WO2021060022A1 - 高温酸素発生装置及び高温酸素発生方法 - Google Patents

高温酸素発生装置及び高温酸素発生方法 Download PDF

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WO2021060022A1
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oxygen
flow path
gas
burner
combustion
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雅志 山口
康之 山本
義之 萩原
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大陽日酸株式会社
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    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/32—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid using a mixture of gaseous fuel and pure oxygen or oxygen-enriched air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/66—Preheating the combustion air or gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/78—Cooling burner parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/007—Supplying oxygen or oxygen-enriched air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/03005—Burners with an internal combustion chamber, e.g. for obtaining an increased heat release, a high speed jet flame or being used for starting the combustion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to a high-temperature oxygen generator that generates high-temperature oxygen gas, and a high-temperature oxygen generation method using the same.
  • Air is generally used as the oxidizing agent to be supplied to the burner, but oxygen-enriched air in which oxygen is mixed with air or oxygen may be used from the viewpoint of improving heating efficiency and saving energy. Further, in order to further improve the heating efficiency, for example, a technique of obtaining a high combustion temperature by using a preheated oxidant is also adopted.
  • Examples of means for preheating the oxidant include a heat exchange type that indirectly preheats the oxidant by exchanging heat with exhaust gas from the furnace, and an electric type that heats the oxidant with an electric heater. Further, there is also a direct combustion type in which the combustion gas and the oxidizing agent to be preheated are directly mixed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • the direct combustion type as described in Patent Documents 1 and 2 has a demerit that the oxygen concentration of the oxidant is lowered by the amount of the combustion gas, but the equipment scale can be reduced.
  • the time required for preheating is short, it is also suitable for intermittent operation of the device.
  • oxygen burners and oxygen lances used in electric furnaces are used for efficient scrap heating and fusing, and fuel gas and oxidizer are blown over a long distance, so each gas is used.
  • the ejection speed is supersonic.
  • the supply pressure becomes high pressure.
  • the ejection speed is Mach 1
  • a supply pressure of about 0.1 MPaG is required
  • the ejection speed is Mach 2
  • a supply pressure of about 0.7 MPaG is required.
  • Patent Documents 1 and 2 eject a high-temperature oxidant generated by a direct combustion type oxygen preheating device, which are described in Patent Documents 1 and 2. Since this technology is considered to be a technology assuming a supply pressure of about atmospheric pressure, it is difficult to use a burner using this technology in a high pressure environment.
  • the outlet pressure of the preheating burner is 0.7 MPaG, so that the ejection speed of each gas from the burner is compared with the case where the supply pressure is atmospheric pressure.
  • the speed is about 1/8. Therefore, in a burner designed assuming a supply pressure near atmospheric pressure, the ejection speed becomes slow, and there is a risk of misfire or flashback.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and although it is a specification used at a high pressure supply pressure, it can also be used under atmospheric pressure conditions, regardless of pressure conditions from normal pressure to high pressure, and of equipment. It is an object of the present invention to provide a high-temperature oxygen generator capable of efficiently supplying preheated high-temperature oxygen gas without inviting an increase in size or expansion, and a high-temperature oxygen generation method using the same.
  • the present invention provides the following high-temperature oxygen generator.
  • a high-temperature oxygen generator that mixes a high-temperature gas and an oxygen gas to be heated to generate a high-temperature oxygen gas, which is provided with a burner for generating the high-temperature gas and a burner on the downstream side of the burner.
  • a preheating chamber for mixing the gas and the oxygen gas to be heated is provided, and the burner has a combustion chamber in which a flame is formed by the fuel gas and the oxygen gas for combustion, and a fuel for supplying the fuel gas to the combustion chamber.
  • High temperature oxygen generator with and.
  • the burner is arranged on the central axis of the burner as the combustion oxygen flow path, and the combustion oxygen is arranged in the axial direction of the burner. It has a primary oxygen flow path for ejecting gas, and the fuel flow path is arranged around the first oxygen flow path, ejects the fuel gas in the axial direction of the burner, and further, the combustion oxygen.
  • a flow path it has a second oxygen flow path that is arranged around the fuel flow path and ejects the combustion oxygen gas so as to be inclined with respect to the central axis of the burner toward the central axis side.
  • a flame is formed by the fuel gas ejected from the fuel flow path and the combustion oxygen gas ejected from the first oxygen flow path and the second oxygen flow path, and the oxygen flow to be heated is formed.
  • the path communicates with the preheating chamber and is arranged around the second oxygen flow path, ejects the oxygen gas to be heated from around the flame, and sends the oxygen gas to be heated toward the preheating chamber.
  • High temperature oxygen generator to supply.
  • the present invention provides the following high temperature oxygen generating method.
  • (4) The method for generating high-temperature oxygen using the high-temperature oxygen generator according to (2) above, wherein the average speed of the fuel gas in the fuel flow path of the burner when the high-temperature oxygen is supplied at the maximum pressure.
  • Is U1 the average velocity of the combustion oxygen gas in the first oxygen flow path is U2
  • the average velocity of the combustion oxygen gas in the second oxygen flow path is U3.
  • U3 satisfy the following equations (1) to (3)
  • the average velocity U4 of the mixed gas of the fuel gas and the oxygen gas for combustion on the outlet side of the combustion chamber is the rated flow rate under atmospheric pressure conditions.
  • a method for generating high-temperature oxygen that sometimes satisfies the following equation (4). 10 (m / s) ⁇ U1 ⁇ 60 (m / s) ... (1) 20 (m / s) ⁇ U2 ⁇ 120 (m / s) ... (2) 20 (m / s) ⁇ U3 ⁇ 120 (m / s) ... (3) U4 ⁇ 60 (m / s) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (4)
  • the burner forms a flame with the fuel gas and the combustion oxygen gas, the combustion chamber, the fuel flow path for supplying the fuel gas to the combustion chamber, and the combustion chamber for combustion. It has an oxygen flow path for combustion that supplies oxygen gas, and an oxygen flow path for heating that communicates with a preheating chamber and supplies oxygen gas to be heated.
  • the oxygen gas supply flow path is separated into a combustion oxygen gas flow path used for combustion with the fuel gas and a heated oxygen gas flow path used for mixing the high temperature gas after combustion.
  • a combustion chamber that is arranged independently of the preheating chamber, it is possible to prevent the flame from misfiring due to the influence of the flow of the oxygen gas for heating from the oxygen flow path for heating.
  • the oxygen flow path for heating through which the oxygen gas for heating that is not subjected to combustion flows allows a cooling effect on the inner wall of the burner and the high-temperature oxygen generator to be obtained. Therefore, although it is a specification used at high pressure supply pressure, it can also be used under atmospheric pressure conditions, and it is preheated regardless of pressure conditions from normal pressure to high pressure and without inviting upsizing or expansion of equipment. It enables the supply of high-temperature oxygen gas.
  • the average velocity of the fuel gas in the fuel flow path of the burner when the high temperature oxygen is supplied at the maximum pressure is U1
  • the combustion oxygen gas in the first oxygen flow path When the average speed of oxygen gas for combustion in the second oxygen flow path is U3 and the average speed of oxygen gas for combustion in the second oxygen flow path is U3, these average speeds U1, U2, and U3 are limited to the optimum range, and then on the outlet side of the combustion chamber.
  • the average velocity U4 of the mixed gas of the fuel gas and the oxygen gas for combustion is limited to the optimum range when the flow rate is the rated flow under atmospheric pressure conditions.
  • FIG. 1 It is a figure which schematically explains the high temperature oxygen generator which is one Embodiment of this invention, and is the sectional view along the axial direction of a burner. It is a figure schematically explaining the high temperature oxygen generator which is one Embodiment of this invention, has a burner of an example different from the burner provided in the high temperature oxygen generator shown in FIG. 1, and further provides an ignition burner. It is sectional drawing along the axial direction of a burner which shows an example. It is a figure schematically explaining the high temperature oxygen generator which is one Embodiment of this invention, and shows the example which attached the oxygen lance to the high temperature oxygen generator shown in FIG. 2, along the axial direction of a burner. It is a cross-sectional view.
  • FIGS. 1 to 4 a high-temperature oxygen generator and a high-temperature oxygen generation method according to an embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 1 to 4 as appropriate.
  • the featured parts may be enlarged for convenience, and the dimensional ratios of each component may not be the same as the actual ones. Absent.
  • the materials and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and the present invention can be appropriately modified without changing the gist thereof.
  • FIG. 1 is a view showing the high temperature oxygen generator 10 of the present embodiment in a cross section along the central axis J of the burner 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a high-temperature oxygen generator provided with a burner 1A different from the burner 1 shown in FIG. 1 and further provided with an ignition burner 9.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a high-temperature oxygen generator 10B in which an oxygen lance 8 is further attached to the high-temperature oxygen generator 10A shown in FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing another example of a burner provided in the high temperature oxygen generator.
  • the high-temperature oxygen generator 10 of the present embodiment mixes the high-temperature gas G4 and the oxygen gas to be heated G3 to generate the high-temperature oxygen gas G5, and generates the high-temperature gas G4.
  • a burner 1 and a preheating chamber 7 provided on the downstream side of the burner 1 and mixing the high temperature gas G4 and the oxygen gas for heating G3 are provided.
  • the burner 1 forms a flame with the fuel gas G1 and the combustion oxygen gas G2, the combustion chamber 5, and the fuel flow path 2 for supplying the fuel gas G1 to the combustion chamber 5.
  • the combustion oxygen flow path (see reference numerals 3 and 4 in FIG. 1) that supplies the combustion oxygen gas G2 to the combustion chamber 5 and the preheating chamber 7 are communicated with each other, and the combustion oxygen gas is directed toward the preheating chamber 7. It is provided with an oxygen flow path 6 for heating that supplies G3.
  • the burner 1 of the high-temperature oxygen generator 10 of the present embodiment is arranged on the central axis J of the burner 1 as the combustion oxygen flow path, and the combustion oxygen gas G2 is provided in the axial direction of the burner 1. It has a primary oxygen flow path 3 for ejecting. Further, as shown in FIG. 1, the fuel flow path 2 is arranged around the first oxygen flow path 3, that is, outside the central axis J, and ejects the fuel gas G1 in the axial direction of the burner 1. Further, the burner 1 is arranged around the fuel flow path 2 as the above-mentioned combustion oxygen flow path, and the combustion oxygen gas is inclined toward the central axis J side of the burner 1 while being inclined. It has a secondary oxygen flow path 4 that ejects G2.
  • a fuel flow path 2, a first oxygen flow path 3, and a second oxygen flow path 4 are opened in the combustion chamber 5.
  • a flame is formed in the combustion chamber 5 by the fuel gas G1 ejected from the fuel flow path 2 and the combustion oxygen gas G2 ejected from the first oxygen flow path 3 and the second oxygen flow path 4.
  • the oxygen flow path 6 for heating communicates with the preheating chamber 7 and is arranged around the second oxygen flow path 4. In the illustrated example, it is open to the preheating chamber 7.
  • the heated oxygen flow path 6 ejects the heated oxygen gas G3 from the periphery of the flame to supply the heated oxygen gas G3 toward the preheating chamber 7.
  • the high temperature oxygen generator 10 of the illustrated example further includes a cooling jacket 11 for cooling either one or both of the burner 1 and the preheating chamber 7.
  • Examples of the fuel gas G1 used in the present embodiment include natural gas.
  • examples of the fuel gas G1 include a gas containing a fuel that satisfies conditions such as being flammable, being insoluble in water, and having a large calorific value per unit volume.
  • Specific examples of the fuel gas G1 include gases including hydrocarbon fuels such as liquefied petroleum gas (LPG), city gas, and methane.
  • examples of the combustion oxygen gas G2 and the heated oxygen gas G3 described in the present embodiment include oxygen-enriched air and oxygen.
  • the burner 1 has a bottomed conical combustion chamber 5 having an opening so that the tip 1a side in the flame forming direction expands in diameter, and the high temperature gas is formed by forming a flame in the combustion chamber 5.
  • Generate G4 the high temperature gas is formed by forming a flame in the combustion chamber 5.
  • the combustion chamber 5 is a bottomed conical concave portion opened so that the tip 1a side has an enlarged diameter.
  • the vertical cross section of the combustion chamber 5 is substantially trapezoidal.
  • the burner 1 generates a flame in the combustion chamber 5 to generate a high-temperature gas G4 toward the downstream side of the burner 1, that is, the preheating chamber 7.
  • the combustion chamber 5 may have a constant gradient angle of the side wall 52 from the bottom 51 on the base end side to the tip 1a side. However, as shown in the illustrated example, it is more preferable that a part of the tip 1a side has a cylindrical shape because a stable flame can be obtained.
  • the fuel flow path 2 is arranged outside the central axis J, that is, around the primary oxygen flow path 3, which will be described in detail later, and ejects the fuel gas G1 in the axial direction of the burner 1.
  • the opening of the fuel flow path 2 is arranged so as to open to the bottom 51 of the combustion chamber 5, and is provided so as to eject the fuel gas G1 supplied from the fuel flow path 2 toward the inside of the combustion chamber 5.
  • the fuel flow path 2 is arranged so as to surround the primary oxygen flow path 3 provided on the central axis J, for example, on the circumference centered on the central axis J.
  • the first oxygen flow path (combustion oxygen flow path) 3 is arranged on the central axis J of the burner 1, and ejects the combustion oxygen gas G2 in the axial direction of the burner 1.
  • the opening of the first oxygen flow path 3 is also arranged so as to open to the bottom 51 of the combustion chamber 5.
  • the combustion oxygen gas G2 supplied from the first oxygen flow path 3 is ejected into the combustion chamber 5.
  • the shape and the like of the opening of the first oxygen flow path 3 is not particularly limited as long as it is open in the combustion chamber 5, and can be arbitrarily set.
  • the second oxygen flow path (combustion oxygen flow path) 4 is arranged around the fuel flow path 2, and is located near the tip thereof and on the tip side of the bottom 51 of the combustion chamber 5 (hereinafter, “fuel flow path 2”). (Sometimes referred to as "near the tip of the burner 1") is inclined toward the central axis J side of the burner 1. As a result, the combustion oxygen gas G2 is ejected toward the central axis J side. That is, although detailed illustration is omitted, a plurality of secondary oxygen flow paths 4 are provided, for example, on the outside of the fuel flow path 2 on the circumference centered on the central axis J so as to surround the fuel flow path 2. Arranged at equal intervals. The vicinity of the tip thereof is gradually inclined toward the central axis J side toward the tip 1a side of the burner 1. Further, in the example shown in FIG. 1, the opening of the second oxygen flow path 4 is arranged so as to open to the side wall 52 of the combustion chamber 5.
  • the angle near the tip of the second oxygen flow path 4 with respect to the central axis J that is, the second oxygen flow with respect to the fuel gas G1 ejected from the fuel flow path 2 and the combustion oxygen gas G2 ejected from the first oxygen flow path 3.
  • the merging angle of the combustion oxygen gas G2 ejected from the path 4 is not particularly limited. However, in consideration of combustion efficiency and the like, the angle is preferably in the range of 10 to 30 °.
  • the arrangement interval, the number of holes, the shape, etc. are not particularly limited and may be arbitrary. It can be set.
  • the oxygen flow path 6 for heating is arranged around the second oxygen flow path 4 and is open to communicate with the inside of the preheating chamber 7.
  • an opening is made in the end surface of the tip 1a of the burner 1.
  • the oxygen flow path 6 for heating opens at the end surface of the tip 1a of the burner 1.
  • the oxygen flow path 6 to be heated ejects the oxygen gas G3 to be heated from the periphery of the flame, and supplies the oxygen gas G3 to be heated toward the preheating chamber 7. That is, unlike the first oxygen flow path 3 and the second oxygen flow path 4, the oxygen flow path 6 to be heated is not a flow path through which the fuel gas G1 used for combustion flows, but the oxygen gas G3 to be heated. Since it is a flow path through which oxygen is circulated, it is opened in the preheating chamber 7 without opening in the combustion chamber 5.
  • the shape and the like of the opening of the oxygen flow path 6 to be heated is not particularly limited as long as it is open to the preheating chamber 7 as described above, and can be arbitrarily set.
  • the preheating chamber 7 is provided on the downstream side of the burner 1 and is a space for mixing the high temperature gas G4 and the oxygen gas G3 to be heated.
  • the preheating chamber 7 of the illustrated example has an internal space secured by a cylindrical tube 70, and by arranging the burner 1 inside the cylindrical tube 70, the burner 1 and the tip 70a of the cylindrical tube 70 are connected to each other. A preheating chamber 7 is secured in the space between them.
  • the high-temperature gas G4 generated by the flame formed in the combustion chamber 5 of the burner 1 is supplied into the preheating chamber 7, and the oxygen gas G3 to be heated is supplied through the oxygen flow path 6 to be heated.
  • the high temperature oxygen gas G5 is generated in the preheating chamber 7.
  • the generated high-temperature oxygen gas G5 is supplied to the outside from the tip 70a side of the cylindrical tube 70.
  • the downstream side of the preheating chamber 7 is open to the atmosphere, and the pressure at the outlet of each flow path provided in the burner 1 is atmospheric pressure.
  • the cooling jacket 11 is for cooling the burner 1, or both the burner 1 and the preheating chamber 7, and the cooling jacket 11 of the illustrated example is provided so as to be able to cool both of the above. That is, the cooling jacket 11 is cylindrical and has a double-tube structure that covers the above-mentioned cylindrical tube 70 via an annular space. The annular space is a cooling water flow path 11a through which the cooling water W is passed, and the burner 1 and the preheating chamber 7 can be cooled by the passage of the cooling water W.
  • the cooling water W is passed from the inlet pipe 11b side, and the cooling water W passes through the cooling water flow path 11a and is discharged from the outlet pipe 11c.
  • both the burner 1 and the preheating chamber 7 can be cooled by cooling the burner 1 and the cylindrical tube 70 when the cooling water W passes through the cooling water flow path 11a. It is configured in.
  • the cooling jacket 11 protects each component of the burner 1 from the high temperature atmosphere and radiant heat caused by the flame, and suppresses transient heating in the combustion chamber 5.
  • the high-temperature oxygen generator 10 of the present embodiment having the above configuration will be described below.
  • a flashback occurs or the jet is weak, so that it is easily misfired due to the influence of disturbance from the outside.
  • the ejection speed of each gas is too fast, a flame will rise, and in this case as well, a misfire is likely to occur.
  • the flame temperature becomes a high temperature exceeding 2000 ° C., it is necessary to provide appropriate protection so that the nozzle is not melted and damaged.
  • the burner 1 supplies the fuel gas G1 to the combustion chamber 5 in which the fuel gas G1 and the combustion oxygen gas G2 form a flame, and the combustion chamber 5.
  • It has an oxygen flow path 6 for heating that supplies oxygen gas G3. That is, in the high temperature oxygen generator 10, the oxygen gas supply flow path is the flow path of the combustion oxygen gas G2 used for combustion with the fuel gas G1 (first oxygen flow path 3 and second oxygen flow path 4).
  • the combustion chamber 5 After separating from the flow path of the oxygen gas G3 to be heated (oxygen flow path 6 to be heated) used for mixing with the high temperature gas G4 after combustion, the combustion chamber 5 arranged independently of the preheating chamber 7 is provided. It is provided. As a result, according to the high-temperature oxygen generator 10, the flame formed from the fuel gas G1 and the combustion oxygen gas G2 misfires due to the influence of the flow of the heated oxygen gas G3 from the heated oxygen flow path 6. It becomes possible to prevent it from happening. Further, since the oxygen flow path 6 to be heated through which the oxygen gas G3 to be heated that is not subjected to combustion flows is provided along the central axis J of the burner 1, a cooling effect on the entire burner 1 can be obtained and a cylindrical tube is obtained. The effect of cooling the inner wall of 70 can also be obtained.
  • the first oxygen flow path 3 is arranged on the central axis J of the burner 1, and the combustion oxygen gas G2 is ejected in the axial direction of the burner 1.
  • the fuel flow path 2 is arranged around the first oxygen flow path 3 and ejects the fuel gas G1 in the axial direction of the burner 1.
  • the second oxygen flow path 4 is arranged around the fuel flow path 2, and the vicinity of the tip portion thereof is inclined with respect to the central axis J of the burner 1, so that the second oxygen flow path 4 is used for combustion so as to face the central axis J side. Oxygen gas G2 is ejected.
  • the fuel gas G1 is sandwiched between the combustion oxygen gas G2 ejected from the first oxygen flow path 3 and the second oxygen flow path 4.
  • the combustion state is maintained, and the temperature of the side wall 52 and the bottom 51 in the combustion chamber 5 can be protected by the oxygen flow from the combustion oxygen gas G2 ejected from the second oxygen flow path 4 so as not to rise too much. ..
  • the oxygen gas G3 to be heated is ejected from the oxygen flow path 6 to be heated in the axial direction, thereby generating the high temperature gas G4 and the oxygen to be heated by the flame.
  • oxygen heated to a high temperature that is, the high temperature oxygen gas G5 can be discharged to the outside.
  • the fuel flow path is arranged in the center of the burner, and the oxygen flow path is arranged around the fuel flow path. With such a configuration, it becomes extremely difficult to hold the flame when the ejection speed of each gas is high.
  • the high-temperature oxygen generator 10 of the present embodiment as shown in FIG. 1, since the fuel flow path 2 is sandwiched between the first oxygen flow path 3 and the second oxygen flow path 4, each gas Even when the ejection speed is high, the flame can be held stably.
  • the high temperature oxygen generator 10 of the present embodiment further adopts the configuration provided with the cooling jacket 11 as shown in the illustrated example, the following effects can be obtained.
  • the burner 1 can be sufficiently cooled by the direct contact between the burner 1 and the cooling water W, and the burner 1 can be prevented from being melted.
  • the burner 1 and the cooling water W are in contact with each other via another structure (cylindrical tube 70 in the illustrated example)
  • the burner 1 can be sufficiently cooled and can be prevented from being melted.
  • the thermal stress can prevent the burner 1 or the high temperature oxygen generator 10 as a whole from being deformed or damaged. Further, it is possible to minimize the occurrence of fatigue fracture due to repeated application of thermal stress, and it is possible to extend the service life.
  • the cooling jacket 11 is provided so as to cover from the burner 1 to the preheating chamber 7, but the present invention is not limited to this.
  • the cooling jacket 11 may cool only the burner 1, and the preheating chamber 7 may protect the inner wall of the cylindrical tube 70 with a refractory material.
  • the high temperature oxygen generator according to the present invention is not limited to the configuration as in the high temperature oxygen generator 10 shown in FIG.
  • the oxygen flow paths 6 to be heated are arranged in two rows of the inner peripheral side and the outer peripheral side, and a part of the side wall 52 of the combustion chamber 5, that is, A burner 1A having a cylindrical shape on the tip 1a side may be provided.
  • an ignition burner 9 is provided near the tip of the burner 1A so as to penetrate the cooling jacket 11 and the cylindrical tube 70.
  • the burner for generating high-temperature gas provided in the high-temperature oxygen generator requires an ignition source.
  • the high-temperature oxygen generator 10A in the example shown in FIG. 2 is provided with the ignition burner 9. Even in the high-temperature oxygen generator 10A shown in FIG. 2, the downstream side of the preheating chamber 7 is open to the atmosphere, and the pressure at the outlet of each flow path provided in the burner 1A is atmospheric pressure.
  • an oxygen lance 8 can be further attached to the downstream side of the preheating chamber 7 in the high temperature oxygen generator 10A shown in FIG.
  • the oxygen lance 8 is connected to the tip 70a of the preheating chamber 7 via a flange 81.
  • the flow path area of the internal flow path 8b of the oxygen lance 8 becomes narrower toward the discharge port 8a side, and the flow path area is slightly widened only in the vicinity of the discharge port 8a.
  • the high-temperature oxygen gas G5 ejected from the discharge port 8a of the oxygen lance 8 has a high ejection speed and meets the atmospheric pressure conditions in the high-temperature oxygen generator 10A and the like shown in FIG. Preheating is possible under the same gas flow rate conditions.
  • the burner used in the high temperature oxygen generator is not limited to the configuration as in the burners 1 and 1A of the examples shown in FIGS. 1 to 3.
  • the supply of oxygen gas to the first oxygen flow path 3, the second oxygen flow path 4, and the oxygen flow path 6 to be heated is branched from the same supply source.
  • the same oxygen gas may be used for the combustion oxygen gas G2 and the heated oxygen gas G3.
  • the high-temperature oxygen generation method of the present embodiment is a method of generating high-temperature oxygen gas G5 by using the high-temperature oxygen generator 10 of the present embodiment. That is, in the high temperature oxygen generation method of the present embodiment, when the high temperature oxygen is supplied at the maximum pressure, the average velocity of the fuel gas G1 in the fuel flow path 2 of the burner 1 is set to U1, and for combustion in the first oxygen flow path 3. When the average speed of the oxygen gas G2 is U2 and the average speed of the combustion oxygen gas G2 in the second oxygen flow path 4 is U3, these average speeds U1, U2, and U3 are expressed by the following equations (1) to (3).
  • the average velocity U1 of the fuel gas G1, the average velocity U2 of the combustion oxygen gas G2 in the first oxygen flow path 3, and the combustion in the second oxygen flow path 4 By setting the average speeds U1, U2, and U3 in the range satisfying the above equations (1) to (3) at the maximum pressure at which the average speed U3 of the oxygen gas G2 is assumed, in addition to flashback and misfire due to the speed reduction, It is possible to prevent the flame from being blown off due to excessive speed.
  • the average velocities U1, U2, and U3 when the high-temperature oxygen is supplied at the maximum pressure satisfy the following equations (1) to (3), respectively, under atmospheric pressure. Can maintain a stable flame. Further, in the present embodiment, when the average velocity U4 of the mixed gas of the fuel gas G1 and the combustion oxygen gas G2 on the outlet side of the combustion chamber 5 is the rated flow rate under atmospheric pressure conditions, the above-mentioned ( By designing the burner 1 so as to satisfy the equation 4), it becomes possible to further improve the stability of the flame.
  • the high temperature oxygen generator 10 having the above configuration, it is possible to form a stable flame after each gas is ejected into the combustion chamber 5 at the time of high pressure. Further, according to the present embodiment, the fuel flow path 2 is sandwiched between the primary oxygen flow path 3 and the secondary oxygen flow path 4 even under the atmospheric pressure at which the ejection speed is high. By keeping the average velocity of each gas in the combustion chamber 5 appropriate, it is possible to maintain a sufficiently stable flame.
  • the burner 1 supplies the fuel gas G1 to the combustion chamber 5 in which the fuel gas G1 and the combustion oxygen gas G2 form a flame, and the combustion chamber 5.
  • a configuration having a heating oxygen flow path 6 is adopted.
  • the oxygen gas supply flow path is the flow path of the combustion oxygen gas G2 used for combustion with the fuel gas G1 and the flow path of the oxygen gas G3 to be heated used for mixing the high temperature gas G4 after combustion.
  • the combustion chamber 5 which is arranged independently from the preheating chamber 7 after being separated into the above, the flame is misfired due to the influence of the flow of the oxygen gas G3 to be heated from the oxygen flow path 6 to be heated. Can be prevented.
  • the oxygen flow path 6 to be heated through which the oxygen gas G3 to be heated, which is not subjected to combustion, flows can provide a cooling effect on the burner 1 and the cylindrical tube 70. Therefore, although it is a specification used at high pressure supply pressure, it can also be used under atmospheric pressure conditions, and it is preheated regardless of pressure conditions from normal pressure to high pressure and without inviting upsizing or expansion of equipment.
  • the high temperature oxygen gas G5 can be supplied.
  • the average velocity of the fuel gas G1 in the fuel flow path 2 of the burner 1 when the high temperature oxygen is supplied at the maximum pressure is U1, and the primary oxygen flow path 3 is used.
  • the average speed of the combustion oxygen gas G2 is U2
  • the average speed of the combustion oxygen gas G2 in the second oxygen flow path 4 is U3
  • these average speeds U1, U2, and U3 are limited to the optimum range.
  • the average velocity U4 of the mixed gas of the fuel gas G1 and the combustion oxygen gas G2 on the outlet side (tip 1a side) of the combustion chamber 5 is set to the optimum range when the flow rate is the rated flow rate under atmospheric pressure conditions. It is restricted.
  • the preheated high-temperature oxygen gas G5 can be supplied regardless of the pressure conditions from normal pressure to high pressure and without inviting upsizing or expansion of equipment.
  • the burner 1A for generating the high temperature gas G4 shown in FIG. 2 and the preheating chamber 7 provided on the downstream side of the burner 1A and mixing the high temperature gas G4 and the oxygen gas for heating G3 are provided.
  • the test was carried out using the high temperature oxygen generator 10A.
  • the burner 1A has a combustion chamber 5 in which the fuel gas G1 and the combustion oxygen gas G2 form a flame, and a fuel flow path 2 for supplying the fuel gas G1 to the combustion chamber 5.
  • the first oxygen flow path 3 and the second oxygen flow path 4 for supplying the combustion oxygen gas G2 to the combustion chamber 5 and the preheating chamber 7 arranged in two rows of the inner peripheral side and the outer peripheral side are heated.
  • a high-temperature oxygen generator 10A including a heated oxygen flow path 6 for supplying the oxygen gas G3 for heating and an ignition burner 9 as an ignition source for the burner 1 was prepared.
  • the angle with respect to the central axis J near the tip of the second oxygen flow path 4 was set to 20 °.
  • downstream side of the preheating chamber 7 is open to the atmosphere, and each flow path outlet provided in the burner 1A is set to the condition of atmospheric pressure.
  • Example 2 the test was carried out using the high-temperature oxygen generator 10B shown in FIG. 3 in which the oxygen lance 8 was further attached to the downstream side of the preheating chamber 7 in the high-temperature oxygen generator 10A used in Example 1. went. Specifically, in this embodiment, the internal flow path 8b is configured such that the flow path area becomes narrower toward the discharge port 8a side and the flow path area is slightly widened only in the vicinity of the discharge port 8a. A high-temperature oxygen generator 10B attached to the downstream side of the preheating chamber 7 was used for the oxygen lance 8.
  • the oxygen lance 8 has a high pressure at which the pressure on the inlet side of the oxygen lance 8 is 0.7 MPaG when the flow rate of the discharged high temperature oxygen gas G5 is 200 Nm 3 / h and the preheating temperature of the high temperature oxygen gas G5 is 500 ° C. It is a specification.
  • Comparative Example 1 In Comparative Example 1, the fuel flow path 102 communicating with the combustion chamber 105 is provided on the central axis J shown in FIG. 5, and the secondary oxygen flow path 4 shown in FIGS. 1 and 2 corresponds to the fuel flow path 102 around the fuel flow path 102.
  • a specification of atmospheric pressure conditions including a burner 100 having a conventional configuration, which has a combustion oxygen flow path 104, but does not have an oxygen flow path corresponding to the first oxygen flow path 3 shown in FIGS. 1 and 2. Using the high-temperature oxygen generator, it was investigated whether or not preheating was possible at each set preheating temperature.
  • the burner 100 of the comparative example shown in FIG. 5 is arranged around the combustion oxygen flow path 104, and includes an oxygen flow path 106 for heating provided in two rows of an inner peripheral side and an outer peripheral side.
  • each flow path outlet provided in the burner 100 was under atmospheric pressure. Further, in Comparative Example 1, the burner 100 designed so that the ejection speed from the fuel flow path 102 is 17.5 m / s and the ejection speed from the combustion oxygen flow path 104 is 65 m / s under atmospheric pressure conditions is used. Using.
  • Comparative Example 1 when the preheating temperature was set to the 100 ° C. step in the range of 200 to 700 ° C., the possibility of preheating was examined, and the results are shown in Table 3.
  • Table 3 the results of conducting the same test under each device and conditions used in Example 1 (atmospheric pressure) and Example 2 (high pressure: 0.7 MPaG), and the same in Comparative Example 2 below. The results of the test are also shown. Further, in Table 3 below, " ⁇ " is marked in the column of the condition for which it was confirmed that preheating is possible.
  • the preheating temperature could be realized in the range of 200 to 700 ° C.
  • the apparatus using the burner 100 of Comparative Example 1 although it was possible to preheat in the entire range of 200 to 700 ° C. under atmospheric pressure conditions, it is possible to preheat to 200 ° C. under high pressure. It became impossible, and it was not possible to carry out a test in which the preheating was higher than that.
  • Comparative example 2 In Comparative Example 2, the burner 101 having the conventional configuration shown in FIG. 5 was provided, and a high-temperature oxygen generator specified under high-pressure conditions was used to examine whether or not preheating was possible at each set preheating temperature.
  • each flow path outlet provided in the burner 101 was set to a high pressure condition. Further, in Comparative Example 2, as the burner 101, when the ambient pressure is as high as 0.7 MPaG, the ejection speed from the fuel flow path 102 is 17.5 m / s and the ejection speed from the combustion oxygen flow path 104 is 65 m. The one designed to be / s was used.
  • the apparatus using the burner 101 of Comparative Example 2 was capable of preheating in the entire range of 200 to 700 ° C. under high pressure conditions, but was preheated to 300 ° C. under atmospheric pressure. The combustion state became unstable at the temperature, and the test under higher temperature conditions could not be carried out.
  • the high-temperature oxygen generator of the present invention is designed to be used at a high pressure supply pressure, it can also be used under atmospheric pressure conditions, regardless of the pressure conditions from normal pressure to high pressure, and the equipment can be enlarged or expanded. It is possible to efficiently supply preheated high-temperature oxygen gas without inviting it. Therefore, the high-temperature oxygen generator and the high-temperature oxygen generation method of the present invention are suitable for use in a burner used for heating in a furnace in various industrial furnaces.

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Abstract

常圧から高圧までの圧力条件に依らず、かつ設備の大型化や増設を招くことなく、予熱した高温の酸素ガスを効率よく供給することが可能な高温酸素発生装置及び高温酸素発生方法を提供することを目的とし、高温ガス（Ｇ４）と被加熱用酸素ガス（Ｇ３）とを混合し、高温酸素ガス（Ｇ５）を生成する高温酸素発生装置（１０）であり、高温ガス（Ｇ４）を発生させるバーナ（１）と、バーナ（１）の下流側に設けられ、高温ガス（Ｇ４）と被加熱用酸素ガス（Ｇ３）とを混合する予熱室（７）とを備え、バーナ（１）は、燃料ガス（Ｇ１）と燃焼用酸素ガス（Ｇ２）とで火炎を形成する燃焼室（５）と、燃焼室（５）に燃料ガス（Ｇ１）を供給する燃料流路（２）と、燃焼室（５）に燃焼用酸素ガス（Ｇ２）を供給する第一酸素流路（３）及び第二酸素流路（４）と、予熱室（７）に連通し、予熱室（７）に向けて被加熱用酸素ガス（Ｇ３）を供給する被加熱用酸素流路（６）とを有する。

Description

高温酸素発生装置及び高温酸素発生方法
　本発明は、高温の酸素ガスを発生させる高温酸素発生装置、及びそれを用いた高温酸素発生方法に関するものである。
　従来から、工業炉における炉内の加熱には、例えば、燃料ガスと酸化剤とによる火炎を発生させるバーナが用いられている。バーナに供給する酸化剤としては、一般的には空気が用いられるが、加熱効率の向上や省エネルギー等の観点から、空気に酸素を混合した酸素富化空気、または酸素が用いられることがある。
　また、加熱効率をより向上させるために、例えば、予熱した酸化剤を用いて高い燃焼温度を得る技術も採用されている。
　酸化剤を予熱する手段としては、例えば、炉からの排ガスと熱交換することによって酸化剤を間接的に予熱する熱交換式や、電気式ヒータにより酸化剤を加熱する電気式が挙げられる。また、燃焼ガスと予熱対象の酸化剤とを直接混合する直接燃焼式等も挙げられる（例えば、特許文献１，２を参照）。
特表２０１１－５２６９９８号公報 特開昭６２－１１６８１６号公報
　上記熱交換式によって酸化剤を間接的に予熱する場合、予熱に時間を要することから、予熱した酸化剤を断続的に利用したい場合には不向きである。また、熱交換に用いた排ガスを回収するための設備を要するため、導入コストが高くなるというデメリットがある。
　また、電気式で酸化剤を加熱する場合において、大きな出力が必要となる大流量の場合や、高温のガスが要求される場合、設備の規模が大きくなり、上記同様、コスト面でのデメリットが生じる恐れがある。また、設置条件によっては適用不可となるおそれもある。
　一方、特許文献１，２に記載されたような直接燃焼式では、燃焼ガスの分だけ酸化剤の酸素濃度が下がるデメリットがあるものの、設備規模が小さく済む。また、予熱にかかる時間も短いため、装置の断続的な運転にも適している。
　例えば、電炉で用いられる酸素バーナや、酸素ランスを用いた場合、それらは効率の良いスクラップの加熱や溶断に用いられたり、長い距離で燃料ガスや酸化剤を吹き込まれたりするため、各ガスの噴出速度は超音速となる。このように、燃料ガスや酸化剤の噴出速度が超音速である場合、供給圧力は高圧となる。例えば、噴出速度がマッハ１の場合では約０．１ＭＰａＧ、マッハ２の場合では約０．７ＭＰａＧの供給圧力が必要となる。
　上述したように、特許文献１，２に記載された従来の技術は、直接燃焼式の酸素予熱装置によって発生させた高温の酸化剤を噴出させるものであるが、これら特許文献１，２に記載の技術は、大気圧程度の供給圧力を想定した技術と考えられることから、この技術を用いたバーナを高圧環境下で用いることは困難である。
　例えば、０．７ＭＰａＧの高温ガスを発生させる場合には、予熱用バーナの出口圧力が０．７ＭＰａＧとなるため、バーナからの各ガスの噴出速度は、供給圧力が大気圧である場合と比較すると約１／８の速度となる。したがって、大気圧付近の供給圧力を想定して設計されたバーナでは、噴出速度が遅くなり、失火や逆火が生じるおそれがある。
　一方、供給圧力が高いと、同じ流量であっても体積が圧縮されることから、必要とされる装置内空間も小さくなる。したがって、大気圧（常圧）の供給圧力を想定して設計された高温酸素発生装置では、予熱室が過剰に大きくなるため、予熱効率が低下して予熱温度が低下するか、または燃料ガスを多く使用しなければならなくなるというデメリットがある。このように、燃料ガスの使用量が多くなると、運転コストが増大することのみならず、酸素濃度も低下するという問題がある。
　また、上記とは反対に、高圧での使用を想定して噴出速度を設定した場合、この装置を大気圧条件下で使用すると、各ガスの噴出速度が大きくなり過ぎて火炎が浮き上がり、失火するおそれもある。
　本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、高圧の供給圧力で用いる仕様でありながら大気圧条件での使用も可能であり、常圧から高圧までの圧力条件に依らず、かつ設備の大型化や増設を招くことなく、予熱した高温の酸素ガスを効率よく供給することが可能な高温酸素発生装置、およびそれを用いた高温酸素発生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、以下の高温酸素発生装置を提供する。
（１）高温ガスと被加熱用酸素ガスとを混合し、高温酸素ガスを生成する高温酸素発生装置であって、前記高温ガスを発生させるバーナと、該バーナの下流側に設けられ、前記高温ガスと前記被加熱用酸素ガスとを混合する予熱室とを備え、前記バーナは、燃料ガスと燃焼用酸素ガスとで火炎を形成する燃焼室と、該燃焼室に前記燃料ガスを供給する燃料流路と、前記燃焼室に前記燃焼用酸素ガスを供給する燃焼用酸素流路と、前記予熱室に連通し、前記予熱室に向けて被加熱用酸素ガスを供給する被加熱用酸素流路とを有する高温酸素発生装置。
（２）上記（１）に記載の高温酸素発生装置であって、前記バーナは、前記燃焼用酸素流路として、前記バーナの中心軸上に配置され、前記バーナの軸方向で前記燃焼用酸素ガスを噴出する第一酸素流路を有し、前記燃料流路は、前記第一酸素流路の周囲に配置され、前記バーナの軸方向で前記燃料ガスを噴出し、さらに、前記燃焼用酸素流路として、前記燃料流路の周囲に配置され、かつ前記バーナの中心軸に対して傾斜しながら該中心軸側に向かうように前記燃焼用酸素ガスを噴出する第二酸素流路を有し、前記燃焼室では、前記燃料流路から噴出する燃料ガスと、前記第一酸素流路及び前記第二酸素流路から噴出する燃焼用酸素ガスとで火炎が形成され、前記被加熱用酸素流路は、前記予熱室に連通するとともに、前記第二酸素流路の周囲に配置され、前記火炎の周囲から前記被加熱用酸素ガスを噴出して前記予熱室に向けて被加熱用酸素ガスを供給する高温酸素発生装置。
（３）上記（１）または（２）に記載の高温酸素発生装置であって、さらに、前記バーナ、または前記バーナ及び前記予熱室の両方を冷却する冷却ジャケットを備える高温酸素発生装置。
　また、上記課題を解決するため、本発明は以下の高温酸素発生方法を提供する。
（４）上記（２）に記載の高温酸素発生装置を用いた高温酸素発生方法であって、高温酸素を最大圧力で供給する際の、前記バーナの前記燃料流路における前記燃料ガスの平均速度をＵ１とし、前記第一酸素流路における前記燃焼用酸素ガスの平均速度をＵ２とし、前記第二酸素流路における前記燃焼用酸素ガスの平均速度をＵ３とした場合、前記平均速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３が下記（１）～（３）式を満たし、かつ前記燃焼室の出口側における前記燃料ガス及び前記燃焼用酸素ガスの混合ガスの平均速度Ｕ４が、大気圧条件下で定格流量であるときに下記（４）式を満たす高温酸素発生方法。
　１０（ｍ／ｓ）≦Ｕ１≦６０（ｍ／ｓ）　　・・・・・（１）
　２０（ｍ／ｓ）≦Ｕ２≦１２０（ｍ／ｓ）　・・・・・（２）
　２０（ｍ／ｓ）≦Ｕ３≦１２０（ｍ／ｓ）　・・・・・（３）
　Ｕ４≦６０（ｍ／ｓ）　　　　　　　　　　・・・・・（４）
　本発明に係る高温酸素発生装置においては、バーナが、燃料ガスと燃焼用酸素ガスとで火炎を形成する燃焼室と、この燃焼室に燃料ガスを供給する燃料流路と、燃焼室に燃焼用酸素ガスを供給する燃焼用酸素流路と、予熱室に連通して被加熱用酸素ガスを供給する被加熱用酸素流路とを有している。このように、酸素ガスの供給流路を、燃料ガスとの燃焼に用いる燃焼用酸素ガスの流路と、燃焼後の高温ガスとの混合に用いる被加熱用酸素ガスの流路とに分離したうえで、予熱室と独立して配置される燃焼室を設けることにより、被加熱用酸素流路からの被加熱用酸素ガスの流れの影響によって火炎が失火するのを防止できる。また、燃焼に供されない被加熱用酸素ガスが流通する被加熱用酸素流路により、バーナ並びに高温酸素発生装置の内壁に対する冷却効果も得られる。
　したがって、高圧の供給圧力で用いる仕様でありながら、大気圧条件での使用も可能であり、常圧から高圧までの圧力条件に依らず、かつ設備の大型化や増設を招くことなく、予熱した高温の酸素ガスの供給が可能になる。
　また、本発明に係る高温酸素発生方法によれば、高温酸素を最大圧力で供給する際の、バーナの燃料流路における燃料ガスの平均速度をＵ１とし、第一酸素流路における燃焼用酸素ガスの平均速度をＵ２とし、第二酸素流路における燃焼用酸素ガスの平均速度をＵ３とした場合、これら平均速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３を最適な範囲に制限したうえで、燃焼室の出口側における燃料ガス及び燃焼用酸素ガスの混合ガスの平均速度Ｕ４を、大気圧条件下で定格流量であるときに、最適な範囲となるように制限している。これにより、速度低下による逆火や失火の他、速度過剰による火炎の吹き飛び等が発生するのを防止できる。
　したがって、常圧から高圧までの圧力条件に依らず、かつ設備の大型化や増設を招くことなく、予熱した高温の酸素ガスの供給が可能になる。
本発明の一実施形態である高温酸素発生装置を模式的に説明する図であり、バーナの軸方向に沿った断面図である。 本発明の一実施形態である高温酸素発生装置を模式的に説明する図であり、図１に示す高温酸素発生装置に備えられるバーナとは異なる例のバーナを有するとともに、さらに点火用バーナを設けた例を示す、バーナの軸方向に沿った断面図である。 本発明の一実施形態である高温酸素発生装置を模式的に説明する図であり、図２に示す高温酸素発生装置に対して、さらに酸素ランスを取り付けた例を示す、バーナの軸方向に沿った断面図である。 本発明の一実施形態である高温酸素発生装置を模式的に説明する図であり、高温酸素発生装置に備えられるバーナの他の例を示す、バーナの軸方向に沿った部分断面図である。 従来の高温酸素発生装置に備えられるバーナを示す断面図である。
　以下、本発明を適用した一実施形態である高温酸素発生装置及び高温酸素発生方法について、図１～４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など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。
＜高温酸素発生装置の構成＞
　以下に、本実施形態の高温酸素発生装置１０の構成について詳細に説明する。
　図１は、本実施形態の高温酸素発生装置１０を、バーナ１の中心軸Ｊに沿った断面で示す図である。図２は、図１に示したバーナ１とは異なるバーナ１Ａを備えるとともに、さらに点火用バーナ９を設けた例の高温酸素発生装置を示す断面図である。図３は、図２に示す高温酸素発生装置１０Ａに対して、さらに酸素ランス８を取り付けた例の高温酸素発生装置１０Ｂを示す断面図である。また、図４は、高温酸素発生装置に備えられるバーナの他の例を示す断面図である。
　図１に示すように、本実施形態の高温酸素発生装置１０は、高温ガスＧ４と被加熱用酸素ガスＧ３とを混合し、高温酸素ガスＧ５を生成するものであり、高温ガスＧ４を発生させるバーナ１と、このバーナ１の下流側に設けられ、高温ガスＧ４と被加熱用酸素ガスＧ３とを混合する予熱室７とを備える。
　そして、高温酸素発生装置１０は、バーナ１が、燃料ガスＧ１と燃焼用酸素ガスＧ２とで火炎を形成する燃焼室５と、この燃焼室５に燃料ガスＧ１を供給する燃料流路２と、燃焼室５に燃焼用酸素ガスＧ２を供給する燃焼用酸素流路（図１中の符号３，４を参照）と、予熱室７に連通し、この予熱室７に向けて被加熱用酸素ガスＧ３を供給する被加熱用酸素流路６とを備える。
　より詳細には、本実施形態の高温酸素発生装置１０のバーナ１が、上記燃焼用酸素流路として、バーナ１の中心軸Ｊ上に配置され、バーナ１の軸方向で燃焼用酸素ガスＧ２を噴出する第一酸素流路３を有している。また、燃料流路２は、図１に示すように、第一酸素流路３の周囲、即ち、中心軸Ｊに対して外側に配置され、バーナ１の軸方向で燃料ガスＧ１を噴出する。さらに、バーナ１は、上記の燃焼用酸素流路として、燃料流路２の周囲に配置され、かつバーナ１の中心軸Ｊに対して傾斜しながら中心軸Ｊ側に向かうように燃焼用酸素ガスＧ２を噴出する第二酸素流路４を有している。
　燃焼室５には、燃料流路２、第一酸素流路３及び第二酸素流路４が開口している。燃焼室５内に、燃料流路２から噴出する燃料ガスＧ１と、第一酸素流路３及び第二酸素流路４から噴出する燃焼用酸素ガスＧ２とで火炎が形成される。
　また、被加熱用酸素流路６は、予熱室７に連通するとともに、第二酸素流路４の周囲に配置されている。図示例においては、予熱室７に開口している。被加熱用酸素流路６は、火炎の周囲から被加熱用酸素ガスＧ３を噴出することで、予熱室７に向けて被加熱用酸素ガスＧ３を供給する。
　また、図示例の高温酸素発生装置１０は、さらに、バーナ１及び予熱室７の何れか一方、または両方を冷却するための冷却ジャケット１１を備える。
　本実施形態で使用する燃料ガスＧ１としては、例えば、天然ガスが挙げられる。その他、燃料ガスＧ１としては、可燃性であること、水に不溶であること、及び単位体積当たりの発熱量が大きいこと等の条件を満たす燃料を含むガスが挙げられる。燃料ガスＧ１として、具体的には、液化石油ガス（ＬＰＧ）、都市ガス、メタン等の炭化水素系燃料を含むガスが挙げられる。
　また、本実施形態で説明する燃焼用酸素ガスＧ２及び被加熱用酸素ガスＧ３としては、例えば、酸素富化空気、又は、酸素が挙げられる。
　図１に示すように、バーナ１は、火炎形成方向における先端１ａ側が拡径するように開口した有底円錐形状の燃焼室５を有し、この燃焼室５で火炎を形成することによって高温ガスＧ４を発生させる。
　燃焼室５は、図示例においては、先端１ａ側が拡径するように開口した、有底円錐形状の凹部である。燃焼室５の縦断面は、略台形状である。バーナ１は、上述したように、この燃焼室５内で火炎を発生させることで、バーナ１の下流側、即ち、予熱室７に向けて高温ガスＧ４を発生させる。
　なお、燃焼室５は、基端側の底部５１から先端１ａ側までの側壁５２の勾配角度を一定としても良い。しかしながら、図示例のように、先端１ａ側の一部が円筒形状であると、安定した炎を得られるため、より好ましい。
　燃料流路２は、上述したように、中心軸Ｊよりも外側、即ち、詳細を後述する第一酸素流路３の周囲に配置され、バーナ１の軸方向で燃料ガスＧ１を噴出する。
　燃料流路２の開口部は、燃焼室５の底部５１に開口するように配置され、燃料流路２から供給される燃料ガスＧ１を燃焼室５内に向けて噴出するように設けられる。
　燃料流路２は、詳細な図示は省略するが、例えば、中心軸Ｊを中心とした円周上において、中心軸Ｊ上に設けられた第一酸素流路３を取り囲むように配置される。燃料流路２は複数あり、それらは互いに平行であり、かつ均等間隔で配置される。
　なお、複数の燃料流路２の開口部は、燃焼室５内に開口していれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。
　第一酸素流路（燃焼用酸素流路）３は、上述したように、バーナ１の中心軸Ｊ上に配置され、バーナ１の軸方向で燃焼用酸素ガスＧ２を噴出する。
　第一酸素流路３の開口部も、燃料流路２と同様、燃焼室５の底部５１に開口するように配置されている。これにより、第一酸素流路３から供給される燃焼用酸素ガスＧ２は燃焼室５内に向けて噴出される。
　なお、第一酸素流路３の開口部は、燃焼室５内に開口していれば、その形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。
　第二酸素流路（燃焼用酸素流路）４は、上述したように、燃料流路２の周囲に配置され、その先端付近、燃焼室５の底部５１より先端側（以下「燃料流路２の先端部付近」と記載することがある）はバーナ１の中心軸Ｊ側に向かうように傾斜している。これにより、中心軸Ｊ側に向かうように燃焼用酸素ガスＧ２を噴出する。即ち、詳細な図示は省略するが、第二酸素流路４は、例えば、燃料流路２の外側に、中心軸Ｊを中心とした円周上において、燃料流路２を取り囲むように複数で均等間隔にて配置される。その先端部付近は、バーナ１の先端１ａ側に向かうにしたがって中心軸Ｊ側に漸次傾斜している。また、第二酸素流路４の開口部は、図１に示す例では、燃焼室５の側壁５２に開口するように配置されている。
　中心軸Ｊに対する第二酸素流路４の先端部付近の角度、即ち、燃料流路２から噴出する燃料ガスＧ１および第一酸素流路３から噴出する燃焼用酸素ガスＧ２に対する、第二酸素流路４から噴出する燃焼用酸素ガスＧ２の合流角度は特に限定されない。しかしながら、燃焼効率等を考慮した場合、上記角度は１０～３０°の範囲であることが好ましい。
　なお、複数の第二酸素流路４の開口部も、上記のように、燃焼室５の側壁５２に開口していれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。
　被加熱用酸素流路６は、上述したように、第二酸素流路４の周囲に配置され、予熱室７の内部に連通して開口している。図１に示す例では、バーナ１の先端１ａの端面に開口している。
　被加熱用酸素流路６は複数あり、詳細な図示は省略するが、中心軸Ｊを中心とした円周上に、第二酸素流路４を取り囲むように、平行かつ均等間隔で配置される。　
　被加熱用酸素流路６は、バーナ１の先端１ａの端面に開口する。これにより、被加熱用酸素流路６は火炎の周囲から被加熱用酸素ガスＧ３を噴出し、予熱室７に向けて被加熱用酸素ガスＧ３を供給する。即ち、被加熱用酸素流路６は、第一酸素流路３および第二酸素流路４とは異なり、燃焼に供される燃料ガスＧ１が流通する流路ではなく、被加熱用酸素ガスＧ３が流通する流路なので、燃焼室５に開口することなく、予熱室７に開口している。
　なお、被加熱用酸素流路６の開口部は、上記のように、予熱室７に開口していれば、その形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。
　予熱室７は、バーナ１の下流側に設けられ、高温ガスＧ４と被加熱用酸素ガスＧ３とを混合する空間である。図示例の予熱室７は、円筒管７０によって内部空間が確保されてなるものであり、この円筒管７０の内部にバーナ１が配置されることで、バーナ１と円筒管７０の先端７０ａとの間の空間に予熱室７が確保される。
　予熱室７内には、バーナ１の燃焼室５で形成された火炎によって生成した高温ガスＧ４が供給されるとともに、被加熱用酸素流路６を通じて被加熱用酸素ガスＧ３が供給される。これにより、予熱室７において、高温酸素ガスＧ５が生成される。生成された高温酸素ガスＧ５は、円筒管７０の先端７０ａ側から外部に向けて供給される。
　なお、図１に示す例の高温酸素発生装置１０においては、予熱室７の下流側は大気に開放されており、バーナ１が備える各流路出口の圧力は大気圧となる。
　冷却ジャケット１１は、バーナ１、またはバーナ１及び予熱室７の両方を冷却するためのものであり、図示例の冷却ジャケット１１は、上記の両方を冷却できるように設けられている。即ち、冷却ジャケット１１は円筒状であり、上述した円筒管７０を、環状空間を介して覆う二重管構造を有している。そして、この環状空間は、冷却水Ｗが通水される冷却水流路１１ａとされており、冷却水Ｗの通水によってバーナ１及び予熱室７を冷却できる。
　図示例の冷却ジャケット１１は、入口管１１ｂ側から冷却水Ｗが通水され、この冷却水Ｗが冷却水流路１１ａを通過して出口管１１ｃから排出される。本実施形態の高温酸素発生装置１０においては、冷却水Ｗが冷却水流路１１ａを通過する際に、バーナ１及び円筒管７０を冷却することで、バーナ１及び予熱室７の両方を冷却できるように構成されている。
　冷却ジャケット１１は、火炎による高温雰囲気や輻射熱からバーナ１の各構成部品を保護するとともに、燃焼室５内における過渡な加熱を抑制する。
　上記構成を備える本実施形態の高温酸素発生装置１０によって得られる作用・効果について、以下に説明する。
　一般的に、バーナから噴出する各ガスの噴出速度が遅い場合、逆火が発生するか、または噴流が弱いために外部からの擾乱の影響を受けて失火しやすい状態となる。一方、各ガスの噴出速度が速すぎると火炎が浮き上がり、この場合も失火しやすい状態となる。また、酸素ガスを用いるバーナにおいては、火炎温度が２０００℃を超える高温となることから、ノズルが溶損することのないよう、適切な保護を施す必要がある。
　上記問題に対し、本実施形態の高温酸素発生装置１０においては、バーナ１が、燃料ガスＧ１と燃焼用酸素ガスＧ２とで火炎を形成する燃焼室５と、燃焼室５に燃料ガスＧ１を供給する燃料流路２と、燃焼室５に燃焼用酸素ガスＧ２を供給する燃焼用酸素流路（第一酸素流路３及び第二酸素流路４）と、予熱室７に向けて被加熱用酸素ガスＧ３を供給する被加熱用酸素流路６とを有している。即ち、高温酸素発生装置１０では、酸素ガスの供給流路を、燃料ガスＧ１との燃焼に用いる燃焼用酸素ガスＧ２の流路（第一酸素流路３及び第二酸素流路４）と、燃焼後の高温ガスＧ４との混合に用いる被加熱用酸素ガスＧ３の流路（被加熱用酸素流路６）とに分離したうえで、予熱室７と独立して配置される燃焼室５を設けている。
　これにより、高温酸素発生装置１０によれば、被加熱用酸素流路６からの被加熱用酸素ガスＧ３の流れの影響によって、燃料ガスＧ１と燃焼用酸素ガスＧ２とから形成される火炎が失火するのを防止することが可能になる。さらに、燃焼に供されない被加熱用酸素ガスＧ３が流通する被加熱用酸素流路６がバーナ１の中心軸Ｊに沿って設けられることで、バーナ１全体に対する冷却効果が得られるとともに、円筒管７０の内壁を冷却する効果も得られる。
　より詳細には、本実施形態の高温酸素発生装置１０は、第一酸素流路３が、バーナ１の中心軸Ｊ上に配置され、バーナ１の軸方向で燃焼用酸素ガスＧ２を噴出する。また、燃料流路２は、第一酸素流路３の周囲に配置され、バーナ１の軸方向で燃料ガスＧ１を噴出する。さらに、第二酸素流路４は、燃料流路２の周囲に配置され、その先端部付近はバーナ１の中心軸Ｊに対して傾斜しているため、中心軸Ｊ側に向かうように燃焼用酸素ガスＧ２を噴出する。
　このように、燃料ガスＧ１を、第一酸素流路３及び第二酸素流路４から噴出される燃焼用酸素ガスＧ２で挟み込んでいる。これにより、燃焼状態が維持されるとともに、燃焼室５における側壁５２や底部５１の温度が上昇し過ぎないよう、第二酸素流路４から噴出される燃焼用酸素ガスＧ２による酸素流で保護できる。
　また、燃焼室５で形成された火炎の周囲に、被加熱用酸素流路６から被加熱用酸素ガスＧ３を軸方向で噴出し、これにより火炎によって発生させた高温ガスＧ４と被加熱用酸素ガスＧ３とを予熱室７で混合することで、高温に昇温された酸素、即ち高温酸素ガスＧ５を外部に排出できる。
　一方、例えば、上記特許文献２に記載されたような従来の技術では、バーナの中央に燃料流路が配置され、その周囲に酸素流路が配置されている。このような構成だと、各ガスの噴出速度が大きい場合に火炎を保持することが著しく困難となる。
　本実施形態の高温酸素発生装置１０によれば、図１に示すように、燃料流路２が、第一酸素流路３と第二酸素流路４とに挟まれているため、各ガスの噴出速度が大きい場合でも、安定して火炎を保持できる。
　また、本実施形態の高温酸素発生装置１０において、さらに、図示例のような冷却ジャケット１１を備えた構成を採用した場合には、以下のような効果が得られる。
　冷却ジャケット１１を備えることにより、例えば、バーナ１と冷却水Ｗとが直に接触することでバーナ１を十分に冷却でき、溶損するのを防止できる。また、バーナ１と冷却水Ｗとが、他の構造物（図示例では円筒管７０）を介して接することで、バーナ１を十分に冷却でき、溶損するのを防止できる。さらには、熱応力によって、バーナ１または高温酸素発生装置１０全体の変形や破損を防止できる。さらに、熱応力が繰り返し印加されることによって疲労破壊が生じるのを最小限に抑制でき、高寿命化を図ることができる。
　なお、図示例においては、冷却ジャケット１１を、バーナ１から予熱室７までカバーできように設けているが、これには限定されない。例えば、冷却ジャケット１１はバーナ１のみを冷却し、予熱室７は円筒管７０の内壁を耐火物で保護してもよい。
　また、本発明に係る高温酸素発生装置は、図１に示す高温酸素発生装置１０のような構成には限定されない。
　例えば、図２に示す高温酸素発生装置１０Ａのように、被加熱用酸素流路６が、内周側と外周側との２列で配置され、かつ燃焼室５の側壁５２の一部、つまり先端１ａ側を円筒形状としたバーナ１Ａを備えてもよい。
　さらに、図２に示す高温酸素発生装置１０Ａは、バーナ１Ａの先端部付近に、冷却ジャケット１１及び円筒管７０を貫通するように点火用バーナ９が設けられている。一般に、高温酸素発生装置に備えられる高温ガス発生用のバーナは着火源が必要であるため、図２に示す例の高温酸素発生装置１０Ａには、上記点火用バーナ９が設けられている。なお、図２に示す例の高温酸素発生装置１０Ａにおいても、予熱室７の下流側は大気に開放された状態であり、バーナ１Ａに備えられる各流路出口の圧力は大気圧である。
　また、図３に示す高温酸素発生装置１０Ｂのように、図２に示した高温酸素発生装置１０Ａにおける予熱室７の下流側に、さらに酸素ランス８を取り付けることも可能である。図示例のように、酸素ランス８は、予熱室７の先端７０ａにフランジ８１を介して接続されている。酸素ランス８の内部流路８ｂは、吐出口８ａ側に向かうにしたがって流路面積が狭くなり、吐出口８ａ近傍においてのみ、流路面積が若干広がっている。これにより、高温酸素発生装置１０Ｂによれば、酸素ランス８の吐出口８ａから噴出する高温酸素ガスＧ５は、噴出速度が高速となり、かつ図２に示す高温酸素発生装置１０Ａ等における大気圧条件と同様の各ガス流量条件での予熱が可能になる。
　また、高温酸素発生装置に用いられるバーナとしても、図１～図３に示す例のバーナ１，１Ａのような構成には限定されない。例えば、図４に示すバーナ１Ｂのように、第一酸素流路３、第二酸素流路４，及び被加熱用酸素流路６への酸素ガスの供給を、同一の供給源から分岐して行うように構成し、燃焼用酸素ガスＧ２及び被加熱用酸素ガスＧ３に同じ酸素ガスを用いても構わない。
［高温酸素発生方法］
　本実施形態の高温酸素発生方法は、上記本実施形態の高温酸素発生装置１０を用いて高温酸素ガスＧ５を発生させる方法である。
　即ち、本実施形態の高温酸素発生方法は、高温酸素を最大圧力で供給する際の、バーナ１の燃料流路２における燃料ガスＧ１の平均速度をＵ１とし、第一酸素流路３における燃焼用酸素ガスＧ２の平均速度をＵ２とし、第二酸素流路４における燃焼用酸素ガスＧ２の平均速度をＵ３とした場合、これら平均速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３が下記（１）～（３）式を満たし、かつ燃焼室５の出口側における燃料ガスＧ１及び燃焼用酸素ガスＧ２の混合ガスの平均速度Ｕ４が、大気圧条件下で定格流量であるときに、下記（４）式を満たす高温酸素発生方法である。
　１０（ｍ／ｓ）≦Ｕ１≦６０（ｍ／ｓ）　　・・・・・（１）
　２０（ｍ／ｓ）≦Ｕ２≦１２０（ｍ／ｓ）　・・・・・（２）
　２０（ｍ／ｓ）≦Ｕ３≦１２０（ｍ／ｓ）　・・・・・（３）
　Ｕ４≦６０（ｍ／ｓ）　　　　　　　　　　・・・・・（４）
　上述したように、従来の装置を用いて、従来の方法で高温酸素を発生させた場合、高圧条件下においては、大気圧条件下の場合と比較して速度が低下する。このため、本実施形態の高温酸素発生方法においては、燃料ガスＧ１の平均速度Ｕ１、第一酸素流路３における燃焼用酸素ガスＧ２の平均速度Ｕ２、及び、第二酸素流路４における燃焼用酸素ガスＧ２の平均速度Ｕ３が想定される最大圧力において、平均速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３を上記（１）～（３）式を満たす範囲とすることで、速度低下による逆火や失火の他、速度過剰による火炎の吹き飛び等が発生するのを防止できる。
　本実施形態の高温酸素発生方法においては、高温酸素を最大圧力で供給する際の平均速度Ｕ１，Ｕ２，およびＵ３が各々、下記（１）～（３）式を満たすことで、大気圧下においても安定した火炎を保持できる。また、本実施形態においては、さらに、燃焼室５の出口側における燃料ガスＧ１及び燃焼用酸素ガスＧ２の混合ガスの平均速度Ｕ４が、大気圧条件下で定格流量であるときに、上記下記（４）式を満たすようにバーナ１を設計することで、火炎の安定性をより高めることが可能になる。
　本実施形態によれば、上記構成を有する高温酸素発生装置１０を用いることで、高圧時において、各ガスが燃焼室５内に噴出後に安定した火炎を形成できる。さらに、本実施形態によれば、噴出速度が高速となる大気圧下においても、第一酸素流路３及び第二酸素流路４で燃料流路２が挟み込まれて配置されていることに加え、燃焼室５における各ガスの平均速度を適正に保つことで、十分に安定した火炎を保持することが可能になる。
＜作用効果＞
　以上説明したように、本実施形態の高温酸素発生装置１０は、バーナ１が、燃料ガスＧ１と燃焼用酸素ガスＧ２とで火炎を形成する燃焼室５と、燃焼室５に燃料ガスＧ１を供給する燃料流路２と、燃焼室５に燃焼用酸素ガスＧ２を供給する第一酸素流路３及び第二酸素流路４と、予熱室７に向けて被加熱用酸素ガスＧ３を供給する被加熱用酸素流路６とを有した構成を採用している。このように、酸素ガスの供給流路を、燃料ガスＧ１との燃焼に用いる燃焼用酸素ガスＧ２の流路と、燃焼後の高温ガスＧ４との混合に用いる被加熱用酸素ガスＧ３の流路とに分離したうえで、予熱室７と独立して配置される燃焼室５を設けることにより、被加熱用酸素流路６からの被加熱用酸素ガスＧ３の流れの影響によって火炎が失火するのを防止できる。また、燃焼に供されない被加熱用酸素ガスＧ３が流通する被加熱用酸素流路６により、バーナ１並びに円筒管７０に対する冷却効果も得られる。
　したがって、高圧の供給圧力で用いる仕様でありながら、大気圧条件での使用も可能であり、常圧から高圧までの圧力条件に依らず、かつ設備の大型化や増設を招くことなく、予熱した高温酸素ガスＧ５の供給が可能になる。
　また、本実施形態の高温酸素発生方法によれば、高温酸素を最大圧力で供給する際の、バーナ１の燃料流路２における燃料ガスＧ１の平均速度をＵ１とし、第一酸素流路３における燃焼用酸素ガスＧ２の平均速度をＵ２とし、第二酸素流路４における燃焼用酸素ガスＧ２の平均速度をＵ３とした場合、これら平均速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３を最適な範囲に制限したうえで、燃焼室５の出口側（先端１ａ側）における燃料ガスＧ１及び燃焼用酸素ガスＧ２の混合ガスの平均速度Ｕ４を、大気圧条件下で定格流量であるときに、最適な範囲となるように制限している。これにより、速度低下による逆火や失火の他、速度過剰による火炎の吹き飛び等が発生するのを防止できる。
　したがって、常圧から高圧までの圧力条件に依らず、かつ設備の大型化や増設を招くことなく、予熱した高温酸素ガスＧ５の供給が可能になる。
　以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は上記のような特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
　以下、実施例により、本発明に係る高温酸素発生装置及び高温酸素発生方法についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
＜実施例１＞
　実施例１においては、図２に示す、高温ガスＧ４を発生させるバーナ１Ａと、バーナ１Ａの下流側に設けられ、高温ガスＧ４と被加熱用酸素ガスＧ３とを混合する予熱室７とを備えた高温酸素発生装置１０Ａを用いて試験を行った。具体的には、本実施例では、バーナ１Ａが、燃料ガスＧ１と燃焼用酸素ガスＧ２とで火炎を形成する燃焼室５と、燃焼室５に燃料ガスＧ１を供給する燃料流路２と、燃焼室５に燃焼用酸素ガスＧ２を供給する第一酸素流路３及び第二酸素流路４と、内周側と外周側との２列で配置された、予熱室７に向けて被加熱用酸素ガスＧ３を供給する被加熱用酸素流路６と、バーナ１の着火源である点火用バーナ９とを備えた高温酸素発生装置１０Ａを準備した。なお、第二酸素流路４の先端部付近の中心軸Ｊに対する角度は２０°とした。
　本実施例では、予熱室７の下流側を大気に開放された状態とすることで、バーナ１Ａに備えられる各流路出口を大気圧の条件とした。
　そして、予熱室７から排出される高温酸素ガスＧ５の流量が２００Ｎｍ３／ｈ、高温酸素ガスＧ５の予熱温度が５００℃になるように設定したところ、下記表１に示す各条件である場合に予熱温度を達成できることが明らかとなった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
＜実施例２＞
　実施例２においては、図３に示す、実施例１で用いて高温酸素発生装置１０Ａにおける予熱室７の下流側に、さらに酸素ランス８を取り付けた構成の高温酸素発生装置１０Ｂを用いて試験を行った。具体的には、本実施例では、内部の流路８ｂが、吐出口８ａ側に向かうにしたがって流路面積が狭くなり、吐出口８ａ近傍においてのみ、流路面積が若干広がるように構成された酸素ランス８を、予熱室７の下流側に取り付けた高温酸素発生装置１０Ｂを用いた。
　上記酸素ランス８は、排出される高温酸素ガスＧ５の流量が２００Ｎｍ３／ｈ、高温酸素ガスＧ５の予熱温度が５００℃のときに、酸素ランス８の入口側の圧力が０．７ＭＰａＧとなる高圧仕様である。
　本実施例では、上記酸素ランス８を使用した場合においても、下記表２に示すように、実施例１で説明した大気圧条件下と同様のガス流量条件で予熱温度を達成できることが明らかとなった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
＜比較例１＞
　比較例１においては、図５に示す、中心軸Ｊ上に燃焼室１０５に連通する燃料流路１０２を有し、その周囲に、図１及び図２に示した第二酸素流路４に対応する燃焼酸素流路１０４を有するが、図１及び図２に示した第一酸素流路３に対応する酸素流路を有していない従来の構成のバーナ１００を備えた、大気圧条件の仕様とされた高温酸素発生装置を用いて、設定した各予熱温度での予熱可否を調べた。
　なお、図５に示す比較例のバーナ１００は、燃焼酸素流路１０４の周囲に配置され、内周側と外周側との２列で設けられた被加熱用酸素流路１０６を備えている。
　即ち、比較例１では、予熱室の下流側が大気に開放されているため、バーナ１００に備えられる各流路出口は、大気圧の条件であった。
　また、比較例１では、大気圧条件下において、燃料流路１０２からの噴出速度が１７．５ｍ／ｓ、燃焼酸素流路１０４からの噴出速度が６５ｍ／ｓになるように設計したバーナ１００を用いた。
　そして、比較例１においては、予熱温度を２００～７００℃の範囲で１００℃ステップに設定した場合の、各々予熱の可否を調べ、結果を各表３に示した。
　なお、下記表３においては、実施例１（大気圧）及び実施例２（高圧：０．７ＭＰａＧ）で用いた各装置並びに条件で同様の試験を行った結果、および下記比較例２で同様の試験を行った結果も合わせて示している。
　また、下記表３においては、予熱可能であることが確認できた条件の欄に「○」を記している。
　下記表３に示すように、本発明に係る構成を有する実施例１，２の高温酸素発生装置を用いた場合には、予熱温度を２００～７００℃の範囲で実現できた。これに対して、比較例１のバーナ１００を用いた装置では、大気圧条件下では２００～７００℃の全ての範囲で予熱可能であったものの、高圧下においては、２００℃に予熱することが不可能となり、それよりも予熱を高温とする試験は実施できなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
＜比較例２＞
　比較例２においては、図５に示した従来の構成のバーナ１０１を備え、高圧条件の仕様とされた高温酸素発生装置を用い、設定した各予熱温度での予熱可否を調べた。
　即ち、比較例２では、周囲の圧力を０．７ＭＰａＧの高圧とすることで、バーナ１０１に備えられる各流路出口を高圧の条件とした。
　また、比較例２では、バーナ１０１として、周囲の圧力が０．７ＭＰａＧの高圧のときに、燃料流路１０２からの噴出速度が１７．５ｍ／ｓ、燃焼酸素流路１０４からの噴出速度が６５ｍ／ｓになるように設計したものを用いた。
　上記表３に示すように、比較例２のバーナ１０１を用いた装置では、高圧条件下では２００～７００℃の全ての範囲で予熱可能であったものの、大気圧下においては、３００℃の予熱温度で燃焼状態が不安定となり、それよりも高温条件とする試験は実施できなかった。
＜評価結果＞
　上述した本実施例の結果より、本発明に係る高温酸素発生装置が、従来の構成である直接燃焼式の高温酸素発生装置を用いた場合には非常に困難であった、常圧から高圧までの広い圧力条件に対応した酸素の予熱が可能であることが明らかとなった。
　本発明の高温酸素発生装置は、高圧の供給圧力で用いる仕様でありながら大気圧条件での使用も可能であり、常圧から高圧までの圧力条件に依らず、かつ設備の大型化や増設を招くことなく、予熱した高温の酸素ガスを効率よく供給することが可能である。したがって、本発明の高温酸素発生装置及び高温酸素発生方法は、各種の工業炉における炉内の加熱に用いられるバーナに用いるのに適している。
１０，１０Ａ，１０Ｂ…高温酸素発生装置
　１，１Ａ，１Ｂ…バーナ
　　１ａ…先端
　　２…燃料流路
　　３…第一酸素流路
　　４…第二酸素流路
　　５…燃焼室
　　６…被加熱用酸素流路
　７…予熱室
　　７０ａ…先端
　８…酸素ランス
　　８ａ…吐出口
　　８ｂ…流路８ｂ
　８１…フランジ
　９…点火用バーナ
　１１…冷却ジャケット
　　１１ａ…冷却水流路
　　１１ｂ…入口管
　　１１ｃ…出口管
　Ｊ…中心軸
　Ｗ…冷却水
Ｇ１…燃料ガス
Ｇ２…燃焼用酸素ガス
Ｇ３…被加熱用酸素ガス
Ｇ４…高温ガス
Ｇ５…高温酸素ガス

Claims (4)

  1. 　高温ガスと被加熱用酸素ガスとを混合し、高温酸素ガスを生成する高温酸素発生装置であって、
    　前記高温ガスを発生させるバーナと、該バーナの下流側に設けられ、前記高温ガスと前記被加熱用酸素ガスとを混合する予熱室とを備え、
    　前記バーナは、
    　燃料ガスと燃焼用酸素ガスとで火炎を形成する燃焼室と、
    　該燃焼室に前記燃料ガスを供給する燃料流路と、
    　前記燃焼室に前記燃焼用酸素ガスを供給する燃焼用酸素流路と、
    　前記予熱室に連通し、該予熱室に向けて被加熱用酸素ガスを供給する被加熱用酸素流路とを有する高温酸素発生装置。
  2. 　前記バーナは、
    　前記燃焼用酸素流路として、前記バーナの中心軸上に配置され、前記バーナの軸方向で前記燃焼用酸素ガスを噴出する第一酸素流路を有し、
    　前記燃料流路は、前記第一酸素流路の周囲に配置され、前記バーナの軸方向で前記燃料ガスを噴出し、
    　さらに、前記燃焼用酸素流路として、前記燃料流路の周囲に配置され、かつ前記バーナの中心軸に対して傾斜しながら該中心軸側に向かうように前記燃焼用酸素ガスを噴出する第二酸素流路を有し、
    　前記燃焼室は、前記燃料流路から噴出する燃料ガスと、前記第一酸素流路及び前記第二酸素流路から噴出する燃焼用酸素ガスとで火炎が形成され、
    　前記被加熱用酸素流路は、前記予熱室に連通するとともに、前記第二酸素流路の周囲に配置され、前記火炎の周囲から前記被加熱用酸素ガスを噴出して前記予熱室に向けて被加熱用酸素ガスを供給する、
    請求項１に記載の高温酸素発生装置。
  3. 　さらに、前記バーナ、または前記バーナ及び前記予熱室の両方を冷却する冷却ジャケットを備える請求項１又は請求項２に記載の高温酸素発生装置。
  4. 　請求項２に記載の高温酸素発生装置を用いた高温酸素発生方法であって、
    　高温酸素を最大圧力で供給する際の、前記バーナの前記燃料流路における前記燃料ガスの平均速度をＵ１とし、前記第一酸素流路における前記燃焼用酸素ガスの平均速度をＵ２とし、前記第二酸素流路における前記燃焼用酸素ガスの平均速度をＵ３とした場合、前記平均速度Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３が下記（１）～（３）式を満たし、かつ前記燃焼室の出口側における前記燃料ガス及び前記燃焼用酸素ガスの混合ガスの平均速度Ｕ４が、大気圧条件下で定格流量であるときに下記（４）式を満たす高温酸素発生方法。
    　１０（ｍ／ｓ）≦Ｕ１≦６０（ｍ／ｓ）　　・・・・・（１）
    　２０（ｍ／ｓ）≦Ｕ２≦１２０（ｍ／ｓ）　・・・・・（２）
    　２０（ｍ／ｓ）≦Ｕ３≦１２０（ｍ／ｓ）　・・・・・（３）
    　Ｕ４≦６０（ｍ／ｓ）　　　　　　　　　　・・・・・（４）
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