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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-06-17
(45)【発行日】2022-06-27
(54)【発明の名称】酸素富化バーナ及びその燃焼方法
(51)【国際特許分類】
F23D 14/32 20060101AFI20220620BHJP
F23D 14/22 20060101ALI20220620BHJP
【ＦＩ】
F23D14/32
F23D14/22 D
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2020015783
(22)【出願日】2020-01-31
(65)【公開番号】P2021124212
(43)【公開日】2021-08-30
【審査請求日】2021-02-01
(73)【特許権者】
【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】特許業務法人 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】斉藤 岳志
【審査官】礒部 賢
(56)【参考文献】
【文献】特開２００９－２８１６１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－１４６１２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－２１３４１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－２９４７２２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２３Ｄ １／００ － ９９／００
Ｆ２３Ｌ ７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
先端側の中心部に設けられた燃料ガス噴出口に向けて燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記燃料ガス噴出口の周囲を囲むように設けられた一次酸化剤噴出口に向けて一次酸化剤を供給する一次酸化剤流路とを有するメインノズルと、前記メインノズルの下側に少なくとも２つ以上配置されて、それぞれの先端側から二次酸化剤を噴射するサブノズルとを備え、
前記メインノズルは、前記燃料ガスを前記一次酸化剤により一次燃焼させることによって、その先端側から火炎を噴射し、
前記サブノズルは、その先端側の中心部に設けられた二次酸素噴出口に向けて二次酸素を供給する二次酸素流路を構成する第１のノズル部材と、前記二次酸素噴出口の周囲を囲むように設けられた二次空気噴出口に向けて二次空気を供給する二次空気流路を構成する第２のノズル部材とを有し、
前記第１のノズル部材及び前記第２のノズル部材は、前記サブノズルの先端まで延長して設けられ、
前記二次酸素噴出口は、前記第１のノズル部材により形成された第１の孔部の先端により構成され、
前記二次空気噴出口は、前記第２のノズル部材により形成された第２の孔部の先端により構成され、
前記二次酸素噴出口及び前記二次空気噴出口から前記二次酸化剤となる前記二次酸素及び前記二次空気を前記火炎に向けて噴射することにより前記火炎を二次燃焼させることを特徴とする酸素富化バーナ。
【請求項2】
前記サブノズルは、その先端側に設けられた二次酸化剤噴出口に向けて二次酸化剤を供給する二次酸化剤流路を有することを特徴とする請求項１に記載の酸素富化バーナ。
【請求項3】
正面視で前記メインノズルの中心と前記サブノズルの中心との間の距離をＬ［ｍｍ］とし、前記燃料ガスの燃焼熱量［ＭＪ／ｈ］をＱとしたときに、５０×（Ｑ／４０．６）１／３≦Ｌ≦２００×（Ｑ／４０．６）１／３の関係を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素富化バーナ。
【請求項4】
請求項１～３の何れか一項に記載の酸素富化バーナを用いた酸素富化バーナの燃焼方法であって、前記サブノズルから前記火炎の１／２火炎長よりも先端側に向けて噴射された前記二次酸化剤により前記火炎を二次燃焼させることを特徴とする酸素富化バーナの燃焼方法。
【請求項5】
請求項１に記載の酸素富化バーナを用いた酸素富化バーナの燃焼方法であって、前記二次酸素の酸化力を前記二次空気で囲むことによって低くすることを特徴とする酸素富化バーナの燃焼方法。
【請求項6】
前記燃料ガスの噴出速度を２０～１００ｍ／ｓの範囲とし、前記一次酸化剤の噴出速度を５～４０ｍ／ｓの範囲とし、
前記一次酸化剤の噴出速度に対する前記燃料ガスの噴出速度の比率を２～１０の範囲とすることを特徴とする請求項４又は５に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
【請求項7】
前記一次酸化剤及び前記二次酸化剤の流量の合計に対する前記一次酸化剤の流量の比率を百分率で１０～４０％の範囲とすることを特徴とする請求項４又は５に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
【請求項8】
前記二次酸化剤の噴射速度を５０～１５０ｍ／ｓの範囲とすることを特徴とする請求項４又は５に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
【請求項9】
前記一次酸化剤の酸素濃度を２０．９％以上、且つ、前記一次酸化剤及び前記二次酸化剤の合計の酸素濃度以下とすることを特徴とする請求項４又は５に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
【請求項10】
前記燃料ガスとして、炭化水素系燃料ガスと、ＮＨ３、Ｈ２、ＣＯＧ、ＢＦＧ、Ｍガスの中から選ばれる何れかのガスとの混合ガスを用いることを特徴とする請求項４又は５に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、酸素富化バーナ及びその燃焼方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、鉄や非鉄金属、セラミックスなどの被加熱物を加熱する加熱炉では、空気燃焼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、燃焼用空気を２００～５００℃まで予熱している。
【0003】
バーナにおける熱効率の向上を図る方法として、燃焼用空気に酸化剤である酸素を添加する酸素富化燃焼がある。酸素富化燃焼では、燃焼時の酸素濃度を高くすることによって、火炎の温度及び輝度が向上する。これにより、輻射伝熱効率が向上するため、バーナにおける熱効率の向上を図ることが可能である。
【0004】
ところで、上述した従来の酸素富化バーナでは、空気燃焼バーナに比べて熱効率の向上を図ることができる一方で、火炎の温度が上昇するために、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成が増加する課題がある。特に、加熱炉のように、燃焼用空気を予熱する場合、ＮＯｘの生成量が極端に増加する場合がある。
【0005】
また、酸素富化バーナでは、火炎長が短くなることによって、炉内の温度分布に影響を及ぼし、被加熱物の温度分布が不均一になるといった課題がある。このため、バーナの構造や炉体の構造を根本的に変更する必要があった。
【0006】
例えば、酸素富化を適用した低ＮＯｘバーナが提案されている（例えば、下記特許文献１を参照。）。しかしながら、このようなバーナの場合、中心の燃料と補助空気により形成された火炎周りに、酸素濃度の高い主空気が供給されることになり、火炎温度が上昇し、ＮＯｘの生成量が増加する。
【0007】
一方、ノズルから火炎を形成するための保炎板を有し、ノズルの先端部において、酸素を燃料流路中で直角に吹込む構造の酸素富化燃焼バーナが提案されている（例えば、下記特許文献２を参照。）。しかしながら、このような構造の場合、ノズルの先端から高温の火炎が噴射されるため、ＮＯｘの生成量が多くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】特開平１１－１７３５０６号公報
【文献】特開平０８－３２５４２５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、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、酸素富化の燃焼条件においてもＮＯｘの生成を抑制しながら、空気燃焼に比べて熱効率の向上を図ることができる酸素富化バーナ、並びに、そのような酸素富化バーナを用いた酸素富化バーナの燃焼方法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】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕 先端側の中心部に設けられた燃料ガス噴出口に向けて燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記燃料ガス噴出口の周囲を囲むように設けられた一次酸化剤噴出口に向けて一次酸化剤を供給する一次酸化剤流路とを有するメインノズルと、
前記メインノズルの下側に少なくとも２つ以上配置されて、それぞれの先端側から二次酸化剤を噴射するサブノズルとを備え、
前記メインノズルは、前記燃料ガスを前記一次酸化剤により一次燃焼させることによって、その先端側から火炎を噴射し、
前記サブノズルは、その先端側の中心部に設けられた二次酸素噴出口に向けて二次酸素を供給する二次酸素流路を構成する第１のノズル部材と、前記二次酸素噴出口の周囲を囲むように設けられた二次空気噴出口に向けて二次空気を供給する二次空気流路を構成する第２のノズル部材とを有し、
前記第１のノズル部材及び前記第２のノズル部材は、前記サブノズルの先端まで延長して設けられ、
前記二次酸素噴出口は、前記第１のノズル部材により形成された第１の孔部の先端により構成され、
前記二次空気噴出口は、前記第２のノズル部材により形成された第２の孔部の先端により構成され、
前記二次酸素噴出口及び前記二次空気噴出口から前記二次酸化剤となる前記二次酸素及び前記二次空気を前記火炎に向けて噴射することにより前記火炎を二次燃焼させることを特徴とする酸素富化バーナ。
〔２〕 前記サブノズルは、その先端側に設けられた二次酸化剤噴出口に向けて二次酸化剤を供給する二次酸化剤流路を有することを特徴とする前記〔１〕に記載の酸素富化バーナ。
〔３〕 正面視で前記メインノズルの中心と前記サブノズルの中心との間の距離をＬ［ｍｍ］とし、前記燃料ガスの燃焼熱量［ＭＪ／ｈ］をＱとしたときに、５０×（Ｑ／４０．６）１／３≦Ｌ≦２００×（Ｑ／４０．６）１／３の関係を満足することを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載の酸素富化バーナ。
〔４〕 前記〔１〕～〔３〕の何れか一項に記載の酸素富化バーナを用いた酸素富化バーナの燃焼方法であって、
前記サブノズルから前記火炎の１／２火炎長よりも先端側に向けて噴射された前記二次酸化剤により前記火炎を二次燃焼させることを特徴とする酸素富化バーナの燃焼方法。
〔５〕 前記〔１〕に記載の酸素富化バーナを用いた酸素富化バーナの燃焼方法であって、
前記二次酸素の酸化力を前記二次空気で囲むことによって低くすることを特徴とする酸素富化バーナの燃焼方法。
〔６〕 前記燃料ガスの噴出速度を２０～１００ｍ／ｓの範囲とし、
前記一次酸化剤の噴出速度を５～４０ｍ／ｓの範囲とし、
前記一次酸化剤の噴出速度に対する前記燃料ガスの噴出速度の比率を２～１０の範囲とすることを特徴とする前記〔４〕又は〔５〕に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
〔７〕 前記一次酸化剤及び前記二次酸化剤の流量の合計に対する前記一次酸化剤の流量の比率を百分率で１０～４０％の範囲とすることを特徴とする前記〔４〕又は〔５〕に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
〔８〕 前記二次酸化剤の噴射速度を５０～１５０ｍ／ｓの範囲とすることを特徴とする前記〔４〕又は〔５〕に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
〔９〕 前記一次酸化剤の酸素濃度を２０．９％以上、且つ、前記一次酸化剤及び前記二次酸化剤の合計の酸素濃度以下とすることを特徴とする前記〔４〕又は〔５〕に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
〔１０〕 前記燃料ガスとして、炭化水素系燃料ガスと、ＮＨ３、Ｈ２、ＣＯＧ、ＢＦＧ、Ｍガスの中から選ばれる何れかのガスとの混合ガスを用いることを特徴とする前記〔４〕又は〔５〕に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
〔１〕 先端側の中心部に設けられた燃料ガス噴出口に向けて燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記燃料ガス噴出口の周囲を囲むように設けられた一次酸化剤噴出口に向けて一次酸化剤を供給する一次酸化剤流路とを有するメインノズルと、
前記メインノズルの下側に少なくとも２つ以上配置されて、それぞれの先端側から二次酸化剤を噴射するサブノズルとを備え、
前記メインノズルは、前記燃料ガスを前記一次酸化剤により一次燃焼させることによって、その先端側から火炎を噴射し、
前記サブノズルは、その先端側の中心部に設けられた二次酸素噴出口に向けて二次酸素を供給する二次酸素流路を構成する第１のノズル部材と、前記二次酸素噴出口の周囲を囲むように設けられた二次空気噴出口に向けて二次空気を供給する二次空気流路を構成する第２のノズル部材とを有し、
前記第１のノズル部材及び前記第２のノズル部材は、前記サブノズルの先端まで延長して設けられ、
前記二次酸素噴出口は、前記第１のノズル部材により形成された第１の孔部の先端により構成され、
前記二次空気噴出口は、前記第２のノズル部材により形成された第２の孔部の先端により構成され、
前記二次酸素噴出口及び前記二次空気噴出口から前記二次酸化剤となる前記二次酸素及び前記二次空気を前記火炎に向けて噴射することにより前記火炎を二次燃焼させることを特徴とする酸素富化バーナ。
〔２〕 前記サブノズルは、その先端側に設けられた二次酸化剤噴出口に向けて二次酸化剤を供給する二次酸化剤流路を有することを特徴とする前記〔１〕に記載の酸素富化バーナ。
〔３〕 正面視で前記メインノズルの中心と前記サブノズルの中心との間の距離をＬ［ｍｍ］とし、前記燃料ガスの燃焼熱量［ＭＪ／ｈ］をＱとしたときに、５０×（Ｑ／４０．６）１／３≦Ｌ≦２００×（Ｑ／４０．６）１／３の関係を満足することを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載の酸素富化バーナ。
〔４〕 前記〔１〕～〔３〕の何れか一項に記載の酸素富化バーナを用いた酸素富化バーナの燃焼方法であって、
前記サブノズルから前記火炎の１／２火炎長よりも先端側に向けて噴射された前記二次酸化剤により前記火炎を二次燃焼させることを特徴とする酸素富化バーナの燃焼方法。
〔５〕 前記〔１〕に記載の酸素富化バーナを用いた酸素富化バーナの燃焼方法であって、
前記二次酸素の酸化力を前記二次空気で囲むことによって低くすることを特徴とする酸素富化バーナの燃焼方法。
〔６〕 前記燃料ガスの噴出速度を２０～１００ｍ／ｓの範囲とし、
前記一次酸化剤の噴出速度を５～４０ｍ／ｓの範囲とし、
前記一次酸化剤の噴出速度に対する前記燃料ガスの噴出速度の比率を２～１０の範囲とすることを特徴とする前記〔４〕又は〔５〕に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
〔７〕 前記一次酸化剤及び前記二次酸化剤の流量の合計に対する前記一次酸化剤の流量の比率を百分率で１０～４０％の範囲とすることを特徴とする前記〔４〕又は〔５〕に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
〔８〕 前記二次酸化剤の噴射速度を５０～１５０ｍ／ｓの範囲とすることを特徴とする前記〔４〕又は〔５〕に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
〔９〕 前記一次酸化剤の酸素濃度を２０．９％以上、且つ、前記一次酸化剤及び前記二次酸化剤の合計の酸素濃度以下とすることを特徴とする前記〔４〕又は〔５〕に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
〔１０〕 前記燃料ガスとして、炭化水素系燃料ガスと、ＮＨ３、Ｈ２、ＣＯＧ、ＢＦＧ、Ｍガスの中から選ばれる何れかのガスとの混合ガスを用いることを特徴とする前記〔４〕又は〔５〕に記載の酸素富化バーナの燃焼方法。
【発明の効果】
【0011】
以上のように、本発明によれば、酸素富化の燃焼条件においてもＮＯｘの生成を抑制しながら、空気燃焼に比べて熱効率の向上を図ることができる酸素富化バーナ、並びに、そのような酸素富化バーナを用いた酸素富化バーナの燃焼方法を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の第１の実施形態に係る酸素富化バーナの軸線方向に沿った断面図である。
【図3】本発明の第２の実施形態に係る酸素富化バーナの軸線方向に沿った断面図である。
【図5】実施例３における距離Ｌを変更したときの（Ａ）ＮＯｘ濃度の変化を測定したグラフ、（Ｂ）ＣＯ濃度の変化を測定したグラフである。
【図6】実施例４における燃料ガスの噴出速度を変更したときのＮＯｘ濃度の変化を測定したグラフである。
【図7】実施例４における一次酸化剤の噴出速度を変更したときのＮＯｘ濃度の変化を測定したグラフである。
【図8】実施例４における一次酸化剤及び二次酸化剤の流量の合計に対する一次酸化剤の流量の比率を変更したときのＮＯｘ濃度の変化を測定したグラフである。
【図9】実施例６における二次酸化剤の噴出速度を変更したときのＮＯｘ濃度の変化を測定したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
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ものとする。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも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。
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ものとする。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも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。
【0014】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態として、例えば図１及び図２に示す酸素富化バーナ１Ａについて説明する。なお、図１は、酸素富化バーナ１Ａの軸線方向に沿った断面図である。
図２は、酸素富化バーナ１Ａを先端側から見た正面図である。
先ず、本発明の第１の実施形態として、例えば図１及び図２に示す酸素富化バーナ１Ａについて説明する。なお、図１は、酸素富化バーナ１Ａの軸線方向に沿った断面図である。
図２は、酸素富化バーナ１Ａを先端側から見た正面図である。
【0015】
本実施形態のバーナ１Ａは、図１及び図２に示すように、燃料ガスＧを一次酸化剤Ｓ１により一次燃焼させることによって、その先端側から火炎Ｆを噴射するメインノズル２と、火炎Ｆに向けて噴射された二次酸化剤Ｓ２により火炎Ｆを二次燃焼させる少なくとも２つ以上（本実施形態では２つ）のサブノズル３とを備えている。
【0016】
また、メインノズル２及びサブノズル３は、それぞれバーナタイルＴを貫通する孔部Ｈ１，Ｈ２の内側に設置されている。バーナタイルＴは、耐火材として加熱炉内の炉壁を構成している。
【0017】
メインノズル２は、正面視でバーナタイルＴのほぼ中央に位置する孔部Ｈ１に、その先端側が挿入された状態で配置されている。メインノズル２は、先端側の中心部に設けられた燃料ガス噴出口４と、燃料ガス噴出口４の周囲を囲むように設けられた一次酸化剤噴出口５と、燃料ガス噴出口４に向けて燃料ガスＧを供給する燃料ガス流路６と、一次酸化剤噴出口５に向けて一次酸化剤Ｓ１を供給する一次酸化剤流路７とを有している。
【0018】
メインノズル２は、その中心部に配置された第１のノズル部材８と、第１のノズル部材８の外側に同心円状に配置された第２のノズル部材９とを含む二重ノズル構造を有している。
【0019】
第１のノズル部材８は、その中心部を軸線方向に貫通する断面円形状の第１の孔部８ａを有して、全体として略円筒状に形成されている。燃料ガス流路６は、この第１の孔部８ａにより構成され、燃料ガス噴出口４は、この第１の孔部８ａの先端により構成されている。
【0020】
第２のノズル部材９は、その中心部を軸線方向に貫通する断面円形状の第２の孔部９ａを有して、全体として略円筒状に形成されている。一次酸化剤流路７は、この第２の孔部９ａにより構成され、一次酸化剤噴出口５は、この第２の孔部９ａの先端により構成されている。また、第２の孔部９ａは、その途中から先端側に向かって縮径され、その縮径された形状のまま先端まで延長されている。
【0021】
サブノズル３は、メインノズル２の下側に配置されている。本実施形態では、正面視でバーナタイルＴの孔部Ｈ１よりも下方側に位置し、且つ、孔部Ｈ１を挟んで対称に並ぶ２つの孔部Ｈ２に、それぞれサブノズル３の先端側が挿入された状態で配置されている。サブノズル３は、その先端側に設けられた二次酸化剤噴出口１０と、二次酸化剤噴出口１０に向けて二次酸化剤Ｓ２を供給する二次酸化剤流路１１とを有している。
【0022】
サブノズル３は、その中心部を軸線方向に貫通する断面円形状の第３の孔部１２ａを有して、全体として略円筒状に形成された第３のノズル部材１２により構成されている。二次酸化剤流路１１は、この第３の孔部１２ａにより構成され、二次酸化剤噴出口１０は、この第３の孔部１２ａの先端により構成されている。また、第３の孔部１２ａは、その途中から先端側に向かって僅かに縮径され、その縮径された形状のまま先端まで延長されている。
【0023】
本実施形態の酸素富化バーナ１Ａでは、燃料ガス噴出口４から噴出された燃料ガスＧを一次酸化剤噴出口５から噴出された一次酸化剤Ｓ１により一次燃焼させることによって、メインノズル２の先端側から火炎Ｆを噴射する。また、本実施形態の酸素富化バーナ１Ａでは、各サブノズル３の先端側から火炎Ｆに向けて噴射された二次酸化剤Ｓ２により火炎Ｆを二次燃焼させる。
【0024】
本実施形態では、燃料ガスＧとして、例えば、天然ガス（ＬＮＧ）、都市ガス、ＬＰガス、プロパンガス、ブタンガスなどの炭化水素系燃料ガスの他に、ＮＨ３、Ｈ２、コークス炉ガス（ＣＯＧ：Coke Oven Gas）、高炉ガス（ＢＦＧ：Blast Furnace Gas）、ミックスガス（Ｍガス）の中から選ばれる何れかのガスと炭化水素系燃料ガスとの混合ガスを用いることができる。一方、一次酸化剤Ｓ１及び二次酸化剤Ｓ２には、空気又は酸素を用いることができる。
【0025】
なお、ＣＯＧは、石炭をコークス炉で乾留したときに発生する副生ガスであり、その主要成分は、水素、メタン、一酸化炭素、炭化水素である。ＢＦＧは、高炉で鉄鉱石をコークスで還元して銑鉄を製造する際に発生する副生ガスであり、その主要成分は、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素である。Ｍガスは、余剰のＣＯＧとＢＦＧを混合したガスである。
【0026】
本実施形態の酸素富化バーナ１Ａでは、上述した燃料ガスＧを一次酸化剤Ｓ１により一次燃焼させることによって、火炎（一次火炎／還元火炎）Ｆが形成され、この火炎Ｆの中心から離れた位置から供給される二次酸化剤Ｓ２により火炎Ｆを二次燃焼させることによって、燃料ガスＧが完全燃焼させることが可能である。
【0027】
特に、本実施形態の酸素富化バーナ１Ａでは、サブノズル３から火炎Ｆの１／２火炎長よりも先端側に向けて噴射された二次酸化剤Ｓ２により火炎Ｆを二次燃焼させることが好ましい。
【0028】
この場合、火炎Ｆの後流側で徐々に燃料ガスＧと二次酸化剤Ｓ２とが反応するため、局所的な高温部が形成されず、ＮＯｘの生成を抑制することができる。また、メインノズル２よりも下方に位置するサブノズル３から二次酸化剤Ｓ２を供給することによって、火炎Ｆと二次酸化剤Ｓ２との混合が遅くなり、ＮＯｘの生成を抑制することができる。一方、火炎Ｆの全周囲から二次酸化剤Ｓ２が供給される場合、火炎Ｆと二次酸化剤Ｓ２との混合が速くなり、ＮＯｘ生成の抑制効果が小さくなってしまう。
【0029】
また、燃料ガスＧとして、上述した炭化水素系燃料の他に、ＮＨ３、Ｈ２、ＣＯＧ、ＢＦＧ、Ｍガスを用いた場合でも、ＮＯｘの生成を抑えることができる。また、加熱炉向けに、ＮＨ３、Ｈ２、ＣＯＧ、ＢＦＧ、Ｍガスを燃料ガスＧとして用いた場合でも、酸素富化することが可能となる。さらに、これらの燃料ガスＧを用いることによって、ＣＯ２の発生量を大幅に削減することが可能となる。
【0030】
また、本実施形態の酸素富化バーナ１Ａでは、燃料ガスＧの噴出速度Ｖｇを２０～１００ｍ／ｓの範囲とし、一次酸化剤Ｓ１の噴出速度Ｖｓ１を５～４０ｍ／ｓの範囲とし、一次酸化剤Ｓ１の噴出速度Ｖｓ１に対する燃料ガスＧの噴出速度Ｖｇの比率（Ｖｇ／Ｖｓ１）を２～１０の範囲とすることが好ましい。
【0031】
燃料ガスＧの噴出速度Ｖｇが２０ｍ／ｓより遅くなると、燃料ガスＧが二次酸化剤Ｓ２の流れに巻き込まれて、燃料ガスＧと二次酸化剤Ｓ２との混合が速くなり、ＮＯｘの生成量が増加することになる。一方、燃料ガスＧの噴出速度Ｖｇが１００ｍ／ｓより速くなると、燃料ガスＧの流れに二次酸化剤Ｓ２が巻き込まれて、ＮＯｘの生成量が増加することになる。
【0032】
一次酸化剤Ｓ１の噴出速度ＶＳ１が５ｍ／ｓより遅くなると、燃料ガスＧと一次酸化剤Ｓ１との混合が悪くなり、燃料ガスＧの燃焼状態が悪化することになる。一方、一次酸化剤Ｓ１の噴出速度ＶＳ１が４０ｍ／ｓより速くなると、燃料ガスＧと一次酸化剤Ｓ１との混合が速くなり、火炎Ｆの温度が上昇してＮＯｘの生成量が増加することになる。
【0033】
また、本実施形態の酸素富化バーナ１Ａでは、一次酸化剤Ｓ１及び二次酸化剤Ｓ２の流量の合計に対する一次酸化剤Ｓ１の流量の比率を百分率で１０～４０％の範囲とすることが好ましい。
【0034】
一次酸化剤Ｓ１の流量を上記範囲内とすることによって、還元雰囲気の一次火炎が形成され、ＮＯｘの生成を抑制することができる。一方、一次酸化剤Ｓ１の流量が１０％より少なくなると、一次火炎が長くなり、全体の火炎長が長くなったり、未燃焼などの問題が生じることになる。一方、一次酸化剤Ｓ１の流量が４０％より多くすると、一次火炎の還元性が弱くなり、ＮＯｘの生成量が増加することになる。
【0035】
また、本実施形態の酸素富化バーナ１Ａでは、二次酸化剤Ｓ２の噴射速度を５０～１５０ｍ／ｓの範囲とすることが好ましい。
【0036】
二次酸化剤Ｓ２の噴射速度を上記範囲内とすることによって、一次火炎への二次酸化剤Ｓ２の混合を適正化し、ＮＯｘの生成を抑制することができる。一方、二次酸化剤Ｓ２の噴射速度が５０ｍ／ｓより遅くなると、一次火炎のとの混合が緩慢になり過ぎて、未燃焼ガスが発生することになる。一方、また、二次酸化剤Ｓ２の噴射速度が１５０ｍ／ｓより速くなると、一次火炎との混合が速くなり、ＮＯｘの生成量が増加することになる。
【0037】
また、本実施形態の酸素富化バーナ１Ａでは、一次酸化剤Ｓ１の酸素濃度を２０．９％以上、且つ、一次酸化剤Ｓ１及び二次酸化剤Ｓ２の合計の酸素濃度以下とすることが好ましい。
【0038】
酸素富化燃焼において、燃料ガスＧを酸素濃度の低い一次酸化剤Ｓ１と反応させることにより、一次火炎の温度を抑えることができる。また、局所酸素濃度を下げることによって、ＮＯｘの生成を抑制することができる。
【0039】
また、本実施形態の酸素富化バーナ１Ａでは、正面視でメインノズル２の中心とサブノズル３の中心との間の距離をＬ［ｍｍ］とし、燃料ガスＧの燃焼熱量［ＭＪ／ｈ］をＱとしたときに、下記式（１）の関係を満足することが好ましい。
５０×（Ｑ／４０．６）１／３≦Ｌ≦２００×（Ｑ／４０．６）１／３ …（１）
５０×（Ｑ／４０．６）１／３≦Ｌ≦２００×（Ｑ／４０．６）１／３ …（１）
【0040】
これにより、一次燃焼に形成された火炎Ｆへの二次酸化剤Ｓ２の混合が適正化され、ＮＯｘの発生を抑制することができる。一方、二次酸化剤Ｓ２の供給位置がメインノズル２に近過ぎると、二次酸化剤Ｓ２の混合が早くなり、高濃度のＮＯｘが発生することになる。一方、二次酸化剤Ｓ２の供給位置がメインノズル２から遠すぎると、二次酸化剤Ｓ２の混合が悪くなり、燃焼悪化によりＣＯ等の未燃焼ガスが発生することになる。
【0041】
以上のように、本実施形態によれば、酸素富化の燃焼条件においてもＮＯｘの生成を抑制しながら、空気燃焼に比べて熱効率の向上を図ることができる酸素富化バーナ１Ａ、並びに、そのような酸素富化バーナ１Ａを用いた酸素富化バーナの燃焼方法を提供することが可能である。
【0042】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態として、例えば図３及び図４に示す酸素富化バーナ１Ａについて説明する。なお、図３は、酸素富化バーナ１Ｂの軸線方向に沿った断面図である。図４は、酸素富化バーナ１Ｂを先端側から見た正面図である。また、以下の説明では、上記酸素富化バーナ１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
次に、本発明の第２の実施形態として、例えば図３及び図４に示す酸素富化バーナ１Ａについて説明する。なお、図３は、酸素富化バーナ１Ｂの軸線方向に沿った断面図である。図４は、酸素富化バーナ１Ｂを先端側から見た正面図である。また、以下の説明では、上記酸素富化バーナ１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【0043】
【0044】
具体的に、この酸素富化バーナ１Ｂが備えるサブノズル３は、その先端側の中心部に設けられた二次酸素噴出口２１と、二次酸素噴出口２１の周囲を囲むように設けられた二次空気噴出口２２と、二次酸素噴出口２１に向けて二次酸素Ｓ２Ｏを供給する二次酸素流路２３と、二次空気噴出口２２に向けて二次空気Ｓ２Ａを供給する二次空気流路２４とを有している。
【0045】
サブノズル３は、その中心部に配置された第１のノズル部材２５と、第１のノズル部材２５の外側に同心円状に配置された第２のノズル部材２６とを含む二重ノズル構造を有している。
【0046】
第１のノズル部材２５は、その中心部を軸線方向に貫通する断面円形状の第１の孔部２５ａを有して、全体として略円筒状に形成されている。二次酸素流路２３は、この第１の孔部２５ａにより構成され、二次酸素噴出口２１は、この第１の孔部２５ａの先端により構成されている。また、第１の孔部２５ａは、その途中から先端側に向かって僅かに縮径され、その縮径された形状のまま先端まで延長されている。
【0047】
第２のノズル部材２６は、その中心部を軸線方向に貫通する断面円形状の第２の孔部２６ａを有して、全体として略円筒状に形成されている。二次空気流路２４は、この第２の孔部２６ａにより構成され、二次空気噴出口２２は、この第２の孔部２６ａの先端により構成されている。また、第２の孔部２６ａは、その途中から先端側に向かって縮径され、その縮径された形状のまま先端まで延長されている。
【0048】
本実施形態の酸素富化バーナ１Ｂでは、燃料ガス噴出口４から噴出された燃料ガスＧを一次酸化剤噴出口５から噴出された一次酸化剤Ｓ１により一次燃焼させることによって、メインノズル２の先端側から火炎Ｆを噴射する。また、本実施形態の酸素富化バーナ１Ｂでは、二次酸素噴出口２１から噴出された二次酸素Ｓ２Ｏと、二次空気噴出口２２ら噴出された二次空気Ｓ２Ａとを二次酸化剤Ｓ２として、各サブノズル３の先端側から火炎Ｆに向けて噴射し、この二次酸化剤Ｓ２（二次酸素Ｓ２Ｏ及び二次空気Ｓ２Ａ）により火炎Ｆを二次燃焼させる。
【0049】
本実施形態の酸素富化バーナ１Ｂでは、上述した燃料ガスＧを一次酸化剤Ｓ１により一次燃焼させることによって、火炎（一次火炎／還元火炎）Ｆが形成され、この火炎Ｆの中心から離れた位置から供給される二次酸化剤Ｓ２（二次酸素Ｓ２Ｏ及び二次空気Ｓ２Ａ）により火炎Ｆを二次燃焼させることによって、燃料ガスＧが完全燃焼させることが可能である。
【0050】
特に、本実施形態の酸素富化バーナ１Ｂでは、酸化力の高い二次酸素Ｓ２Ｏを酸化力の低い二次空気Ｓ２Ａで囲んだ状態で噴射することが好ましい。
【0051】
この場合、サブノズル３から噴射される二次酸化剤Ｓ２のうち、その外周付近の二次空気Ｓ２Ａによる酸化力を低くし（すなわち低酸素濃度とし）、その中心付近の二次酸素Ｓ２Ｏによる酸化力を高くする（すなわち高酸素濃度とする）ことで、メインノズル２の先端近くでは、一次燃焼に形成された火炎Ｆが酸素濃度の低い二次酸化剤Ｓ２と反応し、火炎Ｆの温度の上昇が抑えられる。これにより、ＮＯｘの生成を抑制することができる。
【0052】
また、本実施形態の酸素富化バーナ１Ｂでは、上述した酸素富化バーナ１Ａと同じ燃焼方法を用いることによって、酸素富化バーナ１Ａを用いた場合と同様の効果を得ることが可能である。
【0053】
以上のように、本実施形態によれば、酸素富化の燃焼条件においてもＮＯｘの生成を抑制しながら、空気燃焼に比べて熱効率の向上を図ることができる酸素富化バーナ１Ｂ、並びに、そのような酸素富化バーナ１Ｂを用いた酸素富化バーナの燃焼方法を提供することが可能である。
【実施例】
【0054】
以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例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できる。
【0055】
（実施例１）
実施例１では、上記酸素富化バーナ１Ａを試験炉に設置して、下記表１の燃焼条件で燃焼試験を行い、炉出口におけるＮＯｘ濃度を測定した。その測定結果を下記表２に示す。
実施例１では、上記酸素富化バーナ１Ａを試験炉に設置して、下記表１の燃焼条件で燃焼試験を行い、炉出口におけるＮＯｘ濃度を測定した。その測定結果を下記表２に示す。
【0056】
【表1】
【0057】
【表2】
【0058】
本燃焼試験では、メインノズル２の中心とサブノズル３の中心との間の距離Ｌは、１２５ｍｍとした。また、酸素富化バーナ１Ａによる燃焼量は、炉内温度が１２７０℃となるように調整した。
【0059】
本燃焼試験では、上記表１中に示す条件１～４のように、一次酸化剤Ｓ１及び二次酸化剤Ｓ２の酸素濃度を変えて、ＮＯｘ濃度への影響を確認した。その結果、何れの条件においても、加熱炉のＮＯｘ濃度の規制値である１３０ｐｐｍ（Ｏ２１１％換算）対して、十分低いレベルに抑制できることを確認した。また、ＣＯ濃度も低いレベルにあることを確認した。
【0060】
（実施例２）
実施例２では、上記酸素富化バーナ１Ｂを試験炉に設置して、下記表３の燃焼条件で燃焼試験を行い、炉出口におけるＮＯｘ濃度を測定した。その測定結果を下記表４に示す。
実施例２では、上記酸素富化バーナ１Ｂを試験炉に設置して、下記表３の燃焼条件で燃焼試験を行い、炉出口におけるＮＯｘ濃度を測定した。その測定結果を下記表４に示す。
【0061】
【表3】
【0062】
【表4】
【0063】
本燃焼試験では、メインノズル２の中心とサブノズル３の中心との間の距離Ｌは、１２５ｍｍとした。また、酸素富化バーナ１Ａによる燃焼量は、炉内温度が１２７０℃となるように調整した。
【0064】
本燃焼試験では、上記表３中に示す条件１～３のように、一次酸化剤Ｓ１及び二次酸化剤Ｓ２（二次酸素Ｓ２Ｏ及び二次空気Ｓ２Ａ）の酸素濃度を変えて、ＮＯｘ濃度への影響を確認した。その結果、何れの条件においても、加熱炉のＮＯｘ濃度の規制値である１３０ｐｐｍ（Ｏ２１１％換算）対して、十分低いレベルに抑制できることを確認した。また、ＣＯ濃度も低いレベルにあることを確認した。
【0065】
また、実施例１の条件４と実施例２の条件２とは、メインノズル３の燃焼条件が同じであるが、一次酸化剤Ｓ１の酸素濃度が低い実施例２の条件２の方がＮＯｘが抑制できることを確認した。
【0066】
（実施例３）
実施例３では、上記酸素富化バーナ１Ａを試験炉に設置して、下記表５の燃焼条件で距離Ｌを変更しながら燃焼試験を行い、炉出口におけるＮＯｘ濃度及びＣＯ濃度を測定した。その測定結果をまとめたグラフを図５（Ａ），（Ｂ）に示す。
実施例３では、上記酸素富化バーナ１Ａを試験炉に設置して、下記表５の燃焼条件で距離Ｌを変更しながら燃焼試験を行い、炉出口におけるＮＯｘ濃度及びＣＯ濃度を測定した。その測定結果をまとめたグラフを図５（Ａ），（Ｂ）に示す。
【0067】
【表5】
【0068】
本燃焼試験における燃料ガスの燃焼熱量は、３６５．４ＭＪ／ｈである。したがって、上記式（１）を満足する距離Ｌの範囲は、１０４≦Ｌ≦４１６ｍｍである。
【0069】
本燃焼試験では、図５（Ａ）に示すように、距離Ｌが上記式（１）を満足する範囲で、加熱炉のＮＯｘ濃度の規制値である１３０ｐｐｍ（Ｏ２１１％換算）対して、十分低いレベルに抑制できることを確認した。また、図５（Ｂ）に示すように、距離Ｌが上記式（１）を満足する範囲で、ＣＯ濃度を５０ｐｐｍ以下の低いレベルに抑制できることを確認した。
【0070】
（実施例４）
実施例４では、上記酸素富化バーナ１Ａを試験炉に設置して、下記表６の燃焼条件（条件１）で燃料ガスの噴出速度を変更しながら燃焼試験を行い、炉出口におけるＮＯｘ濃度を測定した。その測定結果をまとめたグラフを図６に示す。
実施例４では、上記酸素富化バーナ１Ａを試験炉に設置して、下記表６の燃焼条件（条件１）で燃料ガスの噴出速度を変更しながら燃焼試験を行い、炉出口におけるＮＯｘ濃度を測定した。その測定結果をまとめたグラフを図６に示す。
【0071】
また、実施例４では、上記酸素富化バーナ１Ａを試験炉に設置して、下記表６の燃焼条件（条件２）で一次酸化剤の噴出速度を変更しながら燃焼試験を行い、炉出口におけるＮＯｘ濃度を測定した。その測定結果をまとめたグラフを図７に示す。
【0072】
【表6】
【0073】
本燃焼試験では、図６に示すように、燃料ガスの噴出速度が２０～１００ｍ／ｓとなる範囲で、加熱炉のＮＯｘ濃度の規制値である１３０ｐｐｍ（Ｏ２１１％換算）対して、十分低いレベルに抑制できることを確認した。
【0074】
本燃焼試験では、図７に示すように、一次酸化剤の噴出速度が５～４０ｍ／ｓとなる範囲で、加熱炉のＮＯｘ濃度の規制値である１３０ｐｐｍ（Ｏ２１１％換算）対して、十分低いレベルに抑制できることを確認した。
【0075】
（実施例５）
実施例５では、上記酸素富化バーナ１Ａを試験炉に設置して、下記表７の燃焼条件で一次酸化剤及び二次酸化剤の流量の合計に対する一次酸化剤の流量の比率を変更しながら燃焼試験を行い、炉出口におけるＮＯｘ濃度を測定した。その測定結果をまとめたグラフを図８に示す。
実施例５では、上記酸素富化バーナ１Ａを試験炉に設置して、下記表７の燃焼条件で一次酸化剤及び二次酸化剤の流量の合計に対する一次酸化剤の流量の比率を変更しながら燃焼試験を行い、炉出口におけるＮＯｘ濃度を測定した。その測定結果をまとめたグラフを図８に示す。
【0076】
【表7】
【0077】
本燃焼試験では、図８に示すように、一次酸化剤の比率が０．１～０．４（１０～４０％）となる範囲で、加熱炉のＮＯｘ濃度の規制値である１３０ｐｐｍ（Ｏ２１１％換算）対して、十分低いレベルに抑制できることを確認した。
【0078】
（実施例６）
実施例６では、上記酸素富化バーナ１Ａを試験炉に設置して、下記表８の燃焼条件で二次酸化剤の噴射速度を変更しながら燃焼試験を行い、炉出口におけるＮＯｘ濃度及びＣＯ濃度を測定した。その測定結果をまとめたグラフを図９（Ａ），（Ｂ）に示す。
実施例６では、上記酸素富化バーナ１Ａを試験炉に設置して、下記表８の燃焼条件で二次酸化剤の噴射速度を変更しながら燃焼試験を行い、炉出口におけるＮＯｘ濃度及びＣＯ濃度を測定した。その測定結果をまとめたグラフを図９（Ａ），（Ｂ）に示す。
【0079】
【表8】
【0080】
本燃焼試験では、図９（Ａ）に示すように、二次酸化剤の噴射速度が５０～１５０ｍ／ｓとなる範囲で、加熱炉のＮＯｘ濃度の規制値である１３０ｐｐｍ（Ｏ２１１％換算）対して、十分低いレベルに抑制できることを確認した。また、図９（Ｂ）に示すように、距離Ｌが上記式（１）を満足する範囲で、ＣＯ濃度を５０ｐｐｍ以下の低いレベルに抑制できることを確認した。
【符号の説明】
【0081】
１Ａ，１Ｂ…酸素富化バーナ ２…メインノズル ３…サブノズル ４…燃料ガス噴出口 ５…一次酸化剤噴出口 ６…燃料ガス流路 ７…一次酸化剤流路 ８…第１のノズル部材 ９…第２のノズル部材 １０…二次酸化剤噴出口 １１…二次酸化剤流路 １２…第３のノズル部材 ２１…二次酸素噴出口 ２２…二次空気噴出口 ２３…二次酸素流路 ２４…二次空気流路 ２５…第１のノズル部材 ２６…第２のノズル部材 Ｇ…燃料ガス Ｓ１…一次酸化剤 Ｓ２…二次酸化剤 Ｓ２Ｏ…二次酸素 Ｓ２Ａ…二次空気
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】