(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナ用の渦流再循環式燃焼ヘッドであって、
貫通孔、上流端、及び下流端を有するハウジングであって、上流端及び下流端は貫通孔の両側に配置され、燃焼用空気を受けるように構成されているハウジングと、
ハウジング内へ一次燃料流を導入するように構成されたハウジングの上流端に隣接して配置された一次燃料入口と、
ハウジング内へ二次燃料流を導入するように構成された一次燃料入口の下流に配置された二次燃料入口であって、前記二次燃料入口は前記ハウジングに固定された複数の燃料噴射器と流体連通し、前記複数の燃料噴射器は前記ハウジングの外表面の外側で二次燃料流を生成するように構成されている、二次燃料入口と、
ハウジングの下流端に固定されたディフューザプレートを備える火炎保持ヘッドであって、ディフューザプレートは複数の開口部、複数のフィン、及びリングを備える火炎保持ヘッドと、
火炎保持ヘッドの外表面に固定された拡張部材と
を備えている、渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項２】
複数のフィンは、周方向に等間隔に配置されている、請求項１に記載の渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項３】
拡張部材は、火炎保持ヘッドの下流端に配置されている、請求項１に記載の渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項４】
複数の開口部のうち１つの内側に固定された少なくとも１つのオリフィスをさらに備え、少なくとも１つのオリフィスは、一次燃料流の一部をリングから遠ざけて方向転換させるように構成されている、請求項１に記載の渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項５】
複数のフィンの各々は第１端及び第２端を備え、第１端は自由であり第２端はリングに隣接している、請求項１に記載の渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項６】
第２端は、リングに当接する、請求項５に記載の渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項７】
複数のフィンの各々は、燃焼ヘッドの垂直軸に対して５〜５０度の角度に配置され、前記垂直軸は、前記ハウジングの前記貫通孔と平行でかつ前記貫通孔を通過するように配置されている、請求項１に記載の渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項８】
複数のフィンの各々は、燃焼ヘッドの垂直軸に対して２０〜４０度の角度に配置され、前記垂直軸は、前記ハウジングの前記貫通孔と平行でかつ前記貫通孔を通過するように配置されている、請求項１に記載の渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項９】
複数のフィンの各々は、燃焼ヘッドの垂直軸に対して３０度の角度に配置され、前記垂直軸は、前記ハウジングの前記貫通孔と平行でかつ前記貫通孔を通過するように配置されている、請求項１に記載の渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項１０】
複数の開口部の内側に固定された複数のオリフィスをさらに備え、各々のオリフィスは、中空の本体と、開孔部を有する頭部とを備え、中空の本体と開孔部とは、燃料がそれらを通って通過可能に接続され、開孔部は、中空の本体に対して９０度に配置されている、請求項１に記載の渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項１１】
バーナ用の渦流再循環式燃焼ヘッドであって、
貫通孔、上流端、及び下流端を有するハウジングであって、上流端及び下流端は貫通孔の両側に配置され、燃焼用空気を受けるように構成されているハウジングと、
ハウジング内へ一次燃料流を導入するように構成されたハウジングの上流端に隣接して配置された一次燃料入口と、
ハウジング内へ二次燃料流を導入するように構成された一次燃料入口の下流に配置された二次燃料入口であって、前記二次燃料入口は前記ハウジングに固定された複数の燃料噴射器と流体連通し、前記複数の燃料噴射器は前記ハウジングの外表面の外側で二次燃料流を生成するように構成されている、二次燃料入口と、
ハウジングの下流端に固定されたディフューザプレートを備える火炎保持ヘッドであって、ディフューザプレートは複数の開口部、複数のフィン、及びリングを備える火炎保持ヘッドと、
火炎保持ヘッドの外表面に固定された拡張部材とを備え、
複数の開口部は、リングの径方向に外側に配置され、かつ複数のフィンは、リングの径方向に内側に配置されている、渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項１２】
拡張部材は、火炎保持ヘッドの下流端に配置されている、請求項１１に記載の渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項１３】
複数の開口部のうち１つの内側に固定された少なくとも１つのオリフィスをさらに備え、少なくとも１つのオリフィスは、一次燃料流の一部をリングから遠ざけて方向転換させるように構成されている、請求項１１に記載の渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項１４】
複数のフィンの各々は、燃焼ヘッドの垂直軸に対して５〜５０度の角度に配置され、前記垂直軸は、前記ハウジングの前記貫通孔と平行でかつ前記貫通孔を通過するように配置されている、請求項１１に記載の渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項１５】
複数の開口部の内側に固定された複数のオリフィスをさらに備え、各々のオリフィスは、中空の本体と、開孔部を有する頭部とを備え、中空の本体と開孔部とは、燃料がそれらを通って通過可能に接続され、開孔部は、中空の本体に対して９０度に配置されている、請求項１１に記載の渦流再循環式燃焼ヘッド。
【請求項１６】
バーナ用の渦流再循環式燃焼ヘッドであって、
貫通孔、上流端、及び下流端を有するハウジングであって、上流端及び下流端は貫通孔の両側に配置され、燃焼用空気を受けるように構成されているハウジングと、
ハウジング内へ一次燃料流を導入するように構成されたハウジングの上流端に隣接して配置された一次燃料入口と、
ハウジング内へ二次燃料流を導入するように構成された一次燃料入口の下流に配置された二次燃料入口であって、前記二次燃料入口は前記ハウジングに固定された複数の燃料噴射器と流体連通し、前記複数の燃料噴射器は前記ハウジングの外表面の外側で二次燃料流を生成するように構成されている、二次燃料入口と、
ハウジングの下流端に固定されたディフューザプレートを備える火炎保持ヘッドであって、ディフューザプレートは複数の開口部、複数のフィン、及びリングを備える火炎保持ヘッドと、
火炎保持ヘッドの外表面に固定された拡張部材であって、前記二次燃料流が前記拡張部材から離れるように向きを変えることで、前記拡張部材の径方向の外側に再循環を生成する拡張部材とを備え、
火炎は、作動中は前記再循環の少なくとも一部によって安定化される、渦流再循環式燃焼ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、燃焼バーナヘッドに関し、より具体的には、低濃度の一酸化炭素及び窒素酸化物排出物しか生成しない渦流再循環式燃焼バーナヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼中の化石燃料に関連する共通の問題は、一酸化炭素及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成及び排出である。ガス及びオイルを燃料とするボイラでは、燃料及び空気がバーナ内で混合され、燃焼室内で混合物に点火するために着火装置が提供される。熱は、燃焼室内で生成されて、熱交換器により運ばれる。燃焼排ガスは、熱交換器のスタックから放出され、窒素酸化物の排出を削減するために燃焼工程へと再循環させることが可能である。そのような工程は燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）として知られている。燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）は、火炎の温度を低下させ、それにより、サーマルＮＯｘ排出物の量を削減する。また、燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）は、一酸化炭素（ＣＯ）レベルを最小限に抑えるのにも役立つ。
【０００３】
その他の工程、例えば、酸化剤と燃料との燃料希薄予混合、空気ステージング、及び燃料ステージングも、窒素酸化物の排出を削減するために使用される。燃料ステージングには、二次燃料流のための着火源として少量の一次燃料流を燃焼することを伴う。燃料ステージングは主室の温度を下げ、それによりサーマル窒素酸化物の排出量を削減する。
【０００４】
現行の規制では、１桁のＮＯｘレベル、例えば、９ｐｐｍ未満及び５ｐｐｍ未満が要求される。残念ながら、ＮＯｘレベルが減少するにつれて、火炎安定性も減少する。火炎安定性に取り組む場合、火炎の位置及び付着が重要である。例えば、有効なボイラエリアを最大化するために火炎をバーナに可能な限り近く位置付けることが望ましい。加えて、最大性能を達成するために調整する間、火炎が可能な限り動かないことが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃焼バーナにおける有害なＣＯ及びＮＯｘの排出物量の削減が試みられてきたが、火炎安定性を維持しながらも生成及び排出される一酸化炭素及び窒素酸化物の量をさらに削減するための改善が必要とされている。
【０００６】
本開示は、低濃度の一酸化炭素及び窒素酸化物しか排出されずかつ火炎安定性が維持されるように燃焼バーナを作動させるための発明的な燃焼ヘッドに関する。燃焼ヘッドは、渦流式かつ一様な回転を提供するための複数のフィンを備えたディフューザプレートを備えている。燃焼ヘッドはさらに、渦流を安定させる助けとなるようにディフューザの外表面に固定されたリングも備えている。本システムは、さらに、燃焼排ガス再循環を備えることも可能である。
【０００７】
バーナ用の燃焼ヘッドの実施形態の利点は、火炎がバーナのノーズ部とボイラの壁部との間で安定するということである。燃焼ヘッドの実施形態において、火炎は、バーナの正面に固定される。燃焼ヘッドの実施形態の別の利点は、火炎の基部が燃焼室にあることである。
【０００８】
本明細書中に記載された渦流再循環式燃焼バーナは、任意の適切な材料、例えばセラミックス、ポリマー、鉄類及び非鉄金属、並びにこれらの合金及び複合材料で作製することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一般に、１つの態様において、バーナ用の渦流再循環式燃焼ヘッドであって、貫通孔、上流端、及び下流端を有するハウジングであって、上流端及び下流端は貫通孔の両側に配置され、燃焼用空気を受けるように構成されているハウジングと、ハウジング内へ一次燃料流を導入するように構成されたハウジングの上流端に隣接して配置された一次燃料入口と、ハウジング内へ二次燃料流を導入するように構成された一次燃料入口の下流に配置された二次燃料入口と、ハウジングの下流端に固定されたディフューザプレートを備える火炎保持ヘッドであって、ディフューザプレートは複数の開口部、複数のフィン、及びリングを備える火炎保持ヘッドと、火炎保持ヘッドの外表面に固定された拡張部材とを備えている渦流再循環式燃焼ヘッドが提供される。
【００１０】
実施形態によれば、複数のフィンは、周方向に等間隔に配置されている。
実施形態によれば、拡張部材は、火炎保持ヘッドの下流端に配置されている。
実施形態によれば、複数の開口部のうち１つの内側に固定された少なくとも１つの接線方向のオリフィスを備え、少なくとも１つの接線方向のオリフィスは、一次燃料流の一部をリングから遠ざけて方向転換させるように構成されている。
【００１１】
実施形態によれば、複数のフィンの各々は第１端及び第２端を備え、第１端は自由であり第２端はリングに隣接している。
実施形態によれば、第２端は、リングに当接する。
【００１２】
実施形態によれば、複数のフィンの各々は、燃焼ヘッドの垂直軸に対して５〜５０度の角度に配置されている。
実施形態によれば、複数のフィンの各々は、燃焼ヘッドの垂直軸に対して２０〜４０度の角度に配置されている。
【００１３】
実施形態によれば、複数のフィンの各々は、燃焼ヘッドの垂直軸に対しておよそ３０度の角度に配置されている。
実施形態によれば、複数の接線方向のオリフィスが複数の開口部の内側に備えられかつ固定され、各々の接線方向のオリフィスは、中空の本体と、開孔部を有する頭部とを備え、中空の本体と開孔部とは、燃料がそれらを通って通過可能に接続され、開孔部は、中空の本体に対しておよそ９０度に配置されている。
【００１４】
概して、別の態様では、バーナ用の渦流再循環式燃焼ヘッドであって、貫通孔、上流端、及び下流端を有するハウジングであって、上流端及び下流端は貫通孔の両側に配置され、燃焼用空気を受け取るように構成されているハウジングと、ハウジング内へ一次燃料流を導入するように構成されたハウジングの上流端に隣接して配置された一次燃料入口と、ハウジング内へ二次燃料流を導入するように構成された一次燃料入口の下流に配置された二次燃料入口と、ハウジングの下流端に固定されたディフューザプレートを備える火炎保持ヘッドであって、ディフューザプレートは複数の開口部、複数のフィン、及びリングを備える火炎保持ヘッドと、火炎保持ヘッドの外表面に固定された拡張部材とを備えている渦流再循環式燃焼ヘッドが提供される。複数の開口部は、リングの径方向に外側に配置され、かつ複数のフィンは、リングの径方向に内側に配置されている。
【００１５】
実施形態によれば、拡張部材は、火炎保持ヘッドの下流端に配置されている。
実施形態によれば、少なくとも１つの接線方向のオリフィスが複数の開口部のうち１つの内側に備えられかつ固定され、少なくとも１つの接線方向のオリフィスは、一次燃料流の一部をリングから遠ざけて方向転換させるように構成されている。
【００１６】
実施形態によれば、複数のフィンの各々は、燃焼ヘッドの垂直軸に対して５〜５０度の角度に配置されている。
実施形態によれば、複数の接線方向のオリフィスが複数の開口部の内側に備えられかつ固定され、各々の接線方向のオリフィスは、中空の本体と、開孔部を有する頭部とを備え、中空の本体と開孔部とは、燃料がそれらを通って通過可能に接続され、開孔部は、中空の本体に対しておよそ９０度に配置されている。
【００１７】
概して、さらなる態様では、バーナ用の渦流再循環式燃焼ヘッドであって、貫通孔、上流端、及び下流端を有するハウジングであって、上流端及び下流端は貫通孔の両側に配置され、燃焼用空気を受け取るように構成されているハウジングと、ハウジング内へ一次燃料流を導入するように構成されたハウジングの上流端に隣接して配置された一次燃料入口と、ハウジング内へ二次燃料流を導入するように構成された一次燃料入口の下流に配置された二次燃料入口と、ハウジングの下流端に固定されたディフューザプレートを備える火炎保持ヘッドであって、ディフューザプレートは複数の開口部、複数のフィン、及びリングを備える火炎保持ヘッドと、火炎保持ヘッドの外表面に固定された拡張部材とを備えている渦流再循環式燃焼ヘッドが提供される。火炎は、作動中は火炎保持ヘッドの径方向に外側へ向かって安定化される。
【００１８】
当然のことであるが、以下にさらに極めて詳細に議論される前述の概念及び追加概念の全ての組み合わせは（そのような概念が相互に矛盾しないものとして）、本明細書中に開示された発明の主題の一部であると考えられる。特に、本開示の最後にある特許請求の範囲に記載された主題の全ての組み合わせは、本明細書中に開示された発明の主題の一部であると考えられる。
【００１９】
本発明の上記及びその他の態様は、後述される実施形態から明白となろう。
前述の内容は、添付図面に示す本開示の例示の実施形態についての以降のより詳細な説明から明白となり、添付図面において、同様の参照符号は様々な図面の全体を通じて同一の部品を指している。図面は必ずしも原寸に比例するものではなく、むしろ本開示の実施形態を説明するにあたって強調がなされている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本開示の例示の実施形態によるバーナ用の渦流再循環式燃焼ヘッドの斜視図。
【図２】本開示の例示の実施形態による図１の渦流再循環式燃焼ヘッドの右側端正面図。
【図３】本開示の例示の実施形態による図１の渦流再循環式燃焼ヘッドの左側端正面図。
【図４】本開示の例示の実施形態による概ね図２の線Ａ−Ａに沿った図１の渦流再循環式燃焼ヘッドの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の例示の実施形態について説明を続ける。
ここで図面を参照するが、図中、同様の参照数字は、全体を通じて同様の部分を指しており、低濃度の一酸化炭素及び窒素酸化物排出物しか生成しないと同時に改善された火炎安定性を提供するバーナ用の渦流再循環式燃焼ヘッド１００を示している。図面は、上向きに配置された一次及び二次燃料入口を備える渦流再循環式燃焼ヘッドを示しているが、作動中、渦流再循環式燃焼ヘッドは一次及び二次燃料入口を下向きに又は任意の向きにして配置されることを理解すべきである。
【００２２】
実施形態によるバーナ用の渦流再循環式燃焼ヘッド１００の斜視図が図１に示されている。図２は、図１の渦流再循環式燃焼ヘッドの右側端の正面図である。図３は、図１の渦流再循環式燃焼ヘッドの左側端の正面図である。図４は、概ね図２の線Ａ−Ａに沿った、図１の渦流再循環式燃焼ヘッドの断面図である。下記は図１〜４に基づいて考えるべきである。渦流再循環式燃焼ヘッド１００は、概して、入口フランジ１０２であって入口フランジの穴を介してボルトで燃焼空気ファン又はブロワと接続されるように構成された入口フランジ、ハウジング１０４、燃焼室と接続されるように構成された取付けフランジ１０６、火炎保持ヘッド１０８、並びに一次及び二次燃料入口１１０、１１２を備えている。取付けフランジ１０６の位置は様々なバーナ／燃焼室の構成に従って変更できることを理解すべきである。例えば、実施形態において、取付けフランジは、図中に示された位置よりもさらに下流に配置することができる。任意の適切な配置が使用される。
【００２３】
ハウジング１０４の上流端に配置された入口フランジ１０２は、燃焼空気ファン又はブロワに接続され、酸化剤は、燃焼空気ファンを通してハウジング１０４に供給される。
一次燃料流は、一次入口１１０においてバーナへ、かつハウジング１０４の貫通孔を通る燃料チューブ１１４を通り、マニホールド１１５を通り、そして一次燃焼ゾーン内へと送達され、一次燃焼ゾーンにおいて酸化剤と混合して一次火炎を生じる。
【００２４】
二次燃料流は、二次入口１１２においてバーナへ、かつハウジング１０４の貫通孔を通り、マニホールド１１６を通り、複数の周方向に配置された燃料噴射器１１８の中へと送達される。燃料噴射器は、空気を含むプレナムの内部でハウジング１０４の外表面１２８の周りに配置されている。二次燃料流は、空気と混合して、二次空気及びガスの流れを提供する。
【００２５】
火炎保持ヘッド１０８は、入口フランジ１０２が配置されるハウジングの上流端の反対側にあるハウジング１０４の下流端に固定されている。火炎保持ヘッド１０８は、複数のフィン１２０と、複数の開口部１２２と、ボルト用の複数の取付けボルト開口部１２３と、リング１２４とを備えたディフューザプレート１０９を備えている。ディフューザプレート１０９は、燃焼ヘッドの垂直軸に沿って配置されている。実施形態において、複数の開口部１２２は、取付けボルト開口部１２３、リング１２４、及び複数のフィン１２０に対して径方向に外側に配置されている。複数のフィン１２０は、リング１２４並びに開口部１２２及び１２３に対して径方向に内側に配置されている。換言すれば、開口部１２２及び１２３、複数のフィン１２０、並びにリング１２４は同心円状に配置されている。
【００２６】
実施形態によれば、複数のフィン１２０の各々は、燃焼ヘッドの垂直軸に対して５〜５０度の角度に配置されている。実施形態によれば、複数のフィン１２０の各々は、垂直軸に対して２０〜６０度の角度に配置されている。実施形態によれば、複数のフィン１２０の各々は、垂直軸に対しておよそ３０度の角度に配置されている。実施形態によれば、複数のフィン１２０の各々は、ほぼ長方形状に形成されている。しかしながら、これに代えて、任意の適切な構成及び形状のうち少なくともいずれか一方を使用してもよい。実施形態によれば、複数のフィン１２０は、周方向に等間隔に配置されている。８個のフィンが図中の実施形態に示されているが、これに代えて、追加のフィン又はより少数のフィンを使用してよいことを理解すべきである。例えば、例示の実施形態では、周方向に等間隔に配置された４つのフィンがある。実施形態によれば、複数のフィン１２０の各々のフィンは、第１端及び第２端を備え、第１端は自由であり、第２端はリング１２４に隣接している。各々のフィンは、安定性を高めるためにリング１２４に固定されてもよく、かつリング１２４に当接していてもよい。「自由である」という用語は、別の物理的構造物に接続されないことを意図している。実施形態によれば、複数のフィン１２０は、レーザー切断、プラズマ切断、又は任意の他の適切な方法により開口部を形成することによって、鋼鉄のディフューザプレート１０９の中に形成される。開口部を形成した後、ブレードが、例えば、溶接又は任意の他の適切な方法により、開口部の上部に固定される。
【００２７】
実施形態によれば、着火源１３０は、リング１２４及び複数のフィン１２０より径方向に外側に提供されている。実施形態によれば、一次及び二次燃料入口１１０、１１２は、着火源１３０から周方向におよそ１８０度に配置されている。例示の実施形態では、スキャナチューブ１３２のための穴部が、着火源１３０からおよそ９０度に配置されている。別の例示の実施形態では、スキャナチューブ１３２が、着火源１３０から周方向に９０度未満に配置されている。別の例示の実施形態では、スキャナチューブ１３２が、着火源１３０から周方向に（時計回り又は反時計回りの方向のいずれかに）９０〜１８０度に配置されている。
【００２８】
実施形態によれば、火炎スキャナチューブのための穴部１３２が、火炎保持ヘッド１０８の内部に提供されている。実施形態では、火炎スキャナチューブが、リング１２４及び複数の開口部１２２よりも径方向に内側にありかつ複数のフィン１２０に近接した穴部１３２の内部に配置されている。実施形態では、穴部及びスキャナチューブ１３２が、複数のフィン１２０のうち２つの隣接するフィンの間に配置されている。スキャナそれ自体は、熱いＦＧＲガスにより破壊されるため、ハウジング内部に配置しない。その代りに、スキャナは、スキャナの角度を固定すると共にスキャナを適切に配置するため、ハウジングの後部から（図示せず）穴部１３２においてディフューザプレート１０９を通して伸びるＵＶスキャナチューブ（図示せず）の内部に配置されている。チューブはハウジングの後部で任意の適切な位置で固着可能であることを理解すべきである。例えば、実施形態において、ＵＶスキャナは、一次及び二次燃料入口１１０、１１２から周方向に（図２に示されるように反時計回り方向に）１８０度未満のチューブ内に配置されている。穴部及びスキャナチューブ１３２を、同様に時計回り方向に、燃料入口１１０、１１２から周方向に１８０度未満に配置可能であることも理解すべきである。例示の実施形態では、穴部及びスキャナチューブ１３２が、時計回り又は反時計回りのいずれかの方向に、燃料入口１１０、１１２から周方向に９０度未満に配置されている。
【００２９】
図２では、８個の取付けボルト開口部１２３よりも径方向に外側に配置された２０個の開口部１２２が存在する。しかしながら、追加の数の又はより少数の、開口部及びボルト開口部のうち少なくともいずれか一方を、使用することも可能である。例示の実施形態では、開口部１２２には、接線方向のオリフィス１２５が埋め込まれている。接線方向のオリフィス１２５を備える例示の実施形態では、接線方向のオリフィスのうち４分の１、半分、又は４分の３（又は任意の他の適切な数の接線方向のオリフィス）を使用することが可能である。例示の実施形態では、各々の接線方向のオリフィス１２５が、パイロットゾーンにガスを供給してバーナに着火するために配置されている。各々の接線方向のオリフィス１２５は、中空の本体と、開孔部を備えた頭部とを備えている。個々の接線方向のオリフィスの中空の本体の外面を取り巻いているのは、中空の本体を開口部１２２の内部に固定するために使用される外ねじ部である。例示の実施形態では頭部は六角形であるが、任意の適切な形状を代わりに使用することが可能である。作動中、一次燃料流は、最初に中空の本体を通り抜け、次に頭部の開孔部を通り抜けることにより、各々の接線方向のオリフィスを通過する。例として六角形の頭部を使用すると、頭部の開孔部は、中空の本体の中央から頭部の６つの側面のうち１つを通って伸びるように配置されている。よって、頭部の開孔部は一次燃料流をリング１２４から径方向に外側に離れるように方向転換させる。例示の実施形態では、頭部の開孔部は、中空の本体に対しておよそ９０度に配置されている。図１では、六角形の頭部の例示の開孔部１２７が示されている。頭部の開孔部１２７は、中空の本体よりもはるかに小さく、一次燃料流が制御された方式で方向転換される。例えば、接線方向のオリフィス１２５は長さが１４．６８４ｍｍ（０．５７８”）であって、直径５．１５９ｍｍ（０．２０３”）の中空の本体と直径１．５７４８ｍｍ（０．０６２”）の頭部の開孔部とを備え、頭部の幅は９．５２５ｍｍ（０．３７５”）である。ガスを真っすぐに送る従来の開口部とは異なり、本明細書中に記載された接線方向のオリフィスは、ガスを一次ゾーンの内側に保ちながらガスを径方向に方向転換し、それにより着火を開始する。接線方向のオリフィス１２５は、中空の本体を形成するためにボルトから中心部を掘削し、かつ頭部において接続する側孔を掘削することにより、作製可能である。別例の実施形態では、頭部の別の側面に追加の開孔部、又は頭部の同じ側面に追加の開孔部があることも可能である。
【００３０】
実施形態によれば、火炎保持ヘッド１０８は、火炎保持ヘッド１０８の外表面１２８に固定された拡張部材１２６を備えている。拡張部材１２６は、火炎保持ヘッド１０８の下流端に配置されている。例示の実施形態では、拡張部材１２６は６．３５ｍｍ（（１／４）”）の円形ストック材料の円柱状リングである。例示の実施形態では、拡張部材１２６は９．５２５ｍｍ（（３／８）”）の円形ストック材料の円柱状リングである。しかしながら、代わりに任意の適切な別例の形状及び大きさが使用されてもよい。例えば、直方体状のリングが使用されてもよい。例示の実施形態では、高さ９．５２５ｍｍ（（３／８）”）及び長さ１２．７ｍｍ（（１／２）”）の直方体状リングが提供される。別の例示の実施形態では、高さ６．３５ｍｍ（（１／４）”）及び長さ９．５２５ｍｍ（（３／８）”）の直方体状リングが提供される。
【００３１】
作動中、ディフューザプレート１０９は、ディフューザプレートを通って流れる燃焼用空気について混合回転を生成し、かつ再循環が中央の一次空気によりバーナのノーズ部の下流に生成される（図４に矢印Ａで示されている）。再循環は、火炎保持ヘッド１０８の外表面１２８の外側に導入された二次空気及びガスの流れにより、燃焼室のベース壁に隣接した燃焼室内部でも生成される。そのような再循環は、バーナのノーズ部の上流かつバーナより径方向に外側に位置している（図４に矢印Ｂ及びＣで示されている）。再循環した二次空気及びガスの流れは、一次火炎によって着火される。火炎保持ヘッド１０８のディフューザプレート１０９は、好都合なことに渦流式かつ一様な回転を提供する。火炎保持ヘッド１０８の外表面１２８に固定された拡張部材１２６は、好都合なことに渦流を安定させる。バーナの一次ゾーンに保持されることと対照的に、作動時の火炎は、バーナのノーズ部の径方向に外側に向かって安定する。例示の実施形態では、作動時の火炎が、バーナのノーズ部とボイラの燃焼室の壁との間で安定する。作動時、火炎保持ヘッド１０８の外側で始まり燃焼室の壁に向かって外側へと延びる図４に示されるような火炎境界線を有する火炎が生成される。
【００３２】
実施形態によれば、本明細書中に記載の渦流再循環式燃焼ヘッドを備えたバーナは、燃焼室に結合された熱交換器を備えている。燃焼排ガス再循環システムは、熱交換器の熱スタックと併用されること、燃焼排ガスをバーナの風箱に戻るように再循環させるように構成されることが可能である。再循環した燃焼排ガスは、燃料／空気混合物を希釈し、かつサーマルＮＯｘの機構を抑制することにより、ＮＯｘ排出量を削減する。再循環した燃焼排ガスは、さらに、一次火炎ゾーンにおける酸素濃度を低下させることにより、ＮＯｘの形成を低減する。ハウジング１０４の中への燃焼用空気の流れを制御するため、ダンパーをバーナの風箱に近接して配置することができる。
【００３３】
ＦＧＲを備えた渦流再循環式燃焼バーナヘッドを、米国ペンシルベニア州ランカスターにあるバーナム・コマーシャル（Burnham Commercial）から入手可能な４Ｓ‐３５０モデルの４パス式ウォーターバック・スコッチボイラにおいて試験した。この特定のバーナは、垂直軸に対して３０度屈曲せしめられた８つのスロットを有する平らなディフューザプレート１０９を備えていた。平らなスロット付きディフューザ１０９は、１８０．９７５ｍｍ（７．１２５”）の１２Ｇａディフューザリングを備えていた。スロットは、空気を前進方向に移動しないように方向付けるために、７６．２ｍｍ（３”）×１９．０５ｍｍ（（３／４）”）のフィン１２０で覆われていた。外側のディフューザリングの高さは、２５．４ｍｍ（１”）であった。二次ガスチューブには、オリフィスが無い。バーナの正面（一次）は、９個の＃５１×１オリフィス及び１０個のブランクを備えていた。８本のボルトが一次ゾーンに設置された。ワッシャーはディフューザの背後に設置されず、代わりにガスケットが使用された。長さ９５８．８５ｍｍ（３７．７５”）に切断された６．３５ｍｍ（（１／４）”）のロッド１２６が丸められて、火炎を外側に向かって押し出すために一次ゾーンの先端に溶接された。
【００３４】
弱い火で上記の設定を使用すると、一次ゾーンから二次ゾーンへのストリークが観察されて、完全な一次及び二次ゾーンが接触していることを示している。よって、火炎は、この例示の実施形態において付着している。火炎境界線は、拡張部材１２６から燃焼室の壁に向かって径方向に外側へ（下流方向に角度をなして）広がる。さらに、火炎は、この例示の実施形態の作動中に移動しない。次の表には、上記の設定の試験の結果が含まれている。以下の表中に示されるように、ポイント７では、ＮＯｘ排出の量は０．０ｐｐｍＯ２である。
【００３５】
【表１】
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旧キワニー・ボイラ・カンパニー（Kewanee Boiler Company）のボイラ（モデルＬＭ８８８）を使用する別の実施例の試験では、次の例示のパラメータが使用された。ポイント１では、ＭＢＴＵ／ｈでの総仕事率（Total Rate）は３，３２９，８０２であり、次のアクチュエータが次の位置に配置されている。すなわち、二次燃料のバタフライの配置は２２．２度、空気のバタフライの配置は１２．９度、一次燃料のバタフライの配置は６度、及びＦＧＲのバタフライの配置は９．５度である。さらにポイント１では、次の作動圧が使用される。すなわち、ヘッドにおける一次ガス圧力は１２．２水柱インチ（ＩＷＣ）（3035.848 Pa）、ヘッドにおける二次ガス圧力は０．７ＩＷＣ（174.188 Pa）、ブロワハウジング圧力は１．７ＩＷＣ（423.028 Pa）、ボイラ燃焼室圧力は０．０６ＩＷＣ（14.9304 Pa）、及びファン入口圧力は−１６．８ＩＷＣ（-4180.512 Pa）である。ブロワハウジングのＯ２（％）は１７．３であり、ブロワハウジングの温度は５３．３℃（華氏１２８度）である。この同じ例示の実施形態において、ポイント１では、周囲温度は１８．９℃（華氏６６度）であり、スタック温度は１７１℃（華氏３３９度）である。ポイント１におけるこれらのパラメータを用いると、Ｏ２排出の量は３．７であり、ＣＯ排出の量は３％Ｏ２補正で８ｐｐｍであり、ＮＯｘ排出の量は３％Ｏ２補正で３．５ｐｐｍであり、ＣＯ２排出の量は９．６％である。
【００３６】
キワニーのＬＭ８８８ボイラを使用する例示の実施形態では、風箱中のＯ２の比率（％）が１５〜１６％の範囲にある場合、ＮＯｘ排出量は３％Ｏ２補正で４．８〜５ｐｐｍの範囲にある。同じ例示の実施形態において、風箱中のＯ２の比率（％）が上昇すると（１７〜２０％の範囲）、ＮＯｘ排出量は３％Ｏ２補正で２〜３ｐｐｍの範囲のレベルに減少する。
【００３７】
いくつかの本発明の実施形態について本明細書中で説明してきたが、当業者であれば、機能を実施するため、並びに／又は、結果及び本明細書中に記載された１以上の利点のうち少なくともいずれかを得るための、様々な他の手段及び／又は構造を容易に予見するであろう。また、そのような変形形態及び改変形態のうち少なくともいずれかはそれぞれ、本明細書中に記載された本発明の実施形態の範囲内にあると考えられる。より一般的には、当業者は容易に理解するであろうが、本明細書中に記載された全てのパラメータ、寸法、材料、及び構成は典型例であるように意図されており、また実際のパラメータ、寸法、材料、及び構成のうち少なくともいずれかは、本発明の教示が使用される具体的な１又は複数の適用に応じて変化することになる。当業者であれば、本明細書中に記載された具体的な本発明の実施形態の数多くの等価物を認識するであろうし、又は等価物を日常的な実験作業のみを用いて確認可能であろう。したがって、当然のことであるが、前述の実施形態は単に例として提示されるものであり、また添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内において、本発明の実施形態は、具体的に説明されて特許請求の範囲に記載された通りとは別のかたちで実施されることもできる。本開示に記載の本発明の実施形態は、本明細書中に記載された個々の特徴、システム、物品、材料、及び方法のうち少なくともいずれかに関する。加えて、２以上のそのような特徴、システム、物品、材料、及び方法のうち少なくともいずれかの任意の組み合わせは、そのような特徴、システム、物品、材料、及び方法のうち少なくともいずれかが相互に矛盾しない場合、本開示の本発明の範囲内に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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