JP5231865B2

JP5231865B2 - 加熱炉用の燃焼装置

Info

Publication number: JP5231865B2
Application number: JP2008132227A
Authority: JP
Inventors: 誠平野
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: JP2009281615A

Description

本発明は、炉内で火炎を形成するようにガス燃料と燃焼用空気を噴出するバーナと、
炉内から排出された燃焼排ガスにより前記バーナに供給される燃焼用空気を予熱する空気予熱手段とが設けられた加熱炉用の燃焼装置に関する。

かかる加熱炉用の燃焼装置（以下、単に燃焼装置と称する場合がある）は、バーナにより炉内で火炎を形成するようにガス燃料と燃焼用空気とを噴出して、炉内の加熱対象物を加熱するものであり、空気予熱手段により、炉内から排出された燃焼排ガスにてバーナに供給される燃焼用空気を予熱することにより、省エネルギの程度を示す省エネ率を向上するように構成されている（例えば、非特許文献１参照。）。
つまり、炉内から排出された燃焼排ガスから排熱を回収してバーナに供給される燃焼用空気を予熱することにより、炉内を所望の温度に加熱するためにバーナに供給するガス燃料の供給量を低減するようにして、省エネ率の向上を図っている。

日本バーナ研究会編、「ガス燃焼装置取扱いの実際」、日刊工業新聞社、昭和６０年３月２５日、初版、Ｐ１５８、１５９

ところで、加熱炉においては、炉内温度の一層の高温化、及び、省エネ率の更なる向上が望まれる場合がある。
ちなみに、省エネ率は、燃焼用空気の温度、及び、炉内から排出される燃焼排ガスの温度に基づいて、下記の式１により求められる。

省エネ率＝[１−（９７００−１２．８７×燃焼排ガス温度×燃焼排ガス比熱）÷（９７００＋１１．７７×燃焼用空気温度×空気比熱−１２．８７×燃焼排ガス温度×燃焼排ガス比熱）]×１００……………(式１)
但し、燃焼排ガス比熱は、燃焼排ガスの温度に応じて設定され、空気比熱は空気の温度に応じて設定される。

図４に、上記の式１に基づいて省エネ率を求めた結果を示す。
例えば、燃焼排ガスの温度（炉内温度）を１５５０°Ｃとすると、燃焼用空気温度が３００°Ｃの場合、省エネ率は約３５％であり、燃焼用空気温度が５００°Ｃの場合、省エネ率は約５０％である。ちなみに、省エネ率が３５％であるということは、燃焼用空気温度が０°Ｃの場合に比べてバーナへのガス燃料の供給量を３５％低減できることを意味する。

従って、従来の燃焼装置では、炉内温度の高温化及び省エネ率の高率化を図るには、炉内から排出された燃焼排ガスにて燃焼用空気を予熱する予熱温度を高温化することになる。
しかしながら、燃焼用空気の予熱温度を高くするには、空気予熱手段の耐熱温度を高くする必要があるので、高価な高耐熱性金属を用いて空気予熱手段を構成する必要があり、しかも、高耐熱性金属を用いて空気予熱手段を構成しても高耐熱性金属の耐熱性にも限度があって燃焼用空気の予熱温度を高くするのに限度があるので、燃焼用空気の予熱温度を更に高温化するにはセラミック等を用いて空気予熱手段を構成する必要があり、従来の燃焼装置では、燃焼用空気の予熱温度を高くして炉内温度の高温化及び省エネ率の高率化を図るには、燃焼装置の価格が高くなるという問題があった。

又、従来の燃焼装置では、燃焼用空気の予熱温度を高くしても、バーナから噴出されるガス燃料を燃焼させるために必要とする燃焼用空気の量は変わらないので、バーナにて形成される火炎の温度を高温化し難いものであり、従来の燃焼装置では、この点からも、炉内温度の高温化並びに省エネ率の高率化を図り難いものであった。
ちなみに、燃焼用空気の予熱温度を３００°Ｃに設定すると、火炎の温度は１６００°Ｃ程度であり、その場合、炉内温度は１４００°Ｃ程度にしかならず、燃焼用空気の予熱温度を５００°Ｃに設定しても、火炎の温度は１６１５°Ｃ程度であり、その場合、炉内温度は１４１５°Ｃ程度にしかならないものであった。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置の高価格化を抑制しながら、炉内温度の高温化及び省エネ率の高率化を図り得る加熱炉用の燃焼装置を提供することにある。

本発明の加熱炉用の燃焼装置は、炉内で火炎を形成するようにガス燃料と燃焼用空気を噴出するバーナと、
前記炉内から排出された燃焼排ガスにより前記バーナに供給される燃焼用空気を予熱する空気予熱手段とが設けられたものであって、
第１特徴構成は、富酸素ガスを前記バーナから噴出される前記ガス燃料の燃焼用として前記炉内に供給する富酸素ガス供給部が設けられ、
炉体の上下方向に沿う側壁部に、前記バーナは、前記ガス燃料の噴出方向を略水平方向に向けた状態で設けられるとともに、前記富酸素ガス供給部は、前記富酸素ガスの噴出方向を前記ガス燃料の噴出方向と交差させるように斜め上向きに向けた状態で設けられ、
前記炉体の天井部に、前記燃焼排ガスを排出する排出口が設けられ、
前記富酸素ガス供給部は、前記側壁部において前記バーナの設置箇所の下方に独立して設けられるとともに、
前記空気予熱手段が、前記排出口に接続された燃焼排ガス路に設けられている点にある。

即ち、富酸素ガス供給部により、富酸素ガスがバーナから噴出されるガス燃料の燃焼用として炉内に供給されるので、バーナから噴出されるガス燃料は、そのバーナから噴出される燃焼用空気中の酸素ガスと富酸素ガス供給部から供給される富酸素ガス中の酸素ガスとにより燃焼する。
ちなみに、富酸素ガスとしては、純酸素ガス、又は、酸素濃度が例えば９０％以上の高酸素濃度ガスを用いることが好ましいものである。

そして、バーナから噴出されるガス燃料を完全燃焼させるための酸素ガスを、そのバーナから噴出される燃焼用空気中の酸素ガスと富酸素ガス供給部から供給される富酸素ガス中の酸素ガスとにより賄うので、バーナから噴出されるガス燃料を完全燃焼させるためにバーナから供給する燃焼用空気の量及び富酸素供給手段から供給する富酸素ガスの量を合わせた量を、バーナから噴出されるガス燃料を燃焼用空気中の酸素のみにて燃焼させる場合にバーナから噴出されるガス燃料を完全燃焼させるためにバーナから供給する燃焼用空気の量よりも少なくすることができることになって、火炎の温度を高くすることができるようになり、燃焼用空気の予熱温度を高くすることなく、炉内温度を高くすることができる。
又、バーナから噴出されるガス燃料を燃焼用空気中の酸素と富酸素ガス中の酸素とにより燃焼させることにより、バーナから噴出されるガス燃料を燃焼用空気中の酸素のみにて燃焼させる場合に比べて、燃焼排ガスの量を少なくすることができるので、その燃焼排ガスにより廃棄される熱量を少なくすることができるようになり、その結果、省エネ率を向上することができるものとなる。
要するに、空気予熱手段の耐熱温度を高くすることなく、バーナから噴出されるガス燃料を燃焼用空気のみにて燃焼させる場合に比べて、炉内温度を高くすることができ、又、省エネ率を向上することができるようになった。

ちなみに、炉内温度の高温化及び省エネ率の高率化を図るために、空気予熱手段に供給される前の空気に富酸素ガスを供給する場合や、空気予熱手段にて予熱された後の空気に
富酸素ガスを供給する場合が想定されるが、前者の場合は、酸素濃度が富化された空気が空気予熱手段に供給されて高温に加熱されることになり、又、後者の場合は、空気予熱手段にて加熱された高温の空気に富酸素ガスが供給されることになるので、いずれの場合も安全上好ましくないものである。
従って、装置の高価格化を抑制しながら、炉内温度の高温化及び省エネ率の高率化を図り得る加熱炉用の燃焼装置を提供することができるようになった。
また、本発明の加熱炉用の燃焼装置に係る更なる特徴構成は、
前記バーナへの前記燃焼用空気の供給量を調整する空気調節ダンパと、
前記富酸素ガス供給部への前記富酸素ガスの供給量を調整する酸素調節弁とが設けられ、
前記燃焼用空気と前記富酸素ガスとが混合した気体における酸素濃度が酸素富化目標濃度となり、且つ、前記燃焼用空気及び前記富酸素ガスに含まれる酸素量が前記バーナから噴出された前記ガス燃料を完全燃焼させるのに必要な理論酸素量に対して酸素量が過剰となるように前記燃焼用空気及び前記富酸素ガスの供給量を演算し、前記空気調節ダンパ及び前記酸素調節弁の作動を制御する運転制御部が設けられている点にある。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
図１に示すように、加熱炉用の燃焼装置（以下、単に燃焼装置と称する場合がある）は、炉内１で火炎を形成するようにガス燃料と燃焼用空気を噴出するバーナＢと、炉内１から排出された燃焼排ガスによりバーナＢに供給される燃焼用空気を予熱する空気予熱手段としての空気予熱用熱交換器２と、バーナＢに空気供給路３を通して燃焼用空気を供給する燃焼用送風機４と、富酸素ガスとして純酸素ガスをバーナＢから噴出されるガス燃料の燃焼用として炉内１に供給する富酸素ガス供給部Ｓとしての富酸素ガス噴出筒５と、この燃焼装置の運転を制御する運転制御部６等を備えて構成されている。

前記バーナＢは、炉体７の上下方向に沿う側壁部に、火炎Ｆを略水平方向の横方向に形成するように設けられ、前記富酸素ガス噴出筒５は、炉体７の側壁部におけるバーナ設置箇所の下方に相当する箇所に、バーナＢにより形成される火炎Ｆに向けて炉内１に純酸素ガスを噴出するように設けられている。

図２及び図３に基づいて、前記バーナＢについて説明を加えると、このバーナＢは、両端が開口した円筒状のバーナタイル２１の後端に、先端に鍔部を備え且つ内径がバーナタイル２１の内径よりも小径の燃焼筒２２を接続し、その燃焼筒２２の内部に、燃料噴出管２３をその先端を燃焼筒２２の先端と略同位置に位置させた状態で燃焼筒２２と同心状に設けて構成されている。
前記燃焼筒２２の後端は閉塞され、その燃焼筒２２の側周部には、燃焼筒２２内に燃焼用空気を供給する空気供給口２４が設けられている。
前記燃料噴出管２３の先端には、ガス燃料を噴出する燃料噴出孔２３ｎが設けられ、その燃料噴出管２３が、その後端部を燃焼筒２２の後端から突出させた状態で燃焼筒２２の内部に設けられている。
そして、上述のように構成されたバーナＢが、燃料噴出管２３からのガス燃料Ｇの噴出方向を略水平方向に向けて、炉体７の側壁部に形成されたバーナ取付用開口部７ｂにバーナタイル２１を内嵌した状態で設けられている。

炉体７の側壁部における前記バーナ取付用開口部７ｂの下方に、燃料噴出管挿通孔７ｏが形成され、その燃料噴出管挿通孔７ｏに、前記富酸素ガス噴出筒５が、その純酸素ガスＯの噴出方向をバーナＢの燃料噴出管２３からのガス燃料噴出方向と交差させるように斜め上向きに向けた状態で挿通されている。

図１に示すように、バーナＢの燃料噴出管２３の後端には、都市ガス（例えば１３Ａ）等のガス燃料を供給する燃料供給路８が接続され、その燃料供給路８には、バーナＢへのガス燃料の供給を断続する燃料断続弁９、及び、バーナＢへのガス燃料の供給量を調節する燃料調節弁１０が設けられ、バーナＢの燃焼筒２２の空気供給口２４に前記空気供給路３が接続され、その空気供給路３には、バーナＢへの燃焼用空気の供給量を調整する空気調節ダンパ１１が設けられている。
又、富酸素ガス噴出筒５の後端には、タンク等の純酸素ガス供給源１２から純酸素ガスを供給する純酸素供給路１３が接続され、その純酸素供給路１３には富酸素ガス噴出筒５への純酸素ガスの供給を断続する酸素断続弁１４、及び、富酸素ガス噴出筒５への純酸素ガスの供給量を調節する酸素調節弁１５が設けられている。

炉体７の天井部には、炉内１から燃焼排ガスを排出する排気口１６が設けられ、その排気口１６に、燃焼排ガス路１７が接続されて、前記空気予熱用熱交換器２は、燃焼排ガス路１７を通流する燃焼排ガスと前記空気供給路３を通流する燃焼用空気とを熱交換させて、その燃焼用空気を予熱するように設けられている。
そして、空気予熱用熱交換器２にて燃焼排ガスにより予熱された燃焼用空気が、空気供給路３を通してバーナＢの燃焼筒２２内に供給されて、その燃焼筒２２の先端から炉内１に吐出されるように構成されている。

又、排気口１６には、その排気口１６を通して排出される燃焼排ガスの温度を前記炉内１の温度として検出する炉内温度センサ１８が設けられている。

次に、図１及び図２に基づいて、上述のように構成した燃焼装置によるガス燃料の燃焼形態について、説明を加える。
つまり、この燃焼装置は、バーナＢにより、炉内１で火炎を形成するようにガス燃料と燃焼用空気とを噴出し、空気予熱用熱交換器２により、炉内１から排出された燃焼排ガスによりバーナＢに供給される燃焼用空気を予熱し、富酸素ガス噴出筒５により、富酸素ガスをバーナＢから噴出されるガス燃料の燃焼用として炉内１に供給する運転方法にて運転される。

上記の運転方法によれば、以下のようにガス燃料が燃焼する。
即ち、燃料噴出管２３の先端の燃料噴出孔２３ｎから噴出されたガス燃料Ｇと燃焼筒２２の先端から吐出された燃焼用空気Ａとは、バーナタイル２１内を混合しつつ通流して略水平方向に向けて炉内１に噴出され、そのガス燃料Ｇと燃焼用空気Ａとの混合ガスの噴出方向に交差するように、富酸素ガス噴出筒５から純酸素ガスＯが斜め上向きに噴出されて、バーナＢから噴出されるガス燃料ＧがそのバーナＢから噴出される燃焼用空気Ａ中の酸素ガスと富酸素ガス噴出筒５から噴出される純酸素ガスＯとにより炉内１で燃焼して炉内１に横方向に向けて火炎Ｆが形成される。

バーナＢから噴出される燃焼用空気の量及び富酸素ガス噴出筒５から噴出される純酸素ガスの量の夫々は、バーナＢから噴出された燃焼用空気と富酸素ガス噴出筒５から噴出された純酸素ガスとが混合した気体（以下、酸素富化燃焼用空気と称する場合がある）における酸素濃度が酸素富化目標濃度となり、且つ、その酸素富化燃焼用空気中の酸素量がバーナＢから噴出されたガス燃料を完全燃焼させるのに必要な理論酸素量に対して目標酸素過剰率過剰となるように調節される。
ちなみに、前記酸素富化目標濃度は、２２〜２５％の範囲、例えば２５％に設定され、目標酸素過剰率は、例えば理論酸素量の１．１倍に設定される。

そして、空気予熱用熱交換器２による燃焼用空気の予熱温度を３００°Ｃに設定し、酸素富化目標濃度を２５％に設定すると、火炎温度を１７５０°Ｃ以上にすることができて、炉内１を１５５０°Ｃ程度に加熱することができ、この場合の省エネ率を約５０％にすることができて、炉内温度の高温化及び省エネ率の高率化を図ることができる。

次に、前記運転制御部６の制御動作について説明を加える。
運転制御部６は、運転スイッチ（図示省略）により運転開始が指令されると、点火プラグ（図示省略）を作動させ、前記燃焼用送風機４を作動させ、燃料断続弁９及び酸素断続弁１４を開弁し、バーナＢへのガス燃料の供給量が起動用の設定燃料量になるように燃料調節弁１０の作動を制御し、並びに、その起動用の設定燃料量に基づいて、酸素富化燃焼用空気の酸素濃度が酸素富化目標濃度となり且つその酸素富化燃焼用空気中の酸素量が理論酸素量に対して目標酸素過剰率過剰となるように燃焼用空気及び純酸素ガス夫々の供給量を演算して、バーナＢへの燃焼用空気及び純酸素ガス夫々の供給量が夫々について演算した供給量となるように空気調節ダンパ１１及び酸素調節弁１５夫々の作動を制御する。

そして、運転制御部６は、燃焼装置の運転中は、前記炉内温度センサ１８の検出温度が目標加熱温度になるようにガス燃料の供給量を調節すべく燃料調節弁１０の作動を制御し、並びに、そのように調節するガス燃料の供給量に基づいて、酸素富化燃焼用空気の酸素濃度が酸素富化目標濃度となり且つその酸素富化燃焼用空気中の酸素量が理論酸素量に対して目標酸素過剰率過剰となるように燃焼用空気及び純酸素ガス夫々の供給量を演算して、バーナＢへの燃焼用空気及び純酸素ガス夫々の供給量が夫々について演算した供給量となるように空気調節ダンパ１１及び酸素調節弁１５夫々の作動を制御する。
ちなみに、上記の燃焼用空気及び純酸素ガス夫々の供給量の演算は、空気中の酸素濃度を例えば２１％に設定して行われる。

又、運転制御部６は、前記運転スイッチにより運転停止が指令されると、燃料断続弁９を閉弁してバーナＢを消火し、並びに、酸素断続弁１４を閉弁して純酸素ガスの供給を停止し、その後、炉内温度センサ１８の検出温度が運転停止用の設定温度にまで低下すると、燃焼用送風機４を停止させて、燃焼装置の運転を停止する。

〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
（イ）富酸素ガス供給部Ｓにより供給する富酸素ガスとしては、上記の実施形態において例示した如き純酸素ガスに限定されるものではなく、酸素濃度が例えば９０％以上の高酸素濃度ガスを用いることができる。
ちなみに、高酸素濃度ガスとしては、ＰＳＡ（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式等により酸素を富化した空気を用いることができる。ちなみに、ＰＳＡ方式によれば、酸素濃度を９７％程度にまで富化することができる。

（ロ）加熱炉に対するバーナＢと富酸素ガス供給部Ｓとの組の設置数は、加熱炉の仕様や大きさ等に応じて設定することができる。例えば、加熱対象物を炉内１を移動させながら加熱する場合、その加熱対象物の移動方向に沿って、バーナＢと富酸素ガス供給部Ｓとの組を複数設けることができる。

加熱炉用の燃焼装置の全体構成を示すブロック図加熱炉用の燃焼装置を設けた加熱炉の要部の縦断面図加熱炉用の燃焼装置を設けた加熱炉の要部の炉内側から見た図省エネ率と燃焼用空気温度及び燃焼排ガス温度との関係を示す図

符号の説明

１炉内
２空気予熱手段
６運転制御部
１１空気量調節ダンパ
１５酸素調整弁
１６排気口
Ｂバーナ
Ｆ火炎
Ｓ富酸素ガス供給部

Claims

炉内で火炎を形成するようにガス燃料と燃焼用空気を噴出するバーナと、
前記炉内から排出された燃焼排ガスにより前記バーナに供給される燃焼用空気を予熱する空気予熱手段とが設けられた加熱炉用の燃焼装置であって、
富酸素ガスを前記バーナから噴出される前記ガス燃料の燃焼用として前記炉内に供給する富酸素ガス供給部が設けられ、
炉体の上下方向に沿う側壁部に、前記バーナは、前記ガス燃料の噴出方向を略水平方向に向けた状態で設けられるとともに、前記富酸素ガス供給部は、前記富酸素ガスの噴出方向を前記ガス燃料の噴出方向と交差させるように斜め上向きに向けた状態で設けられ、
前記炉体の天井部に、前記燃焼排ガスを排出する排出口が設けられ、
前記富酸素ガス供給部は、前記側壁部において前記バーナの設置箇所の下方に独立して設けられるとともに、
前記空気予熱手段が、前記排出口に接続された燃焼排ガス路に設けられている加熱炉用の燃焼装置。
前記バーナへの前記燃焼用空気の供給量を調整する空気調節ダンパと、
前記富酸素ガス供給部への前記富酸素ガスの供給量を調整する酸素調節弁とが設けられ、
前記燃焼用空気と前記富酸素ガスとが混合した気体における酸素濃度が酸素富化目標濃度となり、且つ、前記燃焼用空気及び前記富酸素ガスに含まれる酸素量が前記バーナから噴出された前記ガス燃料を完全燃焼させるのに必要な理論酸素量に対して酸素量が過剰となるように前記燃焼用空気及び前記富酸素ガスの供給量を演算し、前記空気調節ダンパ及び前記酸素調節弁の作動を制御する運転制御部が設けられている請求項１記載の加熱炉用の燃焼装置。