(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部から気体燃料を、その周囲から酸素を支燃ガスとして吐出する気体燃料−酸素バーナーにおいて、気体燃料ノズルと酸素ノズルとのうちの少なくとも気体燃料ノズルの先端部近傍に、複数の管状物で構成される整流管を備えると共に、前記気体燃料ノズルに備えられた整流管の終端部を、該気体燃料ノズルの吐出端から奥に入り込んだ位置に配置させたことを特徴とする気体燃料−酸素バーナー。
【請求項２】
前記気体燃料ノズルに備えられた整流管の終端部は、該気体燃料ノズルの吐出端から１００ｍｍ以内の範囲内で奥に入り込んだ位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の気体燃料−酸素バーナー。
【請求項３】
前記酸素ノズルに対して前記気体燃料ノズルを偏心させて配置したことを特徴とする請求項１に記載の気体燃料−酸素バーナー。
【請求項４】
バーナーを炉壁に気体燃料及び酸素の吐出方向を略平行にして複数個並列的に連設することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の気体燃料−酸素バーナー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、硝子溶融炉等、輻射伝熱を主体とした炉に用いられる気体燃料−酸素バーナーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
硝子溶融炉に於いては、重油等の液体燃料或いは天然ガス等の気体燃料を予熱した空気で燃焼させるバーナーが用いられ、輻射伝熱を主体とした溶融方式となっている。
【０００３】
空気を支燃ガスとして用いると、燃焼に寄与しない窒素が空気の大部分を占めているため熱効率が悪くなる。このため通常は蓄熱室や熱交換器を用いて燃焼用空気を予熱し熱効率の向上が図られているが、充分なものではない。また、予熱空気の温度を高くして熱効率の改善をすればするほどＮＯｘが多量に発生するという不都合がある。さらに、燃焼排ガス量が多いため、その処理にかなり大型の処理設備が必要となる。このようなことから、酸素を支燃ガスとしたバーナーが注目され、実用化されるようになってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、酸素を支燃ガスとして用いると、燃焼排ガス量の低減、熱効率の向上、ＮＯｘの低減ができ、さらに、蓄熱室が不要になる等利点が多いが、輻射伝熱を主体とした溶融炉に利用するには解決すべき課題がある。
【０００５】
一般に酸素燃焼では燃焼速度が速く、高温の火炎が生成される。しかし、通常、その火炎温度の割りには火炎の輝度が低く、輻射伝熱を主体とした溶融炉には不都合がある。そうした輝度が低いという問題は、天然ガスのような炭素含有量の低い気体燃料を用いる時に、特に顕著になる。尚、ここで用いている気体燃料という用語は、メタン、エタン、プロパン、ブタンや天然ガス等の炭素を含み、すすを発生し得る気体状燃料を意味する。
【０００６】
火炎の輝度を高くするためには、良く知られているように、層流火炎とするのが有効である。しかし、工業上実用的な燃焼負荷を満足して層流火炎にするためには、ノズルからの吐出速度を数ｍ／ｓｅｃ以下という低速に抑える必要がある。硝子溶融炉のような平炉では、水平方向に伸びる火炎が必要であり、その時に、ノズルからの吐出速度を数ｍ／ｓｅｃ以下という低速に抑えると、火炎の推進力が不足となり、火炎は舞い上がってしまい、炉の天井を損傷してしまう。また、火炎の推進力を増すためには、ノズルからの吐出速度を大きくすれば良いが、この吐出速度を大きくすればするほど乱流火炎となり、輝度は低くなってしまうという矛盾が生じる。
【０００７】
本発明の目的は、輝度が高く、推進力のある火炎を生成し得る気体燃料−酸素バーナーを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、中心部から気体燃料を、その周囲から酸素を支燃ガスとして吐出する気体燃料−酸素バーナーにおいて、気体燃料ノズルと酸素ノズルとのうちの少なくとも気体燃料ノズルの先端部近傍に、複数の管状物で構成される整流管を備えると共に、前記気体燃料ノズルに備えられた整流管の終端部を、該気体燃料ノズルの吐出端から奥に入り込んだ位置に配置させたことを特徴とする。
【０００９】
この場合、前記気体燃料ノズルに備えられた整流管の終端部は、該気体燃料ノズルの吐出端から１００ｍｍ以内の範囲内で奥に入り込んだ位置に配置されていることが好ましい。
【００１０】
また、前記酸素ノズルに対して前記気体燃料ノズルを偏心させて配置することが好ましい。
【００１１】
さらに、上記したいずれかのバーナーを炉壁に気体燃料及び酸素の吐出方向を略平行にして複数個並列的に連設することが好ましい。
【００１２】
【作用】
本発明は、中心部から気体燃料を、その周囲から酸素を支燃ガスとして吐出する気体燃料−酸素バーナーにおいて、少なくとも気体燃料ノズルの先端部近傍に複数の管状物で構成される整流管を備えているため、ノズルからの吐出流が整流管の存在により層流に近くなることに加えて、整流管の終端部を気体燃料ノズルの吐出端から奥に入り込んだ位置に配置させているため、気体燃料と酸素の混合が緩慢になり、火炎の輝度を増すことができる。同時に流れの推進力も増大するので火炎の舞い上がりも少なくなる。本発明において、複数の管状物なる用語は、金属製若しくはセラミック製の円形、多角形等の管状物を複数個束状に、又は、ハニカム状に構成した、流体の流れを層流に近い状態に整流するための管状物群を意味するものと理解されたい。
【００１３】
また、酸素と燃料を同心円状でなく、偏心した形態で供給することにより、さらに気体燃料と酸素の混合が緩慢になり、火炎の輝度を増すことができる。
【００１４】
また、上記したバーナーを炉壁に気体燃料及び酸素の吐出方向を略平行にして複数個並列的に連接することにより、個々のバーナーの中間部が周囲に比較して低圧状態となるため、各バーナーから吐出される気体燃料と酸素との吐出流が先端部で相互に接近して合流する形態となり、この合流点は炉内奥部となることから、この炉内奥部で気体燃料と酸素との混合を促進させ、火炎の輝度を増加させるとともに、高温燃焼させることができ、溶融対象物への輻射伝熱量を増加させ、熱効率を向上させることができる。
【００１５】
【実施例】
図１は本発明に係る気体燃料−酸素バーナーの第１実施例の縦断側面図、図２は図１のＡ−Ａ線における縦断正面図、図３は本発明の第２実施例の縦断正面図、図４は本発明の第３実施例を示す平面図、図５は本発明に使用する整流管の縦断正面図、図６は本発明に係るノズルと従来のノズルとの吐出流体の流速分布を示す比較図である。
【００１６】
本発明者等の研究によれば、この種の気体燃料−酸素バーナーにおいて、火炎の輝度を高くするためには、燃焼反応を緩慢にし、火炎中にすすを多く発生させる必要があり、そのためには燃料と酸素の混合を出来る限り緩慢にすることが一番有効であり、整流管が有効な手段となることが判明した。
【００１７】
上記点を確認するため、図５に示すように、円筒形断面の金属製外管１内に薄肉の金属製細管２を管束形状に密接配置してなる整流管３を備えたノズル４と、整流管のないノズル（図示省略）からの吐出流の特性を調査した。図６はノズル４から一定距離離れた所での吐出流の流速分布を示すもので、実線ａが整流管３を備えたノズルの流速分布曲線を示し、点線ｂが整流管３のないノズルの流速分布曲線を示している。この図６より、整流管３を備えたノズル４からの吐出流の方が中心部の流速が大きく、かつ、より狭い領域に流れが集中していることが解る。この時はノズルからの吐出初速度を同じにしているが、整流管３を備えることにより吐出流の推進力が増していることは明らかであり、逆にノズル４から一定距離離れた所での流速を同じにするためにはより低い吐出初速度とすることができるので、流れの乱れの程度を表すレイノルズ数が小さくなり、より層流に近い流れとすることができる。また、流れの中に煙を流し、流れのパターンを目視で確認比較した。整流管３がある場合には煙は比較的長く直進するが、無い場合には煙の流れは乱雑で鮮明にならず、明らかな差異が認められた。煙が比較的長く直進するということは、気体の混合が緩慢であることを意味するので、中心部の化学量論的に燃料過多（酸素不足）の領域が大きくなり、すすが発生しやすくなるので、火炎の輝度は高くなる。
【００１８】
そこで、本発明は図１及び図２の実施例に示すように、中心部に気体燃料を吐出する前記整流管３を備えたノズル４を配置し、その外側に、酸素を吐出するノズル５を同心円状に配置して気体燃料−酸素バーナーを構成したものである。
【００１９】
図３の実施例は、酸素を吐出するノズル５と気体燃料を吐出する前記整流管３を備えたノズル４を同心円状でなく、偏心した形態で配置したものである。この実施例のバーナーで気体燃料と酸素を供給すると、さらに燃料過多（酸素不足）の領域を大きくすることができる。
【００２０】
整流管３の形状や設置位置についても検討し、テストした結果、整流管３を構成する細管２は円である必要はないが、各要素である細管２の内径は３ｍｍ以下が好ましく、長さは３０ｍｍ以上好ましくは１００ｍｍ位確保する必要があることが解った。また整流管３の各要素を構成する細管２の肉厚は薄いほど良いが、実用的には０．５ｍｍ以下とするのが好ましい。整流管３の終端部はノズル４の吐出端より０〜１００ｍｍ以内の近傍に設置する必要があることも解った。
【００２１】
以上のように整流管３を備えることにより、ノズル４からの吐出流がより層流に近くなるので、気体燃料と酸素の混合が緩慢になり、火炎の輝度を増すことができる。同時に流れの推進力も増大するので火炎の舞い上がりも少なくなる。
【００２２】
図１、図２に示す第１実施例のバーナーは、例えば、中心部に、外径３ｍｍ、肉厚０．５ｍｍ、長さ１００ｍｍの耐熱鋼細管２の管束でできた整流管３を有する気体燃料流路６を形成し、その周囲に同心状に酸素ガス流路７を形成する。
【００２３】
このバーナーと、整流管を除いた以外は同じバーナーを用いて同じ燃焼負荷で発熱量９０００Ｋｃａｌ／Ｎｍ３  のガスを燃焼させ比較したところ輝度、火炎形状共に整流管３を有するものの方が明らかに優れていることが確認できた。
【００２４】
しかし、燃焼負荷を６０万Ｋｃａｌ／Ｈｒ以上に増大させると、輝度の低下が認められた。実用的にはもっと大きな燃焼容量のバーナーが必要となる場合があるので、このままでは不都合である。
【００２５】
そこで第１実施例のバーナーを２つ製作し、図４に示すように、隣接させて燃焼テストを行った。２つのバーナー８、９の炉壁１０に対する配置の仕方により火炎形状は変化するが、２つの火炎を衝突させない限り、燃焼負荷が全体で６０万Ｋｃａｌ／Ｈｒ以上になっても輝度の高い火炎を得ることができた。好ましい火炎形状は用途により異なるので、一様には決めることができないが、複数個のノズルを備えたバーナーで燃焼負荷６０万Ｋｃａｌ／Ｈｒ以上に対応できることが解った。上記図４の実施例の場合、２つのバーナー８、９の中間部が周囲よりも低圧となるため、相互の火炎が先端部で接近して合流する傾向を生じ、この合流点は炉内奥部となるため、この炉内奥部で気体燃料と酸素との混合を促進させ、火炎の輝度を増加させるとともに、高温燃焼させることができる。
【００２６】
さらに、実施例のバーナーの気体燃料ノズルを酸素ノズルに対して５ｍｍまたは１０ｍｍ偏心させて設置し、燃焼テストを行った。偏心量が多いほど火炎形状は軸対称でなくなり、不完全燃焼に特有の赤みが部分的に認められ、火炎の色調が変化した。そのため、輝度の評価が困難であったが、すすの発生量は増えており、酸素流量を増やすことで輝度が増すことが判明した。
【００２７】
酸素は高価なので、不必要に酸素を多く消費することは好ましくないが、ノズルを偏心して設置することが好ましい場合もある。通常、硝子溶融炉にはバーナーは複数個設置され、排ガス煙道が設置されるので、炉内には他のバーナーの燃焼ガスの流れも存在する。本発明のバーナーのように、吐出速度が小さいバーナーを使用する場合には、そうした燃焼ガスの流れが無視できず、特に外周の酸素が影響を受けやすい。そのような場合には、偏心していることが、むしろ好都合になることがある。
【００２８】
さらに、上記実施例のバーナーの酸素流路７にも整流管３を追加したバーナー（図示省略）を製作し、燃焼テストを行った。この場合の整流管３としては、気体燃料流路６に使用したものと同じ外径３ｍｍ、肉厚０．５ｍｍ、長さ１００ｍｍの耐熱鋼細管束を用いた。この場合、輝度、火炎形状共に改善が認められた。
上記各実施例は、整流管３として、円形の細管２を使用した場合を例示しているが、他の管束形状、例えば、楕円形、四角形、六角形、その他適宜の形状を単独で、或いは、組み合わせて採用してもよく、ハニカム形状としてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように発明によれば、ノズルからの吐出流が整流管の存在により層流に近くなることに加えて、整流管の終端部を気体燃料ノズルの吐出端から奥に入り込んだ位置に配置させたことから、気体燃料と酸素の混合が緩慢になり、火炎の輝度を増すことができ、硝子溶融炉のような輻射伝熱を主体とした炉ではエネルギー効率の向上が期待できる。同時に流れの推進力も増大するので火炎の舞い上がりも少なくなり、炉の天井の損傷も少なくなるため、炉の寿命が長くなる効果も期待できる。
【００３０】
また、酸素と燃料を同心円状でなく、偏心した形態で供給するように構成すれば、さらに気体燃料と酸素の混合が緩慢になり、火炎の輝度を一層増大させることができる。
【００３１】
また、上記したバーナーを炉壁に気体燃料及び酸素の噴出方向を略平行にして複数個並列的に連接するように構成すれば、個々のバーナーの中間部が周囲に比較して低圧状態となるため、各バーナーから噴出される気体燃料と酸素との噴射流が先端部で相互に接近して合流する形態となり、この合流点は炉内奥部となることから、この炉内奥部で気体燃料と酸素との混合を促進させ、火炎の輝度を増加させるとともに、高温燃焼させることができ、溶融対象物への輻射伝熱量を増加させ、熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る気体燃料−酸素バーナーの第１実施例の縦断側面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線における縦断正面図。
【図３】本発明の第２実施例の縦断正面図。
【図４】本発明の第３実施例を示す平面図。
【図５】本発明に使用する整流管の縦断正面図。
【図６】本発明に係るノズルと従来のノズルとの吐出流体の流速分布を示す比較図。
【符号の説明】
１    金属製外管
２    金属製細管
３    整流管
４    気体燃料吐出ノズル
５    酸素吐出ノズル
６    気体燃料流路
７    酸素ガス流路
８、９  バーナー
１０    炉壁
【図１】
0003580438.tif 000002
【図２】
0003580438.tif 000003
【図３】
0003580438.tif 000004
【図４】
0003580438.tif 000005
【図５】
0003580438.tif 000006
【図６】
0003580438.tif 000007