(57)【要約】【課題】　焼損などの不具合の問題を招くことなく温度場の高温化を可能とし、かつＮＯｘなどの発生を抑制して熱回収を高効率で行えるようにする。【課題】　ラジアントチューブ８１の両端にバーナ８２，８３をそれぞれ配置し、かつ該バーナ８２，８３のエアースロート８４に内装ないし連結させた蓄熱体８５を通して酸化剤の供給と燃焼排ガスの排気とを交互に行うようにし、燃焼排ガスの熱を用いて酸化剤を予熱してから供給し交互燃焼させるラジアントチューブバーナシステムにおいて、ラジアントチューブ８１内へ各々の噴射口９３，９４，８４ａから燃料と酸化剤とを互いに平行に噴射するようにしている。【選択図】　図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　ラジアントチューブの両端にバーナをそれぞれ配置し、かつ該バーナのエアースロートに内装ないし連結させた蓄熱体を通して酸化剤の供給と燃焼排ガスの排気とを交互に行うようにし、前記燃焼排ガスの熱を用いて前記酸化剤を予熱してから供給し交互燃焼させるラジアントチューブバーナシステムにおいて、前記ラジアントチューブ内へ前記燃料と前記酸化剤とを互いに平行に噴射することを特徴とする燃焼方法。
【請求項２】
　前記酸化剤を前記ラジアントチューブの中央に噴射し、その周りから前記燃料を噴射することを特徴とする請求項１記載の燃焼方法。
【請求項３】
　前記酸化剤を前記ラジアントチューブの内周壁に沿って噴射させると共に、前記燃料の主流が前記空気噴流から離れた位置から噴射され、燃料の主流と空気噴流とが混合する前にできるだけ大量の燃焼排ガスを巻き込むようにしていることを特徴とする請求項１記載の燃焼方法。
【請求項４】
　前記燃料は主流となる大径の燃料噴流と小径の燃料噴流とからなり、前記酸化剤噴流に近い位置から小径の燃料噴流を噴射すると共に、前記大径の燃料噴流を前記小径の燃料噴流よりも前記酸化剤噴流から離れた位置から噴射することを特徴とする請求項３記載の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、燃焼熱で加熱を行う熱装置に関する。更に詳述すると、本発明は、熱装置内の温度場の高温化と共に平坦化を実現する燃焼制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
　燃焼を利用する加熱装置を高性能化するための主要課題の一つである省エネルギー化は、これまで主として熱回収技術を使った排熱損失の低減化により進められてきた。例えばボイラシステムの場合、現在そのほとんどは空気予熱器およびエコノマイザ等を用いた排熱回収により、すでに９０〜９５％という高い熱効率が達成され、熱回収技術もほぼ限界まで進められてきた。従ってこれ以上の効率向上は僅かである上に、必然的に装置の大型化や複雑化によるイニシャルコストの急増を避けられず、投資対効果の面からもその意義は薄れつつある様に見える。
【０００３】
　しかし、省エネルギー化を実現し得るより基本的な方法として、加熱装置内部の伝熱効率の改善がある。即ち、伝熱を従来よりも高効率に行わせるため、燃焼室内に形成される温度場を積極的に改善制御する技術の革新である。これが実現されれば、高い熱効率を維持しつつ、装置の小型化あるいは生産量の増加が期待でき、結果として省エネルギーと省資源とに貢献する加熱装置が実現することとなる。
【０００４】
　一般論として、加熱装置において、高効率伝熱を実現するためには、温度場の高温化の必要がある。
【０００５】
　そして、燃焼室内に形成される温度場を高温化するためには高いエンタルピを持つ酸化剤の利用、純酸素燃焼あるいは燃焼室断熱化向上などにより火炎温度を上昇させることが考えられる。実用的な手法としては図１８に示すように、空気を予熱高温化する熱再循環による超過エンタルピー燃焼がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
　しかしながら、超過エンタルピー燃焼は１９７１年にWeinbergが指摘したように、これまで超希薄混合気や低品位燃料の燃焼において火炎温度を通常燃焼のレベルまで上昇させるための手法とされてきており、高品位燃料の燃焼や適正空気比での燃焼には使われていなかった。しかも、火炎の上限温度には実用上多くの制約があり、過度の火炎高温化は高効率伝熱を実現するにはあまり現実的な意味を持たなかった。例えばボイラへの適用を考えると、過大な熱流束が伝熱管に定常的に与えられた場合、伝熱管の焼損などの危険性を常に伴うからである。
【０００７】
　しかし、高品位燃料と高いエンタルピを持つ酸化剤を用いた超過エンタルピー燃焼によって断熱火炎温度を通常よりさらに高温化した場合であっても、高い熱流束を定常的に被加熱物に与えるのではなく、熱流束を時間的空間的に変化させるような火炎制御が行われるのであれば被加熱物の過熱や焼損を抑制し得る可能性があると考えられる。つまり、もし炉内温度場を時間平均的に上限温度以下に制御することができれば伝熱の高効率化に有効な手段となる。
【０００８】
　このことは、高温の空気を用いた試験炉での燃焼試験で得られた熱流束分布測定結果（図１１）からも明らかである。即ち、燃焼用空気温度が２００℃の場合、熱流束分布は比較的平坦ではあるが、局部的な最大熱流束ｑmax は平均熱流束ｑave の約１．２倍で、炉の後部に存在する最小熱流束ｑmin は平均熱流束ｑave の約０．６倍となっている。一方、空気温度が１０００℃の場合、熱流束の極大値は２００℃のときの平均熱流束ｑave の約２．２倍に増加するが、熱流束分布の不均一度はさらに増大する。よって、温度場の高温化に加えて平坦化を実現させ炉内全体に均一な熱流束が与えられれば、単位伝熱面積当たりの収熱量を増加させるような伝熱改善が可能なことが明らかである。
【０００９】
　そこで、本発明は、焼損などの不具合の問題を招くことなく温度場の高温化を可能とし、かつＮＯｘなどの発生を抑制して熱回収を高効率で行うことができる加熱装置の燃焼制御方法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】
【００１０】
　かかる目的を達成するため、本発明者らが鋭意研究の結果、高いエンタルピを持つ酸化剤を用いた燃焼により火炎発熱分布を炉内の特定の位置に定常的かつ定在的に存在することのないようにする新しい制御方法を見いだした。これによって、不均一分布を持つ高い熱流束を時間的および空間的に変化させれば、温度場の平坦化が実現された。即ち、本発明は、高いエンタルピを有する酸化剤と燃料とをラジアントチューブ内へ別々に噴射しチューブ内空間を利用して混合し燃焼させる一方、バーナを交互燃焼させて非定在火炎を形成し、あるいは別々に噴射された高いエンタルピを有する酸化剤と燃料とを炉内空間で混合して非量論比燃焼させ、若しくはバーナを交互燃焼させて非定在火炎を形成すると共に非量論比燃焼させることによって、温度場を平坦化させるようにしている。
【００１１】
　温度場の平坦化を実現するための燃焼制御方法としては、例えばバーナの移動、複数バーナの交互燃焼、あるいは混合比制御や混合位置の移動若しくは火炎の移動による火炎の温度パターンの変化等、様々な方法が考えられる。これらの方法はバーナの頻繁なＯＮ−ＯＦＦ制御や急激な流量変化等によって実現されるが、これらの操作は通常燃焼であれば一般的に燃焼不安定化をもたらすものである。しかし、高いエンタルピを持つ酸化剤として予熱温度が８００℃以上の高温空気が用いられるがゆえに、反応速度の増大や可燃限界の大幅な拡大が燃焼の安定化に大きく寄与すると期待される。よって、これまで広く用いられてきた通常燃焼であれば種々の困難が生じる可能性の高い極端なレベルでの非量論比燃焼制御を実現するための混合制御の操作が極めて容易となる。
【００１２】
　また、本発明者らは、高いエンタルピを有する酸化剤を用いて生じせしめた燃料濃度の高いリッチ燃焼ガスを高温還元剤として用いれば著しく窒素酸化物抑制に効果的であるとの実験的知見を得た。すなわち低公害燃焼を行うために、高いエンタルピを有する酸化剤を用いて生じせしめた燃料濃度の高いリッチ燃焼ガスを高温還元剤として利用することを特徴とする、熱装置の窒素酸化物を抑制する燃焼方法を見いだした。
【００１３】
　また、高いエンタルピを有する酸化剤を用いて生じせしめた高温燃焼ガスを一酸化炭素発生領域に供給混合することによりその発生を抑制する手法についても同時に発生抑制効果が大なる事実を見いだした。
【００１４】
　本発明は、かかる知見にもとづくものであって、ラジアントチューブの両端にバーナをそれぞれ配置し、かつ該バーナのエアースロートに内装ないし連結させた蓄熱体を通して酸化剤の供給と燃焼排ガスの排気とを交互に行うようにし、燃焼排ガスの熱を用いて酸化剤を予熱してから供給し交互燃焼させるラジアントチューブバーナシステムにおいて、ラジアントチューブ内へ燃料と酸化剤とを互いに平行に噴射するようにしていることを特徴とする。
【００１５】
　また、本発明は、請求項１記載の燃焼方法において、酸化剤をラジアントチューブの中央に噴射し、その周りから前記燃料を噴射するようにしている。
【００１６】
　また、本発明は、請求項１記載の燃焼方法において、酸化剤をラジアントチューブの内周壁に沿って噴射させると共に、燃料の主流が空気噴流から離れた位置から噴射され、燃料の主流と空気噴流とが混合する前にできるだけ大量の燃焼排ガスを巻き込むようにしている。
【００１７】
　更に本発明は、請求項３記載の燃焼方法において、燃料は主流となる大径の燃料噴流と小径の燃料噴流とからなり、酸化剤噴流に近い位置から小径の燃料噴流を噴射すると共に、大径の燃料噴流を小径の燃料噴流よりも酸化剤噴流から離れた位置から噴射することを特徴とする。
【００１８】
　したがって、本発明によると、酸化剤と燃料とが炉内空間を利用して混合され燃焼するため、従来よりも高い温度場が形成される。しかも、火炎は一定位置に定まらない非定在火炎となり、ヒートフラックスパターンを移動させたり変化させる。このため、時間平均的に炉内温度場を上限温度以下に抑制する。
【００１９】
　また、高いエンタルピを持つ酸化剤として予熱温度が８００℃以上の高温空気が用いられる場合、反応速度の増大や可燃限界の大幅な拡大が燃焼の安定化に大きく寄与すると期待される。それゆえこれまで広く用いられてきた通常燃焼であれば種々の困難が生じる可能性の高い極端なレベルでの非量論比燃焼（従来の非量論比燃焼制御法において用いられていた空気比０．７〜２をはるかに逸脱する例えば０．２〜１０程度の空気比での燃焼）を実現するための混合制御が極めて容易となる。例えば、メタンの可燃領域を図１７に示すが、混合気温度が２０℃の場合、希薄限界は燃料濃度が約５．２％（当量比０．５２）、１０００℃の場合１．５％（当量比０．１４５）となる希薄限界の拡大は安定燃焼範囲の拡張を意味すると考えられ、よって熱流束分布を制御する方法に自由度の増大をもたらす。
【発明の効果】
【００２０】
　以上の説明より明らかなように、本発明の燃焼加熱装置の燃焼制御方法は、ラジアントチューブの両端にバーナをそれぞれ配置し、かつ該バーナのエアースロートに内装ないし連結させた蓄熱体を通して酸化剤の供給と燃焼排ガスの排気とを交互に行うようにし、燃焼排ガスの熱を用いて酸化剤を予熱してから供給し交互燃焼させるラジアントチューブバーナシステムにおいて、ラジアントチューブ内へ燃料と酸化剤とを互いに平行に噴射するようにしているので、温度場の平坦化を図ると共に高温化が容易に達成できる。
【００２１】
　しかも、火炎の位置の移動によって、火炎は一定位置に定まらない非定在火炎となり、ヒートフラックスパターンを移動させたり変化させる。このため、時間平均的に炉内温度場を上限温度以下に抑制する。例えば、火炎の周期的な混合変化を想定した場合、混合パターンが変化する毎に熱流束分布は図１２のように非対称な分布も交互に変化を生じると考えられる。この際、熱流束の分布は、炉のほぼ中央を横切る面を中心として炉長方向に面対称となることが望ましい。なぜならそれら二つのパターンでつくられる熱流束分布の平均値（太い実線で示される）は図１２に示すように、定在火炎（一定の場所に形成される火炎）の場合に形成される１０００℃の空気による熱流束の極大値よりも低いレベルで平坦化するからである。これを空気温度２００℃の熱流束と比較した場合、実に約１．７倍の平均熱流束を炉内全体に均一に与えるようになり、伝熱効率が飛躍的に改善されることがわかる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
　以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
　温度場の高温化と平坦化を実現する燃焼装置の実施例の一つを図１に示す。この実施例は、加熱装置３６の炉内３５に直接燃料を噴射する燃料ノズル３１と高いエンタルピを持つ酸化剤を炉内３５に直接噴射する手段３８とを別々に設置し、炉内３５の空間を利用して別々に供給された燃料と高いエンタルピを持つ酸化剤とを混合させ燃焼させるようにしたものである。ここで、高いエンタルピを持つ酸化剤として、予熱温度が８００℃以上好ましくは１０００℃以上の高温空気が燃焼に用いられれば、通常燃焼なら一般的に燃焼不安定化をもたらすような燃焼制御に対しても、反応速度の増大や可燃限界の大幅な拡大が燃焼の安定化に大きく寄与するために燃焼安定性が維持される。よって、これまでの通常燃焼であれば種々の困難が生じる極端な超希薄や超過濃な燃料濃度レベルでの非量論比燃焼制御を実現するための混合制御の操作が極めて容易となる。そこで、高いエンタルピを有する酸化剤と燃料とを別々に噴射し炉内で混合するようにしている。この時、噴射口３８，３８から高速で噴出される８００℃以上、好ましくは１０００℃以上の高温の燃焼用空気に誘引されてその周囲に比較的低速で噴射された燃料と炉内３５の排ガスとが巻き込まれ、低酸素濃度下で緩慢燃焼を起こす。更に、燃焼反応中にも燃焼ガス及び未反応の燃焼用空気の速い流れに燃焼排ガスが大量に巻き込まれて燃焼反応が継続され、より緩慢燃焼を促進する。このとき、燃焼反応は、通常燃焼における可燃限界を越えた極端な超希薄あるいは超過濃な非量論比となるが、前述したように安定燃焼を起こす。高いエンタルピを持つ酸化剤としては、主に高温の例えば８００℃以上に予熱された空気を指すが、これに特に限定されず、空気に酸素富化したものや所定量の酸素を含む空気以外のガスで約８００℃以上に加熱されたものなどを含む。高いエンタルピを持つ酸化剤（以下、総称して燃焼用空気と呼ぶ）の供給と燃焼ガスの排出とを交互に行う手段３８，３８には流路切替手段３７が設けられ、一方から燃焼用空気Ａを供給する間に他方から燃焼ガスＥを排出するように設けられている。この装置の特徴は、蓄熱体１を有する流路切替手段３７の切り換え周期を非常に短くして熱再循環を行い、これにより熱回収の高効率化を図り、高いエンタルピを持つ酸化剤として予熱温度８００℃あるいはそれ以上の高温空気が得られる点である。また、熱交換および熱流束分布平坦化のために拡散火炎を切替手段・ディスク３の回転にあわせて順次移動回転させる際、それを短い周期でしかも高いエンタルピを持つ酸化剤の噴出流速をステップ状に大幅に変化させながら、燃焼室円周方向ばかりでなく軸方向に対して高温領域の非定在制御の操作を実施することにより温度場の平坦化を実現している。即ち、この実施例の燃焼は、排熱回収熱交換器の温度効率を向上させるので、空気高温化と排熱損失低減化が同時に達成される。また、切り換え周期をより短くした場合、蓄熱体の必要蓄熱容量は少なくなるので、蓄熱体１はコンパクトなセラミックハニカムで構成されている。
【００２４】
　図６に図１の燃焼制御方法を実現するバーナの一実施例を原理図で示す。このバーナは、高いエンタルピを持つ酸化剤として蓄熱体１による直接熱交換によって高温例えば約８００℃以上に予熱された燃焼用空気Ａと燃料Ｆとを別々に炉内３５に噴射させてバーナ内ではなく炉内空間３５を利用して混合し燃焼させるようにしたものである。より具体的には、燃料Ｆを炉内３５に噴射する燃料ノズル３１を蓄熱体１の中心に貫通させ、燃料噴流の周りから８００℃以上の高温に予熱された燃焼用空気Ａを酸化剤供給手段３８から交互に噴射させるようにしている。ここで、燃焼用空気Ａは蓄熱体１の燃焼ガスを排気した箇所に通して高温とされる。また、蓄熱体１を通して炉内３５に噴射される燃焼用空気Ａの量はほぼ全量であって、燃焼用空気Ａの一部（通常数％程度）が常温のまま燃料ノズル３１の冷却用空気として、燃料用ノズル３１とその周りの蓄熱体１との隙間２４から炉内３５に噴射される場合もある。しかし、実質的にはほぼ全量となる燃焼用空気Ａが蓄熱体１を経て高温にされてから炉内３５に噴射されていると言える。
【００２５】
　ここで、蓄熱体１を介して燃焼用空気Ａの供給と燃焼排ガスＥの排気とを図る流路切替手段３７は、基本的には、周方向にＮ（Ｎ＝ｎ＋１、ここで、ｎは２以上の正の偶数で常時流体が流れる室数である。）室に均等に区画され各室内を軸方向に流体が通過可能とした蓄熱体１と、燃焼用空気供給系に接続される給気室６ａと燃焼ガス排気系に接続される排気室６ｂとを有する出入口手段６と、この出入口手段６と蓄熱体１との間に介在されて蓄熱体１と出入口手段６との間を遮断する一方、連続的あるいは間欠的に回転して出入口手段６の排気室６ｂと給気室６ａとをＮ室に区画された蓄熱体１の室のいずれかに順次に連通させる切替手段３とから構成されている。
【００２６】
　蓄熱体１としては、特定の形状や材質に限定されるものではないが、１０００℃前後の燃焼排ガスのような高温流体と２０℃前後の燃焼用空気のような低温流体との熱交換には、例えばコージライトやムライト等のセラミックスを材料として押し出し成形によって製造されるハニカム形状のものの使用が好ましい。また、ハニカム形状の蓄熱体１は、セラミックス以外の素材例えば耐熱鋼等の金属で製作しても良い。尚、ハニカム形状とは、本来六角形のセル（穴）を意味しているが、本明細書では本来の六角形のみならず四角形や三角形のセルを無数にあけたものを含む。また、上述の如く一体成形せずに管などを束ねることによってハニカム形状の蓄熱体１を得るようにしても良い。本実施例の場合、蓄熱体１はその手前に配置された分配室２によって周方向に総数Ｚ（ａ・Ｎ）の室に区画されている。例えば、図６に示す実施例の場合、仕切り８によって３室９ａ，９ｂ，９ｃに区画された分配室２によって、蓄熱体１内が図８に示すように流体が流れない空室１０と燃焼排ガスを流す室１１と燃焼用空気を流す室１２との３室に区画される。即ち、蓄熱体１そのものは、１つ１つが独立した流路を構成するセルの集合から成るハニカム形状を成していることから、分配室２によって仕切られた範囲が１つの区画された室を形成することとなる。分配室２を設ける場合、連通孔４，５を経て流入する流体を分散させて蓄熱体１の全域に均一に分流させることができる。また、蓄熱体１の形状も特に図示のハニカム形状に限定されず、図９の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、平板形状や波板形状の蓄熱材料２７を筒状のケーシング２８内に放射状に配置したり、図９の（Ｃ）に示すように、パイプ形状の蓄熱材料２７を軸方向に流体が通過するように筒状のケーシング２８内に充填したものであっても良い。更には、本実施例では分配室２によって単一の蓄熱体１が実質的にＺ室に区画されているが、これに特に限定されるものではなく、蓄熱体１そのものをａ・Ｎ室に区画形成しても良い。例えば、図９の（Ｄ）に示すように隔壁２９によって周方向にａ・Ｎ室に区画形成され、軸方向に流体が通過可能とした筒状のケーシング２８を用意し、これの各室に球状、短管、短棒、細片、ナゲット状、網状などの蓄熱材料２７の塊りを充填することによって構成されたものでも良い。コージライトやムライトなどよりもはるかに高温で使用可能なＳｉＮ等の蓄熱材料２７を使用する場合には、複雑なハニカム形状に成形することは容易ではないが、単純なパイプ形状や棒、ボールなどに成形することは容易である。そこで、図９の（Ｃ）や（Ｄ）に示すような蓄熱体構造の採用が好ましい。
【００２７】
　ここで、蓄熱体１に区画される室の数は燃焼用空気を流す室（以下給気用の室という）１２と燃焼排ガスを流す室（以下排気用の室という）１１とを１組として最低１組に１つの空室（流体が流れない室）１０を組み合わせたものであり、ｎ＝２のとき即ちＮ＝ｎ＋１より３を最低室数とする。この場合、燃焼用空気は、蓄熱体１の一つの区画１２に連通される場合と切替途中の空室１０を含めた２つの区画に同時に連通される場合とがあり、一定の押し込み圧力で燃焼用空気を供給しているときに２段階の噴射速度が与えられることとなる。即ち、流路断面積が切替途中に２倍となるため流速が半減することとなる。このため、燃焼用空気が燃料と炉内３５で混合され燃焼を起こす位置あるいは火炎の高温領域の位置が噴射方向において移動する、所謂非定在火炎を形成することとなる。勿論、一度に連通する室数を増やすことによって燃焼用空気の噴射速度をステップ状に何段階にも変化させるようにすることもできる。そして、排気用の室１１と給気用の室１２とを組にして、何組でも組み合わせ可能である。この場合、例えば２組の給気用の室を採用する場合、炉内３５に形成される火炎が円周方向に２組となり、更にこれが円周方向に回転移動しながら火炎長さひいては火炎の高温領域を噴射軸方向に繰り返し移動させるため、より平坦化が可能となる。また、図示していないが、Ｎ個の室を１ユニットとして複数ユニットを形成することも可能である。即ち、室の総数Ｚは、Ｚ＝ａ・Ｎで表される（ここで、ａはユニット数を示す０を除く正の整数）。この場合、各ユニットとユニットとの間に空室が位置するように各連通孔４，５の位置が設定されている。このようにして、Ｎ室を１ユニットとして総室数Ｚの複数ユニットの室を蓄熱体１に形成することも可能である。
【００２８】
　出入口手段６は、例えば円筒状の仕切壁７によって、燃焼用空気供給系３３と接続される給気室６ａと排気系統３４と接続される排気室６ｂとに区画されている。本実施例の場合、仕切壁７の内側に供給室６ａ、外側に排気室６ｂが形成されている。本実施例の場合、切替手段３は出入口手段６と分配室２の間で単独に切替手段３と共に回転するように設けられている。例えば、図７に示すように、出入口手段６は外筒部１３ａと切替手段３の支持環２３の間に軸受部材１５を介在させて切替手段３を回転自在に保持している。そして、出入口手段６と切替手段３の間には流体が漏洩しないようにシール部材１６，１７が設けられている。
【００２９】
　出入口手段６の供給室６ａと排気室６ｂとをそれぞれ対応する蓄熱体１の室・区画１２，１１にのみ連通させる切替手段３は、流路と直交する円板から成り、蓄熱体１のある１つの区画と供給室６ａとを連通させる給気用連通孔５と、１つの区画と排気室６ｂとを連通させる排気用連通孔４とをａ・ｎ／２個ずつ有している。例えば、図１の場合にはｎは２、ａは１であるから、１個ずつの給気用連通孔５と排気用連通孔４とを有している。そして、この排気用連通孔４と給気用連通孔５とは、1同じ室・区画に給気用連通孔５と排気用連通孔４とが同時に存在し得ないこと、2空室１０の次の室・区画に位置する最前列の連通孔から順次１つずつ前方の室・区画に移り変わること、3給気用連通孔及び排気用連通孔４の大きさは、半径方向に互いに重ならないようにｎ個を配置したときに１室に全てが同時に収まる大きさであること、の３条件を満たすことが必要である。即ち、排気室６ｂと蓄熱体１の排気用の室１１とを連通させる排気用連通孔４と給気室６ａと蓄熱体１の給気用の室１２とを連通させる給気用連通孔５とを交互にｎ／２個ずつ配置し、かつ数式１で表される角度αの間隔をあけて排気用連通孔４と給気用連通孔５とが配置され、
【数１】
2004003857.tif 000003
更に給気用連通孔５及び排気用連通孔４の大きさが数式２の関係を
【数２】
2004003857.tif 000004
満足することが必要である。ここで、角度αは、α＝３６０°／ｎに設定することが好ましい。このとき、各排気用連通孔４と給気用連通孔５とが等間隔に配置されるため、各連通孔の位置設計と穿孔作業が容易となる。
【００３０】
　また、複数ユニットを設ける場合には、総数Ｚの室のうち常時流体が流れることのないａ個の空室１０を各ユニットの間に形成される。尚、場合によっては一部の燃焼ガスは蓄熱体１を通さずに炉外へ排出し、他の熱処理設備や対流熱交換器、エコノマイザー、加熱設備などに供給して熱源として利用するようにすることもある。また、円形以外の形状の連通孔であっても、前述の数式１，２の関係は成立する。β1 は切替手段３の回転中心Ｏから高温流体用連通孔４に外接する中心角であり、β2 は切替手段３の回転中心Ｏから低温流体用連通孔５に外接する中心角である。
【００３１】
　この切替手段３は、本実施例の場合、出入口手段６と軸受手段１５によって回転自在に支持されている。そして、駆動機構によって連続的あるいは間欠的に回転可能に設けられている。駆動機構は特に限定されるものではないが、例えば本実施例の場合、ディスク状の切替手段３の周縁にギア２２を形成し、これと噛合するドライブギア２０を有するモータ２１を切替手段３の周りに配置しモータ駆動するように設けられている。勿論、これに限定されるものではなく、切替手段３の周縁に圧接される摩擦車によって回転駆動させるようにしても良い。尚、蓄熱体１と分配室２とを収容するケーシング１３ｂと切替手段３との間、並びに切替手段３と分配室２との間にはシール材１８および１９が介在され、シールされている。
【００３２】
　尚、排気系３４と給気系３３とは図示していないが押し込みファンと誘引ファンに接続されている。また、立ち上げ用の点火バーナ３７が必要に応じて設置されている。
【００３３】
　燃料ノズル３１は、蓄熱体１を貫通して炉内３５に直接露出ないし突出するように配置されている。燃料ノズル３１と蓄熱体１との間には僅かな隙間２４が設けられ、燃焼用空気の一部が冷却用流体として流されている。勿論、この冷却用の空気は場合によっては流さない。更に具体的には、この燃料ノズル３１は、出入口手段６の中心、切替手段３の中心、分配室２の中心及び蓄熱体１の中心を貫通して噴射口（図示省略）が炉内３５に突出するように設置され、ケーシング１３ａなどで支持されている。ここで、噴射口は図示していないが先端の中心に軸方向に開口している。
【００３４】
　以上のように構成されたバーナは次のように燃焼する。
【００３５】
　燃料中の空気と排気の切替動作を図６及び図８に基づいて詳しく説明すると次のようなものである。まず、出入口手段６の給気室６ａに燃焼用空気Ａが導入されると、この燃焼用空気Ａは給気用連通孔５を経て分配室２の第２の室９ｂに流入し、更に該当する蓄熱体１の室・区画１２に流入する。このとき、蓄熱体１の該当する区画・室は切替前に通過していた高温ガス・燃焼排ガスＥの熱によって加熱されているため、通過する燃焼用空気Ａは蓄熱体１の熱を奪って高温即ち当該蓄熱体１を加熱した燃焼ガスの温度近くの高温とされる。そして蓄熱体１の中央に配置された燃料ノズル３１の周りから、炉内３５へ直接１０００℃程度の高温となった燃焼用空気Ａを燃料Ｆの周りに噴射する。他方、出入口手段６の排気室６ｂに排気用連通孔４を介して連通された蓄熱体１の該当する区画１１には、排気系３４の誘引ファンの働きによって炉内３５の燃焼排ガスＦが導入される。そして、この蓄熱体１の区画１１部分を加熱することによって温度が下がった燃焼排ガスは分配室２の第１の室９ａに流入してから排気用連通孔４を経て排気室６ｂに排出される。
【００３６】
　次いで、切替手段３を図６の状態から反時計回転方向へ連続的にあるいは間欠的に回転させると、まず排気用連通孔４が左隣りの分配室の第３の室９ｃにかかり、第１の室９ａと第３の室９ｃとが同時に排気室６ｂと連通する。したがって、炉内の燃焼排ガスＥは蓄熱体１の第１の区画と第３の区画（図８に符号１０で示された部分）とを通過してから分配室２の第１の室９ａと第３の室９ｃとに流入してこれら両室９ａ，９ｃに排気用連通孔４を介して接続されている排気室６ｂに流出する。そして排気される。その後、排気用連通孔４が完全に第３の室９ｃ（図８において符号１０で示される空室であった部分）に切り替えられてから、第２の室９ｂに占位していた給気用連通孔５が第１の室９ａ（図８において符号１１で示される室部分）に切り替えられ、第２の室９ｂ（図８において符号１２で示される室）で区画される領域が空室となる。換言すれば、今まで流体が流されていなかった空室１０に燃焼排ガスＥが流され、今まで燃焼排ガスＥが流されていた室１１に燃焼用空気Ａが流され、更に燃焼用空気Ａが流されていた室１２には流体が流されない。依って、燃焼排ガスＥの熱によって蓄熱体１が加熱され、加熱された蓄熱体１を通過する燃焼用空気Ａが蓄熱体１の熱によって温められる。このとき、流体の流れの切替は、空室１０を利用して２室に跨ったときにもそれぞれの室と連通させながら行うので、流体の流れが途絶えることがない。そして、燃焼排ガスＥの次に燃焼用空気Ａと順次流れを途切らすことなく切り替えられる。したがって燃焼用空気Ａは、加熱された蓄熱体１を通って排ガス温度に近い高温例えば１０００℃程度の熱風となって炉内３５へ供給される。このとき、燃焼用空気は単一の室に連通されているときは流速を増し、切替時に空室と跨るときには流速を低減させる。したがって、燃料と混合される位置が噴射方向に変動し火炎の高温領域を炉内３５で炉長方向に移動させることとなる。
【００３７】
　ほぼ全量の燃焼用空気に相当する高温燃焼用空気Ａと燃料ノズル３１から噴射される燃料Ｆとは別々に炉内３５に噴射され、噴射直後に混じることなく炉内３５に広がり、燃料ノズル３１から離れた炉内３５で混合される。また、高速で流れる燃焼用空気Ａに炉内排ガスが大量に巻き込まれ、燃焼用空気流中の酸素濃度は低下する。このとき、燃焼用空気Ａと燃料Ｆはその流速を急速に低下させかつ混合領域を広範囲に拡大していることから、本来は燃焼し難い条件である。しかし、燃焼用空気Ａそのものが８００℃以上例えば１０００℃程度の高温であるため、このような条件でも容易に燃焼する。しかも、非量論比の条件で燃焼が生じかつ大量の炉内排ガスが巻き込まれているため、火炎温度の急激な上昇が抑制されたいわゆる緩慢燃焼を起こし、ＮＯｘの発生を抑える。この緩慢燃焼によって発生する燃焼ガスは前述した如く炉内３５での熱利用の後、蓄熱体１の一部の領域を通過して炉外に排出される。ここで、蓄熱体１の切替は、例えば２０秒〜９０秒、好ましくは１０秒程度の間隔で行うか、あるいは蓄熱体１を経由して排出される燃焼ガスが所定の温度例えば２００℃程度となったときに行う。
【００３８】
　また、他の切替手段３としては、図１０に示すように排気用連通孔４と給気用連通孔５とをＮ室に区画された蓄熱体１の各室のほぼ全域を占める大きさの孔とし、燃焼排ガスＥを流す室と燃焼用空気Ａを流す室との間に少なくとも１室以上の空室を区画できるような配置関係がとられたものである。即ち、蓄熱体１は、前述の実施例と同様に分配室２による区画あるいは蓄熱体そのものの区画によって、周方向にＮ（Ｎ＝ｎ＋２、ここで、ｎは２以上の正の整数で常時流体が流れる室数である。）室に均等に区画され、各室内を軸方向に流体が通過可能とされている。ここで、蓄熱体１に区画される室の数は燃焼用空気を流す給気用の室１２と燃焼排ガスを流す排気用の室１１とを１組として最低１組に２つの空室（流体が流れない室）１０，１０を組み合わせたものであり、４室・区画を最低室数・区画数とする。排気用の室１１と給気用の室１２とは同数である必要はなく、場合によっては、排気用の室１１の数よりも給気用の室１２の数を多くしたり、あるいはその逆とすることも可能である。この場合、排気量と空気量との比率が異なる場合に、それぞれの比率ごとに利用する蓄熱体の伝熱面面積を変えることができ、適正な熱収支を保つことができるといった利点がある。また、複数の室・区画が１つの連通孔によって同時に流体が流れるようにしても良い。例えば、２つないし３つ、あるいはそれ以上の数の室・区画が同時に１つの連通孔に繋がるようにしても良い。この場合、切り替えに必要な空室の大きさが小さくなり、切替時間を短くすることができる。更に、Ｎ個の室を１ユニットとして複数ユニットを形成することも可能である。即ち、室の総数Ｚは、Ｚ＝ａ・Ｎで表される（ここで、ａはユニット数を示す０を除く正の整数）。この場合、１つの空室１０を介在させて１群の排気用の室１１と給気用の室１２とが交互に配置されるように各連通孔４，５の位置が設定される。
【００３９】
　そして、切替手段３は、蓄熱体１の１つあるいは２つ以上の室・区画１２，１２-1，１２-2，…，１２-nと供給室６ａとを連通させる給気用連通孔５と、１つあるいは２つ以上の室・区画１１，１１-1，１１-2，…，１１-nと排気室６ｂとを連通させる排気用連通孔４とをユニット数ａだけ有している。例えば、図１０の場合にはユニット数ａは１であるから、１個ずつの給気用連通孔５と排気用連通孔４とを有している。そして、この排気用連通孔４と給気用連通孔５とは、その間に相互に少なくとも１室以上の空室１０を区画できるような配置関係を満たすことが必要である。即ち、１ユニットの場合、給気用連通孔５と排気用連通孔４とが数式３
【数３】
2004003857.tif 000005
で表わされる角度Ｃの間隔をあけて配置されている。ここで、角度Ｃは、空室分の角度、即ち［３６０°／（ｎ＋２）］よりも僅かに大きく設定することが好ましい。この場合には、給気と排気の混合を完全に防いで尚かつ圧損を最小限に抑えることができる。また、複数ユニットを設ける場合には、排気用連通孔４と給気用連通孔５との間に数式４
【数４】
2004003857.tif 000006
で表される角度Ｃの間隔が設定されて、ユニット数分の排気用連通孔４と給気用連通孔５とが交互に配置される。
【００４０】
　以上のように構成された切替手段３における流体の流れの切り替えは、排気用連通孔４と給気用連通孔５の双方が同時にそれぞれの前方の空室１０，１０に移り変わることによって行われる。そして、排気用連通孔４および給気用連通孔５が空室であった前方の室・区画内を完全に占位したとき、いままで排気用連通孔４および給気用連通孔５と連通していた室・区画はそれぞれ空室となる。例えば図１０に示す１ユニット８室のケースを例に挙げて説明すると、回転方向の最後尾の室・区画１１-3，１２-3が空室となる。このとき、排気用連通孔４および給気用連通孔５は、今までの室・区画１１-1，１１-2，１１-3および１２-1，１２-2，１２-3と新たな室・区画１０，１０との４つの区画に同時に跨るが、複数の区画に同時に流体を供給しながら切り替えられると共に空室１０を利用しているので、流体の流れが遮断されることがないことは勿論のこと、前方の排気用連通孔４は給気用連通孔５がさしかかった区画よりも１つ前の区画に占位するため、排出される燃焼排ガスと供給される燃焼用空気とが同じ区画内において混じり合うことがない。
【００４１】
　次に、温度場高温化と平坦化を実現する燃焼装置の別の実施例を図２に示す。この実施例は、燃焼用空気を供給する手段４８の蓄熱体４１，４２の上流側に複数、例えば一次と二次の二つに分岐した流路４３，４４を配置すると共に蓄熱体内も各流路に対応させて複数、例えば一次と二次の二つの区画４１，４２に独立させ、いずれか一方の流路４３，４４あるいは場合によっては双方の流路から燃焼用空気を供給するように設けられている。外側の流路の蓄熱体４１の場合は、開口面積が大きくなるためその長さを短くし、内側の蓄熱体４２の場合は、開口面積が小さくなるためその長さを長くしている。これによって、蓄熱体４１，４２に蓄えられる熱容量がいずれの蓄熱体を通過しても同等なるように設けられている。しかし、流路面積は蓄熱体４１，４２によって異なるため、同じ押し込み圧力で燃焼用空気が供給される場合、外側の蓄熱体４１を通過して噴射される場合と内側の蓄熱体４２を通過して炉内３５へ噴射される場合とでは噴射速度が異なる。この場合にも高いエンタルピを持つ酸化剤（燃焼用空気）の噴出流速をステップ状に大幅に変化させて、炉内・燃焼室３５の半径方向ばかりでなく軸方向に対して高温領域の非定在制御の操作を実施することを可能として温度場を平坦化している。即ち、燃焼用空気が通過する蓄熱体の断面積を変化させることによって噴射速度を変化させ、炉長方向（軸方向）において燃焼用空気と燃料との混合位置並びに火炎の高温領域の位置を変化させるようにすると共に径方向において交互に燃焼用空気を噴射させることによって火炎位置を炉内の半径方向においても変化させるようにしている。また、炉内３５に別々に噴射される高温の燃焼用空気と燃料との混合が、噴射量や噴射の時間的なずれ等及び大量の炉内排ガスの巻き込みによって非量論比に制御されることは、図１の実施例の場合と同様である。そして、この非量論比燃焼によっても温度場の平坦化が達成される。尚、図中符号４５，４６は２つの流路４３，４４を合流させる集合ダクト、４７は四方弁、４９は２つの流路４３，４４を選択的に閉じるダンパである。
【００４２】
　次に、図３に燃焼室軸方向に対してのみ高温領域の非定在制御の操作を実施することにより温度場を平坦化した場合の実施例を示す。この実施例は燃焼用空気の噴射位置を軸方向（燃焼用空気の噴射方向：火炎方向）にずらして配置し、燃焼用空気の噴射を炉内の手前側と奥側とに交互に切り替えて燃料と燃焼用空気とが炉内において混合され燃焼を起こす位置を移動させることを可能としたものである。即ち、軸方向に対して高温領域の非定在制御の操作が行われる。具体的には、炉３６の手前側に燃料ノズル３１とその周りに燃焼用空気を交互に噴射する一対の酸化剤供給手段５３，５３を配置し、この酸化剤供給手段５３，５３を合流ダクト５４を介して四方弁５６の一つのポートに連結するようにしている。そして、酸化剤供給手段５３，５３には蓄熱体５２，５２が装入されており、四方弁５６から導入される燃焼用空気を蓄熱体５２，５２の熱で予熱してから炉内３５へ噴射するように設けられている。また、四方弁５６の他方のポートには炉３６の奥側に連通する一対の酸化剤供給手段５７，５７が合流ダクト５５を介して連結されている。また、この酸化剤供給手段５７，５７にも蓄熱体５１，５１が装入されている。尚、四方弁５６の残る２つのポートには燃焼用空気供給系３３と排ガス系３４とが接続されている。したがって、四方弁５６の切替によって炉の手間側の酸化剤供給手段５３，５３または奥側の酸化剤供給手段５７，５７のいずれか一方から燃焼用空気が約８００℃あるいはそれ以上に予熱されて燃料ノズル３１から噴射される燃料に向けて噴射される。この実施例の場合、炉の手前側と奥側とで交互に燃焼用空気が噴射されるため、炉の入口から噴射される燃料に対し燃焼用空気が手前側と奥側とで交互に混合され火炎が形成される。よって、火炎の高温領域が炉の手前側寄りと奥側寄りとの間を繰り返し移り変わる。また、炉内３５に別々に噴射される高温の燃焼用空気と燃料との混合が、噴射量や噴射の時間的なずれ等及び大量の炉内排ガスの巻き込みによって非量論比に制御されることは、図１の実施例の場合と同様である。そして、この非量論比燃焼によっても温度場の平坦化が達成される。
【００４３】
　尚、以上の高温温度場の平坦化の実施例をまとめて図５に示す。この図によると、火炎の発生と炉長方向並びに炉円周方向における熱流束パターンの変化が示されている。
【００４４】
　図４は燃焼熱で加熱を行う熱装置の燃焼を低公害化する燃焼制御方法の一例を示すものである。この燃焼制御方法は、高いエンタルピを有する酸化剤を用いて生じさせた燃焼を利用してＮＯｘの還元および一酸化炭素の抑制を図ることを特徴とする。この実施例によると、燃焼用空気を炉内３５の手前側と奥側とに分けて供給し、炉内３５の空間を利用して燃焼用空気と燃料との混合、特に二段階混合を実施して低ＮＯｘ化を実現したものである。この場合、炉３６の手前側に設置された一対の酸化剤供給手段７０，７０と炉３６の奥側に設置された一対の酸化剤供給手段７１，７１とをそれぞれ集合ダクト６７，６８で合流させて四方弁６９の各ポートにそれぞれ連結し、一方の酸化剤供給手段７０，７１を燃焼用空気供給系３３に接続するとき他方を排ガス系３４へ選択的に接続するようにしている。そして、分岐される流路６３，６４にはそれぞれダンパ６５，６６が設けられ、燃焼用空気の一部例えば３０％程度が燃料ノズル３１の周辺から噴き出され、残り例えば７０％程度が炉の奥において噴射される。この場合、全量の燃料と３０％程度の燃焼用空気とが炉内３５の空間を利用して混合され、燃料過剰状態の混合ガスを形成して燃焼する。このとき、燃焼用空気は約８００℃以上の高いエンタルピを有する酸化剤であるため、このような極めて高い燃料リッチ状態であっても燃焼が可能となる。このとき、燃焼ガスは極端な空気不足のため完全燃焼はしないが、炉３６の奥側において供給される残りの燃焼用空気によって完全燃焼を達成する。この非量論比燃焼によって温度場が平坦化される。また、低公害燃焼を行うために、高いエンタルピを有する酸化剤を用いて燃料ノズル３１の近傍の一次燃焼領域に生じさせた燃料濃度の高いリッチ燃焼を高温還元剤として利用し、さらに高いエンタルピを有する酸化剤を用いて炉３６の奥側の二次燃焼領域に生じさせた高温燃焼で発生する窒素酸化物生成を抑制すると同時に一酸化炭素発生領域に供給混合することによりその発生を抑制し完全燃焼を可能にするようにしている。ここで、燃焼ガス中に高いエンタルピを持つ酸化剤即ち蓄熱体６１，６１を経て８００℃以上の高温となった燃焼用空気を噴射することによって高温燃焼ガス中に発生するＮＯｘの還元あるいはＣＯの低減が図られる原理としては、例えば次のようなことが考えられる。高温の燃焼用空気の噴流は直進する燃焼ガス噴流に対し横風噴流となって合流する。このとき、燃焼ガス噴流中には横風噴流・高温燃焼用空気噴流によって互いに逆向きの渦領域となる一対の循環流が生じ、燃焼ガスの噴流内部に燃焼用空気噴流を取り込む。その後、２つの渦領域それぞれの内部に生じた大小複数の渦塊によって燃焼ガス噴流の高濃度域が複雑に断面内に拡散されると同時に噴流中央部に取り込まれた燃焼用空気噴流も分散されて拡散される。即ち、燃焼用空気噴流が燃焼ガス噴流の中に取り込まれた後、次第に噴流内部全体に広がり、高温の燃焼用空気と燃料リッチ燃焼ガスとが混合されて燃焼ガス噴流内で燃焼する。その間、燃焼ガス噴流に含まれるＮＯｘが還元され、かつＣＯが酸化される。
【００４５】
　更に、本発明の燃焼制御方法は、図１３に示すようなラジアントチューブバーナシステムに適応する場合にも好ましい結果が得られる。このラジアントチューブバーナシステムは、ラジアントチューブ８１の両端にバーナ８２，８３をそれぞれ配置し、かつ該バーナ８２，８３のエアースロート８４に内装ないし連結させた蓄熱体８５を通して酸化剤（例えば燃焼用空気）の供給と燃焼排ガスの排気とを交互に行うようにし、約８００℃以上の高温に予熱された酸化剤たる燃焼用空気を用いて交互燃焼させるようにしたものである。尚、各バーナ８２，８３のエアースロート８４は例えば四方弁等の流路切替手段８６を介して燃焼用空気供給系８８と排気系８９とに選択的に接続され、一方のバーナ８２（あるいは８３）へ燃焼用空気が供給されると共に、他方のバーナ８３（あるいは８２）を経て燃焼排ガスが排出されるように設けられている。このため、蓄熱体８５は、燃焼排ガスが通過するときにはその顕熱を回収して蓄熱し、燃焼用空気が通過するときには蓄えられた熱を放出して燃焼用空気を予熱する。尚、両バーナ８２，８３は三方弁８７を介して選択的に接続される燃料供給系９０から交互に燃料が供給されて交互に燃焼する。例えば、図１３の（Ｂ）に示すように、バーナ８２，８３はバーナボディ９１内に蓄熱体８５を内装し、それよりも下流側即ち空気噴射方向にエアースロート８４を構成するタイル９２を設けて中央の噴射口８４ａから燃焼用空気を噴射し、その周りから燃料を空気とほぼ平行に噴射するようにしている。燃料を噴射する燃料噴射ノズルは、大径の燃料ノズル９３と小径の燃料ノズル９４とから構成され、タイル９２の中央に形成されるエアースロート８４から離した位置に開口するようにタイル９２内に埋設されている。燃料ノズル９３，９４はエアースロート８４内を通過する８００℃以上の高温の燃焼用空気及び燃焼排ガスから耐火・断熱材から成るタイル９２によって保護され、コーキング及び焼損を起こさないように設けられている。このバーナ構造の場合、中央の空気噴射口８４ａから高速で噴射される高温の燃焼用空気の流れによって燃料ノズル９３，９４から噴射される燃料を誘引して巻き込み、同時にラジアントチューブ８１内の燃焼ガスを強力に巻き込んで緩慢燃焼を起こす。また、図１３の（Ｃ）に示すように、エアースロート８４の噴射口８４ａをラジアントチューブ８１の内周壁に沿って燃焼用空気を噴射するように形成する一方、燃料の主流が空気噴流から離れて噴射するように設けて、燃料の主流と空気噴流とが混合する前にできるだけ大量の燃焼排ガスを巻き込むようにしても良い。
【００４６】
　ここで、高いエンタルピを持つ酸化剤として、予熱温度が８００℃以上好ましくは１０００℃以上の高温空気が燃焼に用いられれば、通常燃焼なら一般的に燃焼不安定化をもたらすような燃焼制御に対しても、反応速度の増大や可燃限界の大幅な拡大が燃焼の安定化に大きく寄与するために燃焼安定性が維持される。よって、これまでの通常燃焼であれば種々の困難が生じる極端な超希薄や超過濃な燃料濃度レベルでの非量論比燃焼制御を実現するための混合制御の操作が極めて容易となる。
【００４７】
　例えば、メタンの可燃領域を例に挙げると、混合気温度が２０℃の場合、希薄限界は燃料濃度が約５．２％（当量比０．５２）であったものが、１０００℃の場合には１．５％（当量比０．１４５）にもなる。同様に過濃限界側も希薄限界とともに拡大するので、このことは安定燃焼範囲の拡張を意味する。よって、火炎温度分布を混合によって制御する方法において、これまでの制限に比較して大幅な自由度の増大がもたらされる。このことから、図１３の（Ｂ）あるいは（Ｃ）に示すような構造のラジアントチューブバーナにおいても、非量論比燃焼を起こし、それが安定して継続されるため、温度場が平坦化される。
【００４８】
　即ち、図１３の（Ｂ）に示す構造のラジアントチューブバーナの場合、中央のエアースロート８４の噴射口８４ａから高速で噴出される８００℃以上、好ましくは１０００℃以上の高温の燃焼用空気に誘引されてその周囲に比較的低速で噴射された燃料とラジアントチューブ８１内の排ガスとが巻き込まれ、低酸素濃度下で緩慢燃焼を起こす。更に、燃焼反応中にも燃焼ガス及び未反応の燃焼用空気の速い流れに燃焼排ガスが大量に巻き込まれて燃焼反応が継続され、より緩慢燃焼を促進する。このとき、燃焼反応は、通常燃焼における可燃限界を越えた極端な超希薄あるいは超過濃な非量論比となるが、前述したように安定燃焼を起こす。
【００４９】
　また、図１３の（Ｃ）に示す構造のラジアントチューブバーナにおいても、ラジアントチューブ８１の内周壁に沿って噴射される燃焼用空気に小径の燃料ノズル９４から噴射された燃料と燃焼排ガスとが誘引されて巻き込まれ、超空気過剰状態で燃焼し、更に下流側で大量の燃焼排ガスと大径の燃料ノズル９４から噴射された燃料とを巻き込んで、低酸素濃度下で緩慢燃焼を起こす。燃焼反応は燃料と燃焼排ガスとを巻き込みながら継続され、より緩慢燃焼を促進させる。
【００５０】
　また、高品位燃料と高いエンタルピを持つ酸化剤を用いた超過エンタルピ−燃焼により断熱火炎温度を通常よりさらに高温化した場合、高い熱流束を定常的に被加熱物に与えるのではなく、例えば図５に示されるように、あるいは図１〜図４、図１３、図１６に具体的に示されるように、交互燃焼で非定在火炎を形成することによって熱流束を時間的あるいは空間的に変化させるような火炎制御を行えば、被加熱物のオーバーヒートや焼損を抑制することが可能と考えられる。したがって、炉内温度場を時間平均的に平坦化制御することができれば伝熱の高効率化に加えて伝熱放射管表面の温度偏差を低減し熱応力是正にも有効な手段となる。
【００５１】
　斯くして、ラジアントチューブ熱装置の伝熱を高効率化するために、図１３に示すように、高いエンタルピを有する酸化剤を用いて生じせしめた非量論比的燃焼と交互燃焼を単独に、あるいはそれらを組み合わせて利用することによって、ラジアントチューブの管壁温度偏差を３０℃〜５０℃以下にすることを実現できた。
【００５２】
　また、従来の通常燃焼では、ラジアントチューブの表面負荷ｑとアウトプット効率αが炉内温度Ｔに対して定まっていたため、必要加熱量Ｑが決まるとその管径ｄは管長さ１として数式５から算出されていた。
数５
　　ｑ×（π／４）×ｄ２×１＝Ｑ／α　　　atＴ
【００５３】
　ラジアントチューブ表面の温度偏差を低減する燃焼制御方法、即ち、高いエンタルピを有する酸化剤を用いて生じせしめた非量論比的燃焼と交互燃焼を単独にあるいは組み合わせて利用する本発明の燃焼制御方法によれば、表面負荷ｑとアウトプット効率αを従来より大幅に増加することができる。
【００５４】
　これまで、ラジアントチューブバーナシステムのラジアントチューブ直径としては、最小でも３Ｂ（ラジアントチューブの呼び径）以上が使われていた。これは、表面負荷ｑとアウトプット効率αが低かったためで、それ以下の直径で加熱を行うには多数のチューブを必要とし煩雑化するためであった。
【００５５】
　しかし、高い表面負荷ｑとアウトプット効率αであれば、図１４に示すように、３Ｂのラジアントチューブ即ち外径７５ｍｍ以下のチューブを使用することも可能となる。尚、小径の管で燃焼量を増加すれば供給流体流速が高速になり、至る所が燃焼速度よりも速く流れるので、通常燃焼では不安定になり失火するが、高いエンタルピを有する酸化剤つまり８００℃以上の高温に予熱された燃焼用空気を用いた燃焼では極めて安定性が高い燃焼が保持される。また、燃焼用空気そのものも、高温に予熱されることで膨張するため高流速となる。
【００５６】
　更に、本発明の燃焼制御方法は、図１５に示すようなラジアントチューブで実施する場合にも好適な結果を得る。このラジアントチューブ１００は、直管の中央を仕切壁１０２で仕切って右室１０３Ｒと左室１０３Ｌとに区画し、ダブルエンド型のラジアントチューブとしたものである。このラジアントチューブ１００の隣り合う端部には、例えば図１において示すような流路切替手段３７と各室１０３Ｒ，１０３Ｌに臨む燃料ノズルとを設置し、交互に燃料を右室１０３Ｒと左室１０３Ｌに噴射して燃焼させるようにしても良い。この場合のチューブ形状は円形や楕円形に限られずその他の形状を採用しても良いが、より好ましくは図示の如き楕円形状とすることである。この形状のラジアントチューブ１００の場合、中仕切壁１０２によって分けられているチューブ１００の右半分の室１０３Ｒと左半分の室１０３Ｌとで交互に火炎が形成され、先端の折り返し通路１０４部分で反対側に抜けて排出されるため、ラジアントチューブ１００の表面温度が大きく異ならず均一化され、しかも表面負荷を上げることができる。従来の一般的なシングルエンド型のラジアントチューブは、先端部分でのみ内管と外管とが連通する同軸二重管形式で、内管の内側で燃焼して発生した燃焼ガスが外管と内管の間のスペースを通って戻ってくる構造とされている。このため、外管に必要な表面負荷を与えるためには内管は熱的に限界に近い状況で使用されることになる。実際には、Ｕ字管式等に比してその表面負荷は低い傾向にあった。しかし、図１５のラジアントチューブ構造の場合、燃焼反応を起こす部分も燃焼ガスが戻る部分も表面に双方とも露出しているため、ラジアントチューブ表面の温度偏差を低減することができ、表面負荷とアウトプット効率が改善される。即ち、高いエンタルピを有する酸化剤（約８００℃以上に予熱された高温の燃焼用空気）を用いた非量論比的燃焼と交互燃焼の組み合わせによって仕切壁１０２によって仕切られたラジアントチューブの左右で非定在火炎が形成されるためヒートフラックス分布がラジアントチューブの左右において均一に形成されるため、熱的環境が緩和される。
【００５７】
　更に、図１６にラジアントチューブバーナシステムの他の実施例を示す。この実施例は、複数本の直管から成るラジアントチューブ１１０，…，１１０を炉内１１６に設置し、各チューブ１１０の両端に例えば図１３の（Ｂ）あるいは（Ｃ）に示すのと同様の構造のバーナ１１１，１１２をそれぞれ設置している。そして、例えば２本のチューブ１１０，１１０の両端に設置されたバーナ１１１，１１２のエアースロートを各々連結してから四方弁１１３，１１３の一つのポートにそれぞれ接続する一方、別の２本のチューブ１１０，１１０の両端に設置されたバーナ１１１，１１１，１１２，１１２のエアースロートを各々連結してから四方弁１１３，１１３の他のポートにそれぞれ接続し、２本のチューブ１１０，１１０を組として、一方の組のバーナ１１１，１１１，１１２，１１２を燃焼用空気供給系１１４，１１４に接続する一方、他方の組のバーナ１１１，１１１，１１２，１１２を排気系１１５，１１５に接続する。このようにして、直管のラジアントチューブ１１０，１１０の一端から他端に向けて流れる燃焼ガスを他端側のバーナ１１２，１１２あるいは１１１，１１１を通過させて排気し、蓄熱体を加熱するようにしている。この実施例の場合、各ラジアントチューブ１１０内でも交互に燃焼による非定在火炎によってヒートフラックスパターンが変化して温度場が平坦化されると共に従来より高温度場が形成される。また、炉内全域においても、空間的に熱流束が変化することによってヒートフラックスパターンが変化して、温度場が平坦化されかつ従来より高い温度場となる。加えて、非量論比燃焼によって、局所的な高温場が抑止され、温度場が平坦化される。依って、ラジアントチューブの温度偏差を小さくして、炉内温度を上げることができる。
【００５８】
　尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施例では主に燃焼用空気の噴射位置等を切り替える場合について説明したが、これに特に限定されるものではなく、燃料の噴射位置を変えるようにしても良い。また、高温の燃焼用空気と燃料との混合制御による非量論比燃焼と交互燃焼による非定在火炎の形成とを同時に行う実施例について主に説明したが、場合によっては非定在火炎形成と非量論比燃焼とを別々に実施しても良く、この場合にも温度場の平坦化は達成される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明方法を実施する加熱装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明方法を実施する加熱装置の他の例を示す概略図である。
【図３】本発明方法を実施する加熱装置の他の例を示す概略図である。
【図４】本発明方法を実施する加熱装置の他の例を示す概略図である。
【図５】図１〜図３の加熱装置によって実施する本発明の燃焼制御方法の例を示す一覧図である。
【図６】図１の加熱装置に適用されたバーナの基本構成を示す斜視図である。
【図７】図１の加熱装置に適用されたバーナの具体例を示す断面図である。
【図８】図１の加熱装置に適用されたバーナの空気供給手段に用いられる切替手段の説明図である。
【図９】蓄熱体の他の実施例を示す説明図で、（Ａ）は放射状に板を配置したタイプ、（Ｂ）は放射状に波板を配置したタイプ、（Ｃ）はパイプを束ねたタイプ、（Ｄ）は蓄熱材料をＮ室に区画されたケーシング内に充填したタイプを示す。
【図１０】流路切替手段の他の実施例を示す説明図である。
【図１１】従来の燃焼法による２００℃の燃焼用空気を用いる場合と１０００℃の燃焼用空気を用いる場合とのヒートフラックスパターンを示すグラフである。
【図１２】本発明方法によって形成されるヒートフラックスパターンを示すグラフである。
【図１３】本発明の燃焼制御方法をラジアントチューブバーナに適用する場合の実施例を示す概略図で、（Ａ）はバーナシステム全体の概略図、（Ｂ）はバーナの一例を断面して示す概略図、（Ｃ）はバーナの他の例を断面して示す概略図である。
【図１４】本発明方法を実施した場合と従来の燃焼制御方法との入熱量とそれに必要なチューブ管径との関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の燃焼制御方法を適用する場合のラジアントチューブの実施例を示す図で、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はチューブ先端の断面図である。
【図１６】本発明方法を実施する加熱装置の他の例を示す概略図である。
【図１７】メタンガスの可燃範囲と温度との関係を示すグラフである。
【図１８】温度場の高温化を実現する超過エンタルピー燃焼法の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６０】
　１，４１，４２，５１，５２，６１，６２，８５　蓄熱体
　３１，９３，９４　燃料ノズル
　３７　流路切替手段
　３８，４８，５３，５７，７０，７１，８４　酸化剤供給手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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