JP2001124307A

JP2001124307A - 無酸化還元燃焼方法並びにバーナ

Info

Publication number: JP2001124307A
Application number: JP2000247873A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sudo; 淳須藤; Toshiaki Hasegawa; 敏明長谷川
Original assignee: Nippon Furnace Co Ltd
Current assignee: Nippon Furnace Co Ltd
Priority date: 1999-08-17
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2001-05-11

Abstract

(57)【要約】【課題】炉長が短くても、炉長が長いときと変わらな
い平坦な分布の火炎温度を形成してなおかつ完全燃焼さ
せる。また、蓄熱バーナ技術を短い炉長でも適用可能と
する。【解決手段】理論空気量未満の燃焼用空気を真円のス
ロートから同一流量だけ供給する場合と比べて比表面積
が大きな噴流断面を形成するように炉内へ噴射すると共
にこの空気噴流に向けて燃料を噴射させ、燃料がその速
度エネルギーを失う前に空気噴流に強い乱れを以て急速
に混合されるようにしている。具体的には、エアスロー
ト13の開口部13aの相当直径deとエアスロート13の中心
から燃料ノズル11の中心までの間隔１／２Ｄpcdとの比
ｄｅ／Ｄpcdが０．１〜０．５の範囲であり、かつ燃料
噴流軸とエアスロート13の長手方向の中心軸上平面との
交点とエアスロートの出口面までの距離Ｌａに対するエ
アスロートの相当直径deの比Ｌａ／ｄｅが１．０〜５．
０の範囲で燃料を噴射するようにエアスローと13と燃料
ノズル11とを配置し、より好ましくはエアスロート13が
扁平な矩形状の開口13aを有するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はバーナ装置及びその
燃焼方法の改良に関する。更に詳述すると、本発明は、
無酸化燃焼あるいは還元燃焼を行うバーナ装置並びにそ
の燃焼方法の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、鉄鋼、非鉄金属、セラミック
ス等の各分野では、材料の熱処理工程において、酸化や
発生スケールの減少化や材料品質向上や改質のために、
空気比０．５〜０．９５（各対象炉によって運転空気比
は異なる）の無酸化還元燃焼が行われる。例えば、従来
の無酸化燃焼炉の代表的な例として図１６に示されるセ
ラミック焼成炉１０２の場合は、複数の還元型バーナ
（理論空気比以下の燃焼が可能）１０１が設置され、ワ
ーク１０３がこの無酸化雰囲気の中で加熱され（例えば
常温→１，２５０℃）、抽出されて次の加工工程に搬送
されるように設けられている。燃焼ガス中のすす発生は
バーナ１０１の工夫された混合機構により極力抑制され
るがＣＯの発生は当然避けることは出来ない。そこで、
通常、ＣＯは、炉の出口近傍に設置されたアフターバー
ナ１０４にて燃焼されたあと、排ガスを１ヶ所のレキュ
ぺレータ１０５を通過させ、ここで燃焼用空気と熱交換
され、通常３００〜４００℃にして煙突１０８から排出
される。レキュペレータ１０５をもたない設備も数多く
存在する。尚、図中の符号１０６は送風機、１０７は排
風機である。

【０００３】このような無酸化還元燃焼は、もっぱらガ
スを主とする燃料が用いられるが、通常のバーナでは低
空気比燃焼および理論空気比以下の燃焼の場合には燃焼
ガス中にＣＯの他、多量のすすが発生し易く、燃焼を安
定に維持することが困難となる。

【０００４】そこで、無酸化雰囲気用バーナでは、フリ
ーＯ_２（残存Ｏ_２）の発生を抑制するために燃料と空気
の初期混合を促進させたり、安定性を増すために一部空
気を燃料に予混合するような特別な工夫が成されてい
る。例えば、図１７に示すバーナ１０１のように、エア
インテーク１１４から導入した燃焼用空気をバーナタイ
ル１１０の入口部分の燃料噴射ノズル１１３の周りに環
状配置した何十という小さな孔の空気ノズル１１１から
強い旋回をかけて噴射させるミキシング構造を備え、バ
ーナタイル１１０の空間１１２で燃料ガスと燃焼用空気
との初期混合が急速に行わせるように設けられている。
このミキシング構造を有するバーナ１０１の場合、空気
比０．６位まで発煙しない。尚、図中の符号１１５はパ
イロットバーナである。

【０００５】一方、省エネルギーや低ＮＯｘ性、均一温
度分布特性に優れた蓄熱バーナ技術をこれら空気比０．
５〜０．９５の無酸化還元雰囲気燃焼に適用しようとい
う試みも為されているが、現在未だ実用化に至っていな
い段階である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１７
のミキシング機構を有する従来の無酸化バーナ１０１で
は、省エネルギーにならないばかりか、それ以上のすす
の発生を抑えることもできない。即ち、発煙が無いと言
っても、バカラック指数で３程度であり、発煙としては
認められないという程度である。また、図１０のような
無酸化バーナ１０１は混合性を確保するためには複雑な
ミキシング機構とバーナタイル１１０とを必要とするこ
とから、大きさに限界があり、スケールアップ（燃焼量
の増大）が必要な場合にはバーナ数を増やさざるを得
ず、何台ものバーナを集合させようとしても収まりきら
ない問題がある。しかも、空気と燃料とを噴射直後に急
速に混合（乱流拡散混合）して予混合燃焼化させるた
め、保炎機構が十分でないと安定燃焼条件範囲が狭まり
かつ混合比が空気比1.0付近となるため火炎最高温度を
高くしてＮＯｘの発生を急激に増大させる。

【０００７】他方、蓄熱バーナは、燃焼用空気を１，０
００℃またはこれ以上に予熱するためＮＯｘが増加し易
い。このため燃料と空気の噴出ノズルを一定距離以上に
離し、燃料を空気噴流に平行に噴出させて初期混合を遅
らせると同時に高速の空気噴流を用いて炉内のガス循環
効果を最大限に生かすことによって、高温空気を排ガス
で希釈し、低酸素状態で燃焼反応を行わせて火炎中に局
所的高温領域を形成させないことでＮＯｘを下げるよう
にしている。

【０００８】しかも、蓄熱バーナの場合、通常の無酸化
バーナに比べて予熱空気温度が高く（７００〜１，００
０℃）、一般のハイドロカーボン系燃料のすす生成温度
領域に近いことから、通常バーナよりすすの発生を促進
する傾向がある。

【０００９】このため、理論空気比未満での無酸化還元
燃焼では初期混合が極めて遅れた緩慢な燃焼となるため
どうしてもすすの発生を伴う。本発明者の実験によれ
ば、バカラック指数で８〜９であり、ＮＯｘの発生も多
かった。

【００１０】そして、このすすの発生は、蓄熱体の閉塞
を招き、蓄熱体の性能低下、圧損の増大、メンテナンス
の頻度増大が懸念される。

【００１１】また、短い周期で高温ガス（１，０００℃
以上）がバーナ内に逆流するため（エアスロート即ち空
気通路が排ガス通路にもなる）、熱的及び圧力損失の制
限から、図１７に示す無酸化バーナのような燃料と空気
の複雑な初期混合機構をもつことが困難であるし、また
金属の使用も制限される。このため、未だ実用化に至っ
ていないのが現状である。

【００１２】本発明は、すすの発生が少なく、残存酸素
の極小化が可能な無酸化還元燃焼方法及びバーナ装置を
提供することを目的とする。また、本発明は、省エネル
ギーや低ＮＯｘ性、均一温度分布特性に優れた蓄熱バー
ナ技術を理論空気比未満特に空気比ｍが０．５＜ｍ＜
１．０の無酸化還元雰囲気燃焼に適用可能とする無酸化
還元燃焼方法及びバーナ装置を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明者等が種々研究・開発した結果、空気と燃料
とを噴射直後に急速に混合（乱流拡散混合）させること
は、ＮＯｘの発生を急激に増大させると従来思われてい
たが、空気噴流の比表面積を増大させ尚かつ所定範囲で
衝突させる場合にはフリーＯ_２の極小化を達成してすす
の発生を抑制しつつＮＯｘの発生をも抑制できることを
知見するに至った。

【００１４】即ち、従来は燃焼用空気と燃料とが高強度
の乱流の状態で混合を起こすに十分な速度エネルギーを
有する間であれば、どこで衝突させても火炎最高温度を
高くしてＮＯｘの発生を急激に増大させるものと思われ
ていた。特に、燃焼用空気を燃焼排ガス温度近くの高温
に予熱して供給する場合にはそれが顕著になると考えら
れていた。しかし、本発明者等は、空気噴流の断面形状
を変え所定の範囲で衝突させることにより、十分な乱れ
強さをもった範囲内で尚かつ酸素濃度が低い状態での燃
焼のさせ方が可能となることを知見するに至った。

【００１５】本発明はかかる知見に基づくものであっ
て、請求項１記載の無酸化還元燃焼方法は、理論空気量
未満の燃焼用空気（例えば０．５＜ｍ＜１．０）で燃焼
させる方法において、燃焼用空気を同一流量を真円のス
ロートから供給する場合に比べて比表面積が大きな噴流
断面にして炉温が８００℃以上の炉内へ噴射すると共に
この空気噴流に向けて燃料を噴射させ、燃料がその速度
エネルギーを失う前に空気噴流に強い乱れを以て急速に
混合されるようにしている。

【００１６】この場合、空気噴流の比表面積が大きく広
い面積で周りの燃焼ガスと接触しかつ取り込んで行くた
め、噴射直後から急速に酸素濃度が下がって行き、噴出
後もまだ強い乱れを伴う乱流拡散混合に必要かつ十分な
速度エネルギーを有する燃料と衝突する頃には酸素濃度
が十分低くなっている。そして、炉内温度が８００℃以
上という条件では、空気噴流が短い距離で炉内ガスと混
合して希釈とともに予熱され空気温度を上げる。そのた
め、供給空気温度が、保炎機構がない系で安定に燃焼す
るために必要とされる少なくとも自己着火温度以上の温
度よりもはるかに低くても、例えば空気温度４００℃で
あっても、燃料噴流と接触する以前に容易に高温空気燃
焼が必要とされる温度即ち、８００℃に達する。依って
高温空気燃焼で必要条件とされている約８００℃以上と
いう空気温度に対しても、供給空気温度が２００ないし
３００℃以上あれば良い。空気噴流の乱流攪拌効果を高
めたことにより、従来の空気温度範囲よりも広い温度範
囲で燃焼が可能となる。

【００１７】したがって、燃料と空気噴流とが強い乱れ
を以て急速に混合されても、燃焼用空気の噴流には酸素
濃度の高い部分がないことから局所的な高温域の発生を
伴わずに平坦な温度分布の火炎が安定に形成される。即
ち、燃焼用空気の酸素濃度が低減した状態で尚かつ燃料
噴流と空気噴流とが強い乱れを伴って急速に初期混合さ
れることによって、フリーＯ_２を極めて少なくして未燃
のすすの発生とＮＯｘの発生を同時に抑制することがで
きる。

【００１８】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の無酸化還元燃焼方法において、燃焼用空気が蓄熱メ
ディアを介して排気される燃焼排ガスの熱を回収して燃
焼排ガスの温度に近い高温に予熱されてから供給される
ようにしている。

【００１９】この場合、蓄熱体を介して炉内へ高速で噴
出される燃焼用空気は排気ガス温度に近い高温に予熱さ
れ炉内へ噴射されたときには既に混合気の自己着火温度
以上となっているため、炉内へ噴出された直後から周り
の燃焼ガスと広い面積で接触して急速に酸素濃度が下が
った燃焼用空気と燃料とが強い乱れを伴う乱流拡散混合
に必要かつ十分な速度エネルギーを失わないうちに急速
に混合されると同時に燃焼を開始する。しかも、燃焼用
空気と燃料の双方が強い乱れを伴う乱流拡散に必要かつ
十分な速度エネルギーを有するうちに急速に混合されて
も、燃焼用空気の酸素濃度が十分に低下しているため局
所的な高温域が発生しない。更に、高温に予熱された燃
焼用空気は高速の流れとなって燃焼室あるいは炉内での
燃焼ガスの挙動・循環を活発にし、燃焼室内温度分布を
平坦化（局所的高温域のない平坦な温度分布の燃焼場を
形成）する。即ち、燃焼用空気の酸素濃度が低減した状
態で尚かつ燃料噴流と空気噴流とが強い乱れを伴って急
速に初期混合されると共に炉内排ガスの循環効果が促進
され、フリーＯ_２を極めて少なくして未燃のすすの発生
を極小化すると共にＮＯｘの発生をも抑制することがで
きる。

【００２０】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは２記載の無酸化還元燃焼方法において、燃焼用空気
が、全体として扁平で肉厚の薄い噴流に形成されるよう
にしている。この場合、空気噴流の比表面積の大幅な増
加により、燃焼ガスによる希釈効果を一層高めて、燃料
と衝突する頃には酸素濃度の高い部分・芯のない噴流を
形成する。したがって、十分な乱れ強さをもった範囲内
で尚かつ酸素濃度の高い部分を持たずに全体に低い状態
で急速に初期混合を行って燃焼させることができるの
で、すす発生をより極小化すると共にＮＯｘの発生をも
抑制することができる。

【００２１】また、請求項４記載の発明は、請求項１か
ら３のいずれかに記載の無酸化還元燃焼方法において、
燃料が、少なくとも２つ以上の噴射口から分けて噴射さ
れ、比表面積を大きくした空気噴流に対して広い面積で
衝突させられて当該燃料が強い乱れを以て空気噴流と急
速に混合されるようにしている。この場合、空気と燃料
との接触面積も広がり、混合がより急速なものとなる。

【００２２】また、請求項５記載の発明は、請求項１か
ら４のいずれかに記載の無酸化還元燃焼方法において、
燃料噴流が複数本形成され、空気噴流と衝突する前に燃
料噴流同士が衝突するようにしている。この場合、空気
噴流と衝突する前に燃料噴流同士が衝突することによっ
て扁平に広がる平面状噴流が得られることから、燃料と
炉内高温ガスとの接触表面積が増大する結果、真円状噴
流の場合に比して燃料噴出部からごく短い距離で燃料噴
流が希釈・予熱され（炉温８００℃以上の条件）る。し
たがって、燃料が高温でかつ発熱量が充分に低下してい
ると共に燃焼用空気も高温でかつ酸素濃度の高い部分が
ないため、強い乱れを伴って急速な初期混合を行っても
供給空気温度の広い範囲で着火源の安定性が保たれかつ
燃焼反応が促進されてフリーＯ_２を極めて少なくしてす
すの発生の極小化が実現される。

【００２３】また、請求項６記載の発明は、請求項１か
ら４のいずれかに記載の無酸化還元燃焼方法において、
空気噴流が複数本形成され、燃料噴流と衝突する前に空
気噴流同士が衝突するようにされている。この場合、燃
料噴流と衝突する前に空気噴流同士が衝突することによ
って扁平に広がる平面状噴流が得られることから、炉内
高温ガスとの接触表面積が増大する結果、真円状噴流の
場合に比して空気噴出部からごく短い距離で燃焼用空気
が燃焼ガスで希釈・予熱され（炉温８００℃以上の条
件）る。このとき、燃焼用空気が高温でかつ酸素濃度が
全体に充分に低下して高い部分がないため、その状態で
燃料と混合しても供給空気温度の広い範囲で着火源の安
定性および局所的な高温域が発生しない燃焼形成が図ら
れると同時に燃焼反応が促進されてフリーＯ_２を極めて
少なくしてすすの発生の極小化が実現される。

【００２４】また、請求項７記載の発明は、請求項１か
ら４のいずれかに記載の無酸化還元燃焼方法において、
燃料噴流並びに空気噴流が複数本形成され、かつ燃料噴
流と空気噴流とが衝突する前に空気噴流同士並びに燃料
噴流同士が衝突するように設けられている。この場合、
空気噴流と衝突する前に燃料噴流同士が衝突することに
よって扁平に広がる平面状噴流が得られることから、燃
料と炉内高温ガスとの接触表面積が増大する結果、真円
状噴流の場合に比して燃料噴出部からごく短い距離で燃
料噴流が希釈・予熱され（炉温８００℃以上の条件）
る。同時に、空気噴流も、燃料噴流と衝突する前の空気
噴流同士の衝突によって扁平に広がる平面状噴流とされ
るため、高温でかつ酸素濃度が充分に低下している。し
たがって、燃料が高温でかつ発熱量が充分に低下してい
ると共に燃焼用空気も高温でかつ酸素濃度の高い部分が
ないため、強い乱れを伴って急速な初期混合を行っても
供給空気温度の広い範囲で着火源の安定性が保たれかつ
局所的な高温域が発生しない燃焼状態が形成されると同
時に燃焼反応が促進されてフリーＯ_２を極めて少なくし
てすすの発生の極小化が実現される。

【００２５】更に、請求項８記載の発明は、請求項１か
ら７のいずれかに記載の無酸化還元燃焼方法において、
炉内で衝突する前記燃焼噴流と空気噴流との組を複数組
形成して大型燃焼場を形成するようにしている。

【００２６】また、請求項９記載の発明は、理論空気量
未満の燃焼用空気で燃焼させる無酸化還元燃焼用バーナ
において、同一流量の燃焼用空気を真円のスロートから
供給する場合に比べて比表面積が大きな噴流断面を形成
して全量の燃焼用空気を炉内へ噴出するエアスロート
と、エアスロートの噴射口からある距離を隔てた位置で
尚かつ空気噴流と速度エネルギーを失う前に燃料を衝突
させるべく燃料を炉内へ噴射する燃料ノズルとを備える
ようにしている。この場合、比表面積が大きな形状の空
気噴流が形成されるため、広い面積で周りの燃焼ガスと
接触しかつ取り込んで噴射直後から急速に酸素濃度が下
がって行く。そして、燃料と衝突する頃には、酸素濃度
が十分低くなっていると共に燃料噴流も噴出後まだ強い
乱れを伴う乱流拡散混合に必要かつ十分な速度エネルギ
ーを有することから、燃料噴流と空気噴流との衝突によ
って両者は急速に混合される。依って、燃焼用空気の噴
流には酸素濃度の高い部分がないことから局所的な高温
域の発生を伴わずに平坦な温度分布の火炎が安定に形成
される。即ち、燃焼用空気の酸素濃度が低減した状態で
尚かつ燃料噴流と空気噴流とが強い乱れを伴って急速に
初期混合されることによって、フリーＯ_２を極めて少な
くして未燃のすすの発生とＮＯｘの発生を同時に抑制す
ることができる。

【００２７】また、請求項１０記載の発明は、請求項９
記載の無酸化還元燃焼用バーナにおいて、エアスロート
の開口の相当直径ｄｅとエアスロートの中心から燃料ノ
ズルの中心までの間隔１／２Ｄpcdとの比ｄｅ／Ｄpcdが
０．１〜０．５の範囲であり、かつ燃料噴流軸とエアス
ロートの長手方向の中心軸上平面との交点とエアスロー
トの出口面までの距離Ｌａに対するエアスロートの相当
直径ｄｅの比Ｌａ／ｄｅが１．０〜５．０の範囲で燃料
を噴射するようにしている。この範囲内にエアスロート
と燃料ノズルとが配置される場合、強い乱れを伴う乱流
拡散混合に必要かつ十分な速度エネルギーを燃料が有し
ながら尚かつ燃焼用空気の酸素濃度が十分に低い状態と
なって燃料噴流と空気噴流とが衝突させられる。

【００２８】また、請求項１１記載の発明は、請求項９
または１０記載の無酸化還元燃焼用バーナにおいて、エ
アスロートが、扁平な矩形状の開口を有するようにして
いる。この場合に形成される空気噴流は真円エアスロー
トから噴出されるものと比べて扁平で比表面積が飛躍的
に増加するため、燃焼ガスとの接触が活発で希釈効果を
一層高めることから、強い乱れをもって燃料と衝突する
頃には酸素濃度の高い部分・芯のない噴流を形成する。
したがって、フリーＯ_２を極めて少なくして急速な初期
混合が強い乱れを伴って行われ、すすの発生を極小化す
ることが可能となるとともにＮＯｘの発生が更に抑制さ
れる。

【００２９】また、請求項１２記載の発明は、請求項９
または１０記載の無酸化還元燃焼用バーナにおいて、エ
アスロートを複数の小孔に分割することによって、比表
面積を増加できた。この場合、単一の真円から成るエア
スロートに比べて容易に比表面積が大幅に増えると共に
火炎の散在による温度の平坦化が可能となる。

【００３０】また、請求項１３記載の発明は、請求項９
または１０記載の無酸化還元燃焼用バーナにおいて、エ
アスロートが、複数の小孔に分割されて各噴流が独立せ
ずに連なるように列状に配置され全体として扁平な断面
形状の噴流を形成するようにしている。この場合、扁平
な矩形スロートの場合と同様に、真円のエアスロートで
形成される噴流と比べて比表面積が増大し、酸素濃度の
低下がより急速なものとなる。

【００３１】また、請求項１４記載の発明は、請求項１
２または１３記載の無酸化還元燃焼用バーナにおいて、
複数の小孔は、燃料噴流と衝突する前に空気噴流同士が
衝突する噴流を形成するものであるようにしている。こ
の場合、複数の小孔は燃料噴流と衝突する前に空気噴流
同士が衝突することによって扁平に広がる複数の平面状
噴流が得られることから、炉内高温ガスとの接触表面積
が単一の平面状噴流の場合に比べて大幅に増大する結
果、空気噴出部から真円状噴流の場合に比して極めて短
い距離で燃焼用空気が希釈・予熱され（炉温８００℃以
上の条件）る。このとき、扁平エアスロートを用いずと
も、空気噴流同士の衝突によって扁平断面を有する噴流
を形成することができ、扁平エアスロートの噴流がもた
らすものと同じ効果を得ることができる。即ち、燃焼用
空気が高温でかつ酸素濃度が充分に低下し酸素濃度が高
い部分がないため、その状態で燃料と混合しても供給空
気温度の広い範囲で着火源の安定性および局所的な高温
域が発生しない燃焼形成が図られると同時に燃焼反応が
一層促進されてフリーＯ_２を極めて少なくしてすすの発
生の極小化が実現される。

【００３２】また、請求項１５記載の発明は、請求項９
から１４のいずれかに記載の無酸化還元燃焼用バーナに
おいて、燃料ノズルが、少なくとも２つの噴射口を有
し、比表面積が大きくなった空気噴流に対して広い面積
で燃料を衝突させるようにしている。この場合、燃料と
の接触面積が広がり、乱流拡散による初期混合がより広
範囲で急速に行われる。

【００３３】また、請求項１６記載の発明は、請求項９
から１４のいずれかに記載の無酸化還元燃焼用バーナに
おいて、燃料ノズルが少なくとも２つの噴口を有し、各
噴口から噴出される燃料噴流同士が空気噴流と衝突する
前に衝突する噴流を形成するようにしている。この場
合、空気噴流と衝突する前に燃料噴流同士が衝突するこ
とによって扁平に広がる平面状噴流が得られることか
ら、燃料と炉内高温ガスとの接触表面積が増大する結
果、真円状噴流の場合に比して燃料噴出部からごく短い
距離で燃料噴流が希釈・予熱され（炉温８００℃以上の
条件）る。したがって、燃料が高温でかつ発熱量が充分
に低下していると共に燃焼用空気も高温でかつ酸素濃度
の高い部分がないため、強い乱れを伴って急速な初期混
合を行っても供給空気温度の広い範囲で着火源の安定性
が保たれかつ燃焼反応が促進されてフリーＯ_２を極めて
少なくしてすすの発生の極小化が実現される。

【００３４】また、請求項１７記載の発明は、請求項９
から１６のいずれかに記載の無酸化還元燃焼用バーナに
おいて、燃料ノズルが、空気噴流を囲むように複数配置
されるようにしている。この場合、燃料との接触面積が
広がり、乱流拡散による初期混合がより広範囲で急速に
行われる。

【００３５】また、請求項１８記載の発明は、請求項１
７記載の無酸化還元燃焼用バーナにおいて、複数本の燃
料ノズルは、空気噴流と衝突する前に燃料噴流同士が衝
突する噴流を形成するようにしている。この場合、空気
噴流と衝突する前に燃料噴流同士が衝突することによっ
て扁平に広がる平面状噴流が得られることから、燃料と
炉内高温ガスとの接触表面積が増大する結果、真円状噴
流の場合に比して燃料噴出部からごく短い距離で燃料噴
流が希釈・予熱され（炉温８００℃以上の条件）る。し
たがって、燃料が高温でかつ発熱量が充分に低下してい
ると共に燃焼用空気も高温でかつ酸素濃度の高い部分が
ないため、強い乱れを伴って急速な初期混合を行っても
供給空気温度の広い範囲で着火源の安定性が保たれかつ
燃焼反応が促進されてフリーＯ_２を極めて少なくしてす
すの発生の極小化が実現される。

【００３６】また、請求項１９記載の発明は、請求項９
から１８のいずれかに記載の無酸化還元燃焼用バーナに
おいて、空気噴流並びに燃料噴流が複数本形成され、か
つ空気噴流と燃料噴流とが衝突する前にそれぞれ空気噴
流同士並びに燃料噴流同士が衝突する噴流を形成するよ
うにされている。この場合、空気噴流と燃料噴流とが衝
突する前にそれぞれ空気噴流同士並びに燃料噴流同士で
衝突して扁平に広がる平面状の燃料並びに燃焼用空気の
噴流が得られることから、燃料と炉内高温ガス並びに燃
焼用空気と炉内ガスとの接触表面積がそれぞれ真円状噴
流の場合に比べて飛躍的に増大する結果、燃料及び燃焼
用空気が各噴出部から極めて短い距離で希釈・予熱され
（炉温８００℃以上の条件）る。したがって、燃料が高
温でかつ発熱量が充分に低下していると共に燃焼用空気
も高温でかつ酸素濃度が充分に低下し高い部分がないた
め、強い乱れを伴って燃料と燃焼用空気が初期混合され
ても供給空気温度の広い範囲で着火源の安定が保たれか
つ局所的な高温域が発生しない燃焼形成が得られると同
時に燃焼反応が促進されてフリーＯ_２を極めて少なくし
てすすの発生の極小化が実現される。

【００３７】また、請求項２０記載の発明は、請求項９
から１９のいずれかに記載の無酸化還元燃焼用バーナに
おいて、エアスロートに蓄熱メディアと該蓄熱メディア
に対し燃焼排ガスと燃焼用空気とを交互に導く流路切替
手段とを備え、蓄熱体を通して燃焼排ガス温度に近い高
温に予熱された燃焼用空気を炉内へ向けて噴射させるよ
うにしている。この場合、燃料噴流が衝突する際の燃焼
用空気は燃焼排ガス温度に近い高温で混合気の自己着火
温度以上となっていることから燃料と混合されると同時
に燃焼を開始するが、燃料と混合される時には既に酸素
濃度が極めて低くなっているため燃焼域が通常の乱流拡
散燃焼時よりも広がり、通常乱流拡散燃焼時よりも局所
的な高温域が発生しない。

【００３８】また、請求項２１記載の発明は、請求項２
０記載の無酸化還元燃焼用バーナにおいて、セラミック
ハニカムを蓄熱メディアとして内蔵するようにしてい
る。ここで、ハニカムのセル数は１０〜２００セル/ｉ
ｎ^２であることが好ましい。この場合、ナゲットやブロ
ックなどを充填した蓄熱体に比べて遙かに低圧損のた
め、すすなどが発生してもそれらによる閉塞や汚れによ
る性能低下が極めて起りにくい。また、圧損が少ない分
だけ低供給動力で燃焼用空気を高速にして炉内へ噴射す
ることができるため、炉内ガスを活発に撹拌し炉内温度
分布の均一化を一層助けてＮＯｘの発生を抑制すると共
に、蓄熱メディア内を乱れなく高速で流れる空気あるい
は排ガスと蓄熱体との間の対流伝熱を良好にすると共に
薄いセル厚さによりナゲット等の蓄熱体の場合に比べて
極めて短時間で温度変化に追従することから、蓄熱体と
しての能力を十分に利用した状態での高速切換を可能に
して熱交換の温度効率を高め、炉内温度の昇温あるいは
降下を短時間で実現を可能とすると共により高温の予熱
空気を供給させて省エネルギー効果を上げる。

【００３９】また、請求項２２記載の発明は、請求項２
０または２１記載の無酸化還元燃焼用バーナにおいて、
バーナ本体のエアスロートに蓄熱メディアを内蔵すると
共に、該バーナ本体に流路切替手段を直結し、バーナ本
体の直近で燃焼用空気と排ガスとの切替えを行うように
している。この場合、バーナ切換時の給気・排気の送気
遅れ時間を最少化し、ＣＯ濃度を安定化させると同時に
切換時のフリーＯ_２を極小化する。即ち、蓄熱メディア
と流路切替手段との間のダクト分のパージ容積が不要と
なる分だけそこに残留する排ガス量も少なくなり、切替
時のパージ用空気の量が極微量となるため、切替時に酸
素濃度が高くなることを防いで、このような事態を絶対
に避けたい熱処理などにおいてフリーＯ_２の悪影響を与
えないようにすることができる。

【００４０】更に、請求項２３記載の発明は、請求項９
から２２のいずれかに記載の無酸化還元燃焼用バーナに
おいて、エアスロートと燃料ノズルとを複数組設置して
大型燃焼機を構成するようにしている。この場合、エア
スロートと燃料ノズルを収容するスロートとを必要に応
じて複数組、例えば環状に配置したり、縦あるいは横に
一直線上に配置したり若しくは放射状に配置するだけで
必要に応じて大型の燃焼機を構成できる。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

【００４２】図１に本発明の無酸化還元燃焼方法を実施
する無酸化燃焼バーナの一例を示す。この実施形態の無
酸化燃焼バーナ１は、蓄熱メディアを介して空気の供給
と燃焼ガスの排気とを交互に行う蓄熱型バーナとして構
成したものであり、２基で一対を成し、燃焼と排気を数
十秒間のインターバルで交互に繰返すように燃焼が燃焼
制御装置（図示省略）で制御されている。燃焼排ガスは
休止中のバーナ内を通過し、バーナに内蔵されたハニカ
ム構造の蓄熱メディア（以下単に蓄熱メディアと呼ぶ）
２に熱を与えることにより冷却されて流路切替手段たる
切換弁（三方弁）３を経由して、排風機（図示省略）を
通って煙突等に至る。燃焼排ガスは、一方、蓄熱バーナ
１では各々内蔵した蓄熱メディア２で排ガスから回収し
た熱によって燃焼空気を予熱する。ここで、ＣＯを含む
燃焼排ガスは、図示していないが煙突の入口に設けられ
たアフターバーナ等の後処理設備において再燃焼され、
煙突より排出される。一方、蓄熱バーナ１では各々内蔵
した蓄熱メディア２で排ガスから回収した熱によって燃
焼空気を予熱する。そして、この高温予熱空気を使って
無酸化還元燃焼を行う。

【００４３】各蓄熱バーナ１は、例えば図１及び図２に
示すように、蓄熱メディア２と、第２の燃料ノズル１１
と、流路切替手段たるフラッパ式三方弁（スイッチバル
ブ）３及びこれらを支持するバーナ本体１０並びに必要
に応じて第１の燃料ノズル１２とから構成され、耐火耐
熱物から成るバーナ本体１０に蓄熱メディア２と第２の
燃料ノズル１１及び第１の燃料ノズル１２とを内蔵して
いる。そして、バーナ本体１０の後端にはフラッパ式三
方弁３が直結され、バーナ本体によって形成されるエア
スロート１３に収容されている蓄熱メディア２との間に
できるだけ空間を開けないように三方弁３を配置して蓄
熱メディア２の直近で燃焼用空気と排ガスとの切替えを
行うように設けられている。

【００４４】ここで、フラッパ式三方弁は、図１に示す
ように、バーナ本体１０に直結されるハウジング１７
と、このハウジング１７内に設置されてバーナ本体１０
に連結されたポート１４を除く２つのポート１５，１６
を開閉するフラッパ１９とこれを２つのポート１５，１
６の間で揺動させる切替シャフト１８と、該切替シャフ
ト１８をハウジング１７の外で駆動するアクチュエータ
（図示省略）とから構成されている。ハウジング１７
は、バーナ本体１０に直結される座を含む３つの座を有
し、各座部分にポート１４，１５，１６が形成され、一
方のポート１５には燃焼用空気の供給系統のダクト２０
が、他方のポート１６には排気系統のダクト２１がそれ
ぞれ連結されている。

【００４５】このように構成されたフラッパ式三方弁３
の内部空間Ｓは、フラッパ１９が揺動し得る最小の空間
から成り、給気と排気との切替時にパージする容積を極
めて小さして残留する排ガスを空気に入れ換えるための
時間を短くし、パージのための時間が燃焼の切替時間に
占める割合を小さくする。加えて、三方弁３と蓄熱メデ
ィア２とは近接して設けられており、排ガスから燃焼用
空気への切替時に三方弁３から蓄熱メディア２にかけて
残存する排ガスの量が極微量であり、バーナ本体１０と
三方弁３とを繋ぐべきダクト分のパージ容積が不要とな
る分だけパージ時間とパージガス量を少なくできる。し
かして、内部空間Ｓから蓄熱メディア２にかけて残留す
る排ガスを空気と入れ替える時間を短くした高速切替を
可能としてフリーＯ_２を少なくすることができる。ま
た、一方の蓄熱バーナを消火するのとほぼ同時に他方の
蓄熱バーナを着火することができ、温度効率を上げてよ
り高温の予熱空気での燃焼を実現でき省エネルギー効果
を高めることができる。

【００４６】また、第２の燃料ノズル１１は、図示して
いないが必要に応じてパイロットバーナ等を備え、取り
外すことができるようにバーナ本体１０に装着されてい
る。この燃料ガンの後端には図示していないが燃料遮断
用電磁弁などを含む燃料ガンアッセンブリが備えられ
る。

【００４７】この第２の燃料ノズル１１は、エアスロー
ト１３の出口１３ａからある距離を隔てた位置に所定の
傾きを以て配置され、空気噴流と燃料噴流とが噴射口か
ら離れた所定範囲で衝突させられるように設置されてい
る。

【００４８】ここで、衝突位置を定める所定範囲とは、
燃料噴流が空気噴流と強い乱れを以て混合可能でかつ空
気噴流並びに好ましくは燃料噴流に炉内ガスを十分に巻
き込んでそれらの酸素濃度あるいは発熱量を低減させ得
る位置、即ち噴射・速度エネルギを失わないで尚かつ空
気噴流が十分に排ガスを巻き込んで酸素濃度を低くした
位置を意味する。

【００４９】具体的には空気噴射口及び燃料噴射口に近
い所で空気噴流と衝突させるべく燃料を噴射するように
設けられている。例えば本実施形態の場合、図３に示す
ように、定格運転時に主に燃料を噴射するノズル即ち第
２の燃料ノズル１１は、エアスロート１３の相当直径
（面積を円に換算したときの直径）ｄｅとエアスロート
１３の中心から燃料ノズルの中心までの間隔１／２Ｄpc
dとの比ｄｅ／Ｄpcdが０．１〜０．５の範囲で、かつ燃
料噴流軸とエアスロートの長手方向の中心軸上平面との
交点とエアスロート１３の出口面までの距離Ｌａに対す
るエアスロートの相当直径ｄｅの比が１．０〜５．０の
範囲で設定されることが好ましい。この場合、強い乱れ
を伴う乱流拡散に必要かつ十分な速度エネルギーを燃料
が有しながら尚かつ燃焼用空気の酸素濃度が十分に低い
状態となって燃料噴流と空気噴流とが衝突させられる。
尚、図中の符号αは第２の燃料ノズルから噴射される燃
料の衝突噴射角度である。

【００５０】この第２の燃料ノズル１１から噴射される
燃料の噴流はその速度エネルギーを失う前即ち噴射エネ
ルギーが大きく衰えない乱れ強さの強い乱流であるうち
に空気噴流と衝突して十分な乱れ強さをもった状態で速
やかに空気噴流と混合される。

【００５１】また、燃焼用空気は、同一流量を真円のス
ロートから供給する場合に比べて比表面積が大きな噴流
断面を形成するように噴出される。例えば、エアスロー
トの噴射口の形状を非円形にして円形よりも比表面積を
大きくしたり、噴流同士を衝突させて流体干渉によって
扁平状断面を有する噴流を形成する。より好ましくは、
全体として肉厚の薄い・芯（酸素濃度の高い部分・流
れ）のない空気噴流を形成して比表面積をより大きくす
ることである。具体的には図２に示すような矩形、図５
に示すような扁平な楕円、多数の小孔に分割されて散在
する円形あるいは図４に示すような小孔が一直線上に配
置されることによって全体として扁平な矩形、楕円など
の噴流断面が形成される。この場合、炉内ガスを短い時
間で巻き込み、酸素濃度が速く下がって行くので、噴射
エネルギー・速度エネルギーの強い状態の燃料と衝突す
る頃には酸素濃度が十分低くなっている。

【００５２】燃料ノズルは２つあるいはそれ以上設けら
れることが好ましい。燃料ノズルから噴射される燃料は
所有するエネルギが小さい。このことから噴射された後
に直ぐにエネルギを失う。したがって、噴射ノズル数を
多くして広い範囲に広がるように噴射させれば、比表面
積が大きくなった空気噴流に対して広い面積で燃料が衝
突することによって、バーナからより短い距離において
強い乱れを伴う乱流拡散混合を起こせる。即ち、比表面
積を広くした空気噴流のできるだけ全域に燃料が強い乱
れを以て噴きつけられるようにすることが好ましい。こ
の観点から、燃料ノズルも２本以上設けられることが好
ましく、より好ましくは空気噴流を囲むように配置され
ることである。

【００５３】ここで、空気噴流の噴流直後からの速度低
下は、その開口形状にも左右される。例えば、扁平な矩
形状エアスロート１３を例にとると、矩形の短い辺の長
さをa、長い辺をb、相当直径deとしたとき、ａはdeの1/
２ないし1/5程度に設計すると、La/de＝2とはLa/ａでは
４ないし１０となる。初期速度が同じであれば速度減衰
はLa/ａで表されることから、本混合形式はその値が大
きいことがわかる。即ち、速度減衰の値が大きいという
ことは、噴出後同一距離で比較すると、炉内ガスの巻き
込みを促進させたことを意味する。したがって、ノズル
近傍で、高温排ガスによる空気流の希釈は所定の条件
（例えば、高温空気燃焼を成立させるのに必要な空気中
酸素濃度の値例えば１０％以下）に達するので、その領
域に燃料を噴出させることが出来る。

【００５４】同様に、燃料も燃料噴流径dfと燃料噴流が
空気噴流と接触するまでの距離Lfとにより速度低下が定
まる。したがって、燃料噴流がその衝突エネルギを失う
前とは、例えば空気噴出後短い距離で高温空気燃焼を成
立させる場合には、Lf/dfがおおよそ100ないし200以内
で空気流に接触衝突することを表す。ここで、速度減衰
を大きくすることは、高温空気燃焼を成立させる上で好
ましいことは公知であるが、そのようなノズルは一般に
火炎が浮力の影響を受けやすく加熱炉にはあまり適さな
いと見られていた。しかし、今般、見出した範囲であれ
ば、火炎が浮力の影響を受けることなく、混合は効果的
に促進された。その結果、単一の円形ノズルの場合より
も、よりバーナから近い位置で燃料と空気を混合させる
ようにしても、従来であれば顕著に生じていた急激なＮ
Ｏｘ発生もなく、しかも火炎の長さは効果的に短炎化さ
れた。これは、燃料と空気の接触位置が従前よりもバー
ナ寄り即ち噴口寄りとなったので、衝突混合時の燃料噴
流の乱流乱れ強さが大きい状態で混合が開始するように
なったことが主因であろうと思われる

【００５５】また、バーナ本体１０は、先端開口１３ａ
が蓄熱メディア２を収容する部分よりも絞られて扁平な
矩形状に形成されたエアスロート１３を有している。そ
して、このエアスロート１３からは、定格運転（炉温８
００℃以上）時に通常燃焼時の流速またはこれよりも高
流速で理論空気量未満（対象となる炉の種類によって運
転空気比は若干異なるが、例えば空気比ｍ＝０．５〜
０．９５）程度の燃焼用空気が炉内へ向けて噴射され
る。ここで、空気比の制御は難しいので１に設定しても
実際には１以上となることもあるので、１ぎりぎりで確
実に理論空気量未満とするには０．９５程度に設定され
ることが一般的である。燃焼用空気はエアスロート１３
の開口１３ａの形状に倣って扁平な矩形状に整形されて
から炉内へ噴射される。このため、燃料噴流に対して広
い面積で衝突することとなる。同時に、このスロート形
状によれば、バーナ本体１０を構成する耐火耐熱物によ
って蓄熱メディア２が覆われることから、炉内からの輻
射熱に対して蓄熱メディア２を保護することができる。

【００５６】エアスロート１３の開口（噴射口）１３ａ
の形状は、最も好ましくは、図２に示すような細長いス
リット状の矩形に形成されることである。しかし、エア
スロート１３の開口１３ａの形状は、図示の扁平な矩形
状に特に限定されず、図５に示すような楕円形や、図４
に示すような小孔に分割された円形あるいは図示してい
ないその他の比表面積が増大する形状例えば星形、繭
形、正方形、三角形などの形状が必要に応じて適宜採用
される。また、噴射口の形状そのものは場合によっては
円形でも良いが、この場合には図４に示すように噴射口
を多数の小さな円孔に分割して一列状に並べることによ
って、実質的にスリット形状のスロートから噴射される
のとほぼ同様の矩形状の空気噴流を形成するように設け
ることが好ましい。これらの場合、比表面積の大きな噴
流が形成されれば、排ガスの巻き込みが活発となり短い
距離で燃料と混合されても混合直前の位置での酸素濃度
は充分に低くなっている。

【００５７】この所定の空気流速は、図示していない送
風機、排風機並びにエアスロート１３の大きさ等を適切
に設計することによって得られる。このエアスロート１
３の先端の開口１３ａの大きさを変えることで、燃焼用
空気の噴射速度（運動量）を自由にコントロールするこ
とができ、火炎の形状及び性状を変えることができる。

【００５８】尚、本実施形態の場合、蓄熱メディア２を
装填した１本のエアスロート１３に対し２本の第２の燃
料ノズル１１を対称に配置して１ユニットのバーナを構
成しているがこれに特に限定されず、１本のエアスロー
ト１３に対し１本の燃料ノズル１１を、あるいは１本の
エアスロート１３に対し３本以上の燃料ノズル１１を配
置して１ユニットのバーナを構成するようにしても良
い。例えば、バーナが大型でエアスロート１３が細長い
矩形の場合には、燃料を空気噴流に均等に衝突させるた
め、図２に示すようにエアスロート１３を挟んで２本の
第２の燃料ノズル１１を対称に配置して空気噴流を挟む
ように燃料を噴射するようにしているが、更には片側に
２本ずつ配置して計４本配置することもある。燃料ノズ
ルの数及び噴射口の数は多くすることが好ましく、例え
ば空気噴流を囲むように複数配置されたり、少なくとも
２つの噴射口を有し、比表面積が大きくなった空気噴流
に対して広い面積で燃料を衝突させるように設けられ
る。

【００５９】また、蓄熱メディア２は、その材質、構造
については特に限定を受けるものではないが、比較的圧
力損失が低い割に熱容量が大きく形成できるハニカム形
状、特に耐久性の高い材料、例えばセラミックスで成形
されたハニカム形状のセル孔を多数有する筒体の使用が
好ましい。この場合、蓄熱容量の割に圧損が低いため、
送風機及び排風機の能力を特別に上げずとも給気と排気
とが実施可能である。例えば１００mmＡｑ以下の低圧損
で実現できる。また、蓄熱メディア２としては、例え
ば、排ガスのように１０００℃前後の高温流体と燃焼用
空気のように２０℃前後の低温流体との熱交換には、コ
ージライトやムライト、アルミナ等のセラミックスを材
料として押し出し成形によって製造されるハニカム形状
のものの使用が好ましい。また、ハニカム形状の蓄熱メ
ディア２は、その他のセラミックスやセラミックス以外
の素材例えば耐熱鋼等の金属あるいはセラミックスと金
属の複合体例えばポーラスな骨格を有するセラミックス
の気孔中に溶融した金属を自発浸透させ、その金属の一
部を酸化あるいは窒化させてセラミックス化し、気孔を
完全に埋め尽くしたＡｌ_２Ｏ_３−Ａｌ複合体、ＳｉＣ−
Ａｌ_２Ｏ_３−Ａｌ複合体などを用いて製作しても良い。
尚、ハニカム形状とは、本来六角形のセル（穴）を意味
しているが、本明細書では本来の六角形のみならず四角
形や三角形のセルを無数にあけたものを含む。また、一
体成形せずに管などを束ねることによってハニカム形状
の蓄熱メディアを得るようにしても良い。尚、ハニカム
形状とは、本来六角形のセル（穴）を意味しているが、
本明細書では本来の六角形のみならず四角形や三角形の
セルを無数にあけたものを含む。また、一体成形せずに
管などを束ねることによってハニカム形状の蓄熱メディ
アを得るようにしても良い。

【００６０】また、蓄熱メディア２の形状も特に図示の
ハニカム形状に限定されず、図示していないが筒状のメ
ディアケースに平板形状や波板形状の蓄熱材料を放射状
にあるいは環状に配置したり、パイプ形状の蓄熱材料を
軸方向に流体が通過するように充填したり、ボール状や
ナゲット状の蓄熱材を充填したり、更にはパンチングメ
タルのような多数の孔を穿孔した板材・耐熱鋼板等を単
独であるいは積層するように収納したものであっても良
い。

【００６１】尚、本実施形態の蓄熱バーナ１に用いられ
る蓄熱メディア２は、ハニカム状のセラミック（セル数
１０〜２００セル／ｉｎ^２）であり、この小ブロック
（５０ｍｍ□〜２００ｍｍ□×５０ｍｍｈ）が通常４〜
１０段垂直に重ねられて用いられる。ハニカム状の通路
の中を排ガスと空気が短時間例えば約３０秒毎に交互に
逆方向に流れる。このようにハニカム内の流れに、局所
的な乱流域や低流速がない往復動のため、すすなどが発
生してもそれらが付着したり堆積することは少ない。こ
のため長期使用においても蓄熱体の清掃や交換の必要は
なく、メンテナンスが不要であることも特長である。

【００６２】以上のように構成された無酸化還元燃焼バ
ーナによれば例えば次のように操業される。

【００６３】まず、炉内温度が常温から決められた温度
（高温燃焼が実施可能な温度で、例えば８００℃程度以
上）にまで昇温する間は、立ち上げ用の第１の燃料ノズ
ル１２及び必要あれば定格運転用の第２の燃料ノズル１
１から燃料を噴射してバーナを運転する。所定温度へ達
した後は、定格運転用の第２の燃料ノズル１１だけから
の燃料噴射に切り替えて第１の燃料ノズル１２からの燃
料噴射を停止する。勿論、場合によっては第１及び第２
の双方の燃料ノズル１１，１２から燃料を噴射すること
もある。そして、フラッパ式三方弁３を動作させて交互
燃焼運転を行う。

【００６４】交互燃焼は、例えば２セットの隣接するバ
ーナ同士でペア（ＡバーナおよびＢバーナ）を組み、一
方のバーナが燃焼モードの時、他方のバーナは排気モー
ド（炉内の燃焼ガスを吸引し炉外へ排出する）となる。
排気はバーナ本体１０のエアスロート１３から蓄熱メデ
ィア２を経て、排ガスの顕熱を蓄熱メディア２で回収し
て低温にしてから行われる。そして燃焼時に、蓄熱メデ
ィア２に燃焼空気を通すことで、炉内燃焼ガス温度に近
い高温の予熱空気が得られる。第２の燃料ノズル１１は
燃焼空気の供給とほぼ同一タイミングで燃料を供給す
る。通常、定格運転時に炉内へ直接燃料を噴射する第２
の燃料ノズル１１にはパイロットバーナが組み込まれず
一次空気を使用しないが、第１の燃料ノズル１２などで
冷却のため空気を流す場合にはこの冷却用空気を含めて
全体に理論空気比未満の空気比となるように供給空気量
と燃料量とが調整されている。また、フラッパ式三方弁
３と同期して一対のバーナの各ガス電磁弁は開閉する。

【００６５】ここで、蓄熱メディアに対する排ガス及び
燃焼用空気の流れを相対的に切り替えて該蓄熱メディア
を通して燃焼排ガスの排気と燃焼用空気の給気とが交互
に行なわれることによって、燃焼用空気が排ガスの温度
に近い高温に予熱されてから供給され燃焼に供される。
燃焼用空気は定格運転時において通常燃焼時の流速また
はこれよりも高流速で噴射させられると共にこの空気噴
流に向けて燃料を噴射させ、空気噴流の出口からある距
離を隔てた位置で燃焼用空気と燃料を高速で衝突させて
急速に混合させられる。ここで、定格運転時とは、例え
ば炉内温度が８００℃以上に達した状態における燃焼時
などの、設計前提条件を満たしている運転を意味する。

【００６６】このとき、第２の燃料ノズル１１から高速
度で噴射される燃料と、エアスロート１３から高速度で
噴射される燃焼用空気とは、それらの間の相似則を保ち
ながらエアスロート１３の出口１３ａからある距離Ｌａ
を隔てた位置で衝突し、乱流拡散により急速に初期混合
を起こして理論空気量未満での無酸化還元燃焼を起こ
す。ここで、蓄熱メディア２を介して炉内へ高速で噴出
される燃焼用空気は排気ガス温度に近い高温に予熱され
炉内へ噴射されたときには既に混合気の自己着火温度以
上となっているため、炉内へ噴出された直後から周りの
燃焼ガスと広い面積で接触して急速に酸素濃度が下がっ
た燃焼用空気と燃料とが強い乱れを伴う乱流拡散混合に
必要かつ十分な速度エネルギーを失わないうちに急速に
混合されると同時に燃焼を開始する。しかも、燃焼用空
気と燃料の双方が強い乱れを伴う乱流拡散に必要かつ十
分な速度エネルギーを有するうちに急速に混合されて
も、燃焼用空気の酸素濃度が十分に低下しているため燃
焼域が乱流拡散混合の場合よりも広がり局所的な高温域
が発生しない。更に、高温に予熱された燃焼用空気は高
速の流れとなって炉内での燃焼ガスの挙動・循環を活発
にし、局所的高温域のない平坦な温度分布の燃焼場を形
成する。即ち、フリーＯ_２を極めて少なくして未燃のす
すの発生を極小化すると共にＮＯｘの発生をも抑制する
ことができる。

【００６７】そして、一対の蓄熱バーナ１の燃焼モード
と排気モードの切替は、所定の切替時間例えば約３０秒
毎に行われる。燃焼するバーナの切替は、各ペア間でタ
イミングをずらし、順次行うことにより、炉内圧力の変
動を最小限にすることが好ましい。いずれの場合にも、
Ａバーナ燃焼とＢバーナ燃焼の間には休止時間と呼べる
ほどのものは設けられておらず、切替運転用燃料弁はＡ
バーナの閉止とほぼ同時にＢバーナが開放される。即
ち、バーナ本体１０とフラッパ式三方弁３とが直結され
た本実施形態の場合、切替時間にはパージ時間が極めて
短時間（例えば消火して反対側のバーナに着火するまで
が０．３秒以内のパージ時間）しか採られず、消すと同
時に対となる相手側のバーナが着火するように設けられ
ている。これによって、炉圧変動をほぼ１／４程度に小
さく抑えることができると共に、フリーＯ_２を極小化で
きる。

【００６８】ここで、三方弁３の切替は、予め決められ
た切替時間に基づいて行っても良いが、熱電対で測定さ
れる排ガス温度によって切替られることもある。排気温
度は常温付近から例えば２００℃ないし３００℃の間で
管理されることが好ましい。

【００６９】尚、交互燃焼は上述したように対を成すバ
ーナが固定される場合に限られず、順次ペアを組む相手
バーナを変更するようにしても良い。例えば、図示して
いないが、図１のバーナを単位ユニットとして３ユニッ
ト以上で燃焼システムを構成すると共に燃焼させるバー
ナの台数と燃焼を停止させて排気に利用するバーナの台
数との比率を可変とし、ユニットが固定的な対を組まな
いで順次全ユニットが交互燃焼を繰り返すように燃焼す
るバーナの数よりも排気に利用するバーナの数を多くさ
せても良い。この場合、全てのユニットのバーナが時間
をずらして尚かつ切替の際のパージ時間をできるだけな
くして燃焼するため、広い範囲で非定在火炎を形成しな
がら交互燃焼を成立させることができる。したがって、
図１に示す実施形態の交互燃焼バーナシステムよりも火
炎の非定在化が進み、炉内温度分布がより均一化され
る。また、燃焼量を小さくしても燃焼バーナの数を減ら
すことによってエアスロートから噴出される燃焼用空気
の速度を高速に維持でき、初期混合を良好な状態に維持
すると共に炉内ガスの流動を活発に保持して、すす、フ
リーＯ_２、ＮＯｘの抑制を図りつつ局所的な高温域の発
生を抑制した平坦な炉内温度分布を形成可能とする。こ
こで、燃焼バーナと排気バーナの数が異なっても、供給
空気量と排気量との関係は変わらない。即ち、燃焼バー
ナと排気バーナとの台数比率が１：１であっても１：２
であっても、１行程内でみれば、空気の流れる量も排気
量も変わらない。ただし、燃焼バーナの比率が減ればそ
の分だけ空気時間の比率が減ることとなり、蓄熱体の中
を流れる流体速度は空気のときは速く、排気のときは遅
くなり、冷却の伝熱の方が良好となるため、蓄熱体の効
率は良くなる傾向となる。即ち、加熱空気の温度が上が
り、排気温度が下がる傾向となる。

【００７０】図６〜図８に他の実施形態を示す。この実
施形態は、例えば、本構成条件を大型装置に適用した代
表的な例（高温熱風発生設備）を示すものである。この
バーナ装置には、エアスロート１３と定格運転時に使用
する第２の燃料ノズル１１とが環状に交互に配置され、
全体で１つの大型燃焼機が構成されている。本実施形態
の場合、６箇所の矩形状（扁平な小判型）のエアスロー
ト１３と６本の第２の燃料ノズル１１とが交互に環状に
相互に接近させて設置されることによって１つの大型燃
焼機を構成するようにしている。尚、図中の符号１２は
立ち上げ用のパイロットバーナ付き第１の燃料ノズル、
３１はウィンドボックス、３２は炉内である。

【００７１】このバーナ装置においても、第２の燃料ノ
ズル１１は、エアスロート１３の相当直径ｄｅとエアス
ロート１３を挟む２つの燃料ノズル間隔Ｄpcdとの比ｄ
ｅ／Ｄpcdが０．１〜０．５の範囲で、かつ燃料噴流軸
とエアスロートの長手方向の中心軸上平面との交点とエ
アスロート出口面までの距離Ｌａに対するエアスロート
の相当直径ｄｅの比Ｌａ／ｄｅが１．０〜５．０の範囲
で設定される。

【００７２】そして、燃焼用空気はウィンドボックス３
１に導入され、各蓄熱メディア２を経て各々のエアスロ
ート１３の出口１３ａから炉内へ通常燃焼時の流速また
はこれよりも高流速で噴射され、周辺の第２の燃料ノズ
ル１１から噴射される燃料がエアスロート１３の出口か
らある間隔を隔てた近い位置例えば上述の各範囲を満た
す位置で高速に衝突させられ、急速に混合される。

【００７３】また、図１１〜図１３に他の実施形態を示
す。この実施形態は、燃料ノズルに複数の燃料噴射口
（小孔）あるいは複数の燃料ノズルが、噴射される燃料
噴流同士が空気噴流と衝突する前に衝突するように配置
されて設けられたものである。この場合、燃料噴流同士
が空気噴流と衝突する前に衝突することによって扁平に
広がる噴流が得られることから、空気噴流との接触表面
積が増大する結果、燃焼用空気の低温から高温までの広
い範囲で着火源の安定化がはかられると同時に初期混合
が急速に行われることにより燃焼反応が促進されてフリ
ーＯ_２を極めて少なくしてすすの発生の極小化が実現さ
れる。

【００７４】燃料ノズルは、例えば図１２の（Ａ）及び
（Ｂ）に示すように、少なくとも２箇所の噴射口が、エ
アスロート開口１３ａから等距離に開口されると共に互
いの燃料噴流同士が空気噴流と衝突する前に衝突するよ
うに形成されている。このような燃料ノズル１１が少な
くとも１本、好ましくは２本以上で例えば矩形状の開口
１３ａのエアスロート１３の周りに配置されている。図
１２の実施形態の場合、２本の燃料ノズル１１がエアス
ロート１３を挟むように対向配置されているが、図１２
に示すように４本を対向配置させても良いしそれ以上の
本数を配置しても良い。また、燃料ノズルの少なくとも
２箇所の噴射口は、例えば図１３に示すように、エアス
ロート開口１３ａから異なる距離に開口され、互いの燃
料噴流同士が衝突してから空気噴流と衝突するように形
成されることも可能である。この場合、燃料噴流同士の
衝突によって燃料噴流が空気噴流と平行に膜状に拡が
り、その後に空気噴流と衝突するため、空気噴流との接
触表面積がより一層増大して燃焼用空気の低温から高温
までの広い範囲で着火源の安定化がはかられると同時に
燃焼反応が促進されてフリーＯ_２を極めて少なくしてす
すの発生の極小化が実現される。

【００７５】また、図１４〜図１５に他の実施形態を示
す。この実施形態は、空気噴流が複数本形成され、燃料
噴流と衝突する前に空気噴流同士が衝突するようにされ
たものである。この場合、空気噴流と燃料噴流とが衝突
する前にそれぞれ空気噴流同士並びに燃料噴流同士が衝
突する噴流を形成することによって扁平に広がる複数の
燃料及び燃焼用空気平面状噴流が得られることから、炉
内高温ガスとの接触表面積が単一の燃料及び燃焼用空気
平面状噴流の場合に比べて飛躍的に増大する結果、燃料
及び燃焼用空気噴出部それぞれから極めて短い距離で燃
料及び燃焼用空気が希釈・予熱され（炉温800℃以上の
条件）る。このとき、燃料が高温で、かつ発熱量が充分
に低下し、かつ燃焼用空気が高温で酸素濃度が充分に低
下しているため、その状態で燃料と燃焼用空気が混合し
ても供給空気温度の広い範囲で着火源の安定性および局
所的な高温域が発生しない燃焼形成が図られると同時に
燃焼反応が飛躍的に促進されてフリーＯ_２を極めて少な
くしてすすの発生の極小化が実現される。

【００７６】エアスロート１３は、例えば図１４の
（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、噴射口１３ａが６箇所の
小さな円孔に分割し尚かつ各噴流が独立せずに連なるよ
うに接近させて一列に並べられることによって、実質的
に矩形状のスロート開口から噴射されるのとほぼ同様の
扁平な矩形状の空気噴流を形成するように設けられてい
る。さらに、各円孔１３ａは斜めでかつ１つおきに逆方
向となるように形成され、隣同士の空気噴流が衝突しそ
の後に燃料噴流と衝突するように形成されている。ここ
で燃料噴流は、図示のように空気噴流に対して離れた箇
所で分けられて衝突するように形成されても良いし、図
１１〜図１３に示すように燃料噴流同士が衝突してから
空気噴流と衝突するように形成して燃料噴流と空気噴流
とが衝突する前に空気噴流同士並びに燃料噴流同士が衝
突するように設けるようにしても良い。さらに、燃料ノ
ズル１１の数は特に限定されず、図１５に示すように本
数が多くなるほどに燃料分散効果が顕著となり、着火源
の安定化がはかられると同時に燃焼反応が促進されてフ
リーＯ_２を極めて少なくしてすすの発生の極小化が実現
される。

【００７７】なお、上述の実施形態は本発明の好適な実
施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発
明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能で
ある。例えば、本実施形態では、一対のバーナを交互に
燃焼させる燃焼方法について主に説明したが、これに特
に限定されるものではなく、同一バーナを連続的に燃焼
させる方式の蓄熱バーナ構造とすることも可能である。
即ち、別々に独立したエアスロート１３と排気通路とを
設け、排気通路から連続して炉内ガスを排出する。一
方、エアスロートから高温予熱された燃焼用空気を連続
供給して連続燃焼させることも可能である。この場合、
蓄熱メディアに対して排ガスと燃焼用空気とを連続的に
途切れることなく通過させることが必要となるので、例
えば蓄熱メディアをエアスロート１３の外に配置して回
転させ、あるいは蓄熱メディアに対して排ガス流路と空
気流路とを回転させるかあるいは切り替え、燃焼排ガス
と燃焼用空気とを相対移動する蓄熱メディアに対して異
なる領域・位置で同時に通過させるようにしている。こ
れによって、蓄熱メディアの加熱された部分に空気が流
されて高温に予熱されることとなる。

【００７８】また、本実施形態では、バーナ本体１０内
に蓄熱メディアを内装した蓄熱式バーナを例に挙げて主
に説明したがこれに特に限定されるものではなく、蓄熱
メディアをバーナ本体の外に設置したり、あるいは蓄熱
メディアを介さずに燃焼用空気の供給と燃焼ガスの排気
を行う非蓄熱型のバーナであっても良い。この非蓄熱型
バーナの場合には、炉温が８００℃以上の炉内へ燃料と
燃焼用空気が噴射されることによって、燃料噴流と空気
噴流とが衝突する前に炉内ガスと混合して希釈されると
共に予熱され空気温度を上げる。そのため、供給空気温
度が例えば２００ないし３００℃であっても、燃料噴流
と接触する以前に高温空気燃焼が必要とされる温度即ち
８００℃に容易に達する。

【００７９】また、本実施形態ではフラッパ式三方弁３
を流路切替手段として用いた場合について主に説明した
が、この三方弁に特に限定されるものではなく、その他
の構造の三方弁や、複数の電磁弁の組み合わせや四方弁
などの使用が可能である。また燃料についても、ガス燃
料に限らず、オイル燃料あるいはオイル・ガス燃料を併
用することも可能である。

【００８０】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、請求項
１並びに９記載の発明の無酸化還元燃焼方法及びバーナ
によると、同一流量を真円のスロートから供給する場合
に比べて比表面積が大きな噴流断面を形成するため、周
りの燃焼ガスの空気噴流への拡散が活発となり、噴射直
後から急速に酸素濃度が下がって行き、燃料と衝突する
頃には酸素濃度が十分低くなっていることから、燃料と
空気とが強い乱れを以て急速に混合されても、燃焼用空
気の噴流には酸素濃度の高い部分がなく燃焼域が広がり
局所的な高温域の発生しない平坦な温度分布の火炎が形
成される。しかも、強い乱れを伴う乱流拡散混合により
速やかに混合するため、フリーＯ_２の発生を極めて少な
くしてすすの発生及びＮＯｘの発生を抑えることができ
る。

【００８１】具体的には、図１及び図２に示す蓄熱バー
ナを用いて、例えば１３Ａ都市ガスを燃焼させた場合、
空気比０．８（理論ＣＯ発生湿りガス濃度約３．６％）
炉内温度１，０００℃にて、すすの発生量は０．０６ｇ
／Ｎｍ^３（バッカラッカスモーク指数１）以下に抑えら
れた。同一条件で通常の蓄熱バーナを燃焼させた時のす
すの発生量は０．１３ｇ／Ｎｍ^３（バカラック指数９）
以上となることから、約５４％低減できた。

【００８２】また、本発明によると、従来適用不能であ
った蓄熱バーナを無酸化還元燃焼に適用可能となったの
で、炉出口の排ガス温度を排ガスの酸露点近い温度まで
下げることができ、従来バーナに比べ３０％以上の省エ
ネルギー化が可能となる。また高温空気燃焼によって発
生ＮＯｘ量の低減率も従来型に比べ５０％以下にするこ
とができ、燃焼場での温度分布が非常に平坦化され、品
質を向上させることに加え火炎長も１０〜３０％の短炎
化が可能となる。

【００８３】また、この無酸化還元燃焼バーナ装置によ
ると、大型で、蓄熱バーナ方式に比べ排熱回収率の低い
レキュペレータが不要となり、設備的にも簡素化され
る。全体の設備費としては従来型と同等か若干割高とな
るが、排熱回収率が高いため、ランニングコストを考慮
すると蓄熱バーナ型式が明らかに有利となる。

【００８４】更に、本発明によると、空気と燃料を高速
に混合しつつ、なおかつ火炎中に局所的高温領域が形成
されることのない燃焼が実現される。よって非常に高温
熱風を耐火物許容最高限界近くで効果的に発生させるこ
とが出来る。

【００８５】この燃料と空気との混合は、請求項１０記
載のバーナによって容易に実現される。この範囲内にエ
アスロートと燃料ノズルとが配置される場合、強い乱れ
を伴う乱流拡散混合に必要かつ十分な速度エネルギーを
燃料が有しながら尚かつ燃焼用空気の酸素濃度が十分に
低い状態となって燃料噴流と空気噴流とが衝突させられ
る。また、請求項１０記載の発明によると、空気と燃料
との混合不良を招かずに空気噴流の出口から近い距離で
燃料と空気とを衝突させる燃料ノズル位置が設定でき
る。

【００８６】また、請求項９記載の発明によると、空気
噴流表面積が増加して空気希釈効果をより高めるので、
すす発生を極小化することが可能となる。

【００８７】また、請求項２及び２０記載の無酸化還元
燃焼方法並びにバーナの場合、蓄熱メディアを介して混
合気の自己着火温度以上の高温（排気ガス温度に近い高
温）に予熱された燃焼用空気の酸素濃度を十分に低くし
て強い乱れを伴う乱流拡散混合に必要かつ十分な速度エ
ネルギーを有する燃料と衝突させるようにしているの
で、ＮＯｘの発生を抑えつつ同じ発熱量を少ない燃料量
で得ることができる省エネルギー効果を奏する。即ち、
省エネルギー効果の高い蓄熱バーナを乱流拡散燃焼に適
用することができる。これによって、火炎長を１０〜３
０％程度短くすることが可能となると共に、炉出口の排
ガス温度を排ガスの酸露点近い温度まで下げることがで
き、従来バーナに比べ３０％以上の省エネルギー化が可
能となる。また高温空気燃焼によって発生ＮＯｘ量の低
減率も従来型に比べ５０％以下にすることができ、燃焼
場での温度分布が非常に平坦化される。

【００８８】また、この無酸化還元燃焼用バーナによる
と、大型のレキュペレータを使用する場合に比べて設備
的にも簡素化される。

【００８９】更に、本発明によると、空気と燃料を高速
に混合しつつ、なおかつ火炎中に局所的高温領域が形成
されることのない燃焼が実現される。よって非常に高温
熱風を耐火物許容最高限界近くで効果的に発生させるこ
とが出来る。

【００９０】また、請求項３および１１記載の発明の無
酸化還元燃焼方法及びバーナによると、空気噴流の比表
面積が真円の場合に比べて飛躍的に増加して希釈効果を
一層高めるため、フリーＯ_２を極めて少なくしてすすの
発生の極小化を実現すると共にＮＯｘの発生を更に抑制
できる。

【００９１】また、請求項１２及び１３記載の発明の無
酸化還元燃焼用バーナによると、扁平な矩形スロートの
場合と同様に空気噴流の比表面積が真円の場合に比べて
飛躍的に増加して炉内ガスによる希釈効果を一層高める
ため、強い乱れを伴う初期混合によるフリーＯ_２の極め
て少ない燃焼を可能としながらもＮＯｘの発生が更に抑
制される。

【００９２】また、請求項４及び１５並びに１７記載の
発明の無酸化還元燃焼方法並びにバーナによると、燃料
噴流と空気噴流との接触面積が増大して空気と燃料との
混合を良好なものとし、フリーＯ_２を極めて少なくして
すすの発生の極小化を実現する。

【００９３】また、請求項５および１６並びに１８記載
の発明の無酸化還元燃焼方法及びバーナによると、燃料
噴流同士が空気噴流と衝突する前に衝突することによっ
て扁平に広がる噴流が得られることから、空気噴流との
接触表面積が増大する結果、燃焼用空気の低温から高温
までの広い範囲で着火源の安定化がはかられると同時に
燃焼反応が促進されてフリーＯ_２を極めて少なくしてす
すの発生の極小化を実現する。

【００９４】また、請求項６および１４記載の発明の無
酸化還元燃焼方法及びバーナによると、扁平状の空気噴
流が短い時間・距離で効果的に形成される。このため、
炉内ガスとの接触面積が効果的に増え、炉内ガスで希釈
・予熱され、燃料と混合されると同時に局所高温域を発
生させずに安定して燃焼すると共にフリーＯ_２を極めて
少なくしてすすの発生の極小化を実現する。

【００９５】また、請求項７および１９記載の発明の無
酸化還元燃焼方法及びバーナによると、燃料自体も短い
時間・距離で炉内ガスとの接触面積が効果的に増え、希
釈されて実効発熱量が落ちるため、局所的高温域の発生
を防いでＮＯｘの発生を抑えることできる。

【００９６】また、請求項２２記載の発明の無酸化還元
燃焼用バーナによると、バーナ切換時の給気・排気の送
気遅れ時間及びパージ量を最少化して高速切換を可能と
しているので、燃料噴射のタイムラグをほとんど無くし
消火と同時に対を成す他方のバーナを着火することがで
きる。このため、切換時のフリーＯ_２を極小化できる。
したがって、切替時に酸素濃度が高くなることを防いで
このような事態を絶対に避けたい熱処理においてフリー
Ｏ_２の悪影響を少なくすることが可能となる。

【００９７】また、請求項２１の発明によると、ナゲッ
トやブロックなどを充填した蓄熱体に比べて遙かに低圧
損のため、蓄熱体としての能力を十分に利用した状態で
の高速切換を可能にして熱交換の温度効率を高め、炉内
温度の昇温あるいは降下を短時間で実現を可能とすると
共により高温の予熱空気を供給させて省エネルギー効果
を上げる。しかも、ハニカム構造の蓄熱メディア内を空
気と排ガスとが交互に流れるときに、局所的な乱流域や
低流速がない往復動のため、すすが付着したり堆積する
ことがない。このため長期使用においても蓄熱体の清掃
や交換の必要はなく、メンテナンスが不要である。ま
た、この発明によると、すすの発生に伴う蓄熱メディア
の閉塞や汚れによる性能低下が極めて起り難くい。した
がって、高温空気燃焼の特性を生かしたバーナの構造に
よるすすの発生の極小化、火炎中の局所高温部形成を抑
えることによるＮＯｘ値の抑制及びフリーＯ_２（残存Ｏ
_２）の極小化を可能とする。

【００９８】更に、請求項８並びに２３記載の発明の場
合、空間をより効率的に活用した配置を採ることにより
燃焼装置の大型化の要請に容易に応えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の無酸化還元燃焼方法を実施する無酸化
バーナの一実施形態を示す中央縦断面図である。

【図２】図１のバーナの正面図である。

【図３】図１のバーナの燃焼用空気噴流と燃料噴流との
適切な衝突位置を示す説明図である。

【図４】エアスロートと燃料ノズルの他の実施形態を示
す正面図及び断面図である。

【図５】エアスロートと燃料ノズルの更に他の実施形態
を示す正面図及び断面図である。

【図６】本発明の無酸化還元燃焼方法を実施する無酸化
バーナの他の実施形態を示す中央縦断面図である。

【図７】図６のバーナのエアスロートと燃料ノズルとの
配置関係を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図
である。

【図８】図６のバーナの燃焼用空気噴流と燃料噴流との
衝突関係を示す説明図である。

【図９】従来の層流拡散燃焼法による火炎長さと本発明
の燃焼法による火炎長さとを比較した実験結果を示すグ
ラフである。

【図１０】ＮＯｘ発生量とＬａ／ｄｅ比との関係を空気
比ごとに実験した結果を示すグラフである。

【図１１】エアスロートと燃料ノズルの他の実施形態を
示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は縦断面図である。

【図１２】エアスロートと燃料ノズルの更に他の実施形
態を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は縦断面図であ
る。

【図１３】燃料ノズルの他の実施形態を示す正面図であ
る。

【図１４】エアスロートと燃料ノズルの更に他の実施形
態を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は縦断面図、
（Ｃ）はＡ−Ａ線断面図である。

【図１５】エアスロートと燃料ノズルの更に他の実施形
態を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は縦断面図、
（Ｃ）はＡ−Ａ線断面図である。

【図１６】従来の無酸化燃焼方法を実施する無酸化燃焼
炉の一例を示す概略原理図である。

【図１７】従来の無酸化バーナを示す図で、（Ａ）は縦
断面図、（Ｂ）燃料ノズルと空気ノズルとの配置関係を
示す正面図である。

【符号の説明】

１蓄熱バーナ２蓄熱メディア３フラッパ式三方弁（流体切替手段）４炉１０バーナ本体１１第２の燃料ノズル（燃料ノズル）１３エアスロート１３ａエアスロートの出口ｄｅエアスロートの相当直径１／２Ｄｐｃｄエアスロートの中心から燃料ノズルの
中心までの間隔Ｌａエアスロート出口面から燃料噴流と空気噴流とが
衝突する位置までの間隔

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ２７Ｄ 17/00 １０１Ｆ２７Ｄ 17/00 １０１Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】理論空気量未満の燃焼用空気で無酸化雰
囲気あるいは還元雰囲気を形成する無酸化還元燃焼方法
において、前記燃焼用空気を同一流量を真円のスロート
から供給する場合に比べて比表面積が大きな噴流断面に
して炉温が８００℃以上の炉内へ噴射すると共にこの空
気噴流に向けて燃料を噴射させ、前記燃料噴流がその速
度エネルギーを失う前に前記空気噴流に強い乱れを以て
急速に混合されることを特徴とする無酸化還元燃焼方
法。
【請求項２】前記燃焼用空気は蓄熱メディアを介して
排気される燃焼排ガスの熱を回収して前記燃焼排ガスの
温度に近い高温に予熱されてから供給されるものである
ことを特徴とする請求項１記載の無酸化還元燃焼方法。
【請求項３】前記燃焼用空気は、全体として扁平で肉
厚の薄い噴流に形成されることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の無酸化還元燃焼方法。
【請求項４】前記燃料は、少なくとも２つ以上の噴射
口から分けて噴射され、比表面積を大きくした空気噴流
に対して広い面積で衝突させられて当該燃料が強い乱れ
を以て前記空気噴流と急速に混合されることを特徴とす
る請求項１から３のいずれかに記載の無酸化還元燃焼方
法。
【請求項５】前記燃料噴流が複数本形成され、前記空
気噴流と衝突する前に前記燃料噴流同士が衝突すること
を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の無酸化
還元燃焼方法。
【請求項６】前記空気噴流が複数本形成され、前記燃
料噴流と衝突する前に前記空気噴流同士が衝突すること
を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の無酸化
還元燃焼方法。
【請求項７】前記燃料噴流並びに空気噴流が複数本形
成され、かつ前記燃料噴流と前記空気噴流とが衝突する
前に前記空気噴流同士並びに前記燃料噴流同士が衝突す
ることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の
無酸化還元燃焼方法。
【請求項８】炉内で衝突する前記燃焼噴流と空気噴流
との組を複数組形成して大型燃焼場を形成することを特
徴とする請求項１から７のいずれかに記載の無酸化還元
燃焼方法。
【請求項９】理論空気量未満の燃焼用空気で無酸化あ
るいは還元燃焼させるバーナにおいて、同一流量の前記
燃焼用空気を真円のスロートから供給する場合に比べて
比表面積が大きな噴流断面を形成して全量の前記燃焼用
空気を炉温が８００℃以上の炉内へ噴出するエアスロー
トと、前記エアスロートの噴射口からある距離を隔てた
位置で尚かつ前記空気噴流と速度エネルギーを失う前に
燃料噴流を衝突させるべく燃料を炉内へ噴射する燃料ノ
ズルとを備えることを特徴とする無酸化還元燃焼用バー
ナ。
【請求項１０】前記エアスロートの開口の相当直径ｄ
ｅと前記エアスロートの中心から前記燃料ノズルの中心
までの間隔１／２Ｄpcdとの比ｄｅ／Ｄpcdが０．１〜
０．５の範囲であり、かつ燃料噴流軸と前記エアスロー
トの長手方向の中心軸上平面との交点と前記エアスロー
トの出口面までの距離Ｌａに対する前記エアスロートの
相当直径ｄｅの比Ｌａ／ｄｅが１．０〜５．０の範囲で
燃料を噴射することを特徴とする請求項９記載の無酸化
還元燃焼用バーナ。
【請求項１１】前記エアスロートは、扁平な矩形状の
開口を有することを特徴とする請求項９または１０記載
の無酸化還元燃焼用バーナ。
【請求項１２】前記エアスロートは複数の小孔に分割
することによって、比表面積を増加できたことを特徴と
する請求項９または１０記載の無酸化還元燃焼用バー
ナ。
【請求項１３】前記エアスロートは、複数の小孔に分
割されて各噴流が独立せずに連なるように列状に配置さ
れ全体として扁平な断面形状の噴流を形成することを特
徴とする請求項９または１０記載の無酸化還元燃焼用バ
ーナ。
【請求項１４】前記複数の小孔は、前記燃料噴流と衝
突する前に前記空気噴流同士が衝突する噴流を形成する
ものであることを特徴とする請求項１２または１３記載
の無酸化還元燃焼用バーナ。
【請求項１５】前記燃料ノズルは、少なくとも２つの
噴射口を有し、比表面積が大きくなった空気噴流に対し
て広い面積で燃料を衝突させることを特徴とする請求項
９から１４のいずれかに記載の無酸化還元燃焼用バー
ナ。
【請求項１６】前記燃料ノズルは少なくとも２つの噴
口を有し、各噴口から噴出される燃料噴流同士が前記空
気噴流と衝突する前に衝突する噴流を形成するものであ
ることを特徴とする請求項９から１４のいずれかに記載
の無酸化還元燃焼用バーナ。
【請求項１７】前記燃料ノズルは、空気噴流を囲むよ
うに複数配置されていることを特徴とする請求項９から
１６のいずれかに記載の無酸化還元燃焼用バーナ。
【請求項１８】前記複数本の燃料ノズルは、空気噴流
と衝突する前に燃料噴流同士が衝突する噴流を形成する
ものであることを特徴とする請求項１７記載の無酸化還
元燃焼用バーナ。
【請求項１９】空気噴流並びに燃料噴流が複数本形成
され、かつ前記空気噴流と前記燃料噴流とが衝突する前
にそれぞれ前記空気噴流同士並びに前記燃料噴流同士が
衝突する噴流を形成することを特徴とする請求項９から
１８のいずれかに記載の無酸化還元燃焼用バーナ。
【請求項２０】前記エアスロートには蓄熱メディアと
該蓄熱メディアに対し燃焼排ガスと燃焼用空気とを交互
に導く流路切替手段とを備え、前記蓄熱体を通して燃焼
排ガス温度に近い高温に予熱された前記燃焼用空気を炉
内へ向けて噴射させることを特徴とする請求項９から１
９のいずれかに記載の無酸化還元燃焼用バーナ。
【請求項２１】セラミックハニカムを前記蓄熱メディ
アとして内蔵したことを特徴とする請求項２０記載の無
酸化還元燃焼用バーナ。
【請求項２２】前記蓄熱メディアは前記エアスロート
に内蔵されると共に、前記流路切替手段は前記エアスロ
ートを構成するバーナ本体に直結し、前記蓄熱メディア
の直近で燃焼用空気と排ガスとの切替えを行うことを特
徴とする請求項２０または２１記載の無酸化還元燃焼用
バーナ。
【請求項２３】複数組の前記エアスロートと前記燃料
ノズルとを設置して大型燃焼機を構成することを特徴と
する請求項９から２２のいずれかに記載の無酸化還元燃
焼用バーナ。