JPH10332138A - 燃焼システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バ−ナ−で発生させた輝炎の長短をコントロ
−ルできるようにして、輝炎の炉内拡散をはかり輝炎の
炉内分布を平均化すると共に、炭素割合の少ない気体燃
料にも輝炎を発生させて、輝炎放射による輻射能の増大
をはっかた燃焼システムを提供する。 【解決手段】 輝炎を発生させるバ−ナ−３１、３２を
使用する炉４０において、前記バ−ナ−３１又は３２に
提供する燃焼用空気１０、燃料２０ａ又は２０ｂ又は両
者の供給量を一定周期毎に減止１２させて燃焼させるも
の。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バーナーを使用す
る炉における燃焼システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】バーナーを使用する炉においては、一定
量の燃料と、その燃料を燃焼させるに必要な一定量の空
気（酸素）を、バーナーで混合させて燃焼させていた。
輝炎は、炭化水素燃料の炭素の割合の大きい重油や灯油
の液体燃料を普通に燃焼させた時に生ずる、熱分解した
炭素粒子の連続波長を放射する輝いた炎のことである。
この炎から出る輝炎放射の伝熱能力は、輝炎のない燃焼
ガス放射に比べてはるかに大きい。輝炎は炭素の割合の
小さい気体燃料からも生じさせることができる。炭素の
割合の小さい気体燃料は、通常に燃焼させると、輝炎の
ない燃焼ガスになるが、空気不足や、燃焼用空気を高温
に予熱すると、気体の炭化水素が熱分解して、炭素粒子
が出現し、これが周囲の熱を吸収して輝き、輝炎を放射
するのである。輝炎の伝熱能力を表す一例として、１９
６５年発行のシヤツク著「応用伝熱」１６０頁より、一
つの実験結果を挙げる。「常温のコークス炉ガスを輝炎
のない燃焼をさせて使つていた圧延用加熱炉で、挿入口
から３ｍのところのガス温度が１１００℃、アーチの内
面温度が８８０℃であつた。この所へ空気を絞つて供給
量を減らしたところ、燃焼が輝炎に変わつて軽微の煙を
発生し、ガス温度は直ちに１００℃下がり、アーチの温
度が８０℃昇つた。」 炉内の燃焼熱の有効利用について、１０００℃以上の高
温領域では、輻射伝熱が支配的であり、１５００℃程度
の炉内雰囲気を必要とするガラス溶解炉に例をとると、
輻射伝熱によるもの９５％、対流伝熱によるもの５％と
いわれている。従つて、輻射能の大きい輝炎伝熱は、間
接加熱炉では、燃焼空間に極端な制限があるため、極め
て重要な要素であるが、輝炎輻射を安定させて増大させ
る技術が深く解析させることなく放置され、これに代わ
る伝熱形態として対流伝熱が採用されているに過ぎなか
つた。本発明者は、バーナーで発生させた輝炎は、通常
の燃焼の場合は、バーナー出口付近の一か所に集中し
て、その部分が極端に高温になり、大きな温度差によ
り、その付近の設備部分を破損する可能性が高く、これ
を避けるためには輝炎の濃度をコントロールする必要が
あり、このためには、燃焼用空気又は燃料又は両者の供
給量を一定周期毎に減止すればよいことを見出し、本発
明を完成した。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、本発明は、
バーナーで発生させた輝炎の長短をコントロールできる
ようにして、輝炎の炉内拡散をはかり輝炎の炉内分布を
平均化する燃焼システムを提供するものである。また、
本発明は、炭素割合の少ない気体燃料にも輝炎を発生さ
せて、輝炎放射による輻射能の増大をはかつた燃焼シス
テムを提供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明燃焼システムは、
輝炎を発生させるバーナーを使用する炉において、前記
バーナーに供給する燃焼用空気、燃料又は両者の供給量
を一定周期毎に減止させて燃焼させるものである。ま
た、本発明燃焼システムは、前記燃焼用空気又は（及
び）前記燃料の供給管内に、管内通路を開閉する円板を
回転させる円板回転装置を設けたものである。本発明に
おいて、輝炎を発生させるバーナーには、液体燃料用と
気体燃料用がある。液体燃料用は、霧化装置又は気化装
置が付属しており、気体燃料用は、蓄熱バーナーが使用
される。円板回転装置は、管外の電動機等の回転駆動機
と、これと連結されて管内に軸受を介して挿入される駆
動シヤフトと、管内径に嵌合し、直径方向に前記駆動シ
ャフトと結合する円板とからなっている。

【０００５】

【発明の実施の形態１】本発明の実施の形態１が、図１
及び図２に示されている。本例の燃焼システムは、空気
を遠心送風機等のブロア又はフアン１１から円板回転装
置１２を経て、切換弁１３から蓄熱バーナー３１に供給
する空気供給管１０であって、蓄熱バーナー３２から切
換弁１３により排気されるものと、燃料溜（図示しな
い）から燃焼用ガスを電磁弁２１ａを経てバーナー３１
に供給する燃焼用ガス供給管２０ａと、燃料溜（図示し
ない）から燃料用ガスを電磁弁２１ｂを経てバーナー３
２に供給する燃焼用ガス供給管２０ｂと、バーナー３１
又は３２を交互に切換えて燃焼できるようにした燃焼炉
４０とを備えている。本例では、円板回転装置１２を回
転させながら空気を一定周期毎に減止して供給し、燃焼
ガス供給管２０ａから電磁弁２１ａを経て一定速度でバ
ーナー３１へ燃焼用ガスを供給して、炉４０で燃焼させ
る。また、炉４０内の排ガスをバーナー３２から切換弁
１３を経て排気させる。必要に応じ、燃焼用ガス供給管
２０ａからの燃焼用ガスの供給を電磁弁２１ａにより中
止し、空気を円板回転装置１２を経て、切換弁１３から
畜熱バ−ナ−３２に供給すると共に、燃焼用ガス供給管
２０ｂから電磁弁２１ｂを経て一定速度でバーナー３２
へ燃料を供給して、炉４０で燃焼させ、排ガスを畜熱バ
−ナ−３２から切換弁１３を経て排気し、畜熱バ−ナ−
３１又は３２の使用を交互に切り換える。本発明燃焼シ
ステムにおいて、燃焼用空気は、逆サインカーブの絶対
値を描いて、送り量が周期的に減止するので、燃料空気
比も、同様に逆サインカーブの絶対値を描いて周期的に
減止する。この時、燃料空気比は、理論的には、最小値
が０、最大値が２．７５の間を振動する。燃料空気比が
１以下の領域では、輝炎を放射している炭素粒子が不完
全燃焼するので、輝炎粒子が一部残る。燃料空気比が１
以上の過剰空気の領域では、輝炎粒子が燃焼後、空気中
の酸素が余分にあまる。その後、残存輝炎粒子と残存酸
素が相互に拡散、遅延燃焼し、こうして輝炎が拡散す
る。この場合、遅延燃焼率は理論的に３７％であり、円
板回転装置の円板の回転速度を早くすれば、燃料空気比
が１以下及び１以上の領域がお互いに狭くなり、周期が
短くなる結果、遅延燃焼は短時間に終了し、その結果、
輝炎は短くなる。回転速度を遅くすれば、逆に輝炎は長
くなる。こうして、輝炎の分布が回転数によつて制御で
きるのである。

【０００６】

【発明の実施の形態２】本発明の実施の形態２が、図３
に示されている。本例の燃焼システムは、空気を遠心送
風機等のブロア又はフアン１１Ｂから、切換弁１３Ｂを
経て蓄熱バーナー３１Ｂに供給される空気供給管１０Ｂ
であって、蓄熱バーナー３２Ｂから切換弁１３Ｂにより
排気されるものと、燃料溜（図示しない）から燃焼用ガ
スを円板回転装置２２Ｂ１及び電磁弁２１Ｂ１を経てバ
ーナー３１Ｂに供給する燃焼用ガス供給管２０Ｂ１、燃
料溜（図示しない）から燃焼用ガスを円板回転装置２２
Ｂ２及び電磁弁２１Ｂ２を経てバーナー３２Ｂに供給す
る燃焼用ガス供給管２０Ｂ２と、バーナー３１Ｂ又は３
２Ｂを交互に切換えて燃焼できるようにした燃焼炉４０
Ｂとを備えている。本例では、ブロア又はフアン１１Ｂ
から一定速度で空気を供給し、燃焼用ガス供給管２０Ｂ
１から円板回転装置２２Ｂ１及び電磁弁２１Ｂ１を経
て、バーナー３１Ｂへ燃焼用ガスを一定周期毎に減止し
て供給し、炉４０Ｂで燃焼させる。必要に応じ、燃焼用
ガス供給管２０Ｂ１からの燃焼用ガスの供給を電磁弁２
１Ｂ１により中止し、燃焼用ガス供給管２０Ｂ２から円
板回転装置２２Ｂ２及び電磁弁２１Ｂ２を経てバーナー
３２Ｂへ燃料を供給して炉４０で燃焼させ、燃焼用ガス
供給管２０Ｂ１又は２０Ｂ２からの燃焼用ガスの供給を
交互に切り換える。燃焼用ガス配管中に円板回転装置を
設け、円板を回転させながら燃料を供給し、燃焼用空気
を別の経路からバーナーへ一定速度で供給し燃焼させる
本例の場合も、輝炎の遅延燃焼の状況及び分布は、発明
の実施の形態１の場合と全く同様である。

【０００７】

【発明の実施の形態３】本発明の実施の形態３が図４に
示されている。本例の燃焼システムは、空気を遠心送風
機等のブロア又はフアン１１Ｃから円板回転装置１２Ｃ
を経て、切換弁１３Ｃにより蓄熱バーナー３１Ｃに供給
する空気供給管であって、蓄熱バーナー３２Ｃから切換
弁１３Ｃにより排気されるものと、燃料溜（図示しな
い）から燃焼用ガスを円板回転装置２２Ｃ１及び電磁弁
２１Ｃ１を経てバーナー３１Ｃに供給する燃焼用ガス供
給管２０Ｃ１、燃焼用空気を燃料溜（図示しない）から
円板回転装置２２Ｃ２及び電磁弁２１Ｃ２を経てバーナ
ー３２Ｃに供給する燃焼用ガス供給管２０Ｃ２と、バー
ナー３１Ｃ又は３２Ｃを交互に切換えて燃焼できるよう
にした燃焼炉４０Ｃとを備えている。本例では、円板回
転装置１２Ｃを回転させながら空気を一定周期毎に減止
して供給し、燃焼用ガス供給管２０Ｃ１から円板回転装
置２２Ｃ１を回転させながら、電磁弁２１Ｃ１を経て、
バーナー３１Ｃへ燃焼用ガスを一定周期毎に減止して供
給して、炉４０Ｃで燃焼させる。また、燃焼用ガス供給
管２０Ｃ１からの燃焼用ガスの供給を電磁弁２１Ｃ１を
介して中止し、燃焼用ガスを燃焼用ガス供給管２０Ｃ２
から円板回転装置２２Ｃ２を回転させながら電磁弁２１
Ｃ２を経てバーナー３２Ｃへ一定周期毎に減止して供給
し、炉４０Ｃで燃焼させ、燃焼用ガス供給管２０Ｃ１又
は２０Ｃ２からの燃焼用ガスの供給を交互に切り換え
る。燃焼用空気供給管及び燃焼用ガス供給管の両方に円
板回転装置を設け、それぞれ一定周期毎に供給量を減止
した本例の場合は、円板の回転の位相を９０度ずらせ
ば、遅延燃焼率をさらに大きく、即ち輝炎をさらに長く
することができる。

【０００８】

【発明の効果】以上のように、本発明燃焼システムは、
空気、燃料又は両者の供給量を一定周期毎に減止して炉
内バ−ナ−で発生させた輝炎の長短を容易にコントロ−
ルできるようにし、これにより輝炎の拡散をはかり輝炎
の炉内分布を平均化して輝炎輻射能の増大と炉内設備の
長寿命化をはかると共に、炭素割合の少ない気体燃料に
も輝炎を発生できるようにして伝熱効率の向上をはかる
ことができるようになった。更に、本発明の効果を以下
に具体例を挙げて説明する。

【０００９】セラミツクチユーブをラジアント源とする
１０００℃以上の高温の間接加熱炉では、セラミツク製
ラジアントチユーブは、金属製ラジアントチユーブのよ
うに溶接やボルト締めの密閉構造とすることができず、
接続部はルースになつている。通常の金属製ラジアント
チユーブで採用される、対流伝熱を促進させるための燃
焼ガス循環構造を採るように、セラミツク製ラジアント
チユーブを組み合わせると、接続部がルースになつてい
るため、燃焼ガスの高速循環中に生ずるチユーブ内外の
差圧のため、ガス漏れが生じる。燃焼ガス速度が早いほ
ど差圧も大きく漏れも大きい。従つて、セラミツク製ラ
ジアントチユーブで燃焼ガス循環構造を採ることは現実
的ではない。つまり、伝熱形態を対流伝熱にすることは
極めて不利である。一方、燃焼用空気温度を１０５０℃
以上に予熱すれば、空気不足にせずとも、炭素数の少な
い天然ガス燃料でも、燃焼時に高濃度の輝炎を放射する
ことが経験的に認められる。ガス燃料による輝炎は、燃
料の炭化水素が酸化反応する前に熱分解して０．３μｍ
程度の微小の炭素粒子を発生し、これらが周囲の熱を吸
収して輝き、連続波長の放射線を出す。この放射線は熱
放射の部分が大きく、燃焼ガスの速度に関係なく伝熱能
力が大きいため、セラミツク製ラジアントチユーブの伝
熱形態に適していると言える。公知の蓄熱バーナーを使
用すれば、燃焼用空気を１０５０℃以上に予熱すること
ができるので、輝炎を生み出すことは容易である。セラ
ミツク製ラジアントチユーブを使用する間接加熱炉は、
輝炎放射伝熱を採用すれば良いということになる。とこ
ろが、ここに問題が生じる。通常の輝炎燃焼をさせる
と、輝炎は一か所に集中するので、その部分が極端に高
温になり、チユーブ内に大きな温度差が生じて、破損す
る可能性が高い。これを避けるためには、輝炎の濃度が
コントロールできる必要がある。本発明では、輝炎の濃
度がチユーブ全長にわたつて拡散し、温度が平均化し
て、寿命の延長が期待できる。

【００１０】実用化されている金属製ラジアントチユー
ブを使用している間接加熱炉にも本発明の輝炎の濃度コ
ントロール技術を適用することが期待される。このラジ
アントチユーブシステムは、燃焼ガスの高速流による対
流伝熱を促進させるように排ガス循環構造を採つている
場合もある。この高速排ガス流に、コントロールされた
輝炎が加われば、従来の対流伝熱に放射伝熱が加わるこ
とになり、伝熱能力は更に増加する。これは、従来は燃
焼による伝熱は対流伝熱か、放射伝熱かどちらかが大部
分であつたのに対し、両者共十分な伝熱をになう新しい
伝熱形態が生まれたということができる。その結果、チ
ユーブ温度を下げることができ、チユーブの寿命を延ば
す効果が期待できる。このため、金属製ラジアントチユ
ーブを使用している間接加熱炉で可能な、燃焼用空気の
予熱の程度では、気体燃料の熱分解は一部しか生じず、
このままでは十分な量の輝炎はあまり期待できない。こ
の場合は、空気不足によつて輝炎を生じさせ、量を追加
させることができる。しかしながら、空気不足のままで
は、煤などの未燃分を炉外へ排出してしまう。空気不足
を生じさせながらも、未燃分の排出を避けるための手段
として、燃焼過程に空気不足、空気過剰を交互に繰り返
しながら、平均値として通常燃焼の適正空気比を保たせ
るような本発明燃焼システムが必要になるのである。こ
のような燃焼システムにより生じた輝炎は、空気不足と
空気過剰の一回の繰り返しを周期とすれば、周期を短く
すると、濃度は小さくなる。逆に周期を長くすれば、輝
炎は長く、濃度は大きくなる。このような濃度と長さが
コントロールできる輝炎が新しく放射伝熱として、従来
の対流伝熱に加えられて、新しい伝熱形態が生まれるの
であり、かつ期待されているのである。

【００１１】また、排ガス循環構造を採らない、実用化
されている金属製ラジアントチユーブ間接加熱炉にも、
本発明の輝炎の濃度コントロール技術を適用することが
期待される。燃料としては灯油、ガス燃料が使用されて
いて、燃焼時はバーナー直後に輝炎が形成される。この
輝炎がこの部分のチユーブ温度をより高温にするため、
チユーブ腐食が進んで、寿命が短くなる主な原因になつ
ている。チユーブ長さ方向の温度分布は、１９７８年発
行、日本工業炉協会著「工業炉ハンドブツク」５０３頁
によれば、バーナーを選定して炎をできるだけ長くする
ことが寿命を延ばす要点になつている。ここに燃焼過程
に、前項で述べた本発明燃焼システムの空気不足と空気
過剰を繰り返す方法を採れば、灯油の場合は輝炎が更に
長く、ガス燃料の場合は輝炎の量が増え、しかも長くな
ることが期待できる。チユーブ全体での伝熱がより均一
になり、チユーブの温度分布がより均一になるので、更
に寿命が延びることが期待できる。

【００１２】更に、現在盛んに実用されている鉄鋼の直
接加熱炉にも本発明の輝炎の濃度コントロール技術を適
用することが期待される。鉄鋼加熱炉の目的は被加熱鉄
鋼のすべての部分を均一に所定の温度に加熱することで
あるが、現実は燃焼空間からの伝熱が不均一なのと、鋼
片の厚みが不均一のため、実際は最も厚い部分の断面が
所定の均一な温度になるまで時間がかかる。燃焼からの
伝熱過程については、液体燃料の場合は伝熱能力は大き
いが形態が変わらないため、局部加熱しやすい輝炎放射
が、気体燃料の場合は伝熱能力は小さいが形態が可変で
あるため、比較的に全体を加熱しやすいガス放射がそれ
ぞれ主体を占める。ここに両者の長所をあわせることが
できれば、望ましいことである。液体燃料については、
輝炎がガス体に乗つて移動できるよう輝炎の形態に可変
性を持たせることができること、また、気体燃料につい
ては、より多くの輝炎を生み出すことができれば望まし
いのである。両燃料とも燃焼ガスが、被加熱物全体を伝
熱能力の大きい輝炎で包みやすくなるので、燃焼ガスの
温度が下がり、また所定の温度への到着時間の短縮が期
待されるのである。ところが、燃焼過程においては、前
項に述べたと同様に相対的に本発明燃焼システムの空気
の不足、過剰を繰り返せば、不足時に液体燃料において
は、輝炎の存続、気体燃料においては、輝炎の発生が見
られる。この輝炎が燃焼ガス体に乗つて、周り過剰部分
との相合作用で拡散燃焼を継続するのである。まさに期
待されている被加熱物を包み込むような輝炎燃焼が実現
しているのである。直接加熱炉においてこのような輝炎
の濃度をコントロールする技術は鉄鋼加熱炉だけに適用
されるのではない。被加熱物をできるだけ均一に加熱す
るのが目的である炉ならば、すべて適用できることは上
述の本発明の燃焼システムの説明から明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を示す概略図である。

【図２】本発明の円板回転装置の説明図である。

【図３】本発明の別の原理を示す概略図である。

【図４】本発明の更に別の原理を示す概略図である。

【符号の説明】

１０，１０Ｂ，１０Ｃ 燃焼用空気供給管 １１，１１Ｂ，１１Ｃ ブロア又はフアン １２，１２Ｃ 円板回転装置 １３，１３Ｂ，１３Ｃ 切換弁 ２０ａ，２０ｂ，２０Ｂ１，２０Ｂ２，２０Ｃ１，２０
Ｃ２ 燃焼用ガス供給管 ２２Ｂ１，２２Ｂ２，２２Ｃ１，２２Ｃ２ 円板回転
装置 ２１ａ，２１ｂ，２１Ｂ１，２１Ｂ２，２１Ｃ１，２１
Ｃ２ 電磁弁 ３１，３２，３１Ｂ，３２Ｂ，３１Ｃ，３２Ｃ バー
ナ ４０，４０Ｂ，４０Ｃ 燃焼炉

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 輝炎を発生させるバーナーを使用する炉
   において、前記バーナーに供給する燃焼用空気、燃料又
   は両者の供給量を一定周期毎に減止させて燃焼させるこ
   とを特徴とした燃焼システム。
2. 【請求項２】 前記燃焼用空気又は（及び）前記燃料の
   供給管内に、管内通路を開閉する円板を回転させる円板
   回転装置を設けたことを特徴とした請求項１記載の燃焼
   システム。