JP4103795B2 - 熱風発生装置および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼排ガスに空気を混合して均一温度でかつ広い温度範囲の熱風を得る熱風発生装置及びその制御方法に関する。

熱風発生炉や乾燥炉などに、熱風発生バーナとして、燃料と燃焼用空気を各々別々に供給し、燃焼室内で乱流拡散燃焼とする拡散火炎バーナが一般的に用いられている。図９は熱風発生バーナの代表的な構造を示し、熱風発生バーナは両端が開放された管状体からなる燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口し、燃料５を吹き込むノズルを備え、前記管状体の一方の端部から燃焼用空気６ａを吹き込み，火炎２０により他方の端部から熱風８を発生させる。

特許文献１には、均一な熱風が得られるように、火炎２０の方向と希釈用空気６ｂ，燃焼用空気６ｃ、および燃料５の供給方向を燃焼室円筒内でほぼ平行に流動させ、更に火炎２０の外環に希釈用空気６ｂを吹き込む構造を特徴とする拡散火炎バーナが記載されている。（図１０）
特許文献２、特許文献３記載には、予混合ガス供給管先端にニット状耐熱金属繊維による凸面形状、あるいは凹面形状の燃焼部を構成するバーナである予混合バーナが記載されている。
特開平１１−３１２２５２号公報 特開２０００−３３７６１２号公報 特開２０００−３３７６１３号公報

特許文献１記載の拡散火炎バーナは、均一な温度の熱風が得られることを特徴とするが、燃焼筒の比較的中心部付近から取り出した熱風温度と外周付近から取り出した熱風温度の差は、６０℃に対して９０℃で３０℃となる場合がある。

また、拡散火炎バーナの課題として、a．構造が複雑で製作コストが高い ｂ．常に理論空気比近くの火炎が存在し、火炎温度が高くなるためＮＯｘの発生量が多い ｃ．火炎が大きく被加熱流体を巻込み、その影響を受け易い などが挙げられる。

予混合バーナは、上述した拡散火炎バーナの課題を解決するために開発されたものであるが、逆火の恐れがあるため、安全対策のための設備が必要となり、実用性に若干劣る。

本発明は上述した種々の問題点を解決し、構造が簡単で、燃焼反応に伴い発生する環境汚染物質の発生量が少なく、かつ短火炎となる拡散火炎バーナを用い、均一な熱風温度が得られる熱風発生装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段により達成できる。

１． 一方の端部近傍で火炎を発生させ、他方の端部から熱風を噴出させる管状の燃焼室を熱風を噴出させる端部を同方向に揃えて複数配置した熱風発生装置であって、
前記管状の燃焼室は、その胴部に円周接線方向に開口し、燃料と燃焼用空気を別々にあるいは予混合して燃焼室内に吹き込む複数のスリットと、熱風を噴出する端部近傍に複数の燃焼排ガス希釈用空気を供給する開口部を有し、
前記複数配置された管状の燃焼室の端部には、前記複数の燃焼室から噴出する熱風を合流させるノズルを備えたことを特徴とする熱風発生装置。

２．熱風を合流させるノズルの上下方向の隙間の間隔が、管状の燃焼室の、熱風を噴出させる端部の出口口径以下であることを特徴とする１記載の熱風発生装置。

３．ノズルに、燃焼排ガス希釈用空気を供給する開口部を設置したことを特徴とする１または２記載の熱風発生装置。

４．管状の燃焼室の、熱風を噴出させる端部の出口において熱風温度を計測する手段を備えたことを特徴とする１乃至３の何れか一つに記載の熱風発生装置。

５．一方の端部近傍で火炎を発生させ、他方の端部から熱風を噴出させる管状の燃焼室を備えた熱風発生装置であって、前記管状の燃焼室が、その胴部に円周接線方向に開口し、燃料と燃焼用空気を別々にあるいは予混合して燃焼室内に吹き込む複数のスリットと、熱風を噴出する端部近傍に複数の燃焼排ガス希釈用空気を供給する開口部を有し、前記管状の燃焼室の、熱風を噴出させる端部の出口において熱風温度を計測する手段を備えた熱風発生装置の制御方法であって、前記熱風温度が目標温度となるように燃焼排ガス希釈用空気の量を制御することを特徴とする熱風発生装置の制御方法。

６．４に記載の熱風発生装置の制御方法であって、前記熱風温度が目標温度となるように燃焼排ガス希釈用空気の量を制御することを特徴とする熱風発生装置の制御方法。

７．１乃至４の何れか一つに記載の熱風発生装置の制御方法であって、管状の燃焼室で、一方の端部近傍に火炎を発生させる際、一次空気の流量を理論空気比より求まる流量より２０％以下少なくした流量、あるいは２０％以上多くした流量とすることを特徴とする熱風発生装置の制御方法。

本発明によれば、幅広い温度範囲の熱風を均一に供給することが可能な熱風発生装置をコンパクトな形状でかつ安価に提供することが可能となる。従来型の熱風炉で、コークス炉ガス１５０万ｋｃａｌ／ｈの燃焼が可能なものは、炉の大きさはおおよそφ７００×Ｌ１２００(ｍｍ)程度になる。一方、本発明による炉では、おおよそφ３５０×Ｌ５００(ｍｍ)程度で可能であり、従来のものと比較してコンパクト化することが可能である。

[熱風発生装置]
本発明に係る熱風発生装置は、一方の端部近傍で火炎を発生させ、他方の端部から熱風を噴出させる管状の燃焼室を備え、前記管状の燃焼室は、その胴部に円周接線方向に開口し、燃料と燃焼用空気を別々にあるいは予混合して燃焼室内に吹き込む複数のスリットを有し、前記管状の燃焼室は熱風を噴出する端部近傍に複数の燃焼排ガス希釈用空気（二次空気とも称する）を供給する開口部を有していることを特徴とする。予混合の場合は、安全面での対策が必要となるため、燃料と燃焼用空気を別々に供給することが好ましい。

図１は、本発明に係る熱風発生装置の一実施形態を示し、図において１は熱風発生装置、２は管状の燃焼室、３は管状の燃焼室２の円周接線方向に開口し、燃料５を供給するスリット、４は管状の燃焼室２の円周接線方向に開口し、一次空気６を供給するスリット、８は熱風、１０は燃焼排ガス希釈用空気（二次空気）７を供給する供給ヘッダ、１１は供給ヘッダ１０から管状の燃焼室２に燃焼排ガス希釈用空気（二次空気）７を供給する開口部、２０は火炎（熱風塊）を示す。

管状の燃焼室２の内部に、複数のスリット３，４により燃料および燃焼用空気（一次空気）が接線方向から流入するので、燃焼室２内で旋回流により燃料と空気とが急速に混合し、予混合気が供給された場合と同様な燃焼形態を形成される。

さらに燃焼室２内での旋回流による遠心力により、未燃の混合気が燃焼室内２の円周部近傍に、燃焼排ガスは燃焼室２の中心軸近傍に存在するようになる。未燃の混合気が断熱の役割を果たし、燃焼熱が燃焼室２外部に熱損失として失われ難いため、燃焼困難な燃料、すなわち低発熱量燃料や過剰空気比、過剰燃料比の状態であっても容易に安定燃焼する。

そのため、燃焼排ガスを空気で希釈して熱風８として使用する場合には、過剰空気比でも、更には希釈用に燃焼排ガス希釈用空気（二次空気）７を多量に供給しても安定燃焼が可能であり、希釈空気を多くすることができるため制御温度範囲を広くすることができる。

さらに、燃焼室２内に開口部１１を通して燃焼排ガス希釈用空気（二次空気）７を供給することができるため、従来のバーナを用いた熱風発生装置よりもコンパクトとなる。また、火炎（熱風塊）２０は燃焼室２から出た段階で、従来の拡散火炎バーナの火炎のように直進するのではなく、旋回力により半径方向に広がるために円錐状となり、短火炎を形成する。

この際、開口部１１を、燃焼排ガス希釈用空気（二次空気）７の供給を、一次空気６と同様に燃焼室２の接線方向から流入するようにスリット状に設ければ、火炎（熱風塊）２０にさらなる旋回力を与えることが可能となり、燃焼室２出口での拡がりを強化することができる。

また、燃焼室２の軸芯方向に向かうように流入させれば、燃焼排ガスと燃焼排ガス希釈用空気（二次空気）７との混合が強化されて均一な温度が得易くなり、好ましい。

図２に、本発明に係る熱風発生装置の他の実施形態を示す（図中の符号は図１と共通とする。）。
燃焼排ガス希釈用空気（二次空気）７を供給する供給ヘッダ１０の外径寸法を燃料５を供給するスリット部や、一次空気６を供給するスリット部に揃えて、図１の熱風発生装置に対しよりコンパクトな形状とした。図２は、火炎２０が燃焼筒から出て、円錐状に広がっている場合を図示し、火炎が燃焼筒から出るかどうかは燃焼室の形状、燃焼負荷、燃焼速度などに依存する。

尚、図１、２には、一次空気６が燃焼室２の外周からスリット４により接線方向に、燃焼排ガス希釈用空気（二次空気）７が軸心方向に流入するような場合を示している。空気の供給ヘッダ１０は一次および二次用を兼用しても、個別に用いるものとしても良い。

図３は、本発明に係る熱風発生装置の他の実施形態を示し、（ａ）は斜視外観図、（ｂ）は内部構造の一例を示す概略断面図、（ｃ）は内部構造の他の例を示す概略断面図である。図中の数字は図１，２と共通とし、１２はノズルを示す。

上述した管状の燃焼室２を１本以上配置し、発生した熱風をノズル１２で合流させるので、幅方向に広がって熱風を噴出させることが可能となり、本装置によれば幅広の被加熱物への均一な熱供給を達成することができる。

この際、前述のように火炎（熱風塊）は該管状の燃焼室２の出口において円錐状に広がるため、ノズル１２の吐出し口の上下の間隔は該管状の燃焼室２の出口口径以下にしておけば、火炎（熱風塊）２０がノズル１２の幅方向に押し広げられ、ノズル１２の吐出口で熱風温度の均一化が図れる。

燃焼排ガス希釈用空気（二次空気）７は、必ずしも管状の燃焼室２内に供給する必要はなく、ノズル１２の側板に供給孔を設けても、火炎（熱風塊）が燃焼筒出側で円錐状に広がり、希釈用空気と交差するようになるため、混合され易く、温度の均一化が図れて望ましい。

燃焼排ガス希釈用空気（二次空気）７は、管状の燃焼室２からのみ供給しても、ノズル１２からのみ供給しても、あるいは両方同時に供給しても特に限定されるものではない。
[制御方法]
図５に空気比と火炎温度の関係を示す。一般的に空気比１未満の個所で一番火炎温度が高くなり、このような条件で燃焼させると、有害なＮＯｘの発生が高くなる。したがって、ＮＯｘの発生量を抑制するためには、火炎温度が低くなるような空気比範囲、すなわち０．８以下、あるいは１．２以上の条件（一次空気の流量を理論空気比より求まる流量より２０％以下少なくした流量、あるいは２０％以上多くした流量）となるように一次空気の供給を行えば良い。

一次空気の供給量を、空気比が０．８以下となるようにすると、そのままでは未燃成分が排出されることになるが、二次空気を供給するため、熱風発生装置としては未燃成分が発生することはない。

図４に、本発明に係る制御方法を具体化する制御装置の一例を示す。図中の数字は図１，２と共通とする。１３は熱風温度計測手段、１４は計算機、１５は流量調整弁を示す。熱風温度を計測する手段１３を設けると、二次空気の供給量を流量調整弁１５で調節することが可能となり所定の熱風温度が容易に得られ望ましい。

以下実施例について説明する。

本発明に係る熱風発生装置（燃焼室直径：５０ｍｍ）を用い、燃料としてコークス炉ガス５Ｎｍ³／ｈ一定の条件で、供給空気量と発生熱風温度の関係を調査した。得られた結果を図６に示す。空気比を調節することにより、幅広い温度範囲の熱風を得ることができる。また、図３（ｃ）のようにノズルに接続した場合には、熱風希釈空気量は特に制限されるものではないので、２００℃程度の低温域までの熱風を得ることができた。

更に、１Ｎｍ³／ｈから１０Ｎｍ³／ｈの燃料供給範囲で燃焼の安定性を調査した。得られた結果を図７に示す。燃料流量が増加すると安定燃焼域はわずかに減少するが、広範囲の空気比領域で安定燃焼が可能なことが確認された。

通常のバーナの燃料供給可変範囲が最大負荷の約１／３程度であることを考えると広範囲での燃料供給量を変更することができ、熱風発生装置としては供給熱風量も同じ熱風温度の場合（空気比一定の場合）には１０倍の変化量を達成することが可能である。

図３（ｃ）に示す内部構造のノズル１２をつけた熱風発生装置でのノズル１２の吐出し口の上下の間隔（以下、ノズル間隔）がノズル幅方向の熱風温度分布に及ぼす影響について調査した。ノズル間隔は、管状火炎バーナの燃焼筒の直径と同じ場合と、比較のためにバーナ直径の１．２５倍の場合について実施した。得られた結果を図８に示す。

ノズル間隔を燃焼室の径（バーナ直径）より小さくすると、ノズル幅方向の熱風温度の均一性が向上することが確認された。幅方向で２０K以内に熱風温度を均一化とする場合、ノズル間隔を燃焼室の径（バーナ直径）以下とする。

本発明に係る熱風発生装置の一実施形態を示す図。 本発明に係る熱風発生装置の他の実施形態を示す図。 本発明に係る熱風発生装置の他の実施形態を示す図で、（ａ）は斜視外観図、（ｂ）は内部構造の一例を示す概略断面図、（ｃ）は内部構造の他の例を示す概略断面図。 本発明を具体化する制御装置の一例を示す説明図。 空気比を火炎温度の関係を示す図 本発明の一実施形態に係る熱風発生装置における空気比と熱風温度の関係を示す図。 本発明の一実施形態に係る熱風発生装置における空気比と供給燃料の関係を示す図。 本発明の一実施形態に係る熱風発生装置におけるノズル出口径と熱風温度分布の関係を示す図。 従来の熱風発生装置の一例を示す図。 従来の熱風発生装置の一例を示す図。

符号の説明

１ 熱風発生装置
２ 管状の燃焼室
３ 管状の燃焼室２の円周接線方向に開口し、燃料５を供給するスリット
４ 管状の燃焼室２の円周接線方向に開口し、一次空気６を供給するスリット
５ 燃料
６ 一次空気
６ａ，ｂ，ｃ 一次空気
７ 燃焼排ガス希釈用空気（二次空気）
８ 熱風
１０ 燃焼排ガス希釈用空気（二次空気）７を供給する供給ヘッダ
１１ 供給ヘッダ１０から管状の燃焼室２に燃焼排ガス希釈用空気（二次空気）７を供給する開口
部
１２ ノズル
１３ 温度計測手段
１４ 計算機
１５ 流量調整弁
２０ 火炎（熱風塊）

Claims (7)

1. 一方の端部近傍で火炎を発生させ、他方の端部から熱風を噴出させる管状の燃焼室を熱風を噴出させる端部を同方向に揃えて複数配置した熱風発生装置であって、
   前記管状の燃焼室は、その胴部に円周接線方向に開口し、燃料と燃焼用空気を別々にあるいは予混合して燃焼室内に吹き込む複数のスリットと、熱風を噴出する端部近傍に複数の燃焼排ガス希釈用空気を供給する開口部を有し、
   前記複数配置された管状の燃焼室の端部には、前記複数の燃焼室から噴出する熱風を合流させるノズルを備えたことを特徴とする熱風発生装置。
2. 熱風を合流させるノズルの上下方向の隙間の間隔が、管状の燃焼室の、熱風を噴出させる端部の出口口径以下であることを特徴とする請求項１記載の熱風発生装置。
3. ノズルに、燃焼排ガス希釈用空気を供給する開口部を設置したことを特徴とする請求項１または２記載の熱風発生装置。
4. 管状の燃焼室の、熱風を噴出させる端部の出口において熱風温度を計測する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の熱風発生装置。
5. 一方の端部近傍で火炎を発生させ、他方の端部から熱風を噴出させる管状の燃焼室を備えた熱風発生装置であって、前記管状の燃焼室が、その胴部に円周接線方向に開口し、燃料と燃焼用空気を別々にあるいは予混合して燃焼室内に吹き込む複数のスリットと、熱風を噴出する端部近傍に複数の燃焼排ガス希釈用空気を供給する開口部を有し、前記管状の燃焼室の、熱風を噴出させる端部の出口において熱風温度を計測する手段を備えた熱風発生装置の制御方法であって、前記熱風温度が目標温度となるように燃焼排ガス希釈用空気の量を制御することを特徴とする熱風発生装置の制御方法。
6. 請求項４に記載の熱風発生装置の制御方法であって、前記熱風温度が目標温度となるように燃焼排ガス希釈用空気の量を制御することを特徴とする熱風発生装置の制御方法。
7. 請求項１乃至４の何れか一つに記載の熱風発生装置の制御方法であって、管状の燃焼室で、一方の端部近傍に火炎を発生させる際、一次空気の流量を理論空気比より求まる流量より２０％以下少なくした流量、あるいは２０％以上多くした流量とすることを特徴とする熱風発生装置の制御方法。

Images