JP6878211B2

JP6878211B2 - 連続燃焼式ラジアントチューブバーナ

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Publication number: JP6878211B2
Application number: JP2017168507A
Authority: JP
Inventors: 岡田　邦明; 邦明岡田; 慎也北原
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2017-09-01
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2037-09-01
Also published as: JP2019045067A

Description

本発明は、加熱炉、熱処理炉等の加熱手段として用いられる連続燃焼式ラジアントチューブバーナに関する。

加熱炉、熱処理等の加熱手段として、従来から様々なラジアントチューブが使用されている。そして、近年においては、環境保護の点から、ラジアントチューブにより燃料ガスを燃焼させた場合において、燃焼後の燃焼排ガス中に含有されるＮＯｘの量を少なくする方法が検討されている。

従来、低ＮＯｘ化を実現したラジアントチューブバーナとして、例えば、特許文献１に示すものが知られている。
特許文献１に示すラジアントチューブは、交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナであり、バーナユニットと主燃焼室との間に配置された円形プレートと、円形プレートと蓄熱体との間に形成され且つ蓄熱体を通過した二次燃焼空気が流入する環状エアスロート部と、円形プレートの外縁部から蓄熱体の外縁部に延びる円筒形外周カバーと、円形プレートを一体的に貫通して円形プレートの前方に突出し且つ主燃焼室に開口する伝熱管とを有し、燃料噴射口及び一次燃焼空気吐出口が伝熱管内に開口し、伝熱管の管内領域が一次燃焼空気及び燃料を混合する一次燃焼室を構成し、主燃焼室に開口した環状の空気希釈室が伝熱管先端部の外周に形成され、円形プレートがエアスロート部及び空気希釈室を相互連通する開口部を有するようになっている。
この特許文献１に示す交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナによれば、ラジアントチューブバーナ装置の設置条件又は熱変形の影響を受けずに、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度の増加を防止することができる。

また、従来、低ＮＯｘ化を実現したラジアントチューブバーナとして、例えば、特許文献２に示すものも知られている。
特許文献２に示すラジアントチューブバーナは、連続燃焼式のラジアントチューブバーナであり、燃焼用空気を案内するラジアントチューブの内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給管が設けられ、燃料ガス供給管の先端に燃料ガスを直進方向に噴出させる直進噴出口が設けられると共に、燃料ガス供給管の先端側に直進噴出口から噴出された燃料ガスと燃焼用空気とを混合させて燃焼させる燃焼筒が設けられている。そして、このラジアントチューブバーナにおいて、直進噴出口より後方における燃料ガス供給管の先端部に燃料ガスを放射方向に噴出させる放射噴出口が設けられ、放射噴出口の後方近傍における燃料ガス供給管の外周に抑止板が設けられると共に、抑止板よりも後方の位置における燃料ガス供給管に、燃料ガスを放射方向に噴出させる一次噴出口が設けられている。
この特許文献２に示すラジアントチューブバーナによれば、一次噴出口から噴出された燃料ガスと、放射噴出口から噴出された燃料ガスと、直進噴出口から噴出された燃料ガスとを３段階で燃焼させるようにしたため、従来のラジアントチューブバーナに比べて、火炎温度が高くなるのが一層抑制され、燃焼排ガス中におけるＮＯｘの量をさらに低減させることができる。

特許第４１２２４１０号公報特許第５２３５０８１号公報

しかしながら、これら特許文献１及び２に示すラジアントチューブバーナにあっては、以下の問題点があった。
即ち、特許文献１に示すラジアントチューブバーナの場合、交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナであり、従来からある既存の加熱炉に設置されている連続燃焼式ラジアントチューブバーナの更新時にそのまま適用しても、低ＮＯｘ化の効果は得られない。なぜなら、従来からある連続燃焼式ラジアントチューブバーナでは、メインバーナの燃焼負荷に対して中心部で燃焼させるパイロットバーナの燃焼負荷が約３〜７％であり、それに伴うパイロット燃焼用エアとして供給されるブロワ容量（流量）も、メイン燃焼用エアの流量の３〜７％であり、特許文献１に示すラジアントチューブバーナの構造をそのまま適用しても、特許文献１に記載した低ＮＯｘ化の効果は得られない。つまり、特許文献１に示す交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナにおいては、一次空気供給管内に、燃料を供給する燃料送給管が配置されるとともにパイロット燃料を供給するパイロット燃料管が燃料送給管と平行に配置され、パイロット燃焼用エアは一次燃焼用空気となっている。このため、パイロット燃焼用エアの流量がメイン燃焼用エアの流量に対して多すぎるからである（特許文献１における一次空気供給管の一次燃焼用空気の流量に対し、従来からある連続燃焼式ラジアントチューブのパイロット燃焼用エアの流量は、１/２〜１/５程度と少ない）。従って、特許文献１に示すラジアントチューブバーナの構造を適用し、低ＮＯｘ効果を得ようとする場合には、パイロット燃焼用エアを供給するための構造（エアブロワ及び供給管系統）を全面的に更新する必要が生じ、非常に高額の更新費用がかかるという問題があった。

また、特許文献２に示すラジアントチューブバーナの場合、燃焼用空気を高温（４００℃以上）に予熱する場合の問題の対策に欠けており、燃焼用空気を高温に予熱して省エネルギー化を達成することができない。つまり、特許文献２に示すラジアントチューブバーナの場合、ラジアントチューブの内部に燃料ガス供給管が一重構造で配置されており、燃料ガス供給管に直接燃焼用空気が接触するようになっている。このため、燃焼用空気が４００℃以上の高温に予熱されると、燃料ガス供給管内の燃料ガスも２００℃以上の高温になってしまうため、特許文献２に示すラジアントチューブバーナでは、燃焼用空気を４００℃以上の高温に予熱することができない。具体的には、燃料ガスはメタン等の炭化水素を含有しており、一般的にその燃料ガスが２００℃以上になると部分的に熱分解され、残留物を生じてしまうため、燃料ガスを２００℃以上に加熱することは厳禁とされている。

従って、本発明はこれら従来の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃焼用空気を４００℃以上の高温に予熱したとしても燃料ガスの熱分解を防止できるとともに、既存の連続燃焼式ラジアントチューブを低コストで低ＮＯｘバーナに更新することができる連続燃焼式ラジアントチューブバーナを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る連続燃焼式ラジアントチューブバーナは、２次燃焼室を形成するラジアントチューブと、該ラジアントチューブの一端に配置され、燃料ガス、燃焼用空気、パイロット燃料ガス及びパイロット燃焼用空気を供給するバーナユニットとを備えた連続燃焼式ラジアントチューブバーナであって、前記ラジアントチューブの中に配置された円形プレートと、該円形プレートの外縁部からバーナユニット側に延び、前記燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給路を形成する円筒形外周カバーと、前記円形プレートから前記バーナユニット側と反対側に突出し且つ１次燃焼室を形成する燃焼筒と、前記円形プレートを貫通して前記燃焼筒の内部に開口し、前記パイロット燃焼用空気を供給するパイロット燃焼用空気供給路を形成するパイロット燃焼用空気供給管と、前記円形プレートの前記燃焼筒と前記パイロット燃焼用空気供給管との間の部分に前記円形プレートを貫通するように形成された１次燃焼用空気吐出口と、前記円形プレートの前記燃焼筒の半径方向外側に前記円形プレートを貫通するように形成された２次燃焼用空気吐出口とを備え、前記パイロット燃焼用空気供給管の内部に燃料ガス供給管を配置して該燃料ガス供給管を前記パイロット燃焼用空気供給管で覆い、前記パイロット燃焼用空気供給管内のパイロット燃焼用空気供給路に全空気流量の３〜７％のパイロット燃焼用空気を供給して前記燃料ガス供給管内を流れる燃料ガスの２００℃以上への高温化を抑止するとともに、前記円形プレートにおいて、前記２次燃焼用空気吐出口の周方向範囲θを１８０°≦θ≦２２０°とし且つ前記２次燃焼用空気吐出口の中心直径ＰＣＤを前記ラジアントチューブの内径Ｄに対し、Ｄ／ＰＣＤ＜１．４とし、前記２次燃焼用空気吐出口を通過する２次燃焼用空気流の流速Ｖ_２を、バーナの最大燃焼負荷時においてＶ_２≦２０ｍ／ｓｅｃとし、前記燃焼筒の長さＬをＬ≧１００ｍｍとするとともに、全体の空気流量に対する前記燃焼筒の内部への燃焼空気流量比ｒ_ｑを、バーナの最大燃焼負荷時において１７％＜ｒ_ｑ＜２５％に設定することを要旨とする。

本発明に係る連続燃焼式ラジアントチューブバーナによれば、燃焼用空気を４００℃以上の高温に予熱したとしても燃料ガスの熱分解を防止できるとともに、既存の連続燃焼式ラジアントチューブを低コストで低ＮＯｘバーナに更新することができる連続燃焼式ラジアントチューブバーナを提供できる。

本発明の一実施形態に係る連続燃焼式ラジアントチューブバーナの概略構成図である。図１に示す連続燃焼式ラジアントチューブバーナのバーナユニット近傍を示す断面図である。図２における一次燃焼室及び２次燃焼室近傍の拡大図である。図３における４−４線に沿う断面図である。ＮＯｘ濃度及び周方向偏熱量と２次燃焼用空気吐出口の周方向範囲との関係を示すグラフである。ＮＯｘ濃度と２次燃焼用空気吐出口のＰＣＤ比との関係を示すグラフである。ＮＯｘ濃度と２次燃焼用空気の流速との関係を示し、（Ａ）は２次燃焼用空気の流速をどのようにすればＮＯｘ濃度を最小にできるかの考え方を示すグラフ、（Ｂ）はバーナの最大燃焼負荷時におけるＮＯｘ濃度と２次燃焼用空気の流速との関係を示すグラフである。全体の空気流量に対する燃焼筒の内部への燃焼空気流量比（筒内燃焼空気流量比）ｒ_ｑを説明するための図である。ＮＯｘ濃度と筒内燃焼空気流量比ｒ_ｑとの関係を示し、（Ａ）は筒内燃焼空気流量比ｒ_ｑをどのようにすればＮＯｘ濃度を最小にできるかの考え方を示すグラフ、（Ｂ）はバーナの最大燃焼負荷時におけるＮＯｘ濃度と筒内燃焼空気流量比ｒ_ｑとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（装置構成）
図１には、本発明の一実施形態に係る連続燃焼式ラジアントチューブバーナが示されており、連続燃焼式ラジアントチューブバーナ（以下、単にバーナという）１は、２次燃焼室１２（図２及び図３参照）を形成するラジアントチューブ１０と、ラジアントチューブ１０の一端に配置されたバーナユニット２０とを備えている。

ラジアントチューブ１０の他端には、熱交換器５０が配置されている。この熱交換器５０には、燃焼用空気入口５１に接続された燃焼用空気流路５２と、排ガス出口５４に接続された排ガス流路５３とが設けられている。燃焼用空気流路５２は、バーナユニット２０の後述する燃焼用空気供給口２５ａに接続され、燃焼用空気入口５１から取り入れられた燃焼用空気が燃焼用空気流路５２を通って燃焼用空気供給口２５ａからバーナユニット２０内に導入される。また、排ガス流路５３は、ラジアントチューブ１０の他端に接続されラジアントチューブ１０の他端側から排出される排ガスが、排ガス流路５３を通って排ガス出口５４から排出される。そして、燃焼用空気流路５２と排ガス流路５３とは接触しており、燃焼用空気流路５２内の燃焼用空気と排ガス流路５３内の排ガスとが熱交換を行って、燃焼用空気が６００℃程度にまで加熱されるようになっている。このため、バーナユニット２０内には、６００℃程度に加熱された燃焼用空気が導入される。

そして、バーナユニット２０は、燃料ガス、燃焼用空気、パイロット燃料ガス及びパイロット燃焼用空気を供給するものであり、図２に示すように、バーナガン２１とエアケース２５とを備えている。バーナガン２１及びエアケース２５は、図２に示すように、炉壁Ｗに対して外部に露出している。そして、バーナガン２１の燃料ガス入口２２ａには燃料ガス供給配管２２が接続され、燃料ガスが燃料ガス供給配管２２から燃料ガス入口２２ａを介してバーナユニット２０内に導入される。また、バーナガン２１のパイロット燃料ガス入口２３ａにはパイロット燃料ガス供給配管２３が接続され、パイロット燃料ガスがパイロット燃料ガス供給配管２３からパイロット燃料ガス入口２３ａを介してバーナユニット２０内に導入される。更に、バーナガン２１のパイロット燃焼用空気入口２４ａにはパイロット燃焼用空気供給配管２４が接続され、パイロット燃焼用空気がパイロット燃焼用空気供給配管２４からパイロット燃焼用空気入口２４ａを介してバーナユニット２０内に導入される。

また、バーナユニット２０のエアケース２５には燃焼用空気供給口２５ａが設けられ、燃焼用空気は、燃焼用空気流路５２から燃焼用空気供給口２５ａを介してバーナユニット２０内に導入される。
一方、ラジアントチューブ１０の中には、図２及び図３に示すように、円形プレート３０が配置されている。円形プレート３０は、ラジアントチューブ１０の内径Ｄ（図４参照）と実質的に同一の外径を有する。
また、バーナ１においては、円形プレート３０から前側（バーナユニット２０側と反対側）に突出し且つ内部に１次燃焼室１１を形成する燃焼筒３３が設けられている。この燃焼筒３３の円形プレート３０からの長さＬ（図３参照）は、Ｌ≧１００ｍｍとする。燃焼筒３３の長さＬが１００ｍｍより短いと、２次燃焼比率が増えすぎて、Ｎｏｘ濃度が高くなるため、Ｌ≧１００ｍｍとした。そして、この燃焼筒３３外周には、環状の空気希釈室１３が形成される。

また、バーナ１においては、円形プレート３０の外縁部から後側（バーナユニット２０側）に延び、内部に燃焼用空気供給路３２を形成する円筒形外周カバー３１が設けられている。円筒形外周カバー３１は、円形プレート３０と実質的に同一の外径を有し、燃焼用空気供給路３２と円形プレート３０の前側にある空気希釈室１３との間の流体連通を円形プレート３０の全周にわたって遮断する。燃焼用空気供給路３２は、図２に示すように、円筒形外周カバー３１の後端部近傍に形成された複数の開口２５ｂを介して燃焼用空気供給口２５ａに連通し、燃焼用空気供給口２５ａからの燃焼用空気が燃焼用空気供給路３２内に導入される。燃焼用空気供給路３２内に導入される燃焼用空気は、前述したように、６００℃程度に加熱されている。

更に、バーナ１においては、円筒形外周カバー３１の内部を前後方向に延び、円形プレート３０の中央部を貫通して燃焼筒３３の内部に開口するパイロット燃焼用空気供給管３５が設けられている。このパイロット燃焼用空気供給管３５の内部には、パイロット燃焼用空気を供給するパイロット燃焼用空気供給路３６が形成されている。パイロット燃焼用空気供給路３６は、バーナガン２１のパイロット燃焼用空気入口２４ａに連通し、パイロット燃焼用空気入口２４ａからのパイロット燃焼用空気がパイロット燃焼用空気供給路３６内に導入される。

また、円形プレート３０の燃焼筒３３とパイロット燃焼用空気供給管３５との間の部分には、図２乃至図４に示すように、円形プレート３０を貫通するように形成された複数の１次燃焼用空気吐出口４１が形成されている。複数の１次燃焼用空気吐出口４１は、図４に示すように、円形プレート３０の中心を中心として周方向に均等間隔で配置されている。各１次燃焼用空気吐出口４１は、略扇形で形成される。燃焼用空気供給路３２内に導入される燃焼用空気は、図３に示すように、１次燃焼用空気吐出口４１を通過して１次燃焼室１１内に吐出する１次燃焼用空気流Ａと、後述する２次燃焼用空気吐出口４２を通過して空気希釈室１３内に吐出する２次燃焼用空気流Ｂとに分離される。

更に、円形プレート３０の燃焼筒３３の半径方向外側には、図２乃至図４に示すように、円形プレート３０を貫通するように形成された複数（本実施形態にあっては３つ）の２次燃焼用空気吐出口４２が形成されている。各２次燃焼用空気吐出口４２は、周方向に延びる湾曲した長孔で形成され、等間隔且つ左右対称に円形プレート３０に形成される。２次燃焼用空気吐出口４２の配置については、後に詳述するが、図４に示すように、円形プレート３０の中心を中心に、中心直径がＰＣＤかつその周方向範囲がθで配置される。中心直径ＰＣＤの半径は、各２次燃焼用空気吐出口４２の開口縁４２ａ，４２ｂの各曲率半径の平均値に相当する。そして、２次燃焼用空気吐出口４２の中心直径ＰＣＤをラジアントチューブの内径Ｄに対し、Ｄ／ＰＣＤ＜１．４とし、且つ２次燃焼用空気吐出口４２の周方向範囲θを１８０°≦θ≦２２０°としている。

また、パイロット燃焼用空気供給管３５の内部には、図２及び図３に示すように、前後方向に延びる燃料ガス供給管３７が配置されている。燃料ガス供給管３７の内部には、燃料ガスを供給する燃料ガス供給路３８が形成されている。燃料ガス供給路３８は、バーナガン２１の燃料ガス入口２２ａに連通し、燃料ガス入口２２ａからの燃料ガスが燃料ガス供給路３８内に導入される。そして、燃料ガス供給管３７の前端には、燃料ガス噴射ノズル３７ａが形成され、燃料ガスは、燃料ガス供給路３８から燃料ガス噴射ノズル３７ａを経て１次燃焼室１１内に噴射される。

ここで、パイロット燃焼用空気供給管３５内のパイロット燃焼用空気供給路３６には、全空気流量（燃焼用空気の流量とパイロット燃焼用空気の流量とを合わせた空気の流量）の３〜７％のパイロット燃焼用空気が供給される。これにより、燃料ガス供給管３７の燃料ガス供給路３８内を流れる燃料ガスの２００℃以上への高温化が抑止される。つまり、燃焼用空気供給路３２内に導入される燃焼用空気は、６００℃程度の高温に加熱されているため、パイロット燃焼用空気供給管３５がなければ、その高温になった燃焼用空気が直接燃料ガス供給管３７に触れ、燃料ガス供給管３７の燃料ガス供給路３８内を流れる燃料ガスが２００℃以上の高温になってしまい、燃料ガスの熱分解が起きてしまう。パイロット燃焼用空気供給管３５内に燃料ガス供給管３７を配置して燃料ガス供給管３７をパイロット燃焼用空気供給管で覆い、パイロット燃焼用空気供給管３５内のパイロット燃焼用空気供給路３６に全空気流量の３〜７％のパイロット燃焼用空気を供給することで、燃料ガス供給管３７内を流れる燃料ガスの２００℃以上への高温化を抑止することができる。

また、パイロット燃焼用空気供給管３５と燃料ガス供給管３７の前端近傍とのには、図３及び図４に示すように、パイロット燃焼用空気供給路３６と１次燃焼室１１とを遮断する前端プレート３９が設けられている。この前端プレート３９には、パイロット燃焼用空気供給路３６と１次燃焼室１１とを連通させる複数のパイロット燃焼用空気吐出口３９ａが形成されている。このため、パイロット燃焼用空気は、パイロット燃焼用空気供給路３６から複数のパイロット燃焼用空気吐出口３９ａを経てパイロット燃焼用空気流Ｃとして１次燃焼室１１内に吐出される。

また、パイロット燃焼用空気供給管３５の内部には、図２及び図３に示すように、前後方向に延び、前端が前端プレート３９を貫通したパイロット燃料ガス供給管４０が配置されている。パイロット燃料ガス供給管４０は、バーナガン２１のパイロット燃料ガス入口２３ａに接続され、パイロット燃料ガス入口２３ａからのパイロット燃料ガスがパイロット燃料ガス供給管４０内に導入される。そして、パイロット燃料ガスは、パイロット燃料ガス供給管４０から１次燃焼室１１内に噴射される。

（バーナの作動）
次に、バーナ１の作動について説明する。
先ず、パイロット燃料ガスをバーナガン２１からパイロット燃料ガス供給管４０を経て１次燃焼室１１内に噴射するとともに、パイロット燃焼用空気をバーナガン２１からパイロット燃焼用空気供給路３６を経てパイロット燃焼用空気流Ｃとして１次燃焼室１１内に吐出する。これにより、１次燃焼室１１内で点火しておく。

次いで、燃料ガスをバーナガン２１から燃料ガス供給路３８を経て燃料ガス噴射ノズル３７ａから１次燃焼室１１内に噴射するとともに、燃焼用空気を、燃焼用空気供給口２５ａから燃焼用空気供給路３２内に導入する。すると、燃焼用空気供給路３２内に導入された燃焼用空気は、１次燃焼用空気吐出口４１を通過して１次燃焼室１１内に吐出する１次燃焼用空気流Ａと、２次燃焼用空気吐出口４２を通過して空気希釈室１３内に吐出する２次燃焼用空気流Ｂとに分離される。１次燃焼室１１内に流入した燃料ガスは、１次燃焼用空気流Ａと混合し、低空気比の燃焼反応により１次燃焼室１１内で部分燃焼し、１次燃焼室１１内で生成した燃焼ガスにより希釈される。そして、１次燃焼用空気流Ａ及び燃焼ガスの混合気は、低空気比の１次燃焼室１１内で改質作用を受け、活性化し、混合ガス流Ｅとして１次燃焼室１１から２次燃焼室１２に流出する。

なお、この燃焼作動中は、パイロット燃料ガス及びパイロット燃焼用空気は、常時、１次燃焼室１１内に吐出されている。
一方、複数の２次燃焼用空気吐出口４２の各々を通過して空気希釈室１３内に吐出する２次燃焼用空気流Ｂは、２次燃焼室１２の燃焼ガスを誘引し、この結果、空気希釈室１３内に逆流する燃焼ガスの再循環流Ｒが形成される。この再循環流Ｒは、空気希釈室１３内に流入し、燃焼筒３３の外周面に沿って２次燃焼用空気吐出口４２の近傍に回り込み、２次燃焼用空気流Ｂと混合し、二次燃焼用空気を比較的多量の燃焼ガスにより希釈することができる。

再循環流Ｒとの混合により酸素濃度が低下した２次燃焼用空気流Ｂは、燃焼筒３３の前端開口から吐出する混合ガス流Ｅと混合し、両者の燃焼反応が２次燃焼室１２に生起し且つ進行する。
このように、２次燃焼用空気流Ｂを再循環流Ｒとの混合により酸素濃度を低減させることで、２次燃焼室１２における燃焼で火炎温度が低減され、その結果として、排ガス中のＮＯｘ濃度を低減することができる。

（２次燃焼用空気吐出口の配置）
ここで、複数の２次燃焼用空気吐出口４２は、図４に示すように、円形プレート３０の中心を中心に、中心直径がＰＣＤかつその周方向範囲がθで配置される。中心直径ＰＣＤの半径は、各２次燃焼用空気吐出口４２の開口縁４２ａ，４２ｂの各曲率半径の平均値に相当する。
そして、２次燃焼用空気吐出口４２の周方向範囲θを１８０°≦θ≦２２０°とする。この理由について述べると、図５に示すように、２次燃焼用空気吐出口４２の周方向範囲θが大きくなればなるほど、排ガス中のＮＯｘ濃度（酸素濃度１１％換算値）は大きくなるため、ＮＯｘ濃度の観点からは周方向範囲θはより小さい方が好ましい。一方、２次燃焼用空気吐出口４２の周方向範囲θを小さくすればするほど、空気希釈室１３における周方向偏熱量ΔＴが大きくなるため、周方向偏熱量ΔＴの観点からは周方向範囲θは大きい方が好ましい。そこで、本実施形態にあっては、２次燃焼用空気吐出口４２の周方向範囲θを１８０°≦θ≦２２０°とする。当該周方向範囲θを２２０°以下とすることで、排ガス中のＮＯｘ濃度（酸素濃度１１％換算値）を１８０ｐｐｍに以下に抑制することができる。なお、図５においては、このＮＯｘ濃度（酸素濃度１１％換算値）は、２次燃焼用空気吐出口４２を通過する２次燃焼用空気の流速Ｖ_２をバーナの最大燃焼負荷時（１２万ｋｃａｌ／ｈ）において２６ｍ／ｓとしたときの値であり、図７（Ｂ）に示すように、２次燃焼用空気の流速Ｖ_２をバーナの最大燃焼負荷時（１２万ｋｃａｌ／ｈ）において２０ｍ／ｓとすると、排ガス中のＮＯｘ濃度（酸素濃度１１％換算値）を１６０ｐｐｍ以下に抑制することができる。一方、当該周方向範囲θを１８０°以上とすることで、周方向偏熱量ΔＴを約８５℃以下に抑制することができる。

また、２次燃焼用空気吐出口４２の中心直径ＰＣＤをラジアントチューブ１０の内径Ｄに対し、Ｄ／ＰＣＤ＜１．４とする。この理由について述べると、図６に示すように、ＰＣＤ比（Ｄ／ＰＣＤ）を小さくすればするほど、すなわち、２次燃焼用空気吐出口４２をラジアントチューブ１０の内面に近づければ近づけるほど、排ガス中のＮＯｘ濃度（酸素濃度１１％換算値）は小さくなるため、ＮＯｘ濃度の観点からはＰＣＤ比（Ｄ／ＰＣＤ）は小さくするほどよい。従って、ＰＣＤ比（Ｄ／ＰＣＤ）を１．４未満とする。これにより、排ガス中のＮＯｘ濃度（酸素濃度１１％換算値）を１８０ｐｐｍに以下に抑制することができる。なお、図６においては、このＮＯｘ濃度（酸素濃度１１％換算値）は、２次燃焼用空気吐出口４２を通過する２次燃焼用空気の流速Ｖ_２をバーナの最大燃焼負荷時（１２万ｋｃａｌ／ｈ）において２６ｍ／ｓとしたときの値であり、図７（Ｂ）に示すように、２次燃焼用空気の流速Ｖ_２をバーナの最大燃焼負荷時（１２万ｋｃａｌ／ｈ）において２０ｍ／ｓとすると、排ガス中のＮＯｘ濃度（酸素濃度１１％換算値）を１６０ｐｐｍ以下に抑制することができる。一方、ＰＣＤ比（Ｄ／ＰＣＤ）を小さくするにしても、各２次燃焼用空気吐出口４２は所定の幅が必要であることから、ＰＣＤ比（Ｄ／ＰＣＤ）を小さくすることには吐出口取合上の限界がある。従って、ＰＣＤ比（Ｄ／ＰＣＤ）は１．３５よりも大きいことが好ましい。

（２次燃焼用空気吐出口を通過する２次燃焼用空気流の流速）
また、燃焼用空気供給路３２内に導入される燃焼用空気は、２次燃焼用空気吐出口４２を通過する２次燃焼用空気流Ｂの流速Ｖ_２がバーナの最大燃焼負荷時（１２万ｋｃａｌ/ｈ）においてＶ_２≦２０ｍ／ｓｅｃとなるように導入される。
この理由について述べると、図７（Ａ）に示すように、排ガス中のＮＯｘ濃度は、２次燃焼用空気吐出口４２を通過する２次燃焼用空気流Ｂの流速Ｖ_２の増加に対して上側凸の放物線を描くような増減をするものであり、２次燃焼用空気流Ｂの流速Ｖ_２が非常に大きくなると、２次燃焼室１２における燃焼ガスの火炎が伸長し、火炎温度が低減するため、排ガス中のＮＯｘ濃度が低減する。しかし、２次燃焼用空気流Ｂの流速Ｖ_２が大きくなるということは、２次燃焼用空気吐出口４２の幅が狭くなるので、２次燃焼用空気吐出口４２における圧損が大きくなってしまう。一方、２次燃焼用空気流Ｂの流速Ｖ_２が非常に小さくなると、再循環流Ｒが円滑に形成され、２次燃焼用空気流Ｂの酸素濃度が低減し、２次燃焼室１２における燃焼で火炎温度が低減され、その結果として、排ガス中のＮＯｘ濃度が低減する。しかし、２次燃焼用空気流Ｂの流速Ｖ_２が小さくなるということは、２次燃焼用空気吐出口４２の幅が広くなるので、２次燃焼用空気吐出口４２の取合上の限界がある。本実施形態にあっては、２次燃焼用空気吐出口４２における圧損を大きくすることなく、排ガス中のＮＯｘ濃度を低減させる方法として、２次燃焼用空気吐出口４２を通過する２次燃焼用空気流Ｂの流速Ｖ_２が図７（Ｂ）に示すようにバーナの最大燃焼負荷時（１２万ｋｃａｌ/ｈ）においてＶ_２≦２０ｍ／ｓｅｃとなるようにした。これにより、排ガス中のＮＯｘ濃度（酸素濃度１１％換算値）を１６０ｐｐｍ以下に抑制することができる。なお、当該２次燃焼用空気流Ｂの流速Ｖ_２の下限値は、吐出口取合上の限界を考慮し、Ｖ_２＞１６ｍ／ｓとすることが好ましい。
なお、２次燃焼用空気流Ｂの流速Ｖ_２をバーナの最大燃焼負荷時（１２万ｋｃａｌ/ｈ）においてＶ_２≦２０ｍ／ｓｅｃとなるようにすることにより、周方向偏熱量ΔＴも６７℃以下に抑制することができる。

（筒内燃焼空気流量比）
次に、円形プレート３０を通過する全体の空気流量に対する燃焼筒３３の内部への燃焼空気流量比（筒内燃焼空気流量比）ｒ_ｑについて図８を参照して説明する。この筒内燃焼空気流量比ｒ_ｑは、燃焼筒３３の内部への燃焼空気流量Ｑｐを円形プレート３０を通過する全体の空気流量（Ｑｐ＋Ｑ２）で除した値である。燃焼筒３３の内部への燃焼空気流量Ｑｐは、１次燃焼用空気吐出口４１を通過して１次燃焼室１１内に吐出する１次燃焼用空気流Ａの流量と、パイロット燃焼用空気供給管３５を経て１次燃焼室１１内に吐出するパイロット燃焼用空気流Ｃの流量とを合計した流量である。また、Ｑ２は、２次燃焼用空気吐出口４２を通過して空気希釈室１３内に吐出する２次燃焼用空気流Ｂの流量である。

そして、本実施形態においては、燃焼用空気供給路３２内に導入される燃焼用空気を、筒内燃焼空気流量比ｒ_ｑがバーナの最大燃焼負荷時において１７％＜ｒ_ｑ＜２５％になるように導入する。
この理由について述べると、図９（Ａ）に示すように、排ガス中のＮＯｘ濃度は、筒内燃焼空気流量比ｒ_ｑの増加に対して下側凸の放物線を描くような増減をするものであり、筒内燃焼空気流量比ｒ_ｑが非常に大きくなると、燃焼筒３３内の１次燃焼室１１における筒内燃焼比率が増加し、２次燃焼室１２における燃焼ガスの火炎温度が上昇し、排ガス中のＮＯｘ濃度が増加する。一方、筒内燃焼空気流量比ｒ_ｑが非常に小さくなると、燃焼筒３３内の１次燃焼室１１における筒内燃焼比率が増加し、２次燃焼室１２における燃焼ガスの火炎温度が上昇し、排ガス中のＮＯｘ濃度が増加する。従って、筒内燃焼空気流量比ｒ_ｑの大きさは、適当な範囲で制限することが望ましい。

本実施形態にあっては、筒内燃焼空気流量比ｒ_ｑがバーナの最大燃焼負荷時（１２万ｋｃａｌ／ｈ）において１７％＜ｒ_ｑ＜２５％になるように設定する。図９（Ｂ）に示すように、筒内燃焼空気流量比ｒ_ｑをバーナの最大燃焼負荷時（１２万ｋｃａｌ／ｈ）において１７％よりも大きくしかつ２５％よりも小さくすると、すると、排ガス中のＮＯｘ濃度（酸素濃度１１％換算値）を１６０ｐｐｍ以下に抑制することができる。
また、筒内燃焼空気流量比ｒ_ｑをバーナの最大燃焼負荷時（１２万ｋｃａｌ／ｈ）において１７％＜ｒ_ｑ＜２５％になるように設定することにより、周方向偏熱量ΔＴも６７℃以下に抑制することができる。

このように、本実施形態に係るバーナ１においては、パイロット燃焼用空気供給管３５の内部に燃料ガス供給管３７を配置して燃料ガス供給管３７をパイロット燃焼用空気供給管３５で覆い、パイロット燃焼用空気供給管３５内のパイロット燃焼用空気供給路３６に全空気流量の３〜７％のパイロット燃焼用空気を供給して燃料ガス供給管３７内を流れる燃料ガスの２００℃以上への高温化を抑止する。これにより、燃焼用空気を４００℃以上の高温に予熱したとしても燃料ガスの熱分解を防止できる。
また、本実施形態に係るバーナ１においては、円形プレート３０において、２次燃焼用空気吐出口４２の周方向範囲θを１８０°≦θ≦２２０°とし且つ２次燃焼用空気吐出口４２の中心直径ＰＣＤをラジアントチューブ１０の内径Ｄに対し、Ｄ／ＰＣＤ＜１．４としている。このため、排ガス中のＮＯｘ濃度（酸素濃度１１％換算値）を１６０ｐｐｍ以下に抑制することができるとともに、周方向偏熱量ΔＴを約８５℃以下に抑制することができる。

更に、本実施形態に係るバーナ１においては、２次燃焼用空気吐出口４２を通過する２次燃焼用空気流Ｂの流速Ｖ_２を、バーナの最大燃焼負荷時（１２万ｋｃａｌ／ｈ）においてＶ_２≦２０ｍ／ｓｅｃとしている。これにより、排ガス中のＮＯｘ濃度（酸素濃度１１％換算値）を１６０ｐｐｍ以下に抑制することができる。
また、本実施形態に係るバーナ１によれば、燃焼筒３３の長さＬをＬ≧１００ｍｍとするとともに、円形プレート３０を通過する全体の空気流量に対する燃焼筒３３の内部への燃焼空気流量比ｒ_ｑを、バーナの最大燃焼負荷時（１２万ｋｃａｌ／ｈ）において１７％＜ｒ_ｑ＜２５％に設定する。これにより、排ガス中のＮＯｘ濃度（酸素濃度１１％換算値）を１６０ｐｐｍ以下に抑制することができる。

以上より、本実施形態に係るバーナ１によれば、燃焼用空気を４００℃以上の高温に予熱したとしても燃料ガスの熱分解を防止できるとともに、既存の連続燃焼式ラジアントチューブを低コストで低ＮＯｘバーナに更新することができる連続燃焼式ラジアントチューブバーナを提供できる。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、２次燃焼用空気吐出口４２は、円形プレート３０において、２次燃焼用空気吐出口４２の周方向範囲θを１８０°≦θ≦２２０°とし且つ２次燃焼用空気吐出口４２の中心直径ＰＣＤをラジアントチューブ１０の内径Ｄに対し、Ｄ／ＰＣＤ＜１．４とするものであれば、数は３つでなくてもよい。

１連続燃焼式ラジアントチューブバーナ
１０ラジアントチューブ
１１１次燃焼室
１２２次燃焼室
１３空気希釈室
２０バーナユニット
２１バーナガン
２２燃料ガス供給配管
２２ａ燃料ガス入口
２３パイロット燃料ガス供給配管
２３ａパイロット燃料ガス入口
２４パイロット燃焼用空気供給配管
２４ａパイロット燃焼用空気入口
２５エアケース
２５ａ燃焼用空気供給口
２５ｂ開口
３０円形プレート
３１円筒形外周カバー
３２燃焼用空気供給路
３３燃焼筒
３５パイロット燃焼用空気供給管
３６パイロット燃焼用空気供給路
３７燃料ガス供給管
３７ａ燃料ガス噴射ノズル
３８燃料ガス供給路
３９前端プレート
３９ａパイロット燃焼用空気吐出口
４０パイロット燃料ガス供給管
４１１次燃焼用空気吐出口
４２２次燃焼用空気吐出口
４２ａ開口縁
４２ｂ開口縁
５０熱交換器
５１燃焼用空気入口
５２燃焼用空気流路
５３排ガス流路
５４排ガス出口
Ａ１次燃焼用空気流
Ｂ２次燃焼用空気流
Ｃパイロット燃焼用空気流
Ｄラジアントチューブの内径
Ｅ混合ガス流
ＰＣＤ２次燃焼用空気吐出口の中心直径
θ ２次燃焼用空気吐出口の周方向範囲
Ｖ_２２次燃焼用空気流の流速
ｒ_ｑ筒内燃焼空気流量比

Claims

２次燃焼室を形成するラジアントチューブと、該ラジアントチューブの一端に配置され、燃料ガス、燃焼用空気、パイロット燃料ガス及びパイロット燃焼用空気を供給するバーナユニットとを備えた連続燃焼式ラジアントチューブバーナであって、
前記ラジアントチューブの中に配置された円形プレートと、該円形プレートの外縁部からバーナユニット側に延び、前記燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給路を形成する円筒形外周カバーと、前記円形プレートから前記バーナユニット側と反対側に突出し且つ１次燃焼室を形成する燃焼筒と、前記円形プレートを貫通して前記燃焼筒の内部に開口し、前記パイロット燃焼用空気を供給するパイロット燃焼用空気供給路を形成するパイロット燃焼用空気供給管と、前記円形プレートの前記燃焼筒と前記パイロット燃焼用空気供給管との間の部分に前記円形プレートを貫通するように形成された１次燃焼用空気吐出口と、前記円形プレートの前記燃焼筒の半径方向外側に前記円形プレートを貫通するように形成された２次燃焼用空気吐出口とを備え、
前記パイロット燃焼用空気供給管の内部に燃料ガス供給管を配置して該燃料ガス供給管を前記パイロット燃焼用空気供給管で覆い、前記パイロット燃焼用空気供給管内のパイロット燃焼用空気供給路に全空気流量の３〜７％のパイロット燃焼用空気を供給して前記燃料ガス供給管内を流れる燃料ガスの２００℃以上への高温化を抑止するとともに、
前記円形プレートにおいて、前記２次燃焼用空気吐出口の周方向範囲θを１８０°≦θ≦２２０°とし且つ前記２次燃焼用空気吐出口の中心直径ＰＣＤを前記ラジアントチューブの内径Ｄに対し、Ｄ／ＰＣＤ＜１．４とし、
前記２次燃焼用空気吐出口を通過する２次燃焼用空気流の流速Ｖ_２を、バーナの最大燃焼負荷時においてＶ_２≦２０ｍ／ｓｅｃとし、
前記燃焼筒の長さＬをＬ≧１００ｍｍとするとともに、全体の空気流量に対する前記燃焼筒の内部への燃焼空気流量比ｒ_ｑを、バーナの最大燃焼負荷時において１７％＜ｒ_ｑ＜２５％に設定することを特徴とする連続燃焼式ラジアントチューブバーナ。