JP2019168205A - バーナおよび加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも高温かつ高速の火炎噴流を形成することができ、極めて高い加熱力を有するバーナを提供する。【解決手段】バーナ１は、その先端に燃料ガスを吐出する燃料ガスノズル１０と、燃焼用空気を吐出する空気ノズル２０とを備えている。燃料ガスは、矢印Ｇ１で示されるように燃料ガス供給部１１から供給され、燃料ガス室１２を通って燃料ガスノズル１０から吐出される。同様に、燃焼用空気は、矢印Ａ１で示されるように燃焼用空気供給部２１から供給され、燃焼用空気室２２を通って空気ノズル２０から吐出される。バーナ１は、さらに高温ガスノズル３０に接続された燃焼室４０、および燃焼室に接続された高温ガス生成用バーナ５０を備えている。高温ガスノズル３０から吐出された高温ガス流によって燃料ガス流に着火され、高速ジェット火炎が形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、バーナに関し、特に、従来よりも高温かつ高速の火炎噴流を形成することができ、極めて高い加熱力を有するバーナに関する。また本発明は、前記バーナを用いた加熱方法に関する。

物品の加熱に用いられるバーナには様々なタイプのものがあるが、中でも、高温かつ高速のガス流を形成できるものとして、高速バーナが用いられている。

高速バーナは、燃焼室内で燃料ガスを燃焼させることによって生じた高温の排ガスを、ノズルから吐出させて高速ガス流（ジェット流）を形成するものである（例えば、特許文献１）。高速バーナでは、燃焼室内の圧力を高くすることにより高速ガス流の速度を音速領域まで高くすることができる。

特許第５９６７７８３号公報

しかし、従来の高速バーナには次のような問題があった。

加熱効率を高めるために、より高温の高速ガス流を得ようとすると、燃焼室やノズルが極めて高い温度にさらされることになる。そのような高温、特に、１２００℃を越えるような超高温に耐えられるような耐熱性を有する高速バーナを製造するためには、非常に高価な耐火物などを用いる必要があるため、コスト的に問題があった。

また、高速ガス流の吐出速度をさらに上げようとすると、吐出後の断熱膨張により高速ガス流の温度が低下してしまうという問題もあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも高温かつ高速の火炎噴流を形成することができ、極めて高い加熱力を有するバーナを提供することを目的とする。また、本発明は、前記バーナを用いた加熱方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨構成は、次のとおりである。

１．燃料ガスを吐出する燃料ガスノズルと、
燃焼用空気を吐出する空気ノズルと、
前記燃料ガスに着火するための高温ガスを吐出する高温ガスノズルと、を備えるバーナ。

２．前記燃料ガスノズルおよび前記空気ノズルが、ラバールノズルである、上記１に記載のバーナ。

３．前記高温ガスが燃焼排ガスである、上記１または２に記載のバーナ。

４．さらに、前記高温ガスを生成するための高温ガス生成用バーナと、
前記高温ガス生成用バーナが接続された燃焼室と、を備える、上記３に記載のバーナ。

５．さらに、前記燃焼室内へ温度調整用空気を供給する温度調整用空気供給部と、
前記燃焼室内の温度を測定する温度測定手段と、を備える、上記４に記載のバーナ。

６．さらに、前記燃焼室の冷却および前記燃焼用空気の予熱のための燃焼用空気室が、前記燃焼室の外側に設けられている、上記４または５に記載のバーナ。

７．さらに、前記燃料ガスの予熱のための燃料ガス室が、前記燃焼用空気室の外側に設けられている、上記６に記載のバーナ。

８．上記１〜７のいずれか一項に記載のバーナを用いた加熱方法であって、
前記高温ガスの温度が８００℃以上である、加熱方法。

９．上記５に記載のバーナを用いた加熱方法であって、
前記温度測定手段によって測定された温度に基づいて、前記温度調整用空気供給部から供給する温度調整用空気の供給量を制御することにより、前記高温ガスの温度を８００℃以上１０００℃以下に制御する、加熱方法。

１０．上記９に記載の加熱方法であって、
前記燃料ガスノズルへ供給される前記燃料ガスの量に対する、前記高温ガス生成用バーナに供給される高温ガス生成用燃料ガスの量の比率が、１０〜３０％である、加熱方法。

１１．上記９に記載の加熱方法であって、
前記温度測定手段によって測定される温度が７８０℃以下となったときに、前記燃料ガスノズルおよび前記高温ガス生成用バーナへ燃料ガスを供給する配管へ窒素パージを行い、燃焼を遮断する、加熱方法。

１２．前記高温ガスノズルから吐出される前記高温ガスの吐出速度が、１００ｍ／ｓ以上である、上記８または９に記載の加熱方法。

１３．前記燃料ガスノズルから吐出される前記燃料ガスの吐出速度が、５０Ｎｍ／ｓ以上であり、
前記空気ノズルから吐出される前記燃焼用空気の吐出速度が、５０Ｎｍ／ｓ以上である、上記８〜１２のいずれか一項に記載の加熱方法。

１４．前記燃料ガスノズルから吐出される前記燃料ガスの吐出速度が、音速以上であり、
前記空気ノズルから吐出される前記燃焼用空気の吐出速度が、音速以上である、上記１３に記載の加熱方法。

１５．空気比が０．７〜１．５となるように、前記空気ノズルから吐出される前記燃焼用空気の量を、前記燃料ガスノズルから吐出される前記燃料ガスの量に応じて制御する、上記８〜１４のいずれか一項に記載の加熱方法。

本発明によれば、従来よりも高温かつ高速の火炎噴流を形成することができ、極めて高い効率で加熱を行うことができる。特に、本発明のバーナでは高温ガスノズルから吐出される高温ガスを用いて、燃料ガスノズルから吐出される燃料ガスに着火するため、従来の高速バーナのように燃焼室内で高温ガスを形成する必要が無い。そのため、バーナの材質や構造上の制約を受けることなく生成する火炎温度を上げることができ、例えば、１５００℃以上といった、超高温かつ高速の火炎噴流を形成することができる。

本発明の一実施形態におけるバーナの構造を示す模式図である。 本発明の一実施形態における燃焼状態を示す模式図である。

次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明は、本発明の好適な実施態様を示すものであり、本発明は以下の説明によって何ら限定されるものではない。

［バーナ］
図１は、本発明の一実施形態におけるバーナ１の構造を示す模式図である。バーナ１は、その先端に燃料ガスを吐出する燃料ガスノズル１０と、燃焼用空気を吐出する空気ノズル２０とを備えている。

［燃料ガスノズル、空気ノズル］
燃料ガスは、矢印Ｇ１で示されるように燃料ガス供給部１１から供給され、燃料ガス室１２を通って燃料ガスノズル１０から吐出される。同様に、燃焼用空気は、矢印Ａ１で示されるように燃焼用空気供給部２１から供給され、燃焼用空気室２２を通って空気ノズル２０から吐出される。

燃料ガスノズル１０および空気ノズル２０は、任意の形状のノズルとすることができ、例えば、直管形のノズルとすることもできる。しかし、火炎の速度を高くするという観点からは、図１に示した実施形態のように、燃料ガスノズル１０および空気ノズル２０をラバールノズルとすることが好ましい。ラバールノズルとは、図１に示すようにノズルの長手方向中間部に縮径部を備えるノズルである。ラバールノズルを用いることにより、燃料ガスおよび燃焼用空気の吐出速度を、例えば、音速以上といった高速とし、その結果、高速の火炎噴流を形成することができる。

火炎から被加熱物表面への伝熱量は熱伝達係数に比例し、前記熱伝達係数αは火炎の速度が大きいほど大きくなる。したがって、火炎噴流を被加熱物の表面に高速で衝突させることによって、極めて高い効率で加熱を行うことができる。そしてその結果、被加熱物をより高速に、より高い温度まで加熱することができる。また、火炎の速度を上げることによって、同じ加熱温度を達成するために必要な燃料ガスの量を低減することができる。なお、燃料ガスの使用量を削減しつつ吐出速度を上げるためには、ノズル断面積を減少させればよい。

［高温ガスノズル］
バーナ１は、前記燃料ガスに着火するための高温ガスを吐出する高温ガスノズル３０を備えている。図１に示した実施形態では、バーナ１は、さらに高温ガスノズル３０に接続された燃焼室４０、および前記燃焼室に接続された高温ガス生成用バーナ５０を備えている。燃焼室４０の壁面は、図１に示すように、外側を鉄皮構造とした断熱材からなる断熱壁４１とすることが好ましい。燃焼室４０には、点火プラグなどのイグナイターで点火されるパイロットバーナ５４が設けられていてもよい。

高温ガスノズル３０の材質は特に限定されず、金属、セラミックなど、任意の材質とすることができる。しかし、耐熱性の観点からは、耐熱鋳物、ＳＵＳ３１０Ｓ等の耐熱金属、あるいはＳｉＣなどのセラミックとすることが好ましい。

高温ガス生成用バーナ５０には、矢印Ｇ２で示されるように燃料ガスが供給され、前記燃料ガスは、高温ガス生成用燃料ガスノズル５１から吐出される。また、高温ガス生成用バーナ５０には、矢印Ａ２で示されるように燃焼用空気が供給され、前記燃焼用空気は、高温ガス生成用空気ノズル５２から吐出される。なお、高温ガス生成用空気ノズル５２の内部には、燃料ガスと燃空の混合を促進し燃焼を安定化させるための旋回羽根５３を設置することが望ましい。高温ガス生成用バーナ５０は、パイロットバーナ５４によって、あるいは直接イグナイター（図示せず）によって着火される。

図２は、本発明の一実施形態における燃焼状態を示す模式図である。高温ガス生成用バーナ５０から吐出された燃料ガスは着火され、燃焼室４０内に火炎５５が形成される。その結果、燃焼室４０内で高温ガス（燃焼排ガス）が生成し、前記高温ガスは、高温ガスノズル３０から吐出され、高温ガス流３５を形成する。

上述したように、燃料ガスノズル１０からは燃料ガスが吐出されて燃料ガス流１５が形成されており、空気ノズル２０からは燃焼用空気が吐出されて燃焼用空気流２５が形成されている。そのため、高温ガスノズル３０から吐出された高温ガス流３５によって燃料ガス流１５に着火され、高速ジェット火炎６０が形成される。

なお、図１に示した実施形態では、バーナ１が燃焼室４０および高温ガス生成用バーナ５０を備えており、燃焼室４０内で高温ガスを生成しているが、高温ガスの生成をバーナ１の外部で行うこともできる。その場合、例えば、バーナ１の外部に設けた高温ガス発生装置で高温ガスを生成し、得られた高温ガスを、配管等を通じてバーナ１の高温ガスノズル３０へ送ればよい。

［温度調整用空気供給部］
バーナ１は、燃焼室４０内へ温度調整用空気を供給する温度調整用空気供給部７０を備えることが好ましい。燃焼室４０の内部が過度に上昇すると、高温によるバーナ１の材質の劣化が問題となる場合がある。そのため、温度調整用空気によって燃焼室内の高温ガスを希釈することにより、高温ガスの温度を適切な範囲に調節することができる。

［温度測定手段］
バーナ１は、さらに前記燃焼室内の温度を測定する温度測定手段７１を備えることが好ましい。温度測定手段７１を用いることにより、上述した燃焼室４０内の温度管理を容易に行うことができる。具体的には、後述するように温度測定手段７１によって測定された温度に基づいて、温度調整用空気の供給量をコントロールすることが好ましい。なお、前記温度測定手段７１としては、例えば、熱電対などを用いることができる。

［予熱］
燃焼用空気室２２は、図１に示したように、燃焼室４０の外側に設けることが好ましい。このように、燃焼室４０に隣接するように燃焼用空気室２２を設けることにより、燃焼室の熱によって燃焼用空気を予熱すると同時に、燃焼用空気によって燃焼室を冷却することができる。

さらに、燃料ガス室１２は、図１に示したように、燃焼用空気室２２の外側に設けることが好ましい。このように、燃焼用空気室２２に隣接するように燃料ガス室１２を設けることにより、燃料ガスを予熱し、燃焼性を向上させることができる。

［燃料ガス］
上記燃料ガスとしては特に限定されることなく、可燃性ガスであれば任意のものを用いることができる。例えば、一般には天然ガスやＬＰＧが使用可能であり、上記バーナを製鉄所において使用する場合には、製鉄所で副生するプロセスガスを前記燃料ガスとして用いることもできる。前記プロセスガスとしては、特にコークス炉ガスと高炉ガスを混合したＭガスを用いることが好ましい。

［高温ガス温度］
高温ガスノズル３０から吐出される高温ガスの温度は特に限定されず、燃料ガスに着火できる温度であれば任意の温度とすることができる。しかし、燃料ガスとして用いられるガスの着火温度は一般的に５００〜７００℃程度であることから、高温ガスの温度を８００℃以上とすることが好ましい。高温ガスの温度を８００℃以上とすることにより十分な着火性を確保することができる。一方、前記高温ガスの温度の上限は特に限定されず、任意の温度とすることができる。しかし、燃焼室４０および高温ガスノズル３０の材質などを考慮すると、高温ガスの温度を１０００℃以下とすることが好ましい。本発明では高温ガスによって燃料ガスに着火するため、高温ガス自体の温度が１０００℃以下であっても、最終的な高速ジェット火炎６０の温度を、例えば１４００℃以上といった高温とすることができる。

［高温ガスの温度制御］
高温ガスの温度調整は、任意の方法で行うことができるが、温度調整用空気供給部７０から供給する温度調整用空気の供給量を制御することにより、容易に行うことができる。前記供給量の制御は、温度測定手段７１によって測定された温度に基づいて行うことが好ましく、高温ガスの温度が８００℃以上１０００℃以下となるように制御することがより好ましい。前記制御は、シーケンサなど、任意の制御手段によって行うことができる。

［窒素パージ］
温度測定手段７１によって測定される温度が７８０℃以下となったときに、燃料ガスノズル１０および高温ガス生成用バーナ５０へ燃料ガスを供給する配管へ窒素パージを行い、燃焼を遮断することが好ましい。前記窒素パージは、任意の方法で行うことができる。例えば、燃料ガス供給用の配管の途中にパージ用窒素ガス供給配管を接続しておき、必要に応じてバルブを開いて窒素ガスを燃料ガス供給用の配管に送り込めばよい。

［燃料ガス量の比］
燃料ガスノズル１０へ供給される燃料ガスの量に対する、高温ガス生成用バーナ５０に供給される高温ガス生成用燃料ガスの量の比率を、１０〜３０％とすることが好ましい。

［空気比］
空気比が０．７〜１．５となるように、空気ノズル２０から吐出される燃焼用空気の量を、燃料ガスノズル１０から吐出される燃料ガスの量に応じて制御することが好ましい。ここで、空気比とは、燃料ガスが完全に燃焼するために必要な理論空気量を１としたときの、実際の燃焼用空気の量の比である。空気比が０．７以上とすることにより燃料ガスを適切に燃焼させることができる。また、空気比を１．５以下とすることにより、過剰の空気によって高速ジェット火炎６０の温度が低下することを防止できる。

［吐出速度］
形成される高速ジェット火炎６０の速度が速いほど熱伝達効率が高くなる。そのため、高温ガスノズル３０から吐出される高温ガスの吐出速度は速い方がよく、特に、１００ｍ／ｓ以上とすることが好ましい。同様に、燃料ガスノズル１０から吐出される燃料ガスの吐出速度と、空気ノズル２０から吐出される燃焼用空気の吐出速度とを、５０Ｎｍ／ｓ以上とすることが好ましい。

燃焼ガスと空気を吐出して燃焼させる従来の一般的なバーナでは、吐出速度を上げようとすると燃焼速度とガス流速との釣り合いが破れ、火炎が下流へ吹き飛ばされて消える、いわゆる吹き消えが生じてしまう。そのため、従来のバーナでは吐出速度を大きく増加させることができず、したがって加熱効率の向上に限界があった。しかし、本発明のバーナでは、燃料ガスとともに高温ガスを吐出し、前記高温ガスによって着火するため、５０Ｎｍ／ｓ以上といった高速で燃料ガスや空気を吐出しても、吹き消えることなく安定してジェット火炎を形成することができる。前記燃料ガスの吐出速度および燃焼用空気の吐出速度は、いずれも音速以上とすることも可能である。なお、ここで「音速」とは、吐出させる燃焼用空気と燃料ガスの個々の温度における音速を意味するものとする。

次に、本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。

図１に示したバーナを用いて、断熱材の上に水平に置かれた厚さ１０ｍｍ、縦３００ｍｍ、横３００ｍｍの鋼材を加熱し、その際の鋼板の温度変化を、鋼板に取り付けた熱電対で計測した（実施例）。前記バーナは、前記鋼板の上部５００ｍｍの位置に、下向き火炎が吐出するように設置した。燃料ガスとしては発熱量２４００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３のＭガスを用い、燃焼量合計１０万ｋｃａｌ／ｈの条件で加熱を行った。その際、燃料ガスおよび燃焼用空気の吐出速度は１５０Ｎｍ／ｓとし、空気比は１．０５、燃料ガスに着火するための高温ガスの温度を８２０℃、燃料ガスノズルへ供給される前記燃料ガスの量に対する、前記高温ガス生成用バーナに供給される高温ガス生成用燃料ガスの量の比率を１５％、高温ガスノズルから吐出するガスの流速は１０９ｍ／ｓとした。

また、比較のために、高温ガスノズルを有しない２重円管タイプの先混合式の拡散タイプのバーナを用いて同様の鋼材を加熱した（比較例）。実施例と比較例における燃料ガスの使用量は同じとした。また、比較例における燃料ガスおよび燃焼用空気の吐出速度は１０Ｎｍ／ｓとした。

実験の結果、実施例のバーナでは、燃料ガスのノズルからの吐出速度が高いにもかかわらず、安定な火炎を形成することができた。また、鋼板を常温から１０００℃まで加熱するための時間が、比較例では５．３分、実施例では１．７分と約１／３に短縮できた。すなわち同一温度まで加熱するために使用するガス量が約１／３に削減できることになる。また、高速バーナは高熱伝達での加熱ができるため、同じ燃料ガスを使って加熱する場合、より高温までの加熱ができる。今回の条件では、比較例のバーナでは鋼板の温度が１１００℃でサチュレートしたのに対し、実施例のバーナでは１３００℃程度まで加熱することができた。

１ バーナ
１０ 燃料ガスノズル
１１ 燃料ガス供給部
１２ 燃料ガス室
１５ 燃料ガス流
２０ 空気ノズル
２１ 燃焼用空気供給部
２２ 燃焼用空気室
２５ 燃焼用空気流
３０ 高温ガスノズル
３５ 高温ガス流
４０ 燃焼室
４１ 断熱壁
５０ 高温ガス生成用バーナ
５１ 高温ガス生成用燃料ガスノズル
５２ 高温ガス生成用空気ノズル
５３ 旋回羽根
５４ パイロットバーナ
５５ 火炎
６０ 高温ジェット火炎
７０ 温度調整用空気供給部
７１ 温度測定手段

Claims (15)

1. 燃料ガスを吐出する燃料ガスノズルと、
   燃焼用空気を吐出する空気ノズルと、
   前記燃料ガスに着火するための高温ガスを吐出する高温ガスノズルと、を備えるバーナ。
2. 前記燃料ガスノズルおよび前記空気ノズルが、ラバールノズルである、請求項１に記載のバーナ。
3. 前記高温ガスが燃焼排ガスである、請求項１または２に記載のバーナ。
4. さらに、前記高温ガスを生成するための高温ガス生成用バーナと、
   前記高温ガス生成用バーナが接続された燃焼室と、を備える、請求項３に記載のバーナ。
5. さらに、前記燃焼室内へ温度調整用空気を供給する温度調整用空気供給部と、
   前記燃焼室内の温度を測定する温度測定手段と、を備える、請求項４に記載のバーナ。
6. さらに、前記燃焼室の冷却および前記燃焼用空気の予熱のための燃焼用空気室が、前記燃焼室の外側に設けられている、請求項４または５に記載のバーナ。
7. さらに、前記燃料ガスの予熱のための燃料ガス室が、前記燃焼用空気室の外側に設けられている、請求項６に記載のバーナ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のバーナを用いた加熱方法であって、
   前記高温ガスの温度が８００℃以上である、加熱方法。
9. 請求項５に記載のバーナを用いた加熱方法であって、
   前記温度測定手段によって測定された温度に基づいて、前記温度調整用空気供給部から供給する温度調整用空気の供給量を制御することにより、前記高温ガスの温度を８００℃以上１０００℃以下に制御する、加熱方法。
10. 請求項９に記載の加熱方法であって、
    前記燃料ガスノズルへ供給される前記燃料ガスの量に対する、前記高温ガス生成用バーナに供給される高温ガス生成用燃料ガスの量の比率が、１０〜３０％である、加熱方法。
11. 請求項９に記載の加熱方法であって、
    前記温度測定手段によって測定される温度が７８０℃以下となったときに、前記燃料ガスノズルおよび前記高温ガス生成用バーナへ燃料ガスを供給する配管へ窒素パージを行い、燃焼を遮断する、加熱方法。
12. 前記高温ガスノズルから吐出される前記高温ガスの吐出速度が、１００ｍ／ｓ以上である、請求項８または９に記載の加熱方法。
13. 前記燃料ガスノズルから吐出される前記燃料ガスの吐出速度が、５０Ｎｍ／ｓ以上であり、
    前記空気ノズルから吐出される前記燃焼用空気の吐出速度が、５０Ｎｍ／ｓ以上である、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の加熱方法。
14. 前記燃料ガスノズルから吐出される前記燃料ガスの吐出速度が、音速以上であり、
    前記空気ノズルから吐出される前記燃焼用空気の吐出速度が、音速以上である、請求項１３に記載の加熱方法。
15. 空気比が０．７〜１．５となるように、前記空気ノズルから吐出される前記燃焼用空気の量を、前記燃料ガスノズルから吐出される前記燃料ガスの量に応じて制御する、請求項８〜１４のいずれか一項に記載の加熱方法。

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