(57)【要約】  本発明は、バーナヘッドと、少なくとも１つの燃料ガス管と、少なくとも１つの酸素含有ガス管とを備え、バーナヘッドに燃料ガス管からのガスと酸素含有ガス管からのガスとを送り込む形式の外部混合式バーナに関する。燃料ガス用及び酸素含有ガス用にそれぞれのガス供給管を装備し、これらガス供給管が燃料ガス用もしくは酸素含有ガス用の各供給源にそれぞれ接続され、少なくとも一方のガス供給管が偏心状にガス旋回室に連通され、このガス旋回室が一方のガス供給管と燃料ガス管との間及び／又は他方のガス供給管と酸素含有ガス管との間に配置されている。本発明はまた、少なくとも１つの燃料ガス管と少なくとも１つの酸素含有ガス管とを通して燃料ガスと酸素含有ガスをバーナヘッドへ送り込む外部混合式バーナの運転方法にも関する。燃料ガス及び／又は酸素含有ガスを偏心状にガス旋回室に導入してガス旋回室内部で燃料ガスもしくは酸素含有ガスに旋回流を与え、ガス旋回室を通過した後の燃料ガスもしくは酸素含有ガスを燃料ガス管もしくは酸素含有ガス管に供給する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナヘッド（２）と、少なくとも１つの燃料ガス管（３）と、少なくとも１つの酸素含有ガス管（４）とを備え、バーナヘッド（２）に燃料ガス管（３）からのガスと酸素含有ガス管（４）からのガスとを送り込む形式の外部混合式バーナ（１）において、燃料ガス用及び酸素含有ガス用にそれぞれのガス供給管（６、７）を装備し、これらガス供給管が燃料ガス用もしくは酸素含有ガス用の各供給源にそれぞれ接続され、少なくとも一方のガス供給管（６、７）が偏心状にガス旋回室（８、９）に連通され、このガス旋回室が一方のガス供給管（６）と燃料ガス管（３）との間及び／又は他方のガス供給管（７）と酸素含有ガス管（４）との間に配置されていることを特徴とするバーナ。
【請求項２】
少なくとも一方のガス供給管（６、７）がガス旋回室（８、９）の上流側で２つの分岐管（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）に分かれ、一方の分岐管（６ａ、７ａ）が偏心状にガス旋回室（８、９）に連通し、他方の分岐管（６ｂ、７ｂ）が燃料ガス管（３）もしくは酸素含有ガス管（４）に直接的に連通していることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
各ガス供給管（６、７）に弁（１０、１１、１２、１３）が介装され、或いは各ガス供給管（６、７）が既に分岐管（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ）に分かれた部分に弁（１０、１１、１２、１３）が設けられ、バーナ（１）の火炎形状を調整可能とするように弁（１０、１１、１２、１３）の開度を変更する段階的調節機構又は連続的制御機構が装備されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のバーナ。
【請求項４】
弁（１０、１１、１２、１３）が電磁操作弁（１０、１１、１２、１３）として構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のバーナ。
【請求項５】
ガス旋回室（８、９）が燃料ガス管（３）の軸心と直交する面内で円形横断面形状を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のバーナ。
【請求項６】
少なくとも一方のガス供給管（６、７、６ａ、７ａ）がガス旋回室（８、９）に対して接線方向に連通していることを特徴とする請求項５に記載のバーナ。
【請求項７】
少なくとも１つの燃料ガス管（３）と少なくとも１つの酸素含有ガス管（４）とを通して燃料ガスと酸素含有ガスをバーナヘッド（２）へ送り込む外部混合式バーナ（１）の運転方法であって、燃料ガス及び／又は酸素含有ガスを偏心状にガス旋回室（８、９）に導入してガス旋回室内部で燃料ガスもしくは酸素含有ガスに旋回流を与え、ガス旋回室（８、９）を通過した後の燃料ガスもしくは酸素含有ガスを燃料ガス管（３）もしくは酸素含有ガス管（４）に供給することを特徴とするバーナ運転方法。
【請求項８】
ガス旋回室（８、９）を経由するか或いはガス旋回室（８、９）を経由することなくバーナ（１）に供給される燃料ガスと酸素含有ガスの単位時間当たりの供給量を段階的及び／又は連続的に調節し、その際に燃料ガスと酸素含有ガスを弁（１０、１１、１２、１３）を介して供給し、これらの弁の開度を、バーナ（１）が調整可能な所要形状を有する火炎を生成するように段階的調節機構及び／又は連続的制御機構を介して調節又は制御することを特徴とする請求項７に記載のバーナ運転方法。
【請求項９】
酸素含有ガスとして空気を用いることを特徴とする請求項７又は８に記載のバーナ運転方法。
【請求項１０】
酸素含有ガスとして酸素富化空気を用いることを特徴とする請求項７又は８に記載のバーナ運転方法。
【請求項１１】
通常の空気の酸素含有量よりも大なる酸素含有量、特に３０体積％よりも大きな酸素含有量を有するガスを酸素含有ガスとして用いることを特徴とする請求項７又は８に記載のバーナ運転方法。
【請求項１２】
７０体積％よりも大きく、特に９９．５体積％よりも大きい酸素含有量を有するガスを酸素含有ガスとして用いることを特徴とする請求項１１に記載のバーナ運転方法。
【請求項１３】
燃料ガスに旋回流を付与することを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１項に記載のバーナ運転方法。
【請求項１４】
酸素含有ガスに旋回流を付与することを特徴とする請求項７〜１３のいずれか１項に記載のバーナ運転方法。
【請求項１５】
燃料ガスと酸素含有ガスの双方に互いに同一旋回方向の旋回流を付与することを特徴とする請求項７〜１４のいずれか１項に記載のバーナ運転方法。
【請求項１６】
燃料ガスと酸素含有ガスの双方に互いに逆向きの旋回方向の旋回流を付与することを特徴とする請求項７〜１４のいずれか１項に記載のバーナ運転方法。
【請求項１７】
金属又はガラスの溶融における請求項１〜６のいずれか１項に記載の外部混合式バーナ（１）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナヘッドと、少なくとも１つの燃料ガス管と、少なくとも１つの酸素含有ガス管とを備え、バーナヘッドに燃料ガス管からのガスと酸素含有ガス管からのガスとを送り込む形式の外部混合式バーナに関する。本発明はまた、少なくとも１つの燃料ガス管と少なくとも１つの酸素含有ガス管とを通して燃料ガスと酸素含有ガスをバーナヘッドへ送り込む外部混合式バーナの運転方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
外部混合式バーナは様々な用途に利用されている。例えば金属やガラスを加熱溶融するために数多くの異なる構成のバーナが利用されている。溶融過程のあらゆる段階及び溶融炉の様々な負荷形態に適合するバーナを見つけることは１つの挑戦である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで本発明の課題は、数多くの利用分野で殆どの使用段階に有利に適合可能なバーナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題は、冒頭に記載した形式の外部混合式バーナにおいて、燃料ガス用及び酸素含有ガス用にそれぞれのガス供給管を装備し、これらガス供給管を燃料ガス用もしくは酸素含有ガス用の各供給源にそれぞれ接続し、少なくとも一方のガス供給管を偏心状にガス旋回室に連通させ、このガス旋回室を一方のガス供給管と燃料ガス管との間及び／又は他方のガス供給管と酸素含有ガス管との間に配置することによって解決される。
【０００５】
この場合、少なくとも一方のガス供給管はガス旋回室の上流側で２つの分岐管に分かれ、一方の分岐管が偏心状にガス旋回室に連通し、他方の分岐管が燃料ガス管もしくは酸素含有ガス管に直接的に連通していることが好ましい。
【０００６】
また、各ガス供給管に弁が介装され、或いは各ガス供給管が既に分岐管に分かれた部分に弁が設けられ、バーナの火炎形状を調整可能とするようにこれらの弁の開度を制御又は調節する制御機構又は調節機構が装備されていることが特に好ましい。
【０００７】
各弁は電磁操作弁として構成されていることが望ましい。これらの弁により火炎形状を例えば段階的に変更調整することができる。更に厳密な調整が要求される場合にはこれらの電磁操作弁の一部又は全てを電磁操作流量制御弁と取り替えることができる。流量制御弁は火炎形状を連続的に変更調整することができる。
【０００８】
ガス旋回室は燃料ガス管の軸心と直交する面内で円形横断面形状を有することが好ましい。この場合、少なくとも一方のガス供給管はガス旋回室に対して接線方向に連通していることが好ましい。これらの構成によって旋回流に対する流体摩擦抵抗を低下させ、バーナ全体として小型化することが可能となる。
【０００９】
バーナ運転方法に関して前記課題は、冒頭に記載した形式の外部混合式バーナを運転するに際して、燃料ガス及び／又は酸素含有ガスを偏心状にガス旋回室に導入してガス旋回室内部で燃料ガスもしくは酸素含有ガスに旋回流を与え、ガス旋回室を通過した後の燃料ガスもしくは酸素含有ガスを燃料ガス管もしくは酸素含有ガス管に供給することによって解決される。
【００１０】
この場合、ガス旋回室を経由するか或いはガス旋回室を経由することなくバーナに供給される燃料ガスと酸素含有ガスの単位時間当たりの供給量を段階的及び／又は連続的に調節し、その際に燃料ガスと酸素含有ガスを弁を介して供給し、これらの弁の開度を、バーナが調整可能な所要形状を有する火炎を生成するように段階的調節機構及び／又は連続的制御機構を介して調節又は制御することが好ましい。
【００１１】
例えば金属又はガラスを溶融するための工業溶融炉における燃焼バーナとしては多くの場合に燃料ガスと酸素とをバーナヘッドの外部で混合して供給する並流式バーナが利用される。空気を酸化剤として燃料ガスを燃焼させる場合、空気中の主成分である窒素は実質的にバラストガスとして働くことになる。そこで、近年では、排ガス量を減らすための対策として、空気よりも酸素含有量を高めた酸素富化空気を酸化剤に用いてバーナを運転することに移行しつつある。この対策の利点としては、酸化剤の窒素含有量が空気の場合よりも少ないので火炎温度が高まり、排ガス中の熱含有量が減少し、これにより一層高い熱効率を達成することができ、環境に有害な酸化窒素の発生が低減されることが挙げられる。
【００１２】
本発明においては、酸化剤として、空気のみならず、空気の酸素含有量よりも高い酸素含有量を有する酸素富化空気も好適に使用することができる。通常の空気を用いることの利点は、恒常的かつ無料で入手可能であることにある。酸素含有量を高めた酸素富化空気を用いることの利点は既に上述した通りである。
【００１３】
従って本発明の一実施形態によれば、酸素含有ガスとして空気が用いられる。空気は地球上のどこでも恒常的に無料で入手可能である。
【００１４】
本発明の別の一実施形態によれば、酸素含有ガスとして酸素富化空気が用いられる。この場合に得られる利点としては、この主の酸素富化空気は依然として価格が手頃であり、しかも潜在的には燃焼用酸化剤として酸素を利用することの諸利点、即ち、通常の空気に比べて低い窒素含有量と達成可能な高い燃焼温度を享受することができる。
【００１５】
本発明の好ましい一実施形態によれば、通常の空気の酸素含有量よりも大なる酸素含有量、特に３０体積％よりも大きな酸素含有量を有するガスが酸素含有ガスとして用いられる。燃焼用酸化剤として酸素を利用することの上記諸利点はこの実施形態において一層顕著に現れる。
【００１６】
本発明の特に好ましい一実施形態によれば、７０体積％よりも大きく、特に９９．５体積％よりも大きい酸素含有量を有するガスが酸素含有ガスとして用いられる。この場合、燃焼用酸化剤として酸素を利用することの上記諸利点は最大に現れるが、それに伴って酸化剤コストが上昇するので、現実的には、どの程度の酸素含有量が技術的に望ましく又は必要且つ経済的に是認可能であるのかの検討を用途ごとに行うべきである。
【００１７】
燃料ガスに旋回流を付与することは好ましいことであり、それにより、僅かに短縮された火炎中で燃料と酸素との良好な混合が起きる利点が得られる。
【００１８】
本発明の別の有利な一実施形態によれば、酸素含有ガスに旋回流が付与される。これが有利である理由は、この場合も火炎が多少短縮され、バーナを構造上多少単純に作製できるからである。
【００１９】
本発明の特に好ましい一実施形態によれば、双方に互いに同一旋回方向の旋回流が付与される。この場合、火炎が極めて短く且つ小さいくなるという利点が得られる。
【００２０】
本発明の更に別の一実施形態によれば、燃料ガスと酸素含有ガスとの双方に互いに逆向きの旋回方向の旋回流が付与される。これは、極端に短く且つ幅広の強い火炎が必要とされる場合に推奨することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の主な利点は、バーナの運転中に燃料の量を変更することなく火炎長をほぼ無段階で変更できることにある。例えばバーナノズルの交換など、バーナの変更も行う必要がない。火炎長は、要求に応じてその最大長の１／３にまで短くすることができる。
【００２２】
本発明は、固体材料を加熱溶融して液体材料とする工業プロセスに特に適している。その理由は、このような溶融プロセスでは溶融された材料がその形状を変化させ、この変化した材料形状に火炎形状を適合できるからである。
【００２３】
本発明の別の大きな利点として、バーナの作動を停止させる必要なしに、或いはまた例えば従来の旋回ディスクの交換等の何らか構造上の変更を必要とすることなしに、火炎長の変更が実質的に無段階で行われ、この場合、バーナの作動中に旋回流の付与を開始したり、或いは再び終了させたりすることができる。火炎形状の変更はバーナに設けられた各弁の開度調整だけで燃料ガスと酸素含有ガスの少なくとも一方の流量を変更することにより行われ、これらの弁の開度調整は本発明のバーナに付設された段階的調節機構又は連続的制御機構を介して行われる。
【００２４】
本発明に係る外部混合式バーナは金属又はガラスを溶融する用途に特に適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の特徴と利点を図示の実施形態に基づいて詳述すれば以下の通りである。
【００２６】
図に詳細に示すバーナ１は、バーナヘッド２、酸素含有ガス管４、そして燃料ガス管３（図１には表れていない）を備えている。両ガス管は同軸に配置され、詳細には燃料ガス管３が酸素含有ガス管４の内側に同軸に取付けられている。このような構成のバーナ１は並流式バーナとも呼ばれている。燃料ガスとして例えば天然ガスが利用される。
【００２７】
燃料ガスと酸素含有ガスとを同一方向の旋回流とする場合の実施例についてバーナ１の作動を説明すると次の通りである。先ず、弁１０を開くと図示しない供給源からの天然ガスがガス供給管６からその一方の分岐管６ａを介してガス旋回室８に流入し、そこで天然ガス流が旋回流にされる。このとき、他方の分岐管の弁１１は閉じられたままである。
【００２８】
一方、酸素富化空気はガス供給管７とその一方の分岐管７ａを介してガス旋回室９に送られ、そこでこの酸素富化空気流が天然ガス流と同一旋回方向の旋回流にされる。このとき弁１２が開かれ、弁１３は閉じられたままである。
【００２９】
酸素富化空気流はガス旋回室９から酸素含有ガス管４に流入し、天然ガス流はガス旋回室８から燃料ガス管３に流入する。
【００３０】
バーナヘッド２では送り込まれた両方のガス流が混じり合い、特徴的な火炎が生じる。発生する火炎の形状は弁１０、１１、１２、１３の調整開度に直接依存する。
【００３１】
例えば弁１１を開き、しかも弁１０を閉じた状態で燃料ガスを供給した場合、即ち、天然ガスに旋回流を付与しない状態では火炎は細長くなる。即ち、この場合の火炎は、両方のガス流に旋回流を付与した場合の火炎長よりも長くなる。
【００３２】
同様に、天然ガスだけを旋回流とし、酸素含有ガス流は旋回させずに分岐管７ｂから開かれた弁１３を介して酸素含有ガス管４に供給することもできる。
【００３３】
弁１０、１１、１２及び／又は１３を段階的調節弁又は連続的制御弁として構成することによってこれらの弁の中間開度位置、つまり複数の調整絞り開度を与えることが可能である。これにより、火炎長はほぼ或いは完全に無段階で調整可能になる。実際の火炎形状の変更は、バーナ１の作動中に弁１０、１１、１２、１３の開閉及び開度調整を好ましくは電磁操作で行う段階的調節機構又は連続的制御機構によって問題なく可能である。
【００３４】
燃料ガスと酸素含有ガスの単位時間当たりの供給量は火炎形状の境界条件と解する必要がある。一度選択した供給量はバーナの作動中一定に維持される。弁１０、１１、１２、１３の開閉ポジション又は開度ポジションを選択するだけで、短く強い幅広の火炎から長くて細い火炎までほぼ無段階に生成させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係るバーナを示す側面図である。
【図２】図１のＡ‐Ａ線矢視断面図である。
【図３】図１のＢ‐Ｂ線矢視断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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