(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ノズルを備えたバーナ部と蓄熱体を収納した蓄熱室とからなる少なくとも一対の蓄熱式バーナとからなり、一方の蓄熱式バーナにおいては前記蓄熱室を通して燃焼用空気を燃焼室に供給して燃焼させ、他方の蓄熱式バーナにおいては燃焼排ガスを燃焼室から蓄熱室を介して吸引排気することを交互に切り換える蓄熱式還元燃焼装置において、前記バーナ部に先絞りの円筒１次燃焼室と当該円筒１次燃焼室の出口径より大径の２次燃焼室とからなる燃焼室を形成するとともに、前記円筒１次燃焼室の入口近傍に前記燃料ノズルを設けて空気比１．０未満で燃焼させる一方、前記燃料ノズルが、前記円筒１次燃焼室の内壁の接線方向あるいは円筒１次燃焼室の中心方向に配設され、かつ、前記燃料ノズルの開口位置より前方の円筒１次燃焼室内壁に撹拌部を設けたことを特徴とする蓄熱式還元燃焼装置。
【請求項２】
前記蓄熱式還元燃焼装置において、燃焼状態にある蓄熱式バーナの燃料と燃焼用空気の供給停止を同時に行う一方、排気状態にある蓄熱式バーナの燃料と燃焼用空気の供給開始とを同時に行わせるようにしたことを特徴とする前記請求項１に記載の蓄熱式還元燃焼装置。
【請求項３】
前記２次燃焼室の外周部に配置され、かつ、２次燃焼室入口近傍に連通する複数の排ガス循環流路を形成することを特徴とする請求項１に記載の蓄熱式還元燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は蓄熱式還元燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋼帯や鋼材の直火無酸化加熱、銅あるいはアルミニウムの溶解に、空気比１．０未満で燃焼させる還元燃焼式ガスバーナが採用されている。
【０００３】
ところで、前記還元燃焼式ガスバーナとしては、特公昭６４−４０９０号公報等に開示されているように、先端が開口した筒状バーナタイルの燃焼室に燃焼用空気と燃料ガスとを各々供給して混合し還元燃焼（空気比１．０未満、通常０．８５〜０．９８）させるものである。
【０００４】
そして、燃焼用空気は、予熱すれば熱膨張により酸素濃度が実質的に低くなり燃焼火炎中の酸素濃度を低下させる有効な手段であるため、前記燃焼用空気は排ガスダクトあるいは排気煙道に設けた間接式熱交換器により予熱されるようになっている。
【０００５】
一方、予熱された燃焼用空気を使用する燃焼装置として蓄熱式燃焼装置が公知である。この蓄熱式燃焼装置は、たとえば、図４に示すように、燃料ノズル２１を備えたバーナ部２０と蓄熱体２３を収納した蓄熱室２２とからなる蓄熱式バーナＢを少なくとも一対で構成し、炉壁Ｔに取り付けられる。そして、一方の蓄熱式バーナＢにおいては蓄熱室２２から燃焼用空気ノズル２４ａを通して供給される燃焼用空気の一部と燃料ノズル２１から供給される燃料ガスを燃焼室２５内で混合して燃焼させ、他方の蓄熱式バーナＢは炉内の燃焼排ガスを燃焼用空気ノズル２４ａ，２４ｂから吸引して前記蓄熱体２３で熱を回収し、つぎの交代燃焼時に前記高温となった蓄熱体２３に燃焼用空気を供給して直接熱交換することにより燃焼用空気をより高温に加熱し省エネルギーを図るものである。なお、２６は蓄熱室２２の後部に取り付けた風箱である。
【０００６】
また、この蓄熱式バーナＢにおいては、一般に、燃料の不完全燃焼を防止するために、燃焼状態にある一方の蓄熱式バーナにあっては燃料の供給を停止したのち（約０．５秒後）に燃焼用空気の供給を停止し、排気状態にある他方の蓄熱式バーナでは燃焼用空気の供給を開始したのち（約０．５秒後）に燃料の供給を開始している。したがって、炉内雰囲気中の未反応酸素は多くなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の還元燃焼式ガスバーナにおいて、燃焼用空気を予熱するのに間接熱交換器を必要とし、かつ、間接熱交換器は金属製であるため、その耐熱性から燃焼用空気は約３５０℃程度にしか予熱できず、火炎中の酸素濃度は３５〜５０ｐｐｍが限界である。
【０００８】
一方、後者の蓄熱式バーナＢで還元燃焼すると、予熱温度を６００℃以上に加熱できるが、燃焼室２５内からの燃焼ガスは、その後、燃焼用空気ノズル２４ｂからの燃焼用２次空気および炉内雰囲気ガスを巻き込んで炉内で徐々に混合しながら緩慢燃焼するため、煤の発生が多いとともに、燃焼火炎中の酸素濃度が高い。
【０００９】
さらに、被加熱物に燃焼火炎を接触させながら加熱する場合、燃焼と排気との切り換え時、燃焼用空気（未反応酸素）が被加熱物に接触して局部酸化を生じるという課題を有する。
【００１０】
したがって、本発明は、前記蓄熱式バーナの利点を生かして煤の発生がなく、かつ、低酸素濃度（１５ｐｐｍ以下）の還元燃焼火炎を得ることのできる蓄熱式還元燃焼装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するために、燃料ノズルを備えたバーナ部と蓄熱体を収納した蓄熱室とからなる少なくとも一対の蓄熱式バーナとからなり、一方の蓄熱式バーナにおいては前記蓄熱室を通して燃焼用空気を燃焼室に供給して燃焼させ、他方の蓄熱式バーナにおいては燃焼排ガスを燃焼室から蓄熱室を介して吸引排気することを交互に切り換える蓄熱式還元燃焼装置において、前記バーナ部に先絞りの円筒１次燃焼室と当該円筒１次燃焼室の出口径より大径の２次燃焼室とからなる燃焼室を形成するとともに、前記円筒１次燃焼室の入口近傍に前記燃料ノズルを設けて空気比１．０未満で燃焼させる一方、前記燃料ノズルが、前記円筒１次燃焼室の内壁の接線方向あるいは円筒１次燃焼室の中心方向に配設され、かつ、前記燃料ノズルの開口位置より前方の円筒１次燃焼室内壁に撹拌部を設けて燃焼用空気と燃料との混合を十分になし得るようにしたものである。
【００１３】
また、前記請求項１の蓄熱式還元燃焼装置において、燃焼状態にある蓄熱式バーナの燃料と燃焼用空気の供給停止を同時に行う一方、排気状態にある蓄熱式バーナの燃料と燃焼用空気の供給開始とを同時に行わせるようにして低酸素濃度の還元燃焼火炎を得るようにしたものである。
【００１４】
さらに、前記請求項１の蓄熱式還元燃焼装置において、前記２次燃焼室の外周部に、２次燃焼室入口近傍に連通する複数の排ガス循環流路を形成するようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を図にしたがって説明する。
本発明にかかる蓄熱式還元燃焼装置は、燃料ノズル６を備えたバーナ部１と蓄熱体９を収納した蓄熱室８とからなる蓄熱式バーナＢｒが少なくとも一対で構成される。
【００１６】
この蓄熱式バーナＢｒは、図１に示すように、バーナ部１が炉壁Ｔに取り付けられる。
【００１７】
そして、バーナ部１は、先絞りの円筒１次燃焼室３と当該円筒１次燃焼室３の出口径より大径の２次燃焼室４とからなる燃焼室２を有するとともに、前記円筒１次燃焼室３に燃料ノズル６を備えている。なお、前記燃料ノズル６は円筒１次燃焼室３に対して径方向に複数設けたものであり、また、５は円筒１次燃焼室３の前記燃料ノズル６の開口部に設けた撹拌部である。この撹拌部５は、図においては凹部としたがこれに限らず、前記燃料ノズル６が円筒１次燃焼室３の内壁の接線方向に開口する場合には、開口前方に設けた凸部で構成してもよい。
【００１８】
前記蓄熱室８は、前記バーナ部１の後端に取り付けられたもので、前記バーナ部１の後面との間に空間７を介して蓄熱体９が充填され、この蓄熱室８の後端には風箱１０が設けてある。
【００１９】
つぎに、前記構成からなる蓄熱式還元燃焼装置の操業について説明する。
なお、図１においては、蓄熱式バーナＢｒは１基だけ記載しているが、少なくとも一対の蓄熱式バーナＢｒが炉内の所定個所に設けてある。
【００２０】
まず、一方の蓄熱式バーナＢｒの風箱１０を切換弁（図示せず）の切り換えにより、燃焼用空気を蓄熱室８を介して円筒１次燃焼室３に供給する。
【００２１】
一方、燃料ノズル６から円筒１次燃焼室３内に燃料ガスを供給することで燃焼用空気と燃料ガスとは前記撹拌部５により十分に撹拌して燃焼を開始し、その混合ガスは２次燃焼室４から炉内に噴出し、炉内雰囲気を巻き込みながら燃焼する。
【００２２】
他の蓄熱式バーナＢｒにあっては、燃料ガスの供給を停止するとともに風箱１０を切換弁（図示せず）の切り換えにより、炉内雰囲気をバーナ部１の燃焼室２から吸引して排気する。この際、高温の炉内雰囲気が蓄熱体９間を通過するため蓄熱体９は加熱されることになる。
【００２３】
所定時間経過すると、一方の蓄熱式バーナＢｒを排気状態に、他方の蓄熱式バーナＢｒを燃焼状態にする。この場合、他方の蓄熱式バーナＢｒの燃焼用空気は前の排気工程で高温となった一方の蓄熱式バーナＢｒの蓄熱体９間を通過するため直接熱交換して高温（約８００℃）の予熱燃焼用空気としてバーナ部１に供給される。
【００２４】
ところで、前記蓄熱式バーナＢｒにあっては還元燃焼させるために、蓄熱式バーナＢｒの空気比は１.０未満に設定されている。
【００２５】
したがって、燃料ノズル６から供給された燃料ガスは、蓄熱室８を通って高温となった燃焼用空気（約８００℃）と混合して燃焼を開始し、先絞り部３ａを通過することにより火炎は高速（１００ｍ／ｓｅｃ以上）で炉内に噴出する。この場合、燃料ガスおよび燃焼用空気は空気比１.０未満に相当する供給量であるが、燃焼用空気は高温となって熱膨張しており実質酸素量は少なく、火炎中の未反応酸素は低下する。しかも前述の高速噴流火炎により、ＣＯ，Ｈ2を数％存在する炉内燃焼排ガス（還元雰囲気ガス）を巻き込みながら急速に燃焼することにより火炎中の未反応酸素が素早く消費されるため、煤の発生はなく、炉内雰囲気は低酸素濃度の還元性雰囲気となる。
【００２６】
つぎに、燃焼用空気と燃料ガスの供給・停止時期については、前記切換弁（図示せず）と燃料ノズル６からの燃料ガスの供給開始と供給停止は時間遅れなしに同時に切り換えるものである。
【００２７】
これは、前記従来の蓄熱式バーナＢのように、燃焼時には、燃焼用空気の供給を開始したのち燃料ガスの供給を開始し、停止時には燃料ガスの供給を停止したのち燃焼用空気の供給を停止するようにすると、燃焼火炎を被加熱物に直接接触させて加熱する場合においては、切り換え時に被加熱物が局部酸化したり、炉内雰囲気中の未反応酸素量が増加し、所望の低酸素濃度の還元性雰囲気を得ることができなくなるからである。
【００２８】
したがって、前記切換弁（図示せず）をスローオープンタイプとし、燃料ガスとともに燃焼用空気を同時に供給するものの燃焼用空気の供給量を徐々に上昇させるようにしたり、あるいは、燃料ガスの供給開始を燃焼用空気の供給より数秒程度先行して行う一方、排気時には逆に燃料ガスの供給停止を燃焼用空気の供給停止より数秒程度遅らせて行うようにしてもよい。
【００２９】
たとえば、低位発熱量の高いブタンガスやプロパンガスを燃料として使用する場合、特に、蓄熱式バーナをターンダウンさせた場合は、燃焼用空気流量が低下するため円筒１次燃焼室３内において燃料と燃焼用空気とが十分に撹拌混合することができなくなり、煤を発生させる懸念がある。
【００３０】
図２に示すように、先端外周部に複数の噴出孔６ａを有する燃料供給管６を中心部に設け、前記燃料供給管６の外周面に所定間隔をもって希釈用空気供給管Ｐを配置して少量の希釈用空気で燃料を希釈する構成にしてもよい。その結果、低位発熱量の高い燃料を希釈することで前記円筒１次燃焼室３内において燃焼性が向上し、特に、ターンダウン時の煤の発生を大幅に防止できるものである。具体的な一例としては、低位発熱量の高い燃料であるブタンガスやプロパンガスを１３Ａ都市ガス相当の低位発熱量（３３．５〜５４．４ＭＪ／ｍ3［ｎｏｒｍａｌ］）に希釈すればよい。
【００３１】
なお、本実施例のように燃料を希釈用空気で希釈して低酸素濃度（１５ｐｐｍ以下）の還元燃焼炎を得る場合は燃焼用空気の供給量を絞って空気比を１．０未満（通常０．８５〜０．９８）に設定する。
【００３２】
また、前記希釈用空気を燃焼時や排ガス吸引時にかかわらず常時供給してもよい。したがって、燃焼時は前記燃料の希釈用空気として作用し、排ガス吸引時には還元燃焼で発生したＣＯやＨ2等の未燃焼分を含む炉内ガスを前記円筒１次燃焼室３内で再燃焼（アフターバーニング）用の空気として作用する。したがって、希釈用空気の供給を、蓄熱式バーナの燃焼および排ガス吸引の切り換えサイクルに同調させる必要がなくなるばかりでなく、排ガス中にＣＯ等の有害成分が含まれていないため、前記排ガスをそのまま大気中に放出することが可能となる。
【００３３】
図３に示すように、２次燃焼室４の外周部に配設され、かつ、前記２次燃焼室４入口近傍に連通する複数の排ガス循環流路４ａを形成する低ＮＯｘ型蓄熱式還元燃焼装置としてもよい。したがって、絞り部３ａから炉内に向って１００ｍ／ｓｅｃ以上の高速で噴出する燃焼火炎の運動量によって前記排ガス循環流路４ａからバーナ近傍の炉内排ガスが２次燃焼室４内に自己循環されるので、該燃焼火炎内部の酸素分圧が更に低下することからＮＯｘの発生を更に抑制することが可能となる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１の発明によれば、バーナ部に設けた２次燃焼室は円筒１次燃焼室の先端に設けた先絞り部の出口径より大径としたため、また、燃料ノズルの開口位置より前方の円筒１次燃焼室内壁に撹拌部を設け、燃料ガスと燃焼用空気が十分に混合するため、空気比１.０未満で燃焼させても２次燃焼室でＣＯ，Ｈ2が数％存在する炉内雰囲気ガスを巻き込んで急速に燃焼して火炎中の未反応酸素を素早く消費しながら煤のない還元燃焼を行い、炉内を低酸素濃度の還元性雰囲気とすることができる。実験によると従来型バーナでは炉内の未反応酸素は３３ｐｐｍ（空気比０.８５、燃焼負荷７５％）であるが、本発明のものでは９ｐｐｍ（空気比０.８７、燃焼負荷６４％）であった。
【００３５】
また、バーナとして蓄熱式バーナを使用しているため、燃焼用空気を高温とすることができ、同一炉を１２００℃に保つために必要な燃焼量は、従来型バーナを１００とすると本発明のバーナでは５５と大幅に省エネルギーを図ることができた。
【００３６】
請求項２の発明によれば、燃焼状態にある蓄熱式バーナの燃料と燃焼用空気の供給停止を同時に行い、排気状態にある蓄熱式バーナの燃料と燃焼用空気の供給開始とを同時に行わせるため、特に、バーナ近傍の未反応酸素が、たとえば１５ｐｐｍ（空気比０.８７、燃焼負荷６４％）と少なく、火炎を直接被加熱物に接触させて加熱する場合においても、局部酸化が生じない。
【００３７】
請求項３の発明によれば、高速で噴出する燃焼火炎の運動量によって前記排ガス循環流路４ａからバーナ近傍の炉内排ガスが２次燃焼室４内に自己循環されるので、ＮＯｘの発生を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に適用する蓄熱式バーナの断面図。
【図２】  本発明に適用する他の実施態様を示す蓄熱式バーナの断面図。
【図３】  本発明に適用するその他の実施態様を示す蓄熱式バーナの断面図。
【図４】  従来の蓄熱式バーナの断面図。
【符号の説明】
１〜バーナ部、２〜燃焼室、３〜円筒１次燃焼室、３ａ〜絞り部、４〜２次燃焼室、４ａ〜排ガス循環流路、５〜凹部、６〜燃料ノズル、８〜蓄熱室、９〜蓄熱体、Ｂｒ〜蓄熱式バーナ、Ｐ〜希釈用空気供給管。
【図１】
0004291498.tif 000002
【図２】
0004291498.tif 000003
【図３】
0004291498.tif 000004
【図４】
0004291498.tif 000005