JPS5843658B2 - 外気が侵入し得る燃焼設備の燃焼制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃焼設備の燃焼制御方法、特に、連＊ト 続鋼片加熱炉などのように外気が侵入し得る開口を備え
た燃焼設備において、燃料流量値によって空気比（空燃
比）操作と炉圧操作とを使い分けることにより広範な燃
料流量変化に対して完全燃焼させながら廃ガス中の酸素
濃度を制御するようにした燃焼制御方法に関する。

燃焼設備の熱量原単位低減やＮＯｘ抑制のためには廃ガ
ス中の酸素濃度を最適酸素濃度に制御することが必要で
ある。

しかし外気が侵入し得るような開口をもつ炉では外部侵
入空気のために、燃料流量によっては、燃焼廃ガス中の
酸素濃度が大きく影響する。

例えば、銅片等を加熱する炉であって、装入口または抽
出口またはその他の開口部を有する炉においては、炉内
の成る点の炉圧を大気圧に等しくすると、その点よりも
上方および上流側では正圧になって熱風（燃焼ガス）を
吹き出しその点よりも下方お・よび下流側では負圧にな
って冷風（外気）を吸い込み、その結果廃ガス中の酸素
濃度が変ってくる。

一般に燃焼過程における廃ガス中の酸素濃度Ｏ７は燃焼
に寄与しない過剰空気量Ｑｅｘの２１％として次のよう
に表わされる。

ここで Ｆ Ａ。

Ｏ ｅ ｇ η１ ：燃料流量、 ：理論空気量、 ：理論発生ガス量、 ：侵入空気量、 ：燃焼ガス量、 ：燃焼空気が燃焼に寄与する効率、 η２ ：侵入空気が燃焼に寄与する効率、ｍ ：空気比
（空燃比）、 すなわち廃ガス中の酸素濃度０２は、燃焼流量ＱＦと、
侵入空気量Ｑｅと、燃料組成に関するＡＱ ＧＱと、
空気比ｍとに依存する。

高負荷の範囲では、侵入空気量Ｑｅは無視され、廃ガス
中の酸素濃度０２は燃焼組成と空気比ｍとの影響を強く
受けるが、低負荷の範囲では侵入空気量Ｑｅは無視し得
なくなる。

即ち燃料組成と空気比ｍのみならず、燃料流量ＱＦと侵
入空気量Ｑｅとの影響も無視できなくなる。

さらにバーナのターンダウン限界流量ＱＦＬ以下にお・
いて燃料と空気との混合が不十分になり、特に液体燃料
の場合には燃料の噴霧（微粒化）′＝１でか不十分にな
ることから、燃焼空気Ｑａの燃焼への寄与効率η１はＱ
Ｆの低下とともに急激に低下する。

この時、他の要因が一定である場合には、燃焼に有効な
空気量Ｑｅｆは減少する一方、燃焼に寄与しない過剰空
気量Ｑｅｘは増加する。

従来の廃ガス中の酸素濃度制御方法においては、廃ガス
中の酸素濃度の発生要因に無関係に空気比ｍを操作する
方法が取られて来た。

しかしこの方法では燃料流量変化に対応できず、さらに
予熱空気を十分活用できない欠点があった。

即ち、（イ）ターンダウン限界以下の低負荷領域におい
て、（１−η１）の増大による廃ガス中の酸素濃度０２
の増大に対し、空気比ｍを低下させることにより、燃焼
に有効な空気のＱＦ−Ａｏ−ｍ・η、をさらに減少させ
、燃料と空気との混合不良による不完全燃焼を助長する
。

（ロ）侵入空気Ｑｅによる廃ガス中の酸素濃度０２に対
し、空気比ｍを低下させることにより、燃焼効率η、が
高い燃焼空気を削溝する一方、低効率η、の侵入空気の
侵入を放置することになる。

燃焼空気として予熱空気を使っている場合には、さらに
廃ガス顕熱回収効率も低下することになる。

従来の制御方式には、以上のような欠点があり、熱量原
単位の上昇と大気汚染物質の増加とを助長し、特に低流
通領域では精ｊ度のよい最適廃ガス酸素濃度の完全自動
制御は不可能であった。

本発明は、従来の方法の欠点を除去し、燃料流量によっ
て空燃比操作と炉圧操作とを使い分けて廃ガス中の酸素
濃度を制御するようにした燃焼制御方法を提供すること
を目的とする。

以下、本発明をさらに具体的に説明する。

燃２４流量ＱＦがバーナのターンダウン流量ＱＦＬ以上
においては、バーナにおける燃料と燃焼空気とが十分混
合し、燃焼に寄与する。

また燃焼ガスに対する浸入空気の比率が低いことから廃
ガス中の酸素濃度０２を制御する手段として、空気比ｍ
を操作する。

ただし、炉の開口部の形状、寸法の変化等によって侵入
空気量が変動した場合等に過度に空気比ｍを操作するこ
とを防止するために、空気比ｍに上下限制限を施し、そ
れでも制御不可能な場合には炉圧を常用値ＰＮから上限
値ＰＵ迄の間で操作することによって侵入空気量低減を
はかる。

燃料流量ＱＦがバーナのターンダウン流量ＱＦＬ未満に
おいては、バーナにおける燃料と燃焼空気との混合が不
十分となり、かつ燃焼廃ガスに対する侵入空気量の比率
が高いことから空気比ｍを操作せずに、炉圧を常用値Ｐ
Ｎから上限値ＰＵＯ間で操作し、侵入空気量を調節する
。

ここで炉圧の常用値Ｐ と上限値ＰＵは次のように求め
る。

吹き出し熱風による炉槽焼損や吸込冷風による耐火物、
断熱材の損傷等は吹出量、吸込量の他に炉の構造、寸法
、被加熱物の種類、炉内雰囲気等に依存する関数Ｆに依
存する。

成る状態にむいて最適な炉圧設定値は、熱損失と炉槽や
耐火物等の損傷とを最小にするものとして求められる。

すなわち次のＪを最小にする炉内圧Ｐ＝（γ０−γｇ）
（ｈ十ｈｏ）が常用ｆ直ＰＮである。

Ｊ＝Ｈｘ＋Ｈｅ十Ｆ ここで γ０：外気の比重、 γｇ＝燃焼ガスの比重、 ｈ ：炉圧測定口からの高さ、 ｈｏ：炉圧測定口から炉圧が大気圧に等しくなる点まで
の高さ、 ＨＸ：吹出し熱風が持出す熱量、 Ｈｅ：吹込み冷風によって奪われる熱量、なお、関数Ｐ
は簡単に数式化することが困難であり、かつＦ ＜＜Ｈ
ｘ 十Ｈｅであるため、Ｆは無視してもよい。

第１図は、炉圧Ｐに対するＱｘｓ吸込量Ｑｅ＞よび熱損
失Ｈｘ、Ｈｅ 、Ｊとの関係を図示したものである。

図中Ｊ′は関数Ｆを省酪した場合の曲線である。

ざらに炉圧の上限値ＰＵは、熱量原単位の点よりもむし
ろ関数Ｆおよび炉周辺の雰囲気の点から決定される。

このＰＮを常用値とし、必要に応じて上限値ＰＵまでの
範囲で制御する。

次に、本発明の方法を実施する制御装置の実施例を第２
図を用いて説明する。

燃焼設備の炉１０にはバーナ１１と廃ガス出口１２が設
けられ、この炉内で被処理材例えば鋼片（図示省略）が
加熱処理される。

従って炉壁には前記被処理材の装入口あるいは抽出口な
どの開口１３が形成されており、この開口から外部の空
気が炉内に侵入する。

バーナ１１には管１４から燃料ガスが供給され、また管
１５から燃焼用空気が送られる。

炉１０からの廃ガス通路１６には絞り弁１７が設けられ
、該弁を、後述する炉圧調節器５で調節することにより
炉圧を操作する。

なお、炉内には炉圧測定器１８が設けられており、該測
定器からの測定値が符号１９で示すように炉圧信号とし
て炉圧調節器５に送られる。

また廃ガス通路１６内に酸素濃度計２０が設けられ、線
２７から廃ガス中の酸素濃度調節器（以下、廃ガス酸素
濃度調節器と称する）１へ酸素濃度測定値”ＰＶとして
送られる。

燃焼用空気配管１５に設けた検出器２１からの空気量検
出値は空気流量調節器９へ送られ、燃料ガス用配管１４
に設けた検出器２２からの燃料流量検出信号は、後述す
る燃料流量下限比較器２および理論空気量演算器７へ送
られる。

廃ガス酸素濃度調節器１の操作出力は、燃料流量下限比
較器２の信号によって切替スイッチ３で炉圧調節器５の
設定または比率設定器８の設定として切換えられ、各場
合に応じて、上下限制限器４を経て炉圧調整器５に、ま
たは接点付上下限制限器６を経て比率設定器８に至る。

上下限制限器４は、炉圧設定値を前述のＰＮとＰＬ と
の間に維持する機能を有する。

ｌた接点付上下限制限器６は空気比−設定値を過度に変
動させることを防止すると共に、下限値に達した場合に
信号を発して切替スイッチ３を上下限制限器４の方向に
切換える機能を有する。

鴻※ 検出器２２か
らの燃料流量検出信号は、理論空気量演算器７を経た上
で比率設定器８において空気比を乗じられ、空気流量調
節器９の設定となる。

このようにして空気比および炉圧を調整することによっ
て廃ガス中の酸素濃度を制御する。

次に、上述の制御装置の作用について具体的に数値を示
しながら説明する。

上下限制限器４の設定値の例として上限値を０．９８
ｒｒａｎＬ Ｏ１下限値を０、７５ ｍｍＨｚ Ｏとす
る。

また、上下限接点付制限器６の設定値として上限値を１
．０５、下限値を０．９５とする。

廃ガス酸素濃度調節器１は酸素濃度設定値０２ＳＥＴと
廃ガスの酸素濃度計２０による酸素濃度測定値０３Ｐｖ
との差に応じた操作出力ＭＶＩを出す。

バーナのターンダウン流量ＱＦＬは、気体燃料の場合、
定格流量の１５〜２５％であり、液体燃料では噴霧が悪
くなることから２０〜３５％である。

これらターンダウン流量ＱＦＬ以上の領域では通常空気
比ｍ＝１゜Ｏ〜１．２で操業している。

炉圧が一定に制御されている場合、侵入空気量Ｑｅは一
定であるが、廃ガス量Ｇに対するＱｅの割合は燃料流量
ＱＦが少ないほど大きく、かつその効き具合は強くなる
。

理論空気量Ａ ｏ ＝ ２． ＯＮ ｒｎ：Ａ ｍ’、
侵入空気量Ｑ ｅ ＝ ４０００ Ｎ ｍ″／ｈ、理論
空気量Ｇ ｏ ＝ ３、ＯＮｍ’／Ｎｍ’、侵入空気の
燃焼寄与率η。

−〇、 １、燃焼空気の燃焼寄与率η１はη、＝０．９
：ただしＱＦ −１００００Ｎ ｍ／ ｈη、＝０．８
：ただしＱＦ −５０００Ｎ ｍ／ ｈとすると、Ｑ
Ｆ ＝１００００ Ｎ ｍ／ ｈの時、空気比ｍ＝１．
１と設定すると廃ガス中の酸素濃度［Ｏｚ］Ｊま、前述
の（１）式によれば次のようになる。

今、燃料流量ＱＦ＝５００ＯＮｍ’／ｈの時、侵入空気
量を減少させずに空気比ｍのみを操作するととによって
［０，］＝３．４％を維持しようとするとｍ＜ａとなっ
てしまい、実現不可能である。

一方、同じ燃料流量ＱＦ＝５００ＯＮ？７Ｉ″／−の時
、侵入空気量Ｑ。

−〇になるように炉圧を高めた上で酸素濃度０．＝３．
４％を維持する為には空気比ｍ＝１．４６にすれば実現
し得る。

このように燃料流量の低い領域では、空気比ｍよりも侵
入空気の影響が強いことから燃料流量下限比較器２の設
定流量（ｆｌＪえは定格流量の３０％）よりも燃料流量
が高い場合には、調節器１の出力を切換スイッチ３でｍ
ｇ側に切換え、同時にＰｓＯ値は最適値ＦＮに維持する
。

また燃刺流量ＱＦが下限設定流量以下の場合には、切替
スイッチ３をＰｓ側に切替え、ｍｓは切替え直前の値を
維持する。

ｒｎ ｓは空気比設定値であり、Ｐｓは炉圧設定値であ
る。

それぞれの設定信号は上述の各場合に応じて上下限制限
器４を経て炉圧調節器５に、または接点付上下限制限器
６を経て比率設定器８に入力される。

上下限制御器４は、炉圧設定値Ｐｓを前述の最適値ＰＮ
（例えば０．７５ ｒｆｍＬＨｚＯ）と上限値ＰＵ（例
えば０．９８ ｒｒａｎＨｔｏ ）との間に維持する機
能を有する。

また、接点付上下限制限器６は空気比設定値ｍｓを過度
に変動させることを防止すると共に下限値に達した場合
に、信号を発して切替スイッチ３を切替え、調節器１の
操作出力ＭＶＩをＰｓ側に接続する。

接点付上下限器６の設定値の中で上限設定値は定格流量
において燃料の理論空気量Ａｏが最大の時に十分な値と
し、下限設定値は常用流量域において完全燃焼させ得る
下限の値とする。

侵入空気がある場合、上限設定値＝１．０５、下限設定
値＝０．９０としている。

燃料流量信号ＱＦに理論空気量演算器７において理論空
気量Ａｏを乗じた信号ＱＦ ＸＡｏは比率設定器８にお
いて空気比設定ｍｓを乗じられて空気流量調節器９に設
定信号として入力される。

空気流量調節器９においては、燃焼空気量Ｑｃａをその
設定値ｍ５ｘＱＦｘＡｏになるように制御している。

また炉圧調節器５においては炉圧測定値Ｐｐｖが炉圧設
定値ＰＳになるよう制御している。

第３図に公称能力２００ Ｔ／Ｈｒの鋼片加熱炉におけ
る従来の制御方法および本発明の制御方法の比較を示す
。

ここでは廃ガス中の酸素濃度をともに２％に制御した時
の熱量原単位の比較を主としている。

図中、×印点を結ぶ鎖線２３は従来の方法による廃ガス
中の酸イＣ炭素濃度ＣＯ（％を、○印点を結ぶ鎖線２４
は本発明の方法による廃ガス中の酸化炭素濃度Ｃｏ（％
１を示す。

また×印点を結ぶ実線２５は従来の方法による熱量原単
位を、○印点を結ぶ実線２６は本発明の方法による熱量
原単位を示す。

それぞれの場合の廃ガス中の酸化炭素濃度ＣＯを比較す
ると、従来の制御方式では低負荷時にはバーナにおける
混合不良により急激にＣＯが増加しており、それにとも
なって熱量原単位の増大も顕著になっている。

一方、本発明の制御方式によれば公称能力の約１１５ま
ではＣＯの発生は見られず、熱量原単位の面でも、固定
損失（炉体放散、スキッド冷却水等）の分が増加する程
度で、非常に良好な原単位が得られている。

【図面の簡単な説明】

第１図は外気が侵入する燃焼設備の燃焼過程の炉圧に対
する空気吹出量、吸込量および熱損失の関係を示した図
、第２図は本発明の方法を実施する場合の燃焼制御装置
の１例を示す概略的系統図、第３図は生産能率と一酸化
炭素濃度の熱量原単位との関係を本発明の方法と従来の
方法とについて比較して示した図である。 １・・・廃ガス酸素濃度調節器、２・・・燃料流量下限
比較器、３・・・切替スイッチ、４・７・上下限制限器
、５・・・炉圧調節器、６・・・接点付上下限制限器、
７・・・理論空気量演算器、９・・・空気流量調節器、
１０・・・炉、１１・・・バーナ、１３・・・開口、１
６・・・廃ガス通路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 外気が侵入し得る燃焼設備の燃焼制御方法において
   、火口に供給される燃料流量が設定値以上のときは一定
   の範囲で空燃比を操作し、前記燃料流量が設定値未満の
   とき、または前記空燃比が前記一定範囲をこえるときは
   、前記空燃比を前記一定範囲に保ちながら燃焼設備の内
   圧を操作して侵：大空気量を調節することにより廃ガス
   中の酸素濃度を制御することを特徴とする燃焼制御方法
   。