JP5636435B2 - 製鋼施設用バーナー装置 - Google Patents

Description

本発明は製鋼施設用バーナー装置に関する。本発明は特に、蓄熱式又は伝熱式発熱器の外部バーナー装置に関する。蓄熱式発熱器は例えば、溶鉱炉の熱風炉であって良い。

溶鉱炉用空気の予熱は通常、隣接する、熱風炉として知られる蓄熱式発熱器にて行われる。斯かる予熱炉は一般に燃焼室と保熱シャフトから成る。内燃室炉の場合、燃焼室と保熱シャフトは耐火煉瓦構成の壁によって互いに隔てられている。バーナー装置は一般に燃焼室の底部に設置される。燃焼用空気と、可燃性燃料、一般には可燃性ガスがバーナー装置に送られ、燃焼用空気と燃料の混合物が炉の燃焼室で燃焼される。燃焼の発する煙道ガスは燃焼室内で上昇し、ドームを介して迂回され、次いでチェッカー煉瓦の充填された保熱シャフトを通過する。煙道ガスの熱はチェッカー煉瓦によって吸収される。そこで低温となった煙道ガスは炉から、排気ガス室及び少なくとも１つの排出口を通って排出される。

一旦チェッカー煉瓦が十分な温度に加熱されると、燃焼用空気と燃料の供給が中断され、炉を通して空気が逆方向に送風される。空気は高温チェッカー煉瓦含有保熱シャットを通過するとき加熱され、ドームを介して燃焼室へと迂回され、そこで空気は炉シェルの熱風排出口を通して熱風炉を離れ、溶鉱炉に送られる。

一般に、バーナー装置は熱風炉内、即ちその燃焼室の底部に配置されたセラミックバーナーを備える。また、炉シェルの外側に設置された外部バーナー装置を設けることもできる。

内部セラミックバーナーの代わりに、斯かる外部バーナーを１つ又は複数用いることができる。或いはまた、内部セラミックバーナーと共に用いられる場合、斯かる外部バーナーを付加バーナーとして用いることもできる。

斯かる外部バーナーの１つの利点は、例えば保守又は調整目的のために、それ等は容易にアクセスが可能なことである。実際、異なる温度又は種々の煙道ガス組成の実現のため、バーナー装置を調整することは有利であろう。これは、炉が実験目的に用いられる場合、特に興味あるところである。

従って、本発明の目的は、製鋼施設用、特に蓄熱式又は伝熱式発熱器に関連して用いられる改良されたバーナー装置を提供することにある。この目的は請求項１に記載のようなバーナー装置によって達成される。

この目的を達成するため、本発明は製鋼施設用、特に蓄熱式又は伝熱式発熱器に関連して用いられるバーナー装置であって、混合部と、可燃性燃料を混合部に供給するための複数の燃料供給路と、燃焼用空気を混合部に供給するための複数の空気供給路を含むバーナー装置を提案する。該バーナー装置は、燃料供給路と空気供給路が円周方向で交互して成る環状供給機構を持つ一次バーナーと、環状供給機構を貫通する中央流路と、バーナー装置の中央流路に配置された二次バーナーとを備え、中央流路が環状供給機構と同軸になるようにする。

一次バーナーは、通常のバーナーと概して同様に動作するように寸法化した主バーナーと考えて良い。二次バーナーは例えば、一次バーナーのオン切り換え前にバーナー装置を加熱する、又は一次バーナーの燃焼を助ける、等の付加的タスクを行うための補助バーナーと考えて良い。実際、二次バーナーは、一次バーナーからの過剰な可燃性燃料又は燃焼用空気を使い尽くし、それによってバーナー装置を出る煙道ガスの組成を改変するポスト（後）燃焼バーナーとして使うことができる。通常のバーナー装置では、一種類の可燃性燃料と一種類の燃焼用空気しか一度に用い得ないが一方、煙道ガス組成の調整は困難なことがある。異なる種類の可燃性燃料又は燃焼用空気の混合は、それをバーナー装置に供給する前に行うことはできる。だが、これは一般に厄介なことであり、危険なこともある。本発明は二次バーナーを用いることによって、異なる種類の可燃性燃料又は燃焼用空気をバーナー装置内で混合できるようにする；即ち、２つの異なる種類の可燃性燃料又は燃焼用空気を混合部に供給できるようにし、それにより燃焼条件及び煙道ガス温度及び／又は組成を改変できるようにする。従って、本発明によるバーナー装置は動作モードに関して従来のバーナー装置より遥かに柔軟性に富むものとなる。

本バーナー装置はまた、それが連結される製鋼施設に特定組成の煙霧を直接供給するのに用いることができる。

空気供給路を酸素供給路とも呼べることに注目すべきである。実際、燃焼用空気の代わりに酸素Ｏ_２を、空気供給路を通して混合部に送ることができる。

本発明によれば、バーナー装置は更に可燃性燃料又は燃焼用空気を混合部に送るための補助供給路を備え、該補助供給路は断面積が燃料供給路及び又は空気供給路の断面積より小さいものとする。

好ましくは、補助供給路は可燃性燃料を混合部に送る補助燃料供給路からなり、該補助燃料供給路は断面積が一次バーナーの燃料供給路の断面積より小さいものとする。同様に、補助供給路は更に燃焼用空気を混合部に送る補助空気供給路からなっていて良く、この場合、該補助空気供給路は断面積が一次バーナーの空気供給路の断面積より小さいものとする。両補助燃料供給路及び補助空気供給路は従って、好ましくは低流量流路であるのに対して、燃料供給路及び空気供給路は好ましくは高流量流路である。

補助供給路は可燃性燃料及び／又は燃焼用空気を混合部に供給でき、それによって一次バーナーの燃焼条件を改変することができる。

付加的可燃性燃料又は燃焼用空気は主燃料及び空気供給路を通して供給されるものと同種のものでも良く、それによって一次バーナーの燃焼条件を調整することができる。だが、好ましくは、付加的可燃性燃料又は燃焼用空気は主燃料及び空気供給路を通して供給されるものとは異なるものとし、それによって煙道ガスの組成を改変するようにする。また、付加的可燃性燃料又は燃焼用空気は一次バーナーに、非化学量論的混合物を提供し、それによって一次バーナーでは部分的に燃焼するようにして良い。その場合、混合物の燃焼完了に二次バーナーが用いられる。
補助供給路は従って、バーナー装置に柔軟性を付与する。

燃料供給路を通して供給される可燃性燃料は溶鉱炉ガスで良く、及び／又は、空気供給路を通して供給される燃焼用空気は空気又は低カロリーガスで良い。

補助燃料供給路を通して供給される可燃性燃料は天然ガス又はコークス炉ガス等の高カロリーガスで良く、及び／又は、補助空気供給路を通して供給される燃焼用空気は酸素で良い。

二次バーナーは好ましくは、空気フィードライン及び燃料フィードラインからなり、それによって二次バーナーを一次バーナーと独立して用いることができるようにする。空気及び燃料フィードラインの一方のみを二次バーナーに設けることも除外されないと云うことに言及されるべきである。実際、二次バーナーは空気又は燃料を一次バーナーからの煙道ガスから受容するポスト（後）燃焼バーナーとして用いることができる。

二次バーナーは使用される燃料に応じて、任意の適宜の型のもので良い。斯かる燃料は油、コークス炉ガス、溶鉱炉ガス又は天然ガスから成る１例としてのリストから選ぶことができる。

本発明の一実施態様によれば、補助燃料供給路及び／又は補助空気供給路はバーナー装置の周壁を貫通する。バーナー装置の外壁の周りに複数の環状供給室を配置し、可燃性燃料又は燃焼用空気を補助燃料供給路及び補助空気供給路に供給するように配置して良い。

本発明のもう一つの実施態様によれば、補助燃料供給路及び／又は補助空気供給路はバーナー装置の後部壁を貫通し、補助燃料供給路及び／又は補助空気供給路はバーナー装置の軸に平行に配置される。補助燃料供給路及び／又は補助空気供給路は一次バーナーの環状供給機構と、二次バーナーとの間に配置して良い。或いはまた、補助燃料供給路及び／又は補助空気供給路は一次バーナーの環状供給機構内に配置することもできる。

環状供給機構は、複数の内部流路から成る環状流路によって形成され、これ等内部流路は環状流路を円周方向に交互する燃料供給路と空気供給路に分割し、環状流路は可燃性燃料と燃焼用空気の一方を運ぶように連結され、内部流路は可燃性燃料と燃焼用空気の他方を運ぶのに用いられる。内部流路を環状流路内に配置されるように設けることによって、燃料供給路と空気供給路との間に気密の隔離を形成することができ、それによって環状供給機構内で一つの供給路から他の供給路へのどんな漏れをも回避できるようにする。

空気供給路と燃料供給路は好ましくは、バーナー装置の中心軸に平行にする。だが、他の構成を排除するものではない。空気及び燃料供給路は例えば中心軸の周りに捩っても良く、これは混合部に入るとき可熱性燃料と燃焼用空気を旋回させることができる。一般には望ましくないが、場合によっては、旋回は有利なこともある。尚、旋回を実現する他の手段を用いても良い。

本発明は主として熱風炉に関連するバーナー装置を述べるが、バーナー装置は例えば微粉炭注入（ＰＣＩ）設備又は直接伝熱式熱交換器等の他の製鋼施設に関連して用いることができることに言及すべきである。
添付図面を参照する以下の非限定実施態様の記載から、本発明はより明白になろう。同一参照番号が同一又は類似部材を示すのに用いられている。

本発明の第1の実施態様によるバーナー装置の横断面図である。 図１の線Ａ−Ａに沿ったバーナー装置の部分縦断面図である。 本発明の第２の実施態様によるバーナー装置の横断面図である。 図３の線Ｂ−Ｂに沿ったバーナー装置の部分縦断面図である。

図１は本発明の第1の実施態様によるバーナー装置の横断面図を示す。バーナー装置１０の前部１２には燃焼室１４があり、後部１６は可燃性燃料及び燃焼用空気を燃焼室１４の混合部１８に供給するためのフィードラインを有する。前部１２はバーナー装置１０から煙道ガスを、例えば熱風炉（図示せず）等の製鋼施設に供給するための開口２０を備えている。バーナー装置１０は連結フランジ２２を介して熱風炉に連結される。前部１２には、耐火材２４が周壁２８の内面２６に対して貼り付けられ、燃焼室１４で発生する熱から周壁２８を保護するようにしている。

フィードラインを含む後部１６の記載は図１と、図１の線Ａ−Ａに沿った部分断面図である図２を参照することによって、より容易になる。後部１６は、燃料供給路３２と空気供給路３４が交互して成る環状供給機構３０を備えている。燃料及び空気供給路３２及び３４は円周方向に、好ましくは規則的セクタをなすように、交互して配置されている。燃料供給路３２及び空気供給路３４は、燃料入口３６及び空気入口３８からの可燃性燃料及び燃焼用空気をそれぞれ燃焼室１４の混合部１８に導く。混合部１８で可燃性燃料と燃焼用空気が出会い、それ等の混合物が点火され、炎４０で表されている第1の燃焼を生じる。燃料及び空気供給路３２及び３４を有する環状供給機構３０はバーナー装置１０の一次バーナー４２を構成する。

環状供給機構３０は中央流路４４を囲繞し、中央流路４４はその内部に二次バーナー４６を受容するように配置されている。環状供給機構３０及び中央流路４４はバーナー装置１０の中心軸と同軸になっている。中央流路４４には耐火材４８が内張りされている。二次バーナー４６は可燃性燃料と燃焼用空気を混合部１８に供給し、それ等の混合物が着火して、炎５０で表されている第２の燃焼を生じる。第２のバーナー４６は、バーナー装置１０の後部壁５４にある受口５２を通してバーナー装置１０に挿入されている。

一次バーナー４２の環状供給機構３０の構成は図２を参照することによって、より厳密に記載できる。環状供給機構３０は２つの同軸管、即ち外管５６及び内管５８によって形成され、両者の間に環状流路６０が形成される。環状流路６０内に複数の内部流路６１が、管状部材６２を環状流路６０に挿入、内管５８に連結することによって、形成される。管状部材６２は内部流路６１と環状流路６０との間にガス密離隔壁を形成し、それによって複数の燃料供給路３２と複数の空気供給路３４を形成する。

付加可燃性燃料及び付加燃焼用空気を混合部１８に供給するため、複数の補助燃料供給路６４及び複数の補助空気供給路６６が設けられる。図１は補助燃料供給路６４及び補助空気供給路６６両方を示しているが、バーナー装置１０にこれ等補助供給路６４及び６６の一方のみを設けることもできることに留意されるべきである。

補助燃料供給路６４は、燃料入口７０に連結された環状燃料供給室６８からバーナー装置１０の周壁２８を通して混合部１８に付加可燃性燃料を供給するように配置されている。同様に、補助空気供給路６６は、空気入口７４に連結された環状空気供給室７２からバーナー装置１０の周壁２８を通して混合部１８に付加燃焼用空気を供給するように配置されている。

補助燃料及び空気供給路６４及び６６は、天然ガス又はコークス炉ガス又は酸素等の高カロリーガスを混合部１８に送り出し、それによって一次バーナー４２の燃焼条件を改変するように配置された低流量流路である。混合部１８に送られる付加燃料及び／又は空気は量において、混合部１８における混合物が非化学量論的なものとし、それによって一次バーナー４２では高々、部分燃焼を得るものとして良い。そのとき、第１の燃焼からの煙道ガスの更なる燃焼は二次バーナー４６の補助で達成される。

図３及び４は本発明の第２の実施態様によるバーナー装置１０を示す。図４は図３の線Ｂ−Ｂに沿った部分断面図である。このバーナー装置１０は図１及び２に示したものに頗る類似し、従ってここでは詳細に記載しない。同一参照番号は両実施態様における同一機能のものを示す。図３及び図４のバーナー装置は第１の実施態様とは、補助供給路の位置において異なる。

補助空気供給路７６は環状供給機構３０の燃料供給路３２及び空気供給路３４と中央流路４４の耐火材４８との間に配置される。補助空気供給路７６の一端はバーナー装置１０の後部壁５４に配置された空気入口７８に連結され、補助空気供給路７６の他端はバーナー装置１０の混合部１８に開口するポート（噴口）８０を備える。

図３は補助空気供給路７６のみを示しているが、同様に補助燃料供給路もバーナー装置１０に設けることができることに留意されるべきである。

バーナー装置１０の通常の動作中に、可燃性燃料及び燃焼用空気は燃料供給路３２及び空気供給路３４を通して供給されて混合部１８に可燃性混合物を形成する。一次バーナー４２によるこの可燃性混合物の燃焼からの煙道ガスは開口２０を通って熱風炉に送られる。

補助燃料供給路６４及び補助空気供給路６６により、付加的な可燃性燃料と燃焼性空気の混合部１８への導入が可能になり、それによって２つの異種の可燃性燃料と２つの異種の燃焼用空気から成る可燃性混合物を生成することが可能となる。従って、煙道ガス組成を、バーナー装置１０の上流における、危険の可能性のある混合物に頼ることなく改変することができる。

二次バーナーは一次バーナーからの煙道ガスにある過剰成分何れをも燃焼できるだけでなく、一次バーナーがオンに切り換えられる前に、バーナー装置と下流のどの機材をも加熱することができる。

本バーナー装置の革新的設計によれば、熱風炉に送られる煙道ガスの温度、流量又は組成を調整するための、バーナーと燃焼媒体の利用可能な組み合わせは非常に多くなる。

本発明の文脈において、燃料及び空気供給路及び補助燃料及び空気供給路の「高流量」及び「低流量」と云う表現は互いに相対的なものであることに言及すべきである。供給路の流量又は断面大きさは、用いられる燃焼媒体に強く依存するであろう。単に例示目的のためとして、高流量とする燃料及び空気供給路３２、３４は断面積が１５００ｃｍ^２近辺で良く、低流量とする補助燃料及び空気供給路６４、６６は断面積が２００ｃｍ^２近辺で良い。

本発明によるバーナー装置の操作モードの１例としてのリストを表１に示す。

１０ バーナー装置
１２ 前部
１４ 燃焼室
１６ 後部
１８ 混合部
２０ 開口
２２ 連結フランジ
２４ 耐火材
２６ 内面
２８ 周壁
３０ 環状供給機構
３２ 燃料供給路
３４ 空気供給路
３６ 燃料入口
３８ 空気入口
４０ フレーム（炎）
４２ 一次バーナー
４４ 中央流路
４６ 二次バーナー
４７ 中心軸
４８ 耐火材
５０ フレーム（炎）
５２ 受口
５４ 後部壁
５６ 外管
５８ 内管
６０ 環状流路
６１ 内部流路
６２ 管状部材
６４ 補助燃料供給路
６６ 補助空気供給路
６８ 環状燃料供給室
７０ 燃料入口
７２ 環状空気供給室
７４ 空気入口
７６ 補助空気供給路
７８ 空気入口
８０ ポート

Claims (10)

1. 製鋼施設用、特に蓄熱式又は伝熱式発熱器に関連して用いられるバーナー装置（１０）であって、
   混合部（１８）、
   可燃性燃料を前記混合部（１８）に供給するための複数の燃料供給路（３２）及び
   燃焼用空気を前記混合部（１８）に供給するための複数の燃焼用空気供給路（３４）を含み、
   前記燃料供給路（３２）及び空気供給路（３４）からなる環状供給機構（３０）を有する一次バーナー（４２）、
   前記環状供給機構（３０）を該環状供給機（３０）構と同軸に貫通する中央流路（４４）及び
   前記バーナー装置（１０）の前記中央流路（４４）に配置された二次バーナー（４６）を備えるバーナー装置において、
   前記バーナー装置（１０）は、可燃性燃料及び又は燃焼用空気を前記混合部（１８）に供給するための補助供給路（６４、６６）を具備し、該補助供給路（６４、６６）は断面が前記燃料供給路（３２）又は前記空気供給路（３４）の断面より小さいものであること、
   前記一次バーナー（４２）の燃料供給路（３２）及び空気供給路（３４）は円周方向に交互するようになっており、前記環状供給機構（３０）は複数の内部溝を有する環状溝によって形成されており、前記内部溝は前記環状溝を前記円周方向に交互する前記燃料供給路（３２）及び空気供給路（３４）に分けており、前記環状溝は前記燃料又は前記燃焼空気の一方を運ぶよう連絡されており、前記内部溝は前記燃料又は燃焼用空気の他方を運ぶのに使われること、
   前記二次バーナー（４６）には可燃性燃料及び燃焼用空気が供給され、前記混合部（１８）に供給されること、
   を特徴とするバーナー装置。
2. 前記補助供給路（６４、６６）が前記バーナー装置（１０）の周壁（２８）を貫通して成る請求項１に記載のバーナー装置。
3. 前記バーナー装置（１０）の外壁の周りに環状供給室（６８、７２）が配置され、該環状供給室が燃料又は空気を前記補助供給路（６４、６６）に供給するように配置されて成る請求項２に記載のバーナー装置。
4. 前記補助供給路（７２）が前記バーナー装置（１０）の後部壁を貫通し、前記バーナー装置（１０）の軸に平行に配置されて成る請求項１に記載のバーナー装置。
5. 前記補助供給路（７２）が前記一次バーナー（４２）の前記環状供給機構（３０）と前記二次バーナー（４６）との間に配置されて成る請求項４に記載のバーナー装置。
6. 前記補助供給路（７２）が前記一次バーナー（４２）の前記環状供給機構（３０）内に配置されて成る請求項４に記載のバーナー装置。
7. 前記可燃性燃料が溶鉱炉ガスであり、及び／又は、前記燃焼用空気が空気又は低カロリーガスである請求項1〜６の何れか1つに記載のバーナー装置。
8. 前記補助燃料供給路（６４）を通して供給される前記可燃性燃料が天然ガス又はコークス炉ガス等の高カロリーガスであり、及び／又は、前記補助空気供給路（６６）を通して供給される燃焼用空気が酸素である請求項１に記載のバーナー装置。
9. 前記二次バーナー（４６）が空気フィードライン及び燃料フィードラインを含む請求項１〜８の何れか1つに記載のバーナー装置。
10. 前記空気供給路（３４）及び燃料供給路（３２）が前記バーナー装置（１０）の中心軸に平行に配設されて成る請求項1〜９の何れか1つに記載のバーナー装置。

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