JP4248738B2

JP4248738B2 - Non-oxidation reduction combustion method and burner apparatus

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Publication number: JP4248738B2
Application number: JP2000245389A
Authority: JP
Inventors: 淳須藤; 敏明長谷川
Original assignee: 日本ファーネス株式会社
Priority date: 1999-08-17
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2020-08-11
Also published as: JP2001124328A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はバーナ装置及びその燃焼方法の改良に関する。更に詳述すると、本発明は、無酸化燃焼あるいは還元燃焼を行うバーナ装置並びにその燃焼方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、鉄鋼,非鉄金属,セラミックス等の各分野では、材料の熱処理工程において、酸化や発生スケールの減少化や材料品質向上や改質のために、空気比０．５〜０．９５（各対象炉によって運転空気比は異なる）の無酸化還元燃焼が行われる。例えば、従来の無酸化燃焼炉の代表的な例として図９に示されるセラミック焼成炉１０２の場合は、複数の還元型バーナ（理論空気比以下の燃焼が可能）１０１が設置され、ワーク１０３がこの無酸化雰囲気の中で加熱され（例えば常温→１，２５０℃）、抽出されて次の加工工程に搬送されるように設けられている。燃焼ガス中のすす発生はバーナ１０１の工夫された混合機構により極力抑制されるがＣＯの発生は当然避けることは出来ない。そこで、通常、ＣＯは、炉の出口近傍に設置されたアフターバーナ１０４にて燃焼されたあと、排ガスを１ヶ所のレキュぺレータ１０５を通過させ、ここで燃焼用空気と熱交換され、通常３００〜４００℃にして煙突１０８から排出される。レキュペレータ１０５をもたない設備も数多く存在する。尚、図中の符号１０６は送風機、１０７は排風機である。
【０００３】
このような無酸化還元燃焼は、もっぱらガスを主とする燃料が用いられるが、通常のバーナでは低空気比燃焼および理論空気比以下の燃焼の場合には燃焼ガス中にＣＯの他、多量のすすが発生し易く、燃焼を安定に維持することが困難となる。
【０００４】
そこで、無酸化雰囲気用バーナーでは、フリーＯ_２（残存Ｏ_２）の発生を抑制するために燃料と空気の初期混合を促進させたり、安定性を増すために一部空気を燃料に予混合するような特別な工夫が成されている。例えば、図１０に示すバーナ１０１のように、エアインテーク１１４から導入した燃焼用空気をバーナタイル１１０の入口部分の燃料噴射ノズル１１３の周りに環状配置した何十という小さな孔の空気ノズル１１１から強い旋回をかけて噴射させるミキシング構造を備え、バーナタイル１１０の空間１１２で燃料ガスと燃焼用空気との初期混合が急速に行わせるように設けられている。このミキシング構造を有するバーナ１０１の場合、空気比０．６位まで発煙しない。尚、図中の符号１１５はパイロットバーナである。
【０００５】
一方、省エネルギーや低ＮＯｘ性、均一温度分布特性に優れた蓄熱バーナ技術をこれら空気比０．５〜０．９５の無酸化還元雰囲気燃焼に適用しようという試みも為されているが、現在未だ実用化に至っていない段階である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０のミキシング機構を有する従来の無酸化バーナ１０１では、省エネルギーにならないばかりか、それ以上のすすの発生を抑えることもできない。即ち、発煙が無いと言っても、バッカラッカスモーク指数で３程度であり、発煙としては認められないという程度である。また、図１０のような無酸化バーナ１０１は混合性を確保するためには複雑なミキシング機構とバーナタイル１１０とを必要とすることから、大きさに限界があり、スケールアップ（燃焼量の増大）が必要な場合にはバーナ数を増やさざるを得ず、何台ものバーナを集合させようとしても収まりきらない問題がある。
【０００７】
他方、蓄熱バーナは、燃焼用空気を１，０００℃またはこれ以上に予熱するためＮＯｘが増加し易い。このため燃料と空気の噴出ノズルを一定距離以上に離し、燃料を空気噴流に平行に噴出させて初期混合を遅らせると同時に高速の空気噴流を用いて炉内のガス循環効果を最大限に生かすことによって、高温空気を排ガスで希釈し、低酸素状態で燃焼反応を行わせて火炎中に局所的高温領域を形成させないことでＮＯｘを下げるようにしている。
【０００８】
しかも、蓄熱バーナの場合、通常の無酸化バーナに比べて予熱空気温度が高く（７００〜１，０００℃）、一般のハイドロカーボン系燃料のすす生成温度領域に近いことから、通常バーナよりすすの発生を促進する傾向がある。
【０００９】
このため、理論空気比未満での無酸化還元燃焼では初期混合が極めて遅れた緩慢な燃焼となるためどうしてもすすの発生を伴う。本発明者の実験によれば、バッカラッカスモーク指数で８〜９であり、ＮＯｘの発生も多かった。
【００１０】
そして、このすすの発生は、蓄熱体の閉塞を招き、蓄熱体の性能低下、圧損の増大、メンテナンスの頻度増大が懸念される。
【００１１】
また、短い周期で高温ガス（１，０００℃以上）がバーナ内に逆流するため（エアスロート即ち空気通路が排ガス通路にもなる）、熱的及び圧力損失の制限から、図１０に示す無酸化バーナのような燃料と空気の複雑な初期混合機構をもつことが困難であるし、また金属の使用も制限される。このため、未だ実用化に至っていないのが現状である。
【００１２】
本発明は、すすの発生が少なく、残存酸素の極小化が可能な無酸化還元燃焼方法及びバーナ装置を提供することを目的とする。また、本発明は、省エネルギーや低ＮＯｘ性、均一温度分布特性に優れた蓄熱バーナ技術を理論空気比未満特に空気比ｍが０．５＜ｍ＜１．０の無酸化還元雰囲気燃焼に適用可能とする無酸化還元燃焼方法及びバーナ装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、理論空気比未満の燃焼用空気で無酸化あるいは還元燃焼させるバーナ装置において、蓄熱メディアとこの蓄熱メディアに対し燃焼排ガスと燃焼用空気とを交互に導く流路切替手段と、前記蓄熱体を通して燃焼排ガス温度に近い高温に予熱された理論空気比未満の燃焼用空気を定格運転時に通常燃焼時の流速またはこれよりも高流速で炉内へ向けて噴射させるエアスロートと、前記エアスロートの出口からある距離を隔てた位置で前記空気噴流と衝突させるべく燃料を噴射する燃料ノズルとを有し、前記エアスロートの相当直径ｄｅと前記エアスロートの中心から前記燃料ノズルの中心までの間隔１／２Ｄpcdとの比ｄｅ／Ｄpcdが０．１０〜０．５０の範囲であり、かつ燃料噴流軸と前記エアスロートの長手方向の中心軸上平面との交点と前記エアスロートの出口面までの距離Ｌａに対する前記エアスロートの相当直径ｄｅの比Ｌａ／ｄｅが１．０〜５．０の範囲で燃料を噴射するものであり、前記エアスロートと前記燃料ノズルとの組を環状に複数台、相互に接近させて設置し大型燃焼機を構成するようにしている。この場合、空気と燃料とが炉内へ噴射された直後に衝突して急速に混合される。この良好な初期混合はフリーＯ_２の極小化およびすすの極小化に繋がる。また、空気噴流の出口からある距離を隔てた位置で燃料と空気とを衝突させる燃料ノズル位置が設定できる。ここで、定格運転時とは、例えば炉内温度が８００℃以上に達した状態における燃焼時などの、設計前提条件を満たしている運転を意味する。
【００１４】
蓄熱体を介して炉内へ高速で噴出される燃焼用空気は排気ガス温度に近い高温に予熱されるため混合気の自己着火温度以上となっている。したがって、炉内へ噴出された燃焼用空気と燃料とは噴射直後に急速に混合されると同時に酸化発熱反応を開始する。しかも、高速の燃焼用空気の流れによって燃焼室あるいは炉内での燃焼ガスの挙動・循環が活発になり、燃焼室内温度分布が平坦化されて局所的高温域のない平坦な温度分布の燃焼場が形成される。即ち、燃料と空気の初期混合の促進が図られると共に炉内排ガスの循環効果が促進される。この初期混合の促進と排ガス循環効果により未燃のすす発生とＮＯｘの発生を抑制することができる。
【００１５】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の無酸化還元燃焼用バーナ装置において、燃焼用空気を、扁平な矩形状の開口形状であるエアスロートから噴射されるようにしている。この場合、空気噴流表面積が増加し、排ガス循環による希釈効果をより高めて、すす発生を極小化することが可能となる。特に、燃料との接触面積が広がり、初期混合がより急速なものとなる。
【００１６】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の無酸化還元燃焼用バーナ装置において、バーナ本体のアエスロートに蓄熱メディアを内蔵すると共に、該バーナ本体に三方弁から成る流路切替手段を直結し、バーナ本体の直近で燃焼用空気と排ガスとの切替えを行うようにしている。この場合、バーナ切換時の給気・排気の送気遅れ時間を最少化し、ＣＯ濃度を安定化させると同時に切換時のフリーＯ_２を極小化する。即ち、蓄熱メディアと流路切替手段との間のダクト分のパージ容積が不要となる分だけそこに残留する排ガス量も少なくなり、切替時のパージ用空気の量が極微量となるため、切替時に酸素濃度が高くなることを防いで、このような事態を絶対に避けたい熱処理などにおいてフリーＯ_２の悪影響を与えないようにすることができる。
【００１７】
また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の無酸化還元燃焼用バーナ装置において、セラミックハニカムを蓄熱メディアとして内蔵した蓄熱バーナを用いるようにしている。ここで、ハニカムのセル数は１０〜２００セル/ｉｎ^２であることが好ましい。この場合、すすの発生に対して、閉塞や汚れによる性能低下が極めて起りにくい。また、高温空気燃焼の特性を生かしたバーナの構造によるすすの発生の極小化、火炎中の局所高温部形成を抑えることによるＮＯｘ値の抑制及びフリーＯ_２（残存Ｏ_２）の極小化を可能とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１に本発明の無酸化還元燃焼方法を実施する無酸化燃焼バーナ装置の一例を示す。この実施形態の無酸化燃焼バーナ装置１は、２基で対を成し、燃焼と排気を数十秒間のインターバルで交互に繰返すように燃焼が燃焼制御装置（図示省略）で制御されている。燃焼排ガスは休止中のバーナ内を通過し、バーナに内蔵されたハニカム状蓄熱メディア２に熱を与えることにより冷却されてバーナ１に接続されている流路切替手段たる切換弁（三方弁）３を経由して、排風機（図示省略）を通って煙突等に至る。ここで、ＣＯを含む燃焼排ガスは、図示していないが煙突の入口に設けられたアフターバーナ等の後処理設備８において再燃焼され、煙突より排出される。一方、蓄熱バーナ１では各々内蔵した蓄熱メディア２で排ガスから回収した熱によって燃焼空気を予熱する。そして、この高温予熱空気を使って無酸化還元燃焼を行う。
【００２０】
各蓄熱バーナ１は、例えば図１及び図２に示すように、蓄熱メディア２と、第２の燃料ノズル１１と、流路切替手段たるフラッパ式三方弁（スイッチバルブ）３及びこれらを支持するバーナ本体１０並びに必要に応じて第１の燃料ノズル１２とから構成され、耐火耐熱物から成るバーナ本体１０に蓄熱メディア２と第２の燃料ノズル１１及び第１の燃料ノズル１２とを内蔵している。そして、バーナ本体１０のエアスロート１３に収容されている蓄熱メディア２との間に余分な隙間を開けないようにしてフラッパ式三方弁３が直結され、バーナ本体１０の直近で燃焼用空気と排ガスとの切替えを行うように設けられている。
【００２１】
ここで、フラッパ式三方弁は、図１に示すように、バーナ本体１０に直結されるポート１４に対し斜交する２つの斜面に他の２つのポート１５，１６を設けたハウジング１７と、２つの斜面の間のコーナー部分に配置される切替シャフト１８と、該切替シャフト１８に支持されて２つの斜面のポート１５，１６の間で揺動し両ポート１５，１６のいずれか一方を閉じるフラッパ１９と、切替シャフト１８を所定角度内で揺動させるアクチュエータ（図示省略）とから構成されている。そして、斜面の一方のポート１５には，燃焼用空気供給系統２０が、他方のポート１６には排気系統２１がそれぞれ連結されている。このように構成されたフラッパ式三方弁３は、フラッパ１９が揺動する範囲で占められる最小の空間Ｓから成り、給気と排気との切替時にパージする容積が極めて小さくなり、残留する排ガスを空気に入れ換えるための時間を短くして無駄な時間が切替時間に占める割合を小さくする。加えて、三方弁３と蓄熱メディア２とは近接して設けられており、排ガスから燃焼用空気への切替時に三方弁３から蓄熱メディア２にかけて残存する排ガスの量が極微量であり、バーナ本体１０と三方弁３とを繋ぐべきダクト分のパージ容積が不要となる分だけパージ容積が小さくなる。残留する排ガスを空気と入れ替える時間を短くできるので高速切替を可能とする。このため一方の蓄熱バーナを消火するのとほぼ同時に他方の蓄熱バーナを着火することができ、フリーＯ_２を少なくすることができる。
【００２２】
また、第２の燃料ノズル１１は、詳細に図示していないが、必要に応じてパイロットバーナ等を備え、燃料ガンだけを単独に取り外すことができるように構成されている。この燃料ガンの後端には図示していないが燃料遮断用電磁弁などを含む燃料ガンアッセンブリが備えられる。
【００２３】
この第２の燃料ノズル１１は、エアスロート１３の出口１３ａからある距離を隔てた位置、具体的には近い所で空気噴流と衝突させるべく燃料を噴射するように設けられている。例えば本実施形態の場合、図３に示すように、定格運転時に主に燃料を噴射するノズル即ち第２の燃料ノズル１１は、エアスロート１３の相当直径（面積を円に換算したときの直径）ｄｅとエアスロート１３の中心から燃料ノズルの中心までの間隔１／２Ｄpcdとの比ｄｅ／Ｄpcdが０．１０〜０．５０の範囲で、かつ燃料噴流軸とエアスロートの長手方向の中心軸上平面との交点とエアスロート１３の出口面までの距離Ｌａに対するエアスロートの相当直径ｄｅの比が１．０〜５．０の範囲で設定される。尚、図中の符号αは第２の燃料ノズル１１から噴射される燃料の衝突噴射角度である。
【００２４】
また、バーナ本体１０は、先端開口１３ａが蓄熱メディア２を収容する部分よりも絞られて扁平な矩形状に形成されたエアスロート１３を有している。そして、このエアスロート１３からは、定格運転（炉内温度８００℃以上）時に通常燃焼時の流速またはこれよりも高流速で理論空気比未満（例えば空気比ｍが０．５＜ｍ＜１．０）の燃焼用空気が炉内へ向けて噴射される。燃焼用空気はエアスロート１３の開口形状に倣って扁平な矩形状に整形されてから炉内へ噴射される。このため、燃料噴流に対して広い面積で衝突することとなる。同時に、このスロート形状によれば、バーナ本体１０を構成する耐火耐熱物によって蓄熱メディア２が覆われることから、炉内からの輻射熱に対して蓄熱メディア２を保護することができる。尚、エアスロート１３の開口形状は、図示の扁平な矩形状に特に限定されず、図５に示すような楕円形や、図４に示すような円形あるいは図示していないその他の形状例えば正方形や三角形若しくはその他の多角形などの形状が必要に応じて適宜採用される。
【００２５】
この所定の空気流速は、図示していない送風機、排風機並びにエアスロート１３の大きさ等を適切に設計することによって得られる。このエアスロート１３の先端の開口１３ａの大きさを変えることで、燃焼用空気の噴射速度（運動量）を自由にコントロールすることができ、火炎の形状及び性状を変えることができる。
【００２６】
尚、本実施形態の場合、蓄熱メディア２を装填したエアスロート１３に対し２本の第２の燃料ノズル１１を対象に配置して１ユニットのバーナを構成しているがこれに特に限定されず、１本のエアスロート１３に対し１本の燃料ノズル１１を、あるいは１本のエアスロート１３に対し３本以上の燃料ノズル１１を配置して１ユニットのバーナを構成するようにしても良い。例えば、バーナが大型でエアスロート１３が細長い矩形の場合には、燃料を空気噴流に均等に衝突させるため、図２に示すようにエアスロート１３を挟んで２本の第２の燃料ノズル１１を対象に配置して空気噴流を挟むように燃料を噴射するようにしているが、更には片側に２本ずつ配置して計４本配置することもある。
【００２７】
また、蓄熱メディア２は、その材質、構造については特に限定を受けるものではないが、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材料、例えばセラミックスで成形されたハニカム形状のセル孔を多数有する筒体の使用が好ましい。この場合、蓄熱容量の割に圧損が低いため、送風機及び排風機の能力を特別に上げずとも給気と排気とが実施可能である。例えば１００mmＡｑ以下の低圧損で実現できる。また、蓄熱メディア２としては、例えば、排ガスのように１０００℃前後の高温流体と燃焼用空気のように２０℃前後の低温流体との熱交換には、コージライトやムライト、アルミナ等のセラミックスを材料として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、ハニカム形状の蓄熱メディア２は、その他のセラミックス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、気孔を完全に埋め尽くしたＡｌ_２Ｏ_３−Ａｌ複合体、ＳｉＣ−Ａｌ_２Ｏ_３−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、本来六角形のセル（穴）を意味しているが、本明細書では本来の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メディアを得るようにしても良い。尚、ハニカム形状とは、本来六角形のセル（穴）を意味しているが、本明細書では本来の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メディアを得るようにしても良い。
【００２８】
また、蓄熱メディア２の形状も特に図示のハニカム形状に限定されず、図示していないが筒状のメディアケースに平板形状や波板形状の蓄熱材料を放射状にあるいは環状に配置したり、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充填したり、ボール状やナゲット状の蓄熱材を充填したり、更にはパンチングメタルのような多孔・耐熱鋼板等を単独であるいは積層するように収納したものであっても良い。
【００２９】
尚、本実施形態の蓄熱バーナ１に用いられる蓄熱メディア２は、ハニカム状のセラミック（セル数１０〜２００セル／ｉｎ^２）であり、この小ブロック（５０ｍｍ□〜２００ｍｍ□×５０ｍｍｈ）が通常４〜１０段垂直に重ねられて用いられる。ハニカム状の通路の中を排ガスと空気が短時間例えば約３０秒毎に交互に逆方向に流れる。このようにハニカム内の流れに、局所的な乱流域や低流速がない往復動のため、一旦すすが発生したとしてもすすが付着したり堆積することは少ない。このため長期使用においても蓄熱体の清掃や交換の必要はなく、メンテナンスが不要であることも特長である。
【００３０】
以上のように構成された無酸化燃焼バーナ装置によれば、次のようにして操業される。
【００３１】
まず、炉内温度が常温から決められた温度（高温燃焼が実施可能な温度で、例えば８００℃程度以上）に昇温するまでは、立ち上げ用の第１の燃料ノズル１２及び必要あれば定格運転用の第２の燃料ノズル１１から燃料を噴射してバーナを運転する。所定温度へ昇温した後は、定格運転用の第２の燃料ノズル１１からだけの燃料噴射に切り替えて第１の燃料ノズル１２からの燃料噴射を停止する。勿論、場合によっては第１及び第２の双方の燃料ノズル１１，１２から燃料を噴射することもある。そして、フラッパ式三方弁を動作させて交互燃焼運転を行う。
【００３２】
交互燃焼は、隣接する２セットのバーナでペア（ＡバーナおよびＢバーナ）を組み、一方のバーナが燃焼モードの時、他方のバーナは排気モード（炉内の燃焼ガスを吸引し炉外へ排出する）となる。排気はバーナ本体１０のエアスロート１３から蓄熱メディア２を経て、排ガスの顕熱を蓄熱メディア２で回収して低温にしてから行われる。そして燃焼時に、蓄熱メディア２に燃焼空気を通すことで、炉内燃焼ガス温度に近い予熱空気が得られる。第２の燃料ノズル１１は燃焼空気の供給とほぼ同一タイミングで燃料を供給する。通常、定格運転時に炉内へ直接燃料を噴射する第２の燃料ノズル１１にはパイロットバーナが組み込まれず一次空気を使用しないが、第１の燃料ノズル１２などで冷却のため空気を流す場合にはこの冷却用空気を含めて全体に理論空気比未満の空気比となるように供給空気量と燃料量とが調整されている。また、フラッパ式三方弁３と同期して一対のバーナの各ガス電磁弁は開閉する。
【００３３】
このとき、第２の燃料ノズル１１から高速度で噴射される燃料と、エアスロート１３から高速度で噴射される燃焼用空気とは、それらの間の相似則を保ちながらエアスロート１３の出口１３ａからある距離Ｌａを隔てた位置で衝突し、急速に初期混合を起こして理論空気比未満での無酸化還元燃焼を起こす。ここで、通常燃焼時の流速またはこれよりも高流速でかつ高温の燃焼用空気噴流と燃料噴流とが炉内への噴射直後に激しく衝突して急速に混合され、拡散燃焼すると共に周囲の燃焼ガスを随時取り込んで還元させ低ＮＯｘ化すると共に炉内のガス流動を激しくして局所高温域のない平担な温度分布を形成する。
【００３４】
そして、一対の蓄熱バーナ１の切替は、所定の切替時間経過後例えば約３０秒後に燃焼モードと排気モードの役割を入れ替える。燃焼するバーナの切替は、ペア毎にタイミングをずらし、順次行うことにより、炉内圧力の変動を最小限にすることが好ましい。いずれの場合にも、Ａバーナ燃焼とＢバーナ燃焼の間には休止時間と呼べるほどのものは設けられておらず、切替運転用燃料弁はＡバーナの閉止とほぼ同時にＢバーナが開放される。即ち、バーナ本体１０とフラッパ式三方弁３とが直結された本実施形態の場合、切替時間にはパージ時間が極めて短時間（例えば消して着けるまでが０．３秒以内のパージ時間）しか採られず、消すと同時に対となる相手側のバーナが着火するように設けられている。これによって、炉圧変動をほぼ１／４程度に小さく抑えることができると共に、フリーＯ_２を極小化できる。
【００３５】
ここで、三方弁３の切替は、予め決められた切替時間に基づいて行っても良いが、熱電対で測定される排ガス温度によって切替られることもある。排気温度は例えば２００℃から３００℃の間で管理されることが好ましい。
【００３６】
尚、交互燃焼は上述したように固定的にペアを組んで行う場合に限られず、順次ペアを組む相手バーナを変更するようにしても良い。例えば、図示していないが、図１の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燃焼を繰り返すようにしても良い。この場合、全てのユニットのバーナが時間をずらして尚かつ切替の際のパージ時間をできるだけなくして燃焼するため、広い範囲で非定在火炎を形成しながら交互燃焼を成立させることができる。したがって、図１に示す実施形態の交互燃焼バーナシステムよりも火炎の非定在化が進み、炉内温度分布がより均一化される。また、燃焼量を落としても燃焼バーナの数の増減によってエアスロートから噴出される燃焼用空気の速度を高速に維持でき、初期混合を良好な状態に維持すると共に炉内ガスの流動を活発に保持して、すす、フリーＯ_２、ＮＯｘの抑制を図りつつ局所的な高温域の発生を抑制した平坦な炉内温度分布を形成可能とする。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。
【００３７】
図６〜図８に他の実施形態を示す。この実施形態は、例えば、本構成条件を大型装置に適用した代表的な例（高温熱風発生設備）を示すものである。このバーナ装置には、エアスロート１３と定格運転時に使用する第２の燃料ノズル１１とが環状に交互に配置され、全体で１つの大型燃焼機が構成されている。本実施形態の場合、６箇所の矩形状（小判型）のエアスロート１３と６本の第２の燃料ノズル１１とが交互に環状に相互に接近させて設置されることによって１つの大型燃焼機を構成するようにしている。尚、図中の符号１２は立ち上げ用のパイロットバーナ付き第１の燃料ノズル、３１はウィンドボックス、３２は炉内である。
【００３８】
このバーナ装置においても、第２の燃料ノズル１１は、エアスロート１３の相当直径ｄｅとエアスロート１３を挟む２つの燃料ノズル間隔Ｄpcdとの比ｄｅ／Ｄpcdが０．１〜０．５の範囲で、かつ燃料噴流軸とエアスロートの長手方向の中心軸上平面との交点とエアスロート出口面までの距離Ｌａに対するエアスロートの相当直径ｄｅの比Ｌａ／ｄｅが１．０〜５．０の範囲で設定される。
【００３９】
そして、燃焼用空気はウィンドボックス３１に導入され、各蓄熱メディア２を経て各々のエアスロート１３の出口１３ａから炉内へ通常燃焼時の流速またはこれよりも高流速で噴区射され、周辺の第２の燃料ノズル１１から噴射される燃料がエアスロート１３の出口からある間隔を隔てた近い位置例えば上述の各範囲を満たす位置で高速に衝突させられ、急速に混合される。
【００４０】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施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、本実施形態では流路切替手段として主にフラッパ式三方弁３について説明したが、これに特に限定されるものではなく、ボウル型や円筒型の三方弁の他、特願平７−２１７４４８号に開示されている三方弁、あるいは特願平４−２１６４７３号に開示された切換弁や四方弁などが使用可能である。本実施形態の場合、フラッパ式三方弁が流路切換器として採用されているがこれに特に限定されるものではなく、蓄熱メディアに連通する部屋に突出して互いに対向する２つのポートの間でピストンが移動していずれか一方のポートと部屋とを選択的に連通させるピストン式三方弁などを用いても良い。
【００４１】
また、本実施形態では、交互燃焼について主に説明したが、これに特に限定されるものではなく、連続燃焼式蓄熱バーナ構造とすることも可能である。即ち、エアスロート１３と排気通路とを独立させて別々に設け、排気通路から連続して炉内ガスを排出する。一方、エアスロートから高温予熱された燃焼用空気を連続供給して連続燃焼させることも可能である。この場合、蓄熱メディアに対して排ガスと燃焼用空気とを連続的に途切れることなく通過させることが必要となるので、例えば蓄熱メディアをエアスロート１３の外に配置して回転させ、あるいは蓄熱メディアに対して排ガス流路と空気流路とを回転させるかあるいは切り替え、燃焼排ガスと燃焼用空気とを相対移動する蓄熱メディアに対して異なる領域・位置で同時に通過させるようにしている。これによって、蓄熱メディアの加熱された部分に空気が流されて高温に予熱されることとなる。
【００４２】
また、燃料は、ガス燃料に限らず、オイル燃料あるいはオイル・ガス燃料を併用することも可能である。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載の発明のバーナ装置によると、空気と燃料との混合不良を招かずに空気噴流の出口から近い距離で燃料と空気とを衝突させる燃料ノズル位置が設定できる。更に、燃焼装置の大型化の要請に容易に応えることができる。しかも、蓄熱メディアを介して混合気の自己着火温度以上の高温（排気ガス温度に近い高温）に予熱された燃焼用空気と燃料とを、空気噴流の出口の近い所で衝突させるようにしているので、燃料と空気の初期混合の促進が図られると共に炉内排ガスの循環による空気の希釈効果が促進される。この初期混合の促進と排ガス循環効果により、省エネルギー効果の高い蓄熱バーナを理論空気比以下の燃焼に適用しても、未燃のすす発生及びフリーＯ_２の発生を抑制すると共にＮＯｘの発生を抑えることができる。
【００４４】
具体的には、図１及び図２に示す蓄熱バーナを用いて、例えば１３Ａ都市ガスを燃焼させた場合、空気比０．８（理論ＣＯ発生湿りガス濃度約３．６％）炉内温度１，０００℃にて、すすの発生量は０．０６ｇ／Ｎｍ^３（バッカラッカスモーク指数１）以下に抑えられた。同一条件で通常の蓄熱バーナを燃焼させた時のすすの発生量は０．１３ｇ／Ｎｍ^３（バッカラッカスモーク指数９）以上となることから、約５４％低減できた。
【００４５】
また、本発明によると、従来適用不能であった蓄熱バーナを無酸化還元燃焼に適用可能となったので、炉出口の排ガス温度を排ガスの酸露点近い温度まで下げることができ、従来バーナに比べ３０％以上の省エネルギー化が可能となる。また高温空気燃焼によって発生ＮＯｘ量の低減率も従来型に比べ５０％以下にすることができ、燃焼場での温度分布が非常に平坦化され、品質を向上させることに加え火炎長も１０〜３０％の短炎化が可能となる。
【００４６】
また、この無酸化還元燃焼用バーナ装置によると、大型で、蓄熱バーナ方式に比べ排熱回収率の低いレキュペレータが不要となり、設備的にも簡素化される。全体の設備費としては従来型と同等か若干割高となるが、排熱回収率が高いため、ランニングコストを考慮すると蓄熱バーナ型式が明らかに有利となる。
【００４７】
更に、本発明によると、空気と燃料を高速に混合しつつ、なおかつ火炎中に局所的高温領域が形成されることのない燃焼が実現される。よって非常に高温熱風を耐火物許容最高限界近くで効果的に発生させることが出来る。
【００４８】
また、請求項２記載の発明によると、空気噴流表面積が増加し、排ガス循環による空気希釈効果をより高めるので、すす発生を極小化することが可能となる。
【００４９】
また、請求項３記載の発明によると、バーナ切換時の給気・排気の送気遅れ時間及びパージ量を最少化して切換時のフリーＯ_２を極小化できる。したがって、切替時に酸素濃度が高くなることを防いでこのような事態を絶対に避けたい熱処理においてフリーＯ_２の悪影響を少なくすることが可能となる。
【００５０】
また、請求項４の発明によると、ハニカム状の蓄熱メディア内を空気と排ガスとが交互に流れるときに、局所的な乱流域や低流速がない往復動のため、すすが付着したり堆積することがない。このため長期使用においても蓄熱体の清掃や交換の必要はなく、メンテナンスが不要である。また、この発明によると、すすの発生に伴う蓄熱メディアの閉塞や汚れによる性能低下が極めて起り難くい。したがって、高温空気燃焼の特性を生かしたバーナの構造によるすすの発生の極小化、火炎中の局所高温部形成を抑えることによるＮＯｘ値の抑制及びフリーＯ_２（残存Ｏ_２）の極小化を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無酸化還元燃焼方法を実施する無酸化バーナの一実施形態を示す中央縦断面図である。
【図２】図１のバーナの正面図である。
【図３】図１のバーナの燃焼用空気噴流と燃料噴流との適切な衝突位置を示す説明図である。
【図４】エアスロートと燃料ノズルの他の実施形態を示す正面図及び断面図である。
【図５】エアスロートと燃料ノズルの更に他の実施形態を示す正面図及び断面図である。
【図６】本発明の無酸化還元燃焼方法を実施する無酸化バーナの他の実施形態を示す中央縦断面図である。
【図７】図６のバーナのエアスロートと燃料ノズルとの配置関係を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。
【図８】図６のバーナの燃焼用空気噴流と燃料噴流との衝突関係を示す説明図である。
【図９】従来の無酸化燃焼方法を実施する無酸化燃焼炉の一例を示す外略原理図である。
【図１０】従来の無酸化バーナを示す図で、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）燃料ノズルと空気ノズルとの配置関係を示す正面図である。
【符号の説明】
１蓄熱バーナ
２蓄熱メディア
３フラッパ式三方弁（流体切替手段）
４炉
１０バーナ本体
１１第２の燃料ノズル（燃料ノズル）
１３エアスロート
１３ａエアスロートの出口
ｄｅエアスロートの相当直径
１／２Ｄｐｃｄエアスロートの中心から燃料ノズルの中心までの間隔
Ｌａエアスロート出口面から燃料噴流と空気噴流とが衝突する位置までの間隔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to an improvement of a burner device and a combustion method thereof. More specifically, the present invention relates to a burner apparatus that performs non-oxidative combustion or reductive combustion and an improvement of the combustion method.
[0002]
[Prior art]
  Conventionally, in fields such as steel, non-ferrous metals, and ceramics, in the heat treatment process of materials, an air ratio of 0.5 to 0.95 (each for reducing oxidation, generation scale, improving material quality, and reforming) Non-oxidation-reduction combustion is performed (the operating air ratio varies depending on the target furnace). For example, in the case of the ceramic firing furnace 102 shown in FIG. 9 as a typical example of a conventional non-oxidation combustion furnace, a plurality of reduction burners (combustion that is less than the theoretical air ratio) 101 is installed, and the workpiece 103 is It is provided to be heated in this non-oxidizing atmosphere (for example, normal temperature → 1,250 ° C.), extracted and transported to the next processing step. The soot generation in the combustion gas is suppressed as much as possible by the devised mixing mechanism of the burner 101, but the generation of CO cannot be avoided naturally. Therefore, CO is usually burned by an afterburner 104 installed in the vicinity of the outlet of the furnace, and then the exhaust gas is passed through one recuperator 105, where it is heat-exchanged with combustion air. It is discharged from the chimney 108 at ˜400 ° C. There are many facilities that do not have a recuperator 105. In the figure, reference numeral 106 is a blower, and 107 is an exhaust fan.
[0003]
  In such non-oxidation-reduction combustion, a gas-based fuel is mainly used. However, in a normal burner, in the case of low air ratio combustion and combustion below the stoichiometric air ratio, in addition to CO in the combustion gas, a large amount of fuel is used. Soot is easily generated, and it becomes difficult to maintain combustion stably.
[0004]
  Therefore, in a non-oxidizing atmosphere burner, free O₂(Remaining O₂In order to suppress the occurrence of (), special measures have been taken, such as promoting the initial mixing of fuel and air, or premixing some of the air with the fuel to increase stability. For example, like the burner 101 shown in FIG. 10, the combustion air introduced from the air intake 114 is strong from the air nozzle 111 having dozens of small holes arranged around the fuel injection nozzle 113 at the inlet portion of the burner tile 110. A mixing structure for swirling and injecting the fuel gas and the combustion air is provided in the space 112 of the burner tile 110 so as to be rapidly mixed. In the case of the burner 101 having this mixing structure, smoke is not generated up to an air ratio of about 0.6. Note that reference numeral 115 in the figure denotes a pilot burner.
[0005]
  On the other hand, attempts have been made to apply heat storage burner technology with excellent energy savings, low NOx properties, and uniform temperature distribution characteristics to non-redox atmosphere combustion with an air ratio of 0.5 to 0.95. This is a stage that has not yet been realized.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
  However, the conventional non-oxidized burner 101 having the mixing mechanism shown in FIG. 10 not only saves energy but also cannot suppress the generation of further soot. That is, even if there is no smoke, the Baccaraca smoke index is about 3, and it is not recognized as smoke. Further, since the non-oxidizing burner 101 as shown in FIG. 10 requires a complicated mixing mechanism and the burner tile 110 in order to ensure the mixing property, there is a limit in size, and scale-up (increase in combustion amount). ) Is necessary, the number of burners must be increased, and there is a problem that the number of burners cannot be accommodated.
[0007]
  On the other hand, since the heat storage burner preheats combustion air to 1,000 ° C. or higher, NOx tends to increase. For this reason, the fuel and air jet nozzles are separated by a certain distance, and fuel is jetted in parallel with the air jet to delay the initial mixing, and at the same time, the high-speed air jet is used to maximize the gas circulation effect in the furnace. Thus, high temperature air is diluted with exhaust gas, and a combustion reaction is performed in a low oxygen state so that a local high temperature region is not formed in the flame, thereby reducing NOx.
[0008]
  In addition, in the case of a heat storage burner, the preheated air temperature is higher (700 to 1,000 ° C.) than that of a normal non-oxidizing burner, and it is close to the soot generation temperature region of a general hydrocarbon fuel, so that it is sooted from a normal burner. There is a tendency to promote outbreaks.
[0009]
  Therefore, involves absolutely soot for the slow combustion initial mixing is very delay-free redox combustion at less than stoichiometric air ratio. According to the experiment by the present inventor, the baccaraca smoke index was 8 to 9, and NOx was also frequently generated.
[0010]
  And the generation of this soot leads to the blockage of the heat accumulator, and there is a concern that the performance of the heat accumulator decreases, the pressure loss increases, and the frequency of maintenance increases.
[0011]
  Further, since hot gas (1,000 ° C. or more) flows back into the burner in a short cycle (the air throat, that is, the air passage also becomes an exhaust gas passage), the non-oxidation shown in FIG. It is difficult to have a complex initial mixing mechanism of fuel and air, such as a burner, and the use of metal is limited. For this reason, the present situation has not yet reached practical use.
[0012]
  An object of the present invention is to provide a non-oxidation-reduction combustion method and a burner apparatus that can reduce soot generation and minimize residual oxygen. In addition, the present invention can be applied to a heat storage burner technology excellent in energy saving, low NOx property, and uniform temperature distribution characteristics in non-oxidation-reduction atmosphere combustion in which the air ratio m is less than the theoretical air ratio, especially the air ratio m is 0.5 <m <1.0 An object of the present invention is to provide a non-oxidation reduction combustion method and a burner apparatus.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve this object, the invention described in claim 1 is directed to a burner device that performs non-oxidation or reduction combustion with combustion air having a theoretical air ratio less than the heat storage medium and combustion exhaust gas and combustion air with respect to the heat storage medium. Flow path switching means that leads alternately, and combustion air that is preheated to a high temperature close to the combustion exhaust gas temperature through the heat accumulator and that has a theoretical air ratio less than the theoretical air flow rate during rated operation or higher flow rate into the furnace An air throat to be injected and a fuel nozzle for injecting fuel to collide with the air jet at a distance from an outlet of the air throat, and an equivalent diameter de of the air throat and the air throat The ratio de / Dpcd to the distance 1/2 Dpcd from the center of the fuel nozzle to the center of the fuel nozzle is in the range of 0.10 to 0.50, and the fuel jet axis and the air Fuel is injected when the ratio La / de of the equivalent diameter de of the air throat to the distance La between the intersection with the plane on the central axis in the longitudinal direction of the funnel and the outlet surface of the air throat is 1.0 to 5.0. A large combustor is configured by installing a plurality of sets of the air throat and the fuel nozzle close to each other. In this case, air and fuel collide immediately after being injected into the furnace and are mixed rapidly. This good initial mixing is free O₂Leads to the minimization of soot and soot. In addition, a fuel nozzle position can be set at which the fuel and air collide with each other at a distance from the air jet outlet. Here, the rated operation time means an operation that satisfies the design prerequisites, for example, during combustion in a state where the furnace temperature reaches 800 ° C. or higher.
[0014]
  Combustion air that is jetted into the furnace at high speed via the heat accumulator is preheated to a high temperature close to the exhaust gas temperature, and thus exceeds the self-ignition temperature of the air-fuel mixture. Therefore, the combustion air and fuel injected into the furnace are rapidly mixed immediately after injection and simultaneously start an oxidation exothermic reaction. In addition, the combustion gas behavior and circulation in the combustion chamber or furnace is activated by the flow of high-speed combustion air, the combustion chamber temperature distribution is flattened, and the combustion field has a flat temperature distribution with no local high temperature range. Is formed. That is, the initial mixing of fuel and air is promoted and the circulation effect of the exhaust gas in the furnace is promoted. Generation of unburned soot and generation of NOx can be suppressed by the promotion of the initial mixing and the exhaust gas circulation effect.
[0015]
  According to a second aspect of the present invention, in the non-oxidation-reduction combustion burner device according to the first aspect, combustion air is injected from an air throat having a flat rectangular opening shape. In this case, the surface area of the air jet increases, so that the dilution effect by exhaust gas circulation can be further enhanced, and soot generation can be minimized. In particular, the contact area with the fuel increases and the initial mixing becomes more rapid.
[0016]
  The invention according to claim 3 is the non-oxidation-reduction combustion burner device according to claim 1, in which a heat storage medium is built in the air throat of the burner body, and a flow path switching means comprising a three-way valve is directly connected to the burner body. However, the combustion air and the exhaust gas are switched in the immediate vicinity of the burner body. In this case, the supply / exhaust air supply delay time at the time of switching the burner is minimized, the CO concentration is stabilized, and at the same time, the free O at the time of switching is changed.₂Is minimized. In other words, the amount of exhaust gas remaining in the duct between the heat storage medium and the flow path switching means becomes unnecessary, so that the amount of exhaust air remaining there is also reduced, and the amount of purge air at the time of switching is extremely small. Sometimes it is free O in heat treatment etc. to prevent the oxygen concentration from becoming high and to avoid such a situation.₂Can be avoided.
[0017]
  According to a fourth aspect of the present invention, in the non-oxidation / reduction combustion burner apparatus according to the first aspect, a heat storage burner in which a ceramic honeycomb is incorporated as a heat storage medium is used. Here, the number of honeycomb cells is 10 to 200 cells / in.²It is preferable that In this case, performance degradation due to clogging or dirt is extremely unlikely to occur with respect to soot. Also, minimization of soot generation due to the structure of the burner taking advantage of the characteristics of high-temperature air combustion, suppression of NOx value by suppressing the formation of local high temperature parts in the flame, and free O₂(Remaining O₂) Can be minimized.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.
[0019]
  FIG. 1 shows an example of a non-oxidation combustion burner apparatus for carrying out the non-oxidation reduction combustion method of the present invention. The non-oxidizing combustion burner device 1 of this embodiment is paired with two units, and combustion is controlled by a combustion control device (not shown) so that combustion and exhaust gas are alternately repeated at intervals of several tens of seconds. The combustion exhaust gas passes through the inactive burner and is cooled by applying heat to the honeycomb-shaped heat storage medium 2 built in the burner, and is a switching valve (three-way valve) 3 as a flow path switching means connected to the burner 1. To the chimney and the like through the exhaust fan (not shown). Here, although not shown, the combustion exhaust gas containing CO is recombusted in an aftertreatment facility 8 such as an afterburner provided at the chimney inlet and discharged from the chimney. On the other hand, in the heat storage burner 1, the combustion air is preheated by the heat collected from the exhaust gas by the built-in heat storage media 2. And non-oxidation reduction combustion is performed using this high-temperature preheated air.
[0020]
  For example, as shown in FIGS. 1 and 2, each heat storage burner 1 includes a heat storage medium 2, a second fuel nozzle 11, a flapper type three-way valve (switch valve) 3 serving as a flow path switching unit, and a burner that supports them. The main body 10 and, if necessary, the first fuel nozzle 12 are configured, and the heat storage medium 2, the second fuel nozzle 11, and the first fuel nozzle 12 are built in the burner main body 10 made of a refractory and heat-resistant material. . The flapper type three-way valve 3 is directly connected so as not to open an excessive gap between the burner body 10 and the heat storage medium 2 accommodated in the air throat 13. And so on.
[0021]
  Here, as shown in FIG. 1, the flapper type three-way valve includes a housing 17 in which two other ports 15 and 16 are provided on two inclined surfaces obliquely to a port 14 directly connected to the burner body 10, and 2 A switching shaft 18 disposed at a corner portion between the two slopes, and a flapper supported by the switching shaft 18 and swinging between the ports 15 and 16 of the two slopes to close one of the ports 15 and 16. 19 and an actuator (not shown) that swings the switching shaft 18 within a predetermined angle. A combustion air supply system 20 is connected to one port 15 of the slope, and an exhaust system 21 is connected to the other port 16. The flapper type three-way valve 3 configured as described above is composed of the smallest space S occupied by the range in which the flapper 19 swings, and the volume purged when switching between supply air and exhaust gas becomes extremely small, and the remaining exhaust gas is removed. The time for switching to air is shortened to reduce the proportion of wasted time in the switching time. In addition, the three-way valve 3 and the heat storage medium 2 are provided close to each other, and the amount of exhaust gas remaining from the three-way valve 3 to the heat storage medium 2 when switching from the exhaust gas to the combustion air is extremely small. The purge volume is reduced by an amount that eliminates the need for the purge volume for the duct connecting the 10 and the three-way valve 3. Since the time for replacing the remaining exhaust gas with air can be shortened, high-speed switching is possible. For this reason, the other heat storage burner can be ignited almost simultaneously with extinguishing one of the heat storage burners.₂Can be reduced.
[0022]
  Although not shown in detail, the second fuel nozzle 11 includes a pilot burner or the like as necessary, and is configured such that only the fuel gun can be removed. Although not shown, a fuel gun assembly including a fuel cutoff solenoid valve is provided at the rear end of the fuel gun.
[0023]
  The second fuel nozzle 11 is provided to inject fuel so as to collide with the air jet at a position spaced apart from the outlet 13a of the air throat 13, specifically at a close position. For example, in the case of this embodiment, as shown in FIG. 3, the nozzle that mainly injects fuel during rated operation, that is, the second fuel nozzle 11 is equivalent to the diameter of the air throat 13 (diameter when the area is converted into a circle). The ratio de / Dpcd of de and the distance 1/2 Dpcd from the center of the air throat 13 to the center of the fuel nozzle is in the range of 0.10 to 0.50, and on the longitudinal axis of the fuel jet axis and the air throat The ratio of the equivalent diameter de of the air throat to the distance La between the intersection with the plane and the exit surface of the air throat 13 is set in the range of 1.0 to 5.0. In the figure, symbol α represents the collision injection angle of the fuel injected from the second fuel nozzle 11.
[0024]
  Further, the burner body 10 has an air throat 13 that is formed in a flat rectangular shape with the tip opening 13 a being narrower than the portion that houses the heat storage medium 2. From the air throat 13, the flow rate during normal combustion during the rated operation (furnace temperature of 800 ° C. or higher) or higher than this and less than the theoretical air ratio (for example, the air ratio m is 0.5 <m <1. 0) combustion air is injected into the furnace. The combustion air is shaped into a flat rectangular shape following the opening shape of the air throat 13 and then injected into the furnace. For this reason, it collides with a fuel jet in a wide area. At the same time, according to the throat shape, the heat storage medium 2 is covered with the refractory and heat-resistant material that constitutes the burner body 10, so that the heat storage medium 2 can be protected against radiant heat from the furnace. The opening shape of the air throat 13 is not particularly limited to the flat rectangular shape shown in the figure, and may be an ellipse as shown in FIG. 5, a circular shape as shown in FIG. A shape such as a triangle or other polygon is appropriately adopted as necessary.
[0025]
  The predetermined air flow velocity is obtained by appropriately designing the size of the blower, the exhaust fan, and the air throat 13 (not shown). By changing the size of the opening 13a at the tip of the air throat 13, the injection speed (momentum) of combustion air can be freely controlled, and the shape and properties of the flame can be changed.
[0026]
  In the case of the present embodiment, the two second fuel nozzles 11 are arranged for the air throat 13 loaded with the heat storage medium 2 to constitute one unit burner. However, the present invention is not particularly limited to this. One fuel nozzle 11 may be arranged for one air throat 13 or three or more fuel nozzles 11 may be arranged for one air throat 13 to constitute one unit of burner. For example, in the case where the burner is large and the air throat 13 is an elongated rectangle, the two second fuel nozzles 11 are sandwiched between the air throat 13 as shown in FIG. The fuel is injected so that the air jet is sandwiched between the two, but there are also cases where two are arranged on one side and a total of four are arranged.
[0027]
  In addition, the material and structure of the heat storage medium 2 are not particularly limited, but a honeycomb-shaped cell hole formed of a material having a large heat capacity and a high durability for a relatively low pressure loss, for example, ceramics. It is preferable to use a cylindrical body having many. In this case, since the pressure loss is low with respect to the heat storage capacity, supply and exhaust can be performed without specially increasing the performance of the blower and the exhaust fan. For example, it can be realized with a low pressure loss of 100 mmAq or less. In addition, as the heat storage medium 2, for example, a ceramic such as cordierite, mullite, or alumina is used for heat exchange between a high-temperature fluid of about 1000 ° C. such as exhaust gas and a low-temperature fluid of about 20 ° C. such as combustion air. It is preferable to use a honeycomb-shaped material manufactured by extrusion molding as a material. Further, the honeycomb-shaped heat storage medium 2 spontaneously permeates molten metal into pores of other ceramics or a material other than ceramics such as a metal such as heat-resistant steel or a composite of ceramics and metal such as a ceramic having a porous skeleton, Al is a part of the metal that is oxidized or nitrided into ceramic, completely filling the pores.₂O₃-Al composite, SiC-Al₂O₃-You may manufacture using Al composite etc. The honeycomb shape originally means hexagonal cells (holes), but in the present specification, it includes not only the original hexagonal shape but also innumerable square and triangular cells. Moreover, you may make it obtain a honeycomb-shaped thermal storage medium by bundling a pipe | tube etc., without integrally forming. The honeycomb shape originally means hexagonal cells (holes), but in the present specification, it includes not only the original hexagonal shape but also innumerable square and triangular cells. Moreover, you may make it obtain a honeycomb-shaped thermal storage medium by bundling a pipe | tube etc., without integrally forming.
[0028]
  Further, the shape of the heat storage medium 2 is not particularly limited to the illustrated honeycomb shape, and although not shown, a flat or corrugated heat storage material is arranged radially or annularly in a cylindrical media case, or a pipe shape. The heat storage material is filled so that the fluid passes in the axial direction, the ball-like or nugget-like heat storage material is filled, and the porous / heat-resistant steel plate such as punching metal is singly or laminated. It may be stored.
[0029]
  In addition, the heat storage medium 2 used for the heat storage burner 1 of this embodiment is a honeycomb ceramic (10 to 200 cells / in cells).²This small block (50 mm □ to 200 mm □ × 50 mmh) is usually used by being vertically stacked by 4 to 10 stages. In the honeycomb-shaped passage, exhaust gas and air alternately flow in opposite directions every short time, for example, about every 30 seconds. As described above, the flow in the honeycomb is reciprocated without a local turbulent flow region or a low flow velocity, so that even if soot is generated, soot is hardly attached or deposited. For this reason, there is no need to clean or replace the heat storage body even during long-term use, and it is also characterized by no maintenance.
[0030]
  According to the non-oxidizing combustion burner device configured as described above, operation is performed as follows.
[0031]
  First, the first fuel nozzle 12 for startup and the rating if necessary until the temperature in the furnace is raised from room temperature to a temperature determined at a normal temperature (a temperature at which high-temperature combustion can be performed, for example, about 800 ° C. or more). The burner is operated by injecting fuel from the second fuel nozzle 11 for operation. After the temperature is raised to a predetermined temperature, the fuel injection from the first fuel nozzle 12 is stopped by switching to the fuel injection only from the second fuel nozzle 11 for rated operation. Of course, depending on the case, fuel may be injected from both the first and second fuel nozzles 11 and 12. Then, the flapper type three-way valve is operated to perform alternate combustion operation.
[0032]
  In alternate combustion, a pair (A burner and B burner) is paired with two sets of adjacent burners, and when one burner is in combustion mode, the other burner is in exhaust mode (sucking combustion gas in the furnace and discharging it out of the furnace) ). Exhaust is performed after the sensible heat of the exhaust gas is recovered by the heat storage medium 2 from the air throat 13 of the burner body 10 through the heat storage medium 2 and is cooled to a low temperature. During combustion, preheated air close to the furnace combustion gas temperature is obtained by passing the combustion air through the heat storage medium 2. The second fuel nozzle 11 supplies fuel at substantially the same timing as the supply of combustion air. Normally, a pilot burner is not incorporated in the second fuel nozzle 11 that directly injects fuel into the furnace during rated operation, and primary air is not used. However, when the first fuel nozzle 12 or the like flows air for cooling. The supply air amount and the fuel amount are adjusted so that the air ratio is less than the theoretical air ratio as a whole including the cooling air. Further, the gas solenoid valves of the pair of burners open and close in synchronization with the flapper type three-way valve 3.
[0033]
  At this time, the fuel injected from the second fuel nozzle 11 at a high speed and the combustion air injected from the air throat 13 at a high speed maintain the similarity between them, and the outlet 13a of the air throat 13 And collide at a position separated by a certain distance La, rapidly causing initial mixing and causing non-redox combustion below the theoretical air ratio. Here, the combustion air jet and the fuel jet at a flow velocity higher than or equal to those at normal combustion and the fuel jet collide violently immediately after being injected into the furnace, and are rapidly mixed and diffusely burned and the surrounding combustion The gas is taken in at any time and reduced to reduce NOx, and the gas flow in the furnace is made intense to form a flat temperature distribution without a local high temperature region.
[0034]
  Then, switching between the pair of heat storage burners 1 switches the roles of the combustion mode and the exhaust mode after elapse of a predetermined switching time, for example, about 30 seconds. It is preferable to minimize the fluctuation of the pressure in the furnace by switching the burning burner by sequentially shifting the timing for each pair. In any case, there is not enough time between the A burner combustion and the B burner combustion to be called a pause time, and the fuel valve for switching operation is opened at the same time as the A burner is closed. . That is, in the present embodiment in which the burner body 10 and the flapper type three-way valve 3 are directly connected, the purge time is only extremely short (for example, the purge time within 0.3 seconds until it is turned off). The other party's burner is set to ignite as soon as it is turned off. As a result, the furnace pressure fluctuation can be suppressed to about 1/4, and free O₂Can be minimized.
[0035]
  Here, the switching of the three-way valve 3 may be performed based on a predetermined switching time, but may be switched depending on the exhaust gas temperature measured by a thermocouple. The exhaust temperature is preferably controlled between 200 ° C. and 300 ° C., for example.
[0036]
  Note that the alternate combustion is not limited to the case where the pair is fixedly assembled as described above, and the counterpart burner that sequentially forms the pair may be changed. For example, although not shown, the combustion system is composed of three or more units with the burner of FIG. 1 as a unit unit, the ratio of the number of burners to be burned and the number of burners to be stopped is variable, and the unit is a fixed pair. Instead of assembling, all units may repeat the alternate combustion sequentially. In this case, since the burners of all the units are burned with the time being shifted and the purge time at the time of switching being minimized, the alternate combustion can be established while forming a non-stationary flame in a wide range. Therefore, non-stabilization of the flame proceeds more than the alternating combustion burner system of the embodiment shown in FIG. 1, and the furnace temperature distribution is made more uniform. In addition, even if the amount of combustion is reduced, the speed of the combustion air ejected from the air throat can be maintained at a high speed by increasing or decreasing the number of combustion burners, maintaining initial mixing in a good state and actively flowing the gas in the furnace. Hold, soot, free O₂Further, it is possible to form a flat furnace temperature distribution in which the generation of a local high temperature region is suppressed while suppressing NOx. Here, even if the numbers of combustion burners and exhaust burners are different, the relationship between the supply air amount and the exhaust amount does not change. That is, even if the number ratio of the combustion burner and the exhaust burner is 1: 1 or 1: 2, the amount of air flowing and the amount of exhaust are not changed as long as they are within one stroke. However, if the ratio of the combustion burner decreases, the ratio of air time will decrease accordingly, and the velocity of the fluid flowing through the heat storage will be faster for air, slower for exhaust, and cooling heat transfer will be better. Since it becomes favorable, the efficiency of the heat storage body tends to be improved. That is, the temperature of the heated air increases and the exhaust temperature tends to decrease.
[0037]
  6 to 8 show other embodiments. This embodiment shows a typical example (high temperature hot air generating facility) in which the present configuration condition is applied to a large apparatus, for example. In this burner device, the air throat 13 and the second fuel nozzles 11 used during rated operation are alternately arranged in an annular shape, and a single large combustor is constituted as a whole. In the case of the present embodiment, six large-sized combustors are formed by alternately placing six rectangular (oval-type) air throats 13 and six second fuel nozzles 11 in an annular shape. To make up. In the figure, reference numeral 12 denotes a first fuel nozzle with a pilot burner for startup, 31 denotes a wind box, and 32 denotes a furnace.
[0038]
  Also in this burner device, the second fuel nozzle 11 has a ratio de / Dpcd between the equivalent diameter de of the air throat 13 and the distance between two fuel nozzles Dpcd sandwiching the air throat 13 in the range of 0.1 to 0.5. The ratio La / de of the equivalent diameter de of the air throat to the distance La to the air throat outlet surface and the intersection of the fuel jet axis and the plane on the central axis in the longitudinal direction of the air throat is in the range of 1.0 to 5.0. Set by.
[0039]
  Then, the combustion air is introduced into the wind box 31 and sprayed through the respective heat storage media 2 from the outlet 13a of each air throat 13 into the furnace at a flow rate at the time of normal combustion or at a flow velocity higher than this, The fuel injected from the second fuel nozzle 11 is collided at a high speed at a close position spaced apart from the outlet of the air throat 13, for example, at a position satisfying the above ranges, and is rapidly mixed.
[0040]
  The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, the flapper type three-way valve 3 has been mainly described as the flow path switching means. However, the present invention is not particularly limited to this, and in addition to a bowl type or cylindrical type three-way valve, Japanese Patent Application No. 7-217448. The switching valve or the four-way valve disclosed in Japanese Patent Application No. 4-216473 can be used. In the case of the present embodiment, a flapper type three-way valve is employed as the flow path switching device, but is not particularly limited to this, and a piston is projected between the two ports that protrude into the room communicating with the heat storage medium and face each other. A piston-type three-way valve that selectively moves one of the ports and the room may be used.
[0041]
  Moreover, although this embodiment mainly demonstrated alternating combustion, it is not specifically limited to this, It is also possible to set it as a continuous combustion type thermal storage burner structure. That is, the air throat 13 and the exhaust passage are provided separately and separately, and the in-furnace gas is continuously discharged from the exhaust passage. On the other hand, it is also possible to continuously supply combustion air preheated at a high temperature from the air throat for continuous combustion. In this case, exhaust gas and combustion air must be continuously passed through the heat storage medium without interruption. For example, the heat storage medium is arranged outside the air throat 13 and rotated, or the heat storage medium is used as the heat storage medium. On the other hand, the exhaust gas flow path and the air flow path are rotated or switched so that the combustion exhaust gas and the combustion air are simultaneously passed in different regions and positions with respect to the heat storage medium that moves relatively. As a result, air is passed through the heated portion of the heat storage medium and preheated to a high temperature.
[0042]
  Further, the fuel is not limited to gas fuel, and oil fuel or oil / gas fuel can be used in combination.
[0043]
【The invention's effect】
  As is clear from the above description, according to the burner device of the first aspect of the present invention, the fuel nozzle position that causes the fuel and air to collide at a distance close to the outlet of the air jet without causing poor mixing of air and fuel. Can be set. Furthermore, it is possible to easily meet the demand for larger combustion devices. In addition, combustion air and fuel preheated to a temperature higher than the self-ignition temperature of the air-fuel mixture (high temperature close to the exhaust gas temperature) via the heat storage medium are collided near the outlet of the air jet. Therefore, the initial mixing of fuel and air is promoted, and the air dilution effect by circulation of the exhaust gas in the furnace is promoted. Due to the promotion of initial mixing and the exhaust gas circulation effect, even if a heat storage burner with high energy saving effect is applied to combustion below the theoretical air ratio, generation of unburned soot and free O 2₂ Generation of NOx and generation of NOx can be suppressed.
[0044]
  Specifically, for example, when 13A city gas is burned using the heat storage burner shown in FIGS. 1 and 2, the air ratio is 0.8 (theoretical CO generated wet gas concentration is about 3.6%). The amount of soot generated at 1,000 ° C is 0.06 g / Nm.³(Baccaraca smoke index 1). The amount of soot generated when burning a normal heat storage burner under the same conditions is 0.13 g / Nm³Since it was over (Baccaraca smoke index 9), it was reduced by about 54%.
[0045]
  In addition, according to the present invention, the heat storage burner, which has not been conventionally applicable, can be applied to non-oxidation reduction combustion, so the exhaust gas temperature at the furnace outlet can be lowered to a temperature close to the acid dew point of the exhaust gas, compared with the conventional burner. Energy saving of 30% or more is possible. Moreover, the reduction rate of the amount of NOx generated by high-temperature air combustion can be reduced to 50% or less compared to the conventional type, the temperature distribution in the combustion field is extremely flattened, and in addition to improving the quality, the flame length is 10 to 10%. 30% flame shortening is possible.
[0046]
  Further, according to the burner apparatus for non-oxidation / reduction combustion, a large-sized recuperator having a low exhaust heat recovery rate is not required as compared with the heat storage burner system, and the facility is simplified. The total equipment cost is the same as or slightly higher than that of the conventional type, but since the exhaust heat recovery rate is high, the heat storage burner type is clearly advantageous in consideration of running costs.
[0047]
  Furthermore, according to the present invention, combustion is achieved while mixing air and fuel at high speed and without forming a local high temperature region in the flame. Therefore, very high temperature hot air can be effectively generated near the maximum allowable refractory.
[0048]
  Further, according to the second aspect of the present invention, the air jet surface area is increased and the air dilution effect by the exhaust gas circulation is further enhanced, so that the generation of soot can be minimized.
[0049]
  According to the third aspect of the invention, the supply / exhaust air supply delay time and the purge amount at the time of switching the burner are minimized, and the free O at the time of switching is changed.₂Can be minimized. Therefore, free O in the heat treatment that prevents the oxygen concentration from becoming high at the time of switching and to absolutely avoid such a situation.₂It is possible to reduce the adverse effects of the.
[0050]
  According to the invention of claim 4, when air and exhaust gas flow alternately in the honeycomb-shaped heat storage medium, soot adheres or accumulates due to reciprocation without a local turbulent region or low flow velocity. There is nothing. For this reason, there is no need to clean or replace the heat storage body even in long-term use, and maintenance is not required. Further, according to the present invention, the performance degradation due to the blockage or contamination of the heat storage medium due to the generation of soot hardly occurs. Therefore, minimization of soot generation due to the structure of the burner taking advantage of the characteristics of high temperature air combustion, suppression of NOx value by suppressing the formation of local high temperature part in the flame, and free O 2₂(Remaining O₂) Can be minimized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a central longitudinal sectional view showing an embodiment of a non-oxidation burner for carrying out the non-oxidation reduction combustion method of the present invention.
FIG. 2 is a front view of the burner of FIG.
3 is an explanatory view showing an appropriate collision position between a combustion air jet and a fuel jet in the burner of FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a front view and a sectional view showing another embodiment of an air throat and a fuel nozzle.
FIG. 5 is a front view and a sectional view showing still another embodiment of an air throat and a fuel nozzle.
FIG. 6 is a central longitudinal sectional view showing another embodiment of a non-oxidation burner for carrying out the non-oxidation reduction combustion method of the present invention.
7A and 7B are diagrams showing the positional relationship between the air throat and the fuel nozzle of the burner of FIG. 6, wherein FIG. 7A is a front view, and FIG.
8 is an explanatory view showing a collision relationship between a combustion air jet and a fuel jet in the burner of FIG. 6. FIG.
FIG. 9 is an outline principle diagram showing an example of a non-oxidation combustion furnace for carrying out a conventional non-oxidation combustion method.
FIGS. 10A and 10B are diagrams showing a conventional non-oxidizing burner, in which FIG. 10A is a longitudinal sectional view, and FIG.
[Explanation of symbols]
1 Thermal storage burner
2 Thermal storage media
3 Flapper type three-way valve (fluid switching means)
4 furnaces
10 Burner body
11 Second fuel nozzle (fuel nozzle)
13 Air Throat
13a Air throat exit
de Equivalent diameter of air throat
1 / 2Dpcd Distance from the center of the air throat to the center of the fuel nozzle
La Distance from the air throat outlet surface to the position where the fuel jet and the air jet collide

Claims

In a burner apparatus that performs non-oxidation or reductive combustion with combustion air less than the theoretical air ratio, a heat storage medium, a flow path switching means that alternately leads combustion exhaust gas and combustion air to the heat storage medium, and combustion exhaust gas through the heat storage body An air throat for injecting combustion air preheated to a high temperature close to the temperature and having a less than theoretical air ratio into the furnace at a normal combustion flow velocity or higher than that during rated operation, and from the outlet of the air throat A fuel nozzle that injects fuel to collide with the air jet at a distance, and an equivalent diameter de of the air throat and a distance ½ Dpcd from the center of the air throat to the center of the fuel nozzle, The ratio de / Dpcd is in the range of 0.10 to 0.50, and the intersection of the fuel jet axis and the plane on the central axis in the longitudinal direction of the air throat and the air Fuel is injected when the ratio La / de of the equivalent diameter de of the air throat to the distance La to the outlet surface of the throat is in the range of 1.0 to 5.0, and the set of the air throat and the fuel nozzle A burner apparatus for non-oxidation-reduction combustion characterized in that a large-sized combustor is configured by installing a plurality of cylinders close to each other.

The non-oxidation-reduction combustion burner device according to claim 1, wherein the combustion air is injected from an air throat having a flat rectangular opening shape.

The heat storage medium is built in the air throat of the burner main body, and a flow path switching means comprising a three-way valve is directly connected to the burner main body, and switching between combustion air and exhaust gas is performed in the immediate vicinity of the burner main body. The burner device for non-oxidation-reduction combustion according to claim 1.

The burner apparatus for non-oxidation-reduction combustion according to claim 1, wherein a ceramic honeycomb is incorporated as the heat storage medium.