本發(fā)明涉及一種適于利用對(duì)流傳熱對(duì)被加熱物進(jìn)行加熱的氣體燃料燃燒器及氣體燃料燃燒器的加熱方法。

背景技術(shù)：

在通過(guò)使由氣體燃料燃燒器形成的火焰直接沖撞于被加熱物并利用對(duì)流傳熱而進(jìn)行加熱的情況下，要求火焰溫度較高以及火焰的軸向速度較快。

另外，在被加熱物為易氧化的材質(zhì)的情況下，產(chǎn)生如下問(wèn)題：即，當(dāng)火焰與被加熱物沖撞時(shí)，若存在較多的未反應(yīng)的氧，則會(huì)促進(jìn)被加熱物的氧化。

此外，在利用燃燒器火焰進(jìn)行脫脂處理以作為冷軋鋼板的電鍍工藝的前處理的情況下，需要將燃燒器設(shè)為非水冷式。

作為通過(guò)使火焰直接沖撞于被加熱物而進(jìn)行加熱的氣體燃料燃燒器，例如有專利文獻(xiàn)1中公開的燃燒器。

專利文獻(xiàn)1的燃燒器為如下結(jié)構(gòu)：該燃燒器為以同心圓狀配置有環(huán)狀部件的三重管結(jié)構(gòu)體，并且自中心起按氧、氣體燃料、氧的順序從噴嘴前端部與燃燒器的軸向平行地噴出氧和氣體燃料。專利文獻(xiàn)1的燃燒器為氧和氣體燃料的噴出口配置在同一平面上的結(jié)構(gòu)。

作為通過(guò)使火焰直接接觸被加熱物而進(jìn)行加熱的氣體燃料燃燒器的另一形式，例如有專利文件2中公開的燃燒器。

專利文獻(xiàn)2中公開的燃燒器被用作電爐用的助燃燃燒器。專利文獻(xiàn)2中公開的燃燒器具有如下功能：通過(guò)使火焰直接沖撞于鐵屑而進(jìn)行加熱熔化，并且利用氧強(qiáng)制性地使鐵屑氧化，從而利用該鐵屑的氧化熱來(lái)進(jìn)行熔化(切割)。

專利文獻(xiàn)2中公開的燃燒器為如下三重管結(jié)構(gòu)體：從中心部噴出氧氣，從該氧氣的外周部噴出燃料，并且從該燃料的外周部噴出氧氣。

專利文獻(xiàn)2中公開的燃燒器通過(guò)從中心高速噴出氧氣而形成高速火焰。另外，專利文獻(xiàn)2中公開的燃燒器通過(guò)對(duì)最外周的氧氣施加旋回，從而使火焰變短。

專利文獻(xiàn)1：歐洲專利申請(qǐng)公開第1850066號(hào)說(shuō)明書

專利文獻(xiàn)2：日本專利公開平10-9524號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)1中公開的燃燒器不具有火焰穩(wěn)定功能。因此，如果為了加快火焰的流速而加快氧和/或氣體燃料的噴出速度，則會(huì)產(chǎn)生火焰的吹跑，因此無(wú)法加快火焰的流速。

另外，由于專利文獻(xiàn)1中公開的燃燒器為平行地噴出氣體燃料和氧的結(jié)構(gòu)，因此燃燒速度緩慢。由此會(huì)導(dǎo)致與被加熱物沖撞時(shí)的氧濃度變高，因此在對(duì)易氧化材料進(jìn)行加熱的情況下，氧化皮的產(chǎn)生等成為問(wèn)題。

另一方面，雖然專利文獻(xiàn)2中公開的燃燒器通過(guò)從中心噴出的氧來(lái)提高火焰的軸向速度，但由于將切割作為主要功能，因此具有火焰中心的氧濃度較高，不適于在抑制被加熱物的氧化的同時(shí)進(jìn)行加熱的用途上的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的課題是提供一種氣體燃料燃燒器及氣體燃料燃燒器的加熱方法，其在不損害燃燒效率的情況下，能得到火焰的軸向速度高且高溫的火焰，并能抑制被加熱物的氧化的同時(shí)提高對(duì)流傳熱效率。

本發(fā)明采用以下結(jié)構(gòu)。

(1)一種氣體燃料燃燒器，具有：燃燒器主體，沿規(guī)定方向延伸，并且在前端部形成對(duì)被加熱物進(jìn)行加熱的火焰；燃燒室，配置在所述燃燒器主體的前端部，并且呈寬度在從所述燃燒器主體的基端部向該前端部的方向上變寬的圓錐臺(tái)形狀；第一氧化劑噴出口，在構(gòu)造所述燃燒室的直徑不同的第一圓形面和第二圓形面中，配置在直徑小于所述第二圓形面的直徑的第一圓形面的中心上，并且沿所述燃燒器主體的中心軸的延伸方向噴出第一氧化劑；氣體燃料噴出口，在所述第一圓形面中，配置在所述第一氧化劑噴出口的外側(cè)，并且沿與所述燃燒器主體的中心軸的延伸方向交叉的方向噴出氣體燃料；和第二氧化劑噴出口，配置在所述燃燒室的側(cè)面上，并且沿與所述燃燒器主體的中心軸的延伸方向交叉的方向噴出第二氧化劑。

(2)根據(jù)上述(1)所述的氣體燃料燃燒器，具有第三氧化劑噴出口，所述第三氧化劑噴出口在所述燃燒室的側(cè)面中配置在比所述第二氧化劑噴出口的配設(shè)位置更靠所述第二圓形面?zhèn)鹊奈恢蒙?，并且沿與所述燃燒器主體的中心軸的延伸方向交叉的方向噴出第三氧化劑，由所述燃燒器主體的中心軸的延伸方向和所述第三氧化劑的噴出方向所成的角度小于由所述燃燒器主體的中心軸的延伸方向和所述第二氧化劑的噴出方向所成的角度。

(3)根據(jù)上述(1)或(2)所述的氣體燃料燃燒器，所述氣體燃料噴出口由多個(gè)氣體燃料噴出孔構(gòu)造，所述第二氧化劑噴出口由多個(gè)氧化劑噴出孔構(gòu)造，所述多個(gè)氣體燃料噴出孔及所述多個(gè)氧化劑噴出孔配置為相對(duì)于所述第一圓形面的中心呈同心圓狀。

(4)根據(jù)上述(1)至(3)中的任一項(xiàng)所述的氣體燃料燃燒器，所述第三氧化劑噴出口由多個(gè)氧化劑噴出孔構(gòu)造，構(gòu)造所述第三氧化劑噴出口的所述多個(gè)氧化劑噴出孔配置為相對(duì)于所述第一圓形面的中心呈同心圓狀。

(5)根據(jù)上述(1)至(4)中的任一項(xiàng)所述的氣體燃料燃燒器，所述第一圓形面的第一直徑的值為所述第一氧化劑噴出口的開口直徑的3～6倍的范圍內(nèi)的大小，所述燃燒室在所述燃燒器主體的中心軸的延伸方向上的長(zhǎng)度值在所述第一直徑的0.5～2倍的范圍內(nèi)。

(6)根據(jù)上述(1)至(5)中的任一項(xiàng)所述的氣體燃料燃燒器，由所述燃燒室的側(cè)面和所述燃燒器主體的中心軸的延伸方向所成的角度在0度以上且20度以下的范圍內(nèi)。

(7)根據(jù)上述(1)至(6)中的任一項(xiàng)所述的氣體燃料燃燒器，由所述氣體燃料的噴出方向和所述燃燒器主體的中心軸的延伸方向所成的角度在0度以上且30度以下的范圍內(nèi)。

(8)根據(jù)上述(1)至(7)中的任一項(xiàng)所述的氣體燃料燃燒器，由所述第二氧化劑的噴出方向和所述燃燒器主體的中心軸的延伸方向所成的角度在10度以上且40度以下的范圍內(nèi)。

(8)根據(jù)上述(2)至(8)中的任一項(xiàng)所述的氣體燃料燃燒器，由所述第三氧化劑的噴出方向和所述燃燒器主體的中心軸的延伸方向所成的角度在5度以上且30度以下的范圍內(nèi)。

(10)一種氣體燃料燃燒器的加熱方法，使用由上述(1)至(9)中的任一項(xiàng)所述的所述氣體燃燒器形成的火焰來(lái)對(duì)被加熱物進(jìn)行加熱，其中，在將噴向所述燃燒室的所述第一氧化劑的噴出速度設(shè)為50～300m/s，將所述氣體燃料的噴出速度設(shè)為20～100m/s，將所述第二氧化劑的噴出速度設(shè)為20～80m/s的范圍而形成所述火焰，并且利用該火焰對(duì)所述被加熱物進(jìn)行加熱。

(11)根據(jù)上述(10)所述的氣體燃料燃燒器的加熱方法，在形成所述火焰時(shí)，將噴向所述燃燒室的第三氧化劑的噴出速度設(shè)在20～80m/s的范圍內(nèi)。

(12)根據(jù)上述(10)或(11)所述的氣體燃料燃燒器的加熱方法，向所述第一氧化劑噴出口供給的第一氧化劑的流量在向所述燃燒室供給的所有氧化劑的總流量的40％～90％的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明，在不損害燃燒效率的情況下，能得到火焰的軸向速度高且高溫的火焰，并能抑制被加熱物的氧化的同時(shí)提高對(duì)流傳熱效率。

附圖說(shuō)明

圖1是示意性地表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式所涉及的氣體燃料燃燒器的主要部分的大致結(jié)構(gòu)的剖視圖。

圖2是示意性地表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式所涉及的氣體燃料燃燒器的主要部分的大致結(jié)構(gòu)的剖視圖。

圖3是表示專利文獻(xiàn)1中公開的燃燒器的大致結(jié)構(gòu)的剖視圖。

圖4是表示試驗(yàn)例1下的實(shí)施例1及比較例的燃燒器和水冷式傳熱面之間的距離與相對(duì)傳熱效率之間的關(guān)系的圖表。

圖5是表示在水冷式傳熱面上距火焰沖撞位置的徑向距離與沖撞對(duì)流熱流束之間的關(guān)系的圖表。

圖6是表示實(shí)施例1、實(shí)施例2及比較例的燃燒器的前端和水冷式傳熱面之間的距離與相對(duì)傳熱效率之間的關(guān)系的圖表。

圖7是表示(第一氧流量)/(所有氧流量)與相對(duì)傳熱效率之間的關(guān)系的圖表。

具體實(shí)施方式

下面，參照附圖對(duì)應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。此外，以下說(shuō)明中所使用的附圖為用于說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的圖，圖示的各部分的大小、厚度和尺寸等有可能與實(shí)際的氣體燃料燃燒器的尺寸關(guān)系不同。

(第一實(shí)施方式)

圖1是示意性地表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式所涉及的氣體燃料燃燒器的主要部分的大致結(jié)構(gòu)的剖視圖。在圖1中，x方向表示燃燒器主體11的延伸方向(換言之，規(guī)定方向)，y方向表示與x方向正交的方向。

另外，在圖1中，p1表示噴出第一氧化劑的方向(以下，稱作“第一氧化劑噴出方向p1”)，p2表示噴出氣體燃料的方向(以下，稱作“氣體燃料噴出方向p2”)，p3表示噴出第二氧化劑的方向(以下，稱作“第二氧化劑噴出方向p3”)。

參照?qǐng)D1，第一實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器10具有燃燒器主體11、氣體燃料供給通路12、燃燒室13、第一氧化劑噴出口17、氣體燃料噴出口18和第二氧化劑噴出口19。

燃燒器主體11沿x方向延伸，在該燃燒器主體11的前端部形成對(duì)未圖示的被加熱物(例如，鋼材或有色金屬材料等)進(jìn)行加熱的火焰(未圖示)。燃燒器主體11具有第一環(huán)狀部件21和第二環(huán)狀部件22。

第一環(huán)狀部件21為前端部的壁厚隨著向燃燒室13而變薄的環(huán)狀部件。由此，第一環(huán)狀部件21的前端部的外周面為錐形狀。

第一環(huán)狀部件21配置為其中心軸與燃燒器主體11的中心軸cl1一致。第一環(huán)狀部件21在其內(nèi)部具有沿x方向延伸的第一氧化劑供給通路24。第一氧化劑供給通路24的形狀例如可以是圓柱形狀。第一氧化劑供給通路24與供給第一氧化劑的氧化劑供給源(未圖示)連接。

第二環(huán)狀部件22配置在第一環(huán)狀部件21的外側(cè)，并且兩者之間具有間隙，且第二環(huán)狀部件22的中心軸與燃燒器主體11的中心軸cl1一致。第二環(huán)狀部件22的內(nèi)徑大于第一環(huán)狀部件21的外徑。

第二環(huán)狀部件22具有配置為從第一環(huán)狀部件21的前端面朝向x方向突出的前端部26。

前端部26的內(nèi)表面為隨著從第一環(huán)狀部件21的前端面朝向第二環(huán)狀部件22的前刀面而燃燒室13的寬度變寬的傾斜面26a(換言之，燃燒室13的側(cè)面13a)。

在第二環(huán)狀部件22中，與第一環(huán)狀部件21的呈錐形狀的前端部相對(duì)的內(nèi)表面沿朝向燃燒器主體11的中心軸cl1的方向傾斜。

第二環(huán)狀部件22在其內(nèi)部具有沿x延伸且向前端部26供給第二氧化劑的第二氧化劑供給通路28。第二氧化劑供給通路28的形狀例如可以是圓筒形狀。第二氧化劑供給通路28與供給第二氧化劑的氧化劑供給源(未圖示)連接。

氣體燃料供給通路12為由第一環(huán)狀部件21和第二環(huán)狀部件22界定的大致圓筒形狀的空間。氣體燃料供給通路12與供給氣體燃料的氣體燃料供給源(未圖示)連接。

燃燒室13配置在燃燒器主體11的前端部，并且由第一環(huán)狀部件21的前端面和第二環(huán)狀部件22的前端部26的傾斜面26a界定。燃燒室13為呈寬度在從燃燒器主體11的基端部(未圖示)向前端部(換言之，第二環(huán)狀部件22的前端部26)的方向上變寬的圓錐臺(tái)形狀的空間。

如此，通過(guò)設(shè)置呈寬度在從燃燒器主體11的基端部(未圖示)向前端部的方向上變寬的圓錐臺(tái)形狀的燃燒室13，能夠抑制火焰的擴(kuò)散，并能加快火焰的軸向速度。

此外，在此的“火焰的軸向速度”是指與燃燒器主體11的中心軸cl1平行的方向上的速度成分。如果火焰擴(kuò)散，則由于火焰的截面面積變大，會(huì)導(dǎo)致火焰的軸向速度降低。

因此，在通過(guò)使火焰與被加熱物沖撞而進(jìn)行加熱的情況下，沖撞的火焰的軸向速度越快則對(duì)流傳熱效率(每單位面積、單位時(shí)間及單位溫度差(被加熱物與火焰之間的溫度差)下的傳熱量)越高，因此能提高傳熱效率。

燃燒室13具有配置在燃燒器主體11的內(nèi)部的第一圓形面13-1和配置在與氣體燃料燃燒器10的前端面為相同的平面上的第二圓形面13-2。

第一圓形面13-1及第二圓形面13-2為第一直徑d1及第二直徑d2不同的圓形面，并且在x方向上相對(duì)配置。第一圓形面13-1的直徑d1小于第二圓形面13-2的直徑d2。

第一圓形面13-1的第一直徑d1的值例如可為第一氧化劑噴出口17的開口直徑d1的值的3～6倍的范圍內(nèi)的大小。

如果第一直徑d1/開口直徑d1的比率小于3，則由于火焰與界定燃燒室13的側(cè)面13a的前端部26的傾斜面26a易于接觸，并且該火焰加熱燃燒器主體11的前端部，因此導(dǎo)致燃燒器主體11的前端部損傷。因此，必須將用于使冷卻燃燒器主體11的前端部的冷卻水循環(huán)的冷卻水循環(huán)路徑設(shè)置在燃燒器主體11的前端部。

另一方面，如果第一直徑d1/開口直徑d1的比率大于6，則由于燃燒室13作為燃燒室的功能下降，火焰的軸向速度緩慢，因此對(duì)流傳熱效果降低。

因此，通過(guò)將第一圓形面13-1的第一直徑d1的值設(shè)為第一氧化劑噴出口的開口直徑d1的值的3～6倍的范圍內(nèi)的大小，從而在未設(shè)置冷卻水循環(huán)路徑的情況下，能夠抑制燃燒器主體11的前端部的破損，并能抑制對(duì)流傳熱效果的降低。

另外，燃燒室13在燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向(x方向)上的長(zhǎng)度l的值例如可在第一直徑d1的值的0.5～2倍的范圍內(nèi)。

如果燃燒室13在燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向上的長(zhǎng)度l的值小于第一直徑d1的值的0.5倍，則抑制火焰擴(kuò)散的效果較低。

另一方面，如果燃燒室13在燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向上的長(zhǎng)度l的值大于第一直徑d1的值的2倍，則火焰與燃燒室13的側(cè)面13a接觸，燃燒室13有可能熔損。

因此，通過(guò)將燃燒室13在燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向(x方向)上的長(zhǎng)度l的值設(shè)在第一直徑d1的值的0.5～2倍的范圍內(nèi)，從而能夠抑制火焰的擴(kuò)散，并能加快火焰的軸向速度。

由燃燒室13的側(cè)面13a(換言之，傾斜面26a)和燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向(x方向)所成的角度θ1例如可以設(shè)定在0度以上且20度以下的范圍內(nèi)。

如果由燃燒室13的側(cè)面13a和燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向所成的角度θ1小于0度，則不能將燃燒室13的形狀設(shè)為如圖1所示的圓錐臺(tái)形狀，因此火焰與燃燒室13接觸，燃燒室13有可能熔損。

另一方面，如果由燃燒室13的側(cè)面13a和燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向所成的角度θ1大于20度，則抑制火焰擴(kuò)散的效果較小。

因此，通過(guò)將由燃燒室13的側(cè)面13a和燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向所成的角度θ1設(shè)定在0度以上且20度以下的范圍內(nèi)，從而能夠抑制構(gòu)造燃燒室13的燃燒器主體11熔損，并能抑制火焰的擴(kuò)散。

第一氧化劑噴出口17配置在第一圓形面13-1的中心，并且與第一氧化劑供給通路24一體構(gòu)造。

第一氧化劑噴出口17使從第一氧化劑供給通路24輸送來(lái)的第一氧化劑(例如，純氧或富氧空氣等)沿x方向(換言之，燃燒器主體11的中心軸cl1方向)噴出。

噴向燃燒室13的第一氧化劑的噴出速度例如可在50～300m/s的范圍內(nèi)適當(dāng)設(shè)定。

第一氧化劑噴出口17的開口直徑d1例如可與第一氧化劑供給通路24的直徑大致相等。

另外，通過(guò)由一個(gè)噴出孔構(gòu)造第一氧化劑噴出口17，從而直至遠(yuǎn)離燃燒室13的遠(yuǎn)處位置為止，能確保噴出的第一氧化劑的軸向速度(換言之，燃燒器主體11的中心軸cl1方向的速度)，因此能提高對(duì)流傳熱效率。

另外，向第一氧化劑噴出口17供給的第一氧化劑的流量例如可在向燃燒室13供給的所有氧化劑的總流量(在第一實(shí)施方式的情況下，第一氧化劑的流量與第二氧化劑的流量的總計(jì))的40％～90％的范圍內(nèi)。

如果向第一氧化劑噴出口17供給的第一氧化劑的流量少于向燃燒室13供給的所有氧化劑的總流量的40％，則火焰的軸向速度下降，會(huì)導(dǎo)致對(duì)流傳熱效率降低。另外，由于在該情況下，火焰在燃燒室13內(nèi)擴(kuò)散，因此有可能燃燒器主體11的前端部被加熱而損傷。

因此，在該情況下，為了抑制燃燒器主體11的前端部的損傷，有必要另行設(shè)置能夠冷卻燃燒器主體11的前端部的水冷機(jī)構(gòu)。

另一方面，如果向第一氧化劑噴出口17供給的第一氧化劑的流量大于向燃燒室13供給的所有氧化劑的總流量的90％，則由于第二氧化劑的流量過(guò)少，因此火焰穩(wěn)定效果降低，并且氣體燃料及氧化劑的混合狀態(tài)變差，難以得到實(shí)用的火焰。

另外，由于在這種情況下燃燒性較差，會(huì)形成殘氧較多的火焰。因此，在對(duì)易氧化的被加熱物進(jìn)行加熱的情況下，被加熱物被氧化。

因此，通過(guò)將向第一氧化劑噴出口17供給的第一氧化劑的流量設(shè)定在向燃燒室13供給的所有氧化劑的總流量的40％～90％的范圍內(nèi)，從而在未另行設(shè)置水冷機(jī)構(gòu)的情況下，能夠抑制燃燒器主體11的前端部的損傷，并且即使在被加熱物為易氧化的材料的情況下，也能抑制被加熱物的氧化。

氣體燃料噴出口18設(shè)置在第一環(huán)狀部件21的前端部的傾斜部分與在y方向上與該傾斜部分相對(duì)的第二環(huán)狀部件22之間。

由此，氣體燃料噴出口18在第一圓形面13-1中配置在第一氧化劑噴出口17的外側(cè)。

氣體燃料噴出口18由多個(gè)氣體燃料噴出孔(未圖示)構(gòu)造。多個(gè)氣體燃料噴出孔(未圖示)配置為相對(duì)于第一圓形面13-1的中心c1呈同心圓狀。

氣體燃料噴出口18沿與燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向交叉的方向噴出氣體燃料(例如，天然氣、民用燃?xì)?、lpg(liquefiedpetroleumgas，液化石油氣)等)。從氣體燃料噴出口18噴出的氣體燃料的噴出速度例如可在20～100m/s的范圍內(nèi)適當(dāng)選擇。

由氣體燃料噴出方向p2和燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向所成的角度θ2例如可設(shè)定在0度以上且30度以下的范圍內(nèi)。

如此，通過(guò)將由氣體燃料噴出方向p2和燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向所成的角度θ2設(shè)定在0度以上且30度以下的范圍內(nèi)，從而能促進(jìn)氣體燃料與第二氧化劑的混合。

第一實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器10具有：第一氧化劑噴出口17，由沿燃燒器主體11的中心軸cl1噴出第一氧化劑的單孔構(gòu)造；氣體燃料噴出口18，配置為包圍第一氧化劑噴出口17，并且沿與燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向交叉的方向噴出氣體燃料。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，以高速噴出的第一氧化劑卷入到從第一氧化劑噴出口的周圍噴出的氣體燃料中，其結(jié)果，氣體燃料與第一氧化劑的混合物進(jìn)行燃燒，因此能形成軸向速度較快的火焰。

第二氧化劑噴出口19設(shè)置為貫通構(gòu)造燃燒室13的側(cè)面13a的前端部26。第二氧化劑噴出口19沿與燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向交叉的方向噴出第二氧化劑(例如，純氧或富氧空氣等)。

第二氧化劑噴出口19具有多個(gè)氧化劑噴出口。構(gòu)造第二氧化劑噴出口19的多個(gè)氧化劑噴出孔配置為相對(duì)于第一圓形面13-1的中心c1呈同心圓狀。

在將噴向燃燒室13的第一氧化劑的噴出速度設(shè)為50～300m/s，將氣體燃料的噴出速度設(shè)為20～100m/s的情況下，第二氧化劑的噴出速度例如可在20～80m/s的范圍內(nèi)適當(dāng)選擇。

如此，通過(guò)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(shè)定在上述數(shù)值范圍內(nèi)，從而能夠形成燃燒效率高且軸向速度快的火焰。

由第二氧化劑噴出方向p3和燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向所成的角度θ3例如可設(shè)定在10度以上且40度以下的范圍內(nèi)。

如果由第二氧化劑噴出方向p3和燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向所成的角度θ3小于10度，則會(huì)導(dǎo)致氣體燃料與第二氧化劑的混合變差，因此燃燒效率降低。

如果由第二氧化劑噴出方向p3和燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向所成的角度θ3大于40度，則會(huì)遮蔽第一氧化劑的流動(dòng)及氣體燃料的流動(dòng)，導(dǎo)致火焰的軸向速度緩慢。

因此，通過(guò)將由第二氧化劑噴出方向p3和燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向所成的角度θ3設(shè)定在10度以上且40度以下的范圍內(nèi)，從而由第二氧化劑包圍氣體燃料，因此能夠抑制氣體燃料的逸出，并能促進(jìn)氣體燃料與第二氧化劑的混合，進(jìn)一步提前完成燃燒，因此能形成高溫的短焰。

由此，在通過(guò)使火焰與易氧化的被加熱物沖撞而進(jìn)行加熱的情況下，能夠抑制被加熱物的氧化的同時(shí)，能夠高效地向被加熱物傳熱。

另外，通過(guò)設(shè)置貫通用于構(gòu)造燃燒室13的側(cè)面13a的前端部26的第二氧化劑噴出口19，能夠抑制火焰沿噴嘴主體11的前端部的內(nèi)壁流動(dòng)，因此能夠抑制噴嘴主體11的燒損。

第一實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器具有：燃燒器主體11，沿x方向延伸，并且在前端部形成用于對(duì)被加熱物(未圖示)進(jìn)行加熱的火焰；燃燒室13，配置在燃燒器主體11的前端部，并且呈寬度在從燃燒器主體11的基端部向該前端部的方向上變寬的圓錐臺(tái)形狀；第一氧化劑噴出口17，在構(gòu)造燃燒室13的直徑不同的第一圓形面13-1及第二圓形面13-2中，配置在直徑小于第二圓形面13-2的直徑的第一圓形面13-1的中心c1上，并且沿燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向噴出第一氧化劑；和氣體燃料噴出口18，在第一圓形面13-1中，配置在第一氧化劑噴出口17的外側(cè)，并且沿與燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向交叉的方向噴出氣體燃料。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，由于以高速噴出的第一氧化劑卷入到從其周圍噴出的氣體燃料中的同時(shí)進(jìn)行燃燒，因此能形成軸向速度快的火焰。

另外，第一實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器可進(jìn)一步具有第二氧化劑噴出口19，該第二氧化劑噴出口19配置在燃燒室13的側(cè)面13a上，并且沿與燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向交叉的方向噴出第二氧化劑。通過(guò)采用該結(jié)構(gòu)，從氣體燃料噴出口噴出的氣體燃料被從第二氧化劑噴出的第二氧化劑包圍，因此能夠抑制氣體燃料的逸出，并能促進(jìn)燃燒室13內(nèi)的氣體燃料與第二氧化劑的混合，能夠進(jìn)一步提前完成燃燒，因此能形成高溫的短焰。

由此，在通過(guò)使火焰與易氧化的被加熱物沖撞而進(jìn)行加熱的情況下，能夠抑制被加熱物的氧化的同時(shí)，能夠高效地向被加熱物傳熱。

即，根據(jù)第一實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器，在不損害燃燒效率的情況下，能得到火焰的軸向速度高且高溫的火焰，并能抑制被加熱物的氧化的同時(shí)提高對(duì)流傳熱效率。

對(duì)于利用由上述氣體燃料燃燒器10形成的火焰來(lái)對(duì)被加熱物進(jìn)行加熱的氣體燃料燃燒器的加熱方法而言，可通過(guò)將噴向燃燒室13的第一氧化劑的噴出速度設(shè)為50～300m/s，將氣體燃料的噴出速度設(shè)為20～100m/s，將第二氧化劑的噴出速度設(shè)為20～80m/s的范圍而形成火焰，并且利用該火焰對(duì)被加熱物進(jìn)行加熱。

通過(guò)利用這種條件來(lái)實(shí)施氣體燃料燃燒器的加熱方法，能促進(jìn)燃燒室13內(nèi)的氣體燃料與第二氧化劑的混合，能夠進(jìn)一步提前完成燃燒，因此能形成高溫的短焰。

另外，對(duì)于本發(fā)明的氣體燃料燃燒器的加熱方法而言，如在前面對(duì)本發(fā)明的氣體燃料燃燒器的說(shuō)明，向第一氧化劑噴出口17供給的第一氧化劑的流量?jī)?yōu)選設(shè)定在向燃燒室13供給的所有氧化劑的總流量的40％～90％的范圍內(nèi)。

由此，在未另行設(shè)置水冷機(jī)構(gòu)的情況下，能夠抑制燃燒器主體11的前端部的損傷，并且即使在被加熱物為易氧化的材料的情況下，也能抑制被加熱物的氧化。

(第二實(shí)施方式)

圖2是示意性地表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式所涉及的氣體燃料燃燒器的主要部分的大致結(jié)構(gòu)的剖視圖。在圖2中，p4表示噴出第三氧化劑的方向(以下，稱作“第三氧化劑噴出方向p4”)。

另外，在圖2中，對(duì)與圖1所示的第一實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器10相同的結(jié)構(gòu)部分使用相同的附圖標(biāo)記。

圖2所示的第二實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器40除在第一實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器10的結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步設(shè)置有第三氧化劑噴出口41以外，與第一實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器10相同。

在第二實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器40中，第三氧化劑噴出口40在燃燒室13的側(cè)面13a中設(shè)置在比第二氧化劑噴出口19的配設(shè)位置更靠第二圓形面13-2側(cè)的位置上。

另外，第三氧化劑噴出口41由多個(gè)氧化劑噴出孔(未圖示)構(gòu)造。構(gòu)造第三氧化劑噴出口41的多個(gè)氧化劑噴出孔配置為相對(duì)于第一圓形面13-1的中心c1呈同心圓狀。

進(jìn)一步，第三氧化劑噴出口41沿與燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向交叉的方向(即，第三氧化劑噴出方向p4)噴出第三氧化劑。

由燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向和第三氧化劑噴出方向p4所成的角度θ4小于由燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向和第二氧化劑噴出方向p3所成的角度θ3。

如此，通過(guò)使由燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向和第三氧化劑噴出方向p4所成的角度θ4小于由燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向和第二氧化劑噴出方向p3所成的角度θ3，從而第二實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器40不會(huì)阻礙火焰的軸向流動(dòng)，能夠抑制火焰的擴(kuò)散。

在第二實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器40中，由第三氧化劑噴出方向p4和燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向所成的角度θ4例如可在5度以上且30度以下的范圍內(nèi)適當(dāng)設(shè)定。

如此，通過(guò)在5度以上且30度以下的范圍內(nèi)適當(dāng)設(shè)定由第三氧化劑噴出方向p4和燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向所成的角度θ4，從而能夠進(jìn)一步抑制氣體燃料的逸出。

由此，能夠抑制火焰沿前端部26的內(nèi)壁(換言之，燃燒室13的側(cè)面13a)流動(dòng)，因此能夠抑制噴嘴主體11的燒損。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器，通過(guò)具有在燃燒室13的側(cè)面13a中配置在比第二氧化劑噴出口19的配設(shè)位置更靠第二圓形面13-2側(cè)的位置上的第三氧化劑噴出口41，并且以小于由燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向和第二氧化劑噴出方向p3所成的角度θ3的方式，設(shè)定由燃燒器主體11的中心軸cl1的延伸方向和第三氧化劑噴出方向p4所成的角度θ4，能夠抑制火焰沿前端部26的內(nèi)壁(換言之，燃燒室13的側(cè)面13a)流動(dòng)，因此能夠抑制噴嘴主體11的燒損。

此外，第二實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器40能得到與第一實(shí)施方式的氣體燃料燃燒器10同樣的效果。

對(duì)于利用由上述氣體燃料燃燒器40形成的火焰來(lái)對(duì)被加熱物進(jìn)行加熱的氣體燃料燃燒器的加熱方法而言，可通過(guò)將噴向燃燒室13的第一氧化劑的噴出速度設(shè)為50～300m/s，將氣體燃料的噴出速度設(shè)為20～100m/s，將第二氧化劑的噴出速度設(shè)為20～80m/s，將第三氧化劑的噴出速度設(shè)為20～80m/s的范圍而形成火焰，并且利用該火焰對(duì)被加熱物進(jìn)行加熱。

通過(guò)利用這種條件來(lái)實(shí)施氣體燃料燃燒器的加熱方法，能促進(jìn)氣體燃料與第二氧化劑及第三氧化劑的混合，能夠進(jìn)一步提前完成燃燒，因此能形成高溫的短焰。

另外，向第一氧化劑噴出口17供給的第一氧化劑的流量可在向燃燒室13供給的所有氧化劑的總流量的40％～90％的范圍內(nèi)。

由此，在未另行設(shè)置水冷機(jī)構(gòu)的情況下，能夠抑制燃燒器主體11的前端部的損傷，并且即使在被加熱物為易氧化的材料的情況下，也能抑制被加熱物的氧化。

以上，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明并不限定于這種特定實(shí)施方式，在權(quán)利要求書中記載的本發(fā)明的主旨范圍內(nèi)可進(jìn)行各種變形及變更。

例如，也可以由一個(gè)環(huán)狀的噴出口構(gòu)造氣體燃料噴出口18、第二氧化劑噴出口19和第三氧化劑噴出口41。

下面，對(duì)試驗(yàn)例1～3進(jìn)行說(shuō)明。

(試驗(yàn)例1)

在試驗(yàn)例1中，使用作為實(shí)施例1的圖1所示的氣體燃料燃燒器10和專利文獻(xiàn)1中公開的圖3所示的現(xiàn)有的燃燒器100來(lái)對(duì)兩個(gè)燃燒器的傳熱效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

此時(shí)，將兩個(gè)燃燒器的前端與水冷式傳熱面之間的距離設(shè)為150mm、200mm、300m、400mm。

此外，在此的“傳熱效率”是指測(cè)量流向水冷式傳熱面的水的流量、該水的入口溫度及該水的出口溫度之后利用這些測(cè)量值由下述(1)式算出的值。

傳熱效率＝水流量×(出口溫度-入口溫度)×水的比熱÷(燃料流量×低位發(fā)熱量)(1)

圖3是表示專利文獻(xiàn)1中公開的燃燒器的大致結(jié)構(gòu)的剖視圖。

在此，參照?qǐng)D3對(duì)現(xiàn)有的燃燒器100的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。

現(xiàn)有的燃燒器為具有噴嘴103、104(兩個(gè)噴嘴)的結(jié)構(gòu)。噴嘴103、104具有燃料導(dǎo)入部109、第一氧氣導(dǎo)入部110a、第二氧氣導(dǎo)入部110b、燃料腔室107、第一氧氣腔室108a、第二氧氣腔室108b、燃料供給管105和氧氣供給管106。

在燃燒器100的中心配置有呈圓筒形狀的第一氧氣導(dǎo)入部110a，在該第一氧氣導(dǎo)入部110a的外側(cè)配置有呈圓筒形狀的燃料導(dǎo)入部109。另外，在燃料導(dǎo)入部109的外側(cè)配置有呈圓筒形狀的第二氧氣導(dǎo)入部110b。

燃料導(dǎo)入部109與燃料腔室107連接。第一氧氣導(dǎo)入部110a與第一氧氣腔室108a連接。

另外，第二氧氣導(dǎo)入部110b與第二氧氣腔室108b連接。第一氧氣腔室108a及第二氧氣腔室108b經(jīng)由連結(jié)管連接。

燃料供給管105與燃料腔室107連接。氧氣供給管106與第一氧氣腔室108a連接。

燃料噴出口111配置在燃料導(dǎo)入部109的前端。第一氧氣噴出口112a配置在第一氧氣導(dǎo)入部110a的前端。第二氧氣噴出口112b配置在第二氧氣導(dǎo)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分別呈圓筒形狀，并且以中心軸一致的方式配置。

燃料供給管105與燃料供給源(未圖示)連接。氧氣供給管106與氧氣供給源(未圖示)連接。

燃料經(jīng)由燃料供給管105被供給到燃料腔室107中。供給到燃料腔室107中的燃料被供給到噴嘴103、104的燃料導(dǎo)入部109，并從燃料噴出口111噴出。

氧氣經(jīng)由氧氣供給管106被供給到第一氧氣腔室108a中，進(jìn)而經(jīng)由連結(jié)管被供給到第二氧氣腔室108b中。

氧氣自第一氧氣腔室108a經(jīng)由噴嘴103、104的第一氧氣導(dǎo)入管110a從第一氧氣噴出口112a噴出。

另外，氧氣自第二氧氣腔室108b經(jīng)由噴嘴103、104的第一氧氣導(dǎo)入管110b從第二氧氣噴出口112b噴出。

在此，參照?qǐng)D1對(duì)實(shí)施例1的氣體燃料燃燒器10的條件進(jìn)行說(shuō)明。

在實(shí)施例1中，第一圓形面13-1的直徑d1為10mm，燃燒室13的長(zhǎng)度l為10mm，角度θ1為5度，角度θ2為10度，角度θ3為15度，第一氧氣的流量:第二氧氣的流量＝4:1，第一氧(第一氧化劑)的噴出速度為300m/s，第二氧(第二氧化劑)的噴出速度為40m/s，作為氣體燃料的甲烷的噴出速度為80m/s，第一氧及第二氧的總流量為7.7nm³/h，作為氣體燃料的甲烷的流量為3.5nm³/h。

作為圖3所示的燃燒器100的條件，利用下述條件。

在燃燒器100中，第一氧的噴出速度為100m/s，第二氧的噴出速度為40m/s，作為氣體燃料的甲烷的噴出速度為80m/s，第一氧及第二氧的總流量為7.7nm³/h，作為氣體燃料的甲烷的流量為3.5nm³/h。

圖4中示出利用上述條件算出的實(shí)施例1及比較例的燃燒器的前端和水冷式傳熱面之間的距離與相對(duì)傳熱效率之間的關(guān)系。

圖4是表示試驗(yàn)例1下的實(shí)施例1及比較例的燃燒器和水冷式傳熱面之間的距離與相對(duì)傳熱效率之間的關(guān)系的圖表。此外，在圖4中，通過(guò)將燃燒器的前端和水冷式傳熱面之間的距離為200mm時(shí)的相對(duì)傳熱效率設(shè)為1.0，示出相對(duì)傳熱效率。

參照?qǐng)D4能夠確認(rèn)實(shí)施例1的傳熱效率比比較例高，特別能夠確認(rèn)在燃燒器的前端和水冷式傳熱面之間的距離為200mm以下時(shí)得到較高的傳熱效率。

使用圖1所示的氣體燃料燃燒器10和專利文獻(xiàn)1中公開的圖3所示的現(xiàn)有的燃燒器100，來(lái)調(diào)查在水冷傳熱面上距火焰沖撞位置的徑向距離與沖撞對(duì)流熱流束之間的關(guān)系。表5中示出該結(jié)果。圖5是表示在水冷式傳熱面上距火焰沖撞位置的徑向距離與沖撞對(duì)流熱流束之間的關(guān)系的圖表。

此外，火焰沖撞位置是指燃燒器的中心軸與水冷傳熱面之間的交點(diǎn)。

另外，沖撞對(duì)流熱流束是指每單位面積及單位時(shí)間下所傳遞的熱量?？赏ㄟ^(guò)將由水冷式傳熱盤的水量和入口與出口之間的溫度差求出的傳遞到水冷式傳熱盤的熱量除以傳熱面的面積來(lái)算出沖撞對(duì)流熱流束。

根據(jù)圖5的結(jié)果，判明與比較例相比較，實(shí)施例1的氣體燃料燃燒器在火焰的沖撞位置的中心附近能得到非常高的熱流束。特別是，在火焰的沖撞位置的中心位置處，能得到約1.6倍的熱流束，這意味著能夠快速加熱被加熱物。

(試驗(yàn)例2)

在試驗(yàn)例2中，使用作為實(shí)施例2的圖2所示的氣體燃料燃燒器40進(jìn)行了與前面說(shuō)明的實(shí)施例1同樣的試驗(yàn)。

具體而言，在實(shí)施例2中，在使用氣體燃料燃燒器40的情況下，調(diào)查燃燒器的前端和水冷式傳熱面之間的距離為150mm、200mm、300mm、400mm時(shí)的傳熱效率。

在此，參照?qǐng)D2對(duì)實(shí)施例2的氣體燃料燃燒器40的條件進(jìn)行說(shuō)明。

在實(shí)施例2中，除角度θ4為10度，第一氧(第一氧化劑)的流量:第二氧(第二氧化劑)的流量:第三氧(第三氧化劑)的流量＝8:1:1，第三氧的噴出速度為40m/s，第一氧至第三氧的總流量為7.7nm³/h以外，利用與實(shí)施例1同樣的條件。

圖6中示出利用上述條件且根據(jù)與試驗(yàn)例1中說(shuō)明的相對(duì)傳熱效率的計(jì)算方法同樣的方法算出的實(shí)施例2的燃燒器的前端和水冷式傳熱面之間的距離與相對(duì)傳熱效率之間的關(guān)系。圖6中還示出實(shí)施例1及比較例的燃燒器的前端和水冷式傳熱面之間的距離與相對(duì)傳熱效率之間的關(guān)系。

圖6是表示實(shí)施例1、實(shí)施例2及比較例的燃燒器的前端和水冷式傳熱面之間的距離與相對(duì)傳熱效率之間的關(guān)系的圖表。此外，在圖6中，通過(guò)將燃燒器的前端和水冷式傳熱面之間的距離為200mm時(shí)的相對(duì)傳熱效率設(shè)為1.0，示出相對(duì)傳熱效率。

根據(jù)圖6的結(jié)果，判明與實(shí)施例1相比較，實(shí)施例2的氣體燃料燃燒器在250mm以上的距離下能得到較高的傳熱效率。另外，可確認(rèn)在更遠(yuǎn)離燃燒器的前端的位置處也能得到較高的傳熱效率。

(試驗(yàn)例3)

在試驗(yàn)例3中，使用圖2所示的氣體燃料燃燒器40調(diào)查(第一氧量)/(所有氧量)對(duì)相對(duì)傳熱效率的影響。此時(shí)，測(cè)量改變第一氧的流量對(duì)所有氧的流量的比率時(shí)的沖撞對(duì)流傳熱效率。將從所有氧的流量中減去第一氧的流量后的流量作為第一氧及第三氧的流量來(lái)供給。另外，第一氧的流量和第三氧的流量為相同的流量。圖7中示出其結(jié)果。

圖7是表示(第一氧流量)/(所有氧流量)與相對(duì)傳熱效率之間的關(guān)系的圖表。

根據(jù)圖7的結(jié)果，可確認(rèn)在圖2的氣體燃料燃燒器40中通過(guò)將第一氧(第一氧化劑)的比例設(shè)為40％以上而能得到高于比較例的傳熱效率。

但是，如果第一氧量(第一氧化劑)的比例超過(guò)90％，則由于第二氧(第二氧化劑)及第三氧(第三氧化劑)的流量過(guò)少，因此不能得到實(shí)用的火焰。這被推測(cè)為起因于火焰穩(wěn)定效果降低且燃料及氧化劑的混合變差。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

本發(fā)明能夠應(yīng)用到適于利用對(duì)流傳熱對(duì)被加熱物進(jìn)行加熱的氣體燃料燃燒器及氣體燃料燃燒器的加熱方法中。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

10、40氣體燃料燃燒器

11燃燒器主體12氣體燃料供給通路13a側(cè)面

13燃燒室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(huán)狀部件22第二環(huán)狀部件24第一氧化劑供給通路

26前端部26a傾斜面28第二氧化劑供給通路

41第三氧化劑噴出口c1中心cl1中心軸

d開口直徑d1第一直徑d2第二直徑

l長(zhǎng)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～θ4角度