JP5309795B2 - 管状火炎バーナ - Google Patents

Description

本発明は、炉や燃焼器などに備えられる管状火炎バーナに関する。

炉や燃焼器などに備えられるバーナとして、管状体の一端を閉塞して形成された燃焼室に燃料ガスと酸素含有ガスまたは両者の混合ガスを燃焼室の接線方向に向けて吹込み、燃焼室に吹き込まれたガスを燃焼室の周方向に旋回させながら燃焼せしめる管状火炎バーナが知られている（例えば特許文献１参照）。
この管状火炎バーナによると、燃焼室に吹き込まれたガスが高速で旋回しながら燃焼するため、燃焼室の内部に管状火炎を発生させることができ、これにより、燃焼設備の小型化を図ることができると共に、ＮＯｘなどの有害物質、炭化水素などの未燃焼分、煤煙といった環境汚染源を低減することができるという利点を有している。
特許第３３５８５２７号公報

ところで、一般に、図７に示すような段差Ａにおける流体の流れを「バックステップ流れ」と呼び、段差入口で流体の流れは剥離を起こし、下面に再付着するまでの領域で逆流を生じることが知られている。燃焼を伴う流れの場合、この逆流域で保炎される。
ここで、上記のような管状火炎バーナにあっては、燃焼室にガスを吹き込むガス吹込みノズルと燃焼室との接続部に僅かでも段差があると、そこでバックステップ流れに準じた流れが生じ、その部分で保炎されてしまう。その結果、望ましい形状の管状火炎が不安定となり、火炎の温度分布が燃焼室の周方向に大きくばらつき、ＮＯｘ値が上昇するという問題がある。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼室に発生する管状火炎の温度分布が燃焼室の周方向に大きくばらつくことを抑制し、低ＮＯｘ化を達成することのできる管状火炎バーナを提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明に係る管状火炎バーナは、管状体の一端を閉塞して形成された燃焼室に燃料ガスと酸素含有ガスまたは両者の混合ガスを燃焼室の接線方向に向けて吹込み、前記燃焼室に吹き込まれたガスを前記燃焼室の周方向に旋回させながら燃焼せしめる管状火炎バーナであって、前記燃焼室にガスを吹き込むガス吹込みノズルと前記燃焼室との接続部に発生する段差をδ（ｍｍ）、前記ガス吹込みノズルから前記燃焼室に吹込まれるガスの動粘性係数をν（ｍ^２／ｓ）、前記ガス吹込みノズルから前記燃焼室に吹込まれるガスの流速をＵ（ｍ／ｓ）としたとき、|δ|≦０．５×ν／Ｕを満たすように前記ガス吹込みノズルを前記燃焼室に接続したことを特徴とするものである。但し、|δ|≦０．５×ν／Ｕの導出は、流体力学の分野で一般に知られている、Ｙ＝１００ν／ｕ（Ｙ（ｍｍ）：壁面からの層流低層の厚さ、ν（ｍ ^２ ／ｓ）：流体の動粘性係数、ｕ（ｍ／ｓ）：流体の主流速度）の式から、管状火炎バーナの筒部分接線方向への流体吹込みにおける許容誤差δ（ｍｍ）をδ＝Ｃ×１００×ν／Ｕ（Ｕ：ノズル平均吐出速度（ｍｍ／ｓ）、Ｃ：係数）として求め、この許容誤差δ（ｍｍ）表す式において係数Ｃを火炎の乱れが生じない０．００５として算出する。

本発明によれば、ガス吹込みノズルから燃焼室に吹込まれたガスが燃焼室の周方向に層流となって流れるため、燃焼室に発生する管状火炎の温度分布が燃焼室の周方向に大きくばらつくことを抑制し、低ＮＯｘ化を達成することができる。

図１は本発明の第１の実施形態に係る管状火炎バーナの軸方向断面図、図２は図１のII−II断面を示す図であり、本発明の第１の実施形態に係る管状火炎バーナ１は管状の燃焼室２を有している。この燃焼室２は管状体３の一端を端板４により閉塞して形成されており、端板４に近いほうの燃焼室２の周壁部には、ガス吹込み口５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが燃焼室２の周方向にほぼ等間隔に形成されている。

ガス吹込み口５ａ〜５ｄは燃焼室２の管軸方向に沿って細長く形成されており、これらのガス吹込み口５ａ〜５ｄのうちガス吹込み口５ａ，５ｃには燃料ガス吹込みノズル６ａ，６ｂが燃焼室２の接線方向に接続され、ガス吹込み口５ｂ，５ｄには酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂが燃焼室２の接線方向に接続されている。
燃料ガス吹込みノズル６ａ，６ｂは燃焼室２に燃料ガスを燃焼室２の接線方向に向けて吹込むためのものであり、これらの燃料ガス吹込みノズル６ａ，６ｂは、燃焼室２との接続部に発生する段差をδ_１（ｍｍ）、燃料ガス吹込みノズル６ａ，６ｂから燃焼室２に吹込まれる燃料ガスの動粘性係数をν_１（ｍ^２／ｓ）、燃料ガス吹込みノズル６ａ，６ｂから燃焼室２に吹込まれる燃料ガスの流速をＵ_１（ｍ／ｓ）としたとき、段差δ_１が下式（１）を満たすように、燃焼室２のガス吹込み口５ａ，５ｃに接続されている。
|δ _１ |≦０．５×ν_１／Ｕ_１ ……（１）

酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂはガス吹込み口５ｂ，５ｄから燃焼室２に酸素含有ガスを燃焼室２の接線方向に向けて吹込むためのものであり、これら酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂは、燃焼室２との接続部に発生する段差をδ_２（ｍｍ）、酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂから燃焼室２に吹込まれる酸素含有ガスの動粘性係数をν_２（ｍ^２／ｓ）、酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂから燃焼室２に吹込まれる酸素含有ガスの流速をＵ_２（ｍ／ｓ）としたとき、段差δ_２が下式（２）を満たすように、燃焼室２のガス吹込み口５ｂ，５ｄに接続されている。
|δ _２ |≦０．５×ν_２／Ｕ_２ ……（２）
なお、図２中符号８は燃焼室２内に発生する管状火炎を示している。

ここで、式（１）及び（２）の根拠は、下記の（ａ）及び（ｂ）に基づくものである。
（ａ）流体力学の分野では、以下のことが知られている。
流体の流れに対して平行に置かれた平板の乱流境界層においても物体表面近くの極めて薄い圏内では層流が存在し、これを層流低層という。ここで、層流低層内の速度分布は
ｕ／ｕ_ｒ＝ｕ_ｒ・ｙ／ν
但し、ｕ_ｒ・ｙ／ν≦１０
ｕ_ｒ・Ｙ／ν＝１０
ｕ：流体の主流速度（ｍ／ｓ）
ｕ_ｒ：層流低層内の速度（ｍ／ｓ）
ｙ：壁面からの層流低層の距離（ｍ）
ν：流体の動粘性係数（ｍ^２／ｓ）
で表される。

したがって、壁面からの層流低層の厚さＹ（ｍ）は、次式を満たす。
ｕ／ｕ_ｒ＝ｕ_ｒ・Ｙ／ν
ｕ_ｒ・ｙ／ν≦１０
すなわち
Ｙ＝１００ν／ｕ
（ｂ）管状火炎バーナの筒部分接線方向への流体吹込みにおいて、平板において算出される上記層流低層厚さに係数Ｃを乗じた値が概ね管状火炎バーナで不適切な火炎を形成しない許容誤差δ（ｍｍ）となり得る。
δ＝Ｃ・１００ν／Ｕ
但し、Ｕ：ノズル平均吐出速度（ｍｍ／ｓ）
Ｃ：係数

ここで、係数ＣをＣ＝０．００５とすると、
δ＝Ｃ・０．５ν／Ｕ
となる。
係数ＣをＣ＝０．００５とした理由は、図３または図４に示すような段差δ_２を燃焼室２と酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂとの接続部に発生させ、表１に示す条件で燃焼室２に生じた火炎の乱れ（燃焼室周方向の温度分布のバラツキ）の有無を調べた結果に基づくものである。なお、燃料ガスとしては、温度２０℃の転炉ガス（低位発熱量２０００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）を用いた。

ここで、係数ＣをＣ＝０．００５とすると、
δ＝０．５ν／Ｕ
となる。
係数ＣをＣ＝０．００５とした理由は、図３または図４に示すような段差δ_２を燃焼室２と酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂとの接続部に発生させ、表１に示す条件で燃焼室２に生じた火炎の乱れ（燃焼室周方向の温度分布のバラツキ）の有無を調べた結果に基づくものである。なお、燃料ガスとしては、温度２０℃の転炉ガス（低位発熱量２０００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）を用いた。

表１に示すように、酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂから燃焼室２に吹き込まれる酸素含有ガス（空気）の動粘性係数がν＝１．５８Ｅ^−３ｍ^２／ｓ、酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂから燃焼室２に吹き込まれる酸素含有ガス（空気）の流速がＵ＝１９ｍ／ｓの場合は、燃焼室２と酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂとの接続部に発生した段差δ_２が０．０４２ｍｍを超えると、燃焼室２の管状火炎に乱れが発生する。

また、上記と同じ動粘性係数で酸素含有ガス（空気）の流速がＵ＝３７ｍ／ｓの場合は、燃焼室２と酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂとの接続部に発生した段差δ_２が０．０２１ｍｍを超えると、燃焼室２の管状火炎に乱れが発生する。
酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂから燃焼室２に吹き込まれる酸素含有ガス（空気）の動粘性係数がν＝３．６０Ｅ^−３ｍ^２／ｓ、酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂから燃焼室２に吹き込まれる酸素含有ガス（空気）の流速がＵ＝３０ｍ／ｓの場合は、燃焼室２と酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂとの接続部に発生した段差がδ_２が０．０６０ｍｍを超えると、燃焼室２の管状火炎に乱れが発生する。

また、上記と同じ動粘性係数で酸素含有ガス（空気）の流速がＵ＝６０ｍ／ｓの場合は、燃焼室２と酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂとの接続部に発生した段差δ_２が０．０３０ｍｍを超えると、燃焼室２の管状火炎に乱れが発生する。
酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂから燃焼室２に吹き込まれる酸素含有ガス（空気）の動粘性係数がν＝８．４５Ｅ^−３ｍ^２／ｓ、酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂから燃焼室２に吹き込まれる酸素含有ガス（空気）の流速がＵ＝４３ｍ／ｓの場合は、燃焼室２と酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂとの接続部に発生した段差δ_２が０．０９８ｍｍを超えると、燃焼室２の管状火炎に乱れが発生する。

また、上記と同じ動粘性係数で酸素含有ガス（空気）の流速がＵ＝８５ｍ／ｓの場合は、燃焼室２と酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂとの接続部に発生した段差δ_２が０．０５０ｍｍを超えると、燃焼室２の管状火炎に乱れが発生する。
例えば、図５は管状火炎バーナの燃焼室とガス吹込みノズルとの接続部に発生する段差とＮＯｘ発生量との関係の一例を示す図である。ここで、酸素含有ガス：空気、酸素含有ガス温度：２００℃、燃料ガス：転炉ガス（低位発熱量２０００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）、燃料ガス温度：２０℃、酸素含有ガスノズル吐出流速：６０ｍ／ｓの条件とし、この時に（２）式で計算される許容段差δは０．０３０ｍｍである。
図５より、段差寸法が許容誤差である０．０３ｍｍ以下では、ＮＯｘ値が１００ｐｐｍ程度と低位であるが、段差寸法が許容誤差を超える０．０４ｍｍ以上では、ＮＯｘ値が上昇していることがわかる。

したがって、上述した第１の実施形態のように、ガス吹込みノズル６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂと燃焼室２との接続部に発生する段差をδ（ｍｍ）、ガス吹込みノズル６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂから燃焼室２に吹込まれるガスの動粘性係数をν（ｍ^２／ｓ）、ガス吹込みノズル６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂから燃焼室２に吹込まれるガスの流速をＵ（ｍ／ｓ）としたとき、±δ≦０．５×ν／Ｕを満たすようにガス吹込みノズル６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂを燃焼室２に接続すると、ガス吹込みノズル６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂから燃焼室２に吹込まれたガスが燃焼室２の周方向に層流となって流れるため、燃焼室２の管状火炎８に乱れが生じなくなり、これにより、燃焼室２に発生する管状火炎８の温度分布が燃焼室２の周方向に大きくばらつくことを抑制し、低ＮＯｘ化を達成することができる。

上述した第１の実施形態では、燃料ガス吹込みノズル６ａ，６ｂおよび酸素含有ガス吹込みノズル７ａ，７ｂから燃焼室２に燃料ガスと酸素含有ガスを吹込む形式の管状火炎バーナに本発明を適用した場合を示したが、これに限定されるものではない。たとえば、図６に示す第２の実施形態のように、混合ガス吹込みノズル９ａ，９ｂから燃焼室２に燃料ガスと酸素含有ガスの予混合ガスを吹込む予混合形式の管状火炎バーナについても本発明を適用することが可能である。
また、第１及び第２の実施形態では、燃焼室２の閉塞側端部に複数のガス吸込み口を有する管状火炎バーナに本発明を適用した場合を示したが、ガス吸込み口の数が１つの管状火炎バーナについても本発明を適用することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る管状火炎バーナの軸方向断面図である。 図１のII−II断面を示す図である。 管状火炎バーナの燃焼室とガス吹込みノズルとの接続部に発生する段差の一例を示す図である。 管状火炎バーナの燃焼室とガス吹込みノズルとの接続部に発生する段差の他の例を示す図である。 管状火炎バーナの燃焼室とガス吹込みノズルとの接続部に発生する段差とＮＯｘ発生量との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る管状火炎バーナの断面図である。 段差における流体の流れを模式的に示す図である。

符号の説明

１ 管状火炎バーナ
２ 燃焼室
３ 管状体
４ 端板
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ ガス吹込み口
６ａ，６ｂ 燃料ガス吹込みノズル
７ａ，７ｂ 酸素含有ガス吹込みノズル
８ 管状火炎
９ａ，９ｂ 混合ガス吹込みノズル

Claims (1)

1. 管状体の一端を閉塞して形成された燃焼室に燃料ガスと酸素含有ガスまたは両者の混合ガスを燃焼室の接線方向に向けて吹込み、前記燃焼室に吹き込まれたガスを前記燃焼室の周方向に旋回させながら燃焼せしめる管状火炎バーナであって、
   前記燃焼室にガスを吹き込むガス吹込みノズルと前記燃焼室との接続部に発生する段差をδ（ｍｍ）、前記ガス吹込みノズルから前記燃焼室に吹込まれるガスの動粘性係数をν（ｍ^２／ｓ）、前記ガス吹込みノズルから前記燃焼室に吹込まれるガスの流速をＵ（ｍ／ｓ）としたとき、|δ|≦０．５×ν／Ｕを満たすように前記ガス吹込みノズルを前記燃焼室に接続したことを特徴とする管状火炎バーナ。
   但し、|δ|≦０．５×ν／Ｕの導出は、流体力学の分野で一般に知られている、Ｙ＝１００ν／ｕ（Ｙ（ｍｍ）：壁面からの層流低層の厚さ、ν（ｍ ^２ ／ｓ）：流体の動粘性係数、ｕ（ｍ／ｓ）：流体の主流速度）の式から、管状火炎バーナの筒部分接線方向への流体吹込みにおける許容誤差δ（ｍｍ）をδ＝Ｃ×１００×ν／Ｕ（Ｕ：ノズル平均吐出速度（ｍｍ／ｓ）、Ｃ：係数）として求め、この許容誤差δ（ｍｍ）表す式において係数Ｃを火炎の乱れが生じない０．００５として算出する。

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