JPS5950011B2 - 可燃性排ガスの燃焼方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は可燃性排気ガスの燃焼方法とその装置に関する
。

更に詳しくは本発明は吸熱反応ガス等の可燃性ガスを保
護雰囲気ガスとして使用する炉における排気ガスを炉内
に設けた輻射管内で燃焼させて排気ガスの有効利用を図
るものである。

炉の加熱手段として輻射管加熱装置を使用することは当
業界で知られており、一般に使用されている。

この輻射管加熱装置は炉の外部に空気及び燃料の供給源
を有する。

この輻射管加熱方法は、炉内雰囲気組成および炉内圧力
に何ら影響を与えない。

この輻射管加熱装置は空気と燃料とが該輻射管内で均一
に混合され、燃焼し、それにより輻射管は骸骨の全長に
わたって比較的均一に輻射熱を与える。

注意深い炉の設計及び上記のような輻射管の配置により
、炉内を所定の温度に加熱することができる。

輻射管を使用し、または使用することのできる種々の炉
内は可燃ガスを含有する保護雰囲気を有する。

通常、前記保護雰囲気は、還元、浸炭及び類似の熱処理
を促進するために、水素及び一酸化炭素を含有する。

それ故、これらの雰囲気は低熱量ガスであり、その熱容
量はほぼ１５０ＢＵＴ／ｆｔ３でかなりの発熱量を有す
る。

通常には、これらの炉内雰囲気は炉外に排出され、大気
中で燃焼排気している。

もし、このような低熱量の排気雰囲気ガスの保有熱エネ
ルギーを有効利用することができるなら、かなりのエネ
ルギー節約が可能となるであろう。

代表的な例は、ガス浸炭炉においてキャリアガスとして
使用する吸熱反応ガスである。

通常、このようなガスは使用後大気中で燃焼させて了う
。

典型的な連続式ガス浸炭炉では、キャリア ガスとして
毎時少くとも２０００標準立方フイート（ｓｃｆｈ）の
吸熱反応ガスを使用する。

このガスから得ることのできる有効熱量は２５００００
ＢＴＵ／時を超える量となることもある。

操業中、炉外に排気する炉内雰囲気ガスが保有するエネ
ルギーを利用する手段を講することは望ましいことであ
る。

炉外に放出する炉内雰囲気ガスである可燃性排ガスの保
有熱エネルギーを捕捉するためのこれまでの試みでは、
炉の大巾な構造変更を必要とする結果になっていた。

このような例の一つはエフ。ニー、ルシア７ （Ｆ、
Ａ、 Ｒｕ５ｃｉａｎｏ）による米国特許第２８４８２
０７号明細書である。

この特許では熱処理室からの排気ガスである可燃性ガス
を炉床に構築された第二加熱室に導入する形式のもので
ある。

この形式のものは複雑な排気方式と共に炉の大巾な構造
変更を必要としている。

本明細書に特に開示し、かつ説明する発明は炉の大巾な
構造変更を行わず、しかも面倒な排気方式を要せずに、
炉外に放出される炉内雰囲気ガス（可燃性排ガス）の保
有熱エネルギーを捕捉して、該炉内において炉の加熱源
として直接利用することができるようにするものである
。

従来の技術から見た本発明の立場については輻射管式加
熱装置を検討することにより明らかに理解されるであろ
う。

特に興味あるのは米国特許第２８６０８６４号、同第２
７３４１４５号及び゛同第２８７３７９８号明細書であ
る。

輻射管は一般的に耐熱性と耐浸炭性をもつ例えばニッケ
ルークロム合金で構成する。

火焔温度自体は管が適当な長さの時間にわたって耐え得
る温度よりも高い。

この問題を克服し、かつ輻射管の全長にわたって均一な
燃焼をさせるために、火焔を輻射管の軸心にそわせて、
噴射させるとともに、二次燃焼用空気を火焔周囲に供給
し、特にバーナ一部近傍の輻射管が局部過熱するのを防
止している。

本発明は、排気される炉内雰囲気ガスを炉内で燃焼させ
る輻射管式の燃焼装置でバーナ一部と排気部とを有する
輻射管において、燃焼用空気を輻射管の軸心に沿って供
給するようにした燃焼用空気供給部と、炉内の雰囲気ガ
スを前記燃焼用空気流れの外周部に供給するようにした
可燃性雰囲気ガス導入部と、燃焼用空気と可燃性雰囲気
ガスとの混合ガスを燃焼着火するパイロットバーナーと
から構成なる。

本発明は可燃性の排気雰囲気ガスを炉内に配置した輻射
管内で完全燃焼させて、排気雰囲気ガスが保有する熱エ
ネルギーを捕捉し、炉の加熱源として利用するのである
。

また本発明は可燃性ガスである排気雰囲気ガスを、炉の
加熱源として、炉内に配置した輻射管内で完全燃焼させ
る燃焼方法を提供する。

本発明を添付図面により更に詳しく説明するが、その記
載は本発明をなんら限定するものではない。

当業者は、本発明の一つの実施態様の斜視図である第１
図と、本発明の断面図であり、かつ第１図に示した本発
明の要部である第２，３及び４図により本発明を理解す
ることができるであろう。

第１図はガス浸炭炉１を示す。

ガス浸炭炉の一般的な操業は、通常、熱処理室２内にメ
タンまたは天然ガス等のエンリッチガスとキャリアーガ
スである吸熱反応ガスが供給される。

本明細書の記載においてはガス浸炭炉１が示され、かつ
使用されているけれど、本発明はガス浸炭炉以外にも応
用することができる。

熱処理時に可燃性ガス雰囲気が存在するすべての炉に本
発明を適用することができる。

ガス浸炭炉は、浸炭処理特使用されるキャリアーガスで
ある吸熱反応ガスのような低発熱量の可燃性ガスを用い
て本発明を利用し得ることを例示している。

第２図は炉１内に設置された輻射管式の燃焼装置３を示
す。

この燃焼装置３は炉の天井に沿って配置されて示されて
いるが本発明はこれに限定されるものではない。

本装置３は炉内において任意の位置及び任意の方向に存
在させて、炉の加熱の要求に適合し、かつ炉の設計全体
に関して実際的であるようにすることができる。

第１図及び第２図の輻射管５は直管として示されている
けれど、本発明はそのように限定されるものではなく、
直管の他にＵ字管またはその他の適当な輻射管形態を採
用することができる。

燃焼装置３は３つの機能領域、すなわちバーナ一部４と
排気部６と、輻射管５とから構成されている。

輻射管５は耐熱性でかつ耐浸炭性である。例えばニッケ
ルークロム合金の中空管で構成されている。

輻射管５は熱処理室２内に設置され、かつバーナ一部末
端１１と排気部末端２１とを有する。

バーナ一部末端１１は第３図に示されるように炉壁１０
に隣接する。

バーナ一部４を第３図を参照して説明する。

バーナ一部４は炉壁１０を貫通して輻射管５のバーナ一
部末端１１に隣接する中空管１４を有する。

中空管１４は複数のスペーサー棒１２により輻射管５と
同心的に間隙をもって配置されている。

該バーナ一部４は点火手段であるパイロットバーナーが
あり、これはパイロットガス供給管９と、この管９に連
通しパイロットガスを、中空管１４の先端部に供給する
パイロットガス管１３とパイロットガスへの着火装置で
ある点火プラグ１５とからなる。

可燃性ガス（炉内雰囲気ガス）の燃焼用空気は空気供給
管８から、パイロットガス管１３の外周面と、炉壁１０
に連通する中空導管１４の内周面との間に形成される環
状通路１６を通って輻射管５内に供給する。

環状通路１６を通って燃焼用空気が輻射管５内へ入るの
であるが、この環状通路１６を空気ノズルと呼ぶことも
できる。

本発明の燃焼用空気の連通すなわち空気ノズル１６の形
状は任意の形状とすることができるが、好ましい空気ノ
ズル内は当業者で環状渦流式（ａｎｎｕａｒ ５ｗ１ｒ
ｌ）空気ノズルとして知られている種類のものである。

この環状渦流式空気ノズルは室２内から輻射管５内への
可燃性ガス炉内雰囲気の最適な吸引及び燃焼用空気との
混合に適した燃焼用空気の流れを与え、輻射管５からの
均一な熱輻射と輻射管５の均一な温度分布とを保証する
。

本燃焼装置３は燃料供給管２２を有し、それを通して燃
料を輻射管５内に供給することができる。

この燃料供給管２２はバーナ一部４のパイロットガス管
１３を縦貫して延びている。

必要に応じて燃料を輻射管５内に供給して単独の燃料源
として使用するか、或は室２からの燃焼ガス（炉内雰囲
気ガスを補充してもよく、あるいは燃料供給管２２から
輻射管５内へ燃料を供給する必要は全くないこともある
。

輻射管５のバーナ一部末端１１と中空管１４の間、及び
゛各スペーサー棒１２の間の間隙により環状の炉内雰囲
気吸引間ロアの面積が定まる。

この開ロアの面積は所望により増減することができる。

開ロアの面積を変える一つの方法は、使用するスペーサ
ー棒を多くしたり少なくしたりすることである。

環状間ロアは、室２内に連通ずる輻射管５の開口であり
、それによって室２内の雰囲気である可燃性ガスが輻射
管５内に入ることができる。

好ましい実施態様の炉内雰囲気吸引開口としては特に上
記に特定したようなものであるが、下に示す設計基準を
満足する室２内の適当な開口であれば十分である。

例えば開ロアは、輻射管５のバーナ一部４付近の管自体
に設けた開口でもよい。

吸引量ロアを、空気ノズル１６の形状と協同させて設計
することにより、燃焼用空気が輻射管５の軸方向に沿っ
て輻射管のバーナ一部末端１１から供給され、室２から
の燃焼ガス（炉内雰囲気）が開ロアから管壁２３と燃焼
用空気の流れとの空間に供給される。

したがって燃焼用空気と燃料ガスである炉内雰囲気ガス
とが均一に混合されて、輻射管５内で完全燃焼すること
になり、輻射管５全長にわたって均一な温度分布を得る
とともに均一な熱輻射をもたらす、本発明の燃焼方法お
よび燃焼装置は従来の輻射管加熱装置とは異なった燃料
及び燃焼用空気の供給方法を有する。

本発明における燃料ガスの輻射管内への供給は輻射管５
のバーナ一部末端１１に設けた環状の吸引開口に限定さ
れるべきではない。

特に低熱性ガスを使用する場合には、燃料ガス（すなわ
ち炉内雰囲気ガス）を室２内から輻射管５に設けた開口
から直接に輻射管５内に供給するか、または適当な配管
によって室内の雰囲気をバーナ一部４に配管供給して燃
料ガスを燃焼用空気流れと輻射管内壁との空間に供給す
ることができる。

第４図を参照して排気部６を説明する。

輻射管５の排気部末端に接続する排気部６は管５内の燃
焼排ガスを排出するための手段である。

管５の排気部末端２１は炉壁１７を通って外へ出て、そ
こで熱絶縁された排気管１８に接続する。

輻射管５からの燃焼排ガスが排気管１８を通って炉外に
排出される。

管５と排気管１８との曲管部に、ジェット ポンプ１９
のような排出手段を設け、輻射管５内の排ガスを炉外に
排出する。

該手段は好ましくは管５が炉壁１７を通って外へ出た後
の曲管部に取りつける。

空気またはその他の任意の適当なガスをジェット ポン
プ１９のノズル２０を通して排気管１８内に強制的に送
入する。

ジェットポンプ１９は高速空気の流れを排気管１８内に
向け、排気管１８内に効果的に圧力低下を生じさせて、
管５内の排気管１８内のガスとの間に圧力差を形成させ
る。

この圧力差はバーナ一部４に伝わり、それにより環状間
ロアを通して炉内雰囲気が輻射管５内に引き込まれる。

この圧力差の大小が室２内からの可燃ガスの量すなわち
、炉内雰囲気の吸引量に影響を及ぼす。

このように排気部６は可燃性ガスである炉内雰囲気ガス
を室２内から輻射管５内に引き込む手段と、輻射管５内
の燃焼ガスを炉外に排出する手段と兼用する。

ジェット ポンプ１９への空気供給源を燃焼用空気の供
給手段である空気ノズル１６への空気供給源と同一にす
ることができる。

この方法は更に安全度を高める。

なぜなら空気供給源の停止に起因してジェット ポンプ
１９への空気が中段された場合、空気ノズル１６への燃
焼用空気もまた中段されるからである。

ジェット ポンプ１９が作動しない場合には、輻射管５
内の圧力低下が減少して空気ノズル１６から管５内に供
給される燃焼用空気が室２内に逃げて望ましくない燃焼
を生ずることになる。

管５内の排ガスを排気するとともに室２内から可燃性ガ
スである炉内雰囲気を吸気する他の実施態様は、排気管
６、好ましくは排気管１８に連結した排気用送風機であ
る。

操作 一般的に、本発明の燃焼装置３の操作方法は、燃焼用空
気を輻射管内に供給し、可燃性ガスである炉内雰囲気を
輻射管のバーナ一部へ引き込み、前記燃焼用空気と可燃
性ガスとを管内で混合して管内で完全燃焼させ、そして
管の燃焼排ガスを管外に排出することより成る。

本発明の好ましい実施態様の操作においては、ジェット
ポンプ１９を使用して高速空気の流れを排気管１８内
に流すことにより開始する。

これにより可燃性ガスである炉内雰囲気が室２さら輻射
管５の環状間ロアから輻射管５内に引き込まれる。

燃焼用空気は適当な空気供給源から好ましくは空気ノズ
ル１６を通って輻射管５内に供給する。

空気ノズル１６から燃焼用空気もまた室２からの可燃性
ガスを環状間ロアから引き込む。

点火プラグ１５によりパイロットガス供給管９から供給
する燃料と空気との混合物（パイロツＩ・ガス）を点火
する。

これにより、管５内に存在する空気と室２内からの可燃
性ガスとの混合ガスが点火される。

輻射管５内における燃焼は一般的にそのまま持続するも
のであり、そのため燃料導管８からの燃料の補給を中断
することができる。

実際の操業においては上記パイロットガスは安全上の理
由から点火したままにして置く。

輻射管５内の燃焼排ガスは、排気管１８を通して排出す
る。

通常の操業中、高速空気の流れを排気管１８中に流すジ
ェット ポンプ１９を使用する結果、管５内に吸引現象
が生ずる。

この吸引現象は環状間ロアに伝わり、環状間ロアにおい
て輻射管５内の圧力が室２の雰囲気の圧力よりも低くな
る。

そのため室２内の可燃性ガスである炉内雰囲気は環状間
ロアから輻射管５内に流入する。

該空気ノズル１６は、燃焼用空気の流量を適当な範囲に
調節して、室２内からの可燃性ガスを、完全燃焼させる
ための化学量論的な割合で供給することができるように
設計されなければならない。

バーナ一部４の空気ノズル１０からの供給燃焼用空気の
流れの圧力低下及び供給燃焼用空気の渦流速度（ｓｐｉ
ｒａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を調節して、輻射管５内で
の燃焼空気と可燃性ガスとの混合を均一にし、温度分布
をもって輻射管５内の全長にわたって均一な燃焼が行わ
れるようにする。

環状間ロアはその開口面積は、空気ノズルの形式と協同
作用するように設計して、本発明で所望される、可燃性
ガス対燃焼用空気の比が化学量論的となり、しかも均一
な混合が遂行されるようにしなければならない。

最後に、ジェット ポンプ１９を、室から吸引する可燃
性ガスの量がジェット ポンプを通る空気の流量の調節
により輻射管５の正常な動作範囲に調節されるように、
空気ノズル及び環状人ロアの設計と協同させて、その大
きさを定めることは容易にできる。

燃料対空気の比は輻射管内に供給する燃焼用空気及び可
燃性ガスの流量によって調節することができる。

燃焼用空気及び可燃性ガスの化学量論的量は、燃焼ガス
の発熱量に基すき決定することができる。

すなわち可燃性ガスの発熱量により、適当な化学量論的
反応比を定めることができる。

空気対燃料比は測定された炉温及び輻射管温度により化
学量論的化以外の比に変えることができ、あるいは輻射
管温度を調節し、それにより炉温を調節節するように変
えることができる。

本発明の燃焼装置の好ましい設計に当って、本燃焼装置
の種々の部品は、作動中に測定された流量で、適切な一
定の可燃性ガス組成物に適合した寸法とすべきである。

ジェット ポンプの使用により本発明の操作を一層よく
制御することができる。

最も基本的な形式においてはジェット ポンプを必要と
しない。

ジェット ポンプの使用についての重要な理由の一つは
、それがブースターのような作用をして、燃焼ガス（炉
内雰囲気）を室内から環状間ロアを通して輻射管内に引
き入れるのを促進するということである。

なぜなら該開口を迅速に通過する燃焼空気の流れが可燃
性ガスである炉内雰囲気を管５内に引き入れるで゛あろ
うが、バーナ一部における圧損により全ガスの流れに限
度が存在するからである。

この限度を超えて燃焼用空気流れを増大させるためにジ
ェット ポンプまたはその他の適当な吸引手段が使用さ
れるのである。

本発明の、もう一つの実施態様の一般的操作は、ジェッ
ト ポンプを使用しない本発明の操作である。

この実施態様においては、燃料供給管２２を通して燃料
を供給させるとともに空気ノズル１６を通して燃焼用空
気を供給させる。

点火プラグ１５等の適当な点火手段により、燃料と空気
との混合ガス（パイロットガス）を燃焼させる。

空気ノズル１６から輻射管５内に移動する空気の流れが
、該空気の流れの付近に圧力低下を生ヒさせる。

この環状間ロアの領域内における圧力低下により、可燃
性ガスである炉内雰囲気を室２から輻射管５内に引き入
れることができる。

該輻射管５内における可燃性ガスの燃焼は一般的にその
ままで持続性があるので、燃料供給管２２からの燃料の
補給を中断することができる。

輻射管５内の燃焼ガスは排気管１８を通して炉外に排出
する。

排気管１８は排気用送風機に接続させることもできる。

本発明は、電気式、ガス焚き、油燃焼炉に利用すること
ができる。

燃焼用空気の供給は、炉で必要になる他の空気供給源と
兼用してもまた別にしてもよい。

燃焼用空気の供給に際しては、燃焼用空気が炉内に侵入
しないようにするために必要な安全装置が組み込まれて
いる。

本発明は、炉の炉内雰囲気である可燃性ガスの保有熱エ
ネルギーを該可燃性ガスが炉から排気される前に炉内に
おいて燃焼させることにより利用するものである。

本発明の基本思想はガス浸炭炉等の保護雰囲気である可
燃性ガス雰囲気を炉内にて燃焼させて、炉の熱源に使用
することにある。

本燃焼装置の輻射管の出口にエダクタ−（ｅｄｕｃｔｏ
ｒ）、ジェットポンプまたはその他の適当な吸引装置を
設けて、可燃性ガスである雰囲気ガスをバーナ一部側に
設けた開口を介して、輻射管内に引き込むことを促進す
るようにしてもよい。

輻射管の入口に本燃焼装置のバーナ一部には炉壁を貫通
する中空管を設置して燃焼性空気供給部（空気ノズル）
を形成することができる。

それにより、燃焼用空気と可燃性ガスの混合を調節し、
輻射管内で均一な燃焼を行なわせるとともに輻射管全長
にわたって均一な温度分布を得るために必要な、輻射管
内での燃焼用空気と可燃性ガスとの良好な混合が達成さ
れる。

可燃性ガスとの混合比を調節して輻射管内全長にわたっ
て均一な燃焼を行い、かつ輻射管にホットスポットが存
在しないようにするために本発明では、燃焼用空気を輻
射管の軸心部に向けて供給する一方、可燃性ガス（炉内
雰囲気ガス）を前記燃焼用空気流れと輻射管の内壁との
空間に供給する。

燃焼用空気の輻射管内への供給は、燃焼用空気が炉内に
全く流入しないように供給することが好ましい。

本発明は吸熱反応ガス等の可燃性雰囲気ガスを使用する
雰囲気の操業に際し可燃性ガスである炉内雰囲気を炉内
から炉内に配置した輻射管内に連続的に供給し輻射管内
で前記可燃性ガスを燃焼用空気と混合して燃焼し、炉内
に輻射熱を供給し、次いで輻射管内の燃焼ガスを炉外に
排出することからなる可燃性排ガスの燃焼方法及びその
装置を提供するものである。

炉からの可燃性ガス（排気雰囲気ガス）と、該ガスの燃
焼用空気とは輻射管内で化学量論的に混合することがで
きる。

可燃性ガスは、均一な燃焼と、輻射管の全長にわたって
均一な温度分布を与えるために、輻射管内の燃焼用空気
中に取り込ませる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の輻射管の一つの例を有する代表的な炉
である典型的な浸炭炉の斜視図である。 第２図は輻射管を通る前記第１図の断面図である。 第３図は燃焼装置のバーナ一部の拡大断面図である。 第４図は燃焼装置の排気部の拡大断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 可燃性雰囲気を有する炉内に一方端を炉外に突出す
   る輻射管を設け、前記輻射管の他方端から炉内の可燃性
   雰囲気ガスと、燃焼用空気とを輻射管内に供給し、この
   輻射管内で前記可燃性雰囲気ガスを燃焼させて燃焼ガス
   を炉外に放出することを特徴とする可燃性排ガスの燃焼
   方法。 ２ 燃焼用空気が輻射管の軸にそって供給され、可燃性
   雰囲気ガスが燃焼用空気流れの外周部に供給されること
   を特徴とする１項の方法。 ３ 可燃性雰囲気ガスが輻射管の他方端部の開口を介し
   て、燃焼用空気流れにより炉内の可燃性雰囲気から輻射
   管内に吸引供給される１項又は２項の方法。 ４ 炉内に位置する輻射管の一方端に排気部を設け、他
   方端に燃焼用空気供給部、炉内の可燃性雰囲気ガス導入
   部及びパイ四ツｌ−バーナーからなるバーナ一部を設け
   たことを特徴とする可燃性排ガスの燃焼装置。 ５ 燃焼用空気供給部が、炉壁を貫通する中空管と、該
   中空管に連通する燃焼用空気供給管とからなる４項の燃
   焼装置。 ６ 可燃性雰囲気ガス導入部が中空管の炉内先端外周部
   と輻射管の内周面との間に位置するスペーサ棒により形
   成された環状開口である５項の燃焼装置。 ７ 排気部が上方に延びた排気管と該排気管内において
   上方に圧縮空気を供給するジェットノズルからなる４、
   ５又は６項の燃焼装置。