JPH1068517A

JPH1068517A - 蓄熱式バーナ群の燃焼制御方法

Info

Publication number: JPH1068517A
Application number: JP8225443A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Suzukawa; 豊鈴川; Isao Mori; 功森; Jun Takahashi; 潤高橋; Masato Uchio; 政人内尾
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 1998-03-10
Anticipated expiration: 2016-08-27
Also published as: JP3339324B2

Abstract

(57)【要約】【課題】加熱炉に設置した蓄熱式バーナ群を安定に燃
焼制御し得る蓄熱式バーナ群の燃焼制御方法を提供する
ことを目的とする。【解決手段】加熱炉１が複数の燃焼制御ゾーン１ａ，
１ｂからなり、燃焼制御ゾーン１ａに複数の蓄熱式バー
ナ（２ａ，２ｂ）対，…（２ｇ，２ｈ）対が設けられ、
制御装置９によってこれらの蓄熱式バーナ対間の交番燃
焼の切り替え時間を分散させて燃焼制御する燃焼制御方
法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加熱炉に備えられ
た蓄熱式バーナ群の燃焼制御方法に関し、殊に、加熱炉
の燃焼制御ゾーン毎に設置されている蓄熱式バーナ群の
燃焼が安定になし得る蓄熱式バーナ群の燃焼制御方法に
係るものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、蓄熱式バーナは蓄熱体を
備えたバーナであり、燃焼用空気が蓄熱体を通過する際
に、高温予熱されることにより、高い熱回収効率が得ら
れるバーナである。その動作原理及び基本特性等は、例
えば、第９回日本燃焼学会−ＪＦＲＣ合同研究会（平成
６年６月１０日）において、「鉄鋼業におけるＮＯｘ抑
制技術」と題して報告されている。

【０００３】この技術資料には、蓄熱式バーナが詳細に
記載されており、図３及び図４を参照して説明する。図
３は、加熱炉１には蓄熱体６が設けられた蓄熱式バーナ
Ａ，Ｂが対向配置されている。蓄熱式バーナＡは火炎Ｆ
で示したように燃焼状態にあり、蓄熱式バーナＢは燃焼
排ガスを吸引し、燃焼排ガスの顕熱が蓄熱式バーナＢの
蓄熱体６に蓄熱される。次の切り替え時は、蓄熱式バー
ナＢが燃焼状態となり、蓄熱式バーナＡが排気（蓄熱）
状態となる。このように燃焼状態と排気（蓄熱）状態を
一定時間毎（例えば、３０秒〜１分）に交互に繰り返し
て交番燃焼を行っている。

【０００４】因に、交番燃焼とは、一対の蓄熱式バーナ
が燃焼状態と排気（蓄熱）状態を交互に繰り返して燃焼
することを意味し、更に、一つの蓄熱式バーナが燃焼状
態と排気（蓄熱）状態を繰り返すことも交番燃焼と呼ぶ
ことにする。

【０００５】図４は、図３の蓄熱式バーナＡ，Ｂの燃焼
制御方法が示されており、蓄熱式バーナＡ，Ｂが交番燃
焼する場合の燃料遮断弁３、燃焼空気遮断弁４、排ガス
遮断弁５の動作タイミングが図示されている。

【０００６】蓄熱式バーナの交番燃焼では、短時間に弁
の開閉がなされており、蓄熱式バーナの切り替え時に燃
料供給流量、排ガス排出流量、燃焼用空気流量が瞬時に
大きく変化する現象があり、燃焼用空気比が乱れたり、
炉圧変動が発生する等の問題があった。このような問題
点を解消するために、図４に示したように、蓄熱式バー
ナ対間の切り替え時に遅延時間（Δｔ）を設ける工夫が
なされている。蓄熱式バーナＡ，Ｂ間の交番燃焼の切り
替え時に、遅延時間（Δｔ）の最適化を図ることによっ
て炉圧変動が低減できることが見出されている。

【０００７】次に、複数の蓄熱式バーナ対を備える場合
の燃焼制御方法について、例えば、特開平８−３５６２
３号公報の燃焼制御方法が開示されている。図５を参照
して説明すると、加熱炉１には、蓄熱体６が収納された
蓄熱式バーナ２ａ〜２ｈが配置され、蓄熱式バーナ２ａ
と２ｂ、２ｃと２ｄ、２ｅと２ｆ、２ｇと２ｈがそれぞ
れ対に配置されている。この燃焼制御ゾーンでは、８本
の蓄熱式バーナ群を一つの燃焼制御ゾーンとし、図示を
省略した制御装置によって、燃料遮断弁、空気遮断弁及
び排ガス遮断弁が開閉制御されることによって燃焼制御
されている。

【０００８】図５の蓄熱式バーナ群の燃焼制御方法につ
いて、図６を参照して説明する。図６（ａ）は縦軸が蓄
熱式バーナ番号（２ａ，………，２ｈ）を示し、横軸が
時間を示し、□部分は蓄熱式バーナの不使用状態を示
し、斜線部分は排気（蓄熱）状態を示し、■部分は燃焼
状態を示している。又、図６（ｂ）では、中央部は縦軸
が燃焼中のバーナ本数（０〜４本）を示し、横軸が時間
を示している。又、図６（ｂ）に示すように、記号▲は
バーナ切り替えの発生する時間を示している。更に、図
６（ｃ）では、縦軸が燃料流量指示値を示し、横軸が時
間を示している。

【０００９】図６（ａ）に示すように、蓄熱式バーナを
多数設置した加熱炉では、各対の燃焼切り替え時間を任
意、例えば、第１対（蓄熱式バーナ２ａ，２ｂ）と第２
対の（蓄熱式バーナ２ｃ，２ｄ）の燃焼切り替え時間差
（α）を２秒とし、第２対（蓄熱式バーナ２ｃ，２ｄ）
と第３対（蓄熱式バーナ２ｅ，２ｆ）の燃焼切り替え時
間差（β）を４秒とし、第３対（蓄熱式バーナ２ｅ，２
ｆ）と第４対（蓄熱式バーナ２ｇ，２ｈ）の燃焼切り替
え時間差（γ）を２１秒とし、第４対（蓄熱式バーナ２
ｇ，２ｈ）と第１対（蓄熱式バーナ２ａ，２ｂ）の燃焼
切り替え時間差（δ）を３秒とし、各蓄熱式バーナ対は
３０秒の周期で交番燃焼させ、且つ、図６（ｂ）に示す
ように、一次的に交番燃焼を停止させて、燃焼させるバ
ーナの本数を４本，３本，２本，１本，２本，３本，…
…と順次変化させて燃焼制御がなされている。

【００１０】図６の燃焼制御では、蓄熱式バーナ対の使
用・不使用の制御が任意の時間に行っている。同図
（ｃ）に示したように、交番燃焼の切り替え時に、燃料
流量が大きく変動する。このような燃焼制御方法では、
図３に示した燃焼制御方法の考え方を複数対について適
応すれば容易になし得る程度のものである。

【００１１】しかし、図６（ｃ）から明らかなように、
複数の蓄熱式バーナ対による燃焼制御方法では、蓄熱式
バーナの切り替え時に、燃料供給流量、排ガス排出流
量、及び燃焼用空気量が瞬時に大きく変化する。そのた
めに、燃焼用空気比が乱れたり、炉圧変動が発生する問
題がある。このような問題に対する対策としては、特開
平８−３５６４９号公報に開示された燃焼制御方法があ
る。この燃焼制御方法では、蓄熱式バーナの切り替え時
に、燃焼する蓄熱式バーナがｎ本から（ｎ−１）本にす
る場合に、燃焼切り替え処理中は、燃料流量を（ｎ−
１）／ｎ倍にするか、又は燃焼用空気流量及び燃焼排ガ
ス流量をｎ／（ｎ−１）倍にするように燃焼制御するこ
とが開示されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】蓄熱式バーナが複数備
えられた加熱炉では、図６に示すような燃焼制御方法が
なされている。図６（ｂ）に示したように、蓄熱式バー
ナ対間の交番燃焼時の切り替え数（図６（ｂ）中、記号
▲で示す）が密になる時間帯では、図６（ｃ）に示した
ように、燃料流量変動が大きくなり、制御目標値からの
偏差も大きくなることが判明した。図６（ｃ）中の実線
は燃料流量変動を示し、点線は制御目標値を示してい
る。このように交番燃焼時の切り替え数が密になる時帯
で燃料流量変動が大きくなる欠点があり、このような現
象は、燃焼用空気流量、排ガス排出流量についても略同
様の現象が見られる。

【００１３】図６（ｃ）に見られる流量変動を流量制御
弁の応答性を高めることによって、流量を制御して軽減
することを試みたが、流量制御弁の動作速度より流量変
動の方が大きいために、このような問題を解消すること
はできなかった。このような流量変動は、交番燃焼時の
切り替え時に、燃料遮断弁の遮断によって、瞬時に燃料
流量が零になるために、配管内部に急激な圧力上昇が生
じる現象であり、よく知られる「水撃現象」或いは「ウ
オーターハンマー現象」に基づく現象である。従って、
燃料遮断弁を遮断すると、燃料供給配管内部で燃料流量
が脈動を生じ、燃焼用空気比の乱れや炉圧変動が生じ、
適切な燃焼流量制御ができなくなる。このような現象は
加熱炉の安定した操業にとって好ましものではない。

【００１４】本発明は、上述のような課題に鑑みなされ
たものであり、加熱炉に設置した蓄熱式バーナ群を安定
に燃焼制御し得る蓄熱式バーナ群の燃焼制御方法を提供
することを目的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述のような
課題を解消するためになされたものであり、第１の発明
は、加熱炉の燃焼制御ゾーン毎に偶数個の蓄熱式バーナ
が備えられ、各燃焼制御ゾーンに燃焼と排気を交互に繰
り返して交番燃焼する蓄熱式バーナ対が多数設けられ、
一方の蓄熱式バーナ対と他方の蓄熱式バーナ対の交番燃
焼の切り替え時間を略均等に分散させて燃焼制御するこ
とを特徴とする蓄熱式バーナ群の燃焼制御方法である。

【００１６】又、第２の発明は、加熱炉の燃焼制御ゾー
ン毎に偶数個の蓄熱式バーナが燃焼と排気を交互に繰り
返して交番燃焼する蓄熱式バーナ対を構成し、一方の蓄
熱式バーナ対と他方の蓄熱式バーナ対の交番燃焼の切り
替え時間を、蓄熱式バーナ対数（ｎ）で交番燃焼時間
（ｔｓ）を除した時間（ｔｓ／ｎ）に設定して燃焼制御
することを特徴とする蓄熱式バーナ群の燃焼制御方法で
ある。

【００１７】又、第３の発明は、加熱炉の燃焼制御ゾー
ン毎に、１２個以下であって、且つ偶数個の蓄熱式バー
ナが設けられ、前記蓄熱式バーナが燃焼と排気を交互に
繰り返して交番燃焼する蓄熱式バーナ対を構成し、各燃
焼制御ゾーンに一方の蓄熱式バーナ対と他方の蓄熱式バ
ーナ対の交番燃焼の切り替え時間を、蓄熱式バーナ対数
（ｎ）で交番燃焼時間（ｔｓ）を除した時間（ｔｓ／
ｎ）に設定して燃焼制御することを特徴とする蓄熱式バ
ーナ群の燃焼制御方法である。

【００１８】本発明では、蓄熱式バーナの切り替え時
に、例えば燃料供給配管内部に燃料が流れている配管途
中の弁を急に閉じると、「水撃現象」或いは「ウオータ
ーハンマー現象」によって、瞬時に燃料流量が零になる
ため、配管内部に急激な圧力上昇が生じて配管内部に脈
動が生じる。図６に示す燃焼制御方法では、「水撃現
象」が短時間に連続して発生するために、「水撃現象」
が減衰する時間が確保できないままに、燃料供給配管内
部に複数の脈動による相乗作用によって流量変動が極め
て大きくなるものと解釈できる。このような観点から、
「水撃現象」による脈動の相乗作用を解消するために、
各蓄熱式バーナ対の交番燃焼の切り替え時間を略均等に
分散させて燃焼制御することによって解消するものであ
る。例えば、一燃焼制御ゾーンの蓄熱式バーナ対がｎ対
である場合には、交番燃焼時間（ｔｓ）を蓄熱式バーナ
対数（ｎ）で除して、蓄熱式バーナ対の切り替え時間を
ｔｓ／ｎ時間で分散させることで、「水撃現象」による
燃料流量の変動を抑制する蓄熱式バーナ群の燃焼制御方
法である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る蓄熱式バーナ
群の燃焼制御方法の実施形態について説明する。図１
は、蓄熱式バーナ群を備える加熱炉を示し、蓄熱式バー
ナ群の燃焼制御方法について説明する。

【００２０】図１は、本発明の一実施形態を示す図であ
る。同図は、蓄熱式バーナが多数設置された加熱炉１で
あり、燃焼制御ゾーン１ａ，１ｂ，……が設けられ、加
熱炉１には燃焼排ガスを排出する煙道７が設けられ、排
ガス流量を制御するダンパ８等が設けられている。燃焼
制御ゾーン１ａには、蓄熱式バーナ（２ａ，２ｂ）対，
（２ｃ，２ｄ）対，（２ｅ，２ｆ）対，（２ｇ，２ｈ）
対の８本の蓄熱式バーナが配置され、これらの蓄熱式バ
ーナをまとめて一つの燃焼制御ゾーンが形成されてい
る。各蓄熱式バーナ２ａ〜２ｈには、燃料遮断弁３，空
気遮断弁４及び排ガス遮断弁５がそれぞれ付設されてい
る。

【００２１】燃料遮断弁３が接続された燃料供給配管系
には、流量計１０、燃料流量制御弁１３、燃料ブロワ１
６が接続されている。燃焼空気遮断弁４が接続された燃
焼空気供給配管系には、流量計１１、空気流量制御弁１
４、燃焼空気ブロワ１７が接続されている。排ガス遮断
弁５が接続された排ガス排出配管系には、流量計１２、
排ガス流量制御弁１５、排ガスブロワ１８が接続されて
いる。これらの遮断弁又は流量制御弁は、制御装置９に
よって制御されて、各蓄熱式バーナ対は交番燃焼して、
各燃焼制御ゾーンの加熱温度が制御されている。

【００２２】制御装置９には、各燃焼制御ゾーンの設定
温度や炉内温度等の情報が入力され、各燃焼制御ゾーン
に対応して各蓄熱式バーナ対の交番燃焼のタイミングが
設定されている。制御装置９には、例えば、交番燃焼タ
イミング設定手段９ａとｔｓ／ｎ算出手段９ｂとが設け
られている。交番燃焼タイミング設定手段９ａでは各蓄
熱式バーナ対の交番燃焼時間（ｔｓ）が設定され、ｔｓ
／ｎ算出手段９ｂでは各蓄熱式バーナ対間の切り替え時
間（Ｓ）が算出され、各蓄熱式バーナ対の交番燃焼時間
（ｔｓ）が設定されている。因に、交番燃焼時間（ｔ
ｓ）は、図２（ａ）に示したように、蓄熱式バーナ対の
交番燃焼の燃焼切り替え時間である。

【００２３】無論、各蓄熱式バーナ対の交番燃焼のタイ
ミングは、各燃焼制御ゾーンの蓄熱式バーナ対の設置個
数が固定されているので、各蓄熱式バーナ対間の交番燃
焼の切り替え時間（Ｓ）を予め算出して、切り替え時間
（Ｓ）を記憶装置に書き込み、記憶装置から読み出しな
がら順番に蓄熱式バーナ対を作動させてもよい。

【００２４】次に、本実施形態の燃焼制御方法につい
て、図２を参照して説明する。同図（ａ）は、縦軸が蓄
熱式バーナ番号（２ａ，…，２ｈ）を示し、横軸が時間
を示している。又、同図中の□部分は不使用状態を示
し、斜線部分は排気（蓄熱）状態を示し、■部分は燃焼
状態を示している。又、同図（ｂ）は、縦軸が燃焼中の
蓄熱式バーナ本数（０〜４本）を示し、横軸が時間を示
し、図中の記号▲は、バーナ切り替えの発生する時間を
示している。更に、同図（ｃ）は縦軸が燃料流量指示値
を示し、横軸が時間を示している。

【００２５】蓄熱式バーナ対間の交番燃焼の切り替え時
間差（Ｓ）は、燃焼制御ゾーンに設置された蓄熱式バー
ナ対の数ｎで除した時間とする。その演算式は、下記
（１）式のように表される。

【００２６】ｔｓ／ｎ＝Ｓ …………（１）（但し、ｔｓは交番燃焼時間、ｎは燃焼制御ゾーンに設
置されている蓄熱式バーナ対の数）

【００２７】例えば、蓄熱式バーナ対の交番燃焼時間
（ｔｓ）が３０秒であり、燃焼制御ゾーン１ａに設置さ
れた蓄熱式バーナ対の数ｎが４対であるので、（１）式
に基づいて演算すると、蓄熱式バーナ対間の切り替え時
間差（Ｓ）が７．５秒と算出される。図２（ａ）に示し
たように、蓄熱式バーナ対は７．５秒間隔で交番燃焼を
行う。交番燃焼時間（ｔｓ）は蓄熱式バーナ対数が４対
であるので４分割されて交番燃焼を行っている。

【００２８】更に、図２に示したように、操業温度を変
更する際は、燃焼制御ゾーンの制御目標値に対応して、
交番燃焼する蓄熱式バーナ対の本数を４本，３本，２
本，１本，２本，３本，……と変化させて燃焼制御して
いる。又、図２（ｃ）に示したように、蓄熱式バーナ対
間の切り替えが７．５秒間隔で実行されており、燃料の
流量変動が略一定で小さく抑制され、制御目標値からの
偏差も小さくできることが判明した。これは、「水撃現
象」が一定時間間隔で発生しても、蓄熱式バーナ対間の
切り替え時間差（Ｓ）を７．５秒間隔で行えば、「水撃
現象」による配管内圧力が減衰する時間を確保すること
ができるので、複数の脈動の相乗作用による流量変動が
大きくなるのを抑制することができる。

【００２９】又、蓄熱式バーナ対間の交番燃焼の制御条
件を、（１）式に基づいて設定すると、他の燃焼制御ゾ
ーンとの間での流量制御の干渉も少なく、流量計の信号
を移動平均値処理すれば必要な精度で流量制御が可能で
あった。すなわち、図６の燃焼制御方法による従来例で
は、流量変動の幅が＋６０％〜−１５％であり、移動平
均値処理をしても制御目標値との差が瞬時には最大３０
％程度発生していたのに対して、本実施形態では、流量
変動の幅が±１０％に抑制され、移動平均値処理をすれ
ば制御目標値との差が瞬時値の最大でも５％程度で良好
であった。

【００３０】なお、本実施形態において、蓄熱式バーナ
対間の燃焼切り替え時間差（Ｓ）を意図的に短くして実
験を行ったところ、Ｓが４秒以下の場合は流量変動が図
の例より約１．５倍大きくなり、精度の良い流量制御が
できなかった。すなわち、燃焼切り替え時間差（Ｓ）が
短いと、「水撃現象」による脈動が十分に減衰しないま
まに、次の「水撃現象」による脈動による相乗作用によ
り、流量変動が大きくなることを意味している。従っ
て、一燃焼制御ゾーンに多数の蓄熱式バーナ対が設置さ
れる場合は、交番燃焼時間（ｔｓ）を調整することで回
避することができる。

【００３１】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、従来の
蓄熱式バーナ群を備える加熱炉の燃焼制御方法と比較し
て、燃料流量制御誤差が約１／６に低減し得る利点があ
り、特に空燃比制御性が向上することが判明した。その
結果、炉内酸素濃度を常時制御目標値以内の値に保つこ
とが可能であり、被加熱物の酸化による品質欠陥の発生
が抑制され、酸化により失われる製品の量を削減する効
果が得られた。又、炉内酸素濃度が常時制御目標値以内
の値に保たれるので、窒素酸化物発生量が酸素濃度に依
存することは周知であるように、炉内酸素濃度が常時制
御目標値以下に設定できるので、窒素酸化物発生量を抑
制することができる効果をも奏する。

【００３２】更に、本発明によれば、燃焼制御ゾーンの
燃焼制御が安定に行えることから、炉長方向の温度制御
性が向上する利点がある。その結果、被加熱物の目標温
度はずれが、従来の平均温度はずれの１／４以下に大幅
に減少した。又、操業温度変更時の被加熱物温度応答性
も大幅に向上し、操業温度変更時に試験的に加熱炉内に
装入されるダミー材、所謂、操業温度変更時に中間材料
として加熱炉に装入される製品としないムダな材料の使
用量も１／２以下に削減することができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る蓄熱式バーナ群の燃焼制御方法の
一実施形態を説明するための蓄熱式バーナ群を備える加
熱炉を示す図である。

【図２】本発明に係る蓄熱式バーナ群の燃焼制御方法の
一実施形態を説明するための図である。

【図３】従来の蓄熱式バーナを備える加熱炉を示す図で
ある。

【図４】従来の蓄熱式バーナの燃焼制御方法を説明する
ための図である。

【図５】従来の蓄熱式バーナ群を備える加熱炉を示す図
である。

【図６】従来の蓄熱式バーナ群の燃焼制御方法を説明す
るための図である。

【符号の説明】

１加熱炉１ａ，１ｂ燃焼制御ゾーン２ａ〜２ｈ蓄熱式バーナ３燃料遮断弁４空気遮断弁５燃焼排ガス遮断弁６蓄熱体９制御装置１０〜１２流量計１３〜１５流量制御弁１６燃料ブロワ１７燃焼空気ブロワ１８排ガスブロワ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者内尾政人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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱炉の燃焼制御ゾーン毎に偶数個の蓄
熱式バーナが備えられ、各燃焼制御ゾーンに燃焼と排気
を交互に繰り返して交番燃焼する蓄熱式バーナ対が多数
設けられ、一方の蓄熱式バーナ対と他方の蓄熱式バーナ
対の交番燃焼の切り替え時間を略均等に分散させて燃焼
制御することを特徴とする蓄熱式バーナ群の燃焼制御方
法。
【請求項２】加熱炉の燃焼制御ゾーン毎に偶数個の蓄
熱式バーナが燃焼と排気を交互に繰り返して交番燃焼す
る蓄熱式バーナ対を構成し、一方の蓄熱式バーナ対と他
方の蓄熱式バーナ対の交番燃焼の切り替え時間を、蓄熱
式バーナ対数（ｎ）で交番燃焼時間（ｔｓ）を除した時
間（ｔｓ／ｎ）に設定して燃焼制御することを特徴とす
る蓄熱式バーナ群の燃焼制御方法。
【請求項３】加熱炉の燃焼制御ゾーン毎に、１２個以
下であって、且つ偶数個の蓄熱式バーナが設けられ、前
記蓄熱式バーナが燃焼と排気を交互に繰り返して交番燃
焼する蓄熱式バーナ対を構成し、各燃焼制御ゾーンに一
方の蓄熱式バーナ対と他方の蓄熱式バーナ対の交番燃焼
の切り替え時間を、蓄熱式バーナ対数（ｎ）で交番燃焼
時間（ｔｓ）を除した時間（ｔｓ／ｎ）に設定して燃焼
制御することを特徴とする蓄熱式バーナ群の燃焼制御方
法。