JP5073347B2 - 蓄熱式バーナを備えた加熱炉の操炉方法 - Google Patents

Description

本発明は、蓄熱式バーナを備えた加熱炉の操炉方法に関し、特に炉を停止し再び操業を開始する場合の昇温立ち上げ時にバーナタイルおよび蓄熱体に発生する熱衝撃や過大な熱応力を防止し、バーナタイルおよび蓄熱体の寿命延長が図れる蓄熱式バーナを備えた加熱炉の操炉方法に関する。

近年、鋼片、鋼材等の金属材料を加熱する加熱炉として、蓄熱式バーナを備えた加熱炉が広く用いられている。
図１は、蓄熱式バーナを備えた加熱炉の全体構成を示す模式図であり、加熱炉内に装入された金属材料（被加熱材）は、炉内に設置された搬送ローラやウォーキンギビーム等の搬送装置（図示しない）によってパスラインに沿って連続的に移動するとともに、この間に左右の炉側壁に互いに対向させて配設された蓄熱式バーナによって所定温度まで加熱されていく。

加熱炉内は、図１に示すように金属材料の進行方向に複数のゾーンに分割するのが一般的であり、各ゾーンにおいて互いに対向する位置に配設されて１対をなす蓄熱式バーナを交互に燃焼させて操業する。具体的には、図２に示すように、１対をなす蓄熱式バーナの一方のバーナに燃料と燃焼用空気を供給して燃焼させ、当該一方のバーナが燃焼している間は、他方のバーナは燃焼させず、当該片方のバーナは炉内から燃焼した排ガスを吸引する。このとき吸引された排ガスは蓄熱体を通って排出されるが、当該蓄熱体にはセラミックスや耐火煉瓦等からなる蓄熱材が充填されているので、高温の排ガスが通過することによって蓄熱体に顕熱が蓄積され、当該蓄積された顕熱は燃焼が切り替わったときの他方のバーナの燃焼用空気の予熱に利用される。

すなわち、蓄熱式バーナは、炉内に燃焼用空気を供給又は炉内から排ガスを吸引する給排気経路に蓄熱体を配置したバーナであり、交互に燃焼と吸引を繰り返し、燃焼ガスの保有熱を吸気側のバーナの蓄熱体によって回収し、燃焼側のバーナでは燃焼用空気を蓄熱体に通して予熱することにより高い熱効率を達成できるようにしたバーナである。このため、このような高い熱効率を達成する蓄熱式バーナを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、近年においては加熱炉への適用が増大している。

しかしながら、高い熱効率ないし大きな省エネルギ効果を発揮し得るのは、全対の蓄熱式バーナが最大ＰＢ率で交互に燃焼と吸引を繰り返す所謂蓄熱交番燃焼（リジェネ燃焼）をしている通常操業時のときであって、加熱炉の新設や補修、および定期的な設備点検等の理由によって加熱炉の操業を停止して、再び操業を開始する場合の炉の立ち上げ時には状況が異なってくる。

加熱炉を停止して再び操業を開始する場合の炉の立ち上げ時には炉内温度が低く、蓄熱体には顕熱が蓄積されていないため、たとえ炉の立ち上げ時から蓄熱交番燃焼を実施したとしても、蓄熱体に吸収される排ガスの保有熱が小さく、蓄熱体に回収される顕熱は通常操業時よりも減少するため、炉内温度の昇温速度は遅く、高い熱効率を達成する蓄熱式バーナ本来の性能を発揮することができない。また、蓄熱体は排ガスの顕熱を充分に吸収するように設計されていることから、蓄熱体を通って排出される排ガスの温度が排ガス中に含まれる水分の露点以下となり、結露する可能性が極めて高くなる。当該結露が発生すると、炉内に燃焼用空気を供給又は炉内から排ガスを吸引する給排気経路それ自体や、当該経路に設置された各種弁が酸化され、当該酸化が進行すると蓄熱式バーナの正常な燃焼運転が困難となり、ひいては蓄熱式バーナの破壊にまで至る。

このため、従来一般においては、加熱炉を停止して再び操業を開始する場合の炉の立ち上げ時には、前記した一対の蓄熱式バーナが交互に燃焼と吸引を繰り返す蓄熱交番燃焼を行って昇温するのではなく、一対のバーナの各々を同時に燃焼させる所謂連続燃焼方式で昇温を行い、排ガスの結露が生じない所定の炉温に達した以降になってはじめて蓄熱交番燃焼方式により昇温を行うことによって結露の発生を防止していた（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このような炉の立ち上げ時の初期段階においては連続燃焼方式で昇温を行い、途中で蓄熱交番燃焼方式による昇温に切り替える操炉方法においては新たな問題が発生した。前記したように蓄熱式バーナは交互に燃焼と吸引を繰り返し、燃焼ガスの保有熱を吸気側のバーナの蓄熱体によって回収し、燃焼側のバーナで燃焼用空気を蓄熱体に通して予熱することにより高い熱効率を達成できるようにしたバーナであるところ、前記操炉方法において蓄熱交番燃焼方式による昇温に切り替えるまでは、いずれのバーナも燃焼するのみで排ガスの吸引を行っていないことから蓄熱体には顕熱が蓄積されておらず、バーナタイルおよび蓄熱体の温度は低温のままである。したがって、蓄熱交番燃焼方式に切り替えた直後に、蓄熱式バーナはいきなり高温となった排ガスを吸引し始めることから、バーナタイルおよび蓄熱体には急激な温度変化による熱衝撃や過大な熱応力が発生することとなり、これがバーナタイルや蓄熱体が損傷する原因となった。

このような新たな課題、すなわち、炉を停止し再び操業を開始する場合の昇温立ち上げ時にバーナタイルおよび蓄熱体に発生する熱衝撃や過大な熱応力を防止する操炉方法としては、所定炉温に達するまでの低温域においては１次空気と２次空気と燃料を供給して切替交番燃焼を行い、所定炉温に達した以降は２次空気と燃料を供給して切替交番燃焼を行う操炉方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献２に記載の操炉方法は、バーナタイルに燃料を供給する燃料供給口、１次空気を供給する１次空気供給口、２次空気を供給又は炉内から排ガスを吸引する２次空気供給兼排ガス吸引口を配置した蓄熱式バーナを備えた加熱炉の操炉方法であるので、既存の設備のままでは実現できず、これを実現するためには１次空気の吹き込み手段、または１次燃料の吹き込み手段が別途必要となり、当該設備の構成がその分複雑になると共に保守作業の負荷が増加した。
特開平７−１２０１７１号公報 特開２００３−２９４２２９号公報

本発明の解決すべき課題は、バーナタイルに燃料を供給する燃料供給口、炉内に燃焼用空気を供給又は炉内から排ガスを吸引する空気供給兼排ガス吸引口を配置した蓄熱式バーナを備えた既存の加熱炉設備を何ら変更することなく、炉を停止し再び操業を開始する場合の昇温立ち上げ時にバーナタイルおよび蓄熱体に発生する熱衝撃や過大な熱応力を防止して、バーナタイルおよび蓄熱体の寿命延長が図れる、蓄熱式バーナを備えた加熱炉の操炉方法を新たに提供することにある。

本発明者は、前記課題を解決すべく種々の理論的検討および実験的検討を重ねた結果、以下の技術的知見を得た。

（Ａ）前記したように炉の立ち上げ時の初期段階においては連続燃焼方式で昇温を行い、途中で蓄熱交番燃焼方式による昇温に切り替える従来の操炉方法においては、切り替え直後に発生する熱衝撃や過大な熱応力が非常に重要な障害となるところ、蓄熱式バーナでどの程度排ガスを吸引するかの割合を示す所謂ＰＢ率（Ｐｕｌｌｂａｃ率）を適正な範囲に設定して蓄熱交番燃焼方式による昇温を行うと、切替直後の高温となった排ガスの吸引量が抑制され、これによりバーナタイルおよび蓄熱体に発生する急激な温度変化による熱衝撃や熱応力が緩和され、バーナタイルや蓄熱体の損傷を防げること。

（Ｂ）設定するＰＢ率については、高温な排ガスの吸引量を抑制する観点からは低めに設定することが望ましいが、ＰＢ率が２０％未満であると高い熱効率を達成し得る蓄熱交番燃焼の利点を十分に発揮することができず、４０％を超えるとバーナタイルや蓄熱体等の耐火物が損傷するおそれがあるので、設定するＰＢ率については２０〜４０％とするのが望ましいこと。

（Ｃ）すなわち、従来技術のように、炉を停止し再び操業を開始する場合の昇温立ち上げ時に、常温から所定炉温に達するまでの低温域においては連続燃焼方式で昇温を行い、所定炉温に達してから蓄熱交番燃焼方式による昇温に切り替える操業を実施したとしても、ＰＢ率：２０〜４０％の範囲で蓄熱交番燃焼を行えば、バーナタイルおよび蓄熱体に発生する急激な温度変化による熱衝撃や熱応力が緩和されるので、バーナタイルおよび蓄熱体の寿命延長が図れるとともに、高い熱効率を達成し得る蓄熱交番燃焼の利点を十分に発揮することのできる安定した加熱炉の操業を達成できること。

（Ｄ）さらに、当該操炉方法によれば、バーナタイルに燃料を供給する燃料供給口、炉内に燃焼用空気を供給又は炉内から排ガスを吸引する空気供給兼排ガス吸引口を配置した蓄熱式バーナを備えた既存の加熱炉設備を何ら変更する必要がないので、従来技術のように加熱炉の設備構成の複雑化、保守作業が増加する等の問題は生じ得ないこと。

上記の知見に基づき、本発明者は、バーナタイルに燃料を供給する燃料供給口、炉内に燃焼用空気を供給又は炉内から排ガスを吸引する空気供給兼排ガス吸引口を配置した蓄熱式バーナを備えた既存の加熱炉設備を何ら変更することなく、炉を停止し再び操業を開始する場合の昇温立ち上げ時にバーナタイルおよび蓄熱体に発生する熱衝撃や過大な熱応力を防止し、バーナタイルおよび蓄熱体の寿命延長が図れる、蓄熱式バーナを備えた加熱炉の操炉方法に想到した。その要旨とするところは以下の通りである。

（１）バーナタイルに燃料を供給する燃料供給口、炉内に燃焼用空気を供給又は炉内から排ガスを吸引する空気供給兼排ガス吸引口を配置した蓄熱式バーナを備えた加熱炉の操炉方法であって、炉を停止し再び操業を開始する場合の昇温立ち上げ時に、炉温が常温から９００℃に達するまでの低温域においては、連続燃焼方式で昇温を行い、炉温が９００℃に達してから１０００℃に達するまでは、下記式で定義されるＰＢ率：２０〜４０％の範囲で蓄熱交番燃焼方式により昇温を行うことを特徴とする蓄熱式バーナを備えた加熱炉の操炉方法。
ＰＢ率＝ 排ガス流量の設定値／｛（Ｑair−Ｑfu×Ａ0）＋Ｑfu×Ｇ0｝
ここで、Ｑair：燃焼空気実績流量［Ｎｍ^３／ｈ］ Ｑfu ：燃料実績流量［Ｎｍ^３／ｈ］
Ａ0 ：理論空気比 Ｇ0 ： 理論排ガス比

（イ）本発明に係る加熱炉の操炉方法は、炉を停止し再び操業を開始する場合の昇温立ち上げ時に、常温から所定炉温に達するまでの低温域においては連続燃焼方式で昇温を行い、前記所定炉温に達してからはＰＢ率：２０〜４０％の範囲で蓄熱交番燃焼方式による昇温を行うので、バーナタイルおよび蓄熱体に発生する熱衝撃や過大な熱応力を防止することができ、これによりバーナタイルおよび蓄熱体の寿命延長が図れるとともに、高い熱効率を達成し得る蓄熱交番燃焼の利点を十分に発揮することのできる安定した加熱炉の操業を達成することができる。

（ロ）本発明に係る加熱炉の操炉方法は、バーナタイルに燃料を供給する燃料供給口、炉内に燃焼用空気を供給又は炉内から排ガスを吸引する空気供給兼排ガス吸引口を配置した蓄熱式バーナを備えた既存の加熱炉設備を何ら変更する必要がない。このため、従来技術に係る操炉方法のように加熱炉の設備構成の複雑化、保守作業が増加する等の問題を生じ得ないので、経済性に優れた加熱炉の操業を達成することができる。

以下、図１〜図６を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は一般的な蓄熱式バーナを備えた加熱炉１の全体構成を示す模式図であり、加熱炉内に装入された金属材料（被加熱材）は、炉内に設置された搬送ローラやウォーキンギビーム等の搬送装置（図示しない）によってパスラインに沿って連続的に炉長方向に移動するとともに、左右の炉側壁に互いに対向させて配設された蓄熱式バーナによって所定温度まで加熱される。本発明は、このような一般的な加熱炉に対応できる操炉方法である。なお、図２において蓄熱式バーナ２の構成を示しているので、図１においては蓄熱式バーナの図示を省略している。

図１に示すように、加熱炉１は材料進行方向に複数のゾーンに分割するのが一般的であり、各ゾーンにおいて互いに対向する位置に配設されて１対をなす蓄熱式バーナを交互に燃焼させて操業する。図１に例示した加熱炉１はパスラインを境に上下に、また炉長方向にも分割され、合計４ゾーンで構成した加熱炉であるが、例えば、パスラインより上層である第１、第３ゾーンの左炉側壁に配設された蓄熱式バーナを燃焼したときに、パスラインより下層である第２、第４ゾーンの右炉側壁に配設された蓄熱式バーナによって炉内から燃焼した排ガスを吸引し、交互に燃焼と吸引を繰り返すといった蓄熱交番燃焼を行うことができる。

あるいは、各ゾーンを単位として、左炉側壁に配設された蓄熱式バーナを燃焼したときに、右炉側壁に配設された蓄熱式バーナによって炉内から燃焼した排ガスを吸引し、交互に燃焼と吸引を繰り返すといった蓄熱交番燃焼を行うことができる。

図２は当該ゾーン単位の蓄熱交番燃焼を示す模式図であり、左炉側壁に配設された蓄熱式バーナ２に配置された燃料供給口５からバーナタイル４に燃料７を供給するとともに、空気供給兼排ガス吸引口６から炉内に燃焼用空気８を供給して当該左炉側壁に配設された蓄熱式バーナ２を燃焼したときに、これに対向して配設された右炉側壁の蓄熱式バーナ２が、炉内から燃焼した排ガス９を吸引する様子を示すものである。このとき吸気側の蓄熱式バーナ２、すなわち右炉側壁に配設された蓄熱式バーナにおいては、炉内に燃焼用空気を供給又は炉内から排ガスを吸引する給排気経路に配置された蓄熱体３によって燃焼ガスの保有熱を回収している。したがって、当該吸気側の蓄熱式バーナが燃焼側の蓄熱式バーナに交番するときは、蓄熱体３を通して燃焼用空気８を予熱するので高い熱効率を達成することができる。なお、図５は蓄熱式バーナ２の炉壁１１への取付部を示す模式図、図６はバーナタイル４の一形態を示す模式図であり、図５のＡ−Ａ方向から見た図である。

本発明に係る操炉方法は、図２、図５〜６に示すようなバーナタイル４に燃料７を供給する燃料供給口５、炉内１２に燃焼用空気を供給又は炉内から排ガスを吸引する空気供給兼排ガス吸引口６を配置した一般的な蓄熱式バーナ２を備えた加熱炉１の操炉方法に関するものであり、通常操業時、すなわち、前記した一対の蓄熱式バーナ２が交互に燃焼と吸引を繰り返す蓄熱交番燃焼しているときにおける基本的な動作原理については、従来技術に係る操炉方法と特段変わるところはない。

本発明に係る操炉方法の技術的特徴ないしその効果を最大限に発揮する局面は、加熱炉の新設や補修、および定期的な設備点検等の理由によって加熱炉の操業を停止して、再び操業を開始する場合の昇温立ち上げ時にあるので、以下、これについて説明する。

図３は本発明に係る操炉方法を示す制御フロー図である。当該図に示すとおり、本発明に係る操炉方法においては、従来技術に係る操炉方法と同様に、炉の立ち上げ時の初期段階においては一対の蓄熱式バーナ２の各々を同時に燃焼させる連続燃焼方式で昇温を行い、途中で蓄熱交番燃焼方式による昇温に切り替える。

ただし、蓄熱交番燃焼方式への切り換え直後に、蓄熱式バーナ２はいきなり高温となった排ガス９を吸引し始めることとなり、これによりバーナタイル４および蓄熱体３には急激な温度変化による熱衝撃や過大な熱応力が発生し、これがバーナタイル４や蓄熱体３が損傷する原因となる。したがって、本発明に係る操炉方法においては、切り換え直後の蓄熱交番燃焼を下記式で定義されるＰＢ率：２０〜４０％の範囲で行う。ここで、ＰＢ率とは、蓄熱式バーナ２でどの程度排ガスを吸引するかの割合を示すもので、例えば、ＰＢ率３０％であれば、排ガスの３０％が吸引側バーナに吸引されることを意味する。

ＰＢ率＝ 排ガス流量の設定値／｛（Ｑair−Ｑfu×Ａ0）＋Ｑfu×Ｇ0｝
ここで、Ｑair： 燃焼空気実績流量［Ｎｍ^３／ｈ］
Ｑfu ： 燃料実績流量［Ｎｍ^３／ｈ］
Ａ0 ： 理論空気比
Ｇ0 ： 理論排ガス比

図４はＰＢ率と排ガス温度、炉内温度の関係を示す相関図であり、上側グラフがＰＢ率と排ガス温度との関係を、下側グラフがＰＢ率と炉内温度の関係を示している。本発明者は、炉の立ち上げ時の初期段階においては一対の蓄熱式バーナ２の各々を同時に燃焼させる連続燃焼方式で昇温を行い、途中で蓄熱交番燃焼方式による昇温に切り替えたときのＰＢ率と排ガス温度との関係に注目した。

これは、常温から燃料の自然着火温度である９００℃に達するまでの低温域において連続燃焼方式で昇温を行い、ここから所定の温度、例えば炉内温度が１０００℃に達するまでの時間、ＰＢ率＝２０、４０、６０、８０％の条件で蓄熱交番燃焼方式による昇温を行った実験結果に基づくものであり、図４の上側グラフに示すようにＰＢ率が２０％未満であると排ガスの昇温速度が遅く、これでは高い熱効率を達成し得る蓄熱交番燃焼の利点を十分に発揮することができない。一方、ＰＢ率が４０％を超えるとバーナタイルおよび蓄熱体には急激な温度変化による熱衝撃や過大な熱応力が発生し、バーナタイルや蓄熱体が損傷される結果となる。
なお、蓄熱交番燃焼を行うためには、炉内温度が燃料７の自然着火温度以上でなくてはならない。したがって、本発明に係る操炉方法においては、常温から９００℃に達するまでの低温域においては連続燃焼方式による昇温を行うこととしている。また、一般に金属材料（被加熱材）を加熱炉１内に挿入する温度は１０００℃であり、当該金属材料の挿入直後においては炉内温度が急激に下がることとなる。したがって、バーナタイル４等の損傷を防ぐべく、ＰＢ率：２０〜４０％の範囲で蓄熱交番燃焼方式による昇温を行って炉内温度が１０００℃に達した以降、すなわち、金属材料の炉内挿入によって炉内温度が急激に下がった以降は、前記ＰＢ率の設定を解除して、４０％を越える通常のＰＢ率にて操業を開始する必要がある。

したがって、常温から所定炉温、例えば炉内温度が９００℃に達するまでの低温域においては連続燃焼方式で昇温を行い、前記所定炉温に達してから別の所定炉温、例えば１０００℃に達するまでは、ＰＢ率：２０〜４０％の範囲で蓄熱交番燃焼方式により昇温を行うことが望ましく、ＰＢ率が当該範囲ならばバーナタイル４および蓄熱体３に発生する急激な温度変化による熱衝撃や熱応力が緩和されるので、バーナタイル４および蓄熱体３の寿命延長が図れるとともに、高い熱効率を達成し得る蓄熱交番燃焼の利点を十分に発揮することのできる安定した加熱炉の操業を達成できる。

また、本発明に係る操炉方法は、図３に示すソフトウェアである制御フローによって実現できるものであり、ハードウェア、すなわち、バーナタイル４に燃料７を供給する燃料供給口５、炉内に燃焼用空気８を供給又は炉内から排ガス９を吸引する空気供給兼排ガス吸引口６を配置した蓄熱式バーナ２を備えた既存の加熱炉設備を何ら変更する必要がない。このため、従来技術に係る操炉方法のように加熱炉の設備構成の複雑化、保守作業が増加する等の問題を生じ得ないので、経済性に優れた加熱炉の操業を達成することができる。

なお、本発明に係る操炉方法を示す制御フロー図である図３の最終段、すなわち、炉内温度が１０００℃に達した以降はＰＢ率の設定を解除し、通常の演算を開始しているが、これは前記したように金属材料の挿入直後においては炉内温度が急激に下がるため、ＰＢ率の設定を解除して４０％を越える通常のＰＢ率にて操業を開始するためである。

蓄熱式バーナを備えた加熱炉の全体構成を示す模式図である。 蓄熱式バーナの構成と配設位置を示す模式図である。 本発明に係る操炉方法を示す制御フロー図である。 ＰＢ率と排ガス温度、炉内温度の関係を示す相関図である。 蓄熱式バーナの炉壁への取付部を示す模式図である。 バーナタイルの一形態を示す模式図であり、図５のＡ−Ａ方向から見た図である。

符号の説明

１ 加熱炉 ２ 蓄熱式バーナ
３ 蓄熱体 ４ バーナタイル
５ 燃料供給口 ６ 空気供給兼排ガス吸引口
７ 燃料 ８ 空気
９ 排ガス １０ 排ガス温度測定用熱電対
１１ 炉壁 １２ 炉内
Ｓ 材料進行方向

Claims (1)

1. バーナタイルに燃料を供給する燃料供給口、炉内に燃焼用空気を供給又は炉内から排ガスを吸引する空気供給兼排ガス吸引口を配置した蓄熱式バーナを備えた加熱炉の操炉方法であって、
   炉を停止し再び操業を開始する場合の昇温立ち上げ時に、
   炉温が常温から９００℃に達するまでの低温域においては、連続燃焼方式で昇温を行い、炉温が９００℃に達してから１０００℃に達するまでは、下記式で定義されるＰＢ率：２０〜４０％の範囲で蓄熱交番燃焼方式により昇温を行うことを特徴とする蓄熱式バーナを備えた加熱炉の操炉方法。
   ＰＢ率＝ 排ガス流量の設定値／｛（Ｑair−Ｑfu×Ａ0）＋Ｑfu×Ｇ0｝
   ここで、Ｑair： 燃焼空気実績流量［Ｎｍ^３／ｈ］
   Ｑfu ： 燃料実績流量［Ｎｍ^３／ｈ］
   Ａ0 ： 理論空気比
   Ｇ0 ： 理論排ガス比

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