JP6430339B2 - フレームレス燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、炉の内部にフレームレス燃焼（flameless oxidation）を生じさせるフレームレス燃焼装置に関する。

フレームレス燃焼とは、酸化剤としての酸素の体積濃度が１３［％］以下となる酸化剤ガスを有効数字２桁で１２００［Ｋ］以上となる高温にして燃料ガスと混合した際に、燃料ガスの全ての可燃分が視認可能な火（可視火炎）を形成することなく酸化される現象のことをいう。このフレームレス燃焼には、燃料ガスの可燃分の酸化熱を通常の燃焼よりも高い熱効率で回収でき、さらに、窒素酸化物の発生量が非常に（例えば検出装置での検出が不可能な程度にまで）少なくなるというメリットが存在する。

ここで、フレームレス燃焼に似たメリットを有する現象としては、高温燃焼（high temperature combustion）が知られている。この高温燃焼は、通常の酸素濃度の空気または酸素濃度の低減された空気が、例えば１２００［Ｋ］程度の高温にされた状態で燃料を燃焼させる際の燃焼現象である。この高温燃焼には、燃料の燃焼熱を通常の燃焼よりも高い熱効率で回収できるというメリットが存在する。また、高温燃焼においては通常の燃焼よりも窒素酸化物の発生量を抑えられるとする文献が一部で知られている（例えば下記の特許文献２を参照。この特許文献２において「高温空気燃焼」と記載されている現象は、本明細書における「高温燃焼」と同種の現象である。）。ただし、高温燃焼における窒素酸化物の発生量は、フレームレス燃焼における窒素酸化物の発生量よりも多い。

フレームレス燃焼を生じさせるフレームレス燃焼装置に関しては、例えば下記の特許文献１に記載された技術が知られている。この技術では、閉じられた放射管にガス性燃料と酸素含有ガスとを供給して点火することで放射管内を加熱し、生じた燃焼ガスの一部を外部に排出する。この際、排出される燃焼ガスと放射管内に供給される酸素含有ガスとの熱交換により酸素含有ガスを加熱し、さらに、この酸素含有ガスに放射管内の燃焼ガスを混ぜて昇温させながら酸素濃度を薄くする。これにより、ガス性燃料が酸素含有ガスにより酸化されるフレームレス燃焼が放射管内において実現される。

特表２００６−５００５４３号公報 特許第５２１６３６９号公報

上記特許文献１に記載された技術では、放射管内にフレームレス燃焼を生じさせる際に、この放射管内の燃焼ガスと酸素含有ガスとを混ぜることで、この酸素含有ガスをフレームレス燃焼が可能な温度および酸素濃度の酸化剤ガスにする。ここで、上記特許文献１の技術を炉に適用してこの炉の内部にフレームレス燃焼を生じさせようとした場合、炉内の燃焼ガスと酸素含有ガスとを混ぜることで、この酸素含有ガスをフレームレス燃焼が可能な温度および酸素濃度の酸化剤ガスにすることとなる。このため、上記特許文献１の技術を内部の温度が変動する炉に適用した場合には、この炉の内部の温度が変動したときに、炉内の燃焼ガスの温度が変動されて、この燃焼ガスと混ぜられた酸化剤ガスがフレームレス燃焼を実現できない温度となるおそれがある。すなわち、上記特許文献１に記載された技術は、内部の温度が変動する炉に適用された場合には、この炉の内部にフレームレス燃焼を安定的に生じさせることができないものである。

本発明は、フレームレス燃焼に必要な燃焼ガスをフレームレス燃焼装置から供給する構成により、炉内の温度の変動にかかわらずこの炉内においてフレームレス燃焼を安定的に生じさせることを可能とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のフレームレス燃焼装置は以下の手段をとる。

まず、第１の発明は、炉に備えられて、この炉の内部にフレームレス燃焼を生じさせるフレームレス燃焼装置である。このフレームレス燃焼装置は、フレームレス燃焼により酸化されるべき燃料ガスを、ノズルを介して炉の内部に供給する燃料ガス流路を備えている。また、フレームレス燃焼装置は、フレームレス燃焼において燃料ガスを酸化する酸化剤ガスを、ノズルを介して炉の内部に供給する酸化剤ガス流路を備えている。ここで、酸化剤ガス流路のノズルは、酸化剤ガスと燃料ガスとが拡散して互いに混合して燃焼される距離よりも長い距離だけ、燃料ガス流路のノズルから離れた位置に設けられている。また、フレームレス燃焼装置は、フレームレス燃焼において燃料ガスが酸化された後に発生する発生ガスを炉の外部に排気する排気流路を備えている。また、フレームレス燃焼装置は、排気流路内の発生ガスが有する熱エネルギーによって酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを加熱する熱交換装置を備えている。また、フレームレス燃焼装置は、空気と燃料とが供給されて、この燃料を理論空燃比よりも大きな空燃比で完全燃焼させる希薄燃焼により、酸素ガスの体積濃度が１３［％］未満で、かつ、温度が有効数字２桁で１２００［Ｋ］よりも高い燃焼ガスを発生させる燃焼ガス発生装置を備えている。また、フレームレス燃焼装置は、燃焼ガス発生装置で発生した燃焼ガスを炉の内部に放出して、燃焼ガスと酸化剤ガス流路からの酸化剤ガスとの混合を炉の内部で実現させる放出路を備えている。

この第１の発明のフレームレス燃焼装置によれば、燃焼ガス発生装置から燃焼ガスを炉の内部に放出して酸化剤ガスと混ぜることで、この酸化剤ガスを含む混合気体をフレームレス燃焼が可能な温度および酸素濃度とすることができる。これにより、炉内の温度の変動にかかわらず、この炉内においてフレームレス燃焼を安定的に生じさせることが可能なフレームレス燃焼装置を提供することができる。また、上記第１の発明によれば、燃焼ガス発生装置において、燃料を理論空燃比よりも大きな空燃比で完全燃焼させる希薄燃焼（lean combustion）により燃焼ガスを発生させる。これにより、燃料の燃焼温度を低くしてサーマルＮＯ_x（ものが高温で燃焼する際に空気中の窒素ガスが酸化されて生じる窒素酸化物）の発生量を減らすことと、燃焼ガス中に残留された燃料の可燃分が酸化剤ガスにより燃焼されることによる窒素酸化物の発生をなくすこととが可能となる。また、上記第１の発明によれば、酸化剤ガス流路のノズルを燃料ガス流路のノズルから離すことで、酸化剤ガスと燃料ガスとが拡散して互いに混合して燃焼される拡散燃焼（diffusion combustion）を発生しにくくして、この拡散燃焼により窒素酸化物が発生されることを抑えることができる。

ついで、第２の発明は、上述した第１の発明において、上記燃焼ガス発生装置は、それぞれ後述する燃焼室と、パイロットバーナーと、燃料放出ノズルと、空気噴出ノズルとを備えているものである。ここで、燃焼室は、上記放出路と同軸となる筒状に形成されている。また、パイロットバーナーは、上記燃料に点火するための口火を燃焼室の中心に発生させる。また、燃料放出ノズルは、上記口火の周囲であって上記燃焼室の内壁面から離れた位置から、上記口火の周囲を旋回するように燃料を放出する。また、空気噴出ノズルは、常温の空気を、上記燃焼室の内壁面に沿って上記燃料の旋回と同じ向きに旋回させるように噴出する。

この第２の発明によれば、燃焼ガス発生装置の燃焼室における口火の周囲には、この口火を点火源として、空気噴出ノズルから旋回されるように噴出される空気が、同じく旋回される燃料放出ノズルからの燃料を燃焼させる旋回火炎が形成される。これにより、燃焼室において口火およびこの口火により点火される旋回火炎が立ち消えになることを抑えて、燃焼ガスの安定的な放出を実現させることができる。また、燃焼室を燃焼ガスの放出路と同軸となる筒状にする構成によれば、燃焼室の内壁面に沿って旋回する空気および上記旋回火炎により炉の内部に放出される燃焼ガスに渦を生じさせて、この燃焼ガスと酸化剤ガス流路からの酸化剤ガスとの混合を促進させることができる。また、燃焼室の内壁面に沿って噴出される空気を常温とする構成によれば、上記旋回火炎と燃焼室の内壁面との間に常温の空気を介在させて、旋回火炎の熱による燃焼室へのダメージを、温度調節装置を使うことなく抑えることができる。

さらに、第３の発明は、上述した第１または第２の発明において、燃料ガス流路のノズルは、炉の内部において放出路から燃焼ガスが放出される放出エリアに沿う位置から、放出路から放出エリアに放出される燃焼ガスの流れに沿った流れで燃料ガスを供給するものである。また、上記第３の発明においては、酸化剤ガス流路のノズルは、放出路から放出エリアに放出される燃焼ガスの流れにぶつかる流れで酸化剤ガスを供給する。

この第３の発明によれば、酸化剤ガス流路からの酸化剤ガスは、その流れが放出路からの燃焼ガスの流れとぶつかってこの燃焼ガスと混合された後に、燃料ガス流路からの燃料ガスと接触してフレームレス燃焼を生じさせる。これにより、燃焼ガスと混合される前の酸化剤ガスが燃料ガスと接触してこの燃料ガスが燃焼され、この燃焼により窒素酸化物が発生されることを回避することができる。

本発明の一実施形態にかかるフレームレス燃焼装置１０が備えられたるつぼ炉９０を表した要部断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面矢視図である。 図１のＩＩＩ線矢視図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線端面矢視図である。 図２と同様の断面矢視図であり、フレームレス燃焼装置１０の駆動状態を表す。 図２のＶＩ線矢視図である。 酸素ガスを含有する混合気体に混合されたプロパンガスの反応を表したグラフである。 図５の部分拡大図である。 図２のＩＸ−ＩＸ線端面矢視図である。

本発明の一実施形態にかかるフレームレス燃焼装置１０の構成について、図１ないし図９を用いて説明する。なお、以下においては、フレームレス燃焼装置１０をるつぼ炉９０の炉体９０Ｂ（図１参照）に取り付けるためのボルトおよび差し込み孔などの付随的な構成について、その詳細な説明を省略する。

フレームレス燃焼装置１０は、図１に示すように、本発明における「炉」に相当するるつぼ炉９０の炉体９０Ｂに備えられたフレームレス燃焼装置である。ここで、るつぼ炉９０は、炉体９０Ｂと炉の蓋９０Ｃとにより覆われるるつぼ炉９０の内部にアルミニウムの地金９２を入れたるつぼ９０Ａをセットして、このるつぼ９０Ａ内の地金９２を融解させて熔湯９２Ａとするるつぼ炉である。

フレームレス燃焼装置１０は、るつぼ炉９０の内部にフレームレス燃焼を生じさせることで、地金９２を融解させるための熱エネルギーを供給するようになっている。なお、るつぼ炉９０の内部に生じるフレームレス燃焼は、るつぼ炉９０の内部の温度を均一に上昇させ、かつ、視認可能な火（可視火炎）を出さないため、るつぼ炉９０の内部におけるどの位置で発生しているかを特定して図示することができないものである。

フレームレス燃焼装置１０は、図１ないし図３に示すように、全体として概略円筒状に形成されて、この円筒の外周側に円盤状のフランジ１０Ａを張り出させた構成となっている。そして、フレームレス燃焼装置１０は、炉体９０Ｂの壁に貫通されて、この壁において外側（図２で見て下側）となる部分とフランジ１０Ａとが互いに当接されてボルト止めされることによって、炉体９０Ｂに取り付けられるようになっている。

また、フレームレス燃焼装置１０において、るつぼ炉９０の外側（図２で見て下側）に突出される部分は、図１および図２に示すように、るつぼ炉９０に隣り合って設置された供給装置９１に埋め込まれている。この供給装置９１は、プロパンガスを主成分とする石油ガスおよび常温の空気を、それぞれ複数個所から別個に供給することができるようになっている。

フレームレス燃焼装置１０は、図５に示すように、るつぼ炉９０の内部にフレームレス燃焼を生じさせる際に、このるつぼ炉９０の内部に空気９３Ｂと燃料ガス９３Ａとを供給し、供給された空気９３Ｂを酸化剤ガスとして燃料ガス９３Ａを酸化させる。ここで、空気９３Ｂは、供給装置９１から供給される空気であり、フレームレス燃焼装置１０に備えられた酸化剤ガス流路１２に送り込まれて、この酸化剤ガス流路１２に設けられたノズル１２Ａを介してるつぼ炉９０の内部に供給される。また、燃料ガス９３Ａは、供給装置９１から供給される石油ガスであり、フレームレス燃焼装置１０に備えられた燃料ガス流路１１に送り込まれて、この燃料ガス流路１１に設けられたノズル１１Ａを介してるつぼ炉９０の内部に供給される。

なお、酸化剤ガス流路１２のノズル１２Ａと燃料ガス流路１１のノズル１１Ａとは、空気９３Ｂと燃料ガス９３Ａとが拡散して互いに混合することで燃焼される拡散燃焼が発生される距離よりも長い距離だけ、互いに離間させることが好ましい。このようにすることで、空気９３Ｂによる燃料ガス９３Ａの拡散燃焼を発生しにくくして、この拡散燃焼により窒素酸化物が発生されることを抑えることができる。

また、フレームレス燃焼において燃料ガス９３Ａが酸化された後に発生する高温（例えば１３００［Ｋ］程度）の発生ガス９３Ｄは、フレームレス燃焼装置１０に備えられた円筒状（図３参照）の排気流路１３Ａを通ってるつぼ炉９０の外部に排気される。ここで、排気流路１３Ａには、図１および図２に示すように、上方（図１で見て上側）に延びる煙突１０Ｂが接続されて、この煙突１０Ｂを介した排気ができるようになっている。

ところで、供給装置９１から供給される空気は、酸素ガスの体積濃度が２０［％］程度で温度が３００［Ｋ］程度の空気であり、石油ガスである燃料ガス９３Ａ（図８参照）をフレームレス燃焼させるためには、酸素濃度を薄くするとともに昇温させる必要があるものである。このため、フレームレス燃焼装置１０には、図５に示すように、排気流路１３Ａ内の発生ガス９３Ｄにより酸化剤ガス流路１２を流れる空気９３Ｂを加熱する熱交換装置１３が備えられている。また、フレームレス燃焼装置１０には、供給装置９１からの空気９５Ｃにより燃料９５Ｂを燃焼させることで、熱交換装置１３により加熱された空気９３Ｂよりも高温で酸素濃度が薄い燃焼ガス９３Ｃを発生させる燃焼ガス発生装置１４が備えられている。ここで、燃焼ガス９３Ｃは、熱交換装置１３により加熱された空気９３Ｂに混ぜられることで、この空気９３Ｂをさらに昇温させるとともにその酸素濃度を薄くする。

熱交換装置１３は、円筒状の内管１３Ｂとこの内管１３Ｂを外側から取り巻く円筒状の外管１３Ｃとの間に、排気流路１３Ａを多数本（例えば１８０本）の円筒に分割した細管１３Ｄと複数枚（例えば４枚）のバッフル１３Ｅとを配設した構成となっている。そして、熱交換装置１３は、供給装置９１からの空気９３Ｂを内管１３Ｂと外管１３Ｃとの間に流して、排気流路１３Ａの細管１３Ｄを流れる発生ガス９３Ｄが有する熱エネルギーを空気９３Ｂに移動させることで、この空気９３Ｂを加熱するようになっている。この際、各バッフル１３Ｅは、内管１３Ｂと外管１３Ｃとの間を流れる空気９３Ｂを蛇行させることで、発生ガス９３Ｄから空気９３Ｂへの熱エネルギーの移動を促進させるようになっている。本実施形態においては、熱交換装置１３は、発生ガス９３Ｄの温度を例えば１３００［Ｋ］程度から７００［Ｋ］程度にまで低下させ、空気９３Ｂの温度を例えば３００［Ｋ］程度から１１００［Ｋ］程度にまで上昇させる。

燃焼ガス発生装置１４は、図２に示すように、円筒状に形成されて熱交換装置１３の内管１３Ｂにはめ込まれる燃焼室１４Ｂと、この燃焼室１４Ｂの円筒の中心軸１４Ａと同軸となる筒状に形成された放出路１５とを備えている。本実施形態においては、放出路１５は一方側（図２では上側）に向かって肉厚が薄くなる厚肉円筒として形成されて、酸化剤ガス流路１２のノズル１２Ａおよび燃料ガス流路１１のノズル１１Ａと一体化されている。

なお、燃焼室１４Ｂおよび放出路１５の中心軸１４Ａは、るつぼ炉９０と供給装置９１との間に延びるように設定される。これにより、燃焼ガス発生装置１４および熱交換装置１３は、供給装置９１からるつぼ炉９０に向かって延びるように配設された状態となる。また、放出路１５は、肉厚が厚くなる側を燃焼ガス発生装置１４の燃焼室１４Ｂに向けた状態に配設されて、この燃焼室１４Ｂにおけるるつぼ炉９０側（図２では上側）の端にざぐり穴１５Ａおよび座金１５Ｂを介してボルト止めされている。

また、燃焼ガス発生装置１４の燃焼室１４Ｂにおいて放出路１５とは反対側（図２では下側）となる端には、燃焼室１４Ｂと同軸に形成されたパイロットバーナー１４Ｄ、燃料放出ノズル１４Ｅ、および、空気噴出ノズル１４Ｉが差し込まれている。ここで、空気噴出ノズル１４Ｉは、燃焼室１４Ｂに差し込まれてはめあわされることでこの燃焼室１４Ｂと同軸にされ、さらに燃焼ガス発生装置１４とは反対側（図２では下側）となる端がベース１０Ｃに組みつけられている。また、パイロットバーナー１４Ｄおよび燃料放出ノズル１４Ｅは、燃焼ガス発生装置１４とは反対側となる各端が空気噴出ノズル１４Ｉと一緒にベース１０Ｃに組みつけられることで、空気噴出ノズル１４Ｉおよび燃焼室１４Ｂと同軸にされる。

パイロットバーナー１４Ｄは、図２に示すように、中心軸１４Ａに沿って棒状に延びるように配設されたスパークロッド１４Ｊと、このスパークロッド１４Ｊを外側から取り巻く円筒状の内管１４Ｃと、この内管を外側から取り巻く円筒状の外管１４Ｇとを備えている。ここで、内管１４Ｃ、外管１４Ｇ、および、スパークロッド１４Ｊは、図６に示すように、燃焼室１４Ｂに差し込まれる側の各端部がスペーサー１４Ｈを介して連結されることで互いに同軸にされている。本実施形態においては、スペーサー１４Ｈは、内管１４Ｃの燃焼室１４Ｂ側の端を覆い、スパークロッド１４Ｊに向けて４本、外管１４Ｇに向けて３本のスポークを伸ばした状態に設けられている。

また、パイロットバーナー１４Ｄにおいて、内管１４Ｃは、図４および図８に示すように、供給装置９１から石油ガス９４Ａが送られて、この石油ガス９４Ａを燃焼室１４Ｂ（図４参照）内に放出するようになっている。また、外管１４Ｇは、供給装置９１Ａから空気９５Ａが送られて、この空気９５Ａを内管１４Ｃから放出された石油ガス９４Ａの周囲に放出するようになっている。そして、スパークロッド１４Ｊは、図４に示すように、内管１４Ｃから放出される石油ガス９４Ａ（図８参照）に火花放電による点火をすることで、中心軸１４Ａに沿ってるつぼ炉９０側（図４では上側）に噴き上がる口火９４を燃焼室１４Ｂの中心に発生させるようになっている。

また、燃料放出ノズル１４Ｅは、図３および図６に示すように、パイロットバーナー１４Ｄを外側から取り巻く円筒状に形成されている。そして、燃料放出ノズル１４Ｅは、図５に示すように、供給装置９１から送られる石油ガスを燃料９５Ｂとして、この燃料９５Ｂを燃焼室１４Ｂ内の口火９４の周囲に、この口火９４と同軸となるように噴き出して放出するようになっている。

また、空気噴出ノズル１４Ｉは、図４に示すように、燃料放出ノズル１４Ｅを外側から取り巻いてこの燃料放出ノズル１４Ｅを燃焼ガス発生装置１４の燃焼室１４Ｂの内壁面から離間させるように設けられている。そして、空気噴出ノズル１４Ｉは、供給装置９１から送られる常温の空気９５Ｃを噴出することで、口火９４を点火源とした燃料９５Ｂの燃焼を実現させるようになっている。これにより、燃焼ガス発生装置１４は、燃料９５Ｂの燃焼により生じる燃焼ガス９３Ｃを、放出路１５を介してるつぼ炉９０の内部に設定された放出エリア９３に放出し、このるつぼ炉９０の内部における空気９３Ｂと燃焼ガス９３Ｃとの混合を実現させる。

ところで、供給装置９１から供給される空気９５Ｃの量は、供給装置９１から供給される燃料９５Ｂを、理論空燃比よりも大きな空燃比で完全燃焼させる希薄燃焼を実現させるように設定されている。より詳しくは、空気９５Ｃの量は、燃料９５Ｂを希薄燃焼させた際に生じる燃焼ガス９３Ｃが、酸素ガスの体積濃度が３［％］以上１３［％］未満で、かつ、温度が有効数字２桁で１２００［Ｋ］よりも高い混合気体となるように設定されている。

ここで、上記各条件の意味について、図７を用いて説明する。酸素ガスを含有する混合気体において、その温度が比較的低く（例えば有効数字２桁で１２００［Ｋ］未満で）、その酸素ガスの体積濃度が比較的高い（図７の「通常の燃焼」に該当する）場合、混合気体に混ぜられたプロパンガスは、点火源が与えられたときに通常の燃焼あるいは高温燃焼によって燃焼される。この混合気体において、その酸素ガスの体積濃度が低くなっていくと、混合気体に混ぜられたプロパンガスは、不完全燃焼をおこすか燃焼が停止されるかによって、その可燃分が混合気体中に残るようになる（図７の「可燃分が残る」の領域を参照）。

また、混合気体の温度が比較的高く、その酸素ガスの体積濃度が比較的高い（図７の「高温燃焼」に該当する）場合、混合気体に混ぜられたプロパンガスは、点火源によらずに自然発火され、高温燃焼によって燃焼される。この混合気体において、その酸素ガスの体積濃度が低くなっていくと、混合気体に混ぜられたプロパンガスは、上記混合気体を酸化剤ガスとしたフレームレス燃焼により酸化される（図７の「フレームレス燃焼」の領域を参照）。ただし、混合気体中の酸素ガスの体積濃度が非常に低く（例えば３［％］未満に）なると、混合気体に混ぜられたプロパンガスの可燃分は混合気体中に残る（図７の「可燃分が残る」の領域を参照）。

すなわち、上述した「酸素ガスの体積濃度が１３［％］未満」および「温度が有効数字２桁で１２００［Ｋ］よりも高い」という各条件は、燃焼ガス９３Ｃと空気９３Ｂとの混合気体を、プロパンガスを主成分とする燃料ガス９３Ａのフレームレス燃焼が可能な状態にするために設定される。また、上述した「酸素ガスの体積濃度が３［％］以上」という条件は、有効数字２桁で１２００［Ｋ］以上の温度の混合気体である燃焼ガス９３Ｃの中に、プロパンガスを主成分とする燃料９５Ｂの可燃分が残らないようにするために設定される。

上述した各構成によれば、燃焼ガス発生装置１４から燃焼ガス９３Ｃをるつぼ炉９０の内部に設定された放出エリア９３に放出して、熱交換装置１３により加熱された空気９３Ｂと混ぜることで、この空気９３Ｂを含む混合気体をフレームレス燃焼が可能な温度（有効数字２桁で１２００［Ｋ］以上）および酸素濃度（酸素ガスの体積濃度が１３［％］以下）とすることができる。これにより、るつぼ炉９０（図１参照）の内部における温度の変動にかかわらず、このるつぼ炉９０の内部にフレームレス燃焼を安定的に生じさせることが可能なフレームレス燃焼装置１０を提供することができる。また、燃料９５Ｂの燃焼を希薄燃焼とすることで、燃料９５Ｂの可燃分を燃焼ガス９３Ｃ中に残留されないように完全燃焼させて、燃焼ガス９３Ｃ中に残留された燃料９５Ｂの可燃分が空気９３Ｂにより燃焼されて窒素酸化物が発生されることをなくすことができる。

ここで、空気は２０［％］程度の体積濃度の酸素ガスと、８０［％］程度の体積濃度の不活性ガス（inert gas）とを含む混合気体であり、ものを燃焼させる際にその燃焼熱の一部を不活性ガスの内部エネルギーの上昇に費やすものである。このため、燃焼ガス９３Ｃを発生させるための燃料９５Ｂの燃焼を希薄燃焼とすると、空気９５Ｃ中の不活性ガスがその内部エネルギーの上昇に費やす燃焼熱が増加されて、燃料９５Ｂの燃焼温度が低くなる。これにより、ものが高温で燃焼する際に空気９３Ｂ中の窒素ガスが酸化されて生じる窒素酸化物であるサーマルＮＯ_xの発生量を減らすことができる。なお、燃焼に際して気化される燃料（例えばガソリン）の燃焼を希薄燃焼とする場合、燃料が吸収する気化熱の影響が低減されることで燃料の燃焼温度が上昇することがあるが、燃焼ガス発生装置１４において燃焼される燃料９５Ｂは供給装置９１が供給する石油ガスであるため、上記気化熱の影響を考慮する必要はない。

ところで、燃料放出ノズル１４Ｅは、図４に示すように、複数穴（例えば１０穴、図３および図９を参照）の開口を備えたスワラー１４Ｆを介して燃料９５Ｂの放出を行うようになっている。ここで、スワラー１４Ｆの各開口は、図３および図６に示すように、燃焼室１４Ｂの内壁面に沿って等間隔に設けられて、それぞれが燃料放出ノズル１４Ｅの円筒における周方向の片側に向けて傾けられている（図６参照）。これにより、燃料放出ノズル１４Ｅは、図４および図６に示すように、口火９４（図４参照）の周囲を旋回するように燃料９５Ｂを噴き出して放出するようになっている。

また、空気噴出ノズル１４Ｉから噴出される空気９５Ｃは、図５に示すように、供給装置９１から熱交換装置１３の内管１３Ｂ内に送り込まれ、燃焼室１４Ｂの周壁と一体に設けられた空気流路１４Ｋを通って空気噴出ノズル１４Ｉに供給されるようになっている。ここで、空気流路１４Ｋは、図９に示すように、複数本（例えば４本）が空気噴出ノズル１４Ｉの内側面に沿って等間隔に配設されて、この内側面に沿う方向の一方側（図９では時計回り側）に空気９５Ｃを噴き出すようになっている。これにより、空気噴出ノズル１４Ｉは、図５および図６に示すように、空気９５Ｃを燃焼室１４Ｂの内壁面に沿って旋回させるように噴出するようになっている。なお、空気噴出ノズル１４Ｉから噴出される空気９５Ｃの旋回の向きは、図６に示すように、燃料放出ノズル１４Ｅから放出される燃料９５Ｂの旋回の向きと同じ向きになるように設定されている。

上述した各構成によれば、図４および図５に示すように、燃焼ガス発生装置１４における口火９４の周囲には、この口火９４を点火源として、空気噴出ノズル１４Ｉから旋回されるように噴出される空気９５Ｃが、同じく旋回される燃料放出ノズル１４Ｅからの燃料９５Ｂを燃焼させる旋回火炎９５が形成される。これにより、燃焼室１４Ｂにおいて口火９４および旋回火炎９５が立ち消えになることを抑えて、燃焼ガス９３Ｃの安定的な放出を実現させることができる。また、燃焼ガス発生装置１４の燃焼室１４Ｂを燃焼ガス９３Ｃの放出路１５と同軸となる筒状にする構成によれば、燃焼室１４Ｂの内壁面に沿って旋回する空気９５Ｃおよび旋回火炎９５により、るつぼ炉９０の内部に放出される燃焼ガス９３Ｃに渦を生じさせることができる。そして、燃焼ガス９３Ｃと酸化剤ガス流路１２からの空気９３Ｂとの混合を促進させることができる。また、燃焼室１４Ｂの内壁面に沿って噴出される空気９５Ｃを供給装置９１からの常温の空気とすることで、旋回火炎９５と燃焼室１４Ｂの内壁面との間に常温の空気９５Ｃを介在させて、旋回火炎９５の熱による燃焼室１４Ｂへのダメージを、温度調節装置を使うことなく抑えることができる。

さて、フレームレス燃焼装置１０において、燃料ガス流路１１は、図２および図３に示すように、輪環状の筒の複数個所（例えば４箇所）からるつぼ炉９０側（図２で見て上側）に分岐を延ばすように形成された分岐流路１１Ｂを備えている。この分岐流路１１Ｂの各分岐には、図２に示すように、座金１５Ｂに開けられた連結孔１５Ｃを介してノズル１１Ａが接続されている。この各ノズル１１Ａは、図３および図５に示すように、放出路１５の中心軸１４Ａと平行に延びるように配設されて、るつぼ炉９０の内部において放出路１５から燃焼ガス９３Ｃ（図５参照）が放出される放出エリア９３に沿う位置に開口されている。そして、各ノズル１１Ａは、図５に示すように、その開口から、放出路１５から放出エリア９３に放出される燃焼ガス９３Ｃの流れに沿った流れで燃料ガス９３Ａの供給を行うようになっている。

また、フレームレス燃焼装置１０において、酸化剤ガス流路１２は、図２ないし図４に示すように、熱交換装置１３からの空気９３Ｂ（図４参照）の出口となる部分がリング状の輪環路１２Ｂとして形成されている。この輪環路１２Ｂには、図４に示すように、座金１５Ｂの複数個所（例えば４箇所）に開けられた連結孔１５Ｄを介して、複数個（例えば４個）のノズル１２Ａが接続されている。この各ノズル１２Ａは、放出路１５の中心軸１４Ａに向かって延びるように傾けられた状態に配設されて、上述した放出エリア９３に沿う位置に開口されている。そして、各ノズル１２Ａは、その開口から、放出路１５から放出エリア９３に放出される燃焼ガス９３Ｃの流れにぶつかる流れで空気９３Ｂの供給を行うようになっている。

上述した各構成によれば、図５に示すように、酸化剤ガス流路１２からの空気９３Ｂは、その流れが放出路１５からの燃焼ガス９３Ｃの流れとぶつかってこの燃焼ガス９３Ｃと混合された後に、燃料ガス流路１１からの燃料ガス９３Ａと接触してフレームレス燃焼（図示せず）を生じさせる。これにより、燃焼ガス９３Ｃと混合される前の空気９３Ｂが燃料ガス９３Ａと接触してこの燃料ガス９３Ａが燃焼され、この燃焼により窒素酸化物が発生されることを回避することができる。

また、フレームレス燃焼装置１０において、ベース１０Ｃには、図２および図３に示すように、それぞれ棒状に形成されたパイロメーター９１Ａおよび火炎検出装置９１Ｂが、燃料放出ノズル１４Ｅの円筒を通してるつぼ炉９０の内部側（図２で見て上側）に露見されるように差し込まれている。ここで、パイロメーター９１Ａは、るつぼ炉９０の内部からの熱放射を感知することでるつぼ炉９０内の温度を測定し、この測定結果を外部に出力するようになっている。また、火炎検出装置９１Ｂは、燃焼室１４Ｂ内の口火９４および旋回火炎９５（図５参照）の明るさおよびこの明るさのゆらぎを感知することで口火９４および旋回火炎９５の各燃焼状態を検出し、この検出結果を外部に出力するようになっている。

続いて、上述したフレームレス燃焼装置１０を使用してるつぼ炉９０の内部にフレームレス燃焼を生じさせる際の操作手順について説明する。なお、以下においては、口火９４（図４参照）の立ち消えに対する復帰操作などの付随的な操作について、その詳細な説明を省略する。

るつぼ炉９０の内部にフレームレス燃焼を生じさせるにあたり、フレームレス燃焼装置１０のオペレーター（図示せず）は、まず、供給装置９１からパイロットバーナー１４Ｄへの石油ガス９４Ａおよび空気９５Ａの供給（図８参照）を開始させる。また、オペレーターは、フレームレス燃焼装置１０のスパークロッド１４Ｊを駆動させて火花放電を生じさせる。これにより、フレームレス燃焼装置１０は、その燃焼室１４Ｂの中心に口火９４を発生させる（図４参照）。

ついで、オペレーターは、火炎検出装置９１Ｂからの出力により口火９４の発生を確認して、スパークロッド１４Ｊの駆動を停止させる。また、オペレーターは、供給装置９１から燃料放出ノズル１４Ｅへの燃料９５Ｂの供給と、供給装置９１から空気噴出ノズル１４Ｉへの空気９５Ｃの供給とを開始させる（図５参照）。これにより、フレームレス燃焼装置１０における燃焼室１４Ｂの内部には旋回火炎９５が発生される。

続いて、オペレーターは、供給装置９１から燃料ガス流路１１への燃料ガス９３Ａの供給と、供給装置９１から酸化剤ガス流路１２への空気９３Ｂの供給とを開始させる。このとき、るつぼ炉９０の内部にはまだ高温（例えば１３００［Ｋ］程度）の発生ガス９３Ｄが発生されていないので、空気９３Ｂは熱交換装置１３による加熱がほとんど行われない状態でるつぼ炉９０内に供給される。このため、燃料ガス流路１１からるつぼ炉９０内に供給される燃料ガス９３Ａは、燃焼室１４Ｂ内の口火９４あるいは旋回火炎９５を点火源として、るつぼ炉９０内に残留された空気およびこのるつぼ炉９０内に供給される空気９３Ｂによって燃焼される。この燃焼は、るつぼ炉９０内の放出エリア９３において炎を出しながら行われて、るつぼ炉９０内の温度を例えば有効数字２桁で１３００［Ｋ］以上になるまで上昇させる。

ここで、燃料ガス９３Ａを燃焼させる空気は、燃焼ガス発生装置１４からの燃焼ガス９３Ｃと混ぜられることでその酸素濃度が薄くされている。このため、るつぼ炉９０内において、燃料ガス９３Ａは、この燃料ガス９３Ａの不完全燃焼によりすすを発生させながら、このすすを燃料ガス９３Ａの燃焼熱により加熱して輝かせる輝炎（luminous flame）によって燃焼される。この輝炎は、燃料ガス９３Ａを完全燃焼させる際に生じる炎と比べて、熱放射のエネルギー量が多く、るつぼ炉９０内の温度をより早く上昇させることができるというメリットを有している。

さて、るつぼ炉９０内において燃料ガス９３Ａが燃焼されると、るつぼ炉９０内における酸素ガスの体積濃度が減少されるとともに、発生された高温の燃焼ガス（図示せず）が排気流路１３Ａおよび煙突１０Ｂ（図１参照）を介して外部に排気される。この際、供給装置９１からるつぼ炉９０内に供給される空気９３Ｂは、排気流路１３Ａの細管１３Ｄ（図５参照）を通る燃焼ガスによって加熱され、さらにるつぼ炉９０内に残留された燃焼ガスおよび燃焼ガス発生装置１４からの燃焼ガス９３Ｃと混ぜられる。これにより、供給装置９１から供給される空気９３Ｂは、るつぼ炉９０内に供給される燃料ガス９３Ａをフレームレス燃焼させるようになる。

本発明は、上述した一実施形態で説明した外観、構成に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、以下のような各種の形態を実施することができる。

（１）本発明のフレームレス燃焼装置は、空気を酸化剤ガスとして石油ガスをフレームレス燃焼させるものに限定されない。すなわち、本発明のフレームレス燃焼装置は、石油ガスの代わりに、都市ガスまたは天然ガスなどの任意の燃料ガスを用いてフレームレス燃焼を実現させるものとすることができる。また、フレームレス燃焼に使用される酸化剤ガスは、純粋な酸素ガスまたは酸素ガスの体積濃度が３［％］以上となる任意の混合気体とすることができる。

（２）本発明のフレームレス燃焼装置は、アルミニウムの地金を融解させて熔湯とするるつぼ炉に備えられるものに限定されず、目標となる加熱温度をフレームレス燃焼により達成することができる任意の炉に備えられたものとすることができる。すなわち、本発明のフレームレス燃焼装置は、例えばプラスチックもしくはガラスのアニール処理、または、金属の焼きなまし処理において使用されるアニール炉に備えさせることができる。また、本発明のフレームレス燃焼装置は、例えば陶磁器の仮焼きもしくは上絵つけの焼成、または、生石灰を生産する際の石灰石の焼成において使用される焼成炉に備えさせることができる。

１０ フレームレス燃焼装置
１０Ａ フランジ
１０Ｂ 煙突
１０Ｃ ベース
１１ 燃料ガス流路
１１Ａ ノズル
１１Ｂ 分岐流路
１２ 酸化剤ガス流路
１２Ａ ノズル
１２Ｂ 輪環路
１３ 熱交換装置
１３Ａ 排気流路
１３Ｂ 内管
１３Ｃ 外管
１３Ｄ 細管
１３Ｅ バッフル
１４ 燃焼ガス発生装置
１４Ａ 中心軸
１４Ｂ 燃焼室
１４Ｃ 内管
１４Ｄ パイロットバーナー
１４Ｅ 燃料放出ノズル
１４Ｆ 噴き出し口
１４Ｇ 外管
１４Ｈ スペーサー
１４Ｉ 空気噴出ノズル
１４Ｊ スパークロッド
１４Ｋ 空気流路
１５ 放出路
１５Ａ ざぐり穴
１５Ｂ 座金
１５Ｃ 連結孔
１５Ｄ 連結孔
９０ るつぼ炉（炉）
９０Ａ るつぼ
９０Ｂ 炉体
９０Ｃ 炉の蓋
９１ 供給装置
９１Ａ パイロメーター
９１Ｂ 火炎検出装置
９２ 地金
９２Ａ 熔湯
９３ 放出エリア
９３Ａ 燃料ガス
９３Ｂ 空気（酸化剤ガス）
９３Ｃ 燃焼ガス
９３Ｄ 発生ガス
９４ 口火
９４Ａ 石油ガス
９５ 旋回火炎
９５Ａ 空気
９５Ｂ 燃料
９５Ｃ 空気

Claims (3)

1. 炉に備えられて、当該炉の内部にフレームレス燃焼を生じさせるフレームレス燃焼装置であって、
   前記フレームレス燃焼により酸化されるべき燃料ガスを、ノズルを介して前記炉の内部に供給する燃料ガス流路と、
   前記フレームレス燃焼において前記燃料ガスを酸化する酸化剤ガスを、当該酸化剤ガスと前記燃料ガスとが拡散して互いに混合して燃焼される距離よりも長い距離だけ、前記燃料ガス流路のノズルから離れた位置に設けられたノズルを介して前記炉の内部に供給する酸化剤ガス流路と、
   前記フレームレス燃焼において前記燃料ガスが酸化された後に発生する発生ガスを前記炉の外部に排気する排気流路と、
   前記排気流路内の前記発生ガスが有する熱エネルギーによって前記酸化剤ガス流路内の前記酸化剤ガスを加熱する熱交換装置と、
   空気と燃料とが供給されて、当該燃料を理論空燃比よりも大きな空燃比で完全燃焼させる希薄燃焼により、酸素ガスの体積濃度が１３［％］未満で、かつ、温度が有効数字２桁で１２００［Ｋ］よりも高い燃焼ガスを発生させる燃焼ガス発生装置と、
   前記燃焼ガス発生装置で発生した前記燃焼ガスを前記炉の内部に放出して、前記燃焼ガスと前記酸化剤ガス流路からの前記酸化剤ガスとの混合を前記炉の内部で実現させる放出路と、
   を備えている、
   フレームレス燃焼装置。
2. 請求項１に記載されたフレームレス燃焼装置であって、
   前記燃焼ガス発生装置は、
   前記放出路と同軸となる筒状に形成された燃焼室と、
   前記燃料に点火するための口火を前記燃焼室の中心に発生させるパイロットバーナーと、
   前記口火の周囲であって前記燃焼室の内壁面から離れた位置から、前記口火の周囲を旋回するように前記燃料を放出する燃料放出ノズルと、
   常温の空気を、前記燃焼室の内壁面に沿って前記燃料の旋回と同じ向きに旋回させるように噴出する空気噴出ノズルと、
   を備えている、
   フレームレス燃焼装置。
3. 請求項１または請求項２に記載されたフレームレス燃焼装置であって、
   前記燃料ガス流路のノズルは、前記炉の内部において前記放出路から前記燃焼ガスが放出される放出エリアに沿う位置から、前記放出路から前記放出エリアに放出される前記燃焼ガスの流れに沿った流れで前記燃料ガスを供給し、
   前記酸化剤ガス流路のノズルは、前記放出路から前記放出エリアに放出される前記燃焼ガスの流れにぶつかる流れで前記酸化剤ガスを供給する、
   フレームレス燃焼装置。
   

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