JP5704248B2 - 管状火炎バーナー - Google Patents

Description

本発明は、管状火炎バーナーに関するものである。

図１に示すように、管状火炎バーナー１０は、一端が開放された管状の燃焼室１１を有し、この燃焼室１１の閉塞端側に燃料ガスを吹き込むノズル１２と酸素含有ガスを吹き込むノズル１３がその内壁面の接線方向に向けて設けられていて、燃焼室１１内に管状火炎１４を形成するバーナーであり、燃焼設備の小型化と、燃焼条件によっては増加するＮＯｘなどの有害物質、炭化水素などの未燃焼分、煤煙等の環境汚染源を低減することができる画期的なバーナーである（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平１１−２８１０１５号公報 特開２０１２−０９７９１８号公報

このような管状火炎バーナーを熱風発生装置等として使用する場合には、燃焼排ガスを所望の温度に調整する必要があるが、上記の特許文献１には燃焼排ガスの温度調整方法については示されていない。

これに対して、特許文献２には、燃焼室の開放端側に燃焼排ガスの温度調整用ガスを吹き込むノズルを設けて、そのノズルから吹き込まれた温度調整用ガスによって燃焼排ガスの温度調整を行なうことが記載されている。
しかしながら、後述する［発明を実施するための形態］の欄で詳説するように、特許文献２に記載された技術では、失火（燃焼停止）する場合があった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、管状火炎バーナーを熱風発生装置等として使用する場合に対応して、燃焼排ガスの温度を適切に調整することができ、安定した燃焼の継続が可能な、管状火炎バーナーを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］一端が開放された管状の燃焼室を有し、この燃焼室閉塞端側に、燃料ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルがその内壁面の接線方向に向けて設けられている管状火炎バーナーであって、
その燃焼室開放端側に燃焼排ガスの温度調整用ガスを吹き込むノズルが設けられているとともに、該温度調整用ガスを吹き込むノズルから吹き込まれた温度調整用ガスが前記燃料ガス吹き込みノズル側に逆流することを防止する逆流防止手段が設けられている管状火炎バーナー。
［２］前記逆流防止手段は、温度調整用ガスを吹き込むノズルからの温度調整用ガスの吹き出し方向を、管状の燃焼室の管軸に直交する面から１０°〜６０°下流側に傾斜させるものである前記［１］に記載の管状火炎バーナー。

［３］前記逆流防止手段は、温度調整用ガスを吹き込むノズルの上流側に配置された乱流生成機構である前記［１］に記載の管状火炎バーナー。
［４］前記乱流生成機構は、オリフィス、格子、充填層のいずれかである前記［３］に記載の管状火炎バーナー。

［５］前記温度調整用ガス吹き込みノズルは、燃焼室の内径Ｄの２．５〜３．５倍の距離、燃料ガス吹き込みノズルから離れている［１］に記載の管状火炎バーナー。
［６］前記温度調整用ガス吹き込みノズルは、燃焼室の内径Ｄの３．５〜６倍の距離、燃料ガス吹き込みノズルから離れている請求項１に記載の管状火炎バーナー。

［７］ 一端が開放された管状の燃焼室を有し、この燃焼室閉塞端側に、燃料ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルがその内壁面の接線方向に向けて設けられている管状火炎バーナーであって、
その燃焼室開放端側に燃焼排ガスの温度調整用ガスを吹き込むノズルが設けられており、温度調整用ガスを吹き込むノズルからの温度調整用ガスの吹き出し方向が、管状の燃焼室の管軸に直交する面から１０°〜６０°下流側に傾斜している管状火炎バーナー。
［８］前記温度調整用ガスの吹き出し方向が、管状の燃焼室の管軸に直交する面から２５°〜６０°下流側に傾斜している［７］に記載の管状火炎バーナー。

本発明においては、管状火炎バーナーを熱風発生装置等として使用する場合に対応して、燃焼排ガスの温度を適切に調整することができ、安定した燃焼の継続が可能な、管状火炎バーナーとなっている。

従来の管状火炎バーナーを示す図である。 本発明の実施形態において基礎とした管状火炎バーナーを示す図である。 本発明の実施形態１における管状火炎バーナーを示す図である。 本発明の実施形態１における管状火炎バーナーでの温度調整用ガス吹き込みノズル設置位置の横断面図である。 本発明の実施形態１における管状火炎バーナーの他の例を示す図である。 本発明の実施形態１における管状火炎バーナーの他の例での温度調整用ガス吹き込みノズル設置位置の横断面図である。 本発明の実施形態１における管状火炎バーナーの他の例を示す図である。 本発明の実施形態１における管状火炎バーナーの他の例での温度調整用ガス吹き込みノズル設置位置の横断面図である。 本発明の実施形態１における管状火炎バーナーの他の例を示す図である。 本発明の実施形態１における管状火炎バーナーの他の例での温度調整用ガス吹き込みノズル設置位置の横断面図である。 本発明の実施形態２における管状火炎バーナーを示す図である。 本発明の実施形態２における管状火炎バーナーを示す図である。 本発明の実施形態２における管状火炎バーナーを示す図である。 本発明の実施形態２における管状火炎バーナーでの温度調整用ガス吹き込みノズル設置状態を示す横断面図である。 本発明の実施形態２における管状火炎バーナーでの他の温度調整用ガス吹き込みノズル設置状態を示す横断面図である。 本発明の実施形態２における管状火炎バーナーでの他の温度調整用ガス吹き込みノズル設置状態を示す横断面図である。 管状火炎バーナーの性能を確認するための燃焼試験装置を示す図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、特許文献１に記載された従来の管状火炎バーナーを示す図である。そして、図２は、本発明の一実施形態において基礎とした温度調整用ガス吹き込みノズルを有する管状火炎バーナー１０Ａを示すものであり、前述した特許文献２に記載の管状火炎バーナーに対応している。

図２の管状火炎バーナー１０Ａは、図１に示した従来の管状火炎バーナー１０のように、一端が開放された管状の燃焼室１１を有し、この燃焼室１１の閉塞端側に、燃料ガスを吹き込むノズル（燃料ガス吹き込みノズル）１２と酸素含有ガスを吹き込むノズル（酸素含有ガス吹き込みノズル）１３がその内壁面の接線方向に向けて設けられ、燃焼室１１内に管状火炎１４を形成する。さらに、燃料ガス吹き込みノズル１２と酸素含有ガス吹き込みノズル１３に加えて、燃焼室１１の開放端側に燃焼排ガス１９の温度を調整するための温度調整用ガス１７を吹き込むノズル（温度調整用ガス吹き込みノズル）１６が燃焼室１１の内壁面の接線方向に向けて設けられている。

この管状火炎バーナー１０Ａは、温度調整用ガス吹き込みノズル１６から温度調整用ガス１７を吹き込んで混合させることにより、燃焼排ガス１９の温度を調整することができる。

しかしながら、この管状火炎バーナー１０Ａでは、低温（例えば常温）の温度調整用ガス１７を一定量以上吹き込んだ場合、失火（燃焼停止）してしまうことがあった。さらに、燃料ガスの発熱量が低く管状火炎１４の長さが長い場合は、より少量の温度調整用ガス１７で失火が観測された。

そこで、本発明者らは、その失火の原因について、燃焼試験装置を用いた燃焼試験や数値シミュレーションなどによって検討を行った。その結果、この失火は以下のメカニズムで生じることが明らかになった。

（ａ）完全燃焼前における温度調整用ガスの混合による燃焼停止
特許文献１に記載されている従来の管状火炎バーナー１０では、燃焼室１１の長さは燃焼室１１の直径Ｄに対して必ずしも長い必要は無いが、それは温度調整用ガス１７の混合が無い場合に限られる。温度調整用ガス１７の混合がなければ、一度着火した燃料ガスは消えることなく燃焼を完了することができるからである。物質が燃焼するためには、燃料、酸素、ガス温度の３つが不可欠であるが、この管状火炎バーナー１０Ａにおいて、温度調整用ガス１７として常温のガスを管状火炎１４に混合させると、管状火炎１４の温度が急激に低下し失火してしまう。なお、温度調整用ガス１７として、常温の可燃性ガス、空気、不活性ガス（アルゴン）の３種類を使用したが、いずれも失火しており、管状火炎１４の温度低下が最大の原因であることが確認された。

（ｂ）温度調整用ガスの上流への逆流
従来の考え方からすると、この管状火炎バーナー１０Ａでは、温度調整用ガス吹き込みノズル１６から燃焼室１１の内壁面の接線方向に向けて吹き込まれた温度調整用ガス１７は、その吹き込まれた位置から下流側にしか供給されず、上流側の管状火炎１４に影響する（燃焼していた管状火炎１４を消す）とは考えられなかった。しかしながら、実際には、温度調整用ガス１７の吹き込みによって、吹き込み位置および下流側の管状火炎１４の径の縮小だけでなく、上流側の管状火炎１４の径も縮小される現象が燃焼試験で観察された。さらに、数値シミュレーションの結果、たとえ管状火炎１４の排ガス（燃焼排ガス）１９が下流に向かって流れていても、温度調整用ガス吹き込みノズル１６から吹き込まれた後の温度調整用ガス１７がその吹き込み位置から同心円状に拡散しようとして、図２に示すように、短距離ではあるが、温度調整用ガス１７の一部１８が燃焼室１１の内壁面に沿って上流側に遡る（逆流する）ことが分かった。

本発明者らは、以上の結果から、以下の結論が得られた。
失火を的確に防止しつつ、温度調整用ガス１７を混合するには、管状火炎１４を形成するガスである燃料ガスおよび酸素含有ガスが燃焼を完了した後の位置に、温度調整用ガス１７を吹き込み、かつ、温度調整用ガス１７が燃料ガス吹き込みノズル１２側に逆流することを防止する必要がある。具体的には、管状火炎１４が形成される位置より下流に、温度調整用ガス１７を吹き込み、かつ、温度調整用ガス１７が燃料ガス吹き込みノズル１２側に逆流することを防止する必要がある。

そして、逆流の防止を実現するものとして、以下に述べる本発明の実施形態（実施形態１、実施形態２）における管状火炎バーナーを想到した。

実施形態１
図３は、本発明の実施形態１における管状火炎バーナー１０Ｂを示すものであり、図４は、その管状火炎バーナー１０Ｂにおける温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置状態を示す横断面図である。

この実施形態１における管状火炎バーナー１０Ｂでは、図２に示したような、温度調整用ガス１７の一部１８が上流側に逆流するのを防止するようにしている。

すなわち、図３に示すように、温度調整用ガス１７が、管状の燃焼室１１の管軸に直交する方向から所定の角度θだけ下流側に傾斜した方向に向かって吹き込まれるように、温度調整用ガス吹き込みノズル１６を角度θだけ傾斜させて取り付けている。具体的には、角度θを１０°〜６０°としている（１０°≦θ≦６０°）。角度θは、２５°〜６０°であるのが好ましい。

ちなみに、数値シミュレーションにより、角度θが１０°以上では温度調整用ガス１７の逆流が減少し、角度θが４５°で温度調整用ガス１７の逆流が殆ど消滅することが確認されている。また、角度θを６０°以下にすれば、燃焼室１１との干渉が少なく製作が非常に容易になる。

なお、温度調整用ガス１７が角度θだけ下流側に傾斜した方向に向かって吹き込まれるようにするためには、温度調整用ガス吹き込みノズル１６を角度θだけ傾斜させて取り付ける以外に、調整用ガス吹き込みノズル１６の内部に温度調整用ガス１７の流れを角度θだけ傾斜させる機構（例えば整流板２５）を設けることでもよい。

このようにして、この実施形態１における管状火炎バーナー１０Ｂは、温度調整用ガス１７の吹き込み角度を所定の角度θ（１０°≦θ≦６０°）だけ下流側に傾斜させることによって、温度調整用ガス１７の逆流を防止し、その結果、燃焼室１１の長さを短くしたままで、失火を的確に防止しつつ、燃焼排ガス１９の温度を適切に調整することができる。

なお、この管状火炎バーナー１０Ｂでは、図４に温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置の横断面図を示したように、１本の温度調整用ガス吹き込みノズル１６から燃焼室１１の内壁面の接線方向に向けて温度調整用ガス１７を吹き込むようになっているが、他の設置状態をとることも可能である。

例えば、図５に示す管状火炎バーナー１０Ｂ_１の如く、図６にその管状火炎バーナー１０Ｂ_１における温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置の横断面図を示すように、複数本（図６では３本）の温度調整用ガス吹き込みノズル１６から燃焼室１１の内壁面の接線方向に向けて温度調整用ガスを１７吹き込むようにしてもよい。

また、必ずしも燃焼室１１の内壁面の接線方向に向けて温度調整用ガスを吹き込むようにしなくてもよく、図７に示す管状火炎バーナー１０Ｂ_２の如く、図８にその管状火炎バーナー１０Ｂ_２における温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置の横断面図を示すように、所定の本数（図８では３本）の温度調整用ガス吹き込みノズル１６から燃焼室１１の中心部に向けて温度調整用ガス１７を吹き込むようにしてもよい。

さらに、図９に示す管状火炎バーナー１０Ｂ_３の如く、図１０にその管状火炎バーナー１０Ｂ_３における温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置の横断面図を示すように、燃焼室１１の内径を管状火炎１４の先端部近傍で一端縮小し、その縮小した位置で所定の本数（図１０では３本）の温度調整用ガス吹き込みノズル１６から燃焼室１１の中心部に向けて温度調整用ガス１７を吹き込むようにしてもよい。

なお、温度調整用ガス吹き込みノズル１６の形状は、管状火炎バーナー１０Ｂ（図３、図４）のように、矩形断面ノズル（スリットノズル）であってもよいし、管状火炎バーナー１０Ｂ_１（図５、図６）、管状火炎バーナー１０Ｂ_２（図７、図８）、管状火炎バーナー１０Ｂ_３（図９、図１０）のように、円形断面ノズルであってもよい。

要するに、温度調整用ガスの所望の流量・流速が得られるように、温度調整用ガス吹き込みノズル１６の形状と寸法と本数を定めればよい。

実施形態２
図１１、図１２、図１３は、それぞれ本発明の実施形態２における管状火炎バーナー１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅを示すものである。

この実施形態２における管状火炎バーナー１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅでは、管状火炎１４の燃焼を積極的に加速して、燃焼が完了する位置を、自然に燃焼が完了する位置から上流側に移動させ、その下流側に温度調整用ガス吹き込みノズル１６を設置するようにしている。

すなわち、管状火炎１４の下流側でかつ温度調整用ガス吹き込みノズル１６の上流側に乱流生成機構２０を設置して、管状火炎１４の温度を温度調整用ガス１７の逆流により低下させること無く、高温のまま酸素と燃料ガスの混合・燃焼を加速して強制的に燃焼を完了させるようにしている。

具体的には、図１１に示す管状火炎バーナー１０Ｃでは、乱流生成機構２０として、オリフィス２１を設置している。また、図１２に示す管状火炎バーナー１０Ｄでは、乱流生成機構２０として、格子（メッシュ）２２を設置している。また、図１３に示す管状火炎バーナー１０Ｅでは、乱流生成機構２０として、充填層２３（例えば、球状セラミックを焼結させた物）を設置している。

なお、この乱流生成機構２０の設置により、温度調整用ガス１７が燃焼室１１の内壁面に沿って上流側に逆流することが阻止され、管状火炎１４の安定性を損なわせない効果もある。

このようにして、この実施形態２における管状火炎バーナー１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅは、管状火炎１４の下流側に乱流生成機構２０を設置することによって、燃焼室１１の長さを短くしたままで、失火を的確に防止しつつ、燃焼排ガス１９の温度を適切に調整することができる。

なお、この実施形態２（図１１〜図１３）においては、図１４に温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置の横断面図を示すように、１本の温度調整用ガス吹き込みノズル１６から燃焼室１１の内壁面の接線方向に向けて温度調整用ガス１７を吹き込むようになっているが、他の設置状態をとることも可能である。

例えば、図１５に横断面図を示すように、複数本（図１５では３本）の温度調整用ガス吹き込みノズル１６から燃焼室１１の内壁面の接線方向に向けて温度調整用ガスを１７吹き込むようにしてもよい。また、必ずしも燃焼室１１の内壁面の接線方向に向けて温度調整用ガスを吹き込むようにしなくてもよく、例えば、同じく図１６に横断面図を示すように、所定の本数（図１６では３本）の温度調整用ガス吹き込みノズル１６から燃焼室１１の中心部に向けて温度調整用ガス１７を吹き込むようにしてもよい。

なお、温度調整用ガス吹き込みノズル１６の形状は、管状火炎バーナー１０Ｃ（図１１、図１４）、管状火炎バーナー１０Ｄ（図１２、図１４）、管状火炎バーナー１０Ｅ（図１３、図１４）のように、矩形断面ノズル（スリットノズル）であってもよいし、図１５、図１６のように、円形断面ノズルであってもよい。

要するに、温度調整用ガスの所望の流量・流速が得られるように、温度調整用ガス吹き込みノズル１６の形状と寸法と本数を定めればよい。

そして、本発明においては、使用する燃料ガスに特に限定を加えるものではないが、図２に示したようにして温度調整用ガス１７の吹き込みを行うと失火する可能性が高い低発熱量ガスを燃料ガスとして用いる際に、その効果が大きい。前記低発熱量ガスは、例えば、高炉ガス（ＢＦＧ）、ＣＤＱガス、可燃成分を少量含む排ガス等のような発熱量が６００〜９００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、特に６００〜８００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３の低発熱量ガスである。

また、温度調整用ガス吹き込みノズル１６を設置する位置については、管状火炎１４を形成するガス（燃料ガスおよび酸素含有ガス）が燃焼を完了した後の位置が良い。この位置は、燃料ガスの発熱量や燃焼室内でのガス流速によって変わる。

例えば、比較的発熱量が高いガスを燃料ガスとして用いた場合は、燃料ガス吹き込みノズル１２の設置位置と温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置との距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの２．５〜３．５倍となる位置とするのが好ましく、２．５〜３．０倍となる位置が燃焼室１１の長さ（バーナー長）をより短くできるのでより好ましい。

一方、発熱量が８００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３以下の低発熱量ガスを燃料ガスとして用いた場合は、燃料ガス吹き込みノズル１２の設置位置と温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置との距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの３．５〜６倍となる位置とするのが好ましく、４．０〜５．０倍となる位置が燃焼室１１の長さ（バーナー長）をより短くできるのでより好ましい。

このように、燃料ガスの発熱量によって、必要な燃焼室１１の長さ（管状火炎燃焼帯長さ）は変わるが、いずれの場合でも、本発明によって燃焼室１１の長さを短くすることが容易になる。

また、温度調整用ガスについては、燃焼排ガスを所望の温度に調整できるように温度調整用ガスの温度と供給量を設定すればよい。例えば、燃焼排ガスを高炉に予熱ガスとして吹き込む場合、予熱ガスの温度は５００℃以上、好ましくは８００℃以上が望ましいので、このような予熱ガス温度になるように温度調整用ガスの温度と供給量を設定すればよい。その際に、温度調整用ガスに予熱ガスの組成調整という役割も持たせたい場合には、温度調整用ガスとしてＣＯ、Ｈ_２などの還元ガスを含むものが好ましい。例えば、高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガス等の１種以上を用いることができ、特に、高炉ガスの一部を抜き出して温度調整用ガスとして用いることが好ましい。
実施例１

本発明の実施例１として、図１７に示す燃焼試験装置３０を用いて、上述した本発明の実施形態１における管状火炎バーナー１０Ｂの性能の確認を行った。

その際に、炉体３１に取り付けられた管状火炎バーナー１０の燃料ガスとしてはＬＰＧ（プロパンガス）を窒素により１０倍に希釈した希釈ＬＰＧ（希釈プロパンガス、発熱量２４００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）を使用し、酸素含有ガスとしては空気を使用した。そして、それぞれ燃焼室１１の内壁面の接線方向に向かって吹き込まれる燃料ガスの速度と空気の速度が、燃焼室１１内で混合した後のガス速度の約９倍になるように、燃料ガス吹き込みノズル１２と酸素含有ガス吹き込みノズル１３のサイズを調整した。

また、温度調整用ガス１７としては、窒素で１０倍に希釈した希釈ＬＰＧ（希釈プロパンガス）、窒素、空気の３種類を用い、その吹き込み量は燃焼排ガス量と同じとし、吹き込み速度は燃焼室１１内で混合した後のガス速度の約９倍になるように、温度調整用ガス吹き込みノズル１６のサイズを調整した。

なお、燃焼室１１の内径は約２００ｍｍであり、温度調整用ガスの吹き込み位置の影響を調査するため、管状火炎バーナー１０の全長は３ｍとなっている。

そして、温度調整用ガス１７を吹き込まない場合は、燃焼排ガスの温度が２０００℃近くなることから、炉体３１からの燃焼排ガスを散水装置３２によって冷却した後に煙突３３より排出することとした。また、炉体３１全体は耐火物で覆い、上部屋根部分と散水装置３２までの配管は水冷構造とした。管状火炎バーナー１０の後端には、覗き眼鏡、点火プラグ、輝度検知器が設置されており、失火は輝度検知器より検知され、瞬時にプロパンガス供給が停止される機構となっている。

以下に、それぞれの管状火炎バーナーの性能を調査、確認した結果を述べる。なお、温度調整用ガス１７として、希釈ＬＰＧ（希釈プロパンガス）、窒素、空気のいずれを用いた場合も結果は同じであったので、ここでは、温度調整用ガス１７として空気を用いた場合について述べる。

まず、本発明の実施形態１の基礎とした管状火炎バーナー１０Ａの性能を確認するために、燃料ガス吹き込みノズル１２の設置位置から温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置までの距離Ｌを変更する実験を行った。

その結果、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの２．５倍の場合は、温度調整用ガス（空気）を混合すると同時に失火した。温度調整用ガス（空気）を混合した状態では点火プラグによる点火もできなかった。また、距離Ｌが燃焼室の内径Ｄの３倍の場合は、温度調整用ガス（空気）を吹き込むと、燃焼はするものの最長でも２０分しか連続燃焼せず、失火に伴う再点火が不可欠であった。一方、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの３．５倍の場合は、温度調整用ガス（空気）を吹き込んでも連続的に燃焼し、少なくとも６０分の安定燃焼が確認できた。また、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの４倍以上の場合も６０分以上の安定燃焼が確認できた。

これに対して、上述した本発明の実施形態１における管状火炎バーナー１０Ｂの性能を確認するために、温度調整用ガス吹き込みノズル１６の傾斜角度θを３０°にして取り付け、燃料ガス吹き込みノズル１２の設置位置から温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置までの距離Ｌを変更する実験を行った。なお、その際、温度調整用ガス１７の整流効果を上げるために、温度調整用ガス吹き込みノズル１６の内部に４枚の整流板２５を設置した。

その結果、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの２．５倍、３．５倍のいずれの場合も、６０分以上の安定燃焼を確認することができた。

次に、燃料ガスを高炉ガス（発熱量７６０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）に変更するとともに、温度調整用ガス１７も高炉ガスに変更し、酸素含有ガスはそのまま空気を使用して、上記と同様の実験を行なった。

その結果、本発明の実施形態１の基礎とした管状火炎バーナー１０Ａでは、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの３倍の場合は、温度調整用ガス（空気）を混合すると同時に失火した。また、距離Ｌが燃焼室の内径Ｄの３．５倍、４倍、５倍の場合は、それぞれ最長で５分、２０分、６０分の連続燃焼であった。一方、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの６倍の場合は、６０分以上の安定燃焼が確認できた。

これに対して、本発明の実施形態１における管状火炎バーナー１０Ｂでは、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの３倍の場合は、最長で６０分の連続燃焼であった。また、距離Ｌが燃焼室の内径Ｄの３．５倍、４倍、５倍、６倍の場合は、いずれも６０分以上の安定燃焼が確認できた。

なお、本発明の実施形態１における管状火炎バーナー１０Ｂの他の例である管状火炎バーナー１０Ｂ_１（図５、図６）、管状火炎バーナー１０Ｂ_２（図７、図８）、管状火炎バーナー１０Ｂ_３（図９、図１０）についても、上記の管状火炎バーナー１０Ｂに対する実験と同様の実験を行なったところ、いずれも管状火炎バーナー１０Ｂと同様の結果が得られた。

このようにして、本発明の有効性を明らかにすることができた。
実施例２

本発明の実施例２として、図１７に示す燃焼試験装置３０を用いて、上述した本発明の実施形態２における管状火炎バーナー１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅの性能の確認を行った。

その際に、炉体３１に取り付けられた管状火炎バーナー１０の燃料ガスとしてはＬＰＧ（プロパンガス）を窒素により１０倍に希釈した希釈ＬＰＧ（希釈プロパンガス、発熱量２４００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）を使用し、酸素含有ガスとしては空気を使用した。そして、それぞれ燃焼室１１の内壁面の接線方向に向かって吹き込まれる燃料ガスの速度と空気の速度が、燃焼室１１内で混合した後のガス速度の約９倍になるように、燃料ガス吹き込みノズル１２と酸素含有ガス吹き込みノズル１３のサイズを調整した。

また、温度調整用ガス１７としては、窒素で１０倍希釈した希釈ＬＰＧ（希釈プロパンガス）、窒素、空気の３種類を用い、その吹き込み量は燃焼排ガス量と同じとし、吹き込み速度は燃焼室１１内で混合した後のガス速度の約９倍になるように、温度調整用ガス吹き込みノズル１６のサイズを調整した。

なお、燃焼室１１の内径は約２００ｍｍであり、温度調整用ガス１７の吹き込み位置の影響を調査するため、管状火炎バーナー１０の全長は３ｍとなっている。

そして、温度調整用ガス１７を吹き込まない場合は、燃焼排ガスの温度が２０００℃近くなることから、炉体３１からの燃焼排ガスを散水装置３２によって冷却した後に煙突３３より排出することとした。また、炉体３１全体は耐火物で覆い、上部屋根部分と散水装置３２までの配管は水冷構造とした。管状火炎バーナー１０の後端には、覗き眼鏡、点火プラグ、輝度検知器が設置されており、失火は輝度検知器より検知され、瞬時にプロパンガス供給が停止される機構となっている。

以下に、それぞれの管状火炎バーナーの性能を調査、確認した結果を述べる。なお、温度調整用ガス１７として、希釈ＬＰＧ（希釈プロパンガス）、窒素、空気のいずれを用いた場合も結果は同じであったので、ここでは、温度調整用ガス１７として空気を用いた場合について述べる。

まず、実施例１と同様に、本発明の実施形態２の基礎とした管状火炎バーナー１０Ａの性能を確認するために、燃料ガス吹き込みノズル１２の設置位置から温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置までの距離Ｌを変更する実験を行った。

その結果、実施例１と同様に、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの２．５倍の場合は、温度調整用ガス（空気）を混合すると同時に失火した。温度調整用ガス（空気）を混合した状態では点火プラグによる点火もできなかった。また、距離Ｌが燃焼室の内径Ｄの３倍の場合は、温度調整用ガス（空気）を吹き込むと、燃焼はするものの最長でも２０分しか連続燃焼せず、失火に伴う再点火が不可欠であった。一方、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの３．５倍の場合は、温度調整用ガス（空気）を吹き込んでも連続的に燃焼し、少なくとも６０分の安定燃焼が確認できた。また、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの４倍以上の場合も６０分以上の安定燃焼が確認できた。

これに対して、本発明の実施形態２における管状火炎バーナー１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅの性能を確認するために、温度調整用ガス吹き込みノズル１６の直ぐ上流側に乱流生成機構２０（オリフィス２１、格子２２、充填層２３）を設置し、燃料ガス吹き込みノズル１２の設置位置から温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置位置までの距離Ｌを変更する実験を行った。なお、オリフィス２１は内径１２０ｍｍの穴が開いたリング状のセラミック板を用いた。これにより、燃焼室１１の流路断面積が一時的に半減し、圧損が上昇することになる。格子２２はセラミック製の縦と横ともに８本格子の物を用いた。これにより、燃焼室１１の流路断面積が一時的に半減する。充填層２３は燃焼室１１の内径Ｄの１／１０の直径のセラミック粒子を５層分焼結させて用いた。

その結果、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの２．５倍、３．５倍のいずれの場合も、６０分以上の安定燃焼を確認することができた。

次に、燃料ガスを高炉ガス（発熱量７６０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）に変更するとともに、温度調整用ガス１７も高炉ガスに変更し、酸素含有ガスはそのまま空気を使用して、上記と同様の実験を行なった。

その結果、本発明の実施形態２の基礎とした管状火炎バーナー１０Ａでは、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの３倍の場合は、温度調整用ガス（空気）を混合すると同時に失火した。また、距離Ｌが燃焼室の内径Ｄの３．５倍、４倍、５倍の場合は、それぞれ最長で５分、２０分、６０分の連続燃焼であった。一方、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの６倍の場合は、６０分以上の安定燃焼が確認できた。

これに対して、本発明の実施形態２における管状火炎バーナー１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅでは、距離Ｌが燃焼室１１の内径Ｄの３倍の場合は、最長で６０分の連続燃焼であった。また、距離Ｌが燃焼室の内径Ｄの３．５倍、４倍、５倍、６倍の場合は、いずれも６０分以上の安定燃焼が確認できた。

なお、本発明の実施形態２における管状火炎バーナー１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅの温度調整用ガス吹き込みノズル１６の設置状態（図１４）を他の設置状態（図１５、図１６）にした場合についても、上記の管状火炎バーナー１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ（いずれも図１４）に対する実験と同様の実験を行なったところ、いずれの場合も、管状火炎バーナー１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ（いずれも図１４）と同様の結果が得られた。

このようにして、本発明の有効性を明らかにすることができた。

１０ 管状火炎バーナー
１０Ａ 管状火炎バーナー
１０Ｂ 管状火炎バーナー
１０Ｂ_１ 管状火炎バーナー
１０Ｂ_２ 管状火炎バーナー
１０Ｂ_３ 管状火炎バーナー
１０Ｃ 管状火炎バーナー
１０Ｄ 管状火炎バーナー
１０Ｅ 管状火炎バーナー
１１ 燃焼室
１２ 燃料ガス吹き込みノズル
１３ 酸素含有ガス吹き込みノズル
１４ 管状火炎
１６ 温度調整用ガス吹き込みノズル
１７ 温度調整用ガス
１８ 温度調整用ガスの逆流部分
１９ 燃焼排ガス
２０ 乱流生成機構
２１ オリフィス
２２ 格子
２３ 充填層
２５ 整流板
３０ 燃焼試験装置
３１ 炉体
３２ 散水装置
３３ 煙突

Claims (8)

1. 一端が開放された管状の燃焼室を有し、この燃焼室閉塞端側に、燃料ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルがその内壁面の接線方向に向けて設けられている管状火炎バーナーであって、
   その燃焼室開放端側の燃料ガスおよび酸素含有ガスが燃焼を完了した後の位置に燃焼排ガスの温度調整用ガスを吹き込むノズルが設けられているとともに、該温度調整用ガスを吹き込むノズルから吹き込まれた温度調整用ガスが前記燃料ガス吹き込みノズル側に逆流することを防止する逆流防止手段が設けられている管状火炎バーナー。
2. 前記逆流防止手段は、温度調整用ガスを吹き込むノズルからの温度調整用ガスの吹き出し方向を、管状の燃焼室の管軸に直交する面から１０°〜６０°下流側に傾斜させるものである請求項１に記載の管状火炎バーナー。
3. 前記逆流防止手段は、温度調整用ガスを吹き込むノズルの上流側に配置された乱流生成機構である請求項１に記載の管状火炎バーナー。
4. 前記乱流生成機構は、オリフィス、格子、充填層のいずれかである請求項３に記載の管状火炎バーナー。
5. 前記温度調整用ガス吹き込みノズルは、燃焼室の内径Ｄの２．５〜３．５倍の距離、燃料ガス吹き込みノズルから離れている請求項１に記載の管状火炎バーナー。
6. 前記温度調整用ガス吹き込みノズルは、燃焼室の内径Ｄの３．５〜６倍の距離、燃料ガス吹き込みノズルから離れている請求項１に記載の管状火炎バーナー。
7. 一端が開放された管状の燃焼室を有し、この燃焼室閉塞端側に、燃料ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルがその内壁面の接線方向に向けて設けられている管状火炎バーナーであって、
   その燃焼室開放端側の燃料ガスおよび酸素含有ガスが燃焼を完了した後の位置に燃焼排ガスの温度調整用ガスを吹き込むノズルが設けられており、
   温度調整用ガスを吹き込むノズルからの温度調整用ガスの吹き出し方向が、管状の燃焼室の管軸に直交する面から１０°〜６０°下流側に傾斜している管状火炎バーナー。
8. 前記温度調整用ガスの吹き出し方向が、管状の燃焼室の管軸に直交する面から２５°〜６０°下流側に傾斜している請求項７に記載の管状火炎バーナー。

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