JP2004523721A - 燃料と酸化剤について別々の注入を行う燃焼方法および該方法を実施するためのバーナーアセンブリ - Google Patents
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Abstract
本発明は、燃焼方法およびその実施のためのバーナーに関する。燃料および酸化剤は別々に注入される。燃料は、２つの異なる部分、すなわち、火炎を展開させる役割をする２次酸化剤、および、一方は燃料に注入される高速混合１次酸化剤であり、他方はすでにある酸化剤から短距離をおいて注入される低速混合１次酸化剤である２つの異なる注入にそれ自体分離される１次酸化剤、に分離される。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１種の燃料と少なくとも１種の酸化剤を別々に注入し、酸化剤の流れが１次酸化剤の流れと２次酸化剤の流れを含み、第１の不完全燃焼を発生させるように１次酸化剤の流れを燃料に近接して注入し、その第１の燃焼から生じる気体もまた燃料の少なくとも一部を含み、一方、第１の燃焼から生じる気体に存在する燃料による燃焼に加わるように、２次酸化剤の流れを、燃料の流れと燃料の流れに最も近い１次酸化剤の流れとの間の距離よりも大きい、燃料の流れからの距離をもって注入する、炉の中での燃焼方法に関する。本発明はまた、そのような方法を実施するためのバーナーアセンブリにも関する。
【背景技術】
【０００２】
工業炉の燃焼システムの性能は、少なくとも２つの要因により特徴付けられる。
【０００３】
−法律により設定されている限界未満の量でなければならない大気汚染物質（ＮＯx 、塵埃など）の排出量、
−製品の品質とエネルギー消費の観点で方法の要求事項に関連する、２つの限界の間に存在しなければならない炉の壁と加熱される装填物の温度。
【０００４】
大気汚染物質、特に窒素酸化物と塵埃の放出に関連する法律の変化は、近年、燃焼技術に顕著な変化をもたらした。
【０００５】
汚染物質の放出を最小化させる必要性に加えて、工業炉での燃焼の方法を、炉の機能に適合させねばならない。
【０００６】
例えば、ガラス製造炉は、製品の品質の欠陥（気泡など）と耐火炉の急速な老化を回避するために、壁温と浴温の特性に応じなければならない。
【０００７】
鋼鉄ビレット再加熱炉では、ビレットは、圧延ミルに入る前に変形することを防ぐために均一に加熱されねばならない。
【０００８】
鉄または非鉄金属製品のための溶融炉では、均一な加熱は、炉のエネルギー消費の増加と急速な摩滅を制限するために装填とともに提供されねばならない。
【０００９】
それゆえ、製品の品質と方法の性能を達成するために、工業炉の温度野（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ）（すなわち、温度が変化しうる温度範囲）を制御することは必須である。耐火材表面と炉の主軸に沿っての装填物についての温度野は、その軸に垂直に配置されるバーナーの数、離間度および出力分布に依存する。例えば、それは、バーナーが装填物の両側に配置されているビレット再加熱炉およびガラス炉の場合である。火炎に平行な軸に沿っての温度野は、火炎の長さ、出力および運動量（ｍｏｍｅｎｔｕｍ）に依存し、また、加熱される帯域の形状にも依存する。
【００１０】
例えば、特許文献１および特許文献２から、火炎の軸の周りの空気の旋回流を用いることにより酸素炎の長さを変化させることが知られている。このパラメーターは、火炎の長さと安定性に対して強力な影響を有する。制御し得る別のパラメーターは、酸化剤または燃料（１次燃焼帯域とは別に導入される流れの部分）の展開（ｓｔａｇｉｎｇ）の程度である。段形成された燃焼バーナーは、例えば、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６および非特許文献１において記載されており、それらでは、酸化剤としての空気および酸素の使用は、特筆して記載されている。
【００１１】
酸化剤として酸素を用いるバーナー、特に気体性燃料を用いるバーナーは、一般的に、所定の出力と所定の酸素係数（ｏｘｙｇｅｎ ｆａｃｔｏｒ）について、連続的に変化する火炎の長さと運動量特性のための能力を提供しない。そのようなバーナーは、例えば、特許文献７、特許文献８、特許文献９および特許文献１０において記載されている。しかしながら、燃料注入装置を変更することによりそのようなバーナー由来の火炎の長さを変えることが可能である。より短い直径の注入装置の使用は、運動量の増加、およびそれゆえの火炎の短縮と下流の最大熱束の変位（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）（とその逆）をもたらすことに注意すべきである。特許文献７および特許文献８に記載される１ＭＷの出力を有するバーナーの可視炎の長さと軸に沿った熱束を例示する図１は、明らかにこの結果を示す。逆に、火炎の短縮と全運動量の増加は、元来、火炎の熱プロフィールの変位に対して悪影響を有する。両方の現象を組み合わせると、最大熱束を下流に移行させることを引き起こす。と言うのは、２つの影響の一方が優勢だからである。図１のｘ軸の起源は、バーナーの内部の面と一致する炉の内壁である。それゆえ、下流方向は、軸側の長さの増加に向かっている。
【００１２】
特許文献１１から炉に異なる速度でガスを注入することもまた知られており、速度変化（絶対変化と相対変化とともに）は、火炎の長さと運動量を変化させる。
【００１３】
特許文献１２から、ほぼ１５ｃｍの距離の、互いに近くで、交互に配置される別々の注入装置を用いて、燃料と酸化剤を別々に注入することもまた知られている。
【００１４】
特許文献１３は、液体燃料油が酸素の周辺流の中心に注入され、一方、空気が酸素から相当に遠い距離で注入される段階形燃焼系（ｓｔａｇｅｄ−ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）を開示する。
【特許文献１】
米国特許第４５３１９６０号
【特許文献２】
米国特許第４６０４１２３号
【特許文献３】
米国特許第４６２２００７号
【特許文献４】
米国特許第４６４２０４７号
【特許文献５】
米国特許第４７９７０８７号
【特許文献６】
米国特許第４７１８６４３号
【非特許文献１】
Ｒｅ．３３４６４
【特許文献７】
米国特許第５７７２４２７号
【特許文献８】
米国特許第５９３４８９３号
【特許文献９】
米国特許第５９８４６６７号
【特許文献１０】
米国特許第６０６８４６８号
【特許文献１１】
米国特許第５３０２１１２号
【特許文献１２】
米国特許第５３４６５２４号
【特許文献１３】
米国特許第５６０１４２５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、火炎の軸に沿っての熱プロフィールを最適化することと、窒素酸化物放出を最小化させることの２つの要求を合致させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明による方法は、特に、炉と装填物の熱プロフィール、火炎の長さおよび窒素酸化物と塵埃の放出の観点で、配置される環境に火炎の性能を適合させることを可能とする。
【００１７】
本発明による方法は、１次酸化剤の流れをそれ自体少なくとも２つの１次の流れ、すなわち、取り囲む燃料との燃焼反応を急速に受けるように、燃料の流れに向けてまたは燃料の流れと接触して注入される１次酸化剤の少なくとも１つの高速混合の第１の流れ、および１次酸化剤の少なくとも１つの高速混合の流れよりも燃料の流れとより低速で混合するように、１次酸化剤の第１の流れから距離ｄ1 をおいて注入される１次酸化剤の少なくとも１つの低速混合の第２の流れに分割することを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、火炎の運動量と長さを独立に制御することを可能とするために、本発明による燃焼システムは、好ましくは２つの調節パラメーターを含む。加えて、好ましくは、本方法が実施される炉の熱プロフィールが正確に制御されることが望ましいので、第１の調節パラメーターは、好ましくは、２次酸化剤により提供される酸素の流れ対１次酸化剤と２次酸化剤により提供される酸素の全ての流れの比からなるであろう。２次酸化剤のこの流れは、注入装置またはランスにより提供されるであろう。
【００１９】
好ましくは、本発明による方法は、距離ｄ1 が３０ｃｍ以下、好ましくは２５ｃｍであることを特徴とする。
【００２０】
本発明のもう１つの変形によれば、距離ｄ1 は、１次酸化剤の低速混合流の直径ｄ3 の１０倍以下である。
【００２１】
一般的には、１次酸化剤と２次酸化剤の流量の合計は、好ましくは、±１５％の変動幅の範囲内で、燃料の流れに対してほぼ化学量論的である。
【００２２】
本発明の別の変形によれば、２次酸化剤自体の流れが２次酸化剤の複数の流れからなる。
【００２３】
好ましくは、２次酸化剤の量は、注入される酸化剤の全量の０％ないし９０％、好ましくは１０％ないし９０％であろう。
【００２４】
より好ましくは、２次酸化剤の全量は、注入される酸化剤の全量の５０％ないし９０％であり、１次酸化剤は、酸化剤の全量の１０％ないし５０％の量ということになる。
【００２５】
一般的に、２次酸化剤の全量は、好ましくは、注入される酸化剤の全量の６０％ないし８０％であり、１次酸化剤の量は、この同じ全量の２０％ないし４０％である。
【００２６】
本発明を実施する１つの方法によれば、２次酸化剤注入ポートの断面積の合計は、２．５ｃｍ2 以上である。
【００２７】
好ましくは、１次酸化剤の酸化剤の高速混合流と２次酸化剤の流れとの間の距離は、ｄ2 に等しく、その場合、
ｄ2 ≧５Ｄかつｄ2 ≧ｄ1 、好ましくは
１０Ｄ≦ｄ2 ≦５０Ｄであり、
Ｄは、２次酸化剤の流れが注入される２次酸化剤注入装置の面積と同じ面積を有する円の直径である。もし距離ｄ2iで配置され、等価の直径Ｄi の２次酸化剤注入装置の数ｉ（ｉは、可能的には、１から２５まで変化する）が用いられるならば、そのときは、ｄ2iおよびＤi は、個別に上記式を満足しなければならない。
【００２８】
本発明の別の側面によれば、１次酸化剤の高速混合の第１の流れは、酸化剤の全量の５から４０体積％を占め、一方、１次酸化剤の低速混合の第２の流れは、酸化剤の全量の５から９５体積％を占め、酸化剤の可能な残部は、２次酸化剤の流れにより提供される。
【００２９】
実施の変形によれば、１次酸化剤それ自体の低速混合の第２の流れは複数の流れからなる。
【００３０】
本発明の別の側面によれば、１次酸化剤の第２の流れは１次酸化剤の高速混合の第１の流れからほぼ同じ距離ｄ1 で位置する２つのほぼ同一の流れからなり、酸化剤の３つの流れはほぼ同じ平面に位置する。
【００３１】
本発明の変形によれば、１次酸化剤の少なくとも１つの低速混合の第２の流れは、１次酸化剤の第１の流れおよび２次酸化剤の流れにより形成される平面には存在しない。
【００３２】
燃焼アセンブリに良好な対称性が所望されるとき、１次酸化剤の複数の第２の流れは、好ましくは、１次酸化剤の第１の流れの周りに均一に配置され、別の代替は、１次酸化剤の複数の第２の流れが１次酸化剤の第１の流れを含む平面に対して対称的に配置されるものである。
【００３３】
もちろん、気体放出速度を制御することは重要である。この目的のために、燃料注入速度は、好ましくは、２０ｍ／ｓないしマッハ２であり、より好ましくは、２０ｍ／ｓないし３００ｍ／ｓである。
【００３４】
本発明による方法で用いられる燃料を注入するためのそれ自体周知の様々の可能性とは別に、燃料は、注入される前に予備加熱され得る。別の可能性は、燃料がその注入の間に脈動輸送され得ることであり、それらの脈動の周期は、好ましくは、０．１ないし３Ｈｚおよびより好ましくは、０．１ないし１Ｈｚである。「脈動」モードで１以上の流体を注入する方式についての更なる詳細については、読者は、参照により本出願に組み込まれる２００１年２月にインダストリアル・ヒーティングで出版された、エリック・シュトライヒャー、オビドゥー・マリン、オリビエ・カロンおよびハーレー・ボーダーズによる「振動燃焼技術は炉の効率を向上させる（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｏｏｓｔｓ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）」と言う表題の記事を参照し得る。
【００３５】
同様に、酸化剤の注入について多くの変形が可能である。一般的に、高速混合１次酸化剤注入速度は、好ましくは、２０ｍ／ｓないしマッハ２である。
【００３６】
また好ましくは、低速混合１次酸化剤注入速度は、１０ｍ／ｓないしマッハ１である。
【００３７】
本発明の好ましい変形によれば、２次酸化剤注入速度は、２０ｍ／ｓないしマッハ２である。
【００３８】
燃料消費を減少させるために、酸化剤の流れの少なくとも１つは、好ましくは、注入される前に予備加熱され、注入速度が最大限マッハ２の速度に達することが可能である。
【００３９】
（上述された用語の意味での）脈動燃焼のコンテキストの中で、この脈動は、酸化剤の流れの少なくとも１つについて実施されることもまた可能であり、このとき、燃料それ自体は、所望の結果に依存して、「脈動させ」得るかまたは得ないことが理解される。この変形によれば、酸化剤の流れの少なくとも１つは、脈動で注入され、それらの脈動の周波数は、０．１ないし３Ｈｚおよび好ましくは、０．１ないし１Ｈｚである。
【００４０】
酸化剤の組成は変化し得るし、所望される条件または結果に応じて、この組成は好ましくは以下に規定される要求事項の少なくとも１つに応じる。
【００４１】
−２次酸化剤は、空気、好ましくは予備加熱された空気および酸素の混合物からなり得る。一般的に、酸化剤、特に２次酸化剤はまた、特に、混合物中に少なくとも３％の酸素を有して、５から１００％の酸素（好ましくは１０ないし１００体積％）、０％から９５％のＣＯ2 （好ましくは０ないし９０％ＣＯ2 ）、０から８０％の窒素（好ましくは０ないし７０％）、０から９０％のアルゴンを含む、より大きいかまたはより小さい酸化特性の気体の混合物から成り立ち得る。混合物はまた、他の構成成分および特に水蒸気および／またはＮＯx および／またはＳＯx も含み得る。
【００４２】
−空気は、好ましくは、２次酸化剤の全酸素流の５体積％ないし８５体積％を提供し、残部は、酸素富化空気または実質的に純粋な酸素により提供される。
【００４３】
−空気は、好ましくは、全酸素の１５から４０体積％を構成する。
【００４４】
本発明の変形は、単一の燃料またはいくつかの燃料の注入を提供し、それら燃料は、同じタイプのものであり得るし（例えば異なる気体）、および／または異なるタイプのものでもあり得る（例えば、気体および燃料油）。
【００４５】
本発明はまた、特に本発明による方法を実施することを可能とする燃焼アセンブリに関する。したがって、本発明は、少なくとも１つの燃料注入ポートおよび少なくとも１つの酸化剤注入ポートを有するブロックから形成される別々に注入する燃焼アセンブリに関し、本発明は、燃料注入ポートが燃料の流れの方向で対称の少なくとも１つの長手軸を有し、対称の長手軸を有する第１の酸化剤注入装置が燃料注入ポートに配置され、前記対称の２つの長手軸がほぼ平行であり、第２の酸化剤注入ポートが第１の酸化剤注入装置の対称の軸から距離ｄ1 に位置し、その場合ｄ1 ≦３０ｃｍであることを特徴とする。
【００４６】
好ましくは、このアセンブリは、直径Ｄの第３の酸化剤注入ポートが提供される少なくとも１つの第２のブロックを含み、そのポートは、第１の酸化剤注入装置の対称の軸から距離ｄ2 で配置され、その場合、
ｄ2 ≧５Ｄかつｄ2 ≧ｄ1 、好ましくは
１０Ｄ≦ｄ2 ≦５０Ｄ
である。
【００４７】
本発明の変形によれば、ｄ1 ≦１０ｄ3 であり、ｄ3 は、１次酸化剤の低速混合流の直径であり（または注入装置の断面が円形でない場合にはその等価の値であり）、一方、好ましくはＤ≧０．５ｃｍである。
【００４８】
好ましくは、燃焼アセンブリのブロックは、複数の燃料注入ポートおよび好ましくは、複数の第１の酸化剤注入装置および／または複数の第２の酸化剤注入ポートを有する。
【００４９】
別態様によれば、少なくとも１つの燃料注入ポートは、液体燃料注入装置を含み、一方、本発明の別態様によれば、ブロックは、１以上の燃料を注入するためのいくつかの別々の燃料注入ポートを有し得る。
【００５０】
有利な態様によれば、本発明によるアセンブリは、好ましくは、一方で１次酸化剤ラインに連通し、他方で第３の酸化剤注入ポートに接続されている２次酸化剤ラインに連通する、酸化剤の全ての流れを分割するための第１の流れ分割弁を含み、１次酸化剤ラインが、一方で第１の酸化剤注入装置に接続され、他方で第２の酸化剤注入ポートに接続されている第２の流れ分割弁に接続される。
【００５１】
本発明の別態様によれば、第３の２次酸化剤注入ポートは、酸化剤の流量を変化させることなく酸化剤の速度と運動量を変化させることを可能とするために、２つの横断面（または多数の横断面）を有する注入装置であり得る。
【００５２】
もし同じ酸化剤が１次酸化剤および２次酸化剤として用いられるならば、すなわち、特に段階型燃焼（ｓｔａｇｅｄ−ｔｙｐｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）が実施されるときには、２次酸化剤注入装置の断面は、５０％段階率（ｓｔａｇｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）のためにバーナーにより導入される酸化剤の様々の流れの全運動量が、ゼロ段階率のためのその対応値より大きくなるようにならなくてはならない。
【００５３】
（バーナーにより導入される酸化剤の流れの全てを考慮して、全運動量は、質量流量（ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）により乗算されるそれぞれの酸化剤流の速度の積の合計として算出される）。
【００５４】
上記特徴の利点は、５０％を超える段階度（ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓｔａｇｉｎｇ）については、注入管の変更からなる技術におけるのとは異なって、火炎の長さおよび運動量は、段階度の増加と同時に増加することである。もしバーナーが同じタイプの酸化剤のみを用いるならば、段階率は、酸化剤の２次流の流れ対酸化剤の全ての流れ（１次と２次を合せたもの）の比である。もし酸化剤の一方が他方とは異なるならば、例えば空気と酸化剤であるならば、流れの比において、流れのそれぞれの酸素または酸化剤の比のみが考慮されるであろう。火炎の長さとバーナーの全運動量を同時に増加させるパラメーターの使用は、最大熱移動の位置を正確に制御することを可能とする。
【００５５】
本発明によれば、燃料ときわめて高速で混合する流れと比較的低速で混合する流れとの間に１次酸素の流れを分割することからなる第２の調節パラメーターを用いることが好ましい。それゆえ、この第２の調節パラメーターは、高速混合注入を介して導入される１次酸素の画分として選択され得る。
【実施例】
【００５６】
本発明は、図面とともに以下の実施例を補助としてより明解に理解されうる。
【００５７】
−図１は、炉の中での位置により公知のタイプの１ＭＷバーナーの火炎の軸に沿っての熱束の値を与える曲線である（図１のｘ軸は、バーナーの内部面（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆａｃｅ）と一致する炉の内壁から取られている。それゆえ、下流方向は、軸長の増加方向である）。
【００５８】
−図２は、火炎の長さの関数としての軸方向冠頂温度（ａｘｉａｌ ｃｒｏｗｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）プロフィールである。
【００５９】
図１は、炉に沿っての長手方向距離（単位ｍ）の関数としての火炎の熱束（単位ｋＷ／ｍ2 ）を与える曲線を示す。酸素バーナー（図示せず）は、炉の後壁（ｒｅａｒ ｗａｌｌ）上に配置される（ｘ＝０）。
【００６０】
曲線１は、きわめて小さな運動量の火炎についての熱束を示す。これは、可視的部分が極めて長い火炎４に対応する。
【００６１】
曲線２は、小さな運動量を有する火炎５（全ての他の事柄は等しい）の熱束を示し、この火炎５は、火炎４よりわずかに短い。
【００６２】
曲線３は、大きな運動量を有する火炎６（全ての他の事柄は等しい）の熱束を示し、火炎６は、火炎５より短い。それらの火炎のホットスポット（それぞれ、火炎４の場合にはＡ、火炎５の場合にはＢ、火炎６の場合にはＣ）は、バーナー（炉の後壁）の先端から遠く、一方、火炎の運動量が増加するとき可視炎の長さは短くなる（商標ＡＬＧＬＡＳＳの下で商標権者により販売される１ＭＷバーナーから製造される比較例曲線）ことが指摘されるべきである。
【００６３】
図２は、作り出される火炎の長さの関数としての同じ炉の冠頂温度を与える３つの曲線を示すが、しかしながら、それぞれの火炎は、同じ運動量（３つの火炎について３０ｍ／ｓの平均速度を有する小さな運動量）を有する。用いられるバーナーは、上記と同じタイプの２ＭＷバーナーである。短い火炎１０については、温度最大値Ｄは、炉の後壁からほぼ３ｍのところにあり、一方、火炎の長さの増加は、最大冠頂温度の位置を炉の前壁（ｆｒｏｎｔ ｗａｌｌ）に向かって移行させる（Ｅ、すなわち曲線１１についての最大温度は、炉の後壁からちょうど４ｍのところに位置し、一方、Ｆ、曲線１２についての最大温度は、同じ壁から約４．５０ｍのところに位置する）。
【００６４】
図３および４は、本発明による方法を実施するための本発明による燃焼アセンブリの例の部分模式平面図（図３）および断面図（図４）を示す。
【００６５】
燃焼アセンブリはこの場合耐火ブロック３３に収められ、そのブロック３３の中に２つのブロック３４および３５がそれぞれ配置されている。
【００６６】
好ましくは円筒形状のブロック３４は、ダクト（または注入装置）２６により貫通されており、そのオリフィスは、３８でブロックに開口している。このダクトまたは注入装置２６（可能的には、中空の円筒形金属製注入装置は、円筒形の内腔２６に滑り込まされ得る）は、Ｄの直径（３８で）を有する（もし注入装置が円筒形でないならば、Ｄは、３８での注入装置の断面と同じ面積を有する円の直径を表す）。このブロック３４は、ブロック３３の中の円筒形状スリーブ３６に滑り込ませられる。ダクト２６は、２次酸化剤２２を受容する。
【００６７】
ブロック３５は、高速混合１次酸化剤２３を注入するためのダクト２８を含み、そのダクト２８は、燃料２５が注入されるダクト（または注入装置）の中に同心円状に配置される。低速混合１次酸化剤が注入される注入装置（またはダクト）２７は距離ｄ1 で配置されている。この注入装置２７は、３０で、すなわち前記注入装置２７が出現するポイントで、直径ｄ3 の断面を有する（ｄ3 は、もし断面が円形でないならば、上記定義と等価の直径である）。ブロック３５は、内腔３７の中に収容されている。全酸化剤のライン２０は１次酸化剤ライン２１および第１の制御弁４２が配置されている２次酸化剤ライン２２に分割され、前記弁は、２１と２２の間で酸化剤の流れを分割する（もちろん、前記ラインのそれぞれの直径にしたがって）。もし、２次酸素の流れがゼロでもあり得る場合を含んで、調節の存在しないことが所望される場合には、ライン２１のアームの中に弁４２を配置することもまた可能である。分岐２３または分岐２４の中の酸化剤の流れを消去することが可能であることが所望されるかどうかにより、ライン２１それ自体が、一方に弁４３を有する２つのライン２３および２４に分割される。（もちろん、それらの分岐のそれぞれに弁を提供することも可能であり、同様に、分岐２２の弁の提供に加えて、分岐２１に弁を提供することも可能である。）
このシステムを作動させるとき、酸素は、獲得することが所望される結果に従って様々のラインに分割され得るものであり、前記ラインは、異なるか同一の酸素注入速度が様々の注入装置で獲得されるようにそれぞれの直径を有する。
【００６８】
もちろん、注入装置２７は、その末端３０が３９または４０または４１または半径ｄ1 の円上のいずれかの点に位置するような方式で配置され得る。いくつかのポート３０および／または３９および／または４０および／または４１を同時に有することもまた可能であり、そのポートの注入装置は、互いに接続され、低速混合酸素はそれら様々の注入装置に分布する。したがってまた、３２に近接して収束／発散形態の末端を有する注入装置２８（いわゆるラバルノズル）を提供することにより超音速酸化剤バーナー／注入装置を作り出すことも可能であり、一方、酸素と燃料の相対比は、獲得することを所望されるところに従って変更され得るかまたはされ得ない。したがって、超音速ノズルを取り付けられた注入装置２８により、２８および３２を介して超音速で酸化剤のみを注入するか、任意に２６を介して酸化剤の注入が補助される２９を介しての燃料と２７を介しての酸化剤の音速未満での注入を用いて作り出されるであろう火炎によりその超音速流を取り囲むか、または２９と２７（加えて必要であるか所望であれば２６）を用いて音速未満の火炎のみを作り出すかのいずれかが可能である。
【００６９】
図５は、燃料が天然ガスであるとき高速混合１次酸化剤と燃料の注入の別態様の詳細を示す。
【００７０】
耐火ブロック３５は、直径ｄ5 （または等面積の円の直径）の内腔５１を有する。その空間５１内には、好ましくは円筒系の直径ｄ4 の天然ガス注入装置が配置され、これは、注入装置５２の頂部と耐火ブロック３５の表面との間に距離ｈが存在するように後退して挿入されている。注入装置５２は、酸化剤が供給されるように中空であり、好ましくは、その上方表面に少なくとも１つの開孔５３および／またはその側壁（図５の垂直壁）に少なくとも１つの開孔５４を有する。
【００７１】
天然ガス５６は、内腔５１の垂直壁と、垂直壁５７の間に酸化剤が注入される注入装置５２の垂直壁５７との間に存在する環状空間に注入される。
【００７２】
（もし燃料油が燃料として用いられるならば、高速混合１次酸素はその燃料油をスプレーするための流体であろうし、その酸素は、可能的には、スプレー流体として空気とともに用いられるであろう）。
【００７３】
図６は、単に模式的形態として本発明の別態様を示す。
【００７４】
もし燃料油により全体的にまたは部分的に燃焼系を稼動させることが所望されるならば、耐火ブロック１００は、その上方部で、液体燃料油注入ポート１０１を有する。ポート１０１の下に配置されている水平列に沿って配列されているのは、複数の低速混合１次酸素注入ポート１０２、１０３、１０４および１０５である。
【００７５】
ブロック１００の下部に配置されているのは、それぞれ、天然ガスのような注入燃料および高速混合１次酸素（より詳細については図４を参照されたい）のような酸化剤のための３つの同心円オリフィスアセンブリ１１０／１１１、１２０／１２１、１３０／１３１（それらについてはより多くかより少なく存在し得る）の列である。ブロックの一方の側に距離ｄ2 で配置されているのは、例えば必要ではないが、酸素注入ポート１０６および１０７である。
【００７６】
図７は、頂部から下方に、燃料油注入ポート２０１および３０１のそれぞれ、２つの天然ガス注入ポート２０２、２０３と３０２、３０３のそれぞれ、中心では酸素のためのそして周辺では燃料のための２つの共軸注入ポート２０５、２０４および３０５、３０４のそれぞれを有する２つの耐火ブロック２００、３００、および共軸ポートから距離ｄ2 で配置される注入装置２０６と３０６のそれぞれへの２次酸素注入を備える本発明によるシステムの模式的別態様を示す。
【００７７】
図８は、酸素の全量により除算される２次酸素の量の分数を表す比の関数としての全火炎運動量を示す。この運動量は、約３０％の比について最小値を有し、それから増加して、６０％を超える比について２次酸素注入が存在しないときの運動量の値より大きな値に達する。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、炉の中での位置により公知のタイプの１ＭＷバーナーの火炎の軸に沿っての熱束の値を与える曲線である。
【図２】図２は、火炎の長さの関数としての軸側冠頂温度プロフィールである。
【図３】図３は、本発明による燃焼アセンブリの例の部分模式平面図である。
【図４】図４は、本発明による燃焼アセンブリの例の断面図である。
【図５】図５は、高速混合１次酸化剤と燃料の注入の別態様を示す。
【図６】図６は、単に模式的形態として本発明の別態様を示す。
【図７】図７は、本発明によるシステムの模式的別態様を示す。
【図８】図８は、酸素の全量により除算される２次酸素の量の分数を表す比の関数としての全火炎運動量を示す。
【符号の説明】
【００７９】
２０，２１，２２…酸化剤ライン、２６，２８…ダクト、２７，２０６，３０６…注入装置、３３，３４，３５…ブロック、４２，４３…制御弁、３０，３９，４０，４１，１０６，１０７、２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，３０１，３０２，３０３，３０４，３０５…ポート、５３，５４…開孔
【０００１】
本発明は、少なくとも１種の燃料と少なくとも１種の酸化剤を別々に注入し、酸化剤の流れが１次酸化剤の流れと２次酸化剤の流れを含み、第１の不完全燃焼を発生させるように１次酸化剤の流れを燃料に近接して注入し、その第１の燃焼から生じる気体もまた燃料の少なくとも一部を含み、一方、第１の燃焼から生じる気体に存在する燃料による燃焼に加わるように、２次酸化剤の流れを、燃料の流れと燃料の流れに最も近い１次酸化剤の流れとの間の距離よりも大きい、燃料の流れからの距離をもって注入する、炉の中での燃焼方法に関する。本発明はまた、そのような方法を実施するためのバーナーアセンブリにも関する。
【背景技術】
【０００２】
工業炉の燃焼システムの性能は、少なくとも２つの要因により特徴付けられる。
【０００３】
−法律により設定されている限界未満の量でなければならない大気汚染物質（ＮＯx 、塵埃など）の排出量、
−製品の品質とエネルギー消費の観点で方法の要求事項に関連する、２つの限界の間に存在しなければならない炉の壁と加熱される装填物の温度。
【０００４】
大気汚染物質、特に窒素酸化物と塵埃の放出に関連する法律の変化は、近年、燃焼技術に顕著な変化をもたらした。
【０００５】
汚染物質の放出を最小化させる必要性に加えて、工業炉での燃焼の方法を、炉の機能に適合させねばならない。
【０００６】
例えば、ガラス製造炉は、製品の品質の欠陥（気泡など）と耐火炉の急速な老化を回避するために、壁温と浴温の特性に応じなければならない。
【０００７】
鋼鉄ビレット再加熱炉では、ビレットは、圧延ミルに入る前に変形することを防ぐために均一に加熱されねばならない。
【０００８】
鉄または非鉄金属製品のための溶融炉では、均一な加熱は、炉のエネルギー消費の増加と急速な摩滅を制限するために装填とともに提供されねばならない。
【０００９】
それゆえ、製品の品質と方法の性能を達成するために、工業炉の温度野（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ）（すなわち、温度が変化しうる温度範囲）を制御することは必須である。耐火材表面と炉の主軸に沿っての装填物についての温度野は、その軸に垂直に配置されるバーナーの数、離間度および出力分布に依存する。例えば、それは、バーナーが装填物の両側に配置されているビレット再加熱炉およびガラス炉の場合である。火炎に平行な軸に沿っての温度野は、火炎の長さ、出力および運動量（ｍｏｍｅｎｔｕｍ）に依存し、また、加熱される帯域の形状にも依存する。
【００１０】
例えば、特許文献１および特許文献２から、火炎の軸の周りの空気の旋回流を用いることにより酸素炎の長さを変化させることが知られている。このパラメーターは、火炎の長さと安定性に対して強力な影響を有する。制御し得る別のパラメーターは、酸化剤または燃料（１次燃焼帯域とは別に導入される流れの部分）の展開（ｓｔａｇｉｎｇ）の程度である。段形成された燃焼バーナーは、例えば、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６および非特許文献１において記載されており、それらでは、酸化剤としての空気および酸素の使用は、特筆して記載されている。
【００１１】
酸化剤として酸素を用いるバーナー、特に気体性燃料を用いるバーナーは、一般的に、所定の出力と所定の酸素係数（ｏｘｙｇｅｎ ｆａｃｔｏｒ）について、連続的に変化する火炎の長さと運動量特性のための能力を提供しない。そのようなバーナーは、例えば、特許文献７、特許文献８、特許文献９および特許文献１０において記載されている。しかしながら、燃料注入装置を変更することによりそのようなバーナー由来の火炎の長さを変えることが可能である。より短い直径の注入装置の使用は、運動量の増加、およびそれゆえの火炎の短縮と下流の最大熱束の変位（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）（とその逆）をもたらすことに注意すべきである。特許文献７および特許文献８に記載される１ＭＷの出力を有するバーナーの可視炎の長さと軸に沿った熱束を例示する図１は、明らかにこの結果を示す。逆に、火炎の短縮と全運動量の増加は、元来、火炎の熱プロフィールの変位に対して悪影響を有する。両方の現象を組み合わせると、最大熱束を下流に移行させることを引き起こす。と言うのは、２つの影響の一方が優勢だからである。図１のｘ軸の起源は、バーナーの内部の面と一致する炉の内壁である。それゆえ、下流方向は、軸側の長さの増加に向かっている。
【００１２】
特許文献１１から炉に異なる速度でガスを注入することもまた知られており、速度変化（絶対変化と相対変化とともに）は、火炎の長さと運動量を変化させる。
【００１３】
特許文献１２から、ほぼ１５ｃｍの距離の、互いに近くで、交互に配置される別々の注入装置を用いて、燃料と酸化剤を別々に注入することもまた知られている。
【００１４】
特許文献１３は、液体燃料油が酸素の周辺流の中心に注入され、一方、空気が酸素から相当に遠い距離で注入される段階形燃焼系（ｓｔａｇｅｄ−ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）を開示する。
【特許文献１】
米国特許第４５３１９６０号
【特許文献２】
米国特許第４６０４１２３号
【特許文献３】
米国特許第４６２２００７号
【特許文献４】
米国特許第４６４２０４７号
【特許文献５】
米国特許第４７９７０８７号
【特許文献６】
米国特許第４７１８６４３号
【非特許文献１】
Ｒｅ．３３４６４
【特許文献７】
米国特許第５７７２４２７号
【特許文献８】
米国特許第５９３４８９３号
【特許文献９】
米国特許第５９８４６６７号
【特許文献１０】
米国特許第６０６８４６８号
【特許文献１１】
米国特許第５３０２１１２号
【特許文献１２】
米国特許第５３４６５２４号
【特許文献１３】
米国特許第５６０１４２５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、火炎の軸に沿っての熱プロフィールを最適化することと、窒素酸化物放出を最小化させることの２つの要求を合致させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明による方法は、特に、炉と装填物の熱プロフィール、火炎の長さおよび窒素酸化物と塵埃の放出の観点で、配置される環境に火炎の性能を適合させることを可能とする。
【００１７】
本発明による方法は、１次酸化剤の流れをそれ自体少なくとも２つの１次の流れ、すなわち、取り囲む燃料との燃焼反応を急速に受けるように、燃料の流れに向けてまたは燃料の流れと接触して注入される１次酸化剤の少なくとも１つの高速混合の第１の流れ、および１次酸化剤の少なくとも１つの高速混合の流れよりも燃料の流れとより低速で混合するように、１次酸化剤の第１の流れから距離ｄ1 をおいて注入される１次酸化剤の少なくとも１つの低速混合の第２の流れに分割することを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、火炎の運動量と長さを独立に制御することを可能とするために、本発明による燃焼システムは、好ましくは２つの調節パラメーターを含む。加えて、好ましくは、本方法が実施される炉の熱プロフィールが正確に制御されることが望ましいので、第１の調節パラメーターは、好ましくは、２次酸化剤により提供される酸素の流れ対１次酸化剤と２次酸化剤により提供される酸素の全ての流れの比からなるであろう。２次酸化剤のこの流れは、注入装置またはランスにより提供されるであろう。
【００１９】
好ましくは、本発明による方法は、距離ｄ1 が３０ｃｍ以下、好ましくは２５ｃｍであることを特徴とする。
【００２０】
本発明のもう１つの変形によれば、距離ｄ1 は、１次酸化剤の低速混合流の直径ｄ3 の１０倍以下である。
【００２１】
一般的には、１次酸化剤と２次酸化剤の流量の合計は、好ましくは、±１５％の変動幅の範囲内で、燃料の流れに対してほぼ化学量論的である。
【００２２】
本発明の別の変形によれば、２次酸化剤自体の流れが２次酸化剤の複数の流れからなる。
【００２３】
好ましくは、２次酸化剤の量は、注入される酸化剤の全量の０％ないし９０％、好ましくは１０％ないし９０％であろう。
【００２４】
より好ましくは、２次酸化剤の全量は、注入される酸化剤の全量の５０％ないし９０％であり、１次酸化剤は、酸化剤の全量の１０％ないし５０％の量ということになる。
【００２５】
一般的に、２次酸化剤の全量は、好ましくは、注入される酸化剤の全量の６０％ないし８０％であり、１次酸化剤の量は、この同じ全量の２０％ないし４０％である。
【００２６】
本発明を実施する１つの方法によれば、２次酸化剤注入ポートの断面積の合計は、２．５ｃｍ2 以上である。
【００２７】
好ましくは、１次酸化剤の酸化剤の高速混合流と２次酸化剤の流れとの間の距離は、ｄ2 に等しく、その場合、
ｄ2 ≧５Ｄかつｄ2 ≧ｄ1 、好ましくは
１０Ｄ≦ｄ2 ≦５０Ｄであり、
Ｄは、２次酸化剤の流れが注入される２次酸化剤注入装置の面積と同じ面積を有する円の直径である。もし距離ｄ2iで配置され、等価の直径Ｄi の２次酸化剤注入装置の数ｉ（ｉは、可能的には、１から２５まで変化する）が用いられるならば、そのときは、ｄ2iおよびＤi は、個別に上記式を満足しなければならない。
【００２８】
本発明の別の側面によれば、１次酸化剤の高速混合の第１の流れは、酸化剤の全量の５から４０体積％を占め、一方、１次酸化剤の低速混合の第２の流れは、酸化剤の全量の５から９５体積％を占め、酸化剤の可能な残部は、２次酸化剤の流れにより提供される。
【００２９】
実施の変形によれば、１次酸化剤それ自体の低速混合の第２の流れは複数の流れからなる。
【００３０】
本発明の別の側面によれば、１次酸化剤の第２の流れは１次酸化剤の高速混合の第１の流れからほぼ同じ距離ｄ1 で位置する２つのほぼ同一の流れからなり、酸化剤の３つの流れはほぼ同じ平面に位置する。
【００３１】
本発明の変形によれば、１次酸化剤の少なくとも１つの低速混合の第２の流れは、１次酸化剤の第１の流れおよび２次酸化剤の流れにより形成される平面には存在しない。
【００３２】
燃焼アセンブリに良好な対称性が所望されるとき、１次酸化剤の複数の第２の流れは、好ましくは、１次酸化剤の第１の流れの周りに均一に配置され、別の代替は、１次酸化剤の複数の第２の流れが１次酸化剤の第１の流れを含む平面に対して対称的に配置されるものである。
【００３３】
もちろん、気体放出速度を制御することは重要である。この目的のために、燃料注入速度は、好ましくは、２０ｍ／ｓないしマッハ２であり、より好ましくは、２０ｍ／ｓないし３００ｍ／ｓである。
【００３４】
本発明による方法で用いられる燃料を注入するためのそれ自体周知の様々の可能性とは別に、燃料は、注入される前に予備加熱され得る。別の可能性は、燃料がその注入の間に脈動輸送され得ることであり、それらの脈動の周期は、好ましくは、０．１ないし３Ｈｚおよびより好ましくは、０．１ないし１Ｈｚである。「脈動」モードで１以上の流体を注入する方式についての更なる詳細については、読者は、参照により本出願に組み込まれる２００１年２月にインダストリアル・ヒーティングで出版された、エリック・シュトライヒャー、オビドゥー・マリン、オリビエ・カロンおよびハーレー・ボーダーズによる「振動燃焼技術は炉の効率を向上させる（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｏｏｓｔｓ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）」と言う表題の記事を参照し得る。
【００３５】
同様に、酸化剤の注入について多くの変形が可能である。一般的に、高速混合１次酸化剤注入速度は、好ましくは、２０ｍ／ｓないしマッハ２である。
【００３６】
また好ましくは、低速混合１次酸化剤注入速度は、１０ｍ／ｓないしマッハ１である。
【００３７】
本発明の好ましい変形によれば、２次酸化剤注入速度は、２０ｍ／ｓないしマッハ２である。
【００３８】
燃料消費を減少させるために、酸化剤の流れの少なくとも１つは、好ましくは、注入される前に予備加熱され、注入速度が最大限マッハ２の速度に達することが可能である。
【００３９】
（上述された用語の意味での）脈動燃焼のコンテキストの中で、この脈動は、酸化剤の流れの少なくとも１つについて実施されることもまた可能であり、このとき、燃料それ自体は、所望の結果に依存して、「脈動させ」得るかまたは得ないことが理解される。この変形によれば、酸化剤の流れの少なくとも１つは、脈動で注入され、それらの脈動の周波数は、０．１ないし３Ｈｚおよび好ましくは、０．１ないし１Ｈｚである。
【００４０】
酸化剤の組成は変化し得るし、所望される条件または結果に応じて、この組成は好ましくは以下に規定される要求事項の少なくとも１つに応じる。
【００４１】
−２次酸化剤は、空気、好ましくは予備加熱された空気および酸素の混合物からなり得る。一般的に、酸化剤、特に２次酸化剤はまた、特に、混合物中に少なくとも３％の酸素を有して、５から１００％の酸素（好ましくは１０ないし１００体積％）、０％から９５％のＣＯ2 （好ましくは０ないし９０％ＣＯ2 ）、０から８０％の窒素（好ましくは０ないし７０％）、０から９０％のアルゴンを含む、より大きいかまたはより小さい酸化特性の気体の混合物から成り立ち得る。混合物はまた、他の構成成分および特に水蒸気および／またはＮＯx および／またはＳＯx も含み得る。
【００４２】
−空気は、好ましくは、２次酸化剤の全酸素流の５体積％ないし８５体積％を提供し、残部は、酸素富化空気または実質的に純粋な酸素により提供される。
【００４３】
−空気は、好ましくは、全酸素の１５から４０体積％を構成する。
【００４４】
本発明の変形は、単一の燃料またはいくつかの燃料の注入を提供し、それら燃料は、同じタイプのものであり得るし（例えば異なる気体）、および／または異なるタイプのものでもあり得る（例えば、気体および燃料油）。
【００４５】
本発明はまた、特に本発明による方法を実施することを可能とする燃焼アセンブリに関する。したがって、本発明は、少なくとも１つの燃料注入ポートおよび少なくとも１つの酸化剤注入ポートを有するブロックから形成される別々に注入する燃焼アセンブリに関し、本発明は、燃料注入ポートが燃料の流れの方向で対称の少なくとも１つの長手軸を有し、対称の長手軸を有する第１の酸化剤注入装置が燃料注入ポートに配置され、前記対称の２つの長手軸がほぼ平行であり、第２の酸化剤注入ポートが第１の酸化剤注入装置の対称の軸から距離ｄ1 に位置し、その場合ｄ1 ≦３０ｃｍであることを特徴とする。
【００４６】
好ましくは、このアセンブリは、直径Ｄの第３の酸化剤注入ポートが提供される少なくとも１つの第２のブロックを含み、そのポートは、第１の酸化剤注入装置の対称の軸から距離ｄ2 で配置され、その場合、
ｄ2 ≧５Ｄかつｄ2 ≧ｄ1 、好ましくは
１０Ｄ≦ｄ2 ≦５０Ｄ
である。
【００４７】
本発明の変形によれば、ｄ1 ≦１０ｄ3 であり、ｄ3 は、１次酸化剤の低速混合流の直径であり（または注入装置の断面が円形でない場合にはその等価の値であり）、一方、好ましくはＤ≧０．５ｃｍである。
【００４８】
好ましくは、燃焼アセンブリのブロックは、複数の燃料注入ポートおよび好ましくは、複数の第１の酸化剤注入装置および／または複数の第２の酸化剤注入ポートを有する。
【００４９】
別態様によれば、少なくとも１つの燃料注入ポートは、液体燃料注入装置を含み、一方、本発明の別態様によれば、ブロックは、１以上の燃料を注入するためのいくつかの別々の燃料注入ポートを有し得る。
【００５０】
有利な態様によれば、本発明によるアセンブリは、好ましくは、一方で１次酸化剤ラインに連通し、他方で第３の酸化剤注入ポートに接続されている２次酸化剤ラインに連通する、酸化剤の全ての流れを分割するための第１の流れ分割弁を含み、１次酸化剤ラインが、一方で第１の酸化剤注入装置に接続され、他方で第２の酸化剤注入ポートに接続されている第２の流れ分割弁に接続される。
【００５１】
本発明の別態様によれば、第３の２次酸化剤注入ポートは、酸化剤の流量を変化させることなく酸化剤の速度と運動量を変化させることを可能とするために、２つの横断面（または多数の横断面）を有する注入装置であり得る。
【００５２】
もし同じ酸化剤が１次酸化剤および２次酸化剤として用いられるならば、すなわち、特に段階型燃焼（ｓｔａｇｅｄ−ｔｙｐｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）が実施されるときには、２次酸化剤注入装置の断面は、５０％段階率（ｓｔａｇｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）のためにバーナーにより導入される酸化剤の様々の流れの全運動量が、ゼロ段階率のためのその対応値より大きくなるようにならなくてはならない。
【００５３】
（バーナーにより導入される酸化剤の流れの全てを考慮して、全運動量は、質量流量（ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）により乗算されるそれぞれの酸化剤流の速度の積の合計として算出される）。
【００５４】
上記特徴の利点は、５０％を超える段階度（ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓｔａｇｉｎｇ）については、注入管の変更からなる技術におけるのとは異なって、火炎の長さおよび運動量は、段階度の増加と同時に増加することである。もしバーナーが同じタイプの酸化剤のみを用いるならば、段階率は、酸化剤の２次流の流れ対酸化剤の全ての流れ（１次と２次を合せたもの）の比である。もし酸化剤の一方が他方とは異なるならば、例えば空気と酸化剤であるならば、流れの比において、流れのそれぞれの酸素または酸化剤の比のみが考慮されるであろう。火炎の長さとバーナーの全運動量を同時に増加させるパラメーターの使用は、最大熱移動の位置を正確に制御することを可能とする。
【００５５】
本発明によれば、燃料ときわめて高速で混合する流れと比較的低速で混合する流れとの間に１次酸素の流れを分割することからなる第２の調節パラメーターを用いることが好ましい。それゆえ、この第２の調節パラメーターは、高速混合注入を介して導入される１次酸素の画分として選択され得る。
【実施例】
【００５６】
本発明は、図面とともに以下の実施例を補助としてより明解に理解されうる。
【００５７】
−図１は、炉の中での位置により公知のタイプの１ＭＷバーナーの火炎の軸に沿っての熱束の値を与える曲線である（図１のｘ軸は、バーナーの内部面（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆａｃｅ）と一致する炉の内壁から取られている。それゆえ、下流方向は、軸長の増加方向である）。
【００５８】
−図２は、火炎の長さの関数としての軸方向冠頂温度（ａｘｉａｌ ｃｒｏｗｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）プロフィールである。
【００５９】
図１は、炉に沿っての長手方向距離（単位ｍ）の関数としての火炎の熱束（単位ｋＷ／ｍ2 ）を与える曲線を示す。酸素バーナー（図示せず）は、炉の後壁（ｒｅａｒ ｗａｌｌ）上に配置される（ｘ＝０）。
【００６０】
曲線１は、きわめて小さな運動量の火炎についての熱束を示す。これは、可視的部分が極めて長い火炎４に対応する。
【００６１】
曲線２は、小さな運動量を有する火炎５（全ての他の事柄は等しい）の熱束を示し、この火炎５は、火炎４よりわずかに短い。
【００６２】
曲線３は、大きな運動量を有する火炎６（全ての他の事柄は等しい）の熱束を示し、火炎６は、火炎５より短い。それらの火炎のホットスポット（それぞれ、火炎４の場合にはＡ、火炎５の場合にはＢ、火炎６の場合にはＣ）は、バーナー（炉の後壁）の先端から遠く、一方、火炎の運動量が増加するとき可視炎の長さは短くなる（商標ＡＬＧＬＡＳＳの下で商標権者により販売される１ＭＷバーナーから製造される比較例曲線）ことが指摘されるべきである。
【００６３】
図２は、作り出される火炎の長さの関数としての同じ炉の冠頂温度を与える３つの曲線を示すが、しかしながら、それぞれの火炎は、同じ運動量（３つの火炎について３０ｍ／ｓの平均速度を有する小さな運動量）を有する。用いられるバーナーは、上記と同じタイプの２ＭＷバーナーである。短い火炎１０については、温度最大値Ｄは、炉の後壁からほぼ３ｍのところにあり、一方、火炎の長さの増加は、最大冠頂温度の位置を炉の前壁（ｆｒｏｎｔ ｗａｌｌ）に向かって移行させる（Ｅ、すなわち曲線１１についての最大温度は、炉の後壁からちょうど４ｍのところに位置し、一方、Ｆ、曲線１２についての最大温度は、同じ壁から約４．５０ｍのところに位置する）。
【００６４】
図３および４は、本発明による方法を実施するための本発明による燃焼アセンブリの例の部分模式平面図（図３）および断面図（図４）を示す。
【００６５】
燃焼アセンブリはこの場合耐火ブロック３３に収められ、そのブロック３３の中に２つのブロック３４および３５がそれぞれ配置されている。
【００６６】
好ましくは円筒形状のブロック３４は、ダクト（または注入装置）２６により貫通されており、そのオリフィスは、３８でブロックに開口している。このダクトまたは注入装置２６（可能的には、中空の円筒形金属製注入装置は、円筒形の内腔２６に滑り込まされ得る）は、Ｄの直径（３８で）を有する（もし注入装置が円筒形でないならば、Ｄは、３８での注入装置の断面と同じ面積を有する円の直径を表す）。このブロック３４は、ブロック３３の中の円筒形状スリーブ３６に滑り込ませられる。ダクト２６は、２次酸化剤２２を受容する。
【００６７】
ブロック３５は、高速混合１次酸化剤２３を注入するためのダクト２８を含み、そのダクト２８は、燃料２５が注入されるダクト（または注入装置）の中に同心円状に配置される。低速混合１次酸化剤が注入される注入装置（またはダクト）２７は距離ｄ1 で配置されている。この注入装置２７は、３０で、すなわち前記注入装置２７が出現するポイントで、直径ｄ3 の断面を有する（ｄ3 は、もし断面が円形でないならば、上記定義と等価の直径である）。ブロック３５は、内腔３７の中に収容されている。全酸化剤のライン２０は１次酸化剤ライン２１および第１の制御弁４２が配置されている２次酸化剤ライン２２に分割され、前記弁は、２１と２２の間で酸化剤の流れを分割する（もちろん、前記ラインのそれぞれの直径にしたがって）。もし、２次酸素の流れがゼロでもあり得る場合を含んで、調節の存在しないことが所望される場合には、ライン２１のアームの中に弁４２を配置することもまた可能である。分岐２３または分岐２４の中の酸化剤の流れを消去することが可能であることが所望されるかどうかにより、ライン２１それ自体が、一方に弁４３を有する２つのライン２３および２４に分割される。（もちろん、それらの分岐のそれぞれに弁を提供することも可能であり、同様に、分岐２２の弁の提供に加えて、分岐２１に弁を提供することも可能である。）
このシステムを作動させるとき、酸素は、獲得することが所望される結果に従って様々のラインに分割され得るものであり、前記ラインは、異なるか同一の酸素注入速度が様々の注入装置で獲得されるようにそれぞれの直径を有する。
【００６８】
もちろん、注入装置２７は、その末端３０が３９または４０または４１または半径ｄ1 の円上のいずれかの点に位置するような方式で配置され得る。いくつかのポート３０および／または３９および／または４０および／または４１を同時に有することもまた可能であり、そのポートの注入装置は、互いに接続され、低速混合酸素はそれら様々の注入装置に分布する。したがってまた、３２に近接して収束／発散形態の末端を有する注入装置２８（いわゆるラバルノズル）を提供することにより超音速酸化剤バーナー／注入装置を作り出すことも可能であり、一方、酸素と燃料の相対比は、獲得することを所望されるところに従って変更され得るかまたはされ得ない。したがって、超音速ノズルを取り付けられた注入装置２８により、２８および３２を介して超音速で酸化剤のみを注入するか、任意に２６を介して酸化剤の注入が補助される２９を介しての燃料と２７を介しての酸化剤の音速未満での注入を用いて作り出されるであろう火炎によりその超音速流を取り囲むか、または２９と２７（加えて必要であるか所望であれば２６）を用いて音速未満の火炎のみを作り出すかのいずれかが可能である。
【００６９】
図５は、燃料が天然ガスであるとき高速混合１次酸化剤と燃料の注入の別態様の詳細を示す。
【００７０】
耐火ブロック３５は、直径ｄ5 （または等面積の円の直径）の内腔５１を有する。その空間５１内には、好ましくは円筒系の直径ｄ4 の天然ガス注入装置が配置され、これは、注入装置５２の頂部と耐火ブロック３５の表面との間に距離ｈが存在するように後退して挿入されている。注入装置５２は、酸化剤が供給されるように中空であり、好ましくは、その上方表面に少なくとも１つの開孔５３および／またはその側壁（図５の垂直壁）に少なくとも１つの開孔５４を有する。
【００７１】
天然ガス５６は、内腔５１の垂直壁と、垂直壁５７の間に酸化剤が注入される注入装置５２の垂直壁５７との間に存在する環状空間に注入される。
【００７２】
（もし燃料油が燃料として用いられるならば、高速混合１次酸素はその燃料油をスプレーするための流体であろうし、その酸素は、可能的には、スプレー流体として空気とともに用いられるであろう）。
【００７３】
図６は、単に模式的形態として本発明の別態様を示す。
【００７４】
もし燃料油により全体的にまたは部分的に燃焼系を稼動させることが所望されるならば、耐火ブロック１００は、その上方部で、液体燃料油注入ポート１０１を有する。ポート１０１の下に配置されている水平列に沿って配列されているのは、複数の低速混合１次酸素注入ポート１０２、１０３、１０４および１０５である。
【００７５】
ブロック１００の下部に配置されているのは、それぞれ、天然ガスのような注入燃料および高速混合１次酸素（より詳細については図４を参照されたい）のような酸化剤のための３つの同心円オリフィスアセンブリ１１０／１１１、１２０／１２１、１３０／１３１（それらについてはより多くかより少なく存在し得る）の列である。ブロックの一方の側に距離ｄ2 で配置されているのは、例えば必要ではないが、酸素注入ポート１０６および１０７である。
【００７６】
図７は、頂部から下方に、燃料油注入ポート２０１および３０１のそれぞれ、２つの天然ガス注入ポート２０２、２０３と３０２、３０３のそれぞれ、中心では酸素のためのそして周辺では燃料のための２つの共軸注入ポート２０５、２０４および３０５、３０４のそれぞれを有する２つの耐火ブロック２００、３００、および共軸ポートから距離ｄ2 で配置される注入装置２０６と３０６のそれぞれへの２次酸素注入を備える本発明によるシステムの模式的別態様を示す。
【００７７】
図８は、酸素の全量により除算される２次酸素の量の分数を表す比の関数としての全火炎運動量を示す。この運動量は、約３０％の比について最小値を有し、それから増加して、６０％を超える比について２次酸素注入が存在しないときの運動量の値より大きな値に達する。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、炉の中での位置により公知のタイプの１ＭＷバーナーの火炎の軸に沿っての熱束の値を与える曲線である。
【図２】図２は、火炎の長さの関数としての軸側冠頂温度プロフィールである。
【図３】図３は、本発明による燃焼アセンブリの例の部分模式平面図である。
【図４】図４は、本発明による燃焼アセンブリの例の断面図である。
【図５】図５は、高速混合１次酸化剤と燃料の注入の別態様を示す。
【図６】図６は、単に模式的形態として本発明の別態様を示す。
【図７】図７は、本発明によるシステムの模式的別態様を示す。
【図８】図８は、酸素の全量により除算される２次酸素の量の分数を表す比の関数としての全火炎運動量を示す。
【符号の説明】
【００７９】
２０，２１，２２…酸化剤ライン、２６，２８…ダクト、２７，２０６，３０６…注入装置、３３，３４，３５…ブロック、４２，４３…制御弁、３０，３９，４０，４１，１０６，１０７、２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，３０１，３０２，３０３，３０４，３０５…ポート、５３，５４…開孔
Claims (40)
- 少なくとも１種の燃料と少なくとも１種の酸化剤を別々に注入し、前記酸化剤の流れが１次酸化剤の流れと２次酸化剤の流れを含み、第１の不完全燃焼を発生させるように前記１次酸化剤の流れを前記燃料に近接して注入し、その第１の燃焼から生じる気体もまた燃料の少なくとも一部を含み、一方、特に前記第１の燃焼由来の気体により希釈され、かつ前記酸化剤とはまだ反応していない燃料の一部との燃焼に入るように、前記２次酸化剤の流れを、前記燃料の流れと前記燃料の流れに最も近い前記１次酸化剤の流れとの間の距離より大きい、前記燃料の流れからの距離をもって注入する、炉の中での燃焼の方法であって、前記１次酸化剤の流れをそれ自体少なくとも２つの１次の流れ、すなわち、取り囲む燃料との燃焼反応を急速に受けるように、前記燃料の流れに注入される１次酸化剤の少なくとも１つの高速混合の第１の流れ、および前記１次酸化剤の少なくとも１つの高速混合の流れよりも前記燃料の流れとより低速で混合するように、前記１次酸化剤の第１の流れから距離ｄ1 をおいて注入される１次酸化剤の少なくとも１つの低速混合の第２の流れに分割することを特徴とする方法。
- 距離ｄ1 が３０ｃｍ以下、好ましくは２５ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
- 距離ｄ1 が、１次酸化剤の低速混合流の直径ｄ3 の１０倍以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
- １次酸化剤と２次酸化剤の流れの合計が燃料の流れに対してほぼ化学量論的であり、好ましくは、前記化学量論的な流れに対し±１５％の範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の方法。
- 前記２次酸化剤の流れ自体が、複数の２次酸化剤の流れからなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の方法。
- 前記２次酸化剤の量が、前記注入される酸化剤の全量の０％ないし９０％、好ましくは１０％ないし９０％であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の方法。
- 前記２次酸化剤の全量が前記注入される酸化剤の全量の５０％ないし９０％であり、前記１次酸化剤が前記酸化剤の全量の１０％ないし５０％の量を占めることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載の方法。
- 前記２次酸化剤の全量が前記注入される酸化剤の全量の６０％ないし８０％であり、前記１次酸化剤の量がその同じ全量の２０％ないし４０％であることを特徴とする請求項７記載の方法。
- 前記２次酸化剤注入ポートの断面積の合計が２．５ｃｍ2 以上であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項記載の方法。
- 前記１次酸化剤の高速混合流と２次酸化剤の流れとの間の距離がｄ2 に等しく、その場合、
ｄ2 ≧５Ｄおよびｄ2 ≧ｄ1 、好ましくは
１０Ｄ≦ｄ2 ≦５０Ｄであり、
Ｄは、前記２次酸化剤の流れが注入される前記２次注入装置の面積と同じ面積を有する円の直径であることを特徴とする請求項９記載の方法。 - 前記１次酸化剤の高速混合の第１の流れが前記酸化剤の全量の５から４０体積％を占め、一方、前記１次酸化剤の低速混合の第２の流れが前記酸化剤の全量の５から９５体積％を占め、酸化剤の可能な残部を前記２次酸化剤の流れにより提供することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項記載の方法。
- 前記１次酸化剤の低速混合の第２の流れ自体が複数の流れからなることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項記載の方法。
- 前記１次酸化剤の第２の流れが前記１次酸化剤の高速混合の第１の流れからほぼ同じ距離ｄ1 に位置する２つのほぼ同一の流れからなり、前記酸化剤の３つの流れがほぼ同一平面に存在することを特徴とする請求項１２記載の方法。
- １次酸化剤の少なくとも１つの低速混合の第２の流れが前記１次酸化剤の第１の流れと前記２次酸化剤の流れにより形成される平面に存在しないことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項記載の方法。
- 前記１次酸化剤の複数の第２の流れを前記１次酸化剤の第１の流れの周りに均一に配置することを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項記載の方法。
- 前記１次酸化剤の複数の第２の流れが前記１次酸化剤の第１の流れを含む平面に対して対称的に配置されていることを特徴とする請求項１５記載の方法。
- 燃料注入速度が２０ｍ／ｓを超え、好ましくは、マッハ２以下であることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１項記載の方法。
- 前記燃料注入速度が２０ｍ／ｓないし３００ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１７記載の方法。
- 前記燃料が注入される前に予備加熱され得ることを特徴とする請求項１７または１８記載の方法。
- 前記燃料が注入の間に脈動し、その脈動の周波数が好ましくは０．１ないし３Ｈｚ、より好ましくは０．１ないし１Ｈｚであることを特徴とする請求項１７ないし１９のいずれか１項記載の方法。
- 前記高速混合１次酸化剤の注入速度が２０ｍ／ｓないしマッハ２であることを特徴とする請求項１ないし２０のいずれか１項記載の方法。
- 前記低速混合１次酸化剤の注入速度が１０ｍ／ｓないしマッハ１であることを特徴とする請求項１ないし２１のいずれか１項記載の方法。
- 前記２次酸化剤の注入速度が２０ｍ／ｓないしマッハ２であることを特徴とする請求項１ないし２２のいずれか１項記載の方法。
- 前記酸化剤の流れの少なくとも１つが注入される前に予備加熱され、その注入速度が最大限マッハ２の速度に達することが可能であることを特徴とする請求項１ないし２０のいずれか１項記載の方法。
- 前記酸化剤の流れの少なくとも１つを脈動状に注入し、それらの脈動の周波数が０．１ないし３Ｈｚ、好ましくは０．１ないし１Ｈｚであることを特徴とする請求項１ないし２４のいずれか１項記載の方法。
- 前記２次酸化剤が空気、好ましくは予備加熱された空気と酸素の混合物からなることを特徴とする請求項１ないし２５のいずれか１項記載の方法。
- 空気が前記２次酸化剤の全酸素量の５体積％から８０体積％までを提供し、残部を酸素富化空気または実質的に純粋な酸素が提供することを特徴とする請求項２６記載の方法。
- 空気が全酸素量の１５体積％から４０体積％までを構成することを特徴とする請求項２７記載の方法。
- 単一の燃料を注入するかまたはいくつかの異なる燃料を注入することを特徴とする請求項１ないし２８のいずれか１項記載の方法。
- 少なくとも１つの燃料注入ポートおよび少なくとも１つの酸化剤注入ポートを有するブロックから形成される、燃料と酸化剤を別々に注入するバーナーアセンブリであって、前記燃料注入ポートは、燃料の流れの方向に少なくとも１つの対称の長手軸を有し、対称の長手軸を有する第１の酸化剤注入装置が前記燃料注入ポートに配置され、前記対称の２つの長手軸はほぼ平行であり、第２の酸化剤注入ポートは前記第１の酸化剤注入装置の対称の軸から距離ｄ1 の場所に位置し、その場合ｄ1 ≦３０ｃｍであることを特徴とするバーナーアセンブリ。
- 直径Ｄの第３の酸化剤注入ポートを提供する少なくとも１つの第２のブロックを含み、そのポートは前記第１の酸化剤注入装置の対称の軸から距離ｄ2 に位置し、その場合、
ｄ2 ≧５Ｄかつｄ2 ≧ｄ1 であり、好ましくは、
１０Ｄ≦ｄ2 ≦５０Ｄ
であることを特徴とする請求項３０記載のアセンブリ。 - ｄ1 ≦１０ｄ3 であることを特徴とする請求項３０または３１記載のアセンブリ。
- Ｄ≧０．５ｃｍであることを特徴とする請求項３１または３２記載の方法。
- 前記ブロックが複数の燃料注入ポートを有することを特徴とする請求項３０ないし３３のいずれか１項記載のアセンブリ。
- 前記ブロックが複数の第１の酸化剤の注入装置を有することを特徴とする請求項３０ないし３４のいずれか１項記載のアセンブリ。
- 前記ブロックが複数の第２の酸化剤の注入ポートを有することを特徴とする請求項３０ないし３５のいずれか１項記載のアセンブリ。
- 前記燃料注入ポートが重質燃料油注入装置を備えることを特徴とする請求項３０ないし３６のいずれか１項記載のアセンブリ。
- １種類以上の燃料を注入するためのいくつかの別々の燃料注入ポートを有することを特徴とする請求項３０ないし３７のいずれか１項記載のアセンブリ。
- 一方で、１次酸化剤ラインに連通し、他方で、第３の酸化剤注入ポートに接続されている２次酸化剤ラインに連通する、前記酸化剤の全ての流れを分割するための第１の流れ分割弁を含み、前記１次酸化剤ラインが、一方で、前記第１の酸化剤注入装置に、他方で、前記第２の酸化剤注入ポートに接続されている第２の流れ分割弁に接続されていることを特徴とする請求項３０ないし３８のいずれか１項記載のアセンブリ。
- 注入装置の上流で酸化剤の圧力を変化させることなく前記酸化剤の速度と運動量を変化させることを可能とするために、前記第３の２次酸化剤注入ポートが２つの横断面を有する注入装置であることを特徴とする請求項３０ないし３９のいずれか１項記載のアセンブリ。
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