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1. (WO2019044296) OXYGEN-ENRICHING BURNER AND HEATING METHOD USING OXYGEN-ENRICHING BURNER
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明 細 書

発明の名称 酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004  

先行技術文献

特許文献

0005  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0006   0007   0008  

課題を解決するための手段

0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015  

発明の効果

0016   0017  

図面の簡単な説明

0018  

発明を実施するための形態

0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059  

実施例

0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074  

産業上の利用可能性

0075  

符号の説明

0076  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8  

明 細 書

発明の名称 : 酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法

技術分野

[0001]
 本発明は、酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法に関するものである。

背景技術

[0002]
 製鉄プロセスで用いられる、銑鉄(溶湯)を受ける炉(容器)である取鍋やタンディッシュは、急加熱による炉内の耐火物(耐火煉瓦等)の損傷を防ぐことを目的として、バーナによる火炎を用いて予熱が行われている。
 このような用途に用いられるバーナの火炎には、伝熱効率が高いこと、および被加熱物を均一に加熱できることが求められている。
[0003]
 バーナの伝熱効率を高める方法としては、例えば、酸化剤として酸素富化空気を用いることで火炎温度を上昇させる方法が採用されていた。しかしながら、一般的なバーナでは、火炎が直線的な形状となるため、被加熱物の一点を局所加熱してしまう傾向があり、均一加熱が困難である。
[0004]
 これに対し、特許文献1および2には、噴流の自励振動現象を利用することで火炎を振動させ、高い伝熱効率を保ちつつ、均一加熱を行うことが可能な方法が開示されている。特許文献1および2に開示されたバーナによれば、外部からの駆動力を必要とすることなく噴流が周期的に変化する自励振動現象を応用したノズル構造を採用することで、火炎向きを周期的に変化できるので、高い伝熱効率を保ちつつ、均一加熱を行うことが可能になる。これにより、特許文献1および2が開示するバーナは、従来のラジアントチューブバーナ等と比較して、広い範囲を均一に加熱することが可能になり、例えば、上記タンディッシュ等の予備加熱に好適に用いられる。

先行技術文献

特許文献

[0005]
特許文献1 : 特開2005-113200号公報
特許文献2 : 特開2013-079753号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0006]
 特許文献1および2に開示された自励振動を行うバーナの特性は、噴流の振動周期によって制御可能である。バーナの中心流体噴出口から噴出される中心流体の噴出速度が等しい場合であって、振動周期が短いときは流体の混合が促進され、対流伝熱が強化されるとともに、バーナの面方向への均一な伝熱分布を得ることができる。一方、振動周期が長いときは、緩慢燃焼となり、輻射伝熱が強化されるとともに長尺火炎を得ることが可能となる。噴出速度を一定としたまま、振動周期を制御するためには、自励振動を生じさせるために設けられる連結管内の流体の流れを制御すればよく、この連結管の長さを適切に選択することで任意の振動周期が得られる。
[0007]
 しかしながら、特許文献1および2が開示するバーナでは、中心流体の流量における振動周期が固定されてしまうため、燃焼特性を変更することはできない。例えば、上記連結管を取り外し可能とする方法も考えられる。例えば、フレキシブルケーブルを連結管に用いて制御を行う場合、振動周期を長くするためにはケーブル長を長くする必要があり、装置が煩雑になるという問題がある。また、バーナを運転した状態で振動数を変更しようとすると、燃焼状態で連結管を交換する必要があることから、流体が内部に流入した連結管の取り扱いに危険が伴うおそれがあった。
[0008]
 本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、自励振動で火炎を振動させながら被加熱物を加熱する際に、簡単な操作で任意の振動周期に変更することができ、かつ被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能な酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱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

[0009]
 上記課題を解決するため、本発明は以下の酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法を提供する。
(1)先端部に設けられた複数の流体噴出口から酸素富化空気又は燃料ガスを噴出し、これらを燃焼させる酸素富化バーナであって、前記複数の流体噴出口は、中心流体噴出口および周囲流体噴出口を具備し、前記中心流体噴出口の流体噴出流路の側壁には、それぞれ対向する位置で一対の開口部が設けられており、当該一対の開口部は連通部で連通されており、前記流体噴出流路における前記開口部よりも下流側の一対の側壁の間隔は下流側に向かって漸次拡開しており、前記周囲流体噴出口は、前記中心流体噴出口の周囲に配置されており、前記連通部は、前記一対の開口部にそれぞれ一端部が連結される第1連通管および第2連通管と、前記第1連通管および前記第2連通管の他端部に接続され、該第1連通管と第2連通管とを連通する少なくとも一以上の連通素子とを有することを特徴とする酸素富化バーナ。
[0010]
(2)(1)に記載の酸素富化バーナであって、前記連結素子が、前記第1連通管と第2連通管との間に、並列で複数設けられていることを特徴とする酸素富化バーナ。
[0011]
(3)(2)に記載の酸素富化バーナであって、前記複数の連結素子の内径および長さの少なくとも一方がそれぞれ異なることを特徴とする酸素富化バーナ。
[0012]
(4)(1)~(3)の何れかに記載の酸素富化バーナであって、前記第1連通管および前記第2連通管と、前記連通素子とが着脱可能に接続されていることを特徴とする酸素富化バーナ。
[0013]
(5)(1)~(4)の何れかに記載の酸素富化バーナであって、前記連通部は、前記第1連通管および前記第2連通管と前記連通素子との間に設けられた開閉バルブをさらに有することを特徴とする酸素富化バーナ。
[0014]
(6)(1)~(5)の何れかに記載の酸素富化バーナを用いて、前記中心流体噴出口から噴出する流体を前記流体噴出流路の拡開方向で自励振動させながら、前記被加熱物を加熱する、酸素富化バーナを用いた加熱方法。
[0015]
(7)(6)に記載の酸素富化バーナを用いた加熱方法であって、前記中心流体噴出口から噴出する流体の自励振動の周期が30秒以下であることを特徴とする酸素富化バーナを用いた加熱方法。

発明の効果

[0016]
 上記通り、本発明に係る酸素富化バーナは自励振動で火炎を振動させる酸素富化バーナであって、中心流体噴出口の流体噴出流路の側壁に設けられた一対の開口部を連通する連通部が、第1連通管と第2連通管とを連通させる連通素子を備えることで、簡単な操作で任意の振動周期に変更・制御することができる。したがって、酸素富化バーナの運転時に、簡単な切り替え操作で燃焼特性を変化させることができ、かつ被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。さらに、中心流体噴出口から噴出される燃料ガスに向けて周囲流体噴出口から酸素富化空気が噴出されることで、燃焼効率が向上し、NO の排出量を効果的に抑制することも可能になる。
[0017]
 また、本発明に係る酸素富化バーナを用いた加熱方法によれば、上記本発明に係る酸素富化バーナを用いた加熱方法なので、上記同様、自励振動による火炎の振動周期を必要に応じて簡単な操作で変更することができるとともに、被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。

図面の簡単な説明

[0018]
[図1] 本発明の一実施形態である酸素富化バーナについて模式的に説明する図であり、中心流体噴出口と周囲流体噴出口との位置関係の一例を示す平面図である。
[図2] 本発明の一実施形態である酸素富化バーナについて模式的に説明する図であり、図1中に示したバーナのA-A断面図である。
[図3] 本発明の一実施形態である酸素富化バーナについて模式的に説明する図であり、(a),(b)は、図1および2に示したバーナにおける中心流体の噴出方向の変動状態を示す概念図である。
[図4] 実施例における酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法を説明するための図であり、(a),(b)は、バーナと熱電対との位置関係を示す概略図である。
[図5] 実施例1および2における酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法を説明するための図であり、バーナ軸からの距離に対する炉内の温度分布を示すグラフである。
[図6] 実施例における酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法を説明するための図であり、(a),(b)は、バーナと抜熱体との位置関係を示す概略図である。
[図7] 実施例3および4における酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法を説明するための図であり、バーナ面からの距離に対する伝熱量分布を示すグラフである。
[図8] 実施例5における酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法を説明するための図であり、自励振動周期とNO 排出量との関係を示すグラフである。

発明を実施するための形態

[0019]
 以下、本発明の一実施形態である酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法について、図面を適宜参照しながら説明する。
[0020]
 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等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。
[0021]
<バーナ>
 以下、まずは本発明に係る酸素富化バーナの構成および燃焼方法について詳述する。
[0022]
[バーナの構成]
 図1~図3は、本発明の一実施形態である酸素富化バーナ1(以下、バーナ1と略称する場合がある)の構造を説明する図である。図1は中心流体噴出口と周囲流体噴出口との位置関係の一例を示す平面図である。、図2は図1中に示したA-A断面図(横断面図)である。また、図3は、本発明の一実施形態であるバーナ1における流体の噴出方向の変動状態を示す概念図である。なお、図1~図3においては、各流体噴出口および開口部等の配置関係やサイズを示すための模式図であることから、ノズルとしての管壁等、詳細な部分を一部省略している。
[0023]
 図1~図3に示すように、本実施形態のバーナ1は、先端部に設けられた複数の流体噴出口から燃料ガスG1又は酸素富化空気G2の少なくとも何れかを噴出し、燃焼させる。
[0024]
 具体的には、本実施形態のバーナ1は、中心流体噴出口2および周囲流体噴出口3からなる複数の流体噴出口を具備する。
 中心流体噴出口2を形成する流体噴出流路6を形成する側壁61には、対向する位置に一対の開口部62a,62bが設けられている。これら一対の開口部62a,62bは連通部7で連通されている。
 また、開口部62a,62bよりも下流側の流体噴出流路6をなす一対の側壁63a,63bの間隔は下流側に向かって漸次拡開している。つまり、バーナ1を上から見た場合、開口部62a,62bよりも下流側の流体噴出流路6は扇形である。
 また、周囲流体噴出口3は、中心流体噴出口2の周囲に配置されている。
[0025]
 本実施形態のバーナ1においては、中心流体噴出口2および周囲流体噴出口3から、燃料ガスG1又は酸素富化空気G2をそれぞれ噴出させるが、何れのガスが、どの噴出口から噴出されても構わない。
 本実施形態のバーナ1においては、中心流体噴出口2から燃料ガスG1を噴出させ、周囲流体噴出口3から酸素富化空気G2を噴出させる。
[0026]
 中心流体噴出口2は、流体噴出流路6に燃料ガスG1が供給されることで、燃料ガスG1を噴出する開口部(ノズル)となる。後述するように、流体の流れ方向に直交する方向における流体噴出流路6の断面が略矩形状であるため、中心流体噴出口2は矩形状である。
[0027]
 流体噴出流路6は、導入口6aに図示略の中央流体供給管路が接続されることで、燃料ガスG1が導入され、上記中心流体噴出口2から噴出させる。
 上記通り、流体(ガス)流れ方向に直交する方向における流体噴出流路6の断面は、略矩形状である。略矩形の側面は、上述した一対の側壁61,61で形成されている。側壁61,61には、それぞれ対向するように上記一対の開口部62a,62bが設けられている。また、図2に示すように、一対の開口部62a,62bは、連通部7によって連通される。
[0028]
 上記したように、開口部62a,62bよりも下流側に位置する流体噴出流路6の側面は、一対の側壁63a,63bで形成されている。一対の側壁63a,63bの間隔は、下流側に向かって漸次拡開している。開口部62a,62bよりも下流側に位置する、流体(ガス)流れ方向に沿った流体噴出流路6の断面は、扇形状である。すなわち、開口部62a,62bよりも下流側に位置する流体噴出流路6の側面は、略V字状に配置された一対の側壁側壁63a,63bで形成されている。
 一方、一対の開口部62a,62bよりも上流側に位置する流体噴出流路6は、対向した側壁61、61が略平行に延在した、角筒型の流路64として形成されている。流体(ガス)流れ方向に沿った断面は略矩形状である。
[0029]
 本実施形態のバーナ1は、流体噴出流路6をなす一対の側壁61,61に、一対の開口部62a,62bを対向して配置し、この一対の開口部62a,62bを通部部7で連通させることで、中心流体噴出口2から噴出する燃料ガスG1に、いわゆるフリップフロップノズルの自励振動を発生させることができる。
 すなわち、図3(a),(b)に示すように、流体噴出流路6の流路64を流れる流体(燃料ガスG1)が、一対の開口部62a,62bの間を通り抜けて、断面扇形状に配置された一対の側壁63a、63b間に流入すると、一方の側壁63aおよび他方の側壁63bに交互に接するように自励振動しながら、中心流体噴出口2から噴出する。なお、図1中、矢印Rは、流体の自励振動方向を意味する。
[0030]
 自励振動による流体の振幅や周波数は、開口部62a,62b、一対の側壁63a、63b、および連通部7における寸法や、流体の流速等の各種条件に応じて変化する。
 本実施形態に係る酸素富化バーナにおいては、詳細を後述するように、連通部7のうち、連通素子73の寸法および設置数を設定することで、中心流体噴出口2から噴出する流体を、一定程度の範囲内で所望の角度および周波数で振動させる。つまり、本実施形態の酸素富化バーナによれば、簡単な構成および簡単な操作で中心流体噴出口2から噴出する流体を、一定程度の範囲内で所望の角度および周波数で振動させることができる。
[0031]
 以下、本実施形態の酸素富化バーナ1の特徴部の一つである連通部7を説明する。
 連通部7は、一対の開口部62a,62bに、それぞれ一端部71a,72aが連結される第1連通管71および第2連通管72と、第1連通管71および第2連通管72の他端部71b,72bに接続され、これら第1連通管71と第2連通管72とを連通させる、少なくとも一以上の管状の連通素子73とを有する。
 つまり、連通部7は、第1連通管71と、第2連通管72と、複数の連通素子73とを具備する。上記第一連通管71の一端部71aは上記開口部62aに連結し、その他端部71bは上記連通素子73に連結している。上記第二連通管72の一端部72aは上記開口部62bに連結し、その他端部72bは上記連通素子73に連結している。
 図2では、連通部7は、第1連通管71と、第2連通管72と、第1連通管71と第2連通管72との間に並列に接続された3本の連結素子73とで構成されている。すなわち、図2に示すように、第1連通管71は、3箇所の他端部71b,71b、71bを有する。同様に、第2連通管72も、3箇所の他端部72b,72b、72bを有する。第一連通管71の他端部71b、71b、71bは、3本連結素子73(73A,73B,73C)を介して、第二連通管72の他端部72b、72b、72bと連通している。つまり、3本連結素子73(73A,73B,73C)は、第一連通管71および第二連通管72に対して、並列に配置されている。
 本実施形態の酸素富化バーナ1では、一対の開口部62a,62b間を連通部7で連通させることでフリップフロップノズルによる自励振動を発生させている。
[0032]
 本実施形態の酸素富化バーナ1における連通部7は、第1連通管71と連通素子73との間に設けられた開閉バルブ74と、第2連通管72と連通素子73との間に設けられた開閉バルブ74とをさらに具備する。つまり、連結素子73A,73B,73Cの一端部73aおよび他端部73bのそれぞれに開閉バルブ74が接続されている。
 本実施形態のバーナ1は、上記開閉バルブ74を具備するため、連結素子73A,73B,73Cのうちの任意の連結素子のみを選択することが可能となる。もちろん、開閉バルブ74の操作により、全ての連結素子73A,73B,73Cを同時に使用するか、または全て停止することも可能である。
[0033]
 本実施形態のバーナ1においては、複数の連結素子73A,73B,73Cの内径や長さ(全長)をそれぞれ変化させることで、各々の連通素子を流れる流体の流量や流速を異なる値に設定することができる。つまり、上記開閉バルブ74を操作して任意の連結素子を選択することで、連通部7における流体の流量や流速を調整し、自励振動周期を任意の周期に設定することが可能である。連結素子73を長くするほど、中心流体噴出口2から噴出する流体の自励振動周期が長くなる。連結素子73の内径を小さくするほど、上記自励振動周期が長くなる。
[0034]
 なお、連通素子73内に邪魔板等を設けることでも連通素子73における流体の流量や流速を変化させることができる。
[0035]
 流体噴出流路6の直径又は相当径(流路断面が円形でない場合)Dと、連結素子73の流路断面積Sとによって無次元化された連結素子長さlen、および上記直径又は相当径Dと、中心流体噴出速度Uとによって無次元化された振動数(ストローハル数)Stの関係は、式{len=k・1/St(k:比例定数)}で表され、線形関係となる。
 すなわち、連結素子長さlenと、振動数Stとの関係は、式{1/St=D/(t・U)(t:振動周期)}でも表されるが、流体噴出流路6の直径又は相当径D、および中心流体噴出速度Uは決まっているため、連結素子長さlenの異なる連結素子73を用いて振動周期tを変化させることが可能になる。
[0036]
 図2に示すように、流体の流れ方向に直交する方向における流体噴出流路6の断面が矩形状である場合には、一対の開口部62a,62bに対して上流側に位置する側壁61、61の間隙を相当径Dとすることができる。
[0037]
 本実施形態の酸素富化バーナ1においては、仕様の異なる連結素子73A,73B,73Cを具備し、それらを任意に選択することで、振動周期tを容易に変更することができる。
[0038]
 また、本実施形態の酸素富化バーナ1では、第1連通管71と、連通素子73とが着脱自在に接続されていてもよいし、第2連通管72と、連通素子73とが着脱自在に接続されていてもよい。開閉バルブ74に対して、連通素子73を着脱可能に接続させればよい。第1連通管71および第2連通管72(または開閉バルブ74)に対して、連通素子73を着脱可能な取り付けることで、被加熱物の特性等に応じた流体流量・流速をなす連通素子73に容易に交換することができる。
[0039]
 第1連通管71および第2連通管72(または開閉バルブ74)に対して、連通素子73を着脱可能とするには、種々の方法を採用できる。例えば、連通素子73の両端部73,73bと、第1連通管71および第二連通管72とをOリングでシールしてもよい。連通素子73の両端部73,73bおよび第1連通管71および第2連通管72の他端にねじ留め構造を設けてもよい。
[0040]
 なお、流体噴出流路6における一対の側壁63の開き角度、すなわち、中心流体噴出口2の開口角度α(図2参照)は、特に限定されず、所望する火炎の開き角度を勘案しながら設定すればよい。しかしながら、流体の噴出方向の振動を安定的に発生させ、均一な加熱を実現する観点からは、90°以下とすることが好ましい。
[0041]
 また、図2では、連通部が3本の連結素子73a,73b,73cを具備するが、これには限定されない。例えば、連結素子73を1~2本とすることも可能であるし、連結素子73を4本以上備えてもよい。
[0042]
 また、本実施形態のバーナ1は、中心流体噴出口2から噴出される中心流体(燃料ガスG1)の噴出量、および周囲流体噴出口3から噴出される周囲流体(酸素富化空気G1)の噴出量を、個別に制御可能であることが好ましい。例えば、各噴出口に接続されて各流体を供給する管路に、流量制御装置を設ければよい。
[0043]
 周囲流体噴出口3は、図1に示すように、中心流体噴出口2の周囲に、この中心流体噴出口2を取り囲むように配置されている。
 周囲流体噴出口3には図示略の周囲流体供給管路が接続され、酸素富化空気G2が導入されることで、ガスを噴出させる開口部(ノズル)として構成される。
[0044]
 ここで、本実施形態において説明する、「周囲流体噴出口3が中心流体噴出口2の周囲に配置されている」とは、周囲流体噴出口3が中心流体噴出口2の周囲を取り囲むように配置されていることを意味しており、中心流体噴出口2と周囲流体噴出口3とが隣接した位置に配置されていることをいう。
 周囲流体噴出口3を、中心流体噴出口2の周囲に配置することで、燃料ガスG1の噴出位置に隣接した位置から酸素富化空気G2を噴出させることができる。
[0045]
 本実施形態の酸素富化バーナ1においては、中心流体噴出口2の周囲を取り囲むように周囲流体噴出口3が配置されることで、中心流体噴出口2から噴出される中心流体(燃料ガスG1)と、周囲流体噴出口3から噴出される周辺流体(酸素富化空気G2)とが効果的に混合される。また、周囲流体噴出口3から噴出される周辺流体が火炎の外側方向に向かうことで還元領域が広がり、火炎を形成する際の燃焼効率が向上する。
[0046]
 なお、周囲流体噴出口3の形状は、中心流体噴出口2の周囲を取り囲むように配置されている、矩形状または円形であってもよい。また、周囲流体噴出口3は、中心流体噴出口2の周囲を取り囲むように配置された複数の開口部(孔)であってもよい。
[0047]
[バーナの燃焼方法]
 次に、上記本実施形態の酸素富化バーナ1を燃焼させる方法について説明する。
 本実施形態のバーナ1では、中心流体噴出口2から噴出される中心流体を燃料ガスG1とし、周囲流体噴出口3から噴出される周囲流体を酸素富化空気G2とすることで、燃料ガスG1の噴出方向で火炎を形成する。
[0048]
 燃料ガスとしては、典型的には天然ガス(LNG)等を例示することができるが、例えば、重油等の液体燃料であっても構わない。
 また、酸素富化空気G2としては、例えば、酸素と空気との混合ガスにおいて、酸素濃度を出来るだけ高めたものを例示できる。上記空気の代わりに、例えば、窒素ガス、炭酸ガス又は排ガス等を用い、これを酸素と混合して用いることも可能である。また、上記混合ガスに用いる酸素としては、工業用純酸素を用いてもよい。
[0049]
 また、本実施形態のバーナ1を燃焼させる際は、自励振動によって噴出方向を交互かつ周期的に変化させながら(図3(a),(b)を参照)、中心流体噴出口2から燃料ガスG1を噴出させる。この際、中心流体噴出口2から周期的に変化した角度で噴出される燃料ガスG2に対し、周囲流体噴出口3からは燃料ガスG2を包み込むように酸素富化空気G2(周囲流体)が噴出され、火炎の形成に寄与する。
[0050]
 燃料ガスG1に向けて酸素富化空気G2が噴出されることで、燃焼効率が向上し、NO の排出量を効果的に抑制できる。また、火炎による伝熱効率が向上し、被加熱物を均一に加熱することが可能になる。
[0051]
 なお、上記自励振動による燃料ガスG1の噴出方向の切り替え周期(振動周期t)は、特に限定されない。バーナの中心軸から離れた位置においても、優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能な範囲で適宜設定すればよい。このような効果が得られる振動周期tとしては、後述するように、振動周期t=30秒以下とすることが好ましい。
[0052]
 本実施形態の酸素富化バーナ1は、自励振動によって火炎を振動させるバーナであって、上記連通部7を具備するため、中心流体噴出口2から噴出される流体の振動周期tを任意に変更・制御することができる。これにより、酸素富化バーナ1の運転時に、簡単な切り替え操作で燃焼特性を変化させることができ、かつ被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することができる。
[0053]
<酸素富化バーナを用いた加熱方法>
 本発明に係る加熱方法は、上記酸素富化バーナ1を用い、中心流体噴出口2から噴出する流体を流体噴出流路6の拡開方向で自励振動させながら、例えば、タンディッシュ等の被加熱物を加熱する方法である。
 本発明の加熱方法は、上記酸素富化バーナ1を用いて被加熱物を加熱する方法なので、自励振動で振動する火炎によって被加熱物を加熱する際、中心流体噴出口2から噴出される流体の自励振動を任意の振動周期tに変更しながら、被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することができる方法である。
[0054]
 本発明の加熱方法における被加熱物としては、特に限定されない。一実施形態として、上述した製鋼プロセスにおいて用いられる、銑鉄を受ける取鍋やタンディッシュ(図示略)等が挙げられる。
[0055]
 本実施形態の加熱方法は、上記バーナ1を用いて、取鍋やタンディッシュ等の被加熱物を加熱する方法であって、中心流体噴出口2から噴出される流体の振動周期tを任意に変更・制御できる。これにより、バーナ1の運転時に、簡単な切り替え操作で燃焼特性を変化させることができ、かつ被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。
[0056]
 なお、本実施形態の加熱方法においては、中心流体噴出口2から噴出する流体の自励振動の周期(振動周期t)は特に限定されず、被加熱物の特性を勘案しながら適宜設定することができる。各種の被加熱物を広域で均一に加熱できるため、振動周期t=30秒以下が好ましい。
[0057]
 なお、本実施形態のバーナ1を用いた加熱方法による加熱対象(被加熱物)としては、上記製鋼プロセスで用いられる取鍋やタンディッシュ等には限定されず、例えば、高熱で均一な加熱を必要とする各種の被加熱物を加熱する場合において、何ら制限無く適用することが可能である。
[0058]
<作用効果>
 以上説明したように、本実施形態の酸素富化バーナ1は、中心流体噴出口2と、その周囲に配置された周囲流体噴出口3とを具備し、上記中心流体噴出口2をなす流体噴出流路6の側壁には一対の開口部62a,62bが設けられ、この一対の開口部62a,62bは連通部7で連通され、この連通部7が、一対の開口部62a,62bにそれぞれ一端部71a,72aが連結される第1連通管71および第2連通管72と、これら第1連通管71および第2連通管72の他端部71b,72bに接続され、第1連通管71と第2連通管72とを連通する少なくとも一以上の管状の連通素子73とを具備する。
 このように、自励振動で火炎を振動させる酸素富化バーナ1において、一対の開口部62a,62bを連通する連通部7が、第1連通管71と第2連通管72とを連通させる連通素子73を備えることで、簡便な構成および簡単な操作で任意の振動周期に変更・制御することができる。したがって、酸素富化バーナ1の運転時に、簡単な切り替え操作で燃焼特性を変化させることができ、かつ被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。
 さらに、上記中心流体噴出口2と周囲流体噴出口3とを備えるため、燃料ガスG1に向けて酸素富化空気G2が噴出されることできる。これにより、燃焼効率を向上させ、NO の排出量を効果的に抑制できる。
[0059]
 また、本実施形態の酸素富化バーナ1を用いた加熱方法は、上記酸素富化バーナ1を用いた加熱方法なので、酸素不可バーナ1同様、自励振動による火炎の振動周期tを、必要に応じて簡単な操作で変更することができるとともに、被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱することが可能になる。
実施例
[0060]
 以下、本発明の酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法について、実施例を用いてより詳細に説明する。しかしながら、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。
[0061]
<バーナの仕様および運転条件>
 本実施例においては、図1~図3に示すように、一対の開口部62a,62bにそれぞれ一端部71a,72aが連結される第1連通管71および第2連通管72と、これら第1連通管71および第2連通管72の他端部71b,72bに接続され、第1連通管71と第2連通管72とが連通するように設けられた3本の連通素子73a,73b,73cとを有する自励振動方式の酸素富化バーナ1を準備し、以下に示す条件で燃焼・加熱試験を行った。
 また、本実施例においては、図2中に示した、バーナ1の中心流体噴出口2の開口角度αは30°とした。
[0062]
 また、本実施例においては、燃料ガスG1としてプロパンガスを用いるとともに、酸素富化空気G2として酸素富化率が40%のガスを用いた。燃料ガスG1を中心流体噴出口2に、酸素富化空気G2を周囲流体噴出口3に流し、火炎を形成させた。
 本実施例におけるバーナ運転条件は、燃料ガス(プロパンガス)の流量を13Nm /h、酸素富化空気の流量を170Nm /hとし、酸素比1.05で燃焼させた。なお、この酸素比とは、燃料ガスが完全燃焼するのに必要な酸素量を1とした場合の酸素の割合をいう。
 また、本実施例では、バーナ1を図示略の試験炉内で燃焼させ、燃焼中に連結素子73を切り替えることで、中心流体噴出口2における自励振動による燃料ガスの振動周期tを変化させ、定常状態となった後に、以下の各実施例で説明する各評価項目について測定を実施した。
[0063]
 また、本実施例においては、以下に説明する、連結素子73の切り替えによる振動周期tの変更の可否についても評価した。このとき、流体噴出流路6の相当径Dを10mm、燃料ガスの吹出速度Uを40m/sとした。
[0064]
<実施例1および2>
 実施例1および2においては、酸素富化バーナ1を自励振動で燃焼させた際に、連結素子73を切り替えて振動周期tを変化させた場合の燃焼炉内における温度分布を熱電対を用いて評価した。
 図4(a),(b)は、実施例1および2におけるバーナ1と熱電対との位置関係を示す概略図である。
 本実施例においては、図4(b)に示すように、バーナ1の先端面から500mm前方であって、図4(a)に示すように、バーナ1の高さ方向における中心軸から300mm下側の位置に、流体噴出流路6の拡開方向に沿って複数本の熱電対を配列した。
[0065]
 また、実施例1および2においては、下記表1に示す連結素子長さlen、1/St(St:振動数)とされた連結素子C1,C2を用いて評価を行った。
 上述したように、連結素子長さlenと1/Stとの関係は、式{len=k・1/St(k:比例定数)}および式{1/St=D/(t・U)(t:振動周期)}で表される。したがって、本実施例では、流体噴出流路6の直径又は相当径D、および中心流体噴出速度Uを予め決定し、下記表1に示す連結素子長さlenの異なる連結素子を用いることで、振動周期tを変化させた。
[0066]
[表1]



[0067]
 本実施例では、図4(a),(b)に示す試験装置において、自励振動燃焼を発生させて定常状態となったときの温度を各熱電対で測定した。
 バーナ1の自励振動方向における中心軸からの距離、つまり自動振動させない時のガスの噴出方向を「バーナの中心軸からの距離0[mm]とし、自動振動させた際のガス噴出方向の振幅と、炉内温度との関係、すなわち、熱電対の位置と炉内温度との関係を、炉内の温度分布を表すデータとして図5のグラフに示した。
[0068]
 図5のグラフに示す実施例1は、振動周期t=0.1秒(表1参照)における測定結果であり、実施例2は、振動周期t=1秒(表1参照)における測定結果である。図5に示すように、振動周期tが短い実施例1の方が、実施例2に比べてフラット(均一)な温度分布となっていることがわかる。
 実施例1および2における評価結果より、振動周期tの切り替えは、連結素子73の長さを変更することで可能であり、また、振動周期tを変えることで温度分布を変更できる、すなわち、加熱特性を変更できることが確認できた。
 実施例に係る酸素富化バーナを用いることで、バーナ運転中に連結素子を切り替えて振動周期tを変化させ、任意の燃焼状態が得られることが明らかである。
[0069]
<実施例3および4>
 実施例3および4においては、自励振動で燃焼運転させた酸素富化バーナにおける火炎長の変化、およびこれに伴う伝熱特性の変化について評価した。
 図6(a),(b)は、実施例3および4におけるバーナ1と熱電対との位置関係を示す概略図である。
 図6(a)に示すように、バーナ1の高さ方向における中心軸から300mm下側の位置に、中央流体噴出口2からの燃焼ガスの噴出方向、すなわち火炎の形成方向に沿って、複数本の抜熱体を配置した。
[0070]
 本実施例では、図6(a),(b)に示す試験装置において自励振動燃焼を発生させ、定常状態における抜熱体への伝熱効率を測定した。この際、抜熱体の温度は、図示略の熱電対を用いて表面温度を測定することで確認した。
 そして、この実験における、バーナ1の端面から抜熱体までの距離と伝熱量との関係を、炉内の伝熱量分布を表すデータとして図7のグラフに示した。
[0071]
 図7のグラフに示す実施例3は、実施例1と同じ振動周期t=0.1秒(表1参照)における測定結果であり、実施例4は、実施例2と同じ振動周期t=1秒における測定結果である(実施例3における連結素子長さlen、1/Stおよび振動周期tについては表1中の連結素子C3を参照)。
 図7に示すように、実施例3に比べて振動周期tの長い実施例4の方が、緩慢燃焼が促進され、輻射伝熱が強化されることで伝熱効率が高くなっていることがわかる。また、実施例4の方が、火炎長が伸びており、バーナ1の端面からより遠方においても高い伝熱量分布となることが明らかとなった。
[0072]
<実施例5>
 実施例5においては、振動周期tを図8のグラフに示す複数の周期(0.1秒、0.5秒、1秒、5秒)で変化させた点以外は、実施例1と同様の条件で、バーナ1を用いた自励振動を伴う燃焼試験を行い、NO の排出特性について評価した。
 図8のグラフに、本実施例における振動周期tとNO 排出量との関係を示す。
[0073]
 図8に示すように、実施例5においては、振動周期tが長くなるのに伴い、NO 排出量が低減される傾向が確認できた。これは、燃焼ガスと酸素富化空気とが、若干混合され難くなることで緩慢燃焼状態となり、還元領域ができることでNO の生成量が抑制されたものと考えられる。
[0074]
 以上説明した実施例の結果より、本実施例に係る酸素富化バーナは、簡便な構成および簡単な操作で任意の振動周期に変更・制御することができることが明らかとなった。また、バーナの運転時に簡単な切り替え操作で燃焼特性を変化させることができることも明らかとなった。さらには、被加熱物を優れた伝熱効率で均一に加熱するできるとともに、NO の排出量を効果的に抑制できることも明らかとなった。

産業上の利用可能性

[0075]
 本発明の酸素富化バーナおよび酸素富化バーナを用いた加熱方法は、製銑や製鋼プロセスにおいて溶銑や溶鋼の貯留・搬送手段として用いられるタンディッシュ等を予備加熱するのに好ましく用いられる他、バーナを用いて被加熱物を加熱する各種用途において非常に好適である。

符号の説明

[0076]
1…バーナ
 2…中心流体噴出口
 3…周囲流体噴出口
 6…流体噴出流路
  6a…導入口
  61…(一対の)側壁
  62a,62b…(一対の)開口部
  63a…一方の側面
  63b…他方の側面
  64…(角筒型の)流路
 7…連通管
  71…第1連通管
  72…第2連通管
  71a,72a…第1および第2連通管の一端部
  71b,72b…第1および第2連通管の一端部
  73,73A,73B,73C…連結素子
  73a,73b…連結素子の端部
  74…開閉バルブ
G1…燃料ガス
G2…酸素富化空気
D…中心流体流路の相当径

請求の範囲

[請求項1]
 先端部に設けられた複数の流体噴出口の各々から酸素富化空気又は燃料ガスの少なくとも何れかを噴出し、これらを燃焼させる酸素富化バーナであって、
 前記複数の流体噴出口は、中心流体噴出口および周囲流体噴出口を具備し、
 前記中心流体噴出口の流体噴出流路の側壁には、それぞれ対向する位置で一対の開口部が設けられており、
 当該一対の開口部同士は連通部で連通されており、
 前記流体噴出流路における前記開口部よりも下流側の一対の側壁はその間隔が下流側に向かって漸次拡開しており、
 前記周囲流体噴出口は、前記中心流体噴出口の周囲に配置されており、
 前記連通部は、前記一対の開口部にそれぞれ一端部が連結される第1連通管および第2連通管と、前記第1連通管および前記第2連通管の他端部に接続され、該第1連通管と第2連通管とを連通する少なくとも一以上の連通素子とを有することを特徴とする酸素富化バーナ。
[請求項2]
 前記連結素子は、前記第1連通管と前記第2連通管との間に、並列で複数設けられてい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]
 前記複数の連結素子の内径および長さの少なくとも一方がそれぞれ異なることを特徴とする請求項2に記載の酸素富化バーナ。
[請求項4]
 前記第1連通管および前記第2連通管と、前記連通素子とが着脱可能に接続されていることを特徴とする請求項1~請求項3の何れか一項に記載の酸素富化バーナ。
[請求項5]
 前記連通部は、前記第1連通管および前記第2連通管と前記連通素子との間に設けられた開閉バルブをさらに有することを特徴とする請求項1~請求項4の何れか一項に記載の酸素富化バーナ。
[請求項6]
 請求項1~請求項5の何れか一項に記載の酸素富化バーナを用いて、前記中心流体噴出口から噴出する流体を前記流体噴出流路の拡開方向で自励振動させながら、前記被加熱物を加熱する、酸素富化バーナを用いた加熱方法。
[請求項7]
 前記中心流体噴出口から噴出する流体の自励振動の周期が30秒以下であることを特徴とする請求項6に記載の酸素富化バーナを用いた加熱方法。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]