JP4902550B2 - 非対称炎を生じさせる多段燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は非対称炎を生じさせる多段燃焼方法に関する。

装入物を高温に導く工業炉における燃焼システムの確立は、有効な熱伝達を保証する一方で炉チャンバーの実際の構造の損傷を防がなければならない。この目的のために、バーナーの配置はいくつかの規則を遵守せねばならない一方、バーナーから生じる炎が炉の壁面近くで発達するのを防ぎ、他方で炎が相互作用するのを防ぐことが必要である。実際後者の場合では、各々の炎は隆起して屋根の上方の壁を加熱する傾向を持ち、このようにして炉に深刻な損傷を与えるリスクがある。空気、酸素で富化された空気または純酸素で稼動するタイプであろうと、最も普及しているバーナーはバーナーの軸に対して対称な炎の形状を持つ。これらのバーナーは扁平炎構造を持つか、円筒炎を発する同心円構造を持つことができる。汎用バーナーによって発せられる炎の形状だけでなく先に示した要求も考慮に入れると、炉の燃焼システムの内部のこれらの配置はやっかいであり、通常多くの不都合を生じる。より正確には、バーナーによって発せられる炎が炉の壁に損傷を与えるのを防ぐために、それらを関係する壁から十分な距離をおいて配置しなければならない。有効な伝熱面積は著しく減少し、各々のバーナーの出力のあらゆる増大は、この距離を不十分にするリスクとなる。加えて、互いに対向して配置された２つのバーナーの炎の隆起の問題を防ぐために、バーナーの炎の長さが炉の幅の半分を超えない（これはバーナーの出力の見地からマージンをうまく扱うことを制限し、不必要なバーナーの数の増加をもたらすリスクとなる）か、またはバーナーを互いからずらした仕方で配列する（これはもはや対称または均一でない炉の操作をもたらす）ことが不可欠である。

本発明の目的は先述した不都合を克服すること、ならびにこの目的のために少なくとも１つのバーナーによって燃料を燃焼する方法からなり、前記バーナーは２つのセミアセンブリを持ち、各々は、
・少なくとも１つの燃料注入手段と、
・一次の酸化剤注入手段と、
・少なくとも１つの二次の酸化剤注入手段と
を含み、第１の酸化剤ジェットを一次の注入手段によって燃料から第１の距離で注入して不完全な第１の燃焼を生じさせ、第２の酸化剤ジェットを二次の注入手段によって燃料注入手段から第１の距離よりも大きな第２の距離で注入し、不完全な第１の燃焼で残った燃料で第２の燃焼を生じさせ、前記方法は、各々のセミアセンブリが他方のセミアセンブリによって送出される燃焼出力とは異なる燃焼出力を送出することを特徴とする。したがって、バーナーの各々のセミアセンブリ間の燃焼出力の分布が等しくないというおかげで、１つのセミアセンブリ上の高燃焼出力をもつゾーンと、第２のセミアセンブリ上の低燃焼出力をもつゾーンとを生じさせることが可能になる。これにより活発な燃焼ゾーンを移動させ、結果的に生じる炎の形状を変更して非対称炎を得ることが可能となる。さらに、非対称の炎を生じさせる事実からオーバーラップのリスクを減じることが可能になり、各々のバーナーを調整して、バーナーの炎が他のバーナーの炎と相互作用しないようにすることが可能となる。好ましくは、２つのセミアセンブリはバーナーの対称軸Ｓに関して対称に分布する。

有利には、第３の酸化剤ジェットを三次の酸化剤注入手段（５）によって第１の距離（Ｌ１）よりも大きな第２の距離（Ｌ２）で注入することができる。この第３の酸化剤注入は主燃焼ゾーンの前に反応剤の十分な希釈を保証するように設計され、熱によるＮＯｘ化合物の形成を制限する。

好ましくは、異なる量の燃料を各々のセミアセンブリの燃料注入手段に注入する。このため各々のセミアセンブリによって送出される燃焼出力は異なり、一次および二次の酸化剤注入手段によって送出燃料の量は、燃料の流量による結果として非常に明確に適合する。

特殊な実施形態によれば、バーナーは壁の近くに炎を生じさせ、前記壁の最も近くのセミアセンブリの出力はより低い燃焼出力を持つ。この壁は通常バーナーの対称軸と平行である（たとえば壁が炉の装入壁からなる場合）。高出力ゾーンが炉の壁から離れているので、これらの壁を損傷するリスクは著しく減少する。

本発明は炉内で材料を加熱する方法にも関し、前記炉は少なくとも一対のバーナーを具備し、前記対のバーナーは炉内で対面して配置され、ここで、
−バーナーは先述した燃焼方法を実行し、
−その対のバーナーを炉内に配置して、バーナーの各々のセミアセンブリがその対の他のバーナーのセミアセンブリと対面するようにし、
−より低い燃焼出力を持つその対の第１のバーナーのセミアセンブリはより高い燃焼出力を持つその対の第２のバーナーのアセンブリと対面している。この実施形態によれば、バーナーの対のセミアセンブリは向かい合っており、セミアセンブリを調整して、セミアセンブリが対向して配置されたセミアセンブリによって発せられる炎と相補的に炎を発するようにする。好ましくは、各々のバーナーについて各々のセミアセンブリの燃焼出力は前記バーナーの総出力の０．８倍を下回る。このようにして第２のセミアセンブリの出力は第１のセミアセンブリの出力によって減じられた総出力に等しく、セミアセンブリの出力は総出力の０．２倍を上回っており、このことは短すぎるまたは不安定な炎の問題を防ぐ。変形例によれば、同じ対のバーナーについて、１つのセミアセンブリは１を上回る燃焼の化学量論で稼動することができ、この過剰化学量論のセミアセンブリと対面して配置されるセミアセンブリは１を下回る燃焼の化学量論で稼動する。この変形例において、過剰化学量論のセミアセンブリによって生じる炎はかなりの量の煤を発生する。次にこの未燃焼物質の燃焼は、対向して配置された対をなすバーナーの他のセミアセンブリによって供給される追加の酸素によって完全にすることができ、結果として１の値を下回る化学量論で作動するように調整される。

最後に本発明は炉内で材料を加熱する方法に関し、前記炉は少なくとも一対のバーナーを具備し、前記対のバーナーは炉内で向かい合って配置され、ここで、
−バーナーは先述した燃焼方法を実行し、
−その対のバーナーを炉内に配置して、各々のバーナーについてただ１つのセミアセンブリがその対の他のバーナーのセミアセンブリと対面するようにし、
−より低い燃焼出力を持つその対の第１のバーナーのセミアセンブリはより高い燃焼出力を持つその対の第２のバーナーのアセンブリと対面する。この実施形態によれば、向かい合って配置されたセミアセンブリを調整して、セミアセンブリが相補的に炎を発するようにする。好ましくは、各々のバーナーについて各々のセミアセンブリの燃焼出力は前記バーナーの総出力の０．８倍を下回る。変形例によれば、同じ対のバーナーについて、１つのセミアセンブリは１を上回る燃焼の化学量論で稼動することができ、次にこの過剰化学量論のセミアセンブリと対面して配置されるセミアセンブリは１の値を下回る燃焼の化学量論で稼動する。この変形例において、過剰化学量論のセミアセンブリによって生じる炎はかなりの量の煤を発生する。この未燃焼物質の燃焼は、対向して配置された他のセミアセンブリによって供給される追加の酸素によって完全にすることができ、結果として１の値を下回る化学量論で作動するように調整される。

本発明の実施は添付の図面との関係において以下に示される詳細な説明の助けによってより良く理解されるであろう。

本発明による分割されたジェットを備えたバーナーは２つのセミアセンブリ１、１’を含み、その１つは図１に示されている。各々のセミアセンブリ１、１’は、酸素の場合、燃料供給装置２から第１の距離で配置される一次の酸化剤供給装置３と関連した燃料供給装置２と、燃料供給装置２から第１の距離より大きな第２の距離Ｌ１で配置される二次の酸化剤供給装置４と、燃料供給装置２から第２の距離Ｌ１より大きい第３の距離Ｌ２で配置される三次の酸化剤供給装置５とを含む。使用される燃料は気体状または液体状が可能で、これは必要ならば適切な噴霧システムによってスプレーすることができる。より正確には、三次の燃料供給装置５を燃料供給装置２から相対的に大きな距離で配置し、これを用いて高速で酸素を注入する。この配置により主燃焼ゾーンの前に反応剤の十分な希釈を保証することが可能となり、このようにして大量の熱によるＮＯｘ化合物の形成を防ぐ。

図２に示したように、稼動において、各々のセミアセンブリ１、１’は対称軸Ｓに対して対称に分布し、各々の燃料供給装置２および酸化剤供給装置３、４、５が流量を独立に調整することが可能である。各々のセミアセンブリ１、１’を調整して、構造的な対称性を乱して、非対称炎を得るようにする。この目的のために、燃料供給装置２および酸化剤供給装置３，４，５の流量を別個に調整する。この結果、セミアセンブリ１に送出する燃料フローを調整し、セミアセンブリ１’によって送出される燃料の流量を下回るようにする。一次供給装置３、二次供給装置４および三次供給装置５を関連するセミアセンブリ１、１’の燃料供給装置２に対して結果的に調整する。反応剤の流量を種々の長さの矢印で記号的に表示している。表示したように、セミアセンブリ１’の燃焼出力はセミアセンブリ１の燃焼出力よりも大きく、このためサブアセンブリ１の領域内の長さよりも明らかに短いサブアセンブリ１’の領域内の長さを持つ非対称炎７を発生する。したがって炎７はサブアセンブリ１の領域内にリーンゾーン（ｌｅａｎ ｚｏｎｅ）７ａおよびサブアセンブリ１’の領域内にリッチゾーン（ｒｉｃｈ ｚｏｎｅ）７ｂを持つ。このような非対称炎７を得ることで、バーナーと炉壁８の間に必要な距離Ｄｐを減じ、炉壁の損傷を防ぐことが可能となる。それゆえに加熱される装入物への最低限の熱伝達が炉壁８の近くに配置された装入物に対して保証され、前記壁８上の高温箇所の形成を防止する。

同様に、非対称炎７により、対面して配置されたバーナーから生じる炎が互いに相互作用するのを防ぐことが可能となる。

図３は、図１および２に示した互いに対面した対で配置されたバーナーのアセンブリ２１、２２を含む炉２０を示す。各々のバーナー２１、２２を調整して、バーナーは対になったバーナー２２、２１から生じる炎２４、２３と相補的な形状の非対称炎２３、２４を発するようにする。このようにしてあらゆる炎のオーバーラップを防ぎ、このため炉２０の損傷のリスクを減じる。変形例として、先述のような出力分布は各々のセミアセンブリ１、１’についての値１に近い燃焼の化学量論を維持するか、または維持しないかによって達成できる。１の値とは異なる化学量論の場合、より大きな出力のセミアセンブリは１を下回る燃焼の化学量論で調整される一方で、より低い出力で稼動するセミアセンブリは１の値を上回る燃焼の化学量論で調整されるだろう。この調整によりバーナー２１、２２のセミアセンブリ上に煤を発生するリッチゾーンを得ることが可能となり、未燃焼物質の燃焼は対になったバーナー２１、２２のセミアセンブリによって供給される追加の酸素によって完全になる。

図４は図１、２に示したようなバーナー３１、３２のアセンブリを含む炉３０を示し、これらは互いに対面しているがずらして配置されて、すなわちバーナー３１のただ１つのセミアセンブリがバーナー３２のセミアセンブリと対面するようになっている。バーナー３１、３２を調整してバーナーがリーンゾーン３３ａ、３４ａおよびリッチゾーン３３ｂ、３４ｂを持つ非対称炎３３、３４を発するようにする。より正確には、バーナー３１、３２を調整して、リッチゾーン３３ｂをリーンゾーン３４ａの領域内に配置し、リッチゾーン３４ｂがリッチゾーン３３ｂに重なるようにする。この配置は１の値とは異なる燃焼の化学量論で稼動するバーナー３１、３２の場合に特に都合が良い。この事実において、バーナー３１のセミアセンブリ１’を１の値を下回る燃焼の化学量論で調整する場合、非対称炎３３のリッチゾーン３３ｂはかなりの量の煤を発生する。次にこの未燃焼物質の燃焼は対になったバーナー３２のセミアセンブリ１によって供給される追加の酸素によって完全にすることができ、結果として１の値を下回る化学量論で作動するように調整する。

本発明によるバーナーの他の変形例（示していない）は、セミアセンブリ１、１’の出力の調整を各々のセミアセンブリ１、１’における二次の酸化剤供給装置４と燃料供給装置２との間の距離Ｌ１を変動させることによって達成するという事実によってのみ、バーナー１、２１、２２、３１、３２と異なっている。この事実において、より短い距離Ｌ１はより強力な燃焼を生じるだろうが、単純に酸化剤が燃焼ゾーンに達する前に酸化剤をより多く希釈するという事実から、より長い距離Ｌ１は燃焼出力を減じるであろう。距離Ｌ１を変動させることによる各々のセミアセンブリ１、１’の調整は、先述した反応剤の流量を変動させることによる調整と明らかに組み合わされる。

本発明を具体的な実施例と共に記述したが、本発明は無論これに限定されないのは極めて明らかであり、発明の範囲に入るならば記述された手段の全ての技術的な均等物およびそれらの組み合わせを包含する。

−図１は本発明によるバーナーのセミアセンブリの図表示である。 −図２は図１のバーナーの稼動を図解する。 −図３は対向して配置されたバーナーを用いた工業炉の図表示である。 −図４はずらして配置されたバーナーを用いた工業炉の図表示である。

Claims (10)

1. バーナーによって燃料を燃焼する方法であって、前記バーナーは２つのセミアセンブリ（１、１’）を持ち、各々は、
   ・少なくとも１つの燃料注入手段（２）と、
   ・一次の酸化剤注入手段（３）と、
   ・少なくとも１つの二次の酸化剤注入手段（４）と
   を含み、第１の酸化剤ジェットを一次の注入手段（３）によって燃料から第１の距離で注入して不完全な第１の燃焼を生じさせ、
   第２の酸化剤ジェットを二次の注入手段（４）によって燃料注入手段（２）から第１の距離よりも大きな第２の距離（Ｌ１）で注入し、不完全な第１の燃焼で残った燃料で第２の燃焼を生じさせ、
   各々のセミアセンブリは他方のセミアセンブリによって送出される燃焼出力とは異なる燃焼出力を送出することを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の燃焼方法であって、第３の酸化剤ジェットを三次の酸化剤注入手段（５）によって第２の距離（Ｌ１）より大きな第３の距離（Ｌ２）で注入することを特徴とする燃焼方法。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の燃焼方法であって、異なった量の燃料を各々のセミアセンブリ（１、１’）の燃料注入手段（２）に注入することを特徴とする燃焼方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１に記載の燃焼方法であって、バーナーは壁（８）の近くに炎を生じさせ、前記壁（８）に最も近いセミアセンブリの出力は最低の燃焼出力を持つことを特徴とする燃焼方法。
5. 炉（２０）内で材料を加熱する方法であって、前記炉（２０）は少なくとも一対のバーナー（２１，２２）を具備し、前記対のバーナー（２１，２２）は炉内で向かい合って配置され、
   −バーナー（２１、２２）は請求項１ないし４のうちの１項に記載の燃焼方法を実行し、
   −その対のバーナーを炉内に配置して、バーナーの各々のセミアセンブリがその対の他のバーナーのセミアセンブリと対面するようにし、
   −より小さな燃焼出力を持つその対の第１のバーナー（２１）のセミアセンブリはより高い燃焼出力を持つその対の第２のバーナー（２２）のセミアセンブリと対面していることを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、各々のバーナーについて、各々のセミアセンブリ（１，１’）の燃焼出力が前記バーナー（２１、２２、３１，３２）の総出力の０．８倍を下回ることを特徴とする方法。
7. 請求項５または６に記載の燃焼方法であって、同じ対のバーナーについて、１つのセミアセンブリは１を上回る燃焼の化学量論で稼動し、この過剰化学量論のセミアセンブリと対面して配置されたセミアセンブリは１を下回る燃焼の化学量論で稼動することを特徴とする燃焼方法。
8. 炉（２０）内で材料を加熱する方法であって、前記炉（２０）は少なくとも一対のバーナー（２１，２２）を具備し、前記対のバーナー（２１，２２）は炉内で対面して配置され、
   −バーナー（２１、２２）は請求項１ないし４のうちの１項に記載の燃焼方法を実行し、
   −その対のバーナーを炉内に配置して、各々のバーナーについてただ１つのセミアセンブリがその対の他のバーナーのセミアセンブリと対面するようにし、
   −より小さな燃焼出力を持つその対の第１のバーナー（２１）のセミアセンブリはより高い燃焼出力を持つその対の第２のバーナー（２２）のアセンブリと対面していることを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、各々のバーナーについて、各々のセミアセンブリ（１，１’）の燃焼出力が前記バーナー（２１、２２、３１，３２）の総出力の０．８倍を下回ることを特徴とする方法。
10. 請求項８または９に記載の方法であって、同じ対のバーナーについて１つのセミアセンブリは１を上回る燃焼の化学量論で稼動し、この過剰化学量論のセミアセンブリと対面して配置されたセミアセンブリは１を下回る燃焼の化学量論で稼動することを特徴とする燃焼方法。

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