JP2013057469A

JP2013057469A - 管状火炎バーナー

Info

Publication number: JP2013057469A
Application number: JP2011196804A
Authority: JP
Inventors: Yasuhei Nouchi; 泰平野内; Minoru Asanuma; 稔浅沼; Kuniaki Okada; 邦明岡田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2013-03-28

Abstract

【課題】管状火炎バーナーを熱風発生装置等として使用する場合に対応して、燃焼排ガスの温度を適切に調整することができる管状火炎バーナーを提供する。
【解決手段】一端が開放された管状の燃焼室１１を有し、この燃焼室１１の閉塞端近傍に燃料ガスを吹き込むノズル１２と酸素含有ガスを吹き込むノズル１３が燃焼室１１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ーにおいて、燃焼室１１の開放端側に燃焼排ガス１９の温度調整用ガス１７を吹き込むノズル１６が設けられており、燃料ガスを吹き込むノズル１２が設けられている位置と温度調整用ガスを吹き込むノズル１６が設けられている位置との距離Ｌが、燃焼室１１の内径の３．５〜１０倍であることを特徴とする管状火炎バーナー。
【選択図】図３

Description

本発明は、管状火炎バーナーに関するものである。

図１に示すように、管状火炎バーナー１０は、一端が開放された管状の燃焼室１１を有し、この燃焼室１１の閉塞端近傍に燃料ガスを吹き込むノズル１２と酸素含有ガスを吹き込むノズル１３がその内壁面の接線方向に向けて設けられていて、燃焼室１１内に管状火炎１４を形成するバーナーであり、燃焼設備の小型化と、燃焼条件によって増加するＮＯｘなどの有害物質、炭化水素などの未燃焼分、煤煙等、環境汚染を低減することができる画期的なバーナーである（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２８１０１５号公報

このような管状火炎バーナーを熱風発生装置等として使用する場合には、燃焼排ガスを所望の温度に調整する必要があるが、上記の特許文献１には燃焼排ガスの温度調整方法については示されていない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、管状火炎バーナーを熱風発生装置等として使用する場合に対応して、燃焼排ガスの温度を適切に調整することができる管状火炎バーナーを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］一端が開放された管状の燃焼室を有し、この燃焼室閉塞端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そ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ーにおいて、その燃焼室開放端側に燃焼排ガスの温度調整用ガスを吹き込むノズルが設けられており、前記燃料ガスを吹き込むノズルが設けられている位置と前記温度調整用ガスを吹き込むノズルが設けられている位置との距離が、前記燃焼室の内径の３．５〜１０倍であることを特徴とする管状火炎バーナー。

本発明においては、管状火炎バーナーを熱風発生装置等として使用する場合に対応して、燃焼排ガスの温度を適切に調整することができる管状火炎バーナーとなっている。

従来の管状火炎バーナーを示す図である。本発明の一実施形態において基礎とした管状火炎バーナーを示す図である。本発明の一実施形態における管状火炎バーナーを示す図である。管状火炎バーナーの性能を確認するための燃焼試験装置を示す図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図２は、本発明の一実施形態において基礎とした管状火炎バーナー１０Ａを示すものである。

図２に示すように、この管状火炎バーナー１０Ａは、図１に示した従来の管状火炎バーナー１０のように、一端が開放された管状の燃焼室１１を有し、この燃焼室１１の閉塞端近傍に燃料ガスを吹き込むノズル（燃料ガス吹き込みノズル）１２と酸素含有ガスを吹き込むノズル（酸素含有ガス吹き込みノズル）１３がその内壁面の接線方向に向けて設けられていて、燃焼室１１内に管状火炎１４を形成するものであるが、それに加えて、燃焼室１１の開放端側に燃焼排ガス１９の温度を調整するための温度調整用ガス１７を吹き込むノズル（温度調整用ガス吹き込みノズル）１６が燃焼室１１の内壁面の接線方向に向けて設けられている。

これによって、この管状火炎バーナー１０Ａは、温度調整用ガス吹き込みノズル１６から温度調整用ガス１７を吹き込んで混合させることにより、燃焼排ガス１９の温度を調整することができる。

しかしながら、この管状火炎バーナー１０Ａでは、低温（例えば常温）の温度調整用ガス１７を一定量以上吹き込んだ場合、失火（燃焼停止）してしまうことがあった。

そこで、本発明者らは、その失火の原因について、燃焼試験装置や数値シミュレーションなどによって検討を行った。その結果、この失火は以下のメカニズムで生じることが明らかになった。

（ａ）完全燃焼前における温度調整用ガスの混合による燃焼停止
特許文献１に記載されている従来の管状火炎バーナー１０では、燃焼室１１の長さは燃焼室１１の直径Ｄに対して必ずしも長い必要は無いが、それは温度調整用ガス１７の混合が無い場合に限られる。温度調整用ガス１７の混合がなければ、一度着火した燃料ガスは消えることなく燃焼を完了することができるからである。物質が燃焼するためには、燃料、酸素、温度の３つが不可欠であるが、この管状火炎バーナー１０Ａにおいて、温度調整用ガス１７として常温のガスを管状火炎１４に混合させると、管状火炎１４の温度が急激に低下し失火してしまう。なお、温度調整用ガス１７として、常温の可燃性ガス、空気、不活性ガス（アルゴン）の３種類を使用したが、いずれも失火しており、温度が最大の原因であることが確認された。

（ｂ）温度調整用ガスの上流への逆流
従来の考え方からすると、この管状火炎バーナー１０Ａでは、温度調整用ガス吹き込みノズル１６から燃焼室１１の内壁面の接線方向に向けて吹き込まれた温度調整用ガス１７は、その吹き込まれた位置から下流側にしか供給されず、上流側の管状火炎１４に影響する（燃焼していた管状火炎１４を消す）とは考えられなかった。しかしながら、実際には、温度調整用ガス１７の吹き込みによって、吹き込み位置および下流側の管状火炎１４の径の縮小だけでなく、上流側の管状火炎１４の径も縮小される現象が実験により観察された。さらに、数値シミュレーションの結果、たとえ管状火炎１４の排ガス（燃焼排ガス）１９が下流に向かって流れていても、温度調整用ガス吹き込みノズル１６から吹き込まれた後の温度調整用ガス１７がその吹き込み位置から同心円状に拡散しようとして、図２に示すように、短距離ではあるが、温度調整用ガス１７の一部１８が燃焼室１１の内壁面に沿って上流側に遡る（逆流する）ことが分かった。

本発明者らは、以上の結果から、失火を的確に防止しつつ、温度調整用ガス１７を混合するには、管状火炎１４が燃焼を完了した後に（具体的には管状火炎１４が消滅してから）、温度調整用ガス１７の混合を行う必要があるとの結論に達した。

そして、それを実現するものとして、以下に述べる本発明の一実施形態における管状火炎バーナーを想到した。

図３は、本発明の一実施形態における管状火炎バーナー１０Ｂを示すものである。

図３に示すように、この実施形態における管状火炎バーナー１０Ｂでは、管状火炎１４が自然に燃焼を完了した位置より下流側に温度調整用ガス吹き込みノズル１６を設置するようにしている。

すなわち、燃焼試験装置での実験では、燃料ガス吹き込みノズル１２の設置位置から温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置までの距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの３倍までは失火したのに対して、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの３．５倍以上では失火しないことが確認された。

そこで、この実施形態においては、燃料ガス吹き込みノズル１２の設置位置から温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置までの距離Ｌを燃焼室１１の内径Ｄの３．５倍以上（Ｌ≧３．５Ｄ）としている。

ただし、距離Ｌをあまり大きくすると、管状火炎バーナー１０Ｂの全長（燃焼室１１の長さ）が無用に長くなってしまうとともに、管状火炎１４が消滅後は燃焼室１１の内壁面に高温の燃焼排ガス１９が接するようになるとヒートロスが大きくなってしまう。したがって、一般的な管状火炎バーナーであれば十分に燃料ガスの燃焼が完了したと考えられる、燃焼室１１の内径Ｄの１０倍以上下流側に温度調整用ガス吹き込みノズル１６を設置する必要は無いと考えられる。

このようにして、この実施形態における管状火炎バーナー１０Ｂは、燃料ガス吹き込みノズル１２の設置位置から温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置までの距離Ｌを燃焼室１１の内径Ｄの３．５〜１０倍（３．５Ｄ≦Ｌ≦１０Ｄ）とすることによって、失火を的確に防止しつつ、燃焼排ガス１９の温度を適切に調整することができる。

本発明の実施例として、図４に示す燃焼試験装置３０を用いて、上述した管状火炎バーナーの性能の確認を行った。

その際に、炉体３１に取り付けられた管状火炎バーナー１０の燃料ガスとしてはＬＰＧ（プロパンガス）を窒素により１０倍に希釈したガスを使用し、酸素含有ガスとしては空気を使用した。そして、それぞれ燃焼室１１の内壁面の接線方向に向かって吹き込まれる燃料ガスの速度と空気の速度が、燃焼室１１内で混合した後のガス速度の約９倍になるように、燃料ガス吹き込みノズル１２と酸素含有ガス吹き込みノズル１３のサイズを調整した。

また、温度調整用ガス１７としては、窒素で１０倍希釈した希釈ＬＰＧ（希釈プロパン）、窒素、空気の３種類を用い、その吹き込み量は燃焼排ガス量と同じとし、吹き込み速度は燃焼室１１内で混合した後のガス速度の約９倍になるように、温度調整用ガス吹き込みノズル１６のサイズを調整した。

なお、燃焼室１１の内径Ｄは約２００ｍｍであり、温度調整用ガス１７の吹き込み位置の影響を調査するため、管状火炎バーナー１０の全長は３ｍとなっている。

そして、温度調整用ガス１７を吹き込まない場合は、燃焼排ガスの温度が２０００℃近くなることから、炉体３１からの燃焼排ガスを散水装置３２によって冷却した後に煙突３３より排出することとした。また、炉体３１全体は耐火物で覆い、上部屋根部分と散水装置３２までの配管は水冷構造とした。管状火炎バーナー１０の後端には、覗き眼鏡、点火プラグ、輝度検知器が設置されており、失火は輝度検知器より検知され、瞬時にプロパン供給が停止される機構となっている。

以下に、それぞれの管状火炎バーナーの性能を調査、確認した結果を述べる。なお、温度調整用ガス１７として、希釈ＬＰＧ（希釈プロパン）、窒素、空気のいずれを用いた場合も結果は同じであったので、ここでは、温度調整用ガス１７として空気を用いた場合について述べる。

本発明の一実施形態の基礎とした管状火炎バーナー１０Ａと、本発明の一実施形態における管状火炎バーナー１０Ｂの性能を確認するために、燃料ガス吹き込みノズル１２の設置位置から温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置までの距離Ｌを変更する実験を行った。

その結果、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの２．５倍の場合は、温度調整用ガス（空気）を混合すると同時に失火した。温度調整用ガス（空気）を混合した状態では点火プラグによる点火もできなかった。また、距離Ｌが燃焼室の内径Ｄの３倍の場合は、温度調整用ガス（空気）を吹き込むと、燃焼はするものの最長でも２０分しか連続燃焼せず、失火に伴う再点火が不可欠であった。

これに対して、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの３．５倍の場合は、温度調整用ガス（空気）を吹き込んでも連続的に燃焼し、少なくとも６０分の安定燃焼が確認できた。また、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの４倍以上の場合も６０分以上の安定燃焼が確認できた。

このようにして、本発明の有効性を明らかにすることができた。

１０管状火炎バーナー
１０Ａ管状火炎バーナー
１０Ｂ管状火炎バーナー
１１燃焼室
１２燃料ガス吹き込みノズル
１３酸素含有ガス吹き込みノズル
１４管状火炎
１６温度調整用ガス吹き込みノズル
１７温度調整用ガス
１８温度調整用ガスの逆流部分
１９燃焼排ガス
３０燃焼試験装置
３１炉体
３２散水装置
３３煙突

Claims

一端が開放された管状の燃焼室を有し、この燃焼室閉塞端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そ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ーにおいて、その燃焼室開放端側に燃焼排ガスの温度調整用ガスを吹き込むノズルが設けられており、前記燃料ガスを吹き込むノズルが設けられている位置と前記温度調整用ガスを吹き込むノズルが設けられている位置との距離が、前記燃焼室の内径の３．５〜１０倍であることを特徴とする管状火炎バーナー。