JP4970086B2 - 連続式加熱炉の操業方法及び連続式加熱炉 - Google Patents

Description

本発明は、連続式加熱炉の操業方法、及びその方法に用いる連続式加熱炉に関する。

鋼やアルミニウムなどの金属では、製品への製造過程においてスラブなどの金属材料を薄く延ばしたり、中空管などの形状にしたりするために熱間圧延が行われる。連続式加熱炉（以下単に「炉」ということがある。）は、この熱間圧延の前に、設定された目標抽出温度までスラブ等の被加熱物を加熱するために使用される。この目標抽出温度は、熱間圧延時の被加熱物の温度の違いにより金属の性質が異なることから、その被加熱物から製造される最終製品に必要な性能により決定される。通常、炉内は複数の帯に分けられ、各帯には複数のバーナが備えられている。このバーナの燃焼を調節することで各帯の温度は独立して調節される。そして、装入された被加熱物は各帯で加熱され、目標抽出温度となって炉から抽出される。

バーナとしては、近年、蓄熱式バーナが多く用いられている。蓄熱式バーナは、バーナに蓄熱体を備え、２基を１対として交番燃焼をすることが可能である。交番燃焼とは、第一のバーナが燃焼している時は、第二のバーナは燃焼せずに炉内排ガスを吸引し、蓄熱体へ排ガスの熱を蓄熱する。第一のバーナの燃焼が終了すると、第二のバーナは燃焼を開始する。この時、第二のバーナの燃焼用空気は、蓄熱体が通過した排ガスから蓄熱した熱により加熱され、通常８００℃〜１０００℃と高温となる。そのため、交番燃焼では炉の熱効率が向上し、燃料原単位が低減する。また、バーナが交互に燃焼することで炉内が攪拌され、帯の温度が均一化されることで被加熱物を均一に加熱することが可能である。なお、蓄熱式バーナは、交番燃焼だけでなく、連続的に燃焼することも可能である。

連続式加熱炉では、バーナの高性能化により帯の温度が高温化することで、空気中の窒素が酸化されて窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）が生成される。さらに、燃料中の窒素分が燃焼過程で酸化され、ＮＯｘが生成される。このＮＯｘは、環境保全から排出濃度が規制されていることから、連続式加熱炉の操業では燃料原単位の向上とともにＮＯｘの発生を抑制することが重要である。そのため、従来の燃料と燃焼用空気とをバーナ内部で混合し、混合気を点火装置により着火して炉内へ噴射する燃焼方式（以下「１次燃焼」という。）に加え、混合気の自然発火温度（以下単に「発火温度」ということがある。）以上である炉内へ燃料と燃焼用空気を別々に噴射して混合し、混合気を自然発火させる燃焼方式（以下「２次燃焼」という。）を備えた切替式バーナが用いられている。この切替式バーナでは、燃料と燃焼用空気との混合気の温度が低いときには１次燃焼を行い、この混合気の温度が発火温度以上であるときに２次燃焼を行う。２次燃焼では、燃焼用空気が炉内排ガスで稀釈されながら拡散燃焼をするため、燃焼温度が低下することでＮＯｘの発生は抑制される。なお、上述した蓄熱式バーナが切替式バーナの機能を備えたバーナ（以下「蓄熱切替式バーナ」ということがある。）も用いられている。

また、特許文献１では、蓄熱式バーナを用いた加熱炉において、蓄熱体を通過せずに直接排気される排ガスを、蓄熱式バーナに供給する燃焼用空気に混合する加熱炉の熱回収方法が示されている。かかる技術によれば、加熱炉の燃焼効率の向上、燃料の節約、さらにＮＯｘの減少が可能、とされている。

さらに、特許文献２には、設備の簡略化、及び低ＮＯｘ燃焼を目的として、蓄熱式バーナ及び循環送風機を備え、蓄熱体を通過した排ガスを、炉温に応じて定められた所定の酸素濃度になるように空気と混合しながら吸引し、このガスを循環送風機により蓄熱式バーナに供給する蓄熱式バーナ炉の操業方法、及び蓄熱式バーナ炉が示されている。
特開平７−２７８６４６号公報 特開平１０−２３８７５６号公報

しかし、特許文献１に記載の発明では、蓄熱体を通過せずに直接排気される排ガスを循環させており、排ガスが高温なため、切替弁や制御弁の耐久性に問題があった。

特許文献２に記載の発明では、排ガスで燃焼用空気の酸素濃度を調節するので、常に排ガス吸引を実施していなければならない。しかし、蓄熱体出側の排ガス温度がある温度以上となると、切替弁保護から排ガス吸引を一旦中止するが、その対となっている蓄熱式バーナでは燃焼を継続する。そのため、排ガス吸引がされずに燃焼が実施されるため、燃焼用空気の酸素濃度の調節ができず、ＮＯｘの低減ができないという問題があった。また、連続式加熱炉の操業では、一般的に各帯の温度が独立して設定されるため、各帯で炉温に応じて酸素濃度を調節するとなるとそれぞれに循環送風機などが必要となり、排ガス循環用の装置が複雑になるという問題があった。

また、切替式バーナでは、２次燃焼により燃料の未燃焼が発生することで、燃焼が不安定になる場合があるという問題があった。実際には炉の帯の温度は一定でないため、帯の温度としては、帯の代表温度が用いられる。帯の代表温度としては、例えば帯で測定された複数温度の平均などが用いられている。そのため、帯には高温部、低温部が混在する。したがって、帯の温度が２次燃焼の混合気の発火温度以上であっても、帯の低温部がこの温度以上でない場合があり、この場合には低温部で燃料の未燃焼が発生していた。特に、最も装入口に近い帯では、被加熱物の装入による侵入空気の影響を受けて急激な炉温低下が生じることから、燃料の未燃焼が発生し易いという問題があった。

そこで、本発明は上記問題を解決するため、装置を複雑にせず、かつ耐久性を損なうことなくＮＯｘの発生を低減し、かつ安定して燃焼させることが可能である連続式加熱炉の操業方法及び連続式加熱炉を提供することを課題とする。

本発明者らは、燃焼切替式バーナ、及び排ガス・燃焼制御装置を連続式加熱炉に備えることでＮＯｘの発生を大きく抑制することが可能であり、排ガス・燃焼制御装置により燃焼用空気を所定の酸素濃度にすることにより、帯の温度、及び蓄熱切替式バーナの燃焼方式を問わずに安定した燃焼ができることを見出し、本発明を完成するに至った。

以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

請求項１に記載の発明は、独立して炉温の設定が可能な複数の帯（１５〜１８）と、それぞれの帯に対で配置される蓄熱式バーナ（１９、１９、…）と、蓄熱式バーナの蓄熱体（４６）を通過した炉内排ガスを燃焼用空気へ混合する排ガス・燃焼制御装置（３０）とを備える連続式加熱炉（１０）の操業方法であって、蓄熱式バーナは、燃料と燃焼用空気とをバーナ内部で混合した混合気を点火装置（４８）により着火して炉内へ噴射する１次燃焼、及び燃料と燃焼用空気を別々に炉内へ噴射して混合した混合気を自然発火させる２次燃焼の手段を有し、２次燃焼の混合気が自然発火する温度以上の所定温度を燃焼切替温度として、蓄熱式バーナが配置された帯の温度が燃焼切替温度未満の温度である場合には該蓄熱式バーナを１次燃焼させ、蓄熱式バーナが配置された帯の温度が燃焼切替温度以上の温度である場合には該蓄熱式バーナを２次燃焼させるように燃焼方式を変更し、１次燃焼及び２次燃焼のどちらの燃焼方式であっても、帯の炉内温度がどのような温度域であっても、排ガス・燃焼制御装置を用いて燃焼用空気の酸素濃度を体積比で１７〜２０％とすることを特徴とする連続式加熱炉の操業方法を提供することにより前記課題を解決する。

ここで、「所定温度」とは、２次燃焼の混合気が自然発火する温度以上であれば、特にその温度は限定されない。しかし、上述したとおり帯には高温部、低温部が混在するため、燃料の未燃焼の発生を防止するとの観点から、所定温度は帯の低温部が２次燃焼の混合気の発火温度以上となるように設定することが好ましい。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の連続式加熱炉（１０）の操業方法において、連続式加熱炉の最も装入口に近い帯（１５）に関し、複数の測定される温度のうちの最低温度を帯の温度とすることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、独立して炉温の設定が可能な複数の帯（１５〜１８）と、それぞれの帯に対で配置され、燃料と燃焼用空気とをバーナ内部で混合した混合気を点火装置（４８）により着火して炉内へ噴射する１次燃焼、及び燃料と燃焼用空気を別々に炉内へ噴射して混合した混合気を自然発火させる２次燃焼の手段を有する蓄熱式バーナ（１９、１９、…）と、蓄熱式バーナの蓄熱体（４６）を通過した炉内排ガスを燃焼用空気へ混合し、１次燃焼及び２次燃焼のどちらの燃焼方式であっても、各帯の炉内温度がどのような温度域であっても、燃焼用空気の酸素濃度を体積比で１７〜２０％とする排ガス・燃焼制御装置（３０）とを備え、蓄熱式バーナは、２次燃焼の混合気が自然発火する温度以上の所定温度を燃焼切替温度として、蓄熱式バーナが配置された帯の温度が燃焼切替温度未満の温度である場合には該蓄熱式バーナを１次燃焼させ、蓄熱式バーナが配置された帯の温度が燃焼切替温度以上の温度である場合には該蓄熱式バーナを２次燃焼させるように燃焼方式を変更することを特徴とする連続式加熱炉を提供することにより前記課題を解決する。

請求項１に記載の発明によれば、排ガス・燃焼制御装置により排気ガスを燃焼用空気に混合して、燃焼用空気の酸素濃度を体積比で１７〜２０％とし、さらにこの燃焼用空気を用いて蓄熱切替式バーナで２次燃焼を行うことにより、混合気の燃焼温度の上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生を抑制することができる。なお、蓄熱切替式バーナが、交番燃焼において蓄熱体出側の排ガスが高温となることで排ガス循環調節弁の保護のために排ガスを吸引できず、燃焼用空気の酸素濃度を調節できないときであっても、２次燃焼を行えばＮＯｘの発生を抑制することができる。また、酸素濃度を体積比で１７〜２０％とすることで、蓄熱切替式バーナが、１次燃焼及び２次燃焼のどちらの燃焼方式であっても、また連続式加熱炉の各帯の炉内温度がどのような温度域であっても、燃焼に必要な酸素が十分供給されることから、安定した燃焼が可能である。したがって、各帯で同一の燃焼用空気を使用することができる。そのため、排ガス・燃焼制御装置が複雑とならない。さらに、排ガスには蓄熱体を通過して温度が下がった排ガスが用いられることで、装置の耐久性が損なわれない。

請求項２に記載の発明によれば、最も装入口に近い帯に関し、帯で測定される複数の温度のうちの最低温度を帯の温度とすることで、帯の他の部分の温度は、帯の温度以上（最低温度以上）となる。そのため、この帯の温度が蓄熱切替式バーナの２次燃焼の混合気の発火温度以上である時に、この帯の蓄熱切替式バーナが２次燃焼を行う。また、この帯の温度が蓄熱切替式バーナの２次燃焼の混合気の発火温度未満である時に、この帯の蓄熱切替式バーナが１次燃焼を行う。これにより、燃料の未燃焼が発生し易い最も装入口に近い帯であっても、燃料の未燃焼の発生を防止し、安定した燃焼をさせることが可能である。

請求項３に記載の発明によれば、蓄熱切替式バーナ、及び排ガス・燃焼制御装置を備えることで、ＮＯｘの発生を抑制することが可能である。また、蓄熱切替式バーナが、交番燃焼において蓄熱体出側の排ガスが高温となることで、排ガス循環調節弁の保護のために排ガスを吸引できず、燃焼用空気の酸素濃度を調節できないときであっても、２次燃焼をすることでＮＯｘの発生を抑制することができる。これにより、蓄熱切替式バーナ、及び排ガス・燃焼制御装置を備えることで、ＮＯｘの発生を安定して抑制することが可能である。

以下、図面に示す実施形態に基づき、本発明に係る連続式加熱炉の操業方法の一例として被加熱物が鋼材の場合を説明するが、以下に説明するものは本発明の実施形態の一例であって、本発明はその要旨を超えない限り以下の説明になんら限定されるものではない。

図１は、１つの実施形態にかかる本発明の連続式加熱炉の操業方法に用いる連続式加熱炉１０の炉長方向の内部を模式的に示した図である。ここで、炉長方向とは、鋼材１、１、…が搬送される方向である（以下同じ。）。また、紙面垂直方向を炉幅方向とする（以下同じ。）。なお、図１において、同一の部材が繰り返し現れる場合には、一部の部材のみに符号を付して、他の部材の符号は省略する。連続式加熱炉１０は、鋼材１、１、…を搬送する搬送装置１１の両端に、装入口１２及び抽出口１３を備えている。炉内には、独立して温度設定が可能な複数の帯が設けられる。ここでは、装入口１２側から予熱帯１５、第一加熱帯１６、第二加熱帯１７、及び均熱帯１８の４つの帯が設けられている。そして、各帯１５〜１８には、バーナとして、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…が配置されている。蓄熱切替式バーナ１９、１９、…は、各帯１５〜１８の炉幅方向の両側面上下に、炉中央方向を向けて４対配置されている。図１では、一の側面の蓄熱切替式バーナ１９、１９、…のみが図示されており、他方の側面の蓄熱切替式バーナ１９、１９、…は省略されている。炉内の装入口１２の上方には、内部に炉圧ダンパ２０が設置された煙突２１が設けられている。また、各帯１５〜１８には、炉内温度検出器２２、２２、…が設置されている。炉内温度検出器２２、２２、…は、熱電対等の温度センサーにより構成されている。図１では、炉内温度検出器２２、２２、…は各帯１５〜１８の上部へ設置されているが、各帯１５〜１８の下部にも図示省略の炉内温度検出器２２、２２、…が設置されている。

排ガス配管２３は、排ガス吸引ファン２４を介して、すべての蓄熱切替式バーナ１９、１９、…と煙突２５とを接続している。また、燃焼用空気配管２６は、すべての蓄熱切替式バーナ１９、１９、…と燃焼用空気ファン２７とを接続している。なお、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…の排ガス吸引切替弁、燃焼空気切替弁、及び燃料供給切替弁は図示省略されている。

炉１０は、排ガス・燃焼制御装置３０を備えている。排ガス・燃焼制御装置３０は、排ガス循環量・燃焼方式切替制御器（以下単に「制御器」という。）３１、排ガス循環配管３２、排ガス循環調節弁３３、ＮＯｘ検出器３４、酸素濃度計３５、及び燃焼用空気ファン２７（ここでは、ファンとファン吸い込み口の吸い込みダンパとを称して燃焼用空気ファンとする）とを有している。排ガス循環配管３２は、一端が排ガス配管２３の排ガス吸引ファン２４と煙突２５との間に接続され、他端は燃焼用空気ファン２７の吸い込み側に接続されている。排ガス循環配管３２の中間部には、排ガス循環調節弁３３が設置されている。ＮＯｘ検出器３４は、排ガス配管２３の排ガス吸引ファン２４と排ガス循環配管３２接続部との間、及び制御器３１に接続されている。酸素濃度計３５は、燃焼用空気配管２６の燃焼用空気ファン２７出側、及び制御器３１に接続されている。また、制御器３１は、すべての炉内温度検出器２２、２２、…及び蓄熱切替式バーナ１９、１９、…とも接続されている。

かかる構成により、鋼材１、１、…は、装入口１２から装入され、搬送装置１１により炉内を搬送され、各帯１５〜１８で加熱される。各帯１５〜１８は、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…の燃焼が調節されることで、鋼材１、１、…に合わせて設定された温度に調節される。そのため、鋼材１、１、…は、目標抽出温度となって抽出口１３から抽出される。

蓄熱切替式バーナ１９、１９、…の交番燃焼は、対の一方が燃焼用空気ファン２７により燃焼用空気配管２６を通って供給された燃焼用空気に燃料を混合して燃焼する。他方は、炉内の排ガスを吸引し、蓄熱体で排ガスの熱を吸熱し、排ガス配管２３へ排出する。この排ガスは、排ガス吸引ファン２４により吸引され、排ガス吸引ファン２４通過後にＮＯｘ検出器３４でサンプルが採取され、検出された排ガスのＮＯｘ濃度データが制御器３１に出力される。そして、排ガスの一部は排ガス循環配管３２へ流れ、他の排ガスは煙突２５から大気へ放散される。一方、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…から排出されない炉内排ガスは、炉圧ダンパ２０を通過して煙突２１から大気へ放散される。この排ガスは炉全体の排ガス量のおよそ２０％程度であり、炉圧ダンパ２０により炉内の圧力が保持されている。

炉内温度検出器２２、２２、…は、各帯１５〜１８の温度を検出し、制御器３１へ出力する。酸素濃度計３５は、燃焼用空気のサンプルを採取し、酸素濃度データを制御器３１へ出力する。制御器３１は、上述した排ガスのＮＯｘ濃度データ、各帯１５〜１８の温度、及び燃焼用空気の酸素濃度データを受けて、排ガス循環調節弁３３へ制御信号を、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…へ燃焼制御信号を発信する。制御信号を受けて、排ガス循環調節弁３３の開度を調節し、排ガス循環配管３２の流量を調節、また燃焼用空気ファン２７も調節する。これにより、燃焼用空気ファン２７で吸入された空気と循環量が調節された排ガスとが混合されて燃焼用空気の酸素濃度が調節され、この燃焼用空気が燃焼用空気配管２６を通って蓄熱切替式バーナ１９、１９に供給される。また、燃焼制御信号を受けて、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…は１次燃焼、及び２次燃焼の切り替えを行う。

制御器３１による制御は、次のように行われる。炉温の上昇に伴い火炎温度が上昇すると、ＮＯｘの発生が増加する。そのため、制御器３１は、炉内温度検出器２２、２２、…からの信号により炉温の上昇を受信すると、排ガス循環調節弁３３を開放し、燃焼用空気ファン２７も調整する事により、燃焼用空気の酸素濃度を１７〜２０％の範囲内で低下させる。これにより、燃焼温度を抑えることでＮＯｘの発生を抑制することができる。また、帯１５〜１８のいずれかの温度が燃焼切替温度以上である信号を受信したときは、その帯の蓄熱切替式バーナ１９、１９、…の燃焼方式を、１次燃焼から２次燃焼へ変更する。これにより、燃料が酸素濃度の低い炉内で混合し拡散燃焼するため、燃焼温度が抑えられることでＮＯｘの発生が抑制される。

このように、炉１０では、排ガス・燃焼制御装置３０を用いるだけでなく、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…の２次燃焼によってもＮＯｘが低減されている。蓄熱切替式バーナ１９、１９、…は、連続燃焼や、交番燃焼において蓄熱体出側の排ガス温度が高いために排ガスの吸引を停止することなどにより、排ガス吸引をしない時がある。炉１０では、このような時に燃焼用空気の酸素濃度を調節できないが、帯１５〜１８の温度が２次燃焼の混合気の発火温度以上であれば、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…を２次燃焼させることでＮＯｘ発生の抑制が可能である。なお、この１次燃焼及び２次燃焼での燃焼方式の切り替えは、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…が交番燃焼している場合だけでなく、連続燃焼している場合にもＮＯｘの発生の抑制に有効である。

なお、ＮＯｘ検出器３４によるＮＯｘ濃度実績や、燃焼用空気ファン２７出側の酸素濃度実績により、排ガス循環量を制御し、炉内温度検出器２２の実績により蓄熱切替式バーナ１９、１９、…の燃焼方式の切り替えを行う。これにより、ＮＯｘの規制値以下において、排ガス循環量の調節により酸素濃度を上げることで、炉の熱効率が最大となる点を見出すことが可能である。また、排ガス・燃焼制御装置３０の劣化による排ガス循環量の低下も予想されるため、ＮＯｘ濃度と燃焼用空気ファン２７出側の酸素濃度を実測しておくことで経年変化にも対応でき、ＮＯｘの規制値以下の管理ができる。

蓄熱切替式バーナ１９、１９、…は、２次燃焼の混合気の発火温度以上の所定温度を燃焼切替温度として、この燃焼切替温度以上の温度である帯に配置されている場合に２次燃焼する。この２次燃焼は、熱効率を向上させ燃料原単位を低減するために、交番燃焼とすることが好ましい。また、所定温度は、帯１５〜１８の低温部が２次燃焼の混合気の発火温度以上となるように、帯１５〜１８ごとに設定されることが好ましい。これによれば、各帯１５〜１８における２次燃焼において、低温部で燃料の未燃焼が発生することを防止することができる。

一方で、最も装入口１２に近い帯である予熱帯１５は、低温の鋼材１、１、…の装入が頻繁に実施され、装入口１２の扉の開口から低温の外気が侵入し、急激な炉温低下が生じる可能性がある。そのため、予熱帯１５で測定される複数の温度のうちの最低温度を帯の温度とすることが好ましい。これによれば、予熱帯１５の最低温度が燃焼切替温度以上の場合に、予熱帯１５に配置された蓄熱切替式バーナ１９、１９、…が２次燃焼を行う。そのため、予熱帯１５で急激な炉温低下が生じた場合であっても、燃料の未燃焼の発生を防止し、安定した燃焼が可能である。なお、特に最も装入口に近い帯だけでなく、その他の帯に関しても複数の測定される温度のうちの最低温度をその帯の温度としてもよい。

燃焼切替温度未満の帯１５〜１８では、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…は１次燃焼を行う。この１次燃焼は特に限定されず、連続燃焼、交番燃焼のいずれであっても良いが、熱効率を向上させるためには交番燃焼とすることが好ましい。ただし、帯１５〜１８の温度が低く、交番燃焼することで蓄熱切替式バーナ１９、１９、…の蓄熱体を通過した排ガスに硫酸が生成されるときは、硫酸による腐食を防止するために連続燃焼とすることが好ましい。

また、燃焼用空気の酸素濃度は、排ガス・燃焼制御装置３０を用いて１７〜２０％とされる。燃焼用空気の酸素濃度が１７〜２０％であれば、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…へ１次燃焼及び２次燃焼のどちらの燃焼方式であっても燃焼に必要な酸素が供給されることから、安定した燃焼が可能である。なお、この酸素濃度は帯１５〜１８の温度によらない。そのため、帯１５〜１８ごとに酸素濃度を変更する必要がないため、排ガス・燃焼制御装置３０が複雑とならない。さらに、排ガス・燃焼制御装置３０では、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…の蓄熱体を通過した排ガスを用いるため、炉１０の耐久性が損なわれない。

図２は、１対の蓄熱切替式バーナが交番で１次燃焼する状況を示す図である。図２（ａ）は炉上面からの蓄熱切替式バーナの透視図、図２（ｂ）は炉幅方向からの蓄熱切替式バーナの透視図である。なお、図の破線矢印は燃焼用空気の流れを、実線矢印は燃料の流れを示している。１対の蓄熱切替式バーナを１９ａ、１９ｂとする。蓄熱切替式バーナ１９ａは、炉壁４１に支持されており、炉壁４１には配管４３が備えられている。配管４３の一方の端面は炉内に開放された開口部４４となっており、他方の端面は一部を開放された燃焼用空気供給兼排ガス吸引口４５が設けられている。燃焼用空気供給兼排ガス吸引口４５は、図示省略する燃焼用空気配管及び排ガス配管と弁を介して接続されている。配管４３内部には、燃焼用空気供給兼排ガス吸引口４５に隣接して蓄熱体４６が配置されている。また、蓄熱体４６より開口部４４側に、１次燃焼用燃料供給ノズル４７が配管４３内部に向けて設置され、１次燃焼用燃料供給ノズル４７の噴射口付近にはパイロットバーナ４８が取り付けられている。また、炉壁４１には、２次燃焼用燃料供給ノズル４９、４９が噴射口を開口部４４と離し、炉内に向けて配置されている。そして、１次燃焼用燃料供給ノズル４７及び２次燃焼用燃料供給ノズル４９、４９の噴射口の反対側は、図示省略する燃料供給配管と接続されている。なお、蓄熱切替式バーナ１９ｂについても、同様である。

かかる構成により、蓄熱切替式バーナ１９ａが燃焼し、蓄熱切替式バーナ１９ｂは燃焼せずに排ガスを吸引している。蓄熱切替式バーナ１９ａは、弁の操作により燃焼用空気配管（図示省略）から配管４３に燃焼用空気が供給されている。燃焼用空気は蓄熱体４６を通過する時に、蓄熱体４６と熱交換をすることで加熱される。これは、蓄熱体４６は先の交番において炉内の排出ガスを吸引することで、排ガスの熱を蓄熱しているためである。これにより、燃焼用空気は、蓄熱体４６と熱交換することにより加熱されて高温となる。その後、配管４３に１次燃焼用燃料供給ノズル４７から燃料が噴出されることで、燃焼用空気と燃料とが高温の混合気となる。そして、パイロットバーナ４８で着火されて混合気は燃焼し、この燃焼混合気が開口部４４から炉内へ噴出される。このようにして、蓄熱切替式バーナ１９ａは１次燃焼を行う。

一方、蓄熱切替式バーナ１９ｂは、炉内の高温の排ガスを開口部４４から配管４３へ吸引する。この排ガスは、蓄熱体４６を通過するが、この時に蓄熱体４６と熱交換を行うため、蓄熱体４６に排ガスの熱が蓄熱される。蓄熱体４６を通過した排ガスは、弁の操作により燃焼用空気供給兼排ガス吸引口４５から排ガス配管（図示省略）を通って排出される。この状態は、交番時間だけ継続される。交番時間が経過すると蓄熱切替式バーナ１９ａは燃焼を停止して排ガスを吸引し、蓄熱切替式バーナ１９ｂが１次燃焼する。このように、蓄熱切替式バーナ１９ａ、１９ｂは、交番時間ごとに燃焼及び排ガスの吸引を繰り返す。これにより、蓄熱切替式バーナ１９ａ、１９ｂから交互に炉内へ噴射される燃焼ガスで炉内雰囲気は加熱され、帯１５〜１８の温度が上昇する。そして、１次燃焼用燃料供給ノズル４７、４７から供給される燃料を調節することで、帯１５〜１８の温度が調節される。また、交番燃焼は、蓄熱体４６、４６により排ガスの熱を吸熱し、燃焼用空気の加熱に用いることで、連続燃焼に比べて熱効率が向上されている。

なお、蓄熱切替式バーナ１９ａ、１９ｂの対が連続で１次燃焼を行う場合は、図２において、蓄熱切替式バーナ１９ｂも同時に燃焼し、蓄熱切替式バーナ１９ａ、１９ｂの両方が燃焼を連続的に継続する。そのため、蓄熱切替式バーナ１９ａ、１９ｂは排ガスを吸引しないため、蓄熱体４６は蓄熱されず、燃焼用空気が加熱されないことから、交番燃焼に比べ熱効率は低下する。なお、他については、上述した交番での１次燃焼と同様である。

また、蓄熱切替式バーナ１９ａ、１９ｂの対が交番で２次燃焼を行う場合は、図２において、燃料が１次燃焼用燃料供給ノズル４７でなく、２次燃焼用燃料供給ノズル４９から炉内に噴射される。これにより、燃焼用空気と燃料とが炉内で混合し、混合気となる。２次燃焼を行うときは、帯の温度は２次燃焼の混合気の発火温度以上であるため、この混合気は炉内で加熱され、発火温度となることで燃焼する。これにより、帯が加熱される。このように、２次燃焼は排ガスを含む炉内で混合気が燃焼するため、通常より酸素濃度の低い状態で燃焼する。そのため、燃焼温度が抑制されることでＮＯｘの発生を低減させることができる。なお、他については、上述した交番での１次燃焼と同様である。

図３は、炉１０の操業状況を示す図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）には、目標抽出温度の異なる鋼材１、１、…（図１参照）での炉１０（図１参照）の操業状況が示されている。各図は、炉内位置と、帯及び鋼材１、１、…の温度との関係を示している。図の横軸は、炉１０の炉内位置に対応しており、左端が装入口１２であり、予熱帯１５、第一加熱帯１６、第二加熱帯１７及び均熱帯１８を経て、右端が抽出口１３となっている（図１参照）。縦軸は、各帯１５〜１８の温度５１ａ〜５１ｃ及び鋼材１、１、…の材料温度５２ａ〜５２ｃを表している。各帯１５〜１８の温度５１ａ〜５１ｃは、抽出口１３側ほど高く設定されている。これは、一般的な炉の操業形態であり、装入口１２の上方に設けられた煙突２１（図１参照）から高温の排ガスが排出されることを防止することで熱損失が減るため、最も燃料原単位が低減される。そして、各帯１５〜１８の各温度５１ａ〜５１ｃは、鋼材１、１、…が炉内の各位置で求められる温度及び均熱度となり、抽出口１３で設定される目標抽出温度及び目標均熱度になるように調節される。

この帯１５〜１８の温度５１ａ〜５１ｃの調節により、図３（ａ）では、予熱帯１５の温度が、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…（図１参照）の２次燃焼での混合気の発火温度５３より低温となっている。そこで、予熱帯１５に配置された蓄熱切替式バーナ１９、１９、…では、燃料の未燃焼の発生を防止し、炉１０の安定した燃焼を可能とするために、１次燃焼が行われる。この１次燃焼は特に限定されず、連続燃焼、交番燃焼のどちらであっても良いが、熱効率を向上させるためには交番燃焼とすることが好ましい。ただし、予熱帯１５の温度が低く、交番燃焼することで蓄熱切替式バーナ１９、１９、…の蓄熱体４６（図２参照）を通過した排ガスに硫酸が生成されるときは、硫酸による腐食を防止するために連続燃焼とすることが好ましい。

帯１６〜１８では、温度５１ａが、発火温度５３より高温となっている。そのため、帯１６〜１８では、１次燃焼及び２次燃焼が可能である。しかし、低ＮＯｘ化から、発火温度５３以上の所定温度を燃焼切替温度５４として、燃焼切替温度５４以上の帯１６〜１８に配置された蓄熱切替式バーナ１９、１９、…（図１参照）を２次燃焼させる。ここで、燃焼切替温度５４は、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…における２次燃焼の混合気が自然発火する温度以上であれば、特に限定されないが、２次燃焼による燃料の未燃焼の発生防止から、帯の低温部が２次燃焼の混合気の発火温度以上となるように設定することが好ましい。

図３（ｂ）では、図３（ａ）より目標抽出温度の高い鋼材１、１、…（図１参照）が加熱されている。そのため、各帯１５〜１８の温度５１ｂが、５１ａより高く設定されている。これにより、予熱帯１５の温度が、燃焼切替温度５４より高くなっている。この予熱帯１５の温度は、予熱帯１５で測定した複数の温度の平均などによる代表温度が用いられている。特に予熱帯１５では、装入口１２からの低温の加熱対象材の装入が頻繁に実施され、装入口１２の扉の開口から低温の外気が侵入し、急激な炉温低下が生じる可能性が高い。そのため、予熱帯１５で測定される最低温度５５が、燃焼切替温度５４以上の温度で、予熱帯１５に配置された蓄熱切替式バーナ１９、１９、…（図１参照）を２次燃焼させる。これにより、燃料の未燃焼が発生し易い最も装入口に近い帯である予熱帯１５であっても、燃料の未燃焼の発生を防止し、安定した燃焼をさせることが可能である。したがって、図３（ｂ）では、予熱帯１５に配置された蓄熱切替式バーナ１９、１９、…は２次燃焼を行う。帯１６〜１８では、図３（ａ）と同様に、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…は２次燃焼を行う。

図３（ｃ）では、図３（ａ）より目標抽出温度の低い鋼材１、１、…（図１参照）が加熱されている。そのため、各帯１５〜１８の温度５１ｃが、５１ａより低くなっている。これにより、第一加熱帯１６の温度が、燃焼切替温度５４より低くなっている。そのため、第一加熱帯１６に配置された蓄熱切替式バーナ１９、１９、…（図１参照）を１次燃焼させる。帯１５、１７、１８に配置された蓄熱切替式バーナ１９、１９、…の燃焼については、図３（ａ）と同様である。

図４は、図３（ａ）の操業状況における炉内位置と、燃焼用空気の酸素濃度との関係を示す図である。横軸は、図３（ａ）と同様である。縦軸は、燃焼用空気の酸素濃度である。これにより、図３（ａ）の操業における、混合気の安定燃焼領域５６が示されている。予熱帯１５は１次燃焼し、帯１６〜１８は２次燃焼している。各帯１５〜１８の温度は、装入口１２側が低温とされている。図４のとおり、燃焼用空気の酸素濃度が１７〜２０％が、蓄熱切替式バーナ１９、１９、…（図１参照）の燃焼方式及び帯１５〜１８の温度に関わらず安定した燃焼が可能である共通安定燃焼領域５７となっている。これにより、排ガス・燃焼制御装置３０（図１参照）により燃焼用空気の酸素濃度を１７〜２０％とすることで、炉１０（図１参照）の操業状況に関わらず安定した燃焼が可能である。また、各帯１５〜１８で同一の燃焼用空気を使用することができるため、排ガス・燃焼制御装置３０が複雑とならない。

炉温を８５０℃、空気比を１．１０とし、排ガス・燃焼制御装置により燃焼用空気の酸素濃度を変更し、また蓄熱切替式バーナの燃焼方式を変更して連続式加熱炉を操業し、ＮＯｘの発生量を測定した。炉のすべての蓄熱切替式バーナについて、排ガス循環をしない酸素濃度が約２１％の大気（以下「排ガス循環率０％」という。）と、排ガス循環をして酸素濃度を１８％とした燃焼用空気とを供給した。また、すべての蓄熱切替式バーナの燃焼方式を同じにし、交番燃焼での１次燃焼と２次燃焼とを実施した。なお、排ガス中のＮＯｘ濃度は、１１％Ｏ_２換算の数値とした。これは、排ガスを酸素濃度１１％まで稀釈したと考えた場合の数値であり、次の計算式により求められる。
１１％Ｏ_２換算ＮＯｘ＝ＮＯｘ実測値×｛（２１−１１）/（２１−実測Ｏ_２濃度％）｝

図５に測定結果を示す。図５のとおり、（ａ）の排ガス循環率０％、１次燃焼での１１％Ｏ_２換算ＮＯｘを１００とすると、（ｂ）の排ガス循環率０％、２次燃焼では、１１％Ｏ_２換算ＮＯｘは７０以下であった。これにより、２次燃焼でＮＯｘの発生が抑制できることが確認できた。（ｃ）の排ガス循環による酸素濃度１８％、１次燃焼では、１１％Ｏ_２換算ＮＯｘは８０以下であった。これにより、排ガス循環でＮＯｘの発生が抑制できることが確認できた。（ｄ）の排ガス循環による酸素濃度１８％、２次燃焼では、１１％Ｏ_２換算ＮＯｘは５０以下であった。これにより、２次燃焼及び排ガス循環により、ＮＯｘの発生が大きく抑制できることが確認できた。なお、この（ａ）〜（ｄ）の値を用いて、例えば図３（ａ）の燃焼構成によるＮＯｘに関しては、燃焼用空気の酸素濃度が１８％であれば、次の式により概略試算をすることができる。
炉の１１％Ｏ_２換算ＮＯｘ発生量
＝（ｃ）×予熱帯１５の燃焼量割合＋（ｄ）×第一加熱帯１６の燃焼量割合＋（ｄ）×第二加熱帯１７の燃焼量割合＋（ｄ）×均熱帯１８の燃焼量割合
ここで、（ａ）〜（ｄ）は、図５における（ａ）〜（ｄ）の１１％Ｏ_２換算ＮＯｘの値である。

なお、上記実施形態では、バーナがすべて蓄熱切替式バーナである炉を操業する場合を示した。しかし、本発明はこれに限定されず、それぞれの帯が１対以上の蓄熱切替式バーナを備えることで、本発明の適用が可能である。また、蓄熱切替式バーナ、及び排ガス・燃焼制御装置の構成は一例であって上記実施形態に限定されず、同様の効果を得ることができる他の構成とすることが可能である。さらに、上記実施形態では、被加熱物を鋼材として説明したが、本発明は、アルミニウムなどの他の材料にも適用可能である。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う連続式加熱炉の操業方法及び連続式加熱炉もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

連続式加熱炉の炉長方向の内部を模式図に示す図である。 蓄熱切替式バーナの対による交番での１次燃焼の状態を示す図である。 炉の操業状況を示す図である。 炉内位置と、燃焼用空気の酸素濃度との関係を示す図である。 本発明の実施例におけるＮＯｘの発生量を測定した結果を示す図である。

符号の説明

１ 鋼材
１０ 連続式加熱炉
１５ 予熱帯
１６ 第一加熱帯
１７ 第二加熱帯
１８ 均熱帯
１９、１９ａ、１９ｂ 蓄熱切替式バーナ
３０ 排ガス・燃焼制御装置
４６ 蓄熱体
５７ 共通安定燃焼領域

Claims (3)

1. 独立して炉温の設定が可能な複数の帯と、それぞれの前記帯に対で配置される蓄熱式バーナと、前記蓄熱式バーナの蓄熱体を通過した炉内排ガスを燃焼用空気へ混合する排ガス・燃焼制御装置とを備える連続式加熱炉の操業方法であって、
   前記蓄熱式バーナは、燃料と前記燃焼用空気とをバーナ内部で混合した混合気を点火装置により着火して炉内へ噴射する１次燃焼、及び前記燃料と前記燃焼用空気を別々に炉内へ噴射して混合した混合気を自然発火させる２次燃焼の手段を有し、前記２次燃焼の前記混合気が自然発火する温度以上の所定温度を燃焼切替温度として、前記蓄熱式バーナが配置された帯の温度が前記燃焼切替温度未満の温度である場合には該蓄熱式バーナを前記１次燃焼させ、前記蓄熱式バーナが配置された帯の温度が前記燃焼切替温度以上の温度である場合には該蓄熱式バーナを前記２次燃焼させるように燃焼方式を変更し、
   前記１次燃焼及び前記２次燃焼のどちらの燃焼方式であっても、前記帯の炉内温度がどのような温度域であっても、前記排ガス・燃焼制御装置を用いて前記燃焼用空気の酸素濃度を体積比で１７〜２０％とすることを特徴とする連続式加熱炉の操業方法。
2. 前記連続式加熱炉の最も装入口に近い前記帯に関し、複数の測定される温度のうちの最低温度を前記帯の温度とすることを特徴とする請求項１に記載の連続式加熱炉の操業方法。
3. 独立して炉温の設定が可能な複数の帯と、
   それぞれの前記帯に対で配置され、燃料と燃焼用空気とをバーナ内部で混合した混合気を点火装置により着火して炉内へ噴射する１次燃焼、及び前記燃料と前記燃焼用空気を別々に炉内へ噴射して混合した混合気を自然発火させる２次燃焼の手段を有する蓄熱式バーナと、
   前記蓄熱式バーナの蓄熱体を通過した炉内排ガスを前記燃焼用空気へ混合し、前記１次燃焼及び前記２次燃焼のどちらの燃焼方式であっても、前記帯の炉内温度がどのような温度域であっても、前記燃焼用空気の酸素濃度を体積比で１７〜２０％とする排ガス・燃焼制御装置とを備え、
   前記蓄熱式バーナは、前記２次燃焼の前記混合気が自然発火する温度以上の所定温度を燃焼切替温度として、前記蓄熱式バーナが配置された帯の温度が前記燃焼切替温度未満の温度である場合には該蓄熱式バーナを前記１次燃焼させ、前記蓄熱式バーナが配置された帯の温度が前記燃焼切替温度以上の温度である場合には該蓄熱式バーナを前記２次燃焼させるように燃焼方式を変更することを特徴とする連続式加熱炉。

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