(57)【要約】  本発明によれば、準化学量論的に炉室（１１）を加熱する回収熱交換器付バーナ（１０）が提供される。回収熱交換器付バーナは、炉室に向かって開口し、炉室へ突出する放射管（２６）内に配置される。回収熱交換器（１８）または突出部（２１）と共に、放射管（２６）は、空気導入装置（２３）を用いてバーンアウト空気が導入される排ガス流路（１９）を形成する。このように排ガス流路（１９）で生じる後燃焼は、放射管（２６）を加熱する。したがって、炉室（１１）は、燃料および空気によって部分的に直接的に、および、放射管（２６）によって部分的に間接的に加熱される。過剰なＣＯ排出は、排ガス流路（１９）における後燃焼によって防止される。結果として生じる放射管（２６）による熱を使用することによって、過度に高い排ガス温度は防止され、燃料の熱利用が最適化される。【選択図】図１
2019522770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナオリフィス（２５）から出る予熱された空気および燃料を用いて炉（１２）を加熱するためのバーナ（１０）であって、
排ガス流路（１９）内、または当該排ガス流路（１９）上に配置される、排ガス熱を用いて空気を予熱するための回収熱交換器（１８）と、
前記バーナ（１０）から離れる方向を向いた一端部に位置する開口部（２４）を有し、前記排ガス流路（１９）の周方向を画定するために前記バーナ（１０）上に配置される放射管（２６）と、
前記排ガス流路（１９）へ空気を導入するための空気導入装置（２３）とを備える
バーナ（１０）。
【請求項２】
前記バーナオリフィス（２５）は、前記放射管（２６）の前記開口部から突出する、前記バーナ（１０）の一部に配置される
請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
複数の空気出口開口部（２２）を備えた管部分（２１）は、前記空気導入装置（２３）として前記回収熱交換器（１８）に接続される
請求項１または２に記載のバーナ。
【請求項４】
前記回収熱交換器（１８）および前記管部分（２１）は、同じ材料から一体に作られ、継ぎ目のない移行部を形成するように構成される
請求項３に記載のバーナ。
【請求項５】
前記空気導入装置（２３）および前記バーナオリフィス（２５）は、単一の共通の空気流路によって空気が供給されるように、流れを考慮して当該空気流路に接続される
請求項１〜４のいずれか１項に記載のバーナ。
【請求項６】
前記バーナオリフィス（２５）および前記空気導入装置（２３）は、前記バーナオリフィス（２５）によって定量供給される空気流が準化学量論的燃焼をもたらすように、互いに、および燃料流に適合している
請求項１〜５のいずれか１項に記載のバーナ。
【請求項７】
前記バーナオリフィス（２５）によって定量供給される前記空気流と、前記空気導入装置（２３）によって定量供給される空気流との総量は、前記燃料流に対して化学量論的または超化学量論的関係にある
請求項６に記載のバーナ。
【請求項８】
前記バーナオリフィス（２５）は、前記バーナ（１０）および前記放射管（２６）に対して軸方向に方向付けられている
請求項１〜７のいずれか１項に記載のバーナ。
【請求項９】
前記バーナオリフィス（２５）は、バーナ軸に対して斜めまたは放射状である少なくとも１つの開口部（２４）を備える
請求項１〜８のいずれか１項に記載のバーナ。
【請求項１０】
前記放射管（２６）の熱出力は、前記バーナ（１０）の総熱出力の１０％〜３０％、好ましくは２０％の値に固定される
請求項１〜９のいずれか１項に記載のバーナ。
【請求項１１】
前記バーナは、無炎酸化工程を行い、維持するように炉室（１１）内に設計される
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のバーナ。
【請求項１２】
排ガス流路（１９）を囲み、自由端で開口している放射管（２６）を備えるバーナで炉室を加熱する方法であって、前記バーナは準化学量論的に動作し、バーンアウト空気は前記排ガス流路へ補足的に導入される
方法。
【請求項１３】
前記放射管（２６）を加熱するために利用される燃焼は、前記バーンアウト空気を用いて前記排ガス流路内で維持される
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記炉室は、前記バーナ（１０）によって生成された高温ガスで、より高い度合いで直接的に加熱され、前記放射管（２６）によって放射された熱で、より低い度合いで間接的に加熱される
請求項１２または１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉内で加熱される材料を、直接的および間接的に混合加熱するためのバーナ、具体的には、回収熱交換器付バーナに関する。
【背景技術】
【０００２】
半製品および最終製品を加熱するために、工業では、バーナを用いて加熱される炉であって、バーナに供給される空気を予熱するために排ガス熱が部分的に回収される炉が使用される。
【０００３】
これに関して、独国特許出願公開第１０２０１００１５１３４７号明細書は、放射管として働くジャケット管を備えるバーナについて記載している。この放射管の内部では、放射熱を発するよう放射管を加熱するために燃料が酸化される。
【０００４】
このような構成の利点は、加熱される材料が燃焼ガスと接触しないことであり、そのため、加熱される材料に対する燃焼ガスの化学的影響が排除される。さらに、放射管を用いるいかなる間接的加熱も、炉室を不活性化する可能性を与える。しかしながら、熱出力は、放射管表面を介した熱輸送により制限される。
【０００５】
さらに、炉室を直接的に加熱するための工業用バーナが知られている。これに関して、独国特許発明第３４２２２２９号明細書は、排ガス回収用装置を備え、炉室を加熱するための炎および／または高温排ガスが逃げることができる燃焼室を備えるバーナについて記載している。それらを備える際、放射管内に生じるような熱出力の制限は必要ない。しかしながら、加熱される材料に対する燃焼ガスの影響を考慮に入れる必要がある。例えば、鋼がより高い温度に加熱される場合、スケーリングが生じ、この場合、典型的に、空気過剰分が可能な限り低い燃焼によってスケーリングを制限することが試みられる。しかしながら、この結果、一酸化炭素が生じ得る。空気過剰分が高すぎると、大量の窒素酸化物が生じ得る。窒素酸化物と同様に一酸化炭素も排ガスの形で環境へ放出することは許されず、そのため、後の排ガス変換を考慮して、高価な手段が必要となる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の目的は、炉内で加熱される材料を加熱するための改良されたバーナを述べることである。さらに、本発明の目的は、炉内で加熱される材料を加熱するための改良方法を述べることである。
【０００７】
バーナの提供に関する、解決すべき技術的課題の一部は、請求項１に記載のバーナによって解決される。
【０００８】
本発明に係るバーナは、バーナから離れる方向を向いた端部にオリフィスを有する放射管を備え、オリフィスを通って、燃料および予熱された空気、または炎までもが炉室へ導入され、対向流において、オリフィスを通って、排ガスが炉室から外に導かれる。したがって、放射管は、本発明によれば、バーンアウト空気を導入するための空気導入装置に関連付けられている排ガス流路を画定する。その際、第１の、好ましくは準化学量論的な燃焼段階を炉室内の放射管の外部で起こし、第２の燃焼段階を放射管内で起こすことができるようになる。この結果、例えば、鋼、銅などの金属が加熱される場合、準化学量論的燃焼のために非酸化燃焼ガスで炉室を満たすことができ、最小のスケーリングまたはスケーリングのない加熱さえ達成することができる（λ＜１）。加熱される材料に対する保護効果を有し得るＣＯ含有炉内雰囲気が生成される。次いで、ＣＯ含有排ガスは、空気導入装置を通って導入される空気によって鋼管内で後燃焼される。その際に放出される熱エネルギーは、放射管によって炉内に放射される。
【０００９】
バーナの空気量および後燃焼の空気量は、全体として化学量論的または超化学量論的燃焼が達成されるように互いに適合していることが好ましく、この場合、λは１〜１．２の範囲であることが好ましい。例えば、炉室は、必要空気量の８０％（炉室内、λ＝０．８）で満たされ、放射管内の排ガス流路は、必要空気量の２０％から４０％（λ＝１〜１．２）で満たされる。好ましくは、空気量および空気導入装置は、後燃焼が、炉室内に位置する放射管の一部で完了し、回収熱交換器の配置される部分に及ばないように適合している。その際に、回収熱交換器は、炉壁内に位置し、熱放射のために配置されていない放射管の一部に収められることが好ましい。
【００１０】
１つの有利な実施形態では、バーナオリフィスは、放射管のオリフィスから突出するバーナの一部に配置されてもよい。そのため、大量の排ガスを再循環させることが特に容易であり、その結果、バーナは無炎酸化を用いて動作することができる。これは、炉内の均一な熱導入および窒素酸化物の少ない生成に役立つ。
【００１１】
空気導入装置は、周囲に空気穴を備え、放射管を貫通して延在する管であってもよい。この管またはこの管部分は、金属（例えば、鋼またはセラミック）からなってもよく、回収熱交換器に、継ぎ目なく一体的に接続される、または取り付けられてもよい。特に、回収熱交換器と、空気導入装置のパイプ部分とを、同じ材料から一体に構成することができる。回収熱交換器および空気導入装置は、放射管内に同軸上に配置されることが好ましい。あるいは、バーナヘッドから排ガス流路を通って、放射管の排ガス入口の方向に延在し、そこに空気を放出する（長さが同じ、または異なる）１以上の管を設けることもできる。その際に、そのような管は、放射管に対して偏心して配置される。それらの管の断面は、円形または偏平であってもよい。
【００１２】
空気導入装置およびバーナオリフィスは、予熱された空気が単一の共通の空気流路によって供給されるように、当該空気流路における流れを考慮して連通するよう接続されてもよい。その際に、空気流（空気導入装置のためのバーンアウト空気のうちの、バーナのためのバーナ空気）の大きさを互いに適合させることができる調整装置を不要にすることができる。互いに対する空気量の適合は、空気導入装置のバーンアウト空気用開口部の断面を、バーナヘッド空気用出口開口部のサイズに寸法付けることによって行われることが好ましい。
【００１３】
バーナオリフィスは、バーナに対して軸方向に、またはさらに、バーナ軸に対して斜めに、もしくは放射状に方向付けられている少なくとも１つの開口部を備える。その際に、炉室内の部分燃焼および放射管内の後燃焼に基づく本発明による原理を利用しつつ、加熱ゾーンが最も多様なバーナを提供することができる。
【００１４】
本発明に係る方法は、バーナの準化学量論的動作と、このように生成された還元性排ガスを放射管を通して導くことと、バーンアウト空気が放射管の排ガス流路に補足的に導入される、この鋼管内での排ガスの後燃焼とに基づく。その際に、放射管を加熱するため、および排ガス中の酸化性成分を少なくとも広範囲に除去するために利用される燃焼が排ガス流路内で生じる。その結果、ＮＯｘが少なく、炉の準化学量論的動作にもかかわらずＣＯが少ない排ガスが可能となり、熱回収により熱エネルギーの利用は良好であり、炉への熱導入は均一である。
【００１５】
炉室は、バーナによって生成された高温ガスで、より高い度合いで直接的に加熱され、放射管によって放射された熱で、より低い度合いで間接的に加熱されることが好ましい。出力の配分は、例えば８０％／２０％である。
【００１６】
本発明は、再生器バーナにも適用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
本発明の有利な実施形態のさらなる詳細は、特許請求の範囲の主題、明細書または図面である。
【図１】図１は、本発明に係るバーナを備えた炉室の概略断面図を示す。
【図２】図２は、本発明に係るバーナの変更形態の概略断面図を示す。
【図３】図３は、本発明に係るバーナのさらなる変更形態の縦断面図を示す。
【図４】図４は、炎噴出が放射状または斜めである本発明に係るバーナの実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、概略的に示す工業炉１２の炉室１１を加熱するために配置される回収熱交換器付バーナ１０を示す。炉室１１を加熱するために、熱回収特徴部を備えたいくつかのバーナ、例えば、回収熱交換器付バーナ１０と同様に構築および構成されることが好ましく、個々に、またはグループで共に制御され得る回収熱交換器付バーナを備えることができる。
【００１９】
工業炉は、例えば、金属または他の材料の半製品または最終製品であり得る加熱される材料１３を熱処理するために配置される。例えば、これらは鋼部品、銅部品などであってもよい。炉温度は、典型的には、数１００°Ｃの範囲にあり、所望の用途と一致している。温度が、典型的に約８５０°Ｃの臨界温度を超える場合、バーナ１０は無炎酸化で動作することができる。炉温度がこの限界を下回る場合、バーナ１０は炎モードで動作することが好ましい。このモードはまた、特にコールドスタートの場合、ランプアップ段階中に選択される。コールドスタートは、化学量論的動作または超化学量論的動作で起こってもよい。
【００２０】
好ましくは、バーナ１０は、矢印１４、１５、１６で示す排ガス流から熱エネルギーを抽出し、それによって矢印１７で示す新鮮な空気流に熱を供給するために配置される、いわゆる回収熱交換器付バーナである。これを実現するために、回収熱交換器付バーナ１０は、閉鎖壁を備えた異形管として構成されるのが好ましく、かつ、外側で排ガス流路１９を画定する回収熱交換器１８を備える。
【００２１】
回収熱交換器１８は、例えば金属、または、好ましくはセラミックからなってもよく、表面を拡大して排ガスとの熱交換を改善するために複数の構造体が外側に与えられてもよい。そのような構造体は、隆起部および／または凹部、突起部、こぶ部などであってもよい。回収熱交換器１８は、回収熱交換器付バーナ１０の長手方向中心軸に対して同心円状に延在し、その際、バーナヘッド２０内で炉室１１の外側に保持されることが好ましい。図１には具体的に示していないが、適切な保持手段が実用的用途から知られている。
【００２２】
実際の回収熱交換器１８は、同様に管形状を有することが好ましい突出部２１に隣接している。突出部２１は、回収熱交換器１８の直接的な一体部品であってもよく、当該回収熱交換器から遠ざかるように軸延長線方向に延在してもよい。この突出部２１も、回収熱交換（熱回収）のために配置されてもよい。回収熱交換器１８は炉壁を貫通して延在することが好ましく、一方、突出部２１は炉室１１内へ延在する一部を形成することが好ましい。
【００２３】
好ましくは、突出部２１は、その壁を貫通して延在し、その内部空間から外に出て排気流路１９へ通じるいくつかの開口部のうちの１つを有してもよい。これらの開口部２２は、バーンアウト空気を排ガス流路１９へ導入するための空気導入装置２３として働く。
【００２４】
突出部２１には、その自由端において、バーナオリフィス２５を形成し、バーナ軸に対して同心円状に配置される少なくとも１つの開口部２４が備えられる。開口部２４と同様に開口部２２は、バーナヘッド２０において回収熱交換器１８のチャンバへ導入され、かつ、開口部２４ではバーナ空気（１次空気）として、開口部２２ではバーンアウト空気（２次空気）として排出される矢印１７で示す新鮮な空気で満たされる。
【００２５】
回収熱交換器１８および突出部２１は、炉壁を貫通して延在し、チャンバ１１へ突出する管２６によって囲まれている。好ましくは、管２６は、回収熱交換器１８および突出部２１に対して同心円状に配置され、排ガス流路１９の径方向外側を画定する。突出部２１は、バーナオリフィス２５が管２６から突出するように、管２６を貫通して延在することが好ましい。炉室１１へ突出する管の一部２５は、放射管として働く。管の一部２５は、排ガス流路１９内を流れる排ガスによって、および排ガス流路１９で生じる後燃焼によって加熱され、当該後燃焼は、空気導入装置２３によって供給されるバーンアウト空気で維持される。後燃焼は、排ガス流が回収熱交換器１８に達する前に、排ガス流内で完了することが好ましい。突出部２１は、補助的機能として回収熱交換に寄与してもよい。これにより、バーナ１０のエネルギー収量が改善される。
【００２６】
燃料供給ライン２７は、回収熱交換器１８および突出部２１を貫通して中心に延在し、当該燃料供給ラインは、バーナオリフィス２５に向けられた開放端を有し、当該オリフィスを通して炉室１１へ燃料を定量供給する。
【００２７】
ここまで記載した回収熱交換器付バーナ１０は、以下のように動作する。
【００２８】
動作中、液体燃料または気体燃料が、燃料ライン２７を通って矢印２８で示すようにバーナへ導入される。さらに、空気（矢印１７）が回収熱交換器へ導入され、排ガスが排ガス流路１９（矢印１４、１５、１６）を通って排出される。定常動作中、排ガス流路１９を通って下流に流れる排ガスは、突出部２１および回収熱交換器１８を加熱し、次いで、流入空気を加熱する。予熱された空気および燃料からなる流れは、バーナオリフィス２５から排出され、当該流れは、動作モードに応じて、炎を伴って燃焼するか、大量の排ガスの再循環と、加熱された炉室内における新鮮な空気および燃料の十分な衝撃とにより炎なく酸化する。その結果、バーナ１０は、無炎酸化または炎動作のどちらかのために、特に必要とされる場合に設置することができる。
【００２９】
燃料供給量、および開口部２４を通って流れ出る１次空気量は、準化学量論的燃焼が炉室１１内で生じるように互いに適合している。完全燃焼に必要な空気の、例えば７０％〜９０％だけ、好ましくは８０％だけが開口部２４において定量供給され、その結果、還元性炉内雰囲気が形成される（λ＝０．８）。この炉内雰囲気は、燃料残留物、部分燃焼した燃料、および特に、一酸化炭素も含み得る。この排ガスは、矢印１４、１５で示すように、排ガス流路１９へ入る。ここで、完全燃焼に必要な空気の残り２０％が、バーンアウト空気として、開口部２２を通って排ガス流路へ定量供給される。ここで生じる後燃焼は、管２６における作用を受けた部分を加熱し、次いで、回収熱交換器１８の方へ移動する。
【００３０】
バーナオリフィス２５および空気導入装置２３への空気の配分は、開口部２４、２２の断面の互いに対する比率によって決定されることが好ましい。その結果、空気の配分は、回収熱交換器付バーナ１０の製造時に確実に特定することができる。回収熱交換器付バーナ１０は、パルスモードまたは連続モードで着火されることが好ましい。調整モードが可能であるが、ほとんどの用途で必要ない。パルス動作により、回収熱交換器付バーナ１０は、最終的に３つの動作状態、すなわち（ａ）ランプアップモード、（ｂ）加熱モード、および（ｃ）停止モードしかない。加熱モード中、回収熱交換器付バーナ１０は、燃料および空気の特定された供給、ならびに排ガスの排出で動作する。その際に、バーナ空気とバーンアウト空気との比率は、特定されたとおりに確実に維持される。
【００３１】
調整モードにおいて、開口部２２および２４の非線形流動抵抗が異なるため、バーナ空気（１次空気）とバーンアウト空気（２次空気）との比率は、部分負荷の場合、全負荷に対して変わる可能性がある。この効果も、炉内雰囲気の組成を制御するために、パルスモードと組み合わせて意識的に用いることができる。
【００３２】
図１に示す回収熱交換器付バーナ１０は、加熱される材料１３を、炎酸化または無炎酸化によって部分的に直接的に、および、管２６からの熱放射によって部分的に間接的に加熱する。回収熱交換器付バーナ１０は、局所的加熱ピークの回避、および、加熱される材料１３の酸化負荷の回避による、加熱される材料の慎重な加熱を伴う熱回収に起因する燃料の高い利用効率と、良好な排ガス値とを組み合わせている。
【００３３】
図２は回収熱交換器付バーナ１０の変更形態を示すが、上述の説明が類似して当てはまり、同じ参照符号が使用される。しかしながら、上述した回収熱交換器付バーナ１０と対照的に、空気導入装置２３は、突出部２１の前方端部近傍に設けられる少数の開口部２２に制限される。その結果、排ガス流路１９への空気の導入は、（放射）管２６の排ガス入口に近い部分に制限される。その際に、開口部２２は、図１および図２に示すように放射状に方向付けることができる。開口部２２のサイズは、すべての開口部２２に対して同じであってもよい。あるいは、開口部２２のサイズはまた、図１による一実施形態において突出部２１の軸方向に異なってもよい。例えば、開口部２２のサイズは、バーナオリフィス２５から遠ざかるにつれ、増大してもよいし、減少してもよい。
【００３４】
図３によって示すように、バーンアウト空気用の開口部２２はまた、ほぼ放射管２６の端部の位置に設けられてもよく、放射方向成分に加えて軸方向成分を有する排出されるバーンアウト空気流を与えてもよい。すべての実施形態において、無炎酸化と同様に炎酸化も排ガス流路１９において可能である。
【００３５】
図４で示すように、バーナオリフィス２５はまた、いくつかの出口開口部２４を有してもよい。このことは、それらの出口方向が、回収熱交換器付バーナ１０の軸線に対して放射状または斜めに向けられている場合、特に重要であり得る。そのような回収熱交換器付バーナ１０は常に、例えば、炉室の上側に、図１による炉室１２内に懸架して配置することができ、さらに加熱される材料１３に燃料流が作用するのを防ぐことができる。
【００３６】
本発明によれば、準化学量論的に炉室１１を加熱する回収熱交換器付バーナ１０が提供される。回収熱交換器付バーナは、炉室に向かって開口し、炉室へ突出する放射管２６内に配置される。回収熱交換器１８または突出部２１と共に、放射管２６は、空気導入装置２３を用いてバーンアウト空気が導入される排ガス流路１９を形成する。このように排ガス流路１９で生じる後燃焼は、放射管２６を加熱する。したがって、炉室１１は、燃料および空気によって部分的に直接的に、および、放射管２６によって部分的に間接的に加熱される。過剰なＣＯ排出は、排ガス流路１９における後燃焼によって防止される。結果として生じる放射管による熱を使用することによって、過度に高い排ガス温度は防止され、燃料の熱利用が最適化される。
【符号の説明】
【００３７】
１０  バーナ／回収熱交換器付バーナ
１１  炉室
１２  工業炉
１３  加熱される材料（例えば、鋼部品、銅部品、他の金属部品、または非金属材料の部品）
１４、１５、１６  排ガスの矢印
１７  新鮮なガスの矢印
１８  回収熱交換器
１９  排ガス流路
２０  バーナヘッド
２１  突出部
２２  （複数の）開口部
２３  空気導入装置
２４  開口部
２５  バーナオリフィス
２６  パイプ（放射管）
２７  燃料ライン
２８  矢印
【図１】
2019522770.tif 000003
【図２】
2019522770.tif 000004
【図３】
2019522770.tif 000005
【図４】
2019522770.tif 000006
【国際調査報告】
2019522770.tif 000007
2019522770.tif 000008
2019522770.tif 000009
2019522770.tif 000010
2019522770.tif 000011
2019522770.tif 000012