(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料と噴霧流体とを混合して噴霧口から液体燃料を霧状に噴出する燃料噴霧室と、前記噴霧口を中心とする円周部に設けられた支燃性ガスの噴出口とを備えた液体燃料用バーナにおいて、前記噴霧口及び支燃性ガス噴出口を有するバーナノズルの周囲を、前記噴霧口を中心とする円筒状の冷却ジャケットで覆って該冷却ジャケット先端を前記バーナノズル先端より前方に配置し、前記冷却ジャケット先端の内周面で囲まれた燃焼室を形成し、前記支燃性ガス噴出口から噴出する支燃性ガスの流速を２０〜３００ｍ／ｓｅｃの範囲に設定する前記支燃性ガスの流量を調節する流量調節手段を設けるとともに、輻射伝熱を主とする火炎伝熱特性とする場合に、液体燃料流量（ＱＬ）に対する噴霧流体流量（ＱＧ）の流量比（ＱＧ／ＱＬ）を小さくし、対流伝熱を主とする火炎伝熱特性とする場合に、液体燃料流量（ＱＬ）に対する噴霧流体流量（ＱＧ）の流量比（ＱＧ／ＱＬ）を大きくする前記液体燃料の流量を調節する流量調節手段及び前記噴霧流体の流量を調節する流量調節手段を設けたことを特徴とする液体燃料用バーナ。
【請求項２】
前記支燃性ガス噴出口から噴出する支燃性ガスの噴出方向が、前記噴霧口から噴出する霧状燃料の噴出軸に向かって０〜３０度の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の液体燃料用バーナ。
【請求項３】
前記冷却ジャケットの内径（Ｂ）と、冷却ジャケット先端からバーナノズル先端までの距離（Ｃ）との関係、「Ｂ／Ｃ」が０．１〜５の範囲にあることを特徴とする請求項１又は２記載の液体燃料用バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料用バーナに関し、詳しくは、噴霧流体を使用して霧状に噴出させた液体燃料を、該液体燃料の外周から噴出した支燃性ガスにより燃焼させる液体燃料用バーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種工業炉の加熱源として、化石燃料を支燃性ガスで燃焼させるバーナが広く用いられている。バーナの使用目的としては、立ち上げ時の炉体の昇温に始まり、操業時における被加熱物の昇温、溶解、反応等、多岐にわたっている。さらに、バーナに求められる伝熱性能も、金属溶解炉のように直接加熱による溶解を主目的としたものでは対流伝熱性能が、ガラス溶解炉のような反射炉においては輻射伝熱性能が、それぞれ求められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、対流伝熱性能を主とするバーナを設置した直接加熱方式の耐火物製金属溶解炉では、立ち上げ時の炉体の昇温にも同じバーナを使用するので、バーナ火炎が耐火物に直接衝突することがある。耐火物に火炎が直接衝突すると、耐火物の摩耗が激しくなり、炉体の寿命が短くなる。
【０００４】
一方、このような金属溶解炉に輻射伝熱性能を主とするバーナを設置した場合は、伝熱形態が間接加熱となるため、耐火物の摩耗はほとんど生じないが、被加熱物（金属原料）を装入したときの加熱溶解性能が十分に得られなくなる。
【０００５】
したがって、炉体の昇温用と金属原料の加熱溶解用とに二種類のバーナを使い分けることが考えられるが、実際の金属溶解炉操業においては、設備コストや運転コストに大きな影響を与えるため、現実的なものではない。
【０００６】
そこで本発明は、火炎の伝熱特性を、輻射伝熱を主とする形態と、対流伝熱を主とする形態とに任意に調節が可能な液体燃料用バーナを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の液体燃料用バーナは、液体燃料と噴霧流体とを混合して噴霧口から液体燃料を霧状に噴出する燃料噴霧室と、前記噴霧口を中心とする円周部に設けられた支燃性ガスの噴出口とを備えた液体燃料用バーナにおいて、前記噴霧口及び支燃性ガス噴出口を有するバーナノズルの周囲を、前記噴霧口を中心とする円筒状の冷却ジャケットで覆って該冷却ジャケット先端を前記バーナノズル先端より前方に配置し、前記冷却ジャケット先端の内周面で囲まれた燃焼室を形成し、前記支燃性ガス噴出口から噴出する支燃性ガスの流速を２０〜３００ｍ／ｓｅｃの範囲に設定する前記支燃性ガスの流量を調節する流量調節手段を設けるとともに、輻射伝熱を主とする火炎伝熱特性とする場合に、液体燃料流量（ＱＬ）に対する噴霧流体流量（ＱＧ）の流量比（ＱＧ／ＱＬ）を小さくし、対流伝熱を主とする火炎伝熱特性とする場合に、液体燃料流量（ＱＬ）に対する噴霧流体流量（ＱＧ）の流量比（ＱＧ／ＱＬ）を大きくする前記液体燃料の流量を調節する流量調節手段及び前記噴霧流体の流量を調節する流量調節手段を設けたことを特徴としている。
【０００８】
さらに、本発明の液体燃料用バーナは、前記支燃性ガス噴出口から噴出する支燃性ガスの噴出方向が、前記噴霧口から噴出する霧状燃料の噴出軸に向かって０〜３０度の範囲にあることを特徴としている。また、前記燃焼室は、前記冷却ジャケットの内径（Ｂ）と、冷却ジャケット先端からバーナノズル先端までの距離（Ｃ）との関係、「Ｂ／Ｃ」が０．１〜５の範囲にあることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１乃至図４は、本発明の液体燃料用バーナの一形態例を示すもので、図１は液体燃料用バーナの燃焼制御系を示す系統図、図２はバーナの断面側面図、図３はバーナノズル部の断面側面図、図４はバーナノズルの正面図である。
【００１０】
まず、図２乃至図４に示すように、液体燃料用バーナ１１は、液体燃料流路１２と、噴霧流体流路１３と、支燃性ガス流路１４とを同心状に設けた多重管構造を有しており、液体燃料流路１２及び噴霧流体流路１３の先端部に燃料噴霧室１５が設けられている。
【００１１】
燃料噴霧室１５は、バーナ軸線を中心軸とした円筒状に形成されており、バーナ基端部側には、液体燃料流路１２に連通する燃料供給ノズル１６の先端が軸線方向に挿入され、該燃料供給ノズル１６の先端外周と燃料噴霧室１５の内周との間に、前記噴霧流体流路１３に連通する噴霧流体通路１７が形成されている。
【００１２】
前記燃料噴霧室１５の先端部中央には、燃料噴霧室１５内で噴霧流体と混合した液体燃料を霧状に噴出する噴霧口１８がバーナ軸線方向に設けられており、この噴霧口１８の周囲には、該噴霧口１８を中心とする円周上に、前記支燃性ガス流路１４に連通する支燃ガス性ガス噴出口１９が設けられている。
【００１３】
さらに、前記噴霧口１８及び及び支燃性ガス噴出口１９を有するバーナノズル１１ａを含む液体燃料用バーナ１１の先端側外周は、冷却水が供給される二重円筒状の冷却ジャケット２０により覆われている。該冷却ジャケット２０の先端は、前記バーナノズル１１ａの先端より前方に突出した状態で配置されており、バーナノズル１１ａの先端側に、冷却ジャケット２０の内周面で囲まれた円筒状の燃焼室２１を形成している。
【００１４】
そして、図１に示すように、前記液体燃料流路１２、噴霧流体流路１３及び支燃性ガス流路１４に液体燃料、噴霧流体、支燃性ガスをそれぞれ供給する経路３１，４１，５１には、流量計３２，４２，５２と流量制御弁３３，４３，５３とを備えた流量制御装置３４，４４，５４がそれぞれ設けられており、液体燃料、噴霧流体及び支燃性ガスの流量を、個別に制御できるように形成されている。なお、冷却ジャケット２０には、冷却水を循環供給するポンプ２２等を備えた冷却水経路２３が設けられている。
【００１５】
このような燃焼制御系を備えた液体燃料用バーナ１１において、液体燃料経路３１から液体燃料流路１２に重油や灯油等の液体燃料を、噴霧流体経路４１から噴霧流体流路１３に適宜な流体、例えば空気、酸素、窒素、蒸気、可燃性ガス等を、さらに、支燃性ガス経路５１から支燃性ガス流路１４に支燃性を有するガス、例えば空気や酸素を、流量制御装置３４，４４，５４で調節してそれぞれ所定流量で供給することにより、液体燃料流路から液体供給ノズル１６を経て燃料噴霧室１５内に供給された液体燃料が噴霧流体通路１７から供給された噴霧流体と混合し、適当な径の液滴となって噴霧口１８から霧状に噴出し、支燃性ガス流路１４を経て支燃ガス性ガス噴出口１９から噴出した支燃性ガスと混合して燃焼火炎を生成する。
【００１６】
このようにして燃焼させる際に、液体燃料の流量と噴霧流体の流量との流量比を調節することにより、火炎の伝熱特性を制御することができる。すなわち、液体燃料流量（ＱＬ）に対する噴霧流体流量（ＱＧ）の流量比（ＱＧ／ＱＬ）を調節し、この流量比（ＱＧ／ＱＬ）を小さくすることにより、噴霧口１８から噴出する液体燃料の液滴径が大きくなるので、比較的緩慢に燃焼する状態となり、輻射伝熱特性に優れた火炎が得られる。逆に流量比（ＱＧ／ＱＬ）を大きくすると、液体燃料の液滴径が小さくなるので、燃焼速度が速くなって対流伝熱特性に優れた火炎が得られる。
【００１７】
前記流量比（ＱＧ／ＱＬ）は、液体燃料の種類及び流量、噴霧流体の種類、バーナの構造及び燃焼量等の各種条件によって異なるため、数値的限定は困難であるが、いずれの場合も、相対的に流量比が小さければ輻射伝熱に適した火炎が、流量比が大きければ対流伝熱に適した火炎がそれぞれ得られる。また、流量比の調節は、通常、バーナの燃焼量を一定に保つため、液体燃料流量を一定として噴霧流体流量を調節することにより行うが、液体燃料及び噴霧流体の双方の流量を調節するようにしてもよい。
【００１８】
一方、支燃ガス性ガス噴出口１９から噴出する支燃性ガスの流速は、２０〜３００ｍ／ｓｅｃの範囲に設定する必要がある。すなわち、支燃性ガスの流速が２０ｍ／ｓｅｃ未満だと、前記流量比を大きくしても、対流伝熱に適した火炎を得ることができず、支燃性ガスの流速が３００ｍ／ｓｅｃを超えると、前記流量比を小さくしても、輻射伝熱に適した火炎を得ることができなくなる。この支燃性ガスの流速、流量は、前記流量比に応じて調節することができる。
【００１９】
また、前記支燃ガス性ガス噴出口１９は、噴霧口１８を中心とする直径Ａの円周上に等間隔で配置されるが、前述のような燃焼室２１を設けた場合、前記直径Ａは、燃焼室２１の直径Ｂに対して、０．１Ｂ＜Ａ＜０．８Ｂの範囲内に設定することが好ましい。このとき、直径Ａが燃焼室２１の直径Ｂに対して０．１以下だと、支燃ガス性ガス噴出口１９と噴霧口１８とが近くなり、液体燃料と支燃性ガスとの混合が促進されて燃焼が促進されるので、前記流量比を小さくしても、輻射伝熱に適した火炎を得ることができなくなる。逆に直径Ａが燃焼室２１の直径Ｂに対して０．８以上だと、液体燃料と支燃性ガスとの混合が十分に行えなくなり、燃焼が緩慢になりすぎて未燃分が発生するおそれがある。
【００２０】
さらに、前記燃焼室２１においては、その直径Ｂと深さ（冷却ジャケット先端からバーナノズル先端までの距離）Ｃとの関係、Ｂ／Ｃを０．１〜５の範囲内に設定することが好ましい。このとき、Ｂ／Ｃが０．１未満になると、液体燃料流と支燃性ガス流との混合を燃焼室２１内で十分に行えなくなり、バーナの燃焼状態が不安定になることがある。また、Ｂ／Ｃが５を超えると、形成された火炎によって燃焼室２１の出口付近が過熱状態になり、損傷を受易くなる。
【００２１】
上述のように、液体燃料用バーナ１１に冷却ジャケット２０を一体形成し、冷却ジャケット２０の先端をバーナノズル１１ａより突出させて燃焼室２１を形成することにより、バーナノズル１１ａが過熱等によって損傷を受けることを防止できるとともに、燃焼室２１を特定の寸法範囲で形成することにより、安定した燃焼状態を得ることができる。但し、液体燃料用バーナ１１の使用目的や設置状況によっては、冷却ジャケット２０を省略することが可能であり、また、液体燃料用バーナ１１を設置する部分のバーナタイル等によって上述のような燃焼室を形成することもできる。
【００２２】
また、図５の断面側面図に示すように、支燃ガス性ガス噴出口１９からの支燃性ガスの噴出方向を噴霧口１８から噴出する霧状燃料の噴出軸方向に向けることもできる。このときの支燃ガス性ガス噴出口１９の軸線Ｄと、噴霧口１８の軸線Ｅとの交差角度αは、０〜３０度の範囲にすることが好ましい。これにより、液体燃料と支燃性ガスとを、より好ましい混合状態にすることができ、交差角度αによって火炎長の調節も可能である。
【００２３】
この交差角度αが０度のときは、前記形態例で示したように両軸線Ｄ，Ｅが平行の場合であり、交差角度αがマイナス、即ち支燃ガス性ガス噴出口１９の軸線Ｄが噴霧口１８の軸線Ｅに対して外側を向いていると、液体燃料と支燃性ガスとの混合が不十分になって未燃分が発生することがあり、交差角度αが３０度を超えると、噴霧口１８付近において、噴出した燃料流と支燃性ガス流との間に循環流が発生して液体燃料が噴霧口１８方向に戻る状態となり、バーナノズル１１ａの先端面に液体燃料が付着してしまうことがある。
【００２４】
【実施例】
図１〜図４に示す構造で、燃焼量が２０万ｋｃａｌ／ｈの液体燃料用バーナを使用した。液体燃料にはＣ重油を使用し、噴霧流体及び支燃性ガスには純酸素を使用し、支燃性ガスの酸素量は、燃料に対する酸素比が１．０になるように設定した。また、火炎から被加熱物への伝熱効果を把握するため、火炎中心軸から１５０ｍｍの位置に熱電対を設置して温度を測定した。
【００２５】
液体燃料流量（ＱＬ）に対する噴霧流体流量（ＱＧ）の流量比（ＱＧ／ＱＬ）を５０，１００，１５０に設定したときの温度の測定結果を図６に示す。この結果から、流量比が小さいと燃焼速度が遅くなるために測定点での温度が高くなること、すなわち、火炎からの輻射熱が大きくなっていることがわかる。また、流量比を大きくすると、燃焼速度が速くなるために測定点での温度が低くなり、対流伝熱に適した火炎となっていることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の液体燃料用バーナによれば、火炎の伝熱特性を、輻射伝熱を主とする形態と、対流伝熱を主とする形態とに任意に調節が可能になる。したがって、例えば金属溶解炉にこの液体燃料用バーナを設置することにより、炉体の昇温と金属原料の加熱溶解とを効果的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の液体燃料用バーナの一形態例を示す燃焼制御系の系統図である。
【図２】  バーナの断面側面図である。
【図３】  バーナノズル部の断面側面図である。
【図４】  バーナノズルの正面図である。
【図５】  バーナノズル部の他の形態例を示す断面側面図である。
【図６】  バーナ先端からの距離と、液体燃料流量に対する噴霧流体流量の流量比と、火炎中心軸から１５０ｍｍの位置における測定温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１１…液体燃料用バーナ、１１ａ…バーナノズル、１２…液体燃料流路、１３…噴霧流体流路、１４…支燃性ガス流路、１５…燃料噴霧室、１６…燃料供給ノズル、１７…噴霧流体通路、１８…噴霧口、１９…支燃ガス性ガス噴出口、２０…冷却ジャケット、２１…燃焼室、２２…ポンプ、２３…冷却水経路、３１…液体燃料経路、４１…噴霧流体経路、５１…支燃性ガス経路、３２，４２，５２…流量計、３３，４３，５３…流量制御弁、３４，４４，５４…流量制御装置
【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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