(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナ個々に蓄熱体を有し、ある時間には炉内ガスを吸引してその顕熱を蓄熱体に蓄える蓄熱状態と、別の時間には蓄えた顕熱を燃焼用空気に与えて高温の予熱空気（一次空気）を得て燃焼する燃焼状態とを繰り返す蓄熱式バーナであって、
別系統に構成された一次燃料の供給口および二次燃料の供給口と、
一次燃料供給口は前記蓄熱体を通過した一次空気が噴出する一次ノズル内に開口し、
二次燃料供給口は前記一次ノズルとほぼ平行に設けられた二次ノズル内に開口し、
前記二次ノズル内に二次空気を供給する二次空気供給口と、
を備えたことを特徴とする蓄熱式バーナ。
【請求項２】
バーナ個々に蓄熱体を有し、ある時間には炉内ガスを吸引してその顕熱を蓄熱体に蓄える蓄熱状態と、別の時間には蓄えた顕熱を燃焼用空気に与えて高温の予熱空気（一次空気）を得て燃焼する燃焼状態とを繰り返す蓄熱式バーナであって、
燃焼状態にあっては、燃料を一次燃料と二次燃料に分けて供給し、
一次燃料と一次空気とは空気比２以上の空気過剰条件で一次ノズル内で混合させながら一次火炎を形成し、
二次燃料と二次空気とは前記蓄熱体を経由せずに前記一次空気とは異なる系統から供給するとともに、空気比０．５以下の燃料過剰条件で二次ノズル内で混合させて二次火炎を形成することを特徴とする蓄熱式バーナの燃焼方法。
【請求項３】
蓄熱状態において、一次空気の温度が燃料の自己着火温度以上であるときは、燃焼状態のとき、一次燃料の供給を停止し、かつ、二次燃料と二次空気とを空気比０．５以下の燃料過剰条件で二次ノズル内で混合させて二次火炎を形成し、更に二次火炎と一次空気との拡散混合により燃料を完全燃焼させることを特徴とする請求項２記載の蓄熱式バーナの燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として工業用加熱炉に用いる蓄熱式バーナおよびその燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蓄熱式バーナは、バーナ個々に蓄熱体を有し、燃焼中は、蓄熱体を通過して予熱された高温の燃焼用空気を用いて燃焼し、蓄熱中は、蓄熱体に炉内ガスを通過させて、これを加熱して熱を蓄える動作を繰り返すものである。燃料と燃焼用空気を同一のノズル内に供給して燃焼させた場合には、燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度が非常に高くなる問題が発生する。そこで、従来から低ＮＯｘ燃焼を行うため、燃料を一次燃料と二次燃料に分けて供給し、一次燃料と燃焼用空気とは一次ノズル内で混合させなながら一次火炎を形成し、二次燃料は一次火炎内に残存する酸素により炉内で緩慢燃焼させ二次火炎を形成する蓄熱式バーナが提案されている。このような蓄熱式バーナには、例えば、特許公報第２６８３５４５号に開示される技術がある。この技術では、燃焼空気供給口と燃料供給口とを距離を持たせて各々独立して炉内に開口させ、空気供給口内には、低温時用燃料供給口を内蔵する構成となっている。炉内温度が燃料の自己着火温度以下の低温時においては、前記空気供給口から燃焼用空気を噴出すると同時に、燃料は前記低温時用燃料供給口からのみ噴出させて燃焼させる。炉内温度が燃料の自己着火温度以上の高温に達したときには、前記低温時用燃料供給口からの燃料の供給を停止して、燃料供給口からのみ燃料を噴射して、炉内において再循環流を形成しながら燃焼させる燃焼方法である。
この方法によれば、酸素濃度の低い場での燃焼となり、また、炉内での緩慢燃焼により局部高温のない火炎となり、ＮＯｘ低減効果が得られるとしている。
【０００３】
他には、本出願人による特開平６−１５９６１３号公報に開示される技術がある。この技術では、燃焼用空気をバーナスロートにほぼ全量供給するとともに、バーナスロート内で燃焼用空気の流れの周りから燃焼用空気に向けて一次燃料を噴射して燃焼用空気の流れの周りに一次火炎を形成する一方、この一次火炎の外側でかつバーナスロートとほぼ平行に二次燃料を炉内に直接噴射する。一次燃焼ガスと燃焼用空気とが混合した高温の低酸素空気と二次燃料の炉内における混合を緩慢なものとした燃焼方法である。また、この方法では、炉温が低いときは一次燃料割合を多くし、炉温が高いときは二次燃料割合を多くする。
この方法によれば、一次燃料を超空気過剰状態で燃焼させた後、この一次火炎中のＮＯｘを二次燃料で還元し、更にその後炉内において高温の燃焼用空気と二次燃料とを緩慢に混合させて二次燃焼を起こさせることができる。一次火炎は超空気過剰状態での燃焼のためＮＯｘの発生が抑制される上に、二次燃料による還元作用によって更にＮＯｘが低減される。また、二次燃料は高温の燃焼用空気とで安定して緩慢燃焼するため、ＮＯｘの発生が抑制されるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許公報第２６８３５４５号に開示される技術（以下、従来技術１という）においては、炉内温度が燃料の自己着火温度以上となる通常運転時にて、燃料は空気供給口とは別の燃料供給口から炉内に直接供給される。そのため、燃料と燃焼用空気が炉内で混合し燃焼を開始するのは、バーナから離れた位置とならざるを得ない。表１に示す組成の燃料ガスと１０００℃の燃焼空気を用い、従来技術１に類似した蓄熱式バーナを試験的に製作して燃焼実験を行い、火炎軸心上の温度分布を測定したのが図２である。この燃料ガスの組成は、日本国内の一貫製鉄所で多く使用される燃料ガスの標準的組成である。
【０００５】
【表１】
0003709775.tif 000002
【０００６】
このときの長さ方向の火炎温度分布は、図２中のＡ線のようになる。すなわち、燃料と燃焼用空気が混合するまでのバーナ近傍部約１ｍ以内においては温度が低い。バーナから約１ｍ以上離れた場所の温度はほぼ一定である。従って、従来技術１では、炉内において被加熱物がバーナ近傍に位置する場合には、バーナ近傍の火炎温度が低いことの影響を受け、被加熱物の加熱温度がバーナ近傍部分で低くなる。そのため、被加熱物を均一な温度に加熱することができない問題が生じる。また、炉内温度が燃料の自己着火温度以下の低温時においては、空気供給口から燃焼用空気を噴出すると同時に、燃料も燃焼用空気と直接混合させて燃焼させるため、炉内温度が燃料の自己着火温度に近づくにつれ、火炎の断熱火炎温度が上昇してＮＯｘの発生濃度が規制値を超えて上昇する問題が生じる。従って、従来技術１においては、均一加熱ができない問題と、炉温が燃料の自己着火温度近くでＮＯｘの発生濃度が増大する問題とが残されていた。
【０００７】
一方、前記特開平６−１５９６１３号公報に開示される技術（以下、従来技術２という）においては、炉内温度が燃料の自己着火温度以上となった場合においても一次火炎を形成していることにより、バーナ近傍の温度は従来技術１よりも高くなる。しかしながら、二次燃料が低温状態のまま炉内へ噴射されることにより、バーナ近傍の温度は依然として低い問題と、一次火炎の空気比が適正でないとＮＯｘ発生量が増加する問題があった。従って、従来技術２においても被加熱物を均一な温度に加熱することができない問題およびＮＯｘ発生量を確実に低減する問題は十分に解消できていない。
【０００８】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、バーナ近傍の火炎温度を従来技術よりも上昇せしめることにより、被加熱物がバーナ近傍に位置する場合においても、均一に加熱することを可能にすること、さらには、バーナ近傍の火炎温度を従来技術よりも上昇させつつも、ＮＯｘ発生量を抑制できる燃焼空気比の範囲を明確にして、低ＮＯｘ燃焼を確実に実現することを目的としたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る蓄熱式バーナは、バーナ個々に蓄熱体を有し、ある時間には炉内ガスを吸引してその顕熱を蓄熱体に蓄える蓄熱状態と、別の時間には蓄えた顕熱を燃焼用空気に与えて高温の予熱空気（一次空気）を得て燃焼する燃焼状態とを繰り返す蓄熱式バーナであって、
別系統に構成された一次燃料の供給口および二次燃料の供給口と、
一次燃料供給口は前記蓄熱体を通過した一次空気が噴出する一次ノズル内に開口し、
二次燃料供給口は前記一次ノズルとほぼ平行に設けられた二次ノズル内に開口し、
前記二次ノズル内に二次空気を供給する二次空気供給口と、
を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明に係る蓄熱式バーナの燃焼方法は、バーナ個々に蓄熱体を有し、ある時間には炉内ガスを吸引してその顕熱を蓄熱体に蓄える蓄熱状態と、別の時間には蓄えた顕熱を燃焼用空気に与えて高温の予熱空気（一次空気）を得て燃焼する燃焼状態とを繰り返す蓄熱式バーナであって、
燃焼状態にあっては、燃料を一次燃料と二次燃料に分けて供給し、
一次燃料と一次空気とは空気比２以上の空気過剰条件で一次ノズル内で混合させながら一次火炎を形成し、
二次燃料と二次空気とは前記蓄熱体を経由せずに前記一次空気とは異なる系統から供給するとともに、空気比０．５以下の燃料過剰条件で二次ノズル内で混合させて二次火炎を形成することを特徴とするものである。
【００１１】
また、蓄熱状態において、一次空気の温度が燃料の自己着火温度以上であるときは、燃焼状態のとき、一次燃料の供給を停止し、かつ、二次燃料と二次空気とを空気比０．５以下の燃料過剰条件で二次ノズル内で混合させて二次火炎を形成し、更に二次火炎と一次空気との拡散混合により燃料を完全燃焼させることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、空気比を上記のように限定した理由について図３により説明する。同図は、表１に示す組成の燃料ガスを、３０℃または１０００℃の空気と混合して燃焼させた場合における断熱火炎温度を、空気比の関係で計算して示したものである。この燃料ガスの組成は、日本国内の一貫製鉄所で多く使用される燃料ガスの標準的組成である。断熱火炎温度の計算方法は、水谷幸夫著、「燃焼光学」、森北出版株式会社（p51〜p67、1978年11月30日、第１版、第２刷）という文献によっている。
【００１３】
図３において、空気温度が３０℃での燃焼では、空気比が約１．０の条件で断熱火炎温度が約１９００℃と最高値になるが、発生するＮＯｘの濃度は、酸素濃度１１％換算値にて９０ｐｐｍ以下であり、環境基準値に対して問題のない範囲であることが本発明者らの実験により確かめられている。
ところが、空気温度が蓄熱式バーナで予想される予熱空気温度である１０００℃での燃焼では、空気比が約１．０の条件で断熱火炎温度が約２２００℃という高温になり、発生するＮＯｘの濃度は、酸素濃度１１％換算値にて２０００ｐｐｍ以上にもなり、環境基準値に対して著しく高い濃度になってしまうことが本発明者らの実験により確かめられている。これが蓄熱式バーナを工業炉で使用する上で大きな問題となっていた点である。
また、図３より、予熱空気温度が１０００℃であっても、空気比が０．５以下または２．０以上であれば、断熱火炎温度が１９００℃未満となり、低ＮＯｘ燃焼の可能性が示唆される。
【００１４】
前記の従来技術１や２では、いずれも、高温の予熱空気での燃焼においては、主たる燃料供給口と主たる燃焼空気供給口との物理的距離を離して、空気比１．０近傍での燃焼をさせない工夫をしているものであるが、具体的に適切な空気比の範囲を限定していないため、燃焼条件が不明確であるばかりでなく、操業条件によりＮＯｘ濃度が変動する問題もあった。
本発明では、燃料を一次、二次に分けて供給するに当たり、一次燃料は、空気比が２．０以上なるような空気過剰の条件で供給することで、断熱火炎温度が１９００℃未満で、かつ、従来バーナの火炎温度と同等の温度が得られることから、加熱能力としては十分であり、さらに、上記実験結果からＮＯｘ発生濃度が環境規制値上問題のない値となるものである。さらに、二次燃料についても、空気比が０．５以下となるような燃料過剰の条件で供給することで、断熱火炎温度が１９００℃未満で、かつ、従来バーナの火炎温度と同等の温度が得られることから、加熱能力としては十分であり、さらに、燃料過剰燃焼であるため、上記実験結果からＮＯｘ発生濃度が環境規制値上問題のない値となるものである。
また、未消費酸素を含む一次火炎と未燃燃料を含む二次火炎とは、炉内で炉内ガスと相互に拡散混合しながら完全燃焼するが、この場合は、低酸素濃度酸化剤、低濃度（低カロリーガス）燃料との拡散燃焼であるから、ＮＯｘ発生濃度が環境規制値上問題のない値となるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は本発明の蓄熱式バーナの概要を示す断面図である。図１において、１は加熱炉、２は被加熱物、３、４は蓄熱式バーナ、３ａ、４ａは蓄熱体、３ｂ、４ｂは一次ノズル、３ｃ、４ｃは一次燃料供給口、３ｄ、４ｄは二次ノズル、３ｅ、４ｅは二次燃料供給口、３ｆ、４ｆは二次空気供給口、３ｇ、４ｇは一次燃料遮断弁、３ｈ、４ｈは二次燃料遮断弁、３ｉ、４ｉは一次空気遮断弁、３ｊ、４ｊは二次空気遮断弁、３ｋ、４ｋは排ガス遮断弁である。
ここで、燃料は一次燃料と二次燃料に分けて別系統で供給する。一次燃料を供給する一次燃料供給口３ｃ、４ｃは、それぞれ蓄熱体３ａ、４ａを通過した高温の予熱空気（一次空気）が噴出する一次ノズル３ｂ、４ｂ内に開口させる。二次燃料を供給する二次燃料供給口３ｅ、４ｅは、それぞれ一次ノズル３ｂ、４ｂとほぼ平行に設けられた二次ノズル３ｄ、４ｄ内に開口し、さらに、二次空気を供給する二次空気供給口３ｆ、４ｆを同じ二次ノズル３ｄ、４ｄ内に開口させる。なお、二次ノズル３ｄ、４ｄは一次ノズル３ｂ、４ｂの外側に一つの蓄熱式バーナ毎に複数設けることもできる。
また、上記のような蓄熱式バーナを備えた加熱炉の場合は、少なくとも一対、通常は複数対の蓄熱式バーナ３、４が加熱炉１に設置されている。蓄熱式バーナ３、４は、同一の構成であり、それぞれ燃焼作用と蓄熱作用を一定時間毎に交互に繰り返すものである。
【００１６】
この実施形態の動作を一方の蓄熱式バーナ３について説明する。他方の蓄熱式バーナ４の動作も同様である。
蓄熱式バーナ３が燃焼状態にあるときには、燃料を一次燃料と二次燃料に分けてそれぞれ一次燃料供給口３ｃ、二次燃料供給口３ｅより供給する。一次燃料は、一次ノズル３ｂに供給される蓄熱体３ａを通過した高温の予熱空気（一次空気）と一次ノズル３ｂ内で合流するように一次燃料供給口ｃより噴射する。この一次空気と一次燃料とは、一次ノズル３ｂから炉内へ噴射され、一次火炎ａを形成する。このとき、一次燃料を空気比２以上の空気過剰条件で供給すると、図３に示す如く断熱火炎温度の上昇が小さく、従ってＮＯｘの発生が抑制される。また、一次火炎ａには未消費の酸素が含まれている。一方、一次火炎ａの外側から一次ノズル３ｂとほぼ平行に二次次燃料と二次空気を二次ノズル３ｄから噴出する。この二次燃料と二次空気は二次火炎ｂを形成する。このとき、二次燃料を空気比０．５以下の燃料過剰条件で供給すると、図３に示す如く断熱火炎温度の上昇が小さく、従ってＮＯｘの発生が抑制される。また、二次火炎ｂには未燃燃料が含まれている。
【００１７】
この二次火炎ｂ中の未燃燃料は、一次火炎ａ中の未消費の酸素と炉内で拡散混合しながら緩慢に混合され、緩慢燃焼して三次火炎ｃを形成する。このとき、一次火炎ａから供給される酸素の濃度が炉内ガスとの拡散混合により希釈されてから三次火炎ｃを形成する。一方、二次火炎ｂから供給される未燃燃料の濃度が炉内ガスとの拡散混合により希釈されてから三次火炎ｃを形成する。そのため、三次火炎ｃは希釈燃焼となることから、図３に示す如く断熱火炎温度の上昇が小さく、従ってＮＯｘの発生が抑制される。
また、一次火炎ａは一次ノズル３ｂから炉内に噴出するので、バーナ近傍の温度低下を抑制でき、二次火炎ｂも二次ノズル３ｄから炉内に噴出するため、バーナ近傍の温度低下を抑制できる。
このように、この実施形態によれば、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、バーナ近傍の温度低下を抑制して被加熱物２を均一に加熱することができる。
【００１８】
また、蓄熱式バーナ３の蓄熱状態において、蓄熱体３ａを通過した高温の予熱空気である一次空気の温度が燃料の自己着火温度以上であるときには、燃焼状態のとき、一次燃料遮断弁３ｇを閉じて一次燃料の供給を停止し、かつ、二次燃料と二次空気を空気比０．５以下の燃料過剰条件で供給する。このとき、二次燃料の炉内への吐出位置に形成される二次火炎ｂと、一次ノズル３ｂより噴出する一次空気とは、炉内で拡散混合して容易に三次火炎ｃを形成することが可能であるので、上記と同様の効果が得られる。
【００１９】
以上の各実施形態に示す燃焼方法によれば、長手方向の火炎温度分布は、図２のＢ線で示すようになっている。同図からわかるように、バーナ近傍の約１ｍ以内においても温度が従来例Ａに比べて格段に高くなっている。また、バーナから１ｍ以上離れた場所での温度は従来例Ａと同様にほぼ一定となっている。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の蓄熱式バーナおよびその燃焼方法を使用すれば、蓄熱式バーナの長さ方向の火炎温度分布について、バーナ近傍においても十分な温度を確保することができる。このことはまた、長さ方向の火炎温度分布の均一性を向上させることが可能となるものである。それ故、被加熱物をバーナ近傍に配置した場合でも、被加熱物を均一な温度に加熱することができる。また、ＮＯｘ発生濃度も環境規制値上問題のない範囲となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蓄熱式バーナの概要を示す断面図である。
【図２】バーナの長手方向の火炎温度分布の比較図である。
【図３】空気温度３０℃、燃料温度３０℃、および空気温度１０００℃、燃料温度３０℃における空気比と断熱火炎温度の関係を示す図である。
【符号の説明】
１  加熱炉
２  被加熱物
３、４  蓄熱式バーナ
３ａ、４ａ  蓄熱体
３ｂ、４ｂ  一次ノズル
３ｃ、４ｃ  一次燃料供給口
３ｄ、４ｄ  二次ノズル
３ｅ、４ｅ  二次燃料供給口
３ｆ、４ｆ  二次空気供給口
３ｇ、４ｇ  一次燃料遮断弁
３ｈ、４ｈ  二次燃料遮断弁
３ｉ、４ｉ  一次空気遮断弁
３ｊ、４ｊ  二次空気遮断弁
３ｋ、４ｋ  排ガス遮断弁
【図１】
0003709775.tif 000003
【図２】
0003709775.tif 000004
【図３】
0003709775.tif 000005