(57)【要約】  炉壁に取り付けるための低ＮＯｘバーナ。バーナは燃焼用空気供給源に接続される長尺なチューブを有し、チューブの炉側端部は、炉壁からかなりの距離を隔てて離間される燃焼用空気スピナを装着する。複数の一般的に６つの長尺な空気ポートが、壁を貫通して炉のウインドボックスから燃焼室内に延び、必要とされる燃焼用空気の大部分を供給する。空気ポートの下流側端部は、炉壁およびスピナから離間されており、排出される空気流をスピナへ向けて付勢するように構成される。燃料ガス排出オリフィスを有する複数の第１の燃料ガススパッドがスピナの周囲に配置され、該燃料ガススパッドは、スピナの下流側の燃焼室内へ燃料ガスを排出する。【選択図】図１
2011520088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁と壁の内側の燃焼室とを有する炉と共に使用するための低ＮＯｘバーナであって、
燃焼用空気供給源に接続し、前記壁に取り付けられるようになっているとともに、前記壁から前記燃焼室内へかなりの距離にわたって延びる長尺なチューブと、
バーナの軸を規定するとともに、前記壁に対する前記チューブの取り付け時に、チューブの下流側端部が前記燃焼室の内側で前記炉壁から離れるように前記チューブに接続される燃焼用空気スピナと、
前記燃焼用空気供給源に接続し、前記壁から前記燃焼室内に延びるようになっているとともに、その下流側排出端部が前記炉壁および前記スピナから離間される複数の長尺な空気ポートと、
前記スピナの下流側端部の近傍に燃料ガス排出オリフィスを有する複数の第１の燃料ガススパッドと、
それぞれの隣り合う空気ポート対間に配置され、燃料ガス源に接続されるようになっているとともに、軸に対して空気ポートの径方向最も外側の部分の近くに配置され、炉壁の下流側であって排出端部の上流側に燃料排出オリフィスを有する第２の燃料ガススパッドと、
を備える低ＮＯｘバーナ。
【請求項２】
それぞれの空気ポートの内側に配置され、前記空気ポートを通じて流れる燃焼用空気中に燃料ガスを注入するために前記排出端部の上流側に配置される燃料ガス排出オリフィスを有する第３の燃料スパッドを含む、請求項１に記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項３】
チューブの周囲で周方向に均等に離間される少なくとも６つの空気ポートを含む、請求項１に記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項４】
空気ポートの数に等しい数の、前記スピナの外周の周りで周方向に均等に離間される第１の燃料ガススパッドを含む、請求項３に記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項５】
それぞれの空気ポートが長尺な導管を形成し、前記導管は、導管の上流側端部で最も大きく、導管の下流側端部で最も小さい断面を有し、それにより、燃焼用空気が前記導管を通じて流れる際に、前記燃焼用空気速度が導管の排出端部で最も大きくなる、請求項１に記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項６】
それぞれの導管内に配置される第３の燃料ガススパッドを含み、前記第３の燃料ガススパッドは、前記第３の燃料ガススパッドを通り過ぎる燃焼用空気の速度が前記導管の前記排出端部での燃焼用空気の速度よりも小さくなる前記導管の排出端部の上流側の位置で前記導管内に配置される、請求項５に記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項７】
前記導管の排出端部は、前記空気ポートから排出される燃焼用空気の流れをスピナの方へ付勢するために、前記導管の径方向最も外側の部分が前記導管の径方向最も内側の部分よりも燃焼室内へ深く延びるように形成される、請求項５に記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項８】
前記空気ポートの排出端部は、前記炉壁と前記スピナの下流側端部との間の距離の約２５％〜５０％にわたって延びている、請求項１に記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項９】
前記炉の始動動作中に前記第３の燃料スパッドから排出される燃料に点火するために空気ポートの内側に配置されるパイロット点火体を含む、請求項１に記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項１０】
壁と前記壁の内側の燃焼室とを有する炉に取り付けられるようになっている低ＮＯｘバーナであって、
前記燃焼用空気チューブに装着され、前記炉壁から最大距離を隔てて前記燃焼室内に配置される下流側端部を有するスピナと、
前記燃焼用空気を燃焼室内へ流すためにチューブの周囲に略均等に配置され、最大距離よりも短い中間距離だけ前記炉壁から離間される下流側排出端部をそれぞれが有する、少なくとも６つの長尺な離間された空気ポートと、
隣り合う空気ポート間で燃焼用空気が流れないようにするために前記空気ポートの上流側端部に近い隣り合う空気ポート対間の空間に配置される壁部材と、
前記スピナの外周の周りに配置され、少なくとも最大距離にわたって燃焼室内へ延びる排出オリフィスを有する第１の複数の燃料ガス排出スパッドと、
前記隣り合う空気ポート対間のそれぞれの空間内に配置され、空気ポートの径方向最も外側の部分の近傍に配置されるとともに、燃料ガスを燃焼室内へ流すために中間距離よりも短い最小距離にわたって炉壁から離間される燃料ガス排出オリフィスを有する第２の燃料ガス排出スパッドと、
を備える、低ＮＯｘバーナ。
【請求項１１】
燃焼室を取り囲む炉壁と、
壁に取り付けられる長手方向軸を有する低ＮＯｘバーナであって、前記壁の開口を貫通して燃焼室内へ延び、その処理後に燃焼排ガスとして排出される炉ガスを燃焼室内で発生させる火炎を燃焼室内で生成する低ＮＯｘバーナと、
火炎を生成するための燃焼用空気源および燃料ガス源と、
を備え、
前記バーナは、下流側端部が前記炉壁からかなりの距離にわたって隔てられるように燃焼室内に全体的に配置される燃焼用空気スピナを含み、
前記燃焼用空気を燃焼用空気源から前記スピナを介して前記燃焼室内に流すための燃焼用空気導管と、
炉壁から燃焼室内に延びる複数の空気ポートであって、互いに周方向に均等に離間されて前記空気ポート間に空間を形成し、燃焼室の内側に配置されるとともに前記スピナの上流側にあって前記スピナおよび炉壁から離間される排出端部を有する複数の空気ポートと、
燃焼用空気が燃焼用空気源から前記空気ポート間の空間を貫いて流れないようにする隣り合う空気ポート対間のプレートと、
前記燃料源から前記炉壁の開口を通り過ぎて燃焼室内に延び、前記燃料ガスを燃焼室内に排出して前記燃料ガスと前記スピナからの燃焼用空気とを混合させるために少なくともスピナの下流側端部と同程度の距離だけ前記炉壁から離間される燃料ガス排出オリフィスを有する長尺な燃料スパッドの第１の組と、
隣り合う空気ポート間のそれぞれの空間内で前記燃料源から前記炉壁を通り過ぎて燃焼室内へ延びる少なくとも１つの第２の燃料スパッドであって、それぞれの第２の燃料ガススパッドは、前記第２のスパッドが隣り合う空気ポートの径方向最も外側の部分の近傍に配置されるように軸から径方向に離間され、それぞれの第２の燃料スパッドは、前記炉壁の下流側であって隣り合う空気ポートの前記排出端部の上流側の燃焼室内に配置される燃料ガス排出オリフィスを含む下流側端部を有し、それにより、第２のスパッドにより排出される燃料ガスは、前記炉壁へ向けて隣り合う空気ポート間の空間内へ燃焼室内で再循環する炉ガスと混合して、空気ポートの下流側端部の上流側に不燃性燃料ガス−炉ガス混合物を形成し、前記不燃性混合物は、スピナのほぼ下流側の燃焼室内での火炎によるその後の点火のために前記スピナの上流側で前記空気ポートの排出端部からの燃焼用空気と更に混合される、少なくとも１つの第２の燃料スパッドと、
第１の燃料ガススパッドよりも相対的に多い燃料ガスを第２の燃料ガススパッドを通じて方向付けるために前記燃料ガス源および前記燃料ガススパッドと結合されて作用する燃料ガス排出調整器と、
を備える、低ＮＯｘ放射炉。
【請求項１２】
前記空間、前記第１の燃料ガススパッド、前記スピナ、および、前記燃焼用空気導管は、軸に対して径方向に遮られておらず、それにより、前記スピナの下流側端部の上流側で前記燃料ガス、前記燃焼用空気、および、前記再循環する炉ガスの混合を容易にするために、前記燃焼室内で再循環する燃料ガスが、前記空間内および前記第１の燃料ガススパッド、前記スピナ、および、前記燃焼用空気導管の近傍へ自由に流れることができることができる、請求項１１に記載の炉設備。
【請求項１３】
それぞれの空気ポートの内側に配置され、前記空気ポートを通じて流れる燃焼用空気中に燃料ガスを混入し、そこで燃料ガスと燃焼用空気との混合物を形成するために前記空気ポートの排出端部の上流側に配置される燃料ガス排出オリフィスを有する第３の燃料ガススパッドを含む、請求項１２に記載の炉設備。
【請求項１４】
前記調整器は、第２の燃料ガススパッドよりも少ない燃料ガスを第３の燃料ガススパッドへ方向付ける、請求項１３に記載の炉設備。
【請求項１５】
前記空気ポートの排出端部は、それぞれの空気ポートの径方向最も外側の部分が空気ポートの径方向最も内側の部分よりも燃焼室内へ深く延びるように傾けられており、それにより、燃焼用空気が空気ポートからスピナへ向けて付勢される、請求項１１に記載の炉設備。
【請求項１６】
予め選択された量の燃焼排ガスを燃焼用空気中に混入させるための導管を含む、請求項１１に記載の炉設備。
【請求項１７】
前記炉は、燃焼室の内側に配置される複数の熱交換パイプを含み、前記再循環する炉ガスは、それが燃焼用空気と混合される前に熱交換チューブと接触して熱交換チューブによって冷却される、請求項１１に記載の炉設備。
【請求項１８】
炉壁と、前記壁の内側の燃焼室と、前記燃焼室内に延び、排出する燃焼用空気および燃料ガスから燃焼室内で火炎を発生させるバーナと、前記バーナの長手方向軸上に配置されるスピナとを有する炉からのＮＯｘ放射を低減する方法であって、
前記スピナが前記炉壁からかなりの距離を隔てて配置されるように前記スピナを燃焼室内に配置し、
燃焼用空気の第１の流れを前記スピナを通じて方向付けて、燃焼用空気を前記スピナの下流側端部から燃焼室内に排出し、
前記スピナの下流側端部の下流側で、前記燃料ガスの第１の流れと前記燃焼用空気の第１の流れとを混合させるとともに、結果として生じるその混合物に点火して、燃焼室内に火炎を発生させ、
複数の別個の離間する燃焼用空気流を第１の燃焼用空気流の周囲に配置して、前記燃焼用空気流を燃焼室内へ排出し、
隣り合う燃焼用空気流間に実質的に燃焼用空気が無いポケットを形成し、前記ポケットの上流側から燃焼用空気が燃焼室内へ排出され、
前記スピナへ向かう方向で前記第２の燃料ガスをポケット内へ別個に流し、
燃焼室から前記ポケット内に炉ガスを再循環させて、前記ポケットから再循環炉ガスを前記スピナへ向けて流すとともに、第２の燃料ガス流をポケット内で再循環される燃焼用空気中に混入させて、燃料ガス−炉ガス混合物を形成し、
前記スピナの上流側で前記燃料ガス−炉ガス混合物と燃焼用空気流とを混合させて、前記スピナを通り過ぎて下流側方向へ流れる可燃性燃料ガス／炉ガス／燃焼用空気混合物を形成し、
前記スピナによって発生される火炎を用いて燃料ガス／炉ガス／燃焼用空気混合物に点火する、
ことを含む、方法。
【請求項１９】
前記燃焼用空気流が燃料ガス−炉ガス混合物と混合されるようになる前に第３の燃料ガス流を燃焼用空気流中に混入させることを含み、前記第３の燃料ガス流は、前記第１の燃料ガス流よりも多く、前記第２の燃料ガス流よりも少ない、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記炉から放出される燃焼排ガスの一部を燃焼用空気流中に混入させることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記バーナのポケットから前記スピナまでのバーナの略全長にわたって燃焼室内で再循環する炉ガスの流れへのアクセスを妨げないようにすることを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、「Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｌｏｗ  ＮＯｘ  Ｂｕｒｎｅｒ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｓａｍｅ」なる名称の２００５年２月２５日に出願された米国特許出願第１１／０６７，３１２号の一部継続出願であり、その開示内容が参照により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
本発明は、コンパクトで動作効率が高く、ＮＯｘ放射を減らすために炉の燃焼室内で炉ガス再循環を使用する低ＮＯｘ放射バーナに関する。
【背景技術】
【０００３】
加熱炉放射は、大気汚染の重大な一因になるため大きな懸案事項である。大きなＮＯｘ放射源は、例えば蒸気作動タービンを用いて電力を生成するために使用される非常に大型の炉を含む大型および小型の加熱炉で使用されるバーナである。炉内のバーナによって発生する火炎の温度を下げることによりＮＯｘ放射が低減されることはよく知られている。従来、これは、化学量論的に燃料に点火するために必要とされる量を超える過剰な空気をバーナに供給することによって達成されてきた。なぜなら、燃料がその追加の空気を加熱しなければならず、それにより、火炎およびそれによって生成される炉ガスの全体の温度が下げられるからである。
【０００４】
ＮＯｘ放射を下げる他の手法は、バーナのための燃焼用空気と排気筒へ向かう燃焼排ガスとを混合させることである。この技術は燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）と呼ばれる。燃焼排ガスは、一般に、約２００°Ｆ〜４００°Ｆの範囲の温度である。再循環される燃焼排ガスは、火炎温度を下げてＮＯｘ生成を低減するが、過剰な量では火炎不安定性および噴出を引き起こす。
【０００５】
これらの手法はいずれも、個別でも組み合わせても使用できる。しかしながら、ＮＯｘを減らすために必要となり得る多量のＦＧＲは、バーナおよび炉対流セクションを通じて輸送されなければならないガスの総量をかなり増大させる。これにより、システムを通じて輸送されなければならない高温のＦＧＲと空気との増大した複合塊を取り扱うためには、バーナの前壁の外側の共通のウインドボックスを含む大型のブロワおよび導管が必要になる。これは、初期設置コストを増大させるとともに、ブロワのエネルギー必要量に起因するその後の運転コストおよびメンテナンスコストを増大させる。これらの全ては望ましくない。
【０００６】
前述した同時係属出願に開示されるように、再循環されなければならない多量のＦＧＲは、燃焼室の内部で炉ガスを再循環させることにより減らすことができる。これは、ＮＯｘ放射を減らすのにうまく機能してきており、大型ブロワを動作させて付加的な燃焼用空気及び／又は再循環燃焼排ガスを扱うための付加的なエネルギーを減少させ、または排除するという利点を有する。同時係属出願に開示されるバーナの主要な部分は、炉壁から延びる大規模な円筒チューブである。このチューブの排出端部にはスピナが装着される。炉壁の近傍のチューブの部分は開口を含んでおり、この開口を通じて炉ガスが空気ジェットおよび燃料ガスジェットによってチューブ内に空気力学的に推し進められ、このチューブにおいて、炉ガスが燃焼用空気および燃料と混合され、その後、混合物の点火がなされる。しかしながら、このバーナは、燃料がチューブの囲繞部内で燃え始める場合には、チューブの損傷および過熱を起こしやすい。チューブ内での燃料の燃焼は、空気、燃焼排ガス、および、燃料ガスの流入混合物全体がＦＧＲなどの不活性ガスによって不十分に希釈されるという条件で起こり得る。バーナの動作形態を内側で燃える火炎から引き離すと、チューブの排出端部へ向けて更にシフトしなければならないが、これは、通常、最低ＮＯｘ放射を達成するのに最適ではない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、バーナを取り囲むチューブの必要性を排除して、後述するようにバーナの構造および動作を簡略化するという点において、前述した同時係属の特許出願に記載される低ＮＯｘバーナの更なる改良である。
【０００８】
本発明により構成される低ＮＯｘバーナは炉内に取り付けられ、この炉は、炉の燃焼室を取り囲む炉壁を有する。バーナは、炉の壁に取り付けられて、壁の開口を通って燃焼室内に延び、燃焼室において火炎を発生させる。
【０００９】
バーナ自体は、燃焼室内に全体的に配置される燃焼用空気スピナを有しており、スピナの下流側端部は、以下で更に説明するように炉壁からかなりの距離を隔てて離間される。燃焼用空気チューブが燃焼室内へ延びてスピナを支持し、燃焼用空気を炉外の燃焼用空気源からスピナを通じて燃焼室内へ流す。
【００１０】
複数の空気ポート、好ましくは６つの空気ポートが炉壁から燃焼室内へ延びるが、それより多い数または少ない数の空気ポートを使用できる。これらの空気ポートは、互いに周方向に均等に離間されており、それにより、空気ポート間に空間を形成するとともに、一般に、必要とされる燃焼用空気の大部分を単独で、または必要に応じてＦＧＲと混合して供給する。空気ポートの排出端部は、スピナの上流側の燃焼室内に配置され、スピナおよび炉壁から離間される。
【００１１】
隣り合う空気ポート間の適切なプレートは、バーナの中心にあるポートおよびパイプを通じて流れるのを除き、燃焼用空気が燃焼用空気源から炉内へ流れるのを妨げる。
【００１２】
長尺な燃料スパッドの第１の組、好ましくは空気ポートの数に対応する数の燃料スパッドが、燃料源から炉壁を通り過ぎて燃焼室内に延びる。スパッドの端部にあるそれらの燃料ガス排出オリフィスは、少なくともスピナの下流側端部と同程度の距離だけ炉壁から離間されており、それにより、燃料ガスが燃焼室内に排出されて、燃焼室において燃料ガスがスピナからの燃焼用空気と混合されるようになる。
【００１３】
少なくとも１つの第２の燃料スパッドが、隣り合う空気ポート間のそれぞれのポケット空間内に配置され、燃料源から炉壁を通り過ぎて燃焼室内に延びる。それぞれの第２の燃料ガススパッドは、隣り合うポートの径方向最も外側の部分の近傍に配置されるようにバーナの軸から径方向に離間される。それぞれの第２の燃料スパッドは、炉壁の下流側で、かつ空気ポートの排出端部の上流側でポケットの内側の燃焼室内に配置される１つ以上の燃料排出オリフィスを含む下流側端部を有する。
【００１４】
第２の燃料ジェットと空気ポートを通じて排出する空気流とによってもたらされる空気力学的な力は、燃焼室内の火炎から炉の前壁に戻る燃焼生成物（以下、「炉ガス」ともいう）の循環を引き起こす。この循環中、燃焼生成物は、炉の水管壁への熱伝達によって部分的に冷える。結果として、第２のスパッドから空気ポート間の空間を通じて伝播する燃料ガスは、最初に、ほぼ不活性な低温炉ガスと混合する。この不燃性混合物は、スピナの下流側の燃焼室内での火炎による混合物のその後の点火のため、スピナの上流側で空気ポートの排出端部からの燃焼用空気と更に混合される。
【００１５】
バーナは、燃料ガス源と結合されて作用し、第１の燃料ガススパッドよりも相対的に多い燃料ガスを第２の燃料ガススパッドを通じて方向付けるように設定される燃料ガスバルブまたは調整器と更に関連付けられることが好ましい。
【００１６】
本発明の現在好ましい実施形態によれば、バーナは、それぞれの空気ポート内に配置されるノズルを有する燃料ガススパッドの第３の組を含む。第３の燃料ガスノズルは空気ポート中心線に沿って配置され、一般的には、各空気ポート内の複数のノズルが例えば空気ポートの径方向中心線に沿って配置される。ノズルのサイズおよび位置は、燃料と空気流との略均一な分布をもたらすように選択される。全ての第３のノズルは、周囲の空気流と同じ方向で燃料を注入する。
【００１７】
隣り合う空気ポート間の前述したポケットは燃焼チャンバ内で周方向に開口しており、また、空気チューブおよびスピナのいずれも、それらが炉ガス再循環中にあるように１つのチューブまたは導管内に封入されていない。このことは、燃焼室内で再循環する炉ガスが隣り合う空気ポート間のポケットに入り込むことができ、ポケットにおいてそれらの炉ガスが燃料ガスと混合して、スピナへ向けて下流側方向に流れる不燃性燃料ガス／炉ガス混合物が形成されることを意味する。空気ポートの下流側で、この混合物は、空気ポートからの燃焼用空気と更に混合されて、スピナの下流側の既存の火炎によって点火され得る燃料ガス／燃焼用空気／炉ガス混合物を形成する。
【００１８】
特定の用途においては、燃焼用空気とＦＧＲとの混合物をウインドボックスに供給することが望まれるか必要な場合がある。この別の手段は、特に、炉ガス再循環のみによって達成することができるものよりも低い低ＮＯｘ放射を達成しなければならない用途に限られることが好ましい。これは、低ＮＯｘ放射の達成が、大型の、したがってより高価なブロワ、ダクト、ウインドボックス等を必要とするからである。
【００１９】
バーナの初期点火後の動作において、バーナによって生成される火炎は、バーナが装着される前炉壁から相対的に離れているスピナの下流側端部にとどめられる。バーナがチューブまたは管状部材の内側に封入されず、主要な空気排出ポートが炉の前壁の比較的近傍に配置される一方で、スピナが壁から比較的離れて燃焼室内の深くに至っているため、燃料ガス、燃焼用空気、および、それらの混合物の流速は、それらがスピナに達するときまでにかなり減少してしまっている。これにより、最も低いＮＯｘ放射を達成しようとするときに燃料ガス−燃焼用空気混合物の高い速度が火炎不安定性および比較的早期の消炎をもたらし得るという、囲繞管状導管の端部の近傍内側に配置される典型的な従来技術のバーナを用いるときに直面する問題が回避される。本発明のバーナを用いると、排出される空気およびガスは、限られた断面に拘束されず、したがって、比較的素早く減速し、それにより、スピナでの火炎の安定化が助けられる。そのため、本発明は、スピナを取り囲むガスの流速を下げて、火炎安定性を高め、消炎の可能性をかなり低下させる一方、更に低いＮＯｘ放射が、同等の従来技術のバーナよりも製造、取り付け、保守、および、動作にコストがかからないバーナによって達成される。
【００２０】
また、全ての燃料ガススパッドを空気ポートの径方向最も外側の範囲内に配置して、炉壁により従来から形成されるバーナスロートを排除することにより、（炉壁に対する）バーナの径方向のフットプリントが減少され、それにより、バーナの前壁上および炉室内での占有空間が小さくなる。この特徴は、バーナのために利用できる開口のサイズが前壁水管によって制限される既存の炉に対して低ＮＯｘバーナを後付けするのに特に有益である（現在利用できる低ＮＯｘバーナは、一般に、より高いＦＧＲ比率の必要性およびＮＯｘを下げるために必要とされる付加的な特徴に起因して、従来のバーナよりもかなり大きいからである）。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明にしたがって形成される、炉壁に取り付けられる低ＮＯｘバーナの図２のＩ−Ｉ線に沿う概略側断面図である。
【図２】図１に示されるバーナの正面図である。
【図３】本発明に係る炉の燃焼室内の炉ガスの再循環を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図面を参照すると、炉２は、炉の内側の燃焼室８内にアクセスできるようにする開口６を伴う前壁４を有する。本発明にしたがって構成される低ＮＯｘバーナ１０が開口６を通じて炉２の燃焼室内に延びており、該バーナは、燃焼室で、熱を発生させるための火炎８４を形成する。例えば、炉は、流れを発生させるボイラであってもよい。
【００２３】
燃料ガス供給源１２および燃焼用空気供給源９０が、炉の前壁４に取り付けられるウインドボックス１４に対して適切に結合される。バーナは燃料および燃焼用空気を燃焼室内へ方向付け、燃焼室において燃料および燃焼用空気が混合されて燃焼され、それにより、熱エネルギーが解放されて、高温の炉ガスが発生される。炉ガスは、一般に炉の対流セクション１６内へ排出され、このセクションにおいて温度が一般に約２００〜４００°Ｆの範囲まで下げられる。冷却された燃焼排ガスは、排気筒２０を通じて大気中に排出される。以下で更に詳しく説明するように、冷却された燃焼排ガスの一部は、時として、燃焼排ガス再循環システム１８を介して燃焼室内へ再循環される。
【００２４】
ここで、特に図１および図２を参照すると、バーナ１０は、適切なチューブマウント２６によってプレート２８上に支持される燃焼用空気チューブ２４の軸でもある長いバーナ軸２２を有する。チューブの後端または上流側端部３０は開口しており、ウインドボックス１４内へ延び、当業者に良く知られるように燃焼用空気のチューブ内への流れを調整するために使用できるダンパ３２を有する。
【００２５】
バーナチューブは、その下流側端部３４で、スピナブレード３８を伴う下流側端部を有する燃焼用空気スピナ３６を支持する。燃焼用空気チューブは、スピナの下流側端部が炉の前壁４からかなりの距離を隔てて配置されるように十分に長い。本発明の１つの実施形態では、バーナチューブが約１６．５１ｃｍ（６．５インチ）の直径を有するとともに、スピナの下流側端部が炉壁から約１１１．７６ｃｍ（４４インチ）離間されており、それにより、スピナの下流側端部は、チューブの直径の６倍よりも僅かに小さい距離だけ炉壁から離間される。殆どの用途において、炉の前壁とスピナの下流側端部との間の距離は、燃焼用空気チューブ２４の直径の約４〜８倍の範囲であるが、特定の設置、目的、および、炉形態においては、この範囲が更に大きくてもよく、または更に小さくてもよい。
【００２６】
図示の実施形態では、複数の６つのセンター燃料ガススパッド４０がスピナ３６の外面の周囲で周方向に均等に離間されており、これらのスパッドは、適切なスパッドホルダ４２によってスピナ上の所定位置に保持される。また、スパッドの下流側端部４４は、少なくともスピナの下流側端部３８と同程度の距離だけ炉壁４から離間され、好ましくは図１に示されるようにスピナを僅かに超えて延びている。センタースパッドの下流側端部はオリフィス４６を有しており、該オリフィスから、燃料ガスが、スピナを通過する渦巻き空気流中へと排出される。各センタースパッドの上流側端部４８は、円形燃料ガス供給チューブまたはマニホールド１２ａとして図１に示される燃料ガス源１２に流体結合されている。
【００２７】
図示の実施形態では、図２に最も良く示されるように、長尺な導管によって形成される複数の６つの燃焼用空気ポート５０が、燃焼用空気チューブ２４の周囲で周方向に均等に離間される。各空気ポートは、径方向内側および外側の壁５４，５６と側壁５２とによって形成される。空気ポートの断面は側壁５２によって下流側方向で先細っており、それにより、空気ポートの上流側端部５８が空気ポートの下流側排出端部６０よりも大きい断面を有する。また、排出端部は、（図１に最も良く見られるように）空気ポートの最も外側の壁５６が空気ポートの最も内側の壁５４よりも燃焼室８内に更に深く延びるように先細っている。この先細りは、スピナの下流側で火炎による点火のために空気流をスピナ３６へ向けて方向付けるバイアスを、空気ポートを通じて流れる燃焼用空気にもたらす。
【００２８】
本発明に係る典型的なバーナ構造において、炉の前壁４と空気ポート５０の排出端部６０との間の間隔は、炉壁とスピナ３６の下流側端部３８との間の距離の約１／４〜１／２の範囲にある。本発明の特に好ましい実施形態において、空気ポート排出端部は炉壁から４０．６４ｃｍ（１６インチ）離間され、一方、スピナの下流側端部は１１１．７６ｃｍ（４４インチ）離間される。しかしながら、所定の設備のために望ましければ、これらの範囲を上回ることができ、または下回ることができる。
【００２９】
それぞれの隣り合う空気ポート対同士の間には径方向外側に開口する空間があり、該空間は、バーナプレート２８および断熱体６２によって上流側方向が閉じられる。図１から分かるように、隣り合う空気ポート同士の間の空間は、後方および略径方向内側の方向も閉じられ、下流側および径方向外側の方向が開口するポケット６４を形成する。結果として、ウインドボックス１４からの燃焼用空気がポケット内に流入せず、またはポケットを流通せず、効果的である。
【００３０】
センタースパッド４０は、バーナプレート２８を貫通してポケット６４内へと延び、ポケット６４を通り過ぎて燃焼室内のスピナへ延在する。第２の燃料ガススパッド６６の更なる組が、空気ポート５０の外壁５６に近いポケット４の径方向最も外側の部分に近接して配置されている。第２のスパッドの下流側端部はオリフィス６８を有する。オリフィス６８を有する第２のスパッド６６の下流側端部は、炉壁４の直ぐ下流側の燃焼室内であって、空気ポート５０の排出端部６０の上流側のポケット６４内に配置される。スパッド６６の上流側端部７０は、第２の円形燃料ガスマニホールド１２ｂの形態で燃料源１２に流体接続される。オリフィス６８を通じて出る燃料ガスはポケット６４に流入する。
【００３１】
燃料スパッド７２の第３の組がそれぞれの空気ポート５０の内側に配置されることが好ましく、燃料スパッド７２の第３の組は、空気ポートを通じた好ましくは空気ポートの中心線に沿う流れ方向に対して垂直に延びて燃料ガス排出オリフィス７６を有する長尺なノズルチューブ７４を含む。スパッド７２の第３の組の上流側端部７８は、第３の円形燃料ガスマニホールド１２ｃの形態で燃料ガス供給源１２に流体接続される。各スパッド７２は、一般に、空気ポートの中心線に沿って配置される複数の排出オリフィス７８を有する。ノズルのサイズおよび位置は、空気流中に燃料の略均一な分布を形成するように選択される。オリフィス７６は、図１に示されるように軸２２の方向に面する中心線を有する。
【００３２】
使用時、燃焼用空気は、前述したように、ウインドボックス１４から空気ポート５０を通じてその排出端部６０を通り過ぎて下流側方向に流れる。空気ポート内のガス排出ノズルチューブ７４は、ノズルチューブ７４の周囲の気流速度の二乗に比例する有害な抵抗を燃焼用空気流に対して与える。この抵抗を最小にするため、チューブ７４は、ノズルチューブ７４を通り過ぎる気流速度が排出端部におけるその気流速度よりもかなり小さくなるように、（軸２２に対して垂直な面内の）空気ポートの断面が排出端部６０における空気ポートの断面よりもかなり大きい位置でポート６４の内側に配置される。
【００３３】
図１に示されるパイロット８０は、空気ポート５０のうちの少なくとも１つの内側に適切に配置されており、燃料ガスノズルチューブ７４の下流側に形成される燃焼空気−燃料ガス混合物の第１の部分に最初に点火するために作動される。パイロットにより生じる火炎は、スピナの排出端部３８を通り過ぎて延び、そこでバーナに供給される燃料の残りに点火する。
【００３４】
燃料ガス流量調整器８２は、燃料ガスをガス源１２から受けて、制御された量の燃料ガスを燃料ガスマニホールド１２ａ〜１２ｃへと向けるとともに、マニホールドのそれぞれに供給される燃料ガスの量を制御する。炉ガスの典型的な通常の動作において、燃料ガス流量調整器は、全体の燃料ガス必要量の約５〜２０％をセンタースパッド４０に対して供給し、全体のガス必要量の約３０〜７０％を外側スパッド６６に対して供給するとともに、燃料ガス必要量の約１０〜４０％を空気ポート５０の内側の燃料ガススパッド７２に対して供給する。
【００３５】
炉の始動のため、バーナ１０は、最初に空気をウインドボックス１４から炉の燃焼室８内へ吹き込んで流通させることにより作動され、それにより、存在し得る任意の燃料残留物を燃焼室からパージする。バーナに火を付けるため、減少された燃焼用空気が空気チューブ２４および空気ポート５０を通じて燃焼室内に流され始める。少なくとも１つの空気ポート５０内のパイロット点火体８０が発火され、それにより、スピナ３６へ向けて前方に延びる火炎が発生され、また、燃料ガス流量調整器８２が開かれて、燃料ガスが、内側スパッド４０、外側スパッド６６、および、空気ポート５０の内側のスパッド７２の下流側端部のオリフィスを通り過ぎて流される。したがって、パイロット火炎および点火された燃料ガスがスピナ３６の下流側端部３８を超えて延び、それにより、バーナの全ての燃料ガススパッドによって放射される燃料ガスが点火される。
【００３６】
スピナ３６の下流側の火炎が発火されると、パイロット８０がＯＦＦされる。空気ポート５０の内側からスピナへ向けて延びる火炎は、十分に強力なパイロット火炎の存在がなければ、空気ポートの内側での火炎安定性の欠如により鎮火されるようになる。バーナの動作は、バーナのスパッドからの燃料とスピナ３６および空気ポート５０を介して燃焼室内へ排出される燃焼用空気とによって供給される、燃焼室８の内側でスピナ３６の下流側に形成される火炎８４を継続させる。
【００３７】
ポート５０の排出端部から出てくる空気および燃料のジェットの推進力、ならびに、ポケット６４内のオリフィス６８からの燃料ガスジェットの推進力は、燃焼室の内側部分（スピナ３６の下流側）から炉の前壁４へ向けた炉ガスの再循環８６を引き起こす。再循環する炉ガスは、一般に、通常は炉の内側に例えば炉壁に沿って配置されるチューブ８８で覆われる炉壁への熱伝達により、初期火炎温度から部分的に冷却される。再循環する炉ガスの一部が隣り合う空気ポート５０の対間のポケット６４に入り、そこで、外側スパッド６６からの燃料ガスが炉ガス中に混入される。空気ポートの排出端部６０の下流側で、この燃料ガス／炉ガス混合物は、一般にスパッド７２の第３の組のノズルチューブ７４からの燃料ガスを含む空気ポート５０からの燃焼用空気と混合する。炉ガス／燃焼用空気／燃料混合物は前述したようにスピナ３６へ向けて流れ、混合物は、スピナ３６の下流側で、スピナ３８の作用によって安定化される火炎８４によって点火される。
【００３８】
再循環する炉ガスの燃料ガス／燃焼用空気混合物中への混入は、火炎８４の温度の低下をもたらし、それにより、ＮＯｘの発生および放射が低減される。これは、例えば燃焼排ガス再循環１８の流れを増大することにより、炉の対流セクション１６を流通する流れの増大をもたらすことなく、また、火炎温度が低下する場合に必要とされるであろう大きなブロワ９２および導管のサイズを必要とすることなく有利に達成される。
【００３９】
また、再循環する炉ガスが元のボイラ前面に到達する時までに、炉ガスは一般に約１０００〜２０００°Ｆの温度を有する。このガスを空気ポート６０からくる流れと混合すると、それにより、結果として生じる混合物の全体の温度がその点火前において約６００〜８００°Ｆまで上昇する。これは、点火前後のガス温度間の比率をかなり増大させる（非常に低いＮＯｘ火炎の場合には、その温度が約２５００°Ｆである）。結果として、燃焼プロセスが更に容易に開始されて維持される。これが、火炎を安定させ、本発明によって得られる大きな利点となる
燃焼室の内側で炉ガスを再循環させることによって実現可能な量を下回るまでＮＯｘ放射を低減する必要がある場合には、燃焼排ガスの一部が燃焼排ガス再循環システム１８を介して燃焼用空気に加えられる。再循環された燃焼排ガスは、燃料ガス／燃焼用空気／再循環路ガス混合物中の利用可能な酸素供給量を減らし、それにより、火炎温度の更なる低下がもたらされ、それに伴って、炉ガスが燃焼排ガス処理１６および排気筒２０を介して環境へと排出される前の炉ガスのＮＯｘ含有量が更に低下する。
【００４０】
前述した装置によれば、炉の前壁で同じ全体空間を占める他の既知の装置よりも安定した火炎を伴って、より低い最小ＮＯｘ放射を達成できるとともに、同程度のＮＯｘ放射レベルを供給する場合には全体のエネルギー効率が更に高くなる。
【図１】
2011520088.tif 000003
【図２】
2011520088.tif 000004
【図３】
2011520088.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月6日(2011.1.6)
【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】
壁と壁の内側の燃焼室とを有する炉と共に使用するための低ＮＯｘバーナであって、
燃焼用空気供給源に接続し、前記壁に取り付けられるようになっているとともに、前記壁から前記燃焼室内へかなりの距離にわたって延びる長尺なチューブと、
バーナの軸を規定するとともに、前記壁に対する前記チューブの取り付け時に、チューブの下流側端部が前記燃焼室の内側で前記炉壁から離れるように前記チューブに接続される燃焼用空気スピナと、
前記燃焼用空気供給源に接続し、前記壁から前記燃焼室内に延びるようになっているとともに、その下流側排出端部が前記炉壁および前記スピナから離間される複数の長尺な空気ポートと、
前記スピナの下流側端部の近傍に燃料ガス排出オリフィスを有する複数の第１の燃料ガススパッドと、
それぞれの隣り合う空気ポート対間に配置され、燃料ガス源に接続されるようになっているとともに、軸に対して空気ポートの径方向最も外側の部分の近くに配置され、炉壁の下流側であって排出端部の上流側に燃料排出オリフィスを有する第２の燃料ガススパッドと、
を備える低ＮＯｘバーナ。
【請求項２】
それぞれの空気ポートの内側に配置され、前記空気ポートを通じて流れる燃焼用空気中に燃料ガスを注入するために前記排出端部の上流側に配置される燃料ガス排出オリフィスを有する第３の燃料スパッドを含む、請求項１に記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項３】
それぞれの空気ポートが長尺な導管を形成し、前記導管は、導管の上流側端部で最も大きく、導管の下流側端部で最も小さい断面を有し、それにより、燃焼用空気が前記導管を通じて流れる際に、前記燃焼用空気速度が導管の排出端部で最も大きくなる、請求項１に記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項４】
それぞれの導管内に配置される第３の燃料ガススパッドを含み、前記第３の燃料ガススパッドは、前記第３の燃料ガススパッドを通り過ぎる燃焼用空気の速度が前記導管の前記排出端部での燃焼用空気の速度よりも小さくなる前記導管の排出端部の上流側の位置で前記導管内に配置される、請求項５に記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項５】
前記導管の排出端部は、前記空気ポートから排出される燃焼用空気の流れをスピナの方へ付勢するために、前記導管の径方向最も外側の部分が前記導管の径方向最も内側の部分よりも燃焼室内へ深く延びるように形成される、請求項５に記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項６】
前記空気ポートの排出端部は、前記炉壁と前記スピナの下流側端部との間の距離の約２５％〜５０％にわたって延びている、請求項１に記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項７】
壁と前記壁の内側の燃焼室とを有する炉に取り付けられるようになっている低ＮＯｘバーナであって、
前記燃焼用空気チューブに装着され、前記炉壁から最大距離を隔てて前記燃焼室内に配置される下流側端部を有するスピナと、
前記燃焼用空気を燃焼室内へ流すためにチューブの周囲に略均等に配置され、最大距離よりも短い中間距離だけ前記炉壁から離間される下流側排出端部をそれぞれが有する、少なくとも６つの長尺な離間された空気ポートと、
隣り合う空気ポート間で燃焼用空気が流れないようにするために前記空気ポートの上流側端部に近い隣り合う空気ポート対間の空間に配置される壁部材と、
前記スピナの外周の周りに配置され、少なくとも最大距離にわたって燃焼室内へ延びる排出オリフィスを有する第１の複数の燃料ガス排出スパッドと、
前記隣り合う空気ポート対間のそれぞれの空間内に配置され、空気ポートの径方向最も外側の部分の近傍に配置されるとともに、燃料ガスを燃焼室内へ流すために中間距離よりも短い最小距離にわたって炉壁から離間される燃料ガス排出オリフィスを有する第２の燃料ガス排出スパッドと、
を備える、低ＮＯｘバーナ。
【請求項８】
燃焼室を取り囲む炉壁と、
壁に取り付けられる長手方向軸を有する低ＮＯｘバーナであって、前記壁の開口を貫通して燃焼室内へ延び、その処理後に燃焼排ガスとして排出される炉ガスを燃焼室内で発生させる火炎を燃焼室内で生成する低ＮＯｘバーナと、
火炎を生成するための燃焼用空気源および燃料ガス源と、
を備え、
前記バーナは、下流側端部が前記炉壁からかなりの距離にわたって隔てられるように燃焼室内に全体的に配置される燃焼用空気スピナを含み、
前記燃焼用空気を燃焼用空気源から前記スピナを介して前記燃焼室内に流すための燃焼用空気導管と、
炉壁から燃焼室内に延びる複数の空気ポートであって、互いに周方向に均等に離間されて前記空気ポート間に空間を形成し、燃焼室の内側に配置されるとともに前記スピナの上流側にあって前記スピナおよび炉壁から離間される排出端部を有する複数の空気ポートと、
燃焼用空気が燃焼用空気源から前記空気ポート間の空間を貫いて流れないようにする隣り合う空気ポート対間のプレートと、
前記燃料源から前記炉壁の開口を通り過ぎて燃焼室内に延び、前記燃料ガスを燃焼室内に排出して前記燃料ガスと前記スピナからの燃焼用空気とを混合させるために少なくともスピナの下流側端部と同程度の距離だけ前記炉壁から離間される燃料ガス排出オリフィスを有する長尺な燃料スパッドの第１の組と、
隣り合う空気ポート間のそれぞれの空間内で前記燃料源から前記炉壁を通り過ぎて燃焼室内へ延びる少なくとも１つの第２の燃料スパッドであって、それぞれの第２の燃料ガススパッドは、前記第２のスパッドが隣り合う空気ポートの径方向最も外側の部分の近傍に配置されるように軸から径方向に離間され、それぞれの第２の燃料スパッドは、前記炉壁の下流側であって隣り合う空気ポートの前記排出端部の上流側の燃焼室内に配置される燃料ガス排出オリフィスを含む下流側端部を有し、それにより、第２のスパッドにより排出される燃料ガスは、前記炉壁へ向けて隣り合う空気ポート間の空間内へ燃焼室内で再循環する炉ガスと混合して、空気ポートの下流側端部の上流側に不燃性燃料ガス−炉ガス混合物を形成し、前記不燃性混合物は、スピナのほぼ下流側の燃焼室内での火炎によるその後の点火のために前記スピナの上流側で前記空気ポートの排出端部からの燃焼用空気と更に混合される、少なくとも１つの第２の燃料スパッドと、
第１の燃料ガススパッドよりも相対的に多い燃料ガスを第２の燃料ガススパッドを通じて方向付けるために前記燃料ガス源および前記燃料ガススパッドと結合されて作用する燃料ガス排出調整器と、
を備える、低ＮＯｘ放射炉。
【請求項９】
前記空間、前記第１の燃料ガススパッド、前記スピナ、および、前記燃焼用空気導管は、軸に対して径方向に遮られておらず、それにより、前記スピナの下流側端部の上流側で前記燃料ガス、前記燃焼用空気、および、前記再循環する炉ガスの混合を容易にするために、前記燃焼室内で再循環する燃料ガスが、前記空間内および前記第１の燃料ガススパッド、前記スピナ、および、前記燃焼用空気導管の近傍へ自由に流れることができることができる、請求項１１に記載の炉設備。
【請求項１０】
それぞれの空気ポートの内側に配置され、前記空気ポートを通じて流れる燃焼用空気中に燃料ガスを混入し、そこで燃料ガスと燃焼用空気との混合物を形成するために前記空気ポートの排出端部の上流側に配置される燃料ガス排出オリフィスを有する第３の燃料ガススパッドを含む、請求項１２に記載の炉設備。
【請求項１１】
前記調整器は、第２の燃料ガススパッドよりも少ない燃料ガスを第３の燃料ガススパッドへ方向付ける、請求項１３に記載の炉設備。
【請求項１２】
前記空気ポートの排出端部は、それぞれの空気ポートの径方向最も外側の部分が空気ポートの径方向最も内側の部分よりも燃焼室内へ深く延びるように傾けられており、それにより、燃焼用空気が空気ポートからスピナへ向けて付勢される、請求項１１に記載の炉設備。
【請求項１３】
前記炉は、燃焼室の内側に配置される複数の熱交換パイプを含み、前記再循環する炉ガスは、それが燃焼用空気と混合される前に熱交換チューブと接触して熱交換チューブによって冷却される、請求項１１に記載の炉設備。
【請求項１４】
炉壁と、前記壁の内側の燃焼室と、前記燃焼室内に延び、排出する燃焼用空気および燃料ガスから燃焼室内で火炎を発生させるバーナと、前記バーナの長手方向軸上に配置されるスピナとを有する炉からのＮＯｘ放射を低減する方法であって、
前記スピナが前記炉壁からかなりの距離を隔てて配置されるように前記スピナを燃焼室内に配置し、
燃焼用空気の第１の流れを前記スピナを通じて方向付けて、燃焼用空気を前記スピナの下流側端部から燃焼室内に排出し、
前記スピナの下流側端部の下流側で、前記燃料ガスの第１の流れと前記燃焼用空気の第１の流れとを混合させるとともに、結果として生じるその混合物に点火して、燃焼室内に火炎を発生させ、
複数の別個の離間する燃焼用空気流を第１の燃焼用空気流の周囲に配置して、前記燃焼用空気流を燃焼室内へ排出し、
隣り合う燃焼用空気流間に実質的に燃焼用空気が無いポケットを形成し、前記ポケットの上流側から燃焼用空気が燃焼室内へ排出され、
前記スピナへ向かう方向で前記第２の燃料ガスをポケット内へ別個に流し、
燃焼室から前記ポケット内に炉ガスを再循環させて、前記ポケットから再循環炉ガスを前記スピナへ向けて流すとともに、第２の燃料ガス流をポケット内で再循環される燃焼用空気中に混入させて、燃料ガス−炉ガス混合物を形成し、
前記スピナの上流側で前記燃料ガス−炉ガス混合物と燃焼用空気流とを混合させて、前記スピナを通り過ぎて下流側方向へ流れる可燃性燃料ガス／炉ガス／燃焼用空気混合物を形成し、
前記スピナによって発生される火炎を用いて燃料ガス／炉ガス／燃焼用空気混合物に点火する、
ことを含む、方法。
【請求項１５】
前記燃焼用空気流が燃料ガス−炉ガス混合物と混合されるようになる前に第３の燃料ガス流を燃焼用空気流中に混入させることを含み、前記第３の燃料ガス流は、前記第１の燃料ガス流よりも多く、前記第２の燃料ガス流よりも少ない、請求項１８に記載の方法。
【国際調査報告】
2011520088.tif 000006