CN110998185A - 燃烧器及使用燃烧器的加热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种燃烧器及加热方法，其在利用自激振荡火焰来加热被加热物时，能够控制NOX的排放量，并且在远离燃烧器的位置也能够以优异的传热效率进行均匀加热，提供一种燃烧器(1)，其特征在于，具备：中心流体喷出口(2)，呈一对侧壁(63a，63b)的间隔朝向下游侧逐渐扩展的截面扇形状；一对开口部(62a，62b)，设置在中心流体喷出口(2)的上游侧的流体喷出流路6的侧壁(61)上且经由连通管(7)连通；第一周围流体喷出口(3)，配置在中心流体喷出口(2)的周围；所述第二周围流体喷出口(4)，位于其中心与所述中心流体喷出口(2)的中心的间隔大于所述第一周围流体喷出口(3)的中心与中心流体喷出口(2)的间隔的位置上，并且配置在与所述中心流体喷出口(2)的扩展方向正交的方向上；和第三周围流体喷出口(5)，位于其中心与所述中心流体喷出口(2)的中心的间隔大于所述第二周围流体喷出口(4)的中心与中心流体喷出口(2)的中心的间隔的位置上，并且配置在与所述中心流体喷出口(2)的扩展方向正交的方向上。

Description

燃烧器及使用燃烧器的加热方法
技术领域
本发明涉及燃烧器及使用燃烧器的加热方法。
背景技术
一般而言，在炼铁工艺中，使用加热炉来将中间产品(钢坯、钢锭或板坯)加热至1,200℃左右，然后朝向轧制工序运送该中间产品，加工成型为最终产品。此时，在直接烘烤式加热炉中，在炉内设置有燃烧器，利用燃烧器所形成的火焰进行被加热物的加热。如此，通过采用向炉内直接导入火焰的所谓直接烘烤式结构，例如与使用辐射管式燃烧器等的间接式加热炉相比较，能够提高热量效率。
另一方面，在上述直接烘烤式加热炉中，存在因火焰燃烧气体等中包含的氧而产生中间产品的表面氧化这样的问题。由于中间产品的表面经氧化形成氧化皮，从而最终产品的成品率降低。因此，在直接烘烤式加热炉中，一般采用通过将燃烧器与中间产品平行配置而利用火焰的辐射传热来加热中间产品的方法。
然而，在将现有的燃烧器设置在加热炉中使用的情况下，由于该燃烧器被特殊化为面向对流传热，因此辐射传热的效率较低。因此，在将燃烧器与中间产品平行配置的情况下，存在与以往相比较传热效率降低且成品率下降等问题。
另外，在利用专利文献1的燃烧器进行富氧燃烧的情况下，由于NOX的排放量增加，因此有必要控制NOX的排放量，使得NOX的排放量为适用于加热炉的大气污染防止法的基准值以下。
另外，辐射传热量依赖于火焰与被加热物的温度差及相对距离而变化。因此，例如在将钢坯等的长条中间产品作为被加热物，并且只利用一根燃烧器进行加热时，会产生加热不均，在之后的轧制工序中难以进行正常的轧制处理。为了解决该问题，在辐射传热式加热炉中，为了均匀地加热中间产品，并列配置有多根燃烧器。然而，由于燃烧器的根数增加，存在装置成本增大或维护性降低的问题。
为了解决加热不均，提出了利用所谓的喷流自激振荡现象来使火焰振荡的方案(例如，参照专利文献1及专利文献2)。
专利文献1及专利文献2所公开的燃烧器具备喷嘴结构，该喷嘴结构应用了喷流周期性地变化的自激振荡现象而不需要来自外部的驱动力。由此，由于能够周期性地变化火焰朝向，因此能够保持高传热效率的同时，进行均匀加热。
专利文献1及专利文献2的燃烧器与现有的辐射管式燃烧器等相比较，能够均匀地加热宽范围。因此，在上述加热中应用专利文献1及专利文献2的燃烧器的情况下，可期待装置成本的削减和加热均匀性的提高等效果。
专利文献1：日本专利公开2005-113200号公报
专利文献2：日本专利公开2013-079753号公报
然而，如果使用应用专利文献1及专利文献2中记载的自激振荡现象的燃烧器来进行助燃性气体的富氧燃烧，则由于燃料气体进行自激振荡，因此有时难以以最佳的流量及流速均衡度混合燃料气体和助燃性气体。在这种情况下，与现有的燃烧器同样，NOX的排放量增加，因此需要控制NOX的排放量，使得NOX的排放量为适用于加热炉的大气污染防止法的基准值以下。
另外，在适当进行燃料气体与助燃性气体的混合的情况下，特别是在远离燃烧器的中心轴的位置上配置有被加热物的情况下，由于辐射传热的传热效率降低，因此有可能无法均匀地加热被加热物。
在此，为了促进燃料气体与助燃性气体的混合并提高对流传热效率，例如可考虑加快火焰的振荡。然而，当加快火焰的振荡时，火焰长度变短，存在无法均匀加热被加热物的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种燃烧器及使用燃烧器的加热方法，其在利用自激振荡使火焰振荡的同时对被加热物进行加热时，能够控制NOX的排放量，并且能够以优异的传热效率均匀地加热被加热物。
为了解决上述问题，提供下述燃烧器。
(1)一种燃烧器，从设置于前端部的多个流体喷出口中的每一个喷出含氧助燃性气体或燃料气体中的至少任一种并使之燃烧，其特征在于，所述多个流体喷出口包括中心流体喷出口、第一周围流体喷出口、第二周围流体喷出口及第三周围流体喷出口，在所述中心流体喷出口的上游侧的流体喷出流路的侧壁上，在相互相对的位置设置有一对开口部，该一对开口部彼此经由连通管连通，所述流体喷出流路中的比所述开口部更下游侧具有配置有所述开口部的一对侧壁的间隔朝向下游侧逐渐扩展的截面扇形状，所述第一周围流体喷出口配置在所述中心流体喷出口的周围，所述第二周围流体喷出口位于其中心与所述中心流体喷出口的中心的间隔大于所述第一周围流体喷出口的中心与中心流体喷出口的间隔的位置上，并且配置在与所述中心流体喷出口的扩展方向正交的方向上，所述第三周围流体喷出口位于其中心与所述中心流体喷出口的中心的间隔大于所述第二周围流体喷出口的中心与中心流体喷出口的中心的间隔的位置上，并且配置在与所述中心流体喷出口的扩展方向正交的方向上。
(2)根据上述(1)所述的燃烧器，其特征在于，在将所述中心流体喷出口的当量直径设为L，将从所述中心流体喷出口至所述第二周围流体喷出口的中心间距离设为LB，将从所述第二周围流体喷出口至所述第三周围流体喷出口的中心间距离设为LB-C时，L、LB、LB-C的关系满足下式(1)及(2)，
LB≤15L (1)
LB-C≤15L (2)。
(3)根据上述(1)或(2)所述的燃烧器，其特征在于，沿所述中心流体喷出口的扩展方向分别配置有多个所述第二周围流体喷出口及多个所述第三周围流体喷出口。
(4)一种使用燃烧器的加热方法，使用上述(1)～(3)中的任一项所述的燃烧器来加热被加热物，其特征在于，在将从所述第一周围流体喷出口、所述第二周围流体喷出口及所述第三周围流体喷出口喷出的流体分别设为周围流体A、周围流体B及周围流体C，将各周围流体A、B、C相对于所述周围流体A、B、C的总流量的比例分别设为QA、QB、QC时，QA、QB、QC的比例分别在用下式(3)、(4)及(5)表示的范围内，
QA＝0.05～0.20 (3)
QB＝0.20～0.80 (4)
QC＝0.20～0.80 (5)。
(5)根据(4)所述的使用加热器的加热方法，其特征在于，在将从所述中心流体喷出口喷出的中心流体D的流速设为V，将从所述第二周围流体喷出口及所述第三周围流体喷出口喷出的所述周围流体B、C的流速分别设为VB、VC时，V、VB、VC的关系满足下式(6)，
V≤VB≤VC≤8V (6)。
本发明所涉及的燃烧器具备：中心流体喷出口；第一周围流体喷出口，配置在该中心流体喷出口的周围；第二周围流体喷出口，位于其中心与所述中心流体喷出口的中心的间隔大于所述第一周围流体喷出口的中心与中心流体喷出口的间隔的位置上，并且配置在与所述中心流体喷出口的扩展方向正交的方向上；和第三周围流体喷出口，位于其中心与所述中心流体喷出口的中心的间隔大于所述第二周围流体喷出口的中心与中心流体喷出口的中心的间隔的位置上，并且配置在与所述中心流体喷出口的扩展方向正交的方向上。
如此，在利用自激振荡使火焰振荡的燃烧器中，除中心流体喷出口及其周围的第一周围流体喷出口以外，进一步在最佳位置设置有第二周围流体喷出口及第三周围流体喷出口，从而能够使中心流体与周围流体阶段性地混合并燃烧。由此，由于能够将从第一周围流体喷出口～三周围流体喷出口喷出的各周围流体的流量及流速调整为最佳的均衡度，因此能够保持良好的燃烧状态，并且提高传热效率。另外，在利用自激振荡加快火焰振荡的情况下，也能够确保所形成的火焰的长度。
因此，在对被加热物进行加热时，能够控制NOX的排放量，并且在远离燃烧器的中心轴的位置也能够进行大规模均匀加热。
另外，本发明所涉及的使用燃烧器的加热方法为使用上述燃烧器的加热方法，因此能够实现大规模均匀加热。此外，在远离燃烧器的中心轴的位置配置有被加热物的情况下，也能够以优异的传热效率进行均匀加热。
附图说明
图1是对作为本发明的一实施方式的燃烧器进行示意性说明的图，是表示中心流体喷出口与各周围流体喷出口之间的位置关系的一例的俯视图。
图2是对作为本发明的一实施方式的燃烧器进行示意性说明的图，是图1所示的燃烧器的E-E剖视图。
图3是对作为本发明的一实施方式的燃烧器进行示意性说明的图，图3的(a)及(b)是表示图1及图2所示的燃烧器中的中心流体喷出方向的变动状态的概念图。
图4是对作为本发明的一实施方式的燃烧器进行示意性说明的图，是表示燃烧器与被加热体之间的位置关系的一例的概略图。
图5是对作为本发明的一实施方式的燃烧器及使用燃烧器的加热方法进行示意性说明的图，是从上方示出由燃烧器形成的火焰与被加热体之间的位置关系的一例的概略图。
图6是表示实施例及各比较例的燃烧器中的、离燃烧器面的距离与传热量之间的关系的图表。
具体实施方式
下面，适当参照图1～图6对作为应用本发明的一实施方式的燃烧器及使用燃烧器的加热方法进行说明。此外，在以下说明中使用的附图中，为了易于理解特征，有时方便起见放大表示特征部分，各结构要素的尺寸比例等并不一定与实际相同。另外，以下说明中举例说明的材料等为一例，本发明并不限定于这些材料，在不变更本发明要点的范围内可适当变更实施本发明。
本发明所涉及的燃烧器及加热方法例如可应用到在炼铁工艺中使用加热炉来将中间产品(钢坯、钢锭或板坯)加热至1,200℃左右的用途。
<燃烧器>
下面，对本发明所涉及的燃烧器的结构及燃烧方法进行详细说明。
[燃烧器的结构]
图1～图4是用于说明作为本发明的一实施方式的燃烧器1的结构的图，图1是表示中心流体喷出口与各周围流体喷出口之间的位置关系的一例的俯视图，图2是图1所示的E-E剖视图(横截面图)。另外，图3是表示作为本发明的一实施方式的燃烧器1中的流体喷出方向的变动状态的概念图。另外，图4是示出燃烧器1与被加热体50之间的位置关系的一例的概略图。此外，由于图1～图4(以及在实施例栏中说明的图5)是用于表示各流体喷出口及开口部等的配置关系和尺寸的示意图，因此部分省略作为喷嘴的管壁等的详细部分的图示。
如图1～图4所示，本实施方式的燃烧器1从设置于前端部的多个流体喷出口中的每一个喷出助燃性气体或燃料气体中的至少任一种并使其燃烧。
具体而言，如图1所示，本实施方式的燃烧器1具有中心流体喷出口2、第一周围流体喷出口3、第二周围流体喷出口4及第三周围流体喷出口5这种多个流体喷出口。
如图2所示，在中心流体喷出口2的上游侧的流体喷出流路6的侧壁61上，在分别相对的位置设置有一对开口部62a、62b，并且这些一对开口部62a、62b彼此经由连通管7连通。
另外，位于比开口部62a、62b更下游侧的、形成流体喷出流路6的一对侧壁63a、63b的间隔朝向下游侧逐渐扩展(以下，将表示侧壁63a与侧壁63b的间隔的方向称为“(中心流体喷出口2的)扩展方向”)。即，在从上方观察燃烧器1的情况下，位于比开口部62a、62b更下游侧的流体喷出流路6呈扇形状。
第一周围流体喷出口3配置在中心流体喷出口2的周围。
第二周围流体喷出口4位于其中心与中心流体喷出口2的中心的间隔大于第一周围流体喷出口3的中心与中心流体喷出口2的中心的间隔的位置上，并且配置在与中心流体喷出口2的扩展方向正交的方向上。
第三周围流体喷出口5位于其中心与中心流体喷出口2的中心的间隔大于第二周围流体喷出口2的中心与中心流体喷出口2的中心的间隔的位置上，并且配置在与中心流体喷出口2的扩展方向正交的方向上。
另外，如图1所示，在本实施方式的燃烧器1中，沿中心流体喷出口2的扩展方向分别配置有多个第二周围流体喷出口及多个第三周围流体喷出口5。在本实施方式中，分别设置有两个第二周围流体喷出口及两个第三周围流体喷出口5。
在本实施方式的燃烧器1中，从中心流体喷出口2及第一周围流体喷出口～第三周围流体喷出口3、4、5分别单独喷出助燃性气体及燃料气体，但哪种气体从哪个喷出口喷出也无妨。
例如，也可以从中心流体喷出口2喷出燃料气体，从第一周围流体喷出口～第三周围流体喷出口3、4、5喷出助燃性气体。
中心流体喷出口2被构造为通过从上游侧的流体喷出流路6供给助燃性气体或燃料气体而向外部喷出气体的开口部(喷嘴)。如后述，由于流体喷出流路6中的与流体(气体)流动方向正交的截面形状为大致矩形状，因此中心流体喷出口2呈矩形状。
由于未图示的中央流体供给管路连接到导入口6a，因此流体喷出流路6被导入助燃性气体或燃料气体的任一种并使之从上述中心流体喷出口2喷出。
如上所述，流体喷出流路6的在与流体(气体)流动方向正交的方向上的截面为大致矩形状。大致矩形的侧面由上述一对侧壁61、61形成。在侧壁61、61上，以分别相对的方式设置有上述一对开口部62a、62b。另外，如图2所示，一对开口部62a、62b经由连通管7连通。
如上所述，位于比开口部62a、62b更下游侧的流体喷出流路6的侧面由一对侧壁63a、63b形成。侧壁63a、63b的间隔朝向下游侧逐渐扩展。位于比开口部62a、62b更下游侧的流体喷出流路6的沿流体(气体)流动方向的截面为扇形状。即，配置有沿流体(气体)流动方向的截面为大致V字形的一对侧壁63a、63b。
另一方面，位于比开口部62a、62b更上游侧的流体喷出流路6被形成为相对的侧壁61、61之间大致平行延伸的方管型的流路64。沿流体(气体)流动方向的截面为大致矩形状。
对于本实施方式的燃烧器1来说，在形成流体喷出流路6的一对侧壁61、61上相对配置有一对开口部62a、62b，并且经由连通管7连通该一对开口部62a、62b，从而能够使从中心流体喷出口2喷出的助燃性气体或燃料气体发生所谓的触发器喷嘴的自激振荡。
即，如图3的(a)、(b)所示，当从位于比开口部62a、62b更上游侧的流路64流动的流体(助燃性气体或燃料气体)穿过一对开口部62a、62b之间流入截面呈扇形状的一对侧壁63a、63b之间时，该流体以与一个侧壁63a及另一个侧壁63b交替接触的方式自激振荡的同时，从中心流体喷出口2喷出。此外，图1中的箭头R意味着流体的自激振荡方向。
此外，随自激振荡产生的流体的振幅和频率根据开口部62a、62b、一对侧壁63a、63b及连通管7的各部分的尺寸或流体流速等的各种条件而变化。
因此，通过适当设定这些各部分的尺寸，从而能够使从中心流体喷出口2喷出的流体在一定程度的范围内以期望的角度及频率振荡。
此外，如上所述，能够通过经由连通管7连通一对开口部62a、62b而发生触发器喷嘴的自激振荡，但也能够通过在连通管7上设置压力控制机构(图示省略)而发生触发器喷嘴的自激振荡。通过设置这种压力控制机构，例如可以以在一个开口部62a的压力为低于静压的压力时，另一个开口部62b的压力成为高于静压的压力的方式，使压力交替颠倒。如此，通过使一对开口部62a、62b的压力交替颠倒，从而能够使从中心流体喷出口2喷出的流体(助燃性气体或燃料气体)的喷出方向周期性地变化，产生如上所述的自激振荡。
进行更详细说明，则在使用未图示的压力控制机构，使一个开口部62a的压力低于静压，并且使配置在相对位置的另一个开口部62b的压力高于静压的情况下，如图3的(a)所示，流体向一个侧壁63a侧倾斜喷出。
在使一个开口部62a的压力高于静压，另一个开口部62b的压力低于静压的情况下，如图3的(b)所示，流体向另一个侧面63b侧倾斜喷出。
本实施方式的燃烧器1通过如上所述的结构及操作而能够使流体喷出方向周期性地变化并使之从中心流体喷出口2喷出。
此外，图2所示的流体喷出流路6中的一对侧壁63a、63b的打开角度即中心流体喷出口2的开口角度α不受特别限定。考虑所期望的火焰的打开角度来设定即可。然而，为了稳定地发生流体喷出方向的振荡并实现均匀加热，优选为90°以下。
如图1所示，第一周围流体喷出口3以包围中心流体喷出口2的方式配置在中心流体喷出口2的周围。
在第一周围流体喷出口3上连接有未图示的周围流体供给管路，从而被导入助燃性气体或燃料气体的任一种。由此，被构造为用于使任一种气体喷出的开口部(喷嘴)。
在此，“第一周围流体喷出口3配置在中心流体喷出口2的周围”意味着第一周围流体喷出口3被配置为包围中心流体喷出口2的周围，并且是指中心流体喷出口2和第一周围流体喷出口3配置在相邻位置上。
如上所述，通过将第一周围流体喷出口3配置到中心流体喷出口2，从而能够从与喷出燃料气体的位置相邻的位置喷出助燃性气体。
在本实施方式中，通过以包围中心流体喷出口2的周围的方式配置第一周围流体喷出口3，从而能够有效地混合从中心流体喷出口2喷出的中心流体(例如，燃料气体)和从第一周围流体喷出口3喷出的周边流体(例如，助燃性气体)。另外，通过从第一周围流体喷出口3向火焰的外周喷出流体而还原区域变宽，能够得到提高形成火焰时的燃烧效率的效果。
此外，作为第一周围流体喷出口3的形状，如图1所示，可以是以包围中心流体喷出口2的周围的方式配置的矩形状，但并不限定于矩形状，还可以是圆形状。此外，还可以通过多个开口部(孔)以包围第一周围流体喷出口3的周围的方式构造第一周围流体喷出口3。
如上所述，第二周围流体喷出口4配置在其中心与中心流体喷出口2的中心的间隔大于第一周围流体喷出口3的中心与中心流体喷出口2的中心的间隔且与中心流体喷出口2的扩展方向正交的方向上。换言之，第二周围流体喷出口4设置在第一周围流体喷出口3的外周侧且与中心流体喷出口2的扩展方向正交的方向上。
另外，第二周围流体喷出口4配置在与中心流体喷出口2的扩展方向正交的方向上，在图示的例子中，配置在比第一周围流体喷出口3更靠下方(图1中的纵长方向上的下侧)。即，第二周围流体喷出口4配置在与从中心流体喷出口2喷出的中心流体的自激振荡方向正交的方向上。另外，沿中心流体喷出口2的扩展方向配置有多个第二周围流体喷出口4。在图示的例子中，两处的第二周围流体喷出口4经由与中心流体喷出口2的扩展方向正交的中心线S均等地配置。
作为第二周围流体喷出口4的形状虽然不受特别限定，但除图1所举例说明的圆形状以外，例如也可以是狭缝形状或矩形状。
如上所述，第三周围流体喷出口5设置在其中心与中心流体喷出口2的中心的间隔大于第二周围流体喷出口4的中心与中心流体喷出口2的中心的间隔的位置上。另外，第三周围流体喷出口5设置在与中心流体喷出口2的扩展方向正交的方向上。在图示的例子中，配置在比第二周围流体喷出口4更靠下方(图1中的纵长方向上的下侧)。
即，第三周围流体喷出口5与第二周围流体喷出口4同样，配置在与从中心流体喷出口2喷出的中心流体的自激振荡方向正交的方向上。
另外，与第二周围流体喷出口4同样，也沿中心流体喷出口2的扩展方向配置有多个第三周围流体喷出口5。在图示的例子中，两处的第三周围流体喷出口5经由中心流体喷出口2的中心线S均等地配置。
作为第三周围流体喷出口5的形状，也与第二周围流体喷出口4同样不受特别限定，但除如图1所举例说明的圆形状以外，例如可以是狭缝形状或矩形状。
在此，如图4所示，优选使第二周围流体喷出口4及第三周围流体喷出口5在中心流体喷出口2与后述的被加热物50之间开口。
通过如上述那样配置第二周围流体喷出口4及第三周围流体喷出口5，从而能够设为对从中心流体喷出口2喷出的中心流体D依次阶段性地混合从第一周围流体喷出口3、第二周围流体喷出口4及第三周围流体喷出口5分别喷出的周围流体A、B及C并使之燃烧的混合及燃烧形态。
在本实施方式中，通过将中心流体D与各周围流体A、B及C的混合及燃烧形态即燃料气体与助燃性气体的混合及燃烧形态设为上述形态，从而能够延长火焰长度，并且能够在靠近被加热物的位置形成火焰。
此外，在图1及图4所示的例子中，分别设置有两处第二周围流体喷出口4和两处第三周围流体喷出口5。然而，它们的设置数量不受特别限定，例如能够在考虑燃料气体和助燃性气体的流速和流量等的同时适当确定。
在本实施方式的燃烧器1中，中心流体喷出口2、第一周围流体喷出口3、第二周围流体喷出口4及第三周围流体喷出口5各自的间隔不受特别限定，例如能够在考虑燃料气体和助燃性气体的流速和流量等的同时适当确定。
另一方面，在本实施方式中，如图1所示，在将中心流体喷出口2的当量直径设为L，将从中心流体喷出口2至第二周围流体喷出口4的中心间距离设为LB，将从第二周围流体喷出口4至第三周围流体喷出口5的中心间距离设为LB-C时，更优选L、LB、LB-C的关系满足下式(1)及(2)。
LB≤15L (1)
LB-C≤15L (2)。
如上所述，通过将中心流体喷出口2与第二周围流体喷出口4之间的中心间距离LB、以及第二周围流体喷出口4与第三周围流体喷出口5之间的中心间距离LB-C设为中心流体喷出口2的当量直径L的15倍以下，从而各周围流体喷出口间的距离相对于中心流体喷出口2的尺寸在最佳范围内。
即，通过使中心流体喷出口2与第二周围流体喷出口4的间隔、以及第二周围流体喷出口4与第三周围流体喷出口5的间隔最佳化，从而在对中心流体D(例如，燃料气体)依次阶段性地混合各周围流体A、B、C(例如，助燃性气体)时，以最佳的流量及流速均衡度混合各流体。由此，能够更显著得到如上所述的延长火焰长度的效果，并且能够在更靠近被加热物的位置形成火焰。
在上述中心间距离LB及中心间距离LB-C超过中心流体喷出口2的当量直径L的15倍的情况下，中心流体喷出口2与第二周围流体喷出口4的间隔以及第二周围流体喷出口4与第三周围流体喷出口5的间隔相对于中心流体喷出口2的尺寸过大。因此，在对中心流体(例如，燃料气体)依次阶段性地混合各周围流体(例如，助燃性气体)时，无法以最佳的流量及流速均衡度混合各流体，难以得到延长火焰长度的效果。另外，有可能会在靠近被加热物50的位置难以形成火焰。
此外，如图1所示，上述中心流体喷出口2的当量直径L是指该中心流体喷出口2在与中心流体喷出口2的扩展方向正交的方向上的开口尺寸。
此外，优选本实施方式的燃烧器1被构造为能够单独控制从中心流体喷出口2喷出的中心流体D的喷出量以及从第一周围流体喷出口3、第二周围流体喷出口4及第三周围流体喷出口5分别喷出的各周围流体A、B、C的喷出量。作为单独控制各流体的喷出量的方法，省略详细图示，但例如可列举在连接到各喷出口并供给各流体的管路中分别设置流量控制机构的方法。
[燃烧器的燃烧方法]
接着，对使具备上述结构的本实施方式的燃烧器1燃烧的方法进行说明。
对于本实施方式的燃烧器1来说，省略详细图示，但通过将从中心流体喷出口2喷出的中心流体D作为燃料气体，将从第一周围流体喷出口3、第二周围流体喷出口4及第三周围流体喷出口5喷出的周围流体A、B、C作为助燃性气体，从而在燃料气体(中心流体D)的喷出方向上形成火焰。
作为燃料气体，可举例说明天然气(LNG)等，但例如也可以是重油等的液体燃料。
作为助燃性气体，例如可举例说明氧气与空气的混合气体。作为混合气体，例如可使用氮气、碳酸气或排气等代替上述空气，也可以将该混合气体与氧混合使用。另外，作为上述混合气体中使用的氧，也可以使用工业用纯氧。。
在使本实施方式的燃烧器1燃烧时，如上所述，利用自激振荡使从中心流体喷出口2喷出的燃料气体交替且周期性地变化喷出方向的同时喷出(参照图3的(a)、(b))。此时，从中心流体喷出口2以周期性地变化的角度喷出燃料气体(中心流体D)，与此相对地，从第一周围流体喷出口3以包入燃料气体的方式喷出助燃性气体(周围流体A)，从而有助于火焰的形成。
并且，朝向上述火焰，从第二周围流体喷出口4喷出助燃性气体(周围流体B)，并且从第三周围流体喷出口5喷出助燃性气体(周围流体C)。
如上所述，通过朝向作为燃料气体的中心流体D，依次喷出作为助燃性气体的周围流体A、B、C，从而能够提高燃烧效率，并且有效地控制NOX的排放量。另外，能够提高火焰的传热效率，并且均匀地加热被加热物50(参照图4)。
此外，从中心流体喷出口2喷出的燃料气体(中心流体D)的由自激振荡引起的喷出方向的切换周期不受特别限定。在远离燃烧器1的中心轴J的位置也能够以优异的传热效率进行均匀加热的范围内适当设定该切换周期即可。
根据本实施方式的燃烧器1，利用自激振荡使火焰振荡的结构兼具用于使各流体喷出口的配置等最佳化的结构，从而能够得到以下两个效果：即，能够进行大规模均匀加热的效果；和甚至在远离燃烧器的中心轴J的位置得到高传热效率的效果。
另外，由于能够将从各周围流体喷出口3、4、5喷出的助燃性气体(周围流体A、B、C)的流量和流速调整为最佳的均衡度，因此能够保持良好的燃烧状态并控制NOX的排放量。
<使用燃烧器的加热方法>
本发明所涉及的加热方法为使用具备上述结构的本发明所涉及的燃烧器1来加热被加热物50的方法。
由于本实施方式的加热方法为使用上述燃烧器1来加热被加热物的方法，因此在利用自激振荡进行振荡的火焰来加热被加热物时，能够控制NOX的排放量，并且在远离燃烧器1的中心轴J的位置也能够进行大规模均匀加热。
作为本实施方式的加热方法中的被加热物不受特别限定。在上述炼铁工艺中，可列举需要使用加热炉进行加热的中间产品，例如钢坯、钢锭或板坯等。在图5中，作为被加热物50，示出方柱状的钢坯。
由于本实施方式的加热方法为使用上述燃烧器1来加热图4及图5中举例说明的钢坯等的被加热物50的方法，因此能够大规模均匀地加热各种被加热物，并且甚至在远离燃烧器的中心轴J(流体的喷出方向中的中心轴)的位置得到高传热效率，进而能够保持良好的燃烧状态并控制NOX的排放量。
此外，在本实施方式的加热方法中，在将各周围流体A、B、C相对于从第一周围流体喷出口3、第二周围流体喷出口4及第三周围流体喷出口5喷出的周围流体A、B、C的总流量的比例分别设为QA、QB、QC时，优选QA、QB、QC的比例分别在用下式(3)、(4)及(5)表示的范围内，
QA＝0.05～0.20 (3)
QB＝0.20～0.80 (4)
QC＝0.20～0.80 (5)。
在本实施方式中，通过将各周围流体A、B、C的比例QA、QB、QC设为上述关系，从而能够以更佳的流量均衡度混合各流体，并且能够以更优异的燃烧效率形成火焰。即，如上式(3)～(5)所示，通过将最初混合到从中心流体喷出口2喷出的中心流体D中的周围流体A的比例QA设为稍少一些，并且将周围流体B的比例QB及周围流体C的比例QC设定为周围流体A的比例QA以上，从而能够以更佳的流量均衡度混合各流体并使之燃烧。
另外，对于本实施方式的加热方法来说，在将从中心流体喷出口2喷出的中心流体D的流速设为V，将从第二周围流体喷出口4及第三周围流体喷出口5喷出的周围流体B、C的流速分别设为VB、VC时，更优选V、VB、VC的关系满足下式(6)，
V≤VB≤VC≤8V (6)。
在本实施方式中，通过将中心流体D的流速V、周围流体B的流速VB及周围流体C的流速VC设为满足用上式(6)表示的关系，从而能够以更佳的流速均衡度混合各流体，并且以更优异的燃烧效率形成火焰。
此外，作为使用本实施方式的燃烧器1的加热方法的加热对象(被加热物)，并不限定于如上所述的在炼钢工艺中使用的中间产品等，例如在对需要高热均匀加热的各种被加热物进行加热的情况下，能够无任何限制地应用该加热对象。
<作用效果>
如上述说明那样，本实施方式的燃烧器1具备：中心流体喷出口2；第一周围流体喷出口3，配置在中心流体喷出口2的周围；第二周围流体喷出口4，位于该第二周围流体喷出口4的中心与中心流体喷出口2的中心的间隔大于第一周围流体喷出口3的中心与中心流体喷出口2的中心的间隔的位置上，并且配置在与中心流体喷出口2的扩展方向正交的方向上；以及第三周围流体喷出口5，位于该第三周围流体喷出口5的中心与中心流体喷出口2的中心的间隔大于第二周围流体喷出口4的中心与中心流体喷出口2的中心的间隔的位置上，并且配置在与中心流体喷出口2的扩展方向正交的方向上。
如此，在利用自激振荡使火焰振荡的燃烧器1中，设置有中心流体喷出口2、设置在中心流体喷出口2的周围的第一周围流体喷出口3、设置在进一步最佳化的位置上的第二周围流体喷出口4及第三周围流体喷出口5。因此，能够使中心流体D与周围流体A、B、C阶段性地混合及燃烧。由此，能够将从第一周围流喷出口～三周围流喷出口3、4、5喷出的各周围流体A、B、C的流量及流速调整为最佳的均衡度。另外，保持良好的燃烧状态，并且提高传热效率。另外，在利用自激振荡加快火焰振荡的情况下，也能够确保所形成的火焰的长度。
因此，在对被加热物50进行加热时，能够控制NOX的排放量，并且在远离燃烧器1的中心轴J的位置也能够进行大规模均匀加热。
另外，由于使用本实施方式的燃烧器1的加热方法为使用具备上述结构的燃烧器1的加热方法，因此与上述同样，在能够利用具有自激振荡功能的燃烧器来实现大规模均匀加热，并且在远离燃烧器1的中心轴J的位置配置有被加热物的情况下，也能够以优异的传热效率进行均匀加热。
实施例
下面，通过出示实施例来对本发明的燃烧器及使用燃烧器的加热方法进行更详细说明，但本发明并不限定于以下实施例，在不变更本发明要点的范围内可进行适当变更实施本发明。
<燃烧器的规格及运转条件>
在本实施例中，准备作为图1～图4所示的结构的燃烧器1，在以下所示的各条件下进行燃烧及加热试验。
在本实施例中，将图2所示的燃烧器1的中心流体喷出口2的开口角度α设为30°。另外，在本实施例中，将图2所示的从中心流体喷出口2至第二周围流体喷出口4的中心间距离LB及从第二周围流体喷出口4至第三周围流体喷出口5的中心距离LB-C设为下述表1所示的值。
另外，在本实施例中，作为燃料气体使用丙烷气，作为助燃性气体使用富氧率为40％的富氧空气。通过使燃料气体向中心流体喷出口2流动，并且使助燃性气体向第一周围流体喷出口3、第二周围流体喷出口4及第三周围流体喷出口5流动，从而形成火焰。
另外，作为燃烧器运转条件，将燃料气体(丙烷气)的流量设为13Nm3/h，将助燃性气体的流量设为170Nm3/h，并且使之以氧比1.05燃烧。此外，该氧比是指在将燃料气体完全燃烧时所需的氧量设为1时的氧的比例。
另外，中心流体喷出口2中的由自激振荡引起的燃料气体的振荡周期为1秒。
<加热条件>
在本实施例中，关于与流体振荡方向R正交的两个方向即与中心流体喷出口2的扩展方向正交的两个方向上的对流传热效率，作为图4及图5所示的被加热物50的替代物使用抽热体，通过测定该抽热体的表面温度来进行了评价。即，如图4所示，在将中心流体喷出口2的当量直径设为L的情况下，在从中心流体喷出口2的中心朝向燃烧器1的下方距离30L的位置上配置多个抽热体，并且测定其表面温度。另外，在本实施例中，将周围流体A、B、C相对于从第一周围流体喷出口～三周围流体喷出口3、4、5喷出的周围流体A、B、C的总流量的各个比例QA、QB、QC、以及从中心流体喷出口2喷出的中心流体D的流速V、从第二周围流体喷出口4及第三周围流体喷出口5喷出的周围流体B、C的流速VB、VC设为下述表1所示的条件。
并且，在本实施例中，在上述各条件下，对燃烧状态及NOX的排放量进行评价，将结果示于下述表1。在此，以11％氧计算值示出NOX的排放量。
此外，在下述表1所示的燃烧状态的评价中，「○」表示良好的燃烧状态，「×」表示不良的燃烧状态(因稍微不完全燃烧而煤的形成较多)。
此外，在本实施例中，实施通过使燃烧器面-测定面的距离发生变化而进行测定的试验，并且对朝向燃烧器的轴向的对流传热效率进行评价，将实施例及比较例1、2、6、7、9中的离燃烧器面的距离与传热量之间的关系示于图6的图表。
[表1]
Q<sub>A</sub> Q<sub>B</sub> Q<sub>C</sub> V<sub>A</sub> V<sub>B</sub> V<sub>C</sub> L<sub>B</sub> L<sub>B-C</sub> 燃烧状态 NO<sub>X</sub>[ppm,11％O<sub>2</sub>]
实施例 0.05 0.25 0.7 V 6V 6V 12L 8L ○ 64
比较例1 1 0 0 V - - - - ○ 510
比较例2 0.2 0.8 0 V 6V - 12L - ○ 265
比较例3 0.2 0 0.8 V - 6V 12L 8L × 62
比较例4 0 0.3 0.7 - 6V 6V 12L 8L × 63
比较例5 0.05 0.25 0.7 V 1/2V 6V 12L 8L × 75
比较例6 0.05 0.25 0.7 V 8V 6V 12L 8L ○ 115
比较例7 0.05 0.25 0.7 V 6V 10V 12L 8L ○ 63
比较例8 0.05 0.25 0.7 V 6V 6V 16L 4L × 62
比较例9 0.05 0.25 0.7 V 6V 6V 12L 16L ○ 260
如图6的图表所示，与比较例1、2、6、7和9相比较，实施例得到高传热效率。
这可认为通过从中心流体喷出口2喷出的燃料气体与从第二周围流体喷出口4喷出的助燃性气体混合以使火焰高温化，并且剩余的燃料气体进一步与从第三周围流体喷出口5喷出的助燃性气体混合以使火焰高温化，从而能够在靠近抽热体的位置形成高温火焰，并且增加辐射传热效率。
另外，根据表1所示的结果可知，在实施例中，排出的NOX的浓度也处于低水平。这可认为是所谓阶段燃烧效果，该阶段燃烧效果通过从远方对燃料气体高速吹入助燃性气体，使燃料气体阶段性地燃烧，从而使燃烧缓慢化，并且控制NOX的产生量。
除仅从第一周围流体喷出口3喷出助燃性气体这一点以外，以与实施例同样的条件对比较例1进行了评价。即，比较例1是使用传统的自激振荡燃烧器的条件。
如图6的图表及表1所示，比较例1成为与上述实施例相比较传热效率低且NOX浓度高的结果。
除仅从第一周围流体喷出口3及第二周围流体喷出口4喷出助燃性气体这一点以外，以与上述实施例同样的条件对比较例2进行了评价。
如图6的图表所示，可知虽然比较例2与比较例1相比较传热效率提高，但赶不上上述实施例。这可认为虽然在比较例2中形成了高温的火焰，但由于火焰与抽热体之间的距离较大，因此未充分增加辐射传热。另外，如表1所示，比较例2成为NOX浓度比较高的结果。
除仅从第一周围流体喷出口3及第三周围流体喷出口5喷出助燃性气体这一点以外，以与上述实施例同样的条件对比较例3进行了评价。
在比较例3中，确认到在设置有燃烧器的试验炉内形成大量的煤的状况，如表1所示，燃烧状态不良。这可认为从中心流体喷出口2喷出的燃料气体未与从第三周围流体喷出口5喷出的助燃性气体充分混合，其结果产生不完全燃烧。
除仅从第二周围流体喷出口4及第三周围流体喷出口5喷出助燃性气体这一点以外，以与上述实施例同样的条件对比较例4进行了评价。
在比较例4中，与比较例3同样，确认到在设置有燃烧器的试验炉内形成大量的煤的状况，如表1所示，燃烧状态不良。可认为其理由与比较例3的情况同样。另外，在比较例4中，还确认到火焰稳定不充分且有时吹跑火焰的状况。
除降低从第二周围流体喷出口4喷出的助燃性气体的喷出速度(流速VB)这一点以外，以与上述实施例同样的条件对比较例5进行了评价。
在比较例5中，也与比较例3、4同样，确认到在设置有燃烧器的试验炉内形成大量的煤的状况，如表1所示，燃烧状态不良。可认为其理由与比较例3、4的情况同样。
除增加从第二周围流体喷出口4喷出的助燃性气体的流速VB这一点以外，以与上述实施例同样的条件对比较例6进行了评价。
在比较例6中，虽然在燃烧状态方面没有问题，但NOX浓度较高，并且，如图6的图表所示，虽然传热效率提高到上述比较例2的程度，但不会达到上述比较例2的程度以上。这可认为由于从第二周围流体喷出口4喷出的助燃性气体的流速VB与从第三周围流体喷出口5喷出的助燃性气体的流速VC相比过快，因此剩余的燃料气体未与从第三周围流体喷出口5喷出的助燃性气体充分混合。
除增加从第三周围流体喷出口5喷出的助燃性气体的流速VC这一点以外，以与上述实施例同样的条件对比较例7进行了评价。
在比较例7中，虽然在燃烧状态方面没有问题，并且NOX浓度也得到了控制，但如图6的图表所示，成为与使用上述比较例1即现有条件的燃烧器的情况相比较传热效率降低的结果。这可认为由于从第三周围流体喷出口5喷出的助燃性气体的流速VC过快，因此对流传热的贡献变大，并且在形成高温的火焰之前助燃性气体与抽热体碰撞，从而反过来从抽热体中夺取热量的作用变大。
除加长中心流体喷出口2与第二周围流体喷出口4之间的距离LB这一点以外，以与上述实施例同样的条件对比较例8进行了评价。
在比较例8中，确认到在设置有燃烧器的试验炉内形成大量的煤的状况，如表1所示，燃烧状态不良。可认为其理由与比较例3等的情况同样。
除加长第二周围流体喷出口4与第三周围流体喷出口5之间的距离LB-C这一点以外，以与上述实施例同样的条件对比较例9进行了评价。
在比较例9中，如图6的图表所示，成为与使用上述比较例1即现有条件的燃烧器的情况相比较传热效率降低的结果。这可认为由于从第三周围流体喷出口5喷出的助燃性气体与抽热体之间的距离过近，因此产生与上述比较例7的情况同样的作用。
根据如上述说明的实施例的结果可知，本发明所涉及的燃烧器与具有传统结构的自激振荡燃烧器相比较，能够提高辐射传热效率，并且降低NOX的排放量。因此，可明确通过将本发明所涉及的燃烧器及使用该燃烧器的加热方法应用到例如在炼钢工艺中使用的加热炉等，从而能够控制NOX的排放量，并且在远离燃烧器的中心轴的位置也能够进行大规模均匀加热。
产业上的可利用性
本发明的燃烧器及使用燃烧器的加热方法在利用自激振荡使火焰振荡的同时对被加热物进行加热时，在远离燃烧器的中心轴的位置也能够以优异的传热效率进行均匀加热，因此除在炼钢工艺中使用的加热炉等之外，非常合适使用燃烧器来加热被加热物的各种用途。
附图标记说明
1…燃烧器
2…中心流体喷出口
3…第一周围流体喷出口
4…第二周围流体喷出口
5…第三周围流体喷出口
6…流体喷出流路
6a…导入口
61…(一对)侧壁
62a、62b…(一对)开口部
63a…侧壁的一面
63b…侧壁的另一面
64…(方管型的)流路
7…连通管
50…被加热物
D…中央流体(燃料气体)
A、B、C…周围流体(助燃性气体)
J…中心轴(中心流体喷出口中的流体喷出方向)
S…中心线(与中心流体喷出口的扩展方向正交的中心线)
L…中心流体喷出口的当量直径
LB…从中心流体喷出口至第二周围流体喷出口的中心间距离
LB-C…从第二周围流体喷出口至第三周围流体喷出口的中心间距离
QA、QB、QC…各周围流体相对于周围流体的总流量的比例
V、VB、VC…流速(中心流体或周围流体)

Claims (5)

1.一种燃烧器，从设置于前端部的多个流体喷出口中的每一个喷出含氧助燃性气体或燃料气体中的至少任一种并使之燃烧，其特征在于，
所述多个流体喷出口包括中心流体喷出口、第一周围流体喷出口、第二周围流体喷出口及第三周围流体喷出口，
在所述中心流体喷出口的上游侧的流体喷出流路的侧壁上，在相互相对的位置设置有一对开口部，
该一对开口部彼此经由连通管连通，
所述流体喷出流路中的比所述开口部更下游侧具有配置有所述开口部的一对侧壁的间隔朝向下游侧逐渐扩展的截面扇形状，
所述第一周围流体喷出口配置在所述中心流体喷出口的周围，
所述第二周围流体喷出口位于其中心与所述中心流体喷出口的中心的间隔大于所述第一周围流体喷出口的中心与中心流体喷出口的间隔的位置上，并且配置在与所述中心流体喷出口的扩展方向正交的方向上，
所述第三周围流体喷出口位于其中心与所述中心流体喷出口的中心的间隔大于所述第二周围流体喷出口的中心与中心流体喷出口的中心的间隔的位置上，并且配置在与所述中心流体喷出口的扩展方向正交的方向上。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，
在将所述中心流体喷出口的当量直径设为L，将从所述中心流体喷出口至所述第二周围流体喷出口的中心间距离设为LB，将从所述第二周围流体喷出口至所述第三周围流体喷出口的中心间距离设为LB-C时，L、LB、LB-C的关系满足下式(1)及(2)，
LB≤15L (1)
LB-C≤15L (2)。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于，
沿所述中心流体喷出口的扩展方向分别配置有多个所述第二周围流体喷出口及多个所述第三周围流体喷出口。
4.一种使用燃烧器的加热方法，使用权利要求1～3中的任一项所述的燃烧器来加热被加热物，其特征在于，
在将从所述第一周围流体喷出口、所述第二周围流体喷出口及所述第三周围流体喷出口喷出的流体分别设为周围流体A、周围流体B及周围流体C，将各周围流体A、B、C相对于所述周围流体A、B、C的总流量的比例分别设为QA、QB、QC时，QA、QB、QC的比例分别在用下式(3)、(4)及(5)表示的范围内，
QA＝0.05～0.20 (3)
QB＝0.20～0.80 (4)
QC＝0.20～0.80 (5)。
5.根据权利要求4所述的使用燃烧器的加热方法，其特征在于，
在将从所述中心流体喷出口喷出的中心流体D的流速设为V，将从所述第二周围流体喷出口及所述第三周围流体喷出口喷出的所述周围流体B、C的流速分别设为VB、VC时，V、VB、VC的关系满足下式(6)，
V≤VB≤VC≤8V (6)。
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