JP2010071582A - 加熱炉用バーナの蓄熱式バーナ化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱炉用バーナとして、既設の従来型バーナから蓄熱式バーナに改造するに際して、大幅な改造を必要とせず、工期および改造コストを削減することを可能とする加熱炉用バーナの蓄熱式バーナ化方法を提供する。
【解決手段】複数個のバーナを配する加熱炉について、既設の従来型バーナから蓄熱式バーナに改造する際に、空気供給口１３ａを備えたバーナ一体物１３と燃料ノズル１４とを別のものとして分離した蓄熱式バーナ１１を用い、従来型バーナ３１の炉壁設置孔３２にバーナ一体物１３を設置し、燃料ノズル１４のみの改造とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、加熱炉用バーナとして、既設の従来型バーナから蓄熱式バーナに改造するための加熱炉用バーナの蓄熱式バーナ化方法に関するものである。

近年、省エネルギーおよび地球環境問題から、金属片の加熱炉の燃焼バーナとして、高温の排ガスから直接熱回収が可能な蓄熱式バーナが開発され、熱回収率の高さからその導入が増加している。

しかし、既設の加熱炉を改造して、燃料ガスと空気をバーナに供給して燃焼させ、排ガスは別に設けた専用の出口から排出する従来型バーナに換えて、蓄熱式バーナを導入する場合は、加熱炉に配した１対のバーナの直近に蓄熱体を設け、その蓄熱体に排ガスと空気を交互に流す必要がある。また、１対のバーナのどちらかが燃焼状態となり反対側が蓄熱状態となるために、バーナ１台当たりの熱量を従来同等とするには約２倍の面積が必要となって、加熱炉に面するバーナの大きさが大きくなり、蓄熱式バーナに改造するには、既に設置されている従来型バーナを撤去するのみならず、加熱炉壁のバーナ面積を拡大して一部改造しなければ設置できないといった問題点があった。

仮に、加熱炉壁のバーナ取り付け面積を拡大せずに、既設の従来型バーナのバーナ面積に納まり熱量をほぼ同じとする蓄熱式バーナを導入しようとしても、バーナ口径が拡大することから、取り囲む耐火物の寸法が薄くなり、かつ加熱炉に面する部分は１２００℃以上の高温で、配管内ガス流速も１００ｍ／秒と高速であることから、耐火物に亀裂が生じ、更には高速の熱風により排ガス、空気の流路が壊れる問題があった。

ちなみに、特許文献１には、蓄熱式バーナとして蓄熱体を炉壁に収納するコンパクトな構造を目指したものが記載されているが、これは蓄熱体を壁面に内蔵するなど、加熱炉を新設する際に適用することができるものであり、既設の加熱炉を改造して蓄熱バーナを導入する場合には適用することが困難である。

なお、［発明を実施するための最良の形態］の欄において特許文献２〜５を引用するので、ここに併せて記載しておく。
特開平８−０４９８３５号公報 特開平９−１５９１４９号公報 特開平９−１５９１５０号公報 特開平９−１９４９３１号公報 特開平１０−３０８１２号公報

前述したように、従来型バーナが設置されている加熱炉を改造して、蓄熱式バーナを導入するには、加熱炉壁のバーナ面積を拡大するなど、多くの期間と改造費用を必要とし、それに伴って、既設の加熱炉を長期間停止する必要があるという問題点があった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、加熱炉用バーナとして、既設の従来型バーナから蓄熱式バーナに改造するに際して、大幅な改造を必要とせず、工期および改造コストを削減することを可能とする加熱炉用バーナの蓄熱式バーナ化方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］複数個のバーナを配する加熱炉において、燃料ガスと空気をバーナに供給して燃焼させ、排ガスは別に設けた専用の出口から排出する従来型バーナから、燃料ガスと空気をバーナに供給して燃焼させ、排ガスも同じ供給口から排出させつつ交互に繰り返して、排ガスの熱を蓄えて次の燃焼における空気の予熱に利用する蓄熱式バーナへ改造するに際して、従来型バーナのバーナ部分を、供給口から空気を供給し排ガスを排出しつつ交互に繰り返すバーナ一体物に置き換えるとともに、燃料ガスを供給する燃料ノズルについて別途加熱炉壁に設置することを特徴とする加熱炉用バーナの蓄熱式バーナ化方法。

［２］前記バーナ一体物の供給口の中心と前記燃料ノズルの中心との距離Ｐが、前記バーナ一体物の供給口の直径Ｄａに対して、下式で表される範囲にあることを特徴とする前記［１］に記載の加熱炉用バーナの蓄熱式バーナ化方法。

０．１５＜Ｄａ／２Ｐ＜０．３３
［３］前記バーナ一体物の炉壁面積が、従来型バーナのバーナ部分の炉壁面積以下であることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の加熱炉用バーナの蓄熱式バーナ化方法。

本発明においては、従来型バーナから蓄熱式バーナへ改造するに際して、従来型バーナのバーナ部分を、空気を供給し排ガスを排出しつつ交互に繰り返すバーナ一体物に置き換えるとともに、燃料ガスを供給する燃料ノズルについて別途加熱炉壁に設置するようにしているので、大幅な改造を必要とせず、工期および改造コストを削減することができる。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、基本的な蓄熱式バーナの基本的な構造を図１０に示す。図１０に示すように、基本的な蓄熱式バーナ１（１ａ、１ｂ）は、加熱炉壁２に設置される蓄熱バーナ３と、蓄熱バーナ３の直近に設けられたハニカム状あるいはボール状のセラミック製蓄熱体６と、蓄熱体６への燃焼空気と蓄熱体６からの排ガスを切り替える切替弁７とを備えており、蓄熱バーナ３は、バーナバッフル３ｂで囲まれた空気供給口兼排ガス吸引口（以下、単に、空気供給口または排ガス吸引口とも言う）３ａと、燃料ガスを噴射する燃料噴射口（図示せず）を有している。なお、図１０中の４は被加熱スラブ、５は蓄熱バーナ３により形成される火炎、８は燃焼用空気送風機、９は排ガス用送風機である。

そして、上記の構造によって、まず、炉内ガス（排ガス）を排ガス吸引口３ａから直接吸引し、その顕熱を蓄熱体６に蓄熱する。その後、切替弁７を切り替えて、燃焼空気を空気供給口３ａから炉内に吐出・供給する。燃焼空気は蓄熱体６により超高温空気（１０００℃以上）となり、通常のレキュペレータ（予熱温度：〜７００℃）に比較しても、高温の空気を利用可能であり、その結果、圧倒的な省エネルギーが計られる。

ただし、排ガスの吸引と燃焼空気の吐出は、対向する蓄熱式バーナ１ａ、１ｂが組み合って交互に３０〜６０ｓｅｃサイクルで行われる。このため、従来と同一の熱量を得るには、蓄熱式バーナ１の炉壁面積は従来型バーナの約２倍となり、炉壁のバーナ径は約１．４倍となる。

したがって、従来型バーナを基本的な蓄熱式バーナ１に改造する場合、図７に示すように、（１）炉の冷却、（２）従来型バーナ（既設バーナ）３１の撤去、（３）敷きスラブ４１の装入、（４）足場の設置、（５）炉壁２の改造、（６）蓄熱式バーナ１の設置、（７）キャスタブル４２の施工という工程が必要となり、キャスタブル４２施工後の乾燥、昇熱まで入れると長期（２０日〜１ヶ月）の炉停止が必要となってしまい、その間、全く生産ができず大きな能率低下につながる。これらの工程は、炉壁２のバーナ径が従来型バーナ５１に比べて蓄熱式バーナ１が大きいため、蓄熱式バーナ１用に炉壁のバーナ径を大きくする必要があって、そのための（５）炉壁２の改造を行うに当たり、事前準備としての（３）敷きスラブ４１の装入による床の設置、工事のための（４）足場の設置が必要であり、さらに、炉壁改造の後には、蓄熱式バーナ１を固定するための（７）キャスタブル４２の施工が必要となる。すなわち、従来型バーナ３１を蓄熱式バーナ１に改造するには、合計７工程が必要であって、しかも、この中でバーナの大きさが異なることを原因として４工程が必要になっており、工期が長くなっていることが明らかになった。

そこで、蓄熱式バーナ１について、図８（ａ）に示す従来型バーナの炉壁取り付け孔３２に収まるように、空気供給口と燃料噴射口を分離してコンパクト化を図ることも検討したが、図８（ｂ）に示すように、空気供給口２３ａと燃料噴射口２４との壁面での距離が短くて、しかも、燃料噴射口２４と壁面２との距離も著しく短くなる。

また、蓄熱式バーナ１は超高温の空気が発生するため、バーナの炉壁取り付け部は著しく破損しやすい。そこで、熱対策として、燃料噴射口と空気供給口を一体物とするキャスタブル構造とする必要があった。これらは、特許文献２〜特許文献５に記載される構造であり、図９（ａ）に示す炉壁取り付け孔３３に対して、図９（ｂ）に示すように、蓄熱バーナ３を設置後、内面から燃料孔２５、空気供給口２３ａを開口したキャスタブル壁２６を築炉する方法がとられている。この場合、築炉の面積が大きくなることから、前述の図７に示す従来型バーナ３１を蓄熱式バーナ１に改造する場合と同様に、約１ヶ月の炉停止を伴う工期となる。また、度重なる昇降温を繰り返すと、図１０の風力調整用のバーナバッフル３ｂに亀裂が入り、最終的には燃料噴射口と空気供給口を一体物とするキャスタブル構造が割損しやすいことがわかった。

ちなみに、特許文献２〜特許文献５においては、一見すると燃料噴射口と空気供給口が個々に炉壁に開放されている図が掲載されているが、詳細に見ると燃料噴射口と空気供給口は図９（ｂ）と同じく、一体物として施工されている。

そこで、本発明者らは、蓄熱式バーナへの改造工事の日程を大幅に短縮するために、工期が長くなる根本原因として、バーナの径に着目した。すなわち、蓄熱式バーナのバーナ径が、従来型バーナと同等あるいはそれ以下の径であれば、従来型バーナを抜き出して、その取り付け孔に蓄熱式バーナを装着するだけで改造を行えることを見出したわけである。

つまり、上記の問題がなく工期を著しく短縮できる方法として、蓄熱式バーナの加熱炉に面するバーナの排ガスと燃焼空気を交互に流す炉壁部分を一体物（バーナ一体物）とするとともに、燃料ガスを供給する部分を別の一体物（燃料ノズル）として、昇降温に耐える構造とした。

また、バーナの排ガスと燃焼空気を交互に流す炉壁部分について、既設の従来型バーナの炉壁面積以下として、小さく製作することにより、蓄熱式バーナの炉壁部分を従来型バーナと容易に置き換えることができて、施工時間の大幅な短縮を実現可能にした。

上記の考え方に基づく本発明の一実施形態を以下に示す。

図１、図２は、本発明の一実施形態において、既設の従来型バーナから蓄熱式バーナに改造した後の状態を示す図であり、図１は加熱炉の断面図、図２は炉壁の部分正面図である。

図１、図２に示すように、この実施形態における蓄熱式バーナ１１（１１ａ、１１ｂ）は、加熱炉壁２の従来型バーナの取り付け孔３２に設置されたバーナ一体物１３と、バーナ一体物１３の直近に設けられたハニカム状あるいはボール状のセラミック製蓄熱体６と、蓄熱体６への燃焼空気と蓄熱体６からの排ガスを切り替える切替弁７と、バーナ一体物１３から所定距離だけ離れた炉壁２に設置されて燃料ガスを噴射する燃料ノズル１４とを備えており、バーナ一体物１３は、バーナバッフル１３ｂで囲まれた空気供給口兼排ガス吸引口（以下、単に、空気供給口または排ガス吸引口とも言う）１３ａを有している。なお、図１中の４は被加熱スラブ、５は蓄熱式バーナ１１（バーナ一体物１３と燃料ノズル１４）により形成される火炎、８は燃焼用空気送風機、９は排ガス用送風機である。

上記のような蓄熱式バーナ１１が設置された加熱炉においては、まず、被加熱スラブ４は、蓄熱式バーナ１１ａにより形成される火炎５により加熱される。被加熱スラブ４の加熱に寄与されなかった蓄熱式バーナ１１ａの排ガスは蓄熱式バーナ１１ｂの排ガス吸引口から吸引されて蓄熱式バーナ１１ｂの蓄熱体６に蓄熱される。一定時間蓄熱後、切替弁７を切り替えることにより、燃焼用空気送風機８によって送り込まれた燃焼空気は、蓄熱体６に蓄熱された熱により加熱され、蓄熱式バーナ１１ｂへ吹き込まれる。

このように、蓄熱式バーナへの改造にあたり、上記のように、空気供給口１３ａを備えたバーナ一体物１３と燃料ノズル１４とを別のものとして分離し、従来型バーナの設置孔（炉壁取り付け孔）３２にバーナ一体物１３を設置し、燃料ノズル１４のみの改造をすることにより、従来型バーナを蓄熱式バーナに改造する際の工期を大幅に短縮できる。

ここで、この蓄熱式バーナ１１を導入する改造工事の概要を図３に示す。図３に示すように、（１）炉の冷却、（２）従来型バーナ（既設バーナ）３１の撤去、（３）蓄熱式バーナ１１の設置（バーナ一体物１３の設置、燃料ノズル１４の設置）という工程となる。図２に示す既存の炉壁バーナ孔３２が利用可能となったことにより、図７に示した基本的な蓄熱式バーナ１への改造工事に比べて、図３の改造工事では大幅な炉壁改造が不要となり、大幅な工期の短縮と工事費の削減が可能になる。

そして、この様な改造を行う際、火炎特性として、燃焼性、即ち未燃分ＣＯが発生しないことと、低ＮＯｘ性が重要である。図４に示すような、バーナ一体物１３の空気供給口１３ａの直径Ｄａと、空気供給口１３ａの中心と燃料ノズル１４の中心との間隔（ピッチ）Ｐとの比であるＰＣＤ（＝Ｄａ／２Ｐ）をパラメータにした火炎特性を図５、図６に示す。なお、図４中のＤｏは、バーナ一体物１３の外径である。

図５に示すように、ＰＣＤが０．１５未満では排ガス中に未燃分ＣＯが発生し、また、図６に示すように、ＰＣＤが０．３３を超えると規制値を超えてＮＯｘ発生量が増大することが判った。従って、空気供給口１３ａの直径Ｄａと、空気供給口１３ａ−燃料ノズル１４との間隔Ｐとの関係を、
０．１５＜Ｄａ／２Ｐ＜０．３３
とすることで、燃焼性と低ＮＯｘ性を達成できることが判った。

上記のようにして、この実施形態においては、複数個のバーナを配する加熱炉について、既設の従来型バーナから蓄熱式バーナに改造する際に、図２に例を示すように、空気供給口１３ａを備えたバーナ一体物１３と燃料ノズル１４とを別のものとして分離した蓄熱式バーナ１１を用い、図１に示すように、従来型バーナ３１の炉壁設置孔（炉壁取り付け孔）３２にバーナ一体物１３を設置し、燃料ノズル１４のみの改造とするとともに、図４〜図６に示すように、バーナ一体物１３と燃料ノズル１４との距離を適正な範囲にすることにより、従来型バーナから蓄熱式バーナへ改造する工期と工事費を大幅に削減し、生産阻害を著しく低減することが可能となった。

本発明の実施例１として、上記の本発明の一実施形態に基づいて、従来型バーナ３１から、図１、図２に示した蓄熱式バーナ１１に改造した。

その結果、バーナバッフル１３ｂの亀裂の発生もなく、割損によるバーナ損壊も発生せず、図９に示した基本的な蓄熱式バーナ１に改造する際に２０日〜１ヶ月掛かっていた工期を、７日間と大幅に短縮できた。さらには工事費も大幅に削減できた。

また、空気供給口１３ａの直径Ｄａを３８０ｍｍ、空気供給口１３ａと燃料ノズル１４との距離Ｐを８１０ｍｍとして、ＰＣＤを０．２３４としたことにより、未燃の発生は無く、ＮＯｘも規定値以下を達成できた。

本発明の一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態における改造工程を示す図である。 本発明の一実施形態における空気供給口と燃料ノズルの関係を示す図である。 ＰＣＤと排ガス中の未燃分ＣＯ濃度の関係を示す図である。 ＰＣＤとＮＯｘ濃度の関係を示す図である。 従来型バーナから基本的な蓄熱式バーナへの改造工程を示す図である。 蓄熱式バーナへの改造方法の検討例を示す図である。 蓄熱式バーナへの改造方法の検討例を示す図である。 基本的な蓄熱式バーナの説明図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ 蓄熱式バーナ
２ 加熱炉壁
３ 蓄熱バーナ
３ａ 空気供給口兼排ガス吸引口
３ｂ バーナバッフル
４ 被加熱スラブ
５ 火炎
６ 蓄熱体
７ 切替弁
８ 燃焼用空気送風機
９ 排ガス用送風機
１１、１１ａ、１１ｂ 蓄熱式バーナ
１３ バーナ一体物
１３ａ 空気供給口兼排ガス吸引口
１３ｂ バーナバッフル
１４ 燃料ノズル
２３ａ 空気供給口
２４ 燃料噴射口
２５ 燃料孔
２６ キャスタブル壁
３１ 従来型バーナ
３２ 取り付け孔
３３ 取り付け孔

Claims (3)

1. 複数個のバーナを配する加熱炉において、燃料ガスと空気をバーナに供給して燃焼させ、排ガスは別に設けた専用の出口から排出する従来型バーナから、燃料ガスと空気をバーナに供給して燃焼させ、排ガスも同じ供給口から排出させつつ交互に繰り返して、排ガスの熱を蓄えて次の燃焼における空気の予熱に利用する蓄熱式バーナへ改造するに際して、従来型バーナのバーナ部分を、供給口から空気を供給し排ガスを排出しつつ交互に繰り返すバーナ一体物に置き換えるとともに、燃料ガスを供給する燃料ノズルについて別途加熱炉壁に設置することを特徴とする加熱炉用バーナの蓄熱式バーナ化方法。
2. 前記バーナ一体物の供給口の中心と前記燃料ノズルの中心との距離Ｐが、前記バーナ一体物の供給口の直径Ｄａに対して、下式で表される範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉用バーナの蓄熱式バーナ化方法。
   ０．１５＜Ｄａ／２Ｐ＜０．３３
3. 前記バーナ一体物の炉壁面積が、従来型バーナのバーナ部分の炉壁面積以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱炉用バーナの蓄熱式バーナ化方法。

Images