JP2013079753A - バーナおよびバーナ燃焼方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】酸化剤流れと燃料流れとを供給して燃焼させるバーナであって、前記酸化剤流れは、1次酸化剤流れと、2次酸化剤流れとからなり、前記燃料流れ、前記1次酸化剤流れ、および前記2次酸化剤流れの各流れを形成する流体噴出流路のうち、少なくとも1つが、該流れの噴出口に向かって拡がるように形成され、側壁7において対向する位置に2つの開口部8,9が設けられており、前記開口部8,9には、圧力を制御する圧力制御機構5が設けられており、前記圧力制御機構5によって、一方の開口部の圧力が静圧より低い圧力のときに、他方の開口部の圧力が静圧より高い圧力に制御されていることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
そのためバーナの火炎には、熱放射の強い火炎であることとともに、被加熱物を均一に加熱できるような火炎であることが求められている。
この方法は、ノズルからの燃料流れと酸素流れの噴出速度を遅くすることで、燃料と酸素の混合を遅くし、火炎軸方向に大きな火炎を作ることで、火炎からの熱放射を高めている。
このバーナでは、酸化剤の噴出角度を大きくすることで、より偏平な火炎が形成され、熱放射が大きくなることが示されている。
また、燃料流れと酸化剤流れの衝突点をバーナから離れた位置にすることで、離れた位置で偏平な火炎を形成できるとしているが、離れた位置で衝突させた場合、酸化剤流れの運動量が小さくくなり、偏平な火炎が形成できない。
さらに、衝突するまでに、酸化剤流れおよび燃料流れともに多くの炉内ガスを巻き込むため緩慢に燃焼するようになり、火炎温度が低くなるので熱放射が弱くなるという問題もある。
また、火炎の偏平化にも限界があり、広い範囲を一本のバーナで均一に加熱することができないといった問題があった。
<バーナ>
図1は、本発明の第1の実施形態であるバーナ1を示す図である。
図1に示すように、バーナ1は、燃料流れを噴出する燃料ノズル2と、1次酸化剤流れを噴出する1次酸化剤ノズル3と、2次酸化剤流れを噴出する2次酸化剤ノズル4から概略構成されている。
このように構成することで、燃料流れを噴出する位置と、実質的に隣接した位置から1次酸化剤流れを噴出することができる。
具体的には、燃料ノズル2は円筒状に形成されており、1次酸化剤ノズル3は、燃料ノズル2の外周を囲むように形成されている。すなわち、1次酸化剤ノズル3は、断面形状が所定幅を有したリング状(ドーナツ状)に形成されており、燃料ノズル2は、リング状に形成された1次酸化剤ノズル3の内周内に配置されている。
この対象な位置に配置された2つの2次酸化剤ノズル4の間の距離hは、燃料流れや、1次酸化剤流れや、2次酸化剤流れの流速などを勘案して、適宜決めればよい。
なお、以下の説明では、便宜上2次酸化剤ノズル4に圧力制御機構5が設けられている例について説明するが、圧力制御機構5は、燃料ノズル2や1次酸化剤ノズル3に設けられていても構わない。
そして、各開口部8,9には、2次酸化剤ノズル4内を流れる流体の開口部8,9付近の圧力を制御する圧力制御機構5が設けられている。この圧力制御機構5は、圧力調整装置10と、圧力調整装置10と各開口部8,9を結ぶ配管11とからなる。
そして、2つの開口部8,9の圧力を交互に反転させることで、本実施形態では、2次酸化剤流れの噴出方向を周期的に変化させることができる。
このようにして2次酸化剤流れの噴出方向を周期的に変化させて、2次酸化剤ノズル4から噴出させることができる。
この際、連通管12に調節弁13を設け、調節弁13によって連通管12の圧力抵抗を調節することで、自励振動による圧力の切り替えの周期を調節しても構わない。
次に、上記したバーナ1を用いたバーナ燃焼方法について説明する。
本実施形態では、図5(a)及び図5(b)に示すように、基本的には燃料ノズル2から燃料流れを噴出させ、1次酸化剤ノズル3から1次酸化剤流れを噴出させ、2次酸化剤ノズル4から2次酸化剤流れを噴出させて、燃料流れの噴出先に火炎Aを形成させる。
また、1次酸化剤流れや2次酸化剤流れとしては、例えば酸素と空気の混合ガスを例示することができ、空気の替わりに窒素ガス・炭酸ガス・排ガスなどを用いても構わない。また、酸素としては、工業用純酸素を用いてもよい。
この際、2次酸化剤流れは、中心火炎Aから離れた方向に噴出されるため、還元領域Bが広がる。
次に、本発明の第2の実施形態であるバーナおよびバーナ燃焼方法について説明する。本実施形態は第1の実施形態の変形例であり、第1の実施形態と同様の部分については適宜説明を省略する。
図6に示すように、本実施形態のバーナ21も、第1の実施形態と同様に、燃料ノズル22と、1次酸化剤ノズル23と、2次酸化剤ノズル24から構成されており、2次酸化剤ノズル24は、燃料ノズル22を軸中心とした対称な位置に2個配置されている。
また、1次酸化剤ノズル23は、燃料ノズル22を左右で挟むように、燃料ノズル22の近傍に2個配置されている。
一方、燃料ノズル22および1次酸化剤ノズル23には、第1の実施形態の2次酸化剤ノズル4に設けられた圧力制御機構5と同様な圧力制御機構25,26が設けられており、同様な原理により、噴出方向を変動させることができる。
次に、上記したバーナ21を用いたバーナ燃焼方法について説明する。
本実施形態では、図7(a)及び図7(b)に示すように、2次酸化剤流れを一定方向に噴出させながら、燃料ノズル22から噴出する燃料流れと、1次酸化剤ノズル23から噴出する1次酸化剤流れの噴出方向を同一になるようにしながら、周期的に噴出方向を変化させるように制御する。
次に、本発明の第3の実施形態であるバーナおよびバーナ燃焼方法について説明する。本実施形態は第1の実施形態または第2の実施形態の変形例であり、同様の部分については適宜説明を省略する。
本実施形態のバーナ31も、図8に示すように、第1の実施形態と同様、燃料ノズル32と、1次酸化剤ノズル33と、2次酸化剤ノズル34から構成されている。具体的には、1次酸化剤ノズル33は、燃料ノズル32を左右で挟むように燃料ノズル32の近傍に2個配置され、2次酸化剤ノズル34は、燃料ノズル32を軸中心とした対称な位置に2個配置されている。
すなわち、燃料ノズル32、1次酸化剤ノズル33および燃料ノズル34は、図2(a)及び図2(b)に示す2次酸化剤ノズル4と同様に、いずれも各ノズル32,33,34の噴出口(図示略)に向かって拡がるように形成されており、各ノズル32,33,34の側壁において、対向する位置に2つの開口部(図示略)が設けられている。
次に、上記バーナ31を用いたバーナ燃焼方法について説明する。
本実施形態では、図9(a)及び図9(b)に示すように、燃料ノズル32から噴出する燃料流れと、1次酸化剤ノズル33から噴出する1次酸化剤流れと、2次酸化剤ノズル34から噴出する2次酸化剤流れについて、いずれも噴出方向が同一になるようにしながら、噴出方向を周期的に変動させながら制御する。
次に、本発明の第3の実施形態であるバーナ燃焼方法について説明する。本実施形態は第3の実施形態の変形例であり、第3の実施形態と同様なバーナを用いていることから、バーナについては説明を省略する。
その後、図10(c)に示すように、燃料ノズル32から噴出する燃料流れ、および1次酸化剤ノズル33から噴出する1次酸化剤流れを、ともに反対側である2次酸化剤ノズル34b側(図10では右側)に向けて噴出する。
そして、図10(d)に示すように、2次酸化剤ノズル34aから噴出する2次酸化剤流れを、反対側である2次酸化剤ノズル34b側(図10では右側)に向けて噴出する。
その後、図10(b)に示すように、燃料ノズル32から噴出する燃料流れ、および1次酸化剤ノズル33から噴出する1次酸化剤流れを、ともに反対側である2次酸化剤ノズル34a側(図10では左側)に向けて噴出する。
そして、図10(a)に示すように、2次酸化剤ノズル34bから噴出する2次酸化剤流れを、反対側である2次酸化剤ノズル34a側(図10では左側)に向けて噴出する。
このように制御する結果、火炎が揺動し、被加熱物に対して広い範囲を加熱することが可能となる。また、1次酸化剤流れおよび燃料流れの噴出方向の切り替え周期を適正範囲にすることで、均一な加熱が可能となる。
更に、図11(c)または図11(d)に示すように、圧力制御機構(図示略)が設けられた燃料ノズル45を、上下または左右で挟むように、圧力制御機構(図示略)が設けられた1次酸化剤ノズル46を配置する構成であってもよい。
また、図11(d)に示すように、圧力制御機構(図示略)が設けられた燃料ノズル47の周囲を囲むように、圧力制御機構(図示略)が設けられた1次酸化剤ノズル48を複数個(図11(d)では8個)配置してもよい。
実施例1では、実験炉において第1の実施形態(2次酸化剤流れを振動)で示したようなバーナ燃焼方法によって、炉下面への放射熱流束を測定する試験を実施した。この際、2次酸化剤ノズル間距離hは400mmし、酸化剤噴出速度を100m/sとした。また、2次酸化剤ノズルの開き角αは30°とした。
なお、図12(a)は、バーナからの距離が1000mmの位置での結果を、図12(b)は、バーナからの距離が2000mmの位置での結果を示している。また、比較のため、図12(a)及び図12(b)においては、2次酸化剤ノズルに圧力制御機構を設けず、2次酸化剤流れの噴出方向を変動させない場合についての結果も併せて示している。
実施例2でも、実験炉において第1の実施形態で示したようなバーナ燃焼方法によって、2次酸化剤ノズル間距離(h)を変えた際のNOX排出量への影響を調べた。
試験では、ノズル間距離を100,200,300,400,500mmの5条件とし、2次酸化剤流れの周期を0.003〜100Hzの範囲で変化させた。
また、供給する酸素量のうち、1次酸化剤ノズルから30%を供給し、2次酸化剤ノズルから70%を供給することとした。
実施例3でも、実験炉において第1の実施形態で示したようなバーナ燃焼方法によって、2次酸化剤流れの流速を10、20、30、60、100、200、300m/sの条件で変化させた際のNOX排出量への影響を調べた。
また、供給する酸素量のうち、1次酸化剤ノズルから30%を供給し、2次酸化剤ノズルから70%を供給することとした。
実施例4では、実験炉において第2の実施形態(燃料流れ及び1次酸化剤流れを振動)で示したようなバーナ燃焼方法によって、炉下面への放射熱流束を測定する試験を実施した。この際、2次酸化剤ノズル間距離を400mmとし、燃料ノズル及び1次酸化剤ノズルの開き角αは30°とした。
供給する酸素量のうち、1次酸化剤ノズルから30%を供給し、2次酸化剤ノズルから70%を供給することとした。
なお、図16(a)は、バーナからの距離が1000mmの位置での結果を、図16(b)は、バーナからの距離が2000mmの位置での結果を示している。また、比較のため、図16(a)及び図16(b)において、燃料ノズル及び1次酸化剤ノズルに圧力制御機構を設けず、燃料流れ及び1次酸化剤流れの噴出方向を変動させない場合についての結果も併せて示している。
実施例5では、実験炉において第3の実施形態(燃料流れ、1次酸化剤流れ及び2次酸化剤流れを振動)で示したようなバーナ燃焼方法によって、炉下面への放射熱流束を測定する試験を実施した。この際、2次酸化剤ノズル間距離を400mmとし、燃料ノズル、1次酸化剤ノズル及び2次酸化剤ノズルの開き角αは30°とした。
供給する酸素量のうち、1次酸化剤ノズルから30%を供給し、2次酸化剤ノズルから70%を供給することとした。
なお、図18(a)は、バーナからの距離が1000mmの位置での結果を、図18(b)は、バーナからの距離が2000mmの位置での結果を示している。また、比較のため、図18(a)及び図18(b)において、燃料ノズル、1次酸化剤ノズル及び2次酸化剤ノズルに圧力制御機構を設けず、燃料流れ、1次酸化剤流れ及び2次酸化剤流れの噴出方向を変動させない場合についての結果も併せて示している。
また、図19には、第3の実施形態に示したようなバーナ燃焼方法を行った場合だけでなく、第4の実施形態に示したようなバーナ燃焼方法を行った場合についての結果も示してある。
また、第3の実施形態に示したようなバーナ燃焼方法よりも、第4の実施形態に示したようなバーナ燃焼方法の方が、よりNOX排出量が少ないことが確認された。
実施例6では、実験炉において第2の実施形態(燃料流れ及び1次酸化剤流れを振動)で示したようなバーナ燃焼方法によって、燃焼試験を行った。この際、燃料ノズル及び1次酸化剤ノズルの開き角αを、30°、60°、90°、100°、110°に変化させて試験を行った。
供給する酸素量のうち、1次酸化剤ノズルから30%を供給し、2次酸化剤ノズルから70%を供給することとした。また、燃料流れ及び1次酸化剤流れの振動周期を2秒とした。
Claims (9)
- 酸化剤流れと燃料流れとを供給して燃焼させるバーナであって、
前記酸化剤流れは、前記燃料流れの周囲または近傍から噴出する1次酸化剤流れと、前記燃料流れを中心とした対称な位置から噴出する複数の2次酸化剤流れとからなり、
前記燃料流れ、前記1次酸化剤流れ、および前記2次酸化剤流れの各流れを形成する流体噴出流路のうち、少なくとも1つが、該流れの噴出口に向かって拡がるように形成され、側壁において対向する位置に2つの開口部が設けられており、
前記開口部には、圧力を制御する圧力制御機構が設けられており、
前記圧力制御機構によって、一方の開口部の圧力が静圧より低い圧力のときに、他方の開口部の圧力が静圧より高い圧力に制御されていることを特徴とするバーナ。 - 前記圧力制御機構が、2つの前記開口部を接続する連通管からなることを特徴とする請求項1に記載のバーナ。
- 前記連通管に調節弁が設けられていることを特徴とする請求項2に記載のバーナ。
- 前記流れの噴出口に向かって拡がって形成された前記流体噴出流路の開き角が90°以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のバーナ。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のバーナを用いたバーナ燃焼方法であって、
前記1次酸化剤流れに含まれる酸素の流量と前記2次酸化剤流れに含まれる酸素の流量の合計量に対する前記1次酸化剤流れに含まれる酸素の流量の比率が、10%以上70%以下であることを特徴とするバーナ燃焼方法。 - 前記燃料流れ、前記1次酸化剤流れ、および前記2次酸化剤流れの各流れを形成する前記流体噴出流路のうち、少なくとも1つについて、前記圧力制御機構によって、2つの前記開口部の圧力を静圧より低い圧力から高い圧力の範囲で周期的に変化させることを特徴とする請求項5に記載のバーナ燃焼方法。
- 前記燃料流れ、または前記1次酸化剤流れを形成する前記流体噴出流路について、前記圧力制御機構によって、2つの前記開口部の圧力を静圧より低い圧力から高い圧力の範囲で周期的に変化させることを特徴とする請求項5に記載のバーナ燃焼方法。
- 前記2次酸化剤流れの流速が20m/s以上であることを特徴とする請求項5ないし請求項7のいずれか1項に記載のバーナ燃焼方法。
- 前記開口部の圧力の周期的な変化の周波数が、0.003Hz以上20Hz以下であることを特徴とする請求項6ないし請求項8のいずれか1項に記載のバーナ燃焼方法。
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