管状火炎バーナおよびラジアントチューブ式加熱装置
【課題】高い安全性・信頼性を備えた管状火炎バーナおよびそれを搭載したラジアントチューブ式加熱装置を提供する。
【解決手段】管状火炎バーナ１０には、燃料含有ガスあるいは酸素含有ガスの急激な流量変動を緩和する流量変動緩和手段３１、４１が設置されているとともに、燃焼室１１内に、適用する燃料の着火温度以上の表面温度を有する保炎棒２１が設置されている。
【解決手段】管状火炎バーナ１０には、燃料含有ガスあるいは酸素含有ガスの急激な流量変動を緩和する流量変動緩和手段３１、４１が設置されているとともに、燃焼室１１内に、適用する燃料の着火温度以上の表面温度を有する保炎棒２１が設置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管状火炎バーナおよびそれを搭載したラジアントチューブ式加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炉や燃焼器に取り付けられるバーナとして、先端が開放された管状の燃焼室を有し、この燃焼室の後端の閉塞端部近傍に燃料含有ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルが、前記燃焼室の内周面の接線方向に向けて設けられている非予混合型の管状火炎バーナが知られている（例えば、特許文献１〜３参照。）。また、その管状火炎バーナを搭載したラジアントチューブ式加熱装置が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００３】
この管状火炎バーナは、高速の旋回流中で火炎が形成されるので、極めて高負荷の燃焼が可能である。また、燃焼量の調節範囲が広いので、１基のバーナで広範囲の燃焼量に対応することができる。さらに、バーナ内に火炎が形成されるので、バーナの前方に燃焼用の空間が必要ではなく、燃焼設備の小型化が達成される。また、燃焼排ガスの温度のバラツキが小さく、局所的な高温領域が形成されない上に、酸素供給比を下げることもできるので、ＮＯXなどの有害ガスの発生が少なく、ススの発生や未燃焼のまま排出されるガスもほとんどなく、排ガスの低公害化が達成される。
【特許文献１】特開平１１−２８１０１５号公報
【特許文献２】特開平１１−２８１０１８号公報
【特許文献３】特開２００５−１８８８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ただし、特許文献１〜３等に記載された従来の管状火炎バーナおよびその管状火炎バーナを搭載したラジアントチューブ式加熱装置は、以下に示すような技術課題がある。
【０００５】
まず、従来の管状火炎バーナに関しては、次のような技術課題がある。
【０００６】
（１）燃料含有ガスおよび酸素含有ガスの供給側の急激な流量変動に伴って失火する場合がある。その主な理由は、管状火炎バーナの火炎長が長い場合、バーナ内に保炎に有用な再循環領域が形成されないからである。また、実用バーナを想定した場合、バーナ内での平均空塔速度が層流燃焼速度を大幅に上回っており、吹き消えやすいからである。
【０００７】
（２）着火しにくい。その主な理由は、着火装置の取り付け位置が燃焼室の上流端（閉鎖端）に限定されるからである。すなわち、燃焼室の側壁から着火装置を突き出すと燃焼室内に形成される旋回流が減衰するととともに、管状火炎の形態が乱れるため好ましくないからである。また、運転条件（燃料含有ガスおよび酸素含有ガスの流量、吹き込み速度、空気過剰率等）によって適正な着火位置が異なるからである。
【０００８】
さらに、従来の管状火炎バーナを搭載したラジアントチューブ式加熱装置には、次のような技術課題がある。
【０００９】
（３）燃焼室（ラジアントチューブ）が細長いため、異常燃焼（火炎伝播）により到達圧力が高くなり、管（ラジアントチューブ）が破損する場合がある。
【００１０】
（４）ラジアントチューブの曲管部で二次流れが形成されるため、ここで急速に燃料と酸化剤との混合が進み、内壁近傍まで火炎が形成される結果、内壁の一部に局所高温部が形成され、焼損トラブルが発生する場合がある。
【００１１】
（５）燃焼室内での火炎の安定性を確保するため、熱容量の大きいパイロットバーナを常時運転する必要がある。その結果、補助燃料の消費量が多くなる。
【００１２】
（６）燃焼室が細長く、かつ壁が赤熱するため、従来の失火検知器では失火を検知しにくく、失火後のバルブ全閉操作が遅れ、異常燃焼（爆燃）に至る危険性がある。
【００１３】
（７）燃焼室が細長いため、内壁近傍で燃焼反応が凍結される割合が多く、その結果、未燃ガス成分や粒子状物質の排出濃度が高くなる。
【００１４】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、高い安全性・信頼性を備えた管状火炎バーナおよびそれを搭載したラジアントチューブ式加熱装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
【００１６】
［１］先端が開放された管状の燃焼室を有し、前記燃焼室に燃料含有ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルをそれぞれ備え、それらの各ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向と一致している管状火炎バーナにおいて、
前記各ノズルに供給する燃料含有ガスまたは酸素含有ガスの急激な流量変動を緩和する流量変動緩和手段と、前記燃焼室の後端から燃焼室内に挿入された円形断面の棒状体と、該棒状体の外表面の温度を前記燃料の着火温度以上に維持するための棒状体加熱手段とを備えていることを特徴とする管状火炎バーナ。
【００１７】
［２］前記棒状体は、前記燃焼室に挿入される部分の軸方向長さが前記燃焼室の内径の２〜１０倍の範囲内になっていることを特徴とする前記［１］に記載の管状火炎バーナ。
【００１８】
［３］前記棒状体加熱手段の熱源は、バーナまたは電気ヒーターからなることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の管状火炎バーナ。
【００１９】
［４］棒状体加熱手段の熱源がバーナからなっている場合、当該バーナの燃焼排ガスが、管状火炎バーナの燃焼排ガスを再循環させるためのエゼクターの駆動ガスとして利用されることを特徴とする前記［３］に記載の管状火炎バーナ。
【００２０】
［５］前記酸素含有ガスが、管状火炎バーナの燃焼排ガスにより予熱されるようになっていることを特徴とする前記［１］〜［４］のいずれかに記載の管状火炎バーナ。
【００２１】
［６］前記燃料含有ガスまたは／および酸素含有ガスに、管状火炎バーナの燃焼排ガスが含有されるようになっていることを特徴とする前記［１］〜［５］のいずれかに記載の管状火炎バーナ。
【００２２】
［７］前記［１］〜［６］のいずれかに記載の管状火炎バーナをラジアントチューブの一端または両端に配設したことを特徴とするラジアントチューブ式加熱装置。
【００２３】
［８］ラジアントチューブの両端に管状火炎バーナを配設した場合は、管状火炎バーナが交番燃焼するようになっていることを特徴とする前記［７］に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【００２４】
［９］ラジアントチューブの曲管部の内径が直管部より細くなっていることを特徴とする前記［７］または［８］に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【００２５】
［１０］ラジアントチューブの両端の差圧または／および燃焼排ガス温度の異常を検出して、不活性ガスによるパージから再稼動までの操作を自動的に行うための自動運転制御装置が配設されていることを特徴とする前記［７］〜［９］のいずれかに記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【発明の効果】
【００２６】
本発明においては、幅広い燃料流量に対して安定した排ガス低公害化が実現でき、高い安全性・信頼性を備えた管状火炎バーナおよびラジアントチューブ式加熱装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１は本発明の一実施形態に係る管状火炎バーナを示すものであり、図１（ａ）は縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図である。
【００２９】
図１に示すように、この実施形態に係る管状火炎バーナ１０は、先端１１ａが開放された管状の燃焼室１１を有し、燃料含有ガス（燃料ガス）を吹き込む燃料含有ガス用ノズル１２と酸素含有ガス（空気）を吹き込む酸素含有ガス用ノズル１３を燃焼室１１の後端１１ｂ側にそれぞれ備え、それらのノズル１２、１３の噴射方向が燃焼室１１内周面の接線方向と一致している。これによって、燃焼室１１内に高速旋回流で長火炎の管状火炎１４が形成される。
【００３０】
そして、この管状火炎バーナ１０においては、燃料含有ガス用ノズル１２に燃料含有ガスを供給する配管に、燃料含有ガスの急激な流量変動を緩和する流量変動緩和手段３１が設置され、酸素含有ガス用ノズル１３に酸素含有ガスを供給する配管に、酸素含有ガスの急激な流量変動を緩和する流量変動緩和手段４１が設置されている。流量変動緩和手段３１、４１としては、バッファタンク、絞り、フィルタ（膜、充填層）等が用いられる。また、図１中の３２と４２は流量計、３４と４３は流量調整弁、３４と４４は逆止弁、３５と４５は開閉弁である。ここで、流量計３２、４２としてマスフローメーターを用いた場合には、マスフローメーターには流量変動緩和機能もあるので、流量変動緩和手段３１、４１としてのバッファタンク、絞り、フィルタ等を設置しなくともよい。
【００３１】
このように、この管状火炎バーナ１０は、流量変動緩和手段３１、４１が設置されていることによって、燃料含有ガスあるいは酸素含有ガスの急激な流量変動が緩和されるので、失火が回避されて、異常燃焼が防止され、管状火炎の本来の低公害化および広範囲熱負荷適合性に加え、安全性・信頼性が向上する。また、稼働率が向上し、補修費が低減するので運転費が安価となる。
【００３２】
さらに、この管状火炎バーナ１０においては、燃焼室１１の後端１１ｂから燃焼室１１内に同心円状に挿入された円形断面の棒状体（ここでは、中空の円錐台形の棒状体）２１と、その棒状体２１の外表面の温度を燃料の着火温度以上に維持するための棒状体加熱手段（ここでは、電気ヒーター）２４を備えている。そして、棒状体２１には熱電対２３が取り付けられており、熱電対２３による測温結果に基づいてヒーターコントローラ２４が電気ヒーター２２による入熱量を調整するようになっている。
【００３３】
このように、この管状火炎バーナ１０では、燃焼室１１の後端１１ｂから燃焼室１１内に同心円状に棒状体２１を設置し、その棒状体２１の外表面の温度を燃料の着火温度以上に維持するようにしているので、もし、流量変動緩和手段３１、４１の働きにも関わらず何らかの原因で大きな流量変動が発生した場合でも、燃料の着火温度以上の表面温度が維持された棒状体２１によって、失火に対するリスクを大幅に軽減することができる。したがって、失火後の爆発を未然に防止することができる。すなわち、この棒状体２１は保炎棒としての機能を有することになる。
【００３４】
ここで、燃焼室１１内に同心円状に棒状体（保炎棒）２１を設置することは、保炎棒２１によって旋回流が乱されにくいこと、および、気体に遠心力が働くため保炎棒２１によって加熱された気体が周囲に拡散しにくいこと、保炎棒の表面に近づくほど円周方向の流速が小さくなるため火炎が吹き消えにくいことなどの理由により、良好な着火性および保炎性が得られる。したがって、本発明は、特に交番燃焼のような間欠的な燃焼を行う場合に威力を発揮するものと考えられる。
【００３５】
なお、保炎棒２１の外表面の形態としては、単純な円形でもある程度の保炎効果が期待できるが、望ましくは、外表面に凹凸を設け、着火後の初期火炎核が旋回流等によって吹き飛ばされないようにする方がよい。例えば、保炎棒２１の外表面に軸方向に複数本溝（幅５ｍｍ・深さ５ｍｍ程度）を配設すると、その溝の中に循環流が形成されるため、保炎性が格段に向上する。
【００３６】
また、保炎棒２１の基本形状については、円筒状でもある程度の保炎効果が期待できるが、望ましくは、図１に示しているように、上流端（燃焼室１１の後端１１ｂ側）から下流に向けて先細の円錐台形状を採用するほうがよい。その主な理由は、先細形状の方が、材料力学的に保炎棒２１の自重による最大たわみ量を小さくできること、および、保炎棒２１の周囲に管状火炎が形成された場合、下流ほど燃焼排ガス量が増加するため、下流に向けて通路断面積を増加させた方が望ましい（旋回流の減衰を抑制することができる）からである。
【００３７】
さらに、保炎棒２１の外表面の温度の設定値については、熱電対２３の指示値が必ずしも保炎棒２１の外表面の平均温度を示すとは限らないこと、および、着火操作に伴うガス流れにより保炎棒２１が冷やされることなどを考慮し、燃料の着火温度より１００℃程度以上高めに設定することが望ましい。
【００３８】
ちなみに、着火操作後、管状火炎が保炎棒２１の周囲に形成されると、火炎からの輻射及び燃焼排ガスによる熱伝達により、保炎棒２１の外表面温度が燃料の着火温度以上を維持することになるため、保炎棒２１に外部エネルギーを加えるのは、燃焼開始初期段階のみでよいことになる。したがって、本方式は、従来のパイロットバーナ方式と比較して省エネルギー効果が大きい。
【００３９】
なお、保炎棒２１の軸方向長さについては、燃焼室１１の内径の２〜１０倍とすることが好ましい。燃焼室１１の内径の２倍未満であると、ガスの供給変動に対する保炎性が極端に悪化し、異常燃焼防止が困難になるからであり、燃焼室１１の内径の１０倍を超えると、自重によるたわみ量が過大となり、火炎の軸対象性が維持できなくなり、保炎棒２１の外壁や燃焼室１１の内壁の焼損が発生する危険性があるからである。
【００４０】
また、保炎棒２１の外径（平均外径）については、燃焼室１１の内径の０．４〜０．６倍が好ましい。保炎棒２１の外径があまり小さいと、伝熱面積が小さくなって保炎性が悪くなるからであり、逆に、保炎棒２１の外径があまり大きいと、燃焼室１１の空間が狭くなり、壁と火炎とが近づきすぎて焼損する危険性があるからである。
【００４１】
同様に、保炎棒２１が燃焼室１１の軸心に対して偏心しすぎると、管状火炎が燃焼室１１の内壁に接近し、焼損トラブルが発生する場合がある。また、保炎棒２１の偏心により旋回流が乱され、かつ旋回速度が減速するため、管状火炎が形成できなくなってしまう。
【００４２】
このように、この管状火炎バーナ１０は、燃焼室１１内に保炎棒２１が設置されていることによって、保炎性が大幅に改善されるので、失火が回避されて、異常燃焼が防止され、安全性・信頼性が向上する。また、稼働率が向上し、補修費が低減するので運転費が安価となる。
【００４３】
そして、この管状火炎バーナ１０においては、燃料含有ガスまたは／および酸素含有ガスに管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスが含有されるようになっている。すなわち、図１に示すように、管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスが流量計３６、流量調整弁３７、逆止弁３８を経由して燃料ガスに混合され、同様に、流量計４６、流量調整弁４７、逆止弁４８を経由して空気に混合されるようになっている。
【００４４】
これにより、燃料／酸素濃度が低減し、緩慢燃焼が促進されて、局所高温が回避され、環境負荷物質であるＮＯｘの排出が低減する。また、高い排ガス再循環率が達成され、これに伴なって、空気過剰率を小さく抑えることができるため、排ガス顕熱が大幅に低下し、熱効率が向上することから、燃料消費量が節約でき、省エネルギーとなる。
【００４５】
なお、図１においては、保炎棒２１の加熱手段として電気ヒーター２２を用いているが、図２に示すように、保炎棒２１の加熱手段としてバーナを用いてもよい。
【００４６】
すなわち、図２（ａ）は、保炎棒２１の加熱手段として管状火炎バーナを用いた場合であり、保炎棒２１（ここでは、中空の円筒状の棒状体）の中空部内に管状火炎バーナ５１が配置されている。また、図２（ｂ）は、保炎棒２１の加熱手段として市販の通常バーナを用いた場合であり、保炎棒２１の中空部内に内筒５３を設置し、その内筒５３の後端（保炎棒２１の上流端側）に市販の通常バーナ５２が取り付けられている。
【００４７】
保炎棒２１の加熱手段として電気ヒーター２２を用いた場合には、精密な実時間制御が行えるので、信頼性が向上する。また、付帯設備がコンパクトとなり、設備費が安価になる。
【００４８】
これに対して、保炎棒２１の加熱手段として管状火炎バーナ５１を用いた場合には、燃焼を開始する前に、下流側の火炎から熱の供給を受けるため、超過エンタルピ火炎が形成され、補助燃料や電気が節約できるので、運転費が安価となる。
【００４９】
また、保炎棒２１の加熱手段として市販の通常バーナ５２を用いた場合には、運転費が安価となる。
【００５０】
なお、保炎棒２１の加熱手段として管状火炎バーナ５１または通常バーナ５２を用いた場合には、その排ガスを、管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスを再循環（ＮＯｘ低減対策）させるためのエゼクターの駆動ガスとして利用することができる。
【００５１】
すなわち、図３は、上流端から管長さの１／４の位置に低温蒸気または冷空気によるエゼクター５７を備え、下流端から管長さの１／４の位置に高温ガスによるエゼクター５６を備えた１／４波長管（Ｒｉｊｋｅ Ｔｕｂｅ）５５に、管状火炎バーナ１０が設置された燃焼設備（例えば、廃棄物焼却炉のボイラ）の出口から排出される燃焼排ガスを導くに際して、保炎棒２１を加熱した管状火炎バーナ５１または通常バーナ５２の排ガスをエゼクター５６の駆動ガスとして利用するものである。
【００５２】
これによって、排ガス再循環用の高温ブロワが省略でき、消費電力が節約できるとともに、設備費が安価となる。また、高温ブロワの焼損やダスト付着によるトラブルが回避され、安全性や信頼性が向上するとともに、運転費が安価となる。
【００５３】
ちなみに、廃棄物焼却炉の排ガスを高温用誘引ブロワによって再循環させる場合には、設備費が高価、ブロワの羽根車へのダスト付着によるトラブル発生（異常振動、羽根車破損）等の問題がある。
【００５４】
また、この管状火炎バーナ１０においては、酸素含有ガスを管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスにより予熱することもできる。
【００５５】
すなわち、図４に示すように、一対の蓄熱体６１ａ、６１ｂと切換弁６２を設置して、交番式で酸素含有ガスを管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスで予熱する。ここで、図４（ａ）は、酸素含有ガス（空気）を蓄熱体６１ａで予熱し、管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスで蓄熱体６１ｂを加熱している状態を示し、図４（ｂ）は、管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスで蓄熱体６１ａを加熱し，酸素含有ガス（空気）を蓄熱体６１ｂで予熱している状態を示している。
【００５６】
このように、酸素含有ガスを管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスにより予熱することによって、管状火炎バーナ１０に用いる燃料代が節約でき、運転費が安価になる。また、燃料／酸素含有ガスの反応性が向上し、失火が防止されて、異常燃焼が防止されるので、補修費が低減し、運転費が安価になる。さらに、失火が防止されることにから、安全性・信頼性が向上するとともに、稼働率が向上して運転費が安価になる。
【００５７】
そして、図５、図６に、上記の管状火炎バーナ１０を搭載したラジアントチューブ式加熱装置を示す。図５は、Ｕ字形状のラジアントチューブ７５の一端に管状火炎バーナ１０を設置した一端型ラジアントチューブ式加熱装置７１であり、図６は、Ｕ字形状のラジアントチューブ７５の両端にそれぞれ管状火炎バーナ１０（１０ａ、１０ｂ）を設置した両端型ラジアントチューブ式加熱装置７２である。
【００５８】
このような管状火炎バーナ１０を搭載したラジアントチューブ式加熱装置７１、７２においては、ラジアントチューブ７５に沿って、火炎が空間に形成されるため、ラジアントチューブ内壁での燃焼凍結が回避され、環境負荷物質である未燃ガスや粒子状物質の排出が低減する。また、安定した長火炎が形成されて、局所高温が回避されるので、内壁の焼損が防止され、補修費が低減し、運転費が安価になる。また、局所高温が回避されることによって、環境負荷物質であるＮＯｘの排出も低減する。さらに、安定した長火炎が形成されることによって、ラジアントチューブ７５の外表面の温度分布が平均化されるため、加熱対象（製品）の加熱効率が向上し、燃料消費量が節約できて省エネルギーとなるとともに、製品の加熱温度分布が均一化して製品の品質が向上する。その上、加熱温度の調整範囲が拡大し、制御性も向上するので、設備能力が向上し、製品の品質も向上する。
【００５９】
なお、図６に示すように、この両端型ラジアントチューブ式加熱装置７２では、それぞれの管状火炎バーナ１０ａ、１０ｂに対応して設けられている蓄熱体７６ａ、７６ｂを用いて、管状火炎バーナ１０ａ、１０ｂの排ガスで酸素含有ガス（空気）を予熱しながら交番燃焼するようになっている。
【００６０】
これによって、酸素含有ガスの実流速が増加するため、より長火炎が形成されるので、ラジアントチューブ７５の表面温度が平均化し、加熱効率が向上することから、燃料代が節約でき、運転費が安価になる。また、管状火炎バーナ１０ａ、１０ｂに設けられている保炎棒２１の表面温度が均一化されて、失火がより一層確実に防止されるようになり、異常燃焼が防止されて、補修費が低減し、運転費が安価になる。
【００６１】
そして、図７に示すように、ラジアントチューブ７５は、曲管部７５ｂの内径を直管部７５ａより細くし、その間をテーパ管７５ｃで接続するようにしてもよい。
【００６２】
これによって、曲管部７５ｂで旋回速度が増速して、管状火炎が安定的に維持され、内壁近傍での反応凍結や不完全燃焼が回避されることとなり、粒子状物質の排出が低減する。また、管状火炎が安定に維持されることにより、局所高温が回避されて、加熱効率が向上し、運転費が安価になる。さらに、局所高温が回避されることにより、環境負荷物質であるＮＯｘの排出が低減する。その上、ラジアントチューブ７５の曲管部７５ｂが軽量化されることになるので、設備費が安価になる。
【００６３】
なお、曲管部７５ｂの内径を直管部７５ａより細くする際には、段付きの管で両者を接続することでも、ある程度の旋回速度の増速効果が期待できるが、図７に示したように、テーパ管７５ｃ（内径の開き角が３０°程度以下）を介して滑らかに接続した方が渦等の発生に伴なう流体力学的なロスを低く抑えることができるので望ましい。
【００６４】
そして、このラジアントチューブ式加熱装置７１、７２は、ラジアントチューブ７５の両端の差圧または／および燃焼排ガス温度の異常を検出して、不活性ガスによるパージから再稼動までの操作を自動的に行うための自動運転制御装置（図示せず）が配設されている。
【００６５】
ラジアントチューブ７５内に火炎が形成されると、管内壁と接触するガスの平均温度が上昇し、ガスの粘性が増加することに起因して、ラジアントチューブ７５の両端の差圧が上昇する。したがって、ラジアントチューブ７５の両端の差圧または／および燃焼排ガス温度を常時モニターすることにより、失火を速やかに検知し、窒素ガス等によるパージを行うことにより、異常燃焼（爆燃、爆轟）を未然に防止することができる。
【００６６】
すなわち、自動運転制御装置は以下のような手順で制御を行う。
【００６７】
（Ｓ１）ラジアントチューブ７５の両端の差圧または／および燃焼排ガス温度の異常を検出する。
【００６８】
（Ｓ２）管状火炎バーナ１０の開閉弁３５、４５を閉じて、燃料含有ガスと酸素含有ガスの供給を停止する。
【００６９】
（Ｓ３）保炎棒２１への熱負荷を上昇させる。
【００７０】
（Ｓ４）窒素ガスによるラジアントチューブ７５内のパージを行う。その際に、窒素ガスの量はラジアントチューブ７５の内容積の少なくとも５倍以上とする。
【００７１】
（Ｓ５）管状火炎バーナ１０の開閉弁３５、４５を開き、流量調整弁３３、４３の開度を絞った状態で、燃料含有ガスと酸素含有ガスの供給を再開し、着火操作を行う。
【００７２】
（Ｓ６）徐々に流量調整弁３３、４３の開度を大きくして燃焼負荷を上昇させた後、定格運転条件に設定する。
【００７３】
上記のような制御を行うことにより、失火後速やかに適正な処置をとることができるようになり、異常燃焼が防止されて、補修費が低減し、運転費が安価になる。また、異常燃焼が防止されることにより、適切に加熱されずに製品不良となる割合を最小化することができる。
【００７４】
以上に述べたように、この実施形態に係る管状火炎バーナ１０およびラジアントチューブ式加熱装置７１、７２においては、燃料含有ガスあるいは酸素含有ガスの急激な流量変動を緩和する流量変動緩和手段３１、４１が設置されているとともに、管状火炎バーナ１０の燃焼室１１内に、適用する燃料の着火温度以上の表面温度を有する保炎棒２１が設置されており、仮に急激な流量変動があっても、その影響を受けにくく、火炎の安定性が格段に向上する。したがって、安全性・信頼性の向上、安価な運転費・設備費、環境負荷物質（ＮＯｘ、粒子状物質）の低減、省エネルギー、製品品質の向上等の優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施形態に係る管状火炎バーナを示す図である。
【図２】保炎棒加熱手段としてバーナを用いた場合を示す図である。
【図３】保炎棒加熱手段としてバーナを用いた場合の排ガスの利用を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る管状火炎バーナにおいて、酸素含有ガスを管状火炎バーナの排ガスで予熱するようにしていることを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る管状火炎バーナを一端に備えたラジアントチューブ式加熱装置を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る管状火炎バーナを両端に備えたラジアントチューブ式加熱装置を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態におけるラジアントチューブの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０、１０ａ、１０ｂ 管状火炎バーナ
１１ 燃焼室
１１ａ 燃焼室の先端
１１ｂ 燃焼室の後端
１２ 燃料含有ガス用ノズル
１３ 酸素含有ガス用ノズル
１４ 管状火炎
２１ 棒状体（保炎棒）
２２ 電気ヒーター
２３ 熱電対
２４ ヒーターコントローラ
３１ 流量変動緩和手段
３２ 流量測定手段
３３ 流量調整弁
３４ 逆止弁
３５ 開閉弁
３６ 流量計
３７ 流量調整弁
３８ 逆止弁
４１ 流量変動緩和手段
４２ 流量測定手段
４３ 流量調整弁
４４ 逆止弁
４５ 開閉弁
４６ 流量計
４７ 流量調整弁
４８ 逆止弁
５１ 管状火炎バーナ
５２ 通常バーナ
５３ 内筒
５５ １／４波長管
５６、５７ エゼクター
６１ａ、６１ｂ 蓄熱体
６２ 切換弁
７１ 一端型ラジアントチューブ式加熱装置
７２ 両端型ラジアントチューブ式加熱装置
７５ ラジアントチューブ
７５ａ 直管部
７５ｂ 曲管部
７５ｃ テーパ管
７６ａ、７６ｂ 蓄熱体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管状火炎バーナおよびそれを搭載したラジアントチューブ式加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炉や燃焼器に取り付けられるバーナとして、先端が開放された管状の燃焼室を有し、この燃焼室の後端の閉塞端部近傍に燃料含有ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルが、前記燃焼室の内周面の接線方向に向けて設けられている非予混合型の管状火炎バーナが知られている（例えば、特許文献１〜３参照。）。また、その管状火炎バーナを搭載したラジアントチューブ式加熱装置が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００３】
この管状火炎バーナは、高速の旋回流中で火炎が形成されるので、極めて高負荷の燃焼が可能である。また、燃焼量の調節範囲が広いので、１基のバーナで広範囲の燃焼量に対応することができる。さらに、バーナ内に火炎が形成されるので、バーナの前方に燃焼用の空間が必要ではなく、燃焼設備の小型化が達成される。また、燃焼排ガスの温度のバラツキが小さく、局所的な高温領域が形成されない上に、酸素供給比を下げることもできるので、ＮＯXなどの有害ガスの発生が少なく、ススの発生や未燃焼のまま排出されるガスもほとんどなく、排ガスの低公害化が達成される。
【特許文献１】特開平１１−２８１０１５号公報
【特許文献２】特開平１１−２８１０１８号公報
【特許文献３】特開２００５−１８８８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ただし、特許文献１〜３等に記載された従来の管状火炎バーナおよびその管状火炎バーナを搭載したラジアントチューブ式加熱装置は、以下に示すような技術課題がある。
【０００５】
まず、従来の管状火炎バーナに関しては、次のような技術課題がある。
【０００６】
（１）燃料含有ガスおよび酸素含有ガスの供給側の急激な流量変動に伴って失火する場合がある。その主な理由は、管状火炎バーナの火炎長が長い場合、バーナ内に保炎に有用な再循環領域が形成されないからである。また、実用バーナを想定した場合、バーナ内での平均空塔速度が層流燃焼速度を大幅に上回っており、吹き消えやすいからである。
【０００７】
（２）着火しにくい。その主な理由は、着火装置の取り付け位置が燃焼室の上流端（閉鎖端）に限定されるからである。すなわち、燃焼室の側壁から着火装置を突き出すと燃焼室内に形成される旋回流が減衰するととともに、管状火炎の形態が乱れるため好ましくないからである。また、運転条件（燃料含有ガスおよび酸素含有ガスの流量、吹き込み速度、空気過剰率等）によって適正な着火位置が異なるからである。
【０００８】
さらに、従来の管状火炎バーナを搭載したラジアントチューブ式加熱装置には、次のような技術課題がある。
【０００９】
（３）燃焼室（ラジアントチューブ）が細長いため、異常燃焼（火炎伝播）により到達圧力が高くなり、管（ラジアントチューブ）が破損する場合がある。
【００１０】
（４）ラジアントチューブの曲管部で二次流れが形成されるため、ここで急速に燃料と酸化剤との混合が進み、内壁近傍まで火炎が形成される結果、内壁の一部に局所高温部が形成され、焼損トラブルが発生する場合がある。
【００１１】
（５）燃焼室内での火炎の安定性を確保するため、熱容量の大きいパイロットバーナを常時運転する必要がある。その結果、補助燃料の消費量が多くなる。
【００１２】
（６）燃焼室が細長く、かつ壁が赤熱するため、従来の失火検知器では失火を検知しにくく、失火後のバルブ全閉操作が遅れ、異常燃焼（爆燃）に至る危険性がある。
【００１３】
（７）燃焼室が細長いため、内壁近傍で燃焼反応が凍結される割合が多く、その結果、未燃ガス成分や粒子状物質の排出濃度が高くなる。
【００１４】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、高い安全性・信頼性を備えた管状火炎バーナおよびそれを搭載したラジアントチューブ式加熱装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
【００１６】
［１］先端が開放された管状の燃焼室を有し、前記燃焼室に燃料含有ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルをそれぞれ備え、それらの各ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向と一致している管状火炎バーナにおいて、
前記各ノズルに供給する燃料含有ガスまたは酸素含有ガスの急激な流量変動を緩和する流量変動緩和手段と、前記燃焼室の後端から燃焼室内に挿入された円形断面の棒状体と、該棒状体の外表面の温度を前記燃料の着火温度以上に維持するための棒状体加熱手段とを備えていることを特徴とする管状火炎バーナ。
【００１７】
［２］前記棒状体は、前記燃焼室に挿入される部分の軸方向長さが前記燃焼室の内径の２〜１０倍の範囲内になっていることを特徴とする前記［１］に記載の管状火炎バーナ。
【００１８】
［３］前記棒状体加熱手段の熱源は、バーナまたは電気ヒーターからなることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の管状火炎バーナ。
【００１９】
［４］棒状体加熱手段の熱源がバーナからなっている場合、当該バーナの燃焼排ガスが、管状火炎バーナの燃焼排ガスを再循環させるためのエゼクターの駆動ガスとして利用されることを特徴とする前記［３］に記載の管状火炎バーナ。
【００２０】
［５］前記酸素含有ガスが、管状火炎バーナの燃焼排ガスにより予熱されるようになっていることを特徴とする前記［１］〜［４］のいずれかに記載の管状火炎バーナ。
【００２１】
［６］前記燃料含有ガスまたは／および酸素含有ガスに、管状火炎バーナの燃焼排ガスが含有されるようになっていることを特徴とする前記［１］〜［５］のいずれかに記載の管状火炎バーナ。
【００２２】
［７］前記［１］〜［６］のいずれかに記載の管状火炎バーナをラジアントチューブの一端または両端に配設したことを特徴とするラジアントチューブ式加熱装置。
【００２３】
［８］ラジアントチューブの両端に管状火炎バーナを配設した場合は、管状火炎バーナが交番燃焼するようになっていることを特徴とする前記［７］に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【００２４】
［９］ラジアントチューブの曲管部の内径が直管部より細くなっていることを特徴とする前記［７］または［８］に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【００２５】
［１０］ラジアントチューブの両端の差圧または／および燃焼排ガス温度の異常を検出して、不活性ガスによるパージから再稼動までの操作を自動的に行うための自動運転制御装置が配設されていることを特徴とする前記［７］〜［９］のいずれかに記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【発明の効果】
【００２６】
本発明においては、幅広い燃料流量に対して安定した排ガス低公害化が実現でき、高い安全性・信頼性を備えた管状火炎バーナおよびラジアントチューブ式加熱装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１は本発明の一実施形態に係る管状火炎バーナを示すものであり、図１（ａ）は縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図である。
【００２９】
図１に示すように、この実施形態に係る管状火炎バーナ１０は、先端１１ａが開放された管状の燃焼室１１を有し、燃料含有ガス（燃料ガス）を吹き込む燃料含有ガス用ノズル１２と酸素含有ガス（空気）を吹き込む酸素含有ガス用ノズル１３を燃焼室１１の後端１１ｂ側にそれぞれ備え、それらのノズル１２、１３の噴射方向が燃焼室１１内周面の接線方向と一致している。これによって、燃焼室１１内に高速旋回流で長火炎の管状火炎１４が形成される。
【００３０】
そして、この管状火炎バーナ１０においては、燃料含有ガス用ノズル１２に燃料含有ガスを供給する配管に、燃料含有ガスの急激な流量変動を緩和する流量変動緩和手段３１が設置され、酸素含有ガス用ノズル１３に酸素含有ガスを供給する配管に、酸素含有ガスの急激な流量変動を緩和する流量変動緩和手段４１が設置されている。流量変動緩和手段３１、４１としては、バッファタンク、絞り、フィルタ（膜、充填層）等が用いられる。また、図１中の３２と４２は流量計、３４と４３は流量調整弁、３４と４４は逆止弁、３５と４５は開閉弁である。ここで、流量計３２、４２としてマスフローメーターを用いた場合には、マスフローメーターには流量変動緩和機能もあるので、流量変動緩和手段３１、４１としてのバッファタンク、絞り、フィルタ等を設置しなくともよい。
【００３１】
このように、この管状火炎バーナ１０は、流量変動緩和手段３１、４１が設置されていることによって、燃料含有ガスあるいは酸素含有ガスの急激な流量変動が緩和されるので、失火が回避されて、異常燃焼が防止され、管状火炎の本来の低公害化および広範囲熱負荷適合性に加え、安全性・信頼性が向上する。また、稼働率が向上し、補修費が低減するので運転費が安価となる。
【００３２】
さらに、この管状火炎バーナ１０においては、燃焼室１１の後端１１ｂから燃焼室１１内に同心円状に挿入された円形断面の棒状体（ここでは、中空の円錐台形の棒状体）２１と、その棒状体２１の外表面の温度を燃料の着火温度以上に維持するための棒状体加熱手段（ここでは、電気ヒーター）２４を備えている。そして、棒状体２１には熱電対２３が取り付けられており、熱電対２３による測温結果に基づいてヒーターコントローラ２４が電気ヒーター２２による入熱量を調整するようになっている。
【００３３】
このように、この管状火炎バーナ１０では、燃焼室１１の後端１１ｂから燃焼室１１内に同心円状に棒状体２１を設置し、その棒状体２１の外表面の温度を燃料の着火温度以上に維持するようにしているので、もし、流量変動緩和手段３１、４１の働きにも関わらず何らかの原因で大きな流量変動が発生した場合でも、燃料の着火温度以上の表面温度が維持された棒状体２１によって、失火に対するリスクを大幅に軽減することができる。したがって、失火後の爆発を未然に防止することができる。すなわち、この棒状体２１は保炎棒としての機能を有することになる。
【００３４】
ここで、燃焼室１１内に同心円状に棒状体（保炎棒）２１を設置することは、保炎棒２１によって旋回流が乱されにくいこと、および、気体に遠心力が働くため保炎棒２１によって加熱された気体が周囲に拡散しにくいこと、保炎棒の表面に近づくほど円周方向の流速が小さくなるため火炎が吹き消えにくいことなどの理由により、良好な着火性および保炎性が得られる。したがって、本発明は、特に交番燃焼のような間欠的な燃焼を行う場合に威力を発揮するものと考えられる。
【００３５】
なお、保炎棒２１の外表面の形態としては、単純な円形でもある程度の保炎効果が期待できるが、望ましくは、外表面に凹凸を設け、着火後の初期火炎核が旋回流等によって吹き飛ばされないようにする方がよい。例えば、保炎棒２１の外表面に軸方向に複数本溝（幅５ｍｍ・深さ５ｍｍ程度）を配設すると、その溝の中に循環流が形成されるため、保炎性が格段に向上する。
【００３６】
また、保炎棒２１の基本形状については、円筒状でもある程度の保炎効果が期待できるが、望ましくは、図１に示しているように、上流端（燃焼室１１の後端１１ｂ側）から下流に向けて先細の円錐台形状を採用するほうがよい。その主な理由は、先細形状の方が、材料力学的に保炎棒２１の自重による最大たわみ量を小さくできること、および、保炎棒２１の周囲に管状火炎が形成された場合、下流ほど燃焼排ガス量が増加するため、下流に向けて通路断面積を増加させた方が望ましい（旋回流の減衰を抑制することができる）からである。
【００３７】
さらに、保炎棒２１の外表面の温度の設定値については、熱電対２３の指示値が必ずしも保炎棒２１の外表面の平均温度を示すとは限らないこと、および、着火操作に伴うガス流れにより保炎棒２１が冷やされることなどを考慮し、燃料の着火温度より１００℃程度以上高めに設定することが望ましい。
【００３８】
ちなみに、着火操作後、管状火炎が保炎棒２１の周囲に形成されると、火炎からの輻射及び燃焼排ガスによる熱伝達により、保炎棒２１の外表面温度が燃料の着火温度以上を維持することになるため、保炎棒２１に外部エネルギーを加えるのは、燃焼開始初期段階のみでよいことになる。したがって、本方式は、従来のパイロットバーナ方式と比較して省エネルギー効果が大きい。
【００３９】
なお、保炎棒２１の軸方向長さについては、燃焼室１１の内径の２〜１０倍とすることが好ましい。燃焼室１１の内径の２倍未満であると、ガスの供給変動に対する保炎性が極端に悪化し、異常燃焼防止が困難になるからであり、燃焼室１１の内径の１０倍を超えると、自重によるたわみ量が過大となり、火炎の軸対象性が維持できなくなり、保炎棒２１の外壁や燃焼室１１の内壁の焼損が発生する危険性があるからである。
【００４０】
また、保炎棒２１の外径（平均外径）については、燃焼室１１の内径の０．４〜０．６倍が好ましい。保炎棒２１の外径があまり小さいと、伝熱面積が小さくなって保炎性が悪くなるからであり、逆に、保炎棒２１の外径があまり大きいと、燃焼室１１の空間が狭くなり、壁と火炎とが近づきすぎて焼損する危険性があるからである。
【００４１】
同様に、保炎棒２１が燃焼室１１の軸心に対して偏心しすぎると、管状火炎が燃焼室１１の内壁に接近し、焼損トラブルが発生する場合がある。また、保炎棒２１の偏心により旋回流が乱され、かつ旋回速度が減速するため、管状火炎が形成できなくなってしまう。
【００４２】
このように、この管状火炎バーナ１０は、燃焼室１１内に保炎棒２１が設置されていることによって、保炎性が大幅に改善されるので、失火が回避されて、異常燃焼が防止され、安全性・信頼性が向上する。また、稼働率が向上し、補修費が低減するので運転費が安価となる。
【００４３】
そして、この管状火炎バーナ１０においては、燃料含有ガスまたは／および酸素含有ガスに管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスが含有されるようになっている。すなわち、図１に示すように、管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスが流量計３６、流量調整弁３７、逆止弁３８を経由して燃料ガスに混合され、同様に、流量計４６、流量調整弁４７、逆止弁４８を経由して空気に混合されるようになっている。
【００４４】
これにより、燃料／酸素濃度が低減し、緩慢燃焼が促進されて、局所高温が回避され、環境負荷物質であるＮＯｘの排出が低減する。また、高い排ガス再循環率が達成され、これに伴なって、空気過剰率を小さく抑えることができるため、排ガス顕熱が大幅に低下し、熱効率が向上することから、燃料消費量が節約でき、省エネルギーとなる。
【００４５】
なお、図１においては、保炎棒２１の加熱手段として電気ヒーター２２を用いているが、図２に示すように、保炎棒２１の加熱手段としてバーナを用いてもよい。
【００４６】
すなわち、図２（ａ）は、保炎棒２１の加熱手段として管状火炎バーナを用いた場合であり、保炎棒２１（ここでは、中空の円筒状の棒状体）の中空部内に管状火炎バーナ５１が配置されている。また、図２（ｂ）は、保炎棒２１の加熱手段として市販の通常バーナを用いた場合であり、保炎棒２１の中空部内に内筒５３を設置し、その内筒５３の後端（保炎棒２１の上流端側）に市販の通常バーナ５２が取り付けられている。
【００４７】
保炎棒２１の加熱手段として電気ヒーター２２を用いた場合には、精密な実時間制御が行えるので、信頼性が向上する。また、付帯設備がコンパクトとなり、設備費が安価になる。
【００４８】
これに対して、保炎棒２１の加熱手段として管状火炎バーナ５１を用いた場合には、燃焼を開始する前に、下流側の火炎から熱の供給を受けるため、超過エンタルピ火炎が形成され、補助燃料や電気が節約できるので、運転費が安価となる。
【００４９】
また、保炎棒２１の加熱手段として市販の通常バーナ５２を用いた場合には、運転費が安価となる。
【００５０】
なお、保炎棒２１の加熱手段として管状火炎バーナ５１または通常バーナ５２を用いた場合には、その排ガスを、管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスを再循環（ＮＯｘ低減対策）させるためのエゼクターの駆動ガスとして利用することができる。
【００５１】
すなわち、図３は、上流端から管長さの１／４の位置に低温蒸気または冷空気によるエゼクター５７を備え、下流端から管長さの１／４の位置に高温ガスによるエゼクター５６を備えた１／４波長管（Ｒｉｊｋｅ Ｔｕｂｅ）５５に、管状火炎バーナ１０が設置された燃焼設備（例えば、廃棄物焼却炉のボイラ）の出口から排出される燃焼排ガスを導くに際して、保炎棒２１を加熱した管状火炎バーナ５１または通常バーナ５２の排ガスをエゼクター５６の駆動ガスとして利用するものである。
【００５２】
これによって、排ガス再循環用の高温ブロワが省略でき、消費電力が節約できるとともに、設備費が安価となる。また、高温ブロワの焼損やダスト付着によるトラブルが回避され、安全性や信頼性が向上するとともに、運転費が安価となる。
【００５３】
ちなみに、廃棄物焼却炉の排ガスを高温用誘引ブロワによって再循環させる場合には、設備費が高価、ブロワの羽根車へのダスト付着によるトラブル発生（異常振動、羽根車破損）等の問題がある。
【００５４】
また、この管状火炎バーナ１０においては、酸素含有ガスを管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスにより予熱することもできる。
【００５５】
すなわち、図４に示すように、一対の蓄熱体６１ａ、６１ｂと切換弁６２を設置して、交番式で酸素含有ガスを管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスで予熱する。ここで、図４（ａ）は、酸素含有ガス（空気）を蓄熱体６１ａで予熱し、管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスで蓄熱体６１ｂを加熱している状態を示し、図４（ｂ）は、管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスで蓄熱体６１ａを加熱し，酸素含有ガス（空気）を蓄熱体６１ｂで予熱している状態を示している。
【００５６】
このように、酸素含有ガスを管状火炎バーナ１０の燃焼排ガスにより予熱することによって、管状火炎バーナ１０に用いる燃料代が節約でき、運転費が安価になる。また、燃料／酸素含有ガスの反応性が向上し、失火が防止されて、異常燃焼が防止されるので、補修費が低減し、運転費が安価になる。さらに、失火が防止されることにから、安全性・信頼性が向上するとともに、稼働率が向上して運転費が安価になる。
【００５７】
そして、図５、図６に、上記の管状火炎バーナ１０を搭載したラジアントチューブ式加熱装置を示す。図５は、Ｕ字形状のラジアントチューブ７５の一端に管状火炎バーナ１０を設置した一端型ラジアントチューブ式加熱装置７１であり、図６は、Ｕ字形状のラジアントチューブ７５の両端にそれぞれ管状火炎バーナ１０（１０ａ、１０ｂ）を設置した両端型ラジアントチューブ式加熱装置７２である。
【００５８】
このような管状火炎バーナ１０を搭載したラジアントチューブ式加熱装置７１、７２においては、ラジアントチューブ７５に沿って、火炎が空間に形成されるため、ラジアントチューブ内壁での燃焼凍結が回避され、環境負荷物質である未燃ガスや粒子状物質の排出が低減する。また、安定した長火炎が形成されて、局所高温が回避されるので、内壁の焼損が防止され、補修費が低減し、運転費が安価になる。また、局所高温が回避されることによって、環境負荷物質であるＮＯｘの排出も低減する。さらに、安定した長火炎が形成されることによって、ラジアントチューブ７５の外表面の温度分布が平均化されるため、加熱対象（製品）の加熱効率が向上し、燃料消費量が節約できて省エネルギーとなるとともに、製品の加熱温度分布が均一化して製品の品質が向上する。その上、加熱温度の調整範囲が拡大し、制御性も向上するので、設備能力が向上し、製品の品質も向上する。
【００５９】
なお、図６に示すように、この両端型ラジアントチューブ式加熱装置７２では、それぞれの管状火炎バーナ１０ａ、１０ｂに対応して設けられている蓄熱体７６ａ、７６ｂを用いて、管状火炎バーナ１０ａ、１０ｂの排ガスで酸素含有ガス（空気）を予熱しながら交番燃焼するようになっている。
【００６０】
これによって、酸素含有ガスの実流速が増加するため、より長火炎が形成されるので、ラジアントチューブ７５の表面温度が平均化し、加熱効率が向上することから、燃料代が節約でき、運転費が安価になる。また、管状火炎バーナ１０ａ、１０ｂに設けられている保炎棒２１の表面温度が均一化されて、失火がより一層確実に防止されるようになり、異常燃焼が防止されて、補修費が低減し、運転費が安価になる。
【００６１】
そして、図７に示すように、ラジアントチューブ７５は、曲管部７５ｂの内径を直管部７５ａより細くし、その間をテーパ管７５ｃで接続するようにしてもよい。
【００６２】
これによって、曲管部７５ｂで旋回速度が増速して、管状火炎が安定的に維持され、内壁近傍での反応凍結や不完全燃焼が回避されることとなり、粒子状物質の排出が低減する。また、管状火炎が安定に維持されることにより、局所高温が回避されて、加熱効率が向上し、運転費が安価になる。さらに、局所高温が回避されることにより、環境負荷物質であるＮＯｘの排出が低減する。その上、ラジアントチューブ７５の曲管部７５ｂが軽量化されることになるので、設備費が安価になる。
【００６３】
なお、曲管部７５ｂの内径を直管部７５ａより細くする際には、段付きの管で両者を接続することでも、ある程度の旋回速度の増速効果が期待できるが、図７に示したように、テーパ管７５ｃ（内径の開き角が３０°程度以下）を介して滑らかに接続した方が渦等の発生に伴なう流体力学的なロスを低く抑えることができるので望ましい。
【００６４】
そして、このラジアントチューブ式加熱装置７１、７２は、ラジアントチューブ７５の両端の差圧または／および燃焼排ガス温度の異常を検出して、不活性ガスによるパージから再稼動までの操作を自動的に行うための自動運転制御装置（図示せず）が配設されている。
【００６５】
ラジアントチューブ７５内に火炎が形成されると、管内壁と接触するガスの平均温度が上昇し、ガスの粘性が増加することに起因して、ラジアントチューブ７５の両端の差圧が上昇する。したがって、ラジアントチューブ７５の両端の差圧または／および燃焼排ガス温度を常時モニターすることにより、失火を速やかに検知し、窒素ガス等によるパージを行うことにより、異常燃焼（爆燃、爆轟）を未然に防止することができる。
【００６６】
すなわち、自動運転制御装置は以下のような手順で制御を行う。
【００６７】
（Ｓ１）ラジアントチューブ７５の両端の差圧または／および燃焼排ガス温度の異常を検出する。
【００６８】
（Ｓ２）管状火炎バーナ１０の開閉弁３５、４５を閉じて、燃料含有ガスと酸素含有ガスの供給を停止する。
【００６９】
（Ｓ３）保炎棒２１への熱負荷を上昇させる。
【００７０】
（Ｓ４）窒素ガスによるラジアントチューブ７５内のパージを行う。その際に、窒素ガスの量はラジアントチューブ７５の内容積の少なくとも５倍以上とする。
【００７１】
（Ｓ５）管状火炎バーナ１０の開閉弁３５、４５を開き、流量調整弁３３、４３の開度を絞った状態で、燃料含有ガスと酸素含有ガスの供給を再開し、着火操作を行う。
【００７２】
（Ｓ６）徐々に流量調整弁３３、４３の開度を大きくして燃焼負荷を上昇させた後、定格運転条件に設定する。
【００７３】
上記のような制御を行うことにより、失火後速やかに適正な処置をとることができるようになり、異常燃焼が防止されて、補修費が低減し、運転費が安価になる。また、異常燃焼が防止されることにより、適切に加熱されずに製品不良となる割合を最小化することができる。
【００７４】
以上に述べたように、この実施形態に係る管状火炎バーナ１０およびラジアントチューブ式加熱装置７１、７２においては、燃料含有ガスあるいは酸素含有ガスの急激な流量変動を緩和する流量変動緩和手段３１、４１が設置されているとともに、管状火炎バーナ１０の燃焼室１１内に、適用する燃料の着火温度以上の表面温度を有する保炎棒２１が設置されており、仮に急激な流量変動があっても、その影響を受けにくく、火炎の安定性が格段に向上する。したがって、安全性・信頼性の向上、安価な運転費・設備費、環境負荷物質（ＮＯｘ、粒子状物質）の低減、省エネルギー、製品品質の向上等の優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施形態に係る管状火炎バーナを示す図である。
【図２】保炎棒加熱手段としてバーナを用いた場合を示す図である。
【図３】保炎棒加熱手段としてバーナを用いた場合の排ガスの利用を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る管状火炎バーナにおいて、酸素含有ガスを管状火炎バーナの排ガスで予熱するようにしていることを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る管状火炎バーナを一端に備えたラジアントチューブ式加熱装置を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る管状火炎バーナを両端に備えたラジアントチューブ式加熱装置を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態におけるラジアントチューブの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０、１０ａ、１０ｂ 管状火炎バーナ
１１ 燃焼室
１１ａ 燃焼室の先端
１１ｂ 燃焼室の後端
１２ 燃料含有ガス用ノズル
１３ 酸素含有ガス用ノズル
１４ 管状火炎
２１ 棒状体（保炎棒）
２２ 電気ヒーター
２３ 熱電対
２４ ヒーターコントローラ
３１ 流量変動緩和手段
３２ 流量測定手段
３３ 流量調整弁
３４ 逆止弁
３５ 開閉弁
３６ 流量計
３７ 流量調整弁
３８ 逆止弁
４１ 流量変動緩和手段
４２ 流量測定手段
４３ 流量調整弁
４４ 逆止弁
４５ 開閉弁
４６ 流量計
４７ 流量調整弁
４８ 逆止弁
５１ 管状火炎バーナ
５２ 通常バーナ
５３ 内筒
５５ １／４波長管
５６、５７ エゼクター
６１ａ、６１ｂ 蓄熱体
６２ 切換弁
７１ 一端型ラジアントチューブ式加熱装置
７２ 両端型ラジアントチューブ式加熱装置
７５ ラジアントチューブ
７５ａ 直管部
７５ｂ 曲管部
７５ｃ テーパ管
７６ａ、７６ｂ 蓄熱体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端が開放された管状の燃焼室を有し、前記燃焼室に燃料含有ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルをそれぞれ備え、それらの各ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向と一致している管状火炎バーナにおいて、
前記各ノズルに供給する燃料含有ガスまたは酸素含有ガスの急激な流量変動を緩和する流量変動緩和手段と、前記燃焼室の後端から燃焼室内に挿入された円形断面の棒状体と、該棒状体の外表面の温度を前記燃料の着火温度以上に維持するための棒状体加熱手段とを備えていることを特徴とする管状火炎バーナ。
【請求項２】
前記棒状体は、前記燃焼室に挿入される部分の軸方向長さが前記燃焼室の内径の２〜１０倍の範囲内になっていることを特徴とする請求項１に記載の管状火炎バーナ。
【請求項３】
前記棒状体加熱手段の熱源は、バーナまたは電気ヒーターからなることを特徴とする請求項１または２に記載の管状火炎バーナ。
【請求項４】
棒状体加熱手段の熱源がバーナからなっている場合、当該バーナの燃焼排ガスが、管状火炎バーナの燃焼排ガスを再循環させるためのエゼクターの駆動ガスとして利用されることを特徴とする請求項３に記載の管状火炎バーナ。
【請求項５】
前記酸素含有ガスが、管状火炎バーナの燃焼排ガスにより予熱されるようになっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の管状火炎バーナ。
【請求項６】
前記燃料含有ガスまたは／および酸素含有ガスに、管状火炎バーナの燃焼排ガスが含有されるようになっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の管状火炎バーナ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の管状火炎バーナをラジアントチューブの一端または両端に配設したことを特徴とするラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項８】
ラジアントチューブの両端に管状火炎バーナを配設した場合は、管状火炎バーナが交番燃焼するようになっていることを特徴とする請求項７に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項９】
ラジアントチューブの曲管部の内径が直管部より細くなっていることを特徴とする請求項７または８に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項１０】
ラジアントチューブの両端の差圧または／および燃焼排ガス温度の異常を検出して、不活性ガスによるパージから再稼動までの操作を自動的に行うための自動運転制御装置が配設されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項１】
先端が開放された管状の燃焼室を有し、前記燃焼室に燃料含有ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルをそれぞれ備え、それらの各ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向と一致している管状火炎バーナにおいて、
前記各ノズルに供給する燃料含有ガスまたは酸素含有ガスの急激な流量変動を緩和する流量変動緩和手段と、前記燃焼室の後端から燃焼室内に挿入された円形断面の棒状体と、該棒状体の外表面の温度を前記燃料の着火温度以上に維持するための棒状体加熱手段とを備えていることを特徴とする管状火炎バーナ。
【請求項２】
前記棒状体は、前記燃焼室に挿入される部分の軸方向長さが前記燃焼室の内径の２〜１０倍の範囲内になっていることを特徴とする請求項１に記載の管状火炎バーナ。
【請求項３】
前記棒状体加熱手段の熱源は、バーナまたは電気ヒーターからなることを特徴とする請求項１または２に記載の管状火炎バーナ。
【請求項４】
棒状体加熱手段の熱源がバーナからなっている場合、当該バーナの燃焼排ガスが、管状火炎バーナの燃焼排ガスを再循環させるためのエゼクターの駆動ガスとして利用されることを特徴とする請求項３に記載の管状火炎バーナ。
【請求項５】
前記酸素含有ガスが、管状火炎バーナの燃焼排ガスにより予熱されるようになっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の管状火炎バーナ。
【請求項６】
前記燃料含有ガスまたは／および酸素含有ガスに、管状火炎バーナの燃焼排ガスが含有されるようになっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の管状火炎バーナ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の管状火炎バーナをラジアントチューブの一端または両端に配設したことを特徴とするラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項８】
ラジアントチューブの両端に管状火炎バーナを配設した場合は、管状火炎バーナが交番燃焼するようになっていることを特徴とする請求項７に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項９】
ラジアントチューブの曲管部の内径が直管部より細くなっていることを特徴とする請求項７または８に記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【請求項１０】
ラジアントチューブの両端の差圧または／および燃焼排ガス温度の異常を検出して、不活性ガスによるパージから再稼動までの操作を自動的に行うための自動運転制御装置が配設されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のラジアントチューブ式加熱装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−１０７０３１（Ｐ２００８−１０７０３１Ａ）
【公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２９１３８６（Ｐ２００６−２９１３８６）
【出願日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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