(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
段階的な再循環バーナであって、
相対する螺旋状の経路を形成する内側及び外側の螺旋状のフィンを含む燃焼管であって、相対する螺旋状の経路が、予熱された空気及び燃料−空気混合物用の第１の螺旋状の経路と、燃焼の生成物用の第２の螺旋状の経路とを有している、燃焼管、
前記燃焼管に連結される燃焼ノズル、
前記燃焼管の中へ軸方向に延びるガス管であって、前記燃焼管に物理的に近接した状態で前記第１の螺旋状の経路内の予熱された空気及び燃料−空気混合物に接触するように構成され、前記第１の螺旋状の経路がガス管と前記燃焼管との境界を構成する、ガス管、
前記ガス管の内部に配置されるスパークロッド及び火炎センサ、並びに
前記ガス管に連結される段階化ガスノズルであって、燃焼を段階的にするように、前記燃焼管への径方向出口孔、及び、前記燃焼ノズル内に延びる軸方向ガス段階化管を含み、径方向出口孔が、前記第１の螺旋状の経路を流れる予熱された空気の螺旋状の流れに向かって燃料を注入するように構成され、燃料が前記第１の螺旋状の経路を流れる予熱された空気と混合して、前記燃焼ノズル内へ移動する前に前記第１の螺旋状の経路に沿って移動し続ける燃料−空気混合物を形成するように、段階化ガスノズルが位置決めされる、段階化ガスノズル、を備える、段階的な再循環バーナ。
【請求項２】
前記予熱された空気及び燃料−空気混合物の流れの方向及び前記燃焼の生成物の流れの方向は反対であり、前記燃焼管は、前記予熱された空気及び燃料−空気混合物の流れ及び前記燃焼の生成物の流れを隔てるセラミック壁を含む、請求項１に記載の段階的な再循環バーナ。
【請求項３】
前記燃焼管は炭化ケイ素から作られる、請求項１に記載の段階的な再循環バーナ。
【請求項４】
前記燃焼ノズルは円錐形状の燃焼ノズルである、請求項１に記載の段階的な再循環バーナ。
【請求項５】
前記燃焼管からの燃焼の生成物を使用して該燃焼管に提供される予熱された空気及び燃料−空気混合物を加熱するように該燃焼管に連結される熱交換器を更に備える、請求項１に記載の段階的な再循環バーナ。
【請求項６】
前記燃焼管及び前記熱交換器は、炭化ケイ素ねじによって取り外し可能に接続される、請求項５に記載の段階的な再循環バーナ。
【請求項７】
前記ガス管は、前記熱交換器の中心軸を通って前記燃焼管内に延びる、請求項５に記載の段階的な再循環バーナ。
【請求項８】
前記段階化ガスノズルは、ガスを、前記燃焼管を通って流れる予熱された空気の螺旋状の流れに向かって径方向に注入するように構成されている、請求項１に記載の段階的な再循環バーナ。
【請求項９】
前記段階化ガスノズルは、該段階化ガスノズルの径方向穴を通してガスの一部のみを注入して実質的に希薄なガス混合物を形成し、燃焼の生成物の温度を抑えるように構成されており、前記軸方向ガス段階化管を通してガスの残りの部分を注入するように構成されている、請求項８に記載の段階的な再循環バーナ。
【請求項１０】
放射管バーナシステムであって、
段階的な再循環バーナであって、
相対する螺旋状の経路を形成する内側及び外側の螺旋状のフィンを含む燃焼管であって、相対する螺旋状の経路が、予熱された空気及び燃料−空気混合物用の第１の螺旋状の経路と、燃焼の生成物用の第２の螺旋状の経路とを有している、燃焼管、
前記燃焼管に連結される燃焼ノズル、
前記燃焼管の中へ軸方向に延びるガス管であって、前記燃焼管に物理的に近接した状態で前記第１の螺旋状の経路内の予熱された空気及び燃料−空気混合物に接触するように構成され、前記第１の螺旋状の経路がガス管と前記燃焼管との境界を構成する、ガス管、
前記ガス管の内部に配置されるスパークロッド及び火炎センサ、並びに
前記ガス管に連結される段階化ガスノズルであって、燃焼を段階的にするように、前記燃焼管への径方向出口孔、及び、前記燃焼ノズル内に延びる軸方向ガス段階化管を含み、径方向出口孔が、前記第１の螺旋状の経路を流れる予熱された空気の螺旋状の流れに向かって燃料を注入するように構成され、燃料が前記第１の螺旋状の経路を流れる予熱された空気と混合して、前記燃焼ノズル内へ移動する前に前記第１の螺旋状の経路に沿って移動し続ける燃料−空気混合物を形成するように、段階化ガスノズルが位置決めされる、段階化ガスノズル、を含む、段階的な再循環バーナ、
前記バーナに連結される外側放射管、
前記外側放射管内に同心円状に位置付けられる内側再循環管であって、前記外側放射管及び該内側再循環管は、これらの間に環状部を形成する、内側再循環管、並びに
少なくとも２つの一様なフィンを含む方向変換部材であって、前記外側放射管内に位置付けられるとともに、前記内側再循環管の遠位端と前記外側放射管の遠位端との間に位置決めされ、燃焼の生成物の流れを反転させるように構成されることで、その反転した燃焼の生成物の流れを前記外側放射管と前記内側再循環管との間の前記環状部を通して流す、方向変換部材、を備える、放射管バーナシステム。
【請求項１１】
前記予熱された空気及び燃料−空気混合物の流れの方向及び前記燃焼の生成物の流れの方向は反対であり、前記燃焼管は、前記予熱された空気及び燃料−空気混合物の流れ及び前記燃焼の生成物の流れを隔てるセラミック壁を含む、請求項１０に記載の放射管バーナシステム。
【請求項１２】
前記燃焼管は炭化ケイ素から作られる、請求項１０に記載の放射管バーナシステム。
【請求項１３】
前記燃焼ノズルは円錐形状の燃焼ノズルである、請求項１０に記載の放射管バーナシステム。
【請求項１４】
前記燃焼管からの燃焼の生成物を使用して該燃焼管に提供される予熱された空気及び燃料−空気混合物を加熱するように該燃焼管に連結される熱交換器を更に備える、請求項１０に記載の放射管バーナシステム。
【請求項１５】
前記燃焼管及び前記熱交換器は、炭化ケイ素ねじによって取り外し可能に接続される、請求項１４に記載の放射管バーナシステム。
【請求項１６】
前記ガス管は、前記熱交換器の中心軸を通って前記燃焼管内に延びる、請求項１４に記載の放射管バーナシステム。
【請求項１７】
前記段階化ガスノズルは、該段階化ガスノズルの径方向穴を通してガスの一部のみを注入して実質的に希薄なガス混合物を形成し、燃焼の生成物の温度を抑えるように構成されており、前記軸方向ガス段階化管を通してガスの残りの部分を注入するように構成されている、請求項１０に記載の放射管バーナシステム。
【請求項１８】
前記外側放射管及び前記内側再循環管は炭化ケイ素から作られる、請求項１０に記載の放射管バーナシステム。
【請求項１９】
前記燃焼ノズルは、前記外側放射管と前記内側再循環管との間の環状部を通って流れる燃焼の生成物の一部を取り込む、請求項１０に記載の放射管バーナシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高効率で低ＮＯｘ及びＣＯ排出であり、均一な温度特性を提供する、高温の段階的な再循環バーナ並びに放射管バーナアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料の燃焼は、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の排気を大気中にもたらす。ＮＯｘ排気は、例えば、燃焼空気中に存在する窒素から、及び、石炭又は燃料油中の燃料に結合した窒素から生じる。燃料に結合した窒素のＮＯｘへの変換は、燃料中の窒素化合物の量及び反応度、並びに、燃焼エリアにおける酸素の量に依存する。燃焼空気中に存在する大気の窒素、Ｎ２のＮＯｘへの変換は、温度に依存し、燃焼エリアにおける火炎温度が高いほど、排気中の結果として生じるＮＯｘ含量が高くなる。ＮＯｘ含量を低下させる１つの方法は、燃料が希薄な燃焼エリアが続く燃料が豊富な燃焼エリアを作り出すことであり、これは、燃焼室への空気の導入を段階的にすることによって達成することができる。火炎への燃料ガスの再循環は、ＮＯｘ排気を制限する別の技法である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、ＮＯｘ含量を低下させ且つＮＯｘ排気を制限する再循環バーナ及び放射管バーナアセンブリを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態は、高効率で低ＮＯｘ及びＣＯ排出であり、均一な温度特性を提供する、高温の段階的な再循環バーナ並びに放射管バーナアセンブリを含む。そのような段階的な再循環バーナは、燃焼ガス及び燃焼の生成物の相対する螺旋状の経路（ｏｐｐｏｓｉｎｇ  ｓｐｉｒａｌ  ｐａｔｈｗａｙｓ）を形成する内側及び外側の螺旋状のフィンを有する燃焼管、燃焼管に連結される燃焼ノズル、燃焼管内に軸方向に延びるガス管、並びに、ガス管に連結される段階化ガスノズルであって、燃焼を段階的にするように、燃焼管への径方向出口孔、及び、燃焼ノズル内に延びる軸方向ガス段階化管を含む、段階化ガスノズルを含む。
【０００５】
そのような段階的な再循環バーナの幾つかの実施形態は、燃焼ガスの流れ及び燃焼の生成物の流れを隔てる燃焼管の一部としてのセラミック壁を含むことができ、燃焼ガス及び燃焼の生成物の流れの方向は反対である。多くの実施形態において、燃焼管は炭化ケイ素から作ることができ、及び／又は、燃焼ノズルは円錐形状の燃焼ノズルである。
【０００６】
段階的な再循環バーナは、燃焼管からの燃焼の生成物を使用して燃焼管に提供される燃焼ガスを加熱する、燃焼管に連結される熱交換器を更に含むことができる。そのような実施形態では、燃焼管及び熱交換器は、燃焼管を調整可能にする専用の炭化ケイ素ねじによって接続することができる。バーナのガス管は、熱交換器の中心軸を通って燃焼管内に延びることができる。
【０００７】
幾つかの実施形態では、段階化ガスノズルは、ガスを、燃焼管を通って流れる予熱された空気の螺旋状の流れに向かって径方向に注入し、そのような実施形態では、段階化ガスノズルは、段階化ガスノズルの径方向穴を通してガスの一部のみを注入することができ、したがって、実質的に希薄なガス混合物を生成し、燃焼の生成物の温度を抑え、ガスの残りの部分を、軸方向ガス段階化管を通して注入する。
【０００８】
例示的な放射管バーナアセンブリは、上述したような段階的な再循環バーナ、バーナに連結される外側放射管、外側放射管内に同心円状に位置付けられる内側再循環管であって、外側放射管及び内側再循環管は、外側管と内側管との間に環状部を形成する、内側再循環管、並びに、外側放射管内に位置付けられるとともに、内側再循環管の遠位端と外側放射管の遠位端との間に位置決めされ、燃焼の生成物を、外側放射管と内側再循環管との間の環状部を通して流す、回転羽根スペーサを含む。
【０００９】
上記は、異なる図を通して同様の参照符号が同じ部分を指す添付の図面において示されているような、本発明の例示的な実施形態の以下のより詳細な説明から明らかである。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、その代わりに、本発明の実施形態を説明することに重点が置かれている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、シングルエンド型放射（ＳＥＲ）管バーナアセンブリを示す概略図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、バーナアセンブリを示す概略図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、燃焼空気熱交換器入口を示す概略図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態による、熱交換表面を示す概略図である。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、ガス管／ガスノズルアセンブリを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の例示的な実施形態の説明を以下に続ける。
段階的な再循環バーナ及び放射管バーナシステムの構造
従来の熱処理炉の室内に組み付けられるセルフレキュペレータ付きのシングルエンド型放射管バーナシステムの例示的な実施形態が図１に示されている。炉の１つの壁２０が、図１に示されており、通常は、外面が金属外皮２２によって覆われる耐火性材料２１から作られる。セルフレキュペレータ付きのシングルエンド型放射管バーナシステムは、炉室内に配置され、炭化ケイ素、金属又は他の好適な耐熱性材料から作られる細長い（外側）放射管２３を含む。外側放射管２３は、炉内でキャビティ２５を通って延び、外側管の下流端は、符号２４において示されているように閉じられる。外側放射管２３は、炉の外側壁上の炉取り付けフランジ１４内に固定されるとともに、バーナアセンブリ３０を炉に取り付ける排出ハウジングフランジ２８を使用して適所に固定することができる外側フランジ２６を含む。バーナアセンブリ３０は、放射管２３に固定されるとともに放射管２３内に部分的に配置され、高速で高温の火炎を生成し、炉を適切に加熱する。外側放射管２３内に同心円状に組み付けられるのは、炭化ケイ素から作られる内側放射管２７である。内側放射管２７は、スペーサ（回転羽根）２９を使用して外側管２３の下流（遠位）端から（例えば７．６２ｃｍ（３インチ））離れて適切に位置決めされる。内側管２７の長さは炉に特有であるが、入口面３１が、炉内の耐火性壁２０に一致して位置合わせされる。同様に、バーナアセンブリ３０の出口構成要素（すなわち燃焼ノズル３２）も、耐火性の内壁２０及び内側放射管の面３１に対して平行である。
【００１２】
図２を参照すると、例えば、例示的な段階的な再循環バーナアセンブリ３０を構成する複数の構成要素、入口ハウジング３４、ガス管３７、排出ハウジング４３、（例えば、米国特許第８，１６２，０４０号において開示されているような熱交換器等の）熱交換器４２、ガスノズル５１及び燃焼管４７があるものとすることができる。燃焼空気が、パイプを介して、孔３６を介してバーナ入口ハウジング３４内に経路付けされ、ブロワ（図示せず）、又は、押しやられる燃焼空気の流れを生成する他の手段と連通する。同様にバーナ入口ハウジング３４に接続されるのは、細長いガスパイプ３７と連通する燃料供給管路３５である。
【００１３】
ガスパイプ３７は、アセンブリの中心軸を通り、下流で熱交換器４２を通って延び、燃焼管４７内に入り、そこでガスノズル５１を支持する。入口ハウジング３４及びガスノズル５１は、スパークロッド１９及び火炎センサ１８（図１）をガス管３７の内部に配置でき、連通するように特別に設計することができる。図５に示されているように、スパークロッド１９は、５１Ｂを介してガスノズル５１を通って延びることができ、そこから排出される燃料／空気混合物に着火するために、電極を、５１Ｂの約２．５４ｃｍ（１インチ）下流に配置することができる。指示器に接続される火炎センサ１８が、５１Ｃを介してガスノズル５１を通って延びることができ、約７．６２ｃｍ（３インチ）下流に位置決めすることができる。火炎センサ１８が、火炎の存在を検出し、適切な指示によって、火炎が消されると。ガス管３７は、ちょうど下流の燃焼自体によって、並びに、燃焼管４７及び熱交換器４２の双方による燃焼ガスの回収によって発生する高温への暴露に耐えるために、３．８１ｃｍ（１．５インチ）のスケジュール８０のステンレス鋼管から作ることができる。ガスノズル５１は、炭化ケイ素から作られ、高温環境への高められた暴露を提供するとともに、天然ガスの一定の一貫した送達を可能にすることができる。ガスノズル５１は、ガス管３７内に組み付けられ、図５に示されているように、位置決めねじ（例えば、１２０度離間した３つの位置決めねじ３７Ａ）を使用して固定することができる。ガス管３７の内径及びガスノズル５１の外径によって形成される小さい隙間３７Ｂを、セラミックパテを使用して封止することができ、隙間スペースを通ってガスが流れないようにする。
【００１４】
燃焼空気は、入口ポート３６を介して入口ハウジング３４に入ると、ガス管３７の周りの空隙３８（図２）を満たす。バーナ入口ハウジング３４と熱交換器スペーサフランジ４０との間のガスケット３９が、燃焼空気をこの空隙内に封止し、空気を押しやって熱交換器４２の導入ポートセクション（例えば約７．６２ｃｍ（約３インチ）長）に通し、そこで、空気は、丸みを帯びた矩形のチャネルに形成される個々のポート内にうねり始める。幾つかの例示的な実施形態では、６つの個々のポートがあるものとすることができる。図３は、熱交換器４２の例示的な入口ポートを示している。
【００１５】
熱交換器４２は、バーナ入口ハウジング３４と排出ハウジング４３（例えば、熱交換器フランジが同心円状に挿入される入口）との間のスペーサフランジ４０の圧縮によって適所に保持される。排出ハウジング４３は、排出ハウジング４３の内径と熱交換器４２の外径との間のスペースを満たす高温断熱スリーブ４４で内張りされる。この断熱は、熱交換器４２と排出ハウジングの物理的な構造との間のバリアとして働き、排出ハウジングの例えば標準的な軟鋼からの製造を可能にするほど十分に低い温度を保つ。
【００１６】
断熱スリーブ４４が、螺旋状の熱交換器空気チャネル４２Ｄによって形成される外面の螺旋状の環状部４２Ｅ（図４）にロックする。燃焼空気は、例えば、丸みを帯びた矩形のチャネル内を１７．７８ｃｍ（７インチ）にわたって約２．０３２ｃｍ（０．８インチ）／回転で軸方向及び螺旋状に通過する。およそ９回転した後で、例えば、全ての空気は、例えば約８．２５５ｃｍ（３．２５インチ）長であるものとすることができる、熱交換器４２と燃焼管４７との遷移部にある符号４２Ｂ（図２）で混ぜ合わせられる。
【００１７】
熱交換器４２及び燃焼管４７は、専用の炭化ケイ素ねじ４７Ａ（図２）によって接続することができる。熱交換器４２は特定の雌ねじを有することができ、一方で、燃焼管４７は特定の雄ねじを有することができる。この接続は、熱交換器が標準的な長さであること、及び、燃焼管を、炉の用途に基づいて合うように調整することを可能にする。燃焼空気は、燃焼管４７に入ると、ガス管の外径５０（図２）、燃焼管４７（図２）の内径、及び、例えば、約４．２４１ｃｍ（約１．６７インチ）／回転のレートで軸方向下流に延びるとともに燃焼ノズル３２において終端する螺旋状のフィン付きの経路の内径４７Ｂによって形成される別の螺旋状の環状部に入る。燃焼空気が５回転にわたって軸方向及び径方向に移動すると、例えば、空気は、段階化ガスノズル５１を渡り、そこで、天然ガスが、例えば周方向に約４５度離間して位置決めされる８つの小さい穴５１Ａ（図５）によって燃焼空気中に注入される。次に、空気／ガス混合物が、４．２４１ｃｍ（１．６７インチ）／回転で軸方向及び径方向に進み続け、例えば、燃焼ノズル３２内に移動するまで、およそ２回完全に回転する。同時に、段階的なガス延長管５１Ｄ（図５）が、ガスを、遠心性の空気及びガス混合物の前で燃焼ノズル３２及び内側放射管２７に向かって下流に注入し、燃焼を意図的に段階的にする。１：１〜１０：１の範囲である径方向穴と軸方向穴との断面積比は、径方向に出ることができるガスの量が、全体的なガスの５０％〜９０％であるようにするものである。
【００１８】
ガス／空気混合物は次に、燃焼管４７の出口端に入り、孔３２Ａが火炎を内側放射管２７（図１）に向かって方向付けるため、火炎の速度を増大させるように設計されている円錐形状の漸縮管３２を通して送られる。燃焼は、内側放射管２７内で完了し、燃焼の高温生成物が、外側管２３の下流端に向かって管を伝わり、そこで、高温のガスは１８０度回転され、外側放射管２３と内側放射管２７との間の環状の間隙を通して内側放射管の第１の端３１に向かって逆方向に強制的に流される。内側放射管の第１の端３１付近の燃焼の生成物として、円錐形状の漸縮管によって形成される高速の火炎が、ガスの幾らかを取り込み、進行中の燃焼に再循環させて戻す。
【００１９】
熱交換器４２及び燃焼管４７における螺旋状のインサートの双方は、炭化ケイ素から構成することができる。螺旋状の流体チャネルの設計は、双方の熱交換表面の外側セラミック壁である伝導性熱伝達表面積を増大させる。炭化ケイ素組成物は、双方の構成要素が、大幅な温度変化に晒されたときに、別の材料から製造された場合に見られるよりも小さい熱膨張を受けるという点で有利である。これは、螺旋状の熱交換器がバーナシステムの残りの部分と合致して連結する能力も高め、高温動作状況中の構成要素間の連結に関連付けることができる熱的に誘導される応力を低減する。
【００２０】
熱発生の生成物が環状部を出ると、熱発生の生成物の一部が再循環され、一方で、かなりの部分は、外側放射管２３の内径１５（図１）、燃焼管４７の外径１６、及び、排出ハウジング４３に向かって燃焼管４７の長さを延びる螺旋状のフィン付き（例えば４．２４１ｃｍ（１．６７インチ）／回転）経路によって形成される環状のチャネルに入る。この螺旋状のフィン付き経路４７Ｂの断面が、燃焼管４７の内部に位置付けられるフィンの延長部として図２に示されており、したがって、流体を隔てるセラミック壁を通した伝導性熱伝達のために、燃焼管の両側において順に流体経路を設定する。内側及び外側のフィン付き燃焼管４７によって形成される増大した熱伝達表面積は、かなり効果的な熱交換器４２を、シングルエンド型放射管バーナシステムの外側部分（排出ハウジング４３）内に取り付けることができるように燃料ガスの排出温度を十分に低下させ、外側部分の例えば標準的な軟鋼からの製造を可能にするほど十分に低い温度を保つ。
【００２１】
燃焼の生成物が、燃焼管４７によって形成される第１のレキュペレータ付きセクションを出ると、生成物は排出ハウジング４３内に遷移し、そこで、生成物が、熱交換器４２の螺旋状の燃焼空気チャネル４２Ｄ及び断熱スリーブ４４（図２）から形成される螺旋状の隙間４２Ｅ（図４）に入る。燃焼ガスは、例えば、約２．０３２ｃｍ（０．８インチ）／回転で、熱交換器の軸方向長さの全体にわたって環状の隙間を通り、最終的に、排出ハウジング出口３３（図１）を介してバーナシステムを出る。排出ハウジング出口３３における熱交換流体の温度は、そうでなければ大気に失われる熱が、燃焼空気に伝達されているようなものであり、燃焼空気を摂氏５６５．５６°〜摂氏６７６．６７°（華氏１０５０°〜華氏１２５０°）の温度に加熱し、セルフレキュペレータ付きのシングルエンド型放射管バーナシステムの効率を劇的に向上させた。
【００２２】
上記の例示的な特徴は、内側及び外側に螺旋状にフィンが付いた燃焼管を含み、螺旋状のフィン付き経路（例えば４．２４１ｃｍ（１．６７インチ）／回転を延びることができる）を形成し、流体を隔てるセラミック壁を通した伝導性熱伝達のために、燃焼空気（内側）及び高温の燃焼の生成物（外側）の双方の流体経路を順に設定する。内側及び外側のフィン付き燃焼管によって形成される増大した熱伝達表面積は、かなり効果的な熱交換器を、シングルエンド型レキュペレータ付き（ＳＥＲ）バーナの外側部分（排出ハウジング）内に取り付けることができるようにガスの排出温度を十分に低下させ、排出ハウジングの例えば標準的な軟鋼からの製造を可能にするほど十分に低い温度を保つ。内側の螺旋状のフィンは、天然ガスが、燃焼ノズルから下流に戦略的に配置されるガスノズルによって、既に渦巻いている燃焼空気内に分散されるため、向上した混合特性も提供することができる。向上した混合は、ガス／空気混合物が、円錐形状の漸縮管（燃焼ノズル）を通して加速され、火炎が着火されるため、燃焼損失の低下につながる。
【００２３】
別の例示的な特徴は、燃焼管及び熱交換器の特定の選択並びに組み立てを含む。炭化ケイ素組成物は、燃焼管及び熱交換器の双方が、大幅な温度変化に晒されたときに、別の材料から製造された場合に見られるよりも受ける熱膨張が少ないという点で有利である。これは、螺旋状の熱交換器がバーナシステムの残りの部分と合致して連結する能力も高め、高温動作状況中の構成要素間の連結に関連付けることができる熱的に誘導される応力を低減する。燃焼管及び熱交換器は、専用の炭化ケイ素ねじによって接続することができ、この場合、熱交換器は特定の雌ねじを有し、燃焼管は対応する雄ねじを有する。このねじ切りは、熱交換器が標準的な長さであること、及び、燃焼管の長さを、特定の炉用途に合わせて調整することを可能にする。
【００２４】
別の例示的な特徴は、固有のチャネルの向きに使用される熱交換器を含む。燃焼空気は、燃焼空気を例えば約２．０３２ｃｍ（０．８インチ）／回転で軸方向及び螺旋状に通す丸みを帯びた矩形のチャネルに形成される導入セクションにある個々のポート（例えば６つのポート）に通されることができる。短い時間及び螺旋状の構造の組み合わせは、熱伝達表面積を劇的に増大させ、入ってくる燃焼空気と出ていく燃焼の生成物との間の最大限の熱伝達を可能にする。熱交換器は、特大のブロワ又は拡張された方法を指定する必要なく動作し、押しやられる空気を増大したレートで生成し、チャネルの設計によって生じる圧力降下を克服することができる。
【００２５】
別の例示的な特徴は、ガス管ノズルを通る炭化ケイ素製の軸方向管を含む。炭化ケイ素は、最小限の熱膨張での高温環境への高められた暴露を提供し、安定し一貫した天然ガスの分散を可能にする。ノズルの径方向穴が、ガスを、予め加熱された燃焼空気の螺旋状の流れに注入して、混合特性を向上させ、燃焼損失を低下させる。軸方向穴は、スパーク及びフレームロッドがガス管の内部にあり、燃焼地点に挿入されることを可能にする。ガス管ノズルを通る軸方向管は、ガスを、遠心性の空気及びガス混合物の前で燃焼ノズル及び内側放射管内に下流に軸方向に流し、燃焼を意図的に段階的にすることを可能にする。
【００２６】
開示される例示的な実施形態は、高められた効率、燃焼管に合わせてよりカスタマイズ可能な長さ、摂氏９．９９°（華氏５０°）未満の平均のホットスポット（ＨＳＯＡ）を伴う均一性（合金の外側管を使用するときに、負荷へのより均一な加熱及びより長い管の寿命を提供する）、全ての燃焼レートにわたる３％酸素での２４０ｐｐｍ未満のＮＯｘ排出及び１０ｐｐｍ未満のＣＯ排出、並びに、既存の合金及びセラミック製のシングルエンド型レキュペレータ付き（ＳＥＲ）バーナに勝って高温の用途及び低減されたメンテナンスサイクルを可能にする、全てがセラミック設計（例えば、ガスノズル、内側管、外側管、熱交換器及び燃焼管）というオプション等の、従来のシステムに勝る利点を提供する。
段階的な再循環バーナ及び放射管バーナシステムの動作
上記で開示したように、例示的な特定の実施形態は、図２に示されているように、ガス管３７、排出ハウジング４３、予熱流漸縮管４２Ａ、排出断熱スリーブ４４、ねじ山付きの燃焼管ジョイント４７Ａ、内側及び外側のフィン付き燃焼管４７、段階化ガスノズル５１、燃焼ノズル３２、センタリングスペーサ２９、空気／ガス入口ハウジング３４、空気入口３６、ガス入口３５、ガス段階化管１０、並びに、熱交換器４２を含むことができる。そのような段階的な再循環バーナは、図１に示されているように、内側炉壁２０、炉耐火物２１、外側耐火性壁／シェル２２、外側放射管２３、外側放射管キャップ及び支持体２４、耐火性炉開口２５、外側放射管フランジ２６、支持フランジ１４、内側再循環管２７、フレームロッド１８並びに点火装置１９を含むことができる放射管燃焼システムにおいて動作することができる。
【００２７】
動作の一例として、ガス状燃料がガス入口３５及び空気／ガス入口ハウジング３４に入り、空気は、例えば、約５：１〜１５：１の空気対ガス比で空気／ガス入口ハウジング３４の空気入口３６に入り、これは、着火されると、火炎及び燃焼の生成物を生成するのに十分である。ガス状燃料は、ガス管３７を進み、そこで段階化ガスノズル５１に入り、段階化ガスノズル５１は、径方向出口穴及び軸方向ガス段階化管１０の双方を含むことができる。径方向穴と軸方向管との断面積比は、例えば、径方向に出ることができるガスの量が全ガスの５０％〜９０％であるように、１：１〜１０：１の範囲であるものとすることができる。ガス状燃料と同時に、空気が、熱交換器４２の流体入口、及び、略矩形の断面を有することができる熱交換器４２の内側螺旋状チャネルに入る。空気は、螺旋状チャネルの外側壁からエネルギーを受け取り、予熱された空気として熱交換器４２の螺旋状チャネルを出る前に、摂氏４００°を超える温度まで予熱され、次に、予熱流漸縮管４２Ｂに流れ込む。螺旋状チャネルの外側壁は、外側螺旋状チャネルが略矩形の断面を有する外側壁によって形成する周囲の流体経路を通って流れる熱発生の生成物からエネルギーを受け取る。熱発生の生成物は、エネルギーが外側壁に、さらに熱交換器４２を通って流れる空気に伝達されると、冷却される。熱発生の生成物は排出ハウジング４３を通って出る。排出ハウジング４３は、最大限の量の熱を外側の螺旋状の壁に、したがって空気に伝達することができるように、大気への熱損失を最小限に抑える排出断熱スリーブ４４を含む。
【００２８】
予熱された空気は、内側及び外側のフィン付き燃焼管４７に取り付けられる予熱流漸縮管に入り、内側及び外側のフィン付き燃焼管４７は、それ自体がねじ山付きのセラミック燃焼管ジョイント４７Ａによって予熱流漸縮管に取り付けられる。予熱された空気は、内側及び外側のフィン付き燃焼管４７の外側を流れる熱発生の生成物によって、１つ又は複数の螺旋状のフィンを含む内側及び外側のフィン付き燃焼管４７において摂氏５００°を超えるかなり予熱された空気温度まで更に加熱される。熱発生の生成物は、外側放射管２３及び外側放射管フランジ２６の取り付け部を、新種（ｅｘｏｔｉｃ）の高温材料を使用することなくステップフランジ１４と排出ハウジング４３のフランジとの間に取り付けることができる点まで、内側及び外側のフィン付き燃焼管によって冷却される。
【００２９】
かなり予熱された空気は、段階化ガスノズル５１がかなり予熱された空気の螺旋状の流れにガスを径方向に注入するように位置決めされる螺旋状の流路において、内側及び外側のフィン付き燃焼管４７のフィンを出る。段階化ガスノズル５１及びその径方向穴の位置は、空気及びガスの混合物が、適切に混合されて点火装置１９の先端部によって着火することができる混合物を形成し、例えば、高温のセラミックねじ接続部によって内側及び外側のフィン付き燃焼管４７に取り付けられる燃焼ノズル３２に流れ込んで更に燃焼するようなものである。ガスは、全てではないが、段階化ガスノズル５１の径方向穴を通して注入される。着火される混合物は、熱発生の生成物の温度を抑えるために実質的に希薄であり、これは、窒素酸化物の形成を抑える。熱発生の生成物は、内側再循環管２７及び外側放射管２３によって形成される環状部を通って、及び、燃焼ノズル出口３２Ａと内側再循環管２７の内部との間に形成される開口を更に通って流れる熱発生の生成物を取り込むのに十分な速度で燃焼ノズル３２を出る。熱発生の生成物は、熱発生の生成物が排出ガスの再循環によって内側再循環管２７の内部で完全に燃焼される前に、燃焼ノズルを出る熱発生の生成物が十分に希釈され、窒素酸化物の形成を更に低減するほど十分に低い温度である。
【００３０】
ガスの最終的な量は、段階化ガスノズル５１から燃焼ノズル３２内に延びる軸方向管によって、部分的に燃焼された熱発生の生成物に注入される。ガスは、内側再循環管２７の端を出る前に完全に燃焼される。希薄な燃焼、熱発生の生成物の再循環及び燃焼の生成物のガス段階化の組み合わせは十分に、窒素酸化物の発生を抑え、窒素酸化物の発生を抑えるように燃焼温度を最小限に抑え、外側放射管２３から放出される熱の温度の均一性を向上させる。
【００３１】
熱発生の生成物は、少なくとも２つの一様なフィンを含むことができ、熱発生の生成物から、形成される環状部への流れの反転を促すセンタリングスペーサ（回転羽根）によって、外側放射管２３と内側再循環管２７によって形成される環状部間に方向付けることができる。熱発生の生成物が形成される環状部間を流れると、かなりの量のエネルギーが、対流及び放射熱伝達の双方によって外側放射管２３の壁に伝達される。エネルギーは、伝導によって外側放射管２３の壁を通して伝達される。かなりの量のエネルギーが、放射熱伝達によって外側放射管２３から内側炉壁２０に伝達される。熱発生の生成物が環状部を出ると、熱発生の生成物の一部が再循環され、一方で、かなりの部分は内側及び外側のフィン付き燃焼管４７の外側フィンに入る。熱発生の生成物は、上述したように、排出ハウジング３３出口においてシステムを出る前に、内側及び外側のフィン付き燃焼管４７並びに熱交換器４２に流れることによって冷却される。
【００３２】
例示的な実施形態を上記で詳細に示して記載したが、当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細における種々の変更を例示的な実施形態において行うことができることが理解されるであろう。例えば、外側管２３は、向上した熱伝達のためにフィン付き、突出部付き、及び／又は、捩れているものとすることができる。内側管２７は、向上した熱伝達の均一性、燃焼及び再循環のためにフィン付き、突出部付き、及び／又は、セグメント化されているものとすることができる。燃焼ノズル３２は、必ずしも円形ではない単一又は複数のノズルを含むことができ、空気を段階的にするために穴の延長部を含むことができる。ガスノズル１０は、必ずしも円形ではない径方向穴、軸方向穴、接線方向穴及び／又は角度の付いた穴を含むことができ、ガスを段階的にするために穴の延長部を含むことができる。穴は、例えば、円形、楕円形、正方形、スロット又は多孔性であるものとすることができる。燃焼管４７は、向上した熱伝達のために異なるフィン付き、突出部付き、及び／又は、捩れているものとすることができる。回転羽根２９は、流れを分離するように入口点を有する螺旋状又はＵ字形状であるものとすることができる。内側管２７及び外側管２３は、平均のホットスポット（ＨＳＯＡ）の変化を低減するとともにＨＳＯＡ値を低減するために、段階的な螺旋状（施条）又は段階的なフィンを使用することができる。一例として、管の最初の３分の１は平滑であり、最後の３分の２はフィン付きであるものとすることができる。外側管２３は、低性能化された炭化ケイ素空気ヒータを用いた合金管であるものとすることができ、これは、より高い圧力、より高い効率の空気ヒータを設置することを可能にする低空気圧で低効率のシステムである。熱交換器４２は、向上した熱伝達の均一性、燃焼のためにフィン付き、突出部付き、及び／又は、セグメント化されているものとすることができる。ガスノズル１０は、円錐状の漸縮管３２及び孔３２Ａの形状及び直径の変更と組み合わせて、伸長又は後退した可変の長さであり、放射管加熱システムの放出及び熱特性を変化させることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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