JP2642590B2 - ガスーバーナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスーバーナ、及び少
なくとも１つのガスーバーナを備えた反射炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】本願明細書において、反射炉とは、加熱
火炎が、溶融すべき又は溶融した状態に維持すべき負荷
（ロード）を収容するタンク上の燃焼室内に向けられ、
且つ熱い燃焼生成物がタンク上を循環して、熱が前記火
炎及び燃焼室の表面からタンク負荷の表面上に向かって
下方に放射するように構成された炉を意味する。金属及
び非金属材料の、例えば１，０００℃以上の高温溶融
は、反射炉内でプロセス材料（すなわち負荷）をガス火
炎により上面加熱することにより達成できる。プロセス
材料すなわち負荷への熱伝達は、熱い燃焼生成物の流れ
からの対流により、及び火炎及び／又は隣接する炉表面
からの放射熱伝達からの対流により生じる。この熱伝達
機構は、より高いプロセス温度（すなわち、１，２００
℃以上の温度）では対流よりも一層効率良くなるため、
通常、プロセスの熱効率及び溶融速度は、火炎の放射加
熱特性に基づいて定まる。また、高いプロセス温度は高
火炎温度を必要とし、これは、しばしば、予熱された燃
焼用空気を用いることにより又は燃料ガスと酸素とを混
合することにより達成される。両技術とも、高レベルの
燃焼生成汚染物質（特にＮＯｘ）を発生する。ガス火炎
の放射率を高めることにより、低いプロセス火炎温度へ
の大きな熱伝達、従って低いＮＯｘ排出レベルが得られ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、例え
ばほぼ１，０００℃以上の温度で行われる高温プロセス
について現在利用できるガスーバーナ（高い火炎輝度及
び放射率をもたないガスーバーナ）より高い火炎輝度、
放射率及び熱伝達速度をもち且つＮＯｘ排出レベルが低
い火炎を生成することを意図したガスーバーナを提供す
ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ガスー
バーナは、燃料ガスが通ることができる複数の第１及び
第２の貫通孔が形成されたノズルを有しており、第１孔
が、該第１孔の周囲で１つの配列に配置された複数の孔
により包囲されており、燃料ガスをノズルに供給して第
１及び第２の孔から放出させる手段を有しており、第１
孔の断面積があらゆる第２孔の断面積より大きい構成を
もつガスーバーナであって、第２孔の少なくとも１つ
が、第１孔が向いている方向に対して鋭角をなす方向に
向いている。好ましくは、燃料ガス（例えば天然ガス）
が、バーナノズルを介して冷たい（又は予熱された）燃
焼用空気の流れ中に噴射され、拡散火炎を形成する。こ
れは、結果として形成される拡散火炎が、反射炉に使用
される従来のガスーバーナの設計で現在得られるよりも
高い火炎放射率及び火炎輝度を有する反射炉内で生じる
ものである。この高い放射率は、タンク負荷及び燃焼室
の隣接表面に対してより大きな放射熱流束を与え且つ負
荷溶融能力を高める。また、この高放射率によって、火
炎温度を低下でき、従ってＮＯｘの生成を減少できる。

【０００５】大きな（すなわち高い）火炎放射率は、燃
料ガスの流れの部分的熱分解により引き起こされるもの
と考えられる。熱分解は、ノズルの第１孔及び第２孔か
ら出るガスの個々のジェット間の高熱伝達速度によるも
のである。第１孔からのガスのジェットは、第１孔を包
囲する第２孔からの火炎により予熱され、熱分解が誘起
される。熱分解は、燃料ガスの化学種の、さもなくば燃
料中に含まれるであろう炭素対水素比より高い炭素対水
素比をもつ遊離炭素及び／又は他の炭化水素への熱誘起
変換である。これらの生成物の存在は、火炎放射率及び
火炎輝度を高める。以下、添付図面に関連して本発明を
更に説明する。

【０００６】

【実施例】図１は、タンク６上の燃焼室４を備えた反射
炉２を示し、タンク６は燃焼室４の全長に亘って延びて
おり、溶融すべき又は溶融状態に維持すべき負荷８を収
容する。燃焼室４の対向する各長手方向壁には、その長
さ方向に沿って互いに間隔を隔てた複数の開口１０又は
１１が設けられている（各長手方向壁には１つの開口１
０又は１１のみが示されている）。各開口１０又は１１
は１つ以上のガスーバーナ１２ａ又は１２ｂを収容して
いる。各ガスーバーナ１２ａ又は１２ｂは燃焼室４内に
突出させることができ、且つ番号１６で示す箇所でバー
ナ１２ａ又は１２ｂに連結された供給パイプ１４を備え
た適当な供給源から、加圧された燃料ガス（例えば天然
ガス）が供給される。燃焼室４の対向する各長手方向壁
には、更に、その長さ方向に沿って互いに間隔を隔てた
複数の開口１８又は１９も設けられている（各長手方向
壁には１つの開口１８又は１９のみが示されている）。
一方の側部の各開口１８はそれぞれのバーナ開口１０と
関連し且つ通路構造２０と連通している。バーナ１２ａ
に燃料ガスが供給されるとき、加圧された燃焼用空気
が、通路構造２０を通って燃焼室４に供給される。他方
の側部の各開口１１はそれぞれのバーナ開口１１と関連
し且つ通路構造２１と連通している。該通路構造２１は
煙道として機能し、バーナ１２ａに燃料ガスが供給され
且つバーナ１２ｂが作動していない（該バーナ１２ｂへ
の燃料の供給が遮断されているため）ときに、燃焼生成
物が燃焼室４から通路構造２１を通って排出される。反
対に、バーナ１２ｂに燃料ガスが供給され且つバーナ１
２ａが遮断されているときには、加圧された燃焼用空気
が通路構造２１から開口１９を通って燃焼室４に供給さ
れ、開口１８及び通路構造２０は煙道として機能する。

【０００７】ガス供給弁手段、燃焼用空気／煙道弁手段
及び送風機手段の作動を制御して、次のことを行う。す
なわち、 （ｉ）バーナ１２ａにガスが供給されると、バーナ１２
ｂへのガスの供給を遮断し、通路構造２０から開口１８
に燃焼用空気を供給する。一方、通路構造２１を煙道装
置に連結する。 （ｉｉ）バーナ１２ｂにガスが供給されると、バーナ１
２ａへのガスの供給を遮断し、通路構造２１から開口１
９に燃焼用空気を供給する。一方、通路構造２０を煙道
装置に連結する。この制御は、定時作動サイクルで及び
／又は温度測定に従って、通路構造２０又は２１が空気
供給モード又は排煙モードに切り替えられると、バーナ
１２ａ又は１２ｂを自動的にオン又はオフに切り替える
ように作動させることができる。 供給する燃焼用空気は冷たくてもよいが、各通路構造２
０又は２１に、蓄熱材料（該蓄熱材料は、これを通る燃
焼用空気に、燃焼室４から該蓄熱材料を通った煙道ガス
の前の流れから吸収した熱を与える）からなる空気透過
構造をもつ熱交換器２２又は２３を設けることにより予
熱するのが好ましい。

【０００８】反射炉２は、例えばほぼ１，０００℃以上
の高温を必要とする加熱プロセスを実施するのに使用で
きる。このようなプロセスとして、金属溶解プロセス又
はガラス製造プロセスがあり、図１中の負荷８は溶融金
属又は非金属負荷を示す。図１の炉２は、溶融ガラスの
製造に特に適している。負荷８の表面上に加熱火炎を吹
き付ける各バーナ１２ａ、１２ｂは、図２のバーナ１２
と実質的に同じ構造を有している。バーナ１２は円形断
面をもつ中央チューブ２４を有しており、該中央チュー
ブ２４は、円形断面をもつ外側チューブ２５により同心
状に包囲されている。両チューブ２４、２５は、チュー
ブ２４の内部通路３０に開口した円筒状の中央貫通ボア
２８を備えた円形の端板すなわちノズル２６に気密構造
をなして溶接されている。中央ボア２８は、端板２６に
設けられた円筒状貫通ボア３２、３４の配列により包囲
されている。端板２６の露出面すなわち外面には（図３
参照）、ボア３２、３４内への開口が、周方向に互いに
実質的に等間隔に且つ中央ボア２８から実質的に等間隔
に配置されている。ボア２８の軸線はバーナの軸線Ｂと
一致し、ボア３４の軸線は軸線Ｂと実質的に平行であ
る。各ボア３２は、軸線Ｂに対して鋭角Ｄ（例えば、ほ
ぼ２２．５°）で傾斜した軸線Ｃを有している。これ
は、端板２６の内面が図４に示すようなものであると考
えると、ボア３４内への開口が、もはや、ボア３２内へ
の開口と同じ円上にはないことを意味する。全てのボア
３２、３４は、内側チューブ２４と外側チューブ２５と
の間の環状通路２６内に開口している。全てのボア３
２、３４は実質的に同じ直径を有しており、各ボア３
２、３４の断面積はボア２８の断面積より小さい。

【０００９】バーナ１２は耐熱材料（例えば耐熱金属）
で作られ、且つ入口４０及び出口４２を備えた冷却水ジ
ャケット３８で包囲できる。燃料ガス供給パイプ１４
（図１）は、外側チューブ２５に設けられたねじ４４を
用いて外側チューブ２５に螺着されるカップリング１６
（図１）を介してバーナ１２に取り付けられる。ノズル
孔すなわちボア２８とノズル孔すなわちボア３２、３４
との間のガス流れの所望の相対分布は、内側チューブ２
４内に螺着され且つ中央ボア４８を備えたプラグ（栓）
４６により形成される絞り部により達成される。プラグ
４６はヘッド５０を有しており、該ヘッド５０は、環状
通路２６への燃料ガスの供給に殆ど（又は全く）影響を
与えないサイズにすることができる。バーナからのガス
すなわち火炎の流れ方向を考察すると、孔すなわちボア
３２からのガスすなわち火炎の流れ方向は、孔すなわち
ボア２８からの流れ方向から拡開し、これに対し、ボア
３４からの火炎の流れ方向はボア２８からの流れ方向に
対してほぼ平行である。かくして、バーナが番号１２ａ
又は１２ｂで示す箇所において炉２に取り付けられると
き、ボア３４は、ボア３２よりも負荷８の表面に近く
（換言すれば最下方）に配置される。各バーナは、該バ
ーナ及び孔２８の軸線Ｂが、関連開口１８又は１９を通
る燃焼用空気の流れ方向Ｆに対して鋭角Ｅをなすように
するのが好ましい。この角度Ｅは、５〜５０°の範囲が
好ましい。また、角度Ｅは垂直平面内にあるが、必ずし
もそうである必要はない。この結果得られるバーナから
の拡散火炎は、負荷８の表面に対して或る角度をなす
か、水平になる。バーナは燃焼用空気の流れ方向Ｆに対
して横方向に向けることもでき、この場合には、開口１
０、１１を、開口１８、１９が設けられた壁に設けるこ
とができる。

【００１０】炉２に使用されるバーナ１２は、天然ガス
火炎の大きな放射率及び火炎輝度を与え、負荷８に対し
て大きな火炎熱流速及び熱伝達を与えると考えられる。
一例として、端板２６の厚さはほぼ１３mm、直径はほぼ
４２mmにすることができる。中央孔２８の直径はほぼ
５．０mm、各孔３２、３４の直径はほぼ３．０mmにする
ことができる。チューブ２５の内径はほぼ３４mm、チュ
ーブ２４の内径はほぼ９mmにできる。チューブ２４の外
径はほぼ１４mmにできる。各チューブ２４、２５の長さ
はほぼ８９mmにできる。プラグ４６のボア４８の直径は
ほぼ３mmにできる。該ボア４８の長さはほぼ３４mm、プ
ラグ４６の雄ねじ部分の長さはほぼ２５mmにできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って形成されたガスーバーナを備え
た反射炉の断面図である。

【図２】図１の反射炉に使用された本発明のバーナの一
実施例の断面図であり、図１のバーナから冷却水ジャケ
ットを除去したところを示すものである。

【図３】冷却水ジャケットを除去した図２のバーナを矢
印Ａの方向から見た端面図である。

【図４】冷却水ジャケットを除去した図２のＩＶ−ＩＶ
線に沿う断面図である。

【符号の説明】

２ 反射炉 ４ 燃焼室 ６ タンク ８ 負荷 １０ 開口（バーナ開口） １１ 開口（バーナ開口） １２ バーナ １２ａ バーナ（箇所） １２ｂ バーナ（箇所） １４ 燃料ガス供給パイプ １６ 箇所（カップリング） １８ 開口 １９ 開口 ２０ 通路構造 ２１ 通路構造 ２２ 熱交換器 ２３ 熱交換器 ２４ 中央チューブ ２５ 外側チューブ ２６ 端板（ノズル） ２８ 中央のボア（孔） ３０ 内部通路 ３２ ボア（孔） ３４ ボア（孔） ３６ 環状通路 ３８ 冷却水ジャケット ４０ 冷却水の入口 ４２ 冷却水の出口 ４４ ねじ ４６ プラグ（栓） ４８ 中央ボア ５０ ヘッド Ｂ バーナの軸線 Ｃ ボア３２の軸線 Ｅ 鋭角 Ｆ 燃焼用空気の流れ方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−33020（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−23536（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭59−28806（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭49−36039（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (20)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガスが通ることができる複数の第１
   及び第２の貫通孔（２８、３２、３４）が形成されたノ
   ズル（２６）を有し、第１孔（２８）が、該第１孔（２
   ８）のまわりに配列をなして配置された複数の第２孔
   （３２、３４）により包囲され、第１孔（２８）の断面
   積が前記いかなる第２孔（３２、３４）の断面積よりも
   大きく、少なくとも１つの前記第２孔（３２）が、前記
   第１孔（２８）が向く方向（Ｂ）に対して鋭角である方
   向（Ｃ）に沿って向く、ガスバーナー（１２）におい
   て、 第１チューブ手段（２４）、第２チューブ手段（２５）
   が、燃料ガスを夫々前記第１孔（２８）、第２孔（３
   ２、３４）に供給し、前記ガスが前記第１孔（２８）、
   第２孔（３２、３４）から出るように配置され、前記第
   １孔（２８）が第１チューブ手段（２４）に通じ、前記
   第２孔（３２、３４）が第２チューブ手段（２５）に通
   じ、第１チューブ手段（２４）及び第２チューブ手段
   （２５）が、同一の共通供給源１６からの燃料ガスを受
   け取るように構成され、前記燃料ガスは、夫々、第１チ
   ューブ手段（２４）、第２チューブ手段（２５）に実質
   的に同時に入る第１ガス流、第２ガス流に分流し、第１
   チューブ手段（２４）にガス流絞り部４６を設けた、こ
   とを特徴とするガスバーナー。
2. 【請求項２】 絞り部がボア（４８）を有するねじ込み
   プラグ（４６）であることを特徴とする請求項１に記載
   のガスーバーナ。
3. 【請求項３】 第１チューブ手段が第１チューブ（２
   ４）であり、第２チューブ手段が第１チューブを包囲す
   る第２チューブ（２５）であることを特徴とする請求項
   １又は請求項２に記載のガスーバーナ。
4. 【請求項４】 前記第２孔（３２）が、ノズル（２６）
   から出るガスの全体方向に沿って、前記第１孔（２８）
   が向いた方向（Ｂ）から末広がる方向（Ｃ）に向いてい
   ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１
   項に記載のガスーバーナ。
5. 【請求項５】 複数の前記第２孔（３２）が各々、前記
   第１孔（２８）が向く方向（Ｂ）に対してそれぞれの鋭
   角（Ｄ）であるそれぞれの方向（Ｃ）に向いていること
   を特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記
   載のガスーバーナ。
6. 【請求項６】 前記鋭角（Ｄ）がほぼ２２．５°である
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項
   に記載のガスーバーナ。
7. 【請求項７】 前記第２孔（３４）が、前記第１孔（２
   ８）が向く方向（Ｂ）と実質的に平行な方向に向いてい
   ることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１
   項に記載のガスーバーナ。
8. 【請求項８】 前記第１孔が、実質的に円形の断面を有
   するボア（２８）であることを特徴とする請求項１乃至
   請求項７のいずれか１項に記載のガスーバーナ。
9. 【請求項９】 少なくとも１つの前記第２孔が、実質的
   に円形断面を有するボア（３２、３４）であることを特
   徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の
   ガスーバーナ。
10. 【請求項１０】 燃料ガスが孔（２８、３２、３４）か
    ら出るバーナ（１２）の側には、複数の前記第２孔（３
    ２、３４）が、第１孔（２８）の軸線（Ｂ）上に実質的
    に中心決めされた円形配列で配置されていることを特徴
    とする請求項請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記
    載のガスーバーナ。
11. 【請求項１１】 第１チューブ手段（２４）、第２チュ
    ーブ手段（２５）が夫々、ガスを前記第１孔（２８）、
    第２孔（３２、３４）に供給するように配置され、前記
    第１孔（２８）が第１チューブ手段（２４）に通じ、前
    記第２孔（３２、３４）が第２チューブ手段（２５）に
    通じていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の
    いずれか１項に記載のガスーバーナ。
12. 【請求項１２】 請求項１乃至請求項１１のいずれか１
    項に記載された少なくとも１つのバーナ（１２ａ、１２
    ｂ）を備えたことを特徴とする炉。
13. 【請求項１３】 燃焼用空気が燃焼室（４）内に放出さ
    れるように構成され（２０、１８；２１、１９）、前記
    放出空気の流れ（１８、１９）が前記バーナ（１２ａ、
    １２ｂ）に隣接して配置されたことを特徴とする請求項
    １２に記載の炉。
14. 【請求項１４】 前記バーナ（１２ａ、１２ｂ）の第１
    孔（２８）が、前記放出燃焼用空気の流れ（１８、１
    ９）の方向（Ｆ）に対して鋭角（Ｅ）に方向（Ｂ）に向
    いていることを特徴とする請求項１３に記載の炉。
15. 【請求項１５】 前記放出燃焼用空気の流れの方向に対
    する前記鋭角（Ｅ）が５乃至５０°であることを特徴と
    する請求項１４に記載の炉。
16. 【請求項１６】 少なくとも請求項７に記載された前記
    バーナ（１２ａ、１２ｂ）を有し、前記第１孔（２８）
    が向いた方向（Ｂ）と実質的に平行な方向を向いた前記
    第２孔（３４）が、最下方の第２孔（３４）であること
    を特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載
    の炉。
17. 【請求項１７】 前記バーナのうちの第１の複数のバー
    ナ（１２ａ）が前記炉の一方の側に配置され、前記バー
    ナのうちの第２の複数のバーナ（１２ｂ）が前記炉の反
    対の側に配置され、第１及び第２の通路手段（２０、１
    ８；２１、１９）は、燃焼用空気を交互に供給し、煙道
    として機能することができるように、夫々前記対向する
    各側に配置されていることを特徴とする請求項１２乃至
    １６のいずれか１項に記載の炉。
18. 【請求項１８】 前記第１通路手段及び第２通路手段
    （１８、２０；１９、２１）が夫々熱交換手段（２２、
    ２３）を備えることを特徴とする請求項１７に記載の
    炉。
19. 【請求項１９】 前記炉が反射炉であることを特徴とす
    る請求項１２乃至１８のいずれか１項に記載の炉。
20. 【請求項２０】 前記第２孔（３２、３４）からの燃料
    ガスの燃焼による火炎が、前記第１孔（２８）から出る
    燃料ガスを加熱して、該放出燃料ガスを燃焼させ、熱分
    解することを特徴とするガスーバーナ。