JP4801185B2

JP4801185B2 - 蓄熱式燃焼装置

Info

Publication number: JP4801185B2
Application number: JP2009103157A
Authority: JP
Inventors: 雄介朝山; 祐作河本
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: JP2010255866A; KR101164740B1; CN101871647B; KR20100116119A; TW201043878A; CN101871647A; TWI378214B

Description

本発明は、蓄熱式燃焼装置、特にバーナの間引き運転が可能な蓄熱式燃焼装置に関する。

空気流路に蓄熱体を備えるバーナの対を有し、一方のバーナの燃焼ガスを他方のバーナを介して排気し、蓄熱体に熱を回収させ、蓄熱体の温度が上昇したところで、燃焼するバーナと排気から熱回収するバーナとを切り換える蓄熱式燃焼装置（リジェネティブバーナ）が知られている。

さらに、複数対のバーナを備え、必要とする熱量に応じて、一部のバーナの対を燃焼も熱回収も行わず休止して運転（間引き運転）可能な燃焼装置も公知である。間引き運転をする燃焼装置において、それぞれのバーナの空気流路は、共通の給気流路（ヘッダ）と、共通の排気流路とにそれぞれバルブを介して接続されている。休止中のバーナのバルブは、給気側と排気側とが共に閉じられている。

バーナの燃焼ガスは最終的には、煙突を通して外部に排気されるので、各バーナの排気側のバルブには、煙突効果による吸引圧力が加わる。空気流路に設けられるバルブは、繰り返しの温度変化による金属部品の熱伸縮に耐える必要があるため気密性を高くすることが困難である。このため、排気の吸引圧力によって、バルブに漏れが発生し、休止中のバーナの空気流路を少量の燃焼ガスが通過する。この燃焼ガスの熱は、当初は蓄熱体に吸収されるが、吸熱によって蓄熱体の温度が上昇すると、高温のガスが蓄熱体を通過し、バルブを含む給排気流路側の空気流路内の温度を徐々に上昇させる。

バーナが燃焼状態のときは温度の低い燃焼空気が供給されるので、空気流路が冷却されるが、バーナが休止状態のときは、上述の作用により、空気流路の温度はどんどん上昇し続け、蓄熱体を保持する網状のサポート部材が損傷して蓄熱体が脱落したり、バルブが高温に晒されて損傷したりする危険性がある。そこで、従来の燃焼装置では、休止中のバーナの空気流路の温度を監視して、空気流路の温度が上限温度以上になったときは、危険状態と判断し、燃焼装置全体を非常停止していた。

つまり、従来の燃焼装置では、長時間の間引き運転が不可能であり、非常停止に至ると、加熱処理中の製品を無駄にしてしまい、生産に支障をきたすという問題があった。特に、排気にファンを用いる燃焼装置では、休止中のバーナの空気流路を通過する燃焼ガスが多くなり、長時間の運転ができない。

特許文献１に記載の燃焼装置では、休止中のバーナの給気側のバルブを僅かに開き、空気流路に少量の空気を供給することで、蓄熱体や排気側のバルブを冷却し、燃焼ガスの進入によるバルブや他の構成要素の過熱を防止している。

休止中のバーナの過熱を長時間に亘って防止するためには、煙突のドラフトによる排気側のバルブのリーク量以上の空気を給気側のバルブから供給する必要がある。バルブのリーク量は個体差が大きく、炉温やその他の運転条件の変化等を考慮すると、休止中のバーナに供給する空気量をバルブのリーク量に合わせて調節することは極めて困難である。給気側からの空気供給量が少ないと、排気側のバルブの冷却が不十分になり、排気側のバルブの損傷を防止できない。また、給気側からの空気供給量が多いと、排気側のバルブのリーク量を超えた分の常温の空気がすべて炉内に進入し、炉内の温度を部分的に低下させるので、炉内の温度分布を悪化させる原因となる。

特開平８−３５６２４号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、複数の蓄熱式バーナを備え、休止中のバーナへの燃焼ガスの進入による装置の損傷を給気によって防止しながら、装置の温度条件に悪影響を与えない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、本発明による蓄熱式燃焼装置は、それぞれ、蓄熱体を備える空気流路と、前記空気流路と燃焼空気の給気流路とを接続する給気バルブと、前記空気流路と燃焼ガスを排気するための排気流路とを接続する排気バルブとを有する複数のバーナを備え、前記バーナの一部を休止して運転し、休止中の前記バーナの前記空気流路の前記蓄熱体と前記排気バルブとの間のガス温度が所定のガス温度以上になったとき、および、休止中の前記バーナの前記蓄熱体を保持するサポート部材の温度が所定のサポート温度以上になったときには、当該休止中のバーナの前記給気バルブを開くものとする。

この構成によれば、排気バルブのリークにより、休止中のバーナを燃焼ガスが通過し、蓄熱体が燃焼ガスの熱を吸収し切れず、排気バルブ側のガス温度が高温になったとき、および、蓄熱体を保持するサポート部材が高温になったときだけ、給気バルブを開いて空気流路に空気を導入、蓄熱体やバルブを冷却する。このため、蓄熱体が燃焼ガスの温度を吸収できる間は空気が導入されず、空気流路の過剰な温度上昇を防止するための必要最小限度の空気だけを逐次導入するので、空気流路の過昇温を防止しながら燃焼温度のばらつきや熱効率の悪化を生じさせない。

また、本発明の蓄熱式燃焼装置は、休止中の前記バーナの前記空気流路の前記蓄熱体と前記排気バルブとの間のガス温度と、前記蓄熱体を保持するサポート部材の温度とに応じて、当該休止中のバーナの前記給気バルブの開度を変化させてもよい。

この構成によれば、空気流路の温度が高い程、多量の空気を導入して冷却するので、空気流路の過熱を確実に防止できる。

また、本発明によれば、それぞれ、蓄熱体を備える空気流路と、前記空気流路と燃焼空気の給気流路とを接続する給気バルブと、前記空気流路と燃焼ガスを排気するための排気流路とを接続する排気バルブとを有する複数のバーナを備える蓄熱式燃焼装置の運転方法は、前記バーナの一部を休止して運転し、休止中の前記バーナの前記空気流路の前記蓄熱体と前記排気バルブとの間のガス温度が所定のガス温度以上になったとき、および、休止中の前記バーナの前記蓄熱体を保持するサポート部材の温度が所定のサポート温度以上になったときには、当該休止中のバーナの前記給気バルブを開く方法とする。

本発明によれば、蓄熱体が燃焼ガスの温度を吸収できる間は空気を導入せず、空気流路の温度を監視しながら、温度が上昇したときだけ給気バルブを開いて冷却のために必要最小限度の空気を導入するので、炉内の温度分布を悪化させることなく、排気バルブや蓄熱体を保持する部材等の空気流路の構成要素を損傷から守ることにより、長時間間引き運転しても燃焼装置が非常停止することがなくなった。

本発明の第１実施形態の蓄熱式燃焼装置の概略構成図である。本発明の第２実施形態の蓄熱式燃焼装置のバーナの構成図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態の蓄熱式燃焼装置である連続加熱炉の構成を示す。この連続加熱炉は、長尺鋼材が通過する炉体１に複数のバーナ２が設けられ、鋼材を連続して熱処理するためのものである。

各バーナ２は、燃料および燃焼空気を噴射するノズル部３と、ノズル部３に共通の給気流路４から燃焼空気を供給するための空気流路とを備える。空気流路には、ノズル部３の近傍に蓄熱体５が設けられ、給気バルブ６を介して給気流路４に接続されている。また、空気流路は、排気バルブ７を介して、不図示の煙突に接続された共通の排気流路８に接続されており、給気バルブ６を閉じて排気バルブ７を開くことにより、炉体１内の燃焼ガスを排気するための流路となることができる。尚、本実施形態では、排気流路が煙突に接続されているが、排気ファンによって強制排気されるものであってもよい。

また、各バーナ２の空気流路の蓄熱体５と排気バルブ７との間には、内部のガス（給気流路４から供給される空気および炉体１からバーナ２を介して排出される燃焼ガス）の温度を検出するガス温度センサ９が設けられている。炉体１内は、穴の空いた隔壁によって、鋼材を予熱する予熱帯１０と、鋼材を処理温度に過熱する加熱帯１１とに区分されている。

この蓄熱式燃焼装置では、炉体１の対面に設置されたバーナ２が組みになって、燃焼と排気（熱回収）とを一定時間毎に切り換えて運転しながら炉体１内の温度を上昇させてゆく。炉体１内の温度が設定値に近づくと、炉体１の昇温が不要になるため、バーナ２の燃焼によって供給すべき熱量が少なくなる。よって、各バーナ２の燃料と空気燃料とを減らしてターンダウンしてゆくのであるが、バーナ２は定格熱量の１０％以下にはターンダウンできないため、その場合はバーナ２の組みの燃焼／排気運転を休止（間引き）する必要がある。

燃焼するバーナ２では、排気バルブ７を閉じて、給気バルブ６を開くことで蓄熱体５を介してノズル部３に燃焼空気を供給し、不図示の燃料噴射口から燃料を噴射することで、火炎を形成する。熱回収するバーナ２では、給気バルブ６を閉じて、排気バルブ７を開くことで蓄熱体５を介して炉体１内の燃焼ガスを排気する。このとき、蓄熱体５は、燃焼ガスの熱を奪って昇温し、次の燃焼時には、蓄熱体に蓄積した熱によって燃焼空気を予熱する。

休止中のバーナ２は、原則的には、給気バルブ６も排気バルブ７も閉じて燃焼空気および燃焼ガスの通過を防止する。しかしながら、特に排気バルブ７は燃焼ガスによって繰り返しの温度変化による金属部品の熱伸縮に耐える必要があるため、気密性の高いものが使用できない。排気流路８は、煙突効果によって吸引圧力を有しており、排気バルブ７のリークによって、バーナ２の空気流路内のガスを僅かながら吸い出す。このため、休止中のバーナ２には、炉体１内の燃焼ガスが、排気バルブ７のリーク量と同じだけ流入する。

連続加熱炉の間引き運転開始当初は、休止中のバーナ２に流入した燃焼ガスの熱エネルギーは蓄熱体５に奪われるので、温度が低下した燃焼ガスが排気バルブ７を通して吸引される。しかしながら、間引き運転時間が長くなると、休止中のバーナ２の蓄熱体５の温度が上昇し、蓄熱体５を高温のまま通過した燃焼ガスが排気バルブ７を介して漏出するようになる。

ガス温度センサ９は、蓄熱体５を通過した燃焼ガスの温度を検出する。例えば、排気バルブ７の耐熱温度が３５０℃である場合、ガス温度センサ９の検出温度が３００℃を超えたなら、そのバーナ２の給気バルブ６を全開にする。すると、給気流路４から常温の空気が供給され、空気流路内を冷却する。そして、このバーナ２は、ガス温度センサ９の検出温度が例えば２５０℃以下になったなら、給気バルブ６を閉鎖して、空気の導入を遮断する。

給気流路４から流入した空気は、空気流路を冷却し、排気バルブ７から排気流路８にリークすることで排気バルブ７を冷却する。排気バルブ７のリーク量を超える空気は、蓄熱体５を介して炉体１に流入するが、蓄熱体５を通過する際、蓄熱体５から熱を受け取り、炉体１内部の燃焼ガスとほぼ同じ温度に昇温されてから炉体１に進入する。このため、この休止中のバーナ２の給気バルブ６を介して導入される空気は、炉体１内の温度低下を招くことがない。

また、この空気の導入によって蓄熱体５が冷却されるので、給気バルブ６を閉鎖しても、通過する燃焼ガスの温度を十分に低下させられる状態、つまり、排気バルブ７などの構成要素が熱によって損傷することを防止できる状態に戻っている。そこで、ガス温度センサ９の検出温度が２５０℃以下に低下したならば、給気バルブ６を閉鎖する。これにより、蓄熱体５の温度が低下し過ぎて、炉体１に冷たい空気が導入されることを防止する。

また、バーナ２は、ガス温度センサ９の検出温度が３００℃を超えている場合は、そのように過熱された状態で燃焼運転を開始すると危険であるので、警報アラームを発信し続け、当該バーナ２を燃焼運転しないように警告するようにしてもよい。

また、本実施形態において、給気バルブ６を開度調節可能なものとし、ガス温度センサ９の検出温度に応じて給気バルブ６の開度を調節してもよい。例えば、ガス温度センサ９の検出温度が２５０℃以下であれば給気バルブ６を全閉にし、ガス温度センサ９の検出温度が２５０℃超、３００℃以下であれば給気バルブ６を半開（５０％開度）にし、ガス温度センサ９の検出温度が３００℃超であれば給気バルブ６を全開にしてもよい。

続いて、図２に、本発明の第２実施形態の燃焼装置に係るバーナ２１を示す。バーナ２１は、第１実施形態と同様に、同じ炉体２２に複数、並列に設けられているが、図では１つだけを示す。

バーナ２１は、炉体２２の開口に取り付けられたノズル部２３とノズル部２３の下方に取り付けられた蓄熱器２４と、給気流路および排気流路を接続する管路とによって、炉体２２に燃焼空気を供給する流路となることも、炉体２２内の燃焼ガスを排気する流路となることできる空気流路を構成している。当然ながら、バーナ２１は、不図示の燃料ノズルおよび点火手段をも有する。

蓄熱器２４は、網状のサポート部材２５の上に粒状の蓄熱体２６が充填されており、サポート部材のフレーム部分の温度を検出するサポート温度センサ２７を備える。

バーナ２１の空気流路は、蓄熱器２４を給気流路と、ストップ弁２８および流量調節弁（給気バルブ）２９を介して接続しており、給気流路から供給される空気の流量を検出するために、例えばオリフィス流量計からなる空気流量計３０を備える。また、空気流路は、蓄熱器２４を排気流路と、排気バルブ３１を介して接続する。さらに、空気流路は、蓄熱器２４とストップ弁２８および流量調節弁２９との間のガス温度を検出するガス温度センサ３２を有する。

さらに、このバーナ２１は、燃焼運転の際、空気流量計３０の検出値に基づいて、流量調節弁２９の開度を調節し、給気流路から供給される空気の流量を設定流量に維持する流量制御装置３３を有する。流量制御装置３３は、当該バーナ２１が休止している間は、ガス温度センサ３２およびサポート温度センサ２７の検出温度に応じて、流量調節弁２９の開度を調整する。

バーナ２１において、流量調節弁２９を全閉にした状態では、ガス温度センサ３２が蓄熱体２６を通過した燃焼ガスの温度を検出するので、ガス温度センサ３２の検出温度と蓄熱体の温度との相関が高い。しかしながら、流量調節弁２９を開いて、給気流路から空気を供給している状態では、ガス温度センサ３２は蓄熱体２６に入る前の空気の温度を検出するので、ガス温度センサ３２の検出温度と蓄熱体２６の温度との相関が低い。

本実施形態では、サポート部材２５は、温度が高くなりすぎると穴が開いて蓄熱体２６を落下させてしまう危険性がある。このため、ガス温度センサ３２の検出温度だけを基にして流量調節弁２９を制御すると、排気バルブ３１の過熱を防止することはできるが、サポート部材２５の過熱損傷による蓄熱体２６の漏出を防止できない。

そこで、本実施形態のバーナ２１は、サポート温度センサ２７によってサポート部材２５の温度を検出して、サポート部材２５の温度が高くなったときにも、流量調節弁２９を開放してサポート部材２５および蓄熱体２６を冷却するようになっている。

具体的には、次の表１に示すように、流量制御装置３３は、ガス温度センサ３２の検出値およびサポート温度センサ２７の検出値に応じて、それぞれ流量調節弁２９の開度を決定し、それらのうちで大きい方の開度を実際の流量調節弁２９の開度として適用する。

本実施形態では、サポート温度センサ２７によってサポート部材２５の温度を検出しているが、蓄熱体２６と排気バルブ３１との間に設置される他の構成要素の保護のために、保護しようとする構成要素またはその近傍の構成要素の温度を検出するようにできることは言うまでもない。

１…炉体
２…バーナ
３…ノズル部
４…給気流路
５…蓄熱体
６…給気バルブ
７…排気バルブ
８…排気流路
９…ガス温度センサ
２１…バーナ
２２…炉体
２３…ノズル部
２４…蓄熱器
２５…サポート部材
２６…蓄熱体
２７…サポート温度センサ
２８…ストップ弁
２９…流量調節弁（給気バルブ）
３０…空気流量計
３１…排気バルブ
３２…ガス温度センサ
３３…流量制御装置

Claims

それぞれ、蓄熱体を備える空気流路と、前記空気流路と燃焼空気の給気流路とを接続する給気バルブと、前記空気流路と燃焼ガスを排気するための排気流路とを接続する排気バルブとを有する複数のバーナを備え、
前記バーナの一部を休止して運転し、休止中の前記バーナの前記空気流路の前記蓄熱体と前記排気バルブとの間のガス温度が所定のガス温度以上になったとき、および、休止中の前記バーナの前記蓄熱体を保持するサポート部材の温度が所定のサポート温度以上になったときには、当該休止中のバーナの前記給気バルブを開くことを特徴とする蓄熱式燃焼装置。
休止中の前記バーナの前記空気流路の前記蓄熱体と前記排気バルブとの間のガス温度と、前記蓄熱体を保持するサポート部材の温度とに応じて、当該休止中のバーナの前記給気バルブの開度を変化させることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱式燃焼装置。
それぞれ、蓄熱体を備える空気流路と、前記空気流路と燃焼空気の給気流路とを接続する給気バルブと、前記空気流路と燃焼ガスを排気するための排気流路とを接続する排気バルブとを有する複数のバーナを備える蓄熱式燃焼装置の運転方法であって、
前記バーナの一部を休止して運転し、休止中の前記バーナの前記空気流路の前記蓄熱体と前記排気バルブとの間のガス温度が所定のガス温度以上になったとき、および、休止中の前記バーナの前記蓄熱体を保持するサポート部材の温度が所定のサポート温度以上になったときには、当該休止中のバーナの前記給気バルブを開くことを特徴とする蓄熱式燃焼装置の運転方法。