(57)【要約】【課題】管状の燃焼室内で高速の旋回流中に火炎を形成させる管状火炎バーナにおいて、火炎のリフトを防止し、幅広い燃焼負荷範囲で安定燃焼することができる管状火炎バーナを提供する。【解決手段】燃料を燃焼室１１内に吹き込むために燃焼室１１の周面に設けられ、噴射方向が燃焼室１１の内周面の接線方向に一致するようになっている２流体ノズル１３について、さらにその噴射方向を、燃焼室１１の管軸方向に直交する方向から燃焼室１１の後端１１ｂ側に向けて所定角度γだけ傾くようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端が開放され、後端が閉塞された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルを備え、燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナにおいて、燃料吹き込み用ノズル及び／又は酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が、燃焼室の管軸方向に直交する方向から燃焼室の後端側に向けて所定角度傾いていることを特徴とする管状火炎バーナ。
【請求項２】
傾いている角度は、５°〜３０°であることを特徴とする請求項１記載の管状火炎バーナ。
【請求項３】
ノズル噴射口が燃焼室の後端から所定距離離れた位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の管状火炎バーナ。
【請求項４】
所定距離は、燃焼室の直径の０．５〜１．５倍であることを特徴とする請求項３記載の管状火炎バーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱炉や燃焼炉に設置されるバーナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加熱炉や燃焼炉に設置されるバーナとして、先端が開放された管状の燃焼室を有し、この燃焼室の後端近傍に燃料を吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルが、前記燃焼室の内周面の接線方向に向けて設けられている管状火炎バーナが知られている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照。）。
【０００３】
この管状火炎バーナは、高速の旋回流中で安定な火炎が燃焼室内に形成されるので、燃焼設備の小型化が達成されるとともに、燃焼排ガスの温度のバラツキが小さく、局所的な高温領域が形成されない上に、酸素比又は空気比を下げることもできるので、ＮＯｘなどの有害物質、炭化水素等の未燃焼分、煤煙といった環境汚染源を低減することができるバーナである。
【特許文献１】特開平１１−２８１０１５号公報
【特許文献２】特開平１１−２８１０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記特許文献１又は特許文献２に記載の管状火炎バーナは、必ずしも全ての燃焼条件に対応できるとは言い切れず、以下のような問題がある。
【０００５】
すなわち、燃料が気体であって、燃焼速度が小さい場合（Ｎ2ガスを多く含む場合等）には、燃焼負荷を大きくすると、ノズルからの吹き込み流速が増加するために、火炎がノズル噴射口から離れて、燃焼室の開放端側に近づいた場所で形成されるようになる。このように火炎がノズル噴射口から燃焼室先端側に離れた場所で形成される状態（不安定燃焼状態）になると、火炎形成位置が脈動する等、安定性の高い管状火炎バーナといえども、安定燃焼できる燃焼負荷範囲が狭められるという問題がある。
【０００６】
そして、不安定燃焼すると、燃焼室内で燃焼する燃料の比率が低下するために、炉内が低温の条件下では、燃焼効率が低下したり、不完全燃焼による煤の発生を招く等の問題もある。
【０００７】
また、燃料が液体の場合には、噴霧された液体粒子を気化させ、気化した燃焼成分に着火して燃焼させるというプロセスを経ることから、燃焼負荷を大きくすると、上記の気体燃料で燃焼速度が小さい場合と同様に、火炎がノズル噴射口から離れて、燃焼室の開放端側に近づいた場所で形成されるようになる。このように火炎がノズル噴射口から燃焼室先端側に離れた場所で形成される状態（不安定燃焼状態）になると、火炎形成位置が脈動する等、安定性の高い管状火炎バーナといえども、安定燃焼できる燃焼負荷範囲が狭められるという問題がある。
【０００８】
そして、不安定燃焼すると、燃焼室内で燃焼する燃料の比率が低下するために、燃焼効率の低下、気化不良による液体燃料の不完全燃焼に基づく煤の発生、未蒸発燃料のノズル噴射口近傍への固着によるノズル閉塞等の問題もある。
【０００９】
また、燃料が固体の場合にも、上記と類似の問題がある。
【００１０】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、管状の燃焼室内で高速の旋回流中に火炎を形成させる管状火炎バーナにおいて、不安定燃焼を防止し、幅広い燃焼負荷範囲で安定燃焼することができる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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
【００１２】
［１］先端が開放され、後端が閉塞された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルを備え、燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナにおいて、燃料吹き込み用ノズル及び／又は酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が、燃焼室の管軸方向に直交する方向から燃焼室の後端側に向けて所定角度傾いていることを特徴とする管状火炎バーナ。
【００１３】
［２］傾いている角度は、５°〜３０°であることを特徴とする前記［１］記載の管状火炎バーナ。
【００１４】
［３］ノズル噴射口が燃焼室の後端から所定距離離れた位置に設けられていることを特徴とする前記［１］又は［２］に記載の管状火炎バーナ。
【００１５】
［４］所定距離は、燃焼室の直径の０．５〜１．５倍であることを特徴とする前記［３］記載の管状火炎バーナ。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の管状火炎バーナにおいては、ノズルの噴射方向が管軸に直交する方向から燃焼室の後端側に向けて所定角度傾いているので、一旦燃焼室の後端側で燃料と酸素含有ガスが混合を促進されてから、燃焼室の先端側に向かって移動していくようになる。その結果、燃焼負荷が大きく、ノズルからの吹き込み流速が増加した場合でも、ノズル噴射口の近傍で火炎が形成されるようになり、火炎のリフトが防止されて、幅広い燃焼負荷範囲で安定した燃焼を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る管状火炎バーナを示す斜視図である。図中、１０がこの実施形態に係る管状火炎バーナであり、先端１１ａが開放され、後端１１ｂが閉塞された管状の燃焼室１１を備えている。燃焼室１１の周面には、空気吹き込み用スリット１２が対称位置に２個、それと９０°をなす２個所に燃料吹き込み用の二流体ノズル１３が管軸方向に沿ってそれぞれ２個取り付けられている。空気吹き込み用スリット１２及び二流体ノズル１３の噴射方向は、燃焼室１１の内周面の接線方向に一致するようになっている。
【００１９】
さらに、二流体ノズル１３の噴射方向は、二流体ノズル１３の先端近傍に設けられている噴射方向調整軸１４を回転させることによって、燃焼室１１の管軸方向に直交する方向から燃焼室１１の後端１１ｂ側に向けて所定の角度γだけ傾けることができるようになっている。
【００２０】
また、空気吹き込み用スリット１２及び二流体ノズル１３の取り付け位置と燃焼室１１の後端１１ｂとの間に補助管を挿入することによって、副室１１ｃを設けることができるようになっている。
【００２１】
そして、空気がターボブロア２１によって空気吹き込み用スリット１２から燃焼室１１内に吹き込まれるとともに、燃料がトロコイドポンプ２３によって二流体ノズル１３に送られて、空気圧縮機２４から二流体ノズル１３に送られてきた加圧空気の気流に乗って燃焼室１１内に吹き込まれる。空気吹き込み用スリット１２から吹き込まれた空気と二流体ノズル１３から吹き込まれた燃料は、燃焼室１１の内壁に沿って急速に混合される。着火は、プロパンガスボンベ２２から供給されるプロパンガスを空気吹き込み用スリット１２から燃焼室１１内に吹き込んで行い、着火後は、二流体ノズル１３から吹き込まれる燃料による燃焼に切り替えるようにする。火炎の観察は、燃焼室１１の後端１１ｂを石英ガラス１５で閉塞して、その石英ガラス１５を通してビデオカメラにより行う。
【００２２】
以下に、上記のように構成された管状火炎バーナ１０において、二流体ノズル１３の噴射方向の燃焼室後端１１ｂ側への傾き角度γが燃焼状態に及ぼす影響を調べた結果を述べる。なお、ここでは、燃料として灯油を用い、燃焼室１１の直径は５インチ（１２７ｍｍ）で、空気吹き込み用スリット１２の断面寸法は３ｍｍ×２５０ｍｍとしている。また、管状火炎バーナ１０は炉体等に取り付けず、燃焼室１１の先端１１ａを大気に開放した状態で実施している。
【００２３】
図２に、二流体ノズル１３の噴射方向傾き角度γを変化させて、その燃焼状態を比較したものを示す。図２（ａ）は、噴射方向傾き角度γ＝０°の場合（すなわち、従来の管状火炎バーナ）、図２（ｂ）は、噴射方向傾き角度γ＝１５°の場合、図２（ｃ）は、噴射方向傾き角度γ＝３０°の場合である。縦軸に灯油流量ＱFuelを、横軸に空気流量ＱAirをとり、図中に燃焼火炎の状態を記号で表している。なお、いずれの場合も副室１１ｃは設けていない。
【００２４】
まず、図２（ａ）に示す噴射方向傾き角度γ＝０°の場合（すなわち、従来の管状火炎バーナ）では、灯油流量ＱFuelを、例えば、１２．５（ｌ／ｈ）と一定にして、空気流量ＱAirを６０〜１２０（Ｎｍ3／ｈ）の範囲にとると、安定な輝炎を伴った管状火炎が形成される。しかし、空気流量ＱAirをそれより多くしていくと二流体ノズル１３で形成されていた火炎は、燃焼室１１の先端１１ａ寄りで形成される状態となり、着火開始位置が短い周期で変動する等、不安定な燃焼状態となり、さらに空気流量ＱAirを増加させると失火に至る。
【００２５】
灯油流量ＱFuelが約１２．５（ｌ／ｈ）以下では、この失火時の当量比φ（空気比の逆数）は約０．５付近といわゆる希薄可燃限界に近いが、灯油流量ＱFuelが１５（ｌ／ｈ）を越すと突然火炎が浮き上がり易くなり、大きな当量比の値で失火が起きる。
【００２６】
これに対して、図２（ｂ）に示す噴射方向傾き角度γ＝１５°の場合には、噴射方向傾き角度γ＝０°の場合に比べて、安定燃焼範囲が改善される。すなわち、灯油流量ＱFuelが１２．５（ｌ／ｈ）以上の領域において、火炎の浮き上がりの発生する空気流量ＱAirが大きくなり、安定燃焼範囲が増大する。このとき形成される火炎について、当量比φの大きなところで、火炎が二流体ノズル１３の吹き込み位置近傍に安定に存在する領域が現れた。
【００２７】
さらに、図２（ｃ）に示す噴射方向傾き角度γ＝３０°の場合には、噴射方向傾き角度γ＝０°の場合に比べて安定燃焼範囲が一層改善される。すなわち、灯油流量ＱFuelを、例えば、１２．５（ｌ／ｈ）と一定にして、空気流量ＱAirを増やしていくと、空気流量ＱAir＝９５（Ｎｍ3／ｈ）では、二流体ノズル１３の吹き込み位置近傍に均一な火炎面を持つ輝炎が形成され、さらに空気流量ＱAirを増やして１３０〜１７０（Ｎｍ3／ｈ）にすると、二流体ノズル１３の吹き込み位置近傍に青炎、それより燃焼室先端１１ａ側に輝炎と安定した火炎が形成される。そして、空気流量ＱAirが２００（Ｎｍ3／ｈ）付近を越えると、二流体ノズル１３の吹き込み位置近傍に均一な火炎面を持つ青炎が形成される。この火炎は、一旦形成されると非常に安定性が高く、３２０（Ｎｍ3／ｈ）の高空気流量においても安定燃焼可能であった。
【００２８】
なお、上記の結果を再整理して、灯油流量ＱFuelを１２．５（ｌ／ｈ）一定とし、二流体ノズル１３の噴射方向傾き角度γを横軸に、空気流量ＱAirを縦軸にとって、その燃焼状態を比較したものを図３に示す。
【００２９】
図２及び図３に示した結果から明らかなように、二流体ノズル１３の噴射方向を燃焼室１１の管軸方向に直交する方向から燃焼室１１の後端１１ｂ側に向けて所定角度γ傾けることにより、燃焼負荷が大きく、灯油流量ＱFuelを大きくした場合でも、二流体ノズル１３の吹き込み位置近傍に火炎が形成されるようになり、幅広い燃焼負荷範囲で安定した燃焼を行うことができる。これは、吹き込まれた灯油と空気が一旦燃焼室１１の後端１１ｂ側で気化混合を促進されてから、燃焼室の先端側に向かって移動していくようになるとともに、燃焼室１１の先端１１ａ側に形成されている火炎からの熱輻射及び高温燃焼ガスとの混合によって予熱されることにより、噴霧された燃料液滴の気化を促進し、未燃ガスの燃焼速度が高まり、不安定燃焼が防止されるからである。
【００３０】
なお、二流体ノズル１３の噴射方向傾き角度γをあまり大きくすると、燃焼室１１の後端１１ｂ側に火炎が形成されて、燃焼室後端１１ｂ近傍が過熱されるので、二流体ノズル１３の噴射方向傾き角度γは５°〜３０°とするのが好適である。
【００３１】
その際、所望の火炎の色や所望の火炎の形成位置が得られるように、燃焼条件（灯油流量、空気流量）に応じて噴射方向傾き角度γを適切な角度に調整して使用するのが望ましい。ただし、燃焼条件（灯油流量、空気流量）がそれほど大きく変化しない場合には、噴射方向傾き角度γを一定にして使用することでもよい。
【００３２】
次に、上記の管状火炎バーナ１０において、空気吹き込み用スリット１２及び二流体ノズル１３と燃焼室後端１１ｂとの間に補助管を挿入することによって副室１１ｃを設けた場合の効果を述べる。
【００３３】
図４に、副室１１ｃを設けていない場合と副室１１ｃを設けた場合との燃焼状態を比較したものを示す。二流体ノズル１３の噴射方向傾き角度γは１５°とし、縦軸に灯油流量ＱFuelを、横軸に空気流量ＱAirをとり、図中に燃焼火炎の状態を記号で表している。図４（ａ）は副室１１ｃを設けていない場合、すなわち、図２（ｂ）と同じ図であり、図４（ｂ）は副室１１ｃを設けた場合である。なお、副室１１ｃの長さは１１３ｍｍである。
【００３４】
図４（ｂ）に示す副室１１ｃを設けた場合には、図４（ａ）に示す副室１１ｃを設けない場合に比べて、灯油流量ＱFuelが大きいところで顕著な火炎安定化がみられる。すなわち、灯油流量ＱFuelを、例えば、１２．５（ｌ／ｈ）と一定にして、空気流量ＱAirを増加させていった場合、空気流量ＱAir＝７５〜１７０（Ｎｍ3／ｈ）の範囲では、輝炎を伴った管状火炎が形成され、さらに空気流量ＱAirを増やして空気流量ＱAir＝１８０〜２１０（Ｎｍ3／ｈ）の範囲では、二流体ノズル１３の吹き込み位置近傍に青炎が安定して形成されるようになる。そして、空気流量ＱAirを増やして２２０（Ｎｍ3／ｈ）以上にすると、全体的に均一な火炎面を持つ青炎が形成され安定に燃焼する。
【００３５】
図４に示した結果から明らかなように、二流体ノズル１３の噴射方向を燃焼室１１の管軸方向に対して直交する方向から燃焼室１１の後端１１ｂ側に向けて所定角度γ傾けるとともに、空気吹き込み用スリット１２及び二流体ノズル１３と燃焼室後端１１ｂとの間に副室１１ｃを設けることにより、一層幅広い燃焼負荷範囲で安定した燃焼を行うことができる。これは、二流体ノズル１３の噴射方向を傾けることによる効果、すなわち、吹き込まれた灯油と空気の混合の促進や火炎からの熱輻射及び高温燃焼ガスとの混合による予熱が、副室１１ｃという空間を設けることによって一層効果的に行われるからである。
【００３６】
なお、ここでは、副室１１ｃの長さを１１３ｍｍとして、燃焼室１１の直径１２７ｍｍの０．８９倍にしているが、副室１１ｃの長さがあまり短いと、その効果が少ないし、副室１１ｃの長さがあまり長いと、副室１１ｃ内に火炎が形成されて、副室１１ｃが過熱されるので、副室１１ｃの長さは、燃焼室１１の直径の０．５〜１．５倍が好ましい。
【００３７】
図５に、本発明の他の実施形態に係る管状火炎バーナを示す。この実施形態に係る管状火炎バーナ３０は、先端３１ａが開放され、後端３１ｂが閉塞された管状の燃焼室３１を備えており、燃焼室３１の周面には、酸素含有ガス吹き込み用ノズル３２と燃料吹き込み用ノズル３３が各２個づづ取り付けられている。それらの酸素含有ガス吹き込み用ノズル３２と燃料吹き込み用ノズル３３の噴射方向は、燃焼室３１の内周面の接線方向に一致するようになっているとともに、各吹き込み用ノズル３２、３３に設けられている噴射方向調整装置３４を用いて、吹き込み用ノズル３２、３３内に設けられている整流板（図示せず）の角度を変更することによって、燃焼室３１の管軸方向に直交する方向から燃焼室３１の後端３１ｂ側に向けて所定の角度γだけ傾けることができるようになっている。
【００３８】
また、吹き込み用ノズル３２、３３の取り付け位置と燃焼室３１の後端３１ｂとの間に副室３１ｃが設けられている。吹き込み用ノズル３２、３３の取り付け位置の周面には点火装置３６ａが、副室３１ｃの周面には点火装置３６ｂがそれぞれ設けられている。
【００３９】
さらに、燃焼室３１の後端３１ｂには、燃焼室３１内の火炎の状態を観察するために火炎観察装置３５が設置されている。
【００４０】
上記のように構成された管状火炎バーナ３０においては、酸素含有ガス吹き込み用ノズル３２及び／又は燃料吹き込み用ノズル３３の噴射方向を、燃焼室３１の管軸方向に直交する方向から燃焼室３１の後端３１ｂ側に向けて所定角度γ傾けることにより、燃焼負荷が大きい場合でも、燃料吹き込み用ノズル３３の吹き込み位置近傍に火炎が形成されるようになり、幅広い燃焼負荷範囲で安定した燃焼を行うことができる。これは、吹き込まれた燃料と酸素含有ガスが一旦副室３１ｃ内で混合を促進されてから、燃焼室の先端側に向かって移動していくようになるとともに、燃焼室３１の先端３１ａ側に形成されている火炎からの熱輻射及び高温燃焼ガスとの混合によって予熱されることにより、未燃ガスの燃焼速度が高まり、火炎のリフトが防止されるからである。
【００４１】
なお、上記の酸素含有ガスは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を供給するガスを指している。また、上記の燃料は、気体燃料、液体燃料、固体燃料のいずれを用いてもよい。さらに、酸素含有ガスと燃料とを予混合した予混合気を吹き込むようにしてもよい。
【００４２】
また、酸素含有ガス吹き込み用ノズル３２と燃料吹き込み用ノズル３３の噴射方向は、燃焼室３１の内周面の接線方向に一致するように設けているが、必ずしも燃焼室３１内周面の接線方向に一致する必要はなく、燃焼室３１にガスの旋回流を形成できる程度に、噴射方向が燃焼室３１内周面の接線方向から外れていてもよい。
【００４３】
そして、酸素含有ガス吹き込み用ノズル３２及び／又は燃料吹き込み用ノズル３３の噴射方向傾き角度γは、燃料の種類や燃焼条件等に応じて適切に設定すればよい。場合によっては、火炎観察装置３５による観察データに基づいて、所望の火炎の色や所望の火炎の形成位置が得られるように噴射方向傾き角度γを制御するようにしてもよい。
【００４４】
また、副室１１ｃの長さＬは、燃料の種類や燃焼条件等に応じて、燃焼室３１の直径Ｄの何倍にするか定めればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態の説明図である。
【図２】本発明の一実施形態における燃焼状態の比較図である。
【図３】本発明の一実施形態における噴射方向傾き角の効果を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態における副室の効果を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態の説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  管状火炎バーナ
１１  燃焼室
１１ａ  燃焼室の先端
１１ｂ  燃焼室の後端
１１ｃ  燃焼室の副室
１２  空気吹き込み用ノズル
１３  二流体噴射ノズル
１４  噴射方向調整軸
１５  石英ガラス
２１  ターボブロア
２２  プロパンガスボンベ
２３  トロコイドポンプ
２４  空気圧縮機
２５  回転式流量計
３０  管状火炎バーナ
３１  燃焼室
３１ａ  燃焼室の先端
３１ｂ  燃焼室の後端
３１ｃ  燃焼室の副室
３２  酸素含有ガス吹き込み用ノズル
３３  燃料吹き込み用ノズル
３４  噴射方向調整装置
３５  火炎観察装置
３６ａ、３６ｂ  点火装置
【図１】
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【図２】
2005283065.tif 000004
【図３】
2005283065.tif 000005
【図４】
2005283065.tif 000006
【図５】
2005283065.tif 000007