(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部から外周部に向かい、気体燃料用ノズル、酸素を主成分とする１次支燃ガス用ノズル、粉体を搬送気体と共に噴出する粉体用ノズル、酸素を主成分とする２次支燃ガス用ノズルが、この順で同心円状に配置され、
前記気体燃料用ノズルのノズル先端は、外側に位置する１次支燃ガス用ノズルのノズル先端よりも後退するよう位置決めされ、
前記気体燃料用ノズルのノズル先端には、気体燃料を円環状に噴出する円環状のノズル孔が開設され、
前記１次支燃ガス用ノズルは、ノズル先端に開設したノズル孔に向けてガス流路が絞り込まれるように形成された先端側ノズルと、該先端側ノズルの外周囲部に配置された基端側ノズルとで構成され、先端側ノズルのガス流路と基端側ノズルのガス流路とは、先端側ノズルの内周円に対する接線方向に延在するよう該先端側ノズルに穿設された複数の孔で連通されて、基端側ノズルから前記複数の孔を介して先端側ノズルへ流れる際に旋回流が与えられた１次支燃ガスが前記ノズル孔から旋回しつつ噴出されるよう構成した
ことを特徴とする粉体溶融バーナ。
【請求項２】
気体燃料は、前記気体燃料用ノズルに設けた気体燃料用旋回手段により１次支燃ガスと同方向の旋回流が与えられて、気体燃料ノズル先端から旋回しつつ噴出されるよう構成した請求項１記載の粉体溶融バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、細粒や微粒状ごみ焼却残渣、下水汚泥やその焼却残渣、セラミック粉体等の粉体を火炎中で溶融するのに用いられ、酸素を支燃ガスの主成分とする粉体溶融バーナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
前記粉体溶融バーナとして、例えば特開平１０−２４４１８７号公報に記載のものが存在する。この公報に開示される粉体溶融バーナは、その中心部から外周部に向かい、燃料用ノズル、酸素を主成分とする１次支燃ガス用ノズル、粉体と搬送気体との固気混合物用ノズルおよび酸素を主成分とする２次支燃ガス用ノズルが、この順で同心円状に配置されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の粉体溶融ノズルの構造では、粉体は燃料用ノズルや１次支燃ガス用ノズルの外周から供給されるので、粉体の溶融を確実かつ速やかに行なうには、バーナ先端部近くの火炎径を太くし、粉体が火炎から外れずに接触時間を長くし得る、直進性のある火炎を形成することが強く望まれる。しかし、前記燃料用ノズルのノズル孔は円形の単孔であり、直進性のある火炎を形成し得るものの、バーナ先端部近くから太くなる火炎は形成できなかった。
【０００４】
【発明の目的】
そこで発明者は、前記課題の解決策を求めて種々模索したところ、前述した火炎径が太くならない原因は、単孔からは燃料が円柱状に噴出されるため、その中心部の燃料と外周から供給される１次支燃ガスとが離間しており、バーナ先端部近くでの１次支燃ガスと燃料全体との混合が速やかに行なわれず、酸化反応による膨張力が弱いためであることが確認された。すなわち、燃料用バーナの先端から噴出される燃料の全体を１次支燃ガスに近づけることで、燃料と１次支燃ガスとの混合が速やかに行なわれ、酸化反応による膨張力を大きくし、従ってバーナ先端部近くでの火炎径を太くし得ることが判った。
【０００５】
本発明は、前述した従来の技術が内在している欠点に鑑み、これを好適に解決するべく提案されたものであって、バーナ先端部近くから太くなる形状の火炎を実現し、粉体を確実かつ速やかに溶融できる粉体溶融バーナを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決し、所期の目的を好適に達成するため、本発明に係る粉体溶融バーナは、
中心部から外周部に向かい、気体燃料用ノズル、酸素を主成分とする１次支燃ガス用ノズル、粉体を搬送気体と共に噴出する粉体用ノズル、酸素を主成分とする２次支燃ガス用ノズルが、この順で同心円状に配置され、
前記気体燃料用ノズルのノズル先端は、外側に位置する１次支燃ガス用ノズルのノズル先端よりも後退するよう位置決めされ、
前記気体燃料用ノズルのノズル先端には、気体燃料を円環状に噴出する円環状のノズル孔が開設され、
前記１次支燃ガス用ノズルは、ノズル先端に開設したノズル孔に向けてガス流路が絞り込まれるように形成された先端側ノズルと、該先端側ノズルの外周囲部に配置された基端側ノズルとで構成され、先端側ノズルのガス流路と基端側ノズルのガス流路とは、先端側ノズルの内周円に対する接線方向に延在するよう該先端側ノズルに穿設された複数の孔で連通されて、基端側ノズルから前記複数の孔を介して先端側ノズルへ流れる際に旋回流が与えられた１次支燃ガスが前記ノズル孔から旋回しつつ噴出されるよう構成したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る粉体溶融バーナにつき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照しながら以下説明する。
【０００８】
【第１実施例】
図１は、第１実施例に係る粉体溶融バーナ１０を示すものであって、その中心部から外周部に向かい、都市ガス等の気体燃料を噴出する気体燃料用ノズル１２、酸素を主成分とする１次支燃ガスを噴出する１次支燃ガス用ノズル１４、粉体を搬送気体と共に噴出する粉体用ノズル１６および酸素を主成分とする２次支燃ガスを噴出する２次支燃ガス用ノズル１８が、この順で夫々独立した流路で同心円状に配置されている。また、１次支燃ガス用ノズル１４のノズル先端、粉体用ノズル１６のノズル先端および２次支燃ガス用ノズル１８のノズル先端は、同一面上に臨むよう設定されるのに対し、気体燃料用ノズル１２のノズル先端は、外側に位置する１次支燃ガス用ノズル１４のノズル先端よりも所定長さだけ後退するよう位置決めしてある。なお、粉体溶融バーナ１０の最外部には、冷却水が循環供給される冷却筒２０が設けられている。
【０００９】
前記１次支燃ガス用ノズル１４は、先端側ノズル２２と、その外周囲部に配置された基端側ノズル２４(粉体ノズルをも形成する)とで構成されており、先端側ノズル２２のガス流路と基端側ノズル２４のガス流路とは、両ノズル２２,２４の接合部において先端側ノズル２２に穿設されて略接線方向に延在する複数の支燃ガス用旋回手段としての孔２２ａで連通されている(図３参照)。すなわち１次支燃ガスは、基端側ノズル２４のガス流路から複数の孔２２ａを介して先端側ノズル２２のガス流路へ流れる際に旋回流が与えられ、該１次支燃ガスは旋回しつつノズル先端から噴出されるよう構成してある。そして、このように１次支燃ガスを旋回することで、前記気体燃料用ノズル１２から噴出される気体燃料との混合を促すと共に、粉体用ノズル１６から噴出される粉体と火炎との接触も促すようになっている。なお、先端側ノズル２２におけるノズル先端部のガス流路は、その中心軸線方向に絞り込まれると共に、ノズル先端で開口するノズル孔１４ａは円形の単孔に設定してある。
【００１０】
前記粉体用ノズル１６のノズル先端で開口するノズル孔１６ａは、図２に示すように、前記１次支燃ガス用ノズル１４のノズル孔１４ａを囲む円環状に設定されている。また粉体用ノズル１６のノズル先端部における粉体流路は、その中心軸線方向に絞り込まれており、粉体はノズル孔１６ａから軸中心に向けて斜めに噴出されるよう構成される。
【００１１】
前記２次支燃ガス用ノズル１８のノズル先端には、前記粉体用ノズル１６のノズル孔１６ａを囲む所要径の円周上に、図２に示す如く、周方向に所定間隔離間して複数のノズル孔１８ａが開口している。各ノズル孔１８ａに連通するガス流路は軸線方向に沿って延在し(図１参照)、２次支燃ガスは各ノズル孔１８ａから軸線方向に沿って直進するよう噴出される。
【００１２】
前記気体燃料用ノズル１２におけるノズル先端部の内側には、図１に示す如く、断面円形のスペーサ２６が同心状に配置され、気体燃料用ノズル１２のノズル先端で開口するノズル孔１２ａは、該スペーサ２６によって円環状となるよう構成される。すなわち、気体燃料用ノズル１２のノズル孔１２ａからは、気体燃料が円環状に噴出されるようになっている。なお、スペーサ２６の外周には、周方向に所定間隔で離間して複数の保持部材２８が配設され、これら保持部材２８によってスペーサ２６の外周と気体燃料用ノズル１２の内周との間が等間隔に保持されて、燃料流路を確保するよう構成される。またスペーサ２６の基端(ノズル先端とは反対側)に、図示しない調整手段に接続する調整用シャフト３０が連結され、該シャフト３０を軸線方向に前後動することによって、気体燃料用ノズル１２に対してスペーサ２６を位置調整し得るよう構成してある。
【００１３】
【第１実施例の作用】
次に、前述した第１実施例に係る粉体溶融バーナの作用につき説明する。前記気体燃料用ノズル１２、１次支燃ガス用ノズル１４、粉体用ノズル１６および２次支燃ガス用ノズル１８に、夫々対応して気体燃料、１次支燃ガス、粉体と搬送気体および２次支燃ガスを供給することで、各支燃ガスによって気体燃料および粉体が燃焼される。このとき、気体燃料用ノズル１２のノズル孔１２ａから噴出される気体燃料は円環状となり、気体燃料用ノズル１２の外側に位置する１次支燃ガス用ノズル１４のノズル孔１４ａから噴出される１次支燃ガスに対して気体燃料の全体が物理的に近接する。これにより、バーナ先端部近くから気体燃料と１次支燃ガスとの混合が促進され、酸化反応による膨張力が大きくなり、従ってバーナ先端部近くから火炎径は太くなる。また、気体燃料は軸線に沿って直進するよう噴出されるから、前記粉体用ノズル１６のノズル孔１６ａから噴出される粉体は、火炎から外れることなく長い時間に亘って接触し、該粉体の溶融が確実かつ速やかに行なわれる。
【００１４】
なお、図示例ではスペーサ２６の先端と気体燃料用ノズル１２のノズル先端とは同一面上に臨むよう位置決めされているが、前記調整用シャフト３０によりスペーサ２６を軸線方向に前後動することで、その先端を気体燃料用ノズル１２のノズル先端に対して前方に突出したり後退させる。これにより、気体燃料用ノズル１２のノズル孔１２ａから噴出させる気体燃料の状態を、燃焼条件に応じて変化させ、最適な燃焼を行なわせることができる。
【００１５】
【第２実施例】
図４は、第２実施例に係る粉体溶融バーナ３２の要部を示すものであって、基本的な構成は第１実施例と同一であるから、異なる部分についてのみ説明する。
なお、同一部材には同じ符号を付すものとする。
【００１６】
第２実施例の粉体溶融バーナ３２では、前記気体燃料用ノズル１２の内側中心部に配置される前記スペーサ２６の外周に、気体燃料用旋回手段としての旋回羽根３４が、周方向に離間して複数螺旋状に配設されている。すなわち、気体燃料用ノズル１２とスペーサ２６との間の燃料流路を気体燃料が通過する際に、該燃料に旋回羽根３４により旋回流が与えられ、気体燃料用ノズル１２の前記円環状のノズル孔１２ａから気体燃料は旋回しつつ噴出されるよう構成される。なお、気体燃料の旋回方向は、前記１次支燃ガスの旋回方向と同一になるよう設定される。また旋回羽根３４は、スペーサ２６の外周と気体燃料用ノズル１２の内周との間を等間隔に保持する機能を兼用している。
【００１７】
すなわち、第２実施例の粉体溶融バーナ３２においても、気体燃料用ノズル１２のノズル孔１２ａから噴出される気体燃料は、その外周から噴出される１次支燃ガスに物理的に近接する円環状となるから、第１実施例と同様にバーナ先端部近くから火炎径を太くでき、粉体の確実かつ速やかな溶融が達成される。また第２実施例では、気体燃料を１次支燃ガスと同一方向に旋回させつつ噴出するので、気体燃料と１次支燃ガスとの混合がより促進され、更に太い火炎径が得られ、粉体の速やかな溶融を向上し得る。
【００１８】
【第３実施例】
図５は、第３実施例に係る粉体溶融バーナ３６の要部を示すものであって、該第３実施例では、気体燃料用ノズル３８は、先端部で開口する外側管体４０と、該外側管体４０の内側に同心状に配置されると共に先端部が閉塞された内側管体４２とから構成され、両管体４０,４２によってノズル先端部に円環状のノズル孔３８ａが形成されるようになっている。また内側管体４２の先端部近傍には、その略接線方向に延在する複数の気体燃料用旋回手段としての孔４２ａが複数穿設され、該孔４２ａを介して両管体４０,４２が連通するよう構成される。すなわち、内側管体４２に供給された気体燃料には、内側管体４２から複数の孔４２ａを介して外側管体４０へ流れる際に旋回流が与えられ、該気体燃料は旋回しつつノズル先端から円環状に噴出されるよう構成してある。従って、第３実施例の粉体溶融バーナ３６においても、前述した第２実施例と同様な作用効果を奏する。なお符号４４は、孔４２ａの形成位置よりバーナ後端側において両管体４０,４２の間を塞ぐように配設された逆流防止板であって、該逆流防止板４４によって孔４２ａから噴出した気体燃料の逆流を止めるよう構成している。
【００１９】
【実験例】
気体燃料用ノズルのノズル孔が単孔である従来例に係る粉体溶融バーナ、第１実施例の粉体溶融バーナ１０および第２実施例の粉体溶融バーナ３２を用い、バーナ先端部火炎径、燃焼状態、火炎直進性等を測定または観察した結果を、表１に示す。このときの各条件は、燃焼量：１７５ｋＷ、燃料：都市ガス１３Ａ、支燃ガス：空気からＰＡＳ法で酸素を分離した酸素約９３％の酸素ガス、酸素比ｍ＝１.０、とした。なお、粉体用ノズルからは粉体を噴出させることなく空気を噴出した状態とした。また、火炎径はバーナ先端から１００ｍｍの位置で測定すると共に、従来例における火炎径を１００として他を示す。
【００２０】
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【００２１】
表１に示す結果によれば、第１実施例および第２実施例のように、気体燃料を円環状に噴出することで、バーナ先端部火炎径は従来例に比べて何れも太くなった。なお、図６(ａ)は、従来例に係る粉体溶融バーナによる実験状態を示すものであって、バーナ先端部近くでの火炎径は細く、かつ中心部に気体燃料の未燃部分があることが確認された。これに対し、図６(ｂ)は、第１実施例に係る粉体溶融バーナによる実験状態を示すものであって、バーナ先端部近くでの火炎径は太く、しかも中心部には気体燃料の未燃部分が生じていないことが判る。
【００２２】
なお、気体燃料に旋回流を与える手段としては、前述した各実施例の構成に限定されるものでなく、気体燃料用ノズルの内周面に螺旋状の溝を設ける等、他の手段を適宜に採用可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明に係る粉体溶融バーナでは、気体燃料用バーナから気体燃料を略円環状に噴出するよう構成したことで、バーナ先端部近くでの火炎径を太くすることができ、粉体の確実かつ速やかな溶融を達成し得る。また気体燃料に１次支燃ガスと同方向の旋回流を与えることで、両者の混合がより促進され、火炎径を更に太くして粉体の確実かつ速やかな溶融を更に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な第１実施例に係る粉体溶融バーナの要部断面図である。
【図２】第１実施例に係る粉体溶融バーナの正面図である。
【図３】第１実施例に係る粉体溶融バーナの１次支燃ガス用ノズルの断面図である。
【図４】本発明の好適な第２実施例に係る粉体溶融バーナの要部断面図である。
【図５】本発明の好適な第３実施例に係る粉体溶融バーナの要部断面図である。
【図６】従来例および第１実施例に係る粉体溶融バーナでの実験例の火炎状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１２  気体燃料用ノズル
１２ａ  ノズル孔
１４  １次支燃ガス用ノズル
１４ａ  ノズル孔
１６  粉体用ノズル
１８  ２次支燃ガス用ノズル
２２  先端側ノズル
２２ａ  孔
２４  基端側ノズル
３４  旋回羽根(気体燃料用旋回手段)
３８  気体燃料用ノズル
４２ａ  孔(気体燃料用旋回手段)
【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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