JPS6214048B2 - - Google Patents
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Description
本発明は、少くとも燃焼帯域が大気に開口され
ていないか或いは例えば圧力差によつて大気から
実質上遮断されているような型式のまた金属、ガ
ラス等の物質を加熱するのに一般に使用される型
式の工業炉（例えば、バー材再熱炉、均熱ピツ
ト、アルミニウム溶融炉等）を燃焼する為の方法
及び装置に関係する。特には、本発明は、空気の
代りに酸化体ガスとして酸素或いは酸素富化空気
を使用する炉の燃焼方法及び装置に関係する。 上述した型式の工業炉において酸化体ガスとし
て空気が使用されるのが一般的な実施法である。
空気の一部或いはすべてを酸素により置換するこ
とにより、燃焼の為の酸化体ガスを酸素富化する
ことは、工業炉に対する燃料要件を軽減しそして
その生産速度の増大を助成しうることも知られて
いる。酸素が燃焼の為空気と置換えられると、窒
素部分が酸化体及び煙道ガス両方において相応的
に減少され、従つて燃焼燃料単位ベースで各々の
総容積を減少しそして酸化体―燃料混合物の酸素
濃度を増大する。これら変化は結局、次の主たる
利点として反映される： (1) 或る与えられた炉のバーナに対して最大限の
実現可能な燃焼速度の増大。これは生産速度を
増大するのに使用されうる。酸化体として空気
を使用した場合、燃焼速度は、(a)利用しうるダ
クト及び送風機を通してバーナに供給されうる
空気量、(b)煙道によつて処理されうる燃焼生成
物の容積及び(c)燃料不安定及び不完全燃焼が問
題を完する前にバーナにより許容されうる燃焼
速度によつて制限を受ける。酸素量を増大する
と、酸化体及び煙道ガス容積の減少は最初の２
つの問題を克服し、同時に酸化体容積の減少と
酸素濃度の増加は第３の制限を軽減する。 (2) 燃料消費の減少。酸化体として空気を使用す
ると、煙道ガスへの顕熱損失は空気の高い窒素
含量に曲り相当なものとなることが多い。酸素
富化によつて、煙道ガスの窒素含量は減少しそ
して煙道ガスの熱含量は減少し、その結果同等
の排ガス温度において顕熱損失は小さくなる。
生産単位当りの全体的な燃料節減は非常に重意
義なものとなりうる。 (3) 煙道ガス容積の減少に由る粒子連行に関連す
る汚染問題の減少。燃焼される燃料の単位当り
の煙道ガスの容積の減少に伴い汚染物に対する
ガス浄化コストは低くなりそして一層有効とな
る。 上記利点の程度は酸素富化の程度を増す程増大
する。従つて、かなりの程度に酸素富化された空
気の使用並びに、純酸素の使用は斯界で本来所望
されるはずである。にもかかわらず、そのような
使用は次の欠点を受けるが故に今日まで斯界で回
避されてきた。 (1) 高い火炎温度。火炎温度は、酸化体ガス中の
酸素濃度が増大するに伴い著るしく増加する。
これは、(a)火炎の周囲の局所的な領域に異常に
高い熱伝達速度をもたらし、それにより炉耐火
材及び（或いは）炉装入物に損傷を生じる「ホ
ツトスポツト」をもたらす恐れがあること、及
び(b)窒素酸化物NOx形成反応の機構及び平衡
が高温側で著しく好都合に進むから、NOx排
出量が高くなることの故に所望されない。酸化
体ガスとして純酸素の使用は、それによる窒素
の関与量を少なくするからといつて第２の問題
を解決するものでない。何故なら、炉内には空
気の漏入（密閉炉でさえ空気漏入は不可避であ
り殊に工業規模の炉ではそうである）を通して
或いは燃料中に充分の窒素が通常存在して、環
境上許容しえない即ち許容NOx排出基準を越
える量のNOxを生成するからである。 (2) 炉内でのガス運動量（momentum）の低下。
酸化体及び燃料両方における質量の減少は、入
来する酸化体ガス及び燃料の噴流運動量の実質
上の減少をもたらす可能性があり、これは結局
炉内でのガスの混合及び循回量を減じる。装入
物への有効な熱伝達及びその一様な加熱を得更
には局所的ホツトスポツトを回避する為には、
炉内での良好なガス混合及び循回が必要とされ
る。 斯うして、工業炉において空気の代りに酸素も
しくは酸素富化空気を使用することの前記利益が
知られているにもかかわらず、上記欠点を伴うが
故に、その使用は回避されてきた。従つて、斯界
には、酸化体ガスとして酸素もしくは酸素富化空
気の使用を許容し、それによりその使用から得ら
れる利益をうまく利用し、しかも上に呈示した欠
点を克服する、炉燃焼方法及び装置への必要性が
存在する。 従つて、本発明の目的は、(a)炉への酸化体導入
速度を増大することを通して最大炉燃焼率を増大
し、(b)窒素の少くとも一部の排斥を通して煙道へ
の顕熱損失を減少することにより炉燃料要件を軽
減しそして(c)煙道ガスの容積を減少することによ
り汚染物の減少を促進することにより工業炉の総
合的性能及び効率を改善することである。 別様に云うなら、本発明は酸化体ガスとして空
気の代りに酸素もしくは酸素富化空気の使用を通
して上記目的を実現せんとするものである。 本発明の別の目的は、酸素或いは酸素富化空気
の使用を通して工業炉の総合的な性能及び効率を
改善し、同時にこのような使用に通常伴う高い火
炎温度とその結果としての高いNOx排出量及び
低いガス運動量とその結果としての不均一な炉温
分布を回避することである。 本発明の別の目的は、工業炉での燃焼中の火炎
安定性を改善することである。 本発明のまた別の目的は、上記目的を実施する
為のバーナ装置を提供することである。 本発明の一様相は次の段階を含む炉燃焼方法に
ある： (a) 大気に対して実質上閉成された炉帯域を提供
すること； (b) 酸素富化空気及び酸素のうちから選択される
酸化体ガスの少くとも１つの噴流（噴入点で直
径Ｄを有する）を前記炉帯域に噴入し、その場
合該噴流が、炉装入物の実質上一様な加熱を許
容するような該帯域内でのガス循回と混合を実
現するに充分の酸化体噴入地点での速度にあり
そして該速度が式 Ｖ＝5.7P−70 （Ｖは酸化体噴流速度ft／秒そしてＰは酸化
体ガスの酸素含量容積％） によつて与えられる大きさに少くとも等しいも
のとすること、 (c) (b)と同時して、前記炉帯域に少くとも一つの
燃料噴流を酸化体ガスから距離Ｘ離間して噴入
し、この場合距離Ｘは噴入地点での酸化体噴流
の外縁から燃料噴流の外縁までの測定されそし
て式Ｘ＝4Dにより与えられる値に少くとも等
しいものとすること、 (d) 通常の火炎温度より低い燃焼火炎温度を実現
するに充分の量において酸化体噴流の近傍から
酸化体噴流中に炉内ガスの吸引をもたらすこ
と、 (e) 前記吸引が行われた後、酸化体噴流と燃料噴
流とを混合しそれにより燃焼反応を生ぜしめる
こと。 本発明の第２の様相は、炉燃焼において酸化体
ガスとして酸素あるいは酸素富化空気と共に使用
する為のバーナ装置（今後酸素アスピレータバー
ナと呼ぶ）にあり、これは、 (a) 炉室内に酸化体ガス噴流を噴入する為の、直
径Ｄの少くとも１つの酸化体ガスノズルであつ
て、該直径が式 Ｄ＝４０／（Ｐ−８）（Ｆ／Ｎ）〓 （ここでＤはインチ単位であり、Ｐは酸化体
ガスの酸素含量容積％であり、Ｆは106BTU／
時間（MMBTU／hr）単位でのバーナ燃焼速度
であり、そしてＮは酸化体ノズルの数である） によつて与えられる値より小さいものとされる
酸化体ガスノズルと、 (b) 炉室内に少くとも１つの燃料噴流を噴入する
為の少くとも１つの燃料ノズルであつて、もつ
とも近接する酸化体ノズルから距離Ｘ離間さ
れ、この場合Ｘが燃料ノズルの縁から酸化体ノ
ズルの縁まで測定されそして式Ｘ＝4Dにより
与えられる値に少くとも等しい値を有するよう
な燃料ノズルと を包含する。 本発明方法の実施によつて、空気を使用する炉
燃焼方法に較べて相当の燃料節減と増大せる生産
速度が実現されえ、同時に実質上一様な温度分布
に必要な炉内での混合とガス循回量を実現するに
充分のガス運動量が創生され、しかも同時に火炎
温度はNOx排出量を排気管理基準によつて許容
されうる値以下の水準に維持するよう低下され
る。 燃料及び酸化体に対する理論火炎温度は、燃料
と酸化体との燃焼からもたらされる火炎において
達成される最大温度である（断熱過程及び燃料と
酸化体との瞬時的なそして完全な混合を仮定し
て）。 ここで使用される用語「通常の火炎温度」と
は、燃料と酸化体との混合前に炉内ガスの吸引が
行われることなく或る燃料と或る酸化体との燃焼
中炉内で実際に達成される火炎温度を意味する。
通常の火炎温度は理論的火炎温度に近いはずであ
る。（どの程度近いかは、その炉内を占めている
混合及び熱伝達条件に依存する）。本発明が実施
されている場合の炉内火炎温度が「通常の火炎温
度」に比較される時、均等操業条件を使用しての
方法において燃料及び酸化体の混合前に炉ガスの
吸引が行われていない従来型式の炉と比較として
のものである。 本発明について、特定の具体例について説明す
る。大気に対して実質上閉成された帯域を具備す
る炉を燃焼する為の方法及び装置が言及され、こ
れらは金属装入物の加熱の為製鋼業界で一般に使
用されている炉或いはガラス装入物の加熱の為ガ
ラス業界で或いはその他の産業用燃焼用途におい
て使用される炉を含むものである。 本発明に従えば、燃料及び酸化体噴流や別々の
放出口から炉内に噴出される。唯一つの燃料噴流
を複数の酸化体噴流で取巻くようにしてもよい
し、唯一つの酸化体噴流を複数の燃料噴流で取巻
くようにしてもよいし、一つの酸化体噴流と一つ
の燃料噴流を設けるようにしてもよいし或いは両
者共複数個設けるようにしてもよい。特に好まし
い具体例は、一つの中央配置燃料噴流とそれを取
囲む複数の円形配列酸化体噴流（好ましくは６〜
８）を含むものである。燃料ノズルの縁から酸化
体ノズルの縁まで測定しての距離Ｘ（或いは別の
具体例では燃料噴流の縁とそれにもつとも近接し
て位置づけられる酸化体噴流の縁との間のそれぞ
れの噴出点での距離）は、ノズル出口において測
定しての酸化体噴流の直径Ｄ（即ち酸化体ノズル
の内径）の少くとも４倍でなければならない。 酸化体噴流は、その各々の周囲及び近傍で吸引
効果を創生するに充分の速度で噴出されねばなら
ない。これにより、実質上燃焼生成物と酸化体ガ
スの非酸素部分から成る炉内ガスが酸化体噴流中
にその近傍から即ち各酸化体噴流を取巻く空間か
ら直接的に吸引されうる。これは、煙道のような
炉の別の部分から燃焼生成物を再循環する為の別
個の再循環ダクト及び設備を使用する方法とは別
のものである。本発明の実施に当つては、このよ
うな吸引作用は酸化体と燃料噴流とが混合する前
に起らねばならない。酸化体ノズル出口から距離
Ｙ（第３図参照）における酸化体噴流中の或る点
まで吸引される炉ガスの量は、酸化体噴流の質量
流量に正比例しそして酸化体ノズルの直径に逆比
例する。 先に定義した距離Ｘは酸化体噴流直径の少くと
も４倍でなければならず、好ましくは少くとも８
倍でなければならない。そのような直径の20倍ま
でに等しい距離Ｘを使用しての試験は満足すべき
結果を与えた。一般に、平均炉温が高くなる程そ
して燃焼速度が高くなる程、例えばNOx排出量
を或る水準以下に保つためには、酸化体及び燃料
噴流ノズル間の一層大きな間隔が所望されること
が実験的に認められた。 酸化体噴流の出口速度は所定の吸引効果を創生
するに充分高くしなければならない。しかし、速
度に影響を与えそして本発明において制御される
別の因子が存在する。以下に説明するように、酸
化体噴流の速度は酸化体噴流の出口において充分
の噴流運動量（momentum）を創生するに充分高
くなければならない。酸化体噴流運動量が従来型
式の空気バーナ及び燃焼方法における均等空気噴
流のそれに少くとも匹敵するものであることが望
ましい。 以下に述べるように、空気の代りに酸素或いは
酸素富化空気の使用は、炉内へのガス投入量の減
少（従つてガス運動量の低減）と火炎温度の増大
をもたらす。本発明に従えば、吸引される炉内ガ
スは、空気系において窒素によつて従来演じられ
た役割を酸素或いは酸素富化空気系において演じ
るのに必要とされる。即ち、吸引炉内ガスは、ガ
ス混合及び循環に必要な量（かさばり）を提供し
そして燃料燃焼反応において不活性成分として希
釈剤として作用しそして燃料燃焼の火炎温度を減
ずる役目を果す。酸化体流れ中に高温炉内ガスに
より窒素と置換えることは、かなりの程度、本発
明によつて実現される燃料節約に寄与するもので
ある。 従つて、本発明の目的の為に酸化体噴流中に吸
引されねばならない炉内ガスの量は、(a)本発明方
法が空気を使用する従来方法に少くとも匹敵する
混合及びガス循回条件の下で作動すると仮定して
炉内での効率的な混合及びガス循回に必要なガス
量、及び(b)NOx排出量を最小限にしそして局所
的な過熱を防止するよう炉に対して所望される火
炎温度に依存する。 良好な混合とガス循回は、一様な加熱を達成す
る為にそしてまた局所的な過熱とそれによる炉装
入物、耐火材等の損傷を回避する為に非常に重要
である。 燃料との混合前に酸化体噴流中への炉内ガスの
吸引が行われないと、酸化体と燃料が混じり合う
地点での炉内火炎温度は、特定の燃料型式及び酸
化体の酸素含量に対しての理論火炎温度に近い
（どの程度近いかは混合効率に依存する）通常の
火炎温度に等しくなる（第１図参照）。火炎温度
は、酸化体の酸素含量の増加に伴い高くなる。 第１図は、完全なそして瞬時的な混合条件を仮
定して酸化体ガスの酸素含量の関数として天然ガ
スの燃焼に対する理論火炎温度の変化の様相を示
す。酸素濃度が増大するにつれ、理論火炎温度
は、空気に対する3370〓から酸素に対する5030〓
（断熱火炎温度）まで著しく増加する。もちろ
ん、従来法の実際の作動中、生成する燃焼噴流に
おける燃焼生成物の温度は混合地点において通常
の火炎温度に等しくそして噴流長さに沿つてバー
ナから離れるに従い減少しよう。これは、高温燃
焼ガスがそこに吸込まれるもつと冷いガスと混ざ
るからである。 産業用燃焼用途において、２つの理由の為に火
炎温度を抑制することが重要である。第１に、高
い火炎温度はNOx形成反応の反応機構及び平衡
に都合の良いものとなり、そして第２に、高い火
炎温度は局所的な過熱をもたらし、それに伴い炉
装入物、炉耐火材等の損傷といつた所望されざる
影響を与える。燃料との混合前に酸素噴流中に炉
ガスを吸引することは火炎温度を通常の火炎温度
以下に下げそして炉内ガス量が充分なら（燃焼帯
域での混合条件及び炉ガス自体の温度に依存し
て）、純酸素が酸化体ガスとして使用された場合
でさえも過熱或いはNOx形成が問題を呈しない
程に充分火炎温度を低下せしめる。NOx排出量
の測定は理論的に火炎温度の推定を可能ならしめ
る。 本発明の使用により得られる測定NOx水準は
きわめて低かつた。NOx水準の減少は、主に効
果的な火炎温度抑制にそして副次的に酸化体ガス
の酸素富化（従つて窒素の排除）に由るものであ
ろう。火炎温度の抑制は、一般に、窒素が空気の
漏入或いは燃料中に含まれていることにより炉内
に火炎温度抑制が為されないなら重大な程の
NOxの量を形成する（一般的な炉滞留時間内
で）に充分の量においてほとんど常に存在してい
るから必要とされる。 吸引炉内ガス量が酸素アスピレータバーナの酸
化体噴流中でその燃料との混合前に増大するにつ
れ、火炎温度は減少する。火炎温度減少の程度は
炉内ガスの温度にも依存するが、吸引炉内ガスの
量の関数としての火炎温度は次の比率として定義
される循回比Ｒに対して第２図に示される関係を
呈する： Ｒ＝燃料噴流との混合前に酸化体噴流中に吸引される炉内ガスの重量／酸化体＋燃料の重量 本発明の実施により、式△Ｔ＝400＋7.6（Ｐ−
21）（ここで△Ｔは〓の単位でありそしてＰは酸
化体中の酸素含量容積％）によつて与えられる値
に少くとも等しい△Ｔ量だけ通常の火炎温度より
低い火炎温度を実現することが望ましい。 酸素或いは酸素富化空気を使用する場合、２つ
の主たる理由のために、空気系の場合に較べて酸
化体噴流の量が減少する。第１に、酸素富化によ
る窒素量の一部或いは全部の排除によりそして第
２に排除された窒素をもはや昇温する必要がない
ので燃焼の為の酸素所要量の低下による。従つ
て、酸化体噴流の速度は、炉内での一様な熱伝達
に必要である炉内での良好な混合とガス循回を実
現する為に充分の運動量を噴流が持つようにする
為に、増大されねばならない。 本発明の目的の為に、良好な混合と循回を実現
するに必要な最小酸化体ガス速度（酸化体ノズル
の口で測定して）は次の実験式により与えられる
値より大きいものとすべきである： Ｖ＝5.7P−70 ここでＶはft／秒での酸化体ガス速度でありそ
してＰは酸化体の酸素含量容積％である。本発明
により実現される混合と循回が空気系において実
現されるものと少くとも同程度の激しさであると
仮定する。） 代表的に、従来型式の空気炉に対する酸化体ガ
ス速度は約50〜100ft／秒のオーダにある。100％
酸素を使用しそして均等空気系と同じ運動量を維
持する炉は、50％の燃料節減を仮定して約450〜
950ft／秒の酸化体ガス速度範囲で作動する。一
般に、従来型式の空気炉において得られる運動量
水準に匹敵するかそれを越える運動量水準を実現
する為には、ガス速度は少くとも500ft／秒そし
て好ましくは800ft／秒以上とすべきである。好
ましい速度範囲は450〜1000ft／秒である。 本発明方法の実施の為の特徴を組込んだ本発明
酸素アスピレータバーナの一具体例の正面図が第
３ａ図に概略示されている。第３ｂ図は同じバー
ナの軸線方向断面を表す。バーナ１は、燃料給送
路２と酸化体給送路３とを備え、前者は燃料ノズ
ル６にそして後者は直径Ｄの複数の酸化体ノズル
４に通じている。酸化体ノズル４は燃料ノズル６
のまわりにその縁から距離Ｘにおいて一つの円５
に沿つて等間隔で位置づけられている。しかし、
円形ノズル配列或いはその等間隔での設定は本発
明の実施に必須ではない。むしろ、このような配
列及び間隔は便宜な具体例を表す。一つ乃至それ
以上の燃料ノズルから距離Ｘにおいてそれを縁ど
るよう平行列を為して酸化体ノズルを配したり、
火炎を一方側で還元性にしそして他方側で酸化性
にするような非対称酸化体ノズル配列にするとい
つた他の構成が好ましいような具体例も存在す
る。必要とされることは、燃料ノズルともつとも
近い酸化体ノズルとの間の距離Ｘが、酸化体ノズ
ル内径Ｄの４倍に少くとも等しく、以つて燃料噴
流９と酸化体噴流８とが混ざる前に酸化体噴流８
内に充分量の炉内ガスの吸引を保証するべく対応
する噴流間に充分の空間が創生されることであ
る。 好ましくは、燃料ノズル６はそれと関連する火
炎安定用手段を装備する。第３図において、燃料
ノズル６はそれを取巻く環状路１０を有し、これ
はダクト７を通して主酸化体給送路３に接続さ
れ、そこを通して燃料噴流周囲に酸化体包囲体１
１を創生しそれにより連続的な火炎フロントを形
成しそして火炎を安定化するように比較的に少量
の酸化体が噴出される。酸化体の５〜10％が酸素
包囲体として充分である。完全な酸化体包囲体は
不要である。火炎フロントを創生するように燃料
噴流に隣りあつて少量（５〜10％）の酸化体を配
すれば充分である。 作動において、酸化体噴流８と燃料噴流９が炉
内に噴射される。ノズル４の各々とノズル６との
間の距離Ｘにより、空域１２が、一端ではバーナ
１の前面により定義されそして他端では燃料及び
酸化体噴流が混合しそして燃焼が起る域１３によ
り定義されて噴流８及び噴流９間に生じる。酸化
体として酸素が使用される場合には燃焼生成物か
ら実質上成る炉内ガスが高速酸化体噴流８中に空
域１２を含めその近傍から吸込まれる。その後、
酸化体噴流８は燃料噴流９と混合して帯域１３に
おいて生成噴流（図示なし）を形成する。循回し
ている炉内ガスは空域１２を含めて噴流８の近傍
に流れ込み、ここで再度酸化体噴流８によつて吸
込まれてその酸素を効果的に希釈する。斯くし
て、本発明の方法は、同じ燃料及び酸化体ガス中
同じ酸素含量を使用するが吸引作用を伴わない従
来システムに対する通常の火炎温度と同程度かあ
るいはもつと低い火炎温度を実現するため、また
NOx排出量の増大なく従来と同等か或いはもつ
と高い混合、ガス再循回条件及び温度分布一様性
を維持するため、従来の窒素に代替物として炉内
ガスを使用することができる。 本発明を以下に実施例によつて具体的に例示す
る。 計算及び実験は、次の組成と発熱量を有する、
燃料として天然ガスを使用して実施された：ガス成分 容積％ CH4 96.0 C2H6 1.6 N2 1.6 O2 0.3 C3H6 0.3 C3H6 0.1 ｉ―C4H8 0.1 100.0 発熱量： MMBTU BTU （lb―mole） （ft3於60〓） 総 計 0.383 1010 差 引 0.346 910 しかし、本発明は、例えばメタン、プロパン、
デイーゼル油並びにH2＋CO混合物等の合成燃料
のような他の気体或いは液体燃料或いは流体媒体
中での固形燃料の分散体を使用しても実施されう
る。 煙道における酸素濃度が２容積％であるような
過剰％酸化体が仮想された。これは、空気を使用
する場合には化学量論量の酸化体111.6％におい
てそして酸化体ガスとして酸素を使用する場合に
は酸化体の103.1％において実現される。使用さ
れる酸素アスピレータバーナは第３ａ及び第３ｂ
図に示した型式のものである。1/16インチ、3/32
インチ及び1/8インチの酸素ノズル径が試験され
た。試験は、中央における燃料ノズル軸線を中心
として一つの円に沿つて等隔置される合計６つ及
び８つのノズルを使用して為された。この円の直
径は２〜５インチの範囲で変えられた。酸化体の
一部が火炎安定化のため燃料ノズルの周囲の環状
路を通されるような設計が為された。工業的操業
を模擬するよう設計された第６図に概略示する実
験炉６１において様々の燃焼パラメータが調べら
れそして従来の実施法と比較された。炉は耐火材
６２で内張りされそして底部に熱シンク６３を備
えそして４フイート×４フイート×８フイートの
内寸を有した。バーナ６４の出力は、炉内での操
作時、代表的に0.5〜1.0MMBTU／時間であつ
た。 ３つの異つた型式のバーナが使用された：一つ
は本発明に従うものでありそして残る２つの他の
従来型式のバーナは第４及び第５図にそれぞれ概
略示される表示Ａ及びＢの従来型式のバーナであ
る。第４図はバーナＡを示し、これは、酸化体ノ
ズル４４（３インチ径）によつて囲まれた中央燃
料給管４３（7/16インチ径）を組込んだ、凹入型
式において炉壁４２の耐火バーナブロツク４１
（４インチ径、11インチ長）に取付けられた従来
型式の渦流バーナである。酸化体ノズル４４は、
酸化体流れに接線運動成分を賦与し、バーナブロ
ツク４１と協働して火炎を安定化するのに有用で
ある渦流創生手段４５を含むものである。 第５ａ及び５ｂ図に示されるバーナＢは、燃料
給路５１とそれを取囲む酸素給路５２とから成
る。中央燃料ノズル（0.242インチ内径）は環状
酸化体ノズル５４（0.375インチ内径0.625インチ
外径）により取囲まれている。 以下、実験結果を述べる： １ 作動範囲安定性 最初、酸素アスピレータバーナが燃料流れを取
巻く酸素環状体無しに使用された。バーナは、不
安定に作動し、そして火炎フロントは炉の前後間
で前後に動揺した。これは、火炎フロントが炉の
後面から前面へとバーナに向けて移動する毎に炉
の振動をもたらした。酸素の一部（総酸素流の約
５〜10％）を燃料給送路を取巻く環状域を通して
流すことにより、連続した火炎フロントが酸素包
囲体―天然ガス界面においてバーナ面近くで確立
された。これは、炉内での燃焼を安定化し、火炎
の動揺と炉の振動を排除した。目視しうる火炎フ
ロントは、環状域を通して流れそして燃料の一部
と反応する僅かの酸素流れに対してのものにすぎ
なかつた。酸素噴流と天然ガス大部分との間に燃
焼反応の為の火炎フロントは見えなかつた。これ
は、明瞭に画成された目視しうる炎を有する従来
バーナと対照的である。 バーナは、980ft／秒に至る速度を有する酸素
噴流を使用して安定作動することを示した。もつ
と高い速度も可能である。例えば、560ft3の天然
ガスと1140ft3の酸素を使用する一連の試験にお
いて、1/16インチ径の８個の酸素ノズルが使用さ
れた。約７％の酸素が火炎を安定化するため環状
域に送られそして残りがノズルを通して流され
た。これら条件に対して、酸素速度はノズル出口
において11psigの圧力で980ft／秒であると計算
された。ノズルは真直ぐな孔を有しそれによりノ
ズル内での超音速にならないようにした。ノズル
を出ていく酸素は膨張し、980ft／秒を超える速
度に達した。バーナは、２、3.5及び５インチの
円直径におけるノズルに対して安定に作動した。
バーナはまた、実用的な関心は少なくなるが、低
速酸素噴流でもつても安定に作動した。 バーナは、高速から低速への絞り条件の範囲に
対して安定に作動し、使用された絞り比は20：１
までであつた。特定の工業炉における条件を模擬
する一組の試験において、炉温は非常に高い燃焼
速度及び非常に低い燃焼速度で交互にバーナを作
動することにより狭い範囲内で維持された。例え
ば、試験の一つにおいて、バーナは以下に呈示す
る燃焼速度で作動された：
ていないか或いは例えば圧力差によつて大気から
実質上遮断されているような型式のまた金属、ガ
ラス等の物質を加熱するのに一般に使用される型
式の工業炉（例えば、バー材再熱炉、均熱ピツ
ト、アルミニウム溶融炉等）を燃焼する為の方法
及び装置に関係する。特には、本発明は、空気の
代りに酸化体ガスとして酸素或いは酸素富化空気
を使用する炉の燃焼方法及び装置に関係する。 上述した型式の工業炉において酸化体ガスとし
て空気が使用されるのが一般的な実施法である。
空気の一部或いはすべてを酸素により置換するこ
とにより、燃焼の為の酸化体ガスを酸素富化する
ことは、工業炉に対する燃料要件を軽減しそして
その生産速度の増大を助成しうることも知られて
いる。酸素が燃焼の為空気と置換えられると、窒
素部分が酸化体及び煙道ガス両方において相応的
に減少され、従つて燃焼燃料単位ベースで各々の
総容積を減少しそして酸化体―燃料混合物の酸素
濃度を増大する。これら変化は結局、次の主たる
利点として反映される： (1) 或る与えられた炉のバーナに対して最大限の
実現可能な燃焼速度の増大。これは生産速度を
増大するのに使用されうる。酸化体として空気
を使用した場合、燃焼速度は、(a)利用しうるダ
クト及び送風機を通してバーナに供給されうる
空気量、(b)煙道によつて処理されうる燃焼生成
物の容積及び(c)燃料不安定及び不完全燃焼が問
題を完する前にバーナにより許容されうる燃焼
速度によつて制限を受ける。酸素量を増大する
と、酸化体及び煙道ガス容積の減少は最初の２
つの問題を克服し、同時に酸化体容積の減少と
酸素濃度の増加は第３の制限を軽減する。 (2) 燃料消費の減少。酸化体として空気を使用す
ると、煙道ガスへの顕熱損失は空気の高い窒素
含量に曲り相当なものとなることが多い。酸素
富化によつて、煙道ガスの窒素含量は減少しそ
して煙道ガスの熱含量は減少し、その結果同等
の排ガス温度において顕熱損失は小さくなる。
生産単位当りの全体的な燃料節減は非常に重意
義なものとなりうる。 (3) 煙道ガス容積の減少に由る粒子連行に関連す
る汚染問題の減少。燃焼される燃料の単位当り
の煙道ガスの容積の減少に伴い汚染物に対する
ガス浄化コストは低くなりそして一層有効とな
る。 上記利点の程度は酸素富化の程度を増す程増大
する。従つて、かなりの程度に酸素富化された空
気の使用並びに、純酸素の使用は斯界で本来所望
されるはずである。にもかかわらず、そのような
使用は次の欠点を受けるが故に今日まで斯界で回
避されてきた。 (1) 高い火炎温度。火炎温度は、酸化体ガス中の
酸素濃度が増大するに伴い著るしく増加する。
これは、(a)火炎の周囲の局所的な領域に異常に
高い熱伝達速度をもたらし、それにより炉耐火
材及び（或いは）炉装入物に損傷を生じる「ホ
ツトスポツト」をもたらす恐れがあること、及
び(b)窒素酸化物NOx形成反応の機構及び平衡
が高温側で著しく好都合に進むから、NOx排
出量が高くなることの故に所望されない。酸化
体ガスとして純酸素の使用は、それによる窒素
の関与量を少なくするからといつて第２の問題
を解決するものでない。何故なら、炉内には空
気の漏入（密閉炉でさえ空気漏入は不可避であ
り殊に工業規模の炉ではそうである）を通して
或いは燃料中に充分の窒素が通常存在して、環
境上許容しえない即ち許容NOx排出基準を越
える量のNOxを生成するからである。 (2) 炉内でのガス運動量（momentum）の低下。
酸化体及び燃料両方における質量の減少は、入
来する酸化体ガス及び燃料の噴流運動量の実質
上の減少をもたらす可能性があり、これは結局
炉内でのガスの混合及び循回量を減じる。装入
物への有効な熱伝達及びその一様な加熱を得更
には局所的ホツトスポツトを回避する為には、
炉内での良好なガス混合及び循回が必要とされ
る。 斯うして、工業炉において空気の代りに酸素も
しくは酸素富化空気を使用することの前記利益が
知られているにもかかわらず、上記欠点を伴うが
故に、その使用は回避されてきた。従つて、斯界
には、酸化体ガスとして酸素もしくは酸素富化空
気の使用を許容し、それによりその使用から得ら
れる利益をうまく利用し、しかも上に呈示した欠
点を克服する、炉燃焼方法及び装置への必要性が
存在する。 従つて、本発明の目的は、(a)炉への酸化体導入
速度を増大することを通して最大炉燃焼率を増大
し、(b)窒素の少くとも一部の排斥を通して煙道へ
の顕熱損失を減少することにより炉燃料要件を軽
減しそして(c)煙道ガスの容積を減少することによ
り汚染物の減少を促進することにより工業炉の総
合的性能及び効率を改善することである。 別様に云うなら、本発明は酸化体ガスとして空
気の代りに酸素もしくは酸素富化空気の使用を通
して上記目的を実現せんとするものである。 本発明の別の目的は、酸素或いは酸素富化空気
の使用を通して工業炉の総合的な性能及び効率を
改善し、同時にこのような使用に通常伴う高い火
炎温度とその結果としての高いNOx排出量及び
低いガス運動量とその結果としての不均一な炉温
分布を回避することである。 本発明の別の目的は、工業炉での燃焼中の火炎
安定性を改善することである。 本発明のまた別の目的は、上記目的を実施する
為のバーナ装置を提供することである。 本発明の一様相は次の段階を含む炉燃焼方法に
ある： (a) 大気に対して実質上閉成された炉帯域を提供
すること； (b) 酸素富化空気及び酸素のうちから選択される
酸化体ガスの少くとも１つの噴流（噴入点で直
径Ｄを有する）を前記炉帯域に噴入し、その場
合該噴流が、炉装入物の実質上一様な加熱を許
容するような該帯域内でのガス循回と混合を実
現するに充分の酸化体噴入地点での速度にあり
そして該速度が式 Ｖ＝5.7P−70 （Ｖは酸化体噴流速度ft／秒そしてＰは酸化
体ガスの酸素含量容積％） によつて与えられる大きさに少くとも等しいも
のとすること、 (c) (b)と同時して、前記炉帯域に少くとも一つの
燃料噴流を酸化体ガスから距離Ｘ離間して噴入
し、この場合距離Ｘは噴入地点での酸化体噴流
の外縁から燃料噴流の外縁までの測定されそし
て式Ｘ＝4Dにより与えられる値に少くとも等
しいものとすること、 (d) 通常の火炎温度より低い燃焼火炎温度を実現
するに充分の量において酸化体噴流の近傍から
酸化体噴流中に炉内ガスの吸引をもたらすこ
と、 (e) 前記吸引が行われた後、酸化体噴流と燃料噴
流とを混合しそれにより燃焼反応を生ぜしめる
こと。 本発明の第２の様相は、炉燃焼において酸化体
ガスとして酸素あるいは酸素富化空気と共に使用
する為のバーナ装置（今後酸素アスピレータバー
ナと呼ぶ）にあり、これは、 (a) 炉室内に酸化体ガス噴流を噴入する為の、直
径Ｄの少くとも１つの酸化体ガスノズルであつ
て、該直径が式 Ｄ＝４０／（Ｐ−８）（Ｆ／Ｎ）〓 （ここでＤはインチ単位であり、Ｐは酸化体
ガスの酸素含量容積％であり、Ｆは106BTU／
時間（MMBTU／hr）単位でのバーナ燃焼速度
であり、そしてＮは酸化体ノズルの数である） によつて与えられる値より小さいものとされる
酸化体ガスノズルと、 (b) 炉室内に少くとも１つの燃料噴流を噴入する
為の少くとも１つの燃料ノズルであつて、もつ
とも近接する酸化体ノズルから距離Ｘ離間さ
れ、この場合Ｘが燃料ノズルの縁から酸化体ノ
ズルの縁まで測定されそして式Ｘ＝4Dにより
与えられる値に少くとも等しい値を有するよう
な燃料ノズルと を包含する。 本発明方法の実施によつて、空気を使用する炉
燃焼方法に較べて相当の燃料節減と増大せる生産
速度が実現されえ、同時に実質上一様な温度分布
に必要な炉内での混合とガス循回量を実現するに
充分のガス運動量が創生され、しかも同時に火炎
温度はNOx排出量を排気管理基準によつて許容
されうる値以下の水準に維持するよう低下され
る。 燃料及び酸化体に対する理論火炎温度は、燃料
と酸化体との燃焼からもたらされる火炎において
達成される最大温度である（断熱過程及び燃料と
酸化体との瞬時的なそして完全な混合を仮定し
て）。 ここで使用される用語「通常の火炎温度」と
は、燃料と酸化体との混合前に炉内ガスの吸引が
行われることなく或る燃料と或る酸化体との燃焼
中炉内で実際に達成される火炎温度を意味する。
通常の火炎温度は理論的火炎温度に近いはずであ
る。（どの程度近いかは、その炉内を占めている
混合及び熱伝達条件に依存する）。本発明が実施
されている場合の炉内火炎温度が「通常の火炎温
度」に比較される時、均等操業条件を使用しての
方法において燃料及び酸化体の混合前に炉ガスの
吸引が行われていない従来型式の炉と比較として
のものである。 本発明について、特定の具体例について説明す
る。大気に対して実質上閉成された帯域を具備す
る炉を燃焼する為の方法及び装置が言及され、こ
れらは金属装入物の加熱の為製鋼業界で一般に使
用されている炉或いはガラス装入物の加熱の為ガ
ラス業界で或いはその他の産業用燃焼用途におい
て使用される炉を含むものである。 本発明に従えば、燃料及び酸化体噴流や別々の
放出口から炉内に噴出される。唯一つの燃料噴流
を複数の酸化体噴流で取巻くようにしてもよい
し、唯一つの酸化体噴流を複数の燃料噴流で取巻
くようにしてもよいし、一つの酸化体噴流と一つ
の燃料噴流を設けるようにしてもよいし或いは両
者共複数個設けるようにしてもよい。特に好まし
い具体例は、一つの中央配置燃料噴流とそれを取
囲む複数の円形配列酸化体噴流（好ましくは６〜
８）を含むものである。燃料ノズルの縁から酸化
体ノズルの縁まで測定しての距離Ｘ（或いは別の
具体例では燃料噴流の縁とそれにもつとも近接し
て位置づけられる酸化体噴流の縁との間のそれぞ
れの噴出点での距離）は、ノズル出口において測
定しての酸化体噴流の直径Ｄ（即ち酸化体ノズル
の内径）の少くとも４倍でなければならない。 酸化体噴流は、その各々の周囲及び近傍で吸引
効果を創生するに充分の速度で噴出されねばなら
ない。これにより、実質上燃焼生成物と酸化体ガ
スの非酸素部分から成る炉内ガスが酸化体噴流中
にその近傍から即ち各酸化体噴流を取巻く空間か
ら直接的に吸引されうる。これは、煙道のような
炉の別の部分から燃焼生成物を再循環する為の別
個の再循環ダクト及び設備を使用する方法とは別
のものである。本発明の実施に当つては、このよ
うな吸引作用は酸化体と燃料噴流とが混合する前
に起らねばならない。酸化体ノズル出口から距離
Ｙ（第３図参照）における酸化体噴流中の或る点
まで吸引される炉ガスの量は、酸化体噴流の質量
流量に正比例しそして酸化体ノズルの直径に逆比
例する。 先に定義した距離Ｘは酸化体噴流直径の少くと
も４倍でなければならず、好ましくは少くとも８
倍でなければならない。そのような直径の20倍ま
でに等しい距離Ｘを使用しての試験は満足すべき
結果を与えた。一般に、平均炉温が高くなる程そ
して燃焼速度が高くなる程、例えばNOx排出量
を或る水準以下に保つためには、酸化体及び燃料
噴流ノズル間の一層大きな間隔が所望されること
が実験的に認められた。 酸化体噴流の出口速度は所定の吸引効果を創生
するに充分高くしなければならない。しかし、速
度に影響を与えそして本発明において制御される
別の因子が存在する。以下に説明するように、酸
化体噴流の速度は酸化体噴流の出口において充分
の噴流運動量（momentum）を創生するに充分高
くなければならない。酸化体噴流運動量が従来型
式の空気バーナ及び燃焼方法における均等空気噴
流のそれに少くとも匹敵するものであることが望
ましい。 以下に述べるように、空気の代りに酸素或いは
酸素富化空気の使用は、炉内へのガス投入量の減
少（従つてガス運動量の低減）と火炎温度の増大
をもたらす。本発明に従えば、吸引される炉内ガ
スは、空気系において窒素によつて従来演じられ
た役割を酸素或いは酸素富化空気系において演じ
るのに必要とされる。即ち、吸引炉内ガスは、ガ
ス混合及び循環に必要な量（かさばり）を提供し
そして燃料燃焼反応において不活性成分として希
釈剤として作用しそして燃料燃焼の火炎温度を減
ずる役目を果す。酸化体流れ中に高温炉内ガスに
より窒素と置換えることは、かなりの程度、本発
明によつて実現される燃料節約に寄与するもので
ある。 従つて、本発明の目的の為に酸化体噴流中に吸
引されねばならない炉内ガスの量は、(a)本発明方
法が空気を使用する従来方法に少くとも匹敵する
混合及びガス循回条件の下で作動すると仮定して
炉内での効率的な混合及びガス循回に必要なガス
量、及び(b)NOx排出量を最小限にしそして局所
的な過熱を防止するよう炉に対して所望される火
炎温度に依存する。 良好な混合とガス循回は、一様な加熱を達成す
る為にそしてまた局所的な過熱とそれによる炉装
入物、耐火材等の損傷を回避する為に非常に重要
である。 燃料との混合前に酸化体噴流中への炉内ガスの
吸引が行われないと、酸化体と燃料が混じり合う
地点での炉内火炎温度は、特定の燃料型式及び酸
化体の酸素含量に対しての理論火炎温度に近い
（どの程度近いかは混合効率に依存する）通常の
火炎温度に等しくなる（第１図参照）。火炎温度
は、酸化体の酸素含量の増加に伴い高くなる。 第１図は、完全なそして瞬時的な混合条件を仮
定して酸化体ガスの酸素含量の関数として天然ガ
スの燃焼に対する理論火炎温度の変化の様相を示
す。酸素濃度が増大するにつれ、理論火炎温度
は、空気に対する3370〓から酸素に対する5030〓
（断熱火炎温度）まで著しく増加する。もちろ
ん、従来法の実際の作動中、生成する燃焼噴流に
おける燃焼生成物の温度は混合地点において通常
の火炎温度に等しくそして噴流長さに沿つてバー
ナから離れるに従い減少しよう。これは、高温燃
焼ガスがそこに吸込まれるもつと冷いガスと混ざ
るからである。 産業用燃焼用途において、２つの理由の為に火
炎温度を抑制することが重要である。第１に、高
い火炎温度はNOx形成反応の反応機構及び平衡
に都合の良いものとなり、そして第２に、高い火
炎温度は局所的な過熱をもたらし、それに伴い炉
装入物、炉耐火材等の損傷といつた所望されざる
影響を与える。燃料との混合前に酸素噴流中に炉
ガスを吸引することは火炎温度を通常の火炎温度
以下に下げそして炉内ガス量が充分なら（燃焼帯
域での混合条件及び炉ガス自体の温度に依存し
て）、純酸素が酸化体ガスとして使用された場合
でさえも過熱或いはNOx形成が問題を呈しない
程に充分火炎温度を低下せしめる。NOx排出量
の測定は理論的に火炎温度の推定を可能ならしめ
る。 本発明の使用により得られる測定NOx水準は
きわめて低かつた。NOx水準の減少は、主に効
果的な火炎温度抑制にそして副次的に酸化体ガス
の酸素富化（従つて窒素の排除）に由るものであ
ろう。火炎温度の抑制は、一般に、窒素が空気の
漏入或いは燃料中に含まれていることにより炉内
に火炎温度抑制が為されないなら重大な程の
NOxの量を形成する（一般的な炉滞留時間内
で）に充分の量においてほとんど常に存在してい
るから必要とされる。 吸引炉内ガス量が酸素アスピレータバーナの酸
化体噴流中でその燃料との混合前に増大するにつ
れ、火炎温度は減少する。火炎温度減少の程度は
炉内ガスの温度にも依存するが、吸引炉内ガスの
量の関数としての火炎温度は次の比率として定義
される循回比Ｒに対して第２図に示される関係を
呈する： Ｒ＝燃料噴流との混合前に酸化体噴流中に吸引される炉内ガスの重量／酸化体＋燃料の重量 本発明の実施により、式△Ｔ＝400＋7.6（Ｐ−
21）（ここで△Ｔは〓の単位でありそしてＰは酸
化体中の酸素含量容積％）によつて与えられる値
に少くとも等しい△Ｔ量だけ通常の火炎温度より
低い火炎温度を実現することが望ましい。 酸素或いは酸素富化空気を使用する場合、２つ
の主たる理由のために、空気系の場合に較べて酸
化体噴流の量が減少する。第１に、酸素富化によ
る窒素量の一部或いは全部の排除によりそして第
２に排除された窒素をもはや昇温する必要がない
ので燃焼の為の酸素所要量の低下による。従つ
て、酸化体噴流の速度は、炉内での一様な熱伝達
に必要である炉内での良好な混合とガス循回を実
現する為に充分の運動量を噴流が持つようにする
為に、増大されねばならない。 本発明の目的の為に、良好な混合と循回を実現
するに必要な最小酸化体ガス速度（酸化体ノズル
の口で測定して）は次の実験式により与えられる
値より大きいものとすべきである： Ｖ＝5.7P−70 ここでＶはft／秒での酸化体ガス速度でありそ
してＰは酸化体の酸素含量容積％である。本発明
により実現される混合と循回が空気系において実
現されるものと少くとも同程度の激しさであると
仮定する。） 代表的に、従来型式の空気炉に対する酸化体ガ
ス速度は約50〜100ft／秒のオーダにある。100％
酸素を使用しそして均等空気系と同じ運動量を維
持する炉は、50％の燃料節減を仮定して約450〜
950ft／秒の酸化体ガス速度範囲で作動する。一
般に、従来型式の空気炉において得られる運動量
水準に匹敵するかそれを越える運動量水準を実現
する為には、ガス速度は少くとも500ft／秒そし
て好ましくは800ft／秒以上とすべきである。好
ましい速度範囲は450〜1000ft／秒である。 本発明方法の実施の為の特徴を組込んだ本発明
酸素アスピレータバーナの一具体例の正面図が第
３ａ図に概略示されている。第３ｂ図は同じバー
ナの軸線方向断面を表す。バーナ１は、燃料給送
路２と酸化体給送路３とを備え、前者は燃料ノズ
ル６にそして後者は直径Ｄの複数の酸化体ノズル
４に通じている。酸化体ノズル４は燃料ノズル６
のまわりにその縁から距離Ｘにおいて一つの円５
に沿つて等間隔で位置づけられている。しかし、
円形ノズル配列或いはその等間隔での設定は本発
明の実施に必須ではない。むしろ、このような配
列及び間隔は便宜な具体例を表す。一つ乃至それ
以上の燃料ノズルから距離Ｘにおいてそれを縁ど
るよう平行列を為して酸化体ノズルを配したり、
火炎を一方側で還元性にしそして他方側で酸化性
にするような非対称酸化体ノズル配列にするとい
つた他の構成が好ましいような具体例も存在す
る。必要とされることは、燃料ノズルともつとも
近い酸化体ノズルとの間の距離Ｘが、酸化体ノズ
ル内径Ｄの４倍に少くとも等しく、以つて燃料噴
流９と酸化体噴流８とが混ざる前に酸化体噴流８
内に充分量の炉内ガスの吸引を保証するべく対応
する噴流間に充分の空間が創生されることであ
る。 好ましくは、燃料ノズル６はそれと関連する火
炎安定用手段を装備する。第３図において、燃料
ノズル６はそれを取巻く環状路１０を有し、これ
はダクト７を通して主酸化体給送路３に接続さ
れ、そこを通して燃料噴流周囲に酸化体包囲体１
１を創生しそれにより連続的な火炎フロントを形
成しそして火炎を安定化するように比較的に少量
の酸化体が噴出される。酸化体の５〜10％が酸素
包囲体として充分である。完全な酸化体包囲体は
不要である。火炎フロントを創生するように燃料
噴流に隣りあつて少量（５〜10％）の酸化体を配
すれば充分である。 作動において、酸化体噴流８と燃料噴流９が炉
内に噴射される。ノズル４の各々とノズル６との
間の距離Ｘにより、空域１２が、一端ではバーナ
１の前面により定義されそして他端では燃料及び
酸化体噴流が混合しそして燃焼が起る域１３によ
り定義されて噴流８及び噴流９間に生じる。酸化
体として酸素が使用される場合には燃焼生成物か
ら実質上成る炉内ガスが高速酸化体噴流８中に空
域１２を含めその近傍から吸込まれる。その後、
酸化体噴流８は燃料噴流９と混合して帯域１３に
おいて生成噴流（図示なし）を形成する。循回し
ている炉内ガスは空域１２を含めて噴流８の近傍
に流れ込み、ここで再度酸化体噴流８によつて吸
込まれてその酸素を効果的に希釈する。斯くし
て、本発明の方法は、同じ燃料及び酸化体ガス中
同じ酸素含量を使用するが吸引作用を伴わない従
来システムに対する通常の火炎温度と同程度かあ
るいはもつと低い火炎温度を実現するため、また
NOx排出量の増大なく従来と同等か或いはもつ
と高い混合、ガス再循回条件及び温度分布一様性
を維持するため、従来の窒素に代替物として炉内
ガスを使用することができる。 本発明を以下に実施例によつて具体的に例示す
る。 計算及び実験は、次の組成と発熱量を有する、
燃料として天然ガスを使用して実施された：ガス成分 容積％ CH4 96.0 C2H6 1.6 N2 1.6 O2 0.3 C3H6 0.3 C3H6 0.1 ｉ―C4H8 0.1 100.0 発熱量： MMBTU BTU （lb―mole） （ft3於60〓） 総 計 0.383 1010 差 引 0.346 910 しかし、本発明は、例えばメタン、プロパン、
デイーゼル油並びにH2＋CO混合物等の合成燃料
のような他の気体或いは液体燃料或いは流体媒体
中での固形燃料の分散体を使用しても実施されう
る。 煙道における酸素濃度が２容積％であるような
過剰％酸化体が仮想された。これは、空気を使用
する場合には化学量論量の酸化体111.6％におい
てそして酸化体ガスとして酸素を使用する場合に
は酸化体の103.1％において実現される。使用さ
れる酸素アスピレータバーナは第３ａ及び第３ｂ
図に示した型式のものである。1/16インチ、3/32
インチ及び1/8インチの酸素ノズル径が試験され
た。試験は、中央における燃料ノズル軸線を中心
として一つの円に沿つて等隔置される合計６つ及
び８つのノズルを使用して為された。この円の直
径は２〜５インチの範囲で変えられた。酸化体の
一部が火炎安定化のため燃料ノズルの周囲の環状
路を通されるような設計が為された。工業的操業
を模擬するよう設計された第６図に概略示する実
験炉６１において様々の燃焼パラメータが調べら
れそして従来の実施法と比較された。炉は耐火材
６２で内張りされそして底部に熱シンク６３を備
えそして４フイート×４フイート×８フイートの
内寸を有した。バーナ６４の出力は、炉内での操
作時、代表的に0.5〜1.0MMBTU／時間であつ
た。 ３つの異つた型式のバーナが使用された：一つ
は本発明に従うものでありそして残る２つの他の
従来型式のバーナは第４及び第５図にそれぞれ概
略示される表示Ａ及びＢの従来型式のバーナであ
る。第４図はバーナＡを示し、これは、酸化体ノ
ズル４４（３インチ径）によつて囲まれた中央燃
料給管４３（7/16インチ径）を組込んだ、凹入型
式において炉壁４２の耐火バーナブロツク４１
（４インチ径、11インチ長）に取付けられた従来
型式の渦流バーナである。酸化体ノズル４４は、
酸化体流れに接線運動成分を賦与し、バーナブロ
ツク４１と協働して火炎を安定化するのに有用で
ある渦流創生手段４５を含むものである。 第５ａ及び５ｂ図に示されるバーナＢは、燃料
給路５１とそれを取囲む酸素給路５２とから成
る。中央燃料ノズル（0.242インチ内径）は環状
酸化体ノズル５４（0.375インチ内径0.625インチ
外径）により取囲まれている。 以下、実験結果を述べる： １ 作動範囲安定性 最初、酸素アスピレータバーナが燃料流れを取
巻く酸素環状体無しに使用された。バーナは、不
安定に作動し、そして火炎フロントは炉の前後間
で前後に動揺した。これは、火炎フロントが炉の
後面から前面へとバーナに向けて移動する毎に炉
の振動をもたらした。酸素の一部（総酸素流の約
５〜10％）を燃料給送路を取巻く環状域を通して
流すことにより、連続した火炎フロントが酸素包
囲体―天然ガス界面においてバーナ面近くで確立
された。これは、炉内での燃焼を安定化し、火炎
の動揺と炉の振動を排除した。目視しうる火炎フ
ロントは、環状域を通して流れそして燃料の一部
と反応する僅かの酸素流れに対してのものにすぎ
なかつた。酸素噴流と天然ガス大部分との間に燃
焼反応の為の火炎フロントは見えなかつた。これ
は、明瞭に画成された目視しうる炎を有する従来
バーナと対照的である。 バーナは、980ft／秒に至る速度を有する酸素
噴流を使用して安定作動することを示した。もつ
と高い速度も可能である。例えば、560ft3の天然
ガスと1140ft3の酸素を使用する一連の試験にお
いて、1/16インチ径の８個の酸素ノズルが使用さ
れた。約７％の酸素が火炎を安定化するため環状
域に送られそして残りがノズルを通して流され
た。これら条件に対して、酸素速度はノズル出口
において11psigの圧力で980ft／秒であると計算
された。ノズルは真直ぐな孔を有しそれによりノ
ズル内での超音速にならないようにした。ノズル
を出ていく酸素は膨張し、980ft／秒を超える速
度に達した。バーナは、２、3.5及び５インチの
円直径におけるノズルに対して安定に作動した。
バーナはまた、実用的な関心は少なくなるが、低
速酸素噴流でもつても安定に作動した。 バーナは、高速から低速への絞り条件の範囲に
対して安定に作動し、使用された絞り比は20：１
までであつた。特定の工業炉における条件を模擬
する一組の試験において、炉温は非常に高い燃焼
速度及び非常に低い燃焼速度で交互にバーナを作
動することにより狭い範囲内で維持された。例え
ば、試験の一つにおいて、バーナは以下に呈示す
る燃焼速度で作動された：
【表】
迅速作動式ソレノイド弁を介して低高燃焼速度
間で流量が交互に切換られた。バーナは両方の燃
焼速度において安定に作動し、高から低への又そ
の逆の切換中にも不安定さは見られなかつた。安
定なバーナ作動に対して使用されうる試験低高燃
焼速度の範囲に制限は見出されなかつた。これ
は、バーナ安定作動範囲が上記試験において使用
されたものより巾広いことを意味する。 ２ 従来型式の渦バーナとの比較 NOxの形成に基いて、本発明の酸素アスピレ
ータバーナと従来型式の渦バーナとの間で比較が
為された。第４図に示されるように、この渦バー
ナは、火炎を安定にするため酸化体の接線流れと
耐火バーナブロツクを採用したものである。この
バーナに対しての酸化体及び燃料の混合並びに耐
火ブロツク内での滞留時間は、燃焼生成物の温度
が理論火炎温度に近いものと考えられるようなも
のであつた。次にNOx測定値は従来の渦バーナ
を使用した場合の煙道ガス中で為された。
間で流量が交互に切換られた。バーナは両方の燃
焼速度において安定に作動し、高から低への又そ
の逆の切換中にも不安定さは見られなかつた。安
定なバーナ作動に対して使用されうる試験低高燃
焼速度の範囲に制限は見出されなかつた。これ
は、バーナ安定作動範囲が上記試験において使用
されたものより巾広いことを意味する。 ２ 従来型式の渦バーナとの比較 NOxの形成に基いて、本発明の酸素アスピレ
ータバーナと従来型式の渦バーナとの間で比較が
為された。第４図に示されるように、この渦バー
ナは、火炎を安定にするため酸化体の接線流れと
耐火バーナブロツクを採用したものである。この
バーナに対しての酸化体及び燃料の混合並びに耐
火ブロツク内での滞留時間は、燃焼生成物の温度
が理論火炎温度に近いものと考えられるようなも
のであつた。次にNOx測定値は従来の渦バーナ
を使用した場合の煙道ガス中で為された。
【表】
これら試験に対して、煙道における燃焼ガスの
温度は2100〜2200〓の範囲にあつた。燃焼速度
は、炉温及びシンクへの熱伝達速度をほぼ一定に
維持するよう各試験条件に対して調節された。酸
素が燃焼の為の空気の一部乃至全部と置換えられ
る時得られる燃料節減の故に、酸化体中の酸素含
量が増大するにつれ燃焼速度は減少した。データ
は、90％O2までの酸化体中の酸素含量の増大に
伴いNOxが増大することを示す。これは、火炎
温度が増大し、NOx形成に反応機構及び平衡が
共に都合良いものとなるから予想されることであ
つた。90％酸素と100％酸素との間で、NOxの形
成は窒素濃度の低下に由り減少した。工業炉操業
において、従来型式のバーナにおいて100％酸素
を使用した時のNOx形成は恐らく炉内への空気
漏入に由り表に示される値よりはるかに高くなろ
う。実験炉において90％O2において得られる
NOx形成は、工業炉において100％O2を使用して
得られる値に近いであろう（両方共、従来型式の
バーナを使用したと仮定して）。 100％酸素を使用する酸素アスピレータバーナ
が同等の炉条件で試験された時（ほぼ同じ炉温と
シンクへの熱伝達速度）、測定NOxは0.001lbs／
MMBTUのオーダであつた。これら試験に対し
て、８個のノズルが使用された。２、3.5及び５
インチの円直径において1/16インチ径のノズルが
使用されそして1/8インチ径ノズルが２インチの
円直径において使用された。調査されたすべての
条件に対するNOx形成はNOx基準より相当下で
あつた。炉内ガスが燃料との混合前に酸素噴流中
に吸引される時生じる火炎温度はNOxの為の反
応機構が顕著となる温度より明らかに下であつ
た。 ３ 従来型式の同心噴流バーナとの比較 本発明の酸素アスピレータバーナと燃料及び酸
素の同心噴流から成る従来型式のバーナと比較す
る試験が実施された。酸素アスピレータバーナは
２インチの円直径に沿つて各3/32インチ径の酸素
ノズルを８個有した。同心バーナは第５ａ及び５
ｂ図に概略示したものである。試験は、NOxの
形成に通常好都合な２つの条件、即ち高い炉ガス
温度と炉内への空気漏入の下で実施された。すべ
ての試験条件に対して、燃焼速度は、815ft3の天
然ガスと1670〜1695ft3の酸素を組合せて為され
た。炉ガス温度は2800〜2900〓の範囲にあつた
（ソーキングピツト或いは再熱炉のような工業治
金用途において平均炉温は通常約2000〜2500〓の
範囲である）。炉内への空気漏入は０〜300ft3空
気量に管理された。NOx形成に対する結果を第
７図のグラフに示す。 両バーナに対して、NOx排出量は空気漏入率
が高くなる程増大した。しかし、比較試験条件に
おいて、NOx形成は同心噴流バーナに較べてア
スピレータバーナに対して低い水準にあつた。ア
スピレータバーナに対するNOx排出量の水準は
常に研究されたすべての試験条件に対してNOx
に対する排出基準を下回つた。
温度は2100〜2200〓の範囲にあつた。燃焼速度
は、炉温及びシンクへの熱伝達速度をほぼ一定に
維持するよう各試験条件に対して調節された。酸
素が燃焼の為の空気の一部乃至全部と置換えられ
る時得られる燃料節減の故に、酸化体中の酸素含
量が増大するにつれ燃焼速度は減少した。データ
は、90％O2までの酸化体中の酸素含量の増大に
伴いNOxが増大することを示す。これは、火炎
温度が増大し、NOx形成に反応機構及び平衡が
共に都合良いものとなるから予想されることであ
つた。90％酸素と100％酸素との間で、NOxの形
成は窒素濃度の低下に由り減少した。工業炉操業
において、従来型式のバーナにおいて100％酸素
を使用した時のNOx形成は恐らく炉内への空気
漏入に由り表に示される値よりはるかに高くなろ
う。実験炉において90％O2において得られる
NOx形成は、工業炉において100％O2を使用して
得られる値に近いであろう（両方共、従来型式の
バーナを使用したと仮定して）。 100％酸素を使用する酸素アスピレータバーナ
が同等の炉条件で試験された時（ほぼ同じ炉温と
シンクへの熱伝達速度）、測定NOxは0.001lbs／
MMBTUのオーダであつた。これら試験に対し
て、８個のノズルが使用された。２、3.5及び５
インチの円直径において1/16インチ径のノズルが
使用されそして1/8インチ径ノズルが２インチの
円直径において使用された。調査されたすべての
条件に対するNOx形成はNOx基準より相当下で
あつた。炉内ガスが燃料との混合前に酸素噴流中
に吸引される時生じる火炎温度はNOxの為の反
応機構が顕著となる温度より明らかに下であつ
た。 ３ 従来型式の同心噴流バーナとの比較 本発明の酸素アスピレータバーナと燃料及び酸
素の同心噴流から成る従来型式のバーナと比較す
る試験が実施された。酸素アスピレータバーナは
２インチの円直径に沿つて各3/32インチ径の酸素
ノズルを８個有した。同心バーナは第５ａ及び５
ｂ図に概略示したものである。試験は、NOxの
形成に通常好都合な２つの条件、即ち高い炉ガス
温度と炉内への空気漏入の下で実施された。すべ
ての試験条件に対して、燃焼速度は、815ft3の天
然ガスと1670〜1695ft3の酸素を組合せて為され
た。炉ガス温度は2800〜2900〓の範囲にあつた
（ソーキングピツト或いは再熱炉のような工業治
金用途において平均炉温は通常約2000〜2500〓の
範囲である）。炉内への空気漏入は０〜300ft3空
気量に管理された。NOx形成に対する結果を第
７図のグラフに示す。 両バーナに対して、NOx排出量は空気漏入率
が高くなる程増大した。しかし、比較試験条件に
おいて、NOx形成は同心噴流バーナに較べてア
スピレータバーナに対して低い水準にあつた。ア
スピレータバーナに対するNOx排出量の水準は
常に研究されたすべての試験条件に対してNOx
に対する排出基準を下回つた。
第１図は、天然ガスに対する理論火炎温度を酸
化体中の酸素濃度の関数として示すグラフであ
る。第２図は、様々の炉ガス循回比に対して酸化
体ガス中の酸素富化の程度を変えて酸素アスピレ
ータバーナにおいて実現される火炎温度を示すグ
ラフである。第３ａ及び３ｂ図は、本発明方法を
実施する為の酸素アスピレータバーナの上面図及
び垂直断面図である。第４図は渦流及び耐火ブロ
ツクを使用する従来からの空気バーナの軸方向断
面図である。第５ａ及び５ｂ図は従来からの同心
リングバーナの上面図及び垂直断面図である。第
６図は、本発明を実施する一つの炉の例を示す部
分断面図である。第７図は、本発明バーナと従来
からの同心バーナのNOx排出水準を比較するグ
ラフである。 １…バーナ、２…燃料給送路、３…酸化体給送
路、４…酸化体ノズル、６…燃料ノズル、５…
円、８…酸化体噴流、９…燃料噴流、１０…環状
路。
化体中の酸素濃度の関数として示すグラフであ
る。第２図は、様々の炉ガス循回比に対して酸化
体ガス中の酸素富化の程度を変えて酸素アスピレ
ータバーナにおいて実現される火炎温度を示すグ
ラフである。第３ａ及び３ｂ図は、本発明方法を
実施する為の酸素アスピレータバーナの上面図及
び垂直断面図である。第４図は渦流及び耐火ブロ
ツクを使用する従来からの空気バーナの軸方向断
面図である。第５ａ及び５ｂ図は従来からの同心
リングバーナの上面図及び垂直断面図である。第
６図は、本発明を実施する一つの炉の例を示す部
分断面図である。第７図は、本発明バーナと従来
からの同心バーナのNOx排出水準を比較するグ
ラフである。 １…バーナ、２…燃料給送路、３…酸化体給送
路、４…酸化体ノズル、６…燃料ノズル、５…
円、８…酸化体噴流、９…燃料噴流、１０…環状
路。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ (a) 大気に対して実質上閉式された炉帯域を
提供すること； (b) 酸素富化空気及び酸素のうちから選択される
酸化体ガスの少くとも１つの噴流（噴入点で直
径Ｄを有する）を前記炉帯域に噴入し、その場
合該噴流が、炉装入物の実質上一様な加熱を許
容するような該帯域内でのガス循回と混合を実
現するに充分の酸化体噴入地点での速度で噴入
されそして該速度が式 Ｖ＝5.7P−70 （Ｖは酸化体噴流速度ft／秒そしてＰは酸化
体ガスの酸素含量容積％） によつて与えられる値に少くとも等しいものと
すること、 (c) 段階(b)と同時して、前記炉帯域に少くとも一
つの燃料噴流を酸化体ガスから距離Ｘ離間して
噴入し、この場合距離Ｘは噴入地点での酸化体
噴流の外縁から燃料噴流の外縁までの測定され
そして式Ｘ＝4Dにより与えられる値に少くと
も等しいものとすること、 (d) 通常の火炎温度より低い燃焼火炎温度を実現
するに充分の量において酸化体噴流の近傍から
酸化体噴流中に炉内ガスの吸引をもたらすこ
と、 (e) 前記吸引が行われた後、酸化体噴流と燃料噴
流とを混合しそれにより燃焼反応を生ぜしめる
こと を包含する炉燃焼方法。 ２ 酸化体ガスが少くとも30容量％酸素を含有し
ている特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 酸化体噴流速度が約450〜1000ft／秒の範囲
にある特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 複数の酸化体噴流が燃料噴流の周囲に隔置さ
れるノルズを通して噴出される特許請求の範囲第
１項記載の方法。 ５ 段階(d)中、吸引される炉ガス量が式 △Ｔ＝400＋7.6（Ｐ−21） （ここで△Ｔは〓単位でありそしてＰは酸化体
中の酸素含量容積％である） によつて与えられる値に少くとも等しい量△Ｔだ
け通常の火炎温度より低い火炎温度を爾後の燃焼
中実現するに充分とされる特許請求の範囲第１項
記載の方法。 ６ 酸化体の約５〜10％が燃料噴流に隣りあつて
差向けられて酸化体包囲体を形成し、それにより
火炎フロントを創生しそして火炎を安定化する特
許請求の範囲第１，２，３，４或いは５項のうち
いずれかの項記載の方法。 ７ 炉燃焼において酸化体ガスとして酸素あるい
は酸素富化空気と共に使用する為のバーナ装置で
あつて、 (a) 炉室内に酸化体ガス噴流を噴入する為の、直
径Ｄの少くとも１つの酸化体ガスノズルであつ
て、該直径が式 Ｄ＝４０／（Ｐ−８）（Ｆ／Ｎ）〓 （ここでＤはインチ単位であり、Ｐは酸化体
ガスの酸素含量容積％であり、Ｆは106BTU／
時間（MMBTU／hr）単位でのバーナ燃焼速度
でありそしてＮは酸化体ノズルの数である） によつて与えられる値より小さいものとされる
酸化体ガスノズルと、 (b) 炉室内に少くとも１つの燃料噴流を噴入する
為の少くとも１つの燃料ノズルであつて、もつ
とも近接する酸化体ノズルから距離Ｘ離間さ
れ、この場合Ｘが燃料ノズルの縁から酸化体ノ
ズルの縁まで測定されそして式Ｘ＝4Dにより
与えられる値に少くとも等しい値を有するよう
な燃料ノズルとを 包含する前記バーナ装置。 ８ 複数の酸化体ノズルが燃料ノズルのまわりに
円形配列される特許請求の範囲第７項記載の装
置。 ９ 距離Ｘが8Dと20Dとの間にある特許請求の範
囲第７項記載の装置。 １０ 燃料噴流に隣りあつて酸化体の５〜10％を
差向けそれにより火炎フロントを創生しそして火
炎を安定化する為の手段を提供する為の手段を備
える特許請求の範囲第７項記載の装置。
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