特開 2023-167402 バーナ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023167402

(43)【公開日】2023-11-24

(54)【発明の名称】バーナ

(51)【国際特許分類】

   F23D 14/22 20060101AFI20231116BHJP

   F23D 14/34 20060101ALI20231116BHJP

【ＦＩ】

F23D14/22 D

F23D14/34 ZAB

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022078564

(22)【出願日】2022-05-12

(71)【出願人】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】弁理士法人青海国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】菊池 賢太

(72)【発明者】

【氏名】荒川 聖長

(72)【発明者】

【氏名】茂木 徹

【テーマコード（参考）】

3K019

【Ｆターム（参考）】

3K019AA06

3K019BA01

3K019BB02

3K019CA03

3K019CC05

(57)【要約】

【課題】排ガス中のＮＯｘを低減する。
【解決手段】バーナ１００は、炉の内部空間に向けて設けられる１または複数の第１噴射口（燃料噴射口１１２ｃ）を含む第１噴射部１１０と、炉の内部空間に向けて設けられる１または複数の第２噴射口１３８を含み、第１噴射部１１０と離隔する第２噴射部１３０と、少なくとも水素を含む燃料ガスを第１噴射部１１０に供給する第１供給部１２０と、酸化剤ガスを第２噴射部１３０に供給する第２供給部１４０と、を備え、第１噴射部１１０から噴射される燃料ガスの流速は、１００ｍ／秒以上である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

炉の内部空間に向けて設けられる１または複数の第１噴射口を含む第１噴射部と、
前記炉の内部空間に向けて設けられる１または複数の第２噴射口を含み、前記第１噴射部と離隔する第２噴射部と、
少なくとも水素を含む燃料ガスを前記第１噴射部に供給する第１供給部と、
酸化剤ガスを前記第２噴射部に供給する第２供給部と、
を備え、
前記第１噴射部から噴射される前記燃料ガスの流速は、１００ｍ／秒以上である、バーナ。

【請求項2】

前記第２噴射部から噴射される前記酸化剤ガスの流速は、前記燃料ガスの流速の０．９倍以上である、請求項１に記載のバーナ。

【請求項3】

前記第１供給部は、
前記燃料ガスに加えて、前記燃料ガスに対する理論酸化剤量以上の目標酸化剤量の２０％未満の前記酸化剤ガスを前記第１噴射部に供給し、
前記第２供給部は、
前記第１噴射部に供給される前記酸化剤ガスの量と前記目標酸化剤量との差分の前記酸化剤ガスを前記第２噴射部に供給する、請求項１または２に記載のバーナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素を含む燃料ガスを燃焼させるバーナに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、地球温暖化を防止するために、ＣＯ_２（二酸化炭素）排出量の削減が求められている。このため、化石燃料に加えて、または、化石燃料に代えて、水素を燃焼させる技術が注目されている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１３９５７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

水素を燃焼させる場合の火炎の温度は、化石燃料のみを燃焼させる場合の火炎の温度よりも高い。したがって、空気中の窒素と酸素との反応によって生成されるサーマルＮＯｘ（窒素酸化物）が増加し、排ガス中のＮＯｘの濃度が上昇してしまうという問題がある。

【0005】

本発明は、このような課題に鑑み、排ガス中のＮＯｘを低減することが可能なバーナを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明のバーナは、炉の内部空間に向けて設けられる１または複数の第１噴射口を含む第１噴射部と、炉の内部空間に向けて設けられる１または複数の第２噴射口を含み、第１噴射部と離隔する第２噴射部と、少なくとも水素を含む燃料ガスを第１噴射部に供給する第１供給部と、酸化剤ガスを第２噴射部に供給する第２供給部と、を備え、第１噴射部から噴射される燃料ガスの流速は、１００ｍ／秒以上である。

【0007】

また、第２噴射部から噴射される酸化剤ガスの流速は、燃料ガスの流速の０．９倍以上であってもよい。

【0008】

また、第１供給部は、燃料ガスに加えて、燃料ガスに対する理論酸化剤量以上の目標酸化剤量の２０％未満の酸化剤ガスを第１噴射部に供給し、第２供給部は、第１噴射部に供給される酸化剤ガスの量と目標酸化剤量との差分の酸化剤ガスを第２噴射部に供給してもよい。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、排ガス中のＮＯｘを低減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１の実施形態に係るバーナを説明する図である。

【図2】第１噴射部の燃料噴射口、および、第２噴射部の第２噴射口を炉の内部空間側から見た図である。

【図3】第１噴射部から噴射される燃料ガスの流速とＮＯｘの濃度との関係を説明する図である。

【図4】第２噴射部から噴射される二次空気の流速とＮＯｘの濃度との関係を説明する図である。

【図5】仮想円の直径とＮＯｘの濃度との関係を説明する図である。

【図6】第２の実施形態に係るバーナを説明する図である。

【図7】目標空気量における一次空気量の比率と、排ガス中に含まれるＮＯｘの量との関係を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0012】

［第１の実施形態：バーナ１００］
図１は、第１の実施形態に係るバーナ１００を説明する図である。図１に示すように、バーナ１００は、炉を構成する炉壁１０に設けられる。炉は、例えば、ガラス溶解炉、金属（鉄鋼または非鉄金属）加熱炉、熱処理炉、焼成炉、ボイラの火炉等である。

【0013】

バーナ１００は、ＦＤＩ（Fuel Direct Injection）システムのバーナである。バーナ１００は、燃料ガスと酸化剤ガスとを別々に炉内に直接噴出させる。そうすると、これらの噴流が炉内の雰囲気ガスを大量に巻き込んで、自己排ガス再循環が行われる。自己排ガス再循環により、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合が緩慢となり、バーナ１００は、火炎温度を低く抑えて燃料ガスを燃焼させることができる。

【0014】

本実施形態において、燃料ガスは、水素を少なくとも含む。燃料ガスは、水素のみを含んでもよいし、水素に加えて炭化水素等を含んでもよい。炭化水素は、メタン、エタン、プロパン、ブタン等である。酸化剤ガスは、燃料ガスを燃焼させることができるガスである。ここでは、酸化剤ガスが、空気である場合を例に挙げる。

【0015】

図１に示すように、バーナ１００は、第１噴射部１１０と、第１供給部１２０と、第２噴射部１３０と、第２供給部１４０とを含む。

【0016】

第１噴射部１１０は、炉の内部空間に向けて設けられる。第１噴射部１１０は、燃料ガスを噴射する。本実施形態において、第１噴射部１１０は、燃料噴射ノズル１１２を有する。

【0017】

燃料噴射ノズル１１２は、燃料ガスを噴射するノズルである。燃料噴射ノズル１１２は、本体１１２ａと、燃料供給管１１２ｂと、燃料噴射口１１２ｃ（第１噴射口）とを含む。本体１１２ａは、円筒形状の管体である。本体１１２ａの中心軸は、炉壁１０に対して交差（ここでは、略直交）する。図１では、本体１１２ａにおける炉壁１０側（図１中、右側、以下「先端」という）に位置する先端部１１２ｄが先端に向かうにつれて径が漸減する形状の場合の例を示しているが、燃料噴射ノズル１１２の形状はこれに限らない。

【0018】

本体１１２ａの後部（本体１１２ａにおける炉壁１０側に対する逆側（図１中、左側、以下「後端」という）の部分）に、燃料供給管１１２ｂが接続される。

【0019】

また、本体１１２ａの先端に、開口である燃料噴射口１１２ｃが形成される。燃料噴射口１１２ｃは、炉の内部空間に臨む。

【0020】

第１供給部１２０は、燃料ガスを第１噴射部１１０に供給する。本実施形態において、第１供給部１２０は、燃料供給系統１２２を含む。燃料ガスは、燃料供給系統１２２から、燃料供給管１１２ｂを介して本体１１２ａ内に供給される。本体１１２ａ内に供給された燃料ガスは、本体１１２ａ内の空間を流れる。本体１１２ａ内を通過した燃料ガスは、燃料噴射口１１２ｃから炉の内部空間に噴射される。そして、噴射された燃料ガスは、不図示の着火装置によって着火され、炉の内部空間において火炎が形成される。

【0021】

第２噴射部１３０は、第１噴射部１１０によって噴射される燃料ガスに対し、径方向外側から空気（二次空気）を供給する。第２噴射部１３０は、目標空気量の空気を供給する。目標空気量は、第１供給部１２０によって第１噴射部１１０（燃料噴射ノズル１１２）に供給される燃料ガスに対する理論空気量以上の所定の空気量である。目標空気量は、例えば、理論空気量の１．０倍以上、１．５倍以下（空気比が１．０倍以上、１．５倍以下）である。理論空気量は、燃料ガスを完全燃焼させるために必要な最小の空気量である。

【0022】

本実施形態において、第２噴射部１３０は、主流路１３２と、複数の分岐流路１３４と、酸化剤供給管１３６と、第２噴射口１３８とを有する。主流路１３２は、バーナ本体ブロック１３２ａ内および耐火材製バーナヘッド１３２ｂ内に形成される流路である。主流路１３２は、円柱形状である。主流路１３２は、燃料噴射ノズル１１２の本体１１２ａと同軸上に、本体１１２ａを囲むように配置される。主流路１３２における炉壁１０側（図１中、右側、以下「先端」という）は、複数の分岐流路１３４に分岐される。分岐流路１３４は、耐火材製バーナヘッド１３２ｂ内に形成される流路である。分岐流路１３４は、主流路１３２よりも小径の円柱形状である。本実施形態において、分岐流路１３４は、例えば、６つ設けられる。

【0023】

主流路１３２の後部（主流路１３２における炉壁１０側に対する逆側（図１中、左側、以下「後端」という）の部分）に、酸化剤供給管１３６が接続される。主流路１３２の後端は、燃料噴射ノズル１１２の本体１１２ａの後端よりも炉壁１０側に位置する。

【0024】

また、分岐流路１３４の先端に、開口である第２噴射口１３８が形成される。ここでは、６つの第２噴射口１３８が形成される。第２噴射口１３８は、炉の内部空間に臨む。第２噴射口１３８は、燃料噴射口１１２ｃと離隔して設けられる。本実施形態において、複数の第２噴射口１３８は、燃料噴射口１１２ｃの径方向外方に設けられる。

【0025】

第２噴射口１３８は、燃料噴射口１１２ｃと略同一平面上に設けられる。つまり、分岐流路１３４の先端の軸方向の位置は、燃料噴射口１１２ｃの軸方向の位置と略一致する。

【0026】

図２は、第１噴射部１１０の燃料噴射口１１２ｃ、および、第２噴射部１３０の第２噴射口１３８を炉の内部空間側から見た図である。図２に示すように、６つの第２噴射口１３８は、燃料噴射口１１２ｃを中心とした仮想円ＶＣ上に略等間隔に配置される。仮想円ＶＣの直径Ｌｎ（P.C.D: Pitch Circle Diameter）については、後に詳述する。

【0027】

図１に戻って説明すると、第２供給部１４０は、二次空気を第２噴射部１３０に供給する。本実施形態において、第２供給部１４０は、酸化剤供給系統１４２を含む。二次空気は、酸化剤供給系統１４２から、酸化剤供給管１３６を介して主流路１３２内に供給される。主流路１３２内に供給された二次空気は、主流路１３２内の空間を流れる。そして、二次空気は、主流路１３２から分岐流路１３４に導かれ、第２噴射口１３８から炉の内部空間に噴射される。

【0028】

［第１噴射部１１０から噴射される燃料ガスの流速］
続いて、第１噴射部１１０（燃料噴射口１１２ｃ）から噴射される燃料ガスの流速について説明する。上記バーナ１００を用い、燃料ガスの流速Ｖｆを異ならせて、排ガスに含まれるＮＯｘの濃度をそれぞれ測定した。排ガスは、燃料ガスが燃焼することで生じる排ガスである。また、第２噴射部１３０から噴射される二次空気の流速Ｖａを９０ｍ／秒（ｓ）とした。

【0029】

図３は、第１噴射部１１０から噴射される燃料ガスの流速ＶｆとＮＯｘの濃度との関係を説明する図である。図３中、縦軸は、排ガスに含まれるＮＯｘの濃度を示し、横軸は、燃料ガスの流速Ｖｆ［ｍ／ｓ］を示す。

【0030】

図３に示すように、燃料ガスの流速Ｖｆを４０ｍ／ｓとした場合、ＮＯｘの濃度は、約１５ｐｐｍであった。また、燃料ガスの流速Ｖｆを１００ｍ／ｓとした場合、ＮＯｘの濃度は、約９ｐｐｍであった。燃料ガスの流速Ｖｆを１５０ｍ／ｓとした場合、ＮＯｘの濃度は、約９ｐｐｍであった。つまり、燃料ガスの流速Ｖｆを１００ｍ／ｓ以上とすることで、ＮＯｘの濃度を１０ｐｐｍ未満にできることが確認された。

【0031】

したがって、第１供給部１２０は、第１噴射部１１０（燃料噴射口１１２ｃ）から噴射される燃料ガスの流速Ｖｆが、１００ｍ／秒以上となるように、燃料ガスを第１噴射部１１０に供給する。これにより、バーナ１００は、排ガス中のＮＯｘを低減することができる。

【0032】

なお、燃料ガスの流速Ｖｆが１００ｍ／秒以上であれば、排ガス中のＮＯｘを低減できるため、燃料ガスの流速Ｖｆの上限に限定はない。ただし、燃料ガスの流速Ｖｆを高くするほど、第１供給部１２０の要求能力（燃料ガスの供給圧力等）が増加する。このため、燃料ガスの流速Ｖｆは、１００ｍ／秒以上、１５０ｍ／秒以下が好ましい。燃料ガスの流速Ｖｆを１５０ｍ／秒以下とすることにより、第１供給部１２０の要求能力を低減することができ、第１供給部１２０に要するコストを削減することが可能となる。

【0033】

［第２噴射部１３０から噴射される二次空気の流速］
続いて、第２噴射部１３０（第２噴射口１３８）から噴射される二次空気の流速について説明する。上記バーナ１００を用い、二次空気の流速Ｖａを異ならせて、排ガスに含まれるＮＯｘの濃度をそれぞれ測定した。また、第１噴射部１１０から噴射される燃料ガスの流速Ｖｆを１００ｍ／ｓとした。

【0034】

図４は、第２噴射部１３０から噴射される二次空気の流速ＶａとＮＯｘの濃度との関係を説明する図である。図４中、縦軸は、排ガスに含まれるＮＯｘの濃度を示し、横軸は、二次空気の流速Ｖａ［ｍ／ｓ］を示す。

【0035】

図４に示すように、二次空気の流速Ｖａを１８ｍ／ｓとした場合、ＮＯｘの濃度は、約１８ｐｐｍであった。また、二次空気の流速Ｖａを４０ｍ／ｓとした場合、ＮＯｘの濃度は、約１３ｐｐｍであった。二次空気の流速Ｖａを９０ｍ／ｓとした場合、ＮＯｘの濃度は、約９ｐｐｍであった。つまり、二次空気の流速Ｖａを９０ｍ／ｓ以上とすることで、ＮＯｘの濃度を１０ｐｐｍ未満にできることが確認された。

【0036】

したがって、第２供給部１４０は、第２噴射部１３０（第２噴射口１３８）から噴射される二次空気の流速Ｖａが、９０ｍ／秒以上となるように、二次空気を第２噴射部１３０に供給する。つまり、第２供給部１４０は、第２噴射部１３０から噴射される二次空気の流速Ｖａが、燃料ガスの流速Ｖｆの０．９倍以上となるように、二次空気を第２噴射部１３０に供給する。これにより、バーナ１００は、排ガス中のＮＯｘを低減することができる。

【0037】

なお、二次空気の流速Ｖａが９０ｍ／秒以上であれば、排ガス中のＮＯｘを低減できるため、二次空気の流速Ｖａの上限に限定はない。ただし、二次空気の流速Ｖａを高くするほど、第２供給部１４０の要求能力（二次空気の供給圧力等）が増加する。このため、例えば、空気予熱を行わない場合、つまり、二次空気が常温（例えば、２５℃）である場合、二次空気の流速Ｖａは、燃料ガスの流速Ｖｆの０．９倍以上、１．０倍以下が好ましい。二次空気の流速Ｖａを燃料ガスの流速の１．０倍以下とすることにより、第２供給部１４０の要求能力を低減することができ、第２供給部１４０に要するコストを削減することが可能となる。なお、空気予熱を行う場合、二次空気の流速Ｖａを１．０倍超とするとよい。これにより、バーナ１００は、排ガス中のＮＯｘをさらに低減することができる。

【0038】

［仮想円ＶＣの直径Ｌｎ］
続いて、燃料噴射口１１２ｃを中心とした仮想円ＶＣの直径Ｌｎについて説明する。

【0039】

図５は、仮想円ＶＣの直径ＬｎとＮＯｘの濃度との関係を説明する図である。図５中、縦軸は、排ガスに含まれるＮＯｘの濃度を示し、横軸は、仮想円ＶＣの直径Ｌｎ［ｍｍ］を示す。

【0040】

図５に示すように、仮想円ＶＣの直径Ｌｎが、１７０ｍｍである場合、２１５ｍｍである場合、２６０ｍｍである場合のいずれの場合であっても、ＮＯｘの濃度は、約１０ｐｐｍであった。

【0041】

炭化水素を燃焼させるバーナでは、仮想円ＶＣの直径Ｌｎが大きくなるほどＮＯｘの濃度は低下する。一方、水素を含む燃料ガスを燃焼させるバーナ１００では、仮想円ＶＣの直径Ｌｎを１７０ｍｍまで小さくしても、ＮＯｘの濃度を約１０ｐｐｍ程度に維持することができる。したがって、本実施形態に係るバーナ１００では、仮想円ＶＣの直径Ｌｎを１７０ｍｍ以上、２６０ｍｍ以下とすることで、ＮＯｘの濃度を約１０ｐｐｍに維持しつつ、バーナ１００の小型化を図ることができる。

【0042】

以上説明したように、本実施形態に係るバーナ１００は、水素を含む燃料ガスを１００ｍ／秒以上で噴出させる。これにより、バーナ１００は、火炎温度が炭化水素よりも高い水素であっても、排ガス中のＮＯｘの濃度を低減することができる。

【0043】

また、水素は、炭化水素と比較して、燃焼性に優れる。したがって、バーナ１００は、炉内が低温の状態にあり炭化水素のみでは当該バーナ１００単独で燃焼状態を維持することができない状況であっても、燃焼補助用のバーナ等を設置することなく、燃料ガスを安定して燃焼させることができる。これにより、バーナ１００は、従来の炭化水素用のバーナとは異なり、低温時用の補助バーナや燃料供給口等を省略することができ、設備の小型化、および、設備のコストダウンを図ることが可能となる。

【0044】

また、バーナ１００は、水素を含む燃料ガスを燃焼させるため、二次空気を予熱せずとも、安定してフレームレス燃焼を行うことができる。したがって、バーナ１００は、従来の炭化水素用のバーナとは異なり、二次空気を予熱する機構を省略することができ、設備の小型化、および、設備のコストダウンを図ることが可能となる。

【0045】

また、バーナ１００は、水素を含む燃料ガスを燃焼させるため、一次空気が不要となる。したがって、バーナ１００は、従来の炭化水素用のバーナとは異なり、一次空気を供給する機構を省略することができ、設備の小型化、および、設備のコストダウンを図ることが可能となる。

【0046】

［第２の実施形態：バーナ２００］
上記第１の実施形態において、第１噴射部１１０が燃料ガスのみを噴射する場合を例に挙げた。つまり、バーナ１００が、一次空気を噴射しない場合を例に挙げた。しかし、バーナ２００は、燃料ガスとともに一次空気を噴射してもよい。

【0047】

図６は、第２の実施形態に係るバーナ２００を説明する図である。バーナ２００は、上記バーナ１００と同様に、ＦＤＩシステムのバーナである。

【0048】

図６に示すように、第２の実施形態に係るバーナ２００は、第１噴射部２１０と、第１供給部２２０と、第２噴射部１３０と、第２供給部１４０とを含む。なお、上記バーナ１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0049】

本実施形態において、第１噴射部２１０は、燃料ガスおよび空気を噴射する。第１噴射部２１０は、炉の内部空間に向けて設けられる。本実施形態において、第１噴射部２１０は、燃料噴射ノズル２１２と、酸化剤ガス噴射ノズル２１４とを有する。

【0050】

燃料噴射ノズル２１２は、燃料ガスを噴射するノズルである。燃料噴射ノズル２１２は、本体２１２ａと、燃料供給管２１２ｂと、燃料噴射口２１２ｃ（第１噴射口）とを含む。本体２１２ａは、円筒形状の管体である。本体２１２ａの中心軸は、炉壁１０に対して交差（ここでは、略直交）する。

【0051】

本体２１２ａの後部（本体２１２ａにおける炉壁１０側に対する逆側（図６中、左側、以下「後端」という）の部分）に、燃料供給管２１２ｂが接続される。また、本体２１２ａの先端（本体２１２ａにおける炉壁１０側（図６中、右側）、以下「先端」という）に、開口である燃料噴射口２１２ｃが形成される。燃料噴射口２１２ｃは、炉の内部空間を向いている。

【0052】

酸化剤ガス噴射ノズル２１４は、燃料ガスと空気（一次空気）とを含む混合ガスを噴射するノズルである。酸化剤ガス噴射ノズル２１４は、本体２１４ａと、酸化剤供給管２１４ｂと、混合ガス噴射口２１４ｃ（第１噴射口）とを有する。本体２１４ａは、円筒形状の管体である。本体２１４ａは、燃料噴射ノズル２１２の本体２１２ａと同軸上に、本体２１２ａを囲むように配置される。つまり、燃料噴射ノズル２１２の本体２１２ａと、酸化剤ガス噴射ノズル２１４の本体２１４ａとによって、二重円筒構造が形成される。図６では、本体２１４ａにおける炉壁１０側（図６中、右側、以下「先端」という）に位置する先端部２１４ｄが先端に向かうにつれて径が漸減する形状の場合の例を示しているが、酸化剤ガス噴射ノズル２１４の形状はこれに限らない。

【0053】

本体２１４ａの後部（本体２１４ａにおける炉壁１０側に対する逆側（図６中、左側、以下「後端」という）の部分）に、酸化剤供給管２１４ｂが接続される。本体２１４ａの後端は、燃料噴射ノズル２１２の本体２１２ａの後端よりも炉壁１０側に位置する。

【0054】

また、本体２１４ａの先端に、開口である混合ガス噴射口２１４ｃが形成される。混合ガス噴射口２１４ｃは、炉の内部空間に臨む。

【0055】

なお、本実施形態において、燃料噴射ノズル２１２の燃料噴射口２１２ｃは、酸化剤ガス噴射ノズル２１４の本体２１４ａ内に位置するように設けられる。つまり、酸化剤ガス噴射ノズル２１４の混合ガス噴射口２１４ｃは、燃料噴射ノズル２１２の燃料噴射口２１２ｃよりも炉の内部空間側に設けられる。

【0056】

また、本実施形態において、第１噴射部２１０の混合ガス噴射口２１４ｃは、第２噴射部１３０の第２噴射口１３８と略同一平面上に設けられる

【0057】

第１供給部２２０は、燃料ガスおよび空気（一次空気）を第１噴射部２１０に供給する。本実施形態において、第１供給部２２０は、燃料供給系統１２２と、酸化剤供給系統２２４とを含む。本実施形態において、燃料ガスは、燃料供給系統１２２から、燃料供給管２１２ｂを介して本体２１２ａ内に供給される。本体２１２ａ内に供給された燃料ガスは、本体２１２ａ内の空間を流れる。本体２１２ａ内を通過した燃料ガスは、燃料噴射口２１２ｃから本体２１４ａの先端部２１４ｄ内に形成される空間に向けて噴射される。

【0058】

一次空気は、酸化剤供給系統２２４から、酸化剤供給管２１４ｂを介して本体２１４ａ内に供給される。本体２１４ａ内に供給された一次空気は、本体２１４ａ内の空間を流れる。そして、本体２１４ａの先端部２１４ｄに到達した一次空気は、先端部２１４ｄ内の空間において、燃料噴射口２１２ｃから噴射された燃料ガスと混合される。燃料ガスと一次空気とを含む混合ガスは、混合ガス噴射口２１４ｃから炉の内部空間に噴射される。

【0059】

また、本実施形態において、第１供給部２２０および第２供給部１４０は、合計で目標空気量の空気を供給する。

【0060】

［第１供給部２２０および第２供給部１４０の空気量の比］
続いて、本実施形態に係る第１供給部２２０によって第１噴射部１１０（酸化剤ガス噴射ノズル２１４）に供給される一次空気量と、第２供給部１４０によって第２噴射部１３０に供給される二次空気量との関係について説明する。上記バーナ２００を用い、目標空気量における一次空気量Ａ１の比率を異ならせて、排ガスに含まれるＮＯｘの濃度をそれぞれ測定した。

【0061】

図７は、目標空気量における一次空気量の比率と、排ガス中に含まれるＮＯｘの量との関係を説明する図である。図７中、縦軸は、排ガスに含まれるＮＯｘ量を示し、横軸は、目標空気量（Ａ１＋Ａ２）における一次空気量（Ａ１）の比率［％］を示す。

【0062】

図７に示すように、一次空気量Ａ１の比率を０％とした場合、ＮＯｘの濃度は、約１５ｐｐｍであった。また、一次空気量Ａ１の比率を１８％とした場合、ＮＯｘの濃度は、約２１ｐｐｍであった。一次空気量Ａ１の比率を３２％とした場合、ＮＯｘの濃度は、約４３ｐｐｍであった。また、一次空気量Ａ１の比率を４９％とした場合、ＮＯｘの濃度は、約４８ｐｐｍであった。一次空気量Ａ１の比率を６５％とした場合、ＮＯｘの濃度は、約５１ｐｐｍであった。同様に、一次空気量Ａ１の比率を８２％とした場合、ＮＯｘの濃度は、約５１ｐｐｍであった。また、一次空気量Ａ１の比率を１００％とした場合、つまり、二次空気量Ａ２の比率を０％とした場合、ＮＯｘの濃度は、約５１ｐｐｍであった。これにより、一次空気量Ａ１の比率を２０％未満とすることで、ＮＯｘの濃度を２５ｐｐｍ未満にできることが確認された。

【0063】

したがって、本実施形態において、第１供給部２２０は、目標空気量の２０％未満の空気を第１噴射部２１０に供給する。また、第２供給部１４０は、第１噴射部２１０に供給される空気量と目標空気量との差分の二次空気を第２噴射部１３０に供給する。これにより、バーナ２００は、排ガス中のＮＯｘを低減することができる。

【0064】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【0065】

例えば、上述した実施形態において、酸化剤ガスとして空気を例に挙げた。しかし、酸化剤ガスは、燃料ガスを燃焼させることができればよい。酸化剤ガスは、空気の他、例えば、酸素富化空気、酸素であってもよい。なお、酸化剤ガスが空気以外である場合、上記理論空気量は、理論酸化剤量となり、目標空気量は目標酸化剤量となる。理論酸化剤量は、燃料ガスを完全燃焼させるために必要な最小の酸化剤ガスの量である。

【0066】

また、上記実施形態において、燃料噴射ノズル１１２の本体１１２ａ、燃料噴射ノズル２１２の本体２１２ａ、および、酸化剤ガス噴射ノズル２１４の本体２１４ａが管体である場合を例に挙げた。しかし、燃料噴射ノズル１１２の本体１１２ａ、燃料噴射ノズル２１２の本体２１２ａ、および、酸化剤ガス噴射ノズル２１４の本体２１４ａは、バーナ本体ブロック１３２ａ内および耐火材製バーナヘッド１３２ｂ内に形成される流路であってもよい。

【0067】

同様に、上記実施形態において、主流路１３２がバーナ本体ブロック１３２ａ内および耐火材製バーナヘッド１３２ｂ内に形成される流路であり、分岐流路１３４が耐火材製バーナヘッド１３２ｂ内に形成される流路である場合を例に挙げた。しかし、主流路１３２、および、分岐流路１３４は、管体であってもよい。

【0068】

また、上記第１の実施形態において、第２噴射部１３０の第２噴射口１３８が、第１噴射部１１０の燃料噴射口１１２ｃと略同一平面上に設けられる場合を例に挙げた。しかし、第２噴射部１３０の第２噴射口１３８は、第１噴射部１１０の燃料噴射口１１２ｃと略同一平面上に設けられずともよい。例えば、第２噴射部１３０の第２噴射口１３８は、火炎に向けて設けられてもよい。

【0069】

同様に、上記第２の実施形態において、第２噴射部１３０の第２噴射口１３８が、混合ガス噴射口２１４ｃと略同一平面上に設けられる場合を例に挙げた。しかし、第２噴射部１３０の第２噴射口１３８は、第１噴射部２１０の混合ガス噴射口２１４ｃと略同一平面上に設けられずともよい。例えば、第２噴射部１３０の第２噴射口１３８は、火炎に向けて設けられてもよい。

【0070】

また、上記第１の実施形態において、第１噴射部１１０が燃料噴射口２１２ｃを１つ備える場合を例に挙げた。しかし、第１噴射部１１０は、複数の燃料噴射口２１２ｃを備えてもよい。

【0071】

また、上記第２の実施形態において、燃料噴射ノズル２１２の燃料噴射口２１２ｃが、酸化剤ガス噴射ノズル２１４の本体２１４ａ内に位置するように設けられる場合を例に挙げた。しかし、燃料噴射ノズル２１２の燃料噴射口２１２ｃは、酸化剤ガス噴射ノズル２１４の混合ガス噴射口２１４ｃと略同一平面上に設けられてもよいし、酸化剤ガス噴射ノズル２１４の本体２１４ａの先端から突出してもよい。この場合、混合ガス噴射口２１４ｃ（酸化剤噴射口）から一次空気が噴射され、炉の内部空間において混合ガスが生成される。また、混合ガス噴射口２１４ｃが一次空気を噴射する場合、燃料噴射口２１２ｃおよび混合ガス噴射口２１４ｃは、それぞれ複数設けられてもよいし、燃料噴射口２１２ｃが１つ設けられ、混合ガス噴射口２１４ｃが燃料噴射口１１２ｃを囲むように複数設けられてもよい。

【0072】

また、上記第２の実施形態において、第１噴射部２１０が燃料噴射ノズル２１２と酸化剤ガス噴射ノズル２１４とを備える場合を例に挙げた。しかし、第１噴射部２１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが流れる１のノズルを有していてもよい。この場合、混合ガスを噴射する第１噴射口を１または複数備える。

【0073】

また、上記実施形態において、第２噴射部１３０が、６つの第２噴射口１３８を備える場合を例に挙げた。しかし、第２噴射部１３０が備える第２噴射口の数に限定はない。例えば、第２噴射部１３０は、第２噴射口１３８を１つのみ備えていてもよいし、２以上備えていてもよい。なお、第２噴射部１３０は、第２噴射口１３８を３つ以上備える場合、略同一円周上に略等間隔で複数の第２噴射口１３８が設けられるとよい。また、第２噴射部１３０が複数の第２噴射口１３８を備えることにより、燃料ガスを効率よく燃焼させることができる。

【0074】

また、従来の炭化水素用のバーナを改造して、少なくとも水素を含む燃料ガスを燃焼させるバーナ１００としてもよい。例えば、従来の炭化水素用のバーナを第１噴射部とし、第２噴射部１３０を追加してバーナ１００とする。これにより、低コストでバーナ１００を製造することができる。また、第１噴射部に供給する燃料を、炭化水素と水素とに切り換え可能なハイブリッドバーナとすることもできる。

【符号の説明】

【0075】

１００ バーナ
１１０ 第１噴射部
１１２ｃ 燃料噴射口（第１噴射口）
１２０ 第１供給部
１３０ 第２噴射部
１３８ 第２噴射口
１４０ 第２供給部
２００ バーナ
２１０ 第１噴射部
２１２ｃ 燃料噴射口（第１噴射口）
２１４ｃ 混合ガス噴射口（第１噴射口）
２２０ 第１供給部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】