JP6863349B2

JP6863349B2 - ラジアントチューブ

Info

Publication number: JP6863349B2
Application number: JP2018155904A
Authority: JP
Inventors: 祥大小林; 知之川島
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2038-08-23
Also published as: JP2020029992A

Description

本発明は、ラジアントチューブに関する。本発明は、詳しくは熱処理炉などにおいて対象を間接的に加熱するために用いるラジアントチューブに関する。

ラジアントチューブとは、バーナとその外側を覆う放射管を含み、バーナーから放射管内に燃料ガスと燃焼用空気を供給して放射管内で燃焼させ、発生した燃焼ガスにより加熱された放射管による輻射熱で被加熱物を間接加熱する装置である。そのため燃焼空間が限られておりラジアントチューブ単体では熱を有効に使いきれず、レキュペレータや蓄熱バーナなどの各種排熱回収装置を用いて燃焼用空気の予熱という形で熱回収を行っている場合が多い。しかしながら燃焼用空気温度が上昇すると有害な窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）の生成量が増加するという課題があり、ＮＯｘ排出量の問題から排熱回収量を制限される場合がある。

そこで、特許文献１には、ファンを用いて排ガスを燃料ガスもしくは２次燃焼用空気に混入することにより燃焼速度を低下させＮＯｘを低減させる技術が開示されている。また、特許文献２には、発生したＮＯｘを触媒により浄化する技術が開示されている。特許文献３では、チューブが楕円形状に形成されている。

特開昭６３−１１３２０６号公報特開２０１７−２１９２３５号公報特開平１０−１３２２２２号公報

しかしながら、上述した特許文献１では、排ガスを燃料ガスもしくは２次燃焼空気へ導くためのファンが必要であり、ラジアントチューブごとにファンを設置すると本数が多大となり、その設置する多大なコストに加えて、メンテナンスに著しく手間が掛かるという課題がある。特許文献２においては触媒の被毒による劣化が課題である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ＮＯｘの低減効果に優れ、かつ、メンテナンス不要で、触媒の被毒などにより前記ＮＯｘの低減効果が損なわれることを抑制できるラジアントチューブを提供することを目的とする。

本発明者らは、ＮＯｘの低減効果に優れるラジアントチューブを開発すべく、既存のラジアントチューブ形状に囚われず、バーナ廻りの流れ解析および実験を行った。その結果、放射管断面の形状を楕円化し、前記放射管内に位置するバーナ端面の中央に２次空気供給管を前記端面から前方に突出させて配置し、１次空気供給管と燃料ガス供給管を前記端面近傍に吐出口を有するように配置し、空気比１．０未満で１次燃焼させることでバーナ周りの１次燃焼領域に循環流が生じ、ＮＯｘ濃度が下がることを知見した。

しかしながら、上記放射管の特許文献３に記載されるような楕円形状のみ、各供給管の配置のみでは、発生した不完全燃焼ガスである循環流がバーナ後方まで到達し、バーナ本体に煤が付着することも知見した。煤は燃焼が不完全である証であり、放射管やバーナの目詰まりの原因ともなる。そこで本発明者らは更なる研究を重ね、バーナ端部近傍にバックプレートを設置することで、バーナ廻りの燃焼ガスの流れを適正化しバーナ後方側への不要な循環流を抑制し、煤の付着も防止できることを見出した。

ここで、図３は、本発明者らが行ったバーナ廻りの流れ解析の結果を示す図であり、図３（ａ）は、断面が真円形の放射管を備えたラジアントチューブの、図３（ｂ）は、断面が楕円形の放射管を備えたラジアントチューブの、図３（ｃ）は、バーナの端部にバックプレートを設置し断面が楕円形の放射管を備えたラジアントチューブの、それぞれの流れ解析結果を示している。なお、図３（ａ）〜（ｃ）において、バーナの構成は、すべて同様の構成（円形のバーナ端面から１次燃焼用空気と燃料ガスを吐出し、バーナ端面中央の前方の位置から２次燃焼用空気を供給する構成）とした。

まず、図３（ａ）、（ｂ）から、断面が楕円形の放射管を備えることで、バーナ廻りの１次燃焼領域において１次燃焼ガスの循環流の発生が顕著となることがわかる。不完全燃焼ガスである１次燃焼ガスを前記領域で滞留させることで、排ガスの自己循環効果によってＮＯｘをより低減できる。ただし、図３（ｂ）では、放射管の断面形状を楕円としたことで、バーナ後方への不要な流れが生じる。この不要な流れによりバーナに煤が付着する。そこで、図３（ｃ）に示されるように、バーナの端面にバックプレートを設置することで、１次燃焼ガスの循環流の発生をより高めるとともに、バーナ後方への不要な流れを抑制できる。

本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、本発明の要旨は、以下の通りである。
［１］放射管と、前記放射管に接続されたバーナを備え、前記バーナの前方側の端面が前記放射管内に位置するラジアントチューブであって、
前記放射管は、楕円形の断面を有し、
前記バーナは、円形の断面を有し、かつ、
前記バーナ内に配置され前記端面近傍に吐出口を有する１次空気供給管及び燃料ガス供給管と、
前記バーナ内に配置され前記端面中央から前方に突出した位置に吐出口を有する２次空気供給管と、
前記バーナの側面に設置されバーナ後方側への燃焼ガスの流れを抑制するバックプレートと、を有する、ラジアントチューブ。
［２］放射管とバックプレートの隙間が、放射管断面の長径方向において放射管内径の８％以下である、請求項１に記載のラジアントチューブ。

本発明によれば、ＮＯｘの低減効果に優れ、かつ、メンテナンス不要で、触媒の被毒などによりＮＯｘの低減効果が損なわれることを抑制できるラジアントチューブを提供できる。

本発明の実施形態にかかるラジアントチューブの構成を説明するための模式図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。バーナ廻りの流れ解析結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態にかかるラジアントチューブの構成を説明するための模式図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。

図１に示すラジアントチューブ１は、放射管１０と、バーナ２０を含んで構成される。

放射管１０は、炉壁３０に固定されている。また、図２に示すように、放射管１０は、断面が楕円形状を有するように形成されている。

バーナ２０は、その先端が前記放射管１０内に挿入された状態で、前記放射管１０と接続されて固定されており、バーナ２０の前方側の端面２０ａ（以下、単に「端面２０ａ」ともいう。）は、前記放射管１０内に位置している。

バーナ２０は、本体内部に、放射管１０内へ１次燃焼用空気を供給する１次空気供給管２２と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給管２４と、２次燃焼用空気を供給する２次空気供給管２６を有する。そして、１次空気供給管２２と燃料ガス供給管２４は、端面２０ａに吐出口を有するように配置されている。端面２０ａは、円形（真円形）であり、２次空気供給管２６は、その吐出口が端面２０ａ中央から前方に突出した位置となるように配置されている。

なお、１次空気供給管２２と燃料ガス供給管２４の吐出口は、端面２０ａ近傍に位置すればよいが、１次燃焼後に２次燃焼を行う２段燃焼方式とするためには、２次空気供給管２６の吐出口が、１次空気供給管２２と燃料ガス供給管２４の吐出口よりも前方に位置する必要がある。

また、バーナ２０本体内での１次空気供給管２２と燃料ガス供給管２４の配置は、特に限定されないが、図２に示されるように、２次空気供給管２６を中心に同心円状に配置されることが好ましい。また、１次空気供給管２２と燃料ガス供給管２４の本数も、特に限定されないが、それぞれ複数本とされることが好ましい。図２は好適な実施形態であり、それぞれ４本ずつの１次空気供給管２２と燃料ガス供給管２４が、２次空気供給管２６を中心に同心円状に配置されている。

上記構成を備えるラジアントチューブ１は、１次空気供給管２２から供給した１次燃焼用空気と燃料ガス供給管２４から供給した燃料ガスで１次燃焼させた１次燃焼ガスを、２次空気供給管２６から供給した２次燃焼用空気と混合して２次燃焼（完全燃焼）させることで、ＮＯｘ濃度を低減できる。この際、ラジアントチューブ１は、断面が楕円形とされた放射管１０を有するため、１次燃焼領域における１次燃焼ガスの循環流の発生をより顕著にし、前記領域に１次燃焼ガスを滞留させながら２次燃焼することで、ＮＯｘ濃度をより低減することができる。

さらに、バーナ２０は、バーナ２０後方側への燃焼ガスの不要な流れを抑制するバックプレート２８を有している。図２に示すように、本実施形態では、バックプレート２８は、平面視で片側が三日月状とされ、バーナ２０の長円側それぞれに設置されている。そして、バックプレート２８と端面２０ａとで形成される形状が楕円形とされている。なお、本実施形態において、前記バックプレート２８と端面２０ａとで形成される楕円形の形状は、放射管１０断面の楕円形の形状と略相似形とされている。

バックプレート２８は、溶接等により、バーナ２０の側面に設置される。この際、バックプレート２８は、本発明の効果をより享受できる点から、端面２０ａと面一となるように設置されることが好ましい。ただし、溶接の施工性等の点から、端面２０ａよりも前方側や後方側となる位置にバックプレート２８が設置されてもよい。例えば、バックプレート２８は、端面２０ａからバーナ２０の後方側に５ｍｍまでの側面の領域に設置されてもよい。

ラジアントチューブ１は、バックプレート２８を備えることで、バーナ２０後方側、詳細にはバックプレート２８の後方側への燃焼ガスの不要な流れを抑制できる。これにより、バーナ２０や放射管１０の内壁に煤等が付着することを抑制でき、バーナ２０や放射管１０の清掃や交換等のメンテナンスを行う必要性が低減される。また、１次燃焼領域において循環流をより生じさせ、ＮＯｘの低減効果がより高められる。

放射管１０とバックプレート２８の隙間Ｄ１１、Ｄ１２（図２を参照）は、本発明の効果をより享受できる点から、それぞれ放射管１０断面の長径方向において、放射管内径の長径Ｄ２０の８％以下が好ましく、５％以下がより好ましい。また、前記隙間Ｄ１１、Ｄ１２は、それぞれ１５ｍｍ以下が好ましく、１０ｍｍ以下がより好ましい。なお、前記隙間Ｄ１１、Ｄ１２は無くても（０ｍｍでも）よいが、ラジアントチューブ１を施工する際には、放射管１０内にバーナ２０の先端を挿入して放射管１０とバーナ２０を接続するため、施工性の点からは、若干の隙間を有することが好ましい。

以上説明したとおり、ラジアントチューブ１は、ＮＯｘの低減効果により優れる。また、ラジアントチューブ１は、鋼、鋳鉄、耐熱合金等の金属材料で構成でき、触媒やセラミック製部材をあえて用いる必要がなく、メンテナンス不要で、触媒の被毒などによりＮＯｘの低減効果が損なわれることもない。

以下、実施例に基づき、本発明について説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

実際の熱処理炉に、上記実施形態の構成を備えるラジアントチューブ１を導入した（実施例）。なお、本実施例で用いたラジアントチューブ１は、放射管内径の長径Ｄ２０が２３４ｍｍ、放射管内径の短径Ｄ２２が１８８ｍｍ、端面２０ａの直径Ｄ３０が１７０ｍｍ、バックプレート２８と端面２０ａの長径方向の合計長さＤ４０が２１６ｍｍ、放射管１０とバックプレート２８の隙間Ｄ１１、Ｄ１２は、それぞれ９ｍｍである。

また、比較のため、放射管断面を真円形とし、バーナにバックプレートを設置しないこと以外は上記ラジアントチューブ１と同様の構成を有するラジアントチューブを、上記と同様にして熱処理炉に導入した（比較例）。なお、比較例で用いたラジアントチューブの放射管の内径は１８８ｍｍである。上述のとおり端面２０ａの直径Ｄ３０は１７０ｍｍであるため、比較例で用いたラジアントチューブにおける放射管とバーナの隙間は９ｍｍである。

そして、実施例、比較例のラジアントチューブを用いて、投入燃料ガス量、燃焼空気量を揃える調整を行い、排出されるＮＯｘ量を１１％Ｏ_２に換算して比較した。その結果、実施例のラジアントチューブ１を用いた場合では、比較例のラジアントチューブを用いた場合と比較して、１１％Ｏ_２換算値で２５％〜５０％ＮＯｘが低下した。また、実施例のラジアントチューブ１では、バーナへの煤の付着が観察されなかった。

１ラジアントチューブ
１０放射管
２０バーナ
２２１次空気供給管
２４燃料ガス供給管
２６２次空気供給管
２８バックプレート
３０炉壁

Claims

放射管と、前記放射管に接続されたバーナを備え、前記バーナの前方側の端面が前記放射管内に位置するラジアントチューブであって、
前記放射管は、楕円形の断面を有し、
前記バーナは、円形の断面を有し、かつ、
前記バーナ内に配置され前記端面近傍に吐出口を有する１次空気供給管及び燃料ガス供給管と、
前記バーナ内に配置され前記端面中央から前方に突出した位置に吐出口を有する２次空気供給管と、
前記バーナの側面に設置されバーナ後方側への燃焼ガスの流れを抑制するバックプレートと、を有する、ラジアントチューブ。
放射管とバックプレートの隙間が、放射管断面の長径方向において放射管内径の８％以下である、請求項１に記載のラジアントチューブ。