(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを燃焼させることによって発生した燃焼排ガスを利用して被加熱体を加熱するラジアントチューブ炉の制御方法であって、
前記燃料ガスが燃焼する燃焼筒の温度を測定する燃焼筒温度測定ステップと、
前記燃焼筒温度測定ステップにおいて測定された燃焼筒の温度に基づいて該燃焼筒に供給される空気の流量を制御する制御ステップと、
前記燃焼排ガスの排熱を利用して燃焼筒内に供給される空気を予熱するレキュペレーターの表面温度を測定するレキュペレーター表面温度測定ステップと、
を含み、
前記制御ステップは、前記レキュペレーター表面温度測定ステップにおいて測定されたレキュペレーターの表面温度に基づいて前記燃焼筒に供給される空気の流量を制御するステップを含むことを特徴とするラジアントチューブ炉の制御方法。
【請求項２】
前記制御ステップは、前記燃焼筒の温度が目標温度より低い場合に該燃焼筒に供給される空気の流量を低下させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載のラジアントチューブ炉の制御方法。
【請求項３】
前記制御ステップは、前記燃焼筒の温度が目標温度より高い場合に該燃焼筒に供給される空気の流量を増加させるステップを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のラジアントチューブ炉の制御方法。
【請求項４】
燃料ガスを燃焼させることによって発生した燃焼排ガスを利用して被加熱体を加熱するラジアントチューブ炉の制御装置であって、
前記燃料ガスが燃焼する燃焼筒の温度を測定する測定手段と、
前記燃焼排ガスの排熱を利用して燃焼筒内に供給される空気を予熱するレキュペレーターの表面温度を測定するレキュペレーター表面温度測定手段と、
前記測定手段によって測定された燃焼筒の温度と前記レキュペレーター表面温度測定手段によって測定されたレキュペレーターの表面温度とに基づいて該燃焼筒に供給される空気の流量を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするラジアントチューブ炉の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスを燃焼させることによって発生した燃焼排ガスを利用して鋼板などの被加熱体を加熱するラジアントチューブ炉の制御方法および制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所では、コークス炉、高炉、転炉などの設備から副生ガスと呼ばれる副産物のガスが発生する。この副生ガスは、水素、一酸化炭素、メタンなどの燃料として利用可能な可燃成分のほかに、硫黄分などの不純物やダストを含んでいる。このため、副生ガスは、精製工程において不純物やダストを除去された後、加熱炉に設置されたバーナの燃料として利用される。
【０００３】
一般に、副生ガスの精製工程では、副生ガスに洗浄水を噴射することによって副生ガスに含まれているダストを除去する。このため、精製処理後の副生ガスは水分を多く含んでいる。水分を含む副生ガスが加熱炉のバーナに供給された場合、副生ガスに含まれる水分量によって実燃料ガス流量が減少するために、バーナに供給される燃焼空気量が過剰になり、バーナの燃焼効率が悪化する。
【０００４】
このような背景から、特許文献１には、燃料ガス中に含まれる水分量に応じて燃焼空気量を制御することによって燃焼効率の悪化を抑制する技術が記載されている。詳しくは、特許文献１記載の技術は、バーナが発生する火炎によって鋼板を加熱する直火型加熱炉において、燃焼排ガス中の酸素ガスや一酸化炭素ガスの濃度を燃料ガス中に含まれる水分量の指標として測定し、測定されたガス濃度に基づいてバーナに供給する燃焼空気量を制御する。
【０００５】
一方、燃料ガスを燃焼させることによって発生した燃焼排ガスを利用して鋼板を加熱するラジアントチューブ（ＲＴ）炉は、直火型加熱炉と比較して多くのバーナを備え、バーナ間の燃料ガス流量のばらつきが大きい。また、ラジアントチューブに割れがある場合には、ラジアントチューブ内に炉内の雰囲気ガスが吸引されることによって燃焼排ガスの濃度が変化する。このため、一般に、ラジアントチューブ炉では、酸素ガスや一酸化炭素ガスの濃度に基づいた燃焼空気量の制御は行わず、特許文献２〜４に記載されている制御が行われている。
【０００６】
具体的には、特許文献２には、目標の鋼板温度を確保するために炉温を制御する技術が記載されている。特許文献３には、ラジアントチューブの表面温度（以下、ＲＴ表面温度と表記）に基づいて各ゾーンにおける燃料ガス流量を制御する技術が記載されている。特許文献４には、燃料ガスや大気の温度から燃料ガス中の飽和水蒸気量を予測し、予測した飽和水蒸気量から実燃料ガス流量を算出することによって理論燃焼空気量を算出する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公平２−８２１３号公報
【特許文献２】特許第２８２３６４５号公報
【特許文献３】特開平８−３５０１５号公報
【特許文献４】特開２００９−６８７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２記載の技術は、炉温を支配するＲＴ表面温度の変動を測定していないために、ＲＴ表面温度が変化した後に炉温の変化を検知する。このため、特許文献２記載の技術によれば、炉温の制御に遅れが発生するために、ＲＴ表面温度の変動を抑制することができない。
【０００９】
また、特許文献３記載の技術は、ＲＴ表面温度の変化に大きく影響するバーナの火炎温度を瞬時に測定することができない。このため、特許文献３記載の技術によれば、火炎温度が変化した後にＲＴ表面温度の変化を検知することになるので、燃料ガス流量の制御に遅れが発生し、ＲＴ表面温度の変動を抑制することができない。
【００１０】
また、特許文献４記載の技術によれば、バーナに供給される空気中の水分の影響を考慮していないために、空気中の水分量が変動した際、火炎温度が変動し、ＲＴ表面温度の変動を抑制することができない。
【００１１】
以上をまとめると、特許文献２〜４記載の技術によれば、ＲＴ表面温度の変動を抑制することができず、結果として鋼板の温度を目標温度に精度よく加熱することができない。このため、ＲＴ表面温度の変動を抑制可能な技術の提供が期待されていた。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＲＴ表面温度の変動を抑制可能なラジアントチューブ炉の制御方法および制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るラジアントチューブ炉の制御方法は、燃料ガスを燃焼させることによって発生した燃焼排ガスを利用して被加熱体を加熱するラジアントチューブ炉の制御方法であって、前記燃料ガスが燃焼する燃焼筒の温度を測定する燃焼筒温度測定ステップと、前記燃焼筒温度測定ステップにおいて測定された燃焼筒の温度に基づいて該燃焼筒に供給される空気の流量を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係るラジアントチューブ炉の制御方法は、上記発明において、前記制御ステップが、前記燃焼筒の温度が目標温度より低い場合に該燃焼筒に供給される空気の流量を低下させるステップを含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係るラジアントチューブ炉の制御方法は、上記発明において、前記制御ステップが、前記燃焼筒の温度が目標温度より高い場合に該燃焼筒に供給される空気の流量を増加させるステップを含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るラジアントチューブ炉の制御方法は、上記発明において、前記燃焼排ガスの排熱を利用して燃焼筒内に供給される空気を予熱するレキュペレーターの表面温度を測定するレキュペレーター表面温度測定ステップを含み、前記制御ステップは、レキュペレーター表面温度測定ステップにおいて測定されたレキュペレーターの表面温度に基づいて前記燃焼筒に供給される空気の流量を制御するステップを含むことを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るラジアントチューブ炉の制御装置は、燃料ガスを燃焼させることによって発生した燃焼排ガスを利用して被加熱体を加熱するラジアントチューブ炉の制御装置であって、前記燃料ガスが燃焼する燃焼筒の温度を測定する測定手段と、前記測定手段によって測定された燃焼筒の温度に基づいて該燃焼筒に供給される空気の流量を制御する制御手段とを備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るラジアントチューブ炉の制御方法および制御装置によれば、ＲＴ表面温度の変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、火炎温度、燃焼筒温度、ＲＴ表面温度、炉温、および鋼板温度の関係を示す図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態である制御装置が適用されるラジアントチューブ炉の構成を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態である制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態である燃焼制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態である制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】図６は、第１および第２の実施形態の燃焼制御処理を実行した場合と実行しない場合とにおけるＲＴ表面温度の偏差を評価した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
〔本発明の概念〕
始めに、図１を参照して、本発明の概念について説明する。
【００２１】
図１は、火炎温度、燃焼筒温度、ＲＴ表面温度、炉温、および鋼板温度の関係を示す図である。図１に示すように、本発明の発明者の検討によれば、ＲＴ表面温度に影響を及ぼす火炎温度は、燃焼筒温度にも影響を及ぼすことを知見した。具体的には、燃料ガスや燃焼空気に水分が含まれている場合、その水分の影響によって火炎温度が低下するが、その際、燃焼筒温度も低下することを知見した。また、火炎温度の変化と共に燃焼筒温度は変化するが、ＲＴ表面温度および炉温には応答遅れが発生し、最終的にはその遅れの影響で鋼板温度にも応答遅れが発生することを知見した。以上のことから、本発明の発明者は、燃焼筒温度に基づいて燃焼空気量を制御することによってＲＴ表面温度の変動を抑制することを考えた。火炎温度ではなく燃焼筒温度に基づいて空気量を制御することとした理由は、火炎温度を測定するためには高価な測定装置が必要であるが、燃焼筒温度は安価な熱電対で測定できるためである。
【００２２】
以下、この考えに基づいて想到された本発明の一実施形態である制御装置の構成およびその動作について説明する。
【００２３】
〔ラジアントチューブ炉の構成〕
始めに、図２を参照して、本発明の一実施形態である制御装置が適用されるラジアントチューブ炉の構成について説明する。
【００２４】
図２は、本発明の一実施形態である制御装置が適用されるラジアントチューブ炉の構成を示す模式図である。図２に示すように、本発明の一実施形態である制御装置が適用されるラジアントチューブ炉は、鋼板Ｓの長さ方向に沿って配列された複数のラジアントチューブ１を備えている。但し、図２では、複数のラジアントチューブのうちの１つのみを図示している。ラジアントチューブ１は略Ｗ字状に湾曲した配管によって構成され、その両端部は加熱炉２の炉壁２ａの外部に位置するように固定されている。
【００２５】
ラジアントチューブ１の端部１ａおよび端部１ｂにはそれぞれバーナ３およびレキュペレーター４が装着されている。バーナ３は、パイロットバーナ３ａと、メインバーナ３ｂと、燃焼筒３ｃと、を備えている。パイロットバーナ３ａは、燃料ガスを供給する図示しない燃料ガス配管と、燃焼空気を供給する図示しない燃焼空気配管と、燃料ガス配管から供給された燃料ガスと燃焼空気配管から供給された燃焼空気との混合気体に点火して着火用の種火を生成する図示しない点火装置とを備えている。
【００２６】
メインバーナ３ｂは、燃焼筒３ｃ内に燃料ガスを供給する図示しない燃料ガス配管を備えている。燃焼筒３ｃ内に供給された燃料ガスと燃焼筒３ｃ内の燃焼空気との混合気体はパイロットバーナ３ａが生成した種火によって燃焼して火炎を形成する。ラジアントチューブ１の内部は燃焼筒３ｃ内の火炎による輝炎輻射および燃焼排ガスによる強制対流によって加熱され、ラジアントチューブ１の外表面から放射される放射熱によって加熱炉２の内部および鋼板Ｓが加熱される。
【００２７】
メインバーナ３ｂに供給される燃料ガスの流量は、メインバーナ３ｂと燃料ガスが流通する燃料ガス本管５とを繋ぐ配管６に設けられた流量調整弁７、遮断弁８、および開閉弁９の開度を制御することによって制御される。配管６には、燃料ガスの流量を測定するためのオリフィス流量計１０が設けられている。
【００２８】
レキュペレーター４は、煙道１１を介して燃焼筒３ｃから排出される燃焼排ガスの排熱を回収し、回収した排熱を利用してラジアントチューブ１の内部を通って燃焼筒３ｃ内に供給される空気を予熱する。燃焼排ガスの排熱を燃焼筒３ｃ内に供給される空気の予熱に利用することによって、ラジアントチューブ炉の熱効率を向上させることができる。煙道１１内を流通する燃焼排ガスは、排気圧力調整弁１２によってその圧力を調整した後、煙突１３を介して炉外に排出される。
【００２９】
レキュペレーター４に供給される空気の流量は、レキュペレーター４と燃焼空気が流通する燃焼空気本管１４とを繋ぐ配管１５に設けられた流量調整弁１６、遮断弁１７、および開閉弁１８の開度を制御することによって制御される。配管１５には、燃焼空気の流量を測定するためのオリフィス流量計１９が設けられている。
【００３０】
〔第１の実施形態〕
次に、図３，図４を参照して、本発明の第１の実施形態である制御装置の構成および動作について説明する。
【００３１】
〔制御装置の構成〕
図３は、本発明の第１の実施形態である制御装置の構成を示すブロック図である。図３に示すように、本発明の第１の実施形態である制御装置は、炉温測定部１０１、燃焼筒温度測定部１０２、および制御部１０３を備えている。燃焼筒温度測定部１０２および制御部１０３はそれぞれ、本発明に係る測定手段および制御手段として機能する。
【００３２】
炉温測定部１０１は、図２に示す加熱炉２内の温度を炉温として測定し、測定された炉温のデータを制御部１０３に入力する。燃焼筒温度測定部１０２は、熱電対によって構成されている。燃焼筒温度測定部１０２は、図２に示す燃焼筒３ｃの温度を測定し、測定された燃焼筒温度のデータを制御部１０３に入力する。
【００３３】
制御部１０３は、コンピュータなどの情報処理装置によって構成されている。制御部１０３は、炉温測定部１０１および燃焼筒温度測定部１０２から入力されたデータとオリフィス流量計１０，１９の測定値とに基づいて図２に示す流量調整弁７，１６の開度を制御することによって燃料ガスおよび燃焼空気の流量を制御する。
【００３４】
このような構成を有する制御装置は、以下に示す燃焼制御処理を実行することによって、ＲＴ表面温度の変動を抑制する。以下、図４に示すフローチャートを参照して、燃焼制御処理を実行する際の制御装置の動作について説明する。
【００３５】
〔燃焼制御処理〕
図４は、本発明の第１の実施形態である燃焼制御処理の流れを示すフローチャートである。図４に示すフローチャートは、ラジアントチューブ炉の稼働が開始されたタイミングで開始となり、燃焼制御処理はステップＳ１の処理に進む。この燃焼制御処理は、ラジアントチューブ炉が稼働している間、所定の制御周期毎に繰り返し実行される。
【００３６】
ステップＳ１の処理では、制御部１０３が、燃焼筒温度測定部１０２を利用して燃焼筒温度Ｔｂｃを測定する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、燃焼制御処理はステップＳ２の処理に進む。
【００３７】
ステップＳ２の処理では、制御部１０３が、ステップＳ１の処理によって測定された燃焼筒温度Ｔｂｃと鋼板Ｓの目標温度から求まる目標燃焼筒温度Ｔｂｍとの大小関係を比較する。比較の結果、燃焼筒温度Ｔｂｃが目標燃焼筒温度Ｔｂｍより低い場合、制御部１０３は燃焼制御処理をステップＳ３の処理に進める。一方、燃焼筒温度Ｔｂｃが目標燃焼筒温度Ｔｂｍより高い場合、制御部１０３は燃焼制御処理をステップＳ４の処理に進める。なお、燃焼筒温度Ｔｂｃと目標燃焼筒温度Ｔｂｍとが等しい場合には、制御部１０３は燃焼制御処理を終了する。
【００３８】
ステップＳ３の処理では、制御部１０３が、燃料ガスや燃焼空気中の水分量が増加することによって燃焼筒温度Ｔｂｃが低下したと判断し、燃焼筒３ｃに供給される燃焼空気量を減少させる。燃焼空気量を減少させることにより、燃焼筒３ｃ内の過剰空気および水分量が減少し、火炎温度が上昇する。その結果、火炎温度と目標火炎温度との差が小さくなり、ＲＴ表面温度の変動を抑制できる。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、一連の燃焼制御処理は終了する。
【００３９】
ステップＳ４の処理では、制御部１０３が、燃料ガスや燃焼空気中の水分量が減少することによって燃焼筒温度Ｔｂｃが上昇したと判断し、燃焼筒３ｃに供給される燃焼空気量を増加させる。燃焼空気量を増加させることにより、燃焼筒３ｃ内の過剰空気および水分量が増加し、火炎温度が低下する。その結果、火炎温度と目標火炎温度との差が小さくなり、ＲＴ表面温度の変動を抑制できる。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、一連の燃焼制御処理は終了する。
【００４０】
なお、上記の燃焼制御処理では、制御部１０３は、燃焼空気量のみを制御したが、以下に示す数式（１）を利用して燃料ガス流量Ｆｇも制御する。数式（１）中、パラメータＴａｍ，Ｔａｃはそれぞれ目標炉温および実際の炉温を示し、パラメータＷａ，Ｗｂは重み係数を示している。重み係数は、操業データ（温度、流量）に応じて統計学的に求めることができる（相関分析など）。  
【００４１】
【数１】
0005849615.tif 000002
【００４２】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態である制御装置では、制御部１０３が、燃料ガスが燃焼する燃焼筒３ｃの温度Ｔｂｃを測定し、測定された燃焼筒３ｃの温度Ｔｂｃに基づいて燃焼筒３ｃに供給される燃焼空気の流量を制御するので、ＲＴ表面温度の変動を抑制することができる。
【００４３】
〔第２の実施形態〕
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施形態である制御装置の構成および動作について説明する。
【００４４】
〔制御装置の構成〕
図５は、本発明の第２の実施形態である制御装置の構成を示すブロック図である。図５に示すように、本発明の第２の実施形態である制御装置は、第１の実施形態である制御装置の構成に加えてレキュペレーター表面温度測定部１０４を備えている。レキュペレーター表面温度測定部１０４は、図２に示すレキュペレーター４の表面温度を測定し、測定された表面温度のデータを制御部１０３に入力する。制御部１０３は、炉温測定部１０１、燃焼筒温度測定部１０２、およびレキュペレーター表面温度測定部１０４から入力されたデータとオリフィス流量計１０，１９の測定値とに基づいて図２に示す流量調整弁７，１６の開度を制御することによって燃料ガスおよび燃焼空気の流量を制御する。
【００４５】
〔燃焼制御処理〕
ラジアントチューブ炉では、ＮＯｘの発生量を抑制するために緩慢燃焼が行われている。このため、燃焼筒付近で燃焼しなかった燃料ガスがレキュペレーター４を通過するまでの間に燃焼することがある。そのため、燃焼しなかった燃料ガス流量によってラジアントチューブの軸方向の温度分布が異なり、ＲＴ表面温度に変動が発生する可能性がある。そこで、本実施形態では、制御部１０３は、レキュペレーター４の表面温度を測定することによって燃焼筒付近で燃焼しなかった燃料ガス流量を推定し、推定された燃料ガス流量に基づいて燃焼筒３ｃに供給される燃焼空気量を制御する。
【００４６】
なお、この際、制御部１０３は、第１の実施形態で説明した燃焼制御処理も合わせて実行する。また、本実施形態では、制御部１０３は、以下に示す数式（２）を利用して燃焼ガス流量Ｆｇを制御する。数式（２）中、パラメータＴｒｍ，Ｔｒｃはそれぞれ目標レキュペレーター表面温度および実際のレキュペレーター表面温度を示し、パラメータＷｃは重み係数を示している。重み係数は、操業データ（温度、流量）に応じて統計学的に求めることができる（相関分析など）。
【数２】
0005849615.tif 000003
【００４７】
以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態である制御装置では、制御部１０３が、レキュペレーター４の表面温度Ｔｒｃを測定し、測定されたレキュペレーター４の表面温度Ｔｒｃに基づいて燃焼筒３ｃに供給される燃焼空気の流量を制御するので、ＲＴ表面温度の変動を抑制することができる。
【００４８】
〔実施例〕
最後に、上記第１および第２の実施形態の燃焼制御処理を実行した場合と実行しない場合（従来技術）とにおけるＲＴ表面温度の偏差を評価した結果を図６に示す。図６に示すように、従来技術では、ＲＴ表面温度の偏差は±１０℃であったのに対して、第１および第２の実施形態の燃焼制御処理を実行した場合には、ＲＴ表面温度の偏差はそれぞれ±７℃および±５℃となった。以上のことから、第１および第２の実施形態の燃焼制御処理を実行することによって、ＲＴ表面温度の変動を抑制できることが確認できた。
【００４９】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者などによりなされる他の実施の形態、実施例、および運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１  ラジアントチューブ
２  加熱炉
２ａ  炉壁
３  バーナ
３ａ  パイロットバーナ
３ｂ  メインバーナ
３ｃ  燃焼筒
４  レキュペレーター
５  燃料ガス本管
６、１５  配管
７、１６  流量調整弁
８、１７  遮断弁
９、１８  開閉弁
１０、１９  オリフィス流量計
１１  煙道
１２  排気圧力調整弁
１３  煙突
１４  燃焼空気本管
１０１  炉温測定部
１０２  燃焼筒温度測定部
１０３  制御部
１０４  レキュペレーター表面温度測定部
Ｓ  鋼板
【図１】
0005849615.tif 000004
【図２】
0005849615.tif 000005
【図３】
0005849615.tif 000006
【図４】
0005849615.tif 000007
【図５】
0005849615.tif 000008
【図６】
0005849615.tif 000009