(57)【要約】  燃料ガスと助燃ガスを含むガスを簡単な構成でより均一に混合させて噴射することのできるガス噴射装置を提供する。  燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２を含む混合ガスＧ３を噴射させるガス噴射装置１０であって、前記混合ガスを噴射させるノズル１１０を備え、ノズル１１０より上流側で燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２が混合され、混合ガスＧ３が前記ノズル１１０に供給される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び助燃ガスを含む混合ガスを噴射させるガス噴射装置であって、
前記混合ガスを噴射させるノズルを備え、
前記ノズルより上流側で前記燃料ガス及び助燃ガスが混合され、前記混合ガスが前記ノズルに供給されることを特徴とするガス噴射装置。
【請求項２】
前記ノズルを先端に有するパイプと、
前記パイプの前記ノズルより上流側に接続される燃料ガス供給管及び助燃ガス供給管と、を備え、
前記燃料ガス供給管から供給される燃料ガスと、前記助燃ガス供給管から供給される助燃ガスとが、前記パイプの前記ノズルより上流側で混合されて、前記混合ガスが前記ノズルに供給される請求項１に記載のガス噴射装置。
【請求項３】
前記パイプの内部は、断面円状であり、
前記燃料ガス供給管及び前記助燃ガス供給管は、それぞれ、燃料ガス及び助燃ガスが前記パイプの内周面を旋回するように、前記パイプの内周の接線方向に向けて接続される請求項２に記載のガス噴射装置。
【請求項４】
前記燃料ガス供給管及び前記助燃ガス供給管は、前記パイプの周方向に間隔をあけて、前記パイプに接続され、
前記パイプの周方向に隣り合う２つの管の間隔は、等しい請求項２または請求項３に記載のガス噴射装置。
【請求項５】
前記燃料ガス供給管及び前記助燃ガス供給管は、前記パイプに周方向に交互に接続される請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載のガス噴射装置
【請求項６】
前記燃料ガス供給管及び前記助燃ガス供給管は、それぞれ、燃料ガス及び助燃ガスが前記パイプ内に前記ノズルに向けて供給されるように、前記パイプの径方向に対して傾斜して取り付けられている請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載のガス噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び助燃ガスを含む混合ガスを噴射するガス噴射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、溶融金属あるいは溶融スラグあるいは溶融ガラス（以後、溶融物体と称する）の加熱方法としては主として以下の３つの方法がある。【０００３】
まず、ガスバーナーや重油バーナーにより燃料を燃焼させて火炎を形成し、火炎の燃焼熱で溶融物体を加熱する方法がある。【０００４】
次に、酸素ガスを超音速にて溶融金属に噴射して溶融金属中に含まれるカーボンやシリコンや燐や硫黄等の元素を酸化させ、この酸化反応熱によって加熱する方法がある。この方法では、酸素を溶融金属に噴射して溶融金属を攪拌することで、加熱効率を向上させている。【０００５】
さらに、電極を電気炉に挿入し、アーク放電を発生させ加熱する方法（いわゆるアーク加熱）がある。【０００６】
しかし、これらの加熱方法には以下の問題点があった。【０００７】
ガスバーナーや重油バーナーによる加熱の場合、火炎を形成させねばならない。この場合は燃料と助燃ガスの混合物の噴射速度が速すぎると火炎が噴射口に定着せずに飛んでしまういわゆる吹き消え現象が生じる。従って、燃料ガスと助燃ガスの混合物の噴射速度を火炎伝播速度以下となるように制限する必要があるが、火炎伝播速度以下の条件では火炎の衝突エネルギーが小さいために溶融物体を攪拌する力が弱く加熱速度が低く加熱効率も悪くなる。これらを解決するために溶融物体攪拌用の装置を別途設けなくてはならないという問題があった。【０００８】
特に酸素を溶融金属に噴射して加熱する方法では、溶融金属中に含まれる元素であるカーボンの酸化時に主としてCOガスが溶融金属中に生じ、このガス気泡が溶融金属表面で破裂する際に溶融金属の液滴を吹き飛ばす現象によるバブルバーストダストが発生する。これにより、溶融金属の歩留まりが低下するという問題があった。【０００９】
また、電気加熱では、電源のトランス容量によって単位時間当たりの供給熱量に制限があった。また、黒鉛電極は非常に高価であり、コストが高くなるという問題があった。【００１０】
そこで、本発明者は、溶融物体に対して、ガス噴射装置により燃料ガスと助燃ガスとを混合した混合ガスを高速で噴射することで、前述の問題点について解決することを見出した。本発明者が見出した方法は、特に、溶融物体が燃料ガスの着火温度以上の温度である場合に有効である。【００１１】
燃料ガスと助燃ガスを混合した混合ガスを溶融物体に高速で噴射すると、混合ガスは高速を保ったまま溶融物体に衝突するので、溶融物体が強攪拌される。混合ガスが溶融物体に衝突した後、混合ガスは溶融物体の熱によって着火し混合ガスの燃焼反応が起こり、溶融物体は加熱される。【００１２】
このようなガス噴射装置においては、混合ガスは溶融物体の表面または内部で燃焼するため、ガスバーナーのように火炎の輻射熱で加熱する場合に比べて熱効率が非常に高い。【００１３】
また、燃焼して高温になった混合ガスは、溶融物体で気泡となり浴面から出ていくが、浴面から出ていくまでに燃焼ガスの保有している熱は溶融物体へ伝達されるため、燃焼ガスの温度が低下する。これにより燃焼ガス気泡の体積は収縮するのでバブルバーストダストの発生も抑制される。【００１４】
以上のように、種々の溶融物体の加熱方法において、混合ガスを高速に噴射して溶融物体を加熱することで、溶融物体が強攪拌されるとともに主として溶融物体内部で燃焼反応が起こるので、熱効率の改善および加熱速度の向上に有効であることを発明者は見出した。【００１５】
この種のガス噴射装置として様々なものが提案されている。特許文献1には、中心管と外管からなる二重管を設け、燃料ガスを中心管に、助燃ガスを外管と中心管の間に流し、両流体をノズルを介して混合させて高速に噴射させるガス噴射装置が開示されている。【００１６】
しかし、特許文献１のガス噴射装置では、ノズルの先で流体の乱流に頼って燃料ガスと助燃ガスとの混合を行っているため、燃料ガスと助燃ガスが均一に混合されておらず、溶融物体を効率良く加熱できないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００５−１１３２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料ガスと助燃ガスとを均一に混合した混合ガスを音速近傍の高速にて噴射し、高効率の加熱ができるガス噴射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するため、本発明は、燃料ガス及び助燃ガスを含む混合ガスを噴射させるガス噴射装置であって、
前記混合ガスを噴射させるノズルを備え、
前記ノズルより上流側で前記燃料ガス及び助燃ガスが混合され、前記混合ガスが前記ノズルに供給されることを特徴とするガス噴射装置を提供している。【００２０】
前記構成によれば、燃料ガスと助燃ガスとが混合された状態でノズルから噴射されるので、噴射される混合ガスはガスの混合が均一であり、音速近傍の高速にて噴射されその衝突エネルギーで溶融物体を撹拌できるため、溶融物体を効率良く加熱することができる。【００２１】
燃料ガスとしては、例えば、液化石油ガス（ＬＰＧ）や液化天然ガス（ＬＮＧ）、ブタンガス、水素ガス、ＣＯガス、メタンガスなどを挙げることができる。また、助燃ガスとしては、例えば、酸素ガスを挙げることができる。【００２２】
また、本発明のガス噴射装置が加熱する対象物は、燃料ガスの発火温度以上の温度を備えることが好ましい。【００２３】
前記ノズルを先端に有するパイプと、
前記パイプの前記ノズルより上流側に接続される燃料ガス供給管及び助燃ガス供給管と、を備え、
前記燃料ガス供給管から供給される燃料ガスと、前記助燃ガス供給管から供給される助燃ガスとが、前記パイプの前記ノズルより上流側で混合されて、前記混合ガスが前記ノズルに供給されることが好ましい。【００２４】
前記構成によれば、燃料ガス供給管及び助燃ガス供給管から供給された燃料ガス及び助燃ガスはパイプ内を各ガス供給管からノズルに向けて流れるので、パイプ内を流れる間に燃料ガス及び助燃ガスの混合を均一とすることができる。【００２５】
また、燃料ガス供給管及び助燃ガス供給管からパイプに供給される燃料ガス及び助燃ガスの圧力を調整することで、混合ガスのガス噴射速度を音速近傍の高速の領域に制御することができる。【００２６】
また、燃料ガス供給管及び助燃ガス供給管からパイプに供給される燃料ガス及び助燃ガスの量を調整し、ガス噴射装置から噴出される混合ガスに含まれる燃料ガスと助燃ガスの比率を変化させることができる。【００２７】
混合ガスは、助燃ガスの比率が高い場合には燃料ガスが燃焼しても助燃ガスが残る酸化性ガスとなり、助燃ガスの比率が低い場合には燃料ガスが残る還元性ガスとなる。【００２８】
前記パイプの内部は、断面円状であり、
前記燃料ガス供給管及び前記助燃ガス供給管は、それぞれ、燃料ガス及び助燃ガスが前記パイプの内周面を旋回するように、前記パイプの内周の接線方向に向けて接続されることが好ましい。【００２９】
前記構成によれば、燃料ガス及び助燃ガスは各ガス供給管からパイプの内周面に沿って旋回するように供給され、パイプ内でらせんを描きながら混合され上流側からに流れる。このため、燃料ガス及び助燃ガスをより均一に混合することができ、ノズル手前ではガス組成が均一となった混合ガスを得ることができる。【００３０】
前記燃料ガス供給管及び助燃ガス供給管は、前記パイプの周方向に間隔をあけて、前記パイプに接続され、
前記パイプの周方向に隣り合う２つの管の間隔は、等しいことが好ましい。【００３１】
前記構成によれば、隣り合う２つの管の間隔が等しいため、ガスはパイプ内で特定の場所に偏ることなくバランス良く供給され、各ガスをより均一に混合することができる。【００３２】
前記燃料ガス供給管及び助燃ガス供給管は、前記パイプに周方向に交互に接続されてもよい。【００３３】
前記構成によれば、種類の異なるガスがパイプ内に周方向に交互に供給されるため、１種類のガスだけがパイプ内で特定の場所に偏ることなくバランス良く供給され、各ガスをより均一に混合することができる。【００３４】
前記燃料ガス供給管及び助燃ガス供給管は、それぞれ、燃料ガス及び助燃ガスが前記パイプ内に前記ノズルに向けて供給されるように、前記パイプの径方向に対して傾斜して取り付けられていてもよい。
【発明の効果】
【００３５】
本発明に係るガス噴射装置によれば、燃料ガスと助燃ガスをより均一に混合させて混合ガスとして高速に噴射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態のガス噴射装置を示す断面図である。
【図２】燃料ガス供給管および助燃ガス供給管のパイプへの接続の説明図である。
【図３】燃料ガス供給管および助燃ガス供給管のパイプへの接続の他の例の説明図である。
【図４】ガス噴射装置の変形例を示す断面図である。
【図５】ガス噴射装置の変形例を示す断面図である。
【図６】実施例１の構成を示す図である。
【図７】実施例１のサンプリングプローブの説明図である。
【図８】実施例１の燃料ガス供給管および助燃ガス供給管とサンプリングプローブの配置説明図である。
【図９】比較例１の構成を示す図である。
【図１０】比較例１の燃料ガス供給管および助燃ガス供給管とサンプリングプローブの配置説明図である。
【図１１】実施例２のシミュレーション結果であり、y-z面（出口）の燃料濃度分布を示す図である。
【図１２】実施例２のシミュレーション結果であり、x-z面（出口）の燃料濃度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明に係るガス噴射装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３８】
尚、以下では図１の左側を上流側、右側を下流側と称し、図１の左右方向をパイプ１１の軸方向Ｃと称して説明する。
【００３９】
本実施形態のガス噴射装置１０は、燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２を含む混合ガスＧ３を噴射させるものであり、混合ガスＧ３を噴射させるノズル１１０を先端に有するパイプ１１と、パイプ１１のノズル１１０より上流側に接続される燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３とを備えている。
【００４０】
パイプ１１は円筒状を呈しており、下流側の先端の内周面にはノズル１１０が形成されている。本実施形態では、ノズル１１０はラバルノズル１１０Ａとしている。ラバルノズル１１０Ａはスロート部１１１と拡径部１１２と縮径部１１３から形成されており、上流から下流に向かって内径が縮径し途中で拡径している。内径が一番小さく縮径から拡径に転ずる境界部分をスロート部１１１、スロート部１１１より下流側を拡径部１１２、スロート部１１１より上流側を縮径部１１３としている。
【００４１】
パイプ１１の周壁には、冷却水を流すための冷却水流路１４が形成されている。この円筒状の冷却水流路１４の内部には円筒状の隔壁が設置されており、冷却水は冷却水流路１４内部の外側で上流から下流まで流れた後、下流側の端で折り返して冷却水流路１４内部の内側で下流から上流側へと流れている。該冷却水流路１４はパイプ１１の周壁に沿って下流側の端から各ガス供給管１２、１３の近傍まで延びており、冷却水流路１４の上流側の端には、冷却水を冷却水流路１４に供給するための冷却供給部１４１が接続されている。本実施形態では２つの冷却供給部１４１を備えている。
【００４２】
パイプ１１のラバルノズル１１０Ａより上流側の端には円筒形状を呈した燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３がパイプ１１に接続されている。
【００４３】
燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３の上流には、それぞれ燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２を収容したタンクが接続されており（図示せず）、燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３は、タンクからそれぞれ送られる燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２をパイプ１１に供給する。
【００４４】
本実施形態のガス噴射装置１０は、図２に示すように、１つの助燃ガス供給管１３と１つの燃料ガス供給管１２からなる組を２組備えている。燃料ガス供給管１２と助燃ガス供給管１３はパイプ１１の周方向に間隔をあけてパイプ１１に接続されており、パイプの周方向に隣り合う２つの管の間隔は等しい。また、燃料ガス供給管１２と助燃ガス供給管１３はパイプ１１の周方向に交互に接続されており、隣り合うガス供給管が異なる種類のガスを供給するようにしている。
【００４５】
また、図２に示すように、燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３は、燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２がパイプ１１の内周面を旋回するように、パイプ１１の内周の接線方向Ｌに向けて接続されている。接線方向とは、燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３がパイプ１１に接続される接続点と、パイプ１１の中心点と、を結ぶ直線に対して垂直な方向であり、接続点とは、各ガス供給管１２、１３のパイプ内への開口の縁上の点である。燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３は、各ガス供給管１２、１３の軸線Ｃ２が接線方向と平行になるように、パイプに接続されている。
【００４６】
さらに、図１に示すように、燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３は、燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２がパイプ１１内にラバルノズル１１０Ａに向けて供給されるように、軸線Ｃ２がパイプ１１の径方向（パイプ１１の軸方向Ｃと垂直方向）に対して上流側に傾斜するよう取り付けられている。パイプ１１の径方向に対して燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３の軸線Ｃ２が上流側に傾斜する角度θ（以下、傾斜角θ）は４５度以下に設定されている。
【００４７】
なお、燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３がパイプ１１に接続されている位置から、ラバルノズル１１０Ａの縮径部１１３の上流側の端までの長さは、例えば５ｍである。
【００４８】
本発明のガス噴射装置１０においては、混合ガスが燃料ガスの発火点以上になり、発火源が存在すると爆発する場合がある。このため、以下の防爆対策を実施することが好ましい。
【００４９】
ガス流によって発生した静電気がガス噴射装置内に蓄積されて放電して発火源となり、混合ガスが着火、爆発することを防止するために、パイプ１１または冷却水流路１４にはアースを取るための接続端子（図示せず）を設けて接地処理を行う。また、静電気が発生しない程度にまで燃料ガスＧ１と助燃ガスＧ２に含まれる水分を除去する。
【００５０】
さらに、混合ガスＧ３中に含まれる固体物質とパイプ１１との衝突によって火花が発生して発火源となることを防止するために、パイプ１１を銅製とし、パイプ１１に冷却水流路１４を設けて水冷する。また、使用する燃料ガスＧ１と助燃ガスＧ２は除塵し、使用する配管系統はガス噴射装置設置の工事後に完全なフラッシングを行って異物除去を行う。
【００５１】
また、混合ガスＧ３全体の温度上昇を防止するために、パイプ１１に冷却水流路１４を設けて水冷する。
【００５２】
以上の防爆対策を行った後の混合ガスＧ３はラバルノズル１１０Ａによって火炎伝播速度以上に維持されるため逆火現象は起こらないが、ガス噴射装置１０の使用開始時と使時終了時にはガス圧が低下して混合ガスの噴射速度が火炎伝播速度以下になり得る。この時の防爆対策として、使用開始時には、混合ガスの噴射速度が所定の速度に達するまでは燃料ガスを窒素ガスやアルゴンガスなどの不燃ガスに切り替えておき、所定のガス速度に達してから燃料ガスに切り替えて所望の加熱作業に入ってもよい。また、使用終了時には、所定のガス速度を維持した状態で燃料ガスを不燃ガスに切り替えた後に加熱作業を終了してもよい。
【００５３】
前記構成によれば、燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３をパイプ１１のラバルノズル１１０Ａより上流側に接続しているため、燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２はパイプ１１のラバルノズル１１０Ａより上流側に供給され、パイプ１１内をラバルノズル１１０Ａに向けて流れる。このため、燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２はラバルノズル１１０Ａに達するまでに均一に混合されることが可能となる。
【００５４】
また、燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２の燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３からパイプ１１への圧力を調整することで、燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２が均一に混合された混合ガスＧ３をラバルノズルから音速近傍の高速の領域で噴射することができる。
【００５５】
このように、本発明のガス噴射装置を用いて、製鉄時に溶鉄の上部から混合ガスを高速で噴射することにより、噴射対象物を攪拌することができる。また、燃料ガスの着火温度が噴射対象物の温度より低い場合に、燃料ガスと助燃ガスが均一に混合された混合ガスを噴射対象物に噴射することで、噴射対象物を効率良く加熱することができる。
【００５６】
さらに、燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３はパイプ１１の内周の接線方向Ｌに向けて接続されているので、燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２がパイプ１１の内周面に沿って旋回する。燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２はらせんを描きながら上流側から下流側に流れることで、パイプ１１内で渦が発生するため、燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２はより均一に混合される。
【００５７】
また、燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３は、パイプ１１の径方向に対して接線方向を維持しながら上流側に傾斜して取り付けられているので、燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２は燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３からパイプ内にラバルノズル１１０Ａに向けて供給され、ラバルノズルにおいて更に高速に混合ガスを噴射することができる。
【００５８】
さらに、本発明のガス噴射装置は、燃料ガス供給管及び助燃ガス供給管からパイプに供給される燃料ガス及び助燃ガスの量を調整することで、ガス噴射装置から噴出される混合ガスに含まれる燃料ガスと助燃ガスの比率を変化させることができる。すなわち、混合ガスを、助燃ガスの比率が高い酸化性から助燃ガスの比率が低い還元性まで調整することが可能である。
【００５９】
このように混合ガスを調整することで、本発明のガス噴射装置を製鉄時の溶鉄の脱硫あるいは脱燐に使用することができる。
【００６０】
溶鉄の脱硫を行う場合、溶鉄中の硫黄含有量に応じてガス噴射装置から噴射する混合ガスに含まれる燃料ガスの比率を増加させ、還元性雰囲気を形成する。還元性雰囲気により脱硫反応を進行させる。
【００６１】
また、溶鉄の脱燐を行う場合、溶鉄中の燐含有量に応じてガス噴射装置から噴射する混合ガスに含まれる助燃ガスの比率を増加させ、酸化性雰囲気を形成する。酸化性雰囲気により脱燐反応を進行させる。
【００６２】
以上、本発明の一実施形態に係るガス噴射装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、加熱される物体は本実施形態の溶鉄に限定されるものではなく、溶融金属あるいは溶融スラグあるいは溶融ガラスでもよい。また、燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３の数は本実施形態に限定されるものではなく、燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３の組を３組以上備えていてもよい。この場合、燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２はパイプ１１内によりバランス良く供給され、より均一に混合される。また、図３に示すように、燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３の組を１組備えていてもよい。
【００６３】
また、図１ではパイプ１１内にラバルノズル１１０Ａを１つ備えた構成を示しているが、パイプ１１内に複数のラバルノズル１１０Ａがあってもよい。ラバルノズル１１０Ａをパイプの下流側の先端に環状に４〜５つ設け、ラバルノズル１１０Ａをパイプの軸線方向に対して傾斜させてもよい。
【００６４】
また、燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３を図１のようにその軸線Ｃ２がパイプ１１の径方向に対して傾斜するようには取り付けずに、図４に示すように、傾斜角θを０度にして取り付けてもよい。
【００６５】
前記構成によれは、傾斜角θを０度としていることで、燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２がラバルノズル１１０Ａに到達するまでの時間がより一層長くなる。このため、燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２をより均一に混合することができる。
【００６６】
さらに、図１ではパイプ１１内に備えるノズル１１０としてラバルノズル１１０Ａを用いているが、例えば図５に示すように、ノズルの上流から下流に向かって内径が縮径している先細ノズル１１０Ｂであってもよく、種々の形状のノズルであってもよい。また、先細ノズルが噴射するガスの流量が調節できる機能を備えていてもよく、該機能を備えていなくてもよい。
（実施例１）
本発明者は、本願発明のガス噴射装置１０について実験を行い、燃料ガスＧ１及び助燃ガスＧ２の混合の均一さについて検討した。
【００６７】
実施例１の実験は図６に示すガス噴射装置１０を用いるものであり、２組の助燃ガス供給管１３と燃料ガス供給管１２がパイプ１１の内周の接線方向Ｌに向けて接続されている。燃料ガス供給管１２及び助燃ガス供給管１３の軸線Ｃ２がパイプ１１の径方向に対して傾斜しておらず、傾斜角θを０度としている。
【００６８】
パイプ１１のガスの流路は、流路内径Ｌ１を26.3 mm、流路長さＬ２を5000 mm、ラバルノズル１１０Ａのスロート部１１１の内径Ｌ３を16.9 mm、パイプ１１の下流端（ラバルノズル１１０Ａの拡径部１１２の最も下流側であり、混合ガスＧ３の噴出し口である）の内径Ｌ４を20.6 mmとした。ここで、流路長さとは、パイプ１１の上流端から下流端までの長さである。
【００６９】
燃料ガスＧ１として、ＮＧを用いた。ＮＧの出口圧力は0.6MPa、燃料ガスがパイプに供給される量は2.5 [Nm3 /min]である。
【００７０】
助燃ガスＧ２として純酸素ガスを用いた。純酸素ガスの出口圧力は0.6MPa、助燃ガスがパイプに供給される量は5 [Nm3 /min] である。
【００７１】
混合ガスを検出するために、パイプ１１の軸線方向に沿って1cm上流側の位置Ｘに、サンプリングプローブＡ１〜Ａ７、Ｂ１〜Ｂ７を設置した。各サンプリングプローブＡ，Ｂは内径１．０ｍｍ、外径１．５ｍｍのステンレスチューブであり、一端はパイプ１１の上流側に向けて開口し、他端はＬＮＧガスの濃度測定装置に接続されている。
【００７２】
図７はサンプリングプローブＡ、Ｂの支持台４０の説明図である。支持台４０は、ステンレスの２枚の平板４０ａ、４０ｂを直交させており、パイプ１１の位置Ｘの円状断面の中心点と支持台の平板４０ａ、４０ｂが交わる点が一致するようにパイプ１１に固定されている。パイプ１１の円状断面の中心点にはサンプリングプローブＡ４（すなわち、サンプリングプローブＢ４）を設け、直交する２枚の平板４０ａ、４０ｂそれぞれに、１．７ｍｍ間隔にサンプリングプローブＡ１〜Ａ３、Ａ５〜Ａ７、Ｂ１〜Ｂ３、Ｂ５〜Ｂ７を設
け、上下、左右対称にＮＧの濃度を検出できるようにした。
【００７３】
図８はサンプリングプローブＡ，Ｂの配置を示す直線Ａ，Ｂと、２組の助燃ガス供給管１３と燃料ガス供給管１２の配置の関係を示し、パイプ１１の噴射口側から見た側面図である。図８において、直線Ａ、Ｂを上下左右方向に配置し、２組の助燃ガス供給管１３と燃料ガス供給管１２の軸線は直線Ａ、Ｂに平行になるように配置した。
【００７４】
燃料ガスＧ２及び助燃ガスＧ２の流速が十分に安定したことを確認した後、各サンプリングプローブの開口から混合ガスＧ３をサンプリングし、混合ガスＧ３のNG濃度を計測した。各サンプリングプローブのNG濃度を表1に示す。ＮＧ及び純酸素ガスが十分に混合された状態の混合ガスの場合、混合ガスのNG濃度は平均約33%であるが、本実施例の混合ガスＧ３のNG濃度は、表１に示すように、いずれのサンプリングプローブであっても33%±3%の範囲内である。従って、本願発明のガス噴射装置１０により燃料ガスＧ２及び助燃ガスＧ２が十分に均一に混合された混合ガスＧ３を得られることが分かった。
【００７５】
【表１】
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【００７６】
（比較例１）
比較例１として図９に示すガス噴射装置１０を用いた。２組の助燃ガス供給管１３と燃料ガス供給管１２の軸線Ｃ２がパイプ１１の断面の中心点を通る位置に接続されている。
図１０のパイプ１１の噴射口側から見た側面図において、サンプリングプローブＡ，Ｂが配置された直線Ａ，Ｂと、２組の助燃ガス供給管１３と燃料ガス供給管１２の軸線Ｃ２とを一致させている。その他の条件は実施例と同じである。
【００７７】
燃料ガスＧ２及び助燃ガスＧ２の流速が十分に安定したことを確認した後、サンプリングプローブ毎に混合ガスＧ３をサンプリングし、混合ガスＧ３のNG濃度を計測した。
【００７８】
各サンプリングプローブのLNG濃度を表２に示す。比較例１の混合ガスＧ３のNG濃度は、十分に混合された状態の混合ガスのNG濃度である約33%よりも非常に大きい場合や小さい場合があり、混合ガスが均一に混合されていないことが分かった。
【００７９】
【表２】
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【００８０】
（実施例２）
実施例２は図４に示すガス噴射装置１０についてシミュレーションを行った。
【００８１】
２組の酸素ガス供給管１３と燃料ガス供給管１２がパイプ１１の内周の接線方向Ｌに向けて接続され、燃料ガス供給管１２及び酸素ガス供給管１３の軸線Ｃ２がパイプ１１の径方向に対して上流側に傾斜角θを４５度として傾斜している。
【００８２】
パイプ１１のガスの流路として、正方形柱に円筒状の流路が掘られた「BABET」という形状モデルを使用した（計算結果を見やすくするため「BABET」は図示していない）。入口は「ANGLED-IN」というモデルを使用しており，この円筒状の「ANGLED-IN」と「BABET」の円筒状面の交わる曲面を入口境界とし、流路内径を444.09 mm、流路長さを5000 mm とした。流路長さとは、燃料ガス供給管１２及び酸素ガス供給管１３がパイプ１１に接続されている位置から、ラバルノズル１１０Ａの縮径部１１３の上流側の端までの長さである。
【００８３】
燃料ガスはＮＧを用いた。出口圧力は0.79 MPa，入口温度は298 K であり、燃料ガスがパイプに供給される量は1870.7 [Nm3/min] （=4.3638 m3 /s） 酸素ガスがパイプに供給される量は3741.3 [Nm3 /min] （=8.7274 m3/s） である。
【００８４】
シミュレーションには、PHOENICSのモデルとして圧縮性流れモデル及び物質移動の式（拡散方程式）を使用した（以下、「拡散モデル」と称する）。「拡散モデル」使用の解析では，物性値は１種類の流体のもので表すことになる。このため、酸化剤は酸素、燃焼ガスは酸素と同じ物性値のガスとした。従って，ＮＧの物性値（密度など）は計算に反映されていない。なお，粘度（粘性係数）には酸素の粘度を，拡散係数には酸素中のメタンの拡散係数を使用した。しかし、乱流混合が支配的であり，粘性係数はほとんど影響を及ぼさないと考えられる。
【００８５】
図１１、１２に実施例２のシミュレーション結果を示す。以下に示すシミュレーション結果では、ｙ軸はパイプ１１の軸方向（パイプ１１の流路長さの方向）であり、ｘ軸およびｚ軸は、ｙ軸にそれぞれ直交する方向であり、x-z面はパイプ１１の径方向の断面であり、y-z面はパイプ１１の軸方向の断面である。
【００８６】
図１１にx=222 mm（中央）のy-z面における燃料濃度分布を示す。図１２に y=5000 mm（出口）のx-z面における燃料濃度分布を示す。燃料濃度分布は出口においてほぼ均一になっている。
【００８７】
実施例１及び比較例１、２の実験結果から、２組の助燃ガス供給管１３と燃料ガス供給管１２をパイプ１１の内周の接線方向Ｌに向けて接続することにより、助燃ガス及び燃料ガスが良好に混合されることが分かった。
【００８８】
また、実施例２のシミュレーション結果から、２組の助燃ガス供給管１３と燃料ガス供給管１２をパイプ１１の内周の接線方向Ｌに向けて接続し、燃料ガス供給管１２及び酸素ガス供給管１３の軸線Ｃ２をパイプ１１の径方向に対して上流側に傾斜角θを４５度として傾斜させることによっても、助燃ガス及び燃料ガスが良好に混合されることが分かった。
【符号の説明】
【００８９】
１０  ガス噴射装置
１１  パイプ
１１０  ノズル
１１０Ａ  ラバルノズル
１１０Ｂ  先細ノズル
１２  燃料ガス供給管
１３  助燃ガス供給管
１４  冷却水流路
Ｃ  パイプの軸方向
Ｃ２  燃料ガス供給管及び助燃ガス供給管の軸線
Ｇ１  燃料ガス
Ｇ２  助燃ガス
Ｇ３  混合ガス
Ｌ  パイプの内周の接線方向
【図１】
2014203780.tif 000005
【図２】
2014203780.tif 000006
【図３】
2014203780.tif 000007
【図４】
2014203780.tif 000008
【図５】
2014203780.tif 000009
【図６】
2014203780.tif 000010
【図７】
2014203780.tif 000011
【図８】
2014203780.tif 000012
【図９】
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【図１０】
2014203780.tif 000014
【図１１】
2014203780.tif 000015
【図１２】
2014203780.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月3日(2014.12.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び助燃ガスを含む混合ガスを溶融物体に対して噴射させるガス噴射装置であって、
前記混合ガスを噴射させるラバルノズルを備え、
前記ラバルノズルより上流側で前記燃料ガス及び助燃ガスが混合され、前記混合ガスが前記ラバルノズルに供給されることを特徴とするガス噴射装置。
【請求項２】
前記ラバルノズルを先端に有するパイプと、
前記パイプの前記ラバルノズルより上流側に接続される燃料ガス供給管及び助燃ガス供給管と、を備え、
前記燃料ガス供給管から供給される燃料ガスと、前記助燃ガス供給管から供給される助燃ガスとが、前記パイプの前記ラバルノズルより上流側で混合されて、前記混合ガスが前記ラバルノズルに供給される請求項１に記載のガス噴射装置。
【請求項３】
前記パイプの内部は、断面円状であり、
前記燃料ガス供給管及び前記助燃ガス供給管は、それぞれ、燃料ガス及び助燃ガスが前記パイプの内周面を旋回するように、前記パイプの内周の接線方向に向けて接続される請求項２に記載のガス噴射装置。
【請求項４】
前記燃料ガス供給管及び前記助燃ガス供給管は、前記パイプの周方向に間隔をあけて、前記パイプに接続され、
前記パイプの周方向に隣り合う２つの管の間隔は、等しい請求項２または請求項３に記載のガス噴射装置。
【請求項５】
前記燃料ガス供給管及び前記助燃ガス供給管は、前記パイプに周方向に交互に接続される請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載のガス噴射装置
【請求項６】
前記燃料ガス供給管及び前記助燃ガス供給管は、それぞれ、燃料ガス及び助燃ガスが前記パイプ内に前記ラバルノズルに向けて供給されるように、前記パイプの径方向に対して傾斜して取り付けられている請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載のガス噴射装置。
【国際調査報告】
2014203780.tif 000017
2014203780.tif 000018
2014203780.tif 000019
2014203780.tif 000020