JPH0135246B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、鋼鍛造炉内で燃焼用空気を約320乃
至1320℃（600乃至2400〓）の温度にするための
復熱装置を使用する形式のエネルギ保存炉内にお
いて使用することが望ましい炉ガス再循環型のバ
ーナ構造に関する。 復熱装置と、1977年11月29日発行の米国特許第
4060379号に示すごとき再循環バーナを使用する
エネルギ保存炉においては、その組み合わせにお
いて満足に作用する再循環バーナについて記載が
ある。しかし、本文では、前記米国特許に記載さ
れた炉装置において使用され得る如き本発明によ
る再循環バーナの改良形態について説明する。再
循環バーナにおける改良内容については、以下に
おけるその詳細を照合すれば明らかになる以下の
目的及び他の目的に例示されている。 本発明の一目的は、寸法が実質的に小さく特に
その長手寸法が短縮された再循環バーナの提供に
ある。このバーナの寸法の縮小は、バーナの作用
又は効率を低下させることなく達成されたもので
ある。寸法の縮小によりバーナのメンテナンスが
簡単になり、バーナの取り外しの目的のためこれ
迄必要とされた如き実質的な空間を要することな
く、バーナを炉内から引き出すことが可能にな
る。 本発明の別の目的は、バーナに対し送られる燃
焼用空気量を制御するための改善された装置の提
供にある。これに関して、本文では、バーナに対
する空気取り入れ量の改善された線形調整法を提
供するプラグ弁を使用することが望ましい改良さ
れたノズル装置について説明する。この改良によ
つてバーナに入る環状の流路全体における配分が
良好となり、又プラグ弁が閉鎖位置にある時の漏
洩レベルが低いことと共に、弁の機械的位置とこ
の弁を流過する空気量との間の更に顕著な線形の
相関関係を可能にする。この点に関して、前記米
国特許第4060379号は燃焼用空気を指向させるノ
ズルを提供するものの、このノズルと関連する制
御装置については開示がなされていない事が判
る。 本発明の他の目的は、予熱された燃焼空気を受
け取り、炉体腔部内でバーナの外側に火炎前縁を
維持し、炉内のガスの再循環を増大させてバーナ
の効率を最大にする再循環バーナの提供にある。 本発明の更に他の目的は、炉体の熱エネルギ吸
収面を不均等な加熱を生じる隔離された成層ポケ
ツトの形成を避けるため炉体腔部内の十分な混合
作用の提供にある。 本発明の他の目的は、比較的高い取り入れ空気
温度で作用可能であるため実質的な燃料節減が達
成された燃焼過程を最適化する再循環バーナの提
供にある。 本発明の他の目的は、運転時のばい煙が少な
く、かつ周囲温度又は320乃至1320℃（600乃至
2400〓）あるいはこれ以上の温度にも達する高温
の予熱空気を用いて運転可能な改良された内部再
循環バーナ構造の提供にある。高い温度に予熱さ
れた空気を使用することが望ましいが、周囲温度
の燃焼空気を使用する場合でも炉の運転効率が改
善されることが判つた。 本発明の他の目的は、過度の窒素酸化物ならび
に粒子（ばい煙）を生じることなく最適の燃焼空
気比率、即ち化学量論的比率において又はその付
近で運転可能なバーナの提供にある。 本発明の他の目的は、天然ガスおよび50％程度
の石炭と残油の混合物の如き広範囲の燃料の燃焼
が可能な内部再循環バーナの提供にある。 本発明の他の目的は、ノズルおよびその他の構
成要素の形態設定を変えずに、火炎を維持しなが
ら広範囲の燃料および空気の流量において運転
し、このためバーナにより生じるエネルギを十分
に小さくし燃焼空気の比率の変化を大きくする改
良された再循環バーナ構造の提供にある。 本発明の他の目的は、炉装置と関連し、かつこ
のバーナが他のバーナ構造と容易に交換可能な改
良された内部再循環バーナ構造の提供にある。 本発明の他の目的は、炉装置と関連し、かつこ
のバーナが他のバーナ構造と容易に交換可能な改
良された内部再循環バーナ構造の提供にある。 本発明の他の目的は、輻射による火炎から炉体
の熱吸収面へのエネルギ伝達を阻害する現在のバ
ーナにおいて通常生じる「グレーヘーズ（薄煙）」
を十分に除去するように、炉体腔部内での多種の
化石燃料を燃焼することにある。 本発明の更に他の目的は、「完壁なミキサー」
に近づくバーナの提供にある。このようなバーナ
においては、化学量論的な燃料および空気量が反
応して、燃焼過程により生じるエネルギを排出し
て無駄にする炭化水素の不燃焼を生じかつ過剰酸
素（過剰空気）を放出することなく完全燃焼生成
物を形成する。本発明の方法の主題は完壁なミキ
サーの概念であり、燃料中に存在する硫黄分を吸
収する収着剤（sorbent）を十分に使用する機会
をもたらすものである。火炎領域内で反応して燃
料中の硫黄を吸収する添加剤の使用による硫黄分
の除去は、長い間これを目指す研究者達のゴール
であつた。実験室の規模の実験では、燃料中に直
接収着剤を用いる可能性を示したが、実際にはこ
のような方法では75乃至80％の吸収率しか得られ
ず、これでは不十分である。更に、このような結
果を達成するには多量の収着剤を必要とした。殆
どの事例において、80％の硫黄分の吸収レベルを
得るには収着剤の化学量論的量の３乃至５倍を必
要とした。 本発明では収着剤をその化学量論的量の1.5倍
乃至２倍の濃度で使用した実験を行つた。この実
験では石英と＃６油の50％−50％混合物を用いて
行つた。この試験結果、燃料中の硫黄はバーナに
収着剤を用いることによつて火炎領域において96
％が除去し得たことが判つた。 本発明の前記目的および他の目的を達成するた
めに、エネルギ保存プロセス炉と共に使用される
ことが望ましい改良された内部再循環バーナが提
供されるが、本発明のバーナは蒸気発生装置又は
アルミニユーム溶融炉の燃焼領域の如き十分に規
定された燃焼領域を一般に有するどんな形式の炉
装置とも共に使用することができる。本発明のバ
ーナは、例えばガラスの溶解炉プロセスにおいて
使用される如き流失ガスから熱エネルギを吸収す
るため使用される復熱装置を内蔵するエネルギ保
存プロセス炉内で使用されるのが典型的である。 本発明の再循環バーナは、約320乃至1320℃も
しくはそれ以上の温度範囲内の温度に予熱された
空気で運転することが可能である。このバーナ
は、復熱装置を要さず、かつ燃焼空気を予熱する
ことなく使用することができる利点がある。 バーナの再循環の特徴により、復熱装置なしで
使用した場合でさえ、火炎領域の手前の流入する
燃焼空気のある予熱作用を提供し、バーナ内の空
気と再循環されるガス流の拡散および混合による
ある希釈作用を提供する。このように、火炎に接
近するガスと空気の混合気中の酸素濃度は、芯部
における高濃度の酸素により最適の状態になる。
この酸素濃度は芯部からの半径方向距離が大きく
なるにつれて徐々に低下するため、流動パターン
の最外部における酸素の濃度は最小となる。従つ
て、燃焼領域は高温の再循環する炉内ガスの円柱
体の内部に包まれている。酸素量が不足る火炎領
域（芯部）の周囲をさや状に包む非常に高温で
CO₂に富む再循環ガスが形成される効果として、
非常に輻射性の高い清浄に燃焼する火炎が得られ
る。高温のさや部内のCO₂は、前記芯部内に形成
される炭素質のばい煙構成粒子に対する非常に有
効な酸化剤となる。CO₂はCOに分解して酸素原
子を遊離させ、この酸素原子が燃焼プロセスに参
与する。このように形成された燃料は、燃焼過程
完了の付近でCO₂に酸化される。この燃焼過程に
おける高温のCO₂の参与のため余剰空気量の水準
が低くても清浄な燃焼が可能になる。 本発明によれば、バーナは、米国特許第
1060379号に開示された形態よりも長さにおいて
かなり短縮されるように構成される。このよう
に、保守を必要とする場合、炉体の外壁部と最も
接近する障害物間のバーナの取り出しのための作
業距離は短縮される。本発明の再循環構造によれ
ば、熱の放出率および熱の伝達率は容易に極大化
可能であるが、これは燃焼過程の動特性が炉内に
おいて「グレーヘイズ」およびガスの成層ポケツ
トを除去するためである。改善された熱伝達率に
より鋼の鍛造の如きプロセスにおける加工物の加
熱に要する時間が短縮され、更に鋼の表面に形成
される酸化被膜の形成量を減少させ、このため鍛
造型の寿命を延ばすと共に表面の酸化による材料
損失を改善することになる。 炉および予熱された燃焼空気の熱に露呈される
バーナの略々全ての構成要素は耐熱材料および耐
熱衝撃材料から形成され、材料をガスおよび予熱
空気の高温から材料を保護するためセラミツクで
被覆された金属材料から形成される。 バーナは以下の６つの要素から構成される。 (a) 前方端に燃料出口を有する燃料管。 (b) 該燃料管を包囲して前方に伸びるとともに前
方端に火炎保持部を有する高温度に耐える中心
管部。 (c) 該中心管部を包囲する高温に耐えるバーナ胴
部。 (d) 該バーナ胴部および前記中心管部を同心円的
位置関係に支持する装置。 (e) 高温度に耐える再循環スリーブ；この再循環
スリーブは前記中心管部と前記バーナ胴部との
間で前記中心管部を包囲するように伸びて再循
環通路を画成し、これにより炉ガスが、前記バ
ーナの前方端から前記バーナ胴部とこの再循環
スリーブとの間を通りバーナ後方の混合領域
へ、更に前記中心管部とこの再循環スリーブと
の間を通つてバーナの前方へ運ばれるととも
に、この間に燃焼用空気と混合されるようにな
されている。 (f) 燃焼用空気噴出装置；この燃焼用空気噴出装
置は燃焼用空気を導入するための導入路と、こ
の導入路と連結されるプレナム領域と、このプ
レナム領域と前記混合領域との間に設けられ前
記中心管部と前記再循環スリーブとの間の前記
混合領域への燃焼用空気の流れを制御するため
のノズル装置とを備えている。 このバーナは、構造において種々の肉薄の炉壁
に使用できる炉体腔部の壁面内に挿入されるよう
構成されている。炉壁の所定位置におかれる時、
バーナ障壁は炉体腔部と、炉壁部と、炉体および
バーナ組立体が配置される室即ち外部雰囲気とか
らなる。 バーナには、用途、各地区の規則および燃焼す
べき燃料の種類に従い変化するある配慮が施行さ
れている。この配慮の典型例としては、圧力下で
液体、気体又は流動する粉体の状態でバーナに対
して供給される燃料の供給源と、燃焼空気と、冷
却空気と、点火用電力、通常気体状燃料である口
火用燃料と、火炎が存在するかどうかを検出する
電気的検出回路と、バーナに隣接する炉体腔部内
の酸素濃度を測定する電気検出回路とからなる構
成を有する。円筒状の中心管部がバーナ・ハウジ
ング内に同心状に配置され、所定位置にボルト締
めされる。コア組立体はこの中心管部内に同心状
に取り付けられ、一般に組立分解が容易なように
２個の留め金により所定位置に保持される。中心
部のコアは燃料の種類に従つて必要なあらゆる変
化を内蔵している。例えば、天然ガスから燃料油
への変更においては、燃やすべき燃料を収容する
目的のみのコアの変更を生じる。燃料を混合領域
に導入する燃料ノズルは火炎保持部の中心部に配
置され、安定した火災を支持するのに必要な正確
な位置に燃料を供給するように若干炉体腔部内に
突出する。 円筒状のバーナの胴部は、ハウジングから炉壁
部内に延在する。この胴部は金属製の留め金によ
つてハウジング内の所定位置に保持される。胴部
は、燃焼空気ノズル板と再循環スリーブのための
取り付け面を提供する。前記再循環スリーブはバ
ーナの炉端部で前記胴部内に配置され、ノズル板
はバーナの反対側の端部に配置される。環状通路
は、前記胴部と再循環スリーブ間、および再循環
スリーブと中心管部間に形成される。圧力下の燃
焼空気はハウジングの燃焼空気入口フランジにお
いてバーナに入り、ハウジングを介して燃焼空気
ノズル流入する。中心管部により実際に運動可能
に取り付けられるプラグ弁は空気をノズル板を経
て中心管部の表面に沿つて流動させるように定置
される。「コアンダ効果」に基づき、燃焼空気は、
空気の流れが中心管部の端部におけるスポイラに
遭遇するまで中心管部の表面上を流れようとする
傾向を有する。この地点において、空気の流れは
中心管部から離れ、燃料を吹き込むことができる
必要な火炎維持条件を生じる渦流が形成される。
バーナに対して供給される如き燃焼空気の圧力
は、空気がノズル板を流過する際空気流の運動エ
ネルギと大きく関連する。その結果、十分に知ら
れた物理科学の法則により、ノズル板の後に生じ
る噴流の直ぐ付近の圧力は、炉体腔部に存在する
圧力より低い圧力になる。約2.54乃至12.7mm以上
の水柱の圧力降下が、再循環スリーブとノズル板
の間の各地点で測定された。この圧力降下によ
り、燃焼生成物からなる炉ガスがバーナの口部と
再循環スリーブの外径との間の環状通路を流過さ
せられて燃焼空気の流入噴流と合流する。炉ガス
は空気により同伴されて空気と平行に流動し、空
気を包囲して同心状に流れる高温ガスのさや部を
形成する。再循環する炉ガスと燃焼空気間に予め
定めた割合に混合が生じる。２つのガス流の温度
の変化の故に混合は最小となり、その結果中心管
部に最も近い流れは中心管部の表面付近の測定に
よればその大半は10乃至20容量％程度の酸素値を
有する燃焼空気であるが、バーナからの放出部の
再循環スリーブの内表面に最も近い流れの組成
は、殆ど炉体腔部内におけるガスと同じ組成を有
する再循環ガスからなる。 再循環ガスのさや部を有する燃焼空気は火炎領
域に流入して、ガスの主体の流れは空気の主流と
略々等しいため、流入する燃焼空気の各流は炉体
腔部から再循環させられた炉ガス約0.45Kgにより
同伴されるが、燃焼空気流に対する再循環ガスの
比率は0.2乃至２の範囲内で変化する。合成され
た流れがバーナを出ると、火炎保持部は空気流を
分離させて燃料が導入される地点に渦流を形成す
る。この流れの分断は燃焼過程を開始し維持する
火炎維持地帯を提供する。 できるだけ低レベルの粒子即ちばい煙および窒
素酸化物しか生じない清浄燃焼を得るため、流れ
は火炎領域を包囲する再循環させられる炉ガスの
さや部破壊する程急激には***しないようにす
る。このさや部を炉体腔部に存続させることによ
り、輝きの強い火炎を生じることができる。酸素
が不足する中心部は、燃焼して有効な熱の輻射源
となる炭素質の微粒子を十分に生じる。このた
め、火炎から炉壁に対して輻射されるエネルギの
有効な伝達が可能になる。再循環させられるガス
の高温さや状部は、遊離して、粒子を有効に酸化
させCOおよびCO₂にする原子形態の酸素を生じ
るCO₂を含む。火炎が炉体の腔部に向かつて流下
する時、COは残留する酸素によつて酸化されて
CO₂になる。 前述のプロセス燃焼効果は可能な限り低レベル
の窒素酸化物を生じる。高温度の芯部における過
剰の酸素の存在を避けることにより、大気中の窒
素の固定が抑制される。このような本バーナは非
常に効率がよいため、石炭と油の混合物が2.5％
以下の過剰空気レベルで十分に燃焼し排出ガスに
おいて炭素残留物が殆どなく、同様な用途の比較
し得る従来のバーナにより生じるものの半分以下
のレベルの窒素酸化物しか含まない。 本発明の他の多くの目的、特徴および長所につ
いては、添付図面に関して以下の詳細な説明を照
合すれば明らかになるであろう。 添付図面によれば、専らセラミツク又は同等の
高温度に耐える材料からその構成要素が作られる
内部再循環バーナが示される。このバーナは、米
国特許第4060379号に示される如きエネルギ保存
プロセス炉と共に使用される汎用形式のものであ
る。このバーナは前記米国特許に示された支持部
と同様な略々従来周知の方法で炉体から支持する
ことができる。 本バーナは、バーナのフレーム組立体６９に取
り付けたフランジ１２に対して実質的に固定され
た位置に支持された中心管部１０を有する。この
中心管部１０の前端部は環状構造の火炎保持部１
４を形成する。中心管部１０は、燃料流点火装置
を提供し、燃焼領域１８の火炎の監視を行うコア
組立体は、このコア組立体を中心管部のフランジ
１２に結合する２個の留め金７１により所定位置
に保持される。炉体に最も近い中心管部１０の部
分に沿つて中心管部を包囲する再循環スリーブ２
０が設けられている。再循環スリーブ２０は、火
炎保持部１４より長さが短く、その反対側端部で
はノズル板３４と接触することなく終わる。再循
環スリーブ２０を包囲しているのは、その内端部
２５においてバーナのフレーム２７に溶接された
クリツプにより固定的に支持されたバーナ胴部２
４である。図には、導入路２８も示され、この導
入路は燃焼用空気をプレナム領域２９内に導入
し、このプレナム領域から空気がノズル装置３０
を経てノズル板３４の分配孔３８内に流入する。
プレナム領域２９は略々環状の形態を有する。 上記導入路２８、プレナム領域２９およびノズ
ル装置３０が燃焼用空気噴出装置を構成する。 ノズル装置３０は、特定の空気流量に調整する
ための環状のノズルプラグ３２と、一端部に複数
個の間隔をあけた分配孔３８を設けた分配リング
３６を含む環状のノズル板３４とを含む。このノ
ズルプラグ３２は、直径方向の反対側位置に１本
ずつノズルプラグに固定される２本の位置決め用
のロツド４０により位置決めされることが望まし
い。バーナのフレームの外側に延在するロツド４
０の外端部は、バーナのオペレータにより手動
で、又は遠隔位置から付勢される位置決め用電動
機の如き他の手段により位置決めが可能な調整棒
に対して共締めすることができる。空気がプレナ
ム領域２９を出て環状の分配孔３８を経て混合領
域２２へ流過する。これ等の分配孔は、これに対
してノズルプラグ３２を調整することによりその
開口面積を調整し、この調整は又ノズルプラグと
ノズル板３４間の、特に各ノズルプラグ３２とノ
ズル板３４の先端３２Ａと３４Ａにおける相対運
動を生じる。空気流はノズル装置３０から出て中
心管部１０の外面に沿つて流過し、中心管部の
略々火炎保持部の端部で終わる。空気が中心管部
１０の表面上を流過する際空気と再循環された炉
ガス間にある程度の混合が生じる。この混合量は
バーナの構造および作用特性における重要な配慮
事項である。再循環された炉ガスと予め混合され
た空気は火炎保持部１４上に流過し、火炎保持部
の背後で燃料１５および熱い反応ガスと混合して
燃焼領域１８に張り出す安定火炎を形成する。 バーナにより使用される燃料は、中心管部１０
内に同心状に配置されるコア組立体１６内に配置
された燃料管４４内を流れる。燃料管は図示しな
い燃料供給源に接続される。中心管部の火炎保持
部の端部で燃料が燃焼領域１８に噴射される。噴
霧作用を引き起こしあるいはこれを補助するため
液体燃料、および液体燃料と固定（粒状）燃料の
混合物と共に噴霧用空気を任意に用いることがで
きる。種々の燃料調整装置が使用できるが、その
全ては主としてコア組立体内に保持される。 このように、中心管部１０と再循環スリーブ２
０間には空気と再循環された炉ガスが流れる空気
供給通路４６が形成され、又、再循環スリーブ２
０とバーナ胴部２４間には炉ガスを吸入するため
の炉ガス吸入通路４８が形成される。空気供給通
路および炉ガス吸入通路が再循環通路を形成す
る。再循環された炉ガスは燃焼空気により空気供
給通路４６内に吸い込まれる。流入する燃焼用空
気と炉ガス間の運動量の交換により、炉ガスを再
循環させる運動力が生じる。燃焼領域１８からの
燃焼生成物は再循環通路の入口４９においてバー
ナに流入し、バーナ胴部２４と再循環スリーブ２
０間の炉ガス吸入通路４８を経てノズル板３４に
向かつて流れる。再循環スリーブ２０の端部２１
において、再循環された炉ガスは再循環スリーブ
２０内に向かつて半径方向内方に旋回する。この
作用を示す第１図の矢印に留意されたい。 セラミツク製の中心管部１０内には、燃料管と
噴霧空気管に加えて点火装置５０が設けられてい
る。又、火炎を観察するためののぞき窓５２を設
けてもよい。実際に、本実施例においてはセラミ
ツク製の中心管部１０がバーナのフレームに対す
る金属延長管兼フランジにより支持されて、その
組立体全体をバーナ組立体内で同心状に支持す
る。点火装置は２つの火花電極（火花電極５４に
注意）を含む種々の形式のものでよい。これに代
わるものとして単一の火花電極を設け、火花装置
に沿つて端部に火炎安定装置を備えたガス管を設
け、あるいは手動操作トーチのための貫通路を設
けてもよい。中心管部は芯部の構成要素の周囲の
管内を流れる比較的少量の予熱されない空気によ
つて冷却されることが望ましい。冷却用空気を結
合するため、中心管部のキヤツプ５８に入口５６
を設ける。 図面にはバーナのプレナム領域２９を覆うバー
ナ面板６０も示されている。この面板６０も又中
心管部とコア組立体に対する支持装置を提供す
る。予熱された燃焼用空気からの熱損失を防ぎ、
バーナの火炎が運転員に対する安全温度を越えな
いようにするため、プレナム領域を絶縁するため
の断熱材６２が示されている。 火炎保持部１４は、中心管部の炉端部の外表面
から約12.7mmでよい半径方向高さ「Ｘ」だけ延在
する環状のフランジ形態を呈する。火炎保持部
は、空気と、再循環された炉ガスと、燃料とを混
合するための渦流を生じかつバーナの所定位置に
火炎を保持するためにこのように配置される。火
炎保持部の面は、このように再循環スリーブ２０
の端部２３の僅かに下流側に配置されるのが典型
的である。再循環スリーブの下流側の端部２３
は、典型的には中央管部の外径から火炎保持部の
径方向外方の頂部までの半径方向の距離即ち高さ
「Ｘ」と等しいか、これより大きな距離だけ、火
炎保持部から軸方向において上流側に配置されて
いる。この配置のため、空気供給通路４６を流過
する流線がその出口面を通る前に再循環スリーブ
に向かつて半径方向に流動することが阻止され
る。このような流線の半径方向の流動が早すぎる
と混合作用の制御を阻害する。 燃料出口１７は、燃料が液体である場合に、中
心管部１０の内側に噴霧状態の液体が衝突するの
を防止するに十分な距離だけ火炎保持部１４から
若干下流側に配置されることが望ましい。燃料出
口は、火炎保持部背後の火炎保持部の半径方向高
さの１乃至４倍、即ち「Ｘ」乃至「4X」を越え
ない火炎保持部の面の下流側距離における渦流域
により形成されるせん断層に燃料を噴霧するに十
分な、噴霧角度を有することが望ましい。液体燃
料の代わりにガスを使用する場合、燃料の噴流と
中心管部の内径との間の干渉が少なければこれを
許容し得る点を徐いて同じ関係が適用できる。 燃料出口１７からの噴霧角度は120゜の挟角でよ
く、燃料出口は火炎保持部の端面部を越えて約
3.2mmだけ突出する。又、気体状の燃料ノズルを
使用する時、火炎保持部の面と噴流が重ならない
ように約3.2乃至6.4mmの平均距離だけ火炎保持部
の面から先の位置から生じる半径方向に噴出する
複数の噴流（例えば、８孔１列）が提供される。 本発明の別の特徴は、燃焼用空気と再循環され
た炉ガスを燃料と予め混合するための予混合方法
に関する。これに関して、中心管部１０には複数
個の半径方向に指向された孔が６４が設けられて
いる。これ等の孔は半径方向に指向される代わり
に傾斜させてもよい。これ等の孔は、火炎保持部
の半径方向高さの１乃至４倍の平均距離だけ火炎
保持部も手前に配置される。これ等の孔は中心管
部の外側からの空気および再循環された炉ガスが
中心管部の内側に流動することを許容する。この
ため、燃焼を維持するガスに対する燃料の完全な
接触が生じる火炎保持領域の最外縁部に燃料が実
際に流入する前に、燃焼を維持するガスと燃料の
ある程度の予めの混合作用が生じる。この構成に
よつて火炎の安定化を助けると同時に火炎の形状
を整形する２つの効果が生じる。半径方向の孔６
４を使用しない場合の比較的「噴流状の」パター
ンに比較してこの半径方向の孔６４による火炎形
状は「ブツシユ状」となることが判つた。火炎保
持部の前縁部から約44.5mmの中心線上の距離にお
いて半径方向を向いた６個の約12.7mmの孔が設け
られる。又、この６個の約12.7mmの孔の代わり
に、例えば、中心管部の火炎保持部のフランジの
周囲に軸線方向に向いた火炎保持部フランジを貫
通する12個の約3.2乃至6.4mmの軸心方向孔を設け
てもよい。 本発明の別の特徴によれば、バーナの構成要素
を適正に配置することにより、再循環および混合
の作用を制御することができる。環状のノズルに
対する再循環スリーブの入口部と出口部の位置
は、燃焼用空気（能動流体）と燃焼生成物（二次
流体）の再循環速度と混合速度を制御する。燃焼
用空気に対して等量の燃焼生成物を再循環させる
ことが望ましい。これは、燃焼用空気に対する燃
焼生成物の比率を火炎保持部のリツプ部において
0.5乃至1.0の間にするという要件に対する当然の
結果である。反応速度を得るための実際の混合比
は断熱火炎に対しては３乃至５対１（燃焼生成物
対燃焼用空気）の割合となる。熱が直接火炎から
得られるボイラーおよび炉の場合の如く、断熱火
炎よりかなり低い火炎温度に対して、火炎保持域
内の混合物が１対１の比率である別の条件におい
ては更に燃料を加える必要があり、このため更に
高い温度に達して実際に最大反応速度および最も
安定した火炎を得る。この状態は、燃焼を維持す
るガス流と火炎保持部の背後の再循環する熱い生
成ガスを分断するせん断層内の火炎保持部におい
て生じる。熱い燃焼生成ガス中で攪拌することに
より火炎保持部に接近する燃焼を維持するガスに
よる熱が火炎の安定性を強化する。 実験によれば接近ガス中の燃焼生成物の比率が
大き過ぎると、酸素量が少な過ぎる場合における
と同様に、火炎を実際に不安定にし得ることが示
された。このように、約1090乃至1430℃の温度範
囲内の燃焼室内温度を有するボイラおよび炉にお
いて、最適の混合比が生じ、１対１の比率が略々
適正となる。 燃焼用空気中への燃焼生成ガスすなわち炉ガス
の混入は他の重要な効果をもたらす。即ち、この
方法によつてばい煙の発生は低レベルに減少する
ことができる。完全に生成された火炎において生
じる如く約980℃以上のガス温度においては、固
体炭素をガス化する際二酸化炭素が空気と同程度
に有効である。目に見える黄色又は白色の火炎の
場合は、不完全燃焼又は燃料の熱分解のため炭素
粒子が含まれる。この状態は特に酸素量が欠乏し
た領域に生じる。本文に説明するバーナにおいて
は、火炎の芯部は酸素が欠乏するが、これは燃料
が中心線部に導入され特に芯部を包囲する被包
部、即ち本例では火炎保持部に形成されるさや状
の層で示される領域に導入されるためである。こ
のさや状の層内では燃料は熱分解されて炭素粒子
を容易に形成する。このような条件下で形成され
る火炎が炭素のガス化よりも早く冷却されるもの
とすれば、火炎の被包部内を通過する粒子（ばい
煙）が存在することになる。この粒子は大気中に
ばい煙として放出されることになる。 通常酸素が炭素と反応してCO又はCO₂を形成
する。高温においては、CO₂は炭素と反応して
COを形成する。いずれの場合も、生成物のCOは
ばい煙を発生することなく後で火炎中で燃焼し得
る。単位容積当たり使用可能な「ガス化促進剤」
の量は炭素がどれだけ良好にガス化されるかを示
す傾向を有する。 使用可能なガス化促進剤の量は空気とCO₂の双
方により表される。完全燃焼によりCO₂が生じて
火炎保持領域に再循環されるものとすれば、供給
された単位燃料当たり使用可能なガス化促進剤の
容積量は（3n＋１）／２＋nyとなる。但し、第
１項のｎは酸素の容積、第２項のnyはCO₂の容積
である。項ｙは１容積単位の燃焼用空気により再
循環させられる排気生成物の容積率である。この
ように、１容積単位の燃料（ここでは、CnH₂n
＋２とする）に対して、再循環せずに使用できる
分に対するガス化促進剤の全量の比率は下記の如
くである。即ち、 （3n＋１）／２＋ny／（3n＋１）／２ ｙが１以上である場合は空気だけに対し使用可
能な量を２倍する。これにより、約980℃より高
い温度における反応により火炎中の炭素を除去す
る際には、空気だけの場合の２倍の効率となると
云う長所が得られる。このように、バーナは過剰
空気が実質的にゼロで運動可能でそれでも尚清浄
燃焼装置として非常に有効である。本発明のバー
ナの構成により、火炎保持部の背部のせん断層に
より形成される１次燃焼域内で得られるCO₂対
CO比率の選択が可能になる。 火炎保持部のリツプ部におけるCO₂対COの比
率の制御のための主要パラメータは、生の状態の
燃焼空気に対する再循環させられる生成物の混合
度である。この混合度は流体の混合作用の力学的
法則により制御可能である。本バーナにおいて
は、流体の動的特性は、再循環スリーブ２０の出
口端部に対する中心管部１０を包囲する環状のノ
ズル装置３０の寸法によつて基本的に設定され
る。環状の噴流に対する半分の強さの混合度の射
線がノズル装置のリツプ部から発して5.4゜角度で
外方に拡く。この角度は、実験的に、燃焼ガスの
自由な環状噴流の混合から生じる温度とO₂濃度
の両者により決定される。この半分の強さの射線
は、噴流の中心線の強さと比較された特性の強さ
を有する噴流の中心線から半径方向に測定された
点の軌跡として定義される。前記角度は若干実際
のガス組成に依存するが、この装置に対してなさ
れた測定は、混合される成分が燃焼生成物と空気
である場合の所期の目的に対して満足できるもの
である。環状の噴流の拡いた領域の半径方向の成
分の分布の完全な定義は、基本的にはどんな気体
の噴流の場合でもその拡散から生じるものと類似
のガウス曲線であることを分析的に認識すること
により確立することができる。交叉する壁面、本
例では再循環スリーブの内側により拡開する噴流
の交叉の状況については、基本的にこの壁面から
再び中心管部に対し分布されない組成カーブの形
態の反射として説明される。濃度の絶対値はガウ
ス曲線の１次値と反射値を加算することにより決
定される。これが意味することは、壁面から反射
される半分の強さの射線が前記１次値と２次値の
加算によつて壁面における全強さに合計されると
いうことである。壁面における燃焼生成物に対す
る空気の比率の実際値は、従つて、中心管部から
の１次組成カーブの再循環スリーブからの最初の
反射後その２次的反射がないものとすれば、中心
管部の壁面における実際値は等しくなる。 中心管部の壁面の値は、環状の噴流からのガス
の最初の濃度の減率を知ることによつて容易に決
定される。これは再び噴流の拡開に関する場合に
見出すことができるものと同様である。半分の強
さの射線に関する再循環スリーブの出口側での壁
面の位置は、再循環スリーブの内側リツプ部から
半径方向内方に測定された半分の強さの射線の半
径方向位置を調整するだけで、50％となる壁面に
おける主要な燃焼ガス濃度又は完全な混合状態の
いずれかを生じるように選択することができる。
濃度に関する限り理論値はなく、丁度リツプ部に
おいて再循環スリーブと交叉する半分の強さの線
は壁面における完全な混合状態を示すため、この
線で収め得るよりも長い再循環スリーブの使用時
の自由噴流混合測定値に基づく。一方、再循環ス
リーブは１つの噴流の範囲を示し、従つて実際の
混合速度は前の説明により示された自由噴流に対
するよりも遅くなる。このことは、自由噴流混合
測定の使用により予期されるものよりも若干長い
スリーブ要件を示すことになる。これ以上の長さ
になると、出口側面を横断する混合物の均一性の
達成に大きく寄与しない。長さを加えためには、
速度は質量又は熱よりも混成が遅くなるため、従
来の排出装置における如く完全な速度の均一性を
得ることが必要となる。 通常再循環スリーブは、出口側面に向かつて拡
がるようテーパを呈して再循環スリーブの前端部
から後端部へのガス密度の変化の平均変化量の補
償作用を助ける。しかし、再循環スリーブの前端
部は、少なくとも１次燃焼用空気の噴流および再
循環される燃焼生成物の平行な同心状の運動のた
めに必要な面積を収容するに十分な面積を持たね
ばならない。一般に、再循環される燃焼用空気と
同じ質量の流れになる。そこで再循環スリーブに
対する入口側で再循環される燃焼生成物に必要な
面積は、燃焼室の温度と等しい温度と、１次噴流
の吸い出し作用のため得られる圧力低下量と対応
する速度の燃焼用空気の質量流と等しい質量流に
対応する。一般に、再循環スリーブの前部リツプ
部における再循環地帯は小形のバーナの場合に約
5.1mmの水柱相当圧力差を有する。これは毎秒
15.2乃至18.3mmの半径方向内方の速度に対応す
る。 再循環スリーブとノズル板間の間隙における再
循環スリーブの前部リツプ部における半径方向内
方の流れのため、等しい面積又はこれ以上の面積
が提供される。この流れは、再循環スリーブの前
部のリツプ部の直径を有し、かつリツプ部とノズ
ル板３４間に延在して再循環領域の後部に形成す
る想像上の円筒面により画成される地域を経由す
るよう生じる。再循環スリーブとバーナの胴部の
内側との間の環状の地域にも同程度又はそれ以上
の地域を設けなければならない。 ノズル装置３０は本発明の重要な特徴の１つで
あり、環状の噴流による流量を制御するための空
気計量機構の形態である。この装置は、環状のノ
ズルオリフイス３１を介して取り付けられ分配リ
ング３６の複数の分配孔３８を横切つて移動する
後部を有するノズルプラグ３２を含む。分配リン
グの円形の分配孔の直径とノズルプラグのストロ
ークは、ノズルプラグが環状の噴流を正確に充填
する時この分配孔が完全に閉鎖し、かつノズルプ
ラグが最初に環状の噴流が吸引されるときこの噴
流における遮断作用がゼロになつて完全に開口さ
れるように整合される。ノズルプラグ３２の中間
位置においては、環状の噴流の開口面積はノズル
プラグの軸方向位置に従つて直線的に変化し、分
配孔３８の開口面積はノズルプラグの円筒上部の
前部縁部が分配孔３８の弦を形成する円の一部の
面積と等しい。閉鎖位置においては、ノズルプラ
グの円錐部分３２Ａが環状の噴流内に線と線の嵌
合関係に嵌合する。ノズルプラグの円筒状部分は
分配孔の前部縁端で約0.127mm以内で半径方向に
嵌合する。ノズルプラグ３２が開口位置に移動す
るとき、即ち引き出される時、分配リング３６と
の半径方向空〓は約1.27mm程度に設計され、この
ためセラミツクからのこれ等部分の製作が容易に
なる。 第２図は本装置により生じる空気の流れを示
す。空気供給源の供給圧力を一定にするため、
略々10乃至90％の開度では流れはノズルプラグ３
２の位置と略々直線的に変化することに留意され
たい。この特徴は簡単な機構による空気の流量の
制御に対しては非常に便利である。 ノズルプラグ３２は操作用のロツド４０に接続
されたヨーク４１を操作することにより移動さ
れ、ロツド４０は更にノズルプラグ３２の内部で
ピン６８により固定される。このヨーク４１は、
リニヤアクチユエータ、回転形アクチユエータの
使用又は手動操作を含む多くの便利な方法で操作
できる。 アスベスト製ロープの如き適当な材料から作ら
れた半径方向シールリングをノズルプラグ３２と
中心管部１０間に配置して、ノズルプラグ３２の
下側のプレナム領域２９からの空気の漏洩を最小
限度にすることにより、ノズルプラグ３２とノズ
ル板３４間の流れにより通常生じる空気に添加す
る。このような空気の漏洩は操作可能範囲および
バーナの最適燃料空気比率を低下させることにな
る。 導入路２８からの燃焼用空気のプレナム領域２
９への入口部は、全開位置の分配孔３８の面積の
約３倍の面積を持つ必要がある。 燃料１５は燃料管４４を介して中心管部の炉側
端部の燃料インジエクタに送られる。液体燃料は
約350Kg／cm²又は燃料インジエクタの特性と釣り
合う他の値の圧力下におかれる。この値はバーナ
がおかれるべき用途に依存する。＃２又は＃６の
燃料油を使用する従来のバーナは、一般に20乃至
60ミクロン程度の液滴を形成することによつて良
好な燃焼を示す燃料を調整する空気又は水蒸気霧
化作用を用いる。この空気又は水蒸気は約1.4乃
至７Kg／cm²間のどんな圧力で供給してもよい。燃
料は中心管部の下方の同心状もしくは平行管賂内
で供給され、これも約1.4ないし７Kg／cm²の圧力
下でインジエクタに至る。このように、燃料出口
１７は、ドラバン（Delavan）社の「スワールエ
ア（Swirl Air）ノズル（渦巻空気ノズル）」の
如き種々の市販ノズルのどんなものでもよい。 圧力による霧化ノズルは又＃２燃料油に対して
も使用できる。この場合、油は最小流量で約1.4
Kg／m²の低い圧力で、又最大流量で約28乃至35
Kg／cm²の高圧力で供給される。圧力霧化方式を採
用する場合は二次的な霧化用流体を使用する必要
はない。 1975年４月８日発行の米国特許第3876363号の
ハイスーパークリテイカル燃料装置の如き高圧霧
化装置をこのバーナ共に使用してもよい。 一般に、燃料と霧化用媒体（もし使用する場
合）は同心管状通路内を芯部を経て燃料インジエ
クタに供給され、霧化媒体は通常燃料管の外側を
流れる。これ等の通路はバーナの中心管部の面板
を貫通し、ここで保守作業を容易にするため接続
でき、あるいは、バーナに必要な他の流体のため
多くの経路における外側の作業部分に接続できる
マニホルドに接続される。気体状の燃料は、別個
の霧化用流体は不要である点を除き全く同じ方法
で供給される。 中心管部１０は又、その面板から内側のバーナ
出口に向かつて延在する安全装置と点火装置とを
備えることができる。一般に、これは使用の際燃
料を直接点火するためあるいは口火燃料を点火す
るための火花電極５４を含む。口火燃料は、点火
電極および霧化用空気および燃料管４４に沿つて
中心管部と平行に走る別の管内で供給される。ガ
スロ火は中心管部の内側約25.4乃至50.8mm以内で
終わり、必要に応じて電気火花により点火され
る。ガス口火は主燃料噴霧又は噴流を更に点火す
る火炎即ちトーチを提供する。このガス口火は点
火を確実にするため＃６燃料油の如き比較的重質
燃料と石炭および廃油の如きものの混合物で使用
される。 中心管部の面板上に取り付けた火炎検出装置を
用いて火炎を操作するため中心管部を見下す室を
設けることもできる。市販されているスキヤナは
一般に中心管部の先端に向かつて指向される。火
炎の発生により火炎スキヤナ内に電流が生じ、こ
れは産業基準に従つた安全目的のための火炎モニ
ターとして使用される適当な電子回路により検出
することができる。中心管部の先端を見ることが
できるようにガラス製ののぞき窓５２を介して火
炎の状態を観察するための設備を設ける。のぞき
窓は又中心管部の面板に取り付けられる。 このバーナは、高温に予熱された燃焼用空気の
使用のため構成されることが望ましく、バーナの
一部は燃焼室と直接接続する燃焼生成物に露出さ
れ、外側ハウジングは断熱材により熱的に保護さ
れなければ非常に熱くなる。バーナの外皮を約
150℃以下に維持するため断熱材６２を燃焼用空
気室内に使用する。一般に、この措置は内表面に
固定された約25.4乃至38.1mmのアルミナシリカ繊
維材料で行うことができる。 バーナの取り付けフランジ２７は、これも又燃
焼用空気と再循環される路ガス間の仕切り面であ
るノズル板３４の略々面内にある。このように、
燃焼ガスは、バーナ胴部２４が貫通しバーナのフ
ランジがこれに固定される炉の壁面に対してのみ
露出される。断熱材７０がバーナのフレーム６９
も胴部２４から分離する。 いくつかのバーナを種々の燃料、即ち天然ガ
ス、プロパン、＃２燃料油、および石炭プラス
＃６燃料油の混合物を用いて試験した。＃２およ
び＃６の燃料油をポイラーの運転に使用した。炉
の運転においては、＃２燃料油および石炭プラス
＃６燃料油スラリーも使用した。 表１は、本発明のバーナを運転して得られた結
果、すなわち運転条件および排出物組成（過剰酸
素量、NOx量、未燃焼炭化水素である可燃物量
等）、に関する試験結果を示す。 表１のA.（遷移噴流バーナからの排出物）は、
本発明のバーナの正常な運転すなわち炉ガスを再
循環して運転した試験結果を示し、表１のB.（再
循環量をゼロにした時の排出物）は、上記A.の
データと比較するために炉ガスを再循環せずに本
発明のバーナを運転した試験結果を示している。 本願発明のバーナで正常な運転を行つた結果を
示す表１のA.の各データは、本願発明が有利性
すなわち技術的利点を奏功することを明瞭に示し
ている。例えば、その用途を共に炉としまた同じ
＃２燃料を用いた場合のA.とB.を比較すると、
A.においては燃料流量24.1GPHで68〜86PPMの
NOx量であるのに対して、B.においてはほぼ同
じ燃料流量（23.8GPH）で125〜150PPMのNOx
量となり、炉ガスを再循環することにより、再循
環しない場合に比較して排出物（排ガス）中の
NOx量を約２分の１にすることができる。この
バーナの運転範囲は、最大流量対最小流量が少な
くとも４対１以上の範囲において満足すべきもの
であつた。 添付図面に示されたバーナの望ましい実施態様
は、従来技術の構造よりも改善された多くの特徴
を有する。この改善された作用は、再循環スリー
ブ２０と空気ノズルと関連する環状の空気噴流の
位置に関する燃料ノズルの特定の配置によつても
たらされる。本発明のバーナは燃焼用空気と再循
環ガスの混合の有効な制御にその特徴を有する。
本発明による更に他の改良点は、いかなる軸方向
位置においても開口距離に対し直線的な流動特性
を達成するよう制御された開口を行うため分配リ
ングと環状ノズルとノズルプラグの整合された構
成を含むノズル装置即ち空気量計量装置にある。 本発明についてはその一実施態様について述べ
たが、本発明の範囲内で他の多くの実施態様が着
想されることは当業者にとつては明白であろう。
本発明については特定の形式の炉に関してその使
用を説明したが、本発明のバーナは他の用途にお
いても使用できることを了解されたい。

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるバーナ構造を示す縦断面
図、及び第２図はこのバーナの特性を表すグラフ
である。 １０：中心管部、１２：フランジ、１４：火炎
保持部、１５：燃料、１６：コア組立体、１８：
燃焼領域、２０：再循環スリーブ、２２：混合領
域、２４：バーナ胴部、２７：バーナフレーム、
２８：導入炉、２９：プレナム領域、３０：ノズ
ル装置、３２：ノズルプラグ、３４：ノズル板、
３６：分配リング、３８：分配孔、４０：位置決
め用ロツド、４４：燃料管、４６：空気供給通
路、４８：路ガス吸入通路、５０：点火装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 以下の(a)〜(f)の構成要素を備えて成ることを
   特徴とするバーナ： (a) 前方端に燃料出口を有する燃料管。 (b) 該燃料管を包囲して前方に伸びるとともに前
   方端に火炎保持部を有する高温度に耐える中心
   管部。 (c) 該中心管部を包囲する高温に耐えるバーナ胴
   部。 (d) 該バーナ胴部および前記中心管部を同心円的
   位置関係に支持する装置。 (e) 高温度に耐える再循環スリーブ；この再循環
   スリーブは前記中心管部と前記バーナ胴部との
   間で前記中心管部を包囲するように伸びて再循
   環通路を画成し、これにより炉ガスが、前記バ
   ーナの前方端から前記バーナ胴部とこの再循環
   スリーブとの間を通りバーナ後方の混合領域
   へ、更に前記中心管部とこの再循環スリーブと
   の間を通つてバーナの前方へ運ばれるととも
   に、この間に燃焼用空気と混合されるようにな
   されている。 (f) 燃焼用空気噴出装置；この燃焼用空気噴出装
   置は燃焼用空気を導入するための導入路と、こ
   の導入路と連結されるプレナム領域と、このプ
   レナム領域と前記混合領域との間に設けられ前
   記中心管部と前記再循環スリーブとの間の前記
   混合領域への燃焼用空気の流れを制御するため
   のノズル装置とを備えている。 ２ 前記中心管部、前記バーナ胴部および前記再
   循環スリーブの総てが、少なくとも1371℃程度の
   温度に耐え得るセラミツクから形成されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のバー
   ナ。 ３ 前記火炎保持部が前記中心管部から外方に伸
   びる環状のフランジから形成されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載のバーナ。 ４ 前記再循環スリーブがその後方端の直径が小
   さくなるようなテーパ形状を有していることを特
   徴とする特許請求の範囲第３項に記載のバーナ。 ５ 前記再循環スリーブが、前記火炎保持部の手
   前で終端となる前方端と、前記ノズル装置の手前
   で終端となる後方端とを有していることを特徴と
   する特許請求の範囲第３項に記載のバーナ。 ６ 前記ノズル装置がノズルプラグと、前記プレ
   ナム領域と前記混合領域との間に連通する分配孔
   を画成するノズル板と、から構成され、前記ノズ
   ルプラグは前記ノズル板に対して調整可能に可動
   になされ、これにより前記分配孔の開口面積が調
   節可能になされていることを特徴とする特許請求
   の範囲第５項に記載のバーナ。