JP2004093119A - 管状火炎バ−ナおよびその燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼条件に応じて管状火炎の一部を燃焼室外でも形成することのできる管状火炎バ−ナを得る。
【解決手段】　一端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の略接線方向と一致している管状火炎バ−ナにおいて、前記燃焼室３のノズル噴射口から排ガスが排出される側の筒部分を内筒１と該内筒１の外周面に沿ってスライドする外筒２で構成し、燃焼室３の長さを調整可能としたことを特徴とする管状火炎バ−ナ。
【選択図】図１

Description

　本発明は、管状火炎バ−ナ、特に燃焼室の長さを調節可能にした管状火炎バ−ナおよびその燃焼方法に関する。

　工業的に使用されるガスバ−ナは、従来バ−ナの先端より前方で火炎が形成される形式のものが一般的であったが、最近、火炎を燃焼室内で形成させることのできる管状火炎バ−ナが開発されている（例えば、特許文献１参照。）。

　図９は従来の管状火炎バ−ナを示す説明図であり、（ａ）は管状火炎バ−ナの構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。この管状火炎バ−ナは、管状の燃焼室２１を有しており、一端は開放端で燃焼排ガスの排出口になっている。そして、他端部には管軸方向に沿って長いスリットが形成されており、このスリットに接続させて燃料ガスと酸素含有ガスを別々に吹き込むノズル２２が設けられている。

　ノズル２２は燃焼室２１の内壁面の接線方向に向けて設けられており、燃料ガスと酸素含有ガスの吹き込みによって、燃焼室２１内に旋回流が形成されるようになっている。又、ノズル２２は先端部の形状が偏平で、かつその開口面積が縮小されており、燃料ガスおよび酸素含有ガスが高速で吹き込まれるようなになっている。２３は点火プラグである。

　上記の構成によるバーナにおいて、ノズル２２から吹き込まれて旋回流が形成された燃料ガスと酸素含有ガスとの混合気に点火すると、燃焼室２１内のガスが密度差によって、遠心力により成層化され、密度の異なる同心軸のガス層ができる。すなわち、燃焼室２１の軸心側には密度の小さい高温の燃焼排ガスが存在し、燃焼室２１の内壁側（軸心から離れた側）には密度の高い未燃焼のガスが存在するようになる。このような状態は、流体力学的に非常に安定である。火炎は管状に形成されるが、流れ場が安定成層化されているため、膜状に安定な火炎となる。

　火炎の形成位置は、中心へ向かう速度と火炎伝播速度が釣り合う位置におのずと決まる。図１において２４は管状の火炎を示す。

　又、燃焼室の内壁付近には未燃焼の低温ガスが境界層の状態で存在しているので、燃焼室２１の壁面が直接的な伝熱により高温に加熱されることはなく、壁外への熱ロスを防ぐ。すなわち、断熱効果が大きいことに他ならず、それ故燃焼場の熱的安定が保たれる。

　燃焼室１内のガスは旋回しながら下流側へ流れるが、その間、内壁側の混合ガスが継続的に燃焼して管状火炎を形成し、発生した排ガスは軸心側へ移動し、開放端部から排出される。

　上記の構成によるバーナには、次のような利点がある。回転場で成層化され、流体力学的にも、熱的にも安定しており、燃料ガス成分が非常に希薄または過濃の状態になる条件でも燃焼させることができるので、バーナ自身の安定燃焼範囲が広がる。すなわち、燃料種が変わり、火炎伝搬速度が変わっても、火炎伝搬速度と中心へ向かう速度とが釣り合う位置に、火炎面の位置がおのずと移り、これこそが安定する位置であることから、安定燃焼範囲が広いのである。

　火炎面が安定なため、温度のバラツキが小さく、燃焼時に局部的な高温部が発生しないことや、燃料と酸素含有ガスとの混合ガスは一瞬のうちに火炎面を通過するため、反応時間が非常に短くなる等の理由により、ＮＯｘなどの有害物質の生成量が少ない。

　反応時間が非常に短くなること、かつ局所的な低温領域ができないことから、炭化水素などの未燃焼分の残留量が極めて少なくなく、ススの生成も抑制される。
特開平１１−２８１０１５号公報

　しかしながら、上述した従来の管状火炎バ−ナには、次のような問題点がある。
（１）特に油燃料や、プロパンなどの重炭系燃料では、燃焼過程において燃料
中の遊離している炭素分が発光するので、輝炎が形成される。本来、輝炎はそれ自体の輻射率が大きいため、輝炎からの放射熱は大きくなる。したがって、輝炎自体が炉内の被加熱物から見て見えるところに位置すれば、被加熱物への伝熱効率は高くなるが、燃焼室の中で完全燃焼してしまうため、炉内に噴出された時には輝炎ではなく放射率の小さい透明な排ガスであるから、従来の燃焼方法では伝熱効率が小さい。
（２）燃焼室内で完全燃焼するため、ススが発生しない。そのため、例えば鋼材に浸炭処理を高効率に施す場合のように、ススが必要とされる状況では使用できない。
（３）燃焼室内で完全燃焼させるため、燃焼性がよく、ＮＯｘが発生しやすい傾向になる。

　本発明は、従来技術の上述のような問題を解消するためになされたものであり、
燃焼条件に応じて管状火炎の一部を燃焼室外でも形成することのできる管状火炎バ−ナおよびその燃焼方法を提供することを目的としている。

　本発明に係る管状火炎バ−ナは、一端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の略接線方向と一致している管状火炎バ−ナにおいて、前記燃焼室のノズル噴射口から排ガスが排出される側の筒部分を内筒と該内筒の外周面に沿ってスライドする外筒とで構成し、燃焼室の長さを調整可能としたものである。

　本発明に係る管状火炎バ−ナにおいては、燃焼室の長さを調整することが可能であるので、管状火炎の一部を燃焼室の外で形成させることができる。このことにより、燃焼室外で輝炎やススを発生させたり、ＮＯｘの発生量を抑制したりすることができる。

　なお、燃料とは、気体燃料、液体燃料を予めガス化したもの、液体燃料を空気又は蒸気で霧化したもの、窒素等で気送される微粒の固体燃料等である。

　また、酸素含有ガスとは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガス等の燃焼用の酸素を供給するガスを指すものである。

　また、本発明に係る管状火炎バ−ナの燃焼方法は、上記管状火炎バ−ナを使用した燃焼方法であって、炉内温度が一定温度に達するまでは、燃焼室を長くして火炎が前記燃焼室内で発生するようにし、炉内温度が前記一定温度を超えたら、燃焼室を短くして火炎が前記燃焼室外で発生するように燃焼させるものである。

　火炎を炉内で発生させると、ススの発生が多くなりがちな炉温の低い温度範囲では、火炎が燃焼室内で発生するようにしているので、ススの発生を防止することができる。

　また、火炎が燃焼室内で発生するようにして燃焼すると、ＮＯｘが発生しやすい炉温の高い温度範囲では、火炎が燃焼室外で発生するように燃焼しているので、ＮＯｘの発生を防止することができる。

　本発明により、管状火炎バ−ナの伝熱量、スス発生量およびＮＯｘ発生量を制御することができる。

　本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の管状火炎バ−ナの実施の形態を示す縦断面図である。

　この管状火炎バ−ナは、一端が開放された内筒１と内筒１の外周面に沿ってスライドする両端が開放された外筒２とで構成された燃焼室３と、ノズル噴射口が前記燃焼室３の内筒１の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル４及び酸素含有ガス吹き込み用ノズル５とから構成されている。上記外筒２は燃焼室３のノズル噴射口から排ガスが排出される側の筒部分を内筒１と該内筒１の外周面に沿ってスライド可能に設けられている。

　そして、燃料吹き込み用ノズル４及び酸素含有ガス吹き込み用ノズル５は、燃焼室３径方向での噴射方向が燃焼室３内周面の略接線方向となるように接続されている。なお、ここで酸素含有ガスとは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガス等の燃焼用の酸素を供給するガスを指すものである。

　したがって、燃焼室３に燃料吹き込み用ノズル４から燃料を、酸素含有ガス吹き込み用ノズル５から酸素含有ガスを吹き込み、点火プラグ６により点火すると、火炎は燃焼室３の内筒１の内周面に沿って管状に形成される。このように形成される火炎は管状火炎７と呼ばれる。

　通常、管状火炎バ−ナにおいては、燃焼室３内で管状火炎７の燃焼が終了するように設計されているが、本発明の管状火炎バ−ナにおいては、内筒１よりも外側で管状火炎７の一部が形成されるようにし、外筒２を燃焼室３の長さが長くなる方向にスライドさせた場合には、燃焼室３内で管状火炎７が全て形成され、外筒２を燃焼室３の長さが短くなる方向にスライドさせた場合には、燃焼室３外で管状火炎７の一部が形成されるようになっている。

　内筒１および外筒２の長さは、理論的に決定することもできるが、実験を繰り返して決定してもよい。

　そして、図２に示すように、形成される管状火炎７の全長をＬ₁、燃焼室３外において形成される管状火炎７の長さをＬ₂とすると、図３のグラフに示すように、伝熱量およびスス発生量はＬ₂／Ｌ₁の値を大きくすればするほど多くなる。これは、Ｌ₂を大きくすると炉内でのガス放射率が大きい輝炎割合が多くなり、被加熱物への伝熱が促進されるとともに、燃焼室３内で安定的に燃焼する割合が小さくなるため、ススが発生しやすいからである。

　また、図４のグラフに示すように、ＮＯｘの発生量はＬ₂／Ｌ₁の値を大きくすればするほど少なくなる。これは、燃焼室３外の炉内空間で燃焼する比率を大きくすると、燃焼室３外の空間に存在する排ガスを巻き込みながら希釈燃焼ができるので、燃焼場の酸素濃度が下がり、かつ局所的な高温部の発生も抑制されるため、サ−マルＮＯｘ生成反応が抑制され、ＮＯｘの発生量が低減できるのである。

　本発明の管状火炎バ−ナを使用した燃焼実験を行った。

　図５は、そのときの炉内温度（曲線Ａ）および加熱した鋼材温度（曲線Ｂ）の経時的変化を示すグラフである。この燃焼実験においては、炉内温度は１０００℃に達するまでは一定昇温速度で昇温させ、炉内温度が１０００℃に達してからはその温度に保持し、全加熱時間が１５時間となるように加熱した。

　まず、外筒２を炉内側にスライドさせて、前記図２におけるＬ₂が０以下となるようにして、すなわち火炎が燃焼室内のみで発生するようにして、鋼材の加熱を行った（第一燃焼実験）。そのときのＮＯｘおよびスス濃度の経時的変化を図６に示す。図６において、濃度の値は許容値を１００としてインデックス表示している。

　この場合の燃焼においては、ススはほとんど発生していないが、ＮＯｘの発生量は炉温が１０００℃となるまでは１５０の濃度まで上昇し、炉温が１０００℃に達した後は、１５０の濃度に高度に維持されており、この燃焼においてはＮＯｘの発生量が問題になることが分かる。

　また、１５時間加熱後の鋼材の温度を測定したところ９５０℃であり、目標温度の１０００℃よりかなり低い温度レベルであった。

　次に、外筒２を炉内側と反対側にスライドさせて、前記図２におけるＬ₂が０を超えるようにして、すなわち火炎が炉内で発生するようにして、第一燃焼実験と同じ加熱条件で、鋼材の加熱を行った（第二燃焼実験）。そのときのＮＯｘおよびスス濃度の経時的変化を図７に示す。図７においても、濃度は許容値を１００としてインデックス表示している。この場合の燃焼においては、ススの発生量は昇温過程においてやや多いものの、炉温が１０００℃に達してからはほとんど問題とならない発生量である。一方、ＮＯｘの発生量は全加熱区間をとおして低位で安定している。すなわち、この場合の燃焼においては、昇温過程におけるススの発生量がやや問題となるが、ＮＯｘの発生量は問題とならないことが分かる。

　また、１５時間加熱後の鋼材の温度を測定したところ９８０℃であり、第一燃焼実験に比較して、目標温度の１０００℃により近づいており、低温度域におけるススの発生を除けば、この燃焼方法が第一の燃焼方法よりも効果的に鋼材の加熱ができることが分かる。

　次に、第一および第二の燃焼実験の結果を基に、ススおよびＮＯｘの発生量が許容値以下となるように、炉温が８００℃になるまでは第一燃焼実験のときと同じように、火炎が燃焼室内のみで発生するようにし、８００℃を超えてからは第二燃焼実験のときと同じように、火炎が燃焼室外で発生するようにして、第一および第二燃焼実験と同じ加熱条件で、鋼材の加熱を行った（第三燃焼実験）。

　そのときのＮＯｘおよびスス濃度の経時的変化を図８に示す。

　図８においても、濃度は許容値を１００としてインデックス表示している。この場合の燃焼においては、ススの発生量およびＮＯｘの発生量とも、全加熱区間をとおしてススは濃度３０以下、ＮＯｘは８０以下と低位に安定しており、良好な加熱が行なわれている。

　また、１５時間加熱後の鋼材の温度を測定したところ９７５℃であり、第二燃焼実験の場合に比較して、やや温度が下がるものの、効率よく加熱が行なわれている。

　以上のように、管状火炎バ−ナの燃焼室の長さを一定長さに固定していると、炉内温度が低いときにススが多く発生したり、炉内温度が高くなったときにＮＯｘが多く発生したりするが、燃焼室の長さを炉温に応じて変化させることにより、鋼材を良好な加熱条件で加熱できることが分かる。

本発明の管状火炎バ−ナの実施の形態を示す縦断面図である。 燃焼室内において形成される管状火炎の長さＬ₁と燃焼室外において形成される管状火炎の長さＬ₂を示す図である。 Ｌ₂／Ｌ₁と伝熱量およびスス発生量との関係を示すグラフである。 Ｌ₂／Ｌ₁とＮＯｘ発生量との関係を示すグラフである。 燃焼実験における炉内温度および加熱した鋼材温度の経時的変化を示すグラフである。 第一燃焼実験におけるＮＯｘおよびスス濃度の経時変化を示すグラフである。 第二燃焼実験におけるＮＯｘおよびスス濃度の経時変化を示すグラフである。 第三燃焼実験におけるＮＯｘおよびスス濃度の経時変化を示すグラフである。 従来の管状火炎バ−ナを示す説明図であり、（ａ）は管状火炎バ−ナの構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

　　１　内筒
　　２　外筒
　　３　燃焼室
　　４　燃料吹き込み用ノズル
　　５　酸素含有ガス吹き込み用ノズル
　　６　点火プラグ
　　７　管状火炎

Claims (2)

1. 　一端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の略接線方向と一致している管状火炎バ−ナにおいて、前記燃焼室のノズル噴射口から排ガスが排出される側の筒部分を内筒と該内筒の外周面に沿ってスライドする外筒とで構成し、燃焼室の長さを調整可能としたことを特徴とする管状火炎バ−ナ。
2. 　請求項１に記載の管状火炎バ−ナを使用した燃焼方法であって、炉内温度が一定温度に達するまでは、燃焼室を長くして火炎が前記燃焼室内で発生するようにし、炉内温度が前記一定温度を超えたら、燃焼室を短くして火炎が前記燃焼室外で発生するように燃焼させることを特徴とする管状火炎バ−ナの燃焼方法。

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