JP4267121B2 - 加熱炉内の処理対象物の加熱方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱炉からのＮＯＸの発生量を減少させるために、空気−燃料バーナを用いた加熱炉において、酸化用の酸素−燃料バーナを用いた燃焼を併用するための方法及び装置に係る。本発明は、特に、加熱炉の寿命あるいは加熱炉内で製造される製品の品質を損なうことなく、熱効率を向上させることを目的としている。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＯＸの発生量を減少させるための最も一般的な方法は、「１００％酸素−燃料燃焼」を採用することである。この方法では、空気の代わりに酸素を用いることによって窒素を排除し、その結果、ＮＯＸの発生量が相当程度減少する。この方法は、いくつかのタイプのガラス用炉において効果を上げている。
【０００３】
しかし、例えばフロートガラス用の加熱炉などの様な、大規模なガラス用加熱炉（溶融ガラスの生産能力が４５０〜１０００トン／日程度）において、「１００％酸素−燃料燃焼」を用いることは、これまでのところ、採用されていない。これは、酸素を使用することによる経済的な不利、並びに、ガラスの品質及び加熱炉の寿命に与える影響の不確定性などの問題による。
【０００４】
そのほかにも、マーケットにおいて入手可能ないくつかの制御方法がある。それらは、例えば、３−Ｒプロセス（ＥＰ−０，５９９，５４７Ａ１号）、ガス再燃焼プロセス（ＵＳ−５，１３９，７５５号）、及び酸素富化空気ステージング（ oxygen-enriched air staging )（ＵＳ−５，２０３，８５９号）などである。
【０００５】
上記の３−Ｒプロセス及びガス再燃焼プロセスでは、燃焼排ガスの流れの中に追加のあるいは再燃焼用の燃料（全燃料消費量の５％〜１５％に相当する）が吹き込まれ、再燃焼反応を行わせることによってＮＯＸの発生量を減少させる。これは、後燃焼方式である。この方式では、燃焼排ガスの流れの中に再燃焼用の燃料（天然ガス）を吹き込む必要がある。従って、或る種の加熱炉では、各種の酸化物を含む断熱材を使用しているために、蓄熱室（ regenerator )内を還元雰囲気にすることができないので、この方式を採用することはできない。
【０００６】
更に、再燃焼用の燃料は、エネルギー的には無駄になる。即ち、溶融エリアの外において燃焼排ガスの流れの中に噴射される上記の５％〜１５％の再燃焼用の燃料からは、熱的な貢献が得られない。即ち、追加された燃料は、生産量の増加をもたらす様な熱を発生することなく、単に、燃焼排ガスの浄化のために使用されることになる。更に、この方式では、加熱炉から発生するＣＯの量を増加させる懸念がある。
【０００７】
酸素富化空気ステージングの場合、工業用加熱炉の燃焼排ガスの排出口の近くに「二次燃焼用酸化剤（ secondary oxidant ) 」（酸素あるいは酸素富化空気）が導入され、ＮＯＸの発生量を減少させる。この方法の場合、サーマルＮＯＸの発生を抑制するため、加熱炉は、燃焼側において低めの当量比（ lower stoichiometry )で運転される。二次燃焼用酸化剤は、燃焼排ガスの流れに（排出ポートを用いて）吹き込まれ、ＣＯ及び他の炭化水素類を燃焼させる。
【０００８】
図１に、この方法の概要を示す。図１は、典型的な側面燃焼型の蓄熱式加熱炉（ side fired regenerative furnace )であって、燃焼ポート２及び排気ポート４側に、それぞれ、蓄熱室（ regenerater ）（チェッカーと呼ばれる）Ａ及びＢを備えている。燃焼は、図の左から右に進み、二次燃焼用酸化剤６は、図の右から左に向けて吹き込まれる。
【０００９】
米国特許ＵＳ−５，２０３，８５９号には（図１に示す）、好ましい実施態様として、予備加熱された二次燃焼用空気７を、酸素アスピレータ８を用いて燃焼サイドの蓄熱室Ａから引き出すための構成が記載されている。ここでは、酸素９は、二次燃焼用空気７を引き出すための推進力（ prime mover ) として使用されている。二次燃焼用酸化剤６は、従って、排気ポート４の近傍から吹き込まれる。上記の様な構成に関しては、次の様な問題点がある。
【００１０】
（イ） ２４００度Ｆ（１３１５℃）の空気を移送するために、大口径の二次燃焼用空気配管７を設けなければならず、スペース上の制約がある。
【００１１】
（ロ） 二次燃焼用空気配管７の流れの方向を、左向きから右向きへ転換させているので、加熱炉内に複雑な流れの逆転サイクルが生じる。
【００１２】
（ハ） メルター燃焼スペース（ melter combustion space ) の中で、ＣＯ及び他の炭化水素類を燃焼させることが困難である。これは、排気ポート４内における早まった燃焼が排気ポート４の過熱をもたらすことによる。
【００１３】
（二） 二次燃焼用酸化剤の正確な混合比を実現するためのアスピレータ８の設計に関して制約がある。
【００１４】
（ホ） 設備の建設コストが高い。
【００１５】
その他の知られている例では、常温の酸素富化空気を二次燃焼用酸化剤として使用するものがある。この場合、混合条件を満たすことが困難である。これは、燃焼排ガスの主流れの流量と比較して、冷たいあるいは常温の二次燃焼用酸化剤の流れの流量がかなり小さいことによる。即ち、燃焼排ガスの流量は、二次燃焼用酸化剤の流量の約６０倍であり、常温の混合ガスによるメルター燃焼スペース（ melter combustion space ) の冷却が原因となって、混合が十分に行われず、熱効率が低くなる。このことは、更に、加熱炉内で製造される製品の品質にも影響する。
【００１６】
その他の知られている例では、酸素を二次燃焼用酸化剤として使用するものがある。この場合、二次燃焼用の酸素の流量が少ないので、混合することが困難である（燃焼排ガスの流量は、二次燃焼用の酸素の流量の約３００倍である）。その結果、加熱炉内における燃焼が不均一になって、溶融エリア内の燃焼スペース及び排気ポートの中にホットスポットが発生する。
【００１７】
もし、発生した熱を処理対象物に伝達すると同時に、以上に挙げた問題を伴わずに、ＮＯＸの発生量を減少させることができるならば、ガラスその他の製品の製造者にとって非常に有益である。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の様な従来の高温の加熱炉における燃焼方法の問題点に鑑み成されたもので、本発明の目的は、より単純な方法を用いて、高温の加熱炉において炉の寿命、製品の品質及び熱効率を損なうことなく、ＮＯＸの発生量を減少させることができる燃焼方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の側面は、加熱炉内で処理対象物を加熱するための方法であって、
少なくとも一つの空気−燃料バーナを用いて第一の燃料を燃焼させて、この空気−燃料バーナから発生する熱を前記処理対象物に実質的に伝達する工程と、
少なくとも一つの酸素−燃料バーナを用いて第二の燃料を燃焼させて、この酸素−燃料バーナから発生する熱を前記処理対象物に実質的に伝達する工程と、
を備え、
前記空気−燃料バーナは、燃料リッチなモードで運転され、
前記酸素−燃料バーナは、燃料リーンなモードで運転されこと、
を特徴とする。
【００２０】
本発明の一の実施態様において、好ましくは、前記第一の燃料を燃焼させる際に、前記空気−燃料バーナによる火炎を、前記処理対象物の表面が構成する水平面に対して実質的に平行に形成する。
【００２１】
好ましくは、前記第二の燃料を燃焼させる際に、前記酸素−燃料バーナによる火炎を、前記空気−燃料バーナによる火炎に対して交差する様に形成する。
【００２２】
好ましくは、前記酸素−燃料バーナによる火炎を、フラットボトムポート（ flat bottom port ) から前記空気−燃料バーナによる火炎に向けて、水平方向に対して斜めの角度で放射し、その角度αを、約１度以上、約３０度以下とする。
【００２３】
好ましくは、前記酸素−燃料バーナによる火炎を、前記空気−燃料バーナによる火炎に向けて前記空気−燃料バーナによる火炎の下側から放射する。
【００２４】
好ましくは、前記酸素−燃料バーナによる火炎を、前記空気−燃料バーナによる火炎の先端部分の近傍で当該空気−燃料バーナによる火炎と交差させる。
【００２５】
本発明の他の実施態様において、好ましくは、前記酸素−燃料バーナによる火炎を、インクラインドポート（ inclined ports ) から前記空気−燃料バーナによる火炎に向けて、水平方向に対して斜めの角度で放射し、その角度αを、約−１０度以上、約＋３０度以下とする。
【００２６】
好ましくは、前記各空気−燃料バーナ（または空気−燃料燃焼ポート）に対して、それぞれ、複数の酸素−燃料バーナを設ける。
【００２７】
好ましくは、前記空気−燃料バーナを、０．６以上、約１．０以下の当量比で運転する。
【００２８】
好ましくは、前記第一の燃料及び前記第二の燃料を同一にする。
【００２９】
好ましくは、前記酸素−燃料バーナを、約１．５以上、約１２．５以下の当量比で運転する。
【００３０】
また、本発明の第二の側面は、処理対象物の加熱に使用される加熱炉内の温度制御方法であって、
当該加熱炉は、空気−燃料バーナ及び酸素−燃料バーナを備え、
一またはそれ以上の空気−燃料バーナを、一定の燃料投入量で運転する工程と、
一またはそれ以上の酸素−燃料バーナを、加熱炉からのＮＯＸの発生量を実質的に変えることなく、加熱炉及び処理対象物の温度を上昇させあるいは下降させるために運転する工程と、
を備えたことを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の第三の側面は、酸素−燃料バーナであって、
二次燃焼用酸化剤の供給に使用される中央配管と、
この中央配管の周囲に形成され、燃料の供給に使用される環状領域とを備え、
前記中央配管の先端部にはノズルが取り付けられ、このノズルまたは前記中央配管のいずれか一方が、軸方向に沿ってその位置を調整できる様に取り付けられていることを特徴とする。
【００３２】
好ましくは、前記中央配管は、二次燃焼用酸化剤の吹き出し口を有し、
前記環状領域は、耐火性ノズルによって区画され、
この耐火性ノズルは、加熱面（ furnace hot face )を有し、
前記加熱面からの前記の二次燃焼用酸化剤の吹き出し口までの距離を、当該バーナの火炎吹き出し口の直径をＤとしたときに、約Ｄ／４から約１０Ｄの範囲で調整できる様に構成する。
【００３３】
好ましくは、前記環状領域の中に、一つまたはそれ以上の燃料スワラ（旋回器）を設ける。
【００３４】
本発明の方法は、好ましくは、蓄熱室付き（ regenerative ) あるいは熱交換器付き（ recuperative ) のガラス用加熱炉に適用される。これらのガラス用加熱炉は、火炎温度が高く且つ雰囲気中に窒素が豊富にあるので、大量のサーマルＮＯＸを発生させることが知られている。高い火炎温度の原因は、燃焼用空気のかなり高い予備加熱温度（１２００度Ｆ〜２４００度Ｆ；６４９℃〜１３１５℃）、及びかなり高いプロセス温度（２７００度Ｆ〜２９００度Ｆ；１４８２℃〜１５９３℃）にある。窒素は、二次燃焼用酸化剤として通常使用される空気（窒素含有量約７９％）に由来するものである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図２に、本発明の燃焼方法の一例を示す。ここでは、空気−燃料バーナ１による火炎５に対して、燃焼サイド２から斜めの角度で、二次燃焼用の酸素−燃料バーナ３（ oxidizing oxy-fuel burner ) からの吹き込みが行われている。この酸素−燃料バーナ３の当量比（燃料流量に対する現実の酸素流量の比を、燃料流量に対する理論的な酸素流量（完全燃焼によってＣＯ２及びＨ２０が生成されると仮定した流量）の比で割った値）は、酸素−燃料バーナ側で、１．５から１２．５の範囲に保たれる。なお、燃焼のための理論的に正しい値では、当量比が１である。
【００３６】
図２に、本発明に基づく改良型の側面燃焼型の蓄熱式加熱炉の概要を示す。ここでは、主空気−燃料バーナ１がポートの側面から燃焼する様に配置され、本発明に基づく二次酸化用の酸素−燃料バーナ３は、ポートの下面から燃焼する様に配置されている。これまでにおいても使用していた様に、「酸素−燃料」（「酸素−燃料バーナによる燃焼」）とは、二次燃焼用の酸化剤（ oxidant )中の酸素の組成が２１％を超えることを意味し、これは、酸素の組成が２２％以上、１００％以下の場合を含む。好ましくは、酸素の組成は約２２％以上、約３０％以下である。
【００３７】
なお、以下の説明においては、ガラスの製造設備を例にして説明するが、本発明に基づく方法及び装置は、金属その他の材料（例えば、鉱石）を融解する場合にも適用することができる。
【００３８】
次に、その他の主空気−燃料バーナ１の形態、及びそれに対して推奨できる二次燃焼用の酸素−燃料バーナ３の配置について説明する。
【００３９】
本発明に基づく酸素−燃料バーナ３による燃焼の利点の一つは、溶融ガラスの表面で酸素−燃料バーナ３による燃焼を行わせ、これによって、その輻射熱を溶融ガラス１２の表面に伝達することである。このとき、酸素−燃料バーナ３による燃焼生成物１０が生成され、これらは、主として、１５００度Ｆ〜４５００度Ｆ（８１５℃〜２４８２℃）に予備加熱された酸素、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏである。加熱されることによって、酸素は、従来の方法において使用されている常温の酸素の体積の４倍から１０倍程度に膨張する。
【００４０】
更に、ＮＯＸを生成しないＣＯ_２及びＨ_２Ｏなどのガスが、酸素と共に送られることによって、これらのガスがキャリア媒体として有効に働く。即ち、これらのＮＯＸを生成しないガスは、酸化用媒体の有効体積を増加させるので、燃焼排ガスとの混合を促進する。
【００４１】
また、酸素富化燃焼を使用する従来から知られている方法において使用されている空気が主体のガスを比較して、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２を使用した場合には、輻射による熱伝達が大きいことは、すでに証明されている。これは、これらの分圧が高いためである。
【００４２】
更に、本発明の方法は、単に燃焼の当量比を調整するだけで、二次燃焼用ガスの流れの中の酸素の量を変更することができると言う利点がある。
【００４３】
ポートの下側からの燃焼角度（以下、αとする）は、非常に小さな角度に保たれる。即ち、その角度αは、空気−燃料バーナによる火炎の先端部分１６において、空気−燃料バーナ１による火炎５に酸素−燃料バーナ３による燃焼生成物１０が交差する様に設定される。
【００４４】
フラットボトムポート（ flat bottom port ) の場合、この角度αについての好ましい値は、水平面（または、溶融ガラス若しくは他の製品の表面）に対して上側に１度から３０℃までの範囲である。また、スロープ付き（または、傾斜付き）のボトムポートの場合、この角度αは、溶融ガラスの表面に対して下側に１０度から上側に３０℃までの範囲である。その狙いは、主空気−燃料バーナ１による火炎５と早めに混ざり合うことなく、二次燃焼用のガスの流れを加熱炉の中に深く吹き込むことにある。
【００４５】
酸素−燃料バーナ３の燃焼速度、当量比、燃料及び二次燃焼用の酸化剤の吹き込み速度、ノズル形状、吹き込み角度α、及び酸素−燃料バーナ３の本数などによって、全体的な混合及びＣＯの燃焼率などが決定される。
【００４６】
大規模なフロートガラス用の加熱炉の場合、ポートの幅がかなり広いので（例えば、３フィートから９フィート程度、即ち、３ｍから９ｍ程度）、数個のあるいは多数の酸素−燃料バーナをポートの下側に設けることが好ましい。互いに隣接する酸素−燃料バーナの間隔は、混合及び炉内への侵入が良好に行われる様に設定される。
【００４７】
与えられた加熱炉及びポート形状に対して、酸素−燃料バーナの数、間隔、燃焼速度についての最適値を求める際には、空気−燃料バーナによる火炎の速度分布、及び酸素−燃料バーナによる火炎の運動量（ momentum ) の様々なパラメータについて、コンピュータを用いて解析を行うことが好ましい。
【００４８】
炉内への侵入深さが深すぎる場合には、反対側に位置する排気ポート４内におけるバーンアウトの原因となり、一方、侵入深さが不足する場合には、高温火炎ゾーン（火炎温度がピーク値となるゾーン）において早めに混合が行われる結果、ＮＯＸ発生量を増加させることになる。設計の目標は、酸素−燃料バーナ３による燃焼生成物を１０を、空気−燃料バーナ１による火炎５の先端部分１６において当該空気−燃料バーナ１による火炎５と交差させ、これによって、メルター燃焼スペース（ melter combustion space ) （通常、処理対象物の上方）の中で、ＣＯを効率良く燃焼させることある。この配置の場合には、ＣＯの燃焼及び熱放出が、メルター燃焼スペースの中で起こり、発生した熱が処理対象物に伝達される。
【００４９】
本発明に基づく方法の場合、メルター燃焼スペース内でのエネルギー放出は、従来の３−Ｒプロセスの場合とは大幅に異なっている。即ち、従来の３−Ｒプロセスの場合には、再燃焼用燃料（ reburn fuel ) は蓄熱室に吹き込まれる。従って、この再燃焼燃料の燃焼によって発生した熱は、溶融プロセスにおいて直接的には使用されない。
【００５０】
炉内への侵入深さが過剰な場合には、排気ポート４内でのバーンアウトの原因となる。その結果、排気ポート４の内部で放出された熱は、排気ポートの耐火物を過熱させ、その結果、蓄熱室Ｂ内の標的壁（ target wall ) 及びチェッカー（ checkers ) の過熱を招く。
【００５１】
酸素−燃料バーナ３のポートの下側からの吹き込み角度αに関しても、クラウン１８及びその他の耐火物への影響を回避するために、同様に、コンピュータモデルを用いた解析によって、慎重に決定することが好ましい。
【００５２】
なお、酸素−燃料バーナ３による火炎の運動量（ momentum ) は、以下のパラメータに基づいて計算される：
（イ） 燃焼速度
（ロ） 当量比（化学量論に基づく比）
（ハ） 燃料の速度
（ニ） 二次燃焼用酸化剤の速度、
（ホ） １ポート当たりの酸素−燃料バーナの数
（へ） 吹き込み角度、
（ト） ノズル構造（直線型／渦巻き型など）
運動量が適切な場合には、空気−燃料バーナによる火炎中のＣＯ及び他の炭化水素類を効率良く燃焼させることができ、それによって発生した熱を、処理対象物の表面に効率良く伝達することができる。従って、本発明の方法によれば、全体として、加熱炉から発生するＮＯＸの量が減少するとともに（これは、空気−燃料バーナによる火炎の当量比が比較的低いことに起因している）、熱効率が高まる。
【００５３】
ＮＯＸの減少量は、通常、空気−燃料バーナの当量比のレベルに比例する。空気−燃料バーナの当量比の基準値を１．０５とした場合。もし、燃焼ポート側の空気−燃料バーナの当量比がこれに比べて非常に低ければ（例えば、０．７から０．８程度）、ＮＯＸの減少量は、非常に大きなものになる（例えば、６０％から７０％程度）。これに対して、もし、空気−燃料バーナの当量比がかなり高めの場合には（例えば、０．９５から１．００程度）、ＮＯＸの減少量は小さくなる（例えば、１０％から３０％程度）。なお、上記において基準値とした、当量比１．０５とは、排気ポートの中で、空気が５％過剰であることを意味し、従って、酸素が１％過剰であることを意味している。なお、通常、蓄熱式加熱炉は、約１．０５から約１．１０程度の等量比で運転されている。
【００５４】
空気−燃料バーナの当量比の選択は、加熱炉の全体的な運転条件、加熱炉の構造、ポートのサイズ、火炎の全体的な特性、及びＮＯＸの減少量の目標値などに依存する。酸素−燃料バーナの当量比の選択は、空気−燃料バーナの当量比、及び燃焼排ガス中において必要とされる過剰酸素の量に依存する。大規模な側面加熱型の蓄熱式加熱炉における実操業では、排気ポート内における過剰酸素の量は、約１％から２％程度である。
【００５５】
酸素−燃料バーナの燃焼速度の選択は、与えられたポートに対して要求される全投入エネルギー量、空気−燃料バーナによる火炎の当量比に基づいて行われる。好ましくは、与えられたポートに対して要求される全投入エネルギー量の約５％から約５０％相当の燃料が、酸素−燃料バーナに供給される。空気−燃料バーナへ供給される燃料の量は、酸素−燃料バーナに供給される燃料の量の増加に伴って減少する。
【００５６】
高温の予備加熱を用いた燃焼システム（空気温度が、２２００度Ｆから２３００度程度；１２０４℃から１２６０℃程度）においては、一つないしそれ以上の酸素−燃料バーナを使用することによって、最大１０％程度、燃料を節約することができる。従って、１ポート当たりの全体的な燃料消費量を減らすことができる。これは、燃料リッチで輝度が高い空気−燃料バーナによる火炎によって熱伝達が増大すること、及び空気−燃料バーナによる燃焼の際に供給される燃焼用空気（具体的には、窒素）の量が減少することによるものである。
【００５７】
本発明の方法のその他の利点は、煙道ガスの体積の減少に伴い、加熱炉から排出される微粒子あるいはキャリーオーバー（ particulates or carryover ) が減少することである。従来の方法を採用している多くの蓄熱式加熱炉では、プロセスの微粒子及び伸長したキャンぺーン（ extended campaign ) のために部分的に閉塞が起こる。酸素−燃料バーナを用いることによって、蓄熱室の許容流量限界を超えることなく且つ蓄熱室の圧力の上昇を伴わずに、煙道ガスの体積が減少する。従って、酸素−燃料バーナを用いることによって、要求される生産量を達成するために必要となる燃焼室の容積を十分に確保することが可能になると言う効果がもたれされる。
【００５８】
表１及び表２に、ＮＯＸ発生量の大幅な減少を実現するための、各種の空気−燃料バーナの当量比のレベル、及び二次燃焼用の酸素−燃料バーナの当量比のレベルの設定の例を示す。
【００５９】
【表１】

【００６０】
【表２】

【００６１】
例えば、空気−燃料バーナのある例においては、一定の燃焼速度（１０ＭＭ・ＢＴＵ／Ｈｒ；２．９２ＭＷ）で燃焼が行われる。ここでは、当該ポートの全体的な燃料所要量は、１１ＭＭ・ＢＴＵ／Ｈｒ（３．９２ＭＷ）である。酸素−燃料バーナは、一定のエネルギー供給速度（１ＭＭ・ＢＴＵ／Ｈｒ；２９２ＫＷ）で燃焼が行われる。なお、実際の運転においては、ポートの幅方向の寸法によっては、複数の酸素−燃料バーナを使用することもできる。
【００６２】
表１及び表２には、各種の当量比の値に対応する燃焼用空気の流量、酸素−燃料バーナの天然ガス及び酸素の流量、酸素−燃料バーナによる燃焼生成物の組成、及び燃焼排ガスとの相互作用が起こる前の平衡温度が掲げられている。これらの表において、全体的な狙いは、燃焼排ガスの流れの中に、要求される過剰酸素レベルを維持することができる様に、十分な量の二次燃焼用の酸化剤を供給することにある。
【００６３】
表１（表２は、これを国際単位で表したものである）において、当量比：１．００は、理論的に正しい燃焼用空気量に相当し、表に掲載されている当量比：０．７、０．８、０．９５は、いずれも燃料リッチなケースに該当している。ここでは、単に酸素−燃料バーナの燃焼速度（ここでは、１ＭＭ・ＢＴＵ／Ｈｒ）及び全体的な当量比を選択するだけで、空気−燃料バーナによる火炎の先端部分で必要とされる酸素量が供給されることが示されている。
【００６４】
これに加えて、酸素−燃料バーナによる燃焼生成物の平衡温度を、当量比を選択することによって、調整することができる。
【００６５】
表１及び表２において、検討された全てのケースにおいて、全化石燃料（天然ガス）の燃焼速度は、１１ＭＭ・ＢＴＵ／Ｈｒ（３．２２ＭＷ）であり、この内、空気−燃料バーナが１０ＭＭ・ＢＴＵ／Ｈｒ（２．９３ＭＷ）で、酸素−燃料バーナが１ＭＭ・ＢＴＵ／Ｈｒ（２９３ＫＷ）である。
【００６６】
空気−燃料バーナ及び酸素−燃料バーナによる熱効率及びＮＯＸの発生は、酸素−燃料バーナの当量比を調整するほかに、空気−燃料バーナによる化石燃料の燃焼速度と、酸素−燃料バーナによる化石燃料の燃焼速度との間のバランスを調整することによっても改善される。典型的にはシステムの熱効率は、化石燃料の燃焼速度を一定とした場合、酸素−燃料バーナの当量比が増加するに従って、増加する。
【００６７】
表３（表４は、これを国際単位で表したものである）には、酸素−燃料バーナの当量比、平衡ガス組成の計算値、及び平衡火炎温度の範囲が示されている。
【００６８】
【表３】

【００６９】
【表４】

【００７０】
このデータは、現場において酸素−燃料バーナの流量を選択する際に、ガイドラインとして使用することができる。なお、実際の適用においては、混合プロセスが必ずしも十分ではないので、僅かに多めの酸素が必要となる。
【００７１】
いずれにせよ、酸素−燃料バーナから供給される高温または予備加熱された酸素によって、燃焼スペースまたはメルター燃焼スペース内において、効率良くＣＯ及び他の炭化水素類の燃焼が行われ、排気ポート内におけるポスト燃焼（ post combustion ) 、及び排気ポートの過熱の心配がない。
【００７２】
更に、酸素−燃料バーナから放出された熱は、溶融したガラスの表面に伝達され、排気ポートに集中することはない。これによって、排気ポートの近くで、単に、ＣＯ及び他の炭化水素類の燃焼を行う場合と比較して有利な効果が得られる。更に、本発明に基づく方法は、酸素−燃料バーナによる燃焼を併用することによって、加熱炉内に余分な窒素を供給することがない。
【００７３】
即ち、先に引用した米国特許ＵＳ−５，２０３，８５９号に記載されている方法などの様な、酸素富化空気を用いた従来の燃焼方法と比較して、加熱炉内に供給される窒素の量を少なくすることができる。
【００７４】
表３及び表４に、蓄熱式加熱炉を運転する際の酸素−燃料バーナの燃焼条件についての各種の例を示す。酸素−燃料バーナの当量比は、空気−燃料バーナの当量比に対応して、設定されている。
【００７５】
本発明による効果は、以下の通りである：
（イ） 蓄熱式加熱炉において二次燃焼用の酸素−燃料バーナを併用することによって、ＮＯＸの発生量が減少する。
【００７６】
（ロ） 燃料リッチな空気−燃料バーナによる燃焼と、燃料リーンな酸素−燃料バーナによる燃焼とを同時に行わせることによって、ＮＯＸの発生量が減少する。この技術は、二種類のＮＯＸ減少プロセスを利用している。即ち、燃料リッチな空気−燃料バーナ燃焼プロセス、及び燃料リーンな酸素−燃料燃焼プロセスを利用している。両プロセスを併用することによって、基本燃焼（ baseline fireing ) の場合と同等の全体的な酸素対燃料当量比を維持しながら、熱効率の減少を伴わずに、熱効率を改善する可能性を伴って、ＮＯＸの発生を減少させることができる
（ハ） ＣＯ及び他の炭化水素類を燃焼させるべく、酸素−燃料バーナによる燃焼生成物を燃焼室の奥深くに吹き込むために、一つまたはそれ以上の酸素−燃料バーナが使用されている。酸素−燃料バーナは、単純な酸素ランスを使用した場合と比較して、大きな酸化能力を備えた燃焼生成物を燃焼室の奥深くに吹き込む能力に優れている。酸素−燃料バーナによる燃焼プロセスによりガスの温度及び体積が増大し、それによって、燃焼生成物を燃焼室の奥深くに吹き込む推進力が生まれる。
【００７７】
（二） 新規な酸素−燃料バーナによる燃焼の条件（燃焼の位置、燃焼の角度、酸素−燃料バーナの数）を使用することによって、ＣＯ及び他の炭化水素類を燃焼させることが可能になる。
【００７８】
（ホ） 空気−燃料バーナと酸素−燃料バーナとを新たに組み合わせることによって、空気−燃料燃焼のレベル（または、燃料供給量のパーセント）を一定に保った状態で、酸素−燃料燃焼の状態を変化させて、加熱炉内の温度分布を制御することができる。即ち、酸素−燃料バーナによる燃焼を、基本となるプロセス温度を制御するために使用することができる。
【００７９】
この様に、酸化用酸素−燃料バーナによる燃焼速度を、全体的なＮＯＸ及び微粒子の発生に影響を及ぼすことなく、プロセス温度を制御するために使用することができる。従って、空気−燃料燃焼を一定レベル（いわばベースラインレベル）に保つことによって、ＮＯＸ及び微粒子の発生がほぼ一定に保たれる。
【００８０】
この様な新しいアプローチによって、プロセス温度の正確な制御が可能になる。これは、燃焼速度、バーナ（または加熱炉）の当量比及びそれによってもたらされるプロセス温度を、酸素−燃料バーナを用いて調整することが可能になることによる。
【００８１】
本発明に基づく酸素−燃料バーナによる燃焼によってもたらされる流れの制御の程度は、従来の空気−燃料バーナを使用した蓄熱式加熱炉で使用されている空気−燃料バーナよる燃焼と比べて、はるかに正確である。
【００８２】
（ヘ） 新規な酸素−燃料バーナの構造によって、酸素−燃料バーナによる燃焼生成物の流れの流速を高めることが可能になる。酸素−燃料バーナの相対的に速い火炎速度によって、酸素−燃料バーナによる燃焼生成物の速い流速が形成される。その結果もたらされる運動量（ momentum ) は、従来の酸素富化空気燃焼方式（例えば、米国特許ＵＳ−５，２０３，８５９号）において使用されている冷たい酸素の流れと比較して、１０倍程度大きい。
【００８３】
（ト） 改造可能な新しいコンセプトは、生産用の加熱炉から発生するＮＯＸ量を減少させる。
【００８４】
（チ） ＮＯＸの減少させる新しい方法において、酸素−燃料バーナによる火炎からの熱伝達の増加によって、ＮＯＸの発生を減少させながら、生産性を増大させる。熱伝達が増加する理由は以下の三つである：
(1) 燃焼室内におけるＨ_２０及びＣＯ_２の分圧が増大し、これによって、熱伝達率が増大する。
【００８５】
(2) 本発明においては、空気−燃料バーナが、燃料リッチな条件で運転されるので、煤（すす）の発生が増加し、これによっても、熱伝達率が増大する。
【００８６】
(3) 酸素−燃料バーナを使用することによって、（化石燃料の燃焼速度を同一とした場合に）煙道ガスの全排出体積が減少する、従って、二次酸化剤として使用される空気の予備加熱ために加熱炉に取り付けられる熱回収手段の効率が向上する。その結果、空気の予備加熱温度が高まる。
【００８７】
（リ） 空気−燃料バーナを用いた加熱炉に、酸素−燃料バーナを併用する改造可能な新しいコンセプトは、化石燃料の所要の燃焼能力を維持しながら、煙道ガスの排出体積を減少させる。このことは、蓄熱室が、閉塞または他の理由で、空気−燃料燃焼のみとした場合における煙道ガスの排出体積を処理できない場合に必要になる。
【００８８】
本発明の他の重要なポイントは、二次燃焼用の酸素−燃料バーナのデザインにある。酸素−燃料バーナは、酸素−燃料油バーナであってもよい。しかし、説明を簡単にするため、ここでは、酸素−天然ガスバーナの例について説明する。
【００８９】
図３に、本発明に基づく酸素−燃料バーナの構造の概略図を示す。このバーナのデザインは、メルター燃焼スペース（ melter combustion spase ) の中へ非常に高速の二次燃焼用火炎を吹き込むことを狙ったものである。二次燃焼用の酸化剤の速度の範囲は、約１００ｆｔ／ｓ（３０ｍ／ｓ）から約１０００ｆｔ／ｓ（３００ｍ／ｓ）程度である。二次燃焼用の酸化剤の吹き込みの角度は、空気−燃料バーナによる火炎の長手方向にほぼ沿った角度であって、空気−燃料バーナによる火炎の先端部分と交差する様に、僅かに下向きの角度αが付けられている。この角度は、フラットボトムポート（ flat bottom ports ) の場合、約１度から約３０度程度である。
【００９０】
酸素−燃料バーナによる火炎の速度を大きくすることは、ＮＯＸの発生の問題があるので、通常、採用されていない。しかしながら、この酸素−燃料バーナは、通常、非常に高い当量比（好ましくは、約１．５〜約１２．５）で運転される。従って、酸素−燃料バーナから発生するＮＯＸ量の全ＮＯＸ発生量に占める割合は、相対的に小さい。即ち、当量比が高い酸素−燃料バーナのピーク火炎温度がかなり低いので、酸素−燃料バーナから発生するＮＯＸ量の割合が低くなる。
【００９１】
本発明に基づく酸素−燃料バーナのデザインは、非常にシンプルである。中央配管１００は、酸素を高速で吹き込むために使用され、その周囲の環状スペース１０２は、天然ガスを吹き込むために使用される。中央配管１００の口径は、好ましくは、酸素の吹き込み速度が１００ｆｔ／ｓ（３０ｍ／ｓ）以上になる様に設定される。バーナは、好ましくは、標準的な耐火性バーナブロック１０４が使用され、環状スペース１０２内における天然ガスの流れを形成する。天然ガスの流れは、外側を流れる様に維持され、加熱炉内からの窒素の引き込みに対して効果的なシールドとして機能する。なお、上記の窒素は、仮に、高温の酸素と反応すればＮＯＸを発生させる要因となる。
【００９２】
更に、本発明においては、酸素−燃料バーナによる燃焼生成物を燃焼スペースの奥深くに送り込むことを目的としているので、中心部の大容積の酸化用のジェットは、その周囲の弱く小容積の天然ガスのジェットよりも、内部に侵入し易い様になっている。
【００９３】
乱流ジェットの理論から、環状のジェットは、中空でない中央のジェットと比べて、早期に減衰することが知られている。加熱炉から中央配管１００の先端１０６までの位置は、調整可能である。加熱面１０８は、火炎に適切な運動量及び安定性を与える。
【００９４】
図３に示されている様に、中央配管１００を、好ましくは、軸方向に引き込むことができるように構成し、適切な火炎の形成及び運動量の調整を可能にする。この引き込み量についての好ましい範囲は、約Ｄ／４から約１０Ｄ程度である。但し、上記のＤは、天然ガス用の耐火性バーナブロック１０４の内径である。
【００９５】
一つの実施形態では、好ましくは、環状スペース１０２を通る天然ガスの流れを渦巻き状に形成するため、標準的な複数の羽根を有するスワラ１１０（ swirler ) が、上記環状スペース１０２に設けられる。これによって、中央の酸素の流れとの急速な燃焼を生じさせ、酸素−燃料バーナによる燃焼生成物を加熱スペース１１４の奥深くに送り込むための推進力を生じさせる。その目的は、加熱炉の中に、高速の酸素−燃料バーナによる火炎を送り込むことである。
【００９６】
酸素−燃料バーナによる燃焼をポートの下側から行う場合、空気−燃料バーナによる火炎との交差を、空気−燃料バーナによる火炎の先端部分で行わせるためには、吹き込み角度αを非常に小さな角度にする必要がある。フラットボトムポートの場合、この角度は、上向きに約１度から約１０度程度である。好ましくは、酸素及び天然ガスの速度の範囲は、それぞれ、２００〜８００ｆｔ／ｓｅｃ（６０〜２００ｍ／ｓ）である。
【００９７】
空気−燃料バーナによる燃焼速度、ポートの幅、加熱炉の幅、及び酸素−燃料バーナの当量比に依存して、酸素及び天然ガスの速度を慎重に決定する必要がある。好ましくは、コンピュータを用いた流体力学（ＣＦＤ）による流れ解析モデルを加熱炉の形状に適用し、酸素−燃料バーナによる燃焼生成物が、空気−燃料バーナによる火炎の先端部分の交差位置まで形成される様に、天然ガス及び酸素の速度を決定する。
【００９８】
本発明において、空気−燃料バーナの当量比について規定されている値（０．６から１．０）の下限値は、予備加熱される燃焼用空気による当量比を０．６以下にすると、空気−燃料バーナによる火炎の速度が非常に低くなることを考慮したためである（ポートの寸法が同一の場合）。その様な火炎は、過剰に長く、加熱炉の耐火物を傷める恐れがある（排気ポート及びクラウンの近くで）。
【００９９】
長過ぎる火炎長さは、燃料吹き込み速度を増加させることによって、ある程度、減少させることができる。しかしながら、多くの加熱炉においては、空気−燃料バーナのノズルの口径は、調整可能に作られていないので、与えられた燃焼速度に対して、燃料吹き込み速度を変えることはできない。その様な状況において、低い当量比で加熱炉を運転することは、火炎長さのコントロールの問題から、困難になる。空気−燃料バーナの当量比の下限値は、空気−燃料バーナのデザイン、加熱炉の幅（側面燃焼型加熱炉の場合）、及び加熱炉の耐火物を傷めずに空気−燃料バーナによる火炎長さについての調整能力（高めの燃料速度を用いる）によって制約される。
【０１００】
低めの当量比（０．６〜１．０）を用いる場合には、好ましくは、空気−燃料バーナのノズルを交換する（より口径が小さく、燃料速度が大きいものと交換する）。低めの当量比は、典型的には、ＮＯＸを最大限減らす必要がある場合に採用される。
【０１０１】
その他の選択肢は、ノズル口径が可変の空気−燃料バーナを使用することによって、低い当量比による運転の際に、燃料速度を増加させることである。仮に、ポートの出側の断面積を減らすことが可能ならば（例えば、ポートエリアを耐火煉瓦で部分的に塞ぐことによって）、空気−燃料バーナの当量比をより低くすることができる（０．６以下）。
【０１０２】
上記の酸素−燃料バーナによる燃焼の形態は、異なる空気−燃料バーナによる燃焼の形態に対しても適用される。ポートの側面からの燃焼（ side-of-port firing ) は、フロートガラス用の加熱炉において、非常に一般的である。その他の工業的に使用される形態は、空気−燃料バーナによるポートの下側からの燃焼（ underport air-fuel firing ) である。その様な形態の場合に本発明を適用する場合には、ポート貫通型（水冷式）の酸素−燃料バーナ３０が必要になる。ここでもまた、ポートの幅に対応して、一のあるいは複数の酸素−燃料バーナを使用することが好ましい。
【０１０３】
この例が、図４に示されている。図４では、一個の空気−燃料バーナ５０が、ポートの下側の位置に描かれている。酸素−燃料バーナによる火炎の特徴は、ポートの下側からの吹き込みを含む前のケースと同様である。ここで、吹き込み角度α（溶融ガラスの表面に対して約−１０度から約＋３０度）は、酸素−燃料バーナ３０による火炎１０が空気−燃料バーナ５０による火炎５の先端部分に交差する様に設定される。
【０１０４】
酸素−燃料バーナ３０からの流れが、予備加熱された空気の流れの中に埋まるので、酸素−燃料バーナ３０による燃料及び二次燃焼用の酸化剤の速度は、特別に計算される。即ち、酸素−燃料バーナ３０による火炎の運動量及び方向を計算するに当たって、予備加熱された燃焼用空気２００の運動量の影響を考慮に入れる必要がある。
【０１０５】
酸素−燃料バーナ３０は、酸素用配管１００及び燃料配管１０６（典型的には酸素用配管１００の周囲を囲んでいる）を有し、更に、水冷ジャケット１０５を有している。
【０１０６】
酸素−燃料バーナ３０による燃焼は、他の様々な空気−燃料バーナによる燃焼の形態、例えば、ポートの上側からの燃焼（ overport firing ) 、Ｕタイプの蓄熱式加熱炉におけるポートのエンドからの燃焼（ endport firing ) に対して適用することが可能である。熱交換器付加熱炉（ recuperative furnaces ) あるいは直接燃焼型加熱炉（ direct-fired furnaces ) のケースにおいては、酸素−燃料バーナによる燃焼は、空気−燃料バーナの下側から行うことができる（図２に示したポートの側面からの燃焼の場合と同様に）。
【０１０７】
ＮＯＸの発生量の削減は、単に、蓄熱式加熱炉あるいは熱交換器付加熱炉を低めの当量比（当量比が０．６から１．０）で運転するとともに、酸化用の酸素−燃料バーナを要求される当量比（当量比が１．５から１２．５の間）で運転することによって達成される。当量比の下限値あるいは上限値は、酸素−燃料バーナによる燃焼の燃焼性の限界、及び平衡温度の好ましくない増加または減少のために制約されることはない。
【０１０８】
以上、本発明について様々な実施例を用いて説明したが、これらは、本発明の範囲を限定するものではない。当業者であれば、先に例示した方法及び装置に対して、様々な変形を加えることができる。この様な変形形態は、請求の範囲の記載の中で考慮されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の側面燃焼型蓄熱式加熱炉の概要図。
【図２】本発明の方法に基づく改良型の側面燃焼型蓄熱式加熱炉の概要図。
【図３】本発明に基づく酸素−燃料バーナの概略断面図。
【図４】本発明に基づく水冷式貫通ポートを備えた酸素−燃料バーナの概略断面図。
【符号の説明】
Ａ・・・蓄熱室、
Ｂ・・・蓄熱室、
１・・・空気−燃料バーナ、
２・・・燃焼ポート／燃焼サイド、
３・・・酸素−燃料バーナ、
４・・・排気ポート、
５・・・空気−燃料バーナによる火炎、
６・・・二次燃焼用の酸化剤、
７・・・二次燃焼用空気／二次燃焼用空気配管、
８・・・アスピレータ、
９・・・酸素、
１０・・・酸素−燃料バーナによる燃焼生成物、
１２・・・溶融ガラス、
１６・・・先端部分、
３０・・・酸素−燃料バーナ、
５０・・・空気−燃料バーナ、
１００・・・中央配管／酸素ノズル、
１０２・・・環状スペース、
１０４・・・天然ガスノズル／耐火性バーナブロック、
１０５・・・水冷ジャケット、
１０６・・・燃料配管、
１０８・・・加熱面、
１１０・・・天然ガススワラ、
２００・・・燃焼用空気。

Claims (7)

1. 加熱炉内で処理対象物を加熱する方法であって、
   少なくとも一つの空気−燃料バーナを用いて第一の燃料を燃焼させて、この空気−燃料バーナから発生する熱を前記処理対象物に実質的に伝達する工程と、
   少なくとも一つの酸素−燃料バーナを用いて第二の燃料を燃焼させて、この酸素−燃料バーナから発生する熱を前記処理対象物に実質的に伝達する工程と、
   を備え、
   前記空気−燃料バーナは、燃料リッチなモードで運転され、
   前記酸素−燃料バーナは、燃料リーンなモードで運転される、
   加熱炉内の処理対象物の加熱方法において、
   前記第一の燃料を燃焼させる際に、前記空気−燃料バーナによる火炎を、前記処理対象物の表面が構成する水平面に対して実質的に平行に形成すること；
   前記第二の燃料を燃焼させる際に、前記酸素−燃料バーナによる火炎を、前記空気−燃料バーナによる火炎に対して交差する様に形成すること；及び、
   前記酸素−燃料バーナによる火炎は、フラットボトムポートから前記空気−燃料バーナによる火炎に向けて、水平方向に対して斜めの角度αで放射され、その角度αは、約１度以上、約３０度以下であること；
   を特徴とする加熱炉内の処理対象物の加熱方法。
2. 前記酸素−燃料バーナによる火炎は、前記空気−燃料バーナによる火炎の先端部分の近傍で、当該空気−燃料バーナによる火炎と交差することを特徴とする請求項１に記載の加熱炉内の処理対象物の加熱方法。
3. 前記酸素−燃料バーナによる火炎は、インクラインドポートから前記空気−燃料バーナによる火炎に向けて、水平方向に対して斜めの角度で放射され、その角度αは、約−１０度以上、約＋３０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉内の処理対象物の加熱方法。
4. 前記各空気−燃料バーナに対して、それぞれ、複数の酸素−燃料バーナが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉内の処理対象物の加熱方法。
5. 前記空気−燃料バーナは、０．６以上、約１．０以下の当量比で運転されることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉内の処理対象物の加熱方法。
6. 前記第一の燃料及び前記第二の燃料が同一であることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉内の処理対象物の加熱方法。
7. 前記酸素−燃料バーナは、約１．５以上、約１２．５以下の当量比で運転されることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉内の処理対象物の加熱方法。

Images