JP2003502612A

JP2003502612A - 予備加熱された燃料と酸化剤の燃焼バーナー装置

Info

Publication number: JP2003502612A
Application number: JP2001505503A
Authority: JP
Inventors: ジョシ、マヘンドラ・エル; フォッサン、アルノー; ボーダーズ、ハーレー・エー; ツィアーバ、ルミー・ペー; シャロン、オリビエ
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2003-01-21
Also published as: WO2000079182A1; US6126438A; US20030157450A1; DE60015976T2; US6783357B2; EP1194719A1; EP1194719B1; DE60015976D1; AU5882500A

Abstract

(57)【要約】バーナー装置は、予備加熱された酸化剤搬送用であって出口端部と入り口端部とを有する導管(４０)と、予備加熱された燃料搬送用であって出口端部と入り口端部とを有する導管とを備えている。予備加熱された酸化剤搬送用導管は、予備加熱された燃料搬送用導管(３６)の実質的に上方に実質的に並行に設けられている。導管(３６、４０)は、予備加熱された燃料と予備加熱された酸化剤の搬送用であって、耐火性バーナーブロック(４)において、それぞれがそれ自身の各細長いキャビティ(１０、３１)内に設けられている。実質的に環状の領域が、各導管の外面とその各キャビティとの間に存在するようになっている。各導管入り口(４６、４８)端部は、周囲温度の流体を受容するために各プレナム(３７、４７)を通って延びていて、プレナム(３７、４７)は、周囲温度の流体を各環状の領域内に通過するのに適している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の背景１．発明の分野本発明は、予備加熱された燃料、および／または、予備加熱された酸化剤(oxi
dant)を燃焼するための装置に関する。

【０００２】２．関連技術燃料と酸化剤の温度に基づく燃焼システムの３つの基本的タイプがある。第１
の最も一般的なバーナーシステムは、加熱されていない（または周囲の）燃料と
酸化剤とを燃焼用に使用している。上述のタイプの空気燃料バーナーと酸素燃料
バーナーの両方は、産業において広く使用されている（米国特許５，１９９，８
６６；４，６９０，６３５参照）。

【０００３】バーナーシステムの第２のタイプは、バーナー装置内で周囲の流体(ambient f
luid)（燃料と酸化剤）を予備加熱して採用する。この方法は、バーナーに注入
するように、周囲のまたはわずかに予備加熱された燃料と酸化剤を採用する。こ
れは空気燃料バーナーと燃焼エンジンとともに一般的に使用される。米国特許４
，２５７，７６２は、予備加熱され強制的にドラフトされた空気が、バーナー通
路で部分的に混合されることによって予備加熱された燃料ガス用に使用される１
つの方法を記述している。他の応用（米国特許５，４１３，４７７）において、
富燃料および燃料傾斜を演出した燃焼を使用して、加熱ガス流は、燃料と燃焼空
気とを予備加熱するためにバーナー内で引っ張られる(entrained)。酸素燃料燃
焼システムにおいて、概念(concept)は適用されていて、天然ガスの予備加熱は
他の加熱流体と混合することによって、または、予備加熱と同様にすす形成に導
く酸素が少ない雰囲気内で部分的燃焼と混合することによって使用される（米国
特許５，７２５，３６６）。これらは、酸化剤または燃料のいずれかの予備加熱
がバーナー本体部すなわちバーナーブロック内にもたらされる科学技術として知
られている。要約すると、バーナーまたはバーナーブロックは、燃料、酸化剤ま
たは両方用の加熱装置として使用される。第１段階において、燃料の酸化剤との
部分的燃焼がもたらされ、第２段階において、第１段階からの加熱燃焼製品と残
りの燃料と酸化剤との引き続く混合がもたらされる。このようにして、燃料と酸
化剤との全体的な予備加熱が達成される。

【０００４】空気−燃料バーナーシステム用の予備加熱された空気は知られている。しかし
ながら、最も多い応用は、予備加熱された燃焼空気をもたらすことである（米国
特許第４，４９２，５６８号；米国特許第５，８２３，７６９号）。従来の方法
は、サイクリックな方法で燃焼空気を予備加熱する耐火性の熱交換器（２つの蓄
熱装置(regenerator)）を使用している。空気−燃料バーナーおよびセラミック
蓄熱装置とともに、２１パーセント(容積で)の酸素を含有する空気用の１１００
℃の予備加熱温度は、非常に一般的である。空気は、そのような装置において、
先行するサイクル中に加熱ガス流によって予備加熱されていた一定の蓄熱装置(
セラミック要素を含むチェッカー(checker)のような)を通る周期的(またはサイ
クル的)流れによって予備加熱さる。上述の熱回収システムの欠点は、純酸素を
使用できないことである。第１の理由は、安全性に関する。炉を離れるガス流は
、引っ張られるプロセス粒子、燃料、凝縮物および蒸気によって通常汚染されて
いて、これらは、次のサイクルに沈殿(deposit)できる。これは、爆発的状態を
作り出すであろう。第２の理由は、耐火物の亀裂と蓄熱装置構造の接合部を通る
予備加熱された酸素（貴重な商品）の損失による。

【０００５】金属の回収装置の使用は同様に広まっているが、しかし、予備加熱温度は、金
属構造と、回収装置の金属部品への加熱酸化剤(空気)およびガス流の腐食効果の
故に７００℃よりも低い。これらの種類の空気−燃料熱回収システムは、空気に
含まれている窒素により、比較的低い熱効率を依然として有している。この不活
性の窒素は、処理温度に加熱されなければならず、そしてこの加熱は単なる浪費
である。さらに、高温の窒素はＮＯｘを引き起こす。

【０００６】燃焼用の予備加熱された酸化剤は、酸素と蒸気とが、炭化水素を水素と一酸化
炭素に変えるために使用される再形成リアクター(米国特許５，５８８，９７４)
のケース以前に使用されてきた。加熱酸化剤混合物は、５００°Ｆから１２００
°Ｆの範囲の温度でリアクター内に供給される。その目的は、部分的燃焼によっ
て、燃料をＨ_２とＣＯに再形成するためである。燃焼は、鋼溶融、ガラス溶融、
熱処理などのような加熱応用のために熱を解放するための化学量論的割合にもた
らされない。本発明の目的は、燃料が酸素と化学量論的割合に近く燃焼される燃
焼バーナーを取り扱うので異なる。

【０００７】発明の概要本発明によれば、従来の公知のバーナーの多くの欠点を克服するバーナーが開
示される。本発明のバーナーは、高温加熱応用のために、事前に予備加熱された
酸化剤、および／または、事前に予備加熱された燃料(好ましくは天然ガス)を有
する酸化剤−燃料炎を製造するための装置に関連する。

【０００８】このように、本発明の第１の態様は、バーナー装置であって：ａ）出口端部と入り口端部とを有する予備加熱された酸化剤搬送用導管を備え
；ｂ）出口端部と入り口端部とを有する予備加熱された燃料搬送用導管を備え、
この予備加熱された燃料搬送用導管は、予備加熱された酸化剤搬送用導管と実質
的に並行であって、予備加熱された酸化剤搬送用導管は、予備加熱された燃料搬
送用導管の上方に実質的に縦に設けられていて；ｃ）予備加熱された酸化剤搬送用導管と予備加熱された燃料搬送用導管は、耐
火性バーナーブロック内においてそれら自身の各細長いキャビティ(cavity)内に
それぞれ設けられていて、前記各導管は、前記各導管の外面とそれらの各キャビ
ティとの間に実質的に環状の領域が存在するようにそれらの各キャビティに設け
られていて；ｄ）各導管の入り口端部は、周囲温度の流体を受容するためのプレナムを通っ
て延びていて、プレナムは、前記周囲温度の流体を各環状の領域内へ通過するの
に適しているバーナー装置である。

【０００９】好ましいのは、本発明の第１の態様によるバーナー装置であって、各キャビテ
ィの出口端部は、耐火性バーナーブロックの加熱面(hot face)と相接している。
同様に、好ましいのは、本発明の第１の態様によるバーナー装置であって、予備
加熱された酸化剤搬送用の複数の導管が耐火性バーナーブロックの各キャビティ
に設けられ、予備加熱された燃料搬送用の複数の導管が耐火性バーナーブロック
の各キャビティに設けられている。

【００１０】さらに好ましいのは、本発明の第１の態様によるバーナー装置であって、予備
加熱された酸化剤搬送用導管の出口端部は、予備加熱された酸化剤ノズルアセン
ブリの出口に接続されていて、この予備加熱された酸化剤ノズルアセンブリは、
拡張継ぎ手部を備えていて、この拡張継ぎ手部は、拡張継ぎ手部の下流において
予備加熱された酸化剤ノズルアセンブリの入り口を予備加熱された酸化剤ノズル
に接続し、予備加熱された酸化剤ノズルは、予備加熱された酸化剤ノズル出口と
軸線とを有する。よりさらに、本発明のこの態様によるバーナー装置において、
予備加熱された酸化剤ノズル出口は、予備加熱された酸化剤搬送用導管が設けら
れたキャビティの出口端部から入り込んで(recess)いる。

【００１１】本発明のこの態様による好ましいバーナー装置において、予備加熱された燃料
搬送用導管の出口端部は、予備加熱された燃料ノズルの入り口に接続されていて
、予備加熱された燃料ノズルは、予備加熱された燃料ノズル出口と軸線とを有し
；これらのバーナー装置において、予備加熱された酸化剤ノズルの軸線は、予備
加熱された燃料ノズルの軸線に向かって角度をなしていて；またバーナー装置に
おいて、予備加熱された燃料ノズル出口は、予備加熱された燃料搬送用導管が設
けられたキャビティの出口端部から入り込んでいる。

【００１２】本発明のこの態様によるさらに好ましいバーナー装置は、予備加熱された燃料
搬送用導管が設けられたキャビティ、または、予備加熱された酸化剤搬送用導管
が設けられたキャビティは拡張セクションを備えていて、拡張セクションは、拡
張セクションの上流に設けられた第１の周囲の流体キャビティと、拡張セクショ
ンの下流に設けられ第１の周囲の流体キャビティの内径よりも大きい内径を有す
る第２の周囲の流体キャビティとを接続し、拡張セクションは入り口と出口とを
有し、拡張セクションの入り口は拡張セクションの出口よりも小さい直径を有す
る。好ましい拡張セクションは円錐台形状である。好ましいバーナー装置は、予備加熱されたノズル出口が拡張セクションへの入
り口と同一拡がりを有して(co-terminous)いる。

【００１３】同様に好ましいのは、本発明の第１の態様によるバーナー装置であって、予備
加熱された燃料搬送用の導管は、中間導管を通ってその中に延びていて、中間導
管は、予備加熱された燃料搬送用導管とその各キャビティとの間に設けられてい
る。中間導管は、出口端部と入り口端部とを有し、中間導管の入り口端部は周囲
の燃料受容用のプレナムの１つに接続されている。中間導管とキャビティとは、
中間導管とキャビティとの間に環状の領域を規定し、周囲の酸化剤をその環状の
領域に導くのを可能にし、中間導管と予備加熱された燃料搬送用導管とは、周囲
の燃料搬送用の環状の領域を生成する。

【００１４】本発明の第１の態様による他の好ましいバーナー装置は、予備加熱された酸化
剤搬送用導管が設けられたキャビティと、予備加熱された燃料搬送用導管が設け
られたキャビティとを接続する流体接続部をさらに備えている。この流体接続部
は、周囲の酸化剤を周囲の燃料と混合することを可能にし、ここでより完全に述
べられるように確実な安全態様を提供する。本発明の第１の態様によるバーナー
装置のよりさらに他の好ましい変形において、前記流体接続部は、流体接続部入
り口と流体接続部出口とを有し、流体接続部入り口は、予備加熱された燃料搬送
用導管が設けられたキャビティに接続された流体接続部出口の点の上流の位置で
、予備加熱された酸化剤搬送用導管が設けられたキャビティと接続されている。
この態様の好ましいバーナー装置において、耐火性バーナーブロックは、上方の
耐火性バーナーブロックと下方の耐火性バーナーブロックとを備えていて、上方
の耐火性バーナーブロックと下方の耐火性バーナーブロックとは、予備加熱され
た燃料搬送用導管の軸線とほぼ平行な面で接触していて、下方の耐火性バーナー
ブロックは、その中に予備加熱された燃料搬送用導管が設けられたキャビティが
設けられていて、上方の耐火性バーナーブロックは、その中に予備加熱された酸
化剤搬送用導管が設けられたキャビティが設けられている。

【００１５】本発明の第２の態様は、バーナー装置であって：ａ）加熱面(hot face)と冷却面(cold face)とを有する耐火性バーナーブロッ
クを備え、耐火性バーナーブロックは、耐火性バーナーブロック内において、冷
却面から、冷却面と加熱面との中間位置に延びた中空の容積部を規定する内面を
有し、中間位置はバーナーブロックの実質的に固い部分の内面の壁によって規定
され、実質的に固い部分は、壁から加熱面に延びた周囲の酸化剤搬送用であって
、冷却面から加熱面への予備加熱された酸化剤搬送用導管をその中に設けるのに
適したキャビティを有し、バーナーはさらに、冷却面から加熱面へ延びていて、
冷却面から加熱面への予備加熱された燃料搬送用導管を受容するのに適したキャ
ビティを有し；ｂ）バーナーは金属の流体流アセンブリをさらに備えていて、流体流アセンブ
リは、第１の金属導管を備えていて、第１の金属導管は、第１の金属導管の内面
と予備加熱された酸化剤搬送用導管の外面とによって規定された第１の環状部を
通して周囲の酸化剤を搬送するのに適していて、流体流アセンブリは、第２の金
属導管をさらに備えていて、第２の金属導管は、第２の金属導管の内面と予備加
熱された燃料搬送用導管の外面とによって規定された第２の環状部を通して周囲
の燃料を搬送するのに適していて、流体流アセンブリは、第１の金属導管と第２
の金属導管とを接続する接続用金属導管を有し、接続用金属導管は、周囲の酸化
剤を第１の環状部から第２の環状部内に搬送するのに適しているバーナー装置で
ある。本発明のこの態様による好ましいバーナー装置において、予備加熱された酸化
剤搬送用の導管と予備加熱された燃料搬送用の導管とは両方とも金属であって、
両方とも金属の流体流アセンブリから取り外し可能である。

【００１６】本発明の第３の態様は、バーナー装置であって：ａ）出口端部と入り口端部とを有する予備加熱された酸化剤搬送用導管を備え
；ｂ）出口端部と入り口端部とを有する予備加熱された燃料搬送用導管を備え、
この予備加熱された燃料搬送用導管は、予備加熱された酸化剤搬送用導管と実質
的に並行に設けられていて、予備加熱された酸化剤搬送用導管は、上方の耐火性
バーナーブロック内において、下方の耐火性バーナーブロック内に設けられた予
備加熱された燃料搬送用導管の上方に実質的に縦に設けられていて；ｃ）予備加熱された酸化剤搬送用導管は、上方の耐火性バーナーブロック内に
おいてそれ自身の細長いキャビティ内に設けられていて、予備加熱された燃料搬
送用導管は、下方の耐火性バーナーブロック内においてそれ自身の細長いキャビ
ティ内に設けられていて、前記各導管は、前記各導管の外面とそれらの各キャビ
ティとの間に実質的に環状の領域が存在するようにそれらの各キャビティに設け
られていて；ｄ）各導管の入り口端部は、周囲温度の流体を受容するための各プレナムを通
って延びていて、プレナムは、前記周囲温度の流体を各環状の領域内へ通過する
のに適していて；ｅ）予備加熱された燃料搬送用の導管は、耐熱性ブロックのほぼ全長にわたっ
て耐火性バーナーブロックの下方のセクション内に機械加工された拡張点まで延
びていて、また、周囲の酸化剤の少なくとも一部分がそこを通って流れるための
通路が設けられていて、通路は、周囲の酸化剤が周囲の燃料キャビティ内で渦巻
くために周囲の酸化剤に実質的に接線的軸線モーメントを与え、周囲の燃料と予
備加熱された燃料の遅延した燃焼をするようにした装置を有するバーナー装置で
ある。

【００１７】本発明を、以下の図面の簡単な説明、図、および好ましい実施例の記述を参照
してさらに説明する。図のみでなく詳細な説明も、限定されまたは決定されるこ
とを意味するものではなく、むしろ、請求範囲に記載された本発明のバーナー装
置を製造し使用するための当業者用の援助として見なければならない。

【００１８】好ましい実施例の説明本発明によれば、真空振動吸着酸素製造装置によって分配された圧力のような
、好ましくは低酸化剤供給圧力で操作する燃焼が紹介される。低酸化剤圧力は、
約１０５，０００から約１７０，０００パスカル（Ｐａ）(絶対圧力)(５０ミリ
バールから０．７バール／相対圧力)の圧力範囲を意味する。しかしながら、こ
れは、薄膜分離、吸着、吸収、ろ過および類似のものを介して供給された酸化剤
が使用できないことを意味するものではない。蒸発された酸化剤は、タンクトラ
ック(tank truck)を介して、またはパイプラインをかいして分配された液体酸素
からのように同様に使用される。空気から分離された種々の純度の酸素のような
酸化剤の製造、搬送および分配の方法は、工業的ガスの分野において知られてい
て、これらは本発明の部分ではない。したがって、製造、搬送および分配の方法
は、単についでに示されるだけである。

【００１９】本発明によれば、燃料および酸化剤は、バーナー装置の個別のキャビティを通
って炉内に導入される。本発明による用語「燃料」は、例えば、室温(約２５℃)
または予熱された状態のいずれかであって、メタン、天然ガス、液化天然ガス、
プロパン、霧化オイル、または類似のもの(ガス状または液状のいずれか)を意味
する。本発明による用語「酸化剤」は２１％以上、好ましくは少なくとも５０％
の酸素モル濃度を有するガスを意味する。そのような酸化剤は、少なくとも５０
％容量を含有する富酸素を有する。酸素は、低温空気分離プラントによって製造
された「工業的に」純粋の酸素（９９．５％）、または、真空振動吸着プロセス
によって製造された純粋でない酸素（約８８％またはそれ以上の容量のＯ_２）、
空気またはそれ以外の発生源から、ろ過、吸着、吸収、薄膜分離、または類似の
ものによって製造された純粋でない酸素のようなものである。ここで使用される
用語「周囲の(ambient)」は、日、月、年の場所および時に依存して、代表的に
は約０℃から約３０°Ｃの範囲の、周囲の空気の温度を意味する。ここで規定されたキャビティ(cavity)は、耐火ブロックを通る、または、炉壁
を通る通路であって、好ましくは、ほぼ円筒状の断面を有している。正方形、矩
形、楕円形、卵形、および類似のあらゆる均等な断面が使用できる。

【００２０】導管は、ここでは、その各キャビティと相互に関連するか、または関連してい
ず、また、耐火性バーナーブロックを通って予備加熱された流体を搬送するため
の各キャビティに配置できる外側形状を有する管状の部材として規定されている
。個別の導管は、各予備加熱された酸化剤または予備加熱された燃料のいずれか
を搬送するのに適して設けられる。導管は、金属チューブ、セラミック端部を有
する金属チューブまたはパイプ、セラミックチューブ、またはそれらの組み合わ
せである。注入チューブ用のセラミック材料の例は、アルミナ、ジルコニア、イ
ットリア、炭化ケイ素、および類似のものを含んでいる。種々のステンレススチ
ールは、導管が金属の場合、導管用に使用されてもよく、また、セラミック導管
用に述べたもののような材料を使用した熱保護耐火コーティングを有する金属導
管もまた可能である。

【００２１】予備加熱された流体搬送用導管は、炉壁を通って、または炉壁に設けられた耐
火物またはセラミックレンガを通って開けられたキャビティに挿入されている。
いくつかの実施例において、導管の長さは、バーナーブロックにおけるそのキャ
ビティの各長さにおよぶのに故意に不充分に作られ、予備加熱された燃料または
酸化剤は、導管からその各キャビティ内に、次いでキャビティから炉の燃焼チャ
ンバー内に流入する。このように、いくつかの実施例において、予備加熱された
流体搬送用導管は、キャビティの構造によって与えられる予備加熱されたガス流
の方向のあらゆる変更の前に停止(stop)し；他の実施例において、予備加熱され
た流体搬送用導管は、耐火性バーナーブロックの加熱面上でそれらの各キャビテ
ィと同一拡がりを有して(co-terminous)いる(耐火性バーナーブロックの面は、
燃焼チャンバーに面している)。

【００２２】予備加熱された燃料注入は、好ましくは１つまたはそれ以上の、好ましくは同
一の導管によって行なわれ、ついで、導管は周囲の燃料を搬送するために各キャ
ビティ内に配置され、このキャビティは側部立面図で見た場合耐火性バーナーブ
ロックの下部ハーフ部(lower half)に設けられている。各導管は、軸線を有して
いて、予備加熱された燃料を搬送するために２つまたはそれ以上の導管がある場
合、それらは好ましくは同一面の下方に配置されていて、その面は好ましくは溶
融ガラス浴のような燃焼チャンバーの充填物(load)の面に並行である。周囲の燃
料は、予備加熱された燃料搬送用のその(または各)導管の周りに供給される。周
囲の燃料は、予備加熱された燃料と同一または異なった組成にすることができる
。実際に、各予備加熱された燃料の組成(予備加熱された燃料搬送用の１つ以上
の導管がある場合において)は、同一に、または異ならせることができる。例え
ば、予備加熱された燃料搬送用の２つの導管を有する本発明のバーナー、および
周囲の燃料を搬送するためのそれらの各キャビティ用に４つの異なった燃料組成
ができる。

【００２３】予備加熱された酸化剤注入は、同様に好ましくは１つまたはそれ以上で、好ま
しくは同一の導管でなされていて、ついで、導管は周囲の酸化剤を搬送するため
に各キャビティ内に配置され、このキャビティは側部立面図で見た場合耐火性バ
ーナーブロックの上部ハーフ部(upper half)に設けられている。予備加熱された
酸化剤搬送用の各導管は、最初の軸線的位置付けを有していて、予備加熱された
酸化剤を搬送するための２つまたはそれ以上の導管がある場合、導管は、好まし
くは同一平面に配置されている。本発明の１つの実施例において、予備加熱され
た酸化剤搬送用導管(およびそれらの各キャビティ)は、方向性において変更がな
く、予備加熱された燃料を搬送するために適した導管(およびそれらの各キャビ
ティ)と本質的に並行である。しかしながら、予備加熱された酸化剤搬送用導管
およびそれらの各キャビティは、燃料導管に平行で、燃料導管に向かった角度が
「Ａ」の角度である最初の位置付けを有していることが好ましいが、このことは
ここで詳細に述べられる。最初の方向付けから、第２の角度をなした方向付けへ
の変移は、好ましくは、ノズルアセンブリ(nozzle assembly)を使用して達成さ
れる。ノズルアセンブリは好ましくは、拡張要素(expansion element)と予備加
熱された酸化剤ノズルを備えている。周囲の酸化剤は、予備加熱された酸化剤を
搬送するためのその(または各)導管の周りに供給される。周囲の酸化剤は、予備
加熱された酸化剤と同一または異なった組成にすることができる。実際に、各予
備加熱された酸化剤の組成(予備加熱された酸化剤搬送用の１つ以上の導管があ
る場合において)は、同一に、または異ならせることができる。例えば、予備加
熱された酸化剤搬送用の２つの導管を有する本発明のバーナー、および周囲の酸
化剤を搬送するためのそれらの各キャビティ用に４つの異なった酸化剤組成がで
きる。

【００２４】燃料と酸化剤は、耐火性バーナーブロックから物理的に分離され(ここで述べ
るある実施例を除いて)、また、燃焼チャンバー内での酸化剤と燃料の燃焼が可
能な角度と速度を燃料流の流れと酸化剤流の流れを与えるために構造的に配置さ
れた出口を介して出る。好ましい実施例において、燃料のキャビティは、拡散(diverge)せず、むしろ
、燃料が燃焼チャンバーに入るように並行である。酸化剤のキャビティについて
も同様である。燃料が炉の燃焼チャンバーに入る場合のキャビティの先端間の距離ｌは、各燃
料導管の内径ｄ_ｆの好ましくは約４倍および１０倍を有している。燃料導管また
はキャビティが円形でない場合、寸法「ｄ_ｆ」は、均等な円形の導管またはキャ
ビティの断面積領域に対応するのと均等な直径または平均直径である。

【００２５】いくつかの好ましい実施例の種々の機械的詳細は、図面の各図を参照すること
によってより理解される。図１は、本発明のバーナー装置の第１の実施例の多くの態様を示している。２
で示されたのがバーナー装置であって、耐火性バーナーブロック４を有している
。耐火性バーナーブロック４は、「ＡＯ」で示された周囲の酸化剤がその通路を
通って炉に向かって通過するキャビティとして用いられる上部キャビティ６を備
えている。キャビティ８(耐火性バーナーブロックの下方の位置に示されている)
は、図１において矢印で示されたように周囲の燃料（「ＡＦ」として示されてい
る）がそこを通って通過する通路を有する。キャビティ６の第１の部分は１０で
示されていて、キャビティ６の残りの部分よりも小さい最初の直径である直径を
有している。拡張セクション(expansion section)１１はまた、比較的小さい直
径セクション１０をキャビティ６のメイン部分内に変移することを示している。
比較的大きい直径セクションは、図１において１２で示されている。予備加熱さ
れた酸化剤(図１において「ＨＯ」で示されている)は、１４においてバーナーブ
ロックの左側に噴射するように示されているのに対して、周囲の酸化剤は、１６
で示されたように周囲の領域に噴射する。周囲の酸化剤と予備加熱された酸化剤
との両方は、バーナーブロック４の加熱面(hot face)の孔１８を通ってバーナー
ブロック４から噴射する。図１の下方位置において、「ＨＦ」で示された予備加
熱された燃料は、バーナーブロック４から下方のキャビティ８を通って中心的に
噴射する。予備加熱された燃料２０は、「周囲の燃料」として２２で示された周
囲の燃料によって取り囲まれる。加熱された燃料と周囲の燃料との両方は、出口
２４においてバーナーブロックの加熱面に耐火性バーナーブロック４から噴射す
るが、これも同様にキャビティ８の末端部である。

【００２６】予備加熱された酸化剤は、中央の軸線２６を有するバーナーブロック４から噴
射する。予備加熱された燃料は、中央の軸線２８を有するバーナーブロック４か
ら噴射する。予備加熱された酸化剤の中央の軸線２６と予備加熱された燃料の中
央の軸線２８とは、図１に示されたように角度「Ａ」をなしている。角度Ａは、
好ましくは０°から約＋２０°である。キャビティ８は、拡張セクション３０と、実質的に円筒状のセクション３１を
備えている。予備加熱された酸化剤は、３２で示された入り口導管を通ってバー
ナー装置２に入るが、予備加熱された燃料は入り口導管３４でバーナー装置２に
入る。予備加熱された酸化剤と予備加熱された燃料とは、典型的には、また、好
ましくは、各流れ用の上流における熱交換器によって提供されるが、それらは、
ここでの図面のいずれにも示されていない。入り口導管３２と３４とはほぼ円筒
状で並行に示されているが、本発明の実用において必然的に要求されるものでは
ない。

【００２７】予備加熱された燃料搬送用導管３６は、図１においてキャビティ３１のほぼ中
央に位置して示されている。予備加熱された燃料搬送用導管３６は、集中用(con
verging)ノズルとして示されたノズル３８で終結している。この好ましい実施例
において、流れの方向におけるノズル３８の終端部は、周囲の燃料キャビティの
拡張チャンバー３０開始部と一致することに注目すべきである。予備加熱された酸化剤は導管３２を通って入り、４０で示されたように、予備
加熱された酸化剤搬送用導管を通って横切る。導管４０は、つぎに拡張接ぎ手す
なわちベローズ４３に、そして予備加熱された酸化剤導管の第２の部分４２内に
接続されている。セクション４２はついでノズル４４で終結する。ノズル４４の
終端部は、バーナーブロック４の加熱面から距離Ｌ_ｏ入り込んでいる(recess)の
に対し、ノズル３８の先端部は、バーナーブロック４の加熱面から距離Ｌ_ｆ入り
込んでいる。

【００２８】図２は、バーナー装置５０の第２の実施例を示している。耐火性バーナーブロ
ック４は、ほとんどの部品が図１に示された耐火性バーナーブロック４と同一で
ある。さらに、この装置において、加熱された酸化剤を提供するのに適した導管
とその各キャビティは、図１に示されたのと本質的に同一であり、その詳細は、
簡略化の目的で図２において省略されている。周囲の酸化剤は、入り口４６内に
入り、集合セクション４９に接続するプレナム(plenum)４７内に入る。図２の実
施例と図1の実施例との主な相異は、集合セクション３９で耐火性バーナーブロ
ック４を導くプレナム３７における周囲の酸化剤の装置である。この実施例にお
いて、予備加熱された燃料は３４で装置に入り、同様のノズル３８を有する図１
の導管３６と同様の中央導管を通って横切る。予備加熱された燃料は３４で装置
に入るのに対し、周囲の燃料はプレナム３５を通って装置に入る。プレナム３５
は、中間キャビティ３１に設けられた中間導管と、予備加熱された燃料搬送用導
管３６に接続する。中間導管は、図２に３６ａとして指定されている。これらの
相異点のほかに関して、この実施例は図１の実施例と同様である。予備加熱され
た酸化剤の軸線２６と予備加熱された燃料の軸線２８との間の角度は、この実施
例において同様に角度Ａとして示されていて、第１の実施例と同様の範囲である
。

【００２９】図３は、本発明のバーナー装置の第３の実施例を示している。この実施例は、
図３において６０で示されていて、周囲の酸化剤キャビティ１１を拡張セクショ
ン３０の近傍で周囲の燃料キャビティ８に接続する接続通路６２の装置を有する
。他の全ての細目について、図３の実施例は図１の実施例と同一である。接続部
６２の装置はかなりの利点を備えているが、それはここでさらに説明する。

【００３０】図４と４Ａは、本発明によるバーナー装置の他の実施例を示している。バーナ
ー装置８０は、全部がスロットを供給する８１ａ、ｂ、およびｃで示された複数
の周囲の酸化剤キャビティと、８６で示された周囲の燃料キャビティを有する。
周囲の酸化剤は、直径がキャビティ８２より小さい第１の直径のキャビティ８１
の耐火性バーナーブロック４に入る。これは、周囲の酸化剤と加熱された酸化剤
のある拡張を可能にし、予備加熱された酸化剤は図４において８４ｃで示された
導管を通って横切る。多分図４Ａによりよく示されているように、特に好ましい
装置であるこの装置において、耐火性バーナーブロック４の上部部分の矩形でス
ロット形状のキャビティ８２内に、３つの予備加熱された酸化剤導管８４ａ、８
４ｂ、および８４ｃが設けられている。予備加熱された酸化剤導管の先端部は、
８５ａ、b、およびｃで示されている。他方、この好ましい装置において、予備
加熱された燃料搬送用の８８ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅおよびｆで示された６つの導管
があり、これらは、耐火性バーナーブロック４の下部部分にあって、キャビティ
８６内に水平に設けられていて、８７ａと８７ｆで示された先端部を有している
。予備加熱された流体用の各導管の先端部は、好ましくは、集合ノズルを有して
先端を付けられていて、また、好ましくは耐火性バーナーブロック加熱面から等
しい距離バーナーブロック４内に入り込んでいる。好ましくは、ノズル出口は、
それらの各周囲の流体キャビティの各拡張部の始端に、またはその近傍に設けら
れている。加熱面からのノズル先端部の後退距離は、この実施例において、好ま
しくは、耐火性バーナーブロック４の全体の長さの約１／４から約１／２である
。この実施例のバーナー装置を完成するのは、ガスケット材料９０、予備加熱さ
れた酸化剤入り口導管９２、および予備加熱された燃料導管９４である。

【００３１】図５は、本発明によるバーナー装置の他の好ましい実施例を示している。この
実施例のバーナー装置７０において、耐火性バーナーブロック４は、図５と５Ａ
に示されたように、下部ハーフ部４ａと上部ハーフ部４ｂとを備えている。この
デザインは、接続部６２がより容易に設けられることを可能にする。図５Ａに示
されたように、耐火性バーナーブロック４の下部ハーフ部４ａと上部ハーフ部４
ｂとは、上部ブロックと下部ブロックとの間の緊密な嵌合を提供する摺動チャン
ネル７２に沿って一体に嵌合される。接続部６２は、全体的に、周囲の酸化剤搬
送用キャビティ６を有する接続部の近傍の大きい直径と、予備加熱された燃料搬
送用キャビティ８の接続部の近傍の小さい直径とを有して示されている。これは
、この実施例のバーナーの操作用に必要ではないけれども、この構造は、ここで
さらに説明する放出(ejector)タイプの作用を提供する。予備加熱された酸化剤
導管と予備加熱された燃料導管とは、わかり易くする目的で図５および５Ａに示
された実施例には示されていない。この分野の当業者は、これらの導管が図１の
実施例に類似して配置されることを理解しなければならない。

【００３２】図６は、本発明によるバーナー装置１００の他の好ましい実施例を示していて
、耐火性バーナーブロックの上部に形成された上部キャビティ６を有する耐火性
バーナーブロック４を採用している。この実施例において、耐火性バーナーブロ
ックは、耐火性バーナーブロックの冷却端部で本質的に中空であって、中空領域
は、実質的に垂直な７で示された壁を有する内面５によって規定されている。壁
は、耐火性バーナーブロックの加熱面と冷却面とのほぼ中間に設けられている。
本発明のバーナー装置のこの実施例において、装置は、構成要素３１、３２、３
３、３４、および３５を備えた金属のバーナー装置で作られている。これらの全
ての構成要素は、耐火性バーナーブロックから取り除くことができる。構成要素
３１は周囲の燃料搬送用の単なる金属の円筒形状要素である。構成要素３１は本
質的に金属の導管で、図１の実施例においてキャビティ３１の目的で用いられる
。導管３４は、予備加熱された燃料を搬送するのに適していて、金属のバーナー
装置から取り外すことができる金属のランスである。導管３１は金属で、導管３
１の内面と導管３４の外面との間に規定された空間に周囲の燃料を搬送するのに
適している。導管３２は、予備加熱された酸化剤搬送用の取り外し可能な金属ラ
ンスである。導管３３は金属で、導管３３の内面と導管３２の外面との間に規定
された空間に周囲の酸化剤を搬送するのに適している。最後に、接続導管３５は
、図３、５および５Ａを参照して先にも述べたように、接続通路の目的で用いる
。

【００３３】図６および６Ａのバーナー装置の独特な構造は、本発明のバーナー装置のこの
特別な実施例において、２つの部品、すなわち、耐火性バーナーブロック４、お
よび、全部が１つまたはいくつかの部品からなる要素３１、３２、３３、３４、
および３５を有する金属のアセンブリを備えた装置を考慮することを示している
。好ましくは、導管３１、３３、および３５は一体的に溶接されていて、耐火性
バーナーブロック４のキャビティ６および３７内に単に挿入されているだけであ
る。ついで、ランス３２と３４が、好ましくはバーナーの冷却端部で導管３３と
３１の延在部に各クランプされているかまたはボルト止めされている。この構造
は、操作者が容易にアクセスできまたメンテナンスも容易であり、また、予熱さ
れた流体および周囲の流体注入接続部用に予見される無数の形状を可能にする。

【００３４】図７は、本発明によるバーナー装置の他の実施例を示していて、点線１１５に
よって分離された上部ハーフ部１１２と下部ハーフ部１１３を備えた耐火性バー
ナーブロック４を有するバーナー装置１１０を示している。予備加熱された酸化
剤と周囲の酸化剤との注入は、本質的に図３に示された実施例と同様の方法で達
成されるけれども、予備加熱された燃料と周囲の燃料の注入は多少異なっていて
、予備加熱された燃料３６を搬送する導管の装置は、耐火性ブロック４のほぼ全
長において、耐火性バーナーブロックの下方セクション１１３内に機械加工され
た拡張点３１ａまで延びている。図７と７Ａのバーナー装置の特別な態様は、周
囲の酸化剤用の渦巻き構成要素の装置であるか、または、接続通路６２を横断す
る少なくともそれらの部品である。通路６２を横断する周囲の酸化剤は、周囲の
酸化剤がキャビティ３１と３１ａ内で渦巻くようにし、周囲の燃料と予備加熱さ
れた燃料の遅延された燃焼を引き起こす接線的軸線モーメント(tangential-axia
l momentum)を与えられる。接線的軸線の燃焼の利点は、ここでさらに説明する
。さらに、上部ブロック１１２と下部ブロック１１３は、一体構造(monolithic)
のブロックよりも各容易に一体に嵌合される。上部ブロック１１２と下部ブロッ
ク１１３は、図７Ａにおいては簡略化のために省略されているが、図５Ａに示さ
れた摺動レールアセンブリを使用して一体に嵌合されてもよい。

【００３５】図８は、本発明のバーナーのデザインのいくつかの利点の概略的フォーマット
を示している。示されているのは、耐火性バーナーブロック４の一部分を有する
バーナー装置１５０の一部分であり、加熱された燃料用に図１に示されたような
導管３６とそのノズル３８の一部分を示している。図８に示されたように、加熱
流は、大きな矢印１５２と１５４によって示されたように、ほぼ導管から離れる
が、これは、周囲の流体がバーナー装置内である程度予熱され、熱が燃焼プロセ
スにおいて使用されるであろうという観点からすると利点である。さらに、予熱
された流体が、３８で示されたところでノズルを通りすぎるのにつれて、流れの
パターンは、矢印１５６、１５８および１６０によって示されたようになる。

【００３６】予備加熱された燃料搬送用導管の出口ノズルを出てゆく予備加熱された燃料の
速度は、約５メーター／秒（ｍ／ｓ）から約１２０ｍ／ｓの範囲であって、より
好ましくは、約１８ｍ／ｓから約４５ｍ／ｓの範囲である。周囲の燃料は、約１
０から約２２０ｍ／ｓの範囲であって、より好ましくは、約１５から約１１０ｍ
／ｓの範囲の速度を好ましくは有してバーナーから出てゆく。予備加熱された酸化剤搬送用導管の出口ノズルを出てゆく予備加熱された酸化
剤の速度は、約５メーター／秒（ｍ／ｓ）から約６０ｍ／ｓの範囲であって、よ
り好ましくは、約１８ｍ／ｓから約２７ｍ／ｓの範囲である。バーナーを出てゆ
く周囲の酸化剤は好ましくは、約１０から約９０ｍ／ｓの範囲の速度を有してい
て、より好ましくは、約１５から約６０ｍ／ｓの範囲である。

【００３７】予備加熱された酸化剤ノズルの出口先端部から耐火性バーナーブロックの加熱
面(ここでは、周囲の酸化剤が、耐火性バーナーブロック外に流れ、炉の燃焼チ
ャンバー内に入る)までの軸線的距離Ｌ_ｏは、予備加熱された酸化剤ノズルの出
口先端部の内径ｄ_０(または、「ｄ_０」用に先に規定されたような等価の直径)の
約２から約６倍である。２つの隣接する酸化剤キャビティは、約０と１５度(deg
ree)の間、好ましくは約０と７度の間の最終的拡散角度(final diverging angle
)（流れの方向に）を作る。

【００３８】予備加熱された燃料ノズルの出口先端部から耐火性バーナーブロックの加熱面
(ここでは、周囲の燃料が、耐火性バーナーブロック外に流れ、炉の燃焼チャン
バー内に入る)までの軸線的距離Ｌ_ｆは、予備加熱された燃料ノズルの出口先端
部の内径ｄ_ｆ(または、「ｄ_ｆ」用に先に規定されたような等価の直径)の約１か
ら約３倍である。２つの隣接する燃料キャビティは、約０と１５度の間、好まし
くは約０と７度の間の最終的拡散角度（流れの方向に）を作る。

【００３９】燃料キャビティは、典型的には、また好ましくは、耐火性バーナーブロックに
おける垂直離間関係において、対応する酸化剤キャビティと合わせられるが、こ
れはいくつかの図に見られここで議論される。酸化剤キャビティの中心軸線とそ
の各燃料キャビティとの間の距離Ｄ_ｃは好ましくは、約１．０から約８インチの
範囲である。

【００４０】燃料キャビティは、好ましくはバーナーブロックからの出口で測定して約１．
０から約６．０インチの範囲、より好ましくは約１．８４から約１．１６インチ
の範囲の内部直径Ｄ_ｆを有している。この直径は、いくつかの実施例において、
燃料キャビティの全体の長さを通して維持される。しかしながら、この直径は、
Ｌ_ｆとして上記で規定された長さの部分(fraction)のみとして、好ましくは全体
の長さの約５０から９０％で維持することがより好ましい。燃料キャビティは、
好ましくは拡散セクションを有していて、燃料キャビティの直径を、第１の直径
からより大きい第２の直径に変移し、周囲の燃料およびある程度の予備加熱され
た燃料が、バーナーブロックを通って横断するにつれて拡大することを可能にす
る。全ての実施例において、燃料キャビティの内径は、予備加熱された燃料搬送
用導管または最も外側の導管の外形よりも大きい。いくつかの実施例において、
予備加熱された燃料搬送用導管の周りの同心的(concentric)導管が備えられてい
る。この同心的な外側の導管は、同心的な外側の導管と予備加熱された燃料搬送
用導管との間に生成された環状の空間を通って周囲の酸化剤が移動するのを可能
にする。

【００４１】酸化剤キャビティは、好ましくはバーナーブロックからの出口で測定して約１
．０から約８インチの範囲、より好ましくは約３．２６から約２．６６インチの
範囲の内部直径Ｄ_ｏを有している。この直径は、いくつかの実施例において、燃
料キャビティの全体の長さを通して維持される。酸化剤キャビティは、代表的に
は第１の内径を有していて、周囲の酸化剤ノズルアセンブリを収容するための比
較的大きい直径に変移し、好ましくは、予備加熱された酸化剤のための拡張を可
能にする拡張セクションを有している。全ての実施例において、酸化剤キャビテ
ィの内部直径は、予備加熱された酸化剤搬送用導管の外径よりも大きい。

【００４２】燃焼システムによって使用される燃料と酸化剤との全体量は、酸化剤に含有さ
れた酸素の流れが、燃料流の完全な燃焼を得るために必要な酸素の理論的化学量
論的流れの、約０．９５から約１．０５の範囲であるようにされる。この記述を
別の表現ですると、燃焼割合が好ましくは、約０．９５から約１．０５の範囲で
あるということである。燃料搬送用導管の中心軸線と予備加熱された酸化剤搬送用導管の中心軸線との
間の角度「Ａ」は、好ましくは約０から２０度の範囲であり、これが、燃料を酸
化剤に向かって集合するために全体的に引き起こすことを理解させてくれる。

【００４３】入力用の予備加熱された酸化剤と、入力用の予備加熱された燃料との好ましい
操作温度範囲は、各約２０°Ｃから約７００°Ｃと、約２０°Ｃから約４５０°
Ｃとの範囲である。より好ましい範囲は、各約３００°Ｃから約６００°Ｃと、
約２００°Ｃから約４００°Ｃとの範囲である。いくつかの実施例の改良された
金属バーナーは、燃焼用の冷却流体と加熱流体(燃料と酸化剤)の両方を収容でき
るように、加熱流体供給から冷却流体供給へ、あるいは、その逆へ切り換えるこ
とが容易になされるように設計(design)されている。

【００４４】本発明は、予備加熱された燃料および／または酸化剤燃焼バーナーのいくつか
の実施例を開示している。窒素(空気に含有された)のような不活性ガスによるエ
ネルギー損失は、好ましくは酸化剤として純酸素を、また、好ましくは燃料とし
て天然ガスを使用することによって克服される。上記流体は、好ましくは本発明
のバーナー内に注入される前に予め定められた温度に加熱される。燃料、および
／または、酸化剤の予備加熱は、本発明のバーナーの上流に挿入された別個の専
用の熱交換器によってほぼ達成されるが、これは、１９９８年１２月２３日に出
願番号０９／２２０，５５９として出願された本件出願人の継続中の特許出願(
出願人の整理番号４７４１)に開示されていて、ここで参照することによって取
り込む。

【００４５】窒素によるエネルギー損失を減少するために、また、ＮＯｘ排出を減少するた
めに、本発明のバーナーは、本発明の燃焼バーナーに予備加熱された酸化剤、お
よび／または、予備加熱された燃料を使用する。

【００４６】金属腐食を開始する予備加熱された酸化剤が有する問題を回避するために、予
備加熱された酸化剤は、好ましくは、ここで参照することによって取り込む米国
特許第５，５８８，９７４に開示されたような加熱酸素腐食に耐えるために特別
に設計され、合金またはセラミックコーティングされた合金の中から作られた金
属導管に導かれる。いくつかの好ましい材料は、取引名称(trade designation)
インコネル(Inconel)６００、ステンレススチール３１０、インコロイ(Incoloy)
８００、およびＰＭ２０００として知られているこれらのものを含んでいる。イ
ンコネル６００は、Ｎｉ＞７２％、Ｃｒ１４〜１７％、Ｆｅ６〜１０％、Ｃ＜０
．１５％、Ｓｉ＜０．５％およびＣｕ＜０．５％の成分(重量で)を有している。

【００４７】

【表１】

【００４８】さらに、合金は、セラミック保護面またはコーティングを有していてもよく、
セラミックは、クロミア(chromia)、アルミナ、およびシリカからなるグループ
から選択される。これらは、合金表面にスプレーされてもよく、または、合金表
面内に拡散された前駆体(precursor)―クロム、アルミニュームおよびシリコン
―から不動態プロセスにおいて自然に成長する。拡散コーティングは、代表的に
は約０．２％と７％の間の富Ｓｉ表面をもたらし(lead)、約５％から約４０％の
富Ａｌ表面をもたらす。

【００４９】さらに、本発明のバーナーは、複数の包囲部を有するように構成されている。
内側の包囲部(導管)は、予備加熱された燃料と予備加熱された酸素とを搬送する
のに使用され、外側の包囲部(キャビティ)は、周囲温度の燃料または酸化剤を搬
送するのに使用される。冷却流体を有する外側の包囲部の使用は、バーナー本体
部の熱応力を除去し、バーナー部品は、非常に壊れ易いセラミックと異なって高
温で弾性的に維持され、冷たい流体供給から熱い流体供給に切り換えた場合にお
いて、熱サイクルに耐える。本発明のバーナーは、「遅延された」燃焼が達成されるように設計されている
。第１の実施例において、予備加熱された酸化剤の同心的導管は、予備加熱され
た酸化剤と予備加熱された燃料との相互作用が炉の燃焼ゾーンで生ずるように、
特定の構造において天然ガス導管から分離されている。

【００５０】第２の実施例において、周囲の酸化剤の予め定められた部分は、周囲の燃料ラ
ンスの周りと燃料のバーナーブロックキャビティの内部における環状の空間に与
えられる。この酸化剤の量は、燃焼に必要な全酸素の約５から約２０％の範囲に
できる。周囲の酸化剤の量が少ないと、バーナーブロック内でのクリーンでクー
ルな操作を可能にし、好ましくは、同時にすすの粒子を有する中間燃焼生成物が
、周囲の酸化剤との予備加熱された燃料燃焼によって製造される。中間燃焼生成
物は、すすを有していて、つぎに、予備加熱された周囲の酸化剤混合物との引き
続く燃焼用に炉内に注入される。

【００５１】第３の実施例において、酸化剤の一部分(予備加熱されたのと周囲のとの混合
物)は、燃料の放出効果(ejector effect)を使用して拡散され、また、燃料の熱
クラックとすす粒子を有する中間燃焼生成物の生成を促進するために、バーナー
ブロック内で予備加熱された燃料と混合される。これは、特別な搬送通路を使用
して行なわれる。比較的高い予備加熱温度(部分的燃焼に起因する)に上昇される
すすを有する中間燃焼生成物は、ついで炉内に注入される。引き続く燃焼は、炉
の燃焼ゾーンで残存予備加熱された酸化剤と行なわれる。このバーナーの実施例
は、非常に輝いた低い放射(emission)炎を生成する。炎はまた、好ましくは比較
的低いモーメント(第１と第２の実施例のバーナーによって生成された炎と比較
して)を有し、好ましくは充填物に対してより均一な熱分配を提供する。

【００５２】第４の実施例において、複数の同心的注入導管は、比較的高い燃焼可能性を可
能にするために予備加熱された燃料と予備加熱された酸化剤の両方用に使用され
る。この実施例(図４)において、予備加熱された燃料と予備加熱された酸化剤の
両方用の平行なまたは実質的に平行な注入導管は、好ましくは幅広で平らなフレ
ームを形成する。耐火性バーナーブロックは、好ましくは、構造的に上部ハーフ
部と下部ハーフ部とから構成することができる。加熱面の矩形のスロットは、周
囲の燃料および酸化剤の注入用に設計される。

【００５３】さらに他の実施例において、同心的注入導管は、周囲の燃料と周囲の酸化剤と
に替えて冷却流として流れを使用する。冷媒(スチーム)は、導管とそれらの各キ
ャビティとの間の環状の領域を通った伝達部を介して炉に注入できる。スチーム
の利点は、それが小さい容積に圧縮でき、冷却用に効果的な媒体であるからであ
る。本発明の燃焼バーナーに予備加熱された燃料（好ましくは、約４００℃）と、
予備加熱された酸化剤（好ましくは、約６００℃）を使用することは、従来のバ
ーナーで燃焼する周囲の燃料と酸化剤に比較して、実感できるほどの付加的な燃
料と酸化剤の節約を可能にする。さらに、比較的高い炉の製造(生産)性と比較的
低い放射が得られる。

【００５４】いくつかの新しい態様と種々のバーナーの詳細が以下のように要約できる。１．いくつかの実施例において、金属の構成要素は、比較的高い熱効率、生産
性、および高温炉からの比較的低い放射のために予備加熱された燃料と予備加熱
された酸化剤との燃焼を可能にするための複数の包囲部を有する。２．非常に低いモーメントと、高温加熱応用用に適した高い輝度炎を生成する
ために予備加熱された燃料と予備加熱された酸化剤の注入、混合および燃焼が達
成される独特の同心的バーナー導管とノズル構造、外形および組み立てである。
同心的に予備加熱された燃料および予備加熱された酸素の導管とノズルとは、燃
料または酸化剤交換器が故障した場合に、周囲の流体を使用するのと同様に予備
加熱された流体との操作を可能にする。ノズルを先端に設けられた導管は、予備
加熱された燃料(または酸化剤)を搬送するのに使用されるのに対して、外側のキ
ャビティは、周囲の燃料(または酸化剤)を搬送するのに使用される。

【００５５】３．予備加熱された酸化剤または予備加熱された燃料の通路(passage)が、種
々のバーナー部品への熱応力を最小にするために、予備加熱されていない酸化剤
または予備加熱されていない燃料通路内に隠された独特のバーナー本体部構造で
ある。この構造は、複数の包囲部構造である。溶接は好ましくは、金属部品を有
する予備加熱された酸化剤導管とともに避けられる。部品はパイプねじ、機械ね
じ（ノズル用に）を使用して組み立てられ、また、供給導管ランスは、封止用の
高温セラミックファイバーガスケットを使用して簡単にフランジ付けされている
。これらの複数の包囲部構造はまた、あらゆる予備加熱された酸化剤、または、
内側（高温）の包囲部からの燃料漏洩を、外側の周囲の（比較的冷たい）酸化剤
、または、燃料キャビティ包囲部内に各含有するのに有用である。この漏洩阻止
または含有態様は、このバーナーを操作上安全で便利にする。

【００５６】４．さらに、複数の包囲部構造は、予備加熱されたガス搬送用導管の外面を比
較的冷たい燃料または比較的冷たい酸化剤が常に流れているので、周囲に対する
全体の熱損失を減少する。この比較的冷たい燃料または酸化剤は次に炉に注入さ
れ、それによって正味の熱損失は最小化される。５．耐熱および耐腐食性材料の使用であり、これらの金属とセラミックは、高
温酸素に連続して曝されるけれども、酸化を最小にするために注意深く選択され
てきた。６．予備加熱された酸化剤を搬送するための「同心的」バーナー導管は、好ま
しくは、高温流体供給から低温流体供給への急速な切り換えの場合に、高温で酸
化抵抗が立証され、熱サイクルに耐えることができる金属合金で構成される。

【００５７】７．新規な炎特性であって、低ＮＯｘ、予備加熱された燃料と予備加熱された
酸化剤の遅延混合、および燃料の熱クラック(thermal cracking)である。予備加
熱された燃料と予備加熱された酸化剤を一緒に燃焼するための複数包囲部バーナ
ーは、高温溶融応用において一般的に発見されていない新規な高温燃焼現象を導
入される。１つの好ましい実施例において、本発明のバーナーは、上部ハーフブロックと
下部ハーフ部ブロックとを有するいわゆるスプリット構造の耐火性バーナーブロ
ックを備えている。この実施例において、上部ハーフブロックは細長いキャビテ
ィと、その中の導管とを有していて、導管は、予備加熱された酸化剤を搬送する
のに適していて、キャビティは周囲の酸化剤を搬送するのに適している。下部ハ
ーフ部ブロックは、同様にキャビティと導管とを有していて、導管は、予備加熱
された燃料を搬送するのに適していて、キャビティは周囲の燃料を搬送するのに
適している。２つのハーフ部は、好ましくは標準的締結技術（耐火性のスライド
継ぎ手、金属性ストラップ、耐火性プラグ、および類似のもの、あるいは同様の
もののいずれかの組み合わせ）を使用して組み合わされている。この２つの部品
構成は、耐火性バーナーブロックの種々の亀裂を通った予備加熱された酸化剤お
よび予備加熱された燃料の毛細管現象タイプの漏洩によるブロック内での望まし
くない燃焼のリスクを最小にする安全なアセンブリを提供する。

【００５８】８．バックアップ用の周囲の燃料と周囲の酸化剤である。このバックアップ供
給は、酸化剤と燃料の予備加熱用の上流加熱復旧(または熱交換)システムの故障
の場合に、高温作業から低温作業への迅速な切り換え用に常にそこにある。周囲
の燃料と周囲の酸化剤用の流路は、等価の炎特性(炎の長さ、幅およびモーメン
ト)が、予備加熱された流体または周囲の流体操作によって得られるように注意
深く設計される。これは、周囲の流体および予備加熱された流体操作の両方用に
適切な流速範囲で実行することによって達成される。

【００５９】９．全体の酸化剤と周囲の燃料の予め定められた量(約５から約４０％)は、熱
応力を減少するためにバーナー部品を冷却するのに使用され、また、予備加熱さ
れた酸化剤または予備加熱された燃料包囲不足によるあらゆる漏洩の汚染用の包
囲を提供する。１０．予備加熱された酸化剤搬送用導管は、予備加熱された燃料搬送用導管に
対して予め定められた角度構造(０°から２０°)で、その耐火性バーナーブロッ
クキャビティ内に挿入される。予備加熱された酸化剤搬送用導管は、好ましくは
酸素供給パイプにねじ止めされていて、好ましくは熱膨張に抗するために、また
、角度をなしたバーナーブロックキャビティ内への容易な挿入のために可撓性の
継ぎ手を装着されている。予備加熱された酸化剤搬送用導管用のバーナーブロッ
クキャビティは、燃料搬送に適した導管軸線に関して角度(０°から２０°)を付
けることができる。

【００６０】１１．予備加熱された燃料および予備加熱された酸化剤の両方は、２つの「同
心的流れ」で注入され、比較的冷たい流体は比較的熱い流体を取り囲み、これが
設計の安全態様であり、バーナーの部品は、周囲への熱応力と熱損失を最小にす
るために外側本体部で冷却される。１２．比較的冷却されたバーナー本体部である。熱い燃料を冷たい燃料が取り
囲んでいるので、耐火性バーナーブロック本体部を比較的低い温度に維持する絶
縁層が形成される。さらに、絶縁性のさや(sheath)が、バーナーの外側部品を覆
い、操作者がそれらを取り扱うのに危険がないようにする。

【００６１】上記で説明し、図１に示されたように、予備加熱された燃料と予備加熱された
酸化剤の両方の導管およびノズルは同心的であって、燃焼バーナーは複数の包囲
部を有している。予備加熱された流体(燃料および酸化剤)の導管は、周囲の流体
に取り囲まれ隠される。全ての予備加熱された流体用金属部品は、ねじ止めされ
るかフランジ止めされる。溶接は金属部品には好ましくは回避される。周囲の流
体(燃料および酸化剤)は、バーナーマニホールドと同様に、耐火物内面と、また
、予備加熱された流体を搬送するに適した導管およびそのノズルの外面とを冷却
するために使用される。このようにして、バーナー全体は、外部絶縁なしで、好
ましくは３００から４００°Ｆよりも高くない温度に維持される。外部絶縁を使
用することによって、耐火ブロックの外側本体部温度は、ほぼ１５０から２００
°Ｆに維持できる。

【００６２】同心的ノズル出口における燃料と酸化剤用の種々の特に好ましい設計速度は、
表２に示されている。短いもじゃもじゃした(bushy)のから長いだらだらした(la
zy)炎のように、低い範囲と高い範囲が、種々の炎特性を満足するために与えら
れる。予備加熱された燃料および予備加熱された酸化剤の速度は、外側にわずか
なテーパを有する標準的な真っ直ぐの内径ノズルを使用することによって達成さ
れる（図１参照）。ノズルは好ましくは、粗く機械加工されたねじを有している
ので、極めて容易に着脱できる。周囲の燃料と周囲の酸化剤の量（全燃料の一部
分として）は、本発明のバーナーが、好ましくは同一ノズルで「冷間状態」（予
備加熱されていない流体）において操作するように選択される。予備加熱された
流体搬送用導管の外側と、バーナーブロックの内部キャビティ直径との間の環状
の断面領域は、周囲の流体の流速を決定する。

【００６３】

【表２】

【００６４】予備加熱された酸化剤速度は好ましくは、ノズル材料の早期酸化を回避するた
めに、ノズルの出口で４００フィート／秒を越えない。しかしながら、この高い
特質(nature)の予備加熱された酸化剤速度を達成するために構成されたバーナー
は、その速度が特質において一時的かまたはサイクリックである限りにおいて、
本発明の範囲内である。予備加熱された酸化剤搬送用導管は好ましくは、ニッケ
ル−クロム−鉄合金であって、内部流の速度は好ましくは、導管材料の高温酸化
を減少するために、１００フィート／秒以下に維持される。周囲の酸化剤速度は
、予備加熱された酸化剤搬送用導管とそのキャビティとの間の環状の領域におい
て最大１５０フィート／秒に制限され、ノズルでの最大速度は約７５０フィート
／秒である。「標準的」予備加熱操作および「バックアップ」冷間操作用の周囲
の流体と予備加熱された流体との両方の所望の容積特性は、同様に表２に列挙さ
れている。

【００６５】図１に示されたように、「同心的に」予備加熱されたおよび周囲の燃料のノズ
ルは、好ましくは実質的に水平に挿入されるのに対して、「同心的に」予備加熱
されたおよび周囲の酸素のノズルは、好ましくは、予備加熱された燃料導管の軸
線に対してＡ＝±２０°の角度をなして挿入される。好ましい角度は、水平の軸
線に対して下方へ約１０°である。同心的酸化剤ノズル（Ｌ_ｏ）と同心的燃料ノ
ズル（Ｌ_ｆ）のバーナーブロック加熱面からの軸線的離間は、好ましくは約２イ
ンチから約８インチの範囲である。この距離は、バーナーブロック全体の長さと
炉の壁厚に基づいている。

【００６６】図２は、第２の実施例を示していて、化学量論的燃焼用に必要な酸素の約５％
から約２０％が、燃料バーナーブロックキャビティの外側および内側で周囲の燃
料搬送用導管の周りの環状の通路において、周囲温度で入り得る。周囲の酸化剤
は、バーナーブロックの内部を清浄に冷たく維持し、同時に、バーナーブロック
キャビティ内の部分的燃焼によって、予備加熱された燃料と周囲の燃料（すす粒
子内に）の少なくとも一部分でのクラックのための十分な酸素を提供する。種々
の流体の速度範囲は、第１の実施例と同一に維持される。炉内における予備加熱
された酸化剤との富すすの予備加熱された燃料の燃焼は、非常に輝いた低ＮＯｘ
放射炎を作り出す。

【００６７】図３に示された第３の実施例において、周囲の酸化剤の大部分は、バーナーブ
ロックの特別の通路を介して、予備加熱された燃料ノズル出口に向かって向けら
れる。周囲の酸化剤流のわずかな部分は、周囲の燃料と予備加熱された燃料との
噴射の放出作用によって効果的に引っ張られる。バーナーキャビティの予備加熱
された燃料噴射の周りの低圧領域は、全体の酸化剤（予備加熱されたのと周囲の
ものの混合物）の約５から約２０％を特別の通路で下方へ引き出すのに十分であ
り、それは予備加熱された燃料噴射に向かって向けられる。ここで、燃料と酸化
剤が混合し、すす粒子と高含有(higher)の炭化水素を生成する。炉内における高
含有の炭化水素と予備加熱された酸化剤との燃焼は、非常に輝いた、また低い放
射炎を作り出す。

【００６８】図４は第４の実施例を示していて、周囲の流体(燃料と酸化剤との両方)用の個
々の矩形のスロットを有し、また、予備加熱された燃料および酸素の搬送用の複
数の導管を有している。バーナーの後部は、周囲の燃料および周囲の酸化剤供給
用の別個のマニホールドを有している。好ましくは矩形形状のこのマニホールド
に、予備加熱された燃料搬送用のいくつかの導管が挿入され、バーナーの後部に
標準的フランジ結合を使用して取着される。この実施例は第１の実施例と類似し
ているが、予備加熱された燃料搬送用の複数の導管が、周囲の燃料搬送用の矩形
のマニホールドに配置(並置して)されていることが異なる。

【００６９】矩形のスロット(幅と高さ)は、好ましくは、表２に示されたのと同一の周囲の
流体速度範囲を与えるために寸法が定められている。予備加熱された流体搬送用
の複数の導管は、速度と容量特性用に表２の明細にしたがって寸法が定められる
。全ての導管が同一の流量割合と速度とを生成することが望ましいが、これは、
必ずしも必要ではない。この試みは、大容量の燃焼(３０ＭＭＢｔｕ／時間と
同じほどの高さ)を可能にし、酸化剤の予備加熱温度は７００℃と同じほどの高
さであり、燃料の予備加熱温度は４００℃と同じほどの高さである。

【００７０】第５の実施例は、周囲の燃料と周囲の酸素の替わりに冷却媒体として「ドライ
スチーム(dry steam)」を採用する。スチームは、バーナーの外部包囲部を清浄
に冷たく維持し、また同時に、バーナーブロックへのあらゆる熱応力を阻止する
。スチームはつぎに炉内に注入される。この特定の実施例は、周囲の燃料と周囲
の酸素とをスチームで置き換えることによって全ての実施例に適用できる。

【００７１】本発明の他の態様は、本発明のバーナーに燃料オイルを使用することを含んで
いる。ディーゼル、＃４、＃６、バンカー(bunker)タイプのような液体燃料が使
用できる。比較的重い燃料オイル(バンカーＣのような)は、一般的に約２００℃
まで予備加熱され、噴霧装置を使用して予備加熱された燃料ポート内に挿入され
るが、これは米国特許第５，に開示されていて、参照してここで
取り込む。

【００７２】いくつかの実施例におけるスプリットバーナーブロックの使用は、いくらかの
周囲の酸化剤が燃料システム内に排出されるようにする。これは一般的に、一体
構造のバーナーブロックの使用では達成可能ではない。１つの解決方法は、２つ
の個別のブロックの使用であり、一方が酸化剤用であり他方が燃料用であり、そ
れらを接続する冷たい酸化剤チャンネルが適切に機械加工(machine)されていて
、封止された方法で互いにアセンブルするための補足的な形状を有している。

【００７３】図５と５Ａに示された例は、「摺動レール」設計を示していて、一体に係合す
るのが容易であって、良好な封止を達成する。

【００７４】本発明のバーナーの更なる技術的解決は、バーナーを２つの機能部品を有する
ものとして予見することであって、第１に、加熱面を有する部品(炉の放熱に曝
される)は、熱絶縁の役割に役立つ。ここでの狙いは、炉の熱損失と、操作者に
接近可能な部品の加熱を阻止することである。したがって、加熱面は好ましくは
、図１に示されたようにモールドされ、および／または、機械加工された耐火性
混合物を備えている。耐火性バーナーブロック用に適した材料は、溶融された(f
used)ジルコニア、溶融された鋳造(cast)ＡＺＳ(アルミナ−ジルコニア−シリカ
)、再結合(rebounded)ＡＺＳ、または溶融された鋳造アルミナを含んでいる。特
定の材料の選択は、なかんずく、バーナーが使用されるべき炉のタイプまたは加
熱システムのタイプによって指定される。第２に、冷たい面を有するバーナーの
部分は炉の操作者がバーナーを挿入し取り外す側である。この部分において本来
の機能は機械的である。これは、燃料と酸化剤金属導管を支持し収容しなければ
ならない。機械的機能は好ましくは、金属の本体部を採用することによって成し
遂げられ、セラミックブロックが構築できない複雑な形状内に構築されることを
可能にする利点を有している。このように、周囲の酸化剤キャビティから周囲の
燃料キャビティに放出された周囲の酸化剤の搬送用導管は、この金属本体部の構
成要素と一体にできる。

【００７５】熱絶縁性を増加するために、金属導管間の空間は、グラスファイバーのような
ある繊維性の絶縁材でふさがれる。それらで作られたライニングは、バーナーの
耐火セラミック部品の後方と、金属本体部品をバーナーの耐火部品に結合する金
属フランジとの間に挿入できる。金属部品と耐火セラミックブロック部品との間
の結合は、好ましくは、ブロックの内側の金属とセラミックとの間の緊密な接触
と、耐火セラミックブロックの後部での適切な圧縮ガスケットによって封止され
る。炉内に流れる流体によって生ずる飛沫同伴(entrainment)は、中空のバーナ
ーブロック内部での酸化剤または燃料のいかなる蓄積も阻止する。

【００７６】浸炭(carburization)抵抗スリーブが、好ましくは、予備加熱された燃料搬送
用導管の燃料ノズルの近傍の部分に使用される。予備加熱された燃料が金属スリ
ーブのより多い浸炭を生ずるので、黒鉛、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、アル
ミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、および類似のもの、あるいはこれらの材料の組み合わせか
らなるグループから選択された材料を使用するのが好ましい。浸炭抵抗材料は、
周囲の酸化剤導管と周囲の燃料導管とを連結する導管を通った周囲の酸化剤の打
撃があるので、相当な酸化抵抗もまた好ましくは有している。

【００７７】渦巻き運動は、周囲の酸化剤流に生成されるであろう。周囲の酸化剤キャビテ
ィと周囲の燃料キャビティとの間に金属の相互連結通路を使用することは、酸化
剤キャビティと燃料キャビティとの間の金属チャンネル用の複雑な形状を使用す
るための可撓性を提供する。１つの好ましい実施例において、周囲の酸化剤は、
図７Ａに示されたように(図５と５Ａに示された径方向放出と対照的に)接線的軸
線方向へ予備加熱された燃料流の周りに放出される。この接線的軸線酸化剤注入
は、渦巻き酸素流を生成し、炎にとっていくつかの方法で有効である。外側の酸
化剤環状部での渦巻きは、比較的長い滞在時間によって付加的なすすを生成し、
また、燃料と残りの酸化剤との混合を遅延しそれによって燃焼を遅延し、また、
比較的遅い燃焼はつぎに炎構造内部での比較的低いピーク炎温度と増加した炎長
さをもたらす。ところで、排出ガスの炎内への再循環は、ＮＯｘ放射レベルを減
少でき、多分より輝いた炎輝度を引き起こす。

【００７８】同心的ノズル設計によるプロセス利点予備加熱された燃料と予備加熱された酸化剤導管およびノズルの両方用の同心
的ノズル設計は、燃焼プロセスと熱移動とが考慮される限りにおいて明らかな利
点を有している。これは図８に示されている。図８に示されたように、中央における予備加熱された流体(燃料または酸化剤)
と、外側に周囲の燃料を有する同心的噴射は、耐火性バーナーブロック内への予
備加熱された流体のいかなる拡散も阻止する。耐火性バーナーブロックの内面は
、熱サイクルのために多孔性の面と亀裂を有している。同心的構造を有すること
によって、予備加熱された流体は金属包囲部内に十分に包含され、比較的冷たい
流体は、耐火性包囲部（バーナーブロック内で）内に包含される。図示されたよ
うに、周囲の流体は、強性的対流によって予備加熱された流体導管とバーナーブ
ロックとを冷却する。

【００７９】図８はまた、両方の速度プロフィル（予備加熱された流体と周囲の流体との）
を組み合わせることによって、同心的導管構造を有する炉において、より幅広い
衝撃領域が得られることを示している。これは、燃焼が関連する限りにおいて積
極的な意味合いを有する。幅広い全体的な噴射は、炎展開用のより多い表面領域
とより幅広い熱放散とを可能にし、より低いピーク炎温度とより均一な熱分配を
もたらす。同心的導管構造の他の利点は、予備加熱された流体導管材料の機能的冷却と、
それによる材料の比較的低い操作温度である。これは、燃焼バーナーの比較的低
い酸化／腐食割合および比較的長い寿命の結果となる。

【００８０】予備加熱された燃料と予備加熱された酸化剤とは、加熱炉雰囲気内での酸素燃
料燃焼を生成するための「同心的」バーナーノズルを通って注入される。酸化剤
と燃料とは、熱交換器を介して高温（４００°から１８００°Ｆまで）で予備加
熱され、多包囲部自己冷却バーナー本体部、自己冷却バーナーノズルを通って、
そして最後に特別の耐火性バーナーブロック内に搬送される。１つの実施例にお
いて、予備加熱された酸化剤と予備加熱された燃料の両方は、加熱炉に注入され
るのに先立って、比較的高い炭化水素族とすす粒子を生成するためのガス状の燃
料の熱亀裂を促進するために、耐火ブロックキャビティ内で部分的に反応する。
予備加熱された燃料と予備加熱された酸化剤との炉雰囲気内での引き続くすすが
多い燃焼は、非常に輝いた低い放射炎を生成する。バーナーノズルの構造は、そ
れが、燃料の熱亀裂、遅延した混合、高められた炎放射、およびＮＯｘとプロセ
ス粒子の比較的低い放射を促進するような構造である。「同心的」酸化剤ノズル
と燃料ノズル用に好ましい材料は、ニッケル−クロム−鉄合金、またはセラミッ
クコーティングされた温度抵抗ステンレススチールである。バーナーは、加熱酸
化剤および燃料供給から、周囲の酸化剤および燃料供給に非常に容易に切り換え
ることができる。本発明について述べてきたが、多くの変更および修正が、本発明の精神と目的
から逸脱することなく上述した実施例になされることは、当業者にとって容易に
明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のバーナーの１つの実施例の側部立面図。

【図２】本発明による第２のバーナーの実施例の側部立面図。

【図３】本発明による第３のバーナーの実施例の側部立面図。

【図４】本発明による第４のバーナーの実施例の側部立面図。

【図４Ａ】図４の第４の実施例の前部立面図。

【図５】本発明による図４の第４の実施例の有用な好ましい耐火性バーナーブロックの
側部立面図。

【図５Ａ】図５の耐火性バーナーブロックの前部立面図。

【図６】本発明の第５のバーナーの実施例に有用な耐火性バーナーブロックの側部立面
図。

【図６Ａ】図６の耐火性バーナーブロックの前部立面図。

【図７】本発明の第６のバーナーの実施例に有用な耐火性バーナーブロックの側部立面
図。

【図７Ａ】図７に示された耐火性バーナーブロックの前部立面図。

【図８】種々の実施例に使用される同心的ノズル構造の利点を示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者フォッサン、アルノーフランス国、エフ−57420 ベルニー、リュ・プレニエール 33 (72)発明者ボーダーズ、ハーレー・エーアメリカ合衆国、イリノイ州 60148 ロムバード、イー・テイラー・ロード 244 (72)発明者ツィアーバ、ルミー・ペーフランス国、エフ−91350 グリグニー、リュ・デ・ラック１ (72)発明者シャロン、オリビエアメリカ合衆国、イリノイ州 60611 シカゴ、イースト・オンタリオ 401 Ｆターム(参考） 3K017 CA07 CB02 CB04 CB06 CB11 CD02 CD03 CG01 DC01 DC02 DC03 3K019 BA04 BB01 BB03 BD03 3K056 AA06 AB08 AB09 AC01 AD01 BA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バーナー装置であって：ａ）出口端部と入り口端部とを有する予備加熱された酸化剤搬送用導管を備え
；ｂ）出口端部と入り口端部とを有する予備加熱された燃料搬送用導管を備え、
この予備加熱された燃料搬送用導管は、予備加熱された酸化剤搬送用導管と実質
的に並行であって、予備加熱された酸化剤搬送用導管は、予備加熱された燃料搬
送用導管の上方に実質的に縦に設けられていて；ｃ）予備加熱された酸化剤搬送用導管と予備加熱された燃料搬送用導管は、耐
火性バーナーブロック内においてそれら自身の各細長いキャビティ内にそれぞれ
設けられていて、前記各導管は、前記各導管の外面とそれらの各キャビティとの
間に実質的に環状の領域が存在するようにそれらの各キャビティに設けられてい
て；ｄ）導管の各入り口端部は、周囲温度の流体を受容するためのプレナムを通っ
て延びていて、プレナムは、前記周囲温度の流体を各環状の領域内へ通過するの
に適しているバーナー装置。
【請求項２】各キャビティの出口端部は、耐火性バーナーブロックの加熱
面と相接している請求項１記載のバーナー装置。
【請求項３】予備加熱された酸化剤搬送用の複数の導管が耐火性バーナー
ブロックの各キャビティに設けられ、予備加熱された燃料搬送用の複数の導管が
耐火性バーナーブロックの各キャビティに設けられている請求項１記載のバーナ
ー装置。
【請求項４】予備加熱された酸化剤搬送用導管の出口端部は、予備加熱さ
れた酸化剤ノズルアセンブリの出口に接続されていて、この予備加熱された酸化
剤ノズルアセンブリは、拡張継ぎ手部を備えていて、この拡張継ぎ手部は、拡張
継ぎ手部の下流において予備加熱された酸化剤ノズルアセンブリの入り口を予備
加熱された酸化剤ノズルに接続し、予備加熱された酸化剤ノズルは、予備加熱さ
れた酸化剤ノズル出口と軸線とを有する請求項１記載のバーナー装置。
【請求項５】予備加熱された酸化剤ノズル出口は、予備加熱された酸化剤
搬送用導管が設けられたキャビティの出口端部から入り込んでいる請求項４記載
のバーナー装置。
【請求項６】予備加熱された燃料搬送用導管の出口端部は、予備加熱され
た燃料ノズルの入り口に接続されていて、予備加熱された燃料ノズルは、予備加
熱された燃料ノズル出口と軸線とを有する請求項４記載のバーナー装置。
【請求項７】予備加熱された酸化剤ノズルの軸線は、予備加熱された燃料
ノズルの軸線に向かって角度をなしている請求項６記載のバーナー装置。
【請求項８】予備加熱された燃料ノズル出口は、予備加熱された燃料搬送
用導管が設けられたキャビティの出口端部から入り込んでいる請求項７記載のバ
ーナー装置。
【請求項９】予備加熱された燃料搬送用導管が設けられたキャビティ、ま
たは、予備加熱された酸化剤搬送用導管が設けられたキャビティは、拡張セクシ
ョンを備えていて、拡張セクションは、拡張セクションの上流に設けられた第１
の周囲の流体キャビティと、拡張セクションの下流に設けられ第１の周囲の流体
キャビティの内径よりも大きい内径を有する第２の周囲の流体キャビティとを接
続し、拡張セクションは入り口と出口とを有し、拡張セクションの入り口は拡張
セクションの出口よりも小さい直径を有する請求項１記載のバーナー装置。
【請求項１０】予備加熱された燃料搬送用導管はノズルで終結していて、
ノズルは、その各流体キャビティの拡張セクションへの入り口に相接しているノ
ズル出口を有する請求項９記載のバーナー装置。
【請求項１１】予備加熱された燃料搬送用の導管は、中間導管を通ってそ
の中に延びていて、中間導管は、予備加熱された燃料搬送用導管とその各キャビ
ティとの間に設けられていて、中間導管は、出口端部と入り口端部とを有し、中
間導管の入り口端部は周囲の燃料受容用のプレナムの１つに接続されていて、中
間導管と前記キャビティとは、周囲の酸化剤を導入するための環状の領域を生成
し、中間導管と予備加熱された燃料搬送用導管とは、周囲の燃料搬送用の環状の
領域を生成する請求項１記載のバーナー装置。
【請求項１２】予備加熱された酸化剤搬送用導管が設けられたキャビティ
と、予備加熱された燃料搬送用導管が設けられたキャビティとを接続する流体接
続部をさらに備えた請求項１記載のバーナー装置。
【請求項１３】前記流体接続部は、流体接続部入り口と流体接続部出口と
を有し、流体接続部入り口は、予備加熱された燃料搬送用導管が設けられたキャ
ビティに接続された流体接続部出口の点の上流の位置で、予備加熱された酸化剤
搬送用導管が設けられたキャビティと接続されている請求項１２記載のバーナー
装置。
【請求項１４】耐火性バーナーブロックは、上方の耐火性バーナーブロッ
クと下方の耐火性バーナーブロックとを備えていて、上方の耐火性バーナーブロ
ックと下方の耐火性バーナーブロックとは、予備加熱された燃料搬送用導管の軸
線とほぼ平行な面で接触していて、下方の耐火性バーナーブロックは、その中に
予備加熱された燃料搬送用導管が設けられたキャビティが設けられていて、上方
の耐火性バーナーブロックは、その中に予備加熱された酸化剤搬送用導管が設け
られたキャビティが設けられている請求項１３記載のバーナー装置。
【請求項１５】バーナー装置であって：ａ）加熱面と冷却面とを有する耐火性バーナーブロックを備え、耐火性バーナ
ーブロックは、耐火性バーナーブロック内において、冷却面から、冷却面と加熱
面との中間位置に延びた中空の容積部を有し、中間位置はバーナーブロックの実
質的に固い部分の壁によって規定され、実質的に固い部分は壁から加熱面に延び
た周囲の酸化剤搬送用キャビティを有し、キャビティは冷却面から加熱面への予
備加熱された燃料搬送用導管を受容するのに適していて、キャビティは前記壁か
ら前記加熱面へ延びた導管を受容するのに適していて；ｂ）バーナーは金属の流体流アセンブリをさらに備えていて、流体流アセンブ
リは、第１の金属導管を備えていて、第１の金属導管は、第１の金属導管の内面
と予備加熱された酸化剤搬送用導管の外面とによって規定された第１の環状部を
通して周囲の酸化剤を搬送するのに適していて、流体流アセンブリは、第２の金
属導管をさらに備えていて、第２の金属導管は、第２の金属導管の内面と予備加
熱された燃料搬送用導管の外面とによって規定された第２の環状部を通して周囲
の燃料を搬送するのに適していて、流体流アセンブリは、第１の金属導管と第２
の金属導管とを接続する接続用金属導管を有し、接続用金属導管は、周囲の酸化
剤を第１の環状部から第２の環状部内に搬送するのに適しているバーナー装置。
【請求項１６】予備加熱された酸化剤搬送用の導管と、予備加熱された燃
料搬送用の導管とは両方とも金属であって、両方とも金属の流体流アセンブリか
ら取り外し可能である請求項１５記載のバーナー装置。
【請求項１７】バーナー装置であって：ａ）出口端部と入り口端部とを有する予備加熱された酸化剤搬送用導管を備え
；ｂ）出口端部と入り口端部とを有する予備加熱された燃料搬送用導管を備え、
この予備加熱された燃料搬送用導管は、予備加熱された酸化剤搬送用導管と実質
的に並行に設けられていて、予備加熱された酸化剤搬送用導管は、上方の耐火性
バーナーブロック内において、下方の耐火性バーナーブロック内に設けられた予
備加熱された燃料搬送用導管の上方に実質的に縦に設けられていて；ｃ）予備加熱された酸化剤搬送用導管は、上方の耐火性バーナーブロック内に
おいてそれ自身の細長いキャビティ内に設けられていて、予備加熱された燃料搬
送用導管は、下方の耐火性バーナーブロック内においてそれ自身の細長いキャビ
ティ内に設けられていて、前記各導管は、前記各導管の外面とそれらの各キャビ
ティとの間に実質的に環状の領域が存在するようにそれらの各キャビティに設け
られていて；ｄ）各導管の入り口端部は、周囲温度の流体を受容するための各プレナムを通
って延びていて、プレナムは、前記周囲温度の流体を各環状の領域内へ通過する
のに適していて；ｅ）予備加熱された燃料搬送用の導管は、耐熱性ブロックのほぼ全長にわたっ
て耐火性バーナーブロックの下方のセクション内に機械加工された拡張点まで延
びていて、また、周囲の酸化剤の少なくとも一部分がそこを通って流れるための
通路が設けられていて、通路は、周囲の酸化剤が周囲の燃料キャビティ内で渦巻
くために周囲の酸化剤に実質的に接線的軸線モーメントを与え、周囲の燃料と予
備加熱された燃料の遅延した燃焼をするようにする装置を有するバーナー装置。
【請求項１８】予備加熱された酸化剤搬送用導管は（重量）、Ｎｉ＞７２
％、Ｃｒ１４〜１７％、Ｆｅ６〜１０％、Ｃ＜０．１５％、Ｓｉ＜０．５％およ
びＣｕ＜０．５％を備えている請求項１記載のバーナー装置。
【請求項１９】予備加熱された酸化剤搬送用導管は、インコネル６００、
インコロイ８００、ＰＭ２０００、および３１０ステンレススチールからなるグ
ループから選択された合金を備えている請求項１記載のバーナー装置。
【請求項２０】合金は、セラミック保護層またはセラミックコーティング
を有していて、セラミックは、クロミア、アルミナ、およびシリカからなるグル
ープから選択される請求項１９記載のバーナー装置。
【請求項２１】合金は、拡散されているかまたは噴霧コーティングされて
いる請求項１９記載のバーナー装置。
【請求項２２】拡散コーティングは、代表的には約０．５と５％との間の
富Ｓｉ表面と、代表的には約２０と約３５％との間の富Ａｌ表面とをもたらす請
求項２１記載のバーナー装置。