JP2004093115A - 多段式管状火炎バーナ及びその燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】管状の燃焼室内に管状の火炎を形成させる管状火炎バーナにおいて、より広い燃焼負荷範囲で安定した燃焼を可能とする管状火炎バーナ及びその燃焼制御方法を提供する。
【解決手段】内径の大きい大径管状火炎バーナ２の後に、内径の小さい小径管状火炎バーナ３を直列に連結して一体の管状火炎バーナとした多段式管状火炎バーナ１となっている。そして、燃焼負荷に応じて、大径管状火炎バーナ２と小径管状火炎バーナ３の内から使用する管状火炎バーナを選択するようにしている。
【選択図】図１

Description

　本発明は、炉や燃焼器に備えるバーナに関するものである。

　炉や燃焼器に備えるバーナとして、一端が開放された管状の燃焼室を有し、この燃焼室の閉塞端部近傍に燃料ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルが、前記燃焼室の内周面の接線方向に向けて設けられている管状火炎バーナが示されている（例えば、特許文献１参照。）。

　この管状火炎バーナは、高速の旋回流中で安定な火炎がバーナ内に形成されるので、燃焼設備の小型化が達成されると共に、燃焼火炎の温度のバラツキが小さく、局所的な高温領域が形成されにくい上に、酸素比又は空気比を下げても安定燃焼ができるので、ＮＯｘなどの有害物質、炭化水素等の未燃焼分、煤煙といった環境汚染源を低減することができるバーナである。
特開平１１−２８１０１５号公報

　しかし、上記の管状火炎バーナにおいては、以下のような問題がある。

　すなわち、上記の管状火炎バーナでは、管状の火炎を形成させるため、管状の燃焼室に設けられた管軸方向のスリットに、管軸方向に偏平させた供給ノズルを接続し、接線方向に吹き込み強旋回をかけながら、燃料ガス及び酸素含有ガスを管状の燃焼室に吹き込んでいる。そのため、スリット部での圧力損失が相対的に高くなるという問題がある。つまり、通常、燃料ガス及び酸素含有ガスの供給元圧が一定に決まっているため、燃焼負荷を増加させる場合、燃料ガス及び酸素含有ガスの流量を増加させる必要があるが、その吹き込み速度の２乗に比例してスリット部の圧力損失も増加し、さほど燃焼負荷を増加させることができない。

　また、スリット部の圧力損失を低減させるためにスリット断面積を大きめにとると、小さな燃焼負荷に対応するために燃料ガス及び酸素含有ガスの流量を減らしたときに、燃焼室内周面に対する接線方向の燃料ガス及び酸素含有ガスの吹き込み速度が著しく低下し、管状の火炎を形成させることができず、逆に、ＮＯｘ・煤煙等の発生量が増加するという欠点があった。

　このように、従来の管状火炎バーナにおいては、燃焼負荷の増減に対応して、燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量を増減させると、管状火炎を形成するために必要な火炎形成最小流速と圧力損失から決まる許容最大流速の間の適正な吹き込み速度が得られない場合があり、広い燃焼負荷範囲で安定した燃焼を行うことが難しく、対応可能な燃焼負荷範囲は限定されたものとなっていた。

　本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、管状の燃焼室内に管状の火炎を形成させる管状火炎バーナにおいて、より広い燃焼負荷範囲で安定した燃焼を可能とする管状火炎バーナ及びその燃焼制御方法を提供することを目的とするものである。

　上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

　［１］先端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した、燃料と酸素含有ガスを別々にあるいは予混合して吹き込むノズルを備え、各ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナを複数個用いて、燃焼室の内径の大きい管状火炎バーナの後端に、それより燃焼室の内径の小さい管状火炎バーナの先端を連結するようにして一体の管状火炎バーナとしたことを特徴とする多段式管状火炎バーナ。

　［２］前記［１］に記載の多段式管状火炎バーナの燃焼制御方法であって、燃焼負荷に応じて、前記多段式管状火炎バーナを構成する個々の管状火炎バーナの内から、使用する管状火炎バーナを選択して燃焼することを特徴とする多段式管状火炎バーナの燃焼制御方法。

　本発明を用いれば、燃焼負荷の増減に対応して、多段になった管状火炎バーナから適切な管状火炎バーナを選択して使用することができるので、より広い燃焼負荷範囲で安定した燃焼を行うことが可能となる。

　本発明の一実施形態を図１〜図４に示す。図１は、この実施形態に用いる多段式管状火炎バーナの側面図、図２（ａ）は、図１におけるＡ−Ａ矢視の断面図、図２（ｂ）は、図１におけるＢ−Ｂ矢視の断面図である。図３、図４は、この実施形態に係る多段式管状火炎バーナの燃焼制御方法の説明図である。

　図１において、１がこの実施形態に係る多段式管状火炎バーナであり、内径の大きい大径管状火炎バーナ２の後に、内径の小さい小径管状火炎バーナ３を直列に連結して一体の管状火炎バーナとした構造になっている。

　大径管状火炎バーナ２は、図１及び図２（ａ）に示すように、先端１０ａが開放されて燃焼ガスの排出口になっている管状の燃焼室１０と、燃焼室１０に燃料ガスと酸素含有ガスを別々に吹き込むためのノズル１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを有している。そして、燃焼室１０の後端１０ｂ近傍に、燃焼室１０へのノズル噴射口として管軸方向に沿った細長いスリット１２が燃焼室１０の同一円周上の４個所に形成されており、それぞれのスリット１２に、管軸方向に細長い偏平形状のノズル１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが接続されている。それぞれのノズル１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの噴射方向は、燃焼室１０の内周面の接線方向でかつ同一回転方向になるように設けられている。それら４個のノズルの内、ノズル１１ａとノズル１１ｃの２個は燃料ガス吹き込みノズルであり、ノズル１１ｂとノズル１１ｄの２個は酸素含有ガス吹き込みノズルである。

　燃料ガス吹き込みノズル１１ａ、１１ｃからは燃料ガスが燃焼室１０の内周面の接線方向に向かって高速で吹き込まれ、酸素含有ガス吹き込みノズル１１ｂ、１１ｄからは酸素含有ガスが燃焼室１０の内周面の接線方向に向かって高速で吹き込まれ、燃焼室１０の内周面に近い領域で燃料ガスと酸素含有ガスが効率良く混合されながら旋回流が形成されるようになっている。その旋回流となった混合ガスに点火プラグ又はパイロットバーナ等の点火装置（図示せず）によって点火すると、燃焼室１０内に管状の火炎が生成される。そして、その燃焼ガスは、燃焼室１０の先端１０ａから排出される。

　一方、小径管状火炎バーナ３は、図１及び図２（ｂ）に示すように、先端１３ａが大径管状火炎バーナ２の後端１０ｂに接続して燃焼ガスの排出口になっている管状の燃焼室１３と、燃焼室１３に燃料ガスと酸素含有ガスを別々に吹き込むためのノズル１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを有している。そして、燃焼室１３の後端１３ｂ近傍に、燃焼室１３へのノズル噴射口として管軸方向に沿った細長いスリット１５が燃焼室１３の同一円周上に４個所に形成されており、それぞれのスリット１５に、管軸方向に細長い偏平形状のノズル１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが接続されている。それぞれのノズル１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの噴射方向は、燃焼室１３の内周面の接線方向でかつ同一回転方向になるように設けられている。それら４個のノズルの内、ノズル１４ａとノズル１４ｃの２個は燃料ガス吹き込みノズルであり、ノズル１４ｂとノズル１４ｄの２個は酸素含有ガス吹き込みノズルである。

　なお、大径管状火炎バーナ２の燃焼室１０の内径が大きいことに対応して、大径管状火炎バーナ２のスリット１２の開口面積の方が、小径管状火炎バーナ３のスリット１５の開口面積に比べて大きくなっている。

　燃料ガス吹き込みノズル１４ａ、１４ｃからは燃料ガスが燃焼室１３の内周面の接線方向に向かって高速で吹き込まれ、酸素含有ガス吹き込みノズル１４ｂ、１４ｄからは酸素含有ガスが燃焼室１３の内周面の接線方向に向かって高速で吹き込まれ、燃焼室１３の内周面に近い領域で燃料ガスと酸素含有ガスが効率良く混合されながら旋回流が形成されるようになっている。その旋回流となった混合ガスに点火プラグ又はパイロットバーナ等の点火装置（図示せず）によって点火すると、燃焼室１３内に管状の火炎が生成される。そして、その燃焼ガスは、燃焼室１３の先端１３ａから大径管状火炎バーナ２の燃焼室１０を経由して先端１０ａから排出される。

　なお、上記の酸素含有ガスは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を供給するガスを指している。

　そして、図３に示すように、大径管状火炎バーナ２の燃料ガス吹き込みノズル１１ａ、１１ｃへ燃料ガスを供給する配管中には、ノズル１１ａ、１１ｃへの燃料ガスの供給を入り切りする開閉弁１６ａが設けられており、大径管状火炎バーナ２の酸素含有ガス吹き込みノズル１１ｂ、１１ｄへ酸素含有ガスを供給する配管中には、ノズル１１ｂ、１１ｄへの酸素含有ガスの供給を入り切りする開閉弁１６ｂが設けられている。したがって、この開閉弁１６ａ、１６ｂの開閉によって、大径管状火炎バーナ２の使用と停止を切り替えることができる。

　また、小径管状火炎バーナ３の燃料ガス吹き込みノズル１４ａ、１４ｃへ燃料ガスを供給する配管中には、ノズル１４ａ、１４ｃへの燃料ガスの供給を入り切りする開閉弁１７ａが設けられており、小径管状火炎バーナ３の酸素含有ガス吹き込みノズル１４ｂ、１４ｄへ酸素含有ガスを供給する配管中には、ノズル１４ｂ、１４ｄへの酸素含有ガスの供給を入り切りする開閉弁１７ｂが設けられている。したがって、この開閉弁１７ａ、１７ｂの開閉によって、小径管状火炎バーナ３の使用と停止を切り替えることができる。

　そして、開閉弁１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂの開閉を制御するための供給制御装置２０が設けられており、その開閉制御によって、使用する管状火炎バーナを選択できるようになっている。

　また、燃料ガスを供給する配管中には、燃料ガス吹き込みノズル１１ａ、１１ｃ、１４ａ、１４ｃに供給する燃料ガスの全体流量を調整するための燃料ガス流量調整弁１８が設けられており、酸素含有ガスを供給する配管中には、酸素含有ガス吹き込みノズル１１ｂ、１１ｄ、１４ｂ、１４ｄに供給する酸素含有ガスの全体流量を調整するための酸素含有ガス流量調整弁１９が設けられている。燃料ガス流量調整弁１８と酸素含有ガス流量調整弁１９は供給制御装置２０によって制御され、供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの全体流量を調整するようになっている。

　なお、燃料ガス及び酸素含有ガスの全体供給流量は、燃料ガスの流量計２１と酸素含有ガスの流量計２２によって測定されており、その測定値は供給制御装置２０に送られ、燃料ガス流量調整弁１８及び酸素含有ガス流量調整弁１９の開度調整に利用されるようになっている。

　上記のように構成された多段式管状火炎バーナ１の燃焼制御方法を図３、図４を用いて説明する。

　この多段式管状火炎バーナの燃焼制御方法では、燃焼負荷に応じて、大径管状火炎バーナ２と小径管状火炎バーナ３の内から、使用する管状火炎バーナを選択するようにしている。

　すなわち、大径管状火炎バーナ２と小径管状火炎バーナ３は、それぞれ、吹き込み速度が管状火炎を形成するために必要な火炎形成最小流速となる供給流量と、圧力損失から決まる許容最大流速となる供給流量の範囲に対応した燃焼負荷の範囲が、燃焼可能範囲となるが、小径管状火炎バーナ３は、燃焼室の内径が小さく、スリットの開口面積も小さいことから、比較的小さな燃焼負荷の範囲が燃焼可能範囲となり、大径管状火炎バーナ２は、内径が大きく、スリットの開口面積も大きいことから、比較的大きい燃焼負荷の範囲が燃焼可能範囲となる。

　したがって、燃焼負荷が小さい内は、小径管状火炎バーナ３を使用し、燃焼負荷が大きくなると、大径管状火炎バーナ２を使用し、さらに燃焼負荷が大きくなると、大径管状火炎バーナ２と小径管状火炎バーナ３を併用する。

　これによって、この実施形態においては、単体の管状火炎バーナでは困難な広い燃焼負荷範囲での安定した燃焼が可能となる。

　次に、本発明の他の実施形態を、図５を用いて説明する。

　前述の実施形態においては、図３に示したように、大径管状火炎バーナ２又は／及び小径管状火炎バーナ３に供給する燃料ガスの全体流量と酸素含有ガスの全体流量を調整するようにしているのに対して、この実施形態においては、さらに、供給する燃料ガスの流量と酸素含有ガスの流量を大径管状火炎バーナ２と小径管状火炎バーナ３に対して別個に調整できるようにしている。

　すなわち、図５に示すように、まず、大径管状火炎バーナ２に燃料ガスを供給する配管中には、燃料ガス吹き込みノズル１１ａ、１１ｃに供給する燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整弁１８ａが設けられており、大径管状火炎バーナ２に酸素含有ガスを供給する配管中には、酸素含有ガス吹き込みノズル１１ｂ、１１ｄに供給する酸素含有ガスの流量を調整するための酸素含有ガス流量調整弁１９ａが設けられている。燃料ガス流量調整弁１８ａと酸素含有ガス流量調整弁１９ａは供給制御装置２０ａによって制御され、大径管状火炎バーナ２に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの流量を調整できるようになっている。燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量は、燃料ガスの流量計２１ａと酸素含有ガスの流量計２２ａによって測定されており、その測定値は供給制御装置２０ａに送られ、燃料ガス流量調整弁１８ａ及び酸素含有ガス流量調整弁１９ａの開度調整に利用されるようになっている。

　同様に、小径管状火炎バーナ３に燃料ガスを供給する配管中には、燃料ガス吹き込みノズル１４ａ、１４ｃに供給する燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス流量調整弁１８ｂが設けられており、小径管状火炎バーナ３に酸素含有ガスを供給する配管中には、酸素含有ガス吹き込みノズル１４ｂ、１４ｄに供給する酸素含有ガスの流量を調整するための酸素含有ガス流量調整弁１９ｂが設けられている。燃料ガス流量調整弁１８ｂと酸素含有ガス流量調整弁１９ｂは供給制御装置２０ｂによって制御され、小径管状火炎バーナ３に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの流量を調整できるようになっている。燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量は、燃料ガスの流量計２１ｂと酸素含有ガスの流量計２２ｂによって測定されており、その測定値は供給制御装置２０ｂに送られ、燃料ガス流量調整弁１８ｂ及び酸素含有ガス流量調整弁１９ｂの開度調整に利用されるようになっている。

　そして、大径管状火炎バーナ２の供給制御装置２０ａと小径管状火炎バーナ３の供給制御装置２０ｂと連携して、燃料ガス及び酸素含有ガスの全体供給流量を調整できるようになっている。

　上記のように構成された多段式管状火炎バーナの燃焼を行う場合には、燃焼負荷が小さい内は、大径管状火炎バーナ２の燃料ガス流量調整弁１８ａ及び酸素含有ガス流量調整弁１９ａの開度を零にして、小径管状火炎バーナ３の燃料ガス流量調整弁１８ｂ及び酸素含有ガス流量調整弁１９ｂの開度を燃焼負荷に応じて調整し、燃焼負荷が大きくなると、小径管状火炎バーナ３の燃料ガス流量調整弁１８ｂ及び酸素含有ガス流量調整弁１９ｂの開度を零にして、大径管状火炎バーナ２の燃料ガス流量調整弁１８ａ及び酸素含有ガス流量調整弁１９ａの開度を燃焼負荷に応じて調整する。さらに燃焼負荷が大きくなると、零にしていた小径管状火炎バーナ３の燃料ガス流量調整弁１８ｂ及び酸素含有ガス流量調整弁１９ｂの開度を開けて、燃焼負荷に応じて、大径管状火炎バーナ２の燃料ガス流量調整弁１８ａ及び酸素含有ガス流量調整弁１９ａの開度と、小径管状火炎バーナ３の燃料ガス流量調整弁１８ｂ及び酸素含有ガス流量調整弁１９ｂの開度をそれぞれ調整する。

　これによって、この実施形態においても、単体の管状火炎バーナでは困難な広い燃焼負荷範囲での安定した燃焼が可能となる。

　なお、これまでに述べた実施形態では、２個の管状火炎バーナを連結しているが、必要に応じて３個以上の管状火炎バーナを連結しても良い。

　また、これまでに述べた実施形態では、燃料ガス吹き込みノズル及び酸素含有ガス吹き込みノズルを、噴射方向が燃焼室内周面の接線方向に一致するように設けているが、必ずしも燃焼室内周面の接線方向に一致する必要はなく、燃焼室にガスの旋回流を形成できる程度に、噴射方向が燃焼室内周面の接線方向から外れていても良い。

　また、これまでに述べた実施形態では、燃焼室への噴射口として管軸方向に沿ってスリットを設け、そのスリットに偏平形状の燃料ガス吹き込みノズル及び酸素含有ガス吹き込みノズルを接続しているが、燃焼室への噴射口として複数の小孔を管軸方向に配し、その小孔列に燃料ガスあるいは酸素含有ガスを吹き込むためのノズルを接続するようにしても良い。

　また、これまでに述べた実施形態では、燃料ガスと酸素含有ガスを別々に吹き込んでいるが、燃料ガスと酸素含有ガスを予混合して吹き込んでも良い。

本発明の一実施形態に係る多段式管状火炎バーナの側面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の一実施形態に係る多段式管状火炎バーナの燃焼制御方法の説明図である。 本発明の一実施形態に係る多段式管状火炎バーナの燃焼制御方法の説明図である。 本発明の他の実施形態の説明図である。

符号の説明

　１　多段式管状火炎バーナ
　２　大径管状火炎バーナ
　３　小径管状火炎バーナ
　１０　大径管状火炎バーナの燃焼室
　１０ａ　大径管状火炎バーナの燃焼室の先端
　１０ｂ　大径管状火炎バーナの燃焼室の後端
　１１ａ、１１ｃ　燃料ガス吹き込みノズル
　１１ｂ、１１ｄ　酸素含有ガス吹き込みノズル
　１２　スリット
　１３　小径管状火炎バーナの燃焼室
　１３ａ　小径管状火炎バーナの燃焼室の先端
　１３ｂ　小径管状火炎バーナの燃焼室の後端
　１４ａ、１４ｃ　燃料ガス吹き込みノズル
　１４ｂ、１４ｄ　酸素含有ガス吹き込みノズル
　１５　スリット
　１６ａ　燃料ガスの開閉弁
　１６ｂ　酸素含有ガスの開閉弁
　１７ａ　燃料ガスの開閉弁
　１７ｂ　酸素含有ガスの開閉弁
　１８、１８ａ、１８ｂ　燃料ガスの流量調整弁
　１９、１９ａ、１９ｂ　酸素含有ガスの流量調整弁
　２０、２０ａ、２０ｂ　供給制御装置
　２１、２１ａ、２１ｂ　燃料ガスの流量計
　２２、２２ａ、２２ｂ　酸素含有ガスの流量計

Claims (2)

1. 　先端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した、燃料と酸素含有ガスを別々にあるいは予混合して吹き込むノズルを備え、各ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナを複数個用いて、燃焼室の内径の大きい管状火炎バーナの後端に、それより燃焼室の内径の小さい管状火炎バーナの先端を連結するようにして一体の管状火炎バーナとしたことを特徴とする多段式管状火炎バーナ。
2. 　請求項１に記載の多段式管状火炎バーナの燃焼制御方法であって、燃焼負荷に応じて、前記多段式管状火炎バーナを構成する個々の管状火炎バーナの内から、使用する管状火炎バーナを選択して燃焼することを特徴とする多段式管状火炎バーナの燃焼制御方法。

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