JP3638170B2 - 高温炉用酸素ガスバーナ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は高温炉用酸素ガスバーナの低ＮＯｘ化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼用空気の代わりに酸素を使用する酸素ガスバーナは、排熱が低減されるために熱効率を向上することができる上に、近年オンサイト用酸素発生装置（ＰＳＡ）が開発されて酸素が比較的安価に得られるようになったために、ガラス溶解炉等の高温炉用として普及しつつある。しかし酸素による燃焼は火炎が高温である上に、ＰＳＡで得られる酸素に若干含まれている窒素分や、炉材の耐熱性の点で炉圧を高くできないため炉壁の隙間から空気（窒素）が侵入すること等の理由で、酸素ガスバーナといえどもＮＯｘを多量に発生するという問題があり、その対策として酸素を二段階に供給する酸素二段燃焼方式が試みられている。
【０００３】
図６は従来の酸素二段燃焼型ガスバーナの構造を示したもので、炉内壁面１に開口した燃焼室２の後方に酸素室６を設け、燃焼室６の周囲のバーナタイル内に設けられた二次酸素供給管８の後端を酸素室６に連通させると共に、燃焼室２の後端面に開口した燃料ノズル３の先端炎孔の周囲に同心状に一次酸素供給口４を設けたものである。この構成によれば、燃焼室２内では燃料リッチの状態で燃焼し、燃焼室６の外側で二次酸素により完全燃焼するために、燃焼が緩慢となってＮＯｘの発生量を低減できる上に、火炎の輝度を高くすることができるという利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の従来構成は、空気燃焼バーナに比し熱効率を著しく向上させることができる反面、酸化剤として酸素を使用しているために燃焼速度が速くなり、ＮＯｘ低減率及び輝度が空気二段燃焼の場合と比較してかなり低下するという欠点があった。図３は酸素二段燃焼方式において、後述のテスト方法により一次酸素量とＮＯｘ発生率の関係を測定した結果を示したものであるが、図６の従来方式では一次酸素量はせいぜい３５％程度（図のＰ点）で、ＮＯｘ濃度は約５００ｐｐｍ（Ｏ2 ０％換算）が限度であった。これは空気二段燃焼方式（例えば１００ｐｐｍ）に比しかなり悪く、また燃焼を抑制できない分だけ輻射強度も低下する。ここでもし一次酸素量を更に低減して、例えば１０％程度まで下げることができるならば、図３に見られるように、ＮＯｘ濃度を２００ｐｐｍ程度まで下げることも可能であるが、上記従来例の構造では、一次酸素噴出口４をもっと小さくして一次酸素の割合を下げようとすると、燃焼室２内の火炎が不安定になったり、消えてしまったりするという問題があった。そこで本発明は上記の問題点に鑑み、一次酸素量を十分低い値（１０％以下）まで下げても燃焼が不安定にならず、従ってＮＯｘ濃度及び輻射強度を著しく改善することができるような酸素ガスバーナを提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明による高温炉用酸素ガスバーナは、図１に示すように、炉内壁面１に開口した円錐形の燃焼室２の後端に燃料ノズル３を設けると共に、燃料ノズル３の周囲に同心状に一次酸素供給口４を設け、更に燃焼室２を環状に取り囲むように複数の二次酸素噴出口５を炉内壁面１に配設した酸素ガスバーナにおいて、一次酸素を所要酸素量の１／１０以下とし、且つその定格流速を１０ｍ／ｓ以下とすると共に、二次酸素の定格流速を５０ｍ／ｓ以上とし、二次酸素噴出口５の位置を燃焼室２の周縁よりその半径の長さＬ以上離間せしめた点に特徴を有するものであって、従来に比し一次酸素の流速を極端に遅くすることにより、燃料と一次酸素との接触面における反応層の厚みを小さくして、燃焼をできるだけ遅らせ、それによって未燃焼炭素成分を多くして輝度を高くすると共に、割合が多くなった二次酸素の噴出速度を大きくし、その一次火炎との距離を十分離して、炉内排ガスの巻き込み量を多くすることにより、火炎長の増大による輻射量の増加と、ＮＯｘ発生量の低減を図ったものである。
【０００５】
また請求項２の発明は、燃焼室２の後方に酸素発生装置より酸素が供給される酸素室６を設け、燃焼室２の周囲のバーナタイル内に設けられ且つ後端が酸素室６に開口した二次酸素供給管７の前端を上記二次酸素噴出口５とすると共に、酸素室６を貫通する燃料ノズル３の外周に同軸状に一次酸素供給筒８を設け、この一次酸素供給筒８の後端開口面積を所定値に設定したものである。これは一次酸素量を下げる手段として、単に酸素室６の前面の一次酸素供給口４の面積を小さくすると、酸素の層流が乱れて却って燃料との反応が促進されるために、酸素が不足して燃焼が不安定になるので、燃料ノズル３の周囲に一次酸素供給筒７を設けることによって、一次酸素流を整流すると共に、その後端の開口面積を加減することにより、一次酸素流を乱すことなく一次酸素の流量を所定値まで下げることができるようにしたものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による酸素ガスバーナの一実施例を示したもので、前端面が炉内壁面１に開口したほぼ円錐形の燃焼室２の後方に酸素室６が連設され、この酸素室６を貫通して前端が燃焼室２の後端面に開口した燃料ノズル３が設けられている。燃料ノズル３の外周には同軸状に一次酸素供給筒７が設けられ、その前端が一次酸素供給口４として燃焼室２の後端面に開口している。この一次酸素供給筒７の後端と酸素室６の後端面との隙間を十分狭くすることによって、筒内における酸素の流速が１０ｍ／ｓとなるように酸素取入れ口の面積と酸素室６内の圧力が設定されている。燃焼室２の周囲のバーナタイル内には後端が酸素室６に連通した４本の二次酸素供給管８が穿設され、各二次酸素供給管８の先端が炉内壁面１に二次酸素噴出口５として開口しており、これらの二次酸素噴出口５は、燃焼室２と同心で且つ燃焼室２の開口の２倍以上の半径の円上に等角度間隔で配設されている。また酸素室６の圧力は二次酸素の噴出速度が５０ｍ／ｓ以上となるように設定されている。
【０００６】
【実施例】
図３に示したグラフは、上記のように構成された酸素ガスバーナにおいて、一次酸素供給筒７の後端の酸素取入れ口の面積を種々に変化させることにより、一次酸素量とＮＯｘ濃度との関係を測定したものであり、同図に見られるように、本発明の構成によって、一次酸素量の割合が所定酸素量の１／１０以下でもバーナタイル内の燃焼が安定し、そのときのＮＯｘ濃度も２００ｐｐｍ以下と十分満足できる値を得ることができた。
【０００７】
図２は、本発明の構成による動作状態を説明するためのもので、一次酸素量は燃料ガスのほぼ２０％程度であるが、これが一次酸素供給筒７で整流され、十分遅い速度で燃料ガスの周囲に流出して、燃料ガスの周面を覆い、燃料ガスに引きずられながら円錐形の燃焼室２内で緩やかに拡大するために、一次酸素と燃料との接触面における相互の拡散がきわめて少なく、従って反応層の厚みが小さく燃焼がきわめて局部的なものとなる。その結果燃焼室２から炉内へ噴出した一次火炎内には未燃焼部分が多く残留し、その中で熱分解された炭素成分が火炎の輝度を向上させる。更に一次火炎は炉内で二次酸素と反応して完全燃焼するのであるが、二次酸素噴出口５が燃焼室２から十分離れている上に、その噴出速度が大きいために、一次火炎と二次酸素がそれぞれ炉内の排ガスを十分巻き込んだのちに互いに接触して反応する。その結果二次燃焼が緩慢となって火炎のボリュームが増大し、輻射強度の増大と相まって全輻射量を増加させると共に、ＮＯｘ発生量を顕著に低減させることができるのである。
【０００８】
図４は本発明の構成によるＮＯｘ発生量を、図５は火炎長をそれぞれ従来例と比較して示したものであり、いずれも本発明による顕著な改善が見られる。なお熱効率においても、従来例に比し若干の改善が見られた。
【０００９】
【発明の効果】
本発明は上述のように、一次酸素の流速を小さくすると共に燃焼室２をほぼ円錐形に形成して、一次火炎を燃焼室２内で緩やかに拡大させることにより、一次酸素量の割合を所要酸素量の１／１０に低減し、しかも燃焼を安定させることができたものであり、それによってバーナタイル内での燃焼をきわめて限定されたものとして、炉内ですすの多い輝炎を発生させると共に、二次酸素噴出口５を一次火炎から十分離間させ且つその流速を大きくすることにより、二次酸素と炉内排ガスとを十分混合させたのちに火炎に接触させるようにしたものであるから、火炎ボリュームの増大とＮＯｘ濃度の低減を図ることができという利点があり、また燃焼室２内での燃焼温度を低く抑えることができるので、バーナタイルの損耗を低減できるという利点がある。なお本発明方式においては、一次酸素量が少ないために、ターンダウン比を大きくとると一次火炎が不安定になるという欠点がある。従って従来の酸素二段燃焼方式（５：１程度）に比しＴＤＲは３：１程度が限度であるが、ガラス溶解炉等の用途では、燃焼量の変化が比較的少ないので、この程度でも十分である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断面図。
【図２】本発明の動作状態説明図。
【図３】本発明バーナにより一次酸素量とＮＯｘ低減率の関係を測定したグラフ。
【図４】本発明によるＮＯｘ濃度の測定結果を示すグラフ。
【図５】本発明による火炎長の測定結果を示すグラフ。
【図６】従来例を示す正面図及び縦断面図。
【符号の説明】
１ 炉内壁面
２ 燃焼室
３ 燃料ノズル
４ 一次酸素供給口
５ 二次酸素噴出口
６ 酸素室
７ 一次酸素供給筒
８ 二次酸素供給管

Claims (2)

1. 炉内壁面に開口した円錐形の燃焼室の後端に燃料ノズルを設けると共に、燃料ノズルの周囲に同心状に一次酸素供給口を設け、燃焼室の周囲の炉内壁面に複数の二次酸素噴出口を配設した酸素ガスバーナにおいて、一次酸素量を所要酸素量の１／１０以下に、且つその定格流速を１０ｍ／ｓ以下に設定すると共に、二次酸素の定格流速を５０ｍ／ｓ以上に設定し、更に二次酸素噴出口の位置を燃焼室の周縁よりその半径の長さ以上離間せしめたことを特徴とする高温炉用酸素ガスバーナ。
2. 燃焼室の後方に酸素が供給される酸素室を設け、燃焼室の周囲のバーナタイル内に設けられ且つ後端が上記酸素室に開口した二次酸素供給管の前端を上記二次酸素噴出口とすると共に、酸素室を貫通する燃料ノズルの外周に同軸状に一次酸素供給筒を設け、該一次酸素供給筒の後端開口面積と酸素室内の圧力とにより、一次及び二次酸素量と各定格流速を所定の値に設定したことを特徴とする請求項１記載の高温炉用酸素ガスバーナ。

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