(57)【要約】【課題】ランニングコストが抑えられ、装置の大型化や設備コストの増大を招くことを抑制できる酸素バーナを提供する。【解決手段】燃料を純酸素又は酸素富化空気で燃焼する酸素バーナであって、燃料を供給する燃料供給手段４と、空気を供給する空気供給手段５と、空気から純酸素又は酸素富化空気を分離する酸素透過性構造体６と、酸素透過性構造体６を作動温度に加熱して純酸素又は酸素富化空気の透過性を発現させるための加熱手段７と、酸素透過性構造体６に燃料１００と純酸素又は酸素富化空気１０４との予混合燃料が流通する予混合流路６０が形成されている。酸素透過性構造体６の内部を透過して得られた純酸素又は酸素富化空気１０４を支燃性ガスとして燃料１００を燃焼する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を純酸素又は酸素富化空気で燃焼する酸素バーナであって、
前記燃料を供給する燃料供給手段と、
空気を供給する空気供給手段と、
前記空気から前記純酸素又は酸素富化空気を分離する酸素透過性構造体と、
前記酸素透過性構造体を作動温度に加熱して前記純酸素又は酸素富化空気の透過性を発現させるための加熱手段とを有し、
前記酸素透過性構造体に前記燃料と前記純酸素又は酸素富化空気との予混合燃料が流通する予混合流路が形成されていることを特徴とする酸素バーナ。
【請求項２】
前記燃料供給管の燃料流路と前記予混合流路が連通しており、
前記空気供給手段は、
ファンと、前記ファンと連通し、両端部が閉塞された内管と外管からなる二重管構造の風箱からなり、
前記内管と前記外管とで形成される環状空間は、前記ファンから供給される前記空気の空気流路を形成しており、
前記内管は、前記酸素透過性構造体の外側を所定の間隙をもって配置されていると共に、当該内管の周壁には、前記空気流路と連通する空気流通孔が形成され、
前記加熱手段は、前記予混合燃料が燃焼することにより生成された燃焼排ガスを流通させる排ガス流通管を含み、
前記排ガス流通管は、前記予混合流路の外方で、且つ前記酸素透過性構造体を貫通して配置されており、
前記酸素透過性構造体は、前記排ガス流通管を介して作動温度に加熱される請求項１に記載の酸素バーナ。
【請求項３】
前記排ガス流通管の流路は、別途設けられた排ガス吸引ファンと連通している請求項２に記載の酸素バーナ。
【請求項４】
前記排ガス流通管は、前記予混合流路の軸を中心とした円周方向に複数設けられている請求項２又は請求項３に記載の酸素バーナ。
【請求項５】
前記内管には、前記酸素透過性構造体により分離された窒素又は窒素富化気体を排出するための排出管が設けられている請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の酸素バーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を純酸素又は酸素富化空気で燃焼する酸素バーナに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料を純酸素又は酸素富化空気で燃焼する酸素バーナは、従来の予熱空気による燃焼と比較すると、火炎温度が上昇し排ガス量も減少することから、熱効率が格段に改善され、燃料消費量の削減（省エネルギー）も可能となる。また、温度依存性の高いサーマル（thermal）ＮＯｘ生成の原因となる酸化剤中の窒素分が減少するので、ＮＯｘ排出量も減少するという特長を有する。これらの特長から、酸素バーナはガラス溶解炉や金属溶解炉等の高温炉に普及している。
【０００３】
特許文献１、２には、空気中の酸素と窒素とを分離する圧力変動式吸着分離装置（ＰＳＡ装置）を溶解炉又は灰溶融炉の近傍に設置し、圧力変動式吸着分離装置で得られた高濃度の酸素を支燃性ガスとして酸素バーナに供給し、燃料を燃焼させる燃焼装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２８５２１９号公報
【特許文献２】特開平７−１１３５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２に開示されている燃焼装置において、炉の近傍に設置されるＰＳＡ装置は高価であることに加え、空気から酸素を分離するのに必要な電力を供給する必要がありランニングコストが嵩むという課題を有する。また、ＰＳＡ装置を設置するためのスペースも必要となり装置全体が大型化するという課題を有する。
【０００６】
そこで、本発明は、ランニングコストが抑えられ、装置の大型化や設備コストの増大を招くことを抑制できる酸素バーナ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】
【０００７】
本発明の酸素バーナは、燃料を純酸素又は酸素富化空気で燃焼する酸素バーナであって、前記燃料を供給する燃料供給手段と、空気を供給する空気供給手段と、前記空気から前記純酸素又は酸素富化空気を分離する酸素透過性構造体と、前記酸素透過性構造体を作動温度に加熱して前記純酸素又は酸素富化空気の透過性を発現させるための加熱手段とを有し、前記酸素透過性構造体に前記燃料と前記純酸素又は酸素富化空気との予混合燃料が流通する予混合流路が形成されている。
【０００８】
前記燃料供給管の燃料流路と前記予混合流路が連通しており、前記空気供給手段は、ファンと、前記ファンと連通し、両端部が閉塞された内管と外管からなる二重管構造の風箱からなり、前記内管と前記外管とで形成される環状空間は、前記ファンから供給される前記空気の空気流路を形成しており、前記内管は、前記酸素透過性構造体の外側を所定の間隙をもって配置されていると共に、当該内管の周壁には、前記空気流路と連通する空気流通孔が形成され、前記加熱手段は、前記予混合燃料が燃焼することにより生成された燃焼排ガスを流通させる排ガス流通管を含み、前記排ガス流通管は、前記予混合流路の外方で、且つ前記酸素透過性構造体を貫通して配置されており、前記酸素透過性構造体は、前記排ガス流通管を介して作動温度に加熱される。
【０００９】
前記排ガス流通管の流路は、別途設けられた排ガス吸引ファンと連通していることが好ましい。前記排ガス流通管は、前記予混合流路の軸を中心とした円周方向に複数設けられていることが好ましい。
【００１０】
前記内管には、前記酸素透過性構造体により分離された窒素又は窒素富化気体を排出するための排出管が設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ランニングコストが抑えられ、装置の大型化や設備コストの増大を招くことを抑制できる酸素バーナを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る酸素バーナを説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態に係る酸素バーナについて、添付図面に従って説明する。なお、以下の説明では、方向や位置を表す用語（例えば、「基端」や「末端」、「上流」や「下流」等）を便宜上用いるが、これらは発明の理解を容易にするためであり、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。また、以下の説明は、本発明の一形態の例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００１４】
図１は本発明の実施形態に係る酸素バーナ１を示す。この酸素バーナ１は、大略、第１の風箱２と、第２の風箱３と、燃料供給管４（燃料供給手段）と、空気供給管５（空気供給手段）と、酸素透過性構造体６と、加熱手段としての排ガス流通管７と、燃焼排ガスを排出する第１の排気管８と、窒素又は窒素富化ガスを排出する第２の排気管９からなる。
【００１５】
図示するように、第１の風箱２と第２の風箱３は軸芯１０と同軸に配置されている。第１の風箱２は、内管２０と内管２０より大径の外管２１からなる二重管構造を有する。第１の風箱２の先端部（図の右側端部）と後端部（図の左側端部）は一対の閉塞部材２２ａ，２２ｂで閉塞されている。一方、第２の風箱３は、第１の風箱２の内管２０の内径よりも小径の筒状部材からなり、先端部と後端が一対の閉塞部材３０ａ，３０ｂにより閉塞されている。図示するように、第２の風箱３は、その先端部が閉塞部材２２ｂを貫通して第１の風箱２の内部空間に突出している。また、外管２１の外周部には、第１の風箱２の先端部を加熱炉の炉壁に挿入して取り付けるための固定用フランジ２３が設けられている。
【００１６】
燃料供給管４は軸芯１０と同軸に配置されており、燃料１００を基端側から末端側（図１の左から右に向かう方向）に供給する。燃料供給管４は、その先端部が閉塞部材３０ａの裏面に接続されている一方、後端部が閉塞部材３０ｂに支持されて第２の風箱３の内部空間に配置されている。燃料供給管４の燃料流路４０は、閉塞部材３０ａに形成された貫通孔３１を介して後述する円筒空間６０と連通している。
【００１７】
空気供給管５は、第１の風箱２の後端部近傍の外周面に形成された空気導入孔５０と対応する位置に設けられている。また、内管２０の先端部近傍の周壁には、内管２０の内部空間と内管２０と外管２１との環状空間２１０が連通する複数の空気流通孔２１１が形成されている。さらに、空気供給管５の流路は、上流側に設置された図示しない空気供給ファンと連通している。これにより、不図示の空気供給ファンから送り込まれてきた空気１０２が空気供給管５、空気導入孔５０、環状空間２１０、及び空気流通孔２１１を通じて内管２０の内部空間に供給されるようにしてある。
【００１８】
なお、第１の風箱２を加熱炉内に挿入する長さにもよるが、炉内排ガスの熱で内管２０と外管２１との環状空間２１０を流通する空気１０２を予熱することもできる。
【００１９】
図１に示すように、第１の風箱２の閉塞部材２２ａと第２の風箱３の閉塞部材３０ａとの間には、所定温度、例えば６００℃〜８００℃に加熱することにより、空気を純酸素又は酸素富化空気と窒素に分離し、純酸素又は酸素富化空気を選択的に透過させる円筒状の酸素透過性構造体６が配置されている。図示するように、酸素透過性構造体６の中央部には、燃料流路４０と連通し当該燃料流路４０と同軸の円筒空間６０が形成されている。
【００２０】
本実施の形態の酸素透過性構造体６は、例えば、固体酸化物形燃料電池（SOFC, Solid Oxide Fuel Cell）において開発された酸素透過材料が用いられる。酸素透過性構造体６の材質としては、Ｌａ―Ｓｒ−Ｃｏ―Ｆｅ系やＰｒ−Ｆｅ―Ａｌ系のペロブスカイト型構造の酸化物が好ましい。このため、酸素透過性構造体６を所定温度に加熱することにより、当該酸素透過性構造体６の外周面に供給された空気１０２から純酸素又は酸素富化空気１０４を円筒空間６０の内周面に選択的に透過させる機能を有する。即ち、この円筒空間６０は、燃料流路４０を流通する燃料１００と純酸素又は酸素富化空気１０４とが予め混合した予混合気が流通する予混合流路として機能する。以降、円筒空間６０を「予混合流路６０」と読み換えて説明する。
【００２１】
図１に示すように、酸素透過性構造体６の内部であって予混合流路６０の外方には、燃焼排ガス１０６を末端側から基端側に（図１の右から左に向かう方向）流通させて、酸素透過性構造体６を作動温度（例えば６００℃〜８００℃）に加熱するための加熱手段としての複数の排ガス流通管７が貫通して配置されている。
【００２２】
具体的に、排ガス流通管７は、軸芯１０に直交する平面上に含まれ且つ周方向に等間隔（７２°間隔）に配置された５つの中心軸１２に沿って、両端が第１の風箱２の閉塞部材２２ａと第２の風箱３の閉塞部材３０ａに支持されていると共に、酸素透過性構造体６を貫通して配置されている。本実施の形態では、軸芯１０を中心とする円周方向に５つの排ガス流通管７を配置しているが、酸素透過性構造体６を作動温度に加熱可能であればその数は限定されない。
【００２３】
図示するように、第２の風箱３の外周面には、燃焼により生成された燃焼排ガス１０６を排出するための第１の排気管８が設けられている。第１の排気管８の流路は、下流側に設置された排ガス吸引ファン８０と連通していると共に、第２の風箱３の内部空間を介して排ガス流通管７の流路と連通している。
【００２４】
内管２０の後端部近傍の外周面には、酸素透過性構造体６の作用により空気１０２から分離された窒素又は窒素富化気体１０８を排出するための第２の排気管９が外管２１を貫通して設けられている。また、第２の排気管９の流路の下流側には、第１の風箱２の内圧を調整するためのバルブ９０が介設されている。このバルブ９０の開度を調節することにより、第２の排気管９から排出される窒素又は窒素富化気体１０８の量、即ち、予混合流路６０内に供給される純酸素又は酸素富化空気１０４の量（酸素透過性構造体６を透過する純酸素又は酸素富化空気１０４の量）を調節できる。
【００２５】
次に、本実施の形態の酸素バーナ１の動作について図１を参照して以下に説明する。本動作説明では、燃焼継続中の酸素バーナ１によって不図示の加熱炉の炉内温度が所定温度に昇温されている状態での動作を説明する。
【００２６】
酸素バーナ１の燃焼で生成された燃焼排ガス１０６は、排ガス吸引ファン８０の駆動により排ガス流通管７の末端側から流入する。その際、燃焼排ガス１０６の顕熱が排ガス流通管７の周壁から酸素透過性構造体６の内部に伝達し、当該酸素透過性構造体６が純酸素又は酸素富化空気の透過性を発現する作動温度（例えば６００℃〜８００℃）に加熱される。
【００２７】
酸素透過性構造体６と熱交換により降温した燃焼排ガス１０６は、排ガス流通管７の基端側から第２の風箱３の内部空間に流入した後、第１の排気管８を介して系外に排気される。
【００２８】
一方、不図示の空気供給ファンから送り込まれてきた空気１０２は、空気供給管５、空気導入孔５０、環状空間２１０、及び空気流通孔２１１を通じて内管２０の内部空間に供給される。上述の作動温度に加熱されることで純酸素又は酸素富化空気の透過性を発現した酸素透過性構造体６の作用により、当該酸素透過性構造体６の外周面に供給された空気１０２は、純酸素又は酸素富化空気１０４と窒素又は窒素富化気体１０８とに分離され、そのうちの純酸素又は酸素富化空気１０４のみが酸素透過性構造体６の内部を透過して予混合流路６０内に供給される。
【００２９】
酸素透過性構造体６の内部を透過して予混合流路６０内に供給される純酸素又は酸素富化空気１０４の量は、バルブ９０の開度を調節することにより適宜に設定できる。
【００３０】
また、酸素透過性構造体６の上述の作用により空気１０２から分離された窒素又は窒素富化気体１０８は、第２の排気管９を介して系外に排気される。
【００３１】
他方、燃料供給管４から供給された燃料１００は、酸素透過性構造体６の内部を透過してきた純酸素又は酸素富化空気１０４と予混合流路６０内で予め混合されて予混合燃料を生成する。予混合燃料は予混合流路の出口側から噴出し、図示しない着火源により点火されて予混合燃焼火炎を形成する。
【００３２】
上述のように、本発明の実施形態に係る酸素バーナ１によれば、酸素透過性構造体６をバーナに内蔵し、この酸素透過性構造体６の内部を透過して得られた純酸素又は酸素富化空気１０４を支燃性ガスとして燃料１００を燃焼するので、従来のようにＰＳＡ装置を炉の近傍に設置する必要がない。したがって、ランニングコストが抑えられ、装置の大型化や設備コストの増大を招くことを抑制できる簡易な構造の酸素バーナ１を提供でき、その工業的意義は大きい。
【００３３】
なお、上述した本発明の実施形態に係る酸素バーナ１において、例えば排ガス流通管７の外周面に伝熱面積を増大させるフィンを設けて酸素透過性構造体６を作動温度に加熱する効率を向上させることもできる。
【００３４】
上述の実施の形態では、排ガス流通管７を流通する燃焼排ガス１０６の顕熱で酸素透過性構造体６を作動温度に加熱する形態を例示したが本発明はこれに限定されない。例えば、第１の排気管８を削除し、排ガス流通管７内部に電熱ヒータを内蔵して酸素透過性構造体６を作動温度に加熱し、酸素透過性構造体６の内部を透過して得られた純酸素又は酸素富化空気１０４を支燃性ガスとして燃料１００を燃焼する酸素バーナ１の形態であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に係る酸素バーナは、高温のガス化溶融炉、酸素富化燃焼式ごみ焼却炉、及び製鉄プロセス等に用いる加熱手段として有用である。
【符号の説明】
【００３６】
１  酸素バーナ、２  第１の風箱、３  第２の風箱、４  燃料供給管（燃料供給手段）、５  空気供給管（空気供給手段）、６  酸素透過性構造体、７  排ガス流通管（加熱手段）、８  第１の排気管、９  第２の排気管、８０  排ガス吸引ファン、９０  バルブ、１００  燃料、１０２  空気、１０４  純酸素又は酸素富化空気、１０６  燃焼排ガス、１０８  窒素又は窒素富化気体
【図１】
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