JPH07190319A - 空気多段供給式バーナ及びその燃焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 本発明の空気多段供給式バーナは、炉壁１
２の開口１４に取り付けられるバーナ本体１８と、この
バーナ本体の内部に配設され炉壁１２と反対側の第１端
面３２及び炉壁側の第２端面３４を有するバーナバッフ
ル２０と、第２端面３４へ延びた内部バーナポート３６
と、燃料源につながれ第１端面３２から内部バーナポー
ト３６へ延びた燃料出口部３８とを備える。バーナバッ
フル２０は、燃焼用空気源につながれ第１端面３２から
内部バーナポート３６へ集束方向に延びた複数の一次通
気路４４と、燃焼用空気源につながれ第１端面３２から
第２端面３４へ延びた複数の二次通気路４６を有する。 【効果】 コンパクトな空気多段供給式バーナを炉壁
の外に自己完結状態で備えることが可能となる。さら
に、焼室の安定性を維持しながらも排ガスの循環を増進
させ、低ＮＯｘ化を一層促進することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気多段供給式バーナ
(air-staged burner)とその燃焼方法、特に空気多段供
給式バーナ用のバーナバッフルに関する。

【０００２】

【従来の技術】空気多段供給式バーナ（以下、単に「多
段バーナ」ともいう）については良く知られている。ア
メリカ特許第4,004,875号、第4,063,870号、第4,257,76
3号、第4,297,093号、第4,575,332号、第4,842,509号、
第5,049,066号、第5,149,261号は多段バーナの技術が開
示されている文献の代表例である。

【０００３】一般的に、空気多段供給式バーナの一次混
合ゾーンでは、ＣＯを含む濃い燃料の還元雰囲気中でＮ
Ｏｘが生成される。そして、一次混合ゾーンに二次空気
が到達し可燃物質と反応すると、ＣＯがＮＯｘを再燃さ
せる。これで燃焼が完了する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、現在の設計に
はいくつかの欠点がある。炉環境において、それまでの
燃焼ゾーンバーナに比べてさらにスペースを必要とする
空気多段供給は、バーナの構造をバーナ本体を超えて炉
壁内まで広げることになる。このような構造では、動作
条件下での炉壁の熱膨張のためにバーナの外形が変化
し、多段バーナの所期の動作が損なわれる。

【０００５】そこで、本発明の目的は、多段バーナ構造
における上記のような従来技術の欠点を改善することに
ある。他の目的は、常温炉において（つまり炉の温度が
自然発火温度より低いときに）、補助加熱や口火を必要
とせずに、安定した炎を生成できる多段バーナと燃焼方
法を提供することにある。さらに別の目的は、現存の種
々の炉で使用することができるコンパクトな自己完結型
の多段バーナを提供することにある。本発明の更に別の
目的は、常温（つまり自然発火温度より低い）燃焼室で
の安定性を維持しながら、一次および二次燃焼ゾーンへ
の排ガスの循環を増進させることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による空気多段供
給式バーナは、炉壁の開口に取り付けられるバーナ本体
と、このバーナ本体内に配設され前記炉壁と反対側の第
１端面及び炉壁側の第２端面を有するバーナバッフル
と、前記第２端面へ延びた内部バーナポートと、燃料源
につながれ前記第１端面から前記内部バーナポートへ延
びた燃料出口部とを備え、前記バーナバッフルは、燃焼
用空気源につながれ前記第１端面から前記内部バーナポ
ートへ集束方向に延びた複数の一次通気路と、前記燃焼
用空気源につながれ前記第１端面から第２端面へ延びた
複数の二次通気路を有することを特徴とする。

【０００７】また、本発明による空気多段供給式バーナ
の燃焼方法は、燃料源と、燃焼用空気源と、炉壁の開口
に取り付けられたバーナ本体と、バーナ本体内に配設さ
れ前記炉壁と反対側の第１端面及び炉壁側の第２端面を
有するバーナバッフルと、前記第２端面へ延びた内部バ
ーナポートと、前記燃料源につながれ前記第１端面から
内部バーナポートへ延びた燃料出口部と、前記燃焼用空
気源につながれ前記第１端面から前記内部バーナポート
へ集束方向に延びた複数の一次通気路と、燃焼用空気源
につながれ前記第１端面から前記第２端面へ延びた複数
の二次通気路とを備えた空気多段供給式バーナの常温始
動のための燃焼方法であって、前記一次通気路を通して
一次燃焼用空気を供給し、前記二次通気路を通して二次
燃焼用空気を供給し、常温始動の際に燃料を前記燃料出
口部を通して一次燃焼用空気の速度より速い速度で供給
する工程を有することを特徴とする。本発明による空気
多段供給式バーナとその燃焼方法における他の好ましい
構成については後述する。

【０００８】

【作用】上記のような特徴を有する本発明の空気多段供
給式バーナ及びその燃焼方法によれば、燃焼用空気の一
部（例えば約３０％）は複数の一次通気路を通って内部
バーナポートに流入し、残り（例えば約７０％）の燃焼
用空気は複数の二次通気路を通って外部バーナポートに
相当する炉壁の開口に流入する。燃料は燃料出口部を通
って内部バーナポートに流入する。

【０００９】内部バーナポートでは燃料と制限された一
次空気との混合による乱流が生じ、高還元性の炎が発生
する。これにより、温度上昇が抑えられてＮＯｘの生成
が抑制される。常温始動の際は燃料が一次燃焼用空気よ
り高速で供給され、補助加熱や口火なしでも炎が内部バ
ーナポート内で安定性を維持する。

【００１０】内部バーナポートから炉壁の開口へ出る高
還元性の炎は二次通気路を通って流入する二次燃焼用空
気によってさらに燃焼されるが、この際に生じる乱流に
より、炉から排ガスの一部が炎に引き込まれる。このよ
うにして、炉の排ガスの内部循環により、二次燃焼にお
いてもＮＯｘの生成は抑えられる。

【００１１】好ましくは、バーナバッフルの第１端面に
おいて、複数の一次通気路（の開口）と複数の二次通気
路（の開口）とが同心円状に配置されると共に一次通気
路と二次通気路とが周方向に交互に配置される。この構
成により、各一次通気路の外縁が各二次通気路の内縁よ
り径方向外方に配置することが可能となり、よりコンパ
クトなバーナが実現する。

【００１２】また、前記内部バーナポートが前記炉壁の
ほぼ外側にあり、前記第２端面が前記炉壁に隣接し、そ
して前記炉壁の開口が前記第２端面から第１端面へ約３
０度の角度でラッパ状に広がっていることが好ましい。
このような構成により、排ガスの一部が炉から二次燃焼
領域の炎に引き込まれるやすくなる。

【００１３】バーナバッフルが外側環状ライナと内側バ
ッフル部材とから構成し、前記二次通気路の外縁を前記
外側環状ライナの内面によって形成することができる。
つまり、内側バッフル部材の外周部に形成した凹部と環
状ライナの内面とによって二次通気路が形成される。

【００１４】前記第１端面において、前記一次通気路の
総断面積が、前記二次通気路の総断面積より小さく、一
次通気路と二次通気路の総断面積の約２０〜４０％であ
ることが好ましい。これによって前述したように、燃焼
用空気の約３０％が一次通気路を通って内部バーナポー
トに流入し、残りの約７０％が二次通気路を通って外部
バーナポートに相当する炉壁の開口に流入することにな
る。

【００１５】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、コンパク
トな空気多段供給式バーナを炉壁の外に自己完結状態で
備えることが可能となり、しかも、初期始動時の常温炉
状態において補助加熱や口火を必要とせずに、安定した
炎を生成することができる。さらに、焼室の安定性を維
持しながらも排ガスの循環を増進させ、低ＮＯｘ化を一
層促進することができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。本発明の多段空気供給式バーナ（多段バーナ）は
従来のバーナや再生式バーナに使用することができる。
本発明は、均熱炉のような金属用加熱炉やウォーキング
ビーム(walking beam)炉、横だき炉、縦だき炉のような
再加熱炉に特に好適である。

【００１７】図５に本発明によるバーナを模式的に示
す。この図は、段階的に導入される燃焼用空気によって
多段燃焼を行うバーナの要部を示すものである。再生床
(regenerative bed)１７２を備えるバーナ１７０は、さ
らに燃料路１８０、燃料ノズル１８２（両者は共に耐火
材に埋設され、又は他の手段で断熱または冷却され
る）、及びポート１７８を備えている。

【００１８】再生床１７２を通ってバーナ１７０内に流
入する燃焼用空気は、一次通気路１７４および二次通気
路１７６によって燃料と２段階で混合する。先ず、燃料
ノズル１８２の部位において、燃焼用空気の３０〜７０
％が一次通気路１７４を通って供給されることにより一
次燃焼が行われる。燃焼用空気の残りの３０〜７０％は
二次通気路１７６を通って、ポート１７８で二次燃焼を
行う。この多段空気供給式燃焼装置は一次燃焼ゾーンで
濃燃料燃焼を行い、炎の温度を下げることによってＮＯ
ｘの生成を抑制する。

【００１９】この空気多段供給の構造は、高温にさらさ
れるので適当なセラミック材を使用することが望まし
い。通気孔（二次通気路）１７６の構成は、ＮＯｘを最
小限に抑え、炎の形および特性を制御すべく、孔の数、
孔の長さ、及びスピン角に関して調整され得る。一次お
よび二次通気路１７４，１７６によって空気が制限され
るにもかかわらず、本発明は再生システム(regenerativ
e system)に使用でき、また、炉での流れ方向を逆にす
れば、バーナが煙道として機能し得る。排ガス混合空気
(vitiated air)を適切に入口に供給することにより、Ｎ
Ｏｘをこの実施例だけで可能なレベルより更に低く抑え
ることができる。

【００２０】図１に示すように、取付板１５を用いた従
来の方法で多段バーナ１０が炉壁１２に取り付けられ
る。炉壁１２の開口１４はバーナ１０と一直線に形成さ
れ、炉室（図示せず）に連通している。この開口は一般
にポートブロックとして知られている。

【００２１】多段バーナ１０の本体１８は、前側部分に
耐火性のバーナバッフル２０を備えている。中央燃料ダ
クト２２が本体１８の中心軸にほぼ沿って延設され、バ
ーナバッフル２０に連結している。中央燃料ダクト２２
は本体１８内で空気室２４に囲まれ、空気室２４は、燃
焼用酸素及びリサイクル排ガスを供給する適当な空気源
とつながれた入口２６を持っている。さらに、燃料ダク
ト２２は、適当な気体、液体または固体の燃料、又はこ
れらの組合せを供給する燃料供給源につながれている。

【００２２】図２に示すように、バーナバッフル２０は
外側環状ライナ２８と内側バッフル部材３０とからな
る。外側環状ライナ２８と内側バッフル部材３０は共に
耐火材で形成され、耐火セメント２９で接合され得る。
外側環状ライナ２８と内側バッフル部材３０とを心合わ
せして適切に固定するためにくさび材３１が使用され
る。また、所望の分流、流速および流れ方向を生成する
ために、バーナバッフル２０を単一部材に限らず、複数
の部材を組合せで構成してもよい。

【００２３】図１に示すように、バーナバッフル２０は
空気室２４側の第１端面３２と炉壁１２側の第２端面３
４を有する。内側バッフル部材３０内に内部バーナポー
ト３６が形成され、第２端面３４へ延びている。内部バ
ーナポート３６の長さ方向軸線は、バーナバッフル２０
の中心軸線およびバーナ本体１８の中心線と実質的に一
致している。燃料ダクト２２に連結した燃料出口３８が
第１端面３２から内部バーナポート３６へ延びている。
燃料の速度を制御するために、燃料ダクト２２の燃料出
口３８側端部の内側にガスノズル挿入部材４０が配設さ
れている。

【００２４】バーナバッフル２０にパイロット孔４２が
設けられている。第１端面３２から内部バーナポート３
６へ、４本の一次通気路４４が集束方向、即ち互いに近
寄る方向に延びている。一次通気路４４は第１端面３２
で空気室２４と連通している。また、第１端面３２で空
気室２４と連通している４本の二次通気路４６がバーナ
バッフル２０の中心軸線と平行に第２端面３４へ延び、
そこで炉壁１２の開口１４と連通している。

【００２５】濡れ面積を増すことによってバーナ内の排
ガス循環を促進するために、一次通気路４４と二次通気
路４６の横断面が非円形であることが望ましい。具体的
には、図２に示すように、一次通気路４４はほぼ矩形の
横断面を有し、二次通気路４６の横断面は扇形の一部の
形をしている。二次通気路４６の両側縁４８はほぼ平坦
で径方向の線に沿い、内縁５０及び外縁５２は側縁４８
間にわたる円弧状となっている。

【００２６】図２に示すように、４本の一次通気路４４
と４本の二次通気路４６とは交互に配置されている。こ
の交互の配置は、第１端面３２において一次通気路４４
の最外縁が二次通気路４６の内縁５０より径方向外側に
位置することによる一層コンパクトな構成を提供してい
る。ここでは一次通気路４４と二次通気路４６が４本ず
つ設けられているが、その数は任意である。本発明の好
適な実施例で、第１端面３２における一次通気路４４の
断面積は、一次通気路４４及び二次通気路４６の総断面
積の約２０〜４０％、特に３０％が望ましい。

【００２７】二次通気路４６は内部バーナポート３６の
長さ方向中心線に平行であることが望ましい。一次通気
路４４は、その中心線が、一次燃焼ゾーンを形成する内
部バーナポート３６内で内部バーナポート３６の中心線
と交わるように配置することが望ましい。また、適切な
流れパターンを生成するために、一次通気路４４と二次
通気路４６が所定の角度をなしている。二次通気路４６
の外縁５２は外側環状ライナ２８の内面によって形成さ
れている。この構成により、二次通気路４６の箇所では
耐火セメント２９が不要になる。

【００２８】本発明の一実施例において、バーナバッフ
ル２０は長さ（厚さ）が約３４６ｍｍ(13 5/8") 、外径
が約７８７ｍｍ(31") である。内側バッフル部材３０の
外径は５０８ｍｍ(20") 、内部バーナポート３６は直径
が２４１ｍｍ(9 1/2")、長さが１９５ｍｍ(7 11/16")で
ある。内部バーナポート３６の長さと直径との比は、一
次空気の量と燃料の速度とに関係する。バーナバッフル
２０の上記寸法は本発明の一実施例にすぎず、広範囲の
具体的寸法が本発明に含まれる。

【００２９】炉壁１２の開口１４は、バーナ本体１８の
中心線に対して約３０度の角度で第２端面３４から広が
っていることが好ましく、これによって外部バーナポー
トを形成している。開口１４を形成する炉壁１２の表面
は、滑らかで凹凸のないことが望ましい。炉壁開口１４
の広がり形状は、二次通気路４６によって供給される燃
焼用空気への炉からの排ガスの引き込みを増進させる。

【００３０】多段バーナ１０は以下のように作動する。
燃焼用空気又は排ガス混合空気の約３０％は４本の一次
通気路４４を通って内部バーナポート３６に流入し、約
７０％は４本の二次通気路４６を通って開口１４（外部
バーナポート）に流入する。燃料はガスノズル挿入部材
４０と燃料出口３８を通って内部バーナポート３６に流
入する。

【００３１】炉温度が自然発火温度より低い初期常温炉
状態において、燃料は、一次通気路４４及び二次通気路
４６を通る空気の速度より速い速度で内部バーナポート
３６に流入する。内部バーナポート３６での燃料と一次
空気との混合による衝撃と乱流は、天然ガスの可燃限界
範囲外の高還元性炎を一次ゾーンに生成する。しかし、
炎は内部バーナポート３６内で安定し、常温炉状態でも
補助加熱や口火なしで発火と安定性を維持する。

【００３２】燃焼の第１段階で一次通気路４４から供給
される少量（３０％）の空気は一次燃焼ゾーンの温度を
低下させ、ＮＯｘの生成を抑制する。内部バーナポート
３６から出る激しく乱れた(highly turbulent)炎は、炉
から排ガスを燃焼の第２段階にある二次通気路４６の間
の炎に引き込む。燃焼用空気の例えば７０％を供給する
二次通気路４６は、炉の排ガスが炉壁に沿って二次通気
路４６の開口部及びその周辺へ戻って循環することを許
容するように構成されている。このようにして、炉の排
ガスの内部循環により、二次燃焼ゾーンでもＮＯｘの生
成は少なくなる。

【００３３】温度の上昇や空気予熱の増加に従って、本
システムの多段バーナ１０内部での安定限界が拡大す
る。代表的な例として、初期始動条件下において空気は
約２０ｍ／秒(65 feet/second)の流速で流れ、燃料は約
７３ｍ／秒(240 feet/second)の流速で注入される。炉
が加熱されるに伴い、空気の速度は連続運転即ち高温条
件下で通常、約１００ｍ／秒(330 feet/second)まで加
速される。

【００３４】図３及び４は、本発明の装置及び方法によ
る多段再生バーナ１０の炉温度に対するＮＯｘ放出を、
従来のバーナ（アメリカ特許第4,357,134号および第4,9
42,832 号に基づいて製造された公知の低ＮＯｘシステ
ム）を従来の方法で作動させた場合と比較してグラフで
示している。グラフは、作動中の炉の温度に伴って上昇
する空気予熱で作動する再生バーナを示している。本発
明の装置の空気予熱と従来装置の空気予熱とは、それぞ
れの炉温度について本質的には同じである。図３は燃焼
用空気に排ガスが加えられていない場合、即ち、燃焼用
空気が２０．９％の酸素を含む場合を示し、図４は燃焼
用空気に排ガスが加えられて１４．８％の酸素濃度とし
た場合を示している。図３および４に示された結果か
ら、炉温度の広い範囲にわたって本発明の多段バーナが
ＮＯｘ放出を抑制することが明かである。尚、特許請求
の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記
すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定され
るものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る空気多段供給式バーナを
示す、図２の１−１断面図

【図２】図１の２−２線からみたバーナバッフルの正面
図

【図３】炉温度に対するＮＯｘ放出について本発明を従
来技術と比較して示すグラフ（排ガス循環なしの場合）

【図４】炉温度に対するＮＯｘ放出について本発明を従
来技術と比較して示すグラフ（排ガス循環ありの場合）

【図５】空気多段供給に使用される本発明によるバーナ
の模式断面図

【符号の説明】

１２ 炉壁 １４ 開口 １８ バーナ本体 ２０ バーナバッフル ２８ 外側環状ライナ ３２ 第１端面 ３４ 第２端面 ３６ 内部バーナポート ３８ 燃料出口部 ４４ 一次通気路 ４６ 二次通気路 ５０ 二次通気路の内縁 ５２ 二次通気路の外縁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グレゴリー・ティ・キットコウ アメリカ合衆国 ペンシルヴァニア 15137 ノース・ヴェルサイユ ウッドラ ンド・ロード 411 (72)発明者 フランク・エル・バイクナー アメリカ合衆国 ペンシルヴァニア 15025 クレアトン ヴィレッジ・グリー ン・ドライブ 1120

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炉壁（１２）の開口（１４）に取り付け
   られるバーナ本体（１８）と、このバーナ本体の内部に
   配設され前記炉壁（１２）と反対側の第１端面（３２）
   及び炉壁側の第２端面（３４）を有するバーナバッフル
   （２０）と、前記第２端面（３４）へ延びた内部バーナ
   ポート（３６）と、燃料源につながれ前記第１端面（３
   ２）から前記内部バーナポート（３６）へ延びた燃料出
   口部（３８）とを備え、前記バーナバッフル（２０）
   は、燃焼用空気源につながれ前記第１端面（３２）から
   前記内部バーナポート（３６）へ集束方向に延びた複数
   の一次通気路（４４）と、前記燃焼用空気源につながれ
   前記第１端面（３２）から第２端面（３４）へ延びた複
   数の二次通気路（４６）を有することを特徴とする加熱
   炉用の空気多段供給式バーナ。
2. 【請求項２】 前記バーナバッフルの第１端面（３２）
   において、前記複数の一次通気路（４４）と前記複数の
   二次通気路（４６）とが同心円状に配置されると共に一
   次通気路（４４）と二次通気路（４６）とが周方向に交
   互に配置され、且つ、各一次通気路（４４）の外縁が各
   二次通気路（４６）の内縁（５０）より径方向外方に位
   置する請求項１記載の空気多段供給式バーナ。
3. 【請求項３】 前記内部バーナポート（３６）が前記炉
   壁（１２）のほぼ外側にあり、前記第２端面（３４）が
   前記炉壁（１２）に隣接し、そして前記炉壁の開口（１
   ４）が前記第２端面（３４）から前記第１端面（３２）
   へ約３０度の角度で広がっている請求項１記載の空気多
   段供給式バーナ。
4. 【請求項４】 前記バーナバッフル（２０）が外側環状
   ライナ（２８）と内側バッフル部材（３０）とを含み、
   前記二次通気路（４６）の外縁（５２）が前記外側環状
   ライナ（２８）の内面によって形成されている請求項１
   記載の空気多段供給式バーナ。
5. 【請求項５】 前記第１端面（３２）において、前記一
   次通気路（４４）の総断面積が、前記二次通気路（４
   ６）の総断面積より小さく、一次通気路と二次通気路の
   総断面積の約２０〜４０％である請求項１記載の空気多
   段供給式バーナ。
6. 【請求項６】 第１端面（３２）及び第２端面（３４）
   を有する空気多段供給式バーナ用バーナバッフルであっ
   て、その内部から前記第２端面へ延びた内部バーナポー
   ト（３６）と、前記第１端面（３２）から前記内部バー
   ナポート（３６）へ延びた燃料出口部（３８）と、前記
   第１端面（３２）から前記内部バーナポート（３６）へ
   集束方向に延びた複数の一次通気路（４４）と、前記第
   １端面から前記第２端面へ延びた複数の二次通気路（４
   ６）とを備えている空気多段供給式バーナ用バーナバッ
   フル。
7. 【請求項７】 前記第１端面（３２）において、複数の
   前記一次通気路（４４）と前記複数の二次通気路（４
   ６）とが同心円状に配置されると共に前記一次通気路
   （４４）と前記二次通気路（４６）とが周方向に交互に
   配置され、各一次通気路（４４）の外縁が各二次通気路
   （４６）の内縁（５０）より径方向外方に位置する請求
   項６記載のバーナバッフル。
8. 【請求項８】 前記内部バーナポート（３６）及び前記
   燃料出口部（３８）がバーナバッフルの中心線に沿って
   配設され、前記二次通気路（４６）は前記内部バーナポ
   ート（３６）の中心軸線にほぼ平行に配設され、前記一
   次通気路（４４）は、その中心線が前記内部バーナポー
   ト（３６）内でその中心軸線と交わるように配設されて
   いる請求項７記載のバーナバッフル。
9. 【請求項９】 燃料源と、燃焼用空気源と、炉壁の開口
   に取り付けられたバーナ本体と、バーナ本体内に配設さ
   れ前記炉壁と反対側の第１端面及び炉壁側の第２端面を
   有するバーナバッフルと、前記第２端面へ延びた内部バ
   ーナポートと、前記燃料源につながれ前記第１端面から
   内部バーナポートへ延びた燃料出口部と、前記燃焼用空
   気源につながれ前記第１端面から前記内部バーナポート
   へ集束方向に延びた複数の一次通気路と、燃焼用空気源
   につながれ前記第１端面から前記第２端面へ延びた複数
   の二次通気路とを備えた空気多段供給式バーナの常温始
   動のための燃焼方法であって、 前記一次通気路を通して一次燃焼用空気を供給し、 前記二次通気路を通して二次燃焼用空気を供給し、 常温始動の際に燃料を前記燃料出口部を通して一次燃焼
   用空気の速度より速い速度で供給する工程を有すること
   を特徴とする空気多段供給式バーナの燃焼方法。
10. 【請求項１０】 燃焼用空気全体の約３０％が前記一次
    通気路を通して供給される請求項９記載の空気多段供給
    式バーナの燃焼方法。