JP4910450B2 - 加熱炉の雰囲気制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、低空気比燃焼が実施される加熱炉の雰囲気制御に関する。

一対の蓄熱式バーナーを配置した加熱炉は、一方の蓄熱式バーナーで燃料ガス等を燃焼させているとき、他方の蓄熱式バーナーから排ガスを蓄熱体を通して排出させることによって蓄熱体を加熱している。そして、数十秒〜数分の間隔でその両蓄熱式バーナーの状態を頻繁に交代させることにより、燃焼と排ガスの排出とが交互に行われるようにし、排ガスにより加熱された蓄熱体を燃焼用空気が通過する際に予熱される。これにより、高い排熱回収効率が達成され、省エネルギー化を図っている。
しかし、このような加熱炉においては、被加熱物を加熱する場合に、燃料ガスと燃焼空気とが混合された状態で供給され、被加熱物の表面近傍で燃焼が行われると、被加熱物の表面が容易に酸化され、被加熱物の表面に酸化膜が残留して、品質が低下するという問題があった。このため、特に、ステンレス、チタン等の高価な鋼材を加熱処理する際には、低空気比（低酸素）で蓄熱式バーナーを燃焼させて、酸化膜の形成を避ける技術が提案されている。
特開２００１−０８２７３６号公報（第３頁、第１図）

ところで、炉内の蓄熱式バーナーの燃焼を低空気比燃焼（空気比１未満の燃焼）から高空気比燃焼（空気比１以上の燃焼）に移行させる際、或いは、高空気比燃焼から低空気比燃焼への移行させる際に、空気比を短時間に変化させると、蓄熱式バーナーの燃焼が不安定になり、或いは酸素と一酸化炭素とが混合して急激に燃焼する可能性もある。しかしながら、従来の技術では、このような問題を解決する手段については、提案されていない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、炉内の蓄熱式バーナーの燃焼を低空気比燃焼から高空気比燃焼に移行させる際、或いは、高空気比燃焼から低空気比燃焼への移行させる際に、空気比を所定の比率で上昇或いは低下させることにより、蓄熱式バーナーの燃焼の安定化を図るとともに、急激な燃焼の発生を回避することができる加熱炉の雰囲気制御方法を提案することを目的とする。

本発明に係る加熱炉の雰囲気制御方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第１の発明は、一対の蓄熱式バーナーを交互に燃焼させて被加熱物を加熱処理する加熱炉の雰囲気制御方法において、一対の蓄熱式バーナーを交互に切り替えて燃焼させると共に、一対の蓄熱式バーナーの燃焼を低空気比燃焼から高空気比燃焼へ移行させる際に、一対の蓄熱式バーナーに供給する燃焼空気の空気比を所定の比率で上昇させ、該空気比の変化にかける時間を、一対の蓄熱式バーナーを最小燃焼量で燃焼させた際に、該燃焼に伴う排ガスで炉内のガスが完全に置換される時間以上に設定するようにした。
この発明によれば、低空気比燃焼により炉内に充満する一酸化炭素と燃焼空気ラインから炉内に供給される空気とが混合して急激な燃焼の発生を回避することが可能となる。
また、所定の比率は、蓄熱式バーナーの最小燃焼量に基づいて求められるものでは、炉内の供給した空気が確実に蓄熱式バーナーの燃焼に用いられるので、炉内の一酸化炭素と混合して急激な燃焼の発生が回避される。

第２の発明は、一対の蓄熱式バーナーを交互に燃焼させて被加熱物を加熱処理する加熱炉の雰囲気制御方法において、一対の蓄熱式バーナーを交互に切り替えて燃焼させると共に、一対の蓄熱式バーナーの燃焼を高空気比燃焼から低空気比燃焼へ移行させる際に、一対の蓄熱式バーナーに供給する燃焼空気の空気比を一対の蓄熱式バーナーの燃焼の安定性を維持しつつ一定比率で低下させるようにした。
この発明によれば、蓄熱式バーナーの燃焼の安定化を図りつつ、空気比を低下させることが可能となる。

第３の発明は、一対の蓄熱式バーナーを交互に燃焼させて被加熱物を加熱処理する加熱炉の雰囲気制御方法において、一対の蓄熱式バーナーを交互に切り替えて燃焼させると共に、一対の蓄熱式バーナーを燃焼させる燃焼空気の空気比に応じて、加熱炉内の一酸化炭素の許容濃度範囲を規定するようにした。
この発明によれば、炉内の一酸化炭素の適正濃度を空気比に連動させて求めるので、一酸化炭素の増加による急激な燃焼の発生を事前に回避することが可能となる。
また、一対の蓄熱式バーナーを燃焼させる燃焼空気の空気比に応じて、加熱炉内の酸素の許容濃度範囲を規定するものでは、空気比に変化に連動して適正酸素濃度を求めるので、酸素増加による急激な燃焼の発生を事前に回避することが可能となる。
また、炉内の一酸化炭素濃度或いは酸素濃度が許濃度範囲を逸脱した場合には、警告を発する或いは加熱炉の運転を非常停止させるものでは、急激な燃焼の発生を早急に回避することができる。

本発明によれば以下の効果を得ることができる。
第１の発明では、低空気比燃焼により炉内に充満する一酸化炭素と燃焼空気ラインから炉内に供給される空気とが混合して急激な燃焼の発生を回避することが可能となる。
第２の発明では、蓄熱式バーナーの燃焼の安定化を図りつつ、空気比を低下させることが可能となる。
第３の発明では、炉内の一酸化炭素の適正濃度を空気比に連動させて求めるので、一酸化炭素の増加による急激な燃焼の発生を事前に回避することが可能となる。

以下、本発明の加熱炉の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、均熱炉のシステム構成を示す概念図である。
均熱炉１０は、四側面及び床面を耐熱性コンクリート等の耐火物で形成された炉壁で囲まれた炉体１２と、炉体１２の上方に形成された開口を開閉する炉蓋２０とを備える。炉体１２の側壁には、内部に蓄熱体３２Ａ，３２Ｂを備える一対のバーナー３０Ａ，３０Ｂから構成される蓄熱式バーナー（リジェネレイティブバーナー：regenerative burner）３０が備えられる。
蓄熱式バーナー３０は、エアーとガスの廃熱を利用して加熱圧送するバーナーであって、ガス使用量を削減することができるものである。なお、蓄熱体３２Ａ，３２Ｂは、ハニカム状に形成されたセラミックスから構成される。
そして、各バーナー３０Ａ，３０Ｂには、燃料ガスを供給する燃料ガスライン５０及び燃焼空気を供給する燃焼空気ライン６０が連結される。なお、燃焼空気は、給気ファン６４から蓄熱体３２Ａ，３２Ｂを通過して各バーナー３０Ａ，３０Ｂに供給されように配管される。
これにより、各バーナー３０Ａ，３０Ｂは、供給された燃焼ガスと燃焼空気とを混合して燃焼させるとともに、燃料ガスライン５０に設けられた燃料ガス用流調弁５２Ａ，５２Ｂ及び燃焼空気ライン６０に設けられた燃焼空気用流調弁６２Ａ，６２Ｂの流量調整によって燃焼状態及び炉内温度を制御する。
また、各バーナー３０Ａ，３０Ｂには、炉内で発生した排ガスを排気する排ガスライン７０が連結され、炉内の排ガスが蓄熱体３２Ａ，３２Ｂを通過して排気ファン７４に吸引されて、外部に放出されるように配管される。なお、排ガスライン７０には、排ガス用流調弁７２Ａ，７２Ｂが設けられる。
なお、炉体１２には、炉内の排ガスを各バーナー３０Ａ，３０Ｂを通さずに、外部に排気する排気バイパス８０が設けられ、排ガスを冷却する排ガスクーラー８２及びバイパス流調弁８４を介して、排気ファン７４の直前で排ガスライン７０に連結される。
更に、炉内には、一酸化炭素濃度センサ９２、酸素濃度センサ９４、炉圧センサ９６、温度センサ９８（いずれも不図示）が設けられ、その計測情報は、制御部９０（不図示）に送られる。そして、制御部９０は、各ファン６４，７４、各流調弁５２，６２，７２，８４、及び各バーナー３０Ａ，３０Ｂに指令して、均熱炉１０の燃焼運転及び雰囲気等を制御する。

次に、均熱炉１０及び蓄熱式バーナー３０の作用について説明する。
まず、炉内にステンレス等の鋼材が搬入されると、制御部９０からの指令に基づいて、燃料ガス用流調弁５２Ａ及び燃焼空気用流調弁６２Ａが開放されて、バーナー３０Ａを燃焼させる。この際、燃料ガス用流調弁５２Ｂ及び燃焼空気用流調弁６２Ｂは、閉鎖される。
そして、バーナー３０Ａを燃焼させることにより、炉内が加熱され、その排ガスは、バーナー３０Ｂに吸引されて、蓄熱体３２Ｂを加熱する。バーナー３０Ｂに吸引された排ガスは、蓄熱体３２Ｂにより熱を奪われて、約２００℃程度まで冷やされて、外部に放出される。この際、排ガス用流調弁７２Ｂは開放され、一方、排ガス用流調弁７２Ａ及びバイパス流調弁８４は封鎖される。
そして、設定時間（例えば、３０秒）が経過すると、バーナー３０Ａからバーナー３０Ｂに燃焼を切り替えられる。すなわち、燃料ガス用流調弁５２Ａ及び燃焼空気用流調弁６２Ａを封鎖し、一方、燃料ガス用流調弁５２Ｂ及び燃焼空気用流調弁６２Ｂを開放する。また、排ガス用流調弁７２Ａを開放し、排ガス用流調弁７２Ｂを封鎖する。
そして、バーナー３０Ｂに供給される燃焼用空気は、蓄熱体３２Ｂを通過する際に余熱されて、炉温に近い温度まで上昇させられる。一方、バーナー３０Ａは、排ガスを吸引し、蓄熱体３２Ａを過熱する。
このような燃焼サイクルを繰り返し継続することにより、炉内は、約１３００℃に加熱され、その状態を維持するように燃焼運転が継続される。

図２は、炉内の空気比の変化を示す図である。
燃焼運転（燃焼サイクル）が進行するとともに、燃焼空気ライン６０から各バーナー３０Ａ，３０Ｂに供給される燃焼空気の空気比を、図２（ａ）に示すように、１．０以上から１．０未満に低下させる。
具体的には、空気比を１．２〜１．３程度から０．７〜０．８程度に変化させる。これにより、各バーナー３０Ａ，３０Ｂの燃焼が、空気比が１．０以上の高空気比燃焼（或いは通常燃焼）から、空気比が１．０未満の低空気比燃焼に移行する。
なお、空気比（空気過剰率ともいう）とは、燃焼に際して理論上必要な空気に対する、実際に燃焼に際して供給される空気の比（割合）である。
このため、空気比が０．７〜０．８程度の低空気比燃焼は、いわゆる不完全燃焼（低酸素燃焼）となるが、ステンレス鋼等の表面に形成される酸化層を最低限に抑えられるので、製品のスケールロスが少なくなるという利点がある。
そして、均熱処理を終了させる際には、図２（ｂ）に示すように、低空気比燃焼から再び高空気比燃焼に戻してから各バーナー３０Ａ，３０Ｂの燃焼を停止させる。

ところで、高空気比燃焼から低空気比燃焼への移行、及び低空気比燃焼から高空気比燃焼への移行の際には、その移行時間（空気比の変化にかかる時間）に注意しなければならない。すなわち、高空気比燃焼から低空気比燃焼への移行の際には、完全燃焼から不完全燃焼に移行するので、燃焼が不安定となりやすく、最悪の場合、燃焼が停止してしまう虞がある。
また、低空気比燃焼からの高空気比燃焼への移行時には、炉内に充満した一酸化炭素と流入した空気（酸素）とが混合し、急激な燃焼が生じるからである。特に、低空気比燃焼から高空気比燃焼に移行せず、そのままで各バーナー３０Ａ，３０Ｂの燃焼を停止させると、炉蓋２０を開けた途端に燃焼する可能性がある。
そのため、以下のように、燃焼空気ライン６０から各バーナー３０Ａ，３０Ｂに供給される燃焼空気の空気比を以下に示すように変化させて、炉内の雰囲気を制御する。

まず、高空気比燃焼から低空気比燃焼への移行時について説明する。
高空気比燃焼から低空気比燃焼への移行の際には、燃焼の安定性が問題となる。そこで、燃焼の安定性を監視しながら空気比を低下させる。具体的には、実験等により、燃焼空気及び燃料ガスの流量、炉内の温度や圧力が急激に変化しないような空気比の低下率を求める。すなわち、空気比が急激に変化して燃焼が不安定になると、それに伴い、炉内の温度や圧力変化も急激に変化し、また、燃焼空気及び燃料ガスの流量も変動するからである。
これにより、各バーナー３０Ａ，３０Ｂの燃焼の安定化を図りつつ、空気比を低下させることができる。

次に、低空気比燃焼から高空気比燃焼への移行時について説明する。
低空気比燃焼から高空気比燃焼への移行の際には、一酸化炭素と酸素との反応による急激な燃焼の発生が問題となる。そこで、空気比の変化にかける時間（すなわち、空気比を約０．７から約１．３に変化させる時間）を、各バーナー３０Ａ，３０Ｂを最小燃焼量で燃焼させた際に、炉内のガスが完全に置換される時間以上に設定する。
最小燃焼量とは、各バーナー３０Ａ，３０Ｂが安定して燃焼することができる最小の燃焼量（燃焼ガス使用量）であり、例えば、最高燃焼量の約１／１０程度の燃焼量である。そして、炉内のガスが完全に置換される時間とは、燃焼に伴う排ガスで炉内のガスを置換するために要する時間であり、炉の大きさやバーナーの能力より異なる。
これにより、各バーナー３０Ａ，３０Ｂが最小燃焼量で燃焼している場合であっても、増加させた空気（酸素）を確実に消費（燃焼）させるので、酸素と炉内の一酸化炭素とが混合されることによる急激な燃焼の発生が回避できる。
なお、空気比の変化にかける時間は、炉の大きさやバーナーの能力により求めることができ、例えば、５分程度である。したがって、５分以上かけて燃焼空気用流調弁６２Ａ，６２Ｂの開放角を徐々に広げて、空気比を上昇させる。
なお、上述したように、燃焼空気用流調弁６２Ａ，６２Ｂの開放角を時間を設定して、徐々に開放させることにより空気比を制御する、いわゆるオープン制御を行う場合に限らず、炉内の一酸化炭素濃度及び酸素濃度を一酸化炭素濃度センサ９２及び酸素濃度センサ９４で計測して、フィードバック制御を行ってもよい。

更に、一酸化炭素濃度センサ９２及び酸素濃度センサ９４を用いて、急激な燃焼の発生を回避することができる。すなわち、燃焼ガスの組成、燃焼中の空気比、炉内温度により、炉内の一酸化炭素濃度を求めることができるので、計算値と実測値との差が大きい場合には、急激な燃焼であると判断することができる。
そこで、燃焼運転時（高空気比燃焼、低空気比燃焼、低空気比燃焼或いは高空気比燃焼への移行時、消火時等の全ての運転時）に一酸化炭素濃度の監視を行う。

図３は、適正一酸化炭素濃度を示す図である。
代表して、空気比０．７で燃焼運転している場合について説明する。空気比０．７で燃焼運転し、排ガス温度が１２００℃の場合には、その解離平衡一酸化炭素濃度を計算すると、約１０％となる。したがって、一酸化炭素濃度が１０％を大きく上回る或いは下回る場合には、急激な燃焼であると判断できる。
急激な燃焼であると判断するための閾値としては、例えば、上限は空気比０．６で燃焼運転している際の解離平衡一酸化炭素濃度、下限は空気比０．８で燃焼運転している際の解離平衡一酸化炭素濃度とすることができる。
更に、燃焼運転（急激な燃焼）を非常停止させるための閾値としては、空気比５で燃焼運転している際の解離平衡一酸化炭素濃度とすることができる。
このように、燃焼時の空気比等に基づいて、急激な燃焼であると判断される一酸化炭素濃度の計算値と実測値との差（即ち、閾値）を規定する。非常停止させる閾値も同様に規定する。
なお、閾値の規定の仕方は、上記方法に限らない。例えば、計算で求められる解離平衡一酸化炭素濃度の上下２％を閾値とする等してもよい。

また、炉内の酸素濃度も、排ガス温度、空気比により求めることができる。
そこで、燃焼運転時に酸素濃度の監視を行う。そして、一酸化炭素の場合と同様に、燃焼時の空気比等に基づいて、急激な燃焼であると判断される酸素濃度の計算値と実測値との差（即ち、閾値）を規定する。
図４（ａ）は、空気比０．５の場合の適正酸素濃度を示す図である。図４（ｂ）は、適正一酸素濃度を示す図である。
図４（ａ）に示す許容範囲内（ハッチング内）では、酸素が燃焼しない。すなわち、急激な燃焼の発生がない。したがって、炉内の酸素濃度が図のハッチング内にあるように燃焼運転を行う。適正酸素濃度は、空気比により変化するので、空気比及び排ガス温度に基づいて許容酸素濃度を規定する。なお、排ガス温度は、排ガスライン７０等の耐熱温度が４００℃であるので、実際には排ガス温度が４００℃の時を基準として、空気比にのみ基づいて許容酸素濃度を規定することができる。
そして、排ガス温度が４００℃の時を基準として、空気比にのみ基づいて許容酸素濃度を規定すると、図４（ｂ）のようになる。

なお、排ガスの温度は、バーナーの後端、すなわち、燃料ガスライン５０と燃焼空気ライン６０とが連結される部分で測定される。この位置で急激な燃焼が発生するからである。
このように、燃焼運転中の一酸化炭素濃度及び酸素濃度の適正値を空気比に連動させて規定し、監視することにより、急激な燃焼の発生を回避することができる。なお、一酸化炭素濃度及び酸素濃度に異常があった場合には、警告アラームを発したり、上述したように燃焼運転を非常停止させたりすることが考えられる。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲においてプロセス条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。

均熱炉のシステム構成を示す概念図である。 空気比の変化の割合を示す図である。 適正一酸化炭素濃度及び適正酸素濃度を示す図である。 適正酸素濃度を示す図

符号の説明

１０…均熱炉（加熱炉）
３０Ａ，３０Ｂ…バーナー（蓄熱式バーナー）
５０…燃料ガスライン
６０…燃焼空気ライン
７０…排ガスライン
９０…制御部
９２…一酸化炭素濃度センサ
９４…酸素濃度センサ

Claims (2)

1. 一対の蓄熱式バーナーを交互に燃焼させて被加熱物を加熱処理する加熱炉の雰囲気制御方法において、
   前記一対の蓄熱式バーナーを交互に切り替えて燃焼させると共に、
   前記一対の蓄熱式バーナーの燃焼を低空気比燃焼から高空気比燃焼へ移行させる際に、前記一対の蓄熱式バーナーに供給する燃焼空気の空気比を所定の比率で上昇させ、
   該空気比の変化にかける時間を、前記一対の蓄熱式バーナーを最小燃焼量で燃焼させた際に、該燃焼に伴う排ガスで炉内のガスが完全に置換される時間以上に設定することを特徴とする加熱炉の雰囲気制御方法。
2. 前記一対の蓄熱式バーナーの燃焼を高空気比燃焼から低空気比燃焼へ移行させる際に、
   前記一対の蓄熱式バーナーに供給する燃焼空気の空気比を前記一対の蓄熱式バーナーの燃焼の安定性を維持しつつ一定比率で低下させることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉の雰囲気制御方法。

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