(57)【要約】【課題】省エネルギー且つ低ＮＯｘで構成が簡単な溶解炉を提供する。【解決手段】溶解炉１は、被溶解材料Ａｓを収容する炉体２と、燃料と主燃焼空気とを混合して燃焼させることにより被溶解材料に衝突する集中火炎を形成でき、且つ、主燃焼空気の流量を少なくして燃料の一部のみを燃焼させられるバーナ３と、バーナ３で燃焼させた後の燃焼ガス中に残存する燃料を自燃させるための補助燃焼空気を炉体２内に供給する補助空気ノズル４と、被溶解材料Ａｓが溶解したとき、バーナ３の主燃焼空気の流量を少なくし、且つ、補助空気ノズル４の補助燃焼空気の流量を多くする制御手段１０とを有する。【選択図】図１
2011257014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶解材料を収容する炉体と、
燃料と主燃焼空気とを混合して燃焼させることにより前記被溶解材料に衝突する集中火炎を形成でき、且つ、前記主燃焼空気の流量を少なくして前記燃料の一部のみを燃焼させられるバーナと、
前記バーナで燃焼させた後の燃焼ガス中に残存する燃料を自燃させるための補助燃焼空気を前記炉体内に供給する補助空気ノズルと、
前記被溶解材料が溶解したとき、前記バーナの前記主燃焼空気の流量を少なくし、且つ、前記補助空気ノズルの前記補助燃焼空気の流量を多くする制御手段とを有することを特徴とする溶解炉。
【請求項２】
前記被溶解材料が溶解した後の前記主燃焼空気の流量は、空気比０．２以下であることを特徴とする請求項１に記載の溶解炉。
【請求項３】
前記主燃焼空気および前記補助燃焼空気の合計流量の前記バーナの燃料流量に対する空気比は、前記被溶解材料が溶解する前よりも前記被溶解材料が溶解した後の方が低いことを特徴とする請求項１または２に記載の溶解炉。
【請求項４】
前記制御手段は、前記被溶解材料の溶解状態を、炉内の温度分布によって検出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の溶解炉。
【請求項５】
前記制御手段は、前記被溶解材料の溶解状態を、煙道内の排気ガス温度によって推定することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の溶解炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶解炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境保護の観点から、アルミニウムや銅等のスクラップ（被溶解材料）を溶解する溶解炉に対しても、排気ガスの低ＮＯｘ化が求められている。例えば、特許文献１には、炉内に燃料と空気とを離れた位置から供給し、緩慢に燃焼（拡散燃焼）させるバーナを設けてＮＯｘを低減した溶解炉が記載されている。さらに、特許文献１には、溶解炉に、蓄熱体を有する一対のバーナを交番運転し、燃焼していないバーナを介して燃焼排気ガスを排気して蓄熱体で燃焼排気ガスから熱回収し、熱回収した蓄熱体で燃焼用空気を予熱して燃焼運転するリジェネバーナを採用することが記載されている。
【０００３】
しかしながら、溶解炉においては、例えば非特許文献１に記載されているように、被溶解材料に火炎を衝突させて効率よく熱を伝達することで溶解速度を向上させることができる。このため、省エネルギーの観点からは、溶解炉には、燃料と空気とを混合して供給し、集中燃焼させることによって、被溶解材料に高い運動エネルギーを持って衝突する指向性の高い集中火炎を形成するバーナが好ましいと考えられている。
【０００４】
また、特許文献２に記載されているように、溶解炉に拡散燃焼方式のバーナを用いる場合、運転初期には低温の被溶解材料がバーナの前に堆積しているため、未燃焼の燃料が低温の被溶解材料に当たって不完全燃焼を起こし、すすが発生したりするという問題もある。このため、特許文献２では、拡散燃焼する主バーナと、被溶解材料に衝突する集中火炎を形成する補助バーナとを設けた溶解炉を提案している。このように複数のバーナを設けると、構成が複雑になり、溶解炉が高価になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−９４２５３号公報
【特許文献２】特開平１１−３２５７３４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】上妻学而、「リジェネバーナを使ったアルミ溶解炉の省エネルギー化の現状」、ＡＬ−ある、株式会社軽金属通信ある社、２００９年７月号、Ｐ１７−２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記問題点に鑑みて、本発明は、省エネルギー且つ低ＮＯｘで構成が簡単な溶解炉を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明による溶解炉は、被溶解材料を収容する炉体と、燃料と主燃焼空気とを混合して燃焼させることにより前記被溶解材料に衝突する集中火炎を形成でき、且つ、前記主燃焼空気の流量を少なくして前記燃料の一部のみを燃焼させられるバーナと、前記バーナで燃焼させた後の燃焼ガス中に残存する燃料を自燃させるための補助燃焼空気を前記炉体内に供給する補助空気ノズルと、前記被溶解材料が溶解したとき、前記バーナの前記主燃焼空気の流量を少なくし、且つ、前記補助空気ノズルの前記補助燃焼空気の流量を多くする制御手段とを有するものとする。
【０００９】
この構成によれば、被溶解材料が溶けるまでは、バーナの集中火炎を被溶解材料に直接当てて効率よく熱を伝えることによって被溶解材料の溶解を促進できる。また、被溶解材料が溶けた後は、主燃焼空気を減じて集中火炎中では一部の燃料しか燃焼できないようにし、燃焼ガス中に残留する燃料を補助空気ノズルから供給される空気によって炉内の各所で分散的に拡散燃焼させることで、被溶解材料が溶けた溶湯の表面全体を輻射加熱して、溶湯温度の上昇を促進できる。また、燃料を拡散燃焼させることで、ＮＯｘの発生を抑制することもできる。
【００１０】
また、本発明の溶解炉において、前記被溶解材料が溶解した後の前記主燃焼空気の流量を空気比０．２以下にすれば、ＮＯｘの発生を十分に抑制できる。
【００１１】
また、本発明の溶解炉において、前記主燃焼空気および前記補助燃焼空気の合計流量の前記バーナの燃料流量に対する空気比を、前記被溶解材料が溶解する前よりも前記被溶解材料が溶解した後の方が低くなるようにすれば、運転初期の集中火炎の不完全燃焼を防止し、溶湯の昇温のための拡散燃焼におけるＮＯｘを低減できる。
【００１２】
また、本発明の溶解炉において、溶解していない被溶解材料は、集中火炎を遮るため、その背後の部分に火炎の輻射熱が届かず、温度が低くなる。したがって、前記被溶解材料の溶解状態は、炉内の温度分布によって検出することができる。
【００１３】
また、火炎の状態や火炎が形成される位置が変化する本発明の溶解炉において、炉内に温度センサを設けると火炎の輻射熱の影響によって検出温度の誤差が大きくなる。そこで、火炎の輻射を受けない煙道内において排気ガスの温度を検出することによって炉内の温度の指標とすればよい。さらに、被溶解材料の溶解が進むのにしたがって炉内温度が上昇するので、煙道内の排気ガス温度によって被溶解材料の溶解状態を推測できる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明によれば、１つのバーナによって、被溶解材料に集中火炎を衝突させて効率よく溶かすことも、拡散火炎によって溶湯全体を効率よく輻射加熱することもできる。これにより、本発明の溶解炉は、燃料消費を節減して省エネルギーを達成でき、且つ、排気ガス中のＮＯｘ濃度を低く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態の溶解炉の構成図である。
【図２】図１の溶解炉における個別の空気流量を示す図である。
【図３】図１の溶解炉における総量の空気流量を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態の溶解炉の構成図である。
【図５】図４の溶解炉における空気流量を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態の溶解炉の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。先ず、図１に、本発明の第１実施形態の溶解炉１の構成を示す。溶解炉１は、二点鎖線で図示するように被溶解材料（アルミニウムのスクラップ）Ａｓを山積みして収容し、実線で示すように被溶解材料が溶けた溶湯Ａｍを貯留できる炉体２と、炉体２の内部に燃料（例えばＬＮＧ）と空気（主燃焼空気）とを混合して噴射し、集中火炎を形成するように燃焼させるバーナ３と、バーナ３の近傍から炉体２の内部に補助燃焼空気を導入できる補助空気ノズル４とを有する。
【００１７】
炉体２内の燃焼ガスは、煙道５からレキュペレータ６を通して排気される。レキュペレータ６は、この排気ガスと補助空気ノズル４に供給される補助燃焼空気との間で熱交換して熱回収を行う。主燃焼空気および補助燃焼空気は、共に、給気ファン７によって供給される。主燃焼空気の流量は、主調整弁８によって調節され、補助燃焼空気の流量は補助調整弁９によって調節される。主調整弁８および補助調整弁９の開度は、コンピュータからなる制御装置（制御手段）１０によって、煙道５に設けられた温度センサ１１が検出する排気ガス温度に応じて調節される。
【００１８】
図２に、溶解炉１における、主燃焼空気および補助燃焼空気の流量を、バーナ３に供給される燃料の理論空気量に対する比（空気比）で示す。尚、溶解炉１では、排気ガス温度が例えば１２００℃に達するまでは、バーナ３の最大燃焼量の燃料が供給され、その後は排気ガス温度を１２００℃に維持するように、燃料流量が調節される。そして、溶解炉１は、排気ガス温度を１２００℃に維持したまま、溶湯の温度が所定温度に達するまで燃焼運転を継続する。
【００１９】
図示するように、溶解炉１では、排気ガス温度が５００℃に達するまでは、補助燃焼空気は供給せず、バーナ３に空気比１．２の主燃焼空気を供給し、バーナ３を完全燃焼させる。このとき、供給される燃料は、すべて、集中火炎の内部において燃焼する。バーナ３が形成する集中火炎は、直進性（指向性）が高く、山積みされた被溶解材料Ａｓに衝突し、その高い運動エネルギーによって効果的に被溶解材料Ａｓに熱を伝達する。
【００２０】
アルミニウムの溶解温度は６６０℃であるため、排気ガス温度が５００℃に達すると、直接、集中火炎に晒されている被溶解材料Ａｓはより高温になり、少なくとも部分的には溶解して、溶湯Ａｍになっていると考えられる。そこで、溶解炉１では、排気ガス温度が５００℃以上になると、バーナ３の主燃焼空気の流量を減じると共に、補助空気ノズル４から、補助燃焼空気を炉体２の内部に供給する。
【００２１】
主燃焼空気の流量を減じることで、バーナ３の集中火炎では、一部の燃料が燃焼されずに残り、未燃焼の燃料を含む燃焼ガスが炉体２内に拡散する。この燃焼ガスは燃料の着火点以上の温度を有しているため、未燃焼の燃料は、補助空気ノズル４から、供給された補助燃焼空気に含まれる酸素と出会うと自燃する。つまり、バーナ３に供給された燃料の一部は、集中火炎から脱離して、炉体２の内部に拡散しながら燃焼して、各所で拡散火炎を形成する。
【００２２】
このような拡散火炎は、集中火炎が届かない部分にも形成され、固体の被溶解材料Ａｓや溶湯Ａｍを輻射熱によって加熱する。被溶解材料Ａｓの溶解が進み、溶湯Ａｍが多くなると、集中火炎によって局所的に加熱するよりも、拡散火炎によって全体的に輻射加熱する方が、効率的に熱を伝達できるようになる。このため、溶解炉１では、図２に示すように、排気ガス温度の上昇に伴って、主燃焼空気の流量を徐々に少なくし、同時に、補助燃焼空気の流量を多くしてゆく。
【００２３】
溶解炉１において、排気ガス温度が８００℃に達すると、被溶解材料Ａｓの溶解は略すべて溶解し、溶湯Ａｍになっていると考えられる。そこで、溶解炉１では、排気ガス温度が８００℃になったとき、主燃焼空気の空気比を０．１とし、補助燃焼空気の空気比を１．０とするように設定されている。ここで、図３に示すように、主燃焼空気と補助燃焼空気との総量の空気比は、１．１になっていることを注記する。溶解炉１において、高温時は、燃料を拡散させて緩慢に燃焼させるため、低温時の集中火炎を形成する場合に比べて、低い空気比でも燃料を残さずに燃焼させられるからである。
【００２４】
溶解炉１は、このように空気比を低くすることで、ＮＯｘの発生を抑制できる。ＮＯｘの低減効果を得るためには、主燃焼空気の空気比を０．２以下にすることが好ましい。主燃焼空気の空気比をさらに低くしても良いが、保炎のために集中火炎を残す必要があるので、主燃焼空気の空気比は少なくとも０．０１程度を確保しなければならない。
【００２５】
尚、煙道５における排気ガスの温度は、炉体２の内部の燃焼ガスの温度と略同じであるが、温度センサ１１を炉体２の内部に設けると火炎の輻射熱によって温度センサ１１自体が直接加熱され、燃焼ガスの温度よりも高い温度を検出してしまう。溶解炉１では、火炎の状態や火炎の形成される位置が変化するので、火炎の輻射熱による検出誤差が一定ではなく、経験的に検出温度を補正することが困難である。このため、溶解炉１では、火炎の輻射の影響がない煙道５に温度センサ１１を設けてある。
【００２６】
続いて、図４に、本発明の第２実施形態の溶解炉１ａを示す。尚、以下の説明において、先に説明した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。溶解炉１ａは、バーナ３および補助空気ノズル４をそれぞれ２つ一対として有する。補助空気ノズル４は、それぞれ、蓄熱体１２を有し、蓄熱体１２を通して補助燃焼空気を供給することができるようになっている。
【００２７】
主調整弁８によって流量が調節された主燃焼空気は、主供給弁１３によって選択された片側のバーナ３のみに供給され、一方のバーナ３のみが燃焼運転する。また、補助調整弁９によって流量が調節された補助燃焼空気は、補助供給弁１４によって選択された、燃焼しているバーナ３と同じ側の補助空気ノズル４から、炉体２の内部に供給される。
【００２８】
また、補助空気ノズル４は、排気弁１５を介して排気調整弁１６および排気ファン１７を備える排気流路に接続されており、炉体２内の燃焼ガスを蓄熱体１２を通して排気することもできるようになっている。
【００２９】
つまり、溶解炉１ａでは、拡散燃焼を行う際、補助空気ノズル４の一方から補助燃焼空気を供給し、他方の補助空気ノズル４を介して炉体２内の燃焼ガスを排気し、これらを交番運転することにより、蓄熱体１２で排気ガスから熱回収して補助燃焼空気を予熱するいわゆるリジェネバーナの効果を得ることができる。
【００３０】
また、溶解炉１ａは、蓄熱体１２の加熱と冷却とのバランスを保つために、バーナ３を介して炉体２に供給された主燃焼空気の全量と、補助空気ノズル４介して炉体２に供給された補助燃焼空気の約２０％に相当する量の燃焼ガスを、煙道５を介して排気するように排気調整弁１６の開度が調節される。
【００３１】
図５に、本実施形態の溶解炉１ａにおける、主燃焼空気および補助燃焼空気の流量を示す。本実施形態では、煙道５における排気ガス温度が低いときから、バーナ３の主燃焼空気の空気比を０．５に抑制し、補助空気ノズル４から空気比０．７の補助燃焼空気を導入している。また、本実施形態では、主燃焼空気および補助燃焼空気の流量を徐々に変化させるのではなく、排気ガス温度が８００℃に達して被溶解材料がすべて溶解したと考えられるときに、主燃焼空気の空気比を０．１に、補助燃焼空気の空気比を１．０に変更し、集中燃焼と拡散燃焼との割合を不連続に変更するようになっている。
【００３２】
尚、本実施形態の溶解炉１ａは、所定温度に達した溶湯Ａｍを排出した後、直ぐに、被溶解材料Ａｓが供給され、炉体２がある程度高温の状態で次の燃焼運転が開始されることを想定している。しかしながら、休業空けの最初の運転開始時等の排気ガス温度が３００℃よりもさらに低いような場合には、主燃焼空気の空気比を１．２とし、補助燃焼空気を導入しないようにして、集中燃焼のみで運転を開始してもよい。
【００３３】
勿論、蓄熱体１２を有する本実施形態の装置構成の溶解炉１ａにおいて、図２のように、排気ガス温度の上昇に合わせて、主燃焼空気を減少させ、補助燃焼空気を増加させることにより、集中火炎と拡散火炎との割合を連続的に変化させてもよい。
【００３４】
さらに、図６に、本発明の第３実施形態の溶解炉１ｂを示す。本実施形態では、炉体２の天井に、バーナ３の火炎形成方向に並んで複数の温度センサ１８が配設されている。先に述べたように、炉体２の内部に露出する各温度センサ１８は、炉体２の内部の燃焼ガスの温度だけでなく、バーナ３が形成する火炎の輻射熱をも検出する。
【００３５】
図示するように、固体の被溶解材料Ａｓが存在する場合、バーナ３が形成する集中火炎は、被溶解材料Ａｓによって途中で遮られる。したがって、燃焼運転中のバーナ３に近い位置に設けられた温度センサ１８のみが、集中火炎の輻射熱を検出し、燃焼運転中のバーナ３から遠い側の温度センサ１８よりも高い温度を検出する。つまり、検出温度が高い温度センサ１８の直下では被溶解材料Ａｓが溶解していると考えられる。
【００３６】
被溶解材料Ａｓが全体的に溶解して溶湯Ａｍになると、炉体２の内部を集中火炎が横断し、すべての温度センサが略同じように集中火炎の輻射熱を検出するようになる。したがって、溶解炉１ｂでは、温度センサ１８の検出温度の差が、ある一定温度以下になったとき、被溶解材料Ａｓが溶解して溶湯Ａｍになったものと判断し、主燃焼空気の流量を少なくし、補助燃焼空気の流量を多くして、集中火炎を小さくし、残りの燃料を拡散燃焼させる。
【００３７】
本発明では、以上の実施形態の方法以外にも、例えば、炉体２の内部を撮影するビデオカメラを設け、画像処理によって被溶解材料Ａｓの溶解度合いを判断しても良い。
【００３８】
また、本発明における主燃焼空気、補助燃焼空気という用語は、燃焼に必要な酸素を供給するガスを指し、酸素供給源となるいかなる気体も、これらの用語に含まれ得ると理解しなければならない。
【符号の説明】
【００３９】
１，１ａ，１ｂ…溶解炉
２…炉体
３…バーナ
４…補助空気ノズル
５…煙道
７…給気ファン
８…主調整弁
９…補助調整弁
１０…制御装置
１１…温度センサ
１２…蓄熱体
１８…温度センサ
【図１】
2011257014.tif 000003
【図２】
2011257014.tif 000004
【図３】
2011257014.tif 000005
【図４】
2011257014.tif 000006
【図５】
2011257014.tif 000007
【図６】
2011257014.tif 000008