(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、バーナを大型化することなく、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】外側管状火炎バーナ（通常の管状火炎バーナ）１１の内部に管軸を一致させて小型の管状火炎バーナ１２を設置して、多重管状火炎バーナ１０を構成する。【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、燃料ガスを燃焼する管状火炎バーナにおいて、外側に設置された外側管状火炎バーナと、該外側管状火炎バーナの内部に設置された内側管状火炎バーナとを備えていることを特徴とする多重管状火炎バーナ。
【請求項２】
前記内側管状火炎バーナにおける旋回流の旋回方向と、前記外側管状火炎バーナにおける旋回流の旋回方向とが同一方向であることを特徴とする請求項１に記載の多重管状火炎バーナ。
【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、バーナの大きさを殆ど変えずに、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重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】
特許文献１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。
【０００４】
１００×（Ｑ／０．３）１／２≦１０００×Ｄ≦３００×（Ｑ／２）１／２
【０００５】
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】
【０００６】
【特許文献１】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】
【０００７】
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、燃焼負荷をさらに大きくしたい場合には、前述したように管の内径を太くするか、もしくは管の長さを延長する等、バーナの大型化が必要である。
【０００８】
また、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問題がある。失火に対応するためには、パイロットバーナを常時点火するといった対応が考えられるが、失火の際に発生する乱流渦によりパイロットバーナ自体も失火する可能性があり、パイロットバーナの火炎を保護する必要がある。このため、パイロットバーナの燃焼部を管状火炎バーナの外に設置する必要があり、バーナが大型化する問題がある。
【０００９】
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、バーナを大型化することなく、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】
【００１０】
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。
【００１１】
［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、燃料ガスを燃焼する管状火炎バーナにおいて、外側に設置された外側管状火炎バーナと、該外側管状火炎バーナの内部に設置された内側管状火炎バーナとを備えていることを特徴とする多重管状火炎バーナ。
【００１２】
［２］前記内側管状火炎バーナにおける旋回流の旋回方向と、前記外側管状火炎バーナにおける旋回流の旋回方向とが同一方向であることを特徴とする前記［１］に記載の多重管状火炎バーナ。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の多重管状火炎バーナは、各種工業炉で使用可能な管状火炎バーナとして、バーナを大型化することなく、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。
【００１４】
すなわち、本発明においては、通常の管状火炎バーナを外側管状火炎バーナとし、その外側管状火炎バーナの内部に小さな管状火炎バーナを内側管状火炎バーナとして設置しているので、バーナの外形を大きく変えること無く、最大燃焼負荷を大幅に向上させる。
【００１５】
また、内側管状火炎バーナが外側管状火炎の輻射熱により蓄熱するため、ガス圧力もしくは空気圧力の急激な変動などにより瞬間的に失火する場合においてもすばやい再着火が可能であり、保炎機能を有するため、失火に因る爆発の危険性を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態における多重管状火炎バーナの縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における多重管状火炎バーナの横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態について述べる。
【００１８】
管状火炎バーナにおいては、遠心力により比重の重い未燃ガスは管壁近くに集中し、管中心部には殆ど存在しない。つまり、管中心部はガス燃焼には殆ど寄与しない領域であると言える。そこで、この領域に小型の管状火炎バーナを設置し、新たな燃焼領域を設けることで、バーナ外形を大きく変更することなく、最大燃焼負荷を向上させることが可能となる。
【００１９】
具体的には、図１に本発明の一実施形態における多重管状火炎バーナ１０の縦断面図を示し、図２に本発明の一実施形態における多重管状火炎バーナ１０の横断面図を示すように、外側管状火炎バーナ（通常の管状火炎バーナ）１１の内部に管軸を一致させて小型の管状火炎バーナ１２を設置して、多重管状火炎バーナ（ここでは、二重管状火炎バーナ）１０を構成する。なお、図１、図２において、１、３、５、７はそれぞれ外側管状火炎バーナ１の本体、管状火炎、燃料ガス供給口、燃焼用空気供給口であり、２、４、６、８はそれぞれ内側管状火炎バーナ２の本体、管状火炎、燃料ガス供給口、燃焼用空気供給口である。
【００２０】
これによって、バーナ外形を大きく変更することなく、最大燃焼負荷を向上させることが可能となる。
【００２１】
また、内側管状火炎バーナ１２の本体２は、外側管状火炎３の輻射熱により加熱され、高温の蓄熱体として機能する。このため、外側管状火炎バーナ１１、内側管状火炎バーナ１２のいずれかが燃料ガスもしくは燃焼用空気の供給圧の急激な変動や、バーナ出口圧力の急激な変動などにより、瞬間的に失火するような状況においても、圧力が正常に戻った瞬間に、急速な再着火が可能であり、失火に対する安定性が大幅に向上する。
【００２２】
ここで、内側管状火炎バーナ１２の本体２の材質としては、蓄熱量が大きく、耐熱性が高い素材が望ましく、各種耐火物、セラミックスなどを用いることが可能である。成形性の良さと耐熱性の高さ、気密性の高さから、セラミックスを用いることが望ましい。
【００２３】
また、内側管状火炎バーナ本体２の管内径ＤＳは、外側管状火炎バーナ本体１の管内径をＤＬとした場合、０．３ＤＬ〜０．７ＤＬの範囲とすることが望ましい（０．３ＤＬ≦ＤＳ≦０．７ＤＬ）。なぜなら、内側管状火炎バーナ本体２の管内径ＤＳが０．３ＤＬ未満では、バーナ出力向上効果が小さく、また、内側管状火炎バーナ本体２の管内径ＤＳが０．７ＤＬ超えでは、外側管状火炎３の燃焼後の排ガスの通り道が狭くなり、安定した旋回流形成を阻害する恐れがあるためである。
【００２４】
また、外側管状火炎バーナ１１と内側管状火炎バーナ１２の長さは、供給する燃料ガス比率を変更することにより変更可能であるが、外側管状火炎バーナ１１と内側管状火炎バーナ１２の燃焼がなるべく同じ長さで終了するように設定することで最も短くすることが可能となる。
【００２５】
一例として、外側管状火炎バーナ(通常の管状火炎バーナ)１１が長さＬにおいて燃焼が完了する場合、燃焼負荷を変更しない場合の多重管状火炎バーナ（二重管状火炎バーナ）１０の長さＬ’は以下の式で示される。
【００２６】
Ｌ’＝Ｌ×（ＤＬ／（ＤＳ＋ＤＬ））
【００２７】
なお、外側管状火炎バーナ１１の旋回流（管状火炎）３の旋回方向と、内側管状火炎バーナ１２の旋回流（管状火炎）４の旋回方向とは、旋回方向が同一方向であっても逆方向であってもよいが、燃焼後排ガス流れの安定性を確保するためには、同一方向とすることが望ましい。
【００２８】
このようにして、この実施形態における多重管状火炎バーナ１０は、各種工業炉で使用可能な管状火炎バーナとして、バーナを大型化することなく、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。
【００２９】
すなわち、この実施形態における多重管状火炎バーナ１０は、通常の管状火炎バーナを外側管状火炎バーナ１１とし、その外側管状火炎バーナ１１の内部に管軸を一致させて小さな管状火炎バーナを内側管状火炎バーナ１２として設置しているので、バーナの外形を大きく変えること無く、最大燃焼負荷を大幅に向上させる。
【００３０】
また、内側管状火炎バーナ１２が外側管状火炎３の輻射熱により蓄熱するため、ガス圧力もしくは空気圧力の急激な変動などにより瞬間的に失火する場合においてもすばやい再着火が可能であり、保炎機能を有するため、失火に因る爆発の危険性を低減することが可能となる。
【００３１】
詳説すると、この実施形態では、従来燃焼のために有効に使われていなかった、管状火炎バーナ（外側管状火炎バーナ）１１の管状火炎３内部の部分を利用して新たに管状火炎バーナ（内側管状火炎バーナ）１２を設置しているので、バーナの外形を大きく変えることなく、最大燃焼負荷を向上することが可能となっている。これは、同一の最大燃焼負荷の管状火炎バーナであれば、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。
【００３２】
また、内側管状火炎バーナ１２が外側管状火炎バーナ１１の輻射熱により加熱され、蓄熱することで、燃料ガスや燃焼用空気の急な変動に因る失火時にも着火用の熱を供給することができるため、すばやい再着火が可能となり、失火による爆発危険性を大幅に低減できる。内側管状火炎バーナ１２の火炎４は内側管（内側管状火炎バーナ本体）２によって保護されており、外部管状火炎バーナ１１の圧力変動の影響を受けること無く燃焼が可能である。また、外側管状火炎バーナ１１は、外側管（外側管状火炎バーナ本体）１と内側管（内側管状火炎バーナ本体）２の隙間がガス（燃料ガス、燃焼用空気、燃焼ガス）の通り道となり、ガス流れが制御されるため、安定した管状火炎の形成を実現することが可能である。
【００３３】
なお、この実施形態においては、外側管状火炎バーナ１１と内側管状火炎バーナ１２の管軸を一致させているが、場合によっては、外側管状火炎バーナ１１と内側管状火炎バーナ１２の管軸が異なっていてもよい。すなわち、外側管状火炎バーナ１１の管状火炎３の内部に、内側管状火炎バーナ１２を設置するようにすればよい。
【００３４】
そして、本発明の多重管状火炎バーナは、二重管構造の二重管状火炎バーナに限らず、三重管構造の三重管状火炎バーナ、四重管構造の四重管状火炎バーナも可能であるが、構造が複雑となる上、最も内側の管の内径は非常に小さくなるため大幅な出力向上は望めないので、二重管構造（二重管状火炎バーナ）とするのが好ましい。
【実施例１】
【００３５】
本発明の実施例について述べる。
【００３６】
（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。
【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。
【００３８】
（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、多重管状火炎バーナ（二重管状火炎バーナ）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と同様の管状火炎バーナを外側管状火炎バーナ(外側バーナ)とし、その内側に、管軸を一致させて、内径９０ｍｍの内側管状火炎バーナ(内側バーナ)を設置した。内側管状火炎バーナの長さは、燃料ガス供給口と燃焼用空気供給口の長さを考慮し、外側管状火炎バーナの長さ（１４００ｍｍ）に２００ｍｍ加え、１６００ｍｍとした。また、内側管状火炎バーナは外側管状火炎の輻射熱に耐えられるように、セラミック製とした。
【００３９】
そして、まず、内側管状火炎バーナに、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することが確認できた。そのまま約１０分間安定燃焼を確認した後、外側管状火炎バーナに、燃料ガス（希釈ＬＰＧ：発熱量２９５８ｋｃａｌ／Ｎｍ３）と燃焼用空気を表１に示す条件で送ったところ、蓄熱した内側管状火炎バーナによって着火し、管状火炎を形成して燃焼することが確認された。
【００４０】
これらの比較例（通常の管状火炎バーナ）と本発明例（二重管状火炎バーナ）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１８０ｋＷであり、比較例の１．５倍になった。
【００４１】
これによって、本発明の有効性が確認された。
【００４２】
【表１】
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【符号の説明】
【００４３】
１  外側管状火炎バーナの本体
２  内側管状火炎バーナの本体
３  外側管状火炎バーナの管状火炎（外側管状火炎）
４  内側管状火炎バーナの管状火炎（内側管状火炎）
５  外側管状火炎バーナの燃料ガス供給口
６  内側管状火炎バーナの燃料ガス供給口
７  外側管状火炎バーナの燃焼用空気供給口
８  内側管状火炎バーナの燃焼用空気供給口
１０  多重管状火炎バーナ
１１  外側管状火炎バーナ（通常の管状火炎バーナ）
１２  内側管状火炎バーナ
【図１】
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【図２】
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