JPS6118082B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は工業炉における気体燃料の燃焼方法
および燃焼用バーナに関するものである。 この発明は、都市ガス、高炉ガス又は、液化石
油ガスなどの気体燃料を、とくに工業炉たとえば
鋼塊あるいはスラブその他の鋼材類の均熱ないし
は加熱のために有利に適用することを可能ならし
めようとするものであり、ここに上記気体燃料
は、予め空気との混合ないしは半燃焼状態とする
ことなく、燃料自体を直接、上記の加熱又は均熱
炉内でバーナノズルに供給し、この気体燃料と別
途に供給する燃焼用空気によつていわゆる拡散火
炎を形成させる燃焼方式に関連し、従つて気体燃
料の表現には予混合又は半燃焼気体燃焼状態のも
のを含まない。 この発明は、上記のごとき気体燃料の工業炉内
における燃焼状況を有利に改善し、とくに燃焼ガ
ス中におけるNOxの発生を、有利に低減、抑制
することを可能ならしめることを目的とする。 またこの発明は、燃焼ガス中におけるNOxの
低減にあわせて燃焼火炎の放射長さの調節を容易
ならしめ、とくに短い火炎放射の際における
NOxの低減をも有利に実現しようとするもので
ある。 さらにこの発明は低NOx火炎につき安定な火
炎形状の持続を可能ならしめようとするものであ
る。 一般に工業炉内で気体燃料を燃焼させる場合、
気体燃料およびその燃焼を促す空気を、バーナか
ら噴出させるが、この場合気体燃料は、工業炉が
必要とする熱量を供給するため、定時間に定量だ
け工業炉内へ送給せねばならず、従つて燃焼用空
気も、その気体燃料を完全燃焼させるに足る量に
おいて供給する必要がある。 第１図イに工業炉で一般的に従来から用いられ
て来た気体燃料の燃焼用バーナの一例を示し、第
１図ロにそのＸ−Ｘ線断面をあらわした。 第１図イ，ロから明らかなように、バーナは一
般に大、小互いに外径が異なる管を同軸、二重に
組合わせて、内管Ｐ_iと外管Ｐ_pとの環状間隙すな
わち、内孔ｂ、および外孔ｒに、おのおの気体燃
料、燃焼用空気を、その順に矢印ｆ，ａに示すよ
うに噴出させて、これにより、内孔ｂから矢印ｆ
のごとく噴出する気体燃料流および外孔ｒからａ
のように噴出する燃焼用空気により燃焼させてい
た。 この場合に気体燃料流ｆにより形成される火炎
flは、バーナＢを開口させたバーナタイルＴから
図の右方へ向いこのバーナタイルＴで区画された
工業炉内に形成される。 かようなバーナを用いて気体燃料を燃焼させる
従来の燃焼方法にあつては、その燃焼中に生成す
るNOxの量が多く公害防止上問題となつてい
る。 これに対してこの発明は、かようなNOxの発
生を従前の燃焼方法におけるよりも著しく低減さ
せ得る新規な燃焼方法を提供する。 一般に燃焼中に発生するNOxの量は、火炎の
厚さが薄くなるほど低減し、この発明はかような
事実を工業炉の燃焼状況の改善に、とくに有利に
活用するため、火炎の形状を中空薄肉筒形に保持
しつつ燃焼を持続させるように工夫した燃焼方法
および燃焼用バーナの開発成果である。 この発明によるNOx低減燃焼の実験に用いた
バーナを第２図イ，ロに示し、このバーナは多重
管よりなり、とくにこの発明においては、気体燃
料流ｆを内管１と中管２との間において環状に開
口する噴射口としての中孔３から中空の直進流と
して噴出させ、内管１の噴射口すなわち中心孔４
からは気体燃料流５の内周に沿いこれによつて取
囲まれる一次空気を内包空気流αとして噴出さ
せ、また必要によつて用いる外管５と中管２との
間の環状間隙すなわち外孔６から二次空気を外包
空気流βとして噴出させて図のように筒状をなす
中空薄層の火炎ｆ_cを工業炉内に形成させる。 第２図に示したバーナによつて得られる火炎ｆ
_cの層厚ｌは、第２図イに示したように第１図イ
における中実火炎flの層厚ｄと比べて、単位時間
当りに工業炉へ供給する熱量が同一であるにも拘
らず、はるかに薄くすることができ、いわゆる薄
膜火炎が形成される。 このようにして中空薄層の火炎ｆ_cから発生す
るNOxが中実火炎flのそれと比べてはるかに低減
された。 すなわち第２図に示したバーナを工業炉のバー
ナタイルに装着し、燃焼を行わせた際に、燃焼ガ
ス中のNOxの量を実際に計測し、その結果を第
３図に示した。 この図においてたて軸に燃焼ガス中のNOx量
をppmでとり、よこ軸には内包空気の全送給空
気量（内包および外包空気量の合計）との比を百
分率で示した。 ここに気体燃料としては、高炉ガスとコークス
炉ガスとを混合した通称Ｍガスを用いその発熱量
は2300Kcal/Nm³であつた。 このＭガスは、170Nm³/hr、燃焼用空気は総量
410Nm³/hrとし、このとき過剰空気率は10％であ
る。なお空気は200℃に予熱した。 この実験では第１図に示した従来のバーナの成
績と比較を行い、廃ガス中に残存した酸素比は、
両者とも1.5％であり、何れの燃焼方法でも気体
燃料は炉内で完全燃焼し、未燃分は検出されなか
つた。 第３図から明らかなように第２図に示したこの
発明によるバーナでは、内包空気量の総供給空気
量に対する比率が30％以上に高くなるにつれて
NOx量の低減が顕著にあらわれ、とくにその比
率が50〜100％の間でNOxの発生量は、30ppm以
下にまで低減する。なお第１図の従来バーナでは
NOx発生量がほぼ48ppmであつた。 第４図第５図に、中実火炎flと中空火炎fcの燃
焼形態を模式化して図解した。 第４図を参照して、従来の中実火炎flの燃焼形
態を説明すると、燃料気体流ｆと、空気流ａが工
業炉内に強制的に供給され乱流拡散により燃料ｆ
は空気流ａと混合し、その酸素と反応して燃焼が
促進される。 その際バーナ近傍では、当初燃料ｆの外周部
meから火炎flが形成され漸次燃料中心部mcの燃
焼が起こり火炎flが形成される。 火炎flの形状は燃料ｆ、空気ａの拡散流および
燃焼反応による急激な燃焼反応により喇叺状に拡
がる。 これに対してこの発明による中空火炎fcの燃焼
形態を第５図を参照して説明すると気体燃料が環
状をなす中空直進流として工業炉内に噴出される
とこの燃料気体流ｆに対し、それぞれこれを包ん
で噴出される内包空気流２と外包空気流βを併用
したときその空気流α、βとの間に乱流拡散が起
こり、燃料気体流の内周部７またさらには外周部
７′から燃焼反応が促進されて漸次、燃料気体流
ｆの中央部近辺の燃料の８の燃焼反応が起こり、
中空円筒火炎fcが形成される。これら中実火炎と
中空円筒火炎の燃焼、形態を第４図、第５図を参
照して比較すると中実火炎flが、空気流ａにつつ
まれ中実錐状の形状の下で全気体燃料が完全燃焼
すべく工業炉内に噴出されて中実火炎flを形成し
ているのに比し、中空火炎fcは内部から内包空気
流αに押されてまた外部から炉内ガスまたは外包
空気流βにつつまれて中空円筒形状を保ちつつ全
気体燃料が完全燃焼されるように工業炉内に噴出
されているのでノズル孔より工業炉内の同一距離
ｙに於ける火炎の厚さｄ、ｌを比較すると明らか
にｌ＜ｄとなること前述の如くである。第５図に
おいて内包空気流αは燃料気体流ｆ中に酸素を供
給すると同時に気体燃料の中空円筒形状を呈する
流れが内部に向かうのを防止して火炎の厚さｌが
大きくならないようにしている。 このように燃焼形態、形状の差違により、中実
火炎flに比し中空火炎fcは工業炉に単位時間に同
一の熱量を供給するにも拘らず明らかに薄膜火炎
を構成するわけである。 かようにしてこの発明により工業炉中で、
NOxの発生を有利に抑制し得る中空薄層の火炎fc
を形成することができるが、この発明ではさら
に、上述の薄膜火炎につき、内包空気流αを気体
燃料流ｆに半径方向外向きのわずかな拡張がもた
らされるように偏向することにより火炎fcの形状
を中空円筒状に保持しつつ燃焼用空気とくに酸素
を火炎の内側から積極的に燃料気体流ｆ中へ供給
して火炎の安定化をはかることができる。 かような内包空気流αの偏向は種々なやり方で
実現され、たとえば第６図に示すように内包空気
流αの進路をバーナノズルの内管１′の端部に設
けたノズル蓋９でさえぎり、このノズル蓋９の先
細り部分のまわりに設けた穴１０によつて内管
１′の半径方向にやや偏向させて外拡り流れα′と
して噴出させる。 また第７図〜第９図のように内管１′の先端に
ノズルチツプ１１を設けこれに設けたガイド孔１
２、スリツト１２′又はスピン孔１２″によつて外
拡り流れα′ないしは外拡り流れα″のように偏向
させる。 また第１０図には、バーナとして組立てた例で
示したように、内管１′の末端に偏向羽根１３を
組込んで内包空気流αを外拡り流れα″のように
偏向させてもよい。以下にこのバーナについての
実験結果をのべるが、ここに案内羽根１３は、ね
じれ角10〜60゜の範囲から適宜に選ばれる25゜と
した４枚構成とし、心棒１４により内管１′の噴
射口に配置した。 このバーナのその余の構成は第２図につき示し
たところと同様であり、共通部分に同一の記号を
付して説明に代えた。 案内羽根１３の羽根間隙を通る内包空気流α
は、外拡りの偏向空気流α″となつて燃料気体流
ｆの円筒内面に向つて噴射されるので、外孔６か
ら燃料気体流ｆを包んで噴射される外包空気流β
との間に挾まれる燃料気体流ｆは図のようにやや
外拡り状ではあるがほぼ円筒形に保持されつつ中
空薄層の火炎fc′を形成する。 この偏向空気流α″は、その半径方向速度成分
および周方向速度成分によつて、燃料気体流ｆの
層中への酸素供給が有利に行われて燃焼状況の一
層の改善が導かれ、こうして薄膜火炎の安定した
燃焼状況の一層の改善が導かれ、こうして薄膜火
炎の安定した燃焼が維持される。 この薄膜火炎fc′は、第１１図のように、過剰
空気率を変化させたとき、（すなわち供給される
酸素の量の変化に伴う）火炎末端部に共存する
O₂％とCO％の関係において、第２図に示したバ
ーナによる中空火炎fcについての計測結果を示し
た実線の成績に対して鎖線のごとくはるかに良好
な燃焼状況を呈し、不完全燃焼の程度を示すCO
の残留がより少く、かつこのCOと共存するO₂が
0.4％以下である。 すなわち中空火炎fcではO₂を１％以上に過剰
にしないと不完全燃焼となる場合があるのに反し
て内包空気流をわずかに偏向させて形成される薄
層火炎fc′は、過剰O₂が0.4％程度であつても完全
燃焼が期待されるわけであつて、火炎の末端にお
ける残存COは燃焼廃ガスとして煙突から放出さ
れて公害源となるほか不完全燃焼によつて炉の予
定した昇温効果が害されて炉温制御に支障を来
し、燃料の浪費となるおそれがあり、さらに過剰
空気率が高いことは、NOxの低減と逆行するこ
とから、内包空気流の偏向噴射による効果は、こ
の面でも有用である。 第１２図にはNOxの発生量について第１０図
のノズルの成績を第３図の場合と同様にして測定
した成績で、鎖線により示したように第３図につ
きのべた内包空気流によるとほぼ同等のNOx低
減効果が明らかである。 さらに第１３図イ，ロは、この発明に用いるバ
ーナの他の実施構造を示し、この例で外包空気流
βを、内管１と中管２との間の環状間隙すなわち
中孔３から中空筒状に噴出される気体燃料ｆに対
して内向きに押し縮めるような向きで偏向する絞
り１５を設け、また第１４図イ，ロには、絞り１
５に代るリング状マルチオリフイス１６を中管２
と外管５との間の環状間隙すなわち外孔６内に装
着した例で各マルチオリフイス１６は、バーナの
軸線上に収斂する多数の小孔１７を燃料気体流ｆ
に向け開口させてなる。 さらに第１５図イロに示した変形例では第１４
図につきのべたと同様なマルチオリフイス１６′
の小孔１７′をねじれ角５〜25度の範囲から適宜
に選ばれた20度として火炎fc″の軸線に対し斜め
としてさらに偏向させる。 第１３図の例で絞り１５は外管５をその末端で
テーパー状として先細りに加工して容易に得られ
るが第１４図、第１５図の例でマルチオリフイス
１６，１６′は、たとえば不定形耐火物（キヤス
タブル）のような材料を用いてつくることができ
る。 第１５図に示したバーナにおいて外包空気流β
の偏向流β″を燃料気体流ｆの外周に導くことに
より中空火炎fcは、図に誇張して示したように先
細り状となつてさらに効果的な薄膜火炎が得られ
るとともに外包空気流の偏向流β″から気体燃料
流ｆへ積極的な酸素供給が行われてより安定な燃
焼状態が実現される。 このバーナについて第１１図、第１２図に対応
した火炎末端部における共存O₂％とCO％の関係
および内包空気量に対するNOx発生量の関係を
第１６図、第１７図に二点鎖線で示したように、
外包空気流βの偏向流β″による燃焼状況の改良
は、内包空気流αの偏向流α′による場合よりも
著大である。 もちろんこの場合において試験条件は同一で、
念のため再掲すると、発熱量2300Kcal/Nm³、の
Ｍガス170Nm³/hrを、過剰空気率10％において総
量410Nm³/hrの燃焼用空気とともに用い、その予
熱は200℃とした。 廃ガス中に残存する酸素比は廃ガス煙道入口で
従来の燃焼方法における場合とかわらず1.5％で
あり、完全燃焼状態が得られていたと推察でき
る。 以上のこの発明によつて改良された気体燃料の
燃焼方法の各様な実施態様を、そこに用いたバー
ナの実施例にあわせ説明したが、さらに内包空気
量の全送給空気量に対する比率を30、60および
100％に特定した第２図のバーナーについてNOx
発生率の低減効果をそのときの燃焼条件ととも
に、従来法による中実火炎との比較において表１
に示す。 ここに云うまでもなく、内包空気量100％とい
うのは、外包空気流を用いないことにほかなら
ず、この場合も含めてNOx低減効果は表１さら
には表２、３に明らかである。 なお気体燃料は発熱量2300Kcal/Nm³のＭガス
を、投入熱量40×10⁴Kcal/hrにおいて用い、燃焼
用空気の予熱温度は200℃、空気過剰係数ｍは
1.10、従つて過剰空気率は10％とし、炉内温度は
1350℃にした。

【表】 上にのべたと同一の燃焼条件の下で、第２図の
バーナに対して第１０図および第１５図のバーナ
の性能を比較して表２、表３に示す。

【表】

【表】 また第１８図イ，ロ，ハ，ニは、上に比較した
バーナ四種による火炎中CO、０％の分布を薄膜
火炎については内包空気量の全送給空気量に対す
る割合いを60％に固定した場合について中実火
炎、内包空気流噴射、内包空気流偏向および外包
空気流偏向の順に示した。 以上のべたところから明らかなように、この発
明によれば気体燃料を用いる工業炉における燃焼
状態を有利に改善して、燃焼ガス中に発生する
NOxの有効な低減が実現でき、また安定な火炎
による工業炉の適切な制御が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図イロは従来の気体燃料用バーナの断面図
と端面図、第２図イ，ロ、はこの発明の基本的な
実施態様を示したバーナーの断面図と端面図、第
３図はNOx発生量の低減効果線図、第４図、第
５図は中実火炎と薄膜火炎の燃焼状況説明図、第
６図〜第９図イ，ロは、何れも内包空気流を偏向
するこの発明の実施態様を示した内管の断面図と
端面図、第１０図イ，ロは同様に内包空気流を偏
向する別実施例のバーナを示した断面図と端面
図、第１１図は燃焼ガス中のCO％とO₂％との関
係図表、第１２図はNOx低減効果図表、第１３
図〜第１５図イ，ロは外包空気流の偏向を行うこ
の発明の他の実施態様を示したバーナの断面図と
端面図であり、第１６図は、この場合における燃
焼ガス中のCO％、と０％との関係の比較図表、
第１７図はNOx低減効果の比較線図、第１８図
イロハニは、各別実施態様毎に従来の中実火炎の
場合と比較した火炎各部におけるCOおよびO₂分
布図である。 ｆ……燃料気体流、α……内包空気流、β……
外包空気流、ｆ_c，fc′，fc″……中空薄層の火炎、
９，１１，１３……外向き偏向手段、１５，１
６，１６′……内向き偏向手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 気体燃料を燃焼用空気により工業炉内で拡散
   混合燃焼させるに当り、燃焼用空気流を内包する
   中空状として前記の気体燃料流を、該内包空気流
   と同時にそれに対し同軸直進流として炉内へ噴入
   し、炉内に中空薄層の拡散混合燃焼火炎を形成さ
   せることを特徴とする、工業炉における気体燃料
   の低NOx燃焼方法。 ２ 内包空気流が、中空状の気体燃料流の内周に
   向かつてその直進噴入の中心軸線のまわりに偏向
   させた旋回流である特許請求の範囲１記載の燃焼
   方法。 ３ 内包空気流が、中空状の気体燃料流の内周に
   向かつて外向きに偏向させた外拡り流である特許
   請求の範囲１又は２記載の燃焼方法。 ４ 気体燃料を燃焼用空気により工業炉内で拡散
   混合燃焼させるに当り、燃焼用空気流を２分した
   その全量のうち少なくとも30％に相当する空気流
   を内包する中空状として前記気体燃料流を、この
   気体燃料流を外包して同軸に取囲む、上記２分し
   た残りの空気流と同時に、それぞれの空気流に対
   し同軸直進流として炉内へ噴入し、炉内に中空薄
   層の拡散混合燃焼火炎を形成させることを特徴と
   する、工業炉における気体燃料の低NOx燃焼方
   法。 ５ 内包空気流が、中空状の気体燃料流の内周に
   向つてその直進噴入の中心軸線のまわりに偏向さ
   せた旋回流である特許請求の範囲４記載の燃焼方
   法。 ６ 内包空気流が、中空状の気体燃料流の内周に
   向つて外向きに偏向させた外拡り流である特許請
   求の範囲４又は５記載の燃焼方法。 ７ 外包空気流が、中空状の気体燃料流の外周に
   向つて内向きに偏向させた内狭まり流である特許
   請求の範囲４、５又は６記載の燃焼方法。 ８ 外包空気流が、中空状の気体燃料流の外周に
   向つてその直進噴入の中心軸線のまわりに偏向さ
   せた旋回流である特許請求の範囲４、５、６、又
   は７記載の燃焼方法。 ９ 燃焼用空気を中空状の気体燃料流の内周に沿
   う内包空気流として炉内に噴入させる内包空気流
   の噴射口と、この内包空気流の噴射口を取囲んで
   同心環状に開口し、気体燃料を内包空気流と同軸
   中空の直進流として炉内に噴入させる気体燃料流
   の噴射口とをそなえ、それぞれの噴射口を噴入方
   向における接近位置に開口させて成ることを特徴
   とする工業炉における気体燃料の低NOx燃焼用
   バーナ。 １０ 内包空気流の噴射口が、該空気流を気体燃
   料の中空状直進流の内周に向けて偏向させる案内
   手段を有する特許請求の範囲９記載のバーナ。 １１ 燃焼用空気を中空状の気体燃料流の内周に
   沿う内包空気流として炉内に噴入させる内包空気
   流の噴射口と、この内包空気流の噴射口を取囲ん
   で同心環状に開口し、気体燃料を内包空気流と同
   軸中空の直進流として炉内に噴入させる気体燃料
   流の噴射口および、この気体燃料流の噴射口をさ
   らに取囲んで同心環状に開口し、該気体燃料流の
   外周に沿つて燃焼用空気の一部を、燃焼用空気量
   のうち内包空気流が少くとも30％を占める割合い
   の分配下に炉内へ噴入させる外包空気流の噴射口
   とをそなえ、それぞれの噴射口を噴入方向におけ
   る接近位置に開口させて成ることを特徴とする工
   業炉における気体燃料の低NOx燃焼用バーナ。 １２ 内包空気流の噴射口が、該空気流を気体燃
   料の中空状直進流の内周に向けて偏向させる案内
   手段を有する特許請求の範囲１１記載のバーナ。 １３ 外包空気流の噴射口が、該空気流を気体燃
   料の中空状直進流の外周に向けて偏向させる案内
   手段を有する特許請求の範囲１１又は１２記載の
   バーナ。