JP2004191032A - ガスバーナおよびガス燃焼方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】コンパクトかつ低ＮＯXの燃焼排ガスを形成するガスバーナおよびガス燃焼方法を提供する。
【解決手段】バーナタイル２８が取り付けられたハウジング１４と、ハウジング１４内に空気を送り込むためのエアレジスタ２４を備えたガスバーナ１０において、該バーナタイル２８は、開口３２を有するとともに、開口３２を取り囲んで炉空間内へと延びる壁部３４を有している。壁部３４の外側面は、径方向に配置された複数のバッフル４０により複数の小壁部３６，３８に分割されている。小壁部３６，３８は、同じまたは異なる高さを有するとともに、同じまたは異なる角度で開口に向かって傾斜している。
【選択図】 図２
【解決手段】バーナタイル２８が取り付けられたハウジング１４と、ハウジング１４内に空気を送り込むためのエアレジスタ２４を備えたガスバーナ１０において、該バーナタイル２８は、開口３２を有するとともに、開口３２を取り囲んで炉空間内へと延びる壁部３４を有している。壁部３４の外側面は、径方向に配置された複数のバッフル４０により複数の小壁部３６，３８に分割されている。小壁部３６，３８は、同じまたは異なる高さを有するとともに、同じまたは異なる角度で開口に向かって傾斜している。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスと空気とから成る混合気を燃焼することによりＮＯX含有量が少ない燃焼排ガスを形成するガスバーナおよびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気中に放出される窒素酸化物（ＮＯX）等のガス状汚染物質の量を規制する排気ガス基準が、行政当局によって次々と課されている。そのような基準に伴い、ＮＯXおよび他の汚染ガスの生成を低減する様々なガスバーナが開発されている。例えば、第１の領域において空気のすべてと燃料の一部を燃焼させ、残りの燃料を第２の領域において燃焼させるという方法およびその方法を実現するガスバーナが開発されている。この段階的な燃料の取り扱いによれば、第１の領域での過剰な空気は燃焼ガスの温度を下げる希釈剤として作用し、その作用は、ＮＯX形成の低減をもたらす。また、他の燃焼方法およびガスバーナとして、燃料ガスまたは燃料ガス−空気混合気に燃焼排ガスを混合させることによって、その燃料ガスまたは燃料ガス−空気混合気を希釈し、その燃焼温度およびＮＯX形成を低減させるものも開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような低ＮＯXの燃焼排ガスを生成する従来の方法およびガスバーナは、様々な観点において成功している一方、依然として、燃焼排ガスの低ＮＯX化を簡単かつ安価に実現するための改善が求められている。また、上述したような方法を実現する従来のガスバーナは、一般に大型であり、形成される火炎が長く、ターンダウン比（燃焼入力の最低と最高の比）も低い。
【０００４】
したがって、低ＮＯXの燃焼排ガスを生成するとともに、コンパクトで火炎長が短く、ターンダウン比の高いガスバーナおよびガス燃焼方法が要望されている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるガスバーナおよびガス燃焼方法は、燃料ガスと空気とから成る混合気を、その混合気が燃焼されかつ低ＮＯXの燃焼排ガスが形成される炉空間内に噴射するものである。また、本発明にかかるガスバーナは、従来の多くのガスバーナと比べて小型であり、ターンダウン比が高く、さらには、形成される火炎長が短い。
【０００６】
また、本発明にかかるガスバーナは、炉に取り付けられる開口端を有するハウジングと、流量の制御された空気をそのハウジング内へと導く手段とを基本構成として備えている。そのハウジングの開口端には、耐熱バーナタイルが取り付けられる。耐熱バーナタイルは、空気をハウジングから炉内へと送り込むための開口と、その開口を取り囲んで炉空間内へと延び且つその内部および上側に混合領域を形成する壁部とを有している。壁部の外側面は、これに取り付けられて径方向に配置された複数のバッフルによって複数の領域（以下、小壁部と称する）に分割されている。各小壁部は、同じまたは異なる高さと、同じまたは異なる角度で上記開口に向けて傾斜した外側面とを有している。また、小壁部の幾つかまたは全てには（好ましくは小壁部の１つおきに）、一次燃料ガスを小壁部の外側から壁部の内部へと導くための通路が形成されている。また、燃料ガス源に接続された一次燃料ガス噴射ノズルが、別の一次燃料ガスとバーナタイルを通じて流れる空気とを混合させるために、バーナタイルの壁部の開口および壁部内に任意の位置で配置される。さらに、燃料ガス源に接続された少なくとも１つの二次燃料ガス噴射ノズルが、少なくとも１つの小壁部の近傍に二次燃料ガスを噴射するために、ガスバーナの壁部の外側に（好ましくは小壁部毎に）配置される。また、その少なくとも１つの二次燃料ガス噴射ノズル（好ましくは１つおきの二次燃料ガス噴射ノズル）は、二次燃料ガスだけでなく、燃焼排ガスおよび一次燃料ガスを一次燃料ガス通路を介して噴射する。これにより、二次燃料ガスは、炉空間内で燃焼排ガスと混ざり合い、二次燃料ガスと燃焼排ガスとから成る混合気は、バーナタイルの開口および壁部を通じて流れる空気、一次燃料ガス、燃焼排ガスと混合し、その結果更に生じる混合気は、褶曲火炎パターンで炉空間内において燃焼される。
【０００７】
また、本発明にかかるガス燃焼方法によれば、燃料ガスと空気とから成る混合気を炉空間内に噴射し、その混合気を褶曲火炎パターンで燃焼することによって、ＮＯX含有量の低い燃焼排ガスを生成する。このガス燃焼方法は、基本的に、炉空間内へと延びる壁部内および壁部に隣接する混合領域へと空気を噴射するステップを含んでいる。上記壁部の外側面は、これに取り付けられて径方向に配置された複数のバッフルによって複数の上記小壁部に分割されている。各小壁部は、同じまたは異なる高さと、同じまたは異なる角度で上記開口に向けて傾斜した外側面とを有している。また、小壁部の幾つかまたは全てには（好ましくは小壁部の１つおきに）、一次燃料ガスを小壁部の外側から壁部の内部へと導くための通路が形成されている。燃料ガスの第１の部分は、通路が形成された少なくとも１つの小壁部の外側からその小壁部へと噴射され、これにより、燃料ガスの第１の部分は、炉空間内で燃焼排ガスと混合される。そして、その結果生じた一次燃料ガスと燃焼排ガスとから成る混合気は、少なくとも１つの通路により壁部内の混合領域へと流れ、これにより、炉空間内へと流れる一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気が形成される。同時に、燃料ガスの第２の部分は、少なくとも１つの小壁部の外側からその小壁部へと噴射される。これにより、燃料ガスの第２の部分は、炉空間内で燃焼排ガスと混合される。そして、その結果生じた二次燃料ガスと燃焼排ガスとから成る混合気は、複数の異なるガス流により、一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気中へと噴射されてこの混合気と混合される。最終的に、褶曲火炎パターンで燃焼される燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合度が高い混合気が形成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかるガスバーナおよびガス燃焼方法の実施の形態を、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
【０００９】
図２に示されるように、本発明にかかるガスバーナ１０は、炉壁（炉の底）１２にその内部開口を覆うように密閉状態で取り付けられている。ガスバーナは、一般に、図２に示されるように垂直に装着されて上向きに発火させるが、ガスバーナを水平に装着して水平に発火させても良く、あるいは、垂直に装着して下向きに発火させても良いことは言うまでもない。
【００１０】
ガスバーナ１０は、開口端１６および開口端１８を有するハウジング１４を備えている。ハウジング１４は、フランジ２０および複数のボルト２２によって、炉壁１２に取り付けられている。ボルト２２は、フランジ２０および炉壁１２に相補的に形成された穴を貫通している。ハウジング１４の開口端１６には、ハウジング１４内に流入する燃焼用空気の流量を調整するエアレジスタ２４が接続されている。炉壁１２には、断熱材２６が取り付けられており、ハウジング１４の開口端１８には、耐熱耐火材によって形成されたバーナタイル２８が取り付けられている。
【００１１】
図２に示されるように、炉壁１２に取り付けられた断熱材２６の内面およびバーナタイル２８のベース部３０の上端は、ガスバーナ１０から排出された燃料ガスおよび空気が内部で燃焼する炉空間を形成している。バーナタイル２８は、そのベース３０に形成された中心開口３２を有している。エアレジスタ２４によってハウジング１４内に流入した空気は、この中心開口３２を通じて排出される。また、バーナタイル２８は、中心開口３２を取り囲んで炉内へと延びる壁部３４を有している。壁部３４の内部、中心開口３２、およびハウジング１４は、円形、矩形、正方形、三角形、多角形、他の形状など、様々な形状を成すことができる。特に、ガスバーナ１０は、内部に円形の中心開口３２を有し且つ円形の壁部３４を有する円形のバーナタイル２８を備えていることが好ましい。また、ハウジング１４は、内部に円形の開口端１８を有することが好ましく、特にその外形が円筒状であることが好ましい。しかしながら、その開口端１８は正方形でも良く、また、その外形は正方形または矩形の側面１５を有した角柱であってもよい。図２に示される好適な実施の形態では、バーナタイル２８の中心開口３２は、保炎面として機能する突出部３５がバーナタイル２８の内側に形成されるように、壁部３４の内壁３３よりも小さい。
【００１２】
図１は、バーナタイル２８およびその壁部３４の斜視図である。図２に明確に示されるように、壁部３４の内壁は垂直である。一方、壁部３４の外側面は、径方向に配置されたバッフル４０によって複数の小壁部３６，３８に分割されている。小壁部３６，３８は、同じ高さまたは異なる高さを有し、且つそれらの外側面が中心開口３２に向かって同じ角度または異なる角度で傾斜するように、交互に配置されている。なおこれら交互に配置される小壁部３６，３８は、図１に示すように、高さと外側面の傾斜角度との双方が異なっていることが好ましい。
【００１３】
図４から分かるように、好適な実施の形態においては、高さが大きく且つ中心開口３２に向って小さな角度で傾斜する小壁部３８と比較して、小壁部３６は、高さが低く且つ中心開口３２に向って大きな角度で傾斜している。ここで分かるように、また、図１〜図４に示されるように、バッフル４０間の小壁部３６，３８は、壁部３４の周囲に交互に配置されている。それら図においては、４つの小壁部３６と４つの小壁部３８とが示されている。交互に配置される各小壁部の数は、総数が例えば４，６，８，１０個といった偶数であれば、ガスバーナのサイズに応じて、４個より多くても少なくても良い。
【００１４】
小壁部３６は、約０インチ〜約１６インチの範囲の高さを有するとともに、その外側面が約０°〜約９０°の範囲の角度で中心開口３２に向って傾斜していることが好ましく、また、小壁部３８は、約２インチ〜約１６インチの範囲で、小壁部３６と同じ高さまたは異なる高さを有するとともに、その外側面が約０°〜約６０°の範囲においてその外側面が小壁部３６と同じ角度または異なる角度で中心開口３２に向って傾斜していることが好ましい。図２〜図４に明確に示されるように、各小壁部３６は、壁部３４の外側から内側に向って延びる通路４２を有しており、後述するように、この通路４２を通じて、燃焼排ガスと混合された燃料ガスが流れる。
【００１５】
小壁部３６，３８の更なる好適な例は、一方の小壁部（以下、第１の小壁部と称する）が、約５インチ〜約１０インチの範囲の高さと約１０°〜約３０°の範囲の傾斜角の外側面とを有し、他方の小壁部（以下、第２の小壁部と称する）が、約６インチ〜約１２インチの範囲で第１の小壁部と同じまたは異なる高さと約５°〜約１５°の範囲において第１の小壁部と同じまたは異なる傾斜角の外側面とを有した構成である。
【００１６】
図示する最も好適な例では、第１の小壁部は、約７インチの高さと約２０°の傾斜角の外側面を有し、第２の小壁部は、約９インチの高さと約１０°の傾斜角の外側面とを有している。
【００１７】
図１および図２に示されるように、中心の一次燃料ガス噴射ノズル４４は、バーナタイル２８の底部近傍において、中心開口３２内の任意の位置に配置される。一次燃料ガス噴射ノズル４４は、その使用時、管路４６によって燃料ガスマニホールド４８に接続される。管路４６は管継手（ユニオン）５０によって燃料ガスマニホールド４８に接続され、また、燃料ガスマニホールド４８に接続された管路５２は、加圧燃料ガス源に接続されている。また、図２および図３に示されるように、ベンチュリ管３７は、一次燃料ガス噴射ノズル４４よりも上側にかつ一次燃料ガス噴射ノズル４４を取り囲むような任意の位置に配置され、これにより燃料ガスと空気とから成る燃料ガス希薄混合気はベンチュリ管３７の上部内で形成されて燃焼される。また、一次燃料ガス噴射ノズル４４およびベンチュリ管３７はそれぞれ単一でなく、複数個設けられてもよい。
【００１８】
図２および図３に明確に示されるように、壁部３４の小壁部３６，３８の底部に隣接するバーナタイル２８のベース部３０上には、複数の二次燃料ガス噴射ノズル５４が互いに離間して配置されている。二次燃料ガス噴射ノズル５４は、バーナタイル２８のベース部３０の表面と小壁部３６，３８との交差部に隣接して配置されている。二次燃料ガス噴射ノズル５４は、管継手５８によって燃料ガスマニホールド４８に接続された燃料ガス管路５６（図２）に接続されている。小壁部３８に隣接して配置された二次燃料ガス噴射ノズル５４は、その内部に燃料ガス排気口を有しており、これにより、二次燃料ガスが、小壁部３８の外面と略平行で且つ隣接した扇形状として噴射される。一方、小壁部３６に隣接して位置された二次燃料ガス噴射ノズル５４もまた同様に、その内部に燃料ガス排気口を有しており、これにより、二次燃料ガスは、小壁部３６の外面と略平行で且つ隣接した扇形状として噴射される。二次燃料ガス噴射ノズル５４によって噴射された二次燃料ガスは、小壁部３６，３８上に沿って流れ、バーナタイル２８の外側にある炉空間内の燃焼排ガスが、この二次燃料ガスと混合される。
【００１９】
図３に示されるように、小壁部３６の通路４２は、二次燃料ガス噴射ノズル５４に隣接して配置されている。領域３６および通路４２に隣接する燃料ガスノズル５４は、小壁部３６の表面と平行に二次燃料ガスを噴射する燃料ガス排気口の他に、バーナタイル２８の中心開口３２および壁部３４の内側へと一次燃料ガスを噴射する一次燃料ガス排気口を有している。通路４２を通じて流れる一次燃料ガス噴射によって、バーナタイル２８の外側の炉空間燃焼排ガスは、一次燃料ガスと共に通路４２内へと引き込まれ、バーナタイル２８の中心開口３２および壁部３４の内側へと流入する。
【００２０】
一次燃料ガス噴射および燃焼排ガスが流れる通路４２は、上述したように１つの小壁部おきに配置されていることが好ましいが、一次燃料ガス噴射および燃焼排ガスが流れる１つまたは複数の通路４２をバーナタイル２８の壁部３４に設けても良いことは言うまでもない。
【００２１】
バッフル４０は、小壁部３６，３８を形成することに加えて、二次燃料ガスおよび燃焼排ガスを複数の異なるガス流に分割するように機能する。これらガス流は、バーナタイル２８の壁部３４内に流入し、この壁部３４内から噴射される一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気と十分に混合される。壁部３４の内部で形成される一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気は、壁部３４内で点火された後、壁部３４から流れ出る。二次燃料ガスと燃焼排ガスとから成るガス流が、一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気に衝突すると、図５に示されるように、複数のＵ字形状または褶曲状の火炎６０が形成される。燃焼プロセスにおいてＮＯXを生成する主なメカニズムの１つとして、サーマルＮＯXが知られている。サーマルＮＯXとは、火炎の温度が高くなるほど、多くのＮＯXが形成されるという現象である。
【００２２】
本発明にかかるガスバーナでは、燃料ガスが、空気と共に燃焼する前および燃焼中に、図５に示される多数の火炎６０によって燃焼排ガスと速やかに混合され、これによって、ＮＯXが減少する。また、火炎６０は、褶曲且つ屈曲しているのでその表面積が大きく、これにより燃焼排ガスは非常に効率良く火炎と混合することができる。さらに、燃焼排ガスは、褶曲部間に存在する火炎中の裂け目６２を通じて火炎間を行き来し、更に良く火炎と混ざり合うことができる。これら全ての要因が低ＮＯX化に寄与する。
【００２３】
ガスバーナ１０の動作中、燃料ガスは、ガスバーナ１０が取り付けられる炉空間内に送られ、所望の発熱を生じる流量で炉空間内において燃焼される。また、空気がハウジング１４内に送られ、空気の柱が炉空間内へと流れる。炉空間内へと流入される空気の流量は、空気と燃料ガスとから成る理論混合気（化学量的な混合気）を形成するために必要な空気の流量を約０％〜約１００％の範囲で上回る。空気の流量は、理論空気流量を約１５％だけ上回っていることが好ましい。つまり、炉空間内に噴射される燃料ガスと空気とから成る混合気は、約０％〜約１００％の過剰な空気を含んでいる。図２に示されるように、空気の柱は、ハウジング１４およびバーナタイル２８内の中心開口３２を貫通して流れ、壁部３４内の上部に形成された混合領域内に流入する。空気は、通路４２および二次燃料ガスノズル５４によって（任意に燃料ガスノズル４４によって）混合領域内へと噴射され、混合領域内へと噴射される一次燃料ガスおよび燃焼排ガスと混ざり合う。これによって生じた一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気は、より過剰な空気を含んでおり、バーナタイル２８の内部または上端で燃焼される。また、これによって形成される燃焼排ガスは、空気および燃焼排ガスによる燃料ガスの希釈化により、ＮＯX含有量が非常に低い。
【００２４】
二次燃料ガスノズル５４によって小壁部３６，３８の表面に対して平行に噴射される二次燃料ガスは、バーナタイル２８を取り囲む燃焼排ガスと混合される。これによって生じた二次燃料ガスと燃焼排ガスとから成る混合気は、褶曲火炎パターンを形成する複数の異なるガス流によって、壁部３４の内部から流れ出る一次燃料ガスと空気とから成る混合気中に噴射されて、この一次燃料ガス−空気混合気と混ざり合い、一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る高混合度の混合気を形成する。一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気は、炉空間内の多数の褶曲火炎中で燃焼され、燃料ガスが比較的冷たい過剰空気と燃焼排ガスとによって希釈されていることから、低ＮＯXの燃焼排ガスを生成する。
【００２５】
二次燃料ガスは、全ての小壁部３６，３８の表面に隣接する燃料ガスノズル４４によって噴射されることが好ましいが、１つまたは複数の小壁部３６，３８に隣接する１つまたは複数のノズル４４から噴射されても良いことは言うまでもない。
【００２６】
本発明にかかるガス燃焼方法は、燃料ガスと空気とから成る混合気を炉空間内に噴射し、褶曲火炎パターンで混合気を燃焼して、この燃焼によってＮＯX含有量の低い燃焼排ガスを形成する方法である。具体的には、炉空間内へと延びる壁部と、前記壁部に隣接する混合領域と、前記壁部を、前記壁部の同じ高さまたは異なる高さを有するとともに同じ角度または異なる角度で前記壁部の開口に向って傾斜した外側面を有する複数の小壁部に分割するように該壁部に径方向に取り付けられた複数のバッフルと、少なくとも１つの小壁部に形成されるとともに燃料ガスと燃焼排ガスとから成る混合気を前記小壁部の外側から前記壁部内へと導く燃料ガス通路とを備えたガスバーナのガス燃焼方法であって、前記壁部内および前記混合領域へと空気を噴射する空気噴射ステップと、前記燃料ガス通路が形成された少なくとも１つの小壁部の外側から該小壁部の外側面に前記燃料ガスの第１の部分を噴射し、該第１の部分を前記炉空間内で燃焼排ガスと混合させ、その結果生じた該第１の部分と燃焼排ガスとから成る混合気を前記燃料ガス通路を介して前記壁部内へと送ることにより、前記炉空間内へと流れる燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る第１の混合気を形成する第１の混合気形成ステップと、前記少なくとも１つの小壁部の外側から該小壁部に前記燃料ガスの第２の部分を噴射して、該第２の部分を前記炉空間内で燃焼排ガスと混合させ、その結果生じた該第２の部分と燃焼排ガスとから成る第２の混合気を、前記バッフルによって形成される少なくとも１つのガス流により、前記第１の混合気中へと噴射して該第１の混合気と混合させることにより、褶曲火炎パターンで燃焼される燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合度が高い第３の混合気を形成する第２の混合気形成ステップと、を含んでいる。
【００２７】
また、前述の方法は、バーナタイルの壁部内にある混合領域内へと燃料ガスの一部を送ることによって、燃料ガスを混合領域内で空気と混合させる任意的なステップを含んでいても良い。
【００２８】
また、上記した第１の混合気形成ステップにおいて、炉空間内に噴射される上記第１の混合気は、約０％〜約１００％の過剰な空気を含んでいても良い。また、上記した第１の混合気形成ステップにおいて、前記燃料ガスの第１の部分は、炉空間内に噴射される全燃料ガスの体積の約２％〜約４０％の範囲であってもよい。さらに、上記した第２の混合気形成ステップにおいて、前記燃料ガスの第２の部分は、炉空間内に噴射される全燃料ガスの体積の約６０％〜約９８％の範囲である。
【００２９】
また、本発明にかかる別のガス燃焼方法は、燃料ガスと空気とから成る混合気を炉空間内に噴射し、褶曲火炎パターンで混合気を燃焼して、この燃焼によってＮＯX含有量の低い燃焼排ガスを形成する方法であって、空気の柱を前記炉空間内へと噴射する空気噴射ステップと、炉空間からの燃焼排ガスと混合された燃料ガスの第１の部分を前記空気の柱の中へと噴射する第１の燃料ガス噴射ステップと、前記炉空間からの燃焼排ガスと混合された燃料ガスの第２の部分を、前記空気の柱の周囲の離間した複数の場所から複数の異なるガス流によって、燃焼排ガスと混合された前記燃料ガスの第１の部分を含む空気の柱の中へと噴射する第２の燃料ガス噴射ステップと、を含み、前記ガス流は、径方向から前記空気の柱の中に流入し、燃焼排ガスおよび空気によって取り囲まれて混合される褶曲火炎を生成させ、前記燃料ガスの第１の部分と共に前記空気の柱内で燃焼されることを特徴とする。
【００３０】
また、本発明にかかる更に別のガス燃焼方法は、燃料ガスと空気とから成る混合気を炉空間内に噴射し、褶曲火炎パターンで混合気を燃焼して、この燃焼によってＮＯX含有量の低い燃焼排ガスを形成する方法であって、上記空気を上記炉空間内へと噴射する空気噴射ステップと、上記炉空間からの燃焼排ガスと混合された上記燃料ガスを、２つ以上の異なるガス流で上記空気中へと噴射する燃料ガス噴射ステップと、を含み、前記ガス流は、空気中に流入し、燃焼排ガスおよび空気によって取り囲まれて混合される少なくとも１つの褶曲火炎を成して空気中で燃焼することを特徴とする。
【００３１】
本発明にかかるガスバーナ、その動作、および本発明にかかるガス燃焼方法を、以下の実施例により詳述する。
（実施例１）
実施例１では、本発明にかかるガスバーナ１０として、９１３ＢＴＵ（イギリス熱単位：British thermal unit）／ＳＣＦ（常温・常圧下での１ｆｔ3当たりの気体流量）のカロリー値を有する天然ガスを燃焼させた際に、１時間当たり８００００００ＢＴＵの発熱を生じるように設計されたものを使用した。このガスバーナ１０を用いて炉空間内を発火させるにおいて、燃料ガスマニホールド４８に供給する加圧燃料ガスを、約３３ｐｓｉｇ（pounds per square inch gage）の圧力および約８７６５ＳＣＦ／時の流量とした。また、燃料ガスの体積の２０％（１７５３ＳＣＦ／時）を一次燃料ガスとして使用し、一次燃料ガス噴射ノズル４４と、バーナタイル２８の壁部３４の通路４２に隣接して配置された二次燃料ガス噴射ノズル５４とによって、その一次燃料ガスをバーナタイル２８の中心開口３２および壁部３４内へと噴射した。一方、一次燃料ガスの残りの部分、すなわち、第２の部分（７０１２ＳＣＦ／時の流量で）は、二次燃料ガス噴射ノズル５４によって、燃焼排ガスと混合された他の燃料ガス流で、炉空間内へと噴射された。
【００３２】
本実施例では、エアレジスタ２４、ハウジング１４、およびバーナタイル２８によって炉空間内へと送り込まれる空気の割合は、燃料ガス全体の割合に対する化学量論的な空気の割合を少なくとも約１５％上回っていた。一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気は、通路４２の近傍で且つバーナタイル２８の壁部３４の上端で燃焼し始めた。バーナタイル２８の壁部３４の上部で部分的に燃焼する燃料ガス−空気−燃焼排ガス中へと様々な角度で噴射される燃料ガス−燃焼排ガスの混合気は、炉空間からの燃焼排ガスと炉空間内の残存空気とに十分に混合し、褶曲火炎パターンを有する短い火炎を成してバーナタイルの上側で燃焼した。燃焼排ガスおよび過剰空気を用いて一次燃料ガスおよび二次燃料ガスを希釈するとともに、燃料ガスと燃焼排ガスと空気とを十分に混合したため、ガスバーナ１０は、高いターンダウン比と、ＮＯXの発生の低下を実現した。最後に、ガスバーナ１０は、コンパクトな寸法（他の低ＮＯXのガスバーナよりも十分に小さい）を有しており、既存の炉に簡単に設置できる。
【００３３】
（実施例２）
次に、実施例２について説明する。実施例２では、上述した実施例１で説明した動作条件の下でガスバーナ１０により形成される火炎パターンを、コンピュータシミュレーションプログラムによって観察した。使用したソフトウェアは、ニューハンプシャー州レバノンにあるＦｌｕｅｎｔ Ｉｎｃ．から入手した。シミュレーションプログラム上では、タイル面、燃料ガスポート穿孔、保炎タイル突出部、完全エアプレナム構成といった全ての重要な特徴を含むフル３次元構成のガスバーナモデルが構築された。
【００３４】
その後、ガスバーナが試験される炉の３次元モデルを準備し、実施例１で使用したガスバーナおよび炉と同じように、上記ガスバーナモデルを炉モデル内に正確に装着した。ただし、空気は、底部からではなく、側方からハウジング内に流入するようにした。有限体積法を使用して、ガスバーナモデル内の流れ空間を複数の小体積部分に分割した。また、ガスバーナモデルの入口に、燃料圧力や流量等の境界条件を加えた。その後、ソフトウェアの演算により、流れパターンおよび燃焼反応を予測するとともに、各小体積部分に対して燃焼パラメータおよび流量パラメータの全てに関する値を繰り返し計算することにより、形成される火炎パターンを予測した。
【００３５】
予測誤差が所望のレベルに減少するまで計算を繰り返した後、出力（各小体積部分における値の表）を、グラフィックスソフトウェアパッケージに入力することにより、所望の火炎の断面での静温度のプロファイルを得た。図５は、ある火炎断面のプロファイルが示している。図５に示されるように、火炎パターンは、バーナタイル２８の８つの小壁部３６，３８に対応する８つの褶曲火炎６０を有するとともに、褶曲火炎間に裂け目６２を有している。中心の火炎６４は、一次燃料ガス噴射ノズル４４から噴射される燃料の燃焼によって形成される。
【００３６】
上述したように、個々に分離される褶曲火炎６０によって、燃料ガスは、空気と燃焼する前に燃焼排ガスと速やかに混合することができ、これにより、火炎温度およびＮＯXの生成が減少する。また、褶曲火炎６０の大きな表面積と褶曲火炎間に存在する裂け目６２によって、燃焼排ガスは、従来よりも多く、火炎を貫通して火炎と混ざり合うことができる。その結果、大気に放出される燃焼排ガスのＮＯX含有量が非常に低くなる。
【００３７】
このように、本発明は、上述した目的を果たして上述した結果および利点を得ることができる。当業者であれば多くの変更を成すことができるが、そのような変更は、添付の特許請求の範囲において特定される本発明の思想に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複数のバッフルによって複数の領域に分割される壁部を有する本発明にかかるガスバーナのバーナタイルの斜視図である。
【図２】図１の２−２線に沿って切断した本発明にかかるガスバーナの側断面図である。
【図３】図２の３−３線に沿って切断した本発明にかかるガスバーナの平面図である。
【図４】図３の４−４線に沿って切断した本発明にかかるガスバーナのバーナタイルの側断面図である。
【図５】本発明にかかるガスバーナおよびガス燃焼方法によって形成される褶曲火炎パターンの画像例を示す図である。
【符号の説明】
１０ ガスバーナ
１２ 炉壁
１４ ハウジング
１６，１８ 開口端
２８ バーナタイル
３４ 壁部
３６，３８ 小壁部
４２ 通路
４４ 一次燃料ガス噴射ノズル
５４ 二次燃料ガス噴射ノズル
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスと空気とから成る混合気を燃焼することによりＮＯX含有量が少ない燃焼排ガスを形成するガスバーナおよびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気中に放出される窒素酸化物（ＮＯX）等のガス状汚染物質の量を規制する排気ガス基準が、行政当局によって次々と課されている。そのような基準に伴い、ＮＯXおよび他の汚染ガスの生成を低減する様々なガスバーナが開発されている。例えば、第１の領域において空気のすべてと燃料の一部を燃焼させ、残りの燃料を第２の領域において燃焼させるという方法およびその方法を実現するガスバーナが開発されている。この段階的な燃料の取り扱いによれば、第１の領域での過剰な空気は燃焼ガスの温度を下げる希釈剤として作用し、その作用は、ＮＯX形成の低減をもたらす。また、他の燃焼方法およびガスバーナとして、燃料ガスまたは燃料ガス−空気混合気に燃焼排ガスを混合させることによって、その燃料ガスまたは燃料ガス−空気混合気を希釈し、その燃焼温度およびＮＯX形成を低減させるものも開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような低ＮＯXの燃焼排ガスを生成する従来の方法およびガスバーナは、様々な観点において成功している一方、依然として、燃焼排ガスの低ＮＯX化を簡単かつ安価に実現するための改善が求められている。また、上述したような方法を実現する従来のガスバーナは、一般に大型であり、形成される火炎が長く、ターンダウン比（燃焼入力の最低と最高の比）も低い。
【０００４】
したがって、低ＮＯXの燃焼排ガスを生成するとともに、コンパクトで火炎長が短く、ターンダウン比の高いガスバーナおよびガス燃焼方法が要望されている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるガスバーナおよびガス燃焼方法は、燃料ガスと空気とから成る混合気を、その混合気が燃焼されかつ低ＮＯXの燃焼排ガスが形成される炉空間内に噴射するものである。また、本発明にかかるガスバーナは、従来の多くのガスバーナと比べて小型であり、ターンダウン比が高く、さらには、形成される火炎長が短い。
【０００６】
また、本発明にかかるガスバーナは、炉に取り付けられる開口端を有するハウジングと、流量の制御された空気をそのハウジング内へと導く手段とを基本構成として備えている。そのハウジングの開口端には、耐熱バーナタイルが取り付けられる。耐熱バーナタイルは、空気をハウジングから炉内へと送り込むための開口と、その開口を取り囲んで炉空間内へと延び且つその内部および上側に混合領域を形成する壁部とを有している。壁部の外側面は、これに取り付けられて径方向に配置された複数のバッフルによって複数の領域（以下、小壁部と称する）に分割されている。各小壁部は、同じまたは異なる高さと、同じまたは異なる角度で上記開口に向けて傾斜した外側面とを有している。また、小壁部の幾つかまたは全てには（好ましくは小壁部の１つおきに）、一次燃料ガスを小壁部の外側から壁部の内部へと導くための通路が形成されている。また、燃料ガス源に接続された一次燃料ガス噴射ノズルが、別の一次燃料ガスとバーナタイルを通じて流れる空気とを混合させるために、バーナタイルの壁部の開口および壁部内に任意の位置で配置される。さらに、燃料ガス源に接続された少なくとも１つの二次燃料ガス噴射ノズルが、少なくとも１つの小壁部の近傍に二次燃料ガスを噴射するために、ガスバーナの壁部の外側に（好ましくは小壁部毎に）配置される。また、その少なくとも１つの二次燃料ガス噴射ノズル（好ましくは１つおきの二次燃料ガス噴射ノズル）は、二次燃料ガスだけでなく、燃焼排ガスおよび一次燃料ガスを一次燃料ガス通路を介して噴射する。これにより、二次燃料ガスは、炉空間内で燃焼排ガスと混ざり合い、二次燃料ガスと燃焼排ガスとから成る混合気は、バーナタイルの開口および壁部を通じて流れる空気、一次燃料ガス、燃焼排ガスと混合し、その結果更に生じる混合気は、褶曲火炎パターンで炉空間内において燃焼される。
【０００７】
また、本発明にかかるガス燃焼方法によれば、燃料ガスと空気とから成る混合気を炉空間内に噴射し、その混合気を褶曲火炎パターンで燃焼することによって、ＮＯX含有量の低い燃焼排ガスを生成する。このガス燃焼方法は、基本的に、炉空間内へと延びる壁部内および壁部に隣接する混合領域へと空気を噴射するステップを含んでいる。上記壁部の外側面は、これに取り付けられて径方向に配置された複数のバッフルによって複数の上記小壁部に分割されている。各小壁部は、同じまたは異なる高さと、同じまたは異なる角度で上記開口に向けて傾斜した外側面とを有している。また、小壁部の幾つかまたは全てには（好ましくは小壁部の１つおきに）、一次燃料ガスを小壁部の外側から壁部の内部へと導くための通路が形成されている。燃料ガスの第１の部分は、通路が形成された少なくとも１つの小壁部の外側からその小壁部へと噴射され、これにより、燃料ガスの第１の部分は、炉空間内で燃焼排ガスと混合される。そして、その結果生じた一次燃料ガスと燃焼排ガスとから成る混合気は、少なくとも１つの通路により壁部内の混合領域へと流れ、これにより、炉空間内へと流れる一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気が形成される。同時に、燃料ガスの第２の部分は、少なくとも１つの小壁部の外側からその小壁部へと噴射される。これにより、燃料ガスの第２の部分は、炉空間内で燃焼排ガスと混合される。そして、その結果生じた二次燃料ガスと燃焼排ガスとから成る混合気は、複数の異なるガス流により、一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気中へと噴射されてこの混合気と混合される。最終的に、褶曲火炎パターンで燃焼される燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合度が高い混合気が形成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかるガスバーナおよびガス燃焼方法の実施の形態を、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
【０００９】
図２に示されるように、本発明にかかるガスバーナ１０は、炉壁（炉の底）１２にその内部開口を覆うように密閉状態で取り付けられている。ガスバーナは、一般に、図２に示されるように垂直に装着されて上向きに発火させるが、ガスバーナを水平に装着して水平に発火させても良く、あるいは、垂直に装着して下向きに発火させても良いことは言うまでもない。
【００１０】
ガスバーナ１０は、開口端１６および開口端１８を有するハウジング１４を備えている。ハウジング１４は、フランジ２０および複数のボルト２２によって、炉壁１２に取り付けられている。ボルト２２は、フランジ２０および炉壁１２に相補的に形成された穴を貫通している。ハウジング１４の開口端１６には、ハウジング１４内に流入する燃焼用空気の流量を調整するエアレジスタ２４が接続されている。炉壁１２には、断熱材２６が取り付けられており、ハウジング１４の開口端１８には、耐熱耐火材によって形成されたバーナタイル２８が取り付けられている。
【００１１】
図２に示されるように、炉壁１２に取り付けられた断熱材２６の内面およびバーナタイル２８のベース部３０の上端は、ガスバーナ１０から排出された燃料ガスおよび空気が内部で燃焼する炉空間を形成している。バーナタイル２８は、そのベース３０に形成された中心開口３２を有している。エアレジスタ２４によってハウジング１４内に流入した空気は、この中心開口３２を通じて排出される。また、バーナタイル２８は、中心開口３２を取り囲んで炉内へと延びる壁部３４を有している。壁部３４の内部、中心開口３２、およびハウジング１４は、円形、矩形、正方形、三角形、多角形、他の形状など、様々な形状を成すことができる。特に、ガスバーナ１０は、内部に円形の中心開口３２を有し且つ円形の壁部３４を有する円形のバーナタイル２８を備えていることが好ましい。また、ハウジング１４は、内部に円形の開口端１８を有することが好ましく、特にその外形が円筒状であることが好ましい。しかしながら、その開口端１８は正方形でも良く、また、その外形は正方形または矩形の側面１５を有した角柱であってもよい。図２に示される好適な実施の形態では、バーナタイル２８の中心開口３２は、保炎面として機能する突出部３５がバーナタイル２８の内側に形成されるように、壁部３４の内壁３３よりも小さい。
【００１２】
図１は、バーナタイル２８およびその壁部３４の斜視図である。図２に明確に示されるように、壁部３４の内壁は垂直である。一方、壁部３４の外側面は、径方向に配置されたバッフル４０によって複数の小壁部３６，３８に分割されている。小壁部３６，３８は、同じ高さまたは異なる高さを有し、且つそれらの外側面が中心開口３２に向かって同じ角度または異なる角度で傾斜するように、交互に配置されている。なおこれら交互に配置される小壁部３６，３８は、図１に示すように、高さと外側面の傾斜角度との双方が異なっていることが好ましい。
【００１３】
図４から分かるように、好適な実施の形態においては、高さが大きく且つ中心開口３２に向って小さな角度で傾斜する小壁部３８と比較して、小壁部３６は、高さが低く且つ中心開口３２に向って大きな角度で傾斜している。ここで分かるように、また、図１〜図４に示されるように、バッフル４０間の小壁部３６，３８は、壁部３４の周囲に交互に配置されている。それら図においては、４つの小壁部３６と４つの小壁部３８とが示されている。交互に配置される各小壁部の数は、総数が例えば４，６，８，１０個といった偶数であれば、ガスバーナのサイズに応じて、４個より多くても少なくても良い。
【００１４】
小壁部３６は、約０インチ〜約１６インチの範囲の高さを有するとともに、その外側面が約０°〜約９０°の範囲の角度で中心開口３２に向って傾斜していることが好ましく、また、小壁部３８は、約２インチ〜約１６インチの範囲で、小壁部３６と同じ高さまたは異なる高さを有するとともに、その外側面が約０°〜約６０°の範囲においてその外側面が小壁部３６と同じ角度または異なる角度で中心開口３２に向って傾斜していることが好ましい。図２〜図４に明確に示されるように、各小壁部３６は、壁部３４の外側から内側に向って延びる通路４２を有しており、後述するように、この通路４２を通じて、燃焼排ガスと混合された燃料ガスが流れる。
【００１５】
小壁部３６，３８の更なる好適な例は、一方の小壁部（以下、第１の小壁部と称する）が、約５インチ〜約１０インチの範囲の高さと約１０°〜約３０°の範囲の傾斜角の外側面とを有し、他方の小壁部（以下、第２の小壁部と称する）が、約６インチ〜約１２インチの範囲で第１の小壁部と同じまたは異なる高さと約５°〜約１５°の範囲において第１の小壁部と同じまたは異なる傾斜角の外側面とを有した構成である。
【００１６】
図示する最も好適な例では、第１の小壁部は、約７インチの高さと約２０°の傾斜角の外側面を有し、第２の小壁部は、約９インチの高さと約１０°の傾斜角の外側面とを有している。
【００１７】
図１および図２に示されるように、中心の一次燃料ガス噴射ノズル４４は、バーナタイル２８の底部近傍において、中心開口３２内の任意の位置に配置される。一次燃料ガス噴射ノズル４４は、その使用時、管路４６によって燃料ガスマニホールド４８に接続される。管路４６は管継手（ユニオン）５０によって燃料ガスマニホールド４８に接続され、また、燃料ガスマニホールド４８に接続された管路５２は、加圧燃料ガス源に接続されている。また、図２および図３に示されるように、ベンチュリ管３７は、一次燃料ガス噴射ノズル４４よりも上側にかつ一次燃料ガス噴射ノズル４４を取り囲むような任意の位置に配置され、これにより燃料ガスと空気とから成る燃料ガス希薄混合気はベンチュリ管３７の上部内で形成されて燃焼される。また、一次燃料ガス噴射ノズル４４およびベンチュリ管３７はそれぞれ単一でなく、複数個設けられてもよい。
【００１８】
図２および図３に明確に示されるように、壁部３４の小壁部３６，３８の底部に隣接するバーナタイル２８のベース部３０上には、複数の二次燃料ガス噴射ノズル５４が互いに離間して配置されている。二次燃料ガス噴射ノズル５４は、バーナタイル２８のベース部３０の表面と小壁部３６，３８との交差部に隣接して配置されている。二次燃料ガス噴射ノズル５４は、管継手５８によって燃料ガスマニホールド４８に接続された燃料ガス管路５６（図２）に接続されている。小壁部３８に隣接して配置された二次燃料ガス噴射ノズル５４は、その内部に燃料ガス排気口を有しており、これにより、二次燃料ガスが、小壁部３８の外面と略平行で且つ隣接した扇形状として噴射される。一方、小壁部３６に隣接して位置された二次燃料ガス噴射ノズル５４もまた同様に、その内部に燃料ガス排気口を有しており、これにより、二次燃料ガスは、小壁部３６の外面と略平行で且つ隣接した扇形状として噴射される。二次燃料ガス噴射ノズル５４によって噴射された二次燃料ガスは、小壁部３６，３８上に沿って流れ、バーナタイル２８の外側にある炉空間内の燃焼排ガスが、この二次燃料ガスと混合される。
【００１９】
図３に示されるように、小壁部３６の通路４２は、二次燃料ガス噴射ノズル５４に隣接して配置されている。領域３６および通路４２に隣接する燃料ガスノズル５４は、小壁部３６の表面と平行に二次燃料ガスを噴射する燃料ガス排気口の他に、バーナタイル２８の中心開口３２および壁部３４の内側へと一次燃料ガスを噴射する一次燃料ガス排気口を有している。通路４２を通じて流れる一次燃料ガス噴射によって、バーナタイル２８の外側の炉空間燃焼排ガスは、一次燃料ガスと共に通路４２内へと引き込まれ、バーナタイル２８の中心開口３２および壁部３４の内側へと流入する。
【００２０】
一次燃料ガス噴射および燃焼排ガスが流れる通路４２は、上述したように１つの小壁部おきに配置されていることが好ましいが、一次燃料ガス噴射および燃焼排ガスが流れる１つまたは複数の通路４２をバーナタイル２８の壁部３４に設けても良いことは言うまでもない。
【００２１】
バッフル４０は、小壁部３６，３８を形成することに加えて、二次燃料ガスおよび燃焼排ガスを複数の異なるガス流に分割するように機能する。これらガス流は、バーナタイル２８の壁部３４内に流入し、この壁部３４内から噴射される一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気と十分に混合される。壁部３４の内部で形成される一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気は、壁部３４内で点火された後、壁部３４から流れ出る。二次燃料ガスと燃焼排ガスとから成るガス流が、一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気に衝突すると、図５に示されるように、複数のＵ字形状または褶曲状の火炎６０が形成される。燃焼プロセスにおいてＮＯXを生成する主なメカニズムの１つとして、サーマルＮＯXが知られている。サーマルＮＯXとは、火炎の温度が高くなるほど、多くのＮＯXが形成されるという現象である。
【００２２】
本発明にかかるガスバーナでは、燃料ガスが、空気と共に燃焼する前および燃焼中に、図５に示される多数の火炎６０によって燃焼排ガスと速やかに混合され、これによって、ＮＯXが減少する。また、火炎６０は、褶曲且つ屈曲しているのでその表面積が大きく、これにより燃焼排ガスは非常に効率良く火炎と混合することができる。さらに、燃焼排ガスは、褶曲部間に存在する火炎中の裂け目６２を通じて火炎間を行き来し、更に良く火炎と混ざり合うことができる。これら全ての要因が低ＮＯX化に寄与する。
【００２３】
ガスバーナ１０の動作中、燃料ガスは、ガスバーナ１０が取り付けられる炉空間内に送られ、所望の発熱を生じる流量で炉空間内において燃焼される。また、空気がハウジング１４内に送られ、空気の柱が炉空間内へと流れる。炉空間内へと流入される空気の流量は、空気と燃料ガスとから成る理論混合気（化学量的な混合気）を形成するために必要な空気の流量を約０％〜約１００％の範囲で上回る。空気の流量は、理論空気流量を約１５％だけ上回っていることが好ましい。つまり、炉空間内に噴射される燃料ガスと空気とから成る混合気は、約０％〜約１００％の過剰な空気を含んでいる。図２に示されるように、空気の柱は、ハウジング１４およびバーナタイル２８内の中心開口３２を貫通して流れ、壁部３４内の上部に形成された混合領域内に流入する。空気は、通路４２および二次燃料ガスノズル５４によって（任意に燃料ガスノズル４４によって）混合領域内へと噴射され、混合領域内へと噴射される一次燃料ガスおよび燃焼排ガスと混ざり合う。これによって生じた一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気は、より過剰な空気を含んでおり、バーナタイル２８の内部または上端で燃焼される。また、これによって形成される燃焼排ガスは、空気および燃焼排ガスによる燃料ガスの希釈化により、ＮＯX含有量が非常に低い。
【００２４】
二次燃料ガスノズル５４によって小壁部３６，３８の表面に対して平行に噴射される二次燃料ガスは、バーナタイル２８を取り囲む燃焼排ガスと混合される。これによって生じた二次燃料ガスと燃焼排ガスとから成る混合気は、褶曲火炎パターンを形成する複数の異なるガス流によって、壁部３４の内部から流れ出る一次燃料ガスと空気とから成る混合気中に噴射されて、この一次燃料ガス−空気混合気と混ざり合い、一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る高混合度の混合気を形成する。一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気は、炉空間内の多数の褶曲火炎中で燃焼され、燃料ガスが比較的冷たい過剰空気と燃焼排ガスとによって希釈されていることから、低ＮＯXの燃焼排ガスを生成する。
【００２５】
二次燃料ガスは、全ての小壁部３６，３８の表面に隣接する燃料ガスノズル４４によって噴射されることが好ましいが、１つまたは複数の小壁部３６，３８に隣接する１つまたは複数のノズル４４から噴射されても良いことは言うまでもない。
【００２６】
本発明にかかるガス燃焼方法は、燃料ガスと空気とから成る混合気を炉空間内に噴射し、褶曲火炎パターンで混合気を燃焼して、この燃焼によってＮＯX含有量の低い燃焼排ガスを形成する方法である。具体的には、炉空間内へと延びる壁部と、前記壁部に隣接する混合領域と、前記壁部を、前記壁部の同じ高さまたは異なる高さを有するとともに同じ角度または異なる角度で前記壁部の開口に向って傾斜した外側面を有する複数の小壁部に分割するように該壁部に径方向に取り付けられた複数のバッフルと、少なくとも１つの小壁部に形成されるとともに燃料ガスと燃焼排ガスとから成る混合気を前記小壁部の外側から前記壁部内へと導く燃料ガス通路とを備えたガスバーナのガス燃焼方法であって、前記壁部内および前記混合領域へと空気を噴射する空気噴射ステップと、前記燃料ガス通路が形成された少なくとも１つの小壁部の外側から該小壁部の外側面に前記燃料ガスの第１の部分を噴射し、該第１の部分を前記炉空間内で燃焼排ガスと混合させ、その結果生じた該第１の部分と燃焼排ガスとから成る混合気を前記燃料ガス通路を介して前記壁部内へと送ることにより、前記炉空間内へと流れる燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る第１の混合気を形成する第１の混合気形成ステップと、前記少なくとも１つの小壁部の外側から該小壁部に前記燃料ガスの第２の部分を噴射して、該第２の部分を前記炉空間内で燃焼排ガスと混合させ、その結果生じた該第２の部分と燃焼排ガスとから成る第２の混合気を、前記バッフルによって形成される少なくとも１つのガス流により、前記第１の混合気中へと噴射して該第１の混合気と混合させることにより、褶曲火炎パターンで燃焼される燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合度が高い第３の混合気を形成する第２の混合気形成ステップと、を含んでいる。
【００２７】
また、前述の方法は、バーナタイルの壁部内にある混合領域内へと燃料ガスの一部を送ることによって、燃料ガスを混合領域内で空気と混合させる任意的なステップを含んでいても良い。
【００２８】
また、上記した第１の混合気形成ステップにおいて、炉空間内に噴射される上記第１の混合気は、約０％〜約１００％の過剰な空気を含んでいても良い。また、上記した第１の混合気形成ステップにおいて、前記燃料ガスの第１の部分は、炉空間内に噴射される全燃料ガスの体積の約２％〜約４０％の範囲であってもよい。さらに、上記した第２の混合気形成ステップにおいて、前記燃料ガスの第２の部分は、炉空間内に噴射される全燃料ガスの体積の約６０％〜約９８％の範囲である。
【００２９】
また、本発明にかかる別のガス燃焼方法は、燃料ガスと空気とから成る混合気を炉空間内に噴射し、褶曲火炎パターンで混合気を燃焼して、この燃焼によってＮＯX含有量の低い燃焼排ガスを形成する方法であって、空気の柱を前記炉空間内へと噴射する空気噴射ステップと、炉空間からの燃焼排ガスと混合された燃料ガスの第１の部分を前記空気の柱の中へと噴射する第１の燃料ガス噴射ステップと、前記炉空間からの燃焼排ガスと混合された燃料ガスの第２の部分を、前記空気の柱の周囲の離間した複数の場所から複数の異なるガス流によって、燃焼排ガスと混合された前記燃料ガスの第１の部分を含む空気の柱の中へと噴射する第２の燃料ガス噴射ステップと、を含み、前記ガス流は、径方向から前記空気の柱の中に流入し、燃焼排ガスおよび空気によって取り囲まれて混合される褶曲火炎を生成させ、前記燃料ガスの第１の部分と共に前記空気の柱内で燃焼されることを特徴とする。
【００３０】
また、本発明にかかる更に別のガス燃焼方法は、燃料ガスと空気とから成る混合気を炉空間内に噴射し、褶曲火炎パターンで混合気を燃焼して、この燃焼によってＮＯX含有量の低い燃焼排ガスを形成する方法であって、上記空気を上記炉空間内へと噴射する空気噴射ステップと、上記炉空間からの燃焼排ガスと混合された上記燃料ガスを、２つ以上の異なるガス流で上記空気中へと噴射する燃料ガス噴射ステップと、を含み、前記ガス流は、空気中に流入し、燃焼排ガスおよび空気によって取り囲まれて混合される少なくとも１つの褶曲火炎を成して空気中で燃焼することを特徴とする。
【００３１】
本発明にかかるガスバーナ、その動作、および本発明にかかるガス燃焼方法を、以下の実施例により詳述する。
（実施例１）
実施例１では、本発明にかかるガスバーナ１０として、９１３ＢＴＵ（イギリス熱単位：British thermal unit）／ＳＣＦ（常温・常圧下での１ｆｔ3当たりの気体流量）のカロリー値を有する天然ガスを燃焼させた際に、１時間当たり８００００００ＢＴＵの発熱を生じるように設計されたものを使用した。このガスバーナ１０を用いて炉空間内を発火させるにおいて、燃料ガスマニホールド４８に供給する加圧燃料ガスを、約３３ｐｓｉｇ（pounds per square inch gage）の圧力および約８７６５ＳＣＦ／時の流量とした。また、燃料ガスの体積の２０％（１７５３ＳＣＦ／時）を一次燃料ガスとして使用し、一次燃料ガス噴射ノズル４４と、バーナタイル２８の壁部３４の通路４２に隣接して配置された二次燃料ガス噴射ノズル５４とによって、その一次燃料ガスをバーナタイル２８の中心開口３２および壁部３４内へと噴射した。一方、一次燃料ガスの残りの部分、すなわち、第２の部分（７０１２ＳＣＦ／時の流量で）は、二次燃料ガス噴射ノズル５４によって、燃焼排ガスと混合された他の燃料ガス流で、炉空間内へと噴射された。
【００３２】
本実施例では、エアレジスタ２４、ハウジング１４、およびバーナタイル２８によって炉空間内へと送り込まれる空気の割合は、燃料ガス全体の割合に対する化学量論的な空気の割合を少なくとも約１５％上回っていた。一次燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合気は、通路４２の近傍で且つバーナタイル２８の壁部３４の上端で燃焼し始めた。バーナタイル２８の壁部３４の上部で部分的に燃焼する燃料ガス−空気−燃焼排ガス中へと様々な角度で噴射される燃料ガス−燃焼排ガスの混合気は、炉空間からの燃焼排ガスと炉空間内の残存空気とに十分に混合し、褶曲火炎パターンを有する短い火炎を成してバーナタイルの上側で燃焼した。燃焼排ガスおよび過剰空気を用いて一次燃料ガスおよび二次燃料ガスを希釈するとともに、燃料ガスと燃焼排ガスと空気とを十分に混合したため、ガスバーナ１０は、高いターンダウン比と、ＮＯXの発生の低下を実現した。最後に、ガスバーナ１０は、コンパクトな寸法（他の低ＮＯXのガスバーナよりも十分に小さい）を有しており、既存の炉に簡単に設置できる。
【００３３】
（実施例２）
次に、実施例２について説明する。実施例２では、上述した実施例１で説明した動作条件の下でガスバーナ１０により形成される火炎パターンを、コンピュータシミュレーションプログラムによって観察した。使用したソフトウェアは、ニューハンプシャー州レバノンにあるＦｌｕｅｎｔ Ｉｎｃ．から入手した。シミュレーションプログラム上では、タイル面、燃料ガスポート穿孔、保炎タイル突出部、完全エアプレナム構成といった全ての重要な特徴を含むフル３次元構成のガスバーナモデルが構築された。
【００３４】
その後、ガスバーナが試験される炉の３次元モデルを準備し、実施例１で使用したガスバーナおよび炉と同じように、上記ガスバーナモデルを炉モデル内に正確に装着した。ただし、空気は、底部からではなく、側方からハウジング内に流入するようにした。有限体積法を使用して、ガスバーナモデル内の流れ空間を複数の小体積部分に分割した。また、ガスバーナモデルの入口に、燃料圧力や流量等の境界条件を加えた。その後、ソフトウェアの演算により、流れパターンおよび燃焼反応を予測するとともに、各小体積部分に対して燃焼パラメータおよび流量パラメータの全てに関する値を繰り返し計算することにより、形成される火炎パターンを予測した。
【００３５】
予測誤差が所望のレベルに減少するまで計算を繰り返した後、出力（各小体積部分における値の表）を、グラフィックスソフトウェアパッケージに入力することにより、所望の火炎の断面での静温度のプロファイルを得た。図５は、ある火炎断面のプロファイルが示している。図５に示されるように、火炎パターンは、バーナタイル２８の８つの小壁部３６，３８に対応する８つの褶曲火炎６０を有するとともに、褶曲火炎間に裂け目６２を有している。中心の火炎６４は、一次燃料ガス噴射ノズル４４から噴射される燃料の燃焼によって形成される。
【００３６】
上述したように、個々に分離される褶曲火炎６０によって、燃料ガスは、空気と燃焼する前に燃焼排ガスと速やかに混合することができ、これにより、火炎温度およびＮＯXの生成が減少する。また、褶曲火炎６０の大きな表面積と褶曲火炎間に存在する裂け目６２によって、燃焼排ガスは、従来よりも多く、火炎を貫通して火炎と混ざり合うことができる。その結果、大気に放出される燃焼排ガスのＮＯX含有量が非常に低くなる。
【００３７】
このように、本発明は、上述した目的を果たして上述した結果および利点を得ることができる。当業者であれば多くの変更を成すことができるが、そのような変更は、添付の特許請求の範囲において特定される本発明の思想に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複数のバッフルによって複数の領域に分割される壁部を有する本発明にかかるガスバーナのバーナタイルの斜視図である。
【図２】図１の２−２線に沿って切断した本発明にかかるガスバーナの側断面図である。
【図３】図２の３−３線に沿って切断した本発明にかかるガスバーナの平面図である。
【図４】図３の４−４線に沿って切断した本発明にかかるガスバーナのバーナタイルの側断面図である。
【図５】本発明にかかるガスバーナおよびガス燃焼方法によって形成される褶曲火炎パターンの画像例を示す図である。
【符号の説明】
１０ ガスバーナ
１２ 炉壁
１４ ハウジング
１６，１８ 開口端
２８ バーナタイル
３４ 壁部
３６，３８ 小壁部
４２ 通路
４４ 一次燃料ガス噴射ノズル
５４ 二次燃料ガス噴射ノズル
Claims (31)
- 燃料ガスと空気との混合気を炉空間内へと噴射するガスバーナであって、
前記炉空間に取り付けられる開口端を有するハウジングと、
制御された流量の空気を前記ハウジング内に送り込む手段と、
前記空気を流通させることができる開口と、該開口を取り囲んで前記炉空間内へと延びるとともに、径方向に配置された複数のバッフルによって、異なる高さと前記開口に対して傾斜する異なる傾斜角度とを交互に有する複数の小壁部に分割され、且つ該複数の小壁部の少なくとも１つに一次燃料ガスを該小壁部の外側から内部へと導くための一次燃料ガス通路が形成された壁部とを有する、前記ハウジングの開口端に取り付けられるバーナタイルと、
燃料ガス源に接続されるとともに、前記バーナタイルの前記壁部の外側に配置されて、前記小壁部の外側面近傍に二次燃料ガスを噴射する複数の燃料ガス噴射ノズルと、
を備え、
前記燃料ガス噴射ノズルの少なくとも１つは、さらに、燃焼排ガスと混合される一次燃料ガスを前記一次燃料ガス通路内に送り込み、
前記炉空間内で前記二次燃料ガスと燃焼排ガスとが混ざり合い、該二次燃料ガスと該燃焼排ガスとから成る第１の混合気が、前記バーナタイルの前記開口および前記壁部を通じて流れる空気、一次燃料ガス、燃焼排ガスと混合し、その結果生じる第２の混合気が前記炉空間内で燃焼されることを特徴とするガスバーナ。 - 前記複数の小壁部は、
第１の高さと前記バーナタイルの前記開口に向かって傾斜した第１の角度の外側面とを有する第１の小壁部と、
前記第１の高さと同じまたは前記第１の高さよりも高い第２の高さと前記第１の角度と同じまたは前記第１の角度よりも小さい第２の角度で前記開口に向かって傾斜した外側面とを有する第２の小壁部と、が交互に隣接して構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスバーナ。 - 火炎パターンを有し、火炎長が短く、ターンダウン比が高い、燃料ガスと空気との混合気を炉空間内へと吐出するためのコンパクトなガスバーナ装置であって、混合気が燃焼されることによって、ＮＯｘ含有量が低い燃焼排ガスが形成されるガスバーナであって、
前記炉空間に取り付けられる開口端を有するハウジングと、
制御された流量の空気を前記ハウジング内に送り込む空気レジスタと、
前記空気を流通させることができる開口と、該開口を取り囲んで前記炉空間内へと延びるとともに、径方向に配置された複数のバッフルによって、同じまたは異なる高さと前記開口に対して傾斜する同じまたは異なる傾斜角度とを有する複数の小壁部に分割され、該複数の小壁部の１つおきに一次燃料ガスを該小壁部の外側から内部へと導くための一次燃料ガス通路が形成された壁部とを有する、前記ハウジングの開口端に取り付けられるバーナタイルと、
燃料ガス源に接続されるとともに、前記バーナタイルの前記壁部の外側に配置されて、前記小壁部の外側面近傍に二次燃料ガスを噴射する複数の燃料ガス噴射ノズルと、
を備え、
前記複数の小壁部は、第１の高さと前記バーナタイルの前記開口に向かって傾斜した第１の角度の外側面とを有する第１の小壁部と、前記第１の高さと同じまたは前記第１の高さよりも高い第２の高さと前記第１の角度と同じまたは前記第１の角度よりも小さい第２の角度で前記開口に向かって傾斜した外側面とを有する第２の小壁部と、が交互に隣接して構成され、
前記炉空間内で前記二次燃料ガスと燃焼排ガスとが混ざり合い、該二次燃料ガスと該燃焼排ガスとから成る第１の混合気が、前記バーナタイルの前記開口および前記壁部を通じて流れる空気、一次燃料ガス、燃焼排ガスと混合し、その結果生じる第２の混合気が前記炉空間内で燃焼され、
前記燃料ガス噴射ノズルの一部は、燃焼排ガスと混合された一次燃料ガスを、前記一次燃料ガス通路を通じて、前記バーナタイルの内部に噴射することを特徴とするガスバーナ。 - 前記バッフルは、前記バーナタイルの壁部の軸と平行に延び、
前記二次燃料ガスおよび前記燃焼排ガスは、前記バーナタイルの前記開口と前記壁部とを通じて流れる空気と一次燃料ガスとに混合される複数の異なるガス流に分割されることを特徴とする請求項１または３に記載のガスバーナ。 - 前記第１の高さは、約０インチ〜約１６インチの範囲内であり、前記第１の角度は、約０°〜約９０°の範囲内であり、
前記第２の高さは、約２インチ〜約１６インチの範囲内であり、前記第２の角度は、約０°〜約６０°の範囲内であることを特徴とする請求項２または３に記載のガスバーナ。 - 前記第１の高さは、約５インチ〜約１０インチの範囲内であり、前記第１の角度は、約１０°〜約３０°の範囲内であり、
前記第２の高さは、約６インチ〜約１２インチの範囲内であり、前記第２の角度は、約５°〜約１５°の範囲内であることを特徴とする請求項２または３に記載のガスバーナ。 - 前記第１の高さは、約７インチであり、前記第１の角度は、約２０°であり、
前記第２の高さは、約９インチであり、前記第２の角度は、約１０°であることを特徴とする請求項２または３に記載のガスバーナ。 - 前記一次燃料ガス通路は、前記第１の小壁部に設けられ、
前記燃料ガス噴射ノズルから噴射される一次燃料ガスは、燃焼排ガスと混合して前記一次燃料ガス通路から前記バーナタイルの前記壁部の内部へと流れ、該一次燃料ガスと該燃焼排ガスとからなる混合気は空気と混合することを特徴とする請求項２または３に記載のガスバーナ。 - 前記バーナタイルと、該バーナタイルに設けられた前記開口と、該バーナタイルの前記壁部の内部のうちの少なくとも１つは、略円形、矩形、正方形、三角形、または多角形であることを特徴とする請求項１または３に記載のガスバーナ。
- 前記ハウジングの前記開口端は、円形、正方形、三角形、または多角形であり、
前記ハウンジングは、円筒形、正方形、矩形、三角形、または多角形であることを特徴とする請求項１または３に記載のガスバーナ。 - 前記バーナタイルの前記開口および前記壁部の内部に位置する燃料ガス源に接続されるとともに、前記バーナタイルを通じて流れる前記空気と別の一次燃料ガスとを混合して、この混合気を前記炉空間内に噴射する少なくとも１つの一次燃料ガス噴射ノズルを備えたことを特徴とする請求項１または３に記載のガスバーナ。
- 前記一次燃料ガス噴射ノズルを取り囲むとともに、該一次燃料ガス噴射ノズルの上側に位置するベンチュリ管を備えたことを特徴とする請求項１１に記載のガスバーナ。
- 前記バーナタイルの前記開口内に設けられた保炎面を備えたことを特徴とする請求項１または３に記載のガスバーナ。
- 前記ガス流は、褶曲した火炎パターンによって前記炉空間内で燃焼されることを特徴とする請求項４に記載のガスバーナ。
- 炉空間内へと延びる壁部と、前記壁部に隣接する混合領域と、前記壁部を、前記壁部の同じ高さまたは異なる高さを有するとともに同じ角度または異なる角度で前記壁部の開口に向って傾斜した外側面を有する複数の小壁部に分割するように該壁部に径方向に取り付けられた複数のバッフルと、少なくとも１つの小壁部に形成されるとともに燃料ガスと燃焼排ガスとから成る混合気を前記小壁部の外側から前記壁部内へと導く燃料ガス通路とを備えたガスバーナのガス燃焼方法であって、
前記壁部内および前記混合領域へと空気を噴射する空気噴射ステップと、
前記燃料ガス通路が形成された少なくとも１つの小壁部の外側から該小壁部の外側面に前記燃料ガスの第１の部分を噴射し、該第１の部分を前記炉空間内で燃焼排ガスと混合させ、その結果生じた該第１の部分と燃焼排ガスとから成る混合気を前記燃料ガス通路を介して前記壁部内へと送ることにより、前記炉空間内へと流れる燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る第１の混合気を形成する第１の混合気形成ステップと、
前記少なくとも１つの小壁部の外側から該小壁部に前記燃料ガスの第２の部分を噴射して、該第２の部分を前記炉空間内で燃焼排ガスと混合させ、その結果生じた該第２の部分と燃焼排ガスとから成る第２の混合気を、前記バッフルによって形成される少なくとも１つのガス流により、前記第１の混合気中へと噴射して該第１の混合気と混合させることにより、褶曲火炎パターンで燃焼される燃料ガスと燃焼排ガスと空気とから成る混合度が高い第３の混合気を形成する第２の混合気形成ステップと、
を含むことを特徴とするガス燃焼方法。 - 前記第１の混合気形成ステップにおいて、前記第１の混合気は、０％〜約１００％の過剰な空気を含むことを特徴とする請求項１５に記載のガス燃焼方法。
- 前記第１の混合気形成ステップにおいて、前記燃料ガスの第１の部分は、前記炉空間内に噴射される全燃料ガスの体積の約２％〜約４０％の範囲内であることを特徴とする請求項１５に記載のガス燃焼方法。
- 前記第２の混合気形成ステップにおいて、前記燃料ガスの第２の部分は、前記炉空間内に噴射される全燃料ガスの体積の約６０％〜約９８％の範囲であることを特徴とする請求項１５に記載のガス燃焼方法。
- 前記壁部は、耐熱材料によって形成されるとともに、前記壁部内に開口を有する耐熱バーナタイルの一部であることを特徴とする請求項１５に記載のガス燃焼方法。
- 前記複数の小壁部は、
第１の高さと前記バーナタイルの前記開口に向かって傾斜した第１の角度の外側面とを有する第１の小壁部と、
前記第１の高さと同じまたは前記第１の高さよりも高い第２の高さと前記第１の角度と同じまたは前記第１の角度よりも小さい第２の角度で前記開口に向かって傾斜した外側面とを有する第２の小壁部と、が交互に隣接して構成されることを特徴とする請求項１９に記載のガス燃焼方法。 - 燃料ガスと空気とから成る混合気を炉空間内に噴射するガス燃焼方法において、
空気の柱を前記炉空間内へと噴射する空気噴射ステップと、
炉空間からの燃焼排ガスと混合された燃料ガスの第１の部分を前記空気の柱の中へと噴射する第１の燃料ガス噴射ステップと、
前記炉空間からの燃焼排ガスと混合された燃料ガスの第２の部分を、前記空気の柱の周囲の離間した複数の場所から複数の異なるガス流によって、燃焼排ガスと混合された前記燃料ガスの第１の部分を含む空気の柱の中へと噴射する第２の燃料ガス噴射ステップと、
を含み、
前記ガス流は、径方向から前記空気の柱の中に流入し、燃焼排ガスおよび空気によって取り囲まれて混合される褶曲火炎を生成させ、前記燃料ガスの第１の部分と共に前記空気の柱内で燃焼されることを特徴とするガス燃焼方法。 - 前記第２の燃料ガス噴射ステップにおいて、前記ガス流は、上方且つ内側に向う角度で径方向から前記空気の柱に流入することを特徴とする請求項２１に記載のガス燃焼方法。
- 前記空気噴射ステップの前において、前記燃料ガスの第１の部分の一部を前記空気の柱内へと噴射するステップを含むことを特徴とする請求項２１に記載のガス燃焼方法。
- 前記炉空間内に噴射される燃料ガスと空気とから成る前記混合気は、０％〜約１００％の過剰な空気を含んでいることを特徴とする請求項２１に記載のガス燃焼方法。
- 前記燃料ガスの前記第１の部分は、前記空気の柱内に噴射される全燃料ガスの体積の約２％〜約４０％の範囲内であることを特徴とする請求項２１に記載のガス燃焼方法。
- 前記燃料ガスの前記第２の部分は、前記空気の柱および燃料ガス内に噴射される全燃料ガスの体積の約６０％〜約９８％の範囲内であることを特徴とする請求項２１に記載のガス燃焼方法。
- 燃料ガスと空気とから成る混合気を炉空間内に噴射するガス燃焼方法において、
前記空気を前記炉空間内へと噴射する空気噴射ステップと、
前記炉空間からの燃焼排ガスと混合された前記燃料ガスを、少なくとも第１および第２の異なるガス流で前記空気中へと噴射する燃料ガス噴射ステップと、
を含み、
前記ガス流は、前記空気中に流入し、燃焼排ガスおよび空気によって取り囲まれて混合される少なくとも１つの褶曲火炎を生成させて空気中で燃焼することを特徴とするガス燃焼方法。 - 前記燃料ガス噴射ステップにおいて、前記第１および第２のガス流は、径方向から前記空気中に流入することを特徴とする請求項２７に記載のガス燃焼方法。
- 前記炉空間内に噴射される燃料ガスと空気とから成る前記混合気は、０％〜約１００％の過剰な空気を含んでいることを特徴とする請求項２７に記載のガス燃焼方法。
- 前記第１のガス流中の前記燃料ガスは、前記空気中に噴射される全燃料ガスの体積の約２％〜約４０％の範囲内であることを特徴とする請求項２７に記載のガス燃焼方法。
- 前記第２のガス流中の前記燃料ガスは、空気および燃料ガス内に噴射される全燃料ガスの体積の約６０％〜約９８％の範囲内である請求項２７に記載のガス燃焼方法。
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