JP4227025B2 - 改良型ｆｇｒダクト構造を用いたバーナー - Google Patents

Description

本発明は炭化水素の水蒸気分解に使用される高温炉に用いられるようなバーナーの改良に関する。本発明は、特に、再循環される燃焼排ガスの温度を下げかつＮＯｘ放出量を低減する新規な構成のＦＧＲ（燃焼排ガス再循環）バーナーの使用に関する。

大型炉やボイラーで使用されるバーナーから放出される汚染物質を削減させようという近年の関心の結果，バーナーの構造はかなり変化した。過去において、バーナー構造の改良は主として熱分配を改善する目的とされた。ますます厳しい環境規則は、バーナー構造の焦点を規制される汚染物質を最小にすることにシフトさせた。

窒素酸化物（ＮＯｘ）は空気中において高温で形成される。しかし、これらの化合物は酸化窒素と二酸化窒素を含むが、これらだけに限られるものではない。ＮＯｘの放出の削減は大気汚染を減少させ、政府規則を満たす必要な目標である。近年、ＮＯｘを放出するさまざまな可動及び固定放出源が調査の結果増えてきて規制されるようになってきた。

ＮＯｘの低放出レベルを達成するための１つの戦略は炉の排気流を処理するためにＮＯｘ還元触媒を付設することである。選択的接触還元（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）として知られているこの戦略は、より厳しい規則を満たすことにおいて有効であり、バーナー構造の代替的改良の要求をそれほど引き起こすものではないが、非常にコストが高い。

大型工業炉で使用されるバーナーは液体燃料かガス燃料のどちらかを使用することができる。液体燃料バーナーは、より完全な燃焼を可能にするために、燃焼の前に蒸気に燃料を混ぜ、かつ、燃焼ゾーンにおいて燃料に燃焼のための空気を混ぜる。

ガス燃焼式バーナーは、空気と燃料を合成するのに使用される方法によって、プリミックスバーナーか生ガスバーナーのいずれかに分類される。これらの２つのバーナーはまた、構成と、使用されるバーナーチップのタイプにおいて異なる。

生ガスバーナーは燃料を直接空気流に注ぐので、燃料と空気の混入は燃焼と同時に起こる。気流は燃料流に対してさほど変化しないので、自然通風バーナーのエアレジスタの設定は、発火速度が変化した後に、変えられなければならない。したがって、米国特許No.
4,257,763において詳細に説明されるように、頻繁な調整が必要であるかもしれない。さらに、多くの生のガスバーナーは輝炎を発生させる。

プレミックスバーナーは、燃焼の前に、燃料の一部又は全てを燃焼用空気の一部又は全てに混ぜる。予混合が燃料流に存在するエネルギを使用することによって実行されるので、気流は燃料流に十分に比例する。その結果、したがって、調整がより少なくてすむ。燃料と空気を予混合することはまた、必要な火炎特性を達成することを容易にする。これらの特性のために、プレミックスバーナーは様々な水蒸気分解炉の構成にしばしば適合する。

床燃焼式プレミックスバーナーは多くの蒸気クラッカーと蒸気改質装置で使用される。その主な理由は、このバーナーが炉の背の高い放射部において比較的一定の熱分布プロフィールを作る能力を備えるためである。炎が非発光であるので、金属管の温度管理を容易にしている。したがって、プレミックスバーナーはそのような炉のための選択されるバーナーである。プレミックスバーナーはまた、特別な熱分布プロフィールか他のタイプの炉において必要とされる火炎形状のために設計されうる。

ガス燃焼式工業炉では、ＮＯｘは、燃焼用空気流と共にバーナーに引き込まれた窒素の酸化によって形成される。ＮＯｘの形成は、高温と豊富な酸素の両方が存在する炎領域において主として起こると広く信じられている。エチレン炉が炭化水素処理工業で使用される最も高い温度炉のものであるので、これらの炉内のバーナーは高レベルのＮＯｘを放出するという自然傾向にある。

産業上広く受け入れられるようになったＮＯｘを低減する１つのテクニックは段階（ステージング）燃焼として知られている。ステージングでは、一次火炎帯は空気が不十分（多燃料）であるか燃料が不十分（希薄燃料）のどちらかである。バランスをとるための空気か燃料が二次火炎帯又は燃焼室のほかの場所でバーナーに注がれる。周知のとおり、多燃料状態又は希薄燃料状態の燃焼帯は、より化学量論に近い空燃比よりもＮＯｘを形成しない。段階燃焼は一次火炎帯におけるピーク温度を低減し、ＮＯｘを削減させるように燃焼速度を変えることが判明した。ＮＯｘの形成がガス温度に関して指数関数的に増えるので、たとえそれが小さくてもピーク火炎温度を低下させることにより、ＮＯｘの放出を劇的に抑えることができる。しかしながら、このことは、火炎温度の低下に従って放射伝熱が減るという事実とバランスをとらなければならず、一方、一酸化炭素（ＣＯ）の放出、すなわち、不完全燃焼の示唆はもちろん実際に増加する。

プレミックスバーナーに関しては、用語「一次空気」は燃料と予混合された空気のことを意味し、「二次空気」、あるケースにおいては「三次空気」は適切な燃焼に必要であるバランスのための空気のことを意味する。生ガスバーナーにおいては、一次空気は、燃料により近い位置で協働する空気であり、二次及び三次空気は燃料により離れた位置で協働する空気である。可燃上限は火炎が伝播されうる最大の燃料濃度を含む混合物（多燃料）のことを意味する。

したがって、１セットのテクニックは、火炎温度を下げる段階空気か段階燃料バーナーを使用することによって、化学量論条件（多燃料又は多空気のいずれか一方）からほど遠いものにおいて、かつ、火炎が炉の中で加熱される流体にいくらかの熱を放射した後にだけ残りの空気か燃料を加えて初期燃焼を実行することにより、より低い火炎温度を実現する。

より低い火炎温度を達成するための別のテクニックは、不活性材料で混合気を薄めることを含む。燃焼排ガス（燃焼反応の生成物）又は蒸気が一般的に使用される希釈剤である。そのようなバーナーはそれぞれ、ＦＧＲ（燃焼排ガス再循環）バーナー及び蒸気注入（噴射）バーナーとして分類される。

米国特許Ｎｏ．５,０９２,７６１は、燃焼排ガスを再循環させることによって、プレミックスバーナーからのＮＯｘの放出を低減する方法と装置を開示する。燃焼排ガスは、炉からパイプまでバーナー管のベンチュリ管部分を通り抜ける燃料ガスと燃焼用空気の吸引効果によって、パイプを介して、引っ張られる。燃焼排ガスは、燃焼の前に、一次空気室内の燃焼用空気に混ざり、一次空気室内の燃焼用空気の酸素（Ｏ_２）濃度を希釈して火炎温度を下げ、その結果、ＮＯｘの放出を抑える。燃焼排ガス再循環システムは既存のプレミックスバーナーに組み込むことができ、あるいは、新品の低ＮＯｘバーナーに組み込むこともできる。

米国特許Ｎｏ．５,０９２,７６１に開示されるタイプのバーナーを分析すると、煙道ガス再循環（ＦＧＲ）比はほぼ５−１０％の範囲にあることがわかる。

ＦＧＲ比は以下のように定められる。

ＦＧＲ比（％）＝１００[Ｇ／（Ｆ＋Ａ）]
ここで、Ｇはベンチュリ管の中に引っ張られた燃焼排ガス（lb）、Ｆはバーナー内で燃焼した燃料（lb）、Ａはバーナー内に引っ張られた空気（lb）である。

このタイプの既存のバーナーのより高いＦＧＲ比を発生させる能力は、燃料オリフィス／ガススパッド／ベンチュリ管の組み合わせの吸引能力によって制限される。一次空気ダンパーを完全に又は部分的に閉じることで一次空気室内の圧力をより低くしてＦＧＲ比を大きくすることができるが、結果としての一次空気流の低減は、許容できるバーナーの安定性のために十分な酸素がベンチュリ管内に存在するといったものになる。

商業的経験とモデルは、燃焼排ガス再循環レートが高くされたときに火炎がＦＧＲダクト内に引っ張られる傾向があることを示した。しばしば、燃焼排ガス再循環量を抑制するのはこの現象である。火炎（フレーム）が燃焼排ガス再循環ダクトに直接入ると、バーナーベンチュリ管の温度は上昇する傾向があり、これがフレーム速度を上げ、再循環された燃焼排ガスによるＮＯｘの低減効果を下げる。運転の視点から見ると、金属ＦＧＲダクトの寿命を保持するためにＦＧＲダクト内に火炎を入れないようにするために燃焼排ガス再循環速度をより低くする必要がある。

米国特許Ｎｏ．５,０９２,７６１のシステムの欠点は、ＦＧＲダクトを冷却するために使用する段階空気が最初に炉箱に入り、床を短い距離横断し、次にＦＧＲダクトに入る必要があることである。このように通過する際に、段階空気は炉箱内の熱い燃焼排ガス放射にさらされる。バーナーの試験による実験データの解析結果は、段階空気は、それがＦＧＲダクトに入るとき、３７１℃（７００°Ｆ）程度の熱さであることを示す。さらに、ＦＧＲダクトに入る燃焼排ガス及び／又は再循環ガスは１１４９℃（２１００°Ｆ）くらいの熱さである。

当該技術分野におけるこれらの進歩にもかかわらず、増加しつつある厳しいＮＯｘ放出規制を満たす好ましい熱分布プロフィールを有し、かつ、許容できるＦＧダクト温度を生じさせるバーナーを望む要請が存する。

したがって、必要とされるものは、再循環される燃焼排ガス及び結果の燃料／空気／燃焼排ガス混合物の温度を低くすることができ、厳しい放出規制に適合するために、より高い燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）速度を可能にするバーナーである。このバーナーは火炎温度及び火炎速度を低減するので、結果として、ＮＯｘの放出量を低減するであろう。必要とされるバーナーは、再循環ガスの温度を下げる結果、ＦＧＲ管の寿命を延ばすことができるであろう。

本発明は蒸気分解などにおける炉のバーナーに使用される燃焼排ガス再循環ダクト内の再循環燃焼排ガスの温度を下げるバーナーに関連する。バーナーは以下のものを含んでなる。

（ａ）一次空気室と、
（ｂ）下流端と、空気及び燃料を受ける上流端を有するバーナー管と、
（ｃ）前記バーナー管下流端の位置であって炉の第１火炎開口に隣接する位置に配設されたバーナー先端であって、該バーナー先端の下流において燃料が燃焼されるバーナー先端と、
（ｄ）炉の第２開口において第１端部を有し、前記バーナー管上流端に隣接する位置において第２端部を有する少なくとも１つの流路であって、オリフィスを有し、前記第１端部はバーナーの火炎が前記第２開口に連行されることを最小にするように所定の距離前記第１火炎開口から離間している少なくとも１つの流路と、
（ｅ）第１端部と第２端部を有する少なくとも１つのブリードエアダクトであって、該第１端部は前記少なくとも１つの流路の前記オリフィスに流体連通し、該第２端部は燃料ガスよりも温度が低い空気源に流体連通するブリードエアダクトと、
（ｆ）前記バーナー管の前記上流端から前記下流端へと前記バーナー管内を流れる未だ燃焼していない燃料による吸引効果に応答して、燃焼排ガスを炉から前記少なくとも１つの流路に流すように引っ張り、かつ、前記空気源からの空気を前記少なくとも１つのブリードエアダクトから前記少なくとも１つの流路に流すように引っ張る手段であって、該引っ張りにより、燃料と空気の燃焼ゾーンの手前で前記燃焼排ガスを前記少なくとも１つのブリードエアダクトからの空気に混ぜ引っ張られた燃焼排ガスの温度を下げる手段。

添付の図面（これらは発明の種々の実施の形態を非限定的な実施例として示す）を参照して、発明を以下にさらに説明する。

本発明を炉又は工業炉に使用するバーナーについて説明するが、本発明の教示は、例えば、ボイラーといった他の処理のための要素に適用できることは、当業者にとって明白である。したがって、ここにおいて、用語「炉」は炉、ボイラー及びその他の使用可能な処理のための要素を意味することを理解すべきである。

ここで図１乃至１５に示す実施の形態に言及する。図において、同様な要素に同様な参照番号を用いている。

図１乃至４に言及すると、バーナー１０は、炉床１４に設けたウェル内に位置する自立型のバーナー管１２を含む。バーナー管１２は上流端１６と、下流端１８と、ベンチュリ管部分１９を含む。バーナー先端２０はバーナー管１２の下流端１８に設けられており、環状のタイル２２によって囲まれている。燃料オリフィス１１（これはガススパッド２４内に位置することができる）はガス燃料ライザー２５の上端に位置し、かつ、上流端１６に位置して燃料をバーナー管１２に導入する。新鮮な空気又は周囲空気が可変ダンパー２８を介して一次空気室２６の中に導入されてバーナー管１２の上流端１６において燃料と混合され、ベンチュリ管部分１９を通って上方へ通過する。燃料と新鮮空気の燃焼はバーナー先端２０の下流において生じる。バーナー管１２内へ流れる燃焼再循環排ガス、空気及びオプションの蒸気を含み、ガスベンチュリ管部分１９に入る燃料の流れによって推進力が与えられることが理解される。オプションとして、推進力を増すために流れの方向に位置さされる１本又は２本以上の蒸気噴射管１５を備えることができる。

複数の空気口３０は二次空気室３２において始まり、炉床１４を通って炉内に通じる。新鮮な空気又は周囲空気は可変ダンパー３４を介して二次空気室３２に入り、段階空気口３０を介して炉内に入り、二次燃焼、即ち、段階燃焼がなされる。

燃焼排ガスを炉から一次空気室２６へ再循環させるために、ダクト又は再循環管３６，３８はそれぞれ、炉の床の開口４０，４２からそれぞれバーナープレナム４８の開口４４，４６まで延伸する。再循環管３６，３８は、好ましくは、金属から形成され、図２に示すように、開口４０，４２内で部分的に延伸し炉の内面に直接面しないように、これらの開口に挿入されている。この構成は、開口４０，４２において非常に高温のガスに直接接触すること、及び、該ガスの輻射に接することを防止する。

例えば、１０乃至１５％のＯ_２を含有する燃料ガスは、バーナー管１２のベンチュリ管部分１９を通過する燃料の吸引効果によって、好ましくは５乃至１５％のＯ_２、より好ましくは２乃至１０％のＯ_２、特に好ましくは２乃至５％のＯ_２を含んで管３６，３８を介して引っ張られる。このように、一次空気と燃料ガスは、燃焼ゾーンの手前である一次空気室において混合される。故に、燃料と混合される不活性材料が火炎温度を下げ、その結果、ＮＯｘの放出を低減する。

ダンパー２８を完全に又は部分的に閉じることで、一次空気室２６内に引っ張られる新鮮な空気の量を制限し、それにより、燃焼排ガスを炉床から引っ張るのに必要な真空を与える。

ダンパー３４を介して二次空気室３２に入った、まだ混合されていない低温の新鮮空気（外気）は、ベンチュリ管部分１９を通る燃料の吸引効果によって、空気口３０から引っ張られて、オリフィス６２、ブリードエアダクト６４、オリフィス６０を通って管３６，３８内に入り、一次空気室２６内に入る。周囲空気は上で述べたように新鮮な空気（外気）とすることができる。段階空気又は二次空気を燃焼排ガスに混ぜることで、再循環管３６，３８内を流れる高温の燃焼排ガスの温度を下げることができ、その結果、実質的に再循環管３６，３８の寿命を延ばし、この種のバーナーを使用して炉の放射部において１０４０℃（１９００°Ｆ）以上の燃焼排ガス温度を有する高温熱分解炉におけるＮＯｘ放出量を低減することができる。ブリードエアダクトは第１端部６６と第２端部６８を有し、第１端部６６は再循環管３６又は３８のオリフィス６０に接続され、第２端部６８は空気口３０のオリフィス６２に接続されている。

この実施の形態において、高温の低熱伝導材料（これは、例えば、セラミックス、セラミックファイバ、又は型成形可能な耐火材料から選択することができる）を含んでなる炉床１４は、貫通ブリードエアダクト６４を有する炉床１４の壁部分６７を含む。この構成において、再循環管３６，３８の温度は最小にされる。

空気口３０を通って炉の中に入ったまだ混ざっていないさらなる量の低温周囲空気はまた、ベンチュリ管部分１９を通り抜ける燃料の吸気効果によって、再循環管３６と３８を通って一次空気室２６内に引っ張られる。ダンパー２８が完全に閉じられる範囲まで、ブリードエアダクト６４は、バーナー１０によって必要とされる一次空気の完全な要件のための必要な流れを可能にする大きさとされるべきである。

２０％から８０％の燃焼排ガスと２０％から８０％の周囲空気の混合物が再循環管３６と３８を通して引っ張られるべきである。５０％の燃焼排ガスと５０％の周囲空気の混合物を用いることが特に好ましい。

視認及び点火ポート５０は一次空気室２６内に提供されて二次空気室３２内に延伸し、バーナーアセンブリの内部点検を可能にしかつバーナーに火入れするためのアクセスを提供する。

本発明の追加の特徴はＦＧＲ熱交換管６５の使用にかかわる。本発明のこの局面は、上でブリードエアダクト６４に関して説明された教示のあるなしにかかわらず使われてもよい。熱交換管６５の使用に関して、低温の周囲空気は、炉内の通風によって、各再循環管３６と３８内に配設された１又は２以上の段階空気ＦＧＲ熱交換管６５を通して二次空気室３２内へ引っ張られる。熱交換管６５の断面は望ましくは丸いが、他の形状でも本発明の実施方法において有用性を有する。周囲空気は上で論ずる新鮮な空気であってもよい。熱は、ダクトか再循環管３６と３８内を流れて再循環する燃焼排ガスからＦＧＲ熱交換管６５内を流れる低温周囲空気に伝達される。これは再循環管３６と３８を通して流れる熱い燃焼排ガスの温度を下げ、以前に、炉の放射部において１０４０℃（１９００°Ｆ）より高い燃焼排ガス温度を有する高温分解炉に関して特に説明したように、この種のバーナーにおけるＮＯｘ放出量を低減することを可能にする。

その上、二次空気室３２に入る空気への直接的なこの熱遷移は、例えば、再循環燃焼排ガスから外気へ熱を伝達することに比べ、バーナー１０の熱効率を低減させないように、段階空気の温度を上げる。

再循環する燃焼排ガスを冷却することから生じている再循環管３６，３８とベンチュリ管１９内の低温はガス混合物の密度を上げ、かつ、ベンチュリ管１９のＦＧＲ巻込み容量を上げるであろう。より高い容量のベンチュリ管は再循環する燃焼排ガスの吸気速度を有益に上げるだろう。再循環する燃焼排ガスの吸気の増加は燃料空気混合物の酸素分を減少させ、かつ、熱容量を増加させる。これらの両方が火炎温度を低下させてＮＯｘの形成をさらに抑えることを助ける。

低温周囲空気の大部分はダンパー３４を通して二次空気室３２に入る。周囲空気は新鮮な空気であってもよい。

例えば、燃焼排ガス再循環流路を通過する５０％の燃焼排ガスと５０％の周囲空気の混合物での１０％のＦＧＲ（燃焼排ガス再循環）のケースを基本にすると、再循環する燃焼排ガスにおける最大理論温度低下は以下の表１の通りである。

図１−４のバーナーの代替の実施の形態を図５に示す。同様であるパーツには同様な参照番号を用いている。理解されるように、図１−４の実施の形態と、図５のものの主な違いは後者が単一の再循環管３６だけを使うということである。この実施の形態では、例えば、６インチ径の単一管は、２本の４インチ径管を取り替えるのに使用される。ここでもまた、燃焼排ガスと周囲空気の必要な割合は、再循環管３６、ブリードエアダクト６４、空気口３０、およびＦＧＲ熱交換管６５の適切なサイズ、配置及び／又は構造によって達成されうる。この実施の形態において、炉床１４（これは、例えば、セラミック、セラミック繊維または型成形可能な耐火材料から選択することができる高温かつ低熱伝導性の材料を含むことができる）は壁部６７を含み、この炉床１４の壁部６７を貫通するブリードエア（抽気）ダクト６４が形成されている。この構成では、再循環管３６の温度は最小にされる。

低温の周囲空気はダンパー３４を通して二次空気室３２に入る。一方、周囲空気は上で論じられる新鮮な空気であってもよい。１又は２以上のＦＧＲの熱交換管６５を再循環管３６の中に設けることとしてもよく、熱交換管は低温周囲空気を再循環燃焼排ガスと熱交換させる。有利なことに、ＦＧＲ熱交換管６５は、再循環管３６を通る燃焼排ガス流に接する複数のフィン９０を熱交換管の外表面の周りに備えてこととしてもよい。ここでも、熱交換管６５とブリードエアダクト６４に関する本発明の教示を別々に又は組み合わせてこの実施の形態に適用することとしてもよい。

本発明の改良された燃焼排ガス循環システムをまた、図６、７、および８に示すタイプの低ＮＯｘバーナー構造に使用することができ、これらの図において、同様なパーツに同様な参照番号を使用している。図１−４の実施の形態のように、バーナー１０は炉床１４のウエルに位置する自立型のバーナー管１２を含んでいる。バーナー管１２は下流端１８、上流端１６、ベンチュリ管部分１９を含んでいる。バーナー先端２０は下流端１８に位置し、環状タイル２２によって囲まれる。燃料オリフィス１１（ガススパッド２４の中に位置してもよい）は上流端１６に位置して、バーナー管１２に燃料を導入する。新鮮な空気又は周囲空気は可変ダンパー２８を通して一次空気室２６に導入されバーナー管１２の上流端１６で燃料に混ざる。燃料と新鮮な空気の燃焼はバーナー先端２０の下流で生じる。

複数の空気口３０は二次空気室３２に始まり、炉床１４を通って炉の中に入る。新鮮な空気は可変ダンパー３４を通して二次空気室３２内に入り、二次、即ち、段階燃焼を供給するために段階空気口３０を通って炉の中に入る。

燃焼排ガスを炉から一次空気室２６まで再循環させるように燃焼排ガス再循環流路７６が炉床１４に形成され一次空気室２６に達するので、燃焼排ガスは、開口８０から一次空気室２６に引っ張られた新鮮な空気に混ざる。例えば、０〜１５％のＯ_２を含有する燃焼排ガスは、バーナー管１２のベンチュリ管部分１９を通り抜ける燃料の吸気効果によって、好ましくは５〜１５％のＯ_２、さらに好ましくは２〜１０％のＯ_２、特に好ましくは２〜５％のＯ_２を含んで流路７６を通して引っ張られる。図１−４の実施の形態のように、一次空気と燃焼排ガスは、燃焼のゾーンの手前に位置する一次空気室２６で混ぜられる。ダンパー２８を完全又は部分的に閉じると、一次空気室２６に引っ張られる新鮮な空気の量が制限され、その結果、炉床から燃焼排ガスを得るのに必要な真空が提供される。

ダンパー３４を通して二次空気室３２に入ったまだ混ざっていない低温の周囲空気は、ベンチュリ管部分１９を通り抜ける燃料の吸気効果により、二次空気室３２から引っ張られてオリフィス６２、ブリードエアダクト６４及びオリフィス６０を通って燃焼排ガス再循環流路７６に入って一次空気室２６内に入る。ここｄも、周囲空気は上で論じられる新鮮な空気とすることとしてもよい。ブリードエアダクト６４は第１端部６６と、第２端部６８を有し、第１端部６６は燃焼排ガス再循環流路７６のオリフィス６２につなげられ、第２端部６８はオリフィス６０につなげられ二次空気室３２に流体連通する。図５の実施の形態のように、炉床１４は高温、低熱伝導性の材料を含んでなり、燃焼排ガス再循環流路７６の温度を最小にするために炉床１４を通るように形成されたブリードエア（抽気）ダクト６４を含んでいる。

空気口３０を通り抜けて炉の中に入った、まだ混ざっていないさらなる量の低温の周囲空気はまた、ベンチュリ管部分１９を通り抜ける燃料の吸気効果によって、燃焼排ガス再循環流路７６を通って一次空気室２６内に引っ張られる。

低温の周囲空気は空気口３０から引っ張られてダンパー３４を通して二次空気室３２に入る。またも、周囲空気は上で論じられる新鮮な空気であってもよい。１又は２以上の段階空気熱交換管６５を燃焼排ガス再循環流路７６に提供して、低温周囲空気を再循環燃焼排ガスと熱交換させることとしてもよい。またも、熱交換管６５とブリードエアダクト６４に関する本発明の教示を別々に又は組み合わせてこの実施の形態に適用することができる。熱交換管６５の外表面の周りに複数のフィン９０を設けることとしてもよい。

図１−４及び５の実施の形態のように、２０〜８０％の燃焼排ガスと２０〜８０％の周囲空気の混合物は燃焼排ガス再循環流路７６を通して引っ張られる。５０％の燃焼排ガスと５０％の周囲空気の混合物を使用することが特に好ましい。

視認及び点火ポート５０は点火要素（図示省略）がバーナープレナム４８の内部にアクセスすることを可能にする。また、同様の点火要素を図１−５の実施の形態においてまた使用してもよいことに留意されたい。

ここで図９と１０に参照して説明するように、フラットフレーム（火炎）バーナーにおいても同様の利点は達成される。バーナー１１０は炉床１１４のウエルに位置する自立型のバーナー管１１２を含んでいる。バーナー管１１２は上流端１１６、下流端１１８、およびベンチュリ管部分１１９を含んでいる。バーナー先端１２０は下流端１１８に位置して、周囲タイル１２２によって囲まれる。燃料オリフィス１１１（ガススパッド１２４の中に位置してもよい）は上流端１１６に位置してバーナー管１１２に燃料を導入する。新鮮な空気又は周囲の空気は、バーナー管１１２の上流端１１６で燃料に混ざるために一次空気室１２６に導入される。燃料の燃焼はバーナー先端１２０の下流で生じる。新鮮な二次空気はダンパー１３４を通して二次室１３２に入る。

燃焼排ガスを炉から一次空気室まで再循環させるように燃焼排ガス再循環流路１７６が炉床１１４に形成され一次空気室１２６に達するので、燃焼排ガスは、開口１８０からダンパーを介して一次空気室に引っ張られた新鮮な空気に混ぜられる。例えば、０〜１５％のＯ_２を含有する燃焼排ガスは、バーナー管１１２のベンチュリ管部分１１９を通り抜ける燃料の吸気効果によって、流路１７６を通って引っ張られる。一次空気と燃焼排ガスは、燃焼ゾーンの手前に位置する一次空気室１２６で混ぜられる。任意に、１つ以上の水蒸気噴射管１８４を設け、それを流れの向きに位置させることができる。

運転において、燃料オリフィス１１１（ガススパッド１２４に位置してもよい）は燃焼をバーナー管１１２の中に排出し、燃料は、一次空気、再循環いる燃焼排ガス、又はそれらの混合物に混ざる。燃料と、再循環燃焼排ガス、一次空気又はそれらの混合物は次にバーナー先端１２０から排出される。バーナー管１１２のベンチュリ管部分１１９の中の混合物は多燃料可燃限界以下で維持され、すなわち、ベンチュリ管の中には燃焼を支持するためには不十分な量の空気しかない。燃焼に必要である残りの空気を提供するために二次空気が加えられる。視認及び点火ポート（図示省略）は、点火要素（図示省略）がバーナープレナム１４８の内部にアクセスすることを可能にする。

ダンパー１３４を通して二次空気室１３２に入ったまだ混ぜられていない低温の周囲空気は、ベンチュリ管部分１１９を通り抜ける燃料の吸気効果によって、二次空気室１３２から引っ張られて、オリフィス１６２、少なくとも１つのブリードエアダクト１６４及びオリフィス１６０を通り、燃焼排ガス再循環流路１７６に入り、一次空気室１２６へ入る。ここでも、周囲空気は上で論じられる新鮮な空気であってもよい。各ブリードエアダクト１６４，１６６は第１端部１６６と、第２端部１６８を有し、第１端部１６６は燃焼排ガス再循環流路１７６のオリフィス１６０につなげられ、第２端部１６８はオリフィス１６２につなげられ二次空気室１３２に流体連通する。好ましいように、炉床１１４は高温、低熱伝導性の材料を含み、かつ、燃焼排ガス再循環流路１７６の温度を最小にするために、炉床１１４に形成されたブリードエアダクト１６４の少なくとも部分を含む。

ここでも、２０〜８０％の燃焼排ガスと２０〜８０％の周囲空気の混合物が燃焼排ガス再循環流路１７６を通って引っ張られることが望ましい。５０％の燃焼排ガスと５０％の周囲空気の混合物が使われることが特に好ましい。燃焼排ガスと周囲空気の必要な割合はオリフィス１６０の適切なサイズ及び配置によって達成することができる。上で示されるように、複数のブリードエアダクト１６４は燃焼排ガスと周囲空気の必要な割合を得るのに使われてもよい。

前の実施の形態と同じように、燃焼排ガスと周囲空気の必要な割合は、上で説明されるように、管１７６及びブリードエアダクト１６４の適切なサイズ、配置及び／又は構造によって達成することができる。

理解されるように、本発明のバーナーの特徴は、バーナーへ再循環される燃焼排ガスがＦＧＲダクトに入る前に冷たい二次空気の一部に混ぜられるということである。この混入はＦＧＲダクトを流れる流れの温度を低下させる。この特徴は再循環燃焼排ガスの温度が１１４９℃（２１００°Ｆ）と同じくらい高い場合がある水蒸気クラッカーや改質装置などの高温炉のバーナーには特に重要である。１ポンドの再循環燃焼排ガスに対しておよそ１ポンドの段階空気を結び付けることによって、ＦＧＲダクト内の温度を有利に低下させることができる。

先のフラット火炎バーナー構造は、燃焼排ガス全体の温度を低下させる試みにおいて、セラミックの炉床の下の位置においてＦＧＲダクトの金属部分に置かれる１つ以上の孔を使用したことが理解される。そのような構造は、何らかの利点を有するが、ダクトの寿命と温度の低減に関して最小の効果を有するのみである。なぜならば、二次空気意義のある混合が生じる前に金属部分が熱い燃焼排ガスに露出された後に、より冷たい二次空気がＦＧＲダクトに入るからである。当業者に理解されるように、本発明のフラットフレームバーナー構造はこれらの短所に打ち勝つ。

先の構造とは異なり、段階空気室を直接燃焼排ガス再循環ダクトに接続する１または２以上の流路は、少量の加熱されていない段階空気をＦＧＲダクト内に生じさせ、空気／燃焼排ガス流をそれがＦＧＲダクトの金属部分に入る前に冷やす。二次空気をそれがＦＧＲダクトに入る前に炉床を横切らせるよりむしろ、二次空気の大部分を直接二次空気室から供給することによって、以下の実施例によって示されるように有益な結果が得られる。

低温の周囲空気はダンパー１３４を通して二次空気室１３２に入る。またも、環境空気は上で論じられる新鮮な空気であってもよい。１以上の段階空気熱交換管１６５を燃焼排ガス再循環流路１７６内に設けて低温周囲空気を再循環燃焼排ガスと熱交換させることができる。またも、熱交換管１６５とブリードエアダクト１６４に関する本発明の教示は別々に又は組み合わせて、この実施の形態に適用されてもよい。

傾けられたＦＧＲダクトの使用に関する本発明の別の局面を次に論じる。図１１−１３を参照して、バーナー２１０は炉床２１４のウエルに位置する自立型のバーナー管２１２を含んでいる。バーナー管２１２は上流端２１６、下流端２１８、およびベンチュリ管部分２１９を含んでいる。バーナー先端２２０は下流端２１８に位置して、環状タイル２２２によって囲まれる。燃料オリフィス２１１（ガススパッド２２４の中に位置してもよい）は気体燃料ライザー２６５の上端に位置し、かつ、上流端２１６に位置し、バーナー管２１２に燃料を導入する。新鮮な空気又は周囲空気は、開口２８０に流体連通する一次空気室２２６内に可変ダンパー２２８を介して導入され、バーナー管２１２の上流端２１６において燃料に混ざり、上方へ流れてベンチュリ管２１９を通る。燃料の燃焼はバーナー先端２２０の下流において生じる。

複数の空気口２３０（図１２と１３）は二次空気室２３２に始まり、炉床２１４を通り抜けて炉の中に入る。新鮮な空気又は周囲空気は、二次燃焼、即ち、段階燃焼を供給するために可変ダンパー２３４を通して二次空気室２３２内に入り、段階空気口２３０を通って炉の中に入る。

ダンパー２３４を通して二次空気室２３２に入って空気口２３０を通って炉の中に入った、まだ混ぜられていない低温の新鮮な空気又は周囲空気はまた、ベンチュリ管部分２１９を通り抜ける燃料による吸気効果によって、燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）ダクト２７６を通して一次空気室２２６に引っ張られる。ダクト２７６は金属製ＦＧＲダクトとして示されている。

図１１で示されるように、発明の１局面において、ダクト２７６の開口２８６がバーナー先端２２０の底部から物理的により遠くに離間するように、ＦＧＲダクト２７６を入口２８４の位置で外側に傾けている。その結果、傾けられたＦＧＲダクト入口２８４はバーナー火炎がＦＧＲダクト２７６内に巻き込まれる可能性を無くし、または少なくとも減少させる。この実施の形態は、燃焼排ガスをより高い燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）速度でバーナー２１０の中に再循環させることを可能にする。そのようなより高いＦＧＲ速度は全体的な火炎温度とＮＯｘ生産を抑える。

図１３に関して、火炎開口２２３は半径Ｒを有する円形であり、ダクト開口２８６が火炎開口２２３から横方向に離間する距離（ｄ）は、ダクト開口２８６に火炎を巻込むことを避けるためにｄ＝０.５Ｒに定められる。

入口２８４で外側に傾斜する角度はまた、比較的小さい火箱２１７を連続使用することを可能にする。そのようなＦＧＲバーナーの高さを１.８ｍ（６フィート）のオーダーに、幅を０.９ｍ（３フィート）のオーダーにすることができることに注意すべきである。

希釈剤としての燃焼排ガスの使用に加えて、希釈により、低い火炎温度を獲得する別のテクニックは水蒸気噴射の使用である。これは水蒸気噴射管２１５の使用を介して達成される。水蒸気を一次空気室又は二次空気室内で噴射することができる。望ましくは、水蒸気はベンチュリ管部分２１９の上流で噴射される。

例えば５〜１５％のＯ_２を含有する燃焼排ガスは、バーナー管２１２のベンチュリ管の部分２１９を通り抜ける燃料の吸気効果によって、好ましくは０〜１５％のＯ_２、さらに好ましくは２〜１０％のＯ_２、特に好ましくは２〜５％のＯ_２を含んで炉床の近くで引っ張られてダクト２７６を通る。この様に、一次空気と燃焼排ガスは、燃焼ゾーンの手前に位置する一次空気室２２６で混ぜられる。したがって、燃料に混ぜられる不活性材料の量が増えて、火炎温度を減少させＮＯｘ放出量を抑えている。

ダンパー２２８を完全または部分的に閉じることで、一次空気室２２６に引っ張ることができる新鮮な空気の量が制限されて、炉床から燃焼排ガスを得るのに必要な真空は提供される。

有利なことに、２０％から８０％の燃焼排ガスと２０％から８０％の周囲空気の混合物はダクト２７６を通して引っ張られる。５０％の燃焼排ガスと５０％の周囲空気の混合物を使うことが特に好ましい。燃焼排ガスと周囲空気の必要な割合は空気口２３０と関連してダクト２７６の適切な配置及び／又は構造によって達成される。すなわち、バーナー管からの空気口の距離、空気口の数、および空気口のサイズを含む（但し、これらに限定されない）空気口の幾何学的条件を変えて燃焼排ガスと周囲空気の必要な割合を得ることとしてもよい。

ここにおいて図１４と１５を参照して説明するようにフラット火炎バーナーにおいても達成される。

バーナー３１０は炉床３１４のウエルに位置する自立型のバーナー管３１２を含んでいる。バーナー管３１２は上流端３１６、下流端３１８、およびベンチュリ管部分３１９を含んでいる。バーナー先端３２０は下流端３８１に位置して、周囲タイル３２２によって囲まれている。燃料オリフィス３１１（ガススパッド３２４の中に位置してもよい）は上流端３１６に位置して、バーナー管３１２に燃料を導入する。新鮮な空気又は周囲の空気は、バーナー管３１２の上流端３１６で燃料を混ぜるために一次空気室３２６に導入されてもよい。燃料の燃焼はバーナー先端３２０の下流で生じる。新鮮な二次空気はダンパー３３４を通して二次空気室３３２に入る。

燃焼排ガスを炉から一次空気室まで再循環させるように燃焼排ガス再循環流路３７６が炉床３１４に形成されて一次空気室３２６に達するので、開口３８０から一次空気室に引っ張られた燃焼排ガスは新鮮な空気に混ぜられる。例えば、０〜１５％のＯ_２を含有する燃焼排ガスは、バーナー管３１２のベンチュリ管部分３１９を通り抜ける燃料の吸気効果によって引っ張られて通路３７６を通る。一次空気と燃焼排ガスは、燃焼ゾーンの手前に位置する一次空気室２３６で混ぜられる。

運転において、燃料オリフィス３１１は、燃料をバーナー管３１２の中に排出し、そこで燃料は一次空気、再循環燃焼排ガス又はそれらの混合物と混ざる。燃料と、一次空気、再循環燃焼排ガス又はそれらの混合物の混合物は次にバーナー先端３２０から排出される。バーナー管３１２のベンチュリ管部分３１９の中の混合物は多燃料可燃限界以下に維持され、すなわち、ベンチュリ管の中には燃焼を支持するためには不十分な空気量しか存在しない。二次空気は、燃焼に必要である残りの空気を提供するために加えられる。

前の実施の形態のように、ＦＧＲは、ダクト３７６の開口３８６がバーナー先端３２０の底部から物理的にさらに離間するように、入口３８４で外側に傾けられる。その結果、傾けられたＦＧＲダクト入口３８４はバーナー火炎がＦＧＲダクト３７６に巻き込まれる可能性を無くし、または少なくとも減少させる。これは、より高い燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）速度がバーナー３１０内で引き起こされることを可能にする。そのようなより高いＦＧＲ速度は全体的な火炎温度とＮＯｘ生産を抑える。

入口３８４で外側に傾斜することはまた、比較的小さい火箱３１７を連続使用することを可能にしている。そのようなＦＧＲバーナーの幅を０.９ｍ（３フィート）のオーダー、高さを１.８ｍ（６フィート）のオーダーにすることができることに注意すべきである。

任意に、１つ以上の水蒸気噴射管３１５を設けて流れの向きに配置させることとしてもよい。

実施例
本発明のブリードエアダクトの利点を査定するために、いかなるエネルギおよび物質バランス勘定は以下に説明する構成のために実行された。

実施例１
本発明の利点を示すために、米国特許No.５,０９２,７６１（この特許の図５で示すように）で説明されるタイプの燃焼排ガス再循環を使うプリミックスバーナーの運転は、エネルギ物質バランスを設定する既存のバーナー構造に関するデータを使用することで計算された。詳細な材料とエネルギーバランスの結果を実施例１の基本バーナーに関して表２に示す。

実施例２
実施例２では、同じ物質バランスは既存バーナーにおけるように維持される。表２にみられるように、計算された材料及びエネルギーバランスは、ベンチュリ管の温度が３８℃以上（１００°Ｆ）低下し、ＦＧＲダクト温度がおよそ１１３℃（３００°Ｆ）低下したことを示した。ベンチュリ管の運動量比（導入された燃料ジェットの運動量：混入した後の空気／燃料／燃焼排ガスの運動量）が低下し、ベンチュリ管ミキサーに作用する負荷が減少していることが示されていることに注意されたい。より低いベンチュリ管の運動量比は、より高い容量を有するベンチュリ管に移され、これがより高いＦＧＲ速度をもたらす。

当業者であれば理解できるように、本発明は新しいバーナーに取り入れられることができ、またはバーナー周囲に変更を与えて既存のバーナーに組み込むことができる。

希釈剤としての燃焼排ガスの使用に加えて、希釈により、低い火炎温度を獲得する別のテクニックは水蒸気噴射の使用である。水蒸気を一次空気室又は二次空気室で噴射することができる。望ましくは、ベンチュリ管の上流で水蒸気を噴射する。水蒸気噴射は例えば、水蒸気噴射管３１５を介して生じさせることができる。望ましくは、ベンチュリ管の上流で水蒸気を噴射してもよい。

ここで説明する教示はまた、伝統的な生ガスバーナ及び、バーナー管の入口で燃焼排ガスだけが燃料ガスに混ぜられるプリミックスバーナー構成を有する生ガスバーナにおいても有用性を有することが理解されるであろう。事実、ここで詳細に説明されるタイプのプリミックス段階空気バーナーは、一次空気ダンパードアが閉じられている状態で、非常に満足できる結果を生じるように運転されることがわかった。

説明のためのいくつかの実施の形態を示し説明してきたが、この開示に広範囲の変更、変形、および代替を行うことができ、そして、いくつかの例では、実施の形態のいくつかの特徴を他の特徴の対応する使用することなくして適用することができる。従って、添付の請求項がここで明らかにされる実施の形態の範囲よりも広く、かつ、該範囲に一致した方法で解釈されることは適切である。

本発明のバーナーの実施の形態の一部断面側面図である。 図１の２−２線に沿う一部断面側面図である。 図１の３−３線に沿って見た平面図である。 図１の４−４線に沿って見た平面図である。 本発明のバーナーの別の実施の形態の一部断面側面図である。 図７の６−６線に沿って見た平面図である。 本発明のバーナーの別の実施の形態の一部断面側面図である 図７の８−８線に沿う一部断面側面図である。 本発明のフラットフレームバーナーの実施の形態の一部断面側面図である。 図９の１０−１０線に沿う図９のフラットフレームバーナーの実施の形態の一部断面側面図である。 本発明に従うバーナーの実施の形態の一部断面側面図である。 図１１の１２−１２線に沿った一部断面側面図である。 図１１の１３−１３線に沿って見た平面図である。 本発明のフラットフレームバーナーの別の実施の形態の一部断面側面図である。 図１４の１５−１５線に沿う図１４のフラットフレームバーナーの実施の形態の一部断面側面図である。

Claims (15)

1. 炉内において燃料を燃焼させるバーナーであって、
   （ａ）一次空気室と、
   （ｂ）下流端と、前記一次空気室に流体連通し一次空気及び燃料を受ける上流端を有するバーナー管と、
   （ｃ）前記バーナー管下流端の位置であって炉の第１火炎開口に隣接する位置に配設されたバーナー先端であって、該バーナー先端の下流において燃料が燃焼されるバーナー先端と、
   （ｄ）炉の第２開口において第１端部を有し、前記バーナー管上流端に隣接する位置において第２端部を有する少なくとも１つの流路であって、該第１端部においてオリフィスを有し、前記第１端部はバーナーの火炎が前記第２開口に連行されることを最小にするように所定の距離前記第１火炎開口から離間している少なくとも１つの流路と、
   （ｅ）第１端部と第２端部を有する少なくとも１つのブリードエアダクトであって、該第１端部は前記少なくとも１つの流路の前記オリフィスに流体連通し、該第２端部は燃料ガスよりも温度が低い空気源に流体連通するブリードエアダクトと、
   （ｆ）前記一次空気室と前記炉の間に位置する二次空気室と、
   （ｇ）前記バーナー管の前記上流端から前記下流端へと前記バーナー管内を流れる未だ燃焼していない燃料による吸引効果に応答して、燃焼排ガスを炉から前記少なくとも１つの流路に流すように引っ張り、かつ、前記空気源からの空気を前記少なくとも１つのブリードエアダクトから前記少なくとも１つの流路に流すように引っ張る手段であって、該引っ張りにより、燃料と空気の燃焼ゾーンの手前で前記燃焼排ガスを前記少なくとも１つのブリードエアダクトからの空気に混ぜ前記少なくとも１つの流路内全体の前記引っ張られた燃焼排ガス全体の温度を下げる手段と、
   （ｈ）前記少なくとも１つの流路を貫通し燃焼排ガスよりも低い温度の空気を前記二次空気室に搬送する少なくとも１つの熱交換管であって、前記少なくとも１つの流路内の前記燃焼排ガスの熱を該熱交換管内の空気に伝達して予熱する熱交換管とを、
   含んでなるバーナー。
2. 前記少なくとも１つのブリードエアダクトのサイズは、前記バーナーによって必要とされる全ての一次空気を流すように設けられている請求項１のバーナー。
3. 前記少なくとも１つの流路は、非金属部まで延伸して該非金属部に合う金属部を有し、前記少なくとも１つのエアブリードダクトの前記第１端部は前記少なくとも１つの流路の前記金属部に流体連通する請求項１又は２に記載のバーナー。
4. 前記少なくとも１つの流路の内部は、非金属部まで延伸して該非金属部に合う金属部を有し、前記少なくとも１つのエアブリードダクトの前記第１端部は前記少なくとも１つの流路の前記非金属部に流体連通する請求項１又は２に記載のバーナー。
5. 前記空気源は前記二次空気室に流体連通し、前記少なくとも１つの流路の前記第１端部は前記少なくとも１つのブリードエアダクトを介して前記二次空気室に流体連通する請求項１ないし４のいずれか１つに記載のバーナー。
6. 少なくとも１つの空気口をさらに含んでなり、前記少なくとも１つの流路の前記第１端部は、前記少なくとも１つの空気口に流体連通し、前記少なくとも１つの空気口は炉の第３開口において第１端部を有し、かつ、前記二次空気室に流体連通する第２端部を有する請求項１ないし４のいずれか１つに記載のバーナー。
7. 前記少なくとも１つの流路は、炉の第２開口内へ延伸する第１端部と、前記一次空気室内へ延伸する第２端部を有する請求項１ないし６のいずれか１つに記載のバーナー。
8. 前記一次空気室内へ解放されて前記一次空気室内へ連行される空気の量を制限し炉から燃焼排ガスを引っ張る真空を与える少なくとも１つの可変ダンパーをさらに含んでなる請求項１ないし７のいずれか１つに記載のバーナー。
9. 前記第１火炎開口は半径がＲの円形であり、前記第１火炎開口から前記第２開口が横方向に離間する距離ｄは、バーナー火炎が前記第２開口へ連行されることを実質的に防ぐために、０.５Ｒ以上である請求項１ないし８のいずれか１つに記載のバーナー。
10. 前記少なくとも１つの流路は前記一次空気室から垂直方向に延伸し、前記第１火炎開口から横方向に離間した前記第２開口に繋がるために前記第１端部において前記第１火炎開口から外側に傾斜する請求項１ないし９のいずれか１つに記載のバーナー。
11. 炉の第３開口に第１端部を有しかつ炉に流体連通して前記予熱された空気を炉に入れる第２端部を前記二次空気室に有する少なくとも１つの第２流路をさらに含んでなる請求項１のバーナー。
12. 炉から燃焼排ガスを引っ張る前記手段は、前記バーナー管にベンチュリ管部分を含んでなる請求項１ないし１１のいずれか１つに記載のバーナー。
13. 少なくとも１つの水蒸気噴射管をさらに含んでなる請求項１ないし１２のいずれか１つに記載のバーナー。
14. 前記燃料は燃焼排ガスであり、前記バーナーはプレミックスバーナーである請求項１ないし１３のいずれか１つに記載のバーナー。
15. 前記燃料は燃焼排ガスであり、前記バーナーはフラットフレームバーナーである請求項１ないし１４のいずれか１つに記載のバーナー。

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