JP7842688B2 - 燃料燃焼のための燃焼器及びその燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料燃焼のためのバーナ及び燃焼方法に関し、特に、多段式構成で多段火炎を発生させることが可能であるバーナに関し、当該バーナは、工業用溶融炉で使用されるときにＮＯｘの排出が少ない。

工業用溶融炉では、（たとえば、冶金又はガラス工業のための）従来の空気燃焼と比較して、酸素燃料燃焼は、投資コストがより少なく、燃焼効率がより高く、ＮＯｘ排出がより少なく、製品品質がより高いことが、当該技術分野において知られている。

従来技術において、一般的な多段酸素燃料バーナは、燃料流路及び酸化剤流路を有し、酸素の一部を火炎から逸らして、燃焼を遅延させる酸素ステージングを使用する。バーナのノズル端は、略平坦な燃料リッチ火炎を発生させ、ステージングノズルは、燃料リッチ火炎の下から酸化剤の一部を導入し、燃料リッチ火炎の下部を巻き込む燃料リーン火炎が発生する。

中国特許第１１３４６１０Ｃ号明細書は、典型的な多段バーナを開示している。図１Ａに示されるように、多段酸素含有燃料バーナは、燃料リッチ火炎領域及び燃料リーン火炎領域を有する略平坦な火炎を発生させることができる。バーナの燃料流路はノズルで終端する。さらに、類似した多段バーナも図１Ｂに示すことができる。二次酸化剤又は多段酸化剤は、燃料及び一次酸化剤から離れている多段燃焼にさらに関与する。この種類のバーナの限界は、酸素分布及び火炎形状の柔軟な調整が非常に難しく、特定の領域において必要な酸化雰囲気又は還元雰囲気などを達成することも非常に難しいことである。

図２に示される二段式酸素燃料バーナも先行技術において開示されている。中国特許第１０８４５８３３９Ｂ号明細書は、酸素燃料バーナが中央導管及び環状導管を備えることを説明しており、燃料は中央導管から噴出され、酸化剤は上導管及び下導管から噴出される。しかしながら、この多段バーナの欠点は、溶融原料の表面における雰囲気を調整するときに大きな制限があり、火炎の調整の範囲が限定されることである。下層における酸化剤噴出量を減少又は停止する方法が採用される場合、酸化剤は中間層及び上層に集中し、結果的に、酸化剤多段燃焼の調整方法は制限される。

図３は、先行技術における別の希薄酸素燃焼（ＤＯＣ）バーナの燃料及び酸素の噴出状態の概咯図であり、燃料及び酸素は、独立した噴出出口から噴出されている。希薄酸素バーナは、局所的な高温点の出現を避けることができ、同時に、より均一な温度分布を発生させる。しかしながら、より良好な還元雰囲気を実現するために、酸素及び燃料が混合及び燃焼のために高速で噴出された後、燃焼の結果生じた廃ガスを、燃料／酸素と別々に反応することができるように酸化剤及び燃料流れに巻き込ませることができることを保証するように、酸素及び燃料噴出出口は、互いから非常に大きな距離をとり続ける必要がある。希薄酸素による燃焼のこの形態は、燃料及び酸化剤の噴出速度が非常に速いことを必要とし、より複雑な制御プロセスも必要とする。これらの要因のために、工業におけるそれの使用は実現がより困難である。

上記の議論に基づき、市場は、これらの欠点を克服するために、より効率的なバーナ及び燃焼方法を必要としている。最初の混合が生じるときに、燃料流れと酸化剤流れとの間の平均速度差を最小化したいという要求がある。安定もしているより長い燃料リッチ火炎を発生させるように、より高い運動量及びより多い段を有するバーナを作動させることによって溶融炉性能を改善したいという要求もある。さらに、合計伝熱率を増加させて、溶融炉性能を改善し、ガラスで欠陥を減らして、出力を増加させたいという要求がある。同時に、特定の局所的な領域におけるその雰囲気を柔軟に制御し、雰囲気の調整性を増加させ、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を減少させることが可能である。

本発明は、先行技術における以下の技術的問題を解決することを望んでいる。火炎剛性、火炎長さ、及び被炎領域の調整の幅が狭い。火炎燃焼位置及び速度の調整の幅が限られている。火炎の部分の雰囲気の調整のための余地が限られており、そのため、特定の領域における特定の雰囲気の制御が非常に難しい。熱伝達係数（放射及び対流）を変えることによってプロセス需要に適合することは非常に難しい。酸素濃度を好都合に調整することができない、点火温度限界適応性が低い、局所的な火炎温度があまりに高い、など。

本発明の目的は、多段燃焼及び希薄燃焼の技術を組み合わせることであり、そのため、バーナは、より広い幅で火炎調整ができ、火炎燃焼位置、火炎速度範囲、火炎局所雰囲気、及び火炎長さの調整を可能とし、より高い伝熱効率を実現しながら、ＮＯｘの生成を効率的に減少させることも可能である。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様において、燃料燃焼のためのバーナが提供され、バーナは、軸方向に延在するバーナ本体を備え、被加熱材料を加熱するための火炎は、バーナ本体の前端面で形成され、バーナ本体は、一次酸化剤及び燃料送達構成要素と、二次酸化剤送達構成要素と、三次酸化剤送達構成要素とを備え、
二次酸化剤送達構成要素及び三次酸化剤送達構成要素は、一次酸化剤及び燃料送達構成要素と同じ側に配置され、二次酸化剤送達構成要素は、三次酸化剤送達構成要素と一次酸化剤及び燃料送達構成要素との間に配置され、
一次酸化剤及び燃料送達構成要素は、
燃料が流れる少なくとも１つの燃料供給流路であって、その一端に燃料ノズルが設けられている、少なくとも１つの燃料供給流路と、
一次酸化剤が流れる少なくとも１つの一次酸化剤供給流路であって、一次酸化剤供給流路が燃料供給流路の外壁を囲むように構成され、その一端に燃料ノズルを囲む環状ノズルが設けられている、少なくとも１つの一次酸化剤供給流路と
を備え、
二次酸化剤送達構成要素は、二次酸化剤が流れる少なくとも１つの二次酸化剤供給流路であって、その一端に二次酸化剤ノズルが設けられている、少なくとも１つの二次酸化剤供給流路を備え、
三次酸化剤送達構成要素は、三次酸化剤が流れる少なくとも１つの三次酸化剤供給流路であって、その一端に三次酸化剤ノズルが設けられている、少なくとも１つの三次酸化剤供給流路を備える。この構成は、一次酸化剤及び燃料送達構成要素が二次酸化剤送達構成要素と被加熱材料の溶融表面との間に配置され、三次酸化剤送達構成要素が二次酸化剤送達構成要素と溶融炉の頂部との間に配置されるような構成であってもよい。

さらに、少なくとも１つの一次酸化剤及び燃料送達構成要素において、一次酸化剤供給流路は、燃料供給流路と同軸状に配置される。

さらに、二次酸化剤ノズル及び三次酸化剤ノズルの出口端は、バーナ本体の前端面上に配置されて、それぞれ、二次酸化剤及び三次酸化剤を吹き付け、二次酸化剤は、三次酸化剤の前に燃料と混合する。

さらに、少なくとも１つの前記燃料ノズルは、バーナ本体の軸方向に燃料を吹き付ける。

さらに、少なくとも１つの前記燃料ノズルの前端は、二次酸化剤ノズルの方へ傾斜する第１の斜め流路を有する。

さらに、少なくとも１つの燃料ノズル及び前記燃料ノズルを囲む環状ノズルには、バーナ本体の外側の方へ、第１の水平拡散角度α_１のずれが設けられ、第１の水平拡散角度α_１は、０～２０°、好ましくは０～１０°、より好ましくは３°～６°である。第１の水平拡散角度α_１のために、燃料ノズルから吹き付けられる燃料及び環状ノズルから吹き付けられる一次酸化剤はどちらも、バーナ本体の外側の方に拡散する。第１の水平拡散角度α_１は、燃料ノズルの中心軸とバーナ本体の軸方向との間の角度を指す。バーナ本体の外側は、バーナ本体の中心から離れることを意味する。

さらに、燃料供給流路は、その端部で燃料ノズルと同軸であるように配置されて、第１の水平拡散角度α_１を有する。

さらに、少なくとも１つの前記二次酸化剤ノズルは、バーナ本体の軸方向に二次酸化剤を吹き付ける。

さらに、少なくとも１つの前記二次酸化剤ノズルの前端は、燃料ノズルの方へ傾斜する第２の斜め流路を有する。炉形状及び被加熱材料の特性に従って火炎形状を柔軟に変えるために、酸化剤の吹き付け方向は、酸化剤のための斜め流路によって変えることができる。

さらに、少なくとも１つの前記二次酸化剤ノズルには、バーナ本体の外側の方へ、第２の水平拡散角度α_２のずれが設けられ、第２の水平拡散角度α_２は、０～１５°、好ましくは０～１０°、より好ましくは３°～８°である。第２の水平拡散角度α_２のために、二次酸化剤ノズルから吹き付けられる二次酸化剤は、バーナ本体の外側の方へ拡散する。第２の水平拡散角度α_２は、二次酸化剤ノズルを一次酸化剤及び燃料送達構成要素があるＸＹ平面上に射影したときの、二次酸化剤ノズルの中心軸とバーナ本体の軸方向との間の角度を指す。

さらに、少なくとも１つの前記二次酸化剤供給流路は、その端部で二次酸化剤ノズルと同軸であるように配置されて、第２の水平拡散角度α_２を有する。

さらに、少なくとも１つの前記三次酸化剤ノズルは、バーナ本体の軸方向に三次酸化剤を吹き付ける。

さらに、少なくとも１つの前記三次酸化剤ノズルの前端は、燃料ノズルの方へ傾斜する第３の斜め流路を有する。

さらに、少なくとも１つの前記三次酸化剤ノズルには、バーナ本体の外側の方へ、第３の水平拡散角度α_３のずれが設けられ、第３の水平拡散角度α_３は、０～１５°、好ましくは２°～１０°、より好ましくは４°～１０°である。第３の水平拡散角度α_３のために、三次酸化剤ノズルから吹き付けられる三次酸化剤は、バーナ本体の外側の方へ拡散する。第３の水平拡散角度は、三次酸化剤ノズルを一次酸化剤及び燃料送達構成要素があるＸＹ平面上に射影したときの、三次酸化剤ノズルの中心軸とバーナ本体の軸方向との間の角度を指す。

さらに、少なくとも１つの前記三次酸化剤供給流路は、その端部で三次酸化剤ノズルと同軸であるように配置されて、第３の水平拡散角度α_３を有する。

さらに、少なくとも１つの前記燃料ノズルには、二次酸化剤ノズルの方へ、第１の垂直角度β_１のずれが設けられ、角度β_１は、０～１０°、好ましくは０～３°である。第１の垂直角度β_１は、燃料ノズルをＸＺ平面上に射影したときの、燃料ノズルの中心軸とバーナ本体の軸方向との間の角度を指す。

さらに、少なくとも１つの前記一次酸化剤及び燃料送達構成要素は、燃料供給流路をその燃料ノズルに接続するために使用され、必要に応じて、第１の水平拡散角度α_１及び／又は第１の垂直角度β_１を有するために燃料ノズルを調整することが可能である第１の調整接続部材をさらに備える。第１の調整接続部材は、自在継手、波形管、又は類似した接続機構を含むが、これらに限定されるものではない。これらは、燃料供給流路を燃料ノズルに取り付けることを可能にし、燃料ノズルが、好ましい又はデフォルトの第１の水平拡散角度α_１及び／又は第１の垂直角度β_１を有することを可能にするように、特定の範囲内で回転することができる。

さらに、少なくとも１つの前記二次酸化剤ノズルには、一次酸化剤及び燃料送達構成要素の方へ、第２の垂直角度β_２のずれが設けられ、角度β_２は、０～２０°、好ましくは０～１０°、より好ましくは２°～７°である。第２の垂直角度のために、二次酸化剤ノズルから吹き付けられる二次酸化剤は、一次酸化剤及び燃料送達構成要素の方へずれる。第２の垂直角度は、二次酸化剤ノズルを一次酸化剤及び燃料送達構成要素があるＸＹ平面に垂直なＸＺ平面上に射影したときの、二次酸化剤ノズルの中心軸とバーナ本体の軸方向との間の角度を指す。

さらに、少なくとも１つの前記二次酸化剤供給流路は、その端部で二次酸化剤ノズルと同軸であるように配置されて、第２の垂直角度β_２を有する。

さらに、二次酸化剤送達構成要素は、二次酸化剤供給流路をその二次酸化剤ノズルに接続し、二次酸化剤ノズルの第２の水平拡散角度α_２及び／又は第２の垂直角度β_２を調整するために使用される、第２の調整接続部材をさらに備える。第２の調整接続部材は、自在継手、波形管、又は類似した接続機構を含むが、これらに限定されるものではない。これらは、二次酸化剤供給流路を二次酸化剤ノズルに取り付けることを可能にし、燃料ノズルが、好ましい又はデフォルトの第２の水平拡散角度α_２及び／又は第２の垂直角度β_２を有することを可能にするように、特定の範囲内で回転することができる。

さらに、少なくとも１つの前記三次酸化剤ノズルには、一次酸化剤及び燃料送達構成要素の方へ、第３の垂直角度β_３のずれが設けられ、角度β_３は、０～２０°、好ましくは０～９°である。第３の垂直角度のために、三次酸化剤ノズルから吹き付けられる三次酸化剤は、一次酸化剤及び燃料送達構成要素の方へずれる。第３の垂直角度β_３は、三次酸化剤ノズルを一次酸化剤及び燃料送達構成要素があるＸＹ平面に垂直なＸＺ平面上に射影したときの、三次酸化剤ノズルの中心軸とバーナ本体の軸方向との間の角度を指す。

さらに、少なくとも１つの前記三次酸化剤供給流路は、その端部で三次酸化剤ノズルと同軸であるように配置されて、第３の垂直角度を有する。

さらに、三次酸化剤送達構成要素は、三次酸化剤供給流路をその三次酸化剤ノズルに接続するために使用され、必要に応じて、三次酸化剤ノズルの第３の水平拡散角度α_３及び／又は第３の垂直角度β_３を調整することが可能である第３の調整接続部材をさらに備える。第３の調整接続部材は、自在継手、波形管、又は類似した接続機構を含むが、これらに限定されるものではない。これらは、三次酸化剤供給流路を三次酸化剤ノズルに取り付けることを可能にし、燃料ノズルが、好ましい又はデフォルトの第３の水平拡散角度α_３及び／又は第３の垂直角度β_３を有することを可能にするように、特定の範囲内で回転することができる。

さらに、バーナは、一次酸化剤供給流路、二次酸化剤供給流路、及び三次酸化剤供給流路の酸化剤流量を別々に制御するための酸化剤ステージング制御機構をさらに備える。

さらに、一次酸化剤及び燃料送達構成要素、二次酸化剤送達構成要素、及び三次酸化剤送達構成要素は、同じバーナブロック本体で一体化される、又は、異なるバーナブロック本体に分散されて組み合わされる。

さらに、一次酸化剤及び燃料送達構成要素、二次酸化剤送達構成要素、及び三次酸化剤送達構成要素は、底部から頂部に順番に配置される。

さらに、燃料ノズル、環状ノズル、二次酸化剤ノズル、及び三次酸化剤ノズルはそれぞれ、円形、卵形、正方形、又は不規則形のうちの任意の１つである。

さらに、一次酸化剤及び燃料送達構成要素において、少なくとも１つの燃料供給流路は、第１の燃料供給流路及び第２の燃料供給流路を備えるように構成され、第１の燃料供給流路は対応する第２の燃料供給流路内に入れ子にされ、第１の燃料及び第２の燃料はそれぞれ、固形燃料、液体燃料、又は気体燃料から別々に選択される。

本発明の第２の態様において、燃料燃焼のためのバーナの燃焼方法は、上記の少なくとも１つのバーナによって形成される火炎を使用して提供され、当該方法は、
燃料及び一次酸化剤がバーナ本体の前端面の近くでの混合の後に一緒に燃焼空間に噴射されるように、燃料及び燃料を囲む一次酸化剤を一次酸化剤及び燃料送達構成要素を通して導くことであって、一次燃焼生成物と不完全に燃焼した燃料との一次混合物を生成するように、供給される一次酸化剤の量が燃料を完全に燃焼させるために必要な酸化剤量より少ない、導くことと、
一次混合物及び二次酸化剤が接触して、設定位置で互いに混合し、二次混合物を生成するために燃焼するように、二次酸化剤を二次酸化剤送達構成要素を通して導くことと、
三次酸化剤が二次混合物と接触して混合し、最終燃焼生成物を生成するために燃焼するように、三次酸化剤を三次酸化剤送達構成要素を通して導くことと
を含む。

さらに、一次酸化剤は、体積流量の比率に関して、酸化剤総流量の１～２０％、好ましくは１～１５％、最適には２～５％を占め、二次酸化剤流量は、体積流量の比率に関して、酸化剤総流量の５～７０％、好ましくは１０～５０％、最適には１５～３０％を占め、三次酸化剤流量は、体積流量の比率に関して、酸化剤総流量の５～９０％、好ましくは２０～８０％、最適には５０～７５％を占める。

さらに、一次酸化剤の噴出速度は０．５～３０ｍ／ｓに設定され、燃料の噴出速度は５～１３０ｍ／ｓに設定され、二次酸化剤の噴出速度は２．５～８０ｍ／ｓに設定され、三次酸化剤の噴出速度は５～１６０ｍ／ｓに設定される。そして、火炎が形成され、火炎は被加熱材料を加熱するために使用される。

本発明によって提供されるバーナ及び燃焼方法は、以下の利点を有する。
１．本発明によって提供されるバーナでは、非常に段階的な方法での燃料及び酸化剤の送達により、ＮＯｘの排出が少なくなり、被加熱材料の表面に近い雰囲気の制御が可能になる。
２．速度、流量、及び各段階的な酸化剤の分布の調整を通して、本発明によって提供されるバーナは、溶融炉での高温煙及び酸化剤の希釈度をより適切に制御し、火炎長さ及び剛性を調整し、被炎領域を調整することができる。
３．バーナは、炉の温度を効率的に制御することができ、望ましくない局部過熱を避ける。
４．バーナは、熱効率及び歩どまりを高めることができ、被加熱材料における強力な対流の形成を支援し、不純物のより完全な除去を促進し、製品品質を改善する。
５．バーナは、コストを削減させることができ、一体型のバーナとして簡単に製造することができ、したがって、バーナに占有される空間を減少させることができる。

本発明の利点及び精神は、本発明の以下の詳細説明及び添付図面を通してさらに理解することができる。

図１Ａは、中国特許第１１３４６１０Ｃ号明細書で開示されている多段バーナのレイアウトを示す概咯図である。図１Ｂは、先行技術における別の典型的な多段バーナのレイアウトを示す概咯図である。 中国特許第１０８４５８３３９Ｂ号明細書で開示されている二段式酸素燃料バーナのレイアウトを示す概咯図である。 先行技術における別の希薄酸素燃焼（ＤＯＣ）バーナの燃料及び酸素の噴出状態の概咯図である。 本発明による全燃料入口及び全酸化剤入口を有する例示的なバーナの（ＸＺ平面の方向の）断面の概咯図である。 本発明のバーナの概略図を示す。 図６Ａは、本発明によるバーナの各ノズル出口端の断面図を示す。図６Ｂは、バーナの三次元図面を示す。 ＸＹ平面の方向における、本発明による例示的な一次燃料・酸化剤送達構成要素の概略断面図である。 ＸＹ平面の方向における、本発明による例示的な二次酸化剤送達構成要素２０の概略投影図である。 ＸＹ平面の方向における、本発明による例示的な三次酸化剤送達構成要素３０の概略投影図である。 ＸＺ平面の方向における、本発明による例示的なバーナの概略投影図である。 本発明による酸化剤供給流路の角度を定義する例示的な概略断面図を示す。 アルミニウム精錬炉上に設置されるときの、本発明の第１の実施形態におけるバーナの概略上面図を示す。 本発明の第１の実施形態におけるバーナの概略三次元図面を示す。 図１４Ａは、図１Ｂに示されるような多段バーナによって生成されたＮＯｘ濃度分布の概略カラーコード図を示す。図１４Ｂは、アルミニウム精錬炉で配置されたときの、本発明の第１の実施形態におけるバーナによって生成されたＮＯｘ濃度分布の概略カラーコード図を示す。 本発明の第１の実施形態におけるバーナ及び図１Ｂに示される多段バーナについての、工業用炉出口の位置における窒素酸化物の体積流量を比較する概略図である。 本発明の第１の実施形態におけるバーナ及び図１Ｂに示される多段バーナについての、炉内火炎長さの調整性の比較を示す。 本発明による複数の燃料ノズルが設けられた例示的なバーナの概咯図を示す。

図面の手掛かり。バーナ本体１、バーナブロック２、バーナ金属部材３、一次酸化剤及び燃料送達構成要素１０、燃料供給流路１１、燃料ノズル１１１、一次酸化剤供給流路１２、環状ノズル１２１、二次酸化剤送達構成要素２０、二次酸化剤供給流路２１、二次酸化剤ノズル２１１、三次酸化剤送達構成要素３０、三次酸化剤供給流路３１、三次酸化剤ノズル３１１、第１の燃料吹付管路４２２、第１の燃料入口端４２６、第２の燃料入口端４２７、燃料出口端４２４、第２の燃料吹付管路４２５。

発明の好ましい実施形態
本発明の技術的解決法は、添付図面に関連して、以下で明確且つ完全に説明される。明らかに、説明される実施形態は、本発明の実施形態のすべてではなく、本発明の実施形態の一部である。本発明の実施形態に基づき、創造的作業なしに当業者によって得られる他のすべての実施形態は、本発明の保護範囲内である。

本発明の説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「内」、及び「外」などの用語によって指示される方位又は位置関係は、図面に示される方位又は位置関係に基づき、単に本発明の説明を容易にすることを意図した簡略化された説明であり、言及される装置又は要素が特定の方位を有しなければならない又は特定の方位で構築及び操作されなければならないことを指示又は示唆するものではなく、したがって、本発明を限定するものと理解すべきではないことが説明されなければならない。さらに、「第１」、「第２」、及び「第３」という用語は、単に説明するためのものであり、相対的重要性を指示又は示唆するものと理解すべきではない。

本発明の説明において、別に明確に規定及び定義されない限り、「設置される」、「一緒に接続される」、及び「接続される」という用語は、広義的に理解すべきであり、たとえば、固定的に接続されることを意味してもよいが、取り外し可能に接続される、又は、一体的に接続されることも意味してもよく、機械的に接続されることを意味してもよく、直接的に一緒に接続されることを意味してもよいが、中間媒体を介して間接的に一緒に接続されることも意味してもよく、２つの要素間の内部連通を意味してもよいことが説明されなければならない。当業者は、本発明における上記の用語の特定の意味を、特定の状況に応じて理解することができる。

特に明確に示されない限り、ここで定義される各態様又は実施形態は、任意の他の態様又は実施形態と組み合わせることができる。特に、示される任意の好ましい又は有利な特徴は、示される任意の他の好ましい又は有利な特徴と組み合わせることができる。

本明細書で使用される場合、「バーナ本体の軸方向」という表現は、バーナ本体の回転軸、対称軸、又は中心線と略平行な方向を意味し、一次酸化剤及び燃料送達構成要素における燃料の送達の方向を概略的に意味する。たとえば、図１３に示されるＸＹ平面において、Ｘ軸に沿った方向又はＸ軸と平行な方向は、バーナ本体の軸方向である。同様に、Ｙ軸方向は、Ｘ軸と直交する方向を意味するように決定することができる。同様に、Ｚ軸方向は、右手の法則によって決定することができる。

本明細書で使用される場合、「バーナ本体の外側」という表現は、バーナ本体が全体として考えられるとき、バーナ本体の中心から離れて外向きに延びる方向を意味する。

本明細書で使用される場合、「周囲」又は「囲む」という表現は、リング形状を形成することを実質的に意味し、内側リングが外側リング内に閉じ込められることを概略的に意味し、そのため、一定の隙間が、内層と外層との間に存在し、この隙間は、環状隙間又は非環状隙間であってもよい。ここで使用される場合、これは、一次酸化剤供給流路が燃料供給流路の円周の一部（たとえば、半分以上）を囲むこと、又は、一次酸化剤供給流路が燃料供給流路の円周のすべてを囲むことを意味する可能性がある後者の場合、一次酸化剤供給流路が燃料供給流路の円周を円周方向に完全に囲むように配置されることを意味すると解釈することができる。燃料ノズル及び環状ノズルの設計は、類似した方法で理解することができる。

本明細書で使用される場合、「ステージング」という表現は、燃料及び酸化剤が、異なる時間に、異なる位置で混合されることを意味し、窒素酸化物の排出の減少、及び、溶融材料の表面に近いガス雰囲気の制御を可能にする。ステージングの意味は、酸化剤を、燃料ノズルから間隔のあいた別のノズルを介して、異なる比率又は流速で供給することができることである。たとえば、二次酸化剤及び三次酸化剤のステージングが９５％である場合、これは、酸化剤の残りの５％が一次酸化剤及び燃料送達構成要素に燃料とともに供給されることを意味する。

本明細書で使用される場合、「燃料」という表現は、互いの代わりに使用することができる、又は、組み合わせて使用することができる、気体、液体、又は固体燃料を意味する。気体燃料は、天然ガス（主にメタン）、プロパン、水素、若しくは、任意の他の炭化水素化合物及び／又は硫黄含有化合物であってもよい。固体又は液体燃料は、主に、炭素含有及び／又は炭化水素及び／又は硫黄含有形態の任意の化合物であってもよい。当業者は、気体、液体、又は固体燃料が必要に応じて導入される方法を決定することができる。この点について任意の限定を強要することは本発明の意図ではない。本明細書に提示されるデータの一部は、燃料として天然ガスを使用しているが、結果は、他の燃料、たとえば、水素及び他の気体燃料に適していると考えられる。

本明細書で使用される場合、「酸化剤」という表現は、空気又は酸素富化空気などの酸化剤から構成されてもよい。酸化剤流れは好ましくは、少なくとも５０％、好ましくは少なくとも８０％、より好ましくは少なくとも９０％、最も好ましくは少なくとも９５％のモル酸素濃度を有する酸化剤から構成される。これらの酸化剤は、深冷空気分離装置によって生成される９９．５％の純酸素、又は、真空圧力スイング吸着法によって生成される非純粋な酸素（８８容積％以上）、又は、任意の他の源によって生成される酸素などの、少なくとも５０容積％の酸素を含有する酸素富化空気を含む。

本明細書における酸素含有燃料の使用により、溶融作業において窒素を排除することができ、ＮＯｘ及び微粒子排出物を標準以下に減少させることができる。酸素バーナの使用により、異なる火炎運動量、被溶融速度、及び火炎放射特性を実現することができる。炉内の、窒素の主な出所は、空気漏れ、真空圧力スイング吸着装置若しくは圧力スイング吸着装置から供給される低純度酸素、燃料（たとえば、天然ガス）中の窒素、又は、炉に詰められた溶融原料に含有される窒素である。

本明細書で使用される場合、「ノズル」という用語は、いくつかの異なる意味を有することができる。一般に、本明細書のノズルは、霧化噴射システムの末端の円錐状部分であると理解することができ、吹き付けられるミストは、末端の円錐状部分から最終的に噴出される。たとえば、Ｍｅｒｒｉａｍ Ｗｅｂｓｔｅｒ’ｓ Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙでノズルの定義を参照すると以下の通りである。「流体の流れを加速する又は導くために（ホース上のように）使用されるテーパ又は収縮を有する短い管」。本明細書の「ノズル」は、バーナの端部に配置される構成要素を指し、燃料及び酸化剤が燃焼するように燃料及び酸化剤を供給する。

本明細書で使用される場合、燃料供給流路、一次酸化剤供給流路、二次酸化剤供給流路、及び三次酸化剤供給流路は、略環状の流路であってもよく、入口及び出口を有する領域であってもよい。軸流方向に垂直な平面の断面から見ると、略環状の流路のそれぞれは好ましくは環状であるが、この形状は非環状とすることもできる。

本明細書で使用される場合、「燃焼面」という表現は、バーナブロックの前端面として確立されるとして理解することができる。環状ノズル、二次酸化剤ノズル、及び三次酸化剤ノズルは、この燃焼面で終端することができる。

図４は、本発明による全燃料入口及び全酸化剤入口を有する例示的なバーナの断面（ＸＺ断面）の概咯図を示す。バーナ金属部材３は、略直方体形状のバーナブロック２に挿入される金属体であってもよい。これらは、バーナ本体の一部を一緒に形成する。バーナ金属部材３には、全燃料入口、全酸化剤入口、酸化剤ステージング制御機構、及び個別の流路が設けられる。酸化剤ステージング制御機構及び個別の流路により、燃料又は酸化剤を、燃料供給流路１１、一次酸化剤供給流路１２、二次酸化剤供給流路２１、及び三次酸化剤供給流路３１に比例して送達を可能にすることができる。

燃料は、全燃料入口を介して燃料供給流路１１に送達される。燃料供給流路１１は、燃料ノズル１１１で終端する。燃料ノズル１１１は、円形断面を有してもよく、又は、特定の長さ対幅の比を有する非円形の断面を有してもよい。酸化剤のすべては、全酸化剤入口を介してバーナ金属部材３に送達される。バーナ金属部材の酸化剤ステージング制御機構は、一次酸化剤供給流路１２、二次酸化剤供給流路２１、及び三次酸化剤供給流路３１のうちの少なくとも１つに比例して全酸化剤を分配する。図４に示される一次酸化剤流れのための一次酸化剤供給流路１２は、燃料供給流路１１の外壁を囲み、燃料供給流路１１と同軸である。燃料ノズル１１１を囲む環状ノズル１２１は、一次酸化剤供給流路１２の一端に設けられる。

酸化剤ステージング制御機構は、ステージング分配弁であってもよく、バーナのバーナ金属部材で組み込まれてもよく、その機能は、バーナ金属部材からの酸化剤のステージングされた部分を分配のための各酸化剤供給流路に伝達することである。酸化剤ステージング制御機構は、一次酸化剤制御弁と、二次酸化剤制御弁と、三次酸化剤制御弁とを備えてもよい。

燃料供給流路は、好適な材料（たとえば、高温耐性のある金属又はセラミック）から形成される燃料導管であってもよい。燃料導管の始端は、バーナ金属部材に取り外し可能に接続されるが、バーナ金属部材と一体的に形成されてもよい。燃料導管の出口端は、燃料ノズルに接続される。酸化剤供給流路は、特定の材料（たとえば、高温耐性のある金属又はセラミック）から形成される酸化剤供給導管であってもよいが、バーナブロックにおける形成適合空洞又は流路であってもよい。後者の場合、バーナ金属部材は、バーナブロックの対応する空洞又は流路の開始領域に挿入され、それにより、酸化剤がこれらの空洞又は流路内を流れる。

二次酸化剤送達構成要素２０は、二次酸化剤流れのための二次酸化剤供給流路２１を備える。二次酸化剤ノズル２１１は、その端部に設けられる。

三次酸化剤送達構成要素３０は、三次酸化剤流れのための三次酸化剤供給流路３１を備える。三次酸化剤ノズル３１１は、その端部に設けられる。

燃料供給流路１１、二次酸化剤供給流路２１、及び三次酸化剤供給流路３１は、Ｚ軸方向の底部から頂部に順番に配置される。

全酸化剤は、一次酸化剤流れ、二次酸化剤流れ、及び三次酸化剤流れの３つの流れに分けることができる。一次酸化剤流れは燃料ノズルを囲み、その体積流量は、全酸化剤の非常に小さい割合のみ、好ましくは、２０％未満、又は１０％未満、又は５％未満、又は約２％～５％を占める。残りの酸化剤は、二次酸化剤流れ及び三次酸化剤流れとして働く。これは、少なくとも１０％、又は少なくとも２０％、又は少なくとも４０％、又は少なくとも５０％、又は少なくとも６０％、又はさらに少なくとも７０％の好ましいステージング割合にそれぞれ等しいであろう。これは、酸化剤の十分な量が、二次酸化剤供給流路又は三次酸化剤供給流路を通って流れる、又は、ステージングのために、２つの供給流路の間で分散されることを意味する。これは、ＮＯｘの生成を減少させるだけでなく、被加熱材料の溶融表面に隣接するガス雰囲気を制御するための能力もかなり増加させる。選択的にプロセス状況に従う酸化又は還元のために、溶融表面に近い雰囲気を制御することを可能とするために、バーナの作動を便利に切り換えることができることが望ましい。この目的のために、一次、二次、及び三次酸化剤供給流路の酸化剤流量（すなわち、流れ）は、酸化剤ステージング制御機構によって独立して制御することができる。酸化剤流れはすべて、互いに独立している、そのため、燃焼の正確な制御を実現することができる。

一次酸化剤流れがゼロであることは理想的ではないことを指摘しておく。これは、一次酸化剤供給流路内に空隙又は真空を生じさせ、そのため、非常に急速にバーナを破壊する高温腐食性炉ガスを吸引し、並びに、火炎に不安定性をもたらす。さらにまた、一次酸化剤流れがあまりに少ない場合、火炎安定性は同様に低下する。さらに、気体燃料及び酸化剤の混合状態は悪化し、実用的な火炎を得ることが難しい。ある特定の状況において、二次酸化剤流れ又は三次酸化剤流れはゼロに近くてもよい。この場合、バーナは、二段式バーナに実質的に近い又は等しく、対応する燃焼効果及び特性は、当業者についての知識によって予測及び調整することができる。

一例として、環状ノズル１２１は燃料ノズル１１１を囲み、環状ノズル１２１の出口端は、バーナ本体の前端面で終端することができ、被加熱材料を加熱するための火炎を形成する。バーナ本体の前端面は、「燃焼面」又は「高温面」と呼ばれることもある。燃料ノズル１１１の出口端は、約２ｃｍ～５ｃｍだけ、燃焼面から下げることができる。そのような構成により、燃料及び一次酸化剤は、燃焼面の近くでの混合後に、より安定した火炎を形成することができる。

図５は、本発明のバーナの概略図を示す。金属などのための冶金用炉又はガラス溶融炉などの工業用炉は、一般に、炉内のより低い領域に置かれる、溶融原料などの被加熱材料を有し、火炎は炉内の上部空間で形成され、被加熱材料は、火炎からの熱放射によって加熱又は溶融される。

本実施形態において、三次酸化剤及び二次酸化剤は、燃料・一次酸化剤と同じ側に配置される。一般に、一次酸化剤及び二次酸化剤は、三次酸化剤の前に燃料流れと接触し、燃料リッチ火炎を形成して、燃焼生成物の一部、未反応の燃料及び酸化剤などを含有することがある、燃料の豊富な燃焼混合気を発生させる。これらの燃料の豊富な燃焼混合気の熱分解によってすすの生成が促進され、それは、輝炎の形成により貢献する。

ある特定の状況において、ガラス溶融炉は、多くの場合、より高い火炎輝度を必要とする。この場合、二次酸化剤はより速い速度で噴射されるので、より速い燃焼が起こる。多くの場合、これが燃料と酸化剤との混合を加速するので、火炎長さは短くなり、そのため、局所的な温度は急速に上昇する。当業者は、望ましい酸化剤噴射速度がさまざまな方法で実現できるということを知っており、この点について限定を強要することは本発明の意図ではなく、酸化剤流量の調整、酸化剤ノズルサイズの調整、及び酸化剤温度の調整などに対する制限はない。

ある特定の状況において、たとえば、アルミニウム製錬工業用炉では、多くの場合、伝熱効率を増加させるためにより長い火炎長さが必要であり、三次酸化剤の噴射速度は、好適な範囲まで増加させ続けることができる。高速で噴出される三次酸化剤は、前の２つの段の燃焼生成混合物中でさらに薄められ、三次酸化剤は、周辺の混合物雰囲気にさらに混入する。これは、より長い火炎長さの形成を支援し、ＮＯｘの生成もさらに減少する。

図６Ａ及び６Ｂにおいて、同一の参照ラベルが、図４に示されるバーナにおける構造部分と同一の構造部分のために使用される。図６Ａ及び６Ｂは、本発明の第１の実施形態の典型的なバーナ設計を示し、図６Ａは、バーナの各ノズル出口端の断面図を示し、図６Ｂは、バーナの三次元図面を示す。バーナは、３つの領域である、領域Ａ、領域Ｂ、及び領域Ｃに分けられる。バーナ本体１は、領域Ｃに配置された一次酸化剤及び燃料送達構成要素１０と、領域Ｂに配置された二次酸化剤送達構成要素２０と、領域Ａに配置された三次酸化剤送達構成要素３０とを備える。略直方体形状のバーナブロック２は、さまざまな耐火材料から作ることができる。バーナブロック２の前端面は、バーナ本体全体の端面を形成することができる。

一次酸化剤及び燃料送達構成要素１０は、二次酸化剤送達構成要素２０及び三次酸化剤送達構成要素３０から離間している。二次酸化剤送達構成要素２０及び三次酸化剤送達構成要素３０は、一次酸化剤及び燃料送達構成要素１０と同じ側、すなわち上側に配置される。さらに、二次酸化剤送達構成要素２０は、三次酸化剤送達構成要素３０と一次酸化剤及び燃料送達構成要素１０との間に配置される。

各酸化剤ノズルは、バーナブロック２の燃焼面で終端することができる。燃料ノズル１１１の出口端は、約２ｃｍ～５ｃｍだけ、燃焼面から下げることができ、すなわち、燃焼面から離れた特定の位置で先に終端することができる。そのような構成により、燃料及び一次酸化剤は、燃焼面の近くでの混合後に、より安定した火炎を形成することができる。それがあまりに早く終了する場合、燃料ノズルの出口端を燃焼面から下げる距離が２ｃｍより小さいと、燃料及び一次酸化剤の混合時間はあまりに短く、混合結果は不十分である。距離が５ｃｍより大きい場合、過度に速い燃焼によって簡単に引き起こされる局所的な過熱により、バーナが燃焼によって損傷を受ける結果となる。

図７は、ＸＹ平面の方向における、本発明による例示的な一次燃料・酸化剤送達構成要素の概略断面図である。少なくとも１つの燃料ノズル１１１及び燃料ノズルを囲む環状ノズル１２１には、同時に、バーナ本体の外側の方への、第１の水平拡散角度α_１のずれが設けられる。全体として、これにより、燃料ノズル１１１から吹き付けられる燃料及び環状ノズル１２１から吹き付けられる一次酸化剤を、バーナ本体の外側の方へ拡散させて、それにより、被炎範囲を広げる。第１の水平拡散角度α_１は、燃料ノズル１１１の中心軸とバーナ本体の軸方向との間の角度を指す。ここで、「バーナ本体の外側」という表現は、バーナ本体の中心から離れた側方領域を意味する。第１の水平拡散角度α_１は、０～２０°、好ましくは０～１０°、より好ましくは３°～６°である。特定の燃料ノズルの第１の水平拡散角度α_１がゼロであるとき、そこから吹き付けられる燃料の方向は、実質的に、バーナ本体の軸方向である。

１つの一次酸化剤及び燃料送達構成要素において、一次酸化剤供給流路１２及び環状ノズル１２１がそれぞれ、燃料供給流路１１及びそれらが囲む燃料ノズル１１１と同軸であるとき、それらは同じ第１の水平拡散角度α_１を有する。燃料ノズル１１１及び環状ノズル１２１は、環状ノズルが常に燃料ノズルを囲むことが保証される限り、非同軸であるように構成することができることを、当業者は知っているはずである。

一例として、状況に応じて、各燃料ノズルに、バーナ本体の外側の方への、異なる又は同一の第１の水平拡散角度のずれが設けられる構成が可能である。一例として、燃料供給流路１１は、その端部で燃料ノズル１１１と同軸であるように配置される、すなわち、同様に、第１の水平拡散角度を有する。当然のことながら、製造の都合上、燃料供給流路１１及び燃料ノズル１１１は、固定的に接続されて、一体的に形成されてもよい。

図８は、ＸＹ平面の方向における、本発明による例示的な二次酸化剤送達構成要素２０の概略投影図である。図８に示されるように、２つの二次酸化剤ノズル２１１にはそれぞれ、バーナ本体の外側の方へ、第２の水平拡散角度α_２のずれが設けられ、それにより、二次酸化剤ノズル２１１から吹き付けられる二次酸化剤の吹付面はより広くなり、被炎領域はより広範になる。これは、平坦な火炎の形成により貢献する。第２の水平拡散角度α_２は、二次酸化剤ノズル２１１を一次酸化剤及び燃料送達構成要素があるＸＹ平面上に射影したときの、二次酸化剤ノズル２１１の中心軸とバーナ本体の軸方向との間の角度を指す。ニーズに応じて、各二次酸化剤ノズルに、バーナ本体の外側の方への、異なる又は同一の第２の水平拡散角度のずれが設けられる構成が可能であることを当業者は知っている。

第２の水平拡散角度α_２は、０～１５°、好ましくは０～１０°、より好ましくは３°～８°である。第２の水平拡散角度が１５°より大きい場合、局所的な酸化剤濃度はあまりも低く、結果として不完全燃焼となるであろう。任意選択的に、二次酸化剤供給流路２１及びそれに接続される二次酸化剤ノズル２１１の第２の水平拡散角度は、ゼロとすることができる。

一例として、少なくとも１つの二次酸化剤供給流路２１を、その端部で二次酸化剤ノズル２１１と同軸であるように配置し、どちらも第２の水平拡散角度α_２を有することも可能である。

図９は、ＸＹ平面の方向における、本発明による例示的な三次酸化剤送達構成要素３０の概略投影図である。図９に示される構成によると、２つの三次酸化剤ノズル３１１にはそれぞれ、バーナ本体の外側の方へ、第３の水平拡散角度α_３のずれが設けられ、それにより、三次酸化剤ノズル３１１から吹き付けられる三次酸化剤の吹付面はより広くなり、被炎領域はより大きくなる。これは、平坦な火炎の形成により貢献する。第３の水平拡散角度α_３は、三次酸化剤ノズル３１１をＸＹ平面上に射影したときの、三次酸化剤ノズル３１１の中心軸とバーナ本体の軸方向との間の角度を指す。ニーズに応じて、各三次酸化剤ノズルに、バーナ本体の外側の方への、異なる又は同一の第３の水平拡散角度のずれが設けられる構成が可能であることを当業者は知っている。

第３の水平拡散角度α_３は、０～１５°、好ましくは２°～１０°、より好ましくは４°～１０°である。第３の水平拡散角度が１５°より大きい場合、局所的な酸化剤濃度はあまりも低く、結果として不完全燃焼となるであろう。任意選択的に、三次酸化剤供給流路３１及びそれに接続される二次酸化剤ノズル３１１の第３の水平拡散角度は、ゼロとすることができる。

一例として、少なくとも１つの三次酸化剤供給流路３１を、その端部で三次酸化剤ノズル３１１と同軸であるように配置し、どちらも第３の水平拡散角度α_３を有することも可能である。

図１０Ａ及び１０Ｂは、ＸＺ平面の方向における、本発明による例示的なバーナの概略投影図である。領域Ｃに配置される燃料ノズルの第１の垂直角度β_１は、０～１０°、好ましくは０～３°である。第１の垂直角度β_１は、燃料ノズルをＸＺ平面上に射影したときの、燃料ノズルの中心軸とバーナ本体の軸方向との間の角度を指す。β_１がゼロである場合、これは、燃料ノズルの吹付方向がバーナ本体の軸方向と略同じであることを意味する。β_１が０°より大きい場合、これにより、燃料ノズルの吹付方向を、全体として、燃料が二次酸化剤ノズルに近い又は近くに向けられるようにすることができる。０～１０°にβ_１を設定することは、燃料ノズルの吹付方向をより二次酸化剤ノズルの方へずらすことに貢献する。β_１が１０°を超える場合、二次酸化剤及び三次酸化剤は、あまりに早く、燃料と接触及び混合し、そのため、必要な火炎長さを維持することができない。

領域Ｂに配置される各二次酸化剤ノズル２１１には、Ｚ軸に沿った一次酸化剤及び燃料送達構成要素の方への、異なる又は同一の第２の垂直角度β_２のずれがさらに設けられ、それにより、二次酸化剤ノズル２１１から吹き付けられる二次酸化剤は、一次酸化剤及び燃料送達構成要素の方へずれる。第２の垂直角度は、二次酸化剤ノズルを一次酸化剤及び燃料送達構成要素があるＸＹ平面に垂直なＸＺ平面上に射影するときの、二次酸化剤ノズル２１１の中心軸とバーナ本体の軸方向との間の角度を指す。第２の垂直角度β_２は、２０°未満、好ましくは０～１０°、より好ましくは２°～７°である。第２の垂直角度β_２が２０°より大きい場合、二次酸化剤は、あまりに早く、燃料と接触及び混合し、結果として望ましくない早すぎる燃焼になるであろう。

ニーズに応じて、各二次酸化剤ノズルに、Ｚ軸に沿った一次酸化剤及び燃料送達構成要素の方への、異なる又は同一の第２の垂直角度β_２のずれが設けられる構成が可能であることを当業者は知っている。さらに、少なくとも１つの二次酸化剤供給流路２１を、その端部で二次酸化剤ノズル２１１と同軸であるように配置し、どちらも第２の垂直角度β_２を有することも可能である。

領域Ａに配置される三次酸化剤ノズル３１１には、それぞれ、一次酸化剤及び燃料送達構成要素の方への、同一の又は異なる第３の垂直角度β_３のずれが設けられ、それにより、三次酸化剤ノズル３１１から吹き付けられる三次酸化剤は、一次酸化剤及び燃料送達構成要素の方へずれる。第３の垂直角度は、三次酸化剤ノズル３１１を一次酸化剤及び燃料送達構成要素があるＸＹ平面に垂直なＸＺ平面上に射影するときの、三次酸化剤ノズルの中心軸とバーナ本体の軸方向との間の角度を指す。

第３の垂直角度β_３は、０°～２０°、好ましくは０°～９°とすることができる。β_３が２０°より大きい場合、三次酸化剤は、あまりに早く、燃料と接触及び混合し、そのため、火炎長さを維持することができず、火炎は、効果的加熱火炎を形成するために、溶融表面の平面においてさらに広がらない。

さらに、状況に応じて、各三次酸化剤ノズル３１１に、Ｚ軸に沿った一次酸化剤及び燃料送達構成要素の方への、異なる又は同一の第３の垂直角度のずれが設けられる構成が可能である。

さらに、少なくとも１つの三次酸化剤供給流路３１を、その端部で三次酸化剤ノズル３１１と同軸であるように配置し、どちらも第３の垂直角度を有することも可能である。

図１１は、酸化剤供給流路の角度を定義する概略断面図を示す。二次酸化剤供給流路２１及び三次酸化剤供給流路３１をどちらも一次酸化剤及び燃料送達構成要素があるＸＺ平面上に射影するときの、二次酸化剤ノズル及び三次酸化剤ノズルの吹付方向を延長した線が、（ここで、一次酸化剤及び燃料送達構成要素の軸方向でもあることを理解することができる）バーナ本体の軸方向と交差する位置が示されており、これらの位置は以下で第３の交差位置及び第２の交差位置と呼ばれる。第２の交差位置は、第３の交差位置よりもバーナ金属部材に近い、すなわち、燃焼面に近い。燃料及び一次酸化剤が吹き付けられる方向がＰ１であると仮定すると、二次酸化剤が吹き付けられる方向はＰ２であり、三次酸化剤が吹き付けられる方向はＰ３である。

以下の関係は、より視覚的な説明を提供するために使用することができる。第３の交差位置と燃焼面との間の距離ｄ_３（すなわち、ｄ_２／ｔｇβ_２）＞第２の交差位置と燃焼面との間の距離ｄ_４（すなわち、ｄ_１／ｔｇβ_３）＞一次酸化剤供給流路の対応する交差位置と燃焼面との間の距離ｄ_５、すなわち、ｄ_３＞ｄ_４＞ｄ_５。ｄ_１は、二次酸化剤供給流路の中心と燃料供給流路の中心との間の距離を示す。ｄ_２は、三次酸化剤供給流路の中心と燃料供給流路の中心との間の距離を示す。

単に一例として、３つの一次酸化剤／燃料送達構成要素、２つの二次酸化剤送達構成要素、及び２つの三次酸化剤送達構成要素が１つのバーナに設けられてもよい。当業者は、各構成要素の対応する数、並びに、各構成要素のパラメータを、工業用炉のサイズ、溶融材料の種類、及び火炎制御要件などに従って選択することができることを知っている。

各酸化剤供給流路の断面形状は、異なる可能性があり、円形、卵形の、正方形、又は不規則形などを有することができる。さらに、燃料ノズル、環状ノズル、二次酸化剤ノズル、及び三次酸化剤ノズルはそれぞれ、円形、卵形、正方形、又は不規則形のうちの任意の１つである。

耐火れんが材料又は別の高温耐性のある合金材料が、バーナブロックの材料として選択されてもよい。酸素バーナは、さまざまな工業分野、たとえば、非鉄金属（たとえば、アルミニウム産業）、ガラス、セメント、及びセラミックなどの分野で使用することができる。バーナは、より低い領域が中性又は還元雰囲気である火炎を生成することができ、さらに、被炎領域は大きく、火炎長さはより長く、火炎温度はより均一であり、火炎の局所的な高温点は目立たない。これらの理由のために、バーナは特に、非鉄金属（たとえば、アルミニウム精錬）のための冶金用炉などに適している。

本発明のバーナの酸化剤及び燃料は、燃焼のプロセスを実現する炉の内部において好適な方法で、互いに接触及び混合する。
１）バーナの一方側（たとえば、下部）の燃料供給流路は、一次酸化剤供給流路によって囲まれ、一次酸化剤は、全酸化剤の非常に小さい一部のみを占める。バーナ本体の前端面の近くでの混合の後、燃料及び一次酸化剤は、燃焼空間に一緒に噴射され、一次燃焼生成物及び不完全に燃焼した燃料の一次混合物を生成する。
２）上記のステップからの一次燃焼生成物及び不完全に燃焼した燃料の一次混合物は、最初に、好適な位置で二次酸化剤に接触し、二次混合物を生成する。この接触後の燃焼速度は、各流れの流速及び燃料／酸化剤の化学量論比によって一緒に制御される。
３）三次酸化剤は、バーナの他方側（たとえば、上部）で、別の酸素供給流路から吹き付けられ、二次混合物に接触した後に、燃焼を経て、最終燃焼生成物を形成する。

二次酸化剤及び三次酸化剤は、予定位置で所定の角度からの燃料と混合することができ、これにより、火炎温度及び火炎輝度の制御、並びに、燃焼量の制御及び生成される窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減が可能になる。

バーナで使用されるさまざまな流れに関して、燃料の噴出速度範囲は５～１３０ｍ／ｓに設定することができ、一次酸化剤の噴出速度範囲は０．５～３０ｍ／ｓに設定することができ、二次酸化剤の噴出速度範囲は２．５～８０ｍ／ｓに設定することができ、三次酸化剤の噴出速度範囲は５～１６０ｍ／ｓに設定することができる。好適なバーナ電力負荷範囲は０．６～５ＭＷである。

本発明の実施形態において、燃料は、固形燃料、気体燃料、又は液体燃料であってもよい。固形燃料は、石油コークス、石炭粉末、バイオマス粒子、又は別の化石燃料から選択することができ、固形燃料は一般に、送達のための送達風を形成するために、キャリアガス（たとえば、空気又は二酸化炭素）を必要とする。液体燃料は、液化炭化水素又はコールタールから選択することができる。気体燃料は、天然ガス、水素、又は別の炭化水素ガスから選択することができる。特許番号第ＣＮ１０９４８９０３８Ｂ号、表題「Ｂｕｒｎｅｒ ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｆｅｅｄ ｒａｔｉｏｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｕｅｌｓ」の中国発明特許のテキスト全体は、参照により本明細書に組み込まれる。本発明のバーナは、複数の燃料とともに提供することもでき、燃焼結果を制御するために、各燃料の供給量を調整する。気体燃料として水素を使用するのに特に好適であり、本発明は、水素燃料の中心に制御された量の固体又は液体燃料を導入することによって、火炎黒度を大幅に変えることができ、溶融表面への直接的な熱伝達に関して火炎の効果を著しく改善し、並びに、燃焼廃ガスの含水量を減少させる。

例が図１７に示され、第１の燃料入口端４２６及び第２の燃料入口端４２７は、異なる種類の燃料を導入することができる。各第１の燃料吹付管路４２２は、それぞれの対応する第２の燃料吹付管路４２５の中で入れ子にされている。第１の燃料及び第２の燃料はどちらも、最後に、燃料出口端４２４を通して吹き付けられる。第１の燃料及び第２の燃料は、それらのそれぞれの管路内を流れ、第２の燃料は、第１の燃料吹付管路の外壁及び第２の燃料吹付管路の内壁によって画定される環状パイプ管内を流れることができる。

第１の燃料は、固形燃料、気体燃料、又は液体燃料であってもよい。固形燃料は、石油コークス、石炭粉末、バイオマス粒子、又は別の化石燃料から選択することができ、固形燃料は一般に、送達のための風粉末を形成するために、キャリアガスの形成を必要とする。液体燃料は、液化炭化水素又はコールタールから選択することができる。気体燃料流れは、固形燃料を環状に囲み、火炎明度を上げることができ、燃焼結果を改善する。一般に、発火温度が高い（たとえば、従来の液体燃料又は固形燃料）又は発熱量が高い燃料が、第１の燃料として使用される。バイオマスから生成されたガス又は石炭から生成されたガスが使用されるとき、発熱量がかなり低いこの種類の不安定な燃料は、第２の燃料として使用される傾向があり、一方、発熱量の高い天然ガスは、第１の燃料として選択される。

第２の燃料は気体燃料であってもよい。水素が第２の燃料として使用されるとき、水素火炎の特性のために、火炎は、高温炉内でかろうじて見える。固形燃料又は液体燃料が中心に配置される第１の燃料として使用されるとき、火炎の黒さは、非常に大きく変化し、被加熱材料への直接熱伝達に関する火炎の効果は、著しく増加する。

実施形態１
本発明のバーナが、長さ５ｍ及び幅３ｍの工業用炉で使用される。バーナの燃焼量は約５００ＫＷである（一般的な範囲は４００～７００ＫＷである）。バーナは、一次酸化剤及び燃料送達構成要素と、二次酸化剤送達構成要素と、三次酸化剤送達構成要素とを備える。図１２は、工業用炉に設置されるときの、本発明のバーナの概略上面図を示す。

図１３は、本実施形態におけるバーナの概略三次元図を示す。一次酸化剤及び燃料送達構成要素において、３つの燃料ノズル１１１が設けられる。外側に配置される２つの燃料ノズル１１１は、バーナ本体の外側の方への、５°の第１の水平拡散角度α_１を有し、中央位置の燃料ノズル１１１は、ゼロ度の第１の水平拡散角度を有する。各環状ノズルは、それが囲む燃料ノズルに対応するように配置される。二次酸化剤送達構成要素において、２つの二次酸化剤ノズル２１１の第２の垂直角度β_２は、燃料ノズル１１１の方への６°に設定され、第２の水平拡散角度α_２は、バーナの外側の方への５°に設定される。

三次酸化剤送達構成要素において、２つの三次酸化剤ノズル３１１の第３の垂直角度β_３は、燃料ノズル１１１の方への８°に設定される。第３の水平拡散角度α_３は、バーナの外側の方への５°に設定される。

全燃料入口を通してバーナに投入された後、燃料は、バーナ金属部材３によって３つの燃料供給流路１１に均等に分配される。全酸化剤入口を通して投入された後、酸化剤はバーナ金属部材３の酸化剤ステージング制御機構によって、３つの酸化剤送達構成要素に分配されて、最後に、燃焼空間に噴射される。

燃焼反応の速度は、混合流れの速度及び燃料／酸化剤の化学量論比によって一緒に制御される。本実施形態において、一次酸化剤は、酸化剤総流量の５％を占める。バーナ本体の前端面の近くでの混合の後、燃料及び一次酸化剤は、燃焼空間に噴射される。二次酸化剤は、酸化剤総流量の３０％を占め、吹き付けられた後、炉内のいくつかの位置で一次混合物と接触し、次いで、それと混合する。三次酸化剤は、酸化剤総流量の６５％を占め、吹き付けられた後、炉における燃焼の前の２つの段からの混合物と混合し、燃焼のプロセスを完了する。

図１４Ｂは、正規化後の、上述の工業用炉におけるＮＯｘ濃度分布を示す。図１４Ａは、図１Ｂに示されるような先行技術の多段バーナによって生成されたＮＯｘ濃度分布を示す。ＮＯｘ濃度分布を表すカラーコードの色が薄いほど、ＮＯｘの濃度は高い。図示のように、本発明のバーナが上述の工業用炉で使用されるとき、ＮＯｘ濃度は著しく低い。本実施形態のバーナによって生成される長い火炎は、被加熱材料の表面の大きな被炎領域を形成し、火炎温度は全体的に均一であり、局所的な過熱スポットはない。この種類の火炎と被加熱材料との間の雰囲気は、還元雰囲気により近いと断言することができる。この種類の火炎は、アルミニウム精錬炉に特に好適であり、アルミニウム製錬原料に、高効率に熱を伝達することができ、局所的な過熱による材料の酸化又は揮発を防ぐことができ、ＮＯｘの生成も同様に減少する。

図１Ｂに示される先行技術の多段バーナ、及び、ある実施形態における本発明のバーナについては、異なる多段酸素割合が設定され、図１５に示されるように、燃焼生成物のＮＯｘの体積濃度が試験される。バーナ構造の差異を除けば、燃焼空間の大きさ、燃焼空間の最高温度、炉圧（炉火炎空間燃焼中の圧力の測定値）、酸素燃料比、及び外部環境を含む、他のすべての条件は同じである。

３組の試験、ａ、ｂ、及びｃは、図１Ｂに示されるような多段バーナを使用して行われ、一次酸化剤の割合をそれぞれ約３５％、約２０％、及び約５％に設定した。試験ａ、ｂ、及びｃの３つの組の結果の正規化の後、火炎領域の燃焼生成物におけるＮＯｘの体積濃度は、それぞれ約１．３０、１．００、及び０．７８であった。３組の試験、ｄ、ｅ、及びｆは、本発明のある実施形態において示されるバーナを使用して行われ、一次酸化剤及び二次酸化剤の割合の合計をそれぞれ約４０％、約２５％、及び約１５％に設定した。試験ｄ、ｅ、及びｆの３つの組の結果の正規化の後、火炎領域の燃焼生成物におけるＮＯｘの体積濃度は、それぞれ約０．９１、０．６２、及び０．３０であった。類似したステージング割合に関して、本発明のバーナにおける窒素酸化物の生成は、炉の内部の空間、特に、火炎領域において、著しく減少しており、減少の程度はそれぞれ、３０％、３８％。及び６１％である。

図１Ｂに示される多段バーナにおいて一次酸化剤の割合が約３５％であるように設定されるとき、及び、一次酸化剤及び二次酸化剤の割合の合計が、本発明のある実施形態において示されるバーナにおいて約４０％であるように設定されるとき、実現される燃焼効果は、実質的に、より短い火炎、高い輝度、及び大きい火炎放射係数である。

図１Ｂに示される多段バーナにおいて、一次酸化剤の割合が約５％以下であるように設定されるとき、及び、一次酸化剤及び二次酸化剤の割合の合計は、本発明のある実施形態において示されるバーナにおいて約１５％以下であるように設定されるとき、実現される燃焼効果は、実質的に、より長い火炎、大きな被炎領域、及び火炎温度の良好な均一性であり、これらの条件の下で燃焼によって生成されるＮＯｘの量はより少ない。

図１Ｂに示される多段バーナにおいて、一次酸化剤の割合が２０％に設定されるとき、及び、一次酸化剤及び二次酸化剤の割合の合計が、本発明のある実施形態において示されるバーナにおいて約２５％であるように設定されるとき、実現される燃焼効果は、上記の２つの条件の間である。

図１Ｂに示される先行技術の多段バーナと比較して、一次酸化剤、二次酸化剤、及び三次酸化剤は、燃料流れから連続的且つ段階的にさらに離れるように構成される。このように、一次酸化剤及び二次酸化剤が、火炎を安定させるように、最初に燃料流れとの予備混合を経ると保証されるという前提条件の下で、このように生成された燃料の豊富な不完全に燃焼された物質は、三次酸化剤と混合し、完全なレドックス反応を経て、被炎領域が大きいという結果を実現し、火炎温度は均一であり、ＮＯｘの排出は少ない。

例として幅３ｍの実験的な炉を取り上げると、図１６は、図１Ｂに示される先行技術の多段バーナ及び本実施形態のバーナの炉内火炎長さの調整性の比較を示す。同じ炉内圧力が維持され、天然ガスが燃料として選択され、純酸素が酸化剤として選択された。バーナは、（図１２に示されるような）工業用炉の端壁上に配置された。各バーナは約５００ＫＷの燃焼量を有した。試験から、図１Ｂに示される多段バーナの火炎長さ調整の範囲は０．９～１．９ｍであり、一方、本実施形態のバーナの火炎長さ調整の範囲は０．８～２．７５ｍであることが見出された。図示のように、本発明によって提供されるバーナは、より広い火炎調整範囲を有し、そのため、これらが変化すると、異なる生産負荷、異なる原材料、及び製品特性などの生産条件の要求を満たすことができる。

要約すると、本発明によって提供されるバーナは、多段式構成とともに燃料・酸化剤燃焼技術を採用する。一次酸化剤及び二次酸化剤は、燃料とともに燃料リッチ火炎を形成し、輝炎を形成するように燃料の豊富な混合物の熱分解によってすすの生成が促進される。さらに一次酸化剤の流量の減少及び二次酸化剤の流量（又は、速度）を増加により、火炎長さを増加させる。三次酸化剤の速度を好適な範囲までさらに増加させることにより、より長い火炎長さを形成し、それによって、ＮＯｘの生成を減少させて、より高い伝熱効率を実現する。一次酸化剤、二次酸化剤、及び三次酸化剤の配分割合を制御することによって、火炎長さ及び被炎領域を調整することができ、局所的な酸化又は還元雰囲気を制御することができ、火炎方向も製品処理要件に従って調整することができる。

本発明の内容が上記の好ましい実施形態によって詳細に示されたが、上記の説明が本発明を限定するものとみなすべきではないことは認識されなければならない。当業者が上記の内容を読んだ後は、本発明に対するさまざまな修正及び置換が明らかになるであろう。よって、本発明の保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義されなければならない。

Claims (33)

1. 燃料燃焼のためのバーナであって、前記バーナが、軸方向に延在するバーナ本体を備え、被加熱材料を加熱するための火炎が、前記バーナ本体の前端面で形成され、前記バーナ本体が、一次酸化剤及び燃料送達構成要素と、二次酸化剤送達構成要素と、三次酸化剤送達構成要素とを備え、
   前記二次酸化剤送達構成要素及び前記三次酸化剤送達構成要素が、前記一次酸化剤及び燃料送達構成要素の同じ側に配置され、前記バーナ本体の軸方向に沿った又は平行な方向と直交し前記バーナ本体の底部から頂部に向かう方向において、前記二次酸化剤送達構成要素が、前記三次酸化剤送達構成要素と前記一次酸化剤及び燃料送達構成要素との間に配置され、
   前記一次酸化剤及び燃料送達構成要素が、
   燃料が流れる少なくとも１つの燃料供給流路であって、その一端に燃料ノズルが設けられている、少なくとも１つの燃料供給流路と、
   一次酸化剤が流れる少なくとも１つの一次酸化剤供給流路であって、前記一次酸化剤供給流路が前記燃料供給流路の外壁を囲むように構成され、その一端に前記燃料ノズルを囲む環状ノズルが設けられている、少なくとも１つの一次酸化剤供給流路と、
   を備え、
   前記二次酸化剤送達構成要素が、二次酸化剤が流れる少なくとも１つの二次酸化剤供給流路であって、その一端に二次酸化剤ノズルが設けられている、少なくとも１つの二次酸化剤供給流路を備え、
   前記三次酸化剤送達構成要素が、三次酸化剤が流れる少なくとも１つの三次酸化剤供給流路であって、その一端に三次酸化剤ノズルが設けられている、少なくとも１つの三次酸化剤供給流路を備え、
   少なくとも１つの前記燃料ノズル及び前記燃料ノズルを囲む前記環状ノズルには、前記バーナ本体の外側の方へ、第１の水平拡散角度α１のずれが設けられ、
   前記第１の水平拡散角度α１が、０°～２０°であり、
   少なくとも１つの前記二次酸化剤ノズルには、前記バーナ本体の外側の方へ、第２の
   水平拡散角度α２のずれが設けられ、
   前記第２の水平拡散角度α２が、３°～１５°であり、
   少なくとも１つの前記三次酸化剤ノズルには、前記バーナ本体の外側の方へ、第３の水平拡散角度α３のずれが設けられ、
   前記第３の水平拡散角度α３が、２°～１５°であり、
   前記二次酸化剤ノズル及び前記三次酸化剤ノズルの出口端が、前記バーナ本体の前記前端面上に配置されて、それぞれ、前記二次酸化剤及び三次酸化剤を吹き付け、
   前記二次酸化剤が、前記三次酸化剤の前に前記燃料と混合し、
   前記一次酸化剤及び前記二次酸化剤の割合の合計は、約４０％以下であり、
   前記三次酸化剤の割合は、約６０％以上である、バーナ。
2. 少なくとも１つの一次酸化剤及び燃料送達構成要素において、前記一次酸化剤供給流路が、前記燃料供給流路と同軸状に配置される、請求項１に記載のバーナ。
3. 少なくとも１つの前記燃料ノズルの前端が、前記二次酸化剤ノズルの方へ傾斜する第１の斜め流路を有する、請求項１に記載のバーナ。
4. 前記第１の水平拡散角度α１が、３°～１０°である、請求項１に記載のバーナ。
5. 前記第１の水平拡散角度α１が、３°～６°である、請求項１に記載のバーナ。
6. 前記燃料供給流路が、その前記一端で前記燃料ノズルと同軸であるように配置されて、前記第１の水平拡散角度α１を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載のバーナ。
7. 少なくとも１つの前記二次酸化剤ノズルの前端が、前記燃料ノズルの方へ傾斜する第２の斜め流路を有する、請求項１に記載のバーナ。
8. 前記第２の水平拡散角度α２が、３°～１０°である、請求項１に記載のバーナ。
9. 前記第２の水平拡散角度α２が、３°～８°である、請求項１に記載のバーナ。
10. 少なくとも１つの前記二次酸化剤供給流路が、その前記一端で前記二次酸化剤ノズルと同軸であるように配置されて、前記第２の水平拡散角度α２を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載のバーナ。
11. 少なくとも１つの前記三次酸化剤ノズルの前端が、前記燃料ノズルの方へ傾斜する第３の斜め流路を有する、請求項１に記載のバーナ。
12. 前記第３の水平拡散角度α３が、２°～１０°である、請求項１に記載のバーナ。
13. 前記第３の水平拡散角度α３が、４°～１０°である、請求項１に記載のバーナ。
14. 少なくとも１つの前記三次酸化剤供給流路が、その前記一端で前記三次酸化剤ノズルと同軸であるように配置されて、前記第３の水平拡散角度α３を有する、請求項１～１３のいずれか一項に記載のバーナ。
15. 少なくとも１つの前記燃料ノズルには、前記二次酸化剤ノズルの方へ、第１の垂直角度β１のずれが設けられ、
    前記角度β１が、０°～１０°である、請求項１に記載のバーナ。
16. 前記角度β１が、０°～３°である、請求項１５に記載のバーナ。
17. 少なくとも１つの前記二次酸化剤ノズルには、前記一次酸化剤及び燃料送達構成要素の方へ、第２の垂直角度β２のずれが設けられ、
    前記角度β２が、０°～２０°である、請求項１に記載のバーナ。
18. 前記角度β２が、０°～１０°である、請求項１７に記載のバーナ。
19. 前記角度β２が、２°～７°である、請求項１７に記載のバーナ。
20. 少なくとも１つの前記二次酸化剤供給流路が、その前記一端で前記二次酸化剤ノズルと同軸であるように配置されて、前記第２の垂直角度β２を有する、請求項１７～１９のいずれか一項に記載のバーナ。
21. 少なくとも１つの前記三次酸化剤ノズルには、前記一次酸化剤及び燃料送達構成要素の方へ、第３の垂直角度β３のずれが設けられ、
    前記角度β３が、０°～２０°である、請求項１に記載のバーナ。
22. 前記角度β３が、０°～９°である、請求項２１に記載のバーナ。
23. 少なくとも１つの前記三次酸化剤供給流路が、その前記一端で前記三次酸化剤ノズルと同軸であるように配置されて、前記第３の垂直角度β３を有する、請求項２１または２２に記載のバーナ。
24. 燃料燃焼のためのバーナの燃焼方法であって、請求項１～２３のいずれか一項に記載のバーナが火炎を形成するために使用され、前記燃焼方法が、
    燃料及び一次酸化剤が前記バーナ本体の前記前端面の近くでの混合の後に一緒に燃焼空間に噴射されるように、前記燃料及び前記燃料を囲む前記一次酸化剤を前記一次酸化剤及び燃料送達構成要素を通して導くことであって、一次燃焼生成物と不完全に燃焼した燃料との一次混合物を生成するように、供給される一次酸化剤の量が前記燃料を完全に燃焼させるために必要な酸化剤量より少ない、導くことと、
    前記一次混合物及び二次酸化剤が接触して、設定位置で互いに混合し、二次混合物を生成するために燃焼するように、前記二次酸化剤を前記二次酸化剤送達構成要素を通して導くことと、
    三次酸化剤が前記二次混合物と接触して混合し、最終燃焼生成物を生成するために燃焼するように、前記三次酸化剤を前記三次酸化剤送達構成要素を通して導くことと、
    を含む、燃焼方法。
25. 体積流量の比率に関して、
    前記一次酸化剤が、酸化剤総流量の１～２０％を占める、請求項２４に記載の燃焼方法。
26. 体積流量の比率に関して、
    前記一次酸化剤が、酸化剤総流量の１～１５％を占める、請求項２４に記載の燃焼方法。
27. 体積流量の比率に関して、
    前記一次酸化剤が、酸化剤総流量の２～５％を占める、請求項２４に記載の燃焼方法。
28. 体積流量の比率に関して、
    前記二次酸化剤が、酸化剤総流量の５～４０％を占める、請求項２４に記載の燃焼方法。
29. 体積流量の比率に関して、
    前記二次酸化剤が、酸化剤総流量の１０～４０％を占める、請求項２４に記載の燃焼方法。
30. 体積流量の比率に関して、
    前記二次酸化剤が、酸化剤総流量の１５～３０％を占める、請求項２４に記載の燃焼方法。
31. 体積流量の比率に関して、
    前記三次酸化剤が、酸化剤総流量の６０～９０％を占める、請求項２４に記載の燃焼方法。
32. 体積流量の比率に関して、
    前記三次酸化剤が、酸化剤総流量の６０～８０％を占める、請求項２４に記載の燃焼方法。
33. 体積流量の比率に関して、
    前記三次酸化剤が、酸化剤総流量の６０～７５％を占める、請求項２４に記載の燃焼方法。