JP4132409B2 - 燃焼装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼装置に関し、詳しくは、火炎からの放射伝熱により被加熱物を加熱する各種工業炉に適した燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
支燃性ガス（酸化剤）として純酸素を使用した燃焼装置は、空気を使用したものに比べて、高温の燃焼火炎が得られるとともに、ＮＯｘの排出量が極めて少ないという特性を有している。しかし、一般の工業炉において、完全に密閉された炉は実際上あり得ず、炉内への空気の流入は避けることができない。また、支燃性ガスとしては、圧力変動式空気分離装置（ＰＳＡ装置）で製造した酸素が多用されているが、このＰＳＡ装置からの酸素には、不純物として数％の窒素が含まれており、この窒素が高温の燃焼火炎中でＮＯｘを生成することになる。
【０００３】
また、ＮＯｘは、温度が高くなるほど急速に生成量が増加するので、ＮＯｘの生成量を抑えるためには、火炎温度を低下させることが有効であり、二段燃焼や排ガスの再循環によって火炎温度を下げ、ＮＯｘの生成を低減することが行われている。しかしながら、火炎温度を下げると、放射伝熱特性が低下するため、加熱効率が低下するという問題が発生する。
【０００４】
そこで本発明は、火炎温度を下げてＮＯｘの生成を抑制しながら、火炎に広がりを持たせて放射伝熱特性を向上させることができる燃焼装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の燃焼装置は、炉壁内面に凹設した燃焼室の奥部壁面に、燃料を噴出する燃料噴出口と、一次支燃性ガスを噴出する一次支燃性ガス噴出口と、二次支燃性ガスを噴出する二次支燃性ガス噴出口とを設け、前記一次支燃性ガス噴出口を前記燃料噴出口の外周に二重管構造に形成し、該二重管構造の燃料噴出口及び一次支燃性ガス噴出口の両側に、前記二次支燃性ガス噴出口を被加熱物の表面に平行な方向に配置したことを特徴としている。第２の燃焼装置は、第１の燃焼装置において、前記二次支燃性ガス噴出口の噴出方向が、前記二重管構造の燃料噴出口及び一次支燃性ガス噴出口から前記平行な方向に離れるように向けたことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
【０００６】
さらに、本発明の第３の燃焼装置は、炉壁内面に凹設した燃焼室の奥部壁面に、燃料を噴出する燃料噴出口と、一次支燃性ガスを噴出する一次支燃性ガス噴出口と、二次支燃性ガスを噴出する二次支燃性ガス噴出口とを設け、前記一次支燃性ガス噴出口を前記燃料噴出口の外周に二重管構造に形成して被加熱物の表面に平行な方向に２個配置するとともに、２個の二重管構造の燃料噴出口及び一次支燃性ガス噴出口の中間及び両側に、前記二次支燃性ガス噴出口を被加熱物の表面に平行な方向に配置したことを特徴としている。また、第４の燃焼装置は、炉壁内面に凹設した燃焼室の奥部壁面に、燃料を噴出する燃料噴出口と、一次支燃性ガスを噴出する一次支燃性ガス噴出口と、二次支燃性ガスを噴出する二次支燃性ガス噴出口とを設け、前記燃料噴出口の両側に前記一次支燃性ガス噴出口及び前記二次支燃性ガス噴出口を被加熱物の表面に平行な方向に配置したことを特徴としている。
【０００７】
また、前記第１乃至第４の燃焼装置において、前記一次支燃性ガスの噴出速度が毎秒３０ｍ以下であること、前記二次支燃性ガスの噴出速度が一次支燃性ガスの噴出速度以上で毎秒１５０ｍ以下であることを特徴とし、さらに、前記一次支燃性ガスの流量を燃料に対する酸素比が１．０未満となるように設定し、一次支燃性ガスと二次支燃性ガスとの合計流量を燃料に対する酸素比が１．０以上になるように設定し、特に、一次及び二次支燃性ガスの酸素濃度が９０体積％以上であることを特徴としている。
【０００８】
そして、前記二次支燃性ガス噴出口同士の距離と、前記燃焼室の奥行寸法とは、燃焼量が７００ｋｗ未満のときは二次支燃性ガス噴出口同士の距離が１００〜３００ｍｍ、奥行寸法が１００〜３００ｍｍであり、燃焼量が７００〜１５００ｋｗのときは二次支燃性ガス噴出口同士の距離が２００〜４００ｍｍ、奥行寸法が２００〜３５０ｍｍであり、燃焼量が１５００〜２５００ｋｗのときは二次支燃性ガス噴出口同士の距離が２００〜５００ｍｍ、奥行寸法が２５０〜４００ｍｍであることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３は本発明の燃焼装置の第１形態例を示すもので、図１は断面平面図、図２は断面正面図、図３は断面側面図である。この燃焼装置は、炉壁１１の一部に開口部１２を形成し、この開口部１２内に、燃焼室形成用の耐火物からなるタイル１３を埋め込んだものである。タイル１３には、縦断面が長円形状で、所定の奥行き寸法を有する燃焼室１４が設けられており、その奥部壁面１５に、燃料を噴出する燃料噴出口１６と、一次支燃性ガスを噴出する一次支燃性ガス噴出口１７と、二次支燃性ガスを噴出する二次支燃性ガス噴出口１８とが設けられている。
【００１０】
前記燃料噴出口１６と一次支燃性ガス噴出口１７とは、燃料噴出口１６の外周に一次支燃性ガス噴出口１７を設けた二重管構造に形成されており、二次支燃性ガス噴出口１８は、これらの噴出口１６，１７の水平方向両側、すなわち、この燃焼装置で発生した火炎により加熱される被加熱物１９の表面に対して平行な方向の所定位置にそれぞれ設けられている。なお、本形態例では、一次支燃性ガス噴出口１７を燃料噴出口１６の周囲にスリット状に開口させているが、複数の小噴出口を円形に配置した、いわゆるマルチホール構造にすることもできる。
【００１１】
燃料や支燃性ガスには、任意のものを使用することが可能であり、燃料には、ＬＰＧ，ＬＮＧ，ブタンのような気体燃料、灯油，重油，軽油等の液体燃料、微粉炭のような固体燃料、あるいはこれらの混合物を使用することができる。燃料噴出口１６の形状は、燃料の性状に応じて適宜なものを選択することができ、水平方向に燃料を噴出する偏平ノズルを用いることもできる。
【００１２】
また、支燃性ガスには、空気を用いることもできるが、ＮＯｘ排出量及び放射伝熱性能を考慮すると、酸素濃度が９０体積％以上の酸素ガスが好適である。なお、一次、二次で異なる支燃性ガスを使用することも可能である。
【００１３】
前記、一次支燃性ガス噴出口１７からの一次支燃性ガスの噴出速度は、該一次支燃性ガスの流量、噴出口の形状の他、燃料の種類や噴出速度等に応じて適宜に設定することができるが、通常は毎秒３０ｍ以下で火炎に十分な推進力を与えることができる範囲に設定すればよい。この一次支燃性ガスの噴出速度が速すぎると、ＮＯｘの排出量や放射伝熱特性に悪影響を与え、また、噴出口部分を損傷させることもある。
【００１４】
また、二次支燃性ガス噴出口１８からの二次支燃性ガスの噴出速度は、燃料噴出口１６及び一次支燃性ガス噴出口１７からの距離、燃焼室１４の形状や大きさ、燃料及び一次支燃性ガスの噴出状態によって異なるが、一次支燃性ガスの噴出速度以上であれば、速度が高まるほど、周囲の燃焼ガスを火炎中に巻込み、火炎温度及び局部的な酸素濃度が低下するため、ＮＯｘ排出量を減少させることができる。しかし、噴出速度が毎秒１５０ｍを超えると、燃焼室１４内での燃焼が速くなりすぎ、噴出口部分を損傷させることがある。
【００１５】
一次支燃性ガス噴出口１７から噴出する一次支燃性ガス量は、燃料噴出口１６から噴出する燃料に対する酸素比が１．０未満となるように設定し、この一次支燃性ガスと二次支燃性ガス噴出口１８からの二次支燃性ガスとの合計量、すなわち、全支燃性ガス量は、燃料を完全に燃焼させるため、燃料に対する酸素比が１．０以上になるように設定することが好ましい。このように、一次支燃性ガス量を少なくして燃料を不完全燃焼させることにより、すす量が多く、放射率の高い火炎が形成されるため、放射伝熱能力が向上する。また、このような火炎中ではＮＯｘの発生量も少ない。
【００１６】
さらに、限られた空間である燃焼室１４の奥部壁面１５から燃料、一次支燃性ガス及び二次支燃性ガスを噴出させ、しかも、二次支燃性ガスをある程度離れた距離から高速で噴出させているため、燃焼室中央で発生した火炎が両側の二次支燃性ガス噴出口１８から噴出する二次支燃性ガスに引き込まれ、水平方向に幅広の火炎が形成される。これにより、被加熱物１９の表面を幅広く加熱することが可能となり、放射伝熱量を増大させることができる。
【００１７】
このときの一次支燃性ガスと二次支燃性ガスとの供給割合（体積比）は、一次支燃性ガスの割合が多すぎると二次支燃性ガスを噴出させる意味が低下してしまうため好ましくない。逆に、一次支燃性ガスの割合が少ない場合は、燃料噴出口１６から噴出した燃料が確実に着火して火炎が形成されればよく、一次支燃性ガスがほとんど無くてもある程度の効果は期待できる。
【００１８】
さらに、燃焼室１４の形状や各部の寸法は、この燃焼装置における燃焼量により、ある程度の最適な範囲を規定することができる。例えば、燃焼室１４の奥行寸法は、燃焼室１４における燃焼量が７００ｋｗ未満のときは１００〜３００ｍｍ、燃焼量が７００〜１５００ｋｗのときは２００〜３５０ｍｍ、燃焼量が１５００〜２５００ｋｗのときは２５０〜４００ｍｍが適当である。燃焼量に対して奥行き寸法が小さすぎると、火炎が幅広くならず、奥行き寸法が大きすぎると、二次支燃性ガスによる周囲の燃焼ガスの巻込み量が少なくなり、ＮＯｘ低減の効果が十分に得られなくなる。
【００１９】
また、燃焼室１４における燃焼量に対する前記二次支燃性ガス噴出口１８同士の距離は、燃焼量が７００ｋｗ未満のときは１００〜３００ｍｍ、燃焼量が７００〜１５００ｋｗのときは２００〜４００ｍｍ、燃焼量が１５００〜２５００ｋｗのときは２００〜５００ｍｍが適当である。一般に、二次支燃性ガス噴出口１８同士の距離が遠いほど、ＮＯｘの排出量が少なくなり、遠すぎると燃焼が不安定になる。
【００２０】
燃焼室１４の断面寸法は、火炎の発生状態や燃焼量に応じて設定すればよいが、火炎によるタイル１３の損傷を抑制するためには、火炎が直接タイル１３に当たらないようにすることが好ましい。逆に、燃焼室１４の断面寸法を大きくしすぎると、燃焼室１４を設けた効果が十分に得られなくなり、また、炉内からの放射熱量が増大するため、噴出口部分が損傷する可能性がある。
【００２１】
図４は本発明の燃焼装置の第２形態例を示す断面平面図である。この燃焼装置は、二次支燃性ガス噴出口１８の噴出方向を燃焼室１４の軸線から離れる方向、即ち外側に向けたものである。このように、二次支燃性ガス噴出口１８から噴出する二次支燃性ガスの噴出方向を外側に向けることにより、燃焼室１４から噴出する火炎の水平方向の広がりを拡大することができる。ただし、噴出方向を外側に向けすぎると、燃焼が不安定になることがあるため、燃焼室１４の軸線と二次支燃性ガス噴出口１８の噴出方向との角度は、通常は、３〜２０度の範囲が適当である。
【００２２】
図５は本発明の燃焼装置の第３形態例を示す断面平面図である。この燃焼装置は、燃焼室１４内に、二重管構造の燃料噴出口１６及び一次支燃性ガス噴出口１７を２個設けるとともに、その中間及び両側に二次支燃性ガス噴出口１８それぞれ設けた例を示すものである。このように形成することにより、一つの燃焼室１４における燃焼量を増大させることができる。
【００２３】
図６及び図７は、本発明の燃焼装置の第４形態例を示すもので、図６は断面平面図、図７は断面正面図である。本形態例に示す燃焼装置は、前記同様に形成した燃焼室１４の奥部壁面１５に、それぞれ独立した状態で、燃料噴出口１６、一次支燃性ガス噴出口１７及び二次支燃性ガス噴出口１８を設けたものである。
【００２４】
一次支燃性ガス噴出口１７の設置位置は、燃料噴出口１６から噴出する燃料を所定の条件で燃焼させることができればよく、二次支燃性ガス噴出口１８の設置位置は、前記同様に、低ＮＯｘ化と火炎の広がりとが得られるように設定すればよい。
【００２５】
このように形成した燃焼装置は、前記各形態例に比べて燃料と一次支燃性ガスとの混合が抑制されるため、すす量が多くなり、放射率がより高い火炎が得られる。また、ＮＯｘは、火炎温度が最も高い燃料噴流と一次支燃性ガス噴流との界面で生成すると考えられるので、燃料の周囲から一次支燃性ガスを噴出させた場合と比較して界面が減少するため、ＮＯｘの生成も低減する。
【００２６】
一方、燃料と一次支燃性ガスとの混合性が前記形態例に比べて低下するため、火炎の安定性が劣る傾向があり、一酸化炭素や未燃炭化水素が多く発生するおそれがあるが、燃焼室１４の形状や各噴出口の位置及び燃料や支燃性ガスの噴出量及び流速を適正に設定することにより、前記同様に、放射率が高く、ＮＯｘ生成量の少ない火炎を得ることができる。
【００２７】
【実施例】
実施例１
第１形態例に示す構造の燃焼装置を使用して燃焼試験を行った。燃料には灯油を使用し、支燃性ガスには酸素濃度が９９．９９体積％以上の純酸素を使用し、燃焼量は２４３ｋＷとした。燃焼室は、高さ７０ｍｍ、幅２２０ｍｍ、奥行き２００ｍｍとし、二次支燃性ガス噴出口の間隔は１５０ｍｍとした。また、通常の二重管構造のバーナーを使用して比較例とした。
【００２８】
一次支燃性ガスと二次支燃性ガスとの体積比を７：３とし、一次支燃性ガスの流速を毎秒１０ｍ（１０ｍ／ｓ）に固定した状態で二次支燃性ガスの流速を１０ｍ／ｓ，２０ｍ／ｓ，５０ｍ／ｓ及び１００ｍ／ｓに設定し、各流速において燃焼室前端から所定距離の位置における放射熱流束をそれぞれ測定した。結果を図８に示す。
【００２９】
実施例２
支燃性ガス中の窒素濃度を変化させ、窒素濃度に対するＮＯｘの排出量を測定した。支燃性ガスが異なる以外は実施例１と同じ条件とした。結果を図９に示す。
【００３０】
実施例３
二次支燃性ガスの流速を５０ｍ／ｓに固定し、一次支燃性ガスと二次支燃性ガスとの体積比を変化させ、体積比に対する放射熱流束を測定した。これ以外の条件は実施例１と同様にした。結果を図１０に示す。
【００３１】
実施例４
支燃性ガス中の窒素濃度を変化させ、窒素濃度に対するＮＯｘの排出量を測定した。支燃性ガスが異なる以外は実施例３と同じ条件とした。結果を図１１に示す。
【００３２】
実施例５
副噴出口の間隔を１００ｍｍ，１５０ｍｍ，２００ｍｍとし、燃焼室の幅を１７０ｍｍ、２２０ｍｍ、２５０ｍｍにそれぞれ設定し、副噴出口の間隔に対する放射熱流束を測定した。二次支燃性ガスの流速は５０ｍ／ｓに固定した。これ以外の条件は実施例１と同じとした。結果を図１２に示す。
【００３３】
実施例６
支燃性ガス中の窒素濃度を変化させ、窒素濃度に対するＮＯｘの排出量を測定した。支燃性ガスが異なる以外は実施例５と同じ条件とした。結果を図１３に示す。
【００３４】
実施例７
燃焼室の高さを７０ｍｍ、幅を２２０ｍｍ、奥行きを２００ｍｍ、二次支燃性ガス噴出口の間隔を１５０ｍｍ、一次支燃性ガスと二次支燃性ガスとの体積比を５：５、二次支燃性ガスの流速を１００ｍ／ｓとしたもの（実施例）と、燃焼室を設けずにその他の寸法及び燃焼条件を同じとしたもの（平面型）と、前記比較例バーナーとを使用し、支燃性ガスに純酸素を使用して放射熱流束を測定した。その結果を図１４に示す。また、支燃性ガス中の窒素濃度を変化させてＮＯｘの排出量を測定した結果を図１５に示す。これらの結果から、燃焼室を持つことにより、低ＮＯｘ化及び放射伝熱能力の向上が同時に達成されることがわかる。
【００３５】
実施例８
第４形態例に示す構造の燃焼装置を使用して燃焼試験を行った。燃料には灯油を使用し、支燃性ガスには酸素濃度が９９．９９体積％以上の純酸素を使用し、燃焼量は２４３ｋＷとした。燃焼室は、高さ７０ｍｍ、幅２００ｍｍ、奥行き２００ｍｍとし、一次支燃性ガス噴出口の間隔は７０ｍｍ、二次支燃性ガス噴出口の間隔は１５０ｍｍとした。一次支燃性ガスと二次支燃性ガスとの体積比は５：５とし、一次支燃性ガスの流速は１０ｍ／ｓ、二次支燃性ガスの流速は５０ｍ／ｓとした。また、通常の二重管構造のバーナーを使用して比較例とした。
【００３６】
燃焼室前端（バーナー前端）からの距離と放射熱流束との関係を測定した結果を図１６に、支燃性ガス中の窒素濃度とＮＯｘ排出量との関係を測定した結果を図１７に示す。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃焼装置によれば、ＮＯｘの発生を抑制しながら、同時に、炉内壁面に燃焼室を凹設したことにより、被加熱物の表面に平行な方向に広がった火炎を形成することができ、放射伝熱特性も向上した火炎を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の燃焼装置の第１形態例を示す断面平面図である。
【図２】 同じく断面正面図である。
【図３】 同じく断面側面図である。
【図４】 本発明の燃焼装置の第２形態例を示す断面平面図である。
【図５】 本発明の燃焼装置の第３形態例を示す断面平面図である。
【図６】 本発明の燃焼装置の第４形態例を示す断面平面図である。
【図７】 同じく断面正面図である。
【図８】 実施例１の測定結果を示すもので、二次支燃性ガスの流速と燃焼室からの距離と放射熱流束との関係を示す図である。
【図９】 実施例２の測定結果を示すもので、二次支燃性ガスの流速と支燃性ガス中の窒素濃度とＮＯｘ排出量との関係を示す図である。
【図１０】 実施例３の測定結果を示すもので、一次，二次支燃性ガスの体積比と燃焼室からの距離と放射熱流束との関係を示す図である。
【図１１】 実施例４の測定結果を示すもので、一次，二次支燃性ガスの体積比と支燃性ガス中の窒素濃度とＮＯｘ排出量との関係を示す図である。
【図１２】 実施例５の測定結果を示すもので、副噴出口の間隔と燃焼室からの距離と放射熱流束との関係を示す図である。
【図１３】 実施例６の測定結果を示すもので、副噴出口の間隔と支燃性ガス中の窒素濃度とＮＯｘ排出量との関係を示す図である。
【図１４】 実施例７の測定結果を示すもので、燃焼室の有無と燃焼室からの距離と放射熱流束との関係を示す図である。
【図１５】 実施例７の測定結果を示すもので、燃焼室の有無と支燃性ガス中の窒素濃度とＮＯｘ排出量との関係を示す図である。
【図１６】 実施例８の燃焼室からの距離と放射熱流束との関係を示す図である。
【図１７】 実施例８の測定結果を示すもので、支燃性ガス中の窒素濃度とＮＯｘ排出量との関係を示す図である。
【符号の説明】
１１…炉壁、１２…開口部、１３…タイル、１４…燃焼室、１５…奥部壁面、１６…燃料噴出口、１７…一次支燃性ガス噴出口、１８…二次支燃性ガス噴出口１９…被加熱物
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼装置に関し、詳しくは、火炎からの放射伝熱により被加熱物を加熱する各種工業炉に適した燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
支燃性ガス（酸化剤）として純酸素を使用した燃焼装置は、空気を使用したものに比べて、高温の燃焼火炎が得られるとともに、ＮＯｘの排出量が極めて少ないという特性を有している。しかし、一般の工業炉において、完全に密閉された炉は実際上あり得ず、炉内への空気の流入は避けることができない。また、支燃性ガスとしては、圧力変動式空気分離装置（ＰＳＡ装置）で製造した酸素が多用されているが、このＰＳＡ装置からの酸素には、不純物として数％の窒素が含まれており、この窒素が高温の燃焼火炎中でＮＯｘを生成することになる。
【０００３】
また、ＮＯｘは、温度が高くなるほど急速に生成量が増加するので、ＮＯｘの生成量を抑えるためには、火炎温度を低下させることが有効であり、二段燃焼や排ガスの再循環によって火炎温度を下げ、ＮＯｘの生成を低減することが行われている。しかしながら、火炎温度を下げると、放射伝熱特性が低下するため、加熱効率が低下するという問題が発生する。
【０００４】
そこで本発明は、火炎温度を下げてＮＯｘの生成を抑制しながら、火炎に広がりを持たせて放射伝熱特性を向上させることができる燃焼装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の燃焼装置は、炉壁内面に凹設した燃焼室の奥部壁面に、燃料を噴出する燃料噴出口と、一次支燃性ガスを噴出する一次支燃性ガス噴出口と、二次支燃性ガスを噴出する二次支燃性ガス噴出口とを設け、前記一次支燃性ガス噴出口を前記燃料噴出口の外周に二重管構造に形成し、該二重管構造の燃料噴出口及び一次支燃性ガス噴出口の両側に、前記二次支燃性ガス噴出口を被加熱物の表面に平行な方向に配置したことを特徴としている。第２の燃焼装置は、第１の燃焼装置において、前記二次支燃性ガス噴出口の噴出方向が、前記二重管構造の燃料噴出口及び一次支燃性ガス噴出口から前記平行な方向に離れるように向けたことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
【０００６】
さらに、本発明の第３の燃焼装置は、炉壁内面に凹設した燃焼室の奥部壁面に、燃料を噴出する燃料噴出口と、一次支燃性ガスを噴出する一次支燃性ガス噴出口と、二次支燃性ガスを噴出する二次支燃性ガス噴出口とを設け、前記一次支燃性ガス噴出口を前記燃料噴出口の外周に二重管構造に形成して被加熱物の表面に平行な方向に２個配置するとともに、２個の二重管構造の燃料噴出口及び一次支燃性ガス噴出口の中間及び両側に、前記二次支燃性ガス噴出口を被加熱物の表面に平行な方向に配置したことを特徴としている。また、第４の燃焼装置は、炉壁内面に凹設した燃焼室の奥部壁面に、燃料を噴出する燃料噴出口と、一次支燃性ガスを噴出する一次支燃性ガス噴出口と、二次支燃性ガスを噴出する二次支燃性ガス噴出口とを設け、前記燃料噴出口の両側に前記一次支燃性ガス噴出口及び前記二次支燃性ガス噴出口を被加熱物の表面に平行な方向に配置したことを特徴としている。
【０００７】
また、前記第１乃至第４の燃焼装置において、前記一次支燃性ガスの噴出速度が毎秒３０ｍ以下であること、前記二次支燃性ガスの噴出速度が一次支燃性ガスの噴出速度以上で毎秒１５０ｍ以下であることを特徴とし、さらに、前記一次支燃性ガスの流量を燃料に対する酸素比が１．０未満となるように設定し、一次支燃性ガスと二次支燃性ガスとの合計流量を燃料に対する酸素比が１．０以上になるように設定し、特に、一次及び二次支燃性ガスの酸素濃度が９０体積％以上であることを特徴としている。
【０００８】
そして、前記二次支燃性ガス噴出口同士の距離と、前記燃焼室の奥行寸法とは、燃焼量が７００ｋｗ未満のときは二次支燃性ガス噴出口同士の距離が１００〜３００ｍｍ、奥行寸法が１００〜３００ｍｍであり、燃焼量が７００〜１５００ｋｗのときは二次支燃性ガス噴出口同士の距離が２００〜４００ｍｍ、奥行寸法が２００〜３５０ｍｍであり、燃焼量が１５００〜２５００ｋｗのときは二次支燃性ガス噴出口同士の距離が２００〜５００ｍｍ、奥行寸法が２５０〜４００ｍｍであることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３は本発明の燃焼装置の第１形態例を示すもので、図１は断面平面図、図２は断面正面図、図３は断面側面図である。この燃焼装置は、炉壁１１の一部に開口部１２を形成し、この開口部１２内に、燃焼室形成用の耐火物からなるタイル１３を埋め込んだものである。タイル１３には、縦断面が長円形状で、所定の奥行き寸法を有する燃焼室１４が設けられており、その奥部壁面１５に、燃料を噴出する燃料噴出口１６と、一次支燃性ガスを噴出する一次支燃性ガス噴出口１７と、二次支燃性ガスを噴出する二次支燃性ガス噴出口１８とが設けられている。
【００１０】
前記燃料噴出口１６と一次支燃性ガス噴出口１７とは、燃料噴出口１６の外周に一次支燃性ガス噴出口１７を設けた二重管構造に形成されており、二次支燃性ガス噴出口１８は、これらの噴出口１６，１７の水平方向両側、すなわち、この燃焼装置で発生した火炎により加熱される被加熱物１９の表面に対して平行な方向の所定位置にそれぞれ設けられている。なお、本形態例では、一次支燃性ガス噴出口１７を燃料噴出口１６の周囲にスリット状に開口させているが、複数の小噴出口を円形に配置した、いわゆるマルチホール構造にすることもできる。
【００１１】
燃料や支燃性ガスには、任意のものを使用することが可能であり、燃料には、ＬＰＧ，ＬＮＧ，ブタンのような気体燃料、灯油，重油，軽油等の液体燃料、微粉炭のような固体燃料、あるいはこれらの混合物を使用することができる。燃料噴出口１６の形状は、燃料の性状に応じて適宜なものを選択することができ、水平方向に燃料を噴出する偏平ノズルを用いることもできる。
【００１２】
また、支燃性ガスには、空気を用いることもできるが、ＮＯｘ排出量及び放射伝熱性能を考慮すると、酸素濃度が９０体積％以上の酸素ガスが好適である。なお、一次、二次で異なる支燃性ガスを使用することも可能である。
【００１３】
前記、一次支燃性ガス噴出口１７からの一次支燃性ガスの噴出速度は、該一次支燃性ガスの流量、噴出口の形状の他、燃料の種類や噴出速度等に応じて適宜に設定することができるが、通常は毎秒３０ｍ以下で火炎に十分な推進力を与えることができる範囲に設定すればよい。この一次支燃性ガスの噴出速度が速すぎると、ＮＯｘの排出量や放射伝熱特性に悪影響を与え、また、噴出口部分を損傷させることもある。
【００１４】
また、二次支燃性ガス噴出口１８からの二次支燃性ガスの噴出速度は、燃料噴出口１６及び一次支燃性ガス噴出口１７からの距離、燃焼室１４の形状や大きさ、燃料及び一次支燃性ガスの噴出状態によって異なるが、一次支燃性ガスの噴出速度以上であれば、速度が高まるほど、周囲の燃焼ガスを火炎中に巻込み、火炎温度及び局部的な酸素濃度が低下するため、ＮＯｘ排出量を減少させることができる。しかし、噴出速度が毎秒１５０ｍを超えると、燃焼室１４内での燃焼が速くなりすぎ、噴出口部分を損傷させることがある。
【００１５】
一次支燃性ガス噴出口１７から噴出する一次支燃性ガス量は、燃料噴出口１６から噴出する燃料に対する酸素比が１．０未満となるように設定し、この一次支燃性ガスと二次支燃性ガス噴出口１８からの二次支燃性ガスとの合計量、すなわち、全支燃性ガス量は、燃料を完全に燃焼させるため、燃料に対する酸素比が１．０以上になるように設定することが好ましい。このように、一次支燃性ガス量を少なくして燃料を不完全燃焼させることにより、すす量が多く、放射率の高い火炎が形成されるため、放射伝熱能力が向上する。また、このような火炎中ではＮＯｘの発生量も少ない。
【００１６】
さらに、限られた空間である燃焼室１４の奥部壁面１５から燃料、一次支燃性ガス及び二次支燃性ガスを噴出させ、しかも、二次支燃性ガスをある程度離れた距離から高速で噴出させているため、燃焼室中央で発生した火炎が両側の二次支燃性ガス噴出口１８から噴出する二次支燃性ガスに引き込まれ、水平方向に幅広の火炎が形成される。これにより、被加熱物１９の表面を幅広く加熱することが可能となり、放射伝熱量を増大させることができる。
【００１７】
このときの一次支燃性ガスと二次支燃性ガスとの供給割合（体積比）は、一次支燃性ガスの割合が多すぎると二次支燃性ガスを噴出させる意味が低下してしまうため好ましくない。逆に、一次支燃性ガスの割合が少ない場合は、燃料噴出口１６から噴出した燃料が確実に着火して火炎が形成されればよく、一次支燃性ガスがほとんど無くてもある程度の効果は期待できる。
【００１８】
さらに、燃焼室１４の形状や各部の寸法は、この燃焼装置における燃焼量により、ある程度の最適な範囲を規定することができる。例えば、燃焼室１４の奥行寸法は、燃焼室１４における燃焼量が７００ｋｗ未満のときは１００〜３００ｍｍ、燃焼量が７００〜１５００ｋｗのときは２００〜３５０ｍｍ、燃焼量が１５００〜２５００ｋｗのときは２５０〜４００ｍｍが適当である。燃焼量に対して奥行き寸法が小さすぎると、火炎が幅広くならず、奥行き寸法が大きすぎると、二次支燃性ガスによる周囲の燃焼ガスの巻込み量が少なくなり、ＮＯｘ低減の効果が十分に得られなくなる。
【００１９】
また、燃焼室１４における燃焼量に対する前記二次支燃性ガス噴出口１８同士の距離は、燃焼量が７００ｋｗ未満のときは１００〜３００ｍｍ、燃焼量が７００〜１５００ｋｗのときは２００〜４００ｍｍ、燃焼量が１５００〜２５００ｋｗのときは２００〜５００ｍｍが適当である。一般に、二次支燃性ガス噴出口１８同士の距離が遠いほど、ＮＯｘの排出量が少なくなり、遠すぎると燃焼が不安定になる。
【００２０】
燃焼室１４の断面寸法は、火炎の発生状態や燃焼量に応じて設定すればよいが、火炎によるタイル１３の損傷を抑制するためには、火炎が直接タイル１３に当たらないようにすることが好ましい。逆に、燃焼室１４の断面寸法を大きくしすぎると、燃焼室１４を設けた効果が十分に得られなくなり、また、炉内からの放射熱量が増大するため、噴出口部分が損傷する可能性がある。
【００２１】
図４は本発明の燃焼装置の第２形態例を示す断面平面図である。この燃焼装置は、二次支燃性ガス噴出口１８の噴出方向を燃焼室１４の軸線から離れる方向、即ち外側に向けたものである。このように、二次支燃性ガス噴出口１８から噴出する二次支燃性ガスの噴出方向を外側に向けることにより、燃焼室１４から噴出する火炎の水平方向の広がりを拡大することができる。ただし、噴出方向を外側に向けすぎると、燃焼が不安定になることがあるため、燃焼室１４の軸線と二次支燃性ガス噴出口１８の噴出方向との角度は、通常は、３〜２０度の範囲が適当である。
【００２２】
図５は本発明の燃焼装置の第３形態例を示す断面平面図である。この燃焼装置は、燃焼室１４内に、二重管構造の燃料噴出口１６及び一次支燃性ガス噴出口１７を２個設けるとともに、その中間及び両側に二次支燃性ガス噴出口１８それぞれ設けた例を示すものである。このように形成することにより、一つの燃焼室１４における燃焼量を増大させることができる。
【００２３】
図６及び図７は、本発明の燃焼装置の第４形態例を示すもので、図６は断面平面図、図７は断面正面図である。本形態例に示す燃焼装置は、前記同様に形成した燃焼室１４の奥部壁面１５に、それぞれ独立した状態で、燃料噴出口１６、一次支燃性ガス噴出口１７及び二次支燃性ガス噴出口１８を設けたものである。
【００２４】
一次支燃性ガス噴出口１７の設置位置は、燃料噴出口１６から噴出する燃料を所定の条件で燃焼させることができればよく、二次支燃性ガス噴出口１８の設置位置は、前記同様に、低ＮＯｘ化と火炎の広がりとが得られるように設定すればよい。
【００２５】
このように形成した燃焼装置は、前記各形態例に比べて燃料と一次支燃性ガスとの混合が抑制されるため、すす量が多くなり、放射率がより高い火炎が得られる。また、ＮＯｘは、火炎温度が最も高い燃料噴流と一次支燃性ガス噴流との界面で生成すると考えられるので、燃料の周囲から一次支燃性ガスを噴出させた場合と比較して界面が減少するため、ＮＯｘの生成も低減する。
【００２６】
一方、燃料と一次支燃性ガスとの混合性が前記形態例に比べて低下するため、火炎の安定性が劣る傾向があり、一酸化炭素や未燃炭化水素が多く発生するおそれがあるが、燃焼室１４の形状や各噴出口の位置及び燃料や支燃性ガスの噴出量及び流速を適正に設定することにより、前記同様に、放射率が高く、ＮＯｘ生成量の少ない火炎を得ることができる。
【００２７】
【実施例】
実施例１
第１形態例に示す構造の燃焼装置を使用して燃焼試験を行った。燃料には灯油を使用し、支燃性ガスには酸素濃度が９９．９９体積％以上の純酸素を使用し、燃焼量は２４３ｋＷとした。燃焼室は、高さ７０ｍｍ、幅２２０ｍｍ、奥行き２００ｍｍとし、二次支燃性ガス噴出口の間隔は１５０ｍｍとした。また、通常の二重管構造のバーナーを使用して比較例とした。
【００２８】
一次支燃性ガスと二次支燃性ガスとの体積比を７：３とし、一次支燃性ガスの流速を毎秒１０ｍ（１０ｍ／ｓ）に固定した状態で二次支燃性ガスの流速を１０ｍ／ｓ，２０ｍ／ｓ，５０ｍ／ｓ及び１００ｍ／ｓに設定し、各流速において燃焼室前端から所定距離の位置における放射熱流束をそれぞれ測定した。結果を図８に示す。
【００２９】
実施例２
支燃性ガス中の窒素濃度を変化させ、窒素濃度に対するＮＯｘの排出量を測定した。支燃性ガスが異なる以外は実施例１と同じ条件とした。結果を図９に示す。
【００３０】
実施例３
二次支燃性ガスの流速を５０ｍ／ｓに固定し、一次支燃性ガスと二次支燃性ガスとの体積比を変化させ、体積比に対する放射熱流束を測定した。これ以外の条件は実施例１と同様にした。結果を図１０に示す。
【００３１】
実施例４
支燃性ガス中の窒素濃度を変化させ、窒素濃度に対するＮＯｘの排出量を測定した。支燃性ガスが異なる以外は実施例３と同じ条件とした。結果を図１１に示す。
【００３２】
実施例５
副噴出口の間隔を１００ｍｍ，１５０ｍｍ，２００ｍｍとし、燃焼室の幅を１７０ｍｍ、２２０ｍｍ、２５０ｍｍにそれぞれ設定し、副噴出口の間隔に対する放射熱流束を測定した。二次支燃性ガスの流速は５０ｍ／ｓに固定した。これ以外の条件は実施例１と同じとした。結果を図１２に示す。
【００３３】
実施例６
支燃性ガス中の窒素濃度を変化させ、窒素濃度に対するＮＯｘの排出量を測定した。支燃性ガスが異なる以外は実施例５と同じ条件とした。結果を図１３に示す。
【００３４】
実施例７
燃焼室の高さを７０ｍｍ、幅を２２０ｍｍ、奥行きを２００ｍｍ、二次支燃性ガス噴出口の間隔を１５０ｍｍ、一次支燃性ガスと二次支燃性ガスとの体積比を５：５、二次支燃性ガスの流速を１００ｍ／ｓとしたもの（実施例）と、燃焼室を設けずにその他の寸法及び燃焼条件を同じとしたもの（平面型）と、前記比較例バーナーとを使用し、支燃性ガスに純酸素を使用して放射熱流束を測定した。その結果を図１４に示す。また、支燃性ガス中の窒素濃度を変化させてＮＯｘの排出量を測定した結果を図１５に示す。これらの結果から、燃焼室を持つことにより、低ＮＯｘ化及び放射伝熱能力の向上が同時に達成されることがわかる。
【００３５】
実施例８
第４形態例に示す構造の燃焼装置を使用して燃焼試験を行った。燃料には灯油を使用し、支燃性ガスには酸素濃度が９９．９９体積％以上の純酸素を使用し、燃焼量は２４３ｋＷとした。燃焼室は、高さ７０ｍｍ、幅２００ｍｍ、奥行き２００ｍｍとし、一次支燃性ガス噴出口の間隔は７０ｍｍ、二次支燃性ガス噴出口の間隔は１５０ｍｍとした。一次支燃性ガスと二次支燃性ガスとの体積比は５：５とし、一次支燃性ガスの流速は１０ｍ／ｓ、二次支燃性ガスの流速は５０ｍ／ｓとした。また、通常の二重管構造のバーナーを使用して比較例とした。
【００３６】
燃焼室前端（バーナー前端）からの距離と放射熱流束との関係を測定した結果を図１６に、支燃性ガス中の窒素濃度とＮＯｘ排出量との関係を測定した結果を図１７に示す。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃焼装置によれば、ＮＯｘの発生を抑制しながら、同時に、炉内壁面に燃焼室を凹設したことにより、被加熱物の表面に平行な方向に広がった火炎を形成することができ、放射伝熱特性も向上した火炎を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の燃焼装置の第１形態例を示す断面平面図である。
【図２】 同じく断面正面図である。
【図３】 同じく断面側面図である。
【図４】 本発明の燃焼装置の第２形態例を示す断面平面図である。
【図５】 本発明の燃焼装置の第３形態例を示す断面平面図である。
【図６】 本発明の燃焼装置の第４形態例を示す断面平面図である。
【図７】 同じく断面正面図である。
【図８】 実施例１の測定結果を示すもので、二次支燃性ガスの流速と燃焼室からの距離と放射熱流束との関係を示す図である。
【図９】 実施例２の測定結果を示すもので、二次支燃性ガスの流速と支燃性ガス中の窒素濃度とＮＯｘ排出量との関係を示す図である。
【図１０】 実施例３の測定結果を示すもので、一次，二次支燃性ガスの体積比と燃焼室からの距離と放射熱流束との関係を示す図である。
【図１１】 実施例４の測定結果を示すもので、一次，二次支燃性ガスの体積比と支燃性ガス中の窒素濃度とＮＯｘ排出量との関係を示す図である。
【図１２】 実施例５の測定結果を示すもので、副噴出口の間隔と燃焼室からの距離と放射熱流束との関係を示す図である。
【図１３】 実施例６の測定結果を示すもので、副噴出口の間隔と支燃性ガス中の窒素濃度とＮＯｘ排出量との関係を示す図である。
【図１４】 実施例７の測定結果を示すもので、燃焼室の有無と燃焼室からの距離と放射熱流束との関係を示す図である。
【図１５】 実施例７の測定結果を示すもので、燃焼室の有無と支燃性ガス中の窒素濃度とＮＯｘ排出量との関係を示す図である。
【図１６】 実施例８の燃焼室からの距離と放射熱流束との関係を示す図である。
【図１７】 実施例８の測定結果を示すもので、支燃性ガス中の窒素濃度とＮＯｘ排出量との関係を示す図である。
【符号の説明】
１１…炉壁、１２…開口部、１３…タイル、１４…燃焼室、１５…奥部壁面、１６…燃料噴出口、１７…一次支燃性ガス噴出口、１８…二次支燃性ガス噴出口１９…被加熱物
Claims (9)
- 炉壁内面に凹設した燃焼室の奥部壁面に、燃料を噴出する燃料噴出口と、一次支燃性ガスを噴出する一次支燃性ガス噴出口と、二次支燃性ガスを噴出する二次支燃性ガス噴出口とを設け、前記一次支燃性ガス噴出口を前記燃料噴出口の外周に二重管構造に形成し、該二重管構造の燃料噴出口及び一次支燃性ガス噴出口の両側に、前記二次支燃性ガス噴出口を被加熱物の表面に平行な方向に配置したことを特徴とする燃焼装置。
- 前記二次支燃性ガス噴出口の噴出方向が、前記二重管構造の燃料噴出口及び一次支燃性ガス噴出口から前記平行な方向に離れるように向けたことを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
- 炉壁内面に凹設した燃焼室の奥部壁面に、燃料を噴出する燃料噴出口と、一次支燃性ガスを噴出する一次支燃性ガス噴出口と、二次支燃性ガスを噴出する二次支燃性ガス噴出口とを設け、前記一次支燃性ガス噴出口を前記燃料噴出口の外周に二重管構造に形成して被加熱物の表面に平行な方向に２個配置するとともに、２個の二重管構造の燃料噴出口及び一次支燃性ガス噴出口の中間及び両側に、前記二次支燃性ガス噴出口を被加熱物の表面に平行な方向に配置したことを特徴とする燃焼装置。
- 炉壁内面に凹設した燃焼室の奥部壁面に、燃料を噴出する燃料噴出口と、一次支燃性ガスを噴出する一次支燃性ガス噴出口と、二次支燃性ガスを噴出する二次支燃性ガス噴出口とを設け、前記燃料噴出口の両側に前記一次支燃性ガス噴出口及び前記二次支燃性ガス噴出口を被加熱物の表面に平行な方向に配置したことを特徴とする燃焼装置。
- 前記一次支燃性ガスの噴出速度が、毎秒３０ｍ以下であることを特徴と請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃焼装置。
- 前記二次支燃性ガスの噴出速度が、一次支燃性ガスの噴出速度以上で、毎秒１５０ｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃焼装置。
- 前記一次支燃性ガスの流量は、燃料に対する酸素比が１．０未満となるように設定され、一次支燃性ガスと二次支燃性ガスとの合計流量は、燃料に対する酸素比が１．０以上になるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃焼装置。
- 前記一次支燃性ガス及び二次支燃性ガスの酸素濃度が９０体積％以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃焼装置。
- 前記二次支燃性ガス噴出口同士の距離と、前記燃焼室の奥行寸法とは、燃焼量が７００ｋｗ未満のときは二次支燃性ガス噴出口同士の距離が１００〜３００ｍｍ、奥行寸法が１００〜３００ｍｍであり、燃焼量が７００〜１５００ｋｗのときは二次支燃性ガス噴出口同士の距離が２００〜４００ｍｍ、奥行寸法が２００〜３５０ｍｍであり、燃焼量が１５００〜２５００ｋｗのときは二次支燃性ガス噴出口同士の距離が２００〜５００ｍｍ、奥行寸法が２５０〜４００ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃焼装置。
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