JPH0674416A - 燃料とオキシダントの混合物を燃焼させる方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料とオキシダントの混合物を燃焼させる方
法を提供する。 【構成】 本発明の方法においては、オキシダント対燃
料比Ｒ_Lを有する第１の燃料−オキシダント混合物と、
オキシダント対燃料比Ｒ_Hを有する第２の燃料−オキシ
ダント混合物とを式 Ｒ_L＜Ｒ_G＜Ｒ_H （式中、Ｒ_Gは燃焼反応において使用される全オキシダ
ント対燃料比である）の関係を満たすよう燃焼させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般には、少なくとも２
種の燃料−オキシダント混合物を燃焼させて、全体とし
ての熱エネルギーのより良い制御を得るための方法に関
する。異なるオキシダント対燃料比を有する少なくとも
２種の燃料−オキシダント混合物が使用される。システ
ムが全オキシダント対燃料比（ｏｖｅｒａｌｌ ｏｘｉ
ｄａｎｔ−ｆｕｅｌ ｒａｔｉｏ）にて操作されたとし
ても、ある１種の混合物からの火炎温度は、一般には予
測火炎温度から得られる温度より低い。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】スチ
ール、ガラス、およびアルミニウムの製造・加工に使用
されるタイプ等の工業用炉は、熱伝達プロセスを施すた
めに高温の火炎を生成させなければならない。この高温
の火炎が局在化しすぎると、火炎の周りに高温の箇所が
生じ、炉材に損傷を与え、熱伝達プロセスに悪影響を及
ぼすことがある。

【０００３】高温箇所が局在化することに伴ういくつか
の問題点があるにもかかわらず、高濃度のオキシダント
（例えば、酸素含量の高い空気や実質的に純粋な酸素）
を使用して工業用炉にて燃焼処理を行うことに多大の検
討努力が払われてきた。高濃度のオキシダント流れを使
用すると、ある与えられた炉に対するバーナーの最大燃
焼速度が増大し、燃料の消費量が減少し、そして煙道ガ
スの容量が最小限に抑えられて汚染物の量が減少するこ
とから、炉の効率が向上する。

【０００４】高濃度オキシダント流れの利点を利用しつ
つ、局在化した高温箇所をなくすためのアプローチが数
多く開発されている。

【０００５】例えば、Ｌｅｗｉｓ Ｊ．Ｇｅｒｇｅｒ，
Ｊｒ．による米国特許第３，６２０，５１４号は、より
低い加熱容量の補助的酸素−燃料バーナーを組み込んだ
形の、水平配置された一対の主要燃料−空気バーナー、
を装備した炉を開示している。補助的バーナーの軸が主
要バーナーの軸の収束点にまで延びていて、これにより
炉の雰囲気がより正確に制御された状態の高い熱伝達速
度が得られる。

【０００６】Ｊｏｈｎ Ｅ．Ａｎｄｅｒｓｏｎによる米
国特許第４，３７８，２０５号は、オキシダントガスの
少なくとも１種のジェットが、ガスの再循環とミキシン
グを果たすに足る速度（このとき、ガスの速度はオキシ
ダントガスの流量に比例する）で炉中に注入される、と
いうプロセスを開示している。炉ガス（ｆｕｒｎａｃｅ
ｇａｓｅｓ）と称する燃焼生成物がオキシダントジェ
ット中に吸引されて、引き続き行われる燃焼時において
通常より低い火炎温度が達成される。

【０００７】ヒサシ・コバヤシらによる米国特許第４，
４０８，９８２号は、高い燃焼速度と低い燃焼速度を交
互に使用するシステムを開示している。低い燃焼速度時
においては、空気の炉中への相当量のリークがあって、
これにより火炎温度が抑制され、一方、高い燃焼速度時
においては、空気のリークが実質的に防止される。注入
はある特定時間遅らすが、この時間は、炉の容積を高い
燃焼速度と温度との積で除した値に依存する。

【０００８】Ｇｒｉｇｏｒｙ Ｍ．Ｇｉｔｍａｎによる
米国特許第４，４７３，３５０号は、酸素流れが燃焼室
の中央部分に向けて送られるオキシ−燃料（ｏｘｙ−ｆ
ｕｅｌ）バーナーを開示している。酸素が火炎のほぼ中
心部に存在するよう、燃料の主要部分が燃焼室の基部と
酸素の周りに送られる。他のアプローチにおいては、燃
料流れが、酸素および／または空気をベースとした２種
の酸化ガスと接触・混合される（Ｇｒｉｇｏｒｙ Ｇｉ
ｔｍａｎによる米国特許第４，６４２，０４７号に記
載）。

【０００９】こうした検討努力にもかかわらず、炉内の
雰囲気を制御するための、そしてまた局在化した高温箇
所が存在することなく炉で燃焼処理が行えるためのより
効率的なシステムが依然として求められている。さら
に、炉内での燃焼の場所が制御できることが望ましい。
炉または容器の比較的隔離された部分が、その構造を大
きく変えることなく加熱できるならば、さらなる利点が
得られるであろう。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、燃料とオキシ
ダントを容器（例えば炉）中で燃焼させる方法に関す
る。異なるオキシダント対燃料比を有する少なくとも２
種の燃料−オキシダント混合物が使用される。本発明の
方法は、容器に対して使用されるトータルまたは全オキ
シダント対燃料比（ｇｒｏｓｓ ｏｘｉｄａｎｔ−ｆｕ
ｅｌ ｒａｔｉｏ）に関して、ある選定されたオキシダ
ント対燃料比を有する個々の混合物を供給することに基
づいている。具体的に説明すると、第１のバーナーから
の燃料−オキシダント混合物の少なくとも１種が、全オ
キシダント対燃料比より小さいオキシダント対燃料比を
有し、第２のバーナーからの他の混合物の少なくとも１
種が、全オキシダント対燃料比を越えるオキシダント対
燃料比を有していなければならない。さらに、混合物の
少なくとも１種からの火炎が、全オキシダント対燃料比
にて操作されるバーナーから予測される火炎温度より低
い火炎温度を有していてもよい。

【００１１】以下に図面を参照しつつ本発明を説明する
が、これらの図面によって本発明の範囲が限定されるこ
とはない。

【００１２】本発明の方法は、火炎の温度と本プロセス
を実施するのに使用されるオキシダント対燃料比との関
係に基づいている。図１を参照すると、全オキシダント
対燃料比（Ｒ_G）は、式１に示すように、与えられたプ
ロセスユニットに対し、全有効オキシダント（ｔｏｔａ
ｌ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｏｘｉｄａｎｔ）（Ｏ_G）を
全有効燃料（ｔｏｔａｌ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｆｕｅ
ｌ）（Ｆ_G）で除して得られる。

【００１３】 Ｒ_G＝Ｏ_G／Ｆ_G ・・・・１ 個々のバーナーのオキシダント対燃料比は式 Ｒ_N＝Ｏ_N／Ｆ_N ・・・・２ で表され、このときＯ_Nはｎ個目のバーナーによって消
費されるオキシダントであり、Ｆ_Nはｎ個目のバーナー
によって消費される燃料である。

【００１４】オキシダントの供給源としては、燃焼シス
テムそれ自体、プロセスから誘導される化学物質、およ
び一般にはリークするかあるいは反応容器に意図的に加
えられる空気、などがある。燃料の供給源としては、燃
焼システムおよびプロセスから誘導される化学物質など
がある。

【００１５】燃料および／またはオキシダントは、少な
くとも２つのバーナーを介してシステムに供給される。
本明細書で使用している“バーナー”とは広義のバーナ
ーを意味しており、燃料、オキシダント、またはこれら
の混合物を反応容器にもたらして火炎を生成させるいか
なる器具も含んでいる。本発明にしたがったバーナーの
例としては、燃料−オキシダント混合物や酸素やり等か
ら火炎を生成する従来のバーナーがある。しかしなが
ら、本発明では、詳細に後述するように、燃料−オキシ
ダント混合物を放出する少なくとも２つのバーナーを必
要とする。

【００１６】本発明において使用することのできる燃料
は、固体燃料、液体燃料、ガス燃料、またはこれらの混
合物から選ばれる。好ましい燃料は、最大２０個までの
炭素原子を有する直鎖炭化水素または枝分かれ鎖炭化水
素であり、最も好ましいのはメタンである。オキシダン
トは、固体物質、液体物質、ガス状物質、またはこれら
の混合物のいずれであってもよい。好ましいオキシダン
トは、工業用炉において通常使用されているものであ
り、酸素含量の高い空気や実質的に純粋な酸素などがあ
る。

【００１７】本システムに使用される各バーナーに対す
るオキシダントと燃料の量は、所望するエネルギーバラ
ンスと重量バランスによって異なる。エネルギーバラン
スは式 Ｅ_G＝ｆ（Ｒ_G）Ｆ_G ・・・・３ によって表され、このときＥ_Gは単位時間当たり必要と
されるシステムのトータルエネルギーであり、Ｒ_Gは全
オキシダント対燃料比であり、そしてＦ_Gは、バーナー
を介して容器に導入されることのないプロセス誘導燃料
（ｐｒｏｃｅｓｓｄｅｒｉｖｅｄ ｆｕｅｌｓ）から得
られるいかなる二次燃料値（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｆｕ
ｅｌ ｖａｌｕｅｓ）も含めたトータル燃料インプット
（ｔｏｔａｌ ｆｕｅｌ ｉｎｐｕｔ）である。例とし
ては、酸化反応（発熱反応）を受ける金属、または酸化
物の還元反応によって生成される燃焼性の廃ガス（例え
ば一酸化炭素）などがある。

【００１８】消費される燃料またはトータル燃料に対す
る重量バランスは式 Ｆ_G＝Ｆ₁＋Ｆ₂・・・・・Ｆ_N＋Ｆ_X ・・・・４ によって示され、このときＦ_Gは個々のバーナーＦ₁〜Ｆ
_Nによって消費される燃料の合計であり、Ｆ_Xはプロセス
誘導物質から得られる消費燃料の量である。

【００１９】オキシダントの重量バランスまたは消費さ
れるトータルオキシダントは次式 Ｏ_G＝Ｒ_GＦ_G ・・・・５ によって示され、このとき Ｒ_GＦ_G＝Ｒ₁Ｆ₁＋Ｒ₂Ｆ₂＋・・・・Ｒ_NＦ_N＋Ｒ_XＦ_X ・・・・６ したがって、消費されるトータルオキシダント（Ｏ_G）
は、全オキシダント対燃料比と本システムに使用しうる
トータル燃料との積である。これは、適切なオキシダン
ト対燃料比とシステムの各バーナーに関して消費される
燃料の量との積と、プロセスをベースとした反応から得
られる消費燃料の量とを合計することにより算出され
る。

【００２０】本発明によれば、ある特定の要件が満たさ
れたときに、システムにおける燃焼のより厳密な制御と
位置決めが可能となる。バーナーの少なくとも１つが、
全オキシダント対燃料比（Ｒ_G）より小さいオキシダン
ト対燃料比（Ｒ_L）を示すオキシダント−燃料混合物を
有していなければならず、またバーナーの少なくとも１
つが、Ｒ_Gより大きいオキシダント対燃料比（Ｒ_H）を示
すオキシダント−燃料混合物を有していなければならな
い。

【００２１】 Ｒ_L＜Ｒ_G＜Ｒ_H ・・・・７ さらに、少なくとも１つのバーナーが、Ｒ_Gに等しいオ
キシダント対燃料比にて作動する理論的なバーナーによ
って得られる火炎から生じる火炎温度より低い火炎温度
を与えるのが好ましい。

【００２２】図１を参照すると、ある与えられたＲ_Gに
対し、少なくとも２つのバーナーを含んだシステムが、
Ｒ_Gより小さいオキシダント対燃料比（Ｒ_L）をもった少
なくとも１つのバーナー、およびＲ_Gより大きいオキシ
ダント対燃料比（Ｒ_H）をもった別のバーナーを有して
いる。

【００２３】あるオキシダント対燃料比に対する各バー
ナーは、ある温度の火炎を生成する。図１のグラフにお
いては、Ｒ_Gによって生成される火炎温度（Ｔ_G）は、Ｒ
_LとＲ_Hのオキシダント対燃料比を有する２つのバーナー
の火炎温度より高い。図１からわかるように、曲線ＡＢ
は、火炎温度とオキシダント対燃料比との理想化された
関係を示している。しかしながら、この関係が図１に示
したものからずれることがあるのは言うまでもない。

【００２４】ある与えられた熱伝達用途に対する適切な
Ｒ_Gの選択は、燃料の種類、所望のプロセス生成物、加
熱サイクル時間、および熱分布などのファクターにより
異なる。いったんＲ_Gが選定されると、オキシダント−
燃料流れの特定の組み合わせが、要求されている目的を
満たすよう選定される。バーナーの少なくとも２つが、
一つのオキシダント対燃料比がＲ_G値より大きく、そし
て一つのオキシダント対燃料比がＲ_G値より小さくなる
よう、別個のオキシダント対燃料比を有していなければ
ならない。また、少なくとも１つのバーナーが、Ｒ_Gに
て作動するバーナーによって理論的に得られる火炎温度
（Ｔ_G）より低い火炎温度を生成するのが好ましい。

【００２５】本発明のプロセス条件下にて作動させるこ
とによって、望ましい熱分布を得ることができるが、本
発明のプロセスは燃料効率の悪いオキシダント対燃料比
（ｆｕｅｌ ｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｘｉｄａｎｔ
−ｆｕｅｌ ｒａｔｉｏｓ）を必要とすることがある。
適切な燃料／オキシダント流れを配置して、局在化した
雰囲気を制御しつづけることのできる局在化燃焼区域を
形成させることができる。例えば、個々の燃料−オキシ
ダント混合物は、各バーナーと繋がった第１の燃焼ゾー
ンにおいて、理論上の最高火炎温度より低い温度で燃焼
させることができる。第１の燃焼ゾーンには、過剰の燃
料を含んだ第１の燃焼生成物流れ、および過剰のオキシ
ダントを含んだ第２の燃焼生成物流れが生成される。こ
うした状況の下で、次いで上記第１と第２の生成物流れ
を少なくとも１つの第２の燃焼ゾーン（第１の燃焼ゾー
ンから離れている）で燃焼させて、前記最高温度より低
い温度を有する火炎を生成させることができる。

【００２６】再び図１を参照すると、Ｒ_LとＲ_Hのオキシ
ダント対燃料比を有する火炎を接触させると、二重燃焼
ゾーンシステムがつくりだされる。Ｒ_Lバーナーからの
過剰の燃料とＲ_Hバーナーからの過剰のオキシダント
が、第２の燃焼ゾーンにおいて反応する。個々のバーナ
ーのオキシダント対燃料比の値を変えると、第１と第２
の燃焼ゾーンにおける熱分布と化学分布（ｃｈｅｍｉｃ
ａｌ ｐｒｏｆｉｌｅ）が変化し、これにより各燃焼ゾ
ーンにおける雰囲気を制御する能力が付与される。さら
に、Ｒ_G比を調節することにより、従来のバルク燃焼制
御操作に比較してシステム全体としての燃料効率を向上
させることができる、という点にも留意しなければなら
ない。

【００２７】前述したように、少なくとも１つのバーナ
ーの火炎温度が全火炎温度（ｇｒｏｓｓ ｆｌａｍｅ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）（Ｔ_G）より低いことが好ま
しく、少なくとも１つのＲ_N値（Ｒ_L）がＲ_Gより低く、
且つ少なくとも１つのＲ_N値（Ｒ_H）がＲ_Gより高くなけ
ればならない。本発明のプロセスにとっては、Ｒ_Nの極
値を考慮する場合には他の組の実施上の制約条件があ
る。例えば、ある特定のバーナーに対するＲ_N値は、燃
料−オキシダント混合物の燃焼性限界（ｆｌａｍｍａｂ
ｉｌｉｔｙ ｌｉｍｉｔｓ）を越えてはならない。さら
に、安定な火炎条件を保つために、Ｒ_N値は燃焼装置の
能力を越えてはならない。Ｒ_N値に関するさらなる制約
条件は、オキシダント対燃料比が反応プロセスに対して
逆効果とならないようにすることである。

【００２８】本発明を実施する際には、先ず所望するシ
ステムに対する全オキシダント対燃料比（Ｒ_G）を決定
する必要がある。残留燃料や残留オキシダントを最小限
に抑えるためにシステムを最大効率で作動させようとす
る場合、化学量論的要件に近いＲ_G値が選定されるが、
この値は該プロセスに使用される燃料とオキシダントの
種類によって異なる。

【００２９】いったんＲ_G値を選定したら、次式 Ｅ_G＝ｆ（Ｒ_G）Ｆ_G ・・・・３ を使用してシステムのエネルギー要件（ｅｎｅｒｇｙ
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ）を求めなければならない。

【００３０】システム中のバーナーの数、およびそれら
の個々のオキシダント対燃料比と流量は、すべてのオキ
シダント源と燃料源を考慮し、燃料とオキシダントの重
量バランス式を使用して求められる。各バーナーに対す
るＲ_Nは、Ｒ_L＜Ｒ_G＜Ｒ_Hとなるよう設定される。少なく
とも１つの火炎の温度を、Ｔ_Gより低く選定することが
できる。

【００３１】本発明の１つの実施態様が図２と図３に示
されており、天然ガスを燃料とし、２−バーナーユニッ
トを使用してスチール柄杓（ｓｔｅｅｌ ｌａｄｌｅ）
を予備加熱している。オキシダントは、実質的に純粋な
酸素と少量の空気（システム中にリークする）を含む。
加熱ユニットは、燃料要件を最小限に抑えるよう、加熱
サイクル時間を最小限に抑えるよう、そして耐火物ライ
ニングを少なくとも２，２００°Ｆに均一に予備加熱す
るよう設計される。

【００３２】柄杓２は耐火物をライニングした壁体４を
有し、これがスチールの移送に対して容器を画定してい
る。柄杓２は、より小さな下部６とより大きな上部８を
有する。柄杓２の深さと不均一な形状のため、一般には
下部６に均一な加熱を施すのが困難である。

【００３３】柄杓２には、第１のバーナー１０と第２の
バーナー１２が取り付けられている。わかりやすく示す
ために、バーナー１０は燃料含量の高い混合物を、一方
バーナー１２はオキシダント含量の高い混合物を放出す
るよう設計されている。これらの混合物はそれぞれ、全
プロセスに対するＲ_G値より小さいＲ値（Ｒ_L）、および
全プロセスに対するＲ_G値より大きいＲ値（Ｒ_H）を有す
る。

【００３４】バーナー１０と１２は、ラインＡ−ＡとＢ
−Ｂ（図２に示すように柄杓２の縦軸に平行）からそれ
ぞれ角度α，βにて配置されている。角αとβは、少な
くとも約１０°であるのが好ましく、バーナー１０と１
２の下流で且つ第２の燃焼ゾーン１６（後述する）から
離れた選定場所１４にて、バーナーから発する火炎が互
いに接触できるよう選択される。図２と図３に示すよう
に、火炎は、一般にはそれぞれのバーナー１０と１２の
縦軸に沿って移動する。

【００３５】下記の実施例においては、図２と図３に示
すスチール柄杓を加熱する方法を説明する。適切なオキ
シダント対燃料比の選択について、図４を参照しつつ説
明する。バーナー１０は、Ｒ_G値より小さいＲ値（Ｒ_L）
を有する混合物を放出する。メタンが燃料として使用さ
れ、実質的に純粋な酸素がオキシダントとして使用さ
れ、そして燃料の減少が重要な目的であると仮定する
と、選定されるＲ_G値は、システム中に流入する全燃料
とほとんど反応するに足るようなＲ_Gである。したがっ
てＲ_Gは、メタン１ポンド当たりトータル酸素４ポンド
の重量比を有する。

【００３６】所望の目的を達成するために試算された燃
料要件は約６００万ＢＴＵ／時である。式 Ｅ_G＝ｆ（Ｒ_G）Ｆ_G ・・・・３ によれば、メタンの流量は２７９ポンド／時と算出さ
れ、一方トータルの酸素流量は１，１１６ポンド／時と
算出される。システム中にリークする量の空気は１８６
ポンド／時の酸素を含有していると試算され、以下の実
施例の説明をわかりやすくするため、この酸素は各バー
ナーに等しく分配されているものとする。したがって、
システムに加えなければならない酸素の量は９３０ポン
ド／時である。

【００３７】各バーナーがそれぞれＲ_LとＲ_Nのオキシダ
ント対燃料比にて交互に燃焼処理を行うよう、バーナー
システムを操作することができる。これを達成する１つ
の方法は、各バーナーへの燃料の流量を一定に保ちつ
つ、各バーナーへのオキシダントの流量を低い流量（Ｒ
_L）から高い流量（Ｒ_H）に交互に変える、という方法で
ある。

【００３８】Ｒ_Gが４であるとすると、適切なＲ_L値とＲ
_H値はそれぞれ２と６であり、これによって図４におい
て示されているようにＲ_L＜Ｒ_G＜Ｒ_Hの条件が満たされ
る。

【００３９】これは下記の式にしたがって算出される。

【００４０】 Ｆ_G＝２７９ポンド／時＝Ｆ_L＋Ｆ_H Ｏ_G＝Ｒ_GＦ_G＝４×２７９ポンド／時＝１１１６ポンド
／時 Ｒ_LＦ_L＋Ｒ_HＦ_H＝１１１６ポンド／時 ２Ｆ_L＋Ｒ_HＦ_H＝１１１６ポンド／時 特定の用途に対する所望の加熱特性によれば、 Ｆ_L＝Ｆ_H したがって ２７９ポンド／時＝２Ｆ_L Ｆ_L＝１３９．５ポンド／時 ゆえに １１１６ポンド／時＝Ｒ_LＦ_L＋Ｒ_HＦ_H および １１１６ポンド／時＝２（１３９．５）
＋Ｒ_H（１３９．５） Ｒ_H＝６ ゆえに Ｒ_L＝２＜Ｒ_G＝４＜Ｒ_H＝６ したがって上記のプロセス条件によれば、本システムは Ｆ_L＝Ｆ_H＝１３９．５ポンド／時 メタン Ｒ_L＝２＝２７９ポンド／時 （トータル酸素） Ｒ_H＝６＝８３７ポンド／時 （トータル酸素） であることを必要とする。

【００４１】再び図２を参照すると、バーナー１０によ
って生成される火炎は低いオキシダント対燃料比を有す
る。他方、バーナー１２は高いＲ値（Ｒ_H）を有する火
炎を生成する。バーナー１２からの火炎の勢い（ｍｏｍ
ｅｎｔｕｍ）がバーナー１０からの火炎の勢いを凌ぐ。
個々の火炎の速度と質量を比較することによってこのこ
とが証明される。したがって、火炎が第１の燃焼ゾーン
１４において接触すると、バーナー１２からの火炎がバ
ーナー１０からの火炎を押しやって、バーナー１０の縦
軸との整列状態から外側に曲げる。図２からわかるよう
に、柄杓２の左下部分は第２の燃焼のバルクを受け入れ
る。

【００４２】バーナー１０からの火炎は、オキシダント
の実質的にすべてを燃やす。過剰の燃料は、第１の燃焼
ゾーン中の火炎の温度を、Ｒ_Gのオキシダント対燃料比
から予測される温度Ｔ_Gより低い温度に保持するための
ヒートシンクとして作用する。バーナー１２からの火炎
は、第１の燃焼ゾーンに存在する燃料の実質的に全てを
燃やし、残存する過剰のオキシダントは、火炎の温度Ｔ
_Gを、Ｒ_Gのオキシダント対燃料比から予測される温度よ
り低い温度に保持するためのヒートシンクとして作用す
る。火炎１０からの過剰の燃料と火炎１２からの過剰の
オキシダント（両方とも多量の熱を運んでいる）は、第
２の燃焼ゾーンにおいて自発的に燃焼を起こす。このよ
うにして生成する火炎は、Ｒ_G混合物からの理論火炎に
ついて予測される温度より低い温度を有する。

【００４３】オキシダントの流量をバーナー１０に対し
て増大させ、バーナー１２に対して減少させると、個々
のバーナーのＲ値が変わる。すなわち、バーナー１０の
Ｒ値が増大し、バーナー１２のＲ値が減少する。その結
果、第２の燃焼ゾーン１６が柄杓２の右下部分にシフト
する。オキシダントの流れが一方のバーナーから他方の
バーナーに変化し続けると、Ｒ値が変化することから、
第２の燃焼ゾーンがそれに対応してシフトを受け、これ
により柄杓２の下部６の全体にわたって均一な加熱が得
られる。

【００４４】図４を参照すると、実施例１に関して説明
した２−バーナーシステムのグラフが示されている。Ｒ
_Gは４の値を有し、４７００°Ｆの理論火炎温度を有す
る。バーナーの一方が２のオキシダント対燃料比を有
し、そして他方が６のオキシダント対燃料比を有してい
て、これにより式Ｒ_L＜Ｒ_G＜Ｒ_Hの関係が満足される。
バーナー（本実施例においては２つのバーナー）の少な
くとも１つの火炎温度が４７００°Ｆ（Ｔ_G）より低
い。本発明にしたがってシステムを操作すると、Ｒ_Lバ
ーナーは３９５０°Ｆの火炎温度を生成し、Ｒ_Hバーナ
ーは４８５０°Ｆで作動する。

【００４５】本発明によれば、適切なバーナーシステム
の第１の燃焼ゾーンにおける燃焼生成物の相対的および
／または全体的な勢いを変化させることによって、炉の
加熱要件に応じて第２の燃焼ゾーンを種々の場所に移動
させることができる。これを達成する１つの方法が、図
２と図３に関連させて前述されている。第２の燃焼ゾー
ンの場所を変える別の方法は、交互に燃焼作動する複式
バーナーを使用するという方法である。このような実施
態様の１つの例も、図２と図３に関連させて説明するこ
とができる。

【００４６】図２に示すように、バーナー１０は柄杓の
左上部分から燃焼作動させることができ、バーナー１２
は右上部分から燃焼作動させることができる。これによ
り、前述したように、柄杓２の左下部分において第２の
燃焼が生成される。これらのバーナーの燃焼作動が停止
され、そして引き続き行われる燃焼作動が図３に示され
ているバーナー配置によってなされるとすると、第２の
燃焼ゾーン１６は、柄杓の左下部分から右下部分にシフ
トする。この結果、第２の燃焼ゾーンにおける加熱場所
と熱量を制御することができる。

【００４７】バーナーの角度関係および／または燃焼シ
ーケンスを調整すること以外にも、第２の燃焼ゾーン１
６の場所を操作する他の方法がある。このような１つの
方法は、個々のバーナーのＲ値を変化させることによる
方法である。図２に示すバーナー１０の火炎のＲ値を増
大させると、第２の燃焼ゾーン１６は、柄杓の左下部分
から右下部分にシフトする。バーナー１２のＲ値を減少
させることによって、類似の結果を得ることができる。
これとは逆に、バーナー１０のＲ値を減少させるか、あ
るいはバーナー１２のＲ値を増大させると、第２の燃焼
ゾーン１６は柄杓の左下部分にシフトする。

【００４８】第２の燃焼ゾーン１６の場所を変化させる
ためのさらに他の方法は、バーナーの少なくとも１つを
設定された場所の間で連続的に移動させることを含む。
例えば、図３を参照すると、バーナー１２を場所Ｘから
場所Ｙに間欠的もしくは連続的に移動させることもでき
るし、あるいは固定点Ｘの周りで同方向に回転させるこ
ともできる。この結果、個々のバーナー１０と１２から
の火炎の接触区域が連続的に変化する。したがって、バ
ーナー１２からの火炎がバーナー１０の火炎により近づ
くにつれて、第２の燃焼ゾーン１６の場所は柄杓の左下
部分にシフトする。

【００４９】本発明の方法は、従来のバーナー技術を使
用したのでは満足させるのが難しい特定の加熱要件を含
んでいる炉〔例えばウェルファーネス（ｗｅｌｌ ｆｕ
ｒｎａｃｅ）〕の加熱に対して有利に適用することがで
きる。

【００５０】ウェルファーネスは通常、アルミニウム等
の反応性金属を溶融するのに使用される。このような炉
に関しては、酸化による損失を最小限に抑えるために局
在化した保護雰囲気を生成させる能力、およびこうした
保護雰囲気の生成を燃料効率の良い仕方で達成する能力
を有することが重要な要件である。

【００５１】空気リークの存在、燃料と空気との起こり
得る僅かなミキシング、および燃焼生成物との反応のた
め、ある特定量の金属が酸化される。したがって、ウェ
ルファーネスはプロセスへのエネルギーに寄与する発熱
反応を起こす。なぜなら、金属が燃料として作用するか
らである。図５と図６を参照すると、溶融金属浴（例え
ばアルミニウム）を含んだウェル３２を有するウェルフ
ァーネス３０が示されている。このウェルは、固体アル
ミニウムを仕込むためのインプット部分３４と、溶融ア
ルミニウムに熱エネルギーを加えるためのファーネス部
分３６を含む。熱エネルギーは、溶融浴の循環を通して
固体アルミニウムに伝達される。

【００５２】ファーネス部分３６の周りには、平行かつ
離れて位置した一連のバーナー３８が配置されており、
これらバーナーのそれぞれが、Ｒ_L＜Ｒ_Gとなるように燃
料−オキシダント混合物（例えば、軽質燃料油と酸素の
混合物）を放出すべくなされている。Ｒ値が小さいと火
炎が減少し、溶融アルミニウムを酸素含量の少ない層で
覆って、アルミニウムが酸化されて酸化アルミニウムに
なるのを最小限に抑える。

【００５３】さらなる熱を炉に供給するための第２の燃
焼ゾーンが、Ｒ_L層の上に設けられる。このことは、複
数のＲ_Lバーナー４０を、それらの個々の火炎が渦４２
を引き起こし、これによってＲ_L混合物の一部を引き上
げて、バーナー３８からのＲ_H混合物と密に接触するよ
うな角度で配置させることによって達成することができ
る。

【００５４】図５と図６に具体的に示されているよう
に、バーナー４０は、バーナー３８の軸から好ましくは
約３０〜４０°の角度で配置されていて、ファーネス部
分３６の中央において渦４２をつくりだしている。バー
ナー４０の角度を変えることによって、バーナー３８と
４０の１つ以上からの火炎混合物のＲ値を変えることに
よって、前記混合物のＲ値を交互に変えることによっ
て、あるいはバーナーの位置を変えることによって、渦
４２の位置を移動させることができる。

【００５５】実施例２ 図５と図６に関連させて説明したウェルファーネスを使
用してアルミニウムを溶融させた。Ｃ₁₀Ｈ₁₇の化学式を
有する軽質燃料油を燃料として使用した。本燃料は１
８，０００ＢＴＵ／ポンドの正味発熱量を有する。理想
的なＲ値（オキシダント対燃料比）は、燃料１ポンド当
たり酸素３．３３ポンドであることが求められた。本シ
ステムのエネルギーアウトプットまたは燃焼速度は、本
実施例の目的に対しては１０００万ＢＴＵ／時（５５
５．６ポンド／時）であると試算された。さらに、本実
施例の説明をわかりやすくするため、炉の耐火物が４５
００°Ｆの最高温度限界を有し、また空気のリークまた
は酸化がほとんどない、と仮定する。

【００５６】本システムに関する火炎温度とＲ値のプロ
ットを図７に示す。前述のような仕方で最小Ｒ値と最大
Ｒ値（それぞれ１．６７と１１．６６）を算出し、４５
００°Ｆの最高耐火温度限界に適合するよう選定した。

【００５７】エネルギーのすべてが１０００万ＢＴＵ／
時での燃料油の燃焼から生じると仮定すると、システム
の燃料要件と酸素要件は以下のように求められる。

【００５８】 Ｆ_L＋Ｆ_H＝５５５．６ポンド／時 Ｒ_GＦ_G＝１．６７Ｆ_L＋１１．６６Ｆ_H＝１８５０ポンド
／時 Ｆ_L＝４６３．３ポンド／時， Ｆ_H＝９２．３ポンド／
時 Ｏ_L＝７７３．７ポンド／時， Ｏ_H＝１０７６．３ポン
ド／時 低Ｒ値バーナーと高Ｒ値バーナーからシステムへの燃料
流れおよび酸素流れを求めたので、燃料とオキシダント
のトータル流れが、ウェルファーネスにおいて使用され
ている１７個のバーナー間にどのように分配されている
のかを求めなければならない。図５と図６に具体的に示
されている１３個の低Ｒ値バーナーと４個の高Ｒ値バー
ナー間の燃料／オキシダント分配は、多くの方法により
求めることができる。

【００５９】第１の方法は、それぞれ低Ｒ値と高Ｒ値に
関して、適切な流量Ｆ_LとＯ_LおよびＦ_HとＯ_Hをバーナー
の合計数で割ることである。この手順により、各バーナ
ーに対する正しいＲ値が自動的に保持される。

【００６０】第２の方法は、低Ｒ値バーナーと高Ｒ値バ
ーナーの各組に対して、オキシダントと燃料の流量を変
えることである。オキシダントと燃料の流量は、システ
ムのエンドポイント限界（例えば最高耐火温度）内に保
ちつつ、適切なＲ比を保持し且つ最適量のエネルギーを
放出するような仕方で設定される。ある特定の組のバー
ナーに対するトータルのオキシダント流量と燃料流量
は、システムに必要とされる適切なトータル流量〔オキ
シダントと燃料に対する流れ式（ｆｌｏｗ ｅｑｕａｔ
ｉｏｎｓ）から算出される〕に等しくなければならな
い。

【００６１】第３の方法は、実施例１および図２と図３
のスチール柄杓に関連して説明した最適の局在化加熱を
得るために使用することができる。各バーナーまたは各
組のバーナーに対してオキシダントと燃料の流量を変え
て、局在化された第２の燃焼区域をつくりだす。

【図面の簡単な説明】

【図１】火炎温度をオキシダント対燃料比の関数として
表したグラフである。

【図２】柄杓の正面図であり、第２の燃焼ゾーンが柄杓
の左下部分に位置している、本発明の１つの実施態様で
ある。

【図３】図２に示した柄杓の正面図であり、第２の燃焼
ゾーンが柄杓の右下部分に移動した状態の図である。

【図４】火炎温度を、図２と図３に示したスチール柄杓
を加熱するためのオキシダント対燃焼比の関数として表
したグラフである。

【図５】本発明の１つの実施態様を使用したウェルファ
ーネスの側面図である。

【図６】図４に示した本発明の実施態様の平面図であ
る。

【図７】火炎温度を、図５と図６に示したウェルファー
ネスに対するオキシダント対燃料比の関数として表した
グラフである。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 オキシダント対燃料比Ｒ_Lを有する第１
   のバーナーからの少なくとも１種の第１の燃料−オキシ
   ダント混合物と、オキシダント対燃料比Ｒ_Hを有する第
   ２のバーナーからの少なくとも１種の第２の燃料−オキ
   シダント混合物とを燃焼させることを含み、このときＲ
   _LとＲ_Hは式 Ｒ_L＜Ｒ_G＜Ｒ_H 〔式中、Ｒ_Gは燃焼反応において使用される全オキシダ
   ント対燃料比（ｏｖｅｒａｌｌ ｏｘｉｄａｎｔ−ｆｕ
   ｅｌ ｒａｔｉｏ）である〕で示される関係を有する、
   燃料とオキシダントとを燃焼させる方法。
2. 【請求項２】 前記第１と第２の燃料−オキシダント混
   合物の少なくとも一方が、オキシダント対燃料比Ｒ_Gか
   ら生成される火炎温度Ｔ_Gより低い火炎温度を有する、
   請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記第１の燃料−オキシダント混合物の
   少なくとも１種、および前記第２の燃料−オキシダント
   混合物の少なくとも１種が、前記火炎温度Ｔ_Gより低い
   火炎温度を生成する、請求項２記載の方法。
4. 【請求項４】 （ａ） 前記第１と第２の燃料−オキシ
   ダント混合物を、前記混合物の一方から過剰の燃料が与
   えられ、そして前記混合物の他方から過剰のオキシダン
   トが与えられるという条件下で、第１の燃焼ゾーンにて
   燃焼させること； （ｂ） 前記過剰の燃料とオキシダントを、前記第１の
   燃焼ゾーンから離れた第２の燃焼ゾーンに送ること；お
   よび （ｃ） 前記過剰の燃料とオキシダントを前記第２の燃
   焼ゾーンにて燃焼させること；をさらに含む、請求項１
   記載の方法。
5. 【請求項５】 前記全オキシダント対燃料比Ｒ_Gが、燃
   料とオキシダントに関する化学量論混合物に実質的に等
   しい、請求項１記載の方法。
6. 【請求項６】 前記燃料が、最高２０個までの炭素原子
   を有する直鎖炭化水素および枝分かれ鎖炭化水素からな
   る群から選ばれる、請求項１記載の方法。
7. 【請求項７】 前記オキシダントが、酸素富化空気およ
   び実質的に純粋な酸素からなる群から選ばれる、請求項
   １記載の方法。
8. 【請求項８】 （ａ） 前記第１と第２の燃料−オキシ
   ダント混合物を、それぞれ第１と第２のバーナーにおい
   て燃焼させること；および （ｂ） 前記第１と第２のバーナーへのオキシダントの
   流量を変え、これによって各バーナーのオキシダント対
   燃料比を変化させること；を含む、請求項１記載の方
   法。
9. 【請求項９】 （ａ） 前記第１の燃料−オキシダント
   混合物を燃焼させるための少なくとも１つのバーナー
   を、溶融金属浴の表面を覆うように向けること；および （ｂ） 前記第２の燃料−オキシダント混合物を燃焼さ
   せるための少なくとも１つのバーナーを、前記第１の燃
   料−オキシダント混合物の上方に第２の燃焼ゾーンをつ
   くりだすような仕方で、前記第１の燃料−オキシダント
   混合物の上方に向けること；を含む、請求項８記載の方
   法。