JPH1194239A - 交互切換蓄熱再生バーナシステム及びその燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バーナ容量よりも低い燃焼量で運転してもバ
ーナスロートから噴出される空気流速を高速に保つこと
を可能とする。燃焼量の変更に関係なくバーナスロート
から噴出される空気流速を可変にする。更に、不定在火
炎を広い範囲に形成できるようにする。 【解決手段】 蓄熱体７を備えるバーナ２と該バーナ２
の給気系１７と排気系１７への接続を切り換える給排切
換機構１２，１３とで構成される交互切換蓄熱再生バー
ナを単位ユニットとして３ユニット以上で燃焼システム
１を構成し、燃焼させるバーナ２の台数と停止させるバ
ーナ２の台数の比率を可変とし、ユニットが固定的な対
を組まないで順次全ユニットが交互蓄熱燃焼を繰り返す
ようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交互切換蓄熱再生
バーナシステムに関する。更に詳述すると、比較的再昇
温の多い工業炉に熱源として備えられる交互切換蓄熱再
生バーナシステムの加熱制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の交互切換蓄熱再生バーナシステム
は、蓄熱体を各々備える２台で１組のバーナとこれら１
組のバーナの間で空気や酸素富化空気、純酸素などの酸
化剤（本明細書では、以下単に燃焼用空気と呼ぶ）の供
給と排気とを切換える給排切換手段とを備え、１組のバ
ーナを交互に燃焼させる（燃焼させている方のバーナを
燃焼バーナと呼ぶ）と共に燃焼させていない方のバーナ
（排気バーナと呼ぶ）から炉内ガスを排出するようにし
て蓄熱体から排ガスの熱を回収して次の燃焼用空気の予
熱に使用するようにしている。この交互切換蓄熱再生バ
ーナシステムは、工業炉に対して通常複数システムが備
えられ、即ち２の倍数のバーナが備えられ、それらバー
ナの半分ずつが交互に燃焼させられている。そして、残
りの半分のバーナが排気バーナとして利用されそこから
炉内ガスが排気される。

【０００３】一方、一日一回とか、一週一回のように再
昇温の多い炉においては、運転稼働率を上げるために急
速昇温時の燃焼量でバーナ容量が一般に決定される。こ
のことは交互切換蓄熱再生バーナを備えた工業炉におい
ても同様で、実操業時にはバーナ容量と比較して低い燃
焼量で運転される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃焼さ
せるバーナの台数と停止させておくバーナの台数の比率
が常に一定で固定的な対を成すため、不定在火炎が形成
されるといっても一対のバーナ間で火炎が移り変わるだ
けであるため火炎の不定在性には限界があり、場合によ
っては十分でないこともある。

【０００５】また、燃焼させるバーナの台数と停止させ
ておくバーナの台数の比率が常に一定であるため、昇温
運転時とその後の運転時とでバーナの総燃焼量が同じに
なってしまう。即ち、稼働（操業）開始直後の昇温運転
時であっても、また炉内温度が所定温度に達した後の実
操業運転時であっても、各グループに属する同数のバー
ナを全て交互に燃焼させている。このため、運転と停止
を多く繰り返す工業炉においては、運転稼働率を上げる
ため、急速に昇温させるのに必要とされる燃焼量に基づ
いてバーナ容量が決定されている。このことは、交互燃
焼式蓄熱型バーナを利用した炉においても同様で、実操
業時にはバーナ容量と比較して低い燃焼量で運転される
のが通常である。

【０００６】このため、実操業時には、バーナ容量に比
較して低い燃焼量のために空気速度を高く保つことがで
きず、酸素濃度の低い炉内ガスの撹拌と炉内ガスの巻き
込みが十分に活発なものとならないため、それなりに温
度差のある炉内雰囲気を形成することとなり（炉内温度
分布の平坦化が不十分となり）、局所的に炉内温度が高
い領域を形成してＮＯｘ発生量が高くなる傾向にある。
一方、ＮＯｘ減少の為に定常運転の高温炉内雰囲気で空
気流速が高くなるように設計すると、ＮＯｘを低く保つ
ことができるが、昇温時の燃焼容量を高く設定すること
はできないので昇温速度を遅くせざるを得ない。この急
速昇温と定常運転時のＮＯｘ低減の矛盾を解決するため
に、一部のバーナを休止する方法もあるが、定常運転中
に休止するバーナの過熱保護、スペースや一部のバーナ
欠落による炉内温度不均一の問題がある。もう一つの矛
盾を解決する方法として、空気ノズルの大きさや数を変
更することが考えられるが、高温部分で開閉するバルブ
機構が必要となり、実用上困難である。

【０００７】本発明は、バーナ容量よりも低い燃焼量で
運転してもバーナスロートから噴出される空気流速を高
速に保つことを可能とした交互切換蓄熱再生バーナシス
テムを提供することを目的とする。また、本発明は、燃
焼量の変更に関係なくバーナスロートから噴出される空
気流速を可変にした交互切換蓄熱再生バーナシステムを
提供することを目的とする。更に、本発明は不定在火炎
を広い範囲に形成できる交互切換蓄熱再生バーナシステ
ムを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、請求項１記載の交互切換蓄熱再生バーナシステム
は、蓄熱体を備えるバーナと該バーナの給気系と排気系
への接続を切り換える給排切換装置とで構成される交互
切換蓄熱再生バーナを単位ユニットとして３ユニット以
上で燃焼システムを構成し、燃焼させるバーナの台数と
停止させるバーナの台数の比率を可変とし、ユニットが
固定的な対を組まないで順次全ユニットが交互蓄熱燃焼
を繰り返すようにしている。

【０００９】したがって、全てのユニットのバーナが時
間をずらして燃焼し、広い範囲で非定在火炎を形成す
る。また、パイロットや燃料ノズルには連続的にまたは
断続的に冷却流体が流される。更に、同じ燃焼量であっ
ても、燃焼バーナの数の増減によってバーナスロートか
ら噴出される燃焼用空気あるいは燃焼ガスの速度（これ
らを総称して空気速度と呼ぶ）を変化させ得る。このた
め、燃焼バーナ数の低減により空気速度を高速に維持で
き、炉内ガスの流動を活発にして局所的な高温域の発生
を抑制した平坦な温度分布を形成可能とする。しかも、
混合気の自己着火温度以上の高温でかつ低酸素濃度の燃
焼用空気と燃料とが接触した所で酸化発熱反応を開始す
るため、極めて低速の酸化発熱反応となって炉内の至る
ところで燃焼し、炉内温度分布に局所的な高温域を形成
せず、ＮＯｘの発生を抑制する。

【００１０】ここで、燃焼バーナと蓄熱バーナの数が異
なっても、供給空気量と排気量との関係は変わらない。
即ち、燃焼バーナと排気バーナとの台数比率が１：１で
あっても１：２であっても、１行程内でみれば、空気の
流れる量も排気量も変わらない。ただし、燃焼バーナの
比率が減ればその分だけ空気時間の比率が減ることとな
り、蓄熱体の中を流れる流体速度は空気のときは速く、
排気のときは遅くなり、冷却の伝熱の伝熱の方が良好と
なるため、蓄熱体の効率は良くなる傾向となる。即ち、
加熱空気の温度が上がり、排気温度が下がる傾向とな
る。

【００１１】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の交互切換蓄熱再生バーナシステムにおいて、順次全
ユニットを通して排気される排ガスが燃焼用空気１に対
して１．２から０．６の範囲にされている。この場合好
適な蓄熱再生燃焼を実現できる。

【００１２】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは２記載の交互切換蓄熱再生バーナシステムにおい
て、給排切換装置を、給気系と排気系とが常時接続され
る三方弁機能を有し、かつバーナが給気系または排気系
のいずれかに接続されるか若しくはいずれにも接続され
ない中立位置を有しているものとしている。この場合、
バーナを給気系または排気系のいずれかに接続すること
によって燃焼バーナあるいは排気バーナとすることがで
き、中立位置では蓄熱体には空気も排ガスも通過させず
にその状態を保持することができる。したがって、直前
まで排ガスを流して蓄熱している場合には、その蓄熱状
態を保持でき、次にそれを冷却する行程即ち空気を高温
予熱する行程から始めることができる。

【００１３】また、請求項４記載の発明は、請求項３記
載の交互切換蓄熱再生バーナシステムにおいて、給排切
換装置が、給気系と排気系とが常時接続される２つの切
換ポートを備える外ハウジングと、該外ハウジング内に
収容されて回転自在に設けられた内ハウジングとから構
成され、かつ前記内ハウジングはその回転中心上にバー
ナに常時接続されるポートと、前記外ハウジングの内面
と摺接して前記２つの切換ポートを任意に閉塞する座面
と、この座面に開口されて前記２つの切換ポートの一方
と選択的に連通可能な弁口とを備え、前記内ハウジング
の回転によって前記バーナが給気系あるいは排気系のい
ずれかに接続されるか若しくはいずれにも接続されない
中立位置に切換わるようにしている。

【００１４】この場合、弁口と一方の切換ポートとが連
通されると、当該切換ポートに接続されている給気系あ
るいは排気系は内ハウジングを通じてバーナに接続され
る。このとき、バーナと連通されていない他方の切換ポ
ートは外ハウジングを終端として閉塞される。しかも、
切換え途中では、２つの切換ポートの少なくとも一方が
座面に閉鎖されると共に内ハウジングの弁口が外ハウジ
ングで閉塞され、内ハウジングに接続されたバーナに繋
がる流路は遮断される。外ハウジング内の流体がハウジ
ング内を流れる流体とは混じり合うことがない。そし
て、切換途中で座面が２つの切換ポートを同時に閉鎖す
る位置に移動したときに、弁口がいずれの切換ポートと
も連通されず、バーナは給気系とも排気系とも切り離さ
れる中立位置が形成される。この中立位置では、蓄熱体
には空気も排ガスも通過せず、その状態を保持するの
で、直前まで排ガスを流して蓄熱している場合には、そ
の蓄熱状態を保持でき、次にそれを冷却する行程即ち空
気を高温予熱する行程から始めることができる。

【００１５】更に、請求項５記載の発明は、請求項１か
ら４のいずれかに記載のバーナシステムにおいて、炉内
温度を上昇させる昇温運転時と昇温後の運転時とで燃焼
させるバーナの台数と停止させるバーナの台数の比率を
可変とし、昇温運転時の燃焼バーナ台数よりも少ない燃
焼バーナ台数で昇温後の運転を行うようにしている。

【００１６】この場合、昇温後にバーナ容量よりも低い
燃焼量で運転する際にも、燃焼バーナ数を減らすことに
よって各バーナのバーナスロートから噴出される空気流
速が高速に保たれる。このため、燃焼室内での燃焼ガス
の循環が活発になり、よく攪拌されて燃焼室炉内温度が
平坦化されると共に燃焼用空気の流れに随伴される燃焼
ガス量が増えて混合気の酸素濃度が大幅に低下する。し
かも、混合気の自己着火温度以上の高温でかつ低酸素濃
度の燃焼用空気と燃料とが接触した所で酸化発熱反応を
開始するため、極めて低速の酸化発熱反応となって炉内
の至るところで燃焼し、炉内温度分布に局所的な高温域
を形成せず、ＮＯｘの発生を抑制する。

【００１７】

【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。図１に本発明の
交互切換蓄熱バーナシステムの一実施形態を示す。この
交互切換蓄熱再生バーナシステム１は、蓄熱体７を備え
るバーナ２と該バーナ２の給気系と排気系への接続を切
り換える給排切換装置１２，１３とで構成される交互切
換蓄熱再生バーナを単位ユニットとして３ユニット以上
の７ユニットで構成されている。尚、図中１０，１１は
ダクトである。

【００１８】この交互切換蓄熱再生バーナシステムは、
いわゆる高温燃焼を実現する７ユニットの交互切換蓄熱
再生バーナ２，…，２と、これらを適宜選択して燃焼さ
せる制御系とで構成されている。７台のバーナ２は、互
いに独立して燃料噴射を行う一方、図示するようにエア
スロート６に内装された蓄熱体７を介して高温に予熱さ
れた燃焼用空気を炉内１９へ噴射させる。各バーナ２，
…，２毎にそれぞれ独立制御可能な給気系（集合ダク
ト）１７と排気系（集合ダクト）１６とを設け、個別に
燃焼用空気の供給あるいは炉内ガスの排気を制御するよ
うにしている。各バーナ２の燃料ノズル５に燃料を供給
する燃料ライン３には、操作端である燃料調節弁４が設
けられている。他方、各バーナ２,…,２には燃料の供給
と連動させて空気供給系１７か排気系１６のいずれかが
選択的に接続され、燃焼バーナとしてか、あるいは燃焼
させずにバーナタイル・エアスロート６を炉内ガスを排
気させる排気バーナとして機能させるように設けられて
いる。各燃料調節弁４及び空気供給系１７と排気系１６
の給排切換装置例えば電磁弁１２，１３は、例えば図示
していない調節計（コントローラ）によって個々に開閉
操作される。尚、各バーナ２,…,２のエアスロート６に
内装される蓄熱体７は、その組成および構造については
特に限定されるものではないが、セラミック製のハニカ
ム構造の蓄熱体とすることが好ましい。

【００１９】因みに、この加熱制御は、ＰＩＤ制御やフ
ァジィ制御などの自動燃焼制御システムの一環として調
節計でのシーケンス制御あるいはコンピュータ制御によ
って実行されており、図示しないＰＩＤ制御方式やファ
ジィ制御方式などの調節計で実行される自動燃焼制御で
目標値（温度）に対する偏差分やそれに対応する燃焼量
などは既に決定されている。したがって、上述の加熱・
燃焼は、ＰＩＤ制御系やファジィ制御系などの自動燃焼
制御系で設定された燃焼量等をいずれのバーナの燃焼に
よって得るのかを決定して実行するものである。調節計
は、これらの設定値に基づいて各燃料調節弁４の操作及
びそれと連動させて空気供給系１７の電磁弁１３並びに
排気系１６の電磁弁１２の操作を行う。

【００２０】図示していないが、調節計は、燃焼バーナ
と排気バーナとを一定の手順に従って選定して短時間で
切換る制御手段であり、シーケンス制御するプログラマ
ブル調節計や少なくとも１つの中央演算処理部とプログ
ラムを格納するＲＯＭ及びインターフェースなどで構成
されるマイコン制御のコントローラなどから成り、本実
施形態の場合にはプログラマブル調節計が採用されてい
る。即ち、調節計から成る制御系は、各ダクトの給排切
換装置たる電磁弁１２，１３を切換操作することによっ
て、バーナ２を排気系１６あるいは給気系１７のいずれ
かに選択的に接続させて燃焼バーナあいるは排気バーナ
として機能させる。ここで、調節計は燃焼バーナの台数
と排気バーナの台数の比率を可変とし、全ユニットが固
定的な対を組まないで且つ燃焼用空気の給気量と排ガス
の排気量とが同じになるように順次全ユニットを交互蓄
熱燃焼を繰り返させるように制御するようにプログラム
されているか、あるいはシーケンスが組まれている。

【００２１】なお、燃焼バーナ２のエアスロート６から
は、蓄熱体７を経て高いエンタルピを保有する酸化剤例
えば高温の燃焼用空気が噴射される。この燃焼用空気
は、高温燃焼を実現するに充分高いエンタルピ、即ち燃
焼直前における混合気の燃焼安定限界温度以上、好まし
くは自己着火温度以上の高温に予熱されている。その温
度は燃料種別や酸素濃度などによって異なるが、多くの
場合例えば８００℃以上、好ましくは１０００℃以上に
予熱されていれば該当する。この燃焼システムでは、セ
ラミックス製の蓄熱体に炉内ガスと燃焼用空気とを交互
に通過させることで高温の燃焼用空気を得る。ここで、
燃焼直前における混合気の燃焼安定限界温度とは、通常
燃焼における吹き消え温度（燃焼が不安定になり空気比
の値や空気流速の僅かな変化などによって火炎が吹き消
えて消失しまう温度）に相当するもので、それよりも温
度が低くなると高温空気のため吹き消えは起こらないま
でも完全燃焼が困難となり最終排ガス濃度組成中にＣＯ
成分を伴うようになって燃焼が急激に不安定となる温度
である。

【００２２】各ユニットのバーナ２は、酸化剤として高
いエンタルピを有する空気即ち混合気の自己着火温度付
近程度の高温（例えば８００〜１０００℃あるいはそれ
以上の高温）にまで予熱された燃焼用空気を使用して高
温燃焼を実現するバーナ（以下高温燃焼バーナと呼ぶ）
である。したがって、このバーナ２には、蓄熱体７がケ
ーシングなどに充填されてあるいはエアスロート（燃焼
用空気が導入されるバーナ後部）に内装されている。蓄
熱体７は、比較的圧力損失が低い割に熱容量が大きく耐
久性の高い構造並びに材料の使用、例えば多数のセル孔
を有するハニカム形状のセラミックス製筒体の使用が好
ましい。例えば、排ガスのような１０００℃前後の高温
流体との間で行う熱交換には、コージライトやムライト
等のセラミックス材料の押し出し成形によって製造され
るハニカム形状のものの使用が好ましい。また、蓄熱体
７は、コージライト、ムライト以外のセラミックス例え
ばアルミナやセラミックス以外の素材例えば耐熱鋼等の
金属あるいはセラミックスと金属の複合体例えばポーラ
スな骨格を有するセラミックスの気孔中に溶融した金属
を自発浸透させ、その金属の一部を酸化あるいは窒化さ
せてセラミックス化し、気孔を完全に埋めたＡｌ₂ Ｏ₃
−Ａｌ複合体、ＳｉＣ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −Ａｌ複合体などを
用いて製作しても良い。尚、ハニカム形状とは、本来六
角形のみならず四角形や三角形のセルを無数にあけたも
のを含む。また、一体成形せずに管などを束ねることに
よってハニカム形状の蓄熱体を得るようにしても良い。
しかし、蓄熱体７の形状も特にハニカム形状に限定され
ず、平板形状や波板形状の蓄熱材料を筒状のケーシング
内に放射状に配置したり、パイプ形状の蓄熱材料を軸方
向に流体が通過するように筒状のケーシング内に充填し
たものであっても良い。または、隔壁によって周方向に
２室に区画形成され、軸方向に流体が通過可能とした筒
状のケーシングを用意し、これの各室に球状、短管、短
棒、細片、ナゲット状、網状などの蓄熱材料の塊を充填
することによって構成されたものでも良い。尚、この蓄
熱体７は各バーナ２,…,２を形成する耐火物の筒に内装
されているが、これに特に限定されず、ケーシングなど
に充填して各ダクト３に設置するようにしても良い。

【００２３】尚、各バーナ２,…,２は、図１に示すよう
に、直線的に一定間隔で配列されているが、これに特に
限定されず、千鳥状に配列したりあるいは全面の至る所
に配置するようにしても良い。

【００２４】以上のように構成された交互切換蓄熱再生
バーナシステムは次のようにしてその燃焼が制御され
る。例えば、図１の実施形態のバーナシステムを比較的
再昇温の多い工業炉に据え付けた適用例を元に説明す
る。

【００２５】まず、昇温時には、１つの交互切換型蓄熱
再生バーナシステムを構成する７ユニットのバーナ２,
…,２のうちから、半分以上のユニットを燃焼バーナと
し残りのユニットを排気バーナとして、ユニットが固定
的な対を組まないで順次全ユニットが交互蓄熱燃焼を繰
り返す。ここで、蓄熱バーナは燃料供給機構（燃料ノズ
ルや一次燃焼室）及び蓄熱体の容量により燃焼量が制限
され、冷起動（昇温時）には蓄熱体の抵抗（圧力損失）
が少なくより多くの燃焼用空気を供給することができる
（例えば昇温後に対して２００％程度）し排気能力も十
分である（例えば昇温後に対して２００％程度）が、燃
料供給機構は昇温中も昇温後も変わらない。このことか
ら、送風機や排風機の設計容量によっても異なり一概に
はいえないが、燃焼バーナ４：排気バーナ３で昇温し、
昇温後は燃焼バーナ２：排気バーナ５で運転することが
最も合理的となる。そして、バーナ切換の際の燃焼バー
ナと排気バーナとの選定は、蓄熱行程の後には必ず排気
行程があるという規則性に従って行われる。例えば、
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇの７ユニットのうち、ま
ず、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４ユニットが燃焼バーナとなり、
残りのＥ、Ｆ、Ｇの３ユニットが排気バーナとなる。そ
して、所定の切換時間の経過後は、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆの４
ユニットが燃焼バーナとなり、残りの３ユニットが排気
バーナとなる。斯様にして燃焼バーナとなる４ユニット
を１つずつずらすことによって、ユニットが固定的な対
を組まないで順次全ユニットが交互蓄熱燃焼を繰り返
す。排気量は全量を排気バーナから排気させるようにし
ても良いが、一部を排気バーナを通さずに直接炉外へ抜
き取り、排気バーナの蓄熱体を経て冷却された排ガスと
一緒にしてから排気されることもある。例えば、燃焼用
空気１に対して排気量１．２から０．６の範囲で排ガス
が複数の排気バーナから分配されて排気される。排気量
１．２は蓄熱再生バーナで排気が実用上成り立つ比率
で、排気量０．６は廃熱回収で意義のある限界である。
勿論、昇温時（起動時）の燃焼バーナの比率をもっと上
げて燃焼量を増やし昇温速度を高めることも可能であ
る。

【００２６】そして、設定温度に近くなったところで、
燃焼バーナ数を減らすことによって燃焼量を少なくして
（全ユニットで対を構成した時のバーナ容量よりも低い
燃焼量で運転）交互蓄熱燃焼を行う。燃焼バーナ数は、
例えば２台にして運転する。このとき、残りの５ユニッ
トは排気バーナとなる。燃焼量の低減により給気量は削
減されるが、４台で運転した時と比べて２台で運転する
ときの方が空気の速度は早くなることから、結果として
燃焼バーナから噴射される燃焼用空気は高速を保持した
ままである。このため、燃焼量を落としても、燃焼室内
での燃焼ガスの循環が活発であり、よく攪拌されて燃焼
室炉内温度が平坦化されると共に燃焼用空気の流れに随
伴される燃焼ガス量が増えて混合気の酸素濃度が大幅に
低下する。したがって、炉内低Ｏ₂雰囲気で希釈されＮ
Ｏｘを低く維持することができる。しかも、一部のバー
ナを間引きした場合と異なり、すべてのユニットのバー
ナが時間をずらして燃焼するので、炉内全域といった広
い範囲で形成される非定在火炎により炉内温度を均一に
することができると共に、パイロットや燃料ノズルには
連続的にまたは断続的に冷却流体が流れるので過熱焼損
し難い。ここで、燃焼バーナと排気バーナとの比率の調
整方法としては、特に限定されるものではないが、例え
ば燃焼開始から排気完了までの１サイクルを６０秒と定
めると、燃焼／排気を１０／５０、３０／３０、５０／
１０秒のように変化させたり、燃焼時間を一定として燃
焼／排気を１０／１０、１０／３０、１０／５０秒のよ
うに変化させることも可能である。

【００２７】ここで、排気バーナから取り出された炉内
ガスは、蓄熱体７を通過する際に当該蓄熱体７との間で
熱交換を行って、少なくとも高温空気用排気ファン１４
やバルブなどが耐え得る温度例えば４００℃程度まで、
好ましくは２００℃程度以下の低温まで冷却されてから
大気中などに放出される。したがって、排気ファンなど
が受ける熱によるダメージが緩和される。また、燃焼バ
ーナでは、給気ファン１５から圧送される燃焼用空気が
蓄熱体７との間で熱交換を行って高温に予熱されてから
噴出される。しかも、この空気温度は燃料あるいは混合
気の自己着火温度以上の高温である。このため、高速で
炉内１９へ噴射されても、火炎が吹き消えることがな
い。そこで、燃焼用空気は、例えば最大燃焼時において
６０ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓあるいは１００ｍ／ｓ以上の
流速で噴射しても燃焼可能である。これにより炉内１９
での燃焼ガスの循環が活発になり、よく攪拌されて炉内
温度が平坦化されると共に燃焼用空気の流れに随伴され
る燃焼ガス量が増えて混合気の酸素濃度が大幅に低下す
る。そして、混合気の自己着火温度以上の高温でかつ低
酸素濃度の燃焼用空気と燃料とが接触した炉内１９の至
る所で極めて低速な酸化発熱反応を開始する。加えて、
全てのユニットのバーナが時間をずらして燃焼するた
め、燃焼ガスの流動が短時間に変化して非定在火炎を形
成し、炉内の温度場が均一化・平坦化される。このた
め、炉内１９全域が均一な温度となり局部的に高温とな
る領域が生成されない。したがって、被加熱物への偏熱
をなくして均一加熱を可能とすると共にＮＯｘの発生が
抑制される。斯くして、バーナ容量を有効に利用して炉
温を急上昇させる。

【００２８】また、交互切換蓄熱再生バーナシステムの
燃焼制御方法は、上述の例に特に限定されず、炉内温度
を上昇させる昇温運転時と昇温後の運転時とで燃焼させ
るバーナの台数と停止させるバーナの台数の比率を可変
とし、昇温運転時の燃焼バーナ台数よりも少ない燃焼バ
ーナ台数で昇温後の運転を行うようにしても良い。例え
ば、昇温時には、１つの交互切換型蓄熱再生バーナシス
テムを構成する７ユニットのバーナ２,…,２のうちか
ら、３ユニットを燃焼バーナとし残りの４ユニットを排
気バーナとして、ユニットが固定的な対を組まないで順
次全ユニットが交互蓄熱燃焼を繰り返す。即ち、Ａ、
Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇの７ユニットのうち、まず、
Ａ、Ｂ、Ｃ、の３ユニットが燃焼バーナとなり、残りの
Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇの４ユニットが排気バーナとなる。そし
て、所定の切換時間の経過後は、Ｂ、Ｃ、Ｄの３ユニッ
トが燃焼バーナとなり、残りの４ユニットが排気バーナ
となる。斯様にして燃焼バーナとなるユニットを１つず
つずらすことによって、全ユニットが固定的な対を組ま
ないで順次交互蓄熱燃焼を繰り返す。即ち、２台（ユニ
ット）のバーナで対を組まないこととなる。ここで、燃
焼バーナと排気バーナの数が異なっても、供給空気量と
排気量との関係は大きく変わらないので、３ユニットの
燃焼バーナによって発生する排ガスを４ユニットの排気
バーナから３／４ずつ排気されることとなり、蓄熱体の
中を流れる流体速度が空気のときは速く排ガスのときは
遅くなる。したがって、冷却の伝熱の伝熱の方が良好と
なるため、蓄熱体の効率は良くなる傾向となる。即ち、
加熱空気の温度が上がり、排気温度が下がる傾向とな
る。しかも、定常運転時のみならず急速な昇温時にも、
排気バーナ数の方が燃焼バーナ数よりも１台多いので、
排気圧損を下げ排気用送風機の動力を下げることができ
る。

【００２９】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、バーナ２毎に独立した燃
焼用空気供給系・排気系を備えた例について主に説明し
たが、各燃料ノズルから離れた炉壁などに空気孔と排気
孔とをそれぞれ設け、蓄熱体を相対的に回転させて排ガ
スと空気との間で熱交換を行いながら炉内へ直接高温に
予熱された燃焼用空気を連続的に噴出する一方、排気孔
からも連続的に炉内ガスを排出するようにしても良い。
また、上述の説明では、各バーナ２毎に独立した燃料調
節弁４を備えて各バーナ２の燃焼を個々に制御している
が、バーナ２を幾つかの群にまとめてその燃焼を群毎に
制御しても良い。

【００３０】また、本実施例では奇数ユニットで交互切
換蓄熱再生バーナシステムを構成する例を挙げて主に説
明したがこれに特に限定されず、偶数のユニット例えば
６ユニットなどで交互切換蓄熱再生バーナシステムを構
成するようにしても良い。本発明の交互切換蓄熱再生バ
ーナシステムは少なくとも３ユニットあれば構成でき
る。偶数のユニットで構成する場合、炉温を急上昇させ
る時などは同数ユニット（３ユニット）で燃焼バーナと
排気バーナとを形成し、所定温度に昇温後の運転では燃
焼バーナ数を排気バーナ数よりも少なく例えば２燃焼バ
ーナと４排気バーナとして燃焼量を所定量に落とす。こ
の場合、昇温時には、燃焼バーナと排気バーナの比は
１：１の対応であり、空気と排気の流量が同じであれば
空気の圧力損失と排気の圧力損失はほぼ同じである。し
かし、昇温後の運転時には、燃焼バーナを２台に減ら
し、燃焼バーナと排気バーナの比を１対２の対応とする
と、空気の速度は３台で運転した時と比べて２台で運転
するときの方が早くなるので、燃焼量を減らしても燃焼
空気は高速を維持でき、炉内ガスを良く攪拌しかつ巻き
込んで炉内温度を平均化すると共にＮＯｘを低く維持す
ることができる。しかも、一部のバーナを間引きした場
合と異なり、すべてのバーナが時間をずらして燃焼する
ので、炉内温度を均一にすることができる。また、パイ
ロットや燃料ノズルには連続的にまたは断続的に冷却流
体が流れるので過熱焼損しにくい。

【００３１】更に、上述の各実施形態では、炉内温度を
上昇させる昇温運転時と昇温後の運転時とで燃焼させる
バーナの台数と停止させるバーナの台数の比率を可変と
し、昇温運転時の燃焼バーナ台数よりも少ない燃焼バー
ナ台数で昇温後の運転を行うようにした実施形態につい
て主に説明したがこれに特に限定されず、頻繁に再昇温
を繰り返さない炉や急速な昇温を必要とないような炉に
使用するバーナシステムに適用することも可能であり、
この場合には通常運転時の不定在火炎を広範囲に形成し
て炉内温度分布を均一にしたり、排気圧力の低減を可能
とすることができる。例えば、１０ユニットのバーナで
１つのシステムを構成し、燃焼バーナを２ユニット、排
気バーナを８ユニットとして固定的な対を構成しないよ
うに燃焼バーナと排気バーナとをずらしながら全ユニッ
トを順次交互蓄熱燃焼させる。この場合における各バー
ナユニットの蓄熱体圧力損失が４０mmAqとすると、空気
圧力損失は４０mmAqとなり、排気圧力損失は１０mmAq
（４０×２÷８）となる。したがって、送風機は蓄熱体
圧力損失４０mmAqで設計されるが、送風機は蓄熱体圧力
損失１０mmAqで設計可能となる。このため、排気用の送
風機を極めて小さくでき、場合によっては給気用の送風
機と煙突による自然通風で排気を賄うことができること
から排気用送風機を省略することができる。

【００３２】更に、給排切換装置は２個の電磁弁１２，
１３に特に限られず、給気系と排気系とに常時接続され
いずれかに接続されるかあるいはいずれにも接続されな
い中立位置を有する切換手段例えば三方弁、若しくは中
立位置を有さない三方弁などを使用することも可能であ
る。例えば、図４〜図６に示すような給排切換装置２０
を使用することが可能である。この給排切換装置２０
は、円筒から成る外ハウジング２１と、該外ハウジング
２１の内部に回転可能に収容された半円筒形の内ハウジ
ング２２と、この内ハウジング２２を軸方向に付勢し外
ハウジング２１の底面に押しつける付勢手段２３と、内
ハウジング２２を回転ないし揺動させる駆動モータ２４
とからなる。

【００３３】外ハウジング２１は、耐熱性及び耐摩耗性
を有する材料を用いて成形された中空の略円筒体であ
り、その対向する両端面即ち底面と天井面２１ａ、２１
ｂのほぼ中心にはそれぞれ軸孔２５，２６が設けられる
とともに、一方の端面例えば底面２１ａには２つの切換
ポート２７，２８が設けられている。ここで、切換ポー
トとは、バーナ２に対する接続が切り換えられるポート
をいう。また、固定ポートとは、接続関係が固定されて
いるポートをいい、本実施形態の場合バーナに接続され
たポートをいう。本実施形態ではこの切換ポート２７，
２８は円形とされるとともに軸孔２５を中心に１８０度
開いて対称配置されている。これらの切換ポート２７，
２８は内ハウジング２２に設けられた弁口２９とほぼ同
径で必要十分な面積をもって連通可能である。弁口２９
は、いずれの切換ポート２７，２８とも連通していない
ときには座面３０により閉塞され、なおかつ同時に２つ
の切換ポート２７，２８と連通されることがない位置関
係となるように設けられている。また、内ハウジング２
２が当接する外ハウジング２１の底面２１ａには、図示
していないが、メカニカルシールが配設され、内ハウジ
ング２２の外端面との間にシールを構成している。以上
の関係を有するように切換ポート２７，２８や弁口２９
及び座面３０が設定されていれば、外ハウジング２１や
内ハウジング２２の形状等は上述の形状に限定されるも
のではない。切換ポート２７には給気系１７が，切換ポ
ート２８には排気系１６が、固定ポート３１にはバーナ
に接続されるダクト９がそれぞれ接続される。

【００３４】内ハウジング２２は外ハウジング２１の内
部に揺動自在に設けられた半円筒体であり、その一方の
面２２ａには内ハウジング側固定ポート３１、弁口２９
の２つのポートが設けられている。内ハウジング側固定
ポート３１は内ハウジング２２の回転中心に設けられる
円孔であり、この内ハウジング側固定ポート３１にはバ
ーナ２の蓄熱体７が内装された流路に繋がるダクト９が
接続されている。このダクト９は外ハウジング２１の軸
孔２５に嵌合されるとともに軸受け３２により回転自在
に支持され、さらに揺動継手３３等と接続されて、内ハ
ウジング２２の回転中心軸としての役目も果たしてい
る。軸孔２５とダクト９との間には図示していないが例
えばメカニカルシールが構成され、気密な接触を確保す
るように設けられている。なお、内ハウジング２２は左
右両方向に揺動するようにしてもよいし、あるいは一方
向のみに回転するようにしてもよい。

【００３５】弁口２９は内ハウジング２２の揺動角度に
応じて外ハウジング２１に設けられた切換ポート２７又
は２８と合致するように設けられた円形のポートであ
る。この弁口２９はその揺動軸からの距離が気体切換ポ
ート２７、２８の揺動軸からの距離と等しいものとさ
れ、内ハウジング２２の回転によって切換ポート２７又
は２８と全面的にあるいは部分的に重なるように設けら
れている。

【００３６】上述の内ハウジング側固定ポート３１や弁
口２９が設けられた側の内ハウジング２２の面２２ａは
平面とされ、切換ポート２７や２８を閉塞することがで
きる座面３０が形成されている。弁口２９が一方の切換
ポート、例えば図４に示すように切換ポート２８と連通
しているときにはこの座面３０はもう一方の切換ポート
２７を閉塞したりあるいは一部合致したりすることな
く、流体流路が十分に確保されるようになっている。こ
の連通状態から内ハウジング２２が回動すれば弁口２９
と切換ポート２８とが合致している部分が少なくなりや
がて０になるが、このとき切換ポート２８は座面３０に
より閉塞されることになる。このように、弁口２９がい
ずれの切換ポートとも連通していないときには一方ある
いは両方の切換ポートが座面３０により閉塞されるよう
に座面３０は設けられている。なお、本実施形態では内
ハウジング２２を略半円筒の形状としているが、上述の
内ハウジング側固定ポート３１及びダクト９、さらには
上述の関係を有する弁口２９及び座面３０を備える限り
において他の形状であっても構わない。例えば座面３０
の形状は扇形にして、切換え途中には一方の切換ポート
のみを閉鎖できるようにしても良い。この場合、一方の
切換ポートと弁口とが連通する前に他方の切換ポートが
解放されるため、２つの流体の流れのタイミングをずら
すことができる。

【００３７】内ハウジング２２は、前述のダクト９と回
転軸３４とによって外ハウジング２１内に回転自在に支
承されている。回転軸３４は、内ハウジング２２の内ハ
ウジング側固定ポート３１が設けられた側の反対側の面
２２ｂにダクト９と揺動中心軸が等しくなるように設け
られており、軸受け３５により軸支されている。この回
転軸３４はシール等を用いることにより、軸孔２６と気
密に接触している。

【００３８】また、内ハウジング２２は、付勢手段２３
によって外ハウジング２１の切換ポート２７，２８が設
けられた面即ち底面２１ａに押しつけられる方向へ付勢
され気密性が得られている。これによって、気密に切換
ポートが閉塞されることになり２系統の流路即ち給気系
と排気系との同時閉塞がより確実なものとされる。した
がって、ポートの接触面から気体の洩れが生じ難く、ま
た、内ハウジングが繰り返し揺動して接触面が摩耗した
場合にも、その摩耗代を自動的に補完することができ
る。付勢手段２３は外ハウジング２１の天井面２１ｂ
と、内ハウジング２２の一方の面２２ｂとの間隙に設け
られ、座面３０を切換ポート２７，２８に押し付け密着
する。本実施形態では付勢手段２３として圧縮コイルば
ねを用いている。また、この付勢手段２３を弁口２９の
ほぼ真上に位置するように設ければ弁口２９を均一的に
切換ポート２７，２８に密着させるように付勢させるこ
とができる。このとき、内ハウジング２２の上部に内ハ
ウジング２２内に凹むばね収容凹部３６を設けて、該凹
部３６に付勢手段２３を軸方向に設置するようにすれ
ば、内ハウジング２２内に導入される低温側流体によっ
てばねが冷却されるので好ましい。さらに、付勢手段２
３の上端部を図示していないボール等の転動体で受ける
ようにすれば、揺動する内ハウジング２２に滑らかに追
従させることができる。なお、付勢手段２３を設ける代
わりに内ハウジング２２の自重によって付勢させること
も可能である。

【００３９】駆動モータ２４は、外ハウジング２１の外
に設置され、駆動軸３４を介して内ハウジング２２を回
動させる。モータ２４としては、例えばステッピングモ
ータを用いれば、精度の高い位置決めを行うことができ
る。

【００４０】以上のように構成された給排切換装置１に
よると、図４に示すように弁口２９が一方の切換ポート
２８に連通されている場合には、もう一方の切換ポート
２７は座面３０から解放され閉塞されていない。したが
ってこの切換ポート２７は外ハウジング２１によって閉
塞される。これにより内ハウジング２２の内側を排ガス
が流れる。また、内ハウジング２２が駆動モータ２４に
より１８０°回転されることによって、弁口２９が切換
ポート２７と連通したときには、今までとは逆に排気系
１６が遮断され、内ハウジング２２を燃焼用空気が流れ
る。

【００４１】また、図５で示すように弁口２９が中立位
置にありどちらの切換ポートとも連通していないときに
は、両切換ポート２７，２８が座面３０により閉塞さ
れ、排気系１６と給気系１７とがバーナ２から遮断され
る。この中立位置では、蓄熱体７には空気も排ガスも通
過せず、その状態を保持するので、直前まで排ガスを流
して蓄熱している場合には、その蓄熱状態を保持でき、
次にそれを冷却する行程即ち空気を高温予熱する行程か
ら始めることができる。しかも、流体への圧力を変化さ
せたりあるいは途中で流体を止めたりすることなく流体
の流通を遮断することができる。

【００４２】そして、内ハウジング２２を更に図上反時
計回転方向へ回動させれば、座面３０が切換ポート２８
の上から外れ、切換ポート２８を解放する。即ち、切換
ポート２８は外ハウジング２１によって閉塞され、排気
系１６は遮断される。更に内ハウジング２２の回転が進
むと、切換ポート２７と弁口２９とが重なり、内ハウジ
ング２２の固定ポート３１と切換ポート２７とが内ハウ
ジング２２を介して連通され、給気系１７がバーナ２に
接続される。なお、流路の切換えには少なくとも一方の
切換ポートを座面３０により閉塞すれば足りるが、本実
施形態の場合切換ポート２７，２８を両方とも同時に閉
塞する状態を作り出すようにしている。

【００４３】切換ポート２７及び切換ポート２８を内ハ
ウジング２２の座面３０により同時に閉塞させれば（図
５の状態）、燃焼用空気の供給が止められてバーナ２の
燃焼が停止されるとともに排ガスの流れも止められ、蓄
熱体７の過熱が抑止される。このときも内ハウジング２
２は付勢手段２３により軸方向へ座面３０が押し付けら
れるように付勢されており、燃焼用空気や排ガスの流れ
を遮断することができる。したがって、この切換ポート
２７，２８及び弁口２９を閉塞させる時間を適宜調節す
ることによって、バーナ２や蓄熱体７の温度を調節する
インターバル制御を行うことができる。

【００４４】この切換手段を使用すると、内ハウジング
２２を回転させることにより２つの連通状態と閉塞状態
とを簡便に切り換えることができる。しかも、面摺接に
よるシールであるため、気体洩れ（リーク）が起こり難
い。このため、例えばこの装置をバーナシステムに適用
すれば、燃焼用空気が排ガス流路側に洩れることがなく
なり燃焼の空気比を正確にコントロールできるようにな
る。さらに、内ハウジング２２を回転させることによっ
て切換ポート２７，２８と弁口２９との重なりにより流
路を切り換えるようにしているので、流路切換時の流れ
の変化によるショックを少なくするか、あるいはなくす
ことができる。したがって、バーナの切換時に大きな炉
圧変動等が起きるのを防ぐことができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の交
互切換蓄熱再生バーナシステムによると、全てのユニッ
トのバーナが時間をずらして燃焼するので、非定在火炎
をより広範囲に形成し、局所的な高温域の発生を抑制し
た平坦な温度分布を形成できる。しかも、燃焼用空気の
噴射速度を高速に保持できた上で全てのユニットのバー
ナが時間をずらして燃焼するため、炉内ガスの流動が短
時間に変化して活発になり、局所的な高温域の発生を抑
制した平坦な温度分布を形成できる。したがって、被加
熱物への偏熱をなくして均一加熱を可能とすると共にＮ
Ｏｘの発生が一層抑制される。

【００４６】また、蓄熱体の中を流れる流体速度は空気
のときは速く、排気のときは遅くなり、冷却の伝熱の伝
熱の方が良好となるため、蓄熱体の効率は良くなる傾向
となる。しかも、同じ燃焼量であっても、燃焼バーナの
数の増減によりバーナスロートから噴出される燃焼用空
気等の速度を変化させ得るので、空気速度を高速に維持
できるので、一時的に高い燃焼量が必要なバーナを燃焼
量を下げて定常運転する時でも空気速度を高く保ってＮ
Ｏｘを低く抑えることができる。

【００４７】また、パイロットや燃料ノズルには連続的
にまたは断続的に冷却流体が流れるので過熱焼損し難
い。

【００４８】更に、燃焼バーナ数を減らして燃焼量を下
げる場合、排気圧損を下げて排気用ファンの動力を下げ
ることができる。特に、燃焼バーナと排気バーナとの差
を極端に広げて大きくすれば、不定在火炎の範囲を広げ
つつ送風機と煙突による自然通風で排気が可能となるの
で、排気用送風機の省略が可能となる。

【００４９】斯くして、本発明の交互切換蓄熱再生バー
ナシステムを適用した炉によれば、燃焼量に関係なく炉
内温度を局所的高温部分が生じない平坦な温度分布に形
成できるので、被加熱物への偏熱をなくして均一加熱を
可能とすると共にＮＯｘの発生が一層抑制される。ま
た、燃焼負荷を変えても炉内に局所的高温部分が生じな
いので、炉の立ちあげ時に最高負荷で操業準備に入れる
ため最小時間で操業が開始できる。

【００５０】また請求項２記載の交互切換蓄熱再生バー
ナシステムによると、バーナが対を組まないでも好適な
蓄熱再生燃焼を熱効率よく実現できる。

【００５１】また、請求項３及び４記載の交互切換蓄熱
再生バーナシステムによると、バーナが給気系あるいは
排気系のいずれかに接続されるか若しくはいずれにも接
続されない中立位置に切換わるようにしているので、中
立位置にすることによって、蓄熱体を過熱から保護する
ことができ、しかもその蓄熱状態を保持して次にそれを
冷却する行程即ち空気を高温予熱する行程から始めるこ
とができる。

【００５２】更に、請求項５記載のバーナシステムの燃
焼制御方法によると、一時的に高い燃焼量が必要なバー
ナを燃焼量を下げて定常運転する時でも空気速度を高く
保つことができるため、炉内での燃焼ガスの活発な流動
が維持されて炉内温度の平坦化とＮＯｘの発生の抑制が
可能である。また、燃焼負荷を変えても炉内に局所的高
温部分が生じないので、炉の立ちあげ時に最高負荷で操
業準備に入れるため最小時間で操業が開始できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の交互切換蓄熱再生バーナシステムの実
施形態の一例を示す概略原理図である。

【図２】本発明の交互切換蓄熱再生バーナシステムの他
の実施形態を示す概略原理図で、急速昇温時の燃焼状態
を示す。

【図３】図２の交互切換蓄熱再生バーナシステムの昇温
後の定常運転時の燃焼状態を示す。

【図４】本発明の交互切換蓄熱再生バーナシステムの給
排切換装置の他の実施形態の一例を示す概略的に示す中
央縦断面図である。

【図５】図４の給排切換装置の平面横断面図で、連通状
態を示している。

【図６】図４の給排切換装置の平面横断面図で、中立状
態を示している。

【符号の説明】

１ 交互切換蓄熱再生バーナシステム ２ バーナ ７ 蓄熱体 １２，１３ 給排切換装置 １４ 排気ファン １５ 給気ファン １６ 排気系 １７ 給気系 １８ 炉 １９ 炉内 ２０ 給排切換装置 ２１ 外ハウジング ２２ 内ハウジング ２７ 給気系に接続された切換ポート ２８ 排気系に接続された切換ポート ２９ 弁口 ３０ 座面 ３１ バーナに接続された固定ポート

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄熱体を備えるバーナと該バーナの給気
   系と排気系への接続を切り換える給排切換装置とで構成
   される交互切換蓄熱再生バーナを単位ユニットとして３
   ユニット以上で燃焼システムを構成し、燃焼させるバー
   ナの台数と停止させるバーナの台数の比率を可変とし、
   前記ユニットが固定的な対を組まないで順次全ユニット
   が交互蓄熱燃焼を繰り返すことを特徴とする交互切換蓄
   熱再生バーナシステム。
2. 【請求項２】 全ユニットを通して順次排気される排ガ
   スが燃焼用空気１に対して１．２から０．６の範囲であ
   ることを特徴とする請求項１記載の交互切換蓄熱再生バ
   ーナシステム。
3. 【請求項３】 前記給排切換装置は、前記給気系と排気
   系とが常時接続される三方弁機能を有し、かつ前記バー
   ナが給気系または排気系のいずれかに接続されるか若し
   くはいずれにも接続されない中立位置を有することを特
   徴とする請求項１または２記載の交互切換蓄熱再生バー
   ナシステム。
4. 【請求項４】 前記給排切換装置は、前記給気系と排気
   系とが常時接続される２つの切換ポートを備える外ハウ
   ジングと、該外ハウジング内に収容されて回転自在に設
   けられた内ハウジングとから構成され、かつ前記内ハウ
   ジングはその回転中心上にバーナに常時接続されるポー
   トと、前記外ハウジングの内面と摺接して前記２つの切
   換ポートを任意に閉塞する座面と、この座面に開口され
   て前記２つの切換ポートの一方と選択的に連通可能な弁
   口とを備え、前記内ハウジングの回転によって前記バー
   ナが給気系あるいは排気系のいずれかに接続されるか若
   しくはいずれにも接続されない中立位置に切換わること
   を特徴とする請求項３記載の交互切換蓄熱再生バーナシ
   ステム。
5. 【請求項５】 請求項１から４の何れかに記載の交互切
   換蓄熱再生バーナシステムにおいて、炉内温度を上昇さ
   せる昇温運転時と昇温後の運転時とで燃焼させるバーナ
   の台数と停止させるバーナの台数の比率を可変とし、昇
   温運転時の燃焼バーナ台数よりも少ない燃焼バーナ台数
   で昇温後の運転を行うことを特徴とする交互切換蓄熱再
   生バーナシステムの燃焼制御方法。