WO2019044296A1 - 酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法 - Google Patents

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burner
communication pipe
communication
fluid
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岳志 斉藤
康之 山本
雅志 山口
義之 萩原
尚樹 清野
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大陽日酸株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an oxygen-enriched burner and a heating method using the oxygen-enriched burner.
  • Ladles and tundishes which are furnaces (containers) that receive pig iron (molten metal) used in iron making processes, use a flame from a burner for the purpose of preventing damage to refractories (refractory bricks etc.) in the furnace due to rapid heating. Preheating is performed using.
  • the burner flames used for such applications are required to have high heat transfer efficiency and to be able to uniformly heat the object to be heated.
  • Patent Literatures 1 and 2 disclose methods capable of vibrating the flame by utilizing the self-oscillation vibration phenomenon of the jet flow and performing uniform heating while maintaining high heat transfer efficiency.
  • the flame direction can be improved by adopting a nozzle structure to which a self-excited vibration phenomenon is applied in which the jet flow changes periodically without requiring an external driving force. Since it can change periodically, it becomes possible to perform uniform heating, maintaining high heat transfer efficiency.
  • the burners disclosed in Patent Documents 1 and 2 can uniformly heat a wide range as compared with conventional radiant tube burners and the like, and for example, are suitable for preheating such as the above-mentioned tundish. Used.
  • the characteristics of the burner performing self-oscillation described in Patent Documents 1 and 2 can be controlled by the oscillation period of the jet.
  • the ejection velocity of the central fluid ejected from the central fluid jet of the burner is equal, the mixing of the fluid is promoted when the oscillation period is short, the convective heat transfer is enhanced, and the burner is directed to the surface direction. A uniform heat transfer distribution can be obtained.
  • the oscillation period is long, the combustion is slow, radiation heat transfer is enhanced, and a long flame can be obtained.
  • it is sufficient to control the flow of fluid in the connecting pipe provided for generating the self-excited vibration it is sufficient to control the flow of fluid in the connecting pipe provided for generating the self-excited vibration, and the length of the connecting pipe is appropriately selected. Thus, an arbitrary vibration cycle can be obtained.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and when heating an object to be heated while vibrating the flame by self-excited vibration, it can be changed to an arbitrary vibration cycle by a simple operation, and the object to be heated
  • An object of the present invention is to provide an oxygen-enriched burner capable of uniformly heating an object with excellent heat transfer efficiency and a heating method using the oxygen-enriched burner.
  • the present invention provides the following heating methods using an oxygen enrichment burner and an oxygen enrichment burner.
  • An oxygen-enriched burner that ejects oxygen-enriched air or fuel gas from a plurality of fluid jets provided at the tip and burns the air, wherein the plurality of fluid jets are central fluid jets And a peripheral fluid spout, wherein a pair of openings are provided at opposing positions on the side walls of the fluid spouting channel of the central fluid spout, and the pair of openings are communicated by the communicating portion
  • the distance between the pair of side walls on the downstream side of the opening in the fluid ejection flow path is gradually expanded toward the downstream side, and the surrounding fluid ejection port is provided around the central fluid ejection port.
  • the communication unit is disposed at a first communication pipe and a second communication pipe whose one end is connected to the pair of openings, and at the other end of the first communication pipe and the second communication pipe. Are connected to communicate the first communication pipe and the second communication pipe Oxygen-enriched burner characterized by having at least one or more communication devices.
  • the communication portion is provided between the first and second communication pipes and the communication element.
  • the oxygen-enriched burner according to the present invention is an oxygen-enriched burner that vibrates a flame by self-oscillation, and communicates a pair of openings provided on the side wall of the fluid ejection flow path of the central fluid ejection port.
  • the communication element for connecting the first communication pipe and the second communication pipe with each other the communication portion can be changed and controlled to an arbitrary vibration cycle with a simple operation. Therefore, during the operation of the oxygen-enriched burner, the combustion characteristics can be changed by a simple switching operation, and the object to be heated can be uniformly heated with excellent heat transfer efficiency. Further, since the oxygen enriched air from the ambient fluid jetting ports are ejected toward the fuel gas ejected from the central fluid jetting ports, improved combustion efficiency, also possible to effectively suppress the emission of the NO X It will be possible.
  • the heating method using the oxygen-enriched burner according to the present invention since it is the heating method using the oxygen-enriched burner according to the present invention, the oscillation period of the flame due to self-excited oscillation may be As a result, the object to be heated can be uniformly heated with excellent heat transfer efficiency.
  • FIG. 2 is a view schematically illustrating an oxygen-enriched burner according to an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view of the burner shown in FIG. 1 taken along a line AA.
  • FIG. 1 It is a figure which illustrates typically about the oxygen enrichment burner which is one embodiment of the present invention, and (a), (b) shows the fluctuation state of the ejection direction of the central fluid in the burner shown in Drawing 1 and 2. It is a conceptual diagram.
  • FIGS. 1 to 3 are views for explaining the structure of an oxygen-enriched burner 1 (hereinafter sometimes referred to simply as “burner 1”) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a plan view showing an example of the positional relationship between a central fluid jet and a surrounding fluid jet.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view (cross-sectional view) taken along the line AA shown in FIG.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram which shows the fluctuation state of the ejection direction of the fluid in the burner 1 which is one Embodiment of this invention.
  • FIGS. 1 to 3 since it is a schematic view for showing the arrangement relationship and sizes of the fluid jet ports and the openings etc., a detailed part such as a tube wall as a nozzle is partially omitted. There is.
  • the burner 1 of the present embodiment ejects and burns at least one of the fuel gas G1 and the oxygen-enriched air G2 from a plurality of fluid jet outlets provided at the tip.
  • the burner 1 of the present embodiment includes a plurality of fluid jets including the central fluid jet 2 and the peripheral fluid jet 3.
  • a pair of openings 62 a and 62 b are provided at opposite positions on the side wall 61 forming the fluid ejection flow channel 6 forming the central fluid ejection port 2.
  • the pair of openings 62 a and 62 b are in communication at the communication portion 7.
  • the distance between the pair of side walls 63a and 63b forming the fluid ejection flow path 6 on the downstream side of the openings 62a and 62b is gradually expanded toward the downstream side. That is, when the burner 1 is viewed from above, the fluid ejection flow path 6 on the downstream side of the openings 62a and 62b is fan-shaped.
  • the surrounding fluid jet 3 is disposed around the central fluid jet 2.
  • the fuel gas G1 or the oxygen-enriched air G2 is ejected from the central fluid ejection port 2 and the surrounding fluid ejection port 3 respectively, however any gas may be ejected from any ejection port. I do not care.
  • the fuel gas G1 is ejected from the central fluid ejection port 2
  • the oxygen-enriched air G2 is ejected from the surrounding fluid ejection port 3.
  • the central fluid ejection port 2 When the fuel gas G1 is supplied to the fluid ejection flow path 6, the central fluid ejection port 2 becomes an opening (nozzle) that ejects the fuel gas G1. As described later, since the cross section of the fluid ejection flow channel 6 in the direction orthogonal to the fluid flow direction is substantially rectangular, the central fluid ejection port 2 is rectangular.
  • a central fluid supply conduit (not shown) is connected to the inlet 6 a so that the fuel gas G 1 is introduced and is ejected from the central fluid ejection port 2.
  • the cross section of the fluid ejection flow channel 6 in the direction orthogonal to the fluid (gas) flow direction is substantially rectangular.
  • the substantially rectangular side surface is formed by the pair of side walls 61 and 61 described above.
  • the side walls 61, 61 are provided with the pair of openings 62a, 62b opposite to each other. Further, as shown in FIG. 2, the pair of openings 62 a and 62 b are communicated by the communicating portion 7.
  • the side surfaces of the fluid ejection flow channel 6 positioned downstream of the openings 62a and 62b are formed by the pair of side walls 63a and 63b.
  • the distance between the pair of side walls 63a and 63b is gradually expanded toward the downstream side.
  • the cross section of the fluid ejection flow channel 6 along the fluid (gas) flow direction located downstream of the openings 62a and 62b is fan-shaped. That is, the side surfaces of the fluid ejection flow channel 6 positioned downstream of the openings 62a and 62b are formed by a pair of side wall side walls 63a and 63b arranged in a substantially V shape.
  • the fluid jet flow channel 6 positioned on the upstream side of the pair of openings 62a and 62b is formed as a rectangular cylindrical flow channel 64 in which opposed side walls 61 and 61 extend substantially in parallel.
  • the cross section along the fluid (gas) flow direction is substantially rectangular.
  • the pair of openings 62a and 62b are disposed to face each other on the pair of side walls 61 and 61 forming the fluid ejection flow channel 6, and the pair of openings 62a and 62b is a passing portion 7 By causing them to communicate with each other, so-called self-excitation vibration of a so-called flip flop nozzle can be generated in the fuel gas G1 ejected from the central fluid jet port 2. That is, as shown in FIGS.
  • the fluid (fuel gas G1) flowing in the flow path 64 of the fluid ejection flow path 6 passes between the pair of openings 62a and 62b, and the cross section fan As it flows between the pair of side walls 63a and 63b arranged in a shape, it is spouted from the central fluid jet port 2 while being self-excited so as to alternately contact one side wall 63a and the other side wall 63b.
  • arrow R in FIG. 1 means the self-oscillation vibration direction of the fluid.
  • the amplitude and frequency of the fluid due to the self-excited vibration change in accordance with various conditions such as the dimensions of the openings 62a and 62b, the pair of side walls 63a and 63b, and the communication unit 7 and the flow velocity of the fluid.
  • the fluid ejected from the central fluid jet port 2 by setting the dimensions and the number of the communication elements 73 in the communication unit 7 It vibrates at a desired angle and frequency within a certain range. That is, according to the oxygen-enriched burner of the present embodiment, the fluid ejected from the central fluid jet nozzle 2 can be vibrated at a desired angle and frequency within a certain range with a simple configuration and a simple operation. .
  • the communication portion 7 includes the first communication pipe 71 and the second communication pipe 72, and the other of the first communication pipe 71 and the second communication pipe 72.
  • the first communication pipe 71 and the second communication pipe 72 are connected to the pair of openings 62a and 62b.
  • At least one or more tubular communication elements 73 are connected to the end portions 71 b and 72 b and connect the first communication pipe 71 and the second communication pipe 72 with each other. That is, the communication unit 7 includes the first communication pipe 71, the second communication pipe 72, and the plurality of communication elements 73.
  • the communicating portion 7 includes a first communicating pipe 71, a second communicating pipe 72, and three connecting elements 73 connected in parallel between the first communicating pipe 71 and the second communicating pipe 72. It consists of That is, as shown in FIG. 2, the 1st communicating pipe 71 has the other end parts 71b and 71b of three places, 71b. Similarly, the second communication tube 72 also has three other end portions 72b, 72b, 72b.
  • the other ends 71b, 71b, 71b of the first communication pipe 71 communicate with the other ends 72b, 72b, 72b of the second communication pipe 72 via the three connection elements 73 (73A, 73B, 73C) ing. That is, the three connection elements 73 (73A, 73B, 73C) are arranged in parallel to the first communication pipe 71 and the second communication pipe 72.
  • self-excited vibration is generated by the flip-flop nozzle by connecting the pair of openings 62a and 62b with each other by the communication unit 7.
  • the communication portion 7 in the oxygen-enriched burner 1 of the present embodiment is provided between the second communication pipe 72 and the communication element 73 with the open / close valve 74 provided between the first communication pipe 71 and the communication element 73. And an open / close valve 74. That is, the on-off valve 74 is connected to each of the one end 73a and the other end 73b of the connection elements 73A, 73B, 73C. Since the burner 1 of the present embodiment includes the on-off valve 74, it is possible to select only any connection element of the connection elements 73A, 73B, 73C. Of course, it is also possible to simultaneously use all the connection elements 73A, 73B and 73C or to stop them all by operating the on-off valve 74.
  • the flow rate and the flow velocity of the fluid flowing through each of the communication elements are set to different values by changing the inner diameter and the length (total length) of the plurality of connection elements 73A, 73B, 73C. be able to. That is, by operating the on-off valve 74 and selecting an arbitrary connection element, it is possible to adjust the flow rate and flow velocity of the fluid in the communication part 7 and set the self-oscillation oscillation cycle to an arbitrary cycle.
  • the self-oscillation cycle becomes longer.
  • the flow rate and the flow velocity of the fluid in the communication element 73 can be changed by providing a baffle plate or the like in the communication element 73.
  • connection elements 73 having different connection element lengths len.
  • the oxygen-enriched burner 1 of this embodiment includes the connecting elements 73A, 73B, and 73C having different specifications, and the vibration cycle t can be easily changed by arbitrarily selecting them.
  • the first communication pipe 71 and the communication element 73 may be detachably connected, or the second communication pipe 72 and the communication element 73 may be detachably connected. It may be connected to The communication element 73 may be detachably connected to the on-off valve 74.
  • the communication element 73 removable with respect to the first communication pipe 71 and the second communication pipe 72 (or the on-off valve 74).
  • the end portions 73 and 73b of the communication element 73, and the first communication pipe 71 and the second communication pipe 72 may be sealed by an O-ring.
  • a screwing structure may be provided at both ends 73 and 73 b of the communication element 73 and the other ends of the first communication pipe 71 and the second communication pipe 72.
  • the opening angle of the pair of side walls 63 in the fluid ejection flow channel 6, that is, the opening angle ⁇ (see FIG. 2) of the central fluid ejection port 2 is not particularly limited, and is set while considering the desired flame opening angle. do it. However, from the viewpoint of stably generating the vibration in the ejection direction of the fluid and achieving uniform heating, it is preferable to set the angle to 90 ° or less.
  • the communication portion includes the three connection elements 73 a, 73 b, and 73 c, but is not limited thereto.
  • one or two connecting elements 73 may be provided, or four or more connecting elements 73 may be provided.
  • the ejection amount of the central fluid (fuel gas G1) ejected from the central fluid ejection port 2 and the ambient fluid (oxygen-enriched air G1) ejected from the ambient fluid ejection port 3 It is preferable that the amount of ejection can be individually controlled.
  • a flow control device may be provided in a conduit connected to each jet and supplying each fluid.
  • the surrounding fluid jet 3 is disposed around the central fluid jet 2 so as to surround the central fluid jet 2 as shown in FIG. 1.
  • a surrounding fluid supply line (not shown) is connected to the surrounding fluid jet 3 and is configured as an opening (nozzle) that ejects gas by introducing the oxygen-enriched air G2.
  • the surrounding fluid spout 3 is disposed around the center fluid spout 2” described in the present embodiment means that the surrounding fluid spout 3 surrounds the center fluid spout 2. It means that it is disposed, and means that the central fluid jet 2 and the peripheral fluid jet 3 are disposed adjacent to each other.
  • the oxygen-enriched air G2 can be jetted from a position adjacent to the jet position of the fuel gas G1.
  • the central fluid jetted out from the central fluid jet 2 by arranging the peripheral fluid jet 3 so as to surround the periphery of the central fluid jet 2 (fuel gas G1 And the surrounding fluid (oxygen-enriched air G2) ejected from the surrounding fluid jet 3 are effectively mixed. Further, as the peripheral fluid jetted from the peripheral fluid jet port 3 is directed to the outside of the flame, the reduction region is expanded, and the combustion efficiency at the time of forming the flame is improved.
  • the shape of the surrounding fluid spout 3 may be rectangular or circular, which is disposed so as to surround the center fluid spout 2. Also, the surrounding fluid jet 3 may be a plurality of openings (holes) arranged to surround the center fluid jet 2.
  • the central fluid ejected from the central fluid ejection port 2 is the fuel gas G1
  • the ambient fluid ejected from the peripheral fluid ejection port 3 is the oxygen-enriched air G2, so that the fuel gas G1 is obtained.
  • natural gas LNG
  • liquid fuels such as heavy oil
  • oxygen-enriched air G2 for example, in a mixed gas of oxygen and air, one in which the oxygen concentration is increased as much as possible can be illustrated.
  • air it is also possible to use, for example, nitrogen gas, carbon dioxide gas or exhaust gas mixed with oxygen.
  • the fuel from the central fluid jet port 2 while changing the ejection direction alternately and periodically by self-excited vibration (see FIGS. 3A and 3B).
  • Erupt gas G1 the oxygen-enriched air G2 (ambient fluid) is ejected from the surrounding fluid ejection port 3 so as to wrap the fuel gas G2 to the fuel gas G2 ejected from the central fluid ejection port 2 at a periodically changed angle. Contribute to the formation of the flame.
  • the combustion efficiency is improved, and the amount of NO x emission can be effectively suppressed.
  • the heat transfer efficiency by a flame improves, and it becomes possible to heat to-be-heated material uniformly.
  • the switching cycle (vibration cycle t) of the ejection direction of the fuel gas G1 due to the self-excited vibration is not particularly limited. Even at a position away from the central axis of the burner, it may be appropriately set within a range where uniform heating can be performed with excellent heat transfer efficiency. It is preferable to set the vibration period t to 30 seconds or less, as will be described later, as the vibration period t at which such an effect is obtained.
  • the oxygen-enriched burner 1 of this embodiment is a burner that vibrates a flame by self-excited vibration, and includes the communication portion 7, so the vibration period t of the fluid ejected from the central fluid jet port 2 is arbitrary. It can be changed and controlled. Thereby, during operation of the oxygen enrichment burner 1, the combustion characteristics can be changed by a simple switching operation, and the object to be heated can be uniformly heated with excellent heat transfer efficiency.
  • the fluid jetted from the central fluid jet nozzle 2 is self-excited in the spreading direction of the fluid jet flow channel 6 using the above-described oxygen-enriched burner 1, for example It is the method of heating a heating thing.
  • the heating method of the present invention is a method of heating an object to be heated using the above-described oxygen-enriched burner 1 and therefore spouted from the central fluid jet port 2 when heating the object to be heated by a flame vibrating by self-oscillation. This method is capable of uniformly heating the object to be heated with excellent heat transfer efficiency while changing the self-oscillation of the fluid to an arbitrary vibration cycle t.
  • the object to be heated in the heating method of the present invention is not particularly limited.
  • a ladle, a tundish (not shown), etc. which receive a pig iron used in the above-described steelmaking process can be mentioned.
  • the heating method of the present embodiment is a method of heating an object to be heated such as a ladle or tundish using the above-described burner 1, and the vibration period t of the fluid ejected from the central fluid jet port 2 is arbitrary. It can be changed and controlled. As a result, when the burner 1 is operated, the combustion characteristics can be changed by a simple switching operation, and the object to be heated can be uniformly heated with excellent heat transfer efficiency.
  • a heating object to-be-heated material
  • it is not limited to the ladle, the tundish, etc. used by the said steelmaking process, For example, high heat and uniform heating When heating various objects to be heated, it is possible to apply without any limitation.
  • the oxygen-enriched burner 1 includes the central fluid jet 2 and the surrounding fluid jet 3 disposed therearound, and the fluid jet forming the central fluid jet 2
  • a pair of openings 62a and 62b are provided on the side wall of the flow passage 6, and the pair of openings 62a and 62b are communicated with each other at the communication portion 7.
  • the communication portion 7 is connected to one end of the pair of openings 62a and 62b.
  • the first communication pipe 71 and the second communication pipe 72 to which the portions 71a and 72a are connected, and the other ends 71b and 72b of the first communication pipe 71 and the second communication pipe 72 are connected to the first communication pipe 71 and the other.
  • the communication unit 7 that communicates the pair of openings 62 a and 62 b communicates the first communication pipe 71 and the second communication pipe 72.
  • the element 73 it is possible to change and control any vibration cycle with a simple configuration and a simple operation. Therefore, during operation of the oxygen-enriched burner 1, the combustion characteristics can be changed by a simple switching operation, and the object to be heated can be uniformly heated with excellent heat transfer efficiency.
  • the central fluid jet 2 and the peripheral fluid jet 3 are provided, the oxygen-enriched air G2 can be jetted toward the fuel gas G1. This improves the combustion efficiency, it can be effectively suppressed emissions NO X.
  • the heating method using the oxygen-enriched burner 1 of the present embodiment is a heating method using the oxygen-enriched burner 1
  • the oscillation cycle t of the flame due to self-oscillation is required as in the oxygen-impossible burner 1 Accordingly, it is possible to change the object by simple operation and to uniformly heat the object to be heated with excellent heat transfer efficiency.
  • the heating method using the oxygen-rich burner and the oxygen-rich burner of the present invention will be described in more detail using examples.
  • the present invention is not limited to the following examples, and can be appropriately modified and implemented without changing the gist of the invention.
  • a first communication pipe 71 and a second communication pipe 72 whose one end portions 71 a and 72 a are connected to the pair of openings 62 a and 62 b respectively, and Three communication elements 73a, 73b, 73c connected to the other ends 71b, 72b of the communication pipe 71 and the second communication pipe 72 and provided so that the first communication pipe 71 and the second communication pipe 72 communicate with each other.
  • the self-excited vibration type oxygen-enriched burner 1 was prepared, and the combustion and heating test was conducted under the following conditions. Further, in the present embodiment, the opening angle ⁇ of the central fluid jet nozzle 2 of the burner 1 shown in FIG. 2 is 30 °.
  • propane gas is used as the fuel gas G1
  • a gas having an oxygen enrichment rate of 40% is used as the oxygen-enriched air G2.
  • the fuel gas G1 was flowed to the central fluid jet 2 and the oxygen-enriched air G2 was flowed to the peripheral fluid jet 3 to form a flame.
  • Burner operation condition in the present embodiment the flow rate of the fuel gas (propane gas) was 13 Nm 3 / h, the flow rate of oxygen-enriched air and 170 nm 3 / h, was burned in an oxygen ratio 1.05.
  • the oxygen ratio means the ratio of oxygen when the amount of oxygen necessary for complete combustion of the fuel gas is 1.
  • the burner 1 is burned in a test furnace (not shown), and the coupling element 73 is switched during combustion to change the vibration period t of the fuel gas by self-oscillation at the central fluid jet port 2 After reaching a steady state, measurements were carried out for each evaluation item described in each of the following examples.
  • the equivalent diameter D of the fluid ejection flow channel 6 was 10 mm
  • the ejection velocity U of the fuel gas was 40 m / s.
  • FIGS. 4A and 4B are schematic diagrams showing the positional relationship between the burner 1 and the thermocouple in the first and second embodiments. In the present embodiment, as shown in FIG. 4 (b), it is 500 mm ahead of the tip end surface of the burner 1, and as shown in FIG. 4 (a), 300 mm below the central axis in the height direction of the burner 1. At the side position, a plurality of thermocouples are arranged along the spreading direction of the fluid ejection flow channel 6.
  • Example 1 and 2 it evaluated using the connection elements C1 and C2 made into connection element length len and 1 / St (St: frequency) which are shown in following Table 1.
  • the temperature when the self-oscillational combustion was generated to be in the steady state was measured by each thermocouple.
  • the distance from the central axis in the self-excited oscillation direction of the burner 1, that is, the ejection direction of the gas when not automatically oscillating is "the distance 0 from the central axis of the burner 0 mm", and the amplitude of the gas ejection direction
  • the relationship between the temperature in the furnace and the relationship between the position of the thermocouple and the temperature in the furnace is shown in the graph of FIG. 5 as data representing the temperature distribution in the furnace.
  • FIG. 5 it can be seen that the temperature distribution in Example 1 with a shorter oscillation period t has a flat (uniform) temperature distribution as compared to Example 2.
  • switching of the vibration period t is possible by changing the length of the coupling element 73, and the temperature distribution can be changed by changing the vibration period t, that is, heating It has been confirmed that the characteristics can be changed. It is clear that, by using the oxygen-enriched burner according to the embodiment, it is possible to switch the connecting element during the burner operation to change the oscillation period t and obtain an arbitrary combustion state.
  • FIGS. 6A and 6B are schematic views showing the positional relationship between the burner 1 and the thermocouple in the third and fourth embodiments. As shown in FIG. 6 (a), at a position 300 mm below the central axis in the height direction of the burner 1, a plurality of ejection directions of the combustion gas from the central fluid ejection port 2, that is, a plurality of flames are formed. The heat removal body of the book was arranged.
  • Example 5 The fifth embodiment is the same as the first embodiment except that the oscillation period t is changed at a plurality of periods (0.1 seconds, 0.5 seconds, 1 second, 5 seconds) shown in the graph of FIG. in condition, performs a combustion test with self-excited vibration with the burner 1, were evaluated for discharge characteristics of the NO X.
  • the graph in FIG. 8 shows the relationship between the vibration period t and the NO X discharge amount in the present embodiment.
  • Example 5 As shown in FIG. 8, in Example 5, it was confirmed that the amount of NO x emission tended to be reduced as the vibration period t became longer. This is considered to be a slow combustion state due to the fact that the combustion gas and the oxygen-enriched air are somewhat less likely to be mixed, and the formation of the reduction region suppresses the amount of NO x produced.
  • the oxygen-enriched burner according to the present embodiment can be changed and controlled to any vibration cycle with a simple configuration and a simple operation. It has also become clear that the combustion characteristics can be changed by a simple switching operation during the operation of the burner. Furthermore, it is possible to uniformly heat with good heat transfer efficiency of the object to be heated, it has been found that can effectively suppress the discharge of NO X.
  • the heating method using the oxygen-enriched burner and the oxygen-enriched burner according to the present invention is preferably used to preheat tundish or the like used as a means of storing and transporting molten iron and molten steel in steelmaking and steelmaking processes, It is very suitable in various uses which heat a to-be-heated material using a burner.

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Abstract

自励振動火炎で被加熱物を加熱する際、任意の振動周期に変更することができ、かつ被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能な酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法を提供することを目的とし、本発明は 中心流体噴出口（２）と、その周囲に設けられた周囲流体噴出口（３）とを具備し、前記中心流体噴出口（２）の流体噴出流路（６）の側壁（６１、６１）には、それぞれ対向する位置で一対の開口部（６２ａ，６２ｂ）が設けられており、当該一対の開口部（６２ａ，６２ｂ）は連通部（７）で連通されており、　前記流体噴出流路（６）における前記開口部（６２ａ，６２ｂ）よりも下流側の一対の側壁（６３ａ，６３ｂ）はその間隔が下流側に向かって漸次拡開しており、前記連通部（７）は、前記一対の開口部（６２ａ，６２ｂ）にそれぞれ一端部（７１ａ，７２ｂ）が連結される第１連通管（７１）および第２連通管（７２）と、前記第１連通管（７１）および前記第２連通管（７２）の他端部（７１ｂ、７２ｂ）に接続され、該第１連通管（７１）と第２連通管（７２）とを連通する少なくとも一以上の連通素子（７３）とを有することを特徴とする酸素富化バーナを提供する。

Description

酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法
　本発明は、酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法に関するものである。
　製鉄プロセスで用いられる、銑鉄（溶湯）を受ける炉（容器）である取鍋やタンディッシュは、急加熱による炉内の耐火物（耐火煉瓦等）の損傷を防ぐことを目的として、バーナによる火炎を用いて予熱が行われている。
　このような用途に用いられるバーナの火炎には、伝熱効率が高いこと、および被加熱物を均一に加熱できることが求められている。
　バーナの伝熱効率を高める方法としては、例えば、酸化剤として酸素富化空気を用いることで火炎温度を上昇させる方法が採用されていた。しかしながら、一般的なバーナでは、火炎が直線的な形状となるため、被加熱物の一点を局所加熱してしまう傾向があり、均一加熱が困難である。
　これに対し、特許文献１および２には、噴流の自励振動現象を利用することで火炎を振動させ、高い伝熱効率を保ちつつ、均一加熱を行うことが可能な方法が開示されている。特許文献１および２に開示されたバーナによれば、外部からの駆動力を必要とすることなく噴流が周期的に変化する自励振動現象を応用したノズル構造を採用することで、火炎向きを周期的に変化できるので、高い伝熱効率を保ちつつ、均一加熱を行うことが可能になる。これにより、特許文献１および２が開示するバーナは、従来のラジアントチューブバーナ等と比較して、広い範囲を均一に加熱することが可能になり、例えば、上記タンディッシュ等の予備加熱に好適に用いられる。
特開２００５－１１３２００号公報 特開２０１３－０７９７５３号公報
　特許文献１および２に開示された自励振動を行うバーナの特性は、噴流の振動周期によって制御可能である。バーナの中心流体噴出口から噴出される中心流体の噴出速度が等しい場合であって、振動周期が短いときは流体の混合が促進され、対流伝熱が強化されるとともに、バーナの面方向への均一な伝熱分布を得ることができる。一方、振動周期が長いときは、緩慢燃焼となり、輻射伝熱が強化されるとともに長尺火炎を得ることが可能となる。噴出速度を一定としたまま、振動周期を制御するためには、自励振動を生じさせるために設けられる連結管内の流体の流れを制御すればよく、この連結管の長さを適切に選択することで任意の振動周期が得られる。
　しかしながら、特許文献１および２が開示するバーナでは、中心流体の流量における振動周期が固定されてしまうため、燃焼特性を変更することはできない。例えば、上記連結管を取り外し可能とする方法も考えられる。例えば、フレキシブルケーブルを連結管に用いて制御を行う場合、振動周期を長くするためにはケーブル長を長くする必要があり、装置が煩雑になるという問題がある。また、バーナを運転した状態で振動数を変更しようとすると、燃焼状態で連結管を交換する必要があることから、流体が内部に流入した連結管の取り扱いに危険が伴うおそれがあった。
　本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、自励振動で火炎を振動させながら被加熱物を加熱する際に、簡単な操作で任意の振動周期に変更することができ、かつ被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能な酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明は以下の酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法を提供する。
（１）先端部に設けられた複数の流体噴出口から酸素富化空気又は燃料ガスを噴出し、これらを燃焼させる酸素富化バーナであって、前記複数の流体噴出口は、中心流体噴出口および周囲流体噴出口を具備し、前記中心流体噴出口の流体噴出流路の側壁には、それぞれ対向する位置で一対の開口部が設けられており、当該一対の開口部は連通部で連通されており、前記流体噴出流路における前記開口部よりも下流側の一対の側壁の間隔は下流側に向かって漸次拡開しており、前記周囲流体噴出口は、前記中心流体噴出口の周囲に配置されており、前記連通部は、前記一対の開口部にそれぞれ一端部が連結される第１連通管および第２連通管と、前記第１連通管および前記第２連通管の他端部に接続され、該第１連通管と第２連通管とを連通する少なくとも一以上の連通素子とを有することを特徴とする酸素富化バーナ。
（２）（１）に記載の酸素富化バーナであって、前記連結素子が、前記第１連通管と第２連通管との間に、並列で複数設けられていることを特徴とする酸素富化バーナ。
（３）（２）に記載の酸素富化バーナであって、前記複数の連結素子の内径および長さの少なくとも一方がそれぞれ異なることを特徴とする酸素富化バーナ。
（４）（１）～（３）の何れかに記載の酸素富化バーナであって、前記第１連通管および前記第２連通管と、前記連通素子とが着脱可能に接続されていることを特徴とする酸素富化バーナ。
（５）（１）～（４）の何れかに記載の酸素富化バーナであって、前記連通部は、前記第１連通管および前記第２連通管と前記連通素子との間に設けられた開閉バルブをさらに有することを特徴とする酸素富化バーナ。
（６）（１）～（５）の何れかに記載の酸素富化バーナを用いて、前記中心流体噴出口から噴出する流体を前記流体噴出流路の拡開方向で自励振動させながら、前記被加熱物を加熱する、酸素富化バーナを用いた加熱方法。
（７）（６）に記載の酸素富化バーナを用いた加熱方法であって、前記中心流体噴出口から噴出する流体の自励振動の周期が３０秒以下であることを特徴とする酸素富化バーナを用いた加熱方法。
　上記通り、本発明に係る酸素富化バーナは自励振動で火炎を振動させる酸素富化バーナであって、中心流体噴出口の流体噴出流路の側壁に設けられた一対の開口部を連通する連通部が、第１連通管と第２連通管とを連通させる連通素子を備えることで、簡単な操作で任意の振動周期に変更・制御することができる。したがって、酸素富化バーナの運転時に、簡単な切り替え操作で燃焼特性を変化させることができ、かつ被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。さらに、中心流体噴出口から噴出される燃料ガスに向けて周囲流体噴出口から酸素富化空気が噴出されることで、燃焼効率が向上し、ＮＯＸの排出量を効果的に抑制することも可能になる。
　また、本発明に係る酸素富化バーナを用いた加熱方法によれば、上記本発明に係る酸素富化バーナを用いた加熱方法なので、上記同様、自励振動による火炎の振動周期を必要に応じて簡単な操作で変更することができるとともに、被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。
本発明の一実施形態である酸素富化バーナについて模式的に説明する図であり、中心流体噴出口と周囲流体噴出口との位置関係の一例を示す平面図である。 本発明の一実施形態である酸素富化バーナについて模式的に説明する図であり、図１中に示したバーナのＡ－Ａ断面図である。 本発明の一実施形態である酸素富化バーナについて模式的に説明する図であり、（ａ），（ｂ）は、図１および２に示したバーナにおける中心流体の噴出方向の変動状態を示す概念図である。 実施例における酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法を説明するための図であり、（ａ），（ｂ）は、バーナと熱電対との位置関係を示す概略図である。 実施例１および２における酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法を説明するための図であり、バーナ軸からの距離に対する炉内の温度分布を示すグラフである。 実施例における酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法を説明するための図であり、（ａ），（ｂ）は、バーナと抜熱体との位置関係を示す概略図である。 実施例３および４における酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法を説明するための図であり、バーナ面からの距離に対する伝熱量分布を示すグラフである。 実施例５における酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法を説明するための図であり、自励振動周期とＮＯＸ排出量との関係を示すグラフである。
　以下、本発明の一実施形態である酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法について、図面を適宜参照しながら説明する。
　なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
＜バーナ＞
　以下、まずは本発明に係る酸素富化バーナの構成および燃焼方法について詳述する。
［バーナの構成］
　図１～図３は、本発明の一実施形態である酸素富化バーナ１（以下、バーナ１と略称する場合がある）の構造を説明する図である。図１は中心流体噴出口と周囲流体噴出口との位置関係の一例を示す平面図である。、図２は図１中に示したＡ－Ａ断面図（横断面図）である。また、図３は、本発明の一実施形態であるバーナ１における流体の噴出方向の変動状態を示す概念図である。なお、図１～図３においては、各流体噴出口および開口部等の配置関係やサイズを示すための模式図であることから、ノズルとしての管壁等、詳細な部分を一部省略している。
　図１～図３に示すように、本実施形態のバーナ１は、先端部に設けられた複数の流体噴出口から燃料ガスＧ１又は酸素富化空気Ｇ２の少なくとも何れかを噴出し、燃焼させる。
　具体的には、本実施形態のバーナ１は、中心流体噴出口２および周囲流体噴出口３からなる複数の流体噴出口を具備する。
　中心流体噴出口２を形成する流体噴出流路６を形成する側壁６１には、対向する位置に一対の開口部６２ａ，６２ｂが設けられている。これら一対の開口部６２ａ，６２ｂは連通部７で連通されている。
　また、開口部６２ａ，６２ｂよりも下流側の流体噴出流路６をなす一対の側壁６３ａ，６３ｂの間隔は下流側に向かって漸次拡開している。つまり、バーナ１を上から見た場合、開口部６２ａ，６２ｂよりも下流側の流体噴出流路６は扇形である。
　また、周囲流体噴出口３は、中心流体噴出口２の周囲に配置されている。
　本実施形態のバーナ１においては、中心流体噴出口２および周囲流体噴出口３から、燃料ガスＧ１又は酸素富化空気Ｇ２をそれぞれ噴出させるが、何れのガスが、どの噴出口から噴出されても構わない。
　本実施形態のバーナ１においては、中心流体噴出口２から燃料ガスＧ１を噴出させ、周囲流体噴出口３から酸素富化空気Ｇ２を噴出させる。
　中心流体噴出口２は、流体噴出流路６に燃料ガスＧ１が供給されることで、燃料ガスＧ１を噴出する開口部（ノズル）となる。後述するように、流体の流れ方向に直交する方向における流体噴出流路６の断面が略矩形状であるため、中心流体噴出口２は矩形状である。
　流体噴出流路６は、導入口６ａに図示略の中央流体供給管路が接続されることで、燃料ガスＧ１が導入され、上記中心流体噴出口２から噴出させる。
　上記通り、流体（ガス）流れ方向に直交する方向における流体噴出流路６の断面は、略矩形状である。略矩形の側面は、上述した一対の側壁６１，６１で形成されている。側壁６１，６１には、それぞれ対向するように上記一対の開口部６２ａ，６２ｂが設けられている。また、図２に示すように、一対の開口部６２ａ，６２ｂは、連通部７によって連通される。
　上記したように、開口部６２ａ，６２ｂよりも下流側に位置する流体噴出流路６の側面は、一対の側壁６３ａ，６３ｂで形成されている。一対の側壁６３ａ，６３ｂの間隔は、下流側に向かって漸次拡開している。開口部６２ａ，６２ｂよりも下流側に位置する、流体（ガス）流れ方向に沿った流体噴出流路６の断面は、扇形状である。すなわち、開口部６２ａ，６２ｂよりも下流側に位置する流体噴出流路６の側面は、略Ｖ字状に配置された一対の側壁側壁６３ａ，６３ｂで形成されている。
　一方、一対の開口部６２ａ，６２ｂよりも上流側に位置する流体噴出流路６は、対向した側壁６１、６１が略平行に延在した、角筒型の流路６４として形成されている。流体（ガス）流れ方向に沿った断面は略矩形状である。
　本実施形態のバーナ１は、流体噴出流路６をなす一対の側壁６１，６１に、一対の開口部６２ａ，６２ｂを対向して配置し、この一対の開口部６２ａ，６２ｂを通部部７で連通させることで、中心流体噴出口２から噴出する燃料ガスＧ１に、いわゆるフリップフロップノズルの自励振動を発生させることができる。
　すなわち、図３（ａ），（ｂ）に示すように、流体噴出流路６の流路６４を流れる流体（燃料ガスＧ１）が、一対の開口部６２ａ，６２ｂの間を通り抜けて、断面扇形状に配置された一対の側壁６３ａ、６３ｂ間に流入すると、一方の側壁６３ａおよび他方の側壁６３ｂに交互に接するように自励振動しながら、中心流体噴出口２から噴出する。なお、図１中、矢印Ｒは、流体の自励振動方向を意味する。
　自励振動による流体の振幅や周波数は、開口部６２ａ，６２ｂ、一対の側壁６３ａ、６３ｂ、および連通部７における寸法や、流体の流速等の各種条件に応じて変化する。
　本実施形態に係る酸素富化バーナにおいては、詳細を後述するように、連通部７のうち、連通素子７３の寸法および設置数を設定することで、中心流体噴出口２から噴出する流体を、一定程度の範囲内で所望の角度および周波数で振動させる。つまり、本実施形態の酸素富化バーナによれば、簡単な構成および簡単な操作で中心流体噴出口２から噴出する流体を、一定程度の範囲内で所望の角度および周波数で振動させることができる。
　以下、本実施形態の酸素富化バーナ１の特徴部の一つである連通部７を説明する。
　連通部７は、一対の開口部６２ａ，６２ｂに、それぞれ一端部７１ａ，７２ａが連結される第１連通管７１および第２連通管７２と、第１連通管７１および第２連通管７２の他端部７１ｂ，７２ｂに接続され、これら第１連通管７１と第２連通管７２とを連通させる、少なくとも一以上の管状の連通素子７３とを有する。
　つまり、連通部７は、第１連通管７１と、第２連通管７２と、複数の連通素子７３とを具備する。上記第一連通管７１の一端部７１ａは上記開口部６２ａに連結し、その他端部７１ｂは上記連通素子７３に連結している。上記第二連通管７２の一端部７２ａは上記開口部６２ｂに連結し、その他端部７２ｂは上記連通素子７３に連結している。
　図２では、連通部７は、第１連通管７１と、第２連通管７２と、第１連通管７１と第２連通管７２との間に並列に接続された３本の連結素子７３とで構成されている。すなわち、図２に示すように、第１連通管７１は、３箇所の他端部７１ｂ，７１ｂ、７１ｂを有する。同様に、第２連通管７２も、３箇所の他端部７２ｂ，７２ｂ、７２ｂを有する。第一連通管７１の他端部７１ｂ、７１ｂ、７１ｂは、３本連結素子７３（７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃ）を介して、第二連通管７２の他端部７２ｂ、７２ｂ、７２ｂと連通している。つまり、３本連結素子７３（７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃ）は、第一連通管７１および第二連通管７２に対して、並列に配置されている。
　本実施形態の酸素富化バーナ１では、一対の開口部６２ａ，６２ｂ間を連通部７で連通させることでフリップフロップノズルによる自励振動を発生させている。
　本実施形態の酸素富化バーナ１における連通部７は、第１連通管７１と連通素子７３との間に設けられた開閉バルブ７４と、第２連通管７２と連通素子７３との間に設けられた開閉バルブ７４とをさらに具備する。つまり、連結素子７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃの一端部７３ａおよび他端部７３ｂのそれぞれに開閉バルブ７４が接続されている。
　本実施形態のバーナ１は、上記開閉バルブ７４を具備するため、連結素子７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃのうちの任意の連結素子のみを選択することが可能となる。もちろん、開閉バルブ７４の操作により、全ての連結素子７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃを同時に使用するか、または全て停止することも可能である。
　本実施形態のバーナ１においては、複数の連結素子７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃの内径や長さ（全長）をそれぞれ変化させることで、各々の連通素子を流れる流体の流量や流速を異なる値に設定することができる。つまり、上記開閉バルブ７４を操作して任意の連結素子を選択することで、連通部７における流体の流量や流速を調整し、自励振動周期を任意の周期に設定することが可能である。連結素子７３を長くするほど、中心流体噴出口２から噴出する流体の自励振動周期が長くなる。連結素子７３の内径を小さくするほど、上記自励振動周期が長くなる。
　なお、連通素子７３内に邪魔板等を設けることでも連通素子７３における流体の流量や流速を変化させることができる。
　流体噴出流路６の直径又は相当径（流路断面が円形でない場合）Ｄと、連結素子７３の流路断面積Ｓとによって無次元化された連結素子長さｌｅｎ、および上記直径又は相当径Ｄと、中心流体噴出速度Ｕとによって無次元化された振動数（ストローハル数）Ｓｔの関係は、式｛ｌｅｎ＝ｋ・１／Ｓｔ（ｋ：比例定数）｝で表され、線形関係となる。
　すなわち、連結素子長さｌｅｎと、振動数Ｓｔとの関係は、式｛１／Ｓｔ＝Ｄ／（ｔ・Ｕ）（ｔ：振動周期）｝でも表されるが、流体噴出流路６の直径又は相当径Ｄ、および中心流体噴出速度Ｕは決まっているため、連結素子長さｌｅｎの異なる連結素子７３を用いて振動周期ｔを変化させることが可能になる。
　図２に示すように、流体の流れ方向に直交する方向における流体噴出流路６の断面が矩形状である場合には、一対の開口部６２ａ，６２ｂに対して上流側に位置する側壁６１、６１の間隙を相当径Ｄとすることができる。
　本実施形態の酸素富化バーナ１においては、仕様の異なる連結素子７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃを具備し、それらを任意に選択することで、振動周期ｔを容易に変更することができる。
　また、本実施形態の酸素富化バーナ１では、第１連通管７１と、連通素子７３とが着脱自在に接続されていてもよいし、第２連通管７２と、連通素子７３とが着脱自在に接続されていてもよい。開閉バルブ７４に対して、連通素子７３を着脱可能に接続させればよい。第１連通管７１および第２連通管７２（または開閉バルブ７４）に対して、連通素子７３を着脱可能な取り付けることで、被加熱物の特性等に応じた流体流量・流速をなす連通素子７３に容易に交換することができる。
　第１連通管７１および第２連通管７２（または開閉バルブ７４）に対して、連通素子７３を着脱可能とするには、種々の方法を採用できる。例えば、連通素子７３の両端部７３，７３ｂと、第１連通管７１および第二連通管７２とをＯリングでシールしてもよい。連通素子７３の両端部７３，７３ｂおよび第１連通管７１および第２連通管７２の他端にねじ留め構造を設けてもよい。
　なお、流体噴出流路６における一対の側壁６３の開き角度、すなわち、中心流体噴出口２の開口角度α（図２参照）は、特に限定されず、所望する火炎の開き角度を勘案しながら設定すればよい。しかしながら、流体の噴出方向の振動を安定的に発生させ、均一な加熱を実現する観点からは、９０°以下とすることが好ましい。
　また、図２では、連通部が３本の連結素子７３ａ，７３ｂ，７３ｃを具備するが、これには限定されない。例えば、連結素子７３を１～２本とすることも可能であるし、連結素子７３を４本以上備えてもよい。
　また、本実施形態のバーナ１は、中心流体噴出口２から噴出される中心流体（燃料ガスＧ１）の噴出量、および周囲流体噴出口３から噴出される周囲流体（酸素富化空気Ｇ１）の噴出量を、個別に制御可能であることが好ましい。例えば、各噴出口に接続されて各流体を供給する管路に、流量制御装置を設ければよい。
　周囲流体噴出口３は、図１に示すように、中心流体噴出口２の周囲に、この中心流体噴出口２を取り囲むように配置されている。
　周囲流体噴出口３には図示略の周囲流体供給管路が接続され、酸素富化空気Ｇ２が導入されることで、ガスを噴出させる開口部（ノズル）として構成される。
　ここで、本実施形態において説明する、「周囲流体噴出口３が中心流体噴出口２の周囲に配置されている」とは、周囲流体噴出口３が中心流体噴出口２の周囲を取り囲むように配置されていることを意味しており、中心流体噴出口２と周囲流体噴出口３とが隣接した位置に配置されていることをいう。
　周囲流体噴出口３を、中心流体噴出口２の周囲に配置することで、燃料ガスＧ１の噴出位置に隣接した位置から酸素富化空気Ｇ２を噴出させることができる。
　本実施形態の酸素富化バーナ１においては、中心流体噴出口２の周囲を取り囲むように周囲流体噴出口３が配置されることで、中心流体噴出口２から噴出される中心流体（燃料ガスＧ１）と、周囲流体噴出口３から噴出される周辺流体（酸素富化空気Ｇ２）とが効果的に混合される。また、周囲流体噴出口３から噴出される周辺流体が火炎の外側方向に向かうことで還元領域が広がり、火炎を形成する際の燃焼効率が向上する。
　なお、周囲流体噴出口３の形状は、中心流体噴出口２の周囲を取り囲むように配置されている、矩形状または円形であってもよい。また、周囲流体噴出口３は、中心流体噴出口２の周囲を取り囲むように配置された複数の開口部（孔）であってもよい。
［バーナの燃焼方法］
　次に、上記本実施形態の酸素富化バーナ１を燃焼させる方法について説明する。
　本実施形態のバーナ１では、中心流体噴出口２から噴出される中心流体を燃料ガスＧ１とし、周囲流体噴出口３から噴出される周囲流体を酸素富化空気Ｇ２とすることで、燃料ガスＧ１の噴出方向で火炎を形成する。
　燃料ガスとしては、典型的には天然ガス（ＬＮＧ）等を例示することができるが、例えば、重油等の液体燃料であっても構わない。
　また、酸素富化空気Ｇ２としては、例えば、酸素と空気との混合ガスにおいて、酸素濃度を出来るだけ高めたものを例示できる。上記空気の代わりに、例えば、窒素ガス、炭酸ガス又は排ガス等を用い、これを酸素と混合して用いることも可能である。また、上記混合ガスに用いる酸素としては、工業用純酸素を用いてもよい。
　また、本実施形態のバーナ１を燃焼させる際は、自励振動によって噴出方向を交互かつ周期的に変化させながら（図３（ａ），（ｂ）を参照）、中心流体噴出口２から燃料ガスＧ１を噴出させる。この際、中心流体噴出口２から周期的に変化した角度で噴出される燃料ガスＧ２に対し、周囲流体噴出口３からは燃料ガスＧ２を包み込むように酸素富化空気Ｇ２（周囲流体）が噴出され、火炎の形成に寄与する。
　燃料ガスＧ１に向けて酸素富化空気Ｇ２が噴出されることで、燃焼効率が向上し、ＮＯＸの排出量を効果的に抑制できる。また、火炎による伝熱効率が向上し、被加熱物を均一に加熱することが可能になる。
　なお、上記自励振動による燃料ガスＧ１の噴出方向の切り替え周期（振動周期ｔ）は、特に限定されない。バーナの中心軸から離れた位置においても、優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能な範囲で適宜設定すればよい。このような効果が得られる振動周期ｔとしては、後述するように、振動周期ｔ＝３０秒以下とすることが好ましい。
　本実施形態の酸素富化バーナ１は、自励振動によって火炎を振動させるバーナであって、上記連通部７を具備するため、中心流体噴出口２から噴出される流体の振動周期ｔを任意に変更・制御することができる。これにより、酸素富化バーナ１の運転時に、簡単な切り替え操作で燃焼特性を変化させることができ、かつ被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することができる。
＜酸素富化バーナを用いた加熱方法＞
　本発明に係る加熱方法は、上記酸素富化バーナ１を用い、中心流体噴出口２から噴出する流体を流体噴出流路６の拡開方向で自励振動させながら、例えば、タンディッシュ等の被加熱物を加熱する方法である。
　本発明の加熱方法は、上記酸素富化バーナ１を用いて被加熱物を加熱する方法なので、自励振動で振動する火炎によって被加熱物を加熱する際、中心流体噴出口２から噴出される流体の自励振動を任意の振動周期ｔに変更しながら、被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することができる方法である。
　本発明の加熱方法における被加熱物としては、特に限定されない。一実施形態として、上述した製鋼プロセスにおいて用いられる、銑鉄を受ける取鍋やタンディッシュ（図示略）等が挙げられる。
　本実施形態の加熱方法は、上記バーナ１を用いて、取鍋やタンディッシュ等の被加熱物を加熱する方法であって、中心流体噴出口２から噴出される流体の振動周期ｔを任意に変更・制御できる。これにより、バーナ１の運転時に、簡単な切り替え操作で燃焼特性を変化させることができ、かつ被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。
　なお、本実施形態の加熱方法においては、中心流体噴出口２から噴出する流体の自励振動の周期（振動周期ｔ）は特に限定されず、被加熱物の特性を勘案しながら適宜設定することができる。各種の被加熱物を広域で均一に加熱できるため、振動周期ｔ＝３０秒以下が好ましい。
　なお、本実施形態のバーナ１を用いた加熱方法による加熱対象（被加熱物）としては、上記製鋼プロセスで用いられる取鍋やタンディッシュ等には限定されず、例えば、高熱で均一な加熱を必要とする各種の被加熱物を加熱する場合において、何ら制限無く適用することが可能である。
＜作用効果＞
　以上説明したように、本実施形態の酸素富化バーナ１は、中心流体噴出口２と、その周囲に配置された周囲流体噴出口３とを具備し、上記中心流体噴出口２をなす流体噴出流路６の側壁には一対の開口部６２ａ，６２ｂが設けられ、この一対の開口部６２ａ，６２ｂは連通部７で連通され、この連通部７が、一対の開口部６２ａ，６２ｂにそれぞれ一端部７１ａ，７２ａが連結される第１連通管７１および第２連通管７２と、これら第１連通管７１および第２連通管７２の他端部７１ｂ，７２ｂに接続され、第１連通管７１と第２連通管７２とを連通する少なくとも一以上の管状の連通素子７３とを具備する。
　このように、自励振動で火炎を振動させる酸素富化バーナ１において、一対の開口部６２ａ，６２ｂを連通する連通部７が、第１連通管７１と第２連通管７２とを連通させる連通素子７３を備えることで、簡便な構成および簡単な操作で任意の振動周期に変更・制御することができる。したがって、酸素富化バーナ１の運転時に、簡単な切り替え操作で燃焼特性を変化させることができ、かつ被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。
　さらに、上記中心流体噴出口２と周囲流体噴出口３とを備えるため、燃料ガスＧ１に向けて酸素富化空気Ｇ２が噴出されることできる。これにより、燃焼効率を向上させ、ＮＯＸの排出量を効果的に抑制できる。
　また、本実施形態の酸素富化バーナ１を用いた加熱方法は、上記酸素富化バーナ１を用いた加熱方法なので、酸素不可バーナ１同様、自励振動による火炎の振動周期ｔを、必要に応じて簡単な操作で変更することができるとともに、被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。
　以下、本発明の酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法について、実施例を用いてより詳細に説明する。しかしながら、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
＜バーナの仕様および運転条件＞
　本実施例においては、図１～図３に示すように、一対の開口部６２ａ，６２ｂにそれぞれ一端部７１ａ，７２ａが連結される第１連通管７１および第２連通管７２と、これら第１連通管７１および第２連通管７２の他端部７１ｂ，７２ｂに接続され、第１連通管７１と第２連通管７２とが連通するように設けられた３本の連通素子７３ａ，７３ｂ，７３ｃとを有する自励振動方式の酸素富化バーナ１を準備し、以下に示す条件で燃焼・加熱試験を行った。
　また、本実施例においては、図２中に示した、バーナ１の中心流体噴出口２の開口角度αは３０°とした。
　また、本実施例においては、燃料ガスＧ１としてプロパンガスを用いるとともに、酸素富化空気Ｇ２として酸素富化率が４０％のガスを用いた。燃料ガスＧ１を中心流体噴出口２に、酸素富化空気Ｇ２を周囲流体噴出口３に流し、火炎を形成させた。
　本実施例におけるバーナ運転条件は、燃料ガス（プロパンガス）の流量を１３Ｎｍ３／ｈ、酸素富化空気の流量を１７０Ｎｍ３／ｈとし、酸素比１．０５で燃焼させた。なお、この酸素比とは、燃料ガスが完全燃焼するのに必要な酸素量を１とした場合の酸素の割合をいう。
　また、本実施例では、バーナ１を図示略の試験炉内で燃焼させ、燃焼中に連結素子７３を切り替えることで、中心流体噴出口２における自励振動による燃料ガスの振動周期ｔを変化させ、定常状態となった後に、以下の各実施例で説明する各評価項目について測定を実施した。
　また、本実施例においては、以下に説明する、連結素子７３の切り替えによる振動周期ｔの変更の可否についても評価した。このとき、流体噴出流路６の相当径Ｄを１０ｍｍ、燃料ガスの吹出速度Ｕを４０ｍ／ｓとした。
＜実施例１および２＞
　実施例１および２においては、酸素富化バーナ１を自励振動で燃焼させた際に、連結素子７３を切り替えて振動周期ｔを変化させた場合の燃焼炉内における温度分布を熱電対を用いて評価した。
　図４（ａ），（ｂ）は、実施例１および２におけるバーナ１と熱電対との位置関係を示す概略図である。
　本実施例においては、図４（ｂ）に示すように、バーナ１の先端面から５００ｍｍ前方であって、図４（ａ）に示すように、バーナ１の高さ方向における中心軸から３００ｍｍ下側の位置に、流体噴出流路６の拡開方向に沿って複数本の熱電対を配列した。
　また、実施例１および２においては、下記表１に示す連結素子長さｌｅｎ、１／Ｓｔ（Ｓｔ：振動数）とされた連結素子Ｃ１，Ｃ２を用いて評価を行った。
　上述したように、連結素子長さｌｅｎと１／Ｓｔとの関係は、式｛ｌｅｎ＝ｋ・１／Ｓｔ（ｋ：比例定数）｝および式｛１／Ｓｔ＝Ｄ／（ｔ・Ｕ）（ｔ：振動周期）｝で表される。したがって、本実施例では、流体噴出流路６の直径又は相当径Ｄ、および中心流体噴出速度Ｕを予め決定し、下記表１に示す連結素子長さｌｅｎの異なる連結素子を用いることで、振動周期ｔを変化させた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
 
　本実施例では、図４（ａ），（ｂ）に示す試験装置において、自励振動燃焼を発生させて定常状態となったときの温度を各熱電対で測定した。
　バーナ１の自励振動方向における中心軸からの距離、つまり自動振動させない時のガスの噴出方向を「バーナの中心軸からの距離０[ｍｍ]とし、自動振動させた際のガス噴出方向の振幅と、炉内温度との関係、すなわち、熱電対の位置と炉内温度との関係を、炉内の温度分布を表すデータとして図５のグラフに示した。
　図５のグラフに示す実施例１は、振動周期ｔ＝０．１秒（表１参照）における測定結果であり、実施例２は、振動周期ｔ＝１秒（表１参照）における測定結果である。図５に示すように、振動周期ｔが短い実施例１の方が、実施例２に比べてフラット（均一）な温度分布となっていることがわかる。
　実施例１および２における評価結果より、振動周期ｔの切り替えは、連結素子７３の長さを変更することで可能であり、また、振動周期ｔを変えることで温度分布を変更できる、すなわち、加熱特性を変更できることが確認できた。
　実施例に係る酸素富化バーナを用いることで、バーナ運転中に連結素子を切り替えて振動周期ｔを変化させ、任意の燃焼状態が得られることが明らかである。
＜実施例３および４＞
　実施例３および４においては、自励振動で燃焼運転させた酸素富化バーナにおける火炎長の変化、およびこれに伴う伝熱特性の変化について評価した。
　図６（ａ），（ｂ）は、実施例３および４におけるバーナ１と熱電対との位置関係を示す概略図である。
　図６（ａ）に示すように、バーナ１の高さ方向における中心軸から３００ｍｍ下側の位置に、中央流体噴出口２からの燃焼ガスの噴出方向、すなわち火炎の形成方向に沿って、複数本の抜熱体を配置した。
　本実施例では、図６（ａ），（ｂ）に示す試験装置において自励振動燃焼を発生させ、定常状態における抜熱体への伝熱効率を測定した。この際、抜熱体の温度は、図示略の熱電対を用いて表面温度を測定することで確認した。
　そして、この実験における、バーナ１の端面から抜熱体までの距離と伝熱量との関係を、炉内の伝熱量分布を表すデータとして図７のグラフに示した。
　図７のグラフに示す実施例３は、実施例１と同じ振動周期ｔ＝０．１秒（表１参照）における測定結果であり、実施例４は、実施例２と同じ振動周期ｔ＝１秒における測定結果である（実施例３における連結素子長さｌｅｎ、１／Ｓｔおよび振動周期ｔについては表１中の連結素子Ｃ３を参照）。
　図７に示すように、実施例３に比べて振動周期ｔの長い実施例４の方が、緩慢燃焼が促進され、輻射伝熱が強化されることで伝熱効率が高くなっていることがわかる。また、実施例４の方が、火炎長が伸びており、バーナ１の端面からより遠方においても高い伝熱量分布となることが明らかとなった。
＜実施例５＞
　実施例５においては、振動周期ｔを図８のグラフに示す複数の周期（０.１秒、０.５秒、１秒、５秒）で変化させた点以外は、実施例１と同様の条件で、バーナ１を用いた自励振動を伴う燃焼試験を行い、ＮＯＸの排出特性について評価した。
　図８のグラフに、本実施例における振動周期ｔとＮＯＸ排出量との関係を示す。
　図８に示すように、実施例５においては、振動周期ｔが長くなるのに伴い、ＮＯＸ排出量が低減される傾向が確認できた。これは、燃焼ガスと酸素富化空気とが、若干混合され難くなることで緩慢燃焼状態となり、還元領域ができることでＮＯＸの生成量が抑制されたものと考えられる。
　以上説明した実施例の結果より、本実施例に係る酸素富化バーナは、簡便な構成および簡単な操作で任意の振動周期に変更・制御することができることが明らかとなった。また、バーナの運転時に簡単な切り替え操作で燃焼特性を変化させることができることも明らかとなった。さらには、被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱するできるとともに、ＮＯＸの排出量を効果的に抑制できることも明らかとなった。
　本発明の酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法は、製銑や製鋼プロセスにおいて溶銑や溶鋼の貯留・搬送手段として用いられるタンディッシュ等を予備加熱するのに好ましく用いられる他、バーナを用いて被加熱物を加熱する各種用途において非常に好適である。
１…バーナ
　２…中心流体噴出口
　３…周囲流体噴出口
　６…流体噴出流路
　　６ａ…導入口
　　６１…（一対の）側壁
　　６２ａ，６２ｂ…（一対の）開口部
　　６３ａ…一方の側面
　　６３ｂ…他方の側面
　　６４…（角筒型の）流路
　７…連通管
　　７１…第１連通管
　　７２…第２連通管
　　７１ａ，７２ａ…第１および第２連通管の一端部
　　７１ｂ，７２ｂ…第１および第２連通管の一端部
　　７３，７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃ…連結素子
　　７３ａ，７３ｂ…連結素子の端部
　　７４…開閉バルブ
Ｇ１…燃料ガス
Ｇ２…酸素富化空気
Ｄ…中心流体流路の相当径

Claims (7)

  1. 　先端部に設けられた複数の流体噴出口の各々から酸素富化空気又は燃料ガスの少なくとも何れかを噴出し、これらを燃焼させる酸素富化バーナであって、
    　前記複数の流体噴出口は、中心流体噴出口および周囲流体噴出口を具備し、
    　前記中心流体噴出口の流体噴出流路の側壁には、それぞれ対向する位置で一対の開口部が設けられており、
    　当該一対の開口部同士は連通部で連通されており、
    　前記流体噴出流路における前記開口部よりも下流側の一対の側壁はその間隔が下流側に向かって漸次拡開しており、
    　前記周囲流体噴出口は、前記中心流体噴出口の周囲に配置されており、
    　前記連通部は、前記一対の開口部にそれぞれ一端部が連結される第１連通管および第２連通管と、前記第１連通管および前記第２連通管の他端部に接続され、該第１連通管と第２連通管とを連通する少なくとも一以上の連通素子とを有することを特徴とする酸素富化バーナ。
  2. 　前記連結素子は、前記第１連通管と前記第２連通管との間に、並列で複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の酸素富化バーナ。
  3. 　前記複数の連結素子の内径および長さの少なくとも一方がそれぞれ異なることを特徴とする請求項２に記載の酸素富化バーナ。
  4. 　前記第１連通管および前記第２連通管と、前記連通素子とが着脱可能に接続されていることを特徴とする請求項１～請求項３の何れか一項に記載の酸素富化バーナ。
  5. 　前記連通部は、前記第１連通管および前記第２連通管と前記連通素子との間に設けられた開閉バルブをさらに有することを特徴とする請求項１～請求項４の何れか一項に記載の酸素富化バーナ。
  6. 　請求項１～請求項５の何れか一項に記載の酸素富化バーナを用いて、前記中心流体噴出口から噴出する流体を前記流体噴出流路の拡開方向で自励振動させながら、前記被加熱物を加熱する、酸素富化バーナを用いた加熱方法。
  7. 　前記中心流体噴出口から噴出する流体の自励振動の周期が３０秒以下であることを特徴とする請求項６に記載の酸素富化バーナを用いた加熱方法。
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