| 【発明の名称】 |
交互燃焼式蓄熱型バーナシステム及びそれを利用した加熱炉 |
| 【発明者】 |
【氏名】松尾 護
【氏名】栗太 清文
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| 【要約】 |
【課題】バッチ炉、連続炉における扉側と炉奥側との温度差を解消する。
【解決手段】蓄熱器を通して燃焼用空気の供給と燃焼ガスの排出とを交互に行って蓄熱器で排ガス温度に近い高温に予熱された燃焼用空気を得て燃焼させる蓄熱型バーナを対にして短時間に交互に燃焼させることによって１つの燃焼システムを構成する交互燃焼式蓄熱型バーナシステムにおいて、対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼量を同じにして燃焼時間を異ならせるようにするか、あるいは対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼時間を同じにして燃焼量を異ならせるか、若しくは対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼量および燃焼時間の双方を異ならせるようにしている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 蓄熱器を備え該蓄熱器を通して燃焼用空気の供給と燃焼ガスの排出とを交互に行って前記蓄熱器で排ガス温度に近い高温に予熱された燃焼用空気を得て燃焼させる蓄熱型バーナを対にして短時間に交互に燃焼させることによって１つの燃焼システムを構成する交互燃焼式蓄熱型バーナシステムにおいて、対を成す前記蓄熱型バーナの間で燃焼量を同じにして燃焼時間を異ならせることを特徴とする交互燃焼式蓄熱型バーナシステム。
【請求項２】 蓄熱器を備え該蓄熱器を通して燃焼用空気の供給と燃焼ガスの排出とを交互に行って前記蓄熱器で排ガス温度に近い高温に予熱された燃焼用空気を得て燃焼させる蓄熱型バーナを対にして短時間に交互に燃焼させる１つの燃焼システムを構成する交互燃焼式蓄熱型バーナシステムにおいて、対を成す前記蓄熱型バーナの間で燃焼時間を同じにして燃焼量を異ならせることを特徴とする交互燃焼式蓄熱型バーナシステム。
【請求項３】 蓄熱器を備え該蓄熱器を通して燃焼用空気の供給と燃焼ガスの排出とを交互に行って前記蓄熱器で排ガス温度に近い高温に予熱された燃焼用空気を得て燃焼させる蓄熱型バーナを対にして短時間に交互に燃焼させる１つの燃焼システムを構成する交互燃焼式蓄熱型バーナシステムにおいて、対を成す前記蓄熱型バーナの間で燃焼量および燃焼時間の双方を異ならせたことを特徴とする交互燃焼式蓄熱型バーナシステム。
【請求項４】 前記バーナシステムは両バーナ間の燃焼量あるいは燃焼時間若しくは双方の差分に応じた蓄熱容量を有し接続相手のバーナを切替可能な付加蓄熱器を備え、それぞれのバーナの燃焼時間または燃焼量または燃焼時間と燃焼量に応じて前記付加蓄熱器を必要なバーナ側へ付加して蓄熱器の容量を適性化する手段を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の交互燃焼式蓄熱型バーナシステム。
【請求項５】 ラジアントチューブの両端に請求項１から４のいずれかに記載の一対の蓄熱型バーナを備え、前記ラジアントチューブ内で燃焼させることを特徴とする交互燃焼式蓄熱型バーナシステム。
【請求項６】 請求項１ないし４のいずれかに記載の交互燃焼式蓄熱型バーナシステムを１つのバッチ炉またはゾーンに一対または一対以上装備し、燃焼時間が長い方あるいは燃焼量が大きい方若しくは燃焼時間が長くかつ燃焼量が大きい方のバーナ側を温度の低くなりがちな方または温度を上げたい方へ配置すると共に、燃焼時間が短い方あるいは燃焼量が小さい方若しくは燃焼時間が短くかつ燃焼量が小さい方のバーナ側を温度の高くなりがちな方または温度を下げたい方へ配置したことを特徴とする加熱炉。
【請求項７】 請求項５に記載の交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナを１つのバッチ炉またはゾーンに一本または一本以上装備し、燃焼時間が長い方あるいは燃焼量が大きい方若しくは燃焼時間が長くかつ燃焼量が大きい方のバーナ側を温度の低くなりがちな方または温度を上げたい方へ配置すると共に、燃焼時間が短い方あるいは燃焼量が小さい方若しくは燃焼時間が短くかつ燃焼量が小さい方のバーナ側を温度の高くなりがちな方または温度を下げたい方へ配置したことを特徴とする加熱炉。
【請求項８】 炉の扉側と奥側に設けた温度調節計の偏差に応じて、対を成す扉側の蓄熱バーナと炉奥側の蓄熱バーナの各々の燃焼時間、または燃焼量、または燃焼時間と燃焼量を調節する燃焼制御手段を有することを特徴とする請求項６または７に記載の加熱炉。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、蓄熱器を利用して燃焼用空気と排ガスとの間で熱交換させて排ガス温度に近い高温の予熱空気を得て交互燃焼させる一対の蓄熱型バーナから成る燃焼システム及びそれを利用した加熱炉に関する。更に詳述すると、本発明は、一対のバーナ間での燃焼制御装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】バッチ操業の加熱炉では、被加熱物の装入装出扉の開閉による冷却のため、扉側の温度が炉奥側の温度より低く、扉側にある被加熱物の温度上昇が炉奥にある被加熱物の昇温より遅れる。また、図９に示すような連続式加熱炉の各ゾーンにおいても、或るゾーン101に有る被加熱物Ｗの扉側の部位P1は、前ゾーン102に有る温度の低い被加熱物W2に輻射熱を取られながら加熱され、炉奥側の部位P2は次ゾーン103に有るより高い温度の被加熱物W3から輻射熱を受けながら加熱されるので、バッチ炉と同様に扉側の被加熱物の昇温が炉奥側の被加熱物の昇温より遅れる。
【０００３】このような被加熱物の昇温の遅れを解消するには、バッチ炉の扉側の炉温を炉奥側の炉温に近づけ、または連続炉の各ゾーンでは被加熱物装入側の炉温を炉奥側すなわち被加熱物取出口側の炉温により近づけたり、また場合によってはより高くする必要がある。
【０００４】そこで、従来の炉例えばレキュペレータ付ラジアントチューブを加熱源とする炉では、扉側の炉温と炉奥側の炉温の差を小さくするために、チューブ温度の高いバーナ側を扉側に近接し、温度の低いレキュペレータ側を炉奥側に向けて取り付けるようにされている。
【０００５】また、多くの場合には、１つのゾーン201に複数のラジアントチューブ（殆どの場合には設置スペースの制限からシングルエンド型ラジアントチューブ）202,203,204を並べて設置し、扉205寄りに配置されたラジアントチューブ202の燃焼量を炉奥206側に配置されたラジアントチューブ204の燃焼量より増して炉内の扉205側と炉奥206側の温度差を解消して炉温の均一化を図る方法が取られている（図１０参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レキュペレータ付ラジアントチューブのバーナ側とレキュペレータ側との間の温度差を利用するだけでは炉の扉側と炉奥側の温度差を解消するには至らない。
【０００７】また、複数のラジアントチューブを設置して扉側のラジアントチューブの燃焼量を奥側のそれよりも上げて扉側と炉奥の温度差を少なくする場合には、炉の片面（一方の壁面）に一本（両面では２本）のラジアントチューブで所要熱量を十分に供給できる場合でも、複数のラジアントチューブを配置しなければならない問題を有している。
【０００８】更に、シングルエンドラジアントチューブ300は、二重管の内側の管301の一端にバーナ305を設け、燃焼ガスが内側の管301を通り一方の開放口303から外管302との環状隙間304に反転してバーナ305側に戻り、外管302のバーナ寄りに設けられた出口306からレキュペレータ307を介して大気に放出される構造となっている（図１１参照）ため、ややもすると内側の管301のバーナ寄りの部分308が過熱により焼損し易く、殊に燃焼負荷の大きい扉側に設けられたラジアントチューブにおいてその問題が顕著となる。
【０００９】このように、従来では、炉温均一化のために一本のラジアントチューブで十分に所要熱量を供給できる場合でも複数のラジアントチューブを必要とし、かつ、扉側ラジアントチューブのオーバーヒート防止の観点から所要熱量の分配が制限されるなどのコスト面、操業面に大きな問題があった。このことは、直火炉及び直火式バーナにおいても同様である。
【００１０】本発明は、このようなバッチ炉、連続炉における扉側と炉奥側との温度差解消に供与される熱源および加熱炉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】かかる目的を達成するため、請求項１〜３に各々記載の発明は、蓄熱器を備え該蓄熱器を通して燃焼用空気の供給と燃焼ガスの排出とを交互に行って蓄熱器で排ガス温度に近い高温に予熱された燃焼用空気を得て燃焼させる蓄熱型バーナを対にして短時間に交互に燃焼させることによって１つの燃焼システムを構成する交互燃焼式蓄熱型バーナシステムにおいて、対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼量（単位時間当たりの燃焼熱量（燃料量×発熱量）（kcal/h））を同じにして燃焼時間を異ならせるようにするか、あるいは対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼時間を同じにして燃焼量を異ならせるか、若しくは対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼量および燃焼時間の双方を異ならせるようにしている。
【００１２】したがって、一対のバーナ間で混合気の自己着火温度以上の高温に予熱された空気と燃料とが大量の燃焼ガスを巻き込んで低酸素濃度下で緩やかに接触して燃焼する高温空気燃焼の特性、即ち発熱領域が広域化した局所的高温域のない均質な燃焼を実現しながらも、燃焼時間が長い方あるいは燃焼量が大きい方若しくは燃焼時間が長くかつ燃焼量が大きい方のバーナ側で発生する燃焼熱量（単位時間当たりの燃焼で発生する熱量を指す場合と実際に発生した熱量を指す場合とがあるが、本明細書では前者の単位時間当たりの燃焼熱量を燃焼量と呼び、後者を単に熱量と呼ぶ）が短い方あるいは燃焼量が小さい方若しくは燃焼時間が短くかつ燃焼量が小さい方のバーナ側で発生する熱量が少なくなる温度勾配を併せ持つ。即ち、発熱領域が広域化した均質な燃焼でありながら全体としては一対のバーナ間で発熱量の差があり温度勾配のある温度場を形成できる。
【００１３】また、請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載のバーナシステムにおいて、両バーナ間の燃焼量あるいは燃焼時間若しくは双方の差分に応じた蓄熱容量を有し接続相手のバーナを切替可能な付加蓄熱器を備え、それぞれのバーナの燃焼時間または燃焼量または燃焼時間と燃焼量に応じて付加蓄熱器を必要なバーナ側へ付加して蓄熱器の容量を適性化する手段を有するようにしている。この場合、一対のバーナからそれぞれ排出される燃焼ガスの量と必要とされる燃焼用空気の量がそれぞれ異なっても、その差分に応じた付加蓄熱器が排気バーナと燃焼バーナとに選択的に接続されて排熱量に応じた蓄熱容量となるため、平衡温度の上昇を防止すると共に温度効率を低下させずに排熱回収を行うことができる。
【００１４】また、請求項５記載の発明は、ラジアントチューブの両端に請求項１から４のいずれかに記載の一対の蓄熱型バーナを備え、ラジアントチューブ内で燃焼させるようにしている。この場合、ラジアントチューブの表面を局所的高温域を発生させずに一端から他端へ向けて昇温する温度勾配を持たせて両端付近の温度場において温度差を付けることができる。
【００１５】また、請求項６記載の発明のバッチ式あるいは連続式の加熱炉は、請求項１ないし４のいずれかに記載の交互燃焼式蓄熱型バーナシステムを１つのゾーンに一対または一対以上装備し、燃焼時間が長い方あるいは燃焼量が大きい方若しくは燃焼時間が長くかつ燃焼量が大きい方のバーナ側を温度の低くなりがちの方または温度を上げたい方へ配置すると共に、燃焼時間が短い方あるいは燃焼量が小さい方若しくは燃焼時間が短くかつ燃焼量が小さい方のバーナ側を温度の高くなりがちの方または温度を下げたい方へ配置するようにしている。また、請求項７記載の発明のバッチ式あるいは連続式の加熱炉は、請求項５に記載の交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナを１つのゾーンに一本または一本以上装備し、燃焼時間が長い方あるいは燃焼量が大きい方若しくは燃焼時間が長くかつ燃焼量が大きい方のバーナ側を温度の低くなりがちな方または温度を上げたい方へ配置すると共に、燃焼時間が短い方あるいは燃焼量が小さい方若しくは燃焼時間が短くかつ燃焼量が小さい方のバーナ側を温度の高くなりがちな方または温度を下げたい方へ配置するようにしている。
【００１６】この場合、バッチ操業の炉では、被加熱物の装入装出扉の開閉による冷却のため、扉側の温度が炉奥側の温度より低く、扉側にある被加熱物の温度上昇が炉奥にある被加熱物の昇温より遅れるが、炉奥側に比べて扉側のバーナで実際に発生する熱量が大きくなるように制御されるため、扉側における被加熱物の昇温の遅れを解消する。また、連続炉の各ゾーンにおいても、扉側にある被加熱物は、前ゾーン即ち扉側寄りのゾーンにある温度の低い被加熱物に輻射熱を取られながら加熱され、炉奥側にある被加熱物は次ゾーンにあるより高い温度の被加熱物から輻射熱を受けながら加熱されるが、１つのゾーン内で炉奥側に比べて扉側のバーナで実際に発生する熱量が大きくなるように制御されるため、扉側の被加熱物の昇温が炉奥側の被加熱物の昇温より遅れるのを解消する。したがって、被加熱物の加熱を均一にすることができる。
【００１７】更に、請求項８記載の発明は、請求項６または７に記載のバッチ炉および連続炉において、各ゾーンの炉の扉側と奥側に設けた温度調節計の偏差に応じて、対を成す扉側の蓄熱バーナと炉奥側の蓄熱バーナの各々の燃焼時間または燃焼量または燃焼時間と燃焼量を調節する燃焼制御手段を有している。この場合、加熱炉の扉側と奥側（各ゾーンにおける扉側と奥側とを含む）との間での温度差を任意に設定することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１９】本発明の交互燃焼式蓄熱型バーナシステムは、蓄熱型バーナを対にして短時間に交互に燃焼させることによって１つの高温空気燃焼システムを構成するものであって、対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼量を同じにして燃焼時間を異ならせるようにするか、あるいは対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼時間を同じにして燃焼量を異ならせるか、若しくは対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼量および燃焼時間の双方を異ならせるように計装している燃焼制御手段（図示省略）を備えている。燃焼制御手段としては、例えばシーケンス制御による調節計（controller）を併用したフィードバック制御による自動燃焼制御を行うように計装される。
【００２０】ここで、蓄熱型バーナは、蓄熱器を備え該蓄熱器を通して燃焼用空気の供給と燃焼ガスの排出とを交互に行って蓄熱器で排ガス温度に近い高温に予熱された燃焼用空気を得て燃焼させるもので、一対のバーナを交互に燃焼させるために燃焼用空気と燃料を選択的に供給し尚かつ排気する燃焼用空気供給系と排気系並びに燃料供給系を備えている。これら燃焼用空気供給系と排気系とは、例えば四方弁などの流路切換手段を介して一対のバーナにそれぞれ接続され、対をなす一方のバーナを燃焼させる間に他方のバーナから排気して、排ガスの熱を蓄熱器で熱回収すると共にその回収熱を燃焼用空気の予熱に用いるようにしている。
【００２１】このように構成された交互燃焼式蓄熱型バーナシステムは、加熱炉内に火炎および燃焼ガスを噴射して被加熱物を直接加熱する直火式加熱源として１つのバッチ炉あるいは連続式加熱炉のゾーンに一対または一対以上装備したり、ラジアントチューブ内で燃焼させる間接加熱源として１つのバッチ炉あるいは連続式加熱炉のゾーンに一本または一本以上装備することによって、バッチ式あるいは連続式の加熱炉を構成するようにしている。
【００２２】例えば、図１に交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムの一例とそれを熱源とする連続式加熱炉の一例を示す。
【００２３】交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムは、基本的にはラジアントチューブ１４とこのラジアントチューブ１４の両端部に配置される一対の蓄熱型バーナ９，１１及びこれら一対の蓄熱型バーナ９，１１を交互に燃焼させるために燃焼用空気と燃料を選択的に供給する燃焼用空気供給系１７と燃料供給系１８並びに排気系１９とから構成されている。
【００２４】ラジアントチューブ１４は、両端の蓄熱型バーナ９，１１がそれぞれ連続式加熱炉・炉体２０の外に配置されるようにして１つのゾーン２１に少なくとも１本が被加熱物Ｗの搬送方向と平行にあるいは直交させて配置される。例えば、図１に示すように、連続式加熱炉２０の１つのゾーン２１内に被加熱物Ｗの搬送方向と平行に配置され、扉２２側と炉奥２３側とにそれぞれラジアントチューブ１４の両端が位置するように配置されている。このとき、ラジアントチューブ１４は図６の（Ａ）に実線で示すように一方の炉壁に沿って１本だけ配置しても良いが、相対向する他方の炉壁側にも破線で示すように対となる２本目を配置して左右対称な炉内温度分布を形成するようにしても良い。また、図６の（Ｂ）に示すように、１つのゾーン２１あるいはバッチ炉内に１本以上のラジアントチューブ１４を配置すること、例えば１つのゾーン２１内に複数のチューブをゾーン手前側から奥側へ並べて配置することも可能である。このように２本のチューブを配置する場合、１つのゾーン内で前ゾーン寄りの温度場と中央の温度場及び後ゾーン寄りの温度場との３つの温度差を付けたい温度場を形成できる。更に、図６の（Ｃ）に示すように、１つのゾーン２１内で炉を横切る方向に複数のチューブを配置することによっても、ゾーンの左右あるいは上下間で温度差をつけたり、更にその上に炉長方向でも温度差をつけるときに好適である。尚、このラジアントチューブとしては、図示のＷ型に形状が特に限られるものではなく、Ｕ型や直管型などの任意の形態を採りうる。
【００２５】ここで、連続式加熱炉２０の各ゾーン２１においてもバッチ炉と同様の温度差が生じる。例えば、被加熱物Ｗの搬入用扉２２が位置するゾーン２１では、扉２２の開閉による冷却のため、扉２２側の温度が炉奥２３側の温度より低く、扉２２側にある被加熱物Ｗの温度上昇が炉奥２３にある被加熱物Ｗの昇温より遅れることとなる。そこで、一対の蓄熱型バーナ９，１１の燃焼制御手段（図示省略）は、扉２２側のバーナ例えばＡバーナ９と炉奥２３側のバーナ例えばＢバーナ１１との間で燃焼量を同じにして扉側のＡバーナ９が炉奥側のＢバーナ１１より長い時間燃焼するか、あるいはＡ，Ｂ両バーナ９，１１の間で燃焼時間を同じにして扉側のＡバーナ９が炉奥側のＢバーナ１１より燃焼量を大きくさせるか、若しくは扉側のＡバーナが炉奥側のＢバーナより燃焼量および燃焼時間の双方において大きくかつ長くなるように計装されている。また、他のゾーン２１においても、被加熱物Ｗの扉２２側寄りの部位では前ゾーンに有る温度の低い被加熱物Ｗに輻射熱を取られながら加熱され、炉奥２３側寄り部位では次ゾーンに有るより高い温度の被加熱物Ｗから輻射熱を受けながら加熱されるので、扉２２があるゾーンと同様に燃焼制御するように燃焼制御手段が計装されている。
【００２６】また、蓄熱器８，１０としては、例えば、一定の通路断面積でかつ直線的な流路が多数貫通しているハニカム形状のセラミックスから成るブロックの使用が好ましい。この場合、蓄熱容量の割に圧損が低いため、給気及び排気用ブロワ（ファン）の能力を上げずに給気と排気とが実施可能で、例えば３００ｍｍＡｑ以下の低圧損で実現できる。また、蓄熱器としては、このハニカム形状のものに特に限定されるものではなく、管状蓄熱器を束ねたものやボール状あるいはナゲット状のもの、若しくは平板や波板の蓄熱材料を放射状にあるいは環状に配置したブロック状蓄熱器などでも使用可能である。また、蓄熱器はコージライトやムライト、アルミナ等のセラミックに限られず、それ以外の材質例えば耐熱鋼等の金属あるいはセラミックスと金属の複合体例えばポーラスな骨格を有するセラミックスの気孔中に溶融した金属を自発浸透させ、その金属の一部を酸化あるいは窒化させてセラミックス化し、気孔を完全に埋め尽くしたＡｌ２ Ｏ３ −Ａｌ複合体、ＳｉＣ−Ａｌ２ Ｏ３ −Ａｌ複合体などを用いて製作しても良い。
【００２７】各蓄熱型バーナ９，１１は、本実施形態の場合、ラジアントチューブ１４のバング部分からバーナ本体２４にかけて蓄熱器８，１０を内装するタイプであり、パイロットバーナ兼用の燃料ノズル２５と、蓄熱器８，１０と、保炎板を兼ねた噴出孔形成手段２６などを有している。なお、噴出孔形成手段２６はバッフルとして機能し、安定火炎を形成する。
【００２８】噴出孔形成手段２６はラジアントチューブ１４内の燃焼空間と区画されたエアスロート２７をラジアントチューブ１４の端部に形成している。即ち、バーナ本体２４がフランジ連結などによって取り付けられたラジアントチューブ１４の端部では、噴出孔形成手段２６によってエアスロート２７とラジアントチューブ内・燃焼空間とが実質的に区画形成されている。そして、エアスロート２７には、噴出孔形成手段２６と蓄熱器８，１０との間に空間が形成されるような位置関係で蓄熱器８，１０が内装されると共に、例えば四方弁のような流路切替手段１を通じて燃焼用空気供給系１７及び排気系１９が選択的に接続される。四方弁１は当該バーナの切換に連動して切り換わり、燃焼用空気供給系１７と排気系１９とを択一的にエアスロート２７に接続する。即ち、エアスロート２７は、バーナの燃焼時には燃焼用空気を供給し、かつ燃焼停止時にはラジアントチューブ１４内から排ガスを排気する。また、エアスロート２７の中央には燃料ノズル２５が蓄熱器８，１０および噴出孔形成手段２６を貫通するようにほぼ中央に配置されており、その先端が噴出孔形成手段２６の中央の貫通孔内に配置されている。
【００２９】また、噴出孔形成手段２６には周縁の一部を例えば半月状に切り欠いてラジアントチューブ１４の内周面に内接あるいは近接するように偏在する噴出孔２８が設けられている。この噴出孔２８は、ラジアントチューブ１４の内周面に沿うように偏った高速の空気の流れを形成する。
【００３０】以上のように構成された本発明の交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムによると、次のようにして交互燃焼が行われる。
【００３１】一対の蓄熱型バーナ９，１１は、蓄熱器８，１０を通過して高温例えば８００℃程度以上に予熱された酸化剤（通常は空気）を使用して短時間例えば１分以内、好ましくは１０〜４０秒程度の範囲内で交互に燃焼する。そして、一方のバーナ９（あるいは１１）の燃焼によってラジアントチューブ１４内に発生する燃焼ガスはラジアントチューブ１４を加熱した後に反対側の燃焼停止中のバーナ１１（あるいは９）を経て排気される。燃焼ガスはエアスロート２７に内装された蓄熱器８（あるいは１０）のほぼ全域を通過して蓄熱器８の全体を有効に利用して熱交換を行い、その熱が蓄熱器８（あるいは１０）で回収される。そして、蓄熱器８（あるいは１０）に回収された熱は、他方のバーナ９（あるいは１１）を燃焼させる際の燃焼用空気の予熱に使用され、再びラジアントチューブ１４内に戻される。
【００３２】このとき、排ガス温度に近い高温例えば約８００℃程度以上に予熱された燃焼用空気は、２０〜３０ｍ／ｓの流速で噴出される燃料に比べて遙かに高速、例えば少なくとも６０ｍ／ｓ以上、好ましくは１００ｍ／ｓ以上で噴出されるが、混合気の自己着火温度よりも高温であるため燃料と接触すれば低酸素濃度下でもこれを燃焼させることができることから、燃焼用空気の噴射速度が高速化しても失火を招かずに燃焼を実現できる。このため、燃料はチューブ１４内に広がらず高速の燃焼用空気の流れに誘引されてチューブ内壁に沿って流れ、その間に徐々に燃焼用空気流に巻き込まれる。これによって、排ガスと燃焼用空気と平行に噴射される燃料ガスとが燃焼用空気の流れに誘引されて随伴され、徐々に燃焼用空気の流れに巻き込まれながら発熱領域が広域化した均質な燃焼を行いラジアントチューブに好適な長炎を形成する。殊に、図示実施形態のように噴出孔２８がラジアントチューブ１４の中心から外れた位置に偏在しかつエアスロート２６の通路面積に比べて絞られていれば、燃焼用空気がラジアントチューブ１４の管壁に沿って高速で噴射されて、ラジアントチューブ１４の全横断面に分布せずに偏在した流れとなってその反対側に負圧を生じさせて強力な排ガス再循環を起こさせる。また、噴出孔２８の付近にまでラジアントチューブ１４内を逆流してくる排ガスの一部は燃焼用空気の流れに直接誘引されて巻き込まれ燃焼用空気の酸素濃度を低下させたり、場合によっては燃料噴流と燃焼用空気の噴流との間に巻き込まれてこれらが直ちに接触するのを防止する。したがって、発熱領域がより広域化して局所的高温域のない均質な燃焼を行い長炎を形成する。
【００３３】しかも、一対のバーナ９，１１の間では、燃焼時間あるいは燃焼量若しくは燃焼時間と燃焼量の双方が異なることにより発熱量が異なるため、一方のバーナ寄りのチューブから他方のバーナ寄りのチューブにかけてチューブ表面温度が漸次低くなる温度勾配を持つ。より具体的には、扉側（前のゾーン側）のバーナ例えばバーナ９と炉奥側（次ぎのゾーン側）のバーナ例えばバーナ１１との間で燃焼量を同じにして扉側のバーナ９が炉奥側のバーナ１１より長い時間燃焼するか、あるいは両バーナ９，１１の間で燃焼時間を同じにして扉側のバーナ９が炉奥側のバーナ１１より燃焼量を大きくさせるか、若しくは扉側のバーナ９が炉奥側のバーナ１１より燃焼量および燃焼時間の双方において大きくかつ長くなるように計装されている。
【００３４】このため、発熱領域が広域化した均質な燃焼を実現して長炎を形成しながらも、入口側寄りのチューブ表面温度が奥側寄りのチューブ表面温度よりも高くかつ炉奥側あるいは次ぎのゾーンに向けてチューブ表面温度が漸次低くなる温度勾配を持ち、扉側と炉奥側の炉温差を解消することができる。
【００３５】このような交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステム及び加熱炉によると、一対を成す蓄熱型バーナには、通常、同一容量の蓄熱器８，１０をそれぞれ装備しているため、燃焼時間の長い方のバーナあるいは燃焼量の大きい方のバーナの排気温度が時間の短い方もしくは燃焼量の小さい方のバーナからの排気の温度よりも高くなる。このことは、一方のバーナに合わせると平衡温度に達するのが早く無駄に熱を排気して省エネルギーに貢献しないこととなるし、他方のバーナに合わせると蓄熱容量を無駄にして空気の予熱温度の低下を招くこととなることから、両バーナからの排気温度を均一にすることが望まれる。そこで、この交互燃焼式蓄熱型バーナシステムは、両バーナ９，１１間の燃焼量あるいは燃焼時間若しくは双方の差分に応じた蓄熱容量を有し接続相手のバーナを切替可能な付加蓄熱器１２，１３を備え、それぞれのバーナ９，１１の燃焼時間または燃焼量または燃焼時間と燃焼量に応じて付加蓄熱器１２，１３を必要なバーナ側へ付加して蓄熱器８，１０の容量を適性化する手段を備えることが好ましい。
【００３６】この蓄熱器容量の適正化手段の一実施形態を図２〜図５に示す。この実施形態の交互燃焼式蓄熱型バーナシステムは、ラジアントチューブ１４の両端に備えられたＡ、Ｂ一対の蓄熱型バーナ９，１１の単位時間当たりの燃焼量を同じにして燃焼時間を異ならせるようにしたものである。Ａバーナ９の燃焼時間をτａ、Ｂバーナ１１の燃焼時間をτｂとしたとき、チューブ一本当たりの燃焼量をＱｋｃａｌ／ｈとすると、Ａバーナ９の燃焼量はＱａ＝Ｑ｛τａ／（τａ＋τｂ）｝で与えられ、Ｂバーナ１１の燃焼量はＱｂ＝Ｑ｛τｂ／（τａ＋τｂ）｝で与えられるから、ラジアントチューブ１４のＡバーナ９側寄りの部位からの伝熱量とＢバーナ側寄りの部位からの伝熱量をそれぞれの燃焼時間に応じて変えることができる。
【００３７】そこで、この実施形態では、３０秒燃焼のＡバーナ９と、１５秒燃焼のＢバーナ１１とを交互に繰り返し燃焼させるバーナシステムに適用した場合を例に挙げている。即ち、本実施形態では、各バーナ９，１１にそれぞれ直結されている蓄熱器８，１０の他に、第１及び第２の切換手段群によって選択的に接続される２つの付加蓄熱器１２，１３を有している。付加蓄熱器１２，１３は蓄熱体であればどのようなものでも使用可能であり特定の構造や組成物に限定されるものではないが、蓄熱器８，１０と同じ構成の蓄熱体例えばハニカム形状のセラミックスなどで構成することが好ましい。第１の切換手段群１５は、１つの四方弁１と２つの三方弁２，３及びこれらを３０秒と１５秒の２種類の間隔で交互に繰り返して（３０秒、１５秒、３０秒、１５秒、…）切り替えるアクチュエータ４とから構成されている。アクチュエータ４と四方弁１および三方弁２、３はリンクで連結され、アクチュエータ４がレバー角９０度で反転することによって四方弁１及び三方弁２，３が連動して切り替えられる。ここで、四方弁１の２つの固定ポートには燃焼用空気供給系１７と排気系１９とが接続され、残りの２つの切換ポートにはそれぞれ三方弁２，３の固定ポートが接続されている。また、２つの三方弁２，３の切換ポートの一方にはＡバーナ９とＢバーナ１１の蓄熱器８，１０が直接それぞれ接続されている。他方、第２の切換手段群１６は、２つの四方弁５，６とこれらを４５秒間隔で切り替えるアクチュエータ７とから構成されている。アクチュエータ７と２つの四方弁５，６とは、リンクで連結されアクチュエータ７を機械角で９０度だけ反転させることによって２つの四方弁５、６が連動して切り替えられるように構成されている。そして、四方弁５の固定ポートは第１の切換手段群１５の三方弁２，３のそれぞれの切換ポートの一方に接続されると共に残りの２つの切換ポートが他の四方弁６の切換ポートにそれぞれ付加蓄熱器１２，１３を介在させてから接続されている。また、他方の四方弁６の固定ポートにはＡバーナ９とＢバーナ１１の蓄熱器８，１０がそれぞれ接続されている。尚、ラジアントチューブ１４の両端には同一容量のバーナＡとバーナＢが装備され、バーナＡは蓄熱器８とバーナ９で構成され、バーナＢは著熱器１０とバーナ１１で構成されている。バーナ９およびバーナ１１のそれぞれには図示されていないがパイロットバーナ、燃料ノズル、電磁弁等が装備されている。
【００３８】このように構成された蓄熱器容量の適正化手段によると、次のようにして燃焼時間が異なるＡ，Ｂの２つのバーナ９，１１からの排ガス温度がほぼ等しくされる。
【００３９】まず、図２は最初の０〜３０秒（３０秒間）のＡバーナ燃焼中を示す図で、燃焼用空気供給系１７から供給される燃焼空気は、切換弁１→切換弁２→切換弁５→蓄熱器１２→切換弁６→蓄熱器８を通ってＡバーナ９に供給されラジアントチューブ１４内で燃焼する。チューブ１４内の燃焼ガスは、燃焼していないＢバーナ１１→蓄熱器１０→切換弁６→蓄熱器１３→切換弁５→切換弁３→切換弁１→排気系１９の経路を経て大気中に排出される。
【００４０】図３は次の３０〜４５秒（１５秒間）のＢバーナ燃焼中を示す図で、燃焼空気は切換弁１→切換弁３→蓄熱器１０を経由してＢバーナ１１に供給され、チューブ１４内で発生した燃焼ガスは、燃焼していないＡバーナ９→蓄熱器８→切換弁２→切換弁１→排気系１９の経路を辿って大気に放出される。
【００４１】図４はその次の４５〜７５秒（３０秒間）のＡバーナ燃焼中を示す図で、燃焼空気は切換弁１→切換弁２→切換弁５→蓄熱器１３→切換弁６→蓄熱器８を通ってＡバーナ９に供給される。ラジアントチューブ１４内で発生した燃焼ガスは、非燃焼側のＢバーナ１１→蓄熱器１０→切換器６→蓄熱器１２→切換器５→切換器３→切換器１→排気系１９の経路を経て大気中に排出される。
【００４２】図５はその次の７５〜９０秒（１５秒間）のＢバーナ燃焼中を示す図で、燃焼用空気は切換弁１→切換弁３→蓄熱器１０を径由してＢバーナ１１に供給され、チューブ１４内で発生した燃焼ガスは、非燃焼のＡバーナ９→蓄熱器８→切換弁２→切換弁１→排気系１９の経路を辿って大気に放出される。
【００４３】ここで操作は一巡し、その次の９０〜１２０秒の３０秒間でのＡバーナ燃焼中の空気、排気の経路は図２の０〜３０秒の３０秒間でのＡバーナ燃焼中の空気、排気の経路に従うことになる。
【００４４】尚、この操作例は三方弁２、３と四方弁１，５，６を構成して切換操作を行っているが、二方弁を組み合わせて切換操作を行っても良い。また、Ａ、Ｂ両バーナ９，１１の燃焼時間を等しくして燃焼量を変える場合についても上述の蓄熱器容量の適正化手段を適用することができる。例えばＡ、Ｂ両バーナ９，１１の燃焼を３０秒毎一定周期で切り替え、Ａバーナ９の燃焼量をＢバーナ１１の燃焼量の２倍としたときについては、第１の切換手段群１５のアクチュエータ４を３０秒毎の一定周期で９０度反転切換し、第２の切換手段群１６のアクチュエータ７を６０秒毎の一定周期で反転切換させて、図２から図５までの操作を反復すればよい。また、Ａ、Ｂバーナのそれぞれの燃焼時間と燃焼量を共に変える場合についても、それぞれの燃焼時間×燃焼量の比に従って、第１の切換手段群１５および第２の切換手段群１６の切換周期を適切に選んで前述に準じて図２から図５の操作を行えばよい。
【００４５】この蓄熱容量適正化手段を備える蓄熱型ラジアントチューブバーナを例に挙げ、バッチ炉および連続炉に取り付けた場合に、扉側のバーナの燃焼時間を炉奥側のバーナの燃焼時間より多くすることにより、扉側と炉奥側の炉温差を解消することを実験により確認した。その実験結果を図８に示す。この実験は、連続炉の扉寄りの第一ゾーンに設備した蓄熱型ラジアントチューブの燃焼量を同じにして、扉側のバーナと炉奥側のバーナの燃焼時間を変えて実験したときの炉温の分布を示したものである。この実験によると、燃焼量を同じにして同じ時間交互に燃焼させると、扉の開閉による冷却のため炉奥側に比べて扉側の温度が低くなっているが、扉側のバーナの燃焼時間を増すにつれて炉温分布が均一化されているのが判る。
【００４６】そこで、Ａ、Ｂ両バーナ９，１１の近傍に各々熱電対を設置し、温度調節計を設けて各温度調節計の偏差に応じてＡ、Ｂ両バーナ９，１１の燃焼時間あるいは燃焼量を変化させれば、左右の温度差を任意に設定することが可能となる。
【００４７】なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態ではラジアントチューブによる間接加熱の炉について主に説明したが、これに特に限定されず直火型の交互燃焼式蓄熱型バーナシステム及びこれを装備した直火炉にも適用されることは言うまでもない。
【００４８】この直火式蓄熱型バーナの場合、ラジアントチューブ内で燃焼させずに炉内へ直接高温に予熱された空気と燃料とを噴射することによって、加熱炉内を燃焼室として燃焼させる点で構成を異にするが、燃焼制御手段を除けば蓄熱型バーナとして特別なバーナ構造を必要とはしないことから、その詳細な説明と図示は省略する。この蓄熱型バーナシステムの特徴は、その燃焼制御に特徴を有し、１つのゾーン内あるいはバッチ炉内で対を成す蓄熱型バーナ間の温度場に温度差を設けることである。
【００４９】そこで、一対のバーナ間で燃焼量を同じにして燃焼時間を異ならせるようにするか、あるいは対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼時間を同じにして燃焼量を異ならせるか、若しくは対を成す蓄熱型バーナの間で燃焼量および燃焼時間の双方を異ならせるようにしている。例えば、一対の蓄熱型バーナの燃焼制御手段は、連続式加熱炉のゾーンにおいても、被加熱物の搬入用扉の位置のゾーンではバッチ炉と同様に、扉の開閉による冷却のため、扉側の温度が炉奥側の温度より低く、扉側にある被加熱物の温度上昇が炉奥にある被加熱物の昇温より遅れることから、扉側のバーナと炉奥側のバーナとの間で燃焼量を同じにして扉側のバーナが炉奥側のバーナより長い時間燃焼するか、あるいは両バーナの間で燃焼時間を同じにして扉側のバーナが炉奥側のバーナより燃焼量を大きくさせるか、若しくは扉側のバーナが炉奥側のバーナより燃焼量および燃焼時間の双方において大きくかつ長くなるように計装されている。また、他のゾーンにおいても、被加熱物の扉側寄りの部位では前ゾーンに有る温度の低い被加熱物に輻射熱を取られながら加熱され、炉奥側寄り部位では次ゾーンに有るより高い温度の被加熱物から輻射熱を受けながら加熱されるので、扉があるゾーンと同様に燃焼制御するように燃焼制御手段が計装されている。
【００５０】ここで、バーナシステムによる高温空気燃焼は、局所的な高温域のない平坦な温度分布の燃焼場・炉内雰囲気を形成する。即ち、蓄熱型交番燃焼バーナシステムでは、炉内空間における被加熱物の加熱に使用された後の燃焼ガスは、燃焼停止中のバーナを排出路として利用して排気される際に、蓄熱器にその顕熱を捨てる。そして、その顕熱は燃焼時に蓄熱器を通過する燃焼用空気を排ガス温度に近い高温まで予熱してから炉内へ供給する。したがって、燃焼側バーナからは、高いエンタルピを有する酸化剤、即ち高温の燃焼用空気が高速で噴射される。この燃焼用空気は、高温空気燃焼を実現するに充分高いエンタルピを有する空気、即ち燃焼直前における混合気の自己着火温度以上の高温に予熱されている。その温度は燃料種別や酸素濃度などによって異なるが、多くの場合例えば８００℃以上、好ましくは１０００℃以上に予熱されていれば着火温度以上に該当する。そこで、定格燃焼時にバーナから噴射される燃焼用空気は、高温予熱のためその流速が常温の空気の場合（２０〜３０ｍ／ｓ）よりも遙かに高く例えば８０〜１００m/s程度となっても火炎の吹き消えを起こすことがない。このため、空気速度を高速に維持できることから、炉内空間での燃焼ガスの循環を活発にし、更に周囲の炉内ガスを巻き込みながら炉内空間で強循環気流（噴射される空気噴流よりも非常に大きなボリュームの循環気流）を形成して、炉内ガスを強力に攪拌して局所的高温域の発生を防ぐと共に燃焼用空気の流れに随伴される炉内排ガス量を増やして混合気の酸素濃度を大幅に低下させる。したがって、混合気の自己着火温度以上の高温でかつ低酸素濃度の燃焼用空気と燃料とは接触した所で酸化発熱反応を開始するため、発熱領域が広域化した均質な燃焼を起こす。即ち、極めて低速の酸化発熱反応となって炉内の至るところで燃焼し、炉内温度分布に局所的な高温域を発生させないと共にＮＯｘの発生を抑制する。しかも火炎の位置が短時間にランダムに変化して移り変わる非定在加熱のため炉内全体の温度場そのものが均一化・平坦化される。しかも、一対のバーナの間では、発熱量が異なるため、一方のバーナ付近の温度場から他方のバーナ付近の温度場にかけて炉内温度が低くなる温度勾配を有する温度場を形成する。
【００５１】したがって、高温空気燃焼を実現可能なバーナシステム、中でも蓄熱型交互燃焼バーナシステムを使用する場合、発熱領域が広域化した均質な燃焼でありながら一方のバーナが形成する温度場と他方のバーナが形成する温度場との間に温度差が生じ、同じ燃焼時間・燃焼量の場合に炉内に発生する温度差を解消するような温度勾配を与え、温度差の少ない炉内温度分布を形成してワークを均一に加熱することができると共に炉内平均温度も上限界温度近くまで引き上げることができる。このため、燃焼室熱負荷が大きくなると共に平均熱流束も高くなり、偏熱が防止されてワークを均一かつ迅速に加熱できる。
【００５２】ここで、交互燃焼式蓄熱型バーナシステムは、１つのゾーン内にあるいは１つのバッチ炉内に一対または一対以上の交互燃焼式蓄熱型バーナシステムを、例えば図７に示すように、炉長方向に並べて（Ａ，Ｃ）あるいは炉を横切る方向に並べて（Ａ，Ｂ）配置し、若しくは上下方向に並べて配置するようにしている。そして、隣るバーナ間（ＡとＣあるいはＡとＢ）で対を成すように構成され、対をなすバーナの間に温度場に不確定に作用する他のバーナ対の一方あるいはその他のバーナが配置されることがないように設けられている。また、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４バーナで１つのゾーンを構成している場合、Ａ−Ｃバーナ間で対をなす時にはＢ−Ｄバーナ間でも対をなし、Ａ−Ｃバーナ側とＢ−Ｄバーナ側との各温度場で温度差が設けられる。更に、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４バーナで１ゾーンを形成し、Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈの４バーナで隣のゾーン、Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌの４バーナで更に隣のゾーンを形成しているときには、ワークの前ゾーン（ワークが通過した直前のゾーン）寄りの部分が前ゾーン内のワークに輻射熱を奪われ、後ゾーン（ワークが次ぎに進入しようとするゾーン）寄りの部分が後ゾーン内のワークから輻射熱を奪うために温度むらが生じることを防止するために、各ゾーン内の各バーナ対にもＡＢＣＤバーナ同様の対策を施すことが必要となる。また、炉長方向の一方の側にのみバーナが設置されているケースもある。例えば、炉天井にＡ，Ｃ，Ｅ，Ｇ，Ｉ，Ｋバーナが配置され、炉底部にワークが配置される場合においても、隣るバーナで対をなし、それぞれが形成する温度場に温度差を設けるように燃焼制御しても良い。
【００５３】即ち、対を成す蓄熱バーナを扉（あるいはワーク搬入口ないしワークが通過した直前のゾーン）側と炉奥（あるいはワーク搬出口ないしワークが次ぎに進入しようとするゾーン）側に設置し扉側のバーナの燃焼時間あるいは燃焼量を炉奥側のバーナの燃焼時間あるいは燃焼量より多くすることで扉側と炉奥側の炉温差を解消することができる。
【００５４】更に、一対のバーナ間で発熱量の異なる燃料を使用することによって、各バーナでの１回の燃焼当たりの燃焼熱量を異ならせることも可能である。
【００５５】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項１〜３に記載の交互燃焼式蓄熱型バーナシステムによると、一対のバーナ間で発熱領域が広域化した局所的高温域のない均質な燃焼を実現しながらも、燃焼時間が長い方あるいは燃焼量が大きい方若しくは燃焼時間が長くかつ燃焼量が大きい方のバーナ側で発生する熱量が多く、燃焼時間が短い方あるいは燃焼量が小さい方若しくは燃焼時間が短くかつ燃焼量が小さい方のバーナ側で発生する熱量が少なくなる温度勾配を併せ持つので、発熱領域が広域化した均質な燃焼でありながら全体としては一対のバーナ間で発熱量の差がある温度勾配のある温度場を形成できる。そこで、被加熱物の加熱が均一となる。
【００５６】また、請求項４記載の交互燃焼式蓄熱型バーナシステムによると、一対のバーナからそれぞれ排出される燃焼ガスの量と必要とされる燃焼用空気の量がそれぞれ異なっても、その差分に応じた付加蓄熱器が排気バーナと燃焼バーナとに選択的に接続されて排熱量に応じた蓄熱容量となるため、平衡温度の上昇を防止すると共に温度効率を低下させずに排熱回収を行うことができる。
【００５７】また、請求項５記載の交互燃焼式蓄熱型バーナシステムによると、ラジアントチューブの表面を局所的高温域を発生させずに一端から他端へ向けて昇温する温度勾配を持たせて両端付近の温度場において温度差を付けることができる。そこで、発熱量が大きい方のバーナ側を温度が低くなる側に配置すると共に発熱量が小さい方のバーナ側を温度が高くなる側に配置することによって、被加熱物の加熱が均一となる。
【００５８】また、請求項６並びに７記載の加熱炉によると、発熱領域が広域化した均質な燃焼により局所的高温域のない炉内温度分布が形成されるのと同時に、炉内あるいはゾーン内の温度が低くなりがちな部分での発熱量を温度の高くなりがちな部分での発熱量よりも増すことにより炉内での温度差を解消できる。例えば、バッチ操業の炉では、被加熱物の装入装出扉の開閉による冷却のため、扉側の温度が炉奥側の温度より低く、扉側にある被加熱物の温度上昇が炉奥にある被加熱物の昇温より遅れるが、炉奥側に比べて扉側のバーナの発熱量が大きくなるように制御されるため、扉側における被加熱物の昇温の遅れを解消する。また、連続炉の各ゾーンにおいても、扉側にある被加熱物は、前ゾーン即ち扉側寄りのゾーンにある温度の低い被加熱物に輻射熱を取られながら加熱され、炉奥側にある被加熱物は次ゾーンにあるより高い温度の被加熱物から輻射熱を受けながら加熱されるが、１つのゾーン内で炉奥側に比べて扉側のバーナの発熱量が大きくなるように制御されるため、扉側の被加熱物の昇温が炉奥側の被加熱物の昇温より遅れるのを解消する。したがって、被加熱物の加熱を均一にすることができる。
【００５９】更に、請求項８記載の加熱炉によると、加熱炉の扉側と奥側（各ゾーンにおける扉側と奥側とを含む）との間での温度差を任意に設定することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００２２９７４８
【氏名又は名称】日本ファーネス工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年６月１日（１９９９．６．１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８７４６８
【弁理士】
【氏名又は名称】村瀬 一美
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３４６３１４（Ｐ２０００−３４６３１４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１２月１５日（２０００．１２．１５） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１５４３３２ |
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