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TWI666407B - 氣體燃料燃燒器、及氣體燃料燃燒器的加熱方法 - Google Patents

氣體燃料燃燒器、及氣體燃料燃燒器的加熱方法 Download PDF

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Publication number
TWI666407B
TWI666407B TW104142234A TW104142234A TWI666407B TW I666407 B TWI666407 B TW I666407B TW 104142234 A TW104142234 A TW 104142234A TW 104142234 A TW104142234 A TW 104142234A TW I666407 B TWI666407 B TW I666407B
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TW
Taiwan
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oxidant
burner
gas fuel
central axis
combustion chamber
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TW104142234A
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TW201632792A (zh
Inventor
山本康之
飯野公夫
Original Assignee
日商大陽日酸股份有限公司
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Abstract

本發明之課題在於提供可不損及燃燒效率而得到火焰的軸方向的速度高且高溫的火焰，而且可在抑制被加熱物氧化的同時使對流熱傳遞效率提高之氣體燃料燃燒器、及氣體燃料燃燒器的加熱方法。本發明之氣體燃料燃燒器10具有：第一氧化劑噴出口17，係配置在構成燃燒室13之第一圓形面13-1的中心C1，且朝向燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向噴出第一氧化劑，其中，該燃燒室13係形成為其寬度從燃燒器本體11的基端部往前端部變寬的截頭圓錐形狀者；氣體燃料噴出口18，配置在第一氧化劑噴出口17的外側，且朝向與中心軸CL1的延伸方向交叉之方向噴出氣體燃料；以及第二氧化劑噴出口19，配置在燃燒室13的側面13a，且朝向與中心軸CL1的延伸方向交叉之方向噴出第二氧化劑。

Description

氣體燃料燃燒器、及氣體燃料燃燒器的加熱方法
本發明係關於適用於利用對流熱傳遞來加熱被加熱物之氣體燃料燃燒器、及氣體燃料燃燒器的加熱方法。
在使氣體燃料燃燒器所形成的火焰直接衝擊被加熱物而利用對流熱傳遞進行加熱之情況，有火焰溫度要高、及火焰的軸方向速度要快之要求。
另外，在被加熱物為會氧化之類的材質之情況，在火焰衝擊到被加熱物之際，若存在有很多未反應的氧氣，則會發生促進被加熱物氧化的問題。
再者，在利用燃燒器火焰來進行脫脂處理作為冷軋鋼板的電鍍工序的前處理時，必須使燃燒器為非水冷。
使火焰直接衝擊被加熱物來進行加熱之氣體燃料燃燒器，有例如專利文獻1所揭示的燃燒器。
專利文獻1所揭示的燃燒器係形成為將環狀構件配置成同心圓狀而成的三重管構造體，且形成為從中心開始使氧氣、氣體燃料、氧氣依此順序從噴嘴前端部向燃燒器的 軸方向平行噴出之構造。專利文獻1之燃燒器係形成為將氧氣及氣體燃料的噴出口配置在同一平面上之構造。
使火焰直接衝擊被加熱物來進行加熱之氣體燃料燃燒器的另一個形態，有例如專利文獻2所揭示的燃燒器。
專利文獻2所揭示的燃燒器，係用來作為電爐用的助燃燃燒器。專利文獻2所揭示的燃燒器係具有使火焰直接衝擊鐵屑來加熱、熔解鐵屑，並且利用氧氣來強制地使鐵屑氧化，利用該氧化的氧化熱來熔解(或稱為燒除cutting)鐵屑之機能。
專利文獻2所揭示的燃燒器係形成為使氧氣從中心部噴出，使燃料從該氧氣的外周部噴出，並且更使氧氣從該燃料的外周部噴出之三重管構造體。
專利文獻2所揭示的燃燒器，係使氧氣從中心高速噴出以形成高速火焰。另外，專利文獻2所揭示的燃燒器使最外周的氧氣迴旋，使之短焰化。
[先前技術文獻]
(專利文獻1)歐洲專利申請公開第1850066號說明書
(專利文獻2)日本特開平10-9524號公報
專利文獻1所揭示的燃燒器並不具有保焰機能。因此，為了使火焰的流速加快而加速氧氣及/或氣體 燃料的噴出速度，就會將火焰吹散，所以無法使火焰的流速加快。
另外，專利文獻1所揭示的燃燒器係形成為使氣體燃料與氧氣平行噴出之構造，所以燃燒速度會變慢。因此，衝擊到被加熱物之際的氧氣濃度會變高，所以在加熱容易氧化的材料時，氧化皮屑之產生等會成為問題。
另一方面，專利文獻2所揭示的燃燒器雖然藉由從中心噴出的氧氣使火焰的軸方向速度提高，但由於以燒除(cutting)鐵屑為主要的機能，所以火焰中心的氧氣濃度會變高而有不適用於抑制被加熱物氧化的同時進行加熱的用途之問題。
因此，本發明之課題在於提供一種氣體燃料燃燒器、及氣體燃料燃燒器的加熱方法，可不損及燃燒效率而得到火焰的軸方向的速度高且高溫的火焰，而且可在抑制被加熱物氧化的同時，使對流熱傳遞效率提高。
為了解決上述課題，本案發明採用下述之構成：
(1)一種氣體燃料燃燒器，具有：朝預定的方向延伸，且在前端部形成用來加熱被加熱物的火焰之燃燒器本體；配置在前述燃燒器本體的前端部，且形成為其寬度從前述燃燒器本體的基端部往該前端部變寬的截頭圓錐形狀之燃燒室；配置在構成前述燃燒室之直徑不同的第一圓形面及第二圓形面之中之直徑比前述第二圓形面小之第一圓形面 的中心，且朝向前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向噴出第一氧化劑之第一氧化劑噴出口；配置在前述第一圓形面之中之前述第一氧化劑噴出口的外側，且朝向與前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向交叉之方向噴出氣體燃料之氣體燃料噴出口；以及配置在前述燃燒室的側面，且朝向與前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向交叉之方向噴出第二氧化劑之第二氧化劑噴出口。
(2)前述(1)所記載之氣體燃料燃燒器，還具有配置在前述燃燒室的側面之中之比前述第二氧化劑噴出口的配設位置還要靠前述第二圓形面側，且朝向與前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向交叉之方向噴出第三氧化劑之第三氧化劑噴出口，前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向與前述第三氧化劑的噴出方向所成的角度，係比前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向與前述第二氧化劑的噴出方向所成的角度小。
(3)前述(1)或(2)所記載之氣體燃料燃燒器，其中，前述氣體燃料噴出口係由複數個氣體燃料噴出孔所構成，前述第二氧化劑噴出口係由複數個氧化劑噴出孔所構成，前述複數個氣體燃料噴出孔及前述複數個氧化劑噴出孔係相對於前述第一圓形面的中心配置成同心圓狀。
(4)前述(1)至(3)中任一項所記載之氣體燃料燃燒器，其中，前述第三氧化劑噴出口係由複數個氧化劑噴出孔所構成，構成前述第三氧化劑噴出口之前述複數 個氧化劑噴出孔係相對於前述第一圓形面的中心配置成同心圓狀。
(5)前述(1)至(4)中任一項所記載之氣體燃料燃燒器，其中，前述第一圓形面的第一直徑之值，係設定為在前述第一氧化劑噴出口的開口徑的3至6倍的範圍內之大小，在前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向之前述燃燒室的長度之值，係在前述第一直徑的0.5至2倍的範圍內。
(6)前述(1)至(5)中任一項所記載之氣體燃料燃燒器，其中，前述燃燒室的側面與前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向所成的角度係在0度以上20度以下之範圍內。
(7)前述(1)至(6)中任一項所記載之氣體燃料燃燒器，其中，前述氣體燃料的噴出方向與前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向所成的角度係在0度以上30度以下之範圍內。
(8)前述(1)至(7)中任一項所記載之氣體燃料燃燒器，其中，前述第二氧化劑的噴出方向與前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向所成的角度係在10度以上40度以下之範圍內。
(9)前述(2)至(8)中任一項所記載之氣體燃料燃燒器，其中，前述第三氧化劑的噴出方向與前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向所成的角度係在5度以上30度以下之範圍內。
(10)一種氣體燃料燃燒器的加熱方法，係利用前述(1)至(9)中任一項所記載之氣體燃料燃燒器所形成的火焰來加熱被加熱物，其中，將噴出至前述燃燒室之前述第一氧化劑的噴出速度設定在50至300m/s之範圍內，將前述氣體燃料的噴出速度設定在20至100m/s之範圍內，將前述第二氧化劑的噴出速度設定在20至80m/s之範圍內而形成前述火焰，並利用該火焰來加熱被加熱物。
(11)前述(10)所記載之氣體燃料燃燒器的加熱方法，其中，將形成前述火焰之際之噴出至前述燃燒室之第三氧化劑的噴出速度設定在20至80m/s之範圍內。
(12)前述(10)或(11)所記載之氣體燃料燃燒器的加熱方法，其中，供給至前述第一氧化劑噴出口之第一氧化劑的流量，係在供給至前述燃燒室之全部的氧化劑的流量的總和的40%至90%之範圍內。
根據本發明，即可不損及燃燒效率而得到火焰的軸方向的速度高且高溫的火焰，而且可在抑制被加熱物氧化的同時，使對流熱傳遞效率提高。
10、40‧‧‧氣體燃料燃燒器
11‧‧‧燃燒器本體
12‧‧‧氣體燃料供給路
13‧‧‧燃燒室
13a‧‧‧側面
13-1‧‧‧第一圓形面
13-2‧‧‧第二圓形面
17‧‧‧第一氧化劑噴出口
18‧‧‧氣體燃料噴出口
19‧‧‧第二氧化劑噴出口
21‧‧‧第一環狀構件
22‧‧‧第二環狀構件
24‧‧‧第一氧化劑供給路
26‧‧‧前端部
26a‧‧‧傾斜面
28‧‧‧第二氧化劑供給路
41‧‧‧第三氧化劑噴出口
100‧‧‧燃燒器
103、104‧‧‧噴嘴
105‧‧‧燃料供給管
106‧‧‧氧氣供給管
107‧‧‧燃料室
108a‧‧‧第一氧氣室
108b‧‧‧第二氧氣室
109‧‧‧燃料導入部
110a‧‧‧第一氧氣導入部
110b‧‧‧第二氧氣導入部
111‧‧‧燃料噴出口
112a‧‧‧第一氧氣噴出口
112b‧‧‧第二氧氣噴出口
C1‧‧‧中心
CL1‧‧‧中心軸
d1‧‧‧開口徑
D1‧‧‧第一直徑
D2‧‧‧第二直徑
L‧‧‧長度
P1‧‧‧第一氧化劑噴出方向
P2‧‧‧氣體燃料噴出方向
P3‧‧‧第二氧化劑噴出方向
P4‧‧‧第三氧化劑噴出方向
θ1至θ4‧‧‧角度
第1圖係示意性地顯示本發明的第一實施形態之氣體燃料燃燒器的主要部分的概略構成之剖面圖。
第2圖係示意性地顯示本發明的第二實施形態之氣體燃料燃燒器的主要部分的概略構成之剖面圖。
第3圖係顯示專利文獻1所揭示的燃燒器的概略構成之剖面圖。
第4圖係顯示試驗例1中之實施例1及比較例之燃燒器與水冷式熱傳遞面之間的距離與相對熱傳遞效率的關係之圖。
第5圖係顯示火焰衝擊位置至水冷式熱傳遞面上的半徑方向的距離與衝擊對流熱流束的關係之圖。
第6圖係顯示實施例1、2及比較例之燃燒器的前端與水冷式熱傳遞面之間的距離與相對熱傳遞效率的關係之圖。
第7圖係顯示(第一氧氣流量)/(全部氧氣流量)與相對熱傳遞效率的關係之圖。
以下，參照圖式來詳細說明採用本發明之實施形態。以下的說明中使用的圖式係用以說明本發明的實施形態而繪製者，圖所示的各部的大小、厚度、尺寸等會有與實際的氣體燃料燃燒器的尺寸關係不同之情形。
(第一實施形態)
第1圖係示意性地顯示本發明的第一實施形態之氣體燃料燃燒器的主要部分的概略構成之剖面圖。第1圖中，X方向表示燃燒器本體11的延伸方向(換言之為預定方向)，Y方向表示與X方向正交之方向。
另外，第1圖中，P1係表示噴出第一氧化劑之方向(以 下稱為「第一氧化劑噴出方向P1」，P2係表示噴出氣體燃料之方向(以下稱為「氣體燃料噴出方向P2」，P3係表示噴出第二氧化劑之方向(以下稱為「第二氧化劑噴出方向P3」。
參照第1圖，第一實施形態之氣體燃料燃燒器10係具有：燃燒器本體11、氣體燃料供給路12、燃燒室13、第一氧化劑噴出口17、氣體燃料噴出口18、以及第二氧化劑噴出口19。
燃燒器本體11係朝X方向延伸，在其前端部形成用來加熱未圖示的被加熱物(例如鋼材、非鐵材料等)之火焰。燃燒器本體11係具有第一環狀構件21以及第二環狀構件22。
第一環狀構件21係其前端部的壁厚朝向燃燒室13漸漸變薄之環狀構件。因此，第一環狀構件21的前端部的外周面係形成為錐形形狀。
第一環狀構件21係配置成其中心軸與燃燒器本體11的中心軸CL1一致。第一環狀構件21係具有其內部朝X方向延伸之第一氧化劑供給路24。第一氧化劑供給路24的形狀可形成為例如圓柱形狀。第一氧化劑供給路24係與供給第一氧化劑之氧化劑供給源(未圖示)連接。
第二環狀構件22係在第一環狀構件21的外側，以相互之間隔有間隙的狀態配置成第二環狀構件22的中心軸與燃燒器本體11的中心軸CL1一致。第二環狀構件22係構成為其內徑比第一環狀構件21的外徑大。
第二環狀構件22係具有從第一環狀構件21的前端面 向X方向突出而配置之前端部26。
前端部26的內面係形成為傾斜面26a(換言之為燃燒室13的側面13a)，使得燃燒室13的寬度從第一環狀構件21的前端面開始朝向第二環狀構件22的前端面漸漸變寬。
第二環狀構件22之中之與第一環狀構件21的形成為錐形形狀的前端部相向之內面，係向著朝燃燒器本體11的中心軸CL1之方向傾斜。
第二環狀構件22係具有其內部朝X方向延伸，且將第二氧化劑供給至前端部26之第二氧化劑供給路28。第二氧化劑供給路28的形狀可形成為例如圓筒形狀。第二氧化劑供給路28係與供給第二氧化劑之氧化劑供給源(未圖示)連接。
氣體燃料供給路12係為由第一環狀構件21及第二環狀構件22所區隔出的大致為圓筒形狀之空間。氣體燃料供給路12係與供給氣體燃料之氣體燃料供給源(未圖示)連接。
燃燒室13係配置於燃燒器本體11的前端部，由第一環狀構件21的前端面及第二環狀構件22的前端部26的傾斜面26a所區劃出。燃燒室13係其寬度從燃燒器本體11的基端部(未圖示)往前端部(換言之為第二環狀構件22的前端部26)變寬的截頭圓錐形狀之空間。
如上述，藉由設置形成為其寬度從燃燒器本體11的基端部(未圖示)往前端部變寬的截頭圓錐形狀之燃燒室13，可抑制火焰之擴大，並且可使火焰的軸方向速度加快。
此處所謂的「火焰的軸方向速度」，係指在與燃燒器本體11的中心軸CL1平行的方向之速度成分。若火焰變寬，火焰的剖面積就會變大，所以火焰的軸方向速度會降低。
因此，在使火焰衝擊被加熱物而進行加熱時，若衝擊的火的軸方向速度越快，則對流熱傳遞率(每單位面積、單位時間、單位溫度差(被加熱物與火焰之溫度差)的熱傳遞量)越高，所以可提高熱傳遞效率。
燃燒室13係具有：配置在燃燒器本體11的內部之第一圓形面13-1、以及配置在與氣體燃料燃燒器10的前端面相同的平面上之第二圓形面13-2。
第一及第二圓形面13-1、13-2係直徑互不相同(分別為第一直徑D1及第二直徑D2)之圓形面，在X方向相向而配置。第一圓形面13-1的第一直徑D1係構成為比第二圓形面13-2的第二直徑D2小。
第一圓形面13-1的第一直徑D1之值可設定為例如在第一氧化劑噴出口17的開口徑d1的值的3至6倍的範圍內之大小。
若第一直徑D1/開口徑d1的比率小於3，火焰就容易接觸到區劃出燃燒室13的側面13a之前端部26的傾斜面26a，該火焰就會使燃燒器本體11的前端部加熱，所以會損傷燃燒器本體11的前端部。如此，就不可避免地要在燃燒器本體11的前端部設置使燃燒器本體11的前端部冷卻之冷卻水循環之冷卻水循環路徑。
另一方面，若第一直徑D1/開口徑d1的比率大於6，燃燒室13之作為燃燒室的機能就會降低，火焰的軸方向速度會變慢，因而對流熱傳遞效果會降低。
因此，將第一圓形面13-1的第一直徑D1之值設定為在第一氧化劑噴出口的開口徑d1的值的3至6倍的範圍內之大小，不用設置冷卻水循環路徑就可抑制燃燒器本體11的前端部之破損，而且可抑制對流熱傳遞效果之降低。
另外，燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向(X方向)之燃燒室13的長度L之值，可設定為例如在第一直徑D1之值的0.5至2倍的範圍內之值。
若燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向之燃燒室13的長度L之值比第一直徑D1之值的0.5倍小，抑制火焰的擴大之效果就會變小。
另一方面，若燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向之燃燒室13的長度L之值比第一直徑D1之值的2倍大，火焰就會接觸到燃燒室13的側面13a，而有使之熔損之虞。
因此，藉由使燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向(X方向)之燃燒室13的長度L之值設定在第一直徑D1之值的0.5至2倍的範圍內，可抑制火焰之擴大，可使火焰的軸方向速度加快。
燃燒室13的側面13a(換言之為傾斜面26a)與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向(X方向)所成的角度θ1，可設定在例如0度以上20度以下之範圍內。
若燃燒室13的側面13a與燃燒器本體11的中心軸CL1 的延伸方向所成的角度θ1比0度小，就無法將燃燒室13的形狀形成為如第1圖所示之截頭圓錐形狀，因而火焰會接觸到燃燒室13而有使之熔損之虞。
另一方面，若燃燒室13的側面13a與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向所成的角度θ1比20度大，抑制火焰擴大之效果就會變小。
因此，藉由將燃燒室13的側面13a與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向所成的角度θ1設定在0度以上20度以下之範圍內，可抑制構成燃燒室13之燃燒器本體11熔損，而且可抑制火焰之擴大。
第一氧化劑噴出口17係配置在第一圓形面13-1的中心，且與第一氧化劑供給路24構成為一體。
第一氧化劑噴出口17係使由第一氧化劑供給路24輸送之第一氧化劑(例如純氧、富含氧氣之空氣等)朝X方向(換言之為燃燒器本體11的中心軸CL1方向)噴出。
噴出至燃燒室13之第一氧化劑的噴出速度可在例如50至300m/s之範圍內適當地設定。
第一氧化劑噴出口17的開口徑d1可設定為例如與第一氧化劑供給路24的直徑大致相等。
另外，由於利用一個噴出孔來構成第一氧化劑噴出口17，可使噴出的第一氧化劑的軸方向速度(亦即燃燒器本體11的中心軸CL1方向的速度)一直保持到離開燃燒室13較遠之位置，所以可使對流熱傳遞效率提高。
又，供給至第一氧化劑噴出口17之第一氧 化劑流量，可設定在例如供給至燃燒室13之全部氧化劑流量的總和(第一實施形態之情況為第一氧化劑流量與第二氧化劑流量之總和)的40%至90%的範圍內。
若供給至第一氧化劑噴出口17之第一氧化劑流量小於供給至燃燒室13之全部氧化劑流量的總和的40%，火焰的軸方向速度會降低，使得對流熱傳遞效率變低。而且，在此情況，火焰會在燃燒室13內擴大，而有燃燒器本體11的前端部被加熱而損傷之虞。
因此，為了抑制燃燒器本體11的前端部之損傷，此時必須另行設置可冷卻燃燒器本體11的前端部之水冷機構。
另一方面，若供給至第一氧化劑噴出口17之第一氧化劑流量超過供給至燃燒室13之全部氧化劑流量的總和的90%，第二氧化劑流量就會變得太小，不僅保焰效果降低，而且氣體燃料與氧化劑的混合情況會變差，而難以得到實用的火焰。
而且，在如此的情況，燃燒性變差，所以會形成殘氧高之火焰。因此，在加熱會氧化的被加熱物時，會造成被加熱物之氧化。
因此，藉由將供給至第一氧化劑噴出口17之第一氧化劑流量設定在供給至燃燒室13之全部氧化劑流量的總和的40%至90%的範圍內，不用另行設置水冷機構就可抑制燃燒器本體11的前端部之損傷，而且即使在被加熱物為容易氧化的材料之情況，也可抑制被加熱物之氧化。
氣體燃料噴出口18係設於第一環狀構件21的前端部的傾斜的部分與在Y方向與該傾斜的部分相向之第二環狀構件22之間。
因此，氣體燃料噴出口18係配置在第一圓形面13-1之中之第一氧化劑噴出口17的外側。
氣體燃料噴出口18係由複數個氣體燃料噴出孔(未圖示)所構成。複數個氣體燃料噴出孔(未圖示)係相對於第一圓形面13-1的中心C1配置成同心圓狀。
氣體燃料噴出口18係使氣體燃料(例如天然氣、瓦斯、液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas；LPG)等)朝向與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向交叉之方向噴出。從氣體燃料噴出口18噴出之氣體燃料的噴出速度可在例如20至100m/s之範圍內適當地選擇。
氣體燃料噴出方向P2與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向所成的角度θ2可設定在例如0度以上30度以下之範圍內。
如此，藉由將氣體燃料噴出方向P2與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向所成的角度θ2設定在0度以上30度以下之範圍內，可促進氣體燃料與第一氧化劑之混合。
第一實施形態之氣體燃料燃燒器10具有：由使第一氧化劑朝向燃燒器本體11的中心軸CL1方向噴出之單孔所構成之第一氧化劑噴出口17；以及以包圍第一氧化劑噴出口17之形態配置，使氣體燃料朝向與燃燒器本體 11的中心軸CL1的延伸方向交叉之方向噴出之氣體燃料噴出口18。藉由形成為如此的構成，高速噴出的第一氧化劑就會混入從第一氧化劑噴出口的周圍噴出之氣體燃料，結果就成為氣體燃料與第一氧化物的混合物而燃燒，因而可形成軸方向速度高之火焰。
第二氧化劑噴出口19係設成將構成燃燒室13的側面13a之前端部26貫通之形態。第二氧化劑噴出口19係使第二氧化劑(例如純氧、富含氧氣之空氣等)朝向與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向交叉之方向噴出。
第二氧化劑噴出口19係具有複數個氧化劑噴出口。構成第二氧化劑噴出口19之複數個氧化劑噴出口係相對於第一圓形面13-1的中心C1配置成同心圓狀。
在將噴出至燃燒室13之第一氧化劑的噴出速度設定在50至300m/s之範圍內，將氣體燃料的噴出速度設定在20至100m/s之範圍內的情況，第二氧化劑的噴出速度可在例如20至80m/s之範圍內適當地選擇。
如此，藉由將第一氧化劑的噴出速度、氣體燃料的噴出速度、及第二氧化劑的噴出速度設定在上述的數值範圍內，可形成燃燒效率高且軸方向速度高之火焰。
第二氧化劑噴出方向P3與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向所成的角度θ3，可設定在例如10度以上40度以下之範圍內。
若將第二氧化劑噴出方向P3與燃燒器本體11的中心 軸CL1的延伸方向所成的角度θ3設定為小於10度，氣體燃料與第二氧化劑之混合會變差，而使燃燒效率降低。
若將第二氧化劑噴出方向P3與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向所成的角度θ3設定為大於40度，則會阻斷第一氧化劑的流動及氣體燃料的流動，造成火焰的軸方向速度變慢。
因此，藉由將第二氧化劑噴出方向P3與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向所成的角度θ3設定在10度以上40度以下之範圍內，因氣體燃料受到第二氧化劑包圍，不僅可抑制氣體燃料之逸脫，而且可促進氣體燃料與第二氧化劑之混合，使燃燒更快完成，所以可形成高溫之短焰。
如此，使火焰衝擊容易氧化的被加熱物來進行加熱時，可抑制被加熱物氧化的同時，效率良好地將熱傳遞給被加熱物。
另外，藉由設置將構成燃燒室13的側面13a之前端部26貫通之第二氧化劑噴出口19，就可抑制火焰沿著燃燒器本體11的前端部的內壁流動，所以可抑制燃燒器本體11之燒損。
第一實施形態之氣體燃料燃燒器係具有：朝X方向延伸，且在前端部形成用來加熱被加熱物(未圖示)的火焰之燃燒器本體11；配置在燃燒器本體11的前端部，且形成為其寬度從燃燒器本體11的基端部往該前端部變寬的截頭圓錐形狀之燃燒室13；配置在構成燃燒室13之 直徑不同的第一及第二圓形面13-1、13-2之中，直徑比第二圓形面13-2小之第一圓形面13-1的中心C1，朝向燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向噴出第一氧化劑之第一氧化劑噴出口17；以及配置在第一圓形面13-1之中，第一氧化劑噴出口17的外側，朝向與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向交叉之方向噴出氣體燃料之氣體燃料噴出口18。藉由如此的構成，高速噴出的第一氧化劑會混入從其周圍噴出的氣體燃料而燃燒，所以可形成軸方向速度高之火焰。
又，在第一實施形態之氣體燃料燃燒器中，可更具有；配置在燃燒室13的側面13a，朝向與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向交叉之方向噴出第二氧化劑之第二氧化劑噴出口19。藉由採用此構成，從氣體燃料噴出口噴出之氣體燃料會受到從第二氧化劑噴出口噴出的第二氧化劑所包圍，而不僅可抑制氣體燃料之逸脫，而且可促進在燃燒室13內之氣體燃料與第二氧化劑之混合，使燃燒更快完成，所以可形成高溫之短焰。
如此，使火焰衝擊容易氧化的被加熱物來進行加熱時，可在抑制被加熱物氧化的同時，效率良好地將熱傳遞給被加熱物。
換言之，根據第一實施形態之氣體燃料燃燒器，就能夠不損及燃燒效率而得到火焰的軸方向速度高且高溫的火焰，而且可在抑制被加熱物氧化的同時提高對流熱傳遞效率。
利用上述氣體燃料燃燒器10所形成的火焰來加熱被加熱物之氣體燃料燃燒器的加熱方法，可為將噴出至燃燒室13之第一氧化劑的噴出速度設定在50至300m/s之範圍內，將氣體燃料的噴出速度設定在20至100m/s之範圍內，將第二氧化劑的噴出速度設定在20至80m/s之範圍內而形成火焰，並利用該火焰來加熱被加熱物。
藉由採用如此的條件來進行氣體燃料燃燒器的加熱方法，可促進在燃燒室13內的氣體燃料與第二氧化劑之混合，使燃燒更快完成，所以可形成高溫之短焰。
另外，在本發明之氣體燃料燃燒器的加熱方法中，如前面針對本發明之氣體燃料燃燒器所做的說明，可將供給至第一氧化劑噴出口17之第一氧化劑流量設定在供給至燃燒室13之全部的氧化劑流量的總和的40%至90%之範圍內。
如此，不用另行設置水冷機構就可抑制燃燒器本體11的前端部之損傷，而且即使在被加熱物為容易氧化的材料之情況，也可抑制被加熱物之氧化。
(第二實施形態)
第2圖係示意性地顯示本發明的第二實施形態之氣體燃料燃燒器的主要部分的概略構成之剖面圖。第2圖中，P4係表示噴出第三氧化劑之方向(以下稱為「第三氧化劑噴出方向P4」。
另外，第2圖中，與第1圖所示之第一實施形態的氣 體燃燒燃燒器10相同的構成部分都標以相同的符號。
第2圖所示之第二實施形態的氣體燃燒燃燒器40係除了在第一實施形態的氣體燃燒燃燒器10的構成中再設置第三氧化劑噴出口41之外，與第一實施形態的氣體燃燒燃燒器10的構成相同。
在第二實施形態的氣體燃燒燃燒器40中，第三氧化劑噴出口41係配置在燃燒室13的側面13a之中比第二氧化劑噴出口19的配設位置靠近第二圓形面13-2側之處。
而且，第三氧化劑噴出口41係由複數個氧化劑噴出孔(未圖示)所構成。構成第三氧化劑噴出口41之複數個氧化劑噴出孔係相對於第一圓形面13-1的中心C1配置成同心圓狀。
再者，第三氧化劑噴出口41係朝向與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向交叉之方向(亦即第三氧化劑噴出方向P4)噴出第三氧化劑。
燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向與第三氧化劑噴出方向P4所成的角度θ4，係形成為比燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向與第二氧化劑噴出方向P3所成的角度θ3小。
如此，藉由將燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向與第三氧化劑噴出方向P4所成的角度θ4設定為比燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向與第二氧化劑噴出方向P3所成的角度θ3小，第二實施形態之氣體燃料燃燒器40中火焰的軸方向流動就不會受到阻礙，可抑制火焰之擴大。
在第二實施形態的氣體燃燒燃燒器40中，第三氧化劑噴出方向P4與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向所成的角度θ4可在例如5度以上30度以下之範圍內適當地設定。
如此，在5度以上30度以下之範圍內適當地設定第三氧化劑噴出方向P4與燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向所成的角度θ4，可更加抑制氣體燃料之逸脫。
因此，可抑制火焰沿著前端部26的內壁(換言之為燃燒室13的側面13a)流動，所以可抑制燃燒器本體11之燒損。
根據形成為上述構成之第二實施形態的氣體燃燒燃燒器，在燃燒室13的側面13a之中，具有比第二氧化劑噴出口19的配設位置配置於更靠近第二圓形面13-2側之處之第三氧化劑噴出口41，而且將燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向與第三氧化劑噴出方向P4所成的角度θ4設定為比燃燒器本體11的中心軸CL1的延伸方向與第二氧化劑噴出方向P3所成的角度θ3小，藉此可抑制火焰沿著前端部26的內壁(亦即燃燒室13的側面13a)流動，所以可抑制燃燒器本體11之燒損。
此外，第二實施形態的氣體燃燒燃燒器40可得到與第一實施形態的氣體燃燒燃燒器10一樣的效果。
利用上述氣體燃料燃燒器40所形成的火焰來加熱被加熱物之氣體燃料燃燒器的加熱方法，可為將噴出至燃燒室13之第一氧化劑的噴出速度設定在50至300 m/s之範圍內，將氣體燃料的噴出速度設定在20至100m/s之範圍內，將第二氧化劑的噴出速度設定在20至80m/s之範圍內，將第三氧化劑的噴出速度設定在20至80m/s之範圍內而形成火焰，並利用該火焰來加熱被加熱物。
採用如此的條件來進行氣體燃料燃燒器的加熱方法，可促進氣體燃料與第二及第三氧化劑之混合，使燃燒更快完成，所以可形成高溫之短焰。
另外，可將供給至第一氧化劑噴出口17之第一氧化劑流量設定在供給至燃燒室13之全部的氧化劑流量的總和的40%至90%之範圍內。
如此，不用另行設置水冷機構就可抑制燃燒器本體11的前端部之損傷，而且即使被加熱物為容易氧化的材料時，也可抑制被加熱物之氧化。
以上，針對本發明的較佳實施形態進行了說明，惟本發明並不限定於此等特定的實施形態，而可在申請專利範圍所記載之本發明的主旨的範圍內做各種變形、變更。
例如，氣體燃料噴出口18、第二氧化劑噴出口19、及第三氧化劑噴出口41亦可由一個環狀的噴出口所構成。
以下，針對試驗例1至3進行說明。
(試驗例1)
試驗例1中，使用第1圖所示之氣體燃料燃燒器10 作為實施例1，並使用專利文獻1所揭示之第3圖所示的傳統的燃燒器100，來就兩個燃燒器的熱傳遞效率進行評價。
其中，將兩個燃燒器的前端與水冷式熱傳遞面之距離分別設定為150mm、200mm、300mm、400mm。
而且，此處所謂的「熱傳遞效率」，係指分別測定流至水冷式熱傳遞面之水的流量、該水的入口溫度、及該水的出口溫度，然後，使用此等測定值而從下述之數式(1)算出之值。
熱傳遞效率=水流量×(出口溫度一入口溫度)×水的比熱÷(燃料流量×低位發熱量)...(1)
第3圖係顯示專利文獻1所揭示的燃燒器的概略構成之剖面圖。
在此，參照第3圖來說明傳統的燃燒器100的構成。
傳統的燃燒器係形成為具有噴嘴103、104(兩個噴嘴)之構成。噴嘴103、104中具有燃料導入部109、第一氧氣導入部110a、第二氧氣導入部110b、燃料室107、第一氧氣室108a、第二氧氣室108b、燃料供給管105、及氧氣供給管106。
於燃燒器100的中心，配置有呈圓筒形狀之第一氧氣導入部110a，於其外側，配置有呈圓筒形狀之燃料導入部109。另外，於燃料導入部109的外側，配置有呈圓筒形狀之第二氧氣導入部110b。
燃料導入部109係與燃料室107連接。第一氧氣導入 部110a與第一氧氣室108a連接。
另外，第二氧氣導入部110b係與第二氧氣室108b連接。第一及第二氧氣室108a、108b係透過連結管而相連接。
燃料供給管105係與燃料室107連接。氧氣供給管106係與第一氧氣室108a連接。
燃料噴出口111係配置於燃料導入部109的前端。第一氧氣噴出口112a係配置於第一氧氣導入部110a的前端。第二氧氣噴出口112b係配置於第二氧氣導入部110b的前端。
燃料噴出口111的前端、第一氧氣噴出口112a的前端、及第二氧氣噴出口112b的前端係配置在同一平面上。
燃料噴出口111、第一氧氣噴出口112a、及第二氧氣噴出口112b分別形成為圓筒形狀，且配置成其中心軸一致。
燃料供給管105係與燃料供給源(未圖示)連接。氧氣供給管106係與氧氣供給源(未圖示)連接。
燃料係通過燃料供給管105而供給至燃料室107。供給至燃料室107之燃料係供給至噴嘴103、104的燃料導入部109，然後從燃料噴出口111噴出。
氧氣係通過氧氣供給管106而供給至第一氧氣室108a，再通過連結管而供給至第二氧氣室108b。
氧氣係從第一氧氣室108a通過噴嘴103、104的第一氧氣導入部110a，然後從第一氧氣噴出口112a噴出。
另外，氧氣係從第二氧氣室108b通過噴嘴103、104 的第二氧氣導入部110b，然後從第二氧氣噴出口112b噴出。
在此，參照第1圖來說明實施例1之氣體燃料燃燒器10的條件。
實施例1中，將第一圓形面13-1的直徑D1設定為10mm，將燃燒室13的長度L設定為10mm，將θ1、θ2、θ3分別設定為5度、10度、15度，第一氧氣流量：第二氧氣流量=4：1，將第一氧氣(第一氧化劑)的噴出速度設定為300m/s，將第二氧氣(第二氧化劑)的噴出速度設定為40m/s，將作為氣體燃料之甲烷的噴出速度設定為80m/s，將第一及第二氧氣的總和流量設定為7.7Nm3/h，將作為氣體燃料之甲烷的流量設定為3.5Nm3/h。
就第3圖所示的燃燒器100的條件而言，則是採用下述條件。
在燃燒器100中，將第一氧氣的噴出速度設定為100m/s，將第二氧氣的噴出速度設定為40m/s，將作為氣體燃料之甲烷的噴出速度設定為80m/s，將第一及第二氧氣的總和流量設定為7.7Nm3/h，將作為氣體燃料之甲烷的流量設定為3.5Nm3/h。
使用上述條件而算出之實施例1及比較例之燃燒器的前端與水冷式熱傳遞面之間的距離與相對熱傳遞效率的關係顯示於第4圖中。
第4圖係顯示試驗例1中之實施例1及比較例之燃燒器的前端與水冷式熱傳遞面之間的距離與相對熱傳遞效率 的關係之圖。第4圖中，係以燃燒器的前端與水冷式熱傳遞面之間的距離為200mm時之相對熱傳遞效率為1.0而顯示相對熱傳遞效率。
從第4圖可看出：實施例1與比較例相比較，熱傳遞效率較高，尤其是在燃燒器的前端與水冷式熱傳遞面的距離於200mm以下時，可得到較高的熱傳遞效率。
使用第1圖所示的氣體燃料燃燒器10及專利文獻1所揭示的第3圖所示的傳統的燃燒器100，探討火焰衝擊位置至水冷式熱傳遞面上的半徑方向的距離與衝擊對流熱流束的關係。其結果顯示於第5圖中。第5圖係顯示火焰衝擊位置至水冷式熱傳遞面上的半徑方向的距離與衝擊對流熱流束的關係之圖。
所謂的火焰衝擊位置，係指燃燒器的中心軸與水冷式熱傳遞面的交點。
所謂的衝擊對流熱流束，則是指每單位面積‧單位時間傳遞的熱量。衝擊對流熱流束係將由水冷式熱傳遞面的水量及入口與出口的溫度差所求出之傳遞至水冷式熱傳遞面之熱量除以熱傳遞面的面積來算出。
根據第5圖之結果可知，實施例1之氣體燃料燃燒器與比較例相比較，可在火焰的衝擊位置的中心附近得到非常高的熱流束。尤其，在火焰的衝擊位置的中心位置，可得到約1.6倍的熱流束，此表示可急速加熱被加熱物。
(試驗例2)
試驗例2中，使用第2圖所示之氣體燃料燃燒器40作為實施例2，而進行與前面說明過的實施例1一樣的試驗。
具體而言，實施例2係在使用氣體燃料燃燒器40之情況下，針對將燃燒器的前端與水冷式熱傳遞面之距離分別設定為150mm、200mm、300mm、400mm之際的熱傳遞效率進行探討。
在此，參照第2圖來說明實施例2之氣體燃料燃燒器40的條件。
實施例2中，除了將θ4設定為10度，使第一氧氣(第一氧化劑)的流量：第二氧氣(第二氧化劑)的流量：第三氧氣(第三氧化劑)的流量=8：1：1，將第三氧氣的噴出速度設定為40m/s，將第一至第三氧氣的總和流量設定為7.7Nm3/h之外，採用與實施例1一樣的條件。
使用上述條件，以與試驗例1中說明過的相對熱傳遞效率的算出方法一樣的方法所算出之實施例2的燃燒器的前端與水冷式熱傳遞面之間的距離與相對熱傳遞效率的關，係顯示於第6圖中。第6圖中也顯示實施例1與比較例之燃燒器的前端與水冷式熱傳遞面之間的距離與相對熱傳遞效率的關係。
第6圖係顯示實施例1、2及比較例之燃燒器的前端與水冷式熱傳遞面之間的距離與相對熱傳遞效率的關係之 圖。第6圖中，以燃燒器的前端與水冷式熱傳遞面之間的距離為200mm時之相對熱傳遞效率為1.0而顯示相對熱傳遞效率。
根據第6圖之結果可知，實施例2之燃燒器與實施例1相比較，在250mm以上的距離可得到較高的熱傳遞效率。另外，還可看出即使在距離燃燒器的前端更遠的位置，也可得到較高的熱傳遞效率。
(試驗例3)
試驗例3係使用第2圖所示之氣體燃料燃燒器40，探討相對於(第一氧氣量)/(全部氧氣量)之相對熱傳遞效率。此時，測定第一氧氣的流量相對於全部的氧氣的流量的比率變化時之衝擊對流熱傳遞效率。將全部的氧氣的流量減去第一氧氣的流量之後的流量，作為第二氧氣及第三氧氣予以供給。另外，將第二氧氣的流量與第三氧氣的流量設為相同的流量。將結果顯示於第7圖中。
第7圖係顯示(第一氧氣的流量)/(全部的氧氣的流量)與相對熱傳遞效率的關係之圖。
根據第7圖之結果可知，在第2圖所示之氣體燃料燃燒器40中，藉由使第一氧氣(第一氧化劑)的比率在40%以上，可得到高於比較例之熱傳遞效率。
惟，若第一氧氣(第一氧化劑)的比率超過90%，第二氧氣(第二氧化劑)及第三氧氣(第三氧化劑)的流量就會變得太少，而無法得到實用的火焰。此係可推測因為保焰效 果降低，且燃料與氧化劑之混合變差的緣故。
(產業上的利用可能性)
本發明可應用作為適於利用對流熱傳遞來加熱被加熱物的場合之氣體燃料燃燒器、及氣體燃料燃燒器的加熱方法。

Claims (10)

  1. 一種非水冷式的氣體燃料燃燒器，具有：朝預定的方向延伸，且在前端部形成用來加熱被加熱物的火焰之燃燒器本體；配置在前述燃燒器本體的前端部，且形成為其寬度從前述燃燒器本體的基端部往該前端部變寬的截頭圓錐形狀之燃燒室；配置在構成前述燃燒室之直徑不同的第一圓形面及第二圓形面之中之直徑比前述第二圓形面小之第一圓形面的中心，且朝向前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向噴出第一氧化劑之第一氧化劑噴出口；配置在前述第一圓形面之中之前述第一氧化劑噴出口的外側，且朝向與前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向交叉之方向噴出氣體燃料之氣體燃料噴出口；以及配置在前述燃燒室的側面，且朝向與前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向交叉之方向噴出第二氧化劑之第二氧化劑噴出口；前述第一圓形面的第一直徑之值，係設定為在前述第一氧化劑噴出口的開口徑的3至6倍的範圍內之大小，在前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向中之前述燃燒室的長度之值，係在前述第一直徑的0.5至2倍的範圍內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之非水冷式的氣體燃料燃燒器，還具有配置在前述燃燒室的側面之中之比前述第二氧化劑噴出口的配設位置還要靠前述第二圓形面側，且朝向與前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向交叉之方向噴出第三氧化劑之第三氧化劑噴出口，前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向與前述第三氧化劑的噴出方向所成的角度，係比前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向與前述第二氧化劑的噴出方向所成的角度小。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之非水冷式的氣體燃料燃燒器，其中，前述氣體燃料噴出口係由複數個氣體燃料噴出孔所構成，前述第二氧化劑噴出口係由複數個氧化劑噴出孔所構成，前述複數個氣體燃料噴出孔及前述複數個氧化劑噴出孔係相對於前述第一圓形面的中心配置成同心圓狀。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之非水冷式的氣體燃料燃燒器，其中，前述第三氧化劑噴出口係由複數個氧化劑噴出孔所構成，構成前述第三氧化劑噴出口之前述複數個氧化劑噴出孔係相對於前述第一圓形面的中心配置成同心圓狀。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之非水冷式的氣體燃料燃燒器，其中，前述燃燒室的側面與前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向所成的角度係在0度以上20度以下之範圍內。
  6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之非水冷式的氣體燃料燃燒器，其中，前述氣體燃料的噴出方向與前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向所成的角度係在0度以上30度以下之範圍內。
  7. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之非水冷式的氣體燃料燃燒器，其中，前述第二氧化劑的噴出方向與前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向所成的角度係在10度以上40度以下之範圍內。
  8. 如申請專利範圍第2或4項所述之非水冷式的氣體燃料燃燒器，其中，前述第三氧化劑的噴出方向與前述燃燒器本體的中心軸的延伸方向所成的角度係在5度以上30度以下之範圍內。
  9. 一種非水冷式的氣體燃料燃燒器的加熱方法，係利用申請專利範圍第1至8項中任一項所述之非水冷式的氣體燃料燃燒器所形成的火焰來加熱被加熱物，其特徵在於：將噴出至前述燃燒室之前述第一氧化劑的噴出速度設定在50至300m/s之範圍內，將前述氣體燃料的噴出速度設定在20至100m/s之範圍內，將前述第二氧化劑的噴出速度設定在20至80m/s之範圍內，供給至前述第一氧化劑噴出口之第一氧化劑的流量，係設定為在供給至前述燃燒室之全部的氧化劑的流量的總和的40%至90%的範圍內，而形成前述火焰，並利用該火焰來加熱前述被加熱物。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之非水冷式的氣體燃料燃燒器的加熱方法，其中，將形成前述火焰之際之噴出至前述燃燒室之第三氧化劑的噴出速度設定在20至80m/s之範圍內。
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