(57)【要約】【課題】燃焼負荷が低い場合や燃焼空気比が高い場合でも、低発熱量の燃料ガスを安定して燃焼させることができる。【解決手段】断熱材からなる外環状部１２ｏが外嵌された耐火材製の内環状部１２ｉを有する保温体１２を設け、前記内環状部１２ｉに保温室１３を形成し、この保温室１３内に、混合ガス出口２６から低発熱量の燃料ガスＦＧと燃焼空気ＦＡとを混合した混合ガスＭＧを噴射し、着火された火炎を、この保温室１３で保温しつつ燃焼させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐火材製の内環状部に、断熱材からなる外環状部を外嵌して保温体を形成するとともに、混合ガス出口から低発熱量の燃料ガスと燃焼空気とを混合した混合ガスを、前記内環状部に形成された保温室に噴射し、着火された火炎を、前記保温体により保温しつつ前記保温室内で燃焼させる
ことを特徴とする低カロリーガス用ガスバーナの燃焼方法。
【請求項２】
燃料ガスの発熱量が２．４２ＭＪ/Ｎｍ３以上で、５．０２ＭＪ/Ｎｍ３以下である
ことを特徴とする請求項１記載の低カロリーガス用ガスバーナの燃焼方法。
【請求項３】
保温体内で保温室の前方に、火炎を導出する案内室が連続して形成され、
前記保温室は、その内径が混合ガス出口より大きく形成され、
前記案内室は、その内径が前記混合ガス出口と略同一に形成された
ことを特徴とする請求項１または２記載の低カロリーガス用ガスバーナの燃焼方法。
【請求項４】
バーナ本体に、バーナ軸心に沿って設けられた燃焼空気通路と、この燃焼空気通路の外周部に設けられた燃焼ガス通路と、前記燃焼空気通路の先端部に設けられた閉鎖部と、この閉鎖部の手前で前記燃焼空気通路の燃焼空気を、前記燃焼ガス通路の燃料ガス中に噴射して燃料ガスと燃焼空気とを混合する複数の噴射空気孔と、前記閉鎖部の外周部の混合ガス出口に設けられた旋回翼と、を備え、
燃焼室の壁面に貫設した保温体の基端部に、前記バーナ本体を設置し、
前記バーナ本体の先端側の前記保温体に、前記混合ガス出口より大径に形成された保温室と、前記混合ガス出口と略同一内径に形成されて前記保温室と前記燃焼室とを接続する案内室とをバーナ軸心に沿って連続して形成した
ことを特徴とする低カロリーガス用ガスバーナ。
【請求項５】
保温体は、内周側で保温室および案内室に臨む耐火材製の内環状部と、この内環状部の外周部に設けられた断熱材製の外環状部と、を具備した
ことを特徴とする請求項４記載の低カロリーガス用ガスバーナ。
【請求項６】
混合ガス出口の内径をｄとすると、
保温室の内径は、４／３×ｄ以上で、１３／６×ｄ以下、保温室のバーナ軸心方向の長さは、１／３×ｄ以上で、３／２×ｄ以下であり、
案内室の内径は、５／６×ｄ以上で、７／６×ｄ以下、案内室のバーナ軸心方向の長さは、１／６×ｄ以上で、１／２×ｄ以下である
ことを特徴とする請求項４または５記載の低カロリーガス用ガスバーナ。
【請求項７】
燃料ガス通路を形成する内筒部の先端部に、先端側ほど縮径されたテーパ部を形成するとともに、このテーパ部に周方向に沿って複数の空気噴射孔を形成し、
前記空気噴射孔で内筒部の内面側周囲に面取りを形成した
ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の低カロリーガス用ガスバーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉などの金属製造プロセスや化学プラントなどから発生される低発熱量の燃料ガスを安定燃焼させるガスバーナの燃焼方法およびガスバーナに関する。
【背景技術】
【０００２】
低発熱量の燃料ガスを良好に安定燃焼させるガスバーナに関する従来技術は、特許文献１に開示されるように、先端ほど広がる円錐状の先端面を有する焚口部材内に、空気ノズルを形成するとともに、空気ノズルの同一軸心上にガスノズルを配置する。そして、空気ノズル内に旋回翼を配置することにより、ガスノズルの周囲から旋回空気流を噴出させる。ガスノズルは小径部を介して先端部を閉鎖し、小径部の周囲に、旋回空気流中に燃料ガスを噴射する複数のガス噴射口を形成したものである。これらガス噴射口は、大径のガス噴射口と小径のガス噴射口を交互に配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実公平０１−０２５８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記構成では、低発熱量の燃料ガスを燃焼させる時に、燃焼負荷が低くかったり、また高い空気比で燃焼させる場合、燃焼が安定しないという問題があった。また着火のために使用するパイロットバーナは常時着火しておき、助燃しておかないと、失火するおそれがあった。
【０００５】
本発明は上記問題点を解決して、燃焼負荷が低い場合や燃焼空気比が高い場合でも、低発熱量の燃料ガスを安定して燃焼させることができ、またパイロットバーナなどによる助燃が不要となるガスバーナの燃焼方法およびガス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】
【０００６】
本発明に係る低カロリーガス用ガスバーナの燃焼方法は、
耐火材製の内環状部に、断熱材からなる外環状部を外嵌して保温体を形成するとともに、混合ガス出口から低発熱量の燃料ガスと燃焼空気とを混合した混合ガスを、前記内環状部に形成された保温室に噴射し、着火された火炎を、前記保温体により保温しつつ前記保温室内で燃焼させることを特徴とする。
【０００７】
また本発明に係る低カロリーガス用ガスバーナは、
バーナ本体に、バーナ軸心に沿って設けられた燃焼空気通路と、この燃焼空気通路の外周部に設けられた燃焼ガス通路と、前記燃焼空気通路の先端部に設けられた閉鎖部と、この閉鎖部の手前で前記燃焼空気通路の燃焼空気を、前記燃焼ガス通路の燃料ガス中に噴射して燃料ガスと燃焼空気とを混合する複数の噴射空気孔と、前記閉鎖部の外周部の混合ガス出口に設けられた旋回翼と、を備え、
燃焼室の壁面に貫設した保温体の基端部に、前記バーナ本体を設置し、
前記バーナ本体の先端側の前記保温体に、前記混合ガス出口より大径に形成された保温室と、前記混合ガス出口と略同一内径に形成されて前記保温室と前記燃焼室とを接続する案内室とをバーナ軸心に沿って連続して形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る低カロリーガス用ガスバーナの燃焼方法によれば、耐火材と断熱材からなる保温体に形成された保温室内で、混合ガスを燃焼させることにより、保温室で火炎に対する耐熱性と保温性とを両立させて、混合ガスの火炎を良好に保温することができる。そしてこの火炎の保温により、燃焼負荷が低い場合や燃焼空気比が高い場合であっても、低発熱量の燃料ガスを安定して燃焼させることができる。さらに火炎が保温されることで、パイロットバーナなどによる助燃がなくても、安定した燃焼が可能となる。
【０００９】
また、低カロリーガス用ガスバーナによれば、保温室の前方に、火炎を導出する案内室を連続して形成し、案内室の内径を、保温室より内径が小さくかつ混合ガス出口と略同一に形成することにより、燃焼ガスの不安定な偏流を防止しつつ火炎を安定させ、放熱を減少させて保温効果を向上させることができる。
【００１０】
さらに、燃焼室の壁面開口部に設置した保温体に、バーナ本体を設置するとともに、前記保温体にバーナ本体の混合ガス出口より大径に形成した保温室と、案内室とを形成したので、混合ガス出口から噴射される混合ガスの火炎を包囲して十分に保温することができ、低発熱量のガスを、低燃焼負荷や高燃焼空気比であっても安定して燃焼させることができる。またパイロットバーナなどによる助燃も不要にすることができる。さらに案内室により、燃焼ガスの不安定な偏流を防止しつつ火炎を安定させ、放熱を減少させて保温効果を向上させることができる。さらにまた、案内室の設置により、保温室出口付近の耐火物の欠損変形を防ぐとともに、流速の増大により火炎の指向性を高め安定燃焼を図ることができる。
【００１１】
また、保温体に、耐火材製の内環状部と、この内環状部の外周に設けられた断熱材製の外環状部を具備したので、火炎に対する耐熱性と保温性とを両立させて、良好に火炎を保温することができる。
【００１２】
さらに、燃料ガス通路を形成する内筒部に形成したテーパ部に、内面側周囲に面取りが形成された複数の噴射空気孔を形成したので、燃焼空気の圧力損失を大幅に低減することができ、燃焼騒音や振動の発生を抑制して、送風機の出力やランニングコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るガスバーナの実施例１の使用状態を示す縦断面図である。
【図２】同ガスバーナの縦断面図である。
【図３】テーパ部に形成された噴射空気孔を示す部分拡大縦断面図である。
【図４】本発明に係るガスバーナの実施例２を示す縦断面図である。
【図５】本発明に係るガスバーナの実施例３を示す縦断面図である。
【図６】本発明に係るガスバーナの実施例４を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［実施例１］
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
本発明に係る低カロリーガス用ガスバーナは、たとえば発熱量が約３．４ＭＪ/Ｎｍ３(約８００kcalＮｍ３)の高炉ガス(ＢＦＧ)を、低負荷や高空気比で安定した燃焼が可能なものである。特に、発熱量が、最大５．０２ＭＪ/Ｎｍ３(１２００kcalＮｍ３)以下で、２．４２ＭＪ/Ｎｍ３(５８０kcalＮｍ３)以上の低発熱量の燃料ガスに好適で、高炉ガス以外に、化学プラントなどから発生される低発熱量の燃料ガスを良好に燃焼させることができる。
【００１５】
図１および図２に示すように、本発明の特徴は、バーナ本体１１から噴射される混合ガスＭＧを、保温体１２に形成された保温室１３に噴射して燃焼させ、この火炎を保温室１３と案内室１４で包囲し、燃焼ガスを案内室１４から燃焼室３１に導出する。この保温室１３は、保温空間に収容する燃焼ガスを介して火炎を包み込み、保温可能な十分な広さを有している。
【００１６】
燃焼室３１は、耐火材３１ａと外殻材３１ｂとで形成されており、燃焼室３１の一壁面に形成された開口部３２に保温体１２が嵌合されており、この保温体１２の軸心方向(バーナ軸心Ｏ)に沿って保温室１３と案内室１４が連続して形成されている。そして、保温室１３の基端側に、バーナ本体１１がバーナ軸心Ｏiに沿って設置される。
【００１７】
保温体１２は、内周側で保温室１３および案内室１４を形成する耐火材製の内環状部１２ｉと、この内環状部１２ｉと外殻材３１ｂの間に設けられた断熱材製の外環状部１２ｏとで構成されている。そして、熱から保護するために、外環状部１２ｏの先端部は、燃焼室３１から所定距離後退した位置に図示しているが、少なくとも保温体１２全長を囲む方が最適であり、また十分な保温性能が得られるのであれば、保温体１２の少なくとも一部を囲むように配置してもよい。なお、内環状部１２ｉと同じくらいに耐熱性能が得られる断熱材製の外環状部１２ｏであれば、保温室１３および案内室１４の全長を覆うように配置することもできる。そして、内環状部１２ｉにより耐熱性を確保するとともに、外環状部１２ｏにより保温性を確保し、さらに外殻材３１ｂにより強度を確保している。この保温体１２により保温室１３を高温に保持して低発熱量の燃料ガスによる火炎を安定燃焼させるように構成されている。
【００１８】
バーナ本体１１は、燃焼空気通路２２を形成する内筒部２１がバーナ軸心Ｏに沿って配置され、この内筒部２１に同一軸心(バーナ軸心Ｏ)上に外筒部２３が外嵌されている。この内筒部２１と外筒部２３の間に、燃料ガスＦＧを供給する燃料ガス通路２４が形成されている。２４ａは燃料ガスＦＧの通過を許すスペーサである。
【００１９】
さらに内筒部２１の先端側に、先端側ほど縮径されたテーパ部２９が形成され、このテーパ部２９に、周方向に所定間隔をあけて複数の噴射空気孔２８が穿設されている。また内筒部２１の先端部に、燃焼空気通路２２を閉塞する閉鎖部２５が形成されており、閉鎖部２５の外周部に、燃料ガス通路２４と略同一内径の混合ガス出口２６が形成されている。そして、この混合ガス出口２６に、混合ガスＭＧを旋回して噴射する複数の旋回翼２７が周方向に沿って設けられている。
【００２０】
保温体１２に形成された保温室１３が、たとえばバーナ軸心Ｏを中心とする半径：ｒ(ｄ１／２)略球体状に形成されている。また案内室１４が混合ガス出口２６と略同一内径で、バーナ軸心Ｏに沿う円柱状に形成されている。
【００２１】
ここで、燃焼空気通路２２の燃焼空気ＦＡが、噴射空気孔２８から燃料ガス通路２４中の燃料ガスＦＧ中に噴射されて混合され、この混合ガスＭＧが旋回翼２７により旋回されて混合ガス出口２６から保温室１３内に噴射される。さらに保温室１３で混合ガスＭＧが着火されて燃焼され、火炎が案内室１４から燃焼室３１に向かって導出される。この保温室１３は、火炎より大きく形成され、火炎を形成しない閉鎖部２５の前部と、保温室１３の外周部に、高温の燃焼ガス流を循環保持する保温空間がそれぞれ形成される。したがって、高温の燃焼ガス流により、火炎が包囲されて高温に保持される。これにより、発熱量が低い燃料ガスＦＧを使用する場合、低い燃料負荷で燃焼されたり、高い空気比で燃焼される場合であっても、十分に火炎を保温して燃焼状態を保持し、安定した燃焼が可能となる。
【００２２】
ところで、このガスバーナの前方に配置されて着火に使用するパイロットバーナ(図示せず)は、低発熱量の燃料ガスを使用する場合、助燃用として継続して燃焼させることが多い。しかし、本発明のガスバーナでは、着火後に保温室１３が十分に昇温され高温状態が保持されていることから、パイロットバーナなどによる助燃は不要となり、パイロットバーナを消火しても、良好な燃焼状態が保持できる。これは後述する実験によりその効果が判明している。
【００２３】
ここで、保温室１３の大きさについて説明する。
混合ガス出口２６(燃料ガス通路２４)の内径：ｄとすると、
閉鎖部２５の外径：ｄ０は、（１／６）×ｄ以上で、（１／２）×ｄ以下に形成される。これは、閉鎖部２５の外径：ｄ０が（１／６）×ｄ未満であると、火炎を保温する保温空間が少なくなるためであり、ｄ０が（１／２）×ｄを超えると、混合ガスＭＧの混合状態が低下するためである。
【００２４】
また保温室１３の内径：ｄ１は、（４／３）×ｄ以上で、（１３／６）×ｄ以下に形成される。また保温室１３のバーナ軸心Ｏ方向の長さ：Ｌ１は、（１／３）×ｄ以上で、（３／２）×ｄ以下に形成される。これは、保温室１３の内径：ｄ１が（４／３）×ｄ未満であると、火炎を保温する保温空間が少なくなり保温効果が低下するためであり、ｄ１が（１３／６）×ｄを超えると、燃焼ガスに不安定な偏流が生じやすく、振動や燃焼騒音の要因となるためである。そして、保温室１３の長さ：Ｌ１が（１／３）×ｄ未満であると、保温空間が少なくなり保温性が低下するためである。またＬ１が（３／２）×ｄ以上になると、燃焼ガスに不安定な偏流が生じやすく、かつ放熱による温度低下が生じるためである。
【００２５】
さらに案内室１４の内径：ｄ２は、(５／６)×ｄ以上で、（７／６）×ｄ以下に形成される。また案内室１４のバーナ軸心Ｏ方向の長さ：Ｌ２は、（１／６）×ｄ以上で、（１／２）×ｄ以下に形成される。これは、案内室１４の内径：ｄ２が（５／６）×ｄ未満では、火炎の流速が増大して圧力損失が増大し、燃焼騒音が増大するからであり、ｄ２が(１／２)×ｄを超えると、火炎が不安定になり、放熱が増大して保温効果が低下するためである。また案内室１４の長さ：Ｌ２が（１／６）×ｄ未満となると、耐火材が焼損しやすく、Ｌ２が（１／２）×ｄを超えると、耐火材および断熱材のコストが必要以上にかかるためである。
【００２６】
さらにまた、保温体１２の外径：ｄ３が、２．０×ｄ以上、３．０×ｄ以下に形成される。これは保温体１２の外径：ｄ３が２．０×ｄ未満では、十分な保温作用が得られないからであり、ｄ３が３．０×ｄを超えると、製造コストが嵩み、燃焼室への取付が困難となるおそれがあるからである。
【００２７】
ところで、燃焼空気ＦＡの圧力損失が大きいと、燃焼騒音の増加や振動が発生、送風機の出力増大やランニングコストの増加に繋がる。このため、図３に示すように、本発明のガスバーナでは、テーパ部２９に貫通形成された噴射空気孔２８の内面に、面取り部２８ａをそれぞれ形成している。各噴射空気孔２８はそれぞれ直径：Ｄとすると、テーパ部２９の厚み：Ｔ(噴射空気孔２８の長さ)は≒（１／２）×Ｄであり、面取り部２８ａの幅：Ｃ≒（１／１０）×Ｄである。したがって、噴射空気孔２８の直径：Ｄ＝８ｍｍ〜２７ｍｍの場合、面取り部２８ａの幅はＣ＝０．８ｍｍ〜２．７ｍｍとなる。
【００２８】
この面取り部２８ａによる圧力損失：ΔＰは、空気の密度：ρ、燃焼空気の平均流速：ｖ、損失係数：ζとすると、
ΔＰ＝ζ×(１／２)×ρｖ２…(式１)で求められる。
【００２９】
この(式１)により、Ｄ＝１９ｍｍ、Ｃ≒２ｍｍ、噴射空気孔２８の平均流速が７５．８ｍ／ｓの場合、燃焼空気ＦＡの圧力損失を約３２％低減できることがわかる。
上記のように、各噴射空気孔２８の内面に形成された面取り部２８ａにより、燃焼空気ＦＡの圧力損失を約３２％程度低減することができ、燃焼騒音や振動の発生を抑制して、送風機の出力やランニングコストを低減することができる。
【００３０】
ここで、保温室１３を球体形に形成したが、図４に示すように、楕円形の回転体や、図５に示す直角台形の回転体形、図６に示す台形の回転体形であってもよい。
次に、保温室１３を直角台形の回転体形に形成した図５に示すガスバーナを使用して、高炉ガス［ＢＦＧ、発熱量は約３．４ＭＪ/Ｎｍ３(約８００kcalＮｍ３)］による燃焼試験を行った結果を、表１に示す。なお、この実験に使用したガスバーナの保温体の形状は、混合ガス出口２６の内径：ｄとすると、閉鎖部２５の外径：ｄ０＝０．２１×ｄ、保温室１３の内径：ｄ１＝１．４６×ｄ、案内室１４の内径：ｄ２＝１．０４×ｄ、保温体１２の外径：ｄ３＝２．５×ｄ、保温室１３の長さＬ１＝０．６２５×ｄ、案内室１４のＬ２＝０．４２×ｄである。
【表１】
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【００３１】
上記実験によれば、上記高炉ガスを燃料ガスＦＧとして燃焼空気比(以下、空気比という)１．１〜１．４で燃焼させた場合、燃焼空気温度が常温、２００℃加熱共に、燃焼負荷１００％および７５％で良好な燃焼状態が得られた。また燃焼負荷５０％で比較的良好な燃焼状態が得られ、さらに燃焼負荷２５％でも燃焼状態が保持できた。空気比１．６および１．８では、燃焼空気温度が２００℃加熱の場合は、実験設備の能力の関係で空気比が確保できなかったが、燃焼空気温度が常温の場合に、空気比１．１〜１．４と同様に良好な結果が得られた。したがって、このガスバーナの設計を行う際は、燃焼負荷が７５〜１００％となるように設計するとよいことが判明した。そして、これら実験は、着火に用いたパイロットバーナを実験中は点火せずに行っており、パイロットバーナによる助燃が不要なことが確認でき、低負荷でも燃焼性はよく、燃焼に関して問題がないことが判明するとともに、パイロットバーナなどによる助燃が不要なことが確認できた。
【００３２】
また高炉ガス(約３．４ＭＪ/Ｎｍ３）に窒素ガスを添加して、発熱量を約２．９３ＭＪ/Ｎｍ３（約７００kcalＮｍ３）と２．４２ＭＪ/Ｎｍ３(５８０kcalＮｍ３)まで低下させた燃料ガスＦＧを使用し、空気比が１．１で燃焼実験Ｎｏ．６およびＮｏ．７を行った。この結果、発熱量が約２．９３ＭＪ/Ｎｍ３のＮｏ．６では、燃焼空気温度が２００℃で、かつ燃焼負荷が１００％および７５％の場合、良好な燃焼状態が確認された。また発熱量が約２．５３０ＭＪ/Ｎｍ３の燃焼実験Ｎｏ．７では、燃焼空気温度が２００℃で、かつ燃焼負荷が１００％の場合、良好な燃焼状態が確認された。
【００３３】
上記実施例１〜４によれば、耐火材からなる内環状部１２ｉと断熱材からなる外環状体１２ｏとを備えた保温体１２に、保温室１３を形成し、混合ガス出口２６から保温室１３に混合ガスを噴射して燃焼させる。耐熱性と保温性を有する保温室１３により、混合ガスＭＧの火炎を良好に保温することができ、火炎を良好に保温することにより、燃焼負荷が低い場合や燃焼空気比が高い場合であっても、低発熱量の燃料ガスＦＧを安定して燃焼させることができる。さらに火炎が保温されることで、着火時に使用するパイロットバーナなどによる助燃がなくても、安定した燃焼が可能となる。
【００３４】
また、保温室１３の前方に、火炎を燃焼室３１に導出する案内室１４を連続して形成し、案内室１４の内径を保温室１３より小さく、かつ混合ガス出口と略同一内径に形成することにより、火炎を安定させるとともに、放熱を減少させて火炎の保温効果を向上させることができ、保温室１３出口付近の耐火物の欠損変形を防ぐとともに、流速の増大により火炎の指向性を高め安定燃焼を図ることができる。
【００３５】
さらに、保温体１２に、耐火材製の内環状部１２ｉと、この内環状部１２ｉの外周部に設けられた断熱材製の外環状部１２ｏを具備したので、火炎に対する耐熱性と保温とを両立させて火炎を良好に保温することができる。
【００３６】
さらにまた、内筒部のテーパ部２９に、内面側周囲に面取り部２８ａが形成された複数の噴射空気孔２８を形成したので、燃焼空気の圧力損失を大幅に低減することができ、燃焼騒音や振動の発生を抑制して、送風機の出力やランニングコストを低減することができる。これにより、燃焼空気通路に接続された配管途中に、たとえば蓄熱式熱交換器などの開口部があった場合の漏れ損失の低減を図ることができる。
【符号の説明】
【００３７】
Ｏ    バーナ軸心
ＦＧ  燃料ガス
ＦＡ  燃焼空気
ＭＧ  混合ガス
１１    バーナ本体
１２    保温体
１２ｉ  内環状部
１２ｏ  外環状部
１３    保温室
１４    案内室
２１    内筒部
２２    燃焼空気通路
２３    外筒部
２４    燃料ガス通路
２５    閉鎖部
２６    混合ガス出口
２７    旋回翼
２８    噴射空気孔
２８ａ  面取り部
２９    テーパ部
３１    燃焼室
【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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