JP4261753B2 - 酸素バーナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素バーナに関し、特に、ガラス溶解炉の加熱源として用いるのに適した火炎を形成する酸素バーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
被加熱物をバーナによって加熱する場合、被加熱物に直接火炎を吹付ける強制対流伝熱方式と、火炎からの熱を輻射によって伝える輻射伝熱方式とがあり、被加熱物の性状等によって使い分けることが行われている。例えば、ガラス溶解炉においては、火炎をガラス溶湯に直接吹付けると、局所過熱によってガラス中の蒸発しやすい成分が蒸発してしまったり、ガラスが火炎により汚染されたりするおそれがあるため、強制対流伝熱方式は好ましくなく、輻射伝熱方式のバーナを用いるようにしている。
【０００３】
また、バーナの燃焼火炎は、一般に、高輝度火炎と低輝度火炎とに分類され、高輝度火炎中には、浮遊するすすの粒子が多く、これが高輝度火炎の発生源となり、被加熱物に輻射熱を伝えることになる。このような高輝度火炎は、還元性の強い雰囲気を形成し、一方の低輝度火炎は、酸化性の雰囲気を形成する。さらに、高輝度火炎は、火炎長の比較的長い火炎を得やすく、低輝度火炎は火炎長の長い火炎を得ることが困難であった。
【０００４】
一方、ガラス溶解炉において均質な製品品質を得るためには、溶湯を均一に加熱する必要があり、局所過熱防止のために火炎長の長い火炎が望ましいとされている。したがって、従来のガラス溶解炉では、比較的長い火炎を得やすい構造の多重管バーナを使用して、通常、高輝度火炎を形成するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ガラスの種類によっては、例えば低アルカリガラスでは、酸化物であるガラス原料が還元性雰囲気を嫌うことや、すすによる汚染を嫌うことから、従来のような高輝度火炎は不適当であり、すすの発生が無く、酸化性雰囲気を形成する低輝度火炎が望まれている。
【０００６】
ところが、低輝度火炎は、長い火炎を得ることが困難であり、また、高輝度火炎に比べて燃料の燃焼速度が速く、バーナ先端（ノズル）近傍の温度が高くなりやすいため、ノズル部へのカーボンの付着が問題となっていた。
【０００７】
そこで本発明は、すすの発生しない低輝度火炎又は不輝炎でありながら長い火炎長を得ることができ、ノズル部へのカーボンの付着も防止できる酸素バーナを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の酸素バーナは、中心管の内部に一次酸素流路を、該中心管とその外側の内管との間に燃料ガス流路を、該内管とその外側の外管との間に二次酸素流路をそれぞれ形成した三重管構造を有する酸素バーナであって、前記内管の先端を前記中心管の先端より前方に突出させ、前記中心管先端外周と前記内管内周との間に前記燃料ガス噴出口を形成し、前記内管の先端部内面に、前記燃料ガス噴出口の開口径が前記内管の内径よりも小さくなる先細り状の円錐面を設けるとともに、前記中心管の先端外面に、前記内管の円錐面に対応した円錐面を設け、両円錐面により、前記燃料ガス噴出口から噴出する燃料ガスの噴出方向を、前記中心管の軸線上で焦点を結ぶように形成し、前記外管の先端を前記内管の先端より前方に突出させ、前記内管先端外周と前記外管内周との間に二次酸素噴出口を形成し、前記内管の先端外面と前記外管の内面とにそれぞれ設けた円錐面により、前記二次酸素噴出口から噴出する二次酸素の噴出方向を、前記中心管の軸線上で、かつ、前記燃料ガスの焦点よりも先で焦点を結ぶように形成し、前記一次酸素流路先端の一次酸素噴出口から噴出する一次酸素の流速が、前記燃料ガス噴出口から噴出する燃料ガスの流速よりも高速に設定されていることを特徴としている。
【０００９】
なお、前記一次酸素流路先端の一次酸素噴出口から噴出する一次酸素の流速が、０℃、１気圧換算で５０〜３４０ｍ／ｓの範囲であることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３は、本発明の酸素バーナの一形態例を示すもので、図１は断面側面図、図２はノズル部の断面側面図、図３は図２のIII−III線断面図である。
【００１１】
この酸素バーナは、中心管１１と、その外側の内管１２と、さらにその外側の外管１３とを同心状に配置した三重管構造を有するものであって、中心管１１の内部に一次酸素流路１４が、中心管１１と内管１２との間に燃料ガス流路１５が、内管１２と外管１３との間に二次酸素流路１６がそれぞれ形成されており、一次酸素流路１４の先端に一次酸素噴出口１７が、中心管先端外周と内管内周との間に燃料ガス噴出口１８が、内管先端外周と外管内周との間に二次酸素噴出口１９がそれぞれ設けられている。
【００１２】
中心管１１の内部は、実質的に同一径の直管構造となっており、一次酸素流路１４に供給された一次酸素は、中心管内を通って一次酸素噴出口１７から直線状に噴出する。内管１２は、その先端が中心管１１の先端よりも前方（火炎噴出方向）に突出しており、先端部内面には、燃料ガス噴出口１８の開口径が内管１２の内径よりも小さくなる先細り状の円錐面１２ａが設けられている。また、中心管１１の先端外面には、内管１２の円錐面１２ａに対応した円錐面１１ａが設けられており、両円錐面１１ａ，１２ａにより、燃料ガス噴出口１８から噴出する燃料ガスの噴出方向を、中心管１１の軸線Ｃ上で焦点Ｆ１を結ぶように形成している。
【００１３】
外管１３の先端は、前記内管１２の先端よりさらに前方に突出しており、内管１２の先端外面と外管１３の内面とには、燃料ガス噴出口１８と同様の円錐面１２ｂ，１３ａが設けられており、両円錐面１２ｂ，１３ａにより、二次酸素噴出口１９から噴出する二次酸素の噴出方向を、中心管１１の軸線Ｃ上で焦点Ｆ２を結ぶように形成している。
【００１４】
すなわち、この酸素バーナのノズル部からは、一次酸素噴出口１７から一次酸素が中心管１１の軸線Ｃに沿って直線状に、燃料ガス噴出口１８から燃料ガスが焦点Ｆ１に向かって収斂するように、二次酸素噴出口１９から二次酸素が焦点Ｆ２に向かって収斂するように、それぞれ噴出する状態に形成されている。
【００１５】
このとき、各部の寸法は、該酸素バーナの燃焼量や燃料の種類、一次、二次酸素の流量割合等の条件によって異なってくるが、一般的な条件において、中心管１１の軸線Ｃに対する前記円錐面１１ａの角度α、円錐面１２ａの角度β、円錐面１２ｂの角度γ、円錐面１３ａの角度δは、それぞれ４５度以下であることが好ましい。これらの角度を４５を超える角度にすると、燃料ガス噴出口１８から噴出した燃料ガスがノズル内で燃焼する割合が大きくなるため、中心管１１や内管１２の先端部分が加熱されて高温になることがあり、ノズル部の損傷の原因となる。
【００１６】
また、、燃料ガス噴出口１８を形成する円錐面１１ａ，１２ａの角度αと角度βとにおいては、角度βを角度αと同じかそれ以上としておくことが好ましく、二次酸素噴出口１９を形成する円錐面１２ｂ，１３ａの角度γと角度δとにおいては、角度δを角度γと同じかそれ以上としておくことが好ましい。これにより、燃料ガスや二次酸素を過度に拡散させることなく、焦点Ｆ１，Ｆ２に向けて噴出させることができる。
【００１７】
さらに、中心管１１の先端と内管１２の先端との距離Ｌ１は、燃料ガス噴出口１８の径Ｄ１と密接な関係があり、Ｌ１／Ｄ１が０．３〜０．５の範囲になるように設定することが好ましい。Ｌ１／Ｄ１が０．３未満の場合は、燃料ガスと一次酸素との混合が不十分になってバーナ出口部で火炎の一部が輝炎となることがあり、高温場においては、ノズル先端にカーボンが生成する原因となる。また、Ｌ１／Ｄ１が０．５を超えると、燃料ガス噴出口１８から噴出した燃料ガスがノズル内で燃焼する割合が大きくなり、中心管１１や内管１２の先端部分が加熱されるため、ノズル部を損傷する原因となることがある。
【００１８】
同様に、内管１２の先端と外管１３の先端との距離Ｌ２は、二次酸素噴出口１９の径Ｄ２と密接な関係があり、Ｌ２／Ｄ２が０．３〜１．０の範囲になるように設定することが好ましい。Ｌ２／Ｄ２が０．３未満の場合は、燃料ガスと二次酸素との混合が不十分になって低輝度火炎や不輝炎を形成することが困難になることがある。また、Ｌ２／Ｄ２が１．０を超える場合は、燃料ガスがノズル内で燃焼する割合が大きくなるため、内管１２や外管１３の先端部分が加熱されてノズル部損傷の原因となることがある。
【００１９】
さらに、一次酸素噴出口１７における一次酸素の流速は、０℃、１気圧換算（以下同様）で５０〜３４０ｍ／ｓの範囲になるように設定するとともに、燃料ガス噴出口１８から噴出する燃料ガスの流速よりも高速に設定しておくことが望ましい。この流速が５０ｍ／ｓ未満だと、燃料ガス噴出口１８からの燃料ガスを同伴する力が弱くなって燃料との混合状態が不十分になり、低輝度火炎の形成が困難になることがある。また、一次酸素の流速が３４０ｍ／ｓを超えると、一次酸素を噴出させるための圧力損失が増大し、低輝度火炎や不輝炎を形成するのに十分な酸素を供給することが困難になることがある。また、燃料ガスの流速に対して一次酸素の流速が遅くなると、一次酸素による燃料ガスの同伴効果が失われてしまうことがあり、低輝度火炎の形成が困難になる。
【００２０】
このように形成することにより、内管１２の突出部内周側に一次混合室２０が形成され、該一次混合室２０により、一次酸素噴出口１７から噴出する一次酸素と、燃料ガス噴出口１８から焦点Ｆ１に向かって噴出する燃料ガスとの混合を促進してすすの発生を抑えることができる。さらに、外管１３の突出部内周側には、二次混合室２１が形成され、該二次混合室２１により、二次酸素噴出口１９から焦点Ｆ２に向かって噴出する二次酸素と、一次混合室２０から噴出する燃料酸素混合流との混合を促進することができるとともに、ノズル部で循環流が発生しにくくなるのでカーボンの生成を抑制することができる。また、燃料ガスや二次酸素を、一次酸素の噴出流に向かって収斂するように噴出させるので、一次酸素の流速を速めに設定することによって火炎長を長くすることができる。これにより、すすの発生しない低輝度火炎や不輝炎を得られるとともに長い火炎長を得ることができ、ノズル部へのカーボンの付着も防止することができる。
【００２１】
一次酸素と二次酸素との流量割合は任意であるが、通常は一次酸素が全酸素量の１０〜５０％程度になるようにすることが好ましい。一次酸素が多すぎると、燃料ガスが一次酸素噴出口１７付近で燃焼する割合が大きくなるため、中心管１１や内管１２が加熱されてノズル部の損傷原因となることがある。逆に二次酸素が多すぎると、燃料流の中心部分と酸素との混合が十分に行えなくなって不輝炎あるいは低輝度火炎を形成することが困難になるという不都合がある。
【００２２】
また、二次酸素噴出口１９における二次酸素の流速は、２０〜５０ｍ／ｓの範囲が適当であり、遅すぎると火炎の推進力が失われて巻き上がりなどの不具合が発生することがあり、速すぎると、二次酸素噴出口１９付近における燃焼が促進され、ノズル出口を加熱するという不都合がある。
【００２３】
酸素の純度は任意であり、酸素含有ガスならば任意のものを使用できるが、純酸素あるいは酸素濃度９０％以上の酸素富化ガスを使用することが好ましい。また、燃料としては、天然ガス、ＬＰＧ、ブタンガス等の気体燃料を使用することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の酸素バーナによれば、燃料ガスと酸素とを効率よく混合して燃焼させることができるので、すすの発生しない低輝度火炎又は不輝炎で、かつ、長い火炎長を得ることができる。また、ノズル部へのカーボンの付着も防止できる。したがって、被加熱物に直接火炎を吹付けることなく、火炎からの輻射熱によって被加熱物を広い範囲で加熱することができるので、すすによる汚染や還元作用を嫌う被加熱物を加熱するためのバーナとして最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の酸素バーナの一形態例を示す断面側面図である。
【図２】 ノズル部の断面側面図である。
【図３】 図２のIII−III線断面図である。
【符号の説明】
１１…中心管、１２…内管、１３…外管、１４…一次酸素流路、１５…燃料ガス流路、１６…二次酸素流路、１７…一次酸素噴出口、１８…燃料ガス噴出口、１９…二次酸素噴出口

Claims (1)

1. 中心管の内部に一次酸素流路を、該中心管とその外側の内管との間に燃料ガス流路を、該内管とその外側の外管との間に二次酸素流路をそれぞれ形成した三重管構造を有する酸素バーナであって、前記内管の先端を前記中心管の先端より前方に突出させ、前記中心管先端外周と前記内管内周との間に前記燃料ガス噴出口を形成し、前記内管の先端部内面に、前記燃料ガス噴出口の開口径が前記内管の内径よりも小さくなる先細り状の円錐面を設けるとともに、前記中心管の先端外面に、前記内管の円錐面に対応した円錐面を設け、両円錐面により、前記燃料ガス噴出口から噴出する燃料ガスの噴出方向を、前記中心管の軸線上で焦点を結ぶように形成し、前記外管の先端を前記内管の先端より前方に突出させ、前記内管先端外周と前記外管内周との間に二次酸素噴出口を形成し、前記内管の先端外面と前記外管の内面とにそれぞれ設けた円錐面により、前記二次酸素噴出口から噴出する二次酸素の噴出方向を、前記中心管の軸線上で、かつ、前記燃料ガスの焦点よりも先で焦点を結ぶように形成し、前記一次酸素流路先端の一次酸素噴出口から噴出する一次酸素の流速が、前記燃料ガス噴出口から噴出する燃料ガスの流速よりも高速に設定されていることを特徴とする酸素バーナ。

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