(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部から気体燃料を、その周囲から支燃用酸素ガスを吐出する気体燃料−酸素バーナーにおいて、気体燃料用流路を形成し且つ気体燃料を層流状に吐出する気体燃料ノズルと、気体燃料ノズルの外側に略同心状に配置されて気体燃料ノズルとの間に支燃用酸素ガス流路を形成し且つ酸素ガスを層流状に吐出する酸素ノズルと、酸素ノズルの外側に略同心状に配置されて酸素ノズルとの間に支燃用酸素ガスの予熱用流路を形成する予熱流路形成管とを有し、前記酸素ノズルの後端に、前記支燃用酸素ガス流路と前記予熱用流路とを連通させる連通口を形成すると共に、前記予熱流路形成管の前端であって酸素ノズルの先端部に対応する位置に、前記予熱用流路へ酸素ガスを流入させる連通口を形成し、且つ、酸素ガスで前記酸素ノズル及び気体燃料ノズルの先端部を冷却することで酸素ガスを予熱し、この予熱した酸素ガスを支燃の用に供するようにしたことを特徴とする気体燃料−酸素バーナー。
【請求項２】
気体燃料ノズル及び酸素ノズルの一方又は両方の吐出ノズル先端部近傍に整流管を備え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】
気体燃料の燃焼に必要な酸素量の一部となる酸素ガスを予熱し若しくは予熱することなくバーナーとは別にバーナーの周囲の酸素ランスから供給することを特徴とする請求項１または２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、ガラス溶融炉や輻射伝熱を主体とした窯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】
ガラス溶融炉や輻射伝熱を主体とした窯炉において、重油等の液体燃料或いは天然ガス等の気体燃料に予熱した空気を支燃用ガスとして供給して燃焼させるバーナーが用いられている。また、最近では、空気の代わりに酸素を支燃用ガスとして用いるバーナーも用いられるようになってきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
空気を支燃用ガスとして用いるバーナーは、燃焼に寄与しない窒素ガスが多く存在するために熱効率が充分でなく、これを解決するために空気を予熱すると、ＮＯｘが発生しやすくなってしまう。これを解決する手段として、酸素を支燃用ガスとして用いるバーナーがあるが、多くの利点があるものの得られる火炎温度が高い割に、輝炎が少ないために火炎からの輻射伝熱効率があまり高くならない。このことは一般に用いられている天然ガスやＬＰガスのような気体燃料を用いるバーナーで特に顕著にあらわれる。
【０００４】
輝炎を多くするために気体燃料と支燃用酸素ガスを層流状に遅い流速で吐出して、積極的に混合せず、双方の拡散を主とする混合によってゆっくり燃焼させて、気体燃料の酸素不足域の炭素分からの輝炎を利用することが有効である。ところが一般の窯炉で必要とされる水平火炎では、層流状の遅い吐出速度では火炎の直進力が弱く、水平部がわずかですぐに舞い上がってしまい、窯炉の上部のみ温度が高くなり、下部の温度があまり上がらなくなってしまう。加熱物が火炎より下にある場合は、そのために窯炉の天井を損傷させてしまう危険がある。
【０００５】
また、吐出ノズルの先端は、火炎や炉内から熱を受け、数百度の高熱に曝されていることから、常に溶けたりする損傷を受ける危険が付きまとっている。
【０００６】
本発明の目的は、輝炎が多く、舞い上がりを抑えた火炎を生成し、かつ、寿命の長い吐出ノズルが得られる気体燃料−酸素バーナーを提供することにある。
【０００７】
【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、その周囲から支燃用酸素ガスを吐出する気体燃料−酸素バーナーにおいて、気体燃料用流路を形成し且つ気体燃料を層流状に吐出する気体燃料ノズルと、気体燃料ノズルの外側に略同心状に配置されて気体燃料ノズルとの間に支燃用酸素ガス流路を形成し且つ酸素ガスを層流状に吐出する酸素ノズルと、酸素ノズルの外側に略同心状に配置されて酸素ノズルとの間に支燃用酸素ガスの予熱用流路を形成する予熱流路形成管とを有し、前記酸素ノズルの後端に、前記支燃用酸素ガス流路と前記予熱用流路とを連通させる連通口を形成すると共に、前記予熱流路形成管の前端であって酸素ノズルの先端部に対応する位置に、前記予熱用流路へ酸素ガスを流入させる連通口を形成し、且つ、酸素ガスで前記酸素ノズル及び気体燃料ノズルの先端部を冷却することで酸素ガスを予熱し、この予熱した酸素ガスを支燃の用に供するようにしたものである。
【０００９】
上記構成において、気体燃料ノズル及び酸素ノズルの一方又は両方の吐出ノズル先端部近傍に複数の管状物で構成した整流管を備えていることが好ましい。
【００１０】
また、上記構成において、気体燃料の燃焼に必要な酸素量の一部となる酸素ガスを予熱し若しくは予熱することなくバーナーとは別にバーナーの周囲の酸素ランスから供給することが好ましい。
【００１１】
【作用】
本発明は、中心部から気体燃料を、その周囲から支燃用酸素ガスを吐出する気体燃料−酸素バーナーにおいて、気体燃料と支燃用酸素ガスを層流状に吐出させることによって、気体燃料と酸素ガスとをできるだけ長い距離に亘って混合させずに直進させることができ、これによって、ノズルから出てしばらくの間、両者の境界に沿って部分的に燃焼が生じ、やがて両者が混合して本格的な燃焼を行なうが、この場合の燃焼形態は、気体燃料と酸素ガスとの混合が不活発な状態で行なわれるため、気体燃料中の一部の炭素分が不完全燃焼によって、火炎中に炭素粒子（すす）として残存散在し、これが酸素ガスと出会って時間遅れ状態で火炎中で燃焼し、輝炎を生成する。このように、気体燃料と支燃用酸素ガスを層流状に吐出させることによって、輝炎の多い火炎を得るが、酸素ガスを予熱することによって酸素ガスの運動エネルギー（推進力）が増加し、層流の生成に寄与するレイノルズ数を小さくする方向に動粘性係数が上がり、予熱していないバーナーより速い吐出速度でも輝炎が多く、直進力を増した、舞い上がりを抑えた火炎を得ることができる。
【００１２】
また、本発明は、支燃用酸素ガスの流路を複数層にして、酸素ガスを先ず高温の吐出ノズル先端部に入れてノズルを冷却し、その熱で酸素ガスを予熱して吐出ノズルを保護するので、ノズルの寿命を長くすることができる。
【００１３】
また、本発明は、気体燃料ノズル及び酸素ノズルの一方又は両方の吐出ノズル先端部近傍に整流管を設置することによって、ノズルから気体燃料や酸素ガスを一層層流状に吐出することができるので、気体燃料と酸素ガスの混合がゆっくり行なわれ、輝炎を多く出すことができる。同時に、整流管の効果も相俟って流れの直進力も増すことができるうえに、酸素ガスを予熱することによって、予熱していないバーナーより吐出速度を速くすることができるので、より火炎の直進力が増し、火炎の舞い上がりを抑えることができる。
【００１４】
また、本発明は、バーナーから供給する支燃用酸素ガスを燃焼に必要な酸素量より少なくすることで、火炎中の酸素不足域を多くして、一層輝炎を多く発生させた後、不足分の支燃用酸素ガスをバーナーの周囲に設けた酸素ランスから供給して完全燃焼させる。バーナーの周囲の酸素ランスから吐出する酸素ガスを層流状に吐出して燃焼し尽くしていない気体燃料をゆっくり完全燃焼させながら輝炎の多い火炎を形成するが、酸素ガスを予熱することによって、予熱していない酸素ランスよりその吐出速度を速くすることができるので、火炎の舞い上がりを抑えることができ、好ましい。
【００１５】
【実施例】
図１は本発明による気体燃料−酸素バーナーの実施例の縦断側面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００１６】
本発明者等の研究によれば、気体燃料−酸素バーナーにおいて、火炎の輻射伝熱効率を高くするために燃焼反応をゆっくり行なわせ、気体燃料の酸素不足域の炭素分からの輝炎を多く発生させ、また、火炎の舞い上がりを抑えるために、ノズルからの吐出速度を速くして、火炎の直進力を得、尚且つ高温に曝される吐出ノズルの長寿命化を図る必要がある。
【００１７】
そのために、気体燃料と支燃用酸素ガスを層流状の遅い流速でノズルから吐出させるが、これだけでは不十分であり、酸素ガスの予熱、ノズル先端の冷却、整流管の設置、バーナーとは別の酸素ランスから酸素を供給することがそれぞれ有効であることが判明した。
【００１８】
図１及び図２の実施例は、中心部に矩形断面形状の金属製管よりなり、気体燃料の流路ａを形成した気体燃料ノズル１を配置し、その外側に矩形断面形状の金属製管よりなり、内側の金属製管との間に矩形筒状の支燃用酸素ガス流路ｂを形成した酸素ノズル２を略同心状に配置し、さらにその外側に矩形断面形状の金属製管よりなり、その内側の金属製管との間に支燃用酸素ガスの二次予熱用流路ｃを形成した二次予熱流路形成管３を略同心状に配置し、その外側に矩形断面形状の金属製管よりなり、二次予熱流路形成管３との間に支燃用酸素ガスの一次予熱用流路ｄを形成する一次予熱流路形成管４を略同心状に配置し、気体燃料ノズル１の先端部近傍及び酸素ノズル２の先端部近傍に整流管５、６を設置したものである。
【００１９】
気体燃料ノズル１を構成する金属製管は、後部端板７の中央部を貫通して後方に突出させてあり、この後端から気体燃料を供給するように構成される。
【００２０】
酸素ノズル２を構成する金属製管は、後端から支燃用酸素ガスを供給するように構成され、前端を気体燃料ノズル１の前端より若干前方へ突出させてある。
【００２１】
二次予熱流路形成管３及び一次予熱流路形成管４は、前部端板８と後部端板７とに連結支持されており、一次予熱流路形成管４の後端には、酸素ガス供給口４ａが形成され、ここから酸素ガスの供給を行なうように構成される。
【００２２】
二次予熱流路形成管３の前端には支燃用酸素ガスの一次予熱用流路ｄと二次予熱用流路ｃとを連通させる連通口３ａが形成してある。また、酸素ノズル２を構成する金属製管の後端には、二次予熱用流路ｃと支燃用酸素ガス流路ｂとを連通させる連通口２ａが形成してある。
【００２３】
図１及び図２の実施例は、四重管構造とした場合を例示しているが、最も外側の一次予熱流路形成管４を省略して実施してもよい。これら各管相互間には酸素ガスの流れを妨げないように間隔保持部材（図示省略）が適宜設置される。
【００２４】
整流管５、６は、格子状、ハニカム状、複数の細管を管束形状に密接配置したもの（金属製もしくは耐火物製のいずれでもよい）で構成する。
【００２５】
上記整流管５、６の役割は、気体燃料ノズル１内を流れる気体燃料及び酸素ノズル２内を流れる酸素ガスを層流状に吐出させることである。これによって、燃焼をゆっくり行なわせて輝炎を多くし、輻射伝熱効率を高めることに寄与させるものである。
【００２６】
図１及び図２の実施例は、以上の構成からなり、酸素ノズル２の先端部を窯炉のバーナー取付口９に前部端板８との段差を利用して差し込み装着される。
【００２７】
次にその燃焼形態を説明する。支燃用の酸素ガスは、一次予熱流路形成用管４の後端の酸素ガス供給口４ａから供給され、一次予熱用流路ｄを通って先端まで流入し、そこから連通口３ａを通って二次予熱用流路ｃを通り後端まで流入し、そこから連通口２ａを通って酸素ノズル２の後端から先端に向けて流入し、先端部近傍の整流管５を通って層流状となって窯炉内に吐出される。上記一次予熱用流路ｄ及び二次予熱用流路ｃを通る間に酸素ガスは予熱される。そして、酸素ノズル２は、高温となる先端部から酸素ガスによって冷却される。
【００２８】
一方、気体燃料は、気体燃料ノズル１の後端から供給され、該ノズル１内を先端に向けて流動し、先端部近傍の整流管６を通って層流状となって窯炉内に吐出される。
【００２９】
このように中心部から気体燃料を、その周囲から支燃用酸素ガスを共に層流状に吐出することによって、直進性を付与して拡散混合を遅らせ、舞い上がりを抑制し、燃焼反応をゆっくり行なわせることができる。具体的には、火炎の燃焼形態は、ノズル１、２の先端から出てからしばらくのところまでは混合がないため、気体燃料と酸素ガスとの境界において接触している部分のみが部分的に燃焼して炎を発生しており、ノズル１、２の先端から遠ざかるにしたがって中心部にまで燃焼が伝播するが、その際、気体燃料と酸素ガスとの混合が不活発のため、気体燃料中の炭素の一部が酸素不足による炭素粒子（すす）となって炎中に残存散在して時間遅れで燃焼することにより、輝炎燃焼に寄与することになる。
【００３０】
ところで、管内の流れの状態が層流か乱流かをあらわす尺度に、レイノルズ数Ｒｅがあるが、このレイノルズ数Ｒｅが、Ｒｅ＜２０００で層流になると云われている。このレイノルズ数Ｒｅは、
Ｒｅ＝ｖ・ａ／ν
ｖ：流速
ａ：管の直径
ν：動粘性係数
【００３１】
で表され、レイノルズ数Ｒｅを小さくするには、流速ｖ、管の直径ａを小さくするか、動粘性係数νを大きくすればよい訳であるが、流速ｖを小さくすると火炎の直進性が失われ、舞い上がりやすくなり、また、動粘性係数νは、気体の物性によってある程度規定されてしまう。そこで、管の直径ａを小さくするために本発明は、整流管５、６を使用している。
【００３２】
そしてまた、上記動粘性係数νは、気体の物性によってある程度規定されてしまうとは云うものの、温度によって変化することに着目した。即ち、酸素ガスの動粘性係数νは、温度の上昇と共に大きくなるので、酸素ガスを予熱して温度を高くすると、管の内径と管の断面平均速度が同じなら、レイノルズ数Ｒｅは小さくなる。換言すると、管の内径とレイノルズ数が同じなら、管の断面平均速度を速くすることができる。今、５０℃の酸素ガスを１００℃迄予熱すると、動粘性係数は、約１．２９倍になり、酸素ガスの管内断面平均速度を約１．２９倍にしても流れの状態は、予熱する前と同じになる。また、酸素ガスの温度を高くすることによって、酸素ガスの運動量は、１．４５倍になり、直進力が増し火炎の舞い上がりを抑えることができる。このような認識に立って本発明は酸素ガスを予熱したものである。
【００３３】
図３は本発明の他の実施例を示す気体燃料−酸素バーナーの縦断側面図、図４は図３のＢ−Ｂ線断面図であって、この実施例は、前記実施例のバーナーとは別にバーナーの下方に酸素ランス１０を設け、この酸素ランス１０には、前記実施例のバーナーで予熱した酸素ガスの一部を分岐管１１を介して供給させるようにしたものである。即ち、分岐管１１は、二次予熱用流路ｃの後端から分岐させたものである。なお、分岐位置は他の位置、例えば、一次予熱用流路ｄの一部からでもよく、また、予熱しないで供給させるようにしてもよい。
【００３４】
上記酸素ランス１０は、気体燃料の燃焼に必要な酸素量の酸素ガスの一部を取り出してバーナーとは別の経路から窯炉内へ供給させるもので、バーナーの先端部から吐出される気体燃料の一部を酸素不足により不完全燃焼させて火炎中に炭素粒子（すす）を積極的に生成させ、しかる後、燃え残りの炭素粒子を完全燃焼させることで輝炎燃焼を実現するもので、そのために酸素ランス１０から二次酸素を供給させて燃え残りの炭素粒子を２段燃焼させるものである。
【００３５】
上記酸素ランス１０の先端部近傍には、前記実施例で説明したものと同様な整流管１２を設置するのが好ましいが、省略してもよい。この整流管１２の役割は、酸素ガスを整流して層流状に吐出させ、直進性を付与して拡散を抑制し、バーナーから吐出されている火炎との混合を遅らせ、前記輝炎燃焼に寄与させんとするものである。なお、上記酸素ランス１０を設置する位置は、バーナーの下方が好ましいが、周囲であれば下方に限定されない。また、酸素ランス１０からの酸素ガスの吐出方向は、バーナーと平行乃至火炎の先端付近で若干交差するような角度に傾斜させて取り付けてもよい。
【００３６】
上記した２種類の実施例は、バーナーの断面形状を何れも矩形状とした場合を例示しているが、円形断面としてもよいことは勿論である。但し、矩形状とする場合は、長辺が水平方向となるように取り付けるもので、これにより、下部又は上部の加熱物に対する輻射伝熱面を増加させることができる。なお、加熱物を窯炉内に吊下げて配置したり、或いは、縦方向に立てかけて配置して横から加熱するような場合では、長辺を縦方向とすることは勿論である。また、バーナーは、金属製管で構成した場合を例示しているが、セラミック等の耐火物で構成してもよいことは勿論である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、気体燃料と酸素ガスとを層流状に吐出して燃焼させているため、輝炎の多い火炎が得られ、輻射伝熱効率を向上させることができる。しかも、酸素ガスを予熱することによって、予熱していないバーナーより速い吐出速度でも輝炎が多く、直進力を増した、舞い上がりを抑えた火炎を得ることができる。またその際、酸素ガスで吐出ノズル先端部を冷却することで酸素ガスを予熱させることによって、吐出ノズルを保護してその溶損等を防止し、長寿命化を図ることができる。さらに、気体燃料及び予熱した酸素ガスの一方又は両方の吐出ノズル先端部近傍に整流管を設置することによって、ノズルから気体燃料や酸素ガスを一層層流状に吐出させることができ、上記諸効果を増大させることができる。また、気体燃料の燃焼に必要な酸素量の一部となる酸素ガスを予熱し若しくは予熱することなくバーナーとは別にバーナーの周囲の酸素ランスから供給することによって、火炎中の酸素不足域を多くして、一層輝炎を多く発生させ、燃え残りの炭素分を酸素ランスから供給した酸素ガスで完全燃焼させて輻射伝熱効率の向上に寄与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実施例の縦断側面図。
【図４】図３のＢ−Ｂ線における縦断正面図。
【符号の説明】
ａ    気体燃料流路
ｂ    酸素ガス流路
ｃ    二次予熱用流路
ｄ    一次予熱用流路
１    気体燃料ノズル
２    酸素ノズル
３    二次予熱流路形成管
４    一次予熱流路形成管
５    整流管
６    整流管
７    後部端板
８    前部端板
９    バーナー取付口
１０    酸素ランス
１１    分岐管
１２    整流管
【図１】
0003591058.tif 000002
【図２】
0003591058.tif 000003
【図３】
0003591058.tif 000004
【図４】
0003591058.tif 000005