JP2927557B2

JP2927557B2 - 超低量ｎｏｘバーナー

Info

Publication number: JP2927557B2
Application number: JP8511007A
Authority: JP
Inventors: トーマスエフ．ロバートソン，; トッドエイ．ミラー，; デニスイー．クイン，
Original assignee: NOOSU AMERIKAN Manufacturing CO
Current assignee: NOOSU AMERIKAN Manufacturing CO
Priority date: 1994-09-20
Filing date: 1995-09-19
Publication date: 1999-07-28
Anticipated expiration: 2015-09-19
Also published as: AU3718195A; JPH10501056A; CA2200479C; EP0782681A1; MX9702053A; DE69514672T2; CA2200479A1; EP0782681B1; WO1996009494A1; DE69514672D1; US5667376A

Description

【発明の詳細な説明】発明の分野本発明は、産業用バーナーシステムにおけるNOXの低
減化に関する。

発明の背景窒素酸化化合物（NOX）は、典型的には、高温と、窒
素および酸素の化学結合を可能にするその他の要因とを
必然的に伴う燃焼プロセスの間に形成される。少量のNO
Xは刺激物であるが、大量のNOXは人命にかかわるより大
きな脅威になり得ることが分かっている。NOXは、環境
への重大な汚染源ではないかとも考えられている。産業
用バーナーシステム、特に、毎時百万BTUを越えて稼働
し、火炎温度が3500゜F近くにまで達するタイプのもの
においては、局所的なNOXの発生は莫大なものになり得
る。

環境保護団体および州政府は、産業用炉に用いられる
ものを含むバーナーシステムから吐出される汚染物質に
対する規制をますます強めている。NOXおよびCO等に対
するこれらの規制が厳しくなれば、バーナー製造業者お
よびバーナーを使用する業者にとって、これらの汚染基
準を満たすことがより困難になる。

従来のプレミックスバーナーシステムにおいては、燃
料と酸化剤とを燃焼場所から離れた場所で混合してプレ
ミックスを生成し、それをバーナーへと送り込むのが一
般的である。フラッシュバックが起こった場合、混合場
所の下流側にある量のプレミックスが燃焼して、爆轟波
が燃焼場所から逆行する恐れがある。このようなフラッ
シュバックは作業員の安全をおおいに脅かすものであ
り、装置を破壊する恐れもある。以上の理由から、この
ようなバーナーシステムは、典型的には、プレミックス
燃焼レートが毎時千万BTU台に制限される。

従来のプレミックスシステムでは、燃料対酸化剤比が
化学量論比に近づくにつれてノイズおよび振動が増大す
る。外的な熱伝達レートと、完全にプレミックスされた
混合気の固有の反応レートとが互いに結合し得る。この
現象はレイリー振動と呼ばれ、パイロットが長い管を介
して燃焼される時に聞こえる「モータボート」音の原因
となる。この現象自体は問題ではないが、この振動が特
定の燃焼チャンバまたは燃焼室内の固有周波数と合致す
る場合がある。そのような場合、この２者は互いに増長
し合い、さらに大きくかつさらに激しい音または振動と
なる。このような振動も、破壊的な結果を潜在的にもた
らし得る。

発明の要旨本発明は、従来のシステムに付随する問題を克服する
ものである。本発明は、燃料を酸化剤とともに燃焼させ
るバーナーシステムに関する。バーナーは、燃料と酸化
剤とを所定の割合で混合するミキサを有する。ミキサは
ミキサインレットを有し、ミキサインレットは、ミキサ
内にそれぞれ燃料および酸化剤を導入する燃料インプッ
トおよび酸化剤インプットを有する。ミキサは、混合さ
れた燃料および酸化剤を吐出するミキサアウトレットも
有している。燃焼は、このミキサアウトレットにおい
て、またはその近傍で起こる。

ミキサは、それぞれ燃料インプットおよび酸化剤イン
プットを有するいくつかのミキサ管のうちの１つであり
得る。燃料インプットは、それぞれ、燃料を各ミキサに
供給する共通燃料プレナムに接続される。同様に、各酸
化剤インプットは、各ミキサに酸化剤をそれぞれ供給す
る共通酸化剤プレナムに接続される。本発明では、混合
はバーナー自体の中で行われ、このようにすることによ
り、フラッシュバックによる危険性が最小限に抑えられ
る。上記配置によれば、毎時２億BTUよりも高い値で安
全に燃焼を行える、より大型のバーナーを形成できる。

複数のミキサ管を搭載して、それらのミキサインレッ
トが反応チャンバへのインレットを規定するものとして
本発明を考えてもよい。ミキサ管は、チャンバ軸につい
て偏心に搭載される。このようにミキサを配置すれば、
既燃混合燃料／酸化剤の一部がチャンバ内で再循環し、
これにより、ミキサアウトレットからチャンバに流入す
る燃料／酸化剤混合気が点火される。このようにすれ
ば、均一な火炎温度の環境が形成され、NOXの生成を実
質的に抑制する。反応チャンバは、テーパ状アウトレッ
ト部を含んでいてもよく、このテーパ状アウトレット部
は、チャンバから流出する流れを制限することにより、
チャンバ内の再循環をさらに促進し、さらに火炎温度、
ひいてはNOXの生成が低減される。

このように、本発明の目的の１つは、バーナーシステ
ムによって生成される汚染物質を低減することである。

本発明の目的の１つは、バーナーシステムにおける燃
焼効率および燃焼温度の均一性を向上させることであ
る。

本発明の目的の１つは、バーナーシステムにおけるフ
ラッシュバックを低減あるいは排除して安全性を向上さ
せることである。

本発明の目的の１つは、NOXおよびCOの排出量が少な
いバーナーを製造することである。

本発明の目的の１つは、低汚染バーナーシステムにお
いて、外づけのガス混合プレナムの使用を回避すること
である。

本発明の１つは、バーナーシステムによって生じる温
度の均一性を向上させることである。

以下の記載および図面を参照すれば、本発明の他の目
的が理解され、本発明がより完全に理解されることだろ
う。

図面の説明図１は、本発明の適用を具現するバーナーシステムの
長手方向断面図である。

図２は、図１の好適な実施形態におけるミキサ管の拡
大部分断面図である。

図３は、図１の３−３ラインに概ね沿った、ミキサの
端面図である。

図４は、図１に類似の改変型バーナーシステムを示
す、一連の長手方向断面図である。

図５、図６および図７は、本発明を具現する別のバー
ナーシステムの長手方向断面図である。

図８は、本発明の代替的な実施形態による混合管を示
す斜視図である。

図９は、上記代替的な実施形態による混合管の作用を
示す詳細図である。

好適な実施形態の説明ここに開示される設計の超定量NOX部分的プレミック
スバーナーは、ミキサ部と反応チャンバ／バイパスガス
部との２つのモジュールにより構成される。ミキサ部
は、可燃限界近くの非常に均一なプレミックスを反応チ
ャンバに供給する。その当量比は、好ましくは、燃料に
天然ガスを用い、酸化剤に空気を用いる場合、0.55〜0.
7の間である。このような希薄混合気の燃焼時のNOX排出
量は極めて低い。反応チャンバ／バイパスガス部は、プ
レミックス燃焼を行う場所と、システム全体の過剰空気
を低減する手段と、火炎整形能力とを提供する。多くの
適用において、これがバーナーの最終的な実施形態とな
るだろうが、ある特定の用途においては若干異なる構成
が必要になる場合があり得る。

バーナーシステム10は、プレナム部20、混合部40、一
次バーナー部60、火炎調節部90、および二次火炎部100
を有する。

プレナム部20は、バーナーシステム10において、燃料
および酸化剤の供給源をバーナーへと相互に接続する。

開示される好適な実施形態において、燃料インプット
21は、燃料接続部22を介して、混合部40（後述）内のプ
レナム24に供給される。燃料プレナム24は、流入する燃
料流を各ミキサエレメントに均等に分配する役目をはた
す。初期ミキサ部が後述するレベルの質の高い均一なプ
レミックスを確実に得るためには、この均等な分配が必
要不可欠である。

開示される好適な実施形態において、この位置におけ
る燃料インプットは、標準的な14インチ水柱圧（water
column pressure）、70゜F、毎時940〜1200立方フィー
トの天然ガスである。プロパン、プロパン／空気、ブタ
ン等を含む他のガス状の燃料、ならびに油等の気化した
液体が、この様式のバーナーで燃焼されてもよい。

酸化剤インプット25は、バーナーシステム10への加圧
酸化剤の供給源である。酸化剤インプット25は、プレナ
ム26と直接相互接続されており、この酸化剤プレナムは
混合部40（後述）を取り囲んでいる。酸化剤プレナム
は、流入する流体を各ミキサエレメント間に均等に分配
する役目をはたす。初期ミキサ部が質の高い均一なプレ
ミックスを確実に得るためには、この均等な分配が必要
不可欠である。

酸化剤プレナム26は燃料プレナム22から隔離されてい
るので、燃料および酸化剤は、プレナム部20では混合さ
れない。これにより、酸化剤と燃料とが実際の燃焼領域
から離れて位置するプレナムまたは管の中にある場合に
あり得る爆発の可能性が回避される。燃料と酸化剤と
を、燃焼点の近くにあるミキサ内で混合することにより
安全性が大幅に向上し、それにより、毎時２億BTUを越
える燃焼能力を有する大型のバーナーの製造が可能にあ
る。

開示される好適な実施形態において、酸化剤は、標準
酸素含量21％、70゜F、毎時16000立方フィートの空気で
ある。開示される好適な実施形態において、空気プレナ
ム26内の気圧は、10インチ水柱圧である。

空気インプット25の温度が上記の70゜F以外、あるい
は酸素含量が上記と異なる場合、燃料インプットの体積
を必要に応じて低減または増加させることによって、一
次バーナー部60（後述）に対して、特に希薄可燃限界に
関して、適正な比を維持することができることに留意さ
れたい。燃料との混合の前に流入酸化剤を予熱したなら
ば、酸化剤インプット25を異なる温度にする最も一般的
な方法は存在する。空気インプットライン内の再生器
（regenerator）あるいは二次バーナー、もしくは所望
の方法によって、炉と煙突301との間に相互接続され
る、図５の部材300のような復熱装置（recuperator）を
用いてこれを行うことができる。外気酸化剤から予熱酸
化剤への変化には、好ましくは、一次バーナーモジュー
ルに対して２つの変化が伴い得る。まず、インレット酸
化剤温度が上昇するにつれ、反応チャンバ温度もこれに
応じて上昇し得る。NOXレベルを最低限に維持するため
に、この酸化剤温度の上昇は、対応する一次ゾーン当量
比の降下によって相殺され得る。さらに、このモジュー
ルに耐火性ライニングを追加して、低いバーナー殻温度
を維持し得る。例えば、1000゜F、O₂21％の予熱された
空気がバーナーに供給される場合、好ましくは、一次ゾ
ーン当量比は外気の0.65から0.445に引き下げられ得
る。バイパスガス流路および反応チャンバ出口の直径
も、最良のバーナー性能が得られるように調節する必要
があるかもしれない。バーナー部に供給される混合気が
予熱手段によって加熱される際、その温度上昇は、燃料
／酸素混合気の点火温度（通常、1200゜Fのレンジ上）
よりも低いことが好ましい。これにより、バーナーチャ
ンバ60以外の位置での過早点火の危険性が低減され得
る。

空気等の燃焼酸化剤の酸素含量を増加させることも、
一次ゾーンの断熱火炎温度を上昇させ得ることに留意さ
れたい、予熱酸化剤の場合と同様に、一次ゾーン当量比
を下げることによってこの火炎温度の上昇を相殺し得
る。バーナー部60の先端部（即ち、両混合管の端部）に
おいて、および各混合管の間で、均一な濃度の酸化剤／
燃料混合気を均一な速度で提供するように混合部40は設
計される。また、ミキサおよびチャンバへのフラッシュ
バックの可能性を回避するようにも設計される。混合部
のアウトップは、均一な燃料／酸化剤混合気であり、そ
の比は、希薄可燃限界から、その下限から燃料50％超過
までの範囲内にある。この可燃比は、Forman A.William
sのCombustion Theoryに記載されている。（例えば、26
6頁が援用される）。この限界は、以下のように述べら
れている。

「可燃限界とは、それを越えると燃料／オキシダイサ混
合気が燃えなくなる組成あるいは圧力の限界である」可燃限界は、燃料組成、酸化剤組成、混合気圧および
混合気温度の複合関数であり、容易に算出できない場合
もある。一次燃焼ゾーンの端においてその当量比を可能
な限り可燃限界近くに維持することにより、比に対する
適度な制御を可能にすることが本発明の目的である。上
記理由から、一次ゾーン当量比に対する作動範囲は、可
燃限界と、可燃限界および化学量論比の中間値との間に
規定される。これにより、様々な燃焼レートにおいて、
バーナーシステムに対する適度な制御が可能となる。

混合部40によって、一次燃料流および一次酸化剤流の
両者の完全な混合が行われ、これにより、均一性の高い
混合気が得られる。反応チャンバへの入口において、ミ
キサが適切な間隔をあけて配置されれば、反応後の混合
気のNOXレベルは最小となる。典型的な混合比およびNOX
レベルは以下の通りである。

当量比 NOX排出量 0.55 O₂3％において 2.9ppm v 0.60 O₂3％において 4.3ppm v 0.65 O₂3％において 6.6ppm v 0.70 O₂3％において10.8ppm v 当量比は、一般的に、燃料対空気の比を燃料対空気の
化学量論比で割ったものである。

本発明の好適な実施形態において、混合部40は、バー
ナーシステム10の中心軸42から間隔が隔てられた円に沿
って並んだ一連の８個の管41を有する。本実施形態の各
ミキサ管41は、取り入れ口43、インスピレータ44、ミキ
サ45および吐出口46を有する。全てのミキサ管は、共通
燃料プレナム24および共通酸化剤プレナム26から供給を
受ける。これにより、複数のプレナムあるいは相互接続
の必要がなくなる。

好適なミキサ41は、高いレベルの再循環を提供するよ
うに、個々のミキサ出口同士の間、および集合的なミキ
サ出口の半径と円の中心との間にそれぞれ十分な間隔を
有する共通ボルト円上に配置される。図１に示される好
適な混合部40は、さらに流れの不均衡を提供して、後述
の一次バーナー部60内において、逆向きの流れあるいは
再循環を引き起こす。これにより、流入する燃料／酸化
剤混合気のインプット位置の全体に熱が引き戻され、点
火および均一な燃焼を容易にする（後述）。示される好
適な実施形態において、上記位置は一次バーナー部60の
インレットにある混合部40の吐出口にあり、混合部40内
にある後述する混合管41の配置に主に起因する再循環が
この一次バーナー部で起こる。熱を吐出口に引き戻す再
循環を起こす別の方法を用いて、上記吐出口位置の配置
を変えてもよい（例えば、図７のように、一次バーナー
部のアウトレット近傍としてもよい）。その理由は、熱
を吐出口に引き戻すことの方が、吐出口の位置あるいは
再循環を引き起こす原因よりも重要だからである。この
熱の引き戻しは、自発点火を促進し、希薄混合気の燃焼
安定性に貢献する。上記のように、他のタイプのミキ
サ、位置、および再循環手段を用いることも可能であ
る。

ミキサ管41の取り入れ口43は、酸化剤プレナム26から
直接供給を受ける。したがって、空気等の酸化剤はこれ
らの取り入れ口43を自由に通過する。

入口部49は、取り入れ口43のインスピレータ44との間
に位置する。入口部49は、流入する酸化剤粒を真っ直ぐ
にして、それをミキサ管41環帯内に均一に拡散させる。
インスピレータ44自体は、管23を通って一次燃料プレナ
ム24へと延びる一連の穴48を有する。このように、イン
スピレータ44は、穴48を通る速い燃料射出速度を利用し
て、入口部44を介して取り入れ口43から酸化剤を均一に
引き込む。燃料と酸化剤との完全な混合は、混合部45内
の下流で行われる。

混合部環状流路は、２つの目的をはたす。第１に、図
８に見られるように、混合部45の中央部分がふさがれ
て、流体の流路幅（つまり、混合部45の有効径）が小さ
くなっている。管23とミキサ管41との間には、流路の直
径半分（half−diameter）が割り当てられる。このよう
に、環状流路によってミキサ管41の長さ対直径の比（L/
D比）が増大する。好適な実施形態においては、L/D比は
約12である。燃料と酸化剤との完全な混合を最短の距離
で達成するには、この割合が有効であることか分かって
いる。また、環状の形状は、流速を増大させ、かつ与え
られた混合気の消炎直径よりも流路サイズを小さく維持
することによって、ミキサフラッシュバックを防ぐ。開
示される好適な実施形態において、混合部45内の速度は
約140ft/sである。

各ミキサ管41の混合部45は、燃料と酸化剤とを混合す
る役目をはたし、両者の均一な濃度の混合気が均一な速
度で提供される。これは、単一のミキサ管41について当
てはまるだけでなく、個々のミキサ管41同士の間にも当
てはまることである。

好適な実施形態において、各ミキサ管41は、直径約２
インチ、合計長さ11インチの管である。入口部49の直径
は約1.25インチであり、各ミキサ管にある８個の穴48は
直径0.9375インチの断面を有し、これらは互いに60゜の
間隔で隔てられている。

図９に示される代替的な実施例において、ミキサ部45
は、ミキサ管41内に搭載され、ガスを均等に分配するガ
スノズル50を有する。ガスノズル50は複数の穴52を有す
る。これらの穴のそれぞれは、環状流路内に燃料を導入
するように設計されている。本実施形態においては、空
気が10インチ水柱圧で供給するのが好ましい。燃料は、
酸化剤よりも低い圧力、好ましくは４インチ〜５インチ
水柱圧で供給される。燃料が、上記のような低い圧力で
流路に入ることを確実にするために、実質的に中空の半
円筒状のトラフ54が複数設けられている。各トラフは、
穴54のやや上流側に配置されてこれらの穴の盾となり、
これにより、流路内のトラフ54後方に低圧ゾーンが形成
される。このようにして、低圧燃料を環状流路に導入し
ている。この構成によって、トラフ54が空気流を妨げ、
さらにこれにより、ガスと空気とを実質的に混合するの
に十分な乱流が形成される。本実施形態によれば、ノズ
ル部50全体がミキサ管41内に摩擦適合する。このような
摩擦適合によれば、ノズル50をしっかりと保持できると
ともに、メンテナンスの際には容易に取り外すことがで
きる。

混合部40の吐出口46は、一次バーナー部60内に直接入
っている。好適な実施形態においては、熱をミキサに引
き戻すための逆向きの再循環流を提供するために、ミキ
サ管41の吐出口46の位置は一次バーナー部60へのインレ
ットにあり、この位置は、反応チャンバ内に再循環流の
不均衡が生じるように選択される。好適な実施形態にお
いては、混合管41の吐出口46を、バーナーシステム10の
軸42から有意な距離をおいて偏心に位置することによ
り、再循環流の不均衡を得ている。これにより、高温ガ
スを再循環させて熱をミキサの吐出口46へと引き戻すた
めに必要な流れの不均衡が一次バーナー部60内に生じ
る。これによって、燃料および酸化剤が自発点火すると
ともに均一な燃焼温度が得られ、バーナーの作動が容易
になる。このように、混合部40は、一次バーナー部60内
の再循環流に貢献するだけでなく、一次バーナー部60内
の燃焼を安定させる役目をはたす。各ミキサ管41の吐出
口は、一次バーナー部60の周囲壁63に関する位置も有す
る。好ましくは、この位置は、弱いうず型の逆流再循環
が壁63に沿って生じるように選択される。これは、壁63
を不都合に高温にさらさず且つ（最小限に抑えたい）壁
温度の損失を伴うことなく自発点火を助長する。一次バ
ーナー部60内の再循環の正味効果は、流入燃料／酸化剤
混合気のインプットへと流れる、流入燃料／酸化剤混合
気の点火温度よりも高温の燃焼材料の流れの存在であ
る。また、これによって、アウトレット体積、壁損失お
よび他の要因に関係なく、自発点火が起こる。この点火
手段は、（おそらく、パイロット61、バーナー壁63ある
いは他の熱貯蔵／付加装置による補足を含んだ後である
が）自立作動する。他のミキサの設計および配置を用い
てもよいことに留意されたい。例えば、特定の適用、特
に小型のバーナー設計においては、中間プレナムおよび
／またはパイピングを介して、通常には、より大型のバ
ーナーである他のバーナーの個々のミキサと同じパター
ンの数個のミキサポートに供給を行う１個の統合的ミキ
サを用いることができる。上記均一な燃料／酸化剤混合
気を供給するために、他の設計も用いられ得る。熱を混
合部の吐出口に引き戻すために、他の再循環手段を用い
ることも可能である。図５および図６に２つの例を示
す。図５において、二次ミキサアセンブリ200は、一次
バーナー部60Aのアウトレット65Aの近傍に位置してお
り、二次ミキサアセンブリ200の管吐出口46Aは、概ねこ
のバーナー部60Aのインレットに向けられている。この
反対方向に向けられた吐出口は、燃焼中の燃料／酸化剤
混合気をバーナー部60A内で再循環させる。メインミキ
サ40と二次ミキサ200との間で燃料対酸化剤の比を変え
ることにより、燃料あるいは酸化剤のステージングを提
供し得る。さらに、この二次ミキサアセンブリ200にお
いて、排ガスを利用することも可能である。図６におい
て、ミキサ管41Bは、燃焼の際の再循環を積極的に促進
するように設計された円錐形を有する修正バーナー部60
Bに関して非対称的に位置する。

燃焼中の燃料および酸化剤の一次バーナー部60内にお
ける再循環は、それをどのような方法で得たとしても、
燃料／酸化剤混合気の点火温度よりも高い温度で熱を吐
出口に引き寄せて、ミキサ管41の吐出口46からの均一な
燃料／酸化剤混合気を自発点火および燃焼させる。これ
により、このバーナーで利用されている上記希薄可燃比
においてあるいはその付近で重要である、燃料／酸化剤
混合気の完全燃焼が助長される。

レイリー振動に伴う振動を低減するには、システムを
十分に減衰させて、共鳴周波数の振動が大きくなり過ぎ
ないようにする必要がある。好ましくは圧力が16osi
（オンス／平方インチ）以上の高圧送風装置を用いれ
ば、一貫した非脈動空気源が供給されることにより、高
いレベルの減衰が提供される。

一次バーナー部60は、バーナーシステム10の一次燃焼
がほとんど全て行われる領域である。開示される好適な
一次バーナー部60は、一次バーナー部60内の均等の温度
の維持に貢献するような温度特性を持つ熱保持性断熱壁
を有するように設計される。好適な実施形態において、
チャンバ60の壁63も、可燃限界より高い温度、特に上記
ガス／空気混合気の点火温度よりも高い温度に貢献する
熱的マス（thermal mass）を有する。それ自体を用いて
反応チャンバ内の燃料／酸化剤混合気を点火するのに十
分な、量（mass）等の、特性を持つように熱的マスを設
計してもよいが、好適な実施形態による燃焼中のガスの
一次再循環においては、何らかの他の点火手段を用いる
のが好ましい。その理由は、小型バーナーに対する要求
（高熱的マス壁（high thermal mass wall）はサイズを
大きくするうえに、断熱が要求される）と、より厳密な
バーナー制御（高熱的マス壁は、例えばコールドスター
トアップ時とホットランニング時とで作用が異なる）と
の組み合わせである。

一次バーナー部のインスレットの入口径は、燃焼中の
生成物に低速のうず再循環を引き起こしてインプットさ
れる燃料／酸化剤混合気に戻すことにより、点火を促進
および維持するように設計されている（混合気も、壁の
熱伝達によって温度的に安定している）。好適な一次バ
ーナー部60は、パイロットバーナー61を作動させて必要
な点火温度を有する熱源を提供することにより（さら
に、燃料を加えて混合気を高濃度にして初期点火を助け
ることも可能）始動時の点火を行っている。パイロット
61の位置がバーナー軸42付近であることにより、均一な
点火が容易になる。燃焼中のガスをインレットに戻す再
循環が燃焼を維持するように確立された後は、パイロッ
ト61を消すのが好ましい。この時点では（コールドスタ
ートの場合約20秒）、好適な実施形態においてミキサ管
41の位置によって確立されたバーナーチャンバ内再循環
64によって、一次バーナー部60内で非常に安定した燃焼
が維持できる。一次バーナー部60の壁63からの熱は、一
次バーナー部60内における燃焼の維持に貢献する。ある
いは、パイロット61を用いて始動時の点火を行い、その
後、燃料／酸化剤混合気の継続的な点火を助長する希薄
燃焼に引き下げてもよいし、その他の所望の改変を行っ
てもよい。上記パイロットをスタートアップとして含め
てもよいが、その場合は、動作中のバーナーのための選
択的、補助的な点火手段および、予熱線等の他の熱源を
利用することもできる。

示される特定のバーナー部60は、反応チャンバ62、周
囲壁63、インスレットおよびアウトレット65を有する。

一次バーナー部60の壁63は、高断熱性高温壁である。
これは、一次バーナー部60内における上記の燃焼の促進
を助ける。開示される好適な実施形態においては、反応
チャンバ62内の燃焼を安定させる際に、約1400゜F〜230
0゜Fの温度を維持するような設計がなされる。壁63は、
テーパ状部67によって相互接続される円筒部66および円
筒形アウトレット65を含む。

テーパ状部67は一次燃焼チャンバのアウトレットにお
いて少しずつ縮小し、これにより、プレミックスの完全
燃焼が確実になる。テーパ状部は、後述する火炎調節部
の一部でもある。テーパ状部67は、既燃チャンバ生成物
の流れに制限を与える。これにより、チャンバ状態が炉
の状態から隔離される制御領域がチャンバ内に形成され
る。既燃のチャンバ生成物と炉生成物との間の再循環お
よび混合は抑制される。このように、テーパ状部67によ
って、チャンバ内の温度および環境が炉から隔離された
状態が維持される。

円筒形反応部66は、バーナーの一次燃焼領域である。
この部分によって、一次燃料／酸化剤混合気の燃焼が達
成される。希薄プレミックス混合気はミキサからチャン
バに入り、初めはパイロット点火される。主に、部分的
に燃焼したガスを流入する未燃酸化剤／燃焼混合気へと
再循環させることによって、火炎の安定性が得られる。
反応チャンバは、火炎の整形および勢いに相当な影響を
与える。開示されるバーナーシステムにおいては、チャ
ンバ出口に小さいテーパ形状を用いることによって、中
程度の火炎長さおよび中程度の速度を得ている。これに
は、反応チャンバ内の再循環路に炉のガスが逆流するの
を防ぐ働きもある。反応チャンバの設計パラメータは、
コールドフロー空間速度（14交替（exchange）／秒）、
コールドフロー入口平均速度（15〜20ft/s）、およびホ
ットフロー射出速度（180ft/s）である。反応チャンバ
の設計、特に具体的にはテーパ状部の形状、を改変する
ことにより他の火炎形状を得ることができる。

開示される特定の円筒部66は、直径約８インチ、長さ
約10インチである。算出化学量論に対する体積流（volu
me flow）の変化に応じて、反応チャンバの寸法が調節
され得る。バイパス流路および出口ポートも変更され得
る。上記のように、テーパ状部67には、反応チャンバ62
の再循環64を促進するとともに、火炎の整形を助長する
働きがある。このテーパ状部67は、所望であれば省略し
てもよい。開示される好適な実施形態において、テーパ
状部の全長は約４インチで、開先角度（included angl
e）が40゜のテーパ状部である。直径が小さくなった部
分が存在することにより、反応チャンバ内にある2000゜
F〜2300゜Fのガスをミキサ管41の吐出口46に戻す再循環
が促進される。この高温再循環（主に、好適な実施形態
における不均衡ミキサ部によって引き起こされる）が、
パイロットと壁63の熱との組み合わせで、反応チャンバ
内の燃焼を維持する。アウトレット部65は、直径約６イ
ンチ、長さ約１インチである。アウトレット部65は、一
次バーナー部60のメインアウトプットである。このアウ
トレット部65を通る空気の速度は毎秒35〜400フィート
であり、好適な実施形態においては、毎秒約180フィー
トである。一次燃焼チャンバ60のアウトレット65の圧力
は、0.5インチ〜４インチ水柱圧であることが好まし
い。

天然ガスと空気との燃焼の場合、バーナーチャンバ64
内の当量比は0.5〜0.75である。酸素含量は10％〜6.5％
である。

開示される好適な実施形態においては、このアウトレ
ット部65内に弱い火炎が生じる。この火炎によって、バ
イパスガスを用いた点火が促進される（後述）。この火
炎は（バイパスガスと共に）、必要に応じて、排除また
は拡張でき得る。バーナーチャンバ60が、特殊な状況下
において炉として利用され得ることに留意されたい。

炉100内で燃焼しているバイパスガスの火炎を整形す
るための特別な適用において、バーナーシステムにおけ
る選択的な火炎調節部90は、一次バーナー部60（特に具
体的には、テーパ部67）と連動して作動するように設計
される。示される火炎調節部90は、例えば、長さ約６イ
ンチの、段階的なテーパ形状を有するバーナータイル91
である。このバーナータイルは、低温炉内の燃焼を確か
なものにする。（これは、図4bに示されるようなシステ
ムを用い得る、ガラスまたはスチールの再加熱炉のよう
な高温炉においては不必要である）。この特定の火炎調
節部の目的は、低温炉の適用において排出される一酸化
炭素（1400゜Fを越える場合は、わずか10ppmであるのに
対して、低温炉の場合、200ppm以上になる場合がある）
を排除することである。後述するように、火炎調節部90
には炉内の再循環を助長する働きもある。

開示される好適な実施形態においては、一連の二次バ
イパスガス吹き出し口101が、一次燃焼チャンバ62のア
ウトレット65の周囲を囲むように配置される。これらの
選択的な二次ガス吹き出し口を用いて、バーナーの火炎
調節部90および二次火炎部100（後述）での燃焼を行
う。このタイプの燃焼は、ボイラ、プロセスヒータ、お
よびアルミ溶融／保持バーナー等において望ましい。

選択的な二次火炎部100は、二次燃焼を行う場所であ
る。好適な実施形態においては、注入吹き出し口を用い
て炉のガスをバーナーに引き戻して燃焼を薄める。この
二次燃焼は、NOXの代償を多少伴うが、これは、バーナ
ー60から放散される熱の増加によって相殺される。

二次燃料混合部は、最終的な炉のタイルおよびバイパ
ス燃料吹き出し口で構成され得る。上記燃焼システムに
おいて、これら２つの特徴には３つの働きがある。つま
り、最終的な熱放散を通常の産業加熱レベル（排ガス中
O₂2％）に増加させ、火炎の形状および見た目の良さを
規定し、NOXおよびCOの排出量の最終的な制御を行う。
好適な設計において用いられる吹き出し口は、反応チャ
ンバから十分に隔てられ、バーナーの中央線に対して10
゜〜15゜に、および短い炉のタイル部に向けて、角度が
付けられている。この組み合わせにより、1600゜Fのチ
ャンバにおける、NOXおよびCOの両者の排出レベルはと
もに20ppm v（O₂3％基準）より低くなる。約1MMBTU/hr
−ftの外気を用いた場合、得られる火炎形状は小さく、
小さな直径および軸方向の熱放散を伴う。

開示される好適な実施形態においては、バーナー部60
のアウトレット部65を取り囲むように配置される一連な
バイパス燃料（ガス）吹き出し口101が、二次火炎部100
を作動させる。バイパス燃料吹き出し口101は、開示さ
れる好適な実施形態において専用燃料インプット105か
ら供給を受ける二次燃料プレナム103から、一連の管102
を介して供給を受ける。二次燃料プレナムは、個々のバ
イパス流路間に均一な燃料流を分配する。この均等な分
配は、火炎エンベロープを介して、目に見える火炎のバ
ランスおよび一貫性を与える。この個別のガスインプッ
ト105によって、二次火炎部を独立して制御することが
可能になる。これらのバイパスガス吹き出し口101は、
中間温度燃焼（示される好適な実施形態においては、12
00゜Fより高い温度）を炉内で行うためのガス（示され
る好適な実施形態においては、毎秒40〜700フィート、
毎時300〜600立方フィート）を提供する。また、これら
の吹き出し口は、炉のガスを吹き込んで燃焼プロセスを
薄める。これにより、二次火炎部内の燃料の燃焼が実現
され、消炎（flame quenching）が排除され、一酸化炭
素の生成が低減される（また、好適な実施形態において
は、炉に３フィートの火炎を提供する）。炉の再循環94
によって、この二次火炎燃焼が助長される。開示される
好適な実施形態において、炉温度1600゜F、2,500,000BT
Uのバーナーの場合、NOXは実質的に18ppmで、一酸化炭
素は7ppmである。好ましくは、1400゜Fより高い温度で
のガスバイパスの燃料が完全になるように、バイパスガ
ス吹き出し口101の距離、角度および速度を選択する。
炉の温度がこれよりも低い場合、この1400゜Fより高い
温度の炉の場合よりも、ガス吹き出し口101をアウトレ
ット65により近づけて配置する必要が生じる。直接バー
ナーアウトレット（例えば、O₂8％）をとり得るような
場合、二次吹き出し口を除去してバイパスガスを全く利
用しないことも可能である。例えば、アグレゲートドラ
イヤーは、燃焼生成物中乾燥した約７％のO₂において典
型的に稼働する。NOX排出量を最小にするためには、バ
イパスガスを全く用いない。それに加えて、一部の製造
業者は、さらに余分の燃焼チャンバを用いて完全燃焼を
行い、乾燥プロセスによる火炎の消炎に起因する一酸化
酸素の排出を最小限に抑えている。これらの適用におい
ては、反応チャンバ／バイパスガス部は不要である。一
次バーナーエレメントを、直接、燃焼チャンバに搭載
し、それを反応チャンバとして用い得る。

燃焼生成ガスは２つの位置のいずれかに再循環され得
る。それが燃焼空気に含まれる場合、一次ゾーン断熱火
炎温度が低下する。この温度低下は、対応する一次ゾー
ン当量冷お増加によって相殺されなくてはならない。ま
た、流速の違いに対応するために、反応チャンバおよび
バイパスガスポートの寸法を変える必要が生じ得る。生
成ガスの追加に関する第２の選択肢は、バイパスガスポ
ートを通すことである。この方法を用いる場合、バイパ
スガス供給流路および出口ポートに改変を加えなければ
ならない。

低減されたNOX排出レベルを提供するだけでなく、本
発明は、安全性レベルを大幅に高める。安全性レベルの
改善に貢献する要因としては、フラッシュバック制御、
バーナー内の各混合管の比較的小さな容量、および各管
内の混合場所と燃焼場所との間に存在する小さな体積の
燃料／酸化剤混合気など数多くある。上記およびその他
の効果によって、従来のバーナーシステムにはなかった
大きな効果が得られる。

好適な形態についてある程度詳細に本発明を記載した
が、以下に示される本発明の請求の範囲から逸脱するこ
となく、様々な変更が可能であることが認識されるべき
である。

例えば、混合部40について、混合管41のある特定の設
計が開示されるが、燃料と燃焼空気とを均一に相互に混
ぜ合わせる他の手段を代わりに用いることができ得る。

さらに別の例として、開示される一次バーナー部60
は、円筒部66とアウトレット65とを相互接続するテーパ
状部67を有し、また、火炎調節部90はテーパ状部91を有
するが、急な推移を含む他のタイプの直径低減策を用い
てもよい。様々な適用に合わせてその他の改変を行うこ
とも可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者クイン，デニスイー. アメリカ合衆国オハイオ 44233，ヒンクリー，センターロード 1211 (56)参考文献特開平２−25612（ＪＰ，Ａ) 特開平７−318021（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−56513（ＪＰ，Ａ) 実開昭54−174928（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F23C 11/00 F23D 14/82 F23D 14/00 - 14/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】バーナー軸（42）ならびにインレットおよ
びアウトレット（65）を有し、該アウトレット（65）に
テーパ状部（67）を備えた反応チャンバ（62）と、燃料を酸化剤と所定の割合で混合する混合アセンブリ
（40）であって、該混合アセンブリ（40）が、該バーナー軸（42）のまわ
りに且つそこから間隔を隔てて該反応チャンバ（62）の
該インレットに配置される複数のミキサ管（41）を有
し、該混合された燃料および酸化剤が該インレットに供
給されることを特徴とし、各ミキサ管（41）は、燃料を該ミキサ管（41）に導入す
る燃料インレットと、酸化剤を該ミキサ管（41）に導入
する酸化剤インレットとをさらに備え、該酸化剤インレ
ットはミキサ取り入れ口（43）を規定し、該燃料インレ
ットは、該ミキサ管（41）内に該ミキサ取り入れ口（4
3）からある距離を隔てて配置されるインプット（48）
を規定する、混合アセンブリと、該混合された燃料および酸化剤を吐出するミキサ吐出口
（46）であって、実質的に該ミキサ吐出口（46）の近傍
で燃焼が起こり、該反応チャンバ（62）内の流れの不均衡が生じるよう
に、各ミキサ吐出口（46）は該バーナー軸（42）のまわ
りに有意な距離をへだてて偏心に配置され、これによっ
て該既然混合燃料／酸化剤の一部を該反応チャンバ（6
2）内で再循環させて、高温の燃焼ガスを各ミキサ吐出
口（46）に向けて引き戻すことにより、該チャンバイン
レットにおける温度を該混合された燃料および酸化剤の
自発点火温度よりも高い温度に維持し、該燃焼生成物の
残りは該反応チャンバ（62）の該アウトレット（65）か
ら吐出される、ミキサ吐出口と、を備えた、燃料を酸化
剤とともに燃焼させるバーナーシステム（10）。
【請求項２】前記ミキサ管（41）のそれぞれは、ある有
効径を有する環状の断面を有し、これによりフラッシュ
バックを抑制する、請求項１に記載のバーナーシステ
ム。
【請求項３】前記反応チャンバ（62）の前記アウトレッ
ト（65）の近傍に配置され、該アウトレット（65）を通
って出てくる前記既燃燃料／酸化剤混合気に対して二次
燃料を供給する二次バイパス吹き出し口（101）をさら
に備える、請求項１または２に記載のバーナーシステ
ム。
【請求項４】前記バイパス吹き出し口（101）が、炉生
成ガスを前記二次燃料へと誘引するように構成されてい
る、請求項３に記載のバーナーシステム。
【請求項５】前記反応チャンバ（62）の前記アウトレッ
ト（65）と前記炉との間に配置される火炎調節部をさら
に備え、該炉内の火炎の形状が調節される、請求項１〜
４のいずれかに記載のバーナーシステム。
【請求項６】前記反応チャンバ（62）は、前記混合され
た燃料および酸化剤の自発点火を生じるのに十分な温度
にチャンバ温度を維持するために十分に高い断熱および
熱的マスを備えたチャンバ壁を有する、請求項１〜５の
いずれかに記載のバーナーシステム。
【請求項７】パイロットバーナー（61）を含む点火アレ
ンジメントをさらに備えた、請求項１〜６のいずれかに
記載のバーナーシステム。
【請求項８】前記酸化剤の温度は予熱器によって上げら
れる、請求項１〜７のいずれかに記載のバーナーシステ
ム。
【請求項９】前記チャンバアウトレット（65）は、前記
反応チャンバ（62）の内径よりも小さい直径を有し且つ
該チャンバの内径から該アウトレット（65）にかけて実
質的にテーパ状にされた部分（67）を有し、該テーパ状
部（67）は、炉生成物の該チャンバへの逆流を防ぎ、こ
れにより、混合を防ぐ、請求項１〜８のいずれかに記載
のバーナーシステム。
【請求項１０】前記複数のミキサインレットのそれぞれ
に燃料を共通に供給する燃料プレナム（24）を少なくと
も１つ備える、請求項１〜９のいずれかに記載のバーナ
ーシステム。
【請求項１１】前記複数のミキサインレットのそれぞれ
に酸化剤を共通に供給する酸化剤プレナム（26）を少な
くとも１つ備える、請求項１〜10のいずれかに記載のバ
ーナーシステム。
【請求項１２】前記請求項１〜11のいずれか１つに記載
されたバーナーシステムを用いて、燃料／酸化剤混合気
を安全に燃焼させ、これにより、NOX排出量を低減し且
つフラッシュバックを制御する方法があって、ａ）バーナー軸（42）ならびにチャンバインレットおよ
びチャンバアウトレット（65）を備えた反応チャンバ
（62）を提供するステップと、ｂ）該バーナー軸（42）のまわりに且つそこから間隔を
隔てて該チャンバインレットに配置され、前記ミキサ管
（41）内で燃料を酸化剤と所定の割合で混合して燃料／
酸化剤混合気を生成する、複数のミキサ管（４）を有す
る混合アセンブリ（40）を提供するステップであって、
燃料／酸化剤混合気の合計体積が該ミキサ（41）によっ
て分割され、これにより、全体的なフラッシュバックの
可能性を低減する、ステップと、ｃ）各混合管内における該燃料および酸化剤の流速を、
各混合管内での混合の際の火炎速度よりも速い速度に維
持するステップと、ｄ）該燃料／酸化剤混合気を、該ミキサ管（41）を介し
て該チャンバインレットにおいて該反応チャンバ（62）
に導入するステップと、ｅ）該チャンバインレット近傍で燃焼が起こるように該
燃料／酸化剤混合気を点火するステップと、ｆ）該既燃燃料／酸化剤混合気の一部を該反応チャンバ
（62）内で再循環させて熱を燃焼場所に引き戻すステッ
プであって、再循環を引き起こす流れの不均衡を該反応
チャンバ（62）内に生じるように、該ミキサ管（41）が
該バーナー軸（42）から有意な距離をへだてて偏心に配
置される、ステップと、ｇ）該既燃燃料／酸化剤混合気の残りを該反応チャンバ
（62）の該アウトレット（65）から吐出するステップ
と、を包合する方法。
【請求項１３】前記反応チャンバ（62）の前記アウトレ
ット（65）の近傍に配置され、該アウトレット（65）を
通って出てくる前記既燃燃料／酸化剤混合気に対して二
次燃料を供給する二次バイパス吹き出し口（101）を提
供するステップをさらに包合する、請求項12に記載の方
法。
【請求項１４】前記二次バイパスガス吹き出し口からの
前記二次燃料の流速は、毎秒40〜700フィートである、
請求項13に記載の方法。
【請求項１５】混合燃料／酸化剤の前記所定の割合の当
量比は、可燃限界と化学量論比との間である、請求項12
〜14のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】前記酸化剤は空気である、請求項12から
15のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】前記酸化剤は、O₂50％までの酸素を有す
る高濃度とした空気である、請求項12〜15のいずれかに
記載の方法。
【請求項１８】前記酸化剤は、低酸素低濃度空気流（re
duced oxygen vitiated air stream）である、請求項12
〜15のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】前記燃料は天然ガスである、請求項12〜
18のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】前記燃料はガス状の炭化水素燃料であ
る、請求項12〜18のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】前記燃料は天然ガスであり、前記酸化剤
は空気であり、混合空気／天然ガスの前記所定の割合の
当量比は、外気の温度において0.53〜0.795である、請
求項15に記載の方法。