JP2012102911A

JP2012102911A - 燃焼バーナ

Info

Publication number: JP2012102911A
Application number: JP2010250157A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nogami; 正弘野上
Original assignee: Air Liquide Japan GK
Current assignee: Air Liquide Japan GK
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2012-05-31
Also published as: WO2012062776A1

Abstract

【課題】安定した条件で、安定かつ均一な火炎を発生することができ、簡便な構造、簡易な方法によって火炎の位置を変更することができる燃焼バーナを提供すること。
【解決手段】燃料ガス流路１および助燃ガス流路２を有し、燃料ガスと助燃ガスの反応によって高温の火炎３が作製される燃焼バーナにおいて、燃料ガス流路１が内管４によって形成され、助燃ガス流路２に内管４が内挿された二重管状を形成するとともに、内管４の先端部４ａが、助燃ガス流路２の先端部５ａよりも突出するように構成され、かつ内管４が、助燃ガス流路２内を移動可能に構成されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼機関や燃焼装置あるいは熱処理炉や溶融炉など（以下「燃焼装置等」という）に用いる燃焼バーナに関し、燃料供給用流路を内管に有し、助燃ガス供給用流路をその外管に有する多重管の燃焼バーナに関するものである。

燃焼装置等には、その目的に応じて種々の燃焼用ガスバーナが、炉内に差し込まれ用いられている。このとき、例えば、ガラス溶融炉におけるガラスのように、特定の用途においては、加熱処理の仕様（加熱対象物の成分や処理量等）や処理段階等によって、ガスバーナの火炎の状態を変化させ、加熱対象物に対する加熱状態を変化させる必要がある。従前、加熱対象物に応じて、火炎の位置を変更するためにガスバーナの取付け位置を変更する方法や、燃料あるいは酸化剤の供給量や流速を変化させて火炎の長さを変える方法が採られていた。

例えば、燃料あるいは酸化剤の供給量を一定にして火炎の長さを変える方法として、図３（Ａ），（Ｂ）に示すような、燃焼用空気と燃料ガスとをバーナ口に各別に導いて、このバーナ口に於いて始めて混合させ、同時に燃焼させる所謂、先混合方式のガスバーナを挙げることができる（例えば特許文献１参照）。具体的には、筒状体１０１をもって形成した燃焼用空気流路１０２の軸芯部に、別の小径筒体１１２を貫通させて燃焼用空気の分岐流路１１３を形成し、前記外側の燃焼用空気流路１０２内に、複数本の燃焼ガス管１０３・・を管状に配置してこれら燃焼ガス管１０３・・の尖端位置に、燃焼ガスと燃焼用空気との混合燃焼室１０４を形成させると共に、前記外側の燃焼用空気流路１０２の空気流れ方向上手側端部に、その接線方向から空気を吹込み供給する口１０５を設け、この口の開口面積を変更する可動ダンパーを設けると共に、前記内側の燃焼用空気分岐流路１１３の空気流れ方向上手側に、前記口１０５に連通しダンパー１０６による口１０５の開口面積変更により通気量に変化を生じせしめる別の空気流路１１４を設け、この別空気流路１１４に、前記分岐流路１１３を連通させる連通孔１１５を筒体１１２に設けてあるガスバーナが提案されている。簡単な操作で燃焼炎の形状、火炎強度等を任意に調整できるものであり乍ら、その調整に拘わらず空気量を常に一定に保って初期の燃焼を正常良好に行うことができる。ここで、１０７，１０９はポート、１０８，１１０は空気供給管、１１１はガスバーナ取付用フランジをいう。

実公昭４８−３０９９５号公報

しかし、上記のようなガスバーナあるいは従前のガスバーナでは、以下のような種々の課題が生じることがあった。
（ｉ）火炎の位置を変更するために高温炉内に差し込まれたガスバーナの取付け位置を変更するタイプにおいては、その高温の炉内雰囲気により、ガスバーナが熱変形して使用できなくなることがあった。
（ii）高温の炉内雰囲気からの熱侵入を抑えるには酸化剤の流量を増やして熱を奪えばよい。しかし、酸化剤の流量を増やすと空燃比が変化することになり問題の起こる場合がある。
（iii）熱侵入を抑えるためには、バーナ径を小さくする方法がある。しかし、助燃ガスの流速が速くなり、所望の火炎形状を得られない場合がある。
（iｖ）流路に流量調整機能を設け、燃料あるいは酸化剤の流速を変えて火炎長さを変えるタイプにおいては、流量調整機構の変更が必要になる場合（流量調整部材等の変更）、加熱対象物の仕様等や流量調整後の過渡現象（応答遅れ等）を考慮した制御方法の変更が必要になる場合があった。
（ｖ）また、上記図３のようなバーナにおいては、空気供給流路に、供給流量の割合を変える分配機構が必要になり、装置が煩雑化することとなる。

本発明の目的は、安定した条件で、安定かつ均一な火炎を発生することができ、簡便な構造、簡易な方法によって火炎の位置を変更することができる燃焼バーナを提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示す燃焼バーナによって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は、燃料ガス流路および助燃ガス流路を有し、燃料ガスと助燃ガスの反応によって高温の火炎が作製される燃焼バーナにおいて、前記燃料ガス流路が内管によって形成され、前記助燃ガス流路に該内管が内挿された二重管状を形成するとともに、該内管の火炎形成側の先端部が、助燃ガス流路の火炎形成側の先端部よりも突出するように構成され、かつ前記内管が、助燃ガス流路内を移動可能に構成されることを特徴とする。

燃焼装置等に用いる燃焼バーナには、簡便な構成で簡易な操作によって安定した燃焼状態を作り出せることが要求されるのは、既述の通りである。本発明は、燃料ガスと助燃ガスの供給条件（組成や流量）を変えずに、バーナ先端部の燃料ガス供出口の位置を変え、火炎の状態、具体的には火炎の長さを変えることによって、安定した燃焼状態を維持しつつ、加熱対象物の状態に対応した加熱状態を作り出すことを可能にした。このとき、二重管状のバーナ構造を形成する内管を可動可能な構成とするとともに、内管の先端部が助燃ガス流路の火炎形成側の先端部よりも突出するように構成されることによって、燃料ガス供出口の位置を簡便かつ容易に変更することができ、かつ安定した高温の火炎を維持することが可能となった。特に、本発明においては、こうした内管の先端部の突出構造によって、その先端部の移動に伴う火炎長さの変化を、その移動距離の数倍〜十数倍拡大した変化として作り出すことができることを見出した。従って、安定した条件で、安定かつ均一な火炎を発生することができ、簡便な構造、簡易な方法によって火炎の位置を変更することができる燃焼バーナを提供することが可能となった。ここでいう「燃料ガス」とは、燃焼バーナにガス状で供給される燃料をいい、後述するように、都市ガス等の常温常圧下における気体燃料のみならず、液体燃料を噴霧状で供給される噴霧燃料が含まれる。

本発明は、上記燃焼バーナであって、前記燃料ガス流路が円筒状の内管によって形成され、前記助燃ガス流路が該内管と同心円の外管により形成されるとともに、該内管が移動可能で、かつ締付けにより固定可能な固定金具によって該内管と該外管が接続されることが好ましい。

本発明に係る燃焼バーナの基本構成例を示す概略図本発明に係る燃焼バーナの検証結果を例示する概略図従来技術に係るガスバーナの構成例を示す概略図

本発明は、燃料ガス流路および助燃ガス流路を有し、燃料ガスと助燃ガスの反応によって高温の火炎が作製される燃焼バーナにおいて、燃料ガス流路が内管によって形成され、助燃ガス流路に該内管が内挿された二重管状を形成するとともに、該内管の火炎形成側の先端部が、助燃ガス流路の火炎形成側の先端部よりも突出するように構成され、かつ内管が、助燃ガス流路内を移動可能に構成されることを特徴とする。安定かつ均一な火炎を発生することができるとともに、簡便な構造、簡易な方法によって火炎の位置を変更することができる。以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

＜本発明に係る燃焼バーナの基本構成例＞
本発明に係る燃焼バーナ（以下「本バーナ」という）の基本構成例（第１構成例）の概要を、図１（Ａ）に示す。本バーナは、燃焼装置等の炉壁Ｆにフランジｆを介して固定され、燃焼装置等の内部に導入される加熱対象物（図示せず）に対して火炎を放射することによって加熱処理に供せられる。通常燃焼装置等の炉壁Ｆに、複数の本バーナが配設される。本バーナは、燃料ガス流路１および助燃ガス流路２を有し、燃料ガスと助燃ガスの燃焼反応によって、高温の火炎３が作製される。このとき、燃料ガスの噴射流れ１ａおよび助燃ガスの噴射流れ２ａによって、所定の長さＬを有する火炎３が形成される。火炎３の先端方向に加熱対象物（図示せず）があり、特に高温となった先端部分によって、所望の加熱状態を形成することができる。

本バーナは、助燃ガス流路２に燃料ガス流路１が内挿された二重管状を形成し、燃料ガス流路１は、内管４によって形成され、助燃ガス流路２は、内管４の外周および外管５内周によって形成される。また、内管４の火炎形成側の先端部４ａが、外管５の火炎形成側の先端部５ａよりも突出するように構成される。これによって、所望の長さを有する安定した火炎３を形成することができる。つまり、先端部４ａのノズル状開口部からの燃料ガスの噴射流れ１ａに対して開口部により制限されることによって、安定した噴射流れ１ａを形成するとともに、助燃ガスの噴射流れ２ａによって、所定の長さの火炎３を形成することができる。具体的には、外管５の先端部５ａの開口部からの噴射流れ２ａは、助燃ガス流路２から出ると拡散し、流れ方向の流速は低下する。一方、二重管構造の本バーナにおいて、中央から噴射される燃料ガスの流速を変えずに、外周から噴射される助燃ガスの流量が低下した場合、火炎３の形状は流れ方向に長くなる。また、同時に噴射流れ１ａを周囲からサポートするように噴射流れ２ａが形成されることから、火炎３の長さを、さらに安定的に伸ばすことができると同時に、所定の空燃比の範囲において、噴射流れ２ａの流量を調整することによって、火炎３の長さを調整することが可能である。

高温の炉内雰囲気からの熱侵入を抑えるためには、外管５の内径を小さくすることが好ましい。内管４の内径は、予め設定された加熱条件を形成するための燃料ガスの供給流量が確保される必要があるために変更することは難しいが、外管５の内径を小さくすることによって、助燃ガス流路２を流れる助燃ガスの流速は速くなる。上記のように通常助燃ガスの流速を速くすると火炎３は短くなるが、本バーナのように、内管４の先端部４ａを外管５の先端部５ａよりも突出させることによって、燃料ガスの噴射流れ１ａが発生する先端部４ａのノズル状開口部での助燃ガスの噴射流れ２ａの流速は減衰して遅くなっているので、安定した長い火炎３を得られることができる。

本バーナは、内管４が、助燃ガス流路２内（外管５内）を移動可能に構成される。加熱対象物の状態に対応した加熱状態を作り出すことを可能にした。具体的には、図１（Ａ）のように先端部４ａが先端部５ａよりも少し突出した状態から、図１（Ｂ）のように先端部４ａが先端部５ａよりも大きく突出した状態に変えることによって、火炎３を加熱対象物に近接させることができる。つまり、図１（Ａ）のように、先端部４ａのノズル状開口部および噴射流れ２ａによって制限された噴射流れ１ａによって、所定の長さＬを有する火炎３が形成される。このとき、図１（Ｂ）のように先端部４ａが先端部５ａよりも大きく突出した状態に変えることによって、先端部５ａから供出された噴射流れ２ａは、より長く内管４の外周面に沿った流れ成分を多く有する流れを形成することから、噴射流れ１ａによって形成される火炎３の長さをより長くすることができる。具体的には、後述するように、先端部４ａの移動距離の数倍の火炎長さＬを変化させることができることを見出した。これによって、加熱対象物に対して、内管先端部の位置の変更距離と火炎の長さの増加分を合わせた火炎の先端部の位置の接近を図ることができる。また、このときの噴射流れ２ａの拡散は、移動前よりも大きくなることから、燃料と酸素の拡散・混合も活性化し、より広く高温域の火炎３を形成することが可能となる。

燃料ガスは、燃料ガス導入部１ｂより導入され、燃料ガス流路１（内管４内部）を通じて内管４の先端部４ａから噴射流れ１ａとして供出される。一方、助燃ガスは、助燃ガス導入部２ｂより導入され、助燃ガス流路２（外管５内部）を通じて外管５の先端部５ａから噴射流れ２ａとして供出される。供出された燃料ガスは、助燃ガスと混合された状態で着火され（着火手段は省略する）、燃料ガスと助燃ガスの燃焼反応によって、高温の火炎３が作製される。作製された火炎３は、噴射流れ１ａから供給される燃料および噴射流れ２ａから供給される助燃ガスによって安定化が図られる。内管４の先端部４ａから形成された噴射流れ１ａは、火炎３の中心部に燃料を供給し、表層において助燃ガスと混合しながら火炎３を形成する。噴射流れ２ａは、内管４の外周面に沿って移送され、先端部４ａにおいて噴射流れ１ａと合流するとともに、新たな酸素源として火炎３に供される。内管４が移動された場合も、先端部４ａの位置から各噴射流れ方向に対して同様の状態を維持し、火炎３の安定化にした燃焼状態を形成することができる。

燃料ガスとしては、メタン，エタン，プロパン等を主成分とする都市ガスや天然ガスなどの炭化水素系ガスあるいはガス化ガス，熱分解ガス，合成ガス等一酸化炭素や水素などを主成分とする工業用燃料ガスなどが用いられる。また、本バーナは、灯油や軽油あるいは軽重油等の液体燃料を噴霧化させて用いることもできる。また、助燃ガスとしては、通常空気を用いることが多いが、高純度酸素や酸素富化ガスを用いることができる。本バーナに用いられる燃料ガスや助燃ガスの種類や供給流量は、燃焼装置等の規模、加熱対象物の容量、バーナの構造等によって設定される。

＜本バーナの使用方法＞
上記のような構成を有する本バーナは、以下の処理プロセスに沿って、燃焼装置等の加熱処理が行われる（燃焼装置等本体の操作は除く）。各プロセスについて、第１構成例に基づき制御部（図示せず）によって制御される場合を、例として説明する。

（１）本バーナの設置、燃料ガスと助燃ガスのセット
本バーナを、燃焼装置等の炉壁Ｆにフランジｆを介して固定する。燃料ガスを燃料ガス導入部１ｂより導入可能にセットし、助燃ガスを助燃ガス導入部２ｂより導入可能にセットし、燃料ガスと助燃ガスの供給側の開閉弁（図示せず）を閉状態にする。

（２）内管先端部の位置の設定
内管４の先端部４ａの位置を予め設定された最適位置になるように設定する。具体的には、内管４を所定位置まで移動した状態で、固定金具を締付けて固定する。

（３）燃料ガスと助燃ガスの供給と着火
燃料ガスと助燃ガスの供給を開始し、着火することによって、燃焼反応が開始されることによって、高温の火炎３が作製される。具体的には、開閉弁を作動させ、予め設定された圧力および流量条件で燃料ガス流路および助燃ガス流路から供給するとともに、所定時間後（数秒後）、着火手段（図示せず）を作動させ着火する。このとき、火炎３の状態を監視し、所望の状態であることを確認することが好ましい。火炎３の状態の監視は、燃焼装置等の炉壁に窓が設けられている場合には目視により、あるいは看視用の撮像手段があれば自動で行う。

（４）内管先端部の位置の調整（燃料ガスと助燃ガスの流量の微調整）
監視された火炎３が、所望の状態でない場合には、内管先端部４ａの位置の調整を行なう。まず、予め設定された空燃比を維持した状態で調整する。こうした調整で、なお不十分な場合、次に助燃ガスの流量の微調整を行なう。このとき、内管先端部４ａの位置と合わせて調整を行なうことが効果的である。こうした調整で、なお不十分な場合、燃料ガスの流量の微調整を行なう。このとき、内管先端部４ａの位置および助燃ガスの流量と合わせて調整を行なうことが効果的である。

（５）加熱対象物の加熱処理
燃焼装置等（図示せず）の内部に導入される加熱対象物（図示せず）に対して火炎３を放射することによって加熱処理される。処理状態は、火炎３の状態と合わせて監視し、所望の状態であることを確認することが好ましい。

＜本バーナの火炎発生性の検証＞
本バーナの火炎発生性について、実機に燃料ガスおよび助燃ガスを供給して、以下の通り実験・検証した。

（ａ）検証条件
図１に示す本バーナを用い、下記〔表１〕に示す条件下で、燃料ガスとして天然ガスを用い（供給流量６ｍ^３／ｈ）、助燃ガスとして酸素１００％を供給し、内管先端部の位置（外管先端部からの距離を指標とする）を変更して、火炎の発生状態を確認した。

（ｂ）検証結果
下記〔表２〕に、検証結果を示す。内管先端部の位置（燃焼ガス供出口）を外管先端部の位置（助燃ガス供出口）からガスの流れ方向に突出させることによって、安定した火炎を形成することができるとともに、内管先端部の位置の突出距離を大きくすることによって、火炎の長さを大きくすることができることを実証することができた。つまり、加熱対象物に対して、内管先端部の位置の変更距離と火炎の長さの増加分を合わせた火炎の先端部の位置の接近を図ることができる。
以上のように、本バーナの有効性を確認することができた。

１燃料ガス流路
１ａ燃料ガスの噴射流れ
１ｂ燃料ガス導入部
２助燃ガス流路
２ａ助燃ガスの噴射流れ
２ｂ助燃ガス導入部
３火炎
３ａ火炎の先端部
４内管
４ａ内管の先端部
５外管
５ａ外管の先端部
Ｆ炉壁
ｆフランジ
Ｌ火炎の長さ

Claims

燃料ガス流路および助燃ガス流路を有し、燃料ガスと助燃ガスの反応によって高温の火炎が作製される燃焼バーナにおいて、
前記燃料ガス流路が内管によって形成され、前記助燃ガス流路に該内管が内挿された二重管状を形成するとともに、該内管の火炎形成側の先端部が、助燃ガス流路の火炎形成側の先端部よりも突出するように構成され、かつ前記内管が、助燃ガス流路内を移動可能に構成されることを特徴とする燃焼バーナ。
前記燃料ガス流路が円筒状の内管によって形成され、前記助燃ガス流路が該内管と同心円の外管により形成されるとともに、該内管が移動可能で、かつ締付けにより固定可能な固定金具によって該内管と該外管が接続されることを特徴とする請求項１記載の燃焼バーナ。