JP2004508527A

JP2004508527A - 高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ

Info

Publication number: JP2004508527A
Application number: JP2002525421A
Authority: JP
Inventors: ベニゼロス，デメトリス　ティー．; バッスマン，ウェズリー　ライアン; ヘイズ，ラルフ　ロバート; チェンバース，ジェシー　エス．; ポー，ロジャー　エル．
Original assignee: ジョン　ジンク　カンパニー，リミティド　ライアビリティ　カンパニー
Priority date: 2000-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2004-03-18
Also published as: US20020076668A1; CA2388067A1; US6796790B2; BR0107125A; EP1315935A1; AU2001288877A1; AR030632A1; WO2002021044A1; MXPA02004549A

Abstract

希薄燃料可燃混合気を提供する段階と、主要ノズルを径方向において本質的に囲繞する円形パターンにて燃焼帯内へと且つ概略的に輻射表面上を横断して行く様に、該主要ノズルから上記混合気を外方に流す段階と、離脱円形火炎が生成されるべく上記混合気の火炎伝播速度を超える初期速度にて上記主要ノズルから上記混合気を外方に流す段階と、上記混合気供給システムおよび該二次燃料ノズル・システムにより上記燃焼帯に対して提供される燃料全体の相当の部分を構成する二次燃料を、上記輻射表面からは逆側となる上記燃焼帯の側にて加熱炉内の所定位置に提供する段階と、を備えて成る、燃焼帯の近傍の輻射表面を加熱すべく輻射式ウォールバーナを作動させる方法が提供される。

Description

【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は工業用バーナの分野に関し、特に、多くの場合にはバーナ・タイルから成る加熱炉壁部の周囲部分を加熱すべく作用する輻射式ウォールバーナであって、加熱された周囲部分は輻射により熱を加熱炉内に分配するという輻射式ウォールバーナに関する。更に詳細に本発明は、輻射式バーナの効率および容量ならびにＮＯｘ減少機能を強化する方法および装置に関する。
【０００２】
先行技術の状況
輻射式バーナにおけるＮＯｘの減少および／または削減は、常に望まれる目標である。工業分野においては更に、ＮＯｘ発生に不都合に影響すること無く個々の輻射式バーナの熱生成容量を増大することは望ましい目標であった。流体燃料により空気の流れを誘起して生成された一次予備混合気を使用する輻射式バーナは公知であるが、これまでのバーナは燃料全体の約８０％未満を含む予備混合気（ｆｕｅｌ−ａｉｒ　ｐｒｅｍｉｘ）を生成することができなかった。斯かる予備混合気は高温で燃焼し、ＮＯｘおよび他の汚染物質の過剰生成に帰着する。更に、火炎内に排煙（ｆｌｕｅ　ｇａｓ）を搬送するなどの他の目的に利用され得る二次燃料の量は非常に限定されて来た、と言うのも、一次予備混合気は燃焼に必要な燃料の大部分を含むからである。故に工業分野においては、一次予備混合気の燃料が更に希薄であることにより初期燃焼の間には大量の空気が利用可能とされて燃焼温度を下げると共に、火炎から離間した加熱炉空間内を循環すべく大量の二次燃料が利用可能とされて、大量の排煙と予備混合して更に燃焼温度を下げる如く輻射式バーナ用途に対してバーナの効率を改善する手段が必要とされて来た。工業分野においてはまた、更に大きな熱生成容量を有する輻射式バーナも必要とされて来た。
【０００３】
発明の概要
本発明は、一次予備混合気（ｐｒｉｍａｒｙ　ｆｕｅｌ−ａｉｒ　ｐｒｅｍｉｘ）が相当に高い空気含有量と、これに対応して、当業者によりこれまで可能と考えられたよりも相当に低い燃料含有量とを有する高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナを提供することにより、上述の問題を軽減して輻射式バーナの設置を増進する。本発明の上記バーナはまた、これまで公知のバーナよりも大量の熱を生成し得る。本発明の概念および原理に依れば、離間された取入端部および吐出端部を有する長寸バーナ管路を備えたバーナ管構造を含む高容量輻射式バーナが提供される。上記管路は、燃焼されるべき流体燃料全体の一部と酸素とを備える希薄燃料混合気を該管路に沿って上記取入端部から上記吐出端部まで導向し得るべく配置される。上記管路の上記吐出端部には主要バーナ・ノズルが配備され、斯かるバーナ・ノズルは、中央軸心と、該ノズル内で中央に配置されたチャンバの回りに延在する壁部と、該管路の上記吐出端部から離間された下流端部とを有する。上記主要バーナ・ノズルは、上記チャンバ内において上記管路から上記希薄燃料混合気を受けるべく、且つ、それほどの再循環無しで最小限の圧力低下にて上記壁部における複数の開孔を介して燃焼帯内へと上記軸心を横切る方向において上記混合気の火炎伝播速度より大きな速度にて該混合気を方向変換し得るべく配置される。上記各開孔は上記壁部の回りに分布されることから該各開孔を介して上記燃焼帯内へと導向された上記混合気は略々円形平坦パターンの形態であり、該円形平坦パターンは上記ノズルから離脱され、上記壁部を囲繞し且つ外方に向けてバーナ・タイルの輻射表面上を横断して行く。上記希薄燃料混合気は理想的には、上記加熱炉に送給される燃料全体を燃焼するに必要な酸素の全てを含む。
【０００４】
本発明のバーナはまた、上記ノズルの上記軸心に略々平行な方向に延在する長寸燃料管も含む。上記燃料管は下流端部を有し、且つ、上記燃料管の該下流端部上には少なくとも一個の二次燃料ポートを含む二次燃料ノズルが位置される。二次燃料ポートの各々は、加熱炉内において上記輻射表面からは逆側となる上記円形平坦パターンの側であり且つ上記燃焼帯から十分に離間された箇所へと二次燃料を送給して該二次燃料が上記燃焼帯に進入する以前に該二次燃料が排煙と相互混合するのを許容すべく位置決め且つ配置される。
【０００５】
本発明に依れば、上記長寸燃料管は上記主要燃料ノズルの外部に配置され得ると共に、上記二次燃料ポートの各々は、二次燃料の少なくとも一部が上記パターンを貫通して上述の適切な位置に到達する如く該二次燃料を所定速度にて且つ所定方向に送給すべく位置決めして配置され得る。代替的に上記長寸燃料管は、上記主要燃料ノズルを貫通延伸してその下流端部を貫通して突出することで、上記輻射表面からは逆側となる上記燃料空気パターンの側の箇所へと二次燃料を直接的に送給し得る。
【０００６】
好適には上記バーナ管構造は、空気の流れを誘起することで希薄燃料混合気を生成する気体状燃料の流れを使用するベンチュリ管を備える。理想的には、上記混合気は気体状燃料と空気との混合気から成り得る。
【０００７】
本発明の別の形態において、上記バーナ管構造は平行流のために配置された複数のベンチュリ管から成り得ると共に、該ベンチュリの各々は上記混合気を燃料と空気の超希薄燃料混合気として生成するために空気の流れを誘起すべく上記気体状燃料の流れを使用し得る様に配置される。
【０００８】
更に詳細な意味において本発明の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナは、燃焼帯の近傍にて加熱炉の壁部内に挿入された耐火性バーナ・タイルの中央通路に設置され得る長寸ノズル機構を含み得る。上記タイルは好適には、上記通路を囲繞する輻射表面であって上記燃焼帯の近傍に配置された輻射表面を有する。上記ノズル機構は長寸バーナ管を含み得るが、該長寸バーナ管は、上記通路を貫通延伸すべく形状化された長寸下流部分と、長寸上流部分とを含み、斯かる各部分は中央に配設されて長手方向に延在する軸心を夫々有する。上記ノズル機構はまた、上記バーナ管内へ導入される希薄燃料可燃混合気の供給源を提供する混合気供給システムであって、上記バーナ管の上記上流部分の上流端部は該燃料供給システムと流体連通して接続されて希薄燃料可燃混合気を受け、上記管は該管に沿って上記上流端部から上記バーナ管の上記下流部分の下流端部まで上記希薄燃料可燃混合気の流れに対する管路を提供する、混合気供給システムも含み得る。
【０００９】
本発明の上記ノズル機構は更に、上記輻射表面の近傍において上記バーナ管の上記下流部分の上記下流端部に位置された主要ノズルであって、該主要ノズルは上記バーナ管に沿って流れる希薄燃料可燃混合気を受けるべく上記バーナ管の上記下流部分の上記下流端部と流体連通する内部チャンバを有する主要ノズルを含み得る。該主要ノズルはそれほどの再循環無しで上記混合気を上記チャンバ内へと方向変換すると共に上記バーナ管の上記下流部分の上記軸心に対して外径方向に且つ概略的に上記輻射表面上を横断して行く様に流すべく配置かつ形状化される。該主要ノズルは上記チャンバの回りに延在する壁部と該壁部内で径方向に延在する一連の開口とを含む。該開口は上記可燃混合気が燃焼するときに離脱円形火炎が生成されるべく該混合気の火炎伝播速度を超える初期速度にて且つ上記ノズルを本質的に径方向に囲繞する円形パターンにて径方向に上記可燃混合気を分配すべく配置かつ形状化される。最後に、上記バーナ機構は好適には、上記バーナ管の上記下流部分の長手方向に延在する長寸燃料管であって上記輻射表面からは逆側となる上記燃焼帯の側である上記加熱炉内の位置へと二次燃料の流れを導向すべく配設かつ配置された少なくとも一個の燃料気体ポートを有する長寸燃料管を含む二次燃料ノズル・システムを含み得る。上記二次燃料は上記混合気供給システムおよび該二次燃料ノズル・システムにより上記燃焼帯に対して提供される燃料全体の相当の部分を構成する。
【００１０】
本発明の非常に好適な形態に依れば上記燃料空気供給システムは噴射器を備え得るものであり、該噴射器は、加圧流体燃料の供給源に接続可能な燃料取入口と、上記取入口と流体連通して接続されると共に空気源と流体連通されたスペースを介して流体燃料を噴射すべく位置された流体燃料スパッドと、上記バーナ管の上記上流部分の上記上流端部に取付けられた略鐘状継手とを含む。該鐘状継手は、噴射された流体燃料とそれに沿って搬送された空気とを受けてそれらを上記バーナ管の上記上流端部内に導向すべく位置された口部を有する。
【００１１】
本発明の一形態において、上記バーナ管の各部分の軸心は重畳され得ることにより上記バーナ管は本質的に直線状である。故に、上記主要ノズル、上記バーナ管および上記噴射器は、重畳された上記軸心に沿って本質的に整列される。本発明の代替的形態において、上記上流部分の軸心は上記下流部分の軸心に対して所定角度にて配設され得ることから、上記主要ノズルと上記バーナ管の上記下流部分とは該下流部分の上記軸心に沿って本質的に整列して配設され、且つ、上記噴射器と上記バーナ管の上記上流部分とは該上流部分の軸心に沿って本質的に整列して配設される。
【００１２】
本発明の一形態において、上記長寸燃料管は上記主要ノズルの外側に配置され得る。好適には本発明のこの形態において、上記二次燃料ノズル・システムは上記主要ノズルの外側に配置された複数本の長寸燃料管を含み得る。好適には上記各二次燃料管のポートは、二次燃料の少なくとも一部を燃焼無しで混合気パターンを貫通させて上記加熱炉内の上記所望位置に到達させるべく形状化して位置決めされる。
【００１３】
本発明の別の形態において、上記主要ノズルは当該端部キャップ自身内に孔を有する端部キャップを含み得ると共に、上記燃料管は上記チャンバを貫通延伸すると共にその下流部分は上記孔を貫通して突出する。上記燃料管の上記下流部分内のポートは、上記加熱炉内の上記所望箇所に位置される。好適には、上記燃料管の上記下流部分には複数個の上記ポートが配備され得ると共に、上記加熱炉内の上記箇所は上記燃料管の上記下流部分を囲繞し得る。
【００１４】
本発明の概念および原理に依れば、上記輻射表面は本質的に平坦またはカップ状のいずれかとされ得る。好適には、上記端部キャップは上記チャンバに対して凸状とされ得る。
【００１５】
本発明の別の形態において、上記二次燃料ノズルが上記主要ノズルを貫通延伸すると共に一次混合気を予備混合すべく放出器（ｅｄｕｃｔｏｒ）が使用される場合、上記二次燃料システムは好適には上記放出器をバイパスすべく配置され得る。これは、上記バーナ管の上流部分および下流部分の軸心を所定角度に配置することで上述の如く行われ得る。代替的に上記二次燃料システムは、上記バーナ管の上記下流部分の壁部を横方向に貫通延伸する管材のセグメントを含み得ると共に、該セグメントは上記燃料管の上流端部に流体連通して接続される。
【００１６】
本発明の非常に好適な形態において上記ノズルの上記各開口は好適に、上記バーナ管の上記下流部分の軸心に本質的に平行な方向に延在する長寸スロットから成り得る。好適には、上記ノズルの上記壁部は円周方向に離間された一連のバーであってそれらの間に上記スロットを呈する一連のバーを備え得ると共に、該バーは上記チャンバ内における再循環領域の形成を阻止すべく上記チャンバの近傍にては丸形表面を有する。理想的には、上記バーナは上記チャンバ内に配置された略鐘状の下流部分を有する内部バッフルを含み得る。該鐘状部分は、上記主要ノズルの上記壁部の近傍に配設されて円周方向に延在する外側縁部を有し得る。付加的に、上記スロットは上流端部および下流端部を有し得ると共に、上記鐘状部分の上記外側縁部は上記スロットの上記下流端部に対してよりも該スロットの上記上流端部に接近して配置され得る。理想的には、上記鐘状部分の上記外側縁部は上記スロットの上記上流端部から上記スロットの上記下流端部までの距離の約１／４に位置され得る。更に、上記スロットは好適には、上記チャンバにおける再循環領域の形成を阻止すべく流体流の方向において傾斜する上流端部表面を有し得る。
【００１７】
本発明の好適な形態において上記混合気供給システムおよび上記二次燃料システムは、上記二次燃料の量が上記燃焼帯に対して提供される燃料全体の約２０％超、好適には少なくとも約３０％、且つ、理想的には少なくとも約５０〜６０％を構成する如く配置され得る。本発明の更なる好適形態において上記一次混合気が上記各スロットを離脱する速度と上記混合気の火炎伝播速度との間の関係は、上記輻射タイルが均一に加熱されるのを確実にすべく、上記ノズルから約１インチ乃至３インチに位置せしめられる如きものである。
【００１８】
本発明の別の好適側面に依れば、上記バーナ管の上記上流部分および下流部分の軸心が所定角度で配設されるとき、上記バーナ管は好適にはその上記下流部分および上流部分を相互接続する湾曲部分を含み得ると共に、上記二次燃料システムは上記バーナ管の上記湾曲部分の壁部を貫通延伸する管材のセグメントを含み得る。この管材のセグメントは、上記燃料管の上流端部に流体連通して接続される。上記配置構成は理想的には、上記管材のセグメントおよび上記燃料管は本質的に上記バーナ管の上記下流部分の軸心に沿って延在し、且つ、上記放出器は所定角度にてオフセットされる如きものである。この配置構成により、上記一次混合気に対する上記放出器は上記二次燃料システムによりバイパスされ、上記バーナの全体的長手寸法は減少される。
【００１９】
本発明は更に、高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナを作動させる方法を提供する。該方法は、（１）燃焼されるべき燃料全体の一部と空気とを備えた希薄燃料可燃混合気の流れを、中央軸心を有する長寸ノズルから、該ノズルを囲繞すると共にバーナ・タイルの輻射表面の近傍である燃焼帯に対し、上記壁部を囲繞する円形平坦パターンであって上記ノズルを上記混合気が出射する速度よりも該混合気の火炎伝播速度が遅くなる組成である円形平坦パターンの形態にて送給する段階と、（２）上記混合気に点火して、径方向において上記ノズルを囲繞する円形平坦離脱火炎であって上記輻射表面の近傍に配置される円形平坦離脱火炎を生成する段階と、（３）当該二次燃料が上記火炎に進入する前に排煙と相互混合する様に、上記輻射表面からは逆側となる上記火炎の側の箇所であって該火炎から十分に離間された箇所にて二次燃料を供給する段階と、を備えて成る。
【００２０】
更に詳細には上記方法は好適には、（１）希薄燃料可燃混合気を提供する段階と、（２）主要ノズルを径方向において本質的に囲繞する円形パターンにて燃焼帯内へと且つ概略的に輻射表面上を横断して行く様に、該主要ノズルから上記混合気を外方に流す段階と、（３）上記混合気が燃焼するときに離脱円形火炎が生成されるべく該混合気の火炎伝播速度を超える初期速度にて上記主要ノズルから上記混合気を外方に流す段階と、（４）上記混合気供給システムおよび上記二次燃料ノズル・システムにより上記燃焼帯に対して提供される燃料全体の相当の部分を構成する二次燃料を、上記輻射表面からは逆側となる上記燃焼帯の側にて加熱炉内の所定位置に提供する段階と、を備える。
【００２１】
本発明に依れば上記二次燃料は好適には、上記燃焼帯に対して提供される燃料全体の約２０％超、好適には少なくとも約３０％、且つ、理想的には少なくとも約５０〜６０％を構成する。
【００２２】
本発明の一形態において上記二次燃料は、上記主要ノズルを貫通延伸する二次燃料ノズルを用いて、上記一次予備混合気の逆側の位置にて提供される。代替的に上記二次燃料は、燃焼なしで上記パターンを貫通する燃料の噴流を発射する二次燃料ノズルを用いて上記箇所に提供される。
【００２３】
発明の好適実施例の詳細な説明
本発明は、高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナを提供する。ひとつの重要な側面において本発明は、一次火炎に対して燃料供給すべく希薄燃料混合気（ｆｕｅｌ−ｌｅａｎ　ｆｕｅｌ−ａｉｒ　ｍｉｘｔｕｒｅ）を採用する高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナの配備に焦点を合わせている。希薄燃料一次混合気に依れば少なくとも部分的にターンダウン比（ｔｕｒｎ　ｄｏｗｎ　ｒａｔｉｏ）の改善が支援される、と言うのも、希薄燃料混合気は低速で燃えて低い燃焼速度を有するからである。希薄燃料一次混合気はまた、多くの場合にＮＯｘの生成を増大する二次空気の必要性を減少し、且つ、おそらくはこの必要性を完全に排除する様に作用する。しかし更に希薄な燃焼混合気は主要バーナの全体的容量を減少する傾向があることから、これまでは、約５．５インチの外側ノズル直径を有するバーナに対して可能な最大容量は約１２０万英国熱量単位（１．２ＭＭＢｔｕ）／時間より少ないと考えられて来た。しかし本発明に依れば、ＮＯｘ出力に悪影響を与えずに約２００万英国熱量単位（２．０ＭＭＢｔｕ）を超える容量が定常的となった。実際、本発明のバーナが高出力を達成すべく使用された場合、ＮＯｘレベルは多くの場合に改善された。本発明のバーナはまた増大した容量と減少した火炎伝播速度（ｆｌａｍｅ　ｓｐｅｅｄ）の故に、燃料の大部分が水素の場合でも、輻射タイルの均一な加熱を提供すると共に逆火（ｆｌａｓｈｂａｃｋ）の傾向を減少する。後者に関し、上記バーナにより使用される燃料の種類が重要な限定であることは企図されず、本発明の概念および原理に依れば本発明のバーナは、限定的なものとしてで無く、天然ガス、水素、天然ガスと水素との混合気などの利用可能な任意の種類の可燃流体燃料または燃料混合気と共に使用され得る。
【００２４】
図１には本発明の概念および原理に基づくバーナの一実施例が示されており、該バーナは参照番号２０で示される。好適にはバーナ２０は概略的に、長寸バーナ管２４を含む長寸ノズル機構２２と、主要バーナ・ノズル２６と、二次燃料システム２８と、混合気供給システム３０とから成り、該システム３０は好適には、ノズル２６を概略的に径方向に囲繞する燃焼帯３２に対する最終的な分布のために該ノズル２６に対して送給すべくバーナ管２４に対して希薄燃料一次可燃混合気を提供する。図１に少なくとも部分的に示された如くバーナ２０は、マフラ３４と、空気調節器３６と、（不図示の）供給源から好適には気体状燃料である流体を受けてバーナ２０に送給する取入口４０および一次燃料供給ライン３９を含む燃料ガス・マニフォルド機構３８とを含め、通常的に工業用バーナに関連する習用の構成要素の全てを含んでいる。便宜のために、二次システム２８もまた取入口４０に接続して示される。上記気体状燃料は好適には、天然ガス、または、天然ガスと水素の混合気とされ得る。
【００２５】
図１に示された如く、ノズル２６に対し供給システム３０から燃料および空気の希薄燃料混合気の流れを導通する管路を提供するバーナ管２４は、長寸上流部分４２および長寸下流部分４４を含む。部分４２、４４は夫々、それらに沿って長手方向に延在すべく中心に配設された軸心４６、４８を有する。下流部分４４は、加熱炉の壁部５８などの内部に配置された耐火性バーナ・タイル５６内に配備された中央通路５４を貫通延伸すべく形状化される。
【００２６】
タイル５６は輻射表面６０を有するが、該輻射表面６０は通路５４を囲繞すると共に、動作の間において燃焼帯３２で生ずる燃焼により加熱されるべく燃焼帯３２の近傍とされる。図１に示された如く表面６０は本質的に平坦とされ得るが、当業者であれば他の形状は公知である。故に図１から理解される如く、主要ノズル２６はバーナ管２４の下流部分４４の下流端部５２にて輻射表面６０の近傍に位置される。
【００２７】
図１を更に参照すると、バーナ管２４は好適には部分４２および４４を相互接続する湾曲部分（肘部）６２を含み得ることが理解され得る。故に軸心４６、４８は所定角度にて配設されると共に、ノズル２６および下流部分４４は軸心４８に沿って整列され且つ上流部分４２および供給システム３０は軸心４６に沿って整列される。
【００２８】
図２を参照すると理解され得る如くノズル２６は、内部に中央配置孔６６を有すべく内方湾曲した略トランペット形状端部キャップ６４を備えている。ノズル２６はまた、完全に該ノズルの回りに延在する壁部６８も含む。故に端部キャップ６４および壁部６８はノズル２６の内側に、バーナ管２４からの希薄燃料混合気を受けるべくバーナ管２４の下流部分４４の下流端部５２と流体連通するチャンバ７０を画成する。図２を参照すると理解され得る如く、端部キャップ６４はチャンバ７０に対して凸状である。故にノズル２６は、それほどの再循環なしで希薄燃料一次混合気を方向変換すべく且つこの混合気を該ノズル２６から軸心４８に対して外径方向に流すべく形状化して配置される。故に一次混合気は、燃焼帯３２に流入して輻射表面６０上を横断して行く。この目的の為にノズル２６は円周方向に延在する一連の径方向延在開口７２を備え、該開口は好適には軸心方向に延在する長寸スロットである。図３を参照すると理解され得る如く、本質的に軸心４８と平行な方向に延在するこれらの長寸スロット７２は好適には、円周方向に離間された一連のバー７４により画成される。好適には本発明の極めて重要なひとつの用途において、ノズル２６は円筒状とされて外径が約５．５インチとされ得る。バー７４は径方向において約１／２インチ幅とされ得ることから、チャンバ７０の内径は約４．５インチである。ノズル２６は約９０個のスロットを有し得るが、その各々は約２インチ長で約０．５５インチ幅である。以上に関し、これらの寸法などは既存の用途に対して好適であるが、上記ノズルおよびスロットの寸法は本発明の重要な特徴でないことを理解すべきである。たとえば改造用途においては、ノズルの直径は概略的に既存のノズル通路のサイズにより制限され得ると共に、上記スロットのサイズおよび形状は加熱炉容量および燃料特性ならびに各パラメータにより制限され得る。但し新たな加熱炉構造においては更なる自由度が在り、ノズル直径に関する特別の制限は無い。スロットのサイズおよび形状に関しては、混合気の体積流量を処理すべく、且つ、混合気の火炎伝播速度を超える脱出速度（ｅｓｃａｐｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ）であって輻射表面が均一に加熱される如く火炎の離脱上流端部を位置決めする脱出速度を提供すべく、十分な面積が配備されるべきことを述べれば十分である。当業者であれば理解し得る如く、最適な各寸法は利用可能な燃料の特性およびパラメータ、加熱炉の加熱容量、および一次混合気などの変数に依存し得る結果、任意の所定の用途に対するスロット寸法は多くの場合、ノズル内における圧力低下と再循環領域を最小化すべく実験的に決定される必要があり得る。
【００２９】
二次燃料システム２８は、所定長さの当該管材７６が肘部６２を介して管２４に進入するのを許容する継手７８を介して接続された管材７６を含み得る。管２４の内側において管材７６は、軸心４８に沿って管２４の下流部分４４の長手方向に延在する長寸二次燃料管８０の上流端部に対し流体連通的に接続される。図２において理解され得る如く燃料管８０は、チャンバ７０を貫通延伸し、且つ、端部キャップ６４における孔６６を介して突出する下流端部８２を有する。図１１を参照すると、端部８２は二次燃料の流れを上記加熱炉空間内へと外方に導向すべく一個以上のポート８３を備えている。管８０はまた、上記燃焼帯に供給される燃料全体の相当の部分を好適に構成する上記二次燃料の流れを制御する内部オリフィス８５も備え得る。
【００３０】
図５を参照すると、ノズル機構２２は好適には、ノズル２６のチャンバ７０内に取付けられたバッフル８４を含み得ることが理解される。バッフル８４は一連のタブ８６（１個のみが示される）を備え得るが、該タブ８６は溶接などにより壁部６８の内面８８に取付けられてバッフル８４を適切に中心合わせして位置決めし得る。バッフル８４は好適には、壁部６８の内面８８の近傍に位置された外周方向延在縁部９０を有するベル形状下流部分８９を含み得る。各スロット７２は好適には上流端部９２および下流端部９４を有し、且つ、バッフル８４の軸心方向位置は、縁部９０が下流端部９４に対してよりも上流端部９２に対して接近する如きであれば好適である。理想的には、縁部９０は上流端部９２から下流端部９４までの距離の約１／４に位置され得る。すなわち、スロット７２が２インチ長である場合、縁部９０は好適には軸心方向において該スロット７２の端部９２から１／２インチに位置され得る。縁部９０の軸心方向位置に関し、当業者であれば、これもまた本発明の有効範囲に関して重要な限定でないことを理解し得よう。この点に関しては、縁部９０の最適な軸心方向位置は単に、圧力低下と再循環領域の進展とが最小化される箇所であることを述べれば十分である。
【００３１】
混合気供給システム３０は、空気源と連通するスペース９８とベンチュリ取入鐘状部１００とを介して気体噴流を噴射する一次ノズルすなわちスパッド９６を含む習用の噴射器すなわちベンチュリ９５の形態とされ得る。これらの構成要素は図１においてマフラ３４に内側に取付けられており、視認され得ない。但し、バーナ２０の動作も例示する図１３においてはスパッド９６、スペース９８および１００が示される。適切なスパッド９６の詳細は図１７にも示されるが、該図においては、スパッド９６が好適には、燃料供給ライン３９（図１参照）に接続された内部燃料チャンバ１１８と、好適には３個である複数の噴流オリフィス１２０とを含み得ることが理解され得る。スパッド９６の端部プレート１２１に穿孔され得るオリフィス１２０は、ノズル２６に対して適切な流速を提供すべきサイズとされる。上記スパッドは加圧気体の供給源に接続され、該気体は噴流オリフィス１２０とスペース９８とを介して噴射されるが、スペース９８においては該気体内に空気が捕捉される。上記燃料気体および捕捉された空気は、軸心４６に対して略々平行な方向に射出される。上記燃料気体からの移動エネルギは、周囲の燃焼用空気（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ａｉｒ）を取入鐘状部１００内に且つ上記バーナの上記ベンチュリ部分を介して吸引するために使用されるエネルギを提供する。好適には希薄燃料混合気である、燃料と捕捉された空気との混合気は次に、取入鐘状部１００の開放端部すなわち口部９９内へと流入して該口部により受け入れられる。
【００３２】
バーナ管２４の上流部分４２は、ベンチュリ吸込部（ｖｅｎｔｕｒｉ　ｔｈｒｏａｔ　ｐｏｒｔｉｏｎ）５０および拡散器部分５１を含み得る。取入鐘状部１００は、スペース９８からベンチュリ吸込部５０への燃焼用空気に対して円滑で均一な流路を提供すべく設計される。取入鐘状部１００の直下流に配置されるベンチュリ吸込部５０は本質的に、直管から成る。この管の設計パラメータ、特にその長さおよび直径は重要である、と言うのも、それらは燃焼用空気の吸引性能において重要な役割を果たすからである。上記ベンチュリ吸込部の下流端部は、拡散器５２に取付けられる。拡散器５２は好適には、吸込部５０から長径の肘部６２まで漸進的遷移を提供する長寸円錐部分の形態とされ得る。長径の肘部６２は２つの機能を提供する。第１に、該肘部に依れば上記ベンチュリは、ベンチュリ吸込部５０をバイパスして二次燃料システム２８を好都合に位置すべくオフセットされ得る。この設計形態に依れば、上記吸込部の中心線に沿って二次的燃料ライザ（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｆｕｅｌ　ｒｉｓｅｒ）が配置される場合の設計態様と比較して空気吸引性能が相当に改善される。この設計態様は燃焼用空気の吸引性能を高め、ＮＯｘ排出を相当に減少するという低い火炎温度に帰着する。第２に肘部６２は、上記バーナの全長を減少する方法を提供する。多くの用途においてバーナの全長は、加熱炉スペースの制約により制限される。種々の角度の肘部を用いると、特定の顧客の要望を満足する設計態様が許容される。特定長を有する管の形態とされ得る下流部分４４は、上記肘部の下流端部に取付けられる。混合気が上記長径肘部を出射するとき、混合気の流れパターンは相当に傾斜される。而して下流部分４４に依れば、気体流の断面（ｐｒｏｆｉｌｅ）はバーナ・ノズル２６に入る前に均一に分布され得る。良好な火炎の品質に対し、上記バーナ・ノズルを介した均一な流れ分布は重要である。
【００３３】
作動時にスロット７２はバッフル８４と協働し、希薄燃料一次混合気の火炎伝播速度を超える初期速度にて、それほどの再循環なしで且つ径方向における最小限の圧力低下を以て該混合気を分配する。この望ましい火炎伝播速度条件は、各スロットにより提供される合計流れ面積、混合気の合計流れ体積、および、混合気の圧力に依存して実験的に決定され得る。各スロット７２はまた、径方向においてノズル２６を囲繞する円形パターン１０２を該ノズル２６から燃焼帯３２内へと形成すべく該ノズル２６から外径方向に一次混合気を導向する様にも配置される。好適には、各スロット７２を介して分配された希薄燃料一次混合気は、燃焼帯３２で燃焼されるべき燃料全体の８０％未満を含んでいる。更に好適には、上記希薄燃料一次混合気は、燃焼帯３２で燃焼されるべき燃料全体の約７０％未満を含んでいる。理想的には、上記希薄燃料一次混合気は、燃焼帯３２で燃焼されるべき燃料全体の約５０％未満を含んでいる。上記混合気の初期速度の結果として円形パターン１０２は好適には、燃焼が生じたときに、ノズル２６から離脱された火炎であってノズル２６から約１〜３インチ離間して位置せしめられた上流先端１０４を有する火炎を提供する。
【００３４】
上記一次混合気がノズル２６から径方向に導向されるのと同時に、ノズル２６の端部キャップ６４から軸心方向に突出する管８０の下流端部８２を縦走する二次燃料はポート８３により、上記加熱炉内において燃料管８０の下流端部８２を囲繞する近傍位置１０６であってパターン１０２の下流であり且つ上記輻射表面６０からは逆側となる該パターン１０２の側における近傍位置１０６へと導向される。この流れは図１３において矢印１０８により示される。上記燃料が燃焼帯３２から離間して上記加熱炉空間を循環するとき、該燃料は排煙を捕捉して最終的に一次燃焼帯３２に戻り、其処で燃焼反応へと進入する。この捕捉は、矢印１１０により示される。捕捉された排煙の存在は、火炎温度を下げることでＮＯｘ発生を抑えるべく作用する。本発明に依れば上記二次燃料は好適には、上記燃焼帯に供給される燃料全体の約２０％を超え、好適には少なくとも約３０％であり且つ理想的には５０〜６０％である。
【００３５】
図６において、代替的形状を有する端部キャップは参照番号１６４で識別される。この場合に端部キャップ１６４は概略的に円錐形状である。端部キャップ１６４の形状およびその寸法を除き、図６のノズル１２６は図５のノズル２６と本質的に同一である。好適には、本発明の別の極めて重要な用途においてノズル１２６は円筒状であり且つ外径が約３．３７５インチとされ得る。各バー１７４は径方向において約１／４インチであることから、チャンバ１７０の内側径は約２．８７５インチである。ノズル１２６は、各々が約２インチ長で約０．０５８インチ幅の約６０個のスロット１７２を有し得る。
【００３６】
図５および図６の両者においてスロット７２、１７２の上流端部表面９２、１９２は、平坦であり、且つ、壁部６８、１６８に対して本質的に直交する平面内に配設されて示される。代替的にこれらの端部表面は図８に示された如く流体流の方向において傾斜され得るものであり、この場合に傾斜端部表面は参照番号２９２で示される。傾斜表面２９２は、チャンバ２７０内における再循環領域の形成を阻止するのを助力し得る。同様の主旨で図３を参照すると、バー７４の内縁部１１２は好適には、此処でもチャンバ７０内の再循環領域の阻止を助力すべく丸形とされ得る。
【００３７】
故に主要バーナ・ノズル２６は、可燃混合気が、該ノズル２６内におけるそれほどの再循環なしで且つ最小限の圧力低下を以て概略的に上記加熱炉壁部に平行な径方向において該バーナ・ノズル２６を出射して輻射表面６０上を横断して行くのを許容する、一連のスロットを含む。これらのスロットの幅、深度および長さは、要求されるバーナ燃焼容量に必要とされる適切な出射面積を提供すべく且つバーナが逆火なしで作動するのを確実にすべく、当業者により最適化され得る。バーナ・ノズル２６の内側に配置された内部バッフル８４は、バーナ・ノズル２６の領域における再循環領域を防止する如き様式にて混合気の方向変換を助力すべく使用される。バーナ・ノズル２６の近傍の再循環領域を防止するのは重要である、と言うのも、これによればバーナ・ノズル２６からの一次火炎の離脱を支援することでＮＯｘ排出の減少が助力されるからである。主要バーナ・ノズル２６から一次火炎を離脱させると、更なる加熱炉気体（ｆｕｒｎａｃｅ　ｇａｓ）が火炎内に捕捉され得る。この結果、火炎温度が低下してＮＯｘ排出が減少される。米国特許第４，７０２，６９１号には、バッフル８４と類似した内部バッフルが示される。しかし内部バッフル８４は、本発明の原理および概念に依り異なる様式で使用される。故にバッフル８４は、主要バーナ・ノズル２６内における圧力低下と再循環領域の存在とを最小化することにより、バーナ・ノズル２６を介した混合気の吸引に必要なエネルギの量を減少すべく使用される。故に全体的な設計態様によれば、更に多くの燃焼用空気を吸引して更に希薄な一次混合気に帰着し得るバーナ・ノズル／放出器システム（ｂｕｒｎｅｒ　ｎｏｚｚｌｅ　ａｎｄ　ｅｄｕｃｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ）が提供される。斯かる更に希薄な混合気は火炎温度の低下に繋がり、ＮＯｘ排出が減少される。
【００３８】
ＮＯｘ排出は、上述の段階式燃料概念（ｓｔａｇｅｄ　ｆｕｅｌ　ｃｏｎｃｅｐｔ）を用いて更に減少され得る。上記の段階式燃料は、上記輻射タイルからは逆側となる上記燃焼帯の側における加熱炉内の所定位置へと送給される。燃料は、上記ベンチュリ肘部を貫通し且つバーナの下流部分およびノズルの中心を貫通して挿入されるライザを用いて段階化され得る。段階式燃料ノズルは、上記バーナ・ノズルの端部プレートの中心を貫通して突出する。段階式燃料ライザの各ポートは好適には、加熱炉壁部および一次火炎から離間した箇所にて段階式燃料が射出される様に設計される。上記段階式燃料は、一次火炎内に捕捉される前に加熱炉気体と混合する。燃焼に先立ち段階式燃料が加熱炉排煙と混合することから火炎温度が低下し、ＮＯｘ排出の減少に帰着する。相当のＮＯｘを減少する量の加熱炉気体を捕捉するに十分な時間長に亙り上記二次燃料が上記主要燃焼帯から離間し続ける限りにおいて、射出の厳密な角度は重要でない。実際の様式において上記二次燃料は、上記加熱炉壁部から外方へ、内方へ、または該壁部と平行となる角度にて、該二次燃料に対するライザを離脱し得る。
【００３９】
図４には、参照番号２２０で識別されて本発明の概念および原理を具現する高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナの代替実施例が示される。バーナ２２０とバーナ２０との間の唯一の本質的相違は、バーナ管２４ａの上流部分４２ａが円錐状ではなく円筒状なことである、これに加えてノズル２６ａは、径方向に導向された希薄燃料一次混合気に対する流れ面積を増大すべく一連の孔１１４を備える。図４はまた、凹状またはカップ状の輻射表面６０ａを有するタイル５６ａに関する本発明のバーナの用法を示している。
【００４０】
図９には、参照番号３２０により識別されて本発明の概念および原理を具現する高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナの別の代替実施例が示される。バーナ３２０においてバーナ管２４ｂの上流部分４２ｂは、下流部分４４ｂと軸心方向に整列される。故にバーナ管２４ｂは直線状である。この場合に二次燃料システム２８ｂは、スパッド９６ｂから鐘状継手１００ｂを貫通延伸する管材セグメント７６ｂを含む。スパッド９６ｂおよび管材セグメント７６ｂの詳細は図１６に示されており、チャンバ１１８ｂは管材セグメント７６ｂの上流端部７６ｂ’と直接連通することが理解され得る。スパッド９６ｂは、鐘状継手１００ｂの上流端部９９ｂ内へと空気の流れを誘起する位置において管材セグメント７６ｂの上流端部７６ｂ’の回りに配置された複数の一次燃料噴射ポート１２０ｂを備える。管材セグメント７６ｂは、ポート８３ｂを備えた下流部分８２ｂを有する二次燃料管８０ｂに接続される。各ポート８３ｂは、上記輻射表面６０ａからは逆側となる上記燃焼帯３２ｂの側における箇所１０６ｂへと二次燃料を送給すべく作用する。この実施例は機能的な意味において十分に作用し得るが、管材セグメント７６ｂが噴射器の吸込部を貫通延伸してその流れ面積を減少するのが欠点である。故に上記で説明された如く空気の流れを誘起する噴射器の容量は減少されることから、この実施例を用いて超希薄燃料混合気を生成するのは困難である。
【００４１】
図１０には、参照番号４２０で識別されて本発明の概念および原理を具現する高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナの更に別の代替実施例が示される。バーナ４２０においては正に図９のバーナ３２０と同様に、バーナ管２４ｃの上流部分４２ｃは下流部分４４ｃと軸心方向に整列される。すなわち軸心４６ｃ、４８ｃは重畳され、バーナ管２４ｃは直線状であり、且つ、主要ノズル２６ｃ、バーナ管２４ｃ、鐘状継手１００ｃおよび噴射器スパッド９６ｃは、重畳された軸心４６ｃ、４８ｃに沿って本質的に整列する。図１０のスパッド９６ｃは図１１において参照番号９６で識別される。しかしバーナ４２０においてはバーナ３２０の問題が回避される、と言うのも、二次燃料システム２８ｃはスパッド９６ｃおよび鐘状継手１００ｃにより提供される噴射器システムをバイパスすべく設計されるからである。この目的の為にシステム２８ｃは、バーナ管２４ｃに上流部分４２ｃの外側に配設された二次燃料管材セグメント７６ｃを含む。図１０に示された如く管材セグメント７６ｃは、直線状長さ１１６および傾斜長さ１１８を含み得る。長さ１１８は、長さ１１６に対して所定角度に配設されると共に、下流部分４４ｃの壁部１２０を貫通延伸する。（図１０には示されない）長さ１１８の下流端部は、二次燃料管８０ｃの上流端部と流体連通して接続される。管８０ｃは、図１１に示された管８０と同一とされ得る。上記に関し、図１および図４のバーナ２０および２２０の夫々の二次燃料システム２８および２８ａもまた全体的に噴射器システムをバイパスして図９のバーナ３２０の欠点を回避することを銘記されたい。
【００４２】
図１２には、図１０のバーナ４２０の機構と同様の機構が概略的に示される。図１２のバーナ機構において二次燃料システム２８ｄは、上流部分４２ｄをバイパスする複数のセグメント７６ｄを含む。セグメント７６ｄの各々は、直線状長さ１１６ｄおよび傾斜長さ１１８ｄを含む。図１２において理解される如く、長さ１１８ｄは下流部分４４ｄの壁部１２０ｄを貫通延伸すると共に、長さ１１８ｄの下流端部１１８ｄ’は管８０ｄの上流端部と流体連通して接続され、該管８０ｄの下流端部８２ｄはノズル２６ｄおよび端部キャップ６４ｄを貫通延伸する。
【００４３】
図１４には、参照番号５２０で識別されて本発明の概念および原理を具現する高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナの更に別の代替実施例が示される。バーナ５２０は全ての機能的側面において図１のバーナ２０と本質的に同一とされ得るが、この場合、燃焼帯３２ｅに対する最終的な分布のためにノズル２６ｅに対して送給すべくバーナ管２４ｅに対して希薄燃料一次可燃混合気を提供する混合気供給システム３０ｅは、一個以上の上流噴射器またはベンチュリ９５ｅを含み得る。バーナ５２０に関して有用なマルチ・ベンチュリ・システムは、上記の同時係属出願第０９／８７４，３８３号に完全に記述かつ図示されると共に複数のベンチュリを含み得る。すなわち、コレクタの形態とされ得る下流部分４４ｅに対して一次混合気を送給すべく組合され得るベンチュリの本数は２または３または４または８以上とさえされ得るが、厳密な本数はバーナが使用されるべきスペースの物理的寸法によってのみ制限される。複数のベンチュリを使用すると、システム全体の長さが短寸化され得ると共に超希薄一次混合気が生成され得ることを述べれば十分であろう。バーナ５２０においては中央に配置された二次燃料システム２８ｅがベンチュリ９５ｅを完全にバイパスすることも銘記されたい。
【００４４】
図１５には、参照番号６２０で識別されて本発明の概念および原理を具現する高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナの更なる代替実施例が示される。この場合に二次燃料システム２８ｆの長寸燃料管８０ｆは、ノズル２６ｆの外側に配設される。各管８０ｆは、図１１に示された端部８２と同様の下流端部８２ｆを有する。すなわち各端部８２ｆは一個以上のポート８３ｆを備え得るが、該ポート８３ｆは、図１のバーナ２０に関して上述された様式にて上記加熱炉内であるがノズル２６ｆにより生成されたパターン１０２ｆの下流であり且つ（図１５では示されない）輻射表面からは逆側となるパターン１０２ｆの側における箇所１０６ｆに対して二次燃料の少なくとも一部が送給される如く、形状化して位置決めされる。二次燃料が燃焼せずに箇所１０６ｆへと未燃焼状態で到達する様に、適切な方向で且つ十分な速度で二次燃料を送給してパターン１０２ｆを貫通させることで、二次燃料はポート８３ｆにより箇所１０６ｆへと送給される。この貫通流は、図１５において矢印１０８ｆにより示される。燃料が燃焼帯３２ｆから離間した加熱炉空間であって箇所１０６ｆの近傍の加熱炉空間を介して循環するとき、該燃料は排煙を捕捉して最終的に燃焼帯３２ｆに戻り、其処で燃焼反応へと進入する。この捕捉は矢印１１０ｆにより示される。上記段階式燃料ライザは好適には、段階式燃料が２〜１５ｐｓｉｇの圧力で且つ水平から所定角度で加熱炉内に射出される如く設計される。射出燃料の一部は一次火炎と混合するが、その相当の部分は一次火炎包絡面を貫通して一次火炎から加熱炉下流へと貫通し、其処で一次火炎に再捕捉される前に加熱炉気体と混合する。以前は、米国特許第５，１８０，３０２号に示された如く同様の外部二次燃料ノズルは端部開放管であり且つ二次燃料気体は単に一次火炎と混合していた。しかし本発明の場合、一次火炎の貫通が生ずる如く二次気体はポート８３ｆに慎重に計量されて燃料の圧力により加速される。
【００４５】
故に要約すると本発明は、部分的に予備混合された段階式燃料型の高容量／低ＮＯｘバーナを提供する。好適には上記バーナは、燃料および空気の希薄燃料予備混合気をバーナの主要ノズルに送給すべく十分に最適化されたベンチュリ部分を含む。ベンチュリ部分の出射端部に配置された主要バーナ・ノズルは、可燃混合気（ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ　ｍｉｘｔｕｒｅ）が径方向に向けて且つ加熱炉壁部に対して略々平行に主要ノズルを出射するのを許容すべく径方向に導向された出射スロットを有する。本発明の概念および原理に依ればこれらのスロットの幅、深度および長さは、大きなバーナ燃焼容量に必要とされる適切な合計出射面積を提供すべく、且つ、高レベルの水素を含むことの多い燃料混合気を用いた場合の逆火問題なしでバーナが作動するのを確実にすべく、最適化される。上記主要バーナ・ノズルにより確立される火炎は、一次火炎（ｐｒｉｍａｒｙ　ｆｌａｍｅ）と称される。主要バーナ・ノズルの出射スロットを上記の様に設計すると共に、再循環領域の形成なしで予備混合燃料空気流の転回を助力すべく少なくとも一個のバッフルを使用した結果、火炎はバーナから所定距離だけ離間して定常的に持続される。この様に一次火炎が”離脱”する結果、一次火炎内には大量の加熱炉排煙が捕捉されてＮＯｘ排出が減少される。一次火炎に対して希薄燃料混合気を用いることは、主要バーナから上記火炎を”離脱”する上で重要なパラメータである。上記希薄燃料一次混合気は好適には、バーナ尖端に対して上記火炎が結合するのを困難とする所定範囲の燃焼性条件（ｆｌａｍｍａｂｉｌｉｔｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）内に収まるものである。一次火炎包絡面に対して段階式燃料を補給することにより、可燃混合気が適切な安定燃焼の範囲に収まるに必要な付加的燃料が提供される。
【００４６】
これに加え、段階式燃料の射出によりＮＯｘ排出は更に減少される。上記燃料は、段階式燃料用尖端を備えるべく側部取付けされたライザを用いて段階化され得る。上記燃料はまた、ベンチュリ・バーナ尖端アセンブリを貫通して挿入された中央ライザであってバーナ尖端の端部プレートを貫通して突出する中央ライザを用いても段階化され得る。但し上記燃料は好適には、バーナのベンチュリ部分をバイパスする二次燃料管であって依然として主要ノズルを貫通してノズル端部プレートを貫通して突出する二次燃料管を用いて段階化される。
【００４７】
上記段階式燃料は好適には、輻射タイルからは逆側となる一次燃焼帯の側における箇所にて且つ２〜１５ｐｓｉｇの圧力にて加熱炉内へと射出される。これに加え、上記二次燃料は水平から所定角度にて且つ一次火炎から離間して加熱炉内に射出される。上記段階式燃料は、一次火炎に捕捉される前に加熱炉気体と混合する。上記段階式燃料が射出される様式と上記プロセスにおいて使用される圧力の故に、確立された”二次的”な火炎は、より正確には段階化火炎は（特に、重炭化水素燃料により）短寸であると共に良好に画成されて加熱炉タイルから離間され、加熱炉のタイルおよび壁部の均一な加熱に帰着する。上記中央ライザは低いノイズ放出に帰着するが、これは主要バーナ尖端に対して一次燃料を送給すべく複数のポートを使用するからである。複数の燃料ポートを使用すると、噴流により生成されるノイズは高周波へとシフトされる。
【００４８】
本開示によれば、広範囲な作動容量および燃料に亙る高燃焼容量、非常に低いＮＯｘ排出および高安定性を達成すべく多くの技術および基本理論が新規な設計態様により同時に活用されるが、一般的な予備混合式バーナは斯かる技術および理論を好首尾に活用し得ない。斯かる新規な設計態様によれば、以下の性能特性が示される：
１．バーナ直径の増大なしでの高燃焼容量；
２．非常に低いＮＯｘ；
３．短寸の火炎断面；
４．離脱された一次火炎；
５．タイルおよび加熱炉壁部に対する非常に均一な加熱；
６．更に希薄な一次混合気に依る高いターンダウン比；
７．全ての作動条件における高安定性；
８．高レベルの水素を含む燃料混合気を用いた動作；
９．低いノイズ発生；
１０．殆どの市販タイルにおける効果的で効率的な作用；
１１．更に低いＮＯｘ排出に対する段階式燃料の利用；
１２．更に低いＮＯｘ排出に対する、二次燃料により誘起された排煙の再循環；
１３．簡素さ。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の概念および原理を具現する高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナおよび関連付属機構を部分的に断面で示す側面図である。
【図２】
図１のバーナの一定の主要構成要素の部分的拡大断面図である。
【図３】
図２の３−３線に沿った断面図である。
【図４】
本発明の概念および原理を具現する高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナの別実施例および関連付属機構を部分的に断面で示す側面図である。
【図５】
図２の５−５線に沿った断面図である。
【図６】
主要ノズルに対する端部キャップが僅かに異なる形状を有する以外は図５と類似した図である。
【図７】
図６の円で囲まれた部分の詳細拡大図である。
【図８】
スロットの入口部分の形状以外は図７と同様の詳細図である。
【図９】
本発明の概念および原理を具現する高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナの更なる別実施例および関連付属機構を部分的に断面で示す側面図である。
【図１０】
本発明の概念および原理を具現する高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナの更なる別実施例および関連付属機構を部分的に断面で示す側面図である。
【図１１】
本発明の種々の実施例に関して有用な二次燃料ノズルの下流部分を示す拡大断面図である。
【図１２】
本発明の概念および原理を具現するバーナの更なる実施例の概略的正面図である。
【図１３】
図１のバーナの作動原理を示す概略的正面図である。
【図１４】
本発明の概念および原理を具現する更に別の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナおよび関連付属機構の概略的側面図である。
【図１５】
本発明の概念および原理を具現する別のバーナの作動原理を示す概略的正面図である。
【図１６】
図９のバーナの一次燃料送給スパッドおよび二次燃料送給システムの詳細を示す拡大断面図である。
【図１７】
図１０の円で囲まれた部分の詳細拡大図である。

Claims

燃焼帯の近傍にて加熱炉の壁部内の通路に設置され得る長寸ノズル機構を含む高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナであって、
上記加熱炉壁部は上記通路を囲繞する輻射表面であって上記燃焼帯の近傍に配置された輻射表面を提供し、
上記ノズル機構は、
長寸下流部分および長寸上流部分を含む長寸バーナ管であって、上記長寸下流部分は上記通路を貫通延伸すべく形状化され、上記各部分は中央配設されて長手方向に延在する軸心を夫々有する、長寸バーナ管と、
上記バーナ管内へ導入される希薄燃料可燃混合気の供給源を提供する混合気供給システムであって、上記バーナ管の上記上流部分の上流端部は該燃料供給システムと流体連通して接続されて希薄燃料可燃混合気を受け、上記管は該管に沿って上記上流端部から上記バーナ管の上記下流部分の下流端部まで上記希薄燃料可燃混合気の流れに対する管路を提供する、混合気供給システムと、
上記輻射表面の近傍において上記バーナ管の上記下流部分の上記下流端部に位置された主要ノズルであって、該主要ノズルは上記バーナ管に沿って流れる希薄燃料可燃混合気を受けるべく上記バーナ管の上記下流部分の上記下流端部と流体連通する内部チャンバを有し、該主要ノズルは上記混合気を上記チャンバ内へと方向変換すると共に上記バーナ管の上記下流部分の上記軸心に対して外径方向に且つ概略的に上記輻射表面上を横断して行く様に流すべく配置かつ形状化され、該主要ノズルは上記チャンバの回りに延在する壁部と該主要ノズルの該壁部内で径方向に延在する一連の開口とを含み、該開口は上記可燃混合気が燃焼するときに離脱円形火炎が生成されるべく該混合気の火炎伝播速度を超える初期速度にて且つ当該ノズルを本質的に径方向に囲繞する円形パターンにて上記径方向に上記可燃混合気を分配すべく配置かつ形状化される、主要ノズルと、
上記バーナ管の上記下流部分の長手方向に延在する長寸燃料管であって上記輻射表面からは逆側となる上記燃焼帯の側である上記加熱炉内の位置へと二次燃料の流れを導向すべく配設かつ配置された少なくとも一個の燃料気体ポートを有する長寸燃料管を含む二次燃料ノズル・システムであって、上記二次燃料は上記混合気供給システムおよび該二次燃料ノズル・システムにより上記燃焼帯に対して提供される燃料全体の相当の部分を構成する、二次燃料ノズル・システムと、
を備える、
高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記燃料空気供給システムは噴射器を備え、
該噴射器は、
加圧流体燃料の供給源に接続可能な燃料取入口と、
上記取入口と流体連通して接続されると共に空気源と流体連通されたスペースを介して流体燃料を噴射すべく位置された流体燃料スパッドと、
前記バーナ管の前記上流部分の前記上流端部に取付けられた略鐘状継手であって、噴射された流体燃料とそれに沿って搬送された空気とを受けてそれらを上記バーナ管の上記上流端部内に導向すべく位置された口部を有する略鐘状継手と、
を含む、請求項１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記各軸心は重畳されることにより前記バーナ管は本質的に直線状であり且つ前記主要ノズル、上記バーナ管および前記噴射器は上記各軸心に沿って本質的に整列される、請求項２記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記上流部分の軸心は前記下流部分の軸心に対して所定角度にて配設されることにより、前記主要ノズルと前記バーナ管の上記下流部分とは該下流部分の上記軸心に沿って本質的に整列して配設され、且つ、前記噴射器と上記バーナ管の前記上流部分とは該上流部分の軸心に沿って本質的に整列して配設される、請求項２記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記長寸燃料管は前記主要ノズルの外側に配置される、請求項１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記二次燃料ノズル・システムは前記主要ノズルの外側に配置された複数本の前記長寸燃料管を含む、請求項１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記ポートは、二次燃料の少なくとも一部を燃焼無しで混合気パターンを貫通させて前記加熱炉内の前記位置に到達させるべく形状化して位置される、請求項５記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記主要ノズルは当該端部キャップ自身内に孔を有する端部キャップを含み、且つ、
前記燃料管は前記チャンバを貫通延伸すると共にその下流部分は上記孔を貫通して突出し、
前記ポートは上記燃料管の上記下流部分内であると共に前記加熱炉内の前記箇所の近傍に位置される、請求項１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記燃料管の前記下流部分には複数個の前記ポートが配備され、且つ、前記加熱炉内の前記箇所は上記燃料管の上記下流部分を囲繞する、請求項８記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記輻射表面は本質的に平坦である、請求項１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記輻射表面は凹状である、請求項１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記輻射表面はカップ状である、請求項１１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記二次燃料システムは前記バーナ管の前記下流部分の壁部を貫通延伸する管材のセグメントを含み、該セグメントは上記燃料管の上流端部に流体連通して接続される、請求項８記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記端部キャップは前記チャンバに対して凸状である、請求項８記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記各開口は、前記バーナ管の前記下流部分の軸心に本質的に平行な方向に延在する長寸スロットから成る、請求項１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記主要ノズルの前記壁部は円周方向に離間された一連のバーであってそれらの間に前記スロットを呈する一連のバーを備え、該バーは前記チャンバ内における再循環領域の形成を阻止すべく上記チャンバの近傍にては丸形表面を有する、請求項１５記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
当該バーナは前記チャンバ内に配置された略鐘状の下流部分を有するバッフルを含み、該鐘状部分は、前記主要ノズルの前記壁部の近傍に配設されて円周方向に延在する外側縁部を有する、請求項１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
当該バーナは前記チャンバ内に配置された略鐘状の下流部分を有するバッフルを含み、該鐘状部分は前記主要ノズルの前記壁部の近傍に配設されて円周方向に延在する外側縁部を有する、請求項１５記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記スロットは上流端部および下流端部を有し、且つ、前記鐘状部分の前記外側縁部は上記スロットの上記下流端部に対してよりも該スロットの上記上流端部に接近して配置される、請求項１８記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記鐘状部分の前記外側縁部は前記スロットの前記上流端部から上記スロットの前記下流端部までの距離の約１／４に位置される、請求項１９記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記スロットは、前記チャンバにおける再循環領域の形成を阻止すべく流体流の方向において傾斜する上流端部表面を有する、請求項１８記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記混合気供給システムおよび前記二次燃料システムは、前記二次燃料の量が前記燃焼帯に対して提供される燃料全体の約２０％超を構成する如く配置される、請求項１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記混合気供給システムおよび前記二次燃料システムは、前記二次燃料の量が前記燃焼帯に対して提供される燃料全体の少なくとも約３０％を構成する如く配置される、請求項２２記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記混合気供給システムおよび前記二次燃料システムは、前記二次燃料の量が前記燃焼帯に対して提供される燃料全体の少なくとも約５０％を構成する如く配置される、請求項２３記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記二次燃料ノズル・システムは少なくとも約２ｐｓｉｇの圧力の燃料気体の供給源に対して前記長寸燃料管を接続すべく配置される、請求項１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記二次燃料ノズル・システムは少なくとも約３ｐｓｉｇの圧力の燃料気体の供給源に対して前記長寸燃料管を接続すべく配置される、請求項２５記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記二次燃料ノズル・システムは少なくとも約５ｐｓｉｇの圧力の燃料気体の供給源に対して前記長寸燃料管を接続すべく配置される、請求項２６記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記二次燃料ノズル・システムは少なくとも約１０ｐｓｉｇの圧力の燃料気体の供給源に対して前記長寸燃料管を接続すべく配置される、請求項２７記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記二次燃料ノズル・システムは少なくとも約１５ｐｓｉｇの圧力の燃料気体の供給源に対して前記長寸燃料管を接続すべく配置される、請求項２８記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記離脱火炎の上流先端は前記ノズルから少なくとも約１インチに位置される、請求項１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記離脱火炎の上流先端は前記ノズルから約３インチ未満に位置される、請求項３０記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記主要ノズルは当該端部キャップ自身内に孔を有する端部キャップを含み、且つ、
前記燃料管は前記チャンバとその下流部分を貫通延伸して上記孔を貫通して突出し、
前記ポートは上記燃料管の上記下流部分内であると共に前記加熱炉内の前記箇所の近傍に位置される、請求項４記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記バーナ管は該バーナ管の前記下流部分および前記上流部分を相互接続する湾曲部分を含み、且つ、
前記二次燃料システムは、上記バーナ管の上記湾曲部分の壁を貫通延伸する管材のセグメントであって前記燃料管の上流端部と流体連通して接続される管材のセグメントを含む、請求項３２記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記管材のセグメントおよび前記燃料管は本質的に前記バーナ管の前記下流部分の軸心に沿って延在する、請求項３３記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記主要ノズルは当該端部キャップ自身内に孔を有する端部キャップを含み、且つ、
前記燃料管は前記チャンバを貫通延伸すると共にその下流部分は上記孔を貫通して突出し、
前記ポートは上記燃料管の上記下流部分内であると共に前記加熱炉内の前記箇所の近傍に位置される、請求項３記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記二次燃料システムは前記燃料管の上流端部に流体連通して接続された管材のセグメントを含み、
上記セグメントは前記鐘状継手および前記スパッドを貫通延伸し、
上記スパッドは流体燃料を噴射する複数のオリフィスを含み、
該オリフィスは上記管材のセグメントの回りに配置される、請求項３５記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記燃料は天然ガスから成る、請求項１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
前記燃料は水素から成る、請求項１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナ。
希薄燃料可燃混合気を提供する段階と、
主要ノズルを径方向において本質的に囲繞する円形パターンにて燃焼帯内へと且つ概略的に輻射表面上を横断して行く様に、該主要ノズルから上記混合気を外方に流す段階と、
上記混合気が燃焼するときに離脱円形火炎が生成されるべく該混合気の火炎伝播速度を超える初期速度にて上記主要ノズルから上記混合気を外方に流す段階と、
上記混合気供給システムおよび上記二次燃料ノズル・システムにより上記燃焼帯に対して提供される燃料全体の相当の部分を構成する二次燃料を、上記輻射表面からは逆側となる上記燃焼帯の側にて加熱炉内の所定位置に提供する段階と、
を備えて成る、燃焼帯の近傍の輻射表面を加熱すべく高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナを作動させる方法。
前記二次燃料は前記燃焼帯に対して提供される燃料全体の約２０％超を構成する、請求項３９記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナを作動させる方法。
前記二次燃料は前記燃焼帯に対して提供される燃料全体の少なくとも約３０％を構成する、請求項４０記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナを作動させる方法。
前記二次燃料は前記燃焼帯に対して提供される燃料全体の少なくとも約５０％を構成する、請求項４１記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナを作動させる方法。
前記二次燃料は前記主要ノズルを貫通延伸する二次燃料ノズルを用いて前記箇所に提供される、請求項３９記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナを作動させる方法。
前記二次燃料は燃焼なしで前記パターンを貫通する燃料の噴流を発射する二次燃料ノズルを用いて前記箇所に提供される、請求項３９記載の高容量／低ＮＯｘ輻射式ウォールバーナを作動させる方法。
離間された取入端部および吐出端部を有する長寸バーナ管路であって、該管路は燃焼されるべき流体燃料全体の一部と酸素とを備える希薄燃料混合気を上記取入端部から当該管路に沿って上記吐出端部へと導向し得るべく配置された長寸バーナ管路を備えたバーナ管構造と、
上記管路の上記吐出端部における主要バーナ・ノズルであって、該バーナ・ノズルは、中央軸心と、該バーナ・ノズル内において中央に配置されたチャンバの回りに延在する壁部と、上記管路の上記吐出端部から離間された下流端部とを有し、該主要バーナ・ノズルは、上記チャンバ内において上記管路から上記混合気を受けるべく、且つ、それほどの再循環無しで最小限の圧力低下にて上記壁部における複数の開孔を介して燃焼帯内へと上記軸心を横切る方向において上記混合気の火炎伝播速度より大きな速度にて該混合気を方向変換し得るべく配置され、上記各開孔は上記壁部の回りに分布されることから該各開孔を介して上記燃焼帯内へと導向された上記混合気は略々円形平坦火炎の形態であり、該円形平坦火炎は上記ノズルから離脱され、上記壁部を囲繞し且つ外方に向けて輻射表面上を横断して行く、主要バーナ・ノズルと、
上記軸心に沿って上記主要ノズルを貫通延伸すると共に、上記下流端部における孔を介して軸心方向において上記主要ノズルから突出し、且つ、上記燃焼帯に対して離間された関係に配置された下流端部を有する長寸中央燃料管と、を備え、
上記燃料管の上記下流端部上には二次燃料ノズルが在り、該二次燃料ノズルは、加熱炉内において上記輻射表面からは逆側となる上記円形平坦火炎の側であり且つ上記燃焼帯から十分に離間された箇所にて二次燃料を送給する位置に配置された少なくとも一個の二次燃料ポートであって上記二次燃料が上記燃焼帯に進入する以前に該二次燃料が排煙と相互混合するのを許容する少なくとも一個の二次燃料ポートを有する、
輻射式バーナ用のバーナ・アセンブリ。
前記混合気は気体状燃料と空気の混合気から成り、且つ、
前記バーナ管構造は、上記混合気を生成するために空気の流れを誘起すべく上記気体状燃料の流れを使用するベンチュリ管を備える、請求項４５記載のバーナ・アセンブリ。
前記混合気は気体状燃料と空気の混合気から成り、且つ、
前記バーナ管構造は平行流のために配置された複数のベンチュリ管から成り、該ベンチュリの各々は上記混合気を燃料と空気の超希薄燃料混合気として生成するために空気の流れを誘起すべく上記気体状燃料の流れを使用し得る様に配置される、請求項４５記載のバーナ・アセンブリ。
離間された取入端部および吐出端部を有する長寸バーナ管路であって、該管路は燃焼されるべき流体燃料全体の一部と酸素とを備える希薄燃料混合気を上記取入端部から当該管路に沿って上記吐出端部へと導向し得るべく配置された長寸バーナ管路を備えたバーナ管構造と、
上記管路の上記吐出端部における主要バーナ・ノズルであって、該バーナ・ノズルは、中央軸心と、該バーナ・ノズル内において中央に配置されたチャンバの回りに延在する壁部と、上記管路の上記吐出端部から離間された下流端部とを有し、該主要バーナ・ノズルは、上記チャンバ内において上記管路から上記混合気を受けるべく、且つ、それほどの再循環無しで最小限の圧力低下にて上記壁部における複数の開孔を介して燃焼帯内へと上記軸心を横切る方向において上記混合気の火炎伝播速度より大きな速度にて該混合気を方向変換し得るべく配置され、上記各開孔は上記壁部の回りに分布されることから該各開孔を介して上記燃焼帯内へと導向された上記混合気は略々円形平坦パターンの形態であり、該円形平坦火炎は上記ノズルから離脱され、上記壁部を囲繞し且つ外方に向けて輻射表面上を横断して行く、主要バーナ・ノズルと、
上記軸心に対して略々平行な方向に延在すると共に下流端部を有する長寸燃料管と、を備え、
上記燃料管の上記下流端部上の二次燃料ポートを含む二次燃料ノズルが在り、上記二次燃料ポートは、加熱炉内において上記輻射表面からは逆側となる上記パターンの側であり且つ上記燃焼帯から十分に離間された箇所へと二次燃料を送給して該二次燃料が上記燃焼帯に進入する以前に該二次燃料が排煙と相互混合するのを許容すべく位置決め且つ配置される、
輻射式バーナ用のバーナ・アセンブリ。
前記混合気は気体状燃料と空気の混合気から成り、且つ、
前記バーナ管構造は、上記混合気を生成するために空気の流れを誘起すべく上記気体状燃料の流れを使用するベンチュリ管を備える、請求項４８記載のバーナ・アセンブリ。
前記混合気は気体状燃料と空気の混合気から成り、且つ、
前記バーナ管構造は平行流のために配置された複数のベンチュリ管から成り、該ベンチュリの各々は上記混合気を燃料と空気の超希薄燃料混合気として生成するために空気の流れを誘起すべく上記気体状燃料の流れを使用し得る様に配置される、請求項４８記載のバーナ・アセンブリ。
前記長寸燃料管は前記主要燃料ノズルの外部に配置され、且つ、
前記二次燃料ポートは、二次燃料の少なくとも一部が前記パターンを貫通して上記位置に到達する如く該二次燃料を所定速度にて且つ所定方向に送給すべく位置決めして配置される、請求項４８記載のバーナ・アセンブリ。
燃焼されるべき燃料全体の一部と空気とを備えた希薄燃料可燃混合気の流れを、中央軸心を有する長寸ノズルから、該ノズルを囲繞すると共に輻射表面の近傍である燃焼帯に対し、上記壁部を囲繞する円形平坦パターンであって上記ノズルを上記混合気が出射する速度よりも該混合気の火炎伝播速度が遅くなる組成である円形平坦パターンの形態にて送給する段階と、
上記混合気に点火して、径方向において上記ノズルを囲繞する円形平坦離脱火炎であって上記輻射表面の近傍に配置される円形平坦離脱火炎を生成する段階と、
当該二次燃料が上記火炎に進入する前に排煙と相互混合する様に、上記輻射からは逆側となる上記火炎の側の箇所であって該火炎から十分に離間された箇所にて二次燃料を供給する段階と、
を備えて成る、輻射式バーナを作動させる方法。
前記混合気システムは前記燃料全体の燃焼に必要な空気の全てを前記混合気内で供給し得るべく配置される、請求項１記載の輻射式ウォールバーナ。
前記混合気システムは前記燃料全体の燃焼に必要な空気の全てを前記混合気内で供給し得るべく配置される、請求項２記載の輻射式ウォールバーナ。
前記混合気システムは前記燃料全体の燃焼に必要な空気の全てを含む、請求項３９記載の方法。
前記希薄燃料混合気は前記燃料全体の燃焼に必要な酸素の全てを含む、請求項４５記載のバーナ・アセンブリ。
前記希薄燃料混合気は前記燃料全体の燃焼に必要な空気の全てを含む、請求項４７記載のバーナ・アセンブリ。
前記希薄燃料混合気は前記燃料全体の燃焼に必要な酸素の全てを含む、請求項４８記載のバーナ・アセンブリ。
前記希薄燃料混合気は前記燃料全体の燃焼に必要な空気の全てを含む、請求項５０記載のバーナ・アセンブリ。
前記希薄燃料可燃混合気は前記燃料全体の燃焼に必要な空気の全てを含む、請求項５２記載の方法。
前記輻射表面は前記加熱炉壁部に挿入された耐火性バーナ・タイルの一部であり且つ前記通路は上記タイルを貫通延伸する、請求項１記載の輻射式ウォールバーナ。
前記輻射表面は加熱炉の壁部に挿入された耐火性バーナ・タイルの一部であり且つ前記主要バーナ・ノズルは上記タイル内の通路を貫通延伸する、請求項４５記載のバーナ・アセンブリ。
前記輻射表面は加熱炉の壁部に挿入された耐火性バーナ・タイルの一部であり且つ前記主要バーナ・ノズルは上記タイル内の通路を貫通延伸する、請求項４８記載のバーナ・アセンブリ。
前記輻射表面は加熱炉の壁部に挿入された耐火性バーナ・タイルの一部であり且つ前記長寸ノズルは上記タイル内の通路を貫通延伸する、請求項５２記載の方法。