JP2004093118A - 管状火炎バ−ナ - Google Patents

Abstract

【課題】　管状火炎バ−ナに使用する燃料ガスの燃焼可能範囲を広くする。
【解決手段】　一端が開放された管状の燃焼室１と、ノズル噴射口が前記燃焼室１の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズル４を備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズル４の噴射方向が燃焼室１内周面の略接線方向と一致している管状火炎バ−ナにおいて、前記燃焼室１の長さを管状火炎が形成される長さよりも長くするとともに、燃焼室１を内径が燃焼室１の外径よりも大きい外筒２で覆い、かつ該外筒２の燃焼ガス排出側に近い位置に供給口６を、燃料ガス供給側に近い位置に排出口７を設け、燃焼室１の外面と外筒２の内面との間を前記吹き込みノズル４に供給する前の燃料ガスまたは酸素含有ガスの通路３とすることにより、燃料ガスまたは酸素含有ガスの予熱を行なうことを特徴とする管状火炎バ−ナ。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、工業用炉や燃焼器に使用する燃焼用のバ−ナ、特に管状火炎バ−ナに関する。

　工業的に使用されるガスバ−ナは、従来バ−ナの先端より前方で火炎が形成される形式のものが一般的である。このようなバ−ナにおいては、燃料通路により供給される燃料と空気通路により供給される燃焼用空気とは、ノズルからバ−ナ前方に噴出され、噴出された空気と燃料とにより乱流場が形成される。

　したがって、燃焼火炎も乱流となるため、部分的な消炎が発生する。このような部分的な消炎は、燃焼不安定化の要因となるので、このような現象ができるだけ起きないように、燃料固有の発熱量、燃焼速度に応じて、燃焼が流体力学的かつ熱的に安定して行なわれるように、ノズル流速が最適となるようなノズル設計が行なわれる。

　このため、ノズル設計の対象となった燃料の燃焼は安定的に行なわれるが、他の燃料では燃焼が不安定となる。

　さらに、燃焼反応は、常時ある体積を持った火炎の中で行なわれるため、反応に必要とする時間も長くなり、ＮＯｘやススが生成される時間的余裕も大きくなる。そして、局所的な高温部および低温部が存在することから、高温部ではＮＯｘ、低温部ではススが発生しやすい。

　このような従来のバ−ナに対して、火炎を燃焼室内で形成させることのできる管状火炎バ−ナが、特許文献１に開示されている。図２は従来の管状火炎バ−ナを示す説明図であり、（ａ）は管状火炎バ−ナの構成図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。この管状火炎バ−ナは、管状の燃焼室２１を有しており、一端は開放端で燃焼排ガスの排出口になっている。そして、他端部には管軸方向に沿って長いスリットが形成されており、このスリットに接続させて燃料ガスと酸素含有ガスを別々に吹き込むノズル２２が設けられている。

　ノズル２２は燃焼室２１の内壁面の略接線方向に向けて設けられており、燃料ガスと酸素含有ガスの吹き込みによって、燃焼室２１内に旋回流が形成されるようになっている。又、ノズル２２は先端部の形状が偏平で、かつその開口面積が縮小されており、燃料ガスおよび酸素含有ガスが高速で吹き込まれるようなになっている。２３は点火プラグである。

　上記の構成によるバーナにおいて、ノズル２２から吹き込まれて旋回流が形成された燃料ガスと酸素含有ガスとの混合気に点火すると、燃焼室２１内のガスが密度差によって、遠心力により成層化され、火炎の両側に密度の異なるガス層ができる。すなわち、旋回速度の小さい燃焼室２１の軸心側には密度の小さい高温の燃焼排ガスが存在し、旋回速度の大きい燃焼室２１の内壁側には密度の高い未燃焼のガスが存在するようになる。

　又、内壁近傍では、中心へ向かう速度が火炎伝播速度を上回っているため、火炎は内壁近傍にとどまることはできない。このため、燃焼室２１内には火炎が管状の形になって生成される。２４は管状の火炎を示す。又、燃焼室２１の内壁付近には未燃焼の低温ガスが境界層の状態で存在しているので、燃焼室２１の壁面が直接的な伝熱により高温に加熱されることはない。そして、燃焼室２１内のガスは旋回しながら下流側へ流れるが、その間、内壁側のガスが順次燃焼して軸心側へ移動し、開放端部から排出される。

　上記の構成によるバーナには、次のような利点がある。燃料ガス成分が非常に希薄または遅流の状態になる条件でも燃焼させることができるので、バーナ自身の安定燃焼範囲が広がる。

　燃焼排ガスの温度のバラツキが小さく、燃焼時に局部的な高温部が発生しないことや、反応時間が非常に短くなる等の理由により、ＮＯｘなどの有害物質の生成量が少ない。

　反応時間が非常に短くなること、かつ局所的な低温領域ができないことから、炭化水素などの未燃焼分の残留量が極めて少なくなく、ススの生成も抑制される。
特開平１１−２８１０１５号公報

　しかしながら、上述した従来の管状火炎バ−ナは、高カロリ−燃料から低カロリ−燃料まで燃焼でき、安定燃焼範囲の広いバ−ナであるとはいえ、より低カロリ−燃料の燃焼を可能にして、適用範囲を広げていくためには、さらなる改良が必要である。

　この発明は、燃料の燃焼性を向上させることができるので、従来の管状火炎バ−ナ以上に燃焼適用範囲を広げることのできる管状火炎バ−ナを提供することを目的としている。

　本発明に係る管状火炎バ−ナは、一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吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の略接線方向と一致している管状火炎バ−ナにおいて、前記燃焼室を内径が燃焼室の外径よりも大きい外筒で覆い、燃焼室の外面と外筒の内面との間を前記吹き込みノズルに供給する前の燃料ガスまたは酸素含有ガスの通路とすることにより、燃料ガスまたは酸素含有ガスの予熱を行なうものである。

　この発明に係る管状火炎バ−ナにおいては、燃焼室の長さを管状火炎が形成される長さよりも長くしているので、火炎先端部では燃焼が終了して、未燃の低温断熱層が無くなることから、比較的低温に保たれていた燃焼室内壁の温度が上昇しようとする。

　しかし、燃焼室の外面と外筒の内面との間を前記吹き込みノズルに供給する前の燃料ガスまたは酸素含有ガスの通路としているので、燃料ガスまたは酸素含有ガスは高温の燃焼室外面に接触して予熱され、バ−ナの燃焼性を向上させることができるとともに、燃焼室外面は常温の燃料ガスまたは酸素含有ガスにより冷却されるので、燃焼室の耐久性にも問題はない。

　なお、燃料とは、気体燃料、液体燃料を予めガス化したもの、液体燃料を空気又は蒸気で霧化したもの、窒素等で気送される微粒の固体燃料等である。

　また、酸素含有ガスとは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガス等の燃焼用の酸素を供給するガスを指すものである。

　本発明により、燃焼性を高めることができ、従来燃焼させることのできなかった低発熱量の燃料でも燃焼させることができるので、燃焼可能な燃料の範囲を広げることができる。

　本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の管状火炎バ−ナの説明図であり、（ａ）は管状火炎バ−ナの構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。

　この管状火炎バ−ナは、一端が開放された管状の燃焼室１と、ノズル噴射口が前記燃焼室１の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズル４を備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズル４の噴射方向が、燃焼室１内周面の略接線方向と一致している管状火炎バ−ナにおいて、前記燃焼室１の長さを管状火炎が形成される長さよりも長くするとともに、燃焼室１を内径が燃焼室１の外径よりも大きい外筒２で覆い、燃焼室１の外面と外筒２の内面との間を前記吹き込みノズルに供給する前の燃料ガスまたは酸素含有ガスの通路３としたものである。

　燃焼室１の一端は開放端で燃焼排ガスの排出口になっている。そして、燃焼室１の他端部には管軸方向に沿って長いスリットが形成されており、このスリットに燃料ガスと酸素含有ガスを別々に吹き込むノズル４が接続されている。

　ノズル４は燃焼室１の内周面の略接線方向に向けて設けられており、燃料ガスと酸素含有ガスの吹き込みによって、燃焼室１内に旋回流が形成されるようになっている。又、ノズル４は先端部の形状が偏平で、かつその開口面積が縮小されており、燃料ガスおよび酸素含有ガスが高速で吹き込まれるようなになっている。５は点火プラグである。

　外筒２は先後端とも閉塞端となっており、外筒２の先端側に接続した配管６を通して、燃焼ガスまたは酸素含有ガスを、燃焼室１と外筒２で形成される空間３に供給することができるようになっている。

　外筒２の後端側には、前記ノズル４に接続される配管７が接続されており、予熱された燃料ガスまたは酸素含有ガスを、ノズル４に導入するようになっている。なお、上記のようにして、燃料ガスを予熱して供給するときには、設置されているノズル４の半分には予熱しない酸素含有ガスが供給され、酸素含有ガスを予熱してから供給するときには、設置されているノズル４の半分には予熱しない燃料ガスが供給される。

　本発明の管状火炎バ−ナは、燃料ガスまたは酸素含有ガスを予熱してから燃焼室１に供給する部分の構造以外は、図２により説明した従来の管状火炎バ−ナと同じ構造をしているので、燃焼の原理は従来の管状火炎バ−ナと同じであるので、その詳細説明は省略する。

　本発明の管状火炎バ−ナにおいては、燃焼室の長さを管状火炎が形成される長さよりも長くしている。したがって、燃焼室の先端部分は燃焼ガスにより高温になるが、常温の燃料ガスまたは酸素含有ガスで冷却しているので、バ−ナが熱で損傷されることはなく、バ−ナの寿命を延ばすことができる。また、燃料ガスまたは酸素含有ガスを予熱しているので、燃焼性を高めることができ、燃焼可能な燃料の範囲を広げることができる。

　本発明の二重円筒式の管状火炎バ−ナの効果を確認するために、低発熱量の燃料を使用した燃焼試験を行なった。なお、比較例として、従来の一重円筒式の管状火炎バ−ナを使用した燃焼試験（燃焼用空気または燃料の予熱なし）も合わせて行なった。低発熱量の燃料としては、高炉ガス（ＢＦＧ）単体および高炉ガスにＮ₂ ガスやコ−クス炉ガス（ＣＯＧ）を混入させて、高炉ガスよりも低発熱量とした混合ガスを使用した。その結果を表１に示す。

　表１において、比較例１〜３において使用した燃料は、本発明例１〜３において使用した燃料と同一構成のものである。

　表１から明らかなように、高炉ガスを燃焼させる場合には、本発明例１のように、燃焼用空気を予熱した場合でも、比較例１のように、燃焼用空気を予熱しない場合でも、燃焼状態は良好であるが、高炉ガスよりも発熱量の低い燃料を燃焼させる場合には、本発明例の２〜５のように、燃焼用空気や燃料を予熱した場合には燃焼状態は良好であるが、比較例２および３のように、燃焼用空気や燃料を予熱しない場合には燃焼状態は悪いことが分かる。

　なお、実施例２および３の低発熱量の燃料の具体例としては、還元雰囲気炉または無酸化雰囲気炉の排ガスがある。これらの排ガスはそのまま放散することができないので、専用の燃焼炉で燃焼させた後大気放散しているが、本発明により、特別に専用燃焼炉を必要とせず、かつ燃料として利用しつつ処理できるという効果がある。

本発明の管状火炎バ−ナの説明図であり、（ａ）は管状火炎バ−ナの構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 従来の管状火炎バ−ナを示す説明図であり、（ａ）は管状火炎バ−ナの構成図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

　１　燃焼室
　２　外筒
　３　通路
　４　ノズル
　５　点火プラグ
　６　配管
　７　配管

Claims (1)

1. 　一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吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の略接線方向と一致している管状火炎バ−ナにおいて、前記燃焼室を内径が前記燃焼室の外径よりも大きい外筒で覆い、前記燃焼室の外面と外筒の内面との間を前記吹き込みノズルに供給する前の燃料ガスまたは酸素含有ガスの通路とすることにより、前記燃料ガスまたは前記酸素含有ガスの予熱を行なうことを特徴とする管状火炎バ−ナ。

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