JP3807696B2

JP3807696B2 - 交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステム

Info

Publication number: JP3807696B2
Application number: JP27625197A
Authority: JP
Inventors: 清文栗太
Original assignee: 日本ファーネス工業株式会社
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2017-10-08
Also published as: JPH11108315A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エアスロート内に内装した蓄熱体を介して燃焼時には燃焼用空気を供給しかつ燃焼停止時にはラジアントチューブ内から排ガスを排気する交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムに関する。更に詳述すると、本発明は、エアスロートの噴出孔が蓄熱体の近くでかつラジアントチューブの内周面に内接あるいは近接するように偏在して設けられた交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
先に、本件出願人は、高温の燃焼用空気をラジアントチューブ内の狭い空間にラジアントチューブの中心より外れた位置から高速で噴射して発熱領域が広域化して均質な燃焼を実現する交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムを開発した。この交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムは、図２及び図３に示すように、ラジアントチューブ１０４の両端に設置されたバーナ１０５，１０５の各エアスロート１０１内に蓄熱体１０３をそれぞれ設置し、それよりも僅かにラジアントチューブ１０４寄りの位置にノズル支持体１０６を設けてエアスロート１０１内とラジアントチューブ１０４内とを区画し、偏在する噴出孔１０２からのみ排ガスの排気と燃焼用空気の供給とを行うようにしている。尚、図中の符合１０７はパイロットバーナ兼用燃料ノズル、１０８は各バーナ１０５，１０５のエアスロート１０１，１０１を選択的に給気系と排気系とに連結する四方弁である。
【０００３】
ここで、噴出孔１０２から噴射される燃焼用空気は、噴出孔１０２の開口面積がエアスロート１０１のそれに比べて絞られておりかつ蓄熱体１０３による高温予熱で膨張していることから、相当な高速となる。しかも、噴出孔１０２はラジアントチューブ１０４に対して偏在している。したがって、燃焼用空気はラジアントチューブ１０４内を管壁に沿って流れる偏流となりその反対側の領域に強力な排ガス再循環を起こしこれを巻き込みながら燃料ノズル１０７から噴射された燃料と低酸素濃度下に徐々に接触して緩慢燃焼を起こし、温度ピークのない平坦な温度分布の火炎を形成するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のラジアントチューブバーナシステムでは、エアスロート１０１に比べて噴出孔１０２の開口面積が狭くかつ偏在しているため、蓄熱体１０３とノズル支持体１０６との間のエアスロート１０１の空間Ｓを充分に大きくとらないと、偏流の影響を大きく受けてしまう問題を有している。即ち、バーナが燃焼を停止して排気側となった場合、ラジアントチューブ１０４内の排ガスは、エアスロート１０１内の偏寄った位置に配置された噴出孔１０２から増速されて流入し、偏流の影響をなくし切れないうちに、換言すれば排ガスの流れがあまり広がらないうちに大部分が蓄熱体１０３の一部の領域を通過することになる。このため、蓄熱体１０３の排熱回収に利用できる部分が限られてしまい、蓄熱体１０３のコンパクト化を妨げることとなる。そこで、蓄熱体１０３とノズル支持体１０６との間のエアスロート１０１の空間Ｓを小さくしてバーナのコンパクト化を図ることが難しいものであった。また、供給される空気量よりも排ガスの方が燃焼により増加するため、噴出孔１０２を経て排気されるときの圧力損失が大きくなりチューブ内圧力が高まるという問題も有している。
【０００５】
本発明は、蓄熱体の利用率、特に排気時の有効利用率を上げて蓄熱体およびバーナのコンパクト化を可能とする交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明は、蓄熱体を内装し該蓄熱体を介して燃焼時には燃焼用空気を供給しかつ燃焼停止時にはラジアントチューブ内から排ガスを排気するエアスロートと、該エアスロートとラジアントチューブ内とを区画して遮断すると共にラジアントチューブの内周面に内接あるいは近接するように偏在する噴出孔を設けた噴出孔形成手段とを有するバーナをラジアントチューブの両端に備えて交互に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、噴出孔形成手段にラジアントチューブ内から燃焼ガスを排気するときにのみ開口してラジアントチューブ内とエアスロート内とを連通させる排気手段を少なくとも１つ設けるようにしている。
【０００７】
したがって、燃焼停止側のバーナにおいては、噴出孔と排気手段の双方からラジアントチューブ内の排ガスがエアスロート内に流入する。ここで、蓄熱体と噴射孔形成手段との間のエアスロートの空間が充分に大きく取られていないとしても、噴出孔及び１つ以上の排気手段から流入する燃焼排ガスの流れは燃焼用空気の噴射時よりも高速にならずに膨張しながらかつ広い範囲で蓄熱体を通過することとなる。
【０００８】
また、燃焼側のバーナにおいては、排気手段が閉じられて噴出孔からのみ蓄熱体を経た燃焼用空気がラジアントチューブ内へ噴射される。噴出孔はラジアントチューブの中心から外れた位置に偏在しかつエアスロートの通路面積に比べて絞られているので、燃焼用空気がラジアントチューブの管壁に沿って高速で噴射される。そして、その流れはラジアントチューブの全横断面に分布せずに偏在したものとなる。このため、燃焼用空気が噴射された部分の反対側では負圧が生じて強力な排ガス再循環が起こると同時に、この排ガスと燃焼用空気と平行に噴射される燃料ガスとが燃焼用空気の流れに誘引されて随伴され、徐々に燃焼用空気の流れに巻き込まれながら緩慢燃焼を起こしてラジアントチューブに好適な長炎を形成する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
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。
【００１０】
図１に本発明の交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムの一実施形態をバーナ部分だけを拡大して示す。この交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステム構成は、基本的には図３に示すものと同様であるため、特に図示していないが、ラジアントチューブとこのラジアントチューブの両端部に配置される一対のバーナ及びこれら一対のバーナを交互に燃焼させるために燃焼用空気と燃料を選択的に供給する燃焼用空気供給系と燃料供給系並びに排気系から構成されている。
【００１１】
ラジアントチューブの両端は、通常、炉壁を貫通して炉外に配置され、そこに同じ構造の一対のバーナがそれぞれ据え付けられる。各バーナは、蓄熱体４をエアスロート２に内装するタイプであり、パイロットバーナ兼用の燃料ノズル５と、蓄熱体２および保炎板を兼ねた噴出孔形成手段としてのノズル支持体６等を有している。なお、バッフルとして機能し、安定火炎を形成する。
【００１２】
ラジアントチューブ１の端部には、ノズル支持体６と燃料ノズル５とが挿入されてラジアントチューブ内の燃焼空間８と区画されたエアスロート２が形成されている。即ち、ノズル支持体６は、エアスロート２とラジアントチューブ内・燃焼空間８とを区画して遮断する噴出孔形成手段として機能する。このノズル支持体６と蓄熱体４との間には空間Ｓが形成されるようにして蓄熱体４が内装されている。また、エアスロート２の中央には燃料ノズル５が蓄熱体４を貫通して配置されており、当該燃料ノズル５の先端部には、エアスロート２と燃焼空間８とを画するノズル支持体６が溶接などで一体的に取り付けられている。
【００１３】
ノズル支持体６には、１つの噴出孔３と少なくとも１つの排気孔７が形成されている。噴出孔３は、ラジアントチューブ１の内周面に内接あるいは近接するように偏在させて設けられ、ラジアントチューブ１内に偏った空気の流れを形成するように設けられている。また、排気孔７には、当該排気孔７を開閉する開閉手段９が設けられている。この排気孔７と開閉手段９とによって、ラジアントチューブ１内から燃焼ガスを排気するときにのみ開口してラジアントチューブ内・燃焼空間８とエアスロート２内とを連通させる排気手段１０が構成されている。この排気手段１０は少なくとも１つ、好ましくは２ないし３個、あるいは必要に応じてそれ以上の数が設けられている。
【００１４】
噴出孔３及び排気孔７は、本実施形態の場合、ノズル支持体６の周縁の一部を例えば半月状に切り欠いて形成されている。噴出孔３は、エアスロート２に比べてその通路面積が絞られている。また、排気孔７は、噴出孔３から離れた位置、例えば噴出孔３が形成されている位置の反対側の位置に形成されている。ただし、必ずしも排気孔７を当該位置に形成する必要はなく、蓄熱体４に対する排ガスの流れがより広範囲で均一になるような位置に形成することが好ましく、例えば２つ以上の排気手段１０を設ける場合には噴出孔３を含めて円周方向に均等間隔で配置することが好ましい。
【００１５】
開閉手段９としては例えばフラッパーが採用されている。このフラッパー９は、例えばノズル支持体６のエアスロート２に臨む面にヒンジ１１等を介して揺動自在に取り付けられ、トーションばねや自重などで排気孔７を常時塞ぐように付勢されている。したがって、エアスロート２から燃焼空間８に向けて燃焼用空気の流れが発生するバーナ燃焼時には、フラッパー９は燃焼用空気の流れによってノズル支持体６に押し付けられて排気孔７を閉じる。一方、燃焼空間８からエアスロート２に向けて排ガスの流れが発生する燃焼停止時には、フラッパー９は排ガスの流れによってノズル支持体６から離れる方向に押されて排気孔７を開き、排ガスをエアスロート２内に流入させる。
【００１６】
エアスロート２は、図示しない四方弁を通じて燃焼用空気供給系及び排気系に接続されている。四方弁は当該バーナの切換に連動して切り換わり、燃焼用空気供給系と排気系とを択一的にエアスロート２に接続する。即ち、エアスロート２は、バーナの燃焼時には燃焼用空気を供給し、かつ燃焼停止時にはラジアントチューブ内から排ガスを排気する。
【００１７】
蓄熱体４は、交互に通過する排ガスと燃焼用空気との直接熱交換を媒介し、排ガス温度に近い高温に予熱された燃焼用空気を得る。蓄熱体４としては、例えば流路断面積が一定で且つ直線的に流路が貫通しているハニカム形状のセラミックスを使用する。このセラミックスとしては、コージライトやムライト等の使用が好ましい。このハニカム形状のセラミックスは、熱容量が大きく耐久性が高い割に比較的圧力損失が低い。しかも、排気と給気とが交互に淀みなく行われる。このため、燃焼排ガス中のダスト等は、蓄熱体４のハニカム形状の流路内に付着し難く、また付着したとしても逆洗されるため汚れることがない。さらに、燃焼排ガスから熱を回収する際に燃焼排ガスが酸露点温度以下に低下してもセラミックスの表面に燃焼排ガス中の硫黄分やその化学変化物質が捕捉されて下流の排気系のダクト等を低温腐食させることがない。
【００１８】
以上のように構成された本発明の交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムによると、次のようにして交互燃焼が行われる。
【００１９】
いま、燃焼バーナの切り換えによって、燃焼中のバーナが排気側になると、ラジアントチューブの燃焼空間８内の排ガスが噴出孔３から、及びフラッパー９を押し開いて排気孔７からエアスロート２に流入する。噴出孔３から流入する排ガスは主に噴出孔３と対向する位置付近（図中上側部分）で蓄熱体４を通過し、排気孔７から流入した排ガスは主に排気孔７と対向する位置付近（図中下側部分）で蓄熱体４を通過する。噴出孔３と排気孔７とは互いに離れた位置に形成されているので、蓄熱体４のほぼ全面にわたって燃焼排ガスを通過させることができ、蓄熱体４を有効に利用して熱交換を行うことができる。
【００２０】
この状態で所定時間が経過すると、再び四方弁および燃料切替弁の切換により燃焼バーナが切り替えられ、今まで排ガスが抜き取られていた方のバーナが燃焼を再開する。このとき、燃焼用空気供給系から供給される燃焼用空気は蓄熱体４をその全域で通過する間に高温（排ガスの温度に近い温度）に予熱された後、ノズル支持体６の噴出孔３からラジアントチューブの燃焼空間８へ偏った位置から高速で噴出される。この状態では排気孔７がフラッパー９によって塞がれるので、高温の燃焼用空気は噴出孔３からのみ噴出される。しかも、高速で噴射される。したがって、燃焼空間８内に存在する燃焼排ガスを巻き込みながら燃料ノズル５から噴射された燃料に徐々に接触してこれを燃焼させ、広い範囲で火炎を形成させる。即ち、高温例えば約８００℃以上に予熱された燃焼用空気は、常温時に比べて体積が膨張しているため、常温の燃料に比べてかなりの高速度で噴出される。例えば、２０〜３０ｍ／ｓの流速で噴出される燃料に比べて高温予熱空気は１００ｍ／ｓ以上の極めて速い流速で噴出される。このため、燃料はチューブ内に広がらず高速の燃焼用空気の流れに誘引されてチューブ内壁に沿って流れ、その間に徐々に燃焼用空気流に巻き込まれる。また、噴出孔３付近にまでラジアントチューブ１内を逆流してくる排ガスの一部は燃焼用空気の流れに直接誘引されて巻き込まれ燃焼用空気の酸素濃度を低下させたり、場合によっては燃料噴流と燃焼用空気の噴流との間に巻き込まれてこれらが直ちに接触するのを防止する。したがって、発熱領域が広域化した均質な燃焼を行い長炎を形成する。
【００２１】
つまり、当該バーナが排気側となった場合には、１つの噴出孔３と少なくとも１つの排気手段１０の排気孔７からラジアントチューブ１内の排ガスをエアスロート２側へ流入させて蓄熱体４に導入するので、排気のための通路面積を広く確保でき、燃焼排ガスの流れを円滑にすることができる。また、当該バーナが燃焼側になった場合には、蓄熱体４を通過して高温になった燃焼用空気が噴出孔３の１箇所からラジアントチューブ内・燃焼空間８へ偏って高速で噴出するので、チューブ内排ガスを強力に巻き込む排ガス再循環を起こして発熱領域が広域化した均質な燃焼を実現する。
【００２２】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態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、上述の説明では、ノズル支持体６の１箇所に排気手段１０を設けているが、これに限らず２ないし３若しくは４以上の箇所に排気手段１０を設けても良い。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明を適用した交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムでは、蓄熱体を内装するエアスロートとラジアントチューブ内とを区画して遮断する噴出孔形成手段に、ラジアントチューブの内周面に内接あるいは近接するように偏在する噴出孔と、ラジアントチューブ内から排ガスを排気するときにのみ開口してラジアントチューブ内とエアスロート内とを連通させる排気手段を少なくとも１つ設けているので、バーナ燃焼時には噴出孔のみを通じて燃焼用空気を噴射させるが、燃焼停止時には噴射孔のみならず排気手段からも排ガスを排出させることができる。
【００２４】
このため、バーナ燃焼時には燃焼用空気を高速でかつ偏らせてラジアントチューブ内へ噴射可能にする一方、燃焼停止時には噴出孔と少なくとも１つの排気手段とによって排ガスのエアスロートへの流入面積・開口面積を広くして流れを膨張させると共に圧力損失を減少させることができる。したがって、蓄熱体と噴射孔形成手段との間のエアスロートの空間が充分に大きく取られていないとしても、蓄熱体の広い範囲に排ガスを通過させることができ、蓄熱体の有効利用を可能になる。このため、蓄熱体のコンパクト化を図ることができ、バーナ装置の小型化を可能にする。また、排気時の圧力損失も低減できるので、チューブ内圧力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の交互燃焼式蓄熱型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要部のみを拡大して示す図で、（Ａ）は軸断面図、（Ｂ）は（Ａ）のI−I線断面図である。
【図２】従来の交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムの断面図で、要部のみを拡大して示す。
【図３】従来の交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムの全体を示す原理図である。
【符号の説明】
１ラジアントチューブ
２エアスロート
３噴出孔
４蓄熱体
５燃料ノズル
６ノズル支持体（噴出孔形成手段）
７排気孔
８燃焼空間（ラジアントチューブ内）
９フラッパー（開閉手段）
１０排気手段

Claims

蓄熱体を内装し該蓄熱体を介して燃焼時には燃焼用空気を供給しかつ燃焼停止時にはラジアントチューブ内から排ガスを排気するエアスロートと、該エアスロートと前記ラジアントチューブ内とを区画して遮断すると共に前記ラジアントチューブの内周面に内接あるいは近接するように偏在する噴出孔を設けた噴出孔形成手段とを有するバーナを前記ラジアントチューブの両端に備えて交互に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、前記噴出孔形成手段には前記ラジアントチューブ内から燃焼ガスを排気するときにのみ開口して前記ラジアントチューブ内と前記エアスロート内とを連通させる排気手段を少なくとも１つ設けたことを特徴とする交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステム。