JPH1073212A - 低ＮＯｘ排出渦巻きバーナー - Google Patents
低ＮＯｘ排出渦巻きバーナーInfo
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- JPH1073212A JPH1073212A JP9210551A JP21055197A JPH1073212A JP H1073212 A JPH1073212 A JP H1073212A JP 9210551 A JP9210551 A JP 9210551A JP 21055197 A JP21055197 A JP 21055197A JP H1073212 A JPH1073212 A JP H1073212A
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- 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
- F23D14/32—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid using a mixture of gaseous fuel and pure oxygen or oxygen-enriched air
-
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- F23D—BURNERS
- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
- F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
- F23D14/24—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other at least one of the fluids being submitted to a swirling motion
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F23M5/00—Casings; Linings; Walls
- F23M5/02—Casings; Linings; Walls characterised by the shape of the bricks or blocks used
- F23M5/025—Casings; Linings; Walls characterised by the shape of the bricks or blocks used specially adapted for burner openings
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Pre-Mixing And Non-Premixing Gas Burner (AREA)
- Combustion Of Fluid Fuel (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＮＯx排出が低レベルであって、完全燃焼又
は実質的な完全燃焼を助けるガス渦巻き技術を用いるバ
ーナーを製造する。 【解決手段】 バーナー（１０）は、中心燃料出口（１
８）と、前記燃料出口（１８）から噴射している燃料と
相交わる酸素の収束回転流をつくり出すために造形され
且つ配置された複数の酸素出口（２２）とを備えてい
る。前記酸素／燃料相互作用によって、二つの燃焼域
と、望ましくない排気ガス成分の完全な又は実質的に完
全な燃焼を助ける再循環効果とが生じる。
は実質的な完全燃焼を助けるガス渦巻き技術を用いるバ
ーナーを製造する。 【解決手段】 バーナー（１０）は、中心燃料出口（１
８）と、前記燃料出口（１８）から噴射している燃料と
相交わる酸素の収束回転流をつくり出すために造形され
且つ配置された複数の酸素出口（２２）とを備えてい
る。前記酸素／燃料相互作用によって、二つの燃焼域
と、望ましくない排気ガス成分の完全な又は実質的に完
全な燃焼を助ける再循環効果とが生じる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、バーナーに関する
ものであり、詳しくは本発明は、非限定的に、低ＮＯX
排出を有し、且つ完全な又は実質的に完全な燃焼を助け
るガス渦巻き技術を用いているバーナーに関するもので
ある。
ものであり、詳しくは本発明は、非限定的に、低ＮＯX
排出を有し、且つ完全な又は実質的に完全な燃焼を助け
るガス渦巻き技術を用いているバーナーに関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】ＵＳ−Ａ−第３６８５７４０号では、開
放噴射末端と、円筒形燃焼室の反対側末端を構成してい
る分離した酸素口及び燃料口を有するバーナープレート
とを有する前記円筒形燃焼室；前記燃焼室の軸線に対し
て収束する方向に延びているが、前記軸線に対してある
角度をなしていて非交差関係である酸素口の投影軸線、
その結果として、前記燃焼室の軸に最も密接に接近する
各軸上のポイントは、バーナープレートと燃焼室排気と
の間を横断するように配置された平面を画定する；最も
密接に接近している平面において及び前記平面を越え
て、酸素と燃料を混合するために、燃焼室軸に対して実
質的に平行である燃料口の投影軸線、及び燃焼室軸上に
バーナープレートの縦位置を調整し、それによってバー
ナー噴射火炎のパターンを決定するために燃焼室排気に
関して最も密接な平面を配置する手段を含むロケットバ
ーナー型の酸素・燃料バーナーが開示されている。ま
た、前記バーナーは、バーナーの口金の方に延びてい
て、それによってバーナーの運転中にバーナーの口金を
冷却する冷却水ジャッケットも含む。このバーナーは、
多数の異なる火炎パターンを生成することができるが、
これらのパターンは乱流になる傾向があるので、ある種
の用途には適さない。また、このバーナーは、熱い完全
燃焼した火炎ガスがバーナーから噴射するように、酸素
／燃料を完全に混合するように設計されていることが注
目される。結果として、バーナーの口金は冷却を必要と
するので、全バーナー効率は、燃焼の一部が冷却ジャッ
ケット中にある冷却流体へと失われるので低下する。し
たがって、速い混合速度及びバーナー本体において騒音
が増幅されるために、このバーナーは比較的騒音が大き
い。
放噴射末端と、円筒形燃焼室の反対側末端を構成してい
る分離した酸素口及び燃料口を有するバーナープレート
とを有する前記円筒形燃焼室；前記燃焼室の軸線に対し
て収束する方向に延びているが、前記軸線に対してある
角度をなしていて非交差関係である酸素口の投影軸線、
その結果として、前記燃焼室の軸に最も密接に接近する
各軸上のポイントは、バーナープレートと燃焼室排気と
の間を横断するように配置された平面を画定する；最も
密接に接近している平面において及び前記平面を越え
て、酸素と燃料を混合するために、燃焼室軸に対して実
質的に平行である燃料口の投影軸線、及び燃焼室軸上に
バーナープレートの縦位置を調整し、それによってバー
ナー噴射火炎のパターンを決定するために燃焼室排気に
関して最も密接な平面を配置する手段を含むロケットバ
ーナー型の酸素・燃料バーナーが開示されている。ま
た、前記バーナーは、バーナーの口金の方に延びてい
て、それによってバーナーの運転中にバーナーの口金を
冷却する冷却水ジャッケットも含む。このバーナーは、
多数の異なる火炎パターンを生成することができるが、
これらのパターンは乱流になる傾向があるので、ある種
の用途には適さない。また、このバーナーは、熱い完全
燃焼した火炎ガスがバーナーから噴射するように、酸素
／燃料を完全に混合するように設計されていることが注
目される。結果として、バーナーの口金は冷却を必要と
するので、全バーナー効率は、燃焼の一部が冷却ジャッ
ケット中にある冷却流体へと失われるので低下する。し
たがって、速い混合速度及びバーナー本体において騒音
が増幅されるために、このバーナーは比較的騒音が大き
い。
【０００３】
【課題を解決するための手段】上記の配置と関連のある
問題を少なくし、且つおそらくは排除するバーナーを提
供することは本発明の目的である。
問題を少なくし、且つおそらくは排除するバーナーを提
供することは本発明の目的である。
【０００４】
【発明の実施の形態】したがって、本発明は、第一入口
末端、燃焼火炎噴射のための第二出口末端及び軸線Ｘを
含む外部ジャッケット；燃料流を入口末端中に導入し、
それを出口末端の方へと指向するための供給手段；酸素
を入口末端中に導入し、それを出口末端の方へと指向す
るための酸素供給手段；前記燃料供給手段は、燃料が出
口から噴出するときに燃料が通される広がる円錐内面を
有する実質的に中心の出口を含み、また前記酸素供給手
段は、該燃料供給手段の周囲に適当な間隔を置いて円周
に沿って配置され、且つ出口末端に向けて放射状に内側
へと角度をなしていて、且つ軸線Ｘに関して斜行してい
て、それによって、燃料流の第一上流域において燃料流
と相交わる酸素の渦巻き収束円錐を生成する複数の酸素
出口を含む、を有する酸素・燃料バーナーを提供する。
末端、燃焼火炎噴射のための第二出口末端及び軸線Ｘを
含む外部ジャッケット；燃料流を入口末端中に導入し、
それを出口末端の方へと指向するための供給手段；酸素
を入口末端中に導入し、それを出口末端の方へと指向す
るための酸素供給手段；前記燃料供給手段は、燃料が出
口から噴出するときに燃料が通される広がる円錐内面を
有する実質的に中心の出口を含み、また前記酸素供給手
段は、該燃料供給手段の周囲に適当な間隔を置いて円周
に沿って配置され、且つ出口末端に向けて放射状に内側
へと角度をなしていて、且つ軸線Ｘに関して斜行してい
て、それによって、燃料流の第一上流域において燃料流
と相交わる酸素の渦巻き収束円錐を生成する複数の酸素
出口を含む、を有する酸素・燃料バーナーを提供する。
【０００５】流れ混合の空気力学的に制御された遅延
と、燃焼ガス及び酸化体の内部再循環（すなわち、火炎
内）による低層流化とを組み合わせることによって、前
記バーナーは、ＣＯ、ＮＯx及び煤煙の排出が少ない
（例えば、燃焼室温度１６００℃及び出力２．５ＭＷ以
下で、ＮＯxレベル５００mg/m3未満）ことを発見した。
また円錐ノズル設計によって、１．５ＭＷにおいて、従
来技術の１２０dBから８７dBへと騒音が低下する。該バ
ーナーを用いると煤煙の生成が減少するので、バーナー
によって噴射される火炎の形状を迅速に変化させること
は極めて容易であり（その理由は、渦巻き効果のために
燃焼ガス及び酸化体が火炎の内部で再循環されて、生成
した煤煙が、火炎の後部で残留物として残らずに燃焼さ
れるからである）極めて明るい火炎が生成する。バーナ
ーは、二つの燃焼領域：すなわち、燃料富化域である燃
料出口に隣接している第一領域、及び主燃焼が起き且つ
熱の大部分が発生する外側の領域である第二領域を有す
る火炎を発生する。バーナーから主燃焼までのこの距離
は、バーナー及び隣接耐火物の過熱を防止し、水冷却の
必要性を除く。
と、燃焼ガス及び酸化体の内部再循環（すなわち、火炎
内）による低層流化とを組み合わせることによって、前
記バーナーは、ＣＯ、ＮＯx及び煤煙の排出が少ない
（例えば、燃焼室温度１６００℃及び出力２．５ＭＷ以
下で、ＮＯxレベル５００mg/m3未満）ことを発見した。
また円錐ノズル設計によって、１．５ＭＷにおいて、従
来技術の１２０dBから８７dBへと騒音が低下する。該バ
ーナーを用いると煤煙の生成が減少するので、バーナー
によって噴射される火炎の形状を迅速に変化させること
は極めて容易であり（その理由は、渦巻き効果のために
燃焼ガス及び酸化体が火炎の内部で再循環されて、生成
した煤煙が、火炎の後部で残留物として残らずに燃焼さ
れるからである）極めて明るい火炎が生成する。バーナ
ーは、二つの燃焼領域：すなわち、燃料富化域である燃
料出口に隣接している第一領域、及び主燃焼が起き且つ
熱の大部分が発生する外側の領域である第二領域を有す
る火炎を発生する。バーナーから主燃焼までのこの距離
は、バーナー及び隣接耐火物の過熱を防止し、水冷却の
必要性を除く。
【０００６】好ましくは、酸素供給出口は、放射状に内
側に軸線Ｘに関して５° 〜 １０°の角度αをなしてい
る。
側に軸線Ｘに関して５° 〜 １０°の角度αをなしてい
る。
【０００７】好ましくは、酸素供給出口は、軸線Ｘに関
して２０° 〜 ３０°の角度Θで斜行している。
して２０° 〜 ３０°の角度Θで斜行している。
【０００８】有利には、燃料供給手段は、軸線Ｘに関し
て３０° 〜 ４０°の角度φで広がっている。
て３０° 〜 ４０°の角度φで広がっている。
【０００９】好ましくは、角度φは、３０° 〜 ３５°
である。
である。
【００１０】特に有利な配置では、バーナーは、燃焼室
内にある燃料出口及び酸素出口の軸位置を変化させ、そ
れによって、バーナーの噴射パターンを変えるための手
段を含む。
内にある燃料出口及び酸素出口の軸位置を変化させ、そ
れによって、バーナーの噴射パターンを変えるための手
段を含む。
【００１１】都合良くは、燃料及び酸素の供給手段は、
燃焼室内にあるバーナープレートに取り付け、該バーナ
ープレートは、軸線Ｘに沿って軸方向に転置することが
でき、それによって、燃焼室内における燃料及び酸素の
出口の位置を軸方向で変化させることができる。
燃焼室内にあるバーナープレートに取り付け、該バーナ
ープレートは、軸線Ｘに沿って軸方向に転置することが
でき、それによって、燃焼室内における燃料及び酸素の
出口の位置を軸方向で変化させることができる。
【００１２】ある種の用途では、燃焼のために、追加の
空気又は酸素富化空気を提供することは有利である。こ
れは、好ましくは、酸素出口の周囲に適当な間隔を置い
て円周に沿って配置された複数の空気出口を提供するこ
とによって達成される。前記の空気出口は、軸線Ｘに関
して放射状に内側に空気流を指向するように配置され且
つ軸線Ｘに関して斜行している。好ましくは、空気出口
は、酸素出口と同じ方向に斜行している。
空気又は酸素富化空気を提供することは有利である。こ
れは、好ましくは、酸素出口の周囲に適当な間隔を置い
て円周に沿って配置された複数の空気出口を提供するこ
とによって達成される。前記の空気出口は、軸線Ｘに関
して放射状に内側に空気流を指向するように配置され且
つ軸線Ｘに関して斜行している。好ましくは、空気出口
は、酸素出口と同じ方向に斜行している。
【００１３】特に有益な配置では、バーナーは、実質的
に２：１の速度比で、燃焼室中へと燃料及び酸素を噴射
するための燃料及び酸素の噴射手段を含む。
に２：１の速度比で、燃焼室中へと燃料及び酸素を噴射
するための燃料及び酸素の噴射手段を含む。
【００１４】燃料出口は、燃料油出口又は燃料ガス出口
を含んでいても良く、また酸素供給手段は、酸素、空
気、又は酸素富化空気を供給しても良い。
を含んでいても良く、また酸素供給手段は、酸素、空
気、又は酸素富化空気を供給しても良い。
【００１５】また、本発明は、以下の工程：すなわち、 （ａ）層流又は実質的に層流を有し、且つ燃焼室の第二
末端から噴射するために同様に指向する比較的高速の燃
料流をつくり出す様式で燃料供給手段から燃料を噴射さ
せる工程； （ｂ）軸線Ｘ上に収束し且つ軸線Ｘの周囲で回転し、そ
れによって、燃料流の第一上流域において燃料流と相交
わって、そこで燃料富化領域をつくり出す比較的低速の
酸素流をつくり出す様式で酸素供給手段から酸素を噴射
させる工程、及び燃料流の燃料貧領域をつくり出す様式
で燃料流の下流域中に残りの酸素を導入する工程 を含む、上記バーナーを運転する方法も提供する。
末端から噴射するために同様に指向する比較的高速の燃
料流をつくり出す様式で燃料供給手段から燃料を噴射さ
せる工程； （ｂ）軸線Ｘ上に収束し且つ軸線Ｘの周囲で回転し、そ
れによって、燃料流の第一上流域において燃料流と相交
わって、そこで燃料富化領域をつくり出す比較的低速の
酸素流をつくり出す様式で酸素供給手段から酸素を噴射
させる工程、及び燃料流の燃料貧領域をつくり出す様式
で燃料流の下流域中に残りの酸素を導入する工程 を含む、上記バーナーを運転する方法も提供する。
【００１６】以下の図面：すなわち、図１は、本発明を
具体化している酸素・燃料バーナー部分的に切断した透
視図であり；図２は、図１に示したバーナーブロックの
横断面図であり、それと共に、関連する流れパターンが
図示してあり；図３は、図２の矢印Ｔの方向から切断し
たバーナーブロックの平面図であり；図４は、図２の矢
印Ａの方向から切断したバーナーブロックの末端正面図
であり；図５は、バーナーブロックの更なる横断面図で
あり、それと共に、関連する流れパターンが図示してあ
り；図６は、図５の矢印Ｗの方向から切断したバーナー
ブロックの末端正面図であり；図７は、酸素が出口を出
るときの酸素速度に関するグラフであり；図８は、燃焼
火炎のＮＯx濃度に関するグラフであり；図９は、バー
ナーブロックの別態様の横断面図であり；及び図１０
は、図９のバーナーブロックの末端正面図であるに関す
るだけの例を掲げて、本発明を更に詳しく説明する。
具体化している酸素・燃料バーナー部分的に切断した透
視図であり；図２は、図１に示したバーナーブロックの
横断面図であり、それと共に、関連する流れパターンが
図示してあり；図３は、図２の矢印Ｔの方向から切断し
たバーナーブロックの平面図であり；図４は、図２の矢
印Ａの方向から切断したバーナーブロックの末端正面図
であり；図５は、バーナーブロックの更なる横断面図で
あり、それと共に、関連する流れパターンが図示してあ
り；図６は、図５の矢印Ｗの方向から切断したバーナー
ブロックの末端正面図であり；図７は、酸素が出口を出
るときの酸素速度に関するグラフであり；図８は、燃焼
火炎のＮＯx濃度に関するグラフであり；図９は、バー
ナーブロックの別態様の横断面図であり；及び図１０
は、図９のバーナーブロックの末端正面図であるに関す
るだけの例を掲げて、本発明を更に詳しく説明する。
【００１７】図１に例として示した酸素・燃料バーナー
１０は、燃焼火炎噴射のための第一入口末端１２ａ及び
第二出口末端１２ｂ、及び軸線Ｘを有する管状又は円筒
形のジャッケット１２、及び図２ 〜 ６に最も分かり易
く図示されている、入口末端１２ａと出口末端１２ｂと
の間に延びていて、またそのポイントにおいて、バーナ
ーブロック（プレート）１６と結合している中心燃料供
給管１４を含む。燃料供給管１４は、軸線Ｘ上に配置さ
れた実質的に中心にある出口１８で終わっていて、且つ
燃料が噴射されるとき燃料が通されるほぼ広がっている
円錐内面２０を有している。また、バーナーブロック上
には、燃料供給出口１８の周囲に円周に沿って適当な間
隔を置いて配置されていて、且つ出口末端１２ｂに向か
って内側へと放射状に角度をなしていて、且つ軸線Ｘに
関して斜行していて、それによって、第一上流域Ｚ１に
おいて燃料流と相交わる酸素の渦巻き収束円錐を生成す
る複数の酸素出口２２が備わっている。再び図１参照。
酸素供給手段は、ハウジング１２と燃料供給ダクト１４
との間に形成された流路２４を更に含み、酸素は入口２
６を介して供給され、次にダクト２４に沿って指向さ
れ、その結果、酸素は、バーナーブロック１６ａの後部
表面に直面し、そのポイントで、酸素は、円錐表面２０
内に配置されたポイントでそれぞれが終わっている複数
の酸素供給出口２２の中に流される、ことが認められ
る。
１０は、燃焼火炎噴射のための第一入口末端１２ａ及び
第二出口末端１２ｂ、及び軸線Ｘを有する管状又は円筒
形のジャッケット１２、及び図２ 〜 ６に最も分かり易
く図示されている、入口末端１２ａと出口末端１２ｂと
の間に延びていて、またそのポイントにおいて、バーナ
ーブロック（プレート）１６と結合している中心燃料供
給管１４を含む。燃料供給管１４は、軸線Ｘ上に配置さ
れた実質的に中心にある出口１８で終わっていて、且つ
燃料が噴射されるとき燃料が通されるほぼ広がっている
円錐内面２０を有している。また、バーナーブロック上
には、燃料供給出口１８の周囲に円周に沿って適当な間
隔を置いて配置されていて、且つ出口末端１２ｂに向か
って内側へと放射状に角度をなしていて、且つ軸線Ｘに
関して斜行していて、それによって、第一上流域Ｚ１に
おいて燃料流と相交わる酸素の渦巻き収束円錐を生成す
る複数の酸素出口２２が備わっている。再び図１参照。
酸素供給手段は、ハウジング１２と燃料供給ダクト１４
との間に形成された流路２４を更に含み、酸素は入口２
６を介して供給され、次にダクト２４に沿って指向さ
れ、その結果、酸素は、バーナーブロック１６ａの後部
表面に直面し、そのポイントで、酸素は、円錐表面２０
内に配置されたポイントでそれぞれが終わっている複数
の酸素供給出口２２の中に流される、ことが認められ
る。
【００１８】図２からは、酸素出口２２が、軸線Ｘに関
して５°〜 １０°の角度αで放射状に内側にそれぞれ
向いていて、酸素流は放射状に内側に指向され、その結
果、酸素は燃料出口１８の流れと相交わることが分か
る。図３の平面図からは、各酸素出口２２も、軸線Ｘに
関して２０° 〜 ３０°の角度Θで斜行していることが
分かる。図４は、酸素供給出口２２が面１６ａから表面
２０まで進んでいる前記出口２２の経路を隠された詳細
まで図示してある。酸素出口２２の角度、ノズル２０の
広がる円錐形状、及び酸素と燃料との間の速度比は、極
めて重要であり、噴射量及び火炎形状を決定する。図２
〜 ６を更に詳しく参照すると、３０°〜４０°（好ま
しくは３０°〜 ３５°）の表面２０の広がりによっ
て、出口１８から噴射している燃料を、滑らかな様式で
散開させ、実質的に層流を有する比較的長くて幅が狭い
直流がつくり出される。前記の事実は、乱流型をつくり
出すことを特に意図している様式で燃料が導入される多
くの従来技術の配置とは全く対照的である。軸線Ｘに関
して５°〜 １０°の角度αで放射状に内側に酸素流を
指向するように配置されている複数の酸素ダクト２２
は、Ｚ１域が実質的に燃料富化の状態に維持され、一方
Ｚ２域は燃料貧領域として維持されるように、燃料流中
に酸素を遅延混合するダクトである。この配置は、バー
ナーから約３００mm〜 ５００mm離れた位置で始まる層
流領域の生成を遅らせるので、バーナー及び耐火材料の
加熱を防止する利点を有する。結果として、この設計
は、初期火炎温度を１２０℃未満に維持することができ
るので、バーナーを水で冷却する必要はない。例えば I
NCO ALLOY, CuproNickel 又は Monel 400 のような合金
を用いるか、水による冷却が提供される場合、最大１６
５０℃までの温度に適応することができる。燃料富化域
Ｚ１は、長さ約３００mm 〜 ５００mmであり、主燃焼が
起こる第二のいくぶん長いＺ２域が始まるところで終わ
る。第二域Ｚ２の範囲は、角度α、及びノズル又はジャ
ッケット内にあるバーナーブロック１６又はケーシング
１２の収縮（retraction）を変化させることによって調
節することができる。角度αは任意の特有のバーナー設
計のために概略設定されることが分かるが、バーナーブ
ロック１６の位置は、ラックピニオン歯車３８，４０に
より軸線Ｘに沿って軸方向に燃料供給ダクト１４及びバ
ーナーブロック１６を順番に移動させるモーター３６の
作動によって、軸線Ｘに沿って変化させることができ
る。バーナーブロック１６を大きく引き込むほど、出口
末端１２ｂが火炎形状に関して有する効果が益々大きく
なり、渦巻き効果は、引き込みが増すにつれて低下す
る。前記の渦巻きの低下によって、関連する火炎長及び
再循環が変化するので、火炎パターンを、特定の顧客の
要求条件に合わせるように変化させることができる。詳
しくは、バーナーブロック１６が出口末端１２ｂでぴっ
たりと終わっているように配置される場合小さく、そこ
から干渉がある場合、火炎形状は、燃料出口及び酸素出
口それ自体の形状、位置及び角度によって大部分決定さ
れる。
して５°〜 １０°の角度αで放射状に内側にそれぞれ
向いていて、酸素流は放射状に内側に指向され、その結
果、酸素は燃料出口１８の流れと相交わることが分か
る。図３の平面図からは、各酸素出口２２も、軸線Ｘに
関して２０° 〜 ３０°の角度Θで斜行していることが
分かる。図４は、酸素供給出口２２が面１６ａから表面
２０まで進んでいる前記出口２２の経路を隠された詳細
まで図示してある。酸素出口２２の角度、ノズル２０の
広がる円錐形状、及び酸素と燃料との間の速度比は、極
めて重要であり、噴射量及び火炎形状を決定する。図２
〜 ６を更に詳しく参照すると、３０°〜４０°（好ま
しくは３０°〜 ３５°）の表面２０の広がりによっ
て、出口１８から噴射している燃料を、滑らかな様式で
散開させ、実質的に層流を有する比較的長くて幅が狭い
直流がつくり出される。前記の事実は、乱流型をつくり
出すことを特に意図している様式で燃料が導入される多
くの従来技術の配置とは全く対照的である。軸線Ｘに関
して５°〜 １０°の角度αで放射状に内側に酸素流を
指向するように配置されている複数の酸素ダクト２２
は、Ｚ１域が実質的に燃料富化の状態に維持され、一方
Ｚ２域は燃料貧領域として維持されるように、燃料流中
に酸素を遅延混合するダクトである。この配置は、バー
ナーから約３００mm〜 ５００mm離れた位置で始まる層
流領域の生成を遅らせるので、バーナー及び耐火材料の
加熱を防止する利点を有する。結果として、この設計
は、初期火炎温度を１２０℃未満に維持することができ
るので、バーナーを水で冷却する必要はない。例えば I
NCO ALLOY, CuproNickel 又は Monel 400 のような合金
を用いるか、水による冷却が提供される場合、最大１６
５０℃までの温度に適応することができる。燃料富化域
Ｚ１は、長さ約３００mm 〜 ５００mmであり、主燃焼が
起こる第二のいくぶん長いＺ２域が始まるところで終わ
る。第二域Ｚ２の範囲は、角度α、及びノズル又はジャ
ッケット内にあるバーナーブロック１６又はケーシング
１２の収縮（retraction）を変化させることによって調
節することができる。角度αは任意の特有のバーナー設
計のために概略設定されることが分かるが、バーナーブ
ロック１６の位置は、ラックピニオン歯車３８，４０に
より軸線Ｘに沿って軸方向に燃料供給ダクト１４及びバ
ーナーブロック１６を順番に移動させるモーター３６の
作動によって、軸線Ｘに沿って変化させることができ
る。バーナーブロック１６を大きく引き込むほど、出口
末端１２ｂが火炎形状に関して有する効果が益々大きく
なり、渦巻き効果は、引き込みが増すにつれて低下す
る。前記の渦巻きの低下によって、関連する火炎長及び
再循環が変化するので、火炎パターンを、特定の顧客の
要求条件に合わせるように変化させることができる。詳
しくは、バーナーブロック１６が出口末端１２ｂでぴっ
たりと終わっているように配置される場合小さく、そこ
から干渉がある場合、火炎形状は、燃料出口及び酸素出
口それ自体の形状、位置及び角度によって大部分決定さ
れる。
【００１９】図３及び図４更に詳しく参照すると、酸素
出口２２も軸線Ｘに関して角度Θで斜行しているので、
酸素流においてある程度の渦巻きが提供され、次に中心
燃料流の周囲に矢印Ｒの方向に回転する。望ましくない
残留燃焼生成物が再循環され、完全な又は実質的に完全
な燃焼のための残留Ｏ2と混合されて、その結果として
火炎が出口域Ｚ２を出る前にＮＯx、ＣＯ及び煤煙が有
意に減少するように、２０°〜 ３０°、好ましくは２
０°〜 ２５°の角度Θによって、燃焼域Ｚ２において
再循環効果を発生させるのに十分な渦巻きが付与され
る。
出口２２も軸線Ｘに関して角度Θで斜行しているので、
酸素流においてある程度の渦巻きが提供され、次に中心
燃料流の周囲に矢印Ｒの方向に回転する。望ましくない
残留燃焼生成物が再循環され、完全な又は実質的に完全
な燃焼のための残留Ｏ2と混合されて、その結果として
火炎が出口域Ｚ２を出る前にＮＯx、ＣＯ及び煤煙が有
意に減少するように、２０°〜 ３０°、好ましくは２
０°〜 ２５°の角度Θによって、燃焼域Ｚ２において
再循環効果を発生させるのに十分な渦巻きが付与され
る。
【００２０】再び図１参照。モーター３６の形態の作動
器、及びラックピニオン装置３８，４０は、燃料ダクト
１４の遠位末端において提供され、且つ前記ダクト及び
バーナープレート１６を軸線Ｘに沿って移動させるため
に作動させることができ、それによって、燃焼室内にあ
る燃料出口１８及び酸素出口２２の軸位置を変化させる
ので、当業において公知のようにバーナーそれ自体の噴
射パターンを変化させることができる。図１のポンプ３
４及び４２は、必要な流れ要求条件満たすのを助けるた
めに、燃料及び酸素を、必要な流量で且つ実質的に２：
１の比で燃焼室中に送達するように働く。図７は、出口
内を１６３．６m/sの速度で出口２２を通って外に出る
ときの酸素の典型的な速度分布を示している（直交する
ｘ，ｙ，ｚ方向における酸素の速度は、それぞれ参照符
ｕ，ｖ，ｗで表してある）。燃料流は、前記酸素速度に
比例している。図８は、Ｚ１域及びＺ２域におけるＮＯ
x分布に関する概略表示であり、その図８から、ＮＯxは
Ｚ１域を進むにつれて上昇し、Ｚ２域を進むにつれて低
下してくることを予期することができることが分かる。
器、及びラックピニオン装置３８，４０は、燃料ダクト
１４の遠位末端において提供され、且つ前記ダクト及び
バーナープレート１６を軸線Ｘに沿って移動させるため
に作動させることができ、それによって、燃焼室内にあ
る燃料出口１８及び酸素出口２２の軸位置を変化させる
ので、当業において公知のようにバーナーそれ自体の噴
射パターンを変化させることができる。図１のポンプ３
４及び４２は、必要な流れ要求条件満たすのを助けるた
めに、燃料及び酸素を、必要な流量で且つ実質的に２：
１の比で燃焼室中に送達するように働く。図７は、出口
内を１６３．６m/sの速度で出口２２を通って外に出る
ときの酸素の典型的な速度分布を示している（直交する
ｘ，ｙ，ｚ方向における酸素の速度は、それぞれ参照符
ｕ，ｖ，ｗで表してある）。燃料流は、前記酸素速度に
比例している。図８は、Ｚ１域及びＺ２域におけるＮＯ
x分布に関する概略表示であり、その図８から、ＮＯxは
Ｚ１域を進むにつれて上昇し、Ｚ２域を進むにつれて低
下してくることを予期することができることが分かる。
【００２１】運転時、本発明バーナーは、燃料／酸素の
遅延混合と、流れの層流化及び内部再循環とを組み合わ
せることによって、窒素酸化物の形成を減少させる。前
記方法によって、燃焼の二つの領域Ｚ１，Ｚ２、長さ約
３００mm 〜 ５００mmの第一の極めて燃料に富んでいる
領域、及び主燃焼が起こる第二の大きな領域が発生す
る。双方の領域は、それら自体の特性を有しており、第
一域Ｚ１は、非常に低温で且つ低光度であるので、ＮＯ
xの形成を防止し、またバーナー及び／又はバーナーに
隣接している任意の耐火材の過熱を防止し、一方、隣接
域Ｚ２はいくぶんＺ１域よりも高温である。上記したよ
うに、第二域Ｚ２の範囲は、シャッケット１２内にある
ノズルバーナーブロック１６の酸素出口の角度及びノズ
ルバーナーブロック１６の引き込みによって調節するこ
とができる。Ｚ２域は非常に明るく、燃料の主要部分は
完全に燃焼し、少なくとも残りの部分は、燃料流の周囲
に渦巻いている酸素によってつくり出される再循環効果
の故に完全に燃焼する。その結果として、ＮＯxの発生
は防止され、光度を増加させる生成した煤煙は、残留物
を残さずに燃焼する。炉温１４００℃及び出力１．５Ｍ
ＷではＮＯxレベルは５００mg/m3が達成された。同様な
ＮＯxレベルは、炉温１６００℃及び出力２．５ＭＷで
も達成された。更に、このノズル設計は、バーナー出力
約１．５ＭＷにおいて、従来技術の１２０dBから約９４
dBまで騒音レベルを低下させることができる。
遅延混合と、流れの層流化及び内部再循環とを組み合わ
せることによって、窒素酸化物の形成を減少させる。前
記方法によって、燃焼の二つの領域Ｚ１，Ｚ２、長さ約
３００mm 〜 ５００mmの第一の極めて燃料に富んでいる
領域、及び主燃焼が起こる第二の大きな領域が発生す
る。双方の領域は、それら自体の特性を有しており、第
一域Ｚ１は、非常に低温で且つ低光度であるので、ＮＯ
xの形成を防止し、またバーナー及び／又はバーナーに
隣接している任意の耐火材の過熱を防止し、一方、隣接
域Ｚ２はいくぶんＺ１域よりも高温である。上記したよ
うに、第二域Ｚ２の範囲は、シャッケット１２内にある
ノズルバーナーブロック１６の酸素出口の角度及びノズ
ルバーナーブロック１６の引き込みによって調節するこ
とができる。Ｚ２域は非常に明るく、燃料の主要部分は
完全に燃焼し、少なくとも残りの部分は、燃料流の周囲
に渦巻いている酸素によってつくり出される再循環効果
の故に完全に燃焼する。その結果として、ＮＯxの発生
は防止され、光度を増加させる生成した煤煙は、残留物
を残さずに燃焼する。炉温１４００℃及び出力１．５Ｍ
ＷではＮＯxレベルは５００mg/m3が達成された。同様な
ＮＯxレベルは、炉温１６００℃及び出力２．５ＭＷで
も達成された。更に、このノズル設計は、バーナー出力
約１．５ＭＷにおいて、従来技術の１２０dBから約９４
dBまで騒音レベルを低下させることができる。
【００２２】酸素出口２２の放射状角度αは、特性遅延
混合及び火炎の透明で青い初期低温部分を提供し、斜行
角度Θは、特性渦巻き数及び煤煙火炎との各内部再循環
を提供する。角度αの変化は火炎長及びＮＯx形成の調
節に影響し、また角度Θの変化は火炎幅、光度及びＮＯ
x形成に影響する。燃料出口１８は、従来のバーナーと
比較して直径が大きく、酸素速度と燃料速度との望まし
い速度比２：１を提供する。３０°〜 ４０°、好まし
くは約３０°〜 約３５°の円錐角度Θは、広範な流れ
に関する火炎の完全な安定化（すなわち、広範な「バー
ナー負荷調整範囲（turndown）」）、ならびに運転時の
騒音レベルの低下を提供する。
混合及び火炎の透明で青い初期低温部分を提供し、斜行
角度Θは、特性渦巻き数及び煤煙火炎との各内部再循環
を提供する。角度αの変化は火炎長及びＮＯx形成の調
節に影響し、また角度Θの変化は火炎幅、光度及びＮＯ
x形成に影響する。燃料出口１８は、従来のバーナーと
比較して直径が大きく、酸素速度と燃料速度との望まし
い速度比２：１を提供する。３０°〜 ４０°、好まし
くは約３０°〜 約３５°の円錐角度Θは、広範な流れ
に関する火炎の完全な安定化（すなわち、広範な「バー
ナー負荷調整範囲（turndown）」）、ならびに運転時の
騒音レベルの低下を提供する。
【００２３】図９及び図１０参照。既に説明したのと同
じ要素を符号で示してあり、本発明の更なる態様が図示
してある。
じ要素を符号で示してあり、本発明の更なる態様が図示
してある。
【００２４】燃焼プロセスに対して空気又は酸素富化空
気を供給するための複数の空気出口５０が、酸素出口２
２´の周囲に円周に沿って適当な間隔を置いて配置して
ある。空気出口５０は、軸線Ｘに関して内側に曲がって
いるが、その角度は、第一域Ｚ１と第二域Ｚ２とが相交
わっている火炎の方向に収束するように、αに比べてい
くぶん大きくしてある（図５参照）。空気出口５０も、
酸素出口２２´が斜行していることによって生成される
有利な渦巻き効果に加わるように、酸素出口２２´と同
じ方向に斜行している（図９参照）。酸素出口２２´を
斜行させてある方向とは反対の方向に空気出口５０を斜
行させることは、更なる乱流を促進するのに同じように
有利であるかもしれない（図示していない）。
気を供給するための複数の空気出口５０が、酸素出口２
２´の周囲に円周に沿って適当な間隔を置いて配置して
ある。空気出口５０は、軸線Ｘに関して内側に曲がって
いるが、その角度は、第一域Ｚ１と第二域Ｚ２とが相交
わっている火炎の方向に収束するように、αに比べてい
くぶん大きくしてある（図５参照）。空気出口５０も、
酸素出口２２´が斜行していることによって生成される
有利な渦巻き効果に加わるように、酸素出口２２´と同
じ方向に斜行している（図９参照）。酸素出口２２´を
斜行させてある方向とは反対の方向に空気出口５０を斜
行させることは、更なる乱流を促進するのに同じように
有利であるかもしれない（図示していない）。
【００２５】図９及び図１０の態様では、燃料供給手段
は、軸線Ｘと同軸であり、且つバーナーブロック１６内
に取り外すことができるように取り付けられているキャ
ップアセンブリー５２（前記アセンブリー前端は、広が
る円錐表面２０´の第一の最も内側の部分を提供する）
を含む。前記の配置は、整備又は修理のために、又はバ
ーナーに供給される燃料のタイプを変えるときに望まし
いかもしれない第一収束円錐表面の角度を変化させるた
めに、キャップアセンブリー５２を迅速に取り替えるの
に特に有利な配置である。
は、軸線Ｘと同軸であり、且つバーナーブロック１６内
に取り外すことができるように取り付けられているキャ
ップアセンブリー５２（前記アセンブリー前端は、広が
る円錐表面２０´の第一の最も内側の部分を提供する）
を含む。前記の配置は、整備又は修理のために、又はバ
ーナーに供給される燃料のタイプを変えるときに望まし
いかもしれない第一収束円錐表面の角度を変化させるた
めに、キャップアセンブリー５２を迅速に取り替えるの
に特に有利な配置である。
【００２６】当業において公知のように、特有の用途の
ために燃焼プロセスを微細に調節するために、バーナー
中への及びバーナーからの燃料、酸素及び空気の流れを
変化させるための手段が供給される。
ために燃焼プロセスを微細に調節するために、バーナー
中への及びバーナーからの燃料、酸素及び空気の流れを
変化させるための手段が供給される。
【００２７】上記した他の利点に加えて、本発明にした
がうバーナーは、ガラス及び金属工業における使用に適
していて、また一般的に熱処理するのにも適しており；
前記バーナーは、円筒形（回転）炉において又は箱形炉
において用いることができる。
がうバーナーは、ガラス及び金属工業における使用に適
していて、また一般的に熱処理するのにも適しており；
前記バーナーは、円筒形（回転）炉において又は箱形炉
において用いることができる。
【図１】本発明を具体化している酸素・燃料バーナー部
分的に切断した透視図である。
分的に切断した透視図である。
【図２】図１に示したバーナーブロックの横断面図であ
り、それと共に、関連する流れパターンが図示してあ
る。
り、それと共に、関連する流れパターンが図示してあ
る。
【図３】図２の矢印Ｔの方向から切断したバーナーブロ
ックの平面図である。
ックの平面図である。
【図４】図２の矢印Ａの方向から切断したバーナーブロ
ックの末端正面図である。
ックの末端正面図である。
【図５】バーナーブロックの更なる横断面図であり、そ
れと共に、関連する流れパターンが図示してある。
れと共に、関連する流れパターンが図示してある。
【図６】図５の矢印Ｗの方向から切断したバーナーブロ
ックの末端正面図である。
ックの末端正面図である。
【図７】酸素が出口を出るときの酸素速度に関するグラ
フである。
フである。
【図８】燃焼火炎のＮＯx濃度に関するグラフである。
【図９】バーナーブロックの別態様の横断面図である。
【図１０】図９のバーナーブロックの末端正面図であ
る。
る。
Claims (16)
- 【請求項１】 第一入口末端、燃焼火炎噴射のための第
二出口末端及び軸線Ｘを含む外部ジャッケット；燃料流
を入口末端の中に導入し、それを出口末端の方へと指向
するための供給手段；酸素を入口末端の中に導入し、そ
れを出口末端の方へと指向するための酸素供給手段；前
記燃料供給手段は、燃料が出口から噴出するにつれて燃
料が流される広がる円錐内面を有する実質的に中心の出
口を含み、また前記酸素供給手段は、該燃料供給手段の
周囲に適当な間隔を置いて円周に沿って配置され、且つ
出口末端に向けて放射状に内側へと角度をなしていて、
且つ軸線Ｘに関して斜行していて、それによって、燃料
流の第一上流域において燃料流と相交わる酸素の渦巻き
収束円錐を生成する複数の酸素出口を含むを有する酸素
・燃料バーナー。 - 【請求項２】 該酸素供給出口が、軸線Ｘに関して５°
〜 １０°の角度αをなして、放射状に且つ内側に曲が
っている請求項１記載の酸素・燃料バーナー。 - 【請求項３】 該酸素供給出口が、軸線Ｘに関して２０
°〜 ３０°の角度θをなして斜行している請求項１又
は２記載の酸素・燃料バーナー。 - 【請求項４】 該燃料供給手段が、軸線Ｘ関して３０°
〜 ４０°の角度φで広がっている請求項１ 〜 ３のい
ずれか一つに記載の酸素・燃料バーナー。 - 【請求項５】 角度φが、３０°〜 ３５°である請求
項４記載の酸素・燃料バーナー。 - 【請求項６】 燃焼室内にある燃料出口及び酸素出口の
軸位置を変化させ、それによって、該バーナーの噴射パ
ターンを変化させるための手段を含む請求項１ 〜 ５の
いずれか一つに記載の酸素・燃料バーナー。 - 【請求項７】 該燃料供給手段及び該酸素供給手段が、
該燃焼室内にあるバーナーブロック中に取り付けられて
いて、また前記バーナーブロックは、軸線Ｘに沿って軸
方向に転置することができ、それによって、該燃焼室内
にある該燃料出口及び該酸素出口の位置に対して前記軸
を変化させることができる請求項１〜 ６のいずれか一
つに記載の酸素・燃料バーナー。 - 【請求項８】 中心燃料出口と、広がる円錐表面の少な
くとも最も内側の部分とが、該バーナーブロックに対し
て取り外し可能なように取り付けることができる単体要
素の一部分を形成している請求項７記載の酸素・燃料バ
ーナー。 - 【請求項９】 実質的に２：１の速度比で、該燃焼室中
に燃料及び酸素を噴射するための燃料噴射手段及び酸素
噴射手段を含む請求項１ 〜 ８のいずれかに記載の酸素
・燃料バーナー。 - 【請求項１０】 燃焼火炎噴射の方向に、出口末端から
空気を噴射するための手段を更に含む請求項１ 〜 ９の
いずれかに記載のバーナー。 - 【請求項１１】 該空気噴射手段が、該酸素出口の周囲
に円周に沿って適当な間隔を置いて配置されている複数
の空気出口を含む請求項１０記載のバーナー。 - 【請求項１２】 該空気出口が、軸線Ｘに関して放射状
に且つ内側に角度をなしている請求項１１記載のバーナ
ー。 - 【請求項１３】 該空気出口が、軸線Ｘに関して斜行し
ている請求項１１又は１２記載のバーナー。 - 【請求項１４】 該空気出口が、該酸素出口と同じ方向
に、軸線Ｘの周囲に斜行している請求項１３記載のバー
ナー。 - 【請求項１５】 該燃料出口が、燃料油出口又は燃料ガ
ス出口を含む請求項１ 〜 １４のいずれかに記載の酸素
・燃料バーナー。 - 【請求項１６】 以下の工程：すなわち、 （ａ）層流又は実質的に層流を有し、且つ燃焼室の第二
末端から噴射するために同様に指向する比較的高速の燃
料流をつくり出す様式で燃料供給手段から燃料を噴射さ
せる工程； （ｂ）軸線Ｘ上に収束し且つ軸線Ｘの周囲で回転し、そ
れによって、燃料流の第一上流域において燃料流と相交
わって、そこで燃料富化領域をつくり出す比較的低速の
酸素流をつくり出す様式で酸素供給手段から酸素を噴射
させる工程、及び燃料流の燃料貧領域をつくり出す様式
で燃料流の下流域中に残りの酸素を導入する工程を含
む、請求項１ 〜 １５のいずれかに記載のバーナーを運
転する方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB9616448.8 | 1996-08-05 | ||
| GB9616448A GB2316161A (en) | 1996-08-05 | 1996-08-05 | Oxygen-fuel swirl burner |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1073212A true JPH1073212A (ja) | 1998-03-17 |
| JP3930948B2 JP3930948B2 (ja) | 2007-06-13 |
Family
ID=10798058
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21055197A Expired - Fee Related JP3930948B2 (ja) | 1996-08-05 | 1997-08-05 | 低ＮＯｘ排出渦巻きバーナー |
Country Status (11)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5882184A (ja) |
| EP (1) | EP0823593B1 (ja) |
| JP (1) | JP3930948B2 (ja) |
| CN (1) | CN1161558C (ja) |
| AU (1) | AU713968B2 (ja) |
| CA (1) | CA2211769C (ja) |
| DE (1) | DE69722093T2 (ja) |
| GB (1) | GB2316161A (ja) |
| ID (1) | ID17006A (ja) |
| NZ (1) | NZ328286A (ja) |
| ZA (1) | ZA976190B (ja) |
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