TWI784025B - 富氧化燃燒器及使用富氧化燃燒器之加熱方法 - Google Patents

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Abstract

本發明的目的在於提供一種富氧化燃燒器及使用富氧化燃燒器的加熱方法，其在利用自激振動火焰對被加熱物加熱時，即使在離開燃燒器的位置亦可利用優越的傳熱效率均勻地加熱，且所提供之富氧化燃燒器係具備：中心流體噴出口(2)、以及沿著該中心流體噴出口(2)的周圍以在正交方向各自相對向之方式所配置的一對第一周圍流體噴出口(3A)及一對第二周圍流體噴出口(3B)；其中，於中心流體噴出口(2)之上游側的流體噴出流路(4)的側壁(41)設置有一對開口部(42a、42b)；較該開口部還下游側的一對側壁(43a、43b)的間隔係朝向下游側而逐漸擴展；一對第二周圍流體噴出口(3B)係以與開口部(42a、42b)的相對向方向正交並包夾中心流體噴出口(2)的方式配置，中心流體噴出口(2)的中心軸與第二周圍流體噴出口(3B)的中心軸的角度γ°、以及中心流體噴出口(2)之側壁(41)間的出口寬度(D1)與第二周圍流體噴出口(3B)中之沿著出口寬度(D1)之方向的出口寬度(D2)係具備有預定的關係。

Description

富氧化燃燒器及使用富氧化燃燒器之加熱方法
本發明係關於富氧化燃燒器及使用富氧化燃燒器之加熱方法。
一般而言，在煉鐵程序所使用的盛桶等接收生鐵(熔液)之爐(容器)，會使用燃燒器產生的火焰來進行預熱，目的在於防止因快速加熱所造成之爐內的耐火物(耐火煉瓦等)的損傷。
在使用於上述之用途的燃燒器的火焰係要求具有高傳熱效率及可均勻加熱被加熱物的特性。
就提高燃燒器的傳熱效率的方法而言，以往，例如於專利文獻1所記載的技術採用：藉由使用富氧化空氣作為氧化劑來使火焰溫度上升，而提高傳熱效率的方法。然而，由於在具有如專利文獻1所記載之構造的燃燒器的火焰係形成為直線的形狀，所以會有對被加熱物的一部位局部加熱的傾向，會有難以均勻加熱的問題。
相對於此，在專利文獻2中揭示下述的方法：利用噴流的自激振動現象使火焰振動，而能夠在保持 較高的傳熱效率的狀態進行均勻加熱。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2016-085021號公報
專利文獻2：日本特開2013-079753號公報
另一方面，由於專利文獻2所揭示的技術中，火焰會振動，所以該火焰會有縮短化的傾向。結果，欲藉由對流傳熱來對在燃燒器之軸方向中位於離開前端面一段距離之位置的被加熱物加熱時，會有火焰未到達被加熱物而使得傳熱效率降低的問題。
本發明係有鑑於上述問題所研創者，目的在於提供一種富氧化燃燒器及使用富氧化燃燒器的加熱方法，其在一邊利用自激振動使火焰振動一邊對接收生鐵之盛桶等被加熱物加熱時，即使是離開燃燒器之前端面的位置，亦能夠以優越的傳熱效率來均勻地進行加熱。
為了解決上述課題，本發明提供以下的富氧化燃燒器。
(1)一種富氧化燃燒器，係從設置於前端部之複數個流體噴出口之各者噴出富氧化空氣或燃料氣體之至少任一者並使之燃燒的燃燒器，其中， 前述複數個流體噴出口係包含中心流體噴出口、及配置於該中心流體噴出口之周圍的周圍流體噴出口；於前述中心流體噴出口之上游側的流體噴出流路的側壁，係在各自相對向的位置設置有一對開口部，並且該一對開口部彼此係以連通管連通；較前述開口部還下游側之流體噴出流路的一對側壁的間隔係呈朝向下游而側逐漸擴展之剖面扇形形狀，前述周圍流體噴出口係包含：以各自相對向方式所配置的一對第一周圍流體噴出口、以及以各自相對向方式所配置的一對第二周圍流體噴出口；前述第一周圍流體噴出口、及第二周圍流體噴出口係以包夾前述中心流體噴出口的方式，配置於前述中心流體噴出口之周圍；前述一對第二周圍流體噴出口係配置在與前述一對開口部之相對向方向正交的方向；前述中心流體噴出口中之前述富氧化空氣或前述燃料氣體之噴出方向的中心軸、與前述一對第二周圍流體噴出口中之前述富氧化空氣或前述燃料氣體之噴出方向的中心軸所形成的角度γ°係滿足次式：{0°<γ≦15°}；前述中心流體噴出口中之配置有前述開口部之一對側壁間的出口寬度D1、與前述一對第二周圍流體噴出口中之沿著前述出口寬度D1之方向的出口寬度D2係滿足次式：{0.5D1≦D2≦D1}。
(2)如上述(1)所記載的富氧化燃燒器，其中， 以從兩側包夾配置有前述開口部之一對側壁的方式配置前述一對第一周圍流體噴出口。
(3)如上述(1)或(2)所記載的富氧化燃燒器，其中，前述一對第一周圍流體噴出口與前述一對第二周圍流體噴出口係可個別地控制前述富氧化空氣或前述燃料氣體的噴出量。
再者，為解決上述課題，提供一種使用富氧化燃燒器的加熱方法。(4)該使用富氧化燃燒器的加熱方法，係使用如上述(1)至(3)中之任一者所述的富氧化燃燒器來對被加熱物加熱。
根據本發明的富氧化燃燒器採用的構成係具備有：中心流體噴出口、於該中心流體噴出口的周圍以在正交方向各自相對向之方式所配置的一對第一周圍流體噴出口和一對第二周圍流體噴出口、以及設置於中心流體噴出口之上游側的流體噴出流路之側壁的一對開口部，且設中心流體噴出口中之氣體噴出方向的中心軸、與一對第二周圍流體噴出口中之氣體噴出方向的中心軸所形成的角度γ°為預訂範圍，並且，中心流體噴出口中之配置有開口部的一對側壁間的出口寬度D1、與一對第二周圍流體噴出口中之沿著出口寬度D1之方向的出口寬度D2係滿足預定的關係。
如此一來，在藉由自激振動使火焰振動的燃燒器中，最佳化流體噴出口的配置及形狀，藉此獲得兼具下述兩個 效果：可在由自激振動作用所形成的廣闊範圍下均勻地進行加熱的效果、以及連在離開軸方向燃燒器的前端面的位置也可獲得較高的傳熱效率的效果。因此，在對被加熱物加熱時，即使在離開燃燒器之前端面的位置，亦可利用優越的傳熱效率均勻地進行加熱。
此外，根據本發明之使用富氧化燃燒器的加熱方法，係使用具備上述構成之本發明的富氧化燃燒器的加熱方法，所以與上述同樣地，可對被加熱物在廣闊範圍下均勻地進行加熱，並且，連在軸方向中離開燃燒器之前端面的位置也可獲得較高的傳熱效率。
因此，與上述同樣地，在對被加熱物加熱時，即使在離開燃燒器之前端面的位置，亦可利用優越的傳熱效率均勻地進行加熱。
1‧‧‧富氧化燃燒器
2‧‧‧中心流體噴出口
3‧‧‧周圍流體噴出口
3A‧‧‧(一對)第一周圍流體噴出口
3B‧‧‧(一對)第二周圍流體噴出口
4‧‧‧流體噴出流路
4a‧‧‧導入口
5‧‧‧連通管
6‧‧‧中央流體供給管路
7(7A、7B)‧‧‧周圍流體供給管路
41、43‧‧‧(一對)側壁
42a、42b‧‧‧(一對)開口部
43a‧‧‧一面
43b‧‧‧另一面
44‧‧‧(角筒形)流路
50‧‧‧漏斗(模擬爐)
50A‧‧‧爐內空間
51‧‧‧爐壁
52‧‧‧爐蓋
52a‧‧‧貫通孔
53‧‧‧排出口
55‧‧‧熱電偶
D1、D2‧‧‧出口寬度
G1‧‧‧燃料氣體
G2‧‧‧富氧化空氣
J1‧‧‧中心軸(中心流體噴出口的流體的噴出方向)
J2‧‧‧中心軸(第二周圍流體噴出口的流體的噴出方向)
R‧‧‧自激振動的振動方向
α‧‧‧開口角度
β‧‧‧噴出角度
γ‧‧‧角度
△T‧‧‧溫度差
第1圖係針對本發明之一實施形態的富氧化燃燒器示意性說明的圖示，且為顯示中心流體噴出口與周圍流體噴出口之位置關係之一例的俯視圖。
第2圖係針對本發明之一實施形態的富氧化燃燒器示意性說明的圖示，且為於第1圖所示之富氧化燃燒器的A-A線段的剖面圖。
第3圖係針對本發明之一實施形態的富氧化燃燒器示意性說明的圖示，且為於第1圖所示之富氧化燃燒器的B-B線段的剖面圖。
第4圖係針對本發明之一實施形態的富氧化燃燒器示意性說明的圖示，且第4圖(a)、第4圖(b)係顯示於第1圖至第3圖所示之富氧化燃燒器中之流體的噴出方向的變動狀態的概念圖。
第5圖係顯示本發明之實施例所使用的富氧化燃燒器的示意圖，第5圖(a)為比較例1所使用之燃燒器的側視圖及俯視圖，第5圖(b)為比較例2所使用之燃燒器的側視圖及俯視圖，第5圖(c)為比較例3所使用之燃燒器的側視圖及俯視圖，第5圖(d)為發明例1所使用之燃燒器的側視圖及俯視圖。
第6圖係針對本發明之富氧化燃燒器的實施例加以說明的圖示，且為顯示於第5圖(a)至第5圖(d)所示之比較例1至3及發明例1之各燃燒器中之離燃燒器面之距離與傳熱量之關係的圖表。
第7圖係針對使用本發明之一實施形態之富氧化燃燒器的加熱方法示意性說明的圖示，且為顯示將本發明之富氧化燃燒器應用於在煉鋼程序所使用之漏斗時之構成的概略圖。
第8圖係針對本發明之富氧化燃燒器之實施例說明的圖示，且為圖表顯示：當使用如第7圖所示之漏斗的模擬爐，並藉由發明例2及比較例4的各燃燒器實際進行爐內的加熱試驗時的預熱時間與爐底溫度之最大值和最小值之差△T的關係。
第9圖係針對本發明之富氧化燃燒器之實施例說明的 圖示，且為圖表顯示：使用如第7圖所示之漏斗的模擬爐，並藉由發明例3及比較例5之各燃燒器實際進行爐內的加熱試驗時的離燃燒器中心軸的距離與爐底溫度的關係。
以下，一邊適當參照第1圖至第9圖一邊說明應用本發明之一實施形態的富氧化燃燒器及使用富氧化燃燒器的加熱方法。另外，以下說明中所用的圖式，為了容易明白其特徵，會有為了方便起見而放大顯示特徵之部分的情況，各構成要素的尺寸比率等不見得與實際相同。而且，以下說明中所例示的材料等為一例，本發明部不受該等材料所限制，可在不變更其要旨的範圍內適當變更而實施。
本發明的富氧化燃燒器，例如可應用於下述的用途：對煉鐵或煉鋼工廠中用作為熔鐵或熔鋼的貯留、搬運手段的漏斗(tundish，依中華民國國家教育研究院「雙語詞彙、學術名詞暨辭書資訊網」稱為漏斗，亦有稱為澆鑄用漏斗或餵槽之情形)(參照第7圖所示的漏斗50)進行預備加熱。
<富氧化燃燒器>
以下，針對本發明的富氧化燃燒器的構成及燃燒方法加以詳細說明。
[富氧化燃燒器的構成]
第1圖至第3圖係說明本發明一實施形態的富氧化燃燒器1之構造的圖示。第1圖係顯示中心流體噴出口與周圍流體噴出口的位置關係之一例的俯視圖。第2圖係於第1圖中所示之A-A線段的剖面圖(縱剖面圖)。第3圖係於第1圖中所示之B-B線段的剖面圖(橫剖面圖)。而且，第4圖係顯示本發明一實施形態的富氧化燃燒器1中之流體的噴出方向的變動狀態的概念圖。此外，由於在第1圖至第4圖(以及，在實施例欄位中所說明的第5圖)中係顯示各流體噴出口及開口部等之配置關係或尺寸用的示意圖，故省略一部分作為噴嘴之管壁等詳細部分的圖示。
如第1圖至第4圖所示，本實施形態的富氧化燃燒器1係從設置於前端部之複數個流體噴出口之各者噴出富氧化空氣或燃燒氣體中的至少任一者並使之燃燒者。
具體而言，本實施形態的富氧化燃燒器1係具備有複數個流體噴出口。更具體而言，本實施形態的富氧化燃燒器1係具備有：中心流體噴出口2、以及配置於該中心流體噴出口2之周圍的周圍流體噴出口3。
流體噴出流路4係位於上述中心流體噴出口2的上游側，且於流體噴出流路4的側壁41，係在各自相對向的位置設置有一對開口部42a、42b。並且，該等一對開口部42a、42b彼此係利用連通管5連通。
位於較上述開口部42a、42b還下游側的流體噴出流路4係其一對側壁43、43的間隔呈朝向下游側而逐漸擴展的 剖面扇形形狀。
上述周圍流體噴出口3係係以包夾中心流體噴出口2的方式配置。上述周圍流體噴出口3係在中心流體噴出口2的周圍，由以相對向方式所配置的一對第一周圍流體噴出口3A、3A、及以相對向方式所配置的一對第二周圍流體噴出口3B、3B所構成。
上述一對第二周圍流體噴出口3B、3B係配置成：在與上述一對開口部42a、42b之相對向方向成正交的方向從兩側包夾中心流體噴出口2。
再者，如第3圖所示，中心流體噴出口2的富氧化空氣或燃料氣體的噴出方向的中心軸J1、與一對第二周圍流體噴出口3B、3B的富氧化空氣或燃料氣體的噴出方向的中心軸J2所形成的角度γ°係滿足次式：{0°<γ≦15°}。
並且，如第1圖所示，中心流體噴出口2中之配置有一對開口部42a、42b的一對側壁41、41間的出口寬度D1、與一對第二周圍流體噴出口3B、3B中之沿著出口寬度D1之方向的出口寬度D2係滿足次式：{0.5D1≦D2≦D1}。
本實施形態的富氧化燃燒器1係從中心流體噴出口2或者周圍流體噴出口3分別個別地噴出富氧化空氣及燃料氣體，惟並不限定從哪一個噴出口噴出何種氣體。例如，亦可為：從中心流體噴出口2噴出燃料氣體G1，而從周圍流體噴出口3噴出富氧化空氣G2。
中心流體噴出口(中心流體噴出噴嘴)2係構 成為開口部(噴嘴)，從上游側的流體噴出流路4供給富氧化空氣或燃料氣體，藉此對外部噴出任一種氣體。如後述之方式，隨著流體噴出流路4的剖面形狀被設為大致矩形形狀，中心流體噴出口2其俯視形狀被設為矩形形狀。
於流體噴出流路4的導入口4a連接有中央流體供給管路6，藉此對流體噴出流路4導入富氧化空氣或燃料氣體的任一者。被導入的富氧化空氣或燃料氣體的任一者係從上述中心流體噴出口2噴出。
而且，由於流體噴出流路4例如在與流體(氣體)流動方向成正交的方向的剖面形狀係形成為大致矩形形狀，所以具有如上述般的一對側壁41、41。於該等側壁41、41，以各自相對向的方式設置有一對開口部42a、42a。而且，如第2圖所示，一對開口部42a、42b之間係利用流通管5連通。
而且，如上述方式，流體噴出流路4係以使較開口部42a、42b還下游側的一對側壁43、43的間隔成為朝下游側而逐漸擴展的剖面扇形形狀的方式所形成，亦即藉由縱剖面成為大致V字狀的一對側壁43所形成。另一方面，較開口部42a、42b還上游側的流體噴出流路4係以相對向之各側壁間大致平行地延伸的剖面大致矩形形狀，形成為角筒形的流路44。
本實施形態的富氧化燃燒器1係如上述構成，於形成流體噴出流路4的一對側壁41、41相對向配置以連通管5連通的一對開口部42a、42b。藉此，可令從中 心流體噴出口2所噴出的富氧化空氣或燃料氣體產生所謂觸發式噴嘴(flip-flop nozzle)的自激振動。亦即，如第4圖(a)、第4圖(b)所示，在通過角筒形的流路44的流體(富氧化空氣G2或燃料氣體G1)穿過一對開口42a、42b之間，而流入至呈剖面扇形形狀的一對側壁43間之際，該流體係一邊以交替地與該側壁43的一面43a及另一面43b接觸的方式自激振動一邊從中心流體噴出口2噴出(亦參照第1圖所示的箭頭R)。
另外，自激振動的流體的振幅或頻率係與開口部42a、42b、一對側壁43及連通管5之各部位的尺寸、流體流速等各種條件相對應而變化。因此，藉由以最佳的方式設定該等各部位的尺寸，從而能夠將從中心流體噴出口2所噴出的流體調整成在一定程度的範圍內以所期望的角度及頻率進行振動。
另外，如上述方式，觸發式噴嘴的自激振動係可藉由利用連通管5連通一對開口部42a、42b之間來產生。
另一方面，前述的自激振動例如亦可藉由在連通一對開口部42a、42b之間的連通管5的路徑上設置省略圖示的壓力控制機構來產生。藉由設置此種壓力控制機構，例如可在一方的開口部42a的壓力被控制為低於靜壓的壓力時，將另一方開口部42b的壓力控制成為高於靜壓之壓力，且使一對開口部42a、42b的壓力交替地反轉。如此，藉由使一對開口部42a、42b的壓力交替地反轉，能夠使從中心流 體噴出口2所噴出的流體(富氧化空氣G2或者燃料氣體G1)的噴出方向週期性地變化，產生上述的自激振動。
更進一步詳細地說明，當使用省略圖示的壓力控制機構，使一方的開口部42a的壓力低於靜壓並使配置於相對向的位置的另一方的開口部42b的壓力高於靜壓時，如第4圖(a)所示，流體的流動會偏向一對側壁43的一面43a側而噴出。另一方面，當使一方的開口部42a的壓力高於靜壓並使另一方的開口部42b的壓力低於靜壓時，如第4圖(b)所示，流體的流動會偏向一對側壁43的另一面43b側而噴出。本實施形態的富氧化燃燒器1係藉由上述之構成及動作，從而能夠使流體的噴出方向週期性地變化而使富氧化空氣及燃料氣體從中心流體噴出口2噴出。
另外，於第2圖中所示之流體噴出流路4中之一對側壁43的擴張角度(亦即中心流體噴出口2的開口角度α)並未特別限定，只要考慮所期望之火焰的擴張角度進行設定即可。然而，從使流體的噴出方向的振動穩定產生以實現均勻的加熱的觀點觀之，設定為90°以下為佳。
周圍流體噴出口(周圍流體噴出噴嘴)3係以複數個配置於中心流體噴出口2的周圍，且如上述之方式，在中心流體噴出口2之周圍，由以各自相對向之方式所配置的一對第一周圍流體噴出口3A、3A、及一對第二周圍流體噴出口3B、3B所構成。
而且，在第一周圍流體噴出口3A、3A及第二周圍流 體噴出口3B、3B各自連接有周圍流體供給管路7(7A、7B)，導入富氧化空氣或燃料氣體的任一者。也就是，第一周圍流體噴出口3A、3A及第二周圍流體噴出口3B、3B係構成為噴出任一種氣體的開口部(噴嘴)。
另外，本實施形態之「周圍流體噴出口3係設置於中心流體噴出口2之周圍」係表示中心流體噴出口2與周圍流體噴出口3係配置於所期望的距離內，且意指中心流體噴出口2與周圍流體噴出口3係配置於鄰接的位置。
如上述方式相對於中心流體噴出口2配置周圍流體噴出口3，藉此可從相對於噴出燃料氣體之位置實質性鄰接的位置噴出富氧化空氣。
如上述方式，本實施形態的富氧化燃燒器1所具備的複數個周圍流體噴出口3係由以各自相對向的方式配置於中心流體噴出口2之周圍的一對第一周圍流體噴出口3A、3A及一對第二周圍流體噴出口3B、3B所構成。
如第1圖及第2圖所示，上述一對第一周圍流體噴出口3A、3A係配置成從兩側包夾配置有開口部42a、42b的一對側壁41、41為佳。
並且，如第1圖及第3圖所示，一對第二周圍流體噴出口3B、3B係配置成在與一對開口部42a、42b之相對向方向正交的方向(亦即，與一對第一周圍流體噴出口3A、3A之相對向方向正交的方向)從兩側包夾中心流體噴出口2為佳。
在本實施形態之富氧化燃燒器1中，如上述之方式，於以中心流體噴出口2為中心之各個對稱的位置設置複數個周圍流體噴出口。具體而言，一對第一周圍流體噴出口3A、3A、以及一對第二周圍流體噴出口3B、3B係配置成從上下方向及左右方向包夾而包圍中心流體噴出口2的周圍。
藉此，例如，會使從中心流體噴出口2所噴出的燃料氣體G1、與從一對第二周圍流體噴出口3B、3B所噴出的富氧化空氣G2有效率地混合，並且從一對第一周圍流體噴出口3A、3A所噴出的富氧化空氣G2係朝向火焰的外側方向，藉此使還原區域擴大，並使形成火焰時的燃燒效率提升。
另外，就於第2圖中所示之以包夾中心流體噴出口2之方式所配置一對的第一周圍流體噴出口3A、3A所形成的噴出角度β而言，並未特別限定。惟從謀求兼顧傳熱效率的提升與加熱面積的擴大的觀點觀之，上述的噴出角度β與中心流體噴出口2的開口角度α的關係設為滿足次式：{-5°≦β≦(α+15°)}之角度為佳。
若為-5°≦β，則第一周圍流體與中心流體的混合性良好，故而能夠提升傳熱效率，若為β≦(α+15°)，則第一周圍流體不會阻礙中心流體，故而能夠確保廣闊的加熱面積。
而且，於各個對稱的位置所配置的一對第一周圍流體噴出口3A、3A、及一對第二周圍流體噴出口 3B、3B之各者之間的距離、或者是該等周圍流體噴出口3與中心流體噴出口2之間的距離，只要考慮燃料氣體G1及/或富氧化空氣G2的流速等來適當決定而進行設計即可。
而且，就周圍流體噴出口3的配置數而言，亦未限定為如圖示例之一對第一周圍流體噴出口3A、3A、及一對第二周圍流體噴出口3B、3B的四個部位，只要適當決定而進行配置即可。
在本實施形態中，如第1圖所示，中心流體噴出口2中之配置有開口部42a、42b的一對側壁41、41間的出口寬度D1、與一對第二周圍流體噴出口3B、3B中之沿著出口寬度D1之方向的出口寬度D2係滿足次式：{0.5D1≦D2≦D1}。
若為0.5D1≦D2，則會確保第二周圍流體與中心流體的良好的混合性，故而可防止傳熱效率的降低，若為D2≦D1，則會防止第二周圍流體與中心流體在各噴出口附近急速地混合，故而可提高在遠處的傳熱。
若各出口寬度D1及D2滿足上述式，則例如會使從中心流體噴出口2所噴出的燃料氣體G1、與從一對第二周圍流體噴出口3B、3B所噴出的富氧化空氣G2有效率地交錯、混合，而使形成火焰時的燃燒效率提升。
而且，在本實施形態中，如第3圖所示，中心流體噴出口2中之富氧化空氣或燃料氣體的噴出方向的中心軸J1、與第二周圍流體噴出口3B、3B中之富氧化 空氣或燃料氣體的噴出方向的中心軸J2所形成的角度γ°係滿足次式：{0°<γ≦15°}。由於起自中心流體噴出口2之噴出方向的中心軸J1、與起自第二周圍流體噴出口3B、3B之噴出方向的中心軸J2所形成的角度γ°滿足上述式，因此與上述同樣地，會使燃料氣體G1與富氧化空氣G2有效率地交錯、混合，而使形成火焰時的燃燒效率提升。
而且，在本實施形態的富氧化燃燒器1中，以能夠個別地控制由一對第一周圍流體噴出口3A、3A與一對第二周圍流體噴出口3B、3B所噴出之富氧化空氣或燃料氣體的噴出量為佳。
若要個別地控制一對第一周圍流體噴出口3A、3A的噴出量、與一對第二周圍流體噴出口3B、3B的噴出量，例如，只要在於第2圖中或第3圖所示之周圍流體供給管路7A、7B之各者設置省略圖示的流量控制裝置即可。
[富氧化燃燒器的燃燒方法]
以下，針對使具備上述構成之本實施形態的富氧化燃燒器1進行燃燒的方法加以說明。
基本上，本實施形態的富氧化燃燒器1係從中心流體噴出口2噴出燃料氣體G1，從一對第一周圍流體噴出口3A、3A及一對第二周圍流體噴出口3B、3B噴出富氧化空氣G2，藉此可在燃料氣體G1的噴出方向形成火焰。
就燃料氣體G1而言，典型來說可例示天然氣(LNG，液化天然氣)等，惟亦可為例如重油等液體燃料。
而且，就富氧化空氣G2而言，可例示例如氧與空氣的混合氣體。就如此的混合氣體而言，例如亦可採用氮氣、二氧化碳氣體或排放氣體等來取代上述的空氣，且將其與氧混合來使用。而且，就用於上述混合氣體的氧而言，亦可使用工業用純氧。
而且，在使本實施形態的富氧化燃燒器1燃燒時，係如上述之方式，使從中心流體噴出口2所噴出的燃料氣體G1一邊藉由自激振動而交替且週期性地變化噴出方向一邊噴出(參照第4圖(a)、第4圖(b))。此時，相對於從中心流體噴出口2以週期性變化的角度所噴出的燃料氣體G1，係從一對第一周圍流體噴出口3A、3A使富氧化空氣G2由富氧化燃燒器1的中心軸朝向外側方向(亦即，朝向離開火焰中心的方向)噴出，因而使還原區域擴大(參照第2圖)。另一方面，如第3圖所示，從一對第二周圍流體噴出口3B、3B使富氧化空氣G2對於起自中心流體噴出口2之燃料氣體G1的噴出方向的中心軸J1(亦即，以朝向火焰的方式)噴出，藉此有助於於火焰的形成。
在本實施形態中，係從以包圍中心流體噴出口2的方式所設置的一對第一周圍流體噴出口3A、3A及一對第二周圍流體噴出口3B、3B噴出富氧化空氣G2，藉此使傳熱效率提升，並且能夠進行被加熱物的均勻加熱。
另外，從中心流體噴出口2所噴出的燃料氣體G2之藉由自激振動切換噴出方向的切換週期並未特 別限定，即使在燃燒器之軸方向中離開前端面的位置，也只要在能夠以優越的傳熱效率均勻地加熱的範圍適當設定即可。
本實施形態的富氧化燃燒器1為藉由自激振動使火焰振動的燃燒器，並且如上述所示，具有各流體噴出口的配置及形狀等經最佳化的構成。因此，可獲得下述兩個效果：可在廣闊範圍下均勻地進行加熱的效果、以及連在燃燒器之軸方向中離開前端面的位置也可獲得較高的傳熱效率的效果。因此，即使在燃燒器之軸方向中離開前端面的被加熱物，亦可利用優越的傳熱效率均勻地進行加熱。
<使用富氧化燃燒器的加熱方法>
本發明之使用富氧化燃燒器的加熱方法，係使用具備上述構成之本發明的富氧化燃燒器1對被加熱物加熱的方法。
本實施形態之使用富氧化燃燒器的加熱方法，由於係使用上述構成之富氧化燃燒器1對被加熱物加熱的方法，所以可藉由利用自激振動所振動的火焰均勻地對被加熱物加熱，並且即使在燃燒器之軸方向中遠遠離開前端面的位置，亦可獲得比習知高的傳熱效率。
本實施形態之使用富氧化燃燒器的加熱方法中的被加熱物並未特別限定，可舉例如煉鋼程序中所使用的接收生鐵的盛桶或漏斗(例如，於第7圖所例示之作為 模擬爐的漏斗50)等。
第7圖所示之漏斗50(模擬爐)係例如以由煉瓦等耐火物所構成的爐壁51及爐蓋52所形成。由於對藉由爐壁51及爐蓋52所覆蓋而形成的爐內空間50A及爐壁51等加熱，所以在形成於爐蓋52的貫通孔52a安裝本實施形態的富氧化燃燒器1，以朝向爐內空間50A形成火焰。
另外，於第7圖所例示的漏斗50為實驗用的模擬爐，因而於爐壁51的底部安裝有複數個用以量測各部位溫度的熱電偶55。而且，在爐壁51的底部，合計於兩個部位設置用以取出收容於爐內空間50A之生鐵等的排出口53。
本實施形態之使用富氧化燃燒器的加熱方法，係使用本實施形態的富氧化燃燒器1來對第7圖所例示之漏斗50等被加熱物加熱的方法，所以可在廣闊範圍下均勻地對各種的被加熱物加熱，並且連在軸方向中離開燃燒器的前端面的位置也可獲得較高的傳熱效率。
藉此，即使在軸方向中離開燃燒器的前端面的位置，亦能夠以優越的傳熱效率均勻地進行加熱。
另外，就本實施形態之使用富氧化燃燒器1的加熱方法的加熱對象(被加熱物)而言，並未限定為如上述之在煉鋼程序所使用之輔助具等，例如，也能夠無任何限制地應用在必須利用高熱均勻加熱的各種的製造步驟中。
<作用效果>
如以上說明，本實施形態的富氧化燃燒器1係具備有：中心流體噴出口2；於該中心流體噴出口2的周圍以在正交方向各自相對向之方式所配置的一對第一周圍流體噴出口3A、3A和一對第二周圍流體噴出口3B、3B；以及設置於中心流體噴出口2之上游側的流體噴出流路4之側壁41、41的一對開口部42a、42b；其中，上述中心流體噴出口2中之氣體噴出方向的中心軸J1、與上述一對第二周圍流體噴出口3B、3B中之氣體噴出方向的中心軸J2所形成的角度γ°係設為預定範圍；而上述中心流體噴出口2中之配置有開口部42a、42b的一對側壁41、41間的出口寬度D1、與上述一對第二周圍流體噴出口3B、3B中之沿著出口寬度D1之方向的出口寬度D2係滿足預定的關係。
如此一來，由於在藉由自激振動使火焰振動之構造的燃燒器中使各流體噴出口的配置及形狀最佳化，藉此可獲得下述兩個效果：可在藉由自激振動作用所形成之廣闊範圍下均勻地進行加熱的效果、以及連在軸方向中離開燃燒器的前端面的位置也可獲得較高的傳熱效率的效果。因此，在對被加熱物加熱時，即使在離開燃燒器之前端面的位置，亦可利用優越的傳熱效率均勻地進行加熱。
而且，根據本實施形態之使用富氧化燃燒器1的加熱方法，由於係使用具備上述構成的富氧化燃燒器1的加熱方法，所以與上述同樣地可在廣闊範圍下均勻地對被加熱物加熱，並且連在離開燃燒器之前端面的位置 也可獲得較高的傳熱效率。因此，與上述同樣地，在對被加熱物加熱時，即使在軸方向中離開燃燒器之前端面的位置，亦可利用優越的傳熱效率均勻地進行加熱。
[實施例]
以下，針對本發明之富氧化燃燒器及使用富氧化燃燒器的加熱方法，顯示實施例並進一步詳細說明，惟本發明並不受以下之實施例所限定，在不改變其要旨的範圍內可適當變更而實施。
<富氧化燃燒器之組態及運轉條件>
在本實施例中，準備具備如第1圖至第3圖所示之構成的富氧化燃燒器1，且以以下所示的各條件進行燃燒、加熱試驗。
本實施例中，係採用由將第2圖中所示之富氧化燃燒器1的中心流體噴出口2的開口角度α設為30°、並將以一對配置的第一周圍流體噴出口3A、3A所形成的噴出角度β設為30°所構成者，作為發明例1至3的富氧化燃燒器1、及比較例1至3的富氧化燃燒器。
在本實施例之發明例1至3中，使用LNG作為燃料氣體G1，使用富氧率為40%者作為富氧化空氣G2，且使燃料氣體G1流動至中心流體噴出口2，使富氧化空氣G2流動至第一周圍流體噴出口3A、3A及第二周圍流體噴出口3B、3B，而形成火焰。
就燃燒器運轉條件而言，將燃料氣體G1(LNG)的流量 設為30Nm3/h或40Nm3/h、將富氧化空氣G2的流量設為181Nm3/h或241.5Nm3/h，以氧比1.05進行燃燒。
對於第一周圍流體噴出口3A、3A及第二周圍流體噴出口3B、3B之富氧化空氣G2的分配比率，係經調整流量而使之成為滿足次式：{第一周圍流體噴出口3A、3A/第二周圍流體噴出口3B、3B=6/4}的比率。
中心流體噴出口2中之自激振動的燃料氣體G1的振動週期係設為1秒。
<實施例1>
在實施例1中，係實施使燃燒器面-量測面的距離變化而進行量測的試驗，且針對朝燃燒器之軸方向的對流傳熱效率進行評價。
於第5圖顯示：在實施例1所實施之發明例1及比較例1至3中之中心流體噴出口與周圍流體噴出口的位置關係。其中，第5圖(a)係比較例1所使用之燃燒器的側視圖及俯視圖、第5圖(b)係比較例2所使用之燃燒器的側視圖及俯視圖、第5圖(c)係比較例3所使用之燃燒器的側視圖及俯視圖、第5圖(d)係發明例1所使用之燃燒器的側視圖及俯視圖。
而且，於第6圖的圖表顯示：發明例1及比較例1至3之各燃燒器中之離燃燒器面的距離與傳熱量的關係。
於第6圖的圖表所示的比較例1，係使用如第5圖(a)所示之構成的自激振動燃燒器，並檢查離燃燒器 面的距離與傳熱量之關係的結果。
在第5圖(a)所示之比較例1的燃燒器中，係將第二周圍流體噴出口的出口寬度D2相對於在通過中心流體噴出口之流體噴出流路中配置有開口部的一對側壁間的出口寬度D1設為次式：{D2=10D1}。
此外，在比較例1中，係將中心流體噴出口中之噴出方向的中心軸J1、與一對第二周圍流體噴出口中之噴出方向的中心軸J2所形成的角度γ°設為0°。
如第6圖的圖表所示可知，在比較例1中，隨著離燃燒器面的距離變長，傳熱量會大幅地減少。
於第6圖的圖表所示之比較例2，係使用如第5圖(b)所示之構成的自激振動燃燒器，並檢查離燃燒器面的距離與傳熱量之關係的結果。
於第5圖(b)所示之比較例2的燃燒器中，係將第二周圍流體噴出口的出口寬度D2相對於上述之流體噴出流路中之出口寬度D1設為次式：{D2=10D1}，而將中心流體噴出口中之中心軸J1與一對第二周圍流體噴出口中之中心軸J2所形成的角度γ°設為15°。
如第6圖的圖表所示，在比較例2中，藉由使第二周圍流體噴出口的噴出方向偏向中心流體噴出口的噴出方向側，一方面會促進燃料氣體G1與富氧化空氣G2的混合，另一方面會使火焰縮短化，因而在離燃燒器面的距離為600mm的附近會觀察到傳熱量有較比較例1還降低的傾向。
於第6圖的圖表所示之比較例3，係使用如第5圖(c)所示之構成的自激振動燃燒器，並檢查離燃燒器面之距離與傳熱量的關係的結果。
於第5圖(c)所示之比較例3的燃燒器中，係將第二周圍流體噴出口的出口寬度D2設為與上述之流體噴出流路中之出口寬度D1相同的寬度，而將上述之中心軸J1、J2所形成的角度γ°設為0°。
如第6圖的圖表所示，在比較例3中，雖然第二周圍流體噴出口的出口寬度D2狹窄，但由於中心軸J1、J2所形成的角度γ°為0°，故而燃料氣體G1與富氧化空氣G2的混合效率降低，與上述的比較例1相比，會觀察到傳熱量有整體性地降低的傾向。
於第6圖的圖表所示的發明例1，係使用第5圖(d)所示之本發明之構成的自激振動燃燒器，並檢查離燃燒器面的距離與傳熱量之關係的結果。
在第5圖(d)所示之發明例1的燃燒器中，係將第二周圍流體噴出口的出口寬度D2設為與流體噴出流路中之出口寬度D1相同的寬度，而將中心軸J1、J2所形成的角度γ°設為15°。
如第6圖的圖表所示，在發明例1中，由於第二周圍流體噴出口的出口寬度D2狹窄，所以燃料氣體G1與富氧化空氣G2的混合效率降低，故而當離燃燒器面的距離較400mm還短時，會觀察到傳熱量會有較上述的比較例1還降低的傾向。
另一方面，在發明例1中，係使第二周圍流體噴出口的噴出方向偏向中心流體噴出口的噴出方向側，藉此促進離燃燒器面較遠之位置的燃料氣體G1與富氧化空氣G2的混合，當離燃燒器面的距離為400mm以上時，可確認傳熱量會較比較例1還增加。
<實施例2>
在實施例2中，係使用如第7圖所示之作為模擬爐的漏斗50，且使用本發明的富氧化燃燒器來實施加熱試驗，以此作為發明例2。而且，在實施例2中，還使用習知型的多管式富氧化燃燒器，與上述同樣地使用於第7圖所示的漏斗50並實施加熱試驗，以此作為比較例4。
在第7圖所示之漏斗50(模擬爐)中，係將本發明的富氧化燃燒器作為用以對藉由爐壁51及爐蓋52所覆蓋而形成之爐內空間50A及爐壁51等加熱的燃燒器，且安裝於形成在爐蓋52的貫通孔52a，俾可朝向爐內空間50A形成火焰。
而且，在爐壁51的底部設置複數個用以量測各部位溫度的熱電偶55，並且合計於兩個部位設置用以取出收容於爐內空間50A之生鐵等的排出口53。
在實施例2中，係於漏斗50的加熱試驗中，藉由設置於爐壁51底部的複數個熱電偶55來量測此部分的溫度，且求得利用複數個熱電偶55所量測之最大溫度與最低溫度的溫度差△T來進行評價。
另外，在實施例2中，係以使從漏斗50內之燃燒器面至爐壁51之底部(底面)為止的距離成為600mm的方式，設置燃燒器。
第8圖係顯示：使用於第7圖所示之漏斗50，並藉由發明例2及比較例4之各燃燒器實際進行爐內的加熱試驗時之預熱時間與爐底溫度之最大值和最小值之差△T之關係的圖表。
第8圖的圖表中，亦顯示在實施例2所實施之加熱試驗中的排放氣體溫度的變化。
在發明例2及比較例4中，以同樣的昇溫模式實施加熱試驗，俾以形成如第8圖的圖表所示之排放氣體溫度。結果，可知發明例2相較於比較例4，上述的溫度差△T較小。也就是，可認為是可藉由使用本發明之構成的富氧化燃燒器而達成與習知型的富氧化燃燒器相同程度的傳熱效率，且能夠使爐內溫度更加均勻地昇溫。
<實施例3>
在實施例3中，係使用如第7圖所示之作為模擬爐的漏斗50，且使用本發明之富氧化燃燒器來實施加熱試驗，以此作為發明例3。
而且，還使用習知型的多管式富氧化燃燒器，且與上述同樣地，使用第7圖所示之漏斗50來實施加熱試驗，以此作為比較例5。
在實施例3中，係在漏斗50的加熱試驗中， 檢查燃燒器之中心軸上的溫度分佈。具體而言，藉由設置於爐壁51之底部的複數個熱電偶55來量測此部分的溫度(爐底溫度)，藉此檢查離燃燒器之中心軸的距離與爐底溫度的關係。另外，此時的溫度為自昇溫開始起40分鐘後。
第9圖係顯示：使用第7圖所示之漏斗50，並藉由發明例3及比較例5的各燃燒器實際進行爐內的加熱試驗時之離燃燒器中心軸的距離與爐底溫度的關係的圖表。在第9圖中，以塗滿的標記顯示發明例3的資料，而且以中空的標記顯示比較例5的資料。
如第9圖的圖表所示可知，在比較例5中為燃燒器的中心軸附近的溫度大幅上昇的態樣。亦即可得知，在比較例5中會產生爐內空間50A的局部加熱。
另一方面還可知，在發明例3中，溫度分佈較比較例5均勻。亦即可得知，在發明例3中，藉由利用本發明的富氧化燃燒器對漏斗50的爐內空間50A加熱，可對爐內空間50A的各部位均勻地加熱。
根據以上說明之實施例的結果可知，相較於具有習知型之構造的自激振動燃燒器，本發明的富氧化燃燒器可提升在離開燃燒器面之位置的傳熱效率。由此可知，藉由將本發明之富氧化燃燒器及採用該富氧化燃燒器的加熱方法予以應用於漏斗等之預熱，可防止局部加熱的產生，即使在軸方向中離開燃燒器之前端面的位置，亦可利用優越的傳熱效率均勻地對各種被加熱物加熱。
(產業利用性)
本發明之富氧化燃燒器及使用富氧化燃燒器的加熱方法，係在一邊利用自激振動使火焰振動一邊對被加熱物加熱時，即使在軸方向中離開燃燒器的前端面的位置，亦可利用優越的傳熱效率均勻地加熱，所以除了例如在煉鐵或煉鋼工廠中對作為熔鐵或熔鋼的貯留、搬運手段使用的漏斗或盛桶等予以加熱的用途之外，也非常適合於使用燃燒器對被加熱物加熱的各種用途。
1‧‧‧富氧化燃燒器
3‧‧‧周圍流體噴出口
3A‧‧‧(一對)第一周圍流體噴出口
3B‧‧‧(一對)第二周圍流體噴出口
4‧‧‧流體噴出流路
41、43‧‧‧(一對)側壁
43a‧‧‧一面
43b‧‧‧另一面
D1、D2‧‧‧出口寬度
R‧‧‧自激振動的振動方向

Claims (3)

  1. 一種富氧化燃燒器，係從設置於前端部之複數個流體噴出口之各者噴出富氧化空氣或燃料氣體之至少任一者並使之燃燒的燃燒器，其中，前述複數個流體噴出口係包含中心流體噴出口、及配置於該中心流體噴出口之周圍的周圍流體噴出口；於前述中心流體噴出口之上游側的流體噴出流路的側壁，係在各自相對向的位置設置有一對開口部，並且該一對開口部彼此係以連通管連通，藉此，從前述中心流體噴出口噴出的前述富氧化空氣或燃料氣體係一邊自激振動一邊從前述中心流體噴出口噴出；較前述開口部還下游側之流體噴出流路的一對側壁的間隔係呈朝向下游側而逐漸擴展之剖面扇形形狀；前述周圍流體噴出口係包含：以各自相對向方式所配置的一對第一周圍流體噴出口、以及以各自相對向方式所配置的一對第二周圍流體噴出口；前述第一周圍流體噴出口、及第二周圍流體噴出口係以包夾前述中心流體噴出口的方式，配置於前述中心流體噴出口之周圍；前述一對第一周圍流體噴出口係配置成從兩側包夾配置有前述開口部之一對側壁；前述一對第二周圍流體噴出口係配置在與前述一對開口部之相對向方向正交的方向，且係配置成在與前述一對第一周圍流體噴出口之相對向方向正交的方向 從兩側包夾前述中心流體噴出口；前述中心流體噴出口中之前述富氧化空氣或前述燃料氣體之噴出方向的中心軸、與前述一對第二周圍流體噴出口中之前述富氧化空氣或前述燃料氣體之噴出方向的中心軸所形成的角度γ°係滿足次式：{0°<γ≦15°}；前述中心流體噴出口中之配置有前述開口部之一對側壁間的出口寬度D1、與前述一對第二周圍流體噴出口中之沿著前述出口寬度D1之方向的出口寬度D2係滿足次式：{0.5D1≦D2≦D1}。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之富氧化燃燒器，其中，前述一對第一周圍流體噴出口與前述一對第二周圍流體噴出口係可個別地控制前述富氧化空氣或前述燃料氣體的噴出量。
  3. 一種使用富氧化燃燒器的加熱方法，係使用如申請專利範圍第1項或第2項所述的富氧化燃燒器來對被加熱物加熱。
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