(57)【要約】【課題】熱処理操業中に、個々のラジアントチューブの燃焼を停止することなく、ラジアントチューブのみならずレキュペレータの損傷をも診断可能とする。【解決手段】ラジアントチューブ１からの輻射熱により被処理材を加熱する間接加熱式熱処理炉におけるラジアントチューブ１とレキュペレータ３の損傷を診断する方法である。熱処理炉の操業中に各々のラジアントチューブ１から排出される排ガスを採取する。採取した排ガス中のO2濃度とCO2濃度の関係が、燃料組成から理論的に算出される関係と乖離しているか否かに基づいてラジアントチューブとレキュペレータの損傷を診断する。【効果】熱処理操業中に、個々のラジアントチューブの燃焼を停止することなく、ラジアントチューブやレキュペレータの損傷を診断することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラジアントチューブからの輻射熱により被処理材を加熱する間接加熱式熱処理炉におけるラジアントチューブとレキュペレータの損傷を診断する方法であって、
前記熱処理炉の操業中に各々のラジアントチューブから排出される燃焼排ガスを採取し、採取した燃焼排ガス中のO2濃度とCO2濃度の関係が、燃料組成から理論的に算出される関係と乖離しているか否かに基づいてラジアントチューブとレキュペレータの損傷を診断することを特徴とするラジアントチューブ・レキュペレータの損傷診断方法。
【請求項２】
前記採取した燃焼排ガス中のO2濃度とCO2濃度の関係と、燃料組成から理論的に算出される関係とが乖離している場合、
採取した燃焼排ガス中のO2濃度と、COとCO2の濃度総和の関係が、燃料組成から理論的に算出されるCO2濃度よりも低い場合は、ラジアントチューブの損傷と判断し、
採取した燃焼排ガス中のO2濃度と、COとCO2の濃度総和の関係が、燃料組成から理論的に算出されるCO2濃度よりも高い場合は、レキュペレータの損傷と判断すること特徴とする請求項１に記載のラジアントチューブ・レキュペレータの損傷診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板等の被処理材の酸化を防止するために炉内雰囲気を窒素ガス或いは窒素と水素の混合ガスとし、ラジアントチューブからの輻射熱により前記被処理材を間接的に加熱処理する間接式熱処理炉におけるラジアントチューブとレキュペレータの損傷を診断する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炉内に挿入したラジアントチューブで被処理材を間接的に加熱する間接加熱炉では、ラジアントチューブ内の比較的狭い空間で燃料を燃焼するため、ラジアントチューブの熱負荷が大きく、材質等を工夫しても経年的な損傷をまぬがれえない。
【０００３】
前記ラジアントチューブ１は、図３に示すように、一端にバーナ２を、他端に熱交換器（以下、レキュペレータという）３を接続している。そして、バーナ２には天然ガス、ＬＰＧ、コークス炉ガス等の燃料と、ラジアントチューブ１内を通ってきたバーナ２の燃焼排ガス（以下、単に排ガスという。）とレキュペレータ３で熱交換した後の燃焼用空気を送るようになっている。燃焼用空気と熱交換した排ガスは、排ガス煙道４を通って、排出される。なお、図中の５は必要時に取り付ける温度計・圧力計等の設置部を示す。
【０００４】
このようなラジアントチューブの損傷の一般的な診断は、熱処理炉の運転を停止した後に炉内を冷却して炉内を空気に置換した後、作業者が炉内に入って目視で確認することにより行っている。
【０００５】
しかしながら、通常、間接加熱炉に設置されるラジアントチューブは多本数で、炉内スペースが狭いので、作業者による目視診断では工数が多くなって損傷の見落としが発生する頻度が高くなる。
【０００６】
また、レキュペレータは、通常、ラジアントチューブの内部に設置されているので、その損傷を目視で確認するにはラジアントチューブから取り外さなければならない。
【０００７】
そこで、ラジアントチューブの損傷を診断する方法として、略密閉状態に保持したラジアントチューブ内のガス組成からラジアントチューブの損傷程度を診断する技術が特許文献１で提案されている。
【０００８】
しかしながら、特許文献１で提案された技術の場合、診断対象となるラジアントチューブの燃焼を停止する必要があるので、以下の問題がある。
【０００９】
1) 燃焼を停止したラジアントチューブを通過する被処理材は加熱されないことになるので、熱処理品質上問題にならない条件の場合しか適用することができない。
【００１０】
2) 通常、ラジアントチューブによる間接加熱炉では、ひとつの制御系で複数のラジアントチューブを燃焼制御する場合が多いので、そのうちの一つの燃焼を停止しても問題ない燃焼機器及び制御系のみにしか適用することができない。
【００１１】
また、特許文献１で提案された技術は、上述した条件の下で、ラジアントチューブの損傷のみ診断することが可能で、レキュペレータについての損傷の診断は対象外である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平０８‐３０２４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が解決しようとする問題点は、従来の間接式熱処理炉におけるラジアントチューブの損傷診断方法は、一定の条件の下での損傷のみ診断することが可能で、レキュペレータの損傷についての診断は対象外であるという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、
熱処理操業中に、個々のラジアントチューブの燃焼を停止することなく、ラジアントチューブのみならずレキュペレータの損傷をも診断可能とするために、
ラジアントチューブからの輻射熱により被処理材を加熱する間接加熱式熱処理炉におけるラジアントチューブとレキュペレータの損傷を診断する方法であって、
前記熱処理炉の操業中に各々のラジアントチューブから排出される排ガスを採取し、採取した排ガス中のO2濃度とCO2濃度の関係が、燃料組成から理論的に算出される関係と乖離しているか否かに基づいてラジアントチューブとレキュペレータの損傷を診断することを最も主要な特徴としている。
【００１５】
上記構成の本発明では、採取した排ガス中のO2濃度とCO2濃度の関係と、燃料組成から理論的に算出される関係との乖離の態様により、ラジアントチューブやレキュペレータの損傷を診断することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、熱処理操業中に、個々のラジアントチューブの燃焼を停止することなく、ラジアントチューブやレキュペレータの損傷を診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】採取したラジアントチューブから排出される排ガス中のO2濃度とCO2濃度の関係の一例を示した図である。
【図２】採取したラジアントチューブから排出される排ガス中のO2濃度と、COとCO2の濃度総和の関係の一例を示した図である。
【図３】本発明方法による損傷診断の対象となるラジアントチューブを説明する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、熱処理操業中に、個々のラジアントチューブの燃焼を停止することなく、ラジアントチューブのみならずレキュペレータの損傷をも診断可能とするという目的を、採取した排ガス中のO2濃度とCO2濃度の関係と、燃料組成から理論的に算出される関係との乖離の態様により診断することで実現した。
【００１９】
以下、本発明を成立するに際しての新しい着想から課題解決に至る過程を説明する。
Ａ）燃料を完全燃焼した場合、排ガス中のO2濃度とCO2濃度の関係は、使用する燃料の組成から理論的に一次式として算出される。
【００２０】
例えば天然ガスの主原料であるメタン（CH4）を完全燃焼した場合の燃焼反応式は、
CH4＋２O2→CO2＋２H2O
のようになる。
【００２１】
この燃焼では、空気の成分をO2：N2＝０．２１：０．７９とすると、理論空燃比は、２／０．２１≒９．５となる。
【００２２】
燃焼の理想は空気比（実際の空燃比／理論空燃比９．５）m＝１であるが、実際には空気と燃料を完全に混合できるわけではないので、現実に完全燃焼させるためには、空気比mを１より大きくすることになる。
【００２３】
今、１[m3]のメタンを空気比mで完全燃焼させた場合、排出される排ガスの各成分を計算すると以下のようになる。
CO2：１[m3]
O2：２×（m−１）[m3]
N2：２×（７９／２１）×m  [m3]
H2O：２[m3]
【００２４】
排ガスの成分分析は、水分を除去した乾き排ガスを対象にして行うので、CO2、O2の排ガス中の濃度は以下のようになる。
CO2濃度：１／｛１＋２×（m−１）＋２×（７９／２１）×m｝
O2濃度：｛２×（m−１）｝／｛１＋２×（m−１）＋２×（７９／２１）×m｝
【００２５】
上記CO2濃度とO2濃度を求める式から空気比mを消去すると、両者の関係は以下のようになる。
O2濃度=０．２１−１．７９×CO2濃度    …(1)
【００２６】
ＬＰＧやコークス炉ガス等の他の燃料についても、その組成に応じて完全燃焼した場合の排ガス中のO2濃度とCO2濃度との関係は、上記と同様の一次式で表現される。但し、定数は組成によって異なることは言うまでもない。
【００２７】
つまり、上記(1)式より、健全なラジアントチューブの場合、完全燃焼をしているときは、空気比mが変化してもCO2濃度は燃料組成から算出されるO2濃度との関係を保って変化することが分かる。
【００２８】
Ｂ）ラジアントチューブの内部は炉内よりも圧力が低いので、ラジアントチューブが損傷した場合、炉内雰囲気ガスがラジアントチューブ内に吸い込まれ、上記理論関係から外れることになる。
【００２９】
例えば、ラジアントチューブが損傷した場合、炉内の雰囲気ガス中の水素、窒素などがラジアントチューブの損傷開口部からラジアントチューブ内へ流入するので、CO2濃度は燃料組成から理論的に算出されるO2濃度との関係よりも低くなる。
【００３０】
これは、ラジアントチューブ内へ流入した水素がラジアントチューブ内に残存する酸素によって燃焼すると、ラジアントチューブ内に残存するO2濃度が減り、かつ、流入した窒素で残存するCO2濃度も減るためである。
【００３１】
その際、ラジアントチューブの損傷開口部が大きく、ラジアントチューブ内へ流入する水素量が増加した場合は、燃料中に含まれる炭化水素よりも燃焼速度の速い水素の燃焼に、本来燃料を完全燃焼させるために混合された燃焼用空気中の酸素が優先的に消費される。従って、いわゆる酸素不足となって燃料の一部が不完全燃焼し、排ガス中にCOが発生する場合がある。
【００３２】
排ガス中にCOが発生すると、CO2とCOの濃度総和が燃料組成から算出されるO2濃度との関係よりも大きい値となるように作用するが、実際には、窒素の流入があるために燃料組成から算出されるO2濃度との関係よりも低くなる。
【００３３】
つまり、ラジアントチューブが損傷した場合は、開口部の大きさによりCOが発生する場合としない場合があるが、どちらの場合も排ガス中のO2濃度或いはCO2とCOの濃度総和は燃料組成から理論的に算出されるO2濃度よりも低くなる。
【００３４】
Ｃ）燃焼用空気を排ガスと間接接触させて予熱するレキュペレータが損傷した場合、レキュペレータ内の燃焼用空気側よりも圧力が低い排ガス側に燃焼用空気が漏出して上記理論関係から外れると共に、COが発生する。
【００３５】
レキュペレータが損傷している場合、上記のように圧力の関係で燃焼用空気の一部がレキュペレータ損傷部から排ガス煙道へ直接流出するので、燃焼用空気がバーナに十分供給されないことになる。この現象は、レキュペレータがラジアントチューブの内部に設置されていても、ラジアントチューブに併設されていても同じである。
【００３６】
エネルギーの使用の合理化に関する法律では、適正空気比で燃焼すべきことを定めているので、上記の結果、バーナは不完全燃焼を起こし、排ガス中にCOとO2、CO2が共存することになる。この場合、排ガス中のCO2濃度とO2濃度との関係はラジアントチューブが損傷した場合と同様の結果となるが、CO2とCOの濃度総和とO2濃度の関係では、燃料組成から理論的に算出されるO2濃度との関係よりも高い値となる。
【００３７】
Ｄ）ラジアントチューブ、レキュペレータのどちらが損傷した場合においても、CO2濃度又はCO2とCOの濃度総和と、O2濃度の関係が燃料組成から理論的に算出されるO2濃度との関係から外れる度合いは、損傷・開口度合いに応じて大きくなる。
【００３８】
つまり、上述した理由により、発明者らは、燃焼を停止せずに排ガスを分析することによりO2、CO2、COの各濃度からラジアントチューブとレキュペレータの損傷の有無とその程度を判断することができることを知見した。
【００３９】
すなわち、本発明は発明者らの上記知見に基づいてなされたものであり、
ラジアントチューブからの輻射熱により被処理材を加熱する間接加熱式熱処理炉におけるラジアントチューブとレキュペレータの損傷を診断する方法であって、
前記熱処理炉の操業中に各々のラジアントチューブから排出される排ガスを採取し、採取した排ガス中のO2濃度とCO2濃度の関係が、燃料組成から理論的に算出される関係と乖離しているか否かに基づいてラジアントチューブとレキュペレータの損傷を診断することを特徴とするものである。
【００４０】
さらには、
前記排ガス中のO2濃度とCO2濃度の関係と、燃料組成から理論的に算出される関係とが乖離している場合、
排ガス中のO2濃度と、COとCO2の濃度総和の関係が、燃料組成から理論的に算出されるCO2濃度よりも低い場合は、ラジアントチューブの損傷と判断し、
排ガス中のO2濃度と、COとCO2の濃度総和の関係が、燃料組成から理論的に算出されるCO2濃度よりも高い場合は、レキュペレータの損傷と判断するのである。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明の効果を確認するために行った実施結果について説明する。
本発明方法の実施に際しては、図３に示すように、排ガス煙道４に設けた検出孔から排ガスの一部を採取して排ガス中のO2濃度、CO2濃度、CO濃度を測定する排ガス分析計６を設置する。
【００４２】
図１は前記排ガス分析計で各ラジアントチューブの排ガス中のO2濃度とCO2濃度を分析した結果を、横軸にO2濃度、縦軸にCO2濃度をとり整理したものである。
【００４３】
図１中の直線は燃料組成から算出したO2濃度とCO2濃度の関係を示したもの、▲印はラジアントチューブ毎の排ガス分析結果を示したものである。
【００４４】
ラジアントチューブのうち、イ、ロ、ハを付したラジアントチューブでは、CO2濃度が燃料組成から理論的に算出されるO2濃度との関係よりも低いので、ラジアントチューブまたはレキュペレータが損傷していると判断される。
【００４５】
図２は前記排ガス分析計で各ラジアントチューブの排ガス中のO2濃度、CO 濃度およびCO2濃度を分析した結果を、横軸にO2濃度、縦軸にCOとCO2の濃度総和をとり整理したものである。
【００４６】
図２中の直線は燃料組成から算出したO2濃度とCO2濃度の関係を示したもの、▲印はラジアントチューブ毎の排ガス分析結果を示したものである。
【００４７】
ラジアントチューブのうち、イを付したラジアントチューブは、COとCO2の濃度総和が燃料組成から理論的に算出されるO2濃度との関係よりも高いので、レキュペレータが損傷していると判断される。
【００４８】
また、ロ、ハを付したラジアントチューブは、COとCO2の濃度総和が燃料組成から理論的に算出されるO2濃度との関係よりも低いので、ラジアントチューブが損傷していると判断される。
【００４９】
上記図１及び図２の結果より、イを付したラジアントチューブはレキュペレータが損傷していると、またロ、ハを付したラジアントチューブはラジアントチューブが損傷していると判断した。
【００５０】
本実施後、対象熱処理炉を停機する機会に、イ、ロ、ハを付したラジアントチューブについて目視点検したところ、診断結果通りの損傷を発見し、予め交換品を準備していたため、早期に補修が完了した。
【００５１】
すなわち、本発明によれば、診断対象のラジアントチューブの燃焼を停止することなく、排ガス中のO2、CO2、COの各濃度の、燃料組成から算出される理論値との乖離の態様により、ラジアントチューブとレキュペレータのどちらが損傷したのかを診断することができる。
【００５２】
なお、図１、図２において、実際のデータで排ガス中のO2（＝空気比）に幅があるのは、特に狭い空間で燃焼するラジアントチューブを使用した間接加熱式熱処理炉では、燃焼機器の製作・取り付け誤差や劣化程度で空気と燃料の混合がうまくいかないものもあり、不完全燃焼をおこさないための適正空気比が異なるためである。
【００５３】
本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５４】
１    ラジアントチューブ
２    バーナ
３    レキュペレータ
６    排ガス分析計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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