JP2006515923A - 触媒又は高温酸化体なしにフレームレス燃焼を促進する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

フレームレス燃焼が統合ヒータ／バーナ装置の本質的に楕円形の燃焼室内で誘発され且つ持続され得る方法及び装置。本発明は、空気注入口と、再循環煙道ガスと結合された燃料源とを装置の燃焼室内に提供することで、狭く定められた境界に沿って且つこの境界内に、混合されたガスのフレームレス燃焼を誘発し且つ維持する。空気は空気注入口を介して楕円形の燃焼室に導入される。空気と不活性化された燃料ガスとの間の境界接触面での温度が境界接触面成分の自動着火温度を超過するまで、再循環煙道ガス、導入された空気又は煙道ガス及び空気の双方の継続的な加熱することで、燃料ガスは再循環煙道ガスと混合される。フレームレス部分のない燃料ガスの流れは再循環煙道ガスと混合され、次に、フレームレス燃焼及び概ね１５００°Ｆ〜１９００°Ｆの間の燃焼室動作温度を持続するのに十分な手段で空気の流れと拡散することが許容される。統合ヒータ／バーナの本質的に楕円形構造は、現代技術のヒータによって可能な質量及び循環率を超えた増大された質量及び循環率を可能にし、その結果、均一、完全、且つより低温な燃焼をもたらし、その結果、低ＮＯｘ排気が得られる。

Description

概して、本発明は自発的な燃焼工程及び装置に向けられている。より詳細には、本発明は、触媒又は高温酸化体を用いることなく、統合加熱ヒータ／バーナの本質的に楕円形の燃焼室内でフレームレス燃焼を誘発し且つ維持する方法及び装置を開示する。

ＮＯｘとも呼ばれることのある窒素酸化物を形成するために、従来技術の加熱炉及び工業用ヒータは十分に高いフレーム温度で動作する。現代技術の熱燃焼は、可燃性部分内の燃料及び空気を着火源と接触させることによって動作し、この混合気を着火し、継続的に燃焼するのが典型的である。大部分の燃料の可燃性混合気は約３３００°Ｆ及びそれ以上の比較的高温で燃焼するよう設計されており、その結果、生来的に大量のＮＯｘが生成される。

工業用ヒータは周知であり、現代技術において表わされている。フレームレス燃焼の科学及び実施も同様に周知であり、当業者によって理解される。知られていないのは、本質的に楕円形（本明細書で用いられている「楕円形」という用語は「丸い」又は「円形の」と同義的且つ置換可能に用いられており、本発明の実施、開示及び請求項を容易にするために、ガスの十分な再循環を許容するありとあらゆる燃焼室構造を包含するよう意図されている）のヒータ内のフレームレス燃焼の新規な組み合わせであり、フレームレス燃焼を達成し且つ維持するために、ヒータの放射部内の高温煙道ガス、燃料ガス及び空気の再循環率の増大を促進し、次に、煙道ガスが従来技術で可能な比率よりも著しく高い比率で燃料ガス及び空気と混合されるのを許容するために、増大された温度での増大された量の煙道ガスを利用する。本発明において、リボン状の煙道ガス、再循環煙道ガス及び燃焼空気は、狭く定められた境界内で混合され、自動着火温度に達し、且つ、燃焼工程を誘発する。しかしながら、本発明の燃焼室の内部部分の本質的に楕円形状の特徴の故に、再循環煙道ガスの大部分の流れは、既存の燃焼技術においては普通な、フレーム最高温度と煙道ガス最低温度との間の２８００°Ｆの温度差範囲に対し、燃焼工程に包含されるガスが約３００°Ｆ〜４００°Ｆの間の温度変化を限定的に経験するのを許容するのに十分な量であり得る。本発明において、本発明の燃焼室内のどこにおいても、最大温度は決して２２００°Ｆを越えない。その結果、そのような減少された温度は熱ＮＯｘを実質的に排除し、ＮＯｘは８ｐｐｍｖｄ以下の選択的接触還元範囲に入る。直下のテーブルは、本発明の装置及び工程によって可能とされる新規な動作ウィンドウを例示している。

その結果、現代技術の欠点に鑑みて、触媒、高温空気又は他の類似目的の酸化体の関与のないフレームレス燃焼工程及び装置を開示し且つ請求することが本発明の目的である。

１３００°Ｆ以下の温度の空気又は他の類似目的の酸化体を用いてフレームレス燃焼を達成する工程及び装置を開示し且つ請求することが本発明の追加的な目的である。

触媒又はフレームホルダの必要なしにフレームレス燃焼を達成する工程及び装置を開示し且つ請求することが本発明のさらに追加的な目的である。

本発明の他の目的は、統合ヒータ／バーナ装置を開示し且つ請求することである。本明細書において用いられるとき、「ヒータ」という用語は、「熱伝達冷却コイルを含む耐火被覆閉鎖された容器」と同義且つ置換可能に定義付けられ且つ用いられ、「バーナ」という用語は、「燃料、空気及び循環煙道ガスのための計量装置」と同義且つ置換可能に定義付けられ且つ用いられる。

本発明の他の目的は、空気、燃料及び煙道ガスの拡散率を制御するための手段として作用する本質的に楕円形の燃焼室を具現化する装置を開示し且つ請求することである。

本発明の追加的な目的は、現代的ユニットのヒータ／バーナを初期化することが可能な流速率を越えて、煙道ガスの再循環率を介して極めて均一な流速率を達成し得る手段を開示し且つ請求することである。

本発明の追加的な目的は、先行技術の工業用ヒータに関連付けられた燃焼室の低温部及び高温部を排除することである。

本発明のさらに追加的な目的は、ピーク放射流速率を増大することなく、寸法及び冷却コイル有用領域が減少されたヒータ／バーナを教示し且つ請求することである。

本発明の他の目的は、極めて均一でより低温の燃焼が誘発され、よって、８ｐｐｍｖｄ以下に測定される低ＮＯｘ排気を生成し得る工程及び装置を導入することである。

本発明のさらに他の目的は、極めて均一且つ制御された温度で完全な燃焼をもたらすことで、ＣＯ排気を排除することである。

本発明のさらに他の目的は、燃焼消費を減少し、よって、ＣＯ_２及び温室効果ガス排気を減少するために、放射効率を向上することである。

本発明の追加的な目的は、熱伝達を向上し、よって、従来技術のピーク放射流速率を超過することなく、特定量の熱伝達を達成するのに必要とされるヒータ冷却領域を減少する工程及び装置を教示することである。

本発明の他の目的及び用途のさらなる範囲は、添付の図面と共に解されるならば、以下の詳細な説明から明らかになろう。図面において、同等の部材は同等の参照番号によって指し示されている。

統合ヒータ／バーナ装置の本質的に楕円形の燃焼室内にフレームレス燃焼を誘発し且つ持続するための方法及び装置は、（ａ）空気注入口と連通する本質的に楕円形の燃焼室を提供し、前記空気注入口を前記燃焼室外部の空気源とさらに連通させるステップと、（ｂ）燃料供給及び前記燃焼室と連通する燃料ガスを導入する燃料源を前記燃焼室内に提供するステップと、（ｃ）前記燃焼室の内部部分を概ね１４００°Ｆ〜２１００°Ｆの間の範囲の動作温度に予加熱するために、前記燃焼室内で加熱工程を開始するステップと、（ｄ）前記空気注入口を介して、前記燃焼室に空気を導入するステップと、（ｅ）前記（ｃ）及び（ｄ）の結果として、前記燃焼室内での煙道ガスの再循環を誘発するステップと、（ｇ）前記煙道ガス内で前記燃料ガスを不活性化するステップと、（ｆ）燃焼ガスを計量し且つ前記燃焼室に供給し、前記燃料ガスを前記再循環煙道ガスによって不活性化するステップと、（ｈ）前記空気、再循環された燃料及び煙道ガスが分子構造に拡散し、該分子構造の自動着火温度に到達又は超過するまで、前記空気、前記再循環ガス及び前記煙道ガスを継続的に計量し且つ加熱するステップと、（ｉ）概ね１４００°Ｆ〜２１００°Ｆの燃焼室動作温度を維持することによってフレームレス燃焼を持続するステップとを含む。

本発明の様々な実施態様の製造及び使用が以下に詳細に議論されるが、本発明は様々な特定の脈絡で実現され得る発明概念を提供することが理解されるべきである。本明細書において議論される特定の実施態様は、本発明を製造し使用する特定の方法を単に例示するものであり、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

請求項及び本明細書は提示の発明を記載しており、請求項で用いられている用語の意味は、本明細書におけるそのような用語の使用からその意味が引き出される。先行技術において用いられている同一用語は、本明細書で用いられている特定の意味よりもより広義であり得る。先行技術で用いられているそのような用語のより広い定義と本明細書におけるより特定の使用との間に疑義があるときはいつでも、より特定の意味が意図されている。

本発明はある程度の特異性を持って記載されているが、この開示の精神及び範囲から逸脱することなく、構造及び部材配置の詳細に多くの変更がなされ得ることが明らかである。本発明は例示目的で本明細書に記載の実施態様に限定されるものではなく、添付の請求項によってのみ限定され、各要素が享受し得る完全な均等範囲を含むことが理解されよう。

先行技術の図１乃至６は、現代技術ヒータの端壁の立面図を例示し、さらに、そのような現代技術ヒータと関連して用いられる様々なチューブ／バーナ構造に関連する煙道ガス再循環パターンを例示している。従来技術の図１乃至６の構造内の煙道ガス再循環パターンは、指向性矢印２によって例示されている。従来技術の例示の各々において、内部部分又はヒータの内部部分の温度が一旦上昇すると、煙道ガスが加熱炉の下部領域から上部領域に際限なく上昇し、然る後のガス冷却によって、それらがヒータ底部に向って下方向へ戻り得ることが容易に理解されるであろう。従来技術の図１乃至６に例示されているような再循環パターンは明らかに限りがなく、チューブ配置と無関係に、概ね、加熱炉の最中心領域の方向に向けられ且つ限定されている。便宜性及び参照の容易性の目的から、先行技術の図１乃至３は二重発火チューブ構造を例示し、先行技術の図４乃至６は単一発火チューブ配置を例示しており、これらのチューブは加熱炉の熱伝達機構として機能している。実際には、流体がチューブ３の内部部分に導入され、再循環煙道ガス２がチューブの外面に熱を供給し、チューブ内に包含される流体の加熱を促進する。当業者によって実施されている周知のバーナ技術４は先行技術の図１乃至６に例示されている各バーナ構造４の内部部分６の温度上昇を促進する。

図７は、本発明の１つの実施態様を例示しており、星形熱伝達チューブ構造、単一に位置付けられた燃焼空気手段、燃料ガス導入手段及び煙道ガス排出手段を備えて実施されている。次に、図７を参照する。

図７において、本発明の装置は概ね２３で指し示されている。本発明の本質的に楕円形の燃焼室２２は、注入口２８を備えた空気注入口２８と連通して示されており、空気注入口は楕円形燃焼室２２の外側の空気源４１とさらに連通している。空気源４１は、当業者に周知のブロア手段又は自然通気手段として具現化されるのが典型的であり、ブロア手段又は自然通気手段は、ヒータの内部側壁に対して概ね０°〜４０°の範囲の角度で、加熱又は非加熱空気を燃焼室２２内に導入する。より大きな傾斜度が本発明の実施を通じて提供され得るが、線３０で指し示された狭く定められた境界内に、初期的且つ別個のリボン状の不活化された燃焼ガス４２、煙道ガス４４及び空気４５を維持するための遠心力を誘発するための十分なＣＦＭで容量を導入するために、０°〜４０°の範囲の角度で空気を導入することが最も効率的であることが判明したことが留意されよう。前記境界３０は本発明２３の内部楕円面に隣接している。燃料ガス源２６がさらに燃焼室内に設けられ、燃料ガス４２を導入する。現代技術のヒータと関連付けられて用いられるとき、使用されている燃料ガス源２６及び燃料ガスの導入は周知であり且つ当業者によって実施されている。

１つの実施態様において実施されているように、内部チャンバ２２が空気注入口２８内に位置付けられた始動バーナ２７によって先ず加熱され、内部チャンバ２２を概ね１４００°Ｆ〜２１００°Ｆの範囲の動作温度に予加熱する。この加熱及び可燃性空気４５を概ね０°〜４０°の範囲で燃焼チャンバ２２へ導入することの結果として、チャンバ内の煙道ガス４４は再循環される。燃料ガス４２は燃焼チャンバ２２に供給され、且つ、燃焼可能空気と不活性燃焼ガスとの２つの区別可能なリボンを生成するよう、再循環煙道ガス４４と混合される。空気４５は燃焼チャンバ２２の内部部分に継続的に導入され、且つ、燃焼ガスの計測量の継続的な監視との組み合わせで、空気及び不活性化燃料ガスの接触面での分子構成が自動着火温度に到達又は超過するまで、さらなる再循環と空気４５、燃料４２及び煙道ガス４４分子の拡散とを継続的に誘発する。自動着火温度に一旦到達すると、概ね１４００°Ｆ〜２１００°Ｆの範囲のチャンバ内動作温度でのフレームレス燃焼を持続するよう、本発明のフレームレス燃焼は当業者に周知の手動温度制御又はソフトウェア制御手段のいずれかによって維持される。再循環ガス排出手段４９も図７に例示されており、楕円形燃焼室の内部圧力が、意図的に導入された燃料ガス４２及び可燃空気４５の故に均一化され得る排出手段を提供する。

図８は、円形バターン位置付けられたヒータ伝達チューブと関連付けられて用いられるときの二重位置の可燃空気手段、燃料ガス導入手段及び煙道ガス排出手段を例示している。

図８では、混合された可燃空気、煙道ガス及び燃料ガスの再循環パターンが境界付けられたパラメータを維持することを可能にし、フレームレス燃焼が境界３０内で発生することが再度分かるであろう。図７に例示されているものと同様に十分に効率的であるが、図８の二重位置可燃空気燃料ガス導入手段及び煙道ガス排出手段は、燃料ガス４２、煙道ガス４４及び可燃空気４５の流れ／速度を増大し或いは均衡するために実施され得る。

図９は、本発明の代替的な実施態様を例示している。この実施態様では、複数の星形構造のチューブが本発明の燃焼室の内部部分に位置して例示され、可燃空気手段、燃料ガス導入手段及び煙道ガス排出手段が本発明の燃焼室の境界の周りに複数位置付けられている。図９は、非円形であるが本質的に楕円形の内部燃焼室内における速度の均一化を促進するよう、追加的な燃料ガス及び可燃空気注入口が設けられている実施態様も例示している。図９において、複数群の様々な構造の熱伝達チューブを収容する本発明の多能性にも留意されよう。当業者に明らかであるように、基本工程を維持しつつ装置のサイズ及び能力を増大するよう、図９の構造又は他の類似目的の構造が幾つかの高さ又は位置で複製され得る。

添付の請求項に開示され且つ定められているような上記目的を遂行し得る装置、部品及び部品の組み合わせに概ね記載されている本発明の範囲から逸脱することなく、装置の形態、詳細、配置及び配合に様々な変化がなされ得ることが勿論理解されよう。

先行技術の現代技術ヒータの端壁を示す立面図であり、多様なチューブ／バーナ配置構造に関連付けられた煙道ガス再循環パターンを示している。 先行技術の現代技術ヒータの端壁を示す立面図であり、多様なチューブ／バーナ配置構造に関連付けられた煙道ガス再循環パターンを示している。 先行技術の現代技術ヒータの端壁を示す立面図であり、多様なチューブ／バーナ配置構造に関連付けられた煙道ガス再循環パターンを示している。 先行技術の現代技術ヒータの端壁を示す立面図であり、多様なチューブ／バーナ配置構造に関連付けられた煙道ガス再循環パターンを示している。 先行技術の現代技術ヒータの端壁を示す立面図であり、多様なチューブ／バーナ配置構造に関連付けられた煙道ガス再循環パターンを示している。 先行技術の現代技術ヒータの端壁を示す立面図であり、多様なチューブ／バーナ配置構造に関連付けられた煙道ガス再循環パターンを示している。 星形熱伝達チューブ構造、単一に位置付けられた燃焼空気手段、燃焼ガス導入手段及び煙道ガス排出手段を備えて実施される本発明の１つの実施態様を示す概略図である。 熱伝達チューブの円形パターンの位置付けと関連して用いられるときの図７の単一位置可燃空気手段、燃料ガス導入手段及び煙道ガス排出手段を示す概略図である。 本発明の代替的な実施態様を示す概略図であり、本発明の燃焼チャンバの内部部分に位置する複数の星形構造チューブと、複数位置の可燃空気手段と、燃料ガス導入手段と、煙道ガス排出手段とが本発明の燃焼室の境界の周りに位置付けられている。

Claims (13)

1. 空気注入口と連通する本質的に楕円形の燃焼室を提供し、前記空気注入口を前記燃焼室外部の空気源とさらに連通させるステップと、
   燃料供給及び前記燃焼室と連通する燃料ガスを導入する燃料源を前記燃焼室内に提供するステップと、
   前記空気注入口を介して、前記燃焼室に空気を導入するステップと、
   前記燃焼室の内部部分を概ね１４００°Ｆ〜２１００°Ｆの間の範囲の動作温度に予加熱するために、前記燃焼室内で加熱工程を開始するステップと、
   前記空気を導入するステップ及び前記加熱工程を開始するステップの結果として、前記燃焼室内での煙道ガスの再循環を誘発するステップと、
   燃焼ガスを計量し、且つ、前記燃焼室に供給するステップと、
   前記煙道ガス内で前記燃料ガスを不活性化するステップと、
   前記空気、再循環された燃料及び煙道ガスが分子構造に拡散し、該分子構造の自動着火温度に到達又は超過するまで、前記空気、前記不活性化燃料ガス及び前記再循環煙道ガスを継続的に計量し且つ加熱するステップと、
   概ね１４００°Ｆ〜２１００°Ｆの燃焼室動作温度を維持することによってフレームレス燃焼を持続すると同時に、意図的に導入される燃料ガス及び可燃空気の故に前記燃焼室の内部圧力が均一化される排出手段を提供するステップと、
   を含むことを特徴とする統合ヒータ／バーナ装置の本質的に楕円形の燃焼室内にフレームレス燃焼を誘発し且つ持続するための方法。
2. 前記燃焼室への前記空気の導入前に、前記空気を概ね４５０°Ｆ〜１４００°Ｆの範囲の動作温度に予加熱するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記燃料ガスは、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_３Ｈ_６、Ｃ_４Ｈ_１０、Ｃ_４Ｈ_８、Ｃ_５Ｈ_１２及びＣ_６Ｈ_１４の種類の燃料ガスの少なくとも１つから成る化学式の群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記概ね１４００°Ｆ〜２１００°Ｆの間の燃焼室動作温度を維持することによってフレームレス燃焼を持続するステップは、ソフトウェア制御温度感知手段に従って燃料ガスを即時に導入するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 空気注入口と連通する本質的に円形の燃焼室を提供し、前記空気注入口を前記燃焼室外部の空気源とさらに連通させるステップと、
   燃料供給及び前記燃焼室と連通する燃料ガスを導入する燃料源を前記燃焼室内に提供するステップと、
   前記空気注入口を介して、前記燃焼室に空気を導入するステップと、
   前記燃焼室の内部部分を概ね１４００°Ｆ〜２１００°Ｆの間の範囲の動作温度に予加熱するために、前記燃焼室内で加熱工程を開始するステップと、
   前記空気を導入するステップ及び前記加熱工程を開始するステップの結果として、前記燃焼室内での煙道ガスの再循環を誘発するステップと、
   燃焼ガスを計量し、且つ、前記燃焼室に供給するステップと、
   前記煙道ガス内で前記燃料ガスを不活性化するステップと、
   前記空気、再循環された燃料及び煙道ガスが分子構造に拡散し、該分子構造の自動着火温度に到達又は超過するまで、前記空気、前記不活性化燃料ガス及び前記再循環煙道ガスを継続的に計量し且つ加熱するステップと、
   概ね１４００°Ｆ〜２１００°Ｆの燃焼室動作温度を維持することによってフレームレス燃焼を持続すると同時に、意図的に導入される燃料ガス及び可燃空気の故に前記燃焼室の内部圧力が均一化される排出手段を提供するステップと、
   を含むことを特徴とする統合ヒータ／バーナ装置の本質的に円形の燃焼室内にフレームレス燃焼を誘発し且つ持続するための方法。
6. 前記燃焼室への前記空気の導入前に、前記空気を概ね４５０°Ｆ〜１４００°Ｆの範囲の動作温度に予加熱するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記燃料ガスは、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_３Ｈ_６、Ｃ_４Ｈ_１０、Ｃ_４Ｈ_８、Ｃ_５Ｈ_１２及びＣ_６Ｈ_１４の種類の燃料ガスの少なくとも１つから成る化学式の群から選択されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 前記概ね１４００°Ｆ〜２１００°Ｆの間の燃焼室動作温度を維持することによってフレームレス燃焼を持続するステップは、ソフトウェア制御温度感知手段に従って燃料ガスを即時に導入するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
9. 外面及び内面を有し、該内面は空気注入口と連通する本質的に楕円形の耐火被覆された燃焼室を形成し、前記空気注入口は前記燃焼室外部の空気源とさらに連通する構造と、
   燃料供給及び前記燃焼室と連通する、前記燃焼室内の燃料ガス導入源と、
   前記燃焼室内の燃料、空気及び煙道ガスを監視し且つ計測するための装置と、
   を含むことを特徴とするフレームレス燃焼を誘発し且つ持続するための工業用統合ヒータ／バーナ。
10. 前記燃焼室は、少なくとも１つの熱伝達冷却コイルを含むことを特徴とする請求項９に記載のヒータ／バーナ。
11. 前記内面は、角度的に位置ずれした複数面であり、該複数面が相互に接合され或いは整列されるときに、フレームレス燃焼を誘発し且つ維持するのに十分なよう、燃料ガス、空気及び煙道ガス分子の再循環を促進可能とすることを特徴とする請求項９に記載のされたヒータ／バーナ。
12. 前記内面は、八角形に近似して角度的に位置ずれした複数面で形成されていることを特徴とする請求項９に記載のヒータ／バーナ。
13. 前記内面は、多角形に近似して角度的に位置ずれした複数面で形成されていることを特徴とする請求項９に記載のヒータ／バーナ。

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