(57)【要約】  炉は、空気燃料又は酸素燃料のいずれかの燃焼によって選択的に作動することができるバーナによって加熱される。バーナは、燃料導管と、空気導管と、酸化剤導管と、空気導管及び酸化剤導管を通る流れを調整する制御手段とを備える。空気燃料焼成炉は、酸化剤導管及び燃料導管と、空気導管及び酸化剤導管を通る流れを調整するための制御手段とを付加することによって改変することができる。
2009532661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）燃焼ゾーンをエンクローズし、炉の壁を貫通する少なくとも１つのバーナを有する炉であって、前記少なくとも１つのバーナに対して、空気が空気導管を通って供給され、かつ燃料が前記燃焼ゾーン内で前記バーナにおいて燃焼されるために前記炉の外側からバーナ燃料導管を通って供給される炉と、
（ｂ）酸化剤をその中を通して前記炉の外側から前記炉内に供給することができる酸化剤導管と、
（ｃ）前記酸化剤導管を通る酸化剤の流れ及び前記空気導管を通る空気の流れを、酸化剤の流れに対する空気の流れの比を制御することができるように調整する制御手段とを備える燃焼装置であって、
前記酸化剤導管及び前記バーナ燃料導管は、前記酸化剤導管が前記燃焼ゾーン内の酸化剤混合ゾーン内に酸化剤を供給し、前記バーナ燃料導管が前記酸化剤混合ゾーンから分離された前記燃焼ゾーン内の燃料反応ゾーン内に燃料を供給するように、互いに対して向けられている燃焼装置。
【請求項２】
前記酸化剤導管が、前記バーナ内から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記酸化剤導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記燃焼ゾーン内で燃焼されるために燃料が前記炉の外側からその中を通って供給される第２の燃料導管をさらに備える、請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項５】
前記酸化剤導管が、前記バーナ内から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項４に記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記第２の燃料導管が、前記バーナ内から前記炉内に燃料を供給する、請求項５に記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記第２の燃料導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に燃料を供給する、請求項５に記載の燃焼装置。
【請求項８】
前記酸化剤導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項４に記載の燃焼装置。
【請求項９】
前記第２の燃料導管が、前記バーナ内から前記炉内に燃料を供給する、請求項８に記載の燃焼装置。
【請求項１０】
前記第２の燃料導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に燃料を供給する、請求項８に記載の燃焼装置。
【請求項１１】
（ａ）空気が空気導管を通って供給され、かつ燃料が燃焼ゾーン内でバーナにおいて燃焼されるためにバーナ燃料導管を通って供給されるバーナと、
（ｂ）酸化剤をその中を通して前記バーナに供給することができる酸化剤導管と、
（ｃ）前記酸化剤導管を通る酸化剤の流れ及び前記空気導管を通る空気の流れを、酸化剤の流れに対する空気の流れの比を制御することができるように調整する制御手段とを備えるバーナ装置であって、
前記酸化剤導管及び前記バーナ燃料導管は、前記酸化剤導管が前記燃焼ゾーン内の酸化剤混合ゾーン内に酸化剤を供給し、前記バーナ燃料導管が前記酸化剤混合ゾーンから分離された前記燃焼ゾーン内の燃料反応ゾーン内に燃料を供給するように、互いに対して向けられているバーナ装置。
【請求項１２】
前記酸化剤導管が、前記バーナ内から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項１１に記載のバーナ装置。
【請求項１３】
前記酸化剤導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項１１に記載のバーナ装置。
【請求項１４】
前記バーナにおいて燃焼されるために燃料がその中を通って供給される第２の燃料導管をさらに備える、請求項１１に記載のバーナ装置。
【請求項１５】
前記酸化剤導管が、前記バーナ内から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項１４に記載のバーナ装置。
【請求項１６】
前記第２の燃料導管が、前記バーナ内から前記炉内に燃料を供給する、請求項１５に記載のバーナ装置。
【請求項１７】
前記第２の燃料導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に燃料を供給する、請求項１５に記載のバーナ装置。
【請求項１８】
前記酸化剤導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項１４に記載のバーナ装置。
【請求項１９】
前記第２の燃料導管が、前記バーナ内から前記炉内に燃料を供給する、請求項１８に記載のバーナ装置。
【請求項２０】
前記第２の燃料導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に燃料を供給する、請求項１８に記載のバーナ装置。
【請求項２１】
空気焼成炉を改造する方法であって、
（ａ）燃焼ゾーンをエンクローズし、炉の壁を貫通する少なくとも１つのバーナを有する炉であって、前記少なくとも１つのバーナに対して、空気が空気導管を通って供給され、かつ燃料が前記燃焼ゾーン内で前記バーナにおいて燃焼されるために前記炉の外側からバーナ燃料導管を通って供給される炉を提供することと、
（ｂ）酸化剤をその中を通して前記炉の外側から前記炉内に供給することができる酸化剤導管を提供することと、
（ｃ）前記酸化剤導管を通る酸化剤の流れ及び前記空気導管を通る空気の流れを、酸化剤の流れに対する空気の流れの比を制御することができるように調整する制御手段を提供することと、
（ｄ）前記酸化剤導管が前記燃焼ゾーン内の酸化剤混合ゾーン内に酸化剤を供給し、前記バーナ燃料導管が前記酸化剤混合ゾーンから分離された前記燃焼ゾーン内の燃料反応ゾーン内に燃料を供給するように、前記酸化剤導管を前記バーナ燃料導管に対して向けることとを含む方法。
【請求項２２】
前記酸化剤導管が、前記バーナ内から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記酸化剤導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
空気焼成炉を改造する方法であって、
（ａ）燃焼ゾーンをエンクローズし、炉の壁を貫通する少なくとも１つのバーナを有する炉であって、前記少なくとも１つのバーナに対して、空気が空気導管を通って供給され、かつ燃料が前記燃焼ゾーン内で前記バーナにおいて燃焼されるために前記炉の外側からバーナ燃料導管を通って供給される炉を提供することと、
（ｂ）酸化剤をその中を通して前記炉の外側から前記炉内に供給することができる酸化剤導管を提供することと、
（ｃ）前記酸化剤導管を通る酸化剤の流れ及び前記空気導管を通る空気の流れを、酸化剤の流れに対する空気の流れの比を制御することができるように調整する制御手段を提供することと、
（ｄ）燃料が前記燃焼ゾーン内において燃焼されるために前記炉の外側からその中を通って供給される第２の燃料導管を提供することと、
（ｅ）前記酸化剤導管が前記燃焼ゾーン内の酸化剤混合ゾーン内に酸化剤を供給し、前記燃料導管が前記酸化剤混合ゾーンから分離された前記燃焼ゾーン内の燃料反応ゾーン内に燃料を供給するように、前記酸化剤導管を前記バーナ燃料導管及び前記第２のバーナ燃料導管の少なくとも１つに対して向けることとを含む方法。
【請求項２５】
前記酸化剤導管が、前記バーナ内から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２の燃料導管が、前記バーナ内から前記炉内に燃料を供給する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２の燃料導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に燃料を供給する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記酸化剤導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記第２の燃料導管が、前記バーナ内から前記炉内に燃料を供給する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第２の燃料導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に燃料を供給する、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉、特に、材料が炉内に保持され、或いはその中を通されながら、固体材料及び液体材料を加熱し、及び／又は固体材料を溶融するのに使用される炉内の燃料の燃焼に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの工業プロセスでは、５３７．８℃（約１０００Ｆ°）以上の高温まで材料を加熱することが要求される。例としては数多くあるが、圧延機において作業される前の鋼の加熱又は再加熱、及びガラス製品がそこから形成されるガラス溶融物を形成するためのガラス形成材料の溶融が含まれる。
【０００３】
こうした用途の多くにおいては、材料が中に置かれた、又は材料がそこを通される炉内において熱が材料に加えられる。熱は、１つ又は複数のバーナにおける炉内の燃焼によって得られ、ここでは、燃焼熱を生成するために燃料が燃やされる。
【０００４】
多くの炉において、１つ又は複数のバーナは、空気で燃料を燃焼させ、当然のことながら、この空気は燃焼に必要とされる酸素を含んでいる。そのような燃焼は、「空気燃料燃焼」と呼ばれており、空気燃料燃焼が発生するバーナは、「空気燃料バーナ」と呼ばれている。多くの他の用途において、１つ又は複数のバーナは、用途、並びに経済性、燃焼（「酸素燃料燃焼」と呼ばれる）が発生する高い温度、及びより少量の酸化窒素を発生させる機会などの（これらには限定されないが）他の考慮事項に応じて、２５ｖｏｌ．％〜９９ｖｏｌ．％の範囲の、空気よりも高い濃度の酸素を含むガス状の酸化剤で燃料を燃焼させる。酸素燃料燃焼は、酸素燃料燃焼に適合される、特に酸素燃料燃焼で得られたより高い燃焼温度に耐えることができるバーナ（「酸素燃料バーナ」と呼ばれる）の使用を必要とすることが多い。
【０００５】
一部の用途では、空気燃料燃焼及び酸素燃料燃焼の両方を用いることが試みられている。一例が、鋼片（スラブ、ブルーム、又はビレット）がその中を通される鋼再加熱炉において示され、この加熱炉では、鋼片は、最初に１つ又は複数の空気燃料バーナからもたらされた熱によって加熱され、その後、（鋼片は炉内を通過し続けながら）１つ又は複数の酸素燃料バーナからもたらされた熱によって加熱される。さらに、一部の工業加熱プロセスでは、酸素燃料燃焼の利点により、作業者が空気燃料バーナを取り外してそれらを酸素燃焼バーナと交換する、或いは酸素燃焼バーナから構成される追加のゾーンを付加することができるようになった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、繰り返し空気燃料バーナを取り外してそれらを酸素燃料バーナと交換し、その後その酸素燃料バーナを空気燃料バーナと交換し、そのサイクルの繰り返しを継続する際に生じるであろう失費及び時間のロスを被る必要なく、空気燃料燃焼及び酸素燃料燃焼の利点を選択的に及び交互に得ることができる必要性が依然として存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、一態様においては、
（ａ）燃焼ゾーンをエンクローズし、炉の壁を貫通する少なくとも１つのバーナを有する炉であって、その少なくとも１つのバーナに対して、空気が空気導管を通って供給され、かつ燃料が燃焼ゾーン内でバーナにおいて燃焼されるために炉の外側からバーナ燃料導管を通って供給される炉と、
（ｂ）酸化剤をその中を通して炉の外側から炉内に供給することができる酸化剤導管と、
（ｃ）酸化剤導管を通る酸化剤の流れ及び空気導管を通る空気の流れを、酸化剤の流れに対する空気の流れの比を制御することができるように調整する制御手段とを備える燃焼装置であって、
酸化剤導管及びバーナ燃料導管は、酸化剤導管が燃焼ゾーン内の酸化剤混合ゾーン内に酸化剤を供給し、バーナ燃料導管が酸化剤混合ゾーンから分離された燃焼ゾーン内の燃料反応ゾーン内に燃料を供給するように、互いに対して向けられている燃焼装置である。
【０００８】
本発明の別の態様は、
（ａ）空気が空気導管を通って供給され、かつ燃料がバーナにおいて燃焼されるためにバーナ燃料導管を通って供給されるバーナと、
（ｂ）酸化剤をその中を通してバーナに供給することができる酸化剤導管と、
（ｃ）酸化剤導管を通る酸化剤の流れ及び空気導管を通る空気の流れを、酸化剤の流れに対する空気の流れの比を制御することができるように調整する制御手段とを備えるバーナ装置であって、
酸化剤導管及びバーナ燃料導管は、酸化剤導管が燃焼ゾーン内の酸化剤混合ゾーン内に酸化剤を供給し、バーナ燃料導管が酸化剤混合ゾーンから分離された燃焼ゾーン内の燃料反応ゾーン内に燃料を供給するように、互いに対して向けられているバーナ装置である。
【０００９】
本発明の別の態様は、空気焼成炉（ａｉｒ−ｆｉｒｅｄ  ｆｕｒｎａｃｅ）を改造する方法であって、
（ａ）燃焼ゾーンをエンクローズし、炉の壁を貫通する少なくとも１つのバーナを有する炉であって、少なくとも１つのバーナに対して、空気が空気導管を通って供給され、かつ燃料が燃焼ゾーン内でバーナにおいて燃焼されるために炉の外側からバーナ燃料導管を通って供給される炉を提供することと、
（ｂ）酸化剤をその中を通して炉の外側から炉内に供給することができる酸化剤導管を提供することと、
（ｃ）酸化剤導管を通る酸化剤の流れ及び空気導管を通る空気の流れを、酸化剤の流れに対する空気の流れの比を制御することができるように調整する制御手段を提供することと、
（ｄ）酸化剤導管が燃焼ゾーン内の酸化剤混合ゾーン内に酸化剤を供給し、バーナ燃料導管が酸化剤混合ゾーンから分離された燃焼ゾーン内の燃料反応ゾーン内に燃料を供給するように、酸化剤導管をバーナ燃料導管に対して向けることとを含む方法である。
【実施例】
【００１０】
本発明は、通常、燃焼が高温度で行われるエンクロージャを含む従来設計の任意の炉において実施することができる。エンクロージャは、一般に、炉エンクロージャ内で発生する数千度の温度に耐えることができる耐火炉レンガ又はその同等物などの材料で内張りされる。炉の床面、すべての側面、及び天井は、そのような材料ですべて内張りされることが好ましい。本発明を実施することができる炉の例としては、鋼再加熱炉及び固体材料がその中を通って加熱されるその他の炉、並びにガラス溶融炉及び炉に供給された材料がその中で溶融される、又は溶融状態に維持されるその他の炉があげられる。
【００１１】
所望の高温は、１つ又は複数のバーナにおいて行われる燃焼によって炉内で達成される。図１は、炉内で高温を達成するために燃料及び空気を燃焼させるのに現在使用されている１つの一般的なバーナを示す。バーナ１は、炉の壁２を貫通して燃焼ゾーン３に向かって開口するように配置される。バーナ１は、燃料通路４及び空気通路５を含む。燃料は、燃料通路４を通って炉の内側の燃焼ゾーン３に供給され、空気通路５を通って供給される空気に含まれる酸素と共に燃焼し、それにより、炎が形成され、燃焼熱が燃焼ゾーン３及び炉の内部全体に供給される。
【００１２】
こうした空気燃焼に適した燃料には、天然ガス及びメタンなどのガス状炭化水素、コークス炉ガス及び高炉ガスなどの製鋼所内で生成される副産物、これらのガス状燃料の混合物、並びに噴霧された燃料油などの液体燃料及び粉炭などの固体燃料が含まれる。燃料及び空気は、その源に連結される適切な手段を用いて、当業者に極めてよく知られている従来の技術によって、それぞれの通路４及び５を通って供給される。
【００１３】
図１及び２において１３として概略的に示す装置は、燃料通路４内に入り、また、その中を通る燃料の流量を調整し、燃料が燃料通路４内に入り、また、その中を通って流れることができるかどうかを規制する。図１及び２において１６として概略的に示す別の装置は、空気通路５内に入り、また、その中を通る燃焼空気の流量を調整する。
【００１４】
本発明は、空気燃料モードの燃焼で燃料を燃焼させるバーナに、酸素燃料モードの燃焼で燃料を選択的に燃焼させる能力を付加することができる。この能力は、とりわけ、空気の酸素含有量よりも高い酸素含有量を有する酸化剤を燃焼ゾーン３内に供給する方法を提供することによって付加することができる。酸素は、好ましくは少なくとも２５ｖｏｌ．％、より好ましくは少なくとも９０ｖｏｌ．％の酸素濃度を有する。この供給を実施する好ましい方法を図２に示しており、ここでは、空気通路５内に位置する酸化剤ランス１４を示している。酸化剤ランス１４は、図２に１５として概略的に示される適切な装置によって提供され、この装置は、酸化剤を供給し、ランス１４内に入り、また、その中を通る酸素の流量を制御可能に調整することができ、また酸化剤が酸化剤ランス１４内に入り、また、その中を通って流れること自体可能であるかどうかを制御可能に調整することができる。
【００１５】
本発明における動作は、酸素燃料燃焼モードにおいて燃焼される燃料が、空気燃料燃焼モードにおいて燃焼される燃料の場合と同じようにすることができる。そのようなケースでは、燃料は、燃料通路４を通して供給することができる。或いは、酸素燃料燃焼モードで燃焼される燃料が、空気燃料燃焼モードで燃焼される燃料とは異なる場合、又は酸素燃料燃焼モードで供給される燃料がより高流量で供給されねばならない場合などは、酸素燃料燃焼用の燃料は、第２の燃料導管を通って供給される。１つのそのような第２の燃料導管を燃料ランス１１として図２に示し、この燃料ランス１１は、ランス１１の開口部が、燃料通路４の開口部に対して、燃料ランス１１の端部から供給される燃料の燃焼時に形成される炎が十分に支持され燃焼ゾーン３内まで延在するほど十分近くになるように燃料通路４内に位置している。燃料は、図２で１２として概略的に示す源から燃料ランス１１に供給され、この源はまた、燃料ランス１１内の及びその中を通る燃料の流量を制御し、また燃料ランス１１内に及びその中を通って流れることが可能であるかどうか、並びに燃料ランス１１を通る燃料流量と燃料通路４を通る燃料流量との比を制御する。
【００１６】
以下にさらに説明するように、酸素燃料燃焼モードでは、燃料流量と酸化剤流量の相対運動量が管理される必要がある。酸化剤導管がバーナ内にあるほとんどのケースでは、燃料を必須の高い速度で燃焼ゾーン３内に供給することができる第２の燃料導管が必要とされる。炉内の燃焼からのＮｏｘの形成が問題でない場合、既存の燃料導管を本明細書で説明する酸化剤導管と共に使用することができる。Ｎｏｘの形成が問題である場合、第２の燃料導管を、適切に寸法決めされている場合はその燃料導管を通して、又は燃焼空気導管内に至る孔を通って空気燃料バーナ内に、或いは図５に示す炉の壁内の孔を通ってバーナ外側に組み込むことができる。
【００１７】
図３は、図２に示す、炉エンクロージャの内側から見たバーナの正面図である。燃料ランス１１が燃料通路４内に配置され、酸化剤ランス１４が空気通路５内に配置されることを理解することができる。
【００１８】
本発明の同じ目的を達成する他の実施例を使用することもできる。実際、空気燃料バーナの形状に応じて、及びバーナ外側すぐの領域内の利用可能なスペースに応じて、構築及び作動を容易にするために他の形状が好ましいことがある。
【００１９】
図４は、そのような１つの代替の実施例を示しており、ここでは、バーナ及び第２の燃料導管として働く燃料ランス１１は、図２及び３に関する説明通りであるが、酸化剤は、ランス１４を通って供給されており、このランス１４は、バーナに隣接するがバーナの外側のある地点（バーナが燃焼ゾーン３方向に開口するところのバーナの外面によって領域が定められた空間内ではないという意味である）から炉内の燃焼ゾーン３内に酸化剤を放出する。
【００２０】
図５は、別の代替の実施例を示しており、ここでは酸素は、空気導管５内に配置されたランス１４を通って燃焼ゾーンに供給され、第２の燃料導管として働く燃料ランス１１は、バーナに隣接するがバーナ外側のある地点から炉内の燃焼ゾーン３内に燃料を放出する。
【００２１】
図６は、別の代替の実施例を示し、ここでは、酸化剤ランス１４及び第２の燃料導管として働くランス１１の両方が、空気導管５内に配置されている。
【００２２】
ランス又は他の装置によって燃料が燃焼ゾーン３内に供給される酸素燃料モードの場合と、ランス又は他の装置を通して酸化剤が燃焼ゾーン３内に供給される酸素燃料モードの場合において、上記ランス又は他のデバイスは、酸化剤が以下に説明するようにその中に供給される酸化剤混合ゾーン、及び燃料がその中に供給される燃料反応ゾーンが、燃焼ゾーン３内で分離（すなわち互いに物理的に区別できる）されるように互いに対して向けられていなければならない。バーナが酸素燃料モードであるときの酸素及び燃料の供給、並びにバーナの動作は、参照によってその全容が本明細書に組み込まれる、米国特許第５０７６７７９号に含まれる説明に従って実施されねばならない。特に、酸化剤は、投入された酸化剤に燃焼ゾーン３内にある炉ガスを取り込む、又は混合するのに十分な速度で燃焼ゾーン３内に投入される。炉ガスには、燃焼ゾーン内に浸潤する周囲のガス、並びに酸化剤混合物及び燃料反応混合物からのガスが含まれる。一般に、酸化剤の速度は、１秒当たり少なくとも６０．９６ｍ（２００フィート）であるが、１秒当たり７６．２０ｍ（２５０フィート）から音速（２１．１１℃（７０Ｆ°）において１秒当たり３２６．１ｍ（１０７０フィート））の範囲であることが好ましい。酸化剤の速度は、投入された酸化剤の酸素濃度を希釈するために十分な炉ガスが投入された酸化剤と混合し、それにより、酸化剤混合物が、最高で１０ｖｏｌ．％、好ましくは最高で５ｖｏｌ．％の酸素濃度を有して酸化剤混合ゾーン内で生成されるような速度である。純酸素又は酸素富化空気が酸化剤として使用されるとき、酸素濃度を所望のより低いレベルまで低減するには炉ガスのより高い取り込みが必要とされる。酸化剤噴流に取り込まれる炉の雰囲気はほとんど燃料を含んでいないため、このゾーンでは燃焼反応は起こらない。
【００２３】
炉ガスは、酸化剤混合ゾーン内に供給されている酸化剤の高速の流れによって引き起こされた乱流又は吸引効果により、酸化剤と混合する、或いは酸化剤中に取り込まれる。これによって生じた、投入された酸化剤に存在した酸素濃度よりも極めて低い濃度の酸素を含む酸化剤混合物は、酸化剤混合ゾーンから流出し、燃焼ゾーン３内において雰囲気の一部を形成するように働く。すなわち、酸化剤混合物は、燃焼ゾーン３に追加の炉ガスを提供する。
【００２４】
本発明の酸素燃料モードの動作中、燃料が燃焼ゾーン３内に投入されると、燃焼ゾーン３内の空気からの炉ガスは、燃料の流れの投入によって引き起こされる外乱により、燃料の流れに流入し、該燃料と混合し、炉ガス内の酸素は、燃料反応ゾーン内で燃料と共に燃焼する。空気導管５を通って運ばれた空気量及び燃料ランス１１の相対位置に応じて、少量の燃料が、メインの燃焼ゾーン３の前に、炉の燃焼ゾーン内において空気導管５を介して供給された空気と反応することがある。
【００２５】
燃焼ゾーン３内の温度は、７６０℃（１４００Ｆ°）を超えなければならない。これは、７６０℃（１４００Ｆ°）より低い温度では、炎の不安定さが生じ得るためである。炉ガスの温度が燃料及び酸素の自動発火温度よりも高いとき、燃料は、炉ガスの酸素分子と自然に反応する。しかし、酸素濃度は相対的に低いため、炎の温度は、燃料反応ゾーン内に二酸化炭素、水蒸気、及び窒素分子などの非反応分子が多く存在することによって比較的低く維持される。燃料反応ゾーン内のこうした条件下の燃焼により、燃焼熱並びに二酸化炭素及び蒸気などの燃焼反応生成物が生成されるが、酸化窒素はほんのわずかしか生成されない。生成された酸化窒素の正確な量は、各々の特定の状況によって変わり、燃焼ゾーン内の炉ガス温度、窒素濃度、及び滞留時間などの要因に依存することになる。
【００２６】
燃料反応生成物を含むこうして得られた燃料混合物は、燃料反応混合物から流出し、燃焼ゾーン３内の雰囲気の一部を形成するように作用し、それにより、さらなる炉ガスが燃焼ゾーン内に供給される。燃料反応ゾーン内において、燃料は、燃料反応ゾーンの外側の燃焼ゾーン内に、燃焼されない燃料、又は不完全に燃焼された燃料が有意に存在することがないように実質的に完全に燃焼する。
【００２７】
本発明の酸素燃料燃焼モードの実践においては、酸化剤混合ゾーン及び燃料反応ゾーンは、燃焼ゾーン３内で互いに離れた状態で維持される（すなわち「分離される」）ことが重要である。このようにして、燃焼は、主に燃料反応ゾーンに制限され、かつ酸化窒素（「Ｎｏｘ」）の形成を低減させる条件下に制限される。このモードの燃焼のさまざまなステップを順番に説明しているが、この方法のステップが同時にかつ連続的に実施されることを当業者であれば理解するであろう。
【００２８】
酸化剤混合ゾーン及び燃料反応ゾーンは、酸化剤混合ゾーン内での酸化剤の必要な希釈及び燃料反応ゾーン内での燃料の必須の実質的に完全な燃焼の前の一体化及び重複を避けるように燃料及び酸化剤の投入地点（すなわち、例えばランス１１及び１４の端部）を配置し、投入方向をそのように向けることにより、所望に応じて分離した状態で維持することができる。
【００２９】
燃料及び酸化剤は、燃焼ゾーン３内において十分な混合を達成するやり方で燃焼ゾーン３内に供給され、それにより、酸化剤混合ゾーン及び燃料反応ゾーンの外側の燃焼ゾーン雰囲気はほぼ均質になる。特に好ましい実施例では、燃料及び酸化剤は、燃焼ゾーン３内における炉ガスの再循環パターンを向上させるやり方で燃焼ゾーン３内に投入される。この再循環パターンは、燃焼ゾーン３内の温度分布及びガス均一性の改善に寄与し、酸化剤混合ゾーン及び燃料反応ゾーン内の混合を改善し、それによって、よりスムーズな燃焼を得、且つ、Ｎｏｘの形成を阻止することができる。燃焼ゾーン３内の最適な炉ガスの再循環により、燃焼ゾーンから取り出された燃焼ガスの組成は、酸化剤混合ゾーン及び燃料反応ゾーン外側の燃焼ゾーン３内の諸地点における雰囲気の組成とほぼ同じである。この再循環パターンはまた、燃料反応ゾーン下流の炉ガスの酸化剤の流れへの取り込み、及び酸化剤混合ゾーン下流の炉ガスの燃料の流れへの取り込みを向上させる。
【００３０】
本発明の酸素燃料燃焼の動作モードでは、酸化剤の流れ及び燃料の流れを、高速で、かつ酸化剤混合ゾーン及び燃料反応ゾーンが重複しないように互いに放して供給することが特に好ましい。好ましくは、酸化剤の流れの運動量フラックスに対する燃料の流れの運動量フラックスの比は、図３〜６に示す実施例などの相対的に接近した近位から投入されるときは、１：５〜５：１内であるべきである。
【００３１】
図７及び８は、実施することができる燃焼の酸素燃料モードの２つの実施例を示す。文字「Ｏ」は、酸化剤混合ゾーンを示し、文字「Ｆ」は、燃料混合ゾーンを示す。酸化剤混合ゾーン「Ｏ」に向けられた矢印は、酸化剤混合ゾーンに向かってその中に引っ張られる炉ガスを示し、燃料反応ゾーン「Ｆ」に向けられた矢印は、燃料反応ゾーンに向かってその中に流入する炉ガスを示す。
【００３２】
空気燃料バーナを、空気燃料燃焼及び酸素燃料燃焼を選択的に実施することができるバーナに適合させることは、作業者が同じバーナにおいて空気燃料燃焼モードと酸素燃料燃焼モードの間を制御可能に切り替えることができるように適切な制御を提供することによって達成される。この適合を達成するためには、空気通路を通る空気の流れを制御可能に最小限又は制限内に抑える、停止する、若しくは開始することができ、かつ酸化剤ランス、又は酸化剤がそれによって燃焼ゾーン３に供給される他のユニットを通る酸化剤の流れを制御可能に停止する、又は開始することができる制御が必要になる。制御はまた、それぞれの導管を通る燃焼空気の流量及び酸化剤の流量の調整を可能にすることが好ましい。制御機構は、その最も簡易なモードでは、燃焼ゾーン３への酸化剤の流れを制御する調整弁及びバーナの空気通路への空気の流れを制御する調整弁のみを含む。たいていの実施例では、一方のそのような流れを完全に停止させ、そのとき他方のそのような流れを開始させることが望まれることになる。市販されている酸素供給装置は、通常、２つの締め切り弁（安全のために）、流量計測装置、圧力スイッチ、及びこのレベルの制御を円滑に進めることができる他の計装機器を有する。
【００３３】
さらに、燃焼が空気燃料又は酸素燃料に関わらず同じ燃料が使用される実施例では、バーナを通って燃焼ゾーン３に入る燃料の流量を調整する制御がすでに存在している限り、さらなる制御が提供される必要はない。しかし、燃焼が空気燃料か又は酸素燃料かに応じて異なる燃料、すなわち異なる燃料供給導管が提供される実施例では、作業者が、酸素燃料燃焼モードが作動されるときは空気燃料燃焼に関連する燃料の流れを停止し、空気燃料燃焼モードが作動されるときは酸素燃料燃焼に関連する燃料の流れを停止することを可能にする制御が提供されなければならない。しかし、空気燃料及び酸素燃料モードにおいて同じ燃料が燃焼される場合でも、酸素燃料モードは、通常、より高速の燃料流量を必要とする。したがって、空気燃料燃焼のために空気燃料バーナに燃料を供給するための燃料導管に燃料を供給するために配置されている燃料送出計測システムから供給される燃料（例えば、通常は低速の燃料供給）は、酸素燃料燃焼のために燃料を供給するのに使用される第２の燃料導管（すなわち、バーナ、又は導管１１、又は例えば図５に示すように別個の開口部１１）に切り替えられる。そのため、既存の燃料供給計測システムが維持され、導管の間を切り替えるだけであるという利点がもたらされる。
【００３４】
制御は、酸化剤が供給され燃焼されている酸素燃料燃焼モードであっても、空気の基底流量が空気導管を通ることを可能にすることが好ましい。この制御により、作業者は、所望の燃焼条件が確立されるまで、空気の流量に対する酸素の流量の比を徐々に、制御可能に増大させることができる。
【００３５】
空気燃料バーナが、本明細書で説明するように同じバーナで酸素燃料燃焼及び空気燃料燃焼を制御可能に実施することができ、同じバーナで空気燃料燃焼と酸素燃料燃焼の間を所望に応じて制御可能に交互に切り替えることができるように構成されているとき、それによって得られる装置及びその能力は、作業者にいくつかの極めて重要な利点を与える。そのような利点の１つは、エネルギー効率を改善できることである。すなわち、所定量の炉出力の間に消費される燃料は改善され、燃料コストは、消費される酸化剤の酸素のコストを考慮に入れても低減可能である。別の利点は、炉出力の量（所定の単位の時間における再加熱される鋼の量など）という点で、生産性が改善されることである。本明細書において説明するように改造する前の炉の特性に応じて、この改善は、空気に比べて酸素含量が高い酸化剤との燃焼が、空気燃料燃焼モードに供給され得る燃焼空気の量における炉の限界を打破することができるという事実、及び／又は煙道を通じて排出されなければならない燃焼ガスの体積が低減（この燃焼ガスは空気燃料燃焼において発生する燃焼ガスよりも少ない窒素を含むことになるため）するという事実に起因する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明が実施可能であるバーナの断面図である。
【図２】本発明の１つの実施例の断面図である。
【図３】図２に示された本発明の実施例を示す、炉の壁の平面図である。
【図４】本発明の別の実施例を示す、炉の壁の平面図である。
【図５】本発明のさらに別の実施例を示す、炉の壁の平面図である。
【図６】本発明の別の実施例を示す、炉の壁の平面図である。
【図７】本発明の１つの実施例における燃焼の概略図である。
【図８】本発明の別の実施例における燃焼の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2009532661.tif 000006
【図５】
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【図６】
2009532661.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年12月10日(2008.12.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）空気が空気導管を通って供給され、かつ燃料が燃焼ゾーン内でバーナにおいて燃焼されるためにバーナ燃料導管を通って供給されるバーナと、
（ｂ）酸化剤をその中を通して前記バーナに供給することができる酸化剤導管と、
（ｃ）前記酸化剤導管を通る酸化剤の流れ及び前記空気導管を通る空気の流れを、酸化剤の流れに対する空気の流れの比を制御することができるように調整する制御手段とを備えるバーナ装置であって、
前記酸化剤導管及び前記バーナ燃料導管は、前記酸化剤導管が前記燃焼ゾーン内の酸化剤混合ゾーン内に酸化剤を供給し、前記バーナ燃料導管が前記酸化剤混合ゾーンから分離された前記燃焼ゾーン内の燃料反応ゾーン内に燃料を供給するように、互いに対して向けられている燃焼装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃焼装置と、燃焼ゾーンをエンクローズする炉とを備える燃焼装置であって、前記バーナ装置の前記バーナが、前記炉の壁を貫通して配置される燃焼装置。
【請求項３】
前記燃焼ゾーン内で燃焼されるために燃料が前記炉の外側からその中を通って供給される第２の燃料導管をさらに備える、請求項１又は２に記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記酸化剤導管が、前記バーナ内から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項１、２、又は３に記載の燃焼装置。
【請求項５】
前記酸化剤導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項１、２、又は３に記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記第２の燃料導管が、前記バーナ内から前記炉内に燃料を供給する、請求項３、４、又は５に記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記第２の燃料導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に燃料を供給する、請求項３、４、又は５に記載の燃焼装置。
【請求項８】
空気焼成炉を改造する方法であって、
（ａ）燃焼ゾーンをエンクローズし、炉の壁を貫通する少なくとも１つのバーナを有する炉であって、前記少なくとも１つのバーナに対して、空気が空気導管を通って供給され、かつ燃料が前記燃焼ゾーン内で前記バーナにおいて燃焼されるために前記炉の外側からバーナ燃料導管を通って供給される炉を提供することと、
（ｂ）酸化剤をその中を通して前記炉の外側から前記炉内に供給することができる酸化剤導管を提供することと、
（ｃ）前記酸化剤導管を通る酸化剤の流れ及び前記空気導管を通る空気の流れを、酸化剤の流れに対する空気の流れの比を制御することができるように調整する制御手段を提供することと、
（ｄ）前記酸化剤導管が前記燃焼ゾーン内の酸化剤混合ゾーン内に酸化剤を供給し、前記バーナ燃料導管が前記酸化剤混合ゾーンから分離された前記燃焼ゾーン内の燃料反応ゾーン内に燃料を供給するように、前記酸化剤導管を前記バーナ燃料導管に対して向けることとを含む方法。
【請求項９】
前記燃焼ゾーン内で燃焼されるために前記炉の外側からその中を通って燃料が供給される第２の燃料導管が提供され、前記第２の燃料導管は、前記酸化剤混合ゾーンから分離された前記燃焼ゾーン内の燃料反応ゾーン内に燃料を供給するように向けられる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記酸化剤導管が、前記バーナ内から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
前記酸化剤導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に酸化剤を供給する、請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第２の燃料導管が、前記バーナ内から前記炉内に燃料を供給する、請求項８、９、１０、又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の燃料導管が、バーナ内ではない開口部から前記炉内に燃料を供給する、請求項８、９、１０、又は１１に記載の方法。
【国際調査報告】
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