JP4651675B2 - 産業炉内のバーナの助けによる燃焼方法及びそのためのバーナ - Google Patents

Description

本発明は産業炉内のバーナの助けによる燃焼方法及びそのためのバーナに関する。

より詳細には、本発明はガス点火バーナに関する。

ガス・バーナの助けで産業炉を加熱することは一般的習慣である。典型的な燃料は天然ガスであるが、プロパン、ブタン及びＬＥＰガスなど、他のガスを使用してもよい。

効果的なガス・バーナの一例は、バーナ・ヘッドが、閉じた底部を有する保護パイプによって外側を囲まれた内部ガス・パイプの一方端に配置されたタイプのバーナにある。バーナ室から出た煙は内部パイプ内を通過して、外部パイプの底部に向かって降下し、そこで方向転換して外部パイプと内部パイプの間を反対方向に流れ、その後に周囲へと通じる排気路に入る。保護パイプは、３０パーセントの程度までの対流及び７０パーセントの程度の放射によって炉空間へと熱を放射する。

このようなガス・バーナは高濃度の窒素化合物（ＮＯ_ｘ）を放出する。炭化水素（ＨＣ）含有率及び一酸化炭素（ＣＯ）含有率は低い。ＣＯ含有率はほぼゼロに等しい。

バーナの出力濃度を向上させるように、外部パイプの温度は約１１５０℃から１２００℃に到達することが望ましい。この理由から、パイプは炭化ケイ素（ＳｉＣ）又はＡＰＭのような高温材料で作製する。ＡＰＭは、Ｆｅ、Ｃｒ及びＡｌを含む粉末冶金の金属である。粉末材料を押出成形してパイプの形態にする。

しかし、排煙のＮＯ_ｘ含有率は、このような高温で非常に上昇する。

スウェーデン特許明細書第５１８８１６号は、炉を加熱する方法及びガス・バーナについて記載し、このガス・バーナは、周囲に外部保護パイプを配置した内部燃料パイプの一方端にバーナ・ヘッドが配置されるタイプであり、バーナ・ヘッドからの燃料ガスが内部パイプ内及び外部パイプ内を通過し、その後に周囲へと通じる排気ガス路に入る。２つの触媒（８、９）が流れの方向に相互に続けて配置され、第１触媒（８）は、排気ガスが十分に高いＣＯ含有率を有する場合にＮＯ_ｘをＮＯ_２に還元するような構成であり、この還元は、ＮＯ_ｘの含有率を所定の値まで下げるのに十分である。第１触媒と第２触媒の間に酸素（Ｏ_２）入口が設けられる。この第２触媒は、酸素が存在する状態でＣＯ及びＨＣをＣＯ_２及びＨ_２Ｏに酸化するような構成であり、これはＣＯの含有率を所定の値にするような酸化である。したがって、２つの触媒及び酸素供給を制御するラムダ値の測定が必要である。

本発明は、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の形成を抑制し、それで清浄な排気ガスの生成を大幅に促進する方法及びバーナに関する。

したがって、本発明は、外部保護パイプ（３）によって囲まれた内部パイプ（２）の一方端にバーナ・ヘッドが配置され、バーナ・ヘッド（１）からの燃料ガスが内部パイプ内及び外部パイプ内を流れ、その後に周囲へとつながる排気ガス路（５）に入るタイプの炉加熱用炉ガス・バーナの助けによる燃焼に関し、本発明は、内部パイプがバーナ・ヘッドより手前で終端し、前記バーナのバーナ・ヘッドの上流にスリーブが配置され、スリーブは、そのオリフィスが内部パイプ内に位置するように、内部パイプに多少挿入される、且つ／又はそれと同心に配置させられ、内部パイプの開口とスリーブとの間にギャップが形成され、ギャップは、バーナ・ヘッドから到着した燃料及び燃焼空気とギャップを通って再循環した排気ガスとが、燃焼温度がＮＯ_ｘの形成温度より低くなるような量で混合されるようなサイズにされることを特徴とする。

本発明は、概ね請求項１１に記載された形体を有する種類のバーナにも関する。

次に、本発明を、添付図面で図示された本発明の例示的実施例を部分的に参照し、さらに詳細に説明する。

図１は、既知のタイプの炉加熱用ガス・バーナを示す。ガス・バーナは、外部保護パイプ３によって囲まれた内部パイプ２の一方端にバーナ・ヘッド１が配置される種類である。保護パイプ３はその底部４で閉じている。つまり、バーナ・ヘッドからの排気ガスは内部パイプ２内を外部パイプ３の底部４に向かって下方向に流れ、ここで前記ガスが方向転換し、外部パイプと内部パイプとの間の空間を逆方向に流れて、その後に周囲へとつながる排気ガス路５に入る。

伝熱式熱交換器が、バーナ・ヘッドを囲む内部ガス・パイプ２のその部分で構成されるか、バーナ・ヘッドを囲む別個のパイプで構成され、別個の内部パイプが、前記別個のパイプの延長部に設けられる。したがって、この別個のパイプ及び別個の内部ガス・パイプは、軸方向に相互に並ぶ。別個の内部ガス・パイプは、別個のパイプの開放端で始まる。燃料ガスは入口６を通って導入され、空気は入口７を通って導入される。

図１の参照番号１１は、第１触媒８に関してこのようなネットワークを特定し、参照番号１２は、第２触媒９に関して円盤状ネットワークを特定する。このような触媒によって得られる利点は、このような触媒が、セラミックのモノリスから成る触媒より高い温度に耐えられることである。さらに、流れ抵抗が典型的な触媒より低い。

本発明は、このタイプのバーナ、つまり外部保護パイプ３によって囲まれた内部ガス・パイプ２の一方端にバーナ・ヘッド１が配置され、バーナ・ヘッドからの燃料ガスが内部ガス・パイプ２内を流れ、その後に外部保護パイプの閉じた端部４で方向転換し、外部パイプ３と内部ガス・パイプ２との間の空間を流れ続け、その後に周囲へとつながる排気ガス路５に入るタイプのガス・バーナに関する方法に関する。

本発明によると、内部ガス・パイプ２はバーナ・ヘッド１の手前で終端する。スリーブ１０がバーナ・ヘッド１の上流に配置され、前記スリーブのオリフィス１３が内部パイプ２内に位置するように、内部ガス・パイプ２内にわずかに挿入され、且つ／又はそれと同心になるように配置される。内部パイプ２の開口１５とスリーブ１０との間にギャップ１４が形成される。ギャップ１４は、バーナ・ヘッドから到着した燃料と燃焼空気の混合物及びギャップ１４を通って再循環した排気ガスとが、燃焼温度がＮＯ_ｘの形成温度より低くなるような量で混合されるようなサイズにされる。

ＮＯ_ｘは、燃焼プラントのタイプ及び使用燃料のタイプに応じて、異なる温度で形成される。本発明の場合では、燃焼温度が約１６００℃を超えないことが好ましい。

本発明によるバーナは、主に天然ガス、ボンベ入りガス、プロパン又はブタン燃料用である。

本発明の１つの好ましい実施例によると、ギャップ１４には、燃料ガスのＮＯ_ｘ含有率又はＮＯ_ｘ濃度が１２５ｐｐｍ未満になるサイズが与えられる。

本発明の別の好ましい実施例によると、ギャップには、ＮＯ_ｘ含有率又はＮＯ_ｘ濃度が２５ｐｐｍ未満になるようなサイズが与えられる。

本発明の１つの好ましい方法では、ラムダ値を１の値に近付けることが好ましい。

特に好ましい実施例によると、ラムダ値は最低でも０．９４０にする。

本発明のバーナは、内部パイプと外部パイプの間の空間で燃料ガスの十分に大きい再循環が達成され、前記ギャップが存在するせいで、燃料ガスの一部をバーナ・ヘッドからの燃料混合物と共に内部ガス・パイプに吸引される排出器効果が獲得されるような状態を提供する。その結果、酸素へのアクセスが、燃焼プロセスに及ぼす影響が制限される。その結果、酸素と窒素ガスとの間の反応距離が長くなり、これはＮＯ_ｘの形成を抑制する。

本発明の１つの好ましい実施例によると、スリーブ出口開口１３の断面積Ａ１とギャップ１４の断面積Ａ２との割合は、０．１０より小さいが、０．０１より大きくされる。

別の好ましい実施例によると、前記内部ガス・パイプ２と外部保護パイプ３との間の図示された空間１６の断面積Ａ４と、スリーブ１０と内部ガス・パイプ２との間のギャップ１４の断面積Ａ２との割合は、１．０、２．０の範囲内にある。

本発明の別の好ましい実施例によると、内部ガス・パイプ２と外部保護パイプ３との間の図示された空間１６の断面積Ａ４と、内部ガス・パイプ２の断面積Ａ３との割合は、０．７５から１．７５の範囲になる。

前記排出器効果に関して、スリーブ１０からの燃料混合物の出力速度が十分に高いことが重要である。

スリーブ１０のノズル１３からの燃料混合物のノズル速度は３５ｍ／ｓを超えるようにすることが好ましい。

図３及び図４は、入ってくる成分の熱膨張によって引き起こされた結果を示す。加熱により外部パイプ３は図３及び図４の左側へと直線的に膨張する。外部パイプ３は膨張と共に内部ガス・パイプ２を同伴する。しかし、内部パイプ２は、外部パイプの底部からの開始点で膨張し、前記底部は図３及び図４の左側に位置する。内部パイプは、内部パイプの方が温度が高いので、外部パイプより大きい範囲で膨張する。したがって出力が増加すると、内部ガス・パイプはバーナ・ヘッド１にさらに近付く。つまりスリーブが内部パイプへとさらに押し込まれる。室温と比較すると、パイプが加熱されると、図２に与えられた測定表記の場合、パイプのオリフィス１５が約２０ミリメートルの距離だけ変位してバーナ・ヘッドに近付く。

図３は、熱膨張の結果として小さい変位しか生じない実施例を示す。違いは距離ＡＴで示される。図４は、距離１９で示すように、より大きい変位を示す。ここで見られるように、内部パイプ２内に突出するスリーブの部分は、前記ギャップ１４のサイズを維持するように、変位が大きくなるにつれて長くなる。

この熱膨張のせいで、前記ギャップ１４を形成する上で内部パイプ２と協働するスリーブ１０の部分１７は、形状が円筒形であることが非常に好ましい。

その結果、ギャップ１４は、前記熱膨張に関係なく一定のサイズを有する。

図２は、例示により問題のガス・バーナのその部分の測定値を示す。これらの測定値、及び前記値に近いラムダ値にて、スリーブのオリフィスからのガスの出口速度に応じて２０ｐｐｍと４０ｐｐｍの間のＮＯ_ｘ含有率が獲得される。

これらの小さい大きさのＮＯ_ｘ値により、燃料ガス路内でバーナに触媒を装備する必要がなくなる。

本発明が上述した問題を解決することは明白である。

本発明を幾つかの例示的実施例に関して説明してきたが、スリーブの設計及び内部ガス・パイプの設計は、ギャップ１４の領域で変更できることが理解される。

したがって、本発明が記載された例示的実施例に制限されると見なしてはならない。というのは請求の範囲内で変更及び改造ができるからである。

既知のバーナの略断面図である。 スリーブ開口及び内部パイプへの入口の周囲の区域の拡大図である。 前記スリーブ及び内部パイプの入口の近傍にあるバーナの部分の実施例の図である。 前記スリーブ及び内部パイプの入口の近傍にあるバーナの部分の実施例の図である。

Claims (15)

1. ガス・バーナが、外部保護パイプ（３）によって囲まれた内部ガス・パイプ（２）の一方端にバーナ・ヘッドが配置されるタイプであり、
   バーナ・ヘッド（１）からの燃料ガスが内部パイプ内及び外部パイプ内を流れ、
   その後に周囲へとつながる排気路（５）に流入し、
   前記内部パイプ（２）が前記バーナ・ヘッド（１）より手前で終端させられ、
   スリーブ（１０）が前記バーナ・ヘッドの下流に配置され、
   前記スリーブ（１０）は、前記スリーブのオリフィス（１３）が前記内部パイプ内に位置するように、前記内部パイプ（２）に多少挿入され、且つ／又はそれと同心に配置され、
   前記内部パイプ（２）の前記開口（１５）と前記スリーブ（１０）との間にドーナツ形状のギャップ（１４）が形成される、
   炉加熱用のガス・バーナの助けによる燃焼に関する方法であって、
   前記ギャップ（１４）を形成するように前記内部パイプと協働する前記スリーブ（１０）の部分（１７）が、円筒形の形状であり、
   前記内部パイプ（２）は円筒形であり、
   前記ドーナツ形状のギャップ（１４）は、前記内部パイプ（２）と前記スリーブ（１０）の前記部分（１７）間が一定であり、
   前記ギャップ（１４）は、前記バーナ・ヘッド（１）から来る燃料及び燃焼空気と、前記ギャップ（１４）を通って再循環した排気ガスとの混合物が、燃焼温度がＮＯ_ｘの形成温度より低くなるような量で混合されるようなサイズにされる
   ことを特徴とする方法。
2. ほぼ１６００℃の温度まで加熱することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. ＮＯ_ｘ含有率が１２５ｐｐｍ未満になるように、前記ギャップ（１４）のサイズを適応させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ギャップ（１４）に、ＮＯ_ｘ含有率が２５ｐｐｍ未満になるサイズを与えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
5. ラムダ値を１の値に近付けることを特徴とする、請求項１、２、３又は４に記載の方法。
6. 前記ラムダ値を最低で０．９４０にすることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記スリーブ出口開口（１３）の断面積（Ａ１）と、前記ギャップ（１４）の断面積（Ａ２）との割合を、０．１０より小さいが、０．０１より大きくすることを特徴とする、請求項１、２、３、４、５又は６に記載の方法。
8. 前記内部パイプ（２）と前記外部パイプ（３）の間にある空間（１６）の断面積（Ａ４）と、前記スリーブ（１０）と前記内部パイプ（２）との間にある前記ギャップ（１４）の断面積（Ａ２）との割合が、１．０から２．０の範囲にあるようにすることを特徴とする、請求項１、２、３、４、５、６又は７に記載の方法。
9. 前記内部パイプ（２）と前記外部パイプ（３）との間にある前記空間（１６）の断面積（Ａ４）と、前記内部パイプ（２）の断面積（Ａ３）との割合が、０．７５から１．７５の範囲にあるようにすることを特徴とする、請求項１、２、３、４、５、６、７又は８に記載の方法。
10. 前記スリーブ（１０）の前記オリフィスからの前記燃料混合物の前記出口速度が、３５ｍ／ｓを超えるようにすることを特徴とする、請求項１、２、３、４、５、６、７又は８に記載の方法。
11. バーナ・ヘッドが、外部保護パイプ（３）によって囲まれた内部ガス・パイプ（２）の一方端に配置され、
    前記バーナ・ヘッド（１）からの燃料ガスが前記内部パイプ内及び前記外部パイプ内も流れ、
    その後に周囲へとつながる排気ガス路（５）に入り、
    前記内部パイプ（２）が前記バーナ・ヘッド（１）より手前で終端し、
    前記バーナ・ヘッドの下流にスリーブ（１０）が配置され、
    前記スリーブ（１０）は、前記スリーブのオリフィスが前記内部パイプ内に位置するように、前記内部パイプ（２）に多少挿入され、且つ／又はそれと同心に配置され、
    前記内部パイプ（２）の前記オリフィス（１５）と前記スリーブ（１０）との間にドーナツ形状のギャップ（１４）が形成されるガス・バーナであって、
    前記ギャップ（１４）を形成するように前記内部キャップと協働する前記スリーブ（１０）の部分（１７）が、円筒形の形状であり、
    前記内部パイプ（２）は円筒形であり、
    前記ドーナツ形状のギャップ（１４）は、前記内部パイプ（２）と前記スリーブ（１０）の前記部分（１７）間が一定であり、
    前記ギャップ（１４）は、前記バーナ・ヘッド（１）から来る燃料及び燃焼空気の混合物と、前記ギャップ（１４）を通って到達した再循環排気ガスとが、燃焼温度がＮＯ_ｘの形成温度より低くなるような量で混合されるようなサイズにされる
    ことを特徴とするガス・バーナ。
12. 前記スリーブ出口開口（１３）の断面積（Ａ１）と、前記ギャップ（１４）の断面積（Ａ２）との割合を、０．１０より小さいが、０．０１より大きくすることを特徴とする、請求項１１に記載のガス・バーナ。
13. 前記内部パイプ（２）と前記外部パイプ（３）の間にある空間（１６）の断面積（Ａ４）と、前記スリーブ（１０）と前記内部パイプ（２）との間にある前記ギャップ（１４）の断面積（Ａ２）との割合が、１．０から２．０の範囲にあるようにすることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載のガス・バーナ。
14. 前記内部パイプ（２）と前記外部パイプ（３）との間にある前記空間（１６）の断面積（Ａ４）と、前記内部パイプ（２）の断面積（Ａ３）との割合が、０．７５から１．７５の範囲にあるようにすることを特徴とする、請求項１１、１２又は１３に記載のガス・バーナ。
15. 前記ギャップ（１４）を形成するように前記内部パイプ（２）と協働する前記スリーブ（１０）の部分が、円筒形の形状であることを特徴とする、請求項１１から１４までのいずれか一項に記載のガス・バーナ。

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