(57)【要約】炉システム内において用いられるオーバファイアエア（ＯＦＡ）ポートの設計と方法を開示するものであり、このＯＦＡポートの設計は、関連する炉から放出するときに大気内に放出される有害な汚染物質の量を有効に低減させている。
2005517149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）側壁を備えるハウジングと、
（ｂ）前記ハウジング内に配置された燃焼ゾーンを画成する少なくとも１つのバーナであって、複数の垂直レーンが前記側壁と前記燃焼ゾーンの両側との間の空間によって画成されるようなバーナと、
（ｃ）前記ハウジング内において前記燃焼ゾーンの上方に配置された複数のオーバファイアエア（ＯＦＡ）ポートであって、前記ＯＦＡポートは上側列と下側列を含む複数の列に配置され、前記上側列は前記下側列よりも多くの前記ＯＦＡポートを有し、前記上側列は垂直方向において前記下側列よりも前記燃焼ゾーンから遠い距離の位置に配置され、前記下側列の前記ＯＦＡポートの少なくとも１つは前記垂直レーンの少なくとも１つに配置されるようなＯＦＡポートと、
を備えている炉。
【請求項２】
前記燃焼ゾーンから空気を回収し、このような空気を前記炉内の前記燃焼ゾーンの上方にＯＦＡとして噴射するために、前記複数のＯＦＡポートに分配する空気回収および分配手段をさらに備えていることを特徴とする、請求項１に記載の炉。
【請求項３】
前記複数の垂直レーンは第１垂直レーンおよび第２垂直レーンを備え、前記下側列の前記ＯＦＡポートの少なくとも１つは前記第１垂直レーンにあり、前記下側列の前記ＯＦＡポートの少なくとも１つは前記第２垂直レーンにあることを特徴とする、請求項１に記載の炉。
【請求項４】
前記少なくとも１つのバーナは、少なくとも１つの列に配置される複数のバーナ出口を備え、前記燃焼ゾーンは前記少なくとも１つの列のバーナ出口によって画成されていることを特徴とする、請求項３に記載の炉。
【請求項５】
前記ハウジングは、ＣＯのような燃焼による副生成物が流通可能な出口通路をさらに備え、前記出口通路は前記ＯＦＡポートの上側列の上方に配置され、前記燃焼ゾーンの上方に噴射されたＯＦＡは前記燃焼ゾーン内において生成されたＣＯを酸化し、そのＣＯをＣＯ2に変換し、それにより前記出口通路内を流れるＣＯの量を低減させるようになっていることを特徴とする、請求項３に記載の炉。
【請求項６】
炉内において用いられるオーバファイアエア（ＯＦＡ）ポートであって、
（ａ）入口端および出口端を有する内筒であって、前記入口端および前記出口端の間に延在する空気が流通可能な内側通路を画成する内筒と、
（ｂ）入口端および出口端を有する外筒であって、前記内筒の少なくとも一部を包囲し、前記入口端および前記出口端の間に延在する空気が流通可能な外側通路を画成する外筒と、
（ｃ）前記内筒および前記外筒の間に配置され、前記外筒の前記出口端から流出する空気の流れを妨げる少なくとも１つのバッフルと、
を備えているＯＦＡポート。
【請求項７】
前記バッフルは、前記外筒の前記入口端よりも前記出口端に近接して配置されていることを特徴とする、請求項６に記載のＯＦＡポート。
【請求項８】
前記バッフルは、前記外筒に取り付けられることを特徴とする、請求項６に記載のＯＦＡポート。
【請求項９】
前記少なくとも１つのバッフルは、複数のバッフルを備えていることを特徴とする、請求項６に記載のＯＦＡポート。
【請求項１０】
前記外筒の前記入口端は、前記外筒の前記出口端とは異なった幾何学的形状を有していることを特徴とする、請求項６に記載のＯＦＡポート。
【請求項１１】
前記外筒の前記出口端は楕円形状を有していることを特徴とする、請求項１０に記載のＯＦＡポート。
【請求項１２】
前記外筒の前記入口端の幾何学的形状は円形状であることを特徴とする、請求項１１に記載のＯＦＡポート。
【請求項１３】
前記内筒の入口端は、前記内筒の出口端と異なる幾何学的形状を有していることを特徴とする、請求項６に記載のＯＦＡポート。
【請求項１４】
前記内筒の前記出口端の幾何学的形状は楕円形状であることを特徴とする、請求項１３に記載のＯＦＡポート。
【請求項１５】
前記内筒の前記入口端の幾何学的形状は円形状であることを特徴とする、請求項１３に記載のＯＦＡポート。
【請求項１６】
前記内筒の前記入口端は前記内筒の前記出口端と異なる幾何学的形状を有し、前記外筒の前記入口端は前記外筒の前記出口端と異なる幾何学的形状を有していることを特徴とする、請求項６に記載のＯＦＡポート。
【請求項１７】
前記内筒および前記外筒の出口端は楕円形状を有していることを特徴とする、請求項１６に記載のＯＦＡポート。
【請求項１８】
炉内において用いられるＯＦＡポートであって、
（ａ）入口端および出口端を有する内筒であって、前記入口端および前記出口端の間に延在する空気が流通可能な内側通路を画成し、さらに内側入口部、内側遷移部および幾何学的部を備える内筒と、
（ｂ）入口端および出口端を有する外筒であって、前記内筒の少なくとも一部を包囲し、前記入口端および前記出口端の間に延在する空気が流通可能な外側通路を画成し、さらに外側入口部および外側遷移部を備える外筒と、
（ｃ）前記内筒および前記外筒の間に配置され、前記外筒の前記出口端から流出する空気の流れを妨げる少なくとも１つのバッフルと、
を備えているＯＦＡポート。
【請求項１９】
前記外筒の前記外側遷移部は、遷移入口端と遷移出口端をさらに備え、各々は直径を有し、前記遷移入口端の前記直径は前記遷移出口端の前記直径よりも小さいことを特徴とする、請求項１８に記載のＯＦＡポート。
【請求項２０】
前記外側入口部と前記外側遷移部とは同じ長さを有していることを特徴とする、請求項１８に記載のＯＦＡポート。
【請求項２１】
前記外筒の前記出口端から流出する空気の流れを妨げる少なくとも２つのバッフルが、前記内筒および前記外筒の間に配置されていることを特徴とする、請求項１８に記載のＯＦＡポート。
【請求項２２】
前記外筒の前記入口端は、前記外筒の前記出口端とは異なった幾何学的形状を有していることを特徴とする、請求項１８に記載のＯＦＡポート。
【請求項２３】
前記外筒の前記出口端は楕円形状を有していることを特徴とする、請求項１８に記載のＯＦＡポート。
【請求項２４】
前記内筒の前記入口端は円形状を有していることを特徴とする、請求項１８に記載のＯＦＡポート。
【請求項２５】
（ａ）燃焼ゾーンを画成する少なくとも１つのバーナと、
（ｂ）少なくとも１つのオーバファイアエア（ＯＦＡ）ポートと、
を備える炉であって、前記ＯＦＡポートは
（ｉ）入口端および出口端を有する内筒であって、前記入口端および前記出口端の間に延在する空気流が流通可能な内側通路を画成する内筒と、
（ｉｉ）入口端および出口端を有する外筒であって、前記内筒の少なくとも一部を包囲し、前記入口端および前記出口端の間に延在する空気が流通可能な外側通路を画成する外筒と、
（ｉｉｉ）前記内筒および前記外筒の間に配置され、前記外筒の前記出口端から流出する空気の流れを妨げる少なくとも１つのバッフルと、
を備えていることを特徴とする炉。
【請求項２６】
前記外筒の前記入口端に配置され、前記少なくとも１つのＯＦＡポート内を流れるＯＦＡの量を調節するスリーブダンパをさらに備えていることを特徴とする、請求項２５に記載の炉。
【請求項２７】
（ａ）ハウジングと、
（ｂ）燃焼ゾーンを構成する少なくとも１つのバーナと、
（ｃ）前記ハウジング内において前記燃焼ゾーンの上方に配置される複数のオーバファイアエア（ＯＦＡ）ポートであって、前記ＯＦＡポートは上側列と下側列を含む複数の列に配置され、前記上側列は前記下側列よりも多くのＯＦＡポートを有し、前記上側列は垂直方向において前記下側列よりも前記燃焼ゾーンから遠い距離の位置に配置され、前記下側列の前記ＯＦＡポートの少なくとも１つは前記垂直レーンの少なくとも１つに配置されるようなＯＦＡポートと、
（ｄ）少なくとも１つのＯＦＡポートであって、
（ｉ）入口端および出口端を有する内筒であって、前記入口端および前記出口端の間に延在する空気流を流通させる内側通路を画成する内筒と、
（ｉｉ）入口端および出口端を有する外筒であって、前記内筒の少なくとも一部を包囲し、前記入口端および前記出口端の間に延在する空気が流通可能な外側通路を画成する外筒と、
（ｉｉｉ）前記内筒および前記外筒の間に配置され、前記外筒の前記出口端から流出する空気の流れを妨げる少なくとも１つのバッフルと、
を有しているようなＯＦＡポートと、
を備えている炉。
【請求項２８】
炉を効率的に操作する方法であって、
（ａ）オーバファイアエア（ＯＦＡ）システムを用いて燃焼ゾーンから燃焼空気の一部を回収する段階と、
（ｂ）前記燃焼ゾーンの上方に配置された少なくとも１つの上側列と少なくとも１つの下側列内に配置されるＯＦＡポート内に前記燃焼空気の一部を導くことによって炉内の前記燃焼ゾーンの上方に前記燃焼空気の一部を再噴射する段階と、
（ｃ）前記燃焼ゾーンの最外端と炉の側壁との間に配置された少なくとも１つの垂直レーンにおいて、前記燃焼ゾーンに最も近くに配置された少なくとも１つのＯＦＡポート内に空気をさらに導く段階と、
を含む方法。
【請求項２９】
前記燃焼ゾーンの両側に配置された２つの垂直レーン内において、前記燃焼ゾーンに最も近く配置される列内に配置されたＯＦＡポート内に前記燃焼空気の一部を導くことによって、前記燃焼ゾーンの上方に位置するＯＦＡポート内に前記燃焼空気の一部を再噴射する段階をさらに含んでいることを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２００２年２月７日に出願された米国仮特許出願第６０／３５５，６７４号の利益を主張し、その開示内容は参照することによってここに含まれるものとする。
【０００２】
本発明は炉システムに関し、さらに詳細にはＣＯ、ＮＯｘ、および未燃炭素生成物のような有害な副生成物を低減させるためのオーバファイアエア（ＯＦＡ）プロセスを用いる炉システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
炉内において化石燃料または他の有機および化学燃料を完全に燃焼させるには、すでによく知られている値である所定の量の燃焼空気が必要である。空気と燃料との関係は、化学量論的な燃焼条件として知られている。燃料を燃焼させ、次いで消費させるのに化学量論的な量の空気を供給するのが理論的に最も好ましいが、このような完全な燃焼を達成させるには無限の寸法を有する炉が必要である。既存の炉においては、理論的な量よりも多い量の空気が供給されている。この余分な量の空気は過剰空気と呼ばれている。
【０００４】
このような過剰空気が存在しないと、不完全な燃焼によって著しい量の副生成物が生じてしまう。このような副生成物として、炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）が挙げられる。しかし、過剰空気はバーナによる燃焼中に望ましくないＨＣおよびＣＯなどの副生成物をなくすのに有用であるが、過剰なＯ2が燃料粒子から脱離した窒素（Ｎ）と結合して、炉の出口から大気中に広がる有害な汚染物質である酸化窒素（ＮＯｘ）を生成することになる。
【０００５】
オーバファイアエア（ＯＦＡ）プロセスは、ＮＯｘの放出を低減させるために１９５０年代に開発されたものである。ＯＦＡプロセスは、空気を段階的に供給することによって、燃焼プロセスを完遂するのに必要な空気の供給を調整するするプロセスである。代表的には、ＯＦＡプロセスは２段階で行われている。
【０００６】
第１段階において、バーナが配置されている燃焼ゾーンから燃焼空気の一部を回収する。燃焼空気の一部を回収することによって、燃焼プロセスを燃料がリッチな条件下において開始することができる。このような条件下における燃焼によって、ＮＯｘの生成を著しく低減させ、あるいは防ぐことも可能となるが、同時に高レベルの一酸化炭素（ＣＯ）と未燃の炭素生成物（ＵＢＣ）の生成をもたらすことになる。
【０００７】
ＯＦＡプロセスの第２段階において、この欠点を修正する。すなわち、この段階において、回収した空気を燃焼ゾーンの上方、すなわち、ＣＯが燃焼によって生成しているゾーンに配置されたＯＦＡポート内に噴射する。ＣＯが燃焼によって生成しているゾーン内に回収した空気を噴射することによって、完全な燃焼に必要な理論量の空気を供給することが可能となる。こうして、ＣＯは酸化して、ＣＯ2を形成することになる。
【０００８】
従って、ＯＦＡプロセスを用いることによって、有害なＮＯｘとＣＯの生成を低減させるのに必要な均衡の取れた燃焼を得ることができる。
【０００９】
燃焼効率は、種々の因子、例えば、燃料源が火炎に晒される時間、温度、および乱流（すなわち、空気と燃料粒子の混合）の状態によって影響される。有効な燃焼に必要な時間、温度、および混合に影響を与えるＯＦＡポートおよび他の特徴的構造を備える種々の従来技術による炉システムが知られている。これらの影響を与える因子として、ＯＦＡポートの数、燃焼ゾーンに対するこのようなポートの位置、ＯＦＡポートの設計（例えば、一段または二段ポートの設計）、および種々の混合法などが挙げられる。
【００１０】
ＯＦＡと炉ガスとの不十分な混合の問題を解消するために、「２段式」、すなわち、「二重通路式」のＯＦＡポート設計が実施されている。このようなＯＦＡポートの設計は、噴射壁の近傍においてＯＦＡの流れを炉ガスと迅速に混合させる「近位ゾーン」流動域を形成することを意図している。これは通常外側段、すなわち、外側通路における空気を旋回させることによって得られる。一方、内側段、すなわち、内側通路から軸方向に流れる高速の流れによって、ＯＦＡを炉内の奥まで十分に浸透させ、炉の内部における混合を促進するようになっている。
【００１１】
従来の２段式ＯＦＡポートは種々の問題を有している。外側の流れを旋回させる構成がもたらす欠点の１つは、流れが回転するので、ポートの片側に沿って上向きの流れが生じ、ポートの他の側において下向きの流れが生じる点にある。この場合、混合はポートの縦方向の中心線に沿って対称的ではないので、未混合の炉ガスがポートの近傍を通過し、望ましくない量の不完全な燃焼によるＣＯおよび他の副生成物を生じ、これらの副生成物が炉から流出することになる。
【発明の開示】
【００１２】
本発明は、ＯＦＡポートの配置と設計に関して進歩性を有する新規のシステムと方法を提供することによって、従来技術によるＯＦＡポートを備える炉システムの種々の欠点を解消するものである。
【００１３】
本発明によれば、ＯＦＡポートを独自に配置した炉が開示されている。この炉は、側壁を有するハウジングを備えている。燃焼ゾーンを画成する少なくとも１つのバーナは、側壁間のハウジング内に配置されている。また、好ましい一実施態様によれば、複数のバーナが用いられている。空間によって画成される複数の垂直レーンは、側壁と燃焼ゾーンの両側との間に存在している。複数のＯＦＡポートは、ハウジング内において燃焼ゾーンの上方に配置されている。ＯＦＡポートは複数の列内に配置されている。燃焼ゾーンから最も遠くに配置された列（上側列）は、燃焼ゾーンに最も近い列（下側列）におけるＯＦＡポートの数よりも多い数のＯＦＡポートを備えている。炉の側壁とバーナの燃焼ゾーンの（側壁に最も近い）最外端との間の空間は複数の垂直レーンを画成し、下側列はそのレーンに配置される少なくとも１つのＯＦＡポートを備えている。一実施態様において、下側列は２つのＯＦＡポートのみを備え、１つのＯＦＡポートは第１レーンに位置し、他のＯＦＡポートは第２レーンに位置している。他の実施態様として、下側列は２つ以上のＯＦＡポートを有していてもよい。
【００１４】
本発明の炉の設計は、ＮＯｘの放出を実質的に低減させると共に、炉から放出されるＣＯの量を低減させることを意図して開発されている。燃焼ゾーンから燃焼空気の一部を回収し、そのような空気を燃焼ゾーンの上方においてその燃焼ゾーンの最外端と炉壁との間のレーンに配置されたＯＦＡポート内に噴射することによって、ＯＦＡ内の酸素を炉内に噴射し、レーン内において上昇するＣＯを酸化してＣＯ2に変換している。さらに、ＯＦＡポートを燃焼ゾーンの端部におけるバーナと炉壁との間のレーン内に配置することによって、ＯＦＡをレーン内において上昇するＣＯと十分に混合させて、ＣＯの大部分を炉から流出する前に可能な限りＣＯ2に変換することを許容している。従って、ＯＦＡポートを上記のように配置することによって、大気に放出される炉内のＣＯの量を低減させることが可能となる。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、有害な酸化物の大気への放出を低減させるように炉を効率的に操作する方法が開示されている。ＯＦＡシステムを用いて、燃焼空気の一部を燃焼ゾーンから回収し、このような燃焼空気の一部を燃焼ゾーンの上部に配置されたＯＦＡポート内に再噴射している。本発明の方法によれば、ＯＦＡは燃焼ゾーンの上方に配置された少なくとも２列のＯＦＡポート内に再噴射される。さらに、ＯＦＡは、燃焼ゾーンと炉の側壁間の空間によって画成されるレーン内において燃焼ゾーンに最も近くに配置される列内に位置する少なくとも１つのＯＦＡポート内に再噴射している。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、炉内において用いられるＯＦＡポートの設計が提供される。ＯＦＡポートは内筒と外筒を備えており、これら内筒と外筒はいずれも入口端と出口端を有している。なお、内筒および外筒は、いずれも円形直径に制限されず、種々の幾何学的なポート形状、例えば、円形、楕円、正方形、三角形などを有することが可能である。内筒は、その入口端と出口端との間に延在する内側通路を画成している。内筒を設ける目的は空気の流れを通過させることにある。
【００１７】
外筒は、内筒の入口端および出口端の間において、内筒の少なくとも一部を包囲してその内筒と同軸に延在し、これによって外側通路が内筒および外筒の間に形成されている。この外側通路にも空気の流れが通過するようになっている。
【００１８】
本発明の新規の態様によれば、従来技術によって開示された方法よりもＵＢＣやＣＯを空力学的に多く低減させるために、バッフルが外側通路内に配置されている。バッフルの上方を流れる空気は、各バッフルの下流側に低圧ゾーンを生成するようになっている。空気がバッフルを超えて流れると、低圧ゾーンは空気流を外側通路から側方に引き込まれるようにして流出させる。従って、内部筒から流出する軸方向のＯＦＡの流れの周囲には大きな再循環領域が生じることになる。その結果、混合を著しく促進することになる。実際、バッフルを設けることによって、旋回羽根または空気の混合を促進する混合装置を設ける必要性をなくすことが可能となる。
【００１９】
所望の結果を達成するために、少なくとも１つのバッフルが外側通路内に配置されているとよい。好ましい一実施態様において、最も大きい結果をもたらすために、２つのバッフルは外側通路の両側に配置されている。さらに好ましくは、それらのバッフルは外筒の出口端に最近接して配置されているとよい。
【００２０】
本発明の他の新規の態様によれば、内筒と外筒の両方または片方の入口端と出口端の形状を互いに異ならしめている。入口端と出口端の各々はどのような幾何学的形状、例えば、特に制限するわけではないが、円形、楕円、正方形または三角形であるとよい。ただし、入口端と出口端の形状は、好ましくは異なっているとよい。好ましい一実施態様によれば、内筒と外筒の入口端は円形で、出口端は楕円であるとよい。外筒の出口端の楕円は長軸と短軸を有し、長軸は楕円の最も長い部分であり、水平軸上に位置しているとよい。従って、短軸は楕円のより短い部分であり、垂直軸上に位置しているとよい。
【００２１】
本発明のさらに他の態様によれば、内筒の出口端の楕円は長軸および短軸を有し、楕円の最も短い部分が短軸をなし、楕円の最も長い部分が長軸をなしている。本発明の新規の態様によれば、内筒の長軸は好ましくは外筒の短軸内に位置しているとよい。従って、内筒の楕円のより長い部分は、外筒のより短い部分の垂直軸に沿って同軸に位置していることになる。
【００２２】
他の実施態様において、内筒は３つの部分、具体的には、入口部と、遷移部と、幾何学的部から構成されている。入口部は好ましくは円形であり、ＯＦＡ空気の流れを受けている。遷移部において、ポートの幾何学的形状は円形から好ましくは楕円に変化している。遷移領域も好ましくは入口端と出口端との間に延在するにつれ、内筒の直径を低減させるようなテーパが付されているとよい。このような形状によって、ＯＦＡが移動する速度は遷移領域内において増大することになる。また、内筒の幾何学的部は、遷移部の幾何学的形状を保ち、ＯＦＡ空気を流出させる部分である。好ましくは、炉内へのＯＦＡの軸方向における浸透を大きくするために、内筒の楕円形状はＯＦＡポートの全長にわたって保たれているとよい。
【００２３】
上記の好ましい実施態様において、外筒は２つの部分、具体的には、入口部と遷移部から構成されている。入口部は好ましくは円形のポート形状を有し、ＯＦＡの流れを受けている。遷移部は遷移入口端と遷移出口端をさらに有している。好ましい一実施態様において、遷移部の直径は遷移入口端から遷移出口端に向かって大きくなっているとよい。遷移部は、ＯＦＡがポートから流出する領域を備えているとよい。
【００２４】
他の好ましい実施態様において、遷移部のポートの幾何学的形状は円形から好ましくは楕円に変化しているとよい。
【００２５】
好ましくは、内側通路の流れは、炉室における深い浸透を促進させるために軸方向に沿った流れであり、外側通路の流れは内側流れに対して横方向に混合するように設計されているとよい。
【００２６】
本発明の他の態様は、燃焼室とＵＢＣおよびＣＯを低減させるための全ＯＦＡシステムの一部を構成するＯＦＡポートを備えた炉の全体構成に関するものである。本発明のこの態様によるＯＦＡポートは、前述した特徴の一部または全部を含むことが可能である。
【００２７】
本発明の好ましい一実施態様において、スリーブダンパは、入口端と出口端との間において外筒を少なくとも部分的に包囲するように設けられている。特に好ましい一実施態様において、スリーブダンパは外筒の入口端に配置されている。このスリーブダンパは、ＯＦＡポートへのＯＦＡ流れの量を調節するのに特に有効である。
【００２８】
本発明の他の実施態様において、ＯＦＡポートは内筒の入口端に配置された円錐体または中心体を備えている。円錐体は、径方向に沿った空気流を軸方向に沿った非乱流コヒーレント流れに効果的に変換することになる。また、この円錐体は、圧力の上昇を可能な限り小さくしている。
【００２９】
本発明のさらに他の実施態様によれば、外筒の入口端と出口端との間には外筒の少なくとも一部を包囲する分配板が設けられている。この分配板は、空気をレジスタ（空気流量の調整体）の周囲に沿って均一に分配するものである。
【００３０】
本発明の他の実施態様によれば、ＯＦＡポート内における圧力降下を低下させると共に乱流の程度を空力学的に低減させるような幾何学的構造をさらに用いて構成されている。具体的に、面取りコーナが分配板と外筒との接続部に形成されている。
【００３１】
本発明のさらに他の態様によれば、炉システムは、ハウジング、燃焼ゾーン、本発明によるＯＦＡポートの配置構成、および本発明によるＯＦＡポートの設計を備えている。
【００３２】
従って、本発明の目的は、燃焼によって生じるＵＢＣとＣＯの量を低減させるＯＦＡポートの配置構成を提供することにある。
【００３３】
本発明の他の目的は安価に製造できるＯＦＡポートの設計を提供することにある。
【００３４】
本発明のさらに他の目的は、内筒および外筒の入口端と出口端の形状を変化させ、調整可能な旋回羽根または混合装置を設けることなく、ＵＢＣとＣＯの量を空力学的に低減させることにある。
【００３５】
本発明のさらに他の目的は、ＯＦＡポートの垂直方向の中心線の周りの非対称な混合によって未混合の炉ガスを生じさせ、その結果として不完全な燃焼による多量のＣＯおよび他の生成物を炉の出口に流出させる問題を解消するＯＦＡポートを提供することにある。
【００３６】
本発明の上記の目的、特徴、および利点は以下の好適な実施態様の詳細な説明と添付の図面によってさらに十分に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１および図２に示すように、本発明によるオーバファイアエア（ＯＦＡ）ポート１０は、出口端１１と入口端１２を備えている。図１の好ましい実施形態において、ＯＦＡポート１０は、出口端１１における比較的大きな楕円直径から入口端１２における比較的円形直径に向かって略テーパが付されている。ＯＦＡポートの材料は従来から用いられているものでよく、高熱に耐えることができる種々の材料、例えば、鉄、鋼、セラミックなどであるとよい。
【００３８】
図２に示すように、ＯＦＡポート１０は、内側通路５８を画成する細長内筒５０と、内筒５０を包囲してその内筒５０と実質的に同軸に延在する細長外筒５２を備えている。
【００３９】
内筒５０と外筒５２との間には、外側通路５４が形成されている。内側通路５８および外側通路５４はいずれも略環状であり、対応する炉内にＯＦＡを再噴射する流路として用いられている。
【００４０】
図２および図３に示されるように、外筒５２の遷移領域６０は、ＯＦＡポート１０の入口端１２と出口端１１との間に位置している。遷移領域６０は、空気流の方向に沿って直径が大きくなるようなテーパが付されている。図１、図２および図３の実施形態において、領域６０は外側の円形ダクト６３の円形状から楕円ダクト６４の楕円形状に遷移している。
【００４１】
外側通路５４の出口端１１の近くには、バッフル（邪魔板）６１，６２がＯＦＡの均一な混合を容易にするために配置されている。１つのみのバッフルまたは２つ以上のバッフルを用いてもよい。さらに、本発明によれば、種々の形状および寸法のバッフルを用いてもよい。バッフルを用いることによって、炉内における効率的な混合を達成し、従来技術による設計を改善することが可能となる。
【００４２】
また、内筒５０は、円形ダクト６５から楕円ダクト６６に遷移する遷移領域５１を有している。図３に示すように、楕円ダクト６６は外側の楕円形状をなす水平方向の楕円ダクト６４内において垂直方向に配置されている。
【００４３】
図１、図２および図３に示すように、外筒５２の直径は、入口端１２における比較的小さい直径から出口端１１における比較的大きい直径に向かって大きくなっている。好ましい一実施形態によれば、このテーパは１°から１５°の範囲内にあるとよい。しかし、本発明の変更例として、どのようなテーパ、例えば、１５°よりも大きいテーパであってもよい。
【００４４】
本発明の変更例によれば、ＯＦＡポート１０の入口端１２における外側円形ダクト６３の半径および具体的な寸法と形状は変更することが可能である。好ましい一実施形態において、内筒５０の内側円形ダクト６５の直径は約１７インチ（約４３．１８センチ）で、外筒５２の外側円形ダクト６３の直径は約２６インチ（約６６．０４センチ）である。
【００４５】
本発明の変更例によれば、内筒５０の内側楕円ダクト６６および外筒５２の水平方向の楕円ダクト６４の具体的な寸法と形状も変更することが可能である。一実施形態において、水平方向の楕円ダクト６４の長軸の長さは約（３３＋１／２）インチ[約（８３．８２+１．２７）センチ]で、短軸の長さは（２２＋１／３）インチ[５５．８８+０．８５）センチ]であるとよい。内筒５０の内側楕円ダクト６６の長軸の長さは２１インチ（５３．３４センチ）で、短軸は１４インチ（３５．５６センチ）であるとよい。
【００４６】
本発明の変更例によれば、バッフル６１，６２の具体的な寸法、形状および位置も変更可能である。好ましい一実施形態において、バッフル６１，６２は外筒５２の内側壁５３に取り付けられている。これらバッフルは、外筒５１の出口端１１から数インチ離れて配置されていてもよい。外筒５２の内側壁５３に最近接するバッフル６１，６２の最外端は、外筒５２の形状を倣った形状であるとよい。すなわち、外筒５２が楕円形状を有する好ましい一実施形態において、バッフル６１，６２の最外端も楕円形状を有しているとよい。バッフルは、種々の方法によってＯＦＡポートに取付け可能であり、外筒に取付けられる構成に制限されるものではない。一変更例として、バッフルは内筒に取り付けられていてもよい。
【００４７】
図３、図４、図８および図９に示すように、ＯＦＡポート１０は、全ＯＦＡシステムの一部を構成する単一の部品である。
【００４８】
図４に示すように、外筒５２の入口端１２と出口端１１との間には、スリーブダンパ７０が配置されている。スリーブダンパ７０は平行移動して、外側通路５４の開口の大きさを変更している。この構成は、ＯＦＡポート内の全空気流を制御するのに有効である。アクチュエータを用いて、ダンパを遠隔制御してもよい。円錐体７３はレジスタ（空気流量の調整体）の中心に配置されており、空気流が円錐領域に流入するとき、その空気流を半径方向の流れから軸方向の流れに変換するようになっている。また、円錐体７３は、ＯＦＡポート内における空気の圧力降下を可能な限り小さくする機能も有している。
【００４９】
分配板７１は、スリーブダンパ７０の近傍において外筒５２を部分的に包囲するようにして、その外筒５２に接続されている。好ましい一実施形態において、分配板７１は外筒５２の一部を全体的に包囲するように構成されている。この分配板７１は、溶接または他の種々の取付け手段（たとえば、クランプ、リベット、ネジ、接着など）によって外筒５２に接続されていてもよい。分配板７１は、空気をレジスタの周方向に均一に分布させるものである。好ましい一実施形態において、分配板７１は穴付きステンレス鋼板から構成されている。
【００５０】
分配板７１に隣接する面取りコーナ７４によって、そのコーナを通過するときに生じる空気流の乱流と圧力降下を低減させるようになっている。
【００５１】
ＯＦＡポート１０の様々な空気流の速度に関するコンピュータシミュレーションによって、本発明によるＯＦＡポート・アセンブリの利点を実証することが可能である。図６は、全空気流の６０％を内側通路の空気流としたコンピュータシミュレーションモデルにおける空気流のシミュレーション結果を示している。図７は、図６の開口の近傍ゾーンを拡大して示す詳細図である。内筒５０の通路５８から空気流は軸方向に沿って炉内に浸透している。一方、外筒５２の通路５４における空気流は、バッフル６１，６２に妨げられている。その結果、空気流は炉内において横方向に分散し、大きな混合域を生成することになる。
【００５２】
内側通路５８の空気流が増えるにつれて、空気流の軸方向における浸透深さが増え、近位ゾーンの再循環も大きくなる。内側通路の空気流が低減すると、空気流の浸透深さは小さくなるが、壁から離れる方向における混合領域は広がることになる。
【００５３】
従って、本発明によれば、外側の空気流に対する内側の空気流の比率を変化させることによって、オーバファイアエア流れの浸透性と広がりを最適化させ、（ＯＦＡプロセスを用いるＮＯｘ還元において必然的に生じる）燃焼によるＣＯおよび他の部分生成物を可能な限り少なくさせることができる。さらに、本発明によるＯＦＡポートの設計は、ＯＦＡポートの縦軸を中心とする空気と炉ガスとの対称的な混合を促進し、炉の出口に向かう未混合の流路をなくすことができる。
【００５４】
図８は、本発明による炉内におけるＯＦＡポートの好ましい配置を説明するための正面図である。炉は複数のバーナ１００〜１３１によって画成された燃焼ゾーンを有している。バーナ１００〜１３１は４つの水平列に配置されている。具体的には、バーナ１００〜１０７が列２００に配置され、バーナ１０８〜１１５が列２０１に配置され、バーナ１１６〜１２３が列２０２に配置され、バーナ１２４〜１３１が列２０３に配置されている。
【００５５】
ＯＦＡポートが配置された２つの列２０４および２０５は、垂直方向において燃焼シリンダの上方に配置されている。下側列２０４は、炉内において互いに対向する垂直レーン２０６および２０７に配置された１対のＯＦＡポート２１０および２１１を備えている。具体的に、炉は離間された壁２０８および２０９を有するボイラーを備えているが、垂直レーン２０６は、このボイラー壁２０８と、垂直に配置されたバーナ１００，１０８，１１６，１２４との間の空間として画成されている。同様に、垂直レーン２０７は、ボイラー壁２０９と、垂直に配置されたバーナ１０７，１１５，１２３，１３１との間の空間として画成されている。垂直レーン２０６および２０７は、ボイラー側壁に沿って燃焼ゾーンの上方まで延在している。
【００５６】
ＯＦＡポート２１０および２１１は、垂直レーン２０６および２０７内に配置されているので、「翼ポート」と呼ばれている。これらのＯＦＡポートは、上側列２０５における最外端のＯＦＡポートの外側に位置している。上側列２０５は、下側列２０４の翼ポート２１０および２１１よりも燃焼ゾーンから垂直方向において大きく離れた８つのＯＦＡポート１４９〜１５６を備えている。
【００５７】
ＯＦＡポートの下側列２０４は、図８において翼ポート２１０および２１１のみを含むように示されているが、変更例として、追加的なＯＦＡポートがこの列に配置されていてもよい。さらに、本発明の範囲内において、追加的なＯＦＡ列が炉内に配置されていてもよい。しかし、このような配置は、システムのコストを増大させるという不都合を有している。
【００５８】
列２０４にはどのような数のＯＦＡポートが配置されてもよいが、好ましくは、列２０４（バーナに最も近い列）のＯＦＡポートの数は列２０５のＯＦＡポートの数よりも少ないとよい。
【００５９】
図９は本発明によるＯＦＡポートの設計と共に本発明によるＯＦＡポートの配置構成を示す炉システムの側面図である。燃焼ゾーンは、列２００〜２０３のバーナによって構成されている。ＯＦＡポートは２つの列２０４および２０５に配置されているが、さらに多くの列を設けてもよい。垂直レーン（図示せず）のＯＦＡポート２１０および２１１（すなわち、翼ポート）は、燃焼ゾーンに最も近い下側列２０４に配置されている。
【００６０】
本発明を具体的な実施形態に基づいて説明したが、これらの実施形態は本発明の原理と用途を単に例示しているにすぎない。すなわち、例示した実施形態に基づいて多くの変更例をなすことが可能であり、また請求の範囲によって定義される本発明の精神と範囲から逸脱することなく、他の構成を考案することも可能であると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明のオーバファイアエア（ＯＦＡ）ポートの斜視図である。
【図２】本発明のＯＦＡポートの概略側断面図である。
【図３】本発明のＯＦＡポートの概略正面図である。
【図４】本発明のＯＦＡポートの概略側面図である。
【図５】本発明のＯＦＡポートを簡素化して示す概略正面図である。
【図６】本発明のＯＦＡポートの使用時の状態を説明するためのコンピュータシミューレートによる空気流を示す図である。
【図７】本発明のＯＦＡポートの使用時の状態を説明するための他のコンピュータシミューレートによる空気流を示す図である。
【図８】本発明の炉システムにおけるＯＦＡポートの配置を説明するための概略図である。
【図９】本発明の炉システムにおけるＯＦＡポートの配置を示す概略平面図である。
【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９】
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【図８】
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【国際調査報告】
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