JP6824413B2 - 熱安定性を有する流体バーナー - Google Patents

Description

本発明は、燃焼ゾーン内で燃料及びガス状酸化剤を燃焼させるのに適したバーナーに関する。

熱を例えば炉に提供するために利用される従来のバーナーは、炉壁の適所に固定され、また、バーナーから生じる火炎又は燃焼反応を炉内の燃焼ゾーン内の固定点に方向付ける。多くのバーナーは、バーナーによって提供される熱を、炉装填によって必要とされる要求により良好にマッチさせるために、例えば長く薄い火炎から短く濃い火炎に、火炎の形状を変化させるための制御部を有する。しかしながら、あるときには、バーナー火炎の方向を変化させることが必要であるか、又は望ましい。例えば、スクラップ金属を溶解させる際には、伝導電流及び対流電流は、火炎が方向付けられた燃焼ゾーン内の領域から未溶解のスクラップに熱を提供するのを待つのではなく、熱を未溶解のスクラップに直接提供するように火炎の方向を変化させることが望ましい。

米国特許第５，１１０，２８５号は、バーナーの火炎方向を変化させる方法を開示している。しかしながら、この特許の教示による動作は、バーナーノズルの過熱及び／又は炉からの燃焼副産物によるバーナーの端部の開口部の詰まりなどの動作上の欠点に遭遇する危険性がある。

本発明は、バーナーの火炎方向を変化させる能力の利点を保持しながら、効果的な動作を可能にする特徴の組み合わせによってこれらの危険を回避する。

本発明の一態様は、バーナー装置であって、該バーナー装置は、
（Ａ）バーナー本体であって、
上流端部と、バーナーの下流端部で開口する軸方向に対向する下流端部と、を有する、バーナー本体内の中央通路であって、中央通路の断面直径は、下流端部に向かう方向に増加する、中央通路と、
中央通路の下流端部の周囲に実質的に均等に位置付けられた、バーナーの下流端部の複数の第１のポートであって、バーナーの本体内の第１の通路によって、第１の流体を送給することができる１つ以上の入口に接続された、第１のポートと、
中央通路の下流端部の周囲に実質的に均等に位置付けられた、バーナーの下流端部の複数の第２のポートであって、バーナーの本体内の第２の通路によって、第２の流体を送給することができる１つ以上の入口に接続され、第１の通路及び第２の通路は、互いに別々である、第２のポートと、を有し、
第１のポート及び第２のポートは、中央通路の中心軸から実質的に均等に離れており、
中央通路、第１のポート、及び第２のポートは、そこを通って流体がバーナー装置の下流端部から流れ出ることができる、バーナー装置内の唯一の開口部である、バーナー本体と、
（Ｂ）その下流端部において、バーナーの中央通路の上流端部と連通する流体キャビティであって、当該流体キャビティは、当該連通地点において、そこを通過する流体が超音速を有することを可能にするのに十分な直径Ｄを有し、当該中央通路は、当該連通地点からその下流端部まで２Ｄ〜９Ｄの、及び好ましくは３Ｄ〜９Ｄの長さを有する、流体キャビティと、
（Ｃ）複数の付勢ガス通路であって、流体キャビティの軸方向の中心線に対して実質的に垂直である方向において、そこを通して付勢ガスを流体キャビティの中へ送給することができ、当該通路は、ｄ／Ｄが０．１８〜０．７５の範囲内であるように直径ｄを有し、当該通路は、流体キャビティと中央通路の上流端部との間の連通地点の３ｄ／４上流〜ｄ／４下流の範囲内の地点において流体キャビティと連通し、Ｄ及びｄは、同じ単位で表される、複数の付勢ガス通路と、
（Ｄ）ハウジングであって、バーナーの下流端部を取り囲み、また、バーナーの下流端部を取り囲むハウジングの端部において開口し、ハウジングの開口端部は、バーナーの下流端部から下流の距離Ｌ下流に位置付けられ、Ｌは、ハウジングの開口端部を横断する距離の少なくとも２５％であり、バーナーの下流端部の下流に延在するハウジングの一部分は、その中に通路を備え、該通路は、バーナーにおいて生じる燃焼によって発生する熱を吸収するために、そこを通して冷却液を流すことができる、ハウジングと、を備える。

本発明の別の態様は、燃焼の方法を含み、該方法は、
（Ａ）バーナーの第１のポートを通して、上述した説明に従って、バーナーの下流端部から燃料を送給することと、
（Ｂ）バーナーの第２のポートを通して、バーナーの下流端部からガス状酸化剤を送給することと、
（Ｃ）上述したバーナーの流体キャビティを通して、及びバーナーの中央通路の下流端部を通してその外に、ガス状酸化剤を送給することであって、ガス状酸化剤は、少なくとも４００フィート／秒、好ましくは少なくとも５００フィート／秒の速度で流体キャビティを通って流れて、中央通路の表面の一部分に隣接する減圧ゾーンを確立する、送給することと、
（Ｄ）燃料及びガス状酸化剤を燃焼させることと、
（Ｅ）流体キャビティと中央通路との間の連通地点の３ｄ／４上流〜ｄ／４下流の範囲内の地点において流体キャビティを通過するガス状酸化剤の流れ方向に対して実質的に垂直な方向において、直径ｄを有する付勢ガスのストリームを流体キャビティの中へ周期的又は連続的に注入することであって、Ｄ及びｄは、同じ単位で測定され、それによって、中央通路の下流端部から排出されるガス状酸化剤の流れ方向を変化させる、注入することと、を含む。

本明細書で使用するときに、「燃焼ゾーン」という用語は、ガス状流体がバーナーの出口からその中へ通る容積を意味する。

本明細書で使用するときに、「実質的に垂直である」という用語は、±１５度以内を意味する。

本明細書で使用するときに、各ポートの中心を通る中央通路の中心軸からの隣接する半径の各対の間の角度が各々（３６０／Ｎ）の５度以内である場合に、ポートは、中央通路の周囲に「実質的に均等に」位置付けられ、ここで、Ｎは、ポートの数であり、ポートはまた、隣接する半径の対ごとの間の角度が（３６０／Ｎ）の１度以内にある場合に、中央通路の周囲に「均等に」位置付けられる。例えば、１２個のポートが存在する場合、該ポートは、隣接する半径の各対の間の角度が２５度〜３５度である場合に、中央通路の周囲に実質的に均等に位置付けられるとみなされ、そのような角度の各々が２９〜３１度である場合に、均等に位置付けられるとみなされる。

本明細書で使用するときに、一群のポートが中央通路の中心軸から「比較的均等に離れている」ことは、その中心が中央通路の中心軸に最も近いポートを参照して、群内の他のポートのいずれも、その中心が中心軸上にあり、かつ、その半径がその基準ポートの最外縁部までの距離である、円の完全に外側にないことを意味し、一群のポートは、その基準ポートを参照して、群内の他のポートのいかなる部分も、その中心が中心軸上にあり、かつ、その半径が基準ポートの最外縁部までの距離である、円の外側にない場合に、中央通路の中心軸から「実質的に均等に離れている」。

本発明のバーナー装置の一実施形態の正面図である。 図１の線Ａ−Ａによって画定された平面で見たバーナーの断面図である。 図１の線Ｂ−Ｂによって画定された平面で見たバーナーの断面図である。 本発明の追加的な実施形態を示すバーナー装置の断面図である。

本発明は、材料を加熱する、軟化させる、又は溶解させるために使用される燃焼熱を発生させるために燃料及び酸化剤を燃焼させる、任意の用途において有用である。その例としては、焼却炉、ガラス炉（固体ガラス製造材料を溶解する）、鋼再燃焼炉、製鋼電気アーク炉、セメントを生産するための窯などが挙げられる。本発明は、図面を参照して以下のように詳細に説明される。

図１は、バーナー１の下流端部２と、ハウジング４の下流端部３と、を含む、本発明のバーナー装置の下流端部を表す。「下流」及び「上流」という用語は、流体が装置内に必ずしも流れていることを暗示することなく、バーナー装置の構成要素の相対的な場所を説明するために、参照する目的で使用される。中央通路５は、バーナー１の下流端部２で開口し、バーナー１の本体の中へ延在する。第１のポート６及び第２のポート７は、バーナー１の下流端部２で開口する。バーナー１及びハウジング４を含むバーナー装置は、炉内の燃料の燃焼において遭遇する温度、好ましくは最高５００℃に耐えることができる、銅合金などの材料から製造される。

好ましくは、ポート６は、中央通路５の中心軸の周囲に互いに対して実質的に均等に位置付けられ、ポート７は、中央通路５の中心軸の周囲に互いに対して実質的に均等に位置付けられる。より好ましくは、ポート６の全ては、通路５の中心軸の周囲に互いに対して実質的に均等に位置付けられ、ポート７の全ては、通路５の中心軸の周囲に互いに対して実質的に均等に位置付けられる。

ポート６は、互い対して中央通路５の中心軸から、好ましくは比較的均等に離れ、より好ましくは該ポートは、実質的に均等に離れる。ポート７は、互い対して中央通路５の中心軸から、好ましくは比較的均等に離れ、より好ましくは該ポートは、実質的に均等に離れる。更に好ましくは、第１のポートの全て及び第２のポートの全ては、通路５の中心軸から実質的に均等に離れ、当該ポート６及びポート７の全てを１つの群とみなす。

４〜２０個、好ましくは８〜１４個の第１のポートを、任意の場所に存在させることができる。４〜２０個、好ましくは８〜１４個の第２のポートを、任意の場所に存在させることができる。図１は、１つの第２のポートが第１のポートの各対の間に位置付けられた、好ましいポートの配設を表す。また、第１のポートの全てが、中央通路５の中心軸から互いに対して同じ距離であり、第２のポートの全てが、中央通路５の中心軸から互いに対して同じ距離である配設も好ましい。また、第１のポートの全ての中心及び第２のポートの全ての中心が、全て通路５の中心軸から同じ距離である配設も好ましい。この配設を図１に示す。第１のポート及び第２のポートの軸は、好ましくは中央通路５の軸に平行に、又は中央通路５の軸に対して最高１０度、更には最高４５度の角度で、ガスがポートから燃焼ゾーン２３の中へ流れるように方向付けられるべきである。

流体（ガス、液体、固体、及びこれらの任意の組み合わせを意味する）を本発明のバーナー装置の外から燃焼ゾーン２３の中へ通すことができる唯一の開口部又は空間は、中央通路５、第１のポート６、及び第２のポート７である。すなわち、バーナー１の外面とハウジング４の内面との間には、他のいかなる間隙も、又は開口部も存在しない。

以下、図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、燃料及び酸化剤をこれらが燃焼する燃焼ゾーン２３の中へ提供することができるように壁２１を通して設置された、本発明のバーナー装置が示される。燃料は、バーナー１の本体内の通路２６を通過する１つ以上の入口１６において、第１のポート６に送給される。酸化剤は、下で説明するように、入口３１の中へ送給され、流体キャビティ３５の中へ入り、そして、通路５の中へ進み、次いで、通路５から燃焼ゾーン２３の中へ進む。安定化酸化剤は、バーナー１の本体内の通路２７を通過する１つ以上の入口１７において、第２のポート７に送給される。ハウジング４は、ハウジング４の下流端部によって画定された開口部を横断する直径Ｗの少なくとも２５％である距離Ｌだけ、バーナー１の端部を越えて延在する。

水などの冷却剤は、開口部２５を出入りし、また、バーナー１の下流端部を越えて下流方向に延在するハウジング４の少なくとも一部分に存在する冷却剤通路２４を通って循環する。冷却剤通路２４は、より均等な熱吸収を提供するために、好ましくは、ハウジング４の少なくともその一部分にわたって均等に分配されるべきである。本発明の特徴の組み合わせは、バーナー１の下流端部において極端に高い温度に遭遇することなく、燃焼動作を可能にする。好ましくは、冷却剤は、バーナーの前面において４００°Ｆを超えない温度を維持する流量で、冷却剤通路２４を通して循環される。

燃料は、任意の可燃性流体とすることができる。好適な燃料の例としては、メタン及び天然ガスが挙げられる。他の例としては、コークス炉ガス、合成ガス、及び空気又は窒素などのガスによって噴霧化された燃料油が挙げられる。酸化剤は、ガス状であるべきであり、また、空気の濃度〜９９．５パーセント以上の酸素濃度を有する技術的に純粋な酸素濃度のうちの任意の酸素濃度を有することができる。本発明は、少なくとも３０パーセントの酸素濃度を有する酸化剤によって特定の有用性を有する。

付勢ガスは、４１において送給され、また、弁構成（４９で表される）を通過し、次いで、２つ以上の供給ライン（そのうちの２つが４２及び４３で示される）に送給され、その出口（それぞれ、４４及び４５）は、付勢ガスを流体キャビティ３５の中へ運搬する。付勢ガスは、供給ライン４２若しくは供給ライン４３のいずれかの中へ、又は２つを越えて存在する場合には任意の他の供給のインの中へ供給され、又は弁構成４５の動作によって完全に遮断される。適切な付勢ガスとしては、バーナーユニット又は炉と反応しない、任意のガス又はガスの混合物が挙げられる。好適な例としては、窒素、アルゴン、及び酸素、並びに空気及び酸素富化空気を含む、これらのうちの任意の２つ又は３つ全ての混合物が挙げられる。このバーナーと共に使用するために酸素の供給が既に存在しているので、また、燃焼ゾーン２３における燃焼に酸素が関与することができるので、酸素が特に好ましい。

図３は、中央通路５の代替の構成、並びに出口４４及び４５の代替の場所を表す。図３を参照すると、流体キャビティ３５は、入口３６を有する制限された流れ領域３５と、通路５の上流端部に直接連通する出口３７と、を備える。図３の実施形態において、通路５は、円錐形であり、一方で、図２Ａ及び図２Ｂに表される実施形態は、フレアである。両方の実施形態において、通路５は、バーナー１の下流端部２に向かう下流方向において、外側に拡大する断面積を画定する。

図２Ａ、図２Ｂ、及び図３の実施形態において、流体キャビティ３５によって画定される制限された流れ領域は、それが通路５の上流端部と連通する地点で直径Ｄを有する。一般に、Ｄは、０．１２５〜１．５インチの範囲内であり、典型的に、Ｄは、０．１２５〜１．０インチの範囲内であるが、直径Ｄは、燃焼速度に依存する。付勢ガスは、高速度で、一般に、少なくとも４００フィート／秒で、更には少なくとも５００フィート／秒の速度で、好ましくは音速以上で、又はより好ましくは約１４００フィート／秒で（又はそれ以上で、更には最高１７００フィート／秒で、使用される酸化剤の音速に依存する）、その供給源４１から流体キャビティ３５の中へ提供される。音速よりも高い速度において、速度は、容積流量として定義される見かけのジェット速度であり、周囲圧力において、オリフィスの断面積で割ったオリフィスを残す。流体キャビティ３５を通過するように提供される高速流体は、通路５の上流端部の表面に隣接する減圧されたゾーンを提供する。

典型的に、本発明は、出口４４及び４５のうちの１つだけから、又は少なくとも２つの出口４４及び４５から、付勢ガスをガス状酸化剤の中へ注入する。通常、そのような出口の数は、２つ〜８つの範囲内である。出口は、制限された流れ領域を通過する酸化剤の流れ方向に対して実質的に垂直な方向において、すなわち、中央通路５の軸方向の中心線でもあるべき流体キャビティ３５の軸方向の中心線に対して実質的に垂直な方向において、付勢ガスを流体キャビティ３５の中へ供給するように方向付けられるべきである。

出口４４及び４５（並びに任意の追加的な付勢ガス出口）は、ｄ／Ｄの比率が、０．１８〜０．７５、好ましくは０．１８〜０．２５の範囲内であるように、該出口を流体キャビティに接続する直径ｄを有するべきである。典型的に、ｄは、０．１０〜０．１５インチの範囲内、更には最大０．２０インチとなる。いくつかの状況において、出口４４及び４５の断面の形状、又は流体キャビティ３５と通路５の上流端部との間の連通地点は、円形以外であることが好ましい場合がある。例えば、断面形状は、楕円形とすること、又は矩形スロットの断面形状とすることができる。そのような一事例において、直径Ｄ及び／又はｄは、開口部を画定する幅の小さい方である。

付勢ガス出口は、出口の中心が流体キャビティ３５と通路５の上流端部との間の連通地点の３ｄ／４上流〜ｄ／４下流の範囲内の地点にあるように、流体キャビティ３５と連通する。好ましくは、この範囲は、連通地点のｄ／２上流〜流体キャビティ３５の下流端部３７と通路５の上流端部との間の連通地点の範囲内である。最も好ましくは、付勢ガスは、この連通地点の約ｄ／２上流の地点で流体キャビティと連通する。図３に例示される実施形態において、この連通地点は、流体キャビティが通路５の上流端部と連通する地点のｄ／２上流の地点にある。

ガス状酸化剤及び燃料は、バーナー１を通して送給され、燃焼ゾーン２３内で燃焼する。中央通路５から燃焼ゾーン２３の中へ通る酸化剤は、燃焼ゾーン２３の中へ通る全酸素のうちの５０〜９５容積パーセント（容積％）、及び一般に、約６０（±５）容積％を含む。第２のポート７の全てから流出する酸化剤の総量は、燃焼ゾーン２３の中へ通る全酸素の３０〜４５容積％、及び一般に、約４０（±５）容積％を含む。本明細書で説明されるように付勢ガスが注入されるときに、付勢ガスは、中央通路５から燃焼ゾーン２３の中へ通る酸化剤の量の１〜３容積％（好ましくは１．５〜２容積％）を含む。

中央通路５の下流端部から排出されるガス（付勢ガスを加えた、入口３１からの酸化剤）の速度は、一般に、４００〜１７００フィート／秒（ｆｐｓ）、好ましくは９００〜１４００ｆｐｓのより狭い範囲である。第２のポート７から排出される酸化剤の速度は、一般に、４００〜１７００フィート／秒（ｆｐｓ）、好ましくは９００〜１４００ｆｐｓのより狭い範囲である。第２のポート７から排出される酸化剤は、バーナーでの燃焼によって形成される火炎を安定させ、固定するのを補助する。

燃料は、第１のポート６から排出され、燃焼ゾーン２３内で燃焼される。好ましくは、各ポートから排出される燃料の速度は、少なくとも６００ｆｐｓであり、これは、燃料の尚早のコークス化若しくは同類のものといった任意の副産物によって、又は燃焼の任意の副産物によってポートが詰まるといった危険性を回避するのを補助する。

通路５から、及び第２のポート７の全てから燃焼ゾーン２３の中へ入る酸素の総量（任意の付勢酸化剤を含む）は、第１のポート６の全てから送給される燃料の全てを完全に燃焼させて二酸化炭素及び水にするために必要とされる酸素の量の９０％〜１１０％（好ましくは１００％により近い）であるべきである。

本発明の特徴は、流体キャビティの軸方向の中心線に対して実質的に垂直に付勢ガスを提供して、主酸化剤の流れ方向（すなわち、流体キャビティを通り、中央通路５を通って出ている酸化剤のストリーム）を効果的に変化させる。流体キャビティ３５は、酸化剤の高速度を達成するのを補助し、それが次に、減圧されたゾーンを発生させる。一般に、付勢ガスは、制限された流れ領域が中央通路５の上流端部と連通する転移点３７で、又はその上流で流体キャビティの中へ提供される。この供給地点は、より下流の地点とは対照的に、不安定性に遭遇することなく、高速度ストリームのより効率的な流れ方向の変化を可能にする。

中央通路５からの主酸化剤の流れの方向は、図２Ａ及び図２Ｂに示される４４及び４５などの付勢ガス出口のうちのいずれか１つを通して付勢ガスを流すことによって制御される。付勢ガスが付勢出口を通して供給されるときに、流体キャビティ３５を通って入る主酸化剤ストリームは、それ自体を付勢ガスストリームに対向して約１０度の角度で通路５の内面に付与し、その内面に続いて、通路５の中心軸から約３５〜４０度などの角度で、バーナー１の下流端部を出る。円錐形の、及び湾曲したキャビティの組み合わせは、短いノズル長のための大きい偏向角度を可能にする。この技術を使用して、中心軸から最大９０度の角度の主酸化剤ストリームの偏向を達成している。

いかなる付勢ガスも提供されないときに、主酸化剤は、流体キャビティを通り、そして、通路５の中心軸から離れるいかなる方向の変化を伴わずに、燃焼ゾーン２３の中へ進行する。しかしながら、付勢ガスが、例えば付勢ガス出口４４又は４５を通して、流体キャビティの中へ提供されるときに、主酸化剤の流れは、方向が変化させられ、通路５の中心軸から外れる方向において燃焼ゾーン２３の中へ通る。この付勢ガスの流れは、主酸化剤の流れの偏向を生じさせ、また、主酸化剤ストリーム自体を、付勢ガスが主酸化剤の中へ方向付けられる場所と反対側の通路５の壁に付与する。この方向の変化は、壁に対する流体の近接性を原因とする流体の流れのジェットの中への流体の非対称の吸引によって生じる圧力差によるものと考えられる。遮られていないときに、自由ジェットは、周囲ガスを均一に同伴し、その軸を中心に対称的に拡大する。しかしながら、壁に隣接して配置されたときに、環境ガスの同伴は、壁の存在によって制限される。これは、ジェットと壁との間に、流体の流れを押して壁の方向に一致させる役割を果たす低圧領域を作り出す。一般に、流体ジェット全体にわたる圧力差は、効果的な方向変化のために、約１ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）以上となる。

主酸化剤ストリームの流れの方向の変化を、図２Ａを参照して例示する。いかなる付勢ガスも供給されないときに、主酸化剤ストリームは、中央通路５から軸方向に軸方向の燃焼ゾーン２３の中へ現れ、これは、領域２３ｂに向かって、通路５の中心軸及びバーナー１と軸方向に整列することを意味する。付勢ガスが出口４４に提供されたときに、主酸化剤ストリームは、注入された付勢ガスの作用によって、通路５から、領域２３ｃに向かってバーナー１の外へ出る。付勢ガスが出口４５に提供されたときに、主酸化剤ストリームは、注入された付勢ガスの作用によって、通路５から、領域２３ａに向かってバーナー１の外へ出る。主酸化剤ストリームの流れの方向は、軸から、軸に対してある角度になるように、次いで、軸に対して異なる角度に、又は軸に戻るように変化させることができる。この変化は、断続的又は連続的とすることができる。

このようにして、燃焼ゾーン２３の中へ流れる主酸化剤ストリームの流れ方向は、バーナーを調整すること、又はノズルを変化させることを必要とすることなく、変化させることができる。流れ方向は、存在する付勢ガス出口と同数の位置の間で変化させることができる。高速度の主酸化剤ストリームは、流体キャビティを出ると、第２のポート７を通して燃焼ゾーンの中へ提供される、又は別様に燃焼ゾーンにおいて利用可能である、燃料を効果的に同伴する。したがって、燃料及び酸化剤は、主酸化剤の方向転換にもかかわらず同じ方向に流れ、同伴中のそれらの混合物は、安定した燃焼を生じさせることを可能にする。燃焼は、適切な点火デバイス又は燃焼ゾーン内の進行中の燃焼のいずれかによって開始される。

一般に、付勢ガスは、主酸化剤ストリームの流量の０．５〜３．０パーセントの、更には最高４．０パーセントの流量で、流体キャビティ３５の中へ提供される。主酸化剤ストリームの速度は、非常に高くすることができるが、それでも、効果的な方向の変化を達成する。効果的な変化は、主酸化剤が、流体キャビティを通して、１４００、更には１７００フィート／秒（ｆｐｓ）に達する見かけ速度を有するときに達成されている。

効果的な方向変化を達成するために、流体キャビティとのその連通地点からその下流端部までの中央通路５の長さは、必要な圧力差を達成するのに十分でなければならない。最小有効長は、速度及び構成要因に応じて変動するが、少なくとも２Ｄ、及び好ましくは少なくとも３Ｄの中央通路長さが、必要な圧力差を発生させるために十分であり、好ましくはこの長さは、２．５Ｄ〜９Ｄの範囲内であることが分かっている。

本発明は、通路５の内面と通路５の中心軸との間の角度が１０〜３０度の範囲内であるときに、効果を増加させることになる。通路５が、中心軸と１つを超える角度をなす表面を備えるときに、上で参照した角度は、通路５の上流端部での初期角度である。

バーナーは、本明細書で説明されるように作製し、試験された。一方のバーナーは、３ＭＷの公称設計燃焼速度を有し、他方は、５ＭＷの公称燃焼速度を有した。これらのバーナーの各々の関連する設計を下の表に記載する。

バーナーは、下の表に記載される条件で動作させた。

これらのバーナーは、それらの公称設計燃焼速度で、及び設計速度以外の燃焼速度で動作させることができる。例えば、３ＭＷのバーナーは、１ＭＷ及び２ＭＷでも動作させることができる。各バーナーにおいて、流れの相当な偏向が観察された。付勢流れの速度は、付勢孔直径に基づく。

Claims (11)

1. バーナー装置であって、
   （Ａ）バーナー本体であって、
   上流端部と、バーナー（１）の下流端部（２）で開口する軸方向に対向する下流端部と、を有する、前記バーナー本体内の中央通路（５）であって、前記中央通路（５）の断面直径が、前記下流端部に向かう方向に増加する、中央通路（５）と、
   前記中央通路（５）の前記下流端部の周囲に実質的に均等に位置付けられた、前記バーナー（１）の前記下流端部（２）の複数の第１のポートであって、前記バーナー（１）の前記本体内の第１の通路（２６）によって、第１の流体を送給することができる１つ以上の入口（１６）に接続された、第１のポート（６）と、
   前記中央通路（５）の前記下流端部の周囲に実質的に均等に位置付けられた、前記バーナー（１）の前記下流端部（２）の複数の第２のポート（７）であって、前記バーナー（１）の前記本体内の第２の通路（２７）によって、第２の流体を送給することができる１つ以上の入口（１７）に接続され、前記第１の通路（２６）及び前記第２の通路（２７）が、互いに別々である、第２のポート（７）と、を有し、
   前記第１のポート（６）及び前記第２のポート（７）が、前記中央通路（５）の前記中心軸から実質的に均等に離れており、
   前記中央通路（５）、前記第１のポート（６）、及び前記第２のポート（７）が、そこを通って流体が前記バーナー装置の前記下流端部から流れ出ることができる、前記バーナー装置の唯一の開口部である、バーナー本体と、
   （Ｂ）その前記下流端部において、前記バーナーの前記中央通路（５）の前記上流端部と連通する流体キャビティ（３５）であって、前記流体キャビティ（３５）が、前記流体キャビティ（３５）と前記バーナー（１）の前記中央通路（５）の上流端部との間の連通地点において、そこを通過する流体が超音速を有することを可能にするのに十分な直径Ｄを有し、前記中央通路（５）は、前記連通地点からその下流端部まで２Ｄ〜９Ｄの長さを有する、流体キャビティ（３５）と、
   （Ｃ）ハウジングであって、前記バーナー（１）の前記下流端部（２）を取り囲み、また、前記バーナー（１）の前記下流端部（２）を取り囲む前記ハウジングの端部で開口し、前記ハウジングの前記開口端部が、前記バーナー（１）の前記下流端部（２）から距離Ｌ下流に位置付けられ、Ｌが、前記ハウジングの前記開口端部を横断する距離の少なくとも２５％である、ハウジングとを備え、
   前記バーナー装置本体は、さらに、
   付勢ガス出口（４４，４５）を有する複数の付勢ガス通路（４２，４３）であって、前記流体キャビティ（３５）の軸方向の中心線に対して実質的に垂直である方向において、そこを通して付勢ガスを前記流体キャビティ（３５）の中へ送給することができ、前記付勢ガス出口（４４，４５）が、ｄ／Ｄが０．１８〜０．７５の範囲内であるような直径ｄを有し、前記複数の付勢ガス通路（４２，４３）は、前記付勢ガス出口（４４，４５）の中心が前記流体キャビティ（３５）と前記中央通路（５）の前記上流端部との間の前記連通地点のｄ／２上流から前記連通地点までの範囲内に位置するように、前記流体キャビティ（３５）と連通し、Ｄ及びｄが、同じ単位で表される、複数の付勢ガス通路（４２，４３）を備え、
   前記バーナー（１）の前記下流端部（２）の下流に延在する前記ハウジングの一部分が、その中に通路（２４）を備え、該通路（２４）が、前記バーナーにおいて生じる燃焼によって発生する熱を吸収するために、そこを通して冷却液を流すことができ、
   前記中央通路（５）が、円錐形のまたは湾曲した内面を有し、前記中央通路（５）の断面直径は、前記バーナー本体の下流端部（２）において、前記中央通路（５）の直径が前記ハウジングの内径と等しくなるように増加し、
   前記第１のポート（６）と前記第２のポート（７）は、前記中央通路（５）の内面に位置付けられている、バーナー装置。
2. 前記中央通路（５）が、前記連通地点からその下流端部まで、３Ｄ〜９Ｄの長さを有する、請求項１に記載のバーナー装置。
3. 前記付勢ガス出口（４４，４５）が、前記流体キャビティ（３５）と前記中央通路（５）の前記上流端部と間の前記連通地点で、又はその上流で、付勢ガスを前記流体キャビティ（３５）の中へ提供するように位置付けられる、請求項１または２に記載のバーナー装置。
4. 前記付勢ガス出口（４４，４５）の数が、２〜８個である、請求項３に記載のバーナー装置。
5. ｄ／Ｄが、０．１８〜０．２５の範囲内である、請求項１または２に記載のバーナー装置。
6. 前記中央通路（５）の表面が、その中心軸と１０〜３０度の角度を形成する、請求項１または２に記載のバーナー装置。
7. 燃焼の方法であって、
   （Ａ）請求項１に記載のバーナー（１）の前記第１のポート（６）を通して、前記バーナーの下流端部（２）から燃料を送給することと、
   （Ｂ）前記バーナー（１）の前記第２のポート（７）を通して、前記バーナー（１）の前記下流端部（２）からガス状酸化剤を送給することと、
   （Ｃ）上述したバーナー（１）の前記流体キャビティ（３５）を通して、及び前記バーナー（１）の前記中央通路（５）の前記下流端部を通してその外に、ガス状酸化剤を送給することであって、前記ガス状酸化剤が、少なくとも１２１．９メートル／秒（４００フィート／秒）の速度で前記流体キャビティ（３５）を通って流れて、前記中央通路（５）の表面の一部分に隣接する減圧ゾーンを確立する、送給することと、
   （Ｄ）前記燃料及び前記ガス状酸化剤を燃焼させることと、
   （Ｅ）前記流体キャビティ（３５）と前記中央通路（５）との間の前記連通地点のｄ／２上流から前記連通地点の範囲内の地点において前記流体キャビティ（３５）を通過する前記ガス状酸化剤の流れ方向に対して実質的に垂直な方向において、直径ｄを有する付勢ガスのストリームを前記流体キャビティ（３５）の中へ周期的又は連続的に注入することであって、Ｄ及びｄが、同じ単位で測定され、それによって、前記中央通路（５）の前記下流端部から排出される前記ガス状酸化剤の前記流れ方向を変化させる、注入することと、を含む、方法。
8. 前記付勢ガスの流量が、前記中央通路（５）を通る前記酸化剤の流量の０．５〜４．０パーセントである、請求項７に記載の方法。
9. 前記ガス状酸化剤が、少なくとも１５２．４メートル／秒（５００フィート／秒）の速度で前記流体キャビティ（３５）を通って流れて、前記中央通路（５）の前記表面の一部分に隣接する減圧されたゾーンを確立する、請求項７に記載の方法。
10. 前記付勢ガスが、酸素を含む、請求項７または９に記載の方法。
11. 前記付勢ガスの流量が、前記中央通路（５）を通る前記酸化剤の流量の０．５〜３．０パーセントである、請求項９に記載の方法。

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