CN107250669B - 非水冷式气体燃料燃烧器及其加热方法 - Google Patents

非水冷式气体燃料燃烧器及其加热方法 Download PDF

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Abstract

本发明的课题是提供一种气体燃料燃烧器及气体燃料燃烧器的加热方法，其在不损害燃烧效率的情况下，能得到火焰的轴向速度高且高温的火焰，并能抑制被加热物的氧化的同时提高对流传热效率。本发明的气体燃料燃烧器(10)具有：第一氧化剂喷出口(17)，配置在构造燃烧室(13)的第一圆形面(13‑1)的中心(C1)上，其中所述燃烧室(13)呈宽度在从燃烧器主体(11)的基端部向前端部的方向上变宽的圆锥台形状，第一氧化剂喷出口(17)沿燃烧器主体(11)的中心轴(CL1)的延伸方向喷出第一氧化剂；气体燃料喷出口(18)，配置在第一氧化剂喷出口(17)的外侧，并且沿与中心轴(CL1)的延伸方向交叉的方向喷出气体燃料；和第二氧化剂喷出口(19)，配置在燃烧室(13)的侧面(13a)上，并且沿与中心轴(CL1)的延伸方向交叉的方向喷出第二氧化剂。

Description

非水冷式气体燃料燃烧器及其加热方法
技术领域
本发明涉及一种适于利用对流传热对被加热物进行加热的气体燃料燃烧器及气体燃料燃烧器的加热方法。
背景技术
在通过使由气体燃料燃烧器形成的火焰直接冲撞于被加热物并利用对流传热而进行加热的情况下，要求火焰温度较高以及火焰的轴向速度较快。
另外，在被加热物为易氧化的材质的情况下，产生如下问题：即，当火焰与被加热物冲撞时，若存在较多的未反应的氧，则会促进被加热物的氧化。
此外，在利用燃烧器火焰进行脱脂处理以作为冷轧钢板的电镀工艺的前处理的情况下，需要将燃烧器设为非水冷式。
作为通过使火焰直接冲撞于被加热物而进行加热的气体燃料燃烧器，例如有专利文献1中公开的燃烧器。
专利文献1的燃烧器为如下结构：该燃烧器为以同心圆状配置有环状部件的三重管结构体，并且自中心起按氧、气体燃料、氧的顺序从喷嘴前端部与燃烧器的轴向平行地喷出氧和气体燃料。专利文献1的燃烧器为氧和气体燃料的喷出口配置在同一平面上的结构。
作为通过使火焰直接接触被加热物而进行加热的气体燃料燃烧器的另一形式，例如有专利文件2中公开的燃烧器。
专利文献2中公开的燃烧器被用作电炉用的助燃燃烧器。专利文献2中公开的燃烧器具有如下功能：通过使火焰直接冲撞于铁屑而进行加热熔化，并且利用氧强制性地使铁屑氧化，从而利用该铁屑的氧化热来进行熔化(切割)。
专利文献2中公开的燃烧器为如下三重管结构体：从中心部喷出氧气，从该氧气的外周部喷出燃料，并且从该燃料的外周部喷出氧气。
专利文献2中公开的燃烧器通过从中心高速喷出氧气而形成高速火焰。另外，专利文献2中公开的燃烧器通过对最外周的氧气施加旋回，从而使火焰变短。
专利文献1：欧洲专利申请公开第1850066号说明书
专利文献2：日本专利公开平10-9524号公报
专利文献1中公开的燃烧器不具有火焰稳定功能。因此，如果为了加快火焰的流速而加快氧和/或气体燃料的喷出速度，则会产生火焰的吹跑，因此无法加快火焰的流速。
另外，由于专利文献1中公开的燃烧器为平行地喷出气体燃料和氧的结构，因此燃烧速度缓慢。由此会导致与被加热物冲撞时的氧浓度变高，因此在对易氧化材料进行加热的情况下，氧化皮的产生等成为问题。
另一方面，虽然专利文献2中公开的燃烧器通过从中心喷出的氧来提高火焰的轴向速度，但由于将切割作为主要功能，因此具有火焰中心的氧浓度较高，不适于在抑制被加热物的氧化的同时进行加热的用途上的问题。
发明内容
本发明的课题是提供一种气体燃料燃烧器及气体燃料燃烧器的加热方法，其在不损害燃烧效率的情况下，能得到火焰的轴向速度高且高温的火焰，并能抑制被加热物的氧化的同时提高对流传热效率。
本发明采用以下结构。
(1)一种气体燃料燃烧器，具有：燃烧器主体，沿规定方向延伸，并且在前端部形成对被加热物进行加热的火焰；燃烧室，配置在所述燃烧器主体的前端部，并且呈宽度在从所述燃烧器主体的基端部向该前端部的方向上变宽的圆锥台形状；第一氧化剂喷出口，在构造所述燃烧室的直径不同的第一圆形面和第二圆形面中，配置在直径小于所述第二圆形面的直径的第一圆形面的中心上，并且沿所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向喷出第一氧化剂；气体燃料喷出口，在所述第一圆形面中，配置在所述第一氧化剂喷出口的外侧，并且沿与所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向交叉的方向喷出气体燃料；和第二氧化剂喷出口，配置在所述燃烧室的侧面上，并且沿与所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向交叉的方向喷出第二氧化剂。
(2)根据上述(1)所述的气体燃料燃烧器，具有第三氧化剂喷出口，所述第三氧化剂喷出口在所述燃烧室的侧面中配置在比所述第二氧化剂喷出口的配设位置更靠所述第二圆形面侧的位置上，并且沿与所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向交叉的方向喷出第三氧化剂，由所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向和所述第三氧化剂的喷出方向所成的角度小于由所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向和所述第二氧化剂的喷出方向所成的角度。
(3)根据上述(1)或(2)所述的气体燃料燃烧器，所述气体燃料喷出口由多个气体燃料喷出孔构造，所述第二氧化剂喷出口由多个氧化剂喷出孔构造，所述多个气体燃料喷出孔及所述多个氧化剂喷出孔配置为相对于所述第一圆形面的中心呈同心圆状。
(4)根据上述(1)至(3)中的任一项所述的气体燃料燃烧器，所述第三氧化剂喷出口由多个氧化剂喷出孔构造，构造所述第三氧化剂喷出口的所述多个氧化剂喷出孔配置为相对于所述第一圆形面的中心呈同心圆状。
(5)根据上述(1)至(4)中的任一项所述的气体燃料燃烧器，所述第一圆形面的第一直径的值为所述第一氧化剂喷出口的开口直径的3～6倍的范围内的大小，所述燃烧室在所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向上的长度值在所述第一直径的0.5～2倍的范围内。
(6)根据上述(1)至(5)中的任一项所述的气体燃料燃烧器，由所述燃烧室的侧面和所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向所成的角度在0度以上且20度以下的范围内。
(7)根据上述(1)至(6)中的任一项所述的气体燃料燃烧器，由所述气体燃料的喷出方向和所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向所成的角度在0度以上且30度以下的范围内。
(8)根据上述(1)至(7)中的任一项所述的气体燃料燃烧器，由所述第二氧化剂的喷出方向和所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向所成的角度在10度以上且40度以下的范围内。
(8)根据上述(2)至(8)中的任一项所述的气体燃料燃烧器，由所述第三氧化剂的喷出方向和所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向所成的角度在5度以上且30度以下的范围内。
(10)一种气体燃料燃烧器的加热方法，使用由上述(1)至(9)中的任一项所述的所述气体燃烧器形成的火焰来对被加热物进行加热，其中，在将喷向所述燃烧室的所述第一氧化剂的喷出速度设为50～300m/s，将所述气体燃料的喷出速度设为20～100m/s，将所述第二氧化剂的喷出速度设为20～80m/s的范围而形成所述火焰，并且利用该火焰对所述被加热物进行加热。
(11)根据上述(10)所述的气体燃料燃烧器的加热方法，在形成所述火焰时，将喷向所述燃烧室的第三氧化剂的喷出速度设在20～80m/s的范围内。
(12)根据上述(10)或(11)所述的气体燃料燃烧器的加热方法，向所述第一氧化剂喷出口供给的第一氧化剂的流量在向所述燃烧室供给的所有氧化剂的总流量的40％～90％的范围内。
根据本发明，在不损害燃烧效率的情况下，能得到火焰的轴向速度高且高温的火焰，并能抑制被加热物的氧化的同时提高对流传热效率。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的第一实施方式所涉及的气体燃料燃烧器的主要部分的大致结构的剖视图。
图2是示意性地表示本发明的第二实施方式所涉及的气体燃料燃烧器的主要部分的大致结构的剖视图。
图3是表示专利文献1中公开的燃烧器的大致结构的剖视图。
图4是表示试验例1下的实施例1及比较例的燃烧器和水冷式传热面之间的距离与相对传热效率之间的关系的图表。
图5是表示在水冷式传热面上距火焰冲撞位置的径向距离与冲撞对流热流束之间的关系的图表。
图6是表示实施例1、实施例2及比较例的燃烧器的前端和水冷式传热面之间的距离与相对传热效率之间的关系的图表。
图7是表示(第一氧流量)/(所有氧流量)与相对传热效率之间的关系的图表。
具体实施方式
下面，参照附图对应用本发明的实施方式进行详细说明。此外，以下说明中所使用的附图为用于说明本发明的实施方式的结构的图，图示的各部分的大小、厚度和尺寸等有可能与实际的气体燃料燃烧器的尺寸关系不同。
(第一实施方式)
图1是示意性地表示本发明的第一实施方式所涉及的气体燃料燃烧器的主要部分的大致结构的剖视图。在图1中，X方向表示燃烧器主体11的延伸方向(换言之，规定方向)，Y方向表示与X方向正交的方向。
另外，在图1中，P1表示喷出第一氧化剂的方向(以下，称作“第一氧化剂喷出方向P1”)，P2表示喷出气体燃料的方向(以下，称作“气体燃料喷出方向P2”)，P3表示喷出第二氧化剂的方向(以下，称作“第二氧化剂喷出方向P3”)。
参照图1，第一实施方式的气体燃料燃烧器10具有燃烧器主体11、气体燃料供给通路12、燃烧室13、第一氧化剂喷出口17、气体燃料喷出口18和第二氧化剂喷出口19。
燃烧器主体11沿X方向延伸，在该燃烧器主体11的前端部形成对未图示的被加热物(例如，钢材或有色金属材料等)进行加热的火焰(未图示)。燃烧器主体11具有第一环状部件21和第二环状部件22。
第一环状部件21为前端部的壁厚随着向燃烧室13而变薄的环状部件。由此，第一环状部件21的前端部的外周面为锥形状。
第一环状部件21配置为其中心轴与燃烧器主体11的中心轴CL1一致。第一环状部件21在其内部具有沿X方向延伸的第一氧化剂供给通路24。第一氧化剂供给通路24的形状例如可以是圆柱形状。第一氧化剂供给通路24与供给第一氧化剂的氧化剂供给源(未图示)连接。
第二环状部件22配置在第一环状部件21的外侧，并且两者之间具有间隙，且第二环状部件22的中心轴与燃烧器主体11的中心轴CL1一致。第二环状部件22的内径大于第一环状部件21的外径。
第二环状部件22具有配置为从第一环状部件21的前端面朝向X方向突出的前端部26。
前端部26的内表面为随着从第一环状部件21的前端面朝向第二环状部件22的前刀面而燃烧室13的宽度变宽的倾斜面26a(换言之，燃烧室13的侧面13a)。
在第二环状部件22中，与第一环状部件21的呈锥形状的前端部相对的内表面沿朝向燃烧器主体11的中心轴CL1的方向倾斜。
第二环状部件22在其内部具有沿X延伸且向前端部26供给第二氧化剂的第二氧化剂供给通路28。第二氧化剂供给通路28的形状例如可以是圆筒形状。第二氧化剂供给通路28与供给第二氧化剂的氧化剂供给源(未图示)连接。
气体燃料供给通路12为由第一环状部件21和第二环状部件22界定的大致圆筒形状的空间。气体燃料供给通路12与供给气体燃料的气体燃料供给源(未图示)连接。
燃烧室13配置在燃烧器主体11的前端部，并且由第一环状部件21的前端面和第二环状部件22的前端部26的倾斜面26a界定。燃烧室13为呈宽度在从燃烧器主体11的基端部(未图示)向前端部(换言之，第二环状部件22的前端部26)的方向上变宽的圆锥台形状的空间。
如此，通过设置呈宽度在从燃烧器主体11的基端部(未图示)向前端部的方向上变宽的圆锥台形状的燃烧室13，能够抑制火焰的扩散，并能加快火焰的轴向速度。
此外，在此的“火焰的轴向速度”是指与燃烧器主体11的中心轴CL1平行的方向上的速度成分。如果火焰扩散，则由于火焰的截面面积变大，会导致火焰的轴向速度降低。
因此，在通过使火焰与被加热物冲撞而进行加热的情况下，冲撞的火焰的轴向速度越快则对流传热效率(每单位面积、单位时间及单位温度差(被加热物与火焰之间的温度差)下的传热量)越高，因此能提高传热效率。
燃烧室13具有配置在燃烧器主体11的内部的第一圆形面13-1和配置在与气体燃料燃烧器10的前端面为相同的平面上的第二圆形面13-2。
第一圆形面13-1及第二圆形面13-2为第一直径D1及第二直径D2不同的圆形面，并且在X方向上相对配置。第一圆形面13-1的直径D1小于第二圆形面13-2的直径D2。
第一圆形面13-1的第一直径D1的值例如可为第一氧化剂喷出口17的开口直径d1的值的3～6倍的范围内的大小。
如果第一直径D1/开口直径d1的比率小于3，则由于火焰与界定燃烧室13的侧面13a的前端部26的倾斜面26a易于接触，并且该火焰加热燃烧器主体11的前端部，因此导致燃烧器主体11的前端部损伤。因此，必须将用于使冷却燃烧器主体11的前端部的冷却水循环的冷却水循环路径设置在燃烧器主体11的前端部。
另一方面，如果第一直径D1/开口直径d1的比率大于6，则由于燃烧室13作为燃烧室的功能下降，火焰的轴向速度缓慢，因此对流传热效果降低。
因此，通过将第一圆形面13-1的第一直径D1的值设为第一氧化剂喷出口的开口直径d1的值的3～6倍的范围内的大小，从而在未设置冷却水循环路径的情况下，能够抑制燃烧器主体11的前端部的破损，并能抑制对流传热效果的降低。
另外，燃烧室13在燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向(X方向)上的长度L的值例如可在第一直径D1的值的0.5～2倍的范围内。
如果燃烧室13在燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向上的长度L的值小于第一直径D1的值的0.5倍，则抑制火焰扩散的效果较低。
另一方面，如果燃烧室13在燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向上的长度L的值大于第一直径D1的值的2倍，则火焰与燃烧室13的侧面13a接触，燃烧室13有可能熔损。
因此，通过将燃烧室13在燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向(X方向)上的长度L的值设在第一直径D1的值的0.5～2倍的范围内，从而能够抑制火焰的扩散，并能加快火焰的轴向速度。
由燃烧室13的侧面13a(换言之，倾斜面26a)和燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向(X方向)所成的角度θ1例如可以设定在0度以上且20度以下的范围内。
如果由燃烧室13的侧面13a和燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向所成的角度θ1小于0度，则不能将燃烧室13的形状设为如图1所示的圆锥台形状，因此火焰与燃烧室13接触，燃烧室13有可能熔损。
另一方面，如果由燃烧室13的侧面13a和燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向所成的角度θ1大于20度，则抑制火焰扩散的效果较小。
因此，通过将由燃烧室13的侧面13a和燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向所成的角度θ1设定在0度以上且20度以下的范围内，从而能够抑制构造燃烧室13的燃烧器主体11熔损，并能抑制火焰的扩散。
第一氧化剂喷出口17配置在第一圆形面13-1的中心，并且与第一氧化剂供给通路24一体构造。
第一氧化剂喷出口17使从第一氧化剂供给通路24输送来的第一氧化剂(例如，纯氧或富氧空气等)沿X方向(换言之，燃烧器主体11的中心轴CL1方向)喷出。
喷向燃烧室13的第一氧化剂的喷出速度例如可在50～300m/s的范围内适当设定。
第一氧化剂喷出口17的开口直径d1例如可与第一氧化剂供给通路24的直径大致相等。
另外，通过由一个喷出孔构造第一氧化剂喷出口17，从而直至远离燃烧室13的远处位置为止，能确保喷出的第一氧化剂的轴向速度(换言之，燃烧器主体11的中心轴CL1方向的速度)，因此能提高对流传热效率。
另外，向第一氧化剂喷出口17供给的第一氧化剂的流量例如可在向燃烧室13供给的所有氧化剂的总流量(在第一实施方式的情况下，第一氧化剂的流量与第二氧化剂的流量的总计)的40％～90％的范围内。
如果向第一氧化剂喷出口17供给的第一氧化剂的流量少于向燃烧室13供给的所有氧化剂的总流量的40％，则火焰的轴向速度下降，会导致对流传热效率降低。另外，由于在该情况下，火焰在燃烧室13内扩散，因此有可能燃烧器主体11的前端部被加热而损伤。
因此，在该情况下，为了抑制燃烧器主体11的前端部的损伤，有必要另行设置能够冷却燃烧器主体11的前端部的水冷机构。
另一方面，如果向第一氧化剂喷出口17供给的第一氧化剂的流量大于向燃烧室13供给的所有氧化剂的总流量的90％，则由于第二氧化剂的流量过少，因此火焰稳定效果降低，并且气体燃料及氧化剂的混合状态变差，难以得到实用的火焰。
另外，由于在这种情况下燃烧性较差，会形成残氧较多的火焰。因此，在对易氧化的被加热物进行加热的情况下，被加热物被氧化。
因此，通过将向第一氧化剂喷出口17供给的第一氧化剂的流量设定在向燃烧室13供给的所有氧化剂的总流量的40％～90％的范围内，从而在未另行设置水冷机构的情况下，能够抑制燃烧器主体11的前端部的损伤，并且即使在被加热物为易氧化的材料的情况下，也能抑制被加热物的氧化。
气体燃料喷出口18设置在第一环状部件21的前端部的倾斜部分与在Y方向上与该倾斜部分相对的第二环状部件22之间。
由此，气体燃料喷出口18在第一圆形面13-1中配置在第一氧化剂喷出口17的外侧。
气体燃料喷出口18由多个气体燃料喷出孔(未图示)构造。多个气体燃料喷出孔(未图示)配置为相对于第一圆形面13-1的中心C1呈同心圆状。
气体燃料喷出口18沿与燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向交叉的方向喷出气体燃料(例如，天然气、民用燃气、LPG(Liquefied Petroleum Gas，液化石油气)等)。从气体燃料喷出口18喷出的气体燃料的喷出速度例如可在20～100m/s的范围内适当选择。
由气体燃料喷出方向P2和燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向所成的角度θ2例如可设定在0度以上且30度以下的范围内。
如此，通过将由气体燃料喷出方向P2和燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向所成的角度θ2设定在0度以上且30度以下的范围内，从而能促进气体燃料与第二氧化剂的混合。
第一实施方式的气体燃料燃烧器10具有：第一氧化剂喷出口17，由沿燃烧器主体11的中心轴CL1喷出第一氧化剂的单孔构造；气体燃料喷出口18，配置为包围第一氧化剂喷出口17，并且沿与燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向交叉的方向喷出气体燃料。根据这种结构，以高速喷出的第一氧化剂卷入到从第一氧化剂喷出口的周围喷出的气体燃料中，其结果，气体燃料与第一氧化剂的混合物进行燃烧，因此能形成轴向速度较快的火焰。
第二氧化剂喷出口19设置为贯通构造燃烧室13的侧面13a的前端部26。第二氧化剂喷出口19沿与燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向交叉的方向喷出第二氧化剂(例如，纯氧或富氧空气等)。
第二氧化剂喷出口19具有多个氧化剂喷出口。构造第二氧化剂喷出口19的多个氧化剂喷出孔配置为相对于第一圆形面13-1的中心C1呈同心圆状。
在将喷向燃烧室13的第一氧化剂的喷出速度设为50～300m/s，将气体燃料的喷出速度设为20～100m/s的情况下，第二氧化剂的喷出速度例如可在20～80m/s的范围内适当选择。
如此，通过将第一氧化剂的喷出速度、气体燃料的喷出速度及第二氧化剂的喷出速度设定在上述数值范围内，从而能够形成燃烧效率高且轴向速度快的火焰。
由第二氧化剂喷出方向P3和燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向所成的角度θ3例如可设定在10度以上且40度以下的范围内。
如果由第二氧化剂喷出方向P3和燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向所成的角度θ3小于10度，则会导致气体燃料与第二氧化剂的混合变差，因此燃烧效率降低。
如果由第二氧化剂喷出方向P3和燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向所成的角度θ3大于40度，则会遮蔽第一氧化剂的流动及气体燃料的流动，导致火焰的轴向速度缓慢。
因此，通过将由第二氧化剂喷出方向P3和燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向所成的角度θ3设定在10度以上且40度以下的范围内，从而由第二氧化剂包围气体燃料，因此能够抑制气体燃料的逸出，并能促进气体燃料与第二氧化剂的混合，进一步提前完成燃烧，因此能形成高温的短焰。
由此，在通过使火焰与易氧化的被加热物冲撞而进行加热的情况下，能够抑制被加热物的氧化的同时，能够高效地向被加热物传热。
另外，通过设置贯通用于构造燃烧室13的侧面13a的前端部26的第二氧化剂喷出口19，能够抑制火焰沿燃烧器主体11的前端部的内壁流动，因此能够抑制燃烧器主体11的烧损。
第一实施方式的气体燃料燃烧器具有：燃烧器主体11，沿X方向延伸，并且在前端部形成用于对被加热物(未图示)进行加热的火焰；燃烧室13，配置在燃烧器主体11的前端部，并且呈宽度在从燃烧器主体11的基端部向该前端部的方向上变宽的圆锥台形状；第一氧化剂喷出口17，在构造燃烧室13的直径不同的第一圆形面13-1及第二圆形面13-2中，配置在直径小于第二圆形面13-2的直径的第一圆形面13-1的中心C1上，并且沿燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向喷出第一氧化剂；和气体燃料喷出口18，在第一圆形面13-1中，配置在第一氧化剂喷出口17的外侧，并且沿与燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向交叉的方向喷出气体燃料。根据这种结构，由于以高速喷出的第一氧化剂卷入到从其周围喷出的气体燃料中的同时进行燃烧，因此能形成轴向速度快的火焰。
另外，第一实施方式的气体燃料燃烧器可进一步具有第二氧化剂喷出口19，该第二氧化剂喷出口19配置在燃烧室13的侧面13a上，并且沿与燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向交叉的方向喷出第二氧化剂。通过采用该结构，从气体燃料喷出口喷出的气体燃料被从第二氧化剂喷出的第二氧化剂包围，因此能够抑制气体燃料的逸出，并能促进燃烧室13内的气体燃料与第二氧化剂的混合，能够进一步提前完成燃烧，因此能形成高温的短焰。
由此，在通过使火焰与易氧化的被加热物冲撞而进行加热的情况下，能够抑制被加热物的氧化的同时，能够高效地向被加热物传热。
即，根据第一实施方式的气体燃料燃烧器，在不损害燃烧效率的情况下，能得到火焰的轴向速度高且高温的火焰，并能抑制被加热物的氧化的同时提高对流传热效率。
对于利用由上述气体燃料燃烧器10形成的火焰来对被加热物进行加热的气体燃料燃烧器的加热方法而言，可通过将喷向燃烧室13的第一氧化剂的喷出速度设为50～300m/s，将气体燃料的喷出速度设为20～100m/s，将第二氧化剂的喷出速度设为20～80m/s的范围而形成火焰，并且利用该火焰对被加热物进行加热。
通过利用这种条件来实施气体燃料燃烧器的加热方法，能促进燃烧室13内的气体燃料与第二氧化剂的混合，能够进一步提前完成燃烧，因此能形成高温的短焰。
另外，对于本发明的气体燃料燃烧器的加热方法而言，如在前面对本发明的气体燃料燃烧器的说明，向第一氧化剂喷出口17供给的第一氧化剂的流量优选设定在向燃烧室13供给的所有氧化剂的总流量的40％～90％的范围内。
由此，在未另行设置水冷机构的情况下，能够抑制燃烧器主体11的前端部的损伤，并且即使在被加热物为易氧化的材料的情况下，也能抑制被加热物的氧化。
(第二实施方式)
图2是示意性地表示本发明的第二实施方式所涉及的气体燃料燃烧器的主要部分的大致结构的剖视图。在图2中，P4表示喷出第三氧化剂的方向(以下，称作“第三氧化剂喷出方向P4”)。
另外，在图2中，对与图1所示的第一实施方式的气体燃料燃烧器10相同的结构部分使用相同的附图标记。
图2所示的第二实施方式的气体燃料燃烧器40除在第一实施方式的气体燃料燃烧器10的结构中进一步设置有第三氧化剂喷出口41以外，与第一实施方式的气体燃料燃烧器10相同。
在第二实施方式的气体燃料燃烧器40中，第三氧化剂喷出口40在燃烧室13的侧面13a中设置在比第二氧化剂喷出口19的配设位置更靠第二圆形面13-2侧的位置上。
另外，第三氧化剂喷出口41由多个氧化剂喷出孔(未图示)构造。构造第三氧化剂喷出口41的多个氧化剂喷出孔配置为相对于第一圆形面13-1的中心C1呈同心圆状。
进一步，第三氧化剂喷出口41沿与燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向交叉的方向(即，第三氧化剂喷出方向P4)喷出第三氧化剂。
由燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向和第三氧化剂喷出方向P4所成的角度θ4小于由燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向和第二氧化剂喷出方向P3所成的角度θ3。
如此，通过使由燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向和第三氧化剂喷出方向P4所成的角度θ4小于由燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向和第二氧化剂喷出方向P3所成的角度θ3，从而第二实施方式的气体燃料燃烧器40不会阻碍火焰的轴向流动，能够抑制火焰的扩散。
在第二实施方式的气体燃料燃烧器40中，由第三氧化剂喷出方向P4和燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向所成的角度θ4例如可在5度以上且30度以下的范围内适当设定。
如此，通过在5度以上且30度以下的范围内适当设定由第三氧化剂喷出方向P4和燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向所成的角度θ4，从而能够进一步抑制气体燃料的逸出。
由此，能够抑制火焰沿前端部26的内壁(换言之，燃烧室13的侧面13a)流动，因此能够抑制燃烧器主体11的烧损。
根据上述结构的第二实施方式的气体燃料燃烧器，通过具有在燃烧室13的侧面13a中配置在比第二氧化剂喷出口19的配设位置更靠第二圆形面13-2侧的位置上的第三氧化剂喷出口41，并且以小于由燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向和第二氧化剂喷出方向P3所成的角度θ3的方式，设定由燃烧器主体11的中心轴CL1的延伸方向和第三氧化剂喷出方向P4所成的角度θ4，能够抑制火焰沿前端部26的内壁(换言之，燃烧室13的侧面13a)流动，因此能够抑制燃烧器主体11的烧损。
此外，第二实施方式的气体燃料燃烧器40能得到与第一实施方式的气体燃料燃烧器10同样的效果。
对于利用由上述气体燃料燃烧器40形成的火焰来对被加热物进行加热的气体燃料燃烧器的加热方法而言，可通过将喷向燃烧室13的第一氧化剂的喷出速度设为50～300m/s，将气体燃料的喷出速度设为20～100m/s，将第二氧化剂的喷出速度设为20～80m/s，将第三氧化剂的喷出速度设为20～80m/s的范围而形成火焰，并且利用该火焰对被加热物进行加热。
通过利用这种条件来实施气体燃料燃烧器的加热方法，能促进气体燃料与第二氧化剂及第三氧化剂的混合，能够进一步提前完成燃烧，因此能形成高温的短焰。
另外，向第一氧化剂喷出口17供给的第一氧化剂的流量可在向燃烧室13供给的所有氧化剂的总流量的40％～90％的范围内。
由此，在未另行设置水冷机构的情况下，能够抑制燃烧器主体11的前端部的损伤，并且即使在被加热物为易氧化的材料的情况下，也能抑制被加热物的氧化。
以上，对本发明的优选实施方式进行了详细说明，但本发明并不限定于这种特定实施方式，在权利要求书中记载的本发明的主旨范围内可进行各种变形及变更。
例如，也可以由一个环状的喷出口构造气体燃料喷出口18、第二氧化剂喷出口19和第三氧化剂喷出口41。
下面，对试验例1～3进行说明。
(试验例1)
在试验例1中，使用作为实施例1的图1所示的气体燃料燃烧器10和专利文献1中公开的图3所示的现有的燃烧器100来对两个燃烧器的传热效率进行了评价。
此时，将两个燃烧器的前端与水冷式传热面之间的距离设为150mm、200mm、300m、400mm。
此外，在此的“传热效率”是指测量流向水冷式传热面的水的流量、该水的入口温度及该水的出口温度之后利用这些测量值由下述(1)式算出的值。
传热效率＝水流量×(出口温度-入口温度)×水的比热÷(燃料流量×低位发热量)(1)
图3是表示专利文献1中公开的燃烧器的大致结构的剖视图。
在此，参照图3对现有的燃烧器100的结构进行说明。
现有的燃烧器为具有喷嘴103、104(两个喷嘴)的结构。喷嘴103、104具有燃料导入部109、第一氧气导入部110a、第二氧气导入部110b、燃料腔室107、第一氧气腔室108a、第二氧气腔室108b、燃料供给管105和氧气供给管106。
在燃烧器100的中心配置有呈圆筒形状的第一氧气导入部110a，在该第一氧气导入部110a的外侧配置有呈圆筒形状的燃料导入部109。另外，在燃料导入部109的外侧配置有呈圆筒形状的第二氧气导入部110b。
燃料导入部109与燃料腔室107连接。第一氧气导入部110a与第一氧气腔室108a连接。
另外，第二氧气导入部110b与第二氧气腔室108b连接。第一氧气腔室108a及第二氧气腔室108b经由连结管连接。
燃料供给管105与燃料腔室107连接。氧气供给管106与第一氧气腔室108a连接。
燃料喷出口111配置在燃料导入部109的前端。第一氧气喷出口112a配置在第一氧气导入部110a的前端。第二氧气喷出口112b配置在第二氧气导入部110b的前端。
燃料喷出口111的前端、第一氧气喷出口112a的前端及第二氧气喷出口112b的前端配置在同一平面上。
燃料喷出口111、第一氧气喷出口112a及第二氧气喷出口112b分别呈圆筒形状，并且以中心轴一致的方式配置。
燃料供给管105与燃料供给源(未图示)连接。氧气供给管106与氧气供给源(未图示)连接。
燃料经由燃料供给管105被供给到燃料腔室107中。供给到燃料腔室107中的燃料被供给到喷嘴103、104的燃料导入部109，并从燃料喷出口111喷出。
氧气经由氧气供给管106被供给到第一氧气腔室108a中，进而经由连结管被供给到第二氧气腔室108b中。
氧气自第一氧气腔室108a经由喷嘴103、104的第一氧气导入部110a从第一氧气喷出口112a喷出。
另外，氧气自第二氧气腔室108b经由喷嘴103、104的第二氧气导入部110b从第二氧气喷出口112b喷出。
在此，参照图1对实施例1的气体燃料燃烧器10的条件进行说明。
在实施例1中，第一圆形面13-1的直径D1为10mm，燃烧室13的长度L为10mm，角度θ1为5度，角度θ2为10度，角度θ3为15度，第一氧气的流量:第二氧气的流量＝4:1，第一氧(第一氧化剂)的喷出速度为300m/s，第二氧(第二氧化剂)的喷出速度为40m/s，作为气体燃料的甲烷的喷出速度为80m/s，第一氧及第二氧的总流量为7.7Nm3/h，作为气体燃料的甲烷的流量为3.5Nm3/h。
作为图3所示的燃烧器100的条件，利用下述条件。
在燃烧器100中，第一氧的喷出速度为100m/s，第二氧的喷出速度为40m/s，作为气体燃料的甲烷的喷出速度为80m/s，第一氧及第二氧的总流量为7.7Nm3/h，作为气体燃料的甲烷的流量为3.5Nm3/h。
图4中示出利用上述条件算出的实施例1及比较例的燃烧器的前端和水冷式传热面之间的距离与相对传热效率之间的关系。
图4是表示试验例1下的实施例1及比较例的燃烧器和水冷式传热面之间的距离与相对传热效率之间的关系的图表。此外，在图4中，通过将燃烧器的前端和水冷式传热面之间的距离为200mm时的相对传热效率设为1.0，示出相对传热效率。
参照图4能够确认实施例1的传热效率比比较例高，特别能够确认在燃烧器的前端和水冷式传热面之间的距离为200mm以下时得到较高的传热效率。
使用图1所示的气体燃料燃烧器10和专利文献1中公开的图3所示的现有的燃烧器100，来调查在水冷式传热面上距火焰冲撞位置的径向距离与冲撞对流热流束之间的关系。表5中示出该结果。图5是表示在水冷式传热面上距火焰冲撞位置的径向距离与冲撞对流热流束之间的关系的图表。
此外，火焰冲撞位置是指燃烧器的中心轴与水冷式传热面之间的交点。
另外，冲撞对流热流束是指每单位面积及单位时间下所传递的热量。可通过将由水冷式传热面的水量和入口与出口之间的温度差求出的传递到水冷式传热面的热量除以传热面的面积来算出冲撞对流热流束。
根据图5的结果，判明与比较例相比较，实施例1的气体燃料燃烧器在火焰的冲撞位置的中心附近能得到非常高的热流束。特别是，在火焰的冲撞位置的中心位置处，能得到约1.6倍的热流束，这意味着能够快速加热被加热物。
(试验例2)
在试验例2中，使用作为实施例2的图2所示的气体燃料燃烧器40进行了与前面说明的实施例1同样的试验。
具体而言，在实施例2中，在使用气体燃料燃烧器40的情况下，调查燃烧器的前端和水冷式传热面之间的距离为150mm、200mm、300mm、400mm时的传热效率。
在此，参照图2对实施例2的气体燃料燃烧器40的条件进行说明。
在实施例2中，除角度θ4为10度，第一氧(第一氧化剂)的流量:第二氧(第二氧化剂)的流量:第三氧(第三氧化剂)的流量＝8:1:1，第三氧的喷出速度为40m/s，第一氧至第三氧的总流量为7.7Nm3/h以外，利用与实施例1同样的条件。
图6中示出利用上述条件且根据与试验例1中说明的相对传热效率的计算方法同样的方法算出的实施例2的燃烧器的前端和水冷式传热面之间的距离与相对传热效率之间的关系。图6中还示出实施例1及比较例的燃烧器的前端和水冷式传热面之间的距离与相对传热效率之间的关系。
图6是表示实施例1、实施例2及比较例的燃烧器的前端和水冷式传热面之间的距离与相对传热效率之间的关系的图表。此外，在图6中，通过将燃烧器的前端和水冷式传热面之间的距离为200mm时的相对传热效率设为1.0，示出相对传热效率。
根据图6的结果，判明与实施例1相比较，实施例2的气体燃料燃烧器在250mm以上的距离下能得到较高的传热效率。另外，可确认在更远离燃烧器的前端的位置处也能得到较高的传热效率。
(试验例3)
在试验例3中，使用图2所示的气体燃料燃烧器40调查(第一氧量)/(所有氧量)对相对传热效率的影响。此时，测量改变第一氧的流量对所有氧的流量的比率时的冲撞对流传热效率。将从所有氧的流量中减去第一氧的流量后的流量作为第二氧及第三氧的流量来供给。另外，第二氧的流量和第三氧的流量为相同的流量。图7中示出其结果。
图7是表示(第一氧流量)/(所有氧流量)与相对传热效率之间的关系的图表。
根据图7的结果，可确认在图2的气体燃料燃烧器40中通过将第一氧(第一氧化剂)的比例设为40％以上而能得到高于比较例的传热效率。
但是，如果第一氧量(第一氧化剂)的比例超过90％，则由于第二氧(第二氧化剂)及第三氧(第三氧化剂)的流量过少，因此不能得到实用的火焰。这被推测为起因于火焰稳定效果降低且燃料及氧化剂的混合变差。
产业上的可利用性
本发明能够应用到适于利用对流传热对被加热物进行加热的气体燃料燃烧器及气体燃料燃烧器的加热方法中。
附图标记说明
10、40 气体燃料燃烧器
11 燃烧器主体 12 气体燃料供给通路 13a 侧面
13 燃烧室 13-1 第一圆形面 13-2 第二圆形面
17 第一氧化剂喷出口 18 气体燃料喷出口 19 第二氧化剂喷出口
21 第一环状部件 22 第二环状部件 24 第一氧化剂供给通路
26 前端部 26a 倾斜面 28 第二氧化剂供给通路
41 第三氧化剂喷出口 C1 中心 CL1 中心轴
d 开口直径 D1 第一直径 D2 第二直径
L 长度 P1 第一氧化剂喷出方向 P2 气体燃料喷出方向
P3 第二氧化剂喷出方向 P4 第三氧化剂喷出方向 θ1～θ4 角度

Claims (17)

1.一种非水冷式气体燃料燃烧器，其特征在于，具有：
燃烧器主体，沿规定方向延伸，并且在前端部形成对被加热物进行加热的火焰；
燃烧室，配置在所述燃烧器主体的前端部，并且呈宽度在从所述燃烧器主体的基端部向该前端部的方向上变宽的圆锥台形状；
第一氧化剂喷出口，在构造所述燃烧室的直径不同的第一圆形面和第二圆形面中，配置在直径小于所述第二圆形面的直径的第一圆形面的中心上，并且沿所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向喷出第一氧化剂；
气体燃料喷出口，在所述第一圆形面中，配置在所述第一氧化剂喷出口的外侧，并且沿与所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向交叉的方向喷出气体燃料；和
第二氧化剂喷出口，配置在所述燃烧室的侧面上，并且沿与所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向交叉的方向喷出第二氧化剂，
所述第一圆形面的第一直径的值为所述第一氧化剂喷出口的开口直径的3～6倍的范围内的大小，
所述燃烧室在所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向上的长度值在所述第一直径的0.5～2倍的范围内。
2.根据权利要求1所述的非水冷式气体燃料燃烧器，其特征在于，
进一步具有第三氧化剂喷出口，所述第三氧化剂喷出口在所述燃烧室的侧面中配置在比所述第二氧化剂喷出口的配设位置更靠所述第二圆形面侧的位置上，并且沿与所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向交叉的方向喷出第三氧化剂，
由所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向和所述第三氧化剂的喷出方向所成的角度小于由所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向和所述第二氧化剂的喷出方向所成的角度。
3.根据权利要求1所述的非水冷式气体燃料燃烧器，其特征在于，
所述气体燃料喷出口由多个气体燃料喷出孔构造，
所述第二氧化剂喷出口由多个氧化剂喷出孔构造，
所述多个气体燃料喷出孔及所述多个氧化剂喷出孔配置为相对于所述第一圆形面的中心呈同心圆状。
4.根据权利要求2所述的非水冷式气体燃料燃烧器，其特征在于，
所述气体燃料喷出口由多个气体燃料喷出孔构造，
所述第二氧化剂喷出口由多个氧化剂喷出孔构造，
所述多个气体燃料喷出孔及所述多个氧化剂喷出孔配置为相对于所述第一圆形面的中心呈同心圆状。
5.根据权利要求2所述的非水冷式气体燃料燃烧器，其特征在于，
所述第三氧化剂喷出口由多个氧化剂喷出孔构造，
构造所述第三氧化剂喷出口的所述多个氧化剂喷出孔配置为相对于所述第一圆形面的中心呈同心圆状。
6.根据权利要求1、2或5所述的非水冷式气体燃料燃烧器，其特征在于，
由所述燃烧室的侧面和所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向所成的角度在0度以上且20度以下的范围内。
7.根据权利要求1、2或5所述的非水冷式气体燃料燃烧器，其特征在于，
由所述气体燃料的喷出方向和所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向所成的角度在0度以上且30度以下的范围内。
8.根据权利要求1、2或5所述的非水冷式气体燃料燃烧器，其特征在于，
由所述第二氧化剂的喷出方向和所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向所成的角度在10度以上且40度以下的范围内。
9.根据权利要求2或5所述的非水冷式气体燃料燃烧器，其特征在于，
由所述第三氧化剂的喷出方向和所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向所成的角度在5度以上且30度以下的范围内。
10.根据权利要求4所述的非水冷式气体燃料燃烧器，其特征在于，
所述第三氧化剂喷出口由多个氧化剂喷出孔构造，
构造所述第三氧化剂喷出口的所述多个氧化剂喷出孔配置为相对于所述第一圆形面的中心呈同心圆状。
11.根据权利要求3或4所述的非水冷式气体燃料燃烧器，其特征在于，
由所述燃烧室的侧面和所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向所成的角度在0度以上且20度以下的范围内。
12.根据权利要求3或4所述的非水冷式气体燃料燃烧器，其特征在于，
由所述气体燃料的喷出方向和所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向所成的角度在0度以上且30度以下的范围内。
13.根据权利要求3或4所述的非水冷式气体燃料燃烧器，其特征在于，
由所述第二氧化剂的喷出方向和所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向所成的角度在10度以上且40度以下的范围内。
14.根据权利要求4所述的非水冷式气体燃料燃烧器，其特征在于，
由所述第三氧化剂的喷出方向和所述燃烧器主体的中心轴的延伸方向所成的角度在5度以上且30度以下的范围内。
15.一种非水冷式气体燃料燃烧器的加热方法，使用由权利要求1至14中的任一项所述的所述非水冷式气体燃烧器形成的火焰来对被加热物进行加热，所述非水冷式气体燃料燃烧器的加热方法的特征在于，
将喷向所述燃烧室的所述第一氧化剂的喷出速度设为50～300m/s，将所述气体燃料的喷出速度设为20～100m/s，将所述第二氧化剂的喷出速度设为20～80m/s的范围而形成所述火焰，并且利用该火焰对所述被加热物进行加热。
16.根据权利要求15所述的非水冷式气体燃料燃烧器的加热方法，其特征在于，
在形成所述火焰时，将喷向所述燃烧室的第三氧化剂的喷出速度设在20～80m/s的范围内。
17.根据权利要求15或16所述的非水冷式气体燃料燃烧器的加热方法，其特征在于，
向所述第一氧化剂喷出口供给的第一氧化剂的流量在向所述燃烧室供给的所有氧化剂的总流量的40％～90％的范围内。
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