JPH10300029A

JPH10300029A - 旋回火炎形成設備

Info

Publication number: JPH10300029A
Application number: JP11369197A
Authority: JP
Inventors: Masashi Nishigaki; 雅司西垣; Hideki Okamoto; 秀樹岡本; Akishi Kegasa; 明志毛笠; Toshihiko Matsubara; 俊彦松原; Shoji Doi; 祥司土肥; Hidefumi Yamanaka; 秀文山中
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1997-05-01
Filing date: 1997-05-01
Publication date: 1998-11-13

Abstract

(57)【要約】【課題】例えば、必要とされるカロリー数が同一の状
態で、空燃比を大きく変えることなく、旋回量を調節す
ることが可能な旋回火炎形成設備を得る。【解決手段】燃焼用酸素含有ガスと燃料ガスとを燃焼
空間に導いて旋回状態の燃焼火炎を形成する旋回火炎形
成設備を構築するに、一方向凝固法で得られた融液成長
セラミック複合材料からなり、燃焼時に、燃焼火炎内も
しくは燃焼火炎近傍に配設されて、旋回量調節を伴って
燃焼火炎流の流れに旋回を与える旋回付与部材を備え
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、燃焼用酸素含有ガ
スと燃料ガスとを燃焼空間に導いて旋回状態の燃焼火炎
を形成する旋回火炎形成設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】説明を容易にするために、このような旋
回火炎形成設備の一例としての旋回火炎を形成するバー
ナを例にとって説明する。従来型の火炎旋回型のバーナ
の構造を図１０に示した。このバーナ６０は、燃焼ガス
を燃焼空間に供給する燃料ガス供給管６１と、この燃焼
ガス供給管６１の燃料ガス吐出部６２の周りに燃焼用酸
素含有ガス（燃焼用空気）の旋回流を供給する燃焼用酸
素含有ガス供給機構６３とを備えて構成されている。こ
こで、燃料ガスは燃料ガス供給管６１から円環状の吐出
開口６４を備えた燃料ガス室６５に供給される。この吐
出開口６４の周部には、前記燃焼用酸素含有ガス供給機
構６３が、バーナ軸周りに、燃焼用酸素含有ガスを、旋
回流として、燃料ガスとの混合部位６６に導く構成とさ
れており、予混合、旋回状態で、燃料空間に吐出されて
燃焼が発生する。このバーナ６０にあっては、バーナ６
０に供給される燃料ガス量、酸素含有ガス量の調節によ
り、火炎長を変化させることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この構
成のバーナにあっては、燃焼火炎に付与する旋回量を変
化させる場合に、燃焼空間に供給されるガス量を変化さ
せる必要が発生し、同一流量状態での旋回量の調整が難
しく、改良の余地があった。従って、本発明の目的は、
例えば、必要とされるカロリー数が同一の状態で、空燃
比を大きく変えることなく、旋回量を調節することが可
能な旋回火炎形成設備を得ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの、燃焼用酸素含有ガスと燃料ガスとを燃焼空間に導
いて旋回状態の燃焼火炎を形成する旋回火炎形成設備の
特徴構成は、一方向凝固法で得られた融液成長セラミッ
ク複合材料からなり、燃焼時に、燃焼空間内の燃焼火炎
内もしくは燃焼火炎近傍に配設されて、旋回量調節を伴
って燃焼火炎流の流れに旋回を与える旋回付与部材を備
えたことにある。この構成の設備にあっては、予混合状
態で燃焼空間に燃焼用ガスが導かれ燃焼火炎を形成する
が、この燃焼火炎中もしくはこの火炎の近傍に、旋回付
与部材が設備され、この旋回付与部材により火炎に旋回
が付与される。さらに、この付与は、その旋回量変更を
伴ったものである。従って、本願構成にあっては、火炎
の旋回状態をその内部もしくは近傍の高温部位において
直接行うことができる。結果、効率的で確度の高い制御
が可能となるとともに、火炎の上流側での旋回制御のよ
うに、旋回エネルギーが失われることを避けることがで
きる。さて、このような燃焼火炎部位は、１０００〜１
５００℃以上の高温状態となる。しかしながら、本願の
旋回付与部材は、独特の材料から構成されているため、
このような高温状態にあっても溶解せず、結晶が緻密な
ため結晶粒界から崩壊をお越し機能を損傷することもな
い。さらに高温状態にあっても、その強度を保つため、
旋回付与部材に求められている機械的性能を良好に発揮
することができる。さらに、クリープ特性が良好なた
め、長期に渡っても動作不良を発生しにくい。さらに酸
化損傷の度合いも少ない。

【０００５】さて、上記のような設備を構成するに、燃
焼用酸素含有ガスと燃料ガスとを混合して予混合ガスを
形成する予混合室を、絞り部を介して、前記旋回付与部
材が配設され且つ炎口開口を備えた燃焼室に接続して構
成し、旋回付与部材を燃焼室もしくは炎口開口に構成す
るに、燃焼火炎を形成する燃焼用ガス流れの中心軸周り
に配設される旋回羽根を備え、前記旋回羽根の前記燃焼
用ガス流れ方向に対する傾きを可変設定可能に構成する
ことが好ましい。この構成の設備にあっては、予混合気
が予混合室で形成され、絞り部を介して、これが燃焼室
に送られる。この燃焼室には、燃焼用ガスの流れ方向に
対して、その傾きを可変とされる旋回羽根が配設されて
いる。従って、燃焼用ガスは、この旋回羽根を通過する
ことで、旋回成分を与えられる。さらに、この旋回羽根
の傾きを変更することで、その旋回量を変更することが
できる。この構成において、この部材は、本願独特の材
料で構成されているため、上記のような特性を発揮で
き、問題なく長期に渡って運転できる。

【０００６】さて、上記のような設備を構成するに、先
に説明した旋回付与部材が、燃焼火炎を形成する燃焼用
ガス流の中心軸周りに螺旋を描くガス案内面を備えて構
成され、これが、燃焼用ガス流が噴出する燃焼用ガス吹
き出し路を決定する吹き出し路決定部材に対して相対移
動可能に構成され、この相対移動により、旋回付与部材
と吹き出し路決定部材との間に形成される開口路の断面
積が変化する構成とされていることが好ましい。この構
成にあっては、燃焼用ガスがガス案内面に沿って流れる
ことにより、流れに旋回成分を与えることができる。さ
らに、この部材が、吹き出し路決定部材（この部材は、
バーナの場合は燃焼筒、炉に穿たれる炎口の場合は炎口
を形成する炉壁）に対して相対移動してその位置関係が
変わることにより、旋回付与部材と吹き出し路決定部材
との間に形成される開口路の断面積が変化し、ガス案内
面で付与できる旋回量を変化させることができる。結
果、バーナにおけるインプット量及び燃焼状態（例えば
空燃比）を大きく変えることのない状態で、旋回付与、
旋回量変更を行うことができ、火炎長の変更、ガス種に
従った旋回付与調整を容易におこなうことができるよう
になった。

【０００７】さらに、融液成長セラミック複合材料が、
複数の異なる酸化物セラミックスの共晶複合材料である
ことが好ましい。この場合、酸化物セラミックスである
ことにより、高温耐酸化性が極めて良好とできるからで
ある。さらに、共晶凝固とすることにより、それぞれの
結晶（単結晶・多結晶共）界面に沿って走る亀裂進展に
よる破壊防止に極めて有効であり、高温強度、高温クリ
ープ特性、耐熱衝撃性の向上が達成され、本願の用途に
合致したものとできる。このような材料として、Ａｌ₂
Ｏ₃とＹＡＧの共晶複合材料を使用することが好まし
い。この材料は、融点が１８００℃以上であり、耐熱強
度、伝熱性能、耐酸化性において、非常に優れているた
めである。従って、ほとんどメンテナンスフリーの装置
を構築できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本願の実施の形態例を図面に基づ
いて説明する。図１、図２、図３に示す例は、旋回火炎
形成用のバーナ１を備えた炉１００を示している。この
炉１００は、炉内部に炉内加熱室２を備えて構成されて
おり、加熱室２内に加熱対象物３を配置して使用され
る。さらに、炉内加熱室２に接する炉壁４には、炉炎口
５が設けられており、その基端（外気６側）に、炉内加
熱室内に燃焼火炎７を形成して加熱をおこなうバーナ１
が配設されている。このバーナ１は、燃料ガスである都
市ガスを予混合室８に供給する燃料ガス供給管９と、燃
焼用酸素含有ガスである空気を供給する燃焼用空気供給
管１０とを備えるとともに、これらのガスが予混合室８
で混合される構成とされており、予混合状態の燃焼用ガ
スを、炉炎口５の一部となっているバーナの燃焼室１２
に、絞り部１３を介して供給する構成となっている。さ
らに、バーナ１には、着火用のスパークロッド１４及び
火炎の燃焼状態を確認するための炎検出器１５が備えら
れている。この炉１００にあっては、バーナ１の燃焼室
１２、炉壁４に穿たれている炉炎口５（炎口開口を成
す）の出口近傍部位（炉内加熱室に接続する側の部位）
および炉内に燃焼火炎７を形成して、加熱をおこなうこ
ととなる。

【０００９】さて、このバーナ１にあっては、図３に示
すように、旋回付与部材１６が、燃焼室１２に配設され
ている。この旋回付与部材１６は、燃焼火炎７を形成す
る燃焼用ガス流れの中心軸Ｚに対して、中心軸周り複数
の旋回羽根１７（図上２ケ）を備え、この旋回羽根１７
の、燃焼用ガスの流れ方向に対する傾きを変更する、変
更機構１８をバーナ内外に備えている。即ち、この旋回
羽根１７は、流れに対して旋回羽根面が傾いて配設さ
れ、流れに旋回を与えることができる。そして、各旋回
羽根１７の傾きが、変更機構１８を成すステッピングモ
ータ１９を他方の軸端に備えた調節軸２０の回転によ
り、所定の傾きに設定できる構成とされている。従っ
て、この傾きの設定により、旋回量が調整される。この
ような構成を採用することにより、炉炎口５の出口部位
及び炉内加熱室２内に旋回型の火炎を、旋回量制御を伴
って形成することができる。

【００１０】さて、上記の旋回付与部材１６を構成する
各部材は、全て、真空中の一方向凝固法で得られたアル
ミナを主成分とする融液成長セラミック複合材料である
Ａｌ ₂Ｏ₃とＹＡＧの共晶複合材料の成形部材から構成さ
れている。従って、本願のような過酷な条件の部位にお
いても問題なく運転される。

【００１１】この材料の製造方法に関して簡単に以下述
べておく。先の融液成長セラミック複合材料についてさ
らに詳細に説明すると、これは、原料粉末の調整と一方
向凝固工程を経て得られるものである。原料粉末の調整
にあたっては、α−Ａｌ₂Ｏ₃粉末及びＹ₂Ｏ₃粉末を、α
−Ａｌ ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃＝８２／１８ｍｏｌ比に割合でエタ
ノールを用いて湿式ボールミルによって混合し、得られ
たスラリーからロータリーエバポレータを用いてエタノ
ールを除去し、α−Ａｌ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃の混合粉末を得
る。さらに、この、この混合粉末を打錠成形し、これを
アーク溶解する。このようにして原料が調整される。

【００１２】次に一方向凝固をおこなう。上記のように
して得られた原料を粉砕し、モリブデン坩堝４１に仕込
み、一方向凝固装置４０に掛ける。一方向凝固装置４０
の概略図は、図５のとおりであり、真空室４２内に備え
られる誘導コイル４３の内側に前記坩堝４１を配設でき
る構成となっている。さらに、この坩堝４１全体を誘導
コイル４３に対して相対的にその軸方向Ｚに移動可能に
構成されている。一方向凝固装置４０においては、高周
波加熱によりモリブデン坩堝４１を加熱して約１０^-5ｍ
ｍＨｇの真空中で溶解する。溶解温度は、２１２３Ｋ
（アルミナとイットリアの共晶温度）とし、この温度で
３０ｍｉｎ保持後モリブデン坩堝４１を約１０^-5ｍｍＨ
ｇの真空中で５ｍｍ／ｈｒの速度で下降させる。このよ
うにすることで、一方向凝固セラミックを得ることがで
きる。このようにして得られた材料（Ａｌ₂Ｏ₃／ＹＡＧ
（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）の複合材料）を所定の形状に成形し使
用した。

【００１３】この設備１にあっては、旋回付与部材１６
の存在により、積極的に火炎流に旋回量調節を伴って旋
回成分を与えて、旋回火炎を形成することができる。

【００１４】さて、以上説明してきた内容は、バーナ１
によって形成される燃焼火炎を旋回状態とする構成に関
するものであるが、本願にあっては、燃焼火炎から発生
する高温ガスのバーナ近傍への帰還に関しても、この燃
焼火炎７の旋回状態を促進するような構成が採用されて
いる。以下、この構成に関して、図１、図２に基づいて
説明する。この構成は、炉内において、燃焼火炎７から
噴出された高温ガスがバーナ１に対向する炉壁近傍位置
に、第１高温ガス旋回付与機構２１を、さらに、バーナ
１によって形成される燃焼火炎７の径方向（図１に示す
Ａ方向）で、この燃焼火炎７から離間した位置に、第２
高温ガス旋回付与機構２２を備えたものとなっている。
図１に示すように、第１高温ガス旋回付与機構２１は、
バーナ１に対向して配設される炉壁面近傍に配設されて
おり、バーナ１により形成される燃焼火炎７から噴出さ
れる旋回状態の高温ガスが炉壁４ａに到達し、バーナ側
に帰還する流れになる位置で、この高温ガスの旋回を促
進する方向に案内羽根２１ａを高温ガス流れの中心軸Ｚ
に対して対称に４方に配して備えている。従って、炉内
に発生する循環流の旋回状態を良好に維持できる。一
方、第２高温ガス旋回付与機構２２は、図１、図２に示
すように、旋回状態の燃焼火炎７に対して、その径方向
外部側に存する高温ガスの流れを、旋回方向に促進する
状態で、案内羽根２２ａを高温ガス流れの軸に対して対
称に４方に配して備えている。この機構２２にあって
も、炉内に発生する循環流の旋回状態を良好に維持でき
る。さて、このような機構２１，２２は、炉内の高温部
位に配設されるため、従来、提案され、実施されてこな
かった。しかしながら、この旋回付与機構２１，２２
を、先に説明したと同様な真空中の一方向凝固法で得ら
れた融液成長セラミック複合材料から構成することで、
炉内高温ガスの流れを良好に維持できるようになった。

【００１５】以上が、本願の代表的な実施の形態例であ
る。この例の場合は、バーナ１の燃焼室１２内に旋回を
付与するための旋回付与部材１６を備えたが、この例と
同様の機構を、炉内加熱室内に形成されている燃焼火炎
７内に設けても同様に火炎に旋回を付与することができ
る。この構成を図４に示した。この例にあっては、火炎
のほぼ中心に旋回付与部材１６を備えるため、火炎に直
接強い旋回強度を与えることができるという効果を得る
ことができる。

【００１６】さて、上記の例にあっては、ステッピング
モータ１９によって傾斜確度設定される旋回羽根を備え
た旋回付与部材１６を構成したが、このようなモータを
備えない構成とすることも可能である。この例を図６、
７に基づいて説明する。この例にあっては、燃焼ガス供
給管としての内筒３０と、燃焼用酸素含有ガス供給管と
しての外筒３１とを有する２重管からなる燃焼筒３２を
備えたバーナ３３にあって、内筒３０の外側、外筒の内
側に形成される中間流路３４に、複数の旋回付与用の旋
回羽根３５をブラインド状に備えて、旋回付与部材３６
が構成されている。この部材３６は、複数の羽根３５
と、これらをその端部位置で位置支持する一対の棒状支
持部材３７から構成されており、これらの棒状支持部材
３７の相対位置関係を調整することにより、全ての羽根
の傾き（ガスの流れ方向に対する傾き）を設定して、そ
の旋回を起こすことができる。ここで、内筒３０に対し
て、その径方向外方に位置する一対の旋回付与部材３６
の羽根３５の傾き方向は、これらが対となって、所定の
旋回を発生する方向に設定することは言うまでもない。
さて、この例の場合も、本願においては、この旋回付与
部材３６を、先に説明した、真空中の一方向凝固法で得
られたセラミックであるＡｌ₂Ｏ₃／ＹＡＧ（Ｙ ₃Ａｌ₅Ｏ
₁₂）の複合材料を使用する。

【００１７】これまで説明してきた例にあっては、ガス
の流れに対して所定の傾きを持って配設される旋回羽根
を備えた旋回付与部材の例を示したが、この様な旋回羽
根を備えることなく旋回を付与できる構成とすることも
可能である。この場合も、旋回付与部材は、真空中の一
方向凝固法で得られたセラミックであるＡｌ₂Ｏ₃／ＹＡ
Ｇ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）の複合材料を使用する。このような
例を図８、９に基づいて説明する。このような例の旋回
付与部材５０の特徴は、これが、燃焼火炎を形成する燃
焼用ガス流の中心軸周りに螺旋を描くガス案内面５１を
備えて構成されるとともに、これが、燃焼用ガス流が噴
出する燃焼用ガス吹き出し路５２を決定する吹き出し路
決定部材５３に対して相対移動可能に構成され、この相
対移動により、旋回付与部材５２と吹き出し路決定部材
５３との間に形成される開口路の断面積が変化して、旋
回量が変化する構成とされていることにある。図８に示
す例は、吹き出し路決定部材５３としての燃焼筒５４
が、先端側に細くなる円錐台形状を有するバーナ５５に
関するものであり、旋回付与部材５０をして、この燃焼
筒形状に合致するように、先端側が細くなる円錐状の外
形形状を備え、その周方向表面に螺旋状に形成された螺
旋条５６（これによって部材表面にガス案内面５１が形
成される）を有する部材を備えている。同図に示すよう
に、この部材５０の円錐軸Ｚ５は、燃焼筒５４の中心軸
（燃焼用ガスの流れの中心軸）に一致されて備えられて
おり、この旋回付与部材５０が、全体として一体で中心
軸方向に移動可能に構成されている。従って、このよう
に旋回付与部材５０を備えることで、燃焼火炎７に旋回
を付与することができるとともに、この旋回付与部材５
０をその軸方向に移動させて、燃焼筒５４との相対位置
関係を変化させ、その間に形成される連通路の通路断面
積を変化させることで、付与される旋回量を調節するこ
とができる。図９に示す例は、燃焼筒５４が、円筒形状
を有するバーナ６０に関するものであり、旋回付与部材
６１をして、先端が太くなる円錐状の外形形状を備え、
その周方向表面に螺旋状に形成された螺旋条５６（これ
によって部材表面にガス案内面５１が形成される）を有
する部材を備えている。先に示したと同様、この部材６
１の円錐軸Ｚ５は、燃焼筒５４の中心軸（燃焼用ガスの
流れの中心軸）に一致されて備えられており、この旋回
付与部材６１が、全体として一体で中心軸方向に移動可
能に構成されている。従って、この例の場合も、この旋
回付与部材６１を備えることで、燃焼火炎７に旋回を付
与することができるとともに、この旋回付与部材６１を
その軸方向に移動させて、燃焼筒５４との相対位置関係
を変化させ、その間に形成される連通路の通路断面積を
変化させることで、付与される旋回量を調節することが
できる。

【００１８】〔別実施の形態〕上記の実施の形態にあっ
ては、融液成長セラミック複合材料の例として、Ａｌ ₂
Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃系で、そのモル比が８２／１８であり、共
晶系のものを例示したが、複合材料系列、組成比、完全
な共晶状態かどうかは、本願において問うものではな
い。即ち、Ａｌ₂Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃系の組成比としては、Ａｌ
₂Ｏ₃、７０〜９４ｍｏｌ％の範囲、（Ｙ₂Ｏ₃で３０〜６
ｍｏｌ％の範囲）で可能である。さらに、材料系列とし
ては、ＭｇＯ／ＺｒＯの共晶複合材料、Ａｌ₂Ｏ₃／Ｚｒ
Ｏ₃／Ｙ₂Ｏ₃の共晶複合材料も採用可能である。

【００１９】上記の実施の形態にあっては、主に、バー
ナの燃焼筒付近の構成について説明したが、燃焼用ガス
の流路を決定付けるものとしては、炉炎口もあり、この
ような炉炎口に対して、本願の旋回付与部材を設けるこ
とで、良好に旋回火炎形成設備を構築することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願の炉の構成を示す図

【図２】炉内のガスの旋回状態を示す図

【図３】バーナ近傍の詳細を示す図

【図４】バーナ近傍の別実施の形態の詳細を示す図

【図５】一方向凝固装置の概略構成を示す図

【図６】本願のバーナの別実施の形態を示す図

【図７】図６の側断面図

【図８】本願のバーナの別実施の形態を示す図

【図９】本願のバーナの別実施の形態を示す図

【図１０】従来技術を示す図

【符号の説明】

７燃焼火炎８予混合室１２燃焼室１３絞り部１６旋回付与部材１７旋回羽根３６旋回付与部材５０旋回付与部材５１ガス案内面５２燃焼ガス吹き出し路５３決定部材６１旋回付与部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松原俊彦大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者土肥祥司大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者山中秀文大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼用酸素含有ガスと燃料ガスとを燃焼
空間に導いて旋回状態の燃焼火炎を形成する旋回火炎形
成設備であって、一方向凝固法で得られた融液成長セラミック複合材料か
らなり、燃焼時に、燃焼空間内の燃焼火炎内もしくは燃
焼火炎近傍に配設されて、旋回量調節を伴って燃焼火炎
流の流れに旋回を与える旋回付与部材を備えた旋回火炎
形成設備。
【請求項２】前記燃焼用酸素含有ガスと燃料ガスとを
混合して予混合ガスを形成する予混合室を、絞り部を介
して、前記旋回付与部材が配設され且つ炎口開口を備え
た燃焼室に接続して構成され、前記旋回付与部材を前記燃焼室もしくは炎口開口に構成
するに、燃焼火炎を形成する燃焼用ガス流れの中心軸周
りに配設される旋回羽根を備え、前記旋回羽根の前記燃
焼用ガス流れ方向に対する傾きを可変設定可能に構成し
た請求項１記載の旋回火炎形成設備。
【請求項３】前記旋回付与部材が、燃焼火炎を形成す
る燃焼用ガス流の中心軸周りに螺旋を描くガス案内面を
備えて構成され、前記燃焼用ガス流が噴出する燃焼用ガ
ス吹き出し路を決定する吹き出し路決定部材に対して、
相対移動可能に構成され、前記相対移動により、前記旋
回付与部材と前記吹き出し路決定部材との間に形成され
る開口路の断面積が変化する請求項１記載の旋回火炎形
成設備。
【請求項４】融液成長セラミック複合材料が、複数の
異なる酸化物セラミックスの共晶複合材料である請求項
１、２又は３記載の旋回火炎形成設備。