JP3927287B2

JP3927287B2 - 酸素燃料バーナー

Info

Publication number: JP3927287B2
Application number: JP21055397A
Authority: JP
Inventors: クリスティアーン・ユアン・フェルダーマン
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1996-08-05
Filing date: 1997-08-05
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: AU2870697A; AU713566B2; EP0823592A2; CN1131958C; ZA976188B; CN1172924A; JPH1073211A; US5863195A; EP0823592A3; CA2211957C; ID18652A; CA2211957A1; GB9616442D0

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バーナーに関するものであり、詳しくは、非限定的に、比較的短い長さの火炎を有するバーナーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＷＯ第８９／０２０５１号では、酸素・燃料バーナー及び酸化炎を発生させる方法が開示されている。前記バーナーは、中心酸素ノズルと少なくとも一つの燃料ノズルとを有する中心部分（central body）、前記中心部分を取り囲んでいるケーシング、前記燃料ノズルの半径方向外側に存在している少なくとも一つの外周酸素ノズル、及び前記中心部分の外側に存在している酸素室を含み、また前記すべてのノズルは少なくとも実質的に並列している。各ノズルに対して異なる圧力で酸素を送達することができるように、中心酸素ノズル及び外周酸素ノズルは、異なる酸素源と接続されている。前記の配列によって、十分に混合されず、その結果として、所望よりも幾分長い火炎を生成するやや層流の燃料及び酸素の流れがつくり出される。それは、いくつかの状況では、すなわちバーナー口金の防護が望ましい場合には有利で有り得るが、このバーナーは、バーナー口金に比較的近いポイントで完全に発生した火炎をつくり出すことが望ましい状況では使用には適さない。
【０００３】
燃料噴霧器をバーナー本体中の中心に配置し、酸素を用いて、燃料油を噴霧し、燃料噴霧器の下流に指向し、燃焼前に更なる酸素流と混合させる上記バーナーの改良も知られている。前記の配置では、比較的高価な噴霧器が、バーナーが配置されている用途と関連のある悪環境に晒される。その悪環境とは、金属が溶解されていて、溶融金属が、噴霧器にしばしば跳ね返って、噴霧器に損傷を与え、その効率を低下させる環境である。前記の噴霧器は、いったん損傷すると、比較的不効率となり、バーナーを取り除くことによってのみ達成可能な取り替えが必要となる。明確に、そのことは、極めて望ましくないことであり、特に、バーナーを連続法で用いるときには望ましくない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記設計と関係のある問題を少なくし且つおそらくは排除する酸素・燃料バーナーを提供することは本発明の目的である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
したがって、酸素・燃料バーナーは：第一入口末端、燃焼火炎噴射のための第二出口末端、及び軸線Ｘを有する燃焼室；前記燃焼室へと燃料流を導入するための燃料供給手段；燃焼室へと空気及び／又は酸素を導入するための酸素供給手段、及び前記の燃料及び酸素及び／又は空気を受容するための且つ燃料及び酸素及び／又は空気をその下流へと指向するためのバーナーブロックを含む。前記バーナーブロックの後部表面は、燃料噴霧ノズルが配置されている凹所を含み、及び前記バーナーブロックの前部表面は、中心軸線Ｘ上又は中心軸線Ｘ近傍に配置されていて、且つそこを通って噴霧器燃料が指向される中心燃料出口を含む、更に該バーナーブロックは、酸素の第一流を該燃料流の半径方向外側の位置へと供給するための複数の第一酸素出口を含み、該第一酸素出口は軸線Ｘに関して角度θで内側に向けられていて、それによって、中心燃料出口からの燃料流との交点に関して酸素の概略収束流をつくり出す。
【０００６】
上記バーナーは、速い速度を有する比較的短い二段火炎を生成する。典型的には、ガスは、約１００〜１５０m/sでバーナーノズルから噴射され、火炎温度の上昇によって、音速（約３００m/s）まで又は音速を超える速度まで加速される。
【０００７】
有利には、そのバーナーブロックは更に複数の第二酸素出口を含み、その第二酸素出口は、前記第一酸素出口の放射状に外側に位置し、軸線Ｘに関して角度φで内側に曲がっており、そしてその第二酸素出口は、第一酸素流が該燃料流と相交わるポイントの軸方向下流の位置において、燃料流と交わるため酸素のほぼ収束第二酸素流をつくり出すように、角度φは角度θに比べて小さい角度である。
【０００８】
好ましくは、第二酸素出口は、軸線Ｘに関して０°〜１０°の角度φをなす。
【０００９】
有利には、バーナーは、バーナーブロックを軸線Ｘに沿って軸方向に動かし、それによって、前記バーナーから噴射している火炎の火炎長を変化させるための軸移動手段（translation means）を含む。
【００１０】
好ましくは、上記軸移動手段は、燃焼室に沿って延びていて且つ噴霧器に対して燃料を送達するように配置されている燃料供給ダクトと、前記燃料供給ダクト及びバーナーブロックを軸線Ｘに沿って軸方向に移動させるための作動器とを含む。
【００１１】
好ましくは、バーナーは、噴霧器内における噴霧圧力を変化させ、それによって、該バーナーから噴射している火炎の火炎長を変化させるための手段を含む。
【００１２】
都合良くは、燃料噴霧ノズルは、噴霧流体として天然空気を受容するための手段を含む。
【００１３】
別法として、噴霧ノズルは、噴霧流体として酸素を受容するための手段を含む。
【００１４】
都合良くは、噴霧酸素と、酸素出口に対して供給される酸素とは、同じ供給源を含む。
【００１５】
好ましくは、中心燃料出口は、燃料が前記出口を出るときに、燃料が噴霧される凹所に比べて、より小さい直径の出口を含む。
【００１６】
都合良くは、中心燃料出口は、概略末広横断面形態を有する出口を含む。
【００１７】
以下の図面：すなわち
図１は、本発明を具体化している酸素・燃料バーナーを部分的に切断した透視図であり；
図２は、図１に示したバーナーブロック及び噴霧ノズルの横断面図であり；
図３は、図２の矢印Ａの方向からのバーナーブロックの端面図である
を参照しながら、ほんの一例として、本発明を更に詳細に説明する。
【００１８】
図１参照。バーナー１０は、第一入口末端１２ａ、燃焼火炎を噴射するための第二出口末端１２ｂ、及び軸線Ｘを有する概略円筒形のジャケット１２を含む。例えばダクト１４の形態の燃料供給手段は、ジャケット１２を通って延び、バーナーブロック２２の後部表面にある凹所１８の中に配置されている噴霧器１６のところで終わっている。前記のすべての配置は図２において最も分かりやすく見られる。バーナーブロックは、例えば INCO ALLOY のような金属を含む。燃料ダクト１４の遠位末端の方向に配置されたモーター２４及びラック伝動装置２６，２８によって、室１２の中を軸線Ｘに沿って軸方向に移動する、燃料供給ダクト１４及びバーナーブロック２２が取り付けられている。バーナーブロック２２は、バーナー１０の出口末端１２ｂから約５０ｍｍ〜７５ｍｍの凹所に配置されていて、軸方向に約１００〜１５０ｍｍ移動することができる。
【００１９】
図２参照。噴霧器１６は、従来の形態であるので、本明細書では詳しく説明しない。しかしながら、そのような噴霧器は、一般的に、中心燃料供給出口１６ａ及び例えば天然空気又は酸素のような噴霧流体を供給するための複数の円周に沿って間隔を置いて配置されている開口部１６ｂを含む。図２の装置では、燃料供給ダクト１４は、前記供給ダクトの周囲に配置され且つ出口１６ｂに対して噴霧流体を供給するために造形された環状空気／酸素供給ダクト３２を更に含む。しかしながら、当業者には他の装置も考えられる。噴霧器１６の下流末端は、適当な向かい合っている面３６を備えていて、且つ従来の噴霧器の外部ケーシングの効果的な代わりとなるバーナーブロックそれ自体によって形成される。更に、バーナーブロック２２は、凹所１８に比べて小さい直径の中心燃料出口３８を含み、またバーナーが配置されている環境から前記噴霧器を防護するように働く、噴霧器の周囲を取り囲んでいる金属壁４０を形成する。特に、壁４０は、金属溶融液の跳ね返りが噴霧器１６の表面と接触するのを防止して、前記表面の損傷を防ぐ。中心燃料出口３８には、所望の噴霧パターンが完全に得られるように造形された概略収束表面３８ａが備わっている。便宜のために、ノズル１６は、バーナーブロック２２に対して４５において装着可能なように嵌合されている。しかしながら、嵌合の他の方法も考えられる。当業者は、図２に示した様式で噴霧器１６を防護することと関連する利点を容易に評価し、またバーナー火炎パターンを、噴霧器１６それ自体を変えることによって（各噴霧器はそれと関連のある異なる噴射パターンを有している）変化させることができることも評価する。
【００２０】
図２及び図３参照。更に、バーナーブロック２２は、中心燃料出口３８を出る燃料流の半径方向外側の位置に対して、第一酸素流を供給するための複数の第一酸素出口４４を含む。第一酸素出口は、出口３８の周囲に円周に沿って間隔を置いて配置されていて、且つ軸線Ｘに対して角度θで内側に向けられていて、それによって出口３８からの燃料流と相交わらせるための酸素の概略収束流をつくり出す。第一酸素出口４４（最も角度のあるホール）の角度θは、火炎長を変化又は変動させる主たるパラメーターであり、その角度は、ストレートホールを有するノズルと比較して、最大約５０％まで火炎長を短くする０°〜２０°の角度であっても良い。典型的には、０°で約３ｍの火炎長となり、２０°で約１．３ｍの火炎長となる。複数の第二酸素出口４６は、第一酸素出口４４の半径方向外側に提供されていて、軸線Ｘに関して角度φで内側に向けられている。第二酸素出口４６によって、前記第一酸素流が前記燃料流と相交わるポイントの軸方向下流の位置において、該燃料流と相交わる概略収束酸素流がつくり出されるように、角度φは角度θに比べて小さい。第二酸素出口４６は、火炎の最終形状及び最終温度分布に関係がある。典型的には、角度φが１０°のとき、火炎は細くなり、またストレートホール、すなわちノズルの角度が０°のときと比較して、火炎の温度が上昇してバーナー口金とより近い温度になる。結果として、特有の要求条件に適合するように、火炎の「ホットスポット」を変化及び／又は移動させることができる。例えば、離れたホットスポットは、しばしば、回転炉では望ましい。
【００２１】
本発明の特有な配置では、酸素が、バーナープレート２２の背面２０に衝突して、酸素出口４４，４６から噴射される前に、前記酸素出口４４，４６に入るように、酸素は、ポンプ５０を介して、室１２と燃料供給ダクト１４との間に形成される環状ダクト５２の中に供給される。前記の配置によって、比較的に高価で且つそれぞれの及びすべての酸素出口へと通ずる複雑な独立管に関する必要性が回避される。再び図１参照。ポンプ５４及びポンプ５６は、燃料及び噴霧流体をそれぞれノズル１６へと供給するために備えられており、各ポンプは、制御装置５８によって独立に調節して、前記ノズル１６への前記流体の供給速度及び供給圧力を変化させることができ、それによって、該バーナーから噴射されている火炎の火炎長を変化させることができる。特に便利な配置では、噴霧流体は、ポンプ５０へと供給されるのと同じ供給源からの酸素を含むことが理解されるが、比較的高価な酸素よりもむしろ天然の空気を用いることができる。結果として、燃料の噴霧を、バーナーそれ自体の熱効率又は性能を損なわずに、比較的低コストで達成することができる。
【００２２】
運転時、バーナーは、末端１２ｂから約１〜２インチかそこらで始まり、前記末端から１．３ｍ程度延びる二段火炎を提供する。本発明のバーナーブロック配置２２を組み込んでいるバーナーの火炎長は、現在までに知られている装置と比較して、約２５％短い。更に、第一酸素出口４４及び第二酸素出口４６を提供すること及びそれらに角度をつけることによって、前記のバーナーと関係がある噴射を著しく縮小させる段燃焼法（staged combustion process）を提供し易くなる。試験によって、より多くの従来のバーナーと比較して、ＮＯ_xレベルが４０％を超えるほど減少することが証明された。また、本発明のバーナーは、商品化のために酸素と空気の双方を用いる軽燃料油によって優れた火炎特性も提供する。重燃料油は、酸素を用いると、極めて良い結果が得られ、噴霧空気を用いると、より速い点火速度で、わずかに不安定な火炎を生成することがある。これは、おそらくは、空気の量が増加することによって液体燃料が冷却されて、液体燃料の粘度が変化するためである。本発明バーナーの吸もどし（retraction）によって、ジャケットは、当業者には公知の様式で火炎形状に関して影響を及ぼすので、本明細書では説明していない。
【００２３】
本発明のバーナーは、高速（３００m/s以上）において、比較的短い二段火炎を生成するのに適しており、アーク炉及びか焼炉（石灰、アルミナなどを製造する）に特に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化している酸素・燃料バーナーを部分的に切断した透視図である。
【図２】図１に示したバーナーブロック及び噴霧ノズルの横断面図である。
【図３】図２の矢印Ａの方向からのバーナーブロックの端面図である。

Claims

第一入口末端、燃焼火炎噴射のための第二出口末端、及び軸線Ｘを有する外部ジャケットと；
室へと燃料流を導入するための燃料供給手段と；
前記室へと空気及び／又は酸素を導入するための酸素供給手段と；
前記燃料並びに酸素及び／又は空気を受容するための且つ前記燃料並びに酸素及び／又は空気をその下流へと指向するためのバーナーブロックとを備え、
前記バーナーブロックの後部表面が、燃料噴霧器のノズルが配置されている凹所を含み、前記バーナーブロックの前部表面が、中心軸線Ｘ上又は中心軸線Ｘ近傍に配置され且つその中心軸線Ｘを通って噴霧器燃料が指向される中心燃料出口を含んでおり、
前記バーナーブロックは更に、酸素の第一流を前記燃料流の半径方向外側の位置へと供給するための複数の第一酸素出口を含んでおり、前記第一酸素出口は軸線Ｘに関して角度θで内側に向けられ、それによって、前記中心燃料出口からの燃料流との交点に関して酸素の概略収束流をつくり出す、酸素・燃料バーナーであって、
前記バーナーブロックは更に、複数の第二酸素出口を含み、その第二酸素出口は、前記第一酸素出口の放射状に外側に位置し、軸線Ｘに関して角度φで内側に曲がっており、そしてその第二酸素出口は、第一酸素流が該燃料流と相交わるポイントの軸方向下流の位置において、燃料流と交わるために酸素の概略収束第二酸素流をつくり出すように、角度φは角度θに比べて小さい角度である、酸素・燃料バーナー。
前記第一酸素出口が、軸線Ｘに関して０°〜２０°の角度θをなしている、請求項１記載の酸素・燃料バーナー。
前記第二酸素出口が、軸線Ｘに関して０°〜１０°の角度φをなしている、請求項１又は２記載の酸素・燃料バーナー。
前記燃料噴霧ノズルに関して軸線Ｘに沿って軸方向に、前記バーナーブロックを動かし、それによって、該バーナーから噴射している火炎の火炎長を変化させるための軸移動手段を含んでいる、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の酸素・燃料バーナー。
前記軸移動手段が、前記室に沿って延びていて且つ前記噴霧器に対して燃料を送達するように配置されている燃料供給ダクトと、前記燃料供給ダクト及び前記バーナーブロックを軸線Ｘに沿って軸方向に移動させるための作動器とを備えている、請求項４記載の酸素・燃料バーナー。
前記燃料噴霧器中の噴霧圧力を変化させ、それによって、前記バーナーから噴射している火炎の火炎長を変化させるための手段を含んでいる、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の酸素・燃料バーナー。
前記燃料噴霧ノズルが、噴霧流体として天然空気を受容するための手段を含んでいる、請求項１乃至６のいずれか一つに記載の酸素・燃料バーナー。
前記噴霧ノズルが、噴霧流体として酸素を受容するための手段を含んでいる、請求項１乃至７のいずれか一つに記載の酸素・燃料バーナー。
噴霧している前記酸素と、前記酸素出口に対する酸素供給器とが、同じ供給源を備えている、請求項８記載の酸素・燃料バーナー。
前記中心燃料出口が、前記出口を出るときに燃料が噴霧される凹所に比べて小さい直径を有する出口を備えている、請求項１乃至９のいずれか一つに記載の酸素・燃料バーナー。
前記中心燃料出口が、概略収束横断面形態を有する出口を備えている、請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の酸素・燃料バーナー。