(57)【要約】【課題】各種工業炉で使用可能な管状火炎バーナとして、大型化すること無く（特に、バーナの断面積を変えずに）、最大燃焼負荷と燃焼安定性を大幅に向上することができる新たな管状火炎バーナを提供する。【解決手段】複数の小型の管状火炎バーナ１１を束ねた多管式管状火炎バー１０であり、それら管状火炎バーナ１１の円管５の先端部は一つの結合管６に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円管の一方の端部を閉塞し、円管内面の接線方向に向けて燃料ガスと燃焼用空気を送り、旋回流を発生させて、燃料ガスを燃焼させる管状火炎バーナにおいて、複数の管状火炎バーナを束ね、それらの管状火炎バーナの円管の他方の端部を一つの円管に接続したことを特徴とする多管式管状火炎バーナ。
【請求項２】
それぞれの管状火炎バーナへの燃焼用空気の供給を一つ燃焼用空気供給配管にまとめていることを特徴とする請求項１に記載の多管式管状火炎バーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種工業炉で使用可能な管状火炎バーナとして、バーナの断面積を変えずに、最大燃焼負荷と燃焼安定性を大幅に向上することができる多管式管状火炎バーナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
管状火炎バーナは、非常に簡単な構造でありながら、燃料ガスと燃焼用空気を強力な旋回流で混合することにより高い燃焼効率を示す。また、旋回流の遠心力によって比重の重い未燃焼ガスが管壁付近に集まるため、これが断熱層となって抜熱を抑制し、発熱量の低い燃料ガスを燃焼することが可能である。特に、製鉄所においては、発熱量の低い高炉ガス、転炉ガス、コークス炉ガス等の副生ガスを大量に使用し、燃料ガスとして燃焼して各種加熱炉に使用しているため、これらの燃焼用バーナとしての運用が期待されている。
【０００３】
例えば、特許文献１において、高炉ガスを燃焼し、熱風を発生させて高炉シャフト部に吹き込み、操業不調時の高炉上部熱不足を解消する方法が示されているが、管状火炎バーナは熱量の低い高炉ガスを安定して燃焼可能であり、また予混合型バーナと比較して燃焼室を小型にできるため、その点からは、特許文献１に示された方法を実現するために用いる高炉ガス燃焼用バーナとして適している。
【０００４】
一方、特許文献２においては、管状火炎バーナを製鉄所のような大規模設備で使用することを前提とし、１０〜４０ＭＷの大出力において管状火炎バーナを設計する方法が示されている。この中で管内径Ｄ（ｍ）と最大燃焼負荷Ｑ（ＭＷ）の関係について述べられており、管内径Ｄ（ｍ）は以下の式を満足するように規定すべきであるとしている。
【０００５】
１００×（Ｑ／０．３）１／２≦１０００×Ｄ≦３００×（Ｑ／２）１／２
【０００６】
この式はバーナの最大燃焼負荷Ｑが管内径Ｄで規定されることを示しており、従来の管状火炎バーナにおいて最大燃焼負荷を上げるためには、管内径Ｄを拡大し大型化する必要があることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２１４７３５号公報
【特許文献２】特開２０１０−７８１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、管状火炎バーナは、特許文献１に示された方法を実現するために用いる高炉ガス燃焼用バーナとして適しているが、特許文献２の記載に基づいて、最大燃焼負荷を上げるために管径を太くしようとすると、以下のような問題が生じて、適用が制限されてしまう。
【０００９】
すなわち、管状火炎バーナを特許文献１に示される高炉ガス燃焼用バーナとして用いる場合、高炉シャフト部に孔を空け、炉体冷却用ステーブを通してバーナを取り付けなければならないが、孔がステーブ冷却用配管位置にかからないよう配慮する必要があり、管径を太くすることは、実質的に困難である。
【００１０】
加えて、バーナ設置位置として、高炉シャフト部という高所に設置する必要があり、バーナメンテナンス性向上のためにも、なるべく小型であることが望まれるが、バーナ長さは燃焼負荷によって必要な長さが決定されるので、最大燃焼負荷を上げようとするとバーナ長さが長くなり、小型化は困難になる。
【００１１】
また、最大燃焼負荷が大きい大型の管状火炎バーナにおいては、電気プラグによる着火が困難であり、パイロットバーナが必要となるため、パイロットバーナ本体、パイロットバーナに供する燃料ガス・燃焼用空気配管、制御装置が必要となり、小型化を妨げる要因となっている。
【００１２】
さらに、管状火炎バーナは、予混合バーナのようにガス供給側にバッファーを持たず、ガスの流量変動・圧力変動の影響を直接受けるため、ガスの流量変動・圧力変動時に混合比率が変化し失火し易いといった課題がある。
【００１３】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、各種工業炉で使用可能な管状火炎バーナとして、大型化すること無く（特に、バーナの断面積を変えずに）、最大燃焼負荷と燃焼安定性を大幅に向上することができる新たな管状火炎バーナを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような特徴を有している。
【００１５】
［１］円管の一方の端部を閉塞し、円管内面の接線方向に向けて燃料ガスと燃焼用空気を送り、旋回流を発生させて、燃料ガスを燃焼させる管状火炎バーナにおいて、複数の管状火炎バーナを束ね、それらの管状火炎バーナの円管の他方の端部を一つの円管に接続したことを特徴とする多管式管状火炎バーナ。
【００１６】
［２］それぞれの管状火炎バーナへの燃焼用空気の供給を一つ燃焼用空気供給配管にまとめていることを特徴とする前記［１］に記載の多管式管状火炎バーナ。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の多管式管状火炎バーナは、各種工業炉で使用可能な管状火炎バーナとして、大型化すること無く（特に、バーナの断面積を変えずに）、最大燃焼負荷と燃焼安定性を大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態における多管式管状火炎バーの外観図である。
【図２】（ａ）は図１のＡ−Ａ矢視断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
管状火炎バーナにおいては、管内の旋回流による遠心力によって比重の重い未燃焼ガスが管壁側に偏在し、管壁近くに管状火炎が形成される。このため、バーナの最大燃焼負荷はほぼ管内面の表面積によって決定され、つまり管内面の円の円周長によって決まると言える。
【００２０】
そこで、本発明者らは、同一の断面積の場合、円は１つの場合より複数の場合のほうが合計の円周長が長くなることに着目し、小型の管状火炎バーナを複数束ねて最大燃焼負荷の向上を図るようにした。
【００２１】
また、複数に分散した小型バーナをまとめることにより信頼性を向上させる手法は、宇宙開発におけるロケットエンジンのクラスタ化などで適用されており、管状火炎バーナにおいても燃焼性安定の手法としても有効である。
【００２２】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態における多管式管状火炎バーの外観図であり、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ矢視断面図、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【００２４】
図１、図２に示すように、本発明の一実施形態における多管式管状火炎バー１０は、複数（ここでは３個）の小型の管状火炎バーナ１１を束ねたものである。それぞれの管状火炎バーナ１１は、円管（管状火炎バーナ本体）５の一方の端部（後端部）が閉塞され、円管５内面の接線方向に向けて燃料ガス供給配管２と燃焼用空気供給配管１からそれぞれ燃料ガスと燃焼用空気が送られて、円管５内に旋回流を発生させて、燃料ガスを燃焼させるようになっている。そして、それらの管状火炎バーナ１１の円管５の他方の端部（先端部）は一つの円管（結合管）６に接続されているおり、それぞれの管状火炎バーナ１１の燃焼ガス（管状火炎）７が結合管６内に流入するようになっている。ちなみに、結合管６の後端部では円管５同士の隙間（開口部）が鉄板等によって閉塞されている。なお、図１、図２において、３は失火検知器、４は電気プラグである。
【００２５】
このようにして、この実施形態における多管式管状火炎バー１０においては、複数（ここでは３個）の小型の管状火炎バーナ１１を束ねて同時に燃焼させることにより、管状火炎が形成される面積を拡大する事ができるため、同じ断面積を有する１本の管状火炎バーナと比較して、最大燃焼負荷を向上する事が可能となる。
【００２６】
この際、管状火炎バーナ１１の本数を増やすほど最大燃焼負荷を向上する事が可能であるが、本数を増やしすぎると構造が複雑となり、各バーナ１１への供給配管、センサー類、制御装置等によりコストが高くなるため、管状火炎バーナ１１の本数は最大で４本程度とすることが望ましい。
【００２７】
また、各管状火炎バーナ１１への配管接続を簡略化するため、供給配管を一つにまとめ、そこから各管状火炎バーナ１１へ供給することも可能であるが、この場合、図２（ａ）に示すように、燃焼用空気供給配管１のみを１つにまとめるものとし、燃料ガス供給配管２は個別としなければならない。なぜなら、各管状火炎バーナ１１の失火の際に、失火した管状火炎バーナ１１への燃料ガスの供給を速やかに遮断する必要があるからである。
【００２８】
さらに、各管状火炎バーナ１１の先端部（結合管６への接続部）に遮断弁を用意することが望ましい。これにより、１つの管状火炎バーナ１１が失火した場合や、メンテナンス中において、その管状火炎バーナ１１の遮断弁を閉じて、他の管状火炎バーナを運転することにより、継続して燃焼が可能である。
【００２９】
このようにして、この実施形態における多管式管状火炎バー１０は、各種工業炉で使用可能な管状火炎バーナとして、大型化すること無く（特に、バーナの断面積を変えずに）、最大燃焼負荷と燃焼安定性を大幅に向上することができる。
【００３０】
すなわち、管状火炎バーナにおいては、管状火炎が円管内面付近に形成されるため、バーナの最大燃焼負荷はほぼ円管内面の表面積に比例するが、この実施形態における多管式管状火炎バー１０では、小型の管状火炎バーナ１１を複数束ねることにより円管５内面の表面積を拡大することができ、最大燃焼負荷を向上させることが可能となる。逆に言えば、最大燃焼負荷が同一であれば、バーナ形状をより小さく設計することが可能であることを示している。
【００３１】
また、複数の管状火炎バーナ１１を使用して燃焼を行うため、１本の管状火炎バーナ１１が失火した場合においても、残りの管状火炎バーナ１１では継続して燃焼が可能であり、失火時の変動を減少することが可能である。特に、特許文献１に示されるように高炉シャフト部に予熱ガス吹き込み用バーナとして設置する場合、バーナ出力の急激な低下により、炉内のガス流れが変化し、炉内の通気性悪化や吹き抜け等、高炉操業に悪影響を及ぼす可能性があり、バーナの出力変動を抑制する事は非常に重要である。
【００３２】
さらに、小型の管状火炎バーナ１１を複数使用することにより、電気プラグ４によるスパークを用いた着火が容易となり、パイロットバーナを省略することが可能となる。パイロットバーナ本体のほか、ガス・燃焼用空気供給用配管も省略できるため、小型化が可能となり、バーナ構造の簡素化によりメンテナンス性が向上するといったメリットもある。
【実施例１】
【００３３】
本発明の実施例について述べる。
【００３４】
（比較例）
比較例として、通常の管状火炎バーナを製作した。すなわち、内径１８０ｍｍ、長さ１４００ｍｍのＳＵＳ管（本体）の片側を閉じ、スリット状の燃焼ガス供給口と燃焼用空気供給口とを、燃焼用空気および燃料ガスが本体内面の接線方向に流れるように設置して、管状火炎バーナを製作した。
【００３５】
そして、この管状火炎バーナに、燃料ガス（希釈ＬＰＧ：発熱量２９５８ｋｃａｌ／Ｎｍ３）と燃焼用空気を表１に示す条件で供給し、電気プラグにて着火したところ、管状火炎を形成して燃焼し、管状火炎の燃焼がバーナ先端で終了していることが確認された。
【００３６】
（本発明例）
本発明例として、上述の本発明の一実施形態に基づいて、多管式管状火炎バーナ（三管式管状火炎バーナ）を製作した。すなわち、上記の比較例で製作した通常の管状火炎バーナに比べて断面積が１／３の小型の管状火炎バーナ（内径１０４ｍｍ）を３本束ね、それぞれの管状火炎バーナの先端を内径１３１ｍｍ、長さ２００ｍｍの結合管に差込み、結合管の後端部の開口部を鉄板で塞いだ構造の多管式管状火炎バーナ（三管式管状火炎バーナ）を製作した。
【００３７】
そして、この管状火炎バーナに、燃料ガス（希釈ＬＰＧ：発熱量２９５８ｋｃａｌ／Ｎｍ３）と燃焼用空気を表１に示す条件で供給し、電気プラグによるスパークで着火したところ、３本の管状火炎バーナがともに安定して燃焼し、管状火炎の燃焼がバーナ先端で終了していることが確認された。
【００３８】
これらの比較例（通常の管状火炎バーナ）と本発明例（三管式管状火炎バーナ）の最大燃焼負荷を比較すると、表１に示すように、比較例では１２０ｋＷであるのに対して、本発明例では２００ｋＷであり、比較例の約１．７倍になった。
【００３９】
これによって、本発明の有効性が確認された。
【００４０】
【表１】
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【符号の説明】
【００４１】
１  燃焼用空気供給配管
２  燃料ガス供給配管
３  失火検知器
４  電気プラグ
５  円管
６  結合管
７  管状火炎
１０  多管式管状火炎バーナ
１１  管状火炎バーナ
【図１】
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【図２】
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