JP3877440B2 - 加熱炉用バーナ設備 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炉内に燃焼用ガスを供給するガス供給部と、前記炉内に燃焼用空気を供給する空気供給部とを個別に有し、前記燃焼用ガスと前記燃焼用空気とを前記ガス供給部および前記空気供給部の近傍で混合燃焼させる加熱炉用バーナ設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の加熱炉用バーナ設備にあっては、炉の内部に対して燃料と燃焼用空気とを別々に供給し、これら燃料と燃焼用空気とを燃料供給部および空気供給部の近傍で混合燃焼させることで炉の内部に火炎を形成し、被加熱物を均等に加熱しようとするものがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ただし、上記従来の加熱炉用バーナ設備を用いて加熱炉内の加熱を行う場合には次のような問題があった。
例えば、前記加熱炉がガラス溶解炉である場合には、炉内温度を１５００〜１６００℃にする必要がある。この場合には、ガラス原料を容器などに溜めて間接的に加熱することが困難なため、主に、火炎の輻射熱によって加熱する必要がある。
しかし、ＬＰＧやメタン系の燃焼用ガスを燃焼させる場合には、火炎の根元付近には未燃焼部分が長く形成されるため、燃焼用バーナ近傍の温度が低くなる。このため、ガラス原料を均等に溶解することが困難になるばかりでなく、燃焼用バーナ近傍の温度を高めるべく燃焼用ガスの供給量を増加させて前記高温燃焼領域でのガス燃焼量を増加させた場合には、当該高温燃焼領域の温度がより高まってＮＯｘの発生量を増加させたり、火炎が大きくなって加熱炉が損傷し易くなる等の問題が生じていた。
【０００４】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、炉内を均等に加熱することができ、ＮＯｘの発生を抑制し得る加熱炉用バーナ設備を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明の特徴構成を、主に図１〜図３に示した例を参考に説明する。
【０００６】
（構成１）
本発明の加熱炉用バーナ設備は、請求項１に記載したごとく、炉内に燃焼用ガスＧを供給するガス供給部５と、蓄熱室７から炉内に燃焼用空気Ａを供給する空気供給部６とを個別に有し、燃焼用ガスＧと燃焼用空気Ａとをガス供給部５および空気供給部６の近傍の炉内部位で混合して混合燃焼させるものであって、ガス供給部５に、主燃焼用ガスＧ１を供給する主燃焼用バーナ５ａを設けると共に、補助燃焼用ガスＧ２と当該補助燃焼用ガスＧ２を燃焼させるための燃焼用空気Ａとを供給して補助炎１４を形成し、前記主燃焼用ガスＧ１を加熱することにより当該主燃焼用ガスＧ１を熱分解する補助燃焼用バーナ５ｂを設けて構成した点に特徴を有する。
（作用・効果）
本構成のごとく、主燃焼用ガスを補助燃焼用バーナで加熱するようにすれば、主燃焼用ガスを炉内に噴出する前に高温に加熱することができ、当該主燃焼用ガスを熱分解して炭素（Ｃ）を発生させることができる。この結果、主燃焼用ガスの火炎輝度および燃焼速度が向上して、主燃焼用ガスは主燃焼用バーナから噴出された直後の段階から火炎を形成することとなり、バーナ近傍においても良好な加熱効果が発揮される結果、炉内を均等に加熱することが可能となる。ここで、主燃焼用ガスの燃焼用には、空気供給部から燃焼用空気が供給される。そして、主炎の局部的な温度上昇が抑制される結果、ＮＯｘの発生を抑制することもできる。
【０００７】
（構成２）
本発明の加熱炉用バーナ設備は、請求項２に記載したごとく、前記主燃焼用バーナ５ａを、前記補助燃焼用バーナ５ｂと同軸芯状であって、前記補助燃焼用バーナ５ｂの外側に形成することができる。
（作用・効果）
前記補助燃焼用バーナで形成される補助炎を用いて、前記主燃焼用ガスを最も効率的に加熱するには、本構成のごとく、前記主燃焼用バーナを前記補助燃焼用バーナの外周全体に構成するのがよいと考えられる。
しかも、この様なバーナであれば、比較的簡単に作製することもできる。
【０００８】
（構成３）
本発明の加熱炉用バーナ設備は、請求項３に記載したごとく、前記補助燃焼用バーナ５ｂに対する補助燃焼用ガスＧ２の供給量を、前記主燃焼用バーナ５ａに対する主燃焼用ガスＧ１の供給量よりも少なく設定することができる。
（作用・効果）
即ち本発明に関する補助燃焼用バーナは、被加熱物を直接加熱するものではなく、あくまでも主燃焼用バーナから供給する主燃焼用ガスを加熱するためのものである。よって、主燃焼用ガスよりも少ない補助燃焼用ガスを用いるものであっても主燃焼用ガスを十分に加熱することができる。この状態にあって、補助燃焼用ガスＧ２に対するその燃焼用空気量は、これを燃焼させるだけのものであってよい。
【０００９】
（構成４）
本発明の加熱炉用バーナ設備は、請求項４に記載したごとく、前記補助燃焼用バーナ５ｂの先端部に、内部に前記補助炎の一部が形成される補助炎用筒状部材１６を設け、前記主燃焼用ガスＧ１に対する構成とすることができる。
（作用・効果）
本構成のごとく筒状部材を設けることで、前記主燃焼用ガスの流れと前記補助燃焼用バーナの先端に形成した補助炎とを確実に分離することができるから、主燃焼用ガスの流れによって補助炎が吹き消されることがなく、補助炎そのものが拡散しないため、補助燃焼用ガスの濃度が低下して補助炎が消失するという不都合も防止することができる。
【００１０】
（構成５）
本発明の加熱炉用バーナ設備は、請求項５に記載したごとく、前記補助燃焼用バーナ５ｂの先端部を前記主燃焼用バーナ５ａの先端部よりもバーナ基端側に引退させ、前記補助燃焼用バーナ５ｂの先端側に前記主燃焼用バーナ５ａで囲まれた空間を設けて構成することができる。
（作用・効果）
本構成のごとく前記主燃焼用バーナで囲まれた空間を設けることで、補助炎の周囲を通過した主燃焼用ガスがその後拡散するのをしばらくの間拘束することができる。この結果、補助炎から主燃焼用ガスに伝達される熱エネルギー量が増加し、主燃焼用ガスの加熱効果を高めることができる。
【００１１】
（構成６）
これまで説明してきた構成にあって、主燃焼用ガスに、バーナ軸心周りの旋回成分を与える旋回成分付与機構が備えられていることが好ましい。このようにしておくと、補助燃焼用バーナで形成される火炎およびその排ガスと、主燃焼用ガスとの混合が促進され、より高温で炉内の噴出することができる。結果、本願における主な課題である火炎をできるだけ炉壁の近傍に形成することができる。
このような旋回の角度としては、バーナ軸に対して旋回傾斜角（バーナ軸と旋回流の接線方向の成す角）が０度より大きく７５度より小さいことが好ましい。ここで、７５度より大きいと旋回を付与するのに、流路抵抗が大きくなりすぎる。望ましくは、１０度から５０度程度がよい。１０度以下とすると、混合が良好になりにくく、５０度以上とすることで、流路抵抗が増加する。
尚、上記課題を解決するための手段の説明中、図面を参照し、図面との対照を便利にするために符号を記すが、当該記入により本発明が添付図面の構成に限定されるものではない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
本発明の加熱炉用バーナ設備を用いる加熱炉１の一例として図１および図２にガラス溶解炉１ａを示す。図１は、ガラス原料２の搬送方向と同方向から見た場合の側面図であり、図２は図１におけるII−II平断面図である。
当該ガラス溶解炉１ａはガラス原料２の搬送方向に対して左右対称の構成を有する。図１に示すごとく、中央に溶解槽３を備えると共に、当該溶解槽３の両側部を形成する炉壁４の上部には、夫々、燃焼用ガスＧを供給するガス供給部５と、燃焼用空気Ａを供給する空気供給部６とを備えている。さらに、その外側には蓄熱室７を備えている。
図１は、ガラス溶解炉１ａの内部に対し、左側の前記空気供給部６から燃焼用空気Ａを供給すると共に、前記空気供給部６の下方に設けた前記ガス供給部５から燃焼用ガスＧを供給する場合を示している。当該ガラス溶解炉１ａは、いわゆるアンダーポート式で構成される。前記燃焼用空気Ａは、左側の蓄熱室７で加熱された後に前記空気供給部６を介してガラス溶解炉１ａの内部に供給される。
前記燃焼用ガスＧと前記燃焼用空気Ａとは、ガラス溶解炉１ａの内部であって前記ガス供給部５および前記空気供給部６の近傍で、両ガスが衝突・混合され、混合燃焼させる。この燃焼用ガスＧは、ガラス溶解炉１ａの内部において主炎８を形成し、当該燃焼の輻射熱によってガラス原料２を溶解する。図２に示すごとく、当該ガラス溶解炉１ａにおいては、ガラス原料２の搬送方向に対して直角方向に前記主炎８が形成される。前記ガラス溶解炉１ａの天井部はアーチ状を呈しており、前記主炎８からの輻射熱を反射させる機能を有する。
燃焼により発生した燃焼排ガスｇは、主炎８が形成されていない側の空気供給部６および前記蓄熱室７を介して排出される。即ち、空気供給部６および蓄熱室７は、排ガス排出部９としても機能する。燃焼側と排気側とは、所定時間毎に双方の役割を交代し、いわゆる交番燃焼が行われる。
前記蓄熱室７には、例えば煉瓦１０等の蓄熱材を設けてあり、排ガス排出部９として機能している間に前記燃焼排ガスｇの保有熱を蓄熱する。当該蓄熱は、後に空気供給部６として機能する際に、燃焼用空気Ａを加熱するための熱源として利用する。
尚、図２において、ガラス原料２は溶解槽３の内部を投入口から作業槽１１に向かって流下する。溶解槽３と作業槽１１との間には挿通孔１２を有する隔壁１３を設けてあり、溶融および清澄を完了したガラスのみを作業槽に導くように構成してある。
【００１３】
図３には、本発明に関するガス供給部５の断面を示す。
当該ガス供給部５は、主燃焼用バーナ５ａと補助燃焼用バーナ５ｂとからなる。前記主燃焼用バーナ５ａからは、主燃焼用ガスＧ１のみが供給され、前記補助燃焼用バーナ５ｂからは、補助燃焼用ガスＧ２と燃焼用空気Ａとが供給される。前記補助燃焼用バーナ５ｂは、前記主燃焼用バーナ５ａから供給される主燃焼用ガスＧ１を加熱するためのものである。前記主燃焼用ガスＧ１と前記補助燃焼用ガスＧ２とは、通常、同一種類のガスを用いるが、別種類のガスであっても差し支えない。
当該主燃焼用バーナ５ａと補助燃焼用バーナ５ｂとは、例えば同軸芯状の円筒状に形成し、前記主燃焼用バーナ５ａを前記補助燃焼用バーナ５ｂの外側に形成する。前記補助燃焼用バーナ５ｂには、補助燃焼用ガスＧ２と、当該補助燃焼用ガスＧ２を燃焼させるための燃焼用空気Ａとを供給して補助炎１４を形成する。当該補助炎１４を確実に形成するためには、図３に示すごとく補助燃焼用バーナ５ｂの先端部に着火源１５を設けるとよい。この着火源１５は、例えば電熱線に通電して発熱させるもの等を補助燃焼用バーナ５ｂの内部に挿通させた状態に取り付けて構成する。ただし、前記補助炎１４が容易に着火できるのであれば、当該着火源１５は必ずしも必要ではない。
前記補助炎１４の周囲に対しては、前記主燃焼用バーナ５ａから主燃焼用ガスＧ１を供給する。この結果、前記主燃焼用ガスＧ１は、前記補助炎１４によって加熱される。尚、補助燃焼用バーナ５ｂに供給される燃焼用空気Ａは補助炎１４を形成するために殆どが消費される。
【００１４】
前記主燃焼用ガスＧ１が、例えばメタン（ＣＨ4）を主成分とする場合、前記主燃焼用ガスＧ１は、前記補助炎１４で加熱されることによって熱分解し、炭素（Ｃ）を生じさせる。当該炭素（Ｃ）は、主燃焼用ガスＧ１の火炎輝度を向上させることとなる。また、主燃焼用ガスＧ１を加熱することによって主燃焼用ガスＧ１の燃焼速度を向上させることもできる。よって、従来であれば、燃焼用空気Ａと混合して初めて燃焼を開始し、輻射熱を発生させていた主燃焼用ガスＧ１が早期に燃焼用空気Ａと反応することとなり、ガラス溶解炉１ａの内部において前記主燃焼用バーナ５ａの近傍から主炎８を形成することとなる。即ち、主燃焼用ガスＧ１の燃焼によって前記主燃焼用バーナ５ａの近傍から高温域が形成されるため、炉内の温度を平均化させることができるうえに、極端に高温となる領域が発生するのを抑制してＮＯｘの発生を低減させることが可能となる。
【００１５】
本実施形態においては、図３に示すごとく、前記主燃焼用ガスＧ１を効率的に加熱すべく前記補助燃焼用バーナ５ｂの先端部に筒状部材１６を備えている。当該筒状部材１６は、補助燃焼用バーナ５ｂの先端に形成される補助炎１４を保護する機能を有する。つまり、前記補助炎１４を主燃焼用ガスＧ１の流れと隔離することで、前記主燃焼用ガスＧ１の流れによって前記補助炎１４が乱されることがなく、補助炎１４が消失するという不都合を回避できる。また、筒状部材１６が無い場合に、補助燃焼用バーナ５ｂに供給された燃焼用空気Ａが前記主燃焼用バーナ５ａの内部で拡散し、補助炎１４が消失するという事態も防止できる。
尚、前記筒状部材１６は、上記機能が維持できるものであれば、完全な筒状部材１６で構成してもよいし、金網状の部材で構成してもよい。当該筒状部材１６は、耐熱性の金属などを用いて形成することができる。
【００１６】
図３に示すごとく、前記補助燃焼用バーナ５ｂの先端部は、前記主燃焼用バーナ５ａの先端部よりも炉外側に引退させてある。この構成であれば、主燃焼用ガスＧ１の拡散を防止した状態で主燃焼用ガスＧ１を加熱することができるから、主燃焼用ガスＧ１を確実に加熱することができる。
また、噴射される主燃焼用ガスＧ１をより収束させることができて、主炎８に直進性を持たせることができる。
尚、前記補助燃焼用バーナ５ｂに供給する補助燃焼用ガスＧ２の量は、当該補助燃焼用バーナ５ｂはあくまでも主燃焼用ガスＧ１を加熱することが目的であるから、前記主燃焼用バーナ５ａに対する主燃焼用ガスＧ１の供給量よりも少なく設定しておいても充分である。例えば、前記補助燃焼用バーナ５ｂで燃焼させる補助燃焼用ガスＧ２の総量は、前記主燃焼用バーナ５ａおよび前記補助燃焼用バーナ５ｂに供給する燃焼用ガスＧの全量の１〜３０％程度とする。この場合の補助燃焼用バーナ５ｂから供給する燃焼用空気の量は、補助燃焼用ガス量に対する理論空気量の０．３〜１．２とする。さらに、主燃焼用ガスに対しては、空気供給部から充分な燃焼用空気が供給される。
【００１７】
以上のごとく、補助燃焼用バーナ５ｂによって主燃焼用ガスＧ１を加熱するように構成すれば、炉内を略均等に加熱することができるばかりでなく、ＮＯｘの発生を抑制し得る加熱炉用バーナ設備を提供することができる。
【００１８】
〔別実施形態〕
〈１〉 上記実施形態においては、前記主燃焼用ガスＧ１と補助炎１４とを筒状部材１６によって分離し、補助燃焼用バーナ５ｂの先端部を主燃焼用バーナ５ａの先端部よりもガラス溶解炉１ａの外部側に引退させる構成としたが、この他にも、図４に示すごとく両者の先端部を同じ長さに構成するものであってもよいし、図５に示すごとく、補助燃焼用バーナ５ｂの先端部を主燃焼用バーナ５ａの先端部よりもガラス溶解炉１ａの外部側に引退させつつ、前記筒状部材１６を設けない構成のもの、さらには、図６に示すごとく、主燃焼用バーナ５ａの先端部と補助燃焼用バーナ５ｂの先端部とを等しい長さとし、かつ、筒状部材１６を設けない構成とすることもできる。要は、前記補助炎１４の点火状態を維持して主燃焼用ガスＧ１を確実に加熱することができ、しかも、主燃焼用ガスＧ１の噴射方向をある程度制御できるものであれば何れの構成であってもよい。
【００１９】
〈２〉 前記主燃焼用バーナ５ａの先端部は、図７に示すごとく内径を絞って構成したり、図８に示すごとく内径を拡大して構成することができる。
即ち、図７の場合には絞り部材１７を、図８の場合には拡管部材１８を、夫々前記主燃焼用バーナ５ａの先端部に螺合させて構成することができる。
前記絞り部材１７あるいは前記拡管部材１８を取り付けることで、主炎８の長さと形状とを容易に変更することができる。例えば、前記絞り部材１７を取り付けた場合には、主燃焼用ガスＧ１の流速が高まって短い主炎８が形成される。逆に、前記拡管部材１８を取り付けた場合には、主燃焼用ガスＧ１の流速が低下して長い主炎８が形成される。
〈３〉 上記実施形態では、ガラス溶解炉１ａの型式としてガラス原料２の搬送方向に対して直角方向に主炎８を形成するものを示したが、図９に示すごとく、ガラス原料２の搬送方向に沿って主炎８を形成するものであってもよい。
本別実施形態の場合には、ガラス原料２の投入側に例えば四組のガス供給部５と空気供給部６とを設け、さらに、これらガス供給部５等の上手側には前記蓄熱室７を設ける。そして、左右夫々二組ずつを燃焼側と排気側とに区別して交番燃焼させるものとする。
〈４〉 これまで説明してきた実施形態では、主燃焼用バーナ５ａは、基本的に、筒状に形成され、このバーナ内を流れる主燃焼用ガスＧ１は、バーナ軸芯に平行に流れるものであった。しかしながら、主燃焼用ガスＧ１と補助燃焼用バーナ５ｂにおける燃焼により補助炎１４から発生する排ガスは、その昇温性を考えると主燃焼用ガスＧ１と混合されるほうが好ましい。このような混合を起こそうとする場合、主燃焼用ガスが旋回状態で供給されることが好ましい。
このような旋回流を生成するための構成を、図１０に示した。この例は、先に説明した図３に対応する例であり、主燃焼用バーナ５ａ内で、補助燃焼用バーナ５ｂとの外側に、ガスに旋回成分を与えるたの旋回羽１７０（旋回成分付与機構の一例）が備えられている。このように構成することによって、補助燃焼用バーナ５ｂの排ガスを巻くように主燃焼用ガスを供給して、両者の混合を促進し、主燃焼用ガスの昇温機能を良好に果たすことができる。
このような旋回羽１７０は、図示するように、補助燃焼用バーナ５ｂの外壁側から延出構成することも可能であるとともに、主燃焼用バーナ５ａの内壁側から所定の形状を保った構成で延出することも可能である。
このような旋回羽１７０としては、図１０に示すように軸芯回り全周に亙って、仕切り羽が形成されている構成も可能であるし、図１１に示すように、軸芯回りの一部にブレード状の羽１８０を備えるものとして構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加熱炉用バーナ設備を用いた加熱炉の一例を示す側面図
【図２】図１におけるII−II平断面図
【図３】ガス供給部の縦断面図
【図４】別実施形態に係るガス供給部の縦断面図
【図５】別実施形態に係るガス供給部の縦断面図
【図６】別実施形態に係るガス供給部の縦断面図
【図７】別実施形態に係るガス供給部の縦断面図
【図８】別実施形態に係るガス供給部の縦断面図
【図９】別実施形態に係る加熱炉を示す平面図
【図１０】主燃焼用バーナと補助燃焼用バーナとの間に旋回羽を備えた別構成例を示す図
【図１１】主燃焼用バーナと補助燃焼用バーナとの間に別構成の旋回羽を備えた例を示す図
【符号の説明】
１ 加熱炉
５ ガス供給部
５ａ 主燃焼用バーナ
５ｂ 補助燃焼用バーナ
１４ 補助炎
１６ 筒状部材
Ａ 燃焼用空気
Ｇ１ 主燃焼用ガス
Ｇ２ 補助燃焼用ガス

Claims (6)

1. 炉内に燃焼用ガスを供給するガス供給部と、蓄熱室から前記炉内に燃焼用空気を供給する空気供給部とを個別に有し、前記燃焼用ガスと前記燃焼用空気とを前記ガス供給部および前記空気供給部の近傍の炉内部位で混合して混合燃焼させる加熱炉用バーナ設備であって、
   前記ガス供給部に、主燃焼用ガスを供給する主燃焼用バーナを設けると共に、補助燃焼用ガスと当該補助燃焼用ガスを燃焼させるための燃焼用空気とを供給して補助炎を形成し、前記主燃焼用ガスを加熱することにより当該主燃焼用ガスを熱分解する補助燃焼用バーナを設けてある加熱炉用バーナ設備。
2. 前記主燃焼用バーナが、前記補助燃焼用バーナと同軸芯状であって、前記補助燃焼用バーナの外側に形成してある請求項１に記載の加熱炉用バーナ設備。
3. 前記補助燃焼用バーナに対する補助燃焼用ガスの供給量を、前記主燃焼用バーナに対する主燃焼用ガスの供給量よりも少なく設定してある請求項１又は２に記載の加熱炉用バーナ設備。
4. 前記補助燃焼用バーナの先端部に、内部に前記補助炎の一部が形成される補助炎用筒状部材を設けてある請求項１から３の何れかに記載の加熱炉用バーナ設備。
5. 前記補助燃焼用バーナの先端部が前記主燃焼用バーナの先端部よりも引退しており、前記補助燃焼用バーナの先端側に前記主燃焼用バーナで囲まれた空間を有している請求項１から４の何れかに記載の加熱炉用バーナ設備。
6. 前記主燃焼用ガスに、バーナ軸芯周りの旋回成分を与える旋回成分付与機構が備えられている請求項１から５の何れかに記載の加熱炉用バーナ設備。

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