JP2021028567A

JP2021028567A - バーナ

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Publication number: JP2021028567A
Application number: JP2020195459A
Authority: JP
Inventors: 岳志斉藤; Takeshi Saito; 義之萩原; Yoshiyuki Hagiwara; 康之山本; Yasuyuki Yamamoto; 雅志山口; Masashi Yamaguchi; 尚樹清野; Naoki Kiyono
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2021-02-25

Abstract

【課題】自励振動火炎で被加熱物を加熱する際、ＮＯＸの排出量を抑制可能なバーナを提供する。【解決手段】一対の側壁の間隔が下流側に向かって漸次拡開する断面扇形状で、中心流体Ｄを噴出させる中心流体噴出口２、中心流体噴出口２の周囲に配置され、周囲流体Ａを噴出させる第１周囲流体噴出口３、第１周囲流体噴出口３よりも中心流体噴出口２から離間して配置され、周囲流体Ｂを噴出させる第２周囲流体噴出口４、及び、第２周囲流体噴出口４よりも中心流体噴出口２から離間して配置され、周囲流体Ｃを噴出させる第３周囲流体噴出口５からなり、中心流体Ｄを包み込むように周囲流体Ａが噴出され、さらに、周囲流体Ｂ及び周囲流体Ｃが噴出されることで、中心流体Ｄに向けて周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃが順次噴出される複数の流体噴出口を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、バーナに関するものである。

一般に、製鉄プロセスにおいては、加熱炉を用いて中間製品 (ビレット、ブルーム又はスラブ) を１２００℃程度まで加熱した後、これを圧延工程に向けて搬送し、最終製品に加工成形する。この際、直火式の加熱炉においては、炉内にバーナを設置し、バーナが形成する火炎によって被加熱物の加熱が行われる。このように、炉内に火炎を直接導入する、所謂直火式の構成を採用することで、例えば、ラジアントチューブバーナ等を用いた間接式の加熱炉と比較して、熱量効率を高めることができる。

一方、上記のような直火式の加熱炉では、火炎の燃焼ガス等に含まれる酸素によって中間製品の表面酸化が生じるという問題がある。これは、中間製品の表面が酸化してスケールとなることで、最終製品の歩留が低下するためである。従って、直火式の加熱炉においては、一般に、バーナを中間製品と平行に配置して、火炎の輻射伝熱によって中間製品を加熱する方法が採用されている。

しかしながら、従来の構造のバーナを加熱炉に設置して用いた場合、当該バーナは対流伝熱向けに特化されていることから輻射伝熱の効率が低く、中間製品と平行に配置した使用形態では、従来に比べで伝熱効率が低くなり、歩留まりが低下するという問題がある。加えて、特許文献１のバーナで酸素富化燃焼を行った場合には、ＮＯ_Ｘの排出量が増加することから、加熱炉に適用される大気汚染防止法の基準値以下となるように、ＮＯ_Ｘの排出量を抑制する必要がある。

また、輻射伝熱量は、火炎と被加熱物との温度差、及び相対距離に依存して変化するため、１本のバーナのみで加熱を行うと、例えば、ビレット等の長尺の中間製品を被加熱物とした場合には加熱ムラが生じ、その後の圧延工程で正常な圧延処理を行うことが難しくなる。このため、輻射伝熱式の加熱炉においては、通常、複数本のバーナを並列配置することで、中間製品を均一に加熱できるよう工夫がなされている。しかしながら、このような構成ではバーナの本数が増加するため、装置コストが増大したり、メンテナンス性が低下したりするという問題がある。

上記のような加熱ムラが生じる問題を解決するため、所謂、噴流の自励振動現象を利用することで火炎を振動させることが提案されている（例えば、特許文献１，２を参照）。特許文献１，２に記載のバーナによれば、外部からの駆動力を必要とすることなく噴流が周期的に変化する自励振動現象を応用したノズル構造を採用することで、火炎向きを周期的に変化できるので、高い伝熱効率を保ちつつ、均一加熱を行うことが可能になる。これにより、特許文献１，２のバーナは、従来のラジアントチューブバーナ等と比較して、広い範囲を均一に加熱することが可能になる。従って、特許文献１，２のバーナを上記の加熱に適用した場合には、装置コストの削減や加熱均一性の向上といった効果が期待できる。

特開２００５−１１３２００号公報特開２０１３−０７９７５３号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載の自励振動現象を応用したバーナにおいて、支燃性ガスによる酸素富化燃焼を行うと、燃料ガスが自励振動することから、燃料ガスと支燃性ガスとを、流量及び流速を最適なバランスとして混合することが難しくなる場合がある。このような場合には、従来の構造のバーナの場合と同様、ＮＯ_Ｘの排出量が増加することから、加熱炉に適用される大気汚染防止法の基準値以下となるようにＮＯ_Ｘの排出量を抑制する必要がある。

また、上記のように、燃料ガスと支燃性ガスとの混合が適正でないと、特に、バーナの中心軸から離れた位置に被加熱物が配置された場合に、輻射伝熱による伝熱効率が低下することから、被加熱物を均一に加熱できなくなるおそれがある。

ここで、燃料ガスと支燃性ガスとの混合を促進し、対流伝熱効率を高めるため、例えば、火炎の振動を速めることも考えられる。しかしながら、火炎の振動を速くした場合には、火炎長が短くなり、被加熱物を均一に加熱できなくなるという問題があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、自励振動で火炎を振動させながら被加熱物を加熱する際に、ＮＯ_Ｘの排出量を抑制することが可能なバーナを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、先端部に設けられた複数の流体噴出口の各々から酸素を含む支燃性ガス又は燃料ガスの少なくとも何れかを噴出し、これらを燃焼させるバーナであって、前記複数の流体噴出口は、中心流体Ｄを噴出させる中心流体噴出口、周囲流体Ａを噴出させる第１周囲流体噴出口、周囲流体Ｂを噴出させる第２周囲流体噴出口及び周囲流体Ｃを噴出させる第３周囲流体噴出口からなり、且つ、前記中心流体Ｄを包み込むように前記周囲流体Ａが噴出され、さらに、前記周囲流体Ｂ及び前記周囲流体Ｃが噴出されることで、前記中心流体Ｄに向けて前記周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃが順次噴出されるものであり、前記中心流体噴出口の上流側における流体噴出流路の側壁には、それぞれ対向する位置で一対の開口部が設けられているとともに、該一対の開口部同士が連通管で連通されており、前記流体噴出流路における前記開口部よりも下流側は、前記開口部が配置された一対の側壁の間隔が下流側に向かって漸次拡開する断面扇形状とされており、前記第１周囲流体噴出口は、平面視で前記中心流体噴出口の周囲に配置されており、前記第２周囲流体噴出口は、平面視における前記中心流体噴出口からの位置が、前記第１周囲流体噴出口よりも離間した位置で、且つ、前記中心流体噴出口の拡開方向と直交する方向の位置に配置されており、前記第３周囲流体噴出口は、平面視における前記中心流体噴出口からの位置が、前記第２周囲流体噴出口よりも離間した位置で、且つ、前記中心流体噴出口の拡開方向と直交する方向の位置に配置されていることを特徴とするバーナである。

本発明に係るバーナによれば、中心流体Ｄを噴出させる中心流体噴出口、その周囲に配置され、周囲流体Ａを噴出させる第１周囲流体噴出口、この第１周囲流体噴出口よりも中心流体噴出口から離間し、且つ、中心流体噴出口の拡開方向と直交する方向の位置に配置され、周囲流体Ｂを噴出させる第２周囲流体噴出口、及び、この第２周囲流体噴出口よりも中心流体噴出口から離間し、且つ、中心流体噴出口の拡開方向と直交する方向の位置に配置され、周囲流体Ｃを噴出させる第３周囲流体噴出口からなり、中心流体Ｄを包み込むように周囲流体Ａが噴出され、さらに、周囲流体Ｂ及び周囲流体Ｃが噴出されることで、中心流体Ｄに向けて周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃが順次噴出される複数の流体噴出口を備えた構成を採用している。
このように、自励振動によって火炎を振動させるバーナにおいて、中心流体噴出口及びその周囲の第１周囲流体噴出口に加え、さらに、最適化された位置で第２周囲流体噴出口及び第３周囲流体噴出口が設けられていることで、中心流体と周囲流体とを段階的に混合及び燃焼させることができる。これにより、第１〜３周囲流噴出口から噴出させる各周囲流体の流量及び流速を最適なバランスに調整できる。
従って、被加熱物を加熱する際、ＮＯ_Ｘの排出量を抑制することが可能になる。

本発明の一実施形態であるバーナについて模式的に説明する図であり、中心流体噴出口と各周囲流体噴出口との位置関係の一例を示す平面図である。本発明の一実施形態であるバーナについて模式的に説明する図であり、図１中に示したバーナのＥ−Ｅ断面図である。本発明の一実施形態であるバーナについて模式的に説明する図であり、（ａ），（ｂ）は、図１，２に示したバーナにおける中心流体の噴出方向の変動状態を示す概念図である。本発明の一実施形態であるバーナについて模式的に説明する図であり、バーナと被加熱体との位置関係の一例を示す概略図である。本発明の一実施形態であるバーナ及びバーナを用いた加熱方法について模式的に説明する図であり、バーナで形成される火炎と被加熱体との位置関係の一例を上方から示した概略図である。本発明のバーナ及びバーナを用いた加熱方法の実施例について説明する図であり、実施例及び各比較例のバーナにおける、バーナ面からの距離と伝熱量との関係を示すグラフである。

以下、本発明を適用した一実施形態であるバーナ及びバーナを用いた加熱方法について、図１〜図６を適宜参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

本発明に係るバーナ及び加熱方法は、例えば、製鉄プロセスにおいて、加熱炉を用いて中間製品 (ビレット、ブルーム又はスラブ) を１２００℃程度まで加熱する用途に適用することが可能なものである。

＜バーナ＞
以下、本発明に係るバーナの構成及び燃焼方法について詳述する。

［バーナの構成］
図１〜図４は、本発明の一実施形態であるバーナ１の構造を説明する図であり、図１は中心流体噴出口と各周囲流体噴出口との位置関係の一例を示す平面図、図２は図１中に示したＥ−Ｅ断面図（横断面図）である。また、図３は、本発明の一実施形態であるバーナ１における流体の噴出方向の変動状態を示す概念図である。また、図４は、バーナ１と被加熱体５０との位置関係の一例を示す概略図である。なお、図１〜図４（及び、実施例の欄で説明する図５）においては、各流体噴出口及び開口部等の配置関係やサイズを示すための模式図であることから、ノズルとしての管壁等、詳細な部分の図示を一部省略している。

図１〜図４に示すように、本実施形態のバーナ１は、先端部に設けられた複数の流体噴出口の各々から支燃性ガス又は燃料ガスの少なくとも何れかを噴出し、燃焼させるものである。

具体的には、本実施形態のバーナ１は、複数の流体噴出口が、中心流体噴出口２、第１周囲流体噴出口３、第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５からなる。
中心流体噴出口２の上流側における流体噴出流路６の側壁６１には、それぞれ対向する位置で一対の開口部６２ａ，６２ｂが設けられているとともに、これら一対の開口部６２ａ，６２ｂ同士が連通管７で連通されている。
また、バーナ１は、流体噴出流路６における開口部６２ａ，６２ｂよりも下流側が、開口部６２ａ，６２ｂが配置された一対の側壁６３，６３の間隔が下流側に向かって漸次拡開する断面扇形状とされている。
第１周囲流体噴出口３は、平面視で中心流体噴出口２の周囲に配置されている。
また、第２周囲流体噴出口４は、平面視における中心流体噴出口２からの位置が、第１周囲流体噴出口３よりも離間した位置で、且つ、中心流体噴出口２の拡開方向と直交する方向の位置に配置されている。
そして、第３周囲流体噴出口５は、平面視における中心流体噴出口２からの位置が、第２周囲流体噴出口４よりも離間した位置で、且つ、中心流体噴出口２の拡開方向と直交する方向の位置に配置されている。

また、図１に示す例のバーナ１においては、第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５が、それぞれ、中心流体噴出口２の拡開方向に沿って複数配置されており、図示例では、それぞれ２箇所に設けられている。

本実施形態のバーナ１においては、支燃性ガス及び燃料ガスを、中心流体噴出口２又は各周囲流体噴出口３，４，５から、それぞれ別個に噴出させるが、何れのガスが、どの噴出口から噴出されても構わない。例えば、本実施形態のバーナ１においては、中心流体噴出口２から燃料ガスを噴出させ、各周囲流体噴出口３，４，５から支燃性ガスを噴出するように構成することができる。

中心流体噴出口２は、上流側の流体噴出流路６から支燃性ガス又は燃料ガスが供給されることで、外部に何れかのガスを噴出する開口部（ノズル）として構成される。中心流体噴出口２は、後述するように、流体噴出流路６における断面形状が略矩形状とされていることに伴い、その平面視形状が矩形状とされている。

流体噴出流路６は、導入口６ａに図示略の中央流体供給管路が接続されることで、支燃性ガス又は燃料ガスの何れかが導入され、上記の中心流体噴出口２から噴出させる。また、流体噴出流路６は、例えば、流体（ガス）流れ方向に直交する方向での断面形状が略矩形状に形成されることで、上述したような一対の側壁６１，６１を有し、これら側壁６１，６１に、それぞれ対向するように一対の開口部６２ａ，６２ｂが配置される。また、図２に示すように、一対の開口部６２ａ，６２ｂの間は、連通管７で連通される。

また、流体噴出流路６は、上記のように、開口部６２ａ，６２ｂよりも下流側における一対の側壁６３，６３の間隔が下流側に向かって漸次拡開する断面扇形状となるように、即ち、縦断面が略Ｖ字状となる一対の側壁６３として形成されている。また、流体噴出流路６における開口部６２ａ，６２ｂよりも上流側は、対向した各側壁間が略平行に延在した、断面略矩形状で角筒型の流路６４として形成されている。

本実施形態のバーナ１は、上記構成のように、流体噴出流路６をなす一対の側壁６１，６１に、連通管７で連通した一対の開口部６２ａ，６２ｂを対向して配置することで、中心流体噴出口２から噴出する支燃性ガス又は燃料ガスに、所謂フリップフロップノズルの自励振動を発生させることができる。即ち、図３（ａ），（ｂ）に示すように、バーナ１においては、流体噴出流路６の流路６４から流れる流体（支燃性ガス又は燃料ガス）が、一対の開口部６２ａ，６２ｂの間を通り抜けて、断面扇形状とされた一対の側壁６３間に流入した際、この側壁６３の一面６３ａ及び他面６３ｂに交互に付着するように自励振動しながら、中心流体噴出口２から噴出する（図１中に示す矢印Ｒも参照）。

なお、自励振動による流体の振幅や周波数は、開口部６２ａ，６２ｂ、一対の側壁６３及び連通管７の各部における寸法や、流体の流速等の各種条件に応じて変化する。そこで、これらの各部における寸法を最適に設定することにより、中心流体噴出口２から噴出する流体を、一定程度の範囲内で、所望の角度及び周波数で振動させるように調整することが可能になる。

なお、フリップフロップノズルによる自励振動は、上記のように、一対の６２ａ，６２Ｂ間を連通管７で連通させることで発生させることができる。一方、上記のような自励振動は、例えば、一対の開口部６２ａ，６２ｂ間を連通する連通管７の経路上に、図示略の圧力制御機構を設けることで発生させることも可能である。このような圧力制御機構を設けることにより、例えば、一方の開口部６２ａの圧力が静圧より低い圧力に制御されるときには、他方の開口部６２ｂの圧力が静圧よりも高い圧力になるように制御され、一対の開口部６２ａ，６２ｂの圧力を交互に反転させることができる。このように、一対の開口部６２ａ，６２ｂの圧力を交互に反転させることで、中心流体噴出口２から噴出する流体（支燃性ガス又は燃料ガス）の噴出方向を周期的に変化させ、上記のような自励振動を発生させることが可能になる。

より詳細に説明すると、図示略の圧力制御機構を用いて、一方の開口部６２ａの圧力を静圧よりも低くし、対向する位置に配置された他方の開口部６２ｂの圧力を静圧よりも高くすると、図３（ａ）に示すように、流体の流れは、一対の側壁６３の一面６３ａ側に傾いて噴出する。一方、一方の開口部６２ａの圧力を静圧よりも高くし、他方の開口部６２ｂの圧力を静圧よりも低くすると、図３（ｂ）に示すように、流体の流れは、一対の側壁６３の他面６３ｂ側に傾いて噴出する。本実施形態のバーナ１は、上記のような構成及び動作により、流体の噴出方向を周期的に変化させて中心流体噴出口２から噴出させることができる。

なお、図２中に示した、流体噴出流路６における一対の側壁６３の開き角度、即ち、中心流体噴出口２の開口角度αは、特に限定されず、所望する火炎の開き角度を勘案しながら設定すればよいが、流体の噴出方向の振動を安定的に発生させ、均一な加熱を実現する観点からは、９０°以下とすることが好ましい。

第１周囲流体噴出口３は、図１中に示すように、中心流体噴出口２の周囲に、この中心流体噴出口２を取り囲むように配置されている。
また、第１周囲流体噴出口３には図示略の周囲流体供給管路が接続され、支燃性ガス又は燃料ガスの何れかが導入されることで、何れかのガスを噴出させる開口部（ノズル）として構成される。

ここで、本実施形態において説明する、「第１周囲流体噴出口３が中心流体噴出口２の周囲に配置されている」とは、平面視において、第１周囲流体噴出口３が中心流体噴出口２の周囲を取り囲むように配置されていることを意味しており、また、中心流体噴出口２と第１周囲流体噴出口３とが隣接した位置に配置されていることをいう。
第１周囲流体噴出口３を、中心流体噴出口２に対して上記のような配置関係となるように構成することで、燃料ガスを噴出する位置と実質的に隣接した位置から支燃性ガスを噴出させることができる。

本実施形態においては、上記のように、中心流体噴出口２の周囲を取り囲むように第１周囲流体噴出口３が配置されることで、中心流体噴出口２から噴出される中心流体（例えば燃料ガス）と、第１周囲流体噴出口３から噴出される周辺流体（例えば、支燃性ガス）とが効果的に混合される。また、第１周囲流体噴出口３から噴出される周辺流体が火炎の外側方向に向かうことで還元領域が広がり、火炎を形成する際の燃焼効率が向上する効果が得られる。

なお、第１周囲流体噴出口３の形状としては、図１中に示すような平面視矩形状とされ、中心流体噴出口２の周囲を取り囲むように配置されている構成を採用してもよい。また、第１周囲流体噴出口３の平面視形状は、図１に示す例には限定されず、図示を省略するが、例えば、平面視円形状とされていてもよいし、あるいは、複数の開口部（孔）によって第１周囲流体噴出口３の周囲を取り囲むように構成してもよい。

第２周囲流体噴出口４は、上述したように、平面視における中心流体噴出口２からの位置が、第１周囲流体噴出口３よりも離間した位置で設けられる。また、第２周囲流体噴出口４は、バーナ１を平面視した場合に、中心流体噴出口２の拡開方向と直交する方向の位置、即ち、図示例では、第１周囲流体噴出口３よりも下方（図１中の縦長方向における下側）に配置される。即ち、第２周囲流体噴出口４は、中心流体噴出口２から噴出される中心流体の自動振動方向とは直交する方向の位置で配置される。また、第２周囲流体噴出口４は、中心流体噴出口２の拡開方向に沿って複数で配置され、図示例では、２箇所の第２周囲流体噴出口４が、中心流体噴出口２の拡開方向に直交する中心線Ｓを介して均等配置されている。

第２周囲流体噴出口４の平面視形状としては、特に限定されないが、図１に例示するような平面視円形状の他、例えば、スリット形状や矩形状とすることも可能である。

第３周囲流体噴出口５は、上述したように、平面視における中心流体噴出口２からの位置が、第２周囲流体噴出口４よりも離間した位置で設けられる。また、第３周囲流体噴出口５は、バーナ１を平面視した場合に、中心流体噴出口２の拡開方向と直交する方向の位置、即ち、図示例では、第２周囲流体噴出口４よりも下方（図１中の縦長方向における下側）に配置される。即ち、第３周囲流体噴出口５は、第２周囲流体噴出口４の場合と同様、中心流体噴出口２から噴出される中心流体の自動振動方向とは直交する方向の位置で配置される。また、第３周囲流体噴出口５も、第２周囲流体噴出口４と同様、中心流体噴出口２の拡開方向に沿って複数で配置され、図示例では、２箇所の第３周囲流体噴出口５が、中心流体噴出口２の中心線Ｓを介して均等配置されている。

第３周囲流体噴出口５の平面視形状としても、第２周囲流体噴出口４と同様、特に限定されないが、図１に例示するような平面視円形状の他、例えば、スリット形状や矩形状とすることが可能である。

ここで、第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５は、図４に示す例のように、中心流体噴出口２と、後述する被加熱物５０との間の位置で開口させることが好ましい。第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５を上記配置とすることで、中心流体噴出口２から噴出する中心流体Ｄに、第１周囲流体噴出口３、第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５からそれぞれ噴出される周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃを、順次段階的に混合して燃焼させる混合・燃焼形態とすることができる。本実施形態では、中心流体Ｄと各周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃとの混合及び燃焼形態、即ち、燃料ガスと支燃性ガスとの混合及び燃焼形態を上記のような形態とすることで、火炎長を延ばすことができるとともに、火炎を被加熱物に近い位置で形成させることが可能になる。

なお、第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５は、図１や図４に示す例においては、それぞれ２箇所ずつ設けられているが、これらの設置数は、特に限定されず、例えば、燃料ガスや支燃性ガスの流速や流量等を勘案しながら適宜決定することができる。

本実施形態のバーナ１においては、中心流体噴出口２、第１周囲流体噴出口３、第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５の各々の間の距離は、特に限定されず、例えば、燃料ガスや支燃性ガスの流速や流量等を勘案しながら適宜決定することができる。
一方、本実施形態では、図１中に示すように、中心流体噴出口２の相当径をＬ、中心流体噴出口２から第２周囲流体噴出口４までの中心間距離をＬ_Ｂ、第２周囲流体噴出口４から第３周囲流体噴出口５までの中心間距離をＬ_Ｂ−Ｃとしたとき、これらの関係が下記式（１）及び（２）を満たすことがより好ましい。
Ｌ_Ｂ≦１５Ｌ・・・・・（１）
Ｌ_Ｂ−Ｃ≦１５Ｌ・・・・・（２）

上記のように、中心流体噴出口２と第２周囲流体噴出口４との中心間距離Ｌ_Ｂ、及び、第２周囲流体噴出口４と第３周囲流体噴出口５との中心間距離Ｌ_Ｂ−Ｃを、中心流体噴出口２の相当径Ｌの１５倍以下とすることで、中心流体噴出口２のサイズに対する各周囲流体噴出口間の距離が最適な範囲となる。即ち、中心流体噴出口２と第２周囲流体噴出口４との間隔、及び、第２周囲流体噴出口４と第３周囲流体噴出口５との間隔が最適化されることで、中心流体Ｄ（例えば燃料ガス）に、各周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃ（例えば支燃性ガス）が順次段階的に混合される際、各流体の流量及び流速が最適なバランスで混合される。これにより、上述したような、火炎長を延ばす効果がより顕著に得られるとともに、火炎を被加熱物により近い位置で形成させることが可能になる。

上記の中心間距離Ｌ_Ｂ及び中心間距離Ｌ_Ｂ−Ｃが、中心流体噴出口２の相当径Ｌの１５倍を超えると、中心流体噴出口２と第２周囲流体噴出口４との間隔、及び、第２周囲流体噴出口４と第３周囲流体噴出口５との間隔が、中心流体噴出口２のサイズに対して大きくなりすぎる。このため、中心流体（例えば、燃料ガス）に、各周囲流体（例えば、支燃性ガス）が順次段階的に混合される際に、各流体の流量及び流速を最適なバランスとして混合することができず、火炎長を延ばす効果が得られ難くなり、また、火炎を被加熱物５０に近い位置で形成させることが難しくなるおそれがある。

なお、上記の中心流体噴出口２の相当径Ｌとは、図１中に示すように、中心流体噴出口２の拡開方向に直交する方向における、この中心流体噴出口２の開口寸法のことをいう。

なお、本実施形態のバーナ１は、中心流体噴出口２から噴出される中心流体Ｄの噴出量、並びに、第１周囲流体噴出口３、第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５からそれぞれ噴出される各周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃの噴出量を、個別に制御可能に構成されていることが好ましい。このように、各流体の噴出量を個別に制御する方法としては、詳細な図示を省略するが、例えば、各噴出口に接続されて各流体を供給する管路に、それぞれ、流量制御手段を設けることが挙げられる。

［バーナの燃焼方法］
次に、上記構成を備えた本実施形態のバーナ１を燃焼させる方法について説明する。
本実施形態のバーナ１は、詳細な図示を省略するが、基本的には、中心流体噴出口２から噴出される中心流体Ｄを燃料ガスとし、第１周囲流体噴出口３、第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５から噴出される周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃを支燃性ガスとすることで、燃料ガス（中心流体Ｄ）の噴出方向で火炎を形成することができる。

燃料ガスとしては、典型的には天然ガス（ＬＮＧ）等を例示することができるが、例えば、重油等の液体燃料であっても構わない。
また、支燃性ガスとしては、例えば、酸素と空気との混合ガスを例示できる。このような混合ガスとしては、上記の空気の代わりに、例えば、窒素ガス、炭酸ガス又は排ガス等を用い、これを酸素と混合して用いることも可能である。また、上記の混合ガスに用いる酸素としては、工業用純酸素を用いてもよい。

また、本実施形態のバーナ１を燃焼させる際は、上記のように、中心流体噴出口２から噴出される燃料ガスを、自励振動によって噴出方向を交互且つ周期的に変化させながら噴出させる（図３（ａ），（ｂ）を参照）。この際、中心流体噴出口２から周期的に変化した角度で噴出される燃料ガス（中心流体Ｄ）に対し、第１周囲流体噴出口３からは、燃料ガスを包み込むように支燃性ガス（周囲流体Ａ）が噴出され、火炎の形成に寄与する。

そして、上記の火炎に向けて、第２周囲流体噴出口４から支燃性ガス（周囲流体Ｂ）が噴出され、さらに、第３周囲流体噴出口５から支燃性ガス（周囲流体Ｃ）が噴出される。
上記のように、燃料ガスからなる中心流体Ｄに向けて、支燃性ガスからなる周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃが順次噴出されることで、燃焼効率が向上し、ＮＯ_Ｘの排出量を効果的に抑制できる。また、火炎による伝熱効率が向上し、被加熱物５０（図４参照）を均一に加熱することが可能になる。

なお、中心流体噴出口２から噴出される燃料ガス（中心流体Ｄ）の、上記の自励振動による噴出方向の切り替え周期は、特に限定されず、バーナの中心軸Ｊから離れた位置においても、優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能な範囲で適宜設定すればよい。

本実施形態のバーナ１によれば、自励振動によって火炎を振動させる構成において、各流体噴出口の配置等を最適化した構成を備えることで、広域で均一に加熱できる効果と、バーナの中心軸Ｊから離れた位置まで高い伝熱効率を得る効果の両方が得られる。また、各周囲流体噴出口３，４，５から噴出される支燃性ガス（周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃ）の流量及び流速を最適なバランスに調整できるので、良好な燃焼状態を保持してＮＯ_Ｘの排出量を抑制することが可能になる。

＜バーナを用いた加熱方法＞
本発明に係る加熱方法は、上記構成を備えた本発明に係るバーナ１を用い、被加熱物５０を加熱する方法である。
本実施形態の加熱方法は、上記構成とされたバーナ１を用いて被加熱物を加熱する方法なので、自励振動で振動する火炎によって被加熱物を加熱する際、ＮＯ_Ｘの排出量を抑制し、且つ、バーナ１の中心軸Ｊから離れた位置であっても均一に広域で加熱できる方法である。

本実施形態の加熱方法における被加熱物としては、特に限定されないが、上述したような、製鉄プロセスにおいて、加熱炉を用いて加熱することが必要な中間製品、例えば、ビレット、ブルーム又はスラブ等が挙げられる。図５中においては、被加熱物５０として、角柱状のビレットを示している。

本実施形態の加熱方法によれば、上記のバーナ１を用いて、図７に例示するようなビレット等の被加熱物５０を加熱する方法なので、各種の被加熱物を広域で均一に加熱できるとともに、バーナの中心軸Ｊから離れた位置まで高い伝熱効率が得られ、さらに、良好な燃焼状態を保持してＮＯ_Ｘの排出量を抑制できる。

なお、本実施形態の加熱方法においては、第１周囲流体噴出口３、第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５から噴出させる周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃの総流量に対する各周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃの割合を、それぞれＱ_Ａ，Ｑ_Ｂ，Ｑ_Ｃとしたとき、これらの割合が、それぞれ、下記式（３）、（４）又は（５）で表される範囲であることが好ましい。
Ｑ_Ａ＝０.０５〜０.２０・・・・・（３）
Ｑ_Ｂ＝０.２０〜０.８０・・・・・（４）
Ｑ_Ｃ＝０.２０〜０.８０・・・・・（５）

本実施形態では、各周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃの割合Ｑ_Ａ，Ｑ_Ｂ，Ｑ_Ｃを上記関係とすることにより、各流体をより最適な流量バランスで混合し、より優れた燃焼効率で火炎を形成させることが可能になる。即ち、上記式（３）で表されるように、中心流体噴出口２から噴出される中心流体Ｄに最初に混合される周囲流体Ａの割合Ｑ_Ａを若干少なめとし、周囲流体Ｂの割合Ｑ_Ｂ及び周囲流体Ｃの割合Ｑ_Ｃを、周囲流体Ａの割合Ｑ_Ａ以上に設定することで、各流体をより最適な流量バランスで混合し、燃焼させることが可能になる。

また、本実施形態の加熱方法は、中心流体噴出口から２噴出させる中心流体Ｄの流速をＶ、第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５から噴出させる周囲流体Ｂ，Ｃの流速を、それぞれＶ_Ｂ，Ｖ_Ｃとしたとき、これらの関係が下記式（６）を満たすことがより好ましい。
Ｖ≦ＶＢ≦ＶＣ≦８Ｖ・・・・・（６）

本実施形態では、中心流体Ｄの流速Ｖ、周囲流体Ｂの流速Ｖ_Ｂ、及び周囲流体Ｃの流速Ｖ_Ｃを上記関係とすることにより、各流体をより最適な流速バランスで混合し、より優れた燃焼効率で火炎を形成させることが可能になる。即ち、上記式（６）で表されるように、周囲流体Ｂの流速Ｖ_Ｂ及び周囲流体Ｃの流速Ｖ_Ｃを、それぞれ中心流体Ｄの流速Ｖ以上且つ流速Ｖの８倍以下に設定するとともに、周囲流体Ｃの流速Ｖ_Ｃを周囲流体Ｂの流速Ｖ_Ｂ以上に設定することで、各流体をより最適な流速バランスで混合し、燃焼させることが可能になる。

なお、本実施形態のバーナ１を用いた加熱方法による加熱対象（被加熱物）としては、上記のような製鋼プロセスで用いられる中間製品等には限定されず、例えば、高熱で均一な加熱を必要とする各種の被加熱物を加熱する場合において、何ら制限無く適用することが可能である。

＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態のバーナ１によれば、中心流体Ｄを噴出させる中心流体噴出口２、その周囲に配置され、周囲流体Ａを噴出させる第１周囲流体噴出口３、この第１周囲流体噴出口３よりも中心流体噴出口２から離間し、且つ、中心流体噴出口２の拡開方向と直交する方向の位置に配置され、周囲流体Ｂを噴出させる第２周囲流体噴出口４、及び、この第２周囲流体噴出口４よりも中心流体噴出口２から離間し、且つ、中心流体噴出口２の拡開方向と直交する方向の位置に配置され、周囲流体Ｃを噴出させる第３周囲流体噴出口３からなり、中心流体Ｄを包み込むように周囲流体Ａが噴出され、さらに、周囲流体Ｂ及び周囲流体Ｃが噴出されることで、中心流体Ｄに向けて周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃが順次噴出される複数の流体噴出口を備えた構成を採用している。
このように、自励振動によって火炎を振動させるバーナ１において、中心流体噴出口２及びその周囲の第１周囲流体噴出口３に加え、さらに、最適化された位置で第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５が設けられていることで、中心流体Ｄと周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃとを段階的に混合及び燃焼させることができる。これにより、第１〜３周囲流噴出口３，４，５から噴出させる各周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃの流量及び流速を最適なバランスに調整できるので、良好な燃焼状態を保持し、且つ伝熱効率が高められる。また、自励振動による火炎の振動を速くした場合でも、形成させる火炎の長さを確保することができる。
従って、被加熱物５０を加熱する際、ＮＯ_Ｘの排出量を抑制し、且つ、バーナ１の中心軸Ｊから離れた位置であっても均一に広域で加熱することが可能になる。

また、本実施形態のバーナ１を用いた加熱方法によれば、上記構成を備えたバーナ１を用いた加熱方法なので、上記同様、自励振動機能を有するバーナによる広域での均一加熱を達成しつつ、バーナ１の中心軸Ｊから離れた位置に被加熱物が配置された場合であっても、優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。

以下、本発明のバーナ及びバーナを用いた加熱方法について、実施例を示してより詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

＜バーナの仕様及び運転条件＞
本実施例においては、図１〜図４に示すような構成とされたバーナ１を準備し、以下に示す各条件で燃焼・加熱試験を行った。
本実施例においては、図２中に示した、バーナ１の中心流体噴出口２の開口角度αを３０°としたものを用いた。また、本実施例では、図４中に示した、中心流体噴出口２から第２周囲流体噴出口３までの中心間距離Ｌ_Ｂ、第２周囲流体噴出口３から第３周囲流体噴出口４までの中心間距離Ｌ_Ｂ−Ｃが、下記表１に示す値とされたバーナ１を使用した。

また、本実施例においては、燃料ガスとしてプロパンガスを用い、支燃性ガスとしては酸素富化率が４０％の酸素富化空気を用い、燃料ガスを中心流体噴出口２に、支燃性ガスを第１周囲流体噴出口３、第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５に流し、火炎を形成させた。
また、バーナ運転条件としては、燃料ガス（プロパンガス）の流量を１３Ｎｍ^３／ｈ、支燃性ガスの流量を１７０Ｎｍ^３／ｈとし、酸素比１．０５で燃焼させた。なお、この酸素比とは、燃料ガスが完全燃焼するのに必要な酸素量を１とした場合の、酸素の割合をいう。
また、中心流体噴出口２における、自励振動による燃料ガスの振動周期は１秒とした。

＜加熱条件＞
本実施例においては、火炎の振動方向Ｒに直交する方向、即ち、中心流体噴出口２の拡開方向に直交する方向への対流伝熱効率について、図４及び図５中に示す被加熱物５０の代替物として抜熱体を用い、この抜熱体の表面温度を測定することで評価した。
また、本実施例においては、第１〜３周囲流体噴出口３，４，５から噴出させる周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃの総流量に対する各々の割合Ｑ_Ａ，Ｑ_Ｂ，Ｑ_Ｃ、並びに、中心流体噴出口２から噴出させる中心流体Ｄの流速Ｖ、第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５から噴出させる周囲流体Ｂ，Ｃの流速Ｖ_Ｂ，Ｖ_Ｃを、下記表１に示す条件とした。

そして、本実施例では、上記各条件下において、燃焼状態及びＮＯ_Ｘの排出量について評価し、結果を下記表１に示した。ここで、ＮＯ_Ｘの排出量については、１１％酸素計算値にて示した。
なお、下記表１中に示した燃焼状態の評価において、「○」は良好な燃焼状態であることを示し、「×」は不良な燃焼状態 (不完全燃焼気味で煤の形成が多い) ことを示している。
さらに、本実施例では、バーナ面−測定面の距離を変化させて測定する試験を実施し、バーナの軸方向への対流伝熱効率について評価し、発明例及び比較例１，２，参考例６，７におけるバーナ面からの距離と伝熱量との関係を図６のグラフに示した。

表１中に示す実施例は、本願請求項１の規定に基づく条件で燃焼試験を行った結果である。
図６のグラフに示すように、発明例においては、当該グラフ中に示す全ての条件の中で、最も高い伝熱効率を示している。これは、中心流体噴出口２から噴出した燃料ガスが、第２周囲流体噴出口４から噴出した支燃性ガスと混合することで火炎が高温化し、残りの燃料ガスが、さらに第３周囲流体噴出口５から噴出した支燃性ガスと混合することで火炎が高温化することで、抜熱体に近い位置に高温火炎を形成でき、輻射伝熱効率が増加したものと考えられる。
また、表１中に示す結果より、発明例においては、排出されるＮＯ_Ｘの濃度も低水準であることがわかる。これは、支燃性ガスを、燃料ガスに対して遠方から高速で吹き込むことにより、燃料ガスが段階的に燃焼することで緩慢燃焼化し、ＮＯ_Ｘの発生量が抑えられる、所謂ステージング燃焼による効果と考えられる。

比較例１は、第１周囲流体噴出口３のみから支燃性ガスを噴出させた点以外は、上記の発明例と同様の条件で評価を行ったものである。即ち、比較例１は、従来型の自励振動バーナを用いた条件である。
図６のグラフ及び表１中に示すように、比較例１においては、上記の発明例と比較して、伝熱効率が低く、また、ＮＯ_Ｘ濃度が高い結果となった。

比較例２は、第１周囲流体噴出口３及び第２周囲流体噴出口４のみから支燃性ガスを噴出させた点以外は、上記の発明例と同様の条件で評価を行ったものである。
図６のグラフに示すように、比較例２においては、比較例１に比べて伝熱効率は高められているものの、上記の発明例には及ばないことがわかる。これは、比較例２においては、高温の火炎が形成されているものの、火炎と抜熱体との距離が大きめであるため、十分に輻射伝熱が増加しなかったためと考えられる。また、表１中に示すように、比較例２においては、ＮＯ_Ｘ濃度が比較的高い結果となった。

比較例３は、第１周囲流体噴出口３及び第３周囲流体噴出口５のみから支燃性ガスを噴出させた点以外は、上記の発明例と同様の条件で評価を行ったものである。
比較例３においては、バーナを設置した試験炉内に大量の煤が形成される様子が確認され、表１中に示すように燃焼状態が不良であった。これは、中心流体噴出口２から噴出した燃料ガスが、第３周囲流体噴出口５から噴出する支燃性ガスと十分に混合されず、結果として不完全燃焼が生じたものと考えられる。

比較例４は、第２周囲流体噴出口４及び第３周囲流体噴出口５のみから支燃性ガスを噴出させた点以外は、上記の発明例と同様の条件で評価を行ったものである。
比較例４においては、比較例３と同様に、バーナを設置した試験炉内に大量の煤が形成する様子が確認され、表１中に示すように燃焼状態が不良であった。この理由は、比較例３の場合と同様と考えられる。また比較例４では、保炎が不十分であり、時々火炎が吹き飛ぶ様子も確認された。

参較例６は、第２周囲流体噴出口４から噴出する支燃性ガスの流速Ｖ_Ｂを増加させた点以外は、上記の発明例と同様の条件で評価を行ったものである。
参較例６においては、燃焼状態に問題はなかったものの、ＮＯ_Ｘ濃度が高く、また、図６のグラフに示すように、上記の比較例２程度には伝熱効率が高められていたものの、それ以上にはならなかった。これは、第２周囲流体噴出口４から噴出する支燃性ガスの流速Ｖ_Ｂが、第３周囲流体噴出口５から噴出する支燃性ガスの流速Ｖ_Ｃに比べて速すぎるために、残りの燃料ガスと、第３周囲流体噴出口５から噴出する支燃性ガスとが十分に混合されなかったためと考えられる。

参較例７は、第３周囲流体噴出口５から噴出する支燃性ガスの流速Ｖ_Ｃを増加させた点以外は、上記の発明例と同様の条件で評価を行ったものである。
参較例７においては、燃焼状態に問題はなく、また、ＮＯ_Ｘ濃度も抑制されていたものの、図６のグラフに示すように、上記の比較例１、即ち従来の条件のバーナを用いた場合と比較して伝熱効率が低下する結果となった。これは、第３周囲流体噴出口５から噴出する支燃性ガスの流速Ｖ_Ｃが速すぎるために、対流伝熱による寄与が大きくなり、また、高温の火炎を形成させる前に支燃性ガスが抜熱体に衝突してしまい、逆に抜熱体から熱を奪う作用が大きくなったためと考えられる。

以上説明したような実施例の結果より、本発明に係るバーナが、従来型の構造を有する自励振動バーナと比較して、輻射伝熱効率を向上させ、且つ、ＮＯ_Ｘの排出量を低減できることがわかる。従って、本発明に係るバーナ及びこれを用いた加熱方法を、例えば、製鋼プロセスで用いられる加熱炉等に適用することで、ＮＯ_Ｘの排出量を抑制しながら、バーナの中心軸から離れた位置であっても均一に広域で加熱することが可能であることが明らかである。

本発明のバーナ及びバーナを用いた加熱方法は、自励振動で火炎を振動させながら被加熱物を加熱するにあたり、ＮＯ_Ｘの排出量を抑制することが可能なので、製鋼プロセスにおいて用いられる加熱炉等の他、バーナを用いて被加熱物を加熱する各種用途において非常に好適である。

１…バーナ
２…中心流体噴出口
３…第１周囲流体噴出口
４…第２周囲流体噴出口
５…第３周囲流体噴出口
６…流体噴出流路
６ａ…導入口
６１…（一対の）側壁
６２ａ，６２ｂ…（一対の）開口部
６３…（一対の）側壁
６３ａ…一面
６３ｂ…他面
６４…（角筒型の）流路
７…連通管
５０…被加熱物
Ｄ…中央流体（燃料ガス）
Ａ，Ｂ，Ｃ…周囲流体（支燃性ガス）
Ｊ…中心軸（中心流体噴出口における流体の噴出方向）
Ｓ…中心線（中心流体噴出口の拡開方向に直交する中心線）
Ｌ…中心流体噴出口の相当径
Ｌ_Ｂ…中心流体噴出口から第２周囲流体噴出口までの中心間距離
Ｌ_Ｂ−Ｃ…第２周囲流体噴出口から第３周囲流体噴出口までの中心間距離
Ｑ_Ａ，Ｑ_Ｂ，Ｑ_Ｃ…周囲流体の総流量に対する各周囲流体の割合
Ｖ，Ｖ_Ｂ，Ｖ_Ｃ…流速（中心流体又は周囲流体）

Claims

先端部に設けられた複数の流体噴出口の各々から酸素を含む支燃性ガス又は燃料ガスの少なくとも何れかを噴出し、これらを燃焼させるバーナであって、
前記複数の流体噴出口は、中心流体Ｄを噴出させる中心流体噴出口、周囲流体Ａを噴出させる第１周囲流体噴出口、周囲流体Ｂを噴出させる第２周囲流体噴出口及び周囲流体Ｃを噴出させる第３周囲流体噴出口からなり、且つ、前記中心流体Ｄを包み込むように前記周囲流体Ａが噴出され、さらに、前記周囲流体Ｂ及び前記周囲流体Ｃが噴出されることで、前記中心流体Ｄに向けて前記周囲流体Ａ，Ｂ，Ｃが順次噴出されるものであり、
前記中心流体噴出口の上流側における流体噴出流路の側壁には、それぞれ対向する位置で一対の開口部が設けられているとともに、該一対の開口部同士が連通管で連通されており、
前記流体噴出流路における前記開口部よりも下流側は、前記開口部が配置された一対の側壁の間隔が下流側に向かって漸次拡開する断面扇形状とされており、
前記第１周囲流体噴出口は、平面視で前記中心流体噴出口の周囲に配置されており、
前記第２周囲流体噴出口は、平面視における前記中心流体噴出口からの位置が、前記第１周囲流体噴出口よりも離間した位置で、且つ、前記中心流体噴出口の拡開方向と直交する方向の位置に配置されており、
前記第３周囲流体噴出口は、平面視における前記中心流体噴出口からの位置が、前記第２周囲流体噴出口よりも離間した位置で、且つ、前記中心流体噴出口の拡開方向と直交する方向の位置に配置されていることを特徴とするバーナ。