JPH0842815A

JPH0842815A - マトリックス・バーナー

Info

Publication number: JPH0842815A
Application number: JP7109215A
Authority: JP
Inventors: Aleksandr S Kushch; エス．クシュクアレクサンドル; Mark K Goldstein; ケイ．ゴールドスタインマーク
Original assignee: Quantum Group Inc
Current assignee: Quantum Group Inc
Priority date: 1994-05-03
Filing date: 1995-05-08
Publication date: 1996-02-16
Anticipated expiration: 2013-07-16
Also published as: EP0681143A2; US5711661A; JPH1068504A; EP0681143A3; JP2777553B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ＮＯｘ放射量が例外的に低く、広い燃焼量変
更範囲で動作可能な多層マトリックス・バーナーを提供
する。【構成】離間された放射層の三次元マトリックスで構
成され、第１の三次元多孔性層は混合気を分配する作用
を行なう。分配層と１つ以上の二次元多孔性放射層との
間には広いギャップを設け、放射層として、耐熱ワイヤ
・スクリーンを単層または多層配置し、層の間に狭いギ
ャップを設ける。下流方向の連続層は、前の放射層から
の輻射エネルギを透過するために、大きな開放領域を具
え、熱光電装置に応用するために、マトリックス・バー
ナーは上流よりも開放領域を少なくして、最外側層上に
最高温度位置を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒素酸化物（ＮＯｘ）
の排出が非常に少なく、広範囲の気体燃料の燃焼に用い
られる強力輻射バーナーに関する。本発明の新規な装置
は、ボイラ、湯沸かし器、産業用炉、及び高輻射エネル
ギを利用した気体燃焼機器のような他の装置において、
輻射バーナーとして使用することができる。この装置
は、発熱強度(calorific intensity) や当量比(equival
ence ratio) のような動作パラメータの広い範囲に亘っ
て動作し、ＮＯｘ排出量は極く少ない。また、バーナー
表面から安定且つ均一で、高い輻射束を生成する。

【０００２】

【従来の技術】予め混合された燃料（蒸気または気体）
と、空気または純粋な酸素との混合物の表面燃焼を行な
う種々のバーナーが、多孔性物質の使用に基づいて開発
されている。例えば、金属製マット、スクリーン、繊維
マトリックス(fiber matrix)、軟質または硬質セラミッ
ク・マット、或いはその他の構造を、その種バーナーの
一部として用いることができる。これらは、セラミッ
ク、金属支持部内またはそれらに密着して燃焼する予混
合火炎(premixed flame)を発生し、これらの支持部分を
白熱状態にまで加熱する。このようなタイプのバーナー
に齎らされる恩恵は、強力且つ均一な輻射束を得る一
方、ＮＯｘの排出が少ない高い効率の燃焼を可能とする
能力が得られることである。

【０００３】公知の輻射バーナーで得られる燃焼は、通
常20,000ＢＴＵ／ｈ・ft²（63kW／ｍ²）から 100,000
−200,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²（315-630 kW／ｍ²）まで
の発熱強度、並びに0.8 及び1.2 の間の当量比という狭
い範囲のものである。これらの範囲外の当量比では、炎
がマット表面から不安定に燃え上がり、結果的に炎全体
が燃え上がるため、表面が非輻射状態になる。当量比と
は、燃焼のために供給される空気の、燃料の完全な酸化
のために論理的に（化学量論的に）要求される空気量に
対する比である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】熱負荷が高いと、バー
ナーが輻射する当量比の範囲が狭まり、最終的には総て
の当量比において、炎は表面から垂直に上昇する(lift
off)。この現象の結果、燃焼量変更が難しいと云われ
る、公知の輻射バーナーの欠点が生じる。輻射バーナー
の多くは、固定燃料入力で動作可能となっており、他の
ものでも、燃焼量変更比は通常３：１以下である。これ
らのバーナーの幾つかに生ずる他の欠点には、フラッシ
ュバックの潜在的可能性の問題、大きな圧力低下、低い
機械的強度、熱衝撃に対する脆弱性、及び高いコストが
ある。

【０００５】当量比が高ければ、低いＮＯｘ排出を達成
することができる。而し、機器は空気を過剰に加熱する
ので、これは非効率的である。より大きく高価な熱交換
機を用いて熱を回収することができるが、これではバー
ナーを用いる機器のコストを上昇させることになる。バ
ーナーの熱出力が増大するに連れて、ＮＯｘも増大する
ことは公知である。従って、ＮＯｘの排出を増大させず
に、加熱率(heating rate)を高めることが望ましい。こ
れは、例えば、より狭い空間に容量が大きく、而も安価
なボイラを収容することを意味する。

【０００６】従って、シェル金属ファイバ(shell metal
fiber) やアルゼータ(Alzeta)のパイロコア(Pyrocore)
型ファイバ・マトリックスのような、従来のバーナーよ
りも安価で、広い範囲の燃料入力及び当量比に亘って多
量の輻射熱放出が可能で、而もＮＯｘ排出量が少ない多
孔性バーナーを提供することが望ましい。また、高い熱
衝撃耐性、適当な機械的強度を有し、・熱光電（ＴＰＶ）発生器、・熱光電（ＴＰＶ）駆動ボイラ、湯沸かし器等、・ボイラ、湯沸かし器等、・産業用炉、・その他の気体燃焼機器を含む種々の用途のために、高い輻射出力を供給するバ
ーナーを開発することが望ましい。なお、このようなバ
ーナーの用途は、これらに限定される訳ではない。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の好適実施例によ
れば、本発明の実施において、先進の放熱型マトリック
ス超低ＮＯｘバーナーが提供される。この種輻射バーナ
ーは、第１の多孔性分配層を含み、その一方の面は混合
気を受ける。前記第１層の多孔度よりも高い多孔度を有
する第２の多孔性放射層が、前記第１層から離間されて
設けられ、これら層間に開放燃焼領域を形成する。混合
気は、第１層の下流に、火炎前面を維持するために、充
分な速度で第１多孔性層に供給され、これによって低温
を維持し、バックラッシュを防止する。火炎前面は、層
間または放射層の開放燃焼帯空間では安定する。層間の
距離は、これを調整可能とすることができる。好ましく
は、互いに離間された複数の多孔性放射層を設ける。外
側（下流側）の放射層は開放領域を有し、これを通じ
て、内側の放射層からの輻射を行なうことができる。

【０００８】実際には、本発明は、二次元放射層の三次
元マトリックスである輻射バーナーを提供する。放射層
の各々は、二次元多孔性層から成る。連続する各放射層
の間には開放空間がある。混合気は、放射層の上流側の
多孔性分配層の上流面に供給される。混合気は、二次元
多孔性層近くに安定した炎を維持するために、充分な速
度を有する。離間された２層以上のかかる放射層を用い
ることができる。好ましくは、下流側の各連続層は、そ
れに先立つ上流側の層よりも、大きな開放領域を有す
る。

【０００９】湯沸かし器のような機器の一例では、バー
ナーは、多孔性構造の２層以上の別個の層を有する。第
１分配層には、金属織布、セラミック・ファイバまたは
穿孔硬質セラミック材、金属マトリックス、パンチメタ
ル、または他の同様の材料を用いることができる。第２
層（放射−安定器）は、開放領域が大幅に広く、例え
ば、耐熱金属スクリーンのような異なる高耐熱金属、ま
たはセラミックで作ることができる。放射−安定器は、
炎の安定のため、エネルギを輻射によってターゲットに
転移する手段として、そして炎領域からの熱の発散のた
めに用いられる。

【００１０】１つの応用、即ち、熱光電発生(thermopho
tovoltaic generation) では、放射−安定器は、イッテ
ルビアのような超放射物質(superemissive substances)
で作ることができる。或いは、光電セルによる吸収を最
適化するような、選択された帯域の光子を放射するよう
な物質を被覆することもできる。

【００１１】第１及び第２層間の多孔度の関係は、異な
る燃料入力において、バーナーの高レベル輻射モードを
保持するために、制御を付加する手段となり得る。層間
のギャップ幅を、熱負荷を制御する手段として用いるこ
とができる。従って、他の新規な特徴は、多孔性層間の
少なくとも１箇所のギャップ幅を制御する手段を含む。
燃料入力を増やす時層間距離を広げ、燃料入力を減少さ
せるには、ギャップ即ち層間距離を狭める。

【００１２】可撓性セラミック（セラミック・ファイバ
・マットのような）を用いる場合、軟質または脆弱な物
質の下に支持材を追加挿入し、積層体または複合構造を
形成する。

【００１３】望ましければ、フラッシュバックに対する
保護を強化するために、第１層の内側、またはその下側
に、熱交換機を設けることもできる。場合によっては、
セラミック層の硬質支持部と熱交換機とを、１つの要素
に結合することも可能である。冷却材としては、バーナ
ーがボイラまたは湯沸かし器内で動作する場合、用役流
体(utility fluid) を用いることができる。熱光電（Ｔ
ＰＶ）の応用では、光電シンクからの出力水を冷却材と
して用いることができる。

【００１４】フラッシュバックを回避する更に他の方法
として、第１多孔性層下部の空間にファイバグラス、ま
たは同様の物質を用いること、ファイバ・マトリック
ス、または支持要素の内側で抗フラッシュバック材を利
用すること、或はファイバ・マトリックス、または支持
要素を熱反射材を塗布することが挙げられる。

【００１５】本発明のこれら及びその他の特徴及び利点
は、以下の詳細な説明を添付図面と関連付けて参照する
ことによって理解を深めるに連れて認められよう。

【００１６】

【実施例】図１は、燃料混合プレナム１０を有する、先
進の放射型マトリックス、超低ＮＯｘバーナーの構造を
概略的に示す。パンチメタル１１のような硬質支持部
が、プレナムの一方側にある。ガラスまたは酸化アルミ
ニウム・ファイバのような、セラミック・ファイバの軟
質多孔性層１２が、パンチメタル１１上に支持されてい
る。カンタル(Kanthal) のような耐熱物質の多孔性の放
射−安定層１３が燃焼後室(post combustion chamber)
１４に隣接する。前記の層１２と１３との間には、ギャ
ップ１５（予燃焼室）が形成されている。これらの層１
２及び１３間の距離は、ギャップ制御用ロッド１６によ
って制御される。この柔軟性のある構造は、ギャップ１
５のサイズの変更、層の多孔度の変更、または可動の放
射−安定層１３の配置変更または置き換えによって、特
定用途に合うように容易に変更することができる。

【００１７】天然ガスと空気のような、予め混合されて
いる混合気０２１が、送風機１７によって、燃料混合プ
レナム１０に送り込まれ、パンチメタル１１及びセラミ
ック・ファイバのような軟質多孔性層１２のような第１
層の穿孔構造を通過し、第２の多孔性の放射−安定層１
３の表面上で点火される。炎は、この放射−安定器で安
定し、ギャップ１５の内側、即ちこの放射−安定器の直
後で火炎前面が発生する。高温金属スクリーン、セラミ
ック構造または複合体(composite) のような多孔性の放
射−安定層１３で形成される放射−安定器は、光エネル
ギを放射し始め、炎領域を冷却し、温度を低下させて、
その結果ＮＯｘの排出を抑える。

【００１８】通常の燃焼量変更範囲において、燃料入力
を補正する必要がある場合、この放射安定器を上下に動
かすギャップ制御ロッド１６によって、多孔性層１２と
１３との間の可変ギャップ１５の幅を調節することがで
きる。既存のバーナーが典型的に３：１の燃焼量変更比
を有するのに対して、この新規なバーナーは、１０：１
もの燃焼量変更比を有する。固定された、または可変の
燃料入力で、従来の範囲に亘って、バーナーの輻射モー
ドを或る選択された当量比に保持したい場合にも、同一
の手順を行なえばよい。

【００１９】このバーナーでは、燃焼の火炎前面が常に
第１層の下流にある。火炎前面は、第２の層内にあって
もよいが、好ましくは層間の空間にあるのがよい。後に
述べるように中間に多孔性層がある場合、火炎前面は、
中間の多孔性層内にあってもよい。

【００２０】ＢＴＵレベルが高い場合、第１層と第２層
との間には、より多くの空間が必要となる。第１層が熱
くなり過ぎると、フラッシュバックが生じ得る。ギャッ
プ制御用ロッド１６によって、多孔性層の間のギャップ
１５を変更調節すればよい。

【００２１】第１層は輻射を吸収し、その熱を混合気２
１に転移する。このように、第１の多孔性層は、混合気
が火炎前面に達する前に、それを予備加熱する。

【００２２】同様の構成が図２に示されている。ここで
は、図１において同一部分を識別する参照番号よりも１
００だけ大きな参照番号によって、同様の部分を説明す
る。本実施例では、ギャップ制御用ロッド１１６は、層
間のギャップを変化させるために、第１多孔性層を調節
する。更に追加された構造、即ち、第１の多孔性層１１
２の頂部を被覆する反射被覆層２７が示されている。こ
の反射被覆層２７は、例えば、金、プラチナ、ローディ
ウム、酸化マグネシア、二酸化チタン、酸化アルミニウ
ム等の薄層であり、多孔性層１１２の表面に付着され
る。この構造は、放射安定器からの輻射熱の一部を反射
することにより、バーナーのフラッシュバックに対する
保護を強化するものである。

【００２３】図３は、フラッシュバック保護用熱交換機
が、第１の多孔性層２１２の内側に挿入された、バーナ
ー構造の別の実施例を概略的に示す。パンチメタルのよ
うな硬質支持部２１１、水冷熱交換機３９、及びセラミ
ック・ファイバ・マトリックスのような軟質多孔性と層
２１２の３部分総ては、真空形成技術によって、１つの
要素に一体化することができる。この構成により、フラ
ッシュバックの保護に関してバーナーの信頼性を強化す
ると共に、同時に湯を沸すことができる。

【００２４】図４に概略的に示すように、中間反射器を
熱交換機と共に用いることによって、フラッシュバック
に対して更に保護を強化することも任意に可能である。
この装置は、混合気を受けるための燃料混合プレナム３
１０を備えている。入力プレナム３２１の他方側に、水
を搬送する配管のような熱交換機４１がある。金網４２
がバーナー内の第１多孔性層として設けられている。可
変ギャップ３１５内で、第１多孔性層をなす金網４２と
第２多孔性層４５との間に、中間反射−乱流器(reflect
or-turbulizer)を有するフレーム４３がある。中間反射
−乱流器は、回り止め(baffle)等を備え、ギャップを通
過する気体に乱流を生成する。中間反射−乱流器の回り
止めの一例には、気体流を振らせ乱流を生成する、捩れ
たリボンまたは波板が含まれる。中間反射−乱流器は、
火炎前面の安定に効果があると共に、気体のバーナー内
の滞留時間を長引かせることにより、熱転移を改善す
る。

【００２５】本実施例では、反射物質を被覆した金属ス
クリーンのような輻射放射遮蔽体４４もフレームに取り
付けられる。ギャップ制御用ロッド３１６を用いて第２
多孔性層４５を動かし、可変ギャップ３１５の幅を変化
させる。中間層をなす輻射放射遮蔽体４４は、反射性物
質で形成するか、或いは反射性物質を被覆することがで
きる。多孔性の放射−安定器層は、中間スクリーンと同
一構造でもよいし、第１層の金網４２よりも、多孔度が
高く厚さが薄い耐高温物質で形成してもよい。本発明が
熱光電（ＴＰＶ）装置の一部として動作する場合、放射
−安定器としての輻射放射遮蔽体４５は、光電セルによ
って容易に吸収される狭帯域放射を行なう、酸化イッテ
ルビウムのような超放射物質(superemissive material
s) で作ることもできる。

【００２６】放射−安定器としての輻射放射遮蔽体４５
と、第１多孔性をなす金網４２層との間に追加スクリー
ン４４を挿入することによって、炎の安定性を改善し、
燃焼量変更比を高めることができる。放射−安定器とし
ての輻射放射遮蔽体４５の下約１２mmの所に、中間反射
−乱流器を備えたバーナーは、可変ギャップ３１５を約
３０乃至３５mmに固定した場合でも、炎の安定性に問題
を生じることなく、100,000 乃至1,070,000 ＢＴＵ／ｈ
・ft²（315 乃至375 kW／ｍ²）（１０：１よりも大き
な燃焼量変更比）で動作する。

【００２７】好適な実施例では、層間のギャップの幅
は、連続放射層間のギャップの幅と比較すると、分配多
孔性の第１放射層及び第１放射層の間では比較的大き
い。例えば、分配多孔性層と第１放射層との間のギャッ
プは、約２０乃至３５mmの範囲とすることができる。連
続放射層間のギャップは、約５乃至１２mmの範囲であ
る。一般的に、加熱率が高ければ、ギャップも広い。

【００２８】図４または図７〜図９に示すような、多数
の放射層を有するバーナーは、非常に効率よく輻射エネ
ルギを放射し、ＮＯｘの排出は少ない。従来のファイバ
・マトリックスまたはその他の多孔性バーナーでは、火
炎前面は通常多孔性マトリックスの表面近くに生じる。
多孔性マトリックスの外面は高温にまで加熱され、エネ
ルギを輻射する。多孔性マトリックス・バーナーは、不
透明であると効果的であり、その表面または表面から限
られた深さから輻射を行なう。

【００２９】１枚以上の多孔性層を有するバーナーが、
多数二次元放射層として、本発明の実施において提供さ
れる。一例としてのバーナーは、２層のカンタル金網
を、多孔性分配層より下流側に有する。これを通って、
気体がバーナーに導入される。通常、燃焼は第１多孔性
放射層において開始し、第２多孔性層にて継続する。第
１層の上流では、気体の速度は、燃焼前面(combustion
front)の速度よりも高い。第１放射層における燃焼によ
ってこの層を高温にまで加熱し、燃焼の大部分が第１放
射層の近くで生じる。燃焼は第１放射層より下流でも継
続するが、第１放射層におけるよりも気体の温度が低い
ので、燃焼も低い率で生じると考えられる。第２層は、
燃焼と第１層から吸収された輻射とによって加熱され
る。この場合、結果的に得られる高温によって、第２層
至近における燃焼が促進される。

【００３０】本実施例では、第２放射層の多孔度は第１
放射層よりも高い。第２放射層は充分な開放領域を有す
るので、第１放射層からの多量の光がここを通って放射
される。第２放射層によって吸収された光が再度放射さ
れ、その内の幾らかは、第１層に放射し返され、それが
更に反射または吸収されて、再度放射される。

【００３１】このように、前述の輻射バーナーは、層間
に空間を設けた多層多孔性バーナーである。多孔性マト
リックス・バーナーにおけるように、最外側層からだけ
ではなく、各層から輻射が可能である。多層多孔性バー
ナーでは、燃焼の主要部分が各多孔性層で生じ、層間で
生じる燃焼は少ないので効率が高い。各層が効果的に輻
射することができるので、広い燃焼量変更範囲に亘っ
て、ピーク炎温度を最低に抑えることができ、しかもＮ
Ｏｘの放射の最少に抑えることができる。

【００３２】輻射に対してより透明であることに加え
て、ある実施例では、第２放射層の質量が第１放射層よ
りも少ないことも望ましい。望まれるのは、熱がバーナ
ーから除去される場所に隣接して熱を発生することであ
る。これは放射層において生じ、バーナーの種々の層か
ら輻射される熱を最大に高めることが望ましい。複数の
二次元層を有する多層バーナーまたはバーナー構造体で
は、連続する層で発生された熱が効果的に輻射熱に変換
される。これによって、広い燃焼量変更範囲に亘って、
略均一な温度を保持することができる。従って、提供さ
れるのは、互いに短い距離だけ離間された、複数の二次
元多孔性層で構成された三次元多孔性マトリックスであ
る。バーナーを通過する気体流の方向に、ワイヤ、スク
リーンまたは同様の輻射構造を設けることによって、バ
ーナーの三次元構造を強調することができる。このよう
な構成が図１０に示されている。ここでは、ガス流の方
向に平行に、複数の金属性脚部をなす鋼製フレーム２４
及び金網状のカンタル・スクリーン２６のストリップが
設けられている。

【００３３】前述した二次元層は、認識可能な厚さ及び
質量を有することができる。これらは多孔性マトリック
ス自体と考えることもできるが、その多孔度は、例えば
ファイバ・マトリックス・バーナーよりは遥かに大き
い。各層では、約３０乃至９０％の開放領域が適してい
る。個々の層の厚さは数ミリメートルとすることができ
る。比較的厚い二次元層を用いて、マトリックス・バー
ナーを形成した場合を、以下に説明し、図１４に示す。

【００３４】一例としてのバーナーは、比較的低い多孔
度の分配層を上流端に有する。これは８乃至１０％とい
う低い多孔度と認識可能な厚さを有するので、この分配
層によって大幅な圧力低下が生じる。この分配層の下流
にある放射層の多孔度は約３０乃至９０％である。従っ
て、これら放射層各々における圧力低下は比較的少な
い。

【００３５】互いに離間された複数の二次元放射層とし
ての三次元マトリックス・バーナーの説明は、図４に示
すような放射層を２層で構成した場合に沿って進めてき
た。更に放射層を追加して、以下に説明し図９に示すよ
うな三次元バーナーを構成してもよいことは認められよ
う。

【００３６】高い熱束を得ると同時にＮＯｘ生成物を少
なくすることが望まれる場合、分配層から下流側にある
連続放射層の多孔度を連続的に高める。これらの層の多
孔度を示すには、気体が層を通過する際の背圧を用い
る。表１は、数種類の物質に対して、１時間当たりの標
準平方フィートで表した気体流速の関数として、背圧を
インチ単位の水柱で示したものである。試験は、周囲温
度及び雰囲気圧の下で行なわれ、流動領域(flow area)
は、７平方インチであった。データは、高温では圧力低
下が起こる可能性を示唆しているが、気体の高い流速、
燃焼反応、及び多孔性スクリーンに隣接する高温のため
に、その圧力低下はより複雑となる。

【００３７】

【表１】

【００３８】この表の第１段は、気体流を妨げる層が全
くない開放バーナーの場合である。最も背圧が少ない
層、即ち多孔度が最も高いのは、カンタル・スクリーン
であり、約６４％の開放領域を有する。この試験は、耐
熱スクリーンからの如何なる背圧の影響をも測定できる
程感度はよくない。他の相応しい放射層には、約３３％
の開放領域を有する穿孔ジルコニア・フェルトから成る
ものがある。これについては後述する。ジルコニア・フ
ェルトは、カンタル・スクリーンよりも僅かに高い背圧
を示す。ネクステル３１２(Nextel 312)として知られて
いる網状セラミック織物(woven ceramic fabric)は、分
配層として適しており、これについては後述する。ネク
ステル３１２はアルミナ−ボリア−シリカ・ファイバ(a
lumina-boria-silica fiber)の織布である。この織布
は、いずれの放射層よりもかなり高めの背圧を有する。
好適な分配層は、標準耐熱金属ファイバのオランダ撚り
綾織物(stranded Dutch-twill)を含む。この綾織物の多
孔度は低く（１０％の多孔度と推測される）、表１から
解るように、高い背圧を有する。

【００３９】外側の放射層と分配層との間の第３層と比
較して、外側の放射層程の多孔度が増大するという配置
の例外が、光電セルによってエネルギを回収する実施例
である。この実施例では、最も効率的に輻射エネルギを
フォトセルに転移するための最外側層（１層または複数
層）が、高温となることが望ましい。このように温度を
上昇させるには、下流側の層（複数）の多孔度を上流側
の層（複数）の多孔度よりも小さくする。

【００４０】本発明は、ＮＯｘの放射に関して、公知の
輻射バーナーに対して有意義な利点を有する。図５は、
異なる燃料入力速度におけるセラミック・ファイバ・バ
ーナーからのＮＯｘ排出量（ppm ）と当量比との関係を
示す。ＮＯｘ放射量についてプロットした値は、南カリ
フォルニア空気量管理地区(Southern California AirQu
ality Management District) （ＳＣＡＱＭＤ）によっ
て規定された要件に従って示したものである。この計算
は、測定されたＮＯｘの濃度の３％酸素に対する補正に
基づいており、1.17即ち１７％過剰空気の当量比に対応
する。３％酸素に対する補正は次の式によって行なうこ
とができる。

【００４１】ＮＯｘ（３％Ｏ₂におけるppm ）＝ＮＯｘ
（Ｘ％におけるppm ）・（20.9-3）／（20.9-X）、ここ
で、ＸはＯ₂の測定濃度である。例えば、図５におい
て、当量比1.5 及び熱消費率(heat rate)400,000ＢＴＵ
／ｈ・ft²の場合のＮＯｘ濃度は、１９ppm として示さ
れている。実際のＮＯｘ濃度は、１９ppm を 1.5：1.17
の比率で割ることによって得られ、14.8ppm のＮＯｘ濃
度となる。３％Ｏ₂希釈(dilution)に正規化したＮＯｘ
値は、ＮＯｘ及び実際の酸素濃度を測定した後にこの手
順の逆を行なうことによって求められる。

【００４２】本発明のバーナーの同一パラメータを図６
に示す。図５及び図６に提示されたデータを分析するこ
とにより、燃料入力が約100,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²（31
5 kW／ｍ²）以下の場合に、セラミック・ファイバ・バ
ーナーは、当量比の全区間で使用可能であることが示さ
れる。この場合のＮＯｘ放射量は、２０ppm を超えない
ので、ＳＣＡＱＭＤの要件を満足する。燃料入力が200,
000 ＢＴＵ／ｈ・ft²（630kW ／ｍ²）では、これらの
バーナーからのＮＯｘ排出量は、当量比が1.3よりも大
きい場合に、ＳＣＡＱＭＤの標準を満足し、400,000 Ｂ
ＴＵ／ｈ・ft²（1.26mW／ｍ²）では、当量比が1.45よ
り大きい時だけＳＣＡＱＭＤの標準を満足する。

【００４３】当量比を高めると、増大する熱の損失のた
めに、ボイラや湯沸かし器の効率が低下する。本発明の
バーナーでは、当量比の総ての領域で、燃料入力が約16
0,000 乃至200,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²（ 500〜 630kW／
ｍ²）の場合、発生するＮＯｘは３０ppm 未満であり、
当量比が1.3 よりも大きい場合に、700,000 ＢＴＵ／ｈ
・ft²（2.2mW ／ｍ²）までの試験した燃料入力総てに
ついて、ＳＣＡＱＭＤの要件を満足する。この燃料入力
において、バーナーを試験した結果、この加熱速度で
は、約６０ppm のＮＯｘ出力が示された。当量比が1.2
で、流速が2,000,000 及び3,000,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²
の間にある場合に、ＮＯｘの出力は３０ppm に低下し
た。従って、本発明を用いることによって、気体燃焼機
器の熱容量を大幅に増大させ、コストを低減し、而も同
時にＮＯｘの放射量を減少させることができる。

【００４４】図７は、高燃焼密度実験室バーナーの第１
の構造を概略的に示す。このバーナーは、バーナー・ト
レイ１、厚さ１／８インチ（3.2mm ）のアルミナ・フェ
ルトで作られた密閉フレーム３、パンチメタルの支持層
４、綾織りカンタル・ワイヤの多孔性の分配層５、鋼製
フレーム（厚さ１／４インチ（6.35mm））、カンタルＡ
Ｆ（約３インチ×４インチ（75×100mm ）、ワイヤ＝0.
200 インチ（0.5mm ）、１インチ（2.5cm ）当たり10網
目）で作られ４本のセラミック製脚部７を基礎とする放
射器８から成る。排気ガスから周囲空気を分離するため
に、石英管９が、バーナーの頂部に設置されている。バ
ーナーの開放領域の寸法は、２インチ×3.5 インチ（５
×９cm）である。第１の分配層５と放射器８との間のギ
ャップは、約0.7 インチ（18mm）である。第１の分配層
５は、撚り綾織で作られる。

【００４５】カンタルＡＦスクリーンが放射器８として
用いられている。カンタルＡＦは、コネクチカット州、
ベゼルのカンタル・コーポレーション(Kanthal Corpora
tion) からワイヤまたはその他の形状で入手可能な鉄−
クローム−アルミニウム合金である。カンタルＡＦの基
準組成は、２２％クローム、5.3 ％アルミニウム、及び
残りが鉄である。他の適した合金には、カンタルＡＰＭ
やカンタルＡ−１が含まれる。これらはアルミニウムの
含有量が5.8 ％であることを除いて、同様の組成であ
る。これらのカンタル合金は、1400℃までの連続動作温
度を有する。他の高温耐酸化合金を用いてもよい。

【００４６】火炎前面は、第１の綾織の分配層５及び第
２のカンタル・スクリーン放射器８の層の間に位置す
る。第１の綾織の分配層５の開放領域は非常に少なく、
僅かに約１０％に過ぎず、織布の性質のため略不透明に
見える。一方、スクリーンは、約６４％の開放領域と３
６％のワイヤとを有する。試験は総て天然ガス（本質的
にメタン）と空気を用いて行なわれた。

【００４７】以下に燃料変数の範囲を記す。

【００４８】１．具体的な燃料入力 − 150,000 乃至
700,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²（0.47乃至2.2mW ／ｍ²）。
後に、ＳＦＩを2,000,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²（6.3mW ／
ｍ²）として、このバーナーを試験した。

【００４９】２．当量比 − 1.05乃至1.60。

【００５０】この条件におけるＮＯｘの発生を図６に表
す。

【００５１】セラミック・ファイバ・バーナーを用いた
図５の特性及び本発明のバーナーによる特性を示した図
６からのＮＯｘ排出量の比較すると、本発明の新規なバ
ーナーの有利性が示される。ＳＣＡＱＭＤの要件は３０
ppm であり、新規なバーナーは、ＳＦＩが最大の700,00
0 ＢＴＵ／ｈ・ft²（2.2mW ／ｍ²）でも、λ≒1.25で
この制限を満足する。セラミック・ファイバ・バーナー
では、新規なバーナーの約１／３乃至１／５のＳＦＩ
（200,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²（0.63mW／ｍ²））の場合
に、λ≒1.3 でＳＣＡＱＭＤの要件を満たす。これが意
味するのは、新規なバーナーはＮＯｘの排出量を大幅に
低減することができる、或いは、ＮＯｘの排出量を増大
させることなく、ボイラ、湯沸かし器、及び気体燃焼機
器の熱容量を劇的に増大させることができるということ
である。

【００５２】燃焼量変更比は約 4.7：１に達し、これ
は、従来の輻射バーナーの燃焼量変更比よりも格段に高
い（従来は３：１未満）。その後、100,000 ＢＴＵ／ｈ
・ft²（315kW ／ｍ²）から1,000,000 ＢＴＵ／ｈ・ft
²（3.15mW／ｍ²）で、燃焼量変更比を１０：１にまで
高めるに至った（ＮＯｘの測定はしていない）。典型的
に、従来のセラミック・ファイバ・バーナーの最も高い
ＳＦＩは、150,000 乃至200,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²（47
0 乃至 630kW／ｍ²）である。分配層５と放射器８の層
との間のギャップ幅を0.7 インチから1.7 〜1.8 インチ
に広げた後では、2,200,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²（6.9mW
／ｍ²）よりも高い最大ＳＦＩに達した。

【００５３】バーナーの性能において行なった次の改善
は、多層構造の形成であり、これを図８に示す。このモ
デルを＃１と呼ぶことにする。ここでは、同じバーナー
・トレイ１、アルミナ・ファイバ・フェルト密閉フレー
ム３、鋼製フレーム６、及び石英管９を用いている。撚
り綾織りの代わりに、網状セラミック織物、ネクステル
３１２を、第１の多孔性分配層５として用いる。ネクス
テル３１２はアルミナ−ボリア−シリカ・ファイバの網
状織物である。直径１／８インチ（3.2mm ）のワイヤと
穿孔ジルコニア・フェルト層１９で作られた鋼製フレー
ム１８を第２層即ち第１放射器として用いる。ここで用
いられる材料は、ニューヨーク州、フロリダのジルカー
プロダクツ(Zircar Products) から入手可能なタイプ
ＺＹＦ５０ジルコニア・フェルトである。この材料は、
厚さが0.05インチ（1.3mm ）、多孔度が９６％空隙のジ
ルコニア・ファイバのフェルトである。ジルコニア・フ
ェルトの開放領域を更に広げるために、ブランク(blan
k) のような穿孔金属を用いてフェルトを穿刺した。穿
設された孔は、直径３／16インチ（4.8mm ）の丸い孔で
あり、５／16インチ（８mm）の心板(center)上でジグザ
グ状の列をなしており、フェルトに約３３％の開口部を
形成した。

【００５４】鋼性フレーム１８の下に穿孔ジルコニア・
フェルトを配置し、ネクステル３１２セラミックの単一
ファイバでこのジルコニア・フェルトをフレームに締結
することによって、第１放射器を作成した。この構造
は、放射器の物質の多くを高温領域に配し、フレームか
らより多くのエネルギを消散させて、ＮＯｘを更に低減
する。第２の変更点は、フレーム領域に用いる構造を厚
くし、1100℃未満の温度範囲以内において、バーナーが
下流の２つのカンタル・スクリーン放射器２０を動作可
能にしたことである。２層のカンタル放射層は、セラミ
ック・ブロック２１上で支持されている。

【００５５】ＳＦＩを1,400,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²乃至
1,500,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²（4.4乃至4.7mW ／
ｍ²）、当量比を1.03から1.65の範囲で、このバーナー
を試験した。試験結果を図１１、図１２及び図１３に示
す。

【００５６】図１１は、本構造のセラミック・ファイバ
・バーナーに対する有意義な利点を示している。新規な
バーナー（＃１）は、ＳＦＩが約1,400,000 ＢＴＵ／ｈ
・ft²乃至1,500,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²（4.4 乃至4.7m
W ／ｍ²）でも、λ≒1.2 で、３０ppm のＮＯｘ放射量
というＳＣＡＱＭＤの要件を満たす。同時に、セラミッ
ク・ファイバ・バーナーからのＮＯｘ放射量は、200,00
0 ＢＴＵ／ｈ・ft²（630kW ／ｍ²）（即ち、熱出力が
１／7.25）の場合でさえ、６０ppm （２倍多い）であ
り、400,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²（1.26mW／ｍ²）（熱出
力が１／3.6 ）の場合で約１４０ppm （6.3mW ／ｍ²）
（4.7 倍多い）である。図面に用いた単位は、バーナー
面積１平方フィート当たりの百万ＢＴＵ／時間である。

【００５７】図１２は、炎におけるＮＯｘの形成を、バ
ーナー＃１と第１の高燃焼密度構造との間で比較した場
合を示す。３０ppm 未満のＮＯｘ放射量は、高燃焼密度
構造と略同じλで達成されているが、バーナー＃１の方
が遥かに高いＳＦＩを有する。

【００５８】図９は、前述と同じバーナーに、炎領域か
ら熱を除去する手段を更に備えた場合を示す。これをバ
ーナー＃２と呼ぶことにする。これは、同じバーナー・
トレイ１、アルミナ・ファイバ・フェルトの密閉フレー
ム３、分配層５としての網状織物のネクステル３１２、
鋼製フレーム１８、鋼製フレーム１８と穿孔ジルコニア
・フェルト２２で作られた第１放射器、及び２層のカン
タル・スクリーン放射層をもって放射器２３が構成され
ている。前記鋼製フレーム穿孔ジルコニア・フェルト２
２で構成された放射器と、カンタル・スクリーン放射器
２３との間に、更に別の放射器構造が挿入されている。
この新たな放射器構造は、鋼製フレーム２４に、直径1.
3mm のカンタル・ワイヤ２５と、図１０に示す気体流の
方向に平行な３枚のカンタル・スクリーン２６とを加え
て形成されている。フレーム２４の頂部は、１枚のカン
タル・スクリーン２８（放射器２３の場合と同一物質）
で被覆されている。

【００５９】ＳＦＩを約1,400,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²乃
至1,500,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²（4.4 乃至4.7mW ／
ｍ²）、及び1,600,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²乃至1,800,00
0 ＢＴＵ／ｈ・ft²（5.05乃至5.67mW／ｍ²）として、
このバーナーを試験した。試験結果を図１１、図１２及
び図１３によって示す。このバーナーからのＮＯｘ放射
量は、バーナー＃１で得られた量に近く、ＮＯｘの放射
量、放射器の最高温度、背圧、及びＳＦＩに関して、各
放射器のサイズ及び放射層間の距離を最適化することが
可能であることを示している。

【００６０】図１４は、比較的厚い放射層を有する実験
的バーナーの他の実施例を示す。このバーナーは大きな
Ｔ字管２２０上に組み立てられている。燃焼混合気は、
Ｔ字管の支線から導入される。１／２インチのＮＰＴ鋼
製管熱交換機２２１が、バーナー上の高温帯を縦方向に
貫通している。この熱交換機は、１３mmの銅製配管２２
２に連結され、これがＴ字管２２０の全長に亘って延在
する。

【００６１】Ｔ字管２２０の管路の上端には、上述のよ
うなネクステル３１２織物の分配層２２３がある。この
分配層２２３の上には、６層２２４，２２７〜２３１の
放射層がある。最初の放射層２２４は、分配層２２３の
ネクステル３１２織物から約１センチメートル離間され
ている。個々の放射層２２４，２２７，２２８……は、
互いに約１センチメートル離間されている。

【００６２】第１放射層２２４は、螺旋状に巻回した直
径６ミリメートルの金属ロッドを含み、これが熱交換機
周囲に緊密に、そして高温帯を包囲するガラス製囲い板
２２６近くに嵌め込まれる。螺旋の外形は約１４センチ
メートルである。螺旋のターン間の間隔は約１センチメ
ートルである。第２放射層２２７は、第１放射層と幾ら
か似ている。これは、直径３ミリメートルの螺旋状高温
溶融金属を、平面螺旋に巻回して構成されている。サイ
ズ及び間隔は第１放射層とほぼ同一である。

【００６３】次の放射層２２８は、約２ミリメートルの
厚さの耐熱金属から成り、これに直径2.5 ミリメートル
の孔を穿設し、開放領域が約４０乃至５０％となるよう
にしたものである。第４放射層２２９は、直径２ミリメ
ートルのワイヤの同心円リングから成り、最外側のリン
グは直径約１４センチメートル、最内側のリングは熱交
換パイプ２２１周囲に密接に嵌合している。放射状に延
びるワイヤが同心円状リングを支持する。

【００６４】最後の２層の放射器２３０及び２３１は、
各々上述の様な金属スクリーン・ワイヤから成る。ワイ
ヤの直径は、約0.5 ミリメートルで、各方向に１センチ
メートル当たり約４個の開口がある。

【００６５】このバーナーは、燃料入力を1,500,000 Ｂ
ＴＵ／ｈ・ft²で運転した時、約1.1 という少ない当量
比で、３０ppm 未満の補正されたＮＯｘ出力を示した。
ＮＯｘ出力は、当量比が1.05では、約４０ppm に過ぎな
かった。

【００６６】上述のバーナーの有意義な利点は、ＳＦＩ
が非常に高く、ＮＯｘ放射量を極く低く抑え、低コスト
でしかも信頼性の高い輻射バーナーを設計する機会を与
えることである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理によって構成されたバーナーを示
す概略縦断面図。

【図２】図１に示したバーナーの他の変更例を示す概略
縦断面図。

【図３】図１及び図２に示したバーナーの他の実施例を
示す概略縦断面図。

【図４】多数の放射層を有するバーナーを示す概略縦断
面図。

【図５】種々のバーナーのＮＯｘ排出を、加熱率と当量
比との関数として示すグラフ。

【図６】種々のバーナーのＮＯｘ排出を、加熱率と当量
比との関数として示すグラフ。

【図７】実験的バーナーを示す概略断面図。

【図８】実験的バーナーの第２実施例を示す概略縦断面
図。

【図９】実験的バーナーの他の実施例を示す図。

【図１０】図９のバーナーに用いたフレームとスクリー
ンとの配列構成を示す斜視図。

【図１１】種々のバーナーのＮＯｘ排出を、加熱率と当
量比との関数として示すグラフ。

【図１２】種々のバーナーのＮＯｘ排出を、加熱率と当
量比との関数として示すグラフ。

【図１３】種々のバーナーのＮＯｘ排出を、加熱率と当
量比との関数として示すグラフ。

【図１４】3,000,000 ＢＴＵ／ｈ・ft²という加熱率を
達成した、他の実験的バーナーの概略横断面図。

【符号の説明】

１バーナー・トレイ３遮蔽フレーム４支持層５多孔性の分配層６鋼製フレーム７脚部８放射器９石英管１０燃料混合プレナム１１パンチメタル１２軟質多孔性層１３多孔性放射−安定層１４燃焼後室１５ギャップ１６ギャップ制御用ロッド１７送風機１８鋼製フレーム１９ジルコニア・フェルト層２０カンタル・スクリーン放射器２１セラミック・ブロック２２穿孔ジルコニア・フェルト２３カンタル・スクリーン放射器２４鋼製フレーム２５カンタル・ワイヤ２６カンタル・スクリーン２７反射被覆層２８カンタル・スクリーン３９水冷熱交換機４１熱交換機４２金網４３フレーム４４追加スクリーン４５輻射放射遮蔽体０２１混合気２２０Ｔ字管２２１鋼製管熱交換機２２２銅製配管２２３分配層２２４放射層２２６囲い板２２７放射層２２８放射層２３０放射層２３１放射層

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【手続補正書】

【提出日】平成７年５月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】マトリックス・バーナー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マークケイ．ゴールドスタインアメリカ合衆国，92014 カリフォルニア州，デルマー，デルマーハイツロード 2248

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１多孔性物質層と、前記多孔性物質層の一方の面に混合気を送出する手段
と、前記第１層の多孔度よりも高い多孔度を有する第２の二
次元多孔性物質層と、前記第１及び第２層間の開放燃焼領域空間とから成るこ
とを特徴とするマトリックス・バーナー。
【請求項２】多孔性分配層と、前記分配層の下流側にある第１多孔性物質層と、前記第１多孔性物質層より下流側にあり、前記第１層の
多孔度よりも高い多孔度を有する第２の二次元多孔性物
質層と、前記第１及び第２層間の開放燃焼領域空間と、前記多孔性分配層の一方の面に混合気を送出する手段と
から成ることを特徴とするマトリックス・バーナー。
【請求項３】多孔性分配層と、前記分配層より下流側にある第１多孔性物質層と、前記第１多孔性物質層より下流側にあり、前記第１層の
多孔度よりも低い多孔度を有する第２の二次元多孔性物
質層と、前記第１及び第２層間の開放燃焼領域空間と、前記多孔性分配層の一方の面に混合気を送出する手段と
から成ることを特徴とするマトリックス・バーナー。
【請求項４】第１多孔性物質層と、前記多孔性物質層の一方の面に混合気を送出する手段
と、前記第１層の多孔度よりも高い多孔度を有する第２の二
次元多孔性物質層と、前記第１及び第２層間の開放燃焼領域空間と、前記第１及び第２層間の間隔を調節する手段とから成る
ことを特徴とするマトリックス・バーナー。
【請求項５】第１多孔性物質層と、前記多孔性物質層の一方の面に混合気を送出する手段
と、前記第１層の多孔度よりも高い多孔度を有する第２の二
次元多孔性物質層と、前記第１及び第２層間の開放燃焼領域空間と、前記第１及び第２層間の空間内に、前記第１及び第２層
の各々から離間されて配置された第３多孔性層であっ
て、前記第２層の多孔度より高くない多孔度を有する前
記第３多孔性層とから成ることを特徴とするマトリック
ス・バーナー。
【請求項６】混合気を分配する多孔性気体分配層と、前記分配層より下流側にある第１二次元多孔性層と、前記第１層より下流側にある第２二次元多孔性層であっ
て、前記第１層からの輻射を透過するための充分な開放
領域を有する前記第２二次元多孔性層と、前記第１多孔性層近くに火炎前面を維持するために、充
分な速度で混合気を前記多孔性分配層の上流面に供給す
る手段とから成ることを特徴とするマトリックス・バー
ナー。
【請求項７】混合気を分配する三次元多孔性気体分配
層と、前記分配層の下流側にある複数の二次元多孔性層から成
る放射層の三次元マトリックスと、前記放射層の各々の間の開放空間と、前記二次元多孔性層近くに火炎前面を維持するために、
充分な速度で混合気を前記多孔性分配層の上流面に供給
する手段とから成ることを特徴とするマトリックス・バ
ーナー。
【請求項８】混合気を分配する三次元多孔性気体分配
層と、前記分配層より下流側にある複数の二次元多孔性層から
成り、前記多孔性層の少なくとも一部は狭帯域の放出を
行う超放射(superemissive) 物質からなる、放射層の三
次元マトリックスと、前記放射層の各々の間の開放空間と、前記二次元多孔性層近くに火炎前面を維持するために、
充分な速度で混合気を前記多孔性分配層の上流面に供給
する手段とから成ることを特徴とするマトリックス・バ
ーナー。
【請求項９】混合気を分配する三次元多孔性気体分配
層と、前記分配層より下流側にある複数の二次元多孔性層から
成り、前記多孔性層の少なくとも１つは、金属スクリー
ン、金属フェルト・マット、金属織布、展伸金属、セラ
ミック・ファイバ・フェルト・マット、セラミック・ス
クリーン、穿孔セラミック板、穿孔セラミック・フェル
ト、及びセラミック織布から成る群から選択された物質
で構成される放射層の三次元マトリックスと、前記放射層の各々の間の開放空間と、前記二次元多孔性層近くに火炎前面を維持するために、
充分な速度で混合気を前記多孔性分配層の上流面に供給
する手段とから成ることを特徴とするマトリックス・バ
ーナー。
【請求項１０】混合気を分配する三次元多孔性気体分
配層と、前記分配層より下流側にある複数の二次元多孔性層から
成り、連続する下流側の前記多孔性層が、各々それに先
立つ上流側の層よりも広い開放領域を有する、放射層の
三次元マトリックスと、前記放射層の各々の間の開放空間と、前記二次元多孔性層近くに火炎前面を維持するために、
充分な速度で混合気を前記多孔性分配層の上流面に供給
する手段とから成ることを特徴とするマトリックス・バ
ーナー。
【請求項１１】混合気を分配する三次元多孔性気体分
配層と、前記分配層の下流側にあり、各々約３０から９０％の範
囲の開放領域を有する複数の多孔性放射層と、前記多孔性放射層近くに火炎前面を維持するために、充
分な速度で混合気を前記多孔性分配層の上流面に供給す
る手段とから成ることを特徴とするマトリックス・バー
ナー。