JP4482612B1 - 超音速ジェットバーナーとそれを用いた処理炉の運転制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に衝撃波を発生させる超音速ジェットバーナーと、超音速ジェットバーナーを組み込んだ処理炉の制御装置を提供することにある。
【解決手段】超音速ジェットバーナー１は、内筒２７、中筒２５、外筒２１からなる燃焼筒８と、燃料噴射ノズル１５を有する燃焼筒基部１１と、内筒２７の一端側の周壁に設けられた空気噴出孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃと、下流側の内筒２７の内周面に設けた空気噴出ノズル２９と、内筒２７の他端側に接続されたジェット噴出ノズル３１と、を有する。空気噴出孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、中心軸Ｘに向けて設けられている。空気噴出ノズル２９は、中心軸Ｘに向け、かつ、燃焼ガスの流れ方向に所定角度傾けて、周方向に９０°離間して中心軸Ｘ方向に３段に配置されている。空気噴出ノズル２９から噴出された空気により、領域Ｒ４Ａに高温燃焼領域を形成するとともに、その外側の環状の領域Ｒ４Ｂの希薄燃焼領域を形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、衝撃波を発生できる超音速ジェットバーナーと、超音速ジェットバーナーを組み込んで被処理物を粉砕、乾燥させる処理炉の運転制御装置に関する。

この種のバーナーには、特許文献１に記載された超音速ジェットバーナーが知られている。特許文献１に記載の技術では、バーナー本体の基部に燃料を噴射する燃料注入ノズル体を配置し、円筒状のバーナー本体の燃焼筒は、燃焼路をその内部に有する内筒と、内筒の外側に配置された同軸の中筒と、中筒の外側に配置された同軸の外筒とよりなる。そして、燃料注入ノズルから噴射された燃料は、バーナー本体の基部の傾斜孔から噴出された空気の旋回流により燃焼する旋回燃焼流部を有している。さらに、内筒と中筒との間の環状空間、中筒の切り欠き部、及び中筒と外筒との間の環状空間が連通された空気供給路を形成し、内筒を冷却することで加熱された高圧空気を内筒に設けた傾斜孔から噴出させ、内筒内に旋回流を発生させ、渦巻高温燃焼部を形成する。さらに、この渦巻高温燃焼部の前方に高温高圧の燃焼室を設け、燃焼ガスの流速を音速以上に上げる狭窄絞り状の衝撃波変換部を形成し、先端のラッパ状の吐出口から燃焼ガスを噴出させる。

特許第３６９１０４９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来技術では、燃料過多の状態の旋回燃焼流部及び追加の空気を供給されて燃焼する渦巻高温燃焼部とも、内筒内の燃焼路において旋回流を生じさせるように筒内に空気を噴出させる傾斜孔を用いている。このように旋回流を生じさせると、灯油等の液体燃料を用いた場合に、内筒の中心軸から径方向外側へ向かって遠心力により未燃の燃料が拡散され、内筒の内周壁面近くまで高温燃焼領域が広がるとともに、内筒の中心軸近くの温度が低下してしまう。その結果、燃料と空気の混合気が爆発的に燃焼（これを爆燃という）する燃焼路内での体積領域が小さくなり、内筒内の燃焼における爆発的膨張の度合いが小さくなる。そして、衝撃波変換部で衝撃波を発生させるためには、燃料注入ノズルから噴射させる燃料流量をより多くする必要があり、超音速ジェットバーナーの燃料の効率が悪かった。
また、内筒の内周壁面への加熱量も多くなり、内筒の耐久性も短くなる可能性がある。

そこで、本発明の目的は、効率的に衝撃波を発生させる超音速ジェットバーナーと、その超音速ジェットバーナーを組み込んだ処理炉の制御装置を提供することにある。

前記した目的を達成するため、第１の発明は、外周に空気供給と熱交換を兼ねた空気供給路を有する内筒、中筒、外筒からなる同軸多重構造の筒構成を有する燃焼筒と、内筒はその内部が燃焼路であり、内筒内の一端側に形成された予混合領域に燃料を噴射する燃料噴射ノズルを有する燃焼筒基部と、内筒の外周側を冷却して加熱された空気を空気供給路から予混合領域に噴出させ、燃料噴射ノズルから噴射された燃料に空気を供給し攪拌する、内筒の前記一端側の周壁に設けられた空気噴出孔と、内筒の予混合領域より下流側の内周面から径方向内側に突出させ、内筒の外周側を冷却して加熱された空気を空気供給路から噴出させ、予混合領域の燃料−空気の混合気にさらに空気を供給する空気噴出ノズルと、内筒の他端側に設けられ、その内径を漸次縮径してスロート部を形成したジェット噴出ノズルと、燃料−空気の混合気に着火する着火手段と、を有する超音速ジェットバーナーであって、
着火手段の着火部は、予混合領域内に突出させて配置され、空気噴出孔は、内筒の中心軸に向けて内筒の前記一端側の周壁に複数設けられ、空気噴出ノズルは、内筒の中心軸に向け、かつ、内筒内の燃焼ガスの流れ方向に沿うように所定角度傾けて、周方向に複数配置するとともに、内筒の中心軸方向に少なくとも複数段に配置して構成されており、予混合領域において燃料−空気の混合気が着火部により一度着火されると、定常火炎を維持しつつ、未燃焼の燃料を含んだ燃焼ガスが下流側に押し出され、空気噴出ノズルから噴出された空気により、内筒の中心軸回りの中央領域に高温燃焼領域を形成するとともに、その外側に環状の希薄燃焼領域を形成し、ジェット噴出ノズルから衝撃波を発生させて燃焼ガスを噴出させることを特徴とする。

特に、内筒の予混合領域に臨む空気噴出孔は、その空気噴出孔から噴出される空気流が内筒の中心軸上で、互いに衝突するように設定することが望ましい。

本発明によれば、予混合領域から押し出される未燃焼の燃料を含んだ燃焼ガスが、内筒の中心軸周りに旋回流を生じることなく、さらに、予混合領域の下流において複数の空気噴出ノズルから噴出された空気流により、旋回流を生じることなく、空気噴出ノズルの下流側に中心軸に沿った中央領域に高温燃焼領域を形成することができ、その外側に環状の希薄燃焼領域を形成することができる。その結果、高温燃焼領域において爆燃を連続的に維持するに十分な燃料濃度を維持することができるとともに、それに対応する空気量が供給でき、爆燃による爆発的膨張が、効率的に生じる。
高温燃焼領域で生成した燃焼ガスは、その径方向外方の環状の希薄燃焼領域の燃焼ガスをも巻き込んで、ジェット噴出ノズルにおいてスロート部までその内径を漸次縮径された部分で加速され、ジェット噴出ノズルの開口端から衝撃波を伴った燃焼ガスとして噴出される。つまり、衝撃波を伴った燃焼ガスをジェット噴出ノズルの開口端から効率的に噴出させることができる。

第２の発明は、第１の発明の超音速ジェットバーナーが組み込まれた処理炉と、燃料噴射ノズルに供給される燃料の流量を調節する燃料流量調節手段と、空気供給路に供給される空気の流量を調節する空気流量調節手段と、処理炉の炉内温度を計測する炉温度計測手段と、処理炉の内圧を計測する炉圧計測手段と、燃料流量調節手段及び空気流量調節手段を制御する制御手段と、を備える処理炉の運転制御装置において、制御手段は、炉温度計測手段からの前記炉内温度にもとづいて、前記燃料流量調節手段及び前記空気流量調節手段を制御するとともに、炉圧計測手段により計測された処理炉の内圧にもとづいて、ジェット噴出ノズルの開口端から衝撃波が発生するように燃料流量調節手段及び空気流量調節手段を制御することを特徴とする。

本発明によれば、処理炉内の温度を所定の値に維持するように燃料供給量と空気供給量を制御するとともに、被処理物が超音速ジェットバーナーのジェット噴出ノズルの開口端から噴出される燃焼ガスが衝撃波を伴い、その衝撃波で被処理物が粉砕されるように超音速ジェットバーナーの運転を維持できる。

本発明によれば、効率的に衝撃波を発生させる超音速ジェットバーナーと、その超音速ジェットバーナーを組み込んだ処理炉の制御装置を提供できる。

本発明の実施形態に係る超音速ジェットバーナーを適用した処理装置の全体模式図である。 本発明の実施形態に係る超音速ジェットバーナーの縦断面図である。 内筒の燃焼筒基部側の部分拡大側面図である。 制御盤の機能構成図である。 超音速ジェットバーナーの運転状態を示す説明図である。

次に、本発明の好適な実施形態である超音速ジェットバーナーを例に、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
《処理装置の全体概要》
まず、図１を参照しながら本発明の実施形態に係る超音速ジェットバーナーを適用した処理装置の全体概要について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る超音速ジェットバーナーを適用した処理装置の全体模式図である。処理装置１００は、主に、超音速ジェットバーナー１、処理炉３、集塵機５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，６等から構成される。処理炉３は、炉上部３ａと炉底部３ｂの上下に分割された構成である。超音速ジェットバーナー１は、処理炉３の炉上部３ａに設けたフランジ付きの取り付け管３ｃ内に挿入されて組み込まれ、超音速ジェットバーナー１の後記するジェット噴出ノズル３１（図２参照）から吐出される衝撃波ＳＷを伴った燃焼ガスを、炉底部３ｂ内の被処理物Ｗ、例えば、汚泥や、養殖牡蠣等の廃棄貝殻等に当てて、加熱乾燥するとともに粉砕するものである。
そのため、処理装置１００は、被処理物Ｗを処理炉３に供給するホッパ２、処理炉３で加熱乾燥及び粉砕処理された被処理物Ｗの粉末を回収する集塵機５Ａ，５Ｂ，５Ｃ、集塵機６を備えている。ここで、集塵機５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、例えば、サイクロン式集塵機であり、３段に連続して処理炉３の出口から燃焼ガスとともに排出される被処理物Ｗの処理された粉末を、気体と分離し、集塵機５Ａ，５Ｂ，５Ｃの下部に貯める。集塵機５Ａ，５Ｂ，５Ｃの下部に溜まった粉末は、取出部５ａから取り出される。集塵機５Ｃの後流に配管で接続された集塵機６は、例えば、バグフィルタで構成される。

ちなみに、ホッパ２の下部には、モータ２ｂで駆動されるスクリュー２ａが配置され、ホッパ２内の被処理物Ｗを炉底部３ｂ内に送り込む。

処理装置１００は、そのほかに燃料タンク４１、燃料ポンプ４２、流量調節弁（燃料流量調節手段）４３、流量計４４、圧力計４５を含む超音速ジェットバーナー１に燃料を供給するための燃料供給系と、エアコンプレッサ４７、流量調節弁（空気流量調節手段）４８、流量計４９、圧力計５１を含む超音速ジェットバーナー１に空気を供給するための空気供給系と、処理装置１００の運転を制御するための制御盤（制御手段）２００とを含んで構成される。
以下では、燃料として、灯油を用いる場合を例に説明する。
前記した処理炉３には、処理炉３内の温度、特に、炉底部３ｂ内の炉内温度Ｔ１（図４参照）を計測する温度計（炉温度計測手段）５５、処理炉３内の圧力Ｐ１（図４参照、以下では炉内圧力Ｐ１と称する）を計測する圧力計（炉圧計測手段）５６、炉上部３ａの炉出口温度Ｔ２（図４参照）を計測する温度計５７が設けられている。
また、炉上部３ａには、処理炉３の運転状態を目視で監視可能なように監視窓３ｄが設けられ、超音速ジェットバーナー１から噴出される燃焼ガスが衝撃波ＳＷを伴った状態で噴出されていることを確認可能な構成としている。この衝撃波ＳＷは、ダイヤモンド・ショックと呼ばれ、衝撃波ＳＷが複数連続して維持される状態であることが望ましい。

制御盤２００には、表示装置２００ａ、起動ボタン２００ｂ、停止ボタン２００ｃが設けられ、前記した流量計４４，４９、圧力計４５，５１，５６、温度計５５，５７等の信号が入力される。そして、制御盤２００は、後記するマイクロコンピュータ２０１（図４参照）を備え、前記した各種の信号の値を表示装置２００ａに表示したり、燃料ポンプ４２、エアコンプレッサ４７の起動・停止の制御をしたり、流量調節弁４３，４８の開度を調節して、超音速ジェットバーナー１の運転を制御する。
制御盤２００の詳細な構成については、図４の説明の中で後記する。

《超音速ジェットバーナー》
次に、図２、図３を参照しながら超音速ジェットバーナー１の構造について説明する。図２は、本発明の実施形態に係る超音速ジェットバーナーの縦断面図である。超音速ジェットバーナー１は、主に燃焼筒基部１１、外筒２１、中筒２５、内筒２７から構成されている。
超音速ジェットバーナー１は、中心軸Ｘ沿って燃焼路７を有する内筒２７の外に同軸に中筒２５、外筒２１の順に配置したものであり、内筒２７の燃焼筒基部１１側（一端側）を燃焼筒基部１１で閉じ、内筒２７の先端側（他端側、図２において下端側）に、狭窄絞り形状に、つまり、その内径を中心軸Ｘ方向の先端側に向かって漸次縮径させた縮径部３１ａと、それに続くスロート部３１ｂとを有するジェット噴出ノズル３１を接続して、その開口端から燃焼ガスを噴出させる構造としたものである。ここで、外筒２１、中筒２５、内筒２７が燃焼筒８を構成する。
以下に、各部の詳細な構造と作用を説明する。

（燃焼筒基部）
燃焼筒基部１１は、図２に示すように、主に、円盤フランジ形状の入口基板１３、中間基板１４、外筒取り付け基板２２から構成される。
（燃焼筒基部−入口基板）
図２において、入口基板１３の中心部に燃料噴射ノズル１５が、ねじ込み式に取り付けられている。燃料噴射ノズル１５の先端には、多数の噴射孔１５ａが設けられ燃料を霧状に噴射可能になっている。また、燃料噴射ノズル１５の傍には、点火プラグ１６が配置されている。点火プラグ１６は、例えば、碍子管１６ａ中に１本の導線を封じたものを２本、入口基板１３にねじ込み、その導線の先端に、例えば、タングステン棒のような高温に耐える金属棒１６ｂを接続し、金属棒１６ｂの先端が火花放電可能に互いに接近させたものである。金属棒１６ｂの長さは、その先端が、後記する予混合領域Ｒ１（図５参照）に届くようにしてある。

図２において入口基板１３の中心部から径方向外側に外れた位置に、中心軸Ｘに並行方向に空気通路孔１３ａが、複数環状に設けられ、その上面側は、入口基板１３に設けられた環状の加圧空気ヘッダ１９に連通している。加圧空気ヘッダ１９の外周面の所定の箇所に加圧空気入口ノズル１７が取り付けられ、前記した空気供給系（図１参照）と接続される。
入口基板１３の加圧空気ヘッダ１９よりもさらに径方向外側に入口基板１３と中間基板１４をボルト１８で締付けるためのボルト孔１３ｂが複数穿かれている。
入口基板１３の図２における下面側には、空気通路孔１３ａの環状の配置の径方向内側と径方向外側に環状のガスケットＧ１，Ｇ２が配置され、中間基板１４の図２における上面とが対向するように構成されている。

（燃焼筒基部−中間基板）
中間基板１４は、中央に中空孔１４ｅを有する円盤フランジ形状であり、前記した環状配列の空気通路孔１３ａに対応するように空気通路孔１４ａが、空気通路孔１３ａと同一内径で、かつ、同一個数穿かれている。また、中間基板１４の径方向外端近傍に周方向に複数のボルト孔１４ｂが、ボルト孔１３ｂに対応して設けられ、ボルト１８がボルト孔１３ｂ，１４ｂを挿通できるように構成されている。
ちなみに、前記した空気通路孔１３ａ，１４ａは、ボルト孔１３ｂ，１４ｂを対応させたとき、同時に対応するようにしてある。

中間基板１４の図２における下面側には、環状に複数配置された空気通路孔１４ａをその径方向幅に含むように環状の溝部１４ｄが設けられている。溝部１４ｄの内周側壁と中筒２５の内周面とを合わせるようにして、中筒２５が、中間基板１４の図２における下面側と隅肉溶接されている。ちなみに、中筒２５は図２に示すように、カラー部２５ａと本体部２５ｂとから構成され、先ずカラー部２５ａを中間基板１４に隅肉溶接した後、カラー部２５ａと本体部２５ｂを突合せ溶接して１本の中筒２５としている。中筒２５は、中間基板１４側が中間基板１４に溶接固定され、先端側（図２における下面側）は、何等の支持もされていない開放管の構造である。

また、中間基板１４の中空孔１４ｅは、図２において下方側に階段状に拡径された段差部１４ｆを有しており、内筒２７の燃焼筒基部１１側の端部の外周面が、段差部１４ｆの内周面に対向する形で挿入される。室温時には、中間基板１４と内筒２７の燃焼筒基部１１側の端部とは、距離Ｌ２だけ軸方向に重なり、段差部１４ｆの上端と内筒２７の上端面との間には間隙Ｌ１が確保される構成となっている。これは、超音速ジェットバーナー１が運転状態の場合、外筒２１よりも内筒２７の方が高温になり、内筒２７の軸方向伸びが大きくなり、段差部１４ｆの上端に内筒２７の上端面が突き当たるのを防止するためである。
さらに、中間基板１４の図２における下面側には、溝部１４ｄの径方向外側に前記した外筒取り付け基板２２の対向面との間に環状のガスケットＧ３を挟みこめるように、有底の雌ねじ孔１４ｃが環状に複数配置され設けられている。

（燃焼筒基部−外筒取り付け基板）
外筒取り付け基板２２は、図２に示すように中央に中空孔を有する円盤フランジ形状であり、外筒２１の燃焼筒基部１１側の外周面に隅肉溶接されている。外筒２１の燃焼筒基部１１側の端部は、図２に示すように外筒取り付け基板２２の上面側に突出しており、その外周面と前記した溝部１４ｄの外周側面とを合わせるようにして、溝部１４ｄの底面（図２において溝部１４ｄの天井面）に突き当てるように構成されている。そして、外筒取り付け基板２２の外周側には、前記した雌ねじ孔１４ｃに対応するようにボルト孔２２ａが環状に複数個穿かれ、ボルト２３で中間基板１４にボルト締め可能な構成になっている。

ちなみに、図２に示すように空気通路孔１４ａは、溝部１４ｄの底面において外筒２１の内周面と中筒２５の外周面との間にその開口部が臨み、外筒２１と中筒２５との間の環状通路３５と連通している。
外筒２１の先端（図２における下端）は、外径が外筒２１と同一径であり、中央に中空孔を有した円盤フランジ形状の端板（第１の端板）２４が溶接されている。端板２４には周方向に複数の雌ねじ孔２４ａが穿かれている。

（内筒）
次に、図２、図３を参照しながら内筒２７の詳細な構造について説明する。図３は、内筒の燃焼筒基部側の部分拡大側面図である。
内筒２７の燃焼筒基部１１側の端面から所定距離、例えば、距離（Ｌ１＋Ｌ２）以上、中心軸Ｘ方向に離れた位置から先端側に向かって、ジェット噴出ノズル３１と接続される位置まで、内筒２７の外周面には所定のピッチで螺旋状のフィン２８が溶接固定されている。フィン２８の外径は、中筒２５の内周面との間に間隙をわずかに有するように設定してある。前記した端板２４の中央の中空孔の内径は、中筒２５の内径と同じとする。そして、フィン２８の外径が端板２４の中央の中空孔内及び中筒２５内を挿通可能とする。
このようにフィン２８の外径を設定することにより、内筒２７を中筒２５内に挿入して、内筒２７の燃焼筒基部１１側の端部２７ｅ（図３参照）を、前記した中間基板１４の段差部１４ｆの中に挿入する際の案内となり、容易に内筒２７を組み込むことができる。

内筒２７の端部２７ｅから図３において下側には、中心軸Ｘ方向に等距離離間させた３段の空気噴出孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃが、周方向に複数個穿設されている。
最下段の空気噴出孔２７ａは、例えば、中心軸Ｘ周りに、例えば、９０°離間させ、空気噴出孔２７ａの図示しない軸線を、内筒２７の外周面から燃焼筒基部１１側に傾けて（図２において上に傾けて）、中心軸Ｘと交差するように穿孔されている。
中段の空気噴出孔２７ｂは、例えば、中心軸Ｘ周りに、例えば、９０°離間させ、空気噴出孔２７ｂの図示しない軸線を、内筒２７の外周面から中心軸Ｘと直交するように穿孔されている。
最上段の空気噴出孔２７ｃは、例えば、中心軸Ｘ周りに、例えば、９０°離間させ、空気噴出孔２７ｃの図示しない軸線を、内筒２７の外周面から先端側に傾けて（図２において下に傾けて）、中心軸Ｘと交差するように穿孔されている。
なお、図２では空気噴出孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃの周方向の位置は、縦断面での説明上、中心軸Ｘ回りの同一周方向角度位置としてあるが、実際は、図３に示すように、例えば、４５°ずらし、燃料噴射ノズル１５から噴射された燃料と空気噴出孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃから噴射された空気を効率よく混合するように配置されることが好ましい。

さらに、空気噴出孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃの個数と、その孔径は、燃料噴射ノズル１５から噴射される燃料流量の理論的な空燃比から求まる所定の空気量の、例えば、３０％を供給することを目安とすることが望ましい。

また、図２に示すように最下段の空気噴出孔２７ａの中心軸Ｘ方向位置から先端側に所定距離離間した位置、例えば、フィン２８の２ピッチ分の距離離間した位置から下側に、中心軸Ｘ方向に等距離離間させた、例えば、３段のノズル取り付け孔２７ｄを、周方向に複数個穿設し、空気噴出ノズル２９を溶接固定する。このノズル取り付け孔２７ｄの図示しない軸線は、先端側（図２において下側に）に、つまり、下流側（燃焼ガスの流れ方向）に向かって所定の角度傾け、かつ、中心軸Ｘと交差するように穿孔されている。そして、空気噴出孔２７ａに挿入して内筒２７の外周面側で溶接される円筒管状の空気噴出ノズル２９は、その図示しない軸線を内筒２７の内周壁から内側に下流側に傾けて前記所定角で溶接固定される。
前記所定角は、例えば、中心軸Ｘと直交する状態から下流側に３０°傾けたものである。

なお、図２では、３段に設けられた空気噴出ノズル２９同士の周方向の位置は、縦断面での説明上、中心軸Ｘ回りの同一周方向角度位置としてあるが、実際は、図３に示すように、上下段の空気噴出ノズル２９、２９の間では、例えば、４５°ずらし、空気噴出ノズル２９から噴射された空気を周方向にできるだけ均一に内筒２７内に供給するように配置されることが好ましい。
さらに、空気噴出ノズル２９の個数と、その孔径は、燃料噴射ノズル１５から噴射される燃料量の理論的な空燃比から求まる所定の空気量の、例えば、７０％を超える、つまり、空気噴出孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃから供給される空気流量と燃料噴射ノズル１５から供給される空気流量の合計が、燃料噴射ノズル１５から噴射される燃料流量の理論的な空燃比から求まる所定の空気量よりもやや過多とすることが望ましい。この過多とする度合いは、実験的に予め求めて適宜設定する。

図２に示すように内筒２７の先端側（図２において下端側）には、前記したようにジェット噴出ノズル３１が溶接接続されている。ジェット噴出ノズル３１のスロート部３１ｂの外周面には、中央に中空孔を有した円盤フランジ形状の端板（第２の端板）３２が溶接固定されている。端板３２の外形は外筒２１の外径と同一であり、その外周側に環状に配列された複数のボルト孔３２ａが、前記した雌ねじ孔２４ａに対応させて穿かれている。そして、端板２４の雌ねじ孔２４ａにボルト３３をねじ込むことにより端板２４と端板３２とが締結固定される。図２では、端板２４と端板３２との対向面は、平滑な加工面とし、ボルト締めにより密着し、ガスケットは介在させないものとしているがガスケットを、介在させても良い。ガスケットを介在させる場合は、ガスケットは、耐熱性の高いものが望ましい。
ちなみに、スロート部３１ｂは、直管形状をしており、端板３２の図２における下面側より下方に突出してその開口端を燃焼筒８の外部に露出している。

なお、図２においては、縮径部３１ａの内周面の中心軸Ｘ方向の断面形状が、直線テーパ形状にして示してあるが、それに限定されず、径方向内方側に向けて膨出させ滑らかに連続した凸形状とし、滑らかにスロート部３１ｂにつながるような断面形状でも良い。

以上のように、外筒２１、中筒２５、内筒２７が構成されることにより、図２に示すように外筒２１の内周面と中筒２５の外周面との間の環状通路３５を下方に通過する空気は、中筒２５の先端（図２において下端）と外筒２１の端板２４との間の間隙部３６を経て、中筒２５の内周面と内筒２７の外周面との間の環状通路３７をフィン２８により案内されて螺旋状に旋回して昇流し、空気噴出ノズル２９から内筒２７内に空気を噴出させるとともに、さらに昇流して空気噴出孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃからも内筒２７内に空気を噴出させる。
ここで、環状通路３５，３７、間隙部３６が、特許請求の範囲に記載の「空気供給路」を構成する。

なお、特に、入口基板１３、中間基板１４、外筒取り付け基板２２、外筒２１、中筒２５、内筒２７、ジェット噴出ノズル３１、端板２４，３２等の部材としては耐熱ステンレス鋼が適する。また、入口基板１３、中間基板１４、外筒取り付け基板２２、外筒２１、内筒２７、端板２４，３２，ジェット噴出ノズル３１等は、超音速ジェットバーナー１の内圧により変形しないような耐圧強度を有する厚さの設計とする。

（制御盤）
次に、図４を参照しながら制御盤２００について説明する。図４は、制御盤の機能構成図である。
ここで、制御盤２００は、その筺体のパネルの表面に液晶表示装置等の表示装置２００ａ、起動ボタン２００ｂ、停止ボタン２００ｃを備え、筺体内部にマイクロコンピュータ２０１、インタフェース回路２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２ｃ、制御回路２０３等を備えている。マイクロコンピュータ２０１は、制御プログラムを記憶させた、例えば、外付けＲＯＭ（図示せず）を含んでおり、その記憶された制御プログラムをＲＯＭから読み出して、処理装置１００の運転制御、具体的には、超音速ジェットバーナー１の燃料供給系や空気供給系を制御する。
この制御プログラムは、炉内圧力Ｐ１をパラメータにして、ジェット噴出ノズル３１（図２参照）からダイヤモンド・ショックと謂われる衝撃波ＳＷ（図１参照）を伴って燃焼ガスが噴出される条件となる燃料流量Ｆｆ、大気圧に換算の空気流量Ｆａとなる値がテーブルまたは関数の形のデータとして含んでいる。以下、このテーブルまたは関数の形のデータを衝撃波発生条件データと称する。

この衝撃波発生条件データは、超音速ジェットバーナー１の寸法諸元、具体的には、内筒２７の内径や中心軸Ｘ方向の長さ、ジェット噴出ノズル３１の寸法諸元（縮径部３１ａの形状を示す寸法やスロート部３１ｂの内径等）、空気噴出孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃの個数やその孔径、空気噴出ノズル２９の個数やその孔径等に依存するので、適宜予め実験的に求めることが好ましい。

インタフェース回路２０２Ａは、流量計４４，４９からの燃料流量Ｆｆ、空気流量Ｆａの信号、圧力計４５，５１，５６からの燃料供給圧力Ｐｆ、空気供給圧力Ｐａ、炉内圧力Ｐ１の信号、温度計５５，５７からの炉内温度Ｔ１、炉出口温度Ｔ２の信号を取り込む回路であり、必要に応じてそれぞれの信号毎に処理回路が設けられマイクロコンピュータ２０１に入力されているが、ここでは総括してインタフェース回路２０２Ａと表示している。
インタフェース回路２０２Ｂは、起動ボタン２００ｂ、停止ボタン２００ｃのスイッチ接点信号を処理する回路を含んでおり、起動ボタン２００ｂ、停止ボタン２００ｃが押下されたことを検出してマイクロコンピュータ２０１に入力する。

インタフェース回路２０２Ｃは、マイクロコンピュータ２０１から表示装置２００ａに表示出力させる信号を処理する回路である。
マイクロコンピュータ２０１は、制御プログラムを実行して、表示装置２００ａに炉内温度Ｔ１（°Ｃ）、炉出口温度Ｔ２（°Ｃ）、炉内圧力Ｐ１（ＭＰａ）、燃料供給圧力Ｐｆ（ＭＰａ）、燃料流量Ｆｆ（ｍ³／ｓｅｃ）、空気供給圧力Ｐａ（ＭＰａ）、空気流量（ｍ³／ｓｅｃ）等のデータを表示する。
ここで、マイクロコンピュータ２０１は、炉内圧力Ｐ１（ＭＰａ）、燃料供給圧力Ｐｆ（ＭＰａ）、空気供給圧力Ｐａ（ＭＰａ）を、例えば、ゲージ圧で表示し、空気流量（ｍ³／ｓｅｃ）は、流量計４９からの空気流量Ｆａの信号を、燃料供給圧力Ｐｆを用いて大気圧の体積流量（ｍ³／ｓｅｃ）に換算して表示する。

制御回路２０３は、マイクロコンピュータ２０１からの制御出力信号を受け、操作員の起動ボタン２００ｂまたは停止ボタン２００ｃの操作によって燃料供給系の前記した燃料ポンプ４２のモータへの電源をオン／オフしたり、前記した空気供給系のエアコンプレッサ４７のモータへの電源をオン／オフしたり、前記した点火プラグ１６への高圧電源（図示せず）を起動ボタン２００ｂが押下された後の所定の時間だけオン状態にして点火制御したりする、シーケンス制御コントローラや、モータコントローラやスイッチ回路等を含んでいる。

制御回路２０３は、マイクロコンピュータ２０１からの制御出力信号を受け、流量調節弁４３，４８の開度をそれぞれ個別に制御する弁制御回路をも含んでいる。
マイクロコンピュータ２０１が、炉内温度Ｔ１、炉内圧力Ｐ１を監視し、炉内温度Ｔ１を所定の目標温度の範囲に制御するように燃料供給系の流量調節弁４３の開度と空気供給系の流量調節弁４８の開度の目標値を演算し、前記した弁制御回路に出力する。それぞれの弁制御回路は、マイクロコンピュータ２０１からの開度目標値に従って流量調節弁４３，４８の開度を調節する。その際、マイクロコンピュータ２０１は、前記した衝撃波発生条件データに基づいて、燃料流量Ｆｆと大気圧換算された空気流量Ｆａを最適値に維持するように流量調節弁４３と流量調節弁４８のそれぞれの開度の目標値を算出し制御出力信号として出力する。

次に、図５を参照しながら超音速ジェットバーナー１の運転状態について説明する。図５は、超音速ジェットバーナーの運転状態を示す説明図である。以下では、燃焼の状態を模式的に領域に分けて説明する。
前記した燃料供給系から供給された燃料は、燃料噴射ノズル１５の先端から中間基板１４の中央の中空孔１４ｅ内に噴射され、液滴となって内筒２７の燃焼筒基部１１側に入る。
前記した空気供給系から供給された空気は、加圧空気入口ノズル１７から加圧空気ヘッダ１９に入り、矢印Ａ１に示すように空気通路孔１３ａ，１４ａを経て、環状通路３５に入る。そして、矢印Ａ２に示すように環状通路３５を流下し、間隙部３６において矢印Ａ３に示すように反転して環状通路３７を矢印Ａ４に示すように旋回しながら、内筒２７及びフィン２８を冷却して、つまり、加熱されて昇流する。
加熱された空気の大半は、約７０％程度が、矢印Ａ５ａ，Ａ５ｂ，Ａ５ｃで示すように３段に設けられた空気噴出ノズル２９から内筒２７の中心軸Ｘに向けて、内筒２７における燃焼ガスの流れ方向に（図５において下方向に）沿うように傾けて噴出される。残りの加熱された空気、約３０％は、さらに、環状通路３７を旋回しながら昇流して、矢印Ａ６ａ，Ａ６ｂ，Ａ６ｃで示すように空気噴出孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃから内筒２７の中心軸Ｘに向けて、噴出される。

図５において内筒２７内の燃焼筒基部１１側の一点鎖線で囲って示した予混合領域Ｒ１では、燃料噴射ノズル１５から噴射された燃料と空気噴出孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃから内筒２７内に噴出された空気とが攪拌混合される。このとき、空気噴出孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃから内筒２７内に噴出された空気流が中心軸Ｘ上で相互に衝突するように空気噴出孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃが穿設されているので燃料と空気の混合が促進される。超音速ジェットバーナー１の起動時に点火プラグ１６でこの予混合領域Ｒ１の燃料−空気の混合気に着火されると、この予混合領域Ｒ１では、理論的空燃比よりも燃料過多の状態であり、火炎伝播の燃焼を維持し、未燃の燃料を含んだ燃焼ガスが中心軸Ｘの下方向に押し出され領域Ｒ２を下方に進む。この領域Ｒ２では、空気噴出ノズル２９に到るまでの間に火炎伝播の燃焼による燃料の蒸発、混合が促進される。

空気噴出ノズル２９の位置から下方に向かって始まる領域Ｒ３では、空気噴出ノズル２９からさらに追加の空気が中心軸Ｘの下流側に向けて噴射される。内筒２７の内周面から中心軸Ｘに向けて空気噴出ノズル２９から追加の空気が、噴流状態で供給されることにより、領域Ｒ３では未燃焼の燃料と追加の空気が攪拌され、燃焼が爆発的に進む爆燃状態となる。しかし、領域Ｒ３では、外側から中心軸Ｘに向けて空燃比の分布を若干生じ、中心軸Ｘ近傍には、燃料過多の状態が残る。それが、空気噴出ノズル２９の最下段の位置を過ぎる領域Ｒ４（図５において領域Ｒ４Ａ，Ｒ４Ｂで表示）に入ると、中心軸Ｘ近傍の領域（高温燃焼領域）Ｒ４Ａも攪拌が進み、燃焼が爆発的に進む爆燃状態となり、領域Ｒ３で爆燃状態となった環状部の領域（希薄燃焼領域）４Ｂは、最下段の空気噴出ノズル２９から供給された空気により、逆に空気が過多な希薄燃焼領域となる。このように、領域Ｒ３、Ｒ４において爆燃状態を生じるので、急激な燃焼ガスの膨張となり、圧力が高まった燃焼ガスがジェット噴出ノズル３１に向けて領域Ｒ５に到る。

なお、最下段の空気噴射ノズル２９から下方の内筒２７の内周面には、領域Ｒ６で示したような空気の層が生じ、内筒２７の内周面が直接高温の燃焼ガスに晒されない領域を形成する。
ちなみに、領域Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４Ａ，Ｒ４Ｂ，Ｒ５内の温度分布を模式的に、ドットの濃さで示してあるが、最も燃焼ガスの温度が高いのは、中心軸Ｘ近傍の高温燃焼領域であるＲ４Ａであり、その中心軸Ｘ方向の上下、外周側はそれよりも低い燃焼ガスの温度となることを示している。

このように、予混合領域Ｒ１においても、また、中心軸Ｘ方向に３段に設けられた空気噴出ノズル２９から空気を追加されて燃焼する領域Ｒ３においても、燃焼ガスに中心軸Ｘ回りの旋回流を生じさせないように空気を噴出させることにより、高温燃焼領域である領域Ｒ４Ａにおいて爆燃を連続的に維持するに十分な燃料濃度を維持することができるとともに、それに対応する空気量が供給でき、爆燃による爆発的膨張が、効率的に生じる。
ここで、仮に、特許文献１に記載の技術のように、特に、空気噴出ノズル２９の向きを中心軸Ｘから所定の角度ずらして領域Ｒ３において中心軸Ｘ周りに旋回流を生じさせるように空気を噴射すると、高温燃焼領域である領域Ｒ４Ａの径方向範囲が広くなり、爆燃条件を維持できる中心軸Ｘ方向の範囲が短くなり、結果として領域Ｒ４Ａの最高温度を低下させることになる。
つまり、爆燃による燃焼ガスの急膨張の度合いが弱くなり、より多い燃料を必要とする。

これに対し、本実施形態では、空気噴出ノズル２９が周方向に９０°の間隔で配置し、中心軸Ｘに向けつつ、燃焼ガスの流れ方向（図５において下側方向）に傾けてあるので、１本の空気噴出ノズル２９から噴出される空気の噴流は、周方向に対向して配置された１本の空気噴出ノズル２９から噴出される空気の噴流と中心軸Ｘ上で相互に衝突しあうような形となる。従って、高温燃焼領域であるＲ４Ａを中心軸Ｘに向けて圧縮するように作用し、高温燃焼領域であるＲ４Ａの径方向外方側へ広がるのを抑制し、爆燃条件を維持しやすい。そして、その領域Ｒ４Ａの外側に形成される環状の領域Ｒ４Ｂでは、空気過多の希薄燃焼領域となり、燃料を完全燃焼させることができる。
つまり、爆燃による燃焼ガスの急膨張の度合いが強くなり、より少ない燃料で効率的に爆燃を維持できる。
また、高温燃焼領域Ｒ４Ａを中心軸Ｘの近傍に形成し、内筒２７の内周壁面からと遠ざけることができ、内筒２７の内周壁面への加熱を減少でき、内筒２７の耐久性も長くできる。

領域Ｒ５を下方に流れた燃焼ガスは、ジェット噴出ノズル３１の縮径部３１ａで、燃焼ガスの圧力が燃焼ガスの速度の加速に変換され、スロート部３１ｂの開口端から処理炉３（図１参照）内に排気ジェット（燃焼ガス）が噴出する。スロート部３１ｂの開口の壁面端（図５において下端）から発生する斜め衝撃波によって、公知のように排気ジェットは圧縮されるが、自由ジェット境界面からの反射波の影響で膨張と圧縮を繰り返し、前記したダイヤモンド・ショックという衝撃波が見られる（「ロケット工学」、木村逸郎著、１９９３年１月２７日 第１版発行、株式会社養賢堂 参照）。
この衝撃波ＳＷ（図１参照）を伴った燃焼ガスを被処理物Ｗ（図１参照）に当てることにより、被処理物Ｗが破砕されるとともに、燃焼ガスの温度のみならず衝撃波ＳＷのエネルギも熱に変換され、被処理物Ｗに加えられ加熱乾燥される。
ちなみに、試運転の結果では、炉内温度Ｔ１は、９００℃を超えることができ、炉出口温度Ｔ２は１００℃程度とすることができる。

本実施形態によれば、炉内圧力Ｐ１を参照して、衝撃波発生条件データに基づいて燃料供給量と空気供給量をマイクロコンピュータ２０１が制御するので、炉内温度Ｔ１を所定の値に維持するように燃料供給量と空気供給量を制御するとともに、被処理物Ｗが超音速ジェットバーナー１のジェット噴出ノズル３１の開口端から噴出される燃焼ガスが衝撃波を伴い、その衝撃波で被処理物が粉砕されるように超音速ジェットバーナー１の運転を維持できる。処理炉３内の被処理物Ｗの加熱乾燥、破砕に要するエネルギ量等によって炉内圧力Ｐ１が変化しても、衝撃波ＳＷを伴う燃焼ガスの噴出状態の超音速ジェットバーナー１の運転が自動的に維持される。

次に、図２に戻って本実施形態の超音速ジェットバーナー１の組立方法を説明する。例えば、中間基板１４の図２における上面側を下にし、中筒２５を上にして、その上面側に傷が付かないように組立用の板材（例えば、木製の板）に立てる。ガスケットＧ３を中間基板１４の図２における下面側に設定して、中筒２５を外筒取り付け基板２２の中央の中空孔に挿通させて中間基板１４にボルト２３で締付け固定することにより、中筒２５と外筒２１の組立が完了する。そして、外筒２１の端板２４の中央の中空孔から内筒２７との端部２７ｅ（図３参照）を挿通させた後、フィン２８の径方向外側の縁を中筒２５の内周面で案内させて、中間基盤１４の段差部１４ｆに端部２７ｅを嵌め込む。その後、ジェット噴出ノズル３１に溶接された端板３２のボルト孔３２ａにボルト３３を挿通させて雌ねじ孔２４ａに締め付け固定する。これによりジェット噴出ノズル３１を含む内筒２７を容易に組み付けられる。
入口基板１３と中間基板１４とは、その後ボルト１８で締結すれば良い。
なお、図１に示した取り付け管３ｃのフランジのボルト孔と、入口基板１３及び中間基板１４のボルト孔１３ａ，１４ｂが対応するように予め設計しておくと、処理炉３への超音速ジェットバーナー１の取り付け固定と、入口基板１３と中間基板１４との締め付け固定とが兼用可能となる。
以上のように、本実施形態によれば、容易にボルト締結で超音速ジェットバーナー１が組み立てられる。

本実施形態では、燃料として灯油を例に説明したが、燃料はそれに限定されるものではなく、メタンやプロパン等の気体燃料、他のケロシン等の液体燃料を用いても良い。また、本実施形態では点火プラグ１６による火花放電によるとしたがそれに限定されるものではなく、適宜燃料の種類に応じて、例えば、プリデトネータ方式を用いても良い。

１ 超音速ジェットバーナー
３ 処理炉
３ａ 炉上部
３ｂ 炉底部
３ｃ 取り付け管
３ｄ 監視窓
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 集塵機
６ 集塵機
７ 燃焼路
８ 燃焼筒
１１ 燃焼筒基部
１３ 入口基板
１３ａ 空気通路孔
１４ 中間基板
１４ａ 空気通路孔
１４ｄ 溝部
１４ｅ 中空孔
１４ｆ 段差部
１５ 燃料噴射ノズル
１６ 点火プラグ（着火手段）
１６ａ 碍子管
１６ｂ 金属棒
１７ 加圧空気入口ノズル
１８ ボルト
１９ 加圧空気ヘッダ
２１ 外筒
２２ 外筒取り付け基板
２４ 端板（第１の端板）
２５ 中筒
２７ 内筒
２７ａ，２７ｂ９，２７ｃ 空気噴出孔
２７ｄ ノズル取り付け孔
２７ｅ 端部
２８ フィン
２９ 空気噴出ノズル
３１ ジェット噴出ノズル
３１ａ 縮径部
３１ｂ スロート部
３２ 端板（第２の端板）
３５，３７ 環状通路（空気供給路）
３６ 間隙部（空気供給路）
４１ 燃料タンク
４２ 燃料ポンプ
４３ 流量調節弁（燃料流量調節手段）
４４ 流量計
４５ 圧力計
４７ エアコンプレッサ
４８ 流量調節弁（空気流量調節手段）
４９ 流量計
５１ 圧力計
５５ 温度計（炉温度計測手段）
５６ 圧力計（炉圧計測手段）
５７ 温度計
１００ 処理装置
２００ 制御盤（制御手段）
２０１ マイクロコンピュータ
Ｒ１ 予混合領域
Ｒ４Ａ 領域（高温燃焼領域）
Ｒ４Ｂ 領域（希薄燃焼領域）
ＳＷ 衝撃波
Ｔ１ 炉内温度
Ｔ２ 炉出口温度
Ｗ 被処理物
Ｘ 中心軸

Claims (3)

1. 外周に空気供給と熱交換を兼ねた空気供給路を有する内筒、中筒、外筒からなる同軸多重構造の筒構成を有する燃焼筒と、
   前記内筒はその内部が燃焼路であり、前記内筒内の一端側に形成された予混合領域に燃料を噴射する燃料噴射ノズルを有する燃焼筒基部と、
   前記内筒の外周側を冷却して加熱された空気を前記空気供給路から前記予混合領域に噴出させ、前記燃料噴射ノズルから噴射された燃料に空気を供給し攪拌する、前記内筒の前記一端側の周壁に設けられた空気噴出孔と、
   前記内筒の前記予混合領域より下流側の内周面から径方向内側に突出させ、前記内筒の外周側を冷却して加熱された空気を前記空気供給路から噴出させ、前記予混合領域の燃料−空気の混合気にさらに空気を供給する空気噴出ノズルと、
   前記内筒の他端側に設けられ、その内径を漸次縮径してスロート部を形成したジェット噴出ノズルと、
   前記燃料−空気の混合気に着火する着火手段と、を有する超音速ジェットバーナーであって、
   前記着火手段の着火部は、前記予混合領域内に突出させて配置され、
   前記空気噴出孔は、前記内筒の中心軸に向けて前記内筒の前記一端側の周壁に複数設けられ、
   前記空気噴出ノズルは、前記内筒の中心軸に向け、かつ、前記内筒内の燃焼ガスの流れ方向に沿うように所定角度傾けて、周方向に複数配置するとともに、前記内筒の中心軸方向に少なくとも複数段に配置して構成されており、
   前記予混合領域において前記燃料−空気の混合気が前記着火部により一度着火されると、定常火炎を維持しつつ、未燃焼の燃料を含んだ燃焼ガスが下流側に押し出され、
   前記空気噴出ノズルから噴出された空気により、前記内筒の中心軸回りの中央領域に高温燃焼領域を形成するとともに、その外側に環状の希薄燃焼領域を形成し、
   前記ジェット噴出ノズルから衝撃波を発生させて燃焼ガスを噴出させることを特徴とする超音速ジェットバーナー。
2. 前記燃焼基部は、
   前記中筒の一端側と溶接固定され、中央に中空孔を有する中間基板と、
   前記外筒の一端側と溶接固定され、中央に中空孔を有する外筒取り付け基板と、を含んで構成され、
   前記外筒は、他端側に、中央に中空孔を有する第１の端板を溶接固定されて有し、
   前記内筒の他端側に接続された前記ジェット噴出ノズルは、前記スロート部の外周面に第２の端板を溶接固定されて有し、
   前記内筒は、その外周面に前記中心軸の軸方向の所定の区間にわたって、螺旋状のフィンを溶接固定されて有するとともに、前記フィンの外径が前記中筒の内周面との間に所定の間隙を有し、
   前記外筒取り付け基板の中央の中空孔に前記中筒を挿通させて、前記中間基板と前記外筒取り付け基板とをボルト固定し、
   前記内筒の前記一端側を前記第１の端板の中央の中空孔及び前記中筒内に挿入し、その挿入の際に前記フィンが前記中筒の内周面に案内されて前記中間基板の中央の中空孔と嵌め合わされ、その後に前記第１の端板と前記第２の端板とをボルト固定して、前記燃焼筒を組み立てることを特徴とする請求項１に記載の超音速ジェットバーナー。
3. 請求項１に記載の超音速ジェットバーナーが組み込まれた処理炉と、
   前記燃料噴射ノズルに供給される燃料の流量を調節する燃料流量調節手段と、
   前記空気供給路に供給される空気の流量を調節する空気流量調節手段と、
   前記処理炉の炉内温度を計測する炉温度計測手段と、
   前記処理炉の内圧を計測する炉圧計測手段と、
   前記燃料流量調節手段及び前記空気流量調節手段を制御する制御手段と、を備える処理炉の運転制御装置において、
   前記制御手段は、
   前記炉温度計測手段からの前記炉内温度にもとづいて、前記燃料流量調節手段及び前記空気流量調節手段を制御するとともに、前記炉圧計測手段により計測された前記処理炉の内圧にもとづいて、前記ジェット噴出ノズルの開口端から衝撃波が発生するように前記燃料流量調節手段及び前記空気流量調節手段を制御することを特徴とする処理炉の運転制御装置。

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