JPH0713531B2 - 低ＮＯｘ予混合バ−ナ− - Google Patents

低ＮＯｘ予混合バ−ナ−

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JPH0713531B2
JPH0713531B2 JP60034286A JP3428685A JPH0713531B2 JP H0713531 B2 JPH0713531 B2 JP H0713531B2 JP 60034286 A JP60034286 A JP 60034286A JP 3428685 A JP3428685 A JP 3428685A JP H0713531 B2 JPH0713531 B2 JP H0713531B2
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burner
air
flame
fuel gas
furnace
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ダグラス マイケルソン ハーバート
ピーター スタムバー ジエームズ
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エクソン リサ−チ アンド エンヂニアリング コムパニ−
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/02—Disposition of air supply not passing through burner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F23D14/04—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner
    • F23D14/08—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner with axial outlets at the burner head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は例えば炭化水素を水蒸気分解するための高温炉
に使用されるような予混合（PM）バーナーにおける改良
に関する。より詳しくは、本発明はNOX放出における低
下を達成するための新規な構成で段階化燃焼と予混合バ
ーナーとを組合せることに関する。
用語のNOXは高温で空気中に形成できる種々の窒素酸化
物を示す。NOX放出の低下は政府の規制を受ける空気汚
染を低減するために望まれる目標である。
ガスだきバーナーは空気と燃料との混合に用いる方法に
より予混合または生ガス（raw gas）のいずれかに分類
される。それらはまた構成および用いるバーナー口金の
型が異なる。
生ガスバーナーは燃料を空気流中へ直接噴射し、燃料と
空気との混合は燃焼と同時に起る。空気流が燃料流で評
価できるほど変化しないので、自然通風バーナーの空気
レジスターの調節は通常燃焼速度の変化に関して変化さ
せねばならない。従つて、頻繁な調整が必要であろう
（米国特許第4,257,763号の論議参照）。また多くの生
ガスバーナーは輝炎を生ずる。
予混合バーナーは燃料を燃焼前に多少またはすべての燃
焼空気と混合する。予混合は燃料流のエネルギーを用い
ることにより達成されるので、空気流は主として燃料流
に比例する。従つて、頻繁な調整の必要はより少ない。
燃料と空気との予混合はまた所望の炎特性の達成を容易
にする。これらの性質のために、予混合バーナーはしば
しば種々の水蒸気分解炉構成と相容性である。
垂直燃焼式（floor−fired）予混合バーナーは、主にこ
れらの炉の長輻射部に比較的均一な熱分布プロフアイル
を生ずる能力のために、多くの水蒸気分解装置および水
蒸気改良装置に使用される。炎は不輝炎であり、管金属
温度を容易にモニターすることができる。従つて、予混
合バーナーはそのような炉に選ばれる候補である。予混
合バーナーはまた他の型の炉に必要な特定の熱分布プロ
フアイルまたは炎形状のために設計することができる。
これらの理由から生ガスバーナーは本発明の範囲外であ
るけれども、それらは比較のために参照される。
予混合バーナーの関係において、用語の一次空気は燃料
と予混合される空気を示し、二次空気および若干の場合
における三次空気は残部を示す。生ガスバーナーでは、
一次空気は燃料に近く関連する空気であり、二次および
三次空気は燃料と一層遠く関連する。燃焼性の上限は炎
が伝播できる最大燃料濃度（多燃料）を含む混合物を示
す。
〔発明の背景〕
米国特許第4,157,890号は水平燃焼式バーナー（wall bu
rner）に関し、その目的は炉煙道ガスをスタツクからバ
ーナーへ循環する厄介な装置を用いる代りに、空気力学
手段により燃焼生成物を燃焼帯域中へ導入することによ
りNOXを低下させることである。これは空気の段階化で
はなくて燃料を段階化する方法によりなされ、すなわ
ち、主バーナーの上流に予備または第二のバーナーを使
用することにより、その中で全気体燃料の小部分が二次
空気の流れの中で燃焼され、ガスの一部の完全燃焼生成
物が二次空気により下流方向へ、主バーナーの燃焼帯域
中へ運ばれる。二次空気は壁とバーナー管との間の管を
囲繞し、すべてのバーナーに接近して通る空間を通り、
この空気が主燃焼の開始される場所に与えられる。
米国特許第3,684,189号は一般にジエツトエダクターと
称される予混合装置に一次空気を吸込む通常の装置を示
す。この構造においてバーナー管の上流端でパイプ中に
含まれた高圧燃料ガスは、一次空気をオリフイスとベン
チユリーとの間の口中へ吸込み燃料ガスと混合させるた
め、オリフイスを通つてベンチユリーの入口部中へ流れ
る。米国特許第3,684,424号および第3,940,234号はセラ
ミツク部材またはタイルがバーナー管の末端または下流
端部を囲繞し、二次空気がタイルと前記管との間を通路
を流れる典型的な構造を示す。
米国特許第3,267,984号は、目的が燃焼する燃料をセラ
ミツク構造物の環状面に沿つて移動させることである生
ガスバーナーを開示する。バーナー口金には液体燃料を
小滴として吐出させる穴および気体燃料のための吐出口
が設けられている。比較的高い圧力で空気が供給され、
２通路中を流れる。空気の大部分は口金の下流に空気の
回転塊が生ずるように導入され、その中へ回転空気中に
発現する低圧により液体燃料小滴が吸込まれる。空気の
小部分は気体燃料と混合する。この混合物が安定な炎を
与え、燃焼気体燃料は下流へ回転空気塊中へ移動する。
これらの特許は参照により本明細書に加えられる。
米国特許第4,004,875号にはNOXを低下するバーナーが開
示され、それは段階化二次空気を有するが、しかし予混
合バーナーではなく、燃料と一次空気との燃焼で生ずる
燃焼生成物の一部の再循環を必要とする。それはまた三
次空気もまた使用できることを示唆する。
米国特許第4,257,763号は米国特許第4,004,875号に関連
し、一次・二次空気／三次空気の割合を固定するための
制御機構を提供する。しかし、これは全空気流の変更を
燃料流で行なわない。その特許はまた第１燃焼帯域に水
噴霧を使用する。
一般的に関心のある他の特許は米国特許第3,663,153
号、第3,918,834号、第4,082,497号、第4,439,137号お
よび第4,289,474号である。
〔発明の概要〕
本発明の低NOXバーナーは、二次空気と炎との混合を遅
延させ冷却した煙道ガスの再循環を可能にする設備によ
り、商業的に入手できる循環PMバーナーと異なる。この
遅延混合は大きい相対熱損失、低い火炎温度および低い
NOX生成を生ずる。この方法で、燃焼性の多燃料上限に
密接に接近し、選んだ個々の燃料により化学量論の約25
〜約65％の範囲から選ばれる化学量論の一次空気率の臨
界範囲内でNOXの生成が意外にも標準PMバーナーおよび
最良の商業的に入手できる生ガスバーナーに比較して低
下されることが見出された。
予混合において安定した規則的割合の空気を吸込む燃料
ガスジエツトにより与えられる化学量論の一次空気率が
優れて制御されるので、PMバーナーを空気の段階化と組
合せて独特に改造し、生ガスバーナーより低いNOX生成
を与えることが見出された。これに反し、この種の協力
は生ガスバーナー中に存在しない。従つて本発明は一次
空気を臨界量で吸込むジエツトダクターを二次空気の段
階化と組合せて使用する。
本発明によれば、一次空気と燃料との燃焼帯域の火炎下
流と二次空気との混合を助長するように、すなわち、燃
焼反応が炉囲い内で完了するように二次空気が供給され
る装置を有する改良された予混合バーナーが提供され
る。さらに改良されたバーナーは初期火炎帯域並びに一
次空気／燃料の火炎下流中への煙道ガスの再循環を助長
する。
標準PMバーナーではバーナー管が収容される中心口を有
するバーナータイルはバーナー管の末端端部を囲繞しそ
れから放射状に間隔をあけて、すなわち、口金の近傍に
配置され、二次空気はタイルと口金との間の通路中を下
流方向へ通され、口金において一次空気／燃料混合物に
より炎が発生される。反対に、本発明の好ましいバーナ
ー構成では、二次空気は封止板によりタイルと口金との
間の通路から遮断され、その代りにタイルの外側から下
流方向へ通される。すなわち、この二次空気はバーナー
から遠くへ離して配置された開管または単なる開口内へ
導入され、次いで燃焼を完了させる。この分離により、
この空気は実質的程度にバーナーの火炎下流と混ざり遅
延燃焼および低NOXを達成する。
特定的には、二次空気系はバーナータイルを通る原始流
路を断熱した板で塞ぎ、タイルの外側にいくらかの、例
えば６個の新しい二次空気口および新しい二次空気レジ
スターを加えることにより変更される。これが二次空気
と炎との混合を遅らせることにより燃焼を段階化し、煙
道ガスと二次空気との混合を助長し、また炎の基部中へ
同伴または再循環する煙道ガスの量を増加する。その結
果火炎程度が低下し、NOXの生成が減少する。
他の態様において少量の二次空気、この関係で空気のス
リツプストリームと称される、がタイルと口金との間の
通路を通つて流れることができるが、しかし二次空気の
大部分は全く好ましい態様のようにタイルの外側に通さ
れる。
より詳しくは、バーナー管を有する予混合バーナーは一
次空気を燃料とともに吸込み混合するための管の上流端
部におけるジエツトエダクター系、一次空気と燃焼ガス
との混合物を受入れ燃焼するための口を設けた管の下流
端におけるバーナー口金、および管の下流端部を囲繞し
それから放射状に間隔をあけたバーナータイルが設けら
れる。改良には二次空気の接近を防ぐためのタイルと前
記管部との間の流路を封鎖する装置およびタイル外側で
下流方向へ流し、二次空気とバーナーの火炎下流との混
合を助長して遅延燃焼を達成するための二次空気供給装
置が含まれる。
次に本発明は添付図面により例示されるが図面中同様の
数字は同様の部分を示す。
〔詳細な説明〕
燃料および空気送出装置 標準型の予混合バーナーが第１図に示される。それは燃
料、一次空気および二次空気を供給、制御する装置から
なる。バーナー管１は耐火物炉床25中のタイル穴中に設
置された環状タイル12内に配置されている。タイルは炉
床より上に約2.5〜5.1cm（約１〜２インチ）延びること
ができる。
（Ａ） 燃料系一単孔または複孔オリフイスパツド、一
次空気系1,4,5,6,711の内側。
スパツドはバーナーへの燃料を計測し、燃料ジエツト２
を与えて一次空気３を同伴する。
（Ｂ） 一次空気系−オリフイススパツド１、ベンチユ
リーまたは混合器６、延長管７（任意）、空気制御装置
４（任意）、一次空気プレナム５（任意）およびバーナ
ー口金11。
これは最も重要な系である。それは燃焼に必要な空気の
若干または大部分を流入し、この空気と燃料とを燃焼前
に混合する手段を備え、フレームスタビライザーを備
え、最終炎特性を決定する最高支配者である。
（Ｃ） 二次空気系−空気制御装置８（空気レジスター
またはダンパー）、二次空気プレナム10（任意）、配分
バツフル18（任意）およびバーナータイル12。
これは燃料の燃焼に必要な残部の空気９を供給すること
により一次空気を補足する。燃料と空気との混合は不完
全であるので、完全燃焼を保証するため燃料の化学量論
要求量に加えて過剰の空気が必要である。この量より多
い過剰空気は炉効率を不必要に低下し、NOX放出を増加
する。従つて、二次空気系は過剰空気の供給を適当に制
御できなければならない。
一次空気系作用 一次空気系はジエツトポンプまたはジエツトエダクター
の原理を用いて燃焼空気を流入しそれを燃料と混合す
る。第１図に示されるように、燃料ガス圧は１つまたは
より多くの高速ジエツト２を生ずるように穴をあけたオ
リフイススパツド１中で運動エネルギーに転換される。
これらの燃料ジエツトは一次空気３をベンチユリー部６
中へ吸込み、そこで燃料と空気とが混合される。ダンパ
ー４および一次空気プレナム５は空気予熱または押込通
風操作に一般に使用される。他の方法でマフラーがノイ
ズ放出の低減にしばしば使用される。
一次空気系は空気の流入に燃料ジエツト２の運動量を用
いるので、一次空気吸込み速度は炉の通風における変化
に比較的影響を受けず、空気流は燃料流に比例して増加
する。従つて、燃焼速度の変化に関して予混合バーナー
は生ガスバーナーよりも過剰空気水準の制御に頻繁な調
整を要することが少ない。
燃料と空気がベンチユリー６中で混合された後、７中の
混合物はバーナー口金11を通つて退出して燃焼される。
燃焼は混合物が口金中の出口を離れると直ちに始まる。
口金11は炎13を安定化し、口金の形状が主に炎の形状を
決定する。
二次空気系作用 第１図に示されるように、二次空気９は制御装置８（ダ
ンパーまたは空気レジスター）を通つてバーナーを矢印
の方向に通り、バーナータイル12とバーナー口金11とに
より形成された環状空間を通つて炉に入る。二次空気が
直ちに燃焼燃料・一次空気混合物と混合し始めることが
できることは明らかである。二次空気プレナム10および
円筒状配分バツフル18は空気予熱、ガスタービン排気、
または押込通風運転に一般に使用される。プレナムより
はむしろレジスターが通常自然通風運転に使用される。
バーナーを流通する二次空気の量は炉床25における通風
とバーナーに対する入口において利用できる圧力との間
の差圧により与えられる駆動力と、制御装置８およびバ
ーナータイル12を横切る圧降下により生ずる流れ抵抗と
の間のバランスにより決定される。従つて、二次空気流
は主に一次空気流に無関係であり、比較的一定である。
標準予混合バーナーNOX 燃焼過程において空気中の分子窒素または燃料中の化学
的に結合した原子窒素として由来する窒素の酸化により
NOXが形成される。前者は熱NOXとして示され、後者は燃
料NOXと称される。
熱NOX生成の機構は初めにZeldovichにより次のように説
明された。
N2＋ＯNO＋Ｎ （１） O2＋ＮNO＋Ｏ （２） 標準バーナーにおけるNOX生成は温度、組成および過剰
量の酸化剤（oxidant）により支配される。一定の酸化
剤温度および組成ではNOXの生成は主に過剰の酸化剤ま
たは空気の量、すなわち燃料の100％燃焼を達成する化
学量論量を超える燃焼空気の量、により支配され、過剰
空気が減少するとNOXの生成が減少する。NOX生成に対す
る他の影響は全空気または酸化剤が一次および二次に分
割される方法である。最低のNOXは一次空気を減少する
と得られる。
一次空気が予混合バーナー中で減少されるときのNOX生
成の減少は２因子のために生ずる： （ｉ） 燃料が空気と完全に反応するのに長時間を要す
るので、ピーク火炎温度が低下する。この反応時間の増
加はより大きい熱損失を可能にし、より低温の炎を生ず
る。ピーク火炎温度の低下はzeldovich機構によつて支
配される熱NOXの生成を低下する。この機構は火炎中の
局所的NOX生成が次の反応速度式により生ずることを示
す。
Ａ＝定数 Ea＝活性化エネルギー約（70kcal/g−モル） Ｒ＝普遍気体定数（1,986cal/g−モル゜K） Ｔ＝温度（゜K） 〔N2〕＝窒素分子の濃度 〔Ｏ〕＝酸素原子の濃度 （ii） 炎の予混合部分中の酸素分子および酸素原子の
濃度が低下され、一酸化炭素おび水素濃度が増加する。
これはまた式（３）に示されるように熱NOXの生成を低
下する。熱NOXの減少に加えて燃料中の結合窒素化合物
により生ずるNOX生成もまた減少する。結合窒素は他の
窒素原子と異なる原子に結合した窒素である。結合窒素
化合物により生ずるNOX生成は火炎温度の変化により重
要な影響を受けない。
低NOX予混合バーナー 本発明におけるNOX生成は上記原理に従う。しかしバー
ナーの構成およびその運転様式のために、NOXの生成は
一次空気対燃料比が低下すると非常に速やかに減少す
る。事実一定の酸化剤温度および組成に対してNOX生成
は主に一次および二次の空気または酸化剤間の分割によ
り支配される。最低NOXは一次空気と燃料との混合物が
多燃料または上部燃焼性限界に近いとき、すなわち空気
が上部燃焼性限界に相当する空気の10％範囲内にあると
きに得られる。しかしこの最少値は意外にも標準PMバー
ナーにおいて生じた最低NOXよりはるかに低い。本発明
のバーナーにおける有効なNOX低下は一次空気が選ばれ
る燃料により化学量論空気必要量の約25〜65％であると
きに得られる。化学量論空気所要量の65％よりも多く一
次空気として吸込まれるとNOX生成は標準バーナーに等
しいかまたはそれより多い。
新バーナーの一次空気系は標準混合バーナーと異ならな
い。多くの予混合バーナーの一次空気系形態を使用する
ことができる。しかし好ましい系中の構成要素が一次空
気対燃料比を制御して最少NOXに対する最適条件に近ず
けられる大きさに作られている拘束を受ける。あるいは
ダンパーを用いて同目的を達成することができる。
本発明は残部の燃焼空気を取扱う方法で標準予混合バー
ナーから離脱する。標準予混合バーナーは残部の燃焼空
気または酸化剤をすべて二次空気９として口金11とバー
ナータイル12との間の開域を通して導入する。この二次
空気９は燃焼する一次空気と燃料空気との混合物とほと
んど直ちに混合し、従つて火炎温度は比較的高く保た
れ、段階化は単に部分的に有効であるにすぎない。本発
明の重要な特徴は、それが二次空気の多量またはすべて
を燃焼一次空気／燃料混合物13から遠くへ移動し、一次
空気を上部燃焼性限界近くに維持することにより最低NO
X生成を達成することである。好ましい方法は二次空気
９のすべてを燃焼一次空気／燃料混合物13から遠くへ移
動することである。
〔好ましい態様〕
これを達成できる一つの方法が第２図および第2a図に示
される。
バーナー集成部品は炉床25のケーシング板27にボルトで
固定した一連の部品として支持することができる。第２
図に示される態様ではこれは次のように行なわれる：封
止板17をケーシング板27にナツトおよびボルト29により
固定する。バーナータイル12、断熱プラグ32、一次空気
集成部品31からなり延長管７にカラー30を取付けた他の
集成部品並びに環状二次空気プレナム19がナツトおよび
ボルト29′により封止板17に取付けられる。従つて、バ
ーナー集成部分は部品17により支持され、封止板17は炉
床のケーシング板27により炉床にボルトで固定される。
バーナー集成部品はまたケーシング板27に溶接すること
ができ、あるいはボルト、溶接または適当な方法により
ケーシング板27に取付けられる単一集成部品として作る
ことができる。
このようにしてできた、第２図および第2a図に例示され
るバーナーはもとの二次空気用通路が断熱された板17に
より遮断され、二次空気９が制御装置８を経て環状プレ
ナム19を通つてバーナーに入ることを除き、第１図に示
したとおりである。二次空気９は配分されて、バーナー
の中心から等距離に配置された一連の空気口16を通つて
矢印の方向へ進む。空気口16は実質的に二次空気プレナ
ム19中で始まり、炉床25を通過し炉中へ開放された管ま
たは開口である。空気口の形態−距離、形状、バーナー
タイル12より上または下の高さ、バーナーの中心線に関
する口中心線の角度および口の数を含む一を、全NOX生
成に小さい差異を与えるが、しかし本発明の一般作用原
理を変えないで変更することができる。
二次空気は低NOX生ガスバーナーに使用された。しかし
これらのバーナーは燃料と空気とを燃焼前に予混合しな
い。燃料と空気との予混合と段階化とのこの新規な組合
せは次の利点を生ずる改良である。
（１） 二次空気口が予混合装置と組合せて使用される
燃焼を有効に段階化する。予混合装置は主にバーナーの
多燃料燃焼帯域中の燃焼特性を決定する一次空気−燃料
比の優れた制御を与える。この最適比が、殊にバーナー
を自然通風で使用するときに広範囲の運転条件にわたり
保持される。
（２） それは第２図および第2a図に示されるように炎
の基部で多燃料燃焼帯域中へ煙道ガス14を直接流入させ
ることを可能にする。これは炎のより速やかな冷却およ
び希釈を与え、熱NOXおよび燃料NOXの減少を生ずる。
（３） バーナー口金から出てくる一次燃料および空気
の大きな塊が炎の基部に大きな再循環帯域15を形成し、
それが炎の安定性の維持を助ける。
（４） 別の二次口16の使用は、それぞれが二次空気ま
たは酸化剤を一連の別個のジエツト中へ集中させるので
好ましい。これらのジエツトはまた煙道ガスを同伴して
酸素濃度を希釈し、それが空気または酸化剤を、それが
炎と混ざる前に360゜の環状スロツトがなすよりも高い
垂直水準に押し出すことにより段階化の効率を高める。
二次空気９が主炎13に接触する前の余分の時間が炎から
より大きい熱損失をさせ、煙道ガスの一層有効な同伴を
生じ、NH3のような燃料窒素化合物のNOXよりもむしろ分
子窒素への反応を促進する。
〔他の態様〕
本発明の他の変形が第３図に示される。これは一次空気
系に隣接する空気系20,22を保持する。この場合、二次
空気供給からのスリツプストリームであることができる
少量の空気または酸化剤21がダンパー20および空気プレ
ナム22を通して、あるいは若干の他の空気制御装置を通
つてくる空気の残部は、好ましい態様に関連して記載し
たように一次空気系および空気口16を通過する。段階化
はそのとき３つの空気または酸化剤供給：上部燃焼性限
界に近い燃料／空気混合物を与えるように制御された一
次空気、化学量論必要量の小割合（15％未満）を与える
空気21の小量の供給、および外側口16を通つてくる二次
空気９、で２段階に生ずる。
本発明のバーナーは垂直燃焼式熱分解炉に関連して記載
されたけれども、それらはまたそのような炉の側壁上、
あるいは他の反応または機能を行なう炉中に使用するこ
とができる。
本発明によるPMバーナーは次に示すように広範囲の運転
条件で用いることができる： 燃焼速度 １〜10MBTU/時、 燃料特性 水素−85容量％まで、 分子量−５〜50 温度−周囲〜482℃６（900゜F） 圧力−0.1〜2.5kg/cm2（２〜35psig） 酸化剤 −空気 温度−周囲 −周囲以上482℃（900゜F）予熱 −ガスタービン排気 O2含量−21容量％以下14容量％まで 温度−315〜566℃（600〜1050゜F） 第２図に示したバーナーを常に同じ試験炉中で試験し、
同時に表Ｉに示した条件の範囲でフルスケール炉をシミ
ユレーシヨンし、要約した。
燃料：天然ガス 燃焼温度:4.4MBTU/時−これは火炎安定性を調べるため
2.2〜5.5MBTU/時で変更した。
空気温度：周囲〜343℃（650゜F） 過剰O2:3.5容量％−これは周囲および343℃（650゜F）
予熱空気の両方で1.5％から5.2％まで試験した。多くの
データは3.5％O2でとつた。
一次空気吸込：理論（化学量論）空気所要量の50％、こ
れは周囲空気試験で3.8％から75％まで変更した。
フルスケール炉中のNOX低下性能は次のような類似の条
件のもとで運転したとき、試験炉中で達成されたものに
匹敵することを予期できる： 設計燃焼速度−４〜6MBTU/時 燃料種類−14〜22の分子量範囲で天然ガスに類似 空気温度−周囲〜370℃（700゜F）。
第４図、第５図および第６図において、第２図に示した
バーナーを標準PMバーナーおよび、優れたNOX低下を与
えることが知られたので評価のために選んだ段階化燃
料、非段階化空気に特徴がある市販生ガスバーナーと比
較した。しかし、本発明の低NOXPMバーナーは1093℃（2
000゜F）を超える高い炉温でより良好な結果、すなわち
50体積百万分率NOX程度、を与えた。
炉中の煙道ガスの温度が重要であり、温度が低ければ、
それが炎を一層速やかに冷却するが、しかし温度が高け
ればよりゆつくり冷却するであろうことに注意すべきで
ある。例えば本発明のバーナーは炉が約927℃（約1,700
゜F）であつたとき約23体積百万分率NOXを放出した。従
つて、比較試験は有効な比較が得られるように同じ炉
（煙道ガス）温度条件で行なわねばならず、そのように
行なつた。
NOX低下性能 第４図、第５図および第６図に示されるように、標準PM
バーナーに比較したとき周囲空気および予熱空気の両方
で本発明による低NOXPMバーナーにより相当のNOX低下が
達成された。特定試験条件により40〜60％の低下が達成
された。
第４図に示されるように、NOX放出は3.5％過剰O2水準で
周囲空気で少くとも40％低下した。このO2水準で予熱空
気における低下率は343℃（650゜F）で50％を超えるま
で上昇した。204℃（400゜F）の空気で低NOXPMバーナー
からのNOX放出は周囲空気で運転する標準バーナーから
のNOX放出に匹敵した。この関連において他のものが等
しければNOXが空気温度の上昇とともに増加することに
注意すべきである。また、主題の低NOXPMバーナーが204
℃（400゜F）未満の温度における生ガスバーナーより低
いNOXを与えたことを注目することができ、それは予熱
空気が商業的に使用されるときに一般に204℃（400゜
F）未満の温度に加熱されるので利点を構成する。
第５図に示されるようにNOX放出が過剰酸素に敏感であ
り、最低の放出は低過剰空気水準で生ずる。343℃（650
゜F）、２％過剰酸素で低NOXPMバーナーに比較して60％
を少し超えるその最良のNOX低下を達成した。
限定された周囲空気データを低過剰空気水準で得たけれ
ども、予熱空気を用いた主題バーナーの性能に基きこれ
らの水準に対するNOX低下性能は高過剰空気水準で達成
されたものと同様かまたはより良好であると予想され
る。従つて標準PMバーナーに比較した主題のバーナーに
対する少くとも40％のNOX低下が多くの水蒸気分解炉を
運転する低過剰空気水準（２容量％O2）に対して予想
される。
第５図に示したように、生ガスバーナーに関しては周囲
空気におけるその性能は低NOXPMバーナーより劣つた。
段階化燃料バーナーは対照標準PMバーナーよりもNOXを
単に25％（低NOXPMの40％に比較し）低下した。しか
し、既に記載したように非常に高い予熱水準いおいて低
NOXPMバーナーに匹敵するかまたはより良好なNOX低下が
達成された（第４図および第５図参照）。
一次空気吸込みは予混合バーナーのNOX生成を決定する
主因子である。第６図に示したように、NOX放出は一次
空気吸込速度が理論空気必要量の約50％に低下するにつ
れで減少する。NOX放出は理論の40〜50％の間の吸込速
度で水平に移る。また輝炎は通常約40〜45％未満の空気
吸込みで生ずる。従つて、低NOXPMバーナーは使用する
燃料が天然ガスまたは類似のものであるとき理論空気必
要量の約45〜50％を吸込むように設計すべきである。例
えば水素85容量％および天然ガス15容量％からなる燃料
に対してはバーナーは理論必要量の約31〜36％を吸込む
ように設計すべきである。多くの気体燃料に対する設計
点は理論の31〜50％にあろう。
低NOXバーナーは一次空気吸込速度に殊に敏感であるこ
とが認められた。事実第６図は低NOXPMおよび標準PMバ
ーナーのNOX放出が、一次空気が理論必要量の約70％に
達するときに等しいことを示す。
試験条件の範囲で低NOXPMバーナーおよび標準PMバーナ
ーを火炎安定性および熱分布はほとんど等しかった。熱
分布の指標である壁耐火物温度プロフアイルは第７図に
示されるようにほとんど等しい。一方生ガスバーナーに
対する熱分布は低NOXPMバーナーほど良好ではない。第
７図に示されるように生ガスバーナーは炉中低部で熱を
放出し、この関係で熱分解管は９〜12m（30〜40フイー
ト）程度の高さ、例えば約9m（約30フイート）であるこ
とができることに注意すべきである。
試験した他の構成 二次空気口の形態の影響について限定された試験を出口
16の高さを変更することにより行なつた。これらの口の
高さのバーナータイルより上の延長はNOX放出をさらに1
0％低下したけれども、示したように炉床25の内面と同
じ高さで終る二次空気口16を有するバーナー構成は、そ
れが優れたNOX低下を達成したので好ましく、その低い
資本、運転および保守コストのために一層実用的商業バ
ーナーである。
主題のバーナーについて標準PMバーナーに比較した試験
データに示された改良を次に要約する： 周囲空気運転−少くとも40％のNOX低下が達成され
た。
予熱空気運転−60％までのNOX低下が343℃（650゜F）
程度の高い予熱空気温度で達成された。240℃（400゜
F）でNOX生成は周囲温度における標準バーナーに等しか
った。
燃焼性能−火炎安定性および熱分布を含め満足な燃焼
性能が達成され、標準バーナーに等しかった。
改良から生ずる利点には次のものが含まれる： 既存の炉の改装−低NOXPMバーナーは、便宜には炉を
停止したときに、設置されているPMバーナーを改変する
ことにより既存水蒸気分解装置中へ改装することが容易
であろう。これは現在のNOX放出水準を超えないで空気
予熱に関する一層の経済上の増加を可能にする。
他のNOX制御技術−低NOXPMバーナーは他のNOX制御技
術、例えば水蒸気噴射、とともに使用して一層大きいNO
X低下を達成することができる。
他の応用−この低NOXPMバーナーの概念はガスタービ
ン排気系並びに他の型の予混合バーナーに適用できる。
従つて、標準PMバーナーの主要な望ましい特性、例えば
火炎安定性、不輝炎および良好な熱分布、を犠牲にしな
いで、また相応して予混合バーナーであることに関する
その本質的特徴を変えないで、本発明の改変により鋭く
低下したNOX生成を得ることがやはり可能であることを
知ることができる。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の例示であり、図面中同様の数字は同様の
部分を示す。 第１図は従来技術の例示であり、その構成は標準予混合
バーナーとして示され、 第２図は本発明の低NOX予混合バーナーの好ましい構成
の部分断面正面図を示し、 第2a図は第２図のバーナーの平面図を示し、 第３図は空気のスリツプストリームが与えられる本発明
の低NOX予混合バーナの他の構成の第２図のような部分
断面正面図であり、 第４〜７図は本発明の低NOXPMバーナーと標準PMバーナ
ーおよび市販生ガスバーナーとを比較したグラフであつ
て、 第４図はNOX放出の空気温度に対するプロツトであり、Q
F＝4.4BTU/時、O2＝3.5容量％、PMバーナー中の吸込み5
0％理論空気、乾燥空気、炉温1066〜1232℃（1950〜225
0゜F）のデータベースで、低NOXPMバーナー性能におけ
るNOX放出水準に及ぼす空気温度の影響を示し、 第５図はNOX放出の過剰酸素％に対するプロツトであ
り、QF＝4.4MBTU/時、PMバーナー中の吸込み50％理論空
気、乾燥空気、炉温1066〜1232℃（1950〜2250゜F）の
データーベースで、低NOXバーナーの性能におけるNOX放
出に及ぼす過剰酸素の影響を示し、 第６図はNOX放出の仕込み理論空気率に対するプロツト
であり、周囲乾燥空気、QF＝4.4MBTU/時、O2＝3.5容量
％、炉温1066〜1232℃（1950〜2250゜F）のデーターベ
ースで、低NOXPMバーナー性能におけるNOX放出に及ぼす
吸込み空気の影響を示し、 第７図は壁耐火物温度プロフアイルであり、QF＝4.4MBT
U/時、O2＝3.5容量％、PMバーナーによる吸込み50％理
論空気、乾燥周囲空気のデータベースにおける壁耐火物
温度プロフアイルを示す。 グラフ中QFは燃焼速度百万英国熱量単位毎時を表わし、
VPPMは体積百万分率を意味し、at4％O2はNOX濃度が乾燥
量基準で４％酸素を含有する煙道ガスの相当濃度に補正
されることを意味し、＃/MBTUは燃焼された百万英国熱
量単位当りのNO2として表わした放出NOXのポンド数を意
味し、長さ平均温度は温度プロフアイルを10個またはよ
り多くの等長変化量に分割し、各変化量中の算術平均温
度を加え、変化量の数で割つて決定した平均温度を意味
する。 Ｉ……バーナー管、１……オリフイススパツド、 ２……燃料ジエツト、３……一次空気、 ５……一次空気プレナム、６……ベンチユリー、 ９……二次空気、10……二次空気プレナム、 11……バーナー口金、12……バーナータイル、 14……煙道ガス、16……空気口、 17……封止板、19……二次空気プレナム、 22……空気プレナム、25……炉床、 27……ケーシング板、31……一次空気集成部品。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭53−134233（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−32224（ＪＰ，Ｕ)

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】NOXの生成の少ない、燃料ガスおよび空気
    の燃焼用の予混合バーナーであって、該バーナーは一次
    空気および燃料ガスの供給用組立体および二次空気の供
    給用組立体を有し、該一次空気および燃料ガスの供給用
    組立体はバーナー管と、この管の下流端部から間隔をお
    いて配置され、かつこの管を囲むバーナータイルを含
    み、このバーナー管は延長管に連結する混合器および該
    延長管の下流端部に取り付けられたバーナー口金を有
    し、該混合器は燃料ガスおよび一次空気の入口を有し、
    かつ該燃料ガスおよび一次空気を、燃焼に先立って予め
    決められた割合で、混合するのに適しており、該バーナ
    ー口金は延長管からガスが通過するための口を有し、バ
    ーナー管およびバーナータイルは、このバーナー口金を
    通して準化学量論的な最初の炎を支持し、かつ安定化す
    るのに適しており、該最初の炎は該バーナーおよびバー
    ナー口金によって形成された区域内に基部を有し、該二
    次空気の供給用組立体は、多数の二次空気口およびその
    二次空気口のための二次空気入口手段を含み、該二次空
    気口は該バーナータイルから放射状に、かつ互いに間隔
    をおいて、周辺に配置されており、この放射状の配置
    は、バーナー口金の実質上下流で、口からの二次空気流
    が予混合されたガスの炎と反応することを可能とするの
    に充分な隔たりであり、口と口との間隔をおいた、周辺
    の配置は、炉の煙道ガスが最初の炎の低温を達成し、か
    つ二次空気流が最初の炎から離れるのに少なくとも充分
    な量で、最初の炎の基部に再循環することを可能とする
    のに充分な隔たりであり、一次空気と燃料ガスとの割合
    は燃料ガスの化学量論的空気必要量の25〜65％の範囲を
    含み、該バーナーは燃料ガスの化学量論的空気必要量の
    120モル％までの全空気必要量に適合することを特徴と
    する、燃料および空気の燃焼用の予混合バーナー。
  2. 【請求項２】二次空気口が実質上バーナー管と平行であ
    る、特許請求の範囲第１項記載のバーナー。
  3. 【請求項３】二次空気口がバーナーの中心から等距離に
    ある、特許請求の範囲第１項記載のバーナー。
  4. 【請求項４】二次空気口がバーナータイルの下流で終わ
    る、特許請求の範囲第１項記載のバーナー。
  5. 【請求項５】封止板がバーナー口金の上流に配置され、
    バーナータイルとバーナー管との間の空間を横切る、特
    許請求の範囲第１項記載のバーナー。
  6. 【請求項６】二次空気入口手段が該バーナータイルを囲
    むプレナムおよび該プレナムのための流れ制御装置を含
    む特許請求の範囲第１項記載のバーナー。
  7. 【請求項７】該混合器が一次空気と燃料ガスを吸い込
    み、かつ混合するためのジェットエダクターの形態にあ
    る、特許請求の範囲第１項記載のバーナー。
  8. 【請求項８】ジェットエダクターが高圧における燃料ガ
    スのための入口管、燃料ガスの１以上のジェットを与え
    るための該入口管上のオリフィスおよび該燃料ガスを受
    入れ、かつ燃料ガスとともに空気を吸い込むためのベン
    チュリー管を含む、特許請求の範囲第１項記載のバーナ
    ー。
  9. 【請求項９】壁、頂部および床を有し、かつ少なくとも
    一つの、特許請求の範囲第１項記載のバーナーを含む
    炉。
  10. 【請求項１０】少なくとも一つのバーナーが炉の床の
    中、または壁の中に置かれている、特許請求の範囲第９
    項記載の炉。
  11. 【請求項１１】該炉がオレフィンの水蒸気分解用に適し
    たコイルを含み、かつ該コイルが該炉の頂部から床まで
    に配置されている、特許請求の範囲第９項または第10項
    記載の炉。
  12. 【請求項１２】化学量論的空気必要量の120モル％まで
    の割合で、燃料ガスおよび空気の燃焼により炉を加熱す
    る方法であって、燃焼中のNOXの生成を減少させなが
    ら、間隔をおいた引き続く段階での燃焼を含み、その段
    階は、 （ａ）一次空気が化学量論的空気必要量の25〜65％の割
    合で燃料ガスに加えられ、この一次空気と燃料ガスが均
    一のガス混合物を形成するように混合され、この混合物
    がバーナー管に通され、ついでバーナー管と、このバー
    ナー管を囲むバーナータイルとによって安定化され、か
    つ支持される最初の炎を生ずるように燃焼され、炉の煙
    道ガスが最初の炎の基部へ再循環される、予混合された
    一次空気および燃料ガスの燃焼段階、および （ｂ）二次空気が個々の空気流に分けられ、二次空気の
    流れが、最初の炎の基部の実質上下流の位置で最初の炎
    の方に流れ、その一方は、炉の煙道ガスは最初の炎の基
    部の方への流れの間に再循環し、二次空気は燃焼を完了
    するように最初の炎の中に残留する煙道ガスと反応し、
    該段階の間に最初の炎の基部に再循環する炉の煙道ガス
    の容量は、最初の炎の炎温度を低下させ、かつ二次空気
    流を予混合した一次空気および燃料ガスの燃焼段階から
    離して保持するのに充分である二次空気燃焼段階である
    ことを特徴とする、燃料ガスおよび空気の燃焼により炉
    を加熱する方法。
  13. 【請求項１３】一次空気および二次空気のための空気が
    周囲の空気、予熱された空気およびガスタービンの排気
    からなる群から選ばれる、特許請求の範囲第12項記載の
    方法。
  14. 【請求項１４】一次空気対燃料ガスの割合が燃焼性の多
    燃料上限に近い、特許請求の範囲第12項記載の方法。
  15. 【請求項１５】燃料ガスが天然ガスを含み、一次空気対
    燃料ガスの割合が化学量論的空気必要量の45％ないし50
    ％である、特許請求の範囲第12項記載の方法。
  16. 【請求項１６】炉が水蒸気分解炉である、特許請求の範
    囲第12項記載の方法。
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