【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス燃焼バーナに関し、特に保炎性にすぐれ、保炎用の助燃燃料を必要としない、低カロリーガスの専焼が可能な燃焼バーナに関する。

【０００２】

【従来の技術】製鉄所に併設されるボイラでは、製鉄所から発生する副生ガスの一つである高炉ガス（以下ＢＦ
Ｇという。 ）をその燃料として有効利用している。

【０００３】ＢＦＧは、その成分としてＮ ₂が５２〜５
６％、Ｈ ₂が２．５〜４％、ＣＯが２１〜２３％、ＣＯ
₂が１７〜２０％であり、発熱量は６００〜１１００Ｋ
ｃａｌ／Ｎｍ ³と、重油や天然ガスの発熱量のおよそ１
０分の１またはそれ以下である。 このため、助燃用バーナなしでは自燃することが困難であり、低流速でバーナから噴出させて拡散燃焼させるような設計思想が採り入れられている。 しかも発熱量が少ないため極めて大量の燃料を供給する必要がある。

【０００４】図５にＢＦＧをボイラ燃料として使用する場合の従来のバーナ構造を示す。 図５に示すように、Ｂ
ＦＧバーナ（低カロリーガスバーナ）３０は、バーナ中心を軸とした大型円筒形となっており、ＢＦＧは供給口３１から１５〜２５ｍ／ｓという低流速でバーナ内に供給される。 さらにＢＦＧは若干の旋回を与えられながらＢＦＧバーナ３０の先端部から燃焼用空気とともに火炉３２へ供給され、保炎が維持されるようになっている。
また、ＢＦＧバーナ３０には保炎用にコークス炉ガス（以下ＣＯＧという。）を燃料とするパイロットバーナ３３が設けられている。 ＣＯＧは４５００Ｋｃａｌ／Ｎ
ｍ ³程度の比較的高い発熱量を有しており、自立燃焼が可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述したＢＦＧバーナ（低カロリーガスバーナ）３０は、保炎用に高カロリーガスを必要とするため、低カロリーガスのみで燃焼を維持させることができない。 高カロリーガスは用途の広い高価な燃料であり、比較的安価な低カロリーガスの燃焼バーナに高価なガスを使用することは合理的ではない。 また、この場合低カロリーガスと高カロリーガスの両方の燃料ガスを供給する必要があるため配管が複雑になるという欠点もある。

【０００６】この発明は、以上の課題を解決することにより、低カロリーガスのみで安定した燃焼維持が可能な燃焼バーナを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題は次の発明により解決される。 第１の発明は、保炎バーナと、該保炎バーナの周囲に配される主バーナとを備え、前記保炎バーナは、燃料ガスと燃焼用空気の予混合ガスが供給される予混合ガス供給室と、該予混合ガス供給室の前面に予混合ガス吹き出し部として設けられる多孔質体と、該多孔質体に貫設される燃料ガス吹き出しポートおよび燃焼用空気吹き出しポートと、該燃料ガス吹き出しポートおよび該燃焼用空気吹き出しポートに予熱された燃料ガスおよび予熱された燃焼用空気をそれぞれ供給するための燃料ガス供給管および燃焼用空気供給管とを備え、前記主バーナは、前記保炎バーナの周囲から燃料ガスと燃焼用空気をそれぞれ吹き出す燃料ガス吹出口および燃焼用空気吹出口からなることを特徴とするガス燃焼バーナである。

【０００８】この発明は、低カロリーガスを燃料ガスとして用いた場合でも、保炎バーナが安定した火炎保持を行う着火源となり、その周囲に設けられた主バーナから吹き出される燃料ガスと燃焼用空気が失火せずに安定して燃えることができるようにしたものである。

【０００９】第２の発明は、上記第１の発明において、
保炎バーナの周囲に別々に設けられた燃料ガス吹出口および燃焼用空気の吹出口に、吹き出されるそれぞれのガスに同一方向または逆方向の旋回流を起こす旋回器をもつことを特徴とする、ガス燃焼バーナである。

【００１０】この発明は、保炎バーナの周囲に設けられた主バーナを構成する燃料ガス吹出口および燃焼用空気吹出口のそれぞれに、吹き出されるガスに旋回流を起こすことができる旋回器を吹き出し口出口に設けたものである。 この旋回器は、複数の旋回羽根を有しており、その旋回羽根の向きおよび角度により吹き出されるガスの旋回方向とその強さを調整している。 例えば、旋回羽根の向きを、燃料ガス吹出口および燃焼用空気吹出口から吹き出されるガスの旋回流が同一回転方向になるようにした場合は、燃料ガスと燃焼用空気の混合が緩慢となり長炎が形成される。 逆回転方向にした場合は、燃料ガスと燃焼用空気の混合が比較的迅速に行われて短炎が形成される。 このように吹き出されるガスの旋回流の回転方向の選択、さらに旋回の強さの調整によって熱設備の必要に応じた火炎長を形成できる特徴を有する。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１ないし図２は、本発明の燃焼バーナの第１の実施形態を示すもので、この実施形態は、燃焼バーナがボイラの火炉に設置された例を示している。 図１は燃焼バーナの全体説明図、図２（ａ）は燃焼バーナの縦断面図、図２（ｂ）は燃焼バーナの部分正面図である。

【００１２】本実施形態に係る燃焼バーナは、保炎バーナ１と、その周囲に配される主バーナ６とから構成されている。 ここで、前記主バーナ６は前記保炎バーナ１の周囲に同心状に配される燃料ガス吹出口２と燃焼用空気吹出口３とから構成され、保炎バーナ１の周囲に燃料ガス吹出口２が、さらにその周囲に燃焼用空気吹出口３が配されている。 なお、主バーナ６の構成は本実施形態に限定されるものではなく、主バーナを構成する燃料ガス吹出口および燃焼用空気吹出口を１つにまとめて単一の吹出口とし、これに燃料ガスおよび燃焼用空気を予混合して供給し、燃焼させることも可能である。

【００１３】燃焼時においては、保炎バーナ１が一定の火力を持ちながら燃焼を続けるため、その周囲の主バーナ６から供給される燃料ガスと燃焼用空気の拡散混合部分に対して安定した着火源となる。

【００１４】図２（ａ）において、前記保炎バーナ１
は、燃料ガスと燃焼用空気の予混合ガスが供給される予混合ガス供給室１０と、この予混合ガス供給室１０の前面に予混合ガス吹き出し部として設けられる多孔質体１
１と、この多孔質体１１に貫設される燃料ガス吹き出しポート１３および燃焼用空気吹き出しポート１５と、これら燃料ガス吹き出しポート１３および該燃焼用空気吹き出しポート１５に燃料ガスおよび燃焼用空気をそれぞれ供給するための燃料ガス供給管１２および燃焼用空気供給管１４とを備えている。 また、前記燃料ガス供給管１２および前記燃焼用空気供給管１４には、燃料ガスと燃焼用空気をそれぞれ予熱するための図示しない予熱器が設けられており、それぞれ燃料ガス吹き出しポート１
３および燃焼用空気吹き出しポート１５に接続される。
この燃料ガス供給管１２および燃焼用空気供給管１４
は、予混合ガス供給室１０の内部を通過するように配置されており、これら供給管により供給される燃料ガスおよび燃焼用空気と予混合ガス供給室１０内のガスとの間で熱交換が可能な構造となっている。

【００１５】ここで、前記燃料ガス吹き出しポート１３
および前記燃焼用空気吹き出しポート１５は多孔質体１
１にそれぞれ複数設けられている。 図３（ａ）〜（ｃ）
に燃料ガス吹き出しポート１３および燃焼用空気吹き出しポート１５の配置例を示す。 図３（ａ）は、同心円状に燃料ガス吹き出しポート１３および燃焼用空気吹き出しポート１５を交互に設けたものである。 （ｂ）は、放射状に燃料ガス吹き出しポート１３および燃焼用空気吹き出しポート１５を交互に設けたものである。 （ｃ）
は、螺旋状に燃料ガス吹き出しポート１３および燃焼用空気吹き出しポート１５を設けたものである。 ここで、
ポートの内径は、燃料ガス吹き出しポートおよび燃焼用空気吹き出しポートとも１０〜１５ｍｍ程度が好ましく、また、ガスの吹き出し速度は、燃料ガスおよび燃焼用空気とも１〜２ｍ／ｓ程度が好ましい。

【００１６】なお、燃料ガス吹き出しポート１３および燃焼用空気吹き出しポート１５の配置は図３（ａ）〜
（ｃ）の形態に限定されるものではなく、例えば保炎バーナの燃焼が安定する範囲でランダムな配置とすることも可能である。 さらに、ポートの形状も円形に限定されるものではなく、例えばスリット状の形状とすることも可能である。

【００１７】ここで、予混合ガスが供給される多孔質体１１はバーナの強度部材を兼ねることが好ましく、この多孔質体１１としては、例えば鉄板に多数の小孔を切削加工して形成したシュバング型多孔質材、高融点金属の切削粉末を焼結して形成した焼結金属型多孔質材、より好ましくはステンレスや高融点金属の繊維を３次元的に交錯させて綿状組織を形成しこれを圧縮して非酸化雰囲気中で焼結させた金属ファイバー焼結マット型多孔質材などにより構成することができる。

【００１８】前記金属ファイバー焼結マットで多孔質体１１を構成した場合、著しく長い金属繊維が多数交錯して相互に焼結接合しているため、８０〜９５％という比較的高い空隙率を設定してもバーナ部材として十分な強度が確保され、加熱と冷却を頻繁に繰返しても組織が崩壊しにくい。 なお、空隙率とは、金属繊維の体積を差し引いて求めたバーナ部材の体積に占める空間の割合である。

【００１９】金属ファイバー焼結マットの中でも、特にステンレス繊維からなるステンレスファイバー焼結マットは、９０〜９５％という高い空隙率で作成することが可能であり、圧損が小さく、また、安価で軽く強度にも優れ、大面積で複雑な面形状も容易に成形できるという優れた特性を有するので、より好ましい部材である。

【００２０】なお、以下の実施形態の説明においては、
多孔質体１１をその実施形態の１つであるファイバーマットとした場合について記載する。

【００２１】ここで、図１，図２に示す多孔質体（ファイバーマット）１１は、予混合ガス供給室１０側に凹陥した形状、例えばロート状に凹陥した形状に構成されており、主バーナを構成する燃料ガス吹出口２および燃焼用空気吹出口３より上流側、つまり予混合ガス供給室１
０側に下げた位置に設置される。 上流側に下げた位置に設置することにより、主バーナから吹き出されるガスの影響を受けることなく、多孔質体（ファイバーマット）
１１上に火炎を保持させやすくなり、燃焼の安定性が向上する。

【００２２】なお、多孔質体（ファイバーマット）１１
の形状は、本実施形態に限定されるものではなく、フラットな板状とすることもできる。

【００２３】以下、上記保炎バーナでの燃焼の仕組みをその燃焼の開始から順に説明する。 図２において、まず、図示されていない予熱器により予熱された燃焼用空気が燃焼用空気供給管１４を通って燃焼用空気吹き出しポート１５から吹き出される。 このとき予熱された燃焼用空気が多孔質体（ファイバーマット）１１を加熱する。

【００２４】多孔質体（ファイバーマット）１１が均一に加熱された後、予混合ガスが予混合ガス供給室１０に供給され、さらにガス吹き出し部を構成する多孔質体（ファイバーマット）１１を通して保炎バーナ前面に噴出する。 このとき予混合ガス供給室１０内の予混合ガスは、燃焼用空気供給管１４内を通過する予熱された燃焼用空気との熱交換により加熱され、さらに多孔質体（ファイバーマット）１１を通過する際に多孔質体（ファイバーマット）１１の熱により加熱される。 このように加熱され、多孔質体（ファイバーマット）１１の前面に噴出した予混合ガスは、図示しない点火プラグで着火され、多孔質体（ファイバーマット）１１の前面に火炎が付着するようにして燃焼が継続する。 ここで、上記のように燃料ガスと燃焼用空気の予混合ガスは、予混合ガス供給室１０内および多孔質体（ファイバーマット）１１
を通過する際に加熱すること、すなわち燃焼直前で加熱することにより、予熱器等で事前に加熱する場合と比較して、異常自着火の危険が少なく安全上好ましい。

【００２５】多孔質体（ファイバーマット）１１から供給される予混合ガスが所定温度以上に加熱されることにより、一度着火した炎が継続して燃焼する。 なお、前記の燃焼用空気の予熱温度は、予混合ガスが継続して燃焼が可能な温度以上に加熱できる範囲で決定される。 例えば、燃料ガスとしてＢＦＧを用いた場合には、この予熱温度は約６００℃以上に設定される。

【００２６】予混合ガス供給室内では予混合ガスが均圧されているので、付着火炎は多孔質体（ファイバーマット）１１の全面に発生して均一な火炎を構成する。 このとき、多孔質体（ファイバーマット）１１は燃焼の炎によりさらに高温化される。 なお、予混合ガス供給室１０
に供給される予混合ガス中の燃料ガスと燃焼用空気の混合割合は、理論混合比（完全燃焼に必要な燃料ガスと燃焼用空気の割合）とすることが好ましい。

【００２７】その後、燃料ガス吹き出しポート１３から燃料ガスを噴出する。 噴出された燃料ガスは、燃焼用空気吹き出しポート１５から吹き出されている燃焼用空気と拡散混合し、ファイバーマット上の炎に誘引されて燃焼を行う。 なお、燃料ガスも燃焼用空気同様に、図示されていない予熱器により予熱されており、さらに、高温の多孔質体（ファイバーマット）１１を通して噴出されるため、多孔質体（ファイバーマット）１１上面で安定した燃焼が維持される。

【００２８】なお、燃料ガス供給管１２、燃焼用空気供給管１４を通じて供給される燃焼用空気と燃料ガスの予熱は、例えば、火炉内の熱の有効利用を図る観点から火炉内に設置された予熱器を併用して用いるのが好ましい。

【００２９】上述のように、燃料ガス供給管１２、燃焼用空気供給管１４を通じて供給される燃焼用空気および燃料ガスの予熱作用により、保炎バーナにおいて、燃料ガスとして例えば低カロリーガスの一つであるＢＦＧのみを用いた場合でも、多孔質体（ファイバーマット）１
１の上面に安定した火炎帯が維持できる。

【００３０】一方、上記保炎バーナ１の周囲に配された主バーナを構成する燃料ガス吹出口２と燃焼用空気の吹出口３からは燃料ガスと燃焼用空気が吹き出され、この主バーナから吹き出される燃料ガスと燃焼用空気は、保炎バーナ１を着火源にして確実に燃焼する。 ここで、主バーナの燃料ガスと燃焼用空気の供給割合は、理論空気量を考慮して決定されるが、不完全燃焼防止のため、燃焼用空気の供給量は理論空気量の１. ２倍程度とするのが好ましい。

【００３１】なお、本実施形態においては、保炎バーナの多孔質体（ファイバーマット）１１から供給される予混合ガス量と、保炎バーナ１の燃料ガス吹出口１３および燃焼用空気吹出口１５から供給される合計のガス量と、保炎バーナ１の周囲の主バーナから供給される燃料ガスと燃焼用空気の合計ガス量の比率は、おおよそ１：
９：９０とすることが好ましい。 これにより、安定した燃焼を確保するとともに、広範囲の燃焼負荷に対応が可能となる。 つまり、主バーナの燃料ガスと燃焼用空気の流量を絞ることにより約１０分の１程度迄の部分負荷燃焼が可能となり、さらに保炎バーナの燃料ガス吹出口および燃焼用空気吹出口から供給される流量を絞ることにより約２０分の１程度迄の部分負荷燃焼が可能となる。

【００３２】本実施形態に係るガス燃焼バーナは、例えば低カロリーガスのみを燃料ガスとして用いた場合でも、上述したように保炎バーナが安定した火炎保持を行う着火源となり、その周囲に設けられた主バーナから吹き出される燃料ガスと燃焼用空気が失火せずに安定して燃焼する。 なお、燃料ガスとして低カロリーガス以外でも例えば希薄ガスを用いた場合も同様に安定した燃焼が可能となる。

【００３３】本発明の第２の実施形態は、図２に示すように保炎バーナ１の周囲に設けられた主バーナを構成する燃料ガス吹出口２および燃焼用空気吹出口３のそれぞれに、吹き出されるガスに旋回流を生じさせることができる旋回器４，５を設けたものである。

【００３４】この旋回器は、複数の旋回羽根を有しており、その旋回羽根の向きおよび角度により吹き出されるガスの旋回方向とその強さを調整することができる。 例えば、旋回羽根の向きを、燃料ガス吹出口２および燃焼用空気吹出口３から吹き出されるガスの旋回流が同一回転方向になるようにした場合は、燃料ガスと燃焼用空気の混合が緩慢となり長炎が形成される。 逆回転方向にした場合は、燃料ガスと燃焼用空気の混合が比較的迅速に行われて短炎が形成される。 このように吹き出されるガスの旋回流の回転方向の選択、さらに旋回の強さの調整によって熱設備の必要に応じた火炎長を形成できる。

【００３５】図４（ａ）はこの旋回器を設けた主バーナの正面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ方向からみた旋回羽根の１つを示したものである。 図４（ａ）に示すように旋回器には、複数の旋回羽根が円周上に取り付けられおり、また旋回羽根は上記の作用を呈するため、図４（ｂ）に示すようにガスの流入方向に対しある角度で傾けられている。 なお、旋回羽根の数は、それぞれのガス吹出口の大きさ、および旋回の強さによって決定される。

【００３６】

【発明の効果】本発明により、低カロリーガスのみでも安定した燃焼維持が可能な燃焼バーナが提供される。 さらに、主バーナの燃料ガスおよび燃焼用空気に旋回を与えて供給することにより、燃焼状況に合わせた混合が可能となり、火炎長が任意にコントロールできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃焼バーナの全体説明図である。

【図２】（ａ）燃焼バーナの縦断面図である。 （ｂ）燃焼バーナの部分正面図である。

【図３】燃料ガス吹き出しポートおよび燃焼用空気吹き出しポートの配置例を示す図である。

【図４】（ａ）旋回器を設けた主バーナの正面図である。 （ｂ）Ａ方向からみた旋回羽根の１つを示した図である。

【図５】ＢＦＧをボイラ燃料として使用する場合の従来のバーナ構造を示す図である。

【符号の説明】

１ 保炎バーナ ２ 燃料ガス吹出口 ３ 燃焼用空気吹出口 ４，５ 旋回器 ６ 主バーナ １０ 予混合ガス供給室 １１ 多孔質体（ファイバーマット） １２ 燃料ガス供給管 １３ 燃料ガス吹き出しポート １４ 燃焼用空気供給管 １５ 燃焼用空気吹き出しポート ３０ ＢＦＧバーナ ３１ ＢＦＧ供給口 ３２ 火炉 ３３ パイロットバーナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福嶋 信一郎 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 渡辺 富志男 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 Ｆターム(参考） 3K017 AA02 AB07 AB10 AD05 AD10 AD14 AF01 3K065 TA09 TA11 TA14 TA18 TB08 TC01 TD05 TE04 TF01 TH07 TJ03 TJ06 TP10