(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼用空気の噴出と排ガスの吸引とを切り換えて行うノズルと該ノズルを流通する空気が流通される蓄熱体とを備え、前記蓄熱体を通して前記ノズルへの燃焼用空気の供給及び前記ノズルからの燃焼ガスの排出を行う蓄熱式バーナにおいて、前記蓄熱体に対して該蓄熱体の数より多い数の前記ノズルが設けられ、前記蓄熱体とそれよりも数の多い前記ノズルとの間にヘッダが備えられると共に、各ノズルの近傍に燃料を噴出する燃料噴出ノズルが炉内に突出しないように露出されて配置され、所定の空気比となるように前記各ノズル毎に噴出される燃焼用空気とこれに対応する前記各燃料噴出ノズルから噴出される燃料量とが設定され、かつ前記ノズルは、それぞれ開口面積が異なると共にこのノズルの開口面積に対応させて燃料ノズルからの燃料噴射量を変え、燃焼容量のみが異なる火炎を形成するものである蓄熱式バーナ。
【請求項２】
前記ノズル並びに前記燃料噴出ノズルは、被加熱物の上方と下方とに火炎が生ずるよう配置され、独立した２つの火炎を上下別個に形成させるものである請求項１記載の蓄熱式バーナ。
【請求項３】
前記ノズルのうち少なくとも１つは炉壁に対して斜めに燃焼用空気を噴出するよう設けられ、一つのバーナから複数個のノズルで斜めに燃焼空気を噴出させ、独立した２つの火炎を形成させるものである請求項１または２記載の蓄熱式バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄熱体を通してノズルへの燃焼用空気の供給及びノズルからの燃焼ガスの排出を行う蓄熱式バーナに関する。更に詳述すると、本発明は、蓄熱式バーナのノズルの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、加熱炉や熱処理炉などの工業炉の熱源として、蓄熱体を通してノズルへの燃焼用空気の供給及びノズルからの燃焼ガスの排出を行う蓄熱式バーナが使用されている。この蓄熱式バーナを備えた加熱炉では、バーナが対向して配置される場合が多く、例えば図７に示す加熱炉１０１では、一の炉壁１０１ａとこれに向き合う他の炉壁１０１ｂとに互いに向き合うバーナ１０２が備えられ、これら各バーナ１０２，１０２を交互に燃焼させるようにしている。そして、各バーナ１０２は、燃焼用空気の噴出と排ガスの吸引とを切り換えて行う単一の燃焼用空気兼炉内高温排ガス吸引ノズル（本明細書では単にノズルと略称する）１０３とこれに連結ないし内装される１個の図示しない蓄熱体１１１とをそれぞれ備えている。蓄熱体１１１は通常ケーシング１１０に収容されて燃焼用空気ノズル１０３に連結されている。しかし、場合によっては燃焼用空気ノズルの後端部分そのものを大型化して蓄熱体を内装することもある。また、各バーナ１０２には、燃焼用空気の供給系１０４と燃焼ガスの排気系１０５と燃料の供給系１０６とがそれぞれ切換弁１０７，１０８，１０９を介して接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した図７に示す蓄熱式バーナ１０２では、バーナ配置がバーナの蓄熱体ケーシング１１０の外形（あるいは蓄熱体を内装した状態のエアスロート外形）で規制されることから、燃焼用空気ノズル１０３の間隔はバーナ外形以上としなければならず、バーナ外形寸法未満の細かな配列で炉に配置することが困難である。しかも、ノズル１０３毎に蓄熱体１１１と燃焼用空気の供給系１０４及び燃焼ガスの排気系１０５の各切換弁１０７，１０８とが設けられているので、部品点数が多くなり設備費が高くついてしまう。
【０００４】
また、隣接する蓄熱バーナ間で燃焼容量を変化させたい場合は、燃焼容量の異なるバーナを配置しなければならず、設備（工業炉）の大型化が避けられなかった。例えば、水平に載置された鋼材等の被加熱物を上下から異なる燃焼量で加熱する上下２帯式加熱炉では、上部帯を加熱する蓄熱式バーナと下部帯を加熱する蓄熱式バーナとで燃焼量の異なるバーナがそれぞれ備えられている。そして、上下の各帯の蓄熱式バーナを別個に操作して加熱温度等の制御が行われる。この場合、燃焼量の異なるバーナを配置しているので、その分だけ部品点数が多くなり設備費が高くなってしまう。さらに、被加熱物は下部をウォーキングビームにより支えられているが、このウォーキングビームは周囲が高温でも強度を維持できるように内部に冷却水が流されている。このため、下部帯の熱負荷は上部帯よりもウォーキングビームの冷却水による熱損失分だけ大きくなるので、燃焼負荷に対する加熱温度の制御を各帯で別個に行わなければならず、設備の複雑化による設備費の増大を招いている。
【０００５】
そこで、本発明は、ノズルの設置位置の自由度が大きく、しかも設備費が安価な蓄熱式バーナを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１の発明は、燃焼用空気の噴出と排ガスの吸引とを切り換えて行うノズル（燃焼用空気兼炉内高温排ガス吸引ノズル）と該ノズルを流通する空気が流通される蓄熱体とを備え、蓄熱体を通してノズルへの燃焼用空気の供給及びノズルからの燃焼ガスの排出を行う蓄熱式バーナにおいて、蓄熱体に対して該蓄熱体の数より多い数のノズルが設けられ、前記蓄熱体に対して該蓄熱体の数より多い数の前記ノズルが設けられ、前記蓄熱体とそれよりも数の多い前記ノズルとの間にヘッダが備えられると共に、各ノズルの近傍に燃料を噴出する燃料噴出ノズルが炉内に突出しないように露出されて配置され、所定の空気比となるように前記各ノズル毎に噴出される燃焼用空気とこれに対応する前記各燃料噴出ノズルから噴出される燃料量とが設定され、かつ前記ノズルは、それぞれ開口面積が異なると共にこのノズルの開口面積に対応させて燃料ノズルからの燃料噴射量を変え、燃焼容量のみが異なる火炎を形成するものである。
【０００７】
この場合、蓄熱体に対して該蓄熱体の数より多い数の燃焼用空気ノズルを配置すること、例えば、蓄熱体１個に対して、燃焼用空気ノズルの数を複数個配置することによって、一つのバーナで複数個のバーナの火炎発生機能を有することが可能となる。したがって、１つのウインドボックスに複数のノズルを設置でき、多数のノズルをウインドボックスの幅よりも狭い間隔で連続して設けることができる。これにより、ノズルの設置位置の自由度が向上される。また、１つの蓄熱体や燃焼用空気の噴出及び排ガスの吸引を切り換える切換弁を複数のノズルにより共用できるので、部品点数の減少により設備費が安価になる。尚、本明細書において「１つの蓄熱体」とは、ウインドボックスあるいはウインドボックスに接続されるケース内に充填された単一あるいは一群の蓄熱体を意味し、前述のウインドボックス等の流路断面の一部分を占める一片の蓄熱体ブロックを指すものではない。
【０００８】
しかも、蓄熱体と該蓄熱体の数より多い数の燃焼用空気ノズルとの間にヘッダ、特に通過流体の流路断面積が燃焼用空気ノズルの断面積合計よりも大きいヘッダを配置することによって、各ノズル前の空気噴出圧力および高温ガス吸引圧力が各ノズル間での差がなく均圧化されるので、ノズル噴出空気流速、排ガス吸引流速が各ノズルで等しくなり、噴出量、吸引量がノズル断面積に比例することとなる。したがって、それぞれ開口面積が異なるノズルを備え、このノズル断面積の増減とこのノズルに対応させて燃料ノズルからの燃料噴射量を変えることによって単一のバーナ内での燃焼容量を可変とすることが可能となる。即ち、共用の例えば１つの蓄熱体や燃焼用空気の噴出及び排ガスの吸引を切り換える切換弁を使用しても、ノズル毎に燃焼用空気および燃料の噴き出し量が異なったものとなるため、隣り合うノズルの加熱量を異にすることができる。つまり、燃焼容量のみが異なる火炎を形成する。
【０００９】
また、請求項２の蓄熱式バーナは、ノズル並びに前記燃料噴出ノズルを被加熱物の上方と下方とに火炎が生ずるよう配置して、独立した２つの火炎を上下別個に形成させるようにしている。したがって、上下２帯式加熱炉であっても上方及び下方の複数のノズルにより該ノズルの数より少ない数の蓄熱体や切換弁を共用できるので、部品点数の減少により設備費が安価になる。
【００１０】
さらに、請求項３の蓄熱式バーナは、ノズルのうち少なくとも１つは炉壁に対して斜めに燃焼用空気を噴出するよう設けられ、一つのバーナから複数個のノズルで斜めに燃焼空気を噴出させ、独立した２つの火炎を形成させるようにしている。したがって、このノズルからの火炎は炉壁に対して斜めに形成されるので、ノズルの設置範囲よりも広い範囲で火炎が形成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
図２に示すように、本実施形態の加熱炉１は対向する蓄熱式バーナ２を２組備えている。各組の蓄熱式バーナ２は、搬送帯（図示省略）上の被加熱物の両側方に配置されて蓄熱型交番燃焼バーナシステムを構成し、被加熱物に沿って水平火炎が形成されるように設けられている。
【００１３】
図１に示すように、各蓄熱式バーナ２は、蓄熱体３と該蓄熱体３の数より多い数のノズル４とヘッダ１６とを備えている。具体的には、１つの蓄熱体３に対し３本のノズル４，４，４を備えている。ヘッダ１６はノズル４と蓄熱体３との間に設置され、蓄熱体３から各ノズル４に燃焼用空気を分配すると共に各ノズル４から蓄熱体３に燃焼ガスをまとめて送り込むものとされている。
【００１４】
蓄熱体３とノズル４とヘッダ１６とは、ウインドボックス５の各部分に設けられている。ウインドボックス５の上部の垂直面５ａは炉内６に露出されている。この垂直な露出面５ａに３つの等しい開口面積の透孔が横並びに形成されて、ノズル４を構成している。そして、蓄熱体３は、ウインドボックス５の中央部に収容されている。蓄熱体３としては比較的圧力損失が低いわりに熱容量が大きく耐久性の高い材料例えばファインセラミックスで成形されたハニカム状筒体の使用が好ましいが、特にこれに限定されるものではなく他の材料あるいは構造から成る蓄熱体３を使用しても良い。通常、蓄熱体３は、ファインセラミックス製の小形のハニカム状筒体を必要量だけ組み合わせたものが使用されるが、場合によってはウインドボックス５内に収まる大きさの単一の大形ブロックを使用することも可能である。
【００１５】
また、各ノズル４と蓄熱体３との間のウインドボックス５の部分は、ヘッダ１６を構成している。ここで、ヘッダ１６の流路断面積は各ノズル４の開口面積の合計よりも大きく設定されていることが好ましい。蓄熱体３と複数のノズル４，４，４との間の大きな空間（通過流体の流路断面積が燃焼用空気ノズルの断面積合計よりも大きい空間）、即ちヘッダ１６の配置によって、各ノズル４，４，４前の空気噴出圧力および高温ガス吸引圧力が各ノズル４，４，４間での差がなく均圧化される。したがって、ノズル噴出空気流速、排ガス吸引流速が各ノズル４，４，４で等しくなり、噴出量、吸引量がノズル断面積に比例することとなる。したがって、ノズル断面積の増減とこのノズルに対応させた燃料ノズルからの燃料噴射量の増減により、単一のバーナ内でも各ノズル４，４，４毎に燃焼量を変えることができる。即ち、共用の１つの蓄熱体３や燃焼用空気の噴出及び排ガスの吸引を切り換える切換弁９，１０を使用しても、ノズル４，４，４毎に燃焼用空気および燃料の噴き出し量を異ならせて加熱量を異にすることができる。
【００１６】
さらに、蓄熱体３の各ノズル４に連通する反対側には、ウインドボックス５に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給系７及び燃焼ガスを排出する燃焼ガス排気系８とが切換可能に接続されている。燃焼ガス排気系７と燃焼用空気供給系８とのそれぞれには、流通を断続可能な切換弁９，１０が取り付けられている。
【００１７】
ここで、蓄熱型交番燃焼バーナシステムは、その構造及び燃焼方式に特に限定を受けるものではなくどのような構造のものでも使用可能であるが、本実施形態においては、蓄熱体３とバーナ２とを一体化したものを２基組合せて交互に燃焼させ、燃焼させていない方のバーナ２及び蓄熱体３を通して排ガスを排出し得るように設けたものが使用されている。例えば、２基のバーナ２，２のそれぞれの蓄熱体３，３を経てウインドボックス５，５に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給系７及び燃焼ガスを排出する燃焼ガス排気系８とを各バーナ２に接続し、一方のバーナ２には蓄熱体３を通して燃焼用空気の供給を図ると共に他方のバーナ２からは蓄熱体３を通して燃焼ガスの排出を図るように設けられている。
【００１８】
そして、各系７，８は各切換弁９，１０によって選択的にいずれか一方のバーナ２のウインドボックス５に接続され、例えば押し込みファン１１によって供給される燃焼用空気が一方のウインドボックス５に供給されると同時に例えば誘引ファン１２によって燃焼ガスが他方のウインドボックス５から吸引され大気中に排出される。なお、本実施形態では各系７，８に切換弁９，１０を設けているが、これに限らず対向する１組のバーナ２と各系７，８とを四方弁により切換可能に連結しても構わない。
【００１９】
また、各ノズル４の近傍では、燃料噴出ノズル１３が炉内６に突出しないようにして露出されている。各燃料噴射ノズル１３は互いに接続されて、切換弁１４を介して燃料供給系１５に接続されている。この弁１４は蓄熱型交番燃焼バーナシステムのいずれか一方のバーナ２と燃料供給系１５とを選択的に接続する。尚、図示していないが、蓄熱型交番燃焼バーナシステムには、通常パイロットバーナやその点火用トランスなどの付帯設備が装備される。また、燃焼用空気供給ラインには必要に応じて蒸気あるいは水が注入可能に設けられ、燃焼用空気の予熱に伴うＮＯｘ抑制を図ることがある。
【００２０】
本実施形態の場合、蓄熱型交番燃焼バーナシステムは、１対のバーナ２，２を対向する炉壁１ａ，１ｂに設置し、相対向する２対のバーナ群即ち２システムの蓄熱型交番燃焼バーナシステムが装備されている。この場合、燃料及び燃焼用空気は一方のバーナ２に供給され、燃焼ガスは対向するバーナ２から排出される。即ち、一方の炉壁１ａのバーナ２を燃焼させるときには他方の炉壁１ｂのバーナ２を停止させ、停止中のバーナ２側から燃焼ガスを排気することによって蓄熱体３で燃焼ガスの排熱を回収し、その熱を燃焼用空気の予熱に利用することによって再び炉内６に還流させるようにしている。
【００２１】
本実施形態によれば、１つのウインドボックス５に３つのノズル４を水平方向に一列に形成しているので、隣り合うノズル４の配置の間隔をウインドボックス５の水平方向の幅よりも小さくすることができ、ノズル４の設置位置の自由度が向上する。このため、例えば特開平５−１１８７６４号に開示された連続加熱炉で炉内の温度分布を異ならせて加熱するゾーンコントロールを行う場合、炉内の温度分布の精度を向上させることができる。この時、ノズル４の開口面積の設定を変更することにより加熱量を変更して、炉内６の温度分布を設定することもできる。
【００２２】
また、本実施形態によれば、１つのバーナ２に３つのノズル４を形成しているので、３つのノズル４で蓄熱体３や各切換弁９，１０，１４を共用することができる。このため、加熱炉１の全体としてノズル４の数量を維持したまま、蓄熱体３や各切換弁９，１０，１４の設置数を減少させることができる。これにより、設備費を低減することができる。
【００２３】
ところで、ノズル４の数は蓄熱体３の数よりも多ければ良いので、本実施形態のように１つの蓄熱体３に対し３つのノズル４，４，４を配置するものに限られない。例えば、２つの蓄熱体に対し３つ以上のノズルを配置したり、３つの蓄熱体に対して４つ以上のノズルを配置することもできる。この場合も、ノズルの数量を維持したまま蓄熱体等の設置数を減少でき、設備費を低減することができる。
【００２４】
一方、本実施形態ではウインドボックス５に開口面積の等しい３つのノズル４を形成しているが、これに限られないのは勿論である。ノズル毎に開口面積を変えたり、上下に配置することも可能である。例えば、ある水平面よりも上方の位置と下方の位置とで燃焼量負荷にばらつきをあえて与えたい場合などには、図３に示すように、ウインドボックス５の縦長の露出面５ａの上下に大小２つのノズル４，４が縦並びに形成される。そして、下方に位置するノズル４の方が上方のノズル４よりも開口面積を大きくして形成されている。また、下側のノズル４の近傍の燃料噴出ノズル１３の開口面積は、上側のノズル４の近傍の燃料噴出ノズル１３の開口面積よりも大きくされている。同様に、各ノズル４，４の近傍に配置された燃料ノズル１３，１３の開口面積も、噴射空気量に応じて所定の空気比となるような燃料量が噴射される値が設定されている。
【００２５】
この図３に示す実施形態によれば、下方のノズル４による加熱量の方が上方のノズル４による加熱量よりも大きくなる。したがって、図５に示すように鋼板１７を被加熱物として上下のノズル４，４の間の高さに水平に設置した場合、鋼板１７の下方を上方よりも強く加熱することができる。これにより、鋼板１７を下方から支持するウォーキングビーム１８により鋼板の下方の熱負荷が大きくても炉内温度を均一化でき、鋼板１７を上下から同等の熱量で加熱することができる。
【００２６】
なお、この図３に示す実施形態によっても、加熱炉１の全体としてノズル４の数量を維持したまま蓄熱体３や各切換弁９，１０，１４の設置数を減少させることができるので、設備費を低減することができるのは勿論である。
【００２７】
また、図１及び図３に示す各実施形態では、各ノズル４を構成する透孔はウインドボックス５の露出面５ａに対して垂直に形成されているので火炎は炉壁１ａ，１ｂに対して垂直に形成されるが、露出面５ａに対して垂直な透孔に限られないのは勿論である。例えば、透孔が炉壁１ａ，１ｂ若しくは露出面５ａに対して斜めに形成されていても構わない。具体的には、図４に示すように炉壁１ａ，１ｂに縦並びの２つの透孔から成るノズル４，４を形成し、上側のノズル４は炉内６に向けて上向きに斜めに形成し、下側のノズル４は炉内６に向けて下向きに斜めに形成することができる。ここで、下側のノズル４は上側のノズル４よりも開口面積が大きく形成されている。また、下側のノズル４の近傍で炉内６に露出する燃料噴出ノズル１３の開口面積は、上側のノズル４の近傍で炉内６に露出する燃料噴出ノズル１３の開口面積よりも大きくされている。
したがって、各ノズル４，４から燃焼用空気が噴出されると、図５に示すように、上側のノズル４からは当該ノズル４よりも上側に火炎が形成され、下側のノズル４からは当該ノズル４よりも下側に火炎が形成される。このため、上下のノズル４，４の間と同じ高さに水平に配置された鋼板１７の上下に火炎を形成できる。これにより、ウインドボックス５の露出面５ａの上下方向の幅よりも火炎を広げて形成することができるので、ウインドボックス５の小型化を図ることができる。
【００２８】
さらに、燃料噴出ノズル１３は、図６に示すように、上下のノズル４，４の中間部分の１箇所のみに設けても構わない。この場合、燃料噴出ノズル１３の近くではフュエル・リッチ燃焼となり、還元性の燃焼ガスを形成する。このため、図５に示すように上下のノズル４，４の間と同じ高さに水平に配置された鋼板１７は、還元性の燃焼ガスに囲繞され、その酸化が抑制されながら加熱される。
【００２９】
これら図４及び図６に示す実施形態であっても、加熱炉１の全体としてノズル４の数量を維持したまま蓄熱体３や各切換弁９，１０，１４の設置数を減少させることができ、設備費を低減することができるのは勿論である。
【００３０】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、図４及び図６に示す実施形態ではノズル４の噴射方向を斜め上方と斜め下方としているが、場合によっては水平面内で被加熱面に対し傾斜する方向に噴射させるようにしても良い。
【００３１】
さらに、蓄熱体に対して該蓄熱体の数より多い数のノズルを配置する他の実施形態として、２つの蓄熱体に対し３以上のノズルを配置したり、３つの蓄熱体に対し４以上のノズルを配置することがある。これらの場合でも、１つの蓄熱体当たりに１を超えるノズルが配置されることになるので、ノズルの設置位置の自由度を向上できると共に部品点数の減少により設備費を安価にすることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明の請求項１は、多数のノズルをウインドボックスの幅よりも狭い間隔で連続して設けることができるので、ノズルの設置位置の自由度が向上される。しかも、狭い間隔でノズルを配置できるので、狭い範囲での温度ゾーンコントロールが可能となり、例えば連続加熱炉内でのゾーンコントロールを高精度に行うことができる。また、１つの蓄熱体や燃焼用空気の噴出及び排ガスの吸引を切り換える切換弁を複数のノズルにより共用できるので、部品点数の減少により設備費を安価にできる。さらに、ノズル断面積の増減とこのノズルに対応させて燃料ノズルからの燃料噴射量を変え、燃焼容量のみが異なる火炎を形成することによって単一のバーナ内での燃焼容量を可変とすることが可能となる。即ち、共用の例えば１つの蓄熱体や燃焼用空気の噴出及び排ガスの吸引を切り換える切換弁を使用しても、ノズル毎に燃焼用空気および燃料の噴き出し量が異なったものとなるため、隣り合うノズルの加熱量を異にすることができる。
【００３３】
また、請求項２の蓄熱式バーナは、ノズル並びに前記燃料噴出ノズルを被加熱物の上方と下方とに火炎が生ずるよう配置し、独立した２つの火炎を上下別個に形成させているので、上下２帯式加熱炉であっても上方及び下方の複数のノズルにより該ノズルの数より少ない数の蓄熱体や切換弁を共用でき、部品点数の減少により設備費を安価にすることができる。
【００３４】
また、請求項３の蓄熱式バーナは、ノズルのうち少なくとも１つは炉壁に対して斜めに燃焼用空気を噴出するよう設けられ、一つのバーナから複数個のノズルで斜めに燃焼空気を噴出させ、独立した２つの火炎を形成させるようにしているので、このノズルからの火炎は炉壁に対して斜めに形成され、ノズルの設置範囲よりも広い範囲で火炎を形成することができる。このため、火炎を形成させる範囲よりもノズルの設置範囲を小さくすることができるので、バーナの小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の蓄熱式バーナの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】  蓄熱式バーナを用いた加熱炉のバーナシステムの一例を示す概略図である。
【図３】  蓄熱式バーナの他の実施形態を示す斜視図である。
【図４】  蓄熱式バーナの別の実施形態を示す断面図である。
【図５】  蓄熱式バーナの別の実施形態を用いた加熱炉を示す概略図である。
【図６】  蓄熱式バーナのさらに他の実施形態を示す断面図である。
【図７】  従来の蓄熱式バーナを用いた加熱炉のバーナシステムの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１  加熱炉
２  蓄熱式バーナ
３  蓄熱体
４  ノズル
１６  ヘッダ
１７  鋼板（被加熱物）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003696351.tif 000007
【図７】
0003696351.tif 000008