再加熱炉バーナーの種類、効率、環境影響

再加熱炉におけるバーナーの種類

現在、製鉄業界は環境排出の継続的な削減とプロセスの経済的実行性の向上という大きな課題に直面しています。高エネルギー消費を伴う再加熱炉は、製鉄業界が注力すべき領域の一つです。再加熱炉は、製鉄所の生産性とエネルギー効率に寄与する重要な設備です。

現代の再加熱炉はウォーキングビーム炉であり、ビームが炉内の被加熱鋼材（ビレット、ブルーム、スラブ）を持ち上げ、次の位置へ移動させます。これらの炉では、屋根バーナー（屋根を加熱し、そこから鋼材へ輻射熱伝達）および/または長炎バーナー（側壁および/または前壁）を用いて、鋼被加熱材の上下から直接燃料を燃焼させて加熱を行います。再加熱炉で使用される一般的な燃料は、低発熱量混合ガス（高炉ガスにコークス炉ガスと転炉ガスを混合したもの）、コークス炉ガス、重油、低硫黄重質油（LSHS）、天然ガスなどです。

再加熱炉の重要パラメータ

再加熱炉の重要パラメータには、燃焼システム（使用燃料、燃料供給、燃焼空気の技術的条件）、適切な熱分布のためのバーナーとその位置、燃焼空気と燃料ガスの予熱、廃熱回収システム、空気燃料比、炉ドレフト制御、炉排気システム、炉パラメータ測定・制御システムが含まれます。炉燃焼システムは、炉の要求生産性レベルを支えるだけでなく、熱投入の効率的利用、熱損失の低減、廃熱の効率的回収、炉耐火物へのダメージ最小化、特にNOxなどの温室効果ガスの低発生を確保します。また、鋼表面のスケール生成を最小限に抑える炉雰囲気も確保します。

熱回収システムは、再加熱炉の排ガス熱損失を低減するために製鉄所で広く使用されてきました。排ガス熱損失は熱損失の高割合を占めるため、熱回収システムの使用により炉効率が向上し、燃料消費が削減されます。通常、2種類の熱回収システムが採用されます。集中式システムと分散式システムです。集中式熱回収システムは、金属レキュペレーターで排ガス熱により燃焼空気を予熱するもので、現在広く使用されています。しかし、材料温度制限により、この方法で達成可能な最大予熱空気温度は、炉温度約1300℃で約600℃程度です。分散式熱回収システムは、切替式蓄熱式バーナーシステムで、セラミック（通常アルミナ）ボールを蓄熱媒体として使用します。集中式システムより高温の予熱空気を提供します。

再加熱炉で使用されるバーナーは、再加熱炉のエネルギー効率を決定する重要な側面の一つです。異なる鋼仕様は再加熱炉で異なる温度プロファイルを必要とします。したがって、炉内の適切な熱分布のためには、操業要員が多様なプロセス条件に合わせて燃焼パラメータを調整できるよう、バーナーに柔軟性を持たせることが重要です。バーナーには適切なターンダウン比、低NOx性能、高効率が求められます。

再加熱炉内のバーナー配置も、炉の加熱特性にとって非常に重要です。炉内でのバーナー位置により、配置は3つの加熱方法に分類されます。（i）前壁への軸流バーナー使用、（ii）側壁へのサイドバーナー使用、（iii）屋根へのフラットフレーム輻射バーナー使用。各加熱方法には独自の特性があります。特定の加熱方法または加熱方法の組み合わせは、製鉄所の現地条件に合わせて採用されます。複数の燃料が利用可能な製鉄所では、バーナーは複数燃料の利用能力を持つべきです。

再加熱炉は、与えられた時間内に鋼被加熱材を最小燃料量で均一に所望温度まで加熱できるよう設計される必要があります。加熱はバーナーを用いて行われるため、適切な熱分布のために以下を確保する必要があります。

• 再加熱炉の燃焼は、炉排出端に位置し、鋼被加熱材の上部および/または下部にあるバーナーによって行われること。
• 炎が固体物体に接触または妨害されないこと。妨害は燃料粒子の非霧化を引き起こし、燃焼に影響を与え、黒煙の原因となります。炎が鋼被加熱材に衝突するとスケール損失が増加します。炎が耐火物に衝突すると、不完全燃焼生成物が沈着し、高温で耐火物成分と反応して炉耐火物を損傷させる可能性があります。
• 異なるバーナーの炎が互いに離れていること。炎が交差すると不完全燃焼を引き起こします。対向側のバーナーを千鳥配置にすることも望ましいです。
• バーナー炎は、材料のすぐ上の燃焼空間を自由に移動する傾向があります。このため、炉内のバーナー軸は炉床と平行ではなく、上向き角度で配置すべきです。ただし、炎が炉屋根に衝突しないようにする必要があります。
• 大型バーナーは長い炎を生成し、通常炉壁内に収めるのが困難です。したがって、一般に多数の小容量バーナーを採用し、炉内の熱分布を改善し、炉寿命を延ばします。

フラットフレームバーナー（FFB）

フラットフレームバーナー（FFB）は、通常再加熱炉の屋根に使用されます。これらのバーナーにより、間接的な輻射熱伝達が行われます。燃料燃焼の熱は、炎から直接だけでなく、炉の屋根耐火物ライニングを通じても鋼被加熱材に伝達されます。炎は通常非発光性で、高温と、二酸化炭素と水蒸気の選択的放射に対応する比較的低い放射率を特徴とします。炎が鋼被加熱材に衝突しないため、FFB加熱炉は間接加熱炉として知られています。

バーナーは、炎を屋根表面に薄い層として広げるように設計されています。バーナー軸方向の燃焼ガス流速が無視できるほど小さいため、炎から屋根への集中的な熱伝達により耐火屋根温度が上昇します。このようにして、耐火屋根が主要な放射面として機能します。

フラットフレームバーナーの使用は、再加熱炉内の鋼被加熱材が大きな平坦な表面を持ち、炉屋根と平行である可能性があり、かつ鋼被加熱材の加熱温度が900℃以上の場合に適切かつ有利とされます。以下は、FFB燃焼炉の主な利点と欠点です。

FFB炉の炉室内および鋼被加熱材内の温度分布がより均一です。個々のゾーンの温度制御が満足に行え、必要な炉出力を達成できます。

• FFBによるより速い加熱率により、鋼被加熱材の高温曝露時間が短縮されます。したがって、表面酸化や脱炭、粗大結晶鋼組織などの現象が大幅に減少します。
• 炉出力を100%から50%に低下させた場合、燃料消費量を最大でほぼ40%削減できます。
• ガス燃料と燃焼空気の集中的な混合により、低過剰空気比で混合気の迅速かつ完全な燃焼が確保されます。
• 屋根加熱の基本的な欠点は、炉出力の急激な変化に伴う鋼被加熱材表面の過熱リスクです。
• 炉室入口付近での過度な加熱率は、鋼被加熱材に望ましくない熱応力と構造変形を誘発する可能性があります。

長炎バーナー

様々な特性と容量を持つ多種多様な長炎バーナーが市場に出回っています。これらのバーナーは様々な容量で、油、ガス、複数燃料など異なる燃料に対応したものが用意されています。

長炎バーナーを用いた再加熱炉では、鋼被加熱材の加熱の大部分が対流によって行われるため、燃焼生成物の再循環が加熱速度と温度均一性に大きく寄与します。長炎バーナーは高速ガスを生成し、燃焼ガスを巻き込んで再循環させることで、最小限の過剰空気で炉内の温度均一性を達成します。

再加熱炉前壁のバーナーは通常長炎で、側壁のバーナーは短い可変炎です。前壁バーナーは通常軸流燃焼タイプで、広い調整範囲を必要とします。大容量バーナーで、炉長手方向のゾーンあたり長さに制限があります。炉内の燃焼ガス流れは炉長手方向に沿ってスムーズです。バーナーノーズ部分が炉構造を複雑にします。これらのバーナーでは炉幅方向に加熱均一性がありますが、炉長手方向のノーズ部分で温度低下傾向があります。バーナー下部周辺で温度が比較的高い領域を除き、作業性は比較的良好です。

側壁バーナーは狭い調整範囲で済みます。これらも大容量で、炉幅方向に制限があります。バーナー方向が炉長手方向と直角であるため、燃焼ガス流れはドリフトしやすくなります。ノーズ部分がないため、炉構造を複雑にしません。炉長手方向に良好な均一性がありますが、炉幅方向の均一性は劣ります。作業性は比較的良好です。

蓄熱式およびレキュペラティブバーナー

蓄熱式バーナーは、炉排ガスの廃熱を回収して燃料燃焼に必要な燃焼空気を加熱する熱回収システムを備えたバーナーです。再加熱炉で蓄熱式バーナーを使用すると、大幅な省エネが可能です。

蓄熱式バーナーは、排ガスから流入空気へ熱を移送し、その空気を燃焼に使用することで入口空気へ熱を回収するように設計されています。蓄熱式バーナーは、それぞれ蓄熱室と切替弁を備えた2組のバーナーで構成されます。蓄熱室はセラミック（通常アルミナ）ボールを用いて熱を蓄えます。一方の蓄熱式バーナーが燃焼している間、もう一方は炉ガスを排出します。排ガスは蓄熱式バーナー本体を通過し、セラミックボールに熱を移します。したがって、排ガスからの熱が流入空気に移されます。流入空気は加熱されたセラミックボールを通過するためです。切替弁はバーナーヘッドに入る空気流の方向を設定し、入口空気温度を運転温度と同様にします。高予熱燃焼空気温度により、蓄熱式バーナーは燃料を節約し、高効率で燃焼させることができます。

レキュペラティブバーナーの場合、バーナー構造は放射熱交換チューブと類似しており、排ガスから流入空気へ熱を回収することで入口空気をより高温（約750℃）まで予熱します。したがって、バーナー内での熱交換により燃焼効率が向上し、燃料コストを約25%～30%節約できます。

蓄熱式バーナーの原理を図1に示します。第1バーナーは燃焼モード、第2バーナーは排気モードです。第1バーナーは温められた燃焼空気をバーナーを横切って吹き付けながら燃焼します。第2バーナーは炉から出る高温排ガスをセラミックボールに受け、熱をバーナー内に保持します。熱を通過させた後、排ガスが放出されます。30秒から1分程度の期間後、第2バーナーが燃焼モードに切り替わり、第1バーナーが高温排ガスを受け始めます。バーナーの燃焼モードと受熱モードは、再加熱炉が停止するまで交互に連続的に動作します。高予熱空気温度により、燃焼プロセスが非常に効率的になります。

レキュペラティブバーナーの原理も図1に示します。燃焼前の流入空気温度は、熱交換技術により予熱されます。排ガスはバーナー内部に設置された熱交換器を通過し、排ガスからの熱が流入空気に交換されてからバーナーから流出します。排ガスはバーナー外周部を通り、熱はバーナー内部で交換されます。

図1 蓄熱式およびレキュペラティブバーナーシステムの原理

酸素燃料バーナー

酸素燃料とは、燃焼の酸化剤源として空気を完全に工業用酸素で置き換えることを指します。酸素燃料燃焼は、燃焼空気中の窒素を削減または排除し、排ガスとともに排出される廃熱を大幅に削減します。酸素燃料バーナーは、温度均一性が極めて重要で、極めて低いNOx排出が求められる高温再加熱炉で使用できます。

空気を工業用酸素で置き換える一般的な利点は、空気中に存在し燃焼プロセスに持ち込まれる窒素含有量がほぼまたは完全に排除されることです。燃焼における窒素の削減により、燃焼ガス量の減少で炎から奪われ排気ガスとして失われる熱量が減るため、より高い炎温度と燃焼効率が得られます。

空気燃料燃焼と比較した酸素燃料の利点は、（i）エネルギー消費削減、（ii）加熱率向上による生産性向上（炉温度セットポイント上昇なし）、および（iii）炉排出ガス削減です。

酸素燃料炎は、空気燃料炎より高温で、体積と長さが小さいです。鋼再加熱用途の酸素燃料バーナーシステム設計時には、この炎特性を考慮する必要があります。一般に、鋼加熱では製品の局所的な過熱や未加熱を避けるため、均一な温度分布が求められます。酸素燃料バーナーのタイプと配置は、炉のタイプと炎から鋼製品までの近接度に依存します。

酸素燃料炎は、空気燃料炎より高温で、体積と長さが小さいです。鋼再加熱用途の酸素燃料バーナーシステム設計時には、この炎特性を考慮する必要があります。一般に、鋼加熱では製品の局所的な過熱や未加熱を避けるため、均一な温度分布が求められます。酸素燃料バーナーのタイプと配置は、炉のタイプと炎から鋼製品までの近接度に依存します。