JP7038665B2 - 放射管を用いた炉加熱装置および炉加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、炉加熱装置、および、断続的に動作する放射管を加熱するための無炎酸化反応のバーナ点火方法に関する。

欧州特許出願公開第０４６３２１８号明細書は、無炎酸化反応のバーナ動作について開示している。この動作は、予熱された燃料と空気の混合物を排ガス再循環渦に高速で注入することをベースにしている。燃焼室は、バーナを加熱するために用いられ、炎を伴って動作する。動作温度に達するとすぐに、無炎酸化反応に切り替えることができる。

さらに、独国特許発明第１０２１７５２４号明細書は、無炎酸化反応で動作するバーナを用いた放射管の加熱について開示している。このようなバーナも、加熱段階において炎を伴う動作モードを想定して設計されている。

最後に、欧州特許第１９９５５１５号明細書は、無炎酸化反応に必要な限界温度よりも動作温度が低い、無炎酸化反応を用いて炉室を加熱するバーナについて開示している。このために、途切れずに燃える炎により高温ガスを生成し、この高温ガスを用いて他の無炎酸化反応を補助して維持する。

一般的に、放射管は、最大約１２００℃の温度用の産業炉を間接的に加熱するために用いられる。放射熱を放散するために、放射管を内部から加熱する。無炎酸化反応により放射管を加熱するので、排ガス中の窒素酸化物を著しく削減することができる。

個々の放射管または放射管群全体のオンオフを切り替えることにより産業炉の温度を制御する場合は、まだ温かいうちに操作によって放射管のオンオフを切り替えなければならない。スチールまたは他の物質の熱処理の場合、動作中の炉温度は、場合により、例えば、８５０℃より低い。一般的に９００℃より低いが７００℃よりかなり高いこのような炉温度は、放射管によって生成することができる。しかしながら、エネルギー変換のために、炎を伴うバーナで放射管を加熱する場合、および、空気の高温予熱で処理を行う場合（特に、５００℃以上に予熱する場合）は、結果的に生じる窒素酸化値が容認できないほど高い。それに対して、無炎酸化反応のバーナ動作では窒素酸化値がより低くなり、経験から、放射管を用いて加熱する炉の場合、バーナを確実に無炎酸化反応動作させることができるには、少なくとも８５０℃の炉動作温度が必要である。しかしながら、炉温度がより低ければ、断続的な動作の場合、つまり、出力調整のためにバーナのオンオフを切り替える場合、デフラグレーションが起きる可能性がある。この点から、８５０℃より低い（しかしながら、７００℃より高い）炉動作温度が、断続的な無炎バーナ動作（無炎パルス燃焼）のために極めて重要であると考えられる。

欧州特許出願公開第０４６３２１８号明細書 独国特許発明第１０２１７５２４号明細書 欧州特許第１９９５５１５号明細書

本発明の目的は、臨界炉温度で無炎パルス燃焼により放射管を確実に動作させることができる概念を規定することである。

この目的は、請求項１に係る炉加熱装置、および、請求項９に係る方法を用いて達成される。

本発明に係る炉加熱装置は、第１動作モードで炎を伴って動作でき、第２動作モードで炎を伴わない、つまり、無炎酸化反応で動作できるバーナを用いて加熱することができる、少なくとも１つの放射管、好ましくは複数の放射管を備える。放射管の内部は、炉室に対して密閉されていることが好ましい。少なくとも１つの制御装置が設けられ、それを用いて、放射管の１以上のバーナのオンオフを切り替えることができ、第１動作モードおよび第２動作モードを切り替えることができる。バーナが動作中の場合、放射管の内部の温度は、炉室の温度より高い。パルス燃焼の場合に繰り返し起きる動作の中断中に、放射管の内部の温度は、炉温度近くまで下がる。

本発明によれば、制御装置は、ウォームスタートの場合、つまり、動作温度での炉の場合、バーナを一時的に第１動作モードで動かしてから第２動作モードで動かすように設計される。放射管のバーナがクロックされる、つまり、パルス燃焼として知られるもので動作するならば、バーナを確実に何度も始動しなければならない。これは、いずれの場合でも、数秒間燃える炎の点火によって実現されることが好ましい。（臨界）炉動作温度は比較的低くても、放射管の内部の温度が、例えばたった８００℃から８５０℃以上の温度、例えば９００℃に上昇できてから、無炎動作モードへ確実に切り替えられる。

炉室の燃料依存臨界温度Ｔ_ｋ以上でバーナは無炎動作で確実に動作できて点火もできるが、この燃料依存臨界温度Ｔ_ｋより低いところに、バーナが放射管内で炎を伴わずに動作し続けることができる臨界温度範囲はある。したがって、放射管内部から炉室への温度勾配は、放射管の内部温度が臨界温度Ｔ_ｋより確実に高くなるように作成される。しかしながら、臨界温度範囲内には、無炎バーナ点火の場合、デフラグレーションのリスクがある。本発明によれば、この臨界温度範囲内で数秒間の短い炎を発火してからすぐに無炎動作へ移行する。

炉加熱装置は、例えば、１以上の切替温度センサの形で、少なくとも局所的に炉温度を検出する装置を備えてもよい。このような温度センサを産業炉のあるポイントに配置するならば、バーナのオンオフ切り替えは、バーナ温度ではなく炉温度に基づいて判断される。したがって、グループで動作するバーナの場合、個々のバーナは、バーナの始動時に無炎酸化反応を始めやすい温度だが、他はこの目的に適していないこともあり得る。しかしながら、バーナを第１動作モードで一時的に必ず点火した後に第２動作モードへ切り替えることにより、全てのバーナを確実に点火し、デフラグレーションを防ぐ。ウォームスタートの場合の第１動作モードにおける一時的な動作は、デフラグレーションを防ぐための安全動作段階である。

第１動作モードでのバーナの動作期間は、数秒、例えば、５ｓまたは３ｓであることが好ましい。短期間のため、生じる窒素酸化物は無視できる。

本発明によれば、炉の動作温度が無炎酸化反応の温度限界値より低い場合の燃焼中断後、炉が熱いときに放射管を加熱するバーナは、炎を伴う第１動作モード（安全動作モード）で点火され、その後すぐに、炉温度が温度限界値より低いままでも、無炎酸化反応の第２動作モードへ切り替えられる。

バーナの動作中断中に炉室の温度がさらに低い温度Ｔ_ｕを下回る場合があれば、バーナはコールドスタート動作モードで点火され、炉室の温度が再びさらに低い温度に達するまでバーナの炎は維持される。

さらに改良した実施の形態では、検出した炉温度に基づいて第１動作モードの期間の長さを規定することが可能である。これは、例えば、複数の切替温度センサを用いて段階的または連続的に実装することができる。

本発明の好適な変形例の詳細は、請求項または明細書の図面に示される。
図１は、パルス燃焼動作用の放射管を複数有する炉加熱装置の大まかな概略図である。 図２は、パルス動作中に機能している放射管の点火による放射管内温度状態を示す。 図３は、放射管の動作に対する温度限界値をグラフに示したものである。 図４は、放射管のパルス動作を示すグラフである。 図５は、第１動作モードの温度依存期間をグラフに示したものである。

図１に示す炉加熱装置１０は、少なくとも１つの、好ましくは複数の放射加熱管１１～１４を備える。これら放射加熱管は、この書類を通して「放射管」と省略して呼ばれる。これらは、内部に置かれるもの（さらなる詳細は図示せず）を主に放射熱で加熱するために、炉壁１５から炉室１６へ突き出ている。

放射管１１～１４は、図１では単に記号で示されているバーナ１７、１８、１９、２０によって加熱される。これらバーナは、ガスを利用して機能し、内部から放射管１１～１４を加熱することが好ましい。バーナ１７～２０は、放射管１１～１４の内部を加熱するために用いられる。このため、各放射管１１～１４の開放端に配置され、各放射管の他端は閉じていることが好ましい。しかしながら、バーナが放射管の両端に配置されるデザインも可能である。図示するように放射管１１～１４は、細長く真っ直ぐでもよいし、または、１以上のループがあってもよい。それらの内部は、放射管壁により炉室１６から分離されている。

各バーナ１７～２０は、排ガスの熱を用いて燃焼用空気（および燃料）を予熱するために、例えば、レキュペレータおよび／またはジェネレータの形で熱回収装置を備える。バーナ１７～２０は、燃焼用に供給された空気の温度が５００℃以上になるような空気高温予熱を伴って機能することが好ましい。図１では、バーナに配置された空気ライン、ガスライン、および、排ガスライン、ならびに、バルブなどの制御部品を個別に図示していない。

バーナ１７～２０は、炎が形成される第１動作モードＦで動作することができる。この動作モードは、コールドスタート、つまり、放射管１１～１４および炉室の加熱操作に用いられる。少なくとも温度Ｔ_ｕまで炉室が加熱されるとすぐに、第１動作モードＦでこの点まで動作したバーナ１７～２０は、炎を伴わない第２動作モードＮＦ（無炎酸化ＦＬＯＸ（登録商標）の動作）に切り替えられる。第２動作モードＮＦは、ＮＯｘ生成度が特に低いことを特徴とする。

バーナを第２動作モードＮＦで動作させることができる炉室の最低温度Ｔ_ｕは、バーナ出力に依存するので、放射管内部で動作しているバーナで到達する温度に依存する。ＦＬＯＸ（登録商標）動作、つまり、第２動作モードＮＦでの動作が可能な炉室の最低温度Ｔ_ｕは、例えば、７５０℃でもよい（図３）。

バーナ１７～２０のオンオフを切り替えるために、かつ、バーナ１７～２０を第１動作モードＦから第２動作モードＮＦに切り替える（その逆もまた同様）ために、制御装置２１が設けられる。制御装置は、矢印２２、２３、２４、２５で示されるような、バーナ１７～２０によって形成されるグループの動作を制御して、例えば２段階制御の途中で炉室１６の温度を７７０℃などの設定値温度Ｔ_ｓに保持するために、連動させて（つまり、同時に）バーナのオンオフを切り替える。温度Ｔ_ｓは、温度Ｔ_ｕよりわずかに高い。

炉温度Ｔを検出するために、少なくとも１つ、できれば複数の温度センサ２７、２８を有する温度検出装置２６を設ける。温度センサ２７、２８は、温度スイッチとして形成されるのが好ましい。例えば、温度センサ２７は、所望の炉温度Ｔ_ｓに設定することができ、そのために、例えば７７０℃の切替温度を有してもよい。炉温度を所望の値に調整するために、温度センサ２７を用いてバーナ１７～２０のパルス燃焼を実装してもよい。

第２温度センサ２８は、動作中のバーナを第１動作モードＦから第２動作モードＮＦに切り替えることができる最低温度Ｔ_ｕに設定してもよい。例えば、第２温度センサ２８は、７５０℃の切替温度を有してもよい。

この点について述べた炉加熱装置１０は、以下のように機能する。

図３の左側に示されたコールドスタートの場合、つまり、周囲温度かそれ以下の範囲にあるがいずれにしろ温度Ｔ_ｕより低い炉室１６の温度Ｔ_ｃｏｌｄでの開始の場合、制御装置２１は、炎を伴って、つまり、第１動作モードＦで全てのバーナ１７～２０を始動させ、放射管１１～１４を加熱することにより、炉室１６を加熱する。この処理には、通常、数分以上のかなりの時間がかかる可能性がある。無炎動作が可能になる温度Ｔ_ｕに達したことを例えば温度センサ２８で検出するとすぐに、制御装置２１は、バーナ１７～２０をこの動作モードＮＦに切り替える。この動作モードＮＦでは、設定値温度Ｔ_ｓに達するか設定値温度Ｔ_ｓを超えるまで加熱し続ける。バーナでの、つまり、バーナ内部での炉温度Ｔ_ｕから、放射管１１～１４の温度は、無炎動作が可能な温度、例えば、８５０℃といった臨界温度Ｔ_ｋより高い温度である。

炉室１６を設定値温度Ｔ_ｓ、例えば７７０℃まで加熱する場合、この温度Ｔ_ｓは、バーナ１７～２０のパルス燃焼動作によって維持される。例えば、温度センサ２７は、動作温度を上回って下回るように特定のヒステリシスを持ってオンオフが切り替わる、つまり、制御装置２１に切替信号を出力する。この制御装置は、バーナ１７～２０のオンオフを適宜切り替えることによって、炉室１６内の温度を調整する。図３、および、特に図４は、この動作を示している。制御装置２１は、設定値温度Ｔ_ｓを下回るとすぐに、バーナ１７～２０をオンにする。それに対し、設定値温度Ｔ_ｓを上回ると、バーナ１７～２０はオフになる。このように、炉室１６の実際の温度Ｔは、切り替えヒステリシスに従って、温度Ｔ_ｓ付近を行ったり来たりする。

パルス燃焼動作の場合の炉温度は、無炎動作ＦＬが可能な、加熱中に炎動作（第１動作モードＦ）から無炎動作（第２動作モードＮＦ）への切替が行われる最低温度Ｔ_ｕ（例えば、７５０℃）以上であるが、バーナ１７～２０は、再びオンになると、どの場合も短時間Δｔの間、炎を伴う第１動作モードＦで動作する。したがって、たとえ放射管１１～１４の温度が臨界温度Ｔ_ｋ（通常８５０℃）より低くても、バーナ１７～２０をデフラグレーションなく点火させることができる。期間Δｔが過ぎるとすぐに、制御装置２１はバーナ１７～２０を無炎動作ＮＦに切り替える。

この処理は、再び図２で説明される。時間Ｔ_ｏｎの時点で、例えば７７０℃の温度Ｔ_ｓでバーナを点火する場合、放射管１１内の温度Ｔはすぐに上昇し始め、たった数秒後には通常８５０℃の臨界値Ｔ_ｋを超える。したがって、期間Δｔを過ぎるとすぐに、時間ｔ_ｏｎより後の時間ｔ_ｕの時点で無炎動作ＦＬへの移行がなされる。この動作は、例えば、温度Ｔ_ｓを超えたことを知らせる温度センサ２７の切替信号により、制御装置２１がバーナ１７～２０を再びオフにするまで維持される。そして、バーナ１７～２０は、ある期間作動せず、そのため、放射管１１～１４は炉温度（例えば７７０℃）まで再び冷たくなる。炉温度Ｔ_ｓを下回れば、温度センサ２７は、制御装置２１と再び通信してバーナ１７～２０を再びオンにするように促す。期間Δｔの間第１動作モードＦで再び実現され、この期間Δｔの後、動作モードＮＦへの移行がなされる。

この点について述べた炉加熱装置１０には、少なくとも２つの動作モード、具体的には、第１動作モードＦでバーナ１７～２０を用いた放射管１１～１４の加熱と、バーナ１７～２０のオンオフをパルスの形で切り替えて所望の炉温度Ｔ_ｓを維持するパルス燃焼を用いた制御動作とがある。制御動作の場合の炉温度Ｔ_ｓは、無炎酸化反応に適した臨界温度Ｔ_ｋより低い。この温度Ｔ_ｋは、使用済み燃料に依存し、天然ガスの場合は、約８５０℃である。したがって、制御動作（パルス燃焼動作）の場合、バーナ１７～２０は、第１動作モードＦの開始時にバーナ１７～２０が短期間Δｔ点火される起動順序で必ず点火され、期間Δｔが過ぎるとすぐに、無炎酸化反応の第２動作モードＮＦへ移行する。このように、炉室１６は、空気を高温予熱してＴ_ｋより低い適度な動作温度Ｔ_ｓで動かすことができるので、窒素酸化物の排出を抑えると同時にエネルギー利用を改善できる。

図３に示すように、固定値として期間Δｔを指定することが可能である。炉が冷めている（例えば、Ｔ＝６００°Ｃより低い）ときにバーナを点火する場合は、まず、炎を伴って、つまり、第１動作モードＦで作動させる。炉温度が温度Ｔ_ｕに達すれば、バーナは第２動作モードＮＦに切り替えられ、炎を伴わずに動き続ける。炉温度Ｔが設定値温度Ｔ_ｓを超えれば、バーナは時間ｔ_ｏｆｆでオフになる。炉温度Ｔが設定値温度Ｔ_ｓを著しく下回るとすぐに、バーナは時間ｔ_ｏｎで再びオンになる。ここで、バーナは、臨界温度Ｔ_ｋよりも低い炉温度Ｔで点火される。このため、まず、バーナは、期間Δｔの間、炎を伴う第１動作モードＦで動作する。この固定または可変期間Δｔが過ぎるとすぐに、第２動作モードＮＦへ移行する。

バーナは、再びオンになると、コールドスタート後に第１動作モードＦから第２動作モードＮＦへの移行がなされた温度Ｔ_ｕより高い炉温度Ｔでこのように点火されるが、オンに戻されると、ここでまず第１動作モードＦで点火され、そして、数秒経ってから初めて第２動作モードＮＦに切り替えられる。

代わりに、または、加えて、さらなる温度センサを設けてもよい。例えば、８５０℃より高い炉室１６内温度用の温度センサは、制御装置２１がバーナを第１動作モードＦへ最初切り替えずに第２動作モードＮＦですぐ始動させるように、制御装置２１へ信号を送信してもよい。

本発明に係る原理のさらなる改良または発展では、図４に従って、どの始動の場合でも炎を伴う第１動作モードＦでバーナ１７～２０が動作する期間Δｔを炉室温度から決めることができる。例えば、デフラグレーションのない第２動作モードＮＦでバーナ１７～２０を直に点火できる第１温度限界値Ｔ_１と、無炎動作、つまり、第２動作モードＮＦでのバーナ１７～２０動作が不可能な第２温度限界値Ｔ_２との間の期間Δｔは可変でもよい。温度限界値Ｔ_１以上では、期間Δｔはゼロに等しい。温度限界値Ｔ_２以下では、期間Δｔは大きいか、または、固定ではない。温度限界値Ｔ_１、Ｔ_２の間では、期間Δｔの間の機能プロファイルを、その範囲内では温度が高いほど期間Δｔが減少するように規定してもよい。作用形状は、連続的、または、点線で示すように１以上の段差でもよい。線形形状も可能である。

放射管１１～１４を用いて炉室１６を間接的に加熱するために、放射管壁を介して加熱エネルギーを炉室１６に伝える。定常動作の間、放射管１１～１４内およびその表面温度は、炉よりも高く、このより高い温度は、放射管１１～１４の固有熱出力によって決まる。例えば、炉温度７７０℃（＜Ｔ_ｋ）および熱出力５０ｋＷ／ｍ^２で、放射管の内部温度は９００℃（＞Ｔ_ｋ）である。無炎酸化反応が可能になる燃料依存臨界温度Ｔ_ｋは、例えば、８５０℃でもよい。したがって、放射管１１～１４は、たとえ炉内温度が７７０℃（＜Ｔ_ｋ）しかなくても、この出力で無炎酸化反応の連続動作をすることができる。しかしながら、燃焼中断中にＴ_ｋより低い温度まで放射管１１～１４が冷めてしまう場合は、最初に数秒間炎を伴って（動作モードＦで）バーナを作動させてから動作モードＮＦに移行することにより、関連バーナを点火する際のデフラグレーションを防ぐ。

１０ 炉加熱装置
１１～１４ 放射加熱管／放射管
１５ 炉壁
１６ 炉室
１７～２０ バーナ
２１ 制御装置
２２～２５ 矢印
２６ 温度検出装置
２７、２８ 温度センサ
Ｆ 第１動作モード、炎を伴うバーナ
ＮＦ 第２動作モード、無炎酸化反応
Ｔ 温度
ｔ 時間

Claims (13)

1. 炉室（１６）内のものを加熱処理する産業炉用の炉加熱装置であって、
   前記炉室（１６）を加熱するために用いられ、炎を伴う第１動作モード（Ｆ）、および、無炎酸化反応の第２動作モード（ＮＦ）で動作できるバーナ（１７）を用いて加熱することができる、少なくとも１つの放射管（１１）と、
   前記放射管（１１）の前記バーナ（１７）のオンオフを切り替えることができ、前記動作モード（Ｆ、ＮＦ）を切り替えることができる、少なくとも１つの制御装置（２１）とを備え、
   前記炉室（１６）の温度（Ｔ）は、燃焼室において無炎酸化反応を起こすために必要な臨界温度（Ｔ_ｋ）より低く、前記臨界温度（Ｔ_ｋ）より低い温度であって、前記放射管（１１）の前記バーナ（１７）が無炎方法で動作できる最低の温度である最低温度（Ｔ_ｕ）より高い設定値温度（Ｔ_ｓ）に前記制御装置（２１）を用いて固定され、
   前記制御装置（２１）は、始動時点において、前記臨界温度（Ｔ _ｋ ）より低く前記最低温度（Ｔ _ｕ ）より高い前記炉室の温度（Ｔ）で、まず前記第１動作モード（Ｆ）で前記バーナ（１７）を点火し、ある期間（Δｔ）前記第１動作モードで前記バーナ（１７）を動作させてから、前記臨界温度（Ｔ_ｋ）より低い炉室（１６）の温度（Ｔ）で前記バーナ（１７）を前記第２動作モード（ＮＦ）で動作させるように設計される
   炉加熱装置。
2. 少なくとも局所的に前記炉室（１６）の温度を検出するデバイス（２６）を設け、前記制御装置（２１）に接続する
   請求項１に記載の炉加熱装置。
3. 少なくとも局所的に前記炉室（１６）の温度を検出する前記デバイス（２６）は、少なくとも１つの切替温度センサ（２７）を備える
   請求項２に記載の炉加熱装置。
4. 少なくとも局所的に前記炉室（１６）の温度を検出する前記デバイス（２６）は、前記放射管（１１）の外側に離れて配置される
   請求項２または３に記載の炉加熱装置。
5. 前記制御装置（２１）は、少なくとも１つの前記バーナ（１７）のオンオフを切り替えて前記炉室（１６）の温度を調整するように設計される
   請求項１～４のいずれか１項に記載の炉加熱装置。
6. 前記制御装置（２１）は、前記炉室（１６）の温度（Ｔ）が前記臨界温度（Ｔ_ｋ）より低く前記最低温度（Ｔ_ｕ）より高い場合にのみ、ウォームスタートと識別するように設計される
   請求項１～５のいずれか１項に記載の炉加熱装置。
7. 前記制御装置（２１）は、ウォームスタートの場合にのみ、前記バーナ（１７）をある期間（Δｔ）前記第１動作モード（Ｆ）で動作させるように設計される
   請求項６に記載の炉加熱装置。
8. 前記期間（Δｔ）は固定され、数秒である
   請求項７に記載の炉加熱装置。
9. 前記期間（Δｔ）は、前記炉室（１６）の温度（Ｔ）に応じて固定される
   請求項７に記載の炉加熱装置。
10. 炉室（１６）を加熱するために用いられ、断続的に動作する放射管（１１）を、燃焼中断後にウォームスタートモードで加熱するバーナ（１７）の点火方法であって、
    －前記炉室（１６）の温度（Ｔ）は、無炎酸化反応のために燃焼室に少なくとも存在しなければならない臨界温度（Ｔ_ｋ）より低く、前記臨界温度（Ｔ_ｋ）より低い温度であって、前記放射管（１１）の前記バーナ（１７）が無炎方法で動作できる最低の温度である最低温度（Ｔ_ｕ）より高く、
    －前記バーナ（１７）は、炎を伴って機能する第１動作モード（Ｆ）で点火され、
    －前記バーナ（１７）は、前記炉室（１６）の温度（Ｔ）が前記臨界温度（Ｔ_ｋ）より低いままでも、無炎酸化反応の第２動作モード（ＮＦ）に切り替えられる
    方法。
11. 前記バーナ（１７）は、前記炉室（１６）の温度が前記最低温度（Ｔ_ｕ）より低いコールドスタートモードでは、前記第１動作モード（Ｆ）で炎を伴って点火されてからさらに動作し、前記バーナ（１７）は、前記炉室（１６）の温度（Ｔ）が前記最低温度（Ｔ_ｕ）を超えるとすぐに、炎を伴わない前記第２動作モード（ＮＦ）に切り替えられる
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記バーナ（１７）は、パルス燃焼動作で動作し、前記炉室（１６）の温度（Ｔ）を所望温度（Ｔ_ｓ）に調整する
    請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記炉室（１６）の前記所望温度（Ｔ_ｓ）は、前記最低温度（Ｔ_ｕ）より高く、前記臨界温度（Ｔ_ｋ）より低い
    請求項１２に記載の方法。

Images