CN114270102A - 高温氧产生装置及高温氧产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种不局限于从常压到高压的压力条件，且不会招致设备的大型化或增设，就能够高效率地供给预热的高温氧气的高温氧产生装置及高温氧产生方法，一种高温氧产生装置(10)，用于将高温气体(G4)和被加热用氧气(G3)混合来生成高温氧气(G5)，所述高温氧产生装置(10)包括：用于产生高温气体(G4)的燃烧器(1)；以及预热室(7)，设置在燃烧器(1)的下游侧且用于将高温气体(G4)和被加热用氧气(G3)混合，燃烧器(1)包括：燃烧室(5)，用于由燃料气体(G1)和燃烧用氧气(G2)形成火焰；燃料流道(2)，用于向燃烧室(5)供给燃料气体(G1)；第一氧流道(3)和第二氧流道(4)，用于向燃烧室(5)供给燃烧用氧气(G2)；以及被加热用氧流道(6)，与预热室(7)连通且用于向预热室(7)供给被加热用氧气(G3)。

Description

高温氧产生装置及高温氧产生方法
技术领域
本发明涉及用于产生高温氧气的高温氧产生装置以及使用该高温氧产生装置的高温氧产生方法。
背景技术
一直以来，工业炉的炉内加热例如使用由燃料气体和氧化剂产生火焰的燃烧器。作为供给到燃烧器的氧化剂，一般使用空气，但从提高加热效率和节能等观点出发，有时使用在空气中混合了氧的富氧空气或氧。
另外，为了进一步提高加热效率，例如还采用使用预热的氧化剂来得到高燃烧温度的技术。
作为预热氧化剂的手段，例如可以举出通过与来自炉的废气进行热交换来间接预热氧化剂的换热式和通过电热器加热氧化剂的电气式。另外，还可以举出直接混合燃烧气体和预热对象氧化剂的直接燃烧式等(例如，参照专利文献1、2)。
专利文献1：日本特表2011-526998号公报
专利文献2：日本特开昭62-116816号公报
在通过上述换热式间接预热氧化剂时，由于预热需要时间，因此并不适合想间歇地利用预热的氧化剂的情况。另外，由于需要用于回收在换热中使用过的废气的设备，因此具有引进成本高的缺点。
另外，在用电气式加热氧化剂时，在需要较大输出的大流量的情况下和要求高温气体的情况下，设备的规模较大，有可能产生与上述缺点同样的成本方面的缺点。另外，根据设置条件的不同，可能无法适用。
另一方面，在专利文献1、2所述的直接燃烧式中，虽然有与燃烧气体量相应地氧化剂的氧浓度减少的缺点，但是设备规模较小。另外，由于预热所需的时间也短，因此也适用于装置的间歇性运行。
例如，在使用电炉中使用的氧燃烧器或氧矛的情况下，它们被用于高效率的废料的加热或熔断，或者在长距离下吹进燃料气体或氧化剂，因此各气体的喷出速度为超声速。这样，当燃料气体或氧化剂的喷出速度为超声速时，供给压力成为高压。例如，在喷出速度为一马赫的情况下，需要约0.1MPaG的供给压力，在二马赫的情况下，需要约0.7MPaG的供给压力。
如上所述，专利文献1、2所述的现有技术是使通过直接燃烧式氧预热装置所产生的高温氧化剂喷出的技术，但是这些专利文献1、2所述的技术被认为是假定了大气压程度的供给压力的技术，因此使用这种技术的燃烧器难以在高压环境下使用。
例如，当产生0.7MPaG的高温气体时，预热用燃烧器的出口压力为0.7MPaG，因此来自燃烧器的各气体的喷出速度与供给压力为大气压时相比为约1/8的速度。因此，假定大气压附近的供给压力而设计的燃烧器，喷出速度较慢，有发生失火或逆火的危险。
另一方面，如果供给压力高，即使是相同的流量，体积也被压缩，因此所需的装置内空间也较小。因此，在设想为大气压(常压)供给压力而设计的高温氧产生装置中，预热室过剩地较大，因此有预热效率降低并且预热温度降低、或者必须大量使用燃料气体的缺点。这样，燃料气体的使用量增多时，不仅运行成本增大，还有氧浓度降低的问题。
另外，与上述相反，在设想为在高压下使用而设定喷出速度的情况下，如果在大气压条件下使用该装置，则各气体的喷出速度过大，火焰就会上升，有失火的危险。
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高温氧产生装置以及使用该高温氧产生装置的高温氧产生方法，该高温氧产生装置虽然是在高压供给压力下使用的规格，但是也可以在大气压条件下使用，其不局限于从常压到高压的压力条件，且不会招致设备的大型化或增设，就能够高效地供给预热的高温氧气。
为了解决上述课题，本发明提供以下的高温氧产生装置。
(1)一种高温氧产生装置，用于将高温气体和被加热用氧气混合来生成高温氧气，所述高温氧产生装置包括：用于产生所述高温气体的燃烧器；以及预热室，设置在该燃烧器的下游侧且用于将所述高温气体和所述被加热用氧气混合，所述燃烧器包括：燃烧室，用于由燃料气体和燃烧用氧气形成火焰；燃料流道，用于向该燃烧室供给所述燃料气体；燃烧用氧流道，用于向所述燃烧室供给所述燃烧用氧气；以及被加热用氧流道，与所述预热室连通且用于向所述预热室供给被加热用氧气。
(2)根据上述(1)所述的高温氧产生装置，其中，所述燃烧器包括第一氧流道，所述第一氧流道作为所述燃烧用氧流道来配置在所述燃烧器的中心轴上且用于在所述燃烧器的轴向上喷出所述燃烧用氧气，所述燃料流道配置在所述第一氧流道的周围且用于在所述燃烧器的轴向上喷出所述燃料气体，所述燃烧器进一步包括第二氧流道，所述第二氧流道作为所述燃烧用氧流道来配置在所述燃料流道的周围且用于以相对于所述燃烧器的中心轴倾斜的同时朝向该中心轴侧的方式喷出所述燃烧用氧气，在所述燃烧室中，从所述燃料流道喷出的燃料气体和从所述第一氧流道及所述第二氧流道喷出的燃烧用氧气形成火焰，所述被加热用氧流道与所述预热室连通，并且配置在所述第二氧流道的周围，且用于从所述火焰的周围喷出所述被加热用氧气来向所述预热室供给被加热用氧气。
(3)根据上述(1)或(2)所述的高温氧产生装置，进一步包括：冷却夹套，用于冷却所述燃烧器或所述燃烧器及所述预热室这两者。
另外，为了解决上述课题，本发明提供如下的高温氧产生方法。
(4)一种高温氧产生方法，使用上述(2)所述的高温氧产生装置，其中，将以最大压力供给高温氧时的、所述燃烧器的所述燃料流道中的所述燃料气体的平均速度设为U1、所述第一氧流道中的所述燃烧用氧气的平均速度设为U2、所述第二氧流道中的所述燃烧用氧气的平均速度设为U3时，所述平均速度U1、U2、U3满足下述式(1)～(3)，且所述燃烧室的出口侧的所述燃料气体和所述燃烧用氧气的混合气体的平均速度U4在大气压条件下为额定流量时满足下述式(4)，
10(m/s)≤U1≤60(m/s)……(1)
20(m/s)≤U2≤120(m/s)……(2)
20(m/s)≤U3≤120(m/s)……(3)
U4≤60(m/s)……(4)。
在本发明所涉及的高温氧产生装置中，燃烧器包括：燃烧室，用于由燃料气体和燃烧用氧气形成火焰；燃料流道，用于向该燃烧器供给燃料气体；燃烧用氧流道，用于向燃烧室供给燃烧用氧气；以及被加热用氧流道，与预热室连通且用于供给被加热用氧气。这样，在将氧气的供给流道分开为用于与燃料气体燃烧的燃烧用氧气的流道和用于与燃烧后的高温气体混合的被加热用氧气的流道的基础上，通过设置与预热室独立配置的燃烧室，从而能够防止因来自被加热用氧流道的被加热用氧气的流动的影响而造成火焰失火。另外，通过不供燃烧的被加热用氧气所流通的被加热用氧流道，还能得到对燃烧器及高温氧产生装置的内壁的冷却效果。
因此，虽然是在高压供给压力下使用的规格，但是也可以在大气压条件下使用，其不局限于从常压到高压的压力条件，且不会招致设备的大型化或增设，就能够供给预热的高温氧气。
另外，根据本发明所涉及的高温氧产生方法，将以最大压力供给高温氧时的、燃烧器的燃料流道中的燃料气体的平均速度设为U1、第一氧流道中的燃烧用氧气的平均速度设为U2、第二氧流道中的燃烧用氧气的平均速度设为U3时，在将这些平均速度U1、U2、U3限制在最佳范围内的基础上，将燃烧室的出口侧的燃料气体及燃烧用氧气的混合气体的平均速度U4，在大气压条件下为额定流量时限制在最佳范围内。由此，在能防止因速度降低而引起的逆火或失火以外，还能防止因速度过快而引起的火焰吹飞等。
因此，不局限于从常压到高压的压力条件，且不会招致设备的大型化或增设，就能够供给预热的高温氧气。
附图说明
图1是示意性地说明作为本发明的一个实施方式的高温氧产生装置的图，是沿燃烧器的轴向的剖面图。
图2是示意性地说明作为本发明的一个实施方式的高温氧产生装置的图，是表示具有与图1所示的高温氧产生装置所具备的燃烧器不同的例子的燃烧器、并且还设置有点火用燃烧器的例子的沿燃烧器的轴向的剖面图。
图3是示意性地说明作为本发明的一个实施方式的高温氧产生装置的图，是表示对图2所示的高温氧产生装置进一步安装氧矛的例子的沿燃烧器的轴向的剖面图。
图4是示意性地说明作为本发明的一个实施方式的高温氧产生装置的图，是表示高温氧产生装置所具备的燃烧器的其他例子的沿燃烧器的轴向的局部剖面图。
图5是表示现有的高温氧产生装置所具备的燃烧器的剖面图。
具体实施方式
下面，将适当参照图1～图4来说明作为适用本发明的一个实施方式的高温氧产生装置及高温氧产生方法。此外，在以下的说明中使用的附图中，为了便于理解特征，为了方便，有时放大表示特征部分，各结构要素的尺寸比例等不一定与实际相同。另外，以下的说明中例示的材料等是一例，本发明不限于此，在不变更其主旨的范围内可适当变更来实施。
<高温氧产生装置的结构>
下面，对本实施方式的高温氧产生装置10的结构进行详细说明。
图1是以沿燃烧器1的中心轴J的剖面表示本实施方式高温氧产生装置10的图。图2是表示具备与图1所示的燃烧器1不同的燃烧器1A、并且还设置有点火用燃烧器9的例子的高温氧产生装置的剖面图。图3是表示对图2所示的高温氧产生装置10A安装氧矛8的例子的高温氧产生装置10B的剖面图。另外，图4是表示高温氧产生装置所具备的燃烧器的其他例子的剖面图。
如图1所示，本实施方式的高温氧产生装置10是将高温气体G4和被加热用氧气G3混合来生成高温氧气G5的装置，所述高温氧产生装置10包括：用于产生高温气体G4的燃烧器1；以及预热室7，设置在该燃烧器1的下游侧且用于将高温气体G4和被加热用氧气G3混合。
并且，高温氧产生装置10的燃烧器1包括：燃烧室5，用于由燃料气体G1和燃烧用氧气G2形成火焰；燃料流道2，用于向该燃烧室5供给燃料气体G1；燃烧用氧流道(参照图1中的附图标记3、4)，用于向燃烧室5供给燃烧用氧气G2；以及被加热用氧流道6，与预热室7连通且用于向该预热室7供给被加热用氧气G3。
更详细而言，本实施方式的高温氧产生装置10的燃烧器1包括第一氧流道3，所述第一氧流道3作为上述燃烧用氧流道来配置在燃烧器1的中心轴J上且用于在燃烧器1的轴向上喷出燃烧用氧气G2。另外，如图1所示，燃料流道2配置在第一氧流道3的周围即相对于中心轴J的外侧，燃料流道2用于在燃烧器1的轴向上喷出燃料气体G1。进而，燃烧器1包括第二氧流道4，所述第二氧流道4作为上述燃烧用氧流道来配置在燃料流道2的周围且用于以相对于燃烧器1的中心轴J倾斜的同时朝向中心轴J侧的方式喷出燃烧用氧气G2。
燃料流道2、第一氧流道3和第二氧流道4被开口在燃烧室5。在燃烧室5内，从燃料流道2喷出的燃料气体G1和从第一氧流道3及第二氧流道4喷出的燃烧用氧气G2形成火焰。
另外，被加热用氧流道6与预热室7连通，并且配置在第二氧流道4的周围。在图示例中，被加热用氧流道6被开口在预热室7。被加热用氧流道6通过从火焰的周围喷出被加热用氧气G3来向预热室7供给被加热用氧气G3。
另外，图示例的高温氧产生装置10进一步包括用于冷却燃烧器1和预热室7中的任一个或两个的冷却夹套11。
作为在本实施方式中使用的燃料气体G1，例如可以举出天然气。另外，作为燃料气体G1，可以举出包含满足可燃性、不溶于水、以及单位体积发热量较大等条件的燃料的气体。作为燃料气体G1，具体可以举出包括液化石油气(LPG)、城市煤气、甲烷等烃类燃料的气体。
另外，作为本实施方式中说明的燃烧用氧气G2和被加热用氧气G3，例如可以举出富氧空气或氧。
如图1所示，燃烧器1具有以火焰形成方向上的前端1a侧扩径的方式开口的有底圆锥形的燃烧室5，通过在该燃烧室5形成火焰来产生高温气体G4。
燃烧室5在图示例中是以前端1a侧扩径的方式开口的有底圆锥形的凹部。燃烧室5的纵剖面呈大致梯形。如上所述，燃烧器1通过在该燃烧室5内产生火焰，向燃烧器1的下游侧即预热室7产生高温气体G4。
此外，燃烧室5的从基端侧的底部51到前端1a侧的侧壁52的梯度角度也可以恒定。然而，如图示例所示，如果前端1a侧的一部分是圆柱形，则可以得到稳定的火焰，因此更优选。
如上所述，燃料流道2配置在比中心轴J更靠外侧处，即配置在后面详述的第一氧流道3的周围且用于在燃烧器1的轴向上喷出燃料气体G1。
燃料流道2的开口部被配置成在燃烧室5的底部51开口，并被设置成将从燃料流道2供给的燃料气体G1向燃烧室5内喷出。
燃料流道2虽然省略了详细的图示，但是例如被配置成在以中心轴J为中心的圆周上包围设置在中心轴J上的第一氧流道3。燃料流道2有多条，它们相互平行，且以均等间隔配置。
此外，如果多个燃料流道2的开口部在燃烧室5内开口，则其配置间隔、孔数、形状等不受特别限定，可以任意设定。
如上所述，第一氧流道(燃烧用氧流道)3配置在燃烧器1的中心轴J上且用于在燃烧器1的轴向上喷出燃烧用氧气G2。
第一氧流道3的开口部也与燃料流道2同样地被配置成在燃烧室5的底部51开口。由此，从第一氧流道3供给的燃烧用氧气G2向燃烧室5内喷出。
此外，如果第一氧流道3的开口部被开口在燃烧室5内，则其形状等不受特别限定，可以任意设定。
第二氧流道(燃烧用氧流道)4如上所述那样配置在燃料流道2的周围，其前端附近、比燃烧室5的底部51更靠前端侧(以下记载为“燃料流道2的前端部附近”)向燃烧器1的中心轴J侧倾斜。由此，以朝向中心轴J侧的方式喷出燃烧用氧气G2。即，虽然省略详细的图示，但是例如在燃料流道2的外侧，在以中心轴J为中心的圆周上，以包围燃料流道2的方式且以均等间隔配置有多个第二氧流道4。在其前端部附近，随着趋向燃烧器1的前端1a侧，逐渐向中心轴J侧倾斜。另外，在图1所示的例子中，第二氧流道4的开口部被配置成在燃烧室5的侧壁52上开口。
第二氧流道4的前端部附近相对于中心轴J的角度，即从第二氧流道4喷出的燃烧用氧气G2相对于从燃料流道2喷出的燃料气体G1和从第一氧流道3喷出的燃烧用氧气G2的汇合角度不受特别限定。但是，在考虑燃烧效率等的情况下，上述角度优选为10～30°的范围。
此外，如上所述，如果多个第二氧流道4的开口部也在燃烧室5的侧壁52开口，则其配置间隔、孔数、形状等不受特别限定，可以任意设定。
如上所述，被加热用氧流道6配置在第二氧流道4的周围，与预热室7的内部连通并开口。在图1所示的例子中，被加热用氧流道6在燃烧器1的前端1a的端面开口。
被加热用氧流道6为多条，虽然省略详细的图示，但是在以中心轴J为中心的圆周上，以包围第二氧流道4的方式，平行地且以均等的间隔配置有多条被加热用氧流道6。
被加热用氧流道6在燃烧器1的前端1a的端面开口。由此，被加热用氧流道6从火焰的周围喷出被加热用氧气G3并向预热室7供给被加热用氧气G3。即，被加热用氧流道6与第一氧流道3和第二氧流道4不同，其不是使得供燃烧的燃料气体G1流通的流道，而是使被加热用氧气G3流通的流道，因此不在燃烧室5开口，而在预热室7开口。
此外，如果被加热用氧流道6的开口部如上所述那样在预热室7开口，则被加热用氧流道6的开口部的形状等不受特别限定，可以任意设定。
预热室7设置在燃烧器1的下游侧，是将高温气体G4和被加热用氧气G3混合的空间。图示例的预热室7由圆筒管70确保内部空间而成，通过在该圆筒管70的内部配置燃烧器1，在燃烧器1与圆筒管70的前端70a之间的空间确保预热室7。
向预热室7内供给通过在燃烧器1的燃烧室5形成的火焰生成的高温气体G4，并且通过被加热用氧流道6供给被加热用氧气G3。由此，在预热室7中生成高温氧气G5。所生成的高温氧气G5从圆筒管70的前端70a侧向外部供给。
此外，在图1所示的例子的高温氧产生装置10中，预热室7的下游侧被开放于大气，燃烧器1所具备的各流道出口的压力变为大气压。
冷却夹套11用于冷却燃烧器1或燃烧器1和预热室7这两者，图示例的冷却夹套11被设置成能够冷却上述两者。即，冷却夹套11是圆筒状，具有通过环状空间覆盖上述圆筒管70的双管结构。并且，该环状空间是冷却水W流过的冷却水流道11a，通过冷却水W的流过能够冷却燃烧器1和预热室7。
图示例的冷却夹套11从入口管11b侧使冷却水W流过，该冷却水W经过冷却水流道11a从出口管11c排出。在本实施方式的高温氧产生装置10中，被构成为当冷却水W经过冷却水流道11a时，通过冷却燃烧器1和圆筒管70能够冷却燃烧器1和预热室7这两者。
冷却夹套11保护燃烧器1的各结构部件免受由火焰引起的高温气氛和辐射热的影响，并且抑制燃烧室5内的过度加热。
下面对可由具备上述结构的本实施方式的高温氧产生装置10得到的作用效果进行说明。
一般而言，当从燃烧器喷出的各气体的喷出速度较慢时，可能发生逆火，或者由于喷流较弱而受到来自外部干扰的影响而成为容易失火的状态。另一方面，各气体的喷出速度过快时火焰就会上升，此时也成为容易失火的状态。另外，在使用氧气的燃烧器中，由于火焰温度为超过2000℃的高温，因此需要进行适当的保护，以防止喷嘴熔损。
针对上述问题，在本实施方式的高温氧产生装置10中，燃烧器1包括：燃烧室5，用于由燃料气体G1和燃烧用氧气G2形成火焰；燃料流道2，用于向燃烧室5供给燃料气体G1；燃烧用氧流道(第一氧流道3和第二氧流道4)，用于向燃烧室5供给燃烧用氧气G2；以及被加热用氧流道6，用于向预热室7供给被加热用氧气G3。即，在高温氧产生装置10中，在将氧气的供给流道分开为用于与燃料气体G1燃烧的燃烧用氧气G2的流道(第一氧流道3和第二氧流道4)和用于与燃烧后的高温气体G4混合的被加热用氧气G3的流道(被加热用氧流道6)的基础上，设置与预热室7独立配置的燃烧室5。
由此，根据高温氧产生装置10，通过来自被加热用氧流道6的被加热用氧气G3的流动的影响，能够防止由燃料气体G1和燃烧用氧气G2形成的火焰失火。进而，通过沿着燃烧器1的中心轴J设置不供燃烧的被加热用氧气G3流通的被加热用氧流道6，能够得到对燃烧器1整体的冷却效果，并且还能得到冷却圆筒管70的内壁的效果。
更详细而言，本实施方式的高温氧产生装置10的第一氧流道3配置在燃烧器1的中心轴J上且用于在燃烧器1的轴向上喷出燃烧用氧气G2。另外，燃料流道2配置在第一氧流道3的周围且用于在燃烧器1的轴向上喷出燃料气体G1。进而，第二氧流道4配置在燃料流道2的周围，其前端部附近相对于燃烧器1的中心轴J倾斜，因此以朝向中心轴J侧的方式喷出燃烧用氧气G2。
这样，将燃料气体G1夹在从第一氧流道3和第二氧流道4喷出的燃烧用氧气G2之间。由此，能够在维持燃烧状态的同时，通过从第二氧流道4喷出的燃烧用氧气G2的氧流进行保护，以免燃烧室5中的侧壁52和底部51的温度过于上升。
另外，在由燃烧室5形成的火焰的周围，在轴向上从被加热用氧流道6喷出被加热用氧气G3，由此在预热室7中混合由火焰产生的高温气体G4和被加热用氧气G3，从而能够将升温到高温的氧、即高温氧气G5排出到外部。
另一方面，例如，在上述专利文献2所记载的现有技术中，在燃烧器的中央配置有燃料流道，在其周围配置有氧流道。如果是这样的结构，则在各气体的喷出速度大的情况下明显难以保持火焰。
根据本实施方式的高温氧产生装置10，如图1所示，燃料流道2被夹在第一氧流道3和第二氧流道4之间，因此即使各气体的喷出速度大的情况下，也能稳定地保持火焰。
另外，在采用本实施方式的高温氧产生装置10进一步具备如图示例所示的冷却夹套11的结构的情况下，能够得到如下的效果。
通过具备冷却夹套11，例如通过使燃烧器1和冷却水W直接接触，能够充分冷却燃烧器1，并能防止熔损。另外，燃烧器1和冷却水W通过其他结构体(在图示例中为圆筒管70)相接，从而能够充分冷却燃烧器1，并能防止熔损。此外，能够防止燃烧器1或高温氧产生装置10整体因热应力而变形或破损。此外，能够将因反复施加热应力而产生的疲劳破坏抑制到最小限度，从而能够实现高寿命化。
此外，在图示例中，以能够覆盖燃烧器1至预热室7的方式设置冷却夹套11，但不限于此。例如，冷却夹套11可以只冷却燃烧器1，预热室7可以用耐火材料保护圆筒管70的内壁。
另外，本发明所涉及的高温氧产生装置不限于图1所示的高温氧产生装置10那样的结构。
例如，如图2所示的高温氧产生装置10A那样，也可以具备如下的燃烧器1A：在该燃烧器1A中，被加热用氧流道6配置为内周侧和外周侧这两列，并且燃烧室5的侧壁52的一部分即前端1a侧设为圆筒形。
进而，图2所示的高温氧产生装置10A在燃烧器1A的前端部附近以贯穿冷却夹套11和圆筒管70的方式设置有点火用燃烧器9。一般而言，高温氧产生装置所具备的高温气体产生用的燃烧器需要着火源，因此在图2所示的例子的高温氧产生装置10A中设置有上述点火用燃烧器9。此外，在图2所示的例子的高温氧产生装置10A中，预热室7的下游侧也是向大气开放的状态，燃烧器1A所具备的各流道出口的压力是大气压。
另外，如图3所示的高温氧产生装置10B那样，还可以在图2所示的高温氧产生装置10A中的预热室7的下游侧进一步安装氧矛8。如图示例所示，氧矛8通过法兰81连接到预热室7的前端70a。氧矛8的内部流道8b随着趋向喷出口8a侧而流道面积变窄，并且仅在喷出口8a附近流道面积稍微变宽。由此，根据高温氧产生装置10B，从氧矛8的喷出口8a喷出的高温氧气G5的喷出速度成为高速，且能够在与图2所示的高温氧产生装置10A等的大气压条件同样的各气体流量条件下进行预热。
另外，作为用于高温氧产生装置的燃烧器，也不限于图1～图3所示的例子的燃烧器1、1A那样的结构。例如，如图4所示的燃烧器1B那样，也可以构造为从同一供给源分支并进行向第一氧流道3、第二氧流道4和被加热用氧流道6的氧气的供给，也可以对燃烧用氧气G2和被加热用氧气G3使用同一种氧气。
[高温氧产生方法]
本实施方式的高温氧产生方法是使用上述本实施方式的高温氧产生装置10产生高温氧气G5的方法。
即，本实施方式的高温氧产生方法是如下的高温氧产生方法：将以最大压力供给高温氧时的、燃烧器1的燃料流道2中的燃料气体G1的平均速度设为U1、第一氧流道3中的燃烧用氧气G2的平均速度设为U2、第二氧流道4中的燃烧用氧气G2的平均速度设为U3时，这些平均速度U1、U2、U3满足下述式(1)～(3)，且燃烧室5的出口侧的燃料气体G1和燃烧用氧气G2的混合气体的平均速度U4在大气压条件下为额定流量时满足下述式(4)，
10(m/s)≤U1≤60(m/s)……(1)
20(m/s)≤U2≤120(m/s)……(2)
20(m/s)≤U3≤120(m/s)……(3)
U4≤60(m/s)……(4)。
如上所述，在使用现有装置以现有方法产生高温氧的情况下，在高压条件下，与大气压条件下相比，速度降低。因此，在本实施方式的高温氧产生方法中，对于燃料气体G1的平均速度U1、第一氧流道3中的燃烧用氧气G2的平均速度U2以及第二氧流道4中的燃烧用氧气G2的平均速度U3来说，在设想的最大压力下，通过使平均速度U1、U2、U3为满足上述式(1)～(3)的范围，在能防止因速度降低而引起的逆火和失火以外，还能防止因速度过快而引起的火焰吹飞等。
在本实施方式的高温氧产生方法中，使得以最大压力供给高温氧时的平均速度U1、U2和U3分别满足下述式(1)～(3)，由此即使在大气压下也能保持稳定的火焰。另外，在本实施方式中，进一步通过将燃烧器1设计为在燃烧室5的出口侧的燃料气体G1和燃烧用氧气G2的混合气体的平均速度U4在大气压条件下为额定流量时满足上述式(4)，从而能够更加提高火焰的稳定性。
根据本实施方式，通过使用具有上述结构的高温氧产生装置10，在高压时，各气体向燃烧室5内喷出后能够形成稳定的火焰。进一步，根据本实施方式，即使在喷出速度为高速的大气压下，通过将燃料流道2夹在第一氧流道3和第二氧流道4之间来配置的基础上，适当地保持燃烧室5中的各气体的平均速度，从而能够充分保持稳定的火焰。
<作用效果>
如以上说明那样，本实施方式的高温氧产生装置10采用如下的结构：即，燃烧器1具有：燃烧室5，用于由燃料气体G1和燃烧用氧气G2形成火焰；燃料流道2，用于向燃烧室5供给燃料气体G1；第一氧流道3和第二氧流道4，用于向燃烧室5供给燃烧用氧气G2；以及被加热用氧流道6，用于向预热室7供给被加热用氧气G3。这样，在将氧气的供给流道分开为用于与燃料气体G1燃烧的燃烧用氧气G2的流道和用于与燃烧后的高温气体G4混合的被加热用氧气G3的流道的基础上，设置与预热室7独立配置的燃烧室5，从而能够防止因来自被加热用氧流道6的被加热用氧气G3的流动的影响而引起的火焰失火。另外，通过不供燃烧的被加热用氧气G3流通的被加热用氧流道6，还能得到对燃烧器1和圆筒管70的冷却效果。
因此，虽然是在高压供给压力下使用的规格，但也可以在大气压条件下使用，其不局限于从常压到高压的压力条件，且不会招致设备的大型化或增设，能够供给预热的高温氧气G5。
另外，根据本实施方式的高温氧产生方法，将以最大压力供给高温氧时的、燃烧器1的燃料流道2中的燃料气体G1的平均速度设为U1、第一氧流道3中的燃烧用氧气G2的平均速度设为U2、第二氧流道4中的燃烧用氧气G2的平均速度设为U3时，将这些平均速度U1、U2、U3限制在最佳范围的基础上，将燃烧室5的出口侧(前端1a侧)的燃料气体G1和燃烧用氧气G2的混合气体的平均速度U4，在大气压条件下为额定流量时限制为最佳范围。由此，在能防止因速度降低而引起的逆火或失火以外，还能防止因速度过快而引起的火焰吹飞等。
因此，不局限于从常压到高压的压力条件，且不会招致设备的大型化或增设，就能够供给预热的高温氧气G5。
以上，对本发明的优选实施方式进行了详细说明，但本发明不限于上述特定的实施方式，在权利要求书中记载的本发明主旨的范围内可以进行各种变形和变更。
【实施例】
以下，根据实施例，对本发明所涉及的高温氧产生装置和高温氧产生方法进行进一步详细的说明，但是本发明不限于此。
<实施例1>
在实施例1中，使用图2所示的高温氧产生装置10A进行试验，该高温氧产生装置10A包括用于产生高温气体G4的燃烧器1A和设置在燃烧器1A的下游侧且用于将高温气体G4和被加热用氧气G3混合的预热室7。具体而言，在本实施例中准备高温氧产生装置10A，其中，燃烧器1A包括：燃烧室5，用于由燃料气体G1和燃烧用氧气G2形成火焰；燃料流道2，用于向燃烧室5供给燃料气体G1；第一氧流道3和第二氧流道4，用于向燃烧室5供给燃烧用氧气G2；被加热用氧流道6，配置为内周侧和外周侧这两列且用于向预热室7供给被加热用氧气G3；以及作为燃烧器1的着火源的点火用燃烧器9。此外，第二氧流道4的前端部附近相对于中心轴J的角度设为20°。
在本实施例中，通过将预热室7的下游侧设为开放于大气的状态，从而将燃烧器1A所具备的各流道出口设为大气压条件。
并且，在设定为从预热室7排出的高温氧气G5的流量为200Nm3/h，高温氧气G5的预热温度为500℃的情况下，在下述表1所示的各条件的情况下显然可以达到预热温度。
[表1]
Figure BDA0003512581860000121
Figure BDA0003512581860000131
<实施例2>
在实施例2中，使用图3所示的高温氧产生装置10B进行试验，该高温氧产生装置10B具有在实施例1中使用的高温氧产生装置10A中的预热室7的下游侧进一步安装有氧矛8的结构。具体而言，在本实施例中使用在预热室7的下游侧安装有如下氧矛8的高温氧产生装置10B：该氧矛8被构造为，内部的流道8b随着趋向喷出口8a侧而流道面积变窄，并且仅在喷出口8a附近流道面积稍微变宽。
上述氧矛8是在所排出的高温氧气体G5的流量为200Nm3/h、高温氧气G5的预热温度为500℃时，氧矛8的入口侧的压力为0.7MPaG的高压规格。
在本实施例中，在使用上述氧矛8的情况下，如下述表2所示，在与实施例1中说明的大气压条件同样的气体流量条件下显然也可以达到预热温度。
[表2]
Figure BDA0003512581860000132
<比较例1>
在比较例1中，使用大气压条件规格的高温氧产生装置来分析在设定的各预热温度下能否预热，该高温氧产生装置包括图5所示的现有结构的燃烧器100，该燃烧器100在中心轴J上具有连通到燃烧室105的燃料流道102，在燃料流道102的周围具有与图1和图2所示的第二氧流道4对应的燃烧氧流道104，但是不具有与图1和图2所示的第一氧流道3对应的氧流道。
此外，图5所示的比较例的燃烧器100具备配置在燃烧氧流道104的周围并设置为内周侧和外周侧这两列的被加热用氧流道106。
即在比较例1中，由于预热室的下游侧开放于大气，因此燃烧器100所具备的各流道出口为大气压条件。
另外，在比较例1中使用做了如下设计的燃烧器100：该燃烧器100在大气压条件下，来自燃料流道102的喷出速度为17.5m/s，来自燃烧氧流道104的喷出速度为65m/s。
并且，在比较例1中，分析了在200～700℃的范围中按100℃梯度设定预热温度时能否分别预热，并在表3中分别示出结果。
此外，在下述表3中，还一并示出在实施例1(大气压)和实施例2(高压：0.7MPaG)中使用的各装置及条件下进行同样的试验的结果、以及在下述比较例2中进行同样的试验的结果。
另外，在下述表3中，在可确认到能够预热的条件栏中标注“○”。
如下述表3所示，在使用具有本发明所涉及的结构的实施例1、2的高温氧产生装置的情况下，能够在200～700℃的范围内实现预热温度。与此相对，对于使用比较例1的燃烧器100的装置来说，虽然在大气压条件下可以在200～700℃的所有范围内预热，但是在高压下，无法预热到200℃，无法实施预热为比其更高温的试验。
[表3]
Figure BDA0003512581860000141
<比较例2>
在比较例2中，使用具备图5所示现有结构的燃烧器101且为高压条件规格的高温氧产生装置来分析在设定的各预热温度下能否预热。
即，在比较例2中，通过将周围压力设为0.7MPaG的高压，从而将燃烧器101所具备的各流道出口设为高压的条件。
另外，在比较例2中，作为燃烧器101使用做了如下设计的燃烧器：该燃烧器在周围压力为0.7MPaG的高压时，来自燃料流道102的喷出速度为17.5m/s，来自燃烧氧流道104的喷出速度为65m/s。
如上述表3所示，对于使用比较例2的燃烧器101的装置来说，在高压条件下可以在200～700℃的所有范围内预热，但是在大气压下，在300℃的预热温度下燃烧状态不稳定，无法实施比其更高温条件下的试验。
<评价结果>
从上述本实施例的结果可见，本发明所涉及的高温氧产生装置能够实现在使用现有结构直接燃烧式的高温氧产生装置的情况下非常困难的、与从常压到高压的较宽压力条件对应的氧的预热。
产业上的可应用性
本发明的高温氧产生装置虽然是在高压供给压力下使用的规格，但是也可以在大气压条件下使用，其不局限于从常压到高压的压力条件，且不会招致设备的大型化或增设，就能够高效率地供给预热的高温氧气。因此，本发明的高温氧产生装置和高温氧产生方法适用于各种工业炉中用于炉内加热的燃烧器。
附图标记说明
10、10A、10B 高温氧产生装置
1、1A、1B 燃烧器
1a 前端
2 燃料流道
3 第一氧流道
4 第二氧流道
5 燃烧室
6 被加热用氧流道
7 预热室
70a 前端
8 氧矛
8a 喷出口
8b 流道
81 法兰
9 点火用燃烧器
11 冷却夹套
11a 冷却水流道
11b 入口管
11c 出口管
J 中心轴
W 冷却水
G1 燃料气体
G2 燃烧用氧气
G3 被加热用氧气
G4 高温气体
G5 高温氧气

Claims (4)

1.一种高温氧产生装置，用于将高温气体和被加热用氧气混合来生成高温氧气，所述高温氧产生装置包括：
用于产生所述高温气体的燃烧器；以及预热室，设置在该燃烧器的下游侧且用于将所述高温气体和所述被加热用氧气混合，
所述燃烧器包括：
燃烧室，用于由燃料气体和燃烧用氧气形成火焰；
燃料流道，用于向该燃烧室供给所述燃料气体；
燃烧用氧流道，用于向所述燃烧室供给所述燃烧用氧气；以及
被加热用氧流道，与所述预热室连通且用于向该预热室供给被加热用氧气。
2.根据权利要求1所述的高温氧产生装置，其中，
所述燃烧器包括第一氧流道，所述第一氧流道作为所述燃烧用氧流道来配置在所述燃烧器的中心轴上且用于在所述燃烧器的轴向上喷出所述燃烧用氧气，
所述燃料流道配置在所述第一氧流道的周围且用于在所述燃烧器的轴向上喷出所述燃料气体，
所述燃烧器进一步包括第二氧流道，所述第二氧流道作为所述燃烧用氧流道来配置在所述燃料流道的周围且用于以相对于所述燃烧器的中心轴倾斜的同时朝向该中心轴侧的方式喷出所述燃烧用氧气，
在所述燃烧室中，从所述燃料流道喷出的燃料气体和从所述第一氧流道及所述第二氧流道喷出的燃烧用氧气形成火焰，
所述被加热用氧流道与所述预热室连通，并且配置在所述第二氧流道的周围，且用于从所述火焰的周围喷出所述被加热用氧气来向所述预热室供给被加热用氧气。
3.根据权利要求1或2所述的高温氧产生装置，进一步包括：冷却夹套，用于冷却所述燃烧器或所述燃烧器和所述预热室这两者。
4.一种高温氧产生方法，使用权利要求2所述的高温氧产生装置，其中，
将以最大压力供给高温氧时的、所述燃烧器的所述燃料流道中的所述燃料气体的平均速度设为U1、所述第一氧流道中的所述燃烧用氧气的平均速度设为U2、所述第二氧流道中的所述燃烧用氧气的平均速度设为U3时，所述平均速度U1、U2、U3满足下述式(1)～(3)，且所述燃烧室的出口侧的所述燃料气体和所述燃烧用氧气的混合气体的平均速度U4在大气压条件下为额定流量时满足下述式(4)，
10m/s≤U1≤60m/s……(1)
20m/s≤U2≤120m/s……(2)
20m/s≤U3≤120m/s……(3)
U4≤60m/s……(4)。
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