JPH0555765B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は燃焼制御技術に関し、特に製鉄所等に
おける余剰酸素を利用する加熱炉などの燃焼装置
の燃焼制御技術に関する。

（従来の技術） 一般に製鉄所は、溶鉄を鋼とするための精錬用
酸素を製造する設備を有している。該設備は元
来、製鋼規模に対しある程度の余力を残すよう設
計されている上、近年における鉄鋼生産量の減
少、これに伴う技術革新による鉄鋼製造時の酸素
原単位の向上の結果、大量の余剰酸素を発生し得
るようになつた。またアルゴン、ネオン等の酸素
製造に伴う副生希ガス類の回収とこれらに対する
需要の増加は製鉄所内にさらに豊富な余剰酸素を
生み出している。

この結果、この余剰酸素を加熱炉等の燃焼装置
における燃焼用空気に混入し燃焼効率を上げる試
みがなされている。これは従来高価な燃料ガスを
必要とした設備において低廉な燃料の使用を可能
にするものである。

例えば特開昭59−157420号は、酸素富化燃焼の
制御において、燃料発熱量の関係から一定の燃焼
温度を得る方法を提案し、また特開昭59−131821
号は、酸素富化に伴う余剰高圧を回収する手段を
提示している。

これはいづれも燃焼用空気中における酸素を富
化して燃焼温度を上げ、これにより燃焼効率を向
上させる技術を開示したものである。

さらにまた特開昭60−4724号は、酸素富化燃焼
の制御において、予め酸素を混入富化した燃焼用
空気中の酸素濃度を測定し、該測定値に基づいて
適正空燃比となるように燃焼用空気の量を制御す
る方法を示したものである。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の酸素富化燃焼技術ではいづれも、燃焼温
度の上昇に伴う窒素酸化物の増加に対する対策が
不充分である。特に公害問題の結果、排気ガス中
の窒素酸化物の濃度が厳しく規制されるようにな
つた現今では、このことが酸素富化燃焼法の採用
を制限する原因となつている。

この点、従来技術として先に例示した特開昭60
−4724号の燃焼制御方法も例外とは言えない。こ
の方法は、用いられる測定器の信頼性や流量調節
弁等の制御機器の精度から便宜的に採用されたも
のと考えられるが、予め定められた空燃比表によ
る制御を利用するこの方法では、燃料組成、各流
体圧力等の条件の変化に対応できない。また酸素
富化空気中の酸素濃度が35％以下では排気中の窒
素酸化物濃度の増加は無視できると述べている
が、排気中の窒素酸化物の規制濃度等により一概
にそうは言えないと考えられる。

（問題点を解決するための手段および作用） 本発明は上述の従来技術の有する問題を解決
し、純酸素用バーナ等の改造を必要とせずに公害
規制値内での酸素富化燃焼を可能とする制御技術
を確立するためになされたものである。

ここに、本発明は、燃焼装置内における燃料と
酸素富化空気の燃焼を制御する方法において、該
燃焼の排気中の窒素酸化物濃度に基づいて前記酸
素富化空気中の酸素濃度を制御し、さらに該燃焼
の排気中の酸素濃度および前記酸素富化空気中の
酸素濃度に基づき前記燃料と前記酸素富化空気と
の混合比を制御するとともに燃焼排気中の前記窒
素酸化物濃度を複数の値域に区分し、各値域毎に
相異なる方式に従い酸素富化空気中の前記酸素濃
度を制御することを特徴とする酸素富化燃焼制御
方法である。

さらに、別の面からは、本発明は、燃焼装置内
における燃料と酸素富化空気の燃焼の制御装置に
おいて、該燃焼の排気中の窒素酸化物濃度を測定
する窒素酸化物濃度計と、該排気中の酸素濃度を
測定する酸素濃度計と、前記窒素酸化物濃度計の
測定値に基づき酸素富化空気中の酸素濃度目標値
を演算する演算器と、該演算器の演算した酸素濃
度目標値に酸素富化空気中の酸素濃度を制御する
酸素濃度制御器と、前記酸素濃度計の測定した前
記排気中の酸素濃度の測定値と前記演算器の演算
した酸素濃度目標値に基づき前記燃料と酸素富化
空気の混合比を制御する空燃比制御器とを備え、
前記演算器は、窒素酸化物濃度測定値の値域区分
に従い演算方式を切り換える手段を備えることを
特徴とする燃焼制御装置である。

したがつて、本発明によれば、酸素富化燃焼制
御において、排気中の窒素酸化物濃度を測定し、
この測定濃度に基づいて燃焼用酸素富化空気中の
酸素濃度を決定、制御する。排気中の窒素酸化物
の濃度は燃焼温度に依存し、燃焼温度は燃焼空気
の酸素濃度に直接関係しているためである。さら
にこのように決定された燃焼用空気中の酸素濃度
と、別に測定された排気中の酸素濃度に基づいて
酸素富化燃焼用空気と燃料の混合比を制御し、常
に適正な空燃比を維持する。

（作用） 次に添付図面を参照しながら本発明についてさ
らに詳細に説明する。

第１図は、本発明を燃焼装置としての鋼片加熱
炉の燃焼制御に応用した場合のブロツク図であ
る。

加熱炉１内の鋼片１ａは、燃料ガス源を構成す
るコークス炉２から導かれるコークス炉ガスをバ
ーナ１ｂにおいて燃焼させることにより加熱され
る。この際コークス炉ガスはエアポンプ３から送
られる空気、および酸素プラント４で発生する酸
素ガスと予め混合されてバーナ１ｂに導かれる。
酸素プラント４は通常、製鉄所における溶銑精錬
用の酸素を発生する設備であり、該設備の発生す
る余剰酸素を加熱炉１で利用する。

上述の如く、バーナ１ｂにはコークス炉２から
のコークス炉ガス、エアポンプ３からの大気空
気、酸素プラント４からの純酸素の３種の流体が
送られて燃焼している。したがつて、バーナ１ｂ
における燃焼の制御はこれら３種の流体の供給量
および混合比を適正値に制御することにより行わ
れる。この制御は加熱炉１内の温度を所定値に維
持し、空燃比を適正に保持するのみでなく、さら
に排気中の窒素酸化物の濃度を所定の範囲内に抑
えながら燃焼効率を可及的に向上させることを目
的に行うものである。

以下、この制御系について説明する。

燃料ガス流量制御器５は炉内温度検知器１ｃの
検知する炉内温度に基づいてコークス炉ガス流量
を制御する。即ち、温度検知器１ｃは加熱炉１内
の温度を検知し、その検知値を燃料ガス流量制御
器５に出力する。また燃料ガス流量計２ａは、コ
ークス炉２からバーナ１ｂに送られるコークス炉
ガス流量を測定し、その測定値を制御器５に出力
する。制御器５はこれらの検知値および測定値に
基づき、加熱炉１内の温度を適正値に保持するの
に必要なコークス炉ガスの供給量を演算し、その
演算値に従いバルブ２ｂを制御してバーナ１ｂへ
のコークス炉ガス流量を調節する。

一方、バーナ１ｂに送られる酸素富化燃焼用空
気中の酸素濃度は、以下のように排気中の窒素酸
化物濃度に基づき制御される。排気に含まれる
NO、NO₂等の窒素酸化物の濃度は窒素酸化物濃
度計（以下NOx計と略称する）1dにより検知さ
れ、酸素濃度制御系６内の演算器７に送られる。
演算器７はNOx計1dの検知した窒素酸化物濃度
に基づき燃焼用空気中の酸素濃度目標値を演算
し、これを酸素濃度制御器８および空燃比制御器
９に出力する。これは、排気中の窒素酸化物濃度
が燃焼用空気中の酸素濃度に直接的に依存するも
のであることを考慮し、窒素酸化物濃度に基づき
酸素濃度目標値を演算し、この目標値に燃焼用空
気中の酸素濃度を制御するものである。演算器７
の動作の詳細については後述する。

次に上記目標値に基づく酸素濃度の制御につい
て述べる。酸素プラント４から送られる酸素流量
は酸素流量計４ａにより測定される。またエアポ
ンプ３からの大気空気および酸素プラント４から
の酸素を混合して得られる酸素富化燃焼用空気中
の酸素濃度は、酸素濃度計３ａにより検知され
る。酸素濃度制御器８はこれら両者の値に基づ
き、酸素富化燃焼用空気中の酸素濃度を演算器７
の演算した目標値に維持するよう、バルブ４ｂを
制御して酸素プラント４からの酸素供給量を調節
する。なお、酸素濃度制御系６の主要部分は単一
のマイクロコンピユータにより構成されてもよ
い。

一方、空燃比制御器９は燃焼用空気の供給量を
調節して空燃比を適正な値に保持する。すなわ
ち、排気酸素濃度計１ｅにより検知された排気中
の酸素濃度、演算器７の出力する燃焼空気中の酸
素濃度、燃料ガス流量制御器５から出力されるコ
ークスガス供給量に基づき、流量計３ｂおよびバ
ルブ３ｃを介して燃焼用空気量を制御する。この
際排気中の酸素濃度を一定値に維持することによ
り適正空燃比を実現する。

次に酸素濃度制御系６の演算器７の構成および
動作について、第２図を参照しながらさらに詳し
く説明する。

すなわち、第２図において、NOx計1dから出
力された検知値信号はフイルタ７ａに送られ、雑
音成分が除去され、演算方式切換制御器７ｂおよ
び計算器７ｃに送られる。計算器７ｃは通常、比
例積分動作（PI動作）を行い、フイルタ７ａか
ら送られる窒素酸化物検知値に基づき燃焼用空気
中の酸素濃度目標値を演算する。この際、計算器
７ｃは、切換制御器７ｂから出力される切換信号
により比例積分動作における比例感度および積分
時間を変更し、また比例積分動作から他の動作に
制御方式を変更するものである。このようにして
計算器７ｃから出力された演算値は、比較演算器
７ｄに送られ予め設定された空気中酸素濃度の上
限値および下限値と比較され、これら両者の値の
範囲内であればそのまま酸素濃度目標値として比
較演算器７ｄから制御器８，９にそれぞれ出力さ
れる。計算器７ｃの出力する演算値が上下限値を
越える場合には、上限値をこえるか下限値を下回
るかに従い、上限値または下限値が目標値として
制御器８，９に出力される。上記下限値としては
大気の酸素濃度より高い任意の値が選択できる
が、本発明の場合、例えば23％としてもよい。ま
た上限値はバーナ１ｂの火炎燃焼温度により決定
されるべきものであるが、これを直接測定するこ
とは困難であるので、コークス炉ガスおよび燃焼
用空気供給量に基づいて決定する。

次に切換制御器７ｂおよび計算器７ｃによる演
算方式の切換について具体的に説明する。

排気中の窒素酸化物の濃度は公害を抑制するた
め、その上限として法定規制値が定められてい
る。本発明の好適態様ではこれを考慮し、窒素酸
化物濃度を三制御域に区分する。即ち、該濃度
を、法定規制値よりわずかに低く設定された上限
値を越える緊急制御域、予め設定された通常下方
値から上限値までの通常制御域、および前記通常
下方値以下の制御域の三制御域に区分し、検知さ
れた窒素酸化物濃度がどの制御区域に属するかに
より演算方式を切り換える。よつて、切換制御器
７ｂはフイルタ７ａから入力された検知値を上記
上限値および通常下方値と比較し、該検知値が上
記三制御域のいづれに属するか判断する。この判
断の結果を入力された計算器７ｃはその結果に従
い演算方式を切り換えるのである。

切換制御器７ｂにより検知値が通常下方値を下
回ると判断された場合、計算器７ｃは、比例積分
動作における比例感度を小さな値に、積分時間を
大きな値に設定し、応答性よりも安定性を重視し
ながら、燃焼空気中の酸素濃度を徐々に増加し
て、燃焼を安全に制御する。一方、窒素酸化物検
知値が上記通常制御域内にある場合は、比例積分
動作における比例感度を大きく積分時間を小さく
設定することにより安定性よりも応答性を重視す
る制御を行い、排気中の窒素酸化物濃度を常にこ
の範囲に収めることを目標とする。さらにまた検
知値が上限値を上回り緊急制御域に入つた場合に
は、計算器７ｃは比例積分動作によらず、酸素濃
度計３ａの検知する酸素濃度現在値から、例え
ば、上述の酸素濃度下限値（23％）と現在値の差
の1/2を差し引いた値を計算し出力する。即ち、
酸素濃度現在値が下限値を越える部分の50％をカ
ツトし、これにより急速に窒素酸化物濃度を減少
させる。一定時間経過後、窒素酸化物濃度の検知
値がなお上限値を越えている場合はこの50％カツ
トをさらに繰り返す。

上述のように計算器７ｃは、NOx計1dの検知
する検知値の値によりその演算方式を切換え、こ
れにより排気中の窒素酸化物濃度を抑制しながら
燃焼効率を向上せしめるのである。

（実施例） 第１図および第２図に示した方式を使い、本発
明にしたがつて、圧延工場内の毎時300トンの処
理能力を有する鋼片連続加熱炉において酸素富化
燃焼制御の試験を行つた。

従来、窒素酸化物法定規制値160ppmに対し最
高時でもその75％程度の排出量であつたが、本発
明に従い酸素富化燃焼制御を行つた結果、燃焼空
気中の酸素濃度を換算値平均で24％高めることが
できた。排気中の窒素酸化物濃度の最高値は
150ppmであつた。この結果、燃料原単位、即ち
１トンの鋼片を加熱するのに要する投入燃料熱量
を５％減少させることに成功した。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明に従う酸素富化燃
焼制御方式によれば、排気中の窒素酸化物の濃度
を所定値以下に抑制しながら燃焼効率を向上させ
ることができ、公害規制下における経済的な加熱
炉の制御が可能となり、その経済的効果には大き
なものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を鋼片加熱炉に応用した場合
の酸素富化燃焼制御装置のブロツク図；および第
２図は、第１図の装置の酸素濃度演算器の構造を
示すブロツク図である。 １：加熱炉、２：コークス炉、３：エアポン
プ、４：酸素プラント、５：燃料ガス流量制御
器、７：演算器、８：酸素濃度制御器、９：空燃
比制御器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼装置内における燃料と酸素富化空気の燃
   焼を制御する方法において、該燃焼の排気中の窒
   素酸化物濃度に基づいて前記酸素富化空気中の酸
   素濃度を制御し、さらに該燃焼の排気中の酸素濃
   度および前記酸素富化空気中の酸素濃度に基づき
   前記燃料と前記酸素富化空気との混合比を制御す
   るとともに燃焼排気中の前記窒素酸化物濃度を複
   数の値域に区分し、各値域毎に相異なる方式に従
   い酸素富化空気中の前記酸素濃度を制御すること
   を特徴とする酸素富化燃焼制御方法。 ２ 前記燃料の供給量は前記燃焼装置内の温度に
   より制御されることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の酸素富化燃焼制御方法。 ３ 燃焼装置内における燃料と酸素富化空気の燃
   焼の制御装置において、該燃焼の排気中の窒素酸
   化物濃度を測定する窒素酸化物濃度計と、該排気
   中の酸素濃度を測定する酸素濃度計と、前記窒素
   酸化物濃度計の測定値に基づき酸素富化空気中の
   酸素濃度目標値を演算する演算器と、該演算器の
   演算した酸素濃度目標値に酸素富化空気中の酸素
   濃度を制御する酸素濃度制御器と、前記酸素濃度
   計の測定した前記排気中の酸素濃度の測定値と前
   記演算器の演算した酸素濃度目標値に基づき前記
   燃料と酸素富化空気の混合比を制御する空燃比制
   御器とを備え、 前記演算器は、窒素酸化物濃度測定値の値域区
   分に従い演算方式を切り換える手段を備えること
   を特徴とする燃焼制御装置。 ４ 前記演算器および酸素濃度制御器はマイクロ
   コンピユータにより構成されることを特徴とする
   特許請求の範囲第３項記載の燃焼制御装置。 ５ 前記燃焼装置内の温度を測定する温度計と、
   該温度計の測定値に基づき燃料供給量を制御する
   燃料量制御器を備えることを特徴とする特許請求
   の範囲第３項または第４項に記載の燃焼制御装
   置。