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JPH08145315A - 低NOxバーナ - Google Patents

低NOxバーナ

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JPH08145315A
JPH08145315A JP12737495A JP12737495A JPH08145315A JP H08145315 A JPH08145315 A JP H08145315A JP 12737495 A JP12737495 A JP 12737495A JP 12737495 A JP12737495 A JP 12737495A JP H08145315 A JPH08145315 A JP H08145315A
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JP
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air
fuel
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diameter
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JP12737495A
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Mamoru Matsuo
Kazuhisa Mitani
Tomohiko Nishiyama
Ryoichi Tanaka
和久 三谷
護 松尾
良一 田中
智彦 西山
Original Assignee
Nippon Furnace Kogyo Kaisha Ltd
Toyota Motor Corp
トヨタ自動車株式会社
日本ファーネス工業株式会社
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    • F23MCASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00Casings; Linings; Walls
    • F23M5/02Casings; Linings; Walls characterised by the shape of the bricks or blocks used
    • F23M5/025Casings; Linings; Walls characterised by the shape of the bricks or blocks used specially adapted for burner openings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CCOMBUSTION APPARATUS USING FLUENT FUEL
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    • F23C6/04Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F23C6/042Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with fuel supply in stages
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CCOMBUSTION APPARATUS USING FLUENT FUEL
    • F23C9/00Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/006Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber the recirculation taking place in the combustion chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23LAIR SUPPLY; DRAUGHT-INDUCING; SUPPLYING NON-COMBUSTIBLE LIQUID OR GAS
    • F23L15/00Heating of air supplied for combustion
    • F23L15/02Arrangements of regenerators
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GASES [GHG] EMISSION, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/30Technologies for a more efficient combustion or heat usage
    • Y02E20/34Indirect CO2 mitigation, i.e. by acting on non CO2 directly related matters of the process, e.g. more efficient use of fuels
    • Y02E20/348Air pre-heating

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 予熱空気を用いた燃焼において、中温域での
NOx低減にも効果的で、かつ火炎の安定性を良くす
る。 【構成】 蓄熱体を利用した燃焼排ガスとの直接熱交換
によって得られた予熱空気を噴出するエアスロート24
にバーナタイル拡径部23を有するバーナタイル22を
配置すると共にこのバーナタイル拡径部23から燃料を
噴射する燃料ノズル19を設け、バーナタイル22内の
副燃焼室25において急速に拡散する燃料と予熱空気の
一部とで保炎領域X1を形成して火炎を安定させる一
方、燃焼用空気の流れによってバーナタイル22内の副
燃焼室25に強く誘引される炉内排ガスと燃料の一部と
を混合して炉内排ガス再循環燃焼(領域X2)を起こ
し、更この炉内排ガス再循環燃焼に困る不完全燃焼ガス
と残存酸素とをバーナタイル22の外で混合させて緩慢
燃焼(領域X3)を起こさせるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【産業上の利用分野】本発明は低NOxバーナに関す
る。更に詳述すると、本発明は、蓄熱体を用いた燃焼排
ガスと燃焼用空気との直接熱交換によって燃焼排ガスを
利用して予熱された空気を用いた燃焼において高温域ば
かりでなく従来困難であった中温域でのNOx低減にも
効果的な低NOxバーナに関する。

【0002】

【従来の技術】従来、バーナにおいてNOxの低減を図
るには、例えば図8に示すような燃料二段燃焼法などが
採用されている。この燃料二段燃焼法は、バーナスロー
ト101内を流れる燃焼用空気Aに対して燃料を一次ノ
ズル102と二次ノズル103とで二段に分けて供給
し、一次燃料と全量の燃焼用空気とで一次火炎を形成す
ると共に二次燃料と一次火炎高温混合気の反応によって
二次火炎を形成するようにしたものである。二次燃料ノ
ズル付近は酸素濃度が低いため還元反応によって一次火
炎のNOxが低減される。

【0003】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この燃
料二段燃焼法によるバーナでは、主要火炎を形成する二
次燃料の噴射方向を燃焼用空気の流れとほぼ平行なもの
としているので低温時の二次火炎の安定性が悪く、10
00℃程度以上の高温に燃焼用空気を予熱しなければ火
炎が安定しない。そこで、低温時の二次火炎の安定性を
あげるため燃料の噴射方向を燃焼用空気の流れと垂直な
方向に近づけると、火炎は安定するものの、局部燃焼が
起こって局部的に温度が高くなりNOxが増大する。斯
様に、火炎の安定性と低NOx化とは両立し難いもので
あった。

【0004】したがって、アルミ溶湯保持炉の熱源とし
て使用する場合のように、700〜800℃程度の比較
的低温の中温域で操業するとき及びその炉立ち上げ時の
低温時には、火炎の安定性が悪くなり従来の燃料二段燃
焼法を実施することは困難である。また、主要火炎を形
成する燃料の噴射方向が燃焼用空気の流れとほぼ平行で
あるため、かなりの長炎となり、アルミ溶湯保持炉内の
るつぼの周りあるいは下の空間のような狭い空間で燃焼
させる場合には実施困難である。

【0005】本発明は、蓄熱体を利用した燃焼排ガスと
の直接熱交換によって得られた予熱空気を用いた燃焼に
おいて高温域ばかりでなく従来困難であった中温域での
NOx低減にも効果的でかつ火炎の安定性が良い低NO
xバーナを提供することを目的とする。

【0006】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明は、燃焼排ガスを利用して燃焼用空気を予熱
し、この燃焼用空気の流れの周囲から燃料を噴出する低
NOxバーナにおいて、燃焼用空気噴射口に該燃焼用空
気噴射口よりも直径が大きなバーナタイル拡径部を有す
るバーナタイルを配置すると共にこのバーナタイル拡径
部から燃料を噴射する燃料ノズルを設けるようにしてい
る。

【0007】ここで、本発明の低NOxバーナは、燃焼
用空気の流れに対し斜めに燃料を噴射して衝突させるこ
とが好ましい。

【0008】また、本発明の低NOxバーナは、バーナ
タイル拡径部によって形成される副燃焼室の炉内壁面か
らの奥行き方向の深さが異なる場合には、最も深い箇所
に燃料ノズルを設置するようにしている。

【0009】また、本発明の低NOxバーナは、燃料ノ
ズルがパイロットバーナを兼用している。

【0010】また、本発明の低NOxバーナは、燃料ノ
ズルとは別個にパイロットバーナをバーナタイル拡径部
に設置するようにしている。

【0011】また、本発明の低NOxバーナは、バーナ
タイル拡径部より上流側のエアスロート内でパイロット
燃料を噴射するようにしている。

【0012】更に、本発明の低NOxバーナは、炉温が
低いときにバーナタイル拡径部より上流側のエアスロー
ト内で燃料を燃焼用空気の流れとほぼ直交させて噴射さ
せる第1の燃料ノズルと、炉温が所定温度に達した後に
バーナタイル拡径部から燃料を噴射する第2の燃料ノズ
ルとを設けている。ここで、所定温度とは必ずしも炉の
操業温度を意味するものではなく、第2の燃料ノズルか
らの燃料噴射のみで火炎を維持できる温度あるいはそれ
以上の温度を意味している。

【0013】

【作用】したがって、請求項1記載の発明の低NOxバ
ーナの場合、エアスロートから噴出される燃焼用空気の
流れによってその周りのバーナタイル拡径部内に負圧が
生じて強力な炉内排ガス再循環が起こる。このため、低
温時の火炎安定性を上げるため燃焼用空気の流れに対し
て垂直な方向に燃料噴射方向を近づけても、燃料の一部
は排ガス再循環燃焼を起こして高温時のNOxの発生が
抑制される。また、バーナタイル拡径部において噴射さ
れる燃料の一部は、燃焼用空気の一部と急速に拡散して
保炎領域を形成し火炎を安定させる。更に、バーナタイ
ルの外では空気比の高い保炎領域からの残存酸素とバー
ナタイル拡径部で起こる炉内排ガス再循環燃焼に因る不
完全燃焼ガスとが緩慢燃焼を起こす。依って、高温時に
は低NOxを達成するものでありながら、低温時の火炎
の安定性にも優れるバーナとなる。しかも、比較的短炎
が形成される。

【0014】また、請求項2記載の発明の場合、燃料を
燃焼用空気の流れに対し垂直に噴射する場合に比べて炉
内排ガス再循環燃焼並びにバーナタイルの外での緩慢燃
焼を促進して一層NOxの発生を低減させる。

【0015】また、バーナを曲面からなる炉壁に設置す
る場合あるいは炉壁に傾斜させて設置する場合などに
は、バーナタイル拡径部によって形成される副燃焼室の
炉内壁面からの奥行き方向の深さが一定でなく異なる。
この場合、バーナタイル拡径部によって形成される副燃
焼室の炉内壁面からの奥行き方向の深さが浅い箇所では
バーナタイル拡径部内への炉内排ガスの巻き込みが起き
易く排ガス再循環燃焼を活発に起こすが、深い箇所では
炉内排ガスが侵入し難い。よって、請求項3記載の発明
の場合、燃料が噴射される部分の酸素濃度が低下しない
ために着火安定性に優れる。

【0016】また、請求項4記載の発明の場合、燃料噴
流に沿ってパイロット火炎が形成され、火炎が安定す
る。

【0017】また、請求項5記載の発明の場合、燃料ノ
ズルから独立して制御されるパイロットバーナによって
種火がつくられるため着火安定性が良く、ターンダウン
比を大きくとる場合の制御が容易である。

【0018】更に、請求項4及び5のいずれの場合に
も、バーナタイル拡径部よりも上流のエアスロート内に
は燃焼用空気が流れるだけなので、例えば、エアスロー
トの出口を絞って噴出される燃焼用空気の流速を上げた
り、燃焼用空気を予熱するための蓄熱体をエアスロート
の出口近くに設置することに制約を受けない。

【0019】また、請求項6記載の発明は、バーナタイ
ル拡径部より上流側のエアスロート内で噴射されるパイ
ロット燃料によって安定火炎領域が形成され、これが種
火となって燃焼用空気の温度が低くなっても、火炎を安
定させる。

【0020】また、請求項7の発明の場合、炉温が低く
燃焼が安定し難いときには第1の燃料ノズルから燃料を
噴射して燃焼用空気と燃料とを直交衝突により急速に混
合・拡散させて安定燃焼させることができる。このと
き、燃焼用空気が低温であっても、第1の燃料ノズルか
ら噴射される燃料は燃焼用空気と即座に混合され安定的
に拡散燃焼する。しかし、炉温が低いので発生するNO
xも少なく許容される範囲である。そして、炉温が所定
温度に達したときには、バーナタイル拡径部の第2の燃
料ノズルからのみ燃料を噴射させて上述の排ガス再循環
燃焼及びその不完全燃焼ガスと残存酸素との緩衝燃焼を
起こしてNOxの発生を低減させる。

【0021】

【実施例】以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基
づいて詳細に説明する。

【0022】図1に本発明の低NOxバーナの一実施例
を概略的に示す。この低NOxバーナは、蓄熱体を利用
した燃焼排ガスとの熱交換によって予熱された燃焼用空
気の流れに対しその流れの周囲から燃料を噴射するバー
ナであって、エアスロート24にそれよりも直径が大き
なバーナタイル拡径部23を有するバーナタイル22を
配置し、バーナタイル拡径部23から燃料を噴射する燃
料ノズル19を設けるようにしている。本実施例の場
合、燃焼用空気は、燃焼排ガス温度近くまで予熱された
ものが噴射される。例えば、図示していないが、燃焼排
ガスと燃焼用空気とを交互にハニカムセラミックスから
成る蓄熱体に一定時間ずつ通過させる直接熱交換によっ
て、ほぼ燃焼排ガス程度に近い温度にまで予熱されて供
給される。したがって、炉の立ち上げ時や炉内設定温度
がもともと低いときには、予熱される燃焼用空気の温度
は低温となり、また炉が700〜800℃の中温域ある
いはそれ以上の高温域で操業される状態に達したときに
は比較的高温となる。また、燃料は、バーナタイル拡径
部23からバーナタイル22内のバーナタイル拡径部2
3によって形成される副燃焼室25へ噴射されれば良
い。燃料の噴射方向は特に限定されるものではないが、
燃焼用空気の流れに向けて噴射することが好ましく、よ
り好ましくは燃焼用空気の流れに対し斜めに燃料を噴射
して衝突させることである。この場合、燃料を燃焼用空
気の流れに対し垂直に噴射する場合に比べて、炉内排ガ
ス再循環燃焼並びにバーナタイル22の外での緩慢燃焼
を促進して一層NOxの発生を低減し得る。

【0023】また、バーナタイル拡径部23より上流側
には、パイロットバーナ16が設置されて、パイロット
燃料がエアスロート24内へ噴射されるように設けられ
ている。このパイロットバーナ16は、燃焼用空気が約
1000℃以上の高温で供給される場合には、バーナタ
イル拡径部23の近傍で常時燃焼している必要がなく、
もっと上流側に設置しても良いし、場合によってはバー
ナタイル拡径部23の燃料ノズル19の付近に設けても
良い。

【0024】このように構成された低NOxバーナによ
ると、図1に示すように、バーナタイル拡径部23から
斜めに噴射される燃料の一部とエアスロート24から噴
出される燃焼用空気の一部とが拡散混合されて保炎領域
X1 が形成され、安定火炎を形成する。高温の燃焼用空
気が供給される場合は勿論のこと、このため、炉の立ち
上げ時などのように燃焼用空気が比較的低温で供給され
るときでも火炎が安定する。しかも、エアスロート24
から高流速で噴出される燃焼用空気によってバーナタイ
ル拡径部23内に強く炉内排ガスが誘引され、バーナタ
イル拡径部23のコーナ部分から斜めに噴射される燃料
のうちの一部と混合されて排ガス再循環燃焼を起こし、
空気不足で燃焼する排ガス再循環燃焼領域X2を形成す
る。更に、バーナタイル22の外では保炎領域X1から
の燃焼ガスに残存する酸素とバーナタイル拡径部23内
の排ガス再循環燃焼領域X2で発生する不完全燃焼ガス
と反応して緩慢燃焼を起こす領域X3が形成される。こ
のため、燃焼用空気が高温で供給されて局部的に高温と
なってサーマルNOxが発生しても、排ガス再循環燃焼
と緩慢燃焼とによってNOxが還元され、全体としては
低NOxとなる。また、この場合、バーナタイル22内
に直接燃料を噴射することにより、火炎軸方向より外側
へ余分にガスが拡散するのを抑制しているため、燃焼時
の未燃ガス量を最小限に抑えることができる。

【0025】また、図1の実施例の場合、1段の燃料ノ
ズル19とパイロットノズル(バーナ)16とを別個に
設けた例を示しているが、これに特に限定されるもので
はなく、図2に示すようなパイロットバーナ兼用の燃料
ノズルを採用してパイロットバーナを省くようにしても
良い。例えば、バーナスロート拡径部23の燃料ノズル
19を図2に示すようなパイロット兼用ノズル26とす
る場合には、副燃焼室25に噴射される燃料噴流の周り
に燃料噴流に沿って一次火炎が形成される。このパイロ
ット兼用ノズル26は燃料ノズル26aとこの燃料ノズ
ル26aの周りに一次空気を流す一次空気配管26bと
で構成され、燃料ノズル26aの周りに二次空気の約1
0%程度の一次空気が流されている。更に、燃料ノズル
26aには先端の主たる噴射口27の他に周りの一次空
気配管26bの内周壁面に向かって燃料の一部を噴射し
て衝突させるパイロット燃料噴射口28が開口され、燃
料の一部をパイロット燃料として噴射させ、一次空気配
管26bの内周壁面に衝突させて広がらせ一次空気と良
好な混合状態を得るパイロットバーナが構成されてい
る。そこに、図示していないイグナイタが設置されてお
り、燃焼中は安定的な1次火炎が形成できるように設け
られている。

【0026】更に、図4に示すように、燃料ノズル19
とは別個に独立して制御されるパイロットバーナ16を
バーナタイル拡径部23に設置することも可能である。
パイロットバーナ16は、燃料ノズル19から噴出され
る燃料に火を移す範囲内で、バーナタイル拡径部23に
設置される。この場合、パイロットバーナ16によって
種火がつくられるため着火安定性が良く、ターンダウン
比を大きくとる場合の制御が容易である。更に、エアス
ロート24にはパイロットバーナや燃料ノズルが配置さ
れておらず燃焼用空気が流れるだけなので、燃焼用空気
の噴射速度を上げるための工夫が自由にできるし、蓄熱
体をエアスロート24の出口付近に設置するための制御
を受けない。例えば、エアスロート24の出口を絞って
噴出される燃焼用空気の流速を図1の実施例のものより
上げることができる。この場合、燃焼用空気の流れの周
りのバーナタイル拡径部23内に起こる排ガス再循環が
より強力なものとなり、低NOx化を促進させる。ま
た、エアスロート24内、特にエアスロート24の出口
近くに蓄熱体7を内装できる。このため、蓄熱体7の熱
が燃焼用空気の予熱に使われずに大気中に放熱される量
が少なくなると共に、バーナタイル拡径部23によって
構成される副燃焼室25及びエアスロート24を経て蓄
熱体7に導入される燃焼排ガスの温度も低下せずに済
み、熱損失が小さくなる。また、バーナタイル22の一
部に構成されるエアスロート24に蓄熱体7を内装でき
るので、高温配管を必要とせず、設備費を大幅に低減さ
せ得ると共に省スペースを可能とする。

【0027】また、バーナが例えば図6に示すような湾
曲した炉壁に設置される場合、あるいは傾斜させて設置
される場合などには、バーナタイル拡径部23によって
形成される副燃焼室25の炉内壁面29からの奥行き方
向への深さが一定でなくなり、場所によって奥行き方向
の深さが異なることがある。この場合、図3に示すよう
に、パイロット兼用ノズル26はバーナタイル拡径部2
3の炉内壁面29からの深さが最も深い所に設置するこ
とが好ましい。パイロット兼用ノズル26ではなく通常
の燃焼ノズルとパイロットバーナを備える場合にも同様
である。このとき、副燃焼室25の炉内壁面からの深さ
が浅い箇所ではバーナタイル拡径部23の内側の副燃焼
室25への炉内排ガスの巻き込みが起き易く排ガス再循
環燃焼を活発に起こすが、深い箇所では炉内排ガスが侵
入し難い。よって、バーナタイル拡径部23によって構
成される副燃焼室25の炉内壁面からの深さが深い箇所
に燃料ノズル19あるいはパイロットバーナ兼用ノズル
26を配置すれば、燃料が噴射される部分の酸素濃度が
低下しないために着火安定性に優れる。

【0028】また、図3に仮想線で示すように、バーナ
スロート拡径部23の燃料ノズル19とは別個にそれよ
りも上流側でエアスロート24内に燃料を噴射する第1
の燃料ノズル15を設けるようにしても良い。この実施
例の場合、予熱された燃焼用空気の流れにおいてバーナ
スロート拡径部23の燃料ノズル19よりも上流側でエ
アスロート24内に燃料を噴射する第1の燃料ノズル1
5を別個に設け、炉内温度が所定温度に達するまでは第
1の燃料ノズル15から全量の燃料を噴射して拡散燃焼
させ、所定温度に達した後には第1の燃料ノズル15か
らの燃料噴射を止めて第2の燃料ノズル19から燃料を
噴射させるようにしても良い。ここで、図示していない
が第1の燃料ノズル15から噴射される燃料に火移りす
る範囲にはパイロットバーナあるいはイグナイタなどが
通常設けられる。尚、所定温度とは必ずしも炉の操業温
度ではなく、第2の燃料ノズルからの燃料噴射のみで火
炎を維持できる温度およびそれ以上の温度をいう。

【0029】以上のように構成されたバーナは、低NO
xでかつ短炎を形成するためさまざまな設備の熱源とし
て利用できる。例えば、図5〜図7に本発明の低NOx
バーナを非鉄金属溶湯保持炉の熱源として利用した例を
示す。なお、非鉄金属溶湯保持炉としてはアルミ溶湯保
持炉を、バーナとしては第1の燃料ノズルと第2の燃料
ノズルとを有するタイプのものを例示している。

【0030】アルミ溶湯保持炉は、例えば鋼板製ケーシ
ングの内側を耐火断熱材で内張りした炉体1と、この炉
体1の中央に吊り下げられるようにして収容されるるつ
ぼ3と、熱源となる蓄熱型のバーナシステム4とから構
成されている。本実施例では1システムの蓄熱型バーナ
システム4を設けているが、2以上のシステムを装備し
ても良い。

【0031】炉体1は、アルミ溶湯を入れたるつぼ3を
囲繞するようにして支持し、るつぼ3及びその周りをア
ルミ溶湯の保温に適した温度に保つためのもので、例え
ば図示の如くほぼ有底円筒形を成し、中央にるつぼ3を
吊り下げるように設けられている。るつぼ3は、アルミ
溶湯を収容する黒鉛などの耐火物製るつぼ3aとこれを
収容する金属製るつぼ3bとによって構成され、金属製
るつぼ3bの上端のフランジ部分3cが炉体1に載置さ
れて、そのフランジ3cより下の部分が炉体1内に挿入
されて吊り下げられるように設けられている。そして、
炉体1の底部には吊り下げられるるつぼ3の下に燃焼空
間2を形成するように設けられている。また、燃焼空間
2部分には仕切壁20が設けられ、炉体1内がほぼC字
形に区画されている。更に、炉体1の内壁面には週末の
休炉時などに電力のみでるつぼ内のアルミ溶湯を最低温
度に保持したり非常時に用いる電気ヒータ21が設置さ
れている。尚、図示していないが、るつぼ3には溶湯を
加圧してるつぼ底部から取り出すための蓋と注湯筒が配
置される。

【0032】炉体1の底部の燃焼空間2部分には少なく
とも1システム以上の蓄熱型バーナシステム4が配置さ
れている。本実施例の場合、仕切壁20を挟んでシステ
ムを構成する一対のバーナ5,6が配置されている。こ
の蓄熱型バーナシステム4は、本実施例では蓄熱体7を
バーナボディ14に内蔵して蓄熱体7とバーナ5,6と
を一体化したものを2基組合せて交互に燃焼させ、燃焼
させていない停止中のバーナ及び蓄熱体を通して燃焼排
ガスを排出し得るように設けたものが使用されている。
例えば、図5に示すように、2基のバーナ5,6のそれ
ぞれの蓄熱体7,7に対し燃焼用空気を供給する燃焼用
空気供給系8と燃焼ガスを排出する燃焼ガス排気系9と
を四方弁10の介在によって選択的に接続可能とし、一
方のバーナ5(あるいは6)には蓄熱体7を通して燃焼
用空気の供給を図る一方、他方のバーナ6(あるいは
5)からは蓄熱体7を通して燃焼ガスの排出を図るよう
に設けられている。燃焼用空気は例えば図示していない
押し込みファン等によって供給され、燃焼排ガスは例え
ば図示していない誘引ファンなどの排気手段によって炉
内から吸引され大気中に排出される。また、燃焼用空気
と燃料の一部はパイロットバーナガン16に分配されて
いる。パイロットバーナガン16はバーナタイル拡径部
23より上流側においてエアスロート24内へパイロッ
ト燃料を噴射するように設けられている。エアスロート
24の出口にはこのエアスロート24よりも直径が大き
なバーナタイル拡径部23を有するバーナタイル22が
配置されている。尚、図中符号14はバーナボディ、1
7は火炎検出器、18はパイロッバーナ点火用トランス
であり、各ラインには図示していないが流体の流れを制
御する各々電磁弁、手動弁等が設置されている。

【0033】また、燃料供給系11は、例えば三方弁1
2を介していずれか一方のバーナ5,6に選択的に交互
に接続され燃料を供給する。燃料ノズルは、エアスロー
ト24内へ向けられて配置された第1の燃料ノズル15
とエアスロート24の出口に設置されたバーナタイル2
2の拡径部23から燃焼を噴射する第2の燃料ノズル1
9とから成り、いずれか一方からのみ燃料が噴射され
る。第1の燃料ノズル15は、全量の燃焼用空気が蓄熱
体7を通過して供給されるエアスロート24の周面に燃
焼用空気の流れと直交する方向に配置されてエアスロー
ト24の周面から燃焼用空気と直交するように噴射され
る。また、燃料ノズル19は、エアスロート24の出口
に設けられたバーナタイル22の拡径部23からバーナ
タイル22内へ噴射されるように設置されている。本実
施例の場合、この第2の燃料ノズル19は、バーナタイ
ル22の拡径部23のコーナ部分にエアスロート24か
ら噴射される燃焼用空気に向かって斜めに衝突するよう
に内向きに配置されている。

【0034】ここで、加熱手段としてのバーナ5,6と
電気ヒータ21とは同一の温度検出手段例えば熱電対及
び温度調節計を使用し、調節計の出力電気信号をヒータ
駆動時にはそのままサイリスタに導いて通電量を制御
し、バーナ燃焼時にはA/D変換器でオン・オフ信号に
変換してから燃料調整弁及び空気調整弁を制御するよう
に設けられている。

【0035】また、蓄熱体7,7としては比較的圧力損
失が低い割に熱容量が大きく耐久性の高い材料、例えば
セラミックスで成形されたハニカム形状のセル孔を多数
有する筒体の使用が好ましい。この場合、燃焼排ガスか
ら熱を回収する際に排ガスが酸露点温度以下に低下して
もセラミックス内に燃料中のイオウ分やその化学変化物
質が捕捉され、下流の排気系のダクトなどを低温腐食さ
せることがない。勿論、特にこれに限定されるものでは
なくセラミックボールやナゲットなどの他の蓄熱体を使
用しても良い。

【0036】以上のように構成されたアルミ溶湯保持炉
によれば、次のようにしてるつぼ3はアルミ溶湯を保温
に適した温度に保持する。

【0037】まず、炉内温度が所定温度に達するまでは
第1の燃料ノズル15から全量の燃料を噴射して燃焼さ
せる。そして、るつぼ3及び炉体1を加熱する。このと
き、燃焼用空気が低温であっても、第1の燃料ノズル1
5から噴射される燃料は燃焼用空気と即座に混合され、
かつ近くに設けられたパイロット火炎によって安定燃焼
する。

【0038】そして、所定温度に達したときには第1の
燃料ノズル15からの燃料噴射を止め、第2の燃料ノズ
ル19から燃料を噴射させる。ここで、所定温度とは必
ずしも炉の操業温度ではなく、第2の燃料ノズルからの
燃料噴射のみで火炎を維持できる温度およびそれ以上の
温度をいう。このとき、アルミニウム保持炉のような7
00〜800℃程度の中温域で操業される炉であって
も、第2の燃料ノズル19からの燃料を内向きに噴射し
てエアスロート24から噴射される高温の燃焼用空気と
衝突させているので、バーナタイル22内において高温
の燃焼用空気に向けて燃料を斜めに噴射して衝突させる
と、急速に拡散する燃料と燃焼用空気の一部が保炎領域
X1を形成して火炎を安定させる一方、燃焼用空気の流
れによってバーナタイル22内に強く誘引される炉内排
ガスと燃料とが混合されて排ガス再循環燃焼領域X2を
形成して空気不足燃焼を起こし、更にバーナタイル22
の外で保炎領域X1からの燃焼ガスに残存する酸素と炉
内排ガス再循環燃焼に因る不完全燃焼ガスとが混合して
緩慢燃焼を起こす。このため、火炎も安定するしNOx
も増えない。

【0039】なお、蓄熱型バーナシステム4の一方のバ
ーナ例えばバーナ5を燃焼させれば、燃焼空間2内にお
いてるつぼ3の加熱に使用された後の燃焼ガスは停止中
の他方のバーナ6のエアスロート24から燃焼ガス排気
系9を通って排気される。即ち、他方のバーナ6では該
バーナ6向けの燃料供給系11が三方弁12で閉じら
れ、かつ四方弁10の切替えによって燃焼ガス排気系9
と接続されているため、燃焼は行われず燃焼排ガスの排
出路として利用される。るつぼ3は火炎及び燃焼ガスの
輻射熱によって加熱される。ここで、バーナ5に供給さ
れる燃焼用空気は蓄熱体7との短時間の直接接触によっ
て予熱されてからバーナボディ14内に供給されるため
排ガス温度に近い高温である。したがって、第1の燃料
ノズル15あるいは第2の燃料ノズル19から噴射され
た燃料と混合されたとき、少ない燃料でも安定燃焼し高
温の燃焼ガスが得られる。しかも、燃焼量の増減に伴っ
て燃焼用空気の温度も即座に変化するので湯温の温度調
整の応答性が良い。

【0040】したがって、湯温変動が少なく不良率も低
減するし、炉内及びるつぼ3を急速に保温温度まで昇温
させることもできる。尚、燃焼と排気の切替えは例えば
10秒〜2分間隔、好ましくは約1分以内、最も好まし
くは10〜40秒程度の極めて短い間隔で行われる。こ
の場合、高い温度効率で熱交換される。また、蓄熱体7
を経由して排出される燃焼ガスが所定の温度例えば20
0℃程度となったときに切替は行われるようにしても良
い。この場合、火炎位置が頻繁に移り変わるために燃焼
室内でのヒートパターンをより均一化でき、加熱むらや
保温むらが少なくなる。

【0041】炉内がアルミ溶湯の保温に適切な温度例え
ば800〜900℃に達すると、バーナシステム4の燃
焼はるつぼ3内のアルミ溶湯の保温に適した温度を維持
できる程度にまで絞られる。また、燃料ガス供給系の事
故などの非常時やバーナ操業者が監視できない休日など
には、バーナシステム4の稼動を停止し、電気ヒータ2
1によって炉内は最低温度に保たれる。

【0042】尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の
一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の
要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能であ
る。例えば、本実施例では予熱された燃焼用空気をバー
ナに連結ないし内装した蓄熱体を利用した交番燃焼によ
って得る場合について主に説明したがこれに特に限定さ
れるものではなく、例えば国際公開WO94/0278
4号に示すような流路切替手段などを使って燃焼用空気
供給系と排気系に対し蓄熱体を相対的に回転させること
によって、あるいは流路切替手段を用いて蓄熱体に対す
る流体の流れ方向を切り替えることなどによって、蓄熱
体に燃焼排ガスと燃焼用空気を一定時間ずつ高温の燃焼
排ガスの排熱で燃焼用空気を予熱したものを単一のバー
ナに連続的に供給し、連続燃焼させるようにしても良
い。また、本実施例ではガス燃料を用いる場合について
主に説明したがこれに特に限定されず、例えばオイルな
どの液体燃料を使用することも可能である。更に、図5
〜図7に示すアルミ溶湯保持炉に図1〜図4に示す各実
施例のバーナを適用することもできる。そして、その場
合においても、炉の立ち上げから中温域での操業あるい
は高温域での操業に対して低NOxを実現できかつ火炎
も安定する。

【0043】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
の低NOxバーナは、予熱された燃焼用空気を噴射する
エアスロートの出口に該スロートよりも直径が大きなバ
ーナタイル拡径部を有するバーナタイルを配置すると共
にこのバーナタイル拡径部から燃料を噴射する燃料ノズ
ルを設けるようにしているので、低温時の火炎安定性を
増すため燃焼用空気の流れに対し垂直方向に燃料噴射方
向を近づけてもNOxの発生量は抑制される。即ち、バ
ーナタイル内において急速に拡散する燃料と予熱された
燃焼用空気の一部が保炎領域を形成して火炎を安定させ
る一方、燃焼用空気の流れによってバーナタイル内に強
く誘引される炉内排ガスと燃料の一部とが混合されて炉
内排ガス再循環燃焼を起こし、更にバーナタイルの外で
残存酸素と炉内排ガス再循環燃焼に因る不完全燃焼ガス
とが緩慢燃焼を起こすので、低NOxで安定燃焼を実現
できる。

【0044】これは、比較的高温例えば1000℃以上
で操業する鉄系加熱炉などでの昇温過程における低NO
x化にも有効ではあるが、それよりも比較的低温で特に
従来困難とされていた中温域で操業する非鉄金属溶解炉
などでの低NOx化と火炎の安定に有効である。したが
って、低温時の火炎安定性の向上を図るため燃料噴射方
向を燃焼用空気の流れに対して垂直に近づけたとして
も、NOxの増大を防ぐことができる。このため、高温
の燃焼用空気を使用した場合には、火炎の安定性が高い
のは勿論のこと、NOxの発生を抑制しつつ短炎を形成
できるので、限られた狭い空間で燃焼させることができ
る。また、低温時にも安定燃焼する。依って、アルミ溶
湯保持炉内のるつぼの周りあるいは下の空間のような狭
い空間で燃焼させる場合でも、NOxの発生を抑制する
ことができる。

【0045】また、請求項3記載の発明によると、バー
ナを曲面からなる炉壁に設置する場合あるいは炉壁に傾
斜させて設置する場合などのように、バーナタイル拡径
部によって形成される副燃焼室の炉内壁面からの奥行き
方向の深さが一定でなく異なる場合には、燃料が噴射さ
れる部分への炉内排ガスの侵入が少なく酸素濃度が低下
しないために着火安定性に優れる。

【0046】また、請求項4記載の発明の場合、燃料噴
流に沿ってパイロット火炎が形成されるので火炎が安定
すると共にバーナ構造も簡単なものとなる。

【0047】また、請求項2記載の発明の場合、燃焼用
空気の流れに対し垂直に燃料を噴射する場合に比べて炉
内排ガス再循環燃焼並びにバーナタイルの外での緩慢燃
焼を促進して一層NOxの発生を低減させる。

【0048】また、請求項5記載の発明の場合、パイロ
ットバーナによって種火がつくられるため着火安定性が
良く、ターンダウン比を大きくとる場合の制御が容易で
ある。更に、エアスロートにはパイロットバーナや燃料
ノズルが配置されておらず燃焼用空気が流れるだけなの
で、例えばエアスロートの出口を絞って噴出される燃焼
用空気の流速を上げ、燃焼用空気の流れの周りのバーナ
タイル拡径部内に起こる排ガス再循環がより強力なもの
となり、低NOx化を促進させる。また、エアスロート
の出口近くに蓄熱体を内装できるため、蓄熱体の熱が燃
焼用空気の予熱に使われずに大気中に放熱される量が少
なくなると共に蓄熱体に導入される燃焼排ガスの温度も
低下せずに済み、熱損失が小さくなる。更に、高温配管
を必要とせず、設備費を大幅に低減させ得ると共に省ス
ペースを可能とできる。

【0049】また、請求項6記載の発明の場合、パイロ
ット燃料噴射が種火となって保炎領域が形成されるた
め、火炎の安定性が更によくなる。例えば、アルミ溶湯
保持炉のような700〜800℃の中温域で操業される
炉の熱源として用いても、火炎が安定しかつNOxの発
生量が少ない。

【0050】また、請求項7の発明の場合、炉温が低く
燃焼が安定し難いときには第1の燃料ノズルから燃料を
噴射して燃焼用空気と燃料とを直交衝突により急速に混
合・拡散させて安定燃焼させることができる。このと
き、炉温が低いので発生するNOxも少なく許容される
範囲である。そして、炉温が所定温度に達したときに
は、バーナタイル拡径部の第2の燃料ノズルからのみ燃
料を噴射させて上述の排ガス再循環燃焼及びその不完全
燃焼ガスと残存酸素との緩衝燃焼を起こしてNOxの発
生を低減させる。したがって、炉を定格運転温度まで立
ち上げる間にもNOxの発生を少なくできる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の低NOxバーナの概略構造と燃焼状況
を説明する原理図である。

【図2】本発明の低NOxバーナの他の実施例を示す図
で、(A)は概略構造と燃焼状況を説明する原理図、
(B)は燃料ノズル部分の断面図である。

【図3】本発明の低NOxバーナの更に他の実施例を示
すもので、概略構造図である。

【図4】本発明の低NOxバーナの更に他の実施例を示
す概略構造図である。

【図5】本発明の低NOxバーナを用いた非鉄金属・ア
ルミ溶湯保持炉の一実施例を示す縦断面図である。

【図6】図5の横断面図である。

【図7】本発明の低NOxバーナを用いた一実施例を示
す概略図である。

【図8】従来の低NOxバーナとして一般的な燃料二段
燃焼バーナの原理図である。

【符号の説明】 15 バーナスロートに設置された燃料ノズル(第1の
燃料ノズル) 16 バーナタイル拡径部より上流側でパイロット燃料
を噴射するパイロットバーナ 19 バーナタイルの拡径部に設置される燃料ノズル
(第2の燃料ノズル) 22 バーナタイル 23 バーナタイルの拡径部 26 パイロットバーナ兼用ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 良一 神奈川県横浜市鶴見区尻手2丁目1番53号 日本ファーネス工業株式会社内 (72)発明者 松尾 護 神奈川県横浜市鶴見区尻手2丁目1番53号 日本ファーネス工業株式会社内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃焼排ガスと燃焼用空気を交互に蓄熱体
    に通過させる直接熱交換によって燃焼用空気を予熱し、
    この燃焼用空気の流れの周囲から燃料を噴出する低NO
    xバーナにおいて、前記予熱燃焼用空気を噴射するエア
    スロートの出口に該スロートよりも直径が大きなバーナ
    タイル拡径部を有するバーナタイルを配置すると共にこ
    のバーナタイル拡径部から燃料を噴射する燃料ノズルを
    設けることを特徴とする低NOxバーナ。
  2. 【請求項2】 燃焼用空気の流れに対し斜めに燃料を噴
    射して衝突させることを特徴とする請求項1記載の低N
    Oxバーナ。
  3. 【請求項3】 バーナタイル拡径部によって形成される
    副燃焼室の炉内壁面からの奥行き方向の深さが異なる場
    合には最も深い箇所に前記燃料ノズルを設置することを
    特徴とする請求項1または2記載の低NOxバーナ。
  4. 【請求項4】 前記燃料ノズルがパイロットバーナを兼
    用していることを特徴とする請求項1から3のいずれか
    に記載の低NOxバーナ。
  5. 【請求項5】 前記燃料ノズルとは別個にパイロットバ
    ーナを前記バーナタイル拡径部に設置したことを特徴と
    する請求項1から3のいずれかに記載の低NOxバー
    ナ。
  6. 【請求項6】 バーナタイル拡径部より上流側の前記エ
    アスロート内でパイロット燃料を噴射することを特徴と
    する請求項1から3のいずれかに記載の低NOxバー
    ナ。
  7. 【請求項7】 燃焼排ガスと燃焼用空気とを交互に蓄熱
    体に通過させる直接熱交換によって燃焼用空気を予熱
    し、この燃焼用空気の流れの周囲から燃料を噴出する低
    NOxバーナにおいて、前記予熱燃焼用空気を噴射する
    エアスロートの出口に該スロートよりも直径が大きなバ
    ーナタイル拡径部を有するバーナタイルを配置すると共
    に、炉温が低いときにバーナタイル拡径部より上流側の
    前記エアスロート内で燃料を燃焼用空気の流れとほぼ直
    交させて噴射させる第1の燃料ノズルと、炉温が所定温
    度に達した後にバーナタイル拡径部から燃料を噴射する
    第2の燃料ノズルとを有することを特徴とする低NOx
    バーナ。
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