JP4602858B2

JP4602858B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP4602858B2
Application number: JP2005202892A
Authority: JP
Inventors: 祐作河本
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2025-07-12
Also published as: JP2007024335A

Description

本発明は加熱炉や熱処理炉に使用される燃焼装置に関する。

従来、加熱炉や熱処理炉に使用される燃焼装置として特許文献１〜７に示す種々のリジェネバーナが使用されている。図４は従来の代表的なリジェネバーナ２１を示す。このリジェネバーナ２１では、空気入口２８からリジェネバーナ２１内に供給された燃焼空気は蓄熱器２２と熱交換し高温予熱空気となって空気ノズル孔２３より炉体２４の内部に吐出される。炉内温度が８００℃以下の低温時には、バーナ内燃焼室に設置された１次ガスノズル２６より供給される燃料をパイロットバーナ２５により燃焼させ保炎する。炉内温度が８００℃以上の高温時には、１次ガスノズル２６からの燃料の供給を停止し、空気ノズル孔２３から離れた位置にある２次ガスノズル２７より燃料を供給し、炉内温度により自燃させる。この方式は、低ＮＯｘ化を図る有効な方法である。

しかし、この方式では、図５に示すように、バーナ１台あたり、パイロットバーナ用の空気配管が１本とガス配管が１本、１次ガスノズル２６用のガス配管１本、２次ガスノズル２７用のガス配管２本の合計５本が必要であり、バーナ２台で総計１０本の配管が必要である（燃焼空気配管と排ガス配管は除く）。このため、燃焼制御システムやバーナ周辺配管が複雑になる。また、２次ガスノズル２７による火炎は炉内全体に広がるので、メイン拡散火炎を直接監視することは非常に困難であり、燃焼安全対策を講じにくいという問題がある。

さらに、低ＮＯｘ化のために緩慢燃焼を行うと、低温時にＣＯが発生する。また、ＯＮ−ＯＦＦ制御のＯＦＦ時間が長くなると、ガスノズルの切換弁から先端のノズル孔までのガスがクラッキング（炭化）し、ガスノズルが閉塞するという問題がある。
特公平８−６９０６号公報特開２００５−１２１３２９号公報実用新案登録第２５７１５５６号特許第２８４９０６２号公報特許第２６８３５４５号公報特許第３３０５５０６号公報特開第３５５８１８３号公報

本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたもので、超低ＮＯｘで、かつ、メイン拡散火炎の監視が可能な燃焼装置を提供することを課題とする。
また、バーナ周辺機器や配管が簡素な燃焼装置を提供することを課題とする。
また、低温時のＣＯ発生を抑制することができる燃焼装置を提供することを課題とする。
さらに、燃料切換弁から燃料ノズル先端までの燃料のクラッキング（炭化）を防止することができる燃焼装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明にかかる燃焼装置は、
先端にノズル孔を有する１次空気ノズルと該１次空気ノズル内に収容された燃料ノズルとからなり、前記燃料ノズルの先端にラジアル方向に設けた１次火炎ノズル孔とアキシャル方向に設けたメイン火炎ノズル孔とを有し、前記燃料ノズルの１次火炎ノズル孔の近傍にスパークプラグを有し、前記燃料ノズルの後端に前記１次火炎ノズル孔で形成される１次火炎と前記メイン火炎ノズル孔で形成されるメイン火炎及びそれに続くメイン拡散火炎を検出する火炎検出器を有する１対の火炎形成ユニットと、
内部に蓄熱器を有し、先端に高温空気ノズル孔を有する１対の高温空気供給ユニットとを備え、
前記１対の火炎形成ユニットの一方と前記１対の高温空気供給ユニットの一方を１つの組とし、前記１対の火炎形成ユニットの他方と前記１対の高温空気供給ユニットの他方を他の組とし、
前記各組の前記火炎形成ユニットのノズル孔と前記高温空気供給ユニットの高温空気ノズル孔とを炉体の壁を貫通させて炉体内に開口させ、前記火炎形成ユニットのノズル孔を前記高温空気供給ユニットの高温空気ノズル孔の近傍の位置に対して斜めに配置したものである。

前記構成によれば、１次火炎ノズル孔からの燃料は１次空気ノズル内を流れる１次空気と混合し、スパークプラグによりダイレクト点火され、１次火炎ノズルを形成する。また、メイン火炎ノズルからの燃料は１次空気ノズル内を流れる１次空気と混合し、１次火炎ノズルからの火移りによりメイン火炎を形成する。メイン火炎は、高温空気ノズル孔からの高温空気によって燃焼しメイン拡散火炎となる。また、１次火炎ノズル孔とメイン火炎ノズル孔でそれぞれ形成される１次火炎とメイン火炎及びそれに続くメイン拡散火炎は火炎検出器で検出されて監視される。

前記火炎形成ユニットの燃料ノズルによる燃料噴出速度を４０ｍ／ｓ以上、１５０ｍ／ｓ以下とすることが好ましい。また、前記高温空気供給ユニットによる高温空気噴出速度を４０ｍ／ｓ以上、１５０ｍ／ｓ以下とすることが好ましい。

前記火炎形成ユニットの燃料ノズルを通過する燃料に前記１次空気ノズルから供給される空気を混合させることが好ましい。これにより、低温時のＣＯの発生が抑制される。

前記火炎形成ユニットの燃料ノズルに前記１次空気ノズルから空気を供給して燃料供給ノズル内をパージすることが好ましい。これにより、燃料がガスである場合に、燃料ノズル内での燃料ガスのクラッキング（炭化）が防止される。

本発明によれば、火炎形成ユニットを高温空気供給ユニットと別個のユニットとし、１次空気と燃料を混合させてダイレクト点火により１次火炎を形成後、火移りによりメイン火炎を形成し、さらに高温空気によるメイン拡散火炎を形成することができるので、配管が少なくなり、バーナ周辺機器や配管が簡素化され、空いたスペースを有効に活用することができるうえ、燃焼装置を安価に製造できる。

また、燃料ノズルの先端の１次火炎ノズル孔とメイン火炎ノズル孔でそれぞれ形成される１次火炎、メイン火炎、さらにメイン火炎に続くメイン拡散火炎を１台の火炎検出器で検出して監視することができるので、燃焼安全が保証される。

さらに、１本の燃料ノズルにより１次火炎とメイン火炎を形成できるので、２段燃焼による緩慢燃焼によって、低ＮＯｘ化、低騒音化が可能となる。

火炎形成ユニットを高温空気供給ユニットと別個のユニットとしたので、火炎形成ユニットを炉の任意の位置に配置することができ、炉内拡散燃焼による低ＮＯｘ化も可能となる。

燃料供給開始と同時にスパークプラグによりダイレクト点火することで、パイロットバーナが不要となり、安定した着火性を確保することができる。
このため、炉内温度が８００℃以下の低温時にも、安定燃焼が可能で、低温から高温域まで超低ＮＯｘでの燃焼が可能である。

高温空気噴出速度を４０ｍ／ｓ以上、１５０ｍ／ｓ以下とすることで、炉内で自己排ガス循環が生じ、低ＮＯｘ化が可能となる。

火炎形成ユニットの燃料ノズルを通過する燃料に１次空気ノズルから供給される空気を混合させるので、低温時のＣＯの発生を抑制することができる。

火炎形成ユニットの燃料ノズルに１次空気ノズルから空気を供給して燃料供給ノズル内をパージするので、燃料がガスである場合に、燃料ノズル内での燃料ガスのクラッキング（炭化）を防止することができ、燃料ノズルの閉塞を回避することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。

図１（ａ）は、本発明にかかる燃焼装置を示す。この燃焼装置は、火炎形成ユニット１と、１対の高温空気供給ユニット２ａ，２ｂからなっている。火炎形成ユニット１は、図１（ｂ）に示すように、１対の高温空気供給ユニット２ａ，２ｂの間に設置され、そのノズル孔３は高温空気供給ユニット２ａ，２ｂの高温空気ノズル孔４ａ，４ｂの近傍の位置に配置され、炉体５の内部に開口している。１対の高温空気供給ユニット２ａ，２ｂは、それぞれ蓄熱器６ａ，６ｂを有し、先端の高温空気ノズル孔４ａ，４ｂは炉体５内に開口している。一方の高温空気ユニット２ａがその蓄熱器６ａにより予熱された高温空気を炉内に供給しているときは、他方の高温空気ユニット２ｂは炉内の排ガスを吸引して蓄熱器６ｂに吸熱させる作用を行う。

図２に火炎形成ユニット１の詳細を示す。火炎形成ユニット１は、１次空気ノズル７と燃料ノズル８とから構成されている。１次空気ノズル７の先端は炉体５内に開口し、後端は閉塞されている。１次空気ノズル７には１次空気配管９が接続され、該１次空気配管９から１次空気が供給される。燃料ノズル８は、１次空気ノズル７内に収容され、先端は１次空気ノズル７の先端近傍に位置し、後端は１次空気ノズル７の閉塞端を貫通して燃料配管１０に接続され、ＯＮ／ＯＦＦ切換弁１１を介して液体又はガスの燃料が供給される。燃料ノズル８の先端には、ラジアル方向に１次火炎ノズル孔１２が形成され、アキシャル方向にメイン火炎ノズル孔１３が形成されている。

燃料ノズル８は、１次火炎ノズル孔１２より後方において、環状のスタビライザ１４により支持されている。スタビライザ１４は多数の貫通孔１５を有する円盤で、円盤によるリテンション効果により１次火炎ノズル孔１２で形成される火炎を保持する作用を有する。１次火炎ノズル孔１２の近傍にスパークプラグ１６が設けられている。１次空気ノズル７の後端には、１次空気ノズル７内からスタビライザ１４の貫通孔１５を通して１次火炎ノズル孔１２により形成される１次火炎とメイン火炎ノズル孔１３で形成されるメイン火炎及びそれに続くメイン拡散火炎を検出する火炎検出器１７と、これらの火炎を目視するためのサイトホール１８とが設けられている。１次空気配管９からは、混合用及びパージ用の空気分岐管１９が分岐して、開閉弁２０を介して燃料配管１０に接続されている。

次に、以上の構成からなる燃焼装置の動作を説明する。以下の説明では、高温空気供給ユニット２ａを空気供給側、高温空気供給ユニット２ｂを排ガス吸引側とする。

高温空気供給ユニット２ａの空気入口４より供給された空気は蓄熱器６ａを通過し、ここで蓄熱材と熱交換し高温予熱空気となり、高温空気ノズル孔４ａより炉体５内に１０００℃雰囲気で４０ｍ／ｓ以上、１５０ｍ／ｓ以下、好ましくは７０ｍ／ｓ以上、１００ｍ／ｓ以下の高速で吐出される。また、１次空気配管９より供給される１次空気は１次空気ノズル７内を通って燃料ノズル８の先端に向かって流れる。

一方、ＯＮ／ＯＦＦ切換弁１１を介して燃料配管１０より供給される燃料は、燃料ノズル８内を通って先端の１次火炎ノズル孔１２とメイン火炎ノズル孔１３より吐出される。メイン火炎ノズル孔１３より吐出される燃料は、５０℃の雰囲気で４０ｍ／ｓ以上、１５０ｍ／ｓ以下、好ましくは４０ｍ／ｓ以上、１００ｍ／ｓ以下の高速で吐出される。

１次火炎ノズル１２より吐出される燃料は、１次空気ノズル７を流れる１次空気と混合し、スパークプラグ１６によりダイレクト点火されて、１次火炎ｆ１を形成する。１次火炎ｆ１はスタビライザ１４により保炎される。

メイン火炎ノズル孔１３より吐出される燃料は、１次空気ノズル７を流れる１次空気と混合し、１次火炎ｆ１からの火移りにより燃焼し、メイン火炎ｆ２を形成する。メイン火炎ｆ２は、１次火炎ｆ１により保炎される。１次火炎ノズル孔１２で形成される１次火炎ｆ１とメイン火炎ノズル孔１３で形成されるメイン火炎ｆ２は、火炎検出器１７により検出され、サイトホール１８から目視でも火炎の状態を確認することができる。

なお、スパークプラグ１６によるダイレクト点火は、ＯＮ／ＯＦＦ切換弁１１をＯＮにして燃料配管１０より燃料の供給を開始すると同時に行う。換言すれば、ＯＮ／ＯＦＦ切換弁１１をＯＮに切り換えるごとに、スパークプラグ１６によりダイレクト点火する。このため、パイロットバーナがなくても、安定した着火性を確保できる。また、スパークプラグ１６は１次火炎ノズル孔１２の近傍にあるので、スパークプラグ１６によるスパーク時間は０．５〜５秒の間の短時間に設定することができ、スパークプラグ１６の寿命が向上する。

メイン火炎ｆ２は、高温空気ノズル孔４ａより吐出される高温空気によって燃焼しメイン拡散火炎ｆ３となる。このメイン拡散火炎ｆ３は、火炎検出器１７により直接検出することはできないが、１次火炎ｆ１からメイン拡散火炎ｆ３までは１本の連続した火炎であり、１次火炎ｆ１とメイン火炎ｆ２が消えると、メイン拡散火炎ｆ３も消えるので、結局メイン拡散火炎ｆ３も間接的に検出できることになる。炉体５内の排ガスは、排ガス吸引側の高温空気供給ユニット２ｂの高温空気ノズル孔４ｂから吸引され、蓄熱器６ｂを通過し、ここで蓄熱材と熱交換して蓄熱させ、空気出口４’より排出される。

炉内温度が高温時には、メイン拡散火炎ｆ３により形成される炉内の渦流により排ガスがメイン拡散火炎ｆ３と高温空気ノズル孔４ａの近傍の間を循環する所謂自己排ガス循環が行われる。また、メイン火炎ｆ２とメイン拡散火炎ｆ３の２段階燃焼により緩慢燃焼が行われる。さらに、火炎形成ユニット１を分散配置することで、炉内拡散燃焼も可能である。このような燃焼状態により、超低ＮＯｘ化が可能となる。

一方低温時には、空気分岐管１９の開閉弁２０を開いて燃料に１次空気を予め混合させることにより、ＣＯの発生を抑制することができる。

さらに、燃料がガスの場合、燃料配管１０のＯＮ／ＯＦＦ切換弁１１によるＯＮ／ＯＦＦ制御時のＯＦＦ時間が長くなるときは、空気分岐管１９の開閉弁２０を開いて１次空気を燃料ノズル８に供給して燃料ノズル８内の残留燃料をパージすることで、ＯＮ／ＯＦＦ切換弁１１から燃料ノズル８先端までのガス燃料がクラッキング（炭化）するのを防止し、燃料ノズル８の閉塞を回避することができる。

本実施形態の火炎形成ユニット１は、１台当たり、燃料ノズル８が１本、１次空気ノズル７が１本の合計２本であり、バーナ回りの周辺機器や配管が簡素化できる。

バーナ回りが簡素化できることにより、スペースに余裕ができ、図１（ｂ）のように、１台の火炎形成ユニット１に高温空気供給ユニット２ａ，２ｂを２台設置するセルフリジェネバーナ方式を採用することができ、従来方式のリジェネバーナの１０本に比べて、２本まで配管系統を簡素化することができる。

また、炉内温度による燃料ノズル８の切替も不要となり、制御も合わせて簡素化でき、安価なリジェネバーナを提供できる。

なお、前記実施形態では、１つの火炎形成ユニット１に対し１対の高温空気供給ユニット２a、２ｂを配置する構成（セルフリジェネ）としたが、図３に示すように、１つの火炎形成ユニット１ａと１つの高温空気供給ユニット２ａの組と、１つの火炎形成ユニット１ｂと１つの高温空気供給ユニット２ｂの他の組からなる構成（ツインリジェネ）にすることもできる。

本発明の実施形態に係る燃焼装置の概略側面図（ａ）とその平面図（ｂ）。本発明に係る火炎形成ユニットの拡大図。本発明の他の実施形態に係る燃焼装置の概略平面図。従来のリジェネバーナの概略断面図。図４のリジェネバーナの概略平面図。

符号の説明

１火炎形成ユニット
２ａ，２ｂ高温空気供給ユニット
３ノズル孔
４空気入口
４’ 空気出口
４ａ，４ｂ高温空気ノズル孔
５炉体
６ａ，６ｂ蓄熱器
７１次空気ノズル
８燃料ノズル
９１次空気配管
１０燃料配管
１１ＯＮ／ＯＦＦ切換弁
１２１次火炎ノズル孔
１３メイン火炎ノズル孔
１４スタビライザ
１５貫通孔
１６スパークプラグ
１７火炎検出器
１８サイトホール
１９空気分岐管
２０開閉弁

Claims

先端にノズル孔を有する１次空気ノズルと該１次空気ノズル内に収容された燃料ノズルとからなり、前記燃料ノズルの先端にラジアル方向に設けた１次火炎ノズル孔とアキシャル方向に設けたメイン火炎ノズル孔とを有し、前記燃料ノズルの１次火炎ノズル孔の近傍にスパークプラグを有し、前記燃料ノズルの後端に前記１次火炎ノズル孔で形成される１次火炎と前記メイン火炎ノズル孔で形成されるメイン火炎及びそれに続くメイン拡散火炎を検出する火炎検出器を有する１対の火炎形成ユニットと、
内部に蓄熱器を有し、先端に高温空気ノズル孔を有する１対の高温空気供給ユニットとを備え、
前記１対の火炎形成ユニットの一方と前記１対の高温空気供給ユニットの一方を１つの組とし、前記１対の火炎形成ユニットの他方と前記１対の高温空気供給ユニットの他方を他の組とし、
前記各組の前記火炎形成ユニットのノズル孔と前記高温空気供給ユニットの高温空気ノズル孔とを炉体の壁を貫通させて炉体内に開口させ、前記火炎形成ユニットのノズル孔を前記高温空気供給ユニットの高温空気ノズル孔の近傍の位置に対して斜めに配置したことを特徴とする燃焼装置。
前記火炎形成ユニットの燃料ノズルによる燃料噴出速度を４０ｍ／ｓ以上、１５０ｍ／ｓ以下としたことを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
前記高温空気供給ユニットによる高温空気噴出速度を４０ｍ／ｓ以上、１５０ｍ／ｓ以下としたことを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
前記火炎形成ユニットの燃料ノズルを通過する燃料に前記１次空気ノズルから供給される空気を混合させることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
前記火炎形成ユニットの燃料ノズルに前記１次空気ノズルから空気を供給して燃料供給ノズル内をパージすることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。