブの左右において均一に形成されるため、熱的環境が緩和される。

更に、図４にラジアントチューブバーナシステムの他の実施例を示す。この実施例は、複数本の直管から成るラジアントチューブ１１０，…，１１０を炉内１１６に設置し、各チューブ１１０の両端に例えば図１の（Ｂ）あるいは（Ｃ）に示すのと同様の構造のバーナ１１１，１１２をそれぞれ設置している。そして、例えば２本のチューブ１１０，１１０の両端に設置されたバーナ１１１，１１２のエアースロートを各々連結してから四方弁１１３，１１３の一つのポートにそれぞれ接続する一方、別の２本のチューブ１１０，１１０の両端に設置されたバーナ１１１，１１１，１１２，１１２のエアースロートを各々連結してから四方弁１１３，１１３の他のポートにそれぞれ接続し、２本のチューブ１１０，１１０を組として、一方の組のバーナ１１１，１１１，１１２，１１２を燃焼用空気供給系１１４，１１４に接続する一方、他方の組のバーナ１１１，１１１，１１２，１１２を排気系１１５，１１５に接続する。このようにして、直管のラジアントチューブ１１０，１１０の一端から他端に向けて流れる燃焼ガスを他端側のバーナ１１２，１１２あるいは１１１，１１１を通過させて排気し、蓄熱体８５・を加熱するようにしている。この実施例の場合、各ラジアントチューブ１１０内でも交互に燃焼による非定在火炎によってヒートフラックスパターンが変化して温度場が平坦化されると共に従来より高温度場が形成される。また、炉内全域においても、空間的に熱流束が変化することによってヒートフラックスパターンが変化して、温度場が平坦化されかつ従来より高い温度場となる。加えて、非量論比燃焼によって、局所的な高温場が抑止され、温度場が平坦化される。依って、ラジアントチューブの温度偏差を小さくして、炉内温度を上げることができる。

尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施例では高温の燃焼用空気と燃料との混合制御による非量論比燃焼と交互燃焼による非定在火炎の形成とを同時に行う実施例について主に説明したが、場合によっては非定在火炎形成と非量論比燃焼とを別々に実施しても良く、この場合にも温度場の平坦化は達成される。

本発明の燃焼制御方法をラジアントチューブバーナに適用する場合の実施例を示す概略図で、（Ａ）はバーナシステム全体の概略図、（Ｂ）はバーナの一例を断面して示す概略図、（Ｃ）はバーナの他の例を断面して示す概略図である。本発明方法を実施した場合と従来の燃焼制御方法との入熱量とそれに必要なチューブ管径との関係を示すグラフである。本発明の燃焼制御方法を適用する場合のラジアントチューブの実施例を示す図で、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はチューブ先端の断面図である。本発明方法を実施する加熱装置の他の例を示す概略図である。メタンガスの可燃範囲と温度との関係を示すグラフである。蓄熱体の他の実施例を示す説明図で、（Ａ）は放射状に板を配置したタイプ、（Ｂ）は放射状に波板を配置したタイプ、（Ｃ）はパイプを束ねたタイプ、（Ｄ）は蓄熱材料をＮ室に区画されたケーシング内に充填したタイプを示す。従来の燃焼法による２００℃の燃焼用空気を用いる場合と１０００℃の燃焼用空気を用いる場合とのヒートフラックスパターンを示すグラフである。本発明方法によって形成されるヒートフラックスパターンを示すグラフである。温度場の高温化を実現する超過エンタルピー燃焼法の一例を示す説明図である。

符号の説明

８５蓄熱体
９３，９４燃料ノズル
８６流路切替手段
８４酸化剤供給手段

Claims

ラジアントチューブの両端にバーナをそれぞれ配置し、かつ該バーナのエアースロートに内装ないし連結させた蓄熱体を通して酸化剤の供給と燃焼排ガスの排気とを交互に行うようにし、前記燃焼排ガスの熱を用いて前記酸化剤を予熱してから供給し交互燃焼させるラジアントチューブバーナシステムにおいて、前記ラジアントチューブ内へ前記燃料と前記酸化剤とを互いに平行で、かつ前記酸化剤を前記ラジアントチューブの内周壁に沿って噴射させる一方、前記燃料を主流となる大径の燃料噴流と小径の燃料噴流にして、前記酸化剤噴流に近い位置から前記小径の燃料噴流を噴射すると共に前記大径の燃料噴流を前記小径の燃料噴流よりも前記酸化剤噴流から離れた位置から噴射することを特徴とするラジアントチューブバーナの燃焼方法。
ラジアントチューブの両端にバーナをそれぞれ配置し、かつ該バーナのエアースロートに内装ないし連結させた蓄熱体を通して酸化剤の供給と燃焼排ガスの排気とを交互に行うようにし、前記燃焼排ガスの熱を用いて前記酸化剤を予熱してから供給し交互燃焼させるラジアントチューブバーナシステムにおいて、前記ラジアントチューブの内周壁に沿って予熱後の前記酸化剤を噴射させるエアスロートと、燃料を主流となる大径の燃料噴流と小径の燃料噴流とに分けて噴射する大径の燃料ノズル及び小径の燃料ノズルとを備え、前記酸化剤噴流に近い位置から前記小径の燃料ノズルを配置すると共に前記大径の燃料ノズルを前記小径の燃料ノズルよりも前記酸化剤噴流から離れた位置に配置し、前記ラジアントチューブ内へ互いに平行に前記酸化剤噴流と大小の燃料噴流とを噴射させることを特徴とするラジアントチューブバーナシステム。