(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の冷却流体ジャケット、第一の酸化剤導管及び燃料導管を有するバーナーであって、
前記第一の冷却流体ジャケットは、等価外径Ｄを有し；
前記第一の酸化剤導管は、前記第一の冷却流体ジャケットと一定の間隔をあけ、かつ前記第一の冷却流体ジャケット内で略同軸に配置されており、かつ次を具備し：
入口、
前記第一の酸化剤導管の前記入口の下流にある第一部分、
４５°〜１２０°の曲げ角度αを有する、前記第一の酸化剤導管の前記第一部分の下流にある曲げ部、及び
出口端部で末端となり、かつ流れ軸及び長さＬを有する、前記第一の酸化剤導管の前記曲げ部の下流にある第二部分；
前記燃料導管は、次を具備し：
入口、
前記第一の酸化剤導管と一定の間隔をあけ、かつ前記第一の酸化剤導管内で略同軸に配置されている、前記燃料導管の前記入口の下流にある第一部分、及び
前記第一の酸化剤導管の前記曲げ部と一定の間隔をあけ、かつ前記第一の酸化剤導管の前記曲げ部内で略同軸に配置されている曲げ部、
出口端部で末端となり、かつ流れ軸を有する第二部分であって、前記第一の酸化剤導管の前記第二部分と一定の間隔をあけ、かつ前記第一の酸化剤導管の前記第二部分内で略同軸に配置されており、それにより前記燃料導管の前記第二部分と、前記第一の酸化剤導管の前記第二部分との間に酸化剤流路を画定している、第二部分；かつ
前記酸化剤流路は、断面積Ａｉを有する入口部、前記入口部の下流にある移行部、及び前記移行部の下流にある断面積Ａｏを有する出口部を有し、ここで
０．８≦Ｌ／Ｄ≦７、かつ１．３≦Ａｉ／Ａｏ≦５である、バーナー。
【請求項２】
前記燃料導管の前記第二部分が、燃料流路を画定しており、前記燃料流路は、断面積Ａｆｉを有する入口部、前記入口部の下流にある移行部、及び前記移行部の下流にある断面積Ａｆｏを有する出口部を有し、ここで、１．０≦Ａｆｉ／Ａｆｏ≦５である、請求項１に記載のバーナー。
【請求項３】
前記燃料導管の前記第二部分が、燃料流路を画定しており、前記燃料流路は、断面積Ａｆｉを有する入口部、前記入口部の下流にある移行部、及び前記移行部の下流にある断面積Ａｆｏを有する出口部を有し、ここで、１．３７≦Ａｆｉ／Ａｆｏ≦５である、請求項１に記載のバーナー。
【請求項４】
前記燃料導管の前記第二部分が、前記燃料流路の前記移行部分に、凹面の内部表面及び凸面の内部表面を有し、前記燃料導管の前記凸面の内部表面は、前記燃料導管の前記凹面の内部表面の下流にある、請求項２又は３に記載のバーナー。
【請求項５】
前記第一の酸化剤導管の前記第二部分の前記出口端部が、前記燃料導管の前記第二部分の前記出口端部から０．２ｃｍ〜３ｃｍ突き出ている、請求項２又は３に記載のバーナー。
【請求項６】
随意の第二の冷却流体ジャケット；及び
次を具備する、前記第一の冷却流体ジャケット及び前記第二の冷却流体ジャケットの少なくとも１つと一定の間隔をあけ、かつそれらの少なくとも１つ内で略同軸に配置されている、第二の酸化剤導管：
入口、
前記第二の酸化剤導管の前記入口の下流にある第一部分、
前記曲げ角度αの１５°以内の曲げ角度βを有する、前記第二の酸化剤導管の前記第一部分の下流にある曲げ部、及び
前記第一の酸化剤導管の前記第二部分と、一定の間隔をあけて配置されている、前記第二の酸化剤導管の前記曲げ部の下流にある第二部分であって、ノズルで末端となり、かつ流れ軸を有する第二部分；
をさらに具備し、ここで１．４≦Ｌ／Ｄ≦７である、請求項１に記載のバーナー。
【請求項７】
前記曲げ角度βが、前記曲げ角度αの２°以内であり、前記第二の酸化剤導管の前記第二部分の前記流れ軸は、前記第一の酸化剤導管の前記第二部分の前記流れ軸と、実質的に平行である、請求項６に記載のバーナー。
【請求項８】
前記ノズルが、入口及び出口を有し、前記第一の酸化剤導管の前記第二部分の前記出口端部は、前記第二の酸化剤導管の前記第二部分の前記ノズルの前記出口から、０．２ｃｍ〜３ｃｍ突き出ている、請求項６に記載のバーナー。
【請求項９】
前記第二の酸化剤導管の前記第二部分の前記ノズルが、入口及び出口を有し、前記入口は、断面積Ａｎｉの円形断面を有し、前記出口は、断面積Ａｎｏの非円形断面を有し、ここで前記ノズルの前記出口は、１．５〜５の幅対高さ比を有する、請求項６に記載のバーナー。
【請求項１０】
１．２５≦Ａｎｉ／Ａｎｏ≦５である、請求項９に記載のバーナー。
【請求項１１】
前記ノズルが、収束する高さ及び発散する幅を有する、請求項９に記載のバーナー。
【請求項１２】
前記ノズルが、前記円形断面と前記非円形断面との間を移行する凸面表面を有する、請求項９に記載のバーナー。
【請求項１３】
前記第一の酸化剤導管の前記第二部分が、前記酸化剤流路の前記移行部分に凸面の内部表面を有する、請求項１に記載のバーナー。
【請求項１４】
前記燃料導管の前記第二部分が、前記酸化剤流路の前記移行部分に凹面の外部表面を有する、請求項１に記載のバーナー。
【請求項１５】
６０°＜α＜１１０°、かつ６０°＜β＜１１０°である、請求項６に記載のバーナー。
【請求項１６】
前記第一の酸化剤導管の前記第二部分が、円形断面を有する、請求項１に記載のバーナー。
【請求項１７】
前記燃料導管の前記第二部分が、円形断面を有する、請求項１に記載のバーナー。
【請求項１８】
前記第一の酸化剤導管の前記第二部分の前記流れ軸が、真直ぐであり、かつ前記燃料導管の前記第二部分の前記流れ軸と実質的に平行又は実質的に一致している、請求項１に記載のバーナー。
【請求項１９】
次を具備する炉：
蓄熱器；
炉燃焼室；
ポートを画定し、かつ前記炉の壁にポート孔を画定している、前記蓄熱器を前記炉燃焼室に繋げる蓄熱器ポートネック；及び
前記蓄熱器ポートネックを通って前記ポートに入り、かつ燃料及び酸化剤を前記炉燃焼室に向けるように配置されている、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のバーナー。
【請求項２０】
さらに次を具備する請求項１９に記載の炉：
前記炉燃焼室の下に配置されている溶融タンク容器であって、ガラス形成材料を前記溶融タンク容器に導入するための投入端部、及び前記溶融タンク容器からガラス生成物を取り出すための排出端部を有する、溶融タンク容器；及び
前記炉の前記壁又は他の１つの壁にある、前記炉燃焼室から燃焼生成物を取り出すための排出ポート。
【請求項２１】
次を具備する炉：
蓄熱器；
炉燃焼室；
ポートを画定し、かつ前記炉の壁にポート孔を画定している、前記蓄熱器を前記炉燃焼室に繋げる蓄熱器ポートネック；及び
前記第一の冷却ジャケット、前記第一の酸化剤導管、及び前記燃料導管が、前記蓄熱器ポートネックを貫きそして前記ポートに入り、前記第一の酸化剤導管は、前記炉に酸化剤を向けるように配置されており、前記燃料導管は、前記炉に燃料を向けるように配置されており、かつ前記第二の酸化剤導管は、前記ポート孔の下の位置で前記炉の壁を貫通しており、かつ前記炉に前記酸化剤を向けるように配置されている、請求項５に記載のバーナー。
【請求項２２】
さらに次を具備する請求項２１に記載の炉：
前記炉燃焼室の下に配置されている溶融タンク容器であって、ガラス形成材料を前記溶融タンク容器に導入するための投入端部、及び前記溶融タンクからガラス生成物を取り出すための排出端部を有する、溶融タンク容器；及び
前記炉の前記壁又は他の１つの壁にある、前記炉燃焼室から燃焼生成物を取り出すための排出ポート。
【請求項２３】
ポートを画定し、かつ炉の壁にポート孔を画定している蓄熱器ポートネックであって、蓄熱器を炉燃焼室に繋げる蓄熱器ポートネックを有する前記炉の加熱方法であって、次の工程を含む方法：
前記ポートへの空気の流れを遮る工程；
前記ポートに付随する空気−燃料バーナーへの燃料の流れを止める工程；
バーナーが前記蓄熱器ポートネックを貫きそして前記ポートに入るように、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のバーナーを取り付ける工程；
冷媒を、前記第一の冷却流体ジャケットに通し、かつ存在するならば前記第二の冷却流体ジャケットに通す工程；
第一の酸化剤ガスを、前記第一の酸化剤導管を通して前記炉燃焼室に導入する工程；
前記燃料又は他の燃料を、前記燃料導管を通して前記炉燃焼室に導入する工程；
前記燃料又は前記他の燃料を、前記第一の酸化剤ガスで燃焼させて、燃焼生成物を形成する工程；及び
前記燃焼生成物を、前記炉燃焼室から排出部を通じて抜き出す工程。
【請求項２４】
さらに次の工程を含む、請求項２３に記載の方法：
前記バーナーを通る前記燃料又は前記他の燃料の燃焼に化学両論的に必要な空気の５％超から２５％以下の量で、空気を前記ポートに流し続ける工程。
【請求項２５】
前記第一の酸化剤ガスが、２８体積％〜１００体積％の酸素を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記バーナーが、請求項５〜１２及び１８のいずれか一項に記載されているバーナーである請求項２４に記載の方法であって、次の工程を含む方法：
前記第一の酸化剤ガス又は第二の酸化剤ガスを、前記第二の酸化剤導管から前記炉燃焼室に導入する工程。
【請求項２７】
前記第二の酸化剤ガスが、２８体積％〜１００体積％の酸素を含む、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温炉、例えばガラス溶解炉で用いるための酸素−燃料バーナーに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気−燃料燃焼式の蓄熱式ガラス溶解炉（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ  ｇｌａｓｓ  ｆｕｒｎａｃｅ）が周知である。蓄熱式ガラス溶解炉は、ガラス溶融のための燃焼火炎を発生させる複数の空気−燃料の蓄熱器ポート（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｐｏｒｔ）を有する。ガラス溶解炉の基本的設計の特徴は、様々な文献、例えば非特許文献１及び２に記載されている。これらは、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
１以上の蓄熱器ポートの、酸素−燃料燃焼への転換が、炉をハイブリッド炉へと改良するのに望ましいであろう。ハイブリッド炉は、例えば、特許文献１に記載されており、これは参照により本明細書に組み込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，５１９，９７３号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“Ｇｌａｓｓ  Ｆｕｒｎａｃｅｓ，  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，”  ｂｙ  Ｗｏｌｆｇａｎｇ  Ｔｒｉｅｒ，  ｔｒａｎｓｌａｔｅｄ  ｂｙ  Ｋ．  Ｌ．  Ｌｏｅｗｅｎｓｔｅｉｎ，  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｇｌａｓｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｓｈｅｆｆｉｅｌｄ，  ＵＫ，  ２０００
【非特許文献２】“Ｔｈｅ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｇｌａｓｓ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，“  ３ｒｄ  Ｅｄ．  Ｖｏｌｓ．  １  ＆  ２，  ｂｙ  Ｆａｙ  Ｔｏｏｌｅｙ  （ｅｄ．），  Ａｓｈｌｅｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｃｏ．  （Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ），  １９８４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
空気−燃料燃焼を終わらせて、そしてエネルギー投入を酸素−燃料燃焼に置き換えることが求められている。炉は、初めに空気−燃料の炉として設計されているため、酸素−燃料バーナーを設置するのに適切な場所を見つけるのが難しい。酸素−燃料バーナーが設置されている１つの場所は、蓄熱器ポートのポートネックである。
【０００７】
そのポートの後ろを、遮蔽し又は別の場合は遮って、蓄熱器からポートへの高温空気流れを制限する又は妨げることができる。酸素−燃料バーナーの設置のために、孔を、ポートネックの上部、下部又は側面に作ることができる。そうして、酸素−燃料バーナーを、この孔から通してポートネックに挿入する。酸素−燃料バーナーは、炉の燃焼空間に燃料及び酸素を放出するように設計する必要がある。これは、バーナーが、燃料及び酸化剤の流れの向きを変えるエルボー又は曲げ部を有することを必要とする。ポートネックを通してバーナーを設置する場合の問題点は、ポートネックの構造的完全性を維持するために、バーナーを設置するための孔の大きさが小さくなることである。
【０００８】
バーナーを蓄熱器のポートネックの上部又は下部に孔から設置する場合に、バーナーは、孔を通じて燃料及び酸素を運ぶための略垂直部分、及びガラス溶解炉の燃焼空間に燃料及び酸素を放出するための略水平部、並びに略垂直部分と略水平部分との間にエルボー部分を有するであろう。バーナーを蓄熱器のポートネックの側壁に取り付ける場合、バーナーは、２つの略水平部分、及びその２つの略水平部分の間にエルボー部分を有することができる。
【０００９】
酸素−燃料バーナーを蓄熱器のポートネックに設置する場合の問題点は、酸素−燃料バーナーが、放出ノズルをエルボー部分の近くに有する必要があることであり、これは放出ノズルの近くの位置で、流れの方向に突然の又は大きな変化を必要とする。ポート内の放出ノズルで末端となる長い水平部分は、蓄熱器ポートでの空間の制限に起因して、問題がある。さらに、放出ノズルで末端となる長い水平部分は、ポートの壁に大きな孔の切込みを必要とし、これはポート周辺の構造用鉄鋼に影響を与える場合がある。放出ノズルの近くの位置での流れ方向への突然の又は大きな変化は、大きな圧力損失、及びノズルを出る流れの乱流を引き起こす。乱流は、急速な混合を引き起こし、結果としてノズル近くの燃焼が短い火炎となる。ノズルに近い燃焼は、ノズルの過熱、及びバーナーをスルーポートバーナーとして用いる場合にはポートネックでの耐火部の過熱のために、望ましくない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決しながら、蓄熱器ポートを用いる空気−燃料燃焼を、酸素−燃料燃焼に転換するのに適切なバーナーに関する。さらに、本発明は、そのバーナーを用いた炉、及びそのバーナーを用いて炉を加熱する方法に関する。この方法を、蓄熱器の修理の間に用いて、炉の寿命を延ばし、かつ／又は既存の炉の生産効率を向上させることができる。
【００１１】
このバーナーは、等価外径Ｄを有する第一の冷却流体ジャケット、その第一の冷却流体ジャケットと一定の間隔をあけ、かつその第一の冷却流体ジャケット内で略同軸に配置されている第一の酸化剤導管、及び燃料導管を具備する。
【００１２】
第一の酸化剤導管は、入口、第一の酸化剤導管の入口の下流にある第一部分、第一の酸化剤導管の第一部分の下流にある曲げ部、及び第一の酸化剤導管の曲げ部の下流にある第二部分を有する。
【００１３】
曲げ部は、４５°〜１２０°の曲げ角度αを有する。曲げ角度αは、６０°〜１１０°とすることができる。
【００１４】
第一の酸化剤導管の第二部分は、入口端部で末端となり、かつ流れの軸及び長さＬを有する。その第二部分は、円形の断面を有することができる。
【００１５】
燃料導管は、入口、その入口の下流にある第一部分、曲げ部及び第二部分を有する。燃料導管の第一部分は、第一の酸化剤導管の第一部分と一定の間隔をあけ、かつ第一の酸化剤導管の第一部分内で略同軸に配置されている。燃料導管の曲げ部は、酸化剤導管の曲げ部と一定の間隔をあけ、かつ酸化剤導管の曲げ部内で略同軸に配置されている。燃料導管の第二部分は、出口端部で末端となり、かつ流れの軸を有する。燃料導管の第二部分は、第一の酸化剤導管の第二部分と一定の間隔をあけ、かつ第一の酸化剤導管の第二部分内で略同軸に配置されている。燃料導管の第二部分は、円形断面を有することができる。
【００１６】
第一の酸化剤導管の第二部分の流れの軸は、真直ぐとすることができ、燃料導管の第二部分の流れの軸と、実質的に平行又は実質的に一致させることができる。
【００１７】
酸化剤流路を、燃料導管の第二部分と第一の酸化剤導管の第二部分との間に形成又は画定する。酸化剤流路は、入口部、入口部の下流にある移行部、移行部の下流にある出口部を有する。入口部は、断面積Ａｉを有する。出口部は、断面積Ａｏを有する。
【００１８】
Ｌ／Ｄは、０．８〜７の範囲となり、又は１．４〜７の範囲となり、かつＡｉ／Ａｏは、１．３〜５の範囲となる。
【００１９】
第一の酸化剤導管の第二部分は、酸化剤流路の移行部分に凸面の内部表面を有することができる。
【００２０】
燃料導管の第二部分は、燃料流路を画定し、この燃料流路は、入口部、入口部の下流にある移行部、移行部の下流にある出口部を有する。燃料導管の第二部分の入口部は、断面積Ａｆｉを有し、そして燃料導管の第二部分の出口部は、断面積Ａｆｏを有し、ここでＡｆｉ／Ａｆｏは、１．０〜５又は１．３７〜５とすることができる。
【００２１】
燃料導管の第二部分は、酸化剤流路の移行部分に凹面の外部表面を有することができる。
【００２２】
燃料導管の第二部分は、燃料流路の移行部分に凹面の内部表面及び凸面の内部表面を有することができ、燃料導管のその凸面の内部表面は、燃料導管の凹面の内部表面の下流となる。
【００２３】
第一の酸化剤導管の第二部分の出口端部は、燃料導管の第二部分の出口端部から、０．２ｃｍ〜３ｃｍ突き出ることができる。
【００２４】
バーナーは、第一の酸化剤導管の第二部分と一定の間隔を有する第二の酸化剤導管をさらに具備することができる。
【００２５】
第二の酸化剤導管を、第一の冷却流体ジャケットと一定の間隔をあけ、かつ第一の冷却流体ジャケット内で略同軸に配置させることができる。バーナーは、第二の冷却流体ジャケットをさらに具備することができ、その第二の酸化剤導管は、第二の冷却流体ジャケットと一定の間隔をあけ、かつ第二の冷却流体ジャケット内で略同軸に配置することができる。第二の酸化剤導管は、入口、第二の酸化剤導管の入口の下流にある第一部分、第二の酸化剤導管の第一部分の下流にある曲げ部、及び第二の酸化剤導管の曲げ部の下流にある第二部分を有する。
【００２６】
第二の酸化剤導管の曲げ部は、曲げ角度αの１５°以内である曲げ角度β、及び第二の酸化剤導管の曲げ部の下流にある第二部分を有する。その第二の酸化剤導管の第二部分は、ノズルで末端となり、流れの軸を有し、かつ第一の酸化剤導管の第二部分と一定の間隔を有する。
【００２７】
曲げ角度βは、曲げ角度αの２°以内とすることができ、第二の酸化剤導管の第二部分の流れの軸は、第一の酸化剤導管の第二部分の流れの軸に実質的に平行とすることができる。
【００２８】
第二の酸化剤導管のノズルは、入口と出口を有する。第一の酸化剤導管の第二部分の出口端部は、第二の酸化剤導管の第二部分のノズルの出口から、０．２ｃｍ〜３ｃｍ突き出ることができる。入口は、円形断面を有することができ、かつ断面積Ａｎｉを有することができ、出口は、非円形断面を有することができ、かつ断面積Ａｎｏを有することができ、ここでノズルの出口は、１．５〜５の幅対高さ比を有する。Ａｎｉ／Ａｎｏは、１．２５〜５の範囲とすることができる。
【００２９】
第二の酸化剤導管のノズルは、収束する高さ及び発散する幅を有することができる。
【００３０】
第二の酸化剤導管のノズルは、円形断面と非円形断面との間に移行する凸面の表面を有することができる。
【００３１】
炉は、蓄熱器、炉燃焼室、及び蓄熱器と炉燃焼室とを連結している蓄熱器ポートネックを具備する。蓄熱器ポートネックは、ポート及び炉の壁にポート孔を画定する。さらに、炉は、上記の構造を有するバーナーを具備する。バーナーは、蓄熱器ポートネックからポートへと貫き、バーナーは、燃料及び酸化剤ガスをポート孔から炉へと向けるように配置される。
【００３２】
炉は、炉燃焼室の下に位置しかつ隣接している溶融タンク容器、ガラス成形材料を溶融タンク容器に導入するための投入端部、溶融タンク容器からガラス生成品を取り出すための排出端部をさらに具備する。炉は、炉燃焼室から燃焼生成品を取り出すための排出ポートを炉の壁にさらに具備する。
【００３３】
一実施態様において、第二の酸化剤導管は、ポート孔の下の位置で炉の壁を貫き、炉に酸化剤を向けるように配置される。
【００３４】
炉を加熱する方法は、ポートへの空気の流れを遮ること、ポートと関連する空気−燃料バーナーへの燃料の流れを止めること、上記のバーナーを、蓄熱器ポートネックからポートへと貫くように設置すること、第一の冷却流体ジャケット及び存在するなら第二の冷却流体ジャケットへと冷媒を通すこと、第一の酸化剤ガスを、第一の酸化剤導管から炉へと導入し、かつ燃料及び他の１つの燃料を、燃料導管から炉へと導入すること、その燃料又は他の燃料を第一の酸化剤ガスと共に燃焼して、燃焼生成品を形成すること、及び炉燃焼室から排出部を通じて燃焼生成品を取り出すことを含む。
【００３５】
この方法は、バーナーを通る燃料の燃焼に化学量論的に必要な空気の５％超から２５％以下の量で、ポートを通る空気流れを継続することを含むことができる。この方法は、第一の酸化剤ガス又は第二の酸化剤ガスを、第二の酸化剤導管から炉に導入して燃料又は他の燃料を燃焼することをさらに含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】随意のインポート酸化剤分岐ランスを有するスルーポートバーナーを示す。
【図２】アンダーポート酸化剤分岐ランスを有する、炉の蓄熱器ポートネックに設置されたスルーポートバーナーを示す。
【図３】第一の酸化剤導管及び燃料導管の放出端部の拡大表示を示す。
【図４】アンダーポート酸化剤分岐ランスの放出端部の拡大表示を示す。
【図５】試験炉でのバーナーからの距離の関数としての規格化された熱流束のプロットである。
【図６】無次元のノズル長さの関数としてのピーク火炎温度を示す、モデルの結果のプロットである。
【図７】バーナーのノズル出口からの距離の関数としての火炎温度を示す、モデルの結果のプロットである。
【図８ａ】モデルの結果からの速度の大きさのコンタープロットである。
【図８ｂ】モデルの結果からの速度の大きさのコンタープロットである。
【図９】ノズルの無次元長の関数として火炎長さを示すモデル化の結果のプロットである。
【図１０】酸素流路の面積比の関数として温度を示す、モデル化の結果のプロットである。
【図１１】酸素流路の面積比の関数として温度を示す、モデル化の結果のプロットである。
【図１２】バーナーのノズル出口からの距離の関数として火炎温度を示す、モデル化の結果のプロットである。
【図１３】第二の酸化剤流路の面積比の関数として第二の酸化剤速度の偏差を示す、モデル化の結果のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本明細書の原文中、冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、明細書及び請求の範囲の本発明の実施態様のあらゆる特徴に適用する場合、１以上を意味する。「ａ」及び「ａｎ」の使用は、そのような限定を特に述べない限り、単一の特徴に限定しない。単一又は複数の名詞又は名詞句に先立つ冠詞「ｔｈｅ」は、１つの又は複数の特定の規定の特徴を示し、かつそれが用いられる文脈に応じて単一の又は複数の意味を有する場合がある。形容詞「あらゆる」は、すべての量でも無差別に、１つの、複数の、又はすべての、を意味する。
【００３８】
語句「少なくとも一部」は、一部又は全てを意味する。
【００３９】
単純さ及び明確さの目的のために、周知の装置、回路及び方法の詳細な説明は、省略し、本発明を不必要に詳細に記載して曖昧にしないようにする。
【００４０】
本発明は、バーナーに関する。より詳しくは、本発明は、空気−燃料蓄熱器ポートを有するガラス溶解炉での空気−燃料燃焼を、酸素−燃料燃焼に置き換えるのに用いる酸素−燃料バーナーに関する。このバーナーは、蓄熱器ポートを、空気−燃料燃焼から酸素−燃料燃焼に、少なくとも部分的に置き換えるのに特に適している。ガラス溶解炉の蓄熱器ポートの構造に起因して、このような置き換えに用いられるバーナーは、放出ノズル付近の位置で流れ方向に、突然の又は大きな変化を必要とする。
【００４１】
蓄熱器ポートは、関連する蓄熱器に修理する必要がある場合、空気−燃料燃焼から酸素−燃料燃焼に一時的に換えることができる。蓄熱器ポートは、酸素−燃料燃焼に換えて、より永続的に酸素−燃料の利益を得ることができる。ガラス溶解炉のバッチ端部に非常に近い複数のポートを、酸素−燃料燃焼に換えて、酸素−燃料火炎によるバッチ溶融によって改良することができる。
【００４２】
以下、図面を参照する。同様の参照番号は、複数の図面を通じて同様の要素を参照している。図１は、本発明の実施態様によるバーナー１を示し、図２は、蓄熱器ポートネック１０５、及び蓄熱器ポートネックに取り付けたバーナー１０１を具備する、炉１００の断面を示す。
【００４３】
バーナー１及び１０１は、第一の冷却流体ジャケットジャケット１０、第一の酸化剤導管２０及び燃料導管４０を具備する。第一の冷却流体ジャケット１０は、円形断面の場合は外径と等しくなり、非円形断面の場合はジャケットの外側断面積を外側周囲長で割ったものの４倍と等しい、等価外径Ｄを有する。第一の酸化剤導管２０は、第一の冷却流体ジャケット１０と一定の間隔をあけ、かつ第一の冷却流体ジャケット１０内で略同軸に配置されており、かつ燃料導管４０は、第一の酸化剤導管２０と一定の間隔をあけ、かつ第一の酸化剤導管２０内で略同軸に配置されている。略同軸とは、１つの導管の軸が、外側の導管の軸と共通しているか、又は最大で２ｃｍだけわずかにずれていることを意味する。
【００４４】
冷却流体ジャケットは、温度制御流体が循環できる中間の空間を包囲するカバーとしての、外側のカバー又はケースである。この冷却流体は、水とすることができる。冷却流体ジャケット、例えば水冷ジャケットは、バーナー及び燃焼の分野で周知である。冷却流体ジャケットの設計の詳細は、本発明について重要ではない。当業者は、適切な冷却流体ジャケットの設計を、本分野で周知のジャケットの設計から容易に選択し、かつ／又は変更することができる。
【００４５】
第一の冷却流体ジャケット１０には、バーナーを過熱から防ぐことが必要とされる。バーナーを、ガラス溶解炉の蓄熱器ポートに取り付ける場合、炉からの熱がバーナーの外側表面に放射するであろう。このバーナーを用いる場合、バーナーからの火炎がバーナーに放射して戻るであろう。水又は他の冷却流体を、第一の冷却流体ジャケット１０の入口１１に導入し、そして燃料及び酸化剤の排出端部の周りの領域を含む第一の酸化剤導管２０の周りに流す。その水又は他の冷却流体を、第一の冷却流体ジャケット１０の出口１３から抜き出す。
【００４６】
本明細書で用いる場合、導管は、流体を運ぶあらゆる手段、例えばパイプ、チューブ、ダクト等である。第一の冷却流体ジャケット１０、第一の酸化剤導管２０及び燃料導管４０は、金属から、好ましくはステンレス鋼から作製される。当業者は、バーナーの構築に関して適切な材料を容易に選択することができる。
【００４７】
酸化剤導管は、酸化剤ガスを運ぶことを意図した導管であり、酸化剤供給源に連結している。酸化剤ガスは、２１体積％超の酸素を含むあらゆるガスである。８０体積％〜１００体積％の酸素濃度を有する工業グレードの酸素は、酸化剤ガスである。通常６０体積％〜８０体積％の酸素濃度を有する窒素工場からのガス状放出流れも同様である。酸化剤を、２２体積％〜２８体積％の間、又は２８体積％〜６０体積％の間の酸素濃度を有する、空気と工業用酸素又は放出流れの酸素との配合物とすることもできる。酸化剤導管を、工業グレードの酸素と適合する材料を用いて、工業グレードの酸素を運ぶように設計することができる。
【００４８】
燃料導管は、燃料を運ぶことを意図した導管である。燃料導管は、燃料供給源に連結している。燃料は、ガス状燃料、例えば天然ガス、プロパン若しくは他のガス状炭化水素、水素、一酸化炭素又はこれらの混合物とすることができる。あるいは、燃料は、液体、例えば第一蒸留油、第二蒸留燃料油、ディーゼル燃料、バイオディーゼル燃料及びその副生成物（例えばグリセロール）、ケロシン、第四燃料油、第五残留油、第六残留燃料油、Ｃ重油（Ｂｕｎｋｅｒ−Ｃ  ｔｙｐｅ  ｆｕｅｌ  ｏｉｌ）及び当業者に公知の他の燃料とすることができる。液体燃料を、当業者に公知の複数の手段の1つで噴霧化することができる。
【００４９】
第一の酸化剤導管２０は、酸化剤ガスを受け入れるための入口２１、入口２１の下流にある第一部分２３、第一部分２３の下流にある曲げ部２５及び曲げ部２５の下流にある第二部分２７を有する。酸化剤ガスを、工業グレードの酸素とすることができる。
【００５０】
上流及び下流は、流体の意図する流れ、例えば燃料又は酸化剤の意図する流れに対して定義される。上流端部は、流体を装置に導入する入口に最も近い端部に対応する。下流端部は、流体が装置から出る出口又はノズル端部に対応する。
【００５１】
入口２１は、酸化剤ガス供給源をバーナーに繋げる、クイックコネクトフィッティング（ｑｕｉｃｋ  ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ  ｆｉｔｔｉｎｇ）又は他の適切な治具を含めることができる。
【００５２】
第一部分２３は、円形断面を有することができる。第一部分２３は、第一の酸化剤導管の第一部分及び燃料導管の第一部分との間で同心性を確保するためのスペーサーを有することもできる。
【００５３】
曲げ部２５は、４５°〜１２０°の曲げ角度αを有する。曲げ角度αは、６０°〜１１０°とすることができる。曲げ角度は、夾角（ｉｎｃｌｕｄｅｄ  ａｎｇｌｅ）の補角として定義される。１８０°未満である夾角は、導管の第一部分の直線部と、導管の第二部分の直線部の間で決まる角度である。第一の酸化剤導管に関する夾角は、第一の酸化剤導管の第一部分の直線部と、第一の酸化剤導管の第二部分の直線部との間で決まる。図１及び図２で示すように、曲げ角度αは、第一の酸化剤導管に関する夾角に対する補角である。０°の曲げ角度は、曲げのないこと、すなわち直線に対応する。１８０°の曲げ角度は、Ｕ字型の曲げに対応する。
【００５４】
曲げ部２５での曲げは、図２に示すように、半径を有してなだらかとすることができ、又は図１に示すように、曲げは鋭角を有することができる。
【００５５】
第一の酸化剤導管２０の第二部分２７は、出口端部２９で末端となり、流れ軸２２及び長さＬを有する。第二部分２７は、円形断面を有することができる。
【００５６】
流れ軸は、導管の断面の構造的中心を通る、流れ方向にある直線に対応し、この断面は、その直線に垂直な平面にある。流れ軸は、曲線を含むことができる。このバーナーに関して、流れ軸の少なくとも一部は、直線部である。
【００５７】
この開示の目的に関して、第一の酸化剤導管の第二部分の長さＬは、図１及び図２に示すように、曲げ部と出口端部との間の流れ軸の直線部に対応する。
【００５８】
燃料導管４０は、燃料を受け入れるための入口４１、入口４１の下流にある第一部分４３、曲げ部４５及び第二部分４７を有する。
【００５９】
入口４１は、燃料供給源をバーナーに繋げる、クイックコネクトフィッティング又は他の適切な治具を含めることができる。
【００６０】
図１及び図２に示すように、燃料導管４０の第一部分４３は、第一の酸化剤導管２０の第一部分２３と一定の間隔をあけ、かつ第一の酸化剤導管２０の第一部分２３内で略同軸に配置されている。曲げ部４５は、曲げ部２５と一定の間隔をあけ、かつ曲げ部２５内で略同軸に配置されている。
【００６１】
曲げ部４５での曲げは、図２に示すように、半径を有してなだらかとすることができ、又は図１に示すように、鋭角を有することができる。曲げ部４５は、曲げ部２５と両立するであろう。
【００６２】
第二部分４７は、出口端部４９で末端となり、かつ流れ軸４２を有する。第二部分４７は、第一の酸化剤導管２０の第二部分２７内と一定の間隔をあけ、かつ第一の酸化剤導管２０の第二部分２７内で略同軸に配置されている。第二部分４７は、円形断面を有することができる。
【００６３】
燃料導管の第二部分４７は、第一の酸化剤導管２０の第二部分２７と同軸性を有し、そうして流れ軸４２及び流れ軸２２は、ともに直線となり、かつ実質的に平行となり又は実質的に一致することができる。図１では、流れ軸４２及び流れ軸２２は一致している。
【００６４】
用語「平行」とは、どこの場所でも等距離であり、かつ交差しないで、同じ方向に伸張していることを意味する。流れ軸２２及び流れ軸４２に関して、実質的に平行とは、最大の間隔の距離の逸脱が２ｃｍとなって離れて間隔があることを意味する。
【００６５】
用語「一致」とは、同じ空間又は位置を占めていることを意味する。流れ軸２２及び流れ軸４２に関して、実質的に一致とは、２ｃｍ以内での一致を意味する。
【００６６】
酸化剤流路５０は、燃料導管４０の第二部分４７と、第一の酸化剤導管２０の第二部分２７との間で形成又は画定される。酸化剤流路５０は、入口部分５１、入口部分５１の下流にある移行部分５３、移行部分５３の下流にある出口部分５５を有する。入口部分５１は、断面積Ａｉを有する。出口部５５は、断面積Ａｏを有する。断面積Ａｏを設計して、設計の酸化剤ガス流速で約３０ｍ／秒〜約１５０ｍ／秒の酸化剤ガス速度を与える。
【００６７】
放出ノズルに近い位置での第一の酸化剤の流れ方向における突然の又は大きな変化は、長さＬと、第一の冷却流体ジャケットの等価外径Ｄとの間の関係性によって記載することができる。比Ｌ／Ｄを最大化して、放出ノズルでの第一の酸化剤の速度プロファイルにおける不均一性を最小化させるのが望ましい。速度の不均一性は、放出ノズル付近での強い燃焼の主な原因となり、これは過度に高い火炎温度、そしてそれゆえバーナーの損傷又は故障をもたらす場合があるからである。しかし、ガラス溶解炉の蓄熱器ポートで使用可能な限られた空間に、バーナー組立てを取り付けるのには、長さは短い必要がある。使用可能な空間に基づく最大の許容Ｌ／Ｄは、７．０と推算される。
【００６８】
短いＬ／Ｄで許容可能な流れ分布を得る１つの解法は、第一の酸化剤流路の第二部分に静的混合機器を設置することである。静的混合機器は、流れ場に設置した固定の障害物であり、通常静圧の消失を通じて乱流混合及び拡散を局所的に強めることによって、流れの再分配を促進する。静的混合機器の一般的な例は、穿孔プレートであり、すなわち流れの断面を横切るプレートであって、プレートにわたって分布している複数の小さい孔を有し、流れはその孔を通る必要があるプレートである。
【００６９】
あいにく、静圧の消失と乱流混合／拡散との両方が、この場合には流れ特性に好ましくない。第一に、酸化剤流れの乱流の増加は、酸化剤と燃料との比較的急速な混合をもたらし、これはバーナーノズル付近の過度に高い火炎温度の問題の悪化をもたらす。第二に、静圧の消失は、酸化剤に関して比較的高い供給圧力の必要性をもたらす。いくつかの場合には、比較的高い供給圧力の必要性を満たすことができず、他の場合には、１以上のガスコンプレッサーを設置し、そしてそれを使用する必要性のために、その設置に顕著な資本的コスト及び運転コストを追加する。第一の酸化剤導管と一定の間隔で第二の酸化剤導管を具備するこのバーナーの実施態様に関して、０．８≦Ｌ／Ｄ≦７である。第二の酸化剤導管を具備しないバーナーの実施態様に関して、１．４≦Ｌ／Ｄ≦７である。
【００７０】
静的混合機器の上記の好ましくない特性のない状態で、酸化剤の流れを均等に分配し、かつ真直ぐにし、そして炉内で酸化剤と燃料との早期の混合を妨げる傾向を有するこのバーナーの特徴は、入口部５１から出口部５５への酸化剤流路５０の断面積の低下である。この第一の酸化剤流路の断面積の低下は、移行部５３を通じてなされる。第一の酸化剤流れの分布の改良のため、入口断面積の出口断面積に対する比率を最大化させることが望ましい。しかし、出口での所定の第一の酸化剤の速度に関して、Ａｉ／Ａｏ比率の拡大は、入口断面積の大きさの拡大を必要とする。蓄熱器ポートにおける使用可能な空間の制限による、この比率の高い値についての実用上の制限は、Ａｉ／Ａｏ＝５である。このバーナーに関して、１．３≦Ａｉ／Ａｏ≦５である。
【００７１】
図１、図２及び拡大された図３に示すように、酸化剤導管２０の第二部分２７は、酸化剤流路５０の移行部５３において、凸面の内部表面を有することができる。
【００７２】
図１、図２及び拡大された図３に示すように、燃料導管４０の第二部分４７は、酸化剤流路５０の移行部５３において凹面の外側表面を有することができる。これらの凸面及び凹面の屈曲は、酸化剤の流れを真直ぐにするのを促進して、それによって出口端部２９に近づくほど、第一の酸化剤流れの軸２２と直線上に合わせながら、同時に乱流渦の生成及び拡散を減少させる。
【００７３】
燃料導管４０の第二部分４７は、燃料流路６０を形成又は画定する。燃料流路６０は、入口部６１、入口部６１の下流にある移行部６３及び移行部６３の下流にある出口部６５を有する。燃料導管の第二部分の入口部は、断面積Ａｆｉを有し、かつ燃料導管の第二部分の出口部は、断面積Ａｆｏを有する。
【００７４】
第一の酸化剤導管の第二部分と同様に、燃料の流れを真直ぐにし、そして炉内で酸化剤と燃料との乱流混合を強めるのを防止する傾向にある、このバーナーの特徴は、入口部６１から出口部６５への燃料流路６０の断面積の低下である。燃料流れの分布の改良のために、入口断面積の出口断面積に対する比率を最大化させることが望ましい。しかし、出口での所定の燃料速度に関して、比率Ａｆｉ／Ａｆｏの拡大は、入口断面積の大きさの拡大を必要とする。蓄熱器ポートにおける使用可能な空間の制限による、この比率の高い値についての実用上の制限は、Ａｆｉ／Ａｆｏ＝５である。このバーナーに関して、１．０≦Ａｉ／Ａｏ≦５、又は１．３７≦Ａｉ／Ａｏ≦５である。予想の燃焼率（すなわち、燃料流速）に基づいて、断面積Ａｆｏを設計して、約２５ｍ／秒〜約１５０ｍ／秒の燃料速度を与える。
【００７５】
図１及び図２に示すように、燃料導管４０の第二部分４７は、燃料流路６０の移行部に凹面の内部表面及び凸面の内部表面を有し、ここで、その凸面の内部表面は、燃料導管６０の凹面の内部表面の下流にある。この構造は、燃料流れにおける乱流渦の生成及び拡散を最小化させながら、燃料流路の内部表面で流れを流れ軸４２に再調整するのを促進する。第一の酸化剤及び燃料の流れを、それぞれの軸に沿うように調整し、かつ同時に乱流渦の生成及び拡散を最小化させることによって、これらの特徴は、燃料及び酸化剤が炉に放出するにしたがい、燃料及び酸化剤の混合の速度を低下させるように機能する。上述のように、これは、短い酸素／燃料火炎に起因する高温の損傷からバーナーの金属部品を防護するのに重要である。
【００７６】
図１及び図２に示すように、酸化剤導管２０の第二部分２７の出口端部２９は、燃料導管４０の第二部分４７の出口端部４９から突き出る。出口端部２９は、出口端部４９より、０．２ｃｍ〜３ｃｍ突き出ることができる。突き出るとは、周囲表面又は前後関係から外側に張り出す又は伸びることを意味する。
【００７７】
燃料導管４０の出口端部４９は、酸化剤導管２０の出口端部２９から奥まった場所にあって、バーナーの火炎からの放射及びガラス溶解炉の高温の環境から、出口端部４９を防護する。酸化剤導管の出口端部２９を含む酸化剤導管２０は、第一の冷却流体ジャケット１０を循環して流れる冷却流体によって冷却される。
【００７８】
他方で、燃料導管４０は、酸化剤流路を通る酸化剤の流れによって冷却される。出口端部４９を埋め込むことによって、出口端部４９は、比較的低い熱放射にさらされることになり、そして過熱を避けられる場合がある。出口端部４９が埋め込まれすぎている場合、燃料及び酸化剤が、バーナー内部で反応し、酸化剤導管の過熱によってバーナーに損傷をもたらすことがある。熱放射から出口端部４９を保護することと、燃料及び酸化剤の混合との間での適切なバランスは、出口端部４９から０．２ｃｍ〜３ｃｍ突き出る出口端部２９によって与えられる。
【００７９】
バーナーは、酸化剤分岐を含むこともできる。この開示の文脈において酸化剤の分岐は、第一の酸化剤流れから燃焼酸素の一部を引き出し、それによってそれを燃料の燃焼の後の段階に運ぶことができることを意味する。図１に示すように、分岐ランスは、蓄熱器ポートに設置されたバーナーの一部とすることができ、インポートランスと呼ばれ、かつ／又は図２に示すように、分岐ランスは、蓄熱器ポートの下に位置する別個の部品とすることができ、アンダーポートランスと呼ばれる。酸化剤の分岐は、炉内の火炎を調整する手段を与えることがわかっている。
【００８０】
酸素を分岐させることは、酸素／燃料火炎のピーク温度を低下させる機能を有する。ピーク温度を低下させることは、高温に起因するバーナーの損傷のリスクを低下させ、また燃料と酸化剤との混合速度を低下させる。燃料及び酸化剤の混合速度の低下は、燃焼プロセスを遅くさせ、それによって比較的長い火炎をもたらし、これはより望ましい。さらに、分岐は火炎中に燃料の多い領域又は酸素の少ない領域を生み出す。燃料の多い領域は、炭素の多い固体粒子（スス）の形成を促進し、これは火炎からガラス溶融物への放射伝熱を強め、かつＮＯｘの比較的低い放出ももたらす。しかし、安全にかつ効果的に使用することができる分岐の度合いには実用上の制限がある。この制限は、分岐の酸素の量が増加するにつれて減少する、火炎の推進力によって通常決まる。火炎の推進力が低すぎる場合、火炎は、炉内で不安定となり、そして例えば、炉のクラウン（天井）に達して、このクラウンの耐火物に損傷を与えることがある。
【００８１】
分岐する酸素の配置及び方向は、バーナーからの火炎にも影響を与える。第一の酸化剤／燃料ノズルのすぐ下に導入される分岐の酸化剤は、ある種の望ましい特徴を有する。例えば、この位置に導入される分岐の酸化剤は、バーナーのノズルのすぐ下流で燃料と混合し、そしてそれゆえ炉のガスで実質的に希釈されない。その上、この位置での分岐は、主なバーナーの火炎の比較的低い部分の燃焼を強化するのに効果的である。これは、火炎からの放射エネルギーを、クラウンへ向けて上にするのではなく、ガラス溶融物へ向けて優先的に下にするようにする。ポートを過熱する懸念がある場合、インポート分岐ノズルを、ポートの床へ向けて下にすることができ、その表面に対流冷却を与える。あるいは、バーナーノズルとランスとの両方をポート内に収容するのに使用可能な余地が不十分な場合、分岐の酸素ノズルを、どこにでも、例えばポートの下で、かつガラス溶融物表面の上に設置することも可能である。
【００８２】
蓄熱器ポートの下（ｕｎｄｅｒ）と、蓄熱器ポートで（ｉｎ）との両方に酸化剤分岐を含めることは、作業員に柔軟性を与えて、ガラス溶融物の加熱、蓄熱器ポートの耐火物の過熱、及び汚染物質、例えばＮＯｘの放出に影響を与える。実験を単一ポートの試験炉で行った。実験結果は、熱伝達、ポート温度及び炉の天井温度への、酸化剤分岐の量及び位置による実質的な影響を証明した。例えば図５は、分岐なし及び８０％のアンダーポート分岐の場合と比較して、８０％のインポート酸化剤分岐が、炉の床へのずっと高い熱流束を達成することを示している。これらのデータは代表的な傾向を与えるが、酸化剤分岐の最適な量及び位置が、特定の炉の構造及び運転条件に基づいて最も良く決まる。
【００８３】
図２に示すように、バーナーは、第一の酸化剤導管２０の第二部分２７と一定の間隔で配置されているアンダーポート酸化剤分岐ランス９０を含めることができる。アンダーポート酸化剤分岐ランスを用いて、それぞれ燃料導管４０及び第一の酸化剤導管２０からの燃料及び酸化剤の導入によって作られる火炎の下に、酸化剤流れを向ける。
【００８４】
アンダーポート酸化剤分岐ランス９０は、第一の酸化剤ガス又は第二の酸化剤ガスを受け入れるための入口９１を有する。第一の酸化剤ガス及び第二の酸化剤ガスは、同じ原料又は異なる原料からの工業グレードの酸素とすることができる。
【００８５】
入口９１は、酸化剤供給源をアンダーポート酸化剤分岐ランス９０に繋ぐためのクイックコネクトフィッティング又は他の適切な治具を含めることができる。
【００８６】
アンダーポート酸化剤分岐ランス９０は、冷却流体ジャケットを必要としない場合がある。アンダーポート酸化剤分岐ランスを通る酸化剤の流れは、アンダーポート酸化剤分岐ランスが冷たい状態を維持するのに十分な場合がある。アンダーポート酸化剤分岐ランス９０に導入される酸化剤ガスは、例えば工業グレードの酸素である、第一の酸化剤導管２０に導入される酸化剤ガスと通常同じとなるであろう。しかし、アンダーポート酸化剤分岐ランスに導入される酸化剤ガスは、第一の酸化剤導管２０に導入される酸化剤ガスと異なる場合がある。
【００８７】
バーナーは、図１に第一の酸化剤導管２０の第二部分２７と一定の間隔を有して配置される第二の酸化剤導管８０として示すような、インポート酸化剤分岐ランスを有することができる。第二の酸化剤導管８０を用いて、火炎の下に酸化剤の流れを向ける。
【００８８】
インポート酸化剤分岐ランスは、蓄熱器ポートにあるので、冷却が必要となるであろう。第二の酸化剤導管８０を、図１に示すような第一の冷却流体ジャケット１０又は随意の第二の冷却流体ジャケット７０と一定の間隔をあけ、かつ第一の冷却流体ジャケット１０又は随意の第二の冷却流体ジャケット７０内で略同軸に配置させることができる。
【００８９】
さらに、バーナーは、随意の第二の冷却流体ジャケット７０及びその第二の冷却流体ジャケット７０と一定の間隔を有し、かつ随意の第二の冷却流体ジャケット７０及びその第二の冷却流体ジャケット７０内で略同軸に配置される、第二の酸化剤導管８０を具備することができる。第二の冷却流体ジャケット７０は、酸化剤ランスのノズルを、火炎及び炉からの放射熱に起因する過熱から防ぐことを必要とする場合がある。水又は他の冷却流体を、随意の第二の冷却流体ジャケット７０の入口７１に導入し、そしてこれを酸化剤排出端部の周りの領域を含む、第二の酸化剤導管８０の周りに流す。水又は他の冷却流体は、随意の第二の冷却流体ジャケット７０の出口７３から抜き出す。
【００９０】
第二の酸化剤導管８０は、酸化剤ガス又は第二の酸化剤ガスを受け入れるための入口８１、入口８１の下流にある第一部分８３、第一部分８３の下流にある曲げ部８５及び曲げ部８５の下流にある第二部分８７を有する。第一の酸化剤ガス及び第二の酸化剤ガスは、同じ原料又は異なる原料からの工業グレードの酸素とすることができる。
【００９１】
入口８１は、酸化剤ガス供給源をバーナーに向けて酸化剤ランスに繋げる、クイックコネクトフィッティング又は他の適切な治具を有することができる。
【００９２】
第一部分８３は、円形断面を有することができ、かつ第一の酸化剤ノズルの第一部分の外側表面に、例えば溶接によって、物理的に取り付けることができる。
【００９３】
曲げ部８５は、曲げ角度βを有し、ここで曲げ角度βは、曲げ角度αの１５°以内である。曲げ角度βは、６０°〜１１０°とすることができる。第二の酸化剤導管８０の第二部分８７は、第一の酸化剤導管２０の第二部分２７に対して、上向きに又は下向きに傾くことができる。第二の酸化剤導管８０に関する夾角は、第二の酸化剤導管８０の第一部分８１の直線部分と、第二の酸化剤導管８０の第二部分８５の直線部分との間で決まる。曲げ角度βは、第二の酸化剤導管に関する夾角に対する補角である。
【００９４】
第二の酸化剤導管８０の第二部分８７は、ノズルで終端となり、流れ軸８２を有する。第二の酸化剤導管８０の第二部分８７は、第一の酸化剤導管２０の第二部分２７と一定の間隔を有する。随意の第二の冷却流体ジャケット７０及び第二の酸化剤導管８０を、バーナー組立の一部として、共に溶接し、またその他の方法で取り付けることができる。
【００９５】
曲げ角度βを、曲げ角度αの２°以内にすることができる。第二の酸化剤導管８０の第二部分８７の流れ軸８２を、第一の酸化剤導管２０の第二部分２７の流れ軸２２と実質的に平行とすることができる。流れ軸８２及び流れ軸２２に関して、実質的に平行とは、間隔を空けて離れ、かつ間隔の最大距離の１０％以内で等距離にあることをいう。
【００９６】
図１に示すように、第一の酸化剤導管２０の第二部分２７の出口端部２９は、ノズルの出口８９から突き出ることができる。出口端部２９は、出口８９から０．２ｃｍ〜３ｃｍ突き出ることができる。第二の酸化剤導管８０のノズルを、第一の酸化剤導管２０の第二部分２７の出口端部２９に対して奥まった場所において、第一の冷却ジャケット及び／又は第一の酸化剤導管２０の第二部分２７に、火炎及び／又は炉からの放射からノズルを保護させることができる。
【００９７】
図１及び詳細には図４に示すように、第二の酸化剤導管８０の第二部分８７のノズルは、入口８８、移行部、及び出口８９を有する。入口８８は、断面積Ａｎｉの円形断面を有することができ、かつ出口８９は、断面積Ａｎｏの非円形断面を有する。ノズルの出口８９は、１．５〜５の幅対高さ（Ｗ対Ｈ）比を有することができる。この開示の目的に関して、出口８９の幅対高さ比を、ノズルの出口表面で測定する。幅は、高さと比較して、比較的大きい寸法である。
【００９８】
このノズルに関して、Ａｎｉ／Ａｎｏを、１．２５〜５とすることができる。この下限よりも大きい面積比は、ノズル出口での酸化剤流れの不均一性を、最小化するのに本質的である。ノズル出口での酸化剤流れの不均一性は、分離した流れ又は逆流をもたらすことがあり、これはノズルの腐食、閉塞（ｐｌｕｇｇａｇｅ）及び早期の故障のリスクを高める。この上限よりも低い面積比は、過度に高い第二の酸化剤速度又は許容できない程度に大きい第二の酸化剤導管のいずれかを避けるのに必要である。
【００９９】
ノズルは、収束する高さ及び発散する幅を有することができる。収束する幅は、断面積を縮小させ、これは流れの分離を防ぐために必要である。発散する幅は、新たに現れる第二の流れの全幅を拡げ、それによって第一の酸化剤及び燃料により作られる火炎より幅広くなる。これは、分岐する酸化剤の真下かつ火炎の下側での混合の均一性を向上させる。第二の酸化剤導管８０の第二部分８７は、凸面の内部表面を出口８９付近に有することができる。凸面の内部表面は、主な流れ軸８２と平行である向きに出口流れを迅速かつ円滑に移行させることを可能にする。幅寸法におけるこの発散の半角は、５°〜１５°とすることができる。
【０１００】
ノズルは通常、「収束性」（流れの方向に、広い寸法からより小さくなる寸法に狭くなる）又は「発散性」（流れの方向に、より小さな寸法からより大きな寸法に拡大する）として記載される。ラバルノズルは、収束部分の次に発散部分を有し、収束−発散ノズルと呼ばれることがある。
【０１０１】
収束性ノズルは、音速以下の流体を加速させる。ノズルの圧力比が十分に高い場合、その流れは、最狭小点（すなわち、ノズルのスロート）で音速に達するであろう。この場合に、ノズルは、「チョークされている」といわれる。
【０１０２】
本明細書で述べられるノズルは、ラバル型ノズルとは異なる。ラバル型ノズルは、収束部の次に発散部を有するのに対し、本発明のノズルは、発散する幅及び収束する高さを有する。
【０１０３】
このバーナーを、図２に示すように、蓄熱器ポートに挿入するように設計する。孔を蓄熱器ポートネックに切り込んで入れて、バーナーを挿入するための場所を与える必要がある。孔を、ポートネックの上部、下部（土台）又は側部に切り込んで入れることができる。好ましくは、この孔は、ポートネックの下部又は床に切り込んで入れる。
【０１０４】
このバーナーを、ポートネックの下部に切り込んで入れた孔を通じてポートに挿入することができる。これは、好ましくは、図２に示すように実質的に垂直の向きにすることができる。このバーナーは、ポートネックに位置合わせし、かつ取付けるための据付プレート９５を具備することができる。このバーナーは、実質的に水平な平面で燃料及び酸化剤ガスを、炉の燃焼空間に放出する。
【０１０５】
このバーナーを、ガラスタンク及び蓄熱器ポートの両方で、温度及び熱流束の分布を制御するさまざまな方法で用いることができる。これは、基本的に酸素の分布を調整することによって達成される。その有利な使用は、火炎の長さ、光度及び安定性を調整することを与え、かつポート表面の冷却を促進することもできる。
【０１０６】
このバーナーを、第一の酸化剤ガス導管２０、インポート酸化剤分岐ランス（第二の酸化剤導管８０）及びアンダーポート酸化剤分岐ランス９０の２以上を通じて、１種以上の酸化剤ガス流れを導入しながら、ガス状燃料を、燃料導管４０を通じて導入することによって、用いることができる。
【０１０７】
本発明は、炉１００にも関連し、その一部が図２に示されている。本発明による炉は、図２によるバーナーと共に示されているが、図１によるバーナーも、この炉と併せて用いることができ、当業者は、図１によるバーナーに関する記載を明確に適用することができる。炉は、蓄熱器１２５、炉の燃焼室１３５、及び蓄熱器１２５を炉の燃焼室１３５に繋ぐ蓄熱器ポートネック１０５を有する。蓄熱器ポートネック１０５は、ポート１１０及び炉１００の壁１２０にポート孔１１５を画定する。炉は、上記の特徴によるバーナーも含む。バーナーは、蓄熱器ポートネック１０５から通して、そしてポート１１０に貫き、かつバーナーは、燃料及び酸化剤を炉１００に向けるように配置する。
【０１０８】
蓄熱器ポートネック１０５は、ポートアーチ（上部）、ポート土台（下部）及び側壁を含み、通常耐火れんがで構築される。蓄熱器ポートネックは、蓄熱器と、炉のポート孔又はポート口との間に、通路又はポートを画定する。本明細書で用いる場合、ポートは、通路であり、ポート孔とは区別される。
【０１０９】
蓄熱器は、蓄熱式の熱伝達を利用する熱回収機器であり、本分野で周知である。蓄熱器の詳細は、“Ｇｌａｓｓ  Ｆｕｒｎａｃｅｓ，  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，”  ｂｙ  Ｗｏｌｆｇａｎｇ  Ｔｒｉｅｒ，  ｔｒａｎｓｌａｔｅｄ  ｂｙ  Ｋ．  Ｌ．  Ｌｏｅｗｅｎｓｔｅｉｎ，  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｇｌａｓｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｓｈｅｆｆｉｅｌｄ，  ＵＫ，  ２０００及び“Ｔｈｅ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｇｌａｓｓ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，“３ｒｄ  Ｅｄ．  Ｖｏｌｓ．  １  ＆  ２，  ｂｙ  Ｆａｙ  Ｔｏｏｌｅｙ  （ｅｄ．），  Ａｓｈｌｅｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｃｏ．  （Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ），  １９８４．で見つけることができる。
【０１１０】
本明細書で用いる場合、蓄熱器ポートネックは、蓄熱器から炉の燃焼空間への燃焼空気を移送するのに用いる、又は前に用いられたあらゆる導管である。
【０１１１】
炉は、バーナーに関して上述した特徴のいくつか又は全てを含むバーナーを有することができる。
【０１１２】
ある実施態様では、図１に示すように、インポート分岐ランスを炉で用いることができる。
【０１１３】
ある実施態様では、図２に示すように、導管９０は、ポート孔１１５の下部の位置で炉の壁１２０を貫き、かつ酸化剤を炉に向けるように配置される。導管９０は、アンダーポート酸化剤分岐ランスである。この導管は、ランスから垂直に上に引いた線が、ポートと交わる場合、ポート孔の「下部」にある。垂直は、真直ぐな上、又は真直ぐな下、鉛直を意味する。
【０１１４】
炉は、インポート酸化剤分岐ランス及びアンダーポート酸化剤分岐ランスの両方を含むことができる。
【０１１５】
炉は、炉燃焼室の下に位置しかつ隣接している溶融タンク容器、ガラス成形材料を溶融タンク容器に導入するための投入端部、溶融タンク容器からガラス生成品を取り出すための排出端部をさらに具備する。ガラス成形材料は、炉の溶融タンク容器に投入され、そして炉燃焼室で燃焼火炎からの熱によって溶融する。溶融ガラスは、投入端部から排出端部に流れ、炉から生成品として取り出される。取り出された溶融ガラスは、成形工程を経て、このガラスをシートガラス、ファイバーガラス、容器又は他の所望の製品に成形する。
【０１１６】
炉は、炉燃焼室から燃焼生成品を取り出すための排出ポートを炉の壁にさらに具備する。燃料及び酸化剤を、蓄熱器ポートネックのバーナーを通じて、炉の燃焼室に導入し、燃焼して火炎を形成し、そしてガラス成形材料及び溶融ガラスに熱を移す。燃料及び酸化剤の反応からの燃焼生成品は、炉燃焼室から排出ポートを通じて取り除かれる。
【０１１７】
本発明は、例えば蓄熱器の修理中に、炉を加熱する方法に関する。炉を長期間運転した後で、蓄熱器での熱伝達パッキング又はチェッカー（ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｐａｃｋｉｎｇ  ｏｒ  ｃｈｅｃｋｅｒ）は、ガラス溶解炉からの濃縮した揮発物、あるいは分解物で詰まる場合がある。炉は、空気−燃料ポートが停止して蓄熱器を修理するときに、いまだ加熱する必要がある。好ましくは、十分な熱を与えて、ガラスの生産を維持する。
【０１１８】
この方法を用いても、性能が低下した蓄熱器を修理することなく炉の寿命を延ばすことができ、又は既存の炉の生産効率を向上させることができる。
【０１１９】
蓄熱器を修理している間に炉を加熱する方法に上述のバーナーを用いて、蓄熱器を修理することなく炉の寿命を延ばすことができ、かつ／又は既存の炉の生産効率を向上させることができる。
【０１２０】
炉を加熱する方法は、ポートへの空気の流れを遮る工程、そのポートに付随する空気−燃料バーナーへの燃料への流れを止める工程、上述のバーナーを取り付けて、それによってバーナーを蓄熱器ポートネックから、そしてポートに貫く工程、第一の冷却流体ジャケットに冷媒を通す工程、第一の酸化剤導管から第一の酸化剤ガスを炉に導入する工程、及び前の空気−燃料運転の間に用いたのと同じ燃料又は異なる燃料を、燃料導管から炉に導入する工程を含む。
【０１２１】
この方法は、選択した燃料を第一の酸化剤ガスと共に燃焼して燃焼生成品を形成する工程、及びその燃焼生成品を炉燃焼室から排出部を通じて取り出す工程も含む。
【０１２２】
蓄熱器の修理の間に、蓄熱器チェッカーパックのその部分からの空気の流れを、止める必要があり、それによって性能が低下したチェッカーを取り除いて、そして交換のチェッカーを取付けることができる。蓄熱器を、オープンボックスの設計又は区分化された設計とすることができる。空気の流れを、蓄熱器のその底部で遮り、あるいは妨げることができる。また、蓄熱器ポートの上流端部で空気の流れを遮り又は妨げるのが望ましい場合がある。
【０１２３】
蓄熱器ポートネックを、切りとって又は修正して、バーナーを取付けるために孔を与えることができる。蓄熱器ポートネックにおける孔を、図２に示すように、蓄熱器ポートネックの底部又は土台に存在させることができる。蓄熱器ポートネックの側部か、蓄熱器ポートネックのアーチ又は上部かのいずれかに、孔を切り込んで入れることもできる。
【０１２４】
バーナーを取付けて、それによってバーナーを、蓄熱器ポートネックから、ポートに貫くことができる。あらゆるポートネックの壁からの、第一の酸化剤導管の第二部分の出口端部の距離、及び燃料導管の第二部分の出口端部の距離を、据付プレート９５の位置によって調整することができる。
【０１２５】
一般的に、冷媒、好ましくは水を、蓄熱器ポートネックへのバーナーの取付けの間に、第一の冷却流体ジャケットに流通させて、取り付けている間のバーナーの過熱を防ぐであろう。
【０１２６】
一度取り付けたら、第一の酸化剤ガスを、第一の酸化剤導管から炉に導入し、かつ燃料を燃料導管から炉に導入するであろう。燃料を、前の空気−燃料運転に関して用いたものと同じ燃料とすることができ、又は望ましいならば異なる燃料とすることができる。燃料を天然ガスとすることができる。
【０１２７】
この方法は、第一の酸化剤ガス又は第二の酸化剤ガスを、第二の酸化剤導管から炉に導入する工程を、さらに含むことができる。
【０１２８】
この方法は、蓄熱器ポートから大量の空気を導入する工程をさらに含むことができる。その空気は、蓄熱器を通じて、又は他の１つの空気源から来ることができる。そうして導入した空気は、少なくとも３つの有利な効果を有する。第一に、これは、再循環している炉のガス及び微粒子を有するポートをパージし、ポート内での腐食及び微粒子の堆積を最小化する。第二に、これは火炎に推進力を与える。最後に、これはバーナーへの酸化剤流れを減少させ、これは運転コストを低下させ、かつバーナーノズル付近の燃焼速度を遅くする。比較的遅い燃焼速度は、一般的に、火炎の明るい領域を拡げ、かつ強化し、それによって放射熱伝達を向上させる。化学量論的にバーナーに必要な酸素の２５％までを、ポートを通じて空気流れによって供給することができる。ポートからの空気によって与えられる一定の酸素の必要量を用いることによって、バーナーへの燃料の完全燃焼に必要な化学両論量の酸化剤の９５％からせいぜい約７５％を、第一の酸化剤ガス及び／又は第二の酸化剤ガスによって与えることができる。
【０１２９】
バーナーの運転が炉に加熱を与える間に、蓄熱器を修理することができ、そしてガラス生産を続ける。
【０１３０】
その他の場合には、炉は、蓄熱器を修理しないで、炉の一連の運転が終わるまで、この方式で運転を続けることができる。
【０１３１】
バーナーのパラメーターの範囲に関するいくつかの制限を、蓄熱式ガラス溶解炉のバーナー及びポートの構造上（すなわち、使用可能な空間）の検討事項によって決定した。これらの範囲に関する他の制限を決定するのを支援するために、次の実施例に記載したように、計算流体力学（ＣＦＤ）モデルを用いた。
【実施例】
【０１３２】
ＣＦＤモデルを用いて、バーナーの流体力学及び熱現象についての設計の影響及び運転パラメーターの影響を個別化し、そして試験した。図１に示すようなバーナー及び関連する第二の酸化剤を、基本的なモデル構成として用いた。モデル化の取組みの間に変化させたパラメーターを、それぞれの範囲と共に図１に与えた。分岐する酸化剤流れ、すなわち（第一と第二の）合計の酸化剤流れの百分率は、バーナーに関する設計パラメーターではないが、これは、その例内での変化が他のパラメーターの影響をさらに強調するのに役立つので、ここに含めていることに留意する必要がある。燃料を天然ガスと想定し、これは１００％のメタンとしてモデル化した。
【０１３３】
実用上の理由のため、最も目立ったＣＦＤの結果を提示する。
【０１３４】
【表１】
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【０１３５】
バーナーの無次元長Ｌ／Ｄの変化を、第一の酸化剤及び燃料の流れの断面積比を用いて、それらの最大値で実行した（表１参照）。結果を、図６〜９に要約する。
【０１３６】
例えば、ピーク火炎温度についてのＬ／Ｄの影響を、図６に示す。２０％の分岐の場合に対する傾向は、Ｌ／Ｄの低下につれて温度の段階的かつ比較的小さな増加を示しているが、８０％の分岐の場合に関するピーク火炎温度は、Ｌ／Ｄが２．７から１．４に低くなる場合に、８０％の酸化剤に関して１００Ｋ近く上昇し、そしてさらに０．８まで低くなる場合には、ピーク火炎温度が低下することに留意する必要がある。ピーク火炎温度の増加は、Ｌ／Ｄが０．８〜２．７の範囲では１００Ｋ未満なので、２．７超のＬ／Ｄは、さらに低いピーク火炎温度を持つと考えられ、０．８〜７のＬ／Ｄが適切である。バーナーは、０．８〜７の範囲のＬ／Ｄを超えて使用可能である。
【０１３７】
８０％の分岐に関する場合の火炎温度の比較的近い試験を、図７に与える。これは、Ｌ／Ｄが０．８、１．４及び２．７に対する火炎温度の分布を比較している。３つ全ての場合に関してピーク温度は、バーナーノズルの比較的近くて発生しており、それゆえ、ピーク値での運転は、バーナーの金属を高温の損傷に潜在的にさらすということに、まず注意することである。さらに、Ｌ／Ｄが１．４及び２．７である場合では、火炎温度は初めは上昇し、ノズル出口から約０．５ｍの距離でピーク値に達する。しかし、Ｌ／Ｄが０．８である場合では、ピーク温度は、ノズル出口から０．２ｍ未満の距離で発生し、それゆえノズルの過熱のリスクを上昇させる。また、Ｌ／Ｄが０．８である場合に対する火炎温度は、ピークを達成した直後に低下し、他の２つの場合で発生した温度より１５０〜２００Ｋ低い、局所的な最小値に達することは興味深い。これらの特徴は、Ｌ／Ｄが１．４と０．８との間で起こる火炎の特性の急激な変化は、２．７及び１．４であるＬ／Ｄから起こるものより大きいことを示唆する。
【０１３８】
火炎特性での変化に関する解釈は、それぞれ図８ａ及び８ｂで与えられるＬ／Ｄが１．４及び０．８である場合のノズル出口の速度プロファイルから推定することができる。特に、燃料／第一の酸化剤の混合物の軌跡は、２つの場合に関して本質的に変化せず留まるが、第二の酸化剤の軌跡は、Ｌ／Ｄが変化するにつれて顕著に変わる。すなわち、Ｌ／Ｄが１．４である場合、第二の酸化剤の軌跡は、第一の酸化剤／燃料の流れの軌跡と本質的に平行となる。しかし、Ｌ／Ｄが０．８まで低くなると、分岐する酸化剤流れは、第二の酸化剤ノズル内で不十分な発達長を有し、おおよそ４°だけ主な火炎に向けて上方に角度をなす。これは、火炎と第二の酸化剤との間に急速な収束をもたらし、比較的大きな体積の第二の酸化剤と組み合わせる場合に（分岐する酸化剤として、合計の酸化剤の８０％）、バーナー先端付近で強い混合を発生させ、ピーク温度をノズルにより近い位置とし、かつ続く最小温度を他の場合に関する温度より低くする。これらの結果の実用的な影響は、バーナーが第二の酸化剤導管を具備する場合に、Ｌ／Ｄの最小値は、１．４以上とするべきであることである。しかし、燃料／第一の酸化剤流れの特徴は、１．４のＬ／Ｄから０．８への変化によって大きく影響されないので、バーナーが第二の酸化剤導管を具備しない場合、Ｌ／Ｄの最小値は、０．８以上とするべきである。
【０１３９】
図９に示す火炎長へのＬ／Ｄの影響は、図６〜８から導かれる結論を補強する。この図は、Ｌ／Ｄの低下が、どのように火炎の短縮を導くのかを示す。これは、強い混合をもたらす、バーナー内及び分岐ランスノズル内での反応物の速度プロファイルの不十分な発達に起因していると考えられる。８０％の酸化剤分岐の場合に対する１．４〜０．８のＬ／Ｄの火炎短縮の影響は特に重大であり、上述の主なノズル流れと第二のノズル流れとの間で、急速な収束の原因に再びなることがある。
【０１４０】
０．８及び１．４のバーナーの無次元長Ｌ／Ｄと共に、第一の酸化剤面積比の変化を行った。ピーク火炎温度は、第一の酸化剤面積比に影響を受けることが示された。図１０は、Ｌ／Ｄが１．４で、２０％及び８０％の酸化剤分岐に関して、Ａｉ／Ａｏの関数としてピーク温度を示す。面積比Ａｉ／Ａｏを１．９から１．０に低くする場合に、８０％の分岐では、１９０Ｋのオーダーでのピーク温度の上昇が起きるのに対し、２０％の分岐では、２３０Ｋのピーク温度の上昇が起きる。２０％の分岐の場合、面積比Ａｉ／Ａｏが１．９から１．０に低下するにつれて、ピーク温度の上昇が急勾配になる。同様の結果が、図１１でＬ／Ｄが０．８である場合に対して示されている。図１０でのように、Ａｉ／Ａｏが１．３未満に低下すると、ピーク温度は急に上昇する。全ての場合に関して、Ａｉ／Ａｏが１．０で、最も高いピーク火炎温度は、２６００〜２６５０Ｋの範囲の値に到達する。
【０１４１】
Ａｉ／Ａｏが１．０及び１．９で、８０％の分岐の場合に関して、火炎温度分布を比較する追加の詳細を、図１２に提示する。両方の場合に関して温度分布は、再びバーナー出口付近の特徴的なピーク値を示す。しかし、Ａｉ／Ａｏが１．９でバーナーノズルから約０．４ｍの距離から、Ａｉ／Ａｏが１．０でノズルから約０．２ｍの距離に、ピークシフトの位置が変化することに留意する必要がある。これは、ノズルの過熱の相対的リスクを決める燃焼のピーク温度及びピーク位置なので、１．３未満のＡｉ／Ａｏの値は避けられるべきと結論付けられる。
【０１４２】
酸化剤面積比を変えることが火炎特性を変化させることの効果のメカニズムは、第一の酸化剤出口速度プロファイルに通じる。すなわち、比Ａｉ／Ａｏを低くすることは、バーナーノズル出口での第一の酸化剤流れの不均衡配分を増加させ、それによって過剰の乱流、及びピーク火炎温度を上昇させ、かつ火炎長を短くするシアを生成させる。速度の不均衡配分を定量化する１つの方法は、断面積の平均値からの局所的な速度の標準偏差として定義される、速度の偏差を計算することである。このように定義すると、比較的高い速度の偏差は、比較的大きな不均一性の度合いに対応し、これは本発明に関して、燃料と第一の酸化剤との間の望ましくない比較的高い混合速度をもたらす。１．０、１．３及び１．９である第一の酸化剤面積比Ａｉ／Ａｏ；１．４であるＬ／Ｄ；２０％の分岐に対応する速度偏差を、表２に記載している。断面積の平均速度の百分率として規格化された偏差の大きさは、面積比Ａｉ／Ａｏを１．９から１．０に低くする場合に、第一の酸化剤の不均一性が、倍増することを示している。さらに、これは、Ａｉ／Ａｏを１．３から１．０に低くする場合の、速度の偏差におけるかなり大きな増加と比較して、面積比Ａｉ／Ａｏを１．９から１．３に低くする場合には、速度の偏差において比較的小さな増加を示す。さらに、これは、第一の酸化剤の面積比Ａｉ／Ａｏが１．３以上を維持する必要があることを示している。
【０１４３】
【表２】
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【０１４４】
燃料面積比Ａｆｉ／Ａｆｏに関して、このパラメーターを１．９から１．０の範囲を超えて低くすることは、第一の酸化剤面積比における変化（同じ制限を越える）と、ピーク火炎温度について定性的に同じ影響を与える。しかし、この影響の大きさは、比較的小さい。例えば、Ｌ／Ｄが０．８で、１．９から１．０への燃料面積比の低下は、ピーク火炎温度に７０Ｋの上昇を生じさせたが、第一の酸化剤面積比で同様の低下によって生じる火炎温度の上昇は、２５０Ｋだった（図１１参照）。
【０１４５】
第一の酸化剤面積比に対する火炎特性への感受性と比較して、燃料ノズル面積比に対する火炎特性への低い感受性は、燃料ノズル出口速度プロファイルが、第一の酸化剤出口速度プロファイルほど面積比に対して感受性がないという事実で追従できる。表３に与えるように、燃料面積比Ａｆｉ／Ａｆｏが１．０及び１．９となる場合に、ノズル出口での燃料速度の偏差は、第一の酸化剤に対して比較される値の半分より小さい（表２参照）。１．０未満の燃料面積比Ａｆｉ／Ａｆｏは、不安定な流れの分離効果となる傾向となるので、望ましくない。それゆえ、ＣＦＤモデルに基づくと、１．０以上のあらゆる燃料面積比Ａｆｉ／Ａｆｏが、本発明で許容可能である。しかし、実験室の試作品の試験の間になされた火炎特性の測定及び観測は、１．３７超の燃料面積比、また図３に示すような凹面から凸面の輪郭を用いることによって、バーナーの性能がさらに向上することを示す。
【０１４６】
【表３】
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【０１４７】
第二の酸化剤導管の流れ断面積比Ａｎｉ／Ａｎｏは、ノズルを出る第二の酸化剤の速度分布に強く影響を与え、これはバーナー装置の性能及び耐久性の両方に影響する。本発明に興味のある条件、１．０≦Ａｎｉ／Ａｎｏ≦１．５５、に関して、ＣＦＤモデルの結果は、速度分布への強い影響を証明した。図１３は、面積比Ａｎｉ／Ａｎｏが約１．２５の値未満に低くなるときに、第二の酸化剤の速度の偏差が急に増加することを示している。これは、その曲線における高い傾きによって示される。この結果は、燃焼の性能についての影響が、この範囲にわたって比較的小さいことを示唆しているが、この臨界値より低い面積比でのノズル出口速度のプロファイルにおける断絶（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）は、分離した流れ又は逆流をもたらすことがある不安定な傾向にある、非常に低い出口速度の領域をもたらす。これは、ノズルの腐食及び閉塞のリスクを高め、そして比較的頻繁なメンテナンスの必要性及び比較的高い故障率をもたらすであろう。そのように、本発明の第二の酸化剤ノズルに関して許容可能な最小の面積比Ａｎｉ／Ａｎｏは、１．２５である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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