JPH08247421A

JPH08247421A - ラジアントチューブバーナ

Info

Publication number: JPH08247421A
Application number: JP7052225A
Authority: JP
Inventors: Yoshimoto Fujii; 良基藤井; Toshio Ishii; 俊夫石井; Shunichi Sugiyama; 峻一杉山; Ryoichi Tanaka; 良一田中; Mamoru Matsuo; 護松尾; Makoto Miyata; 誠宮田
Original assignee: Nippon Furnace Co Ltd; NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: Nippon Furnace Co Ltd; JFE Engineering Corp
Priority date: 1995-03-13
Filing date: 1995-03-13
Publication date: 1996-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、工業用加熱炉、熱処理炉等の熱源
として使用されるラジアントチューブバーナに関する。
更に詳述すると、排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）低減
が図られたラジアントチューブバーナに関するものであ
る。【構成】ラジアントチューブの内径方向に燃焼用空気
噴射口と燃料噴射口とが相互に離間するように、燃焼用
空気噴射口またはおよび燃料噴射口が偏心して配置され
ていることを特徴するラジアントチューブバーナであえ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工業用加熱炉、熱処理
炉等の熱源として使用されるラジアントチューブバーナ
に関する。更に詳しくは、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸
化物）低減が図られたラジアントチューブバーナに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、加熱炉を間接加熱して炉内雰囲気
を所望の状態に調整することが可能なものにラジアント
チューブバーナがあり、このラジアントチューブバーナ
として、所謂リジェネレーティブ方式が知られている。
このリジェネレーティブ方式では、ラジアントチューブ
の両端部にバーナを配設し、これら各バーナを交互に作
動させて交換燃焼を実施する。したがって、各バーナの
空気通路は、作動時においては燃焼用空気が供給される
通路として使用され、非作動時においては排気ガスの排
気通路として利用される。各バーナの空気通路は、それ
ぞれ畜熱器に接続されている。各畜熱器は、通過する排
気ガスの熱を回収し、次回作動時に供給される燃焼用空
気を予熱するもので、熱効率の向上が図られている。一
般的に、ラジアントチューブとしては口径９０〜２００
mmの耐熱合金チューブが使用されている。したがって、
ラジアントチューブ内に挿入されるバーナのバーナガン
は、細く形成されている。このように円筒状の狭い燃焼
空間で、且つ短時間で完全燃焼させるためＮＯｘが生成
しやすい。また、省エネルギー対策として燃焼用空気を
予熱することで、燃焼火炎温度が上昇するため、生成す
るＮＯｘがさらに増加することとなる。ところで、ＮＯ
ｘの発生を抑制するバーナの燃焼方法としては、燃焼用
空気の流れに対して燃料を２段階に分けて噴射し燃焼を
行う所謂燃料２段式燃焼法や、燃料の流れに対して空気
を２段階に分けて噴射し燃焼を行う所謂空気多段式燃焼
法が知られている。そして、ＮＯｘ生成を抑制するため
の様々な発明がなされている中にあって、例えば、特開
昭６２−２４２７１１号公報では、バーナ内に水を添加
することによってＮＯｘ生成の低減が可能であることを
開示している。また、特開昭６３−１１６０１１号公報
では、１次空気の旋回流で高負荷燃焼させることにより
良好で安定した燃焼を行い、ラジアントチューブ内でソ
フトな２段燃焼を行わせることによりＮＯｘ生成の低減
が可能なことを開示している。また、特開平３−１１２
０２号公報ではベンチュリー機構を設け、排気ガスを流
量制御しながら再循環することによりＮＯｘ生成の低減
が可能なことを開示している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ラジア
ントチューブバーナでは、比較的小径のラジアントチュ
ーブ内にバーナガンを挿入するため、上述の各燃焼方法
の実施が困難である。即ち、燃料２段式では、一次燃料
を燃焼させた後にこの下流側で二次燃料を燃焼させるた
め、一次燃焼室の外側（又は内側）に二次燃料噴射口に
延びる燃料供給路を設ける必要がある。また、空気多段
式燃焼法では、一次燃焼領域の下流側にまで二次空気を
導く必要があり、二重構造の空気通路を設けなければな
らない。これらのため、上述の各燃焼方法を実施するた
めには、バーナ自体が大型化すると共にその構造が複雑
になり、これらの燃焼方法をラジアントチューブバーナ
に適用することが困難であった。また、燃料２段式燃焼
法や空気多段式燃焼法を実施するためには、パイロット
バーナに通じる燃料供給系や空気供給系等の制御に加
え、一次、二次燃料系と空気系、又は一次、二次空気系
と燃料系の制御が必要となり、したがって、これらの制
御が複雑なもになるという問題もあった。さらに、交換
燃焼を実施するバーナでは、その構造上、非作動側バー
ナの燃料通路内に燃料が残ってしまうが、非作動側のバ
ーナを介して高温の排気ガスを排気する際、燃料通路内
の残留燃料が加熱されて炭化し、所謂コーキングが発生
するという問題があった。なお、前記特開昭６２−２４
２７１１号公報の方法は、直接的に燃焼ガスを冷却する
ため火炎温度は低減できる。しかしながら、添加した水
の蒸発潜熱および排気ガスとして放出される際に持ち出
す水蒸気顕熱分の熱量を水添加を行わない場合に比べ余
分に供給する必用があり熱効率が低下することとなる。
また、特開昭６３−１１６０１１号公報の方法では、一
旦、低空気比燃焼を行った（１次燃焼）後に空気を供給
して再度燃焼（２次燃焼）を行わせるため、火炎温度を
通常の燃焼より低下させることが可能であるが、流量制
御を精度良く行わないと効果がなく、実施に当たって
は、最適点を維持するための補修費、管理費が高騰して
しまう欠点がある。また、排気ガスを循環する特開平３
−１１２０２号公報記載の円筒状のラジアントチューブ
内に同心円的に排気ガスを混合した空気で燃料ガスを燃
焼させる方法では、火炎温度低下、燃焼場における酸素
濃度低下によって低ＮＯｘ燃焼が可能であるが、バーナ
を含む機構が複雑かつ付属品を有するため設備費、補修
費が高騰するなどの欠点がある。

【０００４】また、従来のレキュペレータ方式による予
熱空気温度の上限は５００℃程度であったが、上記交換
燃焼によって９００℃以上の予熱空気温度を得ることを
可能とした技術に属する特公平２−２３９５０号公報の
ものは、従来にも増して予熱空気温度が上昇することに
より火炎温度が上昇しＮＯｘ生成量が増大する等の問題
がある。ところで、本願発明者等は、ＮＯｘ生成量が燃
焼用空気流速に反比例することを知見した（図１１参
照）。この結果を従来のラジアントチューブバーナに適
用しようとしても、従来のラジアントチューブバーナに
適用されるレキュペレータ方式で得られる予熱空気温度
は５００℃程度で、ラジアントチューブバーナ用燃料と
して用いられるＣＯＧ（コークス炉ガス：着火温度５０
０〜６００℃程度）、ＬＮＧ（着火温度：５５０〜６５
０℃程度）には充分な着火エネルギーを有する予熱空気
ではない。従って、燃焼反応で発生する熱エネルギー量
より周囲に放散する熱エネルギー量の方が大きくなり、
安定して燃焼可能な温度場の形成が不可能となり、安定
燃焼は出来ず、火炎の浮き上がり（リフティング）、吹
き消え状態が発生して高流速の燃焼用空気を用いるバー
ナが実用化できなかった。レキュペレータ方式で得られ
る５００℃程度の予熱空気温度で、燃焼用空気流速が燃
料の燃焼速度の５０〜６０倍程度とした低ＮＯｘ燃焼方
法である従来型のバーナを、炉内温度９００℃で、９３
０℃程度の高温予熱空気が得られる炉に適用し、燃料ガ
スとしてコークス炉ガスを空気比１．３程度で、燃料ガ
スと空気を一度の混合で燃焼するとき、および１段目で
不完全燃焼させ、２段目で１段目の排気ガスを完全燃焼
させる２段燃焼での、予熱空気温度と排気ガス中のＮＯ
ｘとの関係については、図１３に示す発明者らの燃焼実
験結果から明らかなように、２段燃焼では充分な低ＮＯ
ｘ燃焼はできないことがわかる。また、蒸気、水吹き込
みでは、従来より高温の予熱空気を用いるため、吹き込
み量を従来に比べ増大せねばならず熱効率低下によるラ
ンニングコスト増および設備費の高騰の問題があり、排
気ガス循環方式を用いた場合も高温予熱空気により低Ｎ
Ｏｘ燃焼を達成するには、図１４に示すように、排気ガ
ス循環量の増大により循環ファン電力費の増大、設備の
複雑化による設備費、補修費の高騰の問題があり、経済
的に有効な排気ガス中ＮＯｘ濃度の低減は高温予熱空気
による火炎温度の上昇により困難であった。また、ラジ
アントチューブバーナの燃焼において燃焼温度が高い根
本的な理由は、空気比が０．９５〜１．００程度の燃焼
温度が最も高い領域が局所的に存在することである。発
明者等は多くの燃焼実験と燃焼の数値シミュレーション
により、燃料と空気を予め混合したガスを燃焼させる予
混合燃焼において、空気比１．４と空気比４．０で燃焼
させる場合と、燃料と空気を個々に供給して燃焼させる
拡散燃焼において、空気比１．４と空気比４．０で燃焼
させる場合とで比較検討を行った。その結果、図１５に
示すように燃焼領域での最高燃焼温度は予混合燃焼の場
合には大幅に変化しているのに対して、拡散燃焼の場合
には最高燃焼温度の差は小さい。つまり、拡散燃焼では
空気比を大きくしても燃料と空気の混合部には局所的に
空気比が１近傍の領域が存在して、その領域で燃焼した
ガスは高温になることを示しており、予混合燃焼では何
処にも空気比が１近傍の領域が存在しないことから最高
燃焼温度は空気比に依存することを明らかにした。しか
しながら、工業的に予混合燃焼は爆発の危険性があるた
めに標準的には使用されておらず、拡散燃焼においてＮ
Ｏｘ低減を達成させなければならない。

【０００５】本発明は、上記問題点を解決するととも
に、燃焼に伴うＮＯｘ発生の抑制を図ることができると
共に、構造が簡単で、燃料供給系や空気供給系の制御を
単純なものにでき、さらに、燃料のコーキングの防止を
図ることができるラジアントチューブバーナを提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成するた
め、本発明のラジアントチューブバーナは、ラジアント
チューブの内径方向に燃焼用空気噴射口と燃料噴射口と
が相互に離間するように、燃焼用空気噴射口またはおよ
び燃料噴射口が偏心して配置されていることを特徴する
ものである。また、燃焼用空気噴射口の横断方向形状が
円形であることを特徴とするものである。また、燃焼反
応によって生じる火炎の最高温度点がラジアントチュー
ブが支えられている炉壁厚を超えた位置の炉内で発生す
ることを特徴とするものである。また、燃焼用空気噴射
口から噴出する空気温度が燃料の着火温度より１００℃
以上高いことを特徴とするものである。また、燃焼用空
気を燃料の燃焼速度の１１０倍以上の高速で噴出するこ
とを特徴とするものである。また、燃焼用空気噴射口ま
たは燃料噴射口の吐出口を偏心させ、且つ一酸化炭素お
よび炭化水素化合部からなる混合ガスを燃焼させる燃焼
用空気の流速を１１０m/sec 以上としたことを特徴とす
るものである。

【０００７】

【作用】請求項１記載のラジアントチューブバーナで
は、燃焼用空気噴射口から噴射された空気の偏心した流
れ、またはおよび燃料噴射口から噴射された燃料の偏心
した流れに起因する渦流を発生させ、ラジアントチュー
ブ内に排気ガスの自己循環を行なわせる。この結果、排
気ガスが還流して燃焼用空気を包み込み、またはおよび
燃焼用空気に混合してこれを希釈するので、ラジアント
チューブ内の燃焼を徐々に進行させて燃焼反応時間を遅
延させ、局所的な高温部分を減少させ、且つ高温部分の
存在時間を短くし、ＮＯｘの生成を低減することができ
る。燃焼用空気噴射口と燃料噴射口の偏心による間隔に
比例して排気ガス中のＮＯｘ濃度が低減する度合が増加
する。請求項２記載の発明では、燃焼用空気噴射口の噴
出口が円形であるから燃焼用空気噴流の外周長が他の形
に比べて最小になり、したがって燃焼反応面の形成が小
さくなり燃焼反応距離が遠くまでの広範囲で発生するの
で、燃焼反応を穏やかに行うことを可能とし、火炎内で
の局部高温域を広範囲、且つ低温化させることができ
る。請求項３記載の発明では、燃焼反応によって生じる
火炎の最高温度点を炉壁厚をこえた炉内の位置に発生さ
せるようにしたので、燃焼反応によって発生した熱エネ
ルギーが炉内に放出されるので、火炎温度の過度な上昇
を防止することができる。請求項４記載の発明では、燃
料が混合したことによる温度低下があっても、混合後の
温度を、燃料の着火温度以上に確保できるので、火炎の
浮き上がり、吹き飛びによる失火の発生を防止すること
ができる。すなわち、予熱された燃焼用空気の温度は、
燃焼直前に、燃料ガスとの混合、および周辺部への熱放
散により温度低下するが、着火温度より１００℃以上の
高温予熱空気を用いることで、燃焼速度の１１０倍以上
の高速空気での安定燃焼が可能である。ラジアントチュ
ーブバーナ用燃料として用いられるＣＯＧの着火温度は
５００〜６００℃程度であり、ＬＮＧの着火温度は５５
０〜６５０℃程度であるが、これらの温度より１００℃
以上の高温予熱空気を用いることで、燃焼の３要素（可
燃物、酸素、着火源）のうちの酸素、着火源の２要素を
高温の予熱空気が具備することとなり、火炎の浮き上が
り、吹き飛びによる失火の発生を防止することができ、
バーナでの空気と燃料ガスの混合を強制的に行う必要も
なくなる。従って、ラジアントチューブ内の広範囲で燃
焼反応を穏やかに行うことが可能となり、火炎内での局
部高温域を広範囲、且つ比較的低温とし、ＮＯｘ生成の
低減を実現することができる。

【０００８】請求項５記載の発明では、燃焼用空気流速
を使用燃料の燃焼速度の１１０倍以上とし、燃焼ガスが
自己循環する排気ガスで希釈される度合を増加せしめ
る。この結果、局所的に発生していた空気比が１．０付
近の高温部分を大幅に減少させることができる。また、
その部分の燃焼反応が高速で進行しないようにガス流速
を確保して、高温部分の存在時間を短くして火炎温度を
低下させることができる。予熱空気温度が上昇するにつ
れ排気ガス中のＮＯｘ濃度が増大する（図１３参照）
が、この増大する排気ガス中のＮＯｘ濃度は、燃焼用空
気流速を上昇させることによって低減することができる
（図１１参照）。このことはラジアントチューブ内での
燃焼時間を完全に燃焼反応が完了する時間より短くし
て、ラジアントチューブ内の燃焼を非平衡状態とするこ
とに因ってＮＯｘ低減を達成するもので、ラジアントチ
ューブの長さと排気ガス流速から求まるＮＯｘの生成を
短時間化するように、反応を非平衡状態に保持して、排
気ガス中のＮＯｘを低減するものである。換言すれば燃
焼反応が平衡状態で進行しないようにガス流速を確保し
て高温部分の滞留時間を短くすることである。ところ
で、燃焼速度の１１０倍以上の高速の空気流速では、燃
焼反応で発生する熱エネルギー量より周囲に放散する熱
エネルギー量の方が大きくなり、火炎の浮き上がり（リ
フティング）、吹き消え状態が発生するが、着火温度よ
り１００℃以上の高温予熱空気を用いることで、これを
を防止し安定した燃焼状態が得られる。また、燃料ガス
流速を上昇させても排気ガス中ＮＯｘ濃度低減効果が見
られるが、燃焼用空気流速上昇に比べＮＯｘ低減効果が
小さい。これは、燃料ガスと空気では密度に差があり、
（密度）×（流速）²で表される噴出ガスの運動量の大
小によるものと推定できる。なお、燃料ガスとしてのＣ
ＯＧ、およびＬＮＧ（都市ガス１３Ａ）の燃焼速度は、
以下の式で算出される。燃料ガスの燃焼速度をＳＭ(cm/
s)とすると、

【０００９】

【数１】

【００１０】

【数２】

【００１１】

【数３】

【００１２】

【数４】

【００１３】ここで、〔Ｓ_b〕_i：単体ガスの最大燃焼速度Ｍ_i ：単体ガスの最適燃焼反応空気係数Ａ_i ：単体ガスの理論空気量Ｘ_i ：単体可燃性ガスのVol% ｆ_i ：単体可燃性ガスの不活性ガスによる燃焼速度
減衰係数〔Ｎ₂〕：混合燃料ガス中Ｎ₂の Vol％〔Ｏ₂〕：混合燃料ガス中Ｏ₂の Vol％〔ＣＯ₂〕：混合燃料ガス中ＣＯ₂の Vol％である。上記（１）式に示したＳＭの計算に必要な各可
燃性単体ガスの常数は表１の通りである。算出されたＣ
ＯＧとＬＮＧの燃焼速度は表２に示す通りである。以上
のように、排気ガス中ＮＯｘ濃度と燃焼用空気流速の関
係は、燃料種によって変化するが、使用する燃料の燃焼
速度と燃焼用空気流速の比と排気ガス中ＮＯｘ濃度で整
理するとほぼ相関がとれ、種々の燃料に対応した低ＮＯ
ｘ燃焼バーナの設計ができる。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】請求項６記載の発明では、燃焼用空気噴射
口またはおよび燃料噴射口の吐出口を偏心させ、且つ燃
焼用空気を１００m/sec 以上の流速にし、ラジアントチ
ューブ内で大量の排気ガスを自己循環させる。この自己
循環する排気ガスで燃焼ガスを希釈して火炎温度を低下
させる。斯かる条件で水素、一酸化炭素および炭化水素
化合物からなる混合ガスを燃焼させることによって、Ｎ
Ｏｘ発生量は減少し所望の値に低減できる（図１２参
照）。また、局所的に発生していた空気比が１．０付近
の部分を大幅に減少させるとともに、その部分の燃焼反
応が高速で進行しないように燃焼用空気の流速を確保し
て高温部分の存在時間を短くする。

【００１７】

【表３】

【００１８】

【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。図１は本発明を適用したラジア
ントチューブバーナの一実施例を示している。図におい
て、１はラジアントチューブバーナで、略Ｕ字状に湾曲
するラジアントチューブ３、およびこのラジアントチュ
ーブ３の両端部に配設される一対のバーナ５等より構成
されており、内部を燃焼ガスが通過して加熱され、その
外表面から放射する輻射熱で加熱炉、熱処理炉等の内部
を加熱する機能において従来品と同等である。ラジアン
トチューブ３は、図２に示すように、その中間部を炉壁
７に穿設された取付孔７ａで支持し、端部を炉外に位置
させるように、そのフランジ３ａが炉壁７外面に設けら
れた取付部７ｂに固定されている。ラジアントチューブ
３の両端部と炉壁７との隙間は、図示しないシール部材
で気密に塞がれている。ラジアントチューブ３の両端部
に配設された各バーナ５は、バーナボディ９、バーナガ
ン１１、燃焼用空気通路１３及びバッフル１５等より構
成されている。なお、ラジアントチューブ３の両端に配
設される各バーナ５は、互いに同様に構成されている。
したがって、一方のバーナ５の構成について説明する。
バーナ５のバーナボディ９は略円筒状を成しており、上
下方向に延びて、炉壁７から所定距離だけ離れて配置さ
れている。そして、バーナボディ９の上側部分は、直角
に折曲されて炉壁７に向けて延びている。このバーナボ
ディ９には、バーナガン１１を挿入するための孔９ａが
穿設されている。この孔９ａは、折曲部分の炉壁７とは
反対側の位置、さらに詳しくは、バーナボディ９の上端
縁に近い位置に穿設されている。また、このバーナボデ
ィ９内の空間は燃焼用空気通路１３となっており、この
燃焼用空気通路１３の途中には、複数の蓄熱体１７が収
容されている。各蓄熱体１７は、バーナボディ９の下側
部分に並んで配置されている。各蓄熱体１７は、例え
ば、比較的圧力損失が低い割りに熱容量が大きく、耐久
性の高い材料（例えば、セラミックス）を筒形状に成形
したハニカム状のものである。したがって、各蓄熱体１
７内を空気が通過することができる。この場合に通過空
気は各蓄熱体１７から熱を奪って昇温する。なお、バー
ナボディ９の下端には、フランジ９ｂが形成されてお
り、配管１０が固定されている。これにより、バーナボ
ディ９内の燃焼用空気通路１３は、空気通路機構１０に
接続される。また、バーナボディ９の先端にはフランジ
９ｃが形成されており、ラジアントチューブ３と共に取
付部７ｂに固定されている。

【００１９】バーナガン１１は、燃料通路１９、パイロ
ット燃焼用空気通路２１及び図示しない点火プラグ等よ
り構成されている（図１）。燃料通路１９とパイロット
燃焼用空気通路２１とは、隣接して配置されている。即
ち、パイロット燃焼用空気通路２１内には、これと同心
円状に燃料通路１９が配置されている。したがって、バ
ーナガン１１の構造は単純であり、バーナガン１１を比
較的細く形成することができる。このバーナガン１１
は、バーナボディ９の孔９ａからラジアントチューブ３
内に挿入されている。したがって、バーナガン１１の周
りの空間が燃焼用空気通路１３になる。バーナガン１１
の先端は、炉壁７内面の近傍位置にまで達し、詳しくは
後述するバッフル１５で支持されている。バーナガン１
１の燃料通路１９には、燃料供給通路２３を介して、図
示しない燃料供給源が接続されている。この燃料供給通
路２３を図３に示す。燃料供給通路２３の途中には、制
御弁２５が介装されると共に、この制御弁２５を迂回し
てバイパス通路２７が設けられている。そして、バイパ
ス通路２７の途中には、流量制御弁２９及び制御弁３１
が介装されている。したがって、燃料供給源から圧送さ
れた燃料は、制御弁２５が閉じている場合であってもバ
イパス通路２７を介してバーナガン１１に供給される。
しかしながら、バイパス通路２７では、流量制御弁２９
がバイパス通路２７内の燃料の流量を制限し、バーナガ
ン１１に供給される燃料を、バーナガン１１がパイロッ
ト燃焼を行うのに最低限必要な量に調整する。バッフル
１５は、例えば、ラジアントチューブ３内の炉壁７内面
にほぼ対応する位置に配置されているが炉外方向に後退
しても特段のことはない。このバッフル１５は、円板部
１５ａと、この円板部１５ａの全周縁からバーナガン１
１の方向に向けて延びる周壁１５ｂより構成され、この
１５ｂにはフランジ３ａと重なるフランジ３５ａに固定
された内管１５ｆがを連接して、これらは一体的に成形
されている。円板部１５ａの直径は、ラジアントチュー
ブ３の内径と略同一に値設定され、円板部１５ａはラジ
アントチューブ３内を閉塞している。

【００２０】この円板部１５ａには、図４に示すよう
に、切欠１５ｄ及び小径孔１５ｃが設けられている。円
板部１５ａの切欠１５ｄは、円板部１５ａの下端部分を
半月状に切り欠いている。この切欠１５ｄは、ラジアン
トチューブ３と共に燃焼用空気噴射口３３を規定する。
即ち、燃焼用空気噴射口３３は、ラジアントチューブ３
の横断面に対して偏心して設けられており、燃焼用空気
はラジアントチューブ３内空間の偏心した位置に噴出す
る。また、円板部１５ａの小径孔１５ｃは、バーナボデ
ィ９の孔９ａに対向している。小径孔１５ｃの直径は、
バーナガン１１の先端の外径と略同一寸法値に設定され
ている。また、小径孔１５ｃの周縁は、バーナボディ９
に向けて延出し、円筒状部分１５ｅを構成し、バーナガ
ン１１の先端が挿入されて支持される。したがって、バ
ーナガン１１は、ラジアントチューブ３と略平行に配置
され、先端は燃焼用空気噴射口３３と離間している。バ
ッフル１５の周壁１５ｂは、ラジアントチューブバーナ
３の内周面に固定されている。なお、燃焼用空気通路１
３には、前述したように空気通路機構１０が接続されて
おり、この空気通路機構１０を介して図示しない燃焼用
空気供給源から適量の燃焼用空気が圧送される。さら
に、上記バーナガン１１は、パイロット燃焼用空気通路
２１内に燃料通路１９を配設することで、パイロット燃
焼用空気通路２１を燃焼通路１９に隣接して設けてい
る。バーナガン１１の周りの空間は燃焼用空気通路１３
となっており、バーナ５が非作動の待機状態となってい
る場合には、この燃焼用空気通路１３内を高温の排気ガ
スが流れる。しかし、パイロット燃焼用空気通路２１内
には燃焼前で低温の燃焼用空気が常に供給されており、
また、燃料通路１９内には、パイロット燃焼に必要な量
の燃料が流れている。したがって、このバーナ５では、
燃料通路１９内の燃料が、燃焼用空気通路１３内の排気
ガスの熱で加熱され高温になることがない。

【００２１】なお、他方のバーナ５も、上述した一方の
バーナ５に同様に構成され、同様に作動する。したがっ
て、他方のバーナ５についての説明は省略する。ただ
し、燃料供給源、燃焼用空気供給源及び燃焼用空気供給
源については、一方のバーナ５と同一のものを共有する
ことが望ましい。この場合、燃焼用空気供給源に通じる
空気通路機構１０は、図１に示す四方弁４１を備えるこ
とが望ましい。つまり、四方弁４１を第１位置（図示す
る位置）に切り替えた場合には、一方のバーナ５の燃焼
用空気通路１３が燃焼用空気供給源に接続されると共
に、他方のバーナ５の燃焼用空気通路１３が大気側に接
続され、また、四方弁４１を第２位に切り替えた場合に
は、一方のバーナ５の燃焼用空気通路１３が大気側に接
続されると共に、他方のバーナ５の燃焼用空気通路１３
が燃焼用空気供給源に接続されるように構成する。ま
た、図５に示すように、バーナ５には燃焼用空気通路１
３内へ別に設けたパイロットバーナ１２によってパイロ
ット燃焼させるようにしてもよい。このパイロットバー
ナ１２でパイロット燃焼させることによって、燃焼用空
気が十分な着火源かつ酸素源となる温度、すなわち、燃
料の着火温度より１００℃程度以上の高温まで昇温する
ようにできる。さらに、温度測定器１４を設けてもよ
く、その結果、噴出される空気温度が監視できるので、
着火時の安全性を確保し、燃焼用空気温度が燃料の着火
温度より１００℃ほど高温となるようにパイロットバー
ナ１２の燃焼量を制御することができる。そのほかに、
バッフルプレート５３に熱膨張率の高い材料を用いるこ
とで、燃焼用の空気が低温のときは、燃焼用空気噴射口
３３が大きくなり、空気流速を低速化し、温度上昇とと
もに燃焼用空気噴射口３３が小さくなことで高速化を図
ることができる。また、図６に示すように、燃料噴射口
１９ａおよび燃焼用空気噴射口３３は、相互に離間して
いるように設けることに変わりはないが、双方の噴射口
の横断面形状を円形で複数個設けること、周縁に沿って
細長くすること等に変形してもよく、低ＮＯｘ燃焼、設
備費、維持費の低廉化を図ることなどができるが、燃料
ガス供給口は空気との混合を高速に行うために円形より
もスリット形状の吐出口であることが望ましく、なお、
燃焼用空気噴射口３３においては、自己再循環流を大き
くするためからも円形であることが望ましい。また、図
７（ａ）、（ｂ）に示すように、燃料噴射口１９ａと燃
焼用空気通路３３とは相互に離間させておいて、さらに
燃料通路１９を延伸させることによって、より低ＮＯｘ
燃焼させるようにしてもよい。

【００２２】ここで、燃焼用空気とバーナ５の作動との
関係を図８に示す。バーナ５が作動する燃焼モードで
は、パイロット燃焼用空気に加えて主燃焼用空気も圧送
される。したがって、このバーナ５には、主燃焼を行う
のに適した量の主燃焼用空気が供給される。一方、バー
ナ５が非作動の待機状態となる排気モードでは、パイロ
ット燃焼用空気のみが圧送されており、したがって、こ
のバーナ５には、バーナガン１１がパイロット燃焼する
のに適した量の燃焼用空気が供給される。この場合に
は、バーナ５としての燃焼量は、バーナガン１１がパイ
ロット燃焼するのみであり、僅かである。即ち、バーナ
ガン１１のパイロット燃焼用空気通路２１にはバーナ５
の作動状態とは無関係に常にパイロット燃焼用空気が供
給されている。以上のように構成された一方のバーナ５
は、以下のように作動する。先ず、パイロット燃焼を行
う場合には、燃料供給通路２３の制御弁２５を閉弁し、
燃料をバイパス通路２７を介してのみバーナガン１１へ
供給する。このバーナガン１１へは、燃焼用空気供給源
から常に燃焼用空気が圧送されており、燃料と燃焼用空
気とがパイロット燃焼に適した空気比の混合ガスにな
る。そして、この混合ガスを点火プラグで着火し、パイ
ロット燃焼を行う（図１に示す上側のバーナ５の状
態）。バーナガン１１がパイロット燃焼を行っている状
態より、燃焼供給通路２３の制御弁２５を開き、且つ、
燃焼用空気供給源からの燃焼用空気の供給を開始する
と、このバーナガン１１は主燃焼を行う。つまり、燃料
供給通路２３の制御弁２５が開かれると、燃料供給源か
ら大量の燃料がバーナガン１１の燃料通路１９に圧送さ
れる。そして、この主燃焼している状態より、燃料供給
通路２３の制御弁２５を閉じると共に、燃焼用空気供給
源からの燃焼用空気の供給を停止すると、バーナガン１
１がパイロット燃焼を行う状態に戻る。この状態でも、
バーナガン１１へは燃料供給通路２３のバイパス通路２
７を介して少量の燃料が供給され、また、燃焼用空気供
給源は常に燃焼用空気を供給してうるので、バーナガン
１１は、安定したパイロット燃焼を行う。

【００２３】このように作動する各バーナ５を備えたラ
ジアントチューブバーナ１は、各バーナ５を交互に作動
させて交換燃焼を実施する。先ず、一方のバーナ５（以
下、一方のバーナ５に関する構成要素の符号には、Ａを
付記する。）を作動させ、他方のバーナ５（以下、他方
のバーナ５に関する構成要素の符号には、Ｂを付記す
る。）を非作動の待機状態にする場合について説明す
る。この場合には、燃料供給通路２３Ａの制御弁２５Ａ
を開弁し、燃焼供給通路２３Ｂの制御弁２５Ｂを閉弁す
ると共に、空気通路機構１０の四方弁４１を第１の切替
位置に切り替える。これにより、バーナ５Ａには大量の
燃料と主燃焼用空気及びパイロット燃焼用空気が供給さ
れ、上述した主燃焼が行われる。一方、バーナ５Ｂのバ
ーナガン１１Ｂには少量の燃料とパイロット燃焼用空気
のみが供給され、上述したパイロット燃焼が行われる。
即ち、待機状態のバーナ５Ｂには、パイロット燃焼に適
した量の燃料及びパイロット燃焼用空気が供給されてお
り、パイロット火炎の燃焼が継続される。バーナ５Ａの
主燃焼で発生した排気ガスは、ラジアントチューブ３内
を流れながらこれを加熱し、バーナ５Ｂに向けて流れ
る。そして、この排気ガスは、バッフル１５Ｂの主燃焼
用空気噴射口３３Ｂから主燃焼用空気通路１３Ｂ内に流
入し、空気通路機構１０を介して待機側に排出される。
このとき、排気ガスは、バーナボディ９Ｂ内の各蓄熱体
１７Ｂでその熱を回収され、したがって、各蓄熱体１７
Ｂの温度は上昇する。そして、バーナ５Ａが主燃焼を開
始し、所定時間Ｔ（例えば、２０秒位）だけ経過する
と、燃料供給通路２３Ａの制御弁２５Ａが閉弁し、燃料
供給通過２３Ｂの制御弁２５Ｂが開弁すると共に、空気
通路機構１０の四方弁４１が第２の切換位置に切り替わ
る。したがって、作動側と待機側のバーナ５Ａ、５Ｂが
切り替わり、バーナ５Ｂで主燃焼が行われ、バーナ５Ａ
のバーナガン１１Ａでパイロット燃焼が行われる。この
様子を図９に示す。時点ｔ１において、バーナ５Ａが主
燃焼を開始し、バーナ５Ｂがパイロット燃焼を開始す
る。そして、時間Ｔだけ経過した時点ｔ２では、主燃焼
を行っていたバーナ５Ａがパイロット燃焼に切り替わ
り、パイロット燃焼を行っていたバーナ５Ｂが主燃焼を
開始する。以後同様にして、時間Ｔの経過毎に、作動側
と待機側のバーナ５Ａ、５Ｂが切り替わり、ラジアント
チューブバーナ１は交換燃焼を実施する。

【００２４】ラジアントチューブバーナ１は上記のよう
にように稼働させるが、その燃焼状態を図１０に示す模
式図を用いて説明する。蓄熱体１７から奪熱して高温に
なった燃焼用空気Ａ２は、燃焼用空気通路１３を通って
偏心している燃焼用空気噴射口３３から噴出する。一
方、燃料ガスＦは前記燃焼用空気噴射口３３とは離間し
た位置にあってバーナガン１１が接続された小径口１５
ｃから噴出され、ラジアントチューブ３内で燃焼用空気
Ａ２の高速噴流によって形成される自己循環流Ｇに巻き
込まれながら燃焼する。このとき、燃料ガスＦは、排
気ガスを主体とする自己循環流Ｇと混合し、低カロリー
化されることにより、燃焼時の火炎温度が低下し、低Ｎ
Ｏｘ燃焼が可能となる。さらに高速の空気噴流上で燃焼
反応が起こるため、燃焼反応が遅延し、燃焼反応範囲が
広がって、燃焼反応エネルギーが分散され、さらに火炎
温度が低下し低ＮＯｘ化が可能となる。また、燃焼反応
が遅延し、燃焼反応範囲が広がったことに伴い、火炎の
最高温度点を炉壁厚をこえた炉内の位置に発生させられ
るので、燃焼反応によって発生した熱エネルギーが炉内
に放出されるので、火炎温度の過度な上昇が防止でき、
この点からも低ＮＯｘ化が可能となる。その上、高速な
空気噴流によって排気ガスを主とする自己循環流が巻き
込まれたことによる燃焼反応場での質量流量が増加し、
さらに火炎温度が低下し低ＮＯｘ燃焼化を可能にするも
のである。本発明と従来例とを示す表３から明らかなよ
うに、本発明によって燃焼温度を低下させ、ＮＯｘの発
生量を極めて少ない範囲に低減することができる。とこ
ろで燃焼用空気流速を高速にすると、火炎の浮き上が
り、吹き飛びによる失火の発生が予想されるが、燃料の
着火温度以上の高温予熱空気であれば、燃焼空気流速
（コークス炉ガス（以下ＣＯＧと表記する）が６０ｍ／
Ｓ）でも失火が発生するこはない。ＣＯＧでは１５０ｍ
／Ｓの高速でも燃焼可能であり、燃焼用空気流速の上限
を実験上では確認できなかった。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、ラジアントチューブバー
ナ１においては、各バーナ５の作動、待機状態の切り替
えを、Ｔ時間毎に繰り返す構成としたがこれに限るもの
ではなく、各蓄熱体１７Ａ、１７Ｂの温度を監視し、こ
の温度が設定温度に達した時点で、各バーナ５Ａ、５Ｂ
の作動、待機を切り替える構成としても良い。さらに、
バーナ５においては、各蓄熱体１７をバーナボディ９内
の下側に並べて収容する構成としたが、主燃焼用空気通
路１３内、又は、これに接続される空気通路機構１０の
通路途中であれば各蓄熱体１７の収容位置はこれに限る
ものではなく、例えば蓄熱体１７をバーナガン１１の周
囲に並べて収容しても良い。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のラジアン
トチューブバーナでは、燃焼用空気噴射口、またはおよ
び燃料ガス噴射口を、相互に離間させるように何れか一
方または双方を偏心させて配置したので、ラジアントチ
ューブ内に噴出する燃焼用空気またはおよび燃料ガスの
流れによって自己循環流を生起させ、この自己循環流に
引き込まれて渦巻く排気ガスの流れで、バーナガンから
噴出した燃料ガスと燃焼用空気が直ちに接触するのを防
止し、燃焼反応を遅延させ、燃焼反応範囲が広がって、
燃焼反応エネルギーが分散される。したがって、燃焼が
徐々に進行する緩慢燃焼を実施することができ、ＮＯｘ
の発生を抑制することができる。また、ラジアントチュ
ーブバーナ内にバーナガンと燃焼用空気通路を配置すれ
ば良いので、バーナを細く形成することができ、好適な
ラジアントチューブバーナを形成できる。請求項２記載
のラジアントチューブバーナでは、燃焼用空気噴射口の
横断方向形状が円形であるから、外周長が最小となり、
燃焼反応面が小さくなり燃焼反応距離が遠くまでの広範
囲で発生するので、燃焼反応を穏やかに行うことを可能
とし、火炎内での局部高温域を広範囲、且つ低温化させ
ＮＯｘの生成を低減することができる。請求項３記載の
発明では、火炎の最高温度点を炉壁厚をこえた炉内の位
置に発生させるようにしたので、燃焼反応によって発生
した熱エネルギーが炉内に放出されるので、火炎温度の
過度な上昇が防止され、ＮＯｘの生成を低減させること
ができるとともに、ラジアントチューブバーナ全体の長
寿命化が実現でき、維持管理費の低減化が図れる。。請
求項４記載の発明では、火炎の浮き上がり、吹き飛びに
よる失火の発生を防止することができる。このため、燃
焼制御が容易で、操業停止等の生産性低下を来すことが
なく、設備費、補修費の高騰がなく維持管理も容易であ
る。請求項５記載の発明では、燃焼用空気流速を使用燃
料の燃焼速度の１１０倍以上とし、燃焼ガスが自己循環
する排気ガスで希釈される度合を増加し、局所的に発生
していた高温部分を大幅に減少させ、火炎温度を低下さ
せることができ、ＮＯｘ濃度を所定の値に減少すること
ができ、ラジアントチューブバーナ設備費、補修費を高
騰させることはない。請求項６記載の発明では、１００
／sec 以上の高速で燃焼用空気を噴出することで、より
一層の低ＮＯｘ燃焼が容易に得られ、特にラジアントチ
ューブバーナ設備費、補修費を高騰させることもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したラジアントチューブバーナの
一実施例を示す概略構成図である。

【図２】本発明を適用したラジアントチューブバーナの
断面図である。

【図３】図２のラジアントチューブバーナの燃料供給通
路を示す系統図である。

【図４】図２の矢印Ｖ方向からみたラジアントチューブ
バーナの断面図である。

【図５】本発明を適用したラジアントチューブバーナの
他の実施例を示す断面図である。

【図６】本発明を適用したラジアントチューブバーナの
燃焼ガス噴射口および燃料供給通路の空気噴射口の他の
実施例を示す横断面図である。

【図７】本発明を適用したラジアントチューブバーナの
燃焼ガス噴射口および燃料噴射口のさらに他の実施例を
示す概略断面図である。

【図８】図２のラジアントチューブバーナの燃焼状態と
供給される空気量との関係を示す説明図である。

【図９】図１のバーナシステムの交換燃焼の様子を示
し、各ラジアントチューブバーナの作動関係を示す説明
図である。

【図１０】図２のラジアントチューブバーナの主燃焼の
状態を示す概念図である。

【図１１】燃焼用空気速度と燃料の燃焼速度の比と排気
ガス中のＮＯｘ量との関係を示すグラフ図である。

【図１２】燃焼用空気速度と燃料の燃焼速度の比と排気
ガス中のＮＯｘとの関係を示すグラフ図である。

【図１３】単段燃焼および二段燃焼による予熱空気温度
と排気ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示すグラフ図であ
る。

【図１４】排気ガス循環率と排気ガス中のＮＯｘ濃度と
の関係を示すグラフ図である。

【図１５】拡散燃焼と予混合燃焼における空気比と最高
燃焼温度との関係を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１ラジアントチューブバーナ３ラジアントチューブ５バーナ７炉壁１１バーナガン１３燃焼用空気通路１５，５３バッフル１９燃料通路２１パイロット燃焼用空気通路３３燃焼用空気噴射口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉山峻一東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (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 (72)発明者宮田誠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

【特許請求の範囲】

【請求項１】ラジアントチューブの内径方向に燃焼用
空気噴射口と燃料噴射口とが相互に離間するように、燃
焼用空気噴射口またはおよび燃料噴射口が偏心して配置
されていることを特徴するラジアントチューブバーナ。
【請求項２】燃焼用空気噴射口の横断方向形状が円形
であることを特徴とするラジアントチューブバーナ。
【請求項３】燃焼反応によって生じる火炎の最高温度
点がラジアントチューブが支えられている炉壁厚を超え
た炉内の位置に発生させるようにしたことを特徴とする
ラジアントチューブバーナ。
【請求項４】燃焼用空気噴射口から噴出する空気温度
が燃料の着火温度より１００℃以上高いことを特徴とす
るラジアントチューブバーナ。
【請求項５】燃焼用空気を燃料の燃焼速度の１１０倍
以上の高速で噴出することを特徴とするラジアントチュ
ーブバーナ。
【請求項６】燃焼用空気噴射口またはおよび燃料噴射
口を偏心させ、且つ燃焼用空気噴射口から噴出して、水
素、一酸化炭素および炭化水素化合部からなる混合ガス
を燃焼させる燃焼用空気の流速を１００m/sec 以上とし
たことを特徴とするラジアントチューブバーナ。