(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】P2023025485
(43)【公開日】2023-02-22
(54)【発明の名称】高温ガス発生装置
(51)【国際特許分類】
F23D 14/24 20060101AFI20230215BHJP
F23D 14/22 20060101ALI20230215BHJP
F23D 14/84 20060101ALI20230215BHJP
F23L 7/00 20060101ALI20230215BHJP
F23D 99/00 20100101ALI20230215BHJP
F23C 7/02 20060101ALI20230215BHJP
【ＦＩ】
F23D14/24 B
F23D14/22 D
F23D14/84 A
F23L7/00 B
F23D99/00
F23C7/02 303
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021130763
(22)【出願日】2021-08-10
(71)【出願人】
【識別番号】320011650
【氏名又は名称】大陽日酸株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001634
【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】山本 康之
(72)【発明者】
【氏名】萩原 義之
(72)【発明者】
【氏名】山口 雅志
(72)【発明者】
【氏名】阿部 圭佑
【テーマコード（参考）】
3K019
3K065
3K091
【Ｆターム（参考）】
3K019AA01
3K019BA03
3K019BB03
3K019CA02
3K065QB08
3K065QC03
3K091BB26
3K091CC06
3K091CC22
3K091FB33
3K091FB43
3K091FB48
3K091FB52
(57)【要約】
【課題】高温ガスを効率よく安定して生成でき、高温ガス発生炉を小型化することが可能な高温ガス発生装置を提供する。
【解決手段】燃料ガスＧ１と支燃性ガスＧ２とで火炎Ｆが形成される燃焼室１６を有し、火炎Ｆによって高温燃焼ガスＧ３を生成させるバーナ１０と、バーナ１０の燃焼室１６側に一端２１が接続されるとともに、燃焼室１６と連通する加熱室２３を内部に有した円筒形状とされ、加熱室２３内に火炎Ｆを形成させながら各被予熱ガスＧ４１，Ｇ４２を供給することで、高温燃焼ガスＧ３と各被予熱ガスＧ４１，Ｇ４２とを混合して高温ガスＧ５を生成させ、燃焼室１６と反対側の他端２２に配置された排出口２５から高温ガスＧ５を排出する高温ガス発生炉２０とを備え、バーナ１０は、火炎Ｆを、旋回流を有し、且つ、この旋回流の中心軸Ｊの近傍に逆流域を有するように形成させる。
【選択図】図１
【解決手段】燃料ガスＧ１と支燃性ガスＧ２とで火炎Ｆが形成される燃焼室１６を有し、火炎Ｆによって高温燃焼ガスＧ３を生成させるバーナ１０と、バーナ１０の燃焼室１６側に一端２１が接続されるとともに、燃焼室１６と連通する加熱室２３を内部に有した円筒形状とされ、加熱室２３内に火炎Ｆを形成させながら各被予熱ガスＧ４１，Ｇ４２を供給することで、高温燃焼ガスＧ３と各被予熱ガスＧ４１，Ｇ４２とを混合して高温ガスＧ５を生成させ、燃焼室１６と反対側の他端２２に配置された排出口２５から高温ガスＧ５を排出する高温ガス発生炉２０とを備え、バーナ１０は、火炎Ｆを、旋回流を有し、且つ、この旋回流の中心軸Ｊの近傍に逆流域を有するように形成させる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料ガスと支燃性ガスとで火炎が形成される燃焼室を有し、前記火炎によって高温燃焼ガスを生成させるバーナと、
前記バーナの前記燃焼室側に一端が接続されるとともに、前記燃焼室と連通する加熱室を内部に有した円筒形状とされ、前記加熱室内に前記火炎を形成させながら被予熱ガスを供給することで、前記高温燃焼ガスと前記被予熱ガスとを混合して高温ガスを生成させ、前記燃焼室と反対側の他端に配置された排出口から前記高温ガスを排出する高温ガス発生炉と、を備え、
前記バーナは、前記火炎を、旋回流を有し、且つ、該旋回流の中心軸の近傍に逆流域を有するように形成させることを特徴とする高温ガス発生装置。
前記バーナの前記燃焼室側に一端が接続されるとともに、前記燃焼室と連通する加熱室を内部に有した円筒形状とされ、前記加熱室内に前記火炎を形成させながら被予熱ガスを供給することで、前記高温燃焼ガスと前記被予熱ガスとを混合して高温ガスを生成させ、前記燃焼室と反対側の他端に配置された排出口から前記高温ガスを排出する高温ガス発生炉と、を備え、
前記バーナは、前記火炎を、旋回流を有し、且つ、該旋回流の中心軸の近傍に逆流域を有するように形成させることを特徴とする高温ガス発生装置。
【請求項2】
前記バーナは、前記燃焼室が、前記火炎の形成方向における先端側が拡径するように開口した有底円錐形状とされており、
前記燃焼室の底部に、前記燃料ガスを、前記バーナの中心軸に沿った旋回流で噴出する燃料ガス噴出口が開口しており、
さらに、前記燃焼室の内面における１以上の位置に、前記燃焼室の内部に前記支燃性ガスを噴出する支燃性ガス噴出口が開口しており、
前記支燃性ガスが、前記燃料ガスに向けて、該燃料ガスの旋回流に対する接線方向で噴出することにより、前記燃料ガスの旋回流の中心軸の近傍に逆流域を形成することを特徴とする請求項１に記載の高温ガス発生装置。
前記燃焼室の底部に、前記燃料ガスを、前記バーナの中心軸に沿った旋回流で噴出する燃料ガス噴出口が開口しており、
さらに、前記燃焼室の内面における１以上の位置に、前記燃焼室の内部に前記支燃性ガスを噴出する支燃性ガス噴出口が開口しており、
前記支燃性ガスが、前記燃料ガスに向けて、該燃料ガスの旋回流に対する接線方向で噴出することにより、前記燃料ガスの旋回流の中心軸の近傍に逆流域を形成することを特徴とする請求項１に記載の高温ガス発生装置。
【請求項3】
前記燃料ガス噴出口には、前記燃料ガスを前記旋回流として噴出する旋回羽根が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の高温ガス発生装置。
【請求項4】
前記旋回羽根は、前記燃料ガス噴出口において、該燃料ガス噴出口の中心軸に対して傾斜するように配置された複数の羽根部を備えていることを特徴とする請求項３に記載の高温ガス発生装置。
【請求項5】
前記バーナは、前記燃料ガス噴出口におけるスワール数が０．６５以上であることを特徴とする請求項２～請求項４の何れか一項に記載の高温ガス発生装置。
【請求項6】
前記バーナは、前記支燃性ガス噴出口が、前記支燃性ガスとして第１支燃性ガスを噴出する第１支燃性ガス噴出口と、前記支燃性ガスとして第２支燃性ガスを噴出する第２支燃性ガス噴出口とからなり、
前記第１支燃性ガス噴出口は、前記燃焼室の底部に開口するとともに、前記バーナの中心軸上において、平面視で前記燃料ガス噴出口に周囲を囲まれるように配置され、前記バーナの中心軸上に沿うように前記第１支燃性ガスを噴出し、
前記第２支燃性ガス噴出口は、前記燃焼室の側壁に配置され、前記燃料ガス及び前記第１支燃性ガスに向けて第２支燃性ガスを噴出することを特徴とする請求項２～請求項５の何れか一項に記載の高温ガス発生装置。
前記第１支燃性ガス噴出口は、前記燃焼室の底部に開口するとともに、前記バーナの中心軸上において、平面視で前記燃料ガス噴出口に周囲を囲まれるように配置され、前記バーナの中心軸上に沿うように前記第１支燃性ガスを噴出し、
前記第２支燃性ガス噴出口は、前記燃焼室の側壁に配置され、前記燃料ガス及び前記第１支燃性ガスに向けて第２支燃性ガスを噴出することを特徴とする請求項２～請求項５の何れか一項に記載の高温ガス発生装置。
【請求項7】
前記加熱室の内部には、前記被予熱ガスとして１次被予熱ガスを供給する１次被予熱ガス供給口と、前記被予熱ガスとして２次被予熱ガスを供給する２次被予熱ガス供給口とが開口しており、
前記１次被予熱ガス供給口は、前記高温ガス発生炉の一端側における、前記バーナの外周側から前記加熱室の内部に向けて前記１次被予熱ガスを噴出する位置で配置されており、
前記２次被予熱ガス供給口は、前記加熱室の内側面における少なくとも３箇所以上で、前記高温ガス発生炉の中心軸に向けて前記２次被予熱ガスを噴出する位置で同一断面上に配置されており、
前記２次被予熱ガス同士を前記高温ガス発生炉の中心軸の近傍で衝突させることで、前記一端に接続された前記バーナ側に向かう気流と、前記他端に配置された前記排出口側に向かう気流を形成することを特徴とする請求項１～請求項６の何れか一項に記載の高温ガス発生装置。
前記１次被予熱ガス供給口は、前記高温ガス発生炉の一端側における、前記バーナの外周側から前記加熱室の内部に向けて前記１次被予熱ガスを噴出する位置で配置されており、
前記２次被予熱ガス供給口は、前記加熱室の内側面における少なくとも３箇所以上で、前記高温ガス発生炉の中心軸に向けて前記２次被予熱ガスを噴出する位置で同一断面上に配置されており、
前記２次被予熱ガス同士を前記高温ガス発生炉の中心軸の近傍で衝突させることで、前記一端に接続された前記バーナ側に向かう気流と、前記他端に配置された前記排出口側に向かう気流を形成することを特徴とする請求項１～請求項６の何れか一項に記載の高温ガス発生装置。
【請求項8】
前記加熱室は、前記火炎の形成方向に沿った方向の炉内長Ｌ１と、炉内径Ｄとの比［Ｌ１／Ｄ］が１～３の範囲であることを特徴とする請求項７に記載の高温ガス発生装置。
【請求項9】
前記加熱室は、前記バーナと接続される前記一端から、前記２次被予熱ガス供給口までの距離Ｌ２と、前記炉内径Ｄとの比［Ｌ２／Ｄ］が０．７～２．１の範囲であることを特徴とする請求項８に記載の高温ガス発生装置。
【請求項10】
前記燃料ガスは、低位発熱量が２０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３以下であることを特徴とする請求項１～請求項９の何れか一項に記載の高温ガス発生装置。
【請求項11】
さらに、前記バーナを外周側から冷却する冷却ジャケットを備えることを特徴とする請求項１～請求項１０の何れか一項に記載の高温ガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高温ガス発生装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から、例えば、鉄、非鉄等の製錬やセラミックス焼成工程の雰囲気形成に利用される高温の不活性ガス、還元性ガス、酸化性ガスを発生させる方法として、燃料ガスと支燃性ガスとによって火炎を発生させるバーナを用いた方法が採用されている。
【0003】
上記のような高温ガスを発生させる方法として、例えば、円筒状の高温ガス発生炉に設けたバーナによって高温燃焼ガスを生成させ、この高温燃焼ガスと被予熱ガスとを混合することで高温ガスを発生させる方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特許文献１に開示された方法では、被予熱ガスを一次被予熱ガスと二次被予熱ガスに分割し、一次被予熱ガスをバーナ近傍の炉内壁から接線方向に噴出させ、その下流側で二次被予熱ガスを中心軸に向けて噴出させる（特許文献１の図３～５を参照）。これにより、高温ガス発生炉の中心軸に沿って進む、バーナによって形成された高温燃焼火炎が、二次被予熱ガスと衝突することで、燃焼ガスの流れに澱みが生じるので、反応時間が長くなって燃焼が促進されるのと同時に、高温燃焼ガスと各被予熱ガスとの混合が促進される。
特許文献１に開示された方法では、被予熱ガスを一次被予熱ガスと二次被予熱ガスに分割し、一次被予熱ガスをバーナ近傍の炉内壁から接線方向に噴出させ、その下流側で二次被予熱ガスを中心軸に向けて噴出させる（特許文献１の図３～５を参照）。これにより、高温ガス発生炉の中心軸に沿って進む、バーナによって形成された高温燃焼火炎が、二次被予熱ガスと衝突することで、燃焼ガスの流れに澱みが生じるので、反応時間が長くなって燃焼が促進されるのと同時に、高温燃焼ガスと各被予熱ガスとの混合が促進される。
【0004】
また、特許文献１には、バーナの外周側から一次被予熱ガスを噴出させるとともに、高温ガス発生炉の内壁から中心軸に向けて二次被予熱ガスを噴出させる方法が記載されている（特許文献１の図８，９を参照）。これにより、上記同様、高温ガス発生炉の中心軸に沿って進む、バーナによって形成された高温の燃焼火炎が、二次被予熱ガスと衝突することで、燃焼ガスの流れに澱みが生じるので、反応時間が長くなって燃焼が促進されるのと同時に、高温燃焼ガスと各被予熱ガスとの混合が促進される。
【0005】
上記のように、特許文献１に記載された何れの方法においても、バーナによって形成された高温の燃焼火炎を、二次被予熱ガスと衝突させることで、燃焼ガスの流れに澱みを生じさせて反応時間を長くすることで、燃焼の促進、並びに、高温燃焼ガスと各被予熱ガスとの混合の促進の両方を図る方法とされている。特許文献１によれば、従来に比べてコンパクトな炉で高温ガスを発生できるとされている。
【0006】
しかしながら、コンパクトな高温ガス発生炉を用いて、二次被予熱ガスを高温の燃焼火炎に向けて噴出させると、二次被予熱ガスがバーナ側に逆流し、バーナによって形成される火炎の燃焼状態が不安定になったり、燃焼状態を維持できなくなったりする懸念がある。特に、例えば、ＢＦＧ（Ｂｌａｓｔ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｇａｓ；高炉ガス）等のような、低位発熱量が２０００Ｋｃａｌ／Ｎｍ３以下である、発熱量の低い燃料を用いた場合には、上記のような二次被予熱ガスの逆流に伴う問題が顕著に発生する。
【0007】
また、二次被予熱ガスに衝突した高温の燃焼火炎が炉壁に向かって流れることで、炉壁が高温になり、高温ガス発生炉を構成する耐火物を溶損させたり、炉の寿命が短くなったりするという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特許第３３７８８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、高温ガスを効率よく安定して生成させることができるとともに、高温ガス発生炉を小型化することが可能な高温ガス発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記課題を解決するため、本発明は、以下の態様を包含する。
即ち、請求項１に係る発明は、燃料ガスと支燃性ガスとで火炎が形成される燃焼室を有し、前記火炎によって高温燃焼ガスを生成させるバーナと、前記バーナの前記燃焼室側に一端が接続されるとともに、前記燃焼室と連通する加熱室を内部に有した円筒形状とされ、前記加熱室内に前記火炎を形成させながら被予熱ガスを供給することで、前記高温燃焼ガスと前記被予熱ガスとを混合して高温ガスを生成させ、前記燃焼室と反対側の他端に配置された排出口から前記高温ガスを排出する高温ガス発生炉と、を備え、前記バーナは、前記火炎を、旋回流を有し、且つ、該旋回流の中心軸の近傍に逆流域を有するように形成させることを特徴とする高温ガス発生装置である。
即ち、請求項１に係る発明は、燃料ガスと支燃性ガスとで火炎が形成される燃焼室を有し、前記火炎によって高温燃焼ガスを生成させるバーナと、前記バーナの前記燃焼室側に一端が接続されるとともに、前記燃焼室と連通する加熱室を内部に有した円筒形状とされ、前記加熱室内に前記火炎を形成させながら被予熱ガスを供給することで、前記高温燃焼ガスと前記被予熱ガスとを混合して高温ガスを生成させ、前記燃焼室と反対側の他端に配置された排出口から前記高温ガスを排出する高温ガス発生炉と、を備え、前記バーナは、前記火炎を、旋回流を有し、且つ、該旋回流の中心軸の近傍に逆流域を有するように形成させることを特徴とする高温ガス発生装置である。
【0011】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の高温ガス発生装置であって、前記バーナは、前記燃焼室が、前記火炎の形成方向における先端側が拡径するように開口した有底円錐形状とされており、前記燃焼室の底部に、前記燃料ガスを、前記バーナの中心軸に沿った旋回流で噴出する燃料ガス噴出口が開口しており、さらに、前記燃焼室の内面における１以上の位置に、前記燃焼室の内部に前記支燃性ガスを噴出する支燃性ガス噴出口が開口しており、前記支燃性ガスが、前記燃料ガスに向けて、該燃料ガスの旋回流に対する接線方向で噴出することにより、前記燃料ガスの旋回流の中心軸の近傍に逆流域を形成することを特徴とする高温ガス発生装置である。
【0012】
また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載の高温ガス発生装置であって、前記燃料ガス噴出口には、前記燃料ガスを旋回流として噴出する旋回羽根が配置されていることを特徴とする高温ガス発生装置である。
【0013】
また、請求項４に係る発明は、請求項３に記載の高温ガス発生装置であって、前記旋回羽根は、前記燃料ガス噴出口において、該燃料ガス噴出口の中心軸に対して傾斜するように配置された複数の羽根部を備えていることを特徴とする高温ガス発生装置である。
【0014】
また、請求項５に係る発明は、請求項２～請求項４の何れかに記載の高温ガス発生装置であって、前記バーナは、前記燃料ガス噴出口におけるスワール数が０．６５以上であることを特徴とする高温ガス発生装置である。
【0015】
また、請求項６に係る発明は、請求項２～請求項５の何れかに記載の高温ガス発生装置であって、前記バーナは、前記支燃性ガス噴出口が、前記支燃性ガスとして第１支燃性ガスを噴出する第１支燃性ガス噴出口と、前記支燃性ガスとして第２支燃性ガスを噴出する第２支燃性ガス噴出口とからなり、前記第１支燃性ガス噴出口は、前記燃焼室の底部に開口するとともに、前記バーナの中心軸上において、平面視で前記燃料ガス噴出口に周囲を囲まれるように配置され、前記バーナの中心軸上に沿うように前記第１支燃性ガスを噴出し、前記第２支燃性ガス噴出口は、前記燃焼室の側壁に配置され、前記燃料ガス及び前記第１支燃性ガスに向けて第２支燃性ガスを噴出することを特徴とする高温ガス発生装置である。
【0016】
また、請求項７に係る発明は、請求項１～請求項６の何れかに記載の高温ガス発生装置であって、前記加熱室の内部には、前記被予熱ガスとして１次被予熱ガスを供給する１次被予熱ガス供給口と、前記被予熱ガスとして２次被予熱ガスを供給する２次被予熱ガス供給口とが開口しており、前記１次被予熱ガス供給口は、前記高温ガス発生炉の一端側における、前記バーナの外周側から前記加熱室の内部に向けて前記１次被予熱ガスを噴出する位置で配置されており、前記２次被予熱ガス供給口は、前記加熱室の内側面における少なくとも３箇所以上で、前記高温ガス発生炉の中心軸に向けて前記２次被予熱ガスを噴出する位置で同一断面上に配置されており、前記２次被予熱ガス同士を前記高温ガス発生炉の中心軸の近傍で衝突させることで、前記一端に接続された前記バーナ側に向かう気流と、前記他端に配置された前記排出口側に向かう気流を形成することを特徴とする高温ガス発生装置である。
【0017】
また、請求項８に係る発明は、請求項７に記載の高温ガス発生装置であって、前記加熱室は、前記火炎の形成方向に沿った方向の炉内長Ｌ１と、炉内径Ｄとの比［Ｌ１／Ｄ］が１～３の範囲であることを特徴とする高温ガス発生装置である。
【0018】
また、請求項９に係る発明は、請求項８に記載の高温ガス発生装置であって、前記加熱室は、前記バーナと接続される前記一端から、前記２次被予熱ガス供給口までの距離Ｌ２と、前記炉内径Ｄとの比［Ｌ２／Ｄ］が０．７～２．１の範囲であることを特徴とする高温ガス発生装置である。
【0019】
また、請求項１０に係る発明は、請求項１～請求項９の何れかに記載の高温ガス発生装置であって、前記燃料ガスは、低位発熱量が２０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３以下であることを特徴とする高温ガス発生装置である。
【0020】
また、請求項１１に係る発明は、請求項１～請求項１０の何れかに記載の高温ガス発生装置であって、さらに、前記バーナを外周側から冷却する冷却ジャケットを備えることを特徴とする高温ガス発生装置である。
【発明の効果】
【0021】
本発明に係る高温ガス発生装置によれば、上記のように、バーナが、火炎を、旋回流を有し、且つ、旋回流の中心軸の近傍に逆流域（循環流）を有するように形成させることにより、燃焼ガスの循環によって燃焼の促進が図られ、安定した火炎が形成される。また、火炎が上記の逆流域を有することにより、燃焼室における燃料ガス及び支燃性ガスの滞留時間が長くなるので、未燃の燃料ガス及び支燃性ガスが残存するのを抑制することが可能になる。これにより、高温ガスを効率よく安定して生成させることができるとともに、高温ガス発生炉を小型化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の第１実施形態である高温ガス発生装置の構成を模式的に説明する図であり、高温ガス発生装置の内部構造を示すとともに、燃料ガス、支燃性ガス、並びに被予熱ガスの各々の流れを、形成される火炎の旋回流とともに示す、高温ガス発生装置の軸方向に沿った断面図である。
【図4】本発明の第２実施形態である高温ガス発生装置の構成を模式的に説明する図であり、高温ガス発生装置の内部構造を示すとともに、燃料ガス、支燃性ガス、並びに被予熱ガスの各々の流れを、形成される火炎の旋回流とともに示す、高温ガス発生装置の軸方向に沿った断面図である。
【図5】本発明の第３実施形態である高温ガス発生装置の構成を模式的に説明する図であり、高温ガス発生装置の内部構造を示すとともに、燃料ガス、支燃性ガス、並びに被予熱ガスの各々の流れを、形成される火炎の旋回流とともに示す、高温ガス発生装置の軸方向に沿った断面図である。
【図6】本発明の第４実施形態である高温ガス発生装置の構成を模式的に説明する図であり、高温ガス発生装置の内部構造を示すとともに、燃料ガス、支燃性ガス、並びに被予熱ガスの各々の流れを、形成される火炎の旋回流とともに示す、高温ガス発生装置の軸方向に沿った断面図である。
【図7】本発明に係る高温ガス発生装置の実施例について説明する図であり、加熱室の一端から２次被予熱ガス供給口までの距離Ｌ２と炉内径Ｄとの比［Ｌ２／Ｄ］に対する、生成された高温ガス中に残存する酸素濃度の関係を示すグラフである。
【図8】本発明に係る高温ガス発生装置の実施例について説明する図であり、加熱室の一端から２次被予熱ガス供給口までの距離Ｌ２と炉内径Ｄとの比［Ｌ２／Ｄ］に対する、加熱室の内壁の温度と関係を示すグラフである。
【図9】本発明に係る高温ガス発生装置の実施例について説明する図であり、加熱室における火炎の形成方向に沿った方向の炉内長Ｌ１と炉内径Ｄとの比［Ｌ１／Ｄ］を０．８としたときの、排出口の中心からの径方向の距離と、排出口内における高温ガスの温度との関係を断面分布で示すグラフである。
【図10】本発明に係る高温ガス発生装置の実施例について説明する図であり、加熱室における火炎の形成方向に沿った方向の炉内長Ｌ１と炉内径Ｄとの比［Ｌ１／Ｄ］を１．０としたときの、排出口の中心からの径方向の距離と、排出口内における高温ガスの温度との関係を断面分布で示すグラフである。
【図11】本発明に係る高温ガス発生装置の実施例について説明する図であり、加熱室における火炎の形成方向に沿った方向の炉内長Ｌ１と炉内径Ｄとの比［Ｌ１／Ｄ］を０．３としたときの、排出口の中心からの径方向の距離と、排出口内における高温ガスの温度との関係を断面分布で示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、本発明を適用した一実施形態である高温ガス発生装置について、図１～図６を適宜参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【0024】
＜第１実施形態＞
以下に、本発明の第１実施形態である高温ガス発生装置の構成について詳細に説明する。
図１は、本実施形態の高温ガス発生装置１の内部構造を示すとともに、燃料ガスＧ１、支燃性ガスＧ２、１次被予熱ガス（被予熱ガス）Ｇ４１、並びに２次被予熱ガス（被予熱ガス）Ｇ４２の各々の流れを、形成される火炎Ｆの旋回流とともに示す断面図である。図２は、図１中に示した高温ガス発生装置１のＡ－Ａ断面図である。図３Ａは、図１中に示した高温ガス発生装置１の燃料ガス噴出口１２ａに設けられる旋回羽根１８を拡大して示す断面図であり、図３Ｂは、旋回羽根１８を拡大して示す側面図、図３Ｃは、旋回羽根１８を拡大して示す平面図である。
以下に、本発明の第１実施形態である高温ガス発生装置の構成について詳細に説明する。
図１は、本実施形態の高温ガス発生装置１の内部構造を示すとともに、燃料ガスＧ１、支燃性ガスＧ２、１次被予熱ガス（被予熱ガス）Ｇ４１、並びに２次被予熱ガス（被予熱ガス）Ｇ４２の各々の流れを、形成される火炎Ｆの旋回流とともに示す断面図である。図２は、図１中に示した高温ガス発生装置１のＡ－Ａ断面図である。図３Ａは、図１中に示した高温ガス発生装置１の燃料ガス噴出口１２ａに設けられる旋回羽根１８を拡大して示す断面図であり、図３Ｂは、旋回羽根１８を拡大して示す側面図、図３Ｃは、旋回羽根１８を拡大して示す平面図である。
【0025】
図１に示すように、本実施形態の高温ガス発生装置１は、燃料ガスＧ１と支燃性ガスＧ２とで火炎Ｆが形成される燃焼室１６を有し、火炎Ｆによって高温燃焼ガスＧ３を生成させるバーナ１０を備える。
また、高温ガス発生装置１は、バーナ１０の燃焼室１６側に一端２１が接続されるとともに、燃焼室１６と連通する加熱室２３を内部に有した円筒形状とされ、加熱室２３内に火炎Ｆを形成させながら１次被予熱ガスＧ４１及び２次被予熱ガスＧ４２を供給することで、高温燃焼ガスＧ３と被予熱ガスとを混合して高温ガスＧ５を生成させ、燃焼室１６と反対側の他端２２に配置された排出口２５から高温ガスＧ５を排出する高温ガス発生炉２０を備える。
そして、本実施形態の高温ガス発生装置１は、バーナ１０が、火炎Ｆを、旋回流を有し、且つ、この旋回流の中心軸（図１中における符号Ｊを参照）の近傍に逆流域を有するように形成させるものである。
また、高温ガス発生装置１は、バーナ１０の燃焼室１６側に一端２１が接続されるとともに、燃焼室１６と連通する加熱室２３を内部に有した円筒形状とされ、加熱室２３内に火炎Ｆを形成させながら１次被予熱ガスＧ４１及び２次被予熱ガスＧ４２を供給することで、高温燃焼ガスＧ３と被予熱ガスとを混合して高温ガスＧ５を生成させ、燃焼室１６と反対側の他端２２に配置された排出口２５から高温ガスＧ５を排出する高温ガス発生炉２０を備える。
そして、本実施形態の高温ガス発生装置１は、バーナ１０が、火炎Ｆを、旋回流を有し、且つ、この旋回流の中心軸（図１中における符号Ｊを参照）の近傍に逆流域を有するように形成させるものである。
【0026】
より詳細には、本実施形態で説明する例の高温ガス発生装置１は、バーナ１０の燃焼室１６が、火炎Ｆの形成方向における先端１１側が拡径するように開口した有底円錐形状とされており、燃焼室１６の底部１６ａに、燃料ガスＧ１を、バーナ１０の中心軸Ｊに沿った旋回流で噴出する燃料ガス噴出口１２ａが開口している。さらに、高温ガス発生装置１は、燃焼室１６の内面における１以上の位置、図１に示す例においては側壁１６ｂの複数箇所に、燃焼室１６の内部に支燃性ガスＧ２を噴出する支燃性ガス噴出口１３ａが開口している。そして、図１及び図２中に示すように、支燃性ガスＧ２が、燃料ガスＧ１に向けて、この燃料ガスＧ１の旋回流に対する接線方向で噴出することにより、燃料ガスＧ１の旋回流の中心軸Ｊの近傍に逆流域を形成する。
【0027】
また、図示例の高温ガス発生装置１は、さらに、バーナ１０を冷却するための冷却ジャケット３０を備える。
【0028】
なお、本明細書においては、高温ガス発生装置１における中心軸Ｊに関し、高温ガス発生装置１を構成するバーナ１０及び高温ガス発生炉２０における中心軸の他、各ガスの旋回流等の中心軸に対しても同じ符号（Ｊ）を付与して説明する。
【0029】
本実施形態の高温ガス発生装置１は、上記構成を有し、所謂直接燃焼方式により、高温燃焼ガスＧ３と被予熱ガスとを高温ガス発生炉２０内で直接混合することで、例えば、２００～１７００℃の高温ガスＧ５を生成する装置である。
高温ガス発生装置１で生成される高温ガスＧ５は、例えば、鉄、非鉄等の製錬や、セラミックス焼成のプロセス等における雰囲気形成に利用されるものである。具体的には、高温ガスＧ５は、例えば、高炉の炉頂ガス（ＢＦＧ）、コークス炉ガス（Ｃｏｋｅｓ Ｏｖｅｎ Ｇａｓ；ＣＯＧ）、天然ガス、水素ガス（Ｈ２）、一酸化炭素ガス（ＣＯ）、還元性ガス、並びにそれらの混合ガス等の可燃性成分を含むガス、あるいは酸素、酸素富化空気、又は不活性ガスを、バーナ１０で生成された高温燃焼ガスＧ３と直接混合して得られるものである。
高温ガス発生装置１で生成される高温ガスＧ５は、例えば、鉄、非鉄等の製錬や、セラミックス焼成のプロセス等における雰囲気形成に利用されるものである。具体的には、高温ガスＧ５は、例えば、高炉の炉頂ガス（ＢＦＧ）、コークス炉ガス（Ｃｏｋｅｓ Ｏｖｅｎ Ｇａｓ；ＣＯＧ）、天然ガス、水素ガス（Ｈ２）、一酸化炭素ガス（ＣＯ）、還元性ガス、並びにそれらの混合ガス等の可燃性成分を含むガス、あるいは酸素、酸素富化空気、又は不活性ガスを、バーナ１０で生成された高温燃焼ガスＧ３と直接混合して得られるものである。
【0030】
本実施形態の高温ガス発生装置１は、燃料ガスＧ１として、低い発熱量の可燃性ガスを用いることが出来るものであり、例えば、低位発熱量が２０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３以下である燃料ガスＧ１を用いることができる。このような、燃料ガスＧ１としては、例えば、天然ガスの他、燃料として、可燃性であること、及び水に不溶であること等の条件を満たすものを含むガスが挙げられる。
本実施形態の高温ガス発生装置１は、発熱量の低い燃料ガスを用いた場合であっても、高温ガスＧ５を効率よく安定して生成させることができるものである。
本実施形態の高温ガス発生装置１は、発熱量の低い燃料ガスを用いた場合であっても、高温ガスＧ５を効率よく安定して生成させることができるものである。
【0031】
ここで、本発明において説明する「低位発熱量」とは、熱量計で測定された高位発熱量から、水蒸気の凝縮潜熱に水蒸気量を乗じた値を差し引いたものであり、例えば、次式［（低位発熱量）＝（高位発熱量）－（水蒸気の凝縮潜熱）×（水蒸気量）］で算出することができる（再公表特許ＷＯ２０１４／１４８５３６の段落００８７を参照）。
また、発熱量の測定方法は、ＪＩＳ Ｋ２３０１：２０１１「燃料ガス及び天然ガス－分析・試験方法」で規定されており、例えば、「８．２ 計算によって求める方法（ガスクロマトグラフ法）」に規定された方法で、計算によって求めることができる。
また、発熱量の測定方法は、ＪＩＳ Ｋ２３０１：２０１１「燃料ガス及び天然ガス－分析・試験方法」で規定されており、例えば、「８．２ 計算によって求める方法（ガスクロマトグラフ法）」に規定された方法で、計算によって求めることができる。
【0032】
また、本実施形態で説明する支燃性ガスＧ２、並びに、詳細を後述する第１支燃性ガスＧ２１及び第２支燃性ガスＧ２２（図４等を参照）としては、例えば、酸素富化空気、又は、酸素等が挙げられる。
また、１次被予熱ガスＧ４１及び２次被予熱ガスＧ４２としては、例えば、窒素ガス（Ｎ２）等が挙げられる。
また、１次被予熱ガスＧ４１及び２次被予熱ガスＧ４２としては、例えば、窒素ガス（Ｎ２）等が挙げられる。
【0033】
バーナ１０は、燃料ガスＧ１と支燃性ガスＧ２とで火炎Ｆを形成する燃焼室１６と、燃焼室１６の底部１６ａに開口し、燃料ガス供給路１２を介して燃焼室１６に燃料ガスＧ１を供給する燃料ガス噴出口１２ａと、燃焼室１６の側壁１６ｂに開口し、支燃性ガス供給路１３を介して燃焼室１６に支燃性ガスＧ２を供給する支燃性ガス噴出口１３ａとを備える。
【0034】
燃焼室１６は、図示例においては、先端１１側が拡径するように開口し、有底円錐形状に形成された凹部とされ、縦断面で略台形状とされる。バーナ１０は、上述したように、この燃焼室１６内において火炎Ｆを発生させることで、バーナ１０の下流側、即ち、高温ガス発生炉２０に向けて高温燃焼ガスＧ３を生成する。
【0035】
燃焼室１６の内部には、上述したように、燃料ガス噴出口１２ａ及び支燃性ガス噴出口１３ａが開口し、燃焼室１６内において、燃料ガス噴出口１２ａから噴出する燃料ガスＧ１と、支燃性ガス噴出口１３ａから噴出する支燃性ガスＧ２とで火炎Ｆが形成される。
【0036】
燃料ガス供給路１２は、図示例では、燃焼室１６の底部１６ａにおいて中心軸Ｊよりも外側の位置に開口した燃料ガス噴出口１２ａから、バーナ１０の軸方向で燃料ガスＧ１を噴出する。燃料ガス供給路１２は、例えば、図示略の燃料流路管や燃料制御部を介して燃料ガスＧ１が充填されたタンク等に接続され、この燃料ガスＧ１を、燃料ガス噴出口１２ａから燃焼室１６内に向けて噴出する。
【0037】
燃料ガス噴出口１２ａは、詳細な図示は省略するが、例えば、燃焼室１６の底部１６ａにおける、中心軸Ｊを中心とした円周上において、中心軸Ｊを取り囲むように、複数且つ均等間隔で配置される。
なお、複数の燃料ガス噴出口１２ａは、燃焼室１６の底部１６ａに開口していれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。
なお、複数の燃料ガス噴出口１２ａは、燃焼室１６の底部１６ａに開口していれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。
【0038】
支燃性ガス供給路１３は、図示例では、燃焼室１６の側壁１６ｂに開口した支燃性ガス噴出口１３ａから、バーナ１０の中心軸Ｊに対して直行するように支燃性ガスＧ２を噴出する。より具体的には、上述したように、支燃性ガス噴出口１３ａから噴出した支燃性ガスＧ２は、燃料ガス噴出口１２ａから噴出した燃料ガスＧ１に向けて、この燃料ガスＧ１の旋回流に対する接線方向で噴出する。これにより、支燃性ガス噴出口１３ａから噴出した支燃性ガスＧ２は、燃料ガスＧ１の旋回流の中心軸、即ち、バーナ１０の中心軸Ｊの近傍に逆流域を形成する。
【0039】
支燃性ガス噴出口１３ａは、詳細な図示は省略するが、例えば、燃焼室１６の側壁１６ｂにおいて、中心軸Ｊを中心とした円周上で、燃料ガス噴出口１２ａを平面視で外側から囲むように、複数で均等間隔にて配置される。
また、複数の支燃性ガス噴出口１３ａも、燃焼室１６の側壁１６ｂに開口していれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。
また、複数の支燃性ガス噴出口１３ａも、燃焼室１６の側壁１６ｂに開口していれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。
【0040】
本実施形態の高温ガス発生装置１に備えられるバーナ１０は、燃料ガス噴出口１２ａに、燃料ガスＧ１を旋回流として噴出するための旋回羽根４０が配置されている。
旋回羽根４０は、図１中では詳細な構造を省略しているが、図３Ａ及び図３Ｂに示すように（図１も参照）、燃料ガス噴出口１２ａ及び燃料ガス供給路１２の内部において、燃料ガス噴出口１２ａの中心軸、即ち、バーナ１０の中心軸Ｊに対して傾斜するように、この燃料ガス供給路１２の内管外周面に配置されている。
また、旋回羽根４０は、例えば、回転することなく、燃料ガス供給路１２の内管１２ｂに固定された構成を採用できる。
旋回羽根４０は、図１中では詳細な構造を省略しているが、図３Ａ及び図３Ｂに示すように（図１も参照）、燃料ガス噴出口１２ａ及び燃料ガス供給路１２の内部において、燃料ガス噴出口１２ａの中心軸、即ち、バーナ１０の中心軸Ｊに対して傾斜するように、この燃料ガス供給路１２の内管外周面に配置されている。
また、旋回羽根４０は、例えば、回転することなく、燃料ガス供給路１２の内管１２ｂに固定された構成を採用できる。
【0041】
また、図３Ｂに示す例では、４枚の旋回羽根４０が、燃料ガス供給路１２の外周面において、円周方向で等間隔に配置され、旋回羽根４０の径方向における最外部が、燃料ガス供給路１２の外管内面に当接又は近接する。
【0042】
旋回羽根４０の中心軸Ｊに対する傾斜角度は、特に限定されないが、燃料ガスＧ１に旋回流を効果的に付与する観点から、例えば、４０～６０°の範囲の角度とすることがより好ましい。
ここで、旋回羽根４０の中心軸Ｊに対する傾斜角度は、燃料ガスＧ１の流量及び噴出速度から燃料ガス供給路１２の外径及び内径を決定し、後述する式（１）で表されるスワール数を設定することで、下記式（１）から求めることができる。例えば、スワール数が０．６５である場合には、下記式（１）から得られる、旋回羽根４０の中心軸Ｊに対する傾斜角度は４０°となり、スワール数が１．４である場合には、旋回羽根４０の中心軸Ｊに対する傾斜角度は６０°となる。
ここで、旋回羽根４０の中心軸Ｊに対する傾斜角度は、燃料ガスＧ１の流量及び噴出速度から燃料ガス供給路１２の外径及び内径を決定し、後述する式（１）で表されるスワール数を設定することで、下記式（１）から求めることができる。例えば、スワール数が０．６５である場合には、下記式（１）から得られる、旋回羽根４０の中心軸Ｊに対する傾斜角度は４０°となり、スワール数が１．４である場合には、旋回羽根４０の中心軸Ｊに対する傾斜角度は６０°となる。
【0043】
なお、図示例では、旋回羽根４０を４箇所に設けた例を挙げているが、旋回羽根４０の設置数は特に限定されず、燃料ガス供給路１２内の５箇所以上に設けられていてもよいし、４箇所未満に設けた構成を採用してもかまわない。
また、旋回羽根４０の中心軸Ｊに対する傾斜角度や設置数は、バーナ１０の大きさや、旋回流の強さを勘案しながら適宜変更すればよい。
また、旋回羽根４０の中心軸Ｊに対する傾斜角度や設置数は、バーナ１０の大きさや、旋回流の強さを勘案しながら適宜変更すればよい。
【0044】
燃料ガス供給路１２から供給される燃料ガスＧ１は、旋回羽根４０を通過して燃料ガス噴出口１２ａから噴出する。このとき、燃料ガスＧ１は、旋回羽根４０の傾斜に沿って流れるため、バーナ１０の中心軸Ｊの回りを旋回するように流れながら、燃焼室１６内に噴出する。また、旋回羽根４０は、支燃性ガス噴出口１３ａが発生させる旋回流と同じ方向の旋回流を発生させる。
【0045】
本実施形態においては、燃料ガス噴出口１２ａに上記構成の旋回羽根４０を備えることにより、燃料ガス噴出口１２ａにおける、下記式（１）で表されるスワール数が０．６５以上であることがより好ましい。
【0046】
【数1】
【0047】
但し、上記式（１）において、Ｓ：スワール数（－）、ｄ２：燃料ガス噴出口１２ａ（燃料ガス供給路１２）の外管内径、ｄ５：燃料ガス噴出口１２ａ（燃料ガス供給路１２）の内管外径、α：旋回羽根４０の中心軸Ｊに対する傾斜角度（°）である。
【0048】
一般に、旋回流の特性、即ち旋回強度は、上記式（１）で定義されるスワール数（Ｓ）によって表され、このスワール数（Ｓ）の値が大きくなるほど強い旋回流となり、スワール数が０．６５以上であることで強力な旋回流が得られる（例えば、特開２００４－１０８６５６号公報の段落００２５－００２６を参照）。
【0049】
バーナ１０は、燃料ガス噴出口１２ａに上記の構成の旋回羽根４０が配置されることにより、燃料ガス噴出口１２ａから噴出される燃料ガスＧ１に旋回流が生じる。さらに、支燃性ガス噴出口１３ａから噴出される支燃性ガスＧ２が、燃料ガスＧ１に向けて、この燃料ガスＧ１の旋回流に対する接線方向で噴出することにより、旋回流の中心軸の近傍に逆流域を形成する。これにより、燃焼室１６内で形成される火炎Ｆが、旋回流を有するとともに、旋回流の中心軸の近傍に逆流域を有するものとなる。
【0050】
高温ガス発生炉２０は、上述したように、加熱室２３内に火炎Ｆを形成させながら１次被予熱ガスＧ４１及び２次被予熱ガスＧ４２を供給することで、高温燃焼ガスＧ３と各被予熱ガスＧ４１，Ｇ４２とを混合して高温ガスＧ５を生成させ、燃焼室１６と反対側の他端２２に配置された排出口２５から高温ガスＧ５を排出する。
【0051】
上述したように、高温ガス発生炉２０は、バーナ１０の下流側である先端１１側に一端２１が接続されるとともに、バーナ１０の燃焼室１６と連通する加熱室２３を内部に有した、概略円筒形状に構成されている。即ち、加熱室２３には、バーナ１０の燃焼室１６で形成された火炎Ｆが、下流側である他端２２側に向かって広がるように形成される。
【0052】
加熱室２３の内部には、被予熱ガスとして１次被予熱ガスＧ４１を供給する１次被予熱ガス噴出口２６ａ、及び、被予熱ガスとして２次被予熱ガスＧ４２を供給する２次被予熱ガス噴出口２７ａが開口している。
【0053】
１次被予熱ガス噴出口２６ａは、高温ガス発生炉２０の一端２１側における、バーナ１０の外周側から加熱室２３の内部に向けて１次被予熱ガスＧ４１を噴出する位置で配置されている。即ち、１次被予熱ガス噴出口２６ａは、例えば、平面視で環状のスリット形状に構成され、バーナ１０の外側を取り囲むように環状に構成された１次被予熱ガス供給路２６を介して、加熱室２３の内部に１次被予熱ガスＧ４１を均一に噴出・供給する。
なお、１次被予熱ガス噴出口２６ａは、上記のように、バーナ１０の周囲から加熱室２３の内部に開口するように配置されていれば、その配置間隔や形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。例えば、１次被予熱ガス噴出口２６ａを複数の噴出口から構成し、これら各噴出口がバーナ１０の外側を取り囲むように環状に配置された構成を採用することも可能である。
なお、１次被予熱ガス噴出口２６ａは、上記のように、バーナ１０の周囲から加熱室２３の内部に開口するように配置されていれば、その配置間隔や形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。例えば、１次被予熱ガス噴出口２６ａを複数の噴出口から構成し、これら各噴出口がバーナ１０の外側を取り囲むように環状に配置された構成を採用することも可能である。
【0054】
２次被予熱ガス噴出口２７ａは、加熱室２３の内側面における少なくとも３箇所以上で、高温ガス発生炉２０の中心軸Ｊに向けて２次被予熱ガスＧ４２を噴出する位置で同心円上に配置されている。即ち、２次被予熱ガス噴出口２７ａは、図１中に示したように、２次被予熱ガスＧ４２同士を高温ガス発生炉２０の中心軸の近傍で衝突させることで、一端２１に接続されたバーナ１０側から、他端２２に配置された排出口２５側に向かうように気流を形成する。
なお、複数の２次被予熱ガス噴出口２７ａも、上記のように、加熱室２３の内側面に３箇所以上で、開口するように配置されていれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。
なお、複数の２次被予熱ガス噴出口２７ａも、上記のように、加熱室２３の内側面に３箇所以上で、開口するように配置されていれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。
【0055】
排出口２５は、上述したように、加熱室２３で生成された高温ガスＧ５を外部に排出するものであり、図示例は、加熱室２３に連通するとともに、その炉内壁から高温ガス発生炉２０の外部に向けて筒状に突出するように構成されている。
【0056】
上記構成により、高温ガス発生炉２０は、バーナ１０によって形成された、旋回流を有し、且つ、旋回流の中心軸の近傍に逆流域（循環流）を有する火炎Ｆが、２次被予熱ガスＧ４２と衝突することで、高温燃焼ガスＧ３の流れに澱みが生じる。これにより、高温燃焼ガスＧ３と、１次被予熱ガスＧ４１及び２次被予熱ガスＧ４２との反応時間が長くなって燃焼が促進されるとともに、高温燃焼ガスＧ３と１次被予熱ガスＧ４１及び２次被予熱ガスＧ４２との混合が促進される。
【0057】
なお、２次被予熱ガス噴出口２７ａは、加熱室２３の内側面における少なくとも３箇所以上で設けられていればよいが、４箇所以上で設けられていることが、加熱室２３内に噴出される２次被予熱ガスＧ４２に対称性をもたせる観点から、より好ましい。
【0058】
また、加熱室２３を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、高アルミナ質キャスタブル等の耐火物が挙げられるが、長寿命化の観点からは、耐火温度が１６００℃以上程度の耐火物を用いることが好ましい。
【0059】
また、加熱室２３の寸法としても、特に限定されるものではないが、例えば、図１中に示したような、火炎Ｆの形成方向に沿った方向の炉内長Ｌ１と、炉内径Ｄとの比［Ｌ１／Ｄ］が１～３の範囲であることが好ましい。上記の比［Ｌ１／Ｄ］が１以上であることで、加熱室２３内における高温燃焼ガスＧ３と２次被予熱ガスＧ４２との混合を十分に行うことができ、排出口２５から排出される高温ガスＧ５が均一で高い温度となる。また、上記の比［Ｌ１／Ｄ］が３以下であることで、火炎Ｆによって加熱室２３の炉壁が溶損するのを防止できるので、高温ガスＧ５の温度が安定するとともに、高温ガス発生炉２０の高寿命化を図ることが可能になる。
【0060】
また、加熱室２３は、バーナ１０と接続される一端２１から、２次被予熱ガス噴出口２７ａの中心線までの距離Ｌ２と、炉内径Ｄとの比［Ｌ２／Ｄ］が０．７～２．１の範囲であることがより好ましい。上記の比［Ｌ２／Ｄ］が０．７以上であることで、２次被予熱ガスＧ４２のバーナ１０側への流れの影響が大きくなりすぎるのが抑制されるので、バーナ１０の良好な燃焼状態を維持でき、残存酸素濃度を低く抑制することが可能になる。また、上記の比［Ｌ２／Ｄ］が２．１以下であることで、燃焼ガスと２次被予熱ガスＧ４２との混合が十分に促進されるので、加熱室２３の炉内温度並びに炉壁温度が高くなりすぎるのを抑制できる。
また、上記と同様の理由から、上記の距離Ｌ２は、上記の炉内長Ｌ１に対して０．５～０．９の割合であることがより好ましい。
また、上記と同様の理由から、上記の距離Ｌ２は、上記の炉内長Ｌ１に対して０．５～０．９の割合であることがより好ましい。
【0061】
冷却ジャケット３０は、バーナ１０を冷却するためのものであり、図示例においては円筒状に構成され、支燃性ガス供給路１３を構成する流路管の外側を、環状空間を介して覆う二重管構造とされている。そして、この環状空間は、冷却水Ｗが通水される冷却水流路３０ａとされており、冷却水Ｗの通水によってバーナ１０を冷却可能に構成されている。
【0062】
図示例の冷却ジャケット３０は、入口３０ｂから冷却水Ｗが通水され、この冷却水Ｗが冷却水流路３０ａを通過して出口３０ｃから排出される。本実施形態の高温ガス発生装置１においては、冷却水Ｗが冷却水流路３０ａを通過する際に、バーナ１０を冷却する。
冷却ジャケット３０は、火炎による高温雰囲気や輻射熱からバーナ１０の各構成部品を保護するとともに、燃焼室１６内における過渡な加熱を抑制する。
冷却ジャケット３０は、火炎による高温雰囲気や輻射熱からバーナ１０の各構成部品を保護するとともに、燃焼室１６内における過渡な加熱を抑制する。
【0063】
上記の構成を備える本実施形態の高温ガス発生装置１によって得られる作用・効果について、以下に説明する。
本実施形態の高温ガス発生装置１によれば、上記のように、バーナ１０が、火炎Ｆを、旋回流を有するとともに、旋回流の中心軸Ｊの近傍に逆流域（循環流：バーナ１０側に逆流する流れ）を有するように、広がりをもった火炎として形成させることにより、燃焼ガスの循環によって燃焼の促進が図られ、より安定した火炎Ｆが形成される。また、火炎Ｆが上記の逆流域を有することにより、火炎Ｆと２次被予熱ガスＧ４２が中心軸Ｊ上で衝突し難くなるため、火炎Ｆの燃焼状態が安定するので、コンパクトな高温ガス発生炉２０であっても、高温燃焼ガスＧ３を効率よく安定して生成できる。さらに、火炎Ｆが上記の逆流域を有することにより、燃焼室１６における燃焼ガス及び支燃性ガスＧ２の滞留時間が長くなるので、未燃の燃料ガス及び支燃性ガスが残存するのを抑制することが可能になる。これにより、高温ガス発生炉２０がコンパクトである場合や、燃料ガスＧ１として発熱量の低いものを用いた場合であっても、高温ガスＧ５を効率よく安定して生成させることができるとともに、高温ガス発生炉２０を小型化並びに長寿命化することが可能になる。
本実施形態の高温ガス発生装置１によれば、上記のように、バーナ１０が、火炎Ｆを、旋回流を有するとともに、旋回流の中心軸Ｊの近傍に逆流域（循環流：バーナ１０側に逆流する流れ）を有するように、広がりをもった火炎として形成させることにより、燃焼ガスの循環によって燃焼の促進が図られ、より安定した火炎Ｆが形成される。また、火炎Ｆが上記の逆流域を有することにより、火炎Ｆと２次被予熱ガスＧ４２が中心軸Ｊ上で衝突し難くなるため、火炎Ｆの燃焼状態が安定するので、コンパクトな高温ガス発生炉２０であっても、高温燃焼ガスＧ３を効率よく安定して生成できる。さらに、火炎Ｆが上記の逆流域を有することにより、燃焼室１６における燃焼ガス及び支燃性ガスＧ２の滞留時間が長くなるので、未燃の燃料ガス及び支燃性ガスが残存するのを抑制することが可能になる。これにより、高温ガス発生炉２０がコンパクトである場合や、燃料ガスＧ１として発熱量の低いものを用いた場合であっても、高温ガスＧ５を効率よく安定して生成させることができるとともに、高温ガス発生炉２０を小型化並びに長寿命化することが可能になる。
【0064】
また、被予熱ガスを、１次被予熱ガスＧ４１と２次被予熱ガスＧ４２とに分け、１次被予熱ガスＧ４１をバーナ１０の周囲に配置した１次被予熱ガス噴出口２６ａから噴出させることにより、加熱室２３の炉壁と、広がった火炎Ｆとの間に１次被予熱ガスＧ４１が流れ、炉壁が高温になるのを抑制できる。特に、本実施形態で説明するバーナ１０のような、有底円錐形状に形成された凹部とされた燃焼室１６を有する場合、形成された火炎Ｆが、高温ガス発生炉２０の加熱室２３内で広がりやすい構成を採用した場合、炉壁温度が上昇するのを抑制し、長寿命化できる効果が得られる。
【0065】
また、２次被予熱ガスＧ４２は、加熱室２３の側面から中心軸Ｊに向けて噴出させ、火炎Ｆと衝突させることにより、加熱室２３の中心軸Ｊ付近で、バーナ１０側に向かう流れ（逆流域）と、排出口２５側に向かう流れとを形成させる。これらのうち、バーナ１０側に向かう２次被予熱ガスＧ４２は、バーナ１０の火炎Ｆによって生成された高温燃焼ガスＧ３に取り込まれ、この高温燃焼ガスＧ３とともに加熱室２３内を循環し、混合が促進される。また、火炎Ｆ中に２次被予熱ガスＧ４２が取り込まれることで火炎Ｆの温度上昇が抑制され、加熱室２３の炉壁温度が上昇するのを抑制できるので、耐火物からなる高温ガス発生炉２０を溶損させることなく高寿命化させることが可能になる。
【0066】
また、本実施形態の高温ガス発生装置１に備えられるバーナ１０によって形成された火炎Ｆは、２次被予熱ガスＧ４２が火炎Ｆの流れを阻害することがないので、安定した燃焼状態を維持することが可能になる。
【0067】
また、本実施形態の高温ガス発生装置１において、さらに、図示例のような冷却ジャケット３０を備えた構成を採用した場合には、以下のような効果が得られる。
即ち、冷却ジャケット３０を備えることにより、例えば、バーナ１０と冷却水Ｗとが直に接触するか、あるいは、バーナ１０と冷却水Ｗとが、他の構造物を介して接することで、バーナ１０を十分に冷却でき、溶損するのを防止できる。また、熱応力によってバーナ１０あるいは高温ガス発生装置１全体の変形や破損が生じるのを防止できるとともに、熱応力が繰り返し印加されることによって疲労破壊が生じるのを最小限に抑制でき、高寿命化を図ることが可能になる。
即ち、冷却ジャケット３０を備えることにより、例えば、バーナ１０と冷却水Ｗとが直に接触するか、あるいは、バーナ１０と冷却水Ｗとが、他の構造物を介して接することで、バーナ１０を十分に冷却でき、溶損するのを防止できる。また、熱応力によってバーナ１０あるいは高温ガス発生装置１全体の変形や破損が生じるのを防止できるとともに、熱応力が繰り返し印加されることによって疲労破壊が生じるのを最小限に抑制でき、高寿命化を図ることが可能になる。
【0068】
＜第２実施形態＞
以下に、本発明の第２実施形態である高温ガス発生装置の構成について、図４を参照して詳細に説明する。
なお、以下に示す本実施形態の高温ガス発生装置１Ａの説明においては、図１、図２及び図３Ａ～図３Ｂに示した第１実施形態の高温ガス発生装置１と同じ構成については、同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する場合がある。
以下に、本発明の第２実施形態である高温ガス発生装置の構成について、図４を参照して詳細に説明する。
なお、以下に示す本実施形態の高温ガス発生装置１Ａの説明においては、図１、図２及び図３Ａ～図３Ｂに示した第１実施形態の高温ガス発生装置１と同じ構成については、同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する場合がある。
【0069】
図４は、本実施形態の高温ガス発生装置１Ａの内部構造を示すとともに、燃料ガスＧ１、第１支燃性ガス（支燃性ガス）Ｇ２１、第２支燃性ガス（支燃性ガス）Ｇ２２、１次被予熱ガス（被予熱ガス）Ｇ４１、並びに２次被予熱ガス（被予熱ガス）Ｇ４２の各々の流れを、形成される火炎Ｆの旋回流とともに示す断面図である。
【0070】
図４に示すように、本実施形態の高温ガス発生装置１Ａは、高温ガス発生炉２０が、加熱室２３の内部に、１次被予熱ガスＧ４１を供給する１次被予熱ガス噴出口２６ａ、及び、２次被予熱ガスＧ４２を供給する２次被予熱ガス噴出口２７ａが開口した構成とされている点で、図１等に示した第１実施形態の高温ガス発生装置１と同様である。
一方、本実施形態の高温ガス発生装置１Ａは、バーナ１０Ａが、支燃性ガスとして第１支燃性ガスＧ２１を噴出する第１支燃性ガス噴出口１４ａと、支燃性ガスとして第２支燃性ガスＧ２２を噴出する第２支燃性ガス噴出口１５ａとからなる点で、図１等に示した第１実施形態の高温ガス発生装置１とは異なる。また、本実施形態の高温ガス発生装置１Ａは、第１支燃性ガス噴出口１４ａが、燃焼室１６の底部１６ａに開口するとともに、バーナ１０Ａの中心軸Ｊ上において、平面視で燃料ガス噴出口１２ａに周囲を囲まれるように配置され、バーナ１０Ａの中心軸Ｊ上に沿うように第１支燃性ガスＧ２１を噴出するように構成されている点で、第１実施形態の高温ガス発生装置１とは異なる。そして、本実施形態の高温ガス発生装置１Ａは、第２支燃性ガス噴出口１５ａが、燃焼室１６の側壁１６ｂに配置され、燃料ガスＧ１及び第１支燃性ガスＧ２１に向けて第２支燃性ガスＧ２２を噴出する点でも、第１実施形態の高温ガス発生装置１とは異なる。
一方、本実施形態の高温ガス発生装置１Ａは、バーナ１０Ａが、支燃性ガスとして第１支燃性ガスＧ２１を噴出する第１支燃性ガス噴出口１４ａと、支燃性ガスとして第２支燃性ガスＧ２２を噴出する第２支燃性ガス噴出口１５ａとからなる点で、図１等に示した第１実施形態の高温ガス発生装置１とは異なる。また、本実施形態の高温ガス発生装置１Ａは、第１支燃性ガス噴出口１４ａが、燃焼室１６の底部１６ａに開口するとともに、バーナ１０Ａの中心軸Ｊ上において、平面視で燃料ガス噴出口１２ａに周囲を囲まれるように配置され、バーナ１０Ａの中心軸Ｊ上に沿うように第１支燃性ガスＧ２１を噴出するように構成されている点で、第１実施形態の高温ガス発生装置１とは異なる。そして、本実施形態の高温ガス発生装置１Ａは、第２支燃性ガス噴出口１５ａが、燃焼室１６の側壁１６ｂに配置され、燃料ガスＧ１及び第１支燃性ガスＧ２１に向けて第２支燃性ガスＧ２２を噴出する点でも、第１実施形態の高温ガス発生装置１とは異なる。
【0071】
本実施形態の高温ガス発生装置１Ａは、第１実施形態の高温ガス発生装置１と同様、バーナ１０Ａの燃焼室１６で形成される火炎Ｆによって高温燃焼ガスＧ３を生成させる。そして、高温ガス発生装置１Ａは、直接燃焼方式により、高温燃焼ガスＧ３と、１次被予熱ガスＧ４１及び２次被予熱ガスＧ４２とを高温ガス発生炉２０内で直接混合することで、例えば、２００～１７００℃の高温ガスＧ５を生成する。
【0072】
第１支燃性ガス供給路１４は、バーナ１０Ａの中心軸Ｊ上に、燃料ガス供給路１２に取り囲まれるように、この燃料ガス供給路１２と同軸で配置される。また、第１支燃性ガス供給路１４は、燃焼室１６の底部１６ａに開口した第１支燃性ガス噴出口１４ａから燃焼室１６内に向けて、バーナ１０Ａの軸方向で第１支燃性ガスＧ２１を噴出するように設けられる。
なお、第１支燃性ガス噴出口１４ａは、燃焼室１６内に開口していれば、その形状等は特に限定されず、任意に設計することが可能である。
なお、第１支燃性ガス噴出口１４ａは、燃焼室１６内に開口していれば、その形状等は特に限定されず、任意に設計することが可能である。
【0073】
第２支燃性ガス供給路１５は、図示例では、第１実施形態の高温ガス発生装置１に備えられるバーナ１０の支燃性ガス供給路１３と同様、燃焼室１６の側壁１６ｂに開口した第２支燃性ガス噴出口１５ａから、バーナ１０Ａの中心軸Ｊに対して直行するように第２支燃性ガスＧ２２を噴出する。より具体的には、第２支燃性ガス噴出口１５ａから噴出した第２支燃性ガスＧ２２は、燃料ガス噴出口１２ａから噴出した燃料ガスＧ１に向けて、この燃料ガスＧ１の旋回流に対する接線方向で噴出する。これにより、第２支燃性ガス噴出口１５ａから噴出した第２支燃性ガスＧ２２は、燃料ガスＧ１の旋回流の中心軸、即ち、バーナ１０Ａの中心軸Ｊの近傍に逆流域を形成する。
【0074】
第２支燃性ガス噴出口１５ａは、第１実施形態で説明した支燃性ガス噴出口１３ａと同様、例えば、燃焼室１６の側壁１６ｂにおいて、中心軸Ｊを中心とした円周上で、燃料ガス噴出口１２ａを平面視で外側から囲むように、複数で均等間隔にて配置される。
また、複数の第２支燃性ガス噴出口１５ａも、燃焼室１６の側壁１６ｂに開口していれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。
また、複数の第２支燃性ガス噴出口１５ａも、燃焼室１６の側壁１６ｂに開口していれば、その配置間隔や孔数、形状等は特に限定されず、任意に設定可能である。
【0075】
さらに、本実施形態の高温ガス発生装置１Ａにおいても、第１実施形態の高温ガス発生装置１と同様、バーナ１０Ａの燃料ガス噴出口１２ａに、燃料ガスＧ１を旋回流として噴出するための旋回羽根４０（図３Ａ～図３Ｃ）が配置されており、図示例においては、燃料ガス供給路１２に周囲を囲まれた第１支燃性ガス供給路１４の管表面に配置されている。
【0076】
本実施形態の高温ガス発生装置１Ａは、上記構成を備えることにより、第１実施形態の高温ガス発生装置１の場合と同様、バーナ１０Ａが、火炎Ｆを、旋回流を有し、且つ、この旋回流の中心軸Ｊの近傍に逆流域を有するように形成させる。
【0077】
本実施形態の高温ガス発生装置１Ａによれば、図１に示したような、燃焼室１６の側壁１６ｂに設けられた支燃性ガス噴出口１３ａからのみ、支燃性ガスＧ２を噴出する第１実施形態の高温ガス発生装置１に対し、さらに、バーナ１０Ａの中心軸Ｊ上に配置された第１支燃性ガス噴出口１４ａから燃焼室１６内に向けて第１支燃性ガスＧ２１を噴出する構成を採用している。これにより、高温ガス発生装置１Ａは、火炎Ｆとして、着火源となる中心火炎Ｆ１を形成できるので、より発熱量の低い燃料を燃料ガスＧ１として用いた場合でも、安定した燃焼で火炎Ｆを形成できる。
【0078】
より具体的に説明すると、本実施形態の高温ガス発生装置１Ａは、上記のような、バーナ１０Ａの中心軸Ｊ上から第１支燃性ガスＧ２１を噴出する構成により、第１実施形態における説明と同様、燃料ガスＧ１の循環によって燃焼の促進が図られ、より安定した火炎Ｆが形成される。また、火炎Ｆが逆流域を有することで、燃焼室１６における燃料ガスＧ１、第１支燃性ガスＧ２１及び第２支燃性ガスＧ２２の滞留時間が長くなるので、未燃の燃料ガス及び支燃性ガスが残存するのを抑制できる。これにより、燃料ガスＧ１として発熱量の低いものを用いた場合であっても、高温ガスＧ５を効率よく安定して生成させることができるとともに、高温ガス発生炉２０を小型化並びに長寿命化することが可能になる。
【0079】
なお、図４中においては詳細な図示を省略しているが、高温ガス発生装置１Ａのバーナ１０Ａに備えられる第１支燃性ガス供給路１４及び第２支燃性ガス供給路１５には、それぞれ、同一の供給管から支燃性ガス（第１支燃性ガスＧ２１及び第２支燃性ガスＧ２２）を供給する構成としてもよいし、あるいは、別個の供給源から、それぞれ異なる供給管によって供給する構成としても構わない。
【0080】
＜第３実施形態＞
以下に、本発明の第３実施形態である高温ガス発生装置の構成について、図５を参照して詳細に説明する。
なお、以下に示す本実施形態の高温ガス発生装置１Ｂの説明においても、図１、図２及び図３Ａ～図３Ｂに示した第１実施形態の高温ガス発生装置１、並びに、図４に示した第２実施形態の高温ガス発生装置１Ａと同じ構成については、同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する場合がある。
以下に、本発明の第３実施形態である高温ガス発生装置の構成について、図５を参照して詳細に説明する。
なお、以下に示す本実施形態の高温ガス発生装置１Ｂの説明においても、図１、図２及び図３Ａ～図３Ｂに示した第１実施形態の高温ガス発生装置１、並びに、図４に示した第２実施形態の高温ガス発生装置１Ａと同じ構成については、同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する場合がある。
【0081】
図５は、本実施形態の高温ガス発生装置１Ｂの内部構造を示すとともに、燃料ガスＧ１、第１支燃性ガスＧ２１、第２支燃性ガスＧ２２、１次被予熱ガスＧ４１、並びに２次被予熱ガスＧ４２の各々の流れを、形成される火炎Ｆの旋回流とともに示す断面図である。
【0082】
図５に示すように、本実施形態の高温ガス発生装置１Ｂは、バーナ１０Ａが、支燃性ガスとして第１支燃性ガスＧ２１を噴出する第１支燃性ガス噴出口１４ａと、支燃性ガスとして第２支燃性ガスＧ２２を噴出する第２支燃性ガス噴出口１５ａとから構成される点で、図４に示した第２実施形態の高温ガス発生装置１Ａと同様である。
一方、本実施形態の高温ガス発生装置１Ｂは、高温ガス発生炉２０Ｂが、加熱室２３の外周を外側から覆うように２次被予熱ガス供給管２９が備えられ、この２次被予熱ガス供給管２９に連通した２次被予熱ガス供給路２７を介して、２次被予熱ガス噴出口２７ａから加熱室２３内に向けて２次被予熱ガスＧ４２を噴出させる構成とされている点で、第２実施形態の高温ガス発生装置１Ａとは異なる。
一方、本実施形態の高温ガス発生装置１Ｂは、高温ガス発生炉２０Ｂが、加熱室２３の外周を外側から覆うように２次被予熱ガス供給管２９が備えられ、この２次被予熱ガス供給管２９に連通した２次被予熱ガス供給路２７を介して、２次被予熱ガス噴出口２７ａから加熱室２３内に向けて２次被予熱ガスＧ４２を噴出させる構成とされている点で、第２実施形態の高温ガス発生装置１Ａとは異なる。
【0083】
本実施形態の高温ガス発生装置１Ｂは、第１実施形態の高温ガス発生装置１及び第２実施形態の高温ガス発生装置１Ａと同様、バーナ１０Ａの燃焼室１６で形成される火炎Ｆによって高温燃焼ガスＧ３を生成させ、高温燃焼ガスＧ３と、１次被予熱ガスＧ４１及び２次被予熱ガスＧ４２とを高温ガス発生炉２０Ｂ内で直接混合することで高温ガスＧ５を生成する。
【0084】
２次被予熱ガス供給管２９は、図５中に示す例では、加熱室２３の外周を外側から覆うよう円環状に構成され、被予熱ガス導入口２９ａから２次被予熱ガスＧ４２が導入される。そして、２次被予熱ガス供給管２９から２次被予熱ガス供給路２７に２次被予熱ガスＧ４２が流入することで、２次被予熱ガス噴出口２７ａから加熱室２３内に向けて２次被予熱ガスＧ４２を噴出する構成とされている。
【0085】
本実施形態の高温ガス発生装置１Ｂによれば、図４に示したような第２実施形態の高温ガス発生装置１Ａに対し、さらに、加熱室２３の外周を外側から覆うように２次被予熱ガス供給管２９を有する高温ガス発生炉２０Ｂを備えた構成を採用している。これにより、加熱室２３で生じる放散熱によって２次被予熱ガスＧ４２が予熱されるので、この２次被予熱ガスＧ４２を加熱室２３内に噴出することで、加熱室２３を構成する炉体からの熱損失を、投入熱量に対して極僅かとなるように抑制することが可能になる。
従って、高温燃焼ガスＧ３と１次被予熱ガスＧ４１及び２次被予熱ガスＧ４２とをより効果的に混合することができるので、高温ガスＧ５を効率よく安定して生成させることが可能になる。
従って、高温燃焼ガスＧ３と１次被予熱ガスＧ４１及び２次被予熱ガスＧ４２とをより効果的に混合することができるので、高温ガスＧ５を効率よく安定して生成させることが可能になる。
【0086】
＜第４実施形態＞
以下に、本発明の第４実施形態である高温ガス発生装置の構成について、図６を参照して詳細に説明する。
なお、以下に示す本実施形態の高温ガス発生装置１Ｃの説明においても、図１、図２及び図３Ａ～図３Ｂに示した第１実施形態の高温ガス発生装置１、図４に示した第２実施形態の高温ガス発生装置１Ａ、並びに図５に示した第３実施形態の高温ガス発生装置１Ｂと同じ構成については、同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する場合がある。
以下に、本発明の第４実施形態である高温ガス発生装置の構成について、図６を参照して詳細に説明する。
なお、以下に示す本実施形態の高温ガス発生装置１Ｃの説明においても、図１、図２及び図３Ａ～図３Ｂに示した第１実施形態の高温ガス発生装置１、図４に示した第２実施形態の高温ガス発生装置１Ａ、並びに図５に示した第３実施形態の高温ガス発生装置１Ｂと同じ構成については、同じ符号を付与するとともに、その詳細な説明を省略する場合がある。
【0087】
図６は、本実施形態の高温ガス発生装置１Ｃの内部構造を示すとともに、燃料ガスＧ１、第１支燃性ガスＧ２１、第２支燃性ガスＧ２２、１次被予熱ガスＧ４１、並びに２次被予熱ガスＧ４２の各々の流れを、形成される火炎Ｆの旋回流とともに示す断面図である。
【0088】
図６に示すように、本実施形態の高温ガス発生装置１Ｃは、バーナ１０Ａが、支燃性ガスとして第１支燃性ガスＧ２１を噴出する第１支燃性ガス噴出口１４ａと、支燃性ガスとして第２支燃性ガスＧ２２を噴出する第２支燃性ガス噴出口１５ａとから構成される点で、図５に示した第３実施形態の高温ガス発生装置１Ｂと同様である。また、本実施形態の高温ガス発生装置１Ｃは、高温ガス発生炉２０Ｃが、加熱室２３における他端２２側の領域の外周を外側から覆う２次被予熱ガス供給管２９Ｃを備え、この２次被予熱ガス供給管２９Ｃに連通した２次被予熱ガス供給路２７を介して、２次被予熱ガス噴出口２７ａから加熱室２３内に向けて２次被予熱ガスＧ４２を噴出させる構成とされている点で、第３実施形態の高温ガス発生装置１Ｂと類似した構成とされている。
【0089】
一方、本実施形態の高温ガス発生装置１Ｃは、高温ガス発生炉２０Ｃが、上記の２次被予熱ガス供給管２９Ｃに隣接するように、さらに、加熱室２３における一端２１側の領域における外周を外側から覆う１次被予熱ガス供給管２８を備える。また、高温ガス発生炉２０Ｃの一端２１側における、バーナ１０Ａの外周側から加熱室２３の内部に向けて１次被予熱ガスＧ４１を噴出する位置で配置された１次被予熱ガス供給路２６が、１次被予熱ガス供給管２８に連通している。そして、１次被予熱ガス供給路２６を介して、１次被予熱ガス噴出口２６ａから加熱室２３内に向けて２次被予熱ガスＧ４２を噴出できる構成とされている点で、第３実施形態の高温ガス発生装置１Ｂとは異なる。
【0090】
本実施形態の高温ガス発生装置１Ｃも、第１実施形態の高温ガス発生装置１、第２実施形態の高温ガス発生装置１Ａ及び第３実施形態の高温ガス発生装置１Ｂと同様、バーナ１０Ａの燃焼室１６で形成される火炎Ｆによって高温燃焼ガスＧ３を生成させ、高温燃焼ガスＧ３と、１次被予熱ガスＧ４１及び２次被予熱ガスＧ４２とを高温ガス発生炉２０Ｂ内で直接混合することで高温ガスＧ５を生成する。
【0091】
１次被予熱ガス供給管２８は、図６中に示す例では、加熱室２３の外周における一端２１側の領域を外側から覆うよう円環状に構成され、被予熱ガス導入口２８ａから１次被予熱ガスＧ４１が導入される。そして、１次被予熱ガス供給管２８から１次被予熱ガス供給路２６に１次被予熱ガスＧ４１が流入することで、１次被予熱ガス噴出口２６ａから加熱室２３内に向けて１次被予熱ガスＧ４１を噴出する構成とされている。
【0092】
また、２次被予熱ガス供給管２９Ｃは、図６中に示す例では、加熱室２３の外周における他端２２側の領域を外側から覆うよう円環状に構成され、上述した１次被予熱ガス供給管２８とは、加熱室２３の外周上で近接するように配置されている。また、図示例の２次被予熱ガス供給管２９Ｃには、第２実施形態の高温ガス発生装置１Ｂの場合と同様、被予熱ガス導入口２９ａから２次被予熱ガスＧ４２が導入される。そして、２次被予熱ガス供給管２９Ｃから２次被予熱ガス供給路２７に２次被予熱ガスＧ４２が流入することで、２次被予熱ガス噴出口２７ａから加熱室２３内に向けて２次被予熱ガスＧ４２を噴出する構成とされている。
【0093】
本実施形態の高温ガス発生装置１Ｃによれば、図５に示したような第３実施形態の高温ガス発生装置１Ｂに対し、さらに、加熱室２３の外周における一端２１側の領域を外側から覆うように１次被予熱ガス供給管２８を有する高温ガス発生炉２０Ｃを備えた構成を採用している。これにより、加熱室２３で生じる放散熱によって、２次被予熱ガス４２のみならず、１次被予熱ガスＧ４１も予熱される。そして、これら１次被予熱ガス４１及び２次被予熱ガス４２を加熱室２３内に噴出することで、上記同様、加熱室２３を構成する炉体からの熱損失を、投入熱量に対して極僅かとなるように抑制することが可能になる。さらに、１次被予熱ガス４１が１次被予熱ガス供給管２８で予熱されることで、加熱室２３内に広がるように形成される火炎Ｆの安定性が向上する効果が得られる。
従って、上記同様、高温燃焼ガスＧ３と１次被予熱ガスＧ４１及び２次被予熱ガスＧ４２とをより効果的に混合することができるので、高温ガスＧ５を効率よく安定して生成させることが可能になる。
従って、上記同様、高温燃焼ガスＧ３と１次被予熱ガスＧ４１及び２次被予熱ガスＧ４２とをより効果的に混合することができるので、高温ガスＧ５を効率よく安定して生成させることが可能になる。
【0094】
＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態の高温ガス発生装置１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）によれば、バーナ１０（１０Ａ）が、火炎Ｆを、旋回流を有し、且つ、旋回流の中心軸Ｊの近傍に逆流域（循環流）を有するように形成させることにより、燃焼ガスの循環によって燃焼の促進が図られ、安定した火炎Ｆが形成される。また、火炎Ｆが上記の逆流域を有することにより、燃焼室１６における燃料ガスＧ１及び支燃性ガスＧ２（Ｇ２１，Ｇ２２）の滞留時間が長くなるので、未燃の燃料ガスＧ１及び支燃性ガスＧ２（Ｇ２１，Ｇ２２）が残存するのを抑制することが可能になる。これにより、発熱量の低い燃料ガスＧ１を用いた場合であっても、高温ガスＧ５を効率よく安定して生成させることができるとともに、高温ガス発生炉２０（２０Ａ，２０Ｂ）を小型化並びに長寿命化することが可能になる。
以上説明したように、本実施形態の高温ガス発生装置１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）によれば、バーナ１０（１０Ａ）が、火炎Ｆを、旋回流を有し、且つ、旋回流の中心軸Ｊの近傍に逆流域（循環流）を有するように形成させることにより、燃焼ガスの循環によって燃焼の促進が図られ、安定した火炎Ｆが形成される。また、火炎Ｆが上記の逆流域を有することにより、燃焼室１６における燃料ガスＧ１及び支燃性ガスＧ２（Ｇ２１，Ｇ２２）の滞留時間が長くなるので、未燃の燃料ガスＧ１及び支燃性ガスＧ２（Ｇ２１，Ｇ２２）が残存するのを抑制することが可能になる。これにより、発熱量の低い燃料ガスＧ１を用いた場合であっても、高温ガスＧ５を効率よく安定して生成させることができるとともに、高温ガス発生炉２０（２０Ａ，２０Ｂ）を小型化並びに長寿命化することが可能になる。
【0095】
＜本発明の他の形態＞
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は上記のような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、本発明は上記のような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。
【実施例0096】
以下、実施例により、本発明に係る高温ガス発生装置についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
また、本実施例で採用した各条件は、あくまで一例であり、上記同様、本発明を限定するものではない。
また、本実施例で採用した各条件は、あくまで一例であり、上記同様、本発明を限定するものではない。
【0097】
＜実施例１＞
実施例１においては、図１に示すような本発明に係る構成を有する高温ガス発生装置１を用い、下記表１，２に示すような、広い範囲の低位発熱量である燃料ガスＧ１を用いた条件で、高温ガスＧ５を生成する試験を行った。
実施例１においては、図１に示すような本発明に係る構成を有する高温ガス発生装置１を用い、下記表１，２に示すような、広い範囲の低位発熱量である燃料ガスＧ１を用いた条件で、高温ガスＧ５を生成する試験を行った。
【0098】
即ち、本実施例においては、高温ガス発生装置１として、燃料ガスＧ１と支燃性ガスＧ２とで火炎Ｆが形成される燃焼室１６を有し、火炎Ｆによって高温燃焼ガスＧ３を生成させるバーナ１０を備えるものを使用した。また、この高温ガス発生装置１は、バーナ１０の燃焼室１６側に一端２１が接続されるとともに、燃焼室１６と連通する加熱室２３を内部に有した円筒形状とされ、加熱室２３内に火炎Ｆを形成させながら１次被予熱ガス３１及び２次被予熱ガス３２を供給することで、高温燃焼ガスＧ３と被予熱ガスとを混合して高温ガスＧ５を生成させ、燃焼室１６と反対側の他端２２に配置された排出口２５から高温ガスＧ５を排出する高温ガス発生炉２０を備える。そして、本実施例で用いた高温ガス発生装置１は、バーナ１０が、火炎Ｆを、旋回流を有し、且つ、この旋回流の中心軸Ｊの近傍に逆流域を有するように形成させるものである。
【0099】
また、本実施例で用いた高温ガス発生装置１は、高温ガス発生炉２０における加熱室２３の、火炎Ｆの形成方向に沿った方向の炉内長Ｌ１と炉内径Ｄとの比［Ｌ１／Ｄ］が１．４、バーナ１０と接続される一端２１から、２次被予熱ガス噴出口２７ａまでの距離Ｌ２と炉内径Ｄとの比［Ｌ２／Ｄ］が１．０である。
【0100】
そして、燃料ガスＧ１として、下記表１に示すような、「天然ガス＋Ｈ２＋Ｎ２混合ガス」又は「天然ガス」を用いて、広い範囲の低位発熱量である燃料ガスＧ１を用いた条件で試験を行った。
また、本実施例においては、バーナ１０の燃料ガス噴出口１２ａにおけるスワール数が０．６５となるように、各条件を設定した。
また、上記の燃料ガスＧ１、支燃性ガスＧ２として用いた酸化剤（Ｏ２）、並びに、１次被予熱ガス４１及び２次被予熱ガス４２として用いた窒素ガス（Ｎ２）の各流量についても、下記表１に記した条件に設定して試験を行った。
また、本実施例においては、バーナ１０の燃料ガス噴出口１２ａにおけるスワール数が０．６５となるように、各条件を設定した。
また、上記の燃料ガスＧ１、支燃性ガスＧ２として用いた酸化剤（Ｏ２）、並びに、１次被予熱ガス４１及び２次被予熱ガス４２として用いた窒素ガス（Ｎ２）の各流量についても、下記表１に記した条件に設定して試験を行った。
【0101】
【表1】
【0102】
また、下記表２に、高温ガス発生炉２０の排出口２５から排出される高温ガスＧ５の温度、加熱室２３の炉内温度、並びに高温ガスＧ５中の残存酸素濃度の一覧を示す。
【0103】
【表2】
【0104】
表２中に示した結果より、本発明に係る高温ガス発生装置１Ａ（図１を参照）を用いて高温ガスＧ５を生成することで、全ての条件（条件１～３）において、８００℃以上の高温ガスＧ５が安定して得られるとともに、残存酸素濃度を極低いレベルに抑制できることが確認できた。
なお、高温ガスＧ５が用いられるプロセスにおける、例えば、鉄や非鉄原料等の原料や、得られる製品の酸化を防止し、プロセスにおける高炉を高温に維持する観点から、残存酸素濃度は可能な限り低く抑制されていることが好ましい。
なお、高温ガスＧ５が用いられるプロセスにおける、例えば、鉄や非鉄原料等の原料や、得られる製品の酸化を防止し、プロセスにおける高炉を高温に維持する観点から、残存酸素濃度は可能な限り低く抑制されていることが好ましい。
【0105】
＜実施例２＞
実施例２においても、図１に示すような本発明に係る構成を有する高温ガス発生装置１を用い、上記表１，２に示すような、広い範囲の低位発熱量である燃料ガスＧ１を用いた条件で、高温ガスＧ５を生成する試験を行った。
なお、本実施例では、高温ガス発生装置１における炉内径Ｄ、炉内長Ｌ１、一端２１から２次被予熱ガス噴出口２７ａまでの距離Ｌ２を適宜変更して試験を行うことにより、排出口２５から排出される高温ガスＧ５中の残存酸素濃度及び未燃ガスを低減する検討を行った。
実施例２においても、図１に示すような本発明に係る構成を有する高温ガス発生装置１を用い、上記表１，２に示すような、広い範囲の低位発熱量である燃料ガスＧ１を用いた条件で、高温ガスＧ５を生成する試験を行った。
なお、本実施例では、高温ガス発生装置１における炉内径Ｄ、炉内長Ｌ１、一端２１から２次被予熱ガス噴出口２７ａまでの距離Ｌ２を適宜変更して試験を行うことにより、排出口２５から排出される高温ガスＧ５中の残存酸素濃度及び未燃ガスを低減する検討を行った。
【0106】
一般に、水素（Ｈ２）や一酸化炭素（ＣＯ）等を含む還元性ガスを予熱して、熔解炉や熱処理装置等に供給する場合、残存酸素濃度が高すぎると、例えば鉄や非鉄等の原料、及び、それらから得られる製品を酸化させてしまう等の悪影響を及ぼす可能性がある。また、酸素や酸素富化空気等を予熱してバーナに供給する場合、未燃ガスが残存するとバーナ内部で発熱が生じ、バーナを破損するおそれがある。さらに、各種プロセスにおいて雰囲気ガスとして使用する不活性ガスを予熱する場合には、残存酸素や未燃ガスが存在すると、得られる製品に悪影響を及ぼす可能性もある。
本実施例では、上記のような問題点を解消できる最適な条件について、以下のような検討を行った。
本実施例では、上記のような問題点を解消できる最適な条件について、以下のような検討を行った。
【0107】
まず、本実施例では、一端２１から２次被予熱ガス噴出口２７ａまでの距離Ｌ２と炉内径Ｄとの比［Ｌ２／Ｄ］を０．５～３の範囲で適宜変更しながら試験を行い、上記の比［Ｌ２／Ｄ］の最適な値について検討した。
図７のグラフに、上記の比［Ｌ２／Ｄ］に対する、生成された高温ガス中に残存する酸素濃度の関係を示す。
また、図８のグラフに、上記の比［Ｌ２／Ｄ］に対する、加熱室２３の内壁の温度の関係を示す。
なお、本試験においては、加熱室２３の内壁の温度を、熱電対を用いて測定した。
図７のグラフに、上記の比［Ｌ２／Ｄ］に対する、生成された高温ガス中に残存する酸素濃度の関係を示す。
また、図８のグラフに、上記の比［Ｌ２／Ｄ］に対する、加熱室２３の内壁の温度の関係を示す。
なお、本試験においては、加熱室２３の内壁の温度を、熱電対を用いて測定した。
【0108】
図７に示すように、上記の比［Ｌ２／Ｄ］が０．７よりも小さい場合には、２次被予熱ガス４２のバーナ１０側への流れの影響が大きくなり、バーナ１０の燃焼状態が好ましくない状態となり、残存酸素濃度が高くなる傾向が見られる。
一方、図８に示すように、上記の比［Ｌ２／Ｄ］が１．５よりも大きい場合には、高温燃焼ガスＧ３と２次被予熱ガス４２との混合効率が徐々に低下するのに伴って加熱室２３の炉内温度が高くなり、上記の比［Ｌ２／Ｄ］が２．１以上である場合には、炉壁の温度が急激に上昇する傾向が見られた。
本発明は、上記の比［Ｌ２／Ｄ］を特に限定するものではないが、上記結果より、さらに、残存酸素濃度を低減して原料や製品が酸化するのを防止するとともに、未燃ガスの残存量を抑制してバーナや炉壁に損傷が生じるのを防止する効果が得られるという観点からは、上記の比［Ｌ２／Ｄ］を０．７～２．１の範囲とすることがより好ましいことが確認できた。
一方、図８に示すように、上記の比［Ｌ２／Ｄ］が１．５よりも大きい場合には、高温燃焼ガスＧ３と２次被予熱ガス４２との混合効率が徐々に低下するのに伴って加熱室２３の炉内温度が高くなり、上記の比［Ｌ２／Ｄ］が２．１以上である場合には、炉壁の温度が急激に上昇する傾向が見られた。
本発明は、上記の比［Ｌ２／Ｄ］を特に限定するものではないが、上記結果より、さらに、残存酸素濃度を低減して原料や製品が酸化するのを防止するとともに、未燃ガスの残存量を抑制してバーナや炉壁に損傷が生じるのを防止する効果が得られるという観点からは、上記の比［Ｌ２／Ｄ］を０．７～２．１の範囲とすることがより好ましいことが確認できた。
【0109】
次に、本実施例では、炉内長Ｌ１と炉内径Ｄとの比［Ｌ１／Ｄ］を０．９～３．５の範囲で適宜変更しながら試験を行い、高温ガス発生炉２０の排出口２５における温度分布を測定し、上記の比［Ｌ１／Ｄ］の最適な値について検討した。
図９のグラフに、上記の比［Ｌ１／Ｄ］を０．８としたときの、排出口２５の中心からの径方向の距離と、排出口２５内における高温ガスＧ５の温度との関係を、断面分布で示す。
また、図１０のグラフに、上記の比［Ｌ１／Ｄ］を１．３としたときの、排出口２５の中心からの径方向の距離と、排出口２５内における高温ガスＧ５の温度との関係を断面分布で示す。
さらに、図１１のグラフに、上記の比［Ｌ１／Ｄ］を０．３としたときの、排出口２５の中心からの径方向の距離と、排出口２５内における高温ガスＧ５の温度との関係を断面分布で示す。
なお、上記の断面分布とは、排出口２５の中心からの径方向の温度分布を意味する。
また、本試験においては、高温ガスＧ５の温度を、熱電対を用いて測定した。
図９のグラフに、上記の比［Ｌ１／Ｄ］を０．８としたときの、排出口２５の中心からの径方向の距離と、排出口２５内における高温ガスＧ５の温度との関係を、断面分布で示す。
また、図１０のグラフに、上記の比［Ｌ１／Ｄ］を１．３としたときの、排出口２５の中心からの径方向の距離と、排出口２５内における高温ガスＧ５の温度との関係を断面分布で示す。
さらに、図１１のグラフに、上記の比［Ｌ１／Ｄ］を０．３としたときの、排出口２５の中心からの径方向の距離と、排出口２５内における高温ガスＧ５の温度との関係を断面分布で示す。
なお、上記の断面分布とは、排出口２５の中心からの径方向の温度分布を意味する。
また、本試験においては、高温ガスＧ５の温度を、熱電対を用いて測定した。
【0110】
図９に示すように、上記の比［Ｌ１／Ｄ］が１よりも小さい場合には、加熱室２３において、高温燃焼ガスＧ３と２次被予熱ガス４２とが十分に混合されず、排出口２５において、中心部付近の高温ガスＧ５の温度が低めとなる傾向が見られた。
また、図１０に示すように、上記の比［Ｌ１／Ｄ］が３よりも大きい場合には、加熱室２３を構成する炉体への熱損失の影響により、高温ガスＧ５の温度が徐々に低下する傾向が見られた。
本発明は、上記の比［Ｌ１／Ｄ］を特に限定するものではないが、上記結果より、さらに、高温燃焼ガスＧ３と２次被予熱ガス４２とを十分に混合するとともに、高温ガスＧ５の温度が高められる効果を得る観点からは、上記の比［Ｌ１／Ｄ］を１～３の範囲とすることがより好ましいことが確認できた。
また、図１０に示すように、上記の比［Ｌ１／Ｄ］が３よりも大きい場合には、加熱室２３を構成する炉体への熱損失の影響により、高温ガスＧ５の温度が徐々に低下する傾向が見られた。
本発明は、上記の比［Ｌ１／Ｄ］を特に限定するものではないが、上記結果より、さらに、高温燃焼ガスＧ３と２次被予熱ガス４２とを十分に混合するとともに、高温ガスＧ５の温度が高められる効果を得る観点からは、上記の比［Ｌ１／Ｄ］を１～３の範囲とすることがより好ましいことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【0111】
本発明の高温ガス発生装置は、高温ガスを効率よく安定して生成させることができるとともに、高温ガス発生炉を小型化することが可能になるものである。従って、本発明の高温ガス発生装置は、例えば、鉄、非鉄等の製錬やセラミックス焼成工程等で用いられる、各種の工業炉における炉内の加熱の用途に好適である。
【符号の説明】
【0112】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…高温ガス発生装置
１０…バーナ
１１…先端
１２…燃料ガス供給路
１２ａ…燃料ガス噴出口
１２ｂ…内管
１３…支燃性ガス供給路
１３ａ…支燃性ガス噴出口
１４…第１支燃性ガス供給路
１４ａ…第１支燃性ガス噴出口
１５…第２支燃性ガス供給路
１５ａ…第２支燃性ガス噴出口
１６…燃焼室
１６ａ…底部
１６ｂ…側壁
３０…冷却ジャケット
３０ａ…冷却水流路
３０ｂ…入口
３０ｃ…出口
４０…旋回羽根
２０…高温ガス発生炉
２１…一端
２２…他端
２３…加熱室
２５…排出口
２６…１次被予熱ガス供給路
２６ａ…１次被予熱ガス供給口
２７…２次被予熱ガス供給路
２７ａ…２次被予熱ガス供給口
２８…１次被予熱ガス供給管
２８ａ…被予熱ガス導入口
２９，２９Ｃ…２次被予熱ガス供給管
２９ａ…被予熱ガス導入口
Ｊ…中心軸
Ｗ…冷却水
Ｇ１…燃料ガス
Ｇ２…支燃性ガス
Ｇ２１…第１支燃性ガス（支燃性ガス）
Ｇ２２…第２支燃性ガス（支燃性ガス）
Ｇ３…高温燃焼ガス
Ｇ４１…１次被予熱ガス（被予熱ガス）
Ｇ４２…２次被予熱ガス（被予熱ガス）
Ｇ５…高温ガス
Ｆ…火炎
Ｆ１…中心火炎
１０…バーナ
１１…先端
１２…燃料ガス供給路
１２ａ…燃料ガス噴出口
１２ｂ…内管
１３…支燃性ガス供給路
１３ａ…支燃性ガス噴出口
１４…第１支燃性ガス供給路
１４ａ…第１支燃性ガス噴出口
１５…第２支燃性ガス供給路
１５ａ…第２支燃性ガス噴出口
１６…燃焼室
１６ａ…底部
１６ｂ…側壁
３０…冷却ジャケット
３０ａ…冷却水流路
３０ｂ…入口
３０ｃ…出口
４０…旋回羽根
２０…高温ガス発生炉
２１…一端
２２…他端
２３…加熱室
２５…排出口
２６…１次被予熱ガス供給路
２６ａ…１次被予熱ガス供給口
２７…２次被予熱ガス供給路
２７ａ…２次被予熱ガス供給口
２８…１次被予熱ガス供給管
２８ａ…被予熱ガス導入口
２９，２９Ｃ…２次被予熱ガス供給管
２９ａ…被予熱ガス導入口
Ｊ…中心軸
Ｗ…冷却水
Ｇ１…燃料ガス
Ｇ２…支燃性ガス
Ｇ２１…第１支燃性ガス（支燃性ガス）
Ｇ２２…第２支燃性ガス（支燃性ガス）
Ｇ３…高温燃焼ガス
Ｇ４１…１次被予熱ガス（被予熱ガス）
Ｇ４２…２次被予熱ガス（被予熱ガス）
Ｇ５…高温ガス
Ｆ…火炎
Ｆ１…中心火炎
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】