(57)【要約】水蒸気分解等の炉に使用するバーナーであって、燃料を燃焼させる改良型のバーナー。バーナーは、バーナー管（１２）であって、長軸を有しかつ下流端（１８）と、燃料及び空気、燃焼排ガス又はそれらの混合物を受ける上流端（１６）を有するバーナー管と、該バーナー管上流端に隣接して設けられ燃料をバーナー管に導入する燃料オリフィス（１１）と、バーナー管下流端に設けられかつ炉の第１開口に隣接して設けられたバーナー先端（２０）であって、バーナー管の長軸に対して整列して配列された複数のメインポートと、複数の周囲配列されたサイドポートを有するバーナー先端と、バーナー管の外周を囲む周囲タイル（２２）であって、燃焼の間に周囲配列されたサイドポートから排出される燃焼排ガスの量が燃焼された全燃料ガスの１５％を超えないように燃焼のための一部の空気を与える少なくとも１つのギャップをバーナー先端の外周と該周囲タイルの間に与える周囲タイルとを含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉の中で燃料を燃焼させるバーナーであって、
（ａ）長軸を有するバーナー管であって、下流端と、燃料及び空気、燃焼排ガス又は空気及び燃焼排ガスの混合物を受ける上流端とを有するバーナー管と、
（ｂ）前記バーナー管の前記上流端に隣接して位置し、前記バーナー管内に燃料を導入する燃料オリフィスと、
（ｃ）前記バーナー管の前記下流端位置であって前記炉の第１開口に隣接した位置に設けられたバーナー先端であって、前記バーナー管の前記長軸に対してほぼ整列する複数のメインポートと、周囲に配設された複数のサイドポートとを有するバーナー先端と、
（ｄ）前記バーナー先端の周囲を囲む周囲タイルであって、燃焼の間に前記周囲に配設されたサイドポートから排出される燃焼排ガスの量が燃焼された総燃料ガスの１５％を超えないように燃焼のための一部の空気を与える少なくとも１つのギャップとを、
含んでなるバーナー。
【請求項２】
（ｅ）前記バーナー先端及び前記周囲タイルの外周の少なくとも一部に接するバーナー先端シールであって、前記バーナー先端はその外周の回りに位置する複数の気流切欠きを有し、前記バーナー先端シールの内周と前記複数の気流切欠きの間に燃焼のための一部の空気を提供する複数の空気ギャップが形成されているバーナー先端シールをさらに含んでなる請求項１のバーナー。
【請求項３】
前記バーナー先端シールはバーナー先端バンドを含み、前記バーナー先端バンドは鋼、又はバーナーの過酷な環境に耐えることが可能な金属又は金属合成物を含んでなる請求項２のバーナー。
【請求項４】
前記バーナー先端バンドは鋼を含んでなる請求項３のバーナー。
【請求項５】
前記バーナー先端バンドの外周の回りに配設され前記周囲タイルにシール接触する圧縮性の高温材料を更に含んでなる請求項３又は４のバーナー。
【請求項６】
前記圧縮性の高温材料は加熱されたときに膨脹する請求項５のバーナー。
【請求項７】
前記バーナー先端バンドは前記圧縮性の高温材料を着座させる周囲刻み目を含む請求項５又は６のバーナー。
【請求項８】
前記圧縮性の高温材料はムライト繊維から作られている請求項５、６又は８のバーナー。
【請求項９】
前記圧縮性の高温材料は１５９３℃の最大温度定格及び最大で１４８２℃での連続使用限度を有する請求項５ないし８のいずれか１つに記載のバーナー。
【請求項１０】
前記燃料オリフィスは、前記燃料を前記バーナー管内に導入するために、前記バーナー管の前記上流端に隣接して位置するガススパッドに位置する請求項１ないし９のいずれか１つに記載のバーナー。
【請求項１１】
前記バーナー管の上流で水蒸気流を放射する水蒸気放射管をさらに含んでなる請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のバーナー。
【請求項１２】
バーナーはフラットフレームバーナーである請求項１ないし１１のいずれか１つに記載のバーナー。
【請求項１３】
バーナーはプレミックスバーナーである請求項１ないし１２のいずれか１つに記載のバーナー。
【請求項１４】
前記バーナー先端と周囲タイル間のギャップの寸法は、前記複数のサイドポートを出る燃料に利用される総空気量が、使用される燃料の多燃料可燃限度よりも５乃至１５％高いポイントのものとなるように、設けられている請求項１ないし１３のいずれか１つに記載のバーナー。
【請求項１５】
燃焼の間に、前記複数のサイドポートから排出される燃料は前記燃焼された総燃料の５ないし１５％である請求項１ないし１４のいずれか１つに記載のバーナー。
【請求項１６】
燃焼の間に、前記複数のサイドポートから排出される燃料は前記燃焼された総燃料の１０％である請求項１ないし１５のいずれか１つに記載のバーナー。
【請求項１７】
前記燃料は燃焼排ガスである請求項１ないし１６のいずれか１つに記載のバーナー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高温炉に用いられるタイプのバーナーの改良に関する。本発明は、特に、ＮＯｘの放出を低減することができる改良されたバーナー先端構造に関する。
【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、バーナー構造の焦点を規制される汚染物質を最小にすることにシフトさせた。
【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が形成される割合は次の３変数、即ち、（１）火炎温度、（２）高温度帯における燃焼ガスの滞留時間、及び（３）酸素の過剰供給に依存する。ＮＯｘが形成される割合は火炎温度が上昇するにつれて増える。しかしながら、反応は時間を要するものであり、所定の温度における非常に短い時間の窒素と酸素の混合は、より低い温度でのより長い時間の同じ混合よりもＮＯｘの産生を低減する。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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、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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
ガス燃焼式工業炉では、ＮＯｘは、燃焼用空気流と共にバーナーに引き込まれた窒素の酸化によって形成される。ＮＯｘの形成は、高温と豊富な酸素の両方が存在する炎領域において主として起こると広く信じられている。エチレン炉が炭化水素処理工業で使用される最も高い温度炉のものであるので、これらの炉内のバーナーは高レベルのＮＯｘを放出するという自然傾向にある。
【００１２】
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。
【００１３】
ガス燃焼式工業炉のための最近の低ＮＯｘバーナーの大多数は単一バーナーにおいて複数の燃料ジェット管を用いることをベースにしている。そういったバーナーは燃料段階、燃焼排ガス再循環、又はそれらを組み合わせて使用することができる。米国特許Ｎｏ．５,０９８,２８２とＮｏ．６,００７,３２５は燃料段階と燃焼排ガス再循環を組み合わせて用いるバーナーを開示している。あるバーナーは単一バーナーに８−１２個の燃料ノズルを有することとされる。個々のバーナーのサイズに実際上の限度があるとしても、多数の燃料ノズルは非常に小径のノズルを使用することを必要とする。さらに、そういったバーナーの燃料ノズルは火室内の高温の燃焼排ガスにひどくさらされる。
【００１４】
エチレンの製造に用いる水蒸気分解の高温環境において、小径の燃料ノズルを高温の燃焼排ガスにさらすという組み合わせは、燃料ジェット管の汚損及び潜在的な目詰まりを引き起こしうる。このことはバーナーの性能に悪影響を与えるだけではなく、燃料ノズルを繰り返し清掃することに関するメンテナンス費用を増大させる。
【００１５】
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。燃焼性の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。
【００１６】
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の放出を削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、火炎に二次空気を混合することを遅らせかついくらかの冷却された燃焼排ガスを二次空気と共に再循環させることでＮＯｘの放出を削減する。
【００１７】
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。この燃焼排ガス再循環システムを既存のプレミックスバーナーに事後設置することもでき、あるいは、新規の低ＮＯｘバーナーに組み込むこともできる。
【００１８】
米国特許Ｎｏ．４,６２９,４１３及びＮｏ．５,０９２,７６１に開示される段階空気プレミックスバーナーの１つの利点はそれらのバーナーが単一の燃料ノズルを使用することに関連する。これは燃料ノズルのサイズを所定のバーナー燃焼能力のために可能な最大なものとすることができる。さらに、燃料ノズルはベンチュリ管の入口に位置されているので、高温の燃焼排ガス又は火室の放射熱のいずれかに直接さらされる。これらの理由のために、燃料ノズルの汚損問題は最小にされ、エチレン炉運転における段階空気プレミックスバーナーのために意義のある利点を与える。
【００１９】
低ＮＯｘバーナーの設計者への追加的な挑戦は適正な火炎安定性を維持することである。ＮＯｘ放出を最小にするために使用される技術はまさに火炎温度と火炎速度を低減し、一般に、より「リフトオフ」の傾向が強い安定の弱い火炎に導く。「リフトオフ」は燃焼点がバーナーの先端から離れている燃焼を意味するために使用する用語である。極端なケースの場合、リフトオフは火炎の消失に至り、バーナーでの燃焼が消滅する。そのような条件は、火室内の空気と燃料の混合物が潜在的に堆積するので最も好ましくない。
【００２０】
ＮＯｘ産生の見地から見て、高ＮＯｘ産生の局部源が存在することに関する問題が米国特許Ｎｏ．５,０９２,７６１のバーナー先端構造に関連して発見された。１つの問題は、バーナー先端に近接して正確に空気流を分配することが不能であることに関連し、このことは高ＮＯｘ産生の局部源を生じる結果となる。
【００２１】
当技術分野におけるこれらの進展にもかかわらず、ＮＯｘ放出を厳しくし、ＮＯｘ産生の局部源を最小にする規制に適合し産業上使用できる高効率のバーナー構造に対する要求が存在する。
【００２２】
したがって、必要とされるものは燃料と空気の燃焼のためのバーナーであって、高ＮＯｘ産生の局部源を実質的に減少させてＮＯｘ放出をさらに削減することのできるバーナーである。
【発明の開示】
【００２３】
本発明は蒸気分解などに見られるバーナーに関連する。１実施の形態においてバーナーは以下のものを含んでなる。
【００２４】
（ａ）長軸を有しかつ下流端と、燃料及び空気、燃焼排ガス又はそれらの混合物を受ける上流端を有するバーナー管と、
（ｂ）バーナー管の上流端に隣接して設けられ燃料をバーナー管に導入する燃料オリフィスと、
（ｃ）バーナー管の下流端かつ炉の第１開口に隣接して設けられたバーナー先端であって、バーナー管の長軸に対してほぼ整列して配列された複数のメインポートと、複数の周囲配列されたサイドポートを有するバーナー先端と、
（ｄ）バーナー管の外周を囲む周囲タイル（２２）であって、燃焼の間に周囲配列されたサイドポートから排出される燃焼排ガスの量が燃焼された総燃料ガスの１５％を超えないように燃焼のための一部の空気を与える少なくとも１つのギャップをバーナー先端の外周と該周囲タイルの間に与える周囲タイル。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
非限定的な例である本発明の種々の実施の形態を示す図面を参照する以下の説明において本発明を更に説明する。
【００２６】
ここで、図１〜１８に図示する実施の形態を参照する（これらの形態において、同様な要素に同様な番号を用いている。
【００２７】
本発明は炉か工業炉で使用するためのバーナーに関して説明されるが、また、本発明のな教示が例えば、ボイラーなどの他の処理のための構成要素に適用されうることは、当業者にとって明らかであるだろう。したがって、用語「炉」が炉、ボイラー、および他の適切な処理のための構成要素を意味することが理解されるものとする。
【００２８】
ここにおいて図１〜４を参照して、バーナー１０は炉の床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は上流端１６、下流端１８、およびベンチュリ管部分１９を含んでいる。バーナー先端２０は下流端１８に位置し、周囲タイル２２によって囲まれる。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、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を通して一次空気室２６に導入され、バーナー管１２の上流端１６において燃料と混ざる。燃焼はバーナー先端２０の下流において生じる。
【００２９】
図１〜４をさらに参照すると、バーナー先端２０は、取り付けられたときに火室に面する上端６６と、バーナー管１２と取り合うように設けられた下端６８とを有する。バーナー先端２０の下端６８を溶接、スエージング又は螺合によりバーナー管１２に係合することができるが、溶接又は螺合によることが特に好ましい。運転では、サイドポート６２は燃料の小部分を周囲タイル２２の表面を横切るように指向させ、一方、メインポート６４は燃料の大部分を炉内に向ける。従来のバーナー先端において、サイドポートはバーナー先端の外縁の全周の回りに提供される。
【００３０】
複数の空気口３０は二次空気室３２に生じており、これらは炉の床１４を通って炉の中に入る。新鮮な空気は、米国特許Ｎｏ．４,６２９,４１３で説明されるように可変ダンパー３４を通して二次空気室３２に入り、二次燃焼または段階燃焼を与えるために、空気口３０を通って炉の中に入る。
【００３１】
燃焼排ガスを炉から一次空気室まで再循環させるために、ダクトかパイプ３６、３８はそれぞれ炉の床の開口４０、４２からバーナープレナム４８の開口４４、４６にそれぞれ延伸する。例えば０〜１５％の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を通り抜ける燃料の吸引効果によって、好ましくは５〜１５％のＯ２、より好ましくは２〜１０％、そして特に好ましくは２ないし約５％のＯ２を連行するようにパイプ３６、３８を介して引っ張られる。この様に、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内で混ぜられる。したがって、燃料に混ぜられた不活性材料の量が増えて火炎温度を減少させ、その結果ＮＯｘ放出を抑えている。
【００３２】
ダンパー２８を完全又は部分的に閉じることで、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、その結果、炉の床１４から燃焼排ガスを引っ張るのに必要な真空が提供される。
【００３３】
ダンパー３４を介して二次空気室３２に入り、かつ、空気口３０を通って炉の中に入った未だ混ぜられていない低温の周囲空気はまた、ベンチュリ管部分１９を通り抜ける燃料の吸引効果によって引っ張られてパイプ３６、３８を通って一次空気室に入る。周囲空気は上で議論したように新鮮な空気とすることができる。周囲空気を燃焼排ガスへ混入させることでパイプ３６、３８を通って流れる熱い燃焼排ガスの温度を下げ、その結果、実質的にパイプの寿命を長くし、かつ、このタイプのバーナーを使用して、炉の放射部において１０３８℃（１９００°Ｆ）より高い燃焼排ガス温度を持つ高温分解炉においてＮＯｘ放出を低減することを可能にする。
【００３４】
好ましくは、２０％乃至８０％の燃料と、２０％乃至８０％の周囲空気の混合物が管３６，３８を介して引っ張られるべきである。５０％の燃料と、５０％の周囲空気の混合物を使用することが特に好ましい。この好ましい燃料と周囲空気の比率は、当業者にとって理解されるように、空気口３０に関係して管３６，３８の適当なサイジング、設置及び／又は設計によって達成される。すなわち、空気口３０の幾何学的条件（これは、空気口のバーナー管からの距離、空気口の数及び空気口のサイズを含むが、これらに限定されるものではない）を変えて燃料ガスと周囲空気の望ましい比率を得ることができる。
【００３５】
図７、１１、１４Ａ、および１４Ｂに示されるように、バーナー先端２０と周囲タイル２２の間に非常に小さいギャップが存在している。適切にこのギャップを設計することによって、二次段階の空気のまとまりは、バーナー先端２０の炉の側に位置する一次燃焼領域から何らかの距離に位置する段階式空気口３０を介して、強制されて炉に入る。
【００３６】
バーナー先端２０と周囲バーナータイル２２の間のギャップの利用可能な流域面積を増加させると、炎が安定する傾向にあるが、これはまた、バーナーによって生じる総ＮＯｘ放出量が増えることが試験により発見された。ＮＯｘ放出に関するそのインパクトに鑑みて、バーナー先端２０と周囲タイル２２の間の各ギャップは、安定性を維持して、ＮＯｘを最小にするために正しく大きさにされなければならない。
【００３７】
低いＮＯｘ放出のためにバーナー性能を最適化するためには、バーナー先端２０の周りで良好な空気分配を確実にし、かつ、その領域に流入する好ましくない空気流を最小にし又は意義が有るように減少させるためにバーナー先端２０と周囲タイル２２間の距離は、きつい（厳しい）寸法公差となるように、保持されなければならない。この好ましくない空気流は炎をサイドポートから発して化学量論状態により近づけ、炎の温度とＮＯｘレベルを上げる傾向がある。
【００３８】
ここで、図４、１０、１４Ｂ、および１７Ａを参照し、当業者が理解できるように、バーナー先端２０の外径と空気流ノッチ７２は焼き流し精密鋳造または機械加工により比較的きつい寸法公差寛容に製造することができる。しかしながら、周囲タイル２２を同じ寸法公差に製造することはより難しく、バーナー先端２０の外径と周囲タイル２２の間に望ましくないギャップを創成しがちである。通常、周囲タイルは、キャスタブル耐火物材料を型に注ぎ込むことにより鋳造される。周囲バーナータイルをきつい寸法公差で生産することの問題点は、タイルが乾燥され焼成されるときに生じる収縮量である。収縮量は材料、温度、および幾何学条件により異なり、最終的な製造寸法公差にさらに不明確性を引き起こす。これらの要素はタイルを指定された直径に一貫して製造することを難しくし、直径が小さすぎるタイル、あるいは、より一般的に、直径が大き過ぎるタイルを製造することになる。
【００３９】
潜在的な解決策は、周囲タイルバーナー先端孔をよりきつい寸法公差で製造することであるが、これは、周囲タイル孔を鋳造よりもむしろ機械加工することを必要とする。しかしながら、従来の周囲タイルに孔を機械加工することは難しく、時間がかかってコスト高である。さらに、製造の間に寸法公差がわずかであっても、セラミック材料のひび割れのような問題は金属バーナー先端と陶磁器タイルの間の熱膨脹差のために起こりうる。
【００４０】
図１２Ａ−Ｃと１７Ａについて言及すると、バーナー先端２０と周囲バーナータイル２２の間に空気ギャップ７０のための一定寸法を設けるために、バーナー先端バンド８５（鉄鋼、又は産業用バーナーの過酷な環境に耐えることができる他の金属または金属複合材で形成されてもよい）は仮着け溶接か他の適当な方法によってバーナー先端２０の円周に付けられる。有利なことに、圧縮性の高温材料８７は、バーナー先端バンド８５と周囲タイル２２の間の望ましくないギャップを減少させ又は取り除くために、該ギャップ内でオプションとして使われる。バーナー先端バンド８５は、前述の圧縮性の高温材料を着座させるための周囲の刻み目８１（図１２Ａ参照）又は周囲の刻み目８３（図１２Ｃ参照）をそれぞれさらに含むこととしてもよい。この新設計の利点は、周囲タイル孔のサイズが意義あるように変化することができ、一方、バーナー先端２０と周囲タイル２２の間にシールを維持するために圧縮性の材料をこの変化のために調整することができるということである。本発明のバーナー先端のデザインを使用することによって、バーナー先端と周囲タイルの間の空気ギャップを正しい寸法公差に維持して望ましくない空気の漏出を無くすことができる。
【００４１】
理解されるように、圧縮性の材料８７は、それがバーナーサイドポート火炎の非常に近くに位置するので、高温使用に適するものとされるべきである。加熱されたときに膨張する材料は圧縮性の材料８７として非常に有用である。なぜならば、それは初期取付をはるかに簡単にするからである。適当な材料の例はサーマルセラミックス（Thermal Ceramics）によるTriple T（登録商標）と、アトランタのサーマルセラミックス（Thermal Ceramics）のモルガンるつぼの部署であるＧＡによって配られているOrganically Bound Maftec（登録商標）（OBM Maftec（登録商標））を含むが、これらに限定されるものではない。OBM Maftec（登録商標）が望ましいことがわかった。なぜならば、それは高温に露出された後にもよりよく持ちこたえたからである。OBM Maftec（登録商標）は高品質のムライト繊維から生産される。この材料は低熱伝導率と蓄熱性を有することが知られており、また、熱衝撃と薬品侵食に対する抵抗力を有する。その材料はまた大きな可撓性を有し、１５９３℃（２９００°Ｆ）の最大温度定格及び最大で１４８２℃（２７００°Ｆ）の連続使用限度を有し、これらの性質はその材料をここで使用することを理想的にしている。
【００４２】
ＴｒｉｐｌｅＴＭ  Ｔの材料がＭａｆｔｅｃＴＭよりも膨張している間、それは加熱の後に離れてより容易に薄片に見つけられた。
【００４３】
ここにおいて図１、３、５、および９について言及すると、バーナーアセンブリの内部点検を可能にし、かつ、点火室６０（図４、１１と１４Ｂを参照）を介してバーナーを点火するためのアクセスを与えるためにバーナープレナム４８内に視認および点火用ポート５０が提供される。図示のように、視認および点火用ポート５０は、炉の第１開口に隣接する点火室６０に整列されている。点火室６０は、バーナーの点火に有効な所定距離バーナー先端２０から離れた位置に位置されている。米国特許Ｎｏ．５,０９２,７６１で説明されるタイプの点火トーチか点火器（図示省略）は、当業者であれば容易に理解しうるように、本発明のバーナーの始動に使用できる有用性を有する。本発明のバーナーを運転するために、バーナー先端２０に隣接する点火室６０に点火トーチまたは点火器を点火ポート５０を介して挿入し、バーナーに点火する。
【００４４】
図１〜７によって図説される本発明の別の実施の形態では、バーナー１０は炉の床１４のウェルに位置する自立型バーナー管１２を含んでいる。バーナー管１２は上流端１６、下流端１８、およびベンチュリ管部分１９を含んでいる。バーナー先端２０は下流端１８に位置して、周囲タイル２２によって囲まれる。燃料オリフィス１１（これはガススパッド２４の中に位置してもよい）は上流端１６に位置して、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は可変ダンパー２８を介して一次空気室２６に導入され、バーナー管１２の上流端１６において燃料と混ざる。燃焼はバーナー先端２０の下流で起こる。
【００４５】
図１〜７を参照して、バーナー先端２０は、それが据え付けられたときに火室に面する上端６６と、バーナー管１２と係合するように設けられた下端６８を有する。バーナー先端２０の下端６８を、または螺合によりバーナー管１２に結合することができるが、溶接又はスエージングが特に好ましい。運転において、サイドポート６２は燃料の一部を周囲タイル２２の表面を横切るように指向させるが、メインポート６４は燃料の大部分を炉の中に向ける。
【００４６】
複数の空気口３０は二次空気室３２に始まり炉の床１４を通って炉の中に続く。新鮮な空気は、米国特許Ｎｏ．４,６２９,４１３で説明されるように可変ダンパー３４を通して二次空気室３２に入り、二次の、または、段階燃焼を供給するために空気口３０を通り炉の中に入る。
【００４７】
燃焼排ガスを炉から一次空気室まで再循環させるために、ダクトかパイプ３６、３８は炉の床の開口４０、４２からそれぞれバーナープレナム４８の開口４４、４６までそれぞれ延伸する。例えば０〜１５％の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を通り抜ける燃料の吸引効果によって、パイプ３６、３８を介して、５〜１５％のＯ２、好ましくは２〜およそ１０％のＯ２、特に好ましくは２〜５％のＯ２を含んで引っ張られる。この様に、一次空気と燃焼排ガスは、燃焼燃焼帯の手前に位置する一次空気室２６で混ぜられる。したがって、燃料に混ぜられる不活性な材料の量が増え火炎温度を低下させる結果、ＮＯｘ放出を低減させる。ダンパー２８を完全また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が制限され、炉床１４から燃焼排ガスを引っ張るのに必要な真空を提供する。
【００４８】
ダンパー３４を通して二次空気室３２に入り、かつ、空気口３０を通り炉の中に入ったまだ混ぜられていない低温周囲空気もまた、ベンチュリ管の部分１９を通り抜ける燃料の吸引効果によって、パイプ３６、３８を介して一次空気室に引き込まれる。周囲空気は上で議論する新鮮な空気であってもよい。周囲空気を燃焼排ガスへ混入することでパイプ３６、３８を通って流れる熱い燃焼排ガスの温度を下げ、実質的にパイプの寿命を長くし、かつ、このタイプのバーナーを使用して炉の放射部において１０３８℃（１９００°Ｆ）より高い燃焼排ガス温度を持つ高温分解炉においてＮＯｘの放出を低減することを可能にする。
【００４９】
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パイプ３６、３８を通して引か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が使われることが特に好ましい。燃焼排ガスと周囲空気の必要な割合は、当業者であれば容易に理解できるように、空気口３０に対してパイプ３６、３８を適切なサイズとし、位置させ、及び／又は設計とすることによって達成することができる。すなわち、バーナー管からの空気口３０の距離、空気口の数、および空気口のサイズを含む（但し、これらに限定されない）空気口の幾何学条件を変えて燃焼排ガスと周囲空気の必要な割合を得ることとしてもよい。
【００５０】
図５と７、より詳細には図１４Ａと１４Ｂに示すように、非常に小さいギャップがバーナー先端２０と周囲タイル２２の間に存在している。このギャップを小さく保つことによって、バーナー先端２０のすぐ炉側に位置する一次燃焼領域から何らかの距離に位置する段階式空気口３０を通して二次段階式空気が炉内に押し込まれることになる。このギャップは図１４Ａに示されるように実質的に一定のギャップ７１を持っている単一周囲のギャップであってもよいし、これに代えて、図１４Ｂに示されるように周期的に幅を変えるギャップ６９を含むことができる。
【００５１】
バーナー先端２０と周囲タイル２２の間のギャップを増大させるとバーナーによって生じる総合的なＮＯｘ放出が高まると共に、炎を安定させる傾向があることがテストを通じて見いだされた。ＮＯｘ放出に関するそのインパクトに鑑みて、バーナー先端２０と周囲タイル２２の間のギャップは正しい大きさにされなければならない。
【００５２】
視認及び点火用ポート５０は点火トーチ又はその他の点火器（図示省略）が二次空気室３２の内部にアクセスすることを可能にする。図示のように、視認及び点火用ポート５０は、炉の第１開口に隣接する点火室６０に対して整列している。点火室６０はバーナーへの点火が有効となるような距離バーナー先端２０から離間して位置されている。米国特許  ５，０９２，７６１で説明されるタイプの点火トーチ又は点火器（図示省略）は、当業者であれば容易に理解できるように、本発明のバーナーの始動に使用できる有用性を持っている。本発明のバーナーを運転するために、バーナー先端２０に隣接する点火室６０に点火トーチまたは点火器を視認及び点火用ポート５０を介して挿入しバーナーを点火する。
【００５３】
本発明のバーナー先端をまた図８、９、および１０に図説するタイプの低ＮＯｘバーナー構造に使用することができる。図において、同様である参照番号は同様な構成部を示す。図１〜４の実施の形態のように、バーナー１０は炉の床１４のウェ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は上流端１６、下流端１８、およびベンチュリ管部分１９を含んでいる。バーナー先端２０は下流端１８に位置し周囲タイル２２によって囲まれる。ガススパッド２４は上流端１６に位置して燃料をバーナー管１２に導入する。新鮮空気か周囲空気は可変ダンパー２８を通して一次空気室２６に導入され、バーナー管１２の上流１６において燃料と混ざる。燃料の燃焼はバーナー先端２０の下流で起こる。
【００５４】
図１〜７で図説されているバーナー構造と同様に、図８〜１０のバーナーは、据え付けられたときに火室に面する上端６６と、バーナー先端２０と係合するように設けられた下端６８を有する。  以前に説明したように、バーナー先端２０の下端６８は溶接、スエージング又は螺合によりバーナー管１２に結合することができるが、溶接又は螺合による結合が特に好ましい。運転において、サイドポート６２は燃料を周囲タイル２２の表面を横切るように指向させるが、メインポート６４は燃料の大部分を炉の中に向ける。
【００５５】
複数の空気口３０は炉の中に始まり、炉の床１４を通って二次空気室に入る。新鮮な空気（外気）は、可変ダンパー３４を介して二次空気室３２に入り、二次または段階的燃焼を供給するために段階式空気口３０を通って炉の中に入る。
【００５６】
燃焼排ガスを炉から一次空気室まで再循環させるために燃焼排ガス再循環通路７６が炉の床１４に形成され一次空気室２６まで延伸するので、燃焼排ガスは、開口８０から一次空気室に引き込まれた新鮮な空気に混ぜられる。例えば、６−１０％の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を通り抜ける燃料による吸引効果によって通路７６を介して引っ張られる。図１〜６の実施の形態のように、一次空気と燃焼排ガスは、燃焼帯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、その結果、炉の床１４から燃焼排ガスを得るのに必要な真空が提供される。
【００５７】
図１〜７の実施の形態のように、およそ５０％の燃焼排ガスとおよそ５０％周囲空気の混合物は燃焼排ガス再循環通路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、燃焼排ガス再循環通路７６と空気口３０を適切なサイズ、位置及び／又は構造とすることによって達成することができ、すなわち、空気口の幾何学的条件と位置を変えて燃焼排ガスと周囲空気の必要な割合を得ることができる。
【００５８】
視認及び点火用ポート５０は点火トーチか点火器（図示省略）が二次空気室３２の内部にアクセスすることを可能にする。図１〜６に示す本発明の実施の形態のように、米国特許５，０９２，７６１で明らかにされるタイプの点火トーチか点火器は本発明のこの実施の形態に用いる有用性を有する。視認及び点火用ポート５０はバーナーアセンブリの内部点検及びパイロット８６を点火するためのアクセスを可能にする。パイロット８６はバーナーの点火に有効な距離バーナー先端２０から離れて位置する。図８で示されるように、チューブ８４はパイロット８６が二次空気室３２の内部へアクセスすることを可能にする。
【００５９】
図８〜１０にさらに言及して、ガススパッド２４の中に位置させることができる燃料オリフィス１１はバーナー管１２の中に燃料を放出し、そこで、燃料は一次空気、再循環燃焼排ガス又は一次空気と再循環燃焼排ガスの混合物と混ざる。燃料と、空気、燃焼排ガス又はそれらの混合物との混合物は次にバーナー先端２０から排出される。バーナー管１２のベンチュリ管部分１９の中の混合物は多燃料可燃限界以下に維持され、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空気が存する。段階的な二次空気が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有限距離バーナー先端２０から離れた位置において段階空気口３０を介して加えられる。しかしながら、図１−４に示す構造のように、段階二次空気の一部は複数の空気ギャップ７０を介してバーナー先端２０と周囲タイル２２の間を通り、バーナー先端２０のサイドポート６２を出る燃料に直ちに利用可能である。サイドポート６２は燃料の一部を周囲タイル２２の表面を横切るように指向させるが、バーナー先端２０のメインポート６４は燃料の大部分を炉の中に向ける。
【００６０】
図示されるように２個の燃焼帯が確立される。１つの小さな燃焼帯はサイドポート６２の領域で燃焼された燃料から発して周囲タイル２２の表面を横切るように確立され、もう１つのはるかに大きい燃焼帯は、メインポート６４から燃焼された燃料から発し、炉の火室に突出するように確立される。運転において、より大きい方の燃焼帯はバーナーから上方へ延伸するほぼ円筒形の燃焼表面を表し、そこでは、空気口３０から流れる一次段階空気はバーナー先端メインポート６４から出る多燃料混合物に会う。
【００６１】
バーナー性能の分析により、サイドポート６２と周囲タイル２２に隣接する燃焼帯が炎の安定を保証することにおいて重要であることが示された。適切な炎の安定性を提供するために、この燃焼帯での空気／燃料混合物（これは、バーナー先端２０のサイドポート６２を去る空気／燃料混合物と、複数の空気ギャップ７０を介してバーナー先端２０と周囲タイル２２の間を通る空気を含む）は多燃料可燃限界以上でなければならない。
【００６２】
サイドポート６２と周囲タイル２２に隣接した燃焼帯における多燃料可燃限界以上の混合物が良好なバーナー安定性を与える一方、この燃焼帯での燃焼は、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のことがわかった。低ＮＯｘレベルを達成するために、良好なバーナーの安定性を保証するが高いＮＯｘ放出を導くような高酸素濃度なくして、燃焼がこの燃焼帯の中で多燃料可燃限界より十分上の混合物で行われるように、バーナー先端２０と周囲タイル２２の間の気流があるべきことが重要である。
【００６３】
図１４Ａと１４Ｂに示されるように、非常に小さいギャップはバーナー先端２０と周囲タイル２２の間に存在している。以前に説明したように、このギャップを小さく保つことによって、バーナー先端２０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３０を介して二次段階空気を炉の中に押し入れることができる。このギャップを実質的に周囲ギャップとすることができ、望ましくは、それは、図８−１０、より詳細には図１７Ａに示すように、周囲に配設された一連の離間したギャップ７０を含んでなる。
【００６４】
図１２Ａ−Ｃと１７Ａに表現される以前に説明された構成は図８−１０のバーナ構造に有利に使うことができる。図１−４のバーナーのように、バーナー先端２０と周囲タイル２２の間に空気ギャップ７０として一定の寸法を確立するために、バーナー先端バンド８５を鋼又は産業用バーナの過酷な環境に耐えることができる他の金属または金属合成物で形成し、仮着け溶接か他の適当な方法によってバーナー先端２０の円周に付けることとしてもよい。好ましくないギャップをさらに減少させ又は排除するために圧縮性の高温材料８７がバーナー先端バンド８５と、周囲タイル２２の間に任意に使われる。圧縮性材料８７は以前に説明した材料かそれらの同等物のいずれを選択することとしてもよい。
【００６５】
ここで図１３を参照すると、同様の利益は炉の第１開口に隣接するパイロット８６の領域で得られる。パイロットシールド８８の周りに存在するギャップのため、重大な漏出が典型的な構造で起こることが認められた。これを治すために、圧縮性の高温材料８７は、図１３で示されるように、パイロットシールド８８及び／又はパイロットライザ８９の周りに設置され、バーナー先端バンド８５と周囲タイル２２の間の望ましくないギャップを排除する。例えば、幅２.５４ｃｍ（１.０インチ）、厚さ５.０ｍｍ（０.１９６９インチ）のOBM Maftec（登録商標）帯はパイロットシールド８８の周りに存在するギャップをシールするために特によく働いていることがわかった。
【００６６】
図５−７と、１１、特に、１４Ｂに示されるように、本発明の別の実施の形態のバーナー先端２０は、据え付けられたときに火室に面する上端６６と、バーナー管１２と係合するように設けられた下部６８（図９を参照）を含む。以前に説明したように、バーナー先端２０の下端６８は溶接、スエージング、又は螺合によりバーナー管１２に結合することができるが、溶接又は螺合により結合することが特に好ましい。運転において、サイドポート６２は燃料の一部を周囲タイル２２の表面を横切るように指向させるが、メインポート６４は燃料の大部分を炉の中に向ける。
【００６７】
２個の燃焼帯が確立される。サイドポート６２の領域で燃焼された燃料から発して周囲タイル２２の表面を横切る小さい燃焼帯が確立されると共に、メインポート６４からの燃焼された燃料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。バーナー性能を分析することにより、サイドポート６２と周囲タイル２２に隣接した燃焼帯が炎の安定性を保証することにおいて重要であることが示された。適切な炎の安定性を提供するために、この燃焼帯における空気／燃料混合物（これはバーナー先端２０のサイドポート６２を去る空気／燃料混合物と、バーナー先端２０と周囲タイル２２の間を通り過ぎ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。
【００６８】
サイドポート６２と周囲タイル２２に隣接した燃焼帯における多燃料可燃限界以上の混合物はバーナーを良好に安定させるが、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とがわかった。この小さい方の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可能であることが発見された。特に、一体的な煙道ガス再循環を使う段階空気式プリミックスバーナーにおいて、サイドポート６２と周囲タイル２２に隣接する燃焼帯に排出される燃料の量がバーナーで発火した総燃料の１５％を超えないとき、ＮＯｘ総放出量はより低くなることが予期される。これは、バーナーを良好に安定させるがＮＯｘ高放出量となるような高酸素濃度を生じさせることなく、この燃焼帯内において十分に多燃料可燃限界以上の混合物で燃焼が生じるようにバーナー先端２０と周囲タイル２２の間の気流をなすことをさらに保証することで達成される。
【００６９】
当業者であれば理解できるように、本発明の目的を達成するために必要であるサイドポート６２の数を減らすことは、燃料自体の特性、流体流動力学、および燃焼の動力学を含む多くの要素に依存している。本発明のバーナーはサイドポート６２の数を約５３％減少させる構造を提示しているが、サイドポート６２の数を約２５％乃至約７５％減少させることは、各サイドポートと、バーナー先端と周囲タイル間のギャップが適当な大きさにされる限り、同様に有効であると思われる。
【００７０】
図１５、１６、１７Ｂ、および１８を参照してここで説明されるように、フラットフレームバーナーにおいても同様の利益が達成される。バーナー１１０は炉の床１１４のウェルに位置する自立型バーナー管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に位置し燃料をバーナー管１１２に導入する。新鮮な空気（外気）又は周囲空気は一次空気室１２６に導入されバーナー管１１２の上流端１１６で燃料に混ざる。燃料の燃焼はバーナー先端１２０の下流で起こる。新鮮な空気又は周囲空気はダンパー１３４を介して二次空気室１３２に入る。
【００７１】
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通路１７６が炉の床１１４に形成され一次空気室１２６に達するので、燃焼排ガスは、ダンパー１２８を介して開口１８０から一次空気室に引き込まれた新鮮な空気に混ぜられる。例えば０〜１５％のＯ２を含む燃焼排ガスは、バーナー管１１２のベンチュリ管部分１１９を通り抜ける燃料の吸引効果によって通路１７６を通るように引っ張られる。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。
【００７２】
図１８に示すように、非常に小さいギャップはバーナー先端１２０と周囲タイル１２２の間に存在している。このギャップを正しく大きさにすることによって、二次段階空気は、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ある段階空気口（図示省略）を介して炉内に押し入れられる。このギャップを図１８で示される周囲ギャップ１７１とすることとしてもよいし、これに代えて、図１７Ｂに示されるように周囲に配設される一連の離間したギャップ１７０を含むこととしてもよい。
【００７３】
すでに言及したように、バーナー先端１２０と周囲タイル１２２の間の流れ領域を増大させると、バーナーによって生じるなＮＯｘ総放出量が増え、また、炎が安定する傾向があることがテストにより発見された。ＮＯｘ放出量のインパクトから鑑みて、バーナー先端１２０と周囲タイル１２２の間の流れ領域を正しい大きさにしなければならない。
【００７４】
図１８を参照して、バーナー先端１２０の外径と気流切欠き１７２を焼き流し精密鋳造または機械加工により比較的きつい寸法公差に製造することができる。しかしながら、周囲タイル１２２を同じ寸法公差に製造することはより難しく、バーナー先端１２０と周囲タイル１２２の外径の間に望ましくないギャップを創成することになる。
【００７５】
図１７Ｂ及び１８にさらに言及して、サイドポート１６２は燃料の一部を周囲タイル１２２の表面を横切るよう指向させ、一方、メインがポート１６４は燃料の大部分を炉の中に向ける。２個の燃焼帯が確立される。サイドポート１６２の領域で燃焼された燃料から発して周囲タイル１２２の表面を横切るように小さい燃焼帯が確立されると共に、メインポート１６４からの燃焼された燃料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１６２と周囲タイル１２２に隣接した燃焼帯は炎の安定性を保証することにおいて重要である。適切な炎の安定性を提供するために、この燃焼帯における空気／燃料混合物（バーナー先端１２０のサイドポート１６２を去る空気／燃料混合と、バーナー先端１２０と周囲タイル１２２の間を通り過ぎ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。
【００７６】
サイドポート１６２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バーナーを良好に安定させるが、この燃焼帯での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。ＮＯｘ総放出量は、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するがＮＯｘ高放出となるような高酸素濃度無くして、十分に多燃料可燃限界以上の混合物でこの燃焼帯において燃焼が生じるように、バーナー先端１２０と周囲タイル１２２の間の気流が形成されることを保証することによって達成される。
【００７７】
ここで図１７Ｂに言及し、バーナー先端１２０と周囲バーナータイル１２２の間に一定の寸法の空気ギャップ１７０を形成するために、鋼製、又は産業用バーナの過酷な環境に耐えることができる他の金属若しくは金属合成物のバーナー先端バンド１８５を形成して、仮着け溶接か他の適当な方法によってバーナー先端１２０の円周に付けることとしてもよい望ましくないギャップをさらに減少するか、または排除するためにバーナー先端バンド１８５と周囲タイル１２２の間の望ましくないギャップにおいて圧縮性の高温材料１８７を任意に使うことができる。圧縮性の材料１８７は以前に説明された材料かそれらの同等物のいずれから選択することとしてもよい。
【００７８】
ここで図１５、１６、１７Ｂ、および１８を参照して説明するように、フラットフレームバーナーアをまた新規なバーナー先端に関して使用することができる。バーナー１１０は炉の床１１４のウェ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に位置し周囲タイル１２２によって囲まれる。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に位置して料をバーナー管１１２に導入する。新鮮な空気か周囲空気は一次空気室１２６に導入されバーナー管１１２の上流端１１６で燃料に混ざる。燃料と外気の燃焼はバーナー先端１２０の下流で起こる。新鮮な二次空気はダンパー１３４を通して二次空気室１３２に入る。
【００７９】
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通路１７６は炉の床１１４で形成され一次空気室１２６に達するので、燃焼排ガスは、ダンパー１２８を介して開口１８０から一次空気室に引き込まれた新鮮な空気に混ざる。例えば０〜１５％のＯ２を含む燃焼排ガスはバーナー管１１２のベンチュリ管部分１１９を通り抜ける燃料の吸引効果によって通路１７６を通るように引っ張られる。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。
【００８０】
図１８に示されるように、かつ、本発明の別の実施の形態に従って、非常に小さいギャップはバーナー先端１２０と周囲タイル１２２の間に存在している。このギャップを小さく保つことによって、二次段階空気は、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ある段階空気口（図示省略）を通して炉内に押し入れられる。このギャップは図１８で示される周囲ギャップ１７１とすることとしてもよいし、これに代えて、図１７Ｂに示されるように周囲に配設される一連の離間したギャップ１７０を含んでなることとしてもよい。
【００８１】
すでに言及したように、バーナー先端１２０と周囲タイル１２２の間の流れ面積を増加させると、バーナーによって生じるＮＯｘ総放出量が増えるが、また、炎を安定させる傾向があることがテストにより発見された。ＮＯｘ放出量に関するインパクトに鑑みて、バーナー先端１２０と周囲タイル１２２の間の流れ面積は正しい大きさにされなければならない。
【００８２】
運転において、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）は燃料をバーナー管１１２に放出し、そこでは、それが一次空気と再循環燃焼排ガスに混ざる。そして、燃料、再循環燃焼排ガス、および一次空気の混合物はバーナー先端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い維持され、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ない。段階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。大部分の段階空気はバーナー先端１２０から有限距離離間した位置で段階空気口（図示省略）を介して加えられる。しかしながら、この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１６２を出る燃料に直ちに利用可能である。図示のように、サイドポート１６２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１６４は燃料の大部分を炉の中に向ける。
【００８３】
ここでも２個の燃焼帯が確立される。サイドポート１６２の領域で燃焼された燃料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１６４からに燃焼された燃料から発して炉の火室内に突出するはるかに大きい燃焼帯が確立される。バーナーの性能を分析することにより、サイドポート１６２と周囲タイル１２２に隣接した燃焼帯が炎の安定性を保証することにおいて重要であることが示された。適切な炎の安定性を提供するために、この燃焼帯での空気／燃料混合（これは、バーナー先端１２０サイドポート１６２を去る空気／燃料混合と、バーナー先端１２０と周囲タイル１２２の間を通り過ぎる空気を含んでなる）は多燃料可燃限界以上になければならない。
【００８４】
サイドポート１６２と周囲タイル１２２に隣接した燃焼帯における多燃料可燃限界以上の混合物はバーナーを良好に安定させるが、この燃焼帯での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とがわかった。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とが発見された。特に、煙道ガス再循環を一体的に使う段階空気プリミックスバーナーにおいて、サイドポート１６２と周囲タイル１２２に隣接する燃焼帯に排出される燃料の量がバーナーにおいて燃焼した総燃料の１５％を超えないとき、ＮＯｘ総放出量が低減されることが予期される。これは、良好なバーナーの安定性を保証するが、ＮＯｘの高放出に通じるような高酸素濃度無くして、この燃焼帯の中で十分に多燃料可燃限界以上の混合物で燃焼行われるようにバーナー先端１２０と周囲タイル１２２の間の気流を形成するように保証することによって達成される。
【００８５】
当業者であれば理解できるように、本発明の目的を達成することに必要なサイドポートの数を減少させることは、燃料自体の特性、流体流動力学、および燃焼の動力学を含む多くの要素に依存している。本発明のバーナー先端は、サイドポートの数を約５３％減少させる構造を提示しているが、各サイドポートと、バーナー先端と周囲タイルへ間のギャップが適切な大きさにされる限り、サイドポートの数を約２５％乃至約７５％減少させることが同様に有効であることが予期される。
【００８６】
本発明のバーナー先端構造において、望ましくは、バーナー先端と周囲タイル間のギャップの大きさは、サイドポートを出る燃料ガスに利用可能な総空気量（すなわち、燃料ガスとともにサイドポートから出る空気と、空気がギャップを介して供給される空気の合計量）は、使用される燃料の多燃料可燃限度よりも５〜１５パーセント、ポイントが高いのものである。例えば、使用される燃料が化学量論燃焼のために必要とさせる空気の５５％の多燃料可燃限度を有するならば、サイドポートを出る燃料ガスに利用可能な空気は化学量論燃焼に必要である空気の６０−７０％を示すべきである。先の構造と異なり、本発明のバーナー先端シールを使用はバーナー先端に近い領域におけるＮＯｘの高放出源を実質的に最小にする役目を果たす。
【００８７】
実施例
本発明の利益を評価するために、コンピュータによる流体力学（数値流体力学ＣＦＤ）を用いて、以下に説明する構成を評価した。ＣＦＤ解析は基本的な制御方程式を解き解領域のあらゆる点での流体の速度、種別、燃焼反応、圧力、熱伝達及び温度値などを提供する。米国ニューハンプシャー州レバノン,０３７６６−１４４２,センテラ・リソース・パーク（Centerra Resource Park）、キャベンディッシュ・コート（Cavendish Court）１０所在のフルエント・インコーポレーティッド（Fluent, Inc.）製のソフトウェア「ＦＬＵＥＮＴ（登録商標）」を用いて分析を実行した。
【００８８】
実施例１
本発明の利益を示すために、米国特許No.５，０９２，７６１で説明されるタイプ（米国特許No.５,０９２,７６１の図５に示される）のバーナー先端と燃焼排ガス再循環システムを使うプレ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基線データを確立した。
【００８９】
実施例２
実施例２では、既存のバーナーにおけるものと同じ材料バランスを維持して、本発明のバーナー先端を使用した。ＦＬＵＥＮＴ計算流体力学ソフトウェアを使用することで計算された詳細な材料とエネルギー収支に関する温度プロフィールは、平均で、実施例１の構成で示したプロフィールよりも低い温度プロフィールを示した。経験によれば、このことはバーナーのＮＯｘ放出を抑えることが予期される。
【００９０】
実施例３
さらに本発明の利益を示すために、本発明の好ましい実施の形態に従ったバーナー先端を用いたプリミックスバーナーが試験された。試験において、周囲に配設されたサイドポートからの燃焼の間にバーナー先端から排出された燃料ガスは燃焼された総燃料ガスのおよそ１０パーセントであった。米国特許Ｎｏ．５,０９２,７６１（図５に示されるように）において説明されるタイプの燃焼排ガス再循環をまた使用するこの実施例のバーナーが３０％のＨ２、７０％の天然ガスを含む燃料ガスを使用して、蒸気噴射なしで、６.３ＫＪ（キロジュール）／ｈ（６００万ＢＴＵ／ｈ）の燃焼速度で運転された。
【００９１】
非常に安定した火炎が観測され、４９ｐｐｍのＮＯｘ放出量が測定された。
【００９２】
実施例４
この実施例では、実施例３のプレミックスバーナーが使用された。ここでも、米国特許Ｎｏ．５,０９２,７６１で説明されるタイプの燃焼排ガス再循環を使用するバーナーが、３０％のＨ２、７０％の天然ガスを含んでなる燃料ガスを使用し、６０Ｋｇ／ｈ（１３２ｌｂ／ｈ）の蒸気放射速度で、６.３ＫＪ／ｈ（６００万ＢＴＵ／ｈ）の燃焼速度で運転された。
【００９３】
非常に安定した炎が観測され、３０ｐｐｍのＮＯｘ放出量が測定された。
【００９４】
実施例５
この実施例では、本発明の別の好ましいの実施の形態に従ったバーナー先端を使うプレミックスバーナーがテストされた。テストにおいて、燃焼の間にバーナー先端の周囲に配設されたサイドポートから排出される燃料ガスは燃焼した総燃料ガスのおよそ５パーセントであった。試験されたバーナーはまた米国特許Ｎｏ.５,０９２,７６１（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採用し、３０％のＨ２、７０％の天然ガスを含んでなる燃料ガスを使用し、蒸気噴射なしで、６.３ＫＪ／時間（６００万ＢＴＵ／時間）の燃焼速度で運転された。
【００９５】
実施例３よりも安定性のない火炎が観測され、実施例３でテストされたバーナ構造よりもＮＯｘ放出量が８％低減された４５ｐｐｍが測定された。
【００９６】
実施例６
この実施例では、実施例５のプリミックスバーナーが使用された。ここでもまた、米国特許Ｎｏ．５,０９２,７６１で説明されるタイプの燃焼排ガス再循環を使うバーナーが、３０％のＨ２、７０％の天然ガスを含んでなる燃料ガスを使用し６０ｋｇ／ｈ（１３２ｌｂ／ｈ）の蒸気放出速度、６.３ＫＪ／ｈ（６百万ＢＴＵ／ｈ）の燃焼速度で運転された。
【００９７】
実施例３よりも安定性が劣る火炎が観測され、実施例４でテストされたバーナ構造よりもＮＯｘ放出量が７％低減された２８ｐｐｍが測定された。
【００９８】
ここで説明するバーナー先端とバーナー先端シールの構造はまた、燃焼排ガスだけがバーナー管の入口において燃料に混ぜられるプレミックスバーナー構成を持つ生ガスバーナにおいて有用性を持つことが理解されるべきである。事実、ここで詳細に説明されるタイプのプリミックス段階空気バーナーは、一次空気ダンパードアが閉じられた状態で、非常に満足できる結果で運転されうることが見いだされた。
【００９９】
燃焼排ガスを希釈剤として使用することに加えて、希釈により火炎の温度を下げる別の技術的方法は蒸気噴射を使用することである。（図２の蒸気注入チューブ１５と図１５の蒸気注入チューブ１８４を参照）。蒸気を一次空気室又は二次空気室に注入することができる。ベンチュリ管の上流において蒸気を注入することが好ましい。
【０１００】
当業者によって理解されるように、本発明は新しいバーナーに取り入れることができ、また、既存のバーナー組み入れることもできる。
【０１０１】
実施の形態を図示し説明してきたが、上記開示において広範囲の代替的変更及び置換を行うことが可能であり、そして、いくつかの例では、実施の形態のいくつかの特徴が対応する他の特徴を使用することなく使用されうる。従って、添付の請求項がこので明らかにされる実施の形態の範囲よりも広くかつその範囲に一致した方法で解釈されることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【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線に沿う底面図である。
【図４】図１の４−４線に沿う平面図である。
【図５】本発明のバーナーの別の実施の形態の一部断面側面図である。
【図６】図１の６−６線に沿う一部断面側面図である。
【図７】図１の７−７線に沿う平面図である。
【図８】本発明のバーナーの別の実施の形態の一部断面側面図である。
【図９】図７の９−９線に沿う一部断面側面図である。
【図１０】図８の１０−１０線に沿う平面図である。
【図１１】本発明の別の実施の形態に従うバーナー先端を示す平面図である。
【図１２】図１２Ａは、バーナー先端シールの１実施の形態の拡大図である。図１２Ｂは、バーナー先端シールの別の実施の形態の拡大図である。図１２Ｃは、バーナー先端シールの更に別の実施の形態の拡大図である。
【図１３】パイロット室の領域におけるシーリングのためのシール手段の実施の形態を示す図である。
【図１４】図１４Ａは、従来技術のバーナー先端の斜視図である。図１４Ｂは、バーナー先端の実施の形態の斜視図である。
【図１５】フラットフレームバーナーの実施の形態の一部断面側面図である。
【図１６】図１５の線１６−１６に沿って見た図１５に示すフラットフレームバーナーの実施の形態の一部断面側面図である。
【図１７】図１７Ａは、図８−１０に示すタイプのバーナー先端に使用するバーナー先端シールの１実施の形態の上面図である。図１７Ｂは、フラットフレームバーナーに使用するバーナー先端シールの別の実施の形態の上面図である。
【図１８】フラットフレームバーナーに使用するバーナー先端の別の実施の形態の上面図である。
【図１】
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【図２】
2005521022.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005521022.tif 000011
【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
2005521022.tif 000019
【図１６】
2005521022.tif 000020
【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年5月10日(2004.5.10)
【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】
炉の中で燃料を燃焼させるバーナー（１０，１１０）であって、
（ａ）長軸を有するバーナー管（１２，１１２）であって、下流端（１８，１１８）と、燃料及び空気、燃焼排ガス又は空気及び燃焼排ガスの混合物を受ける上流端（１６，１１６）とを有するバーナー管と、
（ｂ）前記バーナー管（１２，１１２）の前記上流端に隣接して位置し、前記バーナー管内に燃料を導入する燃料オリフィス（１１，１１１）と、
（ｃ）前記バーナー管（１２，１１２）の前記下流端（１８，１１８）位置であって前記炉の第１開口に隣接した位置に設けられたバーナー先端（２０，１２０）であって、前記バーナー管（１２，１１２）の前記長軸に対してほぼ整列する複数のメインポート（６４，１６４）と、周囲に配設された複数のサイドポート（６２，１６２）であって、燃焼の間に該複数のサイドポートから排出される燃焼排ガスの量が燃焼された総燃料ガスの１５％を超えないようにする大きさに設けられているサイドポートとを有するバーナー先端と、
（ｄ）前記バーナー先端（２０，１２０）の外周を囲む周囲タイル（２２，１２２）であって、該バーナー先端外周と該周囲タイルの間に燃焼のための一部の空気を供給する少なくとも１つのギャップ（６９，７０，７１，１７０，１７１）を形成する周囲タイルとを、
含んでなるバーナー。
【請求項２】
（ｅ）前記バーナー先端（２０，１２０）及び前記周囲タイル（２２，１２２）の外周の少なくとも一部に接するバーナー先端シールであって、前記バーナー先端（２０，１２０）はその外周の回りに位置する複数の気流切欠き（７２，１７２）を有し、前記バーナー先端シールの内周と前記複数の気流切欠きの間に燃焼のための一部の空気を提供する複数の空気ギャップ（７０，１７０）が形成されているバーナー先端シールをさらに含んでなる請求項１のバーナー（１０，１１０）。
【請求項３】
前記バーナー先端シールはバーナー先端バンド（８５，１８５）を含み、前記バーナー先端バンドは鋼、又はバーナー（１０，１１０）の過酷な環境に耐えることが可能な金属又は金属合成物を含んでなる請求項２のバーナー（１０，１１０）。
【請求項４】
前記バーナー先端バンド（８５，１８５）は鋼を含んでなる請求項３のバーナー（１０，１１０）。
【請求項５】
前記バーナー先端バンド（８５，１８５）の外周の回りに配設され前記周囲タイル（２２，１２２）にシール接触する圧縮性の高温材料（８７，１８７）を更に含んでなる請求項３又は４のバーナー（１０，１１０）。
【請求項６】
前記圧縮性の高温材料（８７，１８７）は加熱されたときに膨脹する請求項５のバーナー（１０，１１０）。
【請求項７】
前記バーナー先端バンド（８５，１８５）は前記圧縮性の高温材料（８７，１８７）を着座させる周囲刻み目（８３）を含む請求項５又は６のバーナー（１０，１１０）。
【請求項８】
前記圧縮性の高温材料（８７，１８７）はムライト繊維から作られている請求項５、６又は８のバーナー（１０，１１０）。
【請求項９】
前記圧縮性の高温材料（８７，１８７）は１５９３℃の最大温度定格及び最大で１４８２℃での連続使用限度を有する請求項５ないし８のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１１０）。
【請求項１０】
前記燃料オリフィス（１１，１１１）は、前記燃料を前記バーナー管（１２，１１２）内に導入するために、前記バーナー管の前記上流端（１６，１１６）に隣接して位置するガススパッド（２４，１２４）に位置する請求項１ないし９のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１１０）。
【請求項１１】
前記バーナー管（１２，１１２）の上流で水蒸気流を放射する水蒸気放射管（１５，１８４）をさらに含んでなる請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１１０）。
【請求項１２】
バーナーはフラットフレームバーナーである請求項１ないし１１のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１１０）。
【請求項１３】
バーナーはプレミックスバーナーである請求項１ないし１２のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１１０）。
【請求項１４】
前記バーナー先端と前記周囲タイル間のギャップの寸法は、前記複数サイドポート（６２，１６２）を出る燃料に利用される総空気量が、使用される燃料の多燃料可燃限度よりも５乃至１５％高いポイントのものとなるように、設けられている請求項１ないし１３のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１１０）。
【請求項１５】
燃焼の間に、前記複数のサイドポート（６２，１６２）から排出される燃料は前記燃焼された総燃料の５ないし１５％である請求項１ないし１４のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１１０）。
【請求項１６】
燃焼の間に、前記複数のサイドポート（６２，１６２）から排出される燃料は前記燃焼された総燃料の１０％である請求項１ないし１５のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１１０）。
【請求項１７】
前記燃料は燃焼排ガスである請求項１ないし１６のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１１０）。
【国際調査報告】
2005521022.tif 000024
2005521022.tif 000025
2005521022.tif 000026