WO2021161875A1 - ラジアントチューブバーナ、ラジアントチューブ、及びラジアントチューブバーナの設計方法 - Google Patents

ラジアントチューブバーナ、ラジアントチューブ、及びラジアントチューブバーナの設計方法 Download PDF

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祥大 小林
典子 小澤
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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention is a technique relating to a radiant tube.
  • the radiant tube supplies fuel gas and combustion air into the tube from the gas injection part of the radiant tube burner and burns them, and the heat generated by the tube heated by the generated combustion gas indirectly indirectly heats the object to be heated outside the tube. It is a heating device. Therefore, the combustion space of the radiant tube is limited, and the heat cannot be used effectively by the radiant tube alone. Heat recovery is performed in the form of preheating the combustion air by using various exhaust heat recovery devices such as a recuperator and a heat storage burner. In many cases.
  • the combustion gas generated in the tube passes through the tube and is discharged, but when the temperature of the combustion gas rises, the amount of harmful nitrogen oxides (hereinafter referred to as NOx) produced increases. There is a problem of increasing. Therefore, the amount of exhaust heat recovered may be limited in order to suppress the amount of NOx emissions.
  • Patent Document 1 discloses a technique for reducing the generation of NOx by mixing exhaust gas into fuel gas or secondary combustion air by using a fan to reduce the combustion rate.
  • Patent Document 2 discloses that the generated NOx is purified by a catalyst.
  • Patent Document 1 a fan for guiding the exhaust gas to the fuel gas or the air for secondary combustion is required. For example, installing a fan for each radiant tube adversely affects maintainability. Further, in the configuration of Patent Document 1, there is also a problem that the radiant tube becomes large due to the provision of the fan. Further, in Patent Document 2, deterioration due to poisoning of the catalyst, which is remarkable in the steel industry using by-product gas, becomes a problem. Further, in the configuration of Patent Document 2, there is also a problem that the radiant tube becomes large due to the provision of the catalyst.
  • the present invention has been made by paying attention to the above points, does not adversely affect maintainability, does not reduce the low NOx effect due to poisoning, etc., and can reduce the generation of NOx by a simple configuration. It is an object of the present invention to provide a radiant tube burner and a radiant tube.
  • the present inventors conducted various combustion analyzes including the generation of NOx around the burner without being bound by the existing radiant tube shape. From the results, the present inventors made the opening cross-sectional shape of the radiant tube an elliptical shape having a major axis and a minor axis different, arranged a secondary combustion air nozzle in the center of the radiant tube, and arranged the secondary combustion air nozzle. A plurality of fuel gas nozzles and a plurality of primary combustion air nozzles are arranged around the burner, and the primary combustion is performed at an air ratio of 1.0 or less to circulate the flow in the primary combustion region around the burner. It was found that the NOx concentration on the front side of the burner decreased.
  • the inventors appropriately distribute the flow rate of the primary combustion air injected from the plurality of primary combustion air nozzles between the major axis side and the minor axis side of the tube-shaped ellipse, thereby further NOx. It was found that the concentration decreased.
  • the present invention has been made based on such findings.
  • one aspect of the present invention is a radiant tube burner that is inserted and installed in a tube having an elliptical open cross section, and a gas injection unit injects air for secondary combustion.
  • a plurality of primary combustion air nozzles for injecting primary combustion air and a plurality of fuels for injecting fuel gas are arranged in the center of the secondary combustion air nozzle so as to surround the secondary combustion air nozzle.
  • a radiant tube burner in which a gas nozzle is arranged, the opening cross section of the tube is defined by two straight lines in which the minor axis of the ellipse, which is the shape of the opening cross section, is tilted ⁇ 45 degrees about the center of the ellipse.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram for demonstrating the structure of the radiant tube provided with the radiant tube burner which concerns on embodiment based on this invention. It is a figure explaining the opening cross-sectional shape of the tube shown by the cross section AA'in FIG. It is a schematic perspective view which shows the relationship between the gas injection part of a radiant tube burner, and a tube. It is a conceptual diagram which shows each nozzle of a gas injection part. It is a front view which shows the arrangement relation of 4 regions and each nozzle. It is a figure which shows the relationship between the flow rate ratio and NOx ratio. It is a figure which shows the relationship between the flow rate ratio and the combustion gas temperature on the minor axis side.
  • the ellipse does not include a perfect circle
  • the minor axis of the ellipse refers to the shortest diameter
  • the major axis refers to the diameter in the direction orthogonal to the minor axis.
  • the minor axis is an axis extending in the minor axis direction
  • the major axis is an axis extending in the major axis direction.
  • the radiant tube 100 of the present embodiment includes a tube 1 through which combustion gas flows and a radiant tube burner 2 that generates combustion gas in the tube 1.
  • the radiant tube 100 may or may not include a heat transfer promoter 4, various exhaust heat recovery devices 5 such as a recuperator and a heat storage burner, and other known parts.
  • the tube 1 of the present embodiment has a zigzag shape having a substantially W-shaped side view, has four straight pipe portions 1A to 1D arranged one above the other, and has four straight pipe portions 1A to adjacent to each other. The ends of 1D are connected to each other by curved pipe portions 1E to 1G extending in an arc shape.
  • Reference numeral 6 is a separator member that prevents the space between adjacent straight pipe portions from becoming narrow.
  • Reference numeral 7 is a support member supported by the overhanging portion 3A and suppressing the downward displacement of the tube. Further, the tube 1 is supported by the furnace wall 3 by fixing the inlet side of the straight pipe portion 1A at the most upstream position and the outlet side of the straight pipe portion 1D at the most downstream position to the furnace wall 3.
  • the opening cross section of at least the straight pipe portion 1A at the most upstream position of the tube 1 has an elliptical shape in which the minor axis La and the major axis Lb are different. That is, the straight pipe portion 1A at the most upstream position where the gas injection portion 2A of the radiant tube burner 2 is arranged has an elliptical shape in which the minor axis La and the major axis Lb are different from each other in the opening cross section.
  • the tube 1 has an elliptical shape with the major axis Y oriented vertically over the entire length of the tube 1.
  • the tube 1 is set so that the major axis Y, which is an axis having a major axis orthogonal to the minor axis of the ellipse, faces in the vertical direction.
  • the rigidity of the tube 1 is improved as compared with the case where the opening cross-sectional shape of the tube 1 is a perfect circle, and the tube 1 is affected by its own weight and heat load. The downward displacement of the straight pipe portions 1A to 1D constituting the above can be suppressed.
  • the ellipse that defines the cross section of the tube is not particularly limited because the rigidity is improved as compared with the perfect circular shape if the lengths of the minor axis La and the major axis Lb are different.
  • (major diameter Lb / minor diameter La) is 1.1 or more and 1.4 or less.
  • the heated body (not shown) moves up and down in front of and behind the tube 1, so that the heated body is heated by the radiant heat from the radiant tube 100. ..
  • reference numeral 50 indicates an example of the moving direction of the object to be heated.
  • the gas injection portion 2A is coaxial with the straight pipe portion 1A from the upstream end portion of the straight pipe portion 1A in the straight pipe portion 1A at the most upstream position. Is inserted.
  • the gas injection unit 2A is a header unit in which a nozzle for injecting combustion air and fuel gas is formed.
  • the gas injection unit 2A of the present embodiment has a cylindrical outer shape, and is arranged so that the central P-axis of the cylindrical shape and the central P-axis of the tube 1 are coaxial. Has been done.
  • a secondary combustion air nozzle 21, a plurality of primary combustion air nozzles 22, and a plurality of fuel gas nozzles 23 are provided at the tip of the gas injection unit 2A.
  • the surface of the tip portion of the gas injection portion 2A will also be referred to as a gas injection surface.
  • the gas injection axis of each nozzle is set parallel to the central P axis of the gas injection unit 2A, and the gas can be injected in the same direction as the extending direction of the tube 1.
  • the secondary combustion air nozzle 21 is a nozzle that injects secondary combustion air.
  • the primary combustion air nozzle 22 is a nozzle that injects primary combustion air.
  • the fuel gas nozzle 23 is a nozzle for injecting fuel gas.
  • the secondary combustion air nozzle 21 is arranged at the center of a circular gas injection surface, and is composed of a tubular portion extending forward (gas injection direction) from the gas injection surface. ing.
  • the secondary combustion air nozzle 21 of the present embodiment is set to be coaxial with the gas injection unit 2A.
  • a plurality of primary combustion air nozzles 22 and a plurality of primary combustion air nozzles 22 are formed so as to surround the outer periphery of the secondary combustion air nozzle 21 at an outer radial position of the secondary combustion air nozzle 21.
  • a fuel gas nozzle 23 is arranged. Then, a hole forming a tip opening between the plurality of primary combustion air nozzles 22 and the plurality of fuel gas nozzles 23 is opened on the gas injection surface.
  • a total of two air nozzles 22 for primary combustion two on the left and right and two on the top and bottom, so as to be point-symmetrical with respect to the center of the gas injection surface (center P of the ellipse).
  • center P of the ellipse The case where four pieces are provided is illustrated.
  • fuel gas nozzles 23 are arranged between adjacent primary combustion air nozzles 22 along the circumferential direction.
  • Reference numeral 24 is a back plate, and the shape of the back plate 24 is an elliptical shape similar to the elliptical shape of the tube 1.
  • the flow rate of the total amount of air mx of the primary combustion air injected from all the primary combustion air nozzles 22 is set so that the primary combustion is performed at an air ratio of 1.0 or less.
  • the minor axis X which is the axis of the minor axis of the ellipse, which is the open cross-sectional shape of the straight pipe portion at the most upstream position, is ⁇ 45 degrees with the center P of the ellipse as the center. With the two straight lines X1 and X2 tilted in the circumferential direction as boundaries, the opening cross section of the straight pipe portion at the most upstream position is virtually divided into four regions ARA-1 to ARA-4.
  • the flow rate mt of the primary combustion air injected from the primary combustion air nozzles 22A and 22B located in the regions ARA-1 and ARA-2 including the elliptical minor axis X includes the elliptical minor axis X.
  • the flow rate of the primary combustion air injected from the primary combustion air nozzles 22C and 22D located in the non-existing region (hereinafter, also referred to as the region including the long axis Y) ARA-3 and ARA-4 is reduced.
  • the flow rate ratio (mt / mx) which is the ratio of the flow rate mt of the primary combustion air injected from 22A and 22B, is set to less than 0.5.
  • the flow rate ratio (mt / mx) is set to 0.45 or less.
  • the flow rate ratio (mt / mx) is La 2 / (La 2 + Lb 2 ) or more.
  • the flow rate ratio (mt / mx) is La / (La + Lb) or more. That is, in the present embodiment, the flow rate distribution of the primary combustion air is designed so as to satisfy the following equation (1). La 2 / (La 2 + Lb 2 ) ⁇ (mt / mx) ⁇ 0.5 ... (1)
  • the flow rate mt of the primary combustion air from the primary combustion air nozzles 22A and 22B on the short axis X side is set from the primary combustion air nozzles 22C and 22D on the long axis Y side.
  • the total opening cross-sectional area of the primary combustion air nozzle 22 located in the regions ARA-1 and ARA-2 including the elliptical minor axis X is set to the elliptical major axis. It is set smaller than the total opening cross-sectional area of the next combustion air nozzles located in the regions ARA-3 and ARA-4 including Y, and the ratio of the two total opening areas is the flow rate ratio satisfying the equation (1). Adjust so that
  • the flow rate mt of the primary combustion air from the primary combustion air nozzles 22A and 22B on the short axis X side is set to the primary combustion air from the primary combustion air nozzles 22C and 22D on the long axis Y side.
  • each combustion air supply path is provided independently on the short axis X side and the long axis Y side to supply combustion air individually, or a flow rate control valve is provided in the middle of the flow path.
  • the flow rates of the primary combustion air from the regions ARA-1 to ARA-4 are the same. That is, the flow rate of the primary combustion air supplied from the upper region ARA-4 and the flow rate of the primary combustion air supplied from the lower region ARA-3 are set to be the same amount. Further, the flow rate of the primary combustion air supplied from the left region ARA-1 and the flow rate of the primary combustion air supplied from the right region ARA-2 are set to be the same amount.
  • FIG. 5 illustrates a case where one primary combustion air nozzle 22 is arranged in each of the four regions ARA-1 to ARA-4, but the present invention is not limited to this.
  • two or more primary combustion air nozzles 22 may be arranged in each of the regions ARA-1 to ARA-4.
  • FIG. 5 illustrates a case where the primary combustion air nozzles 22 are arranged on the elliptical long axis Y or the short axis X, but the present invention is not limited to this.
  • the primary combustion air nozzles 22 do not have to be arranged so as to overlap each other on the long axis Y or the short axis X.
  • the opening shape of the holes constituting each of the primary combustion air nozzles 22 a fan-shaped shape in which the distance in the circumferential direction increases as the distance from the center P of the ellipse increases in the outer diameter direction is illustrated.
  • the opening shape of the hole forming the primary combustion air nozzle 22 is not particularly limited, and may be a shape other than the fan shape.
  • the distances from the center P of the ellipse to each of the primary combustion air nozzles 22 are the primary combustion air nozzles 22A and 22B on the short axis X side and the primary combustion air nozzles 22C and 22D on the long axis Y side. May be set to different distances.
  • combustion air or fuel gas is injected (discharged) from the radiant tube burner 2 in a direction parallel to the axis of the straight pipe portion 1A at the most upstream position constituting the tube 1 from each nozzle. Is supplied.
  • the fuel gas injected from the fuel gas nozzle 23 is mixed with the primary combustion air injected from the primary combustion air nozzle 22 and incompletely burned, and then the incompletely burned combustion gas is secondarily burned. It is a two-stage combustion method that reduces NOx by completely burning with the secondary combustion air discharged from the combustion air nozzle 21. The generated combustion gas flows along the tube 1.
  • the total amount of the supplied primary combustion air is relatively the amount of the primary combustion air from the primary combustion air nozzles 22A and 22B on the minor axis X side, which is the minor axis.
  • the opening cross-sectional shape of the tube 1 is an ellipse (minor axis La: 188 mm, major axis Lb: 236 mm)
  • the relationship between the flow rate ratio (mt / mx) and NOx is measured by NOx generation prediction simulation using the finite volume method. Analyzed. The result is shown in FIG.
  • the minor axis X side primary combustion air nozzle 22A As can be seen from FIG. 6, relative to the flow rate of the primary combustion air from the major axis Y side primary combustion air nozzles 22C and 22D, the minor axis X side primary combustion air nozzle 22A, It was found that NOx decreased as the flow rate mt of the primary combustion air from 22B was reduced.
  • the surface on the minor axis La side which has a relatively large area, may face the object to be heated in consideration of the radiation area with the object to be heated. preferable. Reducing the amount of air injected to the minor axis La side as in the present embodiment is due to the increase in non-combustibility in the regions ARA-1 and ARA-2 on the minor axis La side, so that the minor axis La side of the radiant tube 100 is reduced. There is a risk that the surface temperature will drop and the heat transfer efficiency will drop.
  • FIG. 7 shows the average temperature on the minor axis X in an ellipse having a cross section perpendicular to the flow direction at a point 2000 mm away from the injection surface from the primary combustion air nozzle 22 and the fuel gas nozzle 23, that is, from the injection surface. It is a thing. As can be seen from FIG. 7, as the flow rate ratio (mx / mt) is made smaller than 0.5, the average gas temperature on the short axis X side decreases.
  • the flow rate ratio (mx / mt) is La 2 / (La 2 + Lb 2 ) or more in order to prevent a decrease in heat transfer efficiency while exhibiting a low NOx effect. Furthermore, the flow rate ratio (mx / mt) is La / (La + Lb) or more.
  • the radiant tube burner 2 and the radiant tube burner 2 which can reduce the generation of NOx by a simple configuration without adversely affecting maintainability and without reducing the low NOx effect due to poisoning or the like. It becomes possible to provide the radiant tube 100.
  • Tube 1A Straight pipe part at the most upstream position 2 Radiant tube burner 2A Gas injection part 3 Furnace wall 21 Secondary combustion air nozzle 22 Primary combustion air nozzle 22A, 22B Short axis side primary combustion air nozzle 22C, 22D Air nozzle for primary combustion on the long axis side 23 Fuel gas nozzle ARA-1 to ARA-4 Area La Minor axis Lb Major axis X Minor axis Y Major axis

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Abstract

簡易な構成によって、ＮＯｘの発生を低減可能なラジアントチューブバーナ及びラジアントチューブを提供する。楕円形状の開口断面からなるチューブ（１）に挿入されたガス噴射部（２Ａ）は、２次燃焼用空気ノズル（２１）が中央部に配置され、２次燃焼用空気ノズル（２１）を囲むように、複数の１次燃焼用空気ノズル（２２）と複数の燃料ガスノズル（２３）とが配置される。チューブ（１）の開口断面を、楕円の短径の軸である短軸（Ｘ）を楕円の中心を中心（Ｐ）として±４５度傾けた２本の直線（Ｘ１、Ｘ２）を境界として仮想的に４つの領域に区画し、楕円の短軸（Ｘ）を含む領域に位置する１次燃焼用空気ノズル（２２）から噴射される１次燃焼用空気の流量を、楕円の短軸Ｘを含まない領域に位置する１次燃焼用空気ノズル（２２）から噴射される１次燃焼用空気の流量よりも少ない。

Description

ラジアントチューブバーナ、ラジアントチューブ、及びラジアントチューブバーナの設計方法
　本発明は、ラジアントチューブに関する技術である。
　ラジアントチューブは、ラジアントチューブバーナのガス噴射部からチューブ内に燃料ガスと燃焼用空気を供給して燃焼させ、発生した燃焼ガスにより加熱されたチューブによる熱でチューブ外に存在する被加熱物を間接加熱する装置である。そのため、ラジアントチューブは、燃焼空間が限られておりラジアントチューブ単体では熱を有効に使いきれず、レキュペレータや蓄熱バーナなどの各種排熱回収装置を用いて、燃焼用空気の予熱という形で熱回収を行っている場合が多い。
　ここで、ラジアントチューブは、チューブ内で発生した燃焼ガスがチューブ内を通過して排出されるが、燃焼ガスの温度が上昇すると、有害な窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）の生成量が増加するという課題がある。このため、ＮＯｘ排出量を抑えるために排熱回収量が制限される場合がある。
　従来、ラジアントチューブにおいてＮＯｘの発生を低減させる技術として、例えば特許文献１や特許文献２に記載の技術がある。
　特許文献１には、ファンを用いて、排ガスを燃料ガスもしくは２次燃焼用空気に混入することで燃焼速度を低下させて、ＮＯｘの発生を低減させる技術が開示されている。また、特許文献２には、発生したＮＯｘを触媒により浄化することが開示されている。
特開昭６３－１１３２０６公報 特開２０１７－２１９２３５号公報
　しかし、特許文献１では、排ガスを燃料ガスもしくは２次燃焼用空気へ導くためのファンが必要である。例えば、ラジアントチューブごとにファンを設置すると、メンテナンス性に悪影響を及ぼす。また、特許文献１の構成では、ファンを設ける分、ラジアントチューブが大型化するという課題もある。
　また、特許文献２では、副生ガスを使用している鉄鋼業で顕著である、触媒の被毒による劣化が課題となる。また、特許文献２の構成では、触媒を設ける分、ラジアントチューブが大型化するという課題もある。
　本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、メンテナンス性に悪影響を及ぼさず、被毒などによる低ＮＯｘ効果の低下もなく、簡易な構成によって、ＮＯｘの発生を低減可能なラジアントチューブバーナ及びラジアントチューブを提供することを目的とする。
　本発明者らは、低ＮＯｘのラジアントチューブバーナを開発すべく、既存のラジアントチューブ形状に囚われず、バーナ周りのＮＯｘの生成を含む種々の燃焼解析を行った。その結果から、本発明者らは、ラジアントチューブの開口断面形状を長径と短径が異なる楕円形状とし、そのラジアントチューブの中央に２次燃焼用空気ノズルを配置し、その２次燃焼用空気ノズルの周りに、周方向に沿って複数の燃料ガスノズルと複数の１次燃焼用空気ノズルを配置して、空気比１．０以下で１次燃焼させることでバーナ周りの１次燃焼領域に循環流が生じて、バーナ前側でのＮＯｘ濃度が下がるという知見を得た。更に、発明者らは、複数の１次燃焼用空気ノズルから噴射する１次燃焼用空気の流量を、チューブ形状の楕円の長径側と短径側とで適切に分配することで、更に、ＮＯｘ濃度が下がることを見出した。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
　そして、課題解決のために、本発明の一態様は、楕円形状の開口断面からなるチューブに挿入されて設置されるラジアントチューブバーナであり、且つガス噴射部が、２次燃焼用空気を噴射する２次燃焼用空気ノズルが中央部に配置され、上記２次燃焼用空気ノズルを囲むように、１次燃焼用空気を噴射する複数の１次燃焼用空気ノズルと燃料ガスを噴射する複数の燃料ガスノズルとが配置されたラジアントチューブバーナであって、上記チューブの開口断面を、その開口断面形状である楕円の短軸を上記楕円の中心を中心として±４５度傾けた２本の直線を境界として、仮想的に４つの領域に区画し、仮想的に区画した上記４つの領域のうちの上記楕円の短軸を含む領域に位置する上記１次燃焼用空気ノズルから噴射される１次燃焼用空気の流量を、上記４つの領域のうちの上記楕円の短軸を含まない領域に位置する上記１次燃焼用空気ノズルから噴射される１次燃焼用空気の流量よりも少ないことを要旨とする。
　本発明の態様によれば、簡易な構成によって、ＮＯｘの発生を低減可能なラジアントチューブバーナ及びラジアントチューブを提供することが可能となる。
本発明に基づく実施形態に係るラジアントチューブバーナを備えたラジアントチューブの構成を説明するための概要図である。 図１のＡ－Ａ′断面で示される、チューブの開口断面形状を説明する図である。 ラジアントチューブバーナのガス噴射部と、チューブとの関係を示す模式的斜視図である。 ガス噴射部の各ノズルを示す概念図である。 ４つの領域と各ノズルの配置関係を示す正面図である。 流量比とＮＯｘ比との関係を示す図である。 流量比と短軸側の燃焼ガス温度との関係を示す図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
　ここで、図面は模式的なものであり、各部品の大きさや長さの比率等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状及び構造等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることが出来る。
　ここで、本明細書では、楕円には、真円が含まれず、楕円の短径とは最も短い直径を、長径とは短径に直交する方向の直径を指すものとする。また、短軸とは、短径方向に延在する軸であり、長軸とは、長径方向に延在する軸である。
　（構成）
　本実施形態のラジアントチューブ１００は、図１に示すように、燃焼ガスが流れるチューブ１と、チューブ１内で燃焼ガスを発生するラジアントチューブバーナ２と、を備える。ラジアントチューブ１００は、伝熱促進体４や、レキュペレータや蓄熱バーナなどの各種排熱回収装置５、その他の公知の部品を備えていても良いし、備えていなくても構わない。
　（チューブ１）
　本実施形態のチューブ１は、図１に示すように、側面視略Ｗ状のつづら折り形状となっており、上下に並ぶ４つの直管部１Ａ～１Ｄを有し、隣り合う直管部１Ａ～１Ｄの端部同士が円弧形状に延びる曲管部１Ｅ～１Ｇによって連結されて構成される。符号６は隣り合う直管部間が狭くなることを防止するセパレータ部材である。符号７は、張出部３Ａに支持されて、チューブの下方への変位を抑えるサポート部材である。
　また、最上流位置の直管部１Ａの入口側と最下流位置の直管部１Ｄの出口側とが炉壁３に固定されることで、チューブ１は炉壁３に支持されている。
　チューブ１のうち、少なくとも最上流位置の直管部１Ａの開口断面は、図２に示すように、短径Ｌａと長径Ｌｂとが異なる楕円形状となっている。すなわち、ラジアントチューブバーナ２のガス噴射部２Ａが配置される最上流位置の直管部１Ａは、開口断面が、短径Ｌａと長径Ｌｂとが異なる楕円形状となっている。本実施形態では、チューブ１の全長に亘って、長軸Ｙを上下に向けた楕円形状の場合とする。
　すなわちチューブ１は、上記の楕円の短径と直交する長径の軸である長軸Ｙが上下方向を向くように設定されている。楕円の長軸Ｙが上下方向を向けてチューブ１を配置することで、チューブ１の開口断面形状が真円形状の場合に比べてチューブ１の剛性が向上し、自重や熱負荷によって、チューブ１を構成する直管部１Ａ～１Ｄの下方への変位が抑制可能となっている。
　チューブ断面を規定する楕円は、短径Ｌａと長径Ｌｂの長さが異なれば、真円形状に比べ剛性が向上するため、特に限定はない。楕円は、例えば（長径Ｌｂ／短径Ｌａ）を１．１以上１．４以下とする。
　ここで、本実施形態では、チューブ１の前方及び後方を被加熱体（不図示）が上下に移動することで、ラジアントチューブ１００からの輻射熱で当該被加熱体が加熱される構成となっている。図２中、符号５０は被加熱体の移動方向の例を示す。
　（ラジアントチューブバーナ２）
　ラジアントチューブバーナ２は、図１に示すように、ガス噴射部２Ａが、最上流位置の直管部１Ａ内において、直管部１Ａの上流側端部からに直管部１Ａと同軸になるようにして挿入されている。ガス噴射部２Ａは、燃焼用空気及び燃料ガスを噴射するノズルが形成されたヘッダ部である。
　本実施形態のガス噴射部２Ａは、図３に示すように、躯体の外形が円柱形状となっており、円柱形状の中心Ｐ軸と、チューブ１の中心Ｐ軸とが同軸となるように配置されている。
　ガス噴射部２Ａの先端部には、２次燃焼用空気ノズル２１、複数の１次燃焼用空気ノズル２２、及び複数の燃料ガスノズル２３が設けられている。以下、ガス噴射部２Ａの先端部の面をガス噴射面とも記載する。各ノズルのガスの噴射軸は、図４に示すように、ガス噴射部２Ａの中心Ｐ軸と平行に設定され、チューブ１の延在方向と同方向に向けてガスを噴射可能となっている。
　ここで、２次燃焼用空気ノズル２１は、２次燃焼用空気を噴射するノズルである。１次燃焼用空気ノズル２２は、１次燃焼用空気を噴射するノズルである。燃料ガスノズル２３は、燃料ガスを噴射するノズルである。
　２次燃焼用空気ノズル２１は、図３～図５に示すように、円形のガス噴射面の中央部に配置され、ガス噴射面から前方（ガス噴射方向）に延在した筒部で構成されている。本実施形態の２次燃焼用空気ノズル２１は、ガス噴射部２Ａと同軸となるように設定されている。
　また、ガス噴射面には、２次燃焼用空気ノズル２１の外径方向外方位置で、当該２次燃焼用空気ノズル２１の外周を囲むようにして、複数の１次燃焼用空気ノズル２２と複数の燃料ガスノズル２３とが配置されている。そして、ガス噴射面に、複数の１次燃焼用空気ノズル２２と複数の燃料ガスノズル２３との先端部開口を形成する穴が開口している。
　本実施形態では、複数の１次燃焼用空気ノズル２２が、ガス噴射面の中央部（楕円の中心Ｐ）を中心として点対称となるように、左右に２個、上下に２個の、計４個設けられた場合を例示している。また、周方向に沿って、隣り合う１次燃焼用空気ノズル２２の間にそれぞれ燃料ガスノズル２３が配置されている。
　なお、符号２４はバックプレートであって、該バックプレート２４の形状は、チューブ１の楕円形状と相似の楕円形状となっている。
　（１次燃焼用空気について）
　空気比１．０以下で１次燃焼するように、全ての１次燃焼用空気ノズル２２から噴射される、１次燃焼用空気の空気総量ｍｘの流量を設定する。
　また、本実施形態では、図５に示すように、最上流位置の直管部の開口断面形状である楕円の短径の軸である短軸Ｘを楕円の中心Ｐを中心として±４５度それぞれ周方向に傾けた２本の直線Ｘ１、Ｘ２を境界として、最上流位置の直管部の開口断面を、仮想的に４つの領域ＡＲＡ－１～ＡＲＡ－４に区画する。
　そして、楕円の短軸Ｘを含む領域ＡＲＡ－１、ＡＲＡ－２に位置する１次燃焼用空気ノズル２２Ａ、２２Ｂから噴射される１次燃焼用空気の流量ｍｔを、楕円の短軸Ｘを含まない領域（以下、長軸Ｙを含む領域とも記載する）ＡＲＡ－３、ＡＲＡ－４に位置する１次燃焼用空気ノズル２２Ｃ、２２Ｄから噴射される１次燃焼用空気の流量よりも少なくなるように設定する。すなわち、全ての１次燃焼用空気ノズル２２から噴射される１次燃焼用空気の空気総量ｍｘに対する、楕円の短軸Ｘを含む領域ＡＲＡ－１、ＡＲＡ－２に位置する１次燃焼用空気ノズル２２Ａ、２２Ｂから噴射される１次燃焼用空気の流量ｍｔの比である流量比（ｍｔ／ｍｘ）を、０．５未満に設定する。好ましくは、流量比（ｍｔ／ｍｘ）を０．４５以下に設定する。
　また、本実施形態では、流量比（ｍｔ／ｍｘ）を、Ｌａ２／（Ｌａ２　＋Ｌｂ２）以上とする。好ましくは、流量比（ｍｔ／ｍｘ）をＬａ／（Ｌａ　＋Ｌｂ）以上とする。
　すなわち、本実施形態では、下記（１）式を満足するように、１次燃焼用空気の流量配分について設計する。
　Ｌａ２／（Ｌａ２　＋Ｌｂ２）　≦　（ｍｔ／ｍｘ）　＜　０．５　・・・（１）
　ここで、本実施形態では、短軸Ｘ側の１次燃焼用空気ノズル２２Ａ、２２Ｂからの１次燃焼用空気の流量ｍｔを、長軸Ｙ側の１次燃焼用空気ノズル２２Ｃ、２２Ｄからの１次燃焼用空気の流量よりも小さくする構成として、楕円の短軸Ｘを含む領域ＡＲＡ－１、ＡＲＡ－２に位置する１次燃焼用空気ノズル２２の全開口断面積を、楕円の長軸Ｙを含む領域ＡＲＡ－３、ＡＲＡ－４に位置する次燃焼用空気ノズルの全開口断面積よりも小さく設定し、その２つの全開口面積の比が、（１）式を満足する流量比となるように調節する。
　なお、短軸Ｘ側の１次燃焼用空気ノズル２２Ａ、２２Ｂからの１次燃焼用空気の流量ｍｔを、長軸Ｙ側の１次燃焼用空気ノズル２２Ｃ、２２Ｄからの１次燃焼用空気の流量よりも小さくする構成として、短軸Ｘ側と長軸Ｙ側とで各燃焼用空気の供給路を独立して設けて個々に燃焼用空気を供給したり、流路途中に流量調節弁を設けて配合比を調整したりする方法もある。しかし、上記の２つのノズルの開口面積の比を調整する方が、簡易な構成となる。
　また、楕円の中心Ｐに対し点対称の領域ＡＲＡ－１～ＡＲＡ－４（上下の領域、左右の領域）からの１次燃焼用空気の流量は、それぞれ同量であることが好ましい。すなわち、上方の領域ＡＲＡ－４から供給される１次燃焼用空気の流量と下方の領域ＡＲＡ－３から供給される１次燃焼用空気の流量とを同量とする。また、左側の領域ＡＲＡ－１から供給される１次燃焼用空気の流量と右側の領域ＡＲＡ－２から供給される１次燃焼用空気の流量とを同量とする。
　（ノズルの配置について）
　ここで、図５では、各４つの領域ＡＲＡ－１～ＡＲＡ－４にそれぞれ、１個の１次燃焼用空気ノズル２２が配置される場合を例示しているが、これに限定されない。例えば、各領域ＡＲＡ－１～ＡＲＡ－４にそれぞれ２個以上の１次燃焼用空気ノズル２２を配置しても良い。
　また、図５では、楕円形の長軸Ｙ上又は短軸Ｘ上に各１次燃焼用空気ノズル２２を配置する場合が例示されているが、これに限定されない。例えば、各１次燃焼用空気ノズル２２が長軸Ｙ上又は短軸Ｘ上に重なるように配置されていなくて良い。
　また、図５では、各１次燃焼用空気ノズル２２を構成する穴の開口形状として、楕円の中心Ｐから外径方向に離れるほど周方向の距離が大きくなる扇状の形状を例示しているが、これに限定されない。例えば、１次燃焼用空気ノズル２２を構成する穴の開口形状は、特に限定はなく、扇形状以外の形状であってもよい。
　また、楕円の中心Ｐから各１次燃焼用空気ノズル２２までの距離は、短軸Ｘ側の１次燃焼用空気ノズル２２Ａ、２２Ｂと長軸Ｙ側の１次燃焼用空気ノズル２２Ｃ、２２Ｄとで異なる距離に設定しても良い。
　（動作その他）
　本実施形態のラジアントチューブ１００では、ラジアントチューブバーナ２から、チューブ１を構成する最上流位置の直管部１Ａの軸と平行な方向に、各ノズルから燃焼用空気や燃料ガスが噴射（吐出）されて供給される。
　本実施形態は、燃料ガスノズル２３から噴射した燃料ガスは、１次燃焼用空気ノズル２２から噴射した１次燃焼用空気と混合して不完全燃焼し、続いて不完全燃焼した燃焼ガスを２次燃焼用空気ノズル２１から吐出される２次燃焼用空気によって完全燃焼させることで、ＮＯｘを低下させる２段燃焼方式となっている。なお、発生した燃焼ガスは、チューブ１に沿って流れる。
　また、本実施形態では、供給する１次燃焼用空気の総量を、相対的に、短径の軸である短軸Ｘ側の１次燃焼用空気ノズル２２Ａ、２２Ｂからの１次燃焼用空気の流量ｍｔを、短径に直交する長径の軸である長軸Ｙ側の１次燃焼用空気ノズル２２Ｃ、２２Ｄからの１次燃焼用空気の流量よりも少なくすることで、更に、燃焼によるＮＯｘの発生を抑制する。
　ここで、チューブ１の開口断面形状を楕円（短径Ｌａ：１８８ｍｍ、長径Ｌｂ：２３６ｍｍ）として、流量比（ｍｔ／ｍｘ）とＮＯｘとの関係について、有限体積法を用いたＮＯｘ生成予測シミュレーションによって解析した。その結果を図６に示す。
　図６は、横軸に流量比（ｍｘ／ｍｔ）を、縦軸にｍｘ／ｍｔ＝０．５の場合に生成されたＮＯｘ量を１として正規化した場合のＮＯｘ比（ＮＯｘ生成量）を示している。
　図６から分かるように、相対的に、長軸Ｙ側の１次燃焼用空気ノズル２２Ｃ、２２Ｄからの１次燃焼用空気の流量に対し、短軸Ｘ側の１次燃焼用空気ノズル２２Ａ、２２Ｂからの１次燃焼用空気の流量ｍｔを少なくするほど、ＮＯｘが減少することが分かった。
　この理由は、隣り合う領域ＡＲＡ－１～ＡＲＡ－４からの１次燃焼用空気の吐出量が異なることで、各々の領域ＡＲＡ－１～ＡＲＡ－４毎に、吹き込まれる空気比が調整され適切なＮ２濃度分布となることで、ＮＯｘの生成を抑制するに繋がると推定される。
　一方で、ラジアントチューブ１００のチューブ形状を楕円形状とした場合、被加熱物との輻射面積を考慮して、面積が相対的に広くなる短径Ｌａ側の面を被加熱物に対向させることが好ましい。本実施形態のように、短径Ｌａ側に噴射される空気量を減少させることは、短径Ｌａ側の領域ＡＲＡ－１、ＡＲＡ－２における不燃の増加により、ラジアントチューブ１００の短径Ｌａ側での表面温度が低下し、伝熱効率が低下してしまうおそれがある。
　そこで、流量比と短軸Ｘ上での平均燃焼ガス温度の関係について求めたところ図７に示す結果を得た。
　図７は、１次燃焼用空気ノズル２２及び燃料ガスノズル２３から、すなわち噴出面から、噴射方向へ２０００ｍｍ離れた地点での流れ方向に垂直な断面の楕円における、短軸Ｘ上の平均温度を求めたものである。
　図７から分かるように、流量比（ｍｘ／ｍｔ）を、０．５よりも小さくするほど、短軸Ｘ側での平均ガス温度が低下している。
　このような結果から、低ＮＯｘ効果を発現しつつ伝熱効率の低下を防止するためには、流量比（ｍｘ／ｍｔ）をＬａ２／（Ｌａ２　＋Ｌｂ２）以上とすることが好ましく、更に好ましは、流量比（ｍｘ／ｍｔ）はＬａ／（Ｌａ　＋Ｌｂ）以上である。
　以上のように、本実施形態にあっては、メンテナンス性に悪影響を及ぼさず、被毒などによる低ＮＯｘ効果の低下もなく、簡易な構成によって、ＮＯｘの発生を低減可能なラジアントチューブバーナ２及びラジアントチューブ１００を提供することが可能となる。
　ここで、本願が優先権を主張する、日本国特許出願２０２０－０２０５４９（２０２０年０２月１０日出願）の全内容は、参照により本開示の一部をなす。ここでは、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく各実施形態の改変は当業者にとって自明なことである。
１ チューブ
１Ａ 最上流位置の直管部
２ ラジアントチューブバーナ
２Ａ ガス噴射部
３ 炉壁
２１ ２次燃焼用空気ノズル
２２ １次燃焼用空気ノズル
２２Ａ、２２Ｂ　短軸側の１次燃焼用空気ノズル
２２Ｃ、２２Ｄ　長軸側の１次燃焼用空気ノズル
２３ 燃料ガスノズル
ＡＲＡ－１～ＡＲＡ－４ 領域
Ｌａ 短径
Ｌｂ 長径
Ｘ 短軸
Ｙ 長軸

Claims (5)

  1. 　楕円形状の開口断面からなるチューブに挿入されて設置されるラジアントチューブバーナであり、且つガス噴射部が、２次燃焼用空気を噴射する２次燃焼用空気ノズルが中央部に配置され、上記２次燃焼用空気ノズルを囲むように、１次燃焼用空気を噴射する複数の１次燃焼用空気ノズルと燃料ガスを噴射する複数の燃料ガスノズルとが配置されたラジアントチューブバーナであって、
    　上記チューブの開口断面を、その開口断面形状である楕円の短軸を上記楕円の中心を中心として±４５度傾けた２本の直線を境界として、仮想的に４つの領域に区画し、
    　仮想的に区画した上記４つの領域のうちの上記楕円の短軸を含む領域に位置する上記１次燃焼用空気ノズルから噴射される１次燃焼用空気の流量を、上記４つの領域のうちの上記楕円の短軸を含まない領域に位置する上記１次燃焼用空気ノズルから噴射される１次燃焼用空気の流量よりも少ないことを特徴とするラジアントチューブバーナ。
  2. 　上記楕円の短径をＬａ、該短径と直交する長径をＬｂとする場合、
    　全ての１次燃焼用空気ノズルから噴射される１次燃焼用空気の空気総量ｍｘに対する、上記短軸を含む領域に位置する上記１次燃焼用空気ノズルから噴射される１次燃焼用空気の流量ｍｔの比である流量比（ｍｔ／ｍｘ）を、Ｌａ２／（Ｌａ２　＋Ｌｂ２）以上とすることを特徴とする請求項１に記載したラジアントチューブバーナ。
  3. 　１次燃焼用空気ノズルから噴射される１次燃焼用空気の流量の調整は、上記短軸を含む領域に位置する上記１次燃焼用空気ノズルの全開口断面積を、上記楕円の短軸を含まない領域に位置する上記１次燃焼用空気ノズルの全開口断面積よりも小さくすることで構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したラジアントチューブバーナ。
  4. 　チューブの開口断面を楕円形状とすると共に、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のラジアントチューブバーナを有するラジアントチューブ。
  5. 　楕円形状の開口断面からなるチューブに挿入されて設置されるラジアントチューブバーナであって、ガス噴射部が、２次燃焼用空気を噴射する２次燃焼用空気ノズルが中央部に配置され、上記２次燃焼用空気ノズルを囲むように、１次燃焼用空気を噴射する複数の１次燃焼用空気ノズルと燃料ガスを噴射する複数の燃料ガスノズルとが配置されたラジアントチューブバーナの設計方法であって、
    　上記チューブの開口断面を、その開口断面形状である楕円の短軸を上記楕円の中心を中心として±４５度傾けた２本の直線を境界として、仮想的に４つの領域に区画し、
    　上記楕円の短径をＬａ、該短径に直交する長径をＬｂとする場合、
    　全ての１次燃焼用空気ノズルから噴射される１次燃焼用空気の空気総量ｍｘに対する、上記短軸を含む領域に位置する上記１次燃焼用空気ノズルから噴射される１次燃焼用空気の流量ｍｔの比である流量比（ｍｔ／ｍｘ）が、下記（１）式を満足するように、各１次燃焼用空気ノズルからの１次空気の吹き出し量を設定することを特徴とするラジアントチューブバーナの設計方法。
    　Ｌａ２／（Ｌａ２　＋Ｌｂ２）　≦　（ｍｔ／ｍｘ）　＜０．５　・・・（１）
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