JP6705849B2 - 二段式酸素燃料バーナ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年２月２２日出願の米国仮特許出願第６２／４６１，９４６号からの優先権を主張し、その全体が参照により組み入れられる。

本出願は、酸素燃料バーナおよびそのようなバーナを動作させる方法に関し、具体的には、２つの代替構成でステージングされた火炎を発生させるための能力を有する酸素燃料バーナに関し、ステージングされた酸素は、炉の動作状態およびパラメータに応じて、高濃度燃料の一次火炎の上方または下方のいずれかに、または高濃度燃料の一次火炎の上方および下方の両方に同時に導入される。

酸素燃料の燃焼、特にガラス炉内での酸素燃料の燃焼に根強く残る特定の問題は、本出願のバーナおよび方法によって解消されている。

第１に、酸素−天然ガス火炎において高い明度を精製することは困難である。炭化水素ガス火炎におけるすす形成は、目に見える近赤外範囲での電磁スペクトルの実質的な熱放射のために必要である。ほとんどの一般的に用いられる炭化水素気体燃料、すなわち天然ガスは、主としてメタンと、比較的少量の他の炭化水素ガスおよび他の希釈ガスとからなり、すべての主要な炭化水素ガスのうちで最も低いすす形成性を有することは周知である。ゆえに、天然ガスから高い明度の火炎を生成することは、実際にはかなり困難である。この固有の困難さは、酸素燃料の火炎では、さらに悪化するが、これは、生成されることが可能であるあらゆるすすが、いったん形成されると短命であるためである。このことは、特に酸素燃料の燃焼で生成される極度に高い火炎温度での、天然ガス燃料の酸素との極めて高い反応性に起因する。当該問題に対する先行技術の１つの取り組みは、高濃度燃料の酸素ガス混合物を予め混合し点火してすすを形成し、その後すすを含有する生成物をバーナノズルに導入し、ここでこれらを酸素と混合して、ガラス溶融炉に貫入する火炎を発生させることによる、天然ガスを熱的に「クラッキングする」ためのバーナ内のチャンバを用いることによるものであった。この取り組みによる１つの固有の困難は、予め混合することが、バーナの内部チャンバで行われ、これがバーナの金属を非常に高温に曝すと同時に、すすの堆積に起因するバーナ通路内部の付着物の恐れがあることである。また、この装置および／または方法によって形成された火炎は、クラッキングのために必要とされる非常に特定的な反応物組成に起因して、調整することが困難である。

すす形成に対する別の取り組みは、高いアスペクト比（例えば、幅の広い火炎または平坦な火炎）を有するノズルを用いることによって燃料と酸素との間の界面面積を最大にすることと、ガラス表面の近傍の下側で段階的に導入されたかまたは「ステージングされた」酸素の残りによって、高濃度燃料の一次火炎を形成することとの効果を結合することに依拠する。例えば、米国特許第５，５７５，６３７号、同第５，６１１，６８２号、および同第７，３９０，１８９号のバーナを参照のこと。‘１８９特許で公開されたデータは、火炎放射の下側部での（例えば、下向きの）ピークは、一次火炎の当量比の増大とともに増大し、ゆえに、より高い酸素ステージングレベルにあることを示している。この取り組みは、燃料と酸素とを予め混合することのリスクを負わないが、実際的な理由から、達成されることができる酸素ステージングの程度が制限される。このことは、火炎境界と予燃機器の内部壁との間の酸素の流れに起因し、そしてその結果、予燃機器の壁を火炎放射および衝撃から、対流によって冷却する働きをする。このように、一次火炎の酸素ステージングの程度は、冷却要件によって決定づけられ、一次火炎の燃料−酸素の当量比は、概して最大で市販のシステムにおける３に制限される（例えば、二次またはステージングノズルを通って流れる酸素の約２／３であり、１００％の燃料で燃焼させるために、酸素の１／３が一次ノズル内に残留し、よって一次当量比は３：１である）。しかし、ガラス表面に対する下向きの火炎放射を最大にするためには、より高い当量比を要する。

第２に、発泡の発生および制御は、ガラス溶融炉において非常に重大な問題である可能性がある。酸素／燃料燃焼で発生する高い水分および酸素濃度は、典型的には空気燃料炉にある、ガラス溶融炉内のより大量の二次発泡に関連している。二次発泡は、燃焼空間とガラス溶融物との間の熱伝導を実質的に制限することが知られており、これが、平均ガラス温度を低くして、より劣悪なガラスの品質に至り、熱効率全体を減少させ、一方で耐火物の温度および腐食率を増大させ、結果として耐火物の寿命を短くする。過去には、他にも、成功の度合いに変動はあれど、この問題に限ったさまざまな方法によって、発泡を低減または緩和することが試みられてきた。これらの方法のうちのいくつかは、ａ）精製剤をバッチに添加するかまたはそこから除去すること、ｂ）燃料をガラスの表面上に吹き付けること、ｃ）バーナ酸素／燃料比または空気／燃料比を、さらに高濃度燃料の作用に変更すること、ｄ）ガラス取り出し率を低減すること、ｅ）炉の圧力を増大させること、およびｆ）バーナ燃焼量を調整することを含む。しかしながら、例えば、バッチの化学的性質、炉の温度および流れのパターンにおける差に起因して、同じ取り組みが異なる炉では機能しない場合が多い。したがって、必要なのは、高信頼で、便利で、邪魔にならずかつ安価な発泡低減の装置および関連する体系化された方法である。

ガラス溶融のための酸素燃料の燃焼は、空気燃料の燃焼と比較して、より低い資本コスト、より高い燃料効率、低減されたＮＯ_ｘ排出、およびより高いガラスの品質等のいくつかのメリットを有することが既知である。酸素ステージングは、これらのメリットをさらに増大させることができる。特に、酸素ステージングを用いて、ＮＯ_ｘ排出を低減させ、溶融効率および製品の品質を向上させることができる。「酸素ステージング」は、酸素の一部を火炎から離れた方に逸らすことによって燃焼を遅延させる手段である。好ましくは、ステージングされた酸素ストリームが火炎に近接して維持され、最終的に相互に混合し、酸素による燃料の完全燃焼を確実にする、火炎近くのステージングが用いられる。

‘１８９特許は、典型的な「下方でステージングされた」酸素による酸素燃料バーナを説明しており、いくつかの主要な原理を例証する火炎を発生させている。火炎は、最初は化学量論的な酸素が取り除かれており、すすおよび一酸化炭素（ＣＯ）を生成し、その規模は、ステージングされた酸素のパーセンテージとともに増大する。特に、すすのある領域は、無数の微細な炭素粒子からなり、極めて不透明であり、そのため、放射熱伝導の妨げを引き起こす可能性がある。逆に、主としてすすとステージングされた酸素との反応に起因して、火炎の下側は、非常に明るく、目に見える近赤外範囲内での電磁スペクトルの熱放射を高い割合で伝達する。放射がすす煙の近傍の強い抵抗を見出すため、大半はガラス表面に向かって下向きに導かれる。その結果、溶融効率は、ステージングされていない火炎に比して増大される。また、燃料と酸素との完全な混合が遅れるため、ステージングされた火炎は、ステージングされていないものよりも、同じ燃料流量で長くなる。この事実は、向上された目に見える近赤外放射と組み合わせて、ピーク火炎温度が、ステージングされた火炎において低くなることを確実にする。

高度にステージングされた酸素燃料火炎とステージングされていない酸素燃料火炎とをモデル化した計算流体力学（ＣＦＤ）の結果は、高度にステージングされた火炎のピーク温度が、およそ６００℃まで低下することを示している。実質的に低下した温度は、酸素が不足した状態のステージングされた火炎と組み合わせて、ＮＯ_ｘ生成の割合を低下させることにつながる。非ステージングモードと下方でのステージングモードとの両方で動作する‘１８９特許のバーナの写真は、酸素による火炎の下でのステージングによって発生した火炎構造および放射性質における差を効果的に図示している（図２６Ｂの酸素ステージングに対する火炎の下でステージングされた酸素による火炎のない図２６Ａの火炎を参照）。

ステージングされていないバーナの、下方でステージングされたバーナとの交換は、酸素によって火炎を下方でステージングすることが、ガラス底温度を上昇させ、これがガラス溶融物内でのより強力な対流に寄与し、不純物をより完全に取り除くことを促進し、よってガラスの欠陥をより少なくすることを示している。ステージングされていない酸素燃料バーナから下方でステージングされた酸素燃料バーナに取り換えられた漏斗型ガラス炉の１つの典型的なケースでは、ガラス底温度は、１０℃まで上昇し、一方で欠陥は、５０％近くまで低減した。また、炉煙道ガス温度は、６０℃まで減少し、特定の燃料使用（ガラスの出力単位当たりのエネルギ入力）を、名目上は９％に等しく低減させることに寄与している。

しかしながら、ガラス炉−ガラス表面発泡に対する酸素燃料の先の実施において対処されたことのない、酸素ステージング／ガラスの品質の関係のための別の態様がある。発泡は、ガラスからのガスの発生に起因して、バッチ溶融（一次発泡）プロセスと清澄（二次発泡）プロセスの両方のうちで形成される。二次発泡は、主として二酸化硫黄、水蒸気および酸素で構成され、特に、時として数インチの厚さに成長する可能性がある安定した気泡層に凝集する傾向がある。表面発泡の主たる有害な影響は、ガラスに対する熱伝導のそのインピーダンス、結果として生じる最上部に対する熱エネルギの反射、および炉耐火物に対するその腐食性である。ガラスに対するより低い熱伝導率に関して、このことは、ガラス温度低下させ、対流で動かされる溶融物内部の二次流を弱め、清澄プロセスを中断させ、完成品にずっと残るさらなる欠陥を与える。

本明細書では、ガラス溶融炉のための既存の酸素燃料バーナを超える動作上の利点を提供する二段式酸素燃料バーナが説明される。特に、本件でクレームされたバーナは、より低い特定のエネルギ消費、減少されたＮＯｘ発生、および改善されたガラスの品質を呈する。

態様１．酸素燃料バーナは、中心軸を有し、中央ノズル内で終端する中央導管と、中央導管を取り囲み、それと同軸上にある環状ノズル内で終端する環状導管であって、環状導管および中央導管が、環状壁によって分離される、環状導管と、を備え、中央導管が、第１の反応物を流すように配置され、環状導管が、第２の反応物を流すように配置される、中央バーナエレメントと、中央バーナエレメントの一方の側から離間し、第１のステージングノズル内で終端する、第１のステージング導管と、中央バーナエレメントの他方の側から離間し、第２のステージングノズル内で終端する、第２のステージング導管と、第２の反応物の流れを、環状導管に導かれる第２の反応物の非ゼロ一次流と、第２の反応物の非ゼロ二次流とに分配するように配置された第１の機構と、第２の反応物の二次流を、第１のステージング導管と第２のステージング導管との間で選択的に分配するように配置された第２の機構と、を備え、第１の反応物および第２の反応物のうちの一方が、燃料であり、第１の反応物および第２の反応物のうちの他方が、酸素である。

態様２．中央ノズルおよび環状ノズルが、２以上のアスペクト比を有する非円形形状を各々有し、アスペクト比が、最大開口寸法の最小開口寸法に対する比である、態様１に記載の酸素燃料バーナ。

態様３．ステージング導管が、２以上のアスペクト比を有する非円形形状を各々有し、アスペクト比が、最大開口寸法の最小開口寸法に対する比であり、中央ノズルの最大開口寸法を画定する軸と、ステージング導管の各々のそれぞれの最大開口寸法を画定する軸が、互いに略平行である、態様２に記載の酸素燃料バーナ。

態様４．第１の機構が、環状導管に対する第２の反応物の一次流を調整するための可変流れ絞りを備え、それによって、第２の機構に対する第２の反応物の二次流を、補完的な方法で間接的に調整する、態様１〜３のいずれか１つに記載の酸素燃料バーナ。

態様５．第２の機構が、第２の反応物の流れを、第１のステージング導管と第２のステージング導管との間で選択的に導くための弁を備える、態様１〜４のいずれか１つに記載の酸素燃料バーナ。

態様６．弁が、第２の反応物の二次流を、第１のステージング導管に導くか、または第２のステージング導管に導くか、または第１のステージング導管と第２のステージング導管との組み合わせに同時に導くように構成された三方弁である、態様５に記載の酸素燃料バーナ。

態様７．第１の反応物が燃料であり、第２の反応物が酸素である、態様１〜６のいずれか１つに記載の酸素燃料バーナ。

態様８．第１の反応物が酸素であり、第２の反応物が燃料である、態様１〜６のいずれか１つに記載の酸素燃料バーナ。

態様９．内部でバーナが点火している炉内の状態を検知するための装置をさらに備え、装置が、第２の機構を作動させて、検知された状態に応じて、第２の反応物の二次流を、第１のステージング導管に導くか、または第２のステージング導管に導くか、または第１のステージング導管と第２のステージング導管との組み合わせに同時に導くように構成されている、態様１〜８のいずれか１つに記載の酸素燃料バーナ。

態様１０．内部に中央バーナエレメントが排気する中央通路と、それぞれ、内部に第１のステージングノズルおよび第２のステージングノズルが排気する第１のステージング通路および第２のステージング通路とを有するバーナブロックをさらに備える、態様１〜９のいずれか１つに記載の酸素燃料バーナ。

態様１１．環状ノズル内に位置付けられた渦発生体であって、環状壁の近位の渦発生体の一方の側に内側ノズルを形成し、環状壁の遠位の渦発生体の他方の側に外側ノズルを形成し、内側ノズルが、外側ノズルより小さい断面積を有する、渦発生体をさらに備える、態様１〜１０のいずれか１つに記載の酸素燃料バーナ。

態様１２．内側ノズルが、外側ノズル断面積の１０％以下の非ゼロの断面積を有する、態様１１に記載の酸素燃料バーナ。

態様１３．高さを有する渦発生体であって、中央導管の中心軸上に、かつ渦発生体の高さの２〜２０倍の軸方向距離で中央ノズルの上流に位置付けられる、渦発生体をさらに備える、態様１１に記載の酸素燃料バーナ。

態様１４．中央導管の中心軸に沿って、渦発生体の下流に位置付けられ、渦発生体の高さの１〜１０倍の長さを有する、スプリッタ板をさらに備える、態様１３に記載の酸素燃料バーナ。

態様１５．ガラス浴を包含し、溶融領域および精製領域を備える酸素燃料ガラス炉を動作させる方法であって、態様１〜１４のうちのいずれか１つに記載の第１の複数の酸素燃料バーナが、溶融領域内に燃焼されるように位置付けられ、態様１〜１４のうちのいずれか１つに記載の第２の複数の酸素燃料バーナが、精製領域内に燃焼されるように位置付けられ、バーナ毎に、第１のステージング導管が、中央バーナエレメントとガラス浴との間に位置付けられ、第２のステージング導管が、中央バーナエレメントと炉の蓋との間に位置付けられ、方法が、燃料を第１の反応物として、および酸素を第２の反応物として流すことと、第１の複数の酸素燃料バーナを動作させて、ガラス浴の近傍に高酸素濃度（酸化）雰囲気を作り出すことと、第２の複数の酸素燃料バーナを動作させて、ガラス浴の近傍に高燃料濃度（還元）雰囲気を作り出すことと、を含む。

態様１６．酸化雰囲気が、第１の複数の酸素燃料バーナ内の二次酸素流の少なくとも５０％を、第１のステージング導管に分配することによって作り出され、還元雰囲気が、二次酸素流の少なくとも７０％を、第２のステージング導管に分配することによって作り出される、態様１５に記載の方法。

態様１７．酸化雰囲気が、１より大きいストイキ比を備える燃料希薄の第１の複数の酸素燃料バーナを動作させることによって作り出され、還元雰囲気が、１より大きいストイキ比を備える高濃度燃料の第２の複数の酸素燃料バーナを動作させることによって作り出され、バーナのストイキ比が、ゼロ超の酸素を備える理論上は完全なストイキ燃料に必要とされる酸素と燃料流との比で除算された、バーナを通過する酸素と燃料流との比として定義される、態様１５に記載の方法。

態様１８．ガラス表面の状態、炉温度プロファイル、炉出口ガス温度、および炉ガス出口組成を示すパラメータの群から選択された少なくとも１つの炉パラメータを測定することと、酸素燃料バーナのうちの少なくとも１つについて、少なくとも１つの測定された炉パラメータに基づいて、燃焼量、酸素／燃料比、および二次酸素流の分布のうちの１つ以上を制御することと、をさらに含む、態様１５〜１７のいずれか１つに記載の方法。

態様１９．測定されたパラメータが、ガラス表面発泡を示す場合、第１の複数の酸素燃料バーナにおけるバーナのうちの少なくとも１つを、ガラス浴の近傍に酸化雰囲気を作り出すことから、ガラス浴の近傍に還元雰囲気を作り出すことに切り換えさせることをさらに含む、態様１８に記載の方法。

図１は、二段式酸素燃料バーナの側断面概略図である。

図２は、図１におけるバーナのためのバーナブロックの前端斜視図である。

図３は、火炎の下でのステージング（下方でのステージングされた）または溶融モードで動作する、図１における二段式酸素燃料バーナの側断面概略図である。

図４は、上方での火炎ステージング（上方でのステージングされた）または発泡制御モードで動作する、図１における二段式酸素燃料バーナの側断面概略図である。

図５は、下方および上方での火炎ステージング（下方でのおよび上方でのステージングされた）または混合型または分離型で動作する、図１における二段式酸素燃料バーナの側断面概略図である。

図６は、燃料が第１の反応物であり、酸素が第２の反応物であり、二次またはステージング酸素が、燃料および一次酸素ポートの下方に導入される溶融モードで、ガラス炉内で動作する、図１および３におけるバーナの側断面概略図である。

図７は、燃料が第１の反応物であり、酸素が第２の反応物であり、二次またはステージング酸素が、燃料および一次酸素ポートの上方に導入される発泡制御モードで、ガラス炉内で動作する、図１および４におけるバーナの側断面概略図である。

図８Ａは、図１におけるバーナの中央ポートの側断面概略図であり、図８Ｂはその前端概略図であり、燃料ノズルを取り囲む一次酸素ノズルの詳細を図示し、特に酸素ブリードスリットによって酸素ノズルと燃料ノズルとの間の壁から分離された一次酸素ストリーム内の渦発生対を示す。 図８Ａは、図１におけるバーナの中央ポートの側断面概略図であり、図８Ｂはその前端概略図であり、燃料ノズルを取り囲む一次酸素ノズルの詳細を図示し、特に酸素ブリードスリットによって酸素ノズルと燃料ノズルとの間の壁から分離された一次酸素ストリーム内の渦発生対を示す。

図９は、図８Ａおよび８Ｂにおける中央ポートの側断面概略図であり、横方向の管状流れディバイダと、管状の流れディバイダの下流に、それからわずかに離れて間隔を置かれた軸方向のセパレータプレートとの組み合わせを示している。

図１０は、図６における動作モードの側断面図であり、図９の流れディバイダおよびセパレータと、図８Ａおよび８Ｂの渦発生体との流れの効果を示している。

図１１は、図７における動作モードの側断面図であり、図９の流れディバイダおよびセパレータと、図８Ａおよび８Ｂの渦発生体との流れの効果を示している。

図１２Ａ〜１２Ｃは、図３（溶融モード−図１２Ａ）、図４（発泡制御モード−図１２Ｂ）、および図５（混合型モード−図１２Ｃ）の動作モードで得られた火炎を比較する、写真による端面図である。 図１２Ａ〜１２Ｃは、図３（溶融モード−図１２Ａ）、図４（発泡制御モード−図１２Ｂ）、および図５（混合型モード−図１２Ｃ）の動作モードで得られた火炎を比較する、写真による端面図である。 図１２Ａ〜１２Ｃは、図３（溶融モード−図１２Ａ）、図４（発泡制御モード−図１２Ｂ）、および図５（混合型モード−図１２Ｃ）の動作モードで得られた火炎を比較する、写真による端面図である。

図１３Ａおよび１３Ｂは、従来の直線ノズル（図１３Ａ）を有する、上方でのステージングモードで動作する二段階にステージングされた酸素燃料バーナの火炎と、図８および９における渦発生体および酸素ブリードスリットを有するノズル（図１３Ｂ）の火炎との間の、写真による端面図の比較である。 図１３Ａおよび１３Ｂは、従来の直線ノズル（図１３Ａ）を有する、上方でのステージングモードで動作する二段階にステージングされた酸素燃料バーナの火炎と、図８および９における渦発生体および酸素ブリードスリットを有するノズル（図１３Ｂ）の火炎との間の、写真による端面図の比較である。

図１４は、火炎拡散角度αによって画定された火炎拡散率を示す、二段階にステージングされたバーナの概略側断面図である。

図１５は、酸素ノズル渦発生体なし（図１３Ａの写真に描写されたバージョン）と、酸素ノズル渦発生体あり（の写真に描写されたバージョン図１３Ｂ）のノズルの火炎拡散率を比較したデータを示すグラフである。

図１６は、炉の領域に応じて異なるモードで動作させた、図１における複数のバーナを用いるガラス炉の平面概略図である。

図１７は、図１における複数のバーナを用いるガラス炉の平面概略図であり、センサデータまたは検知された状態、例えば発泡に基づいて、特にデジタルカメラまたは他のタイプのセンサによって得られたリアルタイムの光学温度測定または温度マッピングデータに基づいて、各バーナの動作モードを調整するコントローラを示している。

図１８は、炉の領域に応じて異なるモードで動作させた、図１における複数のバーナを用いるガラス炉の平面概略図である。

図１９は、‘１８９特許における先行技術のバーナについての（円形点、上部破線）、および本明細書で説明された二段式バーナについての（十字点、下部実線）、特定の燃料使用に対する加熱値を比較したグラフであり、本発明のバーナの加熱値の広い範囲にわたる３．２％の特定の燃料消費の低減を示している。

図２０は、‘１８９特許における先行技術のバーナについての（左に向かう円形点）、および本明細書で説明された二段式バーナについての（右に向かう十字点）ブリスタ数（ガラス欠陥の表示）を比較するグラフであり、本発明のバーナによる４３％のブリスタ低減を示している。

図２１は、‘１８９特許における先行技術のバーナについての（左に向かう円形点）、および本明細書で説明された二段式バーナについての（右に向かう十字点）ブリスタ数（ガラス欠陥の表示）を比較するグラフであり、本発明のバーナによる３８％のブリスタ低減を示している。

図２２は、‘１８９特許における先行技術のバーナついての（円形点、上部破線）に、および本明細書で説明された二段式バーナについての（十字点、下部実線）、相対的ＮＯｘ（先行技術のバーナに対して１まで標準化された）を比較したグラフであり、発明のバーナの加熱値の範囲を超える、相対的なＮＯｘの４０％の低減を示している。

図２３Ａおよび２３Ｂは、ガラス炉の精製ゾーン内での二次発泡（図２３Ａ）と、本明細書で説明されたバーナの一実施形態の発泡低減モードの結果としての、同じ精製ゾーン内の鏡面（図２３Ｂ）とを示す、写真による比較である。 図２３Ａおよび２３Ｂは、ガラス炉の精製ゾーン内での二次発泡（図２３Ａ）と、本明細書で説明されたバーナの一実施形態の発泡低減モードの結果としての、同じ精製ゾーン内の鏡面（図２３Ｂ）とを示す、写真による比較である。

図２４Ａおよび２４Ｂは、ステージングされていない先行技術の酸素燃料バーナの火炎（図２４Ａ）と、下方でステージングされた火炎（図２４Ｂ）との間の写真による側面図の比較である。 図２４Ａおよび２４Ｂは、ステージングされていない先行技術の酸素燃料バーナの火炎（図２４Ａ）と、下方でステージングされた火炎（図２４Ｂ）との間の写真による側面図の比較である。

図２５は、図２におけるバーナブロックであるが、バーナブロックで行われることができるクラックを示す前端斜視図である。

図２６Ａおよび２６Ｂは、先行技術の下方でステージングされたバーナ（図２６Ａ）に対し、本明細書で説明されたバーナの一実施形態（図２６Ｂ）を示す写真による放射輝度の比較である。 図２６Ａおよび２６Ｂは、先行技術の下方でステージングされたバーナ（図２６Ａ）に対し、本明細書で説明されたバーナの一実施形態（図２６Ｂ）を示す写真による放射輝度の比較である。

本明細書で用いられる場合、用語「酸素」は、大気中のものよりも大きい（例えば、２０．９ｍｏｌ％より大きい）分子酸素（Ｏ_２）の濃度を有するオキシダントを意味し、いくつかの実施形態では、酸素は、少なくとも２３ｍｏｌ％のＯ_２、少なくとも３０ｍｏｌ％のＯ_２、少なくとも７０ｍｏｌ％のＯ_２、または少なくとも９０ｍｏｌ％のＯ_２を有する。

本明細書で用いられる場合、用語「酸素燃料バーナ」は、本明細書で定義されたような燃料および酸素を燃焼させるバーナを意味する。

本明細書で用いられる場合、用語「燃料」は、燃焼することが可能である任意の炭化水素混交物を含み、具体的には、気体燃料、液体燃料、および粉砕された固形燃料を含む。本明細書で提示されたすべてのデータは、天然ガスを燃料として用いることが取り上げられたが、当該結果は、概して他の燃料に、特に他の気体燃料に適用可能であると考えられる。

本明細書で用いられる場合、用語「ステージング」は、反応物の一部が、中を通して他の反応物が供給されているバーナエレメントから離間したノズルを通して供給されることを意味する。例えば、バーナエレメントについて論じると、酸素がステージングされると、このことは、燃料が、バーナ全体に提供される総酸素量未満の量の酸素とともにバーナエレメントを通して流され、酸素の残余は、別のノズルまたは二次ノズルを通して流されることを意味する。酸素が７５％でステージングされた場合、このことは、酸素の２５％が、（異なるノズルではあるが）燃料とともにバーナエレメントに提供され、酸素の７５％が、バーナエレメントから離間した別個のノズルによって提供されることを意味する。燃料および酸素の両方をステージングすることができる。ステージングは、バーナとステージングとの比の総ストイキメトリ全体を知ることによって、バーナエレメントにおける当量比と相関させることができる。

本明細書では、二段式酸素燃料バーナが説明される。当該バーナは、（ａ）低ＮＯｘ排出、および（ｂ）バーナ火炎の下方のガラス表面の近傍のガス雰囲気制御の２つの目的を達成する。低ＮＯｘ排出は、燃料および酸素を高度にステージングされた方法で、従来のバーナで達成可能であったものよりも高いステージング比で送り出すことによって得られる。典型的に、酸素はステージングされた反応物であり、燃料はステージングされていない反応物であるが、本明細書における設計は、酸素がステージングされていない反応物であり、燃料がステージング反応物であったとしても、同じようにうまく作用することが理解される。以下に続く説明では、場合によっては酸素がステージング反応物として論じられ、場合によっては説明はより包括的であるが、両方のケースにおいて、燃料または酸素のいずれかがステージング反応物であることができることが理解される。

ガスの発生と気泡形成との比に影響する主な要因は、清澄のために加えられる硫酸塩の量を含むバッチ組成物、ガラス表面温度、および炉ガス雰囲気を含む。二次発泡は、ガラス品質の主たる懸念であり、概して１４００℃〜１５００℃の間で行われ、放出された清澄ガスの体積と、それによる発泡の問題が、温度とともに増大する。

ガス雰囲気に関しては、ガラス表面の直上の還元環境は、発泡の問題を、発泡性の変更を通して緩和することができる。このことが行われる機構は、例えば一酸化炭素等の還元ガスを発泡と接触させることであり、これは、気泡の液体界面における表面張力勾配を低下させ、それによって、発泡を溶融物に戻して排出することを早めることを促進するように作用する。このことは、燃焼プロセスが発泡の課題を軽減することを助けることができる手段として、火炎の上方での酸素ステージングの使用、例えば、ガラス表面の近傍に高濃度燃料の火炎を作り出すことを示唆する。

図１は、第１の反応物入口２４および第２の反応物入口３４に加えて、バーナ１０の出口平面を画定するバーナ面１２を有するバーナ１０の断面概略図を示す。第１の反応物入口２４は、第１の反応物Ｒ１（典型的には大部分が燃料）を、バーナ高温面１２において中央ノズル２２内で終端する中央導管２０の中に供給する。中央ノズル２２は、円形であってもよく、または少なくともアスペクト比（最大寸法対最小寸法）２を有する非円形または幅が広いかもしくは平坦な火炎構成であってもよい。

第２の反応物入口３４は、中央導管２０を取り囲み、それと同軸上にある環状導管３０と、第２の反応物を一対のステージング導管５０および６０の一方または両方に送り出すステージング入口４２との間に第２の反応物Ｒ２を分配するプレナム４０の中に、第２の反応物Ｒ２（典型的には大部分が酸素）を供給する。環状導管３０は、バーナ高温面１２において環状ノズル３４内で終端する。併せて、中央導管２０および中央ノズル２２は、環状導管３０および環状ノズル３２とともに、中央バーナエレメント２８を形成する。

環状導管３０とステージング入口４２との間に分配される流量は、プレナム４０および環状導管３０の合流部に位置付けられた可変流量制限器３８によって制御される。

第１のステージング導管５０は、中央バーナエレメント２８の一側に平行でありかつそこから離間し、バーナ高温面１２において第１のステージングノズル５２内で終端する。第２のステージング導管６０は、中央バーナエレメント２８の反対側に平行でありかつそこから離間し、バーナ高温面１２において第２のステージングノズル６２内で終端する。ステージング入口４２の下流の三方弁４４は、第１のステージング導管５０と第２のステージング導管６０との間に、第２の反応物のステージング流を分配する。弁４４は、第２の反応物ステージング流のすべてが第１のステージング導管５０に導かれるように、もしくは第２の反応物ステージング流のすべてが第２のステージング導管６０に導かれるように、または第２の反応物ステージング流が、非ゼロ部分が第１のステージング導管５０に導かれ、非ゼロの残余が第２のステージング導管６０に導かれて分配されるように位置付けられ得る。

好ましい実施形態では、第１の反応物は燃料であり、第２の反応物（ステージングされている）は、酸素である。図３、４、および５には、本実施形態がさらに図示され、バーナ１０のさまざまな動作モードを示す。

図３は、溶融動作モードを示し、二次酸素は、燃料および一次酸素の下方でステージングされる（火炎の下方でのステージング）。二次酸素は、弁４４によって第２のステージング導管６０に導かれ、それによって、二次酸素のストリーム６６が、第２のステージングノズル６２の外に流れ出るようにされる。溶融モード中、図６および１０に示されるように、バーナ１０は、高温かつ高度に放射性の明るい下側部８６を有し、加えて、放射性の下側部８６の上方に、すすを含んだ、光学的に厚い高濃度燃料の一次上部火炎８８を有する火炎を発生させる。明るい下側部は、炉内のガラス９９に、ガラス表面に直行する遮るもののない放射進路によって、放射熱８４を伝達するのに効果的である。光学的に厚い一次上部火炎８８は、炉蓋を過熱から保護し、燃焼の熱を、ガラスに向かって主に下向きに導く。溶融モード中に発生したそのような火炎の写真による端面図が、図１２Ａに示される。

図４は、発泡制御動作モードを示し、二次酸素は、燃料および一次酸素の上方でステージングされる（火炎の上方でのステージング）。二次酸素は、弁４４によって第１のステージング導管６０に導かれ、それによって、二次酸素のストリーム５６が、第１のステージングノズル５２の外に流れ出るようにされる。発泡制御モード中、図７および１１に示されるように、バーナは、明るい上側部９０とともに、すすを含んだ、光学的に厚い高濃度燃料の一次下部火炎９２を有する火炎を発生させる。高濃度燃料の一次下部火炎９２は、火炎の下方の、ガラス９９のすぐ上方に還元雰囲気９４を作り出し、これは、ガラス表面上の発泡を不安定にし分解することを助ける。発泡は、ガラスに熱を伝導する火炎の能力を低減させるために望ましくなく、そのため、発泡制御モードを用いて、溶融モードと断続的に組み合わせて発泡を周期的に分解し、それによって、溶融モードがガラスの溶融および加熱において最も効果的になることを可能にすることができる。発泡制御モード中に発生したそのような火炎の写真による端面図が、図１２Ｂに示される。

図５は、混合または分割型動作モードを示し、二次酸素は、燃料および一次酸素の上方および下方の両方でステージングされる。混合または分割型動作モードは、高い火炎運動量と高い火炎明度との組み合わせが望ましいときに有利である。これは、例えば図１７および１８に図示されるように、バーナが炉の溶融領域内の排気煙道の近くに位置する場合に多々あるケースである。この領域内のバーナ火炎は、典型的には、煙道を通した炉に存在する燃焼ガスの近接した流れによって悪影響を受ける。高い運動量の火炎は、そのような環境で火炎の安定性を維持することを助ける。しかしながら、当業者においては、高い運動量火炎を達成する一方で、効率的なガラスの溶融に必要である高い火炎明度を同時に発生させることは非常に困難であることが理解されよう。これは、高い火炎運動量が、普通は、高度に明るい火炎を達成するための必要条件であるすすの発生、成長、および凝集のプロセスのための十分な滞留時間を提供しないためである。本発明は、これらの問題を克服し、混合または分割型モードで動作している間、酸素を炉内に放出するに従って酸素で火炎を両側で取り囲むことによって、高い運動量と高い明度との組み合わせを達成することが可能であり、これによって、燃料ジェットを、酸素ステージングが一方側のみで行われる場合よりもはるかに急速に燃焼させ加熱させる。さらに、火炎の両側でステージングされた酸素は、火炎が炉の内部で垂直に拡大することを抑制する。このとき、より急速な燃料ジェットの燃焼および加熱は、結果として主に前方軸方向の加速を増大させ、それ故に、火炎（軸方向）運動量が高くなる。このモードにおける火炎明度は、現場固有の動作制約によって許容されることができる程度に低い一次酸素で動作することから生じる。上方および下方での同時の酸素ステージングの組み合わせに加えて、低比率の一次酸素対燃料の流量は、有利には、すす発生、成長、および凝集のための十分な滞留時間を提供する一方で、高い火炎運動量もまた達成することが予期せず分かった。混合型モード動作中に得られた火炎が、図１２Ｃの端面図写真に示される。

使用中、バーナ１０は、ガラス炉内に、中央バーナエレメント２８とガラス浴との間に位置付けられた第１および第２のステージング導管５０および６０の一方と、中央バーナエレメント２８と炉の蓋との間に位置付けられた第１および第２のステージング導管５０および６０の他方とともに設置される。

本明細書で説明されたバーナ１０の設計の結果として、バーナは、バーナノズルに損傷を生じさせることなく化学量論的に実際的である限り、中央バーナエレメント２８における、中央ノズル２２内の第１の反応物（例えば、燃料）に対する環状ノズル３２内の第２の反応物（例えば、酸素）の比で動作する。例えば、燃料が第１の反応物であり、酸素が第２の反応物である場合、バーナ１０に供給される燃料の全量が、中央ノズル２２を通して流される一方で、バーナに供給された非常に少ない割合の、好ましくは２０％未満、または１０％未満、または５％未満、または２％未満、または１％未満の酸素が環状ノズル３２を通して流され、残りは、第１および第２のステージングノズル５０および６０の一方または両方に向かう酸素である。これは、少なくとも８０％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９８％、または少なくとも９９％の好ましいステージング比にそれぞれ匹敵する。これらは、予め得ることができないステージングのレベルであり、中央および環状ノズルの構造によりもたらされる。

バーナ１０が、火炎の下方でのステージング（例えば、酸化雰囲気がガラス溶融の上方で作り出される溶融モード）で動作する場合、二次酸素の少なくとも５０％が、第１のステージングノズル５０を通して流され、一方で残りは、環状ノズル３２を通して流される。いくつかの実施形態では、酸素の少なくとも７５％、または少なくとも９０％が、第１のステージングノズルを通して流される。

バーナ１０が、火炎の上方でのステージング（例えば、還元雰囲気がガラス溶融の上方で作り出される発泡還元モード）で動作する場合、二次酸素の少なくとも７０％が、第２のステージングノズル６０を通して流され、残りは環状ノズル３２を通して流される。いくつかの実施形態では、酸素の少なくとも８０％、または少なくとも９０％が、第２のステージングノズル６０を通して流される。

環状導管３０内の第２の反応物がゼロである状態で動作することは望ましくないが、それはこのことが、環状導管３０内に、バーナ１０の完全性を急速に害する高温で腐食性の炉内ガスを引き込む空隙または真空を作り出すためであることが理解されるべきである。また、環状の第２の反応物流３６を単に取り除くことは望ましくないが、それは、環帯３０の中のこの流れが、中央導管２０内の第１の反応物と第１および第２のステージング導管５０および６０の両方の中の第２の反応物との間に緩衝を作り出すため、図２５のように、隣接するブロック通路間のバーナブロックに亀裂５９９が起きると、燃料および酸素の制御不可能なクロスミキシングの可能性がないためである。

実際に、中央バーナエレメント２８に一定の構造的要素を付加することは、（図８および９を参照して以下に述べるように）環帯に必要な二次反応物の量を最小限にするため、二次反応物の総流量のおよそ１％程度まで低い可能性があることが分かっている。これは、最大で９９％の二次反応物の残余物が、第１のステージング導管５０または第２のステージング導管６０のいずれかを通してステージングされる（または、場合によっては両方のステージング導管の間で分配される）ことを意味する。これを、二次反応物（酸素）の最大７０％でステージングされることが可能であった従前の世代のステージングされたバーナ（米国特許第７，３９０，１８９号参照、その全体は参照により本明細書に組み入れられる）と比較すると、本発明におけるピーク一次燃料に対する環状酸素の比は、名目上は、従前の世代のバーナで達成されることができるよりも、３０倍大きい（例えば、従前の世代のバーナにおける燃料１００％：酸素３０％と比較して、本発明では燃料１００％：酸素１％）。また、図８および９に関するノズル設計を用いた内部ノズルステージングによって、さらなるＮＯｘ還元が達成される。

還元ＮＯｘに加えて、非常に大量のステージングをもって、一次火炎を化学量論から大きく外れて発生させるバーナの能力は、ガラス表面の近傍のガス雰囲気を制御するための能力を著しく向上させる。しかし、プロセスの状況に応じて、選択的に酸化または還元のいずれかにするために、ガラス表面近傍の雰囲気を制御することを可能にすることは、バーナの動作を都合よく切り替えて、バーナを切り替えることなく、かつ著しいタイムラグなしに、要望に応じてガラスの近傍に還元雰囲気または酸化雰囲気を生成するための能力を必要とする。このことは、上述の三方ステージング分配弁４４によって達成され、これは、本発明のバーナの二次反応プレナム４０内に位置付けられ、プレナム４０からの二次反応物の流れのうちのステージングされた部分を、第１のステージング導管５０または第２のステージング導管６０のいずれかに（もしくは、割り当てによっては両方に）進路を変えるように機能する。そして、前述のように、バーナ１０は、例えば、中央バーナエレメント２８の下方に（例えば、ガラス浴に向かって）位置付けられた第１のステージング導管５０と、中央バーナ２８の上方に（例えば、炉蓋に向かって）位置付けられた第２のステージング導管６０とともに、炉内に装着される。

好ましくは、バーナ１０は、図２の端面図に描画されるように、バーナ１０を炉から分離し、またバーナの中央一次流体導管および二次環状導管を、単一の中央バーナブロック通路１２８に統合するバーナブロック１００内に設置し、これによって、一次流体および二次環状流体が、火炎としてブロックから炉に放出されることが可能になる。

図１６に示されるように、複数のバーナ１０は、ガラス炉５００内に設置されてもよく、個々のバーナ１０は、それらの炉５００内での位置に応じて、各様に動作する。典型的なガラス炉は、供給端５１０および作用端５５０を有し、原ガラスのバッチ成分（固形）は、バッチフィーダ５１２によって供給端５１０に供給され、精製された溶融ガラスは、作用端５５０から除去される。炉５００は、２つのセクションまたは領域、すなわちバッチ端５１０の近くの、溶融ガラスと非溶融バッチ材料の固形塊との混合を特徴とする溶融領域５２０と、作用端の近くの、主に溶融ガラスを特徴とする精製領域５３０とを有するとして説明されることができる。側部５４０は、供給端５１０を作用端５５０に接続する。バーナ１０は、両側部５４０に沿って位置付けられ、溶融領域５２０内でバッチを溶融し、精製領域５３０内で溶融ガラスを精製するために用いられる。少なくとも１つの煙道５４２が、側部５４０のうちの一方に、および／または端５１０、５５０のうちの１つに位置付けられ、炉５００から燃焼生成物を除去する。

図１６の動作状況では、ガラス炉５００の溶融領域５２０内のバーナ１０は、図６および１０に示されるような火炎５２２を発生させ、溶融ゾーン５２０内のガラスバッチ材料に向かって送り出される放射エネルギを最小限にするように動作させることができる。このことは、一次火炎の下方で酸素をステージングすることによって達成される。この手法は、火炎の放射を溶融物に向かって下向きの方向に優先的にバイアスする。代替的に、または前述のものと組み合わせて、精製領域５３０内のバーナ１０は、図７および１１に示されるような火炎５３２を発生させ、ガラス表面の近傍に還元雰囲気を作り出すように動作させることができる。このことは、一次火炎の上方で酸素をステージングすることによって達成される。この手法は、表面張力に突然の変化を与え、それによって、溶融物に向かって急速に排水し戻させることによって、表面発泡の安定性を阻害することができる。また、還元雰囲気は、溶融物に対する熱放射を妨害し、そして表面温度を低くし、ひいては発泡を発生させる清澄ガス、例えば二酸化硫黄の発生率を低くするすすを誘発する。

発泡は、以下の理由から、ガラス炉の動作にとって有害であるので、状況に応じて、動作中または炉の一定の部分において何度も発泡を選択的に低減することが可能であることによる著しい動作上およびガラスの品質上のメリットがあり得ることに留意されたい。第１に、発泡は、炉の燃焼空間とガラス溶融物との間の熱伝導を極めて制限する。このことは、より高いガラスの表面および最上部の温度をより高くする一方で、ガラス浴の溶融相における自然対流によって駆動されたガラスの二次流を減衰させることにつながる。これらの二次流は、ガラス不純物を高い度合いで取り除くことを達成するために、炉内のガラスに必要な滞留時間を提供するために不可欠である。第２に、発泡は、炉耐火物に対する腐食性が非常に高く、耐火材料の耐火物のガラス相への崩壊および剥離を加速させることにつながり、ガラスの欠陥につながる可能性がある。

図１７は、図１６に関して上述された方法と比較した、炉の動作の代替の方法を描画する。上方の火炎でステージングされたバーナ（例えば、ガラス浴の近傍に、例えば精製領域内に、還元雰囲気を作り出す）と、火炎の下でのステージングされたバーナ（例えば、ガラス浴の近傍に、例えば溶融領域内に、酸化雰囲気および放射火炎を作り出す）との分配を予め判定することに代えて、本方法は、１つ以上の炉センサ５６０を利用して、炉内で検知された状態、例えば発泡の有無を検出し、および／または高温または低温の領域を検出し、その後、それに従ってコントローラ５６２が、個々のバーナ１０の動作状態を調整する。発泡の有無は、いくつかのタイプのセンサのいずれかによって検出されることができ、熱電対、赤外線温度計、赤外線撮像カメラ、およびビデオカメラを含むがこれらに限定されない。このことは、本発明のバーナ１０によって特に有利となるが、それは、三方切替弁４４が、例えば電気式または空気式手段によって容易に遠隔的に作動させ、ステージングされた第２の反応物の流れを、ステージングノズルのいずれかにむかって急速に方向転換することができるためである。

別の実施形態では、図１８は、ＮＯｘ排出を最小限にするために最適な炉構成を描画する。炉５１０の下流または精製領域５３０におけるＮＯｘの形成は、バーナ１０をその領域内で副化学量論的に（高濃度燃料）動作させて、高濃度燃料の火炎５３４を発生させ、一方でバーナ１０を上流または溶融領域５２０、典型的な酸素燃料ガラス炉５００の煙道５４２の近く）で超化学量論的に（燃料希薄）動作させて、燃料希薄の火炎５２４を発生させることによって、最小限にされる。本構成では、燃料希薄バーナ火炎５２４の上流からの過剰な酸素が、高濃度燃料の火炎５３４の下流からの部分的燃焼の高濃度燃料の生成物と混合して、煙道５４３を介して炉の燃焼空間を去る前に、高濃度燃料の生成物の燃焼を完了する。炉５００内のバーナ１０全ストイキメトは、本明細書では、理論上はゼロ過剰の酸素による完全燃焼に要する比率で除算された、炉に進入する総酸素分子に対する総燃料分子の比として定義され、必ずしも１である必要はないが、炉ストイキメトリ全体が、燃料希薄の上流のバーナまたは高濃度燃料の下流のバーナのいずれかと比して１に近い。

個々のバーナを、いくつかを高濃度燃料、いくつかを燃料希薄の非化学量論状態で動作させることによって、ＮＯｘ排出は、サーマルＮＯｘの形成を制限する（これが、最も遅いＮＯｘ形成メカニズムである）ことによって低減される。遊離酸素は、サーマルＮＯｘ形成反応を推進させるために必要とされる。したがって、最大滞留時間を有するガス（例えば、煙道から最も離れた炉の下流端におけるもの）が、最小限の遊離酸素を有することを確実にすることによって、サーマルＮＯｘ形成が低減される。また、いったん煙道に近接した炉の領域内で下流燃料の残りと酸素とが反応すると、当該反応は、炉の排気によって実質的に薄められ、その結果、さもなければバーナでの反応を通して発生していたであろうものよりも低い温度で行われる。このより低い温度は、サーマルＮＯｘ形成率をさらに低減させる。当該炉構成は、発泡の低減の観点からもさらに有利であるが、それは、高濃度燃料領域が、精製領域またはゾーンと一致し、これが本発明のバーナ１０の発泡を低減する活動をさらに補強するためである。

バーナ１０の動作は、図８および９に示されるように、特定のエレメントをバーナエレメント２８のノズルに組み込むことによって向上され得る。これらのエレメントは、上述の一次火炎の非化学量論的動作を極めて容易にする。

第１に、図８Ａおよび８Ｂに示されるように、渦発生体７０が、環状の第２の反応物ノズル３２内に位置付けられ、第２の反応物（例えば、酸素）の流れの２つのストリーム、内側ノズルまたは間隙７４を通した内側ストリームと、外側ノズルまたは間隙７２を通した外側ストリームとを作り出す。内側間隙７４は、外側間隙７２と比較してかなり小さい。一実施形態では、内側間隙７４は、外側間隙７２の断面積の１０％未満である断面積を有する。好ましくは、渦発生体７０は、内側間隙７４が渦発生体７０の底部にスリットとして形成されるように、中央導管２０の外側に取り付けられる。第２の反応物の小さなスリップストリームは、内側間隙７４を通って流れ、バーナ１０の放出面１２で第１の反応物（例えば、燃料）と混合する。放出面１２では、第２の反応物の小さなスリップストリームは、中央ノズル２２から放出された第１の反応物と混合して点火し、（第１の反応物の）ストリームを放出する中央ノズルの境界で火炎シートまたは火炎ジェットを作り出す。

当業者においては、無反応のジェットとは異なり、反応性のジェット火炎のケースでは、周囲のガスのジェット内へのエントレインメント率を著しく低減させることが既知である。我々は、上記の内側間隙７４および外側間隙７２を有する渦発生体７０のケースでは、本システムによって生成された火炎のエントレインメント率は、前記の渦発生体なしに生成されたものよりも小さいことをさらに発見した。エントレインメント率を測定することは実験的には非常に困難であるが、固定ノズル放射流量の中央ジェットについては、エントレインメント率がジェットの拡散率に直接関係することが既知である。

図１４は、拡散角度αによって測定された、二段式バーナ１０の中央バーナブロック通路１２８から出てくる火炎シート１８０の火炎拡散率の定量化（一次火炎の境界を指す）を示し、これによって、火炎拡散率は、角度αの正接を特徴とすることができるようにされる。

図１５は、２つのノズルで生成された火炎からの火炎拡散率データを比較する。グラフ上の下側の実線（十字型のデータ点）は、ノズルを有し、図８Ａおよび８Ｂに示された特徴を備える、例えば、本明細書で説明された渦発生体７０、内側間隙７４、および外側間隙７２を備えるバーナの火炎拡散率を描画する。上側の破線（矩形のデータ点）は、同じ基本的なノズルを有するが、渦発生体および間隙がないバーナの火炎拡散率を描画する。図１５の垂直軸は、相対的な火炎拡散率（無次元ｔａｎ（α））であり、一方水平軸は、一次火炎ストイキ比、例えば、一次バーナノズルを通って流れる中央の第１の反応物（燃料または天然ガス）と環状の第２の反応物（酸素）とに基づくストイキ比を指す。渦発生体および間隙を有するノズルによって発生する火炎拡散率の程度は、渦発生体および間隙のない同じノズルによって発生する火炎拡散率よりも著しく低いことに留意されたい。また、２つの火炎拡散率の間の差は、一次火炎ストイキ比が低くなるに従って（例えば、割合ステージング酸素が増大するに従って）増加する。このことは、先に述べたように、ステージングする酸素の割合が増大するに従って、本発明のバーナのメリットが増大するため、とくに著しい。

図１３Ａおよび１３Ｂは、本明細書で説明されたような、図８Ａおよび８Ｂに示されたノズルの特徴を有し、および有していないバーナの比較を示し、特に、より高い、およびより低いエントレインメント率をそれぞれ有する火炎の相対的な拡散率を図示する。図１３Ａの写真では、まっすぐなノズルが使用され、結果として得られる火炎は、比較的急速に垂直方向に拡散し、著しい量の炉ガスを移動させる。比較すると、図１３Ｂの写真では、図８Ａおよび８Ｂの特徴を組み込んでいるノズルが使用され、結果として得られる火炎は、比較的ゆっくりと垂直方向に拡散し、より少ない量の炉ガスを移動させる。

何らかの理論に縛られることは望まないが、発生体および間隙を有するバーナノズルによって得られた低減された火炎拡散率は、２つの要因から導き出すことが考えられる。１つは、一次流体（天然ガス）と混合するために内側間隙７４を通して入れられた少量の二次環状流体、このケースでは酸素である。この混合は、ノズル先端部に留められる比較的冷たく弱い火炎を作り出す。火炎をノズル先端部に留めることによって、渦度の成長を妨げ、ひいては燃料と酸素ストリームとの間のせん断層内部での放射混合率を低減させる火炎反応の存在を確実にする。また、火炎の比較的弱く冷たい性質は、反応率の初期率が低減され、したがって、初期の燃焼に誘発された火炎シートの体積膨張が最小限にされることを意味する。第２の要因は、渦発生体７０が、内側間隙７４を通って流れる燃料と酸素との最初の接点と、外側間隙７２を通して渦発生体の周囲に流れる残りの環状の酸素との間の物理的な分離を作り出すことである。この酸素と燃料との混合のさらなる遅延は、火炎シートの低い初期体積膨張率を引き延ばす。

好ましくは、渦発生体７０は、図９に描画されるように、一次反応物中央ノズル２２の高さ（Ｈ）の５０％〜１５０％である高さ（ｈ）を有する。加えて、図９に示されるように、渦発生体８０はまた、ノズル２２の上流の第１の反応物中央導管２０内に位置付けられ得る。渦発生体８０は、好ましくは、中央導管の断面積の２５％〜７５％を占めるような横寸法（ｄ）と、横寸法（ｄ）の２〜２０倍の間である、バーナ放出面１２からの凹部長さＬとを有する。渦発生体８０の流体力学的効果は、中央導管２０内の一次反応物を、２つの外側の高速ストリームと、軸方向の低速のコアまたは後流とに分離することである。この分離の最も重要な利点は、火炎ジェットが炉内に向かって出てくると、一次反応物の、ステージングされた二次反応物の流れからの隔離が、この分離なしにそうなるであろうものを超えて増大されることである。例えば、酸素（第２の反応物として）が、火炎の上方でステージングされた場合、中央ノズルの下部を流れる燃料の高速部分（第１の反応物として）は、上方でステージングされた酸素との混合から、より実質的に緩衝される。逆に、酸素が、火炎の下方でステージングされた場合、中央ノズルの上部を流れる燃料の高速部分は、下方でステージングされた酸素との混合から、より実質的に緩衝される。これらのシナリオが、図１０および１１に図示される。

しかしながら、一次反応物導管２０内に位置付けられた渦発生体８０は、その後に渦流の離脱を作り出す傾向がある場合がある。これらの渦流は、バーナ放出面１２の近くの第１および第２の反応物間の混合率を実質的に増大させることができ、より急速な燃焼およびより高いＮＯｘ排出につながる。この起こり得る影響を緩和するために、中央導管２０の中央線軸に沿って、渦発生体８０の下流に、後縁のスプリッタ板８２を付加してもよい。好ましくは、スプリッタ板８２は、渦発生体８０の下流側での圧力の均一化を考慮して、渦発生体８０からわずかに離れて間隔を置かれ、スプリッタ板は、好ましくは渦発生体８０の寸法（ｄ）と等しいかまたはそれより大きい長さ（ｘ）を有し、より好ましくは横寸法（ｄ）の１〜１０倍の間である長さ（ｘ）を有する。しかしながら、スプリッタ板の後縁は、決してバーナ放出面１２を超えて延びてはならない。

中央導管２０の中央線に沿って渦発生体８０に加えてスプリッタ板８２を置くことの実際の効果が、図１３Ａおよび１３Ｂに提示され、これらはそれぞれ、渦発生体８０に加えてスプリッタ板８２を組み合わせた火炎と、そうでない火炎とを撮像した写真画像である。中央導管の流れの断面積の５０％を占める渦発生体は、１４と等しい凹部寸法ｄ／Ｌと、５と等しい長さ寸法ｘ／ｄを有するスプリッタ板とを有する。当該写真は、火炎軸に沿った火炎の下流から撮像され、バーナ酸素の名目上９０％が、上部ステージングプレナム５６を通して（残りは環状導管３６を通して）導入された。火炎の下方の不透明な領域は、無数のすすを表し、二次発泡の消散に有効な下方での火炎還元ゾーンのサイズの尺度である。これらの写真の比較から、すすで充填された還元領域のサイズが、渦発生体８０に加えてスプリッタ板８２を有するノズルのケースよりも大きいことが明白である。

本明細書で説明されたように、二段式酸素燃料バーナは、下方でのステージング（一次火炎の下方の二次酸素）または上方でのステージング（一次火炎の上方の第２の酸素）のいずれかを選択するオプションを可能にし、より高い溶融効率およびより低いＮＯ_ｘ排出のための酸素ステージングのメリットに加えて、発泡を低減させるための能力を提供する。本件でクレームされたバーナは、ユーザが、酸素ステージングの規模および位置の両方を制御することを可能にする。上記のように、バーナは、バーナ燃料および酸素ノズルを収容する一次ポート、ステージングされた酸素を導入するための上部および下部酸素ポートの３つの流路と、３つの流路間での酸素の方向および流量を制御するための２つの弁とを具備する。

酸素の（下方での）ステージングが、入ってくる酸素の７０％に制限される先行技術の‘１８９特許のバーナと比較すると、本件でクレームされたバーナは、９５％以上の酸素ステージングで安全に動作することが可能である。先行技術の‘１８９特許バーナが本件でクレームされたバーナに交換された１つの容器ガラス炉における試験結果では、特有のエネルギ消費、ガラス欠陥、およびＮＯｘ排出は、すべて低減された。具体的には、図１９に示されるように、特有のエネルギ消費は、３％まで低下した。そして、シードおよびブリスタの形の欠陥は、約４０％まで（図２０および２１示されるように、それぞれ４３％を下回るシードおよび３８％を下回るブリスタ）まで低下した。加えて、ＮＯｘ排出は、４０％まで低減された（図２２参照）。理論に縛られることなく、これらの有益な効果は、先行技術のバーナにおいて予め達成可能なものを超えてステージング比を増大させる能力と、溶融動作中に発泡を解体する能力との両方によるものであると考えられる。すなわち、より低いＮＯ_ｘ排出が、本発明の設計によって可能にされたより高い割合でステージングされた酸素によるものであり、一方で欠陥の低減が、結果として二次発泡を取り除くことになる清澄領域内での上方でステージングされた酸素の使用に起因したことによると思われる（図２３Ａおよび２３Ｂ参照；本件でクレームされたバーナによる鏡面の外観に注目）。低減された燃料消費に関しては、このことは、上述された要因の両方によって可能とされた。

精製領域内の発泡の低減は、欠陥を低減させるだけでなく、ガラスに対する熱伝導の抵抗を低くし、それによって、より高い燃料効率に寄与することが明らかである。さらに、バッチ溶融領域内のバーナに適用されると、下方でのステージングが増える結果として、先行技術の‘１８９のバーナのものに比して、本件でクレームされたバーナ火炎の明度が増大する。例えば、図２４Ａおよび２４Ｂを参照すると、２つのバーナについて、火炎の明るさと胸壁との間の対比における変動に気づく。すなわち、図２４Ｂにおける火炎の下方での酸素ステージングによる本発明の火炎は、図２４Ａにおけるステージングなしの本発明の火炎よりはるかに明るい（撮像したカメラは、全体的な明るさを自動補正するため、これは、図２４Ｂにおける非常に目立つ火炎を、図２４Ａにおける高温な炉壁の背景にほぼ溶け込んでいる火炎と比較した対比であることに留意されたい）。このことは、炉の当該領域内のガラスに対する放射熱伝導の割合を増大させる。

本発明は、本発明のいくつかの態様の例証として意図された例に開示された特定の態様
または実施形態によって、その範囲が限定されず、機能的に同等である任意の実施形態が
、本発明の範囲内にある。当業者においては、本明細書に示され説明されたものに加え、
本発明のさまざまな変更が明らかとなり、添付の請求項の範囲内に含まれることが意図さ
れる。
本開示は以下の態様も包含する。
［１］ 酸素燃料バーナであって、
中央バーナエレメントであって、
中心軸を有し、中央ノズル内で終端する中央導管と、
前記中央導管を取り囲み、それと同軸上にある環状ノズル内で終端する環状
導管であって、前記環状導管および前記中央導管が、環状壁によって分離される、
環状導管と、を備え、
前記中央導管が、第１の反応物を流すように配置され、前記環状導管が、第
２の反応物を流すように配置される、中央バーナエレメントと、
前記中央バーナエレメントの一方の側から離間し、第１のステージングノズル内で終端する、第１のステージング導管と、
前記中央バーナエレメントの他方の側から離間し、第２のステージングノズル内で終端する、第２のステージング導管と、
前記第２の反応物の流れを、前記環状導管に導かれる前記第２の反応物の非ゼロの一次流と、前記第２の反応物の非ゼロの二次流とに分配するように配置された第１の機構と、
前記第２の反応物の前記二次流を、前記第１のステージング導管と前記第２のステージング導管との間で選択的に分配するように配置された第２の機構と、を備え、
前記第１の反応物および前記第２の反応物のうちの一方が、燃料であり、前記第１の反応物および前記第２の反応物のうちの他方が、酸素である、酸素燃料バーナ。
［２］ 前記中央ノズルおよび前記環状ノズルが、２以上のアスペクト比を有する非円形形状を各々有し、前記アスペクト比が、最大開口寸法の最小開口寸法に対する比である、上記態様１に記載の酸素燃料バーナ。
［３］ 前記ステージング導管が、２以上のアスペクト比を有する非円形形状を各々有し、前記アスペクト比が、最大開口寸法の最小開口寸法に対する比であり、前記中央ノズルの最大開口寸法を画定する軸と、前記ステージング導管の各々のそれぞれの最大開口寸法を画定する軸が、互いに略平行である、上記態様２に記載の酸素燃料バーナ。
［４］ 前記第１の機構が、前記環状導管に対する前記第２の反応物の前記一次流を調整するための可変流れ絞りを備え、それによって、前記第２の機構に対する前記第２の反応物の前記二次流を、補完的な方法で間接的に調整する、上記態様１〜３のいずれかに記載の酸素燃料バーナ。
［５］ 前記第２の機構が、前記第２の反応物の流れを、前記第１のステージング導管と前記第２のステージング導管との間で選択的に導くための弁を備える、上記態様１〜４のいずれかに記載の酸素燃料バーナ。
［６］ 前記弁が、前記第２の反応物の前記二次流を、前記第１のステージング導管に導くか、または前記第２のステージング導管に導くか、または前記第１のステージング導管と前記第２のステージング導管との組み合わせに同時に導くように構成された三方弁である、上記態様５に記載の酸素燃料バーナ。
［７］ 内部で前記バーナが点火している炉内の状態を検知するための装置をさらに備え、前記装置が、前記第２の機構を作動させて、前記検知された状態に応じて、前記第２の反応物の前記二次流を、前記第１のステージング導管に導くか、または前記第２のステージング導管に導くか、または前記第１のステージング導管と前記第２のステージング導管との組み合わせに同時に導くように構成されている、上記態様１〜６のいずれかに記載の酸素燃料バーナ。
［８］ 内部に前記中央バーナエレメントが排気する中央通路と、それぞれ、内部に前記第１のステージングノズルおよび前記第２のステージングノズルが排気する第１のステージング通路および第２のステージング通路とを有するバーナブロックをさらに備える、上記態様１〜７のいずれかに記載の酸素燃料バーナ。
［９］ 前記環状ノズル内に位置付けられた渦発生体であって、前記環状壁の近位の前記渦発生体の一方の側に内側ノズルを形成し、前記環状壁の遠位の前記渦発生体の他方の側に外側ノズルを形成し、前記内側ノズルが、前記外側ノズルより小さい断面積を有する、渦発生体をさらに備える、上記態様１〜８のいずれかに記載の酸素燃料バーナ。
［１０］ 前記内側ノズルが、前記外側ノズルの断面積の１０％以下の非ゼロの断面積を有する、上記態様９に記載の酸素燃料バーナ。
［１１］ ある高さを有する渦発生体であって、前記中央導管の前記中心軸上に、かつ前記渦発生体の高さの２〜２０倍の軸方向距離で前記中央ノズルの上流に位置付けられる、渦発生体をさらに備える、上記態様９に記載の酸素燃料バーナ。
［１２］ 前記中央導管の前記中心軸に沿って、前記渦発生体の下流に位置付けられ、前記渦発生体の高さの１〜１０倍の長さを有する、スプリッタ板
をさらに備える、上記態様１１に記載の酸素燃料バーナ。
［１３］ ガラス浴を包含し、溶融領域および精製領域を備える酸素燃料ガラス炉を動作させる方法であって、上記態様１に記載の第１の複数の酸素燃料バーナが、前記溶融領域内で燃焼されるように位置付けられ、上記態様１に記載の第２の複数の酸素燃料バーナが、前記精製領域内で燃焼されるように位置付けられ、バーナ毎に、前記第１のステージング導管が、前記中央バーナエレメントと前記ガラス浴との間に位置付けられ、前記第２のステージング導管が、前記中央バーナエレメントと前記炉の蓋との間に位置付けられ、前記方法が、
燃料を前記第１の反応物として、および酸素を前記第２の反応物として流すことと、
前記第１の複数の酸素燃料バーナを動作させて、前記ガラス浴の近傍に高酸素濃度（酸化）雰囲気を作り出すことと、
前記第２の複数の酸素燃料バーナを動作させて、前記ガラス浴の近傍に高燃料濃度（還元）雰囲気を作り出すことと、
を含む、方法。
［１４］ 前記酸化雰囲気が、前記第１の複数の酸素燃料バーナ内の前記二次酸素流の少なくとも５０％を、前記第１のステージング導管に分配することによって作り出され、
前記還元雰囲気が、前記二次酸素流の少なくとも７０％を、前記第２のステージング導管に分配することによって作り出される、上記態様１３に記載の方法。
［１５］ 前記酸化雰囲気が、１より大きいストイキ比を備える燃料希薄の前記第１の複数の酸素燃料バーナを動作させることによって作り出され、
前記還元雰囲気が、１より大きいストイキ比を備える高濃度燃料の前記第２の複数の酸素燃料バーナを動作させることによって作り出され、
バーナのストイキ比が、ゼロ超の酸素を備える理論上は完全なストイキ燃料に必要とされる酸素と燃料流との比で除算された、前記バーナを通過する酸素と燃料流との比として定義される、上記態様１３に記載の方法。
［１６］ ガラス表面の状態、炉温度プロファイル、炉出口ガス温度、および炉ガス出口組成を示すパラメータの群から選択された少なくとも１つの炉パラメータを測定することと、
前記酸素燃料バーナのうちの少なくとも１つについて、前記少なくとも１つの測定された炉パラメータに基づいて、発火率、酸素／燃料比、および二次酸素流の分布のうちの１つ以上を制御することと、
をさらに含む、上記態様１３〜１５のいずれかに記載の方法。
［１７］ 前記測定されたパラメータが、ガラス表面発泡を示す場合、前記第１の複数の酸素燃料バーナにおける前記バーナのうちの少なくとも１つを、前記ガラス浴の近傍に酸化雰囲気を作り出すことから、前記ガラス浴の近傍に還元雰囲気を作り出すことに切り換えさせること
をさらに含む、上記態様１６に記載の方法。

Claims (17)

1. 酸素燃料バーナであって、
   中央バーナエレメントであって、
   中心軸を有し、中央ノズル内で終端する中央導管と、
   前記中央導管を取り囲み、それと同軸上にある環状ノズル内で終端する環状
   導管であって、前記環状導管および前記中央導管が、環状壁によって分離される、
   環状導管と、を備え、
   前記中央導管が、第１の反応物を流すように配置され、前記環状導管が、第
   ２の反応物を流すように配置される、中央バーナエレメントと、
   前記中央バーナエレメントの一方の側から離間し、第１のステージングノズル内で終端する、第１のステージング導管と、
   前記中央バーナエレメントの他方の側から離間し、第２のステージングノズル内で終端する、第２のステージング導管と、
   前記第２の反応物の流れを、前記環状導管に導かれる前記第２の反応物の非ゼロの一次流と、前記第２の反応物の非ゼロの二次流とに分配するように配置された第１の機構と、
   前記第２の反応物の前記二次流を、前記第１のステージング導管と前記第２のステージング導管との間で選択的に分配するように配置された第２の機構と、を備え、
   前記第１の反応物が、燃料であり、前記第２の反応物が、酸素であり、
   前記第１のステージング導管が前記中央バーナエレメントの下方に位置付けられ、前記第２のステージング導管が前記中央バーナエレメントの上方に位置付けられる、酸素燃料バーナ。
2. 前記中央ノズルおよび前記環状ノズルが、２以上のアスペクト比を有する非円形形状を各々有し、前記アスペクト比が、最大開口寸法の最小開口寸法に対する比である、請求項１に記載の酸素燃料バーナ。
3. 前記第１のステージング導管および前記第２のステージング導管が、２以上のアスペクト比を有する非円形形状を各々有し、前記アスペクト比が、最大開口寸法の最小開口寸法に対する比であり、前記中央ノズルの最大開口寸法を画定する軸と、前記第１のステージング導管および前記第２のステージング導管の各々の最大開口寸法を画定する軸が、互いに平行である、請求項２に記載の酸素燃料バーナ。
4. 前記第１の機構が、第２の反応物の総流量を変えずに前記環状導管に対する前記第２の反応物の前記一次流を調整するための可変流れ絞りを備え、それによって、前記第２の機構に対する前記第２の反応物の前記二次流を、補完的な方法で間接的に調整する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素燃料バーナ。
5. 前記第２の機構が、前記第２の反応物の流れを、前記第１のステージング導管と前記第２のステージング導管との間で選択的に導くための弁を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸素燃料バーナ。
6. 前記弁が、前記第２の反応物の前記二次流を、前記第１のステージング導管に導くか、または前記第２のステージング導管に導くか、または前記第１のステージング導管と前記第２のステージング導管との組み合わせに同時に導くように構成された三方弁である、請求項５に記載の酸素燃料バーナ。
7. 炉内の状態を検知するための装置をさらに備え、前記炉内に前記バーナが点火され、前記装置が、前記第２の機構を作動させて、前記検知された状態に応じて、前記第２の反応物の前記二次流を、前記第１のステージング導管に導くか、または前記第２のステージング導管に導くか、または前記第１のステージング導管と前記第２のステージング導管との組み合わせに同時に導くように構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の酸素燃料バーナ。
8. 内部に前記中央バーナエレメントが排気する中央通路と、それぞれ、内部に前記第１のステージングノズルおよび前記第２のステージングノズルが排気する第１のステージング通路および第２のステージング通路とを有するバーナブロックをさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の酸素燃料バーナ。
9. 前記環状ノズル内に位置付けられた渦発生体であって、前記環状壁の近位の前記渦発生体の一方の側に内側ノズルを形成し、前記環状壁の遠位の前記渦発生体の他方の側に外側ノズルを形成し、前記内側ノズルが、前記外側ノズルより小さい断面積を有する、渦発生体をさらに備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の酸素燃料バーナ。
10. 前記内側ノズルが、前記外側ノズルの断面積の１０％以下の非ゼロの断面積を有する、請求項９に記載の酸素燃料バーナ。
11. ある高さを有する渦発生体であって、前記中央導管の前記中心軸上に、かつ前記ある高さを有する渦発生体の下流端が前記ある高さを有する渦発生体の高さの２〜２０倍の軸方向距離で前記中央ノズルの上流に位置付けられる、渦発生体をさらに備える、請求項９に記載の酸素燃料バーナ。
12. 前記中央導管の前記中心軸に沿って、前記ある高さを有する渦発生体の下流に位置付けられ、前記ある高さを有する渦発生体の高さの１〜１０倍の長さを有する、スプリッタ板をさらに備える、請求項１１に記載の酸素燃料バーナ。
13. ガラス浴を包含し、溶融領域および精製領域を備える酸素燃料ガラス炉を動作させる方法であって、各々が請求項１に記載の酸素燃料バーナである第１の複数の酸素燃料バーナが、前記溶融領域内で燃焼されるように位置付けられ、各々が請求項１に記載の酸素燃料バーナである第２の複数の酸素燃料バーナが、前記精製領域内で燃焼されるように位置付けられ、バーナ毎に、前記第１のステージング導管が、前記中央バーナエレメントと前記ガラス浴との間に位置付けられ、前記第２のステージング導管が、前記中央バーナエレメントと前記炉の蓋との間に位置付けられ、前記方法が、
    燃料を前記第１の反応物として、および酸素を前記第２の反応物として流すことと、
    前記第１の複数の酸素燃料バーナを動作させて、前記ガラス浴の近傍に高酸素濃度雰囲気を作り出すことと、
    前記第２の複数の酸素燃料バーナを動作させて、前記ガラス浴の近傍に高燃料濃度雰囲気を作り出すことと、
    を含む、方法。
14. 前記酸化雰囲気が、前記第１の複数の酸素燃料バーナ内の前記二次流の少なくとも５０％を、前記第１のステージング導管に分配することによって作り出され、
    前記還元雰囲気が、前記二次流の少なくとも７０％を、前記第２のステージング導管に分配することによって作り出される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記酸化雰囲気が、１より大きい酸素／燃料ストイキ比を備える燃料希薄の前記第１の複数の酸素燃料バーナを動作させることによって作り出され、
    前記還元雰囲気が、１より大きい燃料／酸素ストイキ比を備える高濃度燃料の前記第２の複数の酸素燃料バーナを動作させることによって作り出され、
    バーナのストイキ比が、ゼロ過剰の酸素での理論上は完全なストイキ燃焼に必要とされる酸素と燃料流との比で除算された、前記バーナを通過する酸素と燃料流との比として定義される、請求項１３に記載の方法。
16. ガラス表面発泡、炉温度プロファイル、炉出口ガス温度、および炉ガス出口組成を示すパラメータの群から選択された少なくとも１つの炉パラメータをセンサで測定することと、
    前記酸素燃料バーナのうちの少なくとも１つについて、前記少なくとも１つの測定された炉パラメータに基づいて、燃焼量、酸素／燃料比、および第１のステージング導管と第２のステージング導管とでの二次流の分配のうちの１つ以上をコントローラで制御することと、
    をさらに含み、前記コントローラは、遠隔的に、前記バーナへの燃料の流量を増大若しくは低減させ、前記バーナへの酸素の流量を増大若しくは低減させ、及び／又は、第２の反応物の第２の流れを、第１のステージング導管に導くか、若しくは第２のステージング導管に導くか、若しくは第１のステージング導管と第２のステージング導管との組み合わせに同時に導くように構成された三方弁を作動させる、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記測定されたパラメータが、ガラス表面発泡を示す場合、前記第１の複数の酸素燃料バーナにおける前記バーナのうちの少なくとも１つを、前記ガラス浴の近傍に酸化雰囲気を作り出すことから、前記ガラス浴の近傍に還元雰囲気を作り出すことに切り換えさせること
    をさらに含む、請求項１６に記載の方法。