CN100552292C - 交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置。其构成在燃烧器单元和燃烧室之间配置圆形板，通过圆形板的开口部把预热后的二次燃烧空气送向主燃烧室侧。该燃烧装置具有圆形板(10)、环状的空气通道部(2)、圆筒形外周盖(30)和传热管(11、16)。外周盖的前端部与圆形板的外缘部成为一体，防止空气通道部的二次燃烧空气从圆形板的外周漏到空气稀释室(3)。按照本发明，不受辐射管燃烧装置的设置条件或热变形的影响，能可靠地防止燃烧排气的氮氧化物浓度的增加。
Description
技术领域
本发明涉及交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，更具体涉及构成为在燃烧器单元和燃烧室之间配置圆形板、通过圆形板的开口部把预热后的二次燃烧空气送向燃烧室的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置。
背景技术
作为钢铁加热炉或热处理炉等的加热装置，实际使用对炉内环境进行间接加热的辐射管燃烧装置。作为辐射管燃烧装置的一种，公开了在的两端部具有蜂窝构造的蓄热体的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置。(特开平8-247421号公报、特开平11-108315号公报、特开平11-108316号公报、美国专利第6027333号公报)。
在现有的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置中，有为降低燃烧排气的氮氧化物浓度把燃烧用空气的喷射速度设的比较高的倾向。为此，燃烧装置的全压损失增大，必须设置容量比较大的鼓风机和排风机的情况较多。本发明者考虑到这些问题，在特愿2000-237677号(特开2002-48334号)公报中提出了一种交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，该燃烧装置构成为在燃烧器单元和辐射管的主燃烧室之间配置圆形板，通过贯通圆形板的传热管把一次燃烧空气送向主燃烧室。在该构造的燃烧装置中传热管的前端部从圆形板向主燃烧室内突出，在主燃烧室开口。传热管的管内区域构成混合一次燃烧空气和燃料的一次燃烧室。在主燃烧室开口的环状的空气稀释室在传热管的前端部外周形成，与蓄热体进行传热接触而被加热的高温的二次燃烧空气从圆形板的开口部流到空气稀释室内。向主燃烧室喷出的二次燃烧空气由主燃烧室的燃烧气体稀释。根据该构造的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，不增加燃烧排气的氮氧化物浓度，使二次燃烧空气的空气流速下降到20～50m/s。由此，可降低辐射管燃烧装置的全压损失。
但是，在该构造的辐射管燃烧装置的实用化试验中，对应设定辐射管燃烧装置的姿态或方向产生燃烧排气的氮氧化物浓度增加的现象。这样的氮氧化物浓度增加被判明是由管部分的热变形产生的。
辐射管燃烧装置辐射管燃烧装置姿态或方向是对应炉的使用目的及构造即设置条件可以适当变更设计的性质的东西，而在直径大的中型或大型的辐射管燃烧装置中容易产生比较大的管部分的热变形。为此，有必要可靠地防止由这种原因产生的燃烧排气的氮氧化物浓度增加。
本发明的目的是在构成为在燃烧器单元和主燃烧室之间配置圆形板、通过圆形板的开口部把预热后的二次燃烧空气送向主燃烧室侧的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置中，不受辐射管燃烧装置的设置条件或热变形的影响，可靠地防止燃烧排气的氮氧化物浓度的增加。
发明内容
本发明者发现通过完全阻断从圆形板的外缘部流向主燃烧室侧的二次燃烧空气可以防止燃烧排气的氮氧化物浓度的增加，并基于该结论实现本发明的上述目的。
即，本发明提供一种交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，其具有形成主燃烧室(4)的辐射管(14)和配置在该管的两端部的燃烧器单元(15)，燃烧器单元具有可交替接触二次燃烧空气及燃烧排气而进行传热的蓄热体(13)和贯通该蓄热体的一次燃烧空气及燃料的各流路(17、18)；
其特征在于，具有：配置在所述燃烧器单元(15)和所述主燃烧室(4)之间的圆形板(10)、在该圆形板和所述蓄热体之间形成且流入经过所述蓄热体的二次燃烧空气的环状的空气通道部(2)、从所述圆形板的外缘部延伸到所述蓄热体的外缘部的圆筒形外周盖(30)及向所述圆形板的前方突出且在所述主燃烧室开口的传热管(16)；
燃料喷射口(17a)及一次燃烧空气排出口(18a、18b)在所述传热管内开口，该传热管的管内区域构成混合一次燃烧空气及燃料的一次燃烧室(1)，在所述主燃烧室内开口的环状的空气稀释室(3)形成在传热管的前端部的外周上，所述圆形板有使所述空气通道部及空气稀释室相互联通的开口部(12)；
所述外周盖的前端部与所述圆形板的外缘部成为一体，以防止所述空气通道部的二次燃烧空气从所述圆形板的外周漏向所述空气稀释室。
在本发明的辐射管燃烧装置中，通过与蓄热体传热接触加热的高温的二次燃烧空气流入空气通道部，从圆形板的开口部向空气稀释室喷出。燃料在一次燃烧室中与一次燃烧空气进行燃烧反应，用因此生成的燃烧气体进行稀释。从圆形板的开口部向空气稀释室喷出的高温的二次燃烧空气流诱导燃烧室的燃烧气体，燃烧气体再循环流在空气稀释室内反向流动。该再循环流沿传热管的前端部外周面漫延到开口部附近，与二次燃烧空气流混合，用燃烧气体稀释二次燃烧空气。与燃烧气体混合、使氧浓度乃至空气比下降的二次燃烧空气流与从一次燃烧室喷出混合气体流(F)(用一次燃烧室中的燃烧气体稀释的燃料)混合，在主燃烧室内产生并进行混合气体和二次燃烧空气的燃烧反应。
在该种辐射管燃烧装置中，在管子管壁热变形时可以吸收圆形板及辐射管管壁的热应力，在圆形板外缘部和辐射管管壁间设定规定的间隙。该间隙在能进行向管内安装圆形板的作业方面也是重要的。但是，实际上把辐射管燃烧装置安装在加热炉等上时，管子一般配置成使其中心线向着水平方向的姿态，圆形板垂直地配置。由于圆形板在由重力造成的向下侧偏心的位置上静止，所以圆形板的上缘和管子内壁面之间的间隙扩大。圆形板的开口部位于下侧时，在圆形板的上缘和管子内壁面之间形成比较大的缝隙或间隙。另外，辐射管及圆形板由燃烧停止时和燃烧运转时大的温度差造成比较大的热膨冷缩。由该热胀冷缩形成的辐射管及圆形板的热变形特别在直径大的中型或大型的辐射管燃烧装置中明显地显现出。这样的热变形又在圆形板外缘部发生比较大的间隙或缝隙。本发明者实用化实验的结果判明，二次燃烧空气流经过这样的缝隙和间隙比较大量地漏到主燃烧室，该二次燃烧空气流妨碍燃烧气体再循环流的形成。
根据本发明的上述构成，空气通道部在从圆形板的外缘部向蓄热体的外缘部延伸的外周盖内形成，外周盖的前端部与圆形板的外缘部成为一体，阻止二次燃烧空气从圆形板的外周部漏到空气稀释室。燃烧气体再循环流不受妨碍，可以收到充分降低氮氧化物浓度的效果。从而，根据本发明可以不受辐射管燃烧装置的设置条件或热变形的影响，可靠地形成燃烧气体再循环流，可以经常达到所希望的降低氮氧化物浓度的效果。
在特愿2000-237677号中公布的辐射管燃烧装置中，圆形板及传热管只不过是由燃烧器单元在悬臂状态支持，圆形板及传热管的位置及姿态容易由于热变形产生变化。但是，根据本发明，由于外周盖在规定位置支持圆形板，圆形板及传热管的位置及姿态稳定。
进而，利用外周盖的设置不仅容许无意识地扩大间隙，还能有意识地扩大或改变设定间隙。即根据本发明的上述构成，由于管子及燃烧器单元的组合或相对位置的设计自由度增加，所以可任意设定圆形板的外缘部和管子管壁间的间隙，确保容易进行燃烧器单元的安装作业或更换作业的足够的间隙，能进行适应管子直径的实际尺寸或与规格不同等的燃烧器单元的标准设计或能进行适应不同的辐射管的燃烧器单元的设计等。由于在这样的场合，外周盖也如前所述能可靠地防止二次燃烧空气从圆形板的外周部漏到空气稀释室，辐射燃烧装置可发挥所希望的降低氮氧化物浓度的效果。
最好外周盖在不拘于辐射管燃烧装置及蓄热体的状态下把轴向的热变形收容在辐射管内。通过释放外周盖轴向的热变形，可以防止在圆形板和外周盖的接合部热应力集中。即在圆形板和外周盖的接合部不发生热应力集中导致的破损或损伤。
本发明还提供一种辐射管燃烧装置，其在上述构成的辐射管燃烧装置中在以圆形板的中心线(C)为中心的规定半径S的圆(R)的径向外侧带区域上配置上述开口部(12)的中心(PC)，设定所述规定半径S＝(辐射管的内径尺寸Dt+传热管的外径尺寸Dr)/4。最好多个开口部(12)的各中心(PC)在中心圆(PCD)上定位，中心圆(PCD)以辐射管的中心线(C)为中心，且具有比半径S大的半径(PCR)。配置圆形板的开口部的区域限制在圆形板的中心角(γ)≤250°的范围内更好。
根据这样的构成，开口部(12)的中心(PC)偏移配置在圆形板径向外侧带区域中，燃烧气体再循环流的流动区域扩大，同时加强由二次燃烧空气的喷流产生的燃烧气体导引作用。如上所述，与防止二次燃烧空气从圆形板的外周部漏向空气稀释室相辅，主燃烧室的燃烧气体由从圆形板的开口部喷出的二次燃烧空气流有效引导，有效地稀释空气稀释室的二次燃烧空气。
开口部(12)的空气流速设定低于30m/s是理想的，最好设定为25m/s以下，更合适的是设定为20m/s以下。通过降低空气流速，辐射管燃烧装置的全压损失下降。上述构成的辐射管燃烧装置不仅通过这样降低空气流速，还可以通过燃料改质(稀释)及燃烧气体的再循环可以抑制燃烧排气的氮氧化物的浓度。
燃料喷射口(17a)及一次燃烧空气排出口(18a、18b)最好配置在圆形板的平面内或该平面的前方，传热管从圆形板向前突出比较大。根据这样的构成可以在混合气体流出口(传热管前端部)的背后形成比较大的燃烧气体再循环区域。
包围燃料喷射口及一次燃烧空气排出口的火炎稳定管(41)最好配置在传热管内，喷射引燃燃料的引燃燃料喷射口(40)在火炎稳定管内开口。在火炎稳定管内形成稳定一次燃烧室和主燃烧室的火炎的火炎稳定部(42)。
根据另一观点，本发明提供一种交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，其具有形成主燃烧室(4)的辐射管(14)和配置在该管的两端部的燃烧器单元(15)，该燃烧器单元具有可交替接触二次燃烧空气及燃烧排气而进行传热的蓄热体(13)和贯通该蓄热体的一次燃烧空气及燃料的各流路(17、18)；
其特征在于，具有：配置在所述燃烧器单元(15)和所述主燃烧室(4)之间的圆形板(10)、在该圆形板和所述蓄热体之间形成且流入经过所述蓄热体的二次燃烧空气的环状的空气通道部(2)、从所述圆形板的外缘部延伸到所述蓄热体的外缘部的圆筒形外周盖(30)及向所述圆形板的前方突出且在所述主燃烧室开口的传热管(16)；
燃料喷射口(17a)及一次燃烧空气排出口(18a、18b)在所述传热管内开口，该传热管的管内区域构成混合一次燃烧空气及燃料的一次燃烧室(1)，在所述主燃烧室内开口的环状的空气稀释室(3)形成在传热管的前端部的外周，所述圆形板有使所述空气通道部及空气稀释室相互联通的开口部(12)；
所述蓄热体和所述圆形板间的距离(L4)设定为与辐射管内径(Dt)的比率(L4/Dt)是1.0以下。
比率(L4/Dt)理想的是设定为0.8以下；比率(L4/Dt)更理想的是设定为0.5以下。
最好外周盖和所述蓄热体能沿轴线方向相对位移地连接，圆形板的开口部(12)的空气流速设定为低于30m/s，开口部的排气流速设定为低于35m/s。
外周盖的厚度(T)最好设定为低于8mm，低于6mm更好，外周盖由非铸造品，例如具有耐热性的金属合金板的弯曲加工品作成。
根据再一观点，本发明提供一种交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置内的燃烧方法，其在可交替接触二次燃烧空气及燃烧排气而进行传热的蓄热体(13)和辐射管(14)内的主燃烧室(4)之间配置圆形板(10)，通过贯通圆形板的传热管(11、16)把燃料及一次燃烧空气供给燃烧室，同时在传热管的前端部外周形成在主燃烧室开口的环状的空气稀释室(3)，使与蓄热体传热接触而被加热的高温的二次燃烧空气(A)流入空气稀释室，由二次燃烧空气的喷射流引导主燃烧室的燃烧气体，并使所述燃料及一次燃烧空气和所述二次燃烧空气在主燃烧室中混合；
所述圆形板两侧的区域遮断在圆形板外缘部的流体连通，这些区域的流体连通只限于配置在所述圆形板的中心角(γ)≤250°的角度范围内的开口部(12)；该开口部的中心(PC)配置在以圆形板的中心线(C)为中心的规定半径S的圆(R)的径向外侧带区域上，规定半径S设定为(辐射管的内径尺寸Dt+传热管的外径尺寸Dr)/4，
所述开口部(12)以30m/s以下的流速把所述二次燃烧空气喷射到空气稀释室，同时把所述主燃烧室的燃烧排气的喷流以35m/s以下的流速喷向所述蓄热体。
根据这样的燃烧方法，圆形板外缘部的流体连通被遮断，在没有配置开口部的角度范围(θ)内可以经常确保把主燃烧室内的燃烧气体引导到空气稀释室的流路(区域)。由于开口部配置在圆形板径向外侧，所以在二次燃烧空气流和传热管的外周面之间形成向主燃烧室侧引导燃烧气体再循环流的区域。因此，即使在二次燃烧空气的流速下降的状态也能切实地从燃料喷流的背后把燃烧气体稀释过的燃烧用空气与燃料(用一次燃烧的燃烧气体稀释的燃料)混合，可以切实地降低燃烧排气的氮氧化物的浓度。
一次燃烧空气的供给量最好设定为燃料完全燃烧所需的理论空气量的10～20％。更理想的是一次燃烧空气及燃料通过火炎稳定部(41)供给一次燃烧室，向火炎稳定部供给燃料供给量的2～8％的引燃燃料。
附图说明
图1及图2是表示本发明的理想实施方式的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置的整体结构的示意剖面图和纵剖面图；
图3(A)是图4的I-I剖面图，图3(B)是图4的II-II剖面图；
图4(A)是图3的III-III剖面图；
图5(A)是表示圆形板和间隙的关系的剖面图，图5(B)是表示用于研究间隙的空气漏泄量和开口部的空气流量的关系的模型概念剖面图；
图6(A)是表示间隙尺寸和间隙的空气漏泄量的关系的曲线图，图6(B)是表示间隙尺寸和燃烧排气的NOX浓度的关系的曲线图；
图7(A)及图7(B)是表示圆形板周围的间隙分布的剖面图，7(C)是表示遮蔽的间隙的角度范围与燃烧排气的NOX浓度的关系的概念图表；
图8(A)是概念地表示排气侧圆形板及蓄热体的关系的示意立体图，图8(B)是表示燃烧排气的喷流断面积的变化的曲线图；
图9及图10是表示装有外周盖的辐射管燃烧装置中从圆形板的开口部流到空气稀释室中的二次燃烧空气流的流动的示意立体图和纵剖面图；
图11及图12是表示没装外周盖的辐射管燃烧装置中流入空气稀释室中的二次燃烧空气流的流动的示意立体图和纵剖面图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明理想的实施方式进行详细说明。
燃烧装置的结构
如图1所示，交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置(以下称为“燃烧装置”)装有形成主燃烧室4的辐射管14。在管14的两个端部上配置有燃烧单元15。四通阀19以将燃烧单元15有选择地与供气***或排气***连接的方式与燃烧单元15连接。各燃烧单元15装有蜂窝结构的陶瓷制蓄热体13。燃烧单元15的燃料供给路17及一次空气流路18贯通蓄热体13。成对的燃烧单元15每隔规定的时间间隔可以相互切换图1(A)及图1(B)所示的动作形态，交替进行燃烧动作。四通阀19在燃烧单元15动作切换的同时被控制切换，与燃烧单元15一样，可以交替切换到图1(A)及图1(B)所示的各位置。
在图2～图4中表示图1所示的燃烧单元的结构。燃烧装置的两端部贯通炉壁W，燃烧单元15的空气箱20及燃烧罐21露出炉外。在空气箱20及燃烧罐21中分别连接一次空气供给管22、二次空气供给管23及燃料供给管24。燃料供给路17及一次空气流路18贯通蓄热体13的中心部，从蓄热体13的前端面向前方突出。燃料喷射喷咀17a及一次空气排出口18a、18b在一次燃烧室1中开口。
导管25贯通蓄热体13及金属网13a的中心部，与基端侧传热管11连接。形成一次空气流路18的一次空气输送管26配置在导管25和基端侧传热管11内。如图3(A)所示，形成燃料供给路17的燃料输送管27配置在一次空气输送管26的中心部，同时供给引燃燃料的引燃燃料管28与燃料输送管27平行地配置在一次空气供给管26内。
如图4所示，一次空气供给管26的前端用垂直于供给管26的轴线的前端板29堵住。在前端板29上配置燃料输送管27的燃料喷射喷咀17a。一次空气排出口18a、18b在前端板29上形成，同时引燃燃料喷射部40贯通前端板29。
如图3(B)所示，燃料喷射喷咀17a配置在前端板29的中心部，一次空气排出口18a、18b在燃料喷射喷咀17a周围同心状且等间隔地配置。在外侧圆形排列的各排出口18a的开口直径比在内侧圆形排列的各排出口18b的开口直径大，排出口18a喷出比排出口18b相对的多的一次燃烧空气。引燃燃料喷射部40配置在排列在内侧排出口18b的圆形排列的位置，燃料喷射部40的燃料主要与排出口18b的空气喷流进行燃烧反应。
如图4所示，圆形板10配置在蓄热体13的前方。基端侧传热管11贯通圆形板10的中心部。圆形板10及基端侧传热管11用焊接等固定方法(未作图示)安装为一体。也可以把圆形板10及基端侧传热管11作为单独的金属成形品成形为一体。
在基端侧传热管11的外周形成环状的空气通道部2。空气通道部2与蓄热体13的壳孔(蜂窝流路)连通。基端侧传热管11在圆形板10的前方稍稍延伸出。火炎稳定管41从一次空气供给管26的前端外周区域向前方突出，在燃料喷射喷咀17a的喷射口附近形成火炎稳定部42。
前端侧传热管16从基端侧传热管11的前端部外周向前方延伸。前端侧传热管16的内径与基端侧传热管11的外径一致。前端侧传热管16的后端部用焊接等固定方法(未作图示)与基端侧传热管11的前端部外周气密且安装成一体。另外，也可以使基端侧及前端侧传热管11、16作为单独的金属成形品成形为一体。
前端侧传热管16在管内形成一次燃烧室1，燃料喷射喷咀17a的燃料与一次空气排出口18a、18b的一次空气在一次燃烧室1中混合。燃料及一次空气的混合气体流F从前端侧传热管16的前端开口流向主燃烧室4。
在前端侧传热管16的外周形成环状的空气稀释室3。圆形板10具有在空气稀释室3中开口的多个(本例中是三处)开口部12。供给空气通道部2的二次燃烧空气从开口部12喷向空气稀释室。开口部12的空气流速最好设定在20～30m/s的范围内。
如图3(B)所示，各开口部12具有沿周向延伸的弯曲的长孔的形态，等角度间隔且左右对称地配置在圆形板10上。在本例中，圆形板10、前端侧传热管16和前端板29的轮廓形成以辐射管14的中心线C为中心的同心圆。各开口部12的外侧开口缘12a及内开口缘12b按以中心线C为中心的规定的曲率半径弯曲。各开口部12的中心PC位于中心圆PCD上。中心圆PCD的半径PCR相当于开口缘12a、12b的各曲率半径的平均值。
开口部12偏移位于圆形板10的中心角γ的角度范围内，圆形板10在中心角θ的角度范围内，发挥完全没有装开口部的盲板的机能。各开口部12的中心PC配置在以中心线C为中心的圆R(半径S)的径向外方。
圆R的半径S及中心圆PCD的半径PCR由下式设定。
PCR S＝(Dr+Dt)/4
在此，Dt：辐射管14的内径尺寸(直径)
Dr：传热管16的外径尺寸(直径)
可以配置开口部12的区域限制在中心角γ≤250°的角度范围内。
在将开口部12的形状设计为圆形等其它的形状或不定形乃至不规则的轮廓时，开口部12的中心PC例如作为开口轮廓的质量中心(重心)被求出。圆形板10的开口率(开口部12的面积总和/空气稀释室3的截面积)设定在20～50％的范围中。开口部12的位置如图4所示，以确保结构强度所必须的缘部尺寸E(例如E≥5mm)为条件，希望尽可能配置在圆形板10的径向外侧。
圆形板10的直径(外径)设定为比管14的内径Dt小2～3m m的程度的值，由此，在安装燃烧装置时，可以在圆形板周围确保能把圆形板10***管14内的平均1～1.5mm程度的间隙。
图5(A)是表示圆形板10和间隙关系的剖面图。
通过圆形板周围的间隙，在圆形板10的外周面和管14的内周面之间形成间隙尺寸为Gt的间隙G。下面对间隙G的影响进行说明。
间隙的影响
图5(B)是表示用于研究间隙G及开口部12的流量比的研究模型的剖面图。
在图5(B)中表示与空气流A的方向垂直地配置在空气流路上的板100。板100装有直径为Dm的主开口部101和直径为Dg的副开口部102。开口部101、102是贯通板100的圆形开口。假设主开口部101相当于上述开口部12、副开口部102相当于间隙G。流体(空气)看成非压缩流体，对于流体的压力损失只考虑流路壁的摩擦阻力。作为分析条件，假设副开口部102的直径Dg＝2mm、板100的厚度t＝10mm。
对详细分析方法，省略其说明。由于在维持从主开口部101流出的空气流A1的流量为一定量的状态下使空气流A1的流速Um从50m/s下降到20m/s，所以当把直径Dm从23mm(Um＝50m/s)变为36mm(Um＝20m/s)，时，经过副开口部102的空气流A2的流速Ug从Ug＝41.8m/s(Um＝50m/s)变为Ug＝12.8m/s(Um＝20m/s)。即若主开口部101的空气流速Um下降时，副开口部102的空气流速Ug相对的比主开口部101的流速下降率大进行下降。
图6(A)是表示间隙G的漏泄量和间隙尺寸Gt的关系的曲线图，图6(B)是表示燃烧排气的NOX浓度和间隙尺寸Gt的关系的曲线图。图6所示的漏泄量及NOX浓度是涉及设定燃烧装置的开口部12的流速为20m/s的标称径7B(管直径为7英寸)的燃烧装置的参量。
在图6(A)中设定间隙尺寸Gt＝1mm的间隙G的空气漏泄量为基准流量(＝1)，由间隙尺寸Gt扩大而产生的空气漏泄量的增加作为对基准流量的比率(流量比)表示。
如图6(A)所示，间隙G的空气漏泄量随着间隙尺寸Gt的扩大，与间隙尺寸Gt大致成比例地增加。同样，燃烧排气的NOX浓度在间隙尺寸Gt＝1.5mm以下的范围内，随着间隙尺寸Gt的扩大，比较缓慢地增加到NOX浓度＝115ppm(11％O2换算值)(图6(B))。但是，若间隙尺寸Gt浓度超过1.5mm，燃烧排气的NOX浓度急剧增加，在间隙尺寸Gt＝3.0mm时大约达到190ppm。
即间隙G的空气流速(Ug)通过开口部12的空气流速(Um)的流速下降，虽然相对下降更大，但间隙尺寸Gt的扩大使燃烧排气的NOX浓度比较急剧地增大。这样的NOX浓度的变化是在使NOX浓度降低的效果依存于空气稀释室3的气流分布的本发明的燃烧装置中可以看到的特有的性质。这与NOX浓度降低的效果由高速空气流的流速(Um)支配的现有的燃烧装置的特性明显不同。
图7表示间隙G的位置或角度范围与燃烧排气的NOX浓度的关系。
在设定间隙尺寸Gt＝3mm的标称径7B(管直径为7英寸)的燃烧装置中，在圆形板10的全周上形成间隙G时，NOX浓度达到150～200ppm(11％O2换算值)。若在角度范围α＝90°的范围内闭锁间隙，NOX浓度则降低到140～180ppm；若在角度范围α＝180°的范围内闭锁间隙，NOX浓度则进一步降低到130～150ppm。在遍布全周闭锁间隙(α＝360°)时，NOX浓度降低到115～120ppm，显示最小值。同时，NOX浓度的偏差也随着角度范围α的增大而缩小，在遍布全周闭锁间隙(α＝360°)时，NOX浓度稳定在115～120ppm的范围内。
圆形板及蓄热体的位置关系
如前所述，燃烧单元15每隔规定的时间间隔就可以交替切换图1(A)及图1(B)所示的动作形态，从而开口部12不仅将空气通道部2的二次燃烧空气向空气稀释室喷射，也作为排出主燃烧室4的燃烧排气的排气口使用。因此，设定空气通道部2的长度，即圆形板10和蓄热体13之间的距离L4(图4)，使得从开口部12向空气通道部2流入的燃烧排气G扩展到蓄热体13端面的整个区域，燃烧排气实际上均匀地流入蓄热体13的各个壳中。
图8(A)是概念地表示圆形板10及蓄热体13的位置关系的立体图，图8(B)是表示离圆形板10的距离L和燃烧排气的喷流面积Ga的关系的曲线图。为了简化说明，在以下的研究中假设开口部12是圆形板10的中央圆形开口部112进行研究。
由于设定开口部112的空气流速为26m/s，设定开口部112的的直径Dm为79mm，另外，由于设定开口部112的空气流速为70m/s，设定开口部112的的直径Dm为48mm。无论在任一场合，从开口部112向空气通道部流入的燃烧排气G的喷流都向蓄热体13的流入侧端面扩展。在图8(B)中，在Dm＝79mm(26m/s)、48mm(70m/s)的燃烧排气的喷流面积Ga用与L/Dn(L＝从圆形板10到喷流断面的距离，Dn＝蓄热体13的直径)的关系分别表示。
若假设蓄热体13的Dn设定为Dn＝144mm，传热管16的直径为90mm，蓄热体13的壳部分的整个断面积为(14.4/2)2×3.14-(9/2)2×3.14＝约99.2cm2。由于考虑燃烧排气的喷流必然避开传热管16的轮廓流入蓄热体13的壳部分，该断面积(约99.2cm2)扩展的喷流可以看作均匀地流入蓄热体13的壳部分的整个区域。
与可以得到喷流面积Ga＝99.2cm2的L/Dn的值在Dm＝79mm(26m/s)是0.42相对，在Dm＝48mm(70m/s)，是1.05。从而，若使空气流速从79m/s下降到26m/s，从圆形板10到蓄热体13的流入侧端面的距离Lm可以减低到0.42/1.05(＝0.4)。
图1～图4所示的燃烧装置由于开口部12的位置是偏心的异型开口，与图8所示的研究模型不同，但其倾向自身在实质上是相同的。从而，开口部12的开口面积扩大(即开口部12的空气流速的下降)能大幅缩短蓄热体13和圆形板10间的距离L4(图4)。
圆筒形外周盖
如“间隙的影响”中所说明的，若开口部12的空气流速下降到20～30m/s，间隙G(图5(A))的空气流速下降比较大，而由于间隙尺寸Gt(图5(A))对燃烧排气的NOx浓度影响大，希望间隙G完全闭锁。如在“圆形板和蓄热体的位置关系”中所说明的，开口部12的空气流速的下降(开口部12的开口面积的扩大)能缩短蓄热体13和圆形板10间的距离L4(图4)。
因此，如图4所示，本发明的燃烧装置装有横跨蓄热体13和圆形板10的圆筒形外周盖30。外周盖30横贯圆形板10的全周，遮断空气通道部2及空气稀释室3的流体连通，防止成为空气稀释室3的气流分布的干扰的主要原因的间隙G的空气漏出。从而，燃烧装置可以切实达到降低其NOx浓度的效果。
如图4所示，外周盖30从圆形板10的外缘部向后方延伸。外周盖30与圆形板10的直径实质上相同，或具有比圆形板10的直径稍小的外径。圆形板10及传热管16由于需要高的耐热强度，用高强度的金属铸造品制作，与此相反，外周盖30可以把圆形断面的非铸造品，例如SUS310S(JIS)制的板材弯曲加工成半圆形，作成把两个半圆板相互焊接而成的管体进行制造。外周盖30的前端部用焊接等固定装置31固定成相对圆形板10的外缘部呈气密状态。
外周盖30完全遮断圆形板10的外缘部上的空气通道部2及空气稀释室3的流体连通，从而，这些区域2、3的流体连通只限制在开口部12中。将外周盖30或圆形板10支持在规定位置，圆形板10及传热管11的位置及姿势稳定。
外周盖30的后端部达到蓄热体13的外筒套管13b。外周盖30的后端部内面与外筒套管13b的前端部外周面滑接，与外筒套管13b形成一体，在能相对位移的状态下与外筒套管13b连接。在外筒套管13b的外周，在从外周盖30向后离开若干的位置上，整体安装环状套管13c。
外周盖30的全长L3由于距离L4的缩短比较短，从而，在外周盖30上不发生过大的热应力或热变形，由热负荷产生的外周盖30的热应力裂纹等也很难发生。由于热应力的下降，外周盖30的厚度T可以设定为8mm以下，例如5～6mm的程度。从而，即使是设置外周盖30的情况也可以充分确保空气口部2的容积，而且可以确保开口部12的配置自由度。
外周盖30的轴线方向的热变形不拘于辐射管14及外筒套管13b中，从而，可以容许外周盖30的轴线方向的热变形。因此在圆形板10和外周盖3的接合部(固定装置31)没有热应力集中，不会发生热应力集中或热变形导致的接合部的破损或损伤等。
传热管及开口部的尺寸
传热管16的各部尺寸可以设定为以下范围内的值。
Dr/Dt＝0.2～0.6
L1/Dr＝1.28～5.2
L2/Dr＝0.64～5.2
上式中各符号的意思如下所示。
L1：从燃料喷射喷咀17a的前端到传热管16的前端的距离
L2：从圆形板10到传热管16的前端的距离
例如标称径7B(管直径＝7英寸)的燃烧装置中各部尺寸Dt、Dr、L1、L2设定为以下的尺寸值。
Dt＝约180mm(7B)
Dr＝约90mm(3B)
L1＝约200mm
L2＝约200mm
各开口部12具有相同的尺寸、形状，全开口部12的开口缘周长的总和L5设定在L5/Dt＝2.0～4.0，最好设定在2.5～3.5的范围内。例如，各开口部12的开口缘周长的总和L3，在标称径7B(管直径＝7英寸)的燃烧装置中设定在350mm～700mm的范围，最好设定在450mm～600mm的范围内。
传热管16物理分离混合到二次燃烧空气流A和混合气体流F的二次燃烧空气及燃料。传热管16的突出尺寸L2可以设定为确保二次燃烧空气在空气稀释室2中稀释，且燃料在一次燃烧室1内稀释的时间。
燃烧装置的动作
下面，对上述结构的燃烧装置的动作进行说明。
燃烧装置的各燃烧单元15只要切换控制供给燃烧器罩21的一次空气供给及燃料，对应与其同步的四通阀19的切换控制，如图1(A)及图1(B)所示，交替实施燃烧动作(燃烧空气、燃料的供给)及燃烧停止(燃烧排气的排出)。
一次燃烧空气及燃料从一次空气供给管22及燃料供给管24供给燃烧动作中的燃烧器罩21(图2)，从燃料喷射喷咀17a及一次空气排出口18a、18b(图3、图4)向一次燃烧室1流出，在一次燃烧室1中混合。一次燃烧空气的供给量设定为燃料完全燃烧所需要的理论空气量的10～20％的程度。
燃烧动作中引燃燃料管28的引燃燃料从引燃燃料喷射部40经常向火炎稳定管41内喷射。引燃燃料的燃料供给量设定为燃料喷射喷咀17a的燃料供给量的约2～8％。火炎稳定管41内的火炎稳定部42维持防止灭火的火炎稳定机能，稳定一次燃烧室1及主燃烧室4的燃烧反应。
比一次燃烧空气的流量多得多的二次燃烧空气如图2所示，从二次空气供给管23供给空气箱20，流入高温的蓄热体13的狭小流路(壳形孔)。二次燃烧空气通过与蓄热体13的蜂窝壁(壳形壁)的传热接触加热到700℃以上，最好是900℃以上的高温后，流入空气通道部2。
在图9和图10中表示从圆形板10的开口部12向空气稀释室3流出的二次燃烧空气流的流动。在图11和图12中表示在没有装外周盖30的状态的燃烧装置中向空气稀释室3流入的二次燃烧空气流A的流动。图9～图12表示的燃烧装置把开口部12位于下侧那样配置加热炉等，圆形板10由于重力向下侧偏心。因此，在圆形板10的上部外周缘和辐射管14的内周壁面之间形成比较大的间隙G。
在装有外周盖30的燃烧装置(图9、图10)中流入空气通道部2内的二次燃烧空气流A从偏向位于圆形板10一侧的开口部12流向空气稀释室3。在开口部12内的空气流A的流速例如设定在30m/s以下的范围，最好在25m/s以下，是相当的低速在20m/s以下更好。外周盖30遮断在圆形板10的外缘部上的空气通道部2和空气稀释室3的流体连通，从而，这些区域2、3的流体连通只限于开口部12。从设定为上述特定位置及特定尺寸、形状的开口部12流出的空气流A引导主燃烧室4的燃烧气体，结果，在空气稀释室3中形成逆流的燃烧气体再循环流R。
装有外周盖30的燃烧装置在空气稀释室3中引导再循环流R的流路(区域)可以经常确保在不配置开口部12的角度范围(θ)内。而且，开口部12由于配置在圆形板10的径方向外侧带区域中，所以在二次燃烧空气流A和传热管11的外周面之间，形成引导再循环流R使再循环流R在主燃烧室4侧流动的区域。因此，在如上限制的辐射管内的区域中可以强化燃烧气体再循环的效果，即使在二次燃烧空气流A的流速下降的状态，也可以使二次燃烧空气用比较大量的燃烧气体稀释。
与此相反，在没有装有外周盖30的状态(图11、图12)，空气通道部2的二次燃烧空气从开口部12流向空气稀释室3，同时，作为外缘空气流J也从圆形板10的外缘部(间隙G)流向空气稀释室3。外缘空气流J与再循环流R相反，妨碍再循环流R流向空气稀释室3内。因此与二次燃烧空气混合的燃烧气体量下降。
这样，根据装有外周盖30的燃烧装置(图9、图10)，再循环流R不阻止外缘空气流J，可以流入空气稀释室3内，沿前端侧传热管16的外周面在开口部12的附近蔓延，与空气流A很好地混合，使二次燃烧空气用比较多的燃烧气体稀释。
流入传热管16内的一次燃烧室1中的燃料与一次燃烧空气混合，利用低空气比的燃烧反应在燃烧室1内部分燃烧，用燃烧室1内生成的燃烧气体稀释。燃烧室1内的氛围气由于经常由周围的氛围气维持高温状态，所以燃料、一次燃烧空气及燃烧气体的混合气在低氧浓度或低空气比的一次燃烧室1内受到改性作用而活性化，作为混合气流F从一次燃烧室1流向主燃烧室4。传热管11的外周面如后述那样，即使在燃烧停止时，由于与高温的燃烧气体接触，所以传热管11也经常保持高温状态。
与再循环流R的混合形成的氧浓度下降的空气流A和从前端侧传热管16的前端开口排出的混合气流F混合，两者的燃烧反应在主燃烧室4中发生并进行。
根据这样的燃烧装置尽管将比较低速的二次燃烧空气流A导入主燃烧室4，主燃烧室4的燃烧反应也不生成大量的氮氧化物。例如根据本发明者的测定，即使在设定开口部12中的空气流A的流速为20m/s以下时，燃烧排气中的氮氧化物浓度与燃烧装置的设置条件或热变形无关，显示出130ppm以下的浓度。可以认为这主要是由于在圆形板10的特定区域上形成了上述特定尺寸和形状的开口部12及在高温传热管11内流动的期间中燃料的燃烧特性发生变化和通过设置外周盖30用低速空气流A可以进行比较强的燃烧气体再循环等引起的。而且，如上所述，在一次燃烧室1中稀释的燃料与高温且低氧浓度的低速空气流A缓慢地进行燃烧反应，在辐射管14的比较广泛的区域中产生均匀的温度分布。
本发明的燃烧装置由于圆形板前后的区域2、3的流体连通，通过设置外周盖30，只限制开口部12，所以圆形板10的外周面和辐射管14的内周面之间的距离根据要求可以任意设定。因此，不仅可以确保容易进行燃烧单元15的安装作业或更换作业的足够的间隙，作为其应用还能进行可适应管直径Dt的实际尺寸或可适应与规格不同的燃烧单元15的标准设计和可适应不同尺寸的辐射管14的燃烧单元15的设计等。即使在这样的场合，如前所述，外周盖30由于确实阻止了二次燃烧空气从圆形板10的外周部向空气稀释室漏出，所以燃烧装置发挥了所希望的降低氮氧化物浓度的效果。
如图1所示，主燃烧室4的燃烧气体除上述再循环流的逆流外，流向燃烧停止中的燃烧单元21在辐射管14中流动。燃烧停止中的燃烧单元21在空气通道部2从圆形板10的开口部12接受燃烧气体。空气通道部2的燃烧气体在传热管11、16的外周域流动后流入蓄热体13的蜂窝流路(壳体孔)与蓄热体13的蜂窝壁(壳壁)导热接触，因此，使温度比较低的蓄热体13与燃烧气体加热到同等温度。通过与蓄热体13的热交换降温的燃烧排气通过四通阀19向***外排气。
由于在燃烧动作侧的燃烧单元21中的开口部12的空气流速设定得低，所以流过排气侧的开口部12的燃烧排气的流速也是低速。例如，当开口部12的空气流速设定为20m/s以下时，即使考虑排气的容积增加，流过排气侧的开口部12的燃烧排气的流速也可以抑制在约25m/s以下。因此，燃烧单元21中的压力损失在燃烧侧及排气侧双方都下降。而且，流入空气通道部2的排气流尽管距离L4缩短，也比较平均地流向蓄热体13的各壳体孔中。即比较低速的排气流由于没有集中流入与开口部12相对的蓄热体13的部分，向蓄热体13的整个端面均匀地分散，各蜂窝流路的排气流量横贯整个蓄热体平均化，蓄热体13被均匀地加热。从而，在排气侧的蓄热体13上很难产生局部的温度下降或过热，蓄热体13发挥所要求的蓄热效率或热交换效率。严密地讲，可以认为燃烧排气的流量由于一次燃烧空气及燃料的供给和燃烧反应，进而由热膨胀的影响比一次空气流量增加若干，且随之燃料排气流速增大，如上所述比较轻微。
以上对本发明的最佳实施方式进行了详细说明，但本发明不限于上述实施方式，在权利要求记载的本发明的范围内可以进行各种变形或变更，该变形或变更例当然也包含在本发明的范围内。
例如，上述实施方式在圆形板10上对称地穿设了三个开口部12，根据本发明也可以在在圆形板10上非对称地形成更多或更少的开口部。
传热管11的尺寸及形状不限于上述实施方式，可以根据本发明的启发适当变更设计而得到。
产业上利用的可能性
本发明适用于在燃烧单元和主燃烧室之间配置圆形板，构成通过圆形板的开口部供给主燃烧室侧预热后的二次燃烧空气的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置。根据本发明，可以不受辐射管燃烧装置的设置条件或热变形的影响、确实防止燃烧排气的氮氧化物浓度的增加。
Claims (15)
1、一种交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，其具有形成主燃烧室(4)的辐射管(14)和配置在该管的两端部的燃烧器单元(15)，燃烧器单元具有可交替接触二次燃烧空气及燃烧排气而进行传热的蓄热体(13)和贯通该蓄热体的一次燃烧空气及燃料的各流路(17、18)，其特征在于，
具有：配置在所述燃烧器单元(15)和所述主燃烧室(4)之间的圆形板(10)、在该圆形板和所述蓄热体之间形成且流入经过所述蓄热体的二次燃烧空气的环状的空气通道部(2)、从所述圆形板的外缘部延伸到所述蓄热体的外缘部的圆筒形外周盖(30)及成一体地贯通所述圆形板并向所述圆形板的前方突出且在所述主燃烧室开口的传热管(11、16)；
燃料喷射口(17a)及一次燃烧空气排出口(18a、18b)在所述传热管内开口，该传热管的管内区域构成混合一次燃烧空气及燃料的一次燃烧室(1)，在所述主燃烧室内开口的环状的空气稀释室(3)形成在传热管的前端部的外周上，所述圆形板有使所述空气通道部及空气稀释室相互联通的开口部(12)；
所述外周盖的前端部与所述圆形板的外缘部成为一体，以横贯所述圆形板的全周防止所述空气通道部的二次燃烧空气从所述圆形板的外周漏向所述空气稀释室。
2、如权利要求1所述的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，其特征在于，所述外周盖在轴线方向的热变形不限于辐射管及蓄热体的状态下，被放置在辐射管内。
3、如权利要求1或2所述的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，其特征在于，在以所述圆形板的中心线(C)为中心的规定半径S的圆(R)的径向外侧带区域上配置所述开口部(12)的中心(PC)，设定所述规定半径S＝(辐射管的内径尺寸Dt+传热管的外径尺寸Dr)/4。
4、如权利要求1或2所述的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，其特征在于，所述圆形板的开口部(12)配置在该圆形板的中心角(γ)≤250°的角度范围内。
5、如权利要求1或2所述的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，其特征在于，所述圆形板的开口部(12)的空气流速设定为30m/s以下。
6、如权利要求1或2所述的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，其特征在于，所述燃料喷射口(17a)及一次燃烧空气排出口(18a、18b)配置在所述圆形板的平面内或该平面的前方。
7、如权利要求1或2所述的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，其特征在于，包围所述燃料喷射口(17a)及一次燃烧空气排出口(18a、18b)的火炎稳定管(41)配置在所述传热管内，喷射引燃燃料的引燃燃料喷射口(40)在所述火炎稳定管内开口。
8、一种交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，其具有形成主燃烧室(4)的辐射管(14)和配置在该管的两端部的燃烧器单元(15)，该燃烧器单元具有可交替接触二次燃烧空气及燃烧排气而进行传热的蓄热体(13)和贯通该蓄热体的一次燃烧空气及燃料的各流路(17、18)，其特征在于，
具有：配置在所述燃烧器单元(15)和所述主燃烧室(4)之间的圆形板(10)、在该圆形板和所述蓄热体之间形成且流入经过所述蓄热体的二次燃烧空气的环状的空气通道部(2)、从所述圆形板的外缘部延伸到所述蓄热体的外缘部的圆筒形外周盖(30)及成一体地贯通所述圆形板并向所述圆形板的前方突出且在所述主燃烧室开口的传热管(11、16)；
燃料喷射口(17a)及一次燃烧空气排出口(18a、18b)在所述传热管内开口，该传热管的管内区域构成混合一次燃烧空气及燃料的一次燃烧室(1)，在所述主燃烧室内开口的环状的空气稀释室(3)形成在传热管的前端部的外周，所述圆形板有使所述空气通道部及空气稀释室相互联通的开口部(12)；
利用与所述圆形板的外缘部成一体的所述外周盖的前端部横贯所述圆形板的全周地遮断所述空气通道部及所述空气稀释室的流体连通；
所述蓄热体和所述圆形板间的距离(L4)与辐射管内径(Dt)的比率(L4/Dt)设定为1.0以下。
9、如权利要求8所述的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，其特征在于，所述外周盖和所述蓄热体可沿轴线方向相对位移地连结在一起。
10、如权利要求8或9所述的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，其特征在于，所述圆形板的开口部(12)的空气流速设定为30m/s以下，该开口部的排气流速设定为35m/s以下。
11、如权利要求8或9所述的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，其特征在于，所述外周盖的厚度(T)为8mm以下。
12、如权利要求8或9所述的交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置，其特征在于，所述外周盖由具有耐热性的金属合金板的弯曲加工品构成。
13、一种在交替燃烧式蓄热型辐射管燃烧装置中的燃烧方法，其在可交替接触二次燃烧空气及燃烧排气而进行传热的蓄热体(13)和辐射管(14)内的主燃烧室(4)之间配置圆形板(10)，通过成一体地贯通圆形板的传热管(11、16)把燃料及一次燃烧空气供给主燃烧室，同时，在传热管的前端部外周形成在主燃烧室开口的环状的空气稀释室(3)内，使与蓄热体传热接触而被加热的高温的二次燃烧空气(A)流入空气稀释室，由二次燃烧空气的喷射流引导主燃烧室的燃烧气体，并使所述燃料及一次燃烧空气和所述二次燃烧空气在主燃烧室中混合，其特征在于，
所述圆形板两侧的区域，被与所述圆形板的外缘部成一体的所述外周盖(30)的前端部横贯所述圆形板的全周地遮断在圆形板外缘部处的流体连通，这些区域的流体连通只限于配置在所述圆形板的中心角(γ)≤250°的角度范围内的开口部(12)；该开口部的中心(PC)配置在以圆形板的中心线(C)为中心的规定半径S的圆(R)的径向外侧带区域上，规定半径S设定为(辐射管的内径尺寸Dt+传热管的外径尺寸Dr)/4，
所述开口部(12)以30m/s以下的流速把所述二次燃烧空气喷射到所述空气稀释室，同时，把所述主燃烧室的燃烧排气的喷流以35m/s以下的流速喷向所述蓄热体。
14、如权利要求13所述的燃烧方法，其特征在于，所述一次燃烧空气的供给量设定为燃料完全燃烧所需的理论空气量的10～20％。
15、如权利要求13或14所述的燃烧方法，其特征在于，所述一次燃烧空气及燃料通过火炎稳定部(41)供给所述传热管(16)内的一次燃烧室(1)，并把所述燃料供给量的2～8％的引燃燃料供给该火炎稳定部。
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