(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部から外周部に向かい、水または水蒸気を噴出する冷却用ノズル、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、この順で夫々独立した流路で同心状に配置されている
ことを特徴とする酸素バーナ。
【請求項２】
前記冷却用ノズルからは、その中心軸線より外向きに水または水蒸気を噴出するよう構成されている請求項１記載の酸素バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高温加熱炉や金属・ガラス等の溶融炉、あるい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酸素バーナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
前記酸素バーナでは、その火炎温度(燃焼温度)は２２００Ｋを超えるため、窒素が存在するとサーマルＮＯｘが発生し易くなる。すなわち、ＮＯｘの発生量は、火炎温度が高くなるにつれて増加する特徴があるからである。なお酸素バーナでは、支燃ガスの主成分は酸素であるからガス中に多量の窒素は含まれないものの、炉に侵入した空気中の窒素や、燃料としての粉体の搬送用気体中に存在する窒素等が火炎中に巻込まれるので、結果的に酸素バーナであっても高いＮＯｘ(数１００〜数１０００ｐｐｍ)を発生し、公害防止上問題となる。
【０００３】
前記ＮＯｘの発生を低減するには、窒素の侵入を微量に抑えればよいが、ｐｐｍオーダーまでの侵入防止は、事実上困難である。そこで、酸素比(燃料を完全燃焼するのに必要な理論酸素量に対する実際の供給酸素量の比)を下げ、未燃分によりＮＯｘをＮ2とＯ2に還元したり、燃料と支燃ガスの混合を悪くして炉内全体に燃焼域を広げる、いわゆる緩慢燃焼により火炎温度を下げる手段が採られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように酸素比を下げることでＮＯｘを還元する場合は、未燃分を再燃焼させる２次燃焼室を設けて燃焼制御する必要があり、設備費が嵩むと共に、運転が煩雑となる欠点が指摘される。また、前記緩慢燃焼の場合は、目的とする炉内温度分布や火炎形状(例えばシャープで直進性のあるもの)を得られない欠点がある。
【０００５】
そこで、水または水蒸気を供給することで火炎温度を下げて、ＮＯｘ発生を抑制することが考えられる。しかし、酸素バーナにおいて水や水蒸気を何処から、どのようにして供給すれば、効率的なＮＯｘ低減を図り得るかについての明確な技術はなく、実用化されていないのが現状である。
【０００６】
【発明の目的】
この発明は、前述した従来の技術に内在している前記課題に鑑み、これを好適に解決するべく提案されたものであって、酸素を支燃ガスの主成分とする酸素バーナにおいて、その火炎形状を殆ど変えることなく、また排ガス中の未燃分を増すことなく、ＮＯｘを効率よく低減し得る酸素バーナを提供することを目的とする。
【０００７】
【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、本発明に係る酸素バーナは、
中心部から外周部に向かい、水または水蒸気を噴出する冷却用ノズル、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、この順で夫々独立した流路で同心状に配置されていることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る酸素バーナにつき、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。
【０００９】
【第１実施例】
図１は、第１実施例に係る酸素バーナ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(支燃ガス)を噴出する１次支燃ガス用ノズル(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、酸素バーナ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。
【００１０】
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。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は円形の単孔となっている。
【００１１】
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。
【００１２】
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ようになっている。
【００１３】
前記気体燃料用ノズル１２の内側には、図１に示す如く、該ノズル１２とは独立した流路を有する冷却用ノズル２６が同心的に配置され、該冷却用ノズル２６には、火炎温度を下げるための冷却媒体としての水蒸気が、所定圧力(例えば９.８〜２９.４Ｐａ)で供給されるよう構成される。また冷却用ノズル２６のノズル先端は、気体燃料用ノズル１２のノズル先端と同一面上に臨むと共に、そのノズル先端で開口するノズル孔２６ａは円形の単孔となっている。なお、ノズル孔２６ａに連通する水蒸気流路は軸線方向に沿って延在し、水蒸気はノズル孔２６ａから軸線方向に沿って直進するよう噴出される。また気体燃料用ノズル１２のノズル先端で開口するノズル孔１２ａは、図２に示すように、冷却用ノズル２６のノズル孔２６ａを囲む円環状に設定されると共に、該ノズル孔１２ａに連通する気体燃料流路は軸線方向に沿って延在し、気体燃料はノズル孔１２ａから軸線方向に沿って直進するよう噴出されるようになっている。
【００１４】
【第１実施例の作用】
次に、前述した第１実施例に係る酸素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。また前記冷却用ノズル２６に供給された水蒸気は、前記ノズル孔２６ａから軸中心に沿って噴出された後、圧力の解放により火炎の外周に沿って流れ、火炎の高温部である外周部の火炎温度を下げる。
【００１５】
前述したように火炎温度を下げることで、炉内へ侵入した空気中の窒素や、粉体の搬送気体中の窒素が火炎に巻込まれたとしても、ＮＯｘの発生を低減することができ、好適な公害防止効果が得られる。しかも水蒸気は火炎の外周を流れるから、該火炎の形状は大きく変化することはなく、前記気体燃料や粉体の効率的な燃焼は維持される。なお、前記水蒸気によるＮＯｘ低減メカニズムを更に詳しく述べれば、水蒸気を加熱するための顕熱と、水蒸気がＨ、ＯＨラジカル等に解離する解離熱による火炎温度の低下、および発生したラジカルが燃焼反応を促進し、酸素を速やかに消費して、Ｎ2とＯ2の反応する時間を与え難くする作用による。
【００１６】
なお、気体燃料とは別に粉体を燃料として供給する構成では、該粉体の溶解に熱が取られて火炎温度が下がり、これによってもＮＯｘの発生は減少する。しかし、気体燃料のみを燃焼させて炉を昇温する際の火炎温度は高く、このときにＮＯｘの発生率が高くなるおそれがある。しかるに、第１実施例の酸素バーナ１０では、炉の昇降過程においても前記冷却用ノズル２６から水蒸気を噴出することで火炎温度を下げることができ、ＮＯｘの発生を低減し得る。
【００１７】
【第２実施例】
図４および図５は、第２実施例に係る酸素バーナ２８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。
【００１８】
第２実施例の酸素バーナ２８では、前記気体燃料用ノズル１２の内側中心部に配置されて、冷却媒体として水蒸気を噴出する冷却用ノズル３０は、そのノズル先端部が円錐状に形成され、その円錐部３０ａに、周方向に離間して複数のノズル孔３０ｂが開口している。各ノズル孔３０ｂは、ノズル先端に向かうにつれて中心軸線から離間するよう傾斜し、該ノズル孔３０ｂから水蒸気を中心軸線より外向きに噴出するよう構成される。すなわち、冷却用ノズル３０から噴出される水蒸気は、ノズル孔３０ｂから噴出された直後から火炎の外周部に沿って流れ、高温の火炎外周部の温度を効果的に下げることができ、前述した第１実施例と同様にＮＯｘを低減することができる。
【００１９】
【第３実施例】
図６および図７は、第３実施例に係る酸素バーナ３２の要部を示すものであって、該第３実施例では、冷却媒体として水を用いるよう構成したものである。なお、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し、同一部材には同じ符号を付すものとする。
【００２０】
第３実施例の酸素バーナ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冷却用ノズル３４には、冷却媒体として水が供給されるよう構成される。この冷却用ノズル３４は、噴霧ノズルであって、そのノズル先端における軸中心に整列して１つのノズル孔３４ａが開口している。そして、冷却用ノズル３４に所定圧(例えば４９〜１９６Ｐａ)で供給された水は、ノズル孔３４ａから噴霧されるよう構成してある。なお、ノズル孔３４ａは、水の噴霧パターンがホローコーン状、すなわち軸に直角な断面で見た場合、噴霧された水が外周部に多く分布されるよう設定され、噴霧された水が、火炎の外周部に沿って流れるよう構成される。これにより、高温の火炎外周部の温度を効果的に下げることができ、前述した第１実施例に関して段落番号[００１５]で説明した作用と同様の作用を奏する。なお、冷却媒体として水を用いる場合は、前記水蒸気による作用の他に、蒸発潜熱分も加わり、水蒸気よりも少ない量で火炎温度を同程度まで下げることができる。
【００２１】
【実験例１】
前述した第１実施例の酸素バーナ１０を用い、水蒸気を供給するノズルを変えることで、ＮＯｘ低減効果および燃焼状態の変化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：液体酸素を気化した酸素ガス、酸素比ｍ＝１.０、水蒸気：気体燃料と等モル供給、粉体輸送：空気、とした。なお、実験例１での代表炉温は、１５００℃であった。また、表１において燃焼が不安定なものについては、ＮＯｘ測定を行なわなかった。
【００２２】
[表１]
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【００２３】
表１に示す結果によれば、１次支燃ガス用ノズルまたは気体燃料用ノズルに水蒸気を供給した場合は、燃焼が極めて不安定となったり、息ずき燃焼を起こす不具合が発生した。また、２次支燃ガス用ノズルに水蒸気を供給した場合は、水蒸気が復水(ドレン化)してノズル先端から水滴として垂れ落ち、火炎中へ有効に供給される水蒸気が減るため、ＮＯｘ低減効果は低くかった。なお、１次支燃ガス用ノズルまたは気体燃料用ノズルの場合においても、水蒸気が復水(ドレン化)してノズル先端から水滴として垂れ落ちる現象を生じた。
【００２４】
これに対し、冷却用ノズルに水蒸気を供給した場合は、水蒸気の復水(ドレン化)は少なく、火炎中に充分な水蒸気が供給できたことで、ＮＯｘ低減効果に優れ、かつ燃焼が安定する結果が得られた。
【００２５】
【実験例２】
次に、第１実施例の酸素バーナ１０と第２実施例の酸素バーナ２８とにおいて、冷却用ノズルに水蒸気を供給した場合の、ＮＯｘ低減効果および未燃分低減効果を比較した結果を、表２に示す。なお、燃焼時の条件は、実験例１と同じとした。
【００２６】
[表２]
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【００２７】
表２に示す結果から、冷却用ノズルから水蒸気を、その中心軸線から外向きに噴出するよう構成することで、ＮＯｘ低減効果および未燃分低減効果の何れもが向上することが判明した。また、第１実施例の構造であっても火炎形状が大きく変化することはないが、第２実施例の構造によれば火炎形状は殆ど変化することはなく、目的とする火炎形状を維持できることが判った。
【００２８】
【実験例３】
前述した第３実施例の酸素バーナ３２を用い、冷却用ノズルに水を供給した場合の、ＮＯｘ低減効果および未燃分低減効果を測定した結果を、表３に示す。なお、燃焼時の条件は、実験例１と同じとした。但し、この実験例３では、水は気体燃料と等モル供給すると共に、代表炉温は１４５０℃であった。
【００２９】
[表３]
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【００３０】
表３に示す結果によれば、目的とする火炎形状を維持した状態で、ＮＯｘ低減効果および未燃分低減効果の何れもが、水蒸気を供給する場合に比して向上することが判明した。
【００３１】
冷却用ノズルのノズル先端は、気体燃料用ノズルのノズル先端に合わせる必要はなく、１次支燃ガス用ノズルのノズル先端と同一面上まで突出させたり、あるいは気体燃料用ノズルのノズル先端から更に後退させてもよい。更に、水を噴出する第３実施例の冷却用ノズルでは、水の噴霧パターンがホローコーン状となるよう設定したが、他のパターンとなるようノズル孔の形状等を適宜に選択することが可能であり、その形成数についても１個に限らず複数であってもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明に係る酸素バーナでは、水または水蒸気により火炎温度を下げることで、ＮＯｘの発生を抑制することができ、公害防止効果が高い。また構造は簡単で煩雑な制御を必要としないから、設備コストが嵩むこともなく、運転も容易である。更に、火炎形状を大きく変化させることもないから、安定した燃焼が維持され、燃焼効率が低下するのも抑制し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な第１実施例に係る酸素バーナの要部断面図である。
【図２】第１実施例に係る酸素バーナの正面図である。
【図３】第１実施例に係る酸素バーナの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実施例に係る酸素バーナの要部断面図である。
【図５】第２実施例に係る酸素バーナの要部正面図である。
【図６】本発明の好適な第３実施例に係る酸素バーナの要部断面図である。
【図７】第３実施例に係る酸素バーナの要部正面図である。
【符号の説明】
１２  気体燃料用ノズル
１４  １次支燃ガス用ノズル
１６  粉体用ノズル
１８  ２次支燃ガス用ノズル
２６  冷却用ノズル
３０  冷却用ノズル
３４  冷却用ノズル
【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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【図７】
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