JPH10501056A - 超低量ｎｏｘバーナー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 バーナーチャンバ(60)を有するバーナー(10)が開示される。このバーナーチャンバは、高断熱性熱保持壁(63)およびバーナーチャンバの一端に配置される一連の偏心ミキサ(41)を有する。ミキサ管から流入する希薄可燃限界の燃料50％増しまでの均一濃度のガス／空気混合気は、燃焼中のガス／空気がその混合気の自発点火温度より高温のバーナーチャンバの上記一端へと戻る再循環(64)によってバーナーチャンバ内で点火される。開示される特定の混合気は、0.55〜0.7の当量比を利用している。本発明のバーナーによれば、酸化剤および燃料は、それぞれ、共通酸化剤プレナム(26)および共通燃料プレナム(24)によって各ミキサに供給される。このようにして、燃料および酸化剤は燃焼位置の近傍で混合されるため、安全性が高まり且つより大型のバーナーを形成することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】 超低量ＮＯＸバーナー 発明の分野 本発明は、産業用バーナーシステムにおけるＮＯＸの低減化に関する。 発明の背景 窒素酸化化合物（ＮＯＸ）は、典型的には、高温と、窒素および酸素の化学結 合を可能にするその他の要因とを必然的に伴う燃焼プロセスの間に形成される。 少量のＮＯＸは刺激物であるが、大量のＮＯＸは人命にかかわるより大きな脅威 になり得ることが分かっている。ＮＯＸは、環境への重大な汚染源ではないかと も考えられている。産業用バーナーシステム、特に、毎時百万ＢＴＵを越えて稼 働し、火炎温度が3500°Ｆ近くにまで達するタイプのものにおいては、局所的な ＮＯＸの発生は莫大なものになり得る。 環境保護団体および州政府は、産業用炉に用いられるものを含むバーナーシス テムから吐出される汚染物質に対する規制をますます強めている。ＮＯＸおよび ＣＯ等に対するこれらの規制が厳しくなれば、バーナー製造業者およびバーナー を使用する業者にとって、これらの汚染基準を満たすことがより困難になる。 従来のプレミックスバーナーシステムにおいては、燃料と酸化剤とを燃焼場所 から離れた場所で混合してプレミックスを生成し、それをバーナーへと送り込む のが一般的である。フラッシュバックが起こった場合、混合場所の下流側にある 量のプレミックスが燃焼して、爆轟波が燃焼場所から逆行する恐れがある。この ようなフラッシュバックは作業員の安全をおおいに脅かすものであり、装置を破 壊する恐れもある。以上の理由から、このようなバーナーシステムは、典型的に は、プレミックス燃焼レートが毎時千万ＢＴＵ台に制限される。 従来のプレミックスシステムでは、燃料対酸化剤比が化学量論比に近づ くにつれてノイズおよび振動が増大する。外的な熱伝達レートと、完全にプレミ ックスされた混合気の固有の反応レートとが互いに結合し得る。この現象はレイ リー振動と呼ばれ、パイロットが長い管を介して燃焼される時に聞こえる「モー タボート」音の原因となる。この現象自体は問題ではないが、この振動が特定の 燃焼チャンバまたは燃焼室内の固有周波数と合致する場合がある。そのような場 合、この２者は互いに増長し合い、さらに大きくかつさらに激しい音または振動 となる。このような振動も、破壊的な結果を潜在的にもたらし得る。 発明の要旨 本発明は、従来のシステムに付随する問題を克服するものである。本発明は、 燃料を酸化剤とともに燃焼させるバーナーシステムに関する。バーナーは、燃料 と酸化剤とを所定の割合で混合するミキサを有する。ミキサはミキサインレット を有し、ミキサインレットは、ミキサ内にそれぞれ燃料および酸化剤を導入する 燃料インプットおよび酸化剤インプットを有する。ミキサは、混合された燃料お よび酸化剤を吐出するミキサアウトレットも有している。燃焼は、このミキサア ウトレットにおいて、またはその近傍で起こる。 ミキサは、それぞれ燃料インプットおよび酸化剤インプットを有するいくつか のミキサ管のうちの１つであり得る。燃料インプットは、それぞれ、燃料を各ミ キサに供給する共通燃料プレナムに接続される。同様に、各酸化剤インプットは 、各ミキサに酸化剤をそれぞれ供給する共通酸化剤プレナムに接続される。本発 明では、混合はバーナー自体の中で行われ、このようにすることにより、フラッ シュバックによる危険性が最小限に抑えられる。上記配置によれば、毎時２億Ｂ ＴＵよりも高い値で安全に燃焼を行える、より大型のバーナーを形成できる。 複数のミキサ管を搭載して、それらのミキサアウトレットが反応チャンバへの インレットを規定するものとして本発明を考えてもよい。ミキサ管は、チャンバ 軸について偏心に搭載される。このようにミキサを配置すれ ば、既燃混合燃料／酸化剤の一部がチャンバ内で再循環し、これにより、ミキサ アウトレットからチャンバに流入する燃料／酸化剤混合気が点火される。このよ うにすれば、均一な火炎温度の環境が形成され、ＮＯＸの生成を実質的に抑制す る。反応チャンバは、テーパ状アウトレット部を含んでいてもよく、このテーパ 状アウトレット部は、チャンバから流出する流れを制限することにより、チャン バ内の再循環をさらに促進し、さらに火炎温度、ひいてはＮＯＸの生成が低減さ れる。 このように、本発明の目的の１つは、バーナーシステムによって生成される汚 染物質を低減することである。 本発明の目的の１つは、バーナーシステムにおける燃焼効率および燃焼温度の 均一性を向上させることである。 本発明の目的の１つは、バーナーシステムにおけるフラッシュバックを低減あ るいは排除して安全性を向上させることである。 本発明の目的の１つは、ＮＯＸおよびＣＯの排出量が少ないバーナーを製造す ることである。 本発明の目的の１つは、低汚染バーナーシステムにおいて、外づけのガス混合 プレナムの使用を回避することである。 本発明の目的の１つは、バーナーシステムによって生じる温度の均一性を向上 させることである。 以下の記載および図面を参照すれば、本発明の他の目的が理解され、本発明が より完全に理解されることだろう。 図面の説明 図1は、本発明の適用を具現するバーナーシステムの長手方向断面図である。 図2は、図1の好適な実施形態におけるミキサ管の拡大部分断面図である。 図3は、図1の3-3ラインに概ね沿った、ミキサの端面図である。 図4は、図1に類似の改変型バーナーシステムを示す、一連の長手方向断面図で ある。 図5、図6および図7は、本発明を具現する別のバーナーシステムの長手方向断 面図である。 図8は、本発明の代替的な実施形態による混合管を示す斜視図である。 図9は、上記代替的な実施形態による混合管の作用を示す詳細図である。 好適な実施形態の説明 ここに開示される設計の超低量ＮＯＸ部分的プレミックスバーナーは、ミキサ 部と反応チャンバ／バイパスガス部との２つのモジュールにより構成される。ミ キサ部は、可燃限界近くの非常に均一なプレミックスを反応チャンバに供給する 。その当量比は、好ましくは、燃料に天然ガスを用い、酸化剤に空気を用いる場 合、0.55〜0.7の間である。このような希薄混合気の燃焼時のＮＯＸ排出量は極 めて低い。反応チャンバ／バイパスガス部は、プレミックス燃焼を行う場所と、 システム全体の過剰空気を低減する手段と、火炎整形能力とを提供する。多くの 適用において、これがバーナーの最終的な実施形態となるだろうが、ある特定の 用途においては若干異なる構成が必要になる場合があり得る。 バーナーシステム10は、プレナム部20、混合部40、一次バーナー部60、火炎調 節部90、および二次火炎部100を有する。 プレナム部20は、バーナーシステム10において、燃料および酸化剤の供給源を バーナーへと相互に接続する。 開示される好適な実施形態において、燃料インプット21は、燃料接続部22を介 して、混合部40（後述）内のプレナム24に供給される。燃料プレナム24は、流入 する燃料流を各ミキサエレメントに均等に分配する役目をはたす。初期ミキサ部 が後述するレベルの質の高い均一なプレミックスを確実に得るためには、この均 等な分配が必要不可欠である。 開示される好適な実施形態において、この位置における燃料インプットは、標 準的な14インチ水柱圧（water column pressure）、70°Ｆ、毎時940〜1200立方 フィートの天然ガスである。プロパン、プロパン／空気、ブタン等を含む他のガ ス状の燃料、ならびに油等の気化した液体が、この様式 のバーナーで燃焼されてもよい。 酸化剤インプット25は、バーナーシステム10への加圧酸化剤の供給源である。 酸化剤インプット25は、プレナム26と直接相互接続されており、この酸化剤プレ ナムは混合部40（後述）を取り囲んでいる。酸化剤プレナムは、流入する流体を 各ミキサエレメント間に均等に分配する役目をはたす。初期ミキサ部が質の高い 均一なプレミックスを確実に得るためには、この均等な分配が必要不可欠である 。 酸化剤プレナム26は燃料プレナム22から隔離されているので、燃料および酸化 剤は、プレナム部20では混合されない。これにより、酸化剤と燃料とが実際の燃 焼領域から離れて位置するプレナムまたは管の中にある場合にあり得る爆発の可 能性が回避される。燃料と酸化剤とを、燃焼点の近くにあるミキサ内で混合する ことにより安全性が大幅に向上し、それにより、毎時２億ＢＴＵを越える燃焼能 力を有するより大型のバーナーの製造が可能になる。 開示される好適な実施形態において、酸化剤は、標準酸素含量21％、70°Ｆ、 毎時16000立方フィートの空気である。開示される好適な実施形態において、空 気プレナム26内の気圧は、10インチ水柱圧である。 空気インプット25の温度が上記の70°Ｆ以外、あるいは酸素含量が上記と異な る場合、燃料インプットの体積を必要に応じて低減または増加させることによっ て、一次バーナー部60（後述）に対して、特に希薄可燃限界に関して、適正な比 を維持することができることに留意されたい。燃料との混合の前に流入酸化剤を 予熱したならば、酸化剤インプット25を異なる温度にする最も一般的な方法は存 在する。空気インプットライン内の再生器（regenerator）あるいは二次バーナ ー、もしくは所望の方法によって、炉と煙突301との間に相互接続される、図5の 部材300のような復熱装置(recuperator)を用いてこれを行うことができる。外気 酸化剤から予熱酸化剤への変化には、好ましくは、一次バーナーモジュールに対 して２つの変化が伴い得る。まず、インレット酸化剤温度が上昇するにつれ、反 応チャンバ温度もこれに応じて上昇し得る。ＮＯＸレベルを最低限に維持するた めに、 この酸化剤温度の上昇は、対応する一次ゾーン当量比の降下によって相殺され得 る。さらに、このモジュールに耐火性ライニングを追加して、低いバーナー殻温 度を維持し得る。例えば、1000°Ｆ、Ｏ₂21％の予熱された空気がバーナーに供 給される場合、好ましくは、一次ゾーン当量比は外気の0.65から0.445に引き下 げられ得る。バイパスガス流路および反応チャンバ出口の直径も、最良のバーナ ー性能が得られるように調節する必要があるかもしれない。バーナー部に供給さ れる混合気が予熱手段によって加熱される際、その温度上昇は、燃料／酸素混合 気の点火温度（通常、1200°Ｆのレンジ上）よりも低いことが好ましい。これに より、バーナーチャンバ60以外の位置での過早点火の危険性が低減され得る。 空気等の燃焼酸化剤の酸素含量を増加させることも、一次ゾーンの断熱火炎温 度を上昇させ得ることに留意されたい。予熱酸化剤の場合と同様に、一次ゾーン 当量比を下げることによってこの火炎温度の上昇を相殺し得る。 バーナー部60の先端部（即ち、両混合管の端部）において、および各混合管の 間で、均一な濃度の酸化剤／燃料混合気を均一な速度で提供するように混合部40 は設計される。また、ミキサおよびチャンバへのフラッシュバックの可能性を回 避するようにも設計される。混合部のアウトプットは、均一な燃料／酸化剤混合 気であり、その比は、希薄可燃限界から、その下限から燃料50％超過までの範囲 内にある。この可燃比は、Ｆorman Ａ.ＷilliamsのＣombustion Ｔheorに記載さ れている（例えば、266頁が援用される）。この限界は、以下のように述べられ ている。 「可燃限界とは、それを越えると燃料 ／オキシダイザ混合気が燃えなくな る組成あるいは圧力の限界である」 可燃限界は、燃料組成、酸化剤組成、混合気圧および混合気温度の複合関数であ り、容易に算出できない場合もある。一次燃焼ゾーンの端においてその当量比を 可能な限り可燃限界近くに維持することにより、比に対する適度な制御を可能に することが本発明の目的である。上記理由から、一次ゾーン当量比に対する作動 範囲は、可燃限界と、可燃限界および化学量論 比の中間値との間に規定される。これにより、様々な燃焼レートにおいて、バー ナーシステムに対する適度な制御が可能となる。 混合部40によって、一次燃料流および一次酸化剤流の両者の完全な混合が行わ れ、これにより、均一性の高い混合気が得られる。反応チャンバへの入口におい て、ミキサが適切な間隔をあけて配置されれば、反応後の混合気のＮＯＸレベル は最小となる。典型的な混合比およびＮＯＸレベルは以下の通りである。 当量比 ＮＯＸ排出量 0.55 Ｏ₂ 3％ において 2.9ppm v 0.60 Ｏ₂ 3％ において 4.3ppm v 0.65 Ｏ₂ 3％ において 6.6ppm v 0.70 Ｏ₂ 3％ において 10.8ppm v 当量比は、一般的に、燃料対空気の比を燃料対空気の化学量論比で割ったもの である。 本発明の好適な実施形態において、混合部40は、バーナーシステム10の中心軸 42から間隔が隔てられた円に沿って並んだ一連の８個の管41を有する。本実施形 態の各ミキサ管41は、取り入れ口43、インスピレータ44、ミキサ45および吐出口 46を有する。全てのミキサ管は、共通燃料プレナム24および共通酸化剤プレナム 26から供給を受ける。これにより、複数のプレナムあるいは相互接続の必要がな くなる。 好適なミキサ41は、高いレベルの再循環を提供するように、個々のミキサ出口 同士の間、および集合的なミキサ出口の半径と円の中心との間にそれぞれ十分な 間隔を有する共通ボルト円上に配置される。図1に示される好適な混合部40は、 さらに流れの不均衡を提供して、後述の一次バーナー部60内において、逆向きの 流れあるいは再循環を引き起こす。これにより、流入する燃料／酸化剤混合気の インプット位置の全体に熱が引き戻され、点火および均一な燃焼を容易にする（ 後述）。示される好適な実施形態において、上記位置は一次バーナー部60のイン レットにある混合部40の吐出口にあり、混合部40内にある後述する混合管41の配 置に主に起因する再循環 がこの一次バーナー部で起こる。熱を吐出口に引き戻す再循環を起こす別の方法 を用いて、上記吐出口位置の配置を変えてもよい（例えば、図7のように、一次 バーナー部のアウトレット近傍としてもよい）。その理由は、熱を吐出口に引き 戻すことの方が、吐出口の位置あるいは再循環を引き起こす原因よりも重要だか らである。この熱の引き戻しは、自発点火を促進し、希薄混合気の燃焼安定性に 貢献する。上記のように、他のタイプのミキサ、位置、および再循環手段を用い ることも可能である。 ミキサ管41の取り入れ口43は、酸化剤プレナム26から直接供給を受ける。した がって、空気等の酸化剤はこれらの取り入れ口43を自由に通過する。 入口部49は、取り入れ口43とインスピレータ44との間に位置する。入口部49は 、流入する酸化剤流を真っ直ぐにして、それをミキサ管41環帯内に均一に拡散さ せる。インスピレータ44自体は、管23を通って一次燃料プレナム24へと延びる一 連の穴48を有する。このように、インスピレータ44は、穴48を通る速い燃料射出 速度を利用して、入口部44を介して取り入れ口43から酸化剤を均一に引き込む。 燃料と酸化剤との完全な混合は、混合部45内の下流で行われる。 混合部45の環状流路は、２つの目的をはたす。第１に、図8に見られるように 、混合部45の中央部分がふさがれて、流体の流路幅（つまり、混合部45の有効径 ）が小さくなっている。管23とミキサ管41との間には、流路の直径半分（half-d iameter）が割り当てられる。このように、環状流路によってミキサ管41の長さ 対直径の比（Ｌ/Ｄ比）が増大する。好適な実施形態においては、Ｌ/Ｄ比は約12 である。燃料と酸化剤との完全な混合を最短の距離で達成するには、この割合が 有効であることが分かっている。また、環状の形状は、流速を増大させ、かつ与 えられた混合気の消炎直径よりも流路サイズを小さく維持することによって、ミ キサフラッシュバックを防ぐ。開示される好適な実施形態において、混合部45内 の速度は約140 ft/sである。 各ミキサ管41の混合部45は、燃料と酸化剤とを混合する役目をはたし、両者の 均一な濃度の混合気が均一な速度で提供される。これは、単一のミキサ管41につ いて当てはまるだけでなく、個々のミキサ管41同士の間にも 当てはまることである。 好適な実施形態において、各ミキサ管41は、直径約2インチ、合計長さ11イン チの管である。入口部49の直径は約1.25インチであり、各ミキサ管にある８個の 穴48は直径0.9375インチの断面を有し、これらは互いに60°の間隔で隔てられて いる。 図9に示される代替的な実施例において、ミキサ部45は、ミキサ管41内に搭載 され、ガスを均等に分配するガスノズル50を有する。ガスノズル50は複数の穴52 を有する。これらの穴のそれぞれは、環状流路内に燃料を導入するように設計さ れている。本実施形態においては、空気が10インチ水柱圧で供給されるのが好ま しい。燃料は、酸化剤よりも低い圧力、好ましくは4インチ〜5インチ水柱圧で供 給される。燃料が、上記のような低い圧力で流路に入ることを確実にするために 、実質的に中空の半円筒形のトラフ54が複数設けられる。各トラフは、穴54のや や上流側に配置されてこれらの穴の盾となり、これにより、流路内のトラフ54後 方に低圧ゾーンが形成される。このようにして、低圧燃料を環状流路に導入して いる。この構成によって、トラフ54が空気流を妨げ、さらにこれにより、ガスと 空気とを実質的に混合するのに十分な乱流が形成される。本実施形態によれば、 ノズル部50全体がミキサ管41内に摩擦適合する。このような摩擦適合によれば、 ノズル50をしっかりと保持できるとともに、メンテナンスの際には容易に取り外 すことができる。 混合部40の吐出口46は、一次バーナー部60内に直接入っている。好適な実施形 態においては、熱をミキサに引き戻すための逆向きの再循環流を提供するために 、ミキサ管41の吐出口46の位置は一次バーナー部60へのインレットにあり、この 位置は、反応チャンバ内に再循環流の不均衡が生じるように選択される。好適な 実施形態においては、混合管41の吐出口46を、バーナーシステム10の軸42から有 意な距離をおいて偏心に位置することにより、再循環流の不均衡を得ている。こ れにより、高温ガスを再循環させて熱をミキサの吐出口46へと引き戻すために必 要な流れの不均衡が一次バーナー部60内に生じる。これによって、燃料および酸 化剤が自発点火する とともに均一な燃焼温度が得られ、バーナーの作動が容易になる。このように、 混合部40は、一次バーナー部60内の再循環流に貢献するだけでなく、一次バーナ ー部60内の燃焼を安定させる役目をはたす。各ミキサ管41の吐出口は、一次バー ナー部60の周囲壁63に関する位置も有する。好ましくは、この位置は、弱いうず 型の逆流再循環が壁63に沿って生じるように選択される。これは、壁63を不都合 に高温にさらさず且つ（最小限に抑えたい）壁温度の損失を伴うことなく自発点 火を助長する。一次バーナー部60内の再循環の正味効果は、流入燃料／酸化剤混 合気のインプットへと流れる、流入燃料／酸化剤混合気の点火温度よりも高温の 燃焼材料の流れの存在である。また、これによって、アウトレット体積、壁損失 および他の要因に関係なく、自発点火が起こる。この点火手段は、（おそらく、 パイロット61、バーナー壁63あるいは他の熱貯蔵／付加装置による補足を含んだ 後であるが）自立作動する。他のミキサの設計および配置を用いてもよいことに 留意されたい。例えば、特定の適用、特に小型のバーナー設計においては、中間 プレナムおよび／またはパイピングを介して、通常には、より大型のバーナーで ある他のバーナーの個々のミキサと同じパターンの数個のミキサポートに供給を 行う１個の統合的ミキサを用いることができる。上記均一な燃料／酸化剤混合気 を供給するために、他の設計も用いられ得る。熱を混合部の吐出口に引き戻すた めに、他の再循環手段を用いることも可能である。図5および図6に２つの例を示 す。図5において、二次ミキサアセンブリ200は、一次バーナー部60Ａのアウトレ ット65Ａの近傍に位置しており、二次ミキサアセンブリ200の管吐出口46Ａは、 概ねこのバーナー部60Ａのインレットに向けられている。この反対方向に向けら れた吐出口は、燃焼中の燃料／酸化剤混合気をバーナー部60Ａ内で再循環させる 。メインミキサ40と二次ミキサ200との間で燃料対酸化剤の比を変えることによ り、燃料あるいは酸化剤のステージングを提供し得る。さらに、この二次ミキサ アセンブリ200において、排ガスを利用することも可能である。図6において、ミ キサ管41Ｂは、燃焼の際の再循環を積極的に促進するように設計された円錐形を 有する修正バーナー部60Ｂに関して非対称的に位置する。 燃焼中の燃料および酸化剤の一次バーナー部60内における再循環は、それをど のような方法で得たとしても、燃料／酸化剤混合気の点火温度よりも高い温度で 熱を吐出口に引き寄せて、ミキサ管41の吐出口46からの均一な燃料／酸化剤混合 気を自発点火および燃焼させる。これにより、このバーナーで利用されている上 記希薄可燃比においてあるいはその付近で重要である、燃料／酸化剤混合気の完 全燃焼が助長される。 レイリー振動に伴う振動を低減するには、システムを十分に減衰させて、共鳴 周波数の振幅が大きくなり過ぎないようにする必要がある。好ましくは圧力が16 osi（オンス／平方インチ）以上の高圧送風装置を用いれば、一貫した非脈動空 気源が供給されることにより、高いレベルの減衰が提供される。 一次バーナー部60は、バーナーシステム10の一次燃焼がほとんど全て行われる 領域である。開示される好適な一次バーナー部60は、一次バーナー部60内の均等 な温度の維持に貢献するような温度特性を持つ熱保持性断熱壁を有するように設 計される。好適な実施形態において、チャンバ60の壁63も、可燃限界より高い温 度、特に上記ガス／空気混合気の点火温度よりも高い温度の維持に貢献する熱的 マス（thermal mass）を有する。それ自体を用いて反応チャンバ内の燃料／酸化 剤混合気を点火するのに十分な、量（mass）等の、特性を持つように熱的マスを 設計してもよいが、好適な実施形態による燃焼中のガスの一次再循環においては 、何らかの他の点火手段を用いるのが好ましい。その理由は、小型バーナーに対 する要求（高熱的マス壁(high thermal mass wall)はサイズを大きくするうえに 、断熱が要求される）と、より厳密なバーナー制御（高熱的マス壁は、例えばコ ールドスタートアップ時とホットランニング時とで作用が異なる）との組み合わ せである。 一次バーナー部のインレットの入口径は、燃焼中の生成物に低速のうず再循環 を引き起こしてインプットされる燃料／酸化剤混合気に戻すことにより、点火を 促進および維持するように設計されている（混合気も、壁の熱伝達によって温度 的に安定している）。好適な一次バーナー部60は、パ イロットバーナー61を作動させて必要な点火温度を有する熱源を提供することに より（さらに、燃料を加えて混合気を高濃度にして初期点火を助けることも可能 ）始動時の点火を行っている。パイロット61の位置がバーナー軸42付近にあるこ とにより、均一な点火が容易になる。燃焼中のガスをインレットに戻す再循環が 燃焼を維持するように確立された後は、パイロット61を消すのが好ましい。この 時点では（コールドスタートの場合約20秒）、好適な実施形態においてミキサ管 41の位置によって確立されたバーナーチャンバ内再循環64によって、一次バーナ ー部60内で非常に安定した燃焼が維持される。一次バーナー部60の壁63からの熱 は、一次バーナー部60内における燃焼の維持に貢献する。あるいは、パイロット 61を用いて始動時の点火を行い、その後、燃料／酸化剤混合気の継続的な点火を 助長する希薄燃焼に引き下げてもよいし、その他の所望の改変を行ってもよい。 上記パイロットをスタートアップとして含めてもよいが、その場合は、動作中の バーナーのための選択的、補助的な点火手段および、予熱線等の他の熱源を利用 することもできる。 示される特定のバーナー部60は、反応チャンバ62、周囲壁63、インレットおよ びアウトレット65を有する。 一次バーナー部60の壁63は、高断熱性高温壁である。これは、一次バーナー部 60内における上記の燃焼の促進を助ける。開示される好適な実施形態においては 、反応チャンバ62内の燃焼を安定させる際に、約1400°Ｆ〜2300°Ｆの温度を維 持するような設計がなされる。壁63は、テーパ状部67によって相互接続される円 筒部66および円筒形アウトレット65を含む。 テーパ状部67は一次燃焼チャンバのアウトレットにおいて少しずつ縮小し、こ れにより、プレミックスの完全燃焼が確実になる。テーパ状部は、後述する火炎 調節部の一部でもある。テーパ状部67は、既燃チャンバ生成物の流れに制限を与 える。これにより、チャンバ状態が炉の状態から隔離される制御領域がチャンバ 内に形成される。既燃のチャンバ生成物と炉生成物との間の再循環および混合は 抑制される。このように、テーパ状部67によって、チャンバ内の温度および環境 が炉から隔離された状態が維持さ れる。 円筒形反応部66は、バーナーの一次燃焼領域である。この部分によって、一次 燃料／酸化剤混合気の燃焼が達成される。希薄プレミックス混合気はミキサから チャンバに入り、初めはパイロット点火される。主に、部分的に燃焼したガスを 流入する未燃酸化剤／燃料混合気へと再循環させることによって、火炎の安定性 が得られる。反応チャンバは、火炎の整形および勢いに相当な影響を与える。開 示されるバーナーシステムにおいては、チャンバ出口に小さいテーパ形状を用い ることによって、中程度の火炎長さおよび中程度の速度を得ている。これには、 反応チャンバ内の再循環路に炉のガスが逆流するのを防ぐ働きもある。反応チャ ンバの設計パラメータは、コールドフロー空間速度（14交替(exchange)／秒）、 コールドフロー入口平均速度（15〜20 ft/s）、およびホットフロー射出速度（1 80 ft/s）である。反応チャンバの設計、特に具体的にはテーパ状部の形状、を 改変することにより他の火炎形状を得ることもできる。 開示される特定の円筒部66は、直径約8インチ、長さ約10インチである。算出 化学量論に対する体積流（volume flow）の変化に応じて、反応チャンバの寸法 が調節され得る。バイパス流路および出口ポートも変更され得る。上記のように 、テーパ状部67には、反応チャンバ62の再循環64を促進するとともに、火炎の整 形を助長する働きがある。このテーパ状部67は、所望であれば省略してもよい。 開示される好適な実施形態において、テーパ状部の全長は約4インチで、開先角 度（included angle）が40°のテーパである。直径が小さくなった部分が存在す ることにより、反応チャンバ内にある2000°Ｆ〜2300°Ｆのガスをミキサ管41の 吐出口46に戻す再循環が促進される。この高温再循環（主に、好適な実施形態に おける不均衡ミキサ部によって引き起こされる）が、パイロットと壁63の熱との 組み合わせで、反応チャンバ内の燃焼を維持する。アウトレット部65は、直径約 6インチ、長さ約1インチである。アウトレット部65は、一次バーナー部60のメイ ンアウトプットである。このアウトレット部65を通る空気の速度は毎秒35〜400 フィートであり、好適な実施形態においては、毎秒約180フィートである。一次 燃焼チャンバ60のアウトレット65の圧力は、0.5インチ〜4インチ水柱圧であるこ とが好ましい。 天然ガスと空気との燃焼の場合、バーナーチャンバ64内の当量比は0.5〜0.75 である。酸素含量は10％〜6.5％である。 開示される好適な実施形態においては、このアウトレット部65内に弱い火炎が 生じる。この火炎によって、バイパスガスを用いた点火が促進される（後述）。 この火炎は（バイパスガスと共に）、必要に応じて、排除または拡張でき得る。 バーナーチャンバ60が、特殊な状況下においては炉として利用され得ることに留 意されたい。 炉100内で燃焼しているバイパスガスの火炎を整形するための特別な適用にお いて、バーナーシステムにおける選択的な火炎調節部90は、一次バーナー部60（ 特に具体的には、テーパ状部67）と連動して作動するように設計される。示され る火炎調節部90は、例えば、長さ約6インチの、段階的なテーパ形状を有するバ ーナータイル91である。このバーナータイルは、低温炉内の燃焼を確かなものに する。（これは、図4bに示されるようなシステムを用い得る、ガラスまたはスチ ールの再加熱炉のような高温炉においては不必要である）。この特定の火炎調節 部の目的は、低温炉の適用において排出される一酸化炭素（1400°Ｆを越える場 合は、わずか10ppmであるのに対して、低温炉の場合、200ppm以上になる場合が ある）を除去することである。後述するように、火炎調節部90には炉内の再循環 を助長する働きもある。 開示される好適な実施形態においては、一連の二次バイパスガス吹き出し口10 1が、一次燃焼チャンバ62のアウトレット65の周囲を囲むように配置される。こ れらの選択的な二次ガス吹き出し口を用いて、バーナーの火炎調節部90および二 次火炎部100（後述）での燃焼を行う。このタイプの燃焼は、ボイラ、プロセス ヒータ、およびアルミ溶融／保持バーナー等において望ましい。 選択的な二次火炎部100は、二次燃焼を行う場所である。好適な実施形態にお いては、注入吹き出し口を用いて炉のガスをバーナーに引き戻して燃 焼を薄める。この二次燃焼は、ＮＯＸの代償を多少伴うが、これは、バーナー60 から放散される熱の増加によって相殺される。 二次燃料混合部は、最終的な炉のタイルおよびバイパス燃料吹き出し出口で構 成され得る。上記燃焼システムにおいて、これら２つの特徴には３つの働きがあ る。つまり、最終的な熱放散を通常の産業加熱レベル（排ガス中Ｏ₂2％）に増加 させ、火炎の形状および見た目の良さを規定し、ＮＯＸおよびＣＯの排出量の最 終的な制御を行う。好適な設計において用いられる吹き出し口は、反応チャンバ から十分に隔てられ、バーナーの中央線に対して10°〜15°に、および短い炉の タイル部に向けて、角度が付けられている。この組み合わせにより、1600°Ｆの チャンバにおける、ＮＯＸおよびＣＯの両者の排出レベルはともに20 ppm v（Ｏ₂ 3％基準）より低くなる。約1ＭＭＢＴＵ/hr-ftの外気を用いた場合、得られる 火炎形状は小さく、小さな直径および軸方向の熱放散を伴う。 開示される好適な実施形態においては、バーナー部60のアウトレット部65を取 り囲むように配置される一連のバイパス燃料（ガス）吹き出し口101が、二次火 炎部100を作動させる。バイパス燃料吹き出し口101は、開示される好適な実施形 態において専用燃料インプット105から供給を受ける二次燃料プレナム103から、 一連の管102を介して供給を受ける。二次燃料プレナムは、個々のバイパス流路 間に均一に燃料流を分配する。この均等な分配は、火炎エンベロープを介して、 目に見える火炎のバランスおよび一貫性を与える。この個別のガスインプット10 5によって、二次火炎部を独立して制御することが可能になる。これらのバイパ スガス吹き出し口101は、中間温度燃焼（示される好適な実施形態においては、1 200°Ｆより高い温度）を炉内で行うためのガス（示される好適な実施形態にお いては、毎秒40〜700フィート、毎時300〜600立方フィート）を提供する。また 、これらの吹き出し口は、炉のガスを吹き込んで燃焼プロセスを薄める。これに より、二次火炎部内の燃料の燃焼が実現され、消炎（flame quenching）が排除 され、一酸化炭素の生成が低減される（また、好適な実施形態においては、炉に 3フィートの火炎を提供する）。炉の再循環94によって、この二次火炎 燃焼が助長される。開示される好適な実施形態において、炉温度1600°Ｆ、2,50 0,000 ＢＴＵのバーナーの場合、ＮＯＸは実質的に18 ppmで、一酸化炭素は7 pp mである。好ましくは、1400°Ｆより高い温度でのガスバイパスの燃焼が完全に なるように、バイパスガス吹き出し口101の距離、角度および速度を選択する。 炉の温度がこれよりも低い場合、この1400°Ｆより高い温度の炉の場合よりも、 ガス吹き出し口101をアウトレット65により近づけて配置する必要が生じる。直 接バーナーアウトプット（例えば、Ｏ₂8％）をとり得るような場合、二次吹き出 し口を除去してバイパスガスを全く利用しないことも可能である。例えば、アグ レゲートドライヤーは、燃焼生成物中乾燥した約7％のＯ₂において典型的に稼働 する。ＮＯＸ排出量を最小にするためには、バイパスガスを全く用いない。それ に加えて、一部の製造業者は、さらに余分の燃焼チャンバを用いて完全燃焼を行 い、乾燥プロセスによる火炎の消炎に起因する一酸化炭素の排出を最小限に抑え ている。これらの適用においては、反応チャンバ／バイパスガス部は不要である 。一次バーナーエレメントを、直接、燃焼チャンバに搭載し、それを反応チャン バとして用い得る。 燃焼生成ガスは２つの位置のいずれかに再循環され得る。それが燃焼空気に含 まれる場合、一次ゾーン断熱火炎温度が低下する。この温度低下は、対応する一 次ゾーン当量比の増加によって相殺されなくてはならない。また、流速の違いに 対応するために、反応チャンバおよびバイパスガスポートの寸法を変える必要が 生じ得る。生成ガスの追加に関する第２の選択肢は、バイパスガスポートを通す ことである。この方法を用いる場合、バイパスガス供給流路および出口ポートに 改変を加えなければならない。 低減されたＮＯＸ排出レベルを提供するだけでなく、本発明は、安全性レベル を大幅に高める。安全性レベルの改善に貢献する要因としては、フラッシュバッ ク制御、バーナー内の各混合管の比較的小さな容量、および各管内の混合場所と 燃焼場所との間に存在する小さな体積の燃料／酸化剤混合気など数多くある。上 記およびその他の効果によって、従来のバーナーシステムにはなかった大きな効 果が得られる。 好適な形態についてある程度詳細に本発明を記載したが、以下に示される本発 明の請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であることが認識され るべきである。 例えば、混合部40について、混合管41のある特定の設計が開示されるが、燃料 と燃焼空気とを均一に相互に混ぜ合わせる他の手段を代わりに用いることができ 得る。 さらに別の例として、開示される一次バーナー部60は、円筒部66とアウトレッ ト65とを相互接続するテーパ状部67を有し、また、火炎調節部90はテーパ状部91 を有するが、急な推移を含む他のタイプの直径低減策を用いてもよい。様々な適 用に合わせてその他の改変を行うことも可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミラー， トッド エイ. アメリカ合衆国 オハイオ 44125， ガ ーフィールド ハイツ，サクソン ドライ ブ 5611 (72)発明者 クイン， デニス イー. アメリカ合衆国 オハイオ 44233， ヒ ンクリー，センター ロード 1211

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．バーナー軸(42)ならびにインレットおよびアウトレット(65)を有し、該アウ トレット(65)にテーパ状部(67)を備えた反応チャンバ(62)と、 燃料を酸化剤と所定の割合で混合する混合アセンブリ(40)であって、 該混合アセンブリ(40)が、該バーナー軸(42)のまわりに且つそこから間隔を 隔てて該反応チャンバ(62)の該インレットに配置される複数のミキサ管(41)を有 し、該混合された燃料および酸化剤が該インレットに供給されることを特徴とし 、 各ミキサ管(41)は、燃料を該ミキサ管(41)に導入する燃料インレットと、酸 化剤を該ミキサ管(41)に導入する酸化剤インレットとをさらに備え、該酸化剤イ ンレットはミキサ取り入れ口(43)を規定し、該燃料インレットは、該ミキサ管(4 1)内に該ミキサ取り入れ口(43)からある距離を隔てて配置されるインプット(48) を規定する、混合アセンブリと、 該混合された燃料および酸化剤を吐出するミキサ吐出口(46)であって、実質的 に該ミキサ吐出口(46)の近傍で燃焼が起こり、 該反応チャンバ(62)内に流れの不均衡が生じるように、各ミキサ吐出口(46) は該バーナー軸(42)のまわりに有意な距離をへだてて偏心に配置され、これによ って該既燃混合燃料／酸化剤の一部を該反応チャンバ(62)内で再循環させて、高 温の燃焼ガスを各ミキサ吐出口(46)に向けて引き戻すことにより、該チャンバイ ンレットにおける温度を該混合された燃料および酸化剤の自発点火温度よりも高 い温度に維持し、該燃焼生成物の残りは該反応チャンバ(62)の該アウトレット(6 5)から吐出される、ミキサ吐出口と、を備えた、燃料を酸化剤とともに燃焼させ るバーナーシステム(10)。 ２．前記ミキサ管(41)のそれぞれは、ある有効径を有する環状の断面を有し、こ れによりフラッシュバックを抑制する、請求項1に記載のバーナーシステム。 ３．前記反応チャンバ(62)の前記アウトレット(65)の近傍に配置され、該アウト レット(65)を通って出てくる前記既燃燃料／酸化剤混合気に対して二次燃料を供 給する二次バイパス吹き出し口(101)をさらに備える、請求項1または2に記載の バーナーシステム。 ４．前記バイパス吹き出し口(101)が、炉生成ガスを前記二次燃料へと誘引する ように構成されている、請求項3に記載のバーナーシステム。 ５．前記反応チャンバ(62)の前記アウトレット(65)と前記炉との間に配置される 火炎調節部をさらに備え、該炉内の火炎の形状が調節される、請求項1〜4のいず れかに記載のバーナーシステム。 ６．前記反応チャンバ(62)は、前記混合された燃料および酸化剤の自発点火を生 じさせるのに十分な温度にチャンバ温度を維持するために十分に高い断熱および 熱的マスを備えたチャンバ壁を有する、請求項1〜5のいずれかに記載のバーナー システム。 ７．パイロットバーナー(61)を含む点火アレンジメントをさらに備えた、請求項 1〜6のいずれかに記載のバーナーシステム。 ８．前記酸化剤の温度は予熱器によって上げられる、請求項1〜7のいずれかに記 載のバーナーシステム。 ９．前記チャンバアウトレット(65)は、前記反応チャンバ(62)の内径よりも小さ い直径を有し且つ該チャンバの内径から該アウトレット(65)にかけて実質的にテ ーパ状にされた部分(67)を有し、該テーパ状部(67)は、炉生成物の該チャンバへ の逆流を防ぎ、これにより、混合を防ぐ、請求項1〜8のいずれかに記載のバーナ ーシステム。 10．前記複数のミキサインレットのそれぞれに燃料を共通に供給する燃料プレナ ム(24)を少なくとも１つ備える、請求項1〜9のいずれかに記載のバーナーシステ ム。 11．前記複数のミキサインレットのそれぞれに酸化剤を共通に供給する酸化剤プ レナム(26)を少なくとも１つ備える、請求項1〜10のいずれかに記載のバーナー システム。 12．前記請求項1〜11のいずれか１つに記載されたバーナーシステムを用いて、 燃料／酸化剤混合気を安全に燃焼させ、これにより、ＮＯＸ排出量を低減し且つ フラッシュバックを制御する方法であって、 a)バーナー軸(42)ならびにチャンバインレットおよびチャンバアウトレット(6 5)を備えた反応チャンバ(62)を提供するステップと、 b)該バーナー軸(42)のまわりに且つそこから間隔を隔てて該チャンバインレッ トに配置され、前記ミキサ管(41)内で燃料を酸化剤と所定の割合で混合して燃料 ／酸化剤混合気を生成する、複数のミキサ管(41)を有する混合アセンブリ(40)を 提供するステップであって、燃料／酸化剤混合気の合計体積が該ミキサ管(41)に よって分割され、これにより、全体的なフラッシュバックの可能性を低減する、 ステップと、 c)各混合管内における該燃料および酸化剤の流速を、各混合管内での混合の際 の火炎速度よりも速い速度に維持するステップと、 d)該燃料／酸化剤混合気を、該ミキサ管(41)を介して該チャンバインレットに おいて該反応チャンバ(62)に導入するステップと、 e)該チャンバインレット近傍で燃焼が起こるように該燃料／酸化剤混合気を点 火するステップと、 f)該既燃燃料／酸化剤混合気の一部を該反応チャンバ(62)内で再循環させて熱 を燃焼場所に引き戻すステップであって、再循環を引き起こす流れの不均衡を該 反応チャンバ(62)内に生じるように、該ミキサ管(41)が該バーナー軸(42)から有 意な距離をへだてて偏心に配置される、ステップと、 g)該既燃燃料／酸化剤混合気の残りを該反応チャンバ(62)の該アウトレット(6 5)から吐出するステップと、 を包含する方法。 13．前記反応チャンバ(62)の前記アウトレット(65)の近傍に配置され、該アウト レット(65)を通って出てくる前記既燃燃料／酸化剤混合気に対して二次燃料を供 給する二次バイパス吹き出し口(101)を提供するステップをさらに包含する、請 求項12に記載の方法。 14．前記二次バイパスガス吹き出し口からの前記二次燃料の流速は、毎秒40〜70 0フィートである、請求項13に記載の方法。 15．混合燃料／酸化剤の前記所定の割合の当量比は、可燃限界と化学量論比との 間である、請求項12〜14のいずれかに記載の方法。 16．前記酸化剤は空気である、請求項12から15のいずれかに記載の方法。 17．前記酸化剤は、Ｏ₂50％までの酸素を有する高濃度とした空気である、請求 項12〜15のいずれかに記載の方法。 18．前記酸化剤は、低酸素低濃度空気流(reduced oxygen vitiated air stream) である、請求項12〜15のいずれかに記載の方法。 19．前記燃料は天然ガスである、請求項12〜18のいずれかに記載の方法。 20．前記燃料はガス状の炭化水素燃料である、請求項12〜18のいずれかに記載の 方法。 21．前記燃料は天然ガスであり、前記酸化剤は空気であり、混合空気／天 然ガスの前記所定の割合の当量比は、外気の温度において0.53〜0.795である、 請求項15に記載の方法。