TWI387710B - 輻射管燃燒器 - Google Patents

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Description

輻射管燃燒器
本發明係有關一種輻射管燃燒器，具體而言，該輻射管燃燒器係在導引燃燒用空氣之輻射管的內部設有供給燃料氣體之燃料氣體供給管，於該燃料氣體供給管的前端設有使氣體往直線前進方向噴出之直進噴出口，並且於該燃料氣體供給管的前端側設有使從上述直進噴出口噴出的燃料氣體與燃燒用空氣混合並燃燒之燃燒筒。
本發明的特徵在於，在上述的輻射管燃燒器中，能夠藉由簡單的構成來大幅減低燃燒排放氣體中的NOx 的量，並且抑制上述燃燒筒因溫度上升造成壽命降低的情形。其中，上述燃燒排放氣體中的NOx 若未特別預先說明，則意指包括燃料氣體中的氮部分(N2 )因氧化而產生之NOx (Fuel NOx ；燃料生成氮氧化物)、與燃料氣體中所含的氮(N2 )與氧(O2 )在高溫狀態下反應而產生的NOx (Thermal NOx ；熱生成氮氧化物)兩者。
本申請案係基於日本特願2007－67850號申請案，並在此引用其內容。
一直以來有各式各樣種類的輻射管燃燒器被使用著，近年來則基於環境保護的觀點而有研究在利用輻射管燃燒器燃燒燃料氣體時，減少燃燒後的燃燒排放氣體中所含有的NOx 的量之方法。
而為了減少燃燒排放氣體中所含有的NOx 的量，在習 知技術中，專利文獻之日本特開昭63－116011號公報及日本特開平11－201417號公報已揭示有一種輻射管燃燒器，其係於輻射管內設有供給燃燒用空氣的燃燒用空氣供給管，並且於該燃燒用空氣供給管的內部設有供給燃料氣體的燃料氣體供給管。
此處，在該輻射管燃燒器中，係使經由燃燒用空氣供給管內而供給之一次燃燒用空氣與經由上述燃料氣體供給管而供給之燃料氣體於燃料氣體過剩的狀態下在燃燒筒內混合並不完全燃燒後，再使經由上述燃燒用空氣供給管的外側而供給之二次燃燒用空氣混合並使之完全燃燒。剛如上述使之以2階段來燃燒，便抑制火焰溫度的升高而減低燃燒排放氣體中的NOx 的量。
然而，當如此於輻射管內另外設置供給燃燒用空氣的燃燒用空氣供給管時，製造成本升高，並且因利用更多階段來進行燃燒而變得非常難以使排放氣體中的NOx 的量更加減低之問題。
此外，在習知技術中，專利文獻之日本特開平6－257737號公報及日本特開2000－146118號公報係已揭示有一種輻射管燃燒器，其係於供給燃料氣體之燃料氣體供給管的前端側設有燃燒筒，使該燃燒筒的前端部收縮成雖狀並且於該燃燒筒設有複數個孔。
而在該輻射管燃燒器中，係使經由輻射管內而供給燃燒筒內之一次燃燒用空氣與經由上述燃料氣體供給管而供給之燃料氣體於燃料氣體過剩的狀態下在該燃燒筒內混 合，將經如上述混合的氣體的一部分導引至該燃燒筒被收縮成錐狀的前端部並使之燃燒，另一方面，將未導引至上述被收縮成錐狀的前端部之剩餘氣體經由上述的孔而導引至燃燒筒的外周側，且使與被導引至該燃燒筒的外周側之二次燃燒用空氣混合並燃燒。
然而，如上述的輻射管燃燒器般使燃燒筒的前端部收縮成錐狀並且於該燃燒筒設置複數個孔之作業係麻煩費事且有燃燒筒製造成本升高之問題。此外，亦有當如上述將未被導引至前端部之剩餘氣體導引至燃燒筒的外周側而使之與二次燃燒用空氣混合並燃燒時，燃燒筒的溫度會大幅上升而使燃燒筒的壽命變短之問題。
本發明的課題在於解決習知輻射管燃燒器的上述各種問題。
亦即，本發明的課題在於能夠藉由簡單的構成來大幅減低燃燒排放氣體中的NOx 的量，並且抑制燃燒筒因溫度上升造成壽命降低的情形。
為了解決如上述的課題，本發明的輻射管燃燒器係在導引燃燒用空氣之輻射管的內部設有供給燃料氣體之燃料氣體供給管，於該燃料氣體供給管的前端設有使燃料氣體往直線前進方向噴出之直進噴出口，並且於該燃料氣體供給管的前端側設有使從上述直進噴出口噴出的燃料氣體與 燃燒用空氣混合並燃燒之燃燒筒者，其特徵在於：在位於上述直進噴出口之後方的燃料氣體供給管的前端部設置有使燃料氣體往放射方向噴出的放射噴出口，且在位於該放射噴出口的後方附近之燃料氣體供給管的外周設置有抑止板，並且在位於該抑止板之更後方的位置的燃料氣體供給管設置有使燃料氣體往放射方向噴出的一次噴出口；從上述一次噴出口噴出之燃料氣體的量係在全部燃料氣體的5至30vol%的範圍。
此處，在上述的輻射管燃燒器中，在使燃料氣體從設置於燃料氣體供給管的上述一次噴出口往放射方向噴出時，為了將從該一次噴出口噴出之燃料氣體適當地燃燒再導引至爐內，較宜使從該一次噴出口往放射方向噴出之燃料氣體朝前方傾斜噴出。
此外，為了使燃燒排放氣體中的NOx 的量降低，並且防止燃燒筒的溫度大幅上升，較宜將從該一次噴出口噴出之燃料氣體的量設定為全部燃料氣體的5至30vol%的範圍。
此外，在上述的輻射管燃燒器中，為了使從上述放射噴出口與一次噴出口噴出之燃料氣體的燃燒在輻射管的內部均勻進行，較宜於燃料氣體供給管分別設有複數個放射噴出口與一次噴出口，並且放射噴出口與一次噴出口在圓周方向的位置相異。
此外，在本發明的輻射管燃燒器中，由於不需要如習知技術般將在燃燒筒內混合的燃料氣體與燃燒用空氣導引至燃燒筒的外周側，因此不需要如習知技術般使燃燒筒的前端部收縮成錐狀，或於該燃燒筒設置複數個孔，而能夠 將燃燒筒形成為大致固定直徑的筒狀。
在本發明的輻射管燃燒器中，係將導引至輻射管內的燃燒用空氣與從設於上述燃料氣體供給管之一次噴出口噴出的燃料氣體混合並燃燒，上述燃燒用空氣中的氧濃度會降低。接著，如上述般氧濃度降低的燃燒用空氣會越過抑止板而被導引至燃料氣體供給管的前端的外周側，且與從設置於該燃料氣體供給管之上述放射噴出口噴出的燃料氣體混合而在燃燒筒的外周側燃燒，進而氧濃度降低的燃燒用空氣係被導引至燃燒筒的前端側。接著，在導入至上述燃燒筒的燃燒用空氣較少的狀態下，燃料氣體係被從設置於燃料氣體供給管的前端之直進噴出口導入至該燃燒筒內，接著燃料氣體在不完全燃燒的狀態下被導引至燃燒筒的前端，該燃料氣體會與被從燃燒筒的外周側導引至燃燒筒的前端之燃燒用空氣混合並燃燒。
如上所述，在本發明的輻射管燃燒器中，係使從一次噴出口噴出之燃料氣體、從放射噴出口噴出之燃料氣體、以及從直進噴出口噴出之燃料氣體以3階段來燃燒之，因此，與習知的輻射管燃燒器相比，可進一步抑制火焰溫度的升高，且進一步降低燃燒排放氣體中的NOx 的量。此外，亦能夠調整在燃燒筒的外周側燃燒之燃料氣體的量來抑制燃燒筒的溫度的上升，而能夠提高燃燒筒的壽命。
以下，根據所附加的圖式來具體說明本發明的實施形 態的輻射管燃燒器。另外，本發明的輻射管燃燒器並非限定為出現在下述實施形態者，在不變更本發明主旨的範圍內，本發明係能夠進行適當變更而實施。
在本實施形態的輻射管燃燒器中，如第1圖所示，於輻射管10的後部側設置有將燃燒用空氣供給至輻射管10內的燃燒用空氣供給口11，並且於該輻射管10的中心部設置有供給燃料氣體的燃料氣體供給管20。
並且，於上述燃料氣體供給管20的前端設置有使燃料氣體往直線前進方向噴射的直進噴出口21，並且在位於上述直進噴出口21的後方的燃料氣體供給管20的前端部設置有複數個使燃料氣體往放射方向噴出的放射噴出口22。另外，亦能夠使從上述放射噴出口22往放射方向噴出之燃料氣體相對於放射方向而朝前後方向傾斜適當的角度而噴出。
此外，於該放射噴出口22的後方附近之燃料氣體供給管20的外周係設置有抑止燃燒用空氣被直接導引至放射噴出口22之抑止板23，並且將火星塞(spark plug)或引火火嘴(pilot burner)等點燃手段12從該抑止板23往前方突出而設置位於上述放射噴出口22的附近。另外，亦能夠於上述抑止板23設置孔(未圖式)，可導引少量的燃燒用空氣。
並且，在位於上述抑止板23之更後方的位置的燃料氣體供給管20設有直徑稍大的凸出部24，且於該凸出部24設有複數個使燃料氣體朝放射方向往前方傾斜噴出的一次 噴出口25。據此，燃料氣體便沿著一次噴出口25適當地被噴出。
另外，在本實施形態中，雖然為了如上述將從一次噴出口25噴出的燃料氣體適當地往前方送出而使一次噴出口25朝放射方向往前方傾斜，但並非一定非得要使之往前方傾斜噴出，亦能夠使之往後方傾斜噴出。此外，亦可不設置如上述的凸出部24而直接於燃料氣體供給管20設置一次噴出口25。
此外，在本實施形態的輻射管燃燒器中，如第1圖及第2圖所示，藉由從上述抑止板23往前端側延伸出之複數個安裝構件26來使導入有從上述直進噴出口21噴出的燃料氣體之成為圓筒狀的燃燒筒30，保持於上述燃料氣體供給管20的前端側，而於抑止板23與該燃燒筒30之間設置有足夠的空間部。另外，在本實施形態中，雖然係藉由從抑止板23延伸出的3條扁條所構成之安裝構件26來使燃燒筒30得以保持，但使燃燒筒30得以保持之安裝構件26的數目或種類並未特別限定，亦可為其他的形態者。
另外，在本實施形態中係使用成為大致固定直徑的圓筒狀者作為上述燃燒筒30。
並且，以使如上述構成之輻射管燃燒器突出於加熱爐1內之方式將該輻射管燃燒器安裝於加熱爐1的壁面1a。
此處，當在上述輻射管燃燒器中使燃料氣體與燃燒用空氣混合並燃燒時，係經由上述燃燒用空氣供給管11而使燃燒用空氣導入輻射管10內，並且使經由上述燃料氣體供 給管20而導入的燃料氣體從上述的一次噴出口25、放射噴出口22、以及直進噴出口21噴出至輻射管10內，而使該燃料氣體與上述燃燒用空氣混合。接著再利用設置於放射噴出口22的附近之上述點燃手段12使之點燃而燃燒。
此處，在使上述燃料氣體與燃燒用空氣混合並燃燒的一開始，雖然該輻射管10內的溫度低，但當使之如上述地燃燒而使輻射管10內的溫度上升，則在混合有從上述一次噴出口25噴出的燃料氣體與燃燒用空氣之位置會有燃燒進行，上述燃燒用空氣的氧濃度會降低。
接著，如上述氧濃度降低的燃燒用空氣會越過上述抑止板23而被導引至燃料氣體供給管20的前端的外周側，且與從設置於該燃料氣體供給管20的前端部之上述放射噴出口22噴出的燃料氣體混合而在燃燒筒30的外周側燃燒，進而氧濃度降低的燃燒用空氣會被導引至燃燒筒30的前端側。
而另一方面，在上述的燃燒筒30中，可藉由上述抑止板23來抑止燃燒用空氣，因此被導入至該燃燒筒30內的燃燒用空氣變得較少。接著，在如此地燃燒用空氣較少的狀態下，燃料氣體會被從設置於燃料氣體供給管20的前端之直進噴出口21導入至該燃燒筒30內，接著燃料氣體在不完全燃燒的狀態下被導引至燃燒筒30的前端，該不完全燃燒的狀態的燃料氣體會與從燃燒筒30的外周側被導引出的上述燃燒用空氣混合並燃燒。
如此以3階段來燃燒燃料氣體的結果，便抑制火焰溫 度的升高，可降低燃燒排放氣體中的NOx 的量。
此處，在上述實施形態的輻射管燃燒器中，設置於燃料氣體供給管20的放射噴出口22或一次噴出口25的數目或其在圓周方向的位置並未特別限定。例如，當於燃料氣體供給管20分別設置3個放射噴出口22與一次噴出口25時，如第3圖所示，較宜使燃料氣體供給管20的圓周方向的放射噴出口22與一次噴出口25的位置相異。亦即，若如此使燃料氣體供給管20的圓周方向的放射噴出口22與一次噴出口25的位置相異，從一次噴出口25噴出的燃料氣體被燃燒之圓周方向的位置、與從放射噴出口22噴出的燃料氣體被燃燒之圓周方向的位置便相異，可在圓周方向的較寬位置進行燃燒而使輻射管10內部的圓周方向的溫度差變小。據此，便防止輻射管10內的一部分的溫度大幅上升造成NOx 的產生量增加或燃燒筒30劣化等。
此外，當如上述使燃料氣體從設於燃料氣體供給管20的一次噴出口25、放射噴出口22、以及直進噴出口21噴出時，若從一次噴出口25或放射噴出口22噴出之燃料氣體的比例過度變高時，燃燒筒30的溫度會過度變高而使燃燒筒30變得容易劣化。反之，若從一次噴出口25或放射噴出口22噴出之燃料氣體變少且有大量的燃料氣體從直進噴出口21噴出而在燃燒筒30的前端燃燒時，由該燃燒所致的火焰溫度會變得非常高而使NOx 變得容易產生。
因此，較宜將從上述一次噴出口25噴出的燃料氣體相對於全部燃料氣體的體積比例予以調整至5至30vol%的範 圍，將從放射噴出口22噴出的燃料氣體相對於所有燃料氣體的體積比例予以調整至5至30vol%的範圍，並將所剩的部分從上述的直進噴出口21噴出。
此處，在上述的輻射管燃燒器進行了實驗，亦即，使用以50Vol%的比例含有氫、以20Vol%的比例含有甲烷之模擬COG(Coke Oven Gas；煉焦爐氣)來作為燃料氣體，且以燃燒容量137000kcal/h、爐內溫度約940℃、空氣比1.15之條件，將從上述放射噴出口22噴出之燃料氣體的體積比例設為17.5vol%，且使從上述一次噴出口25與直進噴出口21噴出之燃料氣體的體積比例變更來進行燃燒。其中，由於在上述模擬COG中未含有氮部分，因此前述燃料生成氮氧化物的產生量為0vol%。因此，本實驗中所產生的NOx 的量係燃燒所產生的熱生成NOx 的量。
並且，對伴隨從上述一次噴出口25噴出之燃料氣體的體積比例的變化而造成燃燒排放氣體中的NOx 的濃度變化及燃燒筒的溫度變化進行調查，於第4圖顯示該調查結果。其中，在第4圖係以實線表示NOx 的濃度變化，以虛線表示燃燒筒的溫度變化。此外，關於燃燒排放氣體中的NOx 的濃度係以氧濃度成為11vol%之方式所換算而得之值來表示。
結果，隨著從一次噴出口25噴出之燃料氣體的體積比例變大，燃燒排放氣體中的NOx 的濃度會減少，另一方面，燃燒筒的溫度會上升。而在將從一次噴出口25噴出之燃料氣體的體積比例設定為5至30vol%的範圍時，NOx 的濃度 會減少，同時燃燒筒的溫度的上升並不會特別造成問題，具體言之，係較宜將從一次噴出口25噴出的燃料氣體的體積比例設定為8至18vol%的範圍。
此外，當使用以50Vol%的比例含有氫、以20Vol%的比例含有甲烷之模擬COG(Coke Oven Gas)來作為燃料氣體時，在習知輻射管燃燒器中，NOx 濃度一般為120至150volppm，相對於此，在本發明的輻射管燃燒器中，係達到能夠將NOx 濃度降低至約52volppm之較大的效果。
另外，關於燃料生成氮氧化物，在「燃燒裝置的技術」(日刊工業新聞社發行，日本燃燒器研究會編，P211至P213)中，已記載有2階段燃燒對燃料生成氮氧化物的抑制有效果，而本發明的輻射管燃燒器亦顯然對燃料生成氮氧化物的抑制有效果。
1‧‧‧加熱爐
1a‧‧‧壁面
10‧‧‧輻射管
11‧‧‧燃燒用空氣供給口
12‧‧‧點燃手段
20‧‧‧燃料氣體供給管
21‧‧‧直進噴出口
22‧‧‧放射噴出口
23‧‧‧抑止板
24‧‧‧凸出部
25‧‧‧一次噴出口
26‧‧‧安裝構件
30‧‧‧燃燒筒
第1圖係顯示將本發明的一實施形態的輻射管燃燒器安裝至加熱爐之狀態的概略剖面說明圖。
第2圖係顯示在相同實施形態的輻射管燃燒器中，利用由從抑止板延伸出的3條扁條所構成之安裝構件來保持燃燒筒之狀態的概略說明圖。
第3圖係顯示在相同實施形態的輻射管燃燒器中，設置於燃料氣體供給管之放射噴出口與一次噴口在圓周方向的位置關係之剖面說明圖。
第4圖係顯示在使用相同實施形態的輻射管燃燒器之實驗中，伴隨從一次噴出口噴出之燃料氣體的體積比例的 變化而造成燃燒排放氣體中的NOx (熱生成氮氧化物)的濃度變化及燃燒筒的溫度變化的關係之模式圖。
1‧‧‧加熱爐
1a‧‧‧壁面
10‧‧‧輻射管
11‧‧‧燃燒用空氣供給口
12‧‧‧點燃手段
20‧‧‧燃料氣體供給管
21‧‧‧直進噴出口
22‧‧‧放射噴出口
23‧‧‧抑止板
24‧‧‧凸出部
25‧‧‧一次噴出口
26‧‧‧安裝構件
30‧‧‧燃燒筒

Claims (4)

  1. 一種輻射管燃燒器，係在導引燃燒用空氣之輻射管的內部設有供給燃料氣體之燃料氣體供給管，於該燃料氣體供給管的前端設有使燃料氣體往直線前進方向噴出之直進噴出口，並且於該燃料氣體供給管的前端側設有使從上述直進噴出口噴出的燃料氣體與燃燒用空氣混合並燃燒之燃燒筒者，其特徵在於：在位於上述直進噴出口之後方的燃料氣體供給管的前端部設置有使燃料氣體往放射方向噴出的放射噴出口，且在位於該放射噴出口的後方附近之燃料氣體供給管的外周設置有抑止板，並且在位於該抑止板之更後方的位置的燃料氣體供給管設置有使燃料氣體往放射方向噴出的一次噴出口；從上述一次噴出口噴出之燃料氣體的量係在全部燃料氣體的5至30vol%的範圍。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之輻射管燃燒器，其中，從設於上述燃料氣體供給管的一次噴出口往放射方向噴出之燃料氣體係朝前方傾斜噴出。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之輻射管燃燒器，其中，於上述燃料氣體供給管分別設有複數個放射噴出口與一次噴出口，且放射噴出口與一次噴出口在圓周方向的位置相異。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之輻射管燃燒器，其中，上述燃燒筒係形成為大致一定直徑的筒狀。
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