JP5074421B2 - 触媒又は高温酸化剤不在の無炎燃焼のためのシステム、装置及び方法 - Google Patents

触媒又は高温酸化剤不在の無炎燃焼のためのシステム、装置及び方法 Download PDF

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Description

この出願は、２００６年１月５日に出願された米国特許出願第１１／３２５９７９号に対する優先権を主張する。
本発明は、全体的に自然燃焼システム、装置及び方法に関する。より詳細には、本発明は、触媒又は高温酸化剤不在の任意の形状の燃焼室において無炎燃焼が引き起こされ、かつ、維持され得るところのシステム、装置及び方法を開示する。本発明は、建造物の暖房、家庭用ボイラー、商用ボイラー、産業用ボイラー、分画又は触媒反応のための熱の供給、及び、加熱プロセスを必要とする如何なるものを含む種々の応用で使用され得るが、それらに限定されることはない。
従来の加熱炉及び産業用ヒータは、十分に高い火炎温度（約３８００°Ｆ）で動作し、多量の亜酸化窒素（時にはＮＯｘとして参照される。）を形成させる。現在の技術における熱的燃焼システムは、典型的には、境界層を作り出す燃料及び空気を、点火源に接触させることで動作する。点火源は、この混合物をそれが燃焼し続けるように点火する。その空気は、酸素及び窒素分子が豊富であり、一方で、その燃料は、水素及び炭素分子が豊富である。その境界層のところで、これらの分子は、全て不規則に動き回っている。一旦、その境界層の温度が自動点火温度に達すると、或いは、点火源の助けを借りて、燃焼が発生する。燃焼中、水素分子は、水を形成し且つエネルギーを放出するために、酸素分子と結合する。また、炭素分子は、二酸化炭素を形成し且つエネルギーを放出するために、酸素分子と結合する。一旦、燃焼が発生すると、これらの分子がその体積内にきつく詰め込まれ、また、ガスの体積当たりの高いエネルギー放出が存在するので、その境界層内の火炎温度は、約３８００°Ｆまで上昇する。可視炎は、これら高められた温度におけるカーボンクラッキングの結果である。この３８００°Ｆの高い火炎温度は、従来型の燃焼に固有のものであり、ＮＯｘ形成の増大をもたらす。ＮＯｘの排出物は、約２２００°Ｆを上回る温度での燃焼中に作り出される。残念なことに、現在の技術の熱的燃焼システムは、多量のＮＯｘ排出物（典型的には５０〜６０ｐｐｍの範囲内である。）を形成する。従って、業界内には、燃焼プロセス中のＮＯｘの形成を低減させる必要性が存在し、それは、本発明の目的の一つである。
産業用ヒータは、よく知られており、現在の技術で表現されている。無炎燃焼の技術及び実施は、同様によく知られており、当業者によって認識されている。燃焼中のＮＯｘの形成を低減させるために、無炎燃焼が利用され得る。燃焼が２２００°Ｆよりも低い温度で発生するからである。無炎燃焼に関する従来技術において、Gibsonらに対して２００４年９月２８日に与えられた米国特許第６７９６７８９号は、無炎燃焼を実現し且つ維持するためにそのヒータの放射セクション内で、熱い燃焼排ガス、燃料ガス及び空気の再循環率の増大を促進するための、原則的に卵形のヒータ内の無炎燃焼の組み合わせを教示する。
その従来技術は、その発明が遠心原理を用いて空気流と燃料流との混合を制御することに基づくのでそれが原則的に卵形である室を必要とする点において、また、その燃焼排ガスが、卵形の囲いにおいてのみ可能な高い再循環率で再循環されなければならない点において使用が限定されている。その従来技術は、空気、燃料ガス及び燃焼排ガスがその室の壁に沿った極めて狭い境界に沿って位置付けられ、そこで、その燃焼排ガスが、その空気流に接するように置かれる燃料ガスに接するように置かれる点を教示する。その燃焼排ガスは、その燃料ガスと混合されて不活性燃料ガスを形成し、その後、それは、遠心原理に従ってその空気と混合される。ガスのそれぞれは相互に接して置かれるので、原則的に卵形の燃焼室内のその燃焼室の湾曲領域の近くでホットスポットが発生する。これらホットスポットは、その領域の温度を２２００°Ｆ以上に上昇させる場合があり、その結果、形成されるＮＯｘ排出物の量を増大させる。
米国特許出願第１１／３２５９７９号明細書 米国特許第６７９６７８９号明細書
しかしながら、本発明に至るまでは欠けていたもの、及び、その業界が長く探し求めていたものは、その表面が凸面、凹面、ストレート、又は、これらの何れかの表面形状の組み合わせであっても、何れの表面形状に沿っても無炎燃焼を引き起こし且つ維持できる燃焼室である。更に、その業界はまた、それが外部にあろうと内部にあろうと、その燃焼排ガス源に関する柔軟性をも求めた。最後に、その業界はまた、より良い、より均一化されたガスの混合によって実現され得る、ＮＯｘ排出物の量が極めて少ない燃焼を実施できる無炎燃焼室をも望んだ。この均一な混合は、空気及び燃料ガスの双方を最初に不活性化し、そして、相互に並んで置かれるそれら二つのガスが相互に拡散できるようにし、そして、ホットスポットの創出を排除し、その燃焼室内のＮＯｘ形成を減らすという本発明によって実現され得る。
本発明は、それがコアンダ効果によって教示される原理を用いるので、凸形、凹形、ストレート、又は、これらの何れかの表面形状の組み合わせである内部表面形状を有する無炎燃焼室を用いることができる。コアンダ効果によって教示されるその原理はまた、本発明が、燃焼室の内壁表面に沿ってホットスポットが形成されないようにガスを混合する、より効果的な方法を利用することを可能にする。
そのコアンダ効果は、１９３０年にルーマニア人の空気力学者Henri-Marie Coandaによって発見された。そのコアンダ効果、すなわち、壁面付着効果は、液体又は気体の何れかである動流体が自身をそれに沿った表面又は流れに付着させるという傾向である。流体がある面に沿って移動する場合、一定量の摩擦（“表面摩擦”と呼ばれる。）がその流体とその面との間に発生し、それがその動流体を遅くする傾向がある。その流量に対するこの抵抗は、その流体をその表面の方に引っ張り、それをその表面に付着させる。このようにして、ノズルから出る流体は、近くの曲面に追随する傾向があり、その表面の湾曲、又は、その表面がその流れに対して形成する角度が鋭すぎなければ、コーナーの周りの屈曲のところにさえも追随する。例えば、実際のコアンダ効果は、スプーンの背中を蛇口から自由に流れる水流に接触させたときに見られる。この例において、その水流は、そのスプーンの背中の上を流れるべく、垂直線から逸脱する。このようにして、コアンダ効果は、その燃焼室の内部表面壁に、それらガス（不活性化された燃料及び不活性化された空気）が付着できるようにし、従来技術におけるよりも均一に混合かつ拡散できるようにする。それらガスが、相互に重なりながらよりもむしろ、相互に並行しながら混ざり合うからである。それ故に、並行しながら混合する場合には、その燃焼室の内部表面壁に沿ってホットスポットの形成を引き起こす、混合の際に作用する遠心力が存在しない。
従って、本発明の目的は、触媒又は高温酸化剤を使用しない、無炎燃焼システム、装置及び方法を開示し且つその権利を主張することである。
本発明の更なる目的は、約１０００°Ｆ〜約１４００°Ｆの間の混合温度（好適な温度は約１２５０°Ｆである。）における空気又は他の同様に不活性化された酸化剤を用いた無炎燃焼を実現するシステム、装置及び方法を開示し且つその権利を主張することである。
本発明の更なる目的は、触媒又は火炎ホルダの必要がないシステム、装置及び方法を開示し且つその権利を主張することである。
本発明の更に別の目的は、統合型ヒータ／バーナー装置を開示し且つその権利を主張することである。本書で用いられるように、用語“ヒータ”は、“熱伝導冷却コイルを含む耐熱性の裏地の付いた囲い”として定義され、また、用語“バーナー”は、“燃料ガス、空気及び燃焼排ガスのためのメーター（計量）装置”として定義される。
本発明の更に別の目的は、燃焼を引き起こすために不活性空気を不活性燃料ガスに混ぜ合わせる前に空気を不活性化し且つ燃料ガスを不活性化するシステム、装置及び方法を開示し且つその権利を主張することである。
本発明の別の目的は、凸形、凹形、ストレート又はそれらの何れかの組み合わせである内部表面壁形状を持つことができ、そして更に、不活性空気と不活性燃料ガスとの間の拡散速度を制御する手段により無炎燃焼を実現させる燃焼室を具現する装置を開示し且つその権利を主張することである。
本発明の更なる目的は、従来技術の燃焼室に関連するコールドスポット及びホットスポットを排除することである。
本発明の別の目的は、極めて均一でより低温の燃焼が引き起こされ、その結果、約３〜５ｐｐｍの低いＮＯｘ排出物の創出を可能とするシステム、装置及び方法を導入することである。
本発明の更に別の目的は、ＣＯ排出物を排除する、極めて均一で且つ管理された温度の完全燃焼を提供することである。
本発明の更に別の目的は、燃料消費を低減させ、ひいては、ＣＯ２及びグリーンハウスガスの排出を低減させるために放射効率を増大させることである。
本発明の更なる目的は、ＮＯｘ排出物を更に低減させるためにガス通気孔ダクト上に貴金属メッシュスクリーンを用いることである。
装置の構造、及び、その装置における構成要素の協働を含む、請求項に記載された要旨が、全体として、本発明の予期しない有利点及び効用を一緒になってもたらすことは当業者にとって明らかなものとなる。本発明の有利点及び目的、並びに、そのような無炎燃焼システム、装置及び方法の特徴は、添付の記載、図面及び添付された請求項を併せて読むことで、当業者にとって明らかなものとなる。
統合型ヒータ／バーナー装置の燃焼室内の無炎燃焼を引き起こし且つ維持する方法は、（ａ）少なくとも一つのホットエア（熱空気）噴射ノズルと連通する内部側面形状を有する燃焼室を提供するステップであり、その少なくとも一つのホットエア噴射ノズルがその燃焼室の外部にあるホットエア源と更に連通するところのステップ；（ｂ）少なくとも一つの燃料ガスチップ（先端）を提供するステップであり、その少なくとも一つの燃料ガスチップが燃料ガスを導入し、その燃料ガスが燃料ガス源及びその燃焼室と連通するところのステップ；（ｃ）その少なくとも一つのホットエア噴射ノズルを経てその燃焼室にホットエアを導入するステップ；（ｄ）燃焼排ガスをその燃焼室内に提供するステップ；（ｅ）その燃焼室に燃料ガスを導入するステップ；（ｆ）その燃料ガスをその燃焼排ガスで不活性化するステップ；（ｇ）そのホットエアをその燃焼排ガスで不活性化するステップ；及び（ｈ）その不活性化された燃料ガスをその不活性化されたホットエアと共に分子混合物（コンポジット）中に拡散させるステップであり、その分子混合物が混合温度を有し、その混合温度が１０００°Ｆから１４００°Ｆの範囲内であるところのステップ；を有する。
統合型ヒータ／バーナー装置の燃焼室内で従来型の燃焼から無炎燃焼に切り換える方法は、（ａ）少なくとも一つのホットエア噴射ノズルと連通する内部側面形状を有する燃焼室を提供するステップであり、その少なくとも一つのホットエア噴射ノズルがその燃焼室の外部にあるホットエア源と更に連通するところのステップ；（ｂ）その燃焼室の内部側面形状上に置かれる少なくとも一つのバーナーを提供するステップであり、その燃焼室が（ｉ）従来型の燃焼モード中に外気をその燃焼室内に供給するための外気噴射ノズルであり、その外気噴射ノズルがその内部側面形状と連通し、その外気噴射ノズルがその燃焼室の外部にある外気供給バルブと更に連通するところの外気噴射ノズル；（ｉｉ）その内部側面形状と連通する排気ダクトであり、その排気ダクトによって、その燃焼室の内圧が均一化され得るところの排気ダクト；（ｉｉｉ）その排気ダクトと連通し、更にその外気噴射ノズルと連通するベンチュリであり、そのベンチュリがその外気噴射ノズルの内部を通じて進むところのベンチュリ；（ｉｖ）その排気ダクト内の燃料ガスチップであり、その燃料ガスチップが燃料ガス源及びそのベンチュリの入口と連通するところの燃料ガスチップ；（ｖ）パイロットガス源及びその外気噴射ノズルの出口と連通するパイロットガスチップ；を有するところのステップ；（ｃ）その外気噴射ノズルを経て外気をその燃焼室に導入するステップ；（ｄ）燃焼排ガスをその燃焼室内に提供するステップ；（ｅ）燃料ガスを測り且つその燃料ガスチップを経てその燃焼室に燃料ガスを供給するステップ；（ｆ）その燃料ガスを不活性化するステップ；（ｇ）従来型の燃焼を開始するためにその少なくとも一つのバーナーで火炎を点火するステップ；（ｈ）その少なくとも一つの外気噴射ノズルを通じたその外気の流量を減らすためにその外気供給バルブを絞り、一方で同時に、その少なくとも一つのホットエア噴射ノズルにホットエアを導入するステップであり、外気の流量のその減少がホットエアの流量の増加に実質的に等しいところのステップ；（ｉ）そのホットエアをその燃焼排ガスで不活性化するステップ；（ｊ）その外気供給バルブが完全に閉じられるまでその外気供給バルブを更に絞るステップであり、１００パーセント無炎の燃焼モードで動作する燃焼室をもたらすステップ；及び（ｋ）その不活性化されたホットエア及びその不活性化された燃料ガスが分子混合体の中に拡散し、そして、その分子混合体の自動点火温度に達し或いは超えるよう、不活性化された燃料ガス、不活性化されたホットエア及び燃焼排ガスを計量し続けるステップであり、その不活性化されたホットエア及びその不活性化された燃料ガスが混合温度を有し、その混合温度が１０００°Ｆ〜１４００°Ｆの範囲内であるところのステップ；を有する。この混合温度範囲は、無炎燃焼を維持する。
無炎燃焼を引き起こし且つ維持する統合型産業用ヒータ／バーナーは、（ａ）上部側、底部側及び内部側面形状を有する燃焼室、（ｂ）その燃焼室の内部側面形状上に置かれる少なくとも一つのバーナーであり、（ｉ）従来型の燃焼モード中にその燃焼室内に外気を供給する外気噴射ノズルであり、その内部側面形状と連通する外気噴射ノズル；（ｉｉ）その内部側面形状と連通する排気ダクト；（ｉｉｉ）その排気ダクトと連通し、更に、その外気噴射ノズルと連通するベンチュリ；（ｉｖ）その排気ダクト内の燃料ガスチップ；（ｖ）その燃焼室の内部側面形状上に置かれるパイロットガスチップ；を有するバーナー、及び、（ｃ）無炎燃焼モード中にホットエアをその燃焼室内に供給する少なくとも一つのホットエア噴射ノズルであり、その少なくとも一つのホットエア噴射ノズルがその内部側面形状と連通し、その少なくとも一つのホットエア噴射ノズルがその燃焼室の外部にあるエアプレヒータ（空気予熱器）と更に連通するところのホットエア噴射ノズル；を有する。
統合型ヒータ／バーナー装置の燃焼室内で無炎燃焼を引き起こし且つ維持するシステムは、（ａ）従来型の燃焼又は無炎燃焼を引き起こし且つ維持する燃焼室であって、そこで、外気、ホットエア及び燃料ガスがその燃焼室に入り、多量のＮＯｘ排出物を有する燃焼排ガスがその燃焼室を出るところの燃焼室；（ｂ）その燃焼室の出口からの高温の燃焼排ガスを用いて少なくとも一つの熱伝導冷却コイルを対流的に加熱するために、その燃焼室の下流に置かれる対流セクション；（ｃ）スタックダンパを有するスタックであり、そのスタックダンパが開かれたときの自然通風運転のため、及び、そのスタックダンパが閉じられたときのエアプレヒート（空気予熱）運転のため、その対流セクションの下流に置かれるスタック；（ｄ）外気をその燃焼室によって用いられるホットエアに変えるために、その燃焼室の上流に置かれるエアプレヒータ；（ｅ）そのエアプレヒータを経てその燃焼室にホットエアを供給するために、そのエアプレヒータの上流に置かれる、押し込み送風機ダンパを有する押し込み送風機；及び（ｆ）そのエアプレヒータを通じてその高温の燃焼排ガスを引き出し、より低温の燃焼排ガスをそのスタックに供給するため、そのエアプレヒータの下流で且つその燃焼排ガス側にあるそのスタックの上流に置かれる、引き出し送風機ダンパを有する引き出し送風機；を有する。
前述のものは、後続の詳細な説明をより良く理解するために、また、従来技術に対する本発明の貢献をより良く理解するために、本発明のより重要な特徴を広く概説した。当業者が理解するように、この開示が基礎としているその概念は、本発明の目的を実現するための他の構造、方法及びシステムを設計するための基礎として容易に用いられ得る。従って、特許請求の範囲は、その均等な構造が本発明の精神及び範囲を逸脱しない程度において、そのような均等な構造を含む。更に、この開示に関する要約は、特許請求の範囲によって判断される本発明を定義することを意図せず、また、いずれの方法によっても本発明の範囲に関し限定することを意図しない。
これらは、本発明の他の目的と一緒に、本発明を特徴付ける新規な種々の特徴と共に、この開示に付属し且つこの開示の一部を形成する特許請求の範囲において詳細に指摘される。本発明、その動作上の有利点、及び、そのユーザによって実現される特定の目的のより良い理解のために、添付図面、及び、本発明の好適な実施例が説明されるところの記述的事項に対して参照が行われる。
当然のことながら、本発明の特徴の何れか一つが別々に用いられてもよく、或いは、他の特徴との組み合わせで用いられてもよい。当然のことながら、本書で言及されていない特徴が、本書で言及される一以上の特徴と組み合わせて用いられてもよい。本発明の他のシステム、方法、特徴及び有利点は、その図面及び詳細な説明を検討することで、当業者にとって明らかであり、或いは、明らかとなる。そのようなシステム、方法、特徴及び有利点の全てが添付の請求項によって保護されることを目的とする。
本発明のこれら及び他の目的、特徴及び有利点は、本発明の好適な実施例に対する以下の詳細な説明に関連して考慮されると、より容易に明らかとなり、その説明は、以下の添付図面と共に提示される。
前述の概要及び後述の本発明の好適な実施例の詳細な説明は、添付図面と共に読まれた場合に、より良く理解される。しかしながら、本発明は、本書で示される明確な配置や手段に限定されないことが理解されるべきである。それら図面の構成要素は、必ずしも縮尺通りではなく、それよりむしろ、本発明の原理を明確に図解するために強調される場合もある。更に、それら図面において、同様の参照数字が、複数の図面を通じて対応する部品を指定する。
以下の説明は、当業者が本発明を製造し且つ利用できるようにするために提示される。本書に記載される一般的原理は、添付の請求項によって定義される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、以下で説明されるもの以外の実施例又は応用に適用され得る。本発明は、示された実施例に限定されることを意図しないが、本書で開示された原理及び特徴と一致する最も広い範囲に合致する。
前述の目的及び関連する目的の達成のために、本発明は、以下で十分に説明され且つ請求項において詳細に指摘される特徴を有する。以下の記載及び添付図面は、本発明の特定の実施例を詳細に説明する。これらの実施例は、本発明の原理が採用され得る種々の方法のほんの数例を示す。本発明の他の目的、有利点及び新規な特徴は、それら図面と併せて考慮されたときに、本発明の以下の詳細な説明から明らかとなる。
このようにして、後続のそれらの詳細な説明がより良く理解され得るように、また、従来技術に対するその貢献がより良く理解され得るように、本発明のより重要な特徴は、かなり広く概説された。以下で説明され、また、本書に添付された特許請求の範囲における要旨を形成する本発明の追加的な特徴も存在する。
この点において、本発明の少なくとも一つの実施例を詳細に説明する前に、本発明は、その適用において、以下の記載で説明される、或いは、図面で図示される構成の詳細及び構成要素の配置に限定されるものではないことが理解されるべきである。本発明は、他の実施例を実現可能であり、種々の方法で実施され或いは実行され得る。また、本書で用いられる表現及び専門用語は、説明を目的としたものであり、限定的なものと見なされてはならない。
そのようにして、当業者は、この開示の基本となる概念が、本発明のいくつかの目的を実現するための他の構造、方法及びシステムの設計のための基礎として容易に利用され得ることを理解する。従って、特許請求の範囲は、それらが本発明の精神及び範囲から逸脱しない限りにおいて、そのような均等構造を含むものと見なされることが重要である。
従来技術である図１は、星形の伝熱管構成を用いた無炎燃焼室、並びに、燃焼用空気手段、燃料ガス導入手段、及び燃焼排ガス排出手段の特異な位置付けを図解する。その従来技術の装置は、全体的に２３として示される。その従来技術発明の原則的に卵形である燃焼室２２は、エアインレット２８と連通し、エアインレット２８が卵形燃焼室２２の外側にあるエア源４１と更に連通しながら、図示される。エアインレット４１は、典型的には、当業者によく知られたブロワ（送風）手段又は自然通風手段として具現され、そのブロワ手段又は自然通風手段は、加熱された、或いは、加熱されていない空気を、そのヒータの内部側壁に対してほぼ０°と４０°との間に広がる角度で、卵形燃焼室２２内に導入する。従来技術発明の実行を経て、より大きな傾斜度が利用可能となり得るが、線３０で示される狭く定義された境界内の不活性化された燃料ガス４２、燃焼排ガス４４及び可燃空気４５の当初かつ別々のリボンを維持すべく遠心力を促進するために、０°と４０°との間の角度での空気の導入が十分な毎分当たりの立方フィート（“ＣＦＭ”）で量を導入するのに最も効果的であることが見出された点に留意すべきである。なお、その境界３０は、装置２３の内部卵形面３２に境を接する。燃料ガス源２６は、更に、卵形燃焼室２２内に備えられ、燃料ガス４２を導入し、使用される燃料ガス源２６、及び、燃料ガス４２の導入は、現在のヒータと関連して用いられる場合には、当業者によく知られており、当業者によって実施されている。
図１で図解される従来技術において実施されるように、内部卵形燃焼室２２は、最初に、内部卵形燃焼室２２を大体１４００°Ｆ及び２０００°Ｆの間の範囲内の運転温度に予熱するためにエアインレット２８のところに置かれるスタートアップバーナー２７によって加熱される。卵形燃焼室２２内の燃焼排ガス４４は、この加熱の結果として再循環され、一方で、可燃空気４５は、大体０°と４０°との間の角度で卵形燃焼室２２内に導入される。燃料ガス４２は、卵形燃焼室２２に供給され、可燃空気４５及び不活性化された燃料ガスの二つの別個のリボンを創るような方法で再循環する燃焼排ガス４４と混じり合う。可燃空気４５は、卵形燃焼室２２の内部に継続的に導入され、燃料ガス４２の計量された量の継続的な監視と組み合わせて、可燃空気４５と不活性燃料ガスとのインターフェスのところの分子混合物が自動点火温度に至るか或いは超えるまで、可燃空気４５、燃料ガス４２及び燃焼排ガス４４分子の更なる再循環及び拡散を促進し続ける。その自動点火温度に一旦到達すると、当業者によく知られた手動温度制御手段、又は、ソフトウェア制御手段の何れかによって、ほぼ１４００°Ｆと２１００°Ｆとの間の卵形燃焼室２２内の動作温度におけるその無炎燃焼を持続する方法で、従来技術による装置の無炎燃焼は維持される。
また、図１で示されるように、再循環燃焼排ガス排出手段４９は、排出手段を提供し、それによって、卵形燃焼室２２の内圧が、燃料ガス４２及び可燃空気４５を意図的に導入することを考慮しながら、均一化され得る。
図２ａは、本発明の一実施例に従った、従来型の燃焼中における排気ダクト１２０、燃料ガスチップ１２２、ベンチュリ１２４、外気噴射ノズル１２６及びホットエア噴射ノズル１２８を表現する燃焼室１００の側面図を図解する。図３は、図２ａに示されるような排気ダクト１２０、燃料ガスチップ１２２、ベンチュリ１２４及び外気噴射ノズル１２６の詳細を示す、燃焼室１００の上面図である。
図２ａで示されるように、後述の本発明は、従来型の燃焼を実行する燃焼室１００を説明し、そこでは、可視炎１３４があり、また、１００パーセント無炎の燃焼に切り換える機能を有し、必要であれば、従来型の燃焼に戻す機能を有する。その燃焼プロセスを実行する目的は、熱伝導冷却コイル１８３（図４）を通過している流体を加熱することである。本発明の燃焼室１００は、上部側１１０、底部側１１２を有し、また、凸形、凹形、ストレート又はこれら表面形状の何れかの組み合わせである内部側面形状１１４を有し得る。
図２ａ及び図３を参照して示されるように、燃焼室１００は、外気噴射ノズル１２６と連通し、そこで、外気噴射ノズル１２６は更に、外気１２７を外気噴射ノズル１２６に供給するために燃焼室１００の外部に置かれる外気供給バルブ１５０と連通する。外気噴射ノズル１２６はまた、ベンチュリ１２４を通じた連通を経て、排気ダクト１２０と連通し、ベンチュリ１２４は、ベンチュリ１２４の出口が外気噴射ノズル１２６の出口と原則的に垂直に並べられるよう、排気ダクト１２０の側面から、外気噴射ノズル１２６の内側を通じて進む。燃焼室１００の外部にある燃料ガス源１２１と連通する燃料ガスチップ１２２は、排気ダクト１２０内に収容される。燃料ガスチップ１２２は、燃料ガス１３８がベンチュリ１２４を通じて吹き出され、燃焼室１００に入ることができるようにする。燃焼室１００の外部にあるパイロットガス源１３６と連通するパイロットガスチップ１３７は、外気噴射ノズル１２６のすぐ下流に置かれる。パイロットガスチップ１３７は、図２ａで示されるような従来型の燃焼炎の点火中に用いられ、そこでは、可視炎１３４及びより高いＮＯｘ排出が存在する。排気ダクト１２０は、燃焼室１００の内側からの、排気ダクト１２０上又はその近くに浮かぶ、停滞した、或いは、ほとんど停滞した燃焼排ガス１３５の引き出しを容易にするため、燃焼室１００と連通する。好適な実施例では、その排気ダクトは、典型的には、長さが１８から２４インチである。排気ダクト１２０の長さが、本発明の範囲及び精神を逸脱することなく、より短くなり、或いは、より長くなることは当業者によって理解されるであろう。排気ダクト１２０に引き入れられた燃焼排ガス１３５のいくらかは燃焼室１００を出るが、燃焼排ガス１３５の一部は、不活性燃料ガス１３０を形成するために、入ってくる燃料ガス１３８と混ざり合い、不活性燃料ガス１３０は、その後、ベンチュリ１２４を出て、燃焼室１００に再入する。ベンチュリ１２４は、燃料ガス１３８と燃焼排ガス１３５との間で乱気流を引き起こし、それによって、二つのガスが相互に均一に混合され、不活性燃料ガス１３０が形成されるようにする。
上述のユニットは、集合的に、バーナー１１９として知られている。上述の燃焼排ガス１３５は、従来型の燃焼モードにおける運転中に燃焼室１００内で作り出されてもよく、或いは、タービン排気（図示せず。）や、不活性燃料ガス１３０の流れを作り出すための適切な不活性化要件及び温度要件を提供できる他の何れの外部源から供給されてもよい。また一方、その好適な実施例は、系毎に二つのバーナー１１９のみがあり、それらが両端に置かれていることを表すが、これらバーナー１１９は、その数や位置において制限されず、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、その数が増大或いは低減されてもよく、また、置き換えられた位置を有していてもよいことが当業者によって理解されるであろう。
また、図２ａで表されるように、複数の排気ダクト１２０は、二つのバーナー１１９の間に列方向に置かれ、二つのバーナー１１９は、一方が燃焼室１００の上部側１１０の隣に置かれ、また、他方が燃焼室１００の底部側１１２の隣に置かれる。これら複数の排気ダクト１２０は、新たなガスが燃焼室１００に入るのを可能とするための陰圧によって、燃焼排ガス１３５が燃焼室１００を出るのを可能にする。更に、二つのホットエア噴射ノズル１２８は、二つのバーナー１１９の下流に置かれ、燃焼室１００の上部側１１０と燃焼室１００の底部側１１２との間の中心に置かれる。ホットエア噴射ノズル１２８は、図２ａで表されるような従来型の燃焼の間は、使用されない。また一方、その好適な実施例は、系毎に四つの追加的な排気ダクト１２０を表すが、これらの追加的な排気ダクト１２０は、その数や位置において制限されず、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、その数が増大或いは低減されてもよく、また、置き換えられた位置を有していてもよいことが当業者によって理解されるであろう。また、その好適な実施例は、系毎に二つのホットエア噴射ノズル１２８を表すが、これらホットエア噴射ノズル１２８は、その数や位置において制限されず、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、その数が増大或いは低減されてもよく、また、置き換えられた位置を有していてもよいことも当業者によって理解されるであろう。ホットエア噴射ノズル１２８のぞれぞれは、ホットエア噴射ノズル１２８からの不活性ホットエア１４０と不活性燃料ガス１３０との混合が存在する限り、本発明の範囲及び精神を逸脱することなく、燃焼室１００の上部側１１０と燃焼室１００の底部側１１２との間の中心に二つのバーナー１１９を置きながら、燃焼室１００の上部側１１０及び燃焼室１００の底部側１１２に沿って置かれてもよい。また、バーナー１１９、排気ダクト１２０及びホットエア噴射ノズル１２８の一つの系のみが説明されたが、図２ａは、本発明の燃焼室１００における内部側面形状１１４の至るところに、約２５フィートの距離を空けて、バーナー１１９ｎ、排気ダクト１２０ｎ及びホットエア噴射ノズル１２８ｎを有する、多数のこれら系が存在し得ることを図解する。この距離は、おおよそのものであり、その燃焼プロセスを達成するのに必要な距離に応じて変化してもよく、また、従来型の燃焼又は無炎燃焼の何れによって実行されようとも、その燃焼及び熱伝導の適用における詳細に依存する。
図２ｂは、図２ａで説明された燃焼室１００の側面図を図解し、また、同じ排気ダクト１２０、燃料ガスチップ１２２、ベンチュリ１２４、外気噴射ノズル１２６及びホットエア噴射ノズル１２８を表すが、本発明の一実施例に従った無炎燃焼中のものである。
図３を追加的に参照しながら図２ｂで示されるように、本発明の装置部品は、図２ａで示されるものと同一であるが、その動作において相違する。図２ｂは、上部側１１０及び底部側１１２を有し、１００パーセント無炎の燃焼モードで動作する燃焼室１００を示す。このモードにおいて、外気供給バルブ１５０は、外気１２７が外気噴射ノズル１２６を通じて、燃焼室１００内に流れ込まないよう、完全に遮断されている。パイロットガス１３９は、パイロットガスチップ１３７を通じて流れていてもよく、或いは、無炎燃焼モード中に完全に遮断されていてもよい。しかしながら、燃料ガス源１２１は、燃料ガス１３８を供給し続け、それは、排気ダクト１２０を出る燃焼排ガス１３５のいくらかと混ざり合う。ベンチュリ１２４は、燃料ガス１３８と燃焼排ガス１３５との間で乱気流を引き起こし、それによって、二つのガスが相互に均一に混合され、不活性燃料ガス１３０が形成されるようにする。不活性燃料ガス１３０は、その後、ベンチュリ１２４を出て、燃焼室１００に入る。従って、不活性燃料ガス１３０は、バーナー１１９を出る唯一のガスである。不活性燃料ガス１３０は、ベンチュリ１２４を出て、そして、コアンダ効果によって燃焼室１００の内部側面形状１１４に付着する。外気供給バルブ１５０が完全に閉じられているので、ホットエア１４２（図４）は、ホットエア噴射ノズル１２８を通じて供給される。ホットエア１４２（図４）は、燃焼室１００の内部からの燃焼排ガス１３５によって不活性化され、このようにして、ホットエア噴射ノズル１２８の出口のところで不活性ホットエア１４０を形成する。無炎燃焼モード中に用いられる燃焼排ガス１３５は、従来型の燃焼モードにおける動作中に燃焼室１００内で作り出されてもよく、或いは、タービン排気（図示せず。）や、不活性燃料ガス１３０の流れを作り出すための適切な不活性化要件及び温度要件を提供できる他の何れの外部源から供給されてもよい。
不活性ホットエア１４０は、ホットエア噴射ノズル１２８の出口から流れ、また、コアンダ効果によって燃焼室１００の内部側面形状１１４に付着する。不活性燃料ガス１３０及び不活性ホットエア１４０の、燃焼室１００の内部側面形状１１４への付着は、コアンダ効果の原理によって説明され、また、燃焼室１００の内部側面形状１１４が凹形、凸形、ストレート、又は、それらの組み合わせを持つことを可能にする。不活性燃料ガス１３０の温度と不活性ホットエア１４０の温度との平均である混合温度は、約１０００°Ｆと１４００°Ｆとの間（好適には１２５０°Ｆ）に収まらなければならず、それによって、不活性燃料ガス１３０及び不活性ホットエア１４０の拡散が発生するところである無炎燃焼境界領域１４４における無炎燃焼を引き起こす。不活性燃料ガス１３０及び不活性ホットエア１４０は、それらが混ざり合い、無炎燃焼を引き起こすまで、並行して流れる。この並行流れは、燃焼中に熱くなり過ぎないように十分ゆっくりであるが、無炎燃焼が存在するように十分に速く分子運動のための十分に高いエネルギーレベルで不活性ホットエア１４０及び不活性燃料ガス１３０が相互に拡散できるようにする。これら二つのガスの混合は、それらガスが互いに重なり合った場合よりも、より均一的に生じ、その結果、ホットスポットが排除される。バーナー１１９、排気ダクト１２０及びホットエア噴射ノズル１２８の一つの系のみが説明されたが、図２ｂは、本発明の燃焼室１００における内部側面形状１１４の至るところに、約２５フィートの距離を空けて、バーナー１１９ｎ、排気ダクト１２０ｎ及びホットエア噴射ノズル１２８ｎを有する、多数のこれらの系が存在し得ることを図解する。この距離は、おおよそのものであり、その距離がその燃焼プロセスを達成するのに十分に長い限りにおいて変化してもよく、また、その燃焼及び熱伝導の適用における詳細に依存する。
図５は、ホットエア噴射ノズル１２８の正面図を表し、本発明の一実施例に従ったそれらの上に取り付けられるオプションのミキサーブレード１６０を示す。図２ｂを追加的に参照しながら図５によると、固定又は回転可能であってもよいこれらミキサーブレード１６０は、ホットエア噴射ノズル１２８の出口のところで不活性ホットエア１４０を形成するために、燃焼排ガス１３５をホットエア１４２（図４）と均一に混ぜ合わせるのを容易にする。これらのミキサーブレード１６０は、それらがホットエア１４２（図４）と燃焼排ガス１３５との間で乱気流を生じさせるので、その混合を容易にする。ホットエア噴射ノズル１２８を通じたエアサイド圧力降下は、ほぼ１”Ｈ２Ｏと５”Ｈ２Ｏとの間である。ホットエア噴射ノズル１２８が独特のものであり外気噴射ノズル１２６から区別されるので、本発明は、ホットエア１４２を燃焼排ガス１３５で不活性化するための高いエアサイド圧力降下、及び、有意な混合エネルギーを持つことができる。従来技術は、周囲からの自然通風による可燃空気４５（図１）及び同じエアインレット２８を通じて入るホットエアを有するので、これらの能力を持たない。また一方、その好適な実施例は、８個のブレードを有するミキサーブレード１６０を表すが、これらミキサーブレード１６０は、その数において制限されず、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、その数が増大或いは低減されてもよいことは当業者によって理解されるであろう。また、当業者は、これらミキサーブレード１６０は、本発明の範囲及び精神を逸脱することなく、種々の角度で間隔が空けられ得るのを理解するであろう。
図６は、上壁１１０、底壁１１２及び内部側面形状１１４を有する燃焼室１００の側面図を示し、本発明の一実施例に従って、コーベル（受け材）１７０によって分離された層状配列における、排気ダクト１２０、燃料ガスチップ１２２、ベンチュリ１２４、外気噴射ノズル１２６及びホットエア噴射ノズル１２８を表す。燃焼室１００の負荷が増大したときに、バーナー１１９ｎ、排気ダクト１２０ｎ及びホットエア噴射ノズル１２８ｎの直列の更なる追加が不可能である場合には、当初の層の上に、且つ／或いは、下にバーナー１１９、排気ダクト１２０及びホットエア噴射ノズル１２８の別の層を追加し、且つ、コーベル１７０によってその層を分離することにより、それらの追加が為されてもよい。本発明において存在する対称性のために、これらの追加は可能となる。本実施例で示されるように、各層は、バーナー１１９ｎの系のそれぞれを約２５フィートで実質的に等間隔としながら、その幅を約１０フィートとする。この層状配列はまた、燃焼室１００が特定の空間要件及び形状要件に限定されるところの、不拡大燃焼室１００において為されてもよい。図６において、矢印は、ガスの流れ及び各層の燃焼方向を図示するために示される。それら矢印はまた、一つの層の上部の燃焼排ガス１３５が別の層の底部の燃焼排ガス１３５に、或いはその逆に、循環することを示す。図６で表されるバーナー１１９は、図２ｂで表されるバーナー１１９と同一であり、それにより、バーナー１１９は、排気ダクト１２０、燃料ガスチップ１２２、パイロットガスチップ１３７、ベンチュリ１２４、及び外気噴射ノズル１２６を有する。また一方、その好適な実施例は、二つのコーベル１７０によって分離された３つの層を表すが、これらの層は、その数において制限されず、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、その数が増大或いは低減されてもよいことは当業者によって理解されるであろう。また一方、その好適な実施例は、それら層が１０フィートの幅を有し、そのバーナー１１９ｎの系が約２５フィート間隔で配置されることを表すが、これらの距離は、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、増大或いは低減されてもよいことは当業者によって理解されるであろう。また、コアンダ効果のために、図６で示される図は、垂直（壁の特色をよく表す。）或いは水平（天井又は床の特色をよく表す。）であってもよく、また、凹形、凸形、ストレート又はそれらの何れの組み合わせであってもよいことも当業者によって理解されるであろう。
その好適な実施例において実行され、図２ａ、図２ｂ、図３及び図４で図示されるように、燃焼室１００は、最初に、図２ａで示されるような従来型の燃焼によって燃焼を開始し、そして、その後に、図４で示されるシステムを用いて、図２ｂで示されるような無炎燃焼に切り換えられてもよい。
図２ａ、図３及び図４を参照すると、本発明を操作するための第一ステップは、上部側１１０及び底部側１１２を有する燃焼室１００を従来型の燃焼モードで始動させることである。そのシステムは、大抵はガステスタ（図示せず。）を用いることで、可燃物が燃焼室１００内に存在しないことを最初に確認しなければならない。外気１２７は、自然通風のため外気供給バルブ１５０を通じて燃焼室１００に既に入っており、このようにして、燃焼室１００を空気が豊富な環境とする。一旦、可燃物が存在しないことが確かめられると、そのシステムは、パイロットガス１３９（大抵は天然ガスである。）の燃焼室１００への流入を可能とし、そして、パイロットガスチップ１３７を点火する。一旦、パイロットが試されると、そのシステムは、いつでも可視炎１３４を点火できる状態となる。本発明において、それは、外気ノズル１２６から離れたところに位置付けられる。その後、そのシステムは、燃料ガス供給バルブ（図示せず。）を開き、それにより、燃料ガス１３８が燃焼室１００に入り、かつ、可視炎１３４を点火させることができるようにする。この時点において、そのシステムは、大抵、そのパイロットを消す。しかしながら、システムによっては、そのパイロットを点けたままにすることを選択してもよい。その本発明では、多数の系を存在させながら、系毎に二つのバーナー１１９が表される。その可視炎プロセスのこの点火は、燃焼室１００内の他の全てのバーナー１１９で継続される。この時点において、その燃焼プロセスは、従来型の燃焼方法で発生しており、カーボンクラッキングによって生じる可視炎１３４を有する。可視炎１３４内の温度は、約３８００°Ｆに達し、典型的には約５０〜６０ｐｐｍである多量のＮＯｘの排出物をもたらし得る。ＮＯｘの排出物は、燃焼中に温度が一旦２２００°Ｆを上回ると、形成され始める。
図４を参照すると、一旦、燃焼室１００が従来型の燃焼モードで動作すると、燃焼排ガス１３５は、排気ダクト１２０を出て、貴金属スクリーン１８０を通過する。この貴金属スクリーン１８０は、金、銀、白金、パラジウム、タンタル、ロジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウム又はイリジウムのような貴金属の何れかでできている。貴金属合金もまた、貴金属スクリーン１８０を構成するのに相応しい材料となり得る。貴金属スクリーン１８０は、ＮＯｘ排出物を減らすために用いられる。その後、ＮＯｘ排出物を含む燃焼排ガス１３５は、燃焼排ガス１３５からの熱が熱伝導冷却コイル１８３に対流的に移されるところである対流セクション１８２に進む。バイパスダンパ１８４は、そのシステムがターンダウンモードにある場合に、エアプレヒータ（空気予熱器）１９０から出るホットエア１４２の温度（ひいては無炎燃焼のための所要の混合温度）を制御するために用いられる。その後、燃焼排ガス１３５は、スタック１８６に進む。スタックダンパ１８８は、従来型の燃焼が１００パーセントで発生している場合に、１００パーセントオープン（開放）である。従って、燃焼排ガス１３５は、エアプレヒータ１９０に流入せず、外気１２７がエアプレヒータ１９０に入ることもない。
本発明において、その燃焼プロセスは、ＮＯｘ排出物が顕著に低減されるよう（典型的には、５〜８ｐｐｍ）、無炎燃焼（図２）に切り換えられてもよい。そのシステムが従来型の燃焼から図２ｂに示されるような無炎燃焼に切り換わるよう一旦指示されると、そのシステムは、コンピュータプログラムによって制御される一連の自動ステップを経由する必要がある。図４を参照する好適な実施例において、従来型の燃焼から無炎燃焼への、そして、従来型の燃焼への復帰の切り換えプロセスは、外気供給バルブ１５０、スタックダンパ１８８、押し込み送風機ダンパ１９２及び吸い出し送風機ダンパ１９６を制御するコンピュータプログラムを用いて自動的に発生する。その自動システムは手動モードでも操作され得るが、本発明に関連する顕著な改良点の一つは、完全自動制御及び監視である。
従来型の燃焼から無炎燃焼へのその切り換えプロセスは、無炎燃焼が引き起こされかつ継続されるための適切な混合温度が維持されるよう、徐々に実行されなければならない。ホットエア噴射ノズル１２８を経てホットエア１４２を燃焼室１００に導入する前に、ホットエア１４２は、不活性ホットエア１４０（図２ｂ）及び不活性燃料ガス１３０（図２ｂ）の混合温度が約１０００°Ｆから１４００°Ｆの範囲となるよう、最初に加熱されなければならない。その好適な実施例では、ホットエア１４２は、約８５０°Ｆ以上であり、燃焼排ガス１３５は、約１６５０°Ｆであり、また、燃料ガス１３８は、約６０°Ｆと約１２０°Ｆとの間である。本発明において、個々のガスの温度は、決定的に重要な意味を持つものではない。しかしながら、不活性燃料ガス１３０（図２ｂ）及び不活性ホットエア１４０（図２ｂ）の混合温度は、非常に重要である。
当初は、外気供給バルブ１５０及びスタックダンパ１８８は、１００パーセントオープン（開）であり、一方で、押し込み送風機ダンパ１９２及び吸い出し送風機ダンパ１９６は、押し込み送風機１９４及び吸い出し送風機１９８が動いてはいるが、１００パーセントクローズ（閉）である。その第一ステップは、外気供給バルブ１５０及びスタックダンパ１８８を１０パーセントだけ閉じ、また、押し込み送風機ダンパ１９２及び吸い出し送風機ダンパ１９６を１０パーセントだけ開くことである。このステップは、従来型の燃焼を９０パーセントで継続させ、かつ、無炎燃焼を１０パーセントで引き起こさせるようにする。外気１２７は、外気供給バルブ１５０を９０パーセントの質量流量で通過し、そして、外気噴射ノズル１２６（図２ａ）を経て燃焼室１００に入る。同時に、外気１２７は、押し込み送風機ダンパ１９２を１０パーセントの質量流量で通過し、そして、押し込み送風機１９４によってエアプレヒータ１９０を通じて送り出される。そのエアプレヒータは、８５０°Ｆ以上でホットエア１４２を作り出し、それは、ホットエア噴射ノズル１２８を通じて燃焼室１００に入る。燃焼排ガス１３５は、排気ダクト１２０を通じて燃焼室１００を出る。その後、燃焼排ガス１３５は、貴金属スクリーン１８０を通過し、そして、対流セクション１８２を通過する。その後、燃焼排ガス１３５は、スタック１８６に入り、そこで、９０パーセントはスタック１８６を上昇してそのシステムの外に出て、１０パーセントは、吸い出し送風機１９８によって、エアプレヒータ１９０及び吸い出し送風機ダンパ１９６を通じてリサイクルされる。吸い出し送風機１９８は、このガスを送り出してスタック１８６に戻し、そのシステムの外に送り出す。エアプレヒータ１９０は、外気１２７を加熱してホットエア１４２を作り出すために、このガスを用いる。
一旦、コンピュータプログラムが安定化すべき温度を検出すると、そのコンピュータプログラムは、外気供給バルブ１５０及びスタックダンパ１８８をもう１０パーセントだけ更に絞り、また、押し込み送風機ダンパ１９２及び引き出し送風機ダンパ１９６をもう１０パーセントだけ開き、このようにして、８０パーセントオープン（開）の外気供給バルブ１５０及びスタックダンパ１８８と、２０パーセントオープン（開）の押し込み送風機ダンパ１９２及び吸い出し送風機ダンパ１９６とをもたらす。この処理は、外気供給バルブ１５０及びスタックダンパ１８８が１００パーセントクローズ（閉）になり、また、押し込み送風機ダンパ１９２及び引き出し送風機ダンパ１９６が、通風及びＯ２レベルを維持するのに適した設定に開かれるまで、継続する。この時点において、燃焼室１００は、図２ｂで示されるような１００パーセント無炎燃焼で動作し、それは、約５〜８ｐｐｍのＮＯｘ排出物を産出し、そして、それは、貴金属スクリーン１８０を通過し、それにより、そのＮＯｘ排出物を約３〜５ｐｐｍに低減させる。また一方で、その好適な実施例は、１０パーセントの増分で生じる段階的変化を表すが、そのパーセントの増分は、本発明の範囲及び精神を逸脱することなく、増大され、或いは、低減されてもよいことは当業者によって理解されるであろう。
その燃焼室の動作が無炎燃焼から従来型の燃焼へのスイッチバックを必要とする場合、そのスイッチバックプロセスは、極めて迅速であり、バルブの開閉における段階的なパーセントの増分を必要としない。このスイッチバックが必要とされる一つの理由は、電気損失やファンの中断等によって引き起こされ得る、ホットエア１４２のホットエア噴射ノズル１２８への流入の中断である。本実施例が、無炎燃焼への切り換えのため、空気をバーナー１１９からホットエア噴射ノズル１２８に移動させ、また、従来型の燃焼への切り換え復帰のため、バーナー１１９に戻す必要があるので、このスイッチバックプロセスは、迅速である。本発明では、空気は移動するが、燃料ガス１３８は移動せず、そのことは、燃焼の損失又はそのヒータの再始動の必要なしに、安全で確実なスイッチバックを可能にする。一旦、外気１２７が外気噴射ノズル１２６に再入すると、従来型の燃焼が即座に開始する。従って、外気供給バルブ１５０及びスタックダンパ１８８は、フェイルオープンに設定される。
本発明は、特定の好適な実施例又は実施例群に関連して図示され且つ説明されたが、この明細書及び添付図面を読みそして理解することで当業者が同等の代替例及び変形例に想到することは明らかである。特に、上述の構成要素（アセンブリ、装置、回路等）によって実施される種々の機能に関しては、そのような構成要素を記述するために用いられる用語（“手段”への参照を含む）が、特に指定されない限り、たとえ本書で図解された本発明の典型的な実施例における機能を実施するその開示された構造に対して構造的に均等でなくとも、その記述された構成要素の特定の機能を実施する（すなわち、機能的に均等である）構成要素の何れにも対応することが意図されている。更に、本発明の特別な特徴が複数の実施例の一つだけに関連して開示された場合であっても、そのような特徴が、要望通りに、他の実施例における一以上の他の特徴と組み合わされてもよい。
本発明は、特定の実施例を参照しながら記述されたが、これらの記載は、限定的な意味に解釈されることを意図されていない。開示された実施例の種々の変形例、及び、本発明の代替的な実施例は、本発明の記載を参照することで、当業者にとって明らかなものとなる。開示された概念及び特定の実施例が、変更のための、或いは、本発明と同じ目的を実現するための他の構造を設計するための基礎として直ちに利用され得ることは当業者によって理解されるはずである。また、そのような均等な構造が、添付の請求項で記述される本発明の精神及び範囲から逸脱しないことも当業者によって理解されるはずである。従って、特許請求の範囲は、そのような変形例、又は、本発明の真の範囲内に収まる実施例の何れをもカバーすると考えられる。
本発明は、特定の部品及び部品配置において物理的形状を採用する場合がある。ここで、本発明及びその有利点のより完全な理解のために、添付図面と共に理解される以下の説明に対して参照が行われる。
従来技術の無炎燃焼室を表す。 本発明の一実施例に従った、従来型の燃焼中における燃焼室の側面図を表す。 本発明の一実施例に従った、無炎燃焼中における燃焼室の側面図を表す。 本発明の一実施例に従った排気ダクト、燃料ガスチップ、ベンチュリ及び外気噴射ノズルの詳細を示す、燃焼室の平面図を表す。 本発明の一実施例に従った種々の構成要素の配置を示す、無炎燃焼システムの概略描写を表す。 本発明の一実施例に従ったオプションの混合ブレードを示す、ホットエア噴射ノズルの正面図を表す。 本発明の一実施例に従った燃焼室の側面図を表す。

Claims (48)

  1. 内部表面によって定義される燃焼室内で無炎燃焼を引き起こし且つ維持する方法であって：
    前記燃焼室の前記内部表面にほぼ平行な第一空気通路の周りにほぼ円錐形の散布パターンで、前記燃焼室の前記内部表面にほぼ平行な方向に向けられる、前記燃焼室に取り付けられる第一空気噴射ノズルを経て前記燃焼室に空気を直接的に導入するステップ；
    排気ダクトから前記燃焼室内に燃焼排ガスを供給するステップ；
    前記燃焼室の前記内部表面にほぼ平行な第一燃料ガス通路の周りにほぼ円錐形の散布パターンで、前記排気ダクト内に配置され且つ前記燃焼室の前記内部表面にほぼ平行な方向に向けられる、前記燃焼室に取り付けられる第一燃料ガスチップを経て前記燃焼室に燃料ガスを直接的に導入するステップ；
    前記排気ダクト内に配置されるベンチュリであり、前記排気ダクトからの前記燃焼排ガスと前記第一燃料ガスチップからの前記燃料ガスとを受け入れ且つ前記第一空気噴射ノズルを通じて前記燃焼室内に前記燃焼排ガス及び前記燃料ガスを供給するために前記第一空気噴射ノズルと連通するベンチュリを用いて、前記燃料ガスを前記燃焼排ガスで不活性化するステップ；
    前記空気を前記燃焼排ガスで不活性化するステップ；及び
    不活性化された空気及び不活性化された燃料ガスの前記ほぼ円錐形の散布が、前記燃焼室の前記内部表面に並行して、無炎燃焼境界領域内の分子混合物中に拡散し、且つ、前記分子混合物の自動点火温度に達し或いは超えて無炎燃焼を引き起こすように、前記空気及び前記燃料ガスを別々に導入し続けるステップ；
    を有し、
    前記燃料ガス及び前記空気は、前記不活性化された燃料ガスが前記不活性化された空気とともに拡散する前に、別々に不活性化される、
    方法。
  2. 前記分子混合物は、混合温度を有し、前記混合温度は、１０００°Ｆから１４００°Ｆの範囲内である、
    請求項１の方法。
  3. 同時に出口手段を提供しながら、ほぼ１０００°Ｆから１４００°Ｆの間である前記分子混合物の混合温度を維持するステップであり、それにより、前記燃焼室への前記燃料ガス及び前記空気の導入を考慮しながら前記燃焼室の内圧が均一化されるところのステップを更に有する、
    請求項２の方法。
  4. 前記出口手段は、前記排気ダクトである、
    請求項３の方法。
  5. 前記内部表面は、凸面、凹面、ストレート、又は、それらの組み合わせである、
    請求項１の方法。
  6. 前記空気は、ほぼ８５０°Ｆ以上の範囲にある温度にまで予熱される、
    請求項１の方法。
  7. 前記燃料ガスは、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ８、Ｃ３Ｈ６、Ｃ４Ｈ１０、Ｃ４Ｈ８、Ｃ５Ｈ１２及びＣ６Ｈ１４の燃料ガスから選択される、
    請求項１の方法。
  8. １０００°Ｆから１４００°Ｆの間の前記混合温度を維持することにより無炎燃焼を維持するステップは、ソフトウェア制御の温度検知手段に従って燃料ガスの導入を制御するステップを更に有する、
    請求項３の方法。
  9. １０００°Ｆから１４００°Ｆの間の前記混合温度を維持することにより無炎燃焼を維持するステップは、ソフトウェア制御の温度検知手段に従って空気の導入を制御するステップを更に有する、
    請求項３の方法。
  10. １０００°Ｆから１４００°Ｆの間の前記混合温度を維持することにより無炎燃焼を維持するステップは、５〜８ｐｐｍの間の範囲の量のＮＯｘ排出物を生成する、
    請求項３の方法。
  11. 前記ＮＯｘ排出物の量を約３ｐｐｍに更に低減させるために、前記出口手段の下流に貴金属スクリーンを提供するステップを更に有する、
    請求項１０の方法。
  12. 前記貴金属スクリーンは、金、銀、白金、パラジウム、タンタル、ロジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウム及びイリジウムを含む群から選択される貴金属で作られる、
    請求項１１の方法。
  13. 前記貴金属スクリーンは、貴金属合金で作られる、
    請求項１１の方法。
  14. 不活性空気及び不活性燃料ガスの前記ほぼ円錐形の散布は、前記ほぼ平行な第一空気通路及び第一燃料ガス通路の間で相互に拡散する、
    請求項１の方法。
  15. 前記空気の前記燃焼排ガスによる不活性化は、前記第一空気噴射ノズルのところにミキサーブレードを取り付けることによって促進される、
    請求項１の方法。
  16. 前記燃焼室内に燃焼排ガスを供給するステップは、前記燃焼室内に外部で生成された燃焼排ガスを導入することによって実行される、
    請求項１の方法。
  17. 前記燃焼室内に燃焼排ガスを供給するステップは、前記燃焼室内で燃焼排ガスを創出することによって実行される、
    請求項１の方法。
  18. 前記燃焼室の前記内部表面にほぼ平行な第二空気通路の周りにほぼ円錐形の散布パターンで空気を導入するために配置された第二空気噴射ノズルを提供するステップを更に有する、
    請求項１の方法。
  19. 前記第一空気噴射ノズルから下流にあり、また、前記燃焼室の前記内部表面にほぼ平行な第二空気通路の周りにほぼ円錐形の散布パターンで空気を導入するために配置された第二空気噴射ノズルを提供するステップを更に有する、
    請求項１の方法。
  20. 前記燃焼室の前記内部表面にほぼ平行な第二燃料ガス通路の周りにほぼ円錐形の散布パターンで燃料ガスを導入するために配置された第二燃料ガスチップを提供するステップを更に有する、
    請求項１の方法。
  21. 前記第一燃料ガスチップから下流にあり、また、前記燃焼室の前記内部表面にほぼ平行な第二燃料ガス通路の周りにほぼ円錐形の散布パターンで燃料ガスを導入するために配置された第二燃料ガスチップを提供するステップを更に有する、
    請求項１の方法。
  22. 前記第一燃料ガスチップから下流に間隔を空けて前記第一空気噴射ノズルを配置するステップを更に有する、
    請求項１の方法。
  23. 燃焼室内で従来型の燃焼から無炎燃焼に切り換える方法であって：
    内部表面、及び、前記燃焼室内に熱空気を噴射するために前記内部表面に配置される熱空気噴射ノズルを有する燃焼室を提供するステップ；
    前記燃焼室の前記内部表面に配置されるバーナーを提供するステップであり、前記燃焼室が：
    前記燃焼室の前記内部表面に配置される排気ダクト内の燃料ガスチップ；
    前記燃焼室内に外気を噴射するために前記内部表面に配置される外気噴射ノズル；
    前記排気ダクト内に配置されるベンチュリであり、前記排気ダクトからの燃焼排ガスと前記燃料ガスチップからの燃料ガスとを受け入れ且つ前記外気噴射ノズルを通じて前記燃焼室内に前記燃焼排ガス及び前記燃料ガスを提供するために前記外気噴射ノズルと連通するベンチュリ；及び
    前記ベンチュリの下流で前記内部表面に配置されるパイロットガスチップ；
    を有するところのステップ；
    前記外気噴射ノズルを経て前記燃焼室内に外気を導入するステップ；
    前記燃焼室内に燃焼排ガスを供給するステップ；
    前記燃料ガスチップを経て燃料ガスを導入するステップ；
    前記燃焼排ガスで前記燃料ガスを不活性化するステップ；
    従来型の燃焼を開始するために前記パイロットガスチップを点火するステップ；
    同時に前記熱空気噴射ノズルを経て前記燃焼室内に熱空気を導入しながら、前記外気噴射ノズルを通じた前記外気の流量を減少させるステップであり、外気の流量の減少が熱空気の流量の増加に実質的に等しいところのステップ；
    前記燃焼排ガスで前記熱空気を不活性化するステップ；
    前記外気の流量をなくすステップ；
    無炎燃焼を引き起こすべく前記不活性化された熱空気及び前記不活性化された燃料ガスが分子混合物中に拡散し且つ前記分子混合物の自動点火温度に達し或いは超えるよう、燃料ガス及び熱空気を導入し続けるステップ；
    を有する方法。
  24. 前記分子混合物は、１０００°Ｆから１４００°Ｆの範囲にある混合温度を有する、
    請求項２３の方法。
  25. 無炎燃焼を引き起こし且つ維持する装置であって：
    内部表面を有する燃焼室；
    前記内部表面における第一排気ダクト；
    前記燃焼室の前記内部表面に配置される第一バーナーであり：
    前記燃焼室内に外気を噴射するよう配置される第一外気噴射ノズル；
    燃料ガスチップから燃料ガスを受け入れるよう配置されるベンチュリ；
    前記ベンチュリの下流にある外気及び燃料ガスの混合物を選択的に点火するよう前記ベンチュリの下流に配置される第一パイロットガスチップ；
    を有する第一バーナー；及び
    前記内部表面に配置され且つ前記外気の温度よりも高い温度で前記燃焼室内に熱空気を噴射するよう配置される第一熱空気噴射ノズル；
    を有する装置。
  26. 前記第一熱空気噴射ノズルは、前記第一燃料ガスチップの下流にある、
    請求項２５の装置。
  27. 前記内部表面に配置される第二排気ダクトを更に有する、
    請求項２５の装置。
  28. 前記第一ベンチュリは、前記第一排気ダクト内に配置され、また、前記第一外気ノズルと連通する、
    請求項２５の装置。
  29. 前記第一パイロットガスチップは、前記第一外気噴射ノズルの下流にある、
    請求項２５の装置。
  30. 前記内部表面に配置される第二バーナーを更に有する、
    請求項２５の装置。
  31. 前記内部表面に配置される第二熱空気噴射ノズルを更に有する、
    請求項２５の装置。
  32. 前記第一熱空気噴射ノズル及び前記第二熱空気噴射ノズルは、前記第一燃料ガスチップの下流に置かれる、
    請求項３１の装置。
  33. 前記内部表面は、凸面、凹面、ストレート、又は、それらの組み合わせである、
    請求項２５の装置。
  34. 前記第一空気噴射ノズル上にミキサーブレードを更に有する、
    請求項２５の装置。
  35. 前記第一排気ダクトの下流に置かれる貴金属スクリーンを更に有する、
    請求項２５の装置。
  36. 前記貴金属スクリーンは、金、銀、白金、パラジウム、タンタル、ロジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウム及びイリジウムを含む群から選択される貴金属で作られる、
    請求項３５の装置。
  37. 前記貴金属スクリーンは、貴金属合金で作られる、
    請求項３５の装置。
  38. 前記燃焼室は、第一熱伝導冷却コイルを更に有する、
    請求項２５の装置。
  39. 前記燃焼室の前記内部表面は、コーベルによって、第一層と第二層とに分離される、
    請求項２５の装置。
  40. 前記第一層は、前記第一バーナー及び第一熱空気噴射ノズルを有し、また、前記第二層は、第一バーナー及び第一熱空気噴射ノズルを有する、
    請求項３９の装置。
  41. 前記第一層における空気、燃料ガス及び燃焼排ガスは、第一方向に移動し、また、前記第二層における空気、燃料ガス及び燃焼排ガスは、反対の第二方向に移動する、
    請求項３９の装置。
  42. 請求項２５乃至４１の何れか一項に記載の装置の燃焼室内で無炎燃焼を引き起こし且つ維持するためのシステムであって：
    燃焼室であり、外気、熱空気及び燃料ガスが該燃焼室に入り、また、燃焼排ガスが該燃焼室を出るところの燃焼室；
    前記燃焼室の出口からの前記燃焼排ガスを用いて熱伝導冷却コイルを加熱するために、前記燃焼室の下流に置かれる対流セクション；
    前記対流セクションの下流に置かれる、スタックダンパを有するスタックであり、該スタックダンパが開いているときに自然通風運転を可能とし、該スタックダンパが閉じているときに空気予熱運転を可能とするところのスタック；
    外気を熱空気に変えるために前記燃焼室の上流に置かれる空気予熱器；
    前記空気予熱器を経て前記燃焼室に熱空気を供給するために前記空気予熱器の上流に置かれる、押し込み送風機ダンパを有する押し込み送風機；及び
    前記空気予熱器を通じて前記燃焼排ガスを引き出し、前記スタックに前記燃焼排ガスを供給するために前記空気予熱器の下流で且つ前記スタックの上流で前記燃焼排ガス側に置かれる、引き出し送風機ダンパを有する引き出し送風機；
    を有するシステム。
  43. 前記燃焼室を出る前記燃焼排ガスは、５〜８ｐｐｍの範囲にあるＮＯｘ排出量を有する、
    請求項４２のシステム。
  44. ＮＯｘ排出量を約３ｐｐｍまで更に低減させるために前記燃焼室の下流で且つ前記対流セクションの上流に置かれる貴金属スクリーンを更に有する、
    請求項４２のシステム。
  45. 前記貴金属スクリーンは、金、銀、白金、パラジウム、タンタル、ロジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウム及びイリジウムを含む群から選択される貴金属で作られる、
    請求項４４のシステム。
  46. 前記貴金属スクリーンは、貴金属合金で作られる、
    請求項４４のシステム。
  47. 前記外気の供給、前記スタックダンパ、前記押し込み送風機ダンパ及び前記吸い出し送風機ダンパは、コンピュータプログラムを用いて自動的に制御される、
    請求項４４のシステム。
  48. 前記外気の供給、前記スタックダンパ、前記押し込み送風機ダンパ及び前記吸い出し送風機ダンパは、手動で制御される、
    請求項４４のシステム。
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