JP3807697B2

JP3807697B2 - 交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステム

Info

Publication number: JP3807697B2
Application number: JP27625397A
Authority: JP
Inventors: 清文栗太
Original assignee: 日本ファーネス工業株式会社
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2017-10-08
Also published as: JPH11108316A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エアスロート内に内装した蓄熱体を介して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内から排ガスを排気する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関する。更に詳述すると、本発明は、エアスロートの噴出孔が蓄熱体の近くでかつラジアントチューブの内周面に内接あるいは近接するように偏在して設けられた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関する。
【０００２】
【従来の技術】
先に、本件出願人は、高温の燃焼用空気をラジアントチューブ内の狭い空間にラジアントチューブの中心より外れた位置から高速で噴射して発熱領域が広域化して均質な燃焼を実現する交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムを開発した。こ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は、図２及び図３に示すように、ラジアントチューブ１０４の両端に設置されたバーナ１０５，１０５の各エアスロート１０１内に蓄熱体１０３をそれぞれ設置し、それよりも僅かにラジアントチューブ１０４寄りの位置にノズル支持体１０６を設けてエアスロート１０１内とラジアントチューブ１０４内とを区画し、偏在する噴出孔１０２からのみ排ガスの排気と燃焼用空気の供給とを行うようにしている。尚、図中の符合１０７はパイロットバーナ兼用燃料ノズル、１０８は各バーナ１０５，１０５のエアスロート１０１，１０１を選択的に給気系と排気系とに連結する四方弁である。
【０００３】
ここで、噴出孔１０２から噴射される燃焼用空気は、噴出孔１０２の開口面積がエアスロート１０１のそれに比べて絞られておりかつ蓄熱体１０３による高温予熱で膨張していることから、相当な高速となる。しかも、噴出孔１０２はラジアントチューブ１０４に対して偏在している。したがって、燃焼用空気はラジアントチューブ１０４内を管壁に沿って流れる偏流となりその反対側の領域に強力な排ガス再循環を起こしこれを巻き込みながら燃料ノズル１０７から噴射された燃料と低酸素濃度下に徐々に接触して発熱反応領域が広域化した均質な燃焼を起こし、温度ピークのない平坦な温度分布の火炎を形成するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のラジアントチューブバーナシステムでは、高流速でガスを流す必要がなくできるだけ圧力損失を低く抑えたい排気側においても同形状・構造のバーナを通して高流速で排気せざるを得ないので、圧力損失が大きくなりチューブ内圧力が高まるという問題を有している。ラジアントチューブ内では供給される空気量よりも排ガス量の方が燃焼により増加するため、排気の際の圧力損失を低減しなければチューブ内圧力を低減することはできない。
【０００５】
また、エアスロート１０１に比べて噴出孔１０２の開口面積が狭くかつ偏在しているため、蓄熱体１０３とノズル支持体１０６との間のエアスロート１０１の空間Ｓを充分に大きくとらないと、偏流の影響を大きく受けてしまう問題を有している。即ち、バーナが燃焼を停止して排気側となった場合、ラジアントチューブ１０４内の排ガスは、エアスロート１０１内の偏寄った位置に配置された噴出孔１０２から増速されて流入し、偏流の影響をなくし切れないうちに、換言すれば排ガスの流れがあまり広がらないうちに大部分が蓄熱体１０３の一部の領域を通過することになる。このため、蓄熱体１０３の排熱回収に利用できる部分が限られてしまい、蓄熱体１０３のコンパク化を妨げることとなる。そこで、蓄熱体１０３とノズル支持体１０６との間のエアスロート１０１の空間Ｓを小さくしてバーナのコンパクト化を図ることが難しいものであった。
【０００６】
本発明は、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排気側の圧力損失を低減することを第１の目的とし、かつ蓄熱体の利用率、特に排気時の有効利用率を上げて蓄熱体およびバーナのコンパクト化を可能とすることを第２の目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明は、蓄熱体をエアスロートに内装し該蓄熱体を介して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内から排ガスを排気するバーナをラジアントチューブの両端に備えて交互に燃焼させるラジアントチューブバーナシステムにおいて、エアスロートとラジアントチューブ内とを区画すると共にラジアントチューブ側に臨む面を球面としエアスロート側に臨む面をラジアントチューブの内周面に対し直交する平面とした半球形状の噴出孔形成手段を備え、かつ該噴出孔形成手段にはラジアントチューブ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を設けると共にラジアントチューブの内周面との間に全周に亘って僅かな隙間を開けて配置するようにしている。
【０００８】
したがって、燃焼停止側のバーナにおいては、噴出孔形成手段の周縁付近は、ラジアントチューブ内からエアスロート側へ流入しようとする排ガスの流れに沿った滑らかな球面でラジアントチューブの内周面との間で楔状の導入部を形成し、その部分からの排ガスのエアスロートへの流入を促すことから、噴出孔からだけでなく噴出孔形成手段の全周縁の隙間部分からも排ガスの一部がエアスロート内へ流入し圧力損失を空気噴出時よりも大きく低減させる。ここで、蓄熱体と噴出孔形成手段との間のエアスロートの空間が充分に大きく取られていないとしても、噴出孔及び噴出孔形成手段の全周の隙間から流入する排ガスは膨張しながら蓄熱体のほぼ全面に広がり蓄熱体の全域を通過することとなる。
【０００９】
また、燃焼側のバーナにおいては、噴出孔形成手段の周縁付近は、ラジアントチューブの内周面に対して直交する壁面として燃焼用空気の流れに対向するので、あたかもエッジ形状が堰として機能し、蓄熱体を通過した燃焼用空気の大部分が噴出孔からラジアントチューブ内へ噴射される。噴出孔はラジアントチューブの中心から外れた位置に偏在しかつエアスロートの通路面積に比べて絞られているので、燃焼用空気がラジアントチューブの管壁に沿って高速で噴射される。そして、その流れはラジアントチューブの全横断面に分布せずに偏在したものとなる。このため、燃焼用空気が噴射された部分の反対側では負圧が生じて強力な排ガス再循環が起こると同時に、この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。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
図１に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の一実施形態をバーナ部分だけを拡大して示す。こ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構成は、基本的には図３に示すものと同様であるため、特に図示していないが、ラジアントチューブとこのラジアントチューブの両端部に配置される一対のバーナ及びこれら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する燃焼用空気供給系と燃料供給系並びに排気系から構成されている。
【００１２】
ラジアントチューブの両端は、通常、炉壁を貫通して炉外に配置され、そこに同じ構造の一対のバーナがそれぞれ据え付けられる。各バーナは、蓄熱体４をエアスロート２に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５と、蓄熱体２と、保炎板を兼ねた噴出孔形成手段６などを有している。なお、噴出孔形成手段６はバッフルとして機能し、安定火炎を形成する。
【００１３】
ラジアントチューブ１の端部には、噴出孔形成手段６と燃料ノズル５とが挿入されてラジアントチューブ内の燃焼空間８と区画されたエアスロート２が形成されている。即ち、ラジアントチューブ１の端部では、噴出孔形成手段６によってエアスロート２とラジアントチューブ内・燃焼空間８とが実質的に区画形成されている。また、エアスロート２には、噴出孔形成手段６と蓄熱体４との間に空間Ｓが形成されるような位置関係で蓄熱体４が内装されている。また、エアスロート２の中央には燃料ノズル５が蓄熱体４および噴出孔形成手段６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６の中央の貫通孔内に配置されている。
【００１４】
噴出孔形成手段６は、ラジアントチューブ１の内側・燃焼空間８に臨む面７を球面としエアスロート２側に臨む面９をラジアントチューブ１の内周面１ａに対し直交する平面とした半球形状を成す。この噴出孔形成手段６にはラジアントチューブ１の内周面１ａに内接あるいは近接するように偏在する噴出孔３を設けると共にラジアントチューブ１の内周面１ａとの間に隙間１０を開けて配置されている。例えば、本実施形態では、燃料ノズル５を包囲して蓄熱体４およびエアスロート２を貫通する管１１の先端に噴出孔形成手段６を取り付けて、噴出孔形成手段６をチューブ中心に配置してラジアントチューブ１の内周面１ａとの間に一定の隙間１０を開けるように支持している。管１１と噴出孔形成手段６とは、例えば管１１側に取付用フランジ１１ａを設け、このフランジ１１ａを利用した固定と、管１１の先端の貫通孔１２への圧入あるいは挿入とによって固定されている。また、噴出孔３は、ラジアントチューブ１の内周面１ａに内接あるいは近接するように偏在させて設けられ、ラジアントチューブ１内に偏った高速の空気の流れを形成するように設けられている。噴出孔３は、本実施形態の場合、噴出孔形成手段６の周縁の一部を例えば半月状に切り欠いて形成されている。尚、この噴出孔形成手段６は耐熱性に優れる材質であることが好ましく、例えば特に限定されるものではないがセラミックや耐熱鋼等で形成されている。
【００１５】
エアスロート２は、図示しない四方弁を通じて燃焼用空気供給系及び排気系に接続されている。四方弁は当該バーナの切換に連動して切り換わり、燃焼用空気供給系と排気系とを択一的にエアスロート２に接続する。即ち、エアスロート２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内から排ガスを排気する。
【００１６】
蓄熱体４は、交互に通過する排ガスと燃焼用空気との直接熱交換を媒介し、排ガス温度に近い高温に予熱された燃焼用空気を得る。蓄熱体４としては、例えば流路断面積が一定で且つ直線的に流路が貫通しているハニカム形状のセラミックスを使用する。このセラミックスとしては、コージライトやムライト等の使用が好ましい。このハニカム形状のセラミックスは、熱容量が大きく耐久性が高い割に比較的圧力損失が低い。しかも、排気と給気とが交互に淀みなく行われる。このため、燃焼排ガス中のダスト等は、蓄熱体４のハニカム形状の流路内に付着し難く、また付着したとしても逆洗されるため汚れることがない。さらに、燃焼排ガスから熱を回収する際に燃焼排ガスが酸露点温度以下に低下してもセラミックスの表面に燃焼排ガス中の硫黄分やその化学変化物質が捕捉されて下流の排気系のダクト等を低温腐食させることがない。
【００１７】
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。
【００１８】
いま、燃焼バーナの切り換えによって、燃焼中のバーナが排気側になると、ラジアントチューブの燃焼空間８内の排ガスがエアスロート２側へ流入する。このとき、噴出孔形成手段６の周縁付近は、ラジアントチューブ１内からエアスロート２側へ流入しようとする排ガスの流れに沿った滑らかな球面７でラジアントチューブ１の内周面１ａとの間で楔状の導入部を形成し、その部分からの排ガスのエアスロートへの流入を促すことから、噴出孔３からだけでなく噴出孔形成手段６の全周縁の隙間１０部分からも排ガスの一部がエアスロート２内へ流入する。そして、蓄熱体４と噴出孔形成手段６との間のエアスロート２の空間Ｓが充分に大きく取られていないとしても、噴出孔３及び噴出孔形成手段６の全周の隙間１０から流入する排ガスはエアスロート２内で膨張しながら蓄熱体４のほぼ全面に広がり蓄熱体４の全域を通過することとなる。このため、蓄熱体４の全体を有効に利用して熱交換を行うことができると共に圧力損失を空気噴出時よりも大きく低減させ得る。
【００１９】
この状態で所定時間が経過すると、再び四方弁および燃料切替弁の切換により燃焼バーナが切り替えられ、今まで排ガスが抜き取られていた方のバーナが燃焼を再開する。このとき、燃焼用空気供給系から供給される燃焼用空気は蓄熱体４をその全域で通過する間に高温（排ガスの温度に近い温度）に予熱された後、噴出孔形成手段６の噴出孔３からラジアントチューブの燃焼空間８へ偏った位置から高速で噴出される。このとき、噴出孔形成手段６の周縁付近は、ラジアントチューブ１の内周面１ａに対して直交する壁面９として燃焼用空気の流れに対向するので、あたかもエッジ形状が堰として機能して隙間１０部分からの漏れを少なくし、蓄熱体４を通過した燃焼用空気の大部分が噴出孔３からラジアントチューブ１内へ噴射される。しかも、噴出孔３はラジアントチューブ１の中心から外れた位置に偏在しかつエアスロート２の通路面積に比べて絞られているので、燃焼用空気がラジアントチューブ１の管壁に沿って高速で噴射される。そして、その流れはラジアントチューブの全横断面に分布せずに偏在したものとなる。このため、燃焼用空気が噴射された部分の反対側では負圧が生じて強力な排ガス再循環が起こると同時に、この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。即ち、高温例えば約８００℃以上に予熱された燃焼用空気は、常温時に比べて体積が膨張しているため、常温の燃料に比べてかなりの高速度で噴出される。例えば、２０〜３０ｍ／ｓの流速で噴出される燃料に比べて高温予熱空気は１００ｍ／ｓ以上の極めて速い流速で噴出される。このため、燃料はチューブ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。また、噴出孔３付近にまでラジアントチューブ１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、発熱領域が広域化した均質な燃焼を行い長炎を形成する。
【００２０】
つまり、当該バーナが排気側となった場合には、噴出孔形成手段６の噴出孔３と全周縁の隙間１０とからラジアントチューブ１内の排ガスがエアスロート２側へ流入して蓄熱体４に導入されるので、排気のための通路面積を広く確保でき、燃焼排ガスの流れを円滑にすると共に圧力損失を低減できる。また、当該バーナが燃焼側になった場合には、蓄熱体４を通過して高温になった燃焼用空気が主に噴出孔３からラジアントチューブ内・燃焼空間８へ偏って高速で噴出するので、チューブ内排ガスを強力に巻き込む排ガス再循環を起こして発熱領域が広域化した均質な燃焼を実現する。
【００２１】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態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、本実施形態では噴出孔形成手段６は全体が半球状に形成されているが、周縁付近のみが球面と直交平面から成りそれ以外の部分は任意の形状に形成されることもある。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明を適用した交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステムでは、蓄熱体を内装するエアスロートとラジアントチューブ内とを区画する噴出孔形成手段を、ラジアントチューブ側に臨む面を球面とすると共にエアスロート側に臨む面をラジアントチューブの内周面に対し直交する平面とした半球形状とし、かつラジアントチューブ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を設けると共にラジアントチューブの内周面との間に隙間を開けて配置ようにしているので、バーナ燃焼時には主に噴出孔を通じて燃焼用空気を噴射させるが、燃焼停止時には噴射孔のみならず噴出孔形成手段の周縁のラジアントチューブとの間の隙間からも排ガスがエアスロート内へ流入してから排出される。
【００２３】
このため、バーナ燃焼時には燃焼用空気を高速でかつ偏らせてラジアントチューブ内へ噴射可能にする一方、燃焼停止時には噴出孔のみならず噴出孔形成手段の周縁のラジアントチューブとの間の隙間からも排ガスを流入させて圧力損失を減少させることができる。また、蓄熱体と噴射孔形成手段との間のエアスロートの空間が充分に大きく取られていないとしても、噴出孔を含む噴出孔形成手段の全周縁からエアスロート内へ排ガスが導入されて蓄熱体の広い範囲を通過させて排気されるため、蓄熱体の有効利用を可能になる。このため、蓄熱体のコンパクト化を図ることができ、バーナの小型化を可能にする。また、排気時の圧力損失も低減できるので、チューブ内圧力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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の実施形態の一例を要部のみを拡大して示す図で、（Ａ）は軸断面図、（Ｂ）は（Ａ）のI−I線断面図である。
【図２】従来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の断面図で、要部のみを拡大して示す。
【図３】従来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の全体を示す原理図である。
【符号の説明】
１ラジアントチューブ
２エアスロート
３噴出孔
４蓄熱体
５燃料ノズル
６噴出孔形成手段
７ラジアントチューブ側に臨む面（球面）
８燃焼空間（ラジアントチューブ内）
９エアスロート側に臨む面（平面）
１０噴出孔形成手段の周縁とラジアントチューブの内周面との間の隙間

Claims

蓄熱体をエアスロートに内装し該蓄熱体を介して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内から排ガスを排気するバーナを前記ラジアントチューブの両端に備えて交互に燃焼させるラジアントチューブバーナシステムにおいて、前記エアスロートと前記ラジアントチューブ内とを区画すると共に前記ラジアントチューブ側に臨む面を球面とし前記エアスロート側に臨む面を前記ラジアントチューブの内周面に対し直交する平面とした半球形状の噴出孔形成手段を備え、かつ該噴出孔形成手段には前記ラジアントチューブ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を設けると共に前記ラジアントチューブの内周面との間に全周に亘って僅かな隙間を開けて配置されたことを特徴とする交互燃焼式蓄熱型ラジアントチューブバーナシステム。