(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
理論空気比未満の燃焼用空気で無酸化あるいは還元燃焼させるバーナ装置において、蓄熱メディアとこの蓄熱メディアに対し燃焼排ガスと燃焼用空気とを交互に導く流路切替手段と、前記蓄熱体を通して燃焼排ガス温度に近い高温に予熱された理論空気比未満の燃焼用空気を定格運転時に通常燃焼時の流速またはこれよりも高流速で炉内へ向けて噴射させるエアスロートと、前記エアスロートの出口からある距離を隔てた位置で前記空気噴流と衝突させるべく燃料を噴射する燃料ノズルとを有し、前記エアスロートの相当直径ｄｅと前記エアスロートの中心から前記燃料ノズルの中心までの間隔１／２Ｄpcdとの比ｄｅ／Ｄpcdが０．１０〜０．５０の範囲であり、かつ燃料噴流軸と前記エアスロートの長手方向の中心軸上平面との交点と前記エアスロートの出口面までの距離Ｌａに対する前記エアスロートの相当直径ｄｅの比Ｌａ／ｄｅが１．０〜５．０の範囲で燃料を噴射するものであり、前記エアスロートと前記燃料ノズルとの組を環状に複数台、相互に接近させて設置し大型燃焼機を構成することを特徴とする無酸化還元燃焼用バーナ装置。
【請求項２】
前記燃焼用空気は、扁平な矩形状の開口形状であるエアスロートから噴射されることを特徴とする請求項１記載の無酸化還元燃焼用バーナ装置。
【請求項３】
バーナ本体の前記エアスロートに前記蓄熱メディアを内蔵すると共に、該バーナ本体に三方弁から成る流路切替手段を直結し、前記バーナ本体の直近で燃焼用空気と排ガスとの切替えを行うことを特徴とする請求項１記載の無酸化還元燃焼用バーナ装置。
【請求項４】
セラミックハニカムを前記蓄熱メディアとして内蔵したことを特徴とする請求項１記載の無酸化還元燃焼用バーナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はバーナ装置及びその燃焼方法の改良に関する。更に詳述すると、本発明は、無酸化燃焼あるいは還元燃焼を行うバーナ装置並びにその燃焼方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、鉄鋼,非鉄金属,セラミックス等の各分野では、材料の熱処理工程において、酸化や発生スケールの減少化や材料品質向上や改質のために、空気比０．５〜０．９５（各対象炉によって運転空気比は異なる）の無酸化還元燃焼が行われる。例えば、従来の無酸化燃焼炉の代表的な例として図９に示されるセラミック焼成炉１０２の場合は、複数の還元型バーナ（理論空気比以下の燃焼が可能）１０１が設置され、ワーク１０３がこの無酸化雰囲気の中で加熱され（例えば常温→１，２５０℃）、抽出されて次の加工工程に搬送されるように設けられている。燃焼ガス中のすす発生はバーナ１０１の工夫された混合機構により極力抑制されるがＣＯの発生は当然避けることは出来ない。そこで、通常、ＣＯは、炉の出口近傍に設置されたアフターバーナ１０４にて燃焼されたあと、排ガスを１ヶ所のレキュぺレータ１０５を通過させ、ここで燃焼用空気と熱交換され、通常３００〜４００℃にして煙突１０８から排出される。レキュペレータ１０５をもたない設備も数多く存在する。尚、図中の符号１０６は送風機、１０７は排風機である。
【０００３】
このような無酸化還元燃焼は、もっぱらガスを主とする燃料が用いられるが、通常のバーナでは低空気比燃焼および理論空気比以下の燃焼の場合には燃焼ガス中にＣＯの他、多量のすすが発生し易く、燃焼を安定に維持することが困難となる。
【０００４】
そこで、無酸化雰囲気用バーナーでは、フリーＯ２  （残存Ｏ２）の発生を抑制するために燃料と空気の初期混合を促進させたり、安定性を増すために一部空気を燃料に予混合するような特別な工夫が成されている。例えば、図１０に示すバーナ１０１のように、エアインテーク１１４から導入した燃焼用空気をバーナタイル１１０の入口部分の燃料噴射ノズル１１３の周りに環状配置した何十という小さな孔の空気ノズル１１１から強い旋回をかけて噴射させるミキシング構造を備え、バーナタイル１１０の空間１１２で燃料ガスと燃焼用空気との初期混合が急速に行わせるように設けられている。このミキシング構造を有するバーナ１０１の場合、空気比０．６位まで発煙しない。尚、図中の符号１１５はパイロットバーナである。
【０００５】
一方、省エネルギーや低ＮＯｘ性、均一温度分布特性に優れた蓄熱バーナ技術をこれら空気比０．５〜０．９５の無酸化還元雰囲気燃焼に適用しようという試みも為されているが、現在未だ実用化に至っていない段階である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０のミキシング機構を有する従来の無酸化バーナ１０１では、省エネルギーにならないばかりか、それ以上のすすの発生を抑えることもできない。即ち、発煙が無いと言っても、バッカラッカスモーク指数で３程度であり、発煙としては認められないという程度である。また、図１０のような無酸化バーナ１０１は混合性を確保するためには複雑なミキシング機構とバーナタイル１１０とを必要とすることから、大きさに限界があり、スケールアップ（燃焼量の増大）が必要な場合にはバーナ数を増やさざるを得ず、何台ものバーナを集合させようとしても収まりきらない問題がある。
【０００７】
他方、蓄熱バーナは、燃焼用空気を１，０００℃またはこれ以上に予熱するためＮＯｘが増加し易い。このため燃料と空気の噴出ノズルを一定距離以上に離し、燃料を空気噴流に平行に噴出させて初期混合を遅らせると同時に高速の空気噴流を用いて炉内のガス循環効果を最大限に生かすことによって、高温空気を排ガスで希釈し、低酸素状態で燃焼反応を行わせて火炎中に局所的高温領域を形成させないことでＮＯｘを下げるようにしている。
【０００８】
しかも、蓄熱バーナの場合、通常の無酸化バーナに比べて予熱空気温度が高く（７００〜１，０００℃）、一般のハイドロカーボン系燃料のすす生成温度領域に近いことから、通常バーナよりすすの発生を促進する傾向がある。
【０００９】
このため、理論空気比未満での無酸化還元燃焼では初期混合が極めて遅れた緩慢な燃焼となるためどうしてもすすの発生を伴う。本発明者の実験によれば、バッカラッカスモーク指数で８〜９であり、ＮＯｘの発生も多かった。
【００１０】
そして、このすすの発生は、蓄熱体の閉塞を招き、蓄熱体の性能低下、圧損の増大、メンテナンスの頻度増大が懸念される。
【００１１】
また、短い周期で高温ガス（１，０００℃以上）がバーナ内に逆流するため（エアスロート即ち空気通路が排ガス通路にもなる）、熱的及び圧力損失の制限から、図１０に示す無酸化バーナのような燃料と空気の複雑な初期混合機構をもつことが困難であるし、また金属の使用も制限される。このため、未だ実用化に至っていないのが現状である。
【００１２】
本発明は、すすの発生が少なく、残存酸素の極小化が可能な無酸化還元燃焼方法及びバーナ装置を提供することを目的とする。また、本発明は、省エネルギーや低ＮＯｘ性、均一温度分布特性に優れた蓄熱バーナ技術を理論空気比未満特に空気比ｍが０．５＜ｍ＜１．０の無酸化還元雰囲気燃焼に適用可能とする無酸化還元燃焼方法及びバーナ装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、理論空気比未満の燃焼用空気で無酸化あるいは還元燃焼させるバーナ装置において、蓄熱メディアとこの蓄熱メディアに対し燃焼排ガスと燃焼用空気とを交互に導く流路切替手段と、前記蓄熱体を通して燃焼排ガス温度に近い高温に予熱された理論空気比未満の燃焼用空気を定格運転時に通常燃焼時の流速またはこれよりも高流速で炉内へ向けて噴射させるエアスロートと、前記エアスロートの出口からある距離を隔てた位置で前記空気噴流と衝突させるべく燃料を噴射する燃料ノズルとを有し、前記エアスロートの相当直径ｄｅと前記エアスロートの中心から前記燃料ノズルの中心までの間隔１／２Ｄpcdとの比ｄｅ／Ｄpcdが０．１０〜０．５０の範囲であり、かつ燃料噴流軸と前記エアスロートの長手方向の中心軸上平面との交点と前記エアスロートの出口面までの距離Ｌａに対する前記エアスロートの相当直径ｄｅの比Ｌａ／ｄｅが１．０〜５．０の範囲で燃料を噴射するものであり、前記エアスロートと前記燃料ノズルとの組を環状に複数台、相互に接近させて設置し大型燃焼機を構成するようにしている。この場合、空気と燃料とが炉内へ噴射された直後に衝突して急速に混合される。この良好な初期混合はフリーＯ２の極小化およびすすの極小化に繋がる。また、空気噴流の出口からある距離を隔てた位置で燃料と空気とを衝突させる燃料ノズル位置が設定できる。ここで、定格運転時とは、例えば炉内温度が８００℃以上に達した状態における燃焼時などの、設計前提条件を満たしている運転を意味する。
【００１４】
蓄熱体を介して炉内へ高速で噴出される燃焼用空気は排気ガス温度に近い高温に予熱されるため混合気の自己着火温度以上となっている。したがって、炉内へ噴出された燃焼用空気と燃料とは噴射直後に急速に混合されると同時に酸化発熱反応を開始する。しかも、高速の燃焼用空気の流れによって燃焼室あるいは炉内での燃焼ガスの挙動・循環が活発になり、燃焼室内温度分布が平坦化されて局所的高温域のない平坦な温度分布の燃焼場が形成される。即ち、燃料と空気の初期混合の促進が図られると共に炉内排ガスの循環効果が促進される。この初期混合の促進と排ガス循環効果により未燃のすす発生とＮＯｘの発生を抑制することができる。
【００１５】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の無酸化還元燃焼用バーナ装置において、燃焼用空気を、扁平な矩形状の開口形状であるエアスロートから噴射されるようにしている。この場合、空気噴流表面積が増加し、排ガス循環による希釈効果をより高めて、すす発生を極小化することが可能となる。特に、燃料との接触面積が広がり、初期混合がより急速なものとなる。
【００１６】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の無酸化還元燃焼用バーナ装置において、バーナ本体のアエスロートに蓄熱メディアを内蔵すると共に、該バーナ本体に三方弁から成る流路切替手段を直結し、バーナ本体の直近で燃焼用空気と排ガスとの切替えを行うようにしている。この場合、バーナ切換時の給気・排気の送気遅れ時間を最少化し、ＣＯ濃度を安定化させると同時に切換時のフリーＯ２を極小化する。即ち、蓄熱メディアと流路切替手段との間のダクト分のパージ容積が不要となる分だけそこに残留する排ガス量も少なくなり、切替時のパージ用空気の量が極微量となるため、切替時に酸素濃度が高くなることを防いで、このような事態を絶対に避けたい熱処理などにおいてフリーＯ２の悪影響を与えないようにすることができる。
【００１７】
また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の無酸化還元燃焼用バーナ装置において、セラミックハニカムを蓄熱メディアとして内蔵した蓄熱バーナを用いるようにしている。ここで、ハニカムのセル数は１０〜２００セル/ｉｎ２であることが好ましい。この場合、すすの発生に対して、閉塞や汚れによる性能低下が極めて起りにくい。また、高温空気燃焼の特性を生かしたバーナの構造によるすすの発生の極小化、火炎中の局所高温部形成を抑えることによるＮＯｘ値の抑制及びフリーＯ２（残存Ｏ２）の極小化を可能とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１に本発明の無酸化還元燃焼方法を実施する無酸化燃焼バーナ装置の一例を示す。この実施形態の無酸化燃焼バーナ装置１は、２基で対を成し、燃焼と排気を数十秒間のインターバルで交互に繰返すように燃焼が燃焼制御装置（図示省略）で制御されている。燃焼排ガスは休止中のバーナ内を通過し、バーナに内蔵されたハニカム状蓄熱メディア２に熱を与えることにより冷却されてバーナ１に接続されている流路切替手段たる切換弁（三方弁）３を経由して、排風機（図示省略）を通って煙突等に至る。ここで、ＣＯを含む燃焼排ガスは、図示していないが煙突の入口に設けられたアフターバーナ等の後処理設備８において再燃焼され、煙突より排出される。一方、蓄熱バーナ１では各々内蔵した蓄熱メディア２で排ガスから回収した熱によって燃焼空気を予熱する。そして、この高温予熱空気を使って無酸化還元燃焼を行う。
【００２０】
各蓄熱バーナ１は、例えば図１及び図２に示すように、蓄熱メディア２と、第２の燃料ノズル１１と、流路切替手段たるフラッパ式三方弁（スイッチバルブ）３及びこれらを支持するバーナ本体１０並びに必要に応じて第１の燃料ノズル１２とから構成され、耐火耐熱物から成るバーナ本体１０に蓄熱メディア２と第２の燃料ノズル１１及び第１の燃料ノズル１２とを内蔵している。そして、バーナ本体１０のエアスロート１３に収容されている蓄熱メディア２との間に余分な隙間を開けないようにしてフラッパ式三方弁３が直結され、バーナ本体１０の直近で燃焼用空気と排ガスとの切替えを行うように設けられている。
【００２１】
ここで、フラッパ式三方弁は、図１に示すように、バーナ本体１０に直結されるポート１４に対し斜交する２つの斜面に他の２つのポート１５，１６を設けたハウジング１７と、２つの斜面の間のコーナー部分に配置される切替シャフト１８と、該切替シャフト１８に支持されて２つの斜面のポート１５，１６の間で揺動し両ポート１５，１６のいずれか一方を閉じるフラッパ１９と、切替シャフト１８を所定角度内で揺動させるアクチュエータ（図示省略）とから構成されている。そして、斜面の一方のポート１５には，燃焼用空気供給系統２０が、他方のポート１６には排気系統２１がそれぞれ連結されている。このように構成されたフラッパ式三方弁３は、フラッパ１９が揺動する範囲で占められる最小の空間Ｓから成り、給気と排気との切替時にパージする容積が極めて小さくなり、残留する排ガスを空気に入れ換えるための時間を短くして無駄な時間が切替時間に占める割合を小さくする。加えて、三方弁３と蓄熱メディア２とは近接して設けられており、排ガスから燃焼用空気への切替時に三方弁３から蓄熱メディア２にかけて残存する排ガスの量が極微量であり、バーナ本体１０と三方弁３とを繋ぐべきダクト分のパージ容積が不要となる分だけパージ容積が小さくなる。残留する排ガスを空気と入れ替える時間を短くできるので高速切替を可能とする。このため一方の蓄熱バーナを消火するのとほぼ同時に他方の蓄熱バーナを着火することができ、フリーＯ２を少なくすることができる。
【００２２】
また、第２の燃料ノズル１１は、詳細に図示していないが、必要に応じてパイロットバーナ等を備え、燃料ガンだけを単独に取り外すことができるように構成されている。この燃料ガンの後端には図示していないが燃料遮断用電磁弁などを含む燃料ガンアッセンブリが備えられる。
【００２３】
この第２の燃料ノズル１１は、エアスロート１３の出口１３ａからある距離を隔てた位置、具体的には近い所で空気噴流と衝突させるべく燃料を噴射するように設けられている。例えば本実施形態の場合、図３に示すように、定格運転時に主に燃料を噴射するノズル即ち第２の燃料ノズル１１は、エアスロート１３の相当直径（面積を円に換算したときの直径）ｄｅとエアスロート１３の中心から燃料ノズルの中心までの間隔１／２Ｄpcdとの比ｄｅ／Ｄpcdが０．１０〜０．５０の範囲で、かつ燃料噴流軸とエアスロートの長手方向の中心軸上平面との交点とエアスロート１３の出口面までの距離Ｌａに対するエアスロートの相当直径ｄｅの比が１．０〜５．０の範囲で設定される。尚、図中の符号αは第２の燃料ノズル１１から噴射される燃料の衝突噴射角度である。
【００２４】
また、バーナ本体１０は、先端開口１３ａが蓄熱メディア２を収容する部分よりも絞られて扁平な矩形状に形成されたエアスロート１３を有している。そして、このエアスロート１３からは、定格運転（炉内温度８００℃以上）時に通常燃焼時の流速またはこれよりも高流速で理論空気比未満（例えば空気比ｍが０．５＜ｍ＜１．０）の燃焼用空気が炉内へ向けて噴射される。燃焼用空気はエアスロート１３の開口形状に倣って扁平な矩形状に整形されてから炉内へ噴射される。このため、燃料噴流に対して広い面積で衝突することとなる。同時に、このスロート形状によれば、バーナ本体１０を構成する耐火耐熱物によって蓄熱メディア２が覆われることから、炉内からの輻射熱に対して蓄熱メディア２を保護することができる。尚、エアスロート１３の開口形状は、図示の扁平な矩形状に特に限定されず、図５に示すような楕円形や、図４に示すような円形あるいは図示していないその他の形状例えば正方形や三角形若しくはその他の多角形などの形状が必要に応じて適宜採用される。
【００２５】
この所定の空気流速は、図示していない送風機、排風機並びにエアスロート１３の大きさ等を適切に設計することによって得られる。このエアスロート１３の先端の開口１３ａの大きさを変えることで、燃焼用空気の噴射速度（運動量）を自由にコントロールすることができ、火炎の形状及び性状を変えることができる。
【００２６】
尚、本実施形態の場合、蓄熱メディア２を装填したエアスロート１３に対し２本の第２の燃料ノズル１１を対象に配置して１ユニットのバーナを構成しているがこれに特に限定されず、１本のエアスロート１３に対し１本の燃料ノズル１１を、あるいは１本のエアスロート１３に対し３本以上の燃料ノズル１１を配置して１ユニットのバーナを構成するようにしても良い。例えば、バーナが大型でエアスロート１３が細長い矩形の場合には、燃料を空気噴流に均等に衝突させるため、図２に示すようにエアスロート１３を挟んで２本の第２の燃料ノズル１１を対象に配置して空気噴流を挟むように燃料を噴射するようにしているが、更には片側に２本ずつ配置して計４本配置することもある。
【００２７】
また、蓄熱メディア２は、その材質、構造については特に限定を受けるものではないが、比較的圧力損失が低い割に熱容量が大きく耐久性の高い材料、例えばセラミックスで成形されたハニカム形状のセル孔を多数有する筒体の使用が好ましい。この場合、蓄熱容量の割に圧損が低いため、送風機及び排風機の能力を特別に上げずとも給気と排気とが実施可能である。例えば１００mmＡｑ以下の低圧損で実現できる。また、蓄熱メディア２としては、例えば、排ガスのように１０００℃前後の高温流体と燃焼用空気のように２０℃前後の低温流体との熱交換には、コージライトやムライト、アルミナ等のセラミックスを材料として押し出し成形によって製造されるハニカム形状のものの使用が好ましい。また、ハニカム形状の蓄熱メディア２は、その他のセラミックスやセラミックス以外の素材例えば耐熱鋼等の金属あるいはセラミックスと金属の複合体例えばポーラスな骨格を有するセラミックスの気孔中に溶融した金属を自発浸透させ、その金属の一部を酸化あるいは窒化させてセラミックス化し、気孔を完全に埋め尽くしたＡｌ２  Ｏ３  −Ａｌ複合体、ＳｉＣ−Ａｌ２  Ｏ３  −Ａｌ複合体などを用いて製作しても良い。尚、ハニカム形状とは、本来六角形のセル（穴）を意味しているが、本明細書では本来の六角形のみならず四角形や三角形のセルを無数にあけたものを含む。また、一体成形せずに管などを束ねることによってハニカム形状の蓄熱メディアを得るようにしても良い。尚、ハニカム形状とは、本来六角形のセル（穴）を意味しているが、本明細書では本来の六角形のみならず四角形や三角形のセルを無数にあけたものを含む。また、一体成形せずに管などを束ねることによってハニカム形状の蓄熱メディアを得るようにしても良い。
【００２８】
また、蓄熱メディア２の形状も特に図示のハニカム形状に限定されず、図示していないが筒状のメディアケースに平板形状や波板形状の蓄熱材料を放射状にあるいは環状に配置したり、パイプ形状の蓄熱材料を軸方向に流体が通過するように充填したり、ボール状やナゲット状の蓄熱材を充填したり、更にはパンチングメタルのような多孔・耐熱鋼板等を単独であるいは積層するように収納したものであっても良い。
【００２９】
尚、本実施形態の蓄熱バーナ１に用いられる蓄熱メディア２は、ハニカム状のセラミック（セル数１０〜２００セル／ｉｎ２）であり、この小ブロック（５０ｍｍ□〜２００ｍｍ□×５０ｍｍｈ）が通常４〜１０段垂直に重ねられて用いられる。ハニカム状の通路の中を排ガスと空気が短時間例えば約３０秒毎に交互に逆方向に流れる。このようにハニカム内の流れに、局所的な乱流域や低流速がない往復動のため、一旦すすが発生したとしてもすすが付着したり堆積することは少ない。このため長期使用においても蓄熱体の清掃や交換の必要はなく、メンテナンスが不要であることも特長である。
【００３０】
以上のように構成された無酸化燃焼バーナ装置によれば、次のようにして操業される。
【００３１】
まず、炉内温度が常温から決められた温度（高温燃焼が実施可能な温度で、例えば８００℃程度以上）に昇温するまでは、立ち上げ用の第１の燃料ノズル１２及び必要あれば定格運転用の第２の燃料ノズル１１から燃料を噴射してバーナを運転する。所定温度へ昇温した後は、定格運転用の第２の燃料ノズル１１からだけの燃料噴射に切り替えて第１の燃料ノズル１２からの燃料噴射を停止する。勿論、場合によっては第１及び第２の双方の燃料ノズル１１，１２から燃料を噴射することもある。そして、フラッパ式三方弁を動作させて交互燃焼運転を行う。
【００３２】
交互燃焼は、隣接する２セットのバーナでペア（ＡバーナおよびＢバーナ）を組み、一方のバーナが燃焼モードの時、他方のバーナは排気モード（炉内の燃焼ガスを吸引し炉外へ排出する）となる。排気はバーナ本体１０のエアスロート１３から蓄熱メディア２を経て、排ガスの顕熱を蓄熱メディア２で回収して低温にしてから行われる。そして燃焼時に、蓄熱メディア２に燃焼空気を通すことで、炉内燃焼ガス温度に近い予熱空気が得られる。第２の燃料ノズル１１は燃焼空気の供給とほぼ同一タイミングで燃料を供給する。通常、定格運転時に炉内へ直接燃料を噴射する第２の燃料ノズル１１にはパイロットバーナが組み込まれず一次空気を使用しないが、第１の燃料ノズル１２などで冷却のため空気を流す場合にはこの冷却用空気を含めて全体に理論空気比未満の空気比となるように供給空気量と燃料量とが調整されている。また、フラッパ式三方弁３と同期して一対のバーナの各ガス電磁弁は開閉する。
【００３３】
このとき、第２の燃料ノズル１１から高速度で噴射される燃料と、エアスロート１３から高速度で噴射される燃焼用空気とは、それらの間の相似則を保ちながらエアスロート１３の出口１３ａからある距離Ｌａを隔てた位置で衝突し、急速に初期混合を起こして理論空気比未満での無酸化還元燃焼を起こす。ここで、通常燃焼時の流速またはこれよりも高流速でかつ高温の燃焼用空気噴流と燃料噴流とが炉内への噴射直後に激しく衝突して急速に混合され、拡散燃焼すると共に周囲の燃焼ガスを随時取り込んで還元させ低ＮＯｘ化すると共に炉内のガス流動を激しくして局所高温域のない平担な温度分布を形成する。
【００３４】
そして、一対の蓄熱バーナ１の切替は、所定の切替時間経過後例えば約３０秒後に燃焼モードと排気モードの役割を入れ替える。燃焼するバーナの切替は、ペア毎にタイミングをずらし、順次行うことにより、炉内圧力の変動を最小限にすることが好ましい。いずれの場合にも、Ａバーナ燃焼とＢバーナ燃焼の間には休止時間と呼べるほどのものは設けられておらず、切替運転用燃料弁はＡバーナの閉止とほぼ同時にＢバーナが開放される。即ち、バーナ本体１０とフラッパ式三方弁３とが直結された本実施形態の場合、切替時間にはパージ時間が極めて短時間（例えば消して着けるまでが０．３秒以内のパージ時間）しか採られず、消すと同時に対となる相手側のバーナが着火するように設けられている。これによって、炉圧変動をほぼ１／４程度に小さく抑えることができると共に、フリーＯ２を極小化できる。
【００３５】
ここで、三方弁３の切替は、予め決められた切替時間に基づいて行っても良いが、熱電対で測定される排ガス温度によって切替られることもある。排気温度は例えば２００℃から３００℃の間で管理されることが好ましい。
【００３６】
尚、交互燃焼は上述したように固定的にペアを組んで行う場合に限られず、順次ペアを組む相手バーナを変更するようにしても良い。例えば、図示していないが、図１のバーナを単位ユニットとして３ユニット以上で燃焼システムを構成し、燃焼させるバーナの台数と停止させるバーナの台数の比率を可変とし、ユニットが固定的な対を組まないで順次全ユニットが交互燃焼を繰り返すようにしても良い。この場合、全てのユニットのバーナが時間をずらして尚かつ切替の際のパージ時間をできるだけなくして燃焼するため、広い範囲で非定在火炎を形成しながら交互燃焼を成立させることができる。したがって、図１に示す実施形態の交互燃焼バーナシステムよりも火炎の非定在化が進み、炉内温度分布がより均一化される。また、燃焼量を落としても燃焼バーナの数の増減によってエアスロートから噴出される燃焼用空気の速度を高速に維持でき、初期混合を良好な状態に維持すると共に炉内ガスの流動を活発に保持して、すす、フリーＯ２、ＮＯｘの抑制を図りつつ局所的な高温域の発生を抑制した平坦な炉内温度分布を形成可能とする。ここで、燃焼バーナと排気バーナの数が異なっても、供給空気量と排気量との関係は変わらない。即ち、燃焼バーナと排気バーナとの台数比率が１：１であっても１：２であっても、１行程内でみれば、空気の流れる量も排気量も変わらない。ただし、燃焼バーナの比率が減ればその分だけ空気時間の比率が減ることとなり、蓄熱体の中を流れる流体速度は空気のときは速く、排気のときは遅くなり、冷却の伝熱の方が良好となるため、蓄熱体の効率は良くなる傾向となる。即ち、加熱空気の温度が上がり、排気温度が下がる傾向となる。
【００３７】
図６〜図８に他の実施形態を示す。この実施形態は、例えば、本構成条件を大型装置に適用した代表的な例（高温熱風発生設備）を示すものである。このバーナ装置には、エアスロート１３と定格運転時に使用する第２の燃料ノズル１１とが環状に交互に配置され、全体で１つの大型燃焼機が構成されている。本実施形態の場合、６箇所の矩形状（小判型）のエアスロート１３と６本の第２の燃料ノズル１１とが交互に環状に相互に接近させて設置されることによって１つの大型燃焼機を構成するようにしている。尚、図中の符号１２は立ち上げ用のパイロットバーナ付き第１の燃料ノズル、３１はウィンドボックス、３２は炉内である。
【００３８】
このバーナ装置においても、第２の燃料ノズル１１は、エアスロート１３の相当直径ｄｅとエアスロート１３を挟む２つの燃料ノズル間隔Ｄpcdとの比ｄｅ／Ｄpcdが０．１〜０．５の範囲で、かつ燃料噴流軸とエアスロートの長手方向の中心軸上平面との交点とエアスロート出口面までの距離Ｌａに対するエアスロートの相当直径ｄｅの比Ｌａ／ｄｅが１．０〜５．０の範囲で設定される。
【００３９】
そして、燃焼用空気はウィンドボックス３１に導入され、各蓄熱メディア２を経て各々のエアスロート１３の出口１３ａから炉内へ通常燃焼時の流速またはこれよりも高流速で噴区射され、周辺の第２の燃料ノズル１１から噴射される燃料がエアスロート１３の出口からある間隔を隔てた近い位置例えば上述の各範囲を満たす位置で高速に衝突させられ、急速に混合される。
【００４０】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では流路切替手段として主にフラッパ式三方弁３について説明したが、これに特に限定されるものではなく、ボウル型や円筒型の三方弁の他、特願平７−２１７４４８号に開示されている三方弁、あるいは特願平４−２１６４７３号に開示された切換弁や四方弁などが使用可能である。本実施形態の場合、フラッパ式三方弁が流路切換器として採用されているがこれに特に限定されるものではなく、蓄熱メディアに連通する部屋に突出して互いに対向する２つのポートの間でピストンが移動していずれか一方のポートと部屋とを選択的に連通させるピストン式三方弁などを用いても良い。
【００４１】
また、本実施形態では、交互燃焼について主に説明したが、これに特に限定されるものではなく、連続燃焼式蓄熱バーナ構造とすることも可能である。即ち、エアスロート１３と排気通路とを独立させて別々に設け、排気通路から連続して炉内ガスを排出する。一方、エアスロートから高温予熱された燃焼用空気を連続供給して連続燃焼させることも可能である。この場合、蓄熱メディアに対して排ガスと燃焼用空気とを連続的に途切れることなく通過させることが必要となるので、例えば蓄熱メディアをエアスロート１３の外に配置して回転させ、あるいは蓄熱メディアに対して排ガス流路と空気流路とを回転させるかあるいは切り替え、燃焼排ガスと燃焼用空気とを相対移動する蓄熱メディアに対して異なる領域・位置で同時に通過させるようにしている。これによって、蓄熱メディアの加熱された部分に空気が流されて高温に予熱されることとなる。
【００４２】
また、燃料は、ガス燃料に限らず、オイル燃料あるいはオイル・ガス燃料を併用することも可能である。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載の発明のバーナ装置によると、空気と燃料との混合不良を招かずに空気噴流の出口から近い距離で燃料と空気とを衝突させる燃料ノズル位置が設定できる。更に、燃焼装置の大型化の要請に容易に応えることができる。しかも、蓄熱メディアを介して混合気の自己着火温度以上の高温（排気ガス温度に近い高温）に予熱された燃焼用空気と燃料とを、空気噴流の出口の近い所で衝突させるようにしているので、燃料と空気の初期混合の促進が図られると共に炉内排ガスの循環による空気の希釈効果が促進される。この初期混合の促進と排ガス循環効果により、省エネルギー効果の高い蓄熱バーナを理論空気比以下の燃焼に適用しても、未燃のすす発生及びフリーＯ２ の発生を抑制すると共にＮＯｘの発生を抑えることができる。
【００４４】
具体的には、図１及び図２に示す蓄熱バーナを用いて、例えば１３Ａ都市ガスを燃焼させた場合、空気比０．８（理論ＣＯ発生湿りガス濃度約３．６％）炉内温度１，０００℃にて、すすの発生量は０．０６ｇ／Ｎｍ３（バッカラッカスモーク指数１）以下に抑えられた。同一条件で通常の蓄熱バーナを燃焼させた時のすすの発生量は０．１３ｇ／Ｎｍ３（バッカラッカスモーク指数９）以上となることから、約５４％低減できた。
【００４５】
また、本発明によると、従来適用不能であった蓄熱バーナを無酸化還元燃焼に適用可能となったので、炉出口の排ガス温度を排ガスの酸露点近い温度まで下げることができ、従来バーナに比べ３０％以上の省エネルギー化が可能となる。また高温空気燃焼によって発生ＮＯｘ量の低減率も従来型に比べ５０％以下にすることができ、燃焼場での温度分布が非常に平坦化され、品質を向上させることに加え火炎長も１０〜３０％の短炎化が可能となる。
【００４６】
また、この無酸化還元燃焼用バーナ装置によると、大型で、蓄熱バーナ方式に比べ排熱回収率の低いレキュペレータが不要となり、設備的にも簡素化される。全体の設備費としては従来型と同等か若干割高となるが、排熱回収率が高いため、ランニングコストを考慮すると蓄熱バーナ型式が明らかに有利となる。
【００４７】
更に、本発明によると、空気と燃料を高速に混合しつつ、なおかつ火炎中に局所的高温領域が形成されることのない燃焼が実現される。よって非常に高温熱風を耐火物許容最高限界近くで効果的に発生させることが出来る。
【００４８】
また、請求項２記載の発明によると、空気噴流表面積が増加し、排ガス循環による空気希釈効果をより高めるので、すす発生を極小化することが可能となる。
【００４９】
また、請求項３記載の発明によると、バーナ切換時の給気・排気の送気遅れ時間及びパージ量を最少化して切換時のフリーＯ２を極小化できる。したがって、切替時に酸素濃度が高くなることを防いでこのような事態を絶対に避けたい熱処理においてフリーＯ２の悪影響を少なくすることが可能となる。
【００５０】
また、請求項４の発明によると、ハニカム状の蓄熱メディア内を空気と排ガスとが交互に流れるときに、局所的な乱流域や低流速がない往復動のため、すすが付着したり堆積することがない。このため長期使用においても蓄熱体の清掃や交換の必要はなく、メンテナンスが不要である。また、この発明によると、すすの発生に伴う蓄熱メディアの閉塞や汚れによる性能低下が極めて起り難くい。したがって、高温空気燃焼の特性を生かしたバーナの構造によるすすの発生の極小化、火炎中の局所高温部形成を抑えることによるＮＯｘ値の抑制及びフリーＯ２（残存Ｏ２）の極小化を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の無酸化還元燃焼方法を実施する無酸化バーナの一実施形態を示す中央縦断面図である。
【図２】  図１のバーナの正面図である。
【図３】  図１のバーナの燃焼用空気噴流と燃料噴流との適切な衝突位置を示す説明図である。
【図４】  エアスロートと燃料ノズルの他の実施形態を示す正面図及び断面図である。
【図５】  エアスロートと燃料ノズルの更に他の実施形態を示す正面図及び断面図である。
【図６】  本発明の無酸化還元燃焼方法を実施する無酸化バーナの他の実施形態を示す中央縦断面図である。
【図７】  図６のバーナのエアスロートと燃料ノズルとの配置関係を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。
【図８】  図６のバーナの燃焼用空気噴流と燃料噴流との衝突関係を示す説明図である。
【図９】  従来の無酸化燃焼方法を実施する無酸化燃焼炉の一例を示す外略原理図である。
【図１０】  従来の無酸化バーナを示す図で、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）燃料ノズルと空気ノズルとの配置関係を示す正面図である。
【符号の説明】
１  蓄熱バーナ
２  蓄熱メディア
３  フラッパ式三方弁（流体切替手段）
４  炉
１０  バーナ本体
１１  第２の燃料ノズル（燃料ノズル）
１３  エアスロート
１３ａ  エアスロートの出口
ｄｅ  エアスロートの相当直径
１／２Ｄｐｃｄ  エアスロートの中心から燃料ノズルの中心までの間隔
Ｌａ  エアスロート出口面から燃料噴流と空気噴流とが衝突する位置までの間隔
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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