JP2005521024A - ＮＯｘ低放出の改良型バーナーシステム - Google Patents

Abstract

水蒸気分解等における炉に使用するバーナーが開示されている。バーナーは、一次空気室と；上流端、下流端及び該上流端と下流端の管に位置するベンチュリ管を有するバーナー管であって、ベンチュリ管はほぼ一定の内断面寸法を有するのど部を備え、該のど部の長さ対最大断面内寸法の比は少なくとも３であるバーナー管とを含む。バーナー先端が炉の第１開口に隣接してバーナー管の上流端に設けられているので、燃料の燃焼はバーナー先端の下流で生じる。燃料をバーナー管に導入するための燃料オリフィスがバーナー管の上流端に隣接して設けられている。

Description

本発明は炭化水素の水蒸気分解を行う高温炉に用いられるようなバーナーシステムの改良に関する。本発明は、特に、バーナーの安定性を損なうことなく、燃焼排ガス循環を高め、ＮＯｘ産生局部源を減少させ、ＦＧＲダクト温度を下げることができ、それによりＮＯｘ放出を低減することができる改良型バーナーに関する。

大型炉やボイラーで使用されるバーナーから放出される汚染物質を削減させようという近年の関心の結果，バーナーの構造はかなり変化した。過去において、バーナー構造の改良は主として熱分配を改善する目的とされた。ますます厳しい環境規則は、規制される汚染物質を最小にすることにバーナー構造の焦点をシフトさせた。

窒素酸化物（ＮＯｘ）は空気中において高温で形成される。しかし、これらの化合物は酸化窒素と二酸化窒素を含むが、これらだけに限られるものではない。ＮＯｘの放出の削減は大気汚染を減少させ、政府規則を満たす必要な目標である。近年、ＮＯｘを放出するさまざまな可動及び固定放出源が調査の結果増えてきて規制されるようになってきた。

ＮＯｘ形成速度は次の３変数に依存する。
（１）火炎温度
（２）高温度帯における燃焼ガスの滞留時間
（３）酸素の過剰供給
ＮＯｘ形成速度は火炎温度が上昇するにつれて増える。しかしながら、反応は時間を要するものであり、所定の温度における非常に短い時間の窒素と酸素の混合は、より低い温度でのより長い時間の同じ混合よりもＮＯｘの産生を低減する。

ＮＯｘの低放出レベルを達成するための１つの戦略は炉の排気流を処理するためにＮＯｘ還元触媒を付設することである。選択的接触還元（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）として知られているこの戦略は、より厳しい規則を満たすことにおいて有効であり、バーナー構造の代替的改良の要求をそれほど引き起こすものではないが、非常にコストが高い。

大型工業炉で使用されるバーナーは液体燃料かガス燃料のどちらかを使用することができる。液体燃料バーナーは、より完全な燃焼を可能にするために、燃焼の前に蒸気に燃料を混ぜ、かつ、燃焼ゾーンにおいて燃料に燃焼のための空気を混ぜる。

ガス燃焼式バーナーは、空気と燃料を合成するのに使用される方法によって、プリミックスバーナーか生ガスバーナーのいずれかに分類される。これらの２つのバーナーはまた、構成と、使用されるバーナーチップのタイプにおいて異なる。

生ガスバーナーは燃料を直接空気流に注ぐので、燃料と空気の混入は燃焼と同時に起こる。気流は燃料流に対してさほど変化しないので、自然通風バーナーのエアレジスタの設定は、発火速度が変化した後に、変えられなければならない。したがって、米国特許No.4,257,763において詳細に説明されるように、頻繁な調整が必要であるかもしれない。この米国特許は、参照のためにここに組み入れられる。さらに、多くの生ガスバーナーは輝炎を発生させる。

プレミックスバーナーは、燃焼の前に、燃料の一部又は全てを燃焼用空気の一部又は全てに混ぜる。予混合が燃料流に存在するエネルギを使用することによって実行されるので、気流は燃料流に十分に比例する。その結果、したがって、調整がより少なくてすむ。燃料と空気を予混合することはまた、必要な火炎特性を達成することを容易にする。これらの特性のために、プレミックスバーナーは様々な水蒸気分解炉の構成にしばしば適合する。

床燃焼式プレミックスバーナーは多くの蒸気クラッカーと蒸気改質装置で使用される。その主な理由は、このバーナーが炉の背の高い放射部において比較的一定の熱分布プロフィールを作る能力を備えるためである。炎が非発光であるので、金属管の温度管理を容易にしている。したがって、プレミックスバーナーはそのような炉のための選択されるバーナーである。プレミックスバーナーはまた、特別な熱分布プロフィールか他のタイプの炉において必要とされる火炎形状のために設計されうる。

ガス燃焼式工業炉では、ＮＯｘは、燃焼用空気流と共にバーナーに引き込まれた窒素の酸化によって形成される。ＮＯｘの形成は、高温と豊富な酸素の両方が存在する炎領域において主として起こると広く信じられている。エチレン炉が炭化水素処理工業で使用される最も高い温度炉のものであるので、これらの炉内のバーナーは高レベルのＮＯｘを放出するという自然傾向にある。

ガス燃焼式工業炉のための最近の低ＮＯｘバーナーの大多数は単一バーナーにおいて多数の燃料ジェットを使用することをベースとしている。そういったバーナーは燃料段階、燃焼排ガス再循環又はその両方を使用することができる。米国特許5,098,282及び6,007,325は燃料段階と燃焼排ガス再循環の組合せを用いるバーナーを開示する。あるバーナーは単一バーナーに８−１２個の燃料ノズルを有する。多数の燃料ノズルは非常に小径のノズルを使用することを必要とする。さらに、そういったバーナーの燃料ノズルは火室内の高温燃焼排ガスにさらされる。

エチレンの製造のために用いられる水蒸気分解の高温環境において、小径の燃料ノズルと、高温の燃焼排ガスへ曝すことの組合せは、燃料ジェットの汚損と潜在的な目詰まりを生じさせる。これにより、バーナーに悪影響を与えるばかりではなく、燃料ノズルを繰り返し掃除することによって生じるメンテナンス費用がかさむことになる。

しかしながら、米国特許4,629,413及び5,092,761に開示され（そして以下に議論される）段階空気プレミックスバーナーの１つの利点は単一燃料ノズルを使用していることに関係する。これは、燃料ノズルの大きさを所定のバーナ燃焼義務のためにできるだけ最大にする。さらに、燃料ノズルはベンチュリ管の入口に位置するので、高温の燃焼排ガス又は火室の放射熱のいずれかに直接さらされず、エチレン炉としての段階空気プレミックスバーナーの意義ある利点を与える。

産業上広く受け入れられるようになったＮＯｘを低減する１つのテクニックは段階燃焼として知られている。段階燃焼では、一次火炎帯は空気が不十分（多燃料）であるか燃料が不十分（希薄燃料）のどちらかである。バランスをとるための空気か燃料が二次火炎帯又は燃焼室のほかの場所でバーナーに注がれる。周知のとおり、多燃料状態又は希薄燃料状態の燃焼帯は、より化学量論に近い空燃比よりもＮＯｘを形成しない。段階燃焼は一次火炎帯におけるピーク温度を低減し、ＮＯｘを削減させるように燃焼速度を変えることが判明した。ＮＯｘの形成がガス温度に関して指数関数的に増えるので、たとえそれが小さくてもピーク火炎温度を低下させることにより、ＮＯｘの放出を劇的に抑えることができる。しかしながら、このことは、火炎温度の低下に従って放射伝熱が減るという事実とバランスをとらなければならず、一方、一酸化炭素（ＣＯ）の放出、すなわち、不完全燃焼の示唆はもちろん実際に増加する。

プレミックスバーナーに関しては、用語「一次空気」は燃料と予混合された空気のことを意味し、「二次空気」、あるケースにおいては「三次空気」は適切な燃焼に必要であるバランスのための空気のことを意味する。生ガスバーナーにおいては、一次空気は、燃料により近い位置で協働する空気であり、二次及び三次空気は燃料により離れた位置で協働する空気である。可燃上限は火炎が伝播されうる最大の燃料濃度を含む混合物（多燃料）のことを意味する。

米国特許4,629,413は低ＮＯｘプレミックスバーナーを開示し、プレミックスバーナーの利点とＮＯｘ放出を低減する方法を論じている。米国特許4,629,413のプレミックスバーナーは、火炎を二次空気に混ぜることを遅延させかついくらかの冷却された燃焼排ガスを二次空気と共に再循環させることでＮＯｘの放出を低減する。開示されているバーナーが開始の際に点火を達成する方法や、ＮＯｘ放出に対するその影響に関してはふれられていない。

米国特許2,813,578は重量液体燃料を燃焼の前に吸気するために水蒸気に混ぜる重量液体燃料バーナーを開示する。燃料と水蒸気の吸引効果により、高温炉のガスをダクト内及びバーナーブロック内に引っ張って、バーナーブロックと、該バーナーブロックを通る燃料と水蒸気を加熱する。この構成は、液体燃料を気化させバーナーブロックにコークスが堆積することを減少させかつオイルがしたたることを防止するのに効果的であると開示されている。

米国特許2,918,117は、燃焼物を一次空気室内に引っ張り、入ってくる空気を加熱して燃料を気化させるベンチュリ管を備える重量液体燃料バーナーを開示する。

米国特許4,004,875は、燃焼した燃料と空気が冷却されて燃焼ゾーンへ再循環される低ＮＯｘバーナーを開示する。再循環された燃焼した燃料と空気は１ゾーンにおいて空気が欠乏した状態で形成される。

米国特許4,230,445（この全内容は参照のためにここに組み入れられる）は、燃料ガスと空気の混合物をいくつかの流路を介して提供することによりＮＯｘ放出を低減する液体燃料バーナーを開示する。燃焼排ガスはブロワを使用して燃焼室から引っ張られる。

米国特許4,575,332は、オイルバーナーランスとガスバーナーランスの両方を有するバーナーを開示しており、そこでは、オイル火炎又はガス火炎に燃焼空気を非連続的に混合して燃焼を遅くして火炎の温度を下げることによりＮＯｘを低減している。

米国特許5,263,849は、点火された一次空気と燃料の混合物を炉の燃焼室に放出する点火室と、高速二次空気流を炉の燃焼室に向けるための複数のノズルポートを有するバーナーシステムを開示する。このシステムは、燃料供給装置と、個別に制御される一次空気供給ラインと二次空気供給ラインを含む。米国特許5,26
3,849は火炎ホルダ内に斜めに突出した点火装置の使用を開示する。

米国特許4,708,638は、火炎温度を下げることによりＮＯｘ放出を低減する流体燃料バーナーを開示する。スワラの上流において燃焼空気供給流路内に設けられたベンチュリ管が燃焼排ガス流を炉に対して開いたダクトから燃焼空気供給流路内へ導く。スワラは燃料管の自由端に位置して燃焼排ガスを一次燃焼空気と混合する。

米国特許5,269,679は、空気、燃料及び再循環燃焼排ガスを混合するために空気駆動ジェットポンプを使用するガス燃焼バーナーを開示する。このバーナーは、多燃料燃焼ゾーン及び燃料希薄燃焼ゾーンを与えるために燃焼空気を段階的に導入するように構成されている。空気と燃料の混合物をディフューザ内で点火するパイロット火炎が管を介して与えられる。燃焼はスキャナ管を介して観察される。バーナーは予熱燃焼空気を用いる高温応用においてＮＯｘ放出レベルを低減するといわれている。

米国特許5,092,761は、燃焼排ガスを再循環させることによりプレミックスバーナーからＮＯｘ放出を低減する方法と装置を開示する。燃焼排ガスは、バーナー管のベンチュリ管部分を通る燃焼排ガスと燃焼用空気の吸引効果によって、再循環ダクトを介して炉から引っ張られる。一次空気室へ流れ込む空気流は複数のダンパーによって制御され、これらのダンパーが部分的に閉じられると、一次空気室内の圧力が低下して、燃焼排ガスが前記再循環ダクトを介して炉から一次空気室内へ引っ張られる。燃焼排ガスは、次に、燃焼の前に一次空気室の燃焼用空気と混ざり、燃焼用空気の酸素濃度を希釈し、これにより、火炎温度を下げてＮＯｘ放出量を低減する。燃焼排ガス再循環システムは既存のバーナーに取り付けることも、また、新品の低ＮＯｘバーナーに組み込むことも可能である。

したがって、１セットのテクニックは、火炎温度を下げる段階式空気か段階式燃料バーナーを使用することによって、化学量論条件（多燃料又は多空気のいずれか一方）からほど遠いものにおいて、かつ、火炎が炉の中で加熱される流体にいくらかの熱を放射した後にだけ残りの空気か燃料を加えて初期燃焼を実行することにより、より低い火炎温度を実現する。

より低い火炎温度を達成するための別のテクニックは、不活性材料で混合気を薄めることを含む。燃焼排ガス（燃焼反応の生成物）か蒸気が一般的に使用される希釈剤である。そのようなバーナーはそれぞれ、ＦＧＲ（燃焼排ガス再循環）バーナー及び蒸気注入バーナーとして分類される。

米国特許５,０９２,７６１のシステムの欠点は、ＦＧＲダクトを冷却するために使用する段階空気が最初に炉の火室に入り、短い距離だけ炉を横切り、次に、ＦＧＲダクトに入らなければならないことである。このように流れる間に、段階空気は火室内の高温の燃焼排ガスからの放射にさらされる。バーナーの試験から得た実験データを解析すると、段階空気はＦＧＲダクトに入るとき、３７０℃（７００°F）ほどの熱さであることが示された。

米国特許５,０９２,７６１のバーナーに関連するＮＯｘ産生の見地から見た別の欠点は、バーナーの点火に必要な点火室の構成に関するものである。すなわち、この点火室の構造は、運転の間にＮＯｘを多く産生する局部産生源であることが判明した。他のバーナー構造も高ＮＯｘ産生局部源としての同様な潜在性を備えるものである。

米国特許５,０９２,７６１に開示されるタイプのバーナーを分析すると、燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）比はほぼ５−１０％の範囲にあることがわかる。
ＦＧＲ比は以下のように定められる。
ＦＧＲ比（％）＝１００[Ｇ／（Ｆ＋Ａ）]
ここで、Ｇはベンチュリ管の中に引っ張られた燃焼排ガス（lb）、Ｆはバーナー内で燃焼した燃料（lb）、Ａはバーナー内に引っ張られた空気（lb）である。

これらのバーナーのより高いＦＧＲ速度を発生させる能力は、燃料オリフィス／ガススパッド／ベンチュリ管の組み合わせの吸引能力によって制限される。一次空気ダンパーをさらに完全又は部分的に閉じることで一次空気室をより低圧にしてＦＧＲ比を大きくすることができる。しかしながら、ＦＧＲ比を大きくすると、火炎がＦＧＲダクト内に入りやすくなり、火炎温度を上昇させてＮＯｘを増やし金属パーツを損傷するかもしれない。

アメリカ化学技術者協会によって１９４７に発行された化学技術進化（Chemical Engineering Progress）のＶｏｌ.４３に掲載されたA.E. Knollによる「ジェットポンプの設計（The Design of Jet Pumps）」において明らかにされるように、空気中で使用されるベンチュリ管及び水蒸気で作動される空気発動機の比較的温和な温度（ほぼ周囲温度）での運転を最適化することが知られている。対照的に、発明のバーナーにおいて、可燃性ガス燃料（メタン、Ｈ_２、エタン、およびプロパンを含むがこれらに限定されるものではない）は非常に熱い（５４０℃（１０００°Ｆ）以上の）燃焼排ガス、熱い空気、熱い未燃焼燃料（ＣＯ）、および周囲空気の組み合わせを動かすために使用されている。

さらに、商的経験とモデル化により、燃焼排ガス再循環速度が高くされたとき、火炎がＦＧＲダクトに引っ張られる傾向があることが示された。しばしば、燃焼排ガス再循環の量を抑制するのはこの現象である。火炎が直接燃焼排ガス再循環ダクトに入ると、バーナーのベンチュリ管の温度は上昇する傾向があり、これが火炎速度を上げて、再循環燃焼排ガスをＮＯｘの低減に関して有効でなくする。運転の見地からは、燃焼排ガス再循環速度を下げて火炎をＦＧＲダクトに入れないようにして金属性ＦＧＲダクトの寿命を保つ必要がある。

そのうえ、燃料ライザー／バーナースパッドアセンブリ／ベンチュリ管の組み合わせの領域における内部流運動力学はその組み合わせの吸気容量に影響し、ＦＧＲ比を達成する能力を１０％以上減少させる。この点でに関して、燃料ライザー／バーナースパッドアセンブリがベンチュリ管と一直線上に並べられることを保証するためにいくつかのバーナーで使用される燃料ライザー／バーナースパッドセンタリングプレートアセンブリは、燃料ライザー／バーナーアセンブリ／ベンチュリ管の組み合わせの領域における内部流運動力学に影響を与えず、吸気容量を減少することがないように作用することができる。

低ＮＯｘバーナーのデザイナーに対するさらなる挑戦は適切な火炎の安定性を維持することである。ＮＯｘ放出量を最小にするためにまさしく使用されるテクニックは火炎温度と火炎速度を下げて、一般に、それほど安定しない火炎に導くことであり、この火炎は「リフトオフ(lift-off)」となる傾向がよりある。「リフトオフ」は燃焼点がバーナー先端を去った火炎のことを言うのに使用される用語である。極端な場合では、リフトオフはバーナーでの燃焼が消えた炎消えの例となる。そのような状態は、潜在的に火室に空気／燃料混合物が蓄積されることになるので、非常に望ましくない。

したがって、より高い燃焼排ガス再循環比（ＦＧＲ）が利用されることを可能にすると共に、付随するいかなるバーナーの安定性の減少を最小にしまたは排除してＮＯｘ放出量の減少をもたらすことができる燃料の燃焼のためのバーナーが必要とされている。改良されたバーナーがまた、ＮＯｘ生産の局所源を実質的に減少させ、より低いＦＧＲダクト温度を達成してＮＯｘ放出量のさらなる減少をもたらす特性を有することが望ましい。

１つの局面では、本発明は水蒸気分解等で使われる炉において使用され、より低レベルのＮＯｘ放出量を達成することができるバーナーに関する。

このバーナーは、
（ａ）一次空気室と、
（ｂ）上流端と、下流端と、該上流端と下流端の中間に位置するベンチュリ管とを含むバーナー管であって、前述のベンチュリ管は、実質的に一定の断面内寸法を有するのど部を備え、該のど部の長さ対最大断面内寸法の比が少なくとも３であるバーナー管と、
（ｃ） 炉の第１開口に隣接して前述のバーナー管の下流端に設けられたバーナー先端であって、燃料の燃焼が前述のバーナー先端の下流において生じるバーナー先端と、
（ｄ） 前述のバーナー管の上流端に隣接して位置し燃料を前述のバーナー管の中に導入する燃料オリフィスとを、
含んでなる。

さらなる局面では、本発明は炉の中で燃料を燃焼させるバーナーに関する。このバーナーは、
（ａ） 上流端と、下流端と、該上流端と下流端の中間に配設されたベンチュリ管とを有するバーナー管であって、該ベンチュリ管は実質的に一定の断面内寸法を有するのど部であって、該のど部の長さ対最大断面内寸法の比が少なくとも３であるバーナー管と、
（ｂ） 炉の第１開口に隣接したバーナー先端であって、前述のバーナー先端の下流において燃料の燃焼が生じるバーナー先端と、
（ｃ） 炉の第１開口に隣接した点火室と、
（ｄ） 前述の点火室の中に置かれたときに、点火室を実質的に満たすのに有効な形状を有する着脱自在な点火室プラグとを、
含んでなる。

さらなる別の局面では、本発明は炉の中で燃料を燃焼させるバーナーに関し、このバーナーは、
（ａ）縦軸と、下流端と、燃料と空気、燃焼排ガスまたは空気と燃焼排ガスの混合物を受ける上流端とを有するバーナー管と、
（ｂ） 前述のバーナー管の上流端に隣接して位置し燃料を前述のバーナー管の中に導入する燃料オリフィスと、
（ｃ） 前述の燃料オリフィスをセンタリングして前述のバーナー管と一直線上に配置するセンタリングプレートであって、前述の一次空気室からの流れを通すために孔空きであるセンタリングプレートを含む手段と、
（ｄ） 炉の第１開口に隣接して前述のバーナー管の下流端に設けられたバーナー先端であって、前述のバーナー管の縦軸と実質的に一直線上に並んだ複数のメインポートと、複数の周囲に配設されたサイドポートとを有するバーナー先端と、
（ｅ） 前述のバーナー先端の周囲を囲む周囲タイルであって、前述のバーナー先端の外周と前述の周囲タイルの間に少なくとも１つのギャップを提供し、この少なくとも１つのギャップは燃焼のための空気の一部を提供するのに有効である周囲タイルとを、
含んでなり、前述の周囲に配設されたサイドポートから燃焼の間に排出される燃料の量が燃焼される合計燃料の１５％を超えないものである。

発明の実施するための最良の形態

添付の図面（これらは発明の種々の実施の形態を非限定的な実施例として示す）を参照して、発明を以下にさらに説明する。

本発明を炉又は工業炉に使用するバーナーについて説明するが、本発明の教示は、例えば、ボイラーといった他の処理のための要素に適用できることは、当業者にとって明白である。したがって、ここにおいて、用語「炉」は炉、ボイラー及びその他の使用可能な処理のための要素を意味することを理解すべきである。

ここで図１乃至４に言及すると、バーナー１０は、炉床１４に設けたウェル内に位置する自立型のバーナー管１２を含む。バーナー管１２は上流端１６と、下流端１８と、ベンチュリ管部分１９を含む。バーナー先端２０はバーナー管１２の下流端１８に設けられており、環状のタイル２２によって囲まれている。燃料オリフィス１１（これはガススパッド２４内に位置することができる）はガス燃料ライザー６５の上端に位置しかつ前記上流端１６に位置して燃料をバーナー管１２に導入する。新鮮な空気又は周囲空気が可変ダンパー37bを介して一次空気室の中に導入されてバーナー管１２の上流端１６において燃料と混合され、上方に流れてベンチュリ管部分１９を通る。燃料と新鮮空気の燃焼はバーナー先端２０の下流において生じる。

複数の空気口３０（図２及び３）は二次空気室３２において始まり、炉床１４を通って炉内に通じる。新鮮な空気又は周囲空気は可変ダンパー３４を介して二次空気室３２に入り、段階空気口３０を介して炉内に入り、二次燃焼、即ち、段階燃焼がなされる。

燃焼排ガスを炉から一次空気室２６へ再循環させるために、ＦＧＲダクト７は炉の床の開口４０から一次空気室２６内へ延伸する。代替的に単一流路に代えて、複数の流路（図示省略）を用いることができる。燃焼排ガスは、バーナー管１２のベンチュリ管部分１９を通過する燃料の吸引効果によって引っ張られてＦＧＲダクト７６を通る。このように、一次空気と燃料ガスは、燃焼ゾーンの手前である一次空気室において混合される。故に、燃料と混合される不活性材料の量が増えて火炎温度を下げ、その結果、ＮＯｘの放出を低減する。ダンパー３７ｂを完全に又は部分的に閉じることで、一次空気室２６内に引っ張られる新鮮な空気の量を制限し、それにより、燃焼排ガスを炉床から引っ張るのに必要な真空を与える。

混入は、ＦＧＲダクト７６にはみ出る２個以上の一次空気チャンネル３７と３８を供給することによって促進される。チャンネル３７と３８は円錐、筒状、または、正方形の断面であり、そして、チャンネル３７と３８の間のギャップはＦＧＲダクト７６内に乱流ゾーンを生成し、これにより、良好な燃焼排ガス／空気の混入が起こる。

チャンネル３７と３８の幾何学形状は、ＦＧＲダクト７６内に空気運動量を増加させることによって混入を促進するように設計されている。空気の速度は、当業者が通常のトライアルにより決定することができるように、一次空気チャンネル３７と３８の総流れ面積をあるレベル、即ち、十分な一次空気をいまだ燃焼に利用できるレベルまで引き下げることによって最適化される。

混入は、ＦＧＲダクト７６の内壁の下端においてプレート部材８３によってさらに高められる。プレート部材８３は一次空気室２６内に延伸する。流れ渦巻は燃焼排ガスと空気の混合物が該プレートの周りを流れることによって渦流が引き起こされる。渦流は燃焼排ガスと空気をさらに混合する。プレート部材８３はまた、ＦＧＲダクト７６を有効により長くし、より長いＦＧＲダクトはより良好な混合を促進する。

再循環燃焼排ガスと一次空気の混合量に関してチャンネル３７，３８とプレート部材８３によって引き起こされた改良は再循環燃焼排ガスを吸引するバーナーのより大きな容量をもたらすと共に、ベンチュリ管部分１９の中により均質な混合物をもたらす。より高い燃焼排ガス再循環は、燃焼から排出されるエネルギにヒートシンクを提供することによって総合的な火炎温度を低下させる。ベンチュリ管部分１９においてより良好に混入することは、局部的な高酸素領域の結果生じるホットスポットを減少させる傾向がある。

まざりもののない低温の周囲空気（一次空気）が傾斜したチャンネル３７，３８を通して導入される。各チャンネル３７，３８は、ダンパー３７ｂによって制御されるオリフィス３７ａと３８ａを有する第１端部と、ＦＧＲダクト７６に連通するオリフィスを含む第２端部とを有する。そのように導入される周囲空気はＦＧＲダクト７６の中の再循環している燃焼排ガスに直接混ぜられる。一次空気は燃料オリフィス（これはガススパッド２４の中に含まれてもよい）を通り抜ける燃料の吸気効果によりチャンネル３７と３８を介して引っ張られる。周囲空気は上で論じられる新鮮な空気であってもよい。

ダンパー３４を通して二次空気室３２に入った追加の未混合の低温周囲空気は、ベンチュリ管部分１９を通り抜ける燃料の吸気効果により、引っ張られて、オリフィス６２を通り、ブリードエアダクト６４を通り、オリフィス９７を通ってＦＧＲダクト７６の中、そして、一次空気室２６の中に入る。周囲空気は上で論じられる新鮮な空気であってもよい。低温の周囲空気の燃焼排ガスへの混入はＦＧＲダクト７６を通して流れる熱い燃焼排ガスの温度を下げ、その結果、ＦＧＲダクト７６の寿命を実質的に長くし、このタイプのバーナーの使用を可能にして炉の放射部において１０４０℃（１９００°Ｆ）より高い燃焼排ガス温度を有する高温分解炉においてＮＯｘ放出量を抑えることができる。ブリードエアダクト６４は第１端部６６と第２端部６８を有し、第１端部６６は二次空気室３２のオリフィス６２につなげられ、第２端部６８はＦＧＲダクト７６のオリフィス９７につなげられている。

さらに、まざりもののない低温周囲空気のブリードエアダクト６４を通り抜ける量に対して小量の、空気口３０を通り抜けて炉の中に入った低温周囲空気もまた、ベンチュリ管部分１９を通り抜ける燃料の吸気効果によって、引っ張られてＦＧＲダクト７６を通って一次空気室２６に入る。ダンパー３７ｂが完全に閉じられる範囲まで、ブリードエアダクト６４は、バーナー１０が必要とする完全な必要量の一次空気を必要とされるように流すようなサイズとされるべきである。

理解されるように、本発明のバーナーの１つの特徴は、バーナーに再循環される燃焼排ガスがＦＧＲダクト７６中の冷たい段階空気の一部に混ぜられるということである。この混入は、ＦＧＲダクト７６を流れる流れの温度を低下させ、かつ、容易に利用可能な材料をバーナー構造に使用することを可能にする。この特徴は再循環燃焼排ガスの温度が１０４０℃から１１５０℃（１９００°Ｆから２１００°Ｆ）と同じくらい高い場合の水蒸気クラッカーや改質装置などの高温炉のバーナーには特に重要である。ほぼ等しい重さの段階空気と再循環燃焼排ガスを結合することによって、ＦＧＲダクトの中の温度を有利に低下させることができる。

先の構造と異なって、二次空気室を燃焼排ガス再循環ダクトに直接接続する１または、 より多くの流路は、少量の低温二次空気をＦＧＲダクト７６へ導いてＦＧＲダクト７６の金属部に入る空気／燃焼排ガス流を冷やす。ＦＧＲダクトに入る前にひとかたまりの二次空気を炉床を横切るように流すよりむしろ、二次空気の大部分を二次空気室から直接供給することによって、以下の実施例によって示されるように有益な結果が得られる。

有利に、２０％から８０％の周囲空気と、２０％から８０％の燃焼排ガスの混合物はＦＧＲダクト７６を通して引っ張られるべきである。およそ５０％の燃焼排ガスとおよそ５０％の周囲空気の混合物が使われることが特に好まれる。燃焼排ガスと周囲空気の必要な割合はＦＧＲダクト７６、ブリードエアダクト６４、および空気口３０を適切なサイズとし、配置し、及び／又は構造とすることによって達成される。すなわち、空気口とブリードエアダクトの幾何学条件と位置を変えて燃焼排ガスと周囲空気の必要な割合を得ることとしてもよい。

視認及び点火ポート５０が一次空気室２６に備えられており、この点火ポート５０はバーナーアセンブリの内部点検を可能にすると共に、バーナー１０に火入れするための点火要素（図示省略）のアクセスを提供する。バーナープレナムをその断熱のために鉱質綿かセラミックの断熱材５２とワイヤメッシュスクリーニング（図示省略）で覆うこととしてもよい。点火室９９はバーナーの点火を可能にする所定距離バーナー先端２０から離間して配設されている。米国特許５,０９２,７６１に開示されるタイプの点火トーチ又は点火器（図示省略）はバーナーの始動において有用性を有する。本発明のバーナーを運転するために、トーチまたは点火器を点火ポート５０を通して、バーナー先端２０に隣接する点火室９９に挿入する。

運転において、燃料オリフィス１１（それはガススパッド２４の中に位置してもよい）は燃料をバーナー管の中に放出し、そこで燃料は一次空気、再循環燃焼排ガス、又は一次空気と再循環燃焼排ガスの混合物と混ざる。燃料、再循環燃焼排ガス、および一次空気の混合物は次にバーナー先端２０から排出される。バーナー管１２のベンチュリ管部分１９の中の混合物は多燃料可燃限界の以下に維持される。すなわち、ベンチュリ管の中には燃焼を支持するためには不十分な量の空気しかない。二次空気は、燃焼に必要である空気の残りを提供するために加えられる。

希釈剤としての燃焼排ガスの使用に加えて、希釈によりより低い火炎温度を獲得する別のテクニックは水蒸気噴射の使用である。一次空気室か二次空気室で水蒸気を噴射することができる。水蒸気は図１で示されるように１つ以上の水蒸気噴射管１５を通して噴射されてもよい。望ましくは、水蒸気はベンチュリ管の上流で噴射される。

ＦＧＲダクト７６の断面は実質的に長方形であり、通常、その小径は大径の１００％から３０％まで変化している。好都合なことに、ＦＧＲダクト７６の断面積はＫＪ／ｓ当たり１１乃至２６ｍｍ^２（１００万（ＭＭ）Ｂｔｕ／ｈ当たり５乃至１２ｉｎ^２）のバーナー容量であり、実用的な実施の形態においては、２１９ｍｍ^２から３８７ｍｍ^２（３４平方インチから６０平方インチ）である。このように、ＦＧＲダクト７６は、１ジュール／ｓ当たり少なくとも４２ｇｍ／ｓ（１ＭＭＢｔｕ／ｈ当たりの１００ｌｂ／ｈ）のバーナー容量、望ましくは、１Ｊ／ｓ当たり少なくとも５４ｇｍ／ｓ（１ＭＭＢｔｕ／ｈ当たり１３０ｌｂ／ｈ）のバーナー容量、より望ましくは、１Ｊ／ｓ当たり少なくとも８４ｇｍ／ｓ（１ＭＭＢｔｕ／ｈ当たり２００ｌｂ／ｈ）のバーナー容量の質量流量を収容することができる。そのうえ、１０％を超え最大１５％又は最大２０％さえのＦＧＲ比を達成することができる。

図１−３と図１２に関し、かつ、本発明の１つの実施の形態において、壁６０はバーナー管１２の下流端１８に取り付けられたバーナー先端２０を包囲し、バーナー先端２０の下流の火炎の底部と下流炉の中のＦＧＲダクト７６及び１以上の空気口３０の両方との間にバリアを供給する。

図１、２と１２Ａに示すように本発明の好ましい実施の形態において、バーナー先端の下流の火炎の底部とＦＧＲダクト７６の間にさらなるバリアを供給するために壁６０（壁６０はバーナー先端２０を包囲する）に加えて部分壁１９５が設けられている。

本発明のバーナーはここにおいて図１と５に関して説明される新規なセンタリングプレートをさらに含んでもよい。サポート部材１６１は孔空きセンタリングプレート１６０を一次空気室２６の天井から吊す。図５で示されるように、孔空きセンタリングプレート１６０の特定の実施の形態は、ライザーセンタリング部材１６３を周囲リング支持部材１６４に相互連絡する複数のスポーク１６２を有する。ライザーセンタリング部材１６３は、燃料オリフィス／ガススパッドをベンチュリ管の部分１９の入口と適切に一直線上に整列させてそれを維持するためにガスライザー６５の周りに置かれる。リング支持部材１６４は、センタリングプレート１６０をサポート部材１６１に固定する際に使用のための複数の孔１６６を有する。

本発明の１つの実施の形態において、センタリングプレート１６０はまた対の孔１６８を含み、対応する対の水蒸気噴射管１５がこれらの孔を通ってプレート１６０を貫通して延伸する。

上で注意したように、センタリングプレート１６０は孔空きであり、一次空気室２６からの空気がそれらの孔を通って流れることを可能にしており、これにより、現在使用されている孔無しのセンタリングプレートによって引き起こされる通常ねじれている流れパターンから生じる流れ損失を避けることができる。孔空きセンタリングプレート構造がバーナー管のベンチュリ管部分１９に入る流れベクトルを滑らかにするので、これらの流れ損失は避けられ、より高いベンチュリ管容量、より高い燃焼排ガス再循環速度、より低い火炎温度、およびより低いＮＯｘ産生を可能にする。

図５に示すようにセンタリングプレート１６０は円形として図示され、そして、円形形状は本発明の好ましい実施の形態であるが、本発明の範囲あるいは技術的思想から逸脱することなく、センタリングプレートを例えば楕円形、正方形、または三角形を含む他の種々の形状に形成することができることは当業者によって理解されるだろう。

本発明のバーナーは、ここにおいて特に図３、図６Ａ、および図６Ｂを参照して説明される新規な燃料スパッドを使ってもよい。ここで図６Ａについて言及し、従来の燃料スパッド２４が示される。燃料スパッド２４は、好ましくは図示の通り螺合により、燃料供給管２５の出口端部に取り付けられる。燃料スパッド２４はバーナー管１２の上流端１６と一直線上に並べられるので、燃料スパッド２４の出口端２９を出た燃料は、一次空気と再循環燃焼排ガスと共に、バーナー管１２の上流端１６に流れ込むことができる。図示されるように、変遷部２７を使用することにより、燃料スパッド２４の入口端２３の内径は変遷して出口端部２９において内径が小さくなる。燃料スパッド２４の外表２１は流線型Ｓによって表されるベンチュリ管の入口流にさらされる。外面２１は、取付けを容易にするために、六角ナットの形状である。

外面２１は燃料スパッド２４の取付けに役立つことができると共に、図６Ａの流線型Ｓによって示されるように、空気がベンチュリ管の入口１６に引っ張られると、燃料スパッド２４の縁を通った流れは燃料スパッド２４の最も高速部分にすぐ隣接する渦巻乱流ゾーンを発生させる。この渦巻ゾーンで消散するエネルギは、燃料スパッド２４とバーナー管１２のベンチュリ管の組み合わせによる吸気効率を減少させる。この効率の減少はバーナーで達成可能なＦＧＲ比を制限する。

図６Ｂは別の好ましい形態に従って設計され燃料スパッド４２４を示す。図示のように、燃料スパッド４２４は、空気と再生された燃焼排ガスが燃料スパッド４２４の上方を通ってバーナー管１２の上流端１６に入ったときに、流れが分離し渦巻くことを防止するために、円錐切頭体の形状のスムーズな断面形状の外面４２１を用いている。流線型ＳＩによって図式的に表現されるように、渦巻と乱れは最小にされ、その結果、システムの吸気効率を高める。この改良の結果，より高いＦＧＲ比とより少ないＮＯｘ放出量を達成することができる。

先の構造と異なって、本発明の燃料スパッド構造を使用することで、燃料スパッド／バーナー管／ベンチュリ管の組み合わせの吸気特性を改良し、より高いレベルのＦＧＲを利用するように能力を増加させかつＮＯｘ放出量を低減するのに役立つ。

本発明は、特に図１、２、３、および８を参照してここで論じられる新規なバーナー先端２０を含んでもよい。非常に小さいギャップがバーナー先端２０とバーナタイル２２の間に存在している。このギャップを正確に設計することによって、二次段階空気は、バーナー先端２０のすぐ炉側に位置する一次燃焼帯から何らかの距離に位置する段階空気口３０を通して炉に押し込まれる。このギャップは単一の周囲ギャップであってもよく、あるいはそれに代えて、図８に示されるように、周囲に配列される一連の離間するギャップ７０を含むこととしてもよい。

本発明の新規なバーナースパッド２４と新規なバーナー先端２０に関して、燃料、再循環させた燃焼排ガス及び一次空気の混合物はバーナー先端２０から放出される。バーナー管１２のベンチュリ管部分１９内の混合物は多燃料可燃限界以下に維持される。すなわち、ベンチュリ管の中に燃焼を支持するためには不十分な空気しかない。段階二次空気は、燃焼に必要である空気の残り部分を提供するために加えられる。段階空気気の大部分は、バーナー先端２０から有限距離隔てた位置において段階空気口３０を介して加えられる。しかしながら、段階二次空気の一部はバーナー先端２０と環状タイル２２の間を通り、そして、バーナー先端２０のサイドポート５６８を出る燃料に直ちに利用可能である。示唆されるように、サイドポート５６８が燃料の一部を環状タイル２２の表面に向けるが、メインが環状タイル２２の表面の向こう側に燃料の部分に５６４をダイレクトに移植するが、メインポート５６４は燃料の大部分を炉の中に向ける。

想像されるように、２個の燃焼帯が確立される。サイドポート５６８の領域で燃焼された燃料から発して周囲タイル２２の表面に至る小さな燃焼帯が確立されると共に、メインポート５６４からの燃焼した燃料から発して炉の火室に突出したはるかに大きい燃焼帯が確立される。運転において、より大きい燃焼帯はバーナーから上方に延伸するほぼ筒状の燃焼面を呈し、そこでは、主として空気口３０から流れる段階空気はバーナー先端のメインポート５６４から出る多燃料混合物に出会う。

バーナー性能を分析することにより、サイドポート５６８と周囲タイル２２に隣接した燃焼帯が火炎の安定性を保証するのに重要であることが示された。適切な火炎の安定性を提供するために、この燃焼帯の空気／燃料混合物（これは、バーナー先端２０のサイドポート５６８を去る混合物と、バーナー先端２０と周囲タイル２２の間を通る空気を含む）は多燃料可燃限界以上でなければならない。

サイドポート５６８と周囲タイル２２に隣接した燃焼帯において多燃料可燃限界以上の混合物が良好なバーナーの安定性を保証するが、一方、この燃焼帯での燃焼は、より大きい燃焼帯と比較して、比較的高いＮＯｘレベルを発生させることがわかった。この小さい方の燃焼帯で燃焼される燃料の割合を最小にすることによって合計ＮＯｘ放出量を抑えることができることが発見された。特に、一体的燃焼排ガス再循環を使う段階空気プリミックスバーナーにおいて、サイドポート５６８と周囲タイル２２に隣接する燃焼帯に排出される燃料の量がバーナーで燃焼される総燃料のおよそ１５％を超えないとき、より低い合計ＮＯｘ放出量となることがわかった。このことは、この燃焼帯の中で良好なバーナーの安定性を保証するために多燃料可燃限界以上の混合物によって、かつ、高いＮＯｘ放出量に通じるような高酸素濃度でない燃焼が行われるように、バーナー先端２０と周囲タイル２２の間の気流をさらに構成することによって達成される。

本発明の新規なバーナー先端構造は、サイドポート５６８と周囲タイル２２に隣接する燃焼帯に放出される燃料の量を総燃料のおよそ８パーセントに制限する。この構造はこの燃焼帯で必要な空燃比を有利に維持すると共に、バーナー先端と周囲タイルへの隙間を３.８ｍｍ乃至１０.２ｍｍ（０.１５インチ乃至０.４０インチ）に維持する。図示されるように、従来構造において一般的な一列がおよそ３０個のサイドポートを２列設けるよりむしろ、本発明のバーナー先端２０は１列に１６個のサイドポート５６８を有するものを２列設けており、各サイドポートの直径はおよそ６ｍｍである。この構造は、有利なことに、低減された火炎温度と火炎速度に通常関連する問題を生じることなく、ＮＯｘ放出量を抑えることができる。生じるものは「リフトオフ」の傾向がない非常に安定した火炎である。また、サイドポート５６８の直径をおよそ５ｍｍまで減少させると、サイドポート５６８と周囲タイル２２に隣接する燃焼帯に排出される燃料を燃焼される総燃料の５〜１５パーセントに制限することを助けるとともに、非常に安定した火炎をいまだ発生させることができる。

本発明の１実施の形態では、バーナー先端２０は、取付けられたときにバーナー箱に面する上端５６６と、バーナー管１２の下流端１８に連結可能に設けられた下端を有する。スエージング、より望ましくは、溶接又は螺合接合によってバーナー先端２０の下端をバーナー管１２に連結することができる。

特に図３、８、および９Ａに言及して、バーナー先端２０の上端５６６は、中央に配設された端面５６９に形成された複数のメインポート５６４と、周囲側面に形成された複数のサイドポート５６８を含んでいる。運転において、サイドポート５６８は燃料／空気混合気の一部をタイル２２の表面に向けて流すが、メインポート６４は混合物の大部分を炉の中に向ける。

ここで図９Ａと９Ｂに言及し、図１のバーナー先端２０の上端５６６は図９Ａに示され、一方、図９Ｂは従来のバーナー先端２０の上端６６６を示す。図９Ａに言及し、発明のバーナー先端２０の中央に配設された端面５６９のメインポート５６４の数とサイズは従来の先端のものよりもかなり大きいことがわかるであろう。特に、発明の先端のメインポート５６４の数と大きさは、端面５６９のメインポート５６４の総面積が単位ＫＪ／ｓ当たり少なくとも２.２ｍｍ^２（１００万（ＭＭ）ＢＴＵ／ｈ当たり１.２平方インチ）のバーナー容量、望ましくは、単位ＫＪ／ｓ当たり少なくとも２.６ｍｍ^２（１００万(ＭＭ)ＢＴＵ／時間当たり１平方インチ）のバーナー容量となるものである。対照的に、図９Ｂに示される従来のバーナー先端では、端面６６９のメインポート６６４の総面積はＫＪ／ｓ当たり２.２ｍｍ^２（ＭＭＢＴＵ／ｈ当たり１平方インチ）未満のバーナー容量である。再び図９Ａに言及し、バーナーの設計燃焼速度が１７６０ＫＪ／ｓである（６.０ＭＭＢｔｕ／ｈ）である発明に従ったバーナー先端の実用的な１実施の形態において端面５６９のメインポート５６４の総面積は５４.２ｃｍ^２（８.４ｉｎ^２）であり、一方、同じ設計燃焼速度で使用する従来のバーナー先端では、これらの開口の総面積は３７.４ｃｍ^２（５.８ｉｎ^２）にすぎない。

直観的に、先端の流れ面積を増やすと、比例して先端速度が落ちるということが期待されるが、代わりに、速度低下は、先端流れ面積の増加がＦＧＲを上げるという事実によって緩和されることがわかる。

バーナー先端２０におけるメインポート５６４の増加する総面積はバーナー先端２０の流れ面積を増加させ、これは、先端を流れる燃料／空気混合気の速度を上昇させることなく、より高いＦＧＲを可能にする。このように、より高いＦＧＲ速度によりバーナーの安定した運転を保持することができる。

当業者が認めるように、本発明の目的を達成するのに必要なサイドポートの数の減少は燃料自体の特性、流体の力学、および燃焼動力学を含む多くの要素に依存する。本発明のバーナー先端はサイドポートの数が約５３％減少された構造を示すが、２５％乃至７５％に及ぶサイドポートの数の減少もまた、各サイドポートと、バーナー先端と周囲タイル間のギャップが適切な大きさにされる限り、同様に有効であろう。

本発明のバーナー先端構造では、望ましくは、バーナー先端と周囲タイルの間のギャップの大きさは、サイドポートを出る燃料ガスに利用される総空気量（すなわち、燃料ガスと共にサイドポートを出る空気量と、ギャップを通して供給される空気量の合計）が使用燃料の多燃料可燃限界よりも５乃至１５パーセントのポイント以上となるように、設けられている。例えば、使用される燃料が化学量論燃焼に必要である空気の５５％の多燃料可燃限界を有するならば、サイドポートを出る燃料ガスに利用される空気量は化学量論燃焼に必要である空気の６０―６５％とすべきである。

従来技術の構造と異なり、本発明のバーナー先端の使用はバーナー先端に近い領域において高ＮＯｘ放出局部源を実質的に最小にする。

本発明のバーナー１０はまた、ここにおいて論じられる新規なベンチュリ管１９を含むことができる。ここで図７Ａに言及し、米国特許５,０９２,７６１に開示されるタイプの従来のバーナーのベンチュリ管１９は、全長に渡って実質的に一定の内断面を有する比較的短いのど部１９ａと、集束する円錐部分１９ｂを含んでいる。こののど部１９ａの最大断面内寸法に対する長さの比は３未満であり、通常２.６である。また、図７Ｂに示すように、本発明に従ったバーナーのバーナー管のベンチュリ管は、実質的に一定の内断面を有するのど部１９ａと、集束する円錐部分１９ｂを含んでいる。しかしながら、本発明のバーナーののど部１９ａは図７Ａに示される従来のバーナーのものよりもかなり長、のど部１９ａの長さ対最大断面内寸法の比率は少なくとも３であり、望ましくは４〜１０、より望ましくは４.５〜８、さらに望ましくは６.５〜７.５、最も望ましくは６.５〜７.０である。望ましくは、本発明のバーナーののど部１９ａの内面は筒状である。

ベンチュリ管ののど部の長さ対断面内寸法の比を増加させることは、ベンチュリ管ののど部及び円錐部分に起こる流れの分離の度合いを低減させる。この流れの分離はベンチュリ管の燃焼排ガスを巻き込む能力を増加させてより高い燃焼排ガス再循環速度を可能にし、引いては、火炎温度を下げＮＯｘ生産を低減する。ベンチュリ管ののどをより長くすることはまた、より良い流れをもたらし、引いては、バーナー先端を出る混合物の手前で燃料ガス／空気流の改良された混入を促進する。また、燃料ガス／空気流のより良い混入は、より均等な火炎を発生させ、引いては、ピーク温度領域を減少させることによって、ＮＯｘ低減に貢献する。

本発明のバーナー１０は、特に図１、３、および８に関連してここで論じる点火室構成を含むことができる。バーナー先端２０とバーナタイル２２の間のギャップを増加させるとバーナーによって生じるＮＯｘ総放出量が上るが、総合的な火炎の安定性もまた上ることが試験により発見された。ギャップのサイズはＮＯｘを最小にすることができるように十分小さく、かつ、適切な火炎の安定性を維持することができるように十分大きくなければならない。この点に関し、点火室９９は問題を引き起こすかもしれないことがわかる。余分な空気が通り過ぎる意味のある流れ断面積を提供する点火室９９の存在によって生じるＮＯｘ放出効果を排除するために、点火室９９の中に置かれたときに点火室９９を実質的に満たすのに有効な形状を有する着脱自在な点火室プラグ３６２が提供される。

本発明のバーナー１０を運転するために、トーチまたは点火器が点火管５０を通して点火室９９（これは、バーナーに火入れするために一次燃焼帯とバーナー先端２０に隣接している）に挿入される。点火に続いて、正常運転のために、着脱自在な点火室プラグ３６２を点火管５０に通して点火室９９に挿入して点火室９９をプラグで塞ぎ、よって、一次燃焼帯に隣接する高酸素濃度ゾーンを排除してバーナーからのＮＯｘ放出を抑える。取付けを容易にするために、点火室プラグ３６２を取付ロッドに取り付けて点火室プラグアセンブリ３６８を形成することとしてもよい。アセンブリは点火管５０を通して点火室９９に挿入される。着脱自在な点火室プラグアセンブリ３６８の構造は、従来のアタッチメントを従来の機械的取付ロッドアタッチメントを介してバーナープレナムへ取り付ける可能にする。

着脱自在な点火室プラグ３６２とアセンブリは炉の中の高温環境に耐えることができる適切な材料で作られる。着脱自在な点火室プラグ３６２の表面３６４（これは炉にさらされる表面であり、バーナタイル２２に収まる表面である）をバーナタイル２２の軸対称の幾何学形状の延伸部を形成する断面形とし、図１に示すようにバーナタイル２２に対して面一取付けとすることができる。点火室プラグ３６２は、炉のバーナタイルとして典型的な１４３０乃至１９８０℃（３６００乃至２６００°Ｆ）の範囲の温度に適したセラミック又は高温耐火材から作られるべきである。本発明の実施において有用性を有する１つの材料は、米国ジョージア州アトランタのThermal Ceramics Corporationから商業量で入手できるKaowool（登録商標）セラミック繊維毛布のようなセラミック繊維毛布である。

理解されうるように、断熱のためにバーナープレナムを鉱質綿とワイヤメッシュスクリーン５２で覆うこととしてもよい。

本発明のバーナー１０はまた、図３、８、１０Ａ−１０Ｃ、および１１に関してここで論じるように新規な先端シール構成を含んでもよい。バーナー先端２０と周囲バーナタイル２２間のギャップの利用可能な流れ面積を増加させるとバーナーによって生じるＮＯｘ総放出量が増えるが、また、火炎が安定性する傾向があることがテストで発見された。バーナー先端２０とバーナタイル２２間の各ギャップは、ＮＯｘ放出量へのその影響から見て、安定性を維持し、かつ、ＮＯｘを最小にするために適正な大きさにされなければならない。

低ＮＯｘ放出のためにバーナー性能を最適化するためにバーナー先端２０と周囲タイル２２間の距離のきつい寸法公差を保持して、先端２０の周りの良好な空気分配を確実にしかつその領域に流れ込む求められていない気流を最小に又は意義のある程度に減少させなければならない。この求められていない気流はサイドポートから発する火炎をより化学量近くにし、火炎温度とＮＯｘレベルを上げる傾向がある。

当業者によって理解されうるように、バーナー先端２０の外径及び気流切欠き７０を精密鋳造又は機械加工により比較的きつい許容誤差に製造する必要がある。しかしながら、周囲タイル２２を同じ許容誤差に製造することがより難しく、バーナー先端２０の外径と周囲タイル２２の間の求められているギャップを作成できないかもしれない。通常、周囲タイルは、型成形可能な耐火材料を使用しそれを型に注ぎ込むことで成形される。周囲バーナタイルをきつい許容誤差に製造する問題をなすものは、乾燥され焼かれるときにタイルが起こす収縮量である。収縮量は材料、温度、および幾何学的形状により異なり、最終的な製造許容誤差にさらなる不明確さを引き起こす。これらの要素はタイルを一貫した直径に製造することの困難性を生じさせ、小さ過ぎる直径のタイルができたり、あるいは、より一般的に、大き過ぎる直径のものができたりする。

潜在的問題解決策は周囲タイルバーナー先端孔をよりきつい許容誤差に製造することであるが、これは、周囲タイルの孔を鋳造ではなくむしろ機械加工することを必要とする。しかしながら、従来の周囲タイルに孔を機械加工することは難しく、時間がかかって費用がかさむ。さらに、製造の際に許容誤差がわずかであっても、セラミック材料の割れといった問題は金属バーナー先端と陶磁器タイル間の熱膨脹差のため起りうる。

バーナー先端２０と周囲バーナタイル２２間の空気ギャップ７０のために一定の寸法を確率するために、鉄鋼又は産業用バーナーの過酷な環境に耐えることができる他の金属は若しくは金属複合材から形成することができるバーナー先端バンド８５を仮着け溶接か他の適当な方法によってバーナー先端２０の外周に取り付けることとしてもよい。有利なことに、ギャップをさらに減少または排除するためｎに圧縮性の高温材料８７をバーナー先端バンド８５と周囲タイル２２間の望ましくないギャップに任意に使うことができる。前述の圧縮性の高温材料を座らせるために、バーナー先端バンド８５はそれぞれ、さらに、周囲刻み目８１（図１０Ａ参照）又は周囲刻み目８３（図１０Ｃ参照）を含んでもよい。この新規な構造の長所は周囲タイル孔のサイズを意義があるように変化させることができると共に、バーナー先端２０と周囲タイル２２間にシールを維持するためにその変化に対して圧縮性材料を調整できることである。本発明のバーナー先端構造を使用することによって、バーナー先端と周囲タイル間の空気ギャップを正しい許容誤差に維持し、求められていない空気漏出を本質的に無くすことができる。

理解されるように、圧縮性材料８７は、バーナーのサイドポート火炎のかなり近くに位置するので、高温使用に適した品質のものでなくてはならない。加熱されると膨張する材料は圧縮材料８７として非常に有益である。なぜならば、初期取付けをはるかに簡単にするからである。適当な材料の例は、米国ジョージア州のサーマルセラミックス社（Thermal Ceramics）のモルガンるつぼの部署により提供されているTriple
T（登録商標）と、Organically Bound Maftec（登録商標）（OBM Maftec（登録商標））を含むが、これらに限定されるものではない。OBM Maftec（登録商標）が望ましいことがわかった。なぜならば、それは高温に露出された後にもよりよく持ちこたえたからである。OBM Maftec（登録商標）は高品質のムライト繊維から生産される。この材料は低熱伝導率と蓄熱性を有することが知られており、また、熱衝撃と薬品侵食に対する抵抗力を有する。その材料はまた大きな可撓性を有し、１５９０℃（２９００°Ｆ）の最大温度定格及び最大で１４８０℃（２７００°Ｆ）の連続使用限度を有し、これらの性質はその材料をここで使用することを理想的にしている。

Triple T（登録商標）はMaftec（登録商標）以上に膨脹するが、それは加熱の後により容易に薄のように離れることがわかった。

ここで図１１を参照し、同様の利点は、炉の第１開口に隣接するパイロット８６の領域でも得られるかもしれない。パイロットシールド８８の周りに存在するギャップのため、典型的な構造において重要な漏出が起ることが認められた。これを治すために、図１１に示すように圧縮性高温材料８７をパイロットシールド８８及び／又はパイロットライザー８９の周りに取り付けて、バーナー先端バンド８５と周囲タイル２２間の求められていないギャップを排除する。例えば、０.４７６３ｃｍ幅、２.５４ｃｍ厚（１インチ幅、０.１８７５厚）の帯状のOBM Maftec（登録商標）がパイロットシールド８８の周りに存在するギャップを特に良好にシールするように働いていることがわかった。

本発明のバーナーはまた、図１−３に関して次に論ずるように傾斜したＦＧＲダクトを含んでもよい。ここで示すように、本発明の１局面において、ＦＧＲダクト角度７６は、ダクト７６の開口４０がバーナー先端２０の底部から物理的にさらに隔たるように、入口８４において外側に傾斜している。その結果、傾斜したＦＧＲダクトの入口８４はバーナー火炎がＦＧＲダクト７６に巻き込まれることを無くし又は少なくとも減少させる。この実施の形態は、より高い燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）速度がバーナー１０に引き起こされることを可能にする。そのようなより高いＦＧＲ速度は引いては総合的な火炎温度とＮＯｘ生産を抑える。

図３に関して、火炎開口５２３は円形であり半径Ｒを有し、ダクトが開口４０が火炎開口５２３から横方向に隔たる距離ｄは、ダクトが開口４０に火炎を巻込むことを避けるために、ｄ＞＝０.５Ｒによって定められる。

図１にまたも言及し、入口８４において外側に傾斜したことは、比較的小さいバーナー箱を連続して使用することを可能にしている。そのようなＦＧＲバーナーの高さを１.８ｍ（６フィート）のオーダー、幅を０.９ｍ（３フィート）のオーダーにすることができることに注意すべきである。

図１、２と１２Ａについて言及し、発明の別の局面は、ＦＧＲダクト７６開口４０とバーナー火炎の底部間の有効距離をさらに増加させるのに役立つ。この実施の形態では、物理的な壁１９５はバーナー先端２０と、ＦＧＲダクト７６への開口４０との間に取り付けられる。壁１９５はまた、バーナー火炎がＦＧＲダクト７６に巻き込まれる可能性を無くし又は少なくとも減少させ、より高い燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）速度がバーナー１０に引き起こされることを可能にする。そのようなより高いＦＧＲ速度は総合的な火炎温度とＮＯｘ生産を抑える。本発明の教示によると、図１２Ａに示すように壁１９５を湾曲させることとしてもよく、あるいは、当業者にとってが明白であるように、その他の形状とすることができる。

実施例
以下の実施例は本発明の新規なベンチュリ管から生じる利点を説明する。

実施例１
本発明の利点を示すために、３０％のＨ_２／７０％の天然ガスを含む燃料ガスを使用して水蒸気噴射なしで米国特許５,０９２,７６１（米国特許５,０９２,７６１の図５に示されるように）で説明されるタイプの対のプリミックスバーナーを１バーナーあたり１７６０ｋＪ／ｓ（６ＭＭＢＴＵ／ｈ）の燃焼速度で運転した。このテストの間に、８８ｐｐｍのＮＯｘ放出量が測定された。

水蒸気噴射を用いてテストを繰り返した。水蒸気は１バーナーにつき６０.４ｋｇ／ｈ（１３３ｌｂ／ｈ）と、８８.５ｋｇ／ｈ（１９５ｌｂ／ｈ）で噴射され、それぞれの測定されたＮＯｘ放出レベルは５８ｐｐｍと４９ｐｐｍであった。

実施例２
この実施例では、図１−５、６Ｂ、７Ｂ、９Ａ、１０Ｂ、および１２Ａに示す特徴を用いた対のプリミックスバーナーがテストされた。バーナーは燃焼排ガス再循環を使い、３０％のＨ_２／７０％の天然ガスを含む燃料ガスを使用して水蒸気噴射なしで、１バーナー当たり１７６０ｋＪ／ｓ（６ＭＭＢＴＵ／ｈ）の燃焼速度で運転された。このテストの間に４２ｐｐｍのＮＯｘ放出量が測定された。非常に安定した火炎が観測された。

テストは水蒸気噴射を用いて繰り返された。水蒸気は１バーナー当たり６０.４ｋｇ／ｈ（１３３ｌｂ／ｈ）、８８.５ｋｇ／ｈ（１９５ｌｂ／ｈ）、および１３２.６ｋｇ／ｈ（２９２ｌｂ／ｈ）で噴射され、それぞれ、２８.５ｐｐｍ、２３.５ｐｐｍ、および２１ｐｐｍのＮＯｘ放出量レベルが測定された。ここでもまた非常に安定した火炎が各実施例で観測された。

この発明のバーナーは床燃焼炭化水素分解炉に関して説明されたが、バーナーをまた、他の反応又は機能を実行する炉に使用することができる。

ここで開示された教示はまた、伝統的な生ガスバーナ又は、燃焼排ガスだけがバーナー管の入口において燃料に混ぜられるプリミックスバーナー構成を有する生ガスバーナにもまた有用であることがまた理解される。事実、ここで詳細に説明したタイプのプリミックス段階空気バーナーは、一次空気ダンパードアが閉じた状態で運転して非常に満足できる結果を得ることができることがわかった。

したがって、本発明を使用することで、ファン又は特別なバーナーを使用することなく、バーナーのＮＯｘ放出量を抑えることができることがわかった。また、本発明のバーナーのセンタリングプレートを既存のバーナーに容易に組み込むことができる。

発明は特定の方法、材料、および実施の形態に関して説明されたが、発明はそういった開示された特定のものに制限されるものではなく、請求項の範囲内にすべての均等物にまで及ぶことが理解されるべきである。

本発明のバーナーの一部断面側面図である。 図１の２−２線に沿う一部断面側面図である。 図１の３−３線に沿って見た平面図である。 本発明に従う燃焼排ガス再循環ダクトの１実施の形態の斜視図である。 本発明のバーナーの１実施の形態に用いられるセンタリングプレートの平面図である。 図６Ａは燃料スパッドの断面図である。図６Ｂ本発明に従う改良型燃料スパッドの別の実施の形態の断面図である。 図７Ａと図７Ｂはそれぞれ、従来技術のバーナー管のベンチュリ管と、本発明に従うバーナーのバーナー管のベンチュリ管を比較のために示す断面図である。 本発明のバーナー先端の斜視図である。 図９Ａは本発明のバーナー先端の平面図であり、図９Ｂは従来技術のバーナー先端の平面図である。 図１０Ａは本発明のバーナー先端シールの１実施の形態の分解図である。図１０Ｂは本発明のバーナー先端シールの別の実施の形態の分解図である。図１０Ｃは本発明のバーナー先端シールのさらに別の実施の形態の分解図である。 本発明に従うパイロットチャンバの区域をシールするシール手段の実施の形態を示す図である。 図１２は本発明の１実施の形態に従う分離壁の斜視図である。図１２Ａは本発明の別の実施の形態に従う別の分離壁の斜視図である。

Claims (28)

1. 炉内において燃料を燃焼させるバーナーであって、
   （ａ）一次空気室と、
   （ｂ）上流端、下流端及び該上流端と下流端の間に位置するベンチュリ管を有するバーナー管であって、前記ベンチュリ管はほぼ一定の内断面を有するのど部を備え、該のど部の長さ対最大断面内寸法の比は少なくとも３であるバーナー管と、
   （ｃ）前記炉の第１開口に隣接して前記バーナー管の前記下流端に設けられたバーナー先端であって、前記燃料の燃焼がバーナー先端の下流で生じるバーナー先端と、
   （ｄ）前記バーナー管の前記上流端に位置して燃料を前記バーナー管内に導く燃料オリフィスとを、
   含んでなるバーナー。
2. 請求項１のバーナーであって、さらに、
   （ｅ）前記バーナー管と一直線上になるように前記燃料オリフィスをセンタリングするセンタリングプレートであって、前記一次空気室からの流れを許容するように孔空きであるセンタリングプレートを
   含んでなるバーナー。
3. 請求項１又は２のバーナーであって、さらに、
   （ｉ）前記バーナー管の前記上流端に隣接し燃料を前記バーナー管内に導く燃料スパッドを
   含んでなるバーナー。
4. 請求項３のバーナーであって、さらに、
   （ii）第１端部と、前記バーナー管の前記上流端に隣接する第２端部を有する少なくとも１つの流路と、
   （iii）前記燃料スパッドから出て前記バーナー管の前記上流端から下流端へと前記バーナー管内を流れる未燃焼の燃料の吸引効果に応答して、前記炉から燃焼排ガスを引っ張って前記少なくとも１つの流路へ流す手段と、
   （iv）前記燃料スパッドから出る未燃焼の燃料の前記吸引効果を増大させる手段とを、
   含んでなるバーナー。
5. 請求項１又は２のバーナーであって、前記バーナー管の前記上流端は燃料と、燃焼排ガス、空気又は燃焼排ガスと空気の混合物とを受け、前記バーナーは、さらに、
   （ｉ）前記炉の第２開口に位置して燃焼排ガスを入れるための第１端部と、前記バーナー管の前記上流端に隣接する第２端部を有する少なくとも１つの流路であって、１０％を超える合計ＦＧＲ比を与えるに十分な断面積と形状を有する少なくとも１つの流路と、
   （ii）前記バーナー管をその上流端から下流端へと流れる未燃焼の燃料の吸引効果に応答して、前記炉から燃焼排ガスを引っ張って前記少なくとも１つの流路へ流す手段とを、
   含んでなるバーナー。
6. 前記少なくとも１つの流路の断面はほぼ長方形である請求項５のバーナー。
7. 前記断面の断面積は、単位ＫＪ／ｓ当たり１１ｍｍ^２乃至２６ｍｍ^２（ＭＭＢｔｕ／ｈ当たり５ｉｎ^２乃至１２ｉｎ^２）の範囲のバーナー容量である請求項５又は６のバーナー。
8. 前記断面は大径と、該大径の３０％乃至１００％の範囲の小径を有する請求項５乃至７のいずれか１つに記載のバーナー。
9. 前記バーナーはプレミックスバーナーである請求項１乃至８のいずれか１つに記載のバーナー。
10. 前記燃料は燃焼排ガスを含む請求項１乃至９のいずれか１つに記載のバーナー。
11. 少なくとも１つの水蒸気噴射管をさらに含んでなる請求項１乃至１０のいずれか１つに記載のバーナー。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１つに記載のバーナーであって、前記バーナー管はその外面の下流において燃焼が生じるように該外面に複数のメインポートを有し、該メインポートの数及び形状は、該メインポートの合計合計面積が単位ＫＪ／ｓ当たり少なくとも２.２ｍｍ^２（ＭＭＢｔｕ／ｈ当たり１ｉｎ^２）となるものであるバーナー。
13. 前記メインポートの合計面積は単位ＫＪ／ｓ当たり少なくとも２.６ｍｍ^２（ＭＭＢｔｕ／ｈ当たり１.２ｉｎ^２）のバーナー容量である請求項１２のバーナー。
14. 前記炉の二次空気室に流体連通する少なくとも１つの空気口をさらに含んでなる請求項１乃至１３のいずれか１つに記載のバーナー。
15. 前記のど部の長さ対最大断面内寸法比は４乃至１０である請求項１乃至１４のいずれか１つに記載のバーナー。
16. 請求項１又は２のバーナーであって、燃焼排ガス源に流体連通する第１端部と、前記バーナー管の前記上流端に隣接する第２端部を有する少なくとも１つの流路をさらに含んでなり、燃焼排ガスは、前記ベンチュリ管を通る前記燃料の前記吸引効果に応答して、前記炉から引っ張られて前記少なくとも１つの流路を通って燃焼の前に空気及び前記燃料に混ざるバーナー。
17. 前記少なくとも１つの流路の前記第１端部は前記炉の第２開口に位置し、前記少なくとも１つの流路は前記バーナーの内部に位置する請求項１６のバーナー。
18. 炉内で燃料を燃焼させるバーナーであって、
    （ａ）上流端と、下流端と、該上流端と下流端の間に位置するベンチュリ管とを有するバーナー管であって、前記ベンチュリ管はほぼ一定の内断面を備えるのど部を有し、該のど部の長さ対最大断面内寸法比は少なくとも３であるバーナー管と、
    （ｂ）前記炉の第１開口に隣接するバーナー先端であって、該バーナー先端の下流において前記燃料の燃焼が生じるバーナー先端と、
    （ｃ）前記炉の前記第１開口に隣接する点火室と、
    （ｄ）前記点火室に置かれたときに前記点火室を実質的に充填するのに有効な形状を有する着脱自在な点火室プラグとを、
    含んでなるバーナー。
19. 請求項１８のバーナーであって、前記バーナーの内部壁に配設され前記点火室に一直線上に配設された視認及び点火ポートをさらに含んでなるバーナー。
20. 炉内で燃料を燃焼させるバーナーであって、
    （ａ）長軸と、下流端と、上流端であって燃料と、空気、燃焼排ガス又は空気と燃焼排ガスの混合物とを受ける上流端を有するバーナー管と
    （ｂ）前記バーナー管の前記上流端に隣接して燃料を前記バーナー管に導入する燃料オリフィスと、
    （ｃ）前記燃料オリフィスをセンタリングして前記バーナー管と一直線上に配設するセンタリングプレートであって、前記一次空気室から流れを通すために孔空きであるセンタリングプレートを含む手段と、
    （ｄ）前記炉の第１開口に隣接しかつ前記バーナー管の前記下流端に配設されたバーナー先端であって、前記バーナー管の前記長軸にほぼ一直線上に設けられた複数のメインポートと、周囲に配設された複数のサイドポートとを有するバーナー先端と、
    （ｅ）前記バーナー先端の周囲を囲む周囲タイルであって、燃焼空気の一部を供給するために役立つ少なくとも１つのギャップを前記バーナー先端の外周と前記周囲タイルの間に与える周囲タイルとを、
    含んでなり、前記周囲に配設された複数のサイドポートから燃焼の際に排出される燃料の量は燃焼された合計燃料の１５％を超えないバーナー。
21. 前記燃料は燃焼排ガスを含む請求項２０のバーナー。
22. 請求項２０又は２１のバーナーであって、前記バーナー先端と前記周囲タイルの間のギャップの寸法は、前記サイドポートを出る燃料に利用可能な合計空気が使用される燃料ガスの多燃料可燃限界よりも５乃至１５％のポイント上となるものであるバーナー。
23. 請求項２０乃至２２のいずれか１つに記載のバーナーであって、燃焼の際に前記周囲に配設された複数のサイドポートから排出される燃料ガスは、燃焼される総燃料の５乃至１５％であるバーナー。
24. 請求項２０乃至２３のいずれか１つに記載のバーナーであって、前記バーナー先端は外周に位置する複数の空気流ノッチを含み、前記バーナーは、さらに、
    （ｆ）前記バーナー先端の前記外周及び前記周囲タイルの少なくとも一部に接するバーナー先端シールであって、該バーナー先端シールの内周と前記複数の空気流ノッチの間に複数のエアギャップが形成され、該複数のエアギャップは燃焼空気の一部を提供するのに有効であるバーナー先端シールを、
    含んでなるバーナー。
25. 請求項項２０乃至２４のいずれか１つに記載のバーナーであって、さらに、
    （ｉ）前記炉の第２開口に位置する第１端部と、前記バーナー管の前記上流端に隣接する第２端部を有する少なくとも１つの流路であって、該流路はオリフィスを有し、前記第１端部は、バーナー火炎が前記第２開口に巻き込まれることを最小にするために前記第１開口から有効な距離離間している少なくとも１つの流路と、
    （ii）第１端部と第２端部を有する少なくとも１つのブリードエアダクトであって、該第１端部は前記少なくとも１つの流路の前記オリフィスに流体連通し、該２端部は前記燃焼排ガスよりも温度の低い空気源に流体連通する少なくとも１つのブリードエアダクトと、
    （iii）前記バーナー管の内部をその上流端から下流端へと流れる未燃焼の燃料によって生成される吸引効果に応答して、前記炉から燃焼排ガスを引っ張って前記少なくとも１つの流路へ流しかつ前記少なくとも１つのブリードエアダクトを介して前記空気源から空気を引っ張って前記少なくとも１つの流路へ流して燃料の燃焼ゾーンの手前で前記少なくとも１つのエアブリードダクトからの空気に前記燃焼排ガスを混ぜて前記引っ張られた燃焼排ガスの温度を下げる手段とを、
    含んでなるバーナー。
26. 請求項２５のバーナーであって、さらに、
    （iv）前記第１火炎開口と、前記少なくとも１つの流路の前記第１端部の間において前記炉内に延伸する壁であって、前記第１火炎開口と、前記少なくとも１つの流路の前記第１端部の間の流路を実質的に長くして実質的に流れに対するバリアを与える壁とを、
    含んでなるバーナー。
27. 前記壁は前記バーナー先端の周囲を囲む請求項２６のバーナー。
28. 請求項１８乃至２７のいずれか１つに記載のバーナーであって、少なくとも１つの水蒸気管を更に含んでなるバーナー。

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