(57)【要約】【課題】排ガス再循環シングル型蓄熱バーナにおいて、排ガス再循環量を増大させて、ＮＯＸの発生を低減する。【解決手段】ラジアントチューブ９内に挿入した、燃料ガス吐出部１６の先端から燃料ガス及びパイロットエアを吐出し、吸排気口１８から燃焼用エアを供給して燃焼させる。排ガスを吸排気口１８から排出し、蓄熱体１２で排ガスの熱によって燃焼用エアを予熱して熱効率を高める。また、排ガスの一部を燃焼用エアに混入してラジアントチューブ９内に再循環させる。第１絞り部材１９によって、燃焼用エアを絞って燃料ガス吐出部１６の全周にいきわたらせることにより、燃料ガスの排気側へのショートパスを防止する。第２絞り部材２４によって燃焼用ガスを絞りるとともに排ガスの流れを燃料ガス吐出部１６の先端側へ向け、また、排ガス再循環通路２３を設けることにより、排ガスの再循環量を増大させてＮＯＸの発生を低減する。【選択図】　　　　図１
2004132574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱体を通して燃焼用エアの供給および排ガスの排出を交互に行い、給排気間の熱交換によって燃焼用エアを予熱し、また、排ガスの一部を燃焼用エアとともに再循環させるようにした排ガス再循環シングル型蓄熱バーナにおいて、
先端部が燃焼空間に挿入される燃料ガス吐出部の基部の周囲に燃焼用エアの供給および排ガスの排出を行うための給排気口を配置し、前記燃料ガス吐出部の周囲に前記燃焼空間に導入される燃焼用エアを絞るテーパ状の第１絞り部材を設け、該第１絞り部材の上流側の前記燃料ガス吐出部の周囲に前記給排気口から吐出される燃焼用エアを絞るテーパ状の第２絞り部材を設け、前記第１絞り部材と前記第２絞り部材との間に排ガスを導入するようにしたことを特徴とする排ガス再循環シングル型蓄熱バーナ。
【請求項２】
前記第１絞り部材の外周に前記燃焼空間に排ガスを導入する排ガス再循環通路を設けたことを特徴とする請求項１に記載の排ガス再循環シングル型蓄熱バーナ。
【請求項３】
前記燃焼空間は、ラジアントチューブであることを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス再循環シングル型蓄熱バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、排ガス再循環シングル型蓄熱バーナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排ガス再循環シングル型蓄熱バーナは、単一のバーナ本体と、複数の給排気通路を有する蓄熱体と、給気用ブロワと、給排気切換弁装置とを備え、給排気切換弁装置によって蓄熱体の複数の給排気通路に給排気を交互に流通させて熱交換することにより、給気（燃焼用エア）を予熱すると共に排気温度を低下させて熱効率を高めるものである。また、排ガスの一部を燃焼用エアに混入して再循環させることにより、燃焼温度を調整してＮＯＸの発生を抑制している。
【０００３】
本出願人は、この種の排ガス再循環シングル型蓄熱バーナとして、図５に示すように、先端から燃料ガスおよびパイロットエアを吐出するバーナ本体１の基部の周囲に複数の給排気口２を配置し、バーナ本体１の先端部の周囲に、給排気口２からバーナ本体１の先端部へ向かう給気流を絞るテーパ状の絞り部材３を設け、バーナ本体１の先端部と絞り部材３との間に直線状に延びる通路４を形成するようにしたものを提案している（特願２００１−３２５８１５号）。なお、図５中、符号５は給排気口２を通る給排気の熱交換を行う蓄熱体、６はラジアントチューブ、７はラジアントチューブ６内の排ガス温度を検出する温度センサを示している。
【０００４】
この構成によれば、給排気口２から吐出され燃焼用エアを絞り部材３によって絞ることにより、ラジアントチューブ６内に導入される燃焼用エアがバーナ本体１の全周に均一にいきわたるので、バーナ本体１の先端から吐出された燃料ガスがバーナ本体１の周囲へショートパスして、排ガスとともに蓄熱体５に流入して燃焼するのを防止することができ、燃料ガスのショートパスによる蓄熱体５の溶損を防止することができる。なお、図５中、破線矢印は、燃焼用エアの流れを示し、実線矢印は、排ガスの流れを示しており、以下の説明に係る他の図においても同様である。
【０００５】
また、直線状に延びる通路４を形成したことにより、ラジアントチューブ６内に導入された燃焼用エアが充分遠方まで到達できるので、火焔を充分伸長させることができ、ラジアントチューブ５内の均一加熱を促進してＮＯＸの発生を抑制することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように排ガス再循環シングル蓄熱バーナは、熱効率を高めるとともにＮＯＸの発生を抑制することが可能であるが、地球温暖化の抑止、環境保護の観点から、更なる高効率化およびクリーン化が要求されている。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、更なる高効率化およびクリーン化を達成すべく、排ガス再循環を強化して低ＮＯＸ化を促進することができる排ガス再循環シングル型蓄熱バーナを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明に係る発明は、蓄熱体を通して燃焼用エアの供給および排ガスの排出を交互に行い、給排気間の熱交換によって燃焼用エアを予熱し、また、排ガスの一部を燃焼用エアとともに再循環させるようにした排ガス再循環シングル型蓄熱バーナにおいて、
先端部が燃焼空間に挿入される燃料ガス吐出部の基部の周囲に燃焼用エアの供給および排ガスの排出を行うための給排気口を配置し、前記燃料ガス吐出部の周囲に前記燃焼空間に導入される燃焼用エアを絞るテーパ状の第１絞り部材を設け、該第１絞り部材の上流側の前記燃料ガス吐出部の周囲に前記給排気口から吐出される燃焼用エアを絞るテーパ状の第２絞り部材を設け、前記第１絞り部材と前記第２絞り部材との間に排ガスを導入するようにしたことを特徴とする。
このように構成したことにより、給排気口から吐出された燃焼用エアは、第２絞り部材および第１絞り部材を介して燃焼空間に導入され、燃料ガス吐出部から吐出された燃料ガスを燃焼させる。燃焼により生じた排ガスは、第１絞り部材と第２絞り部材との間から第２絞り部材を介して給排気口に導入され、また、排ガスの一部が燃焼用エアに混入されて、第１絞り部材を介して燃焼空間に再循環される。
このとき、燃焼空間に導入される燃焼用エアは、第１絞り部材によって絞られて、燃料ガス吐出部の全周に均一にいきわたるので、燃料ガス吐出部から燃焼空間に吐出された燃料ガスが給排気口側へショートパスすることがない。さらに、給排気口から吐出される燃焼用エアが第２絞り部材によって絞られて、その全周にいきわたり、また、第１絞り部材と第２絞り部材との間の排ガスが第２絞り部材によって下流側へ向けられるので、排ガスが燃焼用エアに混入されやすくなり、排ガスの再循環量が増大する。
請求項２に係る排ガス再循環シングル型蓄熱バーナは、上記請求項１の構成において、前記第１絞り部材の外周に前記燃焼空間に排ガスを導入する排ガス再循環通路を設けたことを特徴とする。
このように構成したことにより、燃焼空間に導入される燃焼用エアの流れに引きずられて、排ガスが排ガス再循環通路を通して燃焼空間に導入されるので、排ガスの再循環量が増大する。
また、請求項３に係る排ガス再循環シングル型蓄熱バーナは、上記請求項１または２の構成において、前記燃焼空間は、ラジアントチューブであることを特徴とする。
このように構成したことにより、燃料ガス、燃焼用エアおよび排ガスの一部がラジアントチューブ内に導入されて燃焼が行われ、排ガスがラジアントチューブを通して第１絞り部材と第２絞り部材の間に導入される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明に係るラジアントチューブバーナについて、図１乃至図３を参照して説明する。図３に示すように、本実施形態のラジアントチューブバーナ８は、ラジアントチューブ９（燃焼空間）に排ガス再循環シングル型蓄熱バーナ１０（以下、蓄熱バーナ１０という）を装着したものである。ラジアントチューブ９は、いわゆる５インチＷ型ラジアントチューブであり、直径５インチの耐熱性の金属チューブを略Ｗ字型に成形して、蓄熱バーナ１０が挿入される入口側と排気側とが互いに接続されている。
【００１０】
蓄熱バーナ１０は、バーナ本体１１と、蓄熱体１２と、給排気切換弁装置１３と、給気ブロワ１４と、排気筒１５とを備えている。図１に示すように、バーナ本体１１は、燃料ガス及びパイロットエアを先端から吐出する円筒状の燃料ガス吐出部１６を有し、燃料ガス吐出部１６の基端部に大径の給排気部１７が形成されている。給排気部１７には、燃料ガス吐出部１６の周囲に、その軸方向に沿って開口された複数（例えば６個）の給排気口１８（２つのみ図示する）が設けられている。
【００１１】
蓄熱体１２は、軸方向に沿って多数の給排気通路（図示せず）を有するハニカム構造体で、一端がバーナ本体１１の給排気部１７に結合されて、給排気通路がバーナ本体の各給排気口１８に連通されている。そして、給排気通路を流通する高温の排ガスから熱を吸収して蓄熱し、給排気通路に燃焼用エアが通過する際、放熱して燃焼用エアを排ガス温度近くまで予熱する。
【００１２】
給排気切換弁装置１３は、蓄熱体１２の他端部に接続され、給気ブロワ１４および排気筒１５が接続されている。給排気切換弁装置１３は、バーナ本体１１の各給排気口１８に連通する蓄熱体１２の給排気通路を給気ブロワ１４および排気筒１５に接続し、これらの接続を切換える。このとき、給排気切換弁装置１３は、蓄熱体１２の給排気通路を介して、複数の給排気口１８の一部（例えば６つの内の２つ）を給気ブロワ１４に接続し、同時に、残りの給排気口１８（例えば６つの内の４つ）を排気筒１５に接続し、順次、給排気口１８の給気ブロワ１４および排気筒１５との接続を切換える。
【００１３】
給気ブロワ１４は、外気を加圧し、給排気切換弁装置１３および蓄熱体１２の給排気通路を介してバーナ本体１１の給排気口１８から燃焼用エアとして所定の流量及び圧力で吐出する。排気筒１５は、ラジアントチューブ９内の排ガスをバーナ本体１１の給排気口１８から蓄熱体１２の給排気通路及び給排気弁装置１３を介して外部へ排出する。
【００１４】
バーナ本体１１は、ラジアントチューブ９の入口側と排気側の接続部に挿入されており、燃料ガス吐出部１６の先端部がラジアントチューブ９の入口端部に挿入され、給排気部１７がラジアントチューブ９の排気側の側部に挿入されている。燃料ガス吐出部１６の周囲には、第１絞り部材１９が設けられている。第１絞り部材１９は、燃料ガス吐出部１６の先端側に向かって縮径するテーパ部２０とテーパ部２０の小径部に連なる円筒部２１からなり、円筒部２１の先端は、燃料ガス吐出部１６の先端とほぼ同じ位置まで延ばされている。円筒部２１と燃料ガス吐出部１６との間に直線状の絞り通路２２が形成され、円筒部２１とラジアントチューブ９との間に絞り通路２２と平行に排ガス再循環通路２３が形成されている。
【００１５】
また、バーナ本体１１の給排気部１７の周囲には、燃料ガス吐出部１６の先端側に向かって縮径するテーパ状の第２絞り部材２４が設けられており、第１絞り部材２４のテーパ部２０と第２絞り部材２４との間に排ガス導入口２４Ａが形成されている。そして、第２絞り部材２４によって、給排気口１８から吐出された燃焼用エアの流路を絞ると共に、排ガス導入口２４Ａから給排気口１８へ導入される排ガスの流れを燃料ガス吐出部１６の先端側へ向けている。
【００１６】
蓄熱バーナ１０には、バーナ本体１１の燃料ガス吐出部１６に、燃料ガスおよびパイロットエアを供給する燃料ガス供給装置（図示せず）が設けられ、燃料ガス吐出部１６内には、燃料ガスに点火するための点火装置が設けられている。ラジアントチューブ９には、排ガス温度を検出するための温度センサ２５が挿入されている。
【００１７】
以上のように構成した本実施形態の作用について次に説明する。
バーナ本体１１の燃料ガス吐出部１６から燃料ガス及びパイロットエアを吐出し、給排気切換弁装置１３によって給気ブロワ１４に接続された給排気口１８から絞り通路２２を介してラジアントチューブ９内に燃焼用エアを供給して燃焼を行い、ラジアントチューブ９内に火焔を延ばしてラジアントチューブ９を加熱する。
【００１８】
燃料ガスの燃焼によって生じた排ガスは、ラジアントチューブ９内から、第１絞り部材１９と第２絞り部材２４との間の排ガス導入口２４を通って、給排気切換弁装置１３によって排気筒１５に接続されたバーナ本体１１の給排気口１８に導入されて外部へ排出される。また、排ガスの一部は、排ガス導入口２４Ａおよび排ガス再循環通路２３を通して燃焼用エアに混入され、、ラジアントチューブ９内に再循環される。これにより、燃焼状態を調整してラジアントチューブ９内の燃焼温度の均一化を図り、ＮＯＸの発生を抑制する。
【００１９】
給排気切換弁装置１３によって、バーナ本体１１の給排気口１８に高温の排ガスおよび燃焼用エアを交互に流通させることにより、蓄熱体１２によって排ガスと燃焼用エアとで熱交換を行って燃焼用エアを排ガス温度近くまで予熱するとともに、排ガス温度を低下させることができ、熱効率を高めることができる。
【００２０】
このとき、バーナ本体１１の給排気口１８から吐出された燃焼用エアは、第１絞り部材１９のテーパ部２０に導入され、絞り通路２２によって絞られることにより、テーパ部２０内の全周にいきわたるので、ラジアントチューブ９内に吐出された燃料ガスが絞り通路２２を通してバーナ本体１１の周囲へショートパスすることがない。その結果、排気に引きずられて燃料ガスが蓄熱体１２内に流入するのを防止することができ、燃料ガスのショートパスによる蓄熱体１２の溶損を防止することができる。
【００２１】
また、直線状に延びる絞り通路２２を設けたことにより、ラジアントチューブ９内に流入した燃焼用エアが充分遠方まで到達するので、火焔を充分伸長させることができ、バーナ本体１１付近にヒートスポットが生成されることがなく、ラジアントチューブ９内を均一に加熱することができ、ＮＯＸの発生を抑制するとともに、ラジアントチューブ９の長寿命化を図ることができる。
【００２２】
第１絞り部材１９の円筒部２１によって、絞り通路２２を流れる燃焼用エアと平行な排気ガス再循環通路２３を形成したことにより、排ガスが燃焼用エアの流れに引きずられてラジアントチューブ９内に流入しやすくなるので、排ガスの再循環量を増大させることができ、ＮＯＸの発生を低減することができる。排気ガス再循通路２３を設けることにより、図５に示す従来例に対して、ＮＯＸの発生を約２０％削減することが可能となる。
【００２３】
さらに、第２絞り部材２４を設けたことにより、バーナ本体１１の給排気口１８から吐出される燃焼用エアが絞られ、第２絞り部材２４内の全周にいきわたり、また、第２絞り部材２４と第１絞り部材１９との間の排ガス導入口２４Ａを通る排ガスの流れがバーナ本体１１の燃料ガス吐出部１６の先端側へ向けられるので、排ガスが給排気口１８から吐出された燃焼用エアの流れに混入されやすくなる。その結果、排ガスの再循環量を増大させることができ、ＮＯＸの発生を低減することができる。第２絞り部材２４を設けることにより、図５に示す従来例に対して、ＮＯＸの発生を約４０％削減することが可能となる。
【００２４】
そして、第１絞り部材１９および第２絞り部材２４の両方を設けることにより、ＮＯＸの発生を約５０％削減することが可能となる。その結果、排ガス温度の上昇に伴うＮＯＸの発生量の増大を考慮して、図５に示す従来例では、炉内温度９００℃（ラジアントチューブ内排ガス温度１０００℃）程度までで使用していたのに対して、本実施形態のラジアントチューブバーナ８では、ＮＯＸの発生を大幅に低減することができ、炉内温度１０００℃（ラジアントチューブ内排ガス温度１１００℃）程度においても使用することができる。
【００２５】
次に、図２を参照して、蓄熱バーナ１０の各部の寸法について説明する。第１絞り部材１９の円筒部２１の内径Ａは、絞り通路２２および排ガス再循環通路２３の流路面積に影響し、内径Ａを小さくすると、排ガス導入口２４Ａからの排ガス再循環量が少なくなり、内径Ａを大きくすると排ガス再循環通路２３からの排ガス再循環量が小さくなり、いずれの排ガス再循環量が不足してもＮＯＸの発生が増大することになる。また、内径Ａを大きくすると、排ガス導入口２４Ａからの排ガス再循環量が増大することにより、燃料用エアの供給量が減少する。
【００２６】
第２絞り部材２４の小径部内径Ｂは、給排気口１８からの燃焼用エアの拡散および給排気口１８における燃焼用エアの排気側へのショートパス量に影響し、内径Ｂを小さくすると、燃焼用エアの拡散が促進され、排ガス導入口２４Ａからの排ガスを巻込みやすくなるので、排ガス再循環量が増大してＮＯＸの発生が減少する。しかしながら、給排気口１８において排気側へショートパスする燃焼用エアの量が増大するため、燃焼用エアの供給量が減少することになり、また、給気ブロワ１４の効率も低下する。
【００２７】
第１絞り部材１９と第２絞り部材２４との間の排ガス導入口２４Ａの隙間Ｃは、排ガス導入口２４Ａからの排気ガスの再循環量に影響し、隙間Ｃを大きくすると排ガス再循環量が増大してＮＯＸの発生が減少するが、その分、燃焼用エアの供給量が減少することになる。また、第２絞り部材２４のテーパ角度θも排ガス導入口２４Ａからの排ガスの再循環量に影響する。
【００２８】
これらの各部の寸法が最適になるように調整した結果、ラジアントチューブ９の直径Ｄ１＝１３６ｍｍ、第２絞り部材２４の大径部直径Ｄ２＝１５０ｍｍ、第２絞り部材２４の大径部と第１絞り部材１９の大径部との隙間Ｌ＝５０ｍｍとした場合、円筒部２１の内径Ａ＝１００ｍｍ、第２絞り部材２４の小径部内径Ｂ＝１０８ｍｍ、排気導入隙間Ｃ＝２４ｍｍとし、第２絞り部材２４のテーパ角度θを適当に設定することにより、燃焼用エア流量６３ｍ３／ｈ以上、最大燃焼量５００００ｋｃａｌ／ｈ、最大使用可能炉内温度１０００℃、熱効率８８％を達成することができ、ＮＯＸ濃度を最小限（１４０ｐｐｍ程度）に抑えることができた。
【００２９】
なお、図４に示すように、上述の蓄熱バーナ１０をそのまま細径の直径３インチのラジアントチューブ２６に装着し、第１絞り部材１９とラジアントチューブ２６との間の排ガス再循環通路を省略した場合でも、第２絞り部材２４によって、排ガス再循環量を増大させることができ、図５に示す従来例に対して、ＮＯＸの発生を約４０％削減することができる。
【００３０】
また、上記実施形態では、本発明に係る蓄熱バーナをラジアントチューブに装着した場合について説明しているが、同様に、本発明に係る蓄熱バーナは、一端が閉じたシングルエンドチューブに装着することができ、あるいは、ラジアントチューブ等の間接加熱発熱体を介さず、直接、加熱炉に装着することも可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る排ガス再循環シングル型蓄熱バーナによれば、燃料ガスのショートパスを抑えるとともに、排ガスの再循環量を増大させてＮＯＸの発生を低減することができ、高効率化およびクリーン化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る排ガス再循環シングル型蓄熱バーナの要部の一部縦断面図である。
【図２】図１に示す排ガス再循環シングル型蓄熱バーナの要部の各部の寸法を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る排ガス再循環シングル型蓄熱バーナを使用したラジアントチューブバーナの概略構成を示す縦断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る排ガス再循環シングル型蓄熱バーナを細径のラジアントチューブと組合わせたものの要部を示す一部縦断面図である。
【図５】従来の排ガス再循環シングル型蓄熱バーナのバーナ本体部分を示す一部縦断面図である。
【符号の説明】
９　　ラジアントチューブ（燃焼空間）
１０　排ガス再循環シングル型蓄熱バーナ
１２　蓄熱体
１６　燃料ガス吐出部
１８　給排気口
１９　第１絞り部材
２３　排ガス再循環通路
２４　第２絞り部材
【図１】
2004132574.tif 000003
【図２】
2004132574.tif 000004
【図３】
2004132574.tif 000005
【図４】
2004132574.tif 000006
【図５】
2004132574.tif 000007