(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を噴射する燃料ノズルの先端部にバッフルを外嵌状に取り付けると共に、このバッフルの外周にスリット状の二次空気供給孔を形成した構成であり、前記燃料ノズルは、内周部を燃料通路とし、外周部を冷却空気通路とした二重管構成され、また、バッフルは耐火物製で、中心に燃料と冷却空気の噴出孔あるいは燃料ノズルの貫通孔を設けると共に、この噴出孔あるいは貫通孔の外周側には、入口から出口に向けて同一ピッチ円直径の面内において、３０〜５０°の角度を付け、蓄熱室で昇温された高温空気を噴射する複数の一次空気供給孔を設け、かつ、これら噴出孔あるいは貫通孔と一次空気供給孔の出口に燃料、冷却空気、一次空気の噴出口部を形成したことを特徴とする高温空気用低ＮＯｘバーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばスラブを所定の温度まで加熱する加熱炉に適用する高温空気用の低ＮＯｘバーナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、加熱炉等に適用するバーナは、予熱空気の温度が４００〜５００℃程度であった従来バーナの課題、すなわち、排熱回収効率が低く、加熱炉等の燃料原単位をさらに向上させるために、８００℃以上の高温の予熱空気を使用するようになってきている。
【０００３】
このように、８００℃以上の高温の予熱空気を使用する場合には、排熱回収効率が高く、加熱炉等の燃料原単位が向上するが、その反面、予熱空気の高温化により、火炎温度が上昇してＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度が高くなるという問題がある。そこで、高温の予熱空気を使用するバーナにおける前記した問題点を解決するものとして、例えば特開平８−２８８３０号公報の高温空気バーナが提案されている。
【０００４】
特開平８−２８８３０号公報で提案された高温空気バーナは、図７に示すように、燃料供給管１の先端側の外周に、一次空気供給孔２を介してバッフル３を設け、このバッフル３に複数の二次空気供給孔４を配置すると共に、前記燃料供給管１の先端側のバッフル３に一次燃焼室５を配置した構成であり、二次空気供給孔４の仮想ピッチ円の直径Ｄと一次燃焼室５の直径ｄとの比（Ｄ／ｄ）は２．０以上、一次燃焼室５の長さＬと前記直径ｄとの比（Ｌ／ｄ）は１．５〜２．５とすることが望ましいとしている。
【０００５】
この特開平８−２８８３０号公報で提案された高温空気バーナでは、一次燃焼室５内において燃料と一次空気で一次燃焼を行い、この未燃分を含有した一次燃焼ガスと高温の二次空気を直接炉内に高速で噴射して加熱炉内で二次燃焼を行うことで、火炎から周囲への放射伝熱量が増大して、最高火炎温度が低下すると共に、低酸素濃度の炉内ガスの誘引により燃焼反応が抑制されて火炎が長炎となり、被加熱材の均一加熱に必要なフラットな炉温分布の確保と、ＮＯｘの生成が抑制できるとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−２８８３０号公報で提案された高温空気バーナは、ＮＯｘの生成が抑制できるとは言うものの、バーナタイル直近の一次燃焼室内で一次燃焼を行っているので、炉内のバーナタイル近傍が未だ高温となって、ＮＯｘ抑制が十分発揮できない。
【０００７】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、炉内で二段燃焼させると共に、自己の燃焼排ガスを循環させて、低ＮＯｘ化と高ターン・ダウン性に優れた単一火炎を形成する高温空気用低ＮＯｘバーナを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナは、燃料ノズルを、内周部の燃料通路と外周部の冷却空気通路の二重管構成すると共に、耐火物製のバッフルに形成する高温空気噴射用の複数の一次空気供給孔を、入口から出口に向けて同一ピッチ円直径の面内において、３０〜５０°の角度を付けた構成としている。このようにすることで、冷却空気によってノズルの冷却を行うと共に、燃料ノズルの先端で冷却空気と混合して最適な噴射速度に増した後、一次空気供給孔から旋回を寄与された一次空気は噴出口部を経て炉内に至り、二次空気と混合して燃焼する。そして、この燃焼排ガスは前記増速された燃料と一次空気の旋回流の作用により、自己再循環流をおこし、火炎の安定化を図る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナは、燃料を噴射する燃料ノズルの先端部にバッフルを外嵌状に取り付けると共に、このバッフルの外周にスリット状の二次空気供給孔を形成した構成であり、前記燃料ノズルは、内周部を燃料通路とし、外周部を冷却空気通路とした二重管構成され、また、バッフルは耐火物製で、中心に燃料と冷却空気の噴出孔あるいは燃料ノズルの貫通孔を設けると共に、この噴出孔あるいは貫通孔の外周側には、入口から出口に向けて同一ピッチ円直径の面内において、３０〜５０°の角度を付け、蓄熱室で昇温された高温空気を噴射する複数の一次空気供給孔を設け、かつ、これら噴出孔あるいは貫通孔と一次空気供給孔の出口に燃料、冷却空気、一次空気の噴出口部を形成しているのである。
【００１０】
本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナは、燃料とノズルを冷却した後の冷却空気と混合されて、噴射速度を６０〜１００ｍ／秒に増速される。そして、燃料ノズルの先端から冷却空気と共に噴射された燃料は、バッフルの噴出口部で複数の一次空気供給孔から噴射した高温の一次空気によって旋回を与えられて炉内に至り、二次空気供給孔から噴射した二次空気と炉内で混合して燃焼する。
【００１１】
本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナにおいて、一次空気供給孔を入口から出口に向けて同一ピッチ円直径の面内において、３０〜５０°の角度を付けたのは、炉内での燃焼促進と自己再循環流をより一層高め、低空気比燃焼と低ＮＯｘ化を図るためである。本発明者らの実験では、３０°未満では効果がなく、また、５０°を超えるとバッフルを製造できない。また、５０°に近づくほど低ＮＯｘ化が図れることを確認している。
【００１２】
また、本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナにおいて、耐火物製のバッフルに形成する噴出口部はストレート状であっても、出口側を絞った形状であってもよい。この噴出口部の形状は、使用する燃料の種類によって適宜選択するもので、例えばコークス炉ガス（ＣＯＧ）のように着火速度の速いガスの場合には、旋回流の速度をより速くして噴出口部で燃焼するのを防止するために、噴出口部の出口側を絞ったものを使用する。一方、例えばＬＰＧのように、着火速度があまり速くないガスの場合には、ストレート状の噴出口部のものを使用する。
【００１３】
本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナにおいては、一次空気供給孔と二次空気供給孔の総断面積の比（一次空気供給孔：二次空気供給孔）は、低ＮＯｘ化の観点からは、２０：８０〜４０：６０の間、特に４０：６０とすることが望ましい。但し、制約された狭い空間で燃焼させる場合は、一次空気供給孔の断面積比をさらに小さくすることが望ましい。また、本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナにおいて供給する冷却空気量は、一次空気及び二次空気を合わせた総空気量の２〜５％とするのが望ましい。本発明者らの実験では、冷却空気量が５％を超えると、混合気の噴出速度が高速になりすぎて、燃焼が不安定になるからである。また、２％未満では冷却効果がないからである。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナを図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナの第１実施例を示し、（ａ）は縦断面して示す正面図、（ｂ）は（ａ）図の矢視Ａ−Ａ図、図２は本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナの第２実施例を示し、（ａ）は縦断面して示す正面図、（ｂ）は（ａ）図の矢視Ｂ−Ｂ図、図３は本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナの構成要素である燃料ノズルを拡大して示す縦断面正面図である。
【００１５】
図１及び図２において、１１は本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナであり、図１は例えばＬＰＧやＬＮＧのような着火速度があまり速くない燃料を使用するのに適したもの、図２は例えばＣＯＧのような着火速度が速い燃料を使用するのに適したものを示している。
【００１６】
１２は例えばＬＰＧやＣＯＧ等の燃料を噴射する燃料ノズルであり、二重管構成されている。そして、内周の中心部を燃料通路１２ａと、また、外周の環状空間を冷却空気通路１２ｂとし、この冷却空気通路１２ｂの外側は耐火物１２ｃで覆っている。
【００１７】
１３は前記燃料ノズル１２の先端部に外嵌状に取り付けたバッフルで、例えばアルミナ等の耐火物で構成され、図１に示す第１実施例では、中心に燃料と冷却空気の噴出孔１３ａを、また、図２に示す第２実施例では、中心に燃料ノズル１２の貫通孔１３ｂを設けている。そして、この噴出孔１３ａあるいは貫通孔１３ｂの外周側には、入口から出口に向けて同一のピッチ円直径の面内において、例えば３０°の角度を付けた６個の一次空気供給孔１３ｃを設けると共に、これら噴出孔１３ａあるいは貫通孔１３ｂと一次空気供給孔１３ｃの出口に燃料、冷却空気、一次空気の噴出口部１３ｄを形成している。
【００１８】
ところで、前記噴出孔１３ａは、図１に示す実施例では先端（噴出口部１３ｄ）側に向かって中央部まで縮径し、その後はストレート状に形成したものを示している。また、噴出口部１３ｄは、図１に示す実施例ではストレート状に形成されたものを、また、図２に示す実施例では中央部を縮径し、基端側と先端側はストレート状に形成したものを示している。この図２に示す中央部を縮径した噴出口部１３ｄを採用したものでは、冷却空気によって増速され、バッフル１３の噴出口部１３ｄで複数の一次空気供給孔１３ｃから噴射した一次空気によって旋回を与えられた燃料は、図１に示すストレート状のものよりも、流速が増速されて炉内に至るので、ＣＯＧのように着火速度が速い燃料に適している。
【００１９】
１４は前記したバッフル１３の外周とバーナタイル１５の間に形成したスリット状の二次空気供給孔であり、本実施例では４つ設けたものを示している。
１６は入口１８から供給された燃焼用空気を昇温して高温空気となす蓄熱室であり、例えばアルミナのボール１６ａが多数充填されている。そして、この蓄熱室１６で昇温された高温空気は、通路１７を通って前記した一次空気供給孔１３ｃ及び二次空気供給孔１４に導かれる。
【００２０】
上記した本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナ１１において、一次空気供給孔１３ｃと二次空気供給孔１４の総断面積の比（一次空気供給孔：二次空気供給孔）は、例えば４０：６０となるように設定されている。また、噴出口部１３ｄの内径をｄ１  、長さをＬ１  、二次空気供給孔１４のピッチ円直径をＤ１  とした場合、本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナ１１においては、Ｄ１  ／ｄ１  は１．５〜１．８と、また、Ｌ１  ／ｄ１  は０．５〜１とすることが、低ＮＯｘ化と高ターン・ダウン性の点からは望ましいが、特にこれらの範囲に限定するものではない。
【００２１】
本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナ１１は上記したような構成であり、次に例えば図１に示す高温空気用低ＮＯｘバーナ１１を用いて火炎を形成する場合について説明する。
燃料通路１２ａから高カロリーのＬＰＧを、また、冷却空気通路１２ｂから冷却空気を、また、燃焼用空気の入口１８から燃焼用空気を供給する。この時、冷却空気通路１２ｂに供給される冷却空気量は、入口１８から供給される空気量の例えば２％が供給される。
【００２２】
燃料通路１２ａから供給されたＬＰＧは、冷却空気通路１２ｂから供給された冷却空気によって増速され、燃料ノズル１２の先端から噴射速度を例えば６０ｍ／秒で噴射される。
【００２３】
そして、燃料ノズル１２の先端から冷却空気によって増速された状態で噴射された燃料は、バッフル１３の噴出口部１３ｄで、前記入口１８から供給され、蓄熱室１６で例えば１０００℃に昇温されて複数の一次空気供給孔１３ｃから噴射した一次空気によって旋回を与えられて炉内に至り、同じく前記蓄熱室１６で１０００℃に昇温されて二次空気供給孔１４から噴射した二次空気と炉内で混合して燃焼する。
【００２４】
燃焼後の排ガスは、前記した燃料と一次空気の旋回流の作用により自己再循環流をおこし、火炎の安定を図る。
すなわち、本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナ１１は、自己の燃焼排ガスを循環し、炉内で二段燃焼して単一の火炎を形成するので、図４に示すように、従来型のバーナを使用した場合と比較して、最高火炎温度が低くなり、かつ、従来型のバーナのように、バーナ内の燃焼室６内で燃焼するのではなく、炉内で燃焼するので、バーナタイル近傍の火炎温度も極端に低くなる。従って、図５に示すように、従来型のバーナを使用した場合と比較してＮＯｘが大幅に低下した。
【００２５】
なお、図４及び図５は燃料としてＣＯＧを使用し、図２に示すバーナを使用した場合の結果である。また、従来型のバーナは図６に示した構成である。図６中に付した符号のうち、図１、図２と同一の符号は同一部分あるいは相当部分を示す。
【００２６】
本実施例では、前記した一次空気供給孔１３ｃ及び二次空気供給孔１４への高温空気の供給は、同一の蓄熱室１６から同一の通路１７を経て行うものを示し、一次空気供給孔１３ｃ及び二次空気供給孔１４への空気供給量は、一次空気供給孔１３ｃと二次空気供給孔１４の総断面積比で調整するものを示したが、これに限るものではなく、一次空気と二次空気、別々に蓄熱室と通路を備えたものであってもよい。
【００２７】
また、本実施例では燃料として気体燃料を使用したものについて説明したが、燃料の搬送に問題がなければ、液体燃料を使用したり、微粉炭等の固体燃料を使用してもよいことは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナでは、自己の燃焼排ガスを循環させて炉内で二段燃焼するので、火炎の最高温度が低くなると共に、バーナタイルの近傍での火炎温度も低くなる。従って、これらにより、低ＮＯｘ化と高ターン・ダウン性が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナの第１実施例を示し、（ａ）は縦断面して示す正面図、（ｂ）は（ａ）図の矢視Ａ−Ａ図である。
【図２】本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナの第２実施例を示し、（ａ）は縦断面して示す正面図、（ｂ）は（ａ）図の矢視Ｂ−Ｂ図である。
【図３】本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナの構成要素である燃料ノズルを拡大して示す縦断面正面図である。
【図４】本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナを使用した場合と、図６に示す従来型のバーナを使用した場合の、バーナタイル先端からの距離と火炎温度の関係を示す図である。
【図５】本発明の高温空気用低ＮＯｘバーナを使用した場合と、図６に示す従来型のバーナを使用した場合の、空気温度とＮＯｘとの関係を示す図である。
【図６】従来型のバーナを縦断面して示す正面図である。
【図７】特開平８−２８８３０号公報で提案された高温空気バーナを縦断面して示す正面図である。
【符号の説明】
１１    高温空気用低ＮＯｘバーナ
１２    燃料ノズル
１２ａ  燃料通路
１２ｂ  冷却空気通路
１３    バッフル
１３ａ  噴出孔
１３ｂ  貫通孔
１３ｃ  一次空気供給孔
１３ｄ  噴出口部
１４    二次空気供給孔
【図１】
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【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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