JP2004191032A - ガスバーナおよびガス燃焼方法 - Google Patents

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    • F23C2202/00Fluegas recirculation
    • F23C2202/20Premixing fluegas with fuel

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

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

Claims (31)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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。
  19. 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。
  20. 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。
  21. 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。
  22. 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。
  23. 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。
  24. 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。
  25. 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。
  26. 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。
  27. 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。
  28. 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。
  29. 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。
  30. 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。
  31. 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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