JP5772047B2 - 頂部燃焼式熱風炉 - Google Patents

Description

本発明は、頂部燃焼式熱風炉に関する。

高炉に熱風（高温空気）を常時安定して送るための設備として、熱風炉が知られている。このような熱風炉としては、従来、外燃式（二筒式）と内燃式（単筒式内部分割型）の、二つのタイプのものが、高炉の容量に合わせて用いられている。
外燃式熱風炉は、燃焼筒と蓄熱筒とが炉頂部で互いに接続する構造のものである（例えば、特許文献１参照）。しかし、このような外燃式熱風炉では、高温送風が可能であるものの、二筒式であるため内燃式に比べ物量が大きく、設備が大型になりやすい。また、燃焼部と蓄熱部とで内部温度が異なることから、炉頂接続部において熱膨張差が発生し、内部の耐火物が損傷する可能性がある。

内燃式熱風炉は、一つの鉄筒を耐火物の隔壁によって二室に分割し、燃焼部と蓄熱部とを形成した構造である（例えば、特許文献２参照）。しかし、このような内燃式熱風炉では、外燃式に比べ高温送風や大容量化（大型化）が困難である。また、隔壁が燃焼部と蓄熱部との温度差によって損傷する可能性がある。

そこで、近年では、これら外燃式熱風炉や内燃式熱風炉の問題を解決する技術として、頂部燃焼型単筒式の熱風炉が提案されており、代表的なものとしてKalugin型の熱風炉（例えば、特許文献３参照）が知られている。この熱風炉は、燃焼と蓄熱を一つの容器（筒）内で行う内燃式のもので、頂部にバーナー部を設置してここで燃焼を起こさせるようにしたものであり、大型化が可能でかつ高温送風が可能であるなどの利点を有する。

特開昭５３−１３１９０６号公報 特開昭５２−１４１４０４号公報 国際公開第２００９／００８７５８号パンフレット

しかしながら、前記特許文献３に記載された頂部燃焼型単筒式の熱風炉では、バーナー部のチャネルなどの構造が複雑なため、設計、製作、据付が非常に困難である。さらに、前記特許文献３の熱風炉では、供給する燃料ガスや燃焼用空気の圧損が非常に大きい。
また、その他の頂部燃焼型単筒式の熱風炉にあっても、燃焼状態や寿命などの点で、満足なものが提供されていないのが現状である。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡易な構成からなり、しかも供給する燃料ガスや燃焼用空気の圧損の低減化も可能にした、頂部燃焼式熱風炉を提供することにある。

本発明の頂部燃焼式熱風炉は、バーナー部を兼ねる混合室と、前記混合室の下方に配置されて該混合室に連通する蓄熱室とを備え、
前記混合室には、該混合室内に燃料ガスを吹き込むための燃料供給用配管が、該混合室内に開口して接続されるとともに、該混合室内に燃焼用空気を吹き込むための空気供給用配管が、該混合室内に開口して接続され、
前記燃料供給用配管と前記空気供給用配管とは、平面視した状態で互いに異なる方向に燃料ガスあるいは燃焼用空気を吹き込むことにより、前記混合室内に旋回流を形成するよう配置されていることを特徴としている。

この頂部燃焼式熱風炉によれば、混合室内に燃料ガスと燃焼用空気を吹き込んで旋回流を形成するようにしたので、燃焼が良好に起こり、燃焼領域において均一な温度分布が得られるようになる。また、特にバーナー部を兼ねる混合室の構造が、混合室内に開口するように燃料供給用配管と空気供給用配管とを接続しただけの簡易な構成からなるため、設計や製作などの点で有利になる。また、燃料供給用配管と空気供給用配管とを混合室に直接接続するようにし、さらにこれら配管を例えば一つずつ設けるよう構成すれば、構造が簡易化し、配管径も大きくなることにより、供給する燃料ガスや燃焼用空気の圧損が十分に低減化する。

本発明によれば、簡易な構成からなり、しかも供給する燃料ガスや燃焼用空気の圧損の低減化も可能にした、頂部燃焼式熱風炉を提供することができる。

本発明の頂部燃焼式熱風炉の第１実施形態を示す図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。 本発明の頂部燃焼式熱風炉の第２実施形態を示す図であり、（ａ）は要部側断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。 本発明の頂部燃焼式熱風炉の第３実施形態を示す図であり、（ａ）は要部側断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。

以下、図面を参照して本実施形態の頂部燃焼式熱風炉を詳しく説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
頂部燃焼式熱風炉１は、図１（ａ）に示すように全体が有蓋有底円筒状の熱風炉であって、特に頂部（上部）に有蓋筒状の混合部２を有し、該混合部２の下方に有底円筒状の蓄熱部３を有したものである。蓄熱部３は、混合部２に対し、縮流部４及びスロート部５を介して接続されたものである。なお、この頂部燃焼式熱風炉１は、外燃式（２筒式）と内燃式（単筒式）とに大きく分けた場合、内燃式に分類されるものである。

混合部２は、ドーム形状の天蓋部２ａと、その下方に設けられた円筒部２ｂと、該円筒部２ｂの底部から内側（中心側）に延びて円筒部２ｂの下部開口を小さくする縮径部２ｃと、からなるもので、内部に混合室６を形成したものである。なお、混合部２には、その外壁と混合室６との間に、混合室６を囲んで煉瓦等の耐火物からなる耐火物層（図示せず）が設けられている。混合部２には、その円筒部２ｂに燃料供給用配管７と空気供給用配管８とが接続されている。

燃料供給用配管７は、円筒部２ｂの外壁面から前記耐火物層を貫通して混合室６の内面にまで延び、該内面に開口したもので、図示しない燃料供給源に接続して燃料ガスを混合室６内に供給するように構成されたものである。なお、この燃料供給用配管７によって混合室６内に供給する燃料ガスの、燃料供給源側での供給圧は、本実施形態の頂部燃焼式熱風炉１が適用される高炉プラントの仕様によって決まっている。したがって、特に燃料供給用配管７での圧損は、混合室６内に供給する燃料ガスの流量に大きく影響する。すなわち、十分でかつ安定した流量の燃料ガスを混合室６内に供給するためには、燃料ガスの供給系全体での圧損、特に燃料供給用配管７での圧損を小さくすることが重要になっている。

そこで、本実施形態では、燃料供給用配管７を１本のみ直接円筒部２ｂに接続し、前記耐火物層を貫通して混合室６の内面に開口させている。したがって、構成が簡易になっており、また、配管径を熱風炉１の容量に合わせて、例えば７００ｍｍ程度から１７００ｍｍ程度の大きさにすることができる。よって、燃料供給用配管７での圧損が十分に抑えられ、従来の熱風炉、特にバーナー部のチャネルなどの構造が複雑である前記特許文献３の熱風炉に比べて、圧損が格段に低減化されたものとなっている。

また、この燃料供給用配管７は、平面図である図１（ｂ）に示すように、燃料ガスを混合室６の内面に沿って吹き込むよう配置されている。すなわち、燃料供給用配管７は、その中心軸が、開口７ａの最外端７ｂの位置での、混合室６の内面（内周面）の接線方向と平行になるように配置されている。したがって、燃料供給用配管７による燃料ガスの吹き込み方向は、前記最外端７ｂの位置での、混合室６の内面（内周面）の接線方向と平行になっており、該内面に沿って吹き込むようになっている。

空気供給用配管８も、円筒部２ｂの外壁面から前記耐火物層を貫通して混合室６の内面にまで延び、該内面に開口したもので、図示しない空気供給源に接続して燃焼用空気を混合室６内に供給するように構成されたものである。ここで、この空気供給用配管８での圧損についても、後述するように旋回流の形成に大きく影響するため、燃料供給用配管７での圧損と同様に、より小さくすることが求められている。

そこで、本実施形態では、空気供給用配管８についてもこれを１本のみ直接円筒部２ｂに接続し、前記耐火物層を貫通して混合室６の内面に開口させている。したがって、構成が簡易になっており、また、配管径を燃料供給用配管７と同様に、例えば７００ｍｍ程度から１７００ｍｍ程度の大きさにすることができる。よって、空気供給用配管８での圧損も十分に抑えられ、従来の熱風炉、特にバーナー部のチャネルなどの構造が複雑である前記特許文献３の熱風炉に比べて、圧損が格段に低減化されたものとなっている。

また、この空気供給用配管８も、燃料ガスを混合室６の内面に沿って吹き込むよう配置されている。すなわち、空気供給用配管８は、その中心軸が、開口８ａの最外端８ｂの位置での、混合室６の内面（内周面）の接線方向と平行になるように配置されている。したがって、空気供給用配管８による燃料ガスの吹き込み方向は、前記最外端８ｂの位置での、混合室６の内面（内周面）の接線方向と平行になっており、該内面に沿って吹き込むようになっている。

ただし、この空気供給用配管８は、本実施形態では燃料供給用配管７に対して、図１（ｂ）に示すように平面視した状態で、吹き込み方向が１８０°異なるように配置されている。すなわち、これら燃料供給用配管７と空気供給用配管８とは、それぞれの中心軸が平行となり、かつ、それぞれの開口７ａ、８ａの向きが反対になるように配置されている。このような構成のもとに、燃料供給用配管７から吹き出される（供給される）燃料ガスと空気供給用配管８から吹き出される（供給される）燃焼用空気とは、混合室６内への流入直後に直接衝突することなく、図１（ｂ）中に矢印で示すようにそれぞれ混合室６の内面に沿って流動し、大きな旋回流を形成するようになっている。

また、これら燃料供給用配管７と空気供給用配管８とは、図１（ａ）に示すように、それぞれの開口７ａと開口８ａとが、同一水平面上に位置することなく、鉛直方向において互いにずれた位置に設けられている。本実施形態では、燃料供給用配管７が上側に配置され、空気供給用配管８が下側に配置されている。このように配置されていることにより、混合室６内に供給された燃料ガスと燃焼用空気とは、混合室６内に流入した直後では互いに衝突することなく層状に分離した状態となり、その後旋回流を形成して旋回することにより、徐々に混合され、燃焼するようになる。

燃料供給用配管７と空気供給用配管８との間のずれ量として、具体的には、燃料供給用配管７の中心軸と空気供給用配管８の中心軸とが、鉛直方向において各配管の外径の半分から２倍程度離間して配置されているのが好ましい。ずれ量が各配管の外径の半分未満では、混合室６内に供給された燃料ガスと燃焼用空気とが、層状に分離した状態になりにくく、したがって混合室６内に供給された燃料ガスと燃焼用空気とは、比較的早く混合され、燃焼するようになるからである。また、ずれ量が各配管の外径の２倍以上では、混合室６の容積が大きくなり過ぎ、その分装置コストが増大しまうからである。なお、本実施形態では、ずれ量（中心軸管の距離）が各配管の外径と同じ長さになっている。

このような構成からなる混合部２は、その混合室６内がバーナー部として機能するようになっている。すなわち、本実施形態の頂部燃焼式熱風炉１は、常時１４００℃〜１５００℃程度に加熱されるため、燃料ガスと燃焼用空気とが混合室６内に供給され、これらが所定の混合度に混合されると、自然発火するようになっている。つまり、これら配管７、８の開口７ａ、８ａのやや下方から、後述する縮流部４、スロート部５にかけて、燃焼が起こるようになっている。なお、燃料供給用配管７からの燃料ガスの供給量（供給流量）と空気供給用配管８からの燃焼用空気の供給量（供給流量）との比は、特に限定されないものの、本実施形態では例えばほぼ１：１となるように設定される。

縮流部４は、混合部２の縮径部２ｃに接続した円筒状のもので、混合室６に連通する縮流路４ａを内部に形成したものである。スロート部５は、縮流部４に接続した円錐台形状のもので、縮流路４ａに連通する拡径路５ａを内部に形成したものである。このような構成によって縮流路４ａおよび拡径路５ａは、混合室６の内径を一旦縮めた後、再度拡径することにより、燃料ガスと燃焼用空気との混合度を高め、かつ、燃焼による熱膨張の影響を抑えて燃焼ガスを均一な流速で下降させるようになっている。

蓄熱部３は、スロート部５に接続した円筒状のもので、内部に蓄熱室３ａを形成し、さらに上部（スロート部５側）に熱風供給管９を接続し、底部に煙道管１０を接続したものである。蓄熱室３ａには、その底部に設けられた蓄熱用煉瓦受金物１１上に、蓄熱用煉瓦１２が積層されており、混合室６側での燃焼によって生じた熱が、蓄熱用煉瓦１２に蓄積されるようになっている。熱風供給管９は、高炉側に接続するもので、後述するように蓄熱用煉瓦１２に蓄積された熱を有する熱風を、高炉側に供給するためのものである。

煙道管１０は、蓄熱用煉瓦受金物１１の側方に配置されたもので、煙道弁１３を有し、さらに排気ダクト（図示せず）に接続したものである。また、この煙道管１０には、煙道弁１３より蓄熱部３側に、送風管１４が分岐して設けられている。この送風管１４には、送風弁１５、送風機（図示せず）が設けられている。

このような構成からなる頂部燃焼式熱風炉１では、まず、送風弁１５を閉じ、煙道弁１３を開いた状態で、前述したように燃料供給用配管７から燃料ガスを、また空気供給用配管８から燃焼用空気を、それぞれ混合室６に供給する。すると、これら燃料ガスおよび燃焼用空気は、旋回流を形成しつつ互いに混合することにより、燃焼する。また、このような燃焼は、燃料ガスと燃焼用空気との混合ガスが蓄熱部３側に流動しつつ起こるため、燃焼ガスは蓄熱室３ａ内の蓄熱用煉瓦１２と接触し、熱交換する。したがって、蓄熱用煉瓦１２は、燃焼ガスと熱交換して得た熱を蓄積する。また、熱交換後の燃焼ガス（排ガス）は、煙道管１０を通って排気ダクトに案内される。

このようにして蓄熱用煉瓦１２への蓄熱を行った後、高炉側へ熱風を送るには、送風弁１５を開き、煙道弁１３を閉じた状態で、送風機を作動させる。すると、送風管１４から煙道管１０を通って蓄熱室３ａに流入した空気は、蓄熱用煉瓦１２と熱交換することで蓄熱用煉瓦１２に蓄積された熱を受け、熱風となって熱風供給管９から排出され、高炉側に供給される。

このような運転においては、混合室６内に燃料ガスと燃焼用空気とを吹き込んで旋回流を形成するようにしているので、混合度が高くなって燃焼が良好に起こるようになる。したがって、混合室６内の各配管７、８の開口７ａ、８ａ近傍から拡径路５ａの縮流路４ａ側にかけて形成される燃焼領域において、均一な温度分布が得られるようになる。
また、燃料供給用配管７の燃料ガスの吹き込み方向と空気供給用配管８の燃焼用空気の吹き込み方向とを、平面視した状態で１８０°異なるようにしているので、燃料ガスと燃焼用空気とが互いに反対方向から吹き込むことによって強い旋回流が得られ、混合効率が高くなって燃焼がより高効率化する。

さらに、燃料供給用配管７と空気供給用配管８とを、それぞれの開口７ａ、８ａが同一水平面上に位置することなく、鉛直方向において互いにずれた位置となるようにしているので、混合室６内に供給された燃料ガスと燃焼用空気とは、混合室６内に流入した直後では互いに衝突することなく層状に分離した状態となり、その後旋回することによって徐々に混合され、燃焼するようになる。したがって、開口７ａ、８ａが同一水平面上に位置する場合に比べ、燃焼位置（燃焼領域）が燃料ガスや燃焼用空気の流入位置（開口７ａや開口８ａの位置）より蓄熱室３ａ側にずれるため、混合室６側の内面近傍で急激に燃焼が起こるのが抑えられる。よって、混合室６や縮流路４ａなどの壁部で急激に温度上昇するのが抑えられ、その耐久性が向上する。

さらに、本実施形態の頂部燃焼式熱風炉１にあっては、前記したように燃焼領域において均一な温度分布が得られるようにしたので、温度差や熱膨張差によって内部の耐火物が損傷するのを抑制し、耐久性を向上することができる。したがって、通常は２０年以上の長期に亘って改修等を行うことなく運転する熱風炉にあって、耐久性が向上することでメンテナンスやコストなどの点で極めて有利になる。
また、バーナー部として機能し、したがってバーナー部を兼ねる混合室６の構造を、単に燃料供給用配管７と空気供給用配管８とを接続しただけの簡易な構成としているので、設計や製作などの点で有利になり、長寿命化やメンテナンス性の向上を図ることができるとともに、製造コストの低減化を図ることもできる。
また、燃料供給用配管７と空気供給用配管８とを混合室６に直接接続し、これら配管７、８を一つずつ設けているので、構造が簡易化し、配管径も大きくなることにより、供給する燃料ガスや燃焼用空気の圧損を十分に低減化することができる。したがって、形成する旋回流をより強くすることができ、これによって混合効率を高め、燃焼のさらなる高効率化を図ることができる。

なお、前記実施形態では、燃料供給用配管７を上側に配置し、空気供給用配管８を下側に配置したが、逆に、燃料供給用配管７を下側に配置し、空気供給用配管８を上側に配置してもよい。

続いて、図２を参照して、第２実施形態に係る頂部燃焼式熱風炉２０を説明する。この頂部燃焼式熱風炉２０が図１（ａ）、（ｂ）に示した頂部燃焼式熱風炉１と異なるところは、図２（ａ）に示すように燃料供給用配管７と空気供給用配管８とが、同一水平面上に配置されている点である。すなわち、燃料供給用配管７と空気供給用配管８とは、本実施形態ではそれぞれの中心軸が鉛直方向にずれて配置されることなく、同一水平面上に配置されている。

このような構成の頂部燃焼式熱風炉２０にあっても、燃焼領域において均一な温度分布が得られるので、温度差や熱膨張差によって内部の耐火物が損傷するのを抑制し、耐久性を向上することができる。
また、バーナー部を兼ねる混合室６の構造を簡易にしているので、設計や製作などの点で有利になり、長寿命化やメンテナンス性の向上を図ることができるとともに、コストの低減化を図ることもできる。
また、供給する燃料ガスや燃焼用空気の圧損を十分に低減化することができるので、形成する旋回流をより強くすることができ、これによって混合効率を高め、燃焼のさらなる高効率化を図ることができる。

続いて、図３を参照して、第３実施形態に係る頂部燃焼式熱風炉３０を説明する。この頂部燃焼式熱風炉３０が図１（ａ）、（ｂ）に示した頂部燃焼式熱風炉１と異なるところは、図３（ｂ）に示すように燃料供給用配管７の燃料ガスの吹き込み方向と空気供給用配管８の燃焼用空気の吹き込み方向とを、平面視した状態で９０°異なるようにしている点である。すなわち、燃料供給用配管７と空気供給用配管８とは、本実施形態ではそれぞれの中心軸が、平面視した状態で直交するように配置されている。

このような構成の頂部燃焼式熱風炉３０にあっては、燃料供給用配管７と空気供給用配管８とを直交して配置しているので、例えば屋内における隅部に頂部燃焼式熱風炉３０を据え付ける場合に、隅部（入隅部）を構成する各壁面に沿わせて燃料供給用配管７と空気供給用配管８とを配置することができる。したがって、熱風炉３０の据え付けの点で有利になることがある。

また、この頂部燃焼式熱風炉３０にあっても、燃焼領域において均一な温度分布が得られるので、温度差や熱膨張差によって内部の耐火物が損傷するのを抑制し、耐久性を向上することができる。
さらに、バーナー部を兼ねる混合室６の構造を簡易にしているので、設計や製作などの点で有利になり、長寿命化やメンテナンス性の向上を図ることができるとともに、コストの低減化を図ることもできる。
また、供給する燃料ガスや燃焼用空気の圧損を十分に低減化することができるので、形成する旋回流をより強くすることができ、これによって混合効率を高め、燃焼のさらなる高効率化を図ることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、前記第３実施形態では、燃料供給用配管７と空気供給用配管８とを同一水平面上に配置することなく、それぞれの中心軸を鉛直方向にずらして配置しているが、各配管７、８を平面視した状態で直交するように配置した状態で、第２実施形態に示したように各配管７、８の中心軸を同一水平面上に配置するようにしてもよい。

また、前記実施形態では、平面視した状態で燃料供給用配管７と空気供給用配管８との吹き込み方向が、１８０°異なるか、あるいは９０°異なるように燃料供給用配管７および空気供給用配管８を配置しているが、本発明はこれらに限定されることなく、平面視した状態で燃料供給用配管７と空気供給用配管８とが異なる方向に吹き込み、旋回流を形成するように配置されていれば、これら配管７、８を任意の角度で配置してもよい。
さらに、前記各実施形態では、燃料供給用配管７と空気供給用配管８とをいずれも一つずつ設けているが、いずれか一方、あるいは両方を、複数設けるようにしてもよい。

１、２０、３０…頂部燃焼式熱風炉、２…混合部、３…蓄熱部、３ａ…蓄熱室、６…混合室、７…燃料供給用配管、７ａ…開口、８…空気供給用配管、８ａ…開口

Claims (6)

1. バーナー部を兼ねる混合室と、前記混合室の下方に配置され縮流部及びスロート部を介して該混合室に連通する蓄熱室と、を備え、
   前記混合室には、該混合室内に燃料ガスを吹き込むための燃料供給用配管が、該混合室内に開口して接続されるとともに、該混合室内に燃焼用空気を吹き込むための空気供給用配管が、該混合室内に開口して接続され、
   前記燃料供給用配管と前記空気供給用配管とは、前記混合室に直接接続してその内面に開口させられているとともに、平面視した状態で互いに異なる方向に燃料ガスあるいは燃焼用空気を吹き込むことにより、前記混合室内に旋回流を形成するよう配置されていることを特徴とする頂部燃焼式熱風炉。
2. 前記燃料供給用配管と前記空気供給用配管とは、それぞれ、前記混合室の内面に沿って燃料ガスあるいは燃焼用空気を吹き込むよう配置されていることを特徴とする請求項１記載の頂部燃焼式熱風炉。
3. 前記燃料供給用配管の燃料ガス吹き込み用の開口と前記空気供給用配管の空気吹き込み用の開口とは、鉛直方向において互いにずれた位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の頂部燃焼式熱風炉。
4. 前記燃料供給用配管の中心軸と前記空気供給用配管の中心軸とは、鉛直方向において各配管の外径の半分以上から２倍未満離間して配置されていることを特徴とする請求項３記載の頂部燃焼式熱風炉。
5. 前記燃料供給用配管の燃料ガスの吹き込み方向と前記空気供給用配管の燃焼用空気の吹き込み方向とは、平面視した状態で１８０°又は９０°異なっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の頂部燃焼式熱風炉。
6. 前記燃料供給用配管と前記空気供給用配管とは、いずれも１本のみが前記混合室に直接接続してその内面に開口させられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の頂部燃焼式熱風炉。

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