JP4910129B2

JP4910129B2 - 長尺バーナ

Info

Publication number: JP4910129B2
Application number: JP2006111459A
Authority: JP
Inventors: 文士張
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2026-04-14
Also published as: JP2007285552A

Description

本発明はバーナに係り、より詳細には、重油などの燃料油に水を混ぜて混合したエマルジョン燃料油と水素ガスと酸素ガスとを噴射する噴射ノズルを有し、ノズル先端で混合燃焼させ火炎を作り出す長尺なバーナに関する。

一般に、図４に示すように、エマルジョン燃料油は、燃料タンク４０の重油と、給水タンク４１の水とをポンプ４２、４３で引いて攪拌器４５に送り、例えば燃料油と水を８：２の割合で、乳化剤などを加えて乳化したものである。これは水の粒子が油で囲まれていることから、Ｗ／Ｏ型（ｗａｔｅｒｉｎｏｉｌ）と呼ばれる。これをエマルジョン燃料油タンク４６に備蓄しておいて、ボイラーや焼却炉などにポンプ４４で供給している。

通常、重油などを直接燃やすと煤塵が多く発生するが、燃料油に水を混合し乳化させたエマルジョン燃料油として燃やすと、燃料に含まれる微細な水の粒子が高温下で一気に膨張蒸発し、燃料油を粉砕して完全燃焼させる。このため、煤塵が少なく、また、水の粒子の影響で燃焼温度が低いので、燃焼のために供給した空気に含まれる窒素と反応して生成されるＮＯｘ（窒素酸化物）の量も少ないとの利点を有する。（特許文献１参照）

図５に示すように、水素ガスと酸素ガスは、例えば、アルカリ電解水の電気分解により得ることができる。電解槽５０で生成された水素ガスは水素の気液分離タンク５１に蓄えられる。また、酸素ガスは酸素の気液分離タンク５２に蓄えられる。さらに、水素ガスの一時蓄積タンク５３、酸素ガスの一時蓄積タンク５４に格納されて、供給先に送られる。
水素ガスと酸素ガスを燃やすと約２８００℃もの高温が得られ、燃料油と水を混合したエマルジョン燃料油の燃焼に適している。しかし、これまでは、エマルジョン燃料油を噴射するノズルと、水素ガスと酸素ガスを噴射するノズルは別々に設けられていた。そのため、ボイラーまたは炉のバーナの位置や方向を均一な燃焼のための条件が複雑となっていた。
特開平５−２７９６７６号公報

本発明は上記のような問題点を解決するために創出されたもので、本発明の目的は、エマルジョン燃料油と水素ガスと酸素ガスの３つを噴射する噴射ノズルを設け、噴射されたエマルジョン燃料油を完全燃焼させて火炎を作り出す長尺バーナを提供することにある。

本発明による長尺バーナは、一端にエマルジョン燃料油と水素ガスと酸素ガスの各供給口を有し、他端に噴射ノズルを有し、前記噴射ノズルは、中央に設けられてエマルジョン燃料油が噴射される第１のノズル口、第１のノズル口の周囲に設けられて酸素ガスが噴射される第２のノズル口、第２のノズル口の周囲に設けられて水素ガスが噴射される第３のノズル口を備えた同心円状の重管構造を備えたことを特徴とする。

本発明によるもう１つの長尺バーナは、一端にエマルジョン燃料油と水素ガスと酸素ガスの各供給口を有し、他端に噴射ノズルを有し、前記噴射ノズルは、中央に設けられエマルジョン燃料油が噴射される第１の噴射孔と、第１の噴射孔を囲むように設けられ酸素ガスが噴射される複数の第２の噴射孔と、第２の噴射孔を囲むように設けられ水素ガスが噴射される複数の第３の噴射孔を有していることを特徴とする。

本発明による長尺バーナは、内部がタングステン材質で形成されると共に、外部が前記タングステン材質と同じ膨張率のセラミック耐熱材で覆われていることが好ましい。

噴射ノズルから、エマルジョン燃料油を囲むように酸素ガスが、さらに酸素ガスを囲むように水素ガスが噴射され、水素ガスと酸素ガスが効率よく燃焼されて高熱が得られるので、エマルジョン燃料油を完全燃焼させることができる。
また、火炎はエマルジョン燃料油の水の含有量が多くても消えることがない。さらに、事前に水素ガスと酸素ガスの混合ガスを作り出す機器も必要ない。
エマルジョン燃料油と酸素ガスと水素ガスの供給管を融点が３３８７℃のタングステンで形成し、外部をセラミック耐熱材で覆ったので、先端のノズルを含めて高温に耐えることができる。

以下、本発明の好ましい実施例を、図面を参照して説明する。

本発明によるバーナを高温燃焼炉に適用した場合のバーナの断面図を図１に示す。図１に示すように、本実施例でのバーナ１０は、炉口から炉内に向けて火炎１１を吐き出す装置として使用している。バーナ１０は中央にエマルジョン燃料油が、その周りに水素ガスが、さらにその周りに酸素ガスが供給される構造である。

バーナ１０の先端は噴射ノズル１２となっている。噴射ノズルの径は約６０ｍｍである。また、噴射ノズルは円筒状で細長い長尺な構造としている。バーナ１０は、図１の左側の一端に示すように、エマルジョン燃料油２０が管１９に、酸素ガス２１が管１８に、水素ガス２２が管１７に供給される。エマルジョン燃料油２０は、図４のようなエマルジョン燃料油生成装置の出力２００を利用することができる。水素ガスと酸素ガスは図５のような水素・酸素ガス生成装置の水素ガス出力２２０と酸素ガス出力２１０を利用することができる。

エマルジョン燃料油２０の供給量は、炉の大きさにもよるが、１０〜５０リットル／ｈといった値である。水素ガスと酸素ガスの供給量は、図５に示すように、水を電気分解して得られた水素ガスと酸素ガスを直ちに消費するなら、水素ガスと酸素ガスの生成能力が供給能力に一致し、例えば、必要に応じて水素ガスが２０００〜５０００リットル／ｈ、酸素ガスはこの半分で１０００〜２５００リットル／ｈなどの生成装置を選択することができる。水素ガスと酸素ガスの圧力は、水道水の圧力より低いガス圧で扱うことができる。

燃焼炉のバーナの場合、噴射ノズル１２の周りには、管１６から供給される燃焼用空気２３が与えられる。これは水素ガスと酸素ガスが燃えて、その高熱によってエマルジョン燃料油が燃焼し、生成された火炎を炉内に送り出すものである。
同時に、空気中には約２１％の酸素が含まれており、バーナ１０から供給される酸素ガスと共に、炉内での燃焼を推進する。ただし、燃焼のための酸素は、窒素が含まれない酸素ガスが大部分を負担するので、ＮＯｘの量を減らすことができる。

炉口は、キャスタブル１５で形成している。高強度、高耐熱性、耐酸性を持たせるため、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などが使用される。アルミナは１８００℃程度までの高温に耐えられる。

バーナ１０の長さは約１ｍとしている。これは、噴射ノズルの周りは高温雰囲気となるから、この影響を避けるためにも長尺な形状が便利である。バーナ１０の材料としてタングステンを使用している。タングステンは高温に強く、成形加工が容易である。主な特性は、融点が３３８７℃、熱伝導度が９００℃にて１１５（Ｗ／ｍ・Ｋ）、熱膨張率が４．５（１０^−６／Ｋ）である。参考までに、モリブデンを例にとると、融点が２６２３℃、熱伝導度が９００℃にて１０８（Ｗ／ｍ・Ｋ）、熱膨張率が５．３（１０^−６／Ｋ）である。噴射ノズルの近傍は高温になることを想定するとタングステンがベストである。

図２は、本発明による第１の実施例であり、噴射ノズル１２を図１のＡ−Ａ方向から見た正面図である。図２に示すように、この噴射ノズルは、中央に管３０が、その周りに管３１が、さらにその周りに管３２が配置された同軸の、３重管構造を有している。管３０の内部３４を通ってエマルジョン燃料油２０が、管３０と管３１の隙間３５を通って酸素ガス２１が、管３１と管３２の隙間３６を通って水素ガス２２が噴射される。支持部材３７が管３０、３１、３２が互いに接触しないように挿入されている。

３重管の外部は、セラミック耐熱材３３で覆っている。すなわち、バーナ１０を熱絶縁材料で覆って、高熱が外部出て他の部材に影響を与えないようにしている。熱を絶縁するエンジニアリングセラミックスとしては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化珪素（ＳｉＣ）などが知られる。使用可能な耐熱温度は、それぞれ１８００℃、１０００℃、１４００℃である。なお、熱膨張率は、それぞれ８．１、３．１、４．２である。ここでは、管を覆うのでタングステンの熱膨張率に合せて炭化珪素を主体に使用している。さらに、セラミックスには耐熱塗料を塗っている。

バーナ１０の直径Ｌ２は６０ｍｍで、セラミック耐熱材３３の厚みは約１５ｍｍである。管の厚みは約２．５ｍｍである。中央の管３０の内径は約５ｍｍである。

図３は、本発明による第２の実施例であり、噴射ノズル１２を図１のＡ−Ａ方向から見た正面図である。図３に示すように、この噴射ノズルは、中央にエマルジョン燃料油噴射孔６３が、その周りに８個の酸素ガス噴射孔６２が、さらにその周りに１６個の水素ガス噴射孔６１が形成されている。これらの孔はタングステンを材質とする１つの円筒状の部材６０に形成したものである。水素ガスと酸素ガスは２：１の比で消費するので、孔の数が２倍の関係にある。３重管ではないので、図２のような支持部材３７は必要ない。なお、円筒状の部材６０の周囲はセラミック耐熱材３３で覆っている。

第２の実施例におけるバーナ１０の直径Ｌ３も６０ｍｍとしている。セラミック耐熱材３３の厚みは、約１５ｍｍである。中央の孔の内径は約５ｍｍである。周囲の穴の内径は約２．５ｍｍである。

エマルジョン燃料油に含まれる水の粒子は高熱で一気に気化する。水は水蒸気になるとその体積は１８００倍になる。また、炉内は水素ガスと酸素ガスと燃料油の燃焼によって１２００℃にされるから、温度による体積増が約３倍強あって、合せて５８００倍の増加となる。これによって、水の粒子を囲んでいた燃料油が粉砕されて完全燃焼が行われる。このような水素ガスと酸素ガスとエマルジョン燃料油の混合燃焼には本実施例のようなバーナが好適である。

本発明は、エマルジョン燃料油と酸素ガスと水素ガスの３つを噴射するバーナに適用することができる。

本発明による実施例で、バーナを高温燃焼炉に適用した場合の断面図である。本発明によるバーナの第１の実施例である。本バーナの噴射ノズル方向から見た正面図である。本発明によるバーナの第２の実施例である。本バーナの噴射ノズル方向から見た正面図である。エマルジョン燃料油生成装置の一例である。水素・酸素ガス生成装置の一例である。

符号の説明

１０バーナ
１１火炎
１２噴射ノズル
１５キャスタブル
１６、１７、１８、１９管
２０エナルジョン燃料油
２１酸素ガス
２２水素ガス
２３燃焼用空気
３０、３１、３２管
３３セラミック耐熱材
３４管３０の内部
３５管３０と管３１の隙間
３６管３１と管３２の隙間
３７支持部材
６０円筒状の部材
６１水素ガス噴射孔
６２酸素ガス噴射孔
６３エマルジョン燃料油噴射孔

Claims

一端にエマルジョン燃料油と水素ガスと酸素ガスの各供給口を有し、他端に噴射ノズルを有し、前記噴射ノズルは、中央に設けられてエマルジョン燃料油が噴射される第１のノズル口、第１のノズル口の周囲に設けられて酸素ガスが噴射される第２のノズル口、第２のノズル口の周囲に設けられて水素ガスが噴射される第３のノズル口を備えた同心円状の重管構造を備えたことを特徴とする長尺バーナ。
一端にエマルジョン燃料油と水素ガスと酸素ガスの各供給口を有し、他端に噴射ノズルを有し、前記噴射ノズルは、中央に設けられエマルジョン燃料油が噴射される第１の噴射孔と、第１の噴射孔を囲むように設けられ酸素ガスが噴射される複数の第２の噴射孔と、第２の噴射孔を囲むように設けられ水素ガスが噴射される複数の第３の噴射孔を有していることを特徴とする長尺バーナ。
内部がタングステン材質で形成されると共に、外部が前記タングステン材質と同じ膨張率のセラミック耐熱材で覆われていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の長尺バーナ。