JP5411294B2 - 複数方式の燃焼装置、及びその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、幅広い製品、例えば、金属、ガラス、セラミック材料、流体状態又は溶融状態で製造又は処理されるその他の材料に関する、工業溶融炉で高温を生成するための燃焼装置に関する。

従来の燃焼装置の例は、特許文献１〜３に記載されている。以下に特定した特許及び特許公報の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。

米国特許文献第６５２４０９７号 米国特許文献第７３９０１８９号 米国特許文献第７５００８４９号

本分野においては、複数の酸化剤及び複数の燃料源を用いることによって複数方式の運転を可能とする燃焼装置について、必要性が存在している。

本発明は、複数の酸化剤源及び複数の燃料を用いることによって複数方式で運転できる燃焼装置を与えることによって、従来技術に関連した問題を解決することができる。その燃焼装置又はバーナーは、２つの酸化剤源（空気、酸素及びこれらの混合体）及び２つの燃料源（液体、ガス状、及びこれらの混合体）並びに次の１つ若しくは他の１つ又は両方のあらゆる組合せを、流すことができる：
・酸素−ガス、空気−酸素−ガス、空気−ガス
・酸素−液体、空気−酸素−液体、空気−液体
・酸素−ガス−液体、空気−酸素−ガス−液体、空気−ガス−液体

本明細書で用いる場合、「空気」又は「燃焼空気」は、大気の空気と共に、酸素を消費した空気、例えば汚染空気（ｖｉｔｉａｔｅｄ ａｉｒ）を意味する。酸素を消費した空気は、０超から約２１体積パーセント未満の酸素（例えば、１０から約２１体積パーセントの酸素）を構成することができる。本明細書で用いる場合、用語、酸素又はＯ_２は、低温空気分離プラント又は吸着プロセスによって生成される商業的に純粋な酸素を意味する。そのような酸素の酸素濃度は、通常、９０体積％超である。

１つの態様では、本発明は、燃焼プロセスに関して通常利用される酸化剤又は燃料の供給力が低下又は途絶えた場合に、燃焼を継続するための燃焼装置に関する。本発明の他の１つの態様では、本発明の燃焼装置は、火炎の特性（例えば、長さ）及び供給される酸化剤の量（例えば、酸素から空気の範囲とする）と共に燃料のタイプ（例えば、ガスから液体の範囲とする）を制御することを可能とする。結果として、本発明の装置は、次の利益を与える：
１）空気−燃料炉又は酸素−燃料炉のいずれかにおける、主要なバーナーとしての運転
２）主要の燃料を使い果たす場合、又は酸素の供給を使い果たす若しくは不足させる場合に、酸素−燃料燃焼炉への予備又は補完としての運転
３）低温での開始から酸素−燃料炉を十分に加熱すること
４）運転に関する生産の柔軟性（アルミニウム反射炉（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｒｅｖｅｒｂ ｆｕｒｎａｃｅ）、ガラス溶融炉、その他の炉、ボイラー及び窯）
５）平面構造に対する比較的良好な火炎被覆率
６）予燃焼器（ｐｒｅｃｏｍｂｕｓｔｏｒ）での比較的良好な光度及び火炎安定性
７）比較的高い運動量の空気−燃料運転方式、又は酸素富化空気−燃料運転方式を用いての酸素−燃料ガラス炉内での泡の位置の維持
８）比較的安価なブロワーの使用を可能とする、空気流れに対する低い圧力損失
９）運転方式における柔軟性
１０）既存の酸素−燃料バーナーを置換する能力
１１）所定の燃焼率（ｆｉｒｉｎｇ ｒａｔｅ）まで比較的安定な燃焼を可能とする、予燃焼器を有する２つのポート。さらに、無炎の燃焼（燃料の自己着火温度より高くても安全に用いることができる）
１２）２つの燃料を同時に着火する能力
１３）酸化剤の運動量の大きな範囲
１４）液体燃料からガス状燃料、又はその逆への運転方式の変更からの制御された運転移行
１５）酸化剤としての空気から酸化剤としての酸素、又はその逆への運転方式の変更からの移行への能力
１６）天然ガス（ＮＧ）の低い背圧の必要性
１７）可視で且つ無炎の燃焼方式、当業者に知られるであろうその他の利益。

従来の装置とは対照的に、本発明の装置及び方法は、従来のバーナーに対して次の利益を提示する：
・平面構造に対する比較的良好な火炎被覆率
・予燃焼器での比較的良好な光度及び火炎安定性
・安価なブロワーの使用を可能とする、空気流れに対する低い圧力損失
・運転方式における最大の柔軟性
・既存のバーナー（例えば、Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社（アレンタウン、ペンシルベニア州）からＣｌｅａｎｆｉｒｅＨＲｉ（商標）として市販されている酸素−燃料バーナー）に対する予備
・酸素−燃料バーナーと本発明の装置との非常に素早い交換、及びその逆の非常に素早い交換（例えば、Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社（アレンタウン、ペンシルベニア州）からＣｌｅａｎｆｉｒｅＨＲｉ（商標）として市販されている酸素−燃料バーナー）
・一定の燃焼率（ｆｉｒｉｎｇ ｒａｔｅ）まで、比較的安定な燃焼を可能とする予燃焼器を有する２つのポート。さらに、無炎の燃焼（燃料の自己着火温度より高くても用いることができる）
・２つの燃料を同時に着火する能力
・酸化剤の運動量の大きな範囲
・液体燃料からガス状燃料、又はその逆への運転方式の変更からの円滑な運転移行
・酸化剤としての空気から酸化剤としての酸素への運転方式の変更からの円滑な運転移行

本発明の１つの態様は、少なくとも２つの流路を有する耐火性ブロック、バーナー装着プレート、バーナーハウジング、燃焼空気入口、酸素入口、液体燃料入口、及びガス状燃料入口を具備する燃焼装置に関する。

本発明の他の一つの態様は、少なくとも１種の酸化剤及び少なくとも１種の燃料を燃焼装置に供給する燃焼装置の使用方法に関する。

本発明の更なる態様は、耐火性ブロック、オイルランス（ｏｉｌ ｌａｎｃｅ）、オイルプラグ（ｏｉｌ ｐｌｕｇ）、酸素プラグ、天然ガスプラグ、空気連結組立（ａｉｒ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ａｓｓｅｍｂｌｙ）、空気連結プラグ、吸引空気ランス、ガスケット及びクイックコネクトフィッティング（ｑｕｉｃｋ ｃｏｎｎｅｃｔ ｆｉｔｔｉｎｇ）を含む燃焼装置を構築又は修理するための一式に関する。

本発明の燃焼装置の１つの態様の斜視図である。 図１で示した態様の断面図である。 図１で示した態様の斜視図であり、火炎の反対側（又は炉の外側の側）から装置を示している。 図３で示した態様の斜視図であり、燃焼空気入口と装置のハウジングとの連結を示している。 この装置の運転のグラフ上の表現であり、空気流量と圧力との間の関係性を示している。 装置の運転のグラフ上の表現であり、上側酸化剤の流れの速度と距離との間の関係性を示している。 装置の運転のグラフ上の表現であり、天然ガス燃料に関する圧力と流量との間の関係性を示している。 装置の運転のグラフ上の表現であり、天然ガス燃料の速度と距離との間の関係性を示している。 装置の運転のグラフ上の表現であり、空気の圧力と流量との間の関係性を示している。 装置の運転のグラフ上の表現であり、酸素を含む上側酸化剤の速度と距離との間の関係性を示している。 燃焼中の装置の運転のグラフ上の表現であり、火炎長さと天然ガスの燃焼率との間の関係性を示している。 燃焼中の装置の運転のグラフ上の表現であり、火炎長さとオイルの燃焼率との間の関係性を示している。

どの図でもできる限り、図面を通じて同じ参照番号を用いて、同じ部品を示す。図面は、目盛りで計られるものではなく、図面中の部品の相対的な方向は、説明する目的のみのものである。

本発明は、燃焼装置及びその装置の使用方法に関する。その装置は、炉の所望の位置に設置することができ、且つこの装置と共に酸素の量及び燃焼させる燃料のタイプによって生み出される火炎の特性を、制御可能に変化させることを可能にする様式で運転させることができる（例えば、本発明は、範囲のある酸素量、及び液体からガス状の範囲の又はその混合体の燃料を用いることを可能とする）。本発明の方法を、酸素の量を選択することにより実行して燃焼させることができ、ここで酸素の量は、酸素から空気、酸素を消費した空気（例えば、汚染空気）、及びこれら間の全ての変化までの範囲とすることができる。また、本発明の方法を、酸素の濃度と燃焼させる燃料のタイプとを組合せて選択することによって実行することもでき、ここで燃料は、ガス状から液体、ガスと液体の混合体、これらの間の全ての変化までの範囲とすることができる。

本発明の燃焼装置は、耐火性ブロック、バーナー装着プレート、バーナーハウジング、燃焼空気入口、酸素入口、酸素拡散器、液体燃料入口、及びガス状燃料入口を具備する。その燃焼装置は、固定クリップも具備することができ、それによって燃焼装置を、交換又はメンテナンスのために素早く取り外すことができる。燃焼空気供給部の、燃焼空気入口に対する向きは、隣接する機器に対応させるために旋回させることができる。運転の方式に依存して、１以上の酸化剤入口及び／又は１以上の燃料入口を、塞ぐことができる（例えば、酸化剤又は燃料を使用しない場合に）。

耐火性ブロックは、米国特許第７３９０１８９号に記載されたような天然ガスバーナー又はオイルバーナーで用いられる材料を通常含む。あらゆる適切な耐火性材料を用いることができるが、適切な材料の例は、アルミナ、シリカ及びジルコニアの溶融鋳造（ｆｕｓｅ−ｃａｓｔ）複合材料が挙げられる。

図１及び２に示すように、耐火性ブロック５は、流体の流れのための２つの通路又は流路６及び７を画定する（例えば、上側及び下側の通路を、酸化剤及び燃料の供給のために用いることができる）。液体燃料及び第一の酸化剤を、上部流路６に提供することができる。バーナーブロック５をガスバーナー又はオイルバーナーと共に用いる場合には、分岐した第二の酸化剤及びガス状燃料を、下部流路７に供給することができる。あるいは、この液体及びガス状燃料の提供又は供給を、逆にすることができる。

本発明の１つの態様において、この装置を酸素燃料バーナーとして用いる場合に、耐火性ブロック５内に画定される上部流路６には、（用いる場合には）オイルランスが位置し、またおおよそ７０％の酸化剤流れが、上部流路６に提供される。（用いる場合には）ガス状燃料及び残りの酸化剤が、下部流路７に提供される。あるいは、液体燃料及びガス状燃料の提供又は供給を、逆にすることができる。

バーナー装着プレート８は、上記特許に記載されているようなものを含むことができ、且つ典型的にはステンレス鋼で製造される。バーナー装着プレート８を、任意の通常の手段、例えば、Ｔ字型のボルト及びナットの配置（示されていない）を用いることによって、耐火性ブロック５に取り付ける。バーナーハウジング２を、着脱可能な固定クリップ９を用いることによって、バーナー装着プレート８に取り付ける。固定クリップ９の使用は、運転者が望む運転様式に応じて行う、様々なタイプのバーナーの間で素早い交換を可能とする利点を有する（例えば、装着プレートは各バーナーに関して変更する必要がなく、装着プレートへのバーナーの連結は、単純に４つの固定クリップでなされる）。バーナー装着プレート８は、耐火性ブロック５の上部及び下部のポート、そしてそれぞれ流路６及び７と流通している、上部及び下部のポート１０及び１１を有する。

バーナーハウジング２は、典型的には、ステンレス鋼から作られる。バーナーハウジング２は、複数の連結ポート入口：酸素入口１２；ガス状燃料入口１３；液体燃料入口１４；噴霧化ガス入口１４（例えば、液体燃料噴霧器を支援する噴霧化ガスを用いる場合の状態に関して）及び空気入口１を有する。

酸素入口１２を、任意の適切な位置に配置させることができる（例えば、酸素入口を、米国特許文献第７３９０１８９号に記載されたものよりも２．５インチ低い位置に配置させることができる）。以下、図２及び３を参照する。バーナーへの酸化剤供給部（例えば、入口１及び１２による）及び燃料供給部（例えば、入口１３及び１４による）の最後の数フィートを、比較的柔軟なホースで作ることができる（示されていない）。空気、酸素、ガス燃料、液体燃料、及び用いる場合には噴霧化ガスの、本発明のバーナーへの供給ラインの近接性、並びに柔軟なホースの使用は、本発明の装置を連結又は取り外すのに特別な装置を必要としないことを意味する。

本発明の他の１つの態様では、使用しない供給ラインを、蓋をし又は閉鎖させることができ、そして後に望まれるならば、再連結し又は元に戻すことができる。例えば、空気又は汚染空気を、唯一の酸化剤として用いる場合、酸素供給部を閉止し又は蓋をすることができる。同様に、バーナーへの各入口を、燃料、噴霧化ガス又は酸化剤の供給ラインに接続しない場合、蓋をするべきである。例えば、空気又は汚染空気を、唯一の酸化剤として用いる場合、酸素供給ラインを、バーナーから分離して、酸素入口１２を、閉止又は蓋をするべきである。

以下、図１、２、３及び４を参照する。燃焼空気又は汚染空気入口１を、バーナーハウジング２の上部に位置させる。通常、燃料空気又は汚染空気を、低圧の高容積ファン又はブロワーによってバーナーに供給する。望まれるならば、燃料空気の圧力又は容積を、コンプレッサー（例えば、市販のコンプレッサー、示されていない）を用いることによって、高めることができる。図２、３及び４に示されるように、燃焼空気供給部の連結では、柔軟な空気ホース、例えば螺旋巻きのダクトホース３（ｓｐｉｒａｌ ｗｏｕｎｄ ｄｕｃｔ ｈｏｓｅ）を、通常のホースクランプ（示されていない）を用いて燃焼空気供給部に連結させる。空気入口１及び供給部３のサイズは、バーナーのサイズに依存するが、圧力損失を最小化させるために、通常はできるだけ大きく設計される。しかし、その直径は、最も一般的なダクトホースサイズに近付ける。

図３及び４に示される、一実施態様は、バーナー上部に配置されたエルボー１６、例えば留め継ぎエルボーによって、燃焼空気供給部のバーナーハウジングへの比較的素早い連結を可能とする。エルボー１６の使用は、燃焼空気又は汚染空気の供給部への連結のための、バーナーの上部に必要な高さを最小化するのに役立つ。移行部分１６Ａを、エルボー１６と、燃焼空気又は汚染空気の供給ダクトホース３との間に用いることができる。移行部分１６Ａを、ダクトホース３の端部に取り外せない方法で連結させることができ、そして、通常用いられる連結装置、例えばカムロックフィッティング（ｃａｍ−ｌｏｃｋ ｆｉｔｔｉｎｇ）、クイックコネクトフィッティング、Ｊフック又は他の配置（示されていない）によって、エルボー１６への素早い連結の使用を可能とする。移行部分１６Ａの直径を変えることによって、最も一般的なダクトホースサイズに近付けさせるができる。すなわち、移行部分１６Ａのバーナーエルボー１６への連結は、２つの通常の固定クリップ（示されていない）を用いて行うことができる。さらに、孔又はスロット１７の数を、バーナーにある留め具又はスタッド１８の数の２倍となるように、エルボーを設計することができる。これは、入口空気の平面を、燃料入口１４の平面のいずれかの面と平行又は、３０°、６０°若しくは９０°にすることを可能とする。あるいは、孔を細長くして、入口空気の平面を、燃料入口の平面に対して任意の角度に設定させることができる。

図１及び２を参照する。液体燃料又はオイル（例えば、第二灯油（＃２ ｈｅａｔｉｎｇ ｏｉｌ）又は第六重油（＃６ ｈｅａｖｙ ｆｕｅｌ ｏｉｌ））を、燃料オイル入口１４によって、耐火性ブロック５に画定された上側流路６内に位置するオイルランス１９に供給する。噴霧化ガスで支援する液体燃料噴霧器を用いる場合、噴霧化ガスを、オイル入口１４の上に位置する入口１５から供給する（そうしなければ、ガス状燃料の連結に影響を与えるであろう）。望む場合にはオイルランス１９の位置を、オイルランス１９を耐火性ブロック５内の流路６の内部に又は外部にスライドさせることによって、ブロック５に対して調節することができる。オイルを使用しない場合、連結に蓋をする。あるいは、オイルランス組立１９を取り外して、そしてプラグに差し替えることができる。あるいは、オイルランス組立１９を取り外して、そして圧縮空気流れを流路６の出口付近に提供するように設計されるランス及びノズル組立と交換することができる。ノズル組立は、燃焼空気のバーナーへの提供を増加させるように設計される。これは、低圧のファン又はブロワーが、低いコストに起因して産業界で通常好まれるために望ましい。しかし、低い供給圧力のせいで、燃焼空間に提供することができる燃焼空気又は汚染空気の量が限定され、これはさらにバーナーによって提供される熱出力を限定させる場合がある。本明細書に記載したような圧縮空気流れの追加は、バーナーから炉への最大の熱出力供給を向上させる効果を有する。オイルを用いない場合、ランス１９を所定の位置にとどめて、噴霧化ガスをランス１９を通じて流れさせ続けて、ランスを過熱から防ぐことが有益である。あらゆる適切なオイルランスを用いることができるが、このバーナーで用いるオイルランスの例としては、略円形断面を有するランス、例えば米国特許第７５００８４９号（参照により本明細書に組み込まれる）にみられるものを挙げることができる。

図１、２及び３を参照すると、用いるならば酸素は、入口ポート１２に入り、そして流れは、「Ｙ字」部２０で分かれる。分割したＯ_２流れは、２つのポートを通じてバーナーハウジング２に入る。バーナー内部に入ると、Ｏ_２流れは、拡散プレート２１によって、均等に分配される。これは、上部流路６の出口平面、及び下部流路７にあるガス状燃料ノズル２２の周囲にある環状の流れ空間の全体にわたって、比較的均一な流速分布を確保するのに役立つ。また、Ｏ_２を、入口１からの燃焼空気（用いるならば）と混合するのに役立つ。ガス状燃料ノズル２２は、あらゆる適切な構成を有することができるが、ガス状燃料ノズルは、通常、略矩形断面を有する。

図１、２、３及び４を参照すると、用いるならば燃焼空気は、入口連結部１を通じてバーナーに入る。酸素を加えるならば（例えば入口１２を通じて）、空気は、拡散プレート２１の孔から出る際に、酸素と混合しているであろう。そして、酸化剤は、第一の酸化剤ノズル２８を出ると共に、下部ポート１１のバーナー装着プレート８を通り、燃料ノズル２２と下部流路７との間の環状の空間を出る。一実施態様において、おおよそ７０％の酸化剤流れが、耐火性ブロック５に画定された上部流路又は上部ポート６に向けられ、その残部が、下部ポート又は下部流路７に向けられる。流れの分配は、一方の若しくは他方のポート、又は両方のポートを部分的に遮る装置（示されていない）の使用により、調節することができる。これの利点は、火炎の特性を変えるのに用いることができることである。この配置の１つの潜在的な不利益は、流れのために得られる領域が減少する場合があること及びバーナーへの酸化剤提供の必要圧力が増加する場合があることである。

酸化剤ガス又は複数の酸化剤ガスが、入口ポート１及び１２から、流路７と燃料ノズル２２との間の環状空間に流れるときに、下部ポート７に入る際に、通常、流れ断面積に大幅な減少があるので、天然ガスノズル２２の周囲に酸化剤が流れるときには、実質的に均一に分配された流れが、下部流路７において生じている。しかし、上部流路６に関して、流れは、酸化剤ノズル２８を出る前に、通常、再分配されている。これは、酸化剤ノズル２８の幅にわたって均等な間隔で配置される流れ分配棒（例えば、図１に示され、オイルランス１９が分配棒２３の二つの間から延びている）を用いることによって達成される。そしてこれは、タブ２４を基礎として、上部ポート１０及びノズル２８に対してその中心位置を保持するのに役立てることができる。

用いるならばガス状燃料は、ガス状燃料入口１３の連結を通って、バーナーに入る。ガス状燃料は、円形状から平坦状への移行領域２５（ｒｏｕｎｄ ｔｏ ｆｌａｔ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）（図２に示すような）を通過し、そして平坦な火炎ノズル２２に入る。ノズル２２は、耐火性ブロック５に突き出るが、オイルランス又はエマルションノズル１９ほどには、耐火性ブロック５に伸びない。ガスノズル２２の設計の性質に起因して、円形状から平坦状への移行部品２５による圧力損失は、最小限にしつつ、同時に、ノズル２２の面にわたって実質的に均一な流れの分配を確保する。ガス状燃料を用いないならば、ガス状燃料供給部を分離し、そして補助的な酸化剤を、随意にガス状燃料ノズルに連結させることができる。

耐火性ブロック５の上部ポートに入ると、再分配された酸化剤ガスは、上部酸化剤流路６に沿って流れる。液体燃料ランス１９を用いるならば、酸化剤ガスは、液体燃料と混合し、そして燃焼する。燃焼を空気又は汚染空気の運転で発生させ、且つ炉が燃料の自己着火点未満である場合、点火炎（ｐｉｌｏｔ ｆｌａｍｅ）が安定な火炎を維持するのに推奨される、すなわち火炎は、パイロットに付随しているであろう。炉を燃料の自己着火点超で運転する場合、点火炎を必要としない。酸素濃度が高まるにつれて、噴霧化燃料ノズル先端２６と目に見える燃焼の開始点との間の距離は、火炎が比較的高いレベルの濃縮（ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ）で付随するようになるまで、短くなる。酸化剤ガス及び液体燃料スプレー（もしあれば）は、炉に入り、そして燃焼が結果として起こる。

オイルランス１９の代わりに圧縮空気ノズルを用いる場合、又は高速ジェットガスの提供のためのその他のノズルを用いる場合、これは、ベンチュリ効果を利用すること及び酸化剤をバーナーの上部耐火性流路６に加えることによって、上部耐火性流路６を流通する酸化剤ガスの必要圧力を低下させることに役立つであろう。

耐火性ポートの内部表面での高温部（ｈｏｔ ｓｐｏｔ）の形成をなくすのに役立つので、各耐火性流路内でのガスの均一な流速分布が重要である。これは、耐火性ブロック内部で火炎の接触（ｆｌａｍｅ ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ）をもたらすことがある、耐火性流路内部のガス状燃料と酸化剤との過度な混合によって引き起こされる場合がある。また、それは火炎の均等な分配に役立つ：上部流路からの液体燃料火炎及び下部流路からのガス状燃料火炎の両方。

本発明の１つの態様において、１つの耐火性流路における酸化剤流れの割合は、他の耐火性流路と等しくない。流路における酸化剤流れの割合を変えることができるが、通常は、液体燃料ランス又はオイルランスに関する流路を通る酸化剤の流れは、酸化剤の使用可能な供給圧力と、バーナー並びにオイルランス及びガス状燃料ノズルに関する流路の、酸化剤流れのために使用可能な領域とに依存するであろう。この態様において、約５〜約９５％の範囲の酸化剤が、オイルランスに関する流路を流通する（例えば、約７０％）。

下部耐火性流路７において、酸化剤ガスは、平坦化された燃料ノズル２２によって、ガス状燃料から分離されて保たれる。耐火性流路７の下のいくつかの点で、燃料ノズル２２が端部となる場合に、燃料及び酸化剤が接触するようになり、そして下部耐火性流路７の予燃焼器領域２７で、中央の燃料流れと環状酸化剤流れとの間に、シート状火炎が形成される。火炎が燃料ノズル２２の先端から離脱するか、又は火炎が裸眼に本質的に不可視となるかのいずれかとなる、酸化剤が非常に高速な場合を除いて、火炎は、予燃焼器２７の内側で固定されるが、これは特に燃焼空気を用いて、且つ炉の温度を燃料の着火温度未満にする場合に、火炎を安定化させるのに役立つ。

本発明の他の１つの態様において、酸化剤と燃料との間のシア比（又は速度比）を制御する。下記の表１で示されるように、通常、シア比を、その比の大きな差を避けるために制御する（例えば、約０．８〜約４．０が通常望ましい）。例えば、比の差が４超の場合、及び約０．８未満である場合、予燃焼器での燃料と酸化剤の過剰な混合が生じ、それにより過剰な熱を生成する場合があり、明るい（ブライトイエローの）火炎に不十分にススを生じる場合がある。

本発明の他の１つの態様において、本発明は、本発明の燃焼装置を保持又は修理するための部品を含む一式に関する。この一式は、耐火性ブロック、オイルランス、オイルプラグ、酸素プラグ、天然ガスプラグ、空気連結組立、空気連結プラグ、吸引空気ランス、ガスケット及びクイックコネクトフィッティングを含むことができる。ガスケットは、材料適合性の問題に関して適切であればあらゆる適切な材料、例えばバーナーから装着プレート及び装着プレートから耐火性ブロックの接触面に関しては耐火性の紙、並びに酸化剤及び燃料のバーナーへの連結に関してはポリマー材料から作ることができる。クイックコネクトフィッティングには、ばねクリップ、カムロック連結、液圧連結（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）、Ｊ−フック、その他の適切な留め具及び固定具を含むことができる。

次の例を、本発明のある種の態様を説明するために与える。これは、本願に添付された特許請求の範囲を決して限定しない。

以下、図５〜１２を参照する。これらの図は、本発明の装置をどのように運転できるかを説明するデータのグラフ上の表現を含んでいる。

図５、６、７、８、９及び１０は、装置を点火させず、且つ周囲条件の下で、且つ空気を使い実行して、圧力損失と速度のプロファイルを特徴付けた試験の結果である。

以下、図５及び７を参照する。図５及び７に示したデータは、図１に示した装置を用いて行った試験の結果であり、装置にわたる圧力損失と、流量との関係性を示している。図５の場合では、圧力損失を、燃焼空気入口（例えば、図１に示される入口１）と装置の周りの周囲圧力との間から測定する。図７の場合では、圧力損失を、ガス状燃料入口（例えば、図１に示される入口１３）と装置の周りの周囲圧力との間から測定する。市販のベンチュリ（ｖｅｎｔｕｒｉ）（Ｍｏｄｅｌ ２３００、Ｌａｍｂｄａ Ｓｑｕａｒｅ社、ニューヨーク州、米国）を用いて、且つ圧力及びガス温度を測定する通常の方法を用いて、図５の酸化剤の流量を測定した。例えば、Ｐｅｒｒｙ’ｓ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ’ｓ ｈａｎｄｂｏｏｋ （Ｐｅｒｒｙ，Ｒ．Ｈ．；Ｇｒｅｅｎ，Ｄ．Ｗ．（１９９７）．Ｐｅｒｒｙ’ｓ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ’ Ｈａｎｄｂｏｏｋ （７ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ）．ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ．Ｐｐ １０−１３ ＆ １０−１４）に記載されている方法を、図５の酸化剤流量を測定するために用いた。図７に示すデータを、ガス状燃料の流量を通常の方法（オリフィス流量計又は渦流量計のどちらか）に従って測定したこと及び市販の流量測定装置を用いて測定したことを除いて、図５の場合と同じ様式で作り出した。

０〜約１７０，０００ｓｃｆｈ（標準条件は７０°Ｆ及び１４．７ｐｓｉａ）の燃焼空気流量での０〜約３５水柱インチの間での圧力損失、及び約０〜約２０，０００ｓｃｆｈのガス状燃料流量での約０〜約２９インチ水柱の間での圧力損失を測定した。比較的低コストのファン（例えば、ファンは、比較的低い供給圧力で大きな体積流量を生み出すことができる）を用いてバーナーに空気又は汚染空気を供給することを可能とするために、０〜約３５水柱インチの間での酸化剤の圧力損失が望ましい。バーナーへのガス状燃料の必要な供給圧力を低下させるために、約０〜約２９水柱インチの間でのガス状燃料の圧力損失が望ましい。これは、世界のある地域では、バーナーでのガス状燃料の供給圧力が、１又は２ｐｓｉｇのみであるため、有用である。

以下、図６及び８を参照する。これらの図は、図１の装置の運転のグラフ上の表現であり、上部酸化剤流れの速度と上部ポートの面にわたる距離との関係性、及びＮＧノズル内の天然ガスの速度とノズルの出口平面にわたる距離との関係性をそれぞれ示している。これらの図は、材料の比較的均一な流れが存在し、これが比較的制御され、且つ均一な燃焼をもたらすことを示している。対称的な平面炎を作り出し、且つ過剰な速度シア（０．５〜５の範囲外、好ましくは０．８〜４の範囲外）を防ぐために、上部ポートに渡る約−０．２〜約０．２の速度のばらつきが望ましい。過剰な速度シアは、予燃焼器チャンバー内での燃料と酸化剤の過剰な混合に起因して、予燃焼器の内部に高温部の形成をもたらす。ガス状燃料ノズルの約−０．２〜約０．２の速度のばらつきが、酸化剤に関する上記の概要と同じ理由で望ましい。図６及び８に示すデータを、通常の方法に従って、ピトー管及び熱線風速計を用いて作り出した。

図９は、図１の装置の運転のグラフ上の表現であり、酸素入口ポートの空気（酸素の代わりに類似の流体として用いた）の流量と圧力との関係性をそれぞれ示している。図９に示すデータを、流量を市販の流量計を用いて測定したことを除いて、図５と同じ様式で作り出した。低圧の酸素供給装置（例えば、吸着系空気分離ユニットから供給される酸素）を、昇圧装置（例えば、ファン又はポンプ、これらは空気分離ユニットに資本的なコスト及び運転コストを追加させる）なしで用いるために、約０〜約４００００ｓｃｆｈの流量で、約０〜約２２５水柱インチとなる酸化剤の圧力が望ましい。

図１０は、図１の装置の運転のグラフ上の表現であり、酸素を含む上部酸化剤の速度と第一のポートの出口平面にわたる距離との関係性をそれぞれ示している。図１０に示すデータを、図６のものと同じ方法で作り出した。対称的な平面炎を作り出し、且つ過剰な速度シアを防ぐために、約−０．２〜約０．２の速度のばらつきが望ましい。過剰な速度シアは、予燃焼器チャンバー内での燃料と酸化剤の過剰な混合に起因して、予燃焼器の内部に高温部の形成をもたらす。

図１１は、燃焼中の装置の運転のグラフ上の表現であり、火炎長さと天然ガスの燃焼率との関係性を示している。プロットの説明にあるパーセント（％）の記載は、空気又は酸素によって供給される、燃焼に必要な酸素の化学量論量について述べている（例えば、１５％は、３２．８５％の全体の酸素濃度に対して、必要な酸素の１５％がＯ_２によって供給され、８５％が空気によって供給されることを意味している）。図１１は、所望の火炎長さ及び燃焼率を得るために、本発明の方法を、様々な量の燃料を用いることによってどのように実行できるかを示している。工業溶融炉内で溶融材料を作り出し、且つ工業溶融炉内の温度を保ち、且つ／又は泡、カス及び溶融材料の他の望ましくない部分を炉の出口付近に輸送されることから防ぐため（例えば、ガラス溶融炉では、これらの部分は、例えば品質の低下したガラス、例えば過剰な泡を有する最終のガラス製品を生産させる場合がある）、約０〜約２０フィートの火炎長さ、及び約０〜約１５ＭＭＢＴＵ／ｈｒの燃焼率が望ましい。さらに、火炎の長さを減少させて、炉の反対側の壁にある火炎との火炎の接触を防ぐことができる。火炎の接触は、炉の耐火物に損傷を与える場合がある。また、図１１は、本発明の方法を、酸化剤の酸素濃度の範囲でどのように実行できるかについて示している。汚染空気（約２１％未満の酸素）、空気（約２１％の酸素）、酸素富化空気（約２１％〜約９０％の酸素）及び空気分離ユニットからの酸素又は供給された酸素（約９０〜１００％）の使用を可能とする運転の柔軟性を得るために、約１０〜１００％の酸化剤の酸素の体積濃度（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）が望ましい。「離脱」の記載は、火炎の元又は基礎が、耐火性ブロックの表面を越えて移動していること（例えば、火炎とブロックの間に目に見えるギャップが存在している）を示す。「無炎」の記載は、燃焼が、目視で検知可能な火炎がない状態で起こっていることを意味している。

図１２は、燃焼中の図１の装置の運転のグラフ上の表現であり、目視できる火炎長さとオイルの燃焼率との関係性を示している。第二灯油を用いた。酸素−オイルの記載は、空気又は酸素によって供給される、燃焼に必要な酸素の化学量論量について述べている（例えば、１５％は、必要な酸素の１５％がＯ_２によって供給され、８５％が空気によって供給されることを意味している）。工業溶融炉内で溶融材料を作り出し、且つ工業溶融炉内の温度を保ち、且つ／又は泡、カス及び溶融材料の他の望ましくない部分を炉の出口付近に輸送されることから防ぐため（例えば、これらの望ましくない部分は、例えば品質の低下したガラス、例えば過剰な泡を有する最終のガラス製品を生産する場合がある）、約０〜約２０フィートの火炎長さ、及び約０〜約１５ＭＭＢＴＵ／ｈｒの燃焼率が望ましい。さらに、火炎の長さを小さくして、炉の反対側の壁にある火炎との火炎の接触を防ぐことができる。火炎の接触は、炉の耐火物に損傷を与える場合がある。

本発明を、好ましい実施態様に参照して述べてきたが、特許請求の範囲から離れることなく、様々な変更を行うことができ、均等物をそれらの要素と置換できることが、当業者によって理解されるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から離れることなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるように多くの変形を作ることができる。それゆえ、本発明は、本発明を実行するために考慮された最良の形態として開示された特定の実施態様に限定されないが、本発明は添付の請求項の範囲内に含まれる全ての実施態様を含むであろうことが意図される。

Claims (29)

1. 上部流路及び下部流路を含む少なくとも２つの流路を有する耐火性ブロック；バーナー装着プレート；並びに、燃焼空気入口、酸素入口、液体燃料入口及びガス状燃料入口を含むバーナーハウジング、を具備する燃焼装置であって、
   前記バーナーハウジングは、前記空気入口からの空気と、前記酸素入口からの酸素とを混合して酸化剤を形成し、そして前記耐火性ブロックの前記少なくとも２つの流路に前記酸化剤を向けるように構成されており、かつ
   前記バーナーハウジングは、液体燃料を前記少なくとも２つの流路の１つに向け、かつガス状燃料を前記少なくとも２つの流路の他の１つに向けるように構成されている、
   燃焼装置。
2. 前記バーナーハウジングに対して調節することができる燃焼空気供給部をさらに具備する、請求項１に記載の燃焼装置。
3. 前記燃焼空気入口に着脱可能に連結されている燃焼空気供給部、前記酸素入口に着脱可能に連結されている酸素供給部、前記液体燃料入口に着脱可能に連結されている液体燃料供給部及び前記ガス状燃料入口に着脱可能に連結されているガス状燃料供給部をさらに具備する、請求項１に記載の燃焼装置。
4. 前記液体燃料入口が、前記耐火性ブロックに画定された上部流路及び下部流路の１つの流路の内部に配置されているランスと流通している、請求項１に記載の燃焼装置。
5. 空気を前記液体燃料に導入するための噴霧化ガス入口をさらに具備する、請求項４に記載の燃焼装置。
6. ファン又はブロワーによって空気を前記燃焼空気入口に導入する、請求項１に記載の燃焼装置。
7. 前記ガス状燃料供給部が、前記耐火性ブロックに画定された上部流路及び下部流路の他の１つに配置されているノズルと流通している、請求項４に記載の燃焼装置。
8. 前記酸素入口及び前記燃焼空気入口の少なくとも１つが、前記上部流路及び下部流路と流通している、請求項７に記載の燃焼装置。
9. 拡散器をさらに具備する、請求項１に記載の燃焼装置。
10. 追加の酸化剤が、前記ガス状燃料入口に供給される、請求項１に記載の燃焼装置。
11. 前記流路が、略矩形断面を有する、請求項１に記載の燃焼装置。
12. 請求項１に記載の装置を用いることによって、ガス状燃料及び液体燃料の少なくとも１つを燃焼させる方法。
13. 前記方法が、少なくとも１種の燃料、並びに酸素、空気及び汚染空気からなる群より選択される少なくとも１種の酸化剤源を燃焼させることを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 請求項８に記載の燃焼装置を用いることによりガス状燃料及び液体燃焼を燃焼させる方法であって、酸素及び空気、又は酸素及び汚染空気を用いて燃焼させる方法。
15. 前記燃焼から生成した熱を用いて炉を加熱することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記炉が、ガラス炉を構成し、且つ前記装置を、前記炉の最後の加熱位置に設置させる、請求項１５に記載の方法。
17. 前記加熱が、前記炉への主要な加熱源ではない、請求項１２に記載の方法。
18. 液体燃料とガス状燃料とを交互に使用することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
19. 空気と酸素とを交互に使用することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
20. 液体燃料及びガス状燃料並びに空気及び酸素、又は液体燃料及びガス状燃料並びに汚染空気及び酸素を用いることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
21. 液体燃料、ガス状燃料、及び空気又は汚染空気を用いることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
22. 液体燃料、ガス状燃料及び酸素を用いることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
23. 液体燃料、空気及び酸素、又は汚染空気及び酸素を用いることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
24. ガス状燃料、空気及び酸素、又は汚染空気及び酸素を用いることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
25. 前記酸化剤が、空気を含む請求項１３に記載の方法であって、空気を、ファン、ブロワー及びコンプレッサーからなる群より選択される少なくとも１つの要素を用いることによって、前記燃焼空気入口に提供することをさらに含む方法。
26. 高速ガス流れを、前記耐火性流路の１つの前記入口端部に注入させる、請求項１２に記載の方法。
27. 前記高速ガス流れが、空気を含み、これを液体燃料と混合させた後で、前記耐火性流路に注入させる、請求項２６に記載の方法。
28. 前記高速ガス流れが、空気を含み、且つ液体燃料を、前記液体燃料入口に供給しない、請求項２６に記載の方法。
29. 耐火性ブロック、オイルランス、オイルプラグ、酸素プラグ、天然ガスプラグ、空気連結組立、空気連結プラグ、吸引空気ランス、ガスケット及びクイックコネクトフィッティングを具備する請求項１に記載の燃焼装置を修理するための一式。

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