JP2014201809A - 燃焼装置及びその運転方法、並びに回転炉床式加熱炉 - Google Patents

Abstract

【課題】安定的に燃料ガスを高速燃焼することが可能な燃焼装置を提供すること。
【解決手段】燃焼装置１００は、管状のバーナ本体１０と、酸素含有ガスを吐出するガス供給部３０と、ガス供給部３０の外周側において、バーナ本体１０及びガス供給部３０の先端よりも前方に突出した側壁部２２を備える。側壁部２２は、バーナ本体１０を挟んで互いに対向して配置され、燃料ガスを吐出する少なくとも一対の燃料配管１８を備える。燃料配管１８の燃料ガスの吐出方向は、バーナ本体１０の中心軸方向と、バーナ本体の前方において交差可能に構成されている。ガス供給部１８は、流速調整部材３２によって、周方向に沿って並ぶように第１の流路と第１の流路よりも酸素含有ガスの流速が速い第２の流路とに区画され、第１の流路の吐出口が、第２の流路の吐出口よりも燃料配管の吐出口に近接して設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼装置及び該燃焼装置の運転方法、並びに回転炉床式加熱炉に関する。

加熱炉等で、燃料ガスを燃焼して熱源として用いられる加熱装置は、種々の構造を有するものが用いられている。これらの加熱装置は、用途や、加熱炉の大きさ及び形状に応じて適切な構造を有するものが用いられている。例えば、特許文献１では、バーナ本体の中心軸に沿って延在する中央燃料ダクトと、この中心軸に沿って延在する複数個の空気孔が円周方向に離間して設けられた燃焼装置が提案されている。また、最近の燃焼装置では、一酸化窒素などのＮＯｘの生成を抑制することを志向して、局部的な温度上昇を抑制すべく、燃焼領域を広くして緩慢燃焼を行うことが試みられている。緩慢燃焼では、空気又は酸素ガスの供給を低速で行うのが通常であり、このため火炎長が長くなる傾向にある。

緩慢燃焼を行う燃焼装置は、通常、バーナ中央の燃料ガス供給口の周囲に１次燃焼空気の供給口を、バーナ中央の燃料ガス供給口から離して２次燃焼空気の供給口を、それぞれ設けている。このような構造によって、空気と燃料ガスの急速な混合及び燃焼を回避している。

燃焼装置が取り付けられる加熱炉の形状も様々なものが知られており、例えば、炉内を回転する回転炉床の上で、鉄鉱石などに炭材などの還元剤を混合して調製されたブリケットを、加熱及び還元して、還元鉄を製造する回転炉床式加熱炉が知られている。このような回転炉床式加熱炉は、対向する炉壁の間隔が小さいため、燃焼装置からの火炎で炉壁を構成する耐火物が損耗しないように配慮する必要がある。そこで、特許文献２では、バーナ及び燃焼空気吹込孔の軸線が炉壁に接触しないように、該軸線を回転炉床式加熱炉の中心に向かう線から傾けることが提案されている。

特開昭６０−５３７１２号公報 特開２００３−１０６７７４号公報

加熱炉に用いられる燃料ガスは多様化しているが、立地条件によっては、燃料ガスの選択肢が限られることも少なくない。例えば、内陸に立地する鉱山など、天然ガス又はコークス炉ガス（ＣＯＧ）などを供給するためのインフラが整っていない地域においては、燃焼装置の燃料として、石炭を乾留して製造する石炭ガスなどの低カロリーの燃料ガスを用いざるを得ない場合もある。石炭ガスの発熱量は約１５００Ｋｃａｌ／Ｎｍ^３以下であり、天然ガスやＣＯＧよりも低い。このため、天然ガス及びＣＯＧに比べて、石炭ガスの燃焼性は不安定であり、火炎温度が低い。したがって、低カロリーの燃料ガスを用いると、炉内温度の調整が困難であり且つ炉内温度が上がり難い傾向にある。このような事情から、安定した燃焼性と高温での操業が求められる鉱石還元設備の加熱炉等において、石炭ガス等の低カロリーの燃料ガスを用いることができる燃焼装置を実用化することが求められている。

一方で、炉幅が小さい還元炉で、上述のような低カロリーの燃料ガスを実用的に使用するためには、加熱装置と対面する炉壁の損耗を抑制する観点から、火炎長を炉幅の７０％以内に収めることが望ましい。このことから、低カロリーの燃料ガスを還元炉で用いるためには、火炎が短く且つ勢い（直進性が高い）があり、火炎の形状を良好に維持することが可能な高速燃焼装置（高速燃焼バーナ）とすることが求められる。しかしながら、高速燃焼装置で、低カロリーの燃料ガスを用いると、バーナポート内で着火して、安定的に火種を形成することが難しくなる傾向にある。

また、高速燃焼装置では、燃焼用の空気が、空気配管の供給口から速い速度（例えば２０〜４０ｍ／ｓ）で吐出されることから、装置本体及びバーナポートが燃焼用の空気で冷却され、着火性及び燃焼安定性が低下してしまう。特に、運転開始時に炉内を昇温する際、理論燃焼空気量の数倍の過剰空気で燃料ガスを燃焼させると、燃焼用の空気で燃料ガスが吹き飛ばされるとともに、過剰な燃焼用の空気で装置本体及びバーナポートが一層冷却されることとなる。このように、従来の高速燃焼装置では、優れた着火性と燃焼安定性を両立することが難しい。

低カロリーの燃料ガスの着火性及び燃焼安定性を改善する方法としては、燃料ガスと燃焼用の空気とを予混合する方法（Ｉ）、燃焼装置の燃料配管の吐出口付近で、燃料ガスと燃焼用の空気の流速を遅くして、燃料と燃焼用の空気の混合及び対流時間を確保する方法（ＩＩ）、燃料ガス及び燃焼用の空気の一方又は双方に旋回（渦）を与えて混合を促進する方法（ＩＩＩ）、中・高カロリー燃料を用いたパイロットバーナを常時燃焼させて火種を作る方法（ＩＶ）等の対応が考えられる。

しかしながら、方法（Ｉ）では、燃焼装置から逆火して、配管内での異常燃焼等が発生してしまうことが懸念される。方法（ＩＩ）では、火炎に勢いがなく、火炎の直進性が損なわれ、火炎が舞上がって炉を構成する天井耐火物を損耗させることが懸念される。方法（ＩＩＩ）では、火炎が渦を巻いて火炎径が大きくなる傾向にある。このため、例えば、火炎が炉床に配置したブリケットと接触して、局部加熱や溶融が発生してしまうことが懸念される。方法（ＩＶ）では、低カロリーの燃料ガスを用いる場合、インフラが整っていない地域において中・高カロリー燃料を用いたパイロットバーナを常時燃焼させることは困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、石炭ガスなどのカロリーの低い燃料ガスを用いる場合であっても、安定的に燃料ガスを高速燃焼することが可能な燃焼装置を提供することを目的とする。また、石炭ガスなどの燃焼性の低い燃料ガスを用いる場合であっても、安定的に燃料ガスを高速燃焼して、炉壁の損耗を抑制することが可能な回転炉床式加熱炉を提供することを目的とする。さらに、石炭ガスなどの燃焼性の低い燃料ガスを用いる場合であっても、安定的に燃料ガスを高速燃焼することが可能な燃焼装置の運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、中央部に配置され、燃料ガス及び酸素含有ガスを前方に吐出する管状のバーナ本体と、該バーナ本体の外周面を囲むように筒状に設けられ、酸素含有ガスを前方に吐出するガス供給部と、該ガス供給部の外周側において、前記バーナ本体及び前記ガス供給部の先端よりも前方に突出した側壁部と、を備える燃焼装置であって、前記側壁部は、前記バーナ本体を挟んで互いに対向して配置され、燃料ガスを吐出する少なくとも一対の燃料配管を備え、該燃料配管の前記燃料ガスの吐出方向が、前記バーナ本体の中心軸方向と、前記バーナ本体の前方において交差可能に構成されており、前記ガス供給部は、流速調整部材によって、周方向に沿って並ぶように第１の流路と前記第１の流路よりも前記酸素含有ガスの流速が速い第２の流路とに区画され、前記第１の流路の吐出口が、第２の流路の吐出口よりも前記燃料配管の吐出口に近接して設けられている燃焼装置を提供する。

本発明の燃焼装置では、酸素含有ガスの第１の流路の吐出口が、酸素含有ガスの第２の流路の吐出口よりも燃料配管に近接して配置されている。燃料配管は、燃料ガスを、バーナ本体の前方において、バーナ本体の中心軸方向に交差する方向に吐出するように設けられている。このため、燃料配管から吐出された燃料ガスは、流速が遅い第１の流路からの酸素含有ガスと接触して、バーナ本体の前方近傍にて着火して燃焼する。これによって、側壁部及びバーナ本体、並びにこれらの近傍を十分に温めることができる。したがって、燃料ガスが石炭ガスなどの低カロリーの燃料ガスであっても、バーナ本体から供給される燃料ガス及び酸素含有ガスが十分に温められて、着火性及び燃焼性が良好となる。このような作用によって、低カロリーの燃料ガスを用いても、安定的に燃料ガスを高速燃焼することができる。

このような燃焼装置は、炉内の酸素濃度が低く、火炎形状を安定的に維持することが難しい還元雰囲気下で低カロリーの燃料ガスを燃焼させる場合においても、着火の安定性を確保して、安定的に燃料ガスを高速燃焼することができる。したがって、本発明の燃焼装置は、例えば、天然ガスやＣＯＧなどの高カロリーの燃料ガスを供給するためのインフラが整っていない内陸地や発展途上地域などにおいて、還元炉を運転する場合に特に有用である。

本発明の燃焼装置における流速調整部材は、前記第１の流路と前記第２の流路とが周方向に沿って並ぶように区分する板状部材であり、前記第１の流路は、前記板状部材によって、前記吐出口に向かって拡張するように構成され、前記第２の流路は、前記板状部材によって、前記吐出口に向かって縮小するように構成されてもよい。このようなシンプルな構造とすれば、設備コストを低減できるとともにメンテナンスの頻度を十分に低減することができる。また、流速調整部材は、前記第１の流路から吐出される酸素含有ガスの流速に対する、前記第２の流路から吐出される酸素含有ガスの流速の比が１．５〜３となるように設けられていてもよい。

本発明ではまた、中央部に配置され、燃料ガス及び酸素含有ガスを前方に供給する管状のバーナ本体と、該バーナ本体の外周面を囲むように筒状に設けられ、酸素含有ガスを吐出するガス供給部と、該ガス供給部の外側において、前記バーナ本体及び前記ガス供給部の先端よりも前方に突出した側壁部と、を備える燃焼装置の運転方法であって、前記側壁部は、前記バーナ本体を挟んで互いに対向して配置され、燃料ガスを吐出する少なくとも一対の燃料配管を備え、該燃料配管の前記燃料ガスの吐出方向が、前記バーナ本体の中心軸方向と、前記バーナ本体の前方において交差可能に構成されており、前記ガス供給部は、流速調整部材によって、周方向に沿って並ぶように第１の流路と前記第１の流路よりも前記酸素含有ガスの流速が速い第２の流路に区画され、前記バーナ本体から、前記酸素含有ガス及び前記燃料ガスを吐出するとともに、前記ガス供給部及び前記燃料配管から、それぞれ酸素含有ガス及び燃料ガスを吐出する工程において、前記第１の流路からの前記酸素含有ガスを、前記第２の流路からの前記酸素含有ガスよりも、前記燃料配管に近接した領域に吐出する燃焼装置の運転方法を提供する。

本発明の燃焼装置の運転方法では、流速が遅い第１の流路からの酸素含有ガスを、流速が速い第２の流路からの酸素含有ガスよりも、燃料配管に近接した領域に吐出している。燃料配管は、燃料ガスの吐出方向が、バーナ本体の前方において、バーナ本体の中心軸方向と交差するように設けられていることから、当該燃料ガスは、流速が遅い第１の流路からの酸素含有ガスと接触する。このため、燃料配管からの燃料ガスを、バーナ本体の前方近傍にて容易に着火して燃焼することができる。これによって、側壁部及びバーナ本体、並びにこれらの近傍を温めることができる。したがって、バーナ本体から吐出される燃料が石炭ガスなどの低カロリーの燃料ガスであっても、安定的に燃料ガスを高速燃焼することができる。

このような燃焼装置の運転方法は、酸素濃度が低く火炎形状を安定的に維持することが難しい還元雰囲気下で、低カロリーの燃料ガスを燃焼させる場合においても、着火の安定性を確保して、安定的に燃料ガスを高速燃焼することができる。したがって、本発明の燃焼装置の運転方法は、例えば、天然ガス及びＣＯＧなどの高カロリーの燃料ガスを供給するためのインフラが整っていない内陸地や発展途上地域などにおいて、還元炉を運転する場合に特に有用である。

本発明の燃焼装置の運転方法では、バーナ本体から吐出される前記燃料ガスに対して、前記燃料配管から吐出される前記燃料ガスの流量比は、１／９〜４／９であってもよい。また第１の流路から吐出される酸素含有ガスの流速に対する、第２の流路から吐出される酸素含有ガスの流速の比が１．５〜３であってもよい。これによって、低カロリーの燃料ガスを還元雰囲気下で燃焼させる場合であっても、安定的な燃焼状態を維持しつつ一層の短炎化を図ることができる。

本発明ではまた、回転可能な炉床の上に配置される、還元剤と酸化金属とを含有する塊状物を加熱して前記酸化金属を還元する回転炉床式加熱炉であって、炉床と、該炉床上に加熱空間を形成する側壁及び天井壁と、側壁に設けられる上述の加熱装置と、を備える回転炉床式加熱炉を提供する。

上記本発明の回転炉床式加熱炉は、上述の特徴を有する加熱装置を備えていることから、低カロリーの燃料ガスを用いても、安定的に燃料ガスを高速燃焼させることができる。これによって、火炎の接触に伴う炉壁の損耗を十分に抑制しつつ高い効率で酸化金属を還元することができる。

本発明によれば、石炭ガスなどの燃焼性の低い燃料ガスを用いる場合であっても、安定的に燃料ガスを高速燃焼することが可能な燃焼装置を提供することができる。また、石炭ガスなどの燃焼性の低い燃料ガスを用いる場合であっても、安定的に燃料ガスを高速燃焼して、炉壁の損耗を抑制することが可能な回転炉床式加熱炉を提供することができる。さらに、石炭ガスなどの燃焼性の低い燃料ガスを用いる場合であっても、安定的に燃料ガスを高速燃焼することが可能な燃焼装置の運転方法を提供することができる。

本発明の燃焼装置の好適な一実施形態を模式的に示す断面図である。 図１の燃焼装置を前方から見たときの正面図である。 本発明の燃焼装置の好適な一実施形態を示す模式図である。 図３に示す燃焼装置のＩＶ（ａ）−ＩＶ（ａ）線及びＩＶ（ｂ）−ＩＶ（ｂ）線に沿った断面図である。 本発明の回転炉床式加熱炉の上面図である。 図５に示す回転炉床式加熱炉のVI−VI線に沿った断面図である。 図５に示す回転炉床式加熱炉のVII−VII線に沿った断面図である。

本発明の燃焼装置の好適な実施形態を、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではない。なお、図面において同一又は同等の要素には同一の符号を付し、場合により重複する説明は省略する。

図１は、本発明の燃焼装置の好適な一実施形態を模式的に示す断面図である。燃焼装置１００（バーナ）は、中央部に配置され、燃料ガス及び酸素含有ガスを前方に供給するバーナ本体１０と、バーナ本体１０の外周面を、空間を隔てて取り囲むように設けられるバーナポート２０とを備える。バーナポート２０は、例えば耐火物で構成されており、炉の側壁に固定される。バーナポート２０は、炉の側壁によって構成されていてもよい。

バーナ本体１０は、例えば水平方向に延在する二重管構造を有しており、中心軸を含む、酸素含有ガスを供給する中央配管１１と、その外側に燃料ガスを供給する燃料配管１２（第１の燃料配管１２）とを有する。バーナ本体１０の先端には燃料ガス及び酸素含有ガスを吐出する吐出口が設けられており、バーナ本体１０の前方にある燃焼空間５０に、燃料ガス及び酸素含有ガスを供給可能な構成となっている。バーナ本体１０の外周面とバーナポート２０の内壁との間には、燃焼空間５０に酸素含有ガスを供給するガス供給部３０が設けられている。ガス供給部３０と中央配管１１から供給される酸素含有ガスは同一であってもよく、異なっていてもよい。酸素含有ガスとしては、空気、酸素ガス、又は空気と酸素ガスの混合ガス等を用いることができる。

バーナポート２０は、バーナ本体１０の先端及びガス供給部３０のガス吐出口よりも外側前方に突出しており、バーナ本体１０の先端から吐出される燃料ガス（以下、場合により「一次燃料ガス」という。）及び酸素含有ガス、並びにガス供給部３０から吐出される酸素含有ガスを取り囲む側壁部２２を構成している。

バーナポート２０には、燃焼領域に燃料ガス（以下、場合により「二次燃料ガス」という。）を供給する燃料ノズル１８（第２の燃料配管１８）が埋設されている。燃料ノズル１８の吐出口は、側壁部２２の壁面に露出しており、燃焼空間５０に向けて、二次燃料ガスを供給可能なように配置されている。バーナポート２０には、燃料ノズル１８が、バーナ本体１０を挟んで対向するように２つ設けられている。燃料ノズル１８は、燃料ガスの流路に着火性を向上するための旋回羽根１９を有している。

燃料ノズル１８の二次燃料ガスの吐出方向は、燃料ノズル１８の長手方向と一致している。燃料ノズル１８は、その吐出方向（長手方向）が、バーナ本体１０の前方において、管状のバーナ本体１０の中心軸方向と交差するように配置される。これによって、燃料ノズル１８は、燃焼空間５０に向けて、二次燃料ガスを吐出することができる。管状のバーナ本体１０の中心軸方向と、燃料ノズル１８の二次燃料ガスの吐出方向（長手方向）とのなす角度は、例えば、２０〜７０°であってもよい。

ガス供給部３０は、酸素含有ガスの流路を構成しており、バーナ本体１０の周面を囲むように円筒状に形成されている。このような構成によって、ガス供給部３０は、バーナ本体１０の外側から燃焼空間５０に酸素含有ガスを供給する。ガス供給部３０の酸素含有ガスの流路には、吐出口付近において、流速調整部材である流速調整板３２が設けられている。流速調整板３２は、ガス供給部３０の流路を流通する酸素含有ガスの流速を変化させる機能を有する。

図２は、図１の燃焼装置１００を前方、すなわち燃料ガス及び空気の出口側から見たときの正面図である。図２に示すとおり、ガス供給部３０は、バーナ本体１０とバーナポート２０との間に形成されており、中央配管１１、燃料配管１２と、同心円状に配置されている。ガス供給部３０には、略径方向に沿って、４枚の流速調整板３２が設けられている。これによって、ガス供給部３０は、２つの第１の流路３０Ａと２つの第２の流路３０Ｂとの合計４つの流路に区画されている。第１の流路３０Ａと第２の流路３０Ｂは、周方向に沿って交互に並ぶように配置されている。そして、第１の流路３０Ａと第２の流路３０Ｂは、それぞれ軸対称に配置されている。隣り合う第１の流路３０Ａと第２の流路３０Ｂは、流量調整板３２によって、完全に遮断されていてもよく、遮断されていなくてもよい。

流速調整板３２は、第１の流路３０Ａの中心軸方向に直交する断面が、下流側に向かうにつれて大きくなるように設けられる。また、第１の流路３０Ｂの中心軸方向に直交する断面が、下流側に向かうにつれて小さくなるように設けられる。これによって、第１の流路３０Ａ及び第２の流路３０Ｂを流通する酸素含有ガスの流速を、吐出口からの距離に応じて、変化させることができる。流速調整板３２は、平板に限定されるものではなく、平板を変形加工した屈曲部を有する板であってもよく、曲面を有する板であってもよい。また、いくつかの実施形態においては、流速調整部材は、複数の板を溶接等によって接合して形成された部材であってもよい。

図２において、燃料ノズル１８を挟んで隣接する一対の流速調整板３２は、ガス供給部３０の前方、すなわち燃焼空間５０に向かって、第１の流路３０Ａの流通方向に直交する断面が徐々に大きくなり、且つ第１の流路３０Ｂの流通方向に直交する断面が徐々に小さくなるように設けられる。このため、燃料ノズル１８の吐出口に近接して設けられている第１の流路３０Ａの吐出口における酸素含有ガスの流速は、燃料ノズル１８の燃料ガス吐出口から離れた位置に設けられる第２の流路３０Ｂの吐出口における酸素含有ガスの流速よりも遅くなる。ここで、第１の流路３０Ａを「低速流路３０Ａ」、第２の流路３０Ｂを「高速流路３０Ｂ」という。

このように、燃料ノズル１８の吐出口付近における酸素含有ガスの流速が遅くなっているため、低カロリーの燃料ガスを燃料ノズル１８から吐出しても、燃料ノズル１８からの燃料ガスを、バーナ本体１０及びバーナポート２０の側壁部２２の近傍において燃焼させることができる。これによって、バーナ本体１０及びバーナポート２０の側壁部２２の温度を上げることが可能となり、中央配管１１からの燃料ガスの着火性を良好にして、安定的に燃料ガスの高速燃焼を行うことができる。

燃焼装置１００に用いられる燃料ガスは特に限定されるものではなく、例えば、天然ガスやＣＯＧなどの高カロリーガスのみならず、石炭ガスなどの低カロリーガスを用いることもできる。本実施形態の燃焼装置１００によれば、低カロリーガスを用いても着火が容易で且つ燃焼を安定して継続することができる。したがって、本実施形態の燃焼装置１００は、高カロリーの燃料ガスを供給するためのインフラが整っていない場所で炉を操業する場合において特に有用である。中央配管１１及び燃料ノズル１８から吐出される燃料ガスは同一であってもよく、異なっていてもよい。

図３は、燃焼装置１００のガス供給部３０に設けられる流速調整板３２の構造を説明する図である。流速調整板３２は、バーナ本体１０の外周面に固定されており、ガス供給部３０を流通する酸素含有ガスの流速を変化させる機能を有する。流速調整板３２のバーナ本体１０とは反対側の縁は、バーナ本体１０の中心軸Ｐと平行ではなく、ねじれの関係にあってもよい。

図４は、図３に示す燃焼装置１００のＩＶ（ａ）−ＩＶ（ａ）線、及びＩＶ（ｂ）―ＩＶ（ｂ）線の断面図である。図４（ａ）は、ＩＶ（ａ）−ＩＶ（ａ）線の断面図であり、図４（ｂ）は、ＩＶ（ｂ）―ＩＶ（ｂ）線の断面図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、ガス供給部３０の円筒状の流路は、４つの流速調整板３２によって、４つの流路に分割されている。

図４（ａ）は、バーナ本体１０とガス供給部３０の断面構造を示している。図４（ａ）に示す断面構造では、ガス供給部３０において、４つの流速調整板３２は、軸対称に放射状に拡がっている。流速調整板３２によって、２つの酸素含有ガスの低速流路３０Ａと２つの高速流路３０Ｂが、それぞれ軸対称に形成されている。図４（ｂ）は、図４（ａ）よりも下流側におけるバーナ本体１０とガス供給部３０の断面構造を示している。図４（ｂ）の断面構造は、図４（ａ）の断面構造に比べて、低速流路３０Ａの断面積が大きくなっており、高速流路３０Ｂの断面積が小さくなっている。ガス供給部３０における低速流路３０Ａは、上流側から下流側に向かって、中心軸Ｐに垂直な方向における断面積が徐々に大きくなっていてもよい。一方、ガス供給部３０における高速流路３０Ｂは、上流側から下流側に向かって、中心軸Ｐに垂直な方向における断面積が徐々に小さくなっていてもよい。

ガス供給部３０の外径及びガス本体部の内径を、それぞれＤａ及びＤｆとしたとき、ガス供給部の流路の断面積Ｑは、以下の式で計算することができる。
Ｑ＝π／４×（Ｄａ^２−Ｄｆ^２）
流速調整板３０の後端における低速流路３０Ａの断面積は、例えば０．１Ｑ〜０．３Ｑであり、高速流路３０Ｂの断面積は、例えば０．７Ｑ〜０．９Ｑである。流速調整板３０の先端、すなわち吐出口側における低速流路３０Ａの断面積は、例えば０．６Ｑ〜０．７Ｑであり、高速流路３０Ｂの断面積は、例えば０．３Ｑ〜０．４Ｑである。このように、低速流路３０Ａは、吐出口に向かって断面積が拡張しており、高速流路３０Ｂは、吐出口に向かって断面積が縮小している。

ガス供給部３０が、このような断面構造を有することによって、円筒状を有するガス供給部３０を流通する酸素含有ガスの速度を変化させることができる。つまり、図４（ｂ）に示す断面において、低速流路３０Ａを通過する酸素含有ガスの流速は、高速流路３０Ｂを通過する酸素含有ガスの流速よりも遅くなる。燃料ノズル１８の吐出口１８ａを、高速流路３０Ｂの吐出口よりも低速流路３０Ａの吐出口に近接する位置、すなわち低速流路３０Ａの吐出口近傍に設けることによって、吐出口１８ａから吐出される燃料ガスが、相対的に遅い流速を有する低速流路３０Ａからの酸素含有ガスと混合される。低速流路３０Ａから吐出される空気の流速は遅いことから、火炎が飛んでしまうことが抑制されて、燃料ノズル１８の吐出口１８ａから吐出された燃料ガスを、バーナポート２０の側壁部２２及びバーナ本体１０の近傍で着火させて燃焼させることができる。

この燃焼によって生じた炎が、火種として機能して、バーナ本体１０の燃料配管１２から供給される燃料ガスを、中央配管１１及び高速流路３０Ｂから吐出される酸素含有ガスによって、高速燃焼することができる。なお、ガス供給部３０における高速流路３０Ｂは、上流側から下流側に向けて、中心軸Ｐに垂直な方向における断面積が連続的に小さくなるように構成されていてもよく、段階的に小さくなるように構成されていてもよい。ガス供給部３０における低速流路３０Ａは、上流側から下流側に向けて、中心軸Ｐに垂直な方向における断面積が連続的に大きくなるように構成されていてもよく、段階的に大きくなるように構成されていてもよい。

なお、高速流路３０Ｂからの酸素含有ガスの流速は、低速流路３０Ａの酸素含有ガスの流速よりも早いことから、燃料ガスは着火した後、燃焼空間５０において高速燃焼される。このため、従来の低ＮＯｘ燃焼装置に比べて、火炎の長さを短くすることができる。したがって、炉幅の小さい炉に用いても、火炎が燃焼装置の対壁に接触することを抑制することができる。その結果、火炎の接触に伴う炉壁の損耗を抑制することができる。

このように、本実施形態の燃焼装置１００によれば、低カロリーの燃料ガスを用いても、火炎の勢いを維持しつつ火炎の長さを短くすることができる。このような特性を有する燃焼装置１００は、還元雰囲気で良好な燃焼を継続的に行う必要がある回転炉床式加熱炉（回転炉床炉）において特に有用である。回転炉床式加熱炉は、回転炉を有する酸化金属の還元炉であり、炉幅が小さいうえに還元雰囲気中で安定的に燃焼を継続する必要がある。本実施形態の燃焼装置１００は、低カロリーの燃料ガスを還元雰囲気中で燃焼させる場合においても、安定的に高速燃焼を行うことができる。

本実施形態の燃焼装置１００の運転方法は、バーナ本体１０を構成する中央配管１１及び燃料配管１２から、酸素含有ガス及び一次燃料ガスをそれぞれ吐出するとともに、ガス供給部３０及び燃料ノズル１８から、それぞれ酸素含有ガス及び二次燃料ガスを吐出する工程を有する。この工程では、ガス供給部３０のうち、低速流路３０Ａから流速の遅い酸素含有ガスが吐出され、高速流路３０Ｂから流速の速い酸素含有ガスが吐出される。これによって、燃料ノズル１８の吐出口１８ａから離れた領域よりも、近接した領域の酸素含有ガスの流速を遅くしている。そして、燃料ノズル１８からの燃料ガスは、主に、低速流路３０Ａから吐出された酸素含有ガスによって燃焼される。

このような運転方法によって、燃料ノズル１８から燃焼空間５０に向けて吐出される燃料ガスの着火性を向上し、バーナ本体１０及びバーナポート２０の側壁部２２の近傍において安定的に燃焼させることができる。この燃焼によって、バーナ本体１０及びバーナポート２０の側壁部２２の近傍が十分に温められて、バーナ本体１０及びガス供給部３０の高速流路３０Ｂから高速で吐出される燃料ガス及び酸素含有ガスを、安定的に高速燃焼することができる。

中央配管１１から吐出する酸素含有ガス及び燃料配管１２から吐出する燃料ガスの流速は、例えば、それぞれ８０〜１２０ｍ／秒及び４０〜７０ｍ／秒である。燃料ノズル１８から吐出する燃料ガスの流速は、例えば１０〜３０ｍ／秒である。高速流路３０Ｂ及び低速流路３０Ａから吐出する酸素含有ガスの流速は、例えば、それぞれ３０〜４５ｍ／秒及び１５〜２０ｍ／秒である。高速流路３０Ｂから吐出する酸素含有ガスの流速をｂ、低速流路３０Ａから吐出する酸素含有ガスの流速をａとしたとき、ｂ／ａの比は、１．５〜３としてもよい。

高速流路３０Ｂから吐出する酸素含有ガスの流量をβ、低速流路３０Ａから吐出する酸素含有ガスの流量をαとしたとき、α／βは、例えば１／９〜４／９の範囲にしてもよい。酸素含有ガスが空気の場合、中央配管１１から吐出される空気の流量は、燃焼装置１００の定格燃焼容量の燃料ガスを完全燃焼させる理論燃焼空気量の３〜５％にしてもよい。そして、残りの空気を、ガス供給部３０から供給することができる。燃焼装置１００で供給される燃料ガス全体に対する、燃料配管１２から供給される燃料ガスの流量比率は、例えば６０〜９５％である。一方、燃焼装置１００で供給される燃料ガス全体に対する、燃料ノズル１８から供給される燃料ガスの流量比率は、例えば５〜４０％である。なお、本明細書における燃料ガス及び酸素含有ガスの流量は、標準状態における流量である。

図５〜７は、本発明の回転炉床式加熱炉の好適な一実施形態を示す図である。図５は、本実施形態の回転炉床式加熱炉２００の上面図であり、図６は図５におけるVI−VI線断面図であり、図７は図５におけるVII−VII線断面図である。回転炉床式加熱炉２００は、環状に配置された台車上に耐火物を載置して形成される炉床６８を有する。図６に示すように、炉床６８は、内側壁６５、外側壁６６及び天井壁６７で包囲されており、炉床６８、内側壁６５、外側壁６６及び天井壁６７によって、加熱空間５２が形成されている。外側壁６６及び内側壁６５の下方には、水封装置７４が設けられている。図５，６に示すように、外側壁６６及び内側壁６５には燃焼装置１００が取り付けられており、燃料ガスを燃焼して、炉床６８上に載置されたブリケット（酸化鉄塊状物）を処理する。

酸化鉄などの製鉄廃棄物と炭材などの還元剤との混合物を含むブリケットは、装入部６１から回転炉床式加熱炉２００の炉床６８上に載置される。図６及び図７に示すように、炉床６８は、レール７０上を車輪７２が転がることによって円周方向に移動可能な構成となっている。ブリケットは、炉床６８が回転する（図５では時計回り）ことによって加熱空間５２を移動する。ブリケットは、燃焼装置１００によって１１００〜１４００℃に昇温した加熱空間５２を移動しながら処理される。炉内は、加熱に伴って酸化鉄の還元反応が進行するため、還元雰囲気となっている。生成した還元鉄は、図５及び図７に示すような排出装置６２によって炉外に排出される。燃焼ガスは、図５において炉内を反時計回りに流通して排気口６９から炉外に排出される。

このような還元炉では、大気中よりも酸素の割合が少ないため、通常は燃料ガスを着火しにくい。しかしながら、回転炉床式加熱炉２００では、着火性が良好で、燃料ガスの高速燃焼を容易に行うことが可能な燃焼装置１００を備えていることから、炉内が還元雰囲気であっても、低カロリーの燃料ガスを安定的に燃焼することができる。

回転炉床式加熱炉２００の炉内には、外側壁６６と同心円になるように内側壁６５が設けられている。この内側壁６５と外側壁６６との間の加熱空間５２において、酸化鉄の還元反応が進行する。燃焼装置１００は高速燃焼するため、火炎の長さが短い。このため、外側壁６６と内側壁６５の間隔が狭くても、外側壁６６及び内側壁６５に火炎が接触してこれらが損耗することを十分に抑制することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、バーナ本体１０を挟んで対向配置される一対の燃料ノズル１８を挙げたが、燃料ノズル１８は、軸Ｐに対して対称となるように２対以上設けてもよい。また、上述の実施形態では、ガス供給部３０の流路を周方向に並ぶように４つの流路に区分したが、軸Ｐに対して対称となるように６つ以上に区分してもよい。この場合、例えば、酸素含有ガスの流速を、高速、中速、低速の３種類とし、燃料ノズル１８の吐出口１８ａに近接する側から、流速が低速である流路、中速である流路、及び高速である流路の順に配置することができる。

本発明によれば、石炭ガスなどの燃焼性の低い燃料ガスを用いる場合であっても、安定的に燃料ガスを高速燃焼することが可能な燃焼装置を提供することができる。また、石炭ガスなどの燃焼性の低い燃料ガスを用いる場合であっても、安定的に燃料ガスを高速燃焼して、炉壁の損耗を抑制することが可能な回転炉床式加熱炉を提供することができる。さらに、石炭ガスなどの燃焼性の低い燃料ガスを用いる場合であっても、安定的に燃料ガスを高速燃焼することが可能な燃焼装置の運転方法を提供することができる。

１０…バーナ本体、１１…中央配管、１２…燃料配管、１８…燃料ノズル、１８ａ…吐出口、２０…バーナポート、２２…側壁部、３０…ガス供給部、３０Ａ…第１の流路（低速流路）、３０Ｂ…第２の流路（高速流路）、３２…流速調整板、５０…燃焼空間、５２…加熱空間、６１…装入部、６２…排出装置、６５…内側壁、６６…外側壁、６７…天井壁、６８…炉床、１００…燃焼装置、２００…回転炉床式加熱炉。

Claims (7)

1. 中央部に配置され、燃料ガス及び酸素含有ガスを前方に吐出する管状のバーナ本体と、該バーナ本体の外周面を囲むように筒状に設けられ、酸素含有ガスを前方に吐出するガス供給部と、該ガス供給部の外側において、前記バーナ本体及び前記ガス供給部の先端よりも前方に突出した側壁部と、を備える燃焼装置であって、
   前記側壁部は、前記バーナ本体を挟んで互いに対向して配置され、燃料ガスを吐出する少なくとも一対の燃料配管を備え、該燃料配管は、その吐出方向が、前記バーナ本体の中心軸方向と、前記バーナ本体の前方において交差可能に構成されており、
   前記ガス供給部は、流速調整部材によって、周方向に沿って並ぶように第１の流路と前記第１の流路よりも前記酸素含有ガスの流速が速い第２の流路とに区画され、
   前記第１の流路の吐出口が、前記第２の流路の吐出口よりも前記燃料配管の吐出口に近接して設けられている燃焼装置。
2. 前記流速調整部材は、前記第１の流路と前記第２の流路とが周方向に沿って並ぶように区分する板状部材であり、
   前記第１の流路は、前記板状部材によって、前記吐出口に向かって拡張するように構成され、
   前記第２の流路は、前記板状部材によって、前記吐出口に向かって縮小するように構成される、請求項１に記載の燃焼装置。
3. 前記流速調整部材は、前記第１の流路から吐出される酸素含有ガスの流速に対する、前記第２の流路から吐出される酸素含有ガスの流速の比が１．５〜３となるように設けられる、請求項１又は２に記載の燃焼装置。
4. 中央部に配置され、燃料ガス及び酸素含有ガスを前方に供給する管状のバーナ本体と、該バーナ本体の外周面を囲むように筒状に設けられ、酸素含有ガスを吐出するガス供給部と、該ガス供給部の外側において、前記バーナ本体及び前記ガス供給部の先端よりも前方に突出した側壁部と、を備える燃焼装置の運転方法であって、
   前記側壁部は、前記バーナ本体を挟んで互いに対向して配置され、燃料ガスを吐出する少なくとも一対の燃料配管を備え、該燃料配管は、その吐出方向が、前記バーナ本体の中心軸方向と、前記バーナ本体の前方において交差可能に構成されており、
   前記ガス供給部は、流速調整部材によって、周方向に沿って並ぶように第１の流路と前記第１の流路よりも前記酸素含有ガスの流速が速い第２の流路とに区画され、
   前記バーナ本体から、前記酸素含有ガス及び前記燃料ガスを吐出するとともに、前記ガス供給部及び前記燃料配管から、それぞれ酸素含有ガス及び燃料ガスを吐出する工程において、前記第１の流路からの前記酸素含有ガスを、前記第２の流路からの前記酸素含有ガスよりも、前記燃料配管に近接した領域に吐出する燃焼装置の運転方法。
5. 前記バーナ本体から吐出される前記燃料ガスに対する前記燃料配管から吐出される前記燃料ガスの流量比が、１／９〜４／９である、請求項４に記載の燃焼装置の運転方法。
6. 前記第１の流路から吐出される前記酸素含有ガスの流速に対する、前記第２の流路から吐出される酸素含有ガスの流速の比が１．５〜３である、請求項４又は５に記載の燃焼装置の運転方法。
7. 回転可能な炉床の上に配置される、還元剤と酸化金属とを含有する塊状物を加熱して前記酸化金属を還元する回転炉床式加熱炉であって、
   前記炉床と、該炉床上に加熱空間を形成する側壁及び天井壁と、前記側壁に設けられる請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃焼装置と、を備える回転炉床式加熱炉。

Images