(57)【要約】【課題】本発明は、比較的安価に入手することができる粗粉砕した廃プラスチックであっても、ノズル詰まり等の不具合が無く良好に燃焼が可能な粉体燃焼用バーナを提供することを主目的とする。【解決手段】本発明は、中心部と、上記中心部外周に形成された燃料ガス用の第１流路と、上記第１流路外周に形成された気体により搬送される可燃粉体用の第２流路と、上記第２流路外周に形成された燃焼用空気用の第３流路とからなる多重管構造を有し、上記第１流路、第２流路、および第３流路の内の少なくとも一つに流路内を流れる気体に対して旋回を与える旋回発生手段を有することを特徴とする粉体燃焼用バーナを提供することにより上記目的を達成するものである。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部と、前記中心部外周に形成された燃料ガス用の第１流路と、前記第１流路外周に形成された気体により搬送される可燃粉体用の第２流路と、前記第２流路外周に形成された燃焼用空気用の第３流路とからなる多重管構造を有し、前記第１流路、第２流路、および第３流路の内の少なくとも一つに流路内を流れる気体に対して旋回を与える旋回発生手段を有することを特徴とする粉体燃焼用バーナ。
【請求項２】
前記中心部に、燃焼用空気用の中心流路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の粉体燃焼用バーナ。
【請求項３】
前記旋回発生手段が、少なくとも前記第３流路に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粉体燃焼用バーナ。
【請求項４】
前記旋回発生手段が、少なくとも前記第２流路に形成されており、かつ前記旋回発生手段が第２流路横断面における接線方向から気体により搬送される可燃粉体を導入することにより旋回を発生させる手段であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載の粉体燃焼用バーナ。
【請求項５】
前記第２流路先端部分の内壁および外壁の少なくとも一方に冷却手段が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかの請求項に記載の粉体燃焼用バーナ。
【請求項６】
前記可燃粉体が、廃プラスチックであることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかの請求項に記載の粉体燃焼用バーナ。
【請求項７】
基準燃焼状態で、前記第１流路の流速が４０ｍ／秒〜７５ｍ／秒の範囲内であり、前記第２流路の流速が５ｍ／秒〜１５ｍ／秒の範囲内であり、前記第３流路の流速が２０ｍ／秒〜４０ｍ／秒の範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかの請求項に記載の粉体燃焼用バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
ボイラ、焼却炉、あるいは鋼材加熱炉等に用いられ、特に微粉状の廃プラスチックを燃焼するのに好適な粉体燃焼用バーナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業廃棄物あるいは一般廃棄物として廃棄される廃プラスチックが増加の一途をたどっている。一方、地球規模での環境保全の大きなテーマとして、炭酸ガス削減への要求が高まっており、廃プラスチックを従来の単純焼却や埋め立てで処理するのではなく、素材あるいは熱源としてリサイクルすることに取り組むケースが増えている。特に、現状の廃プラスチックは多種類のプラスチックが混在する状況にある中で、処理コスト面からサーマル・リサイクルが注目され、多くの工業炉で廃プラスチックのサーマル・リサイクルの実用化、あるいは実用化研究がなされており、廃プラスチックを効率的に燃焼させるためのバーナ構造が種々提案されている。
【０００３】
例えば、特開２０００−３１０４１０号公報では、セメントキルン内に廃プラスチックを投入して燃焼させる方式が提案されている。通常セメントキルンは、１４００℃〜１５００℃の高温で焼成されるため、このような高温炉内では廃プラスチックがガス化されやすく、炉内に粉体を投入するだけで空間燃焼は容易である。しかしながら、ボイラや焼却炉、あるいは鋼材加熱炉等の８００〜１２００℃程度の炉温では廃プラスチックのガス化が困難であることから、この技術をそのまま適用することはできないといった問題がある。
【０００４】
また、特開平７−７１７２８公報においては、粒径１ｍｍ以下の廃プラスチックの粉体を吹き込むノズルの外周に液体燃料を噴霧するノズルを配置することで、廃プラスチックの粉体を確実に着火・安定燃焼させるバーナ構造が提案されている。しかしながら、この技術では高温となるノズル先端に廃プラスチックが溶着し、ノズル詰まりの原因となる場合がある。すなわち、燃料としてノズル先端の冷却効果が高い重油（液体）を用いる場合は問題が生じ難いかもしれないが、特にガス燃料を用いる場合は冷却効果が少なく、ノズル詰まりが生じ易くなるといった問題がある。
【０００５】
さらに、特開平７−１１９９２２号公報では、燃焼炉用として、ノズル中心からオイル等の燃料を供給し、その外周に微粉状の廃プラスチックを搬送空気と共に供給し、さらに外周から燃焼用空気を供給するバーナを用いて微粉砕された廃プラスチックを燃焼炉内空間でバーナ燃焼することを可能としている。しかしながら、この従来の技術では、３００μｍ以下に微粉砕したポリエチレンで混焼率は約６５％であり、５００μｍ以下に微粉砕した廃プラスチック混合品で混焼率は３３％程度しか混合できていない。したがって、仮に廃プラスチック専焼とする場合では、平均粒径５μｍ程度まで粉砕しなければならないという問題がある。これでは、廃プラスチックの粉砕費用が膨大になり経済的に成り立たないといった問題があった。
【０００６】
また、特開２００１−１１６２２５号公報では、アーク炉用のバーナとして中心から廃プラスチックを供給し、その外周に燃料流路および酸素流路を備えた多孔ノズルが開示されている。この方式ではスクラップまでの空間保持のため燃焼筒内で火炎を形成させているが、この燃焼筒を水冷しているため燃焼筒内壁温度は低く、廃プラスチックを気化させるためには燃料による火炎形成が必須である。すなわち、廃プラスチック専焼ができず、混焼率も２０〜３０％が限界と考えられ、燃料代替のコストメリットがほとんど無いといった問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、比較的安価に入手することができる粗粉砕した廃プラスチックであっても、ノズル詰まり等の不具合無く良好な燃焼が可能な粉体燃焼用バーナを提供することを主目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載するように、中心部と、上記中心部外周に形成された燃料ガス用の第１流路と、上記第１流路外周に形成された気体により搬送される可燃粉体用の第２流路と、上記第２流路外周に形成された燃焼用空気用の第３流路とからなる多重管構造を有し、上記第１流路、第２流路、および第３流路の内の少なくとも一つに流路内を流れる気体に対して旋回を与える旋回発生手段を有することを特徴とする粉体燃焼用バーナを提供する。
【０００９】
本発明によれば、まず多重管構造を有するものであることから、多孔ノズル等と比較してノズル構造がシンプルである。したがって、例えば可燃粉体が廃プラスチックの場合、廃プラスチックの溶着による種々の不具合の発生を抑えることができる。また、可燃粉体が空気により搬送される第２流路は、第１流路からの燃料ガスと第３流路からの燃焼用空気とに挟み込まれていることから、燃料と空気とが混合されて着火する段階で可燃粉体と十分混合されるものであり、火炎内で可燃粉体に十分に熱を与えることができる。さらに、第１流路、第２流路、および第３流路の内の少なくとも一つの流路において流路内を流れる気体が旋回発生手段により旋回するものであるので、可燃粉体と燃料および空気とが積極的に混合されることから可燃粉体の燃焼性を向上させることができる。
【００１０】
上記請求項１に記載された発明においては、請求項２に記載するように、上記中心部に、燃焼用空気用の中心流路が形成されていることが好ましい。このような中心流路から燃焼用空気を所定の流速とすることにより、第１流路および第３流路で形成される火炎の形状を安定化させることができるからである。
【００１１】
上記請求項１または請求項２に記載された発明においては、請求項３に記載するように、上記旋回発生手段が、少なくとも上記第３流路に形成されていることが好ましい。第３流路は燃焼用空気が提供される流路であり、一般的に燃焼用空気の流量は最も多量である。したがって、この流路に旋回発生手段を形成し燃焼用空気に旋回を与えることが、可燃粉体と空気および燃料との積極的混合に好適であるからである。
【００１２】
また、上記請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載された発明においては、請求項４に記載するように、上記旋回発生手段が、上記第２流路に形成されており、かつ上記旋回発生手段が第２流路横断面における接線方向から気体により搬送される可燃粉体を導入することにより旋回を発生させる手段であることが好ましい。第２流路は気体により搬送される可燃粉体が提供される流路であり、可燃粉体は固体であることからこれに旋回を与えることにより、他の流路において旋回を与えるよりエネルギーの面で効果的であるといえる。また、このような旋回発生手段は、内部に旋回羽根等を形成する旋回発生手段と比較して、廃プラスチック等の可燃粉体の溶着や詰まりが発生する恐れが少ないという利点を有するものである。
【００１３】
上記請求項１から請求項４までのいずれかの請求項に記載された発明においては、請求項５に記載するように、上記第２流路先端部分の内壁および外壁の少なくとも一方に冷却手段が設けられていることが好ましい。例えば可燃粉体が廃プラスチックである場合、廃プラスチックの溶着を防止することができるからである。
【００１４】
上記請求項１から請求項５までのいずれかの請求項に記載された発明においては、請求項６に記載するように、上記可燃粉体が、廃プラスチックであることが好ましい。可燃粉体が廃プラスチックであることにより、本発明の粉体燃焼用バーナの利点を最大限活かすことができるからである。
【００１５】
上記請求項１から６までのいずれかの請求項に記載された発明においては、請求項７に記載するように、基準燃焼状態で、上記第１流路の流速が４０ｍ／秒〜７５ｍ／秒の範囲内であり、前記第２流路の流速が５ｍ／秒〜１５ｍ／秒の範囲内であり、前記第３流路の流速が２０ｍ／秒〜４０ｍ／秒の範囲内であることが好ましい。
【００１６】
ここで、基準燃焼状態とは、燃料ガス専焼状態、すなわち、後記する混焼率が０％である燃焼状態を指す。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の粉体燃焼用バーナおよび粉体燃焼方法に関して詳細に説明する。
【００１８】
Ａ．粉体燃焼用バーナ
本発明者等は、廃プラスチック等の可燃粉体を燃焼させるためのバーナの設計に当たり、以下の３つの点が重要であるという新たな知見を得た。
【００１９】
▲１▼　ノズル先端への可燃粉体の付着防止
例えば、廃プラスチックを処理する場合、熱可塑性樹脂の融点は１００℃〜２７０℃と低く、炉内燃焼中のバーナノズル先端で溶融、溶着し、ノズル詰まりの原因となるといった問題がある。通常は、噴射速度を上げたり、ノズル先端を水冷して溶着防止しているが、溶着を完全に防止することは難しい。多孔ノズルであると微量の溶着でも孔を塞いでしまい安定した火炎が形成されない場合もあるし、また複雑なノズル形状では水冷構造にするのが困難であり、微量な廃プラスチックの溶着からさらに大きな詰まりに成長する場合もある。したがって、ノズル構造はできるだけシンプルなものがよく、具体的には多重管構造が好ましい。
【００２０】
▲２▼　可燃粉体の投入位置
例えば、可燃粉体が廃プラスチックの場合、熱可塑性樹脂は溶融（１００℃〜２７０℃）・気化（２５０℃〜４７０℃）した後にガスとして燃焼するため、昇温過程で融解熱、気化熱が必要となり、これらの必要な入熱を速やかに行えば良好な燃焼性を得ることができる。融解熱と気化熱とでは気化熱の方が数倍〜十数倍大きいため、溶融は火炎低温部で行い、気化は火炎高温部で行うのが効率が良い。そのため、高温の火炎を形成させた後に、廃プラスチックを投入するよりも火炎の形成初期から廃プラスチックを投入し、火炎低温部で溶融させ火炎高温部で気化をさせるという段階加熱が良い。
【００２１】
多重管ノズルで廃プラスチックを投入する位置を、中心、内リング、最外周に分類すると、最も昇温性が悪いのは最外周で廃プラスチックを投入した場合であり、廃プラスチックが外周にちらばるため、火炎との接触が少ないといった問題がある。また、ノズル中心から廃プラスチックを投入して周囲を火炎で覆う方式は、廃プラスチックの直進性が高いため、中心の廃プラスチックの流れと外周の火炎との接触が少ないといった問題がある。
【００２２】
これらのことから、内リング位置に廃プラスチック粉を投入することが最も好ましいといえる。さらに、燃料と空気とで廃プラスチックを挟み込むことにより、燃料と空気とが混合されて着火する段階で廃プラスチックと十分に混合されることから、火炎内で廃プラスチックに十分な熱を与えることができる。
【００２３】
▲３▼　可燃粉体との混合性強化
可燃粉体、特に廃プラスチックを燃焼させるためには、上記廃プラスチックの投入位置のみでは不十分であり、多重管構造で積極的に混合する必要がある。すなわち、燃料と空気とを積極的に混合させて火炎を形成し、さらに廃プラスチックを混合することで燃焼性を高めることが必要である。多重管を用いて混合を促進する方法としては旋回流を用いる方法が挙げられる。
【００２４】
本発明者等は、これらの新たな知見に基づき本発明を完成するに至ったものである。すなわち、本発明の粉体燃焼用バーナは、中心部と、上記中心部外周に形成された燃料ガス用の第１流路と、上記第１流路外周に形成された気体により搬送される可燃粉体用の第２流路と、上記第２流路外周に形成された燃焼用空気用の第３流路とからなる多重管構造を有し、上記第１流路、第２流路、および第３流路の内の少なくとも一つに流路内を流れる気体に対して旋回を与える旋回発生手段を有することを特徴とするものである。
【００２５】
本発明においては、上記「▲１▼　ノズル先端への可燃粉体の付着防止」の観点から多重管構造を採用した。よって、多孔ノズル等と比較してノズル構造がシンプルである。したがって、例えば可燃粉体が廃プラスチックの場合、廃プラスチックの溶着による種々の不具合の発生を抑えることができる。
【００２６】
また、上記「▲２▼　可燃粉体の投入位置」の観点から、第２流路から可燃粉体を投入するようにした。この可燃粉体が空気により搬送される第２流路は、第１流路からの燃料ガスと第３流路からの燃焼用空気とに挟み込まれており、燃料と空気とが混合されて着火する段階で可燃粉体と十分混合されるものであり、火炎内で可燃粉体に十分に熱を与えることができる。
【００２７】
さらに、上記「▲３▼　可燃粉体との混合性強化」の観点から、第１流路、第２流路、および第３流路の内の少なくとも一つの流路において流路内を流れる気体が旋回する旋回発生手段を設けた。これにより、可燃粉体と燃料および空気とが積極的に混合されることから可燃粉体の燃焼性を向上させることができる。
【００２８】
図１は、本発明の粉体燃焼用バーナの一例を示すものであり、（ａ）はその一部の縦断面を、（ｂ）は横断面を示すものである。また、図２はこの例に示すバーナの全体の状態を示すものである。
【００２９】
図１に示すように、この例の粉体燃焼用バーナ１は、中心部に断面形状が円形の中心流路２が形成されており、この中心流路２の外周には横断面形状がリング状で、かつ中心流路２と同軸に形成された第１流路３が形成されている。そして、同様に上記第１流路３の外周には横断面形状がリング状で、かつ上記中心流路２および第１流路３と同軸に形成された第２流路４が形成され、さらにその外周には横断面形状がリング状で上記中心流路２、第１流路３、および第２流路４と同軸に形成された第３流路５が形成されている。
【００３０】
そして、第１流路３および第３流路５の所定の位置には、内部を通過する気体に対して旋回を与える旋回羽根６が形成されている。
【００３１】
この例の燃焼用バーナ１においては、第１流路３には燃料ガスが投入され、第２流路４には空気で搬送される可燃粉体が投入され、第３流路には燃焼用空気が投入される。また、中心流路２には、第３流路の燃焼用空気の補助として燃焼用空気が導入される。この中心流路２に導入される燃焼用空気は低流速で流すことにより保炎効果を得ることができる。
【００３２】
さらに、第１流路３および第３流路４には旋回羽根６が形成されていることから、第１流路に導入された燃料ガスおよび第３流路に導入された燃焼用空気はこの旋回羽根により旋回が与えられ、これにより第２流路から導入される可燃粉体が積極的に混合されて、可燃粉体の燃焼効率を向上させることができる。
【００３３】
図１の例に示すように、本発明の粉体燃焼用バーナは、中心部外周に形成され、燃料ガスが導入される第１流路と、この第１流路の外周に形成され、気体により搬送される可燃粉体が導入される第２流路と、さらにこの第２流路の外周に形成され、燃焼用空気が導入される第３流路とを有するものであり、必要に応じて上記中心部には、燃焼用空気が導入される中心流路が形成されてなるものである。以下、このような本発明の粉体燃焼用バーナについて、各流路、旋回手段、および必要に応じて設けられる冷却手段等に分けて説明する。
【００３４】
１．第１流路
本発明の粉体燃焼用バーナの第１流路は、中心部の外周に形成されたものである。ここで、中心部とは横断面が円形もしくは楕円形を有する柱状の部分であり、必要に応じて後述する中心流路が形成される部分である。このように断面が円形もしくは楕円形を有する中心部の外周に形成される第１流路は、その形状が一般的には横断面が所定の幅を有するリング状となる流路である。
【００３５】
この第１流路の形状は、特に限定されるものではないが、上記中心部と同軸上に形成されていることが好ましく、特に横断面が円形の中心部と同軸上に形成されてなる横断面が円形のリング状であることが好ましいといえる。
【００３６】
この第１流路には、燃料ガスが導入される。燃料ガスは、例えば図２に示す燃料ガス導入口７から第１流路内に導入され、途中に形成されている旋回羽根６により旋回されて、ノズル口８から噴出される。
【００３７】
このような第１流路に導入される燃料ガスとしては、例えば、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、高炉ガス、ＬＰＧ、都市ガスといったものを挙げることができる。
【００３８】
２．第２流路
本発明の粉体燃焼用バーナにおける第２流路は、上記第１流路の外周に形成されてなるものである。この第２流路の形状は、第１流路の外周に形成されたものであれば特に限定されるものではないが、一般的には第１流路の外周は横断面が円形もしくは楕円形を有するものであることから、第２流路も横断面が円形もしくは楕円形の所定の幅を有するリング状の形状をなすものである。
【００３９】
本発明における第２流路の形状は、中でも上記中心部および第１流路と同軸上に形成されていることが好ましく、特に横断面が円形の中心部および第１流路と同軸上に形成されてなる横断面が円形のリング状であることが好ましい。
【００４０】
この第２流路には、気体で搬送される可燃粉体が導入される。図２の例では、可燃粉体導入口９から導入され、ノズル口８から噴出される。
【００４１】
このような第２流路に導入される可燃粉体としては、微粉炭、廃プラスチック、木屑および紙片等や、これらの混合粉体を挙げることができる。しかしながら、本発明の粉体燃焼用バーナの利点を考慮すると、廃プラスチックの粉体を用いることが好ましいといえる。
【００４２】
このような廃プラスチック粉体の粒径としては、この粉体燃焼用バーナの使用方法、例えば、各流路における流量や、副燃焼室を設けるか否か等により大幅に異なるものであるが、一般的には１ｍｍ以下の粒径を有する粗粒であっても燃焼させることが可能であり、専焼化もしくは高い混焼率を確保するためには、０．５ｍｍ以下の粒径とすることが好ましいといえる。
【００４３】
また、上記可燃粉体を搬送するための気体としては、特に限定するものではなく、例えば可燃性の気体に搬送させてもよいが、一般的にはコスト面から空気が搬送用の気体として好適に用いられる。
【００４４】
３．第３流路
本発明の粉体燃焼用バーナにおいては、さらに上記第２流路の外周に第３流路が形成される。この第３流路の形状も、上記第２流路の外周に形成されたものであれば特に限定されるものではないが、一般的には第２流路の外周は横断面が円形もしくは楕円形を有するものであることから、第３流路も横断面が円形もしくは楕円形の所定の幅を有するリング状の形状をなすものである。
【００４５】
本発明における第３流路の形状は、中でも上記中心部、第１流路および第２流路と同軸上に形成されていることが好ましく、特に横断面が円形の中心部、第１流路および第２流路と同軸上に形成されてなる横断面が円形のリング状であることが好ましい。
【００４６】
この第３流路には、燃焼用空気が導入される。燃焼用空気は、例えば図２に示す燃焼用空気導入口１０から第３流路内に導入され、途中に形成されている旋回羽根６により旋回されて、ノズル口８から噴出される。
【００４７】
この第３流路に導入される空気は、通常の空気の他、必要に応じて酸素ガスと空気とを混合して用いてもよく、このように酸素濃度の高い空気も本発明においては燃焼用空気と称することとする。
【００４８】
４．中心流路
本発明の粉体燃焼用バーナは、上述したように、第１流路、第２流路および第３流路が形成されるものであるが、必要に応じて、上記中心部に中心流路を形成してもよい。この中心流路に、第３流路に導入する燃焼用空気の補助として、同様の燃焼用空気を低流速で流すことにより、燃焼時に火炎の形状を安定化させる保炎効果を有するものである。
【００４９】
この中心流路は、上記中心部に形成されるものであれば、その横断面形状は特に限定されるものではないが、一般的には横断面が円形か楕円形を有するものであり、特に円形を有するものが好適に用いられる。
【００５０】
この中心流路に導入される気体は、保炎効果を発揮することができる気体であれば用いることが可能であり、特に限定されるものではないが、一般的には上述したように燃焼用空気が好適に用いられる。
【００５１】
この燃焼用空気は、例えば図２に示すように、補助燃焼用空気導入口１１から中心流路２内に導入され、噴出口８から噴出される。
【００５２】
５．旋回発生手段
本発明においては、上記第１流路、第２流路、および第３流路の内の少なくとも一つの流路に旋回発生手段が形成されている必要がある。このように旋回を与えることにより、可燃粉体と燃料および空気とが積極的に混合されることから可燃粉体の燃焼性を向上させることができるからである。
【００５３】
本発明においては、特に少なくとも第３流路に旋回発生手段が形成されていることが好ましい。第３流路は燃焼用空気が導入される流路であり、一般的にこの燃焼用空気の流量が他の流路を流れる気体の流量よりも多量であることから、この第３流路を流れる燃焼用空気に旋回を与えることが、可燃粉体と燃料および空気とを積極的に混合させる点において効率的であるからである。また、第３流路は最外周であるので、旋回を与えた場合に旋回半径が大きい点も可燃粉体と燃料および空気との混合に効果的だからである。
【００５４】
また、本発明の粉体燃焼用バーナにおいては、可燃粉体が導入される第２流路に旋回発生手段が設けられていることが好ましい。第２流路は可燃粉体が搬送用気体により導入されている流路である。この流路に旋回発生手段を設けることにより、固体である可燃粉体に対して旋回を与えることができる。したがって、旋回についての運動エネルギーの面からは、この第２流路に旋回発生手段を設けることが好ましいといえるからである。
【００５５】
本発明に用いられる旋回発生手段としては、流路内を流れる気体に対して旋回を与える手段であれば特に限定されるものではない。例えば図１および図２に示すように、流路内部に旋回羽根を形成する方法、すなわち流路内に気体を旋回に導く誘導羽根を設ける方法を挙げることができる。
【００５６】
しかしながら、第２流路において、可燃粉体が廃プラスチック粉体である場合は、流路内に旋回発生手段を設けると、旋回発生手段、例えば旋回羽根等に廃プラスチックが溶着し、流路を詰まらせる可能性があることから、第２流路に関しては、流路外に設けられた旋回発生手段であることが好ましい。
【００５７】
このような旋回発生手段としては、例えば図３に示す手段を挙げることができる。図３は、第２流路４内に導入する気体に搬送される可燃粉体に旋回を与える手段を示すものであり、第２流路４の横断面における接線方向から気体に搬送された可燃粉体１２を導入することにより、第２流路４内に旋回を与えるものである。
【００５８】
本発明においては、このように第２流路に関しては、旋回発生手段を設ける場合は、外部に設けられた旋回発生手段であることが好ましく、具体的には、第２流路の同断面における接線方向から気体により搬送される可燃粉体を導入することにより旋回を生じさせる方法であることが好ましい。
【００５９】
なお、第２流路の横断面における接線方向とは、第２流路の横断面形状における外周もしくは内周の接線の方向を示すものである。上述したように、第２流路の横断面形状は、中心部および第１流路と同軸で所定の幅を有する円形状であることが好ましいことから、この場合は、この円形状の流路の外周の接線方向から気体により搬送される可燃粉体が導入されることが好ましい。
【００６０】
また、この場合の気体で搬送される可燃粉体の第２流路の軸方向に対する導入角度は、ほぼ直角であることが好ましい。ほぼ直角に導入することにより、効率的に旋回を与えることができるからである。
【００６１】
本発明においては、このような旋回発生手段は、第２流路に限定するものではないが、装置が大掛かりとなる関係上、第２流路にこのような旋回発生手段を設け、他の流路に関しては、上述した旋回羽根等の流路内部に形成される旋回発生手段を採用することが好ましいといえる。
【００６２】
したがって、本発明における最も好ましい態様としては、上記第１流路および第３流路に旋回羽根からなる旋回発生手段を設け、上記第２流路に上述した第２流路横断面における接線方向から気体により搬送される可燃粉体を導入する旋回発生手段を設ける態様を挙げることができる。この場合は、全ての流路に旋回発生手段が設けられていることから、可燃粉体と燃料および空気とが積極的に混合され、可燃粉体を効果的に燃焼させることが可能となる。また、第２流路に設けられた旋回発生手段が、上述したように流路内部に形成されたものではないことから、流路内で廃プラスチック等の可燃流体が、旋回羽根等の旋回発生手段に溶着して流路を詰まらせるといった不具合を防止することができる。
【００６３】
このような本発明に用いられる旋回発生手段の能力としては、流路内を流れる気体の旋回強度が吐出流の軸方向運動量に対する周方向角運動量の比で表されるスワール数で、０．６以上、特に０．８以上の強旋回とすることができる程度であることが好ましい。
【００６４】
６．冷却手段
本発明の粉体燃焼バーナにおいては、上記第２流路の先端部分の内壁もしくは外壁の少なくとも一方に冷却手段が形成されていることが好ましい。可燃粉体が廃プラスチックである場合は、第２流路先端部分において温度が高すぎると溶着する恐れがあり、第２流路を詰まらせる可能性がある。したがって、このような冷却手段を形成することにより、廃プラスチック等の溶着による第２流路の詰まりを防止するためである。
【００６５】
本発明においては、第２流路の少なくとも先端部分の内壁および／または外壁に冷却手段が設けられていればよく、したがって、第２流路全体に冷却手段が形成されたものであってもよい。
【００６６】
なお、本発明でいう第２流路の先端部分とは、第２流路先端から１０ｃｍである。
【００６７】
また、本発明の冷却手段の冷却能力としては、上記第２流路の先端部分における外壁もしくは内壁の温度が、１００℃以下、特に８０℃以下とすることができる程度の冷却能力であることが好ましい。
【００６８】
本発明における冷却手段としては、一般的には第２流路の内壁および／または外壁に冷却水を通す水冷式の冷却手段が好適に用いられる。
【００６９】
図４および図５は、このような水冷式の冷却手段を形成した例を示すものである。図４は、第２流路４の外壁側に水冷式冷却手段１３が形成された粉体燃焼バーナの例を示したものであり、図５は、さらに第２流路４の内壁側にも水冷式冷却手段１３が形成された例を示すものである。
【００７０】
７．基準燃焼状態における流速
本発明の粉体燃焼バーナにおいては、上記第１流路、第２流路、および第３流路の基準燃焼状態における流速をそれぞれ最適範囲に調整することにより、より効果的に可燃粉体の燃焼を行うことができる。
【００７１】
具体的には、基準燃焼状態で、上記第１流路の流速を４０ｍ／秒〜７５ｍ／秒、特に５０ｍ／秒〜６５ｍ／秒の範囲にすることが好ましい。また、基準燃焼状態で、上記第２流路の流速が５ｍ／秒〜１５ｍ／秒、特に６ｍ／秒〜１０ｍ／秒の範囲にすることが好ましい。さらに、基準燃焼状態で、上記第３流路の流速が２０ｍ／秒〜４０ｍ／秒、特に２５ｍ／秒〜３５ｍ／秒の範囲内とすることが好ましい。
【００７２】
ここで流速とはフロート式やオリフィス等の流量計を用いて測定した流量を流量出口断面積で割って求めた平均流速を指す。
【００７３】
本発明の粉体燃焼バーナを用いて廃プラスチックを燃焼させる場合、例えば鋼材の燃焼加熱炉で適用する場合に運転初期のまだ炉温が冷えている段階では燃料ガス専焼で加熱を行うのが好ましい。炉温が低い場合には廃プラスチック粉体が周囲の炉壁から受ける輻射伝熱が小さく、十分加熱されずに未燃のまま炉床に堆積する可能性がある。最初は燃料ガス専焼で炉体を昇温し、炉温が約７００℃以上になった後に廃プラスチック粉体を投入するのが好ましい。
【００７４】
次に燃料ガス専焼から廃プラスチックを投入していく場合、総投入熱量を一定とするためには、投入した廃プラスチックの熱量分だけ燃料ガスを減らしていく必要がある。この時、総投入熱量に対する廃プラスチックの投入熱量の比率を次式で示すように混焼率と呼ぶこととすると、混焼率０％で燃料ガス専焼、混焼率１００％で廃プラスチック専焼となる。総投入熱量一定とは下式の分母（廃プラスチック投入熱量＋燃料ガス投入熱量）を一定とすることである。混焼率を上げるということは、廃プラスチック投入量を増やし、燃料ガスを減らすことに相当する。
【００７５】
混焼率（％）＝廃プラスチック投入熱量／（廃プラスチック投入熱量＋燃料ガス投入熱量）×１００
この式から分かるように混熱率を変えれば燃料流量が変わるので、廃プラスチック等の粉体燃焼バーナは混焼率を変えてもすなわち燃料ガス流量が変化しても安定に燃焼することが求められる。
【００７６】
混焼率が低い場合には第１流路の燃料ガスが主燃料として火炎を形成し、廃プラスチックが火炎内を滞留することで加熱・溶融・気化される。すなわち火炎内に存在する時間を比較的長くするほど多くの可燃性粉体を加熱出来るので、第２流路の流速が比較的低速である方が好ましい。ただし、搬送するための最低限の流速は必要となるため最適な流速が存在することになる。第３流路の燃焼用空気は最も流量が多く、旋回をかけることで混合性を促進させているが、流速が遅すぎると旋回が弱く混合性が弱くなり、逆に速すぎると粉体の火炎内存在時間が短くなるため、同様に最適な流速が存在することになる。これに対し第１流路の燃料ガスには旋回を強化する使い方と流速を抑える使い方があり、混焼率が低い場合には旋回を強化するほうが好ましい。旋回を強化することで燃料ガスによる高温の火炎場を形成し、その中を可燃性粉体を通過させる方が、火炎内の存在時間を長くするよりも効果的である。ただし、通常第１流路の燃料ガスは第３流路の燃料用空気と比較すると流量が少ないため、流速をある程度速くしないと大きな混合効果は期待出来ない。
【００７７】
逆に混焼率が高く１００％に近づくほど廃プラスチックが主燃料となり、燃焼初期の廃プラスチックの加熱・溶融・気化には周囲の高温炉壁からの輻射や火炎先端の高温部からの伝熱が重要になってくる。この時には燃料ガスの流量が少なくなるため、第１流路の旋回を強化することは困難であり、逆に流速を遅くして火炎内の存在時間を長くする事の方が重要になってくる。そこで第２流路と同時に出来るだけ低速として、隣接する第２流路の粉体の速度を抑えることが好ましい。
【００７８】
以上のことから、第１流路の流速は混焼率が低い場合は速く、混焼率が高い場合は遅くすることが好ましいため、両者を満足する範囲が存在することになる。ただし混焼率が高くなれば燃料流量は減少し流速は自然に遅くなるため、流速の範囲は燃料ガス専焼の場合の最大値で規定すれば良い。
【００７９】
また、上記粉体燃焼バーナにおいて、中心部に燃焼用空気用の中心流路が形成されている場合はこの中心流路における流速が０ｍ／秒〜２０ｍ／秒、特に５ｍ／秒〜１６ｍ／秒の範囲内とすることが好ましい。上記範囲より流速が速いと、中心から燃焼用空気が高速で吹き出すこととなり、直進性が強くなりすぎてしまい、混合性が低下することから好ましくない。また中心流路から燃焼用空気を必ずしも流さなくても燃焼性は確保出来るが、流したほうが保炎効果が期待でき安定性が増す。
【００８０】
８．その他
本発明の粉体燃焼用バーナの容量を高く変更するためには、基本的には３重管のまま管径を増大することにより全体をスケールアップすることも可能である。しかしながら、大容量化した際に火炎内に廃プラスチックが集中して投入されるため溶融燃焼が不十分となる場合がある。
【００８１】
このような場合は、３重管の外周にさらに同じ順序、すなわち燃料ガス用流路、気体搬送可燃粉体用流路、および燃焼用空気用流路の順でリング状の流路を重ねることにより対応することが好ましい。すなわち、必要であれば６重管、９重管とすることが好ましいのである。このようにして大容量化することにより、可燃粉体を分散して投入することができることから、溶融燃焼が不十分となるといった不具合が生じることがないという利点を有するためである。
【００８２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００８３】
【実施例】
以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。基準燃焼状態での流速ならびに構造が異なる７種類の粉体燃焼バーナ（Ａ〜Ｇ）を用いた。
【００８４】
表１に、各バーナの、基準燃焼状態に於ける流速、各流路の旋回手段の有無ならびに水冷手段の有無を示す。
【００８５】
バーナＣ〜Ｇは、図１に示すように、燃焼用空気用の中心流路２、燃料ガス用の第１流路３、気体で搬送される廃プラスチック用の第２流路４、および燃焼用空気用の第３流路５が同心円状に配置された４重管構造で、第１流路および第３流路に旋回羽根を備える。バーナＢは、第１流路に旋回羽根を備えていない以外は図１と同じ４重管構造のノズルであり、バーナＡは、第１流路および第３流路の双方に旋回羽根を有しない以外は図１と同じ４重管構造のノズルである。
【００８６】
これら７本のバーナの燃焼性を比較するために、平均粒径が異なる３種類の廃プラスチック（平均粒径：０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．９ｍｍ）の燃焼試験を行った。試験は内径１０００ｍｍ、長さ３０００ｍｍの円筒型燃焼炉の一端にバーナを取り付けて行った。評価は、目視観察を行い、廃プラスチック粉が炉内空間で完全に燃焼した場合（評価○）と、炉内床に着地後に燃焼するが、その量は少なく、火炎が形成されて黒煙が発生しない場合（評価△）とを燃焼状態良好とし、この二つの状態における混焼率の最大値を求めた。
【００８７】
燃焼条件として、総燃焼量は約２５万ｋｃａｌ／ｈｒ一定で、燃料ガスはコークス炉ガス（ＣＯＧ）を、廃プラスチック粉を搬送する気体は空気を使用した。試験は最初に燃料ガス専焼で燃焼させ（混焼率＝０％）、そこから燃料ガス量を減らし、減らした熱量分の廃プラスチックを投入することで投入熱量一定の条件で混焼率を上げていき、燃焼性の評価を行った。
【００８８】
表２に試験結果を示す。表２から明らかなように、旋回を全く与えていないバーナＡを用いた比較例は最大混焼率が低く、それに比べ第１流路の燃料ガスに旋回を与えた実施例１のバーナ、ならびに第１流路の燃料ガスと第３流路の燃焼用空気の双方に旋回を与えた実施例２〜６のバーナの燃焼性は良好である。特に実施例６に示すようにバーナＧの燃焼性が良好で最大混焼率が最も高い結果となった。このバーナＧは、基準燃焼状態で、第１流路の流速が４０ｍ／秒〜７５ｍ／秒の範囲内であり、第２流路の流速が５ｍ／秒〜１５ｍ／秒の範囲内であり、第３流路の流速が２０ｍ／秒〜４０ｍ／秒の範囲内である。
【００８９】
次に、バーナＧをベースとして第２流路の気体で搬送される廃プラスチック粉に対して、図３に示すような方法で旋回をかけるようにしたバーナＨと、このバーナＨに図４に示すように第２流路の外壁側に冷却水による冷却手段を設けたバーナＩと、このバーナＨに図５に示すように第２流路の外壁側および内壁側の両方に冷却水による冷却手段を設けたバーナＪを準備し、これらのバーナを用いて、前述と同様に、平均粒径が異なる３種類の廃プラスチックの燃焼試験を行った。試験結果を表２に示す。
【００９０】
その結果バーナＨのように第２流路に旋回発生手段を導入することで、燃焼性が向上し平均粒径が０．３φの廃プラスチック粉の場合、混焼率８０％で燃焼可能なことを確認した（実施例７）。さらにノズル先端を冷却することで燃焼性が向上し、廃プラスチック流路である第２流路の内壁側および外壁側の両方を水冷したバーナＪでは平均粒径が０．３φの廃プラスチック粉の場合、混焼率１００％で燃焼可能なことを確認した（実施例９）。このバーナＪではこれまでバーナ単独で燃焼させるのが困難であった平均粒径０．９φの廃プラスチック粉の場合、混焼率３０％で燃焼可能なことも確認した。この時、ノズル先端への廃プラスチックの付着が無いことを確認した。
【００９１】
【表１】
2004077092.tif 000003
【００９２】
【表２】
2004077092.tif 000004
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、まず多重管構造を有するものであることから、多孔ノズル等と比較してノズル構造がシンプルである。したがって、例えば可燃粉体が廃プラスチックの場合、廃プラスチックの溶着による種々の不具合の発生を抑えることができる。また、可燃粉体が空気により搬送される第２流路は、第１流路からの燃料ガスと第３流路からの燃焼用空気とに挟み込まれていることから、燃料と空気とが混合されて着火する段階で可燃粉体と十分混合されるものであり、火炎内で可燃粉体に十分に熱を与えることができる。さらに、第１流路、第２流路、および第３流路の内の少なくとも一つの流路において流路内を流れる気体が旋回手段により旋回するものであるので、可燃粉体と燃料および空気とが積極的に混合されることから可燃粉体の燃焼性を向上させることができるといった効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の粉体燃焼用バーナの一例における先端部分を示す概略縦断面図（ａ）および概略横断面図（ｂ）である。
【図２】図１に示す粉体燃焼用バーナの全体を示す概略縦断面図である。
【図３】第２流路に対する旋回発生手段の一例を示す概略横断面図である。
【図４】本発明の粉体燃焼用バーナの他の例における先端部分を示す概略縦断面図（ａ）および概略横断面図（ｂ）である。
【図５】本発明の粉体燃焼用バーナの他の例における先端部分を示す概略縦断面図（ａ）および概略横断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１　…　粉体燃焼用バーナ
２　…　中心流路
３　…　第１流路
４　…　第２流路
５　…　第３流路
６　…　旋回発生手段
１３　…　冷却手段
【図１】
2004077092.tif 000005
【図２】
2004077092.tif 000006
【図３】
2004077092.tif 000007
【図４】
2004077092.tif 000008
【図５】
2004077092.tif 000009