JPH09166308A - 同軸の燃料および酸化剤出口を有するオキシ−燃料バーナー - Google Patents

同軸の燃料および酸化剤出口を有するオキシ−燃料バーナー

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JPH09166308A
JPH09166308A JP8243743A JP24374396A JPH09166308A JP H09166308 A JPH09166308 A JP H09166308A JP 8243743 A JP8243743 A JP 8243743A JP 24374396 A JP24374396 A JP 24374396A JP H09166308 A JPH09166308 A JP H09166308A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】バーナーを機械的に改変することなく火炎の特
性を制御し得るオキシ−燃料バーナーを提供する。 【解決手段】バーナー（１０）は、同軸的に配置された
外側の酸化剤チューブ（１２）、中間の燃料チューブ
（１４）および外側の酸化剤チューブ（１６）を備え、
燃料チューブ（１４）は、内側の酸化剤チューブ（１
２）と外側の酸化剤チューブ（１６）との間に設置され
ている。バーナーの火炎の特性は、内側のおよび外側の
酸化剤流の相対的流量を変えることにより制御できる。
内側の酸化剤チューブ（１２）に供給される総酸化剤の
比率を増加させると、火炎の長さおよび明るさを減少さ
せ、火炎の運動量を増大させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、同軸的な通路が燃
料および酸素を供給するオキシ−燃料バーナーに関す
る。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】例え
ばガラス溶融炉に使用される、燃料および酸素を供給す
るための同軸的な通路を有するオキシ−燃料バーナー
は、米国特許第４，９８６，７４８号、第５，１９９，
８６６号、第５，２５６，０５８号、および第５，２６
７，８５０号に開示されている。これらのバーナーにお
いて、天然ガスを包含し得る燃料は、同軸的な酸化剤通
路と半径方向内側に配置された通路を通して供給され
る。伝統的に、既知のバーナーの熱伝導プロファイル
は、バーナー形状の改変により調節されているが、これ
は比較的高価であり、不都合である。したがって、より
簡単で都合のよい方法で熱伝導プロファイルを調節し得
ることが望ましい。
【０００３】既知の炉の構成には、それぞれが異なる燃
焼率（firing rate ）で操作し得る複数のバーナーが使
用されている。同じバーナーの構成が、炉全体にわたっ
て複数のバーナーに使用され、それらバーナーが異なる
燃焼率で操作されるならば、各バーナーの火炎長は燃焼
率により異なることとなる。それ故、１のバーナーから
次のバーナーへと比較的一定の火炎長が望まれるよう
な、既知のバーナーを使用する炉においては、バーナー
が異なる燃焼率で操作された場合に適切な火炎長を達成
するために炉内で異なるバーナーのバーナー構成を改変
することが必要となり得る。これは、個々のバーナーの
火炎長をバーナーの機械的改変を伴わずに調節できるこ
とが特に望ましい状況である。
【０００４】加えて、ある種の用途には、ある運動量
（momentum）を有する火炎を生成するバーナーを炉の１
の領域に用い、同時に、異なる運動量を有する火炎を生
成するバーナーを炉の異なる領域に使用することが望ま
しいことがある。しかしながら、これらの異なる運動量
は、既知のバーナーを用いては、バーナーの構成を機械
的に変更しなければ、同じ量の燃料については得られな
い。
【０００５】操作的な理由で、バーナーを燃焼させるた
めに使用する燃料の組成を変える場合（例えば、天然ガ
スの削減期間中に燃料としてプロパンで天然ガスを置き
換える場合）、燃料密度および流量が有意に変わる場合
に初期の火炎特性を維持するために、可変運動量バーナ
ーが有用であり得る。
【０００６】ある種の酸素ノズル、中央ノズルから半径
方向に離間配置された燃料ノズル、および少なくとも１
つの周辺酸素ノズルを備えた他のタイプのバーナーが米
国特許第５，１０４，３１０号に開示されている。周辺
酸素ノズルは、高速の、好ましくは音速の酸化剤流を提
供する。この音速の外側酸化剤流は、より低い運動量の
火炎に対していくつかの不利点を有する高運動量火炎を
生成する。特に、高運動量火炎は、より短い火炎長と高
火炎ピーク温度を有し、またそれらはよりキャリオーバ
ーでより不所望の粒状物質の発生をもたらす。米国特許
第５，１０４，３１０号に開示されているバーナーは、
また、バーナーの外部の周りに位置する水ジャケットを
使用するという欠点を有する。既知の水冷バーナーにお
いて、表面の腐食を生じさせる、冷却表面上への種々の
炉ガスの凝縮に関する問題がある。腐食した表面は破損
を受けやすい。従って、水冷を必要としないバーナーを
使用することが表面腐食および破損を有利に回避するこ
ととなる。上記特許に開示されたバーナーは、火炎の特
性をバーナーの機械的改変を伴わずに変えることができ
ないというさらなる欠点を有する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、外側の酸化剤
出口を形成する外側の酸化剤案内通路、内側の酸化剤出
口を形成する内側の酸化剤案内通路、および燃料出口を
形成する燃料案内通路を有するオキシ−バーナーに関す
る。上記出口は同軸的に配置され、燃料出口は外側のお
よび内側の酸化剤出口の間に半径方向に離間配置されて
いる。
【０００８】燃料出口および内側の酸化剤出口は、好ま
しくは、燃料案内通路からの燃料を内側の酸化剤案内通
路からの酸化剤と、外側の酸化剤出口から軸方向内側に
ずれた（offset）位置で混合させるように位置してい
る。内側の酸化剤案内通路を通る酸化剤の流量は、火炎
の運動量および／または明るさ（luminosity）のような
火炎の特性を制御するように変化される。
【０００９】バーナーは、好ましくは、同軸的に配置さ
れた外側、中間および内側の筒状（cylindrical ）チュ
ーブを備えている。外側の筒状チューブは、外側の酸化
剤案内通路を形成する。外側の筒状チューブは、バーナ
ーブロックのような炉壁中に置かれた、外側の筒状チュ
ーブを延長する空隙（キャビティ）内に設置することが
できる。この場合、外側の酸化剤出口は、キャビティの
末端となる。バーナーブロックなしでバーナーを使用す
る場合、外側の酸化剤出口は外側の筒状チューブ出口で
ある。中間の筒状チューブは、外側のチューブから半径
方向内側に離間配置され、燃料案内通路および燃料出口
を形成する。内側のチューブは、中間のチューブから半
径方向内側に離間配置され、内側の酸化剤案内通路およ
び内側の酸化剤出口を形成する。好ましくは、燃料出口
は、外側の酸化剤出口に対して軸方向内側にずれてお
り、内側の酸化剤出口は、燃料出口に対して軸方向内側
にずれている。
【００１０】本発明は、オキシ−燃料バーナーにおいて
酸化剤と燃料とを結合する方法にも関する。この方法
は、外側の酸化剤流を外側の酸化剤案内通路中を導き、
外側の酸化剤流を外側の酸化剤出口を通して排出するこ
とを含む。燃料流は、燃料案内通路内を導かれ、外側の
酸化剤出口に対して同軸的に配置されかつそれから半径
方向内側に離間配置された燃料出口を通して排出され
る。内側の酸化剤流は、内側の酸化剤案内通路中を導か
れ、燃料出口に対して同軸的に配置されかつそれから半
径方向内側に離間配置された内側の酸化剤出口を通して
排出される。
【００１１】燃料流は、好ましくは、外側の酸化剤流と
混合される前に、内側の酸化剤流と混合される。
【００１２】外側のおよび内側の酸化剤流の各々は、好
ましくは、少なくとも８０％の酸素を含有し、総酸化剤
の約５０％以下が内側の酸化剤流によって供給される。
内側の酸化剤流は、好ましくは、外側の酸化剤流の排出
速度よりも小さくない大きさ（magnitude ）の排出速度
を有する。外側の酸化剤流の排出速度は、好ましくは、
毎秒約１０ないし２００メートルの範囲内にある。燃料
流は、好ましくは、毎秒２０ないし８０メートルの範囲
内の排出速度を有する天然ガスを包含する。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。
【００１４】図１および図２には、オキシ−燃料バーナ
ー１０の出口部分１０Ａが示されている。この出口部分
は、３つの同軸チューブ１２、１４、１６を有する。外
側のチューブ１２と中間のチューブ１４との間に形成さ
れた外側の通路１８は、酸化剤を導く。中間のチューブ
１４と中央のチューブ１６との間に形成された中間の通
路２０は、燃料を導く。中央のチューブ１６により規定
される軸方向通路２２は、酸化剤を導く。したがって、
燃料チューブ２０は、内側の酸化剤通路２２と外側の酸
化剤通路１８との間に位置することが明らかであろう。
酸化剤流は、チューブ１２および１６の出口２４および
２８を介して排出され、燃料流は、チューブ１４の出口
２６を介して排出される。これら出口２４、２６、２８
は、同軸的に配置されている。
【００１５】本発明によるバーナー１０を使用する場
合、総酸化剤の約５０％以下を内側の酸化剤通路２２に
より供給すべきである。出口２４、２８を通る酸化剤速
度は、変化し得、内側の酸化剤出口２８を通る酸化剤速
度は、外側の酸化剤出口２４での酸化剤速度と等しいか
それよりも高くすべきである。内側のおよび外側の酸化
剤通路を通る総酸化剤流は、燃焼すべき燃料の量によっ
て決定される。外側の出口２４を通る酸化剤速度は、約
１０ないし５０ｍ／ｓの範囲内にあるべきであり、内側
の酸化剤出口２８を通る酸化剤速度は、約１０ないし２
００ｍ／ｓの範囲内にあるべきである。燃料出口２６を
通る燃料速度は、約２０ないし８０ｍ／ｓの範囲内にあ
るべきである。
【００１６】酸化剤は、好ましくは、少なくとも８０％
の酸素を含有するものであり、燃料は、好ましくは、天
然ガスである。燃料および酸化剤は、図３に示す制御シ
ステムにより燃料供給源３０および酸化剤供給源３２か
ら供給される。内側の酸化剤通路２２および外側の酸化
剤通路１８に送られる酸化剤の速度は、それぞれ、弁３
３、３５により制御される。すなわち、例えば、弁３３
の適切な開放により内側の酸化剤通路２２に送られる酸
化剤の量を増加させることにより、内側の酸化剤通路２
２中の酸化剤の速度を増加させることができる。天然ガ
スの燃料通路２０への流れを制御するために、付加的な
弁３５を設けることもできる。弁３３、３４、３５は、
針弁または他の好適な弁であり得る。図３に示す制御シ
ステムは、酸化剤および燃料の流量を変えるために使用
し得る制御システムの一例に過ぎない。他の好適な制御
システムを本発明から離れることなく使用することがで
きる。
【００１７】図３は、また、好ましくはセラミック材料
で作られたバーナーブロック４０内に設けられたバーナ
ー１０を示す。本発明において、外側の酸化剤流は、セ
ラミックバーナーブロックの内表面に沿って流れる。こ
のことは、それがバーナーブロックの対流的冷却を提供
し、バーナーまたはバーナーブロックの水冷の必要性を
排除できるという点で非常に有利である。
【００１８】上記バーナー１０の構成により、図３に示
す制御システムによって燃料および酸化剤流の相対的流
量を変化させることにより火炎の種々の特性を効果的に
制御することができる。例えば、内側の酸化剤流を減少
させることにより、バーナーのどのような改変をも行う
ことなく、火炎の長さおよび明るさを増加させることが
でき、火炎の運動量を減少させることができる。
【００１９】炉の生産率の変化は、炉内のバーナーの燃
焼率を増加または減少させることにより達成することが
できる。従来のバーナーにより生成した火炎の長さは、
バーナーの燃焼率の増加に伴って増加するので、ある炉
にとっては火炎が長すぎ、反対の壁に当たりえるか、短
すぎて装入物のカバレージ（coverage）または加熱が不
十分となる。本発明のバーナーを用いると、炉の生産が
変化しても最適のカバレージを有するために外側の酸化
物流に対し内側の酸化剤流を変化させることによって火
炎長を調節することができる。調節可能な流量を提供す
ることの重要な利点は、バーナーの燃焼率が変化したと
きに、最適な火炎長を維持できるということである。
【００２０】火炎長を変化させることに加えて、火炎の
明るさを変化させるために相対流量の制御を用いること
ができる。より明るい火炎はより高い輻射伝導をもたら
すので、より良好な加熱効率を有する。すすを含有する
火炎は、火炎中に次第に酸化される炭素粒子は強い可視
光発生体であるので、非常に明るい。すすの形成は、火
炎中に燃料に富む領域を生じさせることによって促進さ
れ得る。火炎の明るさは、本発明において、すすの形成
のために、混合の少ない、より燃料に富む領域を生じさ
せる内側の酸化剤流を減少させることによって増大させ
ることができる。
【００２１】加えて、相対流量を変えることは、火炎の
運動量の変化に影響を及ぼす。低運動量の火炎は、酸化
剤と燃料の混合が良くないので一般に明るく、火炎中に
燃料に富む領域がある。他方、高運動量の火炎は、目に
見えない。高運動量火炎は、撹乱、したがって混合がよ
り高いので、低運動量火炎よりも短い。また、低運動量
火炎は、燃料分子が酸素分子と会うまでにより長時間を
要するので、高運動量火炎よりも低温である。火炎の運
動量を低下させることにより、高運動量火炎に見い出さ
れる高火炎ピーク温度が回避され、より少ない酸化窒素
（ＮＯx ）が生成する。
【００２２】低運動量火炎は、粉末化装入物に対して衝
撃が少なく、より少ないキャリオーバーを生じ、結局よ
り少ない粒状物（ＰＭ）発生を生じる。このことは、た
とえばガラス炉において重要である。低運動量火炎は、
また、炉内の他のガス流により火炎の偏り（偏向）をよ
り受けやすい。例えばクラウンへの火炎の偏向は、耐火
物摩耗の促進につながる。
【００２３】内側の酸化剤チューブ１６中に酸化剤がほ
とんどまたはまったく存在しない場合、長く、勢いがな
く（lazy）、明るい火炎が生じる。長い火炎は、浴のよ
り大きなカバレージをもたらす増大した表面積故に、い
くつかの工業ユーザーに有利である。しかしながら、低
運動量操作から生じる火炎は、炉内の他の火炎またはガ
ス流との相互作用に敏感である。火炎および／または流
れを囲むことの効果は、浴表面に熱スポットを生じさ
せ、全体的な火炎形状の不安定性、あるいはクラウンお
よび耐火物の損傷をもたらす。
【００２４】内側の酸化剤チューブ１６に注入された酸
化剤の添加は、より短く、より強く、より高い運動量の
火炎を、特により高い内側酸化物流量において、生じさ
せる。内側のおよび外側のチューブ間の注入酸化剤の割
合を変えることにより、運動量を変えることができる。
内側のチューブ１６を通る酸化物の高流量は、運動量を
増加させ、燃料と酸化剤との増大した混合によりより短
く安定で明るい火炎を生じさせる。
【００２５】すなわち、本発明により、炉の操作者は、
火炎の中心に存在する酸化剤の比率を調節することによ
り、個々の工業用途のために火炎形状を容易に仕立てる
ことができる。
【００２６】火炎の特性は、また、チューブ１２、１
４、１６の相対的な軸方向および半径方向の位置を変え
ることにより、およびバーナーブロック４０中のバーナ
ー１０の位置を変更することにより、制御することがで
きる。例えば、図１には、中間のチューブ１４が、外側
のチューブ１２の出口２４から軸方向内側に距離Ｘだけ
離間して配置されているものとして示されている。同様
に、軸方向チューブ１６の出口２８は、中間のチューブ
の出口２６から軸方向内側に距離Ｙだけ離間して配置さ
れているものとして示されている。この出口関係の結
果、燃料がバーナーの先端に存在する前に、内側の酸化
剤流と燃料流との事前混合が達成される。したがって、
燃料の一部は内側の酸化剤流と反応して、火炎の明るさ
を増大させるためにすすおよび／またはカーボンを生成
することができる。
【００２７】図９ないし図１２は、バーナーブロック４
０に設置されたバーナー１０の種々の好ましい形態を示
し、図１３ないし図１６は、バーナーブロック用いない
で使用するためのバーナー１０の種々の好ましい形態を
示している。図９ないし図１２に示すように、バーナー
１０をバーナーブロック４０内に設ける場合、外側の酸
化剤チューブ１２は、好ましくは、燃料チューブ１４お
よび内側の酸化剤チューブ１６よりも短い。外側の酸化
剤チューブ１２は、バーナーブロック４０中の筒状開口
により延長され、外側の酸化剤出口２４は、バーナーブ
ロック４０の部分によって形成されることとなる。
【００２８】すなわち、外側の酸化剤通路は、外側のチ
ューブとバーナーブロックの双方により規定され得る。
図１３ないし図１６に示すように、バーナーがバーナー
ブロック内に設置されない場合、外側の酸化剤チューブ
１２は、好ましくは、燃料チューブ１４と同じかそれよ
りも長い。
【００２９】中間の燃料チューブ１４の軸方向の長さ程
度は、図９、図１１、図１３および図１４に示すよう
に、内側の酸化剤チューブ１６と一致させることができ
る。しかしながら、中間の燃料チューブ１４は、好まし
くは、図１０、図１２、図１５および図１６に示すよう
に、内側の酸化剤チューブ１６から外側に延出してい
る。内側の酸化剤チューブが燃料チューブを超えて延出
している形態は、燃料と外側の酸化剤との混合により内
側の酸化剤チューブの過剰加熱に至り得るので、望まし
くない。
【００３０】２つの内側チューブの個々の位置は、好ま
しくは、式 Ｄ１＜Ｚ＜３（Ｄ２−Ｄ１） （ここで、Ｄ１およびＤ２は、それぞれ、中央のチュー
ブ１６および中間のチューブ１４の内径、Ｚは、燃料出
口２６から内側の酸化剤出口２８までの距離）により規
定される。図１に示す態様において、Ｚは負である。従
って、上記式によれば、内側の酸化剤出口２８は、好ま
しくは、内側の酸化剤チューブの直径Ｄ１よりも大きく
ない距離打で燃料チューブ内に後退する。上記式により
規定されるこの形態は、過剰燃焼が中間の燃料チューブ
１４内で生じることを防止し、かくして内側の酸化剤通
路２２からの酸素と燃料との反応の燃焼生成物が中間の
燃料チューブ１４に衝突することを防止する。
【００３１】本発明のバーナーとともに使用するための
バーナーブロック４０の例が図４ないし図８に示されて
いる。各バーナーブロック４０は、その裏面に、バーナ
ー１０を挿入するための円筒状孔４２を含む。円筒状孔
４２を規定する壁は、外側の酸化剤チューブ１２の延長
部を形成し、円筒状孔は外側の酸化剤通路１８の一部を
構成する。円筒状孔４２は、内部形状が図４ないし図８
に示す形態のいずれか１つ、すなわち円錐形、円筒形、
徐々の段差形状または他の既知の形状を取り得るバーナ
ーブロックキャビティ４４または燃焼室に開口してい
る。図５および図８に示すようなバーナーブロック４０
の好ましい態様において、円筒状孔４２とキャビティ４
４との間には、壁が外側の酸素流に及ぼす影響を減少さ
せるために、なめらかな遷移表面４６が存在する。
【００３２】加えて、バーナーブロック４０のキャビテ
ィ４４は、図１７に示すように、火炎域４８を妨害しな
いように形成すべきである。火炎域４８は、中間の燃料
チューブ１４の出口２６から約１０゜の角度をもって円
錐状に延出する領域を含む。図１７は、当図の上部に示
されている円錐状バーナーブロック、および図の下部に
示されている円筒状バーナーブロックを含む２つの異な
る形態のバーナーブロック４０を示している。図１７に
示すバーナーブロックの壁は、火炎域を妨害しない。
【００３３】図１および図２に示したバーナーについて
５０ｋｗバーナーを用いて行った実験において、以下の
パラメータを使用した。
【００３４】 天然ガス排出速度 ４５．７ｍ／ｓ 外側の酸化剤排出速度 １０〜１５ｍ／ｓ 内側の酸化剤排出速度 ０〜５８ｍ／ｓ 距離Ｘ＝０．５ｉｎ 距離ｙ＝１ｉｎ。
【００３５】それぞれ図６および図７に示すように円筒
状または円錐状バーナーキャビティを有するバーナーブ
ロック中に火炎を放出するようにバーナーを配置したと
き、火炎の明るさは減少した内側の酸化剤流により増大
することが見い出された。また、内側の酸化剤流を増加
させたとき、火炎の長さおよび明るさは減少した。
【００３６】バーナーブロックを使用しなかったとき、
内側の酸化剤流を増加させることによって火炎はより大
きな運動量を持った。また、図１に示すように内側の酸
化剤出口２８を燃料出口２６から軸方向後側にずらし、
燃料出口を外側の酸化剤出口２４から軸方向後側にずら
したとき、火炎の明るさは増大した。
【００３７】３つのバーナー（バーナー１、バーナー２
およびバーナー３）を用いてさらに実験を行った。この
場合の内側酸化剤チューブ１６、燃料チューブ１４およ
び外側の酸化剤チューブ１２の内径および外径を下記表
１にｍｍで示す。下記表２〜表６に示すように、火炎の
長さは、内側の酸化剤通路２２を通る酸化剤の比率およ
び速度を増加させることにより、一般的に減少した。表
２〜表６中の速度は、秒当りのメートルで示されてい
る。
【００３８】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【００３９】加えて、以下の寸法を有する工業的な５０
０ｋｗスケールのバーナーについて数値的なシミュレー
ションを行った。
【００４０】 Ｄ1in ＝ １１ｍｍ； Ｄ1out ＝ １３ｍｍ Ｄ2in ＝ ２６ｍｍ； Ｄ2out ＝ ３３ｍｍ Ｄ3in ＝ ５５．９ｍｍ
【００４１】シミュレーションは、Ｏ2 を内側のチュー
ブに注入したとき可視火炎長中に実験的に観察される傾
向を説明するために有用である。モデルには、熱、質量
および運動量を支配する等式を解くための計算流体力学
（computational fluid dynamic （ＣＦＤ））コードと
ともに軸対称形状を用いた。計算は、内側に注入したＯ
2 の異なる比率についてバーナーを励起する運動量フラ
ックス（flux）の効果を評価した。モデル化の結果は、
内側のＯ2 を０％から１５％まで増加させることによっ
て出口面での総運動量が２９％増加することを示してい
る。これらの結果は、図１８にまとめられており、そこ
には、バーナーの入口および出口面を通る総運動量フラ
ックスが示されている。
【００４２】数値計算は、内側の酸化剤流の増加がバー
ナー出口でのより高い火炎運動量をもたらすという実験
観察を確認している。実験観察と数値計算との一致は、
以下に示すような火炎中のヒドロキシラジカル（ＯＨ）
発生の測定されたプロファイルと火炎中の計算されたＯ
Ｈ濃度との間に見い出された相関によりさらに確認され
ている。
【００４３】バーナー出口でのＯＨ濃度と空間的分布の
評価は、計算流体力学（ＣＦＤ）モデル化を用いること
によって行うことができる。出口での温度、圧力および
種の濃度の知見は、熱力学平衡計算を行うために必要な
情報を提供する。図１９に示す結果は、ＯＨモル分率ピ
ークの位置が内側Ｏ2 の注入とともにバーナーの中心軸
から離れてシフトし、さらにＯ2 を注入することにより
最大シフトに達することを示している。また、図１９に
１５％の場合について示されているように、内側ＯＨピ
ークは、より多量の存在するＯ2 による冷却のために追
加のＯ2 注入により減少する。
【００４４】図１９のモデル化の結果を証明するため
に、測定されたＯＨプロファイルについての比較を同じ
定性的特徴が観察されるかどうかを見るべく行った。Ｏ
Ｈラジカル発生の測定は、ＯＨラジカルによって発生し
た光のみを検出器に到達させるフィルターを備えた紫外
感受性ビデオカメラを用いて行う。実験の総合ＯＨプロ
ファイルは、パイロット炉から得た。図２０に示す結果
は、ＯＨピークが内側のチューブ中へのＯ2 注入により
バーナーの中心軸から離れてシフトするという同じ定性
的特徴をまさに示している。１５％の場合について、バ
ーナーの内部におけるＯＨピークの微細な変位およびピ
ークの減少でさえ観察されている。しかしながら、観察
されたＯＨピークの空間的位置は、モデルとは類似して
いない。これはおそらく実験とモデルとの燃焼率が３０
％異なることによる。それにもかかわらず、これらの結
果間の定性的類似性は、バーナーブロック内における詳
細な流体の機械的および熱的プロセスのＣＦＤモデル化
にある正当性を付け加えるものである。
【００４５】通常のサンプリング技術を用いてＮＯx に
ついてのバーナーの評価をパイロット炉内で行った。燃
焼生成物を採取するために、パイロット炉の煙道内に水
冷吸引プローブを挿入した。プローブ内のすべての化学
反応をガスの急速な冷却により凍結する。ガス試料をろ
過し、乾燥し、特定の分析器により分析した。内側の酸
化剤チューブ１６に注入された異なるＯ2 流について測
定を行った。オキシ−燃料燃焼は、酸化剤からＮＯx の
給源を実質的に除去することによりＮＯx を本質的に排
除するものであるが、空気漏れ、燃焼および非純粋Ｏ2
がＮＯx 形成に寄与する。ＮＯx 生成に対して有する追
加のＮ2 の影響を調べるために、燃料および／またはＯ
2 にＮ2 を注入した。
【００４６】図２１は、内側チューブ内に注入されたＯ
2 の割合が増すにつれ、ＮＯx 生成が増加することを示
している。この結果は驚くべきものではない。モデル化
計算によって、温度も上昇し熱的ＮＯx 生成に至ること
が示されているからである。このことは、ＯＨイメージ
化（imaging ）実験においても明らかであり、そこでは
観察された多量のＯＨは内側チューブに注入されたＯ2
についてより高い火炎温度を示唆している。
【００４７】内側の酸化剤流の流量を変化させることに
加えて、内側の酸化剤通路２２を通る酸化剤の変動する
流れ（oscillating flow）を生成させるために、ソレノ
イド弁を使用することができる。変動する流れを使用す
ると、火炎により生成されるＮＯx を４０％まで減少さ
せることが可能である。
【００４８】加えて、外側の酸化剤流の軸から離れて位
置する燃料注入は、ＮＯx 生成を減少させることがわか
った。図２２に示すバーナーの代わりの態様において、
中間のチューブ５２および内側のチューブ５４の、外側
酸化剤チューブ５０内の非同軸的位置への移動は、同軸
配置に対して有利なＮＯx 減少をもたらし得る。
【００４９】本発明を特定の態様に関して説明したが、
本発明の精神および範囲を逸脱することなく種々の変
形、改変を行うことができ、均等物を使用することがで
きるということは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるバーナーの長手方向断面図。
【図２】バーナーの排出端を示す図。
【図３】本発明のバーナーが挿入されるバーナーブロッ
クの長手方向断面図。
【図４】第１の代替態様による実質的に円筒状のバーナ
ーブロックの側断面図。
【図５】第２の代替態様による実質的に円筒状のバーナ
ーブロックの側断面図。
【図６】第３の代替態様による実質的に円筒状のバーナ
ーブロックの側断面図。
【図７】第４の代替態様による実質的に円錐状のバーナ
ーブロックの側断面図。
【図８】第５の代替態様による実質的に円錐状のバーナ
ーブロックの側断面図。
【図９】バーナーブロックに設置された本発明の第１の
態様によるバーナーの側断面図。
【図１０】バーナーブロックに設置された本発明の第２
の態様によるバーナーの側断面図。
【図１１】バーナーブロックに設置された本発明の第３
の態様によるバーナーの側断面図。
【図１２】バーナーブロックに設置された本発明の第４
の態様によるバーナーの側断面図。
【図１３】バーナーブロックを用いない本発明の第５の
態様によるバーナーの側断面図。
【図１４】バーナーブロックを用いない本発明の第６の
態様によるバーナーの側断面図。
【図１５】バーナーブロックを用いない本発明の第７の
態様によるバーナーの側断面図。
【図１６】バーナーブロックを用いない本発明の第８の
態様によるバーナーの側断面図。
【図１７】バーナーが設置されたバーナーブロックの長
手方向断面図であって、火炎域を示す図。
【図１８】数値シミュレーションによって予測されたバ
ーナー入口および出口を通る総軸方向運動量フラックス
を示すグラフ図。
【図１９】バーナーの出口面における、数値シミュレー
ションから予測されたヒドロキシラジカル（ＯＨ）モル
分率を示すグラフ図。
【図２０】バーナーの出口での総合ＯＨ発生プロファイ
ルを示すグラフ図。
【図２１】０．３２ＭＷバーナーからのＮＯx 生成を示
すグラフ図。
【図２２】本発明による別の態様によるバーナーを示す
端部図。
【符号の説明】
１０…オキシ−燃料バーナー １２…外側のチューブ １４…中間のチューブ １６…内側のチューブ １８…外側の通路 ２０…中間の通路 ２２…内側の通路 ２４，２６，２８…出口 ３０…燃料供給源 ３２…酸化剤供給源 ３３，３４，３５…弁 ４０…バーナーブロック
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハーレイ・ボーダース アメリカ合衆国、イリノイ州 60148、ロ ンバード、イースト・テイラー・ロード 244 (72)発明者 ウイリアム・ボン・ドレセーク アメリカ合衆国、イリノイ州 60452、オ ーク・フォーレスト、ボニー・トレイル・ イースト 17083

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 外側の酸化剤出口を形成する外側の酸化
    剤案内通路、内側の酸化剤出口を形成する内側の酸化剤
    案内通路、燃料出口を形成する燃料案内通路、および該
    内側の酸化剤案内通路を通る酸化剤の流量を変化させて
    火炎の特性を制御するための手段を備え、該外側の酸化
    剤出口、内側の酸化剤出口および燃料出口は同軸的に配
    置され、該燃料出口は該外側のおよび内側の酸化剤出口
    の間に半径方向に配置されているオキシ−燃料バーナ
    ー。
  2. 【請求項２】 燃料出口および内側の酸化剤出口が、該
    外側の酸化剤出口から軸方向内側にずれた位置で該燃料
    案内通路からの燃料を該内側の酸化剤案内通路からの酸
    化剤と混合させるように位置している請求項１記載のオ
    キシ−燃料バーナー。
  3. 【請求項３】 同軸的に配置された外側、中間および内
    側の筒状チューブをさらに備え、該外側の筒状チューブ
    は、該外側の酸化剤案内通路を形成し、該中間の筒状チ
    ューブは、該外側のチューブから半径方向内側に離間配
    置されかつ該燃料案内通路および該燃料出口を形成し、
    該内側のチューブは該中間の中部から半径方向内側に離
    間配置されかつ該内側の酸化剤案内通路および該内側の
    酸化剤出口を形成する請求項２記載のオキシ−燃料バー
    ナー。
  4. 【請求項４】 該燃料出口が、該外側の酸化剤出口に対
    して軸方向内側にずれている請求項１記載のオキシ−燃
    料バーナー。
  5. 【請求項５】 該内側の酸化剤出口が、該燃料出口に対
    して軸方向内側にずれている請求項３記載のオキシ−燃
    料バーナー。
  6. 【請求項６】 孔を有するバーナーブロックをさらに含
    み、該チューブは酸化剤および燃料を該孔へ排出するよ
    うに配置されている請求項３記載のオキシ−燃料バーナ
    ー。
  7. 【請求項７】 該バーナーブロックの孔が、該外側の酸
    化剤案内通路の一部を形成している請求項６記載のオキ
    シ−燃料バーナー。
  8. 【請求項８】 該孔が、筒状である請求項６記載のオキ
    シ−燃料バーナー。
  9. 【請求項９】 該孔が、円錐状である請求項６記載のオ
    キシ−燃料バーナー。
  10. 【請求項１０】 該外側のおよび内側の酸化剤案内通路
    に酸化剤を供給するための酸化剤供給手段、および該燃
    料案内通路に燃料を供給するための燃料供給手段をさら
    に備える請求項１記載のオキシ−燃料バーナー。
  11. 【請求項１１】 制御される火炎の特性が、火炎の運動
    量である請求項１記載のオキシ−燃料バーナー。
  12. 【請求項１２】 制御される火炎の特性が、火炎の明る
    さである請求項１記載のオキシ−燃料バーナー。
  13. 【請求項１３】 制御される火炎の特性が、火炎の長さ
    である請求項１記載のオキシ−燃料バーナー。
  14. 【請求項１４】 オキシ−燃料バーナー中で酸化剤と燃
    料を結合させて火炎を生成する方法であって、 外側の酸化剤流を外側の酸化剤案内通路中を導き、およ
    び該外側の酸化剤流を外側の酸化剤出口を通して排出
    し、 燃料流を燃料案内通路中を導き、および該燃料流を該外
    側の酸化剤出口に対して同軸的に配置されかつそれから
    半径方向内側に離間配置された燃料出口を通して排出
    し、 内側の酸化剤流を内側の酸化剤案内通路中を導き、およ
    び該内側の酸化剤流を該燃料出口に対して同軸的に配置
    されかつそれから半径方向内側に離間配置された内側の
    酸化剤出口を通して排出し、該内側の酸化剤流および該
    外側の酸化剤流は総酸化剤流を提供し、 該内側の酸化剤案内通路を流れる該総酸化剤流の比率を
    制御して火炎の特性を制御することを包含する方法。
  15. 【請求項１５】 該燃料流を該外側の酸化剤流と混合す
    る前に該内側の酸化剤流と混合する請求項１４記載の方
    法。
  16. 【請求項１６】 該外側のおよび内側の酸化剤流の各々
    が、少なくとも８０％の酸素を含有する請求項１４記載
    の方法。
  17. 【請求項１７】 総酸化剤の約５０％以下が該内側の酸
    化剤流によって供給される請求項１４記載の方法。
  18. 【請求項１８】 該内側の酸化剤流が、該外側の酸化剤
    出口を通る該外側の酸化剤流の排出速度以上の大きさ
    の、該内側の酸化剤出口を通る排出速度を有する請求項
    １４記載の方法。
  19. 【請求項１９】 該内側の酸化剤流の排出速度が、約１
    ０ないし２００ｍ／ｓの範囲内にある請求項１８記載の
    方法。
  20. 【請求項２０】 該燃料流が、２０ないし８０ｍ／ｓの
    範囲内の、該燃料出口を通る排出速度を有する天然ガス
    流を包含する請求項１９記載の方法。
  21. 【請求項２１】 該外側の酸化物流の該排出速度が、１
    ０ないし５０ｍ／ｓの範囲内にある請求項１８記載の方
    法。
  22. 【請求項２２】 該内側の酸化剤通路を流れる総酸化剤
    流の比率が、該外側の酸化剤通路を流れる総酸化剤流の
    比率よりも大きい請求項１４記載の方法。
JP24374396A 1995-09-15 1996-09-13 同軸の燃料および酸化剤出口を有するオキシ−燃料バーナー Expired - Lifetime JP3836542B2 (ja)

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