JP2007024335A - Combustion device and flame forming unit used in the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は加熱炉や熱処理炉に使用される燃焼装置及びそれに用いる火炎形成ユニットに関する。 The present invention relates to a combustion apparatus used in a heating furnace or a heat treatment furnace and a flame forming unit used therefor.
従来、加熱炉や熱処理炉に使用される燃焼装置として特許文献1〜7に示す種々のリジェネバーナが使用されている。図4は従来の代表的なリジェネバーナ21を示す。このリジェネバーナ21では、空気入口28からリジェネバーナ21内に供給された燃焼空気は蓄熱器22と熱交換し高温予熱空気となって空気ノズル孔23より炉体24の内部に吐出される。炉内温度が800℃以下の低温時には、バーナ内燃焼室に設置された1次ガスノズル26より供給される燃料をパイロットバーナ25により燃焼させ保炎する。炉内温度が800℃以上の高温時には、1次ガスノズル26からの燃料の供給を停止し、空気ノズル孔23から離れた位置にある2次ガスノズル27より燃料を供給し、炉内温度により自燃させる。この方式は、低NOx化を図る有効な方法である。
Conventionally, various regenerative burners shown in
しかし、この方式では、図5に示すように、バーナ1台あたり、パイロットバーナ用の空気配管が1本とガス配管が1本、1次ガスノズル26用のガス配管1本、2次ガスノズル27用のガス配管2本の合計5本が必要であり、バーナ2台で総計10本の配管が必要である(燃焼空気配管と排ガス配管は除く)。このため、燃焼制御システムやバーナ周辺配管が複雑になる。また、2次ガスノズル27による火炎は炉内全体に広がるので、メイン拡散火炎を直接監視することは非常に困難であり、燃焼安全対策を講じにくいという問題がある。
However, in this system, as shown in FIG. 5, one air pipe for the pilot burner, one gas pipe, one gas pipe for the
さらに、低NOx化のために緩慢燃焼を行うと、低温時にCOが発生する。また、ON−OFF制御のOFF時間が長くなると、ガスノズルの切換弁から先端のノズル孔までのガスがクラッキング(炭化)し、ガスノズルが閉塞するという問題がある。
本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたもので、超低NOxで、かつ、メイン拡散火炎の監視が可能な燃焼装置及びそれに用いる火炎形成ユニットを提供することを課題とする。
また、バーナ周辺機器や配管が簡素な燃焼装置及びそれに用いる火炎形成ユニットを提供することを課題とする。
また、低温時のCO発生を抑制することができる燃焼装置及びそれに用いる火炎形成ユニットを提供することを課題とする。
さらに、燃料切換弁から燃料ノズル先端までの燃料のクラッキング(炭化)を防止することができる燃焼装置及びそれに用いる火炎形成ユニットを提供することを課題とする。
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and it is an object of the present invention to provide a combustion apparatus capable of monitoring a main diffusion flame with ultra-low NOx and a flame forming unit used therefor.
It is another object of the present invention to provide a combustion apparatus with simple burner peripheral equipment and piping and a flame forming unit used therefor.
It is another object of the present invention to provide a combustion apparatus capable of suppressing CO generation at low temperatures and a flame forming unit used therefor.
It is another object of the present invention to provide a combustion apparatus capable of preventing cracking (carbonization) of fuel from the fuel switching valve to the tip of the fuel nozzle, and a flame forming unit used therefor.
前記課題を解決するために、本発明にかかる燃焼装置は、
先端にノズル孔を有する1次空気ノズルと該1次空気ノズル内に収容された燃料ノズルとからなり、前記燃料ノズルの先端にラジアル方向に設けた1次火炎ノズル孔とアキシャル方向に設けたメイン火炎ノズル孔とを有し、前記燃料ノズルの1次火炎ノズル孔の近傍にスパークプラグを有し、前記燃料ノズルの後端に前記1次火炎ノズル孔で形成される1次火炎と前記メイン火炎ノズル孔で形成されるメイン火炎及びそれに続くメイン拡散火炎を検出する火炎検出器を有する火炎形成ユニットと、
内部に蓄熱器を有し、先端に高温空気ノズル孔を有する1対の高温空気供給ユニットとを備え、
前記火炎形成ユニットのノズル孔を前記高温空気供給ユニットの高温空気ノズル孔の近傍の位置に配置したものである。
In order to solve the above problems, a combustion apparatus according to the present invention includes:
A primary air nozzle having a nozzle hole at the tip and a fuel nozzle accommodated in the primary air nozzle, and a primary flame nozzle hole provided in the radial direction at the tip of the fuel nozzle and a main provided in the axial direction. A primary flame formed by the primary flame nozzle hole at the rear end of the fuel nozzle, and a main flame having a flame nozzle hole, a spark plug in the vicinity of the primary flame nozzle hole of the fuel nozzle A flame forming unit having a flame detector for detecting a main flame formed by a nozzle hole and a main diffusion flame following the main flame;
A pair of hot air supply units having a heat accumulator inside and a hot air nozzle hole at the tip;
The nozzle hole of the flame forming unit is arranged at a position near the hot air nozzle hole of the hot air supply unit.
前記構成によれば、1次火炎ノズル孔からの燃料は1次空気ノズル内を流れる1次空気と混合し、スパークプラグによりダイレクト点火され、1次火炎ノズルを形成する。また、メイン火炎ノズルからの燃料は1次空気ノズル内を流れる1次空気と混合し、1次火炎ノズルからの火移りによりメイン火炎を形成する。メイン火炎は、高温空気ノズル孔からの高温空気によって燃焼しメイン拡散火炎となる。また、1次火炎ノズル孔とメイン火炎ノズル孔でそれぞれ形成される1次火炎とメイン火炎及びそれに続くメイン拡散火炎は火炎検出器で検出されて監視される。 According to the above configuration, the fuel from the primary flame nozzle hole is mixed with the primary air flowing in the primary air nozzle, and is directly ignited by the spark plug to form the primary flame nozzle. Further, the fuel from the main flame nozzle is mixed with the primary air flowing in the primary air nozzle, and the main flame is formed by the fire transfer from the primary flame nozzle. The main flame is burned by high-temperature air from the high-temperature air nozzle hole and becomes a main diffusion flame. Further, the primary flame, the main flame and the main diffusion flame which are formed by the primary flame nozzle hole and the main flame nozzle hole, respectively, are detected and monitored by a flame detector.
前記火炎形成ユニットの燃料ノズルによる燃料噴出速度を40m/s以上、150m/s以下とすることが好ましい。また、前記高温空気供給ユニットによる高温空気噴出速度を40m/s以上、150m/s以下とすることが好ましい。 It is preferable that the fuel ejection speed by the fuel nozzle of the flame forming unit be 40 m / s or more and 150 m / s or less. Moreover, it is preferable that the high temperature air ejection speed by the said high temperature air supply unit shall be 40 m / s or more and 150 m / s or less.
前記火炎形成ユニットの燃料ノズルを通過する燃料に前記1次空気ノズルから供給される空気を混合させることが好ましい。これにより、低温時のCOの発生が抑制される。 It is preferable to mix the air supplied from the primary air nozzle with the fuel passing through the fuel nozzle of the flame forming unit. Thereby, generation | occurrence | production of CO at the time of low temperature is suppressed.
前記火炎形成ユニットの燃料ノズルに前記1次空気ノズルから空気を供給して燃料供給ノズル内をパージすることが好ましい。これにより、燃料がガスである場合に、燃料ノズル内での燃料ガスのクラッキング(炭化)が防止される。 It is preferable that air is supplied from the primary air nozzle to the fuel nozzle of the flame forming unit to purge the inside of the fuel supply nozzle. Thereby, when the fuel is a gas, cracking (carbonization) of the fuel gas in the fuel nozzle is prevented.
次に、本発明にかかる火炎形成ユニットは、先端にノズル孔を有する1次空気ノズルと該1次空気ノズル内に収容された燃料ノズルとからなり、前記燃料ノズルの先端にラジアル方向に設けた1次火炎ノズル孔とアキシャル方向に設けたメイン火炎ノズル孔とを有し、前記燃料ノズルの1次火炎ノズル孔の近傍にスパークプラグを有し、前記燃料ノズルの後端に前記1次火炎ノズル孔で形成される1次火炎と前記メイン火炎ノズル孔で形成されるメイン火炎及びそれに続くメイン拡散火炎を検出する火炎検出器を有するものである。 Next, a flame forming unit according to the present invention includes a primary air nozzle having a nozzle hole at the tip and a fuel nozzle accommodated in the primary air nozzle, and is provided in a radial direction at the tip of the fuel nozzle. A primary flame nozzle hole and a main flame nozzle hole provided in an axial direction; a spark plug in the vicinity of the primary flame nozzle hole of the fuel nozzle; and the primary flame nozzle at the rear end of the fuel nozzle. It has a flame detector for detecting a primary flame formed by a hole, a main flame formed by the main flame nozzle hole, and a main diffusion flame following the main flame.
前記燃料ノズルの1次火炎ノズル孔の後方に1次火炎を保炎するスタビライザを設けることが好ましい。 It is preferable to provide a stabilizer for holding the primary flame behind the primary flame nozzle hole of the fuel nozzle.
前記燃料ノズルに前記1次空気ノズルから混合用空気を供給する混合用空気配管を設けることが好ましい。 It is preferable to provide a mixing air pipe for supplying mixing air from the primary air nozzle to the fuel nozzle.
前記燃料ノズルに前記1次空気ノズルからパージ用空気を供給するパージ用空気配管を設けることが好ましい。 It is preferable to provide a purge air pipe for supplying purge air from the primary air nozzle to the fuel nozzle.
本発明によれば、火炎形成ユニットを高温空気供給ユニットと別個のユニットとし、1次空気と燃料を混合させてダイレクト点火により1次火炎を形成後、火移りによりメイン火炎を形成し、さらに高温空気によるメイン拡散火炎を形成することができるので、配管が少なくなり、バーナ周辺機器や配管が簡素化され、空いたスペースを有効に活用することができるうえ、燃焼装置を安価に製造できる。 According to the present invention, the flame forming unit is a separate unit from the high temperature air supply unit, the primary air and fuel are mixed, the primary flame is formed by direct ignition, the main flame is formed by flame transfer, and the temperature is further increased. Since a main diffusion flame can be formed by air, piping is reduced, burner peripheral equipment and piping are simplified, and a vacant space can be used effectively, and a combustion device can be manufactured at low cost.
また、燃料ノズルの先端の1次火炎ノズル孔とメイン火炎ノズル孔でそれぞれ形成される1次火炎、メイン火炎、さらにメイン火炎に続くメイン拡散火炎を1台の火炎検出器で検出して監視することができるので、燃焼安全が保証される。 Also, the primary flame formed by the primary flame nozzle hole and the main flame nozzle hole at the tip of the fuel nozzle, the main flame, and the main diffusion flame following the main flame are detected and monitored by a single flame detector. Combustion safety is guaranteed.
さらに、1本の燃料ノズルにより1次火炎とメイン火炎を形成できるので、2段燃焼による緩慢燃焼によって、低NOx化、低騒音化が可能となる。 Further, since the primary flame and the main flame can be formed by one fuel nozzle, low NOx and noise can be reduced by slow combustion by the two-stage combustion.
火炎形成ユニットを高温空気供給ユニットと別個のユニットとしたので、火炎形成ユニットを炉の任意の位置に配置することができ、炉内拡散燃焼による低NOx化も可能となる。 Since the flame forming unit is a separate unit from the high-temperature air supply unit, the flame forming unit can be arranged at an arbitrary position in the furnace, and NOx reduction by in-furnace diffusion combustion is also possible.
燃料供給開始と同時にスパークプラグによりダイレクト点火することで、パイロットバーナが不要となり、安定した着火性を確保することができる。
このため、炉内温度が800℃以下の低温時にも、安定燃焼が可能で、低温から高温域まで超低NOxでの燃焼が可能である。
By directly igniting with a spark plug at the same time as the start of fuel supply, a pilot burner is unnecessary and stable ignitability can be ensured.
For this reason, stable combustion is possible even at a low temperature of the furnace temperature of 800 ° C. or lower, and combustion with ultra-low NOx is possible from a low temperature to a high temperature range.
高温空気噴出速度を40m/s以上、150m/s以下とすることで、炉内で自己排ガス循環が生じ、低NOx化が可能となる。 By setting the high-temperature air ejection speed to 40 m / s or more and 150 m / s or less, self-exhaust gas circulation occurs in the furnace, and low NOx can be achieved.
火炎形成ユニットの燃料ノズルを通過する燃料に1次空気ノズルから供給される空気を混合させるので、低温時のCOの発生を抑制することができる。 Since the air supplied from the primary air nozzle is mixed with the fuel passing through the fuel nozzle of the flame forming unit, the generation of CO at a low temperature can be suppressed.
火炎形成ユニットの燃料ノズルに1次空気ノズルから空気を供給して燃料供給ノズル内をパージするので、燃料がガスである場合に、燃料ノズル内での燃料ガスのクラッキング(炭化)を防止することができ、燃料ノズルの閉塞を回避することができる。 Since air is supplied from the primary air nozzle to the fuel nozzle of the flame forming unit to purge the inside of the fuel supply nozzle, cracking (carbonization) of the fuel gas in the fuel nozzle is prevented when the fuel is a gas. Therefore, the fuel nozzle can be prevented from being blocked.
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1(a)は、本発明にかかる燃焼装置を示す。この燃焼装置は、火炎形成ユニット1と、1対の高温空気供給ユニット2a,2bからなっている。火炎形成ユニット1は、図1(b)に示すように、1対の高温空気供給ユニット2a,2bの間に設置され、そのノズル孔3は高温空気供給ユニット2a,2bの高温空気ノズル孔4a,4bの近傍の位置に配置され、炉体5の内部に開口している。1対の高温空気供給ユニット2a,2bは、それぞれ蓄熱器6a,6bを有し、先端の高温空気ノズル孔4a,4bは炉体5内に開口している。一方の高温空気ユニット2aがその蓄熱器6aにより予熱された高温空気を炉内に供給しているときは、他方の高温空気ユニット2bは炉内の排ガスを吸引して蓄熱器6bに吸熱させる作用を行う。
Fig.1 (a) shows the combustion apparatus concerning this invention. The combustion apparatus includes a
図2に火炎形成ユニット1の詳細を示す。火炎形成ユニット1は、1次空気ノズル7と燃料ノズル8とから構成されている。1次空気ノズル7の先端は炉体5内に開口し、後端は閉塞されている。1次空気ノズル7には1次空気配管9が接続され、該1次空気配管9から1次空気が供給される。燃料ノズル8は、1次空気ノズル7内に収容され、先端は1次空気ノズル7の先端近傍に位置し、後端は1次空気ノズル7の閉塞端を貫通して燃料配管10に接続され、ON/OFF切換弁11を介して液体又はガスの燃料が供給される。燃料ノズル8の先端には、ラジアル方向に1次火炎ノズル孔12が形成され、アキシャル方向にメイン火炎ノズル孔13が形成されている。
FIG. 2 shows details of the
燃料ノズル8は、1次火炎ノズル孔12より後方において、環状のスタビライザ14により支持されている。スタビライザ14は多数の貫通孔15を有する円盤で、円盤によるリテンション効果により1次火炎ノズル孔12で形成される火炎を保持する作用を有する。1次火炎ノズル孔12の近傍にスパークプラグ16が設けられている。1次空気ノズル7の後端には、1次空気ノズル7内からスタビライザ14の貫通孔15を通して1次火炎ノズル孔12により形成される1次火炎とメイン火炎ノズル孔13で形成されるメイン火炎及びそれに続くメイン拡散火炎を検出する火炎検出器17と、これらの火炎を目視するためのサイトホール18とが設けられている。1次空気配管9からは、混合用及びパージ用の空気分岐管19が分岐して、開閉弁20を介して燃料配管10に接続されている。
The
次に、以上の構成からなる燃焼装置の動作を説明する。以下の説明では、高温空気供給ユニット2aを空気供給側、高温空気供給ユニット2bを排ガス吸引側とする。
Next, the operation of the combustion apparatus having the above configuration will be described. In the following description, the high temperature air supply unit 2a is the air supply side, and the high temperature
高温空気供給ユニット2aの空気入口4より供給された空気は蓄熱器6aを通過し、ここで蓄熱材と熱交換し高温予熱空気となり、高温空気ノズル孔4aより炉体5内に1000℃雰囲気で40m/s以上、150m/s以下、好ましくは70m/s以上、100m/s以下の高速で吐出される。また、1次空気配管9より供給される1次空気は1次空気ノズル7内を通って燃料ノズル8の先端に向かって流れる。
The air supplied from the air inlet 4 of the high-temperature air supply unit 2a passes through the regenerator 6a, where it exchanges heat with the heat storage material to become high-temperature preheated air, and in the
一方、ON/OFF切換弁11を介して燃料配管10より供給される燃料は、燃料ノズル8内を通って先端の1次火炎ノズル孔12とメイン火炎ノズル孔13より吐出される。メイン火炎ノズル孔13より吐出される燃料は、50℃の雰囲気で40m/s以上、150m/s以下、好ましくは40m/s以上、100m/s以下の高速で吐出される。
On the other hand, the fuel supplied from the
1次火炎ノズル12より吐出される燃料は、1次空気ノズル7を流れる1次空気と混合し、スパークプラグ16によりダイレクト点火されて、1次火炎f1を形成する。1次火炎f1はスタビライザ14により保炎される。
The fuel discharged from the
メイン火炎ノズル孔13より吐出される燃料は、1次空気ノズル7を流れる1次空気と混合し、1次火炎f1からの火移りにより燃焼し、メイン火炎f2を形成する。メイン火炎f2は、1次火炎f1により保炎される。1次火炎ノズル孔12で形成される1次火炎f1とメイン火炎ノズル孔13で形成されるメイン火炎f2は、火炎検出器17により検出され、サイトホール18から目視でも火炎の状態を確認することができる。
The fuel discharged from the main
なお、スパークプラグ16によるダイレクト点火は、ON/OFF切換弁11をONにして燃料配管10より燃料の供給を開始すると同時に行う。換言すれば、ON/OFF切換弁11をONに切り換えるごとに、スパークプラグ16によりダイレクト点火する。このため、パイロットバーナがなくても、安定した着火性を確保できる。また、スパークプラグ16は1次火炎ノズル孔12の近傍にあるので、スパークプラグ16によるスパーク時間は0.5〜5秒の間の短時間に設定することができ、スパークプラグ16の寿命が向上する。
The direct ignition by the
メイン火炎f2は、高温空気ノズル孔4aより吐出される高温空気によって燃焼しメイン拡散火炎f3となる。このメイン拡散火炎f3は、火炎検出器17により直接検出することはできないが、1次火炎f1からメイン拡散火炎f3までは1本の連続した火炎であり、1次火炎f1とメイン火炎f2が消えると、メイン拡散火炎f3も消えるので、結局メイン拡散火炎f3も間接的に検出できることになる。炉体5内の排ガスは、排ガス吸引側の高温空気供給ユニット2bの高温空気ノズル孔4bから吸引され、蓄熱器6bを通過し、ここで蓄熱材と熱交換して蓄熱させ、空気出口4’より排出される。
The main flame f2 is burned by the high-temperature air discharged from the high-temperature air nozzle hole 4a and becomes the main diffusion flame f3. The main diffusion flame f3 cannot be directly detected by the
炉内温度が高温時には、メイン拡散火炎f3により形成される炉内の渦流により排ガスがメイン拡散火炎f3と高温空気ノズル孔4aの近傍の間を循環する所謂自己排ガス循環が行われる。また、メイン火炎f2とメイン拡散火炎f3の2段階燃焼により緩慢燃焼が行われる。さらに、火炎形成ユニット1を分散配置することで、炉内拡散燃焼も可能である。このような燃焼状態により、超低NOx化が可能となる。
When the furnace temperature is high, so-called self-exhaust gas circulation is performed in which the exhaust gas circulates between the main diffusion flame f3 and the vicinity of the high-temperature air nozzle hole 4a by the eddy current in the furnace formed by the main diffusion flame f3. Further, slow combustion is performed by two-stage combustion of the main flame f2 and the main diffusion flame f3. Furthermore, in-furnace diffusion combustion is also possible by disposing the
一方低温時には、空気分岐管19の開閉弁20を開いて燃料に1次空気を予め混合させることにより、COの発生を抑制することができる。
On the other hand, when the temperature is low, generation of CO can be suppressed by opening the on-off
さらに、燃料がガスの場合、燃料配管10のON/OFF切換弁11によるON/OFF制御時のOFF時間が長くなるときは、空気分岐管19の開閉弁20を開いて1次空気を燃料ノズル8に供給して燃料ノズル8内の残留燃料をパージすることで、ON/OFF切換弁11から燃料ノズル8先端までのガス燃料がクラッキング(炭化)するのを防止し、燃料ノズル8の閉塞を回避することができる。
Further, when the fuel is gas, when the OFF time during the ON / OFF control by the ON /
本実施形態の火炎形成ユニット1は、1台当たり、燃料ノズル8が1本、1次空気ノズル7が1本の合計2本であり、バーナ回りの周辺機器や配管が簡素化できる。
The
バーナ回りが簡素化できることにより、スペースに余裕ができ、図1(b)のように、1台の火炎形成ユニット1に高温空気供給ユニット2a,2bを2台設置するセルフリジェネバーナ方式を採用することができ、従来方式のリジェネバーナの10本に比べて、2本まで配管系統を簡素化することができる。
Since the circumference of the burner can be simplified, a space can be provided, and a self-regenerative burner system in which two high-temperature
また、炉内温度による燃料ノズル8の切替も不要となり、制御も合わせて簡素化でき、安価なリジェネバーナを提供できる。
Further, it is not necessary to switch the
なお、前記実施形態では、1つの火炎形成ユニット1に対し1対の高温空気供給ユニット2a、2bを配置する構成(セルフリジェネ)としたが、図3に示すように、1つの火炎形成ユニット1aと1つの高温空気供給ユニット2aの組と、1つの火炎形成ユニット1bと1つの高温空気供給ユニット2bの他の組からなる構成(ツインリジェネ)にすることもできる。
In the above-described embodiment, a pair of high-temperature
1 火炎形成ユニット
2a,2b 高温空気供給ユニット
3 ノズル孔
4 空気入口
4’ 空気出口
4a,4b 高温空気ノズル孔
5 炉体
6a,6b 蓄熱器
7 1次空気ノズル
8 燃料ノズル
9 1次空気配管
10 燃料配管
11 ON/OFF切換弁
12 1次火炎ノズル孔
13 メイン火炎ノズル孔
14 スタビライザ
15 貫通孔
16 スパークプラグ
17 火炎検出器
18 サイトホール
19 空気分岐管
20 開閉弁
DESCRIPTION OF
Claims (9)
内部に蓄熱器を有し、先端に高温空気ノズル孔を有する1対の高温空気供給ユニットとを備え、
前記火炎形成ユニットのノズル孔を前記高温空気供給ユニットの高温空気ノズル孔の近傍の位置に配置したことを特徴とする燃焼装置。 A primary air nozzle having a nozzle hole at the tip and a fuel nozzle accommodated in the primary air nozzle, and a primary flame nozzle hole provided in the radial direction at the tip of the fuel nozzle and a main provided in the axial direction. A primary flame formed by the primary flame nozzle hole at the rear end of the fuel nozzle, and a main flame having a flame nozzle hole, a spark plug in the vicinity of the primary flame nozzle hole of the fuel nozzle A flame forming unit having a flame detector for detecting a main flame formed by a nozzle hole and a main diffusion flame following the main flame;
A pair of hot air supply units having a heat accumulator inside and a hot air nozzle hole at the tip;
The combustion apparatus characterized in that the nozzle hole of the flame forming unit is arranged at a position near the hot air nozzle hole of the hot air supply unit.
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