JPH10176826A - 蓄熱式バーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノズルの設置位置の自由度が大きく、かつ設
備費を安価にする。 【解決手段】 燃焼用空気の噴出と排ガスの吸引とを切
り換えて行うノズル４と該ノズル４を流通する空気が流
通される蓄熱体３とを備え、蓄熱体３を通してノズル４
への燃焼用空気の供給及びノズル４からの燃焼ガスの排
出を行う蓄熱式バーナ２において、蓄熱体３に対して該
蓄熱体３の数より多い数のノズル４が複数設けられて、
ノズル４と蓄熱体３との間にはヘッダ１６を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蓄熱体を通してノ
ズルへの燃焼用空気の供給及びノズルからの燃焼ガスの
排出を行う蓄熱式バーナに関する。更に詳述すると、本
発明は、蓄熱式バーナのノズルの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、加熱炉や熱処理炉などの工業炉の
熱源として、蓄熱体を通してノズルへの燃焼用空気の供
給及びノズルからの燃焼ガスの排出を行う蓄熱式バーナ
が使用されている。この蓄熱式バーナを備えた加熱炉で
は、バーナが対向して配置される場合が多く、例えば図
７に示す加熱炉１０１では、一の炉壁１０１ａとこれに
向き合う他の炉壁１０１ｂとに互いに向き合うバーナ１
０２が備えられ、これら各バーナ１０２，１０２を交互
に燃焼させるようにしている。そして、各バーナ１０２
は、燃焼用空気の噴出と排ガスの吸引とを切り換えて行
う単一の燃焼用空気兼炉内高温排ガス吸引ノズル（本明
細書では単にノズルと略称する）１０３とこれに連結な
いし内装される１個の図示しない蓄熱体１１１とをそれ
ぞれ備えている。蓄熱体１１１は通常ケーシング１１０
に収容されて燃焼用空気ノズル１０３に連結されてい
る。しかし、場合によっては燃焼用空気ノズルの後端部
分そのものを大型化して蓄熱体を内装することもある。
また、各バーナ１０２には、燃焼用空気の供給系１０４
と燃焼ガスの排気系１０５と燃料の供給系１０６とがそ
れぞれ切換弁１０７，１０８，１０９を介して接続され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た図７に示す蓄熱式バーナ１０２では、バーナ配置がバ
ーナの蓄熱体ケーシング１１０の外形（あるいは蓄熱体
を内装した状態のエアスロート外形）で規制されること
から、燃焼用空気ノズル１０３の間隔はバーナ外形以上
としなければならず、バーナ外形寸法未満の細かな配列
で炉に配置することが困難である。しかも、ノズル１０
３毎に蓄熱体１１１と燃焼用空気の供給系１０４及び燃
焼ガスの排気系１０５の各切換弁１０７，１０８とが設
けられているので、部品点数が多くなり設備費が高くつ
いてしまう。

【０００４】また、隣接する蓄熱バーナ間で燃焼容量を
変化させたい場合は、燃焼用容量の異なるバーナを配置
しなければならず、設備（工業炉）の大型化が避けられ
なかった。例えば、水平に載置された鋼材等の被加熱物
を上下から異なる燃焼量で加熱する上下２帯式加熱炉で
は、上部帯を加熱する蓄熱式バーナと下部帯を加熱する
蓄熱式バーナとで燃焼量の異なるバーナがそれぞれ備え
られている。そして、上下の各帯の蓄熱式バーナを別個
に操作して加熱温度等の制御が行われる。この場合、燃
焼量の異なるバーナを配置しているので、その分だけ部
品点数が多くなり設備費が高くなってしまう。さらに、
被加熱物は下部をウォーキングビームにより支えられて
いるが、このウォーキングビームは周囲が高温でも強度
を維持できるように内部に冷却水が流されている。この
ため、下部帯の熱負荷は上部帯よりもウォーキングビー
ムの冷却水による熱損失分だけ大きくなるので、燃焼負
荷に対する加熱温度の制御を各帯で別個に行わなければ
ならず、設備の複雑化による設備費の増大を招いてい
る。

【０００５】そこで、本発明は、ノズルの設置位置の自
由度が大きく、しかも設備費が安価な蓄熱式バーナを提
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、請求項１の発明は、燃焼用空気の噴出と排ガスの吸
引とを切り換えて行うノズル（燃焼用空気兼炉内高温排
ガス吸引ノズル）と該ノズルを流通する空気が流通され
る蓄熱体とを備え、蓄熱体を通してノズルへの燃焼用空
気の供給及びノズルからの燃焼ガスの排出を行う蓄熱式
バーナにおいて、蓄熱体に対して該蓄熱体の数より多い
数のノズルが設けられて、ノズルと蓄熱体との間にはヘ
ッダが備えられている。

【０００７】この場合、蓄熱体に対して該蓄熱体の数よ
り多い数の燃焼用空気ノズルを配置すること、例えば、
蓄熱体１個に対して、燃焼用空気ノズルの数を複数個配
置することによって、一つのバーナで複数個のバーナの
火炎発生機能を有することが可能となる。したがって、
１つのウインドボックスに複数のノズルを設置でき、多
数のノズルをウインドボックスの幅よりも狭い間隔で連
続して設けることができる。これにより、ノズルの設置
位置の自由度が向上される。また、１つの蓄熱体や燃焼
用空気の噴出及び排ガスの吸引を切り換える切換弁を複
数のノズルにより共用できるので、部品点数の減少によ
り設備費が安価になる。尚、本明細書において「１つの
蓄熱体」とは、ウインドボックスあるいはウインドボッ
クスに接続されるケース内に充填された単一あるいは一
群の蓄熱体を意味し、前述のウインドボックス等の流路
断面の一部分を占める一片の蓄熱体ブロックを指すもの
ではない。

【０００８】しかも、蓄熱体と該蓄熱体の数より多い数
の燃焼用空気ノズルとの間にヘッダ、特に通過流体の流
路断面積が燃焼用空気ノズルの断面積合計よりも大きい
ヘッダを配置することによって、各ノズル前の空気噴出
圧力および高温ガス吸引圧力が各ノズル間での差がなく
均圧化されるので、ノズル噴出空気流速、排ガス吸引流
速が各ノズルで等しくなり、噴出量、吸引量がノズル断
面積に比例することとなる。したがって、請求項３記載
の発明のように、ノズル断面積の増減とこのノズルに対
応させて燃料ノズルからの燃料噴射量を変えることによ
って単一のバーナ内での燃焼容量を可変とすることが可
能となる。即ち、共用の例えば１つの蓄熱体や燃焼用空
気の噴出及び排ガスの吸引を切り換える切換弁を使用し
ても、ノズル毎に燃焼用空気および燃料の噴き出し量が
異なったものとなるため、隣り合うノズルの加熱量を異
にすることができる。

【０００９】また、請求項２の蓄熱式バーナは、ノズル
を被加熱物の上方と下方とに火炎が生ずるよう配置して
いる。したがって、上下２帯式加熱炉であっても上方及
び下方の複数のノズルにより該ノズルの数より少ない数
の蓄熱体や切換弁を共用できるので、部品点数の減少に
より設備費が安価になる。

【００１０】さらに、請求項４の蓄熱式バーナは、ノズ
ルのうち少なくとも１つは炉壁に対して斜めに燃焼用空
気を噴出するよう設けられている。したがって、このノ
ズルからの火炎は炉壁に対して斜めに形成されるので、
ノズルの設置範囲よりも広い範囲で火炎が形成される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

【００１２】図２に示すように、本実施形態の加熱炉１
は対向する蓄熱式バーナ２を２組備えている。各組の蓄
熱式バーナ２は、搬送帯（図示省略）上の被加熱物の両
側方に配置されて蓄熱型交番燃焼バーナシステムを構成
し、被加熱物に沿って水平火炎が形成されるように設け
られている。

【００１３】図１に示すように、各蓄熱式バーナ２は、
蓄熱体３と該蓄熱体３の数より多い数のノズル４とヘッ
ダ１６とを備えている。具体的には、１つの蓄熱体３に
対し３本のノズル４，４，４を備えている。ヘッダ１６
はノズル４と蓄熱体３との間に設置され、蓄熱体３から
各ノズル４に燃焼用空気を分配すると共に各ノズル４か
ら蓄熱体３に燃焼ガスをまとめて送り込むものとされて
いる。

【００１４】蓄熱体３とノズル４とヘッダ１６とは、ウ
インドボックス５の各部分に設けられている。ウインド
ボックス５の上部の垂直面５ａは炉内６に露出されてい
る。この垂直な露出面５ａに３つの等しい開口面積の透
孔が横並びに形成されて、ノズル４を構成している。そ
して、蓄熱体３は、ウインドボックス５の中央部に収容
されている。蓄熱体３としては比較的圧力損失が低いわ
りに熱容量が大きく耐久性の高い材料例えばファインセ
ラミックスで成形されたハニカム状筒体の使用が好まし
いが、特にこれに限定されるものではなく他の材料ある
いは構造から成る蓄熱体３を使用しても良い。通常、蓄
熱体３は、ファインセラミックス製の小形のハニカム状
筒体を必要量だけ組み合わせたものが使用されるが、場
合によってはウインドボックス５内に収まる大きさの単
一の大形ブロックを使用することも可能である。

【００１５】また、各ノズル４と蓄熱体３との間のウイ
ンドボックス５の部分は、ヘッダ１６を構成している。
ここで、ヘッダ１６の流路断面積は各ノズル４の開口面
積の合計よりも大きく設定されていることが好ましい。
蓄熱体３と複数のノズル４，４，４との間の大きな空間
（通過流体の流路断面積が燃焼用空気ノズルの断面積合
計よりも大きい空間）、即ちヘッダ１６の配置によっ
て、各ノズル４，４，４前の空気噴出圧力および高温ガ
ス吸引圧力が各ノズル４，４，４間での差がなく均圧化
される。したがって、ノズル噴出空気流速、排ガス吸引
流速が各ノズル４，４，４で等しくなり、噴出量、吸引
量がノズル断面積に比例することとなる。したがって、
ノズル断面積の増減とこのノズルに対応させた燃料ノズ
ルからの燃料噴射量の増減により、単一のバーナ内でも
各ノズル４，４，４毎に燃焼量を変えることができる。
即ち、共用の１つの蓄熱体３や燃焼用空気の噴出及び排
ガスの吸引を切り換える切換弁９，１０を使用しても、
ノズル４，４，４毎に燃焼用空気および燃料の噴き出し
量を異ならせて加熱量を異にすることができる。

【００１６】さらに、蓄熱体３の各ノズル４に連通する
反対側には、ウインドボックス５に燃焼用空気を供給す
る燃焼用空気供給系７及び燃焼ガスを排出する燃焼ガス
排気系８とが切換可能に接続されている。燃焼ガス排気
系７と燃焼用空気供給系８とのそれぞれには、流通を断
続可能な切換弁９，１０が取り付けられている。

【００１７】ここで、蓄熱型交番燃焼バーナシステム
は、その構造及び燃焼方式に特に限定を受けるものでは
なくどのような構造のものでも使用可能であるが、本実
施形態においては、蓄熱体３とバーナ２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
方のバーナ２及び蓄熱体３を通して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、２基のバ
ーナ２，２のそれぞれの蓄熱体３，３を経てウインドボ
ックス５，５に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給系
７及び燃焼ガスを排出する燃焼ガス排気系８とを各バー
ナ２に接続し、一方のバーナ２には蓄熱体３を通して燃
焼用空気の供給を図ると共に他方のバーナ２からは蓄熱
体３を通して燃焼ガスの排出を図るように設けられてい
る。

【００１８】そして、各系７，８は各切換弁９，１０に
よって選択的にいずれか一方のバーナ２のウインドボッ
クス５に接続され、例えば押し込みファン１１によって
供給される燃焼用空気が一方のウインドボックス５に供
給されると同時に例えば誘引ファン１２によって燃焼ガ
スが他方のウインドボックス５から吸引され大気中に排
出される。なお、本実施形態では各系７，８に切換弁
９，１０を設けているが、これに限らず対向する１組の
バーナ２と各系７，８とを四方弁により切換可能に連結
しても構わない。

【００１９】また、各ノズル４の近傍では、燃料噴出ノ
ズル１３が炉内６に突出しないようにして露出されてい
る。各燃料噴射ノズル１３は互いに接続されて、切換弁
１４を介して燃料供給系１５に接続されている。この弁
１４は蓄熱型交番燃焼バーナシステムのいずれか一方の
バーナ２と燃料供給系１５とを選択的に接続する。尚、
図示していないが、蓄熱型交番燃焼バーナシステムに
は、通常パイロットバーナやその点火用トランスなどの
付帯設備が装備される。また、燃焼用空気供給ラインに
は必要に応じて蒸気あるいは水が注入可能に設けられ、
燃焼用空気の予熱に伴うＮＯｘ抑制を図ることがある。

【００２０】本実施形態の場合、蓄熱型交番燃焼バーナ
システムは、１対のバーナ２，２を対向する炉壁１ａ，
１ｂに設置し、相対向する２対のバーナ群即ち２システ
ムの蓄熱型交番燃焼バーナシステムが装備されている。
この場合、燃料及び燃焼用空気は一方のバーナ２に供給
され、燃焼ガスは対向するバーナ２から排出される。即
ち、一方の炉壁１ａのバーナ２を燃焼させるときには他
方の炉壁１ｂのバーナ２を停止させ、停止中のバーナ２
側から燃焼ガスを排気することによって蓄熱体３で燃焼
ガスの排熱を回収し、その熱を燃焼用空気の予熱に利用
することによって再び炉内６に還流させるようにしてい
る。

【００２１】本実施形態によれば、１つのウインドボッ
クス５に３つのノズル４を水平方向に一列に形成してい
るので、隣り合うノズル４の配置の間隔をウインドボッ
クス５の水平方向の幅よりも小さくすることができ、ノ
ズル４の設置位置の自由度が向上する。このため、例え
ば特開平５−１１８７６４号に開示された連続加熱炉で
炉内の温度分布を異ならせて加熱するゾーンコントロー
ルを行う場合、炉内の温度分布の精度を向上させること
ができる。この時、ノズル４の開口面積の設定を変更す
ることにより加熱量を変更して、炉内６の温度分布を設
定することもできる。

【００２２】また、本実施形態によれば、１つのバーナ
２に３つのノズル４を形成しているので、３つのノズル
４で蓄熱体３や各切換弁９，１０，１４を共用すること
ができる。このため、加熱炉１の全体としてノズル４の
数量を維持したまま、蓄熱体３や各切換弁９，１０，１
４の設置数を減少させることができる。これにより、設
備費を低減することができる。

【００２３】ところで、ノズル４の数は蓄熱体３の数よ
りも多ければ良いので、本実施形態のように１つの蓄熱
体３に対し３つのノズル４，４，４を配置するものに限
られない。例えば、２つの蓄熱体に対し３つ以上のノズ
ルを配置したり、３つの蓄熱体に対して４つ以上のノズ
ルを配置することもできる。この場合も、ノズルの数量
を維持したまま蓄熱体等の設置数を減少でき、設備費を
低減することができる。

【００２４】一方、本実施形態ではウインドボックス５
に開口面積の等しい３つのノズル４を形成しているが、
これに限られないのは勿論である。ノズル毎に開口面積
を変えたり、上下に配置することも可能である。例え
ば、ある水平面よりも上方の位置と下方の位置とで燃焼
量負荷にばらつきをあえて与えたい場合などには、図３
に示すように、ウインドボックス５の縦長の露出面５ａ
の上下に大小２つのノズル４，４が縦並びに形成され
る。そして、下方に位置するノズル４の方が上方のノズ
ル４よりも開口面積を大きくして形成されている。ま
た、下側のノズル４の近傍の燃料噴出ノズル１３の開口
面積は、上側のノズル４の近傍の燃料噴出ノズル１３の
開口面積よりも大きくされている。同様に、各ノズル
４，４の近傍に配置された燃料ノズル１３，１３の開口
面積も、噴射空気量に応じて所定の空気比となるような
燃料量が噴射される値が設定されている。

【００２５】この図３に示す実施形態によれば、下方の
ノズル４による加熱量の方が上方のノズル４による加熱
量よりも大きくなる。したがって、図５に示すように鋼
板１７を被加熱物として上下のノズル４，４の間の高さ
に水平に設置した場合、鋼板１７の下方を上方よりも強
く加熱することができる。これにより、鋼板１７を下方
から支持するウォーキングビーム１８により鋼板の下方
の熱負荷が大きくても炉内温度を均一化でき、鋼板１７
を上下から同等の熱量で加熱することができる。

【００２６】なお、この図３に示す実施形態によって
も、加熱炉１の全体としてノズル４の数量を維持したま
ま蓄熱体３や各切換弁９，１０，１４の設置数を減少さ
せることができるので、設備費を低減することができる
のは勿論である。

【００２７】また、図１及び図３に示す各実施形態で
は、各ノズル４を構成する透孔はウインドボックス５の
露出面５ａに対して垂直に形成されているので火炎は炉
壁１ａ，１ｂに対して垂直に形成されるが、露出面５ａ
に対して垂直な透孔に限られないのは勿論である。例え
ば、透孔が炉壁１ａ，１ｂ若しくは露出面５ａに対して
斜めに形成されていても構わない。具体的には、図４に
示すように炉壁１ａ，１ｂに縦並びの２つの透孔から成
るノズル４，４を形成し、上側のノズル４は炉内６に向
けて上向きに斜めに形成し、下側のノズル４は炉内６に
向けて下向きに斜めに形成することができる。ここで、
下側のノズル４は上側のノズル４よりも開口面積が大き
く形成されている。また、下側のノズル４の近傍で炉内
６に露出する燃料噴出ノズル１３の開口面積は、上側の
ノズル４の近傍で炉内６に露出する燃料噴出ノズル１３
の開口面積よりも大きくされている。

【００２８】したがって、各ノズル４，４から燃焼用空
気が噴出されると、図５に示すように、上側のノズル４
からは当該ノズル４よりも上側に火炎が形成され、下側
のノズル４からは当該ノズル４よりも下側に火炎が形成
される。このため、上下のノズル４，４の間と同じ高さ
に水平に配置された鋼板１７の上下に火炎を形成でき
る。これにより、ウインドボックス５の露出面５ａの上
下方向の幅よりも火炎を広げて形成することができるの
で、ウインドボックス５の小型化を図ることができる。

【００２９】さらに、燃料噴出ノズル１３は、図６に示
すように、上下のノズル４，４の中間部分の１箇所のみ
に設けても構わない。この場合、燃料噴出ノズル１３の
近くではフュエル・リッチ燃焼となり、還元性の燃焼ガ
スを形成する。このため、図５に示すように上下のノズ
ル４，４の間と同じ高さに水平に配置された鋼板１７
は、還元性の燃焼ガスに囲繞され、その酸化が抑制され
ながら加熱される。

【００３０】これら図４及び図６に示す実施形態であっ
ても、加熱炉１の全体としてノズル４の数量を維持した
まま蓄熱体３や各切換弁９，１０，１４の設置数を減少
させることができ、設備費を低減することができるのは
勿論である。

【００３１】なお、上述の実施形態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、図４及び図６に示す実施形態ではノズル
４の噴射方向を斜め上方と斜め下方としているが、場合
によっては水平面内で被加熱面に対し傾斜する方向に噴
射させるようにしても良い。

【００３２】さらに、蓄熱体に対して該蓄熱体の数より
多い数のノズルを配置する他の実施形態として、２つの
蓄熱体に対し３以上のノズルを配置したり、３つの蓄熱
体に対し４以上のノズルを配置することがある。これら
の場合でも、１つの蓄熱体当たりに１を超えるノズルが
配置されることになるので、ノズルの設置位置の自由度
を向上できると共に部品点数の減少により設備費を安価
にすることができる。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
の請求項１は、多数のノズルをウインドボックスの幅よ
りも狭い間隔で連続して設けることができるので、ノズ
ルの設置位置の自由度が向上される。しかも、狭い間隔
でノズルを配置できるので、狭い範囲での温度ゾーンコ
ントロールが可能となり、例えば連続加熱炉内でのゾー
ンコントロールを高精度に行うことができる。また、１
つの蓄熱体や燃焼用空気の噴出及び排ガスの吸引を切り
換える切換弁を複数のノズルにより共用できるので、部
品点数の減少により設備費を安価にできる。

【００３４】また、請求項２の蓄熱式バーナは、ノズル
を被加熱物の上方と下方とに火炎が生ずるよう配置して
いるので、上下２帯式加熱炉であっても上方及び下方の
複数のノズルにより該ノズルの数より少ない数の蓄熱体
や切換弁を共用でき、部品点数の減少により設備費を安
価にすることができる。

【００３５】さらに、請求項３の蓄熱式バーナは、ノズ
ル断面積の増減とこのノズルに対応させて燃料ノズルか
らの燃料噴射量を変えることによって単一のバーナ内で
の燃焼容量を可変とすることが可能となる。即ち、共用
の例えば１つの蓄熱体や燃焼用空気の噴出及び排ガスの
吸引を切り換える切換弁を使用しても、ノズル毎に燃焼
用空気および燃料の噴き出し量が異なったものとなるた
め、隣り合うノズルの加熱量を異にすることができる。

【００３６】また、請求項４の蓄熱式バーナは、ノズル
のうち少なくとも１つは炉壁に対して斜めに燃焼用空気
を噴出するよう設けられているので、このノズルからの
火炎は炉壁に対して斜めに形成され、ノズルの設置範囲
よりも広い範囲で火炎を形成することができる。このた
め、火炎を形成させる範囲よりもノズルの設置範囲を小
さくすることができるので、バーナの小型化を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の蓄熱式バーナの一実施形態を示す斜視
図である。

【図２】蓄熱式バーナを用いた加熱炉のバーナシステム
の一例を示す概略図である。

【図３】蓄熱式バーナの他の実施形態を示す斜視図であ
る。

【図４】蓄熱式バーナの別の実施形態を示す断面図であ
る。

【図５】蓄熱式バーナの別の実施形態を用いた加熱炉を
示す概略図である。

【図６】蓄熱式バーナのさらに他の実施形態を示す断面
図である。

【図７】従来の蓄熱式バーナを用いた加熱炉のバーナシ
ステムの一例を示す概略図である。

【符号の説明】

１ 加熱炉 ２ 蓄熱式バーナ ３ 蓄熱体 ４ ノズル １６ ヘッダ １７ 鋼板（被加熱物）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼用空気の噴出と排ガスの吸引とを切
   り換えて行うノズルと該ノズルを流通する空気が流通さ
   れる蓄熱体とを備え、前記蓄熱体を通して前記ノズルへ
   の燃焼用空気の供給及び前記ノズルからの燃焼ガスの排
   出を行う蓄熱式バーナにおいて、前記蓄熱体に対して該
   蓄熱体の数より多い数の前記ノズルが設けられて、前記
   ノズルと前記蓄熱体との間にはヘッダが備えられること
   を特徴とする蓄熱式バーナ。
2. 【請求項２】 前記ノズルは、被加熱物の上方と下方と
   に火炎が生ずるよう配置されていることを特徴とする請
   求項１記載の蓄熱式バーナ。
3. 【請求項３】 前記ノズルは、それぞれ開口面積が異な
   ると共にこのノズルの開口面積に対応させて燃料ノズル
   からの燃料噴射量を変えることを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２記載の蓄熱式バーナ。
4. 【請求項４】 前記ノズルのうち少なくとも１つは炉壁
   に対して斜めに燃焼用空気を噴出するよう設けられるこ
   とを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに
   記載の蓄熱式バーナ。