(57)【要約】【課題】酸素燃焼バーナを熱源とする加熱炉において、酸素燃焼特有の排ガス体積減少による昇温行程の長時間化を防止し、炉運転時、昇温行程時を問わず良好な排ガス処理性能および温度分布性能を得ることができるようにする。また、運転前の空気によるプレパージも可能とする。【解決手段】酸素燃焼バーナにおいて、燃料ノズルから噴出する燃料に空気を供給する空気ノズルをさらに備えて、空気専焼燃焼と酸素専焼燃焼の双方を可能とする。空気ノズルからの空気でプレパージを行い、空気燃焼で炉の昇温行程を行い、本加熱溶融は酸素燃焼で行う。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ノズルと燃料ノズルから噴出する燃料に酸素リッチな酸化剤を供給する酸素ノズルとを少なくとも備える酸素燃焼バーナであって、燃料ノズルから噴出する燃料に空気を供給する空気ノズルをさらに備えており、燃料は空気ノズルから供給される空気による燃焼と酸素ノズルから供給される酸素リッチな酸化剤による燃焼との双方が可能とされていることを特徴とする酸素燃焼バーナ。
【請求項２】
パイロットバーナをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項３】
燃焼室の熱源として請求項１または２に記載の酸素燃焼バーナを備える炉。
【請求項４】
燃焼室の下流に燃焼排ガスを浄化するための排ガス後処理部をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の炉。
【請求項５】
請求項３または４に記載の炉の運転方法であって、炉が必要とする運転開始時の昇温行程では空気ノズルから供給される空気と燃料との空気燃焼を主に行い、その後、酸素ノズルから供給される酸素リッチな酸化剤と燃料との酸素燃焼に切り換えることを特徴とする炉の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化剤として酸素あるいは酸素富化空気のような酸素リッチな酸化剤を用いるいわゆる酸素燃焼バーナと、酸素燃焼バーナを備えた炉およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種工業加熱炉や溶融処理炉のように処理温度が１２００℃程度以上となるような高温加熱炉では膨大なエネルギ消費を必要とする。そのために、操業原単位向上（燃費節約）の観点から、空気燃焼に比べ容易に高温が得られ、排ガス損失も少ない酸素燃焼の導入が検討されており、都市ガス、灯油のような各種燃料を用いた酸素燃焼バーナの研究開発が進められている。酸素燃焼における酸化剤には、純酸素ばかりでなく、空気に酸素を所定量添加した酸素富化空気のような酸素リッチな酸化剤も用いられている。特許文献１（特開２０００−１６１６１４号公報）や特許文献２（特開２００１−３０２２５１号公報）には、そのような酸素燃焼バーナを熱源とする改良された炉（例えばガラス溶解炉）や、酸素燃焼で発生する燃焼排ガスの新たな浄化対策などが提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１６１６１４号公報
【特許文献２】特開２００１−３０２２５１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
各種工業加熱炉や溶融処理炉のような高温加熱炉では、実操業（処理物の加熱や溶融処理）前に、炉内を所要の作業温度にまで徐々に昇温する、いわゆる昇温行程が必要となる（本発明で、この行程を単に「昇温行程」として記載する）。このことは、酸素燃焼バーナを熱源に持つ加熱炉においても、空気燃焼バーナを熱源に持つ加熱炉においても同様である。空気燃焼の場合には、酸素燃焼と比較して、昇温速度が遅くかつ燃焼排ガス量も多いために、燃料を絞った状態で燃焼を開始し、徐々に燃焼量を上げていく操作のみで、支障なく炉の昇温工程を行うことができ、その後、連続的に実操業に移行することができる。
【０００５】
酸素燃焼バーナを熱源とする炉では急激な温度上昇を伴うことから、昇温行程において、燃焼量を極端に下げてゆっくり昇温させる必要があり、慎重な燃料供給スケジュールを立てることが求められる。一般に高温加熱炉の場合、燃焼排ガス浄化の観点から二次燃焼室や排ガス処理装置などの排ガス後処理部が燃焼炉下流に付属して構成される場合が多いが、熱源として酸素燃焼だけを用いる場合、空気燃焼に比べて、燃焼排ガス体積が約１／６〜１／７と少なく、そのために、二次燃焼室など下流側の処理装置の温度が所要温度まで上昇するのに多くの時間が必要となる。完全燃焼を目的とする二次燃焼室などの昇温が不十分（所定温度に達しない）なまま運転を行うと、運転時にＣＯ等の末燃分の排出が生じるなど、システム全体の性能が得られなく恐れがある。結果として、昇温行程の長時間化およびそれに伴う燃料、酸素消費量の増大といった問題が発生する。
【０００６】
また、通常、上記のような加熱炉において、燃焼安全のために、着火および燃焼を開始する前に、炉内に空気（あるいは不活性ガス）のみを流してプレパージが行われる。空気燃焼バーナを熱源とする炉では、燃料を供給せずに空気ノズルから空気のみを供給することにより、プレパージを容易に行うことができる。しかし、酸素燃焼バーナを熱源とする炉では、このプレパージを行うことは容易でない。なぜなら、酸素燃焼を想定して設計されている酸素ノズルから炉内プレパージに必要な量の空気を供給することは事実上不可能であり、そのために、パージ空気流量に合わせてパージ空気専用のノズルを酸素燃焼バーナと共に炉体に設置することが必要となることによる。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、酸素燃焼特有の排ガス体積減少による昇温行程の長時間化を防止し、運転操業の省エネルギ化に貢献でき、かつ、炉運転時、昇温行程時を問わず良好な排ガス処理性能および温度分布性能を得ることを可能とする、新たな形態の酸素燃焼バーナおよび該バーナを備えた炉とその運転方法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】
本発明による酸素燃焼バーナは、燃料ノズルと燃料ノズルから噴出する燃料に酸素リッチな酸化剤を供給する酸素ノズルとを少なくとも備える酸素燃焼バーナであって、燃料ノズルから噴出する燃料に空気を供給する空気ノズルをさらに備えており、燃料は空気ノズルから供給される空気による燃焼と酸素ノズルから供給される酸素リッチな酸化剤による燃焼との双方が可能とされていることを特徴とする。なお、本発明において「酸素リッチな酸化剤」とは、自然界に存在する空気よりも酸素量が多い酸化剤を総称するものとして用いており、純酸素、空気に酸素を所定量添加して得られる酸素富化空気、純酸素と他の各種ガスとの混合物、などが含まれる。
【０００９】
上記酸素燃焼バーナでは、酸素ノズルに加えて、空気専焼機能を備えた空気ノズルを備える。そのために、燃料と空気との空気燃焼と、燃料と酸素リッチな酸化剤との酸素燃焼の双方を選択的に行うことが可能であり、また、燃料に対して空気と酸素リッチな酸化剤とをその比率を変化させながら同時に供給して燃焼を行うことも可能となる。空気燃焼を行う場合には大量の燃焼排ガスが発生し、酸素燃焼を行う場合には短時間で高温環境を得ることができる。
【００１０】
具体的な構成は、従来の酸素燃焼バーナにおける酸素ノズルに加えて、ほぼ同じような噴出角度を持つ空気ノズルを組み込めばよく、構成は容易である。空気と酸素リッチな酸化剤の切り換えや比例配分も、従来知られた遮断弁や流量調整弁などを設けて適宜の制御装置により制御することで容易に行うことができる。なお、バーナ燃焼では、流体の噴出流速は重要な設計パラメータとなるところ、空気燃焼と酸素燃焼では、必要な酸化剤（空気と酸素リッチな酸化剤）の流量が大きく異なる（等量の燃料を完全燃焼させるのに、純酸素に比べて、空気の場合はほぼ５倍の量が必要となる）ので、設計流速条件が実現できるように、ノズル径などの寸法を設計することは必要となる。
【００１１】
上記のように本発明による酸素燃焼バーナは空気専焼機能を備えた空気ノズルを持つので、着火は比較的容易である。しかし、より安定した着火を得るために、従来の酸素燃焼バーナと同様に、パイロットバーナをさらに備えることは好ましい態様である。
【００１２】
本発明は、さらに、上記した酸素燃焼バーナを備える炉も開示する。燃焼室の下流に燃焼排ガスを浄化するための排ガス後処理部をさらに備えるようにしてもよい。炉に特に制限はないが、熱源が酸素燃焼バーナであることから、鉄鋼加熱炉のような工業加熱炉、灰溶融炉のような溶融炉、さらには、ガラス溶解炉、アルミ溶解炉のような炉のように、処理温度が１２００℃を越えるような高温加熱炉が特に適している。いずれにしても、炉自体の形態は従来の酸素燃焼バーナを備える炉と同じであってよい。排ガス後処理部も従来の炉に備えられている排ガス後処理部と同じものであってよく、二次燃焼室、適宜の排ガス処理装置などが挙げられる。
【００１３】
上記炉は、空気専焼機能を備えた空気ノズルを持つ酸素燃焼バーナを備え、前記したように空気ノズルは酸素ノズルよりも大きなノズル径を有している。そのために、空気ノズルからプレパージに要する十分な量の空気を炉の燃焼室内に確実に供給することができる。従って、従来のように別途プレパージ用の空気ノズルを設けることなく、空気によるプレパージを行うことが可能となる。また、炉内で空気燃焼と酸素燃焼とを選択的に行うことができるので、適切な昇温環境および処理物に応じた適切な炉内燃焼環境を容易に作り出すことができる。
【００１４】
本発明はさらに、上記の炉の運転方法であって、炉が必要とする運転開始時の昇温行程では空気ノズルから供給される空気と燃料との空気燃焼を主に行い、その後、酸素ノズルから供給される酸素リッチな酸化剤と燃料との酸素燃焼に切り換えることを特徴とする炉の運転方法をも開示する。
【００１５】
上記の方法では、炉の運転開始にあたり、酸素燃焼バーナの燃料ノズルから適量の燃料を噴出し、空気ノズルからは空気を噴出して空気燃焼を行って、当該炉が必要とする前記した昇温行程を実施する。炉が燃焼室の下流に二次燃焼室や排ガス処理装置のような燃焼排ガスを浄化するための排ガス後処理部を備える場合には、それらが所定の作動温度に達するまで、空気燃焼を継続する。その後、酸素ノズルからの酸素リッチな酸化剤の供給を開始して酸素燃焼に切り替え、空気ノズルからの空気の供給を停止し、本操業の加熱や溶融を開始する。
【００１６】
上記の方法では、酸素燃焼に比べ十分な燃焼ガス体積が得られる空気燃焼により昇温行程を行うため、二次燃焼室などの昇温時間の短縮が図られるとともに、燃焼室、二次燃焼室、排ガス処理装置などがバランスよく昇温されるので、昇温行程時においてＣＯ等の未燃分が排出するのも防止できる。また、昇温時間短縮は、燃焼および酸化剤（酸素、空気動力）の削減につながり、設備運転操業の省エネルギ化に大きく貢献できる。なお、空気燃焼から酸素燃焼への切り換えは空気供給を徐々に減らしていき、酸素供給を徐々に増やしていくような漸進的な切り換えであってもよい。
【００１７】
上記のように、炉を空気および酸素切換専焼可能な設計とすることにより、昇温行程時、炉運転時を問わず良好な排ガス性能および温度分布性能を得ることができる。また、空気専焼でも定格燃焼量条件をカバーできる運転態様に設計しておくことにより、昇温行程時など本操業以外の運転時にも、高い燃焼性能が得られる。また、従来の酸素燃焼炉におけるように燃料供給量を精緻に調整する手段をとることなく、所定の昇温行程を実施することができる利点もある。
【００１８】
実際の炉の運転に当たっては、最初に空気ノズルからの空気による炉内プレパージを行い、着火用所定量の空気流量に設定する。パイロットバーナを備える場合にはパイロットバーナを着火する。パイロット火炎着火を確認後、燃料ノズル（メインバーナ）から燃料を噴出し、メインバーナを点火し空気燃焼を行う。空気燃焼状態で、炉内および各下流側設備の昇温行程を実行し、昇温行程終了後、適宜の制御装置を操作して酸素燃焼に切り換える。その後は、従来の酸素燃焼バーナを備えた炉と同様にして溶融・加熱運転を行う。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は、本発明による酸素燃焼バーナ１０を熱源に持つ炉１を備えた処理システムの一例を示しており、例えば各種工業加熱炉や溶融処理炉のような高温加熱である炉１の下流には、燃焼排ガス浄化の目的で、二次燃焼室２，排ガス処理装置３などが備えられ、そこを通って浄化された燃焼排ガスが煙突４から大気に放出される。
【００２０】
図２は、本発明による酸素燃焼バーナ１０の一例を示しており、図２ａは断面図、図２ｂは底面図である。なお、図２ａは、図２ｂのａ−ａ線による断面である。酸素燃焼バーナ１０は中央に燃料ノズル１１を備え、都市ガス等の燃料が該ノズル１１の噴孔１２から炉１の燃焼室内に噴出する。燃料ノズル１１の噴孔１２を中心に、その同心円上には酸素ノズル１３の４個の噴孔１４が９０°の開き角度で位置している。各酸素ノズル１３の上端は分配室１５に連通しており、分配室１５には酸素あるいは酸素富化空気のような酸素リッチな酸化剤が送り込まれる。送り込まれた酸素リッチな酸化剤は、噴孔１４から燃焼室内に噴出する。燃料ノズル１１に対する酸素ノズル１３の傾斜角度あるいは噴孔１４の数などは、従来知られた酸素燃焼バーナと同じようにして設定すればよい。１７はパイロットバーナであり、その噴孔１８は燃料ノズル１１の噴孔１２の近傍に位置している。なお、上記の構成は、従来知られた酸素燃焼バーナと同じであってよい。
【００２１】
本発明による酸素燃焼バーナ１０では、燃料ノズル１１および酸素ノズル１３に加えて、噴孔２２が、酸素ノズル１３の噴孔１４と同様、燃料ノズル１１の噴孔１２を中心とする同心円上に位置するようにして、空気ノズル２１が備えられる。図示のものでは、９０°の開き角度で４個の噴孔２２を設けているが、噴孔２２の数は、当該酸素燃焼バーナの燃焼条件に応じて、適数に設定すればよい。また、燃料ノズル１１に対する空気ノズル２１の傾斜角度も当該酸素燃焼バーナの燃焼条件に応じて適宜設定されるが、酸素ノズル１３の傾斜角度とほぼ同じであってよい。なお、等量の燃料を完全燃焼させるのに、純酸素に比べて、空気の場合はほぼ５倍の量が必要となるので、それらを考慮して、設計流速条件が実現できるように、酸素ノズル径の寸法を設計する。
【００２２】
炉１の運転に際し、最初に、空気ノズル２１から空気を炉１の燃焼室内に供給してプレパージを行う。上記のように空気ノズル径は酸素ノズル径と比較して大径とされており、プレパージに必要な量の空気ノズルを確実に供給することができる。
【００２３】
プレパージ後、空気ノズル２１から必要量の空気を供給して、パイロットバーナ１７を着火する。パイロットバーナ１７の火炎を確認後、燃料ノズル１１から適量の燃料ガスを供給し、空気燃焼を開始する。空気燃焼による燃焼排ガスは、炉１から二次燃焼室２，排ガス処理装置３へ順次流れていき、それらを昇温する。空気燃焼により多くの量の燃料排ガスが得られるので、炉内および下流の二次燃焼室２や排ガス処理装置３などの燃焼排ガス後処理装置は、短い時間で適切に昇温される。その過程で、ＣＯ等の未燃分が排出されるのも防止できる。酸素燃焼による昇温行程が終了した時点で、酸素燃焼バーナ１０から酸素リッチな酸化剤を供給して酸素燃焼に切り換え、以下、従来の酸素燃焼バーナを熱源に持つ炉と同様にして、溶融・加熱運転（実操業）を行う。
【００２４】
図３は、同じ実験炉において、本発明による酸素燃焼を行った場合（空気燃焼にて十分な昇温後、酸素燃焼運転）（−□−）と、従来の空気燃焼を行った場合（十分な昇温後、予熱空気燃焼にて運転）（−○−）と、従来の酸素燃焼を行った場合（−△−）での、炉内（燃焼室）温度と二次燃焼室温度とを示している。また、そのときの二次燃焼室出口での燃焼排ガス中のＣＯ濃度（未燃分）も示している。
【００２５】
図３に示すように、いずれの燃焼でも炉内温度は約１５００℃の高温が得られるものの、その時点での二次燃焼室温度は、従来の酸素燃焼による場合は５００℃程度と低く、本来必要な温度まで十分に昇温されていないことから、出口でのＣＯ濃度が３５０ｐｐｍと高くなっている。一方、従来の空気燃焼による場合には、二次燃焼室温度は本来必要な温度まで昇温されており、出口でのＣＯ濃度も１０ｐｐｍ以下と低い。しかし、当然ながら、実操業を酸素燃焼で行うことはできない。本発明の方法によれば、空気燃焼による昇温行程のメリットと実操業での酸素燃焼のメリットとの双方を満足することができる。加えて、燃焼前のプレパージも確実に実施することができるメリットがある。
【００２６】
なお、本発明の酸素燃焼バーナにおいて、燃料ノズル１１、酸素ノズル１３、および空気ノズル２１の形状や配置は、燃料ノズル１１から供給される燃料を、酸素専焼燃焼させるだけの酸素リッチな酸化剤が供給できること、および、空気専焼燃焼させるだけの空気が供給できること、を条件に任意であり、図２に示した形態のものに限られない。
【００２７】
図４〜図６は、他の態様の酸素燃焼バーナを示す底面図であり、図４の形態では、酸素ノズル１３およびその噴孔１４，空気ノズル２１およびその噴孔２２は、ともに円環状のスリット形状となっている。図５の形態では、各ノズルの噴孔１２，１４，２２は矩形型となっており、等しい開き角度で各噴孔は位置している。図６の形態では、矩形状の２つの酸素噴孔１４が燃料噴孔１２を中心に対峙しており、酸素噴孔１４を挟むようにして２つの空気噴孔２２が位置している。
【００２８】
また、酸素ノズル１３および空気ノズル２１が燃料ノズル１１に対して角度を持って配置されることも必須でなく、前記したように酸素専焼燃焼および空気専焼燃焼が可能であることを条件に、図７に示すように、それぞれが角度を持たずに配置されていてもよく、この形態も本発明の範囲に含まれる。
【００２９】
さらに、図示したすべての例において、中心に燃料ノズル１１およびその噴孔１２があり、その周囲に酸素ノズル１３とその噴孔１４および空気ノズル２１とその噴孔２２が位置する形態の酸素燃焼バーナを示したが、燃焼可能なノズル設計であることを条件に、これらの配置は任意である。例えば、中心に酸素の噴孔を形成し、その周囲に燃料ガスの噴孔を位置させ、さらにその周囲（最外側）に空気噴孔を位置させるような形状であってもよい。中心の酸素噴孔の周囲に、燃料と空気の噴孔をほぼ同心円上に位置させるような形状であってもよい。
【００３０】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、酸素燃焼バーナを熱源とする加熱炉において、酸素燃焼特有の排ガス体積減少による昇温行程の長時間化を防止し、運転操業の省エネルギ化に貢献することができる。また、炉運転時、昇温行程時を問わず良好な排ガス処理性能および温度分布性能を得ることが可能となる。さらに、運転前の空気によるプレパージも容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による酸素燃焼バーナを熱源に持つ炉１を備えた処理システムの一例を示す図。
【図２】本発明による酸素燃焼バーナの一例を示しており、図２ａは図２ｂのａ−ａ線による断面、図２ｂは底面図。
【図３】実際に行った燃焼実験での炉内温度などを示すグラフ。
【図４】他の態様の酸素燃焼バーナを示す底面図。
【図５】さらに他の態様の酸素燃焼バーナを示す底面図。
【図６】さらに他の態様の酸素燃焼バーナを示す底面図。
【図７】さらに他の態様の酸素燃焼バーナの部分的断面図。
【符号の説明】
１…炉、２…二次燃焼室、３…排ガス処理装置、４…煙突、１０…酸素燃焼バーナ、１１…燃料ノズル、１２…燃料ノズルの噴孔、１３…酸素ノズル、１４…酸素ノズルの噴孔、１７…パイロットバーナ、１８…パイロットバーナの噴孔、２１…空気ノズル、２２…空気ノズルの噴孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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