工業用液体燃料バーナー ガイド: 粘度、排出量、信頼性

ロータリー キルンの炎の安定性が突然失われる場合、通常の原因はバーナー自体ではなく、バーナーに供給される液体燃料です。加熱されていない貯蔵タンクに放置された重油、添加剤パッケージが変更されたディーゼル、または粘度が不安定な廃油の混合物はすべて、適切に調整された燃焼システムを脈動、炭素の蓄積、および計画外の停止の原因に変える可能性があります。産業用液体燃料バーナーがこれらの課題に実際にどのように対処するかを理解することは、機器を指定することと信頼性の高い燃焼システムを構築することの違いとなります。

工業用液体燃料バーナーが処理しなければならないこと

ロータリー キルンまたは加熱炉の液体燃料バーナーは、単純なノズルとスパークのアセンブリではありません。これは、燃料調整、霧化、火炎形成、安全制御の調整システムです。バーナーは、きれいに燃焼したくない液体を、きれいに燃焼する微細な噴霧に変える必要があります。そのためには、粘度、霧化の質、燃焼用空気の混合という 3 つの要素に注意する必要があります。

粘度が最初の障害です。燃料油は周囲温度では水のように流れません。 No.2 ディーゼルは比較的軽いですが、重油、原油由来の残油、および多くの廃棄物由来の液体燃料は厚いため、ポンプが苦労したりノズルが詰まることがあります。バーナーは、燃料の粘度がアトマイザーが動作できる範囲に入る温度（通常、圧力噴霧の場合は 20 センチストークス未満、サイフォンまたは 2 流体噴霧の場合は 10 センチストークス未満）に燃料をもたらす予熱システムと組み合わせる必要があります。

霧化の品質は火炎の形状と燃焼効率に直接影響します。燃料流の霧化が不十分な場合、耐火壁に衝突する前に完全に燃焼しない大きな液滴が生成されます。これにより、局所的な過熱、炭素の堆積、一酸化炭素の排出量の増加が発生します。圧力、圧縮空気、蒸気のいずれによっても燃料を細かい霧に砕くアトマイザーにより、燃料蒸気が燃焼用空気と迅速に混合し、制御された量で熱を放出できます。

燃料の柔軟性は現実的な要件です

多くの産業事業者には、1 つの一貫したグレードの燃料を年間を通じて燃焼させる余裕はありません。ニッケル精錬所は、1 か月間は重油で稼働し、次の月にはより軽いリサイクル溶剤に切り替える可能性があります。セメント窯では液体廃棄物を石炭または石油コークスと同時焼成する場合があります。 1 つの仕様のみを処理する液体燃料バーナーは、解決策ではなく制約になります。

バーナーを再停止したりノズルを交換したりすることなく、複数の種類の燃料を処理する必要があるため、多くのメーカーは多燃料設計を推進しています。適切に設計された液体燃料バーナーには、幅広いターンダウン比を備えた計量バルブ、交換可能な霧化チップ、密度と引火点の変動を許容する燃料トレインが含まれています。これは単に便利なだけではありません。これは、燃料供給の不安定性と分解燃料留分の廃棄コストの上昇に対する安全策です。

火炎形成と耐火物保護

炎の形状は炎の温度と同じくらい重要です。ロータリーキルンでは、炎は耐火物ライニングに影響を与えることなく材料床に輻射熱を提供する必要があります。長くて怠惰な炎では焼結ゾーンが加熱不足になる可能性があり、一方、短くて茂った炎ではノーズ リングが過熱したり、クリンカーの品質や金属の回収率を低下させる還元状態が生じたりする可能性があります。

液体燃料の場合、火炎の形状はバーナーの内部空気レジスターと霧化媒体の運動量によって制御されます。調整可能なベーンにより、オペレータは渦巻きの強さを変更することができ、それにより火炎の長さと広がりが変わります。厳格な設計のバーナーでは、燃焼技術者は燃料が生成するあらゆる火炎パターンを受け入れる必要があり、多くの場合、材料の品質と耐火物の寿命の間で妥協が生じます。より良いアプローチは、キルンの稼働中に供給速度、燃料の品質、ドラフトの変化に応じて空気の速度と旋回を調整できるバーナーです。

アスファルテン含有量の高い液体燃料や重金属残留物を燃焼させる場合、不完全燃焼のリスクが増加します。混合ゾーン内の火炎が短すぎると、燃えていない炭素粒子が残り、チェーン システムまたは予熱器サイクロンに堆積します。したがって、工業用液体燃料バーナーは、ノズルの近くに高運動量の混合ゾーンを作成し、その後、火炎が窯のキャビティ内に徐々に膨張するようにする必要があります。ここでバーナーの内部構造が重要になります。熱的に安定したクワールを備えた金属製の本体と、炎の安定した取り付け点により、乱流の渦が確実に予測可能になります。

燃焼制御、安全性、ハードウェアの限界

バーナーは自給自足できません。ハードウェアは、火炎の存在、燃料圧力、霧化媒体圧力、燃焼空気流量を監視する燃焼管理システムと組み合わせる必要があります。液体燃料の場合、フレームアウト後に未燃燃料が窯内に蓄積するリスクが深刻であるため、安全ロジックはガス燃焼の場合よりも迅速に対応する必要があります。最新のシステムでは、紫外線または赤外線火炎検出器と、機械的なリンクのみに依存するのではなく、燃料と空気をリアルタイムで調整するプログラマブル ロジック コントローラーが使用されています。

見落とされがちな側面の 1 つは、燃料トレイン自体です。フィルター、ストレーナー、遮断バルブ、および圧力レギュレーターは、特定の燃料に合わせて選択する必要があります。残留物の多い液体燃料は、数時間以内に標準のガストレインフィルターを詰まらせる可能性があります。液体燃料バーナーを購入したが、燃料準備スキッドをケチったオペレーターは、バーナーの信頼性はバーナーに到達する燃料と同じであることにすぐに気づきます。これには予熱器の選択も含まれます。小型システムでは電気浸漬ヒーターが一般的ですが、大型の窯では、より速い応答とより均一な温度制御を提供する蒸気またはサーマルオイル熱交換器が使用されることがよくあります。

実際的なポイントは、液体燃料バーナーはスタンドアロンの機器としてではなく、燃料供給および燃焼制御パッケージの一部として評価されるべきであるということです。最先端のバーナーチップでは、燃料ポンプのサイズが適切でなかったり、燃料ラインに低温アラームがなかったりした場合にはそれを補うことはできません。有能なメーカーは、特定のモデルを推奨する前に、燃料分析、利用可能なユーティリティ、および既存の制御アーキテクチャについて質問します。

標準バーナーでは不十分な場合

「マルチ燃料」として販売されているほとんどの液体燃料バーナーは、実際にはディーゼルといくつかの関連グレードの間で調整できるバリエーションです。ただし、標準のバーナーでは必要な性能が得られない場合があります。これは、石油化学産業からのリサイクル溶剤、汚染された油、または重質残留物を焼成する作業に特に当てはまります。これらの燃料には、固体、水エマルジョン、または反応性化合物が含まれていることが多く、これらにより異なる霧化角度、異なるノズル冶金、およびより堅牢な火炎検出システムが必要になります。

アプリケーション固有の経験を持つメーカーは、この時点で価値をもたらします。たとえば、リチウム生産炉用に設計されたバーナーは、鉱物原料によって生成される微細な粉塵を考慮する必要があります。粉塵は燃焼用空気通路に入り、空燃比を乱す可能性があります。一方、ニッケル精錬炉では、還元雰囲気や燃料中の硫黄の存在に耐えるバーナーが必要となる場合があり、バーナークォールの耐火材料の選択に影響を与えます。これらの詳細がパンフレットに表示されることはほとんどありませんが、バーナーが何年も動作するか、または繰り返しのダウンタイムが発生するかはこれらの詳細によって決まります。

GENERALFLAME の工業用液体燃料バーナーは、そのような現場条件を反映した装置の一例です。段階的噴霧設計と幅広いターンダウン比が含まれており、毎日の運転とピーク負荷の間でノズル交換を必要とせずに軽液体燃料と重液体燃料の両方を処理できます。これは万能器具ではありませんが、定期的にさまざまなロータリー キルンの用途を検討しているメーカーが、燃料の柔軟性と安定した火炎定着のバランスをとった製品にどのように到達したかを示しています。

熱効率の向上と排出量の削減

液体燃料は常に天然ガスよりも炭素強度が高くなりますが、だからといって効率の重要性が低下するわけではありません。液体燃料燃焼キルンでの熱損失は、多くの場合 4 つの原因から発生します。過剰な空気、粉塵中の未燃燃料、露出した熱いキルンシェルからの放射、クリンカーまたはか焼によって運ばれる熱です。過剰な空気を 25% から 10% に削減するバーナーは、熱効率を数パーセント向上させることができ、大型のロータリー キルンでは、1 時間あたり数百万 BTU の節約につながります。

排出ガス制御もバーナーから始まります。多くの石油留分に含まれる燃料結合窒素が NOx の生成に寄与するため、液体燃料の低 NOx 運転はガスよりも困難です。バーナーは、燃料が豊富な一次ゾーンで窒素転化率が低下するように燃焼用空気を段階的に調整し、その後、残りの空気を下流に導入する必要があります。これには、二次空気の渦を正確に制御する必要がありますが、これは、固定ジオメトリ設計よりも調整可能なベーンを備えたバーナーの方が容易に達成できます。したがって、より厳しい環境制限に直面している事業者は、ガスに対するバーナーの性能だけでなく、液体燃料に対するバーナーの実証済みの NOx 削減能力について問い合わせる必要があります。

一酸化炭素は燃焼品質の有用な指標です。適切に調整された液体燃料バーナーでは、通常負荷で CO を 50 ppm 未満に抑える必要があり、過剰酸素と CO 上昇の間には明確な相関関係があります。酸素が 3% を超えているときに CO が上昇する場合は、燃料温度が低下したか、ノズルが磨耗しているため、噴霧品質が低下している可能性があります。ここで、定期的なメンテナンスが稼働時間に直接貢献します。アトマイザーチップを掃除し、燃料予熱器の温度を毎週確認することは、より高価なバーナーモデルを購入するよりも信頼性を高めるために役立ちます。

メーカーの実績の評価

液体燃料バーナーのサプライヤーを選択する際には、価格を比較するだけでは不十分です。購入者は、燃料の予熱、霧化媒体の選択、制御の統合、試運転サポートなどのサポート システムをメーカーがどのように扱っているかを検討する必要があります。 GENERALFLAME が納入した重油システムなど、海外プロジェクト向けに大型燃焼システムを出荷した企業は、プロジェクト現場で必要な物流、設置監督、オペレーターのトレーニングを処理できることを実証しています。

メーカーの経験ベースは別の意味で重要です。液体燃料の燃焼挙動は、キルンの直径、耐火物のプロファイル、処理される材料の種類に影響されます。セメント窯ではうまく機能するバーナーでも、吸熱反応により長く柔らかい炎が必要となるリチウム抽出窯では予期せぬ動作をする場合があります。同じ業界セグメントの事例研究を依頼し、各運転負荷での火炎の長さ、達成された過剰空気ウィンドウ、1 年後の耐火物の状態などの詳細を比較してください。これらは将来のパフォーマンスを予測する数字です。

最後に、代替燃料に関するメーカーの立場を考慮してください。より多くの窯オペレーターがバージン化石燃料への依存を減らす方法を模索する中、バーナーは化学プロセスや廃棄物処理から回収される液体部分を許容する必要があります。このような燃料の入手可能性が高まっているということは、今日購入したバーナーがオペレーターを狭い燃料仕様に縛るべきではないことを意味します。購入前に代表的な燃料サンプルを使用してテストを実行することは、サプライヤーが燃料の変動による影響を理解していることを示すものです。