(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼排ガスと燃焼用空気とを交互に蓄熱体に通過させることによって得られる高温の燃焼用空気を用いて燃焼させるラジアントチューブバーナにおいて、燃料を噴射する燃料ノズルと前記燃焼用空気を噴射するエアースロートとを互いに離してラジアントチューブの端部内に平行に配置すると共に、前記燃料ノズルの先端を挿入して支持する燃料ノズル用貫通孔と前記ラジアントチューブの内周壁面と内接する溝を周縁に有し前記ラジアントチューブを塞ぐノズル支持体を前記ラジアントチューブ内に設け、前記ラジアントチューブと燃料ノズルとの間で前記エアースロートを形成すると共に前記ノズル支持体の周縁の溝と前記ラジアントチューブの内周壁面とで形成される孔を当該エアースロートの噴射口とし、前記噴射口が前記ラジアントチューブの全横断面に分布せずに前記ラジアントチューブの内周壁面に沿って空気噴流を偏在させかつ該空気噴流が偏在する内周壁面の反対側の内周壁面側に負圧を生じさせる前記空気噴流を形成するものであり、前記ラジアントチューブ内に噴射された前記燃料が再循環する燃焼ガスと混合しながら前記燃焼用空気の流れに徐々に巻き込まれながら緩慢燃焼を起こすことを特徴とするラジアントチューブバーナ。
【請求項２】
燃焼排ガスと燃焼用空気とを交互に蓄熱体に通過させることによって得られる高温の燃焼用空気を用いて燃焼させるラジアントチューブバーナにおいて、燃料を噴射する燃料ノズルと前記燃焼用空気を噴射するエアースロートとを互いに離してラジアントチューブの端部内に平行に配置すると共に、前記ラジアントチューブに内装されるエアースロート用チューブの先端にラジアントチューブを塞ぐノズル支持体を一体に設け、該ノズル支持体に前記燃料ノズルの先端を挿入して支持する燃料ノズル用貫通孔を設ける一方、かつ前記ノズル支持体の周縁にラジアントチューブの内周壁面と内接する貫通孔を設けて該貫通孔をエアースロートの噴射口とし、前記噴射口が前記ラジアントチューブの全横断面に分布せずに前記ラジアントチューブの内周壁面に沿って空気噴流を偏在させかつ該空気噴流が偏在する内周壁面の反対側の内周壁面側に負圧を生じさせるものであり、前記ラジアントチューブ内に噴射された前記燃料が再循環する燃焼ガスと混合しながら前記燃焼用空気の流れに徐々に巻き込まれながら緩慢燃焼を起こすことを特徴とするラジアントチューブバーナ。
【請求項３】
前記燃料ノズルはパイロットバーナ兼用ノズルであり、燃料ノズルの周囲にパイロット燃焼に最低限必要な一次空気が供給される一次空気配管が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のラジアントチューブバーナ。
【請求項４】
前記燃料ノズルをラジアントチューブの中央またはラジアントチューブの内周壁面に内接しない範囲で前記エアースロートの噴射口とは反対方向に偏心させたことを特徴とする請求項１または２記載のラジアントチューブバーナ。
【請求項５】
前記蓄熱体は通路断面積が一定でかつ直線的に流路が貫通しているハニカム状のセラミックスであることを特徴とする請求項１または２記載のラジアントチューブバーナ。
【請求項６】
請求項１から５のいずかに記載のラジアントチューブバーナをラジアントチューブの両端に設置し、燃焼させていない方のラジアントチューブバーナのエアースロートを通して燃焼排ガスを排気することを特徴とする交互燃焼型ラジアントチューブバーナシステム。
【請求項７】
燃料ノズルの周囲に一次空気を流す一次空気流路を設けて、該一次空気流路にパイロット燃焼に最低限必要な量の一次空気をバーナの作動状態とは無関係に常に流す一方、パイロット火炎を維持するに十分な量の燃料がパイロット燃料として常に流されると共に燃焼時と燃焼停止時とで噴射燃料量が切り替えられ、主燃焼とパイロット燃焼とが継続するパイロットバーナ兼用ノズルを燃料ノズルとしたことを特徴とする請求項６記載の交互燃焼型ラジアントチューブバーナシステム。
【請求項８】
前記燃焼用空気の噴射速度を１００ｍ／ｓｅｃ以上としたことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のラジアントチューブバーナシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ラジアントチューブバーナ及びそれを用いた交互燃焼型バーナシステムに関する。更に詳述すると、本発明は、燃焼排ガスと燃焼用空気とを交互に蓄熱体に通過させることによって得られる高温の燃焼用空気を用いて燃焼させるラジアントチューブバーナ及びそれを用いた交互燃焼型のラジアントチューブバーナシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、蓄熱燃焼をラジアントチューブバーナに適用することが試みられている。蓄熱燃焼は、蓄熱体を利用して燃焼排ガスで燃焼用空気を高温に予熱し、この高温燃焼用空気を使って燃焼させるものである。そして、その際、ラジアントチューブの両端にラジアントチューブバーナをそれぞれ取り付けて、これらを交互に燃焼させ、ラジアントチューブバーナを通過した燃焼排ガスを反対側の燃焼停止中のバーナのエアースロートを通して排気させる交互燃焼型バーナシステムを構成することが考えられている。この交互燃焼型ラジアントチューブバーナシステムにおいて、各バーナのエアースロートは、それぞれ蓄熱体に接続され、燃焼時には燃焼用空気が供給される通路として使用され、燃焼停止時には燃焼排ガスの排気通路として利用される。そして、各蓄熱体では、燃焼排ガスが通過するときにはその熱を回収し、燃焼用空気が通過するときには蓄えられていた熱で燃焼用空気を燃焼排ガスの温度付近の高温に予熱する。
【０００３】
しかし、一般に蓄熱燃焼を行う場合、燃焼用空気の予熱温度が高温、例えば８００℃以上となりＮＯｘが増大する。このため、燃焼用空気の流れに対して燃料を２段階に分けて噴射し燃焼を行う所謂燃料２段式燃焼法（米国特許第４，８５６，４９２及び米国特許第４，８７０，９４７）や、燃料の流れに対して空気を２段階に分けて噴射し燃焼を行う所謂空気多段式燃焼法を採用してＮＯｘの発生を抑制することが考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ラジアントチューブバーナでは、一般に口径９０〜２００ｍｍ程度の比較的小径の耐熱合金製ラジアントチューブ内に燃料ノズルを挿入しかつエアースロートを形成するため、上述の各燃焼方法の実施が困難である。即ち、燃料二段式燃焼法では、一次燃焼の後流側で二次燃料を噴射させる二次燃料ノズルを設けることが必要であるが、ラジアントチューブ内の狭い空間内で一次燃焼室の外側または内側に二次燃料ノズルを設けることは困難を極める。また、空気多段式燃焼法では、一次燃焼ゾーンの下流側にまで二次空気を供給する流路を確保するため、二重円筒構造を採ることが必要不可欠であるが、限られたスペースしかないラジアントチューブ内ではその配置は困難を極めている。このため、上述の各燃焼方法のＮＯｘ低減原理を充分に生かすことが難しい。
【０００５】
また、燃料二段式燃焼法や空気多段式燃焼法を実施するためには、一次と二次の燃料供給系あるいは空気供給系を必要とし、それらの制御が複雑なものになると共にバーナ構造も複雑なものとなるという問題を有している。
【０００６】
さらに、交互燃焼を実施するバーナシステムでは、その構造上、燃焼させていない方のバーナの燃料ノズル内に燃料が残ってしまう。このため、燃料ノズルの断熱構造が十分でないと、エアースロートを通して排気する高温の燃焼排ガスのために残留燃料が加熱されて炭化する所謂コーキングを起こす問題も含んでいる。
【０００７】
本発明は、簡単な構造でＮＯｘを低減させ得るラジアントチューブバーナを提供することを目的とする。また、本発明は、燃料のコーキングを防止できかつ制御が容易な交互燃焼型ラジアントチューブバーナシステムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明は、燃焼排ガスと燃焼用空気とを交互に蓄熱体に通過させることによって得られる高温の燃焼用空気を用いて燃焼させるラジアントチューブバーナにおいて、燃料を噴射する燃料ノズルと燃焼用空気を噴射するエアースロートとを互いに離してラジアントチューブの端部内に平行に配置すると共に、燃料ノズルの先端を挿入して支持する燃料ノズル用貫通孔とラジアントチューブの内周壁面と内接する溝を周縁に有しラジアントチューブを塞ぐノズル支持体をラジアントチューブ内に設け、ラジアントチューブと燃料ノズルとの間でエアースロートを形成すると共にノズル支持体の周縁の溝とラジアントチューブの内周壁面とで形成される孔を当該エアースロートの噴射口とし、噴射口がラジアントチューブの全横断面に分布せずにラジアントチューブの内周壁面に沿って空気噴流を偏在させかつ該空気噴流が偏在する内周壁面の反対側の内周壁面側に負圧を生じさせる空気噴流を形成するものであり、ラジアントチューブ内に噴射された燃料が再循環する燃焼ガスと混合しながら燃焼用空気の流れに徐々に巻き込まれながら緩慢燃焼を起こすようにしている。また、本発明のラジアントチューブバーナは、燃料を噴射する燃料ノズルと燃焼用空気を噴射するエアースロートとを互いに離してラジアントチューブの端部内に平行に配置すると共に、ラジアントチューブに内装されるエアースロート用チューブの先端にラジアントチューブを塞ぐノズル支持体を一体に設け、該ノズル支持体に燃料ノズルの先端を挿入して支持する燃料ノズル用貫通孔を設ける一方、かつノズル支持体の周縁にラジアントチューブの内周壁面と内接する貫通孔を設けて該貫通孔をエアースロートの噴射口とし、噴射口が前記ラジアントチューブの全横断面に分布せずにラジアントチューブの内周壁面に沿って空気噴流を偏在させかつ該空気噴流が偏在する内周壁面の反対側の内周壁面側に負圧を生じさせるものであり、ラジアントチューブ内に噴射された燃料が再循環する燃焼ガスと混合しながら燃焼用空気の流れに徐々に巻き込まれながら緩慢燃焼を起こすようにしている。ここで、本発明のラジアントチューブバーナは、燃料ノズルの周囲にパイロット燃焼に最低限必要な一次空気が供給される一次空気配管が設けられたパイロットバーナ兼用ノズルを燃料ノズルとして採用することが好ましく、また、エアースロートの噴射口をラジアントチューブの内周壁面に内接させることが好ましく、更に燃料ノズルをラジアントチューブの中央またはラジアントチューブの内周壁面に内接しない範囲で空気噴射口とは反対方向に偏心させることが好ましい。また、燃焼用空気は１００ｍ／ｓｅｃ以上の流速で噴射することが好ましい。
【００１０】
また、本発明のラジアントチューブバーナに用いられる蓄熱体は、通路断面積が一定でかつ直線的に流路が貫通しているハニカム状のセラミックスであることが好ましい。
【００１１】
更に、本発明は、これらのラジアントチューブバーナをラジアントチューブの両端に設置し、燃焼させていない方のラジアントチューブバーナのエアースロートを通して燃焼排ガスを排気するようにして交互燃焼型ラジアントチューブバーナシステムを構成している。そして、この交互燃焼型ラジアントチューブバーナシステムは、燃料ノズルとしてパイロットバーナ兼用ノズルを用いることが好ましい。このパイロットバーナ兼用ノズルは、燃料ノズルの周囲に一次空気を流す一次空気流路を設けて、該一次空気流路にパイロット燃焼に最低限必要な量の一次空気をバーナの作動状態とは無関係に常に流す一方、パイロット火炎を維持するに十分な量の燃料がパイロット燃料として常に流されると共に燃焼時と燃焼停止時とで噴射燃料量が切り替えられ、主燃焼とパイロット燃焼とが継続するようにしたものであることが好ましい。
【００１２】
【作用】
したがって、請求項１並びに２記載の本発明のラジアントチューブバーナでは、ラジアントチューブの管壁に沿って燃焼用空気が噴射され、その流れはエアスロートの開口が偏って位置しているためラジアントチューブの全横断面に分布せずに偏在したものとなる。このため、燃焼用空気が噴射された部分の反対側では負圧が生じて強力な排ガス再循環が起こる。同時に、この排ガスと燃焼用空気と平行に噴射される燃料ガスとが燃焼用空気の流れに誘引されて随伴され、燃料ガスは排ガスと混合した後に徐々に燃焼用空気の流れに巻き込まれ、緩慢燃焼を起こす。しかも、本発明では、燃料ノズルの先端をラジアントチューブ内のノズル支持体に挿入すると、この燃料ノズルのラジアントチューブ内における位置が決められると同時に、燃料ノズルから完全に隔離されたエアースロートが形成される。そして、ノズル支持体の周縁の貫通孔ないし溝とラジアントチューブとがエアースロートの先端開口を区画して形成するので、ラジアントチューブ内にノズル支持体を固定するだけで、このラジアントチューブに内接したエアースロートの先端開口が形成される。加えて、燃料ノズル支持体はバッフルとして機能する。
【００１３】
即ち、高温例えば約８００℃以上に予熱された燃焼用空気は、常温時に比べて体積が膨張しているため、常温の燃料に比べてかなりの高速度で噴出される。例えば、２０〜３０ｍ／ｓの流速で噴出される燃料に比べて高温予熱空気は１００ｍ／ｓ以上の極めて速い流速で噴出される。このため、燃料はチューブ内に広がらず高速の燃焼用空気の流れに誘引されてチューブ内壁に沿って流れ、その間に徐々に燃焼用空気流に巻き込まれる。また、噴射口付近にまでラジアントチューブ内を逆流してくる燃焼排ガスの一部は燃焼用空気の流れに直接誘引されて巻き込まれ燃焼用空気の酸素濃度を低下させたり、場合によっては燃料噴流と燃焼用空気の噴流との間に巻き込まれてこれらが直ちに接触するのを防止する。したがって、緩慢燃焼しながら長炎を形成する。
【００１４】
そして、請求項３記載のラジアントチューブバーナでは、燃焼噴流の根元に絶えずパイロット火炎が形成されるため、燃焼用空気と燃料とが平行に噴射されても安定して火炎が形成される。
【００１５】
また、請求項４の発明では、燃焼用空気の流れと燃料の流れとの間に排ガスが巻き込まれ、燃焼用空気と燃料とが噴射直後に直ちにコンタクトするのを防ぐと共に燃料が拡散する部分の燃焼用空気の酸素濃度を低下させる。
【００１７】
また、請求項５記載の発明では、蓄熱体としてハニカム形状のセラミックスを用いるため、燃焼用空気あるいは排ガスの流れの淀みをなくすことができ、かつ排気と給気の相反する方向の流れが交互に起きることにより流路の自己洗浄作用（逆洗）が働き、蓄熱体内に排ガス中のダストが付着するのを防止できる。
【００１８】
更に、上述のバーナをラジアントチューブの両端に設置して交互に燃焼させるようにした請求項６の発明では、ラジアントチューブを通過した燃焼排ガスが燃焼停止中のバーナのエアースロートを経て排気され蓄熱体へ導かれる。
【００１９】
ここで、請求項７記載のバーナシステムでは、燃焼させていない方のラジアントチューブバーナの燃料ノズルはパイロット火炎を形成しているため、燃料ノズルそのものは一次空気及び燃料で冷却され、高温の燃焼排ガスによって加熱されることがない。しかも、停止中のバーナを作動させるには、燃焼用空気の流れを切り替えてバーナスロートに流す一方、燃料ノズルに流す燃料の量を増やすだけで良い。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１に本発明を適用した交互燃焼型ラジアントチューブバーナシステムの一実施例を示す。この交互燃焼型ラジアントチューブバーナシステム１は、ラジアントチューブ３とこのラジアントチューブ３の両端部に配置される一対のラジアントチューブバーナ５，５及びこれら一対のバーナ５，５を交互に燃焼させるために燃焼用空気と燃料のパイロット燃焼分を除いた大部分を選択的に供給する燃焼用空気供給系と燃料供給系並びに排気系から構成されている。
【００２２】
ラジアントチューブ３は、本実施例の場合、Ｕ形チューブを例示している。このラジアントチューブ３の両端は、図２に示すように、炉壁７を貫通して炉外に位置されている。ラジアントチューブ３の両端にはフランジ３ａが設けられ、該フランジ３ａと炉壁７との間に断熱材製のスペーサ７ｂを介して炉壁７にチューブ３が固定されている。ラジアントチューブ３の炉壁７への固定は、図示していないが、通常、バングをチューブ側へ炉壁７にあけられた大き目の穴にチューブに取り付けた断熱材製バングをはめ込んで断熱材のシール部材で気密に塞がれている。
【００２３】
各ラジアントチューブバーナ５，５は、蓄熱体１７を内装するタイプであり、バーナボディ９と、パイロットバーナ兼用の燃料ノズル１１と、エアースロート１３及びノズル支持体１５等より構成されている。なお、ノズル支持体１５はバッフルとして機能し、安定火炎を形成する。また、ラジアントチューブ３の両端に配置される各ラジアントチューブバーナ５，５は同じ構成とされている。したがって、一方のラジアントチューブバーナ５の構成について以下に説明する。
【００２４】
バーナボディ９は、本実施例の場合、Ｌ形の略円筒状を成しており、直角に折り曲げられた上側部分のフランジ９ｃを利用してラジアントチューブ３に取り付けられる。このバーナボディ９の上側部分には、燃料ノズル例えばパイロットバーナ兼用ノズル１１を挿入するための孔９ａが穿設され、ノズル１１が貫通するように取り付けられている。また、このバーナボディ９内の空間はエアースロート１３となっており、このエアースロート１３の途中には、複数の蓄熱体１７が収容されている。各蓄熱体１７は、バーナボディ９の下向きに折れ曲がった下側部分に並んで配置されている。これによって、排気方向と重力方向とを一致させて燃焼排ガス中のダストなどが蓄熱体１７内に滞留するのを防いでいる。各蓄熱体１７，１７は、例えば、通路断面積が一定でかつ直線的に流路が貫通しているハニカム形状のセラミックス例えばコージライトやムライト等の使用が好ましい。このハニカム形状のセラミックスは熱容量が大きく耐久性が高い割に比較的圧力損失が低い。しかも、排気と給気とが交互に淀みなく行われる。このため、排ガス中のダストなどは、蓄熱体１７，１７のハニカム形状の流路内に付着し難いし、付着しても逆洗されるため汚れることがない。更に、排ガスから熱を回収する際に排ガスが酸露点温度以下に低下してもセラミックスの表面に排ガス中のイオウ分やその化学変化物質が捕捉されて下流の排気系のダクトなどを低温腐食させることがない。
【００２５】
なお、各バーナ５，５のバーナボディ９，９は、ダクト１０を介して回転四方弁などの４方向の流路切替手段４１にそれぞれ接続されている。バーナボディ９の下端にはフランジ９ｂが形成されており、ダクト１０にねじなどで固定されている。
【００２６】
燃料ノズルとしては、本実施例の場合、パイロットバーナ兼用ノズル１１が採用されている。このパイロットバーナ兼用ノズル１１は、図１２に示すように、燃料ノズル１９と、一次エアースロート２１を構成する一次空気配管２２及び図示していない点火プラグ等より構成されている。燃料ノズル１９と一次空気配管２２とは同心円状に配置されている。したがって、ノズルの構造は単純であり、比較的細く形成することができる。このパイロットバーナ兼用ノズル１１によると、燃料ノズル１９の周りの一次エアースロート２１には二次空気としてエアースロート１３に流される燃焼用空気の約１０％程度の一次空気が流される。燃料ノズル１９の先端部分には主たる噴射口２０の他に周りの一次エアースロート２１に向かって燃料の一部を噴射する噴射口１８が開口され、燃料の一部をパイロット燃料として一次エアースロート２１内に噴射し一次空気と良好に混合させて予混合気を得るように設けられている。そこに、図示していないイグナイタが設置されており、燃料ノズル１９の噴射口２０の周りに保炎源を形成できるように設けられている。
【００２７】
ここで、一次エアースロート２１にはパイロット燃焼に適した量の一次空気がバーナの作動状態とは無関係に常に流される。また、燃料ノズル１９にはパイロット火炎を維持するに十分な量の燃料がパイロット燃料として常に流されると共に燃焼時と燃焼停止時とで噴射燃料量が切り替えられ、主燃焼とパイロット燃焼とが継続するように構成されている。
【００２８】
このパイロットバーナ兼用ノズル１１の燃料ノズル１９には、例えば図４に示すような燃料供給系２３を介して図示しない燃料供給源が接続されている。この燃料供給通路２３は、燃料ノズル１９から噴射される燃料の量を制御する制御弁２５と、この流量制御弁２５を迂回するバイパス通路２７が設けられ、更に、バイパス通路２７には、パイロット燃料として十分な量の燃料が通過させられる流量制御弁２９及び遮断弁３１が設けられている。したがって、燃料供給源から供給される燃料は、流量制御弁２５が閉じている場合であってもバイパス通路２７を介して燃料ノズル１９に供給される。しかしながら、バイパス通路２７では、流量制御弁２９がバイパス通路２７内の燃料の流量を制限し、燃料ノズル１１に供給される燃料を、燃料ノズル１１がパイロット燃焼を行うのに最低限必要な量に調整する。
【００２９】
このパイロットバーナ兼用ノズル１１は、バーナボディ９の孔９ａからラジアントチューブ３内に挿入されている。したがって、パイロットバーナ兼用ノズル１１の周りの空間が二次空気として流される高温に予熱された燃焼用空気のエアースロート１３になる。パイロットバーナ兼用ノズル１１の先端は、炉壁７内面の近傍位置にまで達し、詳しくは後述するノズル支持体１５で支持されている。
【００３０】
また、パイロットバーナ兼用ノズル１１の一次エアースロート２１には、図示しない一次空気供給源が接続されており、燃料ノズル１９がパイロット燃焼を行うのに最低限必要な量の一次空気が常に供給されている。一次空気としては、蓄熱体を通過しない冷たい空気が使用される。この一次空気と二次空気として供給される高温の燃焼用空気とを合わせて空気比は決定される。
【００３１】
ノズル支持体１５は、例えば、ラジアントチューブ３内の炉壁７の内側の面に対応する位置に配置されている。通常、炉壁で囲われたバング部分は放熱できないので、炉内側で火炎が形成されるように設けられている。このノズル支持体１５は、バッフルプレートとして機能する円板部１５ａと、この円板部１５ａの全周縁からパイロットバーナ兼用ノズル１１の方向に向けて延びる空気通路用チューブ１５ｂとから構成され、これらは一体的に成形されている。円板部１５ａ及び空気通路用チューブ１５ｂの直径は、ラジアントチューブ３の内径と略同一値に設定され、空気通路用チューブ１５ｂをラジアントチューブ３内に装入することによって円板部１５ａでラジアントチューブ３内を閉塞しかつエアースロート１３を形成する。
【００３２】
この円板部１５ａには、図５に示すように、周縁の貫通孔１５ｄ及びパイロットバーナ兼用ノズル１１側へ突出する円筒状のフランジ１５ｅによって形成される燃料ノズル用貫通孔１５ｃが設けられている。貫通孔１５ｄは、円板部１５ａの周縁部分を、図５に示すように、半月状に切り欠くようにして空気通路用チューブ１５ｂの一部にかけて穿たれた孔である。この貫通孔１５ｄは、ラジアントチューブ３と共にエアースロート１３の噴射口３３を形成する。即ち、高温に予熱された燃焼用空気を二次空気として流すメインのエアースロート１３の噴射口３３は、ラジアントチューブ３の内周壁面に内接するように偏位して設けられている。これにより、後述する高温の燃焼用空気は、噴射口３３よりラジアントチューブ３の内周壁面に沿って噴出され流れる。なお、本実施例における貫通孔１５ｄは、必ずしもチューブ内周壁面に内接しなくともほぼそれに近い状態にまで接近していれば十分な効果が得られる。
【００３３】
また、円板部１５ａの燃料ノズル貫通孔１５ｃは、管中心あるいはチューブ内周壁面に内接しない範囲で噴射口３３とは反対側に偏位している。燃料ノズル貫通孔１５ｃの直径は、パイロットバーナ兼用ノズル１１の先端の外径と略同一寸法値に設定されている。また、燃料ノズル貫通孔１５ｃの周縁は、バーナボディ９に向けて延出し、フランジ１５ｅを構成している。パイロットバーナ兼用ノズル１１の先端は、このフランジ１５ｅ内に挿入されて支持される。したがって、パイロットバーナ兼用ノズル１１は、図２に示すように、ラジアントチューブ３内空間の上側に、ラジアントチューブ３と略平行に配置され、その先端は空気噴射口３３と離れて位置している。
【００３４】
なお、各バーナ５，５のエアースロート１３，１３には、四方弁４１を介して燃焼用空気供給系４０と排気系４２に連結され、一方のバーナ５を給気系４０に接続すると他方のバーナ５が排気系４２に接続される。
【００３５】
ここで、一次空気及び二次空気とラジアントチューブバーナ５の作動との関係を図６に示す。ラジアントチューブバーナ５が作動する燃焼モードでは、一次空気に加えて二次空気も圧送されており、したがって、このラジアントチューブバーナ５には、燃焼を行うのに適した量の燃焼用空気が１００パーセント供給される。この場合には、ラジアントチューブバーナ５の燃焼量は１００パーセントに達する。
【００３６】
一方、ラジアントチューブバーナ５が非作動の燃焼停止状態となる排気モードでは、一次空気のみが圧送されている。したがって、このラジアントチューブバーナ５には、パイロットバーナ兼用ノズル１１がパイロット燃焼するのに適した少量の燃焼用空気が供給され、燃焼にほとんど影響を与えないパイロット火炎を形成するのみである。即ち、燃料ノズル１１の一次エアースロート２１には、ラジアントチューブバーナ５の作動状態とは無関係に常に一次空気が供給されている。
【００３７】
以上のように構成された一方のラジアントチューブバーナ５は、以下のように作動する。
【００３８】
先ず、パイロット燃焼を行う場合には、燃料供給系２３の流量制御弁２５は閉じたまま燃料をバイパス通路２７を介して燃料ノズル１９へ供給する。燃料ノズル１９の周りの一次エアースロート２１には、一次空気供給源から常に一次空気が圧送されているので、パイロット燃料と一次空気とがパイロット燃焼に適した空気比の予混合ガスになる。そして、この混合ガスを点火プラグで着火し、パイロット燃焼を行う（図１に示す上側のラジアントチューブバーナ５の状態）。
【００３９】
燃料ノズル１１がパイロット燃焼を行っている状態で空気供給源からの二次空気の供給を開始した後、燃料供給系２３の流量制御弁２５を開いて燃料ノズル１９に燃料を流す。つまり、燃料供給系２３の流量制御弁２５が開かれると、燃料供給源から大量の燃料がパイロットバーナ兼用ノズル１１の燃料ノズル１９に供給される。
【００４０】
一方、燃焼用空気供給系４０から二次空気として供給された空気は、各蓄熱体１７，１７を通過しながら予熱され、高温例えば８００℃以上にされてエアースロート１３内へ導入される。このため、二次空気は膨張してその流速を増し、二次空気噴射口３３から勢い良く例えば、１００ｍ／ｓ位の速度で噴出してラジアントチューブ３の内周壁面寄りに偏在した高速の空気の流れを形成する。空気噴射口３３は、ラジアントチューブ３の内周壁面と内接ないし接近するように偏位して設けられ、またパイロットバーナ兼用ノズル１１の先端が挿入された貫通孔１５ｃから離れて配置されている。このため、図７に示すように、二次空気としての高速の燃焼用空気流Ａ２は燃料流Ｆから離れてラジアントチューブ３の内周壁面に沿って形成される。したがって、ラジアントチューブ３内の燃焼用空気流Ａ２の反対側では負圧が生じて燃焼排ガスＧが渦巻くように逆流し、燃料と混合されてから更に燃焼用空気流Ａ２に巻き込まれ、またこの燃焼排ガスＧの流れが高速の燃焼用空気流Ａ２を包み込み、燃焼用空気に取り込まれながら流れる。即ち、燃料と燃焼用空気とは十分に燃焼排ガスを巻き込んだ状態で徐々に燃焼しながらラジアントチューブ３内に延びるいわゆる緩慢燃焼を行う（図１に示す下側のラジアントチューブバーナ５の状態）。緩慢燃焼は火炎温度の低下および酸素濃度の低下によりＮＯｘ生成の抑制を図る。
【００４１】
そして、この燃焼状態から燃料供給系２３の流量制御弁２５を閉じると共に二次空気供給源からの二次空気の供給を停止しても、パイロットバーナ兼用ノズル１１には依然として僅かの燃焼と一次空気が供給され続けるためパイロット火炎を維持する。
【００４２】
このラジアントチューブバーナ５においては、パイロットバーナ兼用ノズル１１あるいは単なる燃料ノズルを装着する場合には、このノズル１１をバーナボディ９の孔９ａから空気通路用チューブ１５ｂ内に挿入してその先端のノズル支持体１５のフランジ１５ｅ内にパイロットバーナ兼用ノズル１１の先端を挿入することによってパイロットバーナ兼用ノズル１１の先端の位置決めと支持を行う。そして、更にバーナボディ９のラジアントチューブ３への取り付けと同時に空気通路用チューブ１５ｂのラジアントチューブ３内への装入によって、パイロットバーナ兼用ノズル１１はラジアントチューブ３内空間の上側にラジアントチューブ３に平行に自動的に配設される。
【００４３】
さらに、このラジアントチューブバーナ５のパイロットバーナ兼用燃料ノズル１１では、燃料ノズル１９の周りに常温の空気が一次空気として常に供給されおり、また燃料も僅かながら流れているため、エアースロート１３内を燃焼排ガスが流れてもその熱でコーキングを起こすことがない。
【００４４】
なお、他方のラジアントチューブバーナ５も、上述した一方のラジアントチューブバーナ５と同様に構成され、同様に作動する。したがって、他方のラジアントチューブバーナ５についての説明は省略する。ただし、燃料供給源、一次空気供給源及び二次空気供給源については、一方のラジアントチューブバーナ５と同一のものを共有することが望ましい。
【００４５】
ここで、四方弁４１を第１位置（図示する位置）に切り替えた場合には、一方のラジアントチューブバーナ５の二次エアースロート１３が二次空気供給源に接続されると共に、他方のラジアントチューブバーナ５の二次エアースロート１３が大気側に接続され、また、四方弁４１を第２位置に切り替えた場合には、一方のラジアントチューブバーナ５の二次エアースロート１３が大気側に接続されると共に、他方のラジアントチューブバーナ５の二次エアースロート１３が二次空気供給源に接続されるように構成する。
【００４６】
このように作動するラジアントチューブバーナ５をラジアントチューブ３の両端に設置して交互に燃焼させる交互燃焼型ラジアントチューブバーナシステム１は、次のように動作する。尚、一方のラジアントチューブバーナ５を以下、説明の便宜上、Ａバーナと呼び、他方のラジアントチューブバーナ５をＢバーナと呼ぶ。
【００４７】
まず、Ａバーナ側の燃料供給系２３の流量制御弁２５を開き、Ｂバーナ側の燃料供給系２３の流量制御弁２５を閉じると共に、Ａバーナ側に燃焼用空気供給系４０を、Ｂバーナ側に排気系４２を接続するように四方弁４１を切り替える。
【００４８】
これにより、Ａバーナ側には大量の燃料と一次空気及び二次空気が供給され、燃焼する。一方、Ｂバーナのパイロットバーナ兼用ノズル１１には少量の燃料と一次空気のみが供給され、パイロット燃焼が行われる。即ち、Ｂバーナは燃焼が停止されていても、パイロット燃焼に適した量の燃料及び一次空気が供給されてパイロット燃焼を継続している。
【００４９】
Ａバーナの燃焼で発生した燃焼排ガスは、ラジアントチューブ３を加熱しながらＢバーナ側に向けて流れる。そして、この燃焼排ガスは、Ｂバーナ側のノズル支持体１５の空気噴射口３３からメインのエアースロート１３内に流入し、四方弁４１を介して排気系４２へ誘引され、所定の排気処理が施された後大気に排出される。このとき、燃焼排ガスは、バーナボディ９内の蓄熱体１７，１７でその熱が回収される。したがって、各蓄熱体１７の温度は上昇している。
【００５０】
そして、Ａバーナが燃焼を開始してから所定時間Ｔ例えば、２０〜４０秒位経過すると、Ａバーナ側の燃料供給系２３の流量制御弁２５が閉じる。そして、四方弁４１が切り替わってＡバーナ側が排気系４２に、Ｂバーナ側が燃焼用空気供給系４０に接続されてＢバーナを掃気する。その後、Ｂバーナ側の燃料供給系２３の流量制御弁２５が開いてＢバーナ側に主燃料が供給される。
【００５１】
この様子を図８に示す。時点ｔ１において、Ａバーナが主燃焼を開始し、Ｂバーナがパイロット燃焼を開始する。そして、時間Ｔだけ経過した時点ｔ２では、主燃焼を行っていたＡバーナがパイロット燃焼に切り替わり、パイロット燃焼を行っていたＢバーナが主燃焼を開始する。以後同様にして、所定時間Ｔの経過毎に、燃焼するバーナと燃焼停止するバーナとが切り替わり、バーナシステム１は交互燃焼を実施する。
【００５２】
尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、バーナシステム１においては、ＡバーナとＢバーナの切り替えを設定時間Ｔ毎に繰り返す構成としたがこれに限るものではなく、各蓄熱体１７Ａ，１７Ｂを通過した後の燃焼排ガスの温度を監視し、この温度が例えば、２００℃位に達した時点で切り替える構成としても良い。
【００５３】
また、ノズル支持体１５は、ラジアントチューブ３に内装される空気通路用チューブ１５ｂと一体成形してバーナ取り付け時にチューブ３内へ組み込むようにしているが、これに限るものではなく、例えば、図９に示すラジアントチューブバーナ５１のノズル支持体５３のように、一枚の円板を打ち抜いて燃料ノズル貫通孔５３ｃと周縁の溝５３ｄを形成したものをラジアントチューブ３の内周面に溶接などで固定しても良い。
【００５４】
さらに、ラジアントチューブバーナ５においては、各蓄熱体１７，１７をバーナボディ９内の下側に並べて収容する構成としたが、図９に示すように、エアースロート１３内、または図示していないがバーナボディ９と四方弁４１とを接続するダクト１０内に収容しても良い。エアースロート１３内に収容するときには、図９に示すように、パイロットバーナ兼用ノズル１１の周囲に並べて蓄熱体１７を収容する。
【００５５】
また、ラジアントチューブバーナとしては、図１０に示す形式のものでも良い。詳述すると、このラジアントチューブバーナ６１では、ラジアントチューブ３の端部内に耐火材製スリーブ６３を挿入している。スリーブ６３の先端部分は厚肉部６３ａとなっており、図１１に示すように、この厚肉部６３ａの孔即ちノズル貫通孔６３ｂは、ラジアントチューブ３の中心よりも上側に僅かに偏位している。この孔６３ｂには、パイロットバーナ兼用ノズル１１の先端が挿入されており、したがって、燃料ノズル１１の先端はこの厚肉部６３ａで位置決めされ支持される。
【００５６】
また、厚肉部６３ａの外周面の下端部分には、エアースロート１３と部分的に繋がり長手方向に延びる溝６３ｃが形成されている。この溝６３ｃは、ラジアントチューブ３の内周壁面との間でエアースロート１３の噴射口３３を形成している。
【００５７】
即ち、ラジアントチューブバーナ６１のエアースロート１３の出口は、上述のラジアントチューブバーナ５と同様に、ラジアントチューブ３の内周壁面に内接するように偏位している。また、本実施例では、エアースロート１３の開口即ち噴射口３３はラジアントチューブ３の内周壁面に内接した例について主に説明したが、これに特に限られずほぼ内接あるいは接近した状態でも空気噴流の反対側に排ガス再循環を起こさせることは可能である。最も、噴射口３３が内接しているときがより強い排ガス再循環を起こす。
【００５８】
なお、スリーブ６３の先端面は、孔６３ｂの穿設されている部分よりも溝６３ｃが形成されている部分が三日月状に段部を成して凹んでいる。この段部の形状により、二次空気流の噴射角度や方向を所望の値に調整することができる。
【００５９】
また、本実施例では高温の燃焼用空気をバーナに連結ないし内装した蓄熱体を利用した交互燃焼によって得る場合について主に説明したがこれに特に限定されるものではなく、例えば燃焼用空気供給系と排気系に対し蓄熱体を相対的に回転させることによって、あるいは流路切替手段を用いて蓄熱体に対する流体の流れ方向を切り替えることなどによって、高温の燃焼排ガスの排熱を利用して燃焼用空気を高温に予熱したものを単一のバーナに連続的に供給し、連続燃焼させるようにしても良い。また、本実施例では燃料ノズルとしてパイロットバーナ兼用ノズルを採用しているが、これに特に限定されず、場合によっては燃料ノズルとは別個に燃料ノズルの噴射口近傍にパイロットバーナを設置するようにしても良い。更に、本実施例ではガス燃料を用いる場合について主に説明したがこれに特に限定されず、例えばオイルなどの液体燃料を使用することも可能である。更に、燃焼用空気は必ずしも１００ｍ／ｓ程度の高流速でなくとも、それよりも遅い流速であっても本発明は成立する。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１並びに２記載の本発明のラジアントチューブバーナによると、ラジアントチューブの管壁に沿って燃焼用空気が噴射され、その流れがラジアントチューブの全横断面に分布せずに偏在したものとなり、燃焼用空気が噴射された部分の反対側に負圧を生じさせて強力な排ガス再循環が起こす。同時に、この排ガスと燃焼用空気と平行に噴射される燃料ガスとが燃焼用空気の流れに誘引されて随伴され、燃料ガスは排ガスと混合した後に徐々に燃焼用空気の流れに巻き込まれ、緩慢燃焼を起こす。したがって、ラジアンとチューブ内で燃焼が徐々に進行するので、ＮＯｘの発生を抑制することができる。また、ラジアントチューブの壁面に沿って長炎が形成できるので、均一なヒートフラックスでチューブを加熱させることができ、従来のバーナに起こっていた局所加熱が防止でき、ラジアントチューブの寿命を長くできる。また、請求項１並びに２記載の本発明によると、燃料ノズルの先端をラジアントチューブ内のノズル支持体に挿入することで、この燃料ノズルのチューブ内における位置決めと支持を実現すると共にエアースロートの先端開口を形成できる。このため、ラジアントチューブバーナの製造が容易になる。特に、請求項２記載の発明の場合、ラジアントチューブ内へのノズル支持体の取付作業を容易なものにすることができる。
【００６１】
また、燃料ノズルとしてパイロットバーナ兼用ノズルを用いる場合、安定な一次火炎を形成しこれを燃料と共に燃焼用空気の流れ側へ誘引させ得るので、燃焼用空気と燃料とを離して噴射させても安定な火炎形成が可能となり、燃焼排ガス巻き込み量を増やしてより低ＮＯｘ化できる。
【００６２】
また、請求項３の場合、燃焼用空気の流れと燃料の流れとの間に排ガスが巻き込まれ、燃焼用空気と燃料とが噴射直後に直ちにコンタクトするのを防ぐと共に燃料が拡散する部分の燃焼用空気の酸素濃度を低下させるので、よりＮＯｘの発生を抑制できる。
【００６３】
また、請求項４及び５記載の発明では、燃料ノズルの先端をラジアントチューブ内のノズル支持体に挿入することで、この燃料ノズルのチューブ内における位置決めと支持を実現すると共にエアースロートの先端開口を形成できる。このため、ラジアントチューブバーナの製造が容易になる。特に、請求項４記載の発明の場合、ラジアントチューブ内へのノズル支持体の取付作業を容易なものにすることができる。
【００６４】
また、請求項６の発明の場合、蓄熱体としてハニカム形状のセラミックスを用いるため、燃焼用空気あるいは排ガスの流れの淀みをなくすことができ、かつ排気と給気の相反する方向の流れが交互に起きることにより流路の自己洗浄作用（逆洗）が働き、蓄熱体内に排ガス中のダストなどが付着するのを防止できる。
【００６５】
また、請求項７記載のバーナシステムでは、上述のラジアントチューブバーナ装置を使用して交換燃焼を実施することができ、熱効率の向上を図ることができる。
【００６６】
更に、請求項７記載の発明では、燃焼停止状態にも、パイロット燃焼に適したあるいは最低限必要な量の燃料並びに一次空気を燃料ノズル内と一次空気配管内に供給するので、燃料ノズル内に常時燃料を流しかつ一次エアースロート内の一次空気で冷却することができるため、メインのエアースロートを介して排気される燃焼排ガスの熱で燃料通路内の燃料が加熱されて高温になるのを防止でき、コーキングの発生を阻止することができる。
更に、請求項８記載の発明では、燃焼用空気が１００ｍ／ｓｅｃ以上の高速で噴射されるため、燃料がチューブ内に広がらずに高速の燃焼用空気の流れに誘引されてチューブ内壁に沿って流れ、その間に徐々に燃焼用空気の流れに巻き込まれ、酸素濃度を低下させ、局所的高温域の発生を未然に防ぐ。したがって、一層の低ＮＯｘ燃焼が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のラジアントチューブバーナを用いた交互燃焼型ラジアントチューブバーナシステムの一実施例を示す概略構成図である。
【図２】図１のラジアントチューブバーナの断面図である。
【図３】図２の矢印III 方向からみたラジアントチューブバーナの側面図である。
【図４】図２のラジアントチューブバーナの燃料供給系の一例示すブロック図である。
【図５】図２の矢印Ｖ方向からみたラジアントチューブバーナの断面図である。
【図６】図２のラジアントチューブバーナの燃焼状態と供給される空気量との関係を示すタイムチャートである。
【図７】図２のラジアントチューブバーナの燃焼原理を示す概念図である。
【図８】図１のバーナシステムの交互燃焼の様子を示し、各ラジアントチューブバーナの作動関係を示すタイムチャートである。
【図９】本発明のラジアントチューブバーナの他の実施例を示す断面図である。
【図１０】本発明のラジアントチューブバーナの更に他の実施例を示す断面図である。
【図１１】図１０の矢印XI方向からみたラジアントチューブバーナの断面図である。
【図１２】パイロットバーナ兼用ノズルの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  交互燃焼型ラジアントチューブバーナシステム
３  ラジアントチューブ
５，５１，６１  ラジアントチューブバーナ
７  炉壁
１１  パイロットバーナ兼用ノズル（燃料ノズル）
１３  エアースロート
１５，５３  ノズル支持体
１９  燃料ノズル
２１  一次エアースロート
３３  噴射口（メインのエアースロートの先端開口）
【図１】
0003691863.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003691863.tif 000009
【図９】
0003691863.tif 000010
【図１０】
0003691863.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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