JP6756683B2 - 酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸素富化バーナ及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。

一般に、製鉄プロセスで用いられる取鍋等の、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、及び、被加熱物を均一に加熱できるような特性を有することが求められている。

バーナの伝熱効率を高める方法としては、従来から、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、伝熱効率を高める方法が採用されていた。しかしながら、一般的な構造のバーナでは、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という問題があった。

これに対し、特許文献１，２においては、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１，２に記載のバーナによれば、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１，２に記載のバーナによれば、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、上記のようなタンディッシュ等の予備加熱に好適に用いられる。

特開２００５−１１３２００号公報 特開２０１３−０７９７５３号公報

特許文献１，２に記載されたような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。ここで、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、例えば、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、緩慢燃焼の傾向となり、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。このように、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。

しかしながら、特許文献１，２に記載の構成では、特定の中心流体の流量における振動周期は固定されてしまうため、同流量における燃焼特性を変更することはできない。そこで、例えば、上記の連結管を取り外し可能とする方法も考えられるが、仮に、フレキシブルケーブル等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。

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、且つ、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及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。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、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、中心流体噴出口及び周囲流体噴出口からなり、前記中心流体噴出口の上流側における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いるとともに、該一対の開口部同士が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は、前記開口部が配置された一対の側壁の間隔が下流側に向かって漸次拡開する断面扇形状とされており、前記周囲流体噴出口は、平面視で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連通管及び第２連通管と、前記第１連通管及び前記第２連通管の他端部に接続され、該第１連通管と第２連通管とが連通するように設けられ、内部を流体が流通する少なくとも一以上の管状の連結素子とを有し、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とともに、これら複数の連結素子は、それぞれ、内径及び／又は長さが異なっており、前記連通部は、さらに、前記第１連通管及び前記第２連通管と前記連結素子との間に設けられる開閉バルブを有することを特徴とする酸素富化バーナである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の酸素富化バーナであって、前記第１連通管及び前記第２連通管と前記連結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である。

さらに、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２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、被加熱物を加熱する、酸素富化バーナを用いた加熱方法である。

請求項４に係る発明は、請求項３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である。

本発明に係る酸素富化バーナによれば、中心流体噴出口と、その周囲に配置された周囲流体噴出口と、中心流体噴出口の上流側の流体噴出流路の側壁に設けられる一対の開口部と、この一対の開口部同士を連通する連通部とを備え、この連通部が、一対の開口部にそれぞれ一端部が連結される第１連通管及び第２連通管と、これら第１連通管及び第２連通管の他端部に接続され、第１連通管と第２連通管とが連通するように設けられ、内部を流体が流通する少なくとも一以上の管状の連結素子とを有し、連結素子は、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とともに、これら複数の連結素子は、それぞれ、内径及び／又は長さが異なっており、連通部は、さらに、第１連通管及び第２連通管と連結素子との間に設けられる開閉バルブを有する構成を採用している。
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において、一対の開口部同士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結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。従って、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、且つ、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_Ｘの排出量を効果的に抑制することも可能になる。

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、上記構成を備えた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。

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。 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。 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１，２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。 本発明の一実施形態である酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法の実施例について説明する図であり、（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。 本発明の一実施形態である酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法の実施例について説明する図であり、実施例１及び実施例２における、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。 本発明の一実施形態である酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法の実施例について説明する図であり、（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。 本発明の一実施形態である酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法の実施例について説明する図であり、実施例３及び実施例４における、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。 本発明の一実施形態である酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法の実施例について説明する図であり、実施例５における、自励振動周期とＮＯ_Ｘ排出量との関係を示すグラフである。

以下、本発明を適用した一実施形態である酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法について、主に図１〜図３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。

本発明に係る酸素富化バーナは、例えば、製銑や製鋼工場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（図示略）を予備加熱する用途等に適用することが可能なものである。

＜バーナ＞
以下、本発明に係る酸素富化バーナの構成及び燃焼方法について詳述する。

［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り、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、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、各流体噴出口及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、詳細な部分の図示を一部省略している。

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の各々から燃料ガスＧ１又は酸素富化空気Ｇ２の少なくとも何れかを噴出し、燃焼させるものである。

具体的には、本実施形態のバーナ１は、複数の流体噴出口が、中心流体噴出口２、及び、周囲流体噴出口３からなる。
中心流体噴出口２の上流側における流体噴出流路６の側壁６１には、それぞれ対向する位置で一対の開口部６２ａ，６２ｂが設けられているとともに、これら一対の開口部６２ａ，６２ｂ同士が連通部７で連通されている。
また、流体噴出流路６における開口部６２ａ，６２ｂよりも下流側は、開口部６２ａ，６２ｂが配置された一対の側壁６３，６３の間隔が下流側に向かって漸次拡開する断面扇形状とされている。
また、周囲流体噴出口３は、平面視で中心流体噴出口２の周囲に配置され、概略構成されている。

本実施形態のバーナ１においては、燃料ガスＧ１又は酸素富化空気Ｇ２を、中心流体噴出口２又は周囲流体噴出口３から、それぞれ別個に噴出させるが、何れのガスが、どの噴出口から噴出されても構わない。例えば、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を噴出するように構成することができる。

中心流体噴出口２は、上流側の流体噴出流路６から燃料ガスＧ１又は酸素富化空気Ｇ２が供給されることで、外部に何れかのガスを噴出する開口部（ノズル）として構成される。中心流体噴出口２は、後述するように、流体噴出流路６における断面形状が略矩形状とされていることに伴い、その平面視形状が矩形状とされている。

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又は酸素富化空気Ｇ２の何れかが導入され、上記の中心流体噴出口２から噴出させる。また、流体噴出流路６は、例えば、流体（ガス）流れ方向に直交する方向での断面形状が略矩形状に形成されることで、上述したような一対の側壁６１，６１を有し、これら側壁６１，６１に、それぞれ対向するように一対の開口部６２ａ，６２ｂが配置される。また、図２に示すように、一対の開口部６２ａ，６２ｂの間は連通部７によって連通される。

また、流体噴出流路６は、上記のように、開口部６２ａ，６２ｂよりも下流側における一対の側壁６３，６３の間隔が下流側に向かって漸次拡開する断面扇形状となるように、即ち、縦断面が略Ｖ字状となる一対の側壁６３として形成されている。また、流体噴出流路６における開口部６２ａ，６２ｂよりも上流側は、対向した各側壁間が略平行に延在した、断面略矩形状で角筒型の流路６４として形成されている。

本実施形態のバーナ１は、上記構成のように、流体噴出流路６をなす一対の側壁６１，６１に、連通部７で連通した一対の開口部６２ａ，６２ｂを対向して配置することで、中心流体噴出口２から噴出する酸素富化空気Ｇ２又は燃料ガスＧ１に、所謂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。即ち、図３（ａ），（ｂ）に示すように、バーナ１においては、流体噴出流路６の流路６４から流れる流体（酸素富化空気又は燃料ガス）が、一対の開口部６２ａ，６２ｂの間を通り抜けて、断面扇形状とされた一対の側壁６３間に流入した際、この側壁６３の一面６３ａ及び他面６３ｂに交互に付着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（図１中に示す矢印Ｒも参照）。

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６３及び連通部７の各部における寸法や、流体の流速等の各種条件に応じて変化する。そこで、本発明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、連結素子７３の寸法や設置数を任意に設定することで、簡便な構成及び簡単な操作で、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及び周波数で振動させるように調整することが可能な構成を採用したものである。

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及び第２連通管７２と、第１連通管７１及び第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とが連通するように設けられる、少なくとも一以上の管状の連結素子７３とを有して構成される。図２に示す例においては、連通部７は、３本の連結素子７３が、第１連通管７１と第２連通管７２との間で並列に接続されている。即ち、図示例では、第１連通管７１及び第２連通管７２に各々３箇所の他端部７１ｂ，７２ｂが設けられており、それぞれに３本の連結素子７３（７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃ）が並列接続されている。
そして、上記のようなフリップフロップノズルによる自励振動は、一対の６２ａ，６２Ｂ間を連通部７で連通させることで発生させることができる。

さらに、図示例における連通部７は、第１連通管７１及び第２連通管７２と連結素子７３との間に設けられる開閉バルブ７４を備えており、連結素子７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃの各々において、端部７３ａ，７３ｂのそれぞれの側に開閉バルブ７４が接続されている。本実施形態のバーナ１は、上記のような開閉バルブ７４が備えられていることにより、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。また、本実施形態では、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、あるいは全て停止することも可能である。

本実施形態のバーナ１においては、例えば、複数で設けられた連結素子７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃを、それぞれ、内径や長さ（全長）を変化させることで、各々の連結素子内におけ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。これにより、上記の開閉バルブ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。例えば、連結素子７３の長さ寸法を大きくするほど、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り、同様に、連結素子７３の内径を小さくするほど、上記の自励振動周期が長くなる。

なお、連結素子７３における流体の流量や流速を変化させるための構成としては、上記の他、例えば、連結素子７３内に邪魔板等を設けた構成も挙げられる。

ここで、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、及び、連結素子７３の流路断面積Ｓによって無次元化された連結素子長さｌｅｎと、上記の直径又は相当径Ｄ、及び、中心流体噴出速度Ｕによって無次元化された振動数（ストローハル数）Ｓｔとの関係は、次式｛ｌｅｎ＝ｋ・１／Ｓｔ（ｋ：比例定数）｝で表され、線形関係となる。即ち、連結素子長さｌｅｎと振動数Ｓｔとの関係は、次式｛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、及び中心流体噴出速度Ｕは決まっていることで、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。

上記の流体噴出流路６の相当径Ｄとしては、図２中に示すように、例えば、流体噴出流路６が断面矩形状である場合には、その１辺あたりの長さ寸法とすることができる。

本実施形態においては、上記のような連通部７を備え、連結素子７３を任意に切り替え可能な構成とし、仕様の異なる連結素子７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃを任意に切り替えることで、振動周期ｔを容易に変更することが可能になる。

また、本実施形態では、第１連通管７１及び第２連通管７２と、連結素子７３の各々との間が着脱可能に接続されていてもよい。このような場合、図２に示す例において、例えば、各々の開閉バルブ７４に対して、各々の連結素子７３を着脱可能に構成することができる。連結素子７３を、第１連通管７１及び第２連通管７２（あるいは開閉バルブ７４）に対して着脱可能な構成とすることで、被加熱物の特性等に応じて、連結素子７３を、任意の流体流量・流速とされたものに容易に交換することができる。

上記のように、第１連通管７１及び第２連通管７２（あるいは開閉バルブ７４）と連結素子７３との間を着脱可能とする方法としては、例えば、Ｏリング等によるシール構造を採用するか、あるいは、管状の連結素子７３の両端部７３ａ，７３ｂにねじ留め構造を設ける等、各種の構成を採用できる。

また、図２中に示した、流体噴出流路６における一対の側壁６３の開き角度、即ち、中心流体噴出口２の開口角度α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が、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。

また、図２に示す例においては、連通部７として、３本の連結素子７３ａ，７３ｂ，７３ｃを備えた構成を採用しているが、これには限定されず、例えば、連結素子７３を１〜２本とすることも可能であるとともに、連結素子７３を４本以上備えた構成としてもよい。

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、並びに、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、個別に制御可能に構成されていることが好ましい。このように、各流体の噴出量を個別に制御する方法としては、詳細な図示を省略するが、例えば、各噴出口に接続されて各流体を供給する管路に、それぞれ、流量制御手段を設けることが挙げられる。

周囲流体噴出口３は、図１中に示すように、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。
また、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又は燃料ガスＧ１の何れかが導入されることで、何れかのガスを噴出させる開口部（ノズル）として構成される。

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、平面視において、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、また、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に対して上記のような配置関係となるように構成することで、燃料ガスＧ１を噴出する位置と実質的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。

本実施形態においては、上記のように、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（例えば燃料ガスＧ１）と、周囲流体噴出口３から噴出される周辺流体（例えば酸素富化空気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効果が得られる。

なお、周囲流体噴出口３の形状としては、図１中に示すような平面視矩形状とされ、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構成を採用してもよい。また、周囲流体噴出口３の平面視形状は、図１に示す例には限定されず、図示を省略するが、例えば、平面視円形状とされていてもよいし、あるいは、複数の開口部（孔）によって周囲流体噴出口３の周囲を取り囲むように構成してもよい。

［バーナの燃焼方法］
次に、上記構成を備えた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は、詳細な図示を省略するが、基本的には、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ことができる。

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。このような混合ガスとしては、上記の空気の代わりに、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、上記の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。

また、本実施形態のバーナ１を燃焼させる際は、上記のように、中心流体噴出口２から噴出される燃料ガスＧ１を、自励振動によって噴出方向を交互且つ周期的に変化させながら噴出させる（図３（ａ），（ｂ）を参照）。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。

上記のように、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_Ｘ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。

なお、中心流体噴出口２から噴出される燃料ガスＧ１の、上記の自励振動による噴出方向の切り替え周期（振動周期ｔ）は、特に限定されず、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、例えば、振動周期ｔ＝３０秒以下とすることが好ましい。

本実施形態のバーナ１によれば、自励振動によって火炎を振動させる構成において、上記のような連通部７を備えた構成を採用することで、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、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、且つ、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。

＜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、上記構成を備えた本発明に係る酸素富化バーナ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。
本実施形態の加熱方法は、上記構成とされたバーナ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。

本実施形態の加熱方法における被加熱物としては、特に限定されないが、上述したような、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。

本実施形態の加熱方法によれば、上記のバーナ１を用いて、取鍋やタンディッシュ等のような被加熱物を加熱する方法なので、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、且つ、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。

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が、例えば、振動周期ｔ＝３０秒以下とすることで、各種の被加熱物を広域で均一に加熱することが可能になる。

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、上記のような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。

＜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によれば、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、中心流体噴出口２の上流側の流体噴出流路６の側壁に設けられる一対の開口部６２ａ，６２ｂと、この一対の開口部６２ａ，６２ｂ同士を連通する連通部７とを備え、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及び第２連通管７２と、これら第１連通管７１及び第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る少なくとも一以上の管状の連結素子７３とを有する構成を採用している。
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同士を連通する連通部７が、第１連通管７１と第２連通管７２とを連通させる連結素子７３を備えることで、簡便な構成及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。従って、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、且つ、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、上記のような中心流体噴出口２と周囲流体噴出口３とを備え、例えば、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、ＮＯＸの排出量を効果的に抑制できる。

また、本実施形態の酸素富化バーナ１を用いた加熱方法によれば、上記構成を備えた酸素富化バーナ１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。

以下、本発明の酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法について、実施例を示してより詳細に説明するが、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。

＜バーナの仕様及び運転条件＞
本実施例においては、図１〜図３に示すような構成とされた、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及び第２連通管７２と、これら第１連通管７１及び第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本の連結素子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、以下に示す各条件で燃焼・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を３０°としたものを用いた。

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、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。
また、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^３／ｈ、酸素富化空気の流量を１７０Ｎｍ^３／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。

また、本実施例においては、以下に説明するような、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。

＜実施例１，２＞
実施例１，２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１，２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。
図４（ａ），（ｂ）中に示すように、本実施例においては、バーナ１の端面から５００ｍｍ前方であって、バーナ１の中心軸から３００ｍｍ下側の位置に、流体噴出流路６の拡開方向で複数本の熱電対を配列した。

また、実施例１，２においては、それぞれ、下記表１に示すような連結素子長さ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、次式｛ｌｅｎ＝ｋ・１／Ｓｔ（ｋ：比例定数）｝及び次式｛１／Ｓｔ＝Ｄ／（ｔ・Ｕ）（ｔ：振動周期）｝で表されるので、本実施例では、流体噴出流路６の直径又は相当径Ｄ、及び、中心流体噴出速度Ｕを予め決定し、下記表１中に示すような連結素子長さ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。

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。
そして、この実験における、バーナ１の中心軸からの距離、即ち、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。

図５のグラフ中に示す実施例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。
このような実施例１，２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、即ち、加熱特性を変更できることが確認できた。即ち、本発明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。

＜実施例３，４＞
実施例３，４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、及び、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３，４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），（ｂ）に示すように、本実施例においては、バーナ１の中心軸から３００ｍｍ下側の位置で、中央流体噴出口２からの燃焼ガスの噴出方向、即ち火炎の形成方向に沿って、抜熱体を複数本で配置した。

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。

図７のグラフ中に示す実施例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及び振動周期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。

＜実施例５＞
実施例５においては、振動周期ｔを図８のグラフ中に示す複数の周期（０.１秒、０.５秒、１秒、５秒）で変化させた点以外は、実施例１等と同様の条件で、バーナ１を用いた自励振動を伴う燃焼試験を行い、ＮＯ_Ｘ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_Ｘ排出量との関係を示す。

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_Ｘ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_Ｘの生成量が抑制されたものと考えられる。

以上説明したような実施例の結果より、本発明に係る酸素富化バーナが、簡便な構成及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ので、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、且つ、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とともに、ＮＯ_Ｘの排出量を効果的に抑制できることが明らかとなった。

本発明の酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法は、自励振動で火炎を振動させながら被加熱物を加熱するにあたり、簡便な構成及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ので、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、且つ、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となる。従って、本発明の酸素富化バーナ及び酸素富化バーナを用いた加熱方法は、製鋼プロセスにおいて用いられるタンディッシュ等の他、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。

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
６３…（一対の）側壁
６３ａ…一面
６３ｂ…他面
６４…（角筒型の）流路
７…連通管
７１ａ，７２ａ…一端部
７１ｂ，７２ｂ…他端部
７１…第１連通管
７２…第２連通管
７３，７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃ…連結素子
７３ａ，７３ｂ…端部（連結素子）
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

Claims (4)

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、中心流体噴出口及び周囲流体噴出口からなり、
   前記中心流体噴出口の上流側における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いるとともに、該一対の開口部同士が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は、前記開口部が配置された一対の側壁の間隔が下流側に向かって漸次拡開する断面扇形状とされており、
   前記周囲流体噴出口は、平面視で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連通管及び第２連通管と、前記第１連通管及び前記第２連通管の他端部に接続され、該第１連通管と第２連通管とが連通するように設けられ、内部を流体が流通する少なくとも一以上の管状の連結素子とを有し、
   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とともに、これら複数の連結素子は、それぞれ、内径及び／又は長さが異なっており、
   前記連通部は、さらに、前記第１連通管及び前記第２連通管と前記連結素子との間に設けられる開閉バルブを有することを特徴とする酸素富化バーナ。
2. 前記第１連通管及び前記第２連通管と前記連結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に記載の酸素富化バーナ。
3. 請求項１又は請求項２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、被加熱物を加熱する、酸素富化バーナを用いた加熱方法。
4. 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３に記載の酸素富化バーナを用いた加熱方法。

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