JP6690779B2 - 加熱装置および加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、バーナを備える加熱装置に関し、特に、高い吐出速度においても失火することなく安定して火炎を保持することが可能であり、極めて高い効率で加熱を行うことができる加熱装置に関する。また本発明は、前記加熱装置を用いた加熱方法に関する。

物品の加熱方法としては、熱風加熱、赤外線加熱、電気ヒーターによる加熱、誘導加熱など、様々な方法が知られているが、中でもバーナによる加熱は様々な用途において極めて一般的に用いられている。

図８は、従来用いられている予混合燃焼バーナの一例を示す模式図である。予混合燃焼バーナ１００では、可燃性の燃料ガス１０１と空気１０２とが予混合燃焼バーナ１００の内部で予め混合されて混合ガスとされ、前記混合ガスは予混合燃焼バーナ１００から吐出されて燃焼することによって火炎１０３が形成される。

このようなバーナで形成した火炎を用いて直接加熱を行う場合、火炎から被加熱物表面への伝熱量Ｑは熱伝達係数αに比例し、前記熱伝達係数αは火炎の吐出速度Ｖ₀に依存する。例えば、円形の開口を有するバーナを用いる場合、熱伝達係数αはＶ₀ ^1/2に比例する。また、複数のノズルを一直線上に並べて配置したラインバーナの場合、熱伝達係数αはＶ₀ ^0.58に比例する。したがって、バーナによる加熱効率を向上させるためには、吐出速度を高めることが求められる。

しかし、吐出速度を高めるために単純に燃料ガスや空気の流速を上げると火炎が不安定となり、さらに流速を上げると、燃焼速度とガス流速との釣り合いが破れ、火炎が下流へ吹き飛ばされて消える、いわゆる吹き消えが生じてしまう。そのため、従来のバーナでは吐出速度を大きく増加させることができず、したがって加熱効率の向上に限界があった。

そこで、火炎を安定させて吹き消えを抑制する方法として、主バーナと、前記主バーナにおける燃焼を助勢する袖火バーナとを備えたバーナを用いる方法が提案されている（特許文献１）。

特開２０１３−１９４９９１号公報

特許文献１のバーナによれば、火炎を安定化し、火炎温度を上昇させることができる。しかし、上述した吐出速度向上の面では特許文献１で提案されているバーナであっても十分とはいえず、加熱効率の向上のために、さらに高い吐出速度で安定して使用できるバーナを備えた加熱装置の開発が求められている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高い吐出速度においても失火することなく安定して火炎を保持することが可能であり、極めて高い効率で加熱を行うことができる加熱装置を提供することを目的とする。また、本発明は、前記加熱装置を用いた加熱方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために検討を行った結果、主バーナ部と袖火バーナ部とを特定の位置関係で設けたバーナを用いることにより、例えば、５０Ｎｍ／ｓ以上といった極めて高い吐出速度でも安定して火炎を保持できることを知見した。本発明は前記知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は、次のとおりである。

１．バーナを備える加熱装置であって、
前記バーナが、
燃料ガスを吐出する燃料ガスノズルと燃焼用空気を吐出する空気ノズルとを備える主バーナ部と、
前記主バーナ部よりも外側に位置し、前記主バーナ部から吐出される燃料ガスを燃焼させるための袖火バーナ部とを備える、加熱装置。

２．前記主バーナ部が、前記燃料ガスノズルおよび前記空気ノズルの一方または両方の上流側に均圧室を備える、上記１に記載の加熱装置。

３．前記燃料ガスノズルおよび前記空気ノズルが直管構造である、上記１または２に記載の加熱装置。

４．前記バーナの先端に、底部と、該底部から該バーナの先端に向かって漸次拡幅するテーパー部とを有する凹部が設けられており、
前記主バーナ部が前記底部に配置されており、
前記袖火バーナ部が前記テーパー部に配置されている、上記１〜３のいずれか一項に記載の加熱装置。

５．前記底部および前記テーパー部のなす角度θが２０°以上である、上記４に記載の加熱装置。

６．前記袖火バーナ部が面燃焼バーナである、上記１〜５のいずれか一項に記載の加熱装置。

７．前記袖火バーナ部が、直径ｄの管形ノズルおよび短辺方向の幅ｄのスリットノズルから選択される袖火ノズルを備え、
前記袖火ノズルの先端が、前記テーパー部の表面からｄ以上１５ｄ以下奥まった位置に設けられている、上記４または５に記載の加熱装置。

８．前記主バーナ部における流量と前記袖火バーナ部における流量とを独立して調整可能な流量調整手段を備える、上記１〜７のいずれか一項に記載の加熱装置。

９．上記１〜８のいずれか一項に記載の加熱装置を用いて加熱する、加熱方法。

１０．前記主バーナ部から吐出される燃料ガスと燃焼用空気のそれぞれの吐出速度が５０Ｎｍ／ｓ以上である、上記９に記載の加熱方法。

１１．前記主バーナ部から吐出される燃料ガスの流量Ｆ１と前記袖火バーナ部から吐出される袖火用燃料ガスの流量Ｆ２の比、Ｆ１：Ｆ２を、７０：３０〜８５：１５とする、請求項９または１０に記載の加熱方法。

本発明によれば、高い吐出速度においても失火することなく安定して火炎を保持することが可能となり、極めて高い効率で加熱を行うことができる。

本発明の一実施形態におけるバーナの構造を示す模式図である。 本発明の一実施形態における主バーナ部の構造を示す模式図である。 本発明の一実施形態における袖火バーナ部の構造を示す模式図である。 本発明の他の実施形態における袖火バーナ部の構造を示す模式図である。 実施例および比較例の各バーナにおける吐出速度を示す図である。 実施例および比較例の各バーナにおける加熱力を示す図である。 比較例１と実施例１のバーナにおける温度分布の測定例を示す図である。 従来の予混合燃焼バーナの一例を示す模式図である。

次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明は、本発明の好適な実施態様を示すものであり、本発明は以下の説明によって何ら限定されるものではない。

本発明の加熱装置はバーナを備える加熱装置であって、前記バーナが主バーナ部と袖火バーナ部とを備えている。前記主バーナ部は、燃料ガスを吐出する燃料ガスノズルと燃焼用空気を吐出する空気ノズルとを備えており、前記主バーナ部から吐出された燃料ガスと空気とが燃焼することにより、被加熱物を加熱するための火炎を形成する。また、前記袖火バーナ部は、前記主バーナ部から吐出される燃料ガスに着火するための機能を有するものである。

ここで、前記袖火バーナ部が、前記主バーナ部よりもバーナの外側に位置することが重要である。このような位置関係とすることにより、他の位置関係とした場合と比べて高い吐出速度においても安定して火炎を保持することができる。上述したように、火炎から被加熱物表面への伝熱量Ｑは熱伝達係数αに比例し、前記熱伝達係数αは火炎の吐出速度Ｖ₀が大きいほど大きくなる。したがって、本発明の加熱装置によれば、被加熱物の表面に高速で火炎を衝突させることによって、極めて高い効率で加熱を行うことができる。そしてその結果、被加熱物をより高速に、より高い温度まで加熱することができる。また、本発明の加熱装置によれば、同じ加熱温度を達成するために必要な燃料ガスの量を低減することができる。さらに、本発明の加熱装置では吐出速度を高くできるため、火炎を離れた位置まで到達させることができる。したがって、被加熱物から離れた位置にバーナを設置することができ、装置設計の自由度が高い。

特に、製鉄プロセスにおいては、バーナから離れた位置にある被加熱物を加熱する必要があることが多い。そのため、本発明の加熱装置は、製鉄プロセス用加熱装置として、製鉄材料の加熱に極めて好適に用いることができる。前記製鉄プロセス用加熱装置としては、例えば、焼結鉱の製造などに用いられる焼結機の点火装置が挙げられる。また、本発明の加熱装置を、製鉄プロセス用加熱装置として用いる際には、バーナの構造を、直線状に並べられた複数のノズルを備えるラインバーナとすることが好ましい。

なお、上述した位置関係とすることによって高い吐出速度においても火炎を安定に保持できるのは、以下のような理由からであると推測される。すなわち、特許文献１で提案されているように、燃料ガスノズルと燃焼用空気ノズルが袖火バーナを挟むように配置され、燃料ガスの吐出方向と燃焼用空気の吐出方向が交差するように配置されている場合、渦流が発生し、流れの乱れによる運動エネルギー損失が大きくなるため高い流速を維持することができない。これに対して、本発明の技術では、前記袖火バーナ部が前記主バーナ部よりもバーナの外側に位置することで、主流の燃料ガスと燃焼用空気の流れの乱れを抑制し、高い流速を維持することが可能である。また、主バーナ部から吐出される燃料ガスと燃焼用空気の吐出方向を平行にすれば、流れの乱れを一層抑制でき、さらに高い流速を維持できる。

また、燃料ガスノズルが中央部にあり、その外側に袖火バーナ、さらにその外側に燃焼用空気ノズルが配置されている場合、燃料ガスは両側の袖火に向けて吐出させる必要があり、燃料ガスノズルが両側に必要となる。それにより、ノズル個数が増加するため吐出速度を上昇させるようとすると個々のノズルの径が小さくなるため、吐出後のガス速度の減衰が大きくなり、吐出後の高い流速の維持ができない。これに対して、本発明の技術では、燃料ガスを両側に分割する必要がないため、高い流速を維持できる。

［燃料ガス］
上記燃料ガスとしては特に限定されることなく、可燃性ガスであれば任意のものを用いることができる。前記燃料ガスとしては、例えば、一般には天然ガスやＬＰＧ（liquefied petroleum gas）が使用可能である。上記加熱装置を製鉄所において使用する場合には、製鉄所で副生するプロセスガスを前記燃料ガスとして用いることもできる。前記プロセスガスとしては、コークス炉ガスを含有するプロセスガスを用いることが好ましい。前記コークス炉ガスを含有するプロセスガスとしては、例えば、コークス炉ガス自体（すなわち、コークス炉ガスのみからなるガス）、およびコークス炉ガスと高炉ガスを混合したガスであるＭガスが好適に用いられる。

次に、図面に基づいてさらに具体的に説明する。

図１は、本発明の一実施形態におけるバーナ１の模式図であり、バーナ１の断面における構造を示している。バーナ１は、バーナ本体１０と、バーナ本体１０に設けられた主バーナ部２０および袖火バーナ部３０とを備えている。前記バーナ１の先端（火炎が形成される側）には、凹部４０が設けられており、凹部４０は、底部４１と、底部４１からバーナ１の先端に向かって漸次拡幅するテーパー部４２とを有している。

［主バーナ部］
図２は、本発明の一実施形態における主バーナ部２０の構造を示す模式図である。主バーナ部２０は、燃料ガスを吐出する燃料ガスノズル２１と、燃焼用空気を吐出する空気ノズル２２とを備えている。燃料ガスノズル２１は、底部４１の中央に１つ設けられている。空気ノズル２２は、燃料ガスノズル２１を挟むように左右対称に２つ設けられている。なお、図２に示した例では１つのバーナの断面を示しているが、幅のある物品を加熱する場合には複数のバーナを紙面垂直方向に配列してラインバーナとすることが好ましい。

燃料ガスは矢印Ｇで示したように供給され、燃料ガスノズル２１から吐出される。また、燃焼用空気は矢印Ａで示したように供給され、空気ノズル２２から吐出される。燃料ガスは、吐出された時点では着火していないが、図１で示すように袖火バーナ部３０によって形成される袖火５０によって着火され、火炎６０を形成する。

燃料ガスノズル２１および空気ノズル２２の形状は特に限定されず、任意の形状とすることができる。しかし、図２に示すようにノズル先端部のコーン状構造を有しない直管構造とすることが好ましい。直管構造のノズルを用いれば、吐出速度をさらに向上させ、被加熱面での熱伝達係数をより大きくできるため、その結果、加熱効率を一層向上させることができる。これは、直管構造のノズルでは、旋回流を形成するノズルを用いた場合に比べて渦流形成によるエネルギーロスが少なく、吐出後のガス速度の減衰が抑制されるためである。

燃料ガスノズル２１および空気ノズル２２の径（以下、ノズル径という）は、バーナの加熱効率を上げるため、常用使用流量域での吐出流速が５０〜８０Ｎｍ／ｓとなるように決めることが好ましい。また、最大燃焼時の吐出流速は１５０Ｎｍ／ｓ以下とすることが好ましい。なお、吐出速度の定義については後述する。

燃料ガスノズル２１および空気ノズル２２の具体的な直径は限定されないが、前記直径が３ｍｍ以上であれば、ノズルから吐出された後のガス速度の減衰をさらに抑制することができる。そのため、前記直径は３ｍｍ以上とすることが好ましく、５ｍｍ以上とすることがより好ましい。一方、前記直径の条件も特に限定されないが、前記直径が３０ｍｍ以下であれば、バーナの熱負荷をより好ましい範囲に維持し、バーナの寿命を延長することができる。また、直径が３０ｍｍ以下であるような小さな径のノズルを多数設けることにより、大きな径のノズルを少数設けるよりもより均一に加熱を行うことができる。そのため、前記直径は３０ｍｍ以下とすることが好ましい。なお、燃料ガスノズル２１の径と、空気ノズル２２の径とは、同じであってもよく、異なっていてもよい。

なお、燃料ガスノズル２１と空気ノズル２２の間隔（ノズルピッチ）Ｌ₁は、燃料ガスノズル２１の径をｄ_NG、および空気ノズル２２の径をｄ_NAとするとき、２ｄ_NG≦Ｌ₁≦１５ｄ_NAを満たすことが好ましい。また、複数のバーナを配列してラインバーナとする場合、各バーナの燃料ガスノズルの間隔（ノズルピッチ）Ｌ₂は、２ｄ_NG≦Ｌ₂≦１５ｄ_NAを満たすことが好ましい。前記条件を満たせば、燃焼安定性が一層向上し、ガス速度の減衰をさらに抑制できる。

［均圧室］
主バーナ部２０には、燃料ガスノズル２１および空気ノズル２２それぞれの上流側に均圧室２３が設けられており、均圧室２３のノズルと反対側（上流側）には燃料ガスまたは空気が通るための孔が設けたれた有孔板２４が設置されている。このように均圧室２３を設ければガスをより均一に吐出できるため、火炎をさらに安定化し、吐出速度をさらに上げることが可能となる。なお、燃料ガスノズル２１および空気ノズル２２のいずれか一方の上流側にのみ均圧室２３を設けることもできるが、図２に示したように両方に設けることが好ましい。ここで、均圧室とは、ガスの供給圧の変動による影響を緩和するために、ノズルの上流側に設けられる構造である。前記均圧室は、図２に例示したように、ノズルの上流側に設置された、１または２以上の開口を備える板（絞り板）と、前記絞り板と前記ノズルとの間の空間とを備える。そして、前記絞り板の上流側と前記空間とは、前記絞り板の開口のみで繋がっている。前記絞り板に設けられた開口の合計面積は、前記空間の、前記ノズルの吐出方向と垂直な面における断面積よりも小さい。さらに、前記ノズルの開口の合計面積も、前記空間の、前記ノズルの吐出方向と垂直な面における断面積よりも小さい。

［袖火バーナ部］
上述したように、袖火バーナ部は、主バーナ部から吐出される燃料ガスに着火し、該燃料ガスを燃焼させる機能を有している。主バーナ部から吐出される燃料ガスの着火は、袖火バーナ部によって形成される炎（袖火）によって行われる。したがって、袖火バーナ部は、通常、袖火を形成するための、袖火用燃料ガス出口と袖火用空気出口を備えている。前記袖火用空気を用いて前記袖火用燃料ガスを燃焼させることにより袖火が形成される。なお、以下の説明において、「袖火用燃料ガス」を単に「燃料ガス」、「袖火用空気」を単に「空気」と呼ぶ場合がある。

本発明の加熱装置は、上述したように主バーナ部よりも外側に、該主バーナ部から吐出される燃料ガスを燃焼させるための袖火バーナ部を備えているため、主バーナからの燃料ガスの吐出速度が高い条件においても火炎を安定的に維持できる。そのため、本発明のバーナでは、主バーナの前方側に火炎を安定的に維持するための燃焼室構造、すなわち主バーナと袖火バーナを取り囲むようにバーナの前方に向かって突出した構造を有しなくてもよいという利点も有する。

また、本発明の加熱装置では、主バーナの火炎は、主バーナからのガス吐出方向の前方の空間部に維持される。公知の技術では、主バーナの前方側に火炎を安定的に維持するための燃焼室構造や耐火物で構成されるコーン形状の構造物を設けて、その内部で火炎を維持したりその表面に接触する火炎を維持したりすることが行われるが、本発明ではそのような構造を設けなくても袖火バーナの火炎で主バーナの火炎を空間部に維持することで、主バーナの高速の火炎が維持できる。このような火炎を維持するためには、主バーナ部のガスの吐出方向と袖火バーナ部のガス吐出方向との交点が、バーナのガス吐出方向前方の空間部または、バーナの凹部の外（バーナの外部）に位置することが好ましい。

図３は、本発明の一実施形態における袖火バーナ部３０の構造を示す模式図である。この例において袖火バーナ部３０は、面燃焼バーナで構成されている。面燃焼バーナの先端には多孔質板３１が設けられており、多孔質板３１に、袖火用燃料ガスと袖火用空気が、それぞれ矢印Ｇおよび矢印Ａで示すように供給される。

本発明の加熱装置では、主バーナ部２０から燃料ガスと空気が高速で吐出されるため、その気流にともなう随伴流がバーナ１の先端付近、特に凹部４０の内部に形成される。例えば、主バーナ部から吐出されるガスの流速が５０ｍ／ｓの場合、随伴流の流速も２０〜３０ｍ／ｓと高速となるため、袖火バーナ部３０によって形成される袖火５０が不安定となるおそれがある。しかし、面燃焼バーナでは着火ポイントが多孔質板の表面または内部に存在するため、随伴流の影響を受けることなく安定して袖火を保持することができる。

多孔質板３１としては、特に限定されることなく任意の多孔体からなる板状部材を用いることができる。前記多孔体は、例えば、金属、合金、およびセラミックからなる群より選択される１または２以上の材料で構成することができる。多孔質板３１としては、例えば、金属メッシュ（金属繊維を積層した物）を用いることができる。前記多孔質板３１の表面は、テーパー部４２の表面と同一面上に配置することが好ましい。

図１に示したように、主バーナ部２０から吐出される燃料ガスと空気は、袖火５０によって着火される。したがって、確実に着火するという観点からは、主バーナ部２０と袖火バーナ部３０とが、主バーナ部２０の吐出軸（吐出方向）と袖火バーナ部３０の吐出軸（吐出方向）とがその延長線上で交差するように配置されていることが好ましい。より具体的には、凹部４０を構成する底部４１とテーパー部４２のなす角度θを２０°以上とすることが好ましい。前記θが２０°未満であると、袖火バーナ部の火炎が主バーナ部から吐出されるガス流に届きにくくなるため、失火が発生しやすくなる。前記θは、３０°以上とすることがより好ましい。一方、前記θの上限は特に限定されないが、通常は８０°以下とすることが好ましく、６０°以下とすることがより好ましい。

主バーナ部と袖火バーナ部の距離は、袖火バーナ部の火炎（袖火５０）が主バーナ部からの吐出流に届くように決定する。袖火バーナ部の火炎有効長さをＦとするとき、袖火バーナ部の火炎が底部４１の面に平行な方向に到達する距離はＦ・ｓｉｎθとなるので、主バーナ部の端の位置と、袖火バーナ部の中心位置との距離が、底部４１の面に平行な方向にＦ・ｓｉｎθ以下となるように主バーナ部と袖火バーナ部の距離を決めればよい。具体的には、袖火バーナ部の有効火炎長さが１００ｍｍで、主バーナの幅（主バーナ部の最外ノズル間距離）が５０ｍｍ、θ＝３０°の場合、主バーナ部中心と袖火バーナ部中心の距離は７５ｍｍ以下とすればよい。θの好適範囲を考慮すれば、主バーナ部中心と袖火バーナ部中心の距離は６０〜１１０ｍｍとすることが好ましい。有効火炎長さは、火炎温度の測定結果に基づき、ガスの着火温度以上となる領域の、燃焼面またはテーパー面からの長さとして決定できる。

図４は、本発明の他の実施形態における袖火バーナ部の構造の例を示す模式図である。この実施形態では、袖火バーナ部３０が直径ｄの管形ノズルを袖火ノズル３２として備えている。袖火ノズル３２は、同軸で設けられた外管と内管とを備えており、前記内管には矢印Ｇで示したように袖火用燃料ガスが供給され、前記袖火用燃料ガスは前記内管の先端から吐出される。一方、前記外管には矢印Ａで示したように袖火用空気が供給され、前記袖火用空気は前記外管先端から吐出される。

袖火ノズル３２の先端は、図４に示したようにテーパー部４２の表面からｄ以上奥まった位置に設けられている。言い換えると、テーパー部４２の表面から袖火ノズル３２の先端までの距離がｄ以上である。袖火ノズル３２から吐出される袖火用燃料ガスは空間３３内で着火し、その火炎（袖火）はテーパー部４２の表面を超えて外部へ伸びるように形成される。このように袖火ノズルの３２の先端をバーナ本体１０の内部へ向かって奥まった位置とすることにより、面燃焼バーナを用いずとも、上述した随伴流の影響を抑制して袖火を安定に保持することが可能となる。なお、袖火バーナ部３０が、短辺方向の幅ｄのスリットノズルを袖火ノズル３２として備える場合にも、同様に袖火ノズル３２の先端をテーパー部４２の表面からｄ以上奥まった位置に設けることが好ましい。随伴流の影響を抑制するという観点からは、テーパー部４２の表面から袖火ノズル３２の先端までの距離を２ｄ以上とすることが好ましい。一方、袖火ノズル３２の先端がテーパー部４２の表面から１５ｄ以上奥まった位置に設置されていると、火炎温度が低下するおそれがある。そのため、テーパー部４２の表面から袖火ノズル３２の先端までの距離は、１５ｄ以下とすることが好ましく、４ｄ以下とすることがより好ましい。

［吐出速度］
上述したように、本発明の加熱装置によれば、高い吐出速度においても失火することなく安定して火炎を保持することが可能であり、極めて高い効率で加熱を行うことができる。なお、使用時の吐出速度は特に限定されず、火炎が保持できる範囲内であれば任意の速度とすることができるが、加熱効率の観点からは、主バーナ部から吐出される燃料ガスと空気のそれぞれの吐出速度を５０Ｎｍ／ｓ以上とすることが好ましく、６０Ｎｍ／ｓ以上とすることがより好ましく、６５Ｎｍ／ｓ以上とすることがさらに好ましい。このように極めて高い吐出速度は従来のバーナでは実現できなかったものである。

なお、ここで吐出速度とは、主バーナ部の燃料ガスノズルおよび空気ノズルの直管部におけるガス流速であり、吐出速度＝単一ノズルの単位時間当たりガス流量／ノズル断面積で求められる。直管部を有さないノズルでは、ノズル出口部の断面積をノズル断面積として考える。また、多数ノズルまたは多数孔からなるバーナで、図８に例示したようにノズルの前方に円錐状のコーン部がある場合には、前記コーン部の出口における断面積で、バーナから吐出される燃料ガスと空気の和の合計流量を除することにより、バーナの吐出速度を求めることができる。

燃料ガスの吐出速度と燃焼用空気の吐出速度は、ほぼ等しくすることが好ましい。具体的には、燃焼用空気の吐出速度に対する燃料ガスの吐出速度の比（吐出流速比）を、０．８〜１．２とすることが好ましい。なお、円錐形のコーンを有するバーナにおいても、コーン手前のノズル孔部における前記吐出流速比を、０．８〜１．２とすることが好ましい。

［燃料ガス流量比］
主バーナ部における燃料ガス流量と袖火バーナ部における燃料ガス流量の比率（以下、「燃料ガス流量比」ともいう）は、火炎の安定性および加熱能力に大きく影響する。そのため、加熱装置は、主バーナ部における燃料ガス流量と袖火バーナ部における燃料ガス流量を、それぞれ独立に調整可能な流量調整手段を備えることが好ましい。また、燃焼用空気量は、燃料ガス流量に、燃料ガスの理論空気量と空気比を乗じて決定することができる。加熱装置は、主バーナ部における燃焼用空気の流量と袖火バーナ部における燃焼用空気の流量を、それぞれ独立に調整可能な流量調整手段を備えることが好ましい。前記流量調整手段としては、流量調整弁などを用いることができる。

主バーナ部における燃料ガス流量と袖火バーナ部における燃料ガス流量の合計を１００％としたとき、袖火バーナ部燃料ガス流量が１５％未満であると随伴流による火炎温度の低下が顕著となり、主バーナの失火が発生する場合がある。そのため、袖火バーナ部の燃料ガス流量を１５％以上とすることが好ましい。言い換えると、前記主バーナ部から吐出される燃料ガスの流量Ｆ１と前記袖火バーナ部から吐出される袖火用燃料ガスの流量Ｆ２の比、Ｆ１：Ｆ２を８５：１５以下（Ｆ１／Ｆ２≦８５／１５）とすることが好ましい。一方、袖火バーナ部の燃料ガス流量が多すぎると、火炎は安定するものの、主バーナ部の火炎が小さくなるため加熱能力が低下する。そのため、袖火バーナ部の燃料ガス流量を３０％以下、言い換えると、Ｆ１：Ｆ２を７０：３０以上（Ｆ１／Ｆ２≧７０／３０）とすることが好ましい。

バーナ構造が火炎の安定性に与える影響を確認するため、以下の３種のバーナを用いて、吹き消えが起こらずに火炎を保持できる限界吐出速度を評価した。
（比較例１）図８に示した従来の一般的な予混合燃焼バーナ
（比較例２）特許文献１の図１に示したバーナ
（実施例１）図１〜３に示した構造のバーナ

上記実施例および比較例においては、図１、８等に示した断面に垂直な方向におけるバーナの幅を１ｍとした。表１に、ノズルの寸法と吐出部断面積を示す。また、比較例２および実施例１における主バーナ部における燃料ガスの流量と袖火バーナ部における燃料ガスの流量の比（燃料ガス流量比）を表１に合わせて示した。

比較例１では、図８に示した断面形状を有し、ノズル幅１０ｍｍ、長さ１ｍのスリット状ノズルを用いた。比較例２では、特許文献１の図１に記載のノズルをバーナ幅方向１ｍの間に直線状に６０組設置したものを用いた。特許文献１記載のバーナは、バーナ１個あたり２つの燃料ガスノズルを備えているため、燃料ガスノズルの個数は１２０個となる。実施例１では、本発明の図１および図２のノズルをバーナ幅方向１ｍの間に直線状に５０組、すなわち、燃料ガスノズルを５０個設置したものを用いた。なお、比較例２のバーナで５０組のノズルを配置した場合には火炎が不安定であったため、ノズルは６０組設置して火炎の安定化を図った。

実験は、燃焼空間の寸法が１．４ｍ×１．４ｍ×０．４ｍの実験用燃焼炉にて実施した。燃料ガスと燃焼用空気の流量比が一定となるように両者の流量を増加させ、火炎の吹き消えが起こらずに火炎を保持できる限界吐出流速を測定した。

ここで、前記燃料ガスとしては、製鉄所内の副生ガスであるＭガス（コークス炉ガスと高炉ガスの混合ガス）を使用した。前記Ｍガスの主成分は、Ｈ₂：２６．５％、ＣＯ：１７．６％、ＣＨ₄：９．１％、Ｎ₂：３０．９％であった。

測定結果を図５に示す。比較例１では、ノズル直管部における流速（吐出速度）が３０Ｎｍ／ｓを超えると、火炎が保持できず吹き消えが発生した。なお、前記直管部の流速をコーン部の先端における流速に換算すると、３Ｎｍ／ｓである。比較例２では、ノズル直管部における流速（吐出速度）が４０Ｎｍ／ｓを超えると、火炎が保持できず吹き消えが発生した。一方、実施例１では、吐出速度が４０Ｎｍ／ｓを超える条件であっても火炎は安定していた。吐出速度が１００Ｎｍ／ｓを超えると火炎が不安定となり、１２０Ｎｍ／ｓで吹き消えが発生した。

以上の結果より、本発明の加熱装置では従来のバーナに比べて大幅に高い吐出流速においても安定燃焼が可能であることが分かる。なお、実際に工業用などで本発明のバーナを使う際には、吹き消え限界流速近傍での使用は供給系の操業変動などにより吹き消えリスクが高まる可能性があるため、吹き消え限界流速よりも流速を小さくして使用することが好ましい。図５には、実際の常用使用流速の一例も記載した。

また、前述の測定と同時に、被加熱物を模擬した水冷チラーをバーナに対面させるように０．４ｍ離れた位置に設置し、水の上昇温度からバーナの加熱力を評価した。燃料ガス流量および空気比を同一としたときの、各実施例、比較例におけるバーナの加熱力を図６に示す。実施例１では、比較例１および比較例２に比べ加熱力が大幅に向上していることがわかる。

さらに、前述の測定と同時に、比較例１および実施例１における火炎温度の分布を、熱電対を用いて測定し、これを元にバーナ断面方向の等温線を作成した。結果を図７に示す。両者は同じ燃料ガス流量および空気比にて測定したものである。比較例１では、バーナ前方のコーン内部で燃焼し、被加熱物に到達する前に多くの燃料ガスの燃焼が完了している。一方、実施例１では、主バーナから吐出された燃料ガスは、バーナと被加熱物の中間付近において袖火バーナの火炎により着火されて燃焼を開始しており、被加熱物の近傍で多くの燃料ガスが燃焼している。その結果、実施例１のバーナでは火炎が高速で被加熱物に衝突してより多くのエネルギーを被加熱面に授受するために、被加熱物近傍のガス温度はほぼ同等に見えていても、図７に示したように加熱力の大幅な向上が認められたものと考えられる。

１ バーナ
１０ バーナ本体
２０ 主バーナ部
２１ 燃料ガスノズル
２２ 空気ノズル
２３ 均圧室
３０ 袖火バーナ部
３１ 多孔質板
３３ 空間
４０ 凹部
４１ 底部
４２ テーパー部
５０ 袖火
６０ 火炎

Claims (10)

1. バーナを備え、前記バーナで形成された火炎を用いて被加熱物を直接加熱する加熱装置であって、
   前記バーナが、
   燃料ガスを吐出する燃料ガスノズルと燃焼用空気を吐出する空気ノズルとを備える主バーナ部と、
   前記主バーナ部よりも外側に位置し、前記主バーナ部から吐出される燃料ガスを燃焼させるための袖火バーナ部とを備え、
   前記袖火バーナ部が、袖火用燃料ガス出口と袖火用空気出口とを備え、
   前記バーナの先端に、底部と、該底部から該バーナの先端に向かって漸次拡幅するテーパー部とを有する凹部が設けられており、
   前記主バーナ部が前記底部に配置されており、
   前記袖火バーナ部が前記テーパー部に配置されている、加熱装置。
2. 前記主バーナ部が、前記燃料ガスノズルおよび前記空気ノズルの一方または両方の上流側に均圧室を備える、請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記燃料ガスノズルおよび前記空気ノズルが直管構造である、請求項１または２に記載の加熱装置。
4. 前記底部および前記テーパー部のなす角度θが２０°以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の加熱装置。
5. 前記袖火バーナ部が面燃焼バーナである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の加熱装置。
6. 前記袖火バーナ部が、直径ｄの管形ノズルおよび短辺方向の幅ｄのスリットノズルから選択される袖火ノズルを備え、
   前記袖火ノズルの先端が、前記テーパー部の表面からｄ以上１５ｄ以下奥まった位置に設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の加熱装置。
7. 前記主バーナ部における流量と前記袖火バーナ部における流量とを独立して調整可能な流量調整手段を備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の加熱装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の加熱装置を用い、前記バーナで形成された火炎を用いて被加熱物を直接加熱する、加熱方法。
9. 前記主バーナ部から吐出される燃料ガスと燃焼用空気のそれぞれの吐出速度が５０Ｎｍ／ｓ以上である、請求項８に記載の加熱方法。
10. 前記主バーナ部から吐出される燃料ガスの流量Ｆ１と前記袖火バーナ部から吐出される袖火用燃料ガスの流量Ｆ２の比、Ｆ１：Ｆ２を、７０：３０〜８５：１５とする、請求項８または９に記載の加熱方法。

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