JP2005003362A

JP2005003362A - 超音速ジェットバーナー

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Publication number: JP2005003362A
Application number: JP2004265738A
Authority: JP
Inventors: Tetsuto Tamura; 哲人田村
Original assignee: SHI MECHANICAL and equipment Inc
Current assignee: SHI MECHANICAL and equipment Inc
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2005-01-06
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: JP3691049B2

Abstract

【課題】好みの燃料を用い、必要最小限の長さの大きさの筒状バーナー本体を用い、渦巻高温燃焼部を形成して燃焼ガスの流速を超音速の領域まで上昇させて低温域での衝撃波を生成吐出できるようにした超音速ジェットバーナーの提供。
【解決手段】中心軸上に燃焼路２を有する円筒状のバーナー本体１の基部の中央に燃料注入ノズル体３を配設し、このノズル体３の先端ノズルを燃焼路２の基部に臨ませると共に、ノズル体３の前方に、前記円筒状のバーナー本体１の外周に設けた予熱用の高圧空気流通路１５で加熱された高圧空気の旋回流を吐出できる空気吐出口Ｂを多数環状に設けて渦巻高温燃焼部Ｙを形成し、さらにこの渦巻高温燃焼部Ｙの前方に高温、高圧の燃焼室２１を設け、燃焼ガスの流速を音速以上に上げる狭窄絞り状の衝撃波変換部Ｚを形成し、円筒状バーナー本体１の先端のジェットバーナー孔３５と連通させてなることを特徴とする超音速ジェットバーナー。
【選択図】図１

Description

この発明は、衝撃波を発生できる超音速ジェットバーナーに関する。

この種のバーナーには例えば特許文献１に示すものがある。この発明は、ジェットバーナーによって廃棄物などの被処理物を熱的に加熱分解し、高温と衝撃波によって粉砕処理するとしている。

また、超音速過熱蒸気を発生させて、超音速による衝撃波を伴う蒸気を直接、含有水性物質に強制衝突させて、含有水性物質を瞬時に粉砕し、乾燥することを特徴とする気流乾燥機（例えば、特許文献２）が知られている。
特開２０００−３９１２６号公報特開２０００−７４３１７号公報

ところで、特許文献１に示すジェットバーナーは加熱による分解と衝撃波による破砕処理を行っているので、バーナー自体の熱効率が悪く、必要以上の燃焼消費が大きく、かつ衝撃波発生効率も低いと言わざるを得ないし、特許文献２に示す気流乾燥機は超音速の過熱蒸気を発生させているので蒸気を不可欠とするなど、一般性に欠けるという不都合があった。

この発明は叙上の点に着目してなされたもので、好みの燃料を用い、燃焼路内では均一な高圧空気の旋回流に基づく渦流高温燃焼部を介した燃焼室を設けて、燃焼ガスの流速を音速以上に上げる狭窄絞り状の衝撃波変換部を設けてバーナー孔より衝撃波を吐出できるようにした超音速ジェットバーナーを提供すると共に、粉砕、破砕などを目的とする、あらゆる用途に使用できるようにした超音速ジェットバーナーを提供することを目的とする。

この発明は、以下の構成を備えることより上記課題を解決できる。

（１）中心軸上に燃焼路を有する円筒状のバーナー本体の基部の中央に燃料注入ノズル体を配設し、このノズル体の先端ノズルを燃焼路の基部に臨ませると共に、ノズル体の前方であって円筒状のバーナー本体の外周に、前記円筒状のバーナー本体の外周に設けた予熱用の高圧空気流通路で加熱された高圧空気の旋回流を吐出できる空気吐出口を多数環状に設けて渦巻高温燃焼部を形成し、さらにこの渦巻高温燃焼部の前方に高温、高圧の燃焼室を設け、燃焼ガスの流速を音速以上に上げる狭窄絞り状の衝撃波変換部を形成し、円筒状バーナー本体の先端のジェットバーナー孔と連通させてなることを特徴とする超音速ジェットバーナー。

（２）円筒状のバーナー本体には、燃料注入ノズル体の先端に向う点火用の点火プラグを備えた点火用ガスおよび助燃空気を導入できる点火用ノズル体を設けてなることを特徴とする前記（１）記載の超音速ジェットバーナー。

（３）円筒状のバーナー本体の基部は円形状基板とし、外方に向う高圧空気導入管を環状に多数配設して、配分円管体と連通すると共にこの配分円管体を高圧燃焼用空気供給手段と接続して、前記高圧空気導入管の基部を円筒状のバーナー本体の筒状部に設けた高圧空気流通路に供給して、空気吐出口より必要な空気を吐出できるようにしてなることを特徴とする前記（１）記載の超音速ジェットバーナー。

（４）円筒状のバーナー本体の筒状部は、燃焼路を有する内筒部と中筒部と外筒部とよりなり、高圧空気流通路が、内筒部と中筒部との間および中筒部の切欠部を介して内筒部と外筒部との間と連通されていて、燃焼路での高温燃焼ガスの高温伝播を受け、かつ流通中に熱交換作用を受けて加熱され、空気吐出口より高温高圧燃焼用空気を吐出できるようにしてなることを特徴とする前記（３）記載の超音速ジェットバーナー。

（５）空気吐出口は、燃焼路の外周に沿って均一な間隔を置いて、多数配設し、かつ斜め前方に向けてノズル状に設けた傾斜孔であることを特徴とする前記（１）から（４）のいずれかに記載の超音速ジェットバーナー。

この発明によれば、円筒状のバーナー本体の燃焼路内で渦巻高温燃焼部を設けることにより、燃焼路内での燃焼ガスの燃焼区間を十分に長尺でき、高温ガス化への効率を向上できると共に、燃焼室の前段には空気吐出口が設けられて、強力な旋回空気が吐出され、しかもその旋回空気は多段管状通路で予熱された高温加圧状態となっているので、燃焼路内での渦巻燃焼部での高温化を有効に促進できる。

そして、燃焼ガスの流速は、狭窄状の衝撃波変換部によって音速の衝撃波となり、この衝撃波を先端のジェットバーナー孔より外部に吐出させることができる。

なお、燃焼ガスの流速を音速以下にすれば、通常の燃焼用バーナーとしても利用可能である。

また、この発明によれば、低温での衝撃波を発生できるので、廃棄物、生ゴミ、一般のゴミ、汚泥、食品加工用の酒、ビール、焼酎などの絞りカス、牛豚等の糞尿等の乾燥と粉砕、粉末化、岩石、貝化石、貝殻等の粉砕、などあらゆる物を対象とした粉砕処理ができ、特にダイオキシンなど公害物質が発生しないので、安全性に優れると共に、超減量を可能とするなど少燃料で済み、かついかなる燃料でも使用できるなどその用途は広い。

以下に、この発明の一実施の形態について図面と共に説明する。

１は中心軸ｌ−ｌ線上に沿って燃焼路２を有する全体が円筒状のバーナー本体、３は、このバーナー本体１の基部の三段積層構造を備えた円形状基板１ａの中央に配設される燃料注入ノズル体を示し、この燃料注入ノズル体３の先端ノズル３ａを斜め放射状のスリット孔に形成して燃焼路２の基部に臨ませてある。４は前記ノズル体３の先端ノズル３ａの前方に位置して旋回燃焼流部Ｘを形成できる第一燃焼室、５は点火用ノズル体を示し、前記燃料注入ノズル体３の外側部にあって、円形状基板１ａに貫通して配設され、点火線６が縦装され、この点火線６を包囲するように円形状基板１ａの外側には管状部７が設けられて前記点火線６は、頂部に設けた点火プラグ８と接続され、さらに管状部７の外周には助燃空気の送気管９とプロパンガスなどの着火用ガスの送給管１０とが接続され、管状部７内に混合室を形成できると共に、円形状基板１ａに穿った孔１１を経て、円形状基板１ａの内側の燃焼路２側には曲折管１２として形成し、点火用ノズル体５の開口端５ａを前記燃料注入ノズル体３の先端ノズル３ａに向けて形成し、着火性の向上と併せて第一燃焼室４での旋回燃焼流部Ｘの風圧で点火炎が消される不都合を回避させている。なお、この点火ノズル体５は点火プラグ８と接続される点火線６の先端と曲折管１２との間で発生するスパークにより混合ガスに点火させて火炎を発生させ、これにより燃料注入ノズル体３の先端より吐出される燃料に着火させることができる。１３は点火ノズル体５の点火線６を絶縁支持する複数の絶縁体を示す。

ところで、前記円筒状のバーナー本体１の円形状基板１ａは、前述の通り三層で形成され筒状部１４も中心軸上の燃焼路２を包囲して内筒部１４ａ，中筒部１４ｂおよび外筒部１４ｃの三層構造を備え、中筒部１４ｂは先端部で、内筒部１４ａと外筒部１４ｃで形成される高圧空気流通路１５が外側より内側に向けて高圧空気を流通できるように切欠部１６として形成してあると共に、先端部はいずれの筒部１４ａ，１４ｂ，１４ｃも中心に向けて曲折してあり、燃焼路２の狭窄絞り状の衝撃波変換部Ｚを形成できると共に、先端の小円形の先端板部１ｂと連結させてある。

ところで、前記高圧空気流通路１５は、円形状基板１ａの対応箇所に沿って一定の間隔を保持して均等に多数円形状に穿設される流通孔１８と接続すると共に、円形状基板１ａの基部内部で、前記燃料注入ノズル体３の先端ノズル３ａの前方に形成されて第一燃焼室４の外周に沿って、第一空気吐出口Ａに相当する傾斜孔１９を多数均等の間隔を保持して形成し、この第一燃焼室４内に有効な旋回燃焼流部Ｘを形成できるようになっている。さらに、第一燃焼室４の前方にはその外周に位置して配設される筒状部１４の内筒部１４ａの内周に沿って第二空気吐出口Ｂに相当する傾斜孔２０を多数均等の間隔を保持して形成し、渦巻高温燃焼部Ｙを形成できると共に、この渦巻高温燃焼部Ｙの前方に高温、高圧の第二燃焼室２１を形成し、これに続き狭窄絞り状の衝撃波変換部Ｚを設けるものである。

ところで、前記円形状基板１ａの各流通孔１８と接続される高圧空気導入管２３はこれを外方に向けて突設し、図４で示す円管状の配分円管体２４と接続すると共にこの配分円管体２４を図示しない必要とする高圧空気を発生できるタンク、ポンプで構成される高圧燃焼用空気供給手段と導管２５を介して接続するものである。

２６は赤外線感知制御装置を示し、図２に示すように燃料注入ノズル体３に隣接して円形状基板１ａに形成される孔部２７に耐圧管２８の一端を固着し、かつこの耐圧管２８には放熱板２９を設けて、他端を透視可能な耐熱ガラス３０に接続し、この耐熱ガラス３０に赤外線センサ３１を内蔵した感知器３２を接続し、耐熱ガラス３０を透過した第一燃焼室４内の燃焼状態を示す光線のうちの赤外線を感知し、集中制御手段２２に伝え、危険温度か否かの温度状況を色温度によって検知し、警報や必要に応じて運転制御ができるようになっている。

３３は非常用高温空気排出管を示し、筒状部１４の外周の必要な箇所に１以上必要数設けられるものであって、高圧空気が導入される高圧空気流通路１５に開口端３３ａの先端が臨まれ、頂部に設けた特殊電磁弁（図示せず）を働かせて異常事態の緊急対策を可能にできるものである。即ち、燃焼路２内の燃焼状態が危険状態になった場合とか粉砕処理中などで異常が発生した場合などに特殊電磁弁を働かせて大気開放状態となし、高圧空気流通路１５中を流れる高圧空気を直ちに筒状部１４外へ排気させて燃焼路２への供給を無くすことができるものである。

なお、図において、符号３４は三層の円形状基板１ａを一体化するために外周に設けたビス、３５はバーナー本体１の先端開口部に設けたジェットバーナー孔に相当するラッパ状の吐出用嘴で、必要に応じ傾斜状の多数の溝を穿って衝撃波に旋回流を与えられるように配慮することもできる。

また、内筒部１４ａの外周には図１に実線で示すような金属ワイヤ３８などをスパイラル状に捲装したり、突起部（図示せず）などを形成して高圧空気流通路１５を流れる高圧高温に予熱された導入空気の流れに乱流を起こさせて活性力を与えるようにすると共に、内筒部１４ａを補強できるように形成するのが好ましい。

叙上の構成に基づいて作用を説明する。

燃料注入用ノズル体３より必要な燃料、例えば石油、重油などを一定量で供給する。この場合、燃料タンクＴ、供給ポンプＰ、調圧器Ｑなどの燃料供給手段１７で前記集中制御手段２２の制御により供給される。

他方、点火プラグ８によりスパークを発生させて点火炎が得られるので、この点火炎は、燃料注入用ノズル体３のノズル先端３ａより吐出された燃料に着火し、急速に温度が上昇する。

この場合、高圧燃焼用空気供給手段より供給される高温高圧燃焼用空気は、配分円管体２４に送給される。

この配分円管体２４によって、必要な高圧高温空気は、高圧空気導入管２３の配設される数に等分に分割されて流通し、基板１ａ内の流通孔１８内を通り、高圧空気流通路１５に供給されるが、最初の第一空気の吐出口Ａに相当する傾斜孔１９からその一部が一次空気として侵入し、第一燃焼室４に向って吐出され、先端ノズル３ａより吐出される燃焼ガスは旋回燃焼流部Ｘで旋回流に変化されて、燃焼路２の基部は急速に温度を上昇する。

さらに第一燃焼室４の前方において、内筒部１４ａの内周には第二空気吐出口Ｂに相当する傾斜孔２０が開口してあり、外筒部１４ｃと内筒部１４ａとが中筒部１４ｂとで形成される高圧空気流通路１５を流通してくる高圧空気流は、十分予熱高温状態に変化しているので、第二空気吐出口Ｂの内側は、旋回状態がより著しく発達し、渦巻高温燃焼部Ｙが形成できる。そして、その前方に形成される第二燃焼室２１において、最高の高温高圧の状態の膨張した燃焼ガスが生成され、さらに前方に設けた狭窄絞り状の衝撃波変換部Ｚにおいて燃焼ガスは急激に体積を圧縮されてその流速は音速以上に達して高温領域の燃焼ガスが衝撃波に変換され、先端のラッパ状の吐出用嘴３５より低温域の衝撃波に相当するジェット流体を得ることができる。

つぎに、本発明に係る実施の形態をより詳細に説明する。

燃料注入ノズル体３より供給する燃料は、ガス燃料でも液体燃料でも可能であるが、燃料の送り込み圧力は１０ｋｇ／ｃｍ²〜４０ｋｇ／ｃｍ²（できれば２０ｋｇ／ｃｍ²〜４０ｋｇ／ｃｍ²）で１時間当りの供給量は２０ｌ程度が好ましい。

また、点火用ノズル体５へは、図４に示すような点火用プロパンガスボンベ３６、点火用コンプレッサー３７を備え、集中制御手段２２の制御盤で設定制御された、例えば点火プラグ８へは３００００Ｖの高電圧の下に混合ガスをスパーク引火させて、有効に燃料注入ノズル体３での着火を可能とすることができ、併せて高温燃焼用空気供給手段よりの空気は、集中制御手段２２で設定された条件を得て、配分円管体２４へ供給される構成となっており、円筒状のバーナー本体１の流通孔１８の導入部へは少なくとも１０ｋｇ／ｃｍ²、理想的にはそれ以上の圧力を有する高圧空気の導入が好ましい。

さらに、第一空気吐出口Ａに相当する多数の傾斜孔１９は、第一燃焼室４内での燃料への有効供給とあわせて、高温燃焼を図３と共に燃焼距離、燃焼時間を狭い空間で保持するため、第一燃焼室４の外周に相当する箇所に放射状にかつノズル状に形成するのが望ましい。

また、さらに第二空気吐出口Ｂに相当する多数の傾斜孔２０は第二燃焼室２１に向かい、中心軸ｌ−ｌに対して３０°傾斜し、かつ燃焼路２の前方に向って１０°程度傾いてノズル状に形成してあり、これにより燃焼ガスの強制的な旋流効果を加速することができ、渦巻高温燃焼部Ｙでの燃焼ガス流は少なくとも秒速１６．３ｍ／ｓの速さが得られるように構成されている。

また、燃焼空気の高圧空気流通路１５は、最初、外筒部１４ｃと中筒部１４ｂとの間の外周通路を通って円形状基部１ａ側から先端の小円形の先端板部１ｂ側に向かい、切欠部１６で反転し、中筒部１４ｂと内筒部１４ａとの間を通って形成されているので燃焼空気は、燃焼路２内の燃焼高温渦流ガスによって加熱されている内筒部１４ａ、中筒部１４ｂによって加熱され、十分に熱交換が行われて第二空気吐出口Ｂより吐出される燃焼空気の温度は最適の高温状態を保持して燃焼路２内へ吐出されることとなる。

さらに、この超音速ジェットバーナーに設けられた、前記赤外線感知制御装置２６および非常用高温空気排出管３３は相互に関連性を持たせており、危険温度例えば１５００℃以上に燃焼している場合など、燃焼供給を直ちに停止させると共に、非常用高温空気排出管３３の特殊電磁弁を働かせて円筒状のバーナー本体１内を流通している高温燃焼空気を外部に排気したり、必要な警報音、警報燈等を働かせて円筒状のバーナー本体１の破損を防止すると共に、衝撃波によって処理している可燃性物体への火焔ガスの吐出による工場内での火災発生を未然に防止できるように前記した集中制御手段２２により集中管理できるようになっている。

つぎに、この発明の具体的な操作について、具体的な数値を挙げて説明する。

燃料として灯油を用い燃料注入ノズル体３より１０ｋｇ／ｃｍ²の圧力で１時間当り２０ｌ供給した。

燃焼空気は、１０ｋｇ／ｃｍ²の圧で流通孔１８および高圧空気流通路１５内に供給し、第一空気吐出口Ａの傾斜孔１９より第一燃焼室４内へ向けて第一次空気として吐出した。

第一燃焼室４内の温度は急激に上昇し、特に旋回燃焼流部Ｘの領域では９００℃〜１０００℃に上昇した。

ついで、この旋回燃焼流部Ｘ内での燃焼ガスは、前方に温度を上昇しながら燃焼路２内を旋回して進み、第二空気吐出口Ｂの傾斜孔２０より吐出された高温高圧の燃焼用空気のさらに強制的な旋回作用を受けて、渦巻高温燃焼部Ｙで急激に高温化され、狭窄状の衝撃波変換部Ｚで１３００℃以上の高温となり、かつ燃焼ガスの流速が音速以上となった。

以上の経過を温度変化について数値で示せば、２０ｌの供給された灯油の重量は、灯油の比重を０．９とすれば１８ｋｇであり、１ｋｇ当り１０ｍ³の燃焼空気で燃焼した場合は燃焼空気の供給量は１０ｍ³×１８＝１８０ｍ³である。

ところで、温度が１３００℃に上昇した場合の燃焼ガスの熱膨張により体積は、

であり、また１秒間での排出量は、

である。

今、円筒状のバーナー本体１の吐出用嘴３５の口径を直径２．０ｃｍとすれば、吐出用嘴３５からの単位時間（１秒間）当りの排出量は、

また、同吐出用嘴３５からの燃焼ガスの単位時間（１秒間）当りの速度を音速とすれば、

すなわち、マッハ２．７１となり吐出用嘴３５からはこの音速に相当する強大な衝撃波を吐出させることができる。

なお、円筒状のバーナー本体１を構成する筒状部１４、円形状基板１ａ、小円形の先端板部１ｂは、１３００℃程度の燃焼ガス温度であれば、通常のステンレス鋼又は炭素鋼で対応可能であり、これ以上の温度の場合は例えば、ジルコニウム金属材などを用いることによって実施できる。

また、第一燃焼室４での旋回燃焼流部Ｘを構成する燃焼路の大きさ、第二燃焼室２１の大きさ、渦巻高温燃焼部Ｙの大きさおよび長さは、旋回や渦巻き作用による燃焼ガスの燃焼路を十分に増大延長できることとなり、筒状部１４の長さを短尺可能とすることができるので、必要にして十分な形状を持たせることが重要である。

この発明によれば、円筒状のバーナー本体の燃焼路内で第一燃焼室に相当する旋回燃焼流部、および渦巻高温燃焼部を連設することにより、燃焼路内での燃焼ガスの燃焼区間を十分に長尺でき、高温ガス化への効率を向上できると共に、第一燃焼室に対しては第一空気吐出口が旋回流を与えるように第一燃焼室の外周に均等に配設されて、燃焼ガスの燃焼効率を高めることができ、また第二燃焼室の前段には第二空気吐出口が傾斜孔となって、より強力な旋回空気が吐出され、しかもその旋回空気は多段管状通路で予熱された高温加圧状態となっているので、燃焼路内での渦巻燃焼部での高温化を有効に促進できる。

そして、燃焼ガスの流速は、狭窄状の衝撃波変化部によって音速の衝撃波となり、この衝撃波を先端のジェットバーナー孔より外部に吐出させることができる。

この発明の一実施の態様を示す超音速ジェットバーナーであって、筒状部を切断省略し、かつ配分円管体、高圧空気導入管などの一部を省略して示す全体の縦断側面図図１で省略した赤外線感知制御装置の拡大縦断面図要部の断面構造の特徴を示す概略断面説明図集中制御手段を含む全体の制御システムを示すブロック図

符号の説明

１円筒状のバーナー本体
２燃焼路
３燃料注入ノズル体
４第一燃焼室
５点火用ノズル体
１４筒状部
１４ａ内筒部
１４ｂ中筒部
１４ｃ外筒部
１５高圧空気流通路
１６切欠部
１８流通孔
１９傾斜孔
２０傾斜孔
２１第二燃焼室
２２集中制御手段
２４配分円管体
２６赤外線感知制御装置
３３非常用高温空気排出管
３５ジェットバーナー孔（吐出用嘴）
Ａ第一空気吐出口
Ｂ第二空気吐出口
Ｘ旋回燃焼流部
Ｙ渦巻高温燃焼部
Ｚ狭窄絞り状の衝撃波変換部

Claims

中心軸上に燃焼路を有する円筒状のバーナー本体の基部の中央に燃料注入ノズル体を配設し、このノズル体の先端ノズルを燃焼路の基部に臨ませると共に、ノズル体の前方であって円筒状のバーナー本体の外周に、前記円筒状のバーナー本体の外周に設けた予熱用の高圧空気流通路で加熱された高圧空気の旋回流を吐出できる空気吐出口を多数環状に設けて渦巻高温燃焼部を形成し、さらにこの渦巻高温燃焼部の前方に高温、高圧の燃焼室を設け、燃焼ガスの流速を音速以上に上げる狭窄絞り状の衝撃波変換部を形成し、円筒状のバーナー本体の先端のジェットバーナー孔と連通させてなることを特徴とする超音速ジェットバーナー。
円筒状のバーナー本体には、燃料注入ノズル体の先端に向う点火用の点火プラグを備えた点火用ガスおよび助燃空気を導入できる点火用ノズル体を設けてなることを特徴とする請求項１記載の超音速ジェットバーナー。
円筒状のバーナー本体の基部は円形状基板とし、外方に向う高圧空気導入管を環状に多数配設して、配分円管体と連通すると共にこの配分円管体を高圧燃焼用空気供給手段と接続して、前記高圧空気導入管の基部を円筒状のバーナー本体の筒状部に設けた高圧空気流通路に供給して、空気吐出口より必要な空気を吐出できるようにしてなることを特徴とする請求項１記載の超音速ジェットバーナー。
円筒状のバーナー本体の筒状部は、燃焼路を有する内筒部と中筒部と外筒部とよりなり、高圧空気流通路が、内筒部と中筒部との間および中筒部の切欠部を介して内筒部と外筒部との間と連通されていて、燃焼路での高温燃焼ガスの高温伝播を受け、かつ流通中に熱交換作用を受けて加熱され、空気吐出口より高温高圧燃焼用空気を吐出できるようにしてなることを特徴とする請求項３記載の超音速ジェットバーナー。
空気吐出口は、燃焼路の外周に沿って均一な間隔を置いて、多数配設し、かつ斜め前方に向けてノズル状に設けた傾斜孔であ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超音速ジェットバーナー。