JPS6149563B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、気体又は液体の燃料を燃焼させる
空気を予熱するための復熱装置を備えた、炉内や
反応器を加熱するための産業用バーナーに関する
ものである。このようなバーナーは、その中で火
炎を形成するセラミツク製のバーナーチユーブと
同軸であつてこのバーナーチユーブ内にその端を
臨ませている空気供給用チユーブを備えている。
この空気供給用チユーブは復熱装置の一部を構成
しており、復熱装置では、その一方の側に燃焼後
の気体が流れ、もう一方の側では供給された空気
が燃焼後の気体の流れと逆向きに流れるようにな
つている。空気供給用チユーブはまた、これより
直径の小さな燃料供給用チユーブを囲包してお
り、この燃料供給用チユーブは、空気がセラミツ
ク製のバーナーチユーブに放出される領域まで伸
びている。さらに、空気供給用チユーブは、その
中に空気誘導シリンダーを囲包しており、これに
よつて、供給された空気流のための環状の空間を
空気供給用チユーブの中に形成している。

このような産業用バーナーは、例えば西独国特
許出願公開第2742070号に示されているように、
一般に噴射筒や噴射銃を熱するために、あるいは
炉内空間や産業用炉を直接熱するために使用され
ている。燃焼後の気体の熱の一部はバーナーの能
率を向上させるために、バーナー内に組み込まれ
た復熱装置に取り込まれ、燃焼用空気を予熱す
る。しかしながら、空気をより強く予熱しようと
すると、特にバーナーポート領域（すなわち空気
と燃料が混合される部位）そしてまた燃焼空間そ
のものに関して、本質的な構造上の困難性が生じ
てくる。

この領域に存在する部品は、増大する空気温度
のために強く熱せられ、セラミツク製のバーナー
チユーブと復熱装置の一部を構成している金属性
の空気供給用チユーブとの間の結合及び接着に問
題が生じてくるので、セラミツク材料をバーナー
チユーブに使用することはもはや真剣に考えられ
なくなつた。

金属性の空気供給用チユーブの熱膨張係数は実
際に燃焼室を囲包しているセラミツク製のバーナ
ーチユーブのそれと異つている。セラミツク製の
バーナーチユーブは引張応力に対して非常に弱い
ので、空気供給用チユーブとの結合部位で破壊さ
れてバーナーが使用できなくなる危険性がある。
炉内の気体の温度の50パーセントまで好ましくは
60パーセント以上に空気を予熱するための復熱装
置の設計に当つてはバーナーポートが炉内温度の
約80ないし90パーセントに達するように考慮する
必要がある。このことは、炉内温度が1200℃であ
るとすれば、バーナーポート部は1000℃以上の高
温にさらされるということを意味する。

このような高温下では、バーナーポートの金属
部分にさえ過熱の問題が生じてくる。その結果、
空気予熱のための復熱装置を備えた産業用のバー
ナーでは、現在に至つても、このような高温度の
空気予熱の下で操作することは行なわれていな
い。

この発明は、復熱装置、空気供給用チユーブ、
バーナーチユーブその他バーナーポート領域に存
在する部品に対してバーナーの寿命を縮め、ある
いはバーナーの安全な操作を妨げるような過度の
応力を加えることなく、高い能率を得るために燃
焼用の空気を比較的高い温度にまで予熱できした
がつて高効率で操作できる産業用加熱等用のバー
ナーを提供することを目的とする。

この発明では、バーナーチユーブの内壁に直接
沿つた空気噴流を形成するために、環状ノズルが
形成されている。このノズルはバーナーポート領
域における空気供給用チユーブの環状空間に隣接
して設けられており、そしてここから、加速され
た空気は環状の噴流となつてバーナーチユーブの
内壁に沿つて流れて行くのである。さらに、バー
ナーポート領域にある、空気供給用チユーブの末
端部分は、空気供給用チユーブとバーナーチユー
ブの間を通過する気体であつて火炎よりも温度の
低いものによつて冷却されるようになつている。
バーナーは次のような構造が可能である。すなわ
ち、環状ノズルから噴き出した空気がバーナーチ
ユーブの内壁と共働して負圧部を形成し、この負
圧部は、これを囲包しているバーナーチユーブの
外側の燃焼生成物気体を含んだ空間につながつて
いるという構造である。これによれば、火炎より
も温度の低い燃焼生成物気体が、空気供給用チユ
ーブとバーナーチユーブとの接続部位でそれらの
間に吸い込まれ、その結果、バーナーポート領域
にあるバーナーチユーブと空気供給用チユーブが
許容範囲を越える高温にさらされることが有効に
防止される。

実際的な態様においては、バーナーチユーブの
内側に所定の長さだけ空気供給用チユーブを挿入
し、負圧部はバーナーチユーブとこの空気供給用
チユーブの間に形成される環状の間隙（スロツ
ト）を通じて、燃焼後の気体を含む外部空間につ
ながることができる。これによると、バーナーと
復熱装置を封止する必要がなく、バーナーチユー
ブは空気供給用チユーブにゆるく（すなわち、封
止することなく）接続され、これらの間に環状の
間隙を形成する。

この種の態様は、バーナーチユーブに囲まれた
燃焼室内の逆圧力が低い場合、例えば、噴射筒の
中で使用される場合や、燃焼気体の出口での速度
がゆるやかであるバーナー（すなわち、下流端の
細くなつていないバーナーチユーブを持つバーナ
ー）等に使用する場合特に興味あるものになる。
経験的に見出したことであるが、環状ノズルから
噴射される空気噴流の速度は定格出力において少
なくとも50メートル毎秒であり、燃焼用の空気の
温度は少なくとも500℃であることが好ましい。

例えばバーナーを下向きに設置するような場
合、逆圧が小さく、その結果、空気噴流によつて
負圧部に燃焼後の気体が吸い込まれるという効果
がなければ、非常に熱い火炎気体が環状の空隙す
なわちバーナーチユーブと復熱装置の間の間隙を
通り、バーナーポートの金属部分を速やかに破壊
してしまう。

燃焼室の逆圧が高い場合、例えばノズル状に先
端を細くしたバーナーチユーブを使用して火炎気
体に大きな速度を与えるような場合、環状の空気
噴流はある条件下では燃焼後の気体を吸い込むこ
とができなくなり、さらに逆圧が高くなつた場合
にはバーナーチユーブと復熱装置の間の環状のす
きまを熱い火炎気体が通過することを防ぐことが
できなくなる。

このような条件下でこの発明を実施する場合、
次のような構造が考えられる。すなわち、環状の
空間がバーナーチユーブと空気供給用チユーブの
間の環状の空隙を通して燃焼室の外側の空間とつ
ながつており、一方、この環状の空間における予
熱された空気の圧力はバーナーチユーブの外側の
空間の圧力よりも高く保たれているというもので
ある。例えば、バーナーチユーブを空気供給用チ
ユーブの中に多少ゆるくさし込むだけで上述の構
造のうち特に単純なものが得られる。

環状の空間を通つてくる燃焼用の空気の圧力
は、バーナーチユーブの外側の燃焼後の気体の圧
力よりも高いので、バーナーポート部で比較的温
度の低い空気がバーナーチユーブと空気供給用チ
ユーブの末端領域との間を流れることになる。こ
の漏れによる空気の損失の結果としては、燃焼用
の空気の量を決定あるいは算出する際に、その損
失を計算に入れる必要が生じるということだけで
ある。これによつて、バーナーポート部の金属部
分やセラミツク部分が過熱される可能性は排除さ
れる。バーナーチユーブと復熱装置は、バーナー
チユーブの外壁で接続されているので、その結
果、操作の際そこに自動的に環状の空間が形成さ
れ、供給された空気がそこに冷却のための出口を
形成することになる。

空気を非常な高温まで予熱する条件下では、環
状の噴射領域の金属製品部の浸食を防止するため
に、噴射口自体を空気誘導シリンダーに連結した
セラミツク製のチユーブで構成することもでき
る。

この発明によれば、産業用のバーナーがどのよ
うな形態をとるにせよ、空気を炉内気体温度の少
なくとも50パーセント、好ましくは60パーセント
以上の温度にまで予熱することが有用である。燃
焼室への空気の供給は環状のノズルを介して行な
われているので、バーナー内部に比較的大きな空
間が残されており、この空間は、その外縁を空気
誘導シリンダーによつて囲まれた、軸方向の冷た
い空気の溝を与え、復熱装置を通さずに冷たい空
気を炉内に送るための、冷たい空気源とつながつ
た環状ノズルを与えることに利用できる。さら
に、環状ノズルと燃料供給用チユーブとの間の空
間に、点火および火炎監視装置を設置することが
できる。ただし、この場合空間の幅が少なくとも
12ミリメートルは必要である。最後に、また適当
な羽根によつて、環状ノズルを通る燃焼用空気を
安定させるための回転運動を空気に伝えることも
できる。

次に、この発明の異なる２つの具体例を図面を
用いて説明する。図面に示された１は産業用炉の
１部で炉壁２及び円筒状の通路３を有し、この通
路３の中にバーナー４が設置されている。

バーナー４は円筒状のセラミツク製バーナーチ
ユーブ５を有しており、これと同軸の空気供給用
チユーブ６がその中に開端しており、この空気供
給用チユーブ６は復熱装置７の１部を構成してい
る。復熱装置７は、いわゆるリブ付き復熱装置と
して構成されている。復熱装置７は互いに末端で
接続されたチユーブセグメント８を有し、これ
は、内側に突き出た熱交換用リブ９と外側に突き
出た熱交換用リブ１０を有している。空気供給用
チユーブ６の中に、これと同軸の空気誘導シリン
ダー１１が設置され、この空気誘導シリンダー１
１と空気供給用チユーブ６の間に形成された環状
の空間１２に復熱装置７の熱交換用リブ９が設置
されている。

環状空間１２に燃焼用の空気が給気管１３を通
して供給される。バーナーポート領域１４内で、
環状ノズル１５は、第２図に詳しく示されている
ように、環状空間１２とつながつており、給気管
１３を通して供給された空気は速度を増して環状
の噴流となり、燃焼室１６を囲んでいるバーナー
チユーブ５の内壁に沿つて、環状ノズル１５から
噴射される。

空気誘導シリンダー１１の内側には、これと同
軸の燃料ランス（lance）としても知られる直径
のより小さな燃料供給用チユーブ１７が設置され
ており、これはバーナーポート１４まで伸びてい
る。

操作の際には、液体又は気体の燃料が矢印１８
で示すように燃料供給用チユーブを介して供給さ
れる。このように供給された燃料は、環状ノズル
１５から噴射される空気とバーナーポート１４領
域及び燃焼室１６で混合され、点火された後、炭
化ケイ素製のバーナーチユーブ５で囲まれた燃焼
室１６で炎となつて燃焼する。

下流端の細くなつていないバーナーチユーブ５
が第１図に示されている。燃焼後の気体は燃焼室
１６から炉室１に出され、最終的には矢印１９の
ように、バーナーチユーブ５と炉壁２に設けられ
た通路３の内壁との間の環状の空間を通して排ガ
ス回収室２０に戻り、排ガス管２１を通して外部
に排出される。燃焼後の気体は炉室１から排ガス
回収室２０に至る途中で復熱装置７の熱交換用リ
ブ１０及び９を通して燃焼用の空気にその熱の一
部を与え、これをその分だけ予熱するのである。

復熱装置は燃焼用空気を炉室１に充満している
気体の温度の少なくとも50パーセント、好ましく
は65パーセント以上に達するまで予熱できるよう
に設計されている。バーナーの本質的な能率の向
上はこれによつて得られるが、その反面、バーナ
ーポート部１４の領域にある部品は高温にさらさ
れることになる。例えば炉内温度が12℃の場合に
は、このような条件下では、バーナーポート領域
の温度は約1000℃に達する。

バーナーポート部を温度の浸食から守るため
に、次に述べるような防衛策がとられる。

第１図及び第２図に示された具体例では、セラ
ミツク製のバーナーチユーブ５が、これに見合う
ように直径を縮少した空気供給用チユーブ６の外
に緩く嵌められており、空気供給用チユーブ６は
バーナーチユーブ５の中に所定の長さだけ入り込
んでいる。通常の出力の下で最低50メートル毎秒
の速度であり、バーナーポート部１４での温度が
500℃である燃焼用空気が環状ノズル１５から噴
射され、前述のようにバーナーチユーブ５の内壁
に沿つて出て行く。この空気噴流バーナーチユー
ブ５の内壁の表面と協力して負圧部２２を形成
し、この負圧部はバーナーチユーブ５と炉壁２に
設けられた通路３の内壁との間の環状の空間と連
通しており、この環状の空間に燃焼後の気体が炉
室１より流れ込んで来る。バーナーチユーブ５の
中に入り込んだ空気供給用チユーブ６の一部とバ
ーナーチユーブ５の内壁の表面との間の環状の空
隙２３が負圧部２２と上述の環状空間とを結ぶ通
路となる。

負圧部２２に存在する減圧の効果により、燃焼
後の気体が矢印２４で示すように環状の空隙２３
を通して吸い込まれる。燃焼後の気体は火炎と比
較して冷たいので、バーナーポート部１４の空気
供給用チユーブ６及びバーナーチユーブ５の双方
が冷却され、その結果空気を強く予熱しても、こ
れらの部分は摩耗及び浸食という観点から見て操
作可能な温度に保たれることになる。

第２図より明らかなように環状ノズル１５の直
径はバーナーチユーブ５の内径よりも小さい。バ
ーナーチユーブ５の内壁の表面と環状ノズル１５
との間隔のとり方は個々の場合の条件に応じて決
定される。

空気供給用チユーブ６とバーナーチユーブ５と
の間の環状の空隙２３は、セラミツク製のバーナ
ーチユーブ５を、第１図に示すように、空気供給
用チユーブ６の上に単に押しかぶせるだけで得ら
れ、それ以上の固定は必要でなく、その結果、こ
の接続は効果的に緩やかなものとなる。本質的に
同様な効果がまた燃焼後の気体の通路となる溝を
設けることによつても得られる。例えば環状の空
隙２３に軸方向に溝を設ける。その為に例えばバ
ーナーチユーブ５の内壁の表面にその為の溝を軸
方向に設けるか、又は空気供給用チユーブのバー
ナーチユーブ５に入り込んだ部分をその為に波状
にすることができる。あるいは、環状の空隙２３
から半径方向にバーナーチユーブ５を貫通する孔
を設け、それを通して燃焼後の気体が負圧部２２
に流れ込んでくるようにしてもよい。

第１図及び第２図に示された上述のバーナー４
は燃焼室１６の逆圧が小さい場合のためだけに設
計されたものである。この種のバーナーは、例え
ば、噴射筒の内部での使用や、燃焼気体の噴射速
度がゆるやかな場合（すなわち、第１図及び第２
図に示すような下流端の細くなつていないバーナ
ーチユーブを有する場合）に適用される。

しかし、このようなバーナーが燃焼室１６の逆
圧が比較的高いという条件下で上述のように高い
温度まで空気を予熱する場合、例えば、第３図に
示すようにバーナーチユーブ５の先端部２５をノ
ズル状に細くして火炎気体に大きな速度を与える
ような場合には、上述のような、燃焼後の気体が
環状の空隙２３を通して負圧部２２（第２図）に
吸い込まれるという現象はもはや効果的には起こ
らなくなる。そこで、バーナーは第３図に示すよ
うな構造をとらなければならなくなる。

第３図においてバーナーはその半径切断面だけ
が示されているが、第１図及び第２図に示された
具体例の部分につけられた番号と一致している部
分は同一の符号が付されている。これらの部分に
ついては、新たな説明を要しないであろう。

第１図及び第２図に示された具体例の構造と異
なり、この場合はセラミツク製のバーナーチユー
ブ５が、これに応じた小さな直径を持つ空気供給
用チユーブ６の内側にゆるく挿入されている。こ
の場合でもバーナーチユーブ５と空気供給用チユ
ーブ６との間には特別な封止を必要としない。同
時に、環状の空間１２内の燃焼用の空気の圧力
は、バーナーチユーブ５の外壁の表面部分の通路
３内にある燃焼後の気体の圧力よりも高くなるよ
うに選ばなければならない。

操作の際、金属製の空気供給用チユーブ６とセ
ラミツク製のバーナーチユーブ５の熱膨張係数が
違うために、バーナーチユーブ５の外面とバーナ
ーチユーブ５を囲んでいる空気供給用チユーブ６
との間に環状の空隙２６が形成される。既に述べ
たように環状の空間１２内の圧力の方が通路３内
の圧力よりも高いので、火炎に比べて比較的温度
の低い空気がこの環状の空隙２６を通して外に流
出し、それによつてバーナーチユーブ５と空気供
給用チユーブ６のうちバーナーチユーブ５を囲ん
でいる部分との両方が冷却され、その結果これら
の部分が許容範囲を越える高温にさらされること
がなくなるのである。

環状の空隙２６を通して漏れることによる空気
の損失は、バーナーに送り込む燃焼用の空気の量
を決める際に計算に入れなければならない。流出
する空気は第３図において矢印２７で示されてい
る。

さらに、環状の空隙２６に代えて、又はこれと
共に補助的にセラミツク製のバーナーチユーブ５
の外壁に軸方向に溝を設け又は、空気供給用チユ
ーブ６の末端部分にひだを設けても良い。あるい
は、環状の空隙２６部のバーナーチユーブ５又は
空気供給用チユーブ６のうちバーナーチユーブ５
を囲んでいる部分、又はこれらの双方に半径方向
にこれに貫通する孔を設け、ここを燃焼用の空気
のうち冷却用に使われる空気を通すようにしても
良い。燃焼用の空気は環状ノズル１５から環状の
空気噴流となつてバーナーチユーブ５の内壁に沿
つて下向きに噴射され、その結果バーナーチユー
ブ５の内面もまた冷却されることになる。

空気を極めて高い温度にまで予熱する場合、バ
ーナーポート領域１４にある環状ノズル１５自体
についてもまた、高温に対する特別な対策が必要
になる。その為に、第３図に示すように、空気誘
導シリンダー１１の対応して直径を細めた部分に
セラミツク製のチユーブ２８を取り付けて環状ノ
ズル１５の内縁をこれで構成しても良い。このよ
うなセラミツク製のチユーブ２８は、もちろん、
第１図及び第２図に示された具体例についても利
用できる。

両方の具体例とも燃焼用の空気は環状ノズル１
５からバーナーチユーブ５の内壁の表面に沿つて
供給されるので、空気誘導シリンダー１１の内部
は、バーナーポート領域１４においてさえも必然
的に空になる。それ故に、この環状ノズル１５と
燃料供給用チユーブ１７の間の空間に第１図にお
いて２９で示すように点火及び火炎監視装置を取
り付けることができる。さらに、空気誘導シリン
ダー１１の内部では、冷却用の空気が何の障害も
なく炉室１内に吹きつけられ、またバーナー４を
通過する際全く復熱装置７を通らないので、不都
合な冷却用空気の予熱が避けられる。冷却用空気
供給管は３０で示される。

最後に、噴流の安定をはかるためのうず効果
が、環状ノズル１５内にそらせ羽根３１（第２
図）を設置することによつて得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に従うバーナー装置の軸方向
の断面の模式図、第２図はこの発明に従うバーナ
ー装置の環状ノズルの一部の軸方向の断面を拡大
して示す図、第３図はこの発明の第２の具体例に
従うバーナー装置の軸方向の部分断面図。 １……炉室、２……炉壁、３……通路、４……
バーナー、５……バーナーチユーブ、６……空気
供給用チユーブ、７……復熱装置、８……輪形チ
ユーブ、９，１０……熱交換用リブ、１１……空
気誘導シリンダー、１２……環状の空間、１３…
…給気管、１４……バーナーポート、１５……環
状ノズル、１６……燃焼室、１７……燃料供給用
チユーブ、２０……排ガス回収室、２１……排ガ
ス管、２２……負圧部、２３，２６……環状の空
隙、２５……細くなつたバーナーチユーブの先
端、２８……セラミツク製チユーブ、２９……点
火及び火炎監視装置、３０……冷却用給気管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下流端に設置されたセラミツク製のバーナー
   チユーブ、このバーナーチユーブと同軸の空気供
   給用チユーブであつて該バーナーチユーブと結合
   しその結合部分に点火のために燃料と空気が混合
   されるバーナーポート部を形成するもの、および
   該空気供給用チユーブの中央に位置した直径のよ
   り小さな燃料供給用チユーブであつて該バーナー
   ポート部に達するものを具備し、供給空気が流れ
   る前記空気供給用チユーブは、供給空気と逆方向
   に流れる燃焼後の気体が通過する通路によつて囲
   まれ、また、空気供給用チユーブには、燃焼後の
   気体から奪つた熱によつて供給空気を予熱するた
   めの復熱装置が設置され、さらに該空気供給用チ
   ユーブは供給空気の流れを環状の空間に封じ込め
   るための空気誘導シリンダーを有する産業用炉の
   炉内空間を熱するためのバーナ装置において、空
   気供給用チユーブ６の内部の環状の空間１２から
   加速された空気が噴流となつてバーナーチユーブ
   ５の内壁に沿つて流出するようにバーナーチユー
   ブ５の内壁に隣接する環状ノズル１５を空気供給
   用チユーブ６の端に結合し、バーナーポート１４
   にある空気供給用チユーブ６の端部領域を空気供
   給用チユーブ６とバーナーチユーブ５との間を通
   る火災よりも温度の低い気体によつて冷却するた
   めの機構を設けたことを特徴とするバーナー装
   置。 ２ 環状ノズル１５から噴射される空気噴流とバ
   ーナーチユーブ５の内壁との間に負圧部２２が形
   成され、その負圧部２２が、バーナーチユーブ５
   の外側の、燃焼後の気体を含んだ空間３と連通す
   るようにバーナーチユーブ５を配置した特許請求
   の範囲第１項記載のバーナー装置。 ３ 負圧部２２がバーナーチユーブ５の内壁の表
   面と、空気供給用チユーブのうちバーナーチユー
   ブ５の内部に入り込んでこれと重なつている部分
   との間に形成された環状通路２３を通して、燃焼
   後の気体を含んでいる空間３と連通している特許
   請求の範囲第２項記載のバーナー装置。 ４ バーナーチユーブ５を空気供給用チユーブ６
   の末端部の上にゆるくかぶせることによつてでき
   る間隙をもつて通路２３とした特許請求の範囲第
   ３項記載のバーナー装置。 ５ 空気供給用チユーブ内の環状の空間１２内の
   圧力をバーナーチユーブ５のまわりの空間３内の
   圧力よりも高く保持するように空気供給源が空気
   供給用チユーブ６と連結され、バーナーポツト部
   １４にある空気供給用チユーブ６の末端部の冷却
   機構が、空気供給用チユーブ６内の環状の空間１
   ２とバーナーチユーブ５のまわりを囲んでいる空
   間３とを連通する環状の空隙２６をバーナーチユ
   ーブ５と空気供給用チユーブ６の間に設けてなる
   特許請求の範囲第１項記載のバーナー装置。 ６ バーナーチユーブ５を空気供給用チユーブ６
   の内側にゆるく差し込むことによつて、それぞれ
   の末端部分の重なりに上述の環状の空隙２６を形
   成し、この環状の空隙２６を通して空気がバーナ
   ーチユーブ５の外側に漏れることによつてバーナ
   ーチユーブ５及び空気供給用チユーブ６の双方が
   冷却される特許請求の範囲第５項記載のバーナー
   装置。 ７ 環状ノズル１５から噴射される空気噴流の速
   度がバーナー装置の定格出力の最大の出力で少な
   くとも50メートル毎秒で噴射できる空気供給源を
   空気供給用チユーブ６に連結して成る特許請求の
   範囲第１項ないし第６項のいずれか１項に記載の
   バーナー装置。 ８ 環状ノズル１５の内縁をセラミツク製のチユ
   ーブで構成した特許請求の範囲第１項ないし第６
   項のいずれか１項に記載のバーナー装置。 ９ 空気誘導シリンダー１１及び環状ノズル１５
   をもつてその外縁とし、かつ冷却用給気管３０と
   連結された冷却用空気供給管を空気供給用チユー
   ブ６の内部に設けた特許請求の範囲第１項ないし
   第６項のいずれか１項に記載のバーナー装置。 １０ 環状ノズル１５と燃料供給用チユーブ１７
   の間に点火及び火災監視装置を設置した特許請求
   の範囲第１項ないし第６項のいずれか１項に記載
   のバーナー装置。 １１ 環状ノズル１５に、これを通過する燃焼用
   空気にうず流を与える機構を設けた特許請求の範
   囲第１項ないし第６項のいずれか１項に記載のバ
   ーナー装置。