(57)【要約】材料、好ましくは金属を熱処理するための方法及び装置が提供される。上記方法は、燃料と、少なくとも８０体積％の酸素を含有するガスとをバーナに供給することによって火炎を提供し、維持する工程と、エジェクタ効果を用いて、火炎から酸素を含有するガスへと排気を再循環させることによって、酸素と高温排気の混合物を作り出す工程と、酸素−排気混合物と燃料とを混合する工程と、火炎から酸素−排気−燃料混合物へと排気を再循環することによって第２の再循環を提供する工程とを含む。上記方法及び装置は、ＮＯｘ排出を顕著に低くし、高い効率を可能にし、環境に優しく、同時に費用効果の高いプロセスを与える。
2006500543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料、好ましくは金属の熱処理方法であって、
燃料と、超音速で供給される、少なくとも８０体積％の酸素を含有するガスとをバーナに供給することによって火炎を提供し、維持する工程と、
エジェクタ効果を用いて、前記火炎から前記酸素を含有するガスへと排気を再循環させることによって、酸素と高温排気の混合物を作り出す工程と、
前記酸素−排気混合物と前記燃料とを混合する工程と、
前記火炎から前記酸素−排気−燃料混合物へと排気を再循環することによって第２の再循環を提供する工程を含む、方法。
【請求項２】
火炎を提供し、維持する前記工程は、少なくとも１つのノズル中に前記酸素を含有するガスを注入して、少なくとも１５ノズル直径の距離に自由噴流を形成させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記酸素−排気混合物を作り出す工程は、酸素を含有する前記ガスとガス容積の少なくとも６倍の高温排気とを混合する工程を含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記酸素−排気混合物を作り出す工程は、混合チャンバの壁に酸素を含有するガスが衝突することによって、前記酸素を含有するガスと前記高温排気とを少なくとも２０ノズル直径の距離にわたって混合する工程を含む、請求項１〜３の１つに記載の方法。
【請求項５】
前記酸素−排気混合物と前記燃料とを混合する工程は、マッハ０．５よりも大きな速度で混合する工程を含む、請求項１〜４の１つに記載の方法。
【請求項６】
プロセスに残る排気と前記バーナに供給される前記酸素との熱交換を効率よく行う追加の工程を含む、請求項１〜５の１つに記載の方法。
【請求項７】
前記酸素を含有するガスが、９９．５体積％を超える酸素を含有する、請求項１〜６の１つに記載の方法。
【請求項８】
前記酸素を含有するガスが、４．５体積％未満のアルゴンを含有する、請求項１〜７の１つに記載の方法。
【請求項９】
前記酸素を含有するガスが、５．５体積％未満の窒素を含有する、請求項１〜８の１つに記載の方法。
【請求項１０】
前記熱処理が、鋼の熱処理を包含する、請求項１〜９の１つに記載の方法。
【請求項１１】
材料、好ましくは金属を熱処理するための装置であって、
燃料源に接続可能な少なくとも１つの燃料ノズル（１６ａ）と、
少なくとも８０体積％の酸素を含有するガス供給源に接続可能な少なくとも１つのガスノズル（１８ａ）を備え、
前記少なくとも１つの燃料ノズル及び前記少なくとも１つのガスノズルは、反応域（２６）を提供するように配置されており、
超音速で酸素を含有するガスを供給するための手段と、
エジェクタ効果を用いて、前記少なくとも１つのガスノズルの前記火炎上流からガスが出て行く少なくとも１つのガスノズルまで高温排気を供給し、それによって酸素−排気混合物を作り出すための手段（２４）であって、前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６ａ）は、前記少なくとも１つのガスノズル（１８ａ）の下流に提供されている手段と、
前記少なくとも１つのガスノズル（１８ａ）のそれぞれの外側に配置される開口部（２４）とともに設けられ、前記ガスノズルの周囲に配置される火炎管（２２）とによって特徴付けられる、装置。
【請求項１２】
酸素を含有する前記ガスを注入して、少なくとも１５ノズル直径の距離に自由噴流を形成する手段を備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
混合チャンバの壁に酸素を含有するガスが衝突することによって、酸素を含有する前記ガスと前記高温排気とを少なくとも２０ノズル直径の距離にわたって混合するための手段を備える、請求項１１又は１２に記載の装置。
【請求項１４】
マッハ０．５よりも大きな速度で前記酸素−排気混合物と前記燃料とを混合するための手段を備える、請求項１１〜１３の１つに記載の装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６ａ）は、前記装置中の中央に設けられている、請求項１１〜１４の１つに記載の装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのガスノズルが、少なくとも２つの、さらに好ましくは４つ又は６つの等距離ノズル（１８ａ）を備え、これらの等距離ノズル（１８ａ）が、前記装置の中心軸から一定の距離で設けられている、請求項１１〜１５の１つに記載の装置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのガスノズル（１８ａ）が、ラバル形状及び／又は空力的である、請求項１１〜の１６つ１つに記載の装置。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの燃料ノズル（１６ａ）が、フレームレス燃焼が可能なように流線形である、請求項１１〜１７の１つに記載の装置。
【請求項１９】
前記ガス及び燃料ノズル（１６ａ、１８ａ）の前面に設けられる管（２２）を備え、前記管（３０）が外側円筒形管（３２）と内側管（３４）とを備え、前記外側円筒形管（３２）が、前記ガス及び燃料ノズルに面する第１の開口端と、前記第１の端の反対側の第２の閉端とを備え、内側管（３４）が、前記外側管（３２）中に設けられ、内側に必須の円形チャネル（３６）及び外側に環状チャネル（３８）を作成するように前記外側管（３２）の内径よりも小さな直径を有する、請求項１１〜１８の１つに記載の方法。
【請求項２０】
前記内側管が、前記火炎管（２２）の前側端から距離（Ｌ３）離れた第１の末端と、前記外側管（３２）の前記閉端壁から空間を空けられた第２の末端とを有して配置され、それによって、排気の第２の再循環を提供する、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記管（２２）が、前記少なくとも１つのガスノズル（１８ａ）の断面積の１００倍を超える断面積を有する、請求項１９又は２０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】  本発明は、一般的に、材料、好ましくは金属を熱処理するための方法及び装置に関し、より具体的には、裸火及び放射管におけるＮＯｘ排出を下げ、非常に高い熱効率をもたらす熱処理に関する。
【発明の背景】
【０００２】  従来の酸素燃料技術は、何年間も首尾よく利用されてきた。従来の酸素燃料技術は、生産性及び燃料消費に関して大きな利点を提供する。さらに、従来の酸素燃料技術は、従来の空気燃料バーナ技術と比較して、ＮＯｘ排出におけるかなりの低減を達成するためにも使用可能である。しかし、酸素燃料技術は、燃料域内の空気漏れに比較的感度が高く、燃焼室中の圧力を良好に制御することが必要である。いくつかのプロセス及びいくつかの種類の燃焼室では、システム内に空気が漏れることを避けることが非常に困難である。
【０００３】  従って、燃焼室内の燃料の燃焼は、窒素酸化物（ＮＯｘ）の大量排出をもたらす場合がある。ＮＯｘ（主にＮＯ２）の排出は、健康に良くない影響を持ち、腐食を促進し、他の物質の中で富栄養化に対して寄与し、環境的に危険であることがわかっている。
【０００４】  従来の空気燃料バーナ技術を用いて、及び近年の空気燃料バーナ技術を用いてさえ、燃焼室中の生成物を処理する場合、大量の窒素酸化物が周囲空気に排出される。放射管を備えるバーナ配列では、環境にダメージを与える排出を減らすために当局によって設定されている上限をはるかに超える、２００〜２５０ｍｇ／ＭＪのＮＯｘ含量は珍しくない。
【０００５】  放射管を用いて金属を熱処理するための従来の酸素燃料バーナを用いた場合のさらなる問題は、酸素燃料バーナの火炎温度が高いため、管原料が損傷することであり、この問題はもちろん受け入れられない。
【発明の要旨】
【０００６】  本発明の１つの目的は、従来技術の装置が持つ欠点を排除するか又は少なくとも軽減する、金属を熱処理するための方法及び装置を提供することである。特定の目的は、高い熱効率を維持し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を最小限に保ちつつ、放射管中で酸素燃料の燃焼を用いるための技術を提供する、方法及び装置を提供することである。
【０００７】  本発明は、バーナの酸素ノズルによって提供されるエジェクタ効果から生じる熱ガス排気を再循環させることによって、酸素燃料バーナが、ＮＯｘを低減し、金属の熱処理効率を高くするために使用可能であるという理解に基づく。
【０００８】  本発明によれば、請求項１に定義されるような材料を熱処理する方法が提供される。さらに、請求項１１に定義されるような材料を熱処理するための装置が提供される。
【０００９】  本発明の方法及び装置を用いて、従来技術の上述の欠点は、排除されるが又は少なくとも低減される。上記方法は、環境に優しく、同時に費用効果の高いプロセスを提供する。
【００１０】  特に好ましい実施形態では、本発明は、保護雰囲気プロセスにおいて本発明を使用可能な、放射管と組み合わせて使用される。これらの雰囲気は、通常は炭化水素の燃焼を生じる雰囲気以外の全ての雰囲気である。
【００１１】  さらに好ましい特徴は、従属請求項に定義される。
【００１２】  本発明は、添付の図面を参照して、実施例によって、以下に記載される。
【発明の詳細な説明】
【００１３】  以下に、本発明の好ましい実施形態の詳細な説明が与えられる。図１では、バーナ配列の断面図が示されている（全体として１と示す）。バーナ配列は、ほぼ円形の断面を有するインサート１０を備える（図２を参照）。インサートは、従来のように、燃焼室の壁１２中の穴を通って取り付けられるように配置される（図示せず）。バーナ取付板１２の加熱側に熱絶縁材料１４を配置することもまた好ましい。
【００１４】  バーナ本体では、燃料供給管１６は、例えば、天然ガスのような燃料をバーナ反応域、又は一部分が図１中に示されている火炎２６に供給するために中央に設けられている。燃料供給管は、その一端で燃料の供給源（図示せず）に接続されるように配置されたコネクタと、その他端で燃料ノズル１６とを有した状態で提供される。
【００１５】  酸素は、６個の等距離の管１８を通って供給され、ここで、これらの管１８は、インサート１０の中心軸から一定距離に配置されている（図２を参照）。酸素供給管は、その一端で酸素供給源（図示せず）に接続するように配置されたそれぞれのコネクタと、その他端で断面積Ａ３を有するそれぞれの酸素ノズル１８ａとを有した状態で提供される。酸素ノズルは、流線形であり、この形状により、好ましくは超音速で、ノズルを出て行く酸素の乱流が非常に小さくなる。この効果は、以下にさらに説明される。
【００１６】  環状の排気開口部２０は、酸素管１８の外側に備えつけられる。この開口部は、バーナに必須の加熱プロセスから生じる高温排気の再循環を調整するために設けられている。排気開口部は、比較的薄い壁によって酸素管から分離されており、それによって、バーナプロセスからの高温排気と酸素管１８を通って供給される比較的冷たい酸素との間の熱交換が行われる。この熱交換は、いかなる場合でも９０％を超える非常に高い熱効率を与え、低い排ガス温度とともに、非常にエネルギー効率の良いプロセスを生じる。
【００１７】  最終的に、インサートの前側端の部分に、断面積Ａ２及び直径Ｌ２を有する円形火炎管２２が設けられている。この火炎管は、燃料ノズル１６ａ及び酸素ノズル１８ａを取り囲み、酸素ノズルから距離Ｌ１だけ延びている。火炎管の主な機能は、第１の混合工程において酸素と再循環する排ガスとについて混合コンパートメントを形成し、得られた噴射運動量を前方に導くことである。そのために、管２２は、好ましくは、それぞれのガスノズル１８ａの断面積の１００倍を超える断面積を有する。
【００１８】  それぞれ面積Ａ１を有する、６個の等距離の開口２４は、火炎管に、すなわちそれぞれの酸素ノズル１８ａの一方の外側に設けられる。この様式において、エジェクタの機能が得られ、火炎管２２の外側からの高温排気が内部に吸引される。この推定は、本発明による方法の記載と組み合わせて、以下に説明される。
【００１９】  バーナを開始するために、燃料及び酸素が、それぞれの供給源からそれぞれの管に供給される。燃料は、燃焼性成分を有する、例えば、天然ガス、プロパン、コークス炉ガスなどの任意のガス性燃料、又は例えば、軽油や重油燃料、炭素性基質（ｃａｒｂｏｎｅｏｕｓ  ｓｕｂｓｔａｎｃｅ）を含有する乳濁液などの任意の液体燃料であり得る。酸素とは、本文中において、８０体積％を超える、好ましくは９９．５％を超える（すなわち、本質的に純粋な酸素）Ｏ２含量のガスを意味する。酸素以外に、酸化ガスは、空気中に通常見いだされる、例えば窒素又はアルゴンなどの他の元素を含む。酸化ガスは、５．５体積％未満の窒素及び４．５体積％未満のアルゴンを含むことが好ましい。火炎を点火するために、パイロットバーナ（図示せず）が、インサート２０中に設けられている。
【００２０】  点火すると、酸素含有ガス中の酸素と燃料が反応域２６を維持し、加熱供給源が提供される。酸素燃料バーナ２０の操作は、それぞれ、燃料管及び酸素管を高速で通って供給される燃料及び酸素の量によって制御される。酸素燃料混合物は、燃料及び酸素の供給速度によって制御される、長さ、温度などの性質を有する反応域を生じる。反応域中の酸素含量が高いほど、火炎温度が高くなり、理論的な火炎温度１２００〜２７００℃を生じる。
【００２１】  火炎において、酸素及び燃料は以下の式に従って反応する：
ｘＣｙＨ＋（ｘ＋ｙ／４）Ｏ２＝＞ｘＣＯ２＋ｙ／２Ｈ２Ｏ＋エネルギー（１）
式中、ｘは、燃料中の炭素（Ｃ）のモル分率であり、ｙは燃料中の水素（Ｈ）のモル分率である。
【００２２】  これに加えて、再循環する排ガスは、以下の式において記載されるように火炎温度に影響を与える。
ａ＊燃料＋ｂ＊酸素＋ｃ＊排気Ｔｒｅｃｉｒｃ＝＞（ａ＋ｂ）＊Ｐｒｏｄ＋ｃ＊排気Ｔｆｌａｍｅ（２）
式中、
Ｔｒｅｃｉｒｃ＝再循環の場合の排気温度
Ｔｆｌａｍｅ＝リーク（１）及び（２）後の排気温度
Ｔｆｌａｍｅ＞Ｔｒｅｃｉｒｃ
ａ＝燃料の質量流量、ｂ＝酸素の質量流量、及び
ｃ＝再循環した排気の質量流量
再循環因子ｃ／ｂは、典型的には１０を超える。
【００２３】  プロセスにおいて作り出される排気は、酸素と共に他のもの（窒素）を含有し、不要なＮＯｘガス、主にＮＯを形成する場合があり、これは現実にはＮＯ２に変換される。
【００２４】  熱ＮＯの形成は、以下の式に従うＺｅｌｄｏｖｉｃｈ機構によって説明される：
Ｏ＋Ｎ２＝ＮＯ＋Ｎ  ｋ＝６．８９Ｅ１３＊ｅｘｐ（−７５１００／Ｒ／Ｔ）
Ｎ＋Ｏ２＝ＮＯ＋Ｏ  ｋ＝９．８１Ｅ９＊ｅｘｐ（−６６１０／Ｒ／Ｔ）
Ｎ＋ＯＨ＝ＮＯ＋Ｈ  ｋ＝４．２０Ｅ１３
ＰＯ２、ＰＮ２の関数として得られた平衡ＮＯ濃度及び温度は、図６に示される。
【００２５】  上述のように、酸素は、高速、好ましくは、例えばマッハ０．５以上の超音速で供給される。酸素は、好ましくは、少なくとも１５ノズル直径の距離まで自由噴流を形成するように注入される。これらの速度は、火炎管中の開口２４の構造及び酸素ノズル１８ａの形状及びそれぞれの穴に対するそれらの相対位置と共に、図１の矢印によって示されるように、火炎管内に火炎排気を吸引するエジェクタ効果を作り出す。好ましい実施形態では、酸素ノズルは、ラバル形状及び空力的である。
【００２６】  火炎管２２内に吸引された後、再循環する排気のうち少量は、排気管２０を通ってバーナ配列を出る。排気管において、高温排気は、その熱エネルギーの一部を、熱交換プロセスにおいて酸素管１８中のバーナに供給される酸素にわたす。この熱交換プロセスにより、本発明によるバーナ配列及びプロセスの効率が高くなる。
【００２７】  しかし、排気の大部分は、それらと酸素ノズル１８ａを出て行く酸素とを混合することによりバーナプロセスに再循環され、第１の再循環混合物を形成する。この第１の再循環混合物は、好ましくは、少なくとも６体積の排気に対して１体積の酸素の比率を有する。酸素及び排気の混合は、好ましくは、火炎管２２の壁に酸素を含有するガスを衝突させることによって、少なくとも２０ノズル直径の距離にわたって行われる。
【００２８】  点火される前に、第１の再循環から生じる酸素を含有する混合物は、第２の再循環工程において燃料及びさらなる排ガスとさらに混合される。注入された酸素の超音速、好ましくはマッハ０．５以上の速度に起因して、この混合は、さらに、この高速で行われる。従って、この混合物は点火され、反応域が伸びる。従って、他のパラメーターＡ１、Ａ２、Ａ３、Ｌ１及びＬ２との組み合わせが、酸素及び排気の適切な混合を行うのに不可欠で重要であることが理解される。好ましい実施形態では、以下の組み合わせが与えられる：Ａ１＞＞Ａ３、Ａ２≦ΣＡ１（すべての開口２４の面積）、及び／又はＬ１≧Ｌ２。
【００２９】  すでに述べられたように、酸素含量が高いほど、温度が高くなる。酸素燃料バーナを用いて得られる高い理論火炎温度は、加熱される材料が非常に均一な温度にならなければならない特定の熱処理プロセスにおいて欠点である。酸素含有ガスの酸素含量を下げることによって、火炎温度は所望の温度まで下がる一方、高いＮＯｘを促進する温度は避けられる（図４を参照）。
【００３０】  上述のように、さらに、排気の第２の再循環は、図１中の矢印によって示されるように、火炎管２２のちょうど下流に提供される。酸素含量をさらに薄くすると、火炎の温度をさらに下げるのに役立つ。このことにより、いわゆるフレームレス燃焼を与え、このことは、流線形の燃料ノズルと組み合わせて高速の燃料注入によって達成される。図１中にみられるように、反応域２６の目に見える部分が燃料ノズルからある距離で開始し、これにより点火前の排気の再循環が可能になる。得られる火炎温度に対する、上に定義されるような再循環因子及び再循環される排ガスの温度の効果は、図５に見ることができる。
【００３１】  本発明によるバーナ配列の第２の好ましい実施形態は、図３を参照して以下に記載される。図３には、バーナ及び放射管配列が示される。従って、第１の実施形態と同様に、バーナインサート１０は、燃料室の壁１２中の開口部中に設けられている。
【００３２】  一様に３０と称されている放射管は、バーナインサート１０の前面に備えられ、火炎管２２の直径を超える直径を有する。放射状の管を使用することはそれ自体が公知であり、放射管３０は外側円筒形管３２を備え、外側円筒形管３２は、燃料室の壁１２に面する第１の開口端と、第１の端の反対側に第２の閉端とを備える。外側管３２中に、内側管３４が提供され、内側管３４は、外側管３２の内径より小さい直径を有し、その結果、内側の本質的に円形のチャネル３６と外側の環状チャネル３８とを形成する。内側管は、任意の適切な様式で、例えば、それらから外側に延びるフランジ（図示せず）を用いて、適所に保持される。さらに、内側管３４は、バーナの火炎管２２の前側端から距離Ｌ３だけ離れた第１の端と、外側管３２の閉端の壁から空間を空けられて終わっている第２の端とを有した状態で配置され、それにより排気の再循環経路が与えられる。
【００３３】  操作中、反応は内部チャネル３６中で起こる。燃焼プロセス中に作り出される排気は内部チャネルを通って導かれ、外側円筒形３２の閉端で逆戻りし、外側環状チャネル３８を通って反対方向に戻る。従って、放射管は本質的に閉じられたシステムを形成する。
【００３４】  バーナ１０に戻る排気は、火炎管中の開口部２４を通って主な再循環経路を形成するか、又は火炎管２２と内側管３４との間に形成されるギャップを通って第２の再循環経路を形成するかのいずれかによって導かれる。第１及び第２の再循環経路の排気の比率は、例えば、パラメーターＡ１、Ａ２、Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３、並びに酸素及び燃料の速度によって決定される。
【００３５】  いくつかの利点は、記載の方法を用いて与えられる。第１に、本発明によるバーナ配列により、排気の非常に高い再循環度を可能にする。このことは、順に、顕著に低いＮＯｘ排出を可能にし；０〜２５ｍｇ／ＭＪの低いＮＯｘを示す数字は、Ｎ２含量に依存して、試運転中に得られた。反応域中の１５％未満の酸素含量が良好であることがわかった。第２に、特に、第２の実施形態では、非常に高い熱効率が得られ、それにより費用効率の高いプロセスが得られた。
【００３６】  本発明による材料を熱処理するための方法及び装置の好ましい実施形態が記載される。これらが添付の特許請求の範囲内で変動することを、当業者は理解する。従って、６つの酸素ノズルを有する好ましいバーナ構造が示されているが、この構造は変動可能であり、例えば、４つのノズル又は任意の他の数の酸素ノズルが設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】  本発明に係る装置を通る長手方向の断面立面図を示す。
【図２】  図１の線ＩＩ−ＩＩからの横断面図である。
【図３】  バーナ及び放射管配列の全体的な断面図である。
【図４】  異なる種類の燃焼についての典型的な温度プロフィールを示す図である。
【図５】  本発明による装置の操作中の、火炎及び再循環温度を示す図である。
【図６】  得られた平衡ＮＯ濃度及び２つの測定結果を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2006500543.tif 000009
2006500543.tif 000010
2006500543.tif 000011