(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ノズルと、該燃料ノズルの上下に配置した２つの酸化剤ノズルとを有し、該各酸化剤ノズルは、噴出する酸化剤が燃料ノズルから噴出する燃料に対してほぼ同じ位置で上下方向から衝突するように、燃料ノズルに対してそれぞれ傾斜して配置されている酸素燃焼バーナであって、該酸素燃焼バーナは、燃料ノズル及び酸化剤ノズルから噴出する燃料及び酸化剤の噴流の運動量を増加させるために、燃料及び酸化剤とともに燃焼に関与しない不活性物質を同時に噴出するようにされていることを特徴とする酸素燃焼バーナ。
【請求項２】
不活性物質は燃料ノズル及び酸化剤ノズルから燃料及び酸化剤との混合流として噴出するようにされていることを特徴とする請求項１記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項３】
不活性物質は燃料ノズル及び酸化剤ノズルの中又は周囲に別に設けた不活性物質ノズルから噴出するようにされていることを特徴とする請求項１記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項４】
不活性物質が当該酸素バーナを熱源とする燃焼炉からの排気ガスの一部であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項５】
少なくとも前記酸化剤ノズルは、噴出した酸化剤が水平方向に扁平になった状態で上下方向から衝突しうるようにされていることを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項６】
酸化剤ノズルの噴口及びその上流部分の形状を楕円又は矩形のような扁平断面形状とし、それにより、酸化剤が水平方向に扁平になった状態で噴出されることを特徴とする請求項５記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項７】
酸化剤ノズルの噴口及びその上流部分の形状を、噴口は楕円又は矩形のような扁平断面形状であり、その上流部分は円筒形が次第に水平方向に扁平に広がって前記噴口にいたる形状とされており、それにより、酸化剤が水平方向に扁平でありかつ水平方向に広がりながら噴出されることを特徴とする請求項５記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項８】
酸化剤ノズルの噴口が水平方向に２個以上配置されていることを特徴とする請求項５ないし７いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項９】
燃料ノズルは、噴出した燃料が水平方向に扁平になった状態で噴出するようにされていることを特徴とする請求項５ないし８いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項１０】
燃料ノズルの噴出方向が実質的に水平方向である請求項１ないし９いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項１１】
燃料ノズルの噴出方向が水平方向より下向きとされている請求項１ないし９いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項１２】
燃料ノズルの下向き角度が５°以下である請求項１１記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項１３】
燃料ノズルに対する２つの酸化剤ノズルの傾斜角度が共に等しくされている請求項１ないし１２いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項１４】
燃料ノズルに対する２つの酸化剤ノズルの傾斜角度が異なる角度とされている請求項１ないし１２いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項１５】
上方に位置する酸化剤ノズルの燃料ノズルに対する傾斜角度が下方に位置する酸化剤ノズルの燃料ノズルに対する傾斜角度よりも大とされている請求項１４記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項１６】
燃料ノズル及び上下に配置した酸化剤ノズルの先端に、流れを層流化するための手段が備えられている請求項１ないし１５いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項１７】
２つの酸化剤ノズルは、燃料ノズルに対して傾斜した部分と、該傾斜した部分の上流側端部に連続する燃料ノズルに実質的に平行な部分とで構成されることを特徴とする請求項１ないし１６いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項１８】
２つの酸化剤ノズルの傾斜した部分の長さは、酸化剤ノズルの直径の５倍以上の長さとされている請求項１７記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項１９】
燃料ノズルと２つの酸化剤ノズルとは、耐火煉瓦に穿孔することにより形成されることを特徴とする請求項１ないし１８いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項２０】
燃料ノズルと２つの酸化剤ノズルとはセラミックス製パイプで作られ、周囲が耐火煉瓦で覆われていることを特徴とする請求項１ないし１８いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項２１】
燃料ノズルと２つの酸化剤ノズルとは金属パイプで作られ、周囲が金属製の水冷用ジャケットで覆われていることを特徴とする請求項１ないし１８いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項２２】
上下に配置した酸化剤ノズルの取り付け角度が可変とされており、角度を調節することにより燃料と酸化剤との衝突位置を変更することができるようになっている請求項２０又は２１記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項２３】
燃料ノズルは、バーナ本体の上下方向のほぼ中央に配置されていることを特徴する請求項１ないし２２いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項２４】
上下の酸化剤ノズルから噴出する酸化剤の流速及び／又は流量が可変とされている請求項１ないし２３いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項２５】
酸化剤として酸素濃度７０％以上の酸素富化空気又は純酸素を用いることを特徴とする請求項１ないし２４いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項２６】
燃料として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アセチレン、一酸化炭素、水素、天然ガス、液化天然ガス、改質ガス、噴霧されたオイル、気流搬送される微粉炭、又はこれらの混合体からなるガス状燃料を用いることを特徴とする請求項１ないし２５いずれか記載の酸素燃焼バーナ。
【請求項２７】
請求項１ないし２６いずれか記載の酸素燃焼バーナを熱源とする燃焼炉。
【請求項２８】
燃焼炉からの燃焼排ガスを酸素燃焼バーナに供給する不活性物質の全部又は一部として用いることを特徴とする請求項２７記載の燃焼炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は酸素燃焼バーナ及び該酸素燃焼バーナを熱源とする燃焼炉に関し、特に、簡単な構成でありながら、高温の工業炉内に偏平な火炎を、炉の大きさ等に応じて任意に形成するこのとできる酸素燃焼バーナ、及び該バーナを持つ燃焼炉に関する。
【０００２】
【従来の技術及び問題点】
従来、ガラス溶解炉等での工業用の高温加熱プロセスには、燃料と予熱空気による予熱空気燃焼が多く用いられてきた。また、ガラス溶解炉においては、炉温が高く、排気ガス温度も高いことから、省エネルギーのために、例えば「ガス燃焼の理論と実際」（財団法人省エネルギーセンター刊行）に示されるような蓄熱型燃焼システムを用いている。しかし、蓄熱部（リジェネレータ）の排熱回収による熱効率の改善は７５％程度が限度であること、ＮＯx 排出量の増大や、ガラス溶解炉本体よりも大きな蓄熱室を必要とするために設備費が増大すること、さらには、蓄熱室改修時に大量に発生する鉛、フッ素、各種塩化物の有害物質を多く含む煉瓦廃棄物の処分も問題となること、等から、高温加熱プロセスでのさらなる改良が求められている。
【０００３】
近年になり、酸素製造プロセス、特に吸着剤を使用して空気から酸素を分離するＰＳＡ式酸素製造法の技術革新により、工業用規模での酸素濃度９０％前後の酸素が安価に入手できるようになった。この酸素を従来の予熱空気の代わりに、酸化剤として燃焼に使用して、ガラス溶解炉の高温加熱プロセスを酸素燃焼に転換すると、酸化剤中の窒素分がほとんどなくなることから、火炎温度が上昇し、排ガス量も減少する。そのために、従来の予熱空気燃焼と比較すると、熱効率が格段に改善され、また、燃料消費量の削減（省エネルギー）も可能となる。さらに、サーマル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。これらの特長から、酸素燃焼法は、従来燃料消費量が多く、ＮＯx 排出量の削減が難しかったガラス溶解炉の加熱プロセスの代替え法として特に好適であるといわれている。
【０００４】
ところで、一般的なガラス溶解炉は、炉内下部に溶融ガラスがあり、その上部空間に火炎が作られて、火炎からの熱放射により、ガラスを溶解する構造になっている。そのためガラス溶解炉向けバーナには、ＮＯx 排出量が少ないことと共に、熱放射が強いことが要求される。そこで、従来の予熱空気燃焼と同様の比較的速い噴出流速（３０〜１００ｍ／ｓ程度）でもって、酸素燃焼バーナで酸素燃焼を行うと、燃料と酸素の燃焼速度は燃料と空気の燃焼速度の１０倍以上となり、また、酸化剤の体積も１／５となるので混合がよくなり、火炎体積は予熱空気燃焼の場合と比較して大幅に減少し、小さな高温火炎を形成する。そのために、酸素燃焼火炎からの熱放射は少なくなり、ガラス溶解炉のバーナとしては必ずしも望ましくない。また、高温火炎がバーナ近傍に作られると、バーナやバーナタイルが、火炎からの熱により、溶損する危険がある。
【０００５】
そこで、ガラス溶解炉向けの酸素燃焼バーナとして、熱放射を高める目的で、例えば特開平３−１８６１１１号公報に代表されるように、中央部の金属性燃料ノズルから燃料を噴出し、それと同時に燃料ノズルを取り囲む環状酸素ノズルから酸素を噴出し、燃料と酸素がバーナ先端部を過ぎた外側で燃焼を開始するようにしたものが提案されている。この酸素燃焼バーナにおいて、燃料と酸素のノズルからの噴出流速を遅くすることで、燃料と酸素の混合を遅くし、流速方向に大きな火炎を作り、火炎からの熱放射を高めている。また、燃焼開始が遅れることで、火炎の高温部分をバーナから遠ざけることができ、バーナの焼損の可能性を低下させている。
【０００６】
この形式の酸素燃焼バーナは、流速を遅くすればするほど、熱放射が大きくなるが、一方において、流速を遅くすることは火炎の安定性を損ない、火炎が浮き上がり、炉天井を損傷する原因となる。そのため、熱放射を高めることにも自ずと限界がある。また、流速を遅くすると燃料と酸素噴流による火炎中への炉内の燃焼ガスの巻き込みが減少し、それによる火炎温度低下が起こらないため、高火炎温度の領域が大きくなり、燃料あるいは酸化剤中に少量含まれる窒素がＮＯx へ転換するサーマルＮＯx 生成反応が促進するため、ＮＯx 排出量も多くなる欠点がある。
【０００７】
他の例として、特開平７−４６２３号公報のように、横方向に偏平な火炎を作り出すことにより、ガラス面から見て火炎の面積を大きくし、ガラスへの熱放射を高める工夫をした酸素燃焼バーナも提案されている。しかし、この形態の酸素燃焼バーナは、燃料と酸素の接触面積が大きく混合がよいために、火炎温度の高い部分ができ、サーマルＮＯx の排出量が増大すると考えられ、ＮＯx 排出量の点で問題を持つ。また、バーナ構造が複雑となり、バーナ製作コストが高くなる点も問題となる。
【０００８】
ガラス溶解炉のような高温炉においてＮＯx 排出量を削減する方法として、特公平７−２６７３０号公報に示されるように、燃料と酸化剤とを別々に炉内に噴射し、自己排ガス再循環と緩慢燃焼の効果により、火炎温度を低下させ、大幅なＮＯx 排出量の低減を行う方法が知られている。酸素燃焼法においても、この燃焼方法は有効であり、燃料と酸化剤の流速を速める、燃料と酸化剤のノズル間隔を広げる、燃料と酸化剤を平行に噴出させる等の方法をとることにより、ＮＯx 排出量を確実に低下させることができる。しかし、この形式のバーナで低ＮＯx 燃焼と高い熱放射とを両立することは、低ＮＯx 燃焼のために火炎温度を下げているため難しく、ＮＯx 発生を低くしようとすると、熱放射も低下してしまう。そのために、ガラス溶解炉に用いる酸素燃焼バーナとしては必ずしも有効ではない。
【０００９】
特開平９−１１２８１４号公報には、複数のノズルから燃料と酸化剤を別々に炉内に噴射し、横方向に偏平な火炎を作り、ガラス面から見て火炎の面積を大きくし、ガラスへの熱放射を高める工夫をした燃焼装置が提案されている。この燃焼装置では、ガラス溶融面に平行に、複数の燃料ノズルから噴射された燃料ジェットでシート状の燃料流を作り、この燃料流に炉内で交差するように、燃料流の上部から下向きに、複数の酸化剤ノズルから噴射された酸化剤ジェットでシート状の酸化剤流を作り、両者を炉内で交差させ、偏平な火炎を形成するようにしている。
【００１０】
この燃焼装置では、燃料と酸化剤とが混合する前に、それぞれが炉内のガスと混合し、希釈されるので、特公平７−２６７３０号公報に記載の炉内燃焼方法と同様の原理で、火炎温度は低下し、ＮＯx 排出量は少なくすることができると考えられる。一方、偏平な火炎を作るために、複数のノズルでシート状の燃料流と酸化剤流とを作り、それを交差させ燃焼させるものであり、理論的には偏平な火炎を作ることができて炉内のガラスへの放射を高めることができるが、シート状の燃料流と酸化剤流との条件設定が容易でなく、設定に高度な技術を必要とする。また、複数のノズルから燃料及び酸化剤を噴出させる設計であり、ノズルの構成が複雑であると共に、結果として流れの運動量が低下し、炉内への貫通力が低下するため、大きなガラス溶解炉のように、バーナから離れた炉内の奥に、偏平な火炎を作りたい場合には、所望の偏平火炎を作ることは難しい。また、燃料と酸化剤ノズルの広がり角度により、横方向への火炎の広がりが決まっているので、小さなガラス溶解炉などの場合に要求される、横に広く広がり、短い火炎を作ることは困難となる。さらに、シート状の燃料流に対して一方向（上部から下向き）のみから酸化剤流を交差させる形態であり、ガラス溶解面近くに燃料過濃領域が形成されることから、すす（炭素）粒子がガラスに溶け込み、ガラス品質へ悪影響を与える等の不都合が生じると推測される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のガラス溶解炉用の酸素燃焼バーナでは、低ＮＯx 性を維持しつつ、ガラス溶融面への熱放射が多い偏平な火炎を、炉の大きさ等に応じて任意に作ることは容易でない。特に大型のガラス溶解炉など燃焼空間の大きな炉においては困難である。そこで、本発明の目的は、上述のような従来技術の不具合を解消することのできる、改良された酸素燃焼バーナ及び該バーナを持つ燃焼炉を提供することにあり、より具体的には、簡単な構成でありながら、大型の炉であっても、炉内の任意の位置に、任意の広がりを持つ偏平火炎を形成することができ、かつ、低ＮＯx 性も確保される酸素燃焼バーナ及び該バーナを持つ燃焼炉を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく多くの実験を行うことにより、筒状のノズルから炉内にまっすぐに噴出される燃料流に対して、その上下両方向から酸化剤を角度を付けて噴射し、ノズル先端から離れた炉内の１点で酸化剤が燃料流に上下両方向からほぼ同時に衝突させて燃焼させることにより、横方向に偏平な火炎が形成されること、及び、燃料と酸化剤の衝突位置を変えることにより、偏平火炎の形状と炉内での形成位置を容易に調整できることを知見した。また、Ｎ２やＣＯ２のような不活性ガスあるいは水蒸気のような不活性物質を燃料及び酸化剤とともに噴出させると、噴流の運動量が増加して、燃焼に影響を与えることなく、より遠くの位置に燃料と酸化剤との衝突点を作ることができことも知見した。
【００１３】
本発明による酸素燃焼バーナは、上記知見に経験に基づくものであり、基本的に、燃料ノズルと、該燃料ノズルの上下に配置した２つの酸化剤ノズルとを有し、該各酸化剤ノズルは、噴出する酸化剤が燃料ノズルから噴出する燃料に対してほぼ同じ位置で上下方向から衝突するように、燃料ノズルに対してそれぞれ傾斜して配置されている酸素燃焼バーナであって、該酸素燃焼バーナは、燃料ノズル及び酸化剤ノズルから噴出する燃料及び酸化剤の噴流の運動量を増加させるために、燃料及び酸化剤とともに不活性物質を同時に噴出するようにされていることを特徴とする。
【００１４】
本発明による酸素燃焼バーナは、炉内に噴出される燃料流に対して、その上下両方向から酸化剤を角度を付けて噴射し、ノズル先端から離れた炉内の１点で酸化剤が燃料流に上下両方向からほぼ同時に衝突することにより、横方向に偏平な火炎が形成される。その際に、本発明では、燃料及び酸化剤を不活性物質とともに炉内に噴出させて、噴流の運動量を増加させるようにしている。そのために、燃焼に影響を与えることなく、バーナから遠く離れた位置で燃料と酸化剤との衝突点を作ることが可能となり、大型ガラス溶融炉などの燃焼空間が大きな炉であっても、必要な位置に必要な大きさの扁平火炎を作ることが可能となる。
【００１５】
不活性物質を燃料及び酸化剤とともに炉内に噴出させる態様は任意であるが、不活性物質を予め燃料及び酸化剤と混合した状態とし、それを燃料ノズル及び酸化剤ノズルから混合流として噴出させるようにしてもよく、あるいは、燃料ノズル及び酸化剤ノズルの中又は周囲に不活性物質ノズルを別途設け、噴出後に不活性物質と燃料及び酸化剤とを混合状態としてもよい。どちらであっても、燃料と酸化剤の運動量を同時に増加させることが可能である。
【００１６】
不活性物質としては、ＣＯ２、Ａｒ、Ｈｅのような不活性ガスでもよく、水蒸気であってもよい。不活性ガスとして、当該酸素バーナを熱源とする燃焼炉からの排気ガスをいわゆるＥＧＲガスとして用いてもよい。それらを適宜混合したものでもよい。燃焼炉からの排気ガスを用いる場合には、不活性物質供給用の特別の設備を併設することなく、効率よい燃焼炉の運転が可能となる。
【００１７】
ところで、上記のような酸素燃焼バーナの製造に当たって、不定形耐火材のようなセメント状のものを型に流し込んで成形し、あるいはステンレスのような耐熱性、耐腐食性のある金属製パイプに機械加工を施して、燃料流路と２本の酸化剤流路を形成することが行われるが、その際に、高い精度でもって流路（特に、ノズル先端部分）を加工すれば、炉内の所定の一点で、燃料流と上下の酸化剤流とを衝突させることができる。
【００１８】
しかし、高い精度の型枠を製作することは容易でなく、細い３本の流れを所望の一点で衝突させるように不定形耐火材で製作することは、大きな作業負担を伴う。一方、所望の点で衝突しない場合には、火炎が左右どちらか一方に片寄り、所望の扁平火炎が得られない恐れがある。そこで、本発明の酸素燃焼バーナでの好ましい態様では、少なくとも酸化剤ノズルから噴出した上下の酸化剤を水平方向に扁平な形状の流れで衝突させるようにし、製作あるいは成形誤差により酸化剤の噴出方向が当所の設計目標と多少異なってしまった場合でも、確実に衝突が起こるようにして扁平火炎の形成を確実としている。
【００１９】
噴出した酸化剤を水平方向に扁平な形状の流れで上下方向から衝突させるようにする具体的手段として、例えば、酸化剤ノズルの噴口及びその上流部分の形状を楕円又は矩形のような扁平断面形状とし、それにより、酸化剤が水平方向に扁平になった状態でまっすぐに噴出ようにしてもよく、あるいは、酸化剤ノズルの噴口及びその上流部分の形状を、噴口は楕円又は矩形のような扁平断面形状であり、その上流部分は円筒形が次第に水平方向に扁平に広がって前記噴口にいたる形状とし、それにより、酸化剤が水平方向に扁平でありかつ水平方向に広がりながら噴出するようにしてもよい。また、酸化剤ノズルの噴口を水平方向に２個以上配置することによって酸化剤が全体として扁平形状に広がりを持って噴出されるようにしてもよい。
【００２０】
好ましい態様として、酸化剤ノズルに加えて、燃料ノズルも、酸化剤ノズルにおけると同様な手法により、燃料が水平方向に扁平となった状態で、あるいは、水平方向に扁平でありかつ水平方向に広がりながら噴出されるように設けてもよい。それにより、成形加工時の誤差により燃料の噴出方向が当所の設計目標と多少異なってしまった場合でも、酸化剤との衝突が確実となる。また、酸化剤ノズルの噴口を水平方向に２個以上配置することによって酸化剤が全体として扁平形状に広がりを持って噴出されるようにしてもよい。
【００２１】
燃料ノズルの噴出方向は実質的に水平方向であってもよく、５°程度より小さい角度で水平方向より下向きであってもよい。後者の場合には、例えば燃焼量を絞ったとき等に生じやすい火炎先端及び両脇での浮き上がりを効果的に抑制できる利点がある。また、燃料ノズルに対する上下２つの酸化剤ノズルの傾斜角度は、共に等しくてもよく、好ましくは上方に位置する酸化剤ノズルの燃料ノズルに対する傾斜角度が下方に位置する酸化剤ノズルの燃料ノズルに対する傾斜角度よりも大となるように、異なった角度としてもよい。異なった角度とすることにより、やはり燃焼条件によっては生じやすい火炎先端及び両脇での浮き上がりを効果的に抑制することができる。限定的ではないが、燃料ノズルは、バーナ本体の上下方向のほぼ中央に配置することが望ましく、それにより、火炎からの放射によるバーナタイルが受ける熱応力分布が均等になり酸素燃焼バーナの熱的耐久性が確保される。
【００２２】
好ましい態様において、上下の酸化剤ノズルから噴出する酸化剤の流速及び／又は流量が可変とされ、燃焼に際して、上位の酸化剤ノズルから噴出する酸化剤の流速を速くするか、流量を大とする。それによっても、火炎先端又は両脇での浮き上がりを阻止することができ、均一に偏平化した火炎が得られる。
【００２３】
好ましい態様において、上下に配置した酸化剤ノズルの取り付け角度が可変とされ、それにより、燃料と酸化剤との交差角度と位置を調整できるようにされる。小さな角度で衝突する場合には、ノズル先端から離れた位置に偏平な火炎が形成され、大きな角度で衝突する場合には、ノズル先端に近接した位置に偏平火炎が形成される。なお、ノズル先端に近接した位置に偏平火炎を形成することを望む場合には、不活性物質の供給を停止して炉の運転を行ってもよい。
【００２４】
好ましい態様において、燃料ノズル及び上下に配置した酸化剤ノズルの先端に、流れを層流化するための手段が備えられる。この態様は、バーナ先端から離れた位置で燃料と酸化剤とを衝突させたい場合に有効であり、流れがさらに減衰することなく、効果的な偏平火炎が形成される。
【００２５】
なお、本発明において、燃料として、天然ガス（主成分：メタン）のみならず、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アセチレン、一酸化炭素、水素、液化天然ガス、改質ガス、等の気体燃料はすべて等しく用いうる。また、燃料ノズル先端に周知である燃料霧化ノズルを設置することによって液体燃料も使用可能であり、微粉炭等の固体燃料も気流搬送することによって、同様に燃料として使用可能となる。酸化剤も、純酸素に限らず、酸素濃度が７０％程度以上のものであれば使用可能であり、ＰＳＡ(Pressure Swing Adsorption) 方式により製造した酸素濃度８０％程度の空気は、酸素製造コストが最も低く、特に有効である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による酸素燃焼バーナ及び該バーナを持つ燃焼炉を好ましい実施の形態により説明する。
図１は酸素燃焼バーナの斜視図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。酸素燃焼バーナ１０は全体として耐火煉瓦１で作られており、その中央に燃料流路２が形成され、該燃料流路２の上下に２本の酸化剤流路３ａ、３ｂが形成されている。各流路の後方端はステンレスのような金属製のケーシング４を介して、図示しない燃料供給源Ｆｓ及び酸化剤供給源Ｏｓ及び不活性物質ＮＧ供給源にそれぞれ接続している。
【００２７】
図２に示すように、燃料流路２の先端部は先端に噴口２１を持つ燃料ノズル２Ｎとされており、また、２本の酸化剤流路３ａ、３ｂの先端部は先端に噴口３１ａ、３１ｂを持つ酸化剤ノズル３ａＮ，３ｂＮとされている。燃料流路２の先端の燃料ノズル２Ｎ部分は水平状態となっており、燃料と不活性物質の混合流の噴出方向は水平方向となる。酸化剤流路３ａ、３ｂの先端の酸化剤ノズル３ａＮ、３ｂＮ部分は、その噴口３１ａ、３１ｂが前記燃料ノズル２Ｎの噴口２Ｎの上下に等しい距離ｈをおいて、かつ、酸化剤と不活性物質の混合流の噴出方向が、燃料ノズル２Ｎから噴出する燃料と不活性物質の混合流に対してほぼ同じ距離ｄの箇所で、かつ、等しい衝突角αで上下方向から衝突するように、共に角度α（交差角度α）だけ傾斜して設けられている。この例において、燃料ノズル２Ｎ及び酸化剤ノズル３ａＮ、３ｂＮは耐火煉瓦に穴を穿けているだけであり、ノズル部分は耐火煉瓦と同じ耐熱性を持つ。
【００２８】
図３は、前記酸素燃焼バーナ１０を熱源とする燃焼炉（図示されない）内での火炎の状態を模式的に示している。燃焼炉は全体として長方形であり、その一側面に前記した酸素燃焼バーナ１０を燃料ノズル２Ｎからの燃料と不活性物質の混合流の噴出方向Ｌａが実質的に炉面Ｌｂと平行となるようにして配置している。この場合、燃料と不活性物質の混合流は炉内を水平方向に直進し、酸化剤と不活性物質の混合流は、前記燃料と不活性物質の混合流に対して交差角度αで上下方向から直進して、炉壁から距離ｄのところで燃料と不活性物質の混合流に衝突し燃焼する。その際に、図示されるように、上下方向から衝突する酸化剤と不活性物質の混合流の持つ垂直方向の運動量成分が、衝突により方向を変え左右方向に広がるために、燃料と不活性物質の混合流を含む水平面に厚み方向のほぼ中心を置く水平方向に偏平に拡散した燃焼火炎５１が形成される。
【００２９】
図４は、本発明による酸素燃焼バーナをガラス溶解炉５０の両側壁（Ｙ方向）に互い違いに５個配置した場合での、炉内での燃焼火炎５１を模式的に示しており、図４ａは燃料及び酸化剤に不活性物質（この例においては、Ｎ２ガス）を混合して噴出した場合、図４ｂは同じ条件で不活性物質の供給を停止した場合である。図４ａに示すように、不活性物質を混入して燃料ノズル及び酸化剤ノズルから噴出する燃料及び酸化剤の噴流の運動量を増加させることにより、炉面横方向（Ｘ方向）での火炎長が長くなり、大型ガラス溶融炉などの燃焼空間が大きな炉であっても、必要な位置に必要な大きさの扁平火炎を作ることが可能となり、炉床の有効面積でほぼ均一な放射を得ることが可能となる。しかし、図４ｂに示すように、不活性物質を供給しない場合には、燃料ノズル及び酸化剤ノズルから噴出する燃料及び酸化剤の噴流の運動量が低下してしまい、火炎の炉面横方向（Ｘ方向）の伸びは小さくなり、炉面幅方向（Ｘ方向）の中央部分まで到達しない。そのために、燃焼空間が大きな炉においては、所定の偏平火炎を均等に形成することができなくなる。なお、図４で５２はガラス溶融面である。
【００３０】
特に図示しないが、前記した酸素燃焼バーナ１０を、燃料ノズル２Ｎからの燃料の噴出方向Ｌａが実質的に炉面Ｌｂに対して下向きに傾斜する姿勢で燃焼炉に取り付けるようにしてもよい。これにより、燃焼量が少ない場合に生じやすい火炎の浮き上がり、特に火炎の両脇や先端での浮き上がりを効果的に抑制できる。従来の酸素燃焼バーナにおいて、バーナを下向きにすることによって火炎の浮き上がりを防止しようとすると、バーナ燃焼量を増加にともないガラス溶融面等の被加熱面を火炎がなめる状態となり不都合を生じていたが、本発明による酸素燃焼バーナ１０では下方から酸化剤が角度を持って燃料流に衝突することから、燃焼量が増大しても被加熱面を火炎がなめるようになる状態は回避できる。実験では、燃料の噴射方向Ｌａの下向き角度は５°程度が限界であり、それ以上大きく傾斜させると、部分的に火炎が被加熱物に接触する状況が生じる。
【００３１】
図５は、本発明による酸素燃焼バーナの他の実施形態を示している。この形態では、酸化剤流路３ａ、３ｂの上流合流点部位に流量調整バルブ１１を配置している。この流量調整バルブ１１を適宜制御することにより、酸化剤と不活性物質の混合流の上方に位置する酸化剤流路３ａと下方に位置する酸化剤流路３ｂへの流量を制御することができる。実験によれば、上方に位置する酸化剤流路３ａへの流量を下方に位置する酸化剤流路３ｂへの流量よりも大とすることにより、やはり、酸素火炎の浮き上がりを容易に抑制することが可能となる。図示しないが、酸素流路内に流路を制限する棒状の挿入物を入れたり、ノズル先端にシャッタ等の絞りを設けることにより、酸化剤と不活性物質の混合流の上方に位置する酸化剤流路３ａと下方に位置する酸化剤流路３ｂへの流速を制御することができ、上方に位置する酸化剤流路３ａの酸化剤と不活性物質の混合流の流速を下方に位置する酸化剤流路３ｂの流速よりも大とすることで、同様な効果を得ることができる。
【００３２】
本発明の酸素燃焼バーナ１０において、図から明らかなように、燃焼と不活性物質の混合流と酸化剤と不活性物質の混合流との衝突位置、すなわち、炉壁面から火炎５１までの距離ｄは、燃料ノズル２Ｎに対する酸化剤ノズル３ａＮ，３ｂＮの交差角度αを変えることにより、容易に変更できる。従って、この酸素燃焼バーナ１０を用いることにより、炉内の任意の位置に偏平火炎を形成することが可能となる。また、火炎の広がりも、燃料ノズル２Ｎに対する酸化剤ノズル３ａＮ，３ｂＮの交差角度αを変えることによって制御できる。
【００３３】
図６は、本発明による酸素燃焼バーナのさらに他の実施形態を示している。この形態では、耐火煉瓦である本体部分１Ａの中央位置にセラミックス製パイプにより作られる燃料流路２Ａが水平状態で配置されており、その上下に、同じくセラミックス製パイプにより作られる２本の酸化剤流路３Ａａ、３Ａｂが燃料流路２Ａに対する傾斜角度が調節可能な態様で配置されている。すなわち、本体部分１Ａの前記燃料流路２Ａの上下には、先端側から後端側に向けて三角形状に広がる孔１Ｂａ、１Ｂｂが穿設されており、該孔１Ｂａ、１Ｂｂ内に２本の酸化剤流路３Ａａ、３Ａｂを形成するパイプがそれぞれ挿入されている。そして、各パイプは先端側を定位置として、上下方向にに該孔１Ｂａ、１Ｂｂ内で揺動可能とされている。
【００３４】
本体部分１Ａの後端側には、各パイプを所定の位置に保持するための固定装置１Ｄが取り付けてあり、酸化剤流路３Ａａ、３Ａｂを構成する各パイプの後端側を前記固定装置１Ｄの適宜の位置にセットすることにより、燃料流路２Ａから噴出する燃焼と不活性物質の混合流に対する、２本の酸化剤流路３Ａａ、３Ａｂからの各酸化剤と不活性物質の混合流の上下方向からの交差角度αを任意に調節することが可能となる。
【００３５】
この形態の酸素燃焼バーナによれば、燃料ノズルに対する上下の酸化剤ノズルの取り付け角度を容易に変化させることができ、それにより、燃焼と不活性物質の混合流と酸化剤と不活性物質の混合流との衝突位置を調整して、偏平火炎の炉内での形成位置を変えることが可能となる。
【００３６】
図７は、本発明による酸素燃焼バーナのさらに他の実施形態を示している。この形態は、上方に位置する酸化剤ノズル３ａＮの燃料ノズル２Ｎに対する傾斜角度α（α１）が、下方に位置する酸化剤ノズル３ｂＮの燃料ノズル２Ｎに対する傾斜角度α（α２）よりも大とされており、それに応じて、燃料ノズル２Ｎの噴口２１から上方に位置する酸化剤ノズル３ａＮの噴口３１ａまでの距離ｈａも、下方に位置する酸化剤ノズル３ｂＮの噴口３１ｂまでの距離ｈより大きくされている点で、図１、図２に示したものと構成を異にしている。
【００３７】
この形態の酸素燃焼バーナでは、角度α（α１）と角度α（α２）の差分に応じて火炎を下向きにすることができ、火炎の浮き上がりを抑えることができると共に、前記した燃料ノズルを下向きに傾斜させる場合と同様に、下方から酸化剤と不活性物質の混合流が角度を持って燃料と不活性物質の混合流に衝突することから、燃焼量が増大しても被加熱面を火炎がなめる状態は回避できる。実験では、角度α（α１）と角度α（α２）の差は１５°程度（ただし、不活性物質の混入量を燃料や酸化剤の流量の倍以上とした場合には１０゜程度）が限界であり、それ以上大きくすると、火炎全体が湾曲あるいは２つに分割され、偏平火炎は得られないと共に、火炎が下向きに広がり部分的に火炎が被加熱物に接触する状況が生じる。
【００３８】
図示しないが、ノズル先端に、金属製の網、パンチングメタルのような多数の穴の空いた金属板、長さ数ｃｍの肉厚の薄い細いパイプを束ねたもの等を取り付け、各混合流の流れを整流（層流化）するようにしてもよい。流れが層流になるか、乱流になるかはレイノルズ数に依存し、管内を流れる場合には、管径が小さいとレイノルズ数が小さくなり層流となる。太い管内に、流れを分割する前記のような整流器を入れることにより、流れが層流となり、流れの炉内への貫通力が強くなる。そのために、流れを層流化することにより、バーナから離れた位置で流れを衝突させたい場合に、一層流れを減衰させずに効果的に偏平火炎を形成することが可能となる。
【００３９】
本発明による酸素燃焼バーナにおいて、前記しかつ後記の実験例において詳しく説明するように、前記交差角度α（図７に示す形態ではα（α１）とα（α２）、以下同じ）が小さい場合には、ノズルから離れた位置に幅の狭い偏平火炎が得られ、交差角度αが大きくなるにつれて、火炎はノズルに近づきかつ幅の広い偏平火炎が得られる。従って、前記交差角度αを適宜制御することにより、任意の広がりを持つ偏平火炎を炉内の任意の位置に形成することが可能となる。また、小型のガラス溶解炉などにおいては、前記したように、不活性ガスを混入しないで燃料と酸化剤のみを所定の交差角度αで衝突させるようにしてもよい。その際に、ある程度以上に交差角度αが大きくなると、火炎長は短くなり、かつ、二つに分割した偏平火炎が得られる。この二分割した火炎は、面積の小さい炉において特に有効な放射火炎となる。
【００４０】
従来の酸素燃焼バーナにおいて、燃料と酸化剤の噴出流速ｖが遅い場合に火炎は浮き上がる傾向にあり、火炎が浮き上がると、炉天井を傷める原因となり好ましくない。そのための対策として、酸化剤の流速ｖを上げるか、バーナノズルをやや下向きに取り付けることを行っているが、流速ｖが増加すると放射熱流束は減少するので好ましくなく、また、ノズルを下向きにするとバーナ燃焼量を増加させた場合には、前記したように、ガラス溶融面を火炎がなめる状態となり好ましくない。本発明による酸素燃焼バーナでは、上下に酸化剤ノズル３ａＮ，３ｂＮを有することから、燃料ノズルを下向きにすることで、また、適宜の手段により、上方に位置する酸化剤ノズル３ａＮからの酸化剤と不活性物質の混合流の噴出流速を下方に位置する酸化剤ノズル３ａＮと比較して速くするか、又は、上方に位置する酸化剤ノズル３ａＮからの酸化剤と不活性物質の混合流の噴出流量を下方に位置する酸化剤ノズル３ａＮと比較して多くすることで、放射熱流束を減少させることなく、かつ、偏平火炎の水平状態をそのまま維持して、火炎の浮き上がりを抑えることが可能となる。
【００４１】
また、本発明による酸素燃焼バーナは燃料と不活性物質の混合流と酸化剤と不活性物質の混合流とがそれぞれのノズルから噴出するので、衝突して燃焼を開始する以前に炉内の燃焼ガスをさらに巻き込む。そのために、最高火炎温度が低下し、流速ｖと、燃料ノズルと酸化剤ノズルの間隔ｈを調節することでＮＯx 排出量を少なくすることができる。なお、ＮＯx 排出量を少なくするには、各混合流の噴出速度ｖを速く、燃料ノズルと酸化剤ノズルの間隔ｈを広くすればよいことが知られているが、噴出速度ｖを速くしすぎたり、ノズルの間隔ｈを広げすぎると、放射熱流束は低下するので、両者のバランスを取りつつ、適当な速度ｖ及びノズルの間隔ｈを実験的に設定する。
【００４２】
図８は本発明による酸素燃焼バーナのさらに他の実施形態を示している。この形態は、上下の酸化剤ノズル３ａＮ、３ｂＮが、燃料ノズル２Ｎに対して傾斜した部分３ａ１、３ｂ１と、該傾斜した部分の上流側端部に連続する燃料ノズル２Ｎに実質的に平行な部分３ａ２、３ｂ２とで構成され、該平行な部分３ａ２、３ｂ２がそのまま酸化剤流路３ａ、３ｂに連接している。
【００４３】
この形態の酸素燃焼バーナでは、酸化剤ノズル３ａＮ、３ｂＮが傾斜した部分３ａ１，３ｂ１と平行とされた部分３ａ２，３ｂ２とで構成されるので、図１、図２に示す形態のものと比較して耐火煉瓦の上下方向の高さを低くすることができ、バーナが小型化する。また、耐火煉瓦は高価であり、この形態とすることによりコストを低減することもできる。傾斜した部分３ａ１，３ｂ１の長さを、好ましくは、平行とされた部分３ａ２、３ｂ２の直径の５倍以上の長さとすることにより、酸化剤の噴出方向の直進性は確保される。
【００４４】
特に図示しないが、前記図６に示した形態の酸素燃焼バーナにおいても、２本の酸化剤流路３Ａａ、３Ａｂを直線状ではなく、中途で折曲した形状とすることは可能であり、それにより、耐火煉瓦の上下方向の高さ方向を低くすることができ、低コスト化が可能となる。
【００４５】
図９は本発明による酸素燃焼バーナのさらに他の実施形態を示している。この形態は、燃料流路２Ａ’、酸化剤流路３Ａａ’、３Ａｂ’は、その先端のノズル部分も含めて、共にステンレスのような耐熱性、耐腐食性のある金属製パイプで作られており、かつ、その全体がやはりステンレスのような耐熱性、耐腐食性のある金属材料で作られたケーシング１ｍで覆われている。そして、該ケーシング１ｍの内部は水冷用のジャケットＷｊとされ、ケーシング１ｍには冷却水の導入口Ｗｉｎと排出口Ｗｏｕｔが設けられる。この構成では、バーナ構造材料がすべて金属となり、加工が容易となると共に、水冷構造のため耐火煉瓦の場合とし比較して、高い耐熱性、耐腐食性が得られる。
【００４６】
上記の例では、燃料及び酸化剤がバーナに流入する前に、不活性物質と混合状態となり、燃料ノズル噴口からは燃料と不活性物質の混合流が、酸化剤ノズル噴口からは酸化剤と不活性物質の混合流が、それぞれ噴出するものとして説明したが、ノズル噴口部分まで、燃料あるいは酸化剤の流路と不活性物質の流路とを別流路としておき、それぞれの噴口から噴出した直後に、混合流となるようにしてもよい。
【００４７】
図１０，図１１はその一例であり、この酸素燃焼バーナ１０は、基本的構成は図１及び図２に示したものと同じであるが、図１０のＸＩ−ＸＩ線による断面図である図１１によく示されるように、燃料流路２及び上下に２本の酸化剤流路３ａ、３ｂの外周に不活性物質流路７，７ａ，７ｂが形成されている点で構成を異にしている。すなわち、耐火煉瓦１には不活性物質流路７，７ａ，７ｂが形成され、後方端に取り付けたケーシング４は、開口４ａを図示しない不活性物質ＮＧ供給源に接続させている。一方、燃料流路２及び上下に２本の酸化剤流路３ａ、３ｂはセラミックスあるいはステンレスのような材料で作られたパイプによりなり、それが適宜のスペーサ（不図示）を介在させて不活性物質流路７，７ａ，７ｂに挿入されている。各パイプの後方端は前記ケーシング４を貫通して外方に延出し、端部を図示しない燃料供給源Ｆｓ及び酸化剤供給源Ｏｓにそれぞれ接続している。
【００４８】
この構造の酸素燃焼バーナ１０では、各ノズルの噴口部分までは、燃料あるいは酸化剤と不活性物質とは混合することなく別流路を通過し、それぞれの噴口から噴出した直後に、混合流となる。この場合でも、図１及び図２に示したバーナと同様に、燃料ノズル及び酸化剤ノズルから噴出する燃料及び酸化剤の噴流には所要に運動量が付加されることは理解されよう。
【００４９】
以上の説明では、すべての噴口が断面円形であることを前提としてきたが、
断面円形のノズル噴口から噴出する細い３本の流れを所望の一点で衝突させるようにノズルを加工することは容易でない。一方、所望の点で衝突しない場合には、所望の扁平火炎が得られない恐れがある。そこで、本発明の酸素燃焼バーナの好ましい態様では、少なくとも酸化剤ノズルから噴出した上下の酸化剤と不活性物質の混合流（あるいは、図１０、図１１に示すように、酸化剤ノズルとその外周の不活性物質ノズルから噴出して混合した酸化剤と不活性物質の混合流）を水平方向に扁平な形状として衝突させるようにし、加工誤差あるいは成形誤差により酸化剤と不活性物質の混合流の噴出方向が当所の設計目標と多少異なってしまった場合でも、衝突が確実に起こるようにして扁平火炎の形成を確実としている。
【００５０】
図１２ａ，ｂはその一例を示しており、基本的構成は前記図１０，図１１に示したものと同様であるが、図１２ａでは、燃料流路２の少なくとも先端の燃料ノズル２Ｎ部分は断面が水平方向に長軸を持つ矩形形状とされ、また、２本の酸化剤流路３ａ、３ｂの少なくとも先端の酸化剤ノズル３ａＮ，３ｂＮ部分も断面が水平方向に長軸を持つ矩形形状とされている。それに応じて、不活性物質流路７，７ａ，７ｂの先端の不活性物質ノズル７Ｎ，７ａＮ，７ｂＮの形状も水平方向に長軸を持つ矩形形状とされている。
【００５１】
図１２ｂでは、燃料ノズル２Ｎ部分の先端噴口２１，及び酸化剤ノズル３ａＮ，３ｂＮ部分の先端噴口３１ａ、３１ｂは、ともに水平方向に長い矩形形状となっており、その開口面積は、燃料流路２あるいは酸化剤流路３ａ、３ｂの断面積とほぼ等しくされている。また、前記矩形形状である噴口２１及び３１ａ、３１ｂは、平面視で上流側に次第に幅狭となる扇形状の領域２１ｘ及び３１ａｘ、３１ｂｘを介して次第に断面積を縮小し、それぞれの流路（燃料流路２及び酸化剤流路３ａ、３ｂ）に連続している。そして、不活性物質ノズル７Ｎ，７ａＮ，７ｂＮの形状もそれに応じた形状とされている。
【００５２】
上記の酸素燃焼バーナにおいては、燃料流路２を通過してくる燃料、及び、酸化剤流路３ａ、３ｂを通過してくる酸化剤は、図１２ａにおいては、ノズルの断面形状に応じた水平方向に扁平な形状をなして真っ直ぐに、また、図１２ｂにおいては、ノズルの扇形状領域２１ｘ及び３１ａｘ、３１ｂｘの広がり角度γに応じた角度で水平方向に扁平に広がりながら、噴口２１及び噴口３１ａ、３１ｂから噴出する。また、不活性物質流路を通過してくる不活性物質も、同様に、扁平状をなして噴口７１から噴出する。
【００５３】
なお、噴出した酸化剤を水平方向に扁平形状として上下方向から衝突させるようにする具体的手段として、図１３に示すように、上下の酸化剤ノズル３ａＮ，３ｂＮの噴口３１ａ，３１ｂを実質的に円形である噴口を水平方向に複数個（図示では、２個）配置した形状としてもよい。図示しないが、周囲の不活性物質ノズルは二つの噴口３１ａ，３１ｂを囲むようにして形成される。図示しないが、燃料ノズル及びその周囲の不活性物質ノズルも水平方向に扁平な形状で噴出されるように設けるようにしてもよい。
【００５４】
次に、本発明者の行った実験例に基づき、本発明をさらに説明する。
図１，２に示した構成の酸素燃焼バーナを用い、燃料としてメタンを主成分とする都市ガス、酸化剤として液化酸素を気化させた酸素濃度９９．５％以上の酸素を用いて燃焼させた。不活性物質としては、ＣＯ２を用いた。燃料流量は２３ｍ３／ｈ、燃焼量で２６５ｋＷ（ＬＨＶ換算）、酸素流量は５５ｍ３／ｈで、２３ｍ３／ｈのガスが完全燃焼するのに必要な酸素量の１．０５倍を供給した。不活性物質流量は燃料及び不活性物質流量の２倍まで供給して実験を行った。
【００５５】
燃料ノズルと酸素ノズルの間隔は２５〜１００ｍｍ、燃料と酸素と不活性物質の噴出速度は同一で３０〜８０ｍ／ｓ、酸素ノズルの取り付け角度を０〜１５度まで変化させて行った。
【００５６】
実験炉の炉内寸法は、幅１．２ｍ、高さ１．２ｍ、長さ３．６ｍの立方体のものを用い、前記バーナを一端側壁の中央に設置し、他端側の上部には煙道を設置した。
火炎からの放射と放射熱流束は比例関係にあることから、火炎からの熱放射の強さを測定するために、炉床での放射熱流束を測定した。測定は、火炎の軸方向にバーナから０．３ｍ間隔で６点測定した。
【００５７】
図１４は、酸素ノズルの燃料ノズルに対する傾斜角度（交差角度）αが放射熱流束へ与える影響についての比較を示す。燃料及び酸素の流速ｖは共に３０ｍ／ｓ、燃料ノズルと酸素ノズルとの間隔ｈは５０ｍｍと固定し、酸素ノズル角度αのみを０度〜１５度まで変化させた場合の、放射熱流束を測定した。０度（平行）の場合（α＝０度）、放射熱流束は低く、火炎の後半部分で放射熱流束が高くなる分布を示す。これは、燃料と酸素の混合が悪いために、燃焼が遅れ、火炎がバーナから遠く離れた位置にできたためである。５度内側に傾けた場合（α＝５度）、全体に放射熱流束が高くなり、ピークの位置も炉の中央付近にできる。このことから、上下の酸素ノズルを内側に傾けることは、放射熱流束を高めるのに有効であることが確認される。１０度内側に傾けた場合（α＝１０度）、バーナ近くの放射熱流束が上昇し、放射熱流束分布がさらに高くなった。さらに角度をきつくして、１５度内側に傾けた場合（α＝１５度）放射熱流束分布のピークはバーナ側に近寄り、ピークは高くなったが、バーナから離れた位置での放射熱流束は低くなり、均一性は悪化した。
【００５８】
図１５は、燃料及び酸素の速度ｖが放射熱流束へ与える影響についての比較を示す。ここでは、燃料及び酸素の流速ｖを３０ｍ／ｓから８０ｍ／ｓまで変化させた場合の放射熱流束分布を調べた。流速が最も低い３０ｍ／ｓの放射熱流束が高くなる傾向は見られるものの、流速が速い場合には放射熱流束はほとんど差はなく、また、放射熱流束分布にも大きな差は見られない。
【００５９】
図１６は、燃料ノズルと酸素ノズルとの間隔ｈが放射熱流束へ与える影響についての比較を示す。ここでは、燃料ノズルと酸素ノズルとの間隔ｈを２５ｍｍから１００ｍｍまで変化させた場合の放射熱流束分布を調べた。ｈ＝１００ｍｍの場合の放射熱流束が最も低くなるが、ｈ＝５０ｍｍ以下の場合、放射熱流束にほとんど差がない。
【００６０】
次に、火炎形状について検討した。実験炉は内側が耐火断熱材張りで、壁面からの放射が強く、火炎の観察には適さない。そこで上記バーナを大気解放で燃焼させ、火炎形状を観察した。酸素ノズルの角度が０度（平行）の場合（α＝０度）、火炎は、図１７（（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、以下、図１８、図１９でも同じ）に示すように、バーナから離れた位置に作られた。また、火炎は長く、円筒状となった。５度内側に傾けた場合（α＝５度）、上下からの酸素流の影響で、円筒状の火炎がわずかに横方向に偏平となり、火炎長はやや短くなった。１０度内側に傾けた場合（α＝１０度）、図１８に示すように、横方向に広がる偏平な火炎ができた。１５度内側に傾けた場合には（α＝１５度）、図１９に示すように、バーナの近くに横方向に分割された二つの火炎５１ａ、５１ｂが形成され、火炎長はさらに短くなった。
【００６１】
これらの結果から、火炎形状は燃料及び酸素の流速ｖや、ノズル間の間隔ｈよりも、酸素ノズルの交差角度αに強く影響され、交差角度αが大きくなると共に火炎長は短くなること、また、ある程度以上の角度になると、偏平火炎は横方向に分割されることが分かった。このことから、本発明による酸素燃焼バーナは、ガラス溶解炉のように、火炎からの強い放射を必要とする燃焼炉の熱源としてきわめて有効であることを確認した。また、ガラス溶解室面積が小さい、小型のガラス溶解炉では、角度を大きく取り、一つのバーナで二つの火炎を作ることが有効であることも確認できた。
【００６２】
ところで、燃料に窒素を含まない都市ガス、酸化剤に液化酸素を気化させた純酸素を使用した場合、理論的にはＮＯx 排出量はゼロとなる。しかし、工業炉では、炉内への侵入空気を防ぐことは、実質的に不可能であり、ある程度の侵入空気を想定して、ＮＯx 対策を取ることが必要である。本発明による燃焼炉では、酸素燃焼であっても、燃料と酸化剤がそれぞれノズルから噴出し、前記のように、衝突して燃焼を開始する以前に炉内の燃焼ガスを巻き込む。そのため最高火炎温度が低下するのでＮＯx 削減に大きな効果がもたらされる。
【００６３】
さらに、図２０〜図２２に示すように、実験結果によると、本形式のバーナでは、▲１▼酸素ノズルの交差角度αが少ないほど（図２０、▲２▼燃料と酸素のノズルからの噴出速度ｖが速いほど（図２１）、▲３▼ノズル間隔ｈが広いほど（図２２）、ＮＯx 排出量は低くなることが確認された。前記特開平３−１８６１１１号公報に代表される、中央部の燃料ノズルから燃料が噴出され、それと同時に燃料を取り囲む環状酸素ノズルから酸素が供給され、燃料と酸素がバーナ先端を過ぎた外側で燃焼を開始するようにした、いわゆる二重管構造の酸素燃焼バーナのＮＯx 排出量は、同一の実験条件で１５０ｐｐｍ（Ｏ２＝０％換算）前後であったが、本発明による酸素燃焼バーナでは、放射熱流束が高く、分布が均一となる条件において、ＮＯx 排出量は９０ｐｐｍ（Ｏ２＝０％換算）であった。ＮＯx 排出量９０ｐｐｍは濃度にするとやや高く思えるが、酸素燃焼では、排気ガス量が空気燃焼と比較して大幅に減少するため、酸素燃焼でのＮＯx 排出量を空気燃焼のＮＯx 排出量に換算すると約１０ｐｐｍに相当し、非常に低い値である。また、ＮＯx 排出量を極限まで下げようとする場合、本発明のバーナで、条件を適切に選択することにより、９ｐｐｍ（Ｏ２＝０％換算）のＮＯx 排出量が可能であった。
【００６４】
【発明の効果】
本発明により、簡単な構成でありながら、炉内の任意の位置に、任意の広がりを持つ偏平火炎を形成することが可能となり、かつ、低ＮＯx 性も確保される酸素燃焼バーナが得られる。この酸素燃焼バーナは、ガラス溶解炉のように、火炎からの強い放射を必要とする燃焼炉の熱源としてきわめて有効である。
また、燃料及び酸化剤を不活性物質とともに炉内に噴出させて、噴流の運動量を増加させるようにしている。そのために、燃焼に影響を与えることなく、バーナから遠く離れた位置で燃料と酸化剤との衝突点を作ることが可能となり、大型ガラス溶融炉などの燃焼空間が大きな炉であっても、必要な位置に必要な大きさの扁平火炎を作ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による酸素燃焼バーナの一形態を示す斜視図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線による断面図。
【図３】本発明による酸素燃焼バーナを熱源とする燃焼炉内での火炎形態を示す模式図。
【図４】本発明による酸素燃焼バーナを熱源とする燃焼炉の燃焼状態を示す概念図。
【図５】本発明による酸素燃焼バーナの他の実施形態を示す断面図。
【図６】本発明による酸素燃焼バーナのさらに他の実施形態を示す断面図。
【図７】本発明による酸素燃焼バーナのさらに他の実施形態を示す断面図。
【図８】本発明による酸素燃焼バーナのさらに他の実施形態を示す断面図。
【図９】本発明による酸素燃焼バーナのさらに他の実施形態を示す断面図。
【図１０】本発明による酸素燃焼バーナのさらに他の実施形態を示す断面図。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ線による断面図。
【図１２】本発明による酸素燃焼バーナのさらに他の実施形態を示す断面図。
【図１３】本発明による酸素燃焼バーナのノズル部分の他の形態を示す図。
【図１４】交差角度αの違いによる放射熱流束の違いを示すグラフ。
【図１５】燃料及び酸化剤の流速ｖの違いによる放射熱流束の違いを示すグラフ。
【図１６】燃料ノズルと酸化剤ノズルの間隔ｈの違いによる放射熱流束の違いを示すグラフ。
【図１７】燃焼炉内での火炎の状態を示す概念図。
【図１８】燃焼炉内での火炎の状態を示す概念図。
【図１９】燃焼炉内での火炎の状態を示す概念図。
【図２０】交差角度αがＮＯx 排出量へ与える影響を示すグラフ。
【図２１】燃料及び酸化剤の流速ｖがＮＯx 排出量へ与える影響を示すグラフ。
【図２２】燃料ノズルと酸化剤ノズルの間隔ｈがＮＯx 排出量へ与える影響を示すグラフ。
【符号の説明】
１０…酸素燃焼バーナ、２…燃料流路、２Ｎ…燃料ノズル、２１…燃料ノズルの噴口、３ａ、３ｂ…酸化剤流路、３ａＮ、３ｂＮ…酸化剤ノズル、３１ａ，３１ｂ…酸化剤ノズルの噴口、５０…燃焼炉、Ｆｓ…燃料、Ｏｓ…酸化剤、ＮＧ…不活性物質
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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