JP2013245880A

JP2013245880A - 粉粒体溶融バーナーおよび粉粒体溶融装置

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Publication number: JP2013245880A
Application number: JP2012120217A
Authority: JP
Inventors: Eiji Sakai; 英治酒井; Akio Sakuragi; 晶夫桜木; Atsushi Ishii; 敦石井; Yoshihiro Naito; 善博内藤; Tetsuo Okamoto; 徹夫岡本
Original assignee: Daido Ecomet Co Ltd
Current assignee: Daido Ecomet Co Ltd
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-12-09

Abstract

【課題】粉粒体を効率的に溶融し得る環境負荷が小さい粉粒体溶融バーナーを提供する。
【解決手段】バーナーヘッド１２の中心に粉粒体噴射孔１６が設けられる。粉粒体噴射孔１６を中心として半径方向に９０度の中心角で４つのガス燃料噴射孔２０が設けられる。ガス燃料噴射孔２０の内側に、１次酸素噴射孔１８が同心的に設けられる。ガス燃料噴射孔２０の外側に、２次酸素噴射孔２２が同心的に設けられる。ガス燃料噴射孔２０から噴射されるガス燃料の内側および外側に、対応する１次酸素噴射孔１８、２次酸素噴射孔２２から１次酸素および２次酸素が夫々噴射供給され、ガス燃料と酸素とが効果的に混合して超高温の火炎を形成することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば電炉ダスト、還元スラグ、焼却灰その他プラスチック廃棄物を破砕した粉粒物等を高温の火炎中で加熱および溶融し、炉中に溶融スラグとして回収する廃棄物溶融炉、または粉粒状の鉄鉱石、クロム鉱石等の金属酸化物を高温の火炎中で加熱および溶融し、これを還元して金属を得る溶融還元炉等に使用される粉粒体溶融バーナーおよび該粉粒体溶融バーナーを用いた粉粒体溶融装置に関するものである。

前記粉粒体溶融バーナーとして、例えば、特許文献１に記載のものが存在する。特許文献１に開示の粉粒体溶融バーナーは、先端面の中央に開口した燃料供給孔と、該燃料供給孔の外側に開口したリング形状の１次酸素供給スリットと、該１次酸素供給スリットの外側に環状に配列して開口した複数の楕円形状の長孔からなるダスト及び還元スラグ供給孔と、該ダスト及び還元スラグ供給孔の外側に環状に配列して開口した複数の丸孔からなる２次酸素供給孔とを有している。

前述した従来技術に係る粉粒体溶融バーナーは、廃棄物溶融炉で使用される場合として前記特許文献１にその使用例が開示されている。すなわち、溶融炉に垂直に挿入されたバーナーのヘッドから製鋼ダスト、還元スラグ等の粉粒体、燃料および酸素が個別に炉中へ噴射される。炉中で点火された燃料は酸素支援下に燃焼して高温の火炎を形成し、前記粉粒体は該火炎中で溶融されて炉体の底部に溶融スラグとして回収され、また無害化した２次ダストが炉外へ回収される。溶融スラグは、炉体から取出されて冷却された後に、例えば路盤材等の用途に再利用される。

また、粉粒体溶融バーナーが溶融還元炉で使用される場合として、その使用例が特許文献２に開示されている。この場合も、溶融還元炉に垂直に挿入されたバーナーのヘッドから粉粒状の金属酸化物、燃料および酸素が個別に炉中に噴射される。更に、同じバーナーヘッドから、または別の装入装置から炭材等の還元剤が炉中に装入される。バーナーヘッドから噴射された粉粒状の金属酸化物は高温火炎中で加熱・溶融されて炉底に溜る。そして、炉底に溜った溶融金属酸化物は別に装入された還元剤によって還元され、溶融金属と溶融スラグに分離し各々回収される。溶融還元炉の場合は、金属酸化物の溶融に必要な熱量以外に、金属酸化物の還元に熱量が必要であり、この熱量は粉粒体溶融バーナーから燃料と酸素を加算して供給されるか、または別の熱源が炉中に供給される。このような金属酸化物の溶融還元は転炉等でも行なわれる。

前記粉粒体溶融バーナーは、粉粒体を効率良く加熱・溶融するために高温の火炎を形成する必要がある。これを実現するために、特許文献１,２に開示された粉粒体溶融バーナーは、支燃ガスとして酸素を使用している。また、特許文献３に開示されている粉粒体溶融バーナーは、支燃ガスとして同様に酸素が使用されるが、更に高温の火炎を得るために、特許文献１,２のものとは異なる以下のような工夫がなされている。

すなわち、バーナーヘッドの中心に単一の粉粒体噴射孔を設けると共に、この粉粒体噴射孔の周囲に複数の燃料噴射孔を配置する。そして、各々の燃料噴射孔の周囲に同心的に環状の１次酸素の噴射孔、およびその外側に多数の丸孔からなる２次酸素の噴射孔を配置している。このような各噴射孔の配置によって、燃料と支燃酸素の混合を強化し、燃焼速度を上げることによって、短時間に燃焼を完結させる。その結果、熱エネルギーの密集した、燃焼空間が小さい超高温の火炎を得ることができ、この超高温火炎(約２５００℃以上)は、粉粒体を効率良く加熱・溶融するうえで極めて大きな効果を発揮する。但し、特許文献３に開示されている粉粒体溶融バーナーは、燃料として重油等の液体燃料を使用するものであり、ガス燃料を使用した、超高温火炎を形成するこの種の粉粒体溶融バーナーは未だ提案されていない。

特開平１０−２７３３４７号公報特開平９−３１０１２６号公報特開２００６−１５３３０５号公報

ここで、燃料として重油を使用する場合は、二酸化炭素の排出による環境負荷が大きいことから、二酸化炭素の排出量の削減が可能な液化天然ガス(ＬＮＧ)等のガス燃料を用いることが希求されている。また、天然ガスは新たな埋蔵資源の発見と新たな採取技術の開発により、コスト的に重油等の液体燃料と遜色ないものとなりつつあり、将来的には液体燃料より安価な燃料となることも予想される。

すなわち本発明は、このような情勢に対応してなされたものであって、その目的とするところは、環境負荷の小さいガス燃料を使用し、ガス燃料に適応した超高温の火炎を形成し得る粉粒体溶融バーナーおよび粉粒体溶融装置を提供することを目的とする。

前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、請求項１の発明に係る粉粒体溶融バーナーは、
バーナーヘッドから粉粒体とガス燃料と酸素とを炉中へ個別に噴射し、前記ガス燃料を酸素支援下に燃焼させた火炎中で前記粉粒体の溶融を行なう粉粒体溶融バーナーにおいて、
前記バーナーヘッドの中心に設けた粉粒体噴射孔と、
前記粉粒体噴射孔から半径方向外方に離間してバーナーヘッドに設けられ、該粉粒体噴射孔を中心として所要の中心角で設けた３つ以上のガス燃料噴射孔と、
前記バーナーヘッドにおける各ガス燃料噴射孔の内側に、該ガス燃料噴射孔と同心的に設けた１次酸素噴射孔と、
前記バーナーヘッドにおける各ガス燃料噴射孔の外側に、該ガス燃料噴射孔と同心的に設けた２次酸素噴射孔とから構成したことをことを要旨とする。

請求項１に係る発明によれば、粉粒体をバーナーヘッドの中心から供給すると共に、ガス燃料は該粉粒体の外側における複数個所から供給することで、炉中へ噴射供給された直後の粉粒体は周りをガス燃料で囲われた状態になっているから、火炎中からの粉粒体の逃出が抑制され、操業ロスを低減させ得る。また、ガス燃料の内側から１次酸素を、ガス燃料の外側から２次酸素を供給し、ガス燃料を酸素で挟み込むように噴射することから、燃料と酸素の混合が効果的に促進され、燃焼速度が上がることによって超高温の火炎を形成することができる。(ちなみに、液体燃料の場合は、液体燃料を噴霧する必要があるから、必然的に中心の小孔が燃料噴射孔となり、燃料を酸素で挟み込むように噴射することは困難である。)

請求項２に係る発明では、前記各ガス燃料噴射孔に夫々独立して接続する燃料供給路を備え、各燃料供給路の夫々がガス燃料供給源に接続するよう構成されたことを要旨とする。
請求項２に係る発明によれば、複数箇所から噴出するガス燃料を夫々独立して制御可能であるので、各噴射孔間のガス燃料供給量のアンバランスを解消し、火炎を安定させて、粉粒体のキャリーオーバー(粉粒体が火炎外へ逃げ出る現象)を防止することができる。

請求項３に係る発明では、前記１次酸素噴射孔から噴射する１次酸素を渦流とする１次酸素渦流形成手段を備えたことを要旨とする。
請求項３に係る発明によれば、１次酸素をガス燃料と効果的に混合して燃焼速度を上げることができ、超高温の火炎を形成して粉粒体を効率的に溶融し得る。また、燃焼速度が上がることで燃焼空間は小さくなり、より高温の火炎を形成し得る。

請求項４に係る発明では、前記ガス燃料噴射孔から噴射するガス燃料を渦流とするガス燃料渦流形成手段を備えたことを要旨とする。
請求項４に係る発明によれば、ガス燃料を１次酸素および２次酸素と効果的に混合して燃焼速度を上げることができ、超高温の火炎を形成して粉粒体を効率的に溶融し得る。また、燃焼速度が上がることで燃焼空間は小さくなり、より高温の火炎を形成し得る。

請求項５に係る発明では、前記１次酸素噴射孔から噴射する１次酸素を渦流とする１次酸素渦流形成手段と、前記ガス燃料噴射孔から噴射するガス燃料を、１次酸素の渦流とは回転方向が逆の渦流とするガス燃料渦流形成手段とを備えたことを要旨とする。
請求項５に係る発明によれば、１次酸素とガス燃料とをより効果的に混合して燃焼速度を上げることができ、超高温の火炎を形成して粉粒体を効率的に溶融し得る。

請求項６に係る発明では、前記バーナーヘッドの裏側でかつ前記複数のガス燃料噴射孔を設けた領域に冷却チャンバーが設けられ、バーナー本体の外周に配設した冷却ジャケットからの冷却液が該冷却チャンバーへ循環供給されて、該バーナーヘッドの平面部が冷却されることを要旨とする。
請求項６に係る発明によれば、バーナーヘッドを冷却液の循環により積極的に冷却することで、バーナー焼損を未然に防ぐと共に、バーナー寿命を著しく向上させ得る。

前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、請求項７の発明に係る粉粒体溶融装置は、
請求項１〜６に記載の粉粒体溶融バーナーを備え、前記各ガス燃料噴射孔とガス燃料供給源との間の供給経路に、ガス燃料噴射孔へのガス燃料の供給量を自動調節可能な流量調節手段を配設し、各ガス燃料噴射孔へのガス燃料の供給量を夫々独立して調節し得るよう構成したことを要旨とする。

請求項７に係る発明によれば、複数箇所から噴出するガス燃料の供給量を夫々独立して制御することで、複数箇所から噴出するガス燃料を夫々独立して制御し得るよう構成したことによって、各噴射孔間のガス燃料供給量のアンバランスを解消し、火炎を安定させて、粉粒体のキャリーオーバー(粉粒体が火炎外へ逃げ出る現象)を防止することができる。

本発明に係る粉粒体溶融バーナーおよび粉粒体溶融装置によれば、粉粒体を効率的に溶融することができる。

本発明の好適な実施例に係る粉粒体溶融バーナーであって、そのバーナーヘッドの正面図である。図１に係る粉粒体溶融バーナーのＡ−Ａ線で示す概略断面図である。 (ａ)は燃料用ノズルの正面図、(ｂ)は燃料用ノズルの平面図である。 (ａ)は１次酸素ノズルの正面図、(ｂ)は１次酸素ノズルの平面図である。溶融炉に使用した際の粉粒体溶融装置の概略断面図である。変更例に係る燃料用ノズルを示す平面図である。

次に、本発明に係る粉粒体溶融バーナーおよび粉粒体溶融装置につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照しながら以下説明する。なお実施例では、バーナー本体やバーナーヘッドの冷却液としては水を、更に粉粒体としては製鋼ダスト、還元スラグ、焼却灰等を想定しているが、本発明の範囲は、これ等に限定されないことは勿論であり、例えば鉄鉱石、クロム鉱石等の金属酸化物等の粉粒体であってもよい。また、本発明において使用する「粉粒体」という用語は、純然たる所謂パウダー状粉体に限るものでなく、粒状や顆粒状のもの、更にはチップ状の所謂細小片の集合からなる流動体までも含むものである。

図１は、実施例に係る粉粒体溶融バーナー１０を正面から見たバーナーヘッド１２を示し、図２は、前記粉粒体溶融バーナー１０を軸方向に縦断した概略断面図である。粉粒体溶融バーナー１０は、全体として円筒状で所要長の筒体をなし、図５に示す如く、炉体１４に垂直に挿入されて、そのバーナーヘッド１２を炉底に指向させて使用される。

(バーナーヘッド１２の構成について)
前記バーナーヘッド１２は、その中心に所要径の粉粒体噴射孔１６を単体として開設しており、後述する粉粒体供給管３６を介して粉粒体が空気と共に圧送され炉中へ噴射供給される。この粉粒体噴射孔１６の孔径は、炉体１４の粉粒体溶融能力や容量に応じて、粉粒体を単位時間当りに最も効率良く供給でき得るよう寸法が設定される。また、粉粒体噴射孔１６の内面には、粉粒体通過時の摺擦に起因する摩耗に耐え得るように、耐熱・耐摩耗性の薄層が被覆されている。

前記バーナーヘッド１２には、図２に示す如く、粉粒体噴射孔１６を中心として半径方向外方で９０度の中心角で離間した位置に、１次酸素用の多数の通孔を周方向に所要間隔で開設して、１次酸素を噴射供給する全体として環状となる１次酸素噴射孔１８が設けられている。この１次酸素噴射孔１８には、後述する１次酸素用ノズル４６および１次酸素供給管４８を介して１次酸素が燃焼支援ガスとして圧力下に供給される。本実施例では、１次酸素噴射孔１８を多数の通孔から構成したが、単一の通孔であってもよい。

前記バーナーヘッド１２には、各１次酸素噴射孔１８を取り囲むように、ガス燃料用の多数の通孔が周方向に所要間隔で開設され、１次酸素噴射孔１８の外側において、これら多数のガス燃料用の通孔によって全体として環状のガス燃料噴射孔２０を構成している。このガス燃料噴射孔２０には、後述する燃料用ノズル４０および燃料供給管４２,４５を介して、例えば液化天然ガス(ＬＮＧ)や液化石油ガス(ＬＰＧ)等のガス燃料が圧力下に供給される。また、ガス燃料噴射孔２０は、１次酸素噴射孔１８の外側に、該１次酸素噴射孔１８と同心的に配置されている。なお、本実施例では、ガス燃料噴射孔２０を多数の通孔から構成したが、単一の環状の通孔であってもよい。

更に、前記バーナーヘッド１２における各ガス燃料噴射孔２０を取り囲むように、２次酸素用の多数の通孔が所要間隔で開設され、ガス燃料噴射孔２０の外側において、これら多数の２次酸素用の通孔によって全体として環状の２次酸素噴射孔２２を構成している。この２次酸素噴射孔２２には、後述の如く、２次酸素供給管２６を介して２次酸素が燃焼支援ガスとして圧力下に供給される。また、２次酸素噴射孔２２は、ガス燃料噴射孔２０の外側に、該ガス燃料噴射孔２０と同心的に配置されている。なお、本実施例では、２次酸素噴射孔２２を多数の通孔から構成したが、単一の環状の通孔であってもよい。

ここで、本実施例では、１次酸素噴射孔１８、ガス燃料噴射孔２０および２次酸素噴射孔２２を、粉粒体噴射孔１６を中心として９０度の等角度で４つ設けているが、その配設数や配設角度は適宜のものが採用可能である。但し、１次酸素噴射孔１８、ガス燃料噴射孔２０および２次酸素噴射孔２２の数は、３つから６つの間が好適であり、２以下であれば粉粒体噴射孔１６から炉中へ噴射供給される粉粒体の効率的な溶融が困難となり、また７つ以上であればバーナーヘッド１２が大型化したり、各孔径が小さくなって目詰りし易くなる。なお、粉粒体噴射孔１６に対する１次酸素噴射孔１８、ガス燃料噴射孔２０および２次酸素噴射孔２２の個々の離間距離および１次酸素噴射孔１８、ガス燃料噴射孔２０および２次酸素噴射孔２２の相対的な離間距離は、バーナーヘッド１２の仕様に応じて適宜の値が選択される。

(粉粒体溶融バーナー１０の全体構成について)
図２に示す如く、粉粒体溶融バーナー１０は、長尺で中空円筒状をなすバーナー本体２４を基本とし、前記バーナーヘッド１２は、該バーナー本体２４の一方の端面部をなしている。バーナー本体２４の円筒体内部には、該バーナー本体２４より小径の円筒体をなす２次酸素供給管２６が同心的に内挿されて軸方向に延在し、バーナーヘッド側の一端部は後述の如く２次酸素噴射孔２２に接続し、また他端部は図示しない２次酸素圧送源に接続している。また、バーナー本体２４と２次酸素供給管２６との間には、図２に示す如く、筒状隔壁２８がスペーサ３０を介して介挿支持されて冷却ジャケット３２を構成し、この冷却ジャケット３２に冷却液として、例えば水(以後、冷却水という)が循環供給されるよう構成してある。

図２に示す如く、前記バーナーヘッド１２の中央に第１通孔３４が穿設され、該第１通孔３４に、バーナー本体２４の内部を軸方向に延在する粉粒体供給管３６の一端部が嵌挿されて、該粉粒体供給管３６の一端で開口する開口部が粉粒体噴射孔１６として機能する。この粉粒体供給管３６の他端は、図示しない粉粒体圧送源に接続している。

(ガス燃料および酸素噴射部について)
前記バーナーヘッド１２には、図１に示す如く、前記第１通孔３４から半径方向外方に離間する位置に、該第１通孔３４を中心として９０度の中心角で、４つの第２通孔３８が穿設されると共に、各第２通孔３８に、図３に示す燃料用ノズル４０が夫々嵌挿されている。この燃料用ノズル４０の外周面に、螺旋状の第１溝４０ａが複数形成されており、該燃料用ノズル４０を第２通孔３８に嵌挿することで、該第１溝４０ａと第２通孔３８の内壁との間に、螺旋状のガス燃料通路(ガス燃料渦流形成手段)Ｓ１が画成される。そして、バーナーヘッド１２の一端で開口する各ガス燃料通路Ｓ１の開口部が、前記ガス燃料用の通孔として機能する。また、各燃料用ノズル４０に、前記２次酸素供給管２６の内部を軸方に延在する夫々独立した第１燃料供給管(燃料供給路)４２の一端が、ガス燃料通路Ｓ１と連通するように接続されると共に、各第１燃料供給管４２の他端部側に開口するよう設けられたガス燃料供給口４９に、対応する第２燃料供給管４５を介して第一液化天然ガス(ＬＮＧ)や液化石油ガス(ＬＰＧ)等のガス燃料圧送源が夫々接続している。すなわち、第１および第２燃料供給管４２,４５を介してガス燃料通路Ｓ１に供給されたガス燃料が、バーナーヘッド１２の一端で開口するガス燃料噴射孔２０から渦流となって噴射されるようになっている。

前記各第２燃料供給管(供給経路)４５の夫々には、図５に示す如く、第１燃料供給管４２との接続部であるガス燃料供給口４９と対応するガス燃料圧送源(ガス燃料供給源)との間に、電磁弁等からなる流量調節弁４３および圧力や流量等の変化量を測定する測定器４４が夫々接続される。また、測定器４４と流量調節弁４３にコントローラ５６が接続され、該コントローラ５６は、測定器４４で測定した変化量に基づいて流量調節弁４３の開度を自動調節するよう構成してある。すなわち、実施例ではガス燃料の供給系は、各ガス燃料噴射孔２０に対応して夫々独立して構成されて、各供給系毎に流量調節弁４３の開度を独立して調節することで、４つのガス燃料噴射孔２０から噴射するガス燃料の流量を同じにし得るようになっている。実施例では、流量調節弁４３、測定器４４およびコントローラ５６から流量調節手段が構成される。

４つのガス燃料噴射孔２０から噴射するガス燃料を、実施例の如く独立して制御するのには、次の理由がある。ガス燃料を独立して制御するのではなく、複数を一括して制御した場合、以下のような不具合が生じる。すなわち、バーナーヘッド１２が水冷されているため、各燃料噴射孔２０には半溶融の粉粒体がつらら状に付着し、該半溶融物によって燃料噴射孔２０が閉塞ぎみになる。４つのガス燃料噴射孔２０から噴射されているガス燃料が正常に燃焼している間は、この粉粒体の半溶融物は火炎の熱によって溶融されて一定の大きさを保持して大きく成長することはない。しかし、一旦一つのガス燃料噴射孔２０の閉塞度合が大きくなると、その噴射孔２０の燃料供給量のみが減少し、その周りの粉粒体の半溶融物だけが成長して閉塞度合がますます進行して完全に閉塞するに至る。こうなると、火炎の形状が不均衡となり、粉粒体のキャリーオーバーが増加して効率的な粉粒体の溶融が損なわれることになる。

実施例では、前述したキャリーオーバー現象を避けるために、４つのガス燃料噴射孔２０から噴射するガス燃料の流量を常に同一にするよう自動制御している。同時に４つの流量を常に監視し、制御範囲を超えて流量にアンバランスが生じた場合には、警報を発するシステムが構成されている。

前記燃料用ノズル４０に中心通孔４０ｂが穿設されており、該中心通孔４０ｂに、図４に示す１次酸素用ノズル４６が嵌挿されている。この１次酸素用ノズル４６の外周面に、螺旋状の第２溝４６ａが複数形成されており、該１次酸素用ノズル４６を燃料用ノズル４０の中心通孔４０ｂに嵌挿することで、該第２溝４６ａと中心通孔４０ｂの内壁との間に、螺旋状の１次酸素通路(１次酸素渦流形成手段)Ｓ２が画成される。そして、バーナーヘッド１２の一端で開口する各１次酸素通路Ｓ２の開口部が、前記１次酸素用の通孔として機能する。また、１次酸素用ノズル４６に、前記第１燃料供給管４２の内部を同軸的に延在する１次酸素供給管４８の一端が、１次酸素通路Ｓ２と連通するように接続される。そして、１次酸素供給管４８の他端が図示しない１次酸素圧送源に接続しており、１次酸素供給管４８を介して１次酸素通路Ｓ２に供給された１次酸素が、バーナーヘッド１２の一端で開口する１次酸素噴射孔１８から渦流となって噴射されるよう構成される。このように渦流となって噴射された１次酸素は、旋回の遠心力により接線方向外側へ向かう速度成分を持つ。このため、１次酸素外側に噴射されるガス燃料との混合が促進され、より強力な混合が実現する。実施例では、ガス燃料通路Ｓ１と１次酸素通路Ｓ２とは同一方向の螺旋となっているが、その螺旋角度θは異なるよう設定され、ガス燃料と１次酸素とを効果的に混合し得るよう構成してある。また、１次酸素用ノズル４６で画成される１次酸素通路Ｓ２は、燃料用ノズル４０で画成されるガス燃料通路Ｓ１の数より少なく設定されると共に、１次酸素通路Ｓ２の螺旋角度θがガス燃料通路Ｓ１の螺旋角度θより小さく設定されている。

なお、実施例では、図１に示す如く、バーナーヘッド１２における周方向に隣り合う２次酸素噴射孔２２,２２の間に、前記２次酸素供給管２６に連通する副２次酸素噴射孔５０が穿設されており、該副２次酸素噴射孔５０からも２次酸素が、前記粉粒体噴射孔１６から噴射される粉粒体の外側に向けて噴射される。実施例では、周方向に隣り合う２次酸素噴射孔２２,２２の間に複数の副２次酸素噴射孔５０を穿設してあるが、複数の副２次酸素噴射孔５０が形成される領域に亘る１つの副２次酸素噴射孔５０を弧状に形成したものであってもよい。

(冷却チャンバー５４について)
図２に示すように、バーナーヘッド１２の裏側でかつ前記複数のガス燃料噴射孔２０を設けた領域には、区画板５２が設けられて、内部に冷却チャンバー５４を画成している。この区画板５２の中心には、冷却水の流通孔５２ａが開設されて、前記冷却ジャケット３２からの冷却水が、該流通孔５２ａを介して冷却チャンバー５４に循環供給され、これにより粉粒体溶融バーナー１０の外筒部位だけでなく、バーナーヘッド１２の平面部１２ａを積極的に冷却し得るよう構成してある。

〔実施例の作用〕
次に、前述のように構成された本実施例の粉粒体溶融バーナーおよび粉粒体溶融装置の作用につき説明する。

実施例に係る粉粒体溶融バーナー１０によれば、粉粒体はバーナーヘッド１２の中心に開孔する粉粒体噴射孔１６から噴射され、該バーナーヘッド１２の粉粒体噴射孔１６を中心として半径方向外方に位置する４つのガス燃料噴射孔２０からはガス燃料が夫々噴射供給される。また、ガス燃料噴射孔２０の内側に同心的に設けた１次酸素噴射孔１８から１次酸素が噴射供給されると共に、該ガス燃料噴射孔２０の外側に同心的に設けた２次酸素噴射孔２２から２次酸素が噴射供給される。この場合には、粉粒体噴射孔１６から噴出される粉粒体の周りを、ガス燃料、１次酸素および２次酸素からなる４本の噴出流の束が囲んでいる。

このためガス燃料に点火すると、１次酸素および２次酸素により支燃された高温の火炎の中心部分に粉粒体が封じ込められた形になるので、該粉粒体が火炎から外方へ飛び出すキャリーオーバー現象を著しく低減させることが出来る。また、ガス燃料噴射孔２０の内側および外側に酸素噴射孔１８,２２を設け、ガス燃料の内側および外側の両側に酸素を噴射するよう構成したので、ガス燃料と酸素とを効果的に混合して燃焼させることができる。そして、燃料としてガスを用いることで、二酸化炭素の排出量を削減することができ、環境負荷を小さくし得る。

また、前記１次酸素噴射孔１８およびガス燃料噴射孔２０から１次酸素およびガス燃料を渦流として噴射するよう構成したので、１次酸素および２次酸素とガス燃料とが効果的に混合して燃焼速度が上がり、超高温の火炎を形成して粉粒体を効率的に溶融し得る。そして、燃焼速度が上がることで燃焼空間は小さくなるので、より高温の火炎を形成することができる。しかも、実施例ではガス燃料通路Ｓ１および１次酸素通路Ｓ２の螺旋角度θを異なるように設定したので、１次酸素とガス燃料とはより効果的に混合されて、より燃焼速度が上がる。更に、１次酸素噴射孔１８およびガス燃料噴射孔２０から噴射される１次酸素およびガス燃料の外側を取り囲むように２次酸素噴射孔２２から噴射される２次酸素は渦流でなく軸方向に直線的に噴射されるので、火炎がバーナーヘッド１２の中心(粉粒体噴射孔１６から噴射される粉粒体)から径方向の外側に離れるのを抑制することができ、粉粒体を効率的に溶融し得る。

ここで、前記バーナーヘッド１２における前記粉粒体噴射孔１６、ガス燃料噴射孔２０、１次酸素噴射孔１８および２次酸素噴射孔２２の周囲は、これらの孔を高速で流れる空気や酸素が冷却媒体(空冷)となって適切な冷却が行なわれる。しかしながら、これらの孔から離れたバーナーヘッド１２の平面部１２ａの領域には、前記空冷による効果が及ばないため、冷却水による冷却がなされない限り極めて高温となり、熱膨張や熱応力の増大を招き、多くの場合にこの部位を起点としてバーナー焼損に至ってしまう。そこで実施例では、図２に示す如く、バーナーヘッド１２の裏側に冷却水が流通する冷却チャンバー５４を設け、該冷却チャンバー５４を通過する冷却水によりヘッド裏側を冷却するよう構成したので、結果としてバーナー外筒部分だけでなく該バーナーヘッド１２の平面部１２ａも冷却されることになり、従って粉粒体溶融バーナー１０の焼損を未然に防ぐと共に耐久寿命を長くすることが可能となる。

また、各ガス燃料噴射孔２０から噴射されるガス燃料は、夫々のガス燃料供給口４９から供給される。そして、その流量は、対応する第２燃料供給管４５に接続する測定器４４、流量調節弁４３およびコントローラ５６によって一定となるよう制御される。従って、粉粒体噴射孔１６を中心として周方向に離間する４つのガス燃料噴射孔２０から噴射されるガス燃料の流量は同じとなり、中心部分に粉粒体を封じ込めている火炎の周方向における火炎の大きさ等の不均衡が生ずることはなく、バーナーヘッド１２に付着するつらら状の半溶融物が不均一に成長し、ガス燃料噴射孔２０に目詰りを発生させるのを防止することができる。すなわち、各ガス燃料噴射孔２０間のガス燃料供給量のアンバランスを解消し、火炎を安定させて、粉粒体のキャリーオーバー(粉粒体が火炎外へ逃げ出る現象)を防止することができる。

〔変更例〕
本発明は、実施例の構成に限定されず、種々の変更が可能であり、例えば以下の構成を採用し得る。
(1) 実施例では、燃料用ノズルに設けた第１溝および１次酸素用ノズルに設けた第２溝の螺旋の方向を同じとしたが、図６に示すように逆方向としてもよい。図６は、燃料用ノズル４０の変更例を示すものであって、該ノズル４０に形成した第１溝４０ａは、実施例とは逆向きの螺旋となっている。そして、図６に示す燃料用ノズル４０を採用することで、１次酸素噴射孔１８から噴射される１次酸素の渦流と、ガス燃料噴射孔２０から噴射されるガス燃料の渦流とは逆向きとなり、１次酸素とガス燃料との混合が効果的に行なわれる。なお、１次酸素用ノズルに設ける第２溝の螺旋の方向を実施例とは逆向きとすることで、１次酸素の渦流とガス燃料の渦流とを逆向きにする構成であってもよい。
また、第１溝(ガス燃料通路)と第２溝(１次酸素通路)との螺旋の方向を逆とした場合に、螺旋角度θは同じであっても異なっていてもよく、更には溝の数も同じであっても異なっていてもよい。
(2) 実施例では、ガス燃料渦流形成手段および１次酸素渦流形成手段として、螺旋状のガス燃料通路および１次酸素通路を採用した場合で説明したが、ガス燃料噴射孔および１次酸素噴射孔から噴射されるガス燃料や１次酸素が渦流となっていればよく、例えば通路に偏向板を配設する等、各種の手段を採用し得る。
(3) 実施例では、ガス燃料および１次酸素の両方を渦流として噴出するよう構成したが、何れか一方のみを渦流として噴出する構成であってもよい。
(4) 実施例では、各ガス燃料噴射孔の夫々を独立したガス燃料圧送源に接続し、各ガス燃料噴射孔へのガス燃料の供給量を夫々独立して測定して予め設定された値(一定値)となるように流量調節弁を開閉制御することで、複数のガス燃料噴射孔からのガス燃料の噴射量が同じになるようにした場合で説明したが、この構成に限定されるものではない。例えば、共通のガス燃料圧送源に全てのガス燃料噴射孔を接続し、各ガス燃料噴射孔へのガス燃料の供給量を各測定器で測定し、全ての流量調節弁を統括して制御可能なコントローラに入力された各測定器からの測定値を基に、全てのガス燃料噴射孔へのガス燃料の供給量が同一となるようにコントローラが各流量調節弁を開閉制御するようにしてもよい。

１２バーナーヘッド，１２ａ平面部，１６粉粒体噴射孔，１８１次酸素噴射孔
２０ガス燃料噴射孔，２２２次酸素噴射孔，３２冷却ジャケット
４２第１燃料供給管(燃料供給路)，４３流量調節弁(流量調節手段)
４４測定器(流量調節手段)，４５第２燃料供給管(供給経路)
４９ガス燃料供給口，５４冷却チャンバー
Ｓ１ガス燃料通路(ガス燃料渦流形成手段)
Ｓ２１次酸素通路(１次酸素渦流形成手段)

Claims

バーナーヘッド(12)から粉粒体とガス燃料と酸素とを炉中へ個別に噴射し、前記ガス燃料を酸素支援下に燃焼させた火炎中で前記粉粒体の溶融を行なう粉粒体溶融バーナーにおいて、
前記バーナーヘッド(12)の中心に設けた粉粒体噴射孔(16)と、
前記粉粒体噴射孔(16)から半径方向外方に離間してバーナーヘッド(12)に設けられ、該粉粒体噴射孔(16)を中心として所要の中心角で設けた３つ以上のガス燃料噴射孔(20)と、
前記バーナーヘッド(12)における各ガス燃料噴射孔(20)の内側に、該ガス燃料噴射孔(20)と同心的に設けた１次酸素噴射孔(18)と、
前記バーナーヘッド(12)における各ガス燃料噴射孔(20)の外側に、該ガス燃料噴射孔(20)と同心的に設けた２次酸素噴射孔(22)とから構成した
ことを特徴とする粉粒体溶融バーナー。
前記各ガス燃料噴射孔(20)に夫々独立して接続する燃料供給路(42)を備え、各燃料供給路(42)の夫々がガス燃料供給源に接続するよう構成された請求項１記載の粉粒体溶融バーナー。
前記１次酸素噴射孔(18)から噴射する１次酸素を渦流とする１次酸素渦流形成手段(S2)を備えた請求項１または２記載の粉粒体溶融バーナー。
前記ガス燃料噴射孔(20)から噴射するガス燃料を渦流とするガス燃料渦流形成手段(S1)を備えた請求項１〜３の何れか一項に記載の粉粒体溶融バーナー。
前記１次酸素噴射孔(18)から噴射する１次酸素を渦流とする１次酸素渦流形成手段(S2)と、前記ガス燃料噴射孔(20)から噴射するガス燃料を、１次酸素の渦流とは回転方向が逆の渦流とするガス燃料渦流形成手段(S1)とを備えた請求項１または２記載の粉粒体溶融バーナー。
前記バーナーヘッド(12)の裏側でかつ前記複数のガス燃料噴射孔(20)を設けた領域に冷却チャンバー(54)が設けられ、バーナー本体(24)の外周に配設した冷却ジャケット(32)からの冷却液が該冷却チャンバー(54)へ循環供給されて、該バーナーヘッド(12)の平面部(12a)が冷却される請求項１〜５の何れか一項に記載の粉粒体溶融バーナー。
請求項１〜６に記載の粉粒体溶融バーナーを備え、前記各ガス燃料噴射孔(20)とガス燃料供給源との間の供給経路(45)に、ガス燃料噴射孔(20)へのガス燃料の供給量を自動調節可能な流量調節手段(43,44)を配設し、各ガス燃料噴射孔(20)へのガス燃料の供給量を夫々独立して調節し得るよう構成した
ことを特徴とする粉粒体溶融装置。