(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのバーナーエレメントであって、それぞれが
燃料を流動させる分配ノズル、及び
前記分配ノズルを取り囲みかつ第１酸化剤を流動させる環状ノズル
を含む少なくとも２つのバーナーエレメントと、
第２酸化剤を流動させる少なくとも１つのステージングノズルと、
前記分配ノズルの少なくとも１つがアクティブであり、前記分配ノズルの少なくとも１つがパッシブであるように、それぞれの分配ノズルへの燃料流量を独立して制御するようプログラムされたコントローラであって、アクティブな分配ノズルにおける燃料流量が分配ノズルへの平均燃料流量よりも多く、パッシブな分配ノズルにおける燃料流量が分配ノズルへの平均燃料流量よりも少なく、さらに、［第２酸化剤流中に含まれる酸素］／［第１及び第２酸化剤流中に含まれる酸素の合計］の比であるステージング比を約７５％以下に制御するようプログラムされたコントローラと
を含む、過渡加熱バーナー。
【請求項２】
前記バーナーエレメントが外接円において実質的に等間隔で配置され、
前記ステージングノズルが前記外接円の内部に配置された、請求項１に記載のバーナー。
【請求項３】
前記バーナーエレメントの少なくとも１つが、前記外接円から角度αで半径方向外側へ角度を付けられ、前記角度αが約６０°以下である、請求項２に記載のバーナー。
【請求項４】
前記バーナーエレメントの少なくとも１つが、前記外接円に対して角度βで接線方向に角度を付けられ、前記角度βが約６０°以下である、請求項２に記載のバーナー。
【請求項５】
前記バーナーエレメントと前記ステージングノズルが同一直線上に配置され、各ステージングノズルが２つのバーナーエレメントの間に等距離に配置されている、請求項１に記載のバーナー。
【請求項６】
前記分配ノズル及び環状ノズルがそれぞれ、短軸と、該短軸の少なくとも１．５倍の長さの長軸とを備えた断面を有し、
少なくとも２つのステージングノズルが同一直線上に配置され、各バーナーエレメントに隣接し、前記長軸に対して実質的に平行である、請求項１に記載のバーナー。
【請求項７】
前記ステージングノズルが短軸と、該短軸の少なくとも１．５倍の長さの長軸とを備えた断面を有し、
少なくとも２つのバーナーエレメントが同一直線上に配置され、前記ステージングノズルに隣接し、前記長軸に対して実質的に平行である、請求項１に記載のバーナー。
【請求項８】
前記コントローラがパッシブな分配ノズルへの燃料流量を、ゼロ超でかつアクティブな分配ノズルの流量の半分以下に制御するようプログラムされている、請求項１に記載のバーナー。
【請求項９】
前記コントローラが前記ステージング比を約４０％以下に制御するようプログラムされている、請求項１に記載のバーナー。
【請求項１０】
アクティブな分配ノズルを出る燃料がアクティブな噴射速度を有し、前記ステージングノズルを出る酸化剤がステージング噴射速度を有し、
前記コントローラが、［ステージング噴射速度］／［アクティブな噴射速度］の比を少なくとも約０．０５でかつ１未満に制御するようプログラムされている、請求項１に記載のバーナー。
【請求項１１】
前記環状ノズル中を流れる前記第１酸化剤が約７０％以上の酸素濃度を有する、請求項１に記載のバーナー。
【請求項１２】
前記ステージングノズル中を流れる前記第２酸化剤が約２０．９％以上の酸素濃度を有する、請求項１に記載のバーナー。
【請求項１３】
アクティブな分配ノズルがアクティブな噴射流量を有し、パッシブな分配ノズルがパッシブな噴射流量を有し、
前記コントローラが、［アクティブな噴射流量］／［パッシブな噴射流量］の比を約５〜約４０に制御するようプログラムされている、請求項１に記載のバーナー。
【請求項１４】
パッシブな分配ノズルを有するバーナーエレメントが約０．２〜約１の当量比を有し、該当量比は前記分配ノズル中を流れる燃料を燃焼させるための［環状ノズルを通る理論上の化学量論的酸化剤流量］／［環状ノズルを通る実際の酸化剤流量］の比であり、アクティブな分配ノズルを有するバーナーエレメントが約１〜約１０の当量比を有し、該当量比は前記分配ノズル中を流れる燃料を燃焼させるための［環状ノズルを通る理論上の化学量論的酸化剤流量］／［環状ノズルを通る実際の酸化剤流量］の比である、請求項１に記載のバーナー。
【請求項１５】
前記コントローラに信号を与えるセンサをさらに含み、
前記コントローラが、前記信号に基づいて各分配ノズルをアクティブか又はパッシブに制御するようプログラムされ、
前記センサが、温度センサ、放射線センサ、光センサ、カメラ、色センサ、伝導度センサ、近接センサ、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１に記載のバーナー。
【請求項１６】
少なくとも１つのステージングノズルと、それぞれが環状ノズルによって取り囲まれた分配ノズルを含む少なくとも２つのバーナーエレメントとを有するバーナーを炉内で操作する方法であって、
酸化剤をステージング流量で前記ステージングノズル中に流す工程、
酸化剤を一次酸化剤流量で前記環状ノズルのそれぞれに流す工程、
前記分配ノズルの少なくとも１つをアクティブであるように選択しそして前記分配ノズルの少なくとも１つをパッシブであるように選択する工程、
燃料をアクティブな噴射流量でアクティブな分配ノズル中に流す工程、及び
燃料をパッシブな噴射流量でパッシブな分配ノズル中に流す工程
を含み、前記アクティブな噴射流量が前記分配ノズルを通る平均燃料流量よりも多く、前記パッシブな噴射流量が前記分配ノズルを通る平均燃料流量よりも少ない、方法。
【請求項１７】
前記炉内においてあるパラメータを検知する検知工程、
検知されたパラメータに基づいて、どの分配ノズルをアクティブにしてどの分配ノズルをパッシブにするかを再選択する再選択工程、及び
前記検知工程と前記再選択工程を周期的に繰り返す工程
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも２つのバーナーエレメントであって、それぞれが
第１流体を流動させる分配ノズル、及び
前記分配ノズルを取り囲みかつ第２流体を流動させる環状ノズル
を含む少なくとも２つのバーナーエレメントと、
第３流体を流動させる少なくとも１つのステージングノズルと、
前記分配ノズルの少なくとも１つがアクティブであり、前記分配ノズルの少なくとも１つがパッシブであるように、それぞれの分配ノズルへの第１流体の流量を独立して制御するようプログラムされたコントローラであって、アクティブな分配ノズルにおける流量が分配ノズルへの平均流量よりも多く、パッシブな分配ノズルにおける流量が分配ノズルへの平均流量よりも少なく、さらに、［第３流体の流量］／［第２及び第３流体の流量の合計］の比であるステージング比を約７５％以下に制御するようプログラムされたコントローラと
を含み、前記第１流体が燃料及び酸化剤のうちの一方を含有し、前記第２流体及び第３流体が燃料及び酸化剤のうちの他方を含有する、過渡加熱バーナー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は炉、具体的には工業用溶融炉を加熱するバーナー及び方法であって、加熱均一性を改善し、潜在的な過熱及び溶融浴面の酸化状態を低減する一方、熱伝達を向上させるためのバーナー及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のシステムにおいて、定常火炎によってもたらされる熱は溶融物に向かって導かれず、これにより、火炎から溶融物への熱伝達を制限してしまう。さらに従来のシステムが定常火炎を溶融物に導くように改変されたならば、望ましくない過熱及び金属の酸化が生じることがある。過熱を回避するアプローチは、米国特許第５，５５４，０２２号明細書に教示されているように、溶融物に向かって低運動量火炎を導き、次いで低運動量火炎に高運動量噴流を衝突させ、これにより火炎を動かすことである。しかしながらこのアプローチでは、金属酸化、及び炉耐火物と相互作用してこれを過熱させる浮揚性火炎をもたらすおそれがまだかなりある。
【発明の概要】
【０００３】
過渡加熱バーナー及び過渡加熱方法は、炉内の火炎被域(flame coverage)及び形態係数を向上させることを可能にする。バーナーの形態は、空間的にも時間的にも最適な熱流束送達を可能にするので、均一な温度分布を炉内で達成し維持することができる。例えば炉の幾何学的形状に基づいて、又は所定の時間にわたる１つ又は２つ以上のセンサからのリアルタイム・フィードバックに基づいてアルゴリズムによって決定して、適切な場所に熱流束を導くことによって、均一な熱流束が得られる。このバーナー及び方法は、より長い、そしてより高貫通性の火炎を選択的に可能にする。このような火炎は酸化的溶融損失を最小限に抑えながら、溶融を改善するように炉内の装填物に衝突することができる。具体的には、多数の高運動量火炎が所定のサイクルで溶融物に向かって導かれる。過熱は回避され、エネルギーが溶融浴にわたってより均一に分配される。バーナーはまた、多数の火炎を選択的に調節することにより渦流を発生させることもできる。具体的にはバーナーは複数の別個のバーナーエレメントを有しており、それぞれバーナーエレメントの固有の火炎はパッシブ状態又はアクティブ状態にある。このような火炎は種々のパターン及び頻度で調節することにより、所望の熱流束プロフィールを達成することができる。
【０００４】
過渡加熱バーナーの種々の実施態様が説明される。当該バーナーは、少なくとも２つのバーナーエレメントであって、それぞれが燃料を流動させる分配ノズル、及び分配ノズルを取り囲みかつ第１酸化剤を流動させる環状ノズルを含む少なくとも２つのバーナーエレメントと、第２酸化剤を流動させる少なくとも１つのステージングノズル（ｓｔａｇｉｎｇ  ｎｏｚｚｌｅ）とを含む。コントローラがそれぞれの分配ノズルへの燃料流量を独立して制御し、かつステージング比を約７５％以下に制御するようプログラムされている。当該コントローラは、分配ノズルの少なくとも１つがアクティブであり、分配ノズルの少なくとも１つがパッシブであるように流量を制御し、アクティブな分配ノズルにおける燃料流量は分配ノズルへの平均燃料流量よりも多く、パッシブな分配ノズルにおける燃料流量は分配ノズルへの平均燃料流量よりも少ない。ステージング比は、［第２酸化剤流中に含まれる酸素］／［第１及び第２酸化剤流中に含まれる酸素の合計］の比である。
【０００５】
バーナーエレメントは外接円を成して実質的に等間隔で配置されてよく、ステージングノズルは当該外接円の内部に配置される。１つの態様では、バーナーは、隣接するバーナーエレメントからそれぞれ１２０°だけ間隔を置いて配置された３つのバーナーエレメントを含む。別の態様では、バーナーは、隣接するバーナーエレメントからそれぞれ９０°だけ間隔を置いて配置された４つのバーナーエレメントを含む。更なる態様では、バーナーは、外接円の周りに等間隔で配置された５つ又は６つのバーナーエレメントを含むことができる。
【０００６】
１つの態様では、バーナーエレメントのうちの少なくとも１つが、外接円から角度αで半径方向外側へ角度を付けられている。バーナーエレメントは全て同じ角度αで角度を付けられてもよく、又はそれぞれのバーナーエレメントｎは異なる角度αnで半径方向外側に角度を付けられてもよい。角度αは好ましくは約６０°以下であり、より好ましくは約１０°〜約４０°である。
【０００７】
別の態様では、バーナーエレメントの少なくとも１つは、外接円に対して角度βで接線方向に角度を付けられている。角度βは好ましくは約６０°以下であり、より好ましくは約１０°〜約４０°である。
【０００８】
バーナーの別の実施態様では、バーナーエレメント及びステージングノズルはほぼ同一直線上に配置され、各ステージングノズルが２つのバーナーエレメントの間にほぼ等距離に配置されている。１つの態様では、バーナーは、中央ステージングノズルを含む少なくとも３つのステージングノズルと、ステージングノズルと交互に配置された少なくとも４つのバーナーエレメントとを有する。別の態様では、中央ステージングノズルの両側に設けられたバーナーエレメント及びステージングノズルは、中央ステージングノズルから離れる方向に角度γを成している。
【０００９】
バーナーの別の実施態様では、バーナーエレメントの分配ノズル及び環状ノズルは、それぞれ、短軸と、短軸の少なくとも１．５倍の長さの長軸とを備えた断面を有する。少なくとも２つのステージングノズルは、ほぼ同一直線上にそして長軸に対して実質的に平行に配置され、各バーナーエレメントに隣接している。
【００１０】
バーナーの別の実施態様では、ステージングノズルは、短軸と、短軸の少なくとも１．５倍の長さの長軸とを備えた断面を有し、少なくとも２つのバーナーエレメントは同一直線上に配置され、ステージングノズルに隣接し、長軸に対して実質的に平行である。１つの態様では、バーナーエレメントは、ステージングノズルの短軸から外方へ向かって約４５°未満の角度φを成している。
【００１１】
コントローラは、パッシブな分配ノズルへの燃料流量を、ゼロ超でかつアクティブな分配ノズルの流量の半分以下に制御するようプログラムされている。１つの実施態様では、コントローラはステージング比を約４０％以下に制御するようプログラムされている。
【００１２】
別の実施態様では、アクティブな分配ノズルを出る燃料はアクティブな噴射速度を有し、ステージングノズルを出る酸化剤はステージング噴射速度を有し、コントローラは、［ステージング噴射速度］／［アクティブな噴射速度］の比を少なくとも約０．０５でかつ１未満に制御するようプログラムされている、好ましくは、［ステージング噴射速度］／［アクティブな噴射速度］の比は約０．１〜約０．４に制御される。
【００１３】
１つの態様では、環状ノズル中を流れる第１酸化剤は約７０％以上の酸素濃度を有する。別の態様では、ステージングノズル中を流れる第２酸化剤は約２０．９％以上の酸素濃度を有する。
【００１４】
別の態様では、アクティブな分配ノズルはアクティブな噴射流量を有し、パッシブな分配ノズルはパッシブな噴射流量を有し、コントローラは、［アクティブな噴射流量］／［パッシブな噴射流量］の比を約５〜約４０に制御するようプログラムされている。好ましくは、コントローラは、［アクティブな噴射流量］／［パッシブな噴射流量］の比を約１５〜約２５に制御するようプログラムされている。
【００１５】
別の態様では、パッシブな分配ノズルを有するバーナーエレメントは約０．２〜約１の当量比を有する。別の態様では、アクティブな分配ノズルを有するバーナーエレメントは約１〜約１０の当量比を有する。当量比は、分配ノズル中を流れる燃料を燃焼させるための［環状ノズルを通る理論上の化学量論的酸化剤流量］／［環状ノズルを通る実際の酸化剤流量］の比である。
【００１６】
別の実施態様では、センサはコントローラに信号を与えるように構成されている。コントローラは、この信号に基づいて各分配ノズルをアクティブか又はパッシブに制御するようプログラムされている。センサは、温度センサ、放射線センサ、光センサ、カメラ、色センサ、伝導度センサ、近接センサ、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される。
【００１７】
１つの実施態様では、第１酸化剤と第２酸化剤は同じ酸素濃度を有する。別の実施態様では、第１酸化剤と第２酸化剤は異なる酸素濃度を有する。
【００１８】
１つの実施態様では、ステージングノズルは、第２酸化剤に旋回流を与えるための旋回羽根を含む。
【００１９】
少なくとも１つのステージングノズルと、それぞれが環状ノズルによって取り囲まれた分配ノズルを含む少なくとも２つのバーナーエレメントとを有するバーナーを炉内で操作する方法が説明される。当該方法は、酸化剤をステージング流量でステージングノズル中に流す工程、酸化剤を一次酸化剤流量で環状ノズルのそれぞれに流す工程、分配ノズルの少なくとも１つをアクティブであるように選択しそして分配ノズルの少なくとも１つをパッシブであるように選択する工程、燃料をアクティブな噴射流量でアクティブな分配ノズル中に流す工程、及び燃料をパッシブな噴射流量でパッシブな分配ノズル中に流す工程を含み、アクティブな噴射流量は分配ノズルを通る平均燃料流量よりも多く、パッシブな噴射流量は分配ノズルを通る平均燃料流量よりも少ない。
【００２０】
当該方法は、炉内においてあるパラメータを検知する検知工程、検知されたパラメータに基づいて、どの分配ノズルをアクティブにしてどの分配ノズルをパッシブにするかを再選択する再選択工程、及び検知工程と再選択工程を周期的に繰り返す工程をさらに含むことができる。
【００２１】
過渡加熱バーナーの実施態様が説明される。当該バーナーは、少なくとも２つのバーナーエレメントであって、それぞれが第１流体を流動させる分配ノズル、及び分配ノズルを取り囲みかつ第２流体を流動させる環状ノズルを含む少なくとも２つのバーナーエレメントと、第３流体を流動させる少なくとも１つのステージングノズルとを含む。当該バーナーは、分配ノズルの少なくとも１つがアクティブであり、分配ノズルの少なくとも１つがパッシブであるように、それぞれの分配ノズルへの第１流体の流量を独立して制御し、かつステージング比を約７５％以下に制御するようプログラムされたコントローラをさらに含む。アクティブな分配ノズルにおける流量は分配ノズルへの平均流量よりも多く、パッシブな分配ノズルにおける流量は分配ノズルへの平均流量よりも少ない。ステージング比は、［第３流体の流量］／［第２及び第３流体の流量の合計］の比である。この実施態様では、第１流体は燃料及び酸化剤のうちの一方を含有し、前記第２流体及び第３流体は燃料及び酸化剤のうちの他方を含有し、燃料及び酸素は反応物質である。
【００２２】
本発明の他の態様を以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】過渡加熱バーナーの実施態様を示す端面斜視図である。
【図２】過渡加熱バーナーの実施態様を示す制御概略図である。
【図３】図１の過渡加熱バーナーの実施態様を示す動作順序の概略図である。
【図４】過渡加熱バーナーの２つの実施態様のノズル配向を示す端面概略図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は、過渡加熱バーナーの種々の実施態様を示す端面図である。（ａ）は、半径方向外側へ向かって所定の角度を成す４つのバーナーエレメントによって取り囲まれた中央ステージングノズルを有するバーナーを示している。（ｂ）は、外接円に沿って接線方向に所定の角度を成す４つのバーナーエレメントによって取り囲まれた中央ステージングノズルを有するバーナーを示している。（ｃ）は、バーナーエレメントとステージングノズルとが交互に同一直線上に配列されたバーナーであって、中央ステージングノズル以外のものが全て外方に向かって所定の角度を成しているバーナーを示している。（ｄ）は、スロット状ステージングノズルの長軸に隣接し、この長軸に対して実質的に平行な同一直線上の４つのバーナーエレメントを有するバーナーを示している。そして（ｅ）は、整列した扁平な火炎バーナーエレメント対と、各バーナーエレメントの長軸に隣接し、この長軸に対して実質的に平行な同一直線上のステージングノズル対とを示している。
【図６】各バーナーエレメント内部の分配ノズルの種々の可能な幾何学的形状を示している。
【図７】過渡加熱バーナーの２つの可能な取り付け配向を示す、炉の斜視図である。
【図８】従来の酸素−燃料バーナー、従来のステージング型酸素−燃料バーナー、及び輝炎モード及び非輝炎モードの両方における過渡加熱バーナーからの相対スケールＮＯｘ生成データを比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、過渡加熱バーナー１０の１つの実施態様を示す。バーナー１０は、面１４を有するボディ１２を含む。バーナー１０が（例えば図７のように）炉内に取り付けられると、面１４は炉内の燃焼ゾーンに曝される。
【００２５】
バーナー１０は、外接円を規定するように配向された複数のバーナーエレメント２０を含む（図４を参照）。バーナーエレメント２０は外接円の周りに等間隔で配置されるのが好ましい。外接円内部には少なくとも１つのステージングノズル３０が配置されている。参照のため、アクティブな噴流（Ａ）及びパッシブな噴流（Ｐ）を描くことによって、アクティブな噴流がパッシブな噴流よりも大きい火炎を有することを示している。
【００２６】
図１に示されたバーナー１０はほぼ９０°の間隔を置いて配置された４つのバーナーエレメント２０を有する。しかし言うまでもなく、バーナー１０は２つ以上の任意の数ｎのバーナーエレメント２０を含むことができる。例えば、バーナー１０は、直径方向で対向するように間隔を置いて配置された２つのバーナーエレメント２０を有してよく、又は約１２０°の間隔を置いて配置された３つのバーナーエレメント２０、又はほぼ均一の間隔を置いて配置された５つ又は６つ以上のバーナーエレメント２０を有してもよい。やはり言うまでもないことだが、炉の何らかの幾何学的形状、形態、又は動作条件にとっては、外接円の周りで不均一な間隔を置いて配置された複数のバーナーエレメント２０を備えたバーナー１０を有することが望ましい場合もある。更なる別の実施態様では、バーナー１０は、炉の幾何学的形状及び形態に応じて、円以外の幾何学的形状、例えば楕円形又は不規則多角形を規定する複数のバーナーエレメント２０を有していてよい。
【００２７】
図１のバーナー１０は中心に配置された１つのステージングノズル３０を有する。しかし言うまでもなく複数のステージングノズル３０が設けられてもよい、これらのステージングノズル３０は全て同じサイズであっても異なるサイズであってもよい。加えて、炉の幾何学的形状、所望の火炎特性、個々のバーナー２０の配向、及び他の因子に応じて、ステージングノズル３０は、バーナーエレメント２０によって規定された外接円内部に中心から外れた状態で配置されていてもよい。ステージングノズル３０はいかなる形状を有していてもよい。
【００２８】
各バーナーエレメント２０は、環状ノズル２４によって取り囲まれた分配ノズル２２を含む。分配型反応物質が分配ノズル２２中を流れる一方、ステージング型反応物質が環状ノズル２４中を流れる。一方の反応物質が燃料であり、他方の反応物質が酸化剤である。ステージング型反応物質の一部はまたステージングノズル３０中を流れる。１つの実施態様では、分配型反応物質として燃料が分配ノズル２２中を流れる一方、ステージング型反応物質として酸化剤が環状ノズル２４中を流れる。別の実施態様では、酸化剤が、分配ノズル２２中を流れる分配型反応物質であり、そして燃料が、環状ノズル２４中を流れるステージング型反応物質である。ステージングノズル３０と比較した、環状ノズル２４を通って導入されるステージング型反応物質の比率を調節することによって、安定なバーナー動作を維持し、及び／又は火炎特性、例えば熱放出プロフィールを制御することができる。
【００２９】
本明細書に使用される「燃料(fuel)」という用語は、燃焼反応時に燃料として使用することができる任意の炭化水素含有物質を意味する。燃料は気体燃料、例えば天然ガスであることが好ましいが、しかし燃料は霧状液体燃料、又はキャリアガス中の粉末状固形燃料であってもよい。本明細書に使用される「酸化剤(oxidant)」という用語は、燃焼反応時に燃料を酸化させ得る任意の酸素含有物質を意味する。酸化剤は空気、汚染空気（すなわち酸素濃度が約２０．９％未満のガス）、酸素富化空気（すなわち酸素濃度が約２０．９％を上回るガス）、又は事実上純粋な酸素（すなわち酸素濃度が１００％のガス）であってよい。好ましい実施態様では、酸化剤は、酸素濃度が少なくとも約２６％、少なくとも約４０％、少なくとも約７０％、又は少なくとも約９８％の酸素富化空気である。
【００３０】
分配ノズル２２はいかなる形状を有していてもよい。可能な形状例の一部が図６に示されている。この例には、スロット状ノズル（図６ａ）、単一スロット・ノズル（図６ｂ）、円形ノズル（図６ｃ）、及びマルチホール・ノズル（図６ｄ）が含まれる。可能なノズル形状のより詳細な考察を米国特許第６，８６６，５０３号明細書（全体的に参照することにより本明細書に組み込まれる）に見いだすことができる。例えば、高い放射伝達特性を有する輝炎性火炎を形成するために、形態係数が１０未満の分配ノズル２２を使用できるのに対して、低いＮＯｘを有する非輝炎性火炎を形成するためには、形態係数が１０以上の分配ノズルを使用することができる。溶融動作には輝炎モードが好ましい場合があるのに対して、再加熱動作には非輝炎モードが好ましい場合がある。なお、形態係数が高いノズルはマルチホール・ノズルを含むことができる。米国特許第６，８６６，５０３号明細書に詳細に記載されているように、形状ファクタσは、周囲Ｐの二乗を断面積Ａの２倍で割り算した値すなわち以下の等式
σ＝Ｐ2／２Ａ
で定義される。
【００３１】
図２は、上記バーナー１０の簡単な制御概略図を示している。制御弁２３によって制御される総流量で、分配ノズル２２に第１流体Ｆ１が供給される。各分配ノズル２２への第１流体Ｆ１の流量は別々に制御される。１つの実施態様では、各分配ノズル２２の上流側の制御弁２６が、その分配ノズル２２を含有するバーナーエレメント２０のアクティブ状態及びパッシブ状態にそれぞれ対応する高流量位置と低流量位置との間で調節される。別の実施態様では、制御弁２６はバイパス通路２７と並列に配置されている。この実施態様では、制御弁２６は、ここでもやはりバーナーエレメント２０のアクティブ状態及びパッシブ状態にそれぞれ対応する開位置と閉位置との間で調節されるのに対して、バイパス通路２７は比較的少ない流量が制御弁２６を迂回するのを可能にして、第１流体Ｆ１のうちのいくらかがパッシブ状態においてさえ分配ノズル２２へ常に流れているようにする。
【００３２】
いずれの配列の効果も、比較的多いアクティブな流量と比較的少ないパッシブな流量との間で、分配ノズル２２を通る流量を調節することである。例えばアクティブな流量は、分配ノズル２２への平均流量よりも多い流量と定義することができるのに対して、パッシブな流量は、分配ノズル２２への平均流量よりも少ない流量と定義することができる。平均流量は、第１流体Ｆ１の総流量を分配ノズル２２／バーナーエレメント２０の総数ｎで割り算することによって決定される。アクティブな流量がパッシブな流量よりも常に多い状態で、アクティブな流量とパッシブな流量との他の関係を用いてもよい。
【００３３】
アクティブな流量とパッシブな流量をどのようにして決定するかとは無関係に、パッシブな流量はゼロ流よりも多くなければならない。各バーナーエレメント２０内の燃焼を維持するにはパッシブな流量で十分であり、これにより、バーナーエレメント２０がパッシブ状態からアクティブ状態へ切り換えられたときに即座に着火するためのメカニズムを提供することができる。ゼロではないパッシブな流量はまた分配ノズル２２を異物の侵入から保護する。１つの実施態様では、パッシブな流量はアクティブな流量の半分以下である。別の実施態様では、［アクティブな流量］／［パッシブな流量］の比は少なくとも約５でありかつ約４０以下である。さらに別の実施態様では、［アクティブな流量］／［パッシブな流量］の比は少なくとも約１５でありかつ約２５以下である。
【００３４】
環状ノズル２４には第２流体Ｆ２が供給される。制御弁２８が、環状ノズル２４への第２流体Ｆ２の総流量を制御し、そしてマニホルド２９がｎ個の環状ノズル２４にわたってほぼ均一に流れを分配する。第３流体Ｆ３がステージングノズル３０に供給され、そして第３流体Ｆ３の流量は制御弁３２によって制御される。ステージングノズル３０は旋回羽根、又はステージングノズル３０を出る第３流体Ｆ３に旋回流を付与するための他のメカニズム（図示せず）を含むことができる。第３流体Ｆ３に付与された旋回流は、流体噴流を分裂させることになる。このことは、アクティブな噴流による第３流体Ｆ３の連行を助けることができる。しかし、強力な旋回流は望ましくない。それというのも、これは流れ構造を支配して火炎形状を変えるおそれがあるからである。
【００３５】
第２流体Ｆ２及び第３流体Ｆ３は同じタイプの反応物質、つまり燃料又は酸化剤を含有している。例えば、第１流体Ｆ１が燃料であるとき、第２流体Ｆ２及び第３流体Ｆ３はそれぞれ酸化剤であり、また第１流体Ｆ１が酸化剤であるとき、第２流体Ｆ２及び第３流体Ｆ３はそれぞれ燃料である。１つの実施態様では、第２流体Ｆ２及び第３流体Ｆ３は異なる流体である。すなわちそれぞれの流体は同じ反応物質（燃料又は酸化剤）を有するがしかし濃度が異なる。この事例では、制御弁２８と制御弁３２とは、２つの流体Ｆ２及びＦ３を制御するための別々の弁でなければならない。別の実施態様（図示せず）において、第２流体Ｆ２及び第３流体Ｆ３が、同じ濃度の同じ反応物質を有する同じ流体である場合には、制御弁２８及び制御弁３２の代わりに、ステージング弁を使用することにより、ｎ個の環状ノズル２４にほぼ均一に流れの一部を分配し、そして流れの残りをステージングノズル３０に分配することができる。
【００３６】
図示の実施態様では、環状ノズル２４のそれぞれへの第２流体Ｆ２の流量は独立して制御されない。その結果、制御弁２８が開いているときに、各環状ノズル２４は、第２流体Ｆ２のほぼ平均流量を常に流動させる。平均流量は、第２流体Ｆ２の総流量を環状ノズル２４／バーナーエレメント２０の総数で割り算することによって決定される。あるいはまた、各環状ノズル２４への第２流体Ｆ２の流量は独立して制御してもよい。
【００３７】
図示の実施態様の場合、各環状ノズル２４への第２流体Ｆ２の流量はほぼ同じなので、各バーナーエレメント２０はそのバーナーエレメント２０がその時点でアクティブであるかパッシブであるかに応じて化学量論比のいずれかの側で動作する。バーナーエレメント２０がアクティブ状態であるときには、そのバーナーエレメントは一方の方向に化学量論比から外れて、またあるときには化学量論比からかなり外れて動作する。そしてバーナーエレメント２０がパッシブ状態であるときには、そのバーナーエレメントは反対方向に化学量論比から外れて、またあるときには化学量論比からかなり外れて動作する。例えば、第１流体Ｆ１が燃料であり、第２流体Ｆ２が酸化剤である場合、アクティブ状態にあるバーナーエレメント２０は燃料リッチ側で動作し、そしてパッシブ状態にあるバーナーエレメント２０は燃料リーン側で動作する。あるいはまた、第１流体Ｆ１が酸化剤であり、第２流体Ｆ２が燃料である場合、アクティブ状態にあるバーナーエレメント２０は燃料リーン側で動作し、そしてパッシブ状態にあるバーナーエレメント２０は燃料リッチ側で動作する。しかし、燃料及び酸化剤の総流量は制御弁２３及び２８によって（そしてステージング制御弁３２によっても）制御されるので、バーナー１０の化学量論的組成全体は、どのバーナーエレメント２０を、そしていくつのバーナーエレメント２０をパッシブ状態に対してアクティブ状態にするかとは無関係に同じままである。
【００３８】
各バーナーエレメント２０が動作する際の化学量論的組成は、当量比によって特徴づけることができる。所与の燃料流量に関して、当量比は、［理論上の化学量論的酸素流量］／［実際の酸素流量］の比として決定される。１００％酸素である酸化剤の場合、酸素流量は酸化剤流量に等しい。酸素パーセンテージＸが１００％未満である酸化剤の場合、酸化剤流中の酸素流量は、酸化剤流量を酸素パーセンテージＸで割り算することにより決定され、例えば４０％の酸素を含有する酸化剤を使用して１００ＳＣＦＨの酸素要件を満たすためには、２５０ＳＣＦＨの酸化剤が必要となる。
【００３９】
以下の考察は、第１流体Ｆ１が燃料であり、第２流体Ｆ２及び第３流体Ｆ３が両方とも酸化剤である実施態様に関する。バーナーエレメント２０がパッシブ状態にある場合には、当量比は約１未満であり、好ましくは少なくとも約０．２である。このことは、パッシブなバーナーエレメント２０が燃料リーン側において、完全燃焼のために必要な量の５倍も多い酸素で動作しており、ことを意味する。対照的に、バーナーエレメント２０がアクティブ状態にある場合には、当量比は約１を上回り、好ましくは約１０以下である。このことは、アクティブなバーナーエレメント２０が燃料リッチ側において、完全燃焼のために必要な量の僅か１０％の酸素で動作していることを意味する。
【００４０】
［ステージングノズル３０中を流れる反応物質の量］／［環状ノズル２４及びステージングノズル３０中を流れる反応物質の合計量］の比としてステージング比が定義される。例えば、第２流体Ｆ２及び第３流体Ｆ３が酸化剤である場合、ステージング比は、ステージングノズル３０によって提供される酸素量を、ステージングノズル３０及び環状ノズル２４の組み合わせによって提供される総酸素量で割り算した値である。第２流体Ｆ２と第３流体Ｆ３とが同じ流体である（すなわち同じ酸素濃度を有する）場合、ステージング比は単純に、第３流体Ｆ３流量を、第２流体Ｆ２流量と第３流体Ｆ３流量との和で割り算した値である。しかし第２流体Ｆ２と第３流体Ｆ３とが異なる流体である（すなわちそれぞれ異なる酸素濃度Ｘ２及びＸ３を有する）場合、ステージング比は当業者には明らかなように、Ｘ3Ｆ3／（Ｘ2Ｆ2＋Ｘ3Ｆ3）として濃度差を考慮に入れるように計算される。
【００４１】
バーナー１０は約７５％以下のステージング比で操作されることが好ましい。例えば酸化剤がステージングされるとき、すなわち第２流体Ｆ２及び第３流体Ｆ３が酸化剤であるときに、バーナー１０に供給された酸素の少なくとも約２５％が環状ノズル２４中を流れ、そしてこの酸素の約７５％以下がステージングノズル３０中を流れる。より好ましくは、バーナー１０は約４０％以下のステージング比で操作される。さらに上述のように、バーナーエレメント２０のそれぞれがアクティブ又はパッシブに動作するので、１つの時点でアクティブである１つ又は２つ以上のバーナーエレメント２０は、化学量論比と比較して過剰の第１流体Ｆ１で動作し、同じ時点でパッシブである１つ又は２つ以上のバーナーエレメント２０は、化学量論比と比較して過剰の第２流体Ｆ２で動作し、これにより、ステージングノズル３０によって提供される第３流体Ｆ３を考慮しなくてもある程度のステージング量が提供される。
【００４２】
アクティブな分配ノズル２２を出る第１流体Ｆ１は、第１流体Ｆ１流量と分配ノズル２２の断面積によって決定されるアクティブな噴射速度を有する。環状ノズル２４を出る第２流体Ｆ２は、第２流体Ｆ２流量と環状ノズル２４の断面積によって決定される環状噴射速度を有する。同様に、ステージングノズル３０を出る第３流体Ｆ３は、第３流体Ｆ３流量とステージングノズル３０の断面積によって決定されるステージング噴射速度を有する。アクティブな噴射速度は環状噴射速度よりも高いことが好ましい。加えて、バーナー１０の最適な性能のために、ステージング噴射速度はアクティブな噴射速度以下であるべきであり、かつアクティブな噴射速度の約０．０５倍以上であるべきである。１つの実施態様では、［ステージング噴射速度］／［アクティブな噴射速度］の比は約０．４以下である。別の実施態様では、［ステージング噴射速度］／［アクティブな噴射速度］の比は約０．１以上である。
【００４３】
鉛直方向燃焼配列（天井取り付け型）で試験された１つの模範的実施態様において、アクティブな分配ノズル２２を通る第１流体Ｆ１噴射速度は少なくとも約２５０ｆｔ／ｓ、好ましくは少なくとも約３００ｆｔ／ｓであり、パッシブな分配ノズル２２を通る速度はアクティブな噴射速度の約２０％であった。水平方向燃焼配列の場合、アクティブな噴射速度はかなり低くすることができる。それというのも、バーナーブロックの過熱を回避するために浮揚効果と戦う必要が少なくなるからである。
【００４４】
制御弁２３，２６，２８及び３２の全てはコントローラ１００に接続され、このコントローラ１００によって制御される。コントローラ１００は具体的にはバーナー１０を操作するようにプログラム又は構成されている。コントローラ１００は従来の電子構成部分、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏデバイスを含むことができ、コントローラ１００のプログラム又は構成は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、及びコントローラへの動作指示をプログラムするための、現在知られている又は後に開発される任意のその他のメカニズムのうちの１つ又は２つ以上の組み合わせによって達成することができる。
【００４５】
上述のように、流体Ｆ１，Ｆ２及びＦ３のうちの少なくとも１つが燃料でなければならず、又は燃料を含有しなければならず、そして流体Ｆ１，Ｆ２及びＦ３のうちの少なくとも１つが酸化剤でなければならず、又は酸素を含有しなければならない。燃料は気体燃料、液体燃料、又は気体状キャリア中の粉末状固形燃料であってよい。１つの実施態様では、Ｆ１は燃料であり、そしてＦ２及びＦ３は酸化剤である。この事例において、Ｆ２及びＦ３は同じ酸化剤であってよく、又はＦ２及びＦ３は異なる酸化剤であってよい。例えば、１つの好ましい実施態様では、Ｆ１は気体燃料、例えば天然ガスであり、Ｆ２は、酸素濃度が約７０％以上の酸化剤であり、そしてＦ３は、酸素濃度が約２０．９％以上の酸化剤である。別の同様の実施態様では、Ｆ１は気体燃料、例えば天然ガスであり、Ｆ２は、酸素濃度が空気のものを上回る酸化剤であり、そしてＦ３は空気である。
【００４６】
別の実施態様では、Ｆ１は酸化剤であり、そしてＦ２及びＦ３は燃料である。この事例では、Ｆ１は酸素濃度が約２６％以上、好ましくは約４０％以上、より好ましくは約７０％以上である。
【００４７】
図３は、図１に示されたバーナー１０の実施態様のための１つの可能な動作順序を示している。考察のために、４つのバーナーエレメント２０には符号ａ，ｂ，ｃ及びｄを付ける。図示のように１つの時点でただ１つのバーナーエレメント２０がアクティブであり、残りのバーナーエレメント２０はパッシブであり、そして各バーナーエレメント２０は、前にアクティブであったバーナーエレメント２０がパッシブ状態に戻されると、連続してアクティブ状態に切り換えられる。
【００４８】
具体的には、図示の実施態様では、バーナーエレメント２０ａがアクティブであるのに対してバーナーエレメント２０ｂ，２０ｃ及び２０ｄはパッシブである。換言すれば、各バーナーエレメント２０の環状ノズル２４のそれぞれは、ほぼ等しい第２流体流量Ｆ２を受容しており、バーナーエレメント２０ａの分配ノズル２２だけが、より多くのアクティブな第１流体流量Ｆ１を受容しているのに対して他のバーナーエレメント２０ｂ，２０ｃ及び２０ｄの分配ノズル２２はより少ないパッシブな第１流体流量Ｆ１を受容している。この結果、アクティブなバーナーエレメント２０ａから比較的長い貫通性の火炎が生じ、そしてパッシブなバーナーエレメント２０ｂ，２０ｃ及び２０ｄからは比較的短い（パイロット）火炎が生じる。図示の実施態様にさらに示されているように、バーナーエレメント２０ｂがアクティブになると、バーナーエレメント２０ａはパッシブ状態に戻り、バーナーエレメント２０ｃ及び２０ｄはパッシブなままである。次に、バーナーエレメント２０ｃがアクティブになると、バーナーエレメント２０ｂはパッシブ状態に戻り、バーナーエレメント２０ｃ及び２０ａはパッシブなままである。最後に、バーナーエレメント２０ｄがアクティブになると、バーナーエレメント２０ｃはパッシブ状態に戻り、バーナーエレメント２０ａ及び２０ｂはパッシブなままである。
【００４９】
図３に示された上記の順序は本質的に無限のバリエーションのうちの１つにすぎない。１つの非制限的な例では、ａ−ｂ−ｃ−ｄ又はａ−ｂ−ｄ−ｃ又はａ−ｃ−ｂ−ｄ又はａ−ｃ−ｄ−ｂのような反復順序で１つの時点で１つのバーナーエレメント２０がアクティブであり。別の非制限的な例では、ランダムな順序で１つの時点で１つのバーナーエレメント２０がアクティブである。さらに別の非制限的な例では、１つのバーナーエレメント２０が１つの時点で、しかしそれぞれ同じ又は異なる時間長にわたってアクティブである。
【００５０】
さらに、他の例において、２つ以上のバーナーエレメント２０が１つの時点でアクティブである。例えば、３つ又は４つ以上のバーナーエレメント２０を有するバーナー１０の場合、２つのバーナーエレメント２０がアクティブであり、残りはパッシブであってよい。一般に、ｎ個のバーナーエレメントを有するバーナー１０の場合、１からｎ−１までの任意の個数のバーナーエレメントがアクティブであり、残りはパッシブであってよい。
【００５１】
予めプログラムされた時系列に基づいて、所定のアルゴリズムに従って、ランダムな順序に従って、又は炉の条件に応じて、各バーナーエレメント２０をパッシブ状態からアクティブ状態へ切り換えることができる。より多くの又はより少ない燃焼熱が必要とされる場所を決定することに関する任意のパラメータを検知するために、１つ又は２つ以上のセンサ１１０を炉内に配置することができる。例えば、センサは温度センサであってよく、この場合、温度センサが設定閾値を下回ると、その温度センサの領域内で炉を加熱するように配向されたバーナーエレメント２０をより頻繁に、又はより長い時間にわたってアクティブにすることができる。あるいはまた、炉又は装填物の一部が受容している熱が不十分であることを温度センサが検出すると、その炉部分の近くに配置された、又はその装填物部分に向かって所定の角度を成す１つ又は２つ以上のバーナーエレメント２０をアクティブ状態へ切り換えることができる一方、過剰の熱を受容する炉部分内のバーナーエレメント２０をパッシブ状態に切り換えることもできる。
【００５２】
温度センサは接触センサ、例えば炉壁内に配置された熱電対又はＲＴＤを含むことができ、或いは、非接触センサ、例えば赤外センサ、放射線センサ、光センサ、カメラ、色センサ、又は当業者が利用可能な他のセンサを含むことができる。他のタイプのセンサを使用して、炉内の溶融レベル又は加熱レベルを示すこともできる。このようなセンサの一例としては、（例えばこれから溶融しなければならない固形装填物の近接を検知するための）近接センサ、又は（例えば相互結合性が弱い固形物塊と比較して高い液体の伝導度を検出するための）伝導度センサが挙げられる。
【００５３】
本明細書に記載されたバーナー１０の操作によっていくつかの利点を達成することができる。熱を所定の場所に優先的に、そしてより長い又はより短い時間にわたって導くことができるので、炉内の低温スポットを識別して排除することができ、その結果、加熱及び溶融がより均一に行われるようになる。具体的には、図７に示された鉛直方向燃焼配列（すなわち下方を向いた天井取り付け型バーナー）の場合、バーナーエレメント２０の全部よりも少ない数のバーナーエレメントをアクティブ・モードにしてバーナーを操作することによって、浮揚性火炎の危険を低減又は排除し、これによりバーナーブロック及び炉天井の過熱を回避することができる。アクティブなバーナーエレメント２０に由来する燃料リッチ燃焼、すなわち環状ノズル２４を通って提供される酸素が分配ノズル２２を通って提供される燃料によって必要とされる化学量論的酸素よりも著しく少ない燃料リッチ燃焼は、溶融浴の近くに非酸化性雰囲気を形成することによって、装填物を望ましくない酸化から保護するのを助ける。例えば米国特許２０１３／００９５４４３７号明細書に示されているように、バーナーエレメント２０を反復サイクル・パターンでアクティブにすることによって、渦流加熱パターンを生成することができる。渦流加熱パターンは燃焼ガスの滞留時間を長くし、熱伝達率を高め、そして加熱の均一性を改善することもできる。さらに、バーナーエレメント２０を選択的にアクティブにし、そしてステージング比を変化させることによって、燃焼反応から生じる最大熱流束の場所を調節し、そして火炎被域を調節することによって、炉の種々の幾何学的形状、状態、及び装填レベルに適応させることができる。
【００５４】
バーナーの種々の可能な形態は図５に示されたものを含む。図５（ａ）に示されたタイプの実施態様の場合、バーナーエレメント２０のうちの１つ又は２つ以上が、バーナーエレメント２０の外接円から、又はステージングノズル３０によって規定された軸から半径方向外側へ向かって角度αを成していてよい。図示の実施態様は４つ全てのバーナーエレメント２０が半径方向外側へ向かって同じ角度αを成しているのを示しているが、言うまでもなく、各バーナーエレメント２０は炉の幾何学的形状、及びバーナー１０の所望の動作特性に応じて、異なる角度αnを成していてよい。角度αは約０°以上であってよく、約６０°以下であることが好ましい。角度αは少なくとも約１０°であり、かつ約４０°以下であることがより好ましい。
【００５５】
図５（ｂ）に示されたタイプの実施態様では、１つ又は２つ以上のバーナーエレメント２０が外接円に対して接線方向に所定の角度βを成して、これにより旋回流を形成するようになっていてよい。図示の実施態様は４つ全てのバーナーエレメント２０が接線方向に同じ角度βを成しているのを示しているが、言うまでもなく、各バーナーエレメント２０は炉の幾何学的形状、及びバーナー１０の所望の動作特性に応じて、異なる角度βnを成していてよい。角度βは約０°以上であってよく、約６０°以下であることが好ましい。角度βは少なくとも約１０°であり、かつ約４０°以下であることがより好ましい。
【００５６】
図５（ｃ）に示されたタイプの実施態様では、複数のバーナーエレメント２０が、中間点と端部とを有する線を規定するように互いに概ね同一直線上に配置されている。４つのバーナーエレメント２０が示されてはいるが、この実施態様は、少なくとも２つのバーナーエレメント２０、かつ最大で具体的な炉内に必要とされるのと同数のバーナーエレメント２０を備えた形態に適用可能である。それぞれ隣接するバーナーエレメント対２０の間にはステージングノズル３０が配置されて、バーナーエレメント２０とステージングノズル３０とが交互に位置するようになっている。２つのバーナーエレメント２０を備えた装置は、これら２つのバーナーエレメント２０の間に配置された１つのステージングノズル３０を有しており、また３つのバーナーエレメント２０を備えた配列は、隣接するバーナーエレメント対２０の間にそれぞれ配置された２つのステージングノズル３０を有する。バーナーエレメント２０は全てバーナー面１４に対して垂直に配向されていてよく、又はバーナーエレメント２０のうちのいくつか又は全てが、線中間点から線端部のうちの一方に向かって外向きに約４５°以下の角度γを成していてもよい。同様に、ステージングノズル３０はバーナー面１４に対して垂直に配向されていてよく、或いは、ステージングノズル３０のうちのいくつか又は全てが、線に沿って一方の方向又は他方の方向に所定の角度を成していてよい。図示の実施態様では、中央のステージングノズル３０がバーナー面１４に対して垂直に配向されており、そして同一直線上の一連の３つのエレメント、すなわちバーナーエレメント２０とステージングノズル３０と別のバーナーエレメント２０とが直径方向で両側に配置されていて、中央のステージングノズル３０から離れる方向に、それぞれの線端部に向かって所定の角度を成している。
【００５７】
図５（ｄ）に示されたタイプの実施態様では、複数のバーナーエレメント２０が、中間点と端部とを有する線を規定するように互いに概ね同一直線上に配置されている。４つのバーナーエレメント２０が示されてはいるが、この実施態様は、少なくとも２つのバーナーエレメント２０、かつ最大で具体的な炉内に必要とされるのと同数のバーナーエレメント２０を備えた形態に適用可能である。短軸の少なくとも１．５倍の長さの長軸を有する細長い、又はほぼ方形のステージングノズル３０がバーナーエレメント２０に隣接して、バーナーエレメント２０から固定的な間隔だけ離して配置されている。長軸はバーナーエレメント２０によって規定された線に対して実質的に平行である。バーナーエレメント２０は全てバーナー面１４に対して垂直に配向されていてよく、或いは、バーナーエレメント２０のうちのいくつか又は全てが、線中間点から線端部のうちの一方に向かって外向きに約４５°以下の角度γを成していてもよい。
【００５８】
図５（ｅ）に示されたタイプの実施態様では、各バーナーエレメント２０はフラット・フレーム形態を有する。分配ノズル２２及び環状ノズル２４の両方は、短軸の少なくとも１．５倍の長さの長軸を有する細長い、又はほぼ方形の形態を有する。このタイプのフラット・フレーム・バーナーについては、米国特許第５，６１１，６８２号明細書に詳述されている。少なくとも２つのステージングノズル３０がバーナーエレメント２０に隣接して、バーナーエレメント２０から所定の間隔だけ離して配置されており、バーナーエレメント２０の主軸に対して実質的に平行な線を規定するようにほぼ同一直線上に配向されている。少なくとも２つのバーナーエレメント２０がこの形態において利用される。
【００５９】
図５に示された上記形態のいずれにおいても、図１の形態に関して上述したものと同様に過渡動作スキームを実施することができる。具体的には、いかなる時点においても、少なくとも１つのバーナーエレメント２０がアクティブ状態で操作される。アクティブな分配ノズル２２を通る流体流量は、分配ノズル２２の全てを通る平均流体流量よりも多い。これに対しては、少なくとも１つのバーナーエレメント２０がパッシブ状態で操作される。パッシブな分配ノズル２２を通る流体流量は、分配ノズル２２の全てを通る平均流体流量よりも少ない。
【００６０】
図７に示されているように、炉２００の天井（鉛直方向の設置）又は炉２００の側壁（水平方向の設置）に１つ又は２つ以上のバーナー１０を取り付けてよい。鉛直方向の設置の場合、バーナーエレメント２０は図５（ａ）又は図５（ｂ）のような形態で配列することにより装填物に最適な熱流束を提供する一方、バーナーブロックの過熱を防止することが好ましい。例えば上述のように、バーナーエレメント２０は、ステージングノズル３０を取り囲む外接円から半径方向外側へ向かって所定の角度を成すように配向することができる（図５（ａ））。あるいはまた、バーナーエレメント２０は、（外接円に対して接線方向に所定の角度を成す）渦流形態で配向することもできる（図５（ｂ））。水平方向形態の場合、バーナーエレメント２０は任意の列を成すように配置することができ、具体的には、炉の幾何学的形状に応じて図５（ｃ）〜５（ｅ）のいずれかのように配置してよい。
【００６１】
図８のデータに示されているように、バーナー１０は、従来の酸素−燃料バーナーと比較して低減されたＮＯｘ排出量を呈する。なお、図８のスケールは相対的であり、従来の酸素−燃料バーナーのピークＮＯｘ量に対して標準化されている。バーナー１０を輝炎モードで（すなわち低形態係数の分配ノズル２２を用いて）本明細書中に記載されているように過渡的に操作すると、ピークＮＯｘ排出量は従来の酸素−燃料バーナーによって排出された量の僅か約４０％である。バーナー１０を非輝炎モードで（すなわち高形態係数の分配ノズル２２を用いて）本明細書中に記載されているように過渡的に操作すると、ピークＮＯｘ排出量はさらに低くなり、従来の酸素−燃料バーナーによって排出された量の僅か約３５％である。両方の事例において、バーナー１０は分配型流体として燃料を用いて、またステージング型流体として酸化剤を用いて操作された。理論に縛られることはないが、この驚くべき結果は、バーナー１０によってもたらされた高度にステージングされた燃焼特性の結果であると考えられる。このような燃焼特性は、酸素の利用可能性が制限されることによってＮＯｘ生成量が少ない第１の燃料リッチ火炎ゾーンと、燃焼温度が低いことによってＮＯｘ生成量が少ない第２の燃料リーン火炎ゾーンとをもたらす。
【００６２】
本発明は、実施例において開示された具体的な態様又は実施態様によって範囲を限定されるものではない。実施例は本発明のいくつかの態様を例示するものと意図される。機能的に同等のいずれの実施態様も本発明の範囲に含まれる。本明細書に示され説明されたものに加えて、本発明の種々の変更形が当業者には明らかになり、これらの変更形は、添付の特許請求の範囲に含まれるものとする。
【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８】
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