(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一入口末端、燃焼火炎噴射のための第二出口末端及び軸線Ｘを含む外部ジャッケットと；燃料流を前記入口末端の中に導入し、それを前記出口末端の方へと指向するための燃料供給手段と；酸素を前記入口末端の中に導入し、それを前記出口末端の方へと指向するための酸素供給手段とを有する酸素・燃料バーナーであって、前記燃料供給手段は、燃料が出口から噴出するにつれて燃料が流される広がる円錐内面を有する実質的に中心の出口を含み、また前記酸素供給手段は、該燃料供給手段の周囲に適当な間隔を置いて円周に沿って配置され、且つ前記出口末端に向けて放射状に内側へと角度をなしていて、且つ軸線Ｘに関して斜行していて、それによって、燃料流の第一上流域において燃料流と相交わる酸素の渦巻き収束円錐を生成する複数の酸素出口を含み、該酸素供給出口が、軸線Ｘに関して５°〜 １０°の角度αをなして、放射状に且つ内側に曲がっている、前記酸素・燃料バーナー。
【請求項２】
該酸素供給出口が、軸線Ｘに関して２０°〜 ３０°の角度θをなして斜行している請求項１記載の酸素・燃料バーナー。
【請求項３】
該燃料供給手段が、軸線Ｘ関して３０°〜 ４０°の角度φで広がっている請求項１又は２に記載の酸素・燃料バーナー。
【請求項４】
角度φが、３０°〜 ３５°である請求項３記載の酸素・燃料バーナー。
【請求項５】
燃焼室内にある燃料出口及び酸素出口の軸位置を変化させ、それによって、該バーナーの噴射パターンを変化させるための手段を含む請求項１〜４のいずれか一つに記載の酸素・燃料バーナー。
【請求項６】
該燃料供給手段及び該酸素供給手段が、該燃焼室内にあるバーナーブロック中に取り付けられていて、また前記バーナーブロックは、軸線Ｘに沿って軸方向に転置することができ、それによって、該燃焼室内にある該燃料出口及び該酸素出口の位置に対して前記軸を変化させることができる請求項１〜５のいずれか一つに記載の酸素・燃料バーナー。
【請求項７】
中心燃料出口と、広がる円錐表面の少なくとも最も内側の部分とが、該バーナーブロックに対して取り外し可能なように取り付けることができる単体要素の一部分を形成している請求項６記載の酸素・燃料バーナー。
【請求項８】
実質的に２：１の速度比で、該燃焼室中に燃料及び酸素を噴射するための燃料噴射手段及び酸素噴射手段を含む請求項１〜７のいずれかに記載の酸素・燃料バーナー。
【請求項９】
燃焼火炎噴射の方向に、出口末端から空気を噴射するための手段を更に含む請求項１〜８のいずれかに記載のバーナー。
【請求項１０】
該空気噴射手段が、該酸素出口の周囲に円周に沿って適当な間隔を置いて配置されている複数の空気出口を含む請求項９記載のバーナー。
【請求項１１】
該空気出口が、軸線Ｘに関して放射状に且つ内側に角度をなしている請求項１０記載のバーナー。
【請求項１２】
該空気出口が、軸線Ｘに関して斜行している請求項１０又は１１記載のバーナー。
【請求項１３】
該空気出口が、該酸素出口と同じ方向に、軸線Ｘの周囲に斜行している請求項１２記載のバーナー。
【請求項１４】
該燃料出口が、燃料油出口又は燃料ガス出口を含む請求項１〜１５のいずれかに記載の酸素・燃料バーナー。
【請求項１５】
以下の工程：すなわち、
（ａ）層流又は実質的に層流を有し、且つ燃焼室の第二末端から噴射するために同様に指向する比較的高速の燃料流をつくり出す様式で燃料供給手段から燃料を噴射させる工程；
（ｂ）軸線Ｘ上に収束し且つ軸線Ｘの周囲で回転し、それによって、燃料流の第一上流域において燃料流と相交わって、そこで燃料富化領域をつくり出す比較的低速の酸素流をつくり出す様式で酸素供給手段から酸素を噴射させる工程、及び燃料流の燃料貧領域をつくり出す様式で燃料流の下流域中に残りの酸素を導入する工程
を含む、請求項１〜１４のいずれかに記載のバーナーを運転する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バーナーに関するものであり、詳しくは本発明は、非限定的に、低ＮＯX排出を有し、且つ完全な又は実質的に完全な燃焼を助けるガス渦巻き技術を用いているバーナーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＵＳ−Ａ−第３６８５７４０号では、開放噴射末端と、円筒形燃焼室の反対側末端を構成している分離した酸素口及び燃料口を有するバーナープレートとを有する前記円筒形燃焼室；前記燃焼室の軸線に対して収束する方向に延びているが、前記軸線に対してある角度をなしていて非交差関係である酸素口の投影軸線、その結果として、前記燃焼室の軸に最も密接に接近する各軸上のポイントは、バーナープレートと燃焼室排気との間を横断するように配置された平面を画定する；最も密接に接近している平面において及び前記平面を越えて、酸素と燃料を混合するために、燃焼室軸に対して実質的に平行である燃料口の投影軸線、及び燃焼室軸上にバーナープレートの縦位置を調整し、それによってバーナー噴射火炎のパターンを決定するために燃焼室排気に関して最も密接な平面を配置する手段を含むロケットバーナー型の酸素・燃料バーナーが開示されている。また、前記バーナーは、バーナーの口金の方に延びていて、それによってバーナーの運転中にバーナーの口金を冷却する冷却水ジャッケットも含む。このバーナーは、多数の異なる火炎パターンを生成することができるが、これらのパターンは乱流になる傾向があるので、ある種の用途には適さない。また、このバーナーは、熱い完全燃焼した火炎ガスがバーナーから噴射するように、酸素／燃料を完全に混合するように設計されていることが注目される。結果として、バーナーの口金は冷却を必要とするので、全バーナー効率は、燃焼の一部が冷却ジャッケット中にある冷却流体へと失われるので低下する。したがって、速い混合速度及びバーナー本体において騒音が増幅されるために、このバーナーは比較的騒音が大きい。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
上記の配置と関連のある問題を少なくし、且つおそらくは排除するバーナーを提供することは本発明の目的である。
【０００４】
【発明の実施の形態】
したがって、本発明は、第一入口末端、燃焼火炎噴射のための第二出口末端及び軸線Ｘを含む外部ジャッケット；燃料流を入口末端中に導入し、それを出口末端の方へと指向するための供給手段；酸素を入口末端中に導入し、それを出口末端の方へと指向するための酸素供給手段；前記燃料供給手段は、燃料が出口から噴出するときに燃料が通される広がる円錐内面を有する実質的に中心の出口を含み、また前記酸素供給手段は、該燃料供給手段の周囲に適当な間隔を置いて円周に沿って配置され、且つ出口末端に向けて放射状に内側へと角度をなしていて、且つ軸線Ｘに関して斜行していて、それによって、燃料流の第一上流域において燃料流と相交わる酸素の渦巻き収束円錐を生成する複数の酸素出口を含む、を有する酸素・燃料バーナーを提供する。
【０００５】
流れ混合の空気力学的に制御された遅延と、燃焼ガス及び酸化体の内部再循環（すなわち、火炎内）による低層流化とを組み合わせることによって、前記バーナーは、ＣＯ、ＮＯx及び煤煙の排出が少ない（例えば、燃焼室温度１６００℃及び出力２．５ＭＷ以下で、ＮＯxレベル５００mg/m3未満）ことを発見した。また円錐ノズル設計によって、１．５ＭＷにおいて、従来技術の１２０dBから８７dBへと騒音が低下する。該バーナーを用いると煤煙の生成が減少するので、バーナーによって噴射される火炎の形状を迅速に変化させることは極めて容易であり（その理由は、渦巻き効果のために燃焼ガス及び酸化体が火炎の内部で再循環されて、生成した煤煙が、火炎の後部で残留物として残らずに燃焼されるからである）極めて明るい火炎が生成する。バーナーは、二つの燃焼領域：すなわち、燃料富化域である燃料出口に隣接している第一領域、及び主燃焼が起き且つ熱の大部分が発生する外側の領域である第二領域を有する火炎を発生する。バーナーから主燃焼までのこの距離は、バーナー及び隣接耐火物の過熱を防止し、水冷却の必要性を除く。
【０００６】
好ましくは、酸素供給出口は、放射状に内側に軸線Ｘに関して５° 〜 １０°の角度αをなしている。
【０００７】
好ましくは、酸素供給出口は、軸線Ｘに関して２０° 〜 ３０°の角度Θで斜行している。
【０００８】
有利には、燃料供給手段は、軸線Ｘに関して３０° 〜 ４０°の角度φで広がっている。
【０００９】
好ましくは、角度φは、３０° 〜 ３５°である。
【００１０】
特に有利な配置では、バーナーは、燃焼室内にある燃料出口及び酸素出口の軸位置を変化させ、それによって、バーナーの噴射パターンを変えるための手段を含む。
【００１１】
都合良くは、燃料及び酸素の供給手段は、燃焼室内にあるバーナープレートに取り付け、該バーナープレートは、軸線Ｘに沿って軸方向に転置することができ、それによって、燃焼室内における燃料及び酸素の出口の位置を軸方向で変化させることができる。
【００１２】
ある種の用途では、燃焼のために、追加の空気又は酸素富化空気を提供することは有利である。これは、好ましくは、酸素出口の周囲に適当な間隔を置いて円周に沿って配置された複数の空気出口を提供することによって達成される。前記の空気出口は、軸線Ｘに関して放射状に内側に空気流を指向するように配置され且つ軸線Ｘに関して斜行している。好ましくは、空気出口は、酸素出口と同じ方向に斜行している。
【００１３】
特に有益な配置では、バーナーは、実質的に２：１の速度比で、燃焼室中へと燃料及び酸素を噴射するための燃料及び酸素の噴射手段を含む。
【００１４】
燃料出口は、燃料油出口又は燃料ガス出口を含んでいても良く、また酸素供給手段は、酸素、空気、又は酸素富化空気を供給しても良い。
【００１５】
また、本発明は、以下の工程：すなわち、
（ａ）層流又は実質的に層流を有し、且つ燃焼室の第二末端から噴射するために同様に指向する比較的高速の燃料流をつくり出す様式で燃料供給手段から燃料を噴射させる工程；
（ｂ）軸線Ｘ上に収束し且つ軸線Ｘの周囲で回転し、それによって、燃料流の第一上流域において燃料流と相交わって、そこで燃料富化領域をつくり出す比較的低速の酸素流をつくり出す様式で酸素供給手段から酸素を噴射させる工程、及び燃料流の燃料貧領域をつくり出す様式で燃料流の下流域中に残りの酸素を導入する工程
を含む、上記バーナーを運転する方法も提供する。
【００１６】
以下の図面：すなわち、
図１は、本発明を具体化している酸素・燃料バーナー部分的に切断した透視図であり；
図２は、図１に示したバーナーブロックの横断面図であり、それと共に、関連する流れパターンが図示してあり；
図３は、図２の矢印Ｔの方向から切断したバーナーブロックの平面図であり；
図４は、図２の矢印Ａの方向から切断したバーナーブロックの末端正面図であり；
図５は、バーナーブロックの更なる横断面図であり、それと共に、関連する流れパターンが図示してあり；
図６は、図５の矢印Ｗの方向から切断したバーナーブロックの末端正面図であり；
図７は、酸素が出口を出るときの酸素速度に関するグラフであり；
図８は、燃焼火炎のＮＯx濃度に関するグラフであり；
図９は、バーナーブロックの別態様の横断面図であり；及び
図１０は、図９のバーナーブロックの末端正面図である
に関するだけの例を掲げて、本発明を更に詳しく説明する。
【００１７】
図１に例として示した酸素・燃料バーナー１０は、燃焼火炎噴射のための第一入口末端１２ａ及び第二出口末端１２ｂ、及び軸線Ｘを有する管状又は円筒形のジャッケット１２、及び図２ 〜 ６に最も分かり易く図示されている、入口末端１２ａと出口末端１２ｂとの間に延びていて、またそのポイントにおいて、バーナーブロック（プレート）１６と結合している中心燃料供給管１４を含む。燃料供給管１４は、軸線Ｘ上に配置された実質的に中心にある出口１８で終わっていて、且つ燃料が噴射されるとき燃料が通されるほぼ広がっている円錐内面２０を有している。また、バーナーブロック上には、燃料供給出口１８の周囲に円周に沿って適当な間隔を置いて配置されていて、且つ出口末端１２ｂに向かって内側へと放射状に角度をなしていて、且つ軸線Ｘに関して斜行していて、それによって、第一上流域Ｚ１において燃料流と相交わる酸素の渦巻き収束円錐を生成する複数の酸素出口２２が備わっている。再び図１参照。酸素供給手段は、ハウジング１２と燃料供給ダクト１４との間に形成された流路２４を更に含み、酸素は入口２６を介して供給され、次にダクト２４に沿って指向され、その結果、酸素は、バーナーブロック１６ａの後部表面に直面し、そのポイントで、酸素は、円錐表面２０内に配置されたポイントでそれぞれが終わっている複数の酸素供給出口２２の中に流される、ことが認められる。
【００１８】
図２からは、酸素出口２２が、軸線Ｘに関して５°〜 １０°の角度αで放射状に内側にそれぞれ向いていて、酸素流は放射状に内側に指向され、その結果、酸素は燃料出口１８の流れと相交わることが分かる。図３の平面図からは、各酸素出口２２も、軸線Ｘに関して２０° 〜 ３０°の角度Θで斜行していることが分かる。図４は、酸素供給出口２２が面１６ａから表面２０まで進んでいる前記出口２２の経路を隠された詳細まで図示してある。酸素出口２２の角度、ノズル２０の広がる円錐形状、及び酸素と燃料との間の速度比は、極めて重要であり、噴射量及び火炎形状を決定する。図２ 〜 ６を更に詳しく参照すると、３０°〜４０°（好ましくは３０°〜 ３５°）の表面２０の広がりによって、出口１８から噴射している燃料を、滑らかな様式で散開させ、実質的に層流を有する比較的長くて幅が狭い直流がつくり出される。前記の事実は、乱流型をつくり出すことを特に意図している様式で燃料が導入される多くの従来技術の配置とは全く対照的である。軸線Ｘに関して５°〜 １０°の角度αで放射状に内側に酸素流を指向するように配置されている複数の酸素ダクト２２は、Ｚ１域が実質的に燃料富化の状態に維持され、一方Ｚ２域は燃料貧領域として維持されるように、燃料流中に酸素を遅延混合するダクトである。この配置は、バーナーから約３００mm〜 ５００mm離れた位置で始まる層流領域の生成を遅らせるので、バーナー及び耐火材料の加熱を防止する利点を有する。結果として、この設計は、初期火炎温度を１２０℃未満に維持することができるので、バーナーを水で冷却する必要はない。例えば INCO ALLOY, CuproNickel 又は Monel 400 のような合金を用いるか、水による冷却が提供される場合、最大１６５０℃までの温度に適応することができる。燃料富化域Ｚ１は、長さ約３００mm 〜 ５００mmであり、主燃焼が起こる第二のいくぶん長いＺ２域が始まるところで終わる。第二域Ｚ２の範囲は、角度α、及びノズル又はジャッケット内にあるバーナーブロック１６又はケーシング１２の収縮（retraction）を変化させることによって調節することができる。角度αは任意の特有のバーナー設計のために概略設定されることが分かるが、バーナーブロック１６の位置は、ラックピニオン歯車３８，４０により軸線Ｘに沿って軸方向に燃料供給ダクト１４及びバーナーブロック１６を順番に移動させるモーター３６の作動によって、軸線Ｘに沿って変化させることができる。バーナーブロック１６を大きく引き込むほど、出口末端１２ｂが火炎形状に関して有する効果が益々大きくなり、渦巻き効果は、引き込みが増すにつれて低下する。前記の渦巻きの低下によって、関連する火炎長及び再循環が変化するので、火炎パターンを、特定の顧客の要求条件に合わせるように変化させることができる。詳しくは、バーナーブロック１６が出口末端１２ｂでぴったりと終わっているように配置される場合小さく、そこから干渉がある場合、火炎形状は、燃料出口及び酸素出口それ自体の形状、位置及び角度によって大部分決定される。
【００１９】
図３及び図４更に詳しく参照すると、酸素出口２２も軸線Ｘに関して角度Θで斜行しているので、酸素流においてある程度の渦巻きが提供され、次に中心燃料流の周囲に矢印Ｒの方向に回転する。望ましくない残留燃焼生成物が再循環され、完全な又は実質的に完全な燃焼のための残留Ｏ2と混合されて、その結果として火炎が出口域Ｚ２を出る前にＮＯx、ＣＯ及び煤煙が有意に減少するように、２０°〜 ３０°、好ましくは２０°〜 ２５°の角度Θによって、燃焼域Ｚ２において再循環効果を発生させるのに十分な渦巻きが付与される。
【００２０】
再び図１参照。モーター３６の形態の作動器、及びラックピニオン装置３８，４０は、燃料ダクト１４の遠位末端において提供され、且つ前記ダクト及びバーナープレート１６を軸線Ｘに沿って移動させるために作動させることができ、それによって、燃焼室内にある燃料出口１８及び酸素出口２２の軸位置を変化させるので、当業において公知のようにバーナーそれ自体の噴射パターンを変化させることができる。図１のポンプ３４及び４２は、必要な流れ要求条件満たすのを助けるために、燃料及び酸素を、必要な流量で且つ実質的に２：１の比で燃焼室中に送達するように働く。図７は、出口内を１６３．６m/sの速度で出口２２を通って外に出るときの酸素の典型的な速度分布を示している（直交するｘ，ｙ，ｚ方向における酸素の速度は、それぞれ参照符ｕ，ｖ，ｗで表してある）。燃料流は、前記酸素速度に比例している。図８は、Ｚ１域及びＺ２域におけるＮＯx分布に関する概略表示であり、その図８から、ＮＯxはＺ１域を進むにつれて上昇し、Ｚ２域を進むにつれて低下してくることを予期することができることが分かる。
【００２１】
運転時、本発明バーナーは、燃料／酸素の遅延混合と、流れの層流化及び内部再循環とを組み合わせることによって、窒素酸化物の形成を減少させる。前記方法によって、燃焼の二つの領域Ｚ１，Ｚ２、長さ約３００mm 〜 ５００mmの第一の極めて燃料に富んでいる領域、及び主燃焼が起こる第二の大きな領域が発生する。双方の領域は、それら自体の特性を有しており、第一域Ｚ１は、非常に低温で且つ低光度であるので、ＮＯxの形成を防止し、またバーナー及び／又はバーナーに隣接している任意の耐火材の過熱を防止し、一方、隣接域Ｚ２はいくぶんＺ１域よりも高温である。上記したように、第二域Ｚ２の範囲は、シャッケット１２内にあるノズルバーナーブロック１６の酸素出口の角度及びノズルバーナーブロック１６の引き込みによって調節することができる。Ｚ２域は非常に明るく、燃料の主要部分は完全に燃焼し、少なくとも残りの部分は、燃料流の周囲に渦巻いている酸素によってつくり出される再循環効果の故に完全に燃焼する。その結果として、ＮＯxの発生は防止され、光度を増加させる生成した煤煙は、残留物を残さずに燃焼する。炉温１４００℃及び出力１．５ＭＷではＮＯxレベルは５００mg/m3が達成された。同様なＮＯxレベルは、炉温１６００℃及び出力２．５ＭＷでも達成された。更に、このノズル設計は、バーナー出力約１．５ＭＷにおいて、従来技術の１２０dBから約９４dBまで騒音レベルを低下させることができる。
【００２２】
酸素出口２２の放射状角度αは、特性遅延混合及び火炎の透明で青い初期低温部分を提供し、斜行角度Θは、特性渦巻き数及び煤煙火炎との各内部再循環を提供する。角度αの変化は火炎長及びＮＯx形成の調節に影響し、また角度Θの変化は火炎幅、光度及びＮＯx形成に影響する。燃料出口１８は、従来のバーナーと比較して直径が大きく、酸素速度と燃料速度との望ましい速度比２：１を提供する。３０°〜 ４０°、好ましくは約３０°〜 約３５°の円錐角度Θは、広範な流れに関する火炎の完全な安定化（すなわち、広範な「バーナー負荷調整範囲（turndown）」）、ならびに運転時の騒音レベルの低下を提供する。
【００２３】
図９及び図１０参照。既に説明したのと同じ要素を符号で示してあり、本発明の更なる態様が図示してある。
【００２４】
燃焼プロセスに対して空気又は酸素富化空気を供給するための複数の空気出口５０が、酸素出口２２´の周囲に円周に沿って適当な間隔を置いて配置してある。空気出口５０は、軸線Ｘに関して内側に曲がっているが、その角度は、第一域Ｚ１と第二域Ｚ２とが相交わっている火炎の方向に収束するように、αに比べていくぶん大きくしてある（図５参照）。空気出口５０も、酸素出口２２´が斜行していることによって生成される有利な渦巻き効果に加わるように、酸素出口２２´と同じ方向に斜行している（図９参照）。酸素出口２２´を斜行させてある方向とは反対の方向に空気出口５０を斜行させることは、更なる乱流を促進するのに同じように有利であるかもしれない（図示していない）。
【００２５】
図９及び図１０の態様では、燃料供給手段は、軸線Ｘと同軸であり、且つバーナーブロック１６内に取り外すことができるように取り付けられているキャップアセンブリー５２（前記アセンブリー前端は、広がる円錐表面２０´の第一の最も内側の部分を提供する）を含む。前記の配置は、整備又は修理のために、又はバーナーに供給される燃料のタイプを変えるときに望ましいかもしれない第一収束円錐表面の角度を変化させるために、キャップアセンブリー５２を迅速に取り替えるのに特に有利な配置である。
【００２６】
当業において公知のように、特有の用途のために燃焼プロセスを微細に調節するために、バーナー中への及びバーナーからの燃料、酸素及び空気の流れを変化させるための手段が供給される。
【００２７】
上記した他の利点に加えて、本発明にしたがうバーナーは、ガラス及び金属工業における使用に適していて、また一般的に熱処理するのにも適しており；前記バーナーは、円筒形（回転）炉において又は箱形炉において用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化している酸素・燃料バーナー部分的に切断した透視図である。
【図２】図１に示したバーナーブロックの横断面図であり、それと共に、関連する流れパターンが図示してある。
【図３】図２の矢印Ｔの方向から切断したバーナーブロックの平面図である。
【図４】図２の矢印Ａの方向から切断したバーナーブロックの末端正面図である。
【図５】バーナーブロックの更なる横断面図であり、それと共に、関連する流れパターンが図示してある。
【図６】  図５の矢印Ｗの方向から切断したバーナーブロックの末端正面図である。
【図７】酸素が出口を出るときの酸素速度に関するグラフである。
【図８】燃焼火炎のＮＯx濃度に関するグラフである。
【図９】  バーナーブロックの別態様の横断面図である。
【図１０】図９のバーナーブロックの末端正面図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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