(57)【要約】【課題】燃料の流路３と、第１酸化剤の流路４と、排ガスの出口９と、制御装置１０と、ヒート・バッファ７とを備え、第１酸化剤及び排ガスが交互して前記ヒート・バッファ７を介して導かれる工業炉１のバーナ装置２を提供すること。【解決手段】本発明は第２酸化剤を前記バーナ装置２に供給する別個の吹き込み装置６が配置されることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の流路（３）と、第１酸化剤の流路（４）と、排ガスの出口（９）と、制御装置（１０）と、ヒート・バッファ（７）とを備え、前記第１酸化剤及び前記排ガスが交互して前記ヒート・バッファ（７）を介して導かれる工業炉（１）のバーナ装置（２）において、第２酸化剤を前記バーナ装置（２）に供給する別個の吹き込み装置（６）が配置されることを特徴とするバーナ装置。
【請求項２】
前記バーナ装置（２）は、金属材料を前記工業炉（１）においてバッチ式に加熱するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のバーナ装置。
【請求項３】
前記吹き込み装置（６）は、前記第２酸化剤を前記第１酸化剤と同じ流路（４）を介して供給するように構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のバーナ装置。
【請求項４】
前記第１酸化剤を空気とすることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のバーナ装置。
【請求項５】
前記第２酸化剤は、少なくとも８０重量パーセントの酸素を、更に好ましくは少なくとも９５重量パーセントの酸素を包含することを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載のバーナ装置。
【請求項６】
前記制御装置（１０）は、第２酸化剤の供給を運転中連続的に制御するように構成されることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載のバーナ装置。
【請求項７】
前記制御装置（１０）は、前記第２酸化剤の供給をオンオフ切換を使用して制御するように構成されることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一項に記載のバーナ装置。
【請求項８】
前記吹き込み装置（６）は、前記第２酸化剤を２００メートル毎秒を超える速度で供給するように構成されることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載のバーナ装置。
【請求項９】
前記吹き込み装置（６）は、前記第２酸化剤を少なくとも音速で供給するように構成されることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一項に記載のバーナ装置。
【請求項１０】
燃料の流路（３）と、第１酸化剤の流路（４）と、排ガスの出口（９）と、ヒート・バッファ（７）とを備えるバーナ装置（２）を使用し、該バーナ装置（２）において、前記第１酸化剤及び前記排ガスが交互して前記ヒート・バッファ（７）を介して導かれる工業炉（１）を加熱時の効率を高める方法において、吹き込み装置（６）により第２酸化剤が前記バーナ装置（２）に供給されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記加熱を金属材料の前記工業炉（１）におけるバッチ式加熱とすることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１酸化剤を空気とすることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２酸化剤は少なくとも８０重量パーセントの酸素を含有することを特徴とする請求項１０から１２までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
金属材料を前記工業炉（１）において加熱中、前記第２酸化剤は第１加熱段階中に供給され、且つ前記第２酸化剤のその後の単位時間当たりの平均供給量が第２温度均等化段階中は全体的又は部分的に減少されることを特徴とする請求項１０から１３までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２酸化剤は２００メートル毎秒を超える速度で、更に好ましくは少なくとも音速で供給されることを特徴とする請求項１０から１４までのいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業炉の加熱中の効率を高めるための方法及びバーナ装置に関する。更に具体的には、本発明は、燃焼効率の向上した、所謂リジェネレイティブ・バーナに関する。
【背景技術】
【０００２】
ここで、リジェネレイティブ・バーナ装置という表現は、低温の酸化剤と高温の排ガスとが交互してヒート・バッファを介して導かれ、それによって排ガスの熱が酸化剤の予熱に使用されるバーナ装置について使用する。この予熱によって、燃焼中の効率が高められる。
【０００３】
例えば、ヒート・バッファは、セラミック又は金属材料による球状若しくはハニカム構造等の吸熱材料を一部に充填した管により構成される。一般的に使用される操作要目には、約３０秒のバッファを介する高温排ガスのパーコレーションと、それに次いで約３０秒の環境調整された酸化剤のパーコレーションが含まれ、酸化剤はそれによって吸熱材料によって加熱される。燃焼は、２つ又はそれより多くのバーナ間で交替することが可能とされ、それによって他のバーナからの高温排ガスがバーナのうちの１つの酸化剤流路を介し一時に且つヒート・バッファを介して炉外に導き出されるか、或いは１つのバーナに備えられた幾つかの酸化剤流路が交互に使用されて酸化剤をバーナに供給し且つ排ガスを炉外に排出する。
【０００４】
そのようなリジェネレイティブ・バーナ装置は一般的に個別の、高火力用に最適化される。それは連続加熱に関してはうまく働くが、バッチ式加熱に関しては問題が多い。即ち、金属材料のバッチ式加熱は２つの段階を踏んで生起することが多く、ここでは加熱段階と称する、導入の、高火力段階は炉及び金属材料の表面を所定の最終温度まで加熱することを目的とし、且つここでは温度均等化段階と称する、最終の、低火力段階は金属材料全体に熱伝達により所定の、均等な温度プロフィールを持たせることを目的とする。
【０００５】
加熱段階は、例えば、前提条件により、２時間と１０時間の間で続行可能とされ、その間、バーナはその最適の、高火力又はそれに近い火力で運転される。温度均等化段階は、それに対応し１時間と４０時間の間で続行可能とされ、相当に低いバーナ火力がこれに関わる。
【０００６】
加熱段階の一部において、炉温度は所望の処理温度より本質的に低温となるが、それはヒート・バッファ内の吸熱材料をバーナが最高効率に達するのに必要とされる温度に加熱することができないためである。
【０００７】
更に亦、リジェネレイティブ・バーナの規模は、加熱段階のためと同時に温度均等化段階のために過重規模となる。それは、バーナの火力を均等化段階中はより低温に調節しなければならないためである。例えば、それは所謂オンオフ切換を使用し、バーナを交互に且つ周期的にオンオフ切換することによって行うことができよう。就中、それによってヒート・バッファの温度がオフ切換時中に下がることになり、そのためにバーナの効率がかなり低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
最適の燃焼火力の選択に関する前述の考慮事項に鑑みて、リジェネレイティブ・バーナは加熱段階中に必要とされる火力に近い最大火力により設計されることが多い。その結果、後に何らかの理由により尚更に高火力が必要とされた場合には、リジェネレイティブ・バーナは比較的に大型且つ嵩高の設計となるために相当の費用及び／又は構造の変更が必要とされ、且つそのような各バーナも亦ガスをヒート・バッファを介して運ぶために的確な大きさのファン装置を通常必要とするため、そのファンも亦変更しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の諸問題を解決する。
【００１０】
したがって、本発明は燃料の流路と、第１酸化剤の流路と、排ガスの出口と、制御装置と、ヒート・バッファとを備え、第１酸化剤及び排ガスが交互してヒート・バッファを介して導かれる工業炉のバーナ装置において、第２酸化剤をバーナ装置に供給する別個の吹き込み装置が配置されることを特徴とするバーナ装置に関する。
【００１１】
更に、本発明はこのタイプで、且つ主として請求項１１に記載の特徴を備える方法に関する。
【００１２】
以下に、本発明をその例示的実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【実施例】
【００１３】
金属材料のバッチ式加熱用工業炉１には、リジェネレイティブ・バーナ装置２が配置される。実際の用途次第により、複数のバーナ装置を炉１内部に配置することが可能とされる。とりわけ、バーナ装置は工業炉１内に対で配置可能とされ、それによってそのようなバーナの対を交互に運用することが可能とされる。
【００１４】
バーナ装置２は、燃料の流路３と、第１酸化剤の流路４とを備える。燃料は、プロパン若しくは天然ガス等、いずれか適切な気体燃料とされる。第１酸化剤は、例えば空気とされるが、酸素濃度を高めた空気、或いは酸素含量を少なくとも８０重量パーセントとする酸素ガスでもよい。バーナ装置２は、火炎（図示せず）を立ち上げ、その火炎は炉空間に指向され、且つしたがって同空間を加熱する。更に、バーナ装置２は、ＤＦＩ（直火衝撃加熱）方式、及び／又は火炎を視認できない所謂フレームレス方式とされる。
【００１５】
更に亦、バーナ装置２は、燃料の供給導管５と、第１酸化剤の供給導管８とを備える。第１酸化剤は、供給導管８を介し、前述のような熱吸収材料を内蔵するヒート・バッファ７内に供給され、その後流路４へと送られる。
【００１６】
排ガスの排出導管９もヒート・バッファ７から出ている。
【００１７】
燃料の供給導管５、第１酸化剤の供給導管８及び排ガスの排出導管９は全てバーナ装置２の作動を制御する制御装置１０に接続される。
【００１８】
制御装置１０は、バーナ装置２の作動を燃焼モードでも再加熱モードでも制御可能とされる。燃焼モードでは、燃料及び第１酸化剤が導管５及び８を介してそれぞれ供給され、その混合気体が燃焼されることにより炉空間が加熱される。再加熱モードでは、燃料も第１酸化剤も供給されず、排ガスが炉空間から第１酸化剤のための流路４を介して、ヒート・バッファ７に、且つ排出導管９を介して運ばれ、次いで除去される。斯様に、再加熱モード運転中は、ヒート・バッファ７内の熱吸収材料が高温の排ガスによって加熱され、ルームは調整され、第１酸化剤は燃焼モード運転中、ヒート・バッファ７内の同じ材料によって予熱される。
【００１９】
制御装置１０は、炉内外に向かうガス流を適切な方法、例えばバルブ構成（図示せず）及び／又は適切な、知られているファン（図示せず）を使用して、制御する。
【００２０】
バーナ装置２は亦、炉空間を出てヒート・バッファ７内に入る排ガスのための出口導管を別途配置し備えることも可能とされる。
【００２１】
運転中、制御装置１０は、バーナ装置２が燃焼モードと再加熱モードの間を交互することにより、排ガスの熱エネルギーが回収されて第１酸化剤を加熱し、それによって燃焼効率の増大が達成される。いずれの単体バーナ装置も、燃焼モード運転時には、炉空間の加熱専用に使用可能とされ、燃焼には数個のバーナ装置を使用することが可能とされる。後者の場合には、１個又は複数のバーナ装置を加熱モードで運転し、残りのバーナ装置を再加熱モードで運転することにより、炉空間が常時中断なく加熱される。好ましい実施例によれば、バーナ集合中の１個を別として他は全て燃焼モードで運転され、その最後の１個のバーナ装置が再加熱モードで運転される。
【００２２】
別の好ましい実施例によれば、バーナ装置は対で運転され、したがって第１の装置が加熱モードで運転されると同時に第２装置は再加熱モードで運転され、次いで役割を交替し、これを繰り返す。
【００２３】
数個のバーナで同じヒート・バッファ７を共有することが可能とされる。その場合には、適切な知られているバルブ構成が使用され、ヒート・バッファ７の第１流路を介して第１酸化剤を加熱モードで運転中のバーナ装置に運び、且つ同時に再加熱モードで運転中のバーナ装置から排ガスをヒート・バッファ７の第２の、別の流路を介して運び、出口導管９を介して排出する。この場合、第１及び第２流路は、例えば、同じ熱吸収材料として共通の壁等を共有することによって熱的に接続される。
【００２４】
第１酸化剤の流路４には、吹き込み管６が設けられ、これに第２酸化剤が供給される。この第２酸化剤は少なくとも８０重量パーセントの酸素を含むことが好ましく、なお少なくとも９５重量パーセントの酸素を含むことが更に好ましい。このように第２酸化剤の酸素濃度が高められることにより、就中、高度の燃焼効率が得られる。
【００２５】
吹き込み管６は、制御装置１０にも接続され、且つこれによって制御される。
【００２６】
リジェネレイティブ・バーナ装置において、最大燃焼力を制限する重要な因子は、酸化剤の流路４を介して単位時間当たりに引き出し可能な予熱された酸化剤の量とされる。それは、ヒート・バッファ７の容量並びに加熱された酸化剤はより低温の酸化剤より密度が低く、そのため同じ重量に達するには、より大容積の酸化剤が必要という事実に依存する。これに反し、供給される燃料の量を増やすのは比較的に容易とされる。
【００２７】
第２酸化剤は吹き込み管６を介して供給されるので、バーナ装置２の構成部分の大きさを増せば前述の温度均等化段階中の過大化に関する問題を招来するところであるが、そのように構成部分の大きさを増す必要なく最大燃焼力を増すことが可能とされる。
【００２８】
更に亦、第２酸化剤は速度を上げて供給するのが好ましく、約２００メートル毎秒を超える速度が好ましいが、少なくとも音速に達する速度とするのが更に好ましい。それによってエゼクタ効果が創生されて、ヒート・バッファ７下流で圧力が低減され、その結果予熱された酸化剤の流れが増し、したがって効率が上がる。同時に、勿論、供給された第２酸化剤は燃焼反応に関与もするため、燃焼力が一層高まる。
【００２９】
吹き込み管６を介して供給される第２酸化剤の量は、吹き込み管６のオリフィスのサイズを調節するか、或いは吹き込み管６を介して供給中の第２酸化剤の圧力を調整するかして制御可能とされ、且つ実際の用途の目的、例えば、燃焼力、所望の酸素濃度の高さ、及びＮＯｘガス等、様々な燃焼生成物の制限量によって選択可能とされる。制御は、吹き込み管６上流の圧力の連続的変化によるか、オンオフ切換によるか、或いは一定の作業段階の初期設定前の一時に連続的に行われよう。
【００３０】
したがって、そのような制御により、且つ知られているリジェネレイティブ・バーナ装置とは異なって、バーナ装置２の火力を広い出力間隔に亘り、その時間内の与えられた火力の効率を実質的に劣化させることなく制御することが可能とされる。
【００３１】
したがって、本リジェネレイティブ・バーナ装置２は、火力要求が比較的に低い温度均等化段階中も運転の最適化が可能とされ、その最適化が高能率に導く。斯様に、この段階中は、吹き込み管６を介する第２酸化剤の供給は殆どない若しくは皆無とされる。このときのバーナ装置２の火力は低いため、この段階中オンオフ切換を使用して火力を更に下げる必要は少ないか、全くない。
【００３２】
他方、温度均等化段階前の、バーナ装置２の火力要求が高い加熱段階中は、第２酸化剤が吹き込み管６を介して比較的に多く供給される。その結果、燃焼力が相当に増すものの、効率は抑えられる。事実、追加の第２酸化剤が高速度で供給される結果、本バーナ装置２の加熱力は従来のリジェネレイティブ・バーナ装置２に比べて大きく、そのため加熱段階を終えるのに要する時間が短縮される。
【００３３】
バーナ装置２に吹き込まれる第２酸化剤の量は、上述のように様々に制御可能とされるが、第２酸化剤の単位時間当たりの平均供給量は温度均等化段階中は加熱段階中より少ない。
【００３４】
亦、本発明は、既存のバーナ装置に酸化剤を追加するための吹き込み管の設置は別として、大きな変更を加えずに多くの既存のバーナ装置に適用可能とされる。特に、既存のファン装置その他の周辺機器は通常交換する必要がない。故に、本発明は、出力間隔を相当に拡大してその間高い燃焼効率を維持し、且つ同時に既存の燃焼装置の最大火力を増すことを比較的に安価な方法で達成する。
【００３５】
以上に、好ましい実施例について説明した。しかし、説明した実施例には多くの変形が可能であるが、それらは本発明の理念に属することが当業者には明らかである。
【００３６】
例えば、第１酸化剤の流路を幾つかバーナ装置２に配置することが考えられる。その場合は、第２酸化剤のための吹き込み管を第１酸化剤のための各流路に配置することが好ましい。そのような構成の助けにより、バーナ装置からの火炎に対する制御の改良が達成され、且つバーナ装置の火力が増す。亦、第２酸化剤用の吹き込み管を第１酸化剤用の流路の１つのみ或いは幾つかに限り配置することも考えられる。
【００３７】
したがって、本発明は、記載した実施例に限られることなく、付属の特許請求の範囲内で変更可能とされる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明によるバーナ装置を側面から示す概略概念図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  工業炉
２  バーナ装置
３  燃料流路
４  第１酸化剤流路
５  燃料供給導管
６  吹き込み装置
７  ヒート・バッファ
８  第１酸化剤供給導管
９  排ガス排出導管
１０  制御装置
【図１】
2009139086.tif 000003