JPH09243028A

JPH09243028A - 酸素バーナー

Info

Publication number: JPH09243028A
Application number: JP5512996A
Authority: JP
Inventors: Kimio Iino; 公夫飯野; Toshio Suwa; 俊雄諏訪; Yasuyuki Yamamoto; 康之山本
Original assignee: Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Current assignee: Japan Oxygen Co Ltd; Nippon Sanso Corp
Priority date: 1996-03-12
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 1997-09-16
Anticipated expiration: 2016-03-12
Also published as: JP3761621B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低輝度火炎や実質的に不輝炎を形成して
も、高輝度火炎に匹敵する火炎長の火炎を得ることがで
きる酸素バーナーを提供する。【解決手段】円筒管を同心状に重ねた三重管構造の酸
素バーナー１０である。中心管１１の内部に、流速が毎
秒１３０〜４００ｍの一次酸素が流れる一次酸素流路１
４を、中心管１１とその外側の内管１２との間に燃料ガ
ス流路１５を、内管１２とその外側の外管１３との間に
二次酸素流路１６をそれぞれ形成するとともに、中心管
１１の管壁の厚み（Ｌ１）を１〜１２ｍｍにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素バーナーに関
し、詳しくは、気体燃料を用いた自己冷却式酸素燃焼用
三重管バーナーであって、長い炎の実質的に不輝炎を形
成することができる酸素バーナーに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
地球環境問題や省エネルギーの観点から、酸素燃焼技術
が注目されている。これは、支燃ガスとして空気を用い
ると、空気中での燃焼で発生する窒素酸化物が大気汚染
の原因となるだけでなく、空気中の窒素は燃焼には寄与
せず燃焼効率を低下させるため、支燃ガスとして、空気
を用いずに実質的に酸素ガスを用いるものである。

【０００３】ガラス、セラミックあるいは金属等の溶解
炉においても、環境問題や省エネルギーの問題に加え
て、高温が得られることや、炉内の酸化還元性の雰囲気
を制御し易いことなどの理由から、酸素バーナーが使わ
れるようになってきた。

【０００４】バーナーの冷却については、一般に、水冷
方式と自己冷却方式とがあるが、水冷式は構造が複雑で
あり、水冷管内の腐食によるトラブルを避けるために
も、ガラス溶解炉においては、供給するガス自体で冷却
する自己冷却方式のバーナーが用いられている。

【０００５】被加熱物をバーナーによって加熱する場
合、被加熱物に直接火炎を吹き付ける強制対流伝熱方式
と、火炎からの熱を輻射によって伝える輻射伝熱方式と
がある。例えば、ガラス溶解炉においては、火炎をガラ
ス溶湯に直接吹き付けると、局部的過熱によるガラス中
の蒸発し易い成分の蒸発や火炎による汚染等のおそれが
あるため、強制対流伝熱方式は好ましくない。このた
め、ガラス溶解炉においては、輻射伝熱方式が採用され
ている。

【０００６】一般に、バーナーの燃焼火炎は、高輝度火
炎と低輝度火炎とに分類される。高輝度火炎中には、浮
遊するススの粒子が多く、これが高輝度発生源となり被
加熱物に輻射熱を伝える。高輝度火炎は還元性の強い雰
囲気を形成し、低輝度火炎は酸化性の雰囲気を形成す
る。また、高輝度火炎は火炎長の比較的長い火炎を得易
く、低輝度火炎は火炎長の長い火炎を得ることが難し
い。

【０００７】ガラス溶解炉においては、均質な製品品質
を得るためには、溶湯を均一に加熱する必要があり、局
部過熱防止のため、火炎長の長い火炎が望ましい。その
ため、比較的長い火炎を得易い多重管バーナーを用い
て、通常、高輝度火炎を形成している。

【０００８】例えば、特開平６−１０１８２０号公報に
は、内外二重管構造で、内管内へ気体又は液体燃料を、
内管と外管との間へ酸素を供給するバーナーが開示され
ている。この酸素バーナーでは、内管内にテーパー状の
棒を配し、内管の先端部もテーパー状となっており、こ
れらを前後に移動させてガス流速を調節し、火炎長等の
火炎特性を調節している。そして、燃料オイルを１時間
あたり５〜１８ガロン（毎時約１８．９〜６８．１リッ
トル）供給して、長さ１〜５フィート（約３０．５〜１
５２．４ｃｍ）の高輝度火炎を得ている。

【０００９】また、米国特許４７９７０８７号明細書で
は、三重管構造で、中心から順に、酸素、燃料、酸素を
それぞれ供給するバーナーが開示されている。この酸素
バーナーでは、先端にバーナータイルの燃焼室を設ける
などの工夫をし、酸素流量と酸素濃度の配分を変えて高
輝度火炎の火炎特性を調節する試みもなされている。

【００１０】いずれにしても、ガラス溶解炉において、
多重管バーナーを用いて長い火炎を得るためには、従来
は、高輝度火炎を形成していた。

【００１１】一方、ガラス溶解炉では、通常、図３に示
すように、酸素バーナー１の火炎２とガラス溶湯３とが
接近しているので、ガラスの品質が火炎２の影響を受け
易い。そのため、ガラスの種類によっては、例えば低ア
ルカリガラスでは、ススによる汚染や、酸化物であるガ
ラス原料が還元性雰囲気を嫌うので、低輝度火炎が好ま
しい。しかし、低輝度火炎は長い火炎長を得ることが困
難であるため、低輝度火炎でありながら、長い火炎長を
得ることが要望されていた。

【００１２】そこで本発明は、低輝度火炎や実質的に不
輝炎を形成しても、高輝度火炎に匹敵する火炎長の火炎
を得ることができる酸素バーナーを提供することを目的
としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の酸素バーナーは、円筒管を同心状に重ねた
三重管構造のバーナーであって、中心管の内部に、流速
が毎秒１３０〜４００ｍの一次酸素が流れる一次酸素流
路を、該中心管とその外側の内管との間に燃料ガス流路
を、該内管とその外側の外管との間に二次酸素流路をそ
れぞれ形成するとともに、前記中心管の管壁の厚みを１
〜１２ｍｍとしたことを特徴としている。

【００１４】さらに、前記燃料ガス流路及び二次酸素流
路の少なくともいずれか一方の流路内に多孔板が設けら
れていることを特徴とし、また、前記内管の管壁の厚み
が１〜２０ｍｍであり、前記燃料ガス流路内の燃料ガス
の流速が毎秒４０〜１２０ｍ、二次酸素流路内の二次酸
素の流速が毎秒１〜２５ｍであることを特徴としてい
る。さらに、前記二次酸素の流量に対する一次酸素の流
量比率が０．１〜０．４であること、すなわち、一次酸
素の流量と前記二次酸素の流量との比の値が、０．１〜
０．４であることを特徴としている。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面を参照して
さらに詳細に説明する。図１及び図２は、本発明の酸素
バーナーの一例を示すもので、図１は断面側面図、図２
は図１のII−II線断面図である。

【００１６】この酸素バーナー１０は、中心管１１と、
該中心管１１の外側に配置される内管１２と、該内管１
２の外側に配置される外管１３とを同心状に重ねた三重
管構造のバーナーであって、中心管１１の内部が一次酸
素流路１４、中心管１１と内管１２との間が燃料ガス流
路１５、内管１２と外管１３との間が二次酸素流路１６
となる。また、前記燃料ガス流路１５及び二次酸素流路
１６には、多数の小通孔１７ａ，１８ａを有する多孔板
１７，１８がそれぞれ設けられている。

【００１７】ここで、上記構成の酸素バーナー１０にお
ける各流路のガス流速や各管の形状等について検討した
結果を説明する。基本的な条件は、上記酸素バーナー１
０をガラス溶解炉に使用する場合で、燃料ガスとして天
然ガスを使用し、ガラス溶解炉における必要熱容量か
ら、その量を毎時２０Ｎｍ³に設定するとともに、支燃
ガスである酸素の量を、天然ガスを完全燃焼させるため
の化学量論量の毎時４０Ｎｍ³に設定した。

【００１８】ガラス溶解炉では、前述のように、ガラス
溶湯を均一に加熱して局部過熱を防止するために火炎長
の長い火炎を使用することが望ましく、また、ガラス溶
湯への影響を考慮して低輝度火炎が好ましい。

【００１９】まず、従来のこの種のバーナーでは、バー
ナーから噴出するガスの流速は、通常、毎秒数十ｍ程度
であり、大きくても毎秒百ｍ程度であったが、前記一次
酸素流路１４の一次酸素の流速を、毎秒百ｍ以上の高
速、即ち毎秒１３０ｍにすると、低輝度で実質的に不輝
炎を維持しながら、約１．５ｍの長さの火炎が得られ
た。

【００２０】すなわち、前述のような三重管構造の酸素
バーナー１０で火炎長の長い低輝度火炎を発生させるた
めには、バーナー中心からの一次酸素の噴出流速を大き
くすることが有効であることが判明した。

【００２１】しかし、一次酸素の流速をさらに大きくし
て毎秒４００ｍを超える流速にすると、一次酸素流と燃
料ガス流との間に乱れが発生して火炎が不安定になるこ
とがあった。この現象は、一次酸素流路１４と燃料ガス
流路１５との間に存在する中心管１１の管壁の厚さにも
影響され、中心管１１の管壁が薄いほどガス流の乱れは
発生し難いことが判明した。さらに、一次酸素を毎秒４
００ｍを超える流速にすることは、高圧を必要とするこ
ともあって実用的ではない。

【００２２】このことから、一次酸素の流速を毎秒１３
０〜４００ｍの高速流に設定することにより、１ｍ以上
の火炎長を有する低輝度火炎が安定した状態で得られ
る。ところが、一次酸素の流速がこの範囲でも、中心管
１１の管壁の厚みが１２ｍｍを超えるとガス流の乱れに
より火炎が不安定になる。なお、管壁の厚みを１ｍｍ以
下にしてもよいが、機械的強度や製作性の点で問題が出
ることがある。したがって、中心管１１には、管壁の厚
みが１〜１２ｍｍの円筒管を用いるようにする。

【００２３】このように、三重管構造のバーナーにおい
て、酸素を一次と二次とに分配し、中心の一次酸素を高
速にして火炎全体を引き伸ばすことによって、長い低輝
度火炎を得ることができる。また、通常、バーナーへ供
給する酸素の圧力は、０．５〜１．５Ｋｇ／ｍ²程度で
あるが、上記高流速を得るため、一次酸素は、適当な圧
力、例えば３〜４Ｋｇ／ｍ²に加圧して一次酸素流路１
４に供給する。

【００２４】また、バーナーの各流路について細部を検
討した結果、燃料ガス流路１５及び二次酸素流路１６の
流路内に、図１及び図２に示すような多孔板１７，１８
を設けることによって、火炎の安定性が増すことを見出
した。これは、多孔板１７，１８によって管内流が整流
されるためと推察される。なお、多孔板１７，１８の設
置位置や小通孔１７ａ，１８ａの状態は、酸素バーナー
１０の使用目的等に応じて適当に設定することができ
る。

【００２５】さらに、燃料ガスの流速を毎秒４０〜１２
０ｍに、かつ、二次酸素の流速を毎秒１〜２５ｍに設定
するとともに、内管１２の管壁の厚みを１〜２０ｍｍに
すると、長い低輝度火炎が一層安定する。この内管１２
の管壁の厚みも、前記同様に、１ｍｍより小さくするこ
とは機械的にも製作上にも困難があり、２０ｍｍより大
きいと火炎の安定性が低下し、上記燃料ガスや二次酸素
の流速も、小さいと長い火炎を得ることが難しく、大き
いと火炎が乱れる原因となる。

【００２６】また、支燃ガスとして供給する酸素を、一
次酸素と二次酸素とに分配するのに際し、二次酸素の流
量に対する一次酸素の流量比率を０．１〜０．４に設定
することにより、燃焼火炎をより安定化することができ
る。例えば、二次酸素の流量に対する一次酸素の流量比
率が０．１より小さいと、低輝度火炎とならずにススが
発生することがあり、０．４より大きいと、火炎が短く
なると同時に急速に燃焼し、爆鳴を発生してノズル温度
が上昇し、危険な状態になることがある。

【００２７】これらのことから、中心管１１の管壁の厚
みを１〜１２ｍｍ、内管１２の管壁の厚みを１〜２０ｍ
ｍとし、一次酸素の流速を毎秒１３０〜４００ｍ、燃料
ガスの流速を毎秒４０〜１２０ｍ、二次酸素の流速を毎
秒１〜２５ｍ、二次酸素の流量に対する一次酸素の流量
比率を０．１〜０．４に設定するとともに、燃料ガス流
路１５及び二次酸素流路１６内に多孔板１７，１８を設
けることにより、実質的に不輝炎からなる長い燃焼火炎
を、安定した最も好ましい状態で形成することができ
る。なお、本発明の酸素バーナーの用途は、ガラス溶解
炉に限定されるものではない。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例及び比較例を説明す
る。実施例１図１に示す構造の酸素バーナー１０を図４に示す炉室２
１内にセットして燃焼試験を行った。炉室２１は、長さ
が２０００ｍｍ、幅及び高さがそれぞれ１３００ｍｍの
箱型であって、酸素バーナー１０は側壁中央部にセット
し、対向する側壁には排気口２２を設けた。

【００２９】酸素バーナー１０の各部の寸法は、図１に
示すように、中心管１１の管壁の厚み（Ｌ１）を２ｍ
ｍ、内管１２の管壁の厚み（Ｌ２）を２．５ｍｍ、一次
酸素流路１４の直径（Ｄ１）を４ｍｍ、燃料ガス流路１
５の幅（Ｄ２）を４ｍｍ、二次酸素流路１６の幅（Ｄ
３）を１８ｍｍとした。さらに、中心管１１の先端部外
周に円錐面を形成して燃料ガス流路１５の噴出端を僅か
に一次酸素流路１４方向に広げた。

【００３０】また、燃料の天然ガスは毎時２０Ｎｍ³、
酸素は合計で化学量論量の毎時４０Ｎｍ³とし、一次酸
素の流量（ＦＯ１）を１４Ｎｍ³、二次酸素の流量（Ｆ
Ｏ２）を２６Ｎｍ³の比率でそれぞれ供給した。さら
に、一次酸素の流速（ＶＯ１）を毎時３００ｍ、二次酸
素の流速（ＶＯ２）を毎時５ｍ、天然ガスの流速（ＶＮ
Ｇ）を毎時６６ｍに設定した。このときの供給圧力は、
一次酸素が４．０ｋｇ／ｃｍ²Ｇ、二次酸素が０．５ｋ
ｇ／ｃｍ²Ｇ、天然ガスが０．１ｋｇ／ｃｍ²Ｇであっ
た。

【００３１】その結果、図５に示すような発光スペクト
ルを有する火炎長１４００ｍｍの実質的な不輝炎が得ら
れた。なお、スペクトルの測定は、回折格子分光器とサ
ーモフィルム検出器とからなる測定器を作成して行っ
た。

【００３２】さらに、火炎を目視で観察した限りでは、
燃料ガス流路１５に、直径３ｍｍの小通孔１７ａを１２
個等間隔に形成した厚さ７ｍｍの多孔板１７をバーナー
先端から１５０ｍｍの位置に設けたり、あるいは、二次
酸素流路１６に直径１５ｍｍの小通孔１８ａを８個等間
隔に形成した厚さ７ｍｍの多孔板１８をバーナー先端か
ら１５０ｍｍの位置に設けたりすることにより火炎の安
定性が向上し、両流路にそれぞれ多孔板１７，１８を設
けることにより、火炎の安定性が一層向上した。

【００３３】また、燃料ガス流路１５の噴出端を僅かに
一次酸素流路１４方向に広げることにより、高速で噴出
する一次酸素に燃料がスムーズに吸引されるようにな
る。すなわち、先端部をエッジ端にしておくと、管壁の
厚みや流速にもよるが、ここで渦が発生して火炎が乱れ
ることが観察されるが、上記形状にすることにより、こ
れを抑制することができる。

【００３４】比較例１燃料ガス流路１５及び二次酸素流路１６に前述の多孔板
１７，１８をそれぞれ設けた実施例１と同じバーナーを
使用し、一次，二次酸素の流速及び流量を次の通りとし
た以外は、実施例１と同様にして燃焼試験を行った。

【００３５】その結果、火炎長は１５００ｍｍと長い火炎であった
が、図６に示すような発光スペクトルを有する極めて輝
度の強い火炎が得られた。図６の発光スペクトルの約１
〜２μｍにわたる波長領域の発光帯は、スス状の炭素か
らの輻射光である。

【００３６】実施例２実施例１と同じバーナー（多孔板付き、以下同様）を使
用して二次酸素の流速（ＶＯ２）を毎時５ｍ、天然ガス
の流速（ＶＮＧ）を毎時８０ｍにそれぞれ固定し、一次
酸素の流速（噴出速度）を変化させて、その影響を調べ
た。なお、一次酸素と二次酸素との流量比は、ＦＯ１：
ＦＯ２＝１：４となるように、ガス供給圧力を調整し
た。

【００３７】その結果、図７に示すように、ノズル温度
（白丸）は、一次酸素の噴出速度の上昇とともに一旦急
激に上昇し、毎秒約８０ｍで約４００℃の最高値となっ
た後に急激に低下し、約１５０℃程度に落ちつく。一
方、火炎長（黒丸）は、逆に、一旦最低値を経た後に次
第に長くなり、一次酸素の噴出速度（流速）が毎秒１３
０ｍのときは火炎長が１２００ｍと、やや短いが、毎秒
１３０ｍ以上の噴出速度になると、火炎は、実質的に不
輝炎となった。なお、毎秒４００ｍを超える噴出速度を
得るためには、酸素を極めて高い圧力に昇圧する必要が
あった。

【００３８】実施例３中心管の管壁の厚み（Ｌ１）を変化させた以外は、実施
例１と同様にして燃焼試験を行った。なお、一次酸素の
流速（ＶＯ１）は毎時３００ｍ、二次酸素の流速（ＶＯ
２）は毎時５ｍ、天然ガスの流速（ＶＮＧ）は毎時８０
ｍに設定した。

【００３９】その結果を図８に白丸のプロットで示す。
この結果から、Ｌ１が１０ｍｍ程度までは、ノズルの温
度が１００℃強で安定しているが、Ｌ１が１５ｍｍ以上
になると、ノズルの温度が急激に上昇することがわか
る。

【００４０】実施例４次に、内管の管壁の厚み（Ｌ２）を変化させた以外は、
実施例１と同様にして燃焼試験を行った。なお、各ガス
の流速は実施例３と同じ値に設定した。

【００４１】その結果を図８に黒丸のプロットで示す。
この結果から、Ｌ２が２０ｍｍ程度までは、ノズルの温
度が１００℃強で安定しているが、Ｌ２が２０ｍｍを超
えると、ノズルの温度が急激に上昇することがわかる。

【００４２】実施例５一次酸素の流速（ＶＯ１）を毎時３００ｍ、二次酸素の
流速（ＶＯ２）を毎時５ｍとし、天然ガスの流速（ＶＮ
Ｇ）を変化させてその影響を調べた。なお、他の条件は
実施例１と同様にした。

【００４３】その結果、図９に示すように、火炎長（黒
丸）は、燃料流速であるＶＮＧの上昇とともに長くな
り、ＶＮＧが毎秒４０〜１２０ｍで１３００〜１４００
ｍとなり、実質的に不輝炎が観察された。しかし、ＶＮ
Ｇが毎秒１２０ｍを超えると火炎長が短くなり、輝炎が
観察され、また、ノズルの温度（白丸）も上昇した。

【００４４】実施例６天然ガスの流速（ＶＮＧ）を毎秒８０ｍにして二次酸素
の流速（ＶＯ２）を変化させてその影響を調べた。他の
条件は実施例５と同様にした。

【００４５】その結果、図１０に示すように、火炎長
（黒丸）は、この実験範囲では大きな変化はなかった
が、ＶＯ２が毎秒２５ｍを超えると、ノズルの温度（白
丸）が急激に上昇した。一方、ＶＯ２が毎秒１ｍ未満の
場合は、混合が悪くなることによって燃焼が緩慢にな
り、輝炎となってしまった。

【００４６】実施例７中心管の管壁の厚み（Ｌ１）を４ｍｍ、内管の管壁の厚
み（Ｌ２）を２ｍｍとし、一次酸素流路の直径（Ｄ１）
と二次酸素流路の幅（Ｄ３）とを調節して一次酸素と二
次酸素との流量比（ＦＯ１：ＦＯ２）を変化させ、その
影響を調べた。なお、各ガスの流速は、実施例２と同じ
にした。

【００４７】その結果、図１１に示すように、（ＦＯ１
／ＦＯ２）が０．４以下のときは、ノズルの温度（白
丸）が約１００℃、火炎長（黒丸）が１４００〜１５０
０ｍｍであり、ともに良好な結果が得られた。しかし、
（ＦＯ１／ＦＯ２）が０．４を超えると、ノズルの温度
は急激に上昇し、火炎長も短くなる。また、（ＦＯ１／
ＦＯ２）が０．１未満になると、火炎が輝炎となった。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の酸素バー
ナーを用いることにより、火炎長の長い低輝度火炎が得
られる。したがって、被加熱対象物に直接火炎を吹き付
けず、火炎からの輻射熱によって被加熱対象物を広い範
囲に加熱することができ、しかも、ススの発生等による
汚染や還元作用を嫌う被加熱対象物の加熱に効果的であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素バーナーの一例を示す断面側面
図である。

【図２】図１のII−II線断面図である。

【図３】ガラス溶解炉の説明図である。

【図４】実施例で用いた炉室の説明図である。

【図５】実施例１で得た火炎の発光スペクトルであ
る。

【図６】比較例１で得た火炎の発光スペクトルであ
る。

【図７】一次酸素流速に対するノズル温度及び火炎長
の関係を示す図である。

【図８】中心管，内管の管壁の厚みに対するノズル温
度の関係を示す図である。

【図９】燃料流速に対するノズル温度及び火炎長の関
係を示す図である。

【図１０】二次酸素流速に対するノズル温度及び火炎
長の関係を示す図である。

【図１１】一次酸素と二次酸素との流量比に対するノ
ズル温度及び火炎長の関係を示す図である。

【符号の説明】

１０…酸素バーナー、１１…中心管、１２…内管、１３
…外管、１４…一次酸素流路、１５…燃料ガス流路、１
６…二次酸素流路、１７，１８…多孔板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒管を同心状に重ねた三重管構造のバ
ーナーであって、中心管の内部に、流速が毎秒１３０〜
４００ｍの一次酸素が流れる一次酸素流路を、該中心管
とその外側の内管との間に燃料ガス流路を、該内管とそ
の外側の外管との間に二次酸素流路をそれぞれ形成する
とともに、前記中心管の管壁の厚みを１〜１２ｍｍとし
たことを特徴とする酸素バーナー。
【請求項２】前記燃料ガス流路及び二次酸素流路は、
少なくともいずれか一方の流路内に多孔板が設けられて
いることを特徴とする請求項１記載の酸素バーナー。
【請求項３】前記内管の管壁の厚みが１〜２０ｍｍで
あり、前記燃料ガス流路内の燃料ガスの流速が毎秒４０
〜１２０ｍ、二次酸素流路内の二次酸素の流速が毎秒１
〜２５ｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の
酸素バーナー。
【請求項４】前記二次酸素の流量に対する一次酸素の
流量比率は、０．１〜０．４であることを特徴とする請
求項１，２又は３記載の酸素バーナー。