JP4060990B2 - 交互燃焼式蓄熱型バーナシステム及びそれを利用した加熱炉 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄熱器を利用して燃焼用空気と排ガスとの間で熱交換させて排ガス温度に近い高温の予熱空気を得て交互燃焼させる一対の蓄熱型バーナから成る燃焼システム及びそれを利用した加熱炉に関する。更に詳述すると、本発明は、一対のバーナ間での燃焼制御装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
バッチ操業の加熱炉では、被加熱物の装入装出扉の開閉による冷却のため、扉側の温度が炉奥側の温度より低く、扉側にある被加熱物の温度上昇が炉奥にある被加熱物の昇温より遅れる。また、図8に示すような連続式加熱炉の各ゾーンにおいても、或るゾーン101に有る被加熱物Wの扉側の部位P1は、前ゾーン102に有る温度の低い被加熱物W2に輻射熱を取られながら加熱され、炉奥側の部位P2は次ゾーン103に有るより高い温度の被加熱物W3から輻射熱を受けながら加熱されるので、バッチ炉と同様に扉側の被加熱物の昇温が炉奥側の被加熱物の昇温より遅れる。
【0003】
このような被加熱物の昇温の遅れを解消するには、バッチ炉の扉側の炉温を炉奥側の炉温に近づけ、または連続炉の各ゾーンでは被加熱物装入側の炉温を炉奥側すなわち被加熱物取出口側の炉温により近づけたり、また場合によってはより高くする必要がある。
【0004】
そこで、従来の炉例えばレキュペレータ付ラジアントチューブを加熱源とする炉では、扉側の炉温と炉奥側の炉温の差を小さくするために、チューブ温度の高いバーナ側を扉側に近接し、温度の低いレキュペレータ側を炉奥側に向けて取り付けるようにされている。
【0005】
また、多くの場合には、1つのゾーン201に複数のラジアントチューブ(殆どの場合には設置スペースの制限からシングルエンド型ラジアントチューブ)202,203,204を並べて設置し、扉205寄りに配置されたラジアントチューブ202の燃焼量を炉奥206側に配置されたラジアントチューブ204の燃焼量より増して炉内の扉205側と炉奥206側の温度差を解消して炉温の均一化を図る方法が取られている(図10参照)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レキュペレータ付ラジアントチューブのバーナ側とレキュペレータ側との間の温度差を利用するだけでは炉の扉側と炉奥側の温度差を解消するには至らない。
【0007】
また、複数のラジアントチューブを設置して扉側のラジアントチューブの燃焼量を奥側のそれよりも上げて扉側と炉奥の温度差を少なくする場合には、炉の片面(一方の壁面)に一本(両面では2本)のラジアントチューブで所要熱量を十分に供給できる場合でも、複数のラジアントチューブを配置しなければならない問題を有している。
【0008】
更に、シングルエンドラジアントチューブ300は、二重管の内側の管301の一端にバーナ305を設け、燃焼ガスが内側の管301を通り一方の開放口303から外管302との環状隙間304に反転してバーナ305側に戻り、外管302のバーナ寄りに設けられた出口306からレキュペレータ307を介して大気に放出される構造となっている(図10参照)ため、ややもすると内側の管301のバーナ寄りの部分308が過熱により焼損し易く、殊に燃焼負荷の大きい扉側に設けられたラジアントチューブにおいてその問題が顕著となる。
【0009】
このように、従来では、炉温均一化のために一本のラジアントチューブで十分に所要熱量を供給できる場合でも複数のラジアントチューブを必要とし、かつ、扉側ラジアントチューブのオーバーヒート防止の観点から所要熱量の分配が制限されるなどのコスト面、操業面に大きな問題があった。このことは、直火炉及び直火式バーナにおいても同様である。
【0010】
本発明は、このようなバッチ炉、連続炉における扉側と炉奥側との温度差解消に供与される熱源および加熱炉を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項1〜3に各々記載の発明は、蓄熱器を備え該蓄熱器を通して燃焼用空気の供給と燃焼ガスの排出とを交互に行って蓄熱器で排ガス温度に近い高温に予熱された燃焼用空気を得て燃焼させる蓄熱型バーナをラジアントチューブの両端に備え、前記チューブ両端の蓄熱型バーナを対にして前記ラジアントチューブ内で短時間に交互に燃焼させる1つの燃焼システムを構成すると共に、対を成す前記蓄熱型バーナは燃焼量(単位時間当たりの燃焼熱量(燃料量×発熱量)(kcal/h))を同じにして燃焼時間を異ならせるようにするか、あるいは対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼時間を同じにして燃焼量を異ならせるか、若しくは対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼量および燃焼時間の双方を異ならせるようにして発生する熱量を異ならせる一方、蓄熱型バーナにはそれぞれ直結される同一蓄熱容量の蓄熱器と、切換手段を介して選択的に蓄熱型バーナに接続される付加蓄熱器とを備え、かつ蓄熱器は発生する熱量が少ない方の蓄熱型バーナの燃焼時の排熱量に応じた蓄熱容量を有し、付加蓄熱器は対となった蓄熱型バーナの交互燃焼によって発生する熱量の差分に応じた蓄熱容量を有し、熱量が少ない燃焼時に蓄熱器のみを利用し、熱量が多い燃焼時には双方の蓄熱型バーナへ付加蓄熱器を付加することによって蓄熱器の容量を排熱量に応じた蓄熱容量に増加するようにしている。
【0012】
したがって、一対のバーナ間で混合気の自己着火温度以上の高温に予熱された空気と燃料とが大量の燃焼ガスを巻き込んで低酸素濃度下で緩やかに接触して燃焼する高温空気燃焼の特性、即ち発熱領域が広域化した局所的高温域のない均質な燃焼を実現しながらも、燃焼時間が長い方あるいは燃焼量が大きい方若しくは燃焼時間が長くかつ燃焼量が大きい方のバーナ側で発生する燃焼熱量(単位時間当たりの燃焼で発生する熱量を指す場合と実際に発生した熱量を指す場合とがあるが、本明細書では前者の単位時間当たりの燃焼熱量を燃焼量と呼び、後者を単に熱量と呼ぶ)が短い方あるいは燃焼量が小さい方若しくは燃焼時間が短くかつ燃焼量が小さい方のバーナ側で発生する熱量が少なくなる温度勾配を併せ持つ。即ち、ラジアントチューブの表面を局所的高温域を発生させずに一端から他端へ向けて昇温する温度勾配を持たせて両端付近の温度場において温度差を付けることができる。
【0013】
さらに同バーナシステムにおいては、一対のバーナからそれぞれ排出される燃焼ガスの量と必要とされる燃焼用空気の量がそれぞれ異なっても、その差分に応じた付加蓄熱器が排気バーナと燃焼バーナとに選択的に接続されて排熱量に応じた蓄熱容量となるため、平衡温度の上昇を防止すると共に温度効率を低下させずに排熱回収を行うことができる。
【0015】
請求項4記載の発明のバッチ式あるいは連続式の加熱炉は、請求項1から3のいずれか1つに記載の交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナを1つのゾーンに一本または一本以上装備し、燃焼時間が長い方あるいは燃焼量が大きい方若しくは燃焼時間が長くかつ燃焼量が大きい方のバーナ側を温度の低くなりがちな方または温度を上げたい方へ配置すると共に、燃焼時間が短い方あるいは燃焼量が小さい方若しくは燃焼時間が短くかつ燃焼量が小さい方のバーナ側を温度の高くなりがちな方または温度を下げたい方へ配置するようにしている。
【0016】
この場合、バッチ操業の炉では、被加熱物の装入装出扉の開閉による冷却のため、扉側の温度が炉奥側の温度より低く、扉側にある被加熱物の温度上昇が炉奥にある被加熱物の昇温より遅れるが、炉奥側に比べて扉側のバーナで実際に発生する熱量が大きくなるように制御されるため、扉側における被加熱物の昇温の遅れを解消する。また、連続炉の各ゾーンにおいても、扉側にある被加熱物は、前ゾーン即ち扉側寄りのゾーンにある温度の低い被加熱物に輻射熱を取られながら加熱され、炉奥側にある被加熱物は次ゾーンにあるより高い温度の被加熱物から輻射熱を受けながら加熱されるが、1つのゾーン内で炉奥側に比べて扉側のバーナで実際に発生する熱量が大きくなるように制御されるため、扉側の被加熱物の昇温が炉奥側の被加熱物の昇温より遅れるのを解消する。したがって、被加熱物の加熱を均一にすることができる。
【0017】
更に、請求項5記載の発明は、請求項4に記載のバッチ炉および連続炉において、各ゾーンの炉の扉側と奥側に設けた温度調節計の偏差に応じて、対を成す扉側の蓄熱バーナと炉奥側の蓄熱バーナの各々の燃焼時間または燃焼量または燃焼時間と燃焼量を調節する燃焼制御手段を有している。この場合、加熱炉の扉側と奥側(各ゾーンにおける扉側と奥側とを含む)との間での温度差を任意に設定することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【0019】
本発明の交互燃焼式蓄熱型バーナシステムは、蓄熱型バーナを対にして短時間に交互に燃焼させることによって1つの高温空気燃焼システムを構成するものであって、対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼量を同じにして燃焼時間を異ならせるようにするか、あるいは対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼時間を同じにして燃焼量を異ならせるか、若しくは対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼量および燃焼時間の双方を異ならせるように計装している燃焼制御手段(図示省略)を備えている。燃焼制御手段としては、例えばシーケンス制御による調節計(controller)を併用したフィードバック制御による自動燃焼制御を行うように計装される。
【0020】
ここで、蓄熱型バーナは、蓄熱器を備え該蓄熱器を通して燃焼用空気の供給と燃焼ガスの排出とを交互に行って蓄熱器で排ガス温度に近い高温に予熱された燃焼用空気を得て燃焼させるもので、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し尚かつ排気する燃焼用空気供給系と排気系並びに燃料供給系を備えている。これら燃焼用空気供給系と排気系とは、例えば四方弁などの流路切換手段を介して一対のバーナにそれぞれ接続され、対をなす一方のバーナを燃焼させる間に他方のバーナから排気して、排ガスの熱を蓄熱器で熱回収すると共にその回収熱を燃焼用空気の予熱に用いるようにしている。
【0021】
このように構成された交互燃焼式蓄熱型バーナシステムは、ラジアントチューブ内で燃焼させる間接加熱源として1つのバッチ炉あるいは連続式加熱炉のゾーンに一本または一本以上装備することによって、バッチ式あるいは連続式の加熱炉を構成するようにしている。
【0022】
例えば、図1に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例とそれを熱源とする連続式加熱炉の一例を示す。
【0023】
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、基本的にはラジアントチューブ14とこのラジアントチューブ14の両端部に配置される一対の蓄熱型バーナ9,11及びこれら一対の蓄熱型バーナ9,11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17と燃料供給系18並びに排気系19とから構成されている。
【0024】
ラジアントチューブ14は、両端の蓄熱型バーナ9,11がそれぞれ連続式加熱炉・炉体20の外に配置されるようにして1つのゾーン21に少なくとも1本が被加熱物Wの搬送方向と平行にあるいは直交させて配置される。例えば、図1に示すように、連続式加熱炉20の1つのゾーン21内に被加熱物Wの搬送方向と平行に配置され、扉22側と炉奥23側とにそれぞれラジアントチューブ14の両端が位置するように配置されている。このとき、ラジアントチューブ14は図6の(A)に実線で示すように一方の炉壁に沿って1本だけ配置しても良いが、相対向する他方の炉壁側にも破線で示すように対となる2本目を配置して左右対称な炉内温度分布を形成するようにしても良い。また、図6の(B)に示すように、1つのゾーン21あるいはバッチ炉内に1本以上のラジアントチューブ14を配置すること、例えば1つのゾーン21内に複数のチューブをゾーン手前側から奥側へ並べて配置することも可能である。このように2本のチューブを配置する場合、1つのゾーン内で前ゾーン寄りの温度場と中央の温度場及び後ゾーン寄りの温度場との3つの温度差を付けたい温度場を形成できる。更に、図6の(C)に示すように、1つのゾーン21内で炉を横切る方向に複数のチューブを配置することによっても、ゾーンの左右あるいは上下間で温度差をつけたり、更にその上に炉長方向でも温度差をつけるときに好適である。尚、このラジアントチューブとしては、図示のW型に形状が特に限られるものではなく、U型や直管型などの任意の形態を採りうる。
【0025】
ここで、連続式加熱炉20の各ゾーン21においてもバッチ炉と同様の温度差が生じる。例えば、被加熱物Wの搬入用扉22が位置するゾーン21では、扉22の開閉による冷却のため、扉22側の温度が炉奥23側の温度より低く、扉22側にある被加熱物Wの温度上昇が炉奥23にある被加熱物Wの昇温より遅れることとなる。そこで、一対の蓄熱型バーナ9,11の燃焼制御手段(図示省略)は、扉22側のバーナ例えばAバーナ9と炉奥23側のバーナ例えばBバーナ11との間で燃焼量を同じにして扉側のAバーナ9が炉奥側のBバーナ11より長い時間燃焼するか、あるいはA,B両バーナ9,11の間で燃焼時間を同じにして扉側のAバーナ9が炉奥側のBバーナ11より燃焼量を大きくさせるか、若しくは扉側のAバーナが炉奥側のBバーナより燃焼量および燃焼時間の双方において大きくかつ長くなるように計装されている。また、他のゾーン21においても、被加熱物Wの扉22側寄りの部位では前ゾーンに有る温度の低い被加熱物Wに輻射熱を取られながら加熱され、炉奥23側寄り部位では次ゾーンに有るより高い温度の被加熱物Wから輻射熱を受けながら加熱されるので、扉22があるゾーンと同様に燃焼制御するように燃焼制御手段が計装されている。
【0026】
また、蓄熱器8,10としては、例えば、一定の通路断面積でかつ直線的な流路が多数貫通しているハニカム形状のセラミックスから成るブロックの使用が好ましい。この場合、蓄熱容量の割に圧損が低いため、給気及び排気用ブロワ(ファン)の能力を上げずに給気と排気とが実施可能で、例えば300mmAq以下の低圧損で実現できる。また、蓄熱器としては、このハニカム形状のものに特に限定されるものではなく、管状蓄熱器を束ねたものやボール状あるいはナゲット状のもの、若しくは平板や波板の蓄熱材料を放射状にあるいは環状に配置したブロック状蓄熱器などでも使用可能である。また、蓄熱器はコージライトやムライト、アルミナ等のセラミックに限られず、それ以外の材質例えば耐熱鋼等の金属あるいはセラミックスと金属の複合体例えばポーラスな骨格を有するセラミックスの気孔中に溶融した金属を自発浸透させ、その金属の一部を酸化あるいは窒化させてセラミックス化し、気孔を完全に埋め尽くしたAl2 O3 −Al複合体、SiC−Al2 O3 −Al複合体などを用いて製作しても良い。
【0027】
各蓄熱型バーナ9,11は、本実施形態の場合、ラジアントチューブ14のバング部分からバーナ本体24にかけて蓄熱器8,10を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25と、蓄熱器8,10と、保炎板を兼ねた噴出孔形成手段26などを有している。なお、噴出孔形成手段26はバッフルとして機能し、安定火炎を形成する。
【0028】
噴出孔形成手段26はラジアントチューブ14内の燃焼空間と区画されたエアスロート27をラジアントチューブ14の端部に形成している。即ち、バーナ本体24がフランジ連結などによって取り付けられたラジアントチューブ14の端部では、噴出孔形成手段26によってエアスロート27とラジアントチューブ内・燃焼空間とが実質的に区画形成されている。そして、エアスロート27には、噴出孔形成手段26と蓄熱器8,10との間に空間が形成されるような位置関係で蓄熱器8,10が内装されると共に、例えば四方弁のような流路切替手段1を通じて燃焼用空気供給系17及び排気系19が選択的に接続される。四方弁1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17と排気系19とを択一的にエアスロート27に接続する。即ち、エアスロート27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14内から排ガスを排気する。また、エアスロート27の中央には燃料ノズル25が蓄熱器8,10および噴出孔形成手段26を貫通するようにほぼ中央に配置されており、その先端が噴出孔形成手段26の中央の貫通孔内に配置されている。
【0029】
また、噴出孔形成手段26には周縁の一部を例えば半月状に切り欠いてラジアントチューブ14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28が設けられている。この噴出孔28は、ラジアントチューブ14の内周面に沿うように偏った高速の空気の流れを形成する。
【0030】
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。
【0031】
一対の蓄熱型バーナ9,11は、蓄熱器8,10を通過して高温例えば800℃程度以上に予熱された酸化剤(通常は空気)を使用して短時間例えば1分以内、好ましくは10〜40秒程度の範囲内で交互に燃焼する。そして、一方のバーナ9(あるいは11)の燃焼によってラジアントチューブ14内に発生する燃焼ガスはラジアントチューブ14を加熱した後に反対側の燃焼停止中のバーナ11(あるいは9)を経て排気される。燃焼ガスはエアスロート27に内装された蓄熱器8(あるいは10)のほぼ全域を通過して蓄熱器8の全体を有効に利用して熱交換を行い、その熱が蓄熱器8(あるいは10)で回収される。そして、蓄熱器8(あるいは10)に回収された熱は、他方のバーナ9(あるいは11)を燃焼させる際の燃焼用空気の予熱に使用され、再びラジアントチューブ14内に戻される。
【0032】
このとき、排ガス温度に近い高温例えば約800℃程度以上に予熱された燃焼用空気は、20〜30m/sの流速で噴出される燃料に比べて遙かに高速、例えば少なくとも60m/s以上、好ましくは100m/s以上で噴出されるが、混合気の自己着火温度よりも高温であるため燃料と接触すれば低酸素濃度下でもこれを燃焼させることができることから、燃焼用空気の噴射速度が高速化しても失火を招かずに燃焼を実現できる。このため、燃料はチューブ14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。これによって、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発熱領域が広域化した均質な燃焼を行いラジアントチューブに好適な長炎を形成する。殊に、図示実施形態のように噴出孔28がラジアントチューブ14の中心から外れた位置に偏在しかつエアスロート26の通路面積に比べて絞られていれば、燃焼用空気がラジアントチューブ14の管壁に沿って高速で噴射されて、ラジアントチューブ14の全横断面に分布せずに偏在した流れとなってその反対側に負圧を生じさせて強力な排ガス再循環を起こさせる。また、噴出孔28の付近にまでラジアントチューブ14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、発熱領域がより広域化して局所的高温域のない均質な燃焼を行い長炎を形成する。
【0033】
しかも、一対のバーナ9,11の間では、燃焼時間あるいは燃焼量若しくは燃焼時間と燃焼量の双方が異なることにより発生する熱量が異なるため、一方のバーナ寄りのチューブから他方のバーナ寄りのチューブにかけてチューブ表面温度が漸次低くなる温度勾配を持つ。より具体的には、扉側(前のゾーン側)のバーナ例えばバーナ9と炉奥側(次ぎのゾーン側)のバーナ例えばバーナ11との間で燃焼量を同じにして扉側のバーナ9が炉奥側のバーナ11より長い時間燃焼するか、あるいは両バーナ9,11の間で燃焼時間を同じにして扉側のバーナ9が炉奥側のバーナ11より燃焼量を大きくさせるか、若しくは扉側のバーナ9が炉奥側のバーナ11より燃焼量および燃焼時間の双方において大きくかつ長くなるように計装されている。
【0034】
このため、発熱領域が広域化した均質な燃焼を実現して長炎を形成しながらも、入口側寄りのチューブ表面温度が奥側寄りのチューブ表面温度よりも高くかつ炉奥側あるいは次ぎのゾーンに向けてチューブ表面温度が漸次低くなる温度勾配を持ち、扉側と炉奥側の炉温差を解消することができる。
【0035】
このような交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステム及び加熱炉によると、一対を成す蓄熱型バーナには、通常、同一容量の蓄熱器8,10をそれぞれ装備しているため、燃焼時間の長い方のバーナあるいは燃焼量の大きい方のバーナの排気温度が時間の短い方もしくは燃焼量の小さい方のバーナからの排気の温度よりも高くなる。このことは、一方のバーナに合わせると平衡温度に達するのが早く無駄に熱を排気して省エネルギーに貢献しないこととなるし、他方のバーナに合わせると蓄熱容量を無駄にして空気の予熱温度の低下を招くこととなることから、両バーナからの排気温度を均一にすることが望まれる。そこで、この交互燃焼式蓄熱型バーナシステムは、両バーナ9,11間の燃焼量あるいは燃焼時間若しくは双方の差分に応じた蓄熱容量を有し接続相手のバーナを切替可能な付加蓄熱器12,13を備え、それぞれのバーナ9,11の燃焼時間または燃焼量または燃焼時間と燃焼量に応じて付加蓄熱器12,13を必要なバーナ側へ付加して蓄熱器8,10の容量を適性化する手段を備えることが好ましい。
【0036】
この蓄熱器容量の適正化手段の一実施形態を図2〜図5に示す。この実施形態の交互燃焼式蓄熱型バーナシステムは、ラジアントチューブ14の両端に備えられたA、B一対の蓄熱型バーナ9,11の単位時間当たりの燃焼量を同じにして燃焼時間を異ならせるようにしたものである。Aバーナ9の燃焼時間をτa、Bバーナ11の燃焼時間をτbとしたとき、チューブ一本当たりの燃焼量をQkcal/hとすると、Aバーナ9の燃焼量はQa=Q{τa/(τa+τb)}で与えられ、Bバーナ11の燃焼量はQb=Q{τb/(τa+τb)}で与えられるから、ラジアントチューブ14のAバーナ9側寄りの部位からの伝熱量とBバーナ側寄りの部位からの伝熱量をそれぞれの燃焼時間に応じて変えることができる。
【0037】
そこで、この実施形態では、30秒燃焼のAバーナ9と、15秒燃焼のBバーナ11とを交互に繰り返し燃焼させるバーナシステムに適用した場合を例に挙げている。即ち、本実施形態では、各バーナ9,11にそれぞれ直結されている蓄熱器8,10の他に、第1及び第2の切換手段群によって選択的に接続される2つの付加蓄熱器12,13を有している。付加蓄熱器12,13は蓄熱体であればどのようなものでも使用可能であり特定の構造や組成物に限定されるものではないが、蓄熱器8,10と同じ構成の蓄熱体例えばハニカム形状のセラミックスなどで構成することが好ましい。第1の切換手段群15は、1つの四方弁1と2つの三方弁2,3及びこれらを30秒と15秒の2種類の間隔で交互に繰り返して(30秒、15秒、30秒、15秒、…)切り替えるアクチュエータ4とから構成されている。アクチュエータ4と四方弁1および三方弁2、3はリンクで連結され、アクチュエータ4がレバー角90度で反転することによって四方弁1及び三方弁2,3が連動して切り替えられる。ここで、四方弁1の2つの固定ポートには燃焼用空気供給系17と排気系19とが接続され、残りの2つの切換ポートにはそれぞれ三方弁2,3の固定ポートが接続されている。また、2つの三方弁2,3の切換ポートの一方にはAバーナ9とBバーナ11の蓄熱器8,10が直接それぞれ接続されている。他方、第2の切換手段群16は、2つの四方弁5,6とこれらを45秒間隔で切り替えるアクチュエータ7とから構成されている。アクチュエータ7と2つの四方弁5,6とは、リンクで連結されアクチュエータ7を機械角で90度だけ反転させることによって2つの四方弁5、6が連動して切り替えられるように構成されている。そして、四方弁5の固定ポートは第1の切換手段群15の三方弁2,3のそれぞれの切換ポートの一方に接続されると共に残りの2つの切換ポートが他の四方弁6の切換ポートにそれぞれ付加蓄熱器12,13を介在させてから接続されている。また、他方の四方弁6の固定ポートにはAバーナ9とBバーナ11の蓄熱器8,10がそれぞれ接続されている。尚、ラジアントチューブ14の両端には同一容量のバーナAとバーナBが装備され、バーナAは蓄熱器8とバーナ9で構成され、バーナBは著熱器10とバーナ11で構成されている。バーナ9およびバーナ11のそれぞれには図示されていないがパイロットバーナ、燃料ノズル、電磁弁等が装備されている。
【0038】
このように構成された蓄熱器容量の適正化手段によると、次のようにして燃焼時間が異なるA,Bの2つのバーナ9,11からの排ガス温度がほぼ等しくされる。
【0039】
まず、図2は最初の0〜30秒(30秒間)のAバーナ燃焼中を示す図で、燃焼用空気供給系17から供給される燃焼空気は、切換弁1→切換弁2→切換弁5→蓄熱器12→切換弁6→蓄熱器8を通ってAバーナ9に供給されラジアントチューブ14内で燃焼する。チューブ14内の燃焼ガスは、燃焼していないBバーナ11→蓄熱器10→切換弁6→蓄熱器13→切換弁5→切換弁3→切換弁1→排気系19の経路を経て大気中に排出される。
【0040】
図3は次の30〜45秒(15秒間)のBバーナ燃焼中を示す図で、燃焼空気は切換弁1→切換弁3→蓄熱器10を経由してBバーナ11に供給され、チューブ14内で発生した燃焼ガスは、燃焼していないAバーナ9→蓄熱器8→切換弁2→切換弁1→排気系19の経路を辿って大気に放出される。
【0041】
図4はその次の45〜75秒(30秒間)のAバーナ燃焼中を示す図で、燃焼空気は切換弁1→切換弁2→切換弁5→蓄熱器13→切換弁6→蓄熱器8を通ってAバーナ9に供給される。ラジアントチューブ14内で発生した燃焼ガスは、非燃焼側のBバーナ11→蓄熱器10→切換器6→蓄熱器12→切換器5→切換器3→切換器1→排気系19の経路を経て大気中に排出される。
【0042】
図5はその次の75〜90秒(15秒間)のBバーナ燃焼中を示す図で、燃焼用空気は切換弁1→切換弁3→蓄熱器10を径由してBバーナ11に供給され、チューブ14内で発生した燃焼ガスは、非燃焼のAバーナ9→蓄熱器8→切換弁2→切換弁1→排気系19の経路を辿って大気に放出される。
【0043】
ここで操作は一巡し、その次の90〜120秒の30秒間でのAバーナ燃焼中の空気、排気の経路は図2の0〜30秒の30秒間でのAバーナ燃焼中の空気、排気の経路に従うことになる。
【0044】
尚、この操作例は三方弁2、3と四方弁1,5,6を構成して切換操作を行っているが、二方弁を組み合わせて切換操作を行っても良い。また、A、B両バーナ9,11の燃焼時間を等しくして燃焼量を変える場合についても上述の蓄熱器容量の適正化手段を適用することができる。例えばA、B両バーナ9,11の燃焼を30秒毎一定周期で切り替え、Aバーナ9の燃焼量をBバーナ11の燃焼量の2倍としたときについては、第1の切換手段群15のアクチュエータ4を30秒毎の一定周期で90度反転切換し、第2の切換手段群16のアクチュエータ7を60秒毎の一定周期で反転切換させて、図2から図5までの操作を反復すればよい。また、A、Bバーナのそれぞれの燃焼時間と燃焼量を共に変える場合についても、それぞれの燃焼時間×燃焼量の比に従って、第1の切換手段群15および第2の切換手段群16の切換周期を適切に選んで前述に準じて図2から図5の操作を行えばよい。
【0045】
この蓄熱容量適正化手段を備える蓄熱型ラジアントチューブバーナを例に挙げ、バッチ炉および連続炉に取り付けた場合に、扉側のバーナの燃焼時間を炉奥側のバーナの燃焼時間より多くすることにより、扉側と炉奥側の炉温差を解消することを実験により確認した。その実験結果を図7に示す。この実験は、連続炉の扉寄りの第一ゾーンに設備した蓄熱型ラジアントチューブの燃焼量を同じにして、扉側のバーナと炉奥側のバーナの燃焼時間を変えて実験したときの炉温の分布を示したものである。この実験によると、燃焼量を同じにして同じ時間交互に燃焼させると、扉の開閉による冷却のため炉奥側に比べて扉側の温度が低くなっているが、扉側のバーナの燃焼時間を増すにつれて炉温分布が均一化されているのが判る。
【0046】
そこで、A、B両バーナ9,11の近傍に各々熱電対を設置し、温度調節計を設けて各温度調節計の偏差に応じてA、B両バーナ9,11の燃焼時間あるいは燃焼量を変化させれば、左右の温度差を任意に設定することが可能となる。
【0047】
なお、上述の実施形態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。
【0055】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項1〜3に記載の交互燃焼式蓄熱型バーナシステムによると、ラジアントチューブの両端に備えられラジアントチューブ内で燃焼させる一対のバーナ間で発熱領域が広域化した局所的高温域のない均質な燃焼を実現しながらも、燃焼時間が長い方あるいは燃焼量が大きい方若しくは燃焼時間が長くかつ燃焼量が大きい方のバーナ側で発生する熱量が多く、燃焼時間が短い方あるいは燃焼量が小さい方若しくは燃焼時間が短くかつ燃焼量が小さい方のバーナ側で発生する熱量が少なくなる温度勾配を併せ持つので、ラジアントチューブの表面を局所的高温域を発生させずに一端から他端へ向けて昇温する温度勾配を持たせて両端付近の温度場において温度差を付けることができる。そこで、発熱量が大きい方のバーナ側を温度が低くなる側に配置すると共に発熱量が小さい方のバーナ側を温度が高くなる側に配置することによって、被加熱物の加熱が均一となる。
【0056】
しかも、本発明の交互燃焼式蓄熱型バーナシステムによると、一対のバーナからそれぞれ排出される燃焼ガスの量と必要とされる燃焼用空気の量がそれぞれ異なっても、その差分に応じた付加蓄熱器が排気バーナと燃焼バーナとに選択的に接続されて排熱量に応じた蓄熱容量となるため、平衡温度の上昇を防止すると共に温度効率を低下させずに排熱回収を行うことができる。
【0058】
また、請求項4記載の加熱炉によると、発熱領域が広域化した均質な燃焼により局所的高温域のない炉内温度分布が形成されるのと同時に、炉内あるいはゾーン内の温度が低くなりがちな部分での発熱量を温度の高くなりがちな部分での発熱量よりも増すことにより炉内での温度差を解消できる。例えば、バッチ操業の炉では、被加熱物の装入装出扉の開閉による冷却のため、扉側の温度が炉奥側の温度より低く、扉側にある被加熱物の温度上昇が炉奥にある被加熱物の昇温より遅れるが、炉奥側に比べて扉側のバーナの発熱量が大きくなるように制御されるため、扉側における被加熱物の昇温の遅れを解消する。また、連続炉の各ゾーンにおいても、扉側にある被加熱物は、前ゾーン即ち扉側寄りのゾーンにある温度の低い被加熱物に輻射熱を取られながら加熱され、炉奥側にある被加熱物は次ゾーンにあるより高い温度の被加熱物から輻射熱を受けながら加熱されるが、1つのゾーン内で炉奥側に比べて扉側のバーナの発熱量が大きくなるように制御されるため、扉側の被加熱物の昇温が炉奥側の被加熱物の昇温より遅れるのを解消する。したがって、被加熱物の加熱を均一にすることができる。
【0059】
更に、請求項5記載の加熱炉によると、加熱炉の扉側と奥側(各ゾーンにおける扉側と奥側とを含む)との間での温度差を任意に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 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をラジアントチューブに連続式加熱炉の扉寄りの第1ゾーンに配置した一実施形態を示す図である。
【図2】 本発明の交互燃焼式蓄熱型バーナシステムをラジアントチューブに適用した一実施形態を示す図で、蓄熱器容量の適正化手段を備えた実施形態においてAバーナ燃焼中の状態を示す。
【図3】 図2の交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナにおいてBバーナを燃焼中の状態を示す。
【図4】 図2のAバーナ燃焼中の状態を示す。
【図5】 図2のBバーナ燃焼中の状態を示す。
【図6】 連続炉における交互燃焼式蓄熱型バーナシステムのラジアントチューブの配置例を示す概略図である。
【図7】 1つのゾーン内における一対のバーナ間での燃焼時間差と温度分布との関係を示すグラフである。
【図8】 任意ゾーンワークからの前ゾーンのワークと次ゾーンのワークヘの熱授受の説明図である。
【図9】 従来型炉の一例を示す概略平面図である。
【図10】 レキュペレータ付きシングルエンドラジアンチューブの構造例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
1 流路切換手段(四方弁)
8,10 蓄熱器
9,11 一対の蓄熱型バーナ
12,13 付加蓄熱器
14 ラジアントチューブ
20 連続式加熱炉
21 ゾーン
22 扉
23 炉奥
W 被加熱物
Claims (5)
- 蓄熱器を備え該蓄熱器を通して燃焼用空気の供給と燃焼ガスの排出とを交互に行って前記蓄熱器で排ガス温度に近い高温に予熱された燃焼用空気を得て燃焼させる蓄熱型バーナをラジアントチューブの両端に備え、前記チューブ両端の蓄熱型バーナを対にして前記ラジアントチューブ内で短時間に交互に燃焼させる1つの燃焼システムを構成すると共に、対を成すチューブ両端の前記蓄熱型バーナは燃焼量を同じにして燃焼時間を異ならせるものであり、前記蓄熱型バーナにはそれぞれ直結される同一蓄熱容量の蓄熱器と、切換手段を介して選択的に前記蓄熱型バーナに接続される付加蓄熱器とを備え、かつ前記蓄熱器は発生する熱量が少ない方の前記蓄熱型バーナの燃焼時の排熱量に応じた蓄熱容量を有し、前記付加蓄熱器は対となった前記蓄熱型バーナの交互燃焼によって発生する熱量の差分に応じた蓄熱容量を有し、熱量が少ない燃焼時に前記蓄熱器のみを利用し、熱量が多い燃焼時には双方の前記蓄熱型バーナへ前記付加蓄熱器を付加することによって蓄熱器の容量を排熱量に応じた蓄熱容量に増加するものであることを特徴とする交互燃焼式蓄熱型バーナシステム。
- 蓄熱器を備え該蓄熱器を通して燃焼用空気の供給と燃焼ガスの排出とを交互に行って前記蓄熱器で排ガス温度に近い高温に予熱された燃焼用空気を得て燃焼させる蓄熱型バーナをラジアントチューブの両端に備え、前記チューブ両端の蓄熱型バーナを対にして前記ラジアントチューブ内で短時間に交互に燃焼させる1つの燃焼システムを構成すると共に、対を成す前記蓄熱型バーナは燃焼時間を同じにして燃焼量を異ならせるものであり、前記蓄熱型バーナにはそれぞれ直結される同一蓄熱容量の蓄熱器と、切換手段を介して選択的に前記蓄熱型バーナに接続される付加蓄熱器とを備え、かつ前記蓄熱器は発生する熱量が少ない方の前記蓄熱型バーナの燃焼時の排熱量に応じた蓄熱容量を有し、前記付加蓄熱器は対となった前記蓄熱型バーナの交互燃焼によって発生する熱量の差分に応じた蓄熱容量を有し、熱量が少ない燃焼時に前記蓄熱器のみを利用し、熱量が多い燃焼時には双方の前記蓄熱型バーナへ前記付加蓄熱器を付加することによって蓄熱器の容量を排熱量に応じた蓄熱容量に増加するものであることを特徴とする交互燃焼式蓄熱型バーナシステム。
- 蓄熱器を備え該蓄熱器を通して燃焼用空気の供給と燃焼ガスの排出とを交互に行って前記蓄熱器で排ガス温度に近い高温に予熱された燃焼用空気を得て燃焼させる蓄熱型バーナをラジアントチューブの両端に備え、前記チューブ両端の蓄熱型バーナを対にして前記ラジアントチューブ内で短時間に交互に燃焼させる1つの燃焼システムを構成すると共に、対を成す前記蓄熱型バーナは燃焼量および燃焼時間の双方を異ならせるものであり、前記蓄熱型バーナにはそれぞれ直結される同一蓄熱容量の蓄熱器と、切換手段を介して選択的に前記蓄熱型バーナに接続される付加蓄熱器とを備え、かつ前記蓄熱器は発生する熱量が少ない方の前記蓄熱型バーナの燃焼時の排熱量に応じた蓄熱容量を有し、前記付加蓄熱器は対となった前記蓄熱型バーナの交互燃焼によって発生する熱量の差分に応じた蓄熱容量を有し、熱量が少ない燃焼時に前記蓄熱器のみを利用し、熱量が多い燃焼時には双方の前記蓄熱型バーナへ前記付加蓄熱器を付加することによって蓄熱器の容量を排熱量に応じた蓄熱容量に増加するものであることを特徴とする交互燃焼式蓄熱型バーナシステム。
- 請求項1から3のいずれか1つに記載の交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナを1つのバッチ炉またはゾーンに一本または一本以上装備し、燃焼時間が長い方あるいは燃焼量が大きい方若しくは燃焼時間が長くかつ燃焼量が大きい方のバーナ側を温度の低くなりがちな方または温度を上げたい方へ配置すると共に、燃焼時間が短い方あるいは燃焼量が小さい方若しくは燃焼時間が短くかつ燃焼量が小さい方のバーナ側を温度の高くなりがちな方または温度を下げたい方へ配置したことを特徴とする加熱炉。
- 炉の扉側と奥側に設けた温度調節計の偏差に応じて、対を成す扉側の蓄熱バーナと炉奥側の蓄熱バーナの各々の燃焼時間、または燃焼量、または燃焼時間と燃焼量を調節する燃焼制御手段を有することを特徴とする請求項4に記載の加熱炉。
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