(57)【要約】水蒸気分解等の炉において燃料を燃焼させるために使用する改良型バーナー。バーナーは、下流端及び上流端を有するバーナー管と、炉の第１開口に隣接するバーナー先端を有するので、燃焼はバーナー先端において生じる。バーナーはまた炉の第１開口に隣接する点火室を有し、かつ、点火室に置かれたときに点火室を実質的に満たすことができる形状を有する着脱自在の点火室プラグを有する。
2005521026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内において燃料を燃焼させるバーナーであって、
（ａ）下流端及び上流端を有するバーナー管と、
（ｂ）前記炉の第１開口に隣接するバーナー先端であって、該バーナー先端の下流において前記燃料の燃焼が生じるバーナー先端と、
（ｃ）炉の第１開口に隣接する点火バーナー先端室と、
（ｄ）前記点火室に置かれたときに前記点火室を実質的に満たすことができる形状を有する着脱自在の点火室プラグとを、
含んでなるバーナー。
【請求項２】
前記炉の内壁内に位置して前記点火室と一直線上に配列された視認及び点火ポートをさらに含んでなる請求項１のバーナー。
【請求項３】
前記点火室プラグに取り付けられ、前記視認及び点火ポートを介して前記点火室に挿入される点火室プラグアセンブリを形成する取付ロッドをさらに含んでなる請求項２のバーナー。
【請求項４】
前記バーナー管の前記上流端は、燃料と、空気、燃焼排ガス又は空気と燃焼排ガスの混合物とを受ける請求項１ないし３のいずれか１つに記載のバーナー。
【請求項５】
前記バーナー先端は前記バーナー管の前記下流端に設けられている請求項１ないし４のいずれか１つに記載のバーナー。
【請求項６】
前記点火室はバーナータイルから形成されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載のバーナー。
【請求項７】
前記着脱自在な点火室プラグは、前記炉の内部にさらされる面であって、前記バーナータイルに面一取付けされる面を有する請求６のバーナー。
【請求項８】
前記面はセラミック又は高温耐火材料から作られている請求項７のバーナー。
【請求項９】
前記着脱自在な点火室プラグはセラミックファイバーブランケット材料から作られている請求項１ないし８のいずれか１つに記載のバーナー。
【請求項１０】
前記バーナーはプレミックスバーナー又はフラットフレームバーナーである請求項１ないし９のいずれか１つに記載のバーナー。
【請求項１１】
炉のバーナーにおいて燃料を燃焼させる方法であって、
（ａ）所定位置において燃料と、空気、燃焼排ガス又は空気と燃焼排ガスの混合物とを一緒にし、
（ｂ）前記バーナーのバーナー先端に隣接する点火室内に挿入された点火器を用いて燃料に点火し、
（ｃ）前記所定位置の下流の燃焼ゾーンにおいて前記燃料を燃焼させ、
（ｄ）前記点火室内に着脱自在な点火室プラグを挿入することにより前記点火室を塞ぐ、
ステップを含んでなる方法。
【請求項１２】
前記燃焼ゾーンに向かって流れるまだ燃焼していない燃料の吸気効果に応答して、前記炉から燃料ガスの流れを引っ張って、該燃料ガスを前記燃焼ゾーンの上流の前記所定位置において前記空気に混ぜるステップ（ｅ）をさらに含んでなる請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記燃料ガスの流れを引っ張るステップ（ｅ）は、前記燃焼していない燃料をベンチュリ管内に流して、該ベンチュリ管内を流れる該燃焼していない燃料の前記吸気効果により前記燃焼排ガスを前記ベンチュリ管内に引っ張ることを含んでなる請求項１２の方法。
【請求項１４】
前記燃焼排ガスよりも低い温度の空気を前記ステップ（ｅ）において引っ張られる前記燃焼ガスの流れに混入させ、該低い温度の空気と該燃焼ガスとの混合物を前記所定位置へ引っ張って、前記引っ張られた燃焼排ガスの温度を下げるステップ（ｆ）をさらに含んでなる請求項１２又は１３の方法。
【請求項１５】
前記バーナーはプレミックスバーナー又はフラットフレームバーナーである請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１６】
前記炉は水蒸気分解炉である請求項１１ないし１５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１７】
前記着脱自在な点火室プラグを耐火材料又はセラミック材料から形成することをさらに含んでなる請求項１１ないし１６のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高温工業炉に用いられるようなバーナーの改良に関する。本発明は、特に、ＮＯｘ放出低減を達成することが可能な改良された構造のバーナーに関する。
【背景技術】
【０００２】
大型炉やボイラーで使用されるバーナーから放出される汚染物質を削減させようという近年の関心の結果，バーナーの構造はかなり変化した。過去において、バーナー構造の改良は主として熱分配を改善する目的とされた。ますます厳しい環境規則は、規制される汚染物質を最小にすることにバーナー構造の焦点をシフトさせた。
【０００３】
窒素酸化物（ＮＯｘ）は空気中において高温で形成される。しかし、これらの化合物は酸化窒素と二酸化窒素を含むが、これらだけに限られるものではない。ＮＯｘの放出の削減は大気汚染を減少させ、政府規則を満たす必要な目標である。近年、ＮＯｘを放出するさまざまな可動及び固定放出源が調査の結果増えてきて規制されるようになってきた。
【０００４】
ＮＯｘの低放出レベルを達成するための１つの戦略は炉の排気流を処理するためにＮＯｘ還元触媒を付設することである。選択的接触還元（ＳＣＲ：Selective  Catalytic  Reduction）として知られているこの戦略は、より厳しい規則を満たすことにおいて有効であり、バーナー構造の代替的改良の要求をそれほど引き起こすものではないが、非常にコストが高い。
【０００５】
大型工業炉で使用されるバーナーは液体燃料かガス燃料のどちらかを使用することができる。液体燃料バーナーは、より完全な燃焼を可能にするために、燃焼の前に蒸気に燃料を混ぜ、かつ、燃焼ゾーンにおいて燃料に燃焼のための空気を混ぜる。
【０００６】
ガス燃焼式バーナーは、空気と燃料を合成するのに使用される方法によって、プリミックスバーナーか生ガスバーナーのいずれかに分類される。これらの２つのバーナーはまた、構成と、使用されるバーナーチップのタイプにおいて異なる。
【０００７】
生ガスバーナーは燃料を直接空気流に注ぐので、燃料と空気の混入は燃焼と同時に起こる。気流は燃料流に対してさほど変化しないので、自然通風バーナーのエアレジスタの設定は、発火速度が変化した後に、変えられなければならない。したがって、米国特許No.
4,257,763において詳細に説明されるように、頻繁な調整が必要であるかもしれない。さらに、多くの生のガスバーナーは輝炎を発生させる。
【０００８】
プレミックスバーナーは、燃焼の前に、燃料の一部又は全てを燃焼用空気の一部又は全てに混ぜる。予混合が燃料流に存在するエネルギを使用することによって実行されるので、気流は燃料流に十分に比例する。その結果、したがって、調整がより少なくてすむ。燃料と空気を予混合することはまた、必要な火炎特性を達成することを容易にする。これらの特性のために、プレミックスバーナーは様々な水蒸気分解炉の構成にしばしば適合する。
【０００９】
床燃焼式プレミックスバーナーは多くの蒸気クラッカーと蒸気改質装置で使用される。その主な理由は、このバーナーが炉の背の高い放射部において比較的一定の熱分布プロフィールを作る能力を備えるためである。炎が非発光であるので、金属管の温度管理を容易にしている。したがって、プレミックスバーナーはそのような炉のための選択されるバーナーである。プレミックスバーナーはまた、特別な熱分布プロフィールか他のタイプの炉において必要とされる火炎形状のために設計されうる。
【００１０】
産業上広く受け入れられるようになったＮＯｘを低減する１つのテクニックは段階燃焼として知られている。段階燃焼では、一次火炎帯は空気が不十分（多燃料）であるか燃料が不十分（希薄燃料）のどちらかである。バランスをとるための空気か燃料が二次火炎帯又は燃焼室のほかの場所でバーナーに注がれる。周知のとおり、多燃料状態又は希薄燃料状態の燃焼帯は、より化学量論に近い空燃比よりもＮＯｘを形成しない。段階燃焼は一次火炎帯におけるピーク温度を低減し、ＮＯｘを削減させるように燃焼速度を変えることが判明した。ＮＯｘの形成がガス温度に関して指数関数的に増えるので、たとえそれが小さくてもピーク火炎温度を低下させることにより、ＮＯｘの放出を劇的に抑えることができる。しかしながら、このことは、火炎温度の低下に従って放射伝熱が減るという事実とバランスをとらなければならず、一方、一酸化炭素（ＣＯ）の放出、すなわち、不完全燃焼の示唆はもちろん実際に増加する。
【００１１】
プレミックスバーナーに関しては、用語「一次空気」は燃料と予混合された空気のことを意味し、「二次空気」、あるケースにおいては「三次空気」は適切な燃焼に必要であるバランスのための空気のことを意味する。生ガスバーナーにおいては、一次空気は、燃料により近い位置で協働する空気であり、二次及び三次空気は燃料により離れた位置で協働する空気である。可燃上限は火炎が伝播されうる最大の燃料濃度を含む混合物（多燃料）のことを意味する。
【００１２】
米国特許Ｎｏ．４,６２９,４１３は低ＮＯｘプレミックスバーナーを開示し、プレミックスバーナーの利点とＮＯｘを低減する方法を論じている。米国特許Ｎｏ．４,６２９,４１３のプレミックスバーナーは、二次空気を火炎に混ぜることを遅延させること及び何らかの冷たい燃焼排ガスを二次空気と共に再循環させることによってＮＯｘ放出量を低くしている。開示されるバーナーが開始時に点火する方法やＮＯｘ放出に関する影響に関しては触れられていない。
【００１３】
米国特許Ｎｏ．５,２８６,８４９は、一次空気と燃料の点火された可燃混合物を炉燃焼室に放出する点火室と、高速の二次空気流を炉燃焼室内へ向ける複数のノズルポートを有する炉燃焼室のためのバーナーシステムを開示する。このシステムは燃料供給器と、別個に制御される一次空気供給ライン及び二次空気供給ラインを含む。米国特許Ｎｏ．５,２８６,８４９は火炎ホルダー内に角度をなして突出する点火器の使用を開示する。
【００１４】
米国特許Ｎｏ．５,２６９,６７９は、空気、燃料及び再循環された燃焼排ガスを混合する空気駆動のジェットポンプを利用するガス燃焼式バーナーを開示する。このバーナーは、燃焼空気を段階的に導入するように構成されて多燃料燃焼帯と、希薄燃料燃焼帯を与える。ディフューザ内で空気と燃料の混合物を点火させるパイロットフレームが管を介して供給される。スキャナ管を介して燃焼を観察することができる。バーナーは、加熱された燃焼空気を使用する高温の応用においてＮＯｘ放出レベルの低減を達成することができるといわれている。
【００１５】
米国特許Ｎｏ．５,０９２,７６１は、燃焼排ガスを再循環させることによって、プレミックスバーナーからのＮＯｘの放出を低減する方法と装置を開示する。燃焼排ガスは、炉からパイプまでバーナー管のベンチュリ管部分を通り抜ける燃料ガスと燃焼用空気の吸引効果によって、パイプを介して、引っ張られる。燃焼排ガスは、燃焼の前に、一次空気室内の燃焼用空気に混ざり、一次空気室内の燃焼用空気の酸素（Ｏ２）濃度を希釈して火炎温度を下げ、その結果、ＮＯｘの放出を抑える。燃焼排ガス再循環システムは既存のプレミックスバーナーに組み込むことができ、あるいは、新品の低ＮＯｘバーナーに組み込むこともできる。
【００１６】
ＮＯｘ低減の見地からは、米国特許Ｎｏ．５,０９２,７６１のバーナーと関連する欠点は、バーナーを点火するために必要な点火室の構成に関する。この点火室の構成は、点火を達成するのに効果的であるが、運転の際に局部的な高ＮＯｘ産生源となることが判明した。他のバーナー構造も同様な局部的なＮＯｘ産生源を有する。なぜならば、他のバーナー構造に関する同様な構成が存在することが知られており、そのうちのいくつかは上で説明した。
【００１７】
当該技術分野におけるこれらの進歩にもかかわらず、増加しつつある厳しいＮＯｘ放出規制を満たす好ましい熱分布プロフィールを有し、かつ、許容できるＦＧダクト温度を生じさせるバーナーを望む要請が存する。
【発明の開示】
【００１８】
本発明は、１局面において、炉内で燃料を燃焼させるバーナーに関するものであり、このバーナーは、
（ａ）下流端及び上流端を有するバーナー管と、
（ｂ）前記炉の第１開口に隣接するバーナー先端であって、該バーナー先端の下流において前記燃料の燃焼が生じるバーナー先端と、
（ｃ）炉の第１開口に隣接する点火室と、
（ｄ）前記点火室に置かれたときに、前記点火室を実質的に満たすことができる形状を有する着脱自在の点火室プラグとを、
含んでなる。
【００１９】
本発明は、別の局面において、炉の内部に設置されるバーナーに使用する着脱自在な点火室プラグに関する。この点火プラグは（ａ）前記炉の内部にさらされた面と、（ｂ）取付ロッドとを含み、前記面は高温にさらされても支障のないセラミック又は耐火材料を含む。
【００２０】
更なる別の局面において、本発明は、炉のバーナーにおいて燃料を燃焼させる方法に関し、該方法は、
（ａ）所定位置において燃料と、空気、燃焼排ガス又は空気と燃焼排ガスの混合物とを一緒にし、
（ｂ）前記バーナーのバーナー先端に隣接する点火室内に挿入された点火器を用いて燃料に点火し、
（ｃ）前記所定位置の下流の燃焼ゾーンにおいて前記燃料を燃焼させ、
（ｄ）前記点火室内に着脱自在な点火室プラグを挿入することにより前記点火室を塞ぐ、
ことを含んでなる。
【００２１】
本発明の方法は、オプションとして、燃料オリフィスから出て前記燃焼ゾーンへ流れる燃焼していない燃料の吸気効果に応答して、燃焼排ガス流を前記炉から引っ張るステップを含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
添付の図面（これらは発明の種々の実施の形態を非限定的な実施例として示す）を参照して、発明を以下にさらに説明する。
【００２３】
本発明を炉又は工業炉に使用するバーナーについて説明するが、本発明の教示は、例えば、ボイラーといった他の処理のための要素に適用できることは、当業者にとって明白である。したがって、ここにおいて、用語「炉」は炉、ボイラー及びその他の使用可能な処理のための要素を意味することを理解すべきである。
【００２４】
ここで図１乃至４に言及すると、第１実施の形態において、プレミックスバーナー１０は、炉床１４に設けたウェル内に位置する自立型のバーナー管１２を含む。バーナー管１２は上流端１６と、下流端１８と、ベンチュリ管部分１９を含む。バーナー先端２０はバーナー管１２の下流端１８に設けられており、環状のタイル２２によって囲まれている。燃料オリフィス１１（これはガススパッド２４内に位置することができる）は前記上流端１６に位置して燃料をバーナー管１２に導入する。新鮮な空気又は周囲空気が可変ダンパー２８を介して一次空気室の中に導入されてバーナー管１２の上流端１６において燃料と混合される。燃料と新鮮空気の燃焼はバーナー先端２０の下流において生じる。バーナー１０はさらに水蒸気噴射管１５を含むことができる。水蒸気噴射管はＮＯｘ放出量の低減及びガスベンチュリ管部分１９を流れるマスの流量を高めることに役立つ。
【００２５】
視認及び点火ポート５０はバーナー内に設けられ、点火室６０を介してバーナーに点火するためのアクセスを与える。図示のように、点火ポート５０は、炉の第１開口に隣接する点火室と一直線上にある。点火室６０はバーナーの点火に有効な距離バーナー先端２０から離れたところに位置する。当業者であれば容易に理解できるように、米国特許No.
５,０９２,７６１に開示されるタイプの点火要素（図示省略）は本発明の運転に有益である。
【００２６】
複数の空気口３０は二次空気室３２において始まり、炉床１４を通って炉内に通じる。新鮮な空気又は周囲空気は可変ダンパー３４を介して二次空気室３２に入り、そして、米国特許No.
４,６２９,４１３で説明されるように段階空気口３０を介して炉内に入り、二次燃焼、即ち、段階燃焼がなされる。
【００２７】
燃焼排ガスを炉から一次空気室２６へ再循環させるために、ダクト又は管３６，３８はそれぞれ、炉の床の開口４０，４２からそれぞれバーナー１０の開口４４，４６まで延伸する。例えば、０乃至１５％のＯ２、好ましくは５乃至１５％のＯ２、より好ましくは２乃至１０％のＯ２、最も好ましくは２乃至５％のＯ２を含有する燃料ガスは、バーナー管１２のベンチュリ管部分１９を通過する燃料の吸引（通気）効果によって、管３６，３８を介して引っ張られる。このように、一次空気と燃料ガスは、燃焼ゾーンの手前である一次空気室において混合される。故に、燃料と混合される不活性材料が火炎温度を下げ、その結果、ＮＯｘの放出を低減する。ダンパー２８を完全に又は部分的に閉じることで、一次空気室２６内に引っ張られる新鮮な空気の量を制限し、それにより、燃焼排ガスを炉床から引っ張るのに必要な真空を与える。
【００２８】
ダンパー３４を介して二次空気室３２に入り空気口３０を通って炉内に入った、まだ混合されていない低温の周囲空気はまた、ベンチュリ管部分１９を通る燃料の吸引効果によって、空気口３０から引っ張られて管３６，３８を通り一次空気室内に入る。周囲空気は上で述べたように新鮮な空気（例えば、外気）とすることができる。段階空気又は二次空気を燃焼排ガスに混ぜることで、管３６，３８内を流れる高温の燃焼排ガスの温度を下げることができ、その結果、実質的に管３６，３８の寿命を延ばし、この種のバーナーを使用して炉の放射部において１０４０℃（１９００°Ｆ）以上の燃焼排ガス温度を有する高温熱分解炉におけるＮＯｘ放出量を低減することができる。
【００２９】
２０％から８０％の燃焼排ガスと２０％から８０％の周囲空気の混合物が管３６と３８を通して引っ張られることが好ましい。５０％の燃焼排ガスと５０％の周囲空気の混合物を用いることが特に好ましい。当業者にとって容易に理科されるように、燃焼排ガスと周囲空気の望ましい混合比は、空気口３０に対して管３６，３８を適当なサイズにし、適当に配置し及び／又は適当な構造とすることによって達成することができる。即ち、空気口のバーナー管からの距離、空気口の数及びサイズを含み（但し、これらに限定されるものではない）空気口の幾何学的条件を変えて燃焼排ガスと周囲空気の所望のパーセントを得ることができる。
【００３０】
図１，２及び４に示すように、バーナー管２０とバーナータイル２２の間に非常に小さいギャップが存在する。このギャップを小さく保つことで、バーナー管２０のすぐ炉側に位置する一次燃焼帯からいくらかの距離隔てたところに位置する段階空気口３０を介して二次空気を炉内に押し入れることができる。
【００３１】
バーナー管２０とバーナータイル２２の間のギャップを大きくすると全体的なＮＯｘ量を増加させるが、また、火炎を全体的に安定させることが試験により判明した。この環状ギャップのサイズは、ＮＯｘを最小にするように十分に小さく、かつ、火炎の安定性を適当に維持するのに十分に大きなものでなければならない。これに関して、点火室６０に問題があるように思われる。加えられる空気が通るための意義のある流れ断面積を与える点火室６０の存在により創成されるＮＯｘ放出量に関する影響を実質的になくすために、点火室６０内に置かれたときに点火室６０を実質的に満たすことができる形状を有する着脱自在な点火室プラグ６２が提供される。
【００３２】
本発明のバーナーを運転するために、バーナーに火入れするために一次燃焼帯とバーナー先端２０に隣接している点火室６０に点火管５０を通してトーチ又は点火器が挿入される。点火に続いて、常時運転のために、着脱自在な点火室プラグ６２を点火管５０を通して点火室６０に挿入することによって点火室６０を塞ぎ、一次燃焼帯に隣接する高酸素濃度のゾーンをなくして、それにより、バーナーから出るＮＯｘ量を抑える。取付を容易にするために、点火室プラグ６２を取付ロッド６６に付けて、点火管５０を通して点火室６０に挿入される点火室プラグアセンブリ６８を形成することとしてもよい。着脱自在な点火室プラグアセンブリ６８の構造により、取付ロッド６６のバーナープレナム５２への従来の機械的な取付を介して、バーナープレナム５２への簡易取付を可能にする。
【００３３】
着脱自在な点火室プラグ６２とアセンブリは炉の中の高温環境に対して適切な材料から構成される。着脱自在な点火室プラグ６２の面６４（これは、炉に露出される面であり、バーナータイル２２内にフィットするものである）は、図１に示されるように、バーナータイル２２の軸対称図形の延伸部を形成し、その結果バーナータイル２２に面一取付けされるような断面形とされる。点火室プラグ６２は、炉のバーナータイルとして典型的な１４３０−１９８０℃（２６００−３６００°Ｆ）の範囲の温度に適するセラミック、または、高温耐火材から作られるべきである。本発明の実施において有用性を有する１つの材料は、米国アトランタ州ジョージアのThermal
Ceramics Corporationから商的量で入手することができるKaowool（登録商標）Ceramic Fiber Blanketなどのような、セラミック繊維ブランケットである。
【００３４】
理解されうるように、断熱性をあたえるためにバーナープレナムを鉱質綿及びワイヤメッシュスクリーン５４で覆うこととしてもよい。
【００３５】
本発明の着脱自在な点火室プラグをまた図５−７に示すタイプの低ＮＯｘバーナー構造に使用してもよくて、ここでは、同様な番号は同様なパーツを示す。図１−４の実施の形態のように、プレミックスバーナー１０は炉床１４のウエルに位置する自立型のバーナー管１２を含んでいる。バーナー管１２は下流端１８、上流端１６、ベンチュリ管部分１９を含んでいる。バーナー先端２０は下流端１８に位置して、環状タイル２２によって囲まれている。燃料オリフィス１１（ガススパッド２４の中に位置してもよい）は上流端１６に位置して、バーナー管１２に燃料ガスを導入する。新鮮な空気又は周囲空気は可変ダンパー２８を介して一次空気室２６に導入されてバーナー管１２の上流端１６で燃焼排ガスに混ぜられる。燃料ガスと新鮮な空気の燃焼はバーナー先端２０の下流で生じる。
【００３６】
視認及び点火ポート５０は点火要素（図示省略）がバーナー１０の内部へアクセスすることを可能にする。図１−４に示す本発明の実施の形態のように、米国特許No.５,０９２,７６１で明らかにされるタイプの点火要素は本発明のこの実施の形態において有用性を有する。視認及び点火ポート５０はバーナーアセンブリの内部点検と、点火室６０を通してバーナーに火入れするためのアクセスを可能にする。視認点火ポート５０は、炉の第１開口に隣接する点火室６０に対して直線上に並べられている。点火室６０はバーナー点火に有効な距離バーナー先端２０から離れたところに位置する。
【００３７】
当業者が理解できるように、図１−４に示す点火要素よりむしろ口火が使用される場合、環状プラグを用いて口火の周りの環状ギャップを効果的に満たすことができる。この場合、環状ギャップ領域に通常存在する高酸素帯を除去することよって同様な利点を達成することができる。
【００３８】
複数の空気口３０は二次空気室３２に始まり、炉床１４を通って炉に通じている。新鮮な空気は可変ダンパー３４を通して二次空気室３２に入り、二次、即ち、段階燃焼を供給するために段階空気口３０を通って炉の中に入る。
【００３９】
燃焼排ガスを炉から一次空気室まで再循環させるように燃焼排ガス再循環流路７６が炉床１４に形成されて一次空気室２６に達するので、開口８０からダンパー２８を介して一次空気室に引っ張られた燃焼排ガスは新鮮な空気に混ぜられる。例えば０〜１５％のＯ２、望ましくは５〜１５％のＯ２、より望ましくは２〜１０％Ｏ２、最も望ましくは２〜５％Ｏ２を含む燃焼排ガスは、バーナー管１２のベンチュリ管部分１９を通り抜ける燃料ガスの吸気効果によって、引っ張られて流路７６を通る。図１−４の実施の形態のように、一次空気と燃焼排ガスは、燃焼ゾーンの手前に位置する一次空気室２６で混ぜられる。ダンパー２８を完全または部分的に閉じると、一次空気室２６に引っ張られる新鮮な空気の量が制限され、炉床から燃焼排ガスを得るのに必要な真空は提供される。
【００４０】
図１−４の実施の形態のように、２０〜８０％の燃焼排ガスと２０〜８０％の周囲空気の混合物は燃焼排ガス再循環流路７６を通って引っ張られる。燃焼排ガスと周囲空気の必要な割合は、燃焼排ガス再循環流路７６と空気口３０を適切なサイズにし、配置し、及び／又は構造とすることによって達成することができる。すなわち、空気口の幾何学条件と位置を変えて燃焼排ガスと周囲の空気の必要な割合を得ることができる。
【００４１】
示されるように、点火室６０の存在はさらなる空気が通り過ぎるための流れの意義ある断面積を与える。実質的に点火室６０の領域において生成されるＮＯｘ放出量を抑えるために、点火室６０の中に置かれると点火室６０を実質的に満たすのに有効な形状を有する着脱自在な点火室プラグ６２が提供される。
【００４２】
図５−７のバーナーを運転するために、バーナー点火のため一次燃焼帯とバーナー先端２０に隣接する点火室６０にトーチまたは点火器が視認及び点火ポート５０を介して挿入される。点火に続いて、通常運転のために、着脱自在な点火室プラグ６２を点火ポート５０を通して点火室６０に挿入することによって点火室６０を塞ぎ、一次燃焼帯に隣接する高酸素濃度帯を排除し、その結果、バーナーから放出されるＮＯｘ量を抑える。取付を容易にするために、点火室プラグ６２を取付ロッド６６に取り付けて点火室プラグ６２アセンブリ６８を形成することとしてもよい。アセンブリ６８は点火ポート５０を通して点火室６０に挿入される。着脱自在な点火室プラグアセンブリ６８の構造は、バーナープレナム５２への取付ロッド６６の従来の機械的な取付を介してバーナープレナム８６への簡易取付けを可能にする。
【００４３】
図１−４の実施の形態のように、着脱自在な点火室プラグ６２をKaowool（登録商標）などの炉の中での高温環境に対応できる適切な材料から作り、炉に露出された面６４においてバーナータイル２２の軸対称図形の延伸部を形成する断面形とすることができる。
【００４４】
ここにおいて図８−９を参照して説明されるように、フラットフレームバーナーにおいても同様の利点が達成される。プレミックスバーナー１１０は炉床１１４のウエルに位置する自立型のバーナー管１１２を含んでいる。バーナー管１１２は上流端１１６、下流端１１８、およびベンチュリ管部分１１９を含んでいる。バーナー先端１２０は下流端１１８に位置して、周囲タイル１２２によって囲まれている。燃料オリフィス１１１（ガススパッド１２４の中に位置してもよい）は上流端１１６に位置してバーナー管１１２に燃料ガスを導入する。新鮮な空気又は周囲空気は、バーナー管１１２の上流端１１６で燃料ガスに混ぜるために一次空気室１２６に導入される。燃料ガスと新鮮な空気又は周囲空気の燃焼はバーナー先端１２０で起こる。新鮮又は周囲の二次空気はダンパー１３４を通して二次空気室１３２に入る。
【００４５】
燃焼排ガスを炉から一次空気室まで再循環させるように燃焼排ガス再循環流路１７６が炉床１１４に形成され一次空気室１２６に達するので、燃焼排ガスは開口１８０からダンパー１２８を介して一次空気室に引っ張られた新鮮な空気に混ぜられる。例えば、０〜１５％のＯ２を含有する燃焼排ガスは、バーナー管１１２のベンチュリ管部分１１９を通り抜ける燃料ガスの吸気効果によって引っ張られて流路１７６を通る。一次空気と燃焼排ガスは、燃焼ゾーンの手前に位置する一次空気室１２６で混ぜられる。
【００４６】
図９に示すように、空気ギャップ１７０はバーナー先端１２０とバーナータイル１２２の間に存在している。このギャップを適切に設計することによって、バーナー先端１２０のすぐ炉側に位置する一次燃焼帯から何らかの距離に位置する段階空気口（図示省略）を通して二次段階空気を炉内に押し入れることができる。
【００４７】
さらに図８を参照して、運転において、燃料オリフィス１１１（ガススパッド１２４に位置してもよい）はバーナー管１１２の中に燃料を排出し、そこでは、燃料が一次空気及び再循環燃焼排ガスに混ざる。燃料ガス、再循環燃焼排ガス、および一次空気の混合物は次にバーナー先端１２０から排出される。バーナー管１１２のベンチュリ管部分１１９の中の混合物は多燃料可燃限界以下で維持され、すなわち、ベンチュリ管の中には燃焼を支持するためには不十分な量の空気しか存在しない。段階空気、即ち、二次空気は、燃焼に必要である残りの空気を提供するために加えられる。段階空気の大部分はバーナー先端１２０から有限距離離れた位置において段階空気口（図示省略）を介して加えられる。しかしながら、段階二次空気の一部はバーナー先端１２０と周囲タイル１２２の間を通り、サイドポート１７２を出る燃料に直ちに利用可能である。示されるように、サイドポート１７２は燃料の一部を周囲タイル１２２の表面を横切るように指向させ、一方、メインポート１７４は燃料の大部分を炉の中に向ける。
【００４８】
２個の燃焼帯が確立される。サイドポート１７２の領域で燃焼された燃料ガスから発して周囲タイル１２２の表面を横切る小さい燃焼帯が確立されるとともに、メインポート１７４からの燃焼された燃料ガスから発して炉の火室に突出するはるかに大きい燃焼帯が確立される。サイドポート１７２と周囲タイル１２２に隣接する燃焼帯は火炎の安定性を保証するのに重要である。適切な火炎の安定性を提供するために、この燃焼帯中の空気／燃料混合物（これはバーナー先端１２０のサイドポート１７２を出る空気／燃料混合物と、バーナー先端１２０と周囲タイル１２２の間を通る空気を含んでなる）は多燃料可燃限界以上でなければならない。
【００４９】
サイドポート１７２と周囲タイル１２２に隣接する燃焼帯における多燃料可燃限界以上の混合物は良好なバーナーの安定性を保証するが、この燃焼帯における燃焼はより大きい燃焼帯と比較して比較的高いＮＯｘレベルを発生させる。このより小さい燃焼帯で燃焼される燃料の割合を最小にすることによって、ＮＯｘ総放出量を抑えることができる。これは、良好なバーナーの安定性を保証しＮＯｘの高放出となるような高酸素濃度なしに十分に多燃料可燃限界以上である混合物により、この燃焼帯の中で燃焼が生じるように気流がバーナー先端１２０と周囲タイル１２２の間を流れることを保証することによって達成される。
【００５０】
バーナー先端１２０とバーナータイル１２２の間のギャップを増すとＮＯｘ総量を増加させるが、また全体的な火炎の安定性を高めることが発見された。周囲ギャップのサイズは、ＮＯｘを最小にすることができるくらい小さく、かつ、適切な火炎の安定性を維持することができるくらい大きくあるべきである。この点で、点火室１６０は問題を有するように思われる。さらなる空気が通るための意義のある流れの断面積を提供する点火室１６０の存在によって生成されるＮＯｘ放出の効果を実質的に排除するために、点火室１６０の中に置かれると点火室１６０を実質的に満たすのに有効な形状を有する着脱自在な点火室プラグ１６２が提供される。
【００５１】
図８と９のバーナーを運転するために、一次燃焼帯とバーナー先端１２０に隣接する点火室１６０に点火管１５０を通してトーチまたは点火器を挿入してバーナーに点火する。点火に続いて、常時運転のために、着脱自在な点火室プラグ１６２を点火管１５０を通して点火室１６０に挿入することによって点火室１６０を塞ぎ、一次燃焼帯に隣接する高酸素濃度帯を排除し、それにより、バーナーからのＮＯｘ放出を抑える。取付けを容易にするために、点火室プラグ１６２を取付ロッド１６６に付けて点火室プラグアセンブリ１６８を形成することとしてもよい。このアセンブリ１６８は点火管１５０を通して点火室１６０に挿入される。着脱自在な点火室プラグアセンブリ１６８の構造は、バーナープレナム１５２への従来の機械的な取付けを通して簡易取付けを可能にする。
【００５２】
前の実施の形態のように、着脱自在な点火室プラグ１６２およびアセンブリ１６８をKaowool（登録商標）といった炉の中の高温環境に耐える適切な材料で構成し、炉にさらされるプラグ１６２の表面１６４をバーナータイル１２２の形状の延伸部を構成する断面形としてバーナータイル１２２に面一取付けすることができる。
【００５３】
先の構造と異なり、以下の実施例によって示されるように、本発明の点火ポートプラグの使用は、バーナー先端に近い領域においてでＮＯｘ高放出源を実質的に最小にする。
【００５４】
当業者であれば理解できるように、本発明の点火ポートプラグを多様な他のバーナー構造に使用することができる。例えば、生ガスバーナー、非プレミックス段階空気バーナー、燃焼排ガス再循環を使用しないバーナー、段階燃料バーナー等に関しても同様な利点が達成される。
【００５５】
ここで説明される点火ポートプラグはまた、伝統的な生ガスバーナにおいて、また、入口において燃料ガスに燃焼排ガスだけが混ぜられるバーナプリミックスバーナー構成を有する生ガスバーナーにおいても有用性を有することが理解されるだろう。事実、ここで詳細に説明されるタイプのプレミックス段階空気バーナーは一次空気ダンパードアを閉じた状態で運転され、非常に満足できる結果を生じていることがわかった。
【００５６】
希釈剤としての燃焼排ガスの使用に加えて、希釈により低い火炎温度を獲得する別のテクニックは水蒸気噴射の使用である。（図２と図７の水蒸気噴射管１５と、図８の水蒸気噴射管１８４を参照）。水蒸気噴射は二次空気室又は一次空気室の中で行うことができる。望ましくは、水蒸気はベンチュリ管の上流で噴射される。
【００５７】
実施例１
本発明の利点を査定するために、数値流体力学（ＣＦＤ）を用いて、以下に説明するように、構成を評価した。ＣＦＤ解析は基本的な制御方程式を解いて解領域のあらゆる点における流体速度、種別、燃焼反応、圧力、熱伝達、および温度値を提供する。分析を実行するためにFluent
Inc.（ Fluent, Inc.、米国ニューハンプシャー州０３７６６−１４４２、レバノン、センテラ・リソース・パーク、キャベンディッシュ・コート１０）のソフトウェア「ＦＬＵＥＮＴ」（登録商標）を使用した。
【００５８】
本発明の利点を示すために、米国特許No. ５,０９２,７６１（該特許の図５に示されるように）で説明されるタイプの燃焼排ガス再循環を使うプリミックスバーナーの運転を「ＦＬＵＥＮＴ」ソフトウェアパッケージを使用してシミュレートして基本データを確立した。基本バーナーに関する数値計算流体力学ソフトウェア「ＦＬＵＥＮＴ」を使用することで計算された詳細な物質とエネルギーのバランスに関して達成される温度プロフィールについて結果が得られる。
【００５９】
実施例２
実施例２において、本発明のバーナー点火プラグは、実施例１の既存のバーナーと同じように、同じ物質バランスに関してシミュレートされた。詳細な物質エネルギーバランスに関する温度プロフィールは、数値流体力学ソフトウェア「ＦＬＵＥＮＴ」を使用することで得られた。得られた結果はより均質な温度プロフィールを見せた。これがバーナーのＮＯｘ放出を抑えることが予期されることが経験により理解される。
【００６０】
実施例３
本発明の利点をさらに示すために、米国特許Ｎｏ.５,０９２,７６１（該特許の図５で示されるように）で説明されるタイプの燃焼排ガス再循環を用いるが、本発明の点火ポートプラグなしのプリミックスバーナーを３０％のＨ２、７０％の天然ガスを含む燃料ガスを使用し、水蒸気の噴射速度を０ｌｂ／ｈ、および１９６ｌｂ／ｈとし、６００万ＢＴＵ／ｈの燃焼速度で運転した。ＮＯｘ放出量は、それぞれ８８ｐｐｍと、４９ｐｐｍであった。
【００６１】
実施例４
Kaowool（登録商標）Ceramic Fiber Blanketからなる本発明の点火ポートプラグを実施例  ３のプリミックスバーナーに取り付けた。バーナーをＨ２３０％、天然ガス７０％の燃料ガスを使用し、水蒸気の噴射速度を０ｌｂ／ｈ、および１９５ｌｂ／ｈとし、６００万ＢＴＵ／ｈの燃焼速度で運転した。ＮＯｘのそれぞれの放出量は７３ｐｐｍと、３７ｐｐｍであった。
【００６２】
当業者であれば理解できるように、本発明を新しいバーナーに取り入れることもでき、また、既存のバーナーに組み入れることもできる。
【００６３】
説明のためのいくつかの実施の形態を示し説明してきたが、この開示に広範囲の変更、変形、および代替を行うことができ、そして、いくつかの例では、実施の形態のいくつかの特徴を他の特徴の対応する使用することなくして適用することができる。従って、添付の請求項がここで明らかにされる実施の形態の範囲よりも広く、かつ、該範囲に一致した方法で解釈されることは適切である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明のバーナーの実施の形態の一部断面側面図である。
【図２】図１の２−２線に沿う一部断面側面図である。
【図３】図１の３−３線に沿って見た平面図である。
【図４】図１の４−４線に沿って見た平面図である。
【図５】図６の５−５線に沿って見た平面図である。
【図６】図７の６−６線に沿って見た平面図である。
【図７】図６の７−７線に沿って見た一部断面側面図である。
【図８】バーナーがフラットフレームバーナーである第３の実施の形態の一部断面側面図である。
【図９】図８のバーナーの平面図である。
【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８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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