JP2010078162A - 管状火炎バーナの設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼容量が１０〜４０ＭＷと大型な場合において、燃焼安定性に優れ、且つ燃焼排ガスが低ＮＯｘな管状火炎バーナの設計方法を提供する。
【解決手段】燃焼炎が形成される管状の燃焼室と、前記燃焼室に燃料ガスと酸素含有ガスよりなる予混合気を吹き込むノズル、または燃料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その内壁面の接線方向に向けて設けられた管状火炎バーナの設計方法であって、初期条件として最大燃焼量、ガス性状（理論空気量、低位発熱量）、空気比、炉内圧、供給圧、上限ＮＯｘ量、燃焼室の内径、スリットノズルのギャップ、および前記スリットノズルのギャップから求まるノズル部助走距離を設定し、前記ノズル部の圧力損失制約から上限Ｓｗ数を求め、前記上限ＮＯｘ量および前記上限Ｓｗ数を満足させるバーナ寸法制約と、管状火炎を保炎するためのバーナ寸法制約からバーナレイアウトを決定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、管状火炎バーナの設計方法に関し、特に燃焼容量が１０〜４０ＭＷと大型な場合において、燃焼安定性に優れ、且つ燃焼排ガスが低ＮＯｘなものの設計方法に関する。

工業的に用いられる従来型のガスバーナは、燃料ガスと酸素含有ガスの混合法によって、拡散燃焼方式（ノズル吐出後混合）のものと、予混合燃焼方式（ノズル前混合）のものとに大別されるが、何れも、バーナの先端よりも前方下流側で火炎が形成される構造である。

拡散燃焼方式のものは、バーナの先端吐出後に上記両者のガスを混合して燃焼させるものであって、高温の火炎を得ることができ、広く利用されている。又、予混合燃焼方式のものは、比較的短い火炎を形成させることができる等の利点を有している。

しかし、上記従来型のバーナは、バーナの先端よりも前方下流側で火炎が形成されるため、バーナの前方下流側に広い燃焼用の空間を確保しなければならず、燃焼設備が大型となる。

ガスバーナは、燃焼量の調節範囲が比較的広いバーナではあるが、燃焼量をさらに大幅に変更する必要がある場合には、複数のバーナを設置しなければならず、燃焼設備が一層大型になる。

又、燃焼条件によっては、ＮＯ_Ｘなどの有害物質の生成量が増加したり、炭化水素などの未燃焼分が排出したり、煤煙が生成したりし、環境汚染源の一つになることが懸念される。

そのため、さまざまな発熱量の燃料の燃焼が可能で、かつ燃焼量の調節範囲が非常に大きく、小型化されると共に、環境汚染が起こりにくい管状火炎バーナが開発された。

例えば、特許文献１には、管状火炎バーナとして、一端が開放され、燃焼炎が噴出する管状の燃焼室を有し、当該燃焼室の閉じられた他端部には燃料ガスと酸素含有ガスよりなる予混合気を吹き込むノズル、または燃料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その内壁面の接線方向に向けて設けられているものが記載されている。
特開平１１−２８１０１５号公報

ところで、製鉄所においては燃焼容量が１０〜４０ＭＷ程度と大きく、且つ低カロリーな製鉄所副生ガス（コークス炉ガスＣＯＧ、高炉ガスＢＦＧ、転炉ガスＬＤＧ）を燃焼後の燃焼排ガスにおいて低ＮＯｘで燃焼させるボイラー用のガスバーナが必要とされ、管状火炎バーナの適用が期待されている。

管状火炎バーナで、管状の火炎を形成、保炎させるためには、燃焼場の温度が使用される燃焼ガスの自己着火温度を上回る必要があるが、バーナ内部における断熱性能の高さから、従来バーナに比べて、低カロリーのガスまで着火、燃焼できることが特徴となっている。

しかしながら、従来の管状火炎バーナは燃焼容量が２ＭＷ程度で、燃焼容量が大きなものを製造する、具体的な設計手法は明らかにされてこなかった。

そこで、本発明は、燃焼容量が１０〜４０ＭＷ程度と大きく、製鉄所副生ガスなど、低カロリーガスでの火炎形成、保炎が可能で、燃焼性と低ＮＯｘ性を両立させるバーナの設計方法を提供することを目的とする。

なお、本発明でいう低カロリーガスとは、低位発熱量が２００００（ｋＪ／Ｎｍ^３）以下のものを指す。

本発明者等は、燃焼実験より、ＮＯｘの発生に関して知見を得るとともに、火炎の浮き上がりを防止し、安定した管状火炎の形成を確保しつつ、燃焼室を増大させる場合の、燃焼室の内径Ｄ、スリット形状Ｌｓ×Ｂおよび筒長さＬｘの設計原理についても種々の知見を得た。

本発明は、得られた知見を基に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１．燃焼炎が形成される管状の燃焼室と、該燃焼室に燃料ガスと酸素含有ガスとを各々または予混合して吹き込むノズルがその内壁面の接線方向に向けて設けられた管状火炎バーナの設計方法であって、初期条件として最大燃焼量および上限ＮＯｘ量を与え、前記ノズル部の圧力損失制約から決まる上限スワール数および管状火炎を保炎するための制約を考慮して、管状火炎バーナの燃焼室およびノズル部寸法を決定することを特徴とする管状火炎バーナの設計方法。
２．燃焼炎が形成される管状の燃焼室と、前記燃焼室に燃料ガスと酸素含有ガスよりなる予混合気を吹き込むノズル、または燃料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その内壁面の接線方向に向けて設けられた管状火炎バーナの設計方法であって、
初期条件として最大燃焼量、ガス性状（理論空気量、低位発熱量）、空気比、炉内圧、供給圧、上限ＮＯｘ量、燃焼室の内径、スリットノズルのギャップ、および前記スリットノズルのギャップから求まるノズル部助走距離を設定し、
前記ノズル部の圧力損失制約から上限Ｓｗ数を求め、
前記上限ＮＯｘ量および前記上限Ｓｗ数を満足させるバーナ寸法制約と、
管状火炎を保炎するためのバーナ寸法制約からバーナレイアウトを決定することを特徴とする管状火炎バーナの設計方法。

本発明によれば、燃焼容量が１０〜４０ＭＷ程度と大きな場合においても、燃焼性と低ＮＯｘ性が両立する管状火炎バーナが得られ、産業上、極めて有用である。

以下、本発明により、燃焼容量が１０〜４０ＭＷ程度の管状火炎バーナを製造する手順を具体的に説明する。図５は説明に用いる管状火炎バーナの各部の呼称を説明する断面模式図で（ａ）は側断面図、（ｂ）は正面図を示す。

図において、Ｂはスリットノズルのギャップ（ノズル開口高さ（ｍ））、Ｌは燃焼室２の長さ（ｍ）、Ｄは燃焼室２の内径（ｍ）、Ｌｓはノズル幅（ｍ）、Ｌｂはノズル３と燃焼室２の閉口端２ｂまでの距離であるバックスペース（ｍ）、Ｌｘは開口端２ａからノズル３の幅方向中心までの距離（ｍ）（以下、ノズル中心〜バーナ先端距離（ｍ））を示す。

尚、１は管状火炎バーナ、２は燃焼室、２ａは燃焼室２の開口端、２ｂは燃焼室２の閉口端、３はノズル、４は燃焼ガスまたは酸素含有ガス、あるいはそれらの予混合ガス、５は管状火炎バーナ１を取り付ける架台を示す。図１に本発明の一実施例に係る設計方法のフローチャートを示す。

１．ステップ１：目標性能の設定
まず、目標性能として、最大燃焼量Ｑ（ＭＷ）、上限ＮＯｘ量を設定し、設計における初期条件として、ガス性状を規定する。

ガス性状から、低位発熱量ＨＬ（ｋＪ／Ｎｍ^３）と理論空気量Ａｏが決定されるので、空気比μ（〔実際に燃焼させる燃料１Ｎｍ^３あたりの空気量〕／〔理論空気量Ａｏ〕）を決め、最大燃料ガス流量Ｖｆ（Ｎｍ^３／ｓ）を式（１）、最大空気流量Ｖａ（Ｎｍ^３／ｓ）を式（２）で求めておき、以下に述べるバーナ寸法の規定の際に利用する。

２．ステップ２：バーナ寸法の規定
バーナ寸法を規定する場合、まず、燃焼量の増大に及ぼすバーナ各部の寸法の影響を調査した燃焼実験結果（実験式）を満足することを前提に（燃焼制約１）、燃焼室の内径Ｄ、スリットノズルのギャップＢ、スリットノズルのギャップＢから求められるノズル部助走距離Ｌｒ、および（ノズル中心〜バーナ先端距離）Ｌｘを規定する（Ｓ２１）。

燃焼室の内径Ｄ（ｍ）は、燃焼実験より求められる、最大燃焼量Ｑ（ＭＷ）と燃焼室の内径Ｄ（ｍ）の関係を規定する実験式（式（３））を満足するように規定する。

この実験式は、燃焼室を増大させる場合の設計指針としては燃焼室の内径Ｄを燃焼容量の０．５乗に比例させて増大させればよいとの知見、および、最大燃焼量０．３ＭＷバーナで内径Ｄが１００ｍｍ、最大燃焼量２ＭＷバーナで内径Ｄが３００ｍｍの時に良好な燃焼状態が得られたことを根拠とする。

スリットノズルのギャップＢ（ｍ）は、燃焼実験より求められる、燃焼室の内径Ｄ（ｍ）とスリットノズルのギャップＢ（ｍ）の関係を規定する実験式（式（４））を満足するように規定する。

この実験式は、燃焼室の内径Ｄに対するスリットノズルのギャップ分を除いた燃焼室の内径（Ｄ−２×Ｂ）の２乗比が０．６〜０．９２の範囲で、管状火炎を形成し易いとの実験結果を根拠とする。

ノズル部助走距離Ｌｒは、ノズル出口の整流のために、燃焼実験より求められる実験式（式（５））を満足するように設定するが、ノズル部における圧力損失を小さくするため、短くすることが好ましい。

ノズル中心〜バーナ先端距離Ｌｘは、ノズル部の圧力損失ΔＰ（ｍｍＡｑ）の制約から旋回に伴う流れにおいて旋回強度を示す無次元数であるＳｗ数の上限を求め、Ｓｗ数−ＮＯｘ量−Ｌｘ／Ｄ間の実験的相関より求める。

ノズル部の圧力損失ΔＰ（ｍｍＡｑ）は、ノズル部分を水力学直径に換算し、助走距離、急収縮、急拡大を考慮した理論式（「機械工学便覧」（日本機械学会）等、一般的な文献に記載の式）を用いて算出することが可能である。

一方、旋回強度の指標となるスワール数（Ｓｗ数）は式（８）を用いて算出する。式（８）において、空気吐き出し流速Ｗａ（ｍ／ｓ）は、式（６）のＬｓ×Ｂ（ｍ^２）を上記最小断面積として算出される最大流速Ｗａ（ｍ／ｓ）とする。また、燃料ガス流速Ｗｆ（ｍ／ｓ）は、式（７）のＬｓ×Ｂ（ｍ^２）を上記最小断面積として算出される最大流速Ｗｆ（ｍ／ｓ）とする。その結果、式（８）で算出されるＳｗ数は、圧力損失制約から決まる上限Ｓｗ数となる。

但し、式（６）においてＴａ：予熱空気温度（℃）、式（７）においてＴｆ：燃料ガス温度（℃）、式（８）において、Ｇ_ａ：周方向角運動量（ｋｇ・ｍ^２／ｓ）、 Ｇ_ｔ：軸方向並進運動量（ｋｇ・ｍ／ｓ）、Ｒ_ｂ：バーナの出口半径（ｍ）、ρ_ａ：空気密度（ｋｇ／ｍ^３）、ρ_ｆ：燃料ガス密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｗ_ａ：空気吐出流速（ｍ／ｓ）、ｗ_ｆ：燃料ガス吐出流速（ｍ／ｓ）、Ｖ_ａ：空気流量（ｍ^３／ｓ）、Ｖ_ｆ：燃料ガス流量（ｍ^３／ｓ）、Ａ_ｂ：バーナ断面積（ｍ^２）とする。ここで、密度および流量は、それぞれの流体の温度および圧力条件の下での値を用いる。

図２は、このようにして算出されるＳｗ数−スリット断面積（Ｌｓ×Ｂ）−圧力損失ΔＰの関係を説明する相関図であり、図中の点線が圧力損失ΔＰとスリット断面積（Ｌｓ×Ｂ）の相関、図中の実線がＳｗ数とスリット断面積（Ｌｓ×Ｂ）の相関である。

ここで、供給圧、排気圧（炉内圧力）に基づくノズル部の圧力損失制約（上限値）をΔＰａ（ｍｍＡｑ）とするとき、圧力損失ΔＰ≦ΔＰａ の制約条件から、許容される最小断面積Ｌｓ×Ｂ（ｍ^２）が決まる。

既に、スリットギャップＢは式（５）で決定済みなので、許容されるスリット長さＬｓが決まる。尚、ΔＰａは、気体燃料および酸素含有ガス供給用ブロワの仕様条件等により決まる値である。

したがって、図２の圧力損失ΔＰとスリット断面積（Ｌｓ×Ｂ）の相関（図中、点線で表示）より、ノズル部の圧力損失制約（上限値）ΔＰａ（ｍｍＡｑ）が決定すると、最小スリット断面積（Ｌｓ×Ｂ）が求まる。

次に、図２のＳｗ数−スリット断面積（Ｌｓ×Ｂ）の相関（図中、実線で表示）より、最小スリット断面積（Ｌｓ×Ｂ）におけるＳｗ数、すなわち、圧力損失制約から決まる上限スワール数ＳｗＵが求まる。

ＮＯｘ量に及ぼすＳｗ数の影響は、Ｌｘ／Ｄで整理される直線関係で示される（図３）。例えば、目標性能として設定した上限ＮＯｘ量を満足するＳｗ数は、Ｌｘ／Ｄ＝ａとする場合はＳｗ１，Ｌｘ／Ｄ＝ｂとする場合は、Ｓｗ２となる。従って、上限ＮＯｘ量を満足するＬｘ／ＤとＳｗ数の関係は、Ｌｘ／ＤをＹ軸、Ｓｗ数をＸ軸としたＸＹ座標軸上で直線で整理され（図４）、圧力損失制約から決まる上限スワール数ＳｗＵに対応したＬｘ／Ｄの上限値ｃが求まる。なお、図３の相関図は、予め小型のモデルにより実験的に求めておけばよい。

管状火炎バーナの設計においては、安定した燃焼を維持する、保炎の観点からも、各部の寸法に制約が生じる（燃焼制約２）。

ノズル中心〜バーナ先端距離Ｌｘは保炎のために一定の長さが必要で、以下のように求められる。燃料ガスとエアがバーナ内部を通過するのに要する時間α（ｓｅｃ）は、冷間、未反応と仮定すると式（９）で求まる。

また、流速Ｗａ（ｍ／ｓ）でノズルから吐出される流体が、直径Ｄの内径のバーナを１回転するのに要する時間βは、式（１０）で求まる。

燃焼実験より、保炎するのに必要な条件として、ノズルから噴射された燃料ガスとエアがバーナ先端に達するまでに最低５回転は必要であるという実験的知見から、α／β≧５（回転）が規定される。式（８）、式（９）の右辺を代入すると、１．２５×（Ｖｆ＋Ｖａ）／（Ｄ×Ｗａ） ≦ Ｌｘとなり、Ｌｘの下限が決定される。

Ｌｘ／Ｄの上限値はＣであるので Ｌｘは、１．２５×（Ｖｆ＋Ｖａ）／（Ｄ×Ｗａ） ≦ Ｌｘ ≦ ｃ×Ｄと規定される。

最後にバックスペース長さＬｂ（ｍ）は、Ｌｂ＝０．３×ＤまたはＬｂ＝０．０１×（Ｖｆ＋Ｖａ）のいずれかで求まる値の小さいものとする。これは、これまでの実験結果から、バックスペース長さＬｂは燃焼室の内径Ｄの３０％程度に設計すればよく、また、バックスペースの容量は、最大負荷時の単位時間（１秒）に供給される気体量の１％以下とすればよいとの知見を根拠とする。

以上の手順により、バーナレイアウトを確定する全ての数値を決定することができる。

なお、上述した、本発明に係る管状火炎バーナの設計方法は、ノズル断面形状が円形、または円形を複数繋げた形状にも適用可能である。

本発明に係る管状火炎バーナの設計方法を用いて、上限ＮＯｘ量が７５ｐｐｍ（５％Ｏ２換算）で最大燃焼量Ｑが３４（ＭＷ）の、燃焼ガスとしてＬＤＧを使用する大型管状火炎バーナを試製作し、燃焼性と低ＮＯｘ性を確認した。なお、式（１）〜（７）は既出のものとする。

まず、バーナ寸法の規定に利用するガス性状（最大燃料ガス流量Ｖｆと最大空気流量Ｖａ）を決定する。燃焼ガスとしてＬＤＧを使用することより、低位発熱量ＨＬは ８６００ （ｋＪ／Ｎｍ^３）で空気比μ（〔実際に燃焼させる燃料１Ｎｍ^３あたりの空気量：１．９４〕／〔理論空気量Ａｏ：１．６２〕）は１．２、空気予熱温度４００℃とする。

最大燃料ガス流量Ｖｆは式（１）より、Ｖｆ：３．９５（Ｎｍ^３／ｓ）、最大空気流量Ｖａは式（２）より、Ｖａ：７．６９（Ｎｍ^３／ｓ）とする。

燃焼室の内径Ｄは、式（３）より、１．０６５≦Ｄ≦１．２３７ となるので、燃焼室の内径Ｄを １．２ （ｍ）とする。次に、スリットノズルのギャップＢは式（４）より、０．０２４５≦Ｂ≦ ０．１３５ となるので、０．０８（ｍ）とする。

ノズル部助走距離Ｌｒは式（５）より、Ｌｒ≧０．４となるので、本実施例では最短距離である０．４（ｍ）とする。

次に、ノズル部の圧力損失ΔＰ（ｍｍＡｑ）を表す理論式により、圧力損失ΔＰとスリット断面積（Ｌｓ×Ｂ）の相関を図６の点線のように求める。

一方、圧力損失制約（上限値）ΔＰａ（ｍｍＡｑ）を、気体燃料および酸素含有ガス供給用ブロワの仕様条件等により１２００ｍｍＡｑとすると、図６の点線より、スリットノズルの許容される最小断面積Ｌｓ×Ｂ：０．０４８（ｍ^２）が決まる。Ｂ：０．０８（ｍ）としたので、許容されるスリット長さＬｓは０．６（ｍ）となる。

一方、スワール数Ｓｗは、式（６）より、空気吐出流速Ｗａ：１９８（ｍ／ｓ）、式（７）より、燃料ガス吐出流速Ｗｆ：４．４（ｍ／ｓ）となるので、式（８）より、Ｓｗ数とスリット断面積（Ｌｓ×Ｂ）の相関を図６の実線のように求める。

但し、式（８）において、バーナの出口半径Ｒ_ｂ：０．６（ｍ）、予熱状態の空気密度ρ_ａ： ０．５２３（ｋｇ／ｍ^３）、空気吐出流速ｗ_ａ：１９８（ｍ／ｓ）、空気流量Ｖ_ａ：１９．０（ｍ^３／ｓ）、燃料ガス密度ρ_ｆ：１．１３ ［３０℃］（ｋｇ／ｍ^３）、燃料ガス吐出流速ｗ_ｆ：４．４（ｍ／ｓ）、燃料ガス流量Ｖ_ｆ：４．４０（ｍ^３／ｓ）、バーナ断面積Ａ_ｂ：１．１３（ｍ^２）による。

そして、この図６におけるＳｗ数−スリット断面積（Ｌｓ×Ｂ）の相関より、先に求めた最小スリット断面積（Ｌｓ×Ｂ）：０．０４８（ｍ^２）における上限スワール数ＳｗＵ：７．０が求まる。

次に、予め求めておいたＮＯｘ量に及ぼすＳｗ数の影響を示す図７より、目標性能として設定した上限ＮＯｘ量：７５ｐｐｍ（５％Ｏ２換算）を満足するＳｗ数は、Ｌｘ／Ｄ＝２．６とする場合は１４，Ｌｘ／Ｄ＝４．２５とする場合は、２２となるので、図６，図７より求めた図８より、上限スワール数ＳｗＵに対応したＬｘ／Ｄの上限値ｃ：１．３が求まる。

ノズル中心〜バーナ先端距離Ｌｘは、１．２５×（Ｖｇ＋Ｖａ）／（Ｄ×Ｗａ） ≦ Ｌｘ ≦ ｃ×ＤよりＬｘ：１．５（ｍ）、バックスペース長さＬｂ（ｍ）は、Ｌｂ＝０．３×Ｄ＝０．３６ とＬｂ＝０．０１×（Ｖｇ＋Ｖａｉｒ）＝０．２３４ の間の値とし、バックスペース長さＬｂ：０．３（ｍ）とする。

上記寸法形状の管状火炎バーナを燃焼させたところ、燃焼状態（着火性、保炎性）は良好で、 ＮＯｘ：７３ｐｐｍ（５％Ｏ２換算）と目標値７５ｐｐｍ以下の低ＮＯｘ性が確認された。

本発明の一実施例に係る設計方法のフローチャートを示す図。 Ｓｗ数−スリット断面積（Ｌｓ×Ｂ）−圧力損失ΔＰの関係を説明する図。 ＮＯｘ量に及ぼすＳｗ数の影響をＬｘ／Ｄで整理した図。 Ｌｘ／ＤとＳｗ数の関係を示す図。 管状火炎バーナの各部の呼称を説明する断面模式図で（ａ）は側断面図、（ｂ）は正面図。 実施例におけるＳｗ数−スリット断面積（Ｌｓ×Ｂ）−圧力損失ΔＰの関係を説明する図。 実施例におけるＮＯｘ量に及ぼすＳｗ数の影響をＬｘ／Ｄで整理した図。 実施例におけるＬｘ／ＤとＳｗ数の関係を示す図。

符号の説明

１ 管状火炎バーナ
２ 管状の燃焼室
２ａ 開口端
２ｂ 閉口端
３ ノズル
４ 酸素、または燃焼ガス
５ 架台
Ｂ ノズル開口高さ
Ｌ 燃焼室の長さ
Ｄ 燃焼室の内径
Ｌｓ ノズル幅
Ｌｂ バックスペース
Ｌｘ 開口端からノズルの幅方向中心までの距離

Claims (2)

1. 燃焼炎が形成される管状の燃焼室と、該燃焼室に燃料ガスと酸素含有ガスとを各々または予混合して吹き込むノズルがその内壁面の接線方向に向けて設けられた管状火炎バーナの設計方法であって、
   初期条件として最大燃焼量および上限ＮＯｘ量を与え、前記ノズル部の圧力損失制約から決まる上限スワール数および管状火炎を保炎するための制約を考慮して、管状火炎バーナの燃焼室およびノズル部寸法を決定することを特徴とする管状火炎バーナの設計方法。
2. 燃焼炎が形成される管状の燃焼室と、前記燃焼室に燃料ガスと酸素含有ガスよりなる予混合気を吹き込むノズル、または燃料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その内壁面の接線方向に向けて設けられた管状火炎バーナの設計方法であって、
   初期条件として最大燃焼量、ガス性状（理論空気量、低位発熱量）、空気比、炉内圧、供給圧、上限ＮＯｘ量、燃焼室の内径、スリットノズルのギャップ、および前記スリットノズルのギャップから求まるノズル部助走距離を設定し、
   前記ノズル部の圧力損失制約から上限Ｓｗ数を求め、
   前記上限ＮＯｘ量および前記上限Ｓｗ数を満足させるバーナ寸法制約と、
   管状火炎を保炎するためのバーナ寸法制約からバーナレイアウトを決定することを特徴とする管状火炎バーナの設計方法。

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