(57)【要約】      （修正有）【課題】従来の燃焼システムに比較して、エネルギ出力量を損なうことなく、温暖化ガスの生成を低減し、化石燃料消費量を削減する。【解決手段】酸素供給式燃焼システムに、少なくとも１つのバーナと、予め定められた純度の酸素を供給するための酸素供給源と、炭素系燃料を供給する炭素系燃料供給源とを含む炉が設けられている。この酸素および炭素系燃料は相対的化学量論比で炉内に給送されて、酸素または炭素系燃料のいずれかの化学量論比に対する余剰分が５％未満に抑えられている。この炭素系燃料を燃焼させて、約４５００°Ｆを超える温度の火炎を形成する。炉からの排気流には、酸化剤から形成された、実質的に窒素を含有しない燃焼生成ガス化合物が含まれており、温暖化ガスの生成量は低減されている。【選択図】図１
2006145198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼の補助のために空気の侵入を実質的に防止するように構成された廃棄物焼却装置であって、
燃焼領域と、
バーナと、
燃料供給用燃料供給源と、
燃焼を補助するために予め定められた純度の酸素を供給する酸化剤供給源と、
灰化する廃棄物を燃焼領域に給送する廃棄物供給源と、
前記酸素及び前記燃料及び廃棄物を相対的化学量論比で前記焼却装置に給送する手段と、
前記酸素または前記燃料のいずれか及び廃棄物の前記相対的化学量論比に対する余剰分を5％未満に抑える手段と、
前記廃棄物を灰化するように前記燃料および廃棄物および前記酸素の燃焼を制御することにより、前記廃棄物を灰化するために約4500°Fを超える温度の火炎を形成する手段と
を具備することを特徴とする廃棄物焼却装置。
【請求項２】
前記燃焼領域内に酸素を噴射するための追加酸素噴射装置をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の廃棄物焼却装置。
【請求項３】
実質的に空気を導入しないように構成されていることを特徴とする請求項１記載の廃棄物焼却装置。
【請求項４】
燃焼領域、バーナ、燃料供給源、および酸化剤供給源を備え、燃焼の補助のために空気の侵入を実質的に防止するように構成された廃棄物焼却装置を準備するステップと、
燃料を前記バーナに供給するステップと、
燃焼を補助するために予め定められた純度の酸素を前記バーナに供給するステップと、
廃棄物を前記燃焼領域に供給するステップと、
相対的化学量論比で前記酸素および前記燃料および廃棄物を前記焼却装置に供給するステップと、
前記酸素または前記燃料のいずれかおよび廃棄物の前記化学量論比に対する余剰分を５％未満に抑えるステップと、
前記廃棄物を灰化するように前記酸素および前記燃料および廃棄物の燃焼を制御することにより、前記廃棄物を灰化するために前記燃料および廃棄物および前記酸素を前記バーナで燃焼させ、約４５００°Fを超える温度の火炎を形成するステップと、
廃棄物を灰化するステップと
を有することを特徴とする廃棄物焼却方法。
【請求項５】
濃度が少なくとも約８５％である酸素を前記バーナに供給するステップをさらに有することを特徴とする請求項４記載の廃棄物焼却方法。
【請求項６】
前記予め定められた純度の酸素を前記バーナに供給するステップとは別に、酸素を燃焼領域内に噴射するステップを有することを特徴とする請求項４記載の廃棄物焼却方法。
【請求項７】
燃焼の補助のために空気の侵入を実質的に防止するように構成された廃棄物焼却装置であって、
燃焼領域と、
バーナと、
燃料供給用燃料供給源と、
燃焼を補助するために予め定められた純度の酸素を供給する酸化剤供給源と、
灰化する廃棄物を前記燃焼領域に給送する廃棄物供給源と、
前記酸素および前記燃料および廃棄物を相対的化学量論比で前記焼却装置に給送する手段と、
前記酸素または前記燃料のいずれかおよび廃棄物の前記化学量論比に対する余剰分を５％未満に抑える手段と、
前記燃料および廃棄物および前記酸素の燃焼を制御することにより、前記燃焼領域内の前記廃棄物の共振時間を、空気供給式燃焼システムにおける前記廃棄物の灰化のための共振時間より大きくする手段と
を具備することを特徴とする廃棄物焼却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は酸素供給式燃焼システムに関する。特に、本発明は、温暖化ガスの生成を低減し、化石燃料消費量を削減するガス式燃焼システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素供給式バーナシステムは周知である。しかしながら、その使用範囲は限られている。ガス式バーナシステムは一般に、火炎温度が極めて高い用途にのみ使用されている。例えば、こうしたシステムを、溶融シリカの融点にまで上昇させる必要のあるガラス製造業で使用することができる。他の場合では、構造上および材料上の条件により多くの産業システムで利用可能な上限温度が決まってくるというのが一般の認識である。そのため、製造、発電および他の処理用途を含めた大半の産業用途全体で、空気供給または空気供給燃焼システムをボイラ内、炉内などに使用している。
【０００３】
特に、空気供給燃焼システムまたは電熱システムは、製鋼業およびアルミニウム製造業、ならびに発電産業、および炭素系燃料に依存する産業全体で用いられている。空気供給システムの場合、約７９％の窒素および２１％の酸素からなる空気を燃料と共に炉内に給送する。この空気燃料混合物が点火されることにより、途絶えることのない火炎を得ている。この火炎が、燃料空気混合物から炉内へと熱の形態でエネルギを伝達しているのである。
【０００４】
鉄鋼およびアルミニウム産業では、空気供給炉および電気炉を、溶融金属形成用の主熱源として利用してきた。空気供給式炉では、処理設備の熱的制限に対する平衡状態を保つためのエネルギ要件から、この種の燃焼システムの使用が必須あるいは強く要請されていると従来認識されている。再度、アルミニウム産業において電気炉を使用する場合、アルミニウム処理に必要な温度を得るためにこの種のエネルギ源が一般通念として支持されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
空気供給燃焼システムを利用する場合、欠点の１つは、このシステムの燃焼方法による当然の結果として、ＮＯxおよび二酸化炭素や二酸化硫黄などの温暖化ガスが発生することである。ＮＯxや温暖化ガスは、酸性雨など、これに限らず環境汚染の大きな原因である。したがって、ＮＯxや温暖化ガスの放出量を削減することが望まれており、取締り規制により放出量は大幅に制限されている。このため、こうした燃焼システムには、ＮＯxや他の温暖化ガスの生成量を削減するさまざまな装置を設けなければならない。
【０００６】
空気供給式炉のもう１つの欠点は、燃焼処理から放出されるエネルギの多くが、炉に給送される空気内に含まれる気相窒素加熱のために吸収あるいは利用されてしまうことである。加熱された窒素ガスは通常、炉などの熱源から排出されるだけなので、このエネルギは本質的に無駄になってしまう。このため、エネルギの大半は、排気筒などを介して環境へと向けられる。空気給送型燃焼システムの他の欠点は、当業者には周知であろう。
【０００７】
電気炉にも同様の欠点がある。例えば、このシステムの固有の性質として、本質的に間断なく連続した状態で利用可能な電源が必要である。電気炉の操作には大量の電力が必要であるため、電気炉を通常、発電所および／または大型送電設備の付近に建設しなければならない。さらに、電気炉には、炉を確実に最高あるいはほぼ最高の効率で動作させるためのメンテナンスがかなり必要である。その上、電気炉の性質として、燃料を電気出力に変換する効率が悪い（スチームタービンを用いる大半の大型化石燃料型発電所は約４０％未満、概して約３０％未満の効率で運転されている）。さらに、こうした大型化石燃料型発電所は極めて大量のＮＯxや温暖化ガスを生成する。
【０００８】
例えば、アルミニウム処理業界、およびさらに具体的に言えば、アルミニウムスクラップ回収業界では、一般通念として、炉内の火炎の温度を約２５００°Ｆ〜３０００°Ｆに維持しなければならない。この温度範囲であれば、アルミニウムスクラップの溶融に十分な熱を提供するために必要なエネルギとの間のバランスをとり、溶湯内の金属温度を約１４５０°Ｆの適温に維持することができる。周知の炉では、火炎温度が通常３０００°Ｆを上回らないようにして、炉の構造的保全性を維持する設計がとられている。すなわち、この温度を上回ると、炉の支持構造が脆くなり、大惨事を引き起こしかねないと考えられている。さらに、従来の炉における排気筒の温度は概して約１６００°Ｆである。したがって、火炎と排気との温度差はたった約１４００°Ｆとなる。これでは、燃焼処理に利用できるエネルギが不充分である。
【０００９】
また、火炎の温度が約３０００°Ｆを超える炉であっても、熱損失があり、設備へのダメージがあれば、火炎の温度が高ければ得られる運転効率を引き下げてしまうと考えられている。したがって、再度、火炎の温度が、炉の健全性を守り、エネルギ損失量を低減する上限の約３０００°Ｆである空気供給式炉を一般通念として例外なく利用することになる。
【００１０】
したがって、（ＮＯxや温暖化ガスによる）環境汚染を低減する利点が得られ、同時に十分なエネルギを利用できる燃焼システムが必要である。こうした燃焼システムを、発電／公共事業産業から化学処理業界、金属製造および処理まで、さまざまな業界の用途に利用可能であると望ましい。こうした燃焼システムであれば、アルミニウムなどの金属処理用途で使用して、エネルギ効率を上げ、汚染量を削減することができる。また、具体的に言えば、アルミニウム屑処理業界において、効率的な燃焼システムに伴う高温火炎に耐えられ、エネルギ効率を上げ、有毒物質の生成量を削減するように設計および構成された処理装置（具体的に言えば、炉）が要望されている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
酸素供給式燃焼システムには、制御環境を備えた炉と、少なくとも１つのバーナとが含まれる。この燃焼システムには、予め定められた純度の酸素を供給する酸素供給源と、炭素系燃料を供給する炭素系燃料供給源とが含まれる。本発明による酸素供給式燃焼システムでは、燃料消費率が向上し（すなわち必要な燃料量が低減され）、ＮＯxの生成量はゼロ（燃料からのもの以外）であり、他の温暖化ガスの生成量も大幅に削減されている。
【００１２】
酸素および炭素系燃料を相対的化学量論比で炉内に給送して、酸素または炭素系燃料がこの化学量論比に対して５％未満に抑える。この酸素および炭素系燃料により約４５００°Ｆを超える温度の火炎が得られ、炉からの排気流の温度は約１１００°Ｆ以下となる。
【００１３】
この燃焼システムに、炉への炭素系燃料供給および酸素供給を制御するシステムを含むと好ましい。この制御システムでは、燃料供給を、炉への酸素供給の次に行なう。酸素および燃料の供給を、予め定められた溶融アルミニウム温度により制御する。この構成では、センサにより溶融アルミニウムの温度を感知する。
【００１４】
炭素系燃料はいずれの種類の燃料でもよい。一実施形態において、この燃料は、天然ガス、メタンなどのガスである。あるいは、この燃料を石炭または炭塵などの固体燃料とする。あるいはさらに、この燃料を、廃油を含む燃料油などの液体燃料とする。
【００１５】
使用法の１例として、この燃焼システムをアルミニウム製スクラップを回収するアルミニウム回収システムに使用する。このシステムには、予め定められた温度の溶融アルミニウムを収容し、少なくとも１つのバーナを備えた炉が含まれる。この回収システムには、燃焼システムを介して炉に酸素を供給する酸素供給源が含まれる。最大効率を実現するため、この酸素供給源の酸素純度を少なくとも約８５％とする。
【００１６】
炭素系燃料供給源により炭素系燃料が供給される。酸素供給源の酸素および炭素系燃料を、相対的化学量論比で炉内に給送して、化学量論比に対する酸素または炭素系燃料の超過分を５％未満に抑える。この酸素および炭素系燃料により約４５００°Ｆを超える温度の火炎が得られ、炉からの排気流の温度は約１１００°Ｆ以下となる。
【００１７】
こうした回収システムでは、酸素および燃料を燃焼させることにより、回収したアルミニウム１ポンド当たり１０８３ＢＹＵの割合で、スクラップからアルミニウムを回収するために利用するエネルギが得られる。この燃料は、天然ガスなどのガスでも、固体燃料または液体燃料でもよい。
【００１８】
この回収システムでは、炉からの熱を廃熱回収システムで回収することができる。こうして回収した熱を電気エネルギに変換することができる。
【００１９】
最も好適なシステムでは、この燃焼システムに酸素供給システムが含まれる。ガス分離システムなどのこのシステムにより、空気を酸素と窒素とに分離する。他のシステムの例として、膜分離などが挙げられる。水を酸素と水素とに分離することにより酸素を供給してもよい。こうしたシステムでは、酸素を必要時に利用するように貯蔵しておくことができる。酸素生成／分離用の他のシステムが周知である。
【００２０】
この酸素供給式燃焼システムは一般に、制御環境を備えた炉であればいずれとの併用も可能である。すなわち、外部環境からの内部への漏入が実質的にない炉との併用である。こうした燃焼システムには、予め定められた純度の酸素を供給する酸素供給源と、炭素系燃料を供給する炭素系燃料供給源とが含まれる。
【００２１】
酸素供給源の酸素および炭素系燃料を、相対的化学量論比で炉内に給送して、化学量論比に対する酸素または炭素系燃料の超過分を５％未満に抑える。こうした炉内では、炉からの排気流に、窒素含有量が実質的にゼロである燃焼生成ガス化合物が含まれている。すなわち、燃料とともに給送される窒素がないため、燃料により窒素が生成されない限り、排気に含まれる燃焼生成物（すなわちＮＯx）には実質的に窒素が含まれず、他の温暖化ガス量も大幅に削減される。
【００２２】
この燃焼システムには、天然ガスまたはメタンなどのガス、石炭または炭塵などの固体燃料、廃油や精油を含む油などの液体燃料のいずれを利用してもよい。こうした燃焼システムでは、窒素含有燃焼生成ガス化合物はすべて、燃料により生成される窒素から形成されるものである。
【００２３】
スクラップからアルミニウムを回収する方法には、アルミニウムスクラップを溶解炉内に給送するステップと、酸素および炭素系燃料をその炉内で燃焼させるステップとが含まれる。この酸素および燃料を燃焼させるステップでは、酸素および燃料を相対的化学量論比で炉内に給送して、化学量論比に対する酸素または炭素系燃料の超過分を５％未満に抑える。これを燃焼させて、約４５００°Ｆを上回る温度の火炎を形成し、炉からの排気流の温度を約１１００°Ｆ以下に抑える。
【００２４】
アルミニウムを炉内で溶融すると、不純物を含むアルミニウムが炉から除去され、実質的に純粋な溶融アルミニウムが炉から排出される。この方法に、不純物含有アルミニウム、すなわちドロスからアルミニウムを回収し、回収したアルミニウムを炉内に投入するステップを含むことができる。
【００２５】
この方法に、炉から廃熱を回収するステップを含むことができる。回収した廃熱を電気に変換することができる。
【００２６】
アルミニウムスクラップからアルミニウムを回収するための炉には、予め定められた温度で溶融アルミニウムを収容するためのバス領域と、少なくとも１つのバーナとが具備されている。酸素供給源から純度を少なくとも約８５％とする酸素を供給し、炭素系燃料供給源から天然ガス、石炭、油などの燃料を供給する。
【００２７】
酸素供給源内の酸素および燃料を相対的化学量論比で炉内に給送して、化学量論比に対する酸素または炭素系燃料の超過分を５％未満に抑える。この燃料を燃焼させることにより、約４５００°Ｆを上回る温度の火炎を形成し、炉からの排気流の温度を約１１００°Ｆ以下に抑える。
【００２８】
一実施形態において、この炉を、鋼板、鋼鉄製梁および耐火材で形成する。この炉の壁部を、鋼鉄製梁および鋼板による外郭構造と、圧搾可能な絶縁材料の少なくとも１層と、耐火レンガの少なくとも１層と、不定形耐火物の少なくとも１層とを備えた構成とする。この炉の床は、鋼鉄製梁および鋼板と、耐火材料の少なくとも２層と、不定形耐火物の少なくとも１層とを備えた構成とする。
【００２９】
アルミニウムドロスを炉内に導入するステップを含む、塩を用いずにアルミニウムドロスからアルミニウムを分離する方法も開示する。この炉には、約５０００°Ｆの火炎を形成し、余剰酸素を実質的に含まない酸素供給式燃焼システムを備える。アルミニウムドロスをこの炉内で溶融する。
【００３０】
溶融したアルミニウムドロスの上方部分を掬い出して、ドロスを大量に含む生成物を得る。このドロスを大量に含む生成物を機械的プレス内にてプレスして、ドロスを濃密に含む生成物からアルミニウムを分離し、ドロスを大量に含む生成物の濃縮物を生成する。この方法には、ドロスを大量に含む濃縮物を炉内に戻すステップを含むことができる。ドロスから酸化物を除去するように火炎にほぼ直接衝突させて、アルミニウムドロスを炉内に導入する。
【発明の効果】
【００３１】
★
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明はさまざまな形態による実施形態で利用可能であるが、本発明の実施形態を図面に示し、以下これについて説明する。だたし、この開示内容は本発明を例示するものであり、本発明が例示した特定の実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。さらに、この項目のタイトル、すなわち「発明の詳細な説明」は米国特許商標局の規定に基づくものであり、本明細書に開示されている内容を限定することを意味し、または限定するものとして解釈されるべきではないことを理解されたい。
【００３３】
酸素供給式燃焼システムでは、本質的に純粋な酸素を熱量源と併用して用いて、環境に悪影響のない効果的な方法で火炎（すなわち燃焼）により熱を発生させる。濃度を約８５％〜約９９＋％とする、酸化剤により供給される酸素であれば利用可能であるが、酸素濃度（すなわち酸素供給源の純度）は高いほど好ましい。このシステムでは、高純度の酸素を燃料源とともに一定の化学量論比で炉内バーナに給送する。この酸素および燃料に点火して、燃料内に保存されていたエネルギを解放する。本開示内容でいう炉とは、化石（炭素系）燃料を燃焼させる、産業上または商業上のあらゆる熱発生機を広義に含むものとする。好適システムでは、酸素の濃度または純度を、温暖化ガスの生成を削減するようにできる限り高くする。
【００３４】
本質的にいかなる燃料源も利用可能であると考えられる。例えば、本発明では、以下に詳述するように、酸素を天然ガスと共に給送して炉内で燃焼させる。予想される他の燃料源として、精油ならびに廃油を含む油、木材、石炭、炭塵、廃物（ゴミ廃棄物）などが挙げられる。当業者には、本発明の酸素燃料システムと併用可能な無数の燃料源が明白であろう。
【００３５】
本発明によるシステムは、２つの原理で従来の処理とは異なる。第１に、従来の燃焼処理では、本質的に純粋な酸素ではなく空気（酸素を供給するための酸化剤として）を燃焼に利用した。空気の酸素成分（約２１％）を燃焼に用い、残りの成分（本質的に窒素）を炉内で加熱して炉から排気する。第２に、本発明による方法では、酸素を燃料に対する化学量論比で使用する。すなわち、燃料を完全に確実に燃焼させるために燃料に比例した量で十分な酸素を給送する。すなわち、「余剰酸素」をこの燃焼システムに給送することがない。
【００３６】
本発明による燃焼システムを用いると数多くの利点および便宜が実現できる。以下に詳述するように、同等量の動力または熱の生成に消費する燃料量が削減され、用途によってはそれが７０％にも達する。これにより明らかに、生成される汚染量を大幅に削減することができる。再度、用途によって、ＮＯxの放出量を本質的にゼロまで削減することができ、他の温暖化ガスの放出については、従来の空気供給燃焼システムに対して最大約７０％まで削減することができる。
【００３７】
＜例証的アルミニウムスクラップ回収方法＞
具体的な使用方法として、酸素供給式燃焼システム（酸素燃料またはガス式とも呼ぶ）をアルミニウムスクラップ回収プラント１０で使用する。この例示的プラント用のフロー工程を図１および図２に例示する。概して１２として図示するアルミニウムスクラップは溶融炉１４内に給送され、液化される。プラント１０には、平行運転される複数の炉１４を設けることができ、その１つを例示する。液化アルミニウムまたは溶湯アルミニウムを溶融炉１４から引き込み、小型保持炉またはホルダ１６に給送する。保持炉１６もガス式炉である。溶融アルミニウムをこの溶融炉１４から必要に応じて引き込み、保持炉１６内で特定の予め定められたレベルを維持する。これにより、溶融炉１４からの連続的な引き込み、あるいは必要に応じた「バッチ」への引き込みが可能となる。
【００３８】
保持炉１６では、それぞれ１８および２０として示す塩素および窒素（ガスとして）を保持炉１６内に給送して、溶融アルミニウムからの不純物を取り除く。この塩素および窒素は、アルミニウムから不純物を引き込むための気相フラックスとして作用する。これを溶融炉１４内でも実行して、油が付着して汚いスクラップの除去率を高めることができる。他に利用可能なフラックスとして、気相アルゴン六フッ化物（gaseous argon hexafluoride）が挙げられる。ホルダ１６を積極的に加熱し、溶融金属の温度を約１３００°Ｆとして運転する。ホルダ１６内の気温はこれよりやや高くする。
【００３９】
次に溶融アルミニウムを濾過する。本発明ではバッグタイプの微粒子フィルタ２２を使用している。しかしながら、他の種類のフィルタも周知であり、これらも利用可能である。濾過後の溶融アルミニウムを、ガス抜き装置２４を介して給送する。
【００４０】
ガス抜き装置２４では、不活性ガス（再度、２６として示した窒素を利用）などのフラックスを溶融アルミニウム内に給送する。溶融アルミニウムを機械的スターラ２８などにより攪拌して、フラックス２６を、アルミニウムから不純物（酸化物など）を除去するように溶融アルミニウム内で泡立たせる。
【００４１】
次に溶融アルミニウムをインラインキャスタ３０内に給送する。キャスタ３０では、アルミニウムを連続状のプレート内に注型する。このキャスタの厚さは、０.１０インチ〜０.７５０ｉｎ以上のいずれでもよい。このアルミニウムを、使用するためあるいは次の処理に向けて、３２として示すようにコイルに巻き取ることができる。この方法では、アルミニウムはキャスタ３０から一対の高温フライス盤３４を介して進行させ、このプレートを本発明では約０.０８２（８２ミル）の最終厚さまたはゲージに処理した後、コイル３２を形成するように巻き上げる。当業者であれば、金属の種類により、最終的な成形および仕上げ処理をさまざまに実行可能であることが明白であり、理解されるであろう。こうしたあらゆる成形および仕上げ処理も本発明の範囲および趣旨内である。
【００４２】
溶融炉１４に戻って、上述したように、これは酸素燃料による炉である。これと共に、天然ガスなどの炭素系燃料を酸素に対する化学量論比で給送する。この点が、燃料と空気との混合物を利用する周知の炉とは違う。燃料／空気混合物を用いると、窒素ならびに酸素が炉内に給送されて燃焼処理が促進される。この結果、望ましくないＮＯx排気ガスが生成される。さらに、窒素が溶融アルミニウムからエネルギを吸収するため、この処理全体の効率が下がる。すなわち、空気内に窒素の占める割合が大きいため、大量のエネルギ量がアルミニウムではなく窒素の加熱に使用されてしまう。
【００４３】
この溶融炉１４および保持炉１６内における酸素／天然ガスの比率は、約２.３６：１である。この比率は、酸素供給源および燃料の性質により変化させられる。例えば、酸素が１００％純度である完璧な条件下では、この比率は理論上、２.０５６：１と計算される。しかしながら、この酸素供給源は最大約１５％の酸素以外の成分を含有する可能性があり、天然ガスは常に１００％純度であるとは限らない。したがって、当業者であれば、この比率はわずかに変化する可能性があるが、燃料および酸素の化学量論比であるこの比率を算出する基本はそのままであることが明白であり、理解されるであろう。
【００４４】
この酸素の燃料に対する比率により、数多くの利点が得られる。第１に、この化学量論により、燃料を完全に燃焼できるため、一酸化炭素、ＮＯxおよび他の有毒発生ガス（他の温暖化ガス全体）の排気量が少なくなる。さらに、酸素の比率を調節しているため、溶融アルミニウム内に含まれる酸化物量が少なくなる。これは、最終的なアルミニウム生成物の品質向上につながるため、不要な酸化不純物を除去する処理が削減される。
【００４５】
酸素の燃料に対する比率を正確に調節することにより、燃料を完全に燃焼できることに留意することは重要である。これは、例えば、ＬＯＩ（点火時の損失）が問題となっている化石燃料による発電所（外部電力プラントなど）などと著しく対照的である。本質的に、ＬＯＩは燃料の不完全燃焼によるものである。一方、本方法では、燃料に対して正確に調節された化学量論比で提供された実質的に純粋な酸素により、こうした損失を最小限に抑え、可能であれば損失をなくすことができる。さらに、本方法では、得られる理論上のＮＯxは、空気を利用する燃焼により生成されるものではなく、燃料から生成されるＮＯxだけである。したがって、完全に排除できなくとも、従来の燃焼システムに比較すればＮＯxを微量まで削減することができる。
【００４６】
アルミニウム内に酸化物が含有される理由には主に２つある。第１が燃焼処理であり、第２がアルミニウム内に酸化物が含まれていることである。これは、等級の低い屑または一次金属の場合に特に当てはまる。本処理では、この２つの理由による酸化物の双方を考慮して、最終アルミニウム製品に対する影響を削減あるいはなくしている。まず、本処理では、燃料を燃焼するために給送される酸素により形成され得る酸化物を削減する。これを、燃料を完全に燃焼させるために化学量論比により必要な酸素のみを正確に調節して給送することにより実現している。
【００４７】
本処理では、第２の理由による（アルミニウム内に含有される）酸化物についても考慮しており、この酸化物は、脱ガスおよび濾過処理により除去する。これにより２つの利点が得られる。第１は、ドロスＤの形態である副産物形成量が削減されることであり、第２は、最終製品の品質が大幅に向上することである。
【００４８】
燃料／酸素混合物（再度、燃料／空気混合物ではなく）を用いると、溶融炉内の火炎が高温になることもわかっている。酸素燃料を用いると、炉内の火炎は約５０００°Ｆに達する。これは、周知の炉の場合に比べて約１５００°Ｆ〜２０００°Ｆ高い。酸素燃料を用いると、火炎の温度が高くなることと合わせて処理の効率が格段に高くなることがわかっている。効率を表す１つの基準として、処理したアルミニウム１ポンドあたりに必要なエネルギ（ＢＴＵ）を測定する。周知の処理では、処理製品に対して必要なエネルギは約３６２０ＢＴＵ／１ｂである。本処理および装置において、処理製品に対して必要なエネルギはこれより大幅に少なくて、約１０８３ＢＴＵ／１ｂである。本方法でいう上述の「燃料」は天然ガスであるが、油（廃油を含む）、石炭、炭塵などの有機系燃料であればいずれも使用可能であることも留意されたい。
【００４９】
この処理の熱力学において、アルミニウム１ポンドを溶融するために必要な理論上のエネルギは５０４ＢＴＵである。しかしながら、具体的な処理にはそれぞれ非効率的な面があるため、空気を燃料とする燃焼システムを利用した場合、実際に必要なエネルギは約３６２０ＢＴＵ／１ｂであることがわかっている。この非効率的な面の例として、例えば、実際の処理時間が、炉が「燃焼」される実際の時間よりも短いこと、およびキャスタの幅が増減するなどの他の下流処理の変更が挙げられる。さらに、排気筒の（熱）損失および炉の壁部を介する熱損失など他の「損失」によっても、エネルギに違いがでる。
【００５０】
その上、１０８３ＢＴＵ／１ｂという値は、こうした「損失」も考慮した必要な平均エネルギ量である。この処理を高効率で運転すると、すなわち、処理していないのに炉を「燃焼」させておくことなくアルミニウムをほぼ連続的に処理すると、「平均」エネルギは約７５０ＢＴＵ／１ｂ〜９００ＢＴＵ／１ｂに低減可能である。
【００５１】
＜溶融炉＞
本溶融炉１４は主に、鋼鉄および耐火材料で製造されている。図５〜図９を参照すると、炉の外郭構造４２の外側寸法は、幅約２０フィート、長さ４０フィート、高さ１２フィートとなっている。鋼鉄製外郭構造４２は、プレートと梁とから形成されている。プレートおよび梁を、特に記載のない限り、炉の外郭構造４２について図面全体を通じてそれぞれ４４および４６として示す。床４８は、１インチ厚さの鋼板４４を互いに溶接することにより製造されている。各溶接部を梁４６の上方に位置させて、炉外郭構造４２の健全性を確保する。
【００５２】
炉の床部４８を支持するために、梁４６を追加して設ける。各梁４６が、センター上で約１８インチ置きに８インチ幅のフランジを形成する。梁４６のすべて（完全にシーム溶接された接合梁以外）を底部鋼板５０に接続する。こうすることにより、鋼鉄が加熱による熱膨張で「成長」しても問題ない。
【００５３】
梁４６を設けることにより、炉の底部５２を支持し、硬度を強化することができる。梁４６で炉１４の剛性を維持すると、耐火材の設置中や長期間の使用中の撓み程度を低減することができる。梁４６により、炉１４の操作中、耐火材に対する機械的目詰まりを最小限に抑えるやすくなる。梁４６を用いると、炉１４を取付ける床に対して炉の底部５２を高所に設定することができる。これにより、炉１４の下に貯まる熱を逃すことができる。
【００５４】
炉の側壁５４を同様に鋼板および梁構造で製造する。２つの壁部領域は、金属ラインより上と金属ラインより下とに分けられる。これは、強度および熱的値の双方で区別したものである。
【００５５】
金属ラインの下におけるプレートの厚さは３／４インチである。金属ラインより上のプレートの厚さは５／８インチである。図示の炉では、下から８フィートの部分を金属ラインより下と考え（設計上）、それより上の４フィートの部分を金属ラインより上と考える（設計上）。
【００５６】
梁４６を用いて、炉１４の側壁５４を支持する。梁４６を、炉１４に沿って鉛直に走る１８インチの中心線上に設置する。水平な梁４６を、金属ライン下の１８インチ中間部分と金属ライン上２４インチ中間部分とに配置する。炉１４内の金属ラインはさまざまであるが、設計上、通常操作時に炉１４内に位置する最高レベルの金属とする。他のファクタを考慮することもできる。例えば、金属ラインを炉１４の満杯ラインより９インチ上に設定することもできる。
【００５７】
炉１４の屋根５６は吊り型耐火性設計である。梁４６を、炉１４の幅に沿って１８インチ中央部分に配置する。別の梁４６を、この幅を横切って延在している梁に溶接して、炉１４の長手方向に方向付ける。クリップをこれらの梁に取付けて、このクリップにプレキャスト耐火ブロックを搭載する。
【００５８】
炉１４の側部５４には２つの主要なドア５８がある。このドア５８は操作中、炉の主要な熱チャンバまたはバス領域６０の浮きカス除去または清掃、および炉の主要チャンバ６０の充填時に利用するものである。ドロスＤ（溶融アルミニウムの表面を形成する不純物スラグ）は炉１４内部に蓄積するため、熱伝達速度を維持するために１日に少なくとも１回は清掃しなくてはならない。ドア５８を開けて、溶融金属プールの表面を取出して、このドロスＤを除去する。
【００５９】
通常の運転時には、金属またはスクラップを充填容器（charge well）６２内に入れ、溶融してから炉の熱チャンバ６０に移送するが、のこ(saw)や鋳塊など、スクラップの種類によって、直接主要熱チャンバ６０内に入れた方がよいものもある。こうした種類の内容物を熱チャンバ６０に移送するためにドア５８を開く。
【００６０】
ドア６０は、鋼鉄および耐火材で構成されている。このドア６０は機械的滑車システム（図示せず）上に吊り下げられており、この滑車システムが万一故障した場合に落下しないように安全チェーンで固定されている。このドアの操作には、電動ウィンチを使用する。ドア６０を共通のクロス部材から吊り下げ、これを炉１４の側部から支持する。
【００６１】
主要充填容器６２を炉１４の正面６４に配置する。この容器６２を炉の熱チャンバ６０から隔離し、充填領域６６と循環ポンプ領域６８との２つの領域に分割する。ポンプ７０により、主チャンバ６０内の溶融アルミニウムの高温プールからスクラップ充填領域６２へと金属を循環させる。
【００６２】
チャンバ６０、６６および６８の間には、３つの開口部７２、７４および７６がある。第１の開口部７２は、主チャンバ６０と循環ポンプ領域６８との間の仕切りである。第２の開口部７４は、循環ポンプ領域６８とスクラップ充填領域６６との間の仕切り部分である。第３の開口部７６は、充填容器６６と主チャンバ６０との間の仕切りである。
【００６３】
この開口部７２、７４および７６すべては、炉１４の物理的あるいは実際の金属ライン下、約１フィートに位置する。開口部７２、７４および７６を、金属ラインより下に配置して、主チャンバ６０内の熱を保ち、ロール１４の分割領域間を酸化物が流動しないように維持し、炉を気密に維持する（すなわち炉１４内制御環境を維持する）。ポンプ７０を高所領域に配置して、ポンプ７０内部やその周囲に余分な炉のごみ、石やドロスを蓄積させないようにする。
【００６４】
排気フード７８を充填チャンバ６６の上方に配置する。このフード７８は鋼鉄製であり、側壁５４をなす梁と同様の梁４６上に取付けられている。梁４６は、容器の側壁をカバーして本質的に塞いでいるプレートの上に位置している。フード７８により、排気筒８０を介して炉の主チャンバ６０を換気する（図４参照）。排気筒８０は、炉１４からのガスを排気するものであり、炉１４内の圧力を維持するように閉じることができる。
【００６５】
排気ガスは、炉１４を出てからバグハウス８２に流入する（図４）。バグハウス８２は主に、アルミニウムスクラップの処理には必ず発生する、塗料、油、溶剤などからの燃焼しなかった炭素を収集するために利用する。
【００６６】
炉１４には４つの酸素燃料バーナ８４がある。バーナ８４を、ドア５８の反対側である、炉１４の側壁５４に設置する。鋼鉄でバーナ８４を取り囲んで、バーナ８４の取付け、およびその周囲壁部の剛性維持をできるようにする。
【００６７】
炉１４を耐火材料で裏打する。床４８を２種類の耐火材料で製造する。第１の材料８６は、ＡＰ  Ｇｒｅｅｎ  ＫＳ−４などの、強度の高い不定形耐火物である、約６インチ厚さの鋳込み厚板であり、これが副炉床を形成する。床材料８８を、厚さ約１３〜１４インチの一体構造として副炉床８６上に鋳込む。この床材料８８は、ＡＰ  Ｇｒｅｅｎ  ７０ＡＲ耐火物である。これは、７０％耐アルミナ、アルミニウム不定形耐火物である。
【００６８】
壁部５４、６４および６５を絶縁体９０の２層と、これに、７０ＡＲキャスタブルまたは一体構造のリン酸結合８５％アルミナ（ＭＯＮＯ  Ｐ８５）プラスチックラミング耐火物９２とで製造する。この材料のアルミナ含有量は８５％である。裏打材の絶縁体９０は絶縁性の板であり、その厚さは、炉の側壁５４側では約２インチの厚さ、炉の正面および背面側壁６４、６５側では約３インチの厚さである。炉１４の熱膨張を調節するために絶縁体９０の厚さに差をつけている。炉の壁部５４、６４および６５は、直線状１フィルム−ト当たりに約１／８インチ膨脹する。したがって、炉１４は、合計約５インチ膨脹することになる（４０フィートの長さ方向に）。裏打となる絶縁体９０が６インチあるため（正面および裏面それぞれに３インチ）、この絶縁体９０が圧搾されることにより、炉の外郭構造４２を損なうことなく、炉の壁部５４、６４および６５内の膨脹に対する余裕を設けることができる。
【００６９】
圧搾可能な絶縁板９０と不定形耐火物９２との間に絶縁ブリック９４を配置する。屋根５６を７０％アルミナ不定形耐火物で製造する。この材料を６つの屋根部分に鋳込む。各ドア５８フレームを、７０％アルミナＡＲ耐火物で製造する。
【００７０】
炉１４には、２セットのタップアウトブロック（図示せず）がある。第１のセットは炉の底部５２に配置されて、排液ブロックとして作用する。このブロックの第２のセットは、炉の床から１６インチの所に配置されて、移送ブロックセットとして作用する。この移送ブロックは、交換を容易にするために、炉の外側に設置されている。炉の内部を形成し、このブロックを外側に設置してから、プラスチック製ラムで締める。
【００７１】
炉には、ドア５８のそれぞれに１つずつ２つのランプ（図示せず）がある。このランプは、溶融金属からドロスＤを除滓または除去し、アルミニウムスクラップを炉内に摺動させるために使用する。このランプは、２種類の材料からできている。主成分は等級の低いアルミニウム耐性レンガであり、これを積重ねてランプを形成する。このレンガを、７０ＡＲ材料などの不定形耐火物（約１８インチ厚さ）で被覆する。このランプは土台(sill)縁部から炉内に延在している。
【００７２】
炉の主チャンバ６０と充填容器６２とを区切る壁部９６の厚さは約２２インチであり、その形成材料は７０ＡＲである。この容器９６を１つの一体構造として成形する。
【００７３】
炉１４の運転モードには、空の状態から溶融アルミニウムの保持および維持まで数種類がある。ピーク運転時には、炉１４は約８０％〜９０％満杯の状態である。溶融金属の温度は約１４００°Ｆであり、炉内の気温は約１８００°Ｆである。筒（排気）の温度は約１０００°Ｆである。気温は、炉１４の上方側壁部５４にある熱電対９８で測定する。金属温度は循環ポンプ７０の基部で測定する。
【００７４】
炉の充填容器６２に約３０００ポンドの増量分ずつのスクラップを、充填または導入する。導入するスクラップの寸法または重量は、炉１４の寸法および容量に依存して変化することを理解されたい。
【００７５】
主チャンバ６０からの溶融金属を、ポンプ７０により低温の金属充填物上に注入する。溶融金属から低温金属充填物に熱が伝導する。充填されていた金属は急速に加熱されて溶融する。
【００７６】
充填アルミニウムに熱が移動する主な形態は伝導である。フル装備の炉に設けられている大型ヒートシンクにより、熱伝導の有効性は高められる。炉の８０％〜９０％に溶融アルミニウムが充填されている場合、その溶融アルミニウムは約１４００°Ｆで約２２０,０００ポンドある。スクラップを炉１４内に装填すると、バスがヒートシンクとして作用して、必要なエネルギを装填金属に伝導する。これは、本発明による酸素供給式燃焼システムに適合していれば、炉の寸法や容量とは無関係に当てはまることである。循環ポンプ７０により、溶融金属を炉の主チャンバ６０から充填容器６２へ移動させることにより、スクラップを溶け易くする。さらに、溶融金属を循環させると、炉１４全体の熱の層化を低く抑えることができる。
【００７７】
溶融金属を注入するあるいは循環させることにより、炉１４の上部と底部との間（約４２インチの高さの違い）の温度差が数°Ｆだけになることがわかっている。このように、炉１４は安定したヒートシンクとして作用して、充填金属に熱を伝導させる安定した熱源となる。
【００７８】
熱をバーナ８４により炉１４に供給する。炉１４への熱伝達は、ある程度対流式であるが、主に放射であると考えられている。火炎の温度が高いため、この酸素供給式燃焼システムでは効果的な放射式熱伝達が起こる。さらに、火炎から金属への熱伝達が起こる金属表面積を最小限にすることにより、熱伝達速度を上げるように炉１４の形状を設計する。
【００７９】
さらに、金属ライン上の耐火材を、高アルミナ含有材料で製造する。バーナからの熱は、この材料により溶融金属に反射して戻される。ここが、熱を溶融金属のプールに反射し戻さず、熱の大半を炉から逃してしまう従来の炉設計とは対照的な点である。
【００８０】
例えば、従来の炉では、上部壁部にアルミナ含有量が少なく絶縁性の高い耐火物を用いる。一方、本発明による設計では、バーナ８４からの放射熱をバス領域６０により多く反射できるように、アルミナ含有量の多い耐火物を用いる。再度、これは従来の炉の設計と対照的である。従来の炉では、下方側壁（金属ラインより下とする）にはアルミナ量の多い耐火物の強度を高めるために用いる。これとは違い、本発明による設計では、アルミナ量の少ない不定形耐火物を用いる。これはより新しく絶縁性の高い材料である。本発明による設計はこの点で、従来の耐火物の使用法とは正反対である。
【００８１】
さらに、炉１４に窒素を給送しないため（燃料から生成される窒素以外）、炉１４を通過する熱風（排気など）の量が非常に少ない。有利なことに、これにより、炉１４内にガスが滞留する時間が長くなり、溶融金属に熱を伝導させやすくなる。対流による熱伝達は比較的少ないが、従来の炉に比較すると効率がよい。本発明による炉１４内の熱風温度が５０００°Ｆ近く、比較的長い時間滞留するため、熱の大半は排気前に伝達される。
【００８２】
本発明による炉１４は、約１０８３ＢＴＵ／ポンドを溶融するために必要なエネルギが投入されると動作する。炉１４に対する最大熱投入量は約４千万ＢＴＵ（４０ＭＭＢＴＵ）／hourであり、通常の熱投入量は約１０〜１２ＭＭＢＴＵ／hourである。無論、この熱投入は、溶融しているスクラップおよび製造要件に依存するものである。この炉では、最大４０,０００ポンド／hourまで溶融することができる。
燃焼システム
【００８３】
図３に１００として概して示した燃焼システムは、天然ガス、燃料油、廃油、石炭（微粉炭、炭塵および液化）および酸素源などを燃料として動作する複式燃焼である。このシステムは、メンテナンスを容易にし、利用頻度の低い期間にエネルギを保存できるように、２つの完全燃焼システムとして設計されている。一方の酸素ライン１０２ともう一方の例示的天然ガスによる燃料ライン１０４とを図３に示す。
【００８４】
燃焼システム１００は、金属温度、気温、燃料および酸素フローからのデータ入力をすべてモニタし、オペレータインターフェースを提供する中央演算処理装置(ＣＰＵ)１０６を含む制御システム（図１１にて１２０として概略を例示）により制御されている。各燃焼ラインを、運転条件および要件に応じて、それぞれまたは同時に運転することができる。
【００８５】
この燃焼システム１００の制御に用いる主な処理入力変数は、熱電対１０８が測定する金属バス温度である。他の処理入力変数として、複数の気温センサ９８、１１０の１つから送信される信号が挙げられる。この制御ファクタには、１１２として概略を示した、炉の上方壁部、排気筒および炉屋根に配置した熱電対（Ｋ型）からの入力が含まれる。主な熱電対１０８は、溶融金属バス６０内に配置されている。気温用熱電対１１２にはアルミナなどの材料でシースを形成して、この測定構成要素を大気から保護する。バス用熱電対１０８を、熱や溶融金属の腐食性条件に耐性であるセラミック製シースにより溶融金属から保護する。このバス用熱電対１０８を、金属バス温度が予備設定レベルを下回った場合にのみバーナシステムの起動を知らせるように構成する。
【００８６】
排気用熱電対または屋根用熱電対１１６を、過熱防止用に設計する。この熱電類１１６を、燃焼ライン１０２、１０４をシャットダウンする加熱回路に接続して、過熱上限に到達した場合に耐火物および炉１４構造を保護するできるようにする。
【００８７】
上方壁部用熱電対９８を主に、炉１４の気温をモニタするために用いる。溶湯用熱電対１０８がない場合には、これを炉１４の運転用に用いることもできる。また、上方壁部用熱電対１１２を、金属がまず炉１４内に充填された時点、あるいは溶融金属量が溶湯用熱電対１０８を下回った場合に、処理入力変数として利用する。
【００８８】
オペレータは、各温度設定値に対してすべてを調整することができる。制御盤１１８には、熱電対９２、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６のすべてに対する温度表示器が含まれる。オペレータは、操作限界に到達するまで、各熱電対の設定値を調節することができる。この操作用設定値限界は、所望するあらゆる温度範囲を確立できるようにＣＰＵ内で設定することができる。
【００８９】
この燃焼システム制御システム１２０を２つの部分で構成する。第１の部分１２２には、当業者であれば明白であるように、継電器、リミットスイッチなどのハードウェア組み込み型安全装置が含まれる。これらには、あらゆるガス圧スイッチ、閉止弁および遮断弁および火炎検出器が含まれる。制御システム１２０の第２の部分１２４は、ＣＰＵ１０６が実行するモニタおよび自動制御機能部分である。
【００９０】
ガスライン１０４は対で構成されているため、一方が例えばメンテナンスまたは低充填／利用頻度期間であれば、もう一方をフル運転させることができる。酸素フロー要件について、各ガスライン１０４はおよそ同じ寸法である。各ガスライン１０４の開始ポイントはボール型閉止弁１３０である。このライン内に含まれるデブリのすべてを除去するように、配管１３２を利用してガスがストレーナ１３４を通過するように配置する。配管１３２には、ストレーナ１３４の次にガスパイロットライン１３６を延在させる。
【００９１】
排圧調整器１３８を用いて、この主管の圧力を下げる。本発明では、酸素圧力は約１８ポンド／インチ(psig)に設定している。このラインでは閉止弁１４０および安全弁１４２をこの次に配置している。差圧流量計１４４を安全弁１４２の下流に配置する。この流量計１４４により、ガスがオリフィス１４６を通過する際、その温度および差圧を計測する。本発明の流量計は、Rosemount型３０９５差圧流量計である。
【００９２】
こうした計測により、流速を特定して、信号を制御システム１２０に送信する。流量計１４４の次に制御弁１４８を配置する。本発明による配置では、調節制御弁を用いて、制御システム１２０からの出力信号を受信する。弁１４８により制御システム１２０、具体的に言えばＣＰＶ１０６に信号を送信して、実際の弁１４８の位置を示す。
【００９３】
ガスライン１０４は２本のライン１０４ａ、１０４ｂに分離し、それぞれに弁１５０ａ、１５０ｂが設けられている。弁１５０ａ、１５０ｂを用いて各バーナ８４のバランスをとり、ガスフローを均等に配分する。
【００９４】
酸素ライン１０２もガスライン１０４と同様であるが、ライン寸法および構成要素が、大量の酸素流を収容できるように太くなっている。例示的酸素ライン１０２を図３に例示する。これらの構成要素は燃料ライン１０４の構成要素に対応しており、その参照符合を２００番台として示している。
【００９５】
図１０を参照すると、バーナ８４はかなり直線状の設計となっている。４つのバーナ８４のそれぞれに、炉１４内に延在する、主な入口ノズル本体１５２が含まれている。炉の壁部５４の外部で燃料ガス入口１５４がこの主要入口本体１５２に向かって延在している。酸素をこの主要入口ノズル本体１５２に投入して、燃料ガスと混合する。点火装置（図示せず）が主要入口本体１５２の中央開口部１５６内を貫通して延在している。この点火装置から、燃料／酸素混合物を点火するスパークを得る。
【００９６】
この燃焼システム１００は、ＣＰＵ１０６による操作開始作用と自動制御とを組み合わせると容易に操作することができる。システム制御の電源を入れると、制御システム１２０のＣＰＵ１０６および組込み型安全装置部分１２２が作動する。ＣＰＵ１０６が、組込み型安全装置部分１２２の一部である制御弁、熱電対および継電器と通信を開始する。ガスおよび酸素の圧力スイッチは、高／低切換式デュアルスイッチとして設計されている。低圧力スイッチは、通常閉じた信号であり、高圧側は通常開いた信号である。ＣＰＵ１０６により、正しい信号になっており、そのプログラムを継続してよいかどうかを特定する。信号が不適切であるとわかれば、可聴式および可視式警報が作動する。制御機能も、ガスおよび酸素用制御弁１４８、２４８が「低燃焼」位置にあるかどうかをモニタする。制御弁１４８、２４８の位置が適切であれば、信号が送信されて、制御システム１２０の起動処理を継続させる。温度超過信号も明確にして、システム１２０の起動処理を継続させられるようにしなければならない。
【００９７】
起動条件がすべてそろったら、窒素パージサイクルを開始する。窒素を用いて、炉１４内に残る可能性がある可燃性ガスすべてを炉１４から浄化する。この窒素パージを調節して、炉１４を通過する窒素量が炉１４の容積の約２.５倍にする。
【００９８】
このパージが完了したら、燃焼炉の一方または双方を開始させる。制御スイッチにより、一対のバーナまたはバーナ８４のすべてを動作させる。火炎コントローラによりパイロット式ソレノイドを開口する。パイロット式ソレノイドは通常閉じた状態であるが、開始とともに開口して、パイロットアセンブリ内をガスおよび酸素を流動させる。
【００９９】
このパイロットアセンブリの端部にて、ガス混合物を、火炎コントローラにより調節されながら発火されるスパークで点火する。点火すると、火炎検出器１２６が火炎の有無を検出して、信号を制御システム１２０に送信する。火炎が検出されると、制御システム１２０により、ガスおよび酸素の双方の主遮断弁が開口される。
【０１００】
燃料および酸素用の主遮断弁１４０、２４０は独立して動作する。安全弁１４２、２４２は、ガス弁１４０が開口しなければ、安全弁１４２、２４２も開口しないように構成されている。主ガス弁１４０が開口すると、ガスおよび酸素用安全弁１４２、２４２が開口する。主要な弁がすべて開口すると、制御継電器ならびに、制御盤１１８上の各ガスライン用表示器ライトに電源が入る。パイロット式タイマは、約３０秒間のプリセット時間の間、電源の入った状態となる。このプリセット時間が経過すると、パイロット回路の電源が切れ、通常閉じた状態であるソレノイド弁の電源も切れる。これにより、パイロットアセンブリおよび各バーナライン用パイロット表示器ライトのみに電源の入った状態となる。
【０１０１】
火炎検出器１２６は絶えず火炎をモニタする。火炎表示がなくなると、警報信号がＣＰＵ１０６に送信され、制御回路がガスおよび酸素用閉止弁１４０、２４０および遮断弁１４２、２４２を絶縁する。
【０１０２】
パイロットの電源が切れると、炉の自動運転が制御システム１２０により開始される。システム１２０が「低燃焼」に設定されていると、酸素用制御弁２４８は、処理および設定値にかかわらず閉じた位置に維持される。ガス流は酸素流の後にフローするため、ガス用制御弁１４８はこの範囲ではない。制御システム１２０により、ガスを設定比率に維持する。
【０１０３】
制御システム１２０を自動モードで動作させると、制御システム１２０は処理および設定値からの偏差に反応する。炉の温度をモニタして、その温度設定値に適合させる。処理温度が設定値からはずれると、エラー信号が出され、制御システム１２０から酸素制御弁２４８に信号が送信させる。ガス制御弁１４８も制御システム１２０で制御する。この設定変数は、酸素流量計が特定する酸素比率にしたがう（化学量論比上、相互に関連する）。この制御システム１２０を、制御弁１４８、２４８を制限するように構成し、この制御弁によりバーナ８４の出力が制限される。
【０１０４】
燃焼システム１００、および具体的に言えば制御システム１２０を、炭素系燃料に依存するあらゆる産業用およびその産業において所望される用途に見合うように構成することができる。例えば、本発明のアルミニウムスクラップ処理プラント１０では、酸素供給式燃焼計１００に対して３種類の用途または使用法がある。第1は、生産量の高い環境（すなわち溶融炉１４内）におけるアルミニウムの溶融である。第２に、このシステム１００を保持炉１６内に配置して、まず温度を安定させ、溶融アルミニウムに合金を混合する。もう１つの用途は、ドロスＤ溶融炉１６６内に配置して、高温バーナにより、熱ショックを利用してドロス（溶融副産物）から金属ユニット（製造用に回収可能なアルミニウム）を取出す。いずれの使用法においても、エネルギの保存および環境上の理由からバーナを設置する。
【０１０５】
本発明による燃焼システム１００に対する応用方法は、バーナ８４の熱出力量（最大ＭＭＢＴＵ／hourで測定）、寸法および方向、ならびに炉１４、１６、１６６を運転する設計上の温度によりさまざまである。当業者であれば、こうした異なるニーズに対応するためには機械的な差（ライン寸法など）を設ける必要があること、また制御システム１２０およびＣＰＵ１０６の特定プログラムも変化する可能性のあることが明確であろう。
【０１０６】
本発明による燃焼システム１００により、従来および現在用いられている燃焼システムに対してさまざまな利点が得られる。例えば、本発明による燃焼システム１００を用いるとかなりのエネルギ節約になることがわかっている。酸素燃料によるバーナ８４は、従来の炉の場合よりも大幅に高い温度で動作する。したがって、溶融に利用可能な熱量が明らかに増加している（他の産業用途して、この増加分の熱を、例えばスチーム生成、ゴミ焼却など利用可能）。これにより、炉１４、１６、１６６を少ない燃料で運転することができる。本発明の実施にあたり、この溶融炉１４において溶融アルミニウム１ポンドに必要な平均（および推定）熱量は、約３６２０ＢＴＵ／ポンド（従来の炉）から約１０８３ＢＴＵ／ポンドに低下している。これは約７０％の削減である。さらに、保持炉１６内温度の維持に必要な燃料は、従来の炉の場合に比べて約半分であることがわかっている。
【０１０７】
こうした燃料の節約は、主に３つの要因によると考えられる。第1に、燃焼システム１００における熱量が増加しているため、酸素を増加することなく燃料すべてを完全に燃焼させることができることである。第２に、理論上、燃焼システム１００が、いくらかは伝導により熱移動するが、放熱（または放射）による熱伝達領域内で動作していると考えられることである。
【０１０８】
熱を金属バスに有効に伝達するため、炉１４、１６、１６６内において放射性熱伝達の利点を得られるようにシステム１００を設計する。第３に、この燃焼処理では窒素を用いないため、炉１４、１６、１６６を通過するガス量が少ないことである。したがって、高温ガスの滞留時間が長くなり、炉１４、１６、１６６からの排出前に、より多くの割合のエネルギ（熱として）を放出することができる。
【０１０９】
通常の排気量は、従来の炉の場合より少ない。ガス式炉では約８０％のガス量が低減（本質的に、空気の窒素成分）されているため、効率が大幅に上がっている。従来の炉では、空気の窒素成分が、溶融物からのエネルギ（再度、熱として）の大半を吸収している。本発明による燃焼システム１００では、酸素（空気ではなく）および燃料は化学量論比で炉１４、１６、１６６に給送されて燃焼される。これが余分な酸素を用いずに行われている。したがって、余分な酸素または窒素など、燃焼に無関係な材料にエネルギを吸収されることがない。
【０１１０】
本発明による燃焼システム１００によって、生産量も増加できる。溶融炉の一部として設置すると、この炉の溶融量または処理能力が上昇する。これも、炉１４内の迅速で有効な熱伝達に起因している。新たな金属を炉１４に導入すると、燃焼システム１００が迅速に反応して熱をもたらすため、これにより、給送された金属を溶融し、その溶融金属を設定された温度にプール６０内で維持することができる。アルミニウムは放射性熱源からかなり効率よく熱を吸収することがわかっている。
【０１１１】
おそらく最も重要なことに、現在周知であり、これまで用いられてきたシステムに比べて、本発明による燃焼システム１００では、環境に対する影響が少なくなっている。有利なことに、本発明によるシステム１００では燃焼処理に窒素（空気から）を用いない。通常、ＮＯxは、燃焼システムにより給送された加熱空気の反応生成物として炉内で生成される。しかしながら、本発明によるシステム１００では空気ではなく酸素を用いるため、生成されるＮＯxはいずれも、燃料内に成分として含まれる窒素によるものだけである（すなわち燃料により生成された窒素）。燃料により生成される窒素は極めて少量であるため（従来の炉において空気により生成される場合に比較して）、本発明による燃焼システムで生成されるＮＯxレベルは、業界の基準値および政府による制限値を大きく下回るものである。ＮＯx生成量の低減に加えて、一酸化炭素などの他の温暖化ガスの生成も大幅に低減されている。
【０１１２】
環境に対する影響を削減するだけでなく、本発明による酸素供給式燃焼システムでは、投入する燃料（石炭、炭塵、天然ガスまたは油などあらゆる炭素系燃料）をかなり少なくしても、これまでより大量のアルミニウムを処理できるため、エネルギの保存が可能である。少ない燃料で処理することにより、燃料資源の保存が実現される。本質的に、アルミニウムの製造に対して、ポンド基準でのみならず、総量としても使用する燃料が削減されている。これにより、処理（燃料など）費用を削減できるだけでなく、面倒な化石燃料の利用も少なくて済む。
【０１１３】
＜酸素供給源＞
当業者には明白であるように、本発明による燃焼システム１００用の酸素要件は極めて高い可能性がある。このため、酸素を購入して配送してもらい、使用するまでシステム内で貯蔵することも可能であるが、酸素生成設備を、例示したアルミニウムスクラップ処理プラントなどの酸素供給式燃焼システム付近またはこのシステムの一部として保有するとさらに望ましい。
【０１１４】
図４を参照すると、本発明による燃焼システム１００と併用する極低温プラント１８０が図示されている。例示した極低温プラント１８０では、１日当たり１０５トンの９５％純度の酸素と、酸素１００万当たり０.１部である６０,０００標準ft3／hourの窒素とを製造する。このプラント１８０には、１８５０馬力の３ステージ型コンプレッサ１８２が含まれている。圧縮空気は７１psigにて浄化機／エキスパンダ１８４に進入する。エキスパンダ１８４を出る空気は６.９psigで、温度は−２６４°Ｆであり、次に極低温蒸留カラム１８６に入る。カラム１８６では、空気を気相窒素、液体窒素、気相酸素および液体酸素に分離（蒸留）する。概して１８８として示す気相酸素は直接燃焼システム１００に給送され、概して１９０として示す液体酸素は、燃焼システム１００で後に使用するようにタンク１９１などに貯蔵される。極低温プラント１８０による酸素の圧力は、燃焼システム１００で必要となる圧力より低い可能性がある。そのため、酸素ブロワ１９２を、カラム１８６から酸素が放出される位置と燃焼システム１００との間に配置して、燃焼システム１００に必要な圧力まで上昇させる。
【０１１５】
概して１９４として示す気相窒素を、プラント１０内の下流に位置するアニーリング／応力解放システム（図示せず）に給送する。アルミニウムを処理して金属内の応力を開放し、金属を焼きなますために窒素を用いるこうしたシステムは、当業者には明白であろう。さらに、窒素１９４を脱ガスユニット２４で使用する。プラント１０には、メンテナンスや、極低温プラント１８０がプラントの必要物質を供給できない状況になった場合用の、液体として酸素１９１および窒素１９６に対する予備供給源が設けられている。この予備システム１９１、１９６は、極低温プラント１８０がオフラインである場合などの必要に応じて自動的に酸素および／または窒素を供給できるように構成されている。余剰分の窒素は貯蔵、容器充填および販売することができる。これらのシステムはさまざまな製造業者から市販されており、その例としてコネチカット州DanburyのPraxair,Inc.が挙げられる。
【０１１６】
＜熱回収＞
アルミニウム処理システム１０には、さまざまな処理から廃熱を回収できるという利点がある。具体的に言えば、この処理プラント１０に、図４では概して２００として示す廃熱回収システムを含むことができる。２０２として示す、溶融炉１４および保持炉１６からの排気を、廃熱回収熱交換器２０４の片側に方向付ける。排気２０２の温度が約１０００°Ｆであるため、回収できるエネルギはかなりの量である。さらに、排気からは主要な炉のバス領域６０の上方でもエネルギを回収することができる。
【０１１７】
この排気２０２を廃熱回収交換器２０４に方向付ける。２０６として示すペンタンなどの作動流体を、圧力下にて熱交換器２０４の反対側を流動させる。プレート型熱交換器またはプレートおよびチューブ型熱交換器がこの用途には最適であると予想される。当業者であれば、本発明の廃熱回収システム用にさまざまな種類の作動流体が利用可能であり、こうした作動流体とさまざまな熱交換システムが利用可能であることが明白であろう。こうしたあらゆるシステムも本発明の範囲および趣旨内である。
【０１１８】
加熱された流体２０６は気化器２０８に進み、ここで膨脹してスチームとなる。スチーム２０６はタービン−発電機のセット２１０に入り、電気を生成する。次に、このスチームは冷却器２１２で液化されて、熱交換器２０４に戻る。上述したスクラップ処理プラント１０の排気２０２からは、約１.５〜２.０メガワットの動力を電気として生成するための十分なエネルギを回収できると予想される。
【０１１９】
こうした廃熱回収システムまたは廃棄物エネルギ回収システム２００での使用を目的として、広範囲のさまざまな作動流体２０６を利用可能であるが、本発明によるシステムでは、ペンタンを作動流体２０６として使用する。こうした有機系を利用すると、例えばスチーム系の場合に比較して数多くの利点が得られる。ペンタンを主成分とする作動流体２０６では、標準ランキンサイクル構成の場合、スチーム系よりも容易にさまざまに蒸気の供給を行なうことができる。電気的なニーズではなく金属の生産に依存して炉（溶融炉１４および保持炉１６）から熱を生成するため、回収システム２００へのエネルギ入力は一定ではない場合が多く、発電を制御する特徴となっている。ペンタンなどの流体２０６により、こうした回収システム２００などに必要な柔軟性が大幅に向上する。
【０１２０】
当業者であれば明白であるように、生成される電気を利用して、極低温プラント１８０などのスクラップ処理プラント１０に必要な動力をある程度得る。プラント１０を運転するための動力は、発電プラントで用いられている（炉またはボイラを用いて）酸素燃焼燃料システムにより得られ、これでスチームタービン−発電機セット用にスチームを生成する。こうした構成において、プラント１０の必要量を超えた動力が生成された場合には、その余剰動力を、例えば地域の電気会社に販売することができる。
【０１２１】
＜ドロスの処理＞
ここで図２を参照すると、溶融炉１４からの不純物またはドロスＤを、インラインアルミニウム回収とは別に概して１６４として示すドロス回収処理において、さらに処理する。ドロスＤを、掬い取りなどにより、溶融炉１４における溶融アルミニウムプール６０の上部から除去する。このドロスＤを、機械的手段により篩状のボール１６８にプレスする。プレスにより、アルミニウムＡをドロスＤから押出す。ボール１６８の開口部１７０から、ドロスＤから押出されたアルミニウムＡが回収され、溶融炉１４に戻される。
【０１２２】
酸化物を含有するドロスを、再加熱するために回収炉１６６に給送する。回収炉１６６は、酸素供給式燃焼システム１００の設計を用いている点で溶融炉１４の設計と類似している。しかしながら、その操作では、ドロスＤからアルミニウム金属を除去するために約５０００°Ｆのほぼ直接の火炎衝突を利用して、回収炉１６６は、ドロスを含む材料に「衝撃を与える」。回収炉１６６の溶湯１７２の温度も約１４５０°Ｆ〜１５００°Ｆとかなり高くなっており、炉の気温は約２０００°Ｆ〜２２００°Ｆである。さらに、「衝撃を与える」方法を、炉１６６内において余分な酸素を実質的に含まずに大幅に削減された空気内で行なう（約３〜５％の余剰酸素レベルで運転される従来の炉とは対照的）。
【０１２３】
回収炉１６６でも同様に掬い取りを行ない、得られたドロスをプレスする。回収されたアルミニウムＡを溶融炉１４に移送する。残りのドロスＤ２を別の場所で処理するようにドロス処理装置に送り、さらにアルミニウムを回収する。このドロス回収方法を含む本発明の方法では、著しく大量の金属が回収できることがわかっている。次の処理のために最終的に運搬されるドロスＤ２は、元のドロスＤと比べるとほんの一部の量となる。このように、処理費用を削減し、アルミニウム回収量を増加させることができる。
【０１２４】
重要なことに、本発明によるドロス回収処理１６４は、塩または他の添加剤を何も用いずに行なわれる。熱の衝撃を利用して、酸化物から金属を除去するのである。周知の回収処理では、塩を用いて金属から酸化物を分離する。その後処理される酸化物内に塩が残留することから、最終的には塩も同様に廃棄処分される。こうした塩は環境上の問題から見て危険および／または有害になりかねない。そのため本発明による処理１６４は、こうした塩およびその廃棄処分の必要をなくした点で環境上有益である。
【０１２５】
再度、処理方式全体１６４について、本発明による回収ステップ（間に再加熱をはさむ２回のプレスなど）では、スクラップのグレードに依存して、アルミニウム回収率が周知の処理の場合に対して大幅に向上することがわかっている。ドロスＤから回収される金属量に対して複数％の増加が実現されている。
【０１２６】
本発明による燃焼システムに対する他の用途
上述したように、連続処理全体において酸素を用いることにより、効率向上を実現可能であることが明白である。例えば、発電所では、燃焼処理に（空気ではなく）酸素を導入することにより、火炎温度を上昇させる、あるいはボイラ内のＬＯＩを削減することができる。これにより、操作上の効率を高めることができる。本質的に、あらゆる炭素系燃料の燃焼も、酸素の導入により改良することができる。これは経済および環境の両面で有益である。現在のところ、ガラス製造業のみが酸素燃料技術を採り入れている。ガラス製造業において、この技術は、効率がよいからではなく、ガラス製造処理に必要な高い溶融温度が得られるから利用されているのである。
【０１２７】
しかしながら、あらゆる産業用途および発電用途にガス式燃焼システムを用いると、同等の動力または熱生成量を得ながら、燃料消費量を削減することができる。燃料消費量を削減するとともに燃料を有効利用する（すなわち有効な燃焼）ことにより、ＮＯx放出量を実質的にゼロまで大幅に低減し、他の温暖化ガスの放出量も著しく低減することができる。
【０１２８】
さまざまな方法と併せて、石炭、天然ガス、さまざまな油（加熱および廃油）、木材および他のリサイクル廃棄物などのさまざまな工業燃料が酸素の生成用に現在利用され提示されているため、当業者であれば、産業上の利用に関して本発明による燃焼システムに膨大なポテンシャルがあることが理解できるであろう。燃料は、入手の可能性、経済的側面および環境上の問題に基づいて選択可能である。したがって、燃料は１つに特定されず無数にあり、実際、あらゆる炭素系燃料が本発明によるシステムと併用可能である。さらに、純度の高い酸素を生成するために利用可能な技術も数多くある。こうした技術の例として、低温学、膜系、吸収ユニット、加水分解などが挙げられる。こうした燃料の利用および酸素供給はすべて、本発明の範囲内である。当業者であれば、水素や窒素などの他の生成ガスの貯蔵、容器収容および販売が可能であることを理解できよう。
【０１２９】
上記に詳述したように、本発明による燃焼の１応用例がアルミニウムスクラップの処理または回収である。以下に説明するように、他の例示的応用例には、産業上の発電ボイラおよび焼却装置が挙げられる。こうした応用例では、広範囲の産業利用を目的とする本発明の技術の柔軟性および適用性を利用したものである。
【０１３０】
一般に、現在または従来の空気燃料システムに対して酸素供給式燃焼システムを利用すると、多くの領域で大きな利点が得られる。まず、燃焼領域内で窒素に妨げられることなく正確な化学量論レベルで操作可能である。これにより、燃料使用の効率を上げ、燃焼時のＮＯxレベルを大幅に低下させることができる。重要なことに、同レベルのエネルギ生成に必要な燃料が少なくなっており、これにより、運転費用全体を引き下げることができる。同じ発電量を得るために少ない燃料を用いるため、排出量も当然削減される。燃料の節約と排出量の削減とは、本発明によるシステムで得られる利点のうちの２つにすぎない。
【０１３１】
産業用動力ボイラなどによる発電用ボイラはさまざまであるが、基本的に、タービン−発電機セット用にスチームを生成する燃焼システムに依存する。使用燃料は、ボイラ設計によりさまざまである。しかしながら、ボイラのすべてで酸化剤が必要である。本発明による酸素供給式燃焼システムを用いる場合、ボイラ全体で純度の高い酸素を唯一の酸化剤として使用する、あるいは燃焼用酸素を提供する空気に対する補足として使用する。
【０１３２】
他の産業用途で享受可能な利点は電力業界にも当てはまる。例えば、燃焼領域内で酸素を使用すると、燃焼に容易に利用できる酸素を供給することによりＬＯＩ（点火による損失）をうまく削減しつつ、火炎温度を上昇させることができる。火炎温度を上昇させると、燃料の燃焼率が同じでもスチーム生成速度を速められる。逆にいえば、同じ発電または生成を低い燃料燃焼率で実現することができる。火炎温度は、燃焼用に提供する酸素の濃度に依存して変化する。このため、酸素の補給あるいは富化がないと（すなわち燃焼用のただの空気）、火炎温度は約３０００°Ｆに留まる。上記説明を参照すると、酸化剤として純粋な酸素を用いると、火炎温度は約４５００°Ｆ〜約５０００°Ｆとなる。酸素の補給程度を変化させると、予想される火炎温度はこれらの温度間のいずれかとなり得る（直線状に変化すると考えられる）。
【０１３３】
化学量論により安定した火炎を確保しつつ、ＮＯxおよび他の温暖化ガスを削減するために、酸素を過焼成空気システムまたは液体酸素ＮＯxバーナと併用することもできる。通常の酸素ＮＯxバーナでは、ＬＯＩが増加する場合が多いため、オペレータはより多くの燃料を燃焼させなければならない。燃焼処理に富化酸素を追加することにより、化学量論的にＮＯx生成用窒素を追加せずとも（空気をさらに投入して）、燃料を完全に燃焼させることができる。
【０１３４】
酸素供給式燃焼システムの利点を最大限に活用するため、このシステムの周囲にボイラを設計することが予想される。また、既存の装置を改良または修正しても、オペレータ（施設など）および環境の双方に対するこうした利点の多くを得られると予想される。
【０１３５】
例えば、図１２には、石炭を燃焼させるボイラまたは炉３００を概略的に示している。ウィンドボックス３０２が炉３００の壁部３０４に形成されている。バーナ３０６がウィンドボックス３０２内に延在しており、このバーナ３０６を介して石炭を炉３００内に導入する。石炭を、石炭管３０８により炉３００に運搬する。一次空気（３１０として示す）を供給して、石炭を管３０８およびバーナ３０６で炉３００内に運搬する。三次空気（３１２として示す）を石炭管３０８に供給して、石炭を確実にバーナ３０６まで運搬させる。
【０１３６】
二次空気（３１４として示す）を、炉の壁部３０４にある計測器３１６を介してウィンドボックス３０２から炉３００内に直接供給する。二次空気３１４は、燃焼処理用空気の主なソースである。ＮＯxの制御に認識されており周知である１つのシステムでは、過燃焼空気システム（３１８として示す）により空気を炉３００内の火炎Ｆに噴射（ウィンドボックス３０２から）する。過燃焼空気には２つの目的がある。１つは、燃料を完全に燃焼させるために十分な酸素を供給することである。２つ目は、火炎温度を低下させてＮＯxの生成を低減することである。
【０１３７】
本発明による燃焼システムが既存の燃焼システム全体に取って代わり得る、あるいは燃焼に用いる空気に酸素を補充するための補助的なものとして利用可能であると予想される。具体的に言えば、純度の高い酸素を、周知の燃焼システムで使用されている一次空気３１０、二次空気３１４および三次空気３１２のいずれか、あるいはすべての代わりに利用可能であると予想される。当業者であれば、本発明による酸素供給式燃焼システムを、油やガスなどの他の化石燃料を利用している発電ボイラまたは炉に利用することにより得られる利点が明白であろう。
【０１３８】
本発明による燃焼システムは、産業廃棄物焼却装置との併用も考慮されている。通常の廃棄物焼却装置は、共振時間、温度および余剰酸素に基づいて動作する。酸素燃料システムにより、その動作の効率が向上する。
【０１３９】
共振時間は、加熱チャンバまたは排気筒の物理的寸法、およびそのチャンバまたは排気筒を通過するガスの速度や容積に依存する。その混合物に窒素が含まれておらず、燃焼処理に用いられるガスの容積が少なくなるため（約８０％の削減）、共振時間は当然長くなる。焼却装置が具体的に酸素供給式燃焼システム用に設計されている場合、必要となる寸法が小型化されるため、その焼却装置に必要な投資費用は大幅に削減される。
【０１４０】
ガス式燃焼システムの通常の火炎温度は、空気供給システムよりも格段に高い。したがって、最終的に、少ない燃料による熱投入量で燃焼効率が得られるため、運転経費を削減できる。酸素供給式燃焼システムで得られる利点の１つは、超過酸素レベルを制御できることである。従来の焼却装置では、揮発性有機体炭素(ＶＯＣ)および燃焼しなかった炭素を燃焼するために超過酸素が必要である。こうした超過酸素は、チャンバまたは排気筒内に空気を噴射して提供されるものであり、そこで酸素（空気からの）を用いてＶＯＣおよび未燃焼炭素を完全に燃焼する。空気により必要な超過酸素が得られるが、窒素もチャンバ内に入り込んでしまう。こうして（超過酸素を供給するために）導入された超過窒素により、ＮＯxの生成量が増加してしまう。さらに、超過空気全体が、他の温暖化ガスを生成し、チャンバを冷却する原因となる。冷却は望ましくないため、その冷却効果を打ち消すように、燃焼システムから熱を追加する必要が生じる。
【０１４１】
図１３に、通常の産業炉４００を概略的に図示する。廃棄物（４０２として示す）を排気筒４０４内に導入する。空気（４０８として示す）および燃料（４１０として示す）を含むバーナ４０６を給送し、廃棄物４０２を灰化するために火炎Ｆを形成する。一酸化炭素（ＣＯ）モニタ４１２を火炎Ｆの上方に配置して、排気内のＣＯレベルを特定する。ＣＯレベルが高くなりすぎた場合は、バーナ４０６に空気を追加給送する。任意に、空気を、バーナ４０６から離れた位置４１４から排気筒内に給送して、空気を追加することも可能である。
【０１４２】
この操作方法にはいくつもの欠点がある。上述したように、排気物の灰化を制御する２つのファクタは時間および温度である。すなわち、温度が高く、共振時間が長いほど、廃棄物を灰化できる。しかしながら、空気を追加する（ＣＯレベルを下げるため）と排気筒４０４内の流速が早くなり、共振時間が短くなってしまう。さらに、空気流が増加すると、火炎温度は低下する（ＮＯx生成量を削減する）が、大量の窒素を導入してしまうため、ＮＯx生成量が増加し、冷却（およびＮＯx生成量を削減する）効果が相殺されがちである。さらに、空気の冷却効果により、灰化処理の効率が低下する。
【０１４３】
一方、本発明による酸素供給式燃焼システムでは、純度の高い酸素を用いることにより、ＮＯxや他の温暖化ガスの生成および冷却効果を生じることなく、未燃焼材料を燃焼させることができる。本発明による酸素燃料システムでは、従来のあるいは伝統的な焼却装置システムに対して幾つかの利点が得られる。焼却装置の主な役割はＶＯＣおよび他の汚染物をこれらが大気に到達する前に焼却することであるため、本発明による燃焼システムでは使用する燃料を削減して、ＮＯxや他の温暖化ガスの生成量を低下させ、燃焼排ガスの容積を全体として削減する。
【０１４４】
さらに、酸素供給式燃焼システムを利用する焼却装置の設置費用（元手など）および運転費用を大幅に削減することができる。このシステムを通過するガス容量が大幅に低下すると考えられるため、焼却装置に対する元手費用が削減される。上述したように、ガス通過量が大幅に減るため、同じ共振時間を維持しつつ、焼却装置全体の寸法を従来のシステムに比べて大幅に小型化することができる。したがって、焼却装置を物理的に小型化しても同量廃棄物の処理が可能であり、必要となるサポートシステムおよび付属装置およびシステムも同様に小型化できる。
【０１４５】
さらに、ガス式燃焼システムは通常、従来の焼却装置より格段に効率がよいため、必要なエネルギ投入量もわずかですむ。このシステムはまた、未燃焼炭素またはＶＯＣを燃料とする焼却装置用とに非常に適している。同様に、火炎領域には窒素が含まれていないため、ＮＯxの生成は最小限に抑えられ、燃料から発生する窒素からのみ形成されるＮＯxに限定される。
【０１４６】
上述した産業は、本発明による酸素供給式燃焼システムの利用により利点を得られる数例である。当業者であれば、このシステムを化学および石油化学産業、発電産業、プラスチック産業、輸送業などにも応用可能であることが理解できよう。
【０１４７】
＜酸素燃料による燃焼−有益性および利点＞
酸素燃料燃焼による有益性および利点は、当業者であれば明白であろう。実際、例示的なアルミニウムスクラップ処理施設において、天然ガス用に装備され、空気を燃料とする炉を利用すると、アルミニウムスクラップ１ポンドの処理または溶融に必要なエネルギ（使用した天然ガスｆｔ３で特定）は３６２０ＢＴＵであることがわかっている。すなわち、アルミニウム各１ポンドを溶融するには約３.４５標準立方フィート（ＳＣＦ）の天然ガスが必要である。３６２０ＢＴＵというエネルギ要件は、１０５０ＢＴＵの熱容量をもつ天然ガスの各ＳＣＦに基づいたものである。
【０１４８】
これとは対照的に、本発明による酸素供給式燃焼システムを用いると、アルミニウム各１ポンドの溶融に必要なのは、たった１.０３ＳＣＦの天然ガス（または１０８３ＢＴＵ）であることがわかった。したがって、本発明による酸素供給式燃焼システムでは、空気燃料型炉で必要な燃料に対して１０８３ＢＴＵ／３６２０ＢＴＵ  または２９.９％を使用したことになる。これは燃料消費１.０から０.２９９へ、または約７０％の削減である。
【０１４９】
これほど劇的な削減ではないが、燃料として廃油を利用する酸素供給式燃焼システムでも同様の燃料消費量の削減が見られた。アルミニウム各１ポンドの溶融に必要な廃油燃料の熱容量が１２１８ＢＴＵであることがわかった。したがって、廃油の場合に見られた削減率は１２１８／３６２０または３３.６％であり、燃料消費量は約６６％の削減であった。生成される汚染物質の削減を考慮するまでもなく、本発明による酸素供給式燃焼システムでは、空気を燃料とし、天然ガスを燃焼させる炉に対して、天然ガスおよび廃油を使用した場合の燃料消費量の削減はそれぞれ約７０％および６６％であった。
【０１５０】
以下に示す表１は、空気燃焼（燃料がガスであり、「空気−ガス」として示す）燃焼システム、酸素燃料（ガス、「酸素−ガス」として示す）燃焼システム、および酸素燃料（廃油、「酸素−油」として示す）燃焼システムを用いた場合に生成される汚染物質を比較したものである。表の汚染物質は、一酸化炭素（ＣＯ）、気相窒素化合物（ＮＯx）、１０ミクロン未満の微粒子物質（ＰＭ１０）、微粒子物質合計（ＰＴ）、硫黄含有気相化合物（ＳＯx）および揮発性有機炭素化合物（ＶＯＣ）である。
【０１５１】
データは、生成したトン数／年（ＴＰＹ）、および生成したポンド数／用いた１００万ＢＴＵ（ｌｂｓ／ＭＭＢＴＵ）の２形態で示している。酸素−ガスおよび酸素−油データの後の（  ）内数値は、空気を燃料とするガス燃料燃焼システムの場合に対する不純物質削減量を示す。
＜表１＞
空気−ガス、酸素−ガスおよび酸素―油燃焼システムに対する燃料ガス分析
2006145198.tif 000003
【０１５２】
酸素燃料廃油燃焼システムにおけるＰＭ１０、ＰＴ、ＳＯxおよびＶＯＣの値は増加していることがわかる（負の削減量として）。これは、例示した燃焼システムで用いた「燃焼後」処理過程がないことが１つの原因となっている。適切な「燃焼後」処理の例として、バッグハウス（微粒子物質用）およびスクラバ（硫黄含有ガス用）が挙げられ、これにより少なくともそれぞれ放出量の約９８.９９％および９５％の削減が可能になると考えられる。表１で得られた値は、観察された燃料消費の削減量に基づいており、合衆国環境保護庁（ＵＳＥＰＡ）による表ＡＰ４２（ＵＳＥＰＡのホームページから入手可能）から決定される基準にしたがって特定した。
【０１５３】
上記の値は、酸素供給式燃焼システムを用いた炉内環境を制御した上のものであることに留意しなければならない。すなわち、酸素−ガスおよび酸素−油燃焼システムにおける汚染物質削減量を示す上記の値を得るには、この燃焼システムを設置した炉を、空気（すなわち、燃焼大気中の窒素）の漏入をごく僅かに制限するように設計しなければならない。
【０１５４】
このように、当業者であれば理解できるように、純度の高い酸素（または酸素濃度を高くした空気）および炭素系燃料のいずれかを利用すると、既存の産業システムの多くにかなりの確率で適応させることができる。このシステムを標準および従来の産業用途に用いると、周知で現在使用されている空気燃料システムおよび空気過燃焼システムに対して非常に多くの利点および便宜が得られると考えられる。現在使用されているプラントの多くでは、本発明によるガス式燃焼システムを組み入れて性能および生産性を高めるために物理的に再設計および修復が必要となる可能性はあるが、燃料費の削減、元手費用、放出量の低下などによる運転費用の削減など、設計および構造にこうした変更を加えて得られる便宜は、こうした変更にかかる費用を上回って余りあると考えられる。
【０１５５】
本開示内容において、単数で表示したものはすべて単数および複数の双方を意味するものである。逆にいえば、複数として言及しているものも、適切と判断できれば単数をも含むものとする。
【０１５６】
上述より、本発明の新規概念の真の趣旨および範囲を逸脱することなく、さまざまな修正および変更を加えられることは明白であろう。例示した具体的な実施形態は限定を目的とするものではなく、限定的であると解釈されるべきものでもないことを理解されたい。本開示内容は、添付した特許請求の範囲によって包括されるものであり、加えられる修正のすべてはこの請求の範囲内でなければならない。
いる。
【図面の簡単な説明】
【０１５７】
【図１】酸素供給式燃焼システムを設けた溶融炉を含む例示的アルミニウムスクラップ回収処理の全体の工程図である。
【図２】本発明の原理を具現化した酸素供給式燃焼システムを設けた回収炉を含む図１によるドロス処理処理の全体の工程図である。
【図３】酸素供給式燃焼システムと併用する例示的な天然ガス供給ラインおよび酸素供給ラインである。
【図４】極低温プラントから炉までの酸素供給フローを示すプラント全体図である。例示的な廃熱回収プラントも例示している。
【図５】本発明の原理による酸素供給式燃焼システムと併用するアルミニウム溶融炉の概略図である。
【図６】図５の炉を示す側面図である。
【図７】図６の溶融炉を示す平面図である。
【図８】炉の側壁部を示す部分断面図である。
【図９】炉の床部を示す部分断面図である。
【図１０】酸素供給式燃焼システムと併用するバーナアセンブリを例示している。
【図１１】本発明による酸素供給式燃焼システムと併用する例示的制御システムを示す概略図である。
【図１２】バーナおよび空気給送配置を例示する、例示的動力ボイラまたは炉正面壁部の概略図であり、本発明の原理を具現化した酸素供給式燃焼システムを組み入れたことを示している。
【図１３】廃棄物焼却装置の概略図であり、本発明の原理を具現化した酸素供給式燃焼システムを組み入れたことを示している。
【符号の説明】
【０１５８】
１０…プラント
１２…アルミニウムスクラップ
１４…溶融炉
１６…保持炉（ホルダ）
１８…塩素
２０…窒素
２２…フィルタ
２４…ガス抜き装置
２６…フラックス
２８…スターラ
３０…キャスタ
３２…コイル
３４…フライス盤
４２…外郭構造
４４…プレート
４６…梁
４８…床部
５０…底部鋼板
５２…底部
５４…側壁
５６…屋根
５８…ドア
６０…チャンバ
６２…充填容器
６４…正面
６６…充填領域
６８…循環ポンプ領域
７０…ポンプ
７２…第１の開口部
７４…第２の開口部
７６…第３の開口部
７８…フード
８０…排気筒
８２…バグハウス
８４…バーナ
８６…第１の材料
８８…床材料
９０…絶縁体
９２…耐火物
９４…絶縁ブリック
９６…壁部
９８、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６…熱電対
１００…燃焼システム
１０２…酸素ライン
１０４、１０４ａ、１０４ｂ…燃料ライン
１０６…中央演算処理装置(ＣＰＵ)
１１８…制御盤
１２０…制御システム
１２２…第１の部分
１２４…第２の部分
１２６…火炎検出器
１３０…ボール型閉止弁
１３２…配管
１３４…ストレーナ
１３６…ガスパイロットライン
１３８…排圧調整器
１４０、２４０…主遮断弁
１４２、２４２…安全弁
１４４…流量計
１４６…オリフィス
１４８、２４８…酸素用制御弁
１５０ａ、１５０ｂ…弁
１５２…入口ノズル本体
１５４…燃料ガス入口
１６４…ドロス回収処理
１６６…回収炉
１６８…ボール
１７０…開口部
１７２…溶湯
１８０…極低温プラント
１８２…コンプレッサ
１８４…エキスパンダ
１８６…極低温蒸留カラム
１８８…気相酸素
１９０…液体酸素
１９１…タンク
１９２…酸素ブロワ
１９４…気相窒素
１９６…液体窒素
２００…廃熱回収システム
２０２…排気
２０４…廃熱回収熱交換器
２０８…気化器
２０６…作動流体
２１０…タービン−発電機セット
２１２…冷却器
３００…炉
３０２…ウィンドボックス
３０４…壁部
３０６…バーナ
３０８…石炭管
３１０…一次空気
３１２…三次空気
３１４…二次空気
３１６…計測器
３１８…過燃焼空気システム
４００…産業炉
４０２…廃棄物
４０４…排気筒
４０６…バーナ
４０８…空気
４１０…燃料
４１２…一酸化炭素モニタ
４１４…離れた位置
【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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【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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