JP4009989B2 - 狭ピッチ蓄熱式バーナ群を備えた加熱炉の操炉方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、狭ピッチで配列された蓄熱式バーナ群を備えた加熱炉の操炉方法に係り、特に千鳥対向する火炎が炉の中央部で干渉して炉中央部の温度が高くなる中高温度分布の発生を抑制できる狭ピッチ蓄熱式バーナ群を備えた加熱炉の操炉方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属片などの被加熱物を加熱する方法として、省エネルギ性に優れた蓄熱式交番燃焼バーナシステムが採用されるようになってきた。蓄熱式交番燃焼バーナシステムは、一対のバーナを交互に燃焼させてその燃焼排ガスの熱を非燃焼バーナを通して高温のまま蓄熱体で回収し、燃焼用空気の予熱源に使用するので、従来の加熱バーナシステムに比べて熱効率が非常に高くなる。
【０００３】
図４はこのような蓄熱式交番燃焼バーナシステムを示す構成図で、加熱炉Ｘには、少なくも一対の燃焼バーナ１１１，１１２が炉幅方向で対向して設置されている。各燃焼バーナ１１１，１１２には、それぞれ燃料遮断弁１，１１、排ガス遮断弁２，２２、空気遮断弁３，３３、蓄熱体４，４４が備えられている。また、燃焼用空気の配管系、排ガスの配管系、及び燃料の配管系には、それぞれ流量調節弁５，６，７が設けられている。
【０００４】
このようなものにおいて、一方の燃焼バーナ１１１が燃焼状態にあるときには、燃料遮断弁１が開、排ガス遮断弁２が閉、空気遮断弁３が開であり、燃焼用空気が、高温に耐えるセラミック製の蓄熱体４を経て予熱され、炉内に供給されて燃料と混合し燃焼する。発生した排ガスの大部分は、蓄熱状態にある他方の非燃焼バーナ１１２に吸引され、その排ガスの熱を非燃焼バーナ１１２を通して高温のまま蓄熱体４４で回収され、系外に排気される。
【０００５】
従来の蓄熱式交番燃焼バーナシステムを備えた加熱炉、例えば複数のゾーンを有する連続式加熱炉では、通常、各ゾーン内に、それぞれ複数の蓄熱式バーナが炉長方向に配置されており、これらの蓄熱式バーナ群は、加熱炉の左右炉壁上に互いに対向させて設置されている。そして各蓄熱式バーナ個々に、ある時間には炉内ガスを吸引してその顕熱を蓄熱体に蓄え（蓄熱状態）、別の時間には蓄えた顕熱を燃焼用空気に与えて高温の予熱空気を得て燃焼する（燃焼状態）いわゆる蓄熱燃焼を繰り返す。このため、高温の燃焼排ガスの顕熱を効率よく回収して高温の予熱空気を得ることができる。したがって、加熱炉に用いると大きな省エネルギ効果が得られるため、近年、急速に適用拡大が進んでいる。
【０００６】
一方、蓄熱式バーナでは、既述したように高温の予熱空気を得て燃焼するため、ＮＯｘ発生量が増加する問題があり、高温空気燃焼と呼ばれる火炎容積が大きくなる燃焼法が採用される。そのため、蓄熱式交番燃焼バーナシステムを備えた加熱炉では、互いに対向燃焼しないように切り換え燃焼制御されるのが一般的である。具体的には、例えば図５に示すように対向する左右炉壁にそれぞれ設置された蓄熱式バーナ群を千鳥燃焼させる操炉方法がとられる。すなわち、ある時間にはバーナ１１２，１２１，１３２，１４１が燃焼し、バーナ１１１，１２２，１３１，１４２が蓄熱する（図５中の状態（Ａ））。一定時間経過後、今度はバーナ１１２，１２１，１３２，１４１が蓄熱し、バーナ１１１，１２２，１３１，１４２が燃焼する（図５中の状態（Ｂ））。これを繰り返して蓄熱燃焼が実現される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、既設の加熱炉を部分改造（例えば連続式加熱炉の特定ゾーンの改造など）して蓄熱式バーナを設置するときには、既設設備の配置制約で炉長方向隣り合うバーナの間の距離（これを以後バーナピッチという）を狭くせざるを得ない場合がある。その場合、図５のように千鳥燃焼するバーナの火炎が炉の中央部で干渉する。そして、炉幅方向温度分布は、炉幅方向中央部の温度が高くなる、所謂、中高温度分布となる。新規に設備を構築する場合には、バーナピッチを適切な距離以上とれるように設計することで、千鳥燃焼するバーナの火炎の干渉の発生を防止でき、炉幅方向温度分布を平坦化できる。
【０００８】
すなわち、既設の加熱炉を部分改造によってバーナピッチを狭くせざるを得ない場合、バーナピッチを適切な距離以上とれるものと同じ燃料流量とすると、このときの炉幅方向平均温度より、炉幅方向中央部の温度が高くなり、左右炉壁側の温度が低くなる。このため、被加熱物の加熱不足が生じる。
【０００９】
この左右炉壁側の温度低下の問題は、バーナピッチを適切な距離以上とれるものよりも燃料流量を増量することで解決し得るが、この場合にはエネルギの浪費が多くなるだけでなく、炉幅方向中央部の温度が高くなり過ぎて、過度の加熱による被加熱物の品質の悪化が避けられないという新たな問題が発生する。
【００１０】
なお、狭ピッチによる火炎の干渉の問題は、ゾーン内の同一炉壁上の全ての蓄熱式バーナを１つのグループとして、左右で切り替える操炉方法を採用すれば、完全に解消することができる。しかし、この場合には、多数の蓄熱式バーナを同時に切り替える必要が生じ、給気・排気配管の切替時における流量変動が大きくなり、流量制御弁の制御範囲を逸脱し、適切な流量制御（燃焼制御）が不可能になる。
【００１１】
本発明の技術的課題は、バーナピッチが小さい場合でも中高温度分布の発生を抑制できて、炉幅方向温度分布を平坦化できるようにすることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の狭ピッチ蓄熱式バーナ群を備えた加熱炉の操炉方法は、炉幅方向で対向する一対のバーナを交互に燃焼させてその燃焼排ガスの熱を非燃焼バーナを通して高温のまま蓄熱体で回収し燃焼用空気の予熱源に使用する蓄熱式交番燃焼バーナシステムを、あるゾーン内で少なくとも４組以上、炉長方向に配置するとともに、前記ゾーン内の炉長方向で隣り合う各バーナ組相互の炉長方向ピッチＰを、炉幅ＷＦに対し、Ｐ＜0.18＊ＷＦとなるように設定してなる加熱炉の操炉にあたり、前記ゾーン内の各バーナを、同一炉壁上で隣り合うバーナの少なくとも２台以上を一組とする複数のバーナ群に分け、同一のバーナ群内ではすべてのバーナを同時に燃焼あるいは蓄熱させるものとし、かつこれらバーナ群の燃焼にあたっては、対向する一方のバーナ群が燃焼状態にあるときには、これらと対向する他方のバーナ群が蓄熱状態となるように、しかも前記一方のバーナ群と炉長方向に隣り合うバーナ群が蓄熱状態となり、前記他方のバーナ群と炉長方向に隣り合うバーナ群が燃焼状態となるように、各バーナ群を交互に燃焼あるいは蓄熱させることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る狭ピッチ蓄熱式バーナ群を備えた加熱炉の操炉方法について図１乃至図３に基づき説明する。図１は本実施形態に係る加熱炉の操炉方法を示す説明図、図２はその操炉方法による炉幅方向温度分布を従来例と比較して示すグラフであり、縦軸にガス温度（℃）を、横軸に炉幅方向距離（ｍ）をとったものである。図３は蓄熱式バーナにより形成される火炎の様子を模式的に示す図である。なお、各図中、従来例に相当する部分には同一符号を付してある。
【００１５】
蓄熱式バーナにより形成される火炎（図３）は、本発明者らの観察によれば、ほぼ２０°の広がり角度を持って拡散燃焼する。従って、千鳥対向するバーナの火炎が、炉幅中央で干渉しない条件は、炉幅をＷＦ（単位：ｍ）、バーナピッチをＰ（単位：ｍ）としたとき、
Ｐ＞２＊ｔａｎ（１０°）＊（ＷＦ／２）‥‥‥‥‥‥（１）
であり、ｔａｎ（１０°）≒０．１７６であるから、（１）式は次のように書きかえられる。
Ｐ＞０．１８＊ＷＦ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（２）
【００１６】
すなわち、バーナピッチＰを（２）式を満足できるように設定できれば、千鳥燃焼するバーナ火炎の干渉を防止できる。しかし、現実の加熱炉の設計においては、（２）式を満足できない場合が生じる。例えば加熱炉を部分改造して図１のようにゾーン内で４組の蓄熱式バーナ１１１，１１２，１２１，１２２，１３１，１３２，１４１，１４２を炉長方向に設置する場合など、既設設備の配置制約でバーナピッチを狭くせざるを得ない場合がある。そのような場合、改造する部位（ゾーン）に設置する各蓄熱式バーナのバーナピッチＰを、炉幅ＷＦに対し、Ｐ＜0.18＊ＷＦとなるように設定する。
【００１７】
そして、このような狭ピッチ蓄熱式バーナ群を備えた加熱炉の操炉にあたっては、図１のようにゾーン内の左側炉壁上のバーナ１１１，１２１をグループＡ１、バーナ１３１，１４１をグループＡ２とし、右側炉壁上のバーナ１１２，１２２をグループＢ１、バーナ１３２，１４２をグループＢ２とし、グループ単位で燃焼制御する。すなわち、図１において、ある時間にはグループＡ１，Ｂ２が燃焼し、グループＡ２，Ｂ１が蓄熱する（図１中の状態（Ａ））。一定時間経過後、今度はグループＡ１，Ｂ２が蓄熱し、グループＡ２，Ｂ１が燃焼する（図１中の状態（Ｂ））。これを繰り返して蓄熱燃焼が実現される。これにより、炉幅中央部での火炎干渉個所を減らし、炉幅方向中高の温度分布発生を軽減することができる。
【００１８】
炉幅１０ｍの加熱炉で、本発明の操炉方法によりグループ燃焼させた場合の炉幅方向ガス温度分布と、従来の操炉方法により千鳥燃焼させた場合の炉幅方向ガス温度分布とを図２に比較して示す。図２において、四角（□）でプロットして示す線は、バーナピッチを１．４ｍとして本発明の操炉方法（図１）によりグループ燃焼させた場合の炉幅方向ガス温度分布を、三角（△）でプロットして示す線は、本発明と同じ燃料流量でバーナピッチを１．４ｍとして千鳥燃焼（図５）させた場合の炉幅方向ガス温度分布を、黒丸（●）でプロットして示す線は、燃料流量を前記２例（□と△の線）のものよりも増量し、左右炉壁側の温度が本発明のもの（□の線）と同じ温度となるようにして、バーナピッチを１．４ｍとして千鳥燃焼（図５）させた場合の炉幅方向ガス温度分布を、白丸（○）でプロットして示す線は、単位炉長当たりの燃料流量を本発明のもの（□の線）と同じくし、バーナピッチを１．８ｍとして千鳥燃焼（図５）させた場合の炉幅方向ガス温度分布を、それぞれ示す。
【００１９】
図２から明らかなように、本発明の操炉方法によれば（□の線）、バーナピッチが１．４ｍと狭ピッチであるにもかかわらず炉幅方向中央部での中高温度は２０℃に軽減されており、被加熱物をほぼ均一に加熱することができる。
【００２０】
△の線の例では、炉幅方向中央部での温度がその炉幅方向平均温度より６０℃高く、左右炉壁側の温度がその炉幅方向平均温度より低くなり、被加熱物の加熱不足が生じる。なお、この例における炉幅方向平均温度は、本発明の操炉方法のもの（□の線の例）とほぼ同じであった。
【００２１】
●の線の例では、エネルギの浪費が多くなるだけでなく、炉幅方向中央部の温度が本発明の操炉方法による炉幅方向平均温度より８０℃高く、過度の加熱による被加熱物の品質の悪化が避けられない。
【００２２】
○の線の例では、バーナピッチが１．８ｍと適切な距離以上に設定されているため、炉幅方向にほぼ平坦な温度分布が形成され、本発明の操炉方法によるものと遜色がなかった。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、炉幅方向で対向する一対のバーナを交互に燃焼させてその燃焼排ガスの熱を非燃焼バーナを通して高温のまま蓄熱体で回収し燃焼用空気の予熱源に使用する蓄熱式交番燃焼バーナシステムを、あるゾーン内で少なくとも４組以上、炉長方向に配置するとともに、前記ゾーン内の炉長方向で隣り合う各バーナ組相互の炉長方向ピッチＰを、炉幅ＷＦに対し、Ｐ＜0.18＊ＷＦとなるように設定してなる加熱炉の操炉にあたり、前記ゾーン内の各バーナを、同一炉壁上で隣り合うバーナの少なくとも２台以上を一組とする複数のバーナ群に分け、同一のバーナ群内ではすべてのバーナを同時に燃焼あるいは蓄熱させるものとし、かつこれらバーナ群の燃焼にあたっては、対向する一方のバーナ群が燃焼状態にあるときには、これらと対向する他方のバーナ群が蓄熱状態となるように、しかも前記一方のバーナ群と炉長方向に隣り合うバーナ群が蓄熱状態となり、前記他方のバーナ群と炉長方向に隣り合うバーナ群が燃焼状態となるように、各バーナ群を交互に燃焼あるいは蓄熱させるようにしたので、バーナピッチが狭ピッチであるにもかかわらず、炉幅中央部での火炎干渉個所を減らすことができて、従来のような炉幅方向の大きな温度分布の発生がなくなり、炉幅方向の温度分布が平坦となった。その結果、被加熱物をほぼ均一に加熱することが可能となり、被加熱物を過度に加熱することによる加熱エネルギの浪費を防止できて、被加熱物の品質のばらつきをなくすることが可能となった。また、ゾーン内の同一炉壁上の全ての蓄熱式バーナを１つのグループとして、左右で切り替える操炉方法におけるような給気・排気配管の切替時の大きな流量変動がおこらず、適切な流量制御（燃焼制御）が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の狭ピッチ蓄熱式バーナ群を備えた加熱炉の操炉方法の説明図である。
【図２】本発明の操炉方法による炉幅方向温度分布を従来例と比較して示すグラフである。
【図３】蓄熱式バーナにより形成される火炎の模式図である。
【図４】蓄熱式交番燃焼バーナシステムの構成図である。
【図５】従来の操炉方法の説明図である。
【符号の説明】
ＷＦ 炉幅
Ｐ バーナピッチ
Ｘ 加熱炉（ゾーン）
１１１〜１４２ 蓄熱式バーナ
４，４４ 蓄熱体
Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２ グループ（バーナ群）

Claims (1)

1. 炉幅方向で対向する一対のバーナを交互に燃焼させてその燃焼排ガスの熱を非燃焼バーナを通して高温のまま蓄熱体で回収し燃焼用空気の予熱源に使用する蓄熱式交番燃焼バーナシステムを、あるゾーン内で少なくとも４組以上、炉長方向に配置するとともに、前記ゾーン内の炉長方向で隣り合う各バーナ組相互の炉長方向ピッチＰを、炉幅ＷＦに対し、Ｐ＜0.18＊ＷＦとなるように設定してなる加熱炉の操炉にあたり、
   前記ゾーン内の各バーナを、同一炉壁上で隣り合うバーナの少なくとも２台以上を一組とする複数のバーナ群に分け、同一のバーナ群内ではすべてのバーナを同時に燃焼あるいは蓄熱させるものとし、かつこれらバーナ群の燃焼にあたっては、対向する一方のバーナ群が燃焼状態にあるときには、これらと対向する他方のバーナ群が蓄熱状態となるように、しかも前記一方のバーナ群と炉長方向に隣り合うバーナ群が蓄熱状態となり、前記他方のバーナ群と炉長方向に隣り合うバーナ群が燃焼状態となるように、各バーナ群を交互に燃焼あるいは蓄熱させることを特徴とする狭ピッチ蓄熱式バーナ群を備えた加熱炉の操炉方法。

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