JP4344974B2 - 酸素バーナ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、高温加熱炉や金属・ガラス等の溶融炉、あるいは細粒や微粒状ごみ焼却残渣、下水汚泥やその焼却残渣、セラミック粉体等を火炎中で溶融するのに用いられ、酸素を支燃ガスの主成分とする酸素バーナに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
前記酸素バーナでは、その火炎温度(燃焼温度)は2200Kを超えるため、窒素が存在するとサーマルNOxが発生し易くなる。すなわち、NOxの発生量は、火炎温度が高くなるにつれて増加する特徴があるからである。なお酸素バーナでは、支燃ガスの主成分は酸素であるからガス中に多量の窒素は含まれないものの、炉に侵入した空気中の窒素や、燃料としての粉体の搬送用気体中に存在する窒素等が火炎中に巻込まれるので、結果的に酸素バーナであっても高いNOx(数100〜数1000ppm)を発生し、公害防止上問題となる。
【0003】
前記NOxの発生を低減するには、窒素の侵入を微量に抑えればよいが、ppmオーダーまでの侵入防止は、事実上困難である。そこで、酸素比(燃料を完全燃焼するのに必要な理論酸素量に対する実際の供給酸素量の比)を下げ、未燃分によりNOxをN2とO2に還元したり、燃料と支燃ガスの混合を悪くして炉内全体に燃焼域を広げる、いわゆる緩慢燃焼により火炎温度を下げる手段が採られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように酸素比を下げることでNOxを還元する場合は、未燃分を再燃焼させる2次燃焼室を設けて燃焼制御する必要があり、設備費が嵩むと共に、運転が煩雑となる欠点が指摘される。また、前記緩慢燃焼の場合は、目的とする炉内温度分布や火炎形状(例えばシャープで直進性のあるもの)を得られない欠点がある。
【0005】
そこで、水または水蒸気を供給することで火炎温度を下げて、NOx発生を抑制することが考えられる。しかし、酸素バーナにおいて水や水蒸気を何処から、どのようにして供給すれば、効率的なNOx低減を図り得るかについての明確な技術はなく、実用化されていないのが現状である。
【0006】
【発明の目的】
この発明は、前述した従来の技術に内在している前記課題に鑑み、これを好適に解決するべく提案されたものであって、酸素を支燃ガスの主成分とする酸素バーナにおいて、その火炎形状を殆ど変えることなく、また排ガス中の未燃分を増すことなく、NOxを効率よく低減し得る酸素バーナを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決し、所期の目的を好適に達成するため、本発明に係る酸素バーナは、
中心部から外周部に向かい、水または水蒸気を噴出する冷却用ノズル、気体燃料用ノズル、酸素を主成分とする1次支燃ガス用ノズル、粉体を搬送気体と共に噴出する粉体用ノズル、酸素を主成分とする2次支燃ガス用ノズルが、この順で夫々独立した流路で同心状に配置されていることを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る酸素バーナにつき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照しながら以下説明する。
【0009】
【第1実施例】
図1は、第1実施例に係る酸素バーナ10を示すものであって、その中心部から外周部に向かい、都市ガス等の気体燃料を噴出する気体燃料用ノズル12、酸素を主成分とする1次支燃ガス(支燃ガス)を噴出する1次支燃ガス用ノズル(支燃ガス用ノズル)14、粉体を搬送気体と共に噴出する粉体用ノズル16および酸素を主成分とする2次支燃ガスを噴出する2次支燃ガス用ノズル18が、この順で夫々独立した流路で同心円状に配置されている。また、1次支燃ガス用ノズル14のノズル先端、粉体用ノズル16のノズル先端および2次支燃ガス用ノズル18のノズル先端は、同一面上に臨むよう設定されるのに対し、気体燃料用ノズル12のノズル先端は、外側に位置する1次支燃ガス用ノズル14のノズル先端よりも所定長さだけ後退するよう位置決めしてある。なお、酸素バーナ10の最外部には、冷却水が循環供給される冷却筒20が設けられている。
【0010】
前記1次支燃ガス用ノズル14は、先端側ノズル22と、その外周囲部に配置された基端側ノズル24(粉体ノズルをも形成する)とで構成されており、先端側ノズル22のガス流路と基端側ノズル24のガス流路とは、両ノズル22,24の接合部において先端側ノズル22に穿設されて略接線方向に延在する複数の孔22aで連通されている(図3参照)。すなわち1次支燃ガスは、基端側ノズル24のガス流路から複数の孔22aを介して先端側ノズル22のガス流路へ流れる際に旋回流が与えられ、該1次支燃ガスは旋回しつつノズル先端から噴出されるよう構成してある。なお、先端側ノズル22におけるノズル先端部のガス流路は、その中心軸線方向に絞り込まれると共に、ノズル先端で開口するノズル孔14aは円形の単孔となっている。
【0011】
前記粉体用ノズル16のノズル先端で開口するノズル孔16aは、図2に示すように、前記1次支燃ガス用ノズル14のノズル孔14aを囲む円環状に設定されている。また粉体用ノズル16のノズル先端部における粉体流路は、その中心軸線方向に絞り込まれており、粉体はノズル孔16aから軸中心に向けて斜めに噴出されるよう構成される。
【0012】
前記2次支燃ガス用ノズル18のノズル先端には、前記粉体用ノズル16のノズル孔16aを囲む所要径の円周上に、図2に示す如く、周方向に所定間隔離間して複数のノズル孔18aが開口している。各ノズル孔18aに連通するガス流路は軸線方向に沿って延在し(図1参照)、2次支燃ガスは各ノズル孔18aから軸線方向に沿って直進するよう噴出されるようになっている。
【0013】
前記気体燃料用ノズル12の内側には、図1に示す如く、該ノズル12とは独立した流路を有する冷却用ノズル26が同心的に配置され、該冷却用ノズル26には、火炎温度を下げるための冷却媒体としての水蒸気が、所定圧力(例えば9.8〜29.4Pa)で供給されるよう構成される。また冷却用ノズル26のノズル先端は、気体燃料用ノズル12のノズル先端と同一面上に臨むと共に、そのノズル先端で開口するノズル孔26aは円形の単孔となっている。なお、ノズル孔26aに連通する水蒸気流路は軸線方向に沿って延在し、水蒸気はノズル孔26aから軸線方向に沿って直進するよう噴出される。また気体燃料用ノズル12のノズル先端で開口するノズル孔12aは、図2に示すように、冷却用ノズル26のノズル孔26aを囲む円環状に設定されると共に、該ノズル孔12aに連通する気体燃料流路は軸線方向に沿って延在し、気体燃料はノズル孔12aから軸線方向に沿って直進するよう噴出されるようになっている。
【0014】
【第1実施例の作用】
次に、前述した第1実施例に係る酸素バーナの作用につき説明する。前記気体燃料用ノズル12、1次支燃ガス用ノズル14、粉体用ノズル16および2次支燃ガス用ノズル18に、夫々対応して気体燃料、1次支燃ガス、粉体と搬送気体および2次支燃ガスを供給することで、各支燃ガスによって気体燃料および粉体が燃焼される。また前記冷却用ノズル26に供給された水蒸気は、前記ノズル孔26aから軸中心に沿って噴出された後、圧力の解放により火炎の外周に沿って流れ、火炎の高温部である外周部の火炎温度を下げる。
【0015】
前述したように火炎温度を下げることで、炉内へ侵入した空気中の窒素や、粉体の搬送気体中の窒素が火炎に巻込まれたとしても、NOxの発生を低減することができ、好適な公害防止効果が得られる。しかも水蒸気は火炎の外周を流れるから、該火炎の形状は大きく変化することはなく、前記気体燃料や粉体の効率的な燃焼は維持される。なお、前記水蒸気によるNOx低減メカニズムを更に詳しく述べれば、水蒸気を加熱するための顕熱と、水蒸気がH、OHラジカル等に解離する解離熱による火炎温度の低下、および発生したラジカルが燃焼反応を促進し、酸素を速やかに消費して、N2とO2の反応する時間を与え難くする作用による。
【0016】
なお、気体燃料とは別に粉体を燃料として供給する構成では、該粉体の溶解に熱が取られて火炎温度が下がり、これによってもNOxの発生は減少する。しかし、気体燃料のみを燃焼させて炉を昇温する際の火炎温度は高く、このときにNOxの発生率が高くなるおそれがある。しかるに、第1実施例の酸素バーナ10では、炉の昇降過程においても前記冷却用ノズル26から水蒸気を噴出することで火炎温度を下げることができ、NOxの発生を低減し得る。
【0017】
【第2実施例】
図4および図5は、第2実施例に係る酸素バーナ28の要部を示すものであって、基本的な構成は第1実施例と同一であるから、異なる部分についてのみ説明する。なお、同一部材には同じ符号を付すものとする。
【0018】
第2実施例の酸素バーナ28では、前記気体燃料用ノズル12の内側中心部に配置されて、冷却媒体として水蒸気を噴出する冷却用ノズル30は、そのノズル先端部が円錐状に形成され、その円錐部30aに、周方向に離間して複数のノズル孔30bが開口している。各ノズル孔30bは、ノズル先端に向かうにつれて中心軸線から離間するよう傾斜し、該ノズル孔30bから水蒸気を中心軸線より外向きに噴出するよう構成される。すなわち、冷却用ノズル30から噴出される水蒸気は、ノズル孔30bから噴出された直後から火炎の外周部に沿って流れ、高温の火炎外周部の温度を効果的に下げることができ、前述した第1実施例と同様にNOxを低減することができる。
【0019】
【第3実施例】
図6および図7は、第3実施例に係る酸素バーナ32の要部を示すものであって、該第3実施例では、冷却媒体として水を用いるよう構成したものである。なお、基本的な構成は第1実施例と同一であるから、異なる部分についてのみ説明し、同一部材には同じ符号を付すものとする。
【0020】
第3実施例の酸素バーナ32では、前記気体燃料用ノズル12の内側中心部に配置される冷却用ノズル34には、冷却媒体として水が供給されるよう構成される。この冷却用ノズル34は、噴霧ノズルであって、そのノズル先端における軸中心に整列して1つのノズル孔34aが開口している。そして、冷却用ノズル34に所定圧(例えば49〜196Pa)で供給された水は、ノズル孔34aから噴霧されるよう構成してある。なお、ノズル孔34aは、水の噴霧パターンがホローコーン状、すなわち軸に直角な断面で見た場合、噴霧された水が外周部に多く分布されるよう設定され、噴霧された水が、火炎の外周部に沿って流れるよう構成される。これにより、高温の火炎外周部の温度を効果的に下げることができ、前述した第1実施例に関して段落番号[0015]で説明した作用と同様の作用を奏する。なお、冷却媒体として水を用いる場合は、前記水蒸気による作用の他に、蒸発潜熱分も加わり、水蒸気よりも少ない量で火炎温度を同程度まで下げることができる。
【0021】
【実験例1】
前述した第1実施例の酸素バーナ10を用い、水蒸気を供給するノズルを変えることで、NOx低減効果および燃焼状態の変化を測定または観察した結果を、表1に示す。このときの各条件は、燃焼量:175kW、燃料:都市ガス13A、支燃ガス:液体酸素を気化した酸素ガス、酸素比m=1.0、水蒸気:気体燃料と等モル供給、粉体輸送:空気、とした。なお、実験例1での代表炉温は、1500℃であった。また、表1において燃焼が不安定なものについては、NOx測定を行なわなかった。
【0022】
[表1]
【0023】
表1に示す結果によれば、1次支燃ガス用ノズルまたは気体燃料用ノズルに水蒸気を供給した場合は、燃焼が極めて不安定となったり、息ずき燃焼を起こす不具合が発生した。また、2次支燃ガス用ノズルに水蒸気を供給した場合は、水蒸気が復水(ドレン化)してノズル先端から水滴として垂れ落ち、火炎中へ有効に供給される水蒸気が減るため、NOx低減効果は低くかった。なお、1次支燃ガス用ノズルまたは気体燃料用ノズルの場合においても、水蒸気が復水(ドレン化)してノズル先端から水滴として垂れ落ちる現象を生じた。
【0024】
これに対し、冷却用ノズルに水蒸気を供給した場合は、水蒸気の復水(ドレン化)は少なく、火炎中に充分な水蒸気が供給できたことで、NOx低減効果に優れ、かつ燃焼が安定する結果が得られた。
【0025】
【実験例2】
次に、第1実施例の酸素バーナ10と第2実施例の酸素バーナ28とにおいて、冷却用ノズルに水蒸気を供給した場合の、NOx低減効果および未燃分低減効果を比較した結果を、表2に示す。なお、燃焼時の条件は、実験例1と同じとした。
【0026】
[表2]
【0027】
表2に示す結果から、冷却用ノズルから水蒸気を、その中心軸線から外向きに噴出するよう構成することで、NOx低減効果および未燃分低減効果の何れもが向上することが判明した。また、第1実施例の構造であっても火炎形状が大きく変化することはないが、第2実施例の構造によれば火炎形状は殆ど変化することはなく、目的とする火炎形状を維持できることが判った。
【0028】
【実験例3】
前述した第3実施例の酸素バーナ32を用い、冷却用ノズルに水を供給した場合の、NOx低減効果および未燃分低減効果を測定した結果を、表3に示す。なお、燃焼時の条件は、実験例1と同じとした。但し、この実験例3では、水は気体燃料と等モル供給すると共に、代表炉温は1450℃であった。
【0029】
[表3]
【0030】
表3に示す結果によれば、目的とする火炎形状を維持した状態で、NOx低減効果および未燃分低減効果の何れもが、水蒸気を供給する場合に比して向上することが判明した。
【0031】
冷却用ノズルのノズル先端は、気体燃料用ノズルのノズル先端に合わせる必要はなく、1次支燃ガス用ノズルのノズル先端と同一面上まで突出させたり、あるいは気体燃料用ノズルのノズル先端から更に後退させてもよい。更に、水を噴出する第3実施例の冷却用ノズルでは、水の噴霧パターンがホローコーン状となるよう設定したが、他のパターンとなるようノズル孔の形状等を適宜に選択することが可能であり、その形成数についても1個に限らず複数であってもよい。
【0032】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明に係る酸素バーナでは、水または水蒸気により火炎温度を下げることで、NOxの発生を抑制することができ、公害防止効果が高い。また構造は簡単で煩雑な制御を必要としないから、設備コストが嵩むこともなく、運転も容易である。更に、火炎形状を大きく変化させることもないから、安定した燃焼が維持され、燃焼効率が低下するのも抑制し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適な第1実施例に係る酸素バーナの要部断面図である。
【図2】第1実施例に係る酸素バーナの正面図である。
【図3】第1実施例に係る酸素バーナの1次支燃ガス用ノズルの断面図である。
【図4】本発明の好適な第2実施例に係る酸素バーナの要部断面図である。
【図5】第2実施例に係る酸素バーナの要部正面図である。
【図6】本発明の好適な第3実施例に係る酸素バーナの要部断面図である。
【図7】第3実施例に係る酸素バーナの要部正面図である。
【符号の説明】
12 気体燃料用ノズル
14 1次支燃ガス用ノズル
16 粉体用ノズル
18 2次支燃ガス用ノズル
26 冷却用ノズル
30 冷却用ノズル
34 冷却用ノズル
Claims (2)
- 中心部から外周部に向かい、水または水蒸気を噴出する冷却用ノズル、気体燃料用ノズル、酸素を主成分とする1次支燃ガス用ノズル、粉体を搬送気体と共に噴出する粉体用ノズル、酸素を主成分とする2次支燃ガス用ノズルが、この順で夫々独立した流路で同心状に配置されている
ことを特徴とする酸素バーナ。 - 前記冷却用ノズルからは、その中心軸線より外向きに水または水蒸気を噴出するよう構成されている請求項1記載の酸素バーナ。
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