双端式辐射管燃烧器系统 本发明涉及双端式辐射管燃烧器系统，具体涉及一种在两端位于同侧的双端式辐射管的两端配置有使燃烧废气和燃烧用空气交替通过蓄热体而得到的使用高温的燃烧用空气燃烧的辐射管燃烧器的辐射管燃烧器系统。
近年来正在试制一种将利用蓄热体回收燃烧废气的显热并用它来进行燃烧用空气的高温预热的蓄热燃烧适用于辐射管燃烧器的技术。例如象图4所示那样，系将辐射管燃烧器102A、102B分别安装在双端式辐射管101的两端并使它们交替燃烧，而使通过辐射管燃烧器101的燃烧废气再通过对侧的处于停止燃烧状态中的燃烧器的气喉103排气的结构。在该系统中，各燃烧器的气喉103分别与蓄热体104连接，燃烧时被用作供给燃烧用空气的通路，燃烧停止时则被用作燃烧废气的排气通路。而在各蓄热体104中，则在燃烧废气通过时对其热量进行回收，而在燃烧用空气通过时则用所贮存的热量将燃烧用空气预热到接近燃烧废气地高温。
在这种辐射管燃烧器系统中，辐射管的表面温度均匀化是很重要的。因此，历来是通过一方面提高燃烧用空气的运动量，另一方面设置排气风扇将燃烧废气强制排出使火焰和燃烧气体拉长而使热流束分布平坦化。
但考虑到辐射管和蓄热体的压力损失问题，燃烧用空气运动量的提高等是有限度的，难以对辐射管表面温度进行均匀化。尤其是在细直径管和长辐射管的情况下由于压力损失大而不能提高燃烧用空气的运动量，辐射管表面温度的均匀化更为困难。因此，在辐射管燃烧器系统中难以实现细直径管和长辐射管。
而且，由于燃烧气体的运动量小，向辐射管的传热以辐射传热为主而对流传热很少，故整体热传递系数很小，热效率很差。
另外，由于在使用以往的辐射管燃烧器系统时会产生局部的高温区并使NOx的发生量增多，并因气体中混入水蒸汽而降低火焰温度等不得不考虑低NOx化，因此并不经济。
本发明的目的在于提供一种即使使用细直径或长尺寸的双端式辐射管也能在辐射管表面温度均匀的同时使热传递效率提高的紧凑的双端式辐射管燃烧器系统。此外，本发明的目的还在于减少NOx的发生量。
为实现上述目的，本发明将燃烧器配置在管子两端同处一侧的双端式辐射管的两端，在使这对燃烧器交替燃烧的同时将燃烧废气从不燃烧一方的燃烧器排出，并在使该燃烧废气和燃烧用空气交替通过蓄热体而将燃烧用空气预热至高温后供给前述燃烧器的辐射管燃烧器系统中设置连接辐射管两端部的废气循环管道并使一部分燃烧废气在辐射管内循环。
因此，在该辐射管燃烧器中由于一方燃烧器燃烧时另一方燃烧器侧为强负压，在高流速喷射的燃烧用空气与燃料反应形成火焰的同时燃烧气体被强力引入另一方燃烧器侧。而且，一部分燃烧废气从停止燃烧的燃烧器经蓄热体向辐射管外排出，而另一方面一部分燃烧废气则经废气循环管道被回流到燃烧中的燃烧器侧，高温的燃烧废气与高温的燃烧用空气和燃料一起再次供给辐射管。一部分燃烧废气在辐射管内的强循环使辐射管内包含火焰在内的燃烧废气的运动量增大，从而在对产生局部高温区进行抑制的同时实现辐射管内温度的均匀化。而且由于能在对辐射管的表面温度进行均匀化并提高辐射管表面平均温度的同时增大流动气体量而使对流热传递活跃化并提高热效率。另外，大量的燃烧废气的循环会产生燃烧废气向喷射后燃烧用空气的吸入量，并在引起缓慢燃烧的同时形成很长的火焰及燃烧、气体的流动。
另外，本发明双端式辐射管燃烧器通过使废气循环管路连接到燃烧用空气喷射口上游侧，并利用燃烧用空气的喷射能量的喷射效果一起流到辐射管内。
在这种情况下，经废气循环管路回流到正在燃烧中的燃烧器侧的高温的燃烧废气通过利用被喷射到辐射管内的燃烧用空气的能量的喷射效果与燃烧用空气共同喷射到辐射管内并可靠地产生强循环。
此外，本发明双端式辐射管燃烧器通过使废气循环管路连接到燃烧用空气喷射口附近并利用燃烧用空气的喷射能量的喷射效果而一起流到辐射管内。
在这种情况下，经废气循环管路回流到正在燃烧中的燃烧器侧的高温的燃烧废气被诱导到燃烧用空气的流动中并与燃烧用空气共同被喷射到辐射管内并可靠地产生强循环。
而且，本发明在采用上述技术方案的双端式辐射管燃烧器系统中，将比燃料更高速度喷射燃烧用空气的喷嘴与喷射燃料的喷嘴平行配置，而且在用耐火材料将其围绕的同时在形成燃料喷嘴的喷射口的端面与形成空气喷嘴的喷射口的端面间设置台阶并使上述燃料喷嘴侧的端面凸出于空气喷嘴侧的端面。
在这种情况下，台阶部分产生负压并从废气循环管路强力诱导高温的燃烧废气，在使之喷射到辐射管内的同时其一部分吸入与燃料气体混合前的燃烧用空气，使燃烧用空气的氧气浓度降低。而在燃料喷射端面下游将燃料诱导并跟随混合到燃烧用空气的流动中。另一方面，沿燃烧用空气喷出端面与燃料喷出端面的台阶部分的面流动的一部分燃烧用空气在靠燃料喷出端面的台阶附近稳定地形成与燃烧用空气流动相反方向的涡流，混入一部分燃料后，形成作为火种的火焰。为此一面引起稳定的缓慢燃烧，一面高速喷出的高温的燃烧用空气与被诱导到其中的燃料和燃烧废气强制混合后形成具有很大容量的火焰和燃烧气体流。
本发明第一技术方案的双端式辐射管燃烧器系统由于一部分燃烧废气从燃烧停止中的燃烧器经蓄热体排出辐射管外，另一方面，一部分燃烧废气经废气循环管路回流到正在燃烧中的燃烧器侧，高温的燃烧废气与高温的燃烧用空气和燃料一起重新向辐射管内供给，从而使辐射管内包含火焰的燃烧气体的运动量增大，并在对产生局部高温区进行抑制的同时实现辐射管内温度的均匀化。而且由于能在对辐射管的表面温度进行均匀化并提高辐射管平均表面温度的同时增大流动气体量而使对流热传递活跃化，提高热效率。另外，大量的燃烧废气的循环会产生燃烧废气向喷射后燃烧用空气的吸入量，并在引起缓慢燃烧的同时形成很长的火焰及燃烧气体的流动。其结果是与以往的双端式辐射管相比减少了做相同工作所需的燃料并相应提高了燃料消耗率。此外，以往不可能的细直径、长尺寸的双端式辐射管的实用化也成为可能。而且，由于辐射管表面温度的均匀化效果，可使辐射管寿命延长和材料成本低廉化。在确保同样管子寿命的情况下降低辐射管的材料成本。
本发明第2技术方案的特征在于经废气循环管路回流到燃烧器侧的高温的燃烧废气通过利用在辐射管内喷射的燃烧用空气的能量的喷射效果而与燃烧用空气共同被喷射到辐射管内并可靠地引起强循环。
本发明第3技术方案的特征在于，经废气循环管路回流到正在燃烧中的燃烧器侧的高温的燃烧废气被诱导到燃烧用空气的流动中而与燃烧用空气共同被喷射到辐射管内并可靠地引起强循环。
本发明第4技术方案的特征在于，燃烧用空气喷出附近的台阶部分产生负压并从废气循环管路强力吸引高温的燃烧废气使其一面与燃烧用空气混合一面向辐射管内喷射，另外，由于一部分燃烧用空气在燃料喷出口附近稳定地形成与燃烧用空气流动相反方向的涡流，并混入一部分燃料后形成作为火种的火焰，在燃烧用空气在与燃料混合前一面使废气充分吸入而产生稳定而又缓慢的燃烧，一面形成运动量很大的火焰及燃烧气体流。因此能以均匀的热通量在辐射管内燃烧，防止以往燃烧器中产生的局部加热，能延长辐射管的寿命。而且因大量燃烧废气吸入而产生的缓慢燃烧能抑制NOx的产生。
附图简单说明：
图1为表示本发明双端式辐射管燃烧器系统一实施例的概略构成图。
图2为表示图1中燃烧器部分具体结构的剖面图。
图3为表示另一燃烧器系统实施例的概略剖面图。
图4为适用蓄热燃烧的以往的双端式辐射管燃烧器系统的概略图。
以下根据附图所示实施例详细说明本发明的构成。
图1表示本发明双端式辐射管燃烧器系统的一个实施例。该双端式辐射管燃烧器系统包括两端位于同侧的双端式辐射管1、被配置在该辐射管1的两端部的一对辐射管燃烧器2A、2B及为使这对燃烧器2A、2B交替燃烧而对燃烧用空气供给系统3和排气系统4有选择地进行切换的四通阀等的流路切换装置5、以及未图示的燃料供给系统和将其有选择地连接到燃烧器2A、2B的流路切换装置。两个燃烧器2A、2B的关系是一方被连接到燃烧用空气供给系统3则另一方被连接到排气系统4。
双端式辐射管1在本实施例中为U形管，但不受其限。该辐射管1的两端通常穿过炉壁(图中省略)被配置在炉外。辐射管1在炉壁上的固定方法，例如可采取将装在辐射管上的耐火材料制夹层(柱)嵌入炉壁上所开直径大于辐射管的孔，然后通过用耐火材料对该夹层与炉壁间的间隙进行密封。
各辐射管燃烧器2A、2B在本实施例中为内装蓄热体6的形式，系由兼作引燃喷嘴的燃料喷嘴7、空气喷嘴8、燃料喷嘴支承体9和燃烧器体10等组成。还有，配置在辐射管1两端的各辐射管燃烧器2A、2B通常采用相同结构，但根据情况也可采用不同结构。
燃烧器体10在本实施例中作成大致圆筒状，其一端通过利用凸缘的连接结构等被安装在辐射管1的端部，另一端与放有蓄热体6的壳体11连接。该燃烧器体10中安装有贯通状的燃料喷嘴7。而空气喷嘴8则被燃烧器10贯通状地设置在燃料喷嘴7的外面。而且通过废气循环管器12连接辐射管两端的两个燃烧器体10、10，并通过废气循环管路12分别连通空气喷嘴8与燃烧器体10之间的空间13、13。也就是说通过废气循环管路12连通辐射管1的两端并构成环路。
另外，在废气循环管路12中装有循环量调节阀15，使燃烧废气引起的燃烧用空气及燃烧气体的稀薄率可以调节，例如通过在炉子开始工作时等燃烧不稳定的低温时抑制废气循环量并重视火焰稳定性，而在炉子正常工作的高温时增加废气循环量，可实现辐射管表面温度的均匀化、提高辐射管表面负荷并进一步高效率化。
各蓄热体6、6虽无特别限定，但最好采用如通路截面积相同且流路直线贯通的蜂窝状陶瓷，象堇青石、富铝红柱石等。这种蜂窝状陶瓷热容量大、耐久性高、压力损失较低。而且排气和供气是不停顿地交替进行的。因此废气中的尘粒等难以粘附在蓄热体6、6的蜂窝状流路内，即使粘附也因被逆向气流清除而不会沾污。而且在从废气中回收热量时即使废气降低到冷凝点温度以下也能在陶瓷表面捕捉到废气中的硫黄成份及其化学变化物质并使下游的排气系统的管道等不产生低温腐蚀。
还有，与各燃烧器2A、2B连接的壳体11、11通过管道14、14分别被连接到回转四通阀5上。
作为燃烧喷嘴7，在本实施例中是兼用作引燃喷嘴。如图2所示，该兼作引燃喷嘴的喷嘴7由燃料喷嘴7a、使一次空气流动的一次空气配管7b以及未图示的点火插头等组成。燃料喷嘴7a和一次空气配管7b由配置成同心圆状的套管组成。因此喷管的结构简单，能较细地成形。根据该兼作引燃喷嘴的喷嘴7，在燃料喷嘴7a周围的一次空气配管7b内流动有作为二次空气流向空气喷嘴8的燃烧用空气的约10％的一次空气。在燃料喷嘴7a的前端部分除了主喷射口之外，面向周围的一次空气配管7b开有喷射一部分燃料的喷射口(图中省略)，以便将一部分燃料作为引燃燃料喷射到一次空气配管7b内并与一次空气良好地混合后得到预混合气。底部设置有未图示的点火器，并能在燃料喷嘴7b的喷射口周围形成火焰稳定源。
这里，一次空气配管7b中始终流动有与燃烧器作动状态无关的符合引燃燃烧所必要的最低限度数量的一次空气。作为一次空气是使用不通过蓄热体的冷空气。该一次空气与作为二次空气供给的高温的燃烧用空气相加决定空气比。另外，燃料喷嘴7a中始终流动有作为引燃燃料的在燃烧停止时也能维持引燃火焰的充分数量的燃料，以便继续主燃烧和引燃燃烧。
该兼作引燃喷嘴的喷嘴7和空气喷嘴8被配置在燃烧器体10的大致中央处并被插入辐射管3内。因此，被预热到高温的二次燃烧用空气在兼作引燃喷嘴的喷嘴11周围流动，而且燃烧废气在其外侧流动。兼作引燃喷嘴的喷嘴7的前端被喷嘴支承体9支承在空气喷嘴8上。
以上组成的燃烧器系统按照下列方式燃烧并使辐射管发热。
图1中，燃烧器2A正在燃烧，从燃烧器2A以高流速喷出的燃烧空气与燃料发生反应并形成火焰。此时，由于双端式辐射管1另一端的燃烧器2B侧通过四通阀5被连接到排气系统4并变为很强的负压，而将燃烧废气强制引入燃烧器2B侧。而一部分燃烧废气则通过空气喷嘴被导入壳体11内，在通过蓄热体6后经管道14和四通阀5排至排气系统4并在经一定的废气处理后放至大气。另外，一部分燃烧废气经废气循环管路12回流至正在燃烧中的燃烧器2A侧，与被预热到高温的燃烧用空气和燃料一起被再次供给到仍处于高温的辐射管1内。在本实施例的情况下是通过向辐射管1内喷射的燃烧用空气的喷射能量产生的喷射效果吸引燃烧废气并与燃烧用空气混合。这里，作为二次空气喷射的空气通过蓄热体6被预热到如800℃以上高温后导入空气喷嘴7。为此，二次空气进行膨胀并增加其流速，从二次空气喷射口火势猛烈、例如以100米/秒的速度喷出，在辐射管1的中央形成高速的空气流。因此在空气喷嘴8的喷射口的周围产生负压并从废气循环管路12对燃烧废气进行诱导，并与燃烧用空气流一起向辐射管1内喷出。燃烧废气一面被混入燃烧用空气一面流动，而燃料和燃烧用空气则在充分混有燃烧废气状态下徐徐燃烧的同时向辐射管内延伸，即所谓的缓慢燃烧。而燃烧废气则伴随高流速的燃烧用空气，其后通过充分混有燃烧废气的大运动量、低氧气浓度的燃烧空气和燃料产生缓慢燃烧。因此也就大大减少了NOx的发生量。另外，在采用高温的燃烧用空气的情况下，火焰稳定性高是当然的，由于一面抑制NOx的产生一面能形成定向性很强的火焰及燃烧气体流，故能在广阔空间中以均匀的热流量燃烧。而且，一部分燃烧废气在辐射管1内的强循环使包括辐射管1内火焰的燃烧气体的运动量增大，并在抑制产生局部高温区的同时实现辐射管内温度的均匀化。使辐射管表面温度均匀化并可提高辐射管平均表面温度，从而使辐射管单位面积的传热负荷显著提高。由于流动气体量的增大而使对流热传递活跃化并提高热效率。另外，大量燃烧废气的循环引起燃烧废气向喷射后燃烧用空气的大量混入，在产生缓慢燃烧的同时形成很长的火焰及燃烧气体的流动。
这里，考虑到热效率及辐射管表面温度的均匀化，燃烧器2A与燃烧器2B的切换最好在短时间内进行。例如在燃烧器1A开始燃烧后经过20-40秒即停止对燃烧器2A侧的燃料供给。然后四通阀5切换到将燃烧器2A侧连接到排气系统4而将燃烧器2B侧连接到燃烧用空气供给系统3，并对燃烧器2B进行换气。此后燃烧器2B侧的燃料供给系统打开并向燃烧器2B侧供给主燃料。
图3表示另一实施例。该实施例是使废气循环管路12连接到燃烧用空气喷射口附近并将循环的燃烧废气直接喷射到燃烧用空气的流动中而一起混入辐射管内。在该实施例中，燃烧器20将比燃料更高速度喷射燃烧用空气的喷嘴21与喷射燃料的喷嘴22平行配置，而且在用耐火材料块23将其围绕的同时在形成燃料喷嘴22的喷射口27的端面25与形成空气喷嘴21的喷射口26的端面24间设置台阶，并使燃料喷嘴22侧的端面25凸出于空气喷嘴21侧的端面24。废气循环管路12被设置在空气喷嘴21的喷射口26的附近。如图所示，废气循环管道12与燃烧器20的连接部分的形状为圆弧状，燃烧用空气流动相对于废气循环管路12成切线方向配置，废气沿燃烧空气流动。
空气喷嘴21和燃料(气体)喷嘴22被配置成穿过耐火材料块23并在耐火材料块23的台阶的二个端面24、25上开有各喷嘴的喷射口26、27。这里，燃料喷嘴22采用与图1实施例同样的兼作引燃喷嘴的喷嘴并流动有作为一次空气的与燃料喷嘴22平行喷射的二次空气约10％左右的一次空气。
另外，燃料喷射口27与空气喷射口26不在同一平面形成，而被设置在作为台阶的不同面上，并将燃料喷射口27配置在空气喷射口26的下游侧。也就是说，燃料喷出口27是被设置在从设有空气喷射口26的耐火材料块的端面(以下称基准面)24凸出的端面(以下称火焰稳定面)25上。稳定的一次火焰32和燃料F从该火焰稳定面25的燃料喷出口27喷出。燃料用空气则从耐火材料块23的中央高速喷出。此时可在火焰稳定面25的台阶部分附近稳定地形成与燃烧用空气的流动相反方向的涡流31并与一部分燃料、气体迅速混合形成火焰稳定区域。因此，不要说高温时，即使低温时也能形成稳定的吹不灭的火种。在本实施例的情况下，平行配置并支承空气喷嘴21和燃料喷嘴22的耐火材料块23系由整体成形的单一块构成，但也可根据情况将空气喷嘴21的支承部分和燃料喷嘴22的支承部分分别成形后组合使用。另外在本实施例的情况下，空气喷嘴21不是采用管道构成，而是通过耐火材料块23上开的孔和内装有耐火材料块23的燃烧器体构成。当然，空气喷嘴21也可由管道构成。
而且，在采用以上结构的情况下，耐火材料块23因强度上的问题在空气喷嘴21与燃料喷嘴22间必须有一定程度的距离。为此在喷射后的区域存在燃料难以被诱导到高速空气流中的倾向。因此最好如图所示将喷射口27靠空气喷嘴21的部分29的形状作成面向空气喷嘴21侧的曲面形状。这样，燃料就容易向燃烧用空气的流动侧流动。因此，进一步提高与燃料的混合能力可防止CO和HC等游离未燃成分的产生。此外，也能确保向燃烧用空气的流动相反方向的涡流31的燃料供给，可形成更稳定的火种。至于其形状则不限于曲面，凡满足上述功能的结构均可，例如也可以是斜面。
另外，空气喷嘴21被设置在火焰稳定面25和基准面24的边界的台阶部分。而且在靠火焰稳定面25的部分具有与燃料伴随混合的功能，而在靠基准面24的部分则具有使废气再循环的功能。也就是说，在将火焰稳定面25与基准面24的台阶部分的面28配置为喷射口24的中央横割以及空气喷嘴21的喷射口26对开状态时，伴随混合功能与再循环功能两者能得以兼顾。另一方面，在未图示的台阶部分的面28与空气喷嘴21的喷射口24外接状配置时，由于与对开情况相比废气吸入面积扩大，从而使燃烧用空气的氧气浓度降低的功能方面优良。此外，在未图示的台阶部分的面30交叉状配置并将喷射口24几乎全部围住的情况下由于设有耐火材料块23，使喷射的空气受火焰稳定面25约束部分增多，因此可从火焰稳定面25喷出燃烧用空气范围不大的指向性更好的燃烧用气流，以提高与燃烧气体的伴随混合能力。
按照上述结构的图3所示的双端式辐射管燃烧器，由于以高温高流速喷出的燃烧用空气的喷射能量而将空气喷射口26附近变为负压并通过废气循环管路12将环流的燃烧废气从另一方燃烧器侧吸引过来。沿燃烧用空气的流动而流动的燃烧废气被强力吸入燃烧用空气中，在不降低温度的前提下，一面使氧气浓度降低，一面使喷流的体积增大。另外，由于在到达火焰稳定面25之前大量吸入废气而其后继续吸入燃烧废气，以高流速从火焰稳定面25喷出的具有方向性的燃烧用空气一开始就强力吸引以较低速度平行喷射的燃料，一面与其伴随和混合一面不减弱火势地在流动间进行缓慢燃烧反应直到远处。而且一部分燃料被诱导到火焰稳定面25的台阶部分附近的区域产生的燃烧用空气的相反方向流动中扩散混合，并由于形成了作为火种用的稳定的火焰，故不用说是高温时，从低温时起即形成稳定的火焰。
还有，上述实施例只是本发明的一个较佳实施例，但并不受其限制；可以在不脱离本发明内容的范围中对实施作各种变动，例如在本实施例的燃烧器系统中，采用的是每隔设定时间重复切换燃烧器2A、2B的方式，但并不受其限制。而可以采用对通过各蓄热体6、6后燃烧废气的温度进行监视并在该温度到达规定的温度如200℃位置时进行切换的结构。
此外，在本实施例中是以将高温的燃烧用空气连接到燃烧器或者用内装的蓄热体的交替燃烧方式作为主要内容加以说明的，但并不受此限制，例如可以通过使蓄热体对于燃烧用空气供给系统和排气系统作相对回转，或是通过采用流路切换装置对蓄热体的流体流动方向进行切换等方式，利用高温的燃烧废气的排热将燃烧用空气预热到高温后连续供给单一的燃烧器使其连续燃烧。另外在本实施例中燃料喷嘴是采用兼作引燃喷嘴的喷嘴，但并不受此限制，根据情况可以将引燃喷嘴分别设置在燃料喷嘴的喷射口附近。还有，本实施例中是以采用气体燃料为主进行说明的，但并不受此限制，例如也可使用油等液体燃料。此外，燃烧用空气也不一定要有100米/秒左右的高流速，即使在流速慢一些情况下本发明也成立。