JPH10169971A - 蓄熱再生式燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 濃淡燃焼方式を採用して火炎温度の上昇を抑
えることにより低ＮＯｘ化を図った蓄熱再生式燃焼装置
を提供する。 【解決手段】 蓄熱体２４により予熱された燃焼用空気
を燃料と混合して燃焼させる一対の蓄熱バーナ１２から
なる蓄熱再生式燃焼装置において、上記予熱した燃焼用
空気をそれぞれ噴出する少なくとも二つの燃焼用空気ノ
ズル３４ａ，３４ｂを上記蓄熱バーナ１２に設け、これ
ら燃焼用空気ノズル３４ａ，３４ｂに対応して燃料を噴
出する燃料ノズル３６ａ，３６ｂをそれぞれ設け、各燃
料ノズル３６ａ，３６ｂに異なる量の燃料を供給する燃
料分配弁４２を接続し、上記一つの蓄熱バーナで燃焼す
る全燃料に対してほぼ当量の理論燃焼用空気を供給し、
上記各燃料ノズル３６ａ，３６ｂのうち燃料ノズル３６
ａでは燃料過剰状態で、燃料ノズル３６ｂでは空気過剰
状態でそれぞれ濃淡燃焼するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一対の蓄熱バーナ
を交互に燃焼させて炉内を加熱する蓄熱再生式燃焼装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、工業用熱処理炉の加熱装置と
して蓄熱再生式燃焼装置が使用されている。この燃焼装
置は少なくとも一対の蓄熱バーナからなり、対をなす各
バーナを交互に燃焼させて炉内を加熱するものである。
具体的には、燃焼状態にある一方の蓄熱バーナでは、蓄
熱体でかなりの高温に予熱された燃焼用空気を燃料ノズ
ルから噴出される燃料と混合して燃焼させる。このと
き、非燃焼状態にある他方の蓄熱バーナでは炉内から高
温排ガスを吸引し、蓄熱体で排熱回収して低温となった
排ガスを外部に放出しているが、蓄熱体に蓄熱された熱
は次回の燃焼時に燃焼用空気の予熱に利用される。この
ような燃焼状態と非燃焼状態とを各蓄熱バーナ間で所定
時間ごとに交互に繰り返すようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記蓄熱再生式燃焼装
置では、排熱を利用して燃焼用空気を予熱することによ
り熱効率のよい燃焼が得られ、これにより燃料消費量を
低減できるため省エネルギー化の面で有利である。しか
しながら、燃焼用空気の予熱により燃焼火炎の温度が必
然的に高温となるため、炉壁や被処理材の局部過熱やＮ
Ｏｘの増加という問題があった。

【０００４】そこで、本発明の目的は燃料濃淡燃焼方式
を採用することにより火炎温度の上昇を抑えて低ＮＯｘ
化を図った蓄熱再生式燃焼装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は蓄熱体により予熱された燃焼用空気を燃料
と混合して燃焼させる一対の蓄熱バーナからなり、各蓄
熱バーナを交互に燃焼させて炉内を加熱する蓄熱再生式
燃焼装置において、上記予熱した燃焼用空気をそれぞれ
噴出する少なくとも二つの燃焼用空気ノズルを上記蓄熱
バーナに設けるとともに、これら燃焼用空気ノズルに対
応して燃料を噴出する燃料ノズルをそれぞれ設け、各燃
料ノズルには配管を介して燃料ノズルごとにそれぞれ異
なる量の燃料を供給する燃料分配手段を接続し、かつ上
記一つの蓄熱バーナにはそこで燃焼する全燃料に対して
ほぼ当量の理論燃焼用空気を供給し、上記各燃料ノズル
のうち或る燃料ノズルでは燃料過剰状態で、また他の燃
料ノズルでは空気過剰状態でそれぞれ燃焼するようにし
たものである。

【０００６】この蓄熱再生式燃焼装置において上記燃料
分配手段を、所定量の燃料を各燃料ノズルに分配すると
ともにその分配比を変更可能な燃料分配弁で構成しても
よい。

【０００７】

【発明の効果】本発明にかかる蓄熱再生式燃焼装置で
は、一つの蓄熱バーナへそこで燃焼される全燃料に対し
てほぼ当量の理論燃焼用空気が供給され、この空気が各
燃焼用空気ノズルに分かれて噴出する。このとき、燃料
分配手段から各燃料ノズルに供給される燃料の量が異な
ることにより、或る燃料ノズルでは燃料過剰の状態で、
また他の燃料ノズルでは空気過剰の状態でそれぞれ燃焼
する。これにより、蓄熱バーナでは濃淡燃焼が行われ、
火炎温度を低温化することができる。また、吐出燃焼ガ
スの稀薄燃焼を炉内で行うことができるので、これによ
っても火炎温度の低温化と燃焼火炎の伸長を図ることが
できる。その結果、ＮＯｘ生成量を低減できるととも
に、火炎温度の平均化により局部過熱を抑制できる。

【０００８】また、上記燃料分配手段が各燃料ノズルへ
の燃料分配比を変更可能な燃料分配弁で構成されている
場合には、その分配比を変更することにより燃焼火炎の
状況を連続的あるいは断続的に変化させることができ、
炉況に応じた燃焼状態を作り出すことができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明する。図１から図３は、本発明
の一実施形態である蓄熱再生式燃焼装置を構成する一方
の蓄熱バーナ１２を示す。この蓄熱再生式燃焼装置は一
対の蓄熱バーナを備えているが、各蓄熱バーナの構成は
同一であるため、各図にはその一方のみを示してある。
図１に示すように、蓄熱バーナ１２は外周部にハウジン
グ１４を有しており、そのフランジ部１６によって炉壁
１８に取り付けられている。ハウジング１４の内面は耐
火材料からなる断熱壁２０で覆われている。また、上記
フランジ部１６から突出した断熱壁２０の突出部２２が
炉壁１８の開口部に挿入されて炉内２に臨んでいる。

【００１０】上記蓄熱バーナ１２の内部には、断熱壁２
０で囲まれた縦方向に延びる空間領域が形成されてい
る。その空間領域のほぼ中央部には、通気性を有する蓄
熱体２４が上記空間を横切るように設けてあり、蓄熱体
２４の上方が上部プレナムチャンバ２６、その下方が下
部プレナムチャンバ２８になっている。蓄熱バーナ１２
の背面３２には、内周面が断熱壁２０により形成され、
かつ下部プレナムチャンバ２８に連通する開口通路３０
が形成されている。

【００１１】一方、蓄熱バーナ１２の上部には、燃焼用
空気ノズル３４が上記断熱壁２０の突出部２２を貫通す
るように形成されている。燃焼用空気ノズル３４は円筒
状をしており、上部プレナムチャンバ２６と炉内２とを
連通している。この燃焼用空気ノズル３４には燃料ノズ
ル３６がほぼ同心状に配置されている。燃料ノズル３６
の後部は蓄熱バーナ１２の背面３２を貫通して延びてお
り、蓄熱バーナ１２の内部に位置する部分は断熱材３８
により被覆されて保護されている。

【００１２】図２は上記燃料ノズル３６の中心軸を通る
平面で切った蓄熱バーナ１２の横断面を示したものであ
る。上記燃焼用空気ノズル３４は互いに平行にかつ隣接
して同じ形状および大きさものものが二つ設けてある。
また、燃料ノズルも同様に各燃焼用空気ノズルに対応し
てそれぞれ設けてある。なお、以下、各燃焼用空気ノズ
ルの符号をそれぞれ３４ａ，３４ｂ、また各燃料ノズル
の符号をそれぞれ３６ａ，３６ｂとして適宜区別する。

【００１３】図３は蓄熱バーナ１２の背面３２から見た
配管系統概略図である。各燃料ノズル３６ａ，３６ｂの
上流側には配管４４，４６を介して燃料分配手段である
燃料分配弁４２が設けられており、さらに燃料分配弁４
２と燃料供給源（図示せず）の間は途中に燃料制御弁４
８を有する配管５０により接続されている。燃料制御弁
４８は制御信号５２により開閉動作と燃料流量の制御が
可能になっている。燃料分配弁４２は弁位置調節により
各燃料ノズル３６ａ，３６ｂへ異なる量の燃料を供給で
きるとともにその分配比を可変とすることができる。

【００１４】蓄熱バーナ１２の開口通路３０には燃焼用
空気制御弁５４、排ガス制御弁５６をそれぞれ有する配
管５８，６０が接続されている。燃焼用空気制御弁５４
は制御信号６２により開閉動作と開口通路３０へ供給さ
れる空気の流量制御を可能にしている。排ガス制御弁５
６は制御信号６４により開閉動作と開口通路３０を介し
て吸引する炉内排ガスの流量制御を可能にしている。

【００１５】つぎに、上記構成からなる蓄熱再生式燃焼
装置の燃焼動作について説明する。上記対をなす蓄熱バ
ーナ１２のうち一方が燃焼状態にあるとき、他方の蓄熱
バーナ１２は炉内排ガスの排気および蓄熱を行う非燃焼
状態にあり、各蓄熱バーナ１２間で燃焼状態と非燃焼状
態とを所定時間ごとに交互に繰り返して炉内２を加熱し
ている。

【００１６】非燃焼状態にある蓄熱バーナ１２では、各
制御信号５２，６２，６４により燃料制御弁４８および
燃焼用空気制御弁５４が閉、排ガス制御弁５６が開にそ
れぞれ設定されている。この状態で、他方の蓄熱バーナ
１２の燃焼により炉内２に発生する高温排ガスを各燃焼
用空気ノズル３４から吸引し、蓄熱体２４を通過する間
に排熱回収されて低温となった排ガスを開口通路３０か
ら配管６０を介して外部に放出している。

【００１７】他方、燃焼状態にある蓄熱バーナ１２で
は、各制御信号５２，６２，６４により燃料制御弁４８
および燃焼用空気制御弁５４が開、排ガス制御弁５６が
閉にそれぞれ設定されている。燃料供給源から供給され
た所定量の燃料は燃料分配弁４２により各配管４４，４
６へ異なる量に分配され、一方の燃料ノズル３６ａには
多く、他方の燃料ノズル３６ｂには少ない量の燃料が供
給されて各先端から燃焼用空気ノズル３４ａ，３４ｂ内
へそれぞれ噴出される。

【００１８】これに対し、上記開口通路３０に供給され
た燃焼用空気は、下部プレナムチャンバ２８を経て蓄熱
体２４に流入し、前回の非燃焼状態にあるときに排熱回
収した蓄熱体２４により予熱されて高温となる。予熱さ
れた燃焼用空気は上部プレナムチャンバ２６へ流入し、
そこから燃料ノズル３６周囲の環状空間を介して各燃焼
用空気ノズル３４ａ，３４ｂへほぼ等量づつ噴出する。
そして、燃焼用空気は各燃料ノズル３６ａ，３６ｂから
それぞれ噴出した燃料と混合して燃焼する。

【００１９】ここで、蓄熱バーナ１２へ供給される燃焼
用空気は、上記蓄熱バーナ１２で燃焼する全燃料に対し
てほぼ当量の理論燃焼量に制御されている。一方、上述
したように、燃料ノズル３６ａからは多く、燃料ノズル
３６ｂからは少ない量の燃料が噴出する。そのため、ほ
ぼ等量の燃焼用空気が噴出する各燃焼用空気ノズル３４
ａ，３４ｂにおいては理論空気量の燃焼ではなく、燃料
ノズル３６ａ側では過剰燃料状態で、燃料ノズル３６ｂ
側では過剰空気状態でそれぞれ燃焼する。これにより濃
淡燃焼が行われ、炉内２に形成される燃焼火炎の温度が
理論空気量の燃焼火炎に比べて低温となる。また、燃焼
用空気ノズル３４ａ，３４ｂから吐出される燃焼ガスの
稀薄燃焼を炉内２で行うことができ、これによっても火
炎温度の低温化と燃焼火炎の伸長を図ることができる。
その結果、ＮＯｘ生成量を低減できるとともに、火炎温
度の平均化により局部過熱を抑制できる。

【００２０】さらに、上記燃料分配弁４２の弁位置調節
により各燃料ノズル３６ａ，３６ｂへの燃料分配比を変
更して、上記の場合とは反対に燃料ノズル３６ｂの方に
燃料ノズル３６ａよりも多くの燃料を供給することもで
きる。したがって、燃料分配弁４２の弁位置を周期的に
変えることにより、燃焼火炎の状況を連続的あるいは断
続的に変化させることができ、炉況に応じた燃焼状況を
作り出すことができる。

【００２１】図４は、燃料であるメタンガス（ＣＨ₄）
を常温空気で燃焼した場合の空気比と理論火炎温度（絶
対温度：単位Ｋ）を示すグラフである。このグラフに示
すように、空気比を理論空気量で完全燃焼させた場合で
ある１よりも僅かに大きい１．０５（Ａ点）とした場合
に火炎温度は最高（ＡＡ点）となる。例えば、上記蓄熱
バーナ１２において燃焼用空気を予熱せずに常温で燃焼
したと仮定して、蓄熱バーナ全体１２の空気比を１．０
５とし、燃料ノズル３６ａ側の空気比を１．６（Ｂ点）
とした場合、他方の燃料ノズル３６ｂ側の空気比は約
０．７８（Ｃ点）となる。このとき、各燃料ノズル３６
ａ，３６ｂにおける理論火炎温度はそれぞれＢＢ点、Ｃ
Ｃ点となり、いずれも最高温度であるＡＡ点よりはかな
り低い温度となる。

【００２２】また、燃焼用空気を予熱した場合には、そ
の予熱温度によって各燃料ノズル３６ａ，３６ｂにおい
て採り得る空気比の範囲を拡大することができる。具体
的には一方の燃焼ノズル３６ａ側の空気比を０．６とす
ると、他方の燃焼ノズル３６ｂ側の空気比を約３まで大
きくすることができ、さらに火炎温度を低温にすること
ができる。このような濃淡燃焼の特徴により上述の炉況
に応じた燃焼状態を作り出すことができることになる。
ただし、一方の空気比を０．５以下にする意味はない。

【００２３】以上に説明した本実施形態の蓄熱再生式燃
焼装置では、燃料分配手段として燃料分配弁４２を設け
て蓄熱バーナ１２の各燃料ノズル３６ａ，３６ｂに供給
する燃料の量を異ならせるようにしたが、各燃料ノズル
３６ａ，３６ｂと燃料供給源との間をそれぞれ燃料制御
弁を有する二つの配管で直結し、各燃料制御弁の制御に
より供給される燃料の量を異ならせるなど種々の燃料分
配手段を用いることができる。

【００２４】また、上記蓄熱バーナ１２には燃焼用空気
ノズル３４および燃料ノズル３６を各々二つ設けたが、
これに限らず各々３つ以上設けてもよい。その場合に
は、燃料分配弁４２と各燃料ノズル３６ａ，３６ｂとの
間を接続する配管４４または／および配管４６の途中に
別の燃料分配弁を設け、この燃料分配弁から第３の燃料
ノズル、さらには第４の燃料ノズルへ燃料を分配供給す
ることにより濃淡燃焼を行うことができる。

【００２５】また、上記蓄熱バーナ１２では上記各燃焼
用空気ノズル３４ａ，３４ｂの形状および大きさを同じ
にして等量の燃焼用空気が噴出するようにしたが、これ
に限定するものではなく、一方の燃料ノズル側では燃料
過剰状態で燃焼し、他方の燃料ノズル側では空気過剰状
態で燃焼するようになっておれば燃焼用空気を必ずしも
等量に噴出しなくてもよく、各燃焼用空気ノズルの形状
や大きさを異ならせてもよい。

【００２６】さらに、蓄熱バーナ１２の燃焼用空気ノズ
ル３４および燃料ノズル３６の形状については、本発明
の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例
えば、図５に示すように、一方の燃料ノズル３６ａの周
囲に形成される燃焼用空気ノズル３４を一次空気ノズル
３４ａと二次空気ノズル３４ｂとに分割してもよい。ま
た、燃焼用空気ノズル３４の形状は、上記実施形態のよ
うに燃料ノズル３６ａの周囲に燃焼用空気が環状に噴出
するようにしたものに限らず、上記一次空気ノズル３４
ａのようにバーナタイル７０に形成した複数の貫通孔か
らなるものでもよいし、上記二次空気ノズル３４ｂのよ
うに環状空間を周方向に適当に分割した形状であっても
よい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかる蓄熱再生式燃焼装置を構成す
る蓄熱バーナの縦断面図である。

【図２】 図１に示す蓄熱バーナにおいて燃料ノズルの
中心軸を通る平面で切った横断面図である。

【図３】 蓄熱バーナの背面から見た配管系統概略図で
ある。

【図４】 メタンガス（ＣＨ₄）を常温空気で燃焼した
場合の空気比と理論火炎温度（絶対温度：単位Ｋ）を示
すグラフである。

【図５】 蓄熱バーナにおける燃焼用空気ノズルの形状
の変形例を示す部分側面図とＡ矢視図である。

【符号の説明】

２…炉内、１２…蓄熱バーナ、２４…蓄熱体、３４（３
４ａ，３４ｂ）…燃焼用空気ノズル、３６（３６ａ，３
６ｂ）…燃料ノズル、４２…燃料分配弁（燃料分配手
段）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄熱体により予熱された燃焼用空気を燃
   料と混合して燃焼させる一対の蓄熱バーナからなり、各
   蓄熱バーナを交互に燃焼させて炉内を加熱する蓄熱再生
   式燃焼装置において、 上記予熱した燃焼用空気をそれぞれ噴出する少なくとも
   二つの燃焼用空気ノズルを上記蓄熱バーナに設けるとと
   もに、これら燃焼用空気ノズルに対応して燃料を噴出す
   る燃料ノズルをそれぞれ設け、各燃料ノズルには配管を
   介して燃料ノズルごとに異なる量の燃料を供給する燃料
   分配手段を接続し、かつ上記一つの蓄熱バーナにはそこ
   で燃焼する全燃料に対してほぼ当量の理論燃焼用空気を
   供給し、上記各燃料ノズルのうち或る燃料ノズルでは燃
   料過剰状態で、また他の燃料ノズルでは空気過剰状態で
   それぞれ燃焼を行うようにした蓄熱再生式燃焼装置。
2. 【請求項２】 上記燃料分配手段を、所定量の燃料を各
   燃料ノズルに分配するとともにその分配比を変更可能な
   燃料分配弁で構成した請求項１に記載の蓄熱再生式燃焼
   装置。