JPH0611121A - 蓄熱式燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 蓄熱式燃焼装置の入熱密度、安全性、信頼性
を高める。 【構成】 蓄熱式燃焼装置に、燃焼用空気の供給と燃焼
排ガスの排気を交互に行うための２つの空気流路３ａ，
３ｂ、これら空気流路３ａ，３ｂの中間に配置された燃
料噴射ノズル９、および中央空気流路７を備えたバーナ
１と、上記２つの空気流路３ａ，３ｂにそれぞれ接続さ
れた連結管５ａ，５ｂと、これら連結管５ａ，５ｂにそ
れぞれ収容された通気性の蓄熱体４ａ，４ｂを設け、燃
料噴射ノズル９から燃料を連続的に供給しつつ、２つの
空気流路３ａ，３ｂを通じて燃焼用空気の供給と燃焼排
ガスの排気を同時に実行可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炉内排ガスの熱を回収
して燃焼用空気を予熱する蓄熱式燃焼装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃焼排ガスの熱で燃焼用空気を予
熱することによってエネルギーの省力化を図るバーナと
して、図５に示すように、バーナ本体１０１に、燃料噴
射ノズル１０２と、バーナスロート部１０３に通じる空
気流路１０４と、上記空気流路１０４に配置された通気
性の蓄熱体１０５とで構成した蓄熱バーナ１００が知ら
れている。

【０００３】上記バーナ１００は、図６に示すように、
２台（１００ａ，１００ｂ）１組として炉壁１０６に取
り付けられる。そして、バーナ１００ａ，１００ｂの燃
料噴射ノズル１０２，１０２はそれぞれ切換弁Ｆ１，Ｆ
２を有するガス供給ライン１０７ａ，１０７ｂを介して
ガス供給源１０８に連結される。また、バーナ１００
ａ，１００ｂの空気流路１０４，１０４はそれぞれ切換
弁Ａ１，Ａ２を有するエア供給ライン１０９ａ，１０９
ｂを介してエアブロア１１０に連結されるとともに、そ
れぞれ切換弁Ｗ１，Ｗ２を有する排ガスライン１１１
ａ，１１１ｂを介して誘引ファン１１２に連結される。

【０００４】このようにラインに接続された１組のバー
ナ１００ａ，１００ｂは、所定時間毎に燃料ガスの燃焼
と排ガスの排気に供されると共に、一方のバーナでガス
燃焼時は他方のバーナで排ガスを排気しながら運転され
る。すなわち、図示するように、バーナ１００ａでガス
を燃焼する場合、このバーナ１００ａについては、切換
弁Ｆ１，Ａ１が開されると共に切換弁Ｗ１が閉され、ガ
ス供給源１０８よりノズル１０２に燃料ガスが供給さ
れ、エアブロア１１０より空気流路１０４に燃焼用空気
が供給され、これら燃料ガスと燃焼用空気がバーナスロ
ート部１０３より炉内１１４に噴射されて燃焼される。
他方のバーナ１００ｂについては、切換弁Ｆ２，Ａ２が
閉されると共に切換弁Ｗ２が開され、誘引ファン１１２
の駆動に基づいて炉内１１４の排ガスが空気流路１０４
を通じて煙突１１３から排出され、このとき蓄熱体１０
５は該蓄熱体１０５を通過する高温排ガスとの接触によ
り加熱される。

【０００５】逆に、バーナ１００ｂでガスを燃焼する場
合、このバーナ１００ｂについては、切換弁Ｆ２，Ａ２
が開されると共に切換弁Ｗ２が閉され、ガス供給源１０
８よりノズル１０２に燃料ガスが供給され、エアブロア
１１０より空気流路１０４に燃焼用空気が供給され、こ
れら燃料ガスと燃焼用空気がバーナスロート部１０３よ
り炉内１１４に噴射されて燃焼される。このとき、バー
ナ１００ｂでは、上記バーナ１００ａによるガス燃焼の
際に蓄熱体１０５に熱が蓄積されているので、エアブロ
ア１１０より空気流路１０４に供給された燃焼用空気は
蓄熱体１０５との接触により予熱され、この予熱された
燃焼用空気と共に燃料ガスが燃焼される。したがって、
燃料ガスを常温の空気と共に燃焼するのに比べて、燃料
の燃焼効率が著しく向上する。一方、バーナ１００ａに
ついては、切換弁Ｆ１，Ａ１が閉されると共に切換弁Ｗ
１が開され、空気流路１０４を通じて炉内１１４の排ガ
スが排気され、この高温排ガスの熱が蓄熱体１０５に回
収されてバーナ１００ａの次回の燃料燃焼時に燃焼用空
気の予熱に利用される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記バ
ーナ１００ａ，１００ｂは、上述の通り２台１組として
使用しなければならず、しかも一方のバーナが燃焼時は
他方のバーナは非燃焼状態に保持しなければならない。
また、所要の配管スペースを確保するためにバーナ同士
を接近させるにも限りがある。そのため、所定の燃焼量
（炉の入熱）を確保するためには、バーナの取付台数が
多くなり、炉内寸法の拡大、コストの高騰が不可避であ
るという問題点があった。

【０００７】また、上記バーナは、燃焼用空気の供給と
共に蓄熱体１０５の温度が徐々に低下し、燃焼用空気の
予熱力が低下する。したがって、燃焼効率を高度に維持
するために切換弁Ｆ１，Ａ１，Ｗ１，Ｆ２，Ａ２，Ｗ２
を頻繁に開閉しなければならない。現実には、約２０秒
毎に弁は切り換えられており、炉を年６０００時間操業
すると約１００万回／年（＝６０００×３６００／２
０）の切換動作が繰り返され、このような膨大な数の切
換を一度たりとも誤動作することなく機能させるため
に、制御方法のみならず切換弁そのものの機械構造にも
高信頼性が要求されるという問題点があった。例えば、
燃料系の弁が誤動作したり、燃料の漏洩があると、その
漏洩燃料が排ガスラインに流入して無駄に消費された
り、爆発を招来する。また、不純物を含む燃料ガスを使
用するときは、その不純物成分がガス切換弁Ｆ１，Ｆ２
の内部に固着して十分な密閉性を保てなくなる恐れがあ
る。

【０００８】さらに、バーナースロート部１０３に空気
流路１０４が接続されているので、つまり燃料ガスが空
気流路１０４に侵入可能な構成となっているので、燃焼
用空気と排ガスの切換弁が誤動作すると、排ガスライン
１１１ａ，１１１ｂに燃料ガスが流入して爆発を招来す
る危険があった。

【０００９】さらにまた、火炎の状態を確認するために
１組のバーナ（２つのバーナ）に対して２系統の火炎監
視が必要となるうえ、「燃焼中」と「排気中」のモード
の区別を監視する条件を制御に組み込まなければならな
い。加えて、バーナ毎に点火用のバーナが必要である。
したがって、制御系や配管系の設計や構成が複雑になる
とともに、それらに要する費用も高くなるという問題点
があった。

【００１０】そしてまた、燃料噴射ノズル１０２が蓄熱
体１０５に接近して位置しており、高温予熱空気に包ま
れながら燃焼が行われる設計になっているため、その温
度上昇に起因して排出ＮＯｘが高くなるという問題点が
あった。具体的に、蓄熱体１０５による空気の予熱温度
が１０００℃まで上昇すると、排出ＮＯｘが１０００ｐ
ｐｍを越えていた。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決するためになされたもので、本発明にかかる蓄熱式燃
焼装置は、燃焼用空気の供給と燃焼排ガスの排気を交互
に行うための２つの空気流路、これら空気流路の中間に
配置された燃料噴射ノズル、および中央空気流路を備え
たバーナと、上記空気流路にそれぞれ接続された連結管
と、上記連結管にそれぞれ収容された通気性の蓄熱体と
からなるものである。

【００１２】

【作用】上記蓄熱式燃焼装置において、バーナは燃料噴
射ノズルと空気流路の噴出口を炉内に向けて炉壁に取り
付けられる。また、燃料噴射ノズルは燃料供給源に連結
される。さらに、連結管は燃焼用空気供給源と排ガス装
置に切換手段を介してそれぞれ連結される。そして、燃
料燃焼時、燃料噴射ノズルには燃料が継続的に供給され
る。また、空気流路の一方には燃焼用空気供給源より燃
焼用空気が供給され、残る他方の空気流路から炉内の排
ガスが排気され、連結管に設けた蓄熱体が予熱される。
上記燃焼用空気を供給する空気流路と排ガスを排気する
空気流路は所定時間毎に切り換えられ、排ガスから蓄熱
体に回収された熱が燃焼用空気の予熱に利用される。

【００１３】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明にかかる蓄
熱式燃焼装置の実施例について説明する。図１，２にお
いて、１はバーナ、２は該バーナ１のバーナ本体で、周
知の耐火物で構成されている。３ａは第１空気流路、３
ｂは第２空気流路で、これら空気流路３ａ，３ｂはバー
ナ本体２を前後に貫通して形成されている。４ａ，４ｂ
は蓄熱体で、セラミックスなどの耐熱材からなるハニカ
ム状あるいは多数のセラミックスペレットを収容した容
器状の通気性の部材からなり、空気流路３ａ，３ｂに接
続した連結管５ａ，５ｂに蓄熱器ボックス６ａ，６ｂを
設け、この蓄熱器ボックス６ａ，６ｂにそれぞれ収容さ
れている。なお、図面上蓄熱器ボックス６ａ，６ｂは互
いに分離されているが、一つの蓄熱器ボックスを隔壁で
仕切ることによってそれぞれの蓄熱体４ａ，４ｂの収容
部を形成してもよい。７は中央空気流路で、上記２つの
空気流路３ａ，３ｂの中間にバーナ本体２を貫通して形
成されており、後端に連結管８が設けてある。９は燃料
ノズルで、上記連結管８の後端を貫通して中央空気流路
７に挿入されている。１０は火炎監視窓で、中央空気流
路７の側部に設けてある。

【００１４】上記構成を有するバーナ１は、空気流路３
ａ，３ｂの前部を炉内に向けて炉壁に取り付けられ、図
３に示すように配管が接続される。すなわち、燃料ノズ
ル９は、遮断弁１１と調節弁１２を有するガス供給ライ
ン１３を介してガス供給源１４に接続される。中央空気
流路７の連結管８は、遮断弁１５を有するセンタエア供
給ライン１６を介してエアブロア１７に連結される。第
１空気流路３ａの連結管５ａは、切換弁１８ａを有する
エア供給ライン１９ａを介してエアブロア１７に接続さ
れると共に、切換弁２０ａを有する排ガスライン２１ａ
を介して誘引ファン２２に連結される。同様に、第２空
気流路３ｂの連結管５ｂは、切換弁１８ｂを有するエア
供給ライン１９ｂを介してエアブロア１７に接続される
と共に、切換弁２０ｂを有する排ガスライン２１ｂを介
して誘引ファン２２に連結される。

【００１５】上記の通り配管に接続されたバーナ１は、
外部制御信号に基づいて、下記する運転モードＭ１とＭ
２を所定時間毎に交互に繰り返して運転される。 弁 モードＭ１ モードＭ２ １８ａ 開 閉 ２０ａ 閉 開 １８ｂ 閉 開 ２０ｂ 開 閉 なお、上記運転モードＭ１，Ｍ２の切換時間は、蓄熱体
４ａ，４ｂの蓄熱能力、空気予熱能力などを考慮して、
最も効率的な燃焼が得られるように設定される。また、
ガス供給ライン１３の弁１１とセンタエア供給ライン１
６の弁１５はいずれの運転モードにあっても開状態が維
持され、停炉時あるいは特定時のみ閉する。

【００１６】バーナ１の運転について詳細に説明する
と、バーナ燃焼時、運転モードのいかんに拘わらず、燃
料ノズル９にはガス供給ライン１３を通じてガス供給源
１４より燃料ガスが供給され、中央空気流路７にはセン
タエア供給ライン１６を通じてエアブロア１７より燃焼
空気の一部（以下、この燃焼空気を「センタエア」とい
う。）が供給される。そして、燃料ノズル９から噴射さ
れた燃料ジェットが中央空気流路７から噴射されるセン
タエアと混合しながら、３ａまたは３ｂの空気通路から
噴出する高温予熱空気と接触することにより火炎Ｆが安
定的に保持される。なお、センタエアは、燃料ノズル９
を冷却すると共に火炎Ｆを安定させる機能を有し、その
量は全燃焼空気の約３〜１０％で足りる。また、上記燃
料ガスは、何らかの異常または炉停止などにより強制的
に遮断弁１１が閉じない限り連続的に燃料ノズル９に供
給され、センタエアも弁１５が常時開状態を維持して連
続的に供給される。

【００１７】そして、運転モードＭ１にあっては、切換
弁１８ａが開されると共に切換弁１８ｂが閉され、第１
空気流路３ａにエア供給ライン１９ａを通じてエアブロ
ア１７より燃焼用空気が供給され、この燃焼用空気が上
記燃料ガスと混合燃焼されて火炎Ｆが形成される。ま
た、切換弁２０ａが閉されると共に切換弁２０ｂが開さ
れ、誘引ファン２２の駆動に基づいて炉内の排ガスが第
２空気流路３ｂより排ガスライン２１ｂに吸引され、煙
突２３から大気中に排出される。さらに、上記連結管６
ｂの蓄熱体４ｂが、該蓄熱体４ｂを通過する高温の排ガ
スとの接触により加熱される。

【００１８】運転モードＭ２に切り換わると、運転モー
ドＭ１とは逆に、切換弁１８ａが閉されると共に切換弁
１８ｂが開され、エア供給ライン１９ｂを通じてエアブ
ロア１７より燃焼用空気が第２空気流路３ｂに供給さ
れ、この燃焼用空気が上記燃料ガスと混合燃焼されて火
炎Ｆが形成される。なお、上記第２空気流路３ｂに供給
される燃焼用空気は、モードＭ１の運転時に加熱された
蓄熱体４ｂを通過する際に該蓄熱体４ｂに蓄えられた熱
を奪って高温予熱空気となる。したがって、この高温予
熱空気と混合される燃料ガスの燃焼効率が高度に保持さ
れる。また、誘引ファン２２の駆動に基づいて炉内の排
ガスが第１空気流路３ａより排ガスライン２１ａに吸引
排気され、その際に蓄熱体４ａが高温排ガスとの接触に
より加熱される。そして、運転モードがモードＭ２から
モードＭ１に切り換わると、上記連結管５ａの蓄熱体４
ａに蓄えられた熱によって燃焼用空気が予熱され、モー
ドＭ１における燃焼効率が高度に維持される。

【００１９】すなわち、運転モードＭ１の際に蓄熱体４
ｂが加熱され、この蓄熱体４ｂに蓄えられた熱によって
運転モードＭ２の際に燃焼用空気が予熱される。逆に、
運転モードＭ２の際に蓄熱体４ａが加熱され、この蓄熱
体４ａに蓄えられた熱によって運転モードＭ１の際に燃
焼用空気が予熱される。

【００２０】ところで、燃料ガスと空気流路３ａまたは
３ｂから供給された燃焼用空気は、燃料ノズル９の先端
から所定距離隔てた位置から混合を開始する。また、燃
料ガスと燃焼用空気の接触混合面の反対側では空気流路
に吸引される炉内ガスが火炎に巻き込まれ混合される。
したがって、これらの混合作用によって、炉内に供給さ
れる燃焼用空気の温度が炉温（概ね空気流路３ａ，３ｂ
に吸入される排ガスの温度に等しい。）の約９０％程度
（例えば、炉温が１３００℃であれば１１７０℃）にな
っても燃焼は緩やかに継続される。また、上記混合作用
によって、良好な低ＮＯｘ性能を得ることができる。

【００２１】上記蓄熱式燃焼装置をウォーキングビーム
式加熱炉に適用した例を図４に示す。この図に示すウォ
ーキングビーム式加熱炉２５では、炉床壁２６を貫通す
る複数の可動ポスト２７と、これら可動ポスト２７を連
結したスキッドパイプ２８でウォーキングビーム２９が
構成されており、上記可動ポスト２７が矢印Ｘで示す矩
形運動を行うことにより加熱材料Ｍが矢印Ｙ方向に搬送
される。また、上記ウォーキングビーム式加熱炉２５で
は、炉側壁３０と、天井壁３１の一部を下方に折り曲げ
て形成された材料搬送方向とほぼ鉛直をなす垂直壁３２
とに、上記バーナ１が取り付けられている。したがっ
て、このウォーキングビーム式加熱炉２５では、炉内で
形成される火炎は熱放散したのちバーナ１の排気用空気
流路に還流される。したがって、燃焼排ガスが炉の出口
に向かって一様に流動するようにした従来のウォーキン
グビーム式加熱炉に比べて、熱風ダクトや排ガスダクト
を特別に設ける必要がなく、スペースの効率化、コスト
の低減を図ることができる。同様の効果が、加熱炉２５
の下部帯の側壁にバーナを取付けた場合にも得られる。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
かかる蓄熱式燃焼装置は、一台で同時に燃焼用空気の供
給と排ガスの排気を行うことができるので、所定の入熱
を確保するために必要なバーナの台数が従来の蓄熱バー
ナに比べて半減するとともに、それによって炉の所要ス
ペースが減少し、炉への入熱密度が高くなる。

【００２３】また、従来の２台１組で使用される蓄熱バ
ーナでは、開閉を繰り返す切換弁が、各組毎に燃料系に
２個、燃焼用空気供給系に２個、さらに排ガス系に２
個、合計６個必要であった。しかし、本願の蓄熱式燃焼
装置では、燃料ノズルには連続的に燃料が供給され、切
換用の弁は不要であることから、切換弁は燃焼用空気供
給系に２個、排ガス系に２個、合計４個で足りる。した
がって、配管と制御系が簡素化され、切換弁の誤動作に
起因する事故の発生率が著しく低くなり、長期の使用に
対しても安全性、信頼性が高くなる。

【００２４】さらに、空気流路と燃料ガスの供給経路が
完全に分離されているので、燃焼用空気や排ガスの切換
弁が誤動作したり、燃料の漏洩があっても、燃料が排ガ
スラインに逆流して爆発するということもなく、安全性
が向上する。

【００２５】さらにまた、従来の蓄熱バーナでは、２台
１組の蓄熱バーナに２つの火炎監視装置が必要であった
が、本発明のバーナでは、台数の減少した分だけ火炎監
視装置が不要となる。

【００２６】そしてまた、火炎近傍で高温排ガスが吸入
されるので、この吸入排ガスが火炎および燃焼用空気に
混合される。したがって、上記混合作用によって、炉内
に供給される燃焼用空気の温度が高くなっても適正な火
炎温度が維持され、低ＮＯｘ性能を確保することができ
る。

【００２７】また、蓄熱体がバーナの外部に配置されて
いるので、蓄熱体の保守点検や交換が容易である。加え
て、蓄熱体を空気流路に収容した場合、両者のシール性
を適性に確保することが容易でないが、本発明の場合、
蓄熱体はバーナ外部の蓄熱器ボックスに収容しているの
で、両者のシール性を確保することが容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかる蓄熱式燃焼装置の縦断面図で
ある。

【図２】 本発明にかかる蓄熱式燃焼装置の正面図であ
る。

【図３】 本発明にかかる蓄熱式燃焼装置の配管図であ
る。

【図４】 ウォーキングビーム式加熱炉の部分断面図で
ある。

【図５】 従来の蓄熱バーナの縦断面図である。

【図６】 従来の蓄熱バーナの配管図である。

【符号の説明】

１…バーナ、２…バーナ本体、３ａ，３ｂ…空気流路、
４ａ，４ｂ…蓄熱体、７…中央空気流路、９…燃料ノズ
ル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼用空気の供給と燃焼排ガスの排気を
   交互に行うための２つの空気流路、これら空気流路の中
   間に配置された燃料噴射ノズル、および中央空気流路を
   備えたバーナと、上記空気流路にそれぞれ接続された連
   結管と、上記連結管にそれぞれ収容された通気性の蓄熱
   体とからなることを特徴とする蓄熱式燃焼装置。