JP2021055880A - 高温酸素発生装置及び高温酸素発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】常圧から高圧までの圧力条件に依らず、且つ、設備の大型化や増設を招くことなく、予熱した高温の酸素ガスを効率よく供給することが可能な高温酸素発生装置及び高温酸素発生方法を提供する。【解決手段】高温ガスＧ４と被加熱用酸素ガスＧ３とを混合し、高温酸素ガスＧ５を生成する高温酸素発生装置１０であり、高温ガスＧ４を発生させるバーナ１と、バーナ１の下流側に設けられ、高温ガスＧ４と被加熱用酸素ガスＧ３とを混合する予熱室７とを備え、バーナ１は、燃料ガスＧ１と燃焼用酸素ガスＧ２とで火炎を形成する燃焼室５と、燃焼室５に燃料ガスＧ１を供給する燃料流路２と、燃焼室５に燃焼用酸素ガスＧ２を供給する第一酸素流路３及び第二酸素流路４と、予熱室７に連通し、予熱室７に向けて被加熱用酸素ガスＧ３を供給する被加熱用酸素流路６と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、高温の酸素ガスを発生させる高温酸素発生装置、及び、それを用いた高温酸素発生方法に関するものである。

従来から、工業炉における炉内の加熱には、例えば、燃料ガスと酸化剤とによる火炎を発生させるバーナが用いられている。バーナに供給する酸化剤としては、一般的には空気が用いられるが、加熱効率の向上や省エネルギー等の観点から、空気に酸素を混合した酸素富化空気、あるいは、酸素が用いられることがある。
また、加熱効率をより向上させるために、例えば、予熱した酸化剤を用いて高い燃焼温度を得る技術も採用されている。

酸化剤を予熱する手段としては、例えば、炉からの排ガスと熱交換することによって酸化剤を間接的に予熱する熱交換式や、電気式ヒータにより酸化剤を加熱する電気式が挙げられる。また、燃焼ガスと予熱対象の酸化剤とを直接混合する直接燃焼式等も挙げられる（例えば、特許文献１，２を参照）。

特表２０１１−５２６９９８号公報 特開昭６２−１１６８１６号公報

上記のような熱交換式によって酸化剤を間接的に予熱する場合、予熱に時間を要することから、予熱した酸化剤を断続的に利用したい場合には不向きである。また、熱交換に用いた排ガスを回収するための設備を要するため、導入コストが高くなるというデメリットがある。

また、電気式で酸化剤を加熱する場合には、大きな出力が必要となる大流量の場合や、高温のガスが要求される場合においては、設備の規模が大きくなり、上記同様、コスト面でのデメリットが生じるか、あるいは、設置条件によっては適用不可となるおそれもある。

一方、特許文献１，２に記載されたような直接燃焼式では、燃焼ガスの分だけ酸化剤の酸素濃度が下がるデメリットがあるものの、設備規模が小さく済み、また、予熱にかかる時間も短いため、装置の断続的な運転にも適している。

ここで、例えば、電炉で用いられる酸素バーナや、酸素ランスを用いた構成においては、効率の良いスクラップの加熱や溶断に用いられることや、長い距離で燃料ガスや酸化剤を吹き込むことから、各ガスの噴出速度は超音速となる。このように、燃料ガスや酸化剤の噴出速度が超音速である場合、供給圧力は高圧となり、例えば、噴出速度がマッハ１の場合では約０．１ＭＰａＧ、マッハ２の場合では約０．７ＭＰａＧの供給圧力が必要となる。

上述したように、特許文献１，２に記載された従来の技術は、直接燃焼式の酸素予熱装置によって発生させた高温の酸化剤を噴出させるものであるが、これら特許文献１，２に記載の技術は、大気圧程度の供給圧力を想定した技術と考えられることから、この技術を用いたバーナを高圧環境下で用いることは困難である。

例えば、０．７ＭＰａＧの高温ガスを発生させる場合には、予熱用バーナの出口圧力が０．７ＭＰａＧとなるため、バーナからの各ガスの噴出速度は、大気圧の場合と比較すると約１／８の速度となる。従って、大気圧付近の供給圧力を想定して設計されたバーナでは、噴出速度が遅くなり、失火や逆火が生じるおそれがある。

一方、供給圧力が高いと、同じ流量であっても体積が圧縮されることから、必要とされる装置内空間も小さくなる。従って、大気圧（常圧）の供給圧力を想定して設計された高温酸素発生装置では、予熱室が過剰に大きな条件となることから予熱効率が低下し、予熱温度が低下するか、あるいは、燃料ガスを多く使用しなければならなくなるというデメリットがある。このように、燃料ガスの使用量が多くなると、運転コストが増大することのみならず、酸素濃度も低下するという問題がある。

また、上記とは反対に、高圧での使用を想定して噴出速度を設定した場合においては、この装置を大気圧条件下で使用したときに、各ガスの噴出速度が大きくなり過ぎて火炎が浮き上がり、失火するおそれもある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、高圧の供給圧力で用いる仕様でありながら大気圧条件での使用も可能であり、常圧から高圧までの圧力条件に依らず、且つ、設備の大型化や増設を招くことなく、予熱した高温の酸素ガスを効率よく供給することが可能な高温酸素発生装置、及び、それを用いた高温酸素発生方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の態様を包含する。
即ち、請求項１に係る発明は、高温ガスと被加熱用酸素ガスとを混合し、高温酸素ガスを生成する高温酸素発生装置であって、前記高温ガスを発生させるバーナと、該バーナの下流側に設けられ、前記高温ガスと前記被加熱用酸素ガスとを混合する予熱室とを備え、前記バーナは、燃料ガスと燃焼用酸素ガスとで火炎を形成する燃焼室と、該燃焼室に前記燃料ガスを供給する燃料流路と、前記燃焼室に前記燃焼用酸素ガスを供給する燃焼用酸素流路と、前記予熱室に連通し、前記予熱室に向けて被加熱用酸素ガスを供給する被加熱用酸素流路と、を有する高温酸素発生装置である。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の高温酸素発生装置であって、前記バーナは、前記燃焼用酸素流路として、前記バーナの中心軸上に配置され、前記バーナの軸方向で前記燃焼用酸素ガスを噴出する第一酸素流路を有し、前記燃料流路は、前記第一酸素流路の周囲に配置され、前記バーナの軸方向で前記燃料ガスを噴出し、さらに、前記燃焼用酸素流路として、前記燃料流路の周囲に配置され、且つ、前記バーナの中心軸に対して傾斜しながら該中心軸側に向かうように前記燃焼用酸素ガスを噴出する第二酸素流路を有し、前記燃焼室は、前記燃料流路から噴出する燃料ガスと、前記第一酸素流路及び前記第二酸素流路から噴出する燃焼用酸素ガスとで火炎が形成され、前記被加熱用酸素流路は、前記予熱室に連通するとともに、前記第二酸素流路の周囲に配置され、前記火炎の周囲から前記被加熱用酸素ガスを噴出して前記予熱室に向けて被加熱用酸素ガスを供給する高温酸素発生装置である。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の高温酸素発生装置であって、さらに、前記バーナ、あるいは、前記バーナ及び前記予熱室の両方を冷却する冷却ジャケットを備える高温酸素発生装置である。

また、請求項４に係る発明は、請求項２に記載の高温酸素発生装置を用いた高温酸素発生方法であって、前記バーナの前記燃料流路における前記燃料ガスの平均速度Ｕ１、前記第一酸素流路における前記燃焼用酸素ガスの平均速度Ｕ２、及び、前記第二酸素流路における前記燃焼用酸素ガスの平均速度Ｕ３での最大圧力下において、前記平均速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３が下記（１）〜（３）式を満たし、且つ、前記燃焼室の出口側における前記燃料ガス及び前記燃焼用酸素ガスの混合ガスの平均速度Ｕ４が、大気圧条件下で定格流量であるときに下記（４）式を満たす高温酸素発生方法である。
１０（ｍ／ｓ）≦Ｕ１≦６０（ｍ／ｓ） ・・・・・（１）
２０（ｍ／ｓ）≦Ｕ２≦１２０（ｍ／ｓ） ・・・・・（２）
２０（ｍ／ｓ）≦Ｕ３≦１２０（ｍ／ｓ） ・・・・・（３）
Ｕ４≦６０（ｍ／ｓ） ・・・・・（４）

本発明に係る高温酸素発生装置によれば、バーナが、燃料ガスと燃焼用酸素ガスとで火炎を形成する燃焼室と、この燃焼室に燃料ガスを供給する燃料流路と、燃焼室に燃焼用酸素ガスを供給する燃焼用酸素流路と、予熱室に連通して被加熱用酸素ガスを供給する被加熱用酸素流路とを有した構成を採用している。このように、酸素ガスの供給流路を、燃料ガスとの燃焼に用いる燃焼用酸素ガスの流路と、燃焼後の高温ガスとの混合に用いる被加熱用酸素ガスの流路とに分離したうえで、予熱室と独立して配置される燃焼室を設けることにより、被加熱用酸素流路からの被加熱用酸素ガスの流れの影響によって火炎が失火するのを防止できる。また、燃焼に供されない被加熱用酸素ガスが流通する被加熱用酸素流路により、バーナ並びに高温酸素発生装置の内壁に対する冷却効果も得られる。
従って、高圧の供給圧力で用いる仕様でありながら、大気圧条件での使用も可能であり、常圧から高圧までの圧力条件に依らず、且つ、設備の大型化や増設を招くことなく、予熱した高温の酸素ガスの供給が可能になる。

また、本発明に係る高温酸素発生方法によれば、バーナの燃料流路における燃料ガスの平均速度Ｕ１、第一酸素流路における燃焼用酸素ガスの平均速度Ｕ２、及び、第二酸素流路における燃焼用酸素ガスの平均速度Ｕ３での最大圧力下において、平均速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３を最適な範囲に制限したうえで、燃焼室の出口側における燃料ガス及び燃焼用酸素ガスの混合ガスの平均速度Ｕ４を、大気圧条件下で定格流量であるときに最適な範囲となるように制限している。これにより、速度低下による逆火や失火の他、速度過剰による火炎の吹き飛び等が発生するのを防止できる。
従って、常圧から高圧までの圧力条件に依らず、且つ、設備の大型化や増設を招くことなく、予熱した高温の酸素ガスの供給が可能になる。

本発明の一実施形態である高温酸素発生装置を模式的に説明する図であり、バーナの軸方向に沿った断面図である。 本発明の一実施形態である高温酸素発生装置を模式的に説明する図であり、図１に示す高温酸素発生装置に備えられるバーナとは異なる例のバーナを有するとともに、さらに点火用バーナを設けた例を示す、バーナの軸方向に沿った断面図である。 本発明の一実施形態である高温酸素発生装置を模式的に説明する図であり、図２に示す高温酸素発生装置に対して、さらに酸素ランスを取り付けた例を示す、バーナの軸方向に沿った断面図である。 本発明の一実施形態である高温酸素発生装置を模式的に説明する図であり、高温酸素発生装置に備えられるバーナの他の例を示す、バーナの軸方向に沿った部分断面図である。 従来の高温酸素発生装置に備えられるバーナを示す断面図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である高温酸素発生装置及び高温酸素発生方法について、図１〜４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など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。

＜高温酸素発生装置の構成＞
以下に、本実施形態の高温酸素発生装置１０の構成について詳細に説明する。
図１は、本実施形態の高温酸素発生装置１０を、バーナ１の中心軸Ｊに沿った断面で示す図である。図２は、図１中に示したバーナ１とは異なるバーナ１Ａを備えるとともに、さらに点火用バーナ９を設けた例の高温酸素発生装置１０Ａを示す断面図である。図３は、図２に示す高温酸素発生装置１０Ａに対して、さらに酸素ランス８を取り付けた例の高温酸素発生装置１０Ｂを示す断面図である。また、図４は、高温酸素発生装置に備えられるバーナの他の例を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態の高温酸素発生装置１０は、高温ガスＧ４と被加熱用酸素ガスＧ３とを混合し、高温酸素ガスＧ５を生成するものであり、高温ガスＧ４を発生させるバーナ１と、このバーナ１の下流側に設けられ、高温ガスＧ４と被加熱用酸素ガスＧ３とを混合する予熱室７とを備える。
そして、高温酸素発生装置１０は、バーナ１が、燃料ガスＧ１と燃焼用酸素ガスＧ２とで火炎を形成する燃焼室５と、この燃焼室５に燃料ガスＧ１を供給する燃料流路２と、燃焼室５に燃焼用酸素ガスＧ２を供給する燃焼用酸素流路（図１中の符号３，４を参照）と、予熱室７に連通し、この予熱室７に向けて被加熱用酸素ガスＧ３を供給する被加熱用酸素流路６とを備え、概略構成される。

より詳細には、本実施形態の高温酸素発生装置１０は、バーナ１が、上記の燃焼用酸素流路として、バーナ１の中心軸Ｊ上に配置され、バーナ１の軸方向で燃焼用酸素ガスＧ２を噴出する第一酸素流路３を有している。また、燃料流路２は、図１中に示すように、第一酸素流路３の周囲、即ち、中心軸Ｊに対して外側に配置され、バーナ１の軸方向で燃料ガスＧ１を噴出する。さらに、バーナ１は、上記の燃焼用酸素流路として、燃料流路２の周囲に配置され、且つ、バーナ１の中心軸Ｊに対して傾斜しながら中心軸Ｊ側に向かうように燃焼用酸素ガスＧ２を噴出する第二酸素流路４を有している。

上記により、燃焼室５には、燃料流路２、第一酸素流路３及び第二酸素流路４が開口しており、燃焼室５内において、燃料流路２から噴出する燃料ガスＧ１と、第一酸素流路３及び第二酸素流路４から噴出する燃焼用酸素ガスＧ２とで火炎が形成される。
また、被加熱用酸素流路６は、予熱室７に連通するとともに、第二酸素流路４の周囲に配置され、図示例においては、予熱室７の内部に開口しており、火炎の周囲から被加熱用酸素ガスＧ３を噴出することで、予熱室７に向けて被加熱用酸素ガスＧ３を供給する。

また、図示例の高温酸素発生装置１０は、さらに、バーナ１及び予熱室７の何れか一方あるいは両方を冷却するための冷却ジャケット１１を備える。

本実施形態で説明する燃料ガスＧ１としては、例えば、天然ガスの他、燃料として、可燃性であること、水に不溶であること、及び単位体積当たりの発熱量が大きいこと等の条件を満たすものを含むガスが挙げられる。具体的には、燃料として、例えば、液化石油ガス（ＬＰＧ）、都市ガス、メタン等の炭化水素系のものを含むガスが挙げられる。
また、本実施形態で説明する燃焼用酸素ガスＧ２及び被加熱用酸素ガスＧ３としては、例えば、酸素富化空気、又は、酸素が挙げられる。

図１に示すように、バーナ１は、火炎形成方向における先端１ａ側が拡径するように開口した有底円錐形状の燃焼室５を有し、この燃焼室５で火炎を形成することによって高温ガスＧ４を発生させるバーナである。

燃焼室５は、図示例においては、先端１ａ側が拡径するように開口し、有底円錐形状に形成された凹部とされ、縦断面で略台形状とされる。バーナ１は、上述したように、この燃焼室５内において火炎を発生させることで、バーナ１の下流側、即ち、予熱室７に向けて高温ガスＧ４を発生させる。

なお、燃焼室５は、基端側の底部５１から先端１ａ側までの側壁５２の勾配角度を一定としても良いが、図示例のように、先端１ａ側の一部が円筒形状とされていることが、安定した保炎確保の観点から、より好ましい。

燃料流路２は、上述したように、中心軸Ｊよりも外側、即ち、詳細を後述する第一酸素流路３の周囲に配置され、バーナ１の軸方向で燃料ガスＧ１を噴出する。
燃料流路２の開口部は、燃焼室５の底部５１に開口するように配置され、燃料流路２から供給される燃料ガスＧ１を燃焼室５内に向けて噴出するように設けられる。
燃料流路２は、詳細な図示は省略するが、例えば、中心軸Ｊを中心とした円周上において、中心軸Ｊ上に設けられた第一酸素流路３を取り囲むように、複数で平行且つ均等間隔で配置される。
なお、複数の燃料流路２の開口部は、燃焼室５内に開口していれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。

第一酸素流路（燃焼用酸素流路）３は、上述したように、バーナ１の中心軸Ｊ上に配置され、バーナ１の軸方向で燃焼用酸素ガスＧ２を噴出する。
第一酸素流路３の開口部も、燃料流路２と同様、燃焼室５の底部５１に開口するように配置され、第一酸素流路３から供給される燃焼用酸素ガスＧ２を燃焼室５内に向けて噴出するように設けられる。
なお、第一酸素流路３の開口部は、燃焼室５内に開口していれば、その形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。

第二酸素流路（燃焼用酸素流路）４は、上述したように、燃料流路２の周囲に配置され、且つ、バーナ１の中心軸Ｊに対して傾斜しながら中心軸Ｊ側に向かうように燃焼用酸素ガスＧ２を噴出する。即ち、詳細な図示は省略するが、第二酸素流路４は、例えば、燃料流路２の外側に、中心軸Ｊを中心とした円周上において、バーナ１の先端１ａ側に向かうにしたがって中心軸Ｊ側に漸次傾斜しながら、燃料流路２を取り囲むように複数で均等間隔にて配置される。また、第二酸素流路４の開口部は、図１に示す例では、燃焼室５の側壁５２に開口するように配置されている。

第二酸素流路４の中心軸Ｊに対する角度、即ち、第二酸素流路４から噴出する燃焼用酸素ガスＧ２の、燃料流路２から噴出する燃料ガスＧ１、及び、第一酸素流路３から噴出する燃焼用酸素ガスＧ２に対する合流角度は特に限定されない。しかしながら、燃焼効率等を考慮した場合、上記角度は１０〜３０°の範囲であることが好ましい。

なお、複数の第二酸素流路４の開口部も、上記のように、燃焼室５の側壁５２に開口していれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。

被加熱用酸素流路６は、上述したように、第二酸素流路４の周囲に配置され、予熱室７の内部に連通して開口しており、図１に示す例では、バーナ１の先端１ａの端面に開口している。
被加熱用酸素流路６は、詳細な図示は省略するが、例えば、中心軸Ｊを中心とした円周上において、第二酸素流路４を取り囲むように、複数で平行且つ均等間隔で配置される。
被加熱用酸素流路６は、バーナ１の先端１ａの端面に開口することで、火炎の周囲から被加熱用酸素ガスＧ３を噴出し、予熱室７に向けて被加熱用酸素ガスＧ３を供給する。即ち、被加熱用酸素流路６は、第一酸素流路３や第二酸素流路４とは異なり、燃焼に供される燃料ガスＧ１が流通する流路ではなく、被加熱用酸素ガスＧ３が流通する流路なので、燃焼室５に開口することなく、予熱室７に開口している。
なお、複数の第二酸素流路４の開口部も、上記のように、燃焼室５の側壁５２に開口していれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。

予熱室７は、バーナ１の下流側に設けられ、高温ガスＧ４と被加熱用酸素ガスＧ３とを混合する空間である。図示例の予熱室７は、円筒管７０によって内部空間が確保されてなるものであり、この円筒管７０の内部にバーナ１が配置されることで、バーナ１と円筒管７０の先端７０ａとの間の空間に予熱室７が確保される。

予熱室７内には、バーナ１の燃焼室５で形成された火炎によって生成した高温ガスＧ４が供給されるとともに、被加熱用酸素流路６を通じて被加熱用酸素ガスＧ３が供給される。これにより、予熱室７において、高温酸素ガスＧ５が生成される。生成された高温酸素ガスＧ５は、円筒管７０の先端７０ａ側から外部に向けて供給される。
なお、図１に示す例の高温酸素発生装置１０においては、予熱室７の下流側は大気に開放された状態であり、バーナ１に備えられる各流路出口は大気圧の条件となる。

冷却ジャケット１１は、バーナ１、あるいは、バーナ１及び予熱室７の両方を冷却するためのものであり、図示例の冷却ジャケット１１は、上記の両方を冷却できるように設けられている。即ち、冷却ジャケット１１は円筒状とされており、上述した円筒管７０を、環状空間を介して覆う二重管構造とされている。そして、この環状空間は、冷却水Ｗが通水される冷却水流路１１ａとされており、冷却水Ｗの通水によってバーナ１及び予熱室７を冷却可能に構成されている。

図示例の冷却ジャケット１１は、入口管１１ｂ側から冷却水Ｗが通水され、この冷却水Ｗが冷却水流路１１ａを通過して出口管１１ｃから排出される。本実施形態の高温酸素発生装置１０においては、冷却水Ｗが冷却水流路１１ａを通過する際に、バーナ１及び円筒管７０を冷却することで、バーナ１及び予熱室７の両方を冷却できるように構成されている。
冷却ジャケット１１は、火炎による高温雰囲気や輻射熱からバーナ１の各構成部品を保護するとともに、燃焼室５内における過渡な加熱を抑制する。

上記の構成を備える本実施形態の高温酸素発生装置１０によって得られる作用・効果について、以下に説明する。
一般的に、バーナから噴出する各ガスの噴出速度が遅い場合、逆火が発生するか、あるいは、噴流が弱いために外部からの擾乱の影響を受けて失火しやすい状態となる。一方、各ガスの噴出速度が速すぎると火炎が浮き上がり、この場合も失火しやすい状態となる。また、酸素ガスを用いるバーナにおいては、火炎温度が２０００℃を超える高温となることから、ノズルが溶損することのないよう、適切な保護を施す必要がある。

上記の問題に対し、本実施形態の高温酸素発生装置１０においては、バーナ１が、燃料ガスＧ１と燃焼用酸素ガスＧ２とで火炎を形成する燃焼室５と、燃焼室５に燃料ガスＧ１を供給する燃料流路２と、燃焼室５に燃焼用酸素ガスＧ２を供給する燃焼用酸素流路（第一酸素流路３及び第二酸素流路４）と、予熱室７に向けて被加熱用酸素ガスＧ３を供給する被加熱用酸素流路６とを有した構成を採用している。即ち、高温酸素発生装置１０では、酸素ガスの供給流路を、燃料ガスＧ１との燃焼に用いる燃焼用酸素ガスＧ２の流路（第一酸素流路３及び第二酸素流路４）と、燃焼後の高温ガスＧ４との混合に用いる被加熱用酸素ガスＧ３の流路（被加熱用酸素流路６）とに分離したうえで、予熱室７と独立して配置される燃焼室５を設けている。
これにより、高温酸素発生装置１０によれば、被加熱用酸素流路６からの被加熱用酸素ガスＧ３の流れの影響によって、燃料ガスＧ１と燃焼用酸素ガスＧ２とから形成される火炎が失火するのを防止することが可能になる。さらに、燃焼に供されない被加熱用酸素ガスＧ３が流通する被加熱用酸素流路６がバーナ１の中心軸Ｊに沿って設けられることで、バーナ１全体に対する冷却効果が得られるとともに、円筒管７０の内壁を冷却する効果も得られる。

より詳細には、本実施形態の高温酸素発生装置１０は、第一酸素流路３が、バーナ１の中心軸Ｊ上に配置され、バーナ１の軸方向で燃焼用酸素ガスＧ２を噴出する。また、燃料流路２は、第一酸素流路３の周囲に配置され、バーナ１の軸方向で燃料ガスＧ１を噴出する。さらに、第二酸素流路４は、燃料流路２の周囲に配置され、バーナ１の中心軸Ｊに対して傾斜しながら中心軸Ｊ側に向かうように燃焼用酸素ガスＧ２を噴出する。
このように、燃料ガスＧ１を、第一酸素流路３及び第二酸素流路４から噴出される燃焼用酸素ガスＧ２で挟み込むことで、燃焼状態が維持されるとともに、燃焼室５における側壁５２や底部５１の温度が上昇し過ぎないよう、第二酸素流路４から噴出される燃焼用酸素ガスＧ２による酸素流で保護できる。

また、燃焼室５で形成された火炎の周囲において、被加熱用酸素流路６から被加熱用酸素ガスＧ３が軸方向で噴出され、火炎によって発生させた高温ガスＧ４と被加熱用酸素ガスＧ３とを予熱室７で混合することで、高温に昇温された酸素、即ち高温酸素ガスＧ５を外部に排出できる。
一方、例えば、上記の特許文献２に記載されたような従来の技術では、バーナの中央に燃料流路が配置され、その周囲に酸素流路が配置された構成とされているが、このような構成だと、各ガスの噴出速度が大きい場合に火炎を保持することが著しく困難となる。
本実施形態の高温酸素発生装置１０によれば、図１中に示すように、燃料流路２が、第一酸素流路３と第二酸素流路４との間に挟まれるように配置された構成なので、各ガスの噴出速度が大きい場合でも、安定して火炎を保持できる。

また、本実施形態の高温酸素発生装置１０において、さらに、図示例のような冷却ジャケット１１を備えた構成を採用した場合には、以下のような効果が得られる。
即ち、冷却ジャケット１１を備えることにより、例えば、バーナ１と冷却水Ｗとが直に接触するか、あるいは、バーナ１と冷却水Ｗとが、他の構造物（図示例では円筒管７０）を介して接することで、バーナ１を十分に冷却でき、溶損するのを防止できる。また、熱応力によってバーナ１あるいは高温酸素発生装置１０全体の変形や破損が生じるのを防止できるとともに、熱応力が繰り返し印加されることによって疲労破壊が生じるのを最小限に抑制でき、高寿命化を図ることが可能になる。

なお、図示例においては、冷却ジャケット１１を、バーナ１から予熱室７までカバーできように設けているが、これには限定されない。例えば、冷却ジャケット１１を、バーナ１のみを冷却する構成としたうえで、予熱室７については、円筒管７０の内壁を耐火物で保護する構成を採用してもよい。

また、本発明に係る高温酸素発生装置は、図１に示す高温酸素発生装置１０のような構成には限定されない。
例えば、図２に示す高温酸素発生装置１０Ａのように、被加熱用酸素流路６を、内周側と外周側の２列で配置し、且つ、燃焼室５の側壁５２における先端１ａ側の一部が円筒形状とされたバーナ１Ａを備えた構成を採用してもよい。さらに、図２に示す高温酸素発生装置１０Ａは、冷却ジャケット１１及び円筒管７０側に配置され、予熱室７におけるバーナ１Ａ寄りの位置に点火用バーナ９が設けられている。一般に、高温酸素発生装置に備えられる高温ガス発生用のバーナには着火源が必要となることから、図２に示す例の高温酸素発生装置１０Ａには、上記の点火用バーナ９が設けられている。なお、図２に示す例の高温酸素発生装置１０Ａにおいても、予熱室７の下流側は大気に開放された状態であり、バーナ１Ａに備えられる各流路出口は大気圧の条件となる。

また、図３に示す高温酸素発生装置１０Ｂのように、図２に示した高温酸素発生装置１０Ａにおける予熱室７の下流側に、さらに酸素ランス８を取り付けた構成を採用することも可能である。図示例のように、酸素ランス８は、予熱室７の先端７０ａにフランジ８１を介して接続され、内部の流路８ｂが、吐出口８ａ側に向かうに従って流路面積が狭くなり、吐出口８ａ近傍においてのみ、流路面積が若干広がるように構成されている。これにより、高温酸素発生装置１０Ｂによれば、酸素ランス８の吐出口８ａから噴出する高温酸素ガスＧ５は、噴出速度が高速となり、且つ、図２に示す高温酸素発生装置１０Ａ等における大気圧条件と同様の各ガス流量条件での予熱が可能になる。

また、高温酸素発生装置に用いられるバーナとしても、図１〜図３に示す例のバーナ１，１Ａのような構成には限定されない。例えば、図４に示すバーナ１Ｂのように、第一酸素流路３、第二酸素流路４，及び被加熱用酸素流路６への酸素ガスの供給を、同一の供給源から分岐して行うように構成し、燃焼用酸素ガスＧ２及び被加熱用酸素ガスＧ３に同じ酸素ガスを用いても構わない。

［高温酸素発生方法］
本実施形態の高温酸素発生方法は、上記構成とされた本実施形態の高温酸素発生装置１０を用いて高温酸素ガスＧ５を発生させる方法である。
即ち、本実施形態の高温酸素発生方法は、バーナ１の燃料流路２における燃料ガスＧ１の平均速度Ｕ１、第一酸素流路３における燃焼用酸素ガスＧ２の平均速度Ｕ２、及び、第二酸素流路４における燃焼用酸素ガスＧ２の平均速度Ｕ３での最大圧力下において、平均速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３が下記（１）〜（３）式を満たし、且つ、燃焼室５の出口側における燃料ガスＧ１及び燃焼用酸素ガスＧ２の混合ガスの平均速度Ｕ４が、大気圧条件下で定格流量であるときに下記（４）式を満たす高温酸素発生方法である。
１０（ｍ／ｓ）≦Ｕ１≦６０（ｍ／ｓ） ・・・・・（１）
２０（ｍ／ｓ）≦Ｕ２≦１２０（ｍ／ｓ） ・・・・・（２）
２０（ｍ／ｓ）≦Ｕ３≦１２０（ｍ／ｓ） ・・・・・（３）
Ｕ４≦６０（ｍ／ｓ） ・・・・・（４）

上述したように、従来の装置を用いて、従来の方法で高温酸素を発生させた場合、高圧条件下においては、大気圧条件下の場合と比較して速度が低下する。このため、本実施形態の高温酸素発生方法においては、燃料ガスＧ１の平均速度Ｕ１、第一酸素流路３における燃焼用酸素ガスＧ２の平均速度Ｕ２、及び、第二酸素流路４における燃焼用酸素ガスＧ２の平均速度Ｕ３が想定される最大圧力において、平均速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３を上記（１）〜（３）式を満たす範囲とすることで、速度低下による逆火や失火の他、速度過剰による火炎の吹き飛び等が発生するのを防止できる。

本実施形態の高温酸素発生方法においては、平均速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３での最大圧力下において、各々、下記（１）〜（３）式を満たすことで、大気圧下においても安定した火炎を保持できる。また、本実施形態においては、さらに、燃焼室５の出口側における燃料ガスＧ１及び燃焼用酸素ガスＧ２の混合ガスの平均速度Ｕ４が、大気圧条件下で定格流量であるときに、上記下記（４）式を満たすようにバーナ１を設計することで、火炎の安定性をより高めることが可能になる。

本実施形態によれば、上記構成を有する高温酸素発生装置１０を用いることで、高圧時において、各ガスが燃焼室５内に噴出後に安定した火炎を形成できる。さらに、本実施形態によれば、噴出速度が高速となる大気圧下においても、第一酸素流路３及び第二酸素流路４で燃料流路２が挟み込まれて配置されていることに加え、燃焼室５における各ガスの平均速度を適正に保つことで、十分に安定した火炎を保持することが可能になる。

＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態の高温酸素発生装置１０によれば、バーナ１が、燃料ガスＧ１と燃焼用酸素ガスＧ２とで火炎を形成する燃焼室５と、燃焼室５に燃料ガスＧ１を供給する燃料流路２と、燃焼室５に燃焼用酸素ガスＧ２を供給する第一酸素流路３及び第二酸素流路４と、予熱室７に向けて被加熱用酸素ガスＧ３を供給する被加熱用酸素流路６とを有した構成を採用している。このように、酸素ガスの供給流路を、燃料ガスＧ１との燃焼に用いる燃焼用酸素ガスＧ２の流路と、燃焼後の高温ガスＧ４との混合に用いる被加熱用酸素ガスＧ３の流路とに分離したうえで、予熱室７と独立して配置される燃焼室５を設けることにより、被加熱用酸素流路６からの被加熱用酸素ガスＧ３の流れの影響によって火炎が失火するのを防止できる。また、燃焼に供されない被加熱用酸素ガスＧ３が流通する被加熱用酸素流路６により、バーナ１並びに円筒管７０に対する冷却効果も得られる。
従って、高圧の供給圧力で用いる仕様でありながら、大気圧条件での使用も可能であり、常圧から高圧までの圧力条件に依らず、且つ、設備の大型化や増設を招くことなく、予熱した高温酸素ガスＧ５の供給が可能になる。

また、本実施形態の高温酸素発生方法によれば、バーナ１の燃料流路２における燃料ガスＧ１の平均速度Ｕ１、第一酸素流路３における燃焼用酸素ガスＧ２の平均速度Ｕ２、及び、第二酸素流路４における燃焼用酸素ガスＧ２の平均速度Ｕ３での最大圧力下において、平均速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３を最適な範囲に制限したうえで、燃焼室５の出口側（先端１ａ側）における燃料ガスＧ１及び燃焼用酸素ガスＧ２の混合ガスの平均速度Ｕ４を、大気圧条件下で定格流量であるときに最適な範囲となるように制限している。これにより、速度低下による逆火や失火の他、速度過剰による火炎の吹き飛び等が発生するのを防止できる。
従って、常圧から高圧までの圧力条件に依らず、且つ、設備の大型化や増設を招くことなく、予熱した高温酸素ガスＧ５の供給が可能になる。

＜本発明の他の形態＞
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は上記のような特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

以下、実施例により、本発明に係る高温酸素発生装置及び高温酸素発生方法についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
実施例１においては、図２に示すような、高温ガスＧ４を発生させるバーナ１Ａと、バーナ１Ａの下流側に設けられ、高温ガスＧ４と被加熱用酸素ガスＧ３とを混合する予熱室７とを備えた高温酸素発生装置１０Ａを用いて試験を行った。具体的には、本実施例では、バーナ１Ａが、燃料ガスＧ１と燃焼用酸素ガスＧ２とで火炎を形成する燃焼室５と、燃焼室５に燃料ガスＧ１を供給する燃料流路２と、燃焼室５に燃焼用酸素ガスＧ２を供給する第一酸素流路３及び第二酸素流路４と、内周側と外周側の２列で配置された、予熱室７に向けて被加熱用酸素ガスＧ３を供給する被加熱用酸素流路６と、バーナ１の着火源である点火用バーナ９とを備えた高温酸素発生装置１０Ａを準備した。なお、第二酸素流路４の中心軸Ｊに対する角度は２０°とした。

本実施例では、予熱室７の下流側を大気に開放された状態とすることで、バーナ１Ａに備えられる各流路出口を大気圧の条件とした。

そして、予熱室７から排出される高温酸素ガスＧ５の流量が２００Ｎｍ^３／ｈ、高温酸素ガスＧ５の予熱温度が５００℃になるように設定したところ、下記表１に示すような各条件である場合に予熱温度を達成できることが明らかとなった。

＜実施例２＞
実施例２においては、図３に示すような、実施例１で用いて高温酸素発生装置１０Ａにおける予熱室７の下流側に、さらに酸素ランス８を取り付けた構成の高温酸素発生装置１０Ｂを用いて試験を行った。具体的には、本実施例では、内部の流路８ｂが、吐出口８ａ側に向かうに従って流路面積が狭くなり、吐出口８ａ近傍においてのみ、流路面積が若干広がるように構成された酸素ランス８を、予熱室７の下流側に取り付けた高温酸素発生装置１０Ｂを用いた。

上記の酸素ランス８は、排出される高温酸素ガスＧ５の流量が２００Ｎｍ^３／ｈ、高温酸素ガスＧ５の予熱温度が５００℃のときに、酸素ランス８の入口側の圧力が０．７ＭＰａＧとなる高圧仕様である。

本実施例では、上記の酸素ランス８を使用した場合においても、下記表２に示すように、実施例１で説明した大気圧条件下と同様のガス流量条件で予熱温度を達成できることが明らかとなった。

＜比較例１＞
比較例１においては、図５に示すような、中心軸Ｊ上に燃焼室１０５に連通する燃料流路１０２を有し、その周囲に、図１及び図２中に示した第二酸素流路４に対応する燃焼酸素流路１０４を有している一方、図１及び図２中の第一酸素流路３に対応する酸素流路を有していない従来の構成のバーナ１０１を備えた、大気圧条件の仕様とされた高温酸素発生装置を用い、設定した各予熱温度での予熱可否を調べた。
なお、図５に示す比較例のバーナ１０１は、燃焼酸素流路１０４の周囲に配置され、内周側と外周側の２列で設けられた被加熱用酸素流路１０６を備えている。

即ち、比較例１では、予熱室の下流側を大気に開放された状態とすることで、バーナ１０１に備えられる各流路出口を大気圧の条件とした。
また、比較例１では、バーナ１０１として、大気圧条件下において、燃料流路１０２からの噴出速度が１７．５ｍ／ｓ、燃焼酸素流路１０４からの噴出速度が６５ｍ／ｓになるように設計したものを用いた。

そして、比較例１においては、下記表３中に示すように、予熱温度を２００〜７００℃の範囲で１００℃ステップに設定した場合の、各々予熱の可否を調べ、結果を各表３中に示した。
なお、下記表３においては、実施例１（大気圧）及び実施例２（高圧：０．７ＭＰａＧ）で用いた各装置並びに条件で同様の試験を行った結果、並びに、下記比較例２で同様の試験を行った結果も示している。
また、下記表３においては、予熱可能であることが確認できた条件の欄に「○」を記している。

下記表３中に示すように、本発明に係る構成を有する実施例１，２の高温酸素発生装置を用いた場合には、予熱温度を２００〜７００℃とした場合の全ての条件において、各温度への予熱が可能であった。これに対して、比較例１のバーナ１０１を用いた装置では、大気圧条件下では２００〜７００℃の全ての範囲で予熱可能であったものの、高圧下においては、２００℃で予熱不可となり、それよりも高温条件とする試験は実施できなかった。

＜比較例２＞
比較例２においては、図５に示した従来の構成のバーナ１０１を備え、高圧条件の仕様とされた高温酸素発生装置を用い、設定した各予熱温度での予熱可否を調べた。

即ち、比較例２では、周囲の圧力を０．７ＭＰａＧの高圧とすることで、バーナ１０１に備えられる各流路出口を高圧の条件とした。
また、比較例２では、バーナ１０１として、周囲の圧力が０．７ＭＰａＧの高圧のときに、燃料流路１０２からの噴出速度が１７．５ｍ／ｓ、燃焼酸素流路１０４からの噴出速度が６５ｍ／ｓになるように設計したものを用いた。

上記表３中に示すように、比較例２のバーナ１０１を用いた装置では、高圧条件下では２００〜７００℃の全ての範囲で予熱可能であったものの、大気圧下においては、３００℃の予熱温度で燃焼状態が不安定となり、それよりも高温条件とする試験は実施できなかった。

＜評価結果＞
上述した本実施例の結果より、本発明に係る高温酸素発生装置が、従来の構成である直接燃焼式の高温酸素発生装置を用いた場合には非常に困難であった、常圧から高圧までの広い圧力条件に対応した酸素の予熱が可能であることが明らかとなった。

本発明の高温酸素発生装置は、高圧の供給圧力で用いる仕様でありながら大気圧条件での使用も可能であり、常圧から高圧までの圧力条件に依らず、且つ、設備の大型化や増設を招くことなく、予熱した高温の酸素ガスを効率よく供給することが可能である。従って、本発明の高温酸素発生装置及び高温酸素発生方法は、各種の工業炉における炉内の加熱に用いられるバーナに用いるのに適している。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…高温酸素発生装置
１，１Ａ，１Ｂ…バーナ
１ａ…先端
２…燃料流路
３…第一酸素流路
４…第二酸素流路
５…燃焼室
６…被加熱用酸素流路
７…予熱室
７０ａ…先端
８…酸素ランス
８ａ…吐出口
８ｂ…流路８ｂ
８１…フランジ
９…点火用バーナ
１１…冷却ジャケット
１１ａ…冷却水流路
１１ｂ…入口管
１１ｃ…出口管
Ｊ…中心軸
Ｗ…冷却水
Ｇ１…燃料ガス
Ｇ２…燃焼用酸素ガス
Ｇ３…被加熱用酸素ガス
Ｇ４…高温ガス
Ｇ５…高温酸素ガス

Claims (4)

1. 高温ガスと被加熱用酸素ガスとを混合し、高温酸素ガスを生成する高温酸素発生装置であって、
   前記高温ガスを発生させるバーナと、該バーナの下流側に設けられ、前記高温ガスと前記被加熱用酸素ガスとを混合する予熱室とを備え、
   前記バーナは、
   燃料ガスと燃焼用酸素ガスとで火炎を形成する燃焼室と、
   該燃焼室に前記燃料ガスを供給する燃料流路と、
   前記燃焼室に前記燃焼用酸素ガスを供給する燃焼用酸素流路と、
   前記予熱室に連通し、該予熱室に向けて被加熱用酸素ガスを供給する被加熱用酸素流路と、
   を有する高温酸素発生装置。
2. 前記バーナは、
   前記燃焼用酸素流路として、前記バーナの中心軸上に配置され、前記バーナの軸方向で前記燃焼用酸素ガスを噴出する第一酸素流路を有し、
   前記燃料流路は、前記第一酸素流路の周囲に配置され、前記バーナの軸方向で前記燃料ガスを噴出し、
   さらに、前記燃焼用酸素流路として、前記燃料流路の周囲に配置され、且つ、前記バーナの中心軸に対して傾斜しながら該中心軸側に向かうように前記燃焼用酸素ガスを噴出する第二酸素流路を有し、
   前記燃焼室は、前記燃料流路から噴出する燃料ガスと、前記第一酸素流路及び前記第二酸素流路から噴出する燃焼用酸素ガスとで火炎が形成され、
   前記被加熱用酸素流路は、前記予熱室に連通するとともに、前記第二酸素流路の周囲に配置され、前記火炎の周囲から前記被加熱用酸素ガスを噴出して前記予熱室に向けて被加熱用酸素ガスを供給する、
   請求項１に記載の高温酸素発生装置。
3. さらに、前記バーナ、あるいは、前記バーナ及び前記予熱室の両方を冷却する冷却ジャケットを備える請求項１又は請求項２に記載の高温酸素発生装置。
4. 請求項２に記載の高温酸素発生装置を用いた高温酸素発生方法であって、
   前記バーナの前記燃料流路における前記燃料ガスの平均速度Ｕ１、前記第一酸素流路における前記燃焼用酸素ガスの平均速度Ｕ２、及び、前記第二酸素流路における前記燃焼用酸素ガスの平均速度Ｕ３での最大圧力下において、前記平均速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３が下記（１）〜（３）式を満たし、且つ、前記燃焼室の出口側における前記燃料ガス及び前記燃焼用酸素ガスの混合ガスの平均速度Ｕ４が、大気圧条件下で定格流量であるときに下記（４）式を満たす高温酸素発生方法。
   １０（ｍ／ｓ）≦Ｕ１≦６０（ｍ／ｓ） ・・・・・（１）
   ２０（ｍ／ｓ）≦Ｕ２≦１２０（ｍ／ｓ） ・・・・・（２）
   ２０（ｍ／ｓ）≦Ｕ３≦１２０（ｍ／ｓ） ・・・・・（３）
   Ｕ４≦６０（ｍ／ｓ） ・・・・・（４）

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