JP2011247444A - 管状火炎バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼性を維持しつつ燃焼室胴部の壁面温度を低減させて、安価で耐久性に優れた管状火炎バーナを提供する。
【解決手段】一方の端部が開放端で他方の端部が閉塞端である管状の燃焼室を有し、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とが前記燃焼室の内壁面の接線方向に向けて設けられ、前記燃焼室は、前記開放端から前記閉塞端側に向けて漸次管径が増大する円錐部と、それに連続する前記開放端よりも管径の大きい胴部からなり、前記開放端の管径に対する前記胴部の管径の拡径比が１.２５以上の管状火炎バーナ。
【選択図】図１

Description

本発明は、安価で耐久性に優れた管状火炎バーナに関する。

工業的に用いられる従来型のガスバーナは、燃料ガスと酸素含有ガスの混合法によって、拡散燃焼方式（外部混合）のものと、予混合燃焼方式（内部混合）のものとに大別される。

これらの型式のバーナは、何れも、バーナの先端よりも前方で火炎が形成される構造になっている。拡散燃焼方式（外部混合）のものは、バーナの先端で燃料ガスと酸素含有ガスを混合して燃焼させるものであって、高温の火炎を得ることができ、広く利用されている。予混合燃焼方式のものは、比較的短い火炎を形成させることができる等の利点を有している。

このような従来型のバーナでは、バーナの先端よりも前方で火炎が形成されるため、バーナの前方に広い燃焼用の空間が必要で、また、燃焼量を大幅に変更する場合は複数のバーナが必要となるなど燃焼設備が大型となる傾向にある。更に燃焼条件によってＮＯｘなどの有害物質の生成量が増加するなど環境汚染源にもなりうる。

管状火炎バーナは、これらの問題を解決するために開発されたもので（例えば、特許文献１）、高負荷燃焼が可能で、かつ燃焼量の調節範囲が非常に大きく、小型化されると共に、環境汚染も起こりにくい特徴を有している。

図２は管状火炎バーナの構造の一例を説明する図で、（ａ）は管状火炎バ−ナの側断面図、（ｂ）は（ａ）のA−A断面図である。管状火炎バ−ナは、管状の燃焼室１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、他端部側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２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが設けられている。

ノズル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは燃焼室１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５、酸素含有ガス４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２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは先端部の形状は、例えば偏平形状で、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。

上記の構成によるバーナにおいて、ノズル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ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体に点火すると、燃焼室１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１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１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１内には火炎が管状の形になって生成される。

又、燃焼室１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１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１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。

管状火炎バーナは高カロリー燃料から低カロリー燃料まで燃焼可能であるが、特許文献２には、より低カロリー燃料の燃焼を可能とした、適用範囲の広い管状火炎バーナが記載されている。

特開平１１−２８１０１５号公報 特開２００４−９３１１８号公報

ところで、設備費やメンテナンス費用の削減のため安価で耐久性に優れるガスバーナが常に要望されているが、その耐久性向上には、最も高温となる燃焼室の耐久性を向上させることが有効である。上述したように管状火炎バーナの燃焼室は、その壁面が直接火炎に曝されることはないが、最も高温となる部分であることから管状火炎バーナの耐久性を支配する。

特許文献２記載の管状火炎バーナは、燃焼室を外筒で覆って、両者間の空隙に燃料ガスまたは酸素含有ガスを流すことで、燃料ガスまたは酸素含有ガスを予熱して低カロリー燃料の燃焼を可能とするもので、燃焼室はその外壁が常温の燃料ガスまたは酸素含有ガスで冷却されるため耐久性が向上することが記載されている。しかしながら、特許文献２記載の管状火炎バーナは、構造が複雑である。

そこで、本発明は、構造が簡便なため安価で且つ耐久性に優れる管状火炎バーナを提供することを目的とする。

本発明者らは、管状火炎バーナの燃焼状態を詳細に検討し、燃焼室内の管状火炎の直径は、燃焼室胴部の管径でなくその開放端の開放部の直径に一義的に依存し、燃焼室胴部の管径が増加しても管状火炎の直径が変化しないことを新たに見出した。この新規知見によれば、開放端の開放部の直径に対して燃焼室胴部の管径を大きくすると、燃焼室胴部の管壁面と管状火炎との距離が広がり、管壁面近傍の未燃焼の低温ガス層が厚くなるため、燃焼室胴部の温度上昇を抑制することができる。

本発明は上記知見をもとに更に検討を加えてなされたもので、すなわち本発明は、
１．一方の端部が開放端で他方の端部が閉塞端である管状の燃焼室を有し、燃料ガスと酸素含有ガスを吹き込むノズルが前記燃焼室の内壁面の接線方向に向けて設けられている管状火炎バーナであって、
前記燃焼室は、前記開放端から前記閉塞端側に向けて漸次管径が増大する円錐部と、それに連続する前記開放端よりも管径の大きい胴部からなり、前記開放端の管径に対する前記胴部の管径の拡径比が１.２５以上であることを特徴とする管状火炎バーナ。
２．燃焼中の管状火炎バーナの前記胴部の管壁面の温度が、燃焼室に吹き込む前記酸素含有ガスの温度＋５０℃未満に保持されることを特徴とする１記載の管状火炎バーナ。
３．前記円錐部は、前記胴部よりも耐熱温度の高い素材からなることを特徴とする１または２記載の管状火炎バーナ。

本発明によれば、構造が簡便なため安価で且つ耐久性に優れる管状火炎バーナが得られ、産業上極めて有用である。

本発明の一実施形態に係る管状火炎バーナの構造を説明する図で（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。 従来の管状火炎バーナの構造を説明する図で（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。

本発明は、燃焼室内の管状火炎と管壁面との間に十分な厚さの未燃焼のガス・エアの急速予混合層を存在させるように、燃焼室の胴部における管径を開放端の管径に対して大きくすることを特徴とする。以下の説明において管径は管の内径、管壁面は管の内壁面、胴部は開放端よりも拡径された一定の管径を有する部分とする。

図１は本発明の一実施形態に係る管状火炎バーナの構造を説明する図で（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。

管状火炎バーナは、管状の燃焼室１を有しており、一端は開放端１aで燃焼排ガスの排出口になっている。そして、他端は閉塞端１ｂとなっており、その燃焼室１の閉塞端１ｂ側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２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが設けられている。

ノズル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは燃焼室１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５、酸素含有ガス４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２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの先端部の形状は、例えば偏平形状で、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になっている。なお、燃料ガス５と酸素含有ガス４は別々に吹き込むのではなく、予混合してから吹き込むようにしてもよい。さらに、ノズル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの形状や個数は、図１の実施形態に限定されるものではなく、燃料ガス５や酸素含有ガス４の吹き込み位置が燃焼室１の軸方向に分布し、且つ、前記各ガスが燃焼室１の内壁面の略接線方向に向けて吹き込まれるようになっていればよい。

そして、本発明に係る管状火炎バーナは、管状の燃焼室１が、燃焼室１の開放端１aから閉塞端１ｂ側に向けて漸次管径が増大する円錐部１ｃと、それに連続する開放端１a よりも管径の大きい胴部１ｄで構成される。このように胴部１ｄの管径を開放端１aの管径に対して拡径することで、形成される管状火炎３の直径を変えずに管状火炎３と燃焼室１の胴部１ｄの管壁面までの距離を増大させることができ、燃焼室１の胴部１ｄの温度上昇を抑制することができる。

ここで、開放端１aでの管径D1と胴部の燃焼室の管径D２の比：Ｄ２／Ｄ１（以下、拡径比）を１．２５以上とする。拡径比が１.２５未満では、胴部１ｄを拡径することによる管壁面の温度上昇の抑制効果を十分に得ることができない。

管状火炎の直径は開放端１aでの管径D1に依存し、胴部１ｄの管径が大きくなっても開放端１aでの直径を有する管状火炎を形成するので、拡径比の上限は特に規定しないが、あまり大きくしても管壁面の温度上昇の抑制効果が飽和するだけでなく、未燃焼のガスの回転角速度が減少してしまうため、拡径比は２．５以下とすることが好ましい。なお、燃焼室１の胴部１ｄの管壁面温度が燃焼室に吹き込む酸素含有ガス温度＋５０℃以内となるまで拡径すると、胴部の素材として安価な普通鋼が使用できて好ましい。

燃焼室１の円錐部１ｃは、胴部１ｄから開放端１aへの急激な径の変化により燃焼室内のガス・エアの急速予混合層の旋回流を乱さないように、ノズル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄから吹き込まれる燃料ガスと酸素含有ガスとの混合気体の状態を考慮して適宜の長さ（図中、長さa）とする。例えば、円錐部１ｃの角度（図中、角度θ）が３０度以下となるように、円錐部１ｃの長さａを決定すればよい。

管状火炎バーナは従来、燃焼室の全長を耐熱鋼や耐熱合金（例えばニッケル合金）などを用いて製造されていたが、本発明によれば燃焼室の管壁面の温度を低下させることができるので、円錐部１ｃのみに耐熱鋼や耐熱合金を用い、胴部１ｄには円錐部１ｃよりも耐熱温度の低い普通鋼を用いることができ、安価に耐久性に優れる管状火炎バーナを製造することが可能である。

図１に示す構造の管状火炎バーナの拡径比を変化させて、燃焼室１の胴部１ｄの温度を胴長方向に３箇所で測定し平均値を求めた。管状火炎バーナは開放端部の管径を２００ｍｍφとし、燃焼室の胴部１ｄの管径が２００ｍｍφ（拡径比１）、２１０ｍｍφ（拡径比１．０５）、２５０ｍｍφ（拡径比１．２５）、３００ｍｍφ（拡径比１．５）、４００ｍｍφ（拡径比２．０）の５種類を用いた。また、円錐部１ｃの長さａは２００ｍｍで一定とし、このときの円錐部１ｃの角度θはいずれも３０度以下である。そして、燃料ガスは高炉ガス（低位発熱量７５０〜８５０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）、温度２０℃とし、酸素含有ガスを温度２０℃（常温）と温度２００℃の場合のそれぞれについて空気比１．２で燃焼実験を行った。

表１に実験結果として、得られた胴部１ｄの温度を示す。拡径比１．２５以上の場合、燃焼室胴部の管壁面の温度は燃焼空気温度＋５０℃未満であり、管壁面の温度上昇を抑制できることが確認できた。

１ 燃焼室
１a 開放端
１ｂ 閉塞端
１ｃ 円錐部
１ｄ 胴部
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ ノズル
３ 管状火炎
４ 酸素含有ガス
５ 燃料ガス

Claims (3)

1. 一方の端部が開放端で他方の端部が閉塞端である管状の燃焼室を有し、燃料ガスと酸素含有ガスを吹き込むノズルが前記燃焼室の内壁面の接線方向に向けて設けられている管状火炎バーナであって、
   前記燃焼室は、前記開放端から前記閉塞端側に向けて漸次管径が増大する円錐部と、それに連続する前記開放端よりも管径の大きい胴部からなり、前記開放端の管径に対する前記胴部の管径の拡径比が１.２５以上であることを特徴とする管状火炎バーナ。
2. 燃焼中の管状火炎バーナの前記胴部の管壁面の温度が、燃焼室に吹き込む前記酸素含有ガスの温度＋５０℃未満に保持されることを特徴とする請求項１記載の管状火炎バーナ。
3. 前記円錐部は、前記胴部よりも耐熱温度の高い素材からなることを特徴とする請求項１または２記載の管状火炎バーナ。

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