(57)【要約】  加熱段階中、燃料−酸化剤ノズルからの燃料と酸化剤とのジェット（酸化剤を環状に包囲する燃料または燃料を環状に包囲する酸化剤）の注入が、燃焼空間内で燃焼される。加熱段階から分散燃焼段階への移行中、燃料または酸化剤のいずれかの、ある量の二次部分が、燃焼空間内へのジェットとして注入され、燃料−酸化剤ノズルからの同じ反応物の一次部分が減少される。移行段階中のある時点で、作動流体のジェットは、燃料−酸化剤ノズルからの反応物のジェットに向けて、および／または反応物の二次部分のジェットに向けてある角度で注入される。反応物の一次部分および／または反応物の二次部分のジェットは、それら２つのジェットの他方に向けて湾曲／偏向させられる。反応物の二次部分のステージングが、所望の度合いのステージングまで高められ、分散燃焼段階の開始が実現される。
2013534611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤の一次部分と燃料の一次部分とを備える燃焼反応物の第１のジェットが、動的燃料−酸化剤ノズルから燃焼空間内に注入されるステップであって、酸化剤の前記一次部分が燃料の前記一次部分を包囲する、または燃料の前記一次部分が酸化剤の前記一次部分を包囲するステップと、
前記燃焼反応物の一方の二次部分の第２のジェットが、少なくとも１つの二次ランスから前記燃焼空間内に注入されるステップであって、前記二次ジェットの前記燃焼反応物が、前記第１のジェットにおいて他方の燃焼反応物の周りで環状に注入される前記燃焼反応物と同じであるステップと、
燃料の第３のジェットが、前記第１のジェットを前記第２のジェットに向けて湾曲させるために前記第１のジェットの近くに注入され、前記第２のジェットの注入が開始された後に、前記タイプの反応物の前記一次部分と前記二次部分との間での所望の度合いのステージングが実現されるまで、前記環状に包囲する燃焼反応物の一次部分が減少され、同じ反応物の前記二次部分が増加されるステップと
を備える分散燃焼の方法。
【請求項２】
酸化剤の前記一次部分が燃料の前記一次部分を環状に包囲し、前記第２のジェットの前記燃焼反応物が酸化剤である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記酸化剤が酸素である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料が天然ガスである請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記燃料が燃料油である請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記酸化剤が空気である請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記燃料が天然ガスである請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記燃料が燃料油である請求項６に記載の方法。
【請求項９】
燃料の前記一次部分が酸化剤の前記一次部分を環状に包囲し、前記第２のジェットの前記燃焼反応物が燃料である請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のジェットが、初期注入軸から湾曲注入軸に湾曲され、前記初期軸と前記湾曲軸とが、最大で４０°の角度θを成す請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
θが最大で１５°である請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
酸化剤の前記二次部分が、所望の度合いのステージングを生み出すために酸化剤の総量の９０〜９５％を構成する請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
燃料の前記二次部分が、所望の度合いのステージングを生み出すために燃料の総量の９０〜９５％を構成する請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記所望の度合いのステージングで、無炎燃焼が実現される請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記作動流体が燃料であり、
前記作動流体が、前記燃料−酸化剤ノズルからの燃料の総流量の１〜２０％を構成する
請求項２に記載の方法。
【請求項１６】
前記作動流体が酸化剤であり、
前記作動流体が、前記燃料−酸化剤ノズルからの酸化剤の総流量の１〜２０％を構成する
請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの二次ランスが、前記燃料−酸化剤ノズルから同じ垂直距離で、かつ前記燃料−酸化剤ノズルから同じ水平距離で、前記燃料−酸化剤ノズルの両側に配設された第１および第２の二次ランスを備える請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記作動流体が酸化剤であり、
公称バーナー出力で、前記第３のジェットの速度が１００ｍ／ｓであり、
公称バーナー出力で、前記燃料の前記一次部分の速度が１００〜２００ｍ／ｓであり、
公称バーナー出力で、前記酸化剤の前記一次部分の速度が７５〜１５０ｍ／ｓであり、
公称バーナー出力で、前記酸化剤の前記二次部分の速度が７５〜２００ｍ／ｓである
請求項２に記載の方法。
【請求項１９】
前記燃焼空間内部で前記燃料および酸化剤の自然発火温度に達するまで、前記二次ジェットとして注入される前記二次部分の量が増加され、そのタイプの反応物の前記一次部分の量が減少される請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記方法が、加熱段階と、分散燃焼段階とで行われ
前記燃料および酸化剤の燃焼の熱が、前記加熱段階中に装入物を溶融するために使用され、
前記燃焼空間内で所望の温度に達した後、前記加熱段階から前記分散燃焼段階への移行が開始され、
前記移行中、前記第３のジェットを注入する前記ステップが開始され、
前記移行中、前記第１のジェットに環状に注入される燃焼反応物の前記一次部分が減少され、前記第２のジェットとして注入される前記タイプの反応物のそれぞれの二次部分が増加され、
前記所望の度合いのステージングが実現されたときに前記移行が終了して、前記分散燃焼段階が始まる
請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
分散燃焼を実現するためのシステムであって、
酸化剤源と、
燃料源と、
作動流体源と、
バーナーブロックと、
前記バーナーブロック内に挿入された燃料−酸化剤ノズルとを備え、前記燃料−酸化剤ノズルが、
本体を貫通して延びるより大きな直径のボアと、前記より大きな直径のボアの内部に同心に配設された、本体を貫通して延びるより小さな直径の管と、前記より大きな直径のボアから間隔を空けて設けられた、本体を貫通して延びる少なくとも１つの作動流体チャネルとを有するノズル本体を備え、前記より小さな直径の管の内部が、中央に配設された反応物注入チャネルを画定し、前記より大きな直径のボアの内面と前記より小さな直径の管の外面とが、環状の反応物注入チャネルを画定し、
前記燃料−酸化剤ノズルがさらに、前記バーナーブロックの遠位に配設された前記ノズル本体の末端部を覆うキャップを備え、前記キャップが、前記ノズル本体の前記末端部に面する第１の面と、前記バーナーブロックとは反対に面する第２の面とを備え、前記キャップが、さらに末端開口を備え、前記末端開口が、前記中央に配設された環状の反応物注入チャネルと流体連絡し、前記より大きな直径のボアの直径に対応する直径を有し、前記キャップが、さらに、前記少なくとも１つの作動流体注入チャネルと、前記第２の面または前記末端開口のいずれかとに流体連絡するキャビティを備え、
システムがさらに、中央に配設されたノズルを備える前記バーナーブロック内に挿入される少なくとも１つの二次ランスを備え、
前記酸化剤源が、前記中央に配設された反応物注入チャネルまたは前記環状の反応物チャネルのいずれかと流体連絡し、
前記酸化剤源が、前記中央に配設された反応物注入チャネルと流体連絡する場合に、前記燃料源が、前記環状の反応物注入チャネルと流体連絡し、前記酸化剤源が、前記少なくとも１つの二次ランスの前記中央に配設されたノズルとさらに流体連絡し、
前記酸化剤源が、前記環状の反応物注入チャネルと流体連絡する場合に、前記燃料源が、前記中央に配設された反応物注入チャネルと流体連絡し、前記燃料源が、前記少なくとも１つの二次ランスの前記中央に配設されたノズルとさらに流体連絡し、
前記作動流体注入チャネルとキャップキャビティとが、燃料／酸化剤ジェットをその垂直軸から偏向させるために、前記流体注入チャネルからの作動流体の流れを方向付け、前記作動流体の流れを、前記反応物注入チャネルから注入される燃料および酸化剤のジェットに向けてある角度で注入するように適合される
システム。
【請求項２２】
前記酸化剤源が、前記環状の反応物注入チャネルと流体連絡する請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記酸化剤源が、前記中央に配設された反応物注入チャネルと流体連絡する請求項２１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの二次ランスが、前記燃料−酸化剤ノズルから同じ垂直距離で、かつ前記燃料−酸化剤ノズルから同じ水平距離で、前記燃料−酸化剤ノズルの両側に配設された第１および第２の二次ランスを備える請求項２１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記より小さな直径の管が直径Ｄ1を有し、前記第１および第２のランスそれぞれの前記中央に配設されたノズルが直径Ｄ2を有し、前記第１および第２の二次ランスの軸方向中心が、Ｄ1とＤ2との小さいほうの少なくとも１０倍の距離ｘだけ離隔される請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記燃料−酸化剤ノズルの軸方向中心が、ｘに等しい垂直距離だけ前記第１および第２の二次ランスの前記軸方向中心から離隔される請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記キャップキャビティが、前記少なくとも１つの作動流体注入チャネルと前記末端開口との間で流体連絡し、前記作動流体注入チャネルとキャビティとが、前記キャビティによって、前記作動流体注入チャネルから注入される作動流体のジェットが、前記末端開口内の一点で、前記反応物注入チャネルからの燃料および酸化剤のジェットに向かうある角度に向け直されるように適合される請求項２１に記載のシステム。
【請求項２８】
前記キャップキャビティが、前記少なくとも１つの作動流体注入チャネルと前記キャップの前記第２の面との間で流体連絡し、前記作動流体注入チャネルとキャビティとが、前記キャビティによって、前記作動流体注入チャネルから注入される作動流体のジェットが、前記末端開口の下流の一点で、前記反応物注入チャネルからの燃料および酸化剤のジェットに向かうある角度に向け直されるように適合される請求項２１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
燃料のオキシ燃焼は、空気ベースの燃焼に比べて産業用炉内での熱利用（熱効率）を高めるための既知のストラテジである。オキシ−燃料バーナーは、火炎から被燃焼物への輻射伝熱を高めるより高い火炎温度を有する。しかし、より高い火炎温度は、いくつかの状況では、特に二次アルミニウム溶融などのためのより低温の炉に関しては悪影響を有することがある。高い火炎温度により、ＮＯx発生の傾向が強まる。したがって、Ｎ2が、燃料を介して、または炉内への空気侵入により燃焼区域に入る場合、ＮＯx発生が大幅に増加することがある。また、より高温の火炎は、炉内にホットスポットを生じることがあり、または生成物の品質に悪影響を及ぼすことがある。アルミニウムの溶融などいくつかの場合には、高い火炎温度はまた、金属酸化の割合も高め、それにより金属損失が生じることがある。
【０００２】
上述した問題を克服するために、より低いが非常に均一な温度でオキシ燃焼を行うためのストラテジとして、分散燃焼が開発されている。希釈燃焼、高温空気燃焼（ｍｉｌｄ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）、または（火炎がもはや目に見えない特定の状況では）無炎燃焼とも呼ばれる、このストラテジの中心となる考えは、より低い温度およびより均一な温度分布を炉内で実現するために、燃焼前に炉ガス（大抵はＨ2ＯとＣＯ2との混合物）で反応物を希釈することである。無炎モードを維持するために、希釈混合物の温度は、自然発火温度よりも上に保つべきである。従来の燃焼プロセスで観察される質量輸送と化学反応との複雑な相互作用とは異なり、大きく希釈された反応物は、燃焼反応の時間スケールを増加することによって、燃焼を反応律速プロセスにする。このゆっくりとした燃焼プロセスは、非常に分散された反応区域によって現れ、そのような反応区域では、ピーク温度が低く、それによりＮＯxを劇的に減少させる。
【０００３】
多くの研究者が、分散燃焼用のバーナーを提案している。
【０００４】
国際公開第２００４／０２９５１１号は、炉ガスの内部再循環を提供するために、バーナーの酸素ノズルによって生成されるエジェクタ効果を利用する。下流での燃料注入により、燃料に達する前に酸素が炉ガスと混合する。国際公開第２００４／０２９５１１号は、燃料注入の周りに円状に配置された６本の酸素供給パイプを含む。酸素供給パイプは、好ましくは、超音速で酸素を送給する。
【０００５】
国際公開第２００４／０２９５１１号のバーナーと同様に、米国特許第６，００７，３２６号も、炉内での、共に低い濃度の燃料と酸素との燃焼に関する。反応物の希釈は、それらの空間的に離隔された注入によって、高速で得られる。燃料と酸化剤は、周囲よりも高い任意の温度に予熱することができる。
【０００６】
米国特許出願公開第２００７０２５４２５１号は、無炎燃焼レジームのために設計されたバーナーを開示する。このバーナーは、様々な役割を果たす複数の燃料および酸化剤の注入を含む。場合により設けられる中央火炎安定器が、炉内または燃焼区域内に燃料および気体酸化剤を注入するための複数のノズルによって取り囲まれる。このバーナーは、酸化剤として空気または酸素を使用することができる。
【０００７】
酸素を利用するいくつかの分散燃焼バーナーは、反応物の高速注入に依拠しなければならない。高速注入は、通常は、動作のために酸素と天然ガスとの高圧を必要とする。この欠点により、比較的低い圧力で酸素を利用するバーナーを用いた分散燃焼を実現する必要がある。
【０００８】
酸化剤供給の圧力とは関係なく、分散燃焼は、通常、炉内への燃料と酸化剤との個別の注入によって実現される。一方または両方の反応物のジェットが、例えば高速勾配、旋回流、または鈍頭物体を使用することによって、ジェット中への炉ガスの同伴を促進するようにして炉内に注入される。ジェット間の距離は、２つの反応物ストリームが互いに相互作用／混合する前に、一方または両方の反応物の十分な希釈を実現するという目的で決定される。例えば、米国特許第５，９６１，３１２号は、燃料と空気ジェットとの距離Ｌが式（Ｌ／Ｄa）×［（Ｖa／Ｖo）0.5］＞１０によって与えられるバーナー設計を開示する。ここで、Ｄaは、空気ノズルの直径であり、Ｖaは、空気の速度であり、Ｖoは、空気の単位速度（１ｍ／ｓ）である。同様に、米国特許第６，００７，３２６号も、低いＮＯx発生のための希釈燃焼条件を実現するために、燃料ジェットと酸化剤ジェットとの間で、少なくとも６インチ、好ましくは２４インチの距離を必要とする。ジェット間のこれらの間隔要件は、しばしば、バーナーをかなり大きく嵩張るものにすることがある。
【０００９】
時として、反応物が炉ガスによって希釈されるまで反応物の混合を遅延するために、反応物ノズル間の注入の非ゼロ角度を使用することもできる。例えば、米国特許第５，７７２，４２１号は、それにより燃料と酸化剤とが最初は互いに離れるように発散するが、最後には炉内で混合するように燃料と酸化剤とが放出されるバーナー設計を開示する。しかし、発散するジェットの混合は、炉の幾何形状、バーナー動作、および炉内のバーナーの位置に依存する。その結果、これらのバーナーは、いくつかの特定の炉内では、しばしば特定の動作条件でのみ効果的である。
【００１０】
分散燃焼を実現するための別のストラテジは、複数のノズルを使用することによって、炉内で一方の反応物を分散させるというものである。他方の反応物は、通常は、炉ガスを同伴するために、高速または高速旋回ジェットとして供給される。例えば、米国特許第６，７７３，２５６号は、燃料希薄火炎を実現するために少量の燃料が酸化剤ストリーム中に供給されるバーナーを開示する。残りの燃料は、火炎から固定の距離で、複数の燃料ノズルを通して供給される。燃料ノズルは、望まれるステージングに応じて、火炎に対して異なる角度で燃料を注入するように設計することができる。そのような設計ストラテジは、製造費が比較的高くなり、かつ制御が難しくなることがある、比較的大きく複雑なバーナーをもたらすことがある。
【００１１】
上述した欠点により、単純で小型のバーナーを用いて分散燃焼を実現する必要がある。
【００１２】
高度に段階的な燃焼を実現するための重要な条件の１つは、高い炉内温度である。高度に段階的な燃焼に関して燃焼室内部での完全な燃焼を維持するために、自然発火温度よりも高い温度、典型的には７００℃超、または８００℃超まで炉を予熱しなければならない。ほとんどの高度に段階的なバーナーは、ステージング前に所望の炉内温度を実現するための予熱器バーナーを必要とする。例えば、国際公開第２００６／０３１１６３号は、火炎モードと段階式モードとの両方で動作させることができるバーナーを開示する。初めに、炉が冷えているとき、燃料と酸化剤は、安定な火炎を有するように同軸の開口（パイプインパイプ）から注入される。炉内温度が燃料の自然発火温度に達すると、燃料と酸化剤は、炉内で分散燃焼を有するように互いに空間的に離隔された開口から注入される。ほぼすべての段階式バーナー設計に伴う問題は、公称設計出力以外でのバーナー出力ではそれらの性能がしばしば悪くなることである。典型的には、これらのバーナーは、公称出力条件では非常に良好に動作するが、それらの燃焼効率および放出特性は、バーナー出力が公称出力から何らかの他の出力に変更されるときに、しばしばかなり低下する。バーナー出力のそのような変更は、ほとんどの産業用炉で非常に一般的なシナリオである。
【００１３】
上述した欠点により、様々なバーナー出力で十分な分散燃焼を実現することができるバーナーも必要である。
【発明の概要】
【００１４】
以下のステップを含む分散燃焼の方法が開示される。第１の反応物Ｒ1の一次部分と第２の反応物Ｒ2の一次部分との第１のジェットが、燃料−酸化剤ノズルから燃焼空間内に注入される。Ｒ1またはＲ2の二次部分の第２のジェットが、少なくとも１つの二次ランスから燃焼空間内に注入される。作動流体の第３のジェットが、第１のジェットを第２のジェットに向けて湾曲させるか、第２のジェットを第１のジェットに向けて湾曲させるか、または第１のジェットと第２のジェットとを互いに向けて湾曲させるために、第１のジェットおよび／または第２のジェットの近くに注入される。Ｒ1が燃料であり、Ｒ2が酸化剤であるか、Ｒ1が酸化剤であり、Ｒ2が燃料であるかのいずれかである。第２のジェットがＲ1のジェットである場合、第２のジェットの注入が開始された後に、Ｒ1の一次部分と二次部分との間での所望の度合いのステージングが実現されるまで、Ｒ1の一次部分が減少され、Ｒ1の二次部分が増加される。第２のジェットがＲ2のジェットである場合、第２のジェットの注入が開始された後に、Ｒ2の一次部分と二次部分との間での所望の度合いのステージングが実現されるまで、Ｒ2の一次部分が減少され、Ｒ2の二次部分が増加される。
【００１５】
以下のステップを含む別の分散燃焼方法も開示される。酸化剤の一次部分と燃料の一次部分とを備える燃焼反応物の第１のジェットが、動的燃料−酸化剤ノズルから燃焼空間内に注入される。燃焼反応物の一方の二次部分の第２のジェットが、少なくとも１つの二次ランスから燃焼空間内に注入される。燃料の第３のジェットが、第１のジェットを第２のジェットに向けて湾曲させるために第１のジェットの近くに注入される。酸化剤の一次部分が燃料の一次部分を包囲するか、または燃料の一次部分が酸化剤の一次部分を包囲する。第２のジェットの燃焼反応物は、第１のジェット中で他方の燃焼反応物の周りで環状に注入される燃焼反応物と同じである。第２のジェットの注入が開始された後に、そのタイプの反応物の一次部分と二次部分との間での所望の度合いのステージングが実現されるまで、環状に包囲する燃焼反応物の一次部分が減少され、同じ反応物の二次部分が増加される。
【００１６】
以下のステップを含む別の分散燃焼方法も開示される。酸化剤の一次部分と燃料の一次部分とを備える燃焼反応物の第１のジェットが、燃料−酸化剤ノズルから燃焼空間内に注入されるステップであって、酸化剤の一次部分が燃料の一次部分を包囲する、または燃料の一次部分が酸化剤の一次部分を包囲するステップ。燃焼反応物の一方の二次部分の第２のジェットが、少なくとも１つの動的ランスから燃焼空間内に注入されるステップであって、二次ジェットの燃焼反応物が、第１のジェットにおいて他方の燃焼反応物の周りで環状に注入される燃焼反応物と同じであるステップ。作動流体の第３のジェットが、第２のジェットを第１のジェットに向けて湾曲させるために第２のジェットの近くに注入されるステップ。第２のジェットが酸化剤のジェットである場合、第２のジェットの注入が開始された後に、全体の酸化剤の一次部分と二次部分との間での所望の度合いのステージングが実現されるまで、酸化剤の一次部分が減少され、酸化剤の二次部分が増加される。第２のジェットが燃料のジェットである場合、第２のジェットの注入が開始された後に、全体の燃料の一次部分と二次部分との間での所望の度合いのステージングが実現されるまで、燃料の一次部分が減少され、燃料の二次部分が増加される。
【００１７】
また、分散燃焼を実現するためのシステムであって、酸化剤源と、燃料源と、作動流体源と、バーナーブロックと、バーナーブロックに挿入された燃料−酸化剤ノズルと、バーナーブロックに挿入された少なくとも１つの二次ランスとを備えるシステムも開示される。燃料−酸化剤ノズルは、本体を貫通して延びるより大きな直径のボアと、より大きな直径のボアの内部に同心に配設された、本体を貫通して延びるより小さな直径の管と、より大きな直径のボアから間隔を空けて設けられた、本体を貫通して延びる少なくとも１つの作動流体チャネルとを有するノズル本体を備え、より小さな直径の管の内部が、中央に配設された反応物注入チャネルを画定し、より大きな直径のボアの内面とより小さな直径の管の外面とが、環状の反応物注入チャネルを画定する。燃料−酸化剤ノズルは、さらに、バーナーブロックの遠位に配設されたノズル本体の末端部を覆うキャップを備え、キャップが、ノズル本体の末端部に面する第１の面と、バーナーブロックとは反対に面する第２の面とを備え、キャップが、さらに末端開口を備え、末端開口が、中央に配設された環状の反応物注入チャネルと流体連絡し、より大きな直径のボアの直径に対応する直径を有し、キャップが、さらに、少なくとも１つの作動流体注入チャネルと、第２の面または末端開口のいずれかとに流体連絡するキャビティを備える。少なくとも１つの二次ランスは、中央に配設されたノズルを備える。酸化剤源が、中央に配設された反応物注入チャネルまたは環状の反応物チャネルのいずれかと流体連絡する。酸化剤源が、中央に配設された反応物注入チャネルと流体連絡する場合に、燃料源が、環状の反応物注入チャネルと流体連絡し、酸化剤源が、少なくとも１つの二次ランスの中央に配設されたノズルとさらに流体連絡する。酸化剤源が、環状の反応物注入チャネルと流体連絡する場合に、燃料源が、中央に配設された反応物注入チャネルと流体連絡し、燃料源が、少なくとも１つの二次ランスの中央に配設されたノズルとさらに流体連絡する。作動流体注入チャネルとキャップキャビティとが、燃料／酸化剤ジェットをその垂直軸から偏向させるために、流体注入チャネルからの作動流体の流れを方向付け、作動流体の流れを、反応物注入チャネルから注入される燃料および酸化剤のジェットに向けてある角度で注入するように適合される。
【００１８】
また、分散燃焼を実現するためのシステムであって、酸化剤源と、燃料源と、作動流体源と、バーナーブロックと、バーナーブロックに挿入された燃料−酸化剤ノズルと、バーナーブロックに挿入された少なくとも１つの動的ランスとを備える別のシステムも開示される。燃料−酸化剤ノズルは、本体を貫通して延びるより大きな直径のボアと、より大きな直径のボアの内部に同心に配設された、本体を貫通して延びるより小さな直径の管とを有するノズル本体を備え、より小さな直径の管の内部が、中央に配設された反応物注入チャネルを画定し、より大きな直径のボアの内面とより小さな直径の管の外面とが、環状の反応物注入チャネルを画定する。少なくとも１つの動的ランスが、本体を貫通して延びる反応物注入ボアと、反応物注入ボアから間隔を空けて設けられた少なくとも１つの作動流体注入チャネルとを有するノズル本体を備え、少なくとも１つの動的ランスが、さらに、バーナーブロックの遠位に配設されたノズル本体の末端部を覆うキャップを備え、キャップが、ノズル本体の末端部に面する第１の面と、バーナーブロックとは反対に面する第２の面とを備え、キャップが、さらに末端開口を備え、末端開口が、反応物注入ボアと流体連絡し、反応物注入ボアの直径に対応する直径を有し、キャップが、さらに、少なくとも１つの作動流体注入チャネルと、第２の面または末端開口のいずれかとに流体連絡するキャビティを備える。酸化剤源が、中央に配設された反応物注入チャネルまたは環状の反応物チャネルのいずれかと流体連絡する。酸化剤源が、中央に配設された反応物注入チャネルと流体連絡する場合に、燃料源が、環状の反応物注入チャネルと流体連絡し、酸化剤源が、少なくとも１つの動的ランスの中央に配設されたノズルとさらに流体連絡する。酸化剤源が、環状の反応物注入チャネルと流体連絡する場合に、燃料源が、中央に配設された反応物注入チャネルと流体連絡し、燃料源が、少なくとも１つの動的ランスの中央に配設されたノズルとさらに流体連絡する。作動流体注入チャネルが、燃料／酸化剤ジェットをその垂直軸から偏向させるために、流体注入チャネルからの作動流体の流れを方向付け、作動流体の流れを、少なくとも１つの動的から注入された燃焼反応物に向けてある角度で注入するように適合される。
【００１９】
本発明による方法および／またはシステムは、組み合わせて使用することができ、以下の態様の１つまたは複数を含むことがある。
【００２０】
−Ｒ2の一次部分が、Ｒ1の一次部分を環状に包囲する。
【００２１】
−Ｒ2が酸化剤であり、Ｒ1が燃料である。
【００２２】
−酸化剤が酸素である。
【００２３】
−燃料が天然ガスである。
【００２４】
−燃料が燃料油である。
【００２５】
−酸化剤が空気である。
【００２６】
−第１のジェットが第２のジェットに向けて湾曲される。
【００２７】
−第１のジェットが第２のジェットに向けて湾曲され、第２のジェットがＲ2のジェットであり、作動流体がＲ1である。
【００２８】
−第２のジェットが第１のジェットに向けて湾曲され、第２のジェットがＲ2のジェットであり、作動流体がＲ2である。
【００２９】
−湾曲されるジェットが、初期注入軸から湾曲注入軸に湾曲され、初期軸と湾曲軸が、最大で４０°の角度θを成す。
【００３０】
−θが最大で１５°である。
【００３１】
−Ｒ1またはＲ2の二次部分が、所望の度合いのステージングを生み出すために反応物の総量の９０〜９５％を構成する。
【００３２】
−無炎燃焼が、所望の度合いのステージングで実現される。
【００３３】
−第１のジェットが第２のジェットに向けて湾曲され、Ｒ2の一次部分がＲ1の一次部分を環状に包囲し、作動流体がＲ1であり、作動流体が、燃料−酸化剤ノズルからのＲ1の総流量の１〜２０％を構成する。
【００３４】
−第２のジェットが第１のジェットに向けて湾曲され、Ｒ2の一次部分がＲ1の一次部分を環状に包囲し、作動流体がＲ2であり、作動流体が、二次ランスからのＲ2の総流量の１〜２０％を構成する。
【００３５】
−少なくとも１つの二次ランスが、燃料−酸化剤ノズルから同じ垂直距離で、かつ燃料−酸化剤ノズルから同じ水平距離で、燃料−酸化剤ノズルの両側に配設された第１および第２の二次ランスを備える。
【００３６】
−第１のジェット中でＲ2がＲ1を包囲し、Ｒ2が酸化剤であり、Ｒ1が燃料であり、第１のジェットが第２のジェットに向けて湾曲され、作動流体がＲ2であり、公称バーナー出力で、第３のジェットの速度が１００ｍ／ｓであり、公称バーナー出力で、燃料の一次部分の速度が１００〜２００ｍ／ｓであり、公称バーナー出力で、酸化剤の一次部分の速度が７５〜１５０ｍ／ｓであり、公称バーナー出力で、酸化剤の二次部分の速度が７５〜２００ｍ／ｓである。
【００３７】
−燃料および酸化剤の自然発火温度に達するまで、Ｒ1またはＲ2の二次部分の量が増加され、その反応物の一次部分の量が減少される。
【００３８】
−上記方法が、加熱段階と、分散燃焼段階とで行われ、燃料および酸化剤の燃焼の熱が、加熱段階中に装入物を溶融するために使用され、燃焼空間内で所望の温度に達した後、加熱段階から分散燃焼段階への移行が開始され、移行中、第３のジェットを注入する上記ステップが開始され、移行中、Ｒ1またはＲ2の一次部分が減少され、Ｒ1またはＲ2のそれぞれ二次部分がそれぞれ増加され、所望の度合いのステージングが実現されたときに移行が終了して、分散燃焼段階が始まる。
【００３９】
−酸化剤の一次部分が燃料の一次部分を環状に包囲し、第２のジェットの燃焼反応物が酸化剤である。
【００４０】
−燃料の一次部分が酸化剤の一次部分を環状に包囲し、第２のジェットの燃焼反応物が燃料であり、燃料の二次部分が、所望の度合いのステージングを生み出すために燃料の総量の９０〜９５％を構成する。
【００４１】
−酸化剤源が、環状の反応物注入チャネルと流体連絡する。
【００４２】
−酸化剤源が、中央に配設された反応物注入チャネルと流体連絡する。
【００４３】
−上記少なくとも１つの二次ランスが、燃料−酸化剤ノズルから同じ垂直距離で、かつ燃料−酸化剤ノズルから同じ水平距離で、燃料−酸化剤ノズルの両側に配設された第１および第２の二次ランスを備える。
【００４４】
−より小さな直径の管が直径Ｄ1を有し、第１および二次ランスそれぞれの中央に配設されたノズルが直径Ｄ2を有し、第１および第２の二次ランスの軸方向中心が、Ｄ1とＤ2との小さいほうの少なくとも１０倍の距離ｘだけ離隔される。
【００４５】
−燃料−酸化剤ノズルの軸方向中心が、ｘに等しい垂直距離だけ第１および第２の二次ランスの軸方向中心から離隔される。
【００４６】
−キャップキャビティが、少なくとも１つの作動流体注入チャネルと末端開口との間で流体連絡し、作動流体注入チャネルとキャビティとが、キャビティによって、作動流体注入チャネルから注入される作動流体のジェットが、末端開口内の一点で、反応物注入チャネルからの燃料および酸化剤のジェットに向かうある角度に向け直されるように適合される。
【００４７】
−キャップキャビティが、少なくとも１つの作動流体注入チャネルとキャップの第２の面との間で流体連絡し、作動流体注入チャネルとキャビティとが、キャビティによって、作動流体注入チャネルから注入される作動流体のジェットが、末端開口の下流の一点で、反応物注入チャネルからの燃料および酸化剤のジェットに向かうある角度に向け直されるように適合される。
【００４８】
−湾曲される第２のジェットが、初期注入軸から湾曲注入軸に湾曲され、初期軸と湾曲軸が、最大で４０°の角度θを成す。
【００４９】
−少なくとも１つの動的によって注入される燃焼反応物の二次部分が、所望の度合いのステージングを生み出すためにその反応物の総量の９０〜９５％を構成する。
【００５０】
−作動流体が酸化剤であり、作動流体が、少なくとも１つの動的ランスからの酸化剤の総流量の１〜２０％を構成する。
【００５１】
−作動流体が燃料であり、作動流体が、少なくとも１つの動的ランスからの燃料の総流量の１〜２０％を構成する。
【００５２】
−少なくとも１つの動的ランスが、燃料−酸化剤ノズルから同じ垂直距離で、かつ燃料−酸化剤ノズルから同じ水平距離で、燃料−酸化剤ノズルの両側に配設された第１および第２の動的ランスを備える。
【００５３】
−作動流体が酸化剤であり、公称バーナー出力で、第３のジェットの速度が１００ｍ／ｓであり、公称バーナー出力で、燃料の一次部分の速度が１００〜２００ｍ／ｓであり、公称バーナー出力で、酸化剤の一次部分の速度が７５〜１５０ｍ／ｓであり、公称バーナー出力で、酸化剤の二次部分の速度が７５〜２００ｍ／ｓである。
【００５４】
−酸化剤源が、環状の反応物注入チャネルと流体連絡する。
【００５５】
−酸化剤源が、中央に配設された反応物注入チャネルと流体連絡する。
【００５６】
−上記少なくとも１つの動的ランスが、燃料−酸化剤ノズルから同じ垂直距離で、かつ燃料−酸化剤ノズルから同じ水平距離で、燃料−酸化剤ノズルの両側に配設された第１および第２の動的ランスを備える。
【００５７】
−より小さな直径の管が直径Ｄ1を有し、第１および動的ランスそれぞれの中央に配設されたノズルが直径Ｄ2を有し、第１および第２の二次ランスの軸方向中心が、Ｄ1とＤ2との小さいほうの少なくとも１０倍の距離ｘだけ離隔される。
【００５８】
−燃料−酸化剤ノズルの軸方向中心が、ｘに等しい垂直距離だけ第１および第２の動的ランスの軸方向中心から離隔される。
【００５９】
−キャップキャビティが、少なくとも１つの作動流体注入チャネルと末端開口との間で流体連絡し、作動流体注入チャネルとキャビティとが、キャビティによって、作動流体注入チャネルから注入される作動流体のジェットが、末端開口内の一点で、反応物注入ボアからの燃料または酸化剤のジェットに向かうある角度に向け直されるように適合される。
【００６０】
−キャップキャビティが、少なくとも１つの作動流体注入チャネルとキャップの第２の面との間で流体連絡し、作動流体注入チャネルとキャビティとが、キャビティによって、作動流体注入チャネルから注入される作動流体のジェットが、末端開口の下流の一点で、反応物注入ボアからの燃料または酸化剤のジェットに向かうある角度に向け直されるように適合される。
【００６１】
本発明の性質および目的のさらなる理解のために、添付図面に関連付けて以下の詳細な説明を参照すべきである。図面中、同様の要素には同一または同様の参照番号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】動的ランスおよび燃料／酸化剤ノズルを含む隠れた部分を示す、開示されるバーナーの第１の実施形態の概略正面図。
【図２Ａ】動的燃料／酸化剤ノズルおよび二次反応物ランスを含む隠れた部分を示す、開示されるバーナーの第２の実施形態の概略正面図。
【図２Ｂ】動的燃料−酸化剤ノズルと二次ランスとの空間的関係が特徴付けられる、図２Ａのバーナーの概略正面図。
【図２Ｃ】特定のノズル距離が特徴付けられる、動的燃料／酸化剤ノズルと２つの二次反応物ランスとを含む隠れた部分を示す、開示されるバーナーの第２の実施形態の概略正面図。
【図３Ａ】燃料−酸化剤ノズルによって非偏向可能ジェットが注入される、加熱段階中の開示される分散燃焼プロセスの概略図。
【図３Ｂ】燃料−酸化剤ノズルによって非偏向可能ジェットが注入され、動的ランスによって偏向可能ジェットが注入される、加熱段階から分散燃焼段階への移行中の図３Ａのプロセスの概略図。
【図３Ｃ】燃料−酸化剤ノズルによって非偏向可能ジェットが注入され、動的ランスによって偏向可能ジェットが注入される、分散燃焼段階中の図３Ａ〜図３Ｂのプロセスの概略図。
【図３Ｄ】動的燃料−酸化剤ノズルによって偏向可能ジェットが注入される、加熱段階中の開示される分散燃焼プロセスの概略図。
【図３Ｅ】動的燃料−酸化剤ノズルによって偏向可能ジェットが注入され、二次ランスによって非偏向可能ジェットが注入される、加熱段階から分散燃焼段階への移行中の図３Ｄのプロセスの概略図。
【図３Ｆ】動的燃料−酸化剤ノズルによって偏向可能ジェットが注入され、二次ランスによって非偏向可能ジェットが注入される、分散燃焼段階中の図３Ｄ〜図３Ｅのプロセスの概略図。
【図３Ｇ】動的燃料−酸化剤ノズルによって偏向可能ジェットが注入される、加熱段階中の開示される分散燃焼プロセスの概略図。
【図３Ｈ】動的燃料−酸化剤ノズルによって偏向可能ジェットが注入され、動的ランスによって別の偏向可能ジェットが注入される、加熱段階から分散燃焼段階への移行中の図３Ｇのプロセスの概略図。
【図３Ｉ】動的燃料−酸化剤ノズルによって偏向可能ジェットが注入され、動的ランスによって別の偏向可能ジェットが注入される、分散燃焼段階中の図３Ｇ〜図３Ｈのプロセスの概略図。
【図３Ｊ】任意選択のスイープ技法の概略上面図。
【図４Ａ】開示されるバーナーの燃料／酸化剤ノズルの第１の実施形態の概略斜視図。
【図４Ｂ】隠れた部分を示す線Ｂ−Ｂに沿って取られた図４Ａのノズルの断面図。
【図４Ｃ】隠れた部分を示す線Ｃ−Ｃに沿って取られた図４Ａのノズルの断面図。
【図４Ｄ】線Ｄ−Ｄに沿って取られた図４Ａのノズルの断面図。
【図４Ｅ】図４Ａのノズルから取られた長手方向断面の概略正面図。
【図５Ａ】開示されるバーナーの動的ランスの第１の実施形態の概略斜視図。
【図５Ｂ】隠れた部分を示す線Ｂ−Ｂに沿って取られた図５Ａの動的ランスの断面図。
【図５Ｃ】隠れた部分を示す線Ｃ−Ｃに沿って取られた図５Ａの動的ランスの断面図。
【図５Ｄ】線Ｄ−Ｄに沿って取られた図５Ａの動的ランスの断面図。
【図５Ｅ】図５Ａの動的ランスから取られた長手方向断面の概略正面図。
【図６Ａ】開示されるバーナーの燃料／酸化剤ノズルの第２の実施形態の概略斜視図。
【図６Ｂ】図６Ａのノズルから取られた長手方向断面の概略正面図。
【図７Ａ】開示されるバーナーの動的ランスの第１の実施形態の概略斜視図。
【図７Ｂ】図７Ａの動的ランスから取られた長手方向断面の概略正面図。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
動的ランスまたは動的燃料−酸化剤ノズルの使用によって実現されるジェットの流動ベクトル化によって炉内の反応物の一方（燃料または酸化剤）の広い分散を実現する、分散燃焼用の単純で小型のバーナーが開示される。分散燃焼段階において、動的ランスまたは動的燃料−酸化剤ノズルは、ほぼまたは完全にただ１つの反応物の供給の方向を湾曲／偏向／変更するために、機械部品を移動させるのではなく、作動流体（典型的には、作動流体は、燃料、酸化剤、または不活性ガス、例えば再循環された煙道ガスである）を使用し、したがって、固定された反応物供給方向を有する燃料−酸化剤ノズルの単一のランスによって実現されるよりもはるかに大きい利用可能体積にわたってその反応物を拡散させることができる能力を有する。動的燃料−酸化剤ノズルまたは動的ランスからのこのほぼ単一の、または完全に単一の反応物と、（それぞれ二次ランスまたは燃料−酸化剤ノズルのいずれかから、あるいはそれぞれ動的ランスまたは動的燃料−酸化剤ノズルのいずれかから注入される）他のタイプの反応物との混合は遅延される。なぜなら、一方の反応物の偏向／湾曲されたジェットにより、その反応物が、他方の反応物と混合する前に炉ガスを同伴するからである。
【００６４】
開示される分散燃焼プロセスの動作の第１の段階（加熱段階）中、燃料と酸化剤は、一方の反応物が他方の反応物によって包囲されたジェットとして、チューブインチューブタイプ燃料／酸化剤ノズルを通して、それらが燃焼される燃焼室（例えば産業用炉）内へ注入される。この包囲型のジェットは、動的燃料／酸化剤ノズルを通して、または非動的燃料／酸化剤ノズルを通して注入することができる。「動的」燃料−酸化剤ノズルは、作動流体の使用により、燃料によって包囲された酸化剤または酸化剤によって包囲された燃料を湾曲／偏向させることができることを意味し、一方、「非動的」燃料−酸化剤ノズルは、燃料によって包囲された酸化剤または酸化剤によって包囲された燃料を湾曲／偏向させることができない（すなわち作動流体が提供されない）ことを意味する。加熱段階中、燃料と酸化剤とのジェットは、作動流体によって流体的に湾曲されない。
【００６５】
加熱段階は、燃料および酸化剤の自然発火温度、典型的には７００℃超または８００℃超まで続けられる。
【００６６】
動的または非動的燃料−酸化剤ノズルは、一方の反応物の一次部分を供給する。最終的に分散燃焼を実現するために、加熱段階から第２の動作段階（分散燃焼段階）への移行中に、その反応物のステージングされた二次部分を燃焼室内に導入する必要があり、その一方で、（動的または非動的燃料−酸化剤ノズルからの）その反応物の一次部分は減少される。動的燃料−酸化剤ノズルが使用されるとき、反応物の二次部分は、二次ランスまたは動的ランスを通して注入することができる。非動的燃料−酸化剤ノズルが使用されるとき、反応物の二次部分は、動的ランスを通して注入することができる。移行期間の開始時、反応物の二次部分は、少量だけ、二次ランス（動的燃料−酸化剤ノズルの場合）または動的ランス（動的または非動的燃料／酸化剤ノズルの場合）のいずれかを通して導入される。同時に、燃焼空間内への対象の反応物の一定の全体的な流量を維持するために、動的または非動的燃料／酸化剤ノズルからのその反応物の一次部分の注入は、対応する量だけ減少される。加熱段階から分散燃焼段階へのこの移行が続けられるにつれて、二次部分の量がさらに増加され、一次部分の量がさらに減少される。この移行段階は、その反応物の一次部分の量に対して、その反応物の所望の部分（すなわち所望のステージング）が（二次ランスまたは動的ランスから）二次部分として注入されるまで続く。
【００６７】
第１の段階から第２の段階への移行中、動的ランスまたは動的燃料／酸化剤ノズルのノズル本体に形成された１つまたは複数の作動流体注入チャネルを通る作動流体の流れを可能にするために、弁が開かれる。作動流体は、（動的ランスの場合には）中央に配設されたノズルからジェットとして注入される反応物に向けてある角度で、または（チューブインチューブタイプの動的燃料／酸化剤ノズルの場合には）ジェットとして注入される燃料と酸化剤とに向けてある角度で注入される。
【００６８】
動的ランスが単一のタイプの反応物のみを注入する場合、注入される作動流体のジェットは、その単一の反応物が動的ランスから出る前に、その単一の反応物のジェットに交差することがある（第１の実施形態）。あるいは、作動流体のジェットは、その単一の反応物が動的ランスから出た後に、その単一の反応物のジェットに交差することがある（第２の実施形態）。
【００６９】
作動流体と単一の反応物のジェットとの交差の第１の実施形態では、動的ランスは、中央に配設された反応物注入チャネルと、中央に配設された反応物注入チャネルから離隔された、本体を貫通して延びる１つまたは複数の作動流体注入チャネルとを有するノズル本体を採用することができる。ノズル本体の終端部は、キャップで覆われて、キャップに接合される。キャップは末端開口を有し、末端開口は、中央に配設された注入チャネルの軸に沿って向けられ、概して、注入チャネルの直径に合致するようにサイズ設定され、それにより、中央に配設された反応物注入チャネルを通る単一の反応物の流れは、キャップの末端開口を通って続く。キャップは、ノズル本体の終端部に面する側にキャビティを含むことがある。キャビティは、動的ランスの軸に垂直な平面内に位置する平坦面で終端するように、キャップの軸方向に（上流から下流へ）延在する。また、キャビティは、半径方向で、（１つまたは複数の）作動流体チャネルの出口と流体連絡するように十分に外方向に延在する。したがって、作動流体が作動流体チャネルから出るとき、キャビティの平坦面は、作動流体の流れが、中央に配設されたノズルから注入される反応物の流れにほぼ直角に交差するように、作動流体の流れの方向を向け直す。キャビティではなく、穴がキャップに開けられることもあり、穴の端部は、作動流体注入チャネルの出口と、キャップの末端開口の内面とを整合させる。したがって、反応物は、中央に配設された反応物注入チャネルの末端部から出て、キャップの末端部を通ってジェットの形で流れ、一方、作動流体は、（１つまたは複数の）作動流体注入チャネルの出口から（１つまたは複数の）穴の中に流れ、ジェットの形で、末端開口内の反応物のジェットにある角度で交差する。キャビティが採用されるか穴が採用されるかに関わらず、作動流体のジェットが反応物のジェットに交差するので、反応物ジェットは、作動流体のジェットから離れる方向に湾曲／偏向させられる。湾曲／偏向の方向および角度は、適切な速度で適切な作動流体注入チャネルを通して作動流体を注入することによって制御することができる。例えば、反応物のジェットは、中央に配設された反応物注入チャネルの上方に位置決めされた作動流体注入チャネルを通して作動流体を注入することによって、下方向に湾曲／偏向されることがある。そうではなく、ジェットをバーナーの右手側に湾曲すべき場合には、作動流体は、反応物注入チャネルの左に位置された作動流体注入チャネルから注入される。
【００７０】
作動流体と単一の反応物のジェットとの交差の第２の実施形態では、動的ランスは、中央に配設された反応物注入チャネルと、中央に配設された反応物注入チャネルから離隔された、本体を貫通して延びる１つまたは複数の作動流体注入チャネルとを有するノズル本体を採用することができる。ノズル本体の終端部は、キャップで覆われて、キャップに接合される。キャップは末端開口を有し、末端開口は、中央に配設された注入チャネルの軸に沿って向けられ、概して、注入チャネルの直径に合致するようにサイズ設定され、それにより、中央に配設された反応物注入チャネルを通る単一の反応物の流れは、キャップの末端開口を通って続く。また、キャップは、そこを通して、その第１の端部が、それぞれの作動流体注入チャネルの出口と合致し、第２の端部が、キャップの末端開口から離隔されたキャップの末端部を通って延在する。穴は、中央に配設されたノズルの軸に向けてある角度で開けられるが、キャップの末端開口には交差しない。したがって、反応物は、中央に配設された反応物注入チャネルの末端部から出て、キャップの末端開口を通ってジェットの形で流れ、一方、作動流体は、（１つまたは複数の）作動流体注入チャネルの出口から（１つまたは複数の）穴の中に流れ、ジェットの形で、反応物のジェットに対してある角度でキャップから出る。作動流体のジェットは、反応物が動的ランスから出た後に、反応物のジェットに交差する。作動流体のジェットが反応物のジェットに交差するので、反応物のジェットは、作動流体のジェットから離れる方向に湾曲／偏向させられる。湾曲／偏向の方向および角度は、適切な速度で適切な作動流体注入チャネルを通して作動流体を注入することによって制御することができる。例えば、反応物のジェットは、中央に配設された反応物注入チャネルの上方に位置決めされた作動流体注入チャネルを通して作動流体を注入することによって、下方向に湾曲／偏向されることがある。そうではなく、ジェットをバーナーの右手側に湾曲すべき場合には、作動流体は、反応物注入チャネルの左に位置された作動流体注入チャネルから注入される。
【００７１】
作動流体のジェットが、反応物のジェットが動的ランスから出る前に反応物のジェットに交差するか、反応物のジェットが動的ランスから出た後に反応物のジェットに交差するかに関わらず、作動流体は、燃料、酸化剤、または任意の不活性ガス、例えば再循環された煙道ガスでよい。典型的には、作動流体は、動的ランスによって注入されるのと同じ反応物である。例えば、酸化剤を、動的ランスからのジェットとして、およびまた作動流体のジェットとして注入することができ、あるいは、燃料を、動的ランスからのジェットとして、およびまた作動流体のジェットとして注入することができる。
【００７２】
動的燃料−酸化剤ノズルが両方のタイプの反応物（すなわち燃料と酸化剤との両方）を注入する場合、注入される作動流体のジェットは、燃料と酸化剤とが動的ランスから出る前に、燃料と酸化剤とのジェットに交差することがある（第１の実施形態）。あるいは、作動流体のジェットは、燃料と酸化剤とが動的ランスから出た後に、燃料と酸化剤とのジェットに交差することがある（第２の実施形態）。
【００７３】
作動流体と単一の反応物のジェットとの交差の第１の実施形態では、動的燃料−酸化剤ノズルは、本体を貫通して延びる中央に配設されたより大きな直径のボアを有するノズル本体を採用することができる。環状の反応物注入チャネルによって取り囲まれた、中央に配設された反応物注入チャネルを形成するように、大きな直径のボアの内部に、より小さな直径の管が同心に配設される。したがって、これは、チューブインチューブタイプの構成を成し、この構成では、一方のタイプの反応物の環状の流れが、ノズル本体の内面と管の外面との間の環状空間内を流れ、他方のタイプの反応物の中央の流れが、管を通って流れる。また、ノズル本体は、本体を貫通して延びる、環状空間から間隔を空けて設けられた１つまたは複数の作動流体注入チャネルも含む。ノズル本体の終端部は、キャップによって覆われる。キャップは末端開口を有し、末端開口は、管およびボアの軸に沿って向けられ、概して、ボアの直径に合致するようにサイズ設定され、それにより、一方の反応物が他方の反応物を環状に包囲している流れは、キャップの末端開口を通って続く。キャップは、ノズル本体の終端部に面する側にキャビティを含むことがある。キャビティは、動的燃料−酸化剤ノズルの軸に垂直な平面内に位置する平坦面で終端するように、キャップの軸方向に（上流から下流へ）延在する。第１および第２の反応物は、管および環状空間の末端部から流れ出て、さらにキャップの末端開口から流れ出る。また、キャビティは、半径方向で、（１つまたは複数の）作動流体チャネルの出口と流体連絡するように十分に外方向に延在する。したがって、作動流体が作動流体注入チャネルから出るとき、キャビティの平坦面は、作動反応物の流れの方向を、燃料と酸化剤との流れにほぼ直角に交差するように向け直す。キャビティではなく、穴がキャップに開けられることもあり、穴の端部は、作動流体注入チャネルの出口と、キャップの末端開口とを整合させる。したがって、作動流体は、（１つまたは複数の）作動流体注入チャネルの出口から（１つまたは複数の）穴の中に流れ、ある角度で燃料と酸化剤との流れに交差する。この角度は、直角でよく、または０°よりも大きい鋭角でよい。（穴から、またはキャビティ内へ末端開口に向けて注入された）作動流体のジェットが第１および第２の反応物のジェットに交差するので、これらの反応物のジェットは、作動流体のジェットから離れる方向に湾曲／偏向させられる。湾曲／偏向の方向および角度は、適切な速度で適切な作動流体注入チャネルを通して作動流体を注入することによって制御することができる。例えば、反応物のジェットは、中央に配設された反応物注入チャネルの上方に位置決めされた作動流体注入チャネルを通して作動流体を注入することによって、下方向に湾曲／偏向されることがある。そうではなく、ジェットをバーナーの右手側に湾曲すべき場合には、作動流体は、反応物注入チャネルの左に位置された作動流体注入チャネルから注入される。
【００７４】
作動流体と第１および第２の反応物のジェットとの交差の第２の実施形態では、動的燃料−酸化剤ノズルは、やはり、中央に配設された大きな直径のボアと、大きな直径のボアの内部に同心に配設されたより小さな直径の管とを有するノズル本体を採用する。ここでも、一方の反応物が管を通って流れ、その反応物を管およびボアの出口で環状に包囲するように、他方の反応物が、ボアの内面と管の外面との間の環状空間を通って流れる。また、動的燃料−酸化剤ノズルは、そこを通ってノズル本体を延びる１つまたは複数の作動流体注入チャネルを含む。ノズル本体の終端部は、キャップによって覆われる。キャップは末端開口を有し、末端開口は、中央に配設されたボアおよび管の軸に沿って向けられ、概して、ボアの直径に合致するようにサイズ設定され、それにより、中央に配設された同心の管を通る燃料と酸化剤との流れは、キャップの末端開口を通って続く。また、キャップは、そこを通して開けられた穴を含み、穴の第１の端部が、それぞれの作動流体注入チャネルの出口と合致し、穴の第２の端部が、キャップの末端開口から離隔されたキャップの末端部を通って延在する。穴は、中央に配設された同心の管の軸に向けて鋭角で開けられるが、キャップの末端開口には交差しない。したがって、作動流体は、（１つまたは複数の）作動流体注入チャネルの出口から（１つまたは複数の）穴内に流れ、第１および第２の反応物のジェットに対してある角度で、ジェットの形でキャップから出る。作動流体のジェットは、第１および第２の反応物が動的燃料−酸化剤ノズルから出た後に、第１および第２の反応物のジェットに交差する。作動流体のジェットが第１および第２の反応物のジェットに交差するので、第１および第２の反応物のジェットは、作動流体のジェットから離れる方向に湾曲／偏向させられる。湾曲／偏向の方向および角度は、適切な速度で適切な作動流体注入チャネルを通して作動流体を注入することによって制御することができる。例えば、反応物のジェットは、中央に配設された反応物注入チャネルの上方に位置決めされた作動流体注入チャネルを通して作動流体を注入することによって、下方向に湾曲／偏向されることがある。そうではなく、ジェットをバーナーの右手側に湾曲すべき場合には、作動流体は、反応物注入チャネルの左に位置された作動流体注入チャネルから注入される。
【００７５】
作動流体のジェットが、燃料と酸化剤とのジェットが動的燃料−酸化剤ノズルから出る前に燃料と酸化剤とのジェットに交差するか、燃料と酸化剤とのジェットが動的燃料−酸化剤ノズルから出た後に燃料と酸化剤とのジェットに交差するかに関わらず、作動流体は、燃料、酸化剤、または任意の不活性ガス、例えば再循環された煙道ガスでよい。必ずしもそうとは限らないが、典型的には、作動流体は、管を通って流れるのと同じ反応物である。例えば、燃料が酸化剤を環状に包囲するとき、作動流体は酸化剤である。別の例として、酸化剤が燃料を環状に包囲するとき、作動流体は燃料である。
【００７６】
作動流体の注入は、移行中の任意の時点で開始することができるが、移行の開始よりも移行の終了に近い時点で開始される場合に、特に二次または動的ランスを通して注入される第２の反応物の量が全体の二次反応物の所望の割合に達し始める（すなわち所望の度合いのステージングに達する）ときに、火炎の安定性を高めることができる。
【００７７】
２つのジェットの注入の点が離隔されているので、湾曲／偏向される１つまたは複数のジェットは、炉ガスを同伴する機会がより多く、したがって、一次部分および二次部分としてバーナーによって注入された反応物の他の部分と反応する前に希釈される。そのような希釈は、炉内の全体的な温度をより低くし、炉内の温度均一性をより高くする。したがって、これにより分散燃焼が生じ、いくつかの場合には無炎燃焼が生じる。
【００７８】
内容全体を本明細書に組み込む米国特許出願公開第２０１０００６８６６６Ａ１号によって教示されているものなど、流体のジェットを流体的に湾曲するためのプロセスおよびデバイスが知られている。典型的には、第２の反応物のジェットまたは燃料と酸化剤との包囲型のジェットは、その垂直軸から最大で４０°、より典型的には最大で３０°、さらに典型的には最大で２０°、さらに典型的には最大で１５°、最も典型的には最大で５°または１０°湾曲される。
【００７９】
炉の幾何形状とバーナー出力とが、湾曲されるジェット中の炉ガス同伴の度合いに対する影響を有することがある。すなわち、ジェットがあまりに高い度合いで湾曲され、炉壁がジェットに十分に近くなる場合には、炉ガスを同伴することができる通常であれば完全な範囲が、制限されることがある。炉の幾何形状が、湾曲されるジェットをそのように制限しない場合には、一般に、ジェットが湾曲される度合いがより大きくなるにつれて、ジェットは炉ガスによってより大幅に希釈され、全体的な炉内温度がより低くなり、炉内温度がより均質になる。また、それほど高い度合いでは湾曲されず、その炉ガス同伴が炉の幾何形状によって制限されないジェットに関しては、バーナー出力の増加により、ジェットが炉壁に近付きすぎることがある。その結果、これが、炉ガス同伴の減少をもたらすことがある。所与の炉の幾何形状に関して、湾曲するジェットが、制限された復帰点に達することがあることを当業者は理解されよう。ジェットの質量流量の増加に関して、湾曲角度を減少させる必要があり得ることを当業者は同様に理解されよう。
【００８０】
炉の幾何形状に加えて、ジェットを適切に湾曲させることができる度合いを制限する別の因子は、ジェットコヒーレンスである。ある点を超えると、ジェットをより高い度合いで湾曲させる試みにより、第２の反応物のジェットでのコヒーレンスが失われる。ジェットコヒーレンスが悪影響を及ぼされるとき、燃焼をもはや維持することができないことがある。一般に、このジェットコヒーレンス制限因子により、最大湾曲が、その垂直軸から最大で約４０°となる。
【００８１】
加熱段階から燃焼段階への移行の終了時、所望の度合いの湾曲／偏向、および所望の度合いの二次部分のステージングに達する。これらの条件は、分散燃焼段階を通じて継続される。分散燃焼段階中、対象の反応物の総量の典型的には９０〜９５％が、二次部分として（動的ランスまたは二次ランスから）注入され、１０〜５％のみが、一次部分として（それぞれ非動的燃料−酸化剤ノズルまたは動的燃料−酸化剤ノズルから）注入される。望まれる場合には、ステージングの度合いは、目に見える火炎が生じないように経験的に変えることができる（すなわち無炎燃焼）。また、望まれる分散燃焼の度合いに応じて、より低い度合いのステージングも可能である。さらに、炉の幾何形状の制約により比較的短い火炎が必要である場合に、より低い度合いのステージングが望ましいことがある。
【００８２】
作動流体の流量は、典型的には、動的燃料−酸化剤ノズルまたは動的ランスからの総流量の１〜２０％である。したがって、動的燃料−酸化剤ノズルの場合、作動流体の流量は、中央に配設されたノズルおよび作動流体注入チャネルを通して注入される反応物の総流量の１〜２０％である。動的ランスの場合、作動流体の流量は、典型的には、中央に配設されたノズルおよび作動流体注入チャネルを通して注入される反応物の二次部分の総流量の１〜２０％である。作動流体の速度は、公称バーナー出力では典型的には１００ｍ／ｓ以下であり、燃料および一次酸化剤の速度は、公称バーナー出力では典型的にはそれぞれ１００〜２００ｍ／ｓおよび７５〜１５０ｍ／ｓである。
【００８３】
酸化剤は、空気、純粋な酸素、酸素を含む空気、または酸素と再循環された煙道ガスとからなる合成空気でよいが、典型的には少なくとも９０（体積）％の純度を有する酸素である。燃料は、任意の気体燃料または液体燃料でよいが、典型的には天然ガスまたは燃料油である。典型的には、一次酸化剤は、加熱段階中のバーナーの総酸化剤流量の７５〜１００％を成すが、自然発火温度を超えるバーナーの総酸化剤流量の０〜１０％（典型的には、８５０℃超で総酸化剤流量の０〜１０％）しか成さない。他方、二次酸化剤は、典型的には、公称バーナー出力で７５〜２００ｍ／ｓの速度を有し、加熱段階中にはバーナーの総酸化剤流量の０〜２５％を成すが、自然発火温度を超える燃焼室温度では９０〜１００％（典型的には、８５０℃超で総酸化剤流量の９０〜１００％）を成す。典型的には、酸化剤は、９０％以上のＯ2濃度（体積／体積）を有する。
【００８４】
二次ランスは、動的燃料−酸化剤ノズルと併用して分散燃焼を実現することができる任意の位置に配設することができるが、有利には、溶融浴に近い位置で比較的低いＯ2濃度が望まれる金属溶融プロセスのためには、動的燃料−酸化剤ノズルの上方に配設される。溶融浴に近い位置で比較的高いＯ2濃度が望まれるまたは許容される金属溶融プロセスでは、二次ランスは、動的燃料−酸化剤ノズルの下方に位置させることもできる。また、鉛などの低融点金属に関しては、火炎は、溶融されていない装入物に向けて湾曲され、装入物が溶融されるときにはその装入物から離れ、まだ溶融されていない装入物の他の部分に向けて移動されることがある。溶融装入物の組成に関係なく、最良の結果を得るために、動的燃料−酸化剤ノズルの中心と二次ランスの中心との間の最小距離は、二次ランスの中央に配設されたノズルと、動的燃料−酸化剤ノズルでの中央に配設されたノズルとの小さいほうの内径の少なくとも１０倍にすべきである。同様に、二次ランスの中心間の最小距離は、それらのランスの中央に配設されたノズルの内径の少なくとも１０倍にすべきである。また、非動的燃料−酸化剤ノズルの中心と動的ランスの中心との間の最小距離は、動的ランスの中央に配設されたノズルと非動的燃料−酸化剤ノズルの中央に配設されたノズルとの小さいほうの内径の少なくとも１０倍にすべきである。
【００８５】
開示されるバーナーおよび分散燃焼プロセスの主な利益の１つは、様々なバーナー出力に対するその適合性である。反応物注入角度が互いに対して固定されている空間的に離隔された反応物注入を用いる分散燃焼バーナーの場合を取り上げる。そのようなバーナー設計は、典型的なバーナー出力で分散燃焼を実現する必要性から生じたものである。そのようなバーナーの出力が、最適化された出力から減少されるとき、比較的低い圧力での固定角度に沿った（または互いに平行な）反応物の注入は、反応物どうしが互いに混合する前に、反応物と炉ガスとの混合を高める傾向があり、それにより不安定な火炎をもたらす。そのようなバーナーの出力が、最適化された出力から増加されるとき、比較的高い圧力での固定角度に沿った（または互いに平行な）注入は、反応物どうしが混合する前に炉ガスとあまり混合しない傾向があり、それにより、火炎中および炉内にホットスポットが生じ、分散燃焼が行われなくなり、目に見える火炎が現れる。他方、本発明のバーナーでは、一方の反応物の注入角度を変えることができるので、このバーナーは、ある範囲のバーナー出力にわたって一貫した分散燃焼性能を実現することができ、したがって、はるかに大きいターンダウン比を操作者に提供する。さらにまた、反応物の可変注入角度は、バーナーが、様々な生成物のための溶融物の上でＯ2／ＣＯ濃度を変えることができるようにする。例えば、アルミニウム炉は、金属浴の上で、より低い燃焼ガス中のＯ2濃度を必要とする。そのような炉内では、本発明のバーナーは、金属浴の上でのＯ2濃度を減少させるために、浴から離れる角度で酸化剤を注入することができる。別の例として、鉛炉は、比較的低温の炉であり、その溶融装入物は、より強い酸化雰囲気に耐えることができる。そのような炉では、本発明によるバーナーは、金属浴への対流による伝熱を高めるために、炉に向かう角度で酸化剤を注入することができる。
【００８６】
次に、本発明によるプロセスのいくつかの実施形態を述べる。
【００８７】
図３Ａ〜図３Ｃに最も良く示されているように、加熱段階中、両方の反応物（燃料を環状に包囲する酸化剤または酸化剤を環状に包囲する燃料）の非偏向可能ジェットＮＤＪが、燃料−酸化剤ノズルによってバーナーブロックＢから注入される。非偏向可能ジェットＮＤＪは湾曲／偏向させることができないことを当業者は理解されよう。これは、燃料−酸化剤ノズルが作動流体のジェットを提供しないからである。したがって、反応物は、燃料−酸化剤ノズルから真っ直ぐに延びる軸に沿って燃料−酸化剤ノズルから注入される。炉内の燃焼空間内部で所望の最低温度（燃料および酸化剤の自然発火温度など）に達すると、加熱段階から分散燃焼段階への移行が開始される。
【００８８】
この移行の開始時、反応物の一方のみ（酸化剤または燃料のいずれかのみ）が、比較的少量、動的ランスによってバーナーブロックＢから偏向可能ジェットＤＪとして注入される。非偏向可能ジェットＮＤＪと偏向可能ジェットＤＪとは、点Ｉで交差する。同時に、燃料−酸化剤ノズルによって注入される同タイプの反応物の量が、対応する量だけ減少される。分かりやすくするために、動的ランスによって注入される単一の反応物を、その反応物の二次部分と呼び、一方、燃料−酸化剤ノズルによって注入される同タイプの反応物を、その反応物の一次部分と呼ぶ。例えば、対象の唯一の反応物が酸化剤である場合、動的ランスは二次酸化剤を注入し、非動的燃料−酸化剤ノズルは一次酸化剤を注入する。
【００８９】
図３Ａ〜図３Ｃを引き続き参照すると、この移行の開始時に、２つの方法の一方で、単一の反応物を動的ランスによって注入することができる。第１のオプションでは、単一の反応物がすべて、動的ランスによって、中央に配設されたノズルから注入される。単一の反応物が作動ジェットとして注入されないので、偏向可能ジェットＤＪは偏向されず、中央に配設されたノズルから真っ直ぐに外方向に延びる軸Ａ1に沿って注入される。別法として、第２のオプションでは、動的ランスからのその単一の反応物の大部分が、中央に配設されたノズルから注入され、動的ランスによって注入される少量のその反応物が、中央に配設されたノズルを取り囲む１つまたは複数の作動ジェットの形で注入される。単一の反応物のいくらかが作動ジェットとして注入されるので、偏向可能ジェットＤＪは、軸Ａ1からある角度だけ偏向される。
【００９０】
加熱段階から分散燃焼段階への移行が続くにつれて、そのタイプの反応物の比較的大きな割合が二次部分として注入され、単一の反応物の比較的小さな割合が一次部分として注入される。さらに、上述した第１のオプションが選択されるか第２のオプションが選択されるかに応じて、単一の反応物の作動ジェットの注入が開始されるか、または増加される。すなわち、軸Ａ1からある角度での偏向可能ジェットＤＪの偏向が始まるか、または偏向可能ジェットＤＪが偏向される角度が増加される。上述したように、偏向可能ジェットＤＪの偏向の度合いは、一部では、１つまたは複数の作動ジェットとして注入される単一の反応物の量の関数であることを当業者は理解されよう。
【００９１】
図３Ａ〜図３Ｃを引き続き参照すると、加熱段階から分散燃焼段階への移行の終了時、一次部分に対する、二次部分として注入される単一の反応物の所望の割合に達する（すなわち所望の度合いのステージングに達する）。また、偏向可能ジェットＤＪの所望の度合いの湾曲に達する。炉の幾何形状、バーナー出力、およびステージングの度合いによっては、分散燃焼は、実際には無炎燃焼であることがある。このようにして、分散燃焼は、バーナー出力を増加または減少させる必要があるとき、またはバーナーを停止させる必要があるときまで行われる。バーナー出力を増加させる必要がある場合、十分な度合いの炉ガス同伴を実現する目的で、偏向可能ジェットＤＪの湾曲の度合いを高めることが有利となり得る。バーナー出力の増加により、偏向可能ジェットＤＪが偏向／湾曲されて炉壁に近付きすぎる場合、炉ガス同伴が減少される。この場合、偏向可能ジェットＤＪが偏向／湾曲される角度は、十分な度合いの炉ガス同伴を可能にするように減少させることができる。バーナー出力を減少させる必要がある場合、安定な火炎を実現する目的で、偏向可能ジェットＤＪの湾曲の度合いを減少させることが有利となり得る。
【００９２】
別の実施形態では、図３Ｄ〜図３Ｆに最も良く示されているように、加熱段階中、両方の反応物（燃料を環状に包囲する酸化剤、または酸化剤を環状に包囲する燃料）の偏向可能ジェットＤＪが、動的燃料−酸化剤ノズルによってバーナーブロックＢから軸Ａ1に沿って注入される。環状に注入される反応物を、その反応物の一次部分と呼ぶ。炉内の燃焼空間内部で所望の最低温度（燃料および酸化剤の自然発火温度など）に達すると、加熱段階から分散燃焼段階への移行が開始される。
【００９３】
この移行の開始時、動的燃料−酸化剤ノズルによって環状に注入されるのと同タイプの反応物（酸化剤または燃料のいずれかのみ）の比較的少量の注入が、ここで、二次ランスによってバーナーブロックＢから非偏向可能ジェットＮＤＪとして注入される。注入される反応物のこの部分を、二次部分と呼ぶ。その反応物の一次部分と二次部分とが、合わさって、燃焼反応に関与するその反応物の総量を構成する。非偏向可能ジェットＮＤＪは湾曲／偏向させることができないことを当業者は理解されよう。これは、二次ランスが反応物の作動ジェットを提供しないからである。したがって、二次部分を構成する非偏向可能ジェットＮＤＪは、二次ランスから真っ直ぐに延びる軸に沿って二次ランスから注入される。その反応物の一次部分と二次部分とが、合わさって、燃焼反応に関与するその反応物の総量を構成する。非偏向可能ジェットＮＤＪと偏向可能ジェットＤＪとは、点Ｉで交差する。同時に、動的燃料−酸化剤ノズルによって注入される一次部分の量が、対応する量だけ減少される。例えば、動的燃料−酸化剤ノズルによって環状に注入される反応物が酸化剤である場合、二次ランスが二次酸化剤を注入し、動的燃料−酸化剤ノズルが一次酸化剤を注入する。
【００９４】
図３Ｄ〜図３Ｆを引き続き参照すると、この移行の開始時に、動的燃料−酸化剤ノズルによって中央に配設されたノズルを通して注入される反応物タイプの注入は、２つの方法の一方で行うことができる。第１のオプションでは、その反応物がすべて、中央に配設されたノズルを通して動的燃料−酸化剤ノズルによって注入される。その反応物が作動ジェットとして注入されないので、動的燃料−酸化剤ノズルからの偏向可能ジェットＤＪは偏向されず、中央に配設されたノズルから真っ直ぐに外方向に延びる軸Ａ1に沿って注入される。例えば、燃料が、動的燃料−酸化剤ノズルによって中央に配設されたノズルを通して注入され、一次酸化剤が、燃料の周りの環状包囲物として動的燃料−酸化剤ノズルによって注入される場合、燃料は、初めは作動ジェットによって注入されない。別法として、第２のオプションでは、動的燃料−酸化剤ノズルの中央に配設されたノズルから注入される反応物タイプの大部分が、中央に配設されたノズルから注入され、少量のそのタイプの反応物が、他方の反応物の環状に注入される一次部分を取り囲む１つまたは複数の作動ジェットの形で注入される。単一の反応物のいくらかが作動ジェットとして注入されるので、偏向可能ジェットＤＪは、軸Ａ1からある角度だけ偏向される。例えば、燃料が、動的燃料−酸化剤ノズルによって中央に配設されたノズルを通して注入され、一次酸化剤が、燃料の周りの環状包囲物として動的燃料−酸化剤ノズルによって注入される場合、少量の燃料が、一次酸化剤の環状の注入を取り囲む１つまたは複数の作動ジェットの形で注入され、大部分の燃料は、中央に配設されたノズルを通して注入される。
【００９５】
図３Ｄ〜図３Ｆを引き続き参照すると、加熱段階から分散燃焼段階への移行が進むにつれて、比較的大きな割合の二次部分が二次ランスによって注入され、その同タイプの反応物の比較的小さな割合の一次部分が、動的燃料−酸化剤ノズルによって一次部分として環状に注入される。さらに、上述した第１のオプションが選択されるか第２のオプションが選択されるかに応じて、反応物の作動ジェットの作動ジェットの注入が開始されるか、または増加される。すなわち、軸Ａ1からある角度での偏向可能ジェットＤＪの偏向が始まるか、または偏向可能ジェットＤＪが偏向される角度が増加される。上述したように、偏向可能ジェットＤＪの偏向の度合いは、一部では、１つまたは複数の作動ジェットとして注入される単一の反応物の量の関数であることを当業者は理解されよう。
【００９６】
加熱段階から分散燃焼段階への移行の終了時、一次部分に対する、二次部分として注入される反応物の所望の割合に達する（すなわち所望の度合いのステージングに達する）。また、偏向可能ジェットＤＪの所望の度合いの湾曲に達し、偏向可能ジェットＤＪが軸Ａ2に沿って注入される。偏向可能ジェットＤＪが湾曲される角度は、軸Ａ1と軸Ａ2とが成す角度θによって表される。炉の幾何形状、バーナー出力、およびステージングの度合いによっては、分散燃焼は、実際には無炎燃焼であることがある。このようにして、分散燃焼は、バーナー出力を増加または減少させる必要があるとき、またはバーナーを停止させる必要があるときまで行われる。バーナー出力を増加させる必要がある場合、十分な度合いの炉ガス同伴を実現する目的で、偏向可能ジェットＤＪの湾曲の度合いを高めることが有利となり得る。バーナー出力の増加により、偏向可能ジェットＤＪが偏向／湾曲されて炉壁に近付きすぎる場合、炉ガス同伴が減少される。この場合、偏向可能ジェットＤＪが偏向／湾曲される角度は、十分な度合いの炉ガス同伴を可能にするように減少させることができる。バーナー出力を減少させる必要がある場合、安定な火炎を実現する目的で、偏向可能ジェットＤＪの湾曲の度合いを減少させることが有利となり得る。
【００９７】
別の実施形態では、図３Ｇ〜図３Ｉに最も良く示されているように、加熱段階中、両方の反応物（燃料を環状に包囲する酸化剤、または酸化剤を環状に包囲する燃料）の第１の偏向可能ジェットＤＪ１が、動的燃料−酸化剤ノズルによってバーナーブロックＢから軸Ａ1に沿って注入される。環状に注入される反応物を、その反応物の一次部分と呼ぶ。炉内の燃焼空間内部で所望の最低温度（燃料および酸化剤の自然発火温度など）に達すると、加熱段階から分散燃焼段階への移行が開始される。
【００９８】
この移行の開始時、動的燃料−酸化剤ノズルによって環状に注入されるのと同タイプの反応物（酸化剤または燃料のいずれかのみ）の比較的少量の注入が、ここで、動的ランスによってバーナーブロックＢから第２の偏向可能ジェットＤＪ２として注入される。注入される反応物のこの部分を、二次部分と呼ぶ。その反応物の一次部分と二次部分とが、合わさって、燃焼反応に関与するその反応物の総量を構成する。二次部分を構成する第２の偏向可能ジェットＤＪ２は、動的ランスから注入される。その反応物の一次部分と二次部分とが、合わさって、燃焼反応に関与するその反応物の総量を構成する。偏向可能ジェットＤＪ１とＤＪ２は、点Ｉで交差する。同時に、動的燃料−酸化剤ノズルによって注入される一次部分の量が、対応する量だけ減少される。例えば、動的燃料−酸化剤ノズルによって環状に注入される反応物が酸化剤である場合、動的ランスが二次酸化剤を注入し、動的燃料−酸化剤ノズルが一次酸化剤を注入する。
【００９９】
図３Ｄ〜図３Ｆを引き続き参照すると、この移行の開始時、動的燃料−酸化剤ノズルの中央に配設されたノズルから注入される反応物タイプのバーナーＢによる注入は、２つの任意選択の方法の一方で実現することができる。第１の方法では、動的燃料−酸化剤ノズルによって注入されるその反応物がすべて、中央に配設されたノズルを通してのみ注入される。その反応物が作動ジェットとして注入されないので、動的燃料−酸化剤ノズルからの偏向可能ジェットＤＪは偏向されず、中央に配設されたノズルから真っ直ぐに外方向に延びる軸Ａ1に沿って注入される。例えば、燃料が、動的燃料−酸化剤ノズルによって中央に配設されたノズルを通して注入され、一次酸化剤が、燃料の周りの環状包囲物として動的燃料−酸化剤ノズルによって注入される場合、燃料は、初めは作動ジェットによって注入されない。別法として、第２の方法では、動的燃料−酸化剤ノズルの中央に配設されたノズルから注入される反応物タイプの大部分が、中央に配設されたノズルから注入され、少量のそのタイプの反応物が、他方の反応物の環状に注入される一次部分を取り囲む１つまたは複数の作動ジェットの形で注入される。単一の反応物のいくらかが作動ジェットとして注入されるので、第１の偏向可能ジェットＤＪ１は、軸Ａ1からある角度だけ偏向される。例えば、燃料が、動的燃料−酸化剤ノズルによって中央に配設されたノズルを通して注入され、一次酸化剤が、燃料の周りの環状包囲物として動的燃料−酸化剤ノズルによって注入される場合、少量の燃料が、一次酸化剤の環状の注入を取り囲む１つまたは複数の作動ジェットの形で注入され、大部分の燃料は、中央に配設されたノズルを通して注入される。
【０１００】
同様に、動的ランスによって注入される反応物タイプの注入は、２つの任意選択の方法の一方で行うことができる。第１の方法では、動的ランスによって注入されるその反応物がすべて、中央に配設されたノズルから注入される。動的ランスによるその反応物が作動ジェットとして注入されないので、第２の偏向可能ジェットＤＪ２は偏向されず、中央に配設されたノズルから真っ直ぐに外方向に延びる軸Ｂ1に沿って注入される。別法として、第２の方法では、動的ランスによって注入されるその単一の反応物の大部分が、中央に配設されたノズルから注入され、少量のその反応物が、動的ランスの中央に配設されたノズルを取り囲む１つまたは複数の作動ジェットの形で注入される。単一の反応物のいくらかが作動ジェットとして注入されるので、第２の偏向可能ジェットＤＪ２は、軸Ａ1からある角度だけ偏向される。
【０１０１】
図３Ｄ〜図３Ｆを引き続き参照すると、加熱段階から分散燃焼段階への移行が進むにつれて、比較的大きな割合の二次部分が動的ランスによって注入され、その同タイプの反応物の比較的小さな割合の一次部分が、動的燃料−酸化剤ノズルによって一次部分として環状に注入される。さらに、上述した第１の方法が選択されるか第２の方法が選択されるかに応じて、反応物の作動ジェットの作動ジェットの注入が開始されるか、または増加される。すなわち、軸Ａ1からある角度での第２の偏向可能ジェットＤＪ２の偏向が始まるか、または第２の偏向可能ジェットＤＪｓが偏向される角度が増加される。上述したように、偏向可能ジェットＤＪの偏向の度合いは、一部では、１つまたは複数の作動ジェットとして注入される単一の反応物の量の関数であることを当業者は理解されよう。
【０１０２】
加熱段階から分散燃焼段階への移行の終了時、一次部分に対する、二次部分として注入される反応物の所望の割合に達する（すなわち所望の度合いのステージングに達する）。また、各偏向可能ジェットＤＪ１、ＤＪ２の所望の度合いの湾曲に達し、それにより、各偏向可能ジェットＤＪ１、ＤＪ２は、それぞれ初期注入軸Ａ1、Ｂ1と最終注入軸Ａ2、Ｂ2によって成される角度θA、θBだけそれぞれ偏向される。炉の幾何形状、バーナー出力、およびステージングの度合いによっては、分散燃焼は、実際には無炎燃焼であることがある。このようにして、分散燃焼は、バーナー出力を増加または減少させる必要があるとき、またはバーナーを停止させる必要があるときまで行われる。バーナー出力を増加させる必要がある場合、十分な度合いの炉ガス同伴を実現する目的で、第１および／または第２の偏向可能ジェットＤＪ１、ＤＪ２の湾曲の度合いを高めることが有利となり得る。バーナー出力の増加により、第１および／または第２の偏向可能ジェットＤＪ１、ＤＪ２が偏向／湾曲されて炉壁に近付きすぎる場合、炉ガス同伴が減少される。この場合、第１および第２の偏向可能ジェットＤＪ１、ＤＪ２がそれぞれ偏向／湾曲される角度θA、θBは、十分な度合いの炉ガス同伴を可能にするように減少させることができる。バーナー出力を減少させる必要がある場合、安定な火炎を実現する目的で、角度θA、θBの一方または両方を減少させることが有利となり得る。
【０１０３】
図３Ｊに最も良く示されているように、偏向可能ジェットＤＪは、２つの非偏向可能ジェットＮＤＪの間でバーナーブロックＢから注入される。偏向可能ジェットＤＪは、２つの非偏向可能ジェットＮＤＪが注入されるのと同じ平面内で、２つの非偏向可能ジェットＮＤＪの間に注入することができる。この第１の場合には、分散燃焼段階中、偏向可能ジェットＤＪは、２つの非偏向可能ジェットＮＤＪの間でスイープされる。これは、２つの非偏向ジェットＮＤＪに向けて偏向可能ジェットＤＪを交互に湾曲／偏向するために、偏向可能ジェットＤＪの各側に反応物の作動ジェットを交互に注入することによって実現される。したがって、任意の一時点で、非偏向可能ジェットＮＤＪの一方は偏向可能ジェットＤＪに交差せず、非偏向可能ジェットＮＤＪの他方は偏向可能ジェットＤＪに交差する。別法として、第２の場合には、偏向可能ジェットＤＪは、２つの非偏向可能ジェットＮＤＪが注入される平面の上方または下方で、２つの非偏向可能ジェットＮＤＪの間に注入することができる。この第２の場合には、分散燃焼段階中、偏向可能ジェットＤＪは、非偏向可能ジェットＮＤＪが注入される平面に向けて既に湾曲／偏向されている。これは、当然、湾曲／偏向の方向とは反対のジェットの側に作動ジェットによって反応物を注入することによって実現される。例えば、偏向可能ジェットＤＪが、２つの非偏向可能ジェットＮＤＪが注入される平面の上方にバーナーブロックＢから注入される場合、作動ジェットは、偏向可能ジェットＤＪが注入される中央に配設されたノズル（または中央に配設されたノズルから注入される別の反応物の周りで注入される１つの反応物の環状包囲物）の上方から注入される。さらに、偏向可能ジェットＤＪの両側の組での作動ジェットが、偏向可能ジェットＤＪに向けて交互に注入されて、偏向可能ジェットＤＪを、２つの非偏向可能ジェットＮＤＪの一方または他方に向けて交互に湾曲／偏向させる。したがって、任意の一時点で、非偏向可能ジェットＮＤＪの一方は偏向可能ジェットＤＪに交差せず、非偏向可能ジェットＮＤＪの他方は偏向可能ジェットＤＪに交差する。第１の場合が選択されるか第２の場合が選択されるかに関わらず、一般に、可能であればより高い周波数のスイープ運動を行うことが望ましい。スイープの周波数は、弁が開閉することができる能力、すなわち偏向可能ジェットＤＪの一方の側または偏向可能ジェットＤＪの他方の側に作動ジェットを注入することができる能力によって制限されるので、従来の弁は、典型的には約１Ｈｚの最大周波数を生み出す。
【０１０４】
次に、本発明によるバーナーのいくつかの実施形態を述べる。
【０１０５】
図１、図２Ａ〜図２Ｃ、図４Ａ〜図４Ｅ、図５Ａ〜図５Ｄ、図６Ａ〜図６Ｂ、および図７Ａ〜図７Ｂに最も良く示されているように、本発明による方法を実施し、反応物Ｒ1およびＲ2を注入するために、いくつかの異なるタイプのバーナー、ノズル、およびランスを使用することができる。１つの場合には、Ｒ1が燃料であり、Ｒ2が酸化剤である。別の場合には、そうではなく、Ｒ1が酸化剤であり、Ｒ2が燃料である。
【０１０６】
図１に最も良く示されているように、本発明によるバーナーの第１の実施形態は、バーナーブロックＢと、動的ランスＤＬと、非動的燃料／酸化剤ノズルＦＯＮとを含む。バーナーブロックＢは、典型的には、耐火性非金属材料、耐火性金属、または銅やステンレス鋼などの金属からなる。バーナーブロックＢは、望みであれば水冷式にすることができる。非動的燃料−酸化剤ノズルＦＯＮは、中央に配設されたノズルから反応物Ｒ1の一次部分を注入し、中央に配設されたノズルとそのようなノズルの周りに同心に配設されたバーナーブロックＢの穴との間の環状空間から、あるいは中央に配設されたノズルとそのようなノズルの周りに同心に配設された第２のノズル（この場合、第２のノズルは、バーナーブロックＢの穴に挿入される）との間の環状空間から反応物Ｒ2の一次部分を注入する。動的ランスＤＬは、中央に配設されたノズルから反応物Ｒ2の二次部分を注入し、動的ランスＤＬの中央に配設されたノズルから軸方向外側に間隔を空けて設けられた作動流体注入チャネルから反応物Ｒ2の作動部分を注入する。より小さい円が、破線によって、反応物Ｒ2の隠れた作動部分を概略的に示す。これは、典型的には、作動流体注入チャネルから出た反応物Ｒ2の作動部分のジェットが、中央に配設されたノズルから注入された反応物Ｒ2の二次部分のジェットが動的ランスＤＬから出る前の時点で、（中央に配設されたノズルから出た）反応物Ｒ2のジェットとある角度で交差するからである。あるいは、反応物Ｒ2の作動部分のジェットは、動的ランスＤＬの末端面（この末端面は燃焼室に面する）から出て、反応物Ｒ2の二次部分のジェットが動的ランスＤＬから完全に出た後に、反応物Ｒ2の二次部分のジェットに交差することができる。第１の実施形態のバーナーは、図１によって示されるのとは異なる向きで配置することもできることを当業者は理解されよう。右または左に例えば９０度回転させる、あるいは１８０度回転させることもできる。
【０１０７】
図２Ａに最も良く示されているように、本発明によるバーナーの第２の実施形態は、バーナーブロックＢと、二次ランスＳＬと、動的燃料／酸化剤ノズルＤＦＯＮとを含む。バーナーブロックＢは、典型的には、耐火性非金属材料、耐火性金属、または銅やステンレス鋼などの金属からなる。バーナーブロックＢは、望みであれば水冷式にすることができる。二次ランスＳＬは、炉内へのジェットとしてＲ2の二次部分を注入するためのノズルを含む。二次ランスＳＬは動的でない。動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮは、中央に配設されたノズルから反応物Ｒ1の一次部分を注入し、中央に配設されたノズルとそのようなノズルの周りに同心に配設されたバーナーブロックＢの穴との間の環状空間から、または中央に配設されたノズルとそのようなノズルの周りに同心に配設された第２のノズル（この場合、第２のノズルは、バーナーブロックＢの穴に挿入される）との間の環状空間から反応物Ｒ2の一次部分を注入する。また、動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮは、動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮの中央に配設されたノズルから軸方向外側に間隔を空けて設けられた作動流体注入チャネルから反応物Ｒ1の作動部分を注入する。より小さい円が、破線によって、反応物Ｒ1の隠れた作動部分を概略的に示す。これは、典型的には、作動流体注入チャネルから出た反応物Ｒ1の作動部分のジェットが、中央に配設されたノズルから出た反応物Ｒ2によって環状に包囲された反応物Ｒ1のジェットが動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮから出る前の時点で、（中央に配設されたノズルから注入された）Ｒ1／Ｒ2ジェットとある角度で交差するからである。あるいは、反応物Ｒ1の作動部分のジェットは、動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮの末端面（この末端面は燃焼室に面する）から出て、Ｒ1／Ｒ2ジェットが動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮから完全に出た後に、Ｒ1／Ｒ2ジェットに交差することができる。第２の実施形態のバーナーは、図２Ａによって示されるのとは異なる向きで配置することもできることを当業者は理解されよう。右または左に例えば９０度回転させる、あるいは１８０度回転させることもできる。
【０１０８】
また、図２Ａの二次ランスＳＬを図１の動的ランスＤＬで置き換えることも本発明の範囲内である。そのような修正されたバーナーでは、動的ランスＤＬおよび動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮによって注入される各ジェットは、それぞれ反応物Ｒ2および反応物Ｒ1の作動ジェットによって偏向させることができる。任意の時点で、ジェットの一方または両方を偏向させることができる。
【０１０９】
図２Ｂで、二次ランスＳＬの中央に配設されたノズルの内径Ｄ1は、動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮの中央に配設されたノズルの内径Ｄ2よりも小さい。動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮの中心は、内径Ｄ1の少なくとも１０倍の距離ｘだけ二次ランスＳＬの中心から離隔されることがある。あるいは、Ｄ1がＤ2よりも大きい場合、ｘは、Ｄ2の少なくとも１０倍でよい。
【０１１０】
図２Ｃに最も良く示されているように、本発明によるバーナーの第３の実施形態は、２つの二次ランスＳＬを含むこと以外は、図２Ａ〜図２Ｂによって示される第２の実施形態と同じである。二次ランスＳＬは、動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮの両側に等しく間隔を空けて配置される。二次ランスＳＬの中央に配設されたノズルの内径Ｄ1が、燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮの中央に配設されたノズルの内径Ｄ2よりも小さい場合、二次ランスＳＬの各中心は、少なくともＤ1の１０倍の垂直距離ｘだけ動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮの中心から離隔される。Ｄ1がＤ2よりも大きい場合、ｘは、Ｄ2の少なくとも１０倍である。また、二次ランスＳＬの中心は、Ｄ1とＤ2との小さいほうの少なくとも１０倍の水平距離ｙだけ離隔すべきである。第３の実施形態のバーナーは、図２Ｃによって示されるのとは異なる向きで配置することもできることを当業者は理解されよう。右または左に例えば９０度回転させる、あるいは１８０度回転させることもできる。
【０１１１】
また、図２Ｃの二次ランスＳＬを図１の動的ランスＤＬで置き換えることも本発明の範囲内である。そのような修正されたバーナーでは、動的ランスＤＬおよび動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮによって注入される各ジェットは、それぞれ反応物Ｒ2および反応物Ｒ1の作動ジェットによって偏向させることができる。任意の時点で、ジェットの一方または両方を偏向させることができる。
【０１１２】
本発明による方法およびバーナーでの使用に適した動的ランスＤＬの１つのタイプが、図５Ａ〜図５Ｅに示されている。動的ランスＤＬは、ノズル本体ＭＢと、キャップＣＰとを含む。中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣと、複数の作動流体注入チャネルＡＦＩＣとが、ノズル本体ＭＢを通って延在する。キャップＣＰは、燃焼室に面するノズル本体ＭＢの端部を覆う。反応物Ｒ2は、本体を通って延在する、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣを通って流れ、そこから注入される。動的ランスＤＬが、そこから注入される反応物のジェットを偏向させるために使用されているとき、反応物Ｒ2はまた、４つの作動流体注入チャネルＡＦＩＣを通って流れる。作動流体注入チャネルＡＦＩＣは、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣから同じ半径方向距離で均等に間隔を空けて設けられ、ノズル本体ＭＢを通って延在する。任意選択で、ノズル本体ＭＢ内に、３つ、２つ、またはただ１つの作動流体注入チャネルＡＦＩＣがあってもよく、または８つあってもよい。いずれにせよ、作動流体注入チャネルＡＦＩＣは、典型的には、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの周りで半径方向で均等に間隔を空けて設けられる。作動流体注入チャネルＡＦＩＣは、動的ランスＤＬの前側からは見えないので、図５Ａ〜図５Ｂでは破線で示されている。
【０１１３】
ノズル本体ＭＢの（燃焼室に面する）終端部は、キャップＣＰで覆われて、キャップＣＰに接合される。キャップＣＰは、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの軸に沿って向けられた端部開口ＴＯを有する。端部開口ＴＯは、概して、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの直径に合致するようにサイズ設定され、それにより、反応物注入チャネルＣＤＲＩＣを通る反応物Ｒ2の流れは、末端開口ＴＯを通って続き、動的ランスＤＬから出る。キャップＣＰは、本体ＭＢの終端部に面する側にキャビティを含む。
【０１１４】
キャビティは、動的ランスＤＬの軸に垂直な平面内に位置する平坦面で終端するように、キャップＣＰの軸方向に（上流から下流へ）延在する。図５Ｂ、図５Ｃ、および図５Ｅでの外壁ＯＷは、各隅が作動流体注入チャネルＡＦＩＣに隣接する点まで延びている概して正方形の周縁部を有するものとしてキャビティを示すが、キャビティは、端面開口ＴＯと作動流体注入チャネルＡＦＩＣとの間に延在してそれらの間の流体連絡を提供する限り、任意の形状を有することができる。実際、キャビティは、４つのキャビティを備えることができ、各キャビティが、端面開口ＴＯと、作動流体注入チャネルＡＦＩＣのそれぞれ１つとを個別に連絡する。
【０１１５】
図５Ａ〜図５Ｅを引き続き参照すると、反応物Ｒ2は、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの末端から流れ出て、さらにキャップＣＰの末端開口ＴＯから流れ出る。作動流体Ｒ2の流れが作動流体注入チャネルから出るとき、キャビティの平坦面は、作動反応物Ｒ2の流れの方向を、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣから注入される反応物Ｒ2の流れにほぼ直角に交差するように向け直す。作動反応物Ｒ2のジェットが、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣからの反応物Ｒ2のジェットに交差するので、反応物Ｒ2の中央ジェットは、作動反応物Ｒ2のジェットから離れる方向に湾曲／偏向させられる。方向の湾曲／偏向は、反応物Ｒ2を適切な作動流体注入チャネルＡＦＩＣに供給することによって制御することができる。湾曲／偏向の角度は、作動反応物Ｒ2の圧力を制御することによって制御することができる。例えば、反応物の偏向されるジェットＤＪは、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの上方に位置決めされた作動流体注入チャネルＡＦＩＣを通して作動流体を注入することによって、下方向に湾曲／偏向されることがある。そうではなく、ジェットＤＪをバーナーの右手側に湾曲すべき場合には、作動流体は、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの左に位置された作動流体注入チャネルＡＦＩＣから注入される。
【０１１６】
本発明による方法およびバーナーで使用するのに適した別のタイプの動的ランスＤＬが、図７Ａ〜図７Ｂに示されている。動的ランスＤＬは、ノズル本体ＭＢと、キャップＣＰとを含む。中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣと、２つの作動流体注入チャネルＡＦＩＣとが、ノズル本体ＭＢを通って延在する。キャップＣＰは、燃焼室に面するノズル本体ＭＢの端部を覆う。反応物Ｒ2は、本体を通って延在する、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣを通って流れ、そこから注入される。動的ランスＤＬが、そこから注入される反応物のジェットを偏向させるために使用されているとき、反応物Ｒ2はまた、４つの作動流体注入チャネルＡＦＩＣを通って流れる。作動流体注入チャネルＡＦＩＣは、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣから同じ半径方向距離で均等に間隔を空けて設けられ、ノズル本体ＭＢを通って延在する。任意選択で、ノズル本体ＭＢに、それぞれ対応する穴Ｈと流体連絡する３つ〜８つの作動流体注入チャネルＡＦＩＣがあってもよい。いずれにせよ、作動流体注入チャネルＡＦＩＣは、典型的には、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの周りに半径方向で均等に間隔を空けて設けられる。
【０１１７】
ノズル本体ＭＢの（燃焼室に面する）終端部は、キャップＣＰで覆われて、キャップＣＰに接合される。キャップＣＰは、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの軸に沿って向けられた端部開口ＴＯを有する。端部開口ＴＯは、概して、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの直径に合致するようにサイズ設定され、それにより、反応物注入チャネルＣＤＲＩＣを通る反応物Ｒ2の流れは、末端開口を通って続き、動的ランスＤＬから出る。また、キャップＣＰは、そこを通して開けられた２つの穴Ｈを含み、各穴Ｈが、それぞれの作動流体注入チャネルＡＦＩＣの出口と、末端開口ＴＯから離隔されたキャップＣＰの端面との間を流体連絡する。穴Ｈは、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの軸に向けてある角度で開けられるが、キャップの末端開口ＴＯには交差しない。したがって、反応物は、末端開口ＴＯを通るジェットの形で、中央に配設された反応物注入チャネルの末端部から流れ出て、一方、作動流体は、作動流体注入チャネルＡＦＩＣの出口から穴Ｈ内に流れ、反応物のジェットに対してある角度で、ジェットの形でキャップＣＰから出る。作動流体のジェットは、反応物が動的ランスＤＬから出た後に、反応物のジェットに交差する。作動流体のジェットが反応物のジェットに交差するので、反応物のジェットは、作動流体のジェットから離れる方向に湾曲／偏向させられる。湾曲／偏向の方向および角度は、適切な速度で適切な作動流体注入チャネルＡＦＩＣを通して作動流体を注入することによって制御することができる。例えば、反応物の偏向可能ジェットＤＪは、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの上方に位置決めされた作動流体注入チャネルＡＦＩＣを通して作動流体を注入することによって、下方向に湾曲／偏向されることがある。そうではなく、ジェットＤＪをバーナーの右手側に湾曲すべき場合には、作動流体は、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの左に位置された作動流体注入チャネルＡＦＩＣから注入される。
【０１１８】
本発明による方法およびバーナーでの使用に適した１つのタイプの動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮが、図４Ａ〜図４Ｅに示されている。動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮは、本体を貫通して延びる中央に配設されたより大きな直径のボアＬＤＢを有するノズル本体ＭＢを採用することができる。環状の反応物注入チャネルＡＲＩＣによって取り囲まれた、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣを形成するように、大きな直径のボアＬＤＢの内部に、より小さな直径の管ＳＤＴが同心に配設される。したがって、これは、チューブインチューブタイプの構成を成し、この構成では、一方のタイプの反応物の環状の流れが、ノズル本体ＭＢの内面と管ＳＤＴの外面との間の環状空間内を流れ、他方のタイプの反応物の中央の流れが、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣを通って流れる。
【０１１９】
また、ノズル本体ＭＢは、本体を貫通して延びる４つの作動流体注入チャネルＡＦＩＣを含み、作動流体注入チャネルＡＦＩＣは、環状の反応物注入チャネルＡＲＩＣから間隔を空けて設けられる。ノズル本体ＭＢは、１つ〜３つ、または８つの作動流体注入チャネルＡＦＩＣを有することもある。複数の作動流体注入チャネルＡＦＩＣが採用されるとき、それらは、典型的には、大きな直径のボアＬＤＢの周りに半径方向で等間隔に配設される。ノズル本体の終端部は、キャップＣＰで覆われる。キャップＣＰは末端開口ＴＯを有し、末端開口ＴＯは、管ＳＤＴおよびボアＬＤＢの軸に沿って向けられ、概して、ボアＬＤＢの直径に合致するようにサイズ設定され、それにより、一方の反応物が他方の反応物を環状に包囲している流れは、キャップＣＰの末端開口ＴＯを通って続く。キャップは、ノズル本体ＭＢの終端部に面する側にキャビティを含む。キャビティは、動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮの軸に垂直な平面内に位置する平坦面で終端するように、キャップＣＰの軸方向に（上流から下流へ）延在する。
【０１２０】
図４Ａ〜図４Ｅを引き続き参照すると、第１および第２の反応物は、中央に配設された反応注入チャネルＣＤＲＩＣおよび環状の反応注入チャネルＡＲＩＣの末端部から流れ出て、さらにキャップＣＰの末端開口ＴＯから流れ出る。また、キャビティは、半径方向で、作動流体チャネルＡＦＩＣの出口と流体連絡するように十分に外方向に延在する。したがって、作動流体が作動流体注入チャネルＡＦＩＣから出るとき、キャビティの平坦面は、作動反応物の流れの方向を、燃料と酸化剤との流れにほぼ直角に交差するように向け直す。作動流体のジェットが第１および第２の反応物のジェットに交差するので、これらの反応物のジェットは、作動流体のジェットから離れる方向に湾曲／偏向させられる。湾曲／偏向の方向および角度は、適切な速度で適切な作動流体注入チャネルＡＦＩＣを通して作動流体を注入することによって制御することができる。例えば、反応物の偏向可能ジェットＤＪは、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの上方に位置決めされた作動流体注入チャネルＡＦＩＣを通して作動流体を注入することによって、下方向に湾曲／偏向されることがある。そうではなく、ジェットＤＪをバーナーの右手側に湾曲すべき場合には、作動流体は、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの左に位置された作動流体注入チャネルＡＦＩＣから注入される。
【０１２１】
本発明による方法およびバーナーで使用するのに適した別のタイプの動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮが、図６Ａ〜図６Ｂに示されている。動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮは、中央に配設された大きな直径のボアＬＤＢと、大きな直径のボアＬＤＢの内部に同心に配設されたより小さな直径の管ＳＤＴとを有するノズル本体ＭＢを含む。一方の反応物が、より小さな直径の管ＳＤＴの内部を形成する中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣを通って流れ、その反応物を管ＳＤＴおよびボアＬＤＢの出口で環状に包囲するように、他方の反応物が、ボアＬＤＢの内面と管ＳＤＴの外面との間の環状の反応注入チャネルＡＲＩＣを通って流れる。
【０１２２】
また、動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮは、そこを通ってノズル本体ＭＢを延びる２つの作動流体注入チャネルＡＦＩＣを含む。ノズル本体ＭＢの終端部は、キャップＣＰで覆われる。キャップＣＰは末端開口ＴＯを有し、末端開口ＴＯは、ボアＬＤＢおよび管ＳＤＴの軸に沿って向けられ、概して、ボアＬＤＢの直径に合致するようにサイズ設定され、それにより、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣ／環状の作動流体注入チャネルＡＦＩＣを通る燃料と酸化剤との流れは、キャップＣＰの末端開口ＴＯを通って続く。また、キャップＣＰは、そこを通して開けられた２つの穴Ｈを含み、穴の第１の端部が、それぞれの作動流体注入チャネルＡＦＩＣの出口と合致し、穴の第２の端部が、キャップＣＰの末端開口ＴＯから離隔されたキャップＣＰの末端部を通って延在する。
【０１２３】
穴Ｈは、動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮの軸に向けて鋭角で開けられるが、キャップＣＰの末端開口ＴＯには交差しない。したがって、作動流体は、作動流体注入チャネルＡＦＩＣの１つの出口からそれぞれの穴Ｈ内に流れ、第１および第２の反応物のジェットに対してある角度で、ジェットの形でキャップＣＰから出る。作動流体のジェットは、第１および第２の反応物が動的燃料−酸化剤ノズルＤＦＯＮから出た後に、第１および第２の反応物のジェットに交差する。作動流体のジェットが第１および第２の反応物のジェットに交差するので、第１および第２の反応物のジェットは、作動流体のジェットから離れる方向に湾曲／偏向させられる。湾曲／偏向の方向および角度は、適切な速度で適切な作動流体注入チャネルＡＦＩＣを通して作動流体を注入することによって制御することができる。例えば、反応物の偏向可能ジェットＤＪは、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの上方に位置決めされた作動流体注入チャネルＡＦＩＣを通して作動流体を注入することによって、下方向に湾曲／偏向されることがある。そうではなく、ジェットＤＪをバーナーの右手側に湾曲すべき場合には、作動流体は、中央に配設された反応物注入チャネルＣＤＲＩＣの左に位置された作動流体注入チャネルＡＦＩＣから注入される。
【実施例１】
【０１２４】
図２Ｃの概略設計を有するバーナーを構成して試験した。ここで、Ｒ1は天然ガスであり、Ｒ2は酸素である。天然ガスを、中央に配設されたより小さな直径の管を通して注入し、一次酸素を、中央に配設されたより小さな直径の管とより大きな直径のボアとの間の環状空間を通して注入した。このバーナーは、天然ガスおよび一次酸素の注入の下方に作動流体注入チャネルから注入された天然ガスの作動ジェットを利用した。二次ランスが、二次酸素を注入した。ランスの数およびタイプ／直径を、表ＩＡに示す。バーナーは、１ＭＷでの動作に関する表ＩＩＢに示される様々な反応物注入の速度を考慮して設計した。
【表１】
2013534611.tif 000003
【表２】
2013534611.tif 000004
【０１２５】
炉内温度が８５０℃に達した後、総Ｏ2流量の９０％を、二次ランスＳＬを通して供給した。目に見える火炎は検出されなかった。したがって、無炎燃焼が実現された。
【実施例２】
【０１２６】
図２Ｃの概略設計を有するバーナーを構成して試験した。ここで、Ｒ1は天然ガスであり、Ｒ2は酸素である。天然ガスを、中央に配設されたより小さな直径の管を通して注入し、一次酸素を、中央に配設されたより小さな直径の管とより大きな直径のボアとの間の環状空間を通して注入した。このバーナーは、天然ガスおよび一次酸素の注入の下方に作動流体注入チャネルから注入された天然ガスの作動ジェットを利用した。二次ランスが、二次酸素を注入した。ランスの数およびタイプ／直径を、表ＩＩＡに示す。バーナーは、１ＭＷでの動作に関する表ＩＩＢに示される様々な反応物注入の速度を考慮して設計した。
【表３】
2013534611.tif 000005
【表４】
2013534611.tif 000006
【０１２７】
炉内温度が８５０℃に達した後、総Ｏ2流量の９０％を、二次ランスＳＬを通して供給した。目に見える火炎は検出されなかった。したがって、無炎燃焼が実現された。
【実施例３】
【０１２８】
図２Ｃの概略設計を有するバーナーを構成して試験した。ここで、Ｒ1は天然ガスであり、Ｒ2は酸素である。天然ガスを、中央に配設されたより小さな直径の管を通して注入し、一次酸素を、中央に配設されたより小さな直径の管とより大きな直径のボアとの間の環状空間を通して注入した。このバーナーは、天然ガスおよび一次酸素の注入の下方に作動流体注入チャネルから注入された天然ガスの作動ジェットを利用した。二次ランスが、二次酸素を注入した。ランスの数およびタイプ／直径を、表ＩＩＩＡに示す。バーナーは、１ＭＷでの動作に関する表ＩＩＩＢに示される様々な反応物注入の速度を考慮して設計した。
【表５】
2013534611.tif 000007
【表６】
2013534611.tif 000008
【０１２９】
炉内温度が８５０℃に達した後、総Ｏ2流量の９０％を、二次ランスＳＬを通して供給した。目に見える火炎は検出されなかった。したがって、無炎燃焼が実現された。
【０１３０】
本発明を実施するための好ましいプロセスおよび装置を説明してきた。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、上述した実施形態に多くの変更および修正を施すことができることが当業者には理解され、容易に明らかであろう。前述したことは例示にすぎず、本発明の真の範囲から逸脱することなく、組み合わされたプロセスおよび装置の他の実施形態を採用することができる。
【図１】
2013534611.tif 000009
【図２Ａ】
2013534611.tif 000010
【図２Ｂ】
2013534611.tif 000011
【図２Ｃ】
2013534611.tif 000012
【図３Ａ】
2013534611.tif 000013
【図３Ｂ】
2013534611.tif 000014
【図３Ｃ】
2013534611.tif 000015
【図３Ｄ】
2013534611.tif 000016
【図３Ｅ】
2013534611.tif 000017
【図３Ｆ】
2013534611.tif 000018
【図３Ｇ】
2013534611.tif 000019
【図３Ｈ】
2013534611.tif 000020
【図３Ｉ】
2013534611.tif 000021
【図３Ｊ】
2013534611.tif 000022
【図４Ａ】
2013534611.tif 000023
【図４Ｂ】
2013534611.tif 000024
【図４Ｃ】
2013534611.tif 000025
【図４Ｄ】
2013534611.tif 000026
【図４Ｅ】
2013534611.tif 000027
【図５Ａ】
2013534611.tif 000028
【図５Ｂ】
2013534611.tif 000029
【図５Ｃ】
2013534611.tif 000030
【図５Ｄ】
2013534611.tif 000031
【図５Ｅ】
2013534611.tif 000032
【図６Ａ】
2013534611.tif 000033
【図６Ｂ】
2013534611.tif 000034
【図７Ａ】
2013534611.tif 000035
【図７Ｂ】
2013534611.tif 000036
【国際調査報告】
2013534611.tif 000037
2013534611.tif 000038
2013534611.tif 000039