JP6043393B2 - バーナの火炎形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄、非鉄、セラミックス等の製造に使用される加熱炉や焼成炉に使用されるバーナの火炎形成方法に関する。

従来、鉄、非鉄金属、セラミックス等の製造に使用される加熱炉では、空気バーナが用いられている。また、加熱炉の出口には、熱交換器が設けられており、当該空気バーナに用いる空気の温度が２００〜５００℃の範囲内の温度となるように、空気を予熱している。

バーナの熱効率の向上を図る燃焼方法として、燃焼用空気に酸素を添加する酸素富化燃焼法がある。酸素富化燃焼法では、酸素濃度を高くすることで、火炎の温度や輝度が向上し、輻射伝熱効率が向上するため、バーナの熱効率の向上を図ることが可能となる。
このような酸素富化燃焼法を用いるバーナとしては、例えば、特許文献１に開示された酸素富化燃焼バーナがある。

しかし、従来の酸素富化燃焼バーナでは、空気燃焼法と比較して、火炎の温度が上昇するため、生成されるＮＯ_Ｘの量が増加してしまうという問題があった。特に、加熱炉内の燃焼用空気を予熱する場合、生成されるＮＯ_Ｘの量が極端に増加してしまう。
また、火炎において、局所的な高温部が形成されてしまうため、火炎の温度を均一にすることが困難であった。

一方、特許文献２には、低ＮＯ_Ｘバーナが開示されている。具体的には、特許文献２には、バーナタイルの中心部に設けた燃料ノズルの周囲に複数の主空気噴出口を燃料ノズルと若干の距離を隔てて設けることにより、炉内の排ガスを誘引するようにした自己排ガス再循環型低ＮＯ_Ｘバーナにおいて、燃料ノズルの周囲に、燃料ノズルに近接して複数の補助空気ノズルを設け、補助空気ノズルから０．１〜５．０ｋｇ／ｃｍ^２の高圧空気を噴出せしめて成る低ＮＯ_Ｘバーナが開示されている。

また、特許文献２には、バーナの中心から供給される燃料ガスを噴出させ、燃料ガスの外側から補助空気を噴出させることで形成される火炎（１次火炎）の周りに、酸素濃度の高い主空気が供給されることが開示されている。

特開平１０−１６９９２９号公報 特開平１１−１７３５０６号公報

しかしながら、特許文献２に開示された低ＮＯ_Ｘバーナでは、中心から供給される燃料ガス、及び補助空気で形成される火炎の周りに、酸素濃度の高い主空気が供給されるため、火炎の外周部の温度が上昇して、ＮＯ_Ｘの生成量が増加してしまうという問題があった。

そこで本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、酸素富化燃焼時において、火炎を均一な温度にして、ＮＯ_Ｘの生成を抑制することの可能なバーナの火炎形成方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、所定の方向に延在するバーナ本体と、該バーナ本体の先端の中心に配置され、１次酸化剤を噴出する１次酸化剤噴出口と、該１次酸化剤噴出口の外側に位置する前記バーナ本体の先端に配置され、燃料ガスを噴出する燃料ガス噴出口と、前記バーナ本体の外側に設けられるとともに、前記バーナ本体の中心軸に対して回転対称に配置され、２次酸化剤を噴出する複数の２次酸化剤噴出口と、該複数の２次酸化剤噴出口と前記燃料ガス噴出口との間に設けられ、３次酸化剤を旋回流として噴出する３次酸化剤噴出口と、を有するバーナを用いたバーナの火炎形成方法であって、前記バーナ本体の延在方向と同じ方向に、前記１次酸化剤及び前記燃料ガスを噴出させるとともに、前記バーナ本体の延在方向と同じ方向に、旋回流として前記３次酸化剤を噴出させ、前記１次酸化剤の噴出速度を前記燃料ガスの噴出速度よりも速くし、前記バーナ本体の中心軸から離間する方向に前記２次酸化剤を噴出させることで、火炎を形成することを特徴とするバーナの火炎形成方法が提供される。

また、請求項２に係る発明によれば、前記１次酸化剤の噴出速度が１００ｍ／ｓ以上３００ｍ／ｓ以下で、かつ前記燃料ガスの噴出速度を５０ｍ／ｓ以上１５０ｍ／ｓ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１記載のバーナの火炎形成方法が提供される。

また、請求項３に係る発明によれば、前記バーナは、前記バーナ本体の先端に拡がり角度が０°以上３０°以下とされた燃焼室を有しており、前記１次酸化剤及び前記燃料ガスは、前記燃焼室に噴出することを特徴とする請求項１または２記載のバーナの火炎形成方法が提供される。

また、請求項４に係る発明によれば、前記バーナ本体の中心軸と前記２次酸化剤の噴出方向とが成す角度を、０°以上３０°以下にすることを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載のバーナの火炎形成方法が提供される。

また、請求項５に係る発明によれば、前記燃料ガス噴出口に供給される前記燃料ガスを完全燃焼させる際に必要な酸素量を１００％とした場合において、前記１次酸化剤噴出口に供給される前記１次酸化剤に含まれる酸素量が５％以上３０％以下であることを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載のバーナの火炎形成方法が提供される。

また、請求項６に係る発明によれば、前記２次酸化剤噴出口に供給する前記２次酸化剤の流量Ｂと、前記３次酸化剤噴出口に供給する前記３次酸化剤の流量Ｃと、した場合、下記式（１）が成り立つことを特徴とする請求項１なしいし５のうち、いずれか１項記載のバーナの火炎形成方法が提供される。
０≦Ｃ／（Ｂ＋Ｃ）≦０．４ ・・・（１）

また、請求項７に係る発明によれば、前記１次酸化剤に含まれる酸素濃度が８０％以上であり、前記２次酸化剤が空気であることを特徴とする請求項１ないし６のうち、いずれか１項記載のバーナの火炎形成方法が提供される。

本発明によれば、酸素富化燃焼時において、火炎を均一な温度にして、ＮＯ_Ｘの生成を抑制できる。

本発明の第１の実施の形態のバーナの火炎形成方法を実施する際に使用するバーナの概略構成を示す断面図である。 図１に示す炉壁に固定されたバーナをＤ視した正面図である。 本発明の第２の実施の形態のバーナの火炎形成方法を実施する際に使用するバーナの概略構成を示す断面図である。 図３に示す炉壁に固定されたバーナをＩ視した正面図である。 比較例で使用したバーナの概略構成を示す断面図である。 実験例２で取得したＣ／（Ｂ＋Ｃ）とＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）との関係を示すグラフである。 前面部材本体の前面からの距離と試験炉の内壁の温度との関係を示すグラフである。 １次酸化剤の噴出速度とＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）及びＣＯ濃度との関係を示すグラフである。 燃料ガスの噴出速度とＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）及びＣＯ濃度との関係を示すグラフである。 酸化剤全体の流量に対する１次酸化剤の流量割合とＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）及びＣＯ濃度との関係を示す。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際のバーナの寸法関係とは異なる場合がある。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態のバーナの火炎形成方法を実施する際に使用するバーナの概略構成を示す断面図である。図１では、説明の便宜上、バーナ１０の構成要素ではない、加熱炉１１（炉壁１２も含む）を図示する。つまり、図１では、一例として、加熱炉１１にバーナ１０を設けた場合を図示している。
図１において、Ｅはバーナ本体１７の中心軸（以下、「中心軸Ｅ」という）、Ｘは中心軸Ｅの延在方向（以下、「方向Ｘ」という）、Ｆは２次酸化剤の噴出方向（以下、「方向Ｆ」という）、Ｇは方向Ｘの一方向であって、１次酸化剤及び燃料ガスの噴出方向（以下、「方向Ｇ」という）をそれぞれ示している。
図２は、図１に示す炉壁に固定されたバーナをＤ視した正面図である。図２において、図１に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。

初めに、図１及び図２を参照して、第１の実施の形態のバーナの火炎形成方法を実施する際に使用するバーナ１０の構成について説明する。
バーナ１０は、風箱１５と、バーナ本体１７と、を有する。風箱１５は、筒状部材２１と、ガイド部材２２と、背面部材２３と、前面部材２５と、フランジ部２６と、を有する。

筒状部材２１は、筒状部材本体２８と、２次酸化剤導入口２９と、を有する。筒状部材本体２８は、方向Ｘに延在するように配置されている。筒状部材本体２８は、その内部に２次酸化剤が導入される空間３１を有する。筒状部材本体２８の形状は、例えば、円筒形状とすることができる。

２次酸化剤導入口２９は、筒状部材本体２８の上部を貫通するように設けられている。２次酸化剤導入口２９は、２次酸化剤供給ライン（図示せず）を介して、２次酸化剤供給源（図示せず）と接続されている。２次酸化剤導入口２９は、空間３１内に２次酸化剤を導入するための導入口である。
２次酸化剤供給源（図示せず）が供給する２次酸化剤としては、例えば、酸素、酸素富化空気、空気のうちの、いずれか１種を用いることができる。
上述した２次酸化剤導入口２９及び空間３１は、２次酸化剤を供給する際の経路として機能する。

ガイド部材２２は、筒状部材２１よりもかなり厚さの薄い部材であり、筒状部材２１の先端面を除く、外面を覆うように配置されている。ガイド部材２２は、筒状部材２１の先端から突出するように設けられている。
ガイド部材２２のうち、筒状部材２１の先端から突出した部分は、炉壁１２に形成された貫通部１２Ａに配置されており、貫通部１２Ａを区画する炉壁１２と接触している。

背面部材２３は、第１の部分２３−１と、第２の部分２３−２と、貫通穴２３Ａと、を有する。
第１の部分２３−１は、空間３１の後端内に収容されており、空間３１の内径と略等しい外径とされている。例えば、空間３１の形状が円柱形状の場合、第１の部分２３−１の形状も円柱形状とすることができる。

第２の部分２３−２は、第１の部分２３−１と一体に構成されており、筒状部材２１の外側に配置されている。第２の部分２３−２は、第１の部分２３−１よりもかなり厚さの薄い部材である。
第２の部分２３−２は、第１の部分２３−１よりも拡径された部材であり、ボルト３３により、筒状部材本体２８の後端に固定されている。これにより、風箱１５の後端側が気密されている。

貫通穴２３Ａは、第１及び第２の部分２３−１，２３−２の中心を方向Ｘに貫通するように設けられている。貫通穴２３Ａの径は、バーナ本体１７の外径と略等しくなるように構成されている。貫通穴２３Ａは、バーナ本体１７の後端側を挿入するための穴である。
上記構成とされた背面部材２３は、バーナ本体１７の後端側を支持する機能を有する。

前面部材２５は、前面部材本体３４と、挿入穴３５と、燃焼室３７と、複数の２次酸化剤噴出口３８と、を有する。
前面部材本体３４は、板状とされた部材であり、平坦な前面３４ａ及び背面３４ｂを有する。前面部材本体３４は、背面３４ｂが筒状部材２８の先端面２８Ａと接触するように配置されている。
前面部材本体３４は、その一部がガイド部材２２内に配置されており、残部がガイド部材２２から突出している。前面部材本体３４は、炉壁１２を貫通する貫通部１２Ａに収容されている。これにより、前面部材本体３４の前面３４ａは、加熱炉１１内の雰囲気に露出されている。

挿入穴３５は、背面３４ｂ側から前面部材本体３４の中央部を貫通させた穴である。挿入穴３５は、バーナ本体１７の先端が挿入される部分である。
挿入穴３５の直径は、バーナ本体１７の先端の外径と略等しくなるように構成されている。

燃焼室３７は、挿入穴３５と前面部材本体３４の前面３４ａとの間に位置する前面部材本体３４に設けられている。バーナ本体１７の先端を露出する燃焼室３７の底面３７ａは、挿入穴３５の内径よりも拡径されている。
燃焼室３７は、バーナ本体１７の先端に設けられており、拡がり角度が０°以上３０°以下とされている。
拡がり角度が０°よりも小さいと、燃焼室３７からガスの吹き出し速度が速くなり、安定した火炎の形成が難しくなる恐れがある。一方、拡がり角度が３０°よりも大きいと、バーナ本体１７先端や燃焼室３７への、火炎による輻射伝熱量が大きくなり、バーナ本体１７の先端や燃焼室３７の損傷あるいは耐久性が低下する恐れがある。
したがって、拡がり角度を０°以上３０°以下とすることで、火炎の安定性を保持できるとともに、バーナ本体１７の損傷を抑制でき、さらにバーナ本体１７の耐久性を向上させることができる。
燃焼室３７の形状としては、例えば、円柱形状や円錐台形状等を用いることができる。
上記構成とされた燃焼室３７には、バーナ本体１７の先端から１次酸化剤及び燃料ガスが噴出される。

複数の２次酸化剤噴出口３８は、２次酸化剤を噴出する噴出口である。複数の２次酸化剤噴出口３８は、バーナ本体１７及び燃焼室３７の外側に位置する前面部材本体３４を貫通するように設けられており、空間３１と接続されている。
複数の２次酸化剤噴出口３８は、バーナ本体１７の中心軸Ｅに対して回転対称に配置されている。複数の２次酸化剤噴出口３８は、バーナ本体１７の中心軸Ｅから離間する方向に延在している。このため、複数の２次酸化剤噴出口３８から噴出する２次酸化剤は、中心軸Ｅから離間する方向Ｆに噴出される。

このような構成とされた複数の２次酸化剤噴出口３８を設けることで、複数の２次酸化剤噴出口３８から噴出する２次酸化剤が、加熱炉１１内のガスで希釈された後に、バーナ本体１７が形成する１次火炎中に取り込まれることになる。
これにより、火炎４０の温度が局所的に高温になることを抑制可能となるので、ＮＯ_Ｘの生成を抑制することができる。
なお、第１の実施の形態において、「１次火炎」とは、バーナ本体１７から供給される１次酸化剤及び燃料ガスのみで形成される還元火炎のことをいい、「火炎４０」とは、１次火炎に２次酸化剤が供給されることで形成される火炎のことをいう。

バーナ本体１７の中心軸Ｅと方向Ｆとが成す角度（以下、「角度θ１」という）は、例えば、０°よりも大きく、かつ３０°以下にするとよい。
角度θ１が０°以下であると、バーナ本体１７の中心軸Ｅから離間する方向に２次酸化剤を噴出させることが困難となる。これによって、加熱炉１１内のガスで２次酸化剤が十分に希釈されることなく、火炎４０に取り込まれるため、ＮＯ_Ｘの生成を抑制することが困難となってしまう。

一方、角度θ１を３０°よりも大きくすると、１次火炎への２次酸化剤の巻き込みが遅くなるため、火炎４０が極端に長くなったり、未燃が発生したりする恐れがある。
したがって、角度θ１を０°よりも大きく、かつ３０°以下にすることで、火炎４０が極端に長くなったり、未燃が発生したりすることを抑制した上で、ＮＯ_Ｘの生成を抑制することができる。

図２では、複数の２次酸化剤噴出口３８の一例として、４つの円形の噴出口を設けた場合を例に挙げて説明したが、複数の２次酸化剤噴出口３８の数や形状や大きさは、２次酸化剤の噴出速度を考慮して、適宜決定することができ、図２に示す２次酸化剤噴出口３８に限定されない。

フランジ部２６は、筒状部材２１と前面部材２５との境界付近に位置するガイド部材２１の外側に設けられている。フランジ部２６は、ボルト４１により外面１２ｂ側に位置する炉壁１２に固定されている。

バーナ本体１７は、先端部が挿入穴３５内に挿入されており、後端側の一部が貫通穴２３Ａに収容されている。これにより、バーナ本体１７は、風箱１５内に固定されている。
バーナ本体１７は、第１の環状部材４３と、１次酸化剤供給経路４５と、１次酸化剤噴出口４６と、第２の環状部材４８と、燃料ガス供給経路４９と、燃料ガス噴出口５１と、燃料ガス導入口５３と、を有する。

第１の環状部材４３は、方向Ｘに延在する円筒状の部材である。第１の環状部材４３の後端は、１次酸化剤供給ライン（図示せず）を介して、１次酸化剤供給源（図示せず）と接続されている。
１次酸化剤供給源（図示せず）が供給する１次酸化剤としては、例えば、酸素、酸素富化空気、空気のうちの、いずれか１種を用いることができる。
１次酸化剤供給経路４５は、第１の環状部材４３内に形成された方向Ｘに延在する空間である。１次酸化剤供給経路４５は、１次酸化剤供給源（図示せず）から供給された１次酸化剤をバーナ本体１７の先端側に位置する１次酸化剤噴出口４６に供給する。

１次酸化剤噴出口４６は、第１の環状部材４３の先端に配置されている。１次酸化剤噴出口４６は、燃焼室３７に露出されており、燃焼室３７に対して、方向Ｇに１次酸化剤を噴出させる。１次酸化剤噴出口４６の形状は、例えば、円形とすることができる。

第２の環状部材４８は、第１の環状部材４３との間に隙間を介在させた状態で、第１の環状部材４３の外側に配置されている。第２の環状部材４８は、円筒状の部材である。第１及び第２の環状部材４３，４８は、バーナ本体１７の中心軸Ｅに対して、同心円状に配置されている。
燃料ガス供給経路４９は、第１の環状部材４３と第２の環状部材４８との間に形成された筒状空間である。燃料ガス供給経路４９は、燃料ガスを燃料ガス噴出口５１に供給する機能を有する。

燃料ガス噴出口５１は、第１及び第２の環状部材４３，４８の先端で区画されている。
燃料ガス噴出口５１は、燃焼室３７に露出されており、燃焼室３７に対して、方向Ｇに燃料ガスを噴出させる。燃料ガス噴出口５１の形状は、例えば、リング形状とすることができる。
燃料ガス導入口５３は、第２の環状部材４８に設けられている。燃料ガス導入口５３は、燃料ガス供給ライン（図示せず）を介して、燃料ガス供給源（図示せず）と接続されている。
燃料ガス供給源（図示せず）が供給する燃料ガスとして、例えば、ＬＮＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）を用いることができる。

上記構成とされたバーナ本体１７の先端を介して、燃焼室３７に、１次酸化剤及び燃料ガスが噴出されることで、還元火炎である１次火炎が形成される。
そして、バーナ本体１７の中心軸Ｅから離間する方向に２次酸化剤を噴出させ、２次酸化剤を加熱炉１１内のガスで希釈させながら、上記１次火炎に取り込ませることで、温度が均一とされ、ＮＯ_Ｘの生成が低減された火炎４０が形成される。

次に、図１及び図２を参照して、バーナ１０を用いた第１の実施の形態のバーナの火炎形成方法について説明する。
第１の実施の形態のバーナの火炎形成方法では、バーナ本体１７の中心から、Ｇに１次酸化剤と、１次酸化剤の外側から、燃料ガスとを噴出させ、１次酸化剤の噴出速度を燃料ガスの噴出速度よりも速くし、燃料ガスの外側から、バーナ本体１７の中心軸Ｅから離間する方向に２次酸化剤を噴出させることで、火炎４０を形成する。

このように、バーナ本体１７から同じ方向に、１次酸化剤及び燃料ガスを噴出させるとともに、１次酸化剤の噴出速度を燃料ガスの噴出速度よりも速くすることで、全体的に均一な温度とされた還元火である１次火炎を形成することができる。
そして、燃料ガスの外側から、バーナ本体１７の中心軸Ｅから離間する方向に２次酸化剤を噴出させることで、加熱炉１１内のガスで希釈された２次酸化剤と１次火炎とが徐々に反応させることが可能となる。これによって、希釈されていない２次酸化剤を早い段階で１次火炎と反応させることが可能となる。
したがって、酸素富化燃焼時において、火炎４０に局所的な高温部分が形成されることを抑制可能となるので、ＮＯ_Ｘの生成を抑制することができる。

上記バーナの火炎形成方法において、例えば、１次酸化剤の噴出速度が１００ｍ／ｓ以上３００ｍ／ｓ以下で、かつ燃料ガスの噴出速度を５０ｍ／ｓ以上１５０ｍ／ｓ以下の範囲内にしてもよい。

このように、１次酸化剤の噴出速度が燃料の噴出速度より速い条件において、上記噴出速度の範囲内とすることで、バーナ本体１７の先端から離間した火炎４０を形成することが可能となり、バーナ本体１７の近傍に高温部分が形成されることを抑制できる。
また、酸素富化燃焼時において、１次酸化剤が燃焼ガスを十分に巻き込むことが可能となるので、火炎４０中の酸素濃度が低下し、局所的な高温部の形成が抑制可能となるので、ＮＯ_Ｘの生成を抑制することができる。

上記バーナの火炎形成方法において、例えば、１次酸化剤及び燃料ガスを、バーナ本体１７の先端に設けられた燃焼室３７に噴出させてもよい。

このように、燃焼室３７に１次酸化剤及び燃料ガスを噴出させることで、火炎４０の形成時において、燃焼室３７が高温を維持するため、バーナ本体１７の先端から離間した火炎４０を形成した場合でも、火炎４０を安定して形成することができる。

上記バーナの火炎形成方法において、バーナ本体１７の中心軸Ｅと２次酸化剤の噴出方向（つまり、方向Ｆ）とが成す角度θ１は、例えば、０°以上３０°以下にするとよい。
角度θ１が０°よりも小さいと、バーナ本体１７の中心軸Ｅから離間する方向に２次酸化剤を噴出させることが困難となる恐れがある。この場合、加熱炉１１内のガスで２次酸化剤を十分に希釈する前に、火炎４０に２次酸化剤が取り込まれるため、ＮＯ_Ｘの生成を抑制することが困難となる恐れがある。

一方、角度θ１を３０°よりも大きくすると、１次火炎への２次酸化剤の巻き込みが遅くなるため、火炎４０が極端に長くなったり、未燃が発生したりする恐れがある。
したがって、角度θ１を０°以上３０°以下にすることで、火炎４０が極端に長くなったり、未燃が発生したりすることを抑制した上で、ＮＯ_Ｘの生成を抑制できる。

上記バーナの火炎形成方法において、燃料ガス噴出口５１に供給される燃料ガスを完全燃焼させる際に必要な酸素量を１００％とした場合、１次酸化剤噴出口４６に供給する１次酸化剤に含まれる酸素量は、例えば、５％以上３０％以下にしてもよい。

１次酸化剤に含まれる酸素量が５％よりも少ないと、１次火炎の火炎長が長くなりすぎたり、未燃が発生したりする恐れがある。一方、１次酸化剤に含まれる酸素量が３０％よりも多いと、１次火炎の還元性が弱くなるため、ＮＯ_Ｘの生成が増加する恐れがある。
したがって、１次酸化剤に含まれる酸素量を５％以上３０％以下とすることで、１次火炎の火炎長が長くなりすぎたり、未燃が発生したりすることを抑制した上で、ＮＯ_Ｘの生成を抑制することができる。

上記バーナの火炎形成方法において、例えば、１次酸化剤に含まれる酸素濃度を８０％以上とし、２次酸化剤として空気を用いてもよい。

このように、１次酸化剤に含まれる酸素濃度を８０％以上とし、２次酸化剤として空気を用いることで、酸素の供給系統を1系統のみ準備すればよいため、設備の簡素化を図ることができるとともに、設備コストを抑制することができる。

上記バーナの火炎形成方法において、例えば、２次酸化剤噴出口３８に供給する２次酸化剤の温度は、６００℃以下にしてもよい。

２次酸化剤噴出口３８に供給する２次酸化剤の温度が、６００℃よりも高いと、ＮＯｘの生成が多くなる恐れがある。
したがって、２次酸化剤噴出口３８に供給する２次酸化剤の温度を、６００℃以下にすることで、火炎４０の温度を高温にすることが可能となるので、被加熱物への伝熱効率を向上させることができる。また、上記の温度範囲では、ＮＯ_Ｘの生成を抑制した燃焼を行うことができる。

第１の実施の形態のバーナの火炎形成方法によれば、バーナ本体１７の中心から、方向Ｇに対して、１次酸化剤、及び１次酸化剤の外側から燃料ガスを噴出させ、１次酸化剤の噴出速度を燃料ガスの噴出速度よりも速くすることで、全体的に均一な温度とされた還元火である１次火炎を形成することが可能となる。
また、燃料ガスの外側から、バーナ本体１７の中心軸Ｅから離間する方向に２次酸化剤を噴出させることで、加熱炉１１内のガスで希釈された２次酸化剤と１次火炎とを徐々に反応させることが可能となる。
したがって、酸素富化燃焼時において、火炎４０に局所的な高温部分が形成されることを抑制可能となるので、ＮＯ_Ｘの生成を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態のバーナの火炎形成方法を実施する際に使用するバーナの概略構成を示す断面図である。
図３では、説明の便宜上、バーナ６０の構成要素ではない、加熱炉１１（炉壁１２も含む）を図示する。つまり、図３では、一例として、加熱炉１１にバーナ６０を設けた場合を図示している。
図３において、図１及び図２に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
図４は、図３に示す炉壁に固定されたバーナをＩ視した正面図である。図４において、図１〜図３に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。

初めに、図３及び図４を参照して、第２の実施の形態のバーナの火炎形成方法を実施する際に使用するバーナ６０の構成について説明する。
バーナ６０は、第１の実施の形態で説明したバーナ１０を構成するバーナ本体１７に替えて、バーナ本体６１を有することと、複数の２次酸化剤噴出口３８の配置を十字配置からＸ字配置に変更したこと以外は、バーナ１０と同様に構成されている。

バーナ本体６１は、第１の実施の形態で説明したバーナ本体１７の構成に、さらに、第３の環状部材６２と、３次酸化剤供給経路６３と、３次酸化剤導入口６５と、旋回羽根６８と、３次酸化剤噴出口６９と、を有すること以外は、バーナ本体１７と同様に構成される。

第３の環状部材６２は、第２の環状部材４８の外側に配置された円筒状の部材である。第１ないし第３の環状部材４３，４８，６２は、バーナ本体６１の中心軸Ｅを中心とする同心円状に配置されている。
第３の環状部材６２は、第２の環状部材４８よりも方向Ｘの長さが短くなるように構成されている。第３の環状部材６２は、燃料ガス導入口５３を露出している。

３次酸化剤供給経路６３は、第２の環状部材４８と第３の環状部材６２との間に形成された円筒形状の空間である。３次酸化剤供給経路６３は、３次酸化剤を３次酸化剤噴出口６９に供給する機能を有する。
３次酸化剤導入口６５は、第３の環状部材６２に設けられている。３次酸化剤導入口６５は、３次酸化剤供給ライン（図示せず）を介して３次酸化剤供給源（図示せず）と接続されている。
３次酸化剤供給源（図示せず）が供給する３次酸化剤としては、例えば、酸素、酸素富化空気、空気のうち、いずれか１種を用いることができる。

旋回羽根６８は、挿入穴３５と貫通穴２３Ａとの間であって、挿入穴３５側に位置する３次酸化剤供給経路６３に設けられている。旋回羽根６８は、３次酸化剤供給源（図示せず）から供給された３次酸化剤を旋回流にする機能を有する。

３次酸化剤噴出口６９は、第２及び第３の環状部材４８，６２の先端で区画されている。
３次酸化剤噴出口６９は、燃焼室３７に露出されており、燃焼室３７に対して、方向Ｇに、旋回流とされた３次酸化剤を噴出させる。３次酸化剤噴出口６９の形状は、例えば、リング形状とすることができる。

次に、図３及び図４を参照して、バーナ１０を用いた第１の実施の形態のバーナの火炎形成方法について説明する。
第２の実施の形態のバーナの火炎形成方法では、火炎７０を形成する際に、複数の２次酸化剤噴出口３８と燃料ガス噴出口５１との間に設けられた３次酸化剤噴出口６９から３次酸化剤を旋回流として噴出させること以外は、第１の実施の形態のバーナの火炎形成方法と同様な手法により行うことができる。
このように、複数の２次酸化剤噴出口３８と燃料ガス噴出口５１との間に設けられた３次酸化剤噴出口６９から３次酸化剤を旋回流として噴出させることで、保炎効果により安定した火炎７０を形成することができる。

また、第２の実施の形態のバーナの火炎形成方法において、２次酸化剤噴出口３８に供給する２次酸化剤の流量Ｂと、３次酸化剤噴出口６９に供給する３次酸化剤の流量Ｃと、した場合、例えば、下記式（２）が成り立つように、２次酸化剤及び３次酸化剤の流量Ｂ，Ｃを設定してもよい。
０≦Ｃ／（Ｂ＋Ｃ）≦０．４ ・・・（２）

このように、上記式（２）が満たされるように、２次酸化剤の流量Ｂ、及び３次酸化剤の流量Ｃを調整することで、火炎７０の火炎長を制御することができる。
また、３次酸化剤の割合を多くすると、燃料ガスと３次酸化剤との混合が速くなるため、火炎７０の火炎長を短くすることができる。

第２の実施の形態のバーナの火炎形成方法によれば、複数の２次酸化剤噴出口３８と燃料ガス噴出口５１との間に設けられた３次酸化剤噴出口６９から３次酸化剤を旋回流として噴出させることで、保炎効果により安定した火炎７０を形成することができる。
また、第２の実施の形態のバーナの火炎形成方法は、第１の実施の形態のバーナの火炎形成方法と同様な効果を得ることができる。

なお、第２の実施の形態における火炎７０とは、バーナ本体６１から供給される１次酸化剤、３次酸化剤、及び燃料ガスで形成される１次火炎（還元火炎）に、２次酸化剤を供給することで形成される火炎のことをいう。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

以下、実施例及び比較例について説明するが、本発明は、下記実施例に限定されない。

（実験例１）
実験例１では、図１に示すバーナ１０を試験炉（図示せず）に設置し、表１に示す条件で、実施例１〜３の燃焼試験を行い、試験炉（図示せず）の出口付近におけるＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）を算出した。

表１に示すように、実施例１〜３では、１次酸化剤及び２次酸化剤を合計した酸化剤に含まれる酸素濃度は、２５％とした。
実施例１では、１次酸化剤及び２次酸化剤として、酸素濃度が２５％とされた酸素富化空気を用いた。実施例２では、１次酸化剤として、酸素濃度が２５％とされた酸素富化空気を用い、２次酸化剤として酸素濃度が２１％とされた空気を用いた。
実施例３では、１次酸化剤として、酸素濃度が２１％とされた空気を用い、２次酸化剤として酸素濃度が２５．２％とされた酸素富化空気を用いた。

次に、実施例１〜３のＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）を算出方法について説明する。
実施例１〜３のＮＯ_Ｘ濃度としては、下記式（３）を用いて、Ｏ_２１１％換算（酸素濃度の基準）のＮＯ_Ｘ濃度（ｐｐｍ）を求めた。
ＮＯ_Ｘ濃度（ｐｐｍ）＝（２１−換算Ｏ_２濃度）／（２１−実Ｏ_２濃度）× 実ＮＯ_Ｘ濃度（ｐｐｍ）・・・（３）

上記式（３）において、「実Ｏ_２濃度」は、排ガス中のＯ_２濃度を測定した値（堀場製作所製のＶＡ−３０００を用いて測定した値）を示している。「実ＮＯ_Ｘ濃度」は、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を測定した値（島津製作所製ＮＯＡ-７０００で測定した値）を示している。「２１」は、空気中の酸素濃度の数値で単位はパーセントを示している。
また、「換算Ｏ_２濃度」については、大気汚染防止法などで、標準酸素濃度補正を用いてＮＯ_Ｘ濃度を計算することに基づいて、実施例１〜３では換算Ｏ_２濃度を１１％で換算した。

図５は、比較例で使用したバーナの概略構成を示す断面図である。
実験例１では、図５に示すバーナ１００を試験炉（図示せず）に設置し、比較例の燃焼試験を行った。

ここで、図５を参照して、比較例で使用したバーナ１００の構成について、簡単に説明する。なお、バーナ１００は、特許文献２に開示されたバーナである。
バーナ１００は、燃料ガスが供給される内管１０１と、内管１０１の先端に設けられた原料ガス噴出口１０２と、内管１０１を収容する外管１０４と、内管１０１の先端及び外管１０４の先端で区画された補助酸化剤噴出口１０６と、主酸化剤通路１０８と、バーナタイル１０９と、バーナタイル１０９で区画され、主酸化剤を噴出する主酸化剤噴出口１１１と、を有する。

比較例で使用したバーナ１００は、バーナ１００の中心から燃料ガスを噴出させ、その外側から補助酸化剤を噴出させ、補助酸化剤の外側から主酸化剤を噴出させる構成とされている。
比較例では表３に示す条件を用いて、燃焼試験を行い、試験炉（図示せず）の出口付近におけるＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）を算出した。

表３を参照するに、比較例のＮＯ_Ｘ濃度は３２０ｐｐｍであった。一方、実施例１〜３のＮＯ_Ｘ濃度は、２６〜３６．７ｐｐｍであり、十分にＮＯ_Ｘ濃度を低減できることが確認できた。

（実験例２）
実験例２では、図２に示すバーナ６０を試験炉（図示せず）に設置し、表４に示す条件で、バーナ６０の燃焼試験を行い、実験例１と同様な手法により、試験炉（図示せず）の出口付近におけるＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）を算出した。
このとき、（３次酸化剤の流量Ｃ）／（２次酸化剤の流量Ｂ＋３次酸化剤の流量Ｃ）の値を、０〜０．７の範囲内で変更させた。以下、（３次酸化剤の流量Ｃ）／（２次酸化剤の流量Ｂ＋３次酸化剤の流量Ｃ）を単に、Ｃ／（Ｂ＋Ｃ）という。

図６に、実験例２で取得したＣ／（Ｂ＋Ｃ）とＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）との関係を示す。図６は、実験例２で取得したＣ／（Ｂ＋Ｃ）とＮＯ_Ｘ濃度との関係を示すグラフである。
図６を参照するに、Ｃ／（Ｂ＋Ｃ）の数値が大きくなるにつれて、ＮＯ_Ｘ濃度が大きくなることが判った。また、排ガス量１０万ｍ^３／ｈ以上の金属加熱炉を対象とした場合のＮＯ_ｘ規制値が１００ｐｐｍであることから、ＮＯ_Ｘ濃度を１００ｐｐｍ以下にするためには、Ｃ／（Ｂ＋Ｃ）の数値を０以上０．４以下にする必要があることが判った。

実験例２では、図２に示すバーナ６０を用いて、Ｃ／（Ｂ＋Ｃ）が０、０．２、０．４、０．６のときの前面部材本体４２の前面４２ａからの距離と試験炉の内壁の温度との関係を調べた。この結果を、図７に示す。また、このときの火炎の長さを目視で観察した。
図７は、バーナ本体の先端からの距離と試験炉の内壁の温度との関係を示すグラフである。

図７に示す結果を取得する際に観察した火炎の長さの結果から、３次酸化剤の割合を多くすると、火炎の長さが短くなるとともに、最高温度となる位置がバーナ本体６１に近づくことが判った。また、３次酸化剤の割合を調節することで、火炎の長さを調節可能なことが確認できた。
さらに、Ｃ／（Ｂ＋Ｃ）を０．６まで高くすると、火炎の長さが伸びる傾向にあった。これは、火炎の状態が変化したためであると考えられる。

（実験例３）
実験例３では、実験例１で使用した図１に示すバーナ１０を用いるとともに、表５に示す第１の条件を用いて燃焼試験を行った。
そして、実験例１と同様な手法により、試験炉（図示せず）の出口付近におけるＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）を算出するとともに、試験炉（図示せず）の出口付近におけるＣＯ濃度を測定した。
ＣＯ濃度は、堀場製作所製のＶＡ−３０００を用いて、測定した。

第１の条件を用いて、１次酸化剤の噴出速度とＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）及びＣＯ濃度との関係を調べた結果を図８に示す。
図８は、１次酸化剤の噴出速度とＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）及びＣＯ濃度との関係を示すグラフである。

図８を参照するに、ＮＯ_Ｘ濃度は、１次酸化剤の噴出速度が速くなると、低下していく傾向があり、ＣＯ濃度は、１次酸化剤の噴出速度が速くなると、増加していく傾向があることが判った。
図８に示す結果から、１次酸化剤の噴出速度は、１００ｍ／ｓ以上３００ｍ／ｓ以下の範囲内が好ましいことが確認できた。

また、実験例３では、実験例１で使用した図１に示すバーナ１０を用いるとともに、表５に示す第２の条件を用いて燃焼試験を行った。
そして、実験例１と同様な手法により、試験炉（図示せず）の出口付近におけるＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）を算出するとともに、試験炉（図示せず）の出口付近におけるＣＯ濃度を測定した。ＣＯ濃度は、上述した手法により測定した。
第２の条件を用いて、燃料ガスの噴出速度とＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）及びＣＯ濃度との関係を調べた結果を図９に示す。
図９は、燃料ガスの噴出速度とＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）及びＣＯ濃度との関係を示すグラフである。

図９を参照するに、ＮＯ_Ｘ濃度は、燃料ガスの噴出速度が速くなると、低下していく傾向があり、ＣＯ濃度は、燃料ガスの噴出速度が速くなると、増加していく傾向があることが判った。
図９に示す結果から、燃料ガスの噴出速度は、５０ｍ／ｓ以上１５０ｍ／ｓ以下の範囲内が好ましいことが確認できた。

図８及び図９に示す結果から、１次酸化剤の噴出速度を１００ｍ／ｓ以上３００ｍ／ｓ以下とし、燃料ガスの噴出速度を５０ｍ／ｓ以上１５０ｍ／ｓ以下にすることが好ましいことが判った。

（実験例４）
実験例４では、実験例１で使用した図１に示すバーナ１０を用いるとともに、表６に示す条件１〜６を用いて燃焼試験を行った。そして、１次酸化剤及び２次酸化剤の流量バランスを変えたときの試験炉（図示せず）の出口付近におけるＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）を算出するとともに、試験炉（図示せず）の出口付近におけるＣＯ濃度を測定した。このとき、目視で火炎の長さも観察した。
また、ＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）の算出、及びＣＯ濃度の測定は、上述した手法を用いた。これらの結果を図１０に示す。

図１０は、酸化剤全体の流量に対する１次酸化剤の流量割合とＮＯ_Ｘ濃度（Ｏ_２１１％換算）及びＣＯ濃度との関係を示す。
なお、酸化剤全体の流量に対する１次酸化剤の流量割合とは、下記式（４）から算出される割合のことをいう。
１次酸化剤の流量割合＝（１次酸化剤の流量）／（１次酸化剤の流量と２次酸化剤の流量とを合計した流量） ・・・（４）

図１０を参照するに、１次酸化剤の流量割合を高くすると、ＮＯ_Ｘ濃度は減少するが、火炎の長さが長くなり、ＣＯ濃度が高くなることが確認できた。

本発明は、鉄、非鉄、セラミックス等の製造に使用される加熱炉や焼成炉に使用されるバーナの火炎形成方法に適用可能である。

１０，６０…バーナ、１１…加熱炉、１２…炉壁、１２ａ…内面、１２ｂ…外面、１２Ａ…貫通部、１５…風箱、１７，６１…バーナ本体、２１…筒状部材、２２…ガイド部材、２３…背面部材、２３Ａ…貫通穴、２３−１…第１の部分、２３−２…第２の部分、２５…前面部材、２６…フランジ部、２８…筒状部材本体、２８Ａ…先端面、２９…２次酸化剤導入口、３１…空間、３３，４１…ボルト、３４…前面部材本体、３４ａ，４２ａ…前面、３４ｂ…背面、３５…挿入穴、３７…燃焼室、３７ａ…底面、３８…２次酸化剤噴出口、４０，７０…火炎、４２…前面部材本体、４３…第１の環状部材、４５…１次酸化剤供給経路、４６…１次酸化剤噴出口、４８…第２の環状部材、４９…燃料ガス供給経路、５１…燃料ガス噴出口、５３…燃料ガス導入口、６２…第３の環状部材、６３…３次酸化剤供給経路、６５…３次酸化剤導入口、６８…旋回羽根、６９…３次酸化剤噴出口Ｅ…中心軸、Ｆ，Ｇ…方向

Claims (7)

1. 所定の方向に延在するバーナ本体と、該バーナ本体の先端の中心に配置され、１次酸化剤を噴出する１次酸化剤噴出口と、該１次酸化剤噴出口の外側に位置する前記バーナ本体の先端に配置され、燃料ガスを噴出する燃料ガス噴出口と、前記バーナ本体の外側に設けられるとともに、前記バーナ本体の中心軸に対して回転対称に配置され、２次酸化剤を噴出する複数の２次酸化剤噴出口と、該複数の２次酸化剤噴出口と前記燃料ガス噴出口との間に設けられ、３次酸化剤を旋回流として噴出する３次酸化剤噴出口と、を有するバーナを用いたバーナの火炎形成方法であって、
   前記バーナ本体の延在方向と同じ方向に、前記１次酸化剤及び前記燃料ガスを噴出させるとともに、前記バーナ本体の延在方向と同じ方向に、旋回流として前記３次酸化剤を噴出させ、前記１次酸化剤の噴出速度を前記燃料ガスの噴出速度よりも速くし、前記バーナ本体の中心軸から離間する方向に前記２次酸化剤を噴出させることで、火炎を形成することを特徴とするバーナの火炎形成方法。
2. 前記１次酸化剤の噴出速度が１００ｍ／ｓ以上３００ｍ／ｓ以下で、かつ前記燃料ガスの噴出速度を５０ｍ／ｓ以上１５０ｍ／ｓ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１記載のバーナの火炎形成方法。
3. 前記バーナは、前記バーナ本体の先端に拡がり角度が０°以上３０°以下とされた燃焼室を有しており、
   前記１次酸化剤及び前記燃料ガスは、前記燃焼室に噴出することを特徴とする請求項１または２記載のバーナの火炎形成方法。
4. 前記バーナ本体の中心軸と前記２次酸化剤の噴出方向とが成す角度を、０°以上３０°以下にすることを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載のバーナの火炎形成方法。
5. 前記燃料ガス噴出口に供給される前記燃料ガスを完全燃焼させる際に必要な酸素量を１００％とした場合において、前記１次酸化剤噴出口に供給される前記１次酸化剤に含まれる酸素量が５％以上３０％以下であることを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載のバーナの火炎形成方法。
6. 前記２次酸化剤噴出口に供給する前記２次酸化剤の流量Ｂと、前記３次酸化剤噴出口に供給する前記３次酸化剤の流量Ｃと、した場合、下記式（１）が成り立つことを特徴とする請求項１なしいし５のうち、いずれか１項記載のバーナの火炎形成方法。
   ０≦Ｃ／（Ｂ＋Ｃ）≦０．４ ・・・（１）
7. 前記１次酸化剤に含まれる酸素濃度が８０％以上であり、
   前記２次酸化剤が空気であることを特徴とする請求項１ないし６のうち、いずれか１項記載のバーナの火炎形成方法。

Images