JPH06317308A

JPH06317308A - 低ＮＯｘバーナー作動方法

Info

Publication number: JPH06317308A
Application number: JP32510291A
Authority: JP
Inventors: Paul Flanagan; ポール・フラナガン
Original assignee: American Gas Association Inc
Current assignee: American Gas Association Inc
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1991-11-14
Publication date: 1994-11-15
Also published as: DE69128768D1; EP0486169A3; CA2054014C; EP0486169B1; EP0486169A2; CA2054014A1

Abstract

(57)【要約】【目的】バーナーのＮＯｘ発生率を減少させるための燃
焼方法を提供すること。【構成】ＮＯｘ発生量を減少させる態様でバーナーを作
動させる方法を提供する。この方法によれば、空気／ガ
ス混合気中の空気の割合が過剰になるように空気とガス
を前混合して空気／ガス混合気とし、バーナー内を通る
前記空気／ガス混合気の速度を増大させる。バーナー内
を通る前記空気／ガス混合気の速度を増大させるこよ
て、火炎の生成に必要とされる「滞留時間」が短縮され
る。即ち、燃焼ガスが火炎の反応帯域内に滞留する時間
が相当に短縮され、従って、ＮＯｘの発生を少なくす
る。高速度の空気／ガス混合気によって火炎がバーナー
から「リフトオフ」されるのを防止するために、火炎安
定器又は火炎安定技法を用いて高い熱流束を達成し、そ
れによってＮＯｘ発生量を減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃焼装置に関し、特
に、ＮＯｘ発生率の極めて低い燃焼技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、大気汚染の問題に対する関心がと
みに高まってきている。この問題は、都市地域において
特に深刻である。大気汚染の源泉は、内燃エンジン、化
学工場、発電所等多数存在する。最も重大な汚染物質の
１つは、ＮＯ、ＮＯ₂ 等の、いわゆるＮＯｘと総称され
ている窒素酸化物であり、ＮＯｘは、スモッグの創生な
どにより大気汚染の原因となっている。

【０００３】発電所等の燃料燃焼設備には、ＮＯｘ放出
のいろいろな源泉がある。いわゆる「高温ＮＯ」と称さ
れる、ＮＯｘ放出源の１つは、燃焼用空気の窒素（Ｎ
₂ ）成分の酸化によって発生する。熱力学的には、窒素
の酸化によってＮＯが発生するには１５３８℃（２８０
０°Ｆ）の温度を必要とする。まず、二原子窒素
（Ｎ₂）が一原子窒素（Ｎ）に解離し、その後にＮＯが
発生する。「燃料ＮＯ」と称される、もう１つのＮＯｘ
放出源は、多くの燃料は、例えばアンモニア（ＮＨ₃ ）
のような単原子窒素含有物質を含有しているという事実
に発している。この場合、Ｎ₂ 結合の分離がＮＯ創生の
前提条件ではないから、燃料結合（燃料に結合されてい
る）ＮのＮＯへの転換が１５３８℃（２８００°Ｆ）よ
り相当に低い温度で起こる。燃料結合ＮのＮＯへの転換
は、例えば７０４℃（１３００°Ｆ）もの低い温度でも
起こりうる。

【０００４】「迅速ＮＯ」と称される、更に他のＮＯｘ
放出源は、高速反応の結果として生じる。火炎前線（火
炎フロント）内での高速反応によるＮＯの発生は、すで
に知られており、現在研究中のる課題あり、その発生仕
組みに関して広く認められた理論はまだ確立されていな
い。米国南カリフォルニアのような、厳格な大気汚染規
制が実施されている地区においては、現行のバーナー及
び、又はそれを操作する方法によってＮＯｘ排出量基準
を充足することは困難になってきている。

【０００５】従来から、ＮＯｘ発生量を減少させるため
のいろいろな方法が開発されているが、達成される減少
度は、多くの場合上述した厳格な大気汚染規制を満足さ
せるのには不十分である。従来の方法のあるものは、多
段階燃焼によってＮＯｘを減少させるという原理に基づ
いている。例えば、そのような多段階燃焼は、第１段階
で最初の燃料を「希薄混合気」として燃焼させ、それに
よって生じた燃焼生成物を第２段階で第２の燃料と混合
させて燃焼させＮＯｘ発生量を減少させる雰囲気を創生
することから成る。あるいは別法として、燃料と空気
を、それぞれ異る燃料／空気比を有する２つの別個の流
れを形成するようにしてバーナー内へ導入する方法があ
る。一方の流れは、空気過剰流れとし、他方の流れは、
燃料過剰流れとする。一方の流れに点火して第１段階の
燃焼を行い、その燃焼によって他方の流れに点火して第
２段階の燃焼を行う。更に、一方の流れの過剰空気と他
方の流れの過剰燃料とを混合させて燃焼させることによ
り第３段階の燃焼を行う。ＮＯｘ発生量を減少させるた
めの更に別の方法は、複数のバーナーを燃焼用空気の流
れ方向に直列に連結し、その列内の最後のバーナーで低
ＮＯｘ発生特性の燃料を燃焼させる方法である。

【０００６】燃焼温度を低くすることによっても、ＮＯ
ｘ発生量を減少させることができる。燃焼温度は、燃焼
ガスに水を噴射して火炎を直接冷却するか、あるいは、
空気／燃料ガス混合気（「空気／燃料混合気」、「空気
／ガス混合気」、又は単に「混合気」とも称する）に冷
却ガスを加えることによって低下させることができる。
又、火炎温度は、輻射面として多くの場合セラミック繊
維、金属繊維又は網状セラミックフォームを用いる、本
質的に表面バーナーである輻射バーナーを使用すること
によって低下させることができる。大抵の表面燃焼器の
主要な欠点は、その寸法が大きいために、バーナー内に
滞留する空気／ガス混合気の容量が大きいことである。
従って、逆火が起った場合（起る確率が高い）、その結
果生じる爆燃は、爆発に近い性質のものとなる。表面燃
焼器のもう１つの欠点は、一定の燃料入力に対する最適
輻射熱出力（輻射効率）を得るためには、バーナーの表
面温度を極めて高い温度に保たなければならないことで
ある。表面燃焼温度は、空気／燃料比（以下、単に「空
燃比」とも称する）、混合気の流速、及び混合気流の均
一性に非常に敏感である。バーナーの輻射熱出力は、バ
ーナーの表面温度の低下の４乗の割合で減少する。従っ
て、輻射熱出力を低下させないためには火炎温度を高く
しなければならず、その結果、ＮＯｘ発生量を増大させ
ることになる。

【０００７】ＮＯｘ発生量は、又、排ガスを燃焼チャン
バー内へ再循環させることによっても減少させることが
できる。その場合、排ガスの一部を、燃焼前に燃焼用ガ
スと混合させてもよく、あるいは別個に燃焼帯域内へ送
給してもよい。再循環排ガスは、稀釈剤として機能して
全体の酸素濃度を低くするとともに、火炎温度を低くす
る。基本的には、燃焼用空気供給源が不純にされ、それ
によってＮＯｘの発生量を減少させるが、一酸化炭素
（ＣＯ）の発生量が増加する。

【０００８】ＮＯｘ排出量を減少させるための更に別の
方法は、空気／ガス混合気の組成を変更する方法であ
る。例えば、酸素と、窒素（Ｎ₂ ）以外の不活性ガスと
の混合気を燃焼雰囲気として用いれば、ＮＯｘの発生量
が減少する。あるいは、窒素（Ｎ₂ ）の酸化物と反応し
て窒素（Ｎ₂ ）を生成する還元剤を創生するように添加
剤を燃焼チャンバーへ導入し、それによってＮＯｘの発
生を減少させることができる。

【０００９】叙上のように、ＮＯｘ発生量を減少させる
方法は多数存在するが、上述した方法は、いずれも、コ
スト、信頼性、性能等の面で固有の欠点を有している。
例えば、ＮＯｘの発生量を減少させるために燃焼温度を
低下させると、バーナーが放出する輻射熱流束を減少さ
せる。多段階燃焼は、いずれもコスト高につながる大き
な設備及び制御装置を必要とする。又、排ガス再循環法
は、追加の設備を必要とし、一酸化炭素（ＣＯ）の発生
量を増大させる。還元剤を創生するために添加剤を添加
する方法は、運転コストを増大させる。輻射法に使用す
る繊維材は、高価であり、多くの場合脆弱で、飛塵によ
る閉塞を生じ易く、従って濾過装置及びそれに随伴する
メンテナンスを必要とする。しかも、そのような空気濾
過装置は、タール等の汚染物を含有する多くの燃料ガス
の燃焼に必然的に随伴するバーナー閉塞問題を防止する
ことはできない。

【００１０】高温ＮＯの発生は、例えば天然ガスのよう
なクリーンガスの燃焼においてＮＯｘ発生の主な仕組み
であり、ゼルドヴィッチ連鎖反応の仕組みが高温ＮＯの
発生に当てはまることは、すでに定説となっている。化
学反応動力学の分析モデルによれば、ＮＯｘの発生量
は、時間及び温度の増大とともに増大することが予測さ
れる。このことは、実際の燃焼装置において、ＮＯｘの
ピーク（最大）発生率は化学量論値曲線の燃料希薄側で
はほとんど生じないということで立証されている。ゼル
ドヴィッチ連鎖反応の分析モデルを用いて得られた、Ｎ
Ｏの発生に対する時間及び温度の相対的な寄与度の予測
値（理論値）が第１図に示されている。第１図のグラフ
は、又、ＮＯx の発生に対する「滞留時間」（混合気が
燃焼帯域内に滞留している時間、従って燃焼反応温度に
露呈される時間）の寄与度をも示している。即ち、ＮＯ
ｘの発生には一定の時間がかかることを示している。第
１図は、ゼルドヴィッチ連鎖反応の分析モデルを用いて
計算された、ＮＯx の発生における「滞留時間」の重要
性を示している。１８７１℃（３４００°Ｆ）の火炎温
度において、０．１秒、０．７秒及び４．５秒の「滞留
時間」で、それぞれ１００ｐｐｍレベル、１０００ｐｐ
ｍレベル、および平衡レベルのＮＯｘが発生する。これ
らのレベルはい、いずれも、上記ＮＯｘ排出量基準を超
えている。

【００１１】過剰の燃焼用空気を使用することによって
燃焼反応（火炎）温度を低下させレバ、ＮＯｘ発生量を
減少させることができる場合もある。しかし、この作用
は、均一な前混合型燃焼装置（化学用語では、栓流型反
応器）の場合にしか有利に利用することができない。栓
流方式では、燃料／空気のピーク（最高）濃度（空気に
対する燃料のピーク濃度）は、燃料と空気の前混合が行
われることにより平均濃度に等しくなる。その結果、平
均火炎温度はピーク火炎温度に等しくなる。ＮＯｘ発生
量は、この火炎温度レベルに比例する。ノズル内混合型
（燃料と空気の混合をノズル内で行う型式の）バーナー
（攪拌型反応器）においては、混合と燃焼反応とが事実
上同時に行われ、混合が完全ではないために、燃料／空
気濃度に大幅な変動が生じる。その結果、混合気に層別
化が生じ、燃料／空気ピーク濃度が平均値を相当に越え
る部分が局部的に生じる。高い濃度の部分には、高温が
発生し、従って高レベルのＮＯｘ発生率となる。

【００１２】前混合型燃焼方式は、又、ノズル内混合型
燃焼方式に比べて、単位燃焼容積当りの熱放出率が高い
という利点をも有する。しかしながら、その他の点で
は、特に燃焼安定限度の点では、前混合型燃焼方式は、
ノズル内混合燃焼方式に劣る。即ち、前混合型燃焼方式
においては、空気／燃料比の値が一定限度を越えると、
燃焼反応がバーナーから離脱して火炎が消える（いわゆ
る「立ち消え」又は「吹き消え」）。そのような現象
は、第２図に示されている。第２図にみられるように、
前混合型バーナーでは、より有用な、即ち汚染を生じな
い、希薄燃料作動範囲における燃焼即ち火炎安定範囲が
限られている。又、どの型のバーナーにおいても、火炎
の消滅即ち「吹き消え」が起る前に燃焼効率が低下す
る。燃焼効率が低下すると、多量の未燃焼、可燃汚染物
質（天然ガスを燃焼させた場合は、特にＣＯ）が生じ
る。

【００１３】ＮＯｘ問題の解決に当っては、ＮＯｘとＣ
Ｏの両方を同時に考慮する必要がある。なぜなら、一方
の汚染物質の減少が、他方の汚染物質の発生量との単な
る妥協になってしまうことがあるからである。大抵の従
来慣用のバーナーにおいては、ＣＯとＮＯｘの発生量
は、一般に、反比例関係にある。例えばＣＯ等の炭素質
汚染物質の除去は、比較的簡単な技法で達成することが
できるが、一般に認められた技法を用いてＮＯｘとＣＯ
の両方を同時に制御するにはいろいろな問題点があっ
た。第１に、ＣＯを酸化させて二酸化炭素（ＣＯ₂ ）に
するには時間と比較的高い温度（通常、１３７１℃の温
度）を必要とする。１５３８℃（２８００°Ｆ）を越え
る温度は、ＮＯｘの発生に通じることは、すでに知られ
ている。このことは、第３図のグラフを参照することに
よって理解することができる。第３図のグラフは、ＮＯ
ｘ対可燃物質（例えばＣＯ）のグラフであり、バーナー
が許容しうる汚染物質排出レベルで作動すると考えられ
る汚染物質排出レベル許容領域を示す。

【００１４】クリーンな（汚染のない）、かつ効率の良
い燃焼を維持するには、安定した燃焼領域を創生しなけ
ればならない。それがなければ、火炎の消滅即ち「吹き
消え」が起る。燃焼効率と火炎の安定とは密接な相互関
係を有し、「吹き消え」は、いうまでもなく、燃焼効率
ゼロの状態である。火炎の安定は、空気／ガス混合気流
れ内に火炎ホルダー（火炎保持器）又はブラッフボディ
（尖っていない、広く平らな物体）のような火炎安定
器を配置することによって達成することができる。代表
的な火炎安定器は、金網（スクリーン）と、ロッドと火
炎インサートを備えている。このような火炎安定器は、
又、ＮＯｘ発生量を減少させる働きをもすることが認め
られている。又、輻射面としてセラミック繊維、金属繊
維等を用いる上述した表面バーナー即ち輻射バーナー
も、同様の目的のために使用されている。上記ロッドや
輻射面は、吸収された熱を火炎領域を越えた位置にある
吸収表面へ再輻射させることができる熱吸収機構を提供
する。このような手段によってＮＯｘ発生量の削減と同
時に、火炎温度の低下が達成される。この方法の鍵は、
輻射熱放出面が、発生した熱の相当多くの部分を除去
し、それによって火炎温度を制御することができるかど
うかにかかっている。実験結果によれば、輻射熱放出面
への熱流束が増大するほど、ＮＯｘの発生量が増大する
ことが認められた。これは、輻射熱放出面の形状・寸
法、即ち表面積を一定とした場合、反応帯域からの輻射
熱の量は、実質的に一定であり、それによって、高い熱
流束において反応温度を制御する能力が阻害されるから
である。表面バーナーは、熱流束（Ｋｃａｌ／ｃｍ² ／
時）が増大するにつれて、輻射熱作動モードから青炎作
動モードに変化する。一般に、３９．０６Ｋｃａｌ／ｃ
ｍ² ／時（１０００ＢＴＵ／ｉｎ² ／時）を越える熱流
束においては、一般的な表面バーナーは、「吹き消え」
を起こし、その前に多量のＣＯが発生する。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述したいろいろな従
来技術の欠点に鑑み、ＮＯｘの発生量を最少限にし、か
つ、ＣＯの発生レベルを低下させるバーナー装置を提供
することが望まれる。第３図を参照していえば、汚染物
質排出レベル許容領域内で作動することができるバーナ
ー装置を提供することが望ましく、しかも、汚染物質の
排出は、低燃焼率から高燃焼率までの広い燃焼率範囲に
亙って排出レベル許容領域内に維持されることが望まし
い。本発明は、このような要望を充足することを課題と
する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前混合型バーナーにおい
て過剰空気を使用すると、過剰空気が燃焼温度を低下す
るのでＮＯｘ発生量を減少させるということは周知であ
る。本発明は、更に、空気／ガス混合気の速度を増大さ
せることによっても、「滞留時間」が短縮されるので、
ＮＯｘの発生量を減少させるという事実に基づいてい
る。しかしながら、空気／ガス混合気の速度を増大させ
ると、バーナーからの火炎の「リフトオフ」（離脱、従
って立ち消え又は吹き消え）という問題を惹起する。Ｎ
Ｏｘの発生量を最少限にし、しかもなお、火炎の「リフ
トオフ」を防止するために、本発明によれば、火炎安定
器即ち火炎ホルダーを使用することによってこの問題を
解決した。火炎安定器は、耐熱材で任意の形状に構成す
ることができる。第４〜６図及び第８〜１０図は、本発
明の方式を利用することができるいろいろな型式の前混
合型バーナーを示す。これらのバーナーは、１９５．３
〜３，９０６Ｋｃａｌ／ｃｍ² ／時（５，０００〜１０
０，０００ＢＴＵ／ｉｎ² ／時）の範囲のポート面負荷
で作動することが認められた。

【００１７】従来技術において認識されていなかったこ
とは、ＮＯｘの発生における「滞留時間」の関与であ
る。空気／ガス混合気の速度を増大させることによっ
て、燃焼反応温度に露呈される「滞留時間」が短縮され
る。１９５．３〜３９０６Ｋｃａｌ／ｃｍ² ／時（５，
０００〜１００，０００ＢＴＵ／ｉｎ² ／時）の範囲の
ポート面負荷は、従来技術のバーナーに比べて、「滞留
時間」を１０分の１ないし２０分の１に短縮したのに相
当する。ここで、「ポート面負荷」とは、バーナーのポ
ート（噴口）の総面積に基づく負荷であり、空気／ガス
混合気の通路を構成する開放面積又はスロット面積に基
づく負荷ではないことに留意されたい。

【００１８】後述するリボン型バーナー、ポート付セラ
ミックバーナー、及び多孔質セラミックバーナーを用い
て高熱流束で実験を行った。セラミック製ロッド型火炎
ホルダー及び金網型火炎ホルダーも使用した。いずれの
場合も、ＮＯｘ及びＣＯの両方の排出量が非常に少なか
った。そのような実験結果は、第１１図に示されてい
る。

【００１９】

【実施例】ＮＯｘの発生量は、燃焼温度と、燃焼を完成
させるのに要した時間の関数である。ＮＯｘ発生量を減
少させるための上述したいろいろな従来の方法に加え
て、空気／ガス混合気に過剰空気を使用することも、Ｎ
Ｏｘ発生量の減少に貢献することが知られている。この
場合、ＮＯｘ発生量の減少は、過剰空気による燃焼温度
の低下に基因する考えられる。又、ＮＯｘの発生量を減
少させるために、空気／ガス混合気の速度を高めるとい
う手法を利用することもできる。空気／ガス混合気の速
度の増大は、空気／ガス混合気が通るオリフィスのサイ
ズを小さくすることによって、あるいは、上述したポー
ト面負荷を増大させることによって達成することができ
る。空気／ガス混合気の速度を増大させることにより、
火炎の創生に関連する「滞留時間」が短縮される。即
ち、燃焼ガスが火炎の反応帯域内に滞留する時間が相当
に短縮され、従って、ＮＯｘの発生を少なくする。ただ
し、空気／ガス混合気の速度の増大は、火炎がバーナー
から「リフトオフ」し始めるレベル以下に制限しなけれ
ばならない。このレベルを越えて空気／ガス混合気の速
度を増大させると、火炎が吹き消される結果となる。空
気／ガス混合気の速度を火炎がバーナーから「リフトオ
フ」し始める速度以上に増大させるためには、火炎安定
器即ち火炎ホルダーを利用しなければならない。

【００２０】第４図は、外部火炎安定器を利用し、ＮＯ
ｘ発生量を極めて低レベルに抑止するために本発明の方
法を用いて作動させることができる多数の前混合型バー
ナーユニット１０の１つを示す。バーナーユニット１０
は、プレナム（高圧チャンバー）１２と、その上面を横
切って延設され、バーナーの噴口を構成する有孔分配板
１４を備えている。有孔分配板１４は、複数の貫通オリ
フィス又は出口ポート（単に「ポート」とも称する）１
６を有する。有孔分配板１４の上面に隣接して火炎押え
／分配マトリックス１８が配置されている。

【００２１】第５図は、やはり外部火炎安定器を利用
し、ＮＯｘ発生量を極めて低レベルに抑止するために本
発明の方法を用いて作動させることができる前混合型バ
ーナーユニットの別の実施例を示す。このバーナーユニ
ット２０は、バーナー本体２２と、その上面に隣接して
配置された複数の平行な火炎押え／分配リボン２４を備
えている。これらの火炎押え／分配リボン２４は、それ
らの間にポート２６を画定する。

【００２２】第６図は、外部火炎安定器を利用し、ＮＯ
ｘ発生量を極めて低レベルに抑止するために本発明の方
法を用いて作動させることができる前混合型バーナーユ
ニットの更に別の実施例を示す。このバーナーユニット
３０は、第７図に明示されているように複数のポート３
４を有するセラミックタイル製分配板３２を備えてい
る。各ポート３４は、実質的に一定の直径の貫通部分３
６を有し、所望ならば、貫通部分３８との連接部から分
配板３２の外側表面４０にまで漸次直径が増大している
テーパ部分３８を組入れてもよい。

【００２３】第４〜７図に示された各バーナーユニット
は、ＮＯｘ発生量を極めて低レベルに抑止するために本
発明の方法を用いることができるバーナーユニットの単
なる例にすぎず、本発明の方法は、その他のいろいろな
タイプのバーナーを用いて実施することができ、バー
ナーのサイズ、形状、ポートの構成、バーナーの素材及
び製造方法に関して特に制限はない。いかなるタイプの
バーナーを使用しようとも、プレナム又はバーナー本体
を空気／ガス供給源に接続し、空気／ガス供給源からプ
レナム又はバーナー本体へ可燃空気／ガス混合気が供給
されるようにする。いずれにしても、少くとも１つの火
炎安定器を、使用されるバーナーユニットのポートの上
方に僅かに離して配置する。火炎安定器は、使用される
バーナーに設けられたポートの上方に創生される火炎を
安定化するための、少くとも１つのセラミック製火炎ロ
ッド、火炎金網又はそれらの組合せから成るものとする
ことができる。火炎安定器は、ポートの上方の火炎を安
定化させることに加えて、ＮＯｘの発生を抑制する働き
をする輻射熱を放出することができる。

【００２４】実験によれば、太さ２．３４ｍｍ（０．０
９２ｉｎ) のニクロム又はインコネルワイヤで製造した
火炎金網が、火炎安定器としていろいろなタイプのバー
ナーに好適に使用することができることが認められた。
ＮＯｘの発生を最少限に抑制するための火炎安定器とバ
ーナーの頂部との最適間隔は、経験的に、又は、実験に
よって決定することができる。

【００２５】別法として、前混合型バーナーの出口ポー
ト即ち噴口を１個にするか、あるいは、比較的少数にし
た場合、第８図に示されるように、前混合型バーナー６
４の出口即ち噴口６２内に内部火炎安定器としてブラッ
フボディ（尖っていない、広く平らな物体）６０を配置
することができる。ブラッフボディ６０は、ほぼ半球状
のスチール製溶接キャップ等のいろいろな形状とするこ
とができ、ブラッフボディに形成したねじ穴に通した止
めねじ６６の外端をバーナー６４の内壁に圧接させるこ
とによって出口ポート６２内に保持することができる。
ブラッフボディ６０は、空気／ガス混合気の流れがブラ
ッフボディの凸状面に接触するように向けて出口ポート
６２内に配置する。かくして、ブラッフボディ６０は、
空気／ガス混合気の流れに対し特定形状の障害を呈す
る。第８図の構成においては、空気／ガス混合気に点火
するために別個の点火管（図示せず）を用いる。空気／
ガス混合気の速度は、バーナー６４の出口ポート６２を
画定する端面から「リフトオフ」し始める速度に近い速
度である。空気／ガス混合気の流れは、ブラッフボディ
６０の上流面即ち凸状面にぶつかり、ブラッフボディの
下流側の帯域における空気／ガス混合気の流れ方向に対
して反対向きに循環し、ブラッフボディからバーナー６
４の出口ポート６２へ噴出する前に燃焼を維持する領域
を創生する。

【００２６】第９図は、内部火炎安定器を組入れた前混
合型バーナーの別の実施例を示す。この実施例では、ブ
ラッフボディ７０が点火管７２の端部に取付けられてい
る。やはり、ブラッフボディ７０は、ほぼ半球状のスチ
ール製溶接キャップ等のいろいろな形状とすることがで
きる。別法として、点火管７２とブラッフボディ７０を
パイプと減径連結器から構成してもよい。点火管７２と
ブラッフボディ７０は、バーナー７６の出口ポート７４
内に、ブラッフボディに形成したねじ穴に通した止めね
じ７８の外端をバーナー７６の内壁に圧接させることに
よって保持することができる。点火管７２とブラッフボ
ディ７０とは、バーナー７６内に同心関係に配置する。
空気／ガス混合気は、点火管７２の外周面とバーナー７
６の内壁面との間の通路８０を通って流れ、ブラッフボ
ディ７０の上流面即ち凸状面にぶつかり、ブラッフボデ
ィの下流側の帯域における空気／ガス混合気の流れ方向
に対して反対向きに循環し、ブラッフボディからバーナ
ー７６の出口ポート７４へ噴出する前に燃焼を維持する
領域を創生する。空気／ガス混合気は、点火管７２内の
点火炎（口火）によって点火され、その結果生じた燃焼
生成ガスがバーナー７６の出口ポート７４から噴出す
る。第８図の構成の場合と同様に、空気／ガス混合気の
速度は、バーナー７６の出口ポート７４を画定する端面
から「リフトオフ」し始める速度に近い速度である。第
８及び９図のブラッフボディは、火炎の安定を達成し、
空気／ガス混合気の速度を、ブラッフボディ（火炎安定
器）が使用されなかったならば火炎の「リフトオフ」が
起るであろう速度より高い速度に増大させることを可能
にする。又、このようなブラッフボディを使用すれば、
バーナーの出口ポートの外部に火炎安定器を配設する必
要がないことも判明した。

【００２７】第１０図は、内部火炎安定器を組入れた前
混合型バーナーの別の実施例を示す。この実施例では、
第８、９図のようなブラッフボディ（火炎安定器）とし
て機能する火炎ホルダー９０が点火管９２の端部に取付
けられている。火炎ホルダー９０は、カップ状とするこ
とができる。点火管９２は、パイプ９４内に同心関係に
配置する。パイプ９４の円周端縁９６は、テーパ開口１
００を有する耐火材製ディフューザ９８の内端面１０２
に衝接させる。テーパ開口１００の直径は、ディフュー
ザの内端面１０２から外端面１０４に向けて漸次増大し
ている。パイプ９４の内径は、テーパ開口１００のディ
フューザ９８の内端面１０２のところの直径にほぼ等し
い。かくして、パイプ９４は、テーパ開口１００と整列
し、パイプ９４の内径を画定する表面と、テーパ開口１
００を画定する表面との間に不連続が存在しないように
なされている。火炎ホルダー９０の出口１０８に近接し
て、火炎ホルダー９０とディフューザのテーパ開口１０
０を画定する表面との間に渦流羽根組立体１０６が介設
されている。空気及び燃料ガスは、それぞれ、バーナー
ハウジング１１４の壁に形成された孔１１０及び１１２
をを通して供給され、複数の混合ベンチューリ１１６を
通ってチャンバー１１８へ入り、そこからパイプ９４内
へその内端１２０を通って流入する。かくして前混合さ
れた空気／ガス混合気は、パイプ９４の内周面と点火管
９２の外周面との間の通路１２２を通り、ディフューザ
のテーパ開口１００を画定する表面と火炎ホルダー９０
の外周面との間の通路１２４に流入する。次いで、空気
／ガス混合気は、渦流羽根組立体１０６を通る際に、火
炎ホルダー９０の下流側の帯域における空気／ガス混合
気の流れ方向に対して反対向きに循環し、燃焼を維持す
る領域を創生する。空気／ガス混合気は、点火管９２内
の点火炎（口火）によって点火され、その結果生じた燃
焼生成ガスがバーナーの出口ポート１２６から噴出す
る。空気／ガス混合気の速度は、バーナー７６の出口ポ
ート７４を画定する端面から「リフトオフ」し始める速
度に近い速度である。第８図及び９図のバーナーの場合
と同様に、火炎ホルダー９０が、火炎の安定を達成し、
空気／ガス混合気の速度を、火炎ホルダーが使用されな
かったならば火炎の「リフトオフ」が起るであろう速度
より高い速度に増大させることを可能にする。

【００２８】火炎安定器を使用する、しないに拘らず、
本発明の方法に従って、燃焼温度を多量のＮＯｘが発生
する温度より僅かに低い温度に抑えるようにバーナーを
過剰空気で作動させ、かつ、火炎の創生に関連する「滞
留時間」をできるだけ短くすることによってＮＯｘの排
出量を許容レベルに抑制することができることが認めら
れた。本発明の方法においては、適当な割合の過剰空気
を供給するとともに、高い熱流束（Ｋｃａｌ／ｃｍ² ／
時）と組合せて高速度の前混合空気／ガス混合気を用い
ることにより、「滞留時間」と燃焼温度を制御し、それ
によってＮＯｘの発生量を最少限にすることができるこ
とが実証された。ただし、過剰空気を高速度で送るの
で、火炎がバーナーから「リフトオフ」するのを確実に
防止するためには、火炎ロッド、火炎金網又はブラッフ
ボディのような形態の火炎安定器を必要とする場合があ
る。火炎安定器の使用は、空気／ガス混合気の火炎消滅
即ち「吹き消え」最高限度速度を高くする。火炎安定器
は、又、放熱器としても機能することができ、それによ
って、燃焼温度が多量のＮＯｘが発生する温度を越えな
いように温度を抑制することができる。

【００２９】ただし、火炎の安定は、例えば、互いに対
向するジェット流を循環させること、又は、後流（wake
flow ）を起こさせることなどの空気力学的手段によっ
ても達成することができ、空気力学的手段を用いた場合
は、上述したような火炎安定器を使用する必要はない。

【００３０】

【発明の効果】上述した本発明の作動条件によれば、ほ
ぼ１９５．３〜３，９０６Ｋｃａｌ／ｃｍ² ／時（５，
０００〜１００，０００ＢＴＵ／ｉｎ² ／時）の非常に
高い熱流束が得られることが認められた。１９５．３Ｋ
ｃａｌ／ｃｍ² ／時の熱流束は、火炎安定器を使用しな
い場合であり、３，９０６Ｋｃａｌ／ｃｍ² ／時の熱流
束は、火炎安定器を使用した場合に得られる。

【００３１】第１１図のグラフから明らかなように、過
剰空気の割合（％）が増大する程、ＮＯｘ発生量が減少
する。２０％以上過剰の空気を用いた場合、ＮＯｘの発
生量は、最近設定された規制基準内に抑えられる。従っ
て、上述した作動パラメータによれば、即ち、適当な割
合の過剰空気と、１６４９℃（３０００°Ｆ）の公称作
動温度及び高い熱流束を組合せれば、許容し得るＮＯｘ
排出レベルを達成することができる。更に、上記の作動
パラメータによれば、「滞留時間」をできるだけ短縮し
さえすれば、熱流束が高い程、ＮＯｘの発生量が減少す
ることが認められた。これは、熱流束が増大すると、そ
れに比例してＮＯｘの発生量が増大する従来技術のバー
ナー装置とは異なるところである。このような利点、即
ち、熱流束の増大とともにＮＯｘの発生量が減少すると
いう本発明の利点はて、従来技術では教示されていなか
った。

【００３２】ＮＯｘ発生量の増大をもたらす高い火炎温
度を有する高酸素濃度での燃焼応用例の場合にも、空気
／ガス混合気の速度を増大させると、「滞留時間」が短
縮され、その結果、ＮＯｘの発生量が減少することが認
められた。又、空気／ガス混合気を予熱しておく（従っ
て高い火炎温度を有する）燃焼応用例の場合にも、予熱
操作により、空気／ガス混合気の速度が高められ、その
結果、「滞留時間」が短縮されて、ＮＯｘの発生量が減
少することが認められた。

【００３３】本発明のもう１つの利点は、ＮＯｘ及びＣ
Ｏの発生量が第３図に示される「汚染物排出レベル許容
領域」内におさめられることである。先に述べたよう
に、従来慣用のバーナーでは、ＣＯをＣＯ₂ に還元する
には、いずれもＮＯｘの発生につながる時間と比較的高
い温度が必要とされるので、ＮＯｘとＣＯとの発生量
は、互いに反比例の関係にある。本発明の方法、即ち、
高速度の２０％以上過剰の空気を用いての実験結果によ
れば、ほぼ２０ｐｐｍｖ程度の極めて低レベルのＮＯｘ
発生率に抑えるようにした場合であっても、その場合の
ＣＯの発生量は過度にはならず、上記「汚染物排出レベ
ル許容領域」内であることが判明した。このように、本
発明の方法は、ＣＯの発生レベルを低く抑え、かつ、Ｎ
Ｏｘの発生量を最少限にする。

【００３４】以上、本発明を実施例に関連して説明した
が、本発明は、ここに例示した実施例の構造及び形態に
限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸
脱することなく、いろいろな実施形態が可能であり、い
ろいろな変更及び改変を加えることができることを理解
されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１図は、ゼルドヴィッチ連鎖反応の分析モデ
ルを用いて計算された、ＮＯｘの理論濃度対時間及び温
度の関係を示すグラフである。

【図２】第２図は、ノズル内混合型バーナーと前混合型
バーナーにおける空気／燃料比対火炎の「吹き消え」速
度のグラフである。

【図３】第３図は、窒素酸化物（ＮＯｘ）対可燃物質
（例えばＣＯ）のグラフであり、バーナーが許容しうる
汚染物質排出レベルで作動すると考えられる汚染物質排
出レベル許容領域を示す。

【図４】第４図は、外部火炎安定器を利用し、本発明の
方法を用いて作動させることができる前混合型バーナー
ユニットの１例の断面図である。

【図５】第５図は、外部火炎安定器を利用し、本発明の
方法を用いて作動させることができる別のタイプの前混
合型バーナーユニットの断面図である。

【図６】第６図は、外部火炎安定器を利用し、本発明の
方法を用いて作動させることができる更に別のタイプの
前混合型バーナーユニットの断面図である。

【図７】第７図は、第６図のバーナーユニットのセラミ
ックタイル製分配板の部分拡大断面図である。

【図８】第８図は、内部火炎安定器を利用し、本発明の
方法を用いて作動させることができる前混合型バーナー
ユニットの１例の断面図である。

【図９】第９図は、内部火炎安定器を利用し、本発明の
方法を用いて作動させることができる別のタイプの前混
合型バーナーユニットの断面図である。

【図１０】第１０図は、内部火炎安定器を利用し、本発
明の方法を用いて作動させることができる更に別のタイ
プの前混合型バーナーユニットの断面図である。

【図１１】第１１図は、ＮＯｘ発生量対過剰空気の割合
（％）のグラフである。

【符号の説明】

１０：バーナーユニット１６：オリフィス１８：火炎押え／分配マトリックス２０：バーナーユニット２４：火炎押え／分配リボン２６：出口ポート３０：バーナーユニット３２：セラミックタイル製分配板３４：出口ポート６０：ブラッフボディ（火炎安定器）６２：出口ポート６４：バーナー７０：ブラッフボディ（火炎安定器）７２：点火管７４：出口ポート７６：バーナー９０：火炎ホルダー（火炎安定器）９２：点火管９４：パイプ９８：ディフューザ１００：テーパ開口１０６：渦流羽根組立体１１４：バーナーハウジング１２６：出口ポート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＮＯｘ発生量を減少させる態様でバーナ
ーを作動させる方法であって、該バーナーに近接させて火炎安定器を配置し、空気／ガス混合気中の空気の割合が過剰になるように空
気とガスを前混合して空気／ガス混合気とし、火炎の生成に必要とされる時間を短縮するために該バー
ナー内を通る前記空気／ガス混合気の速度を増大させ、該空気／ガス混合気に点火することを特徴とするバーナ
ー作動方法。
【請求項２】前記火炎安定器を前記バーナーの出口ポ
ートに近接させて配置することを特徴とする請求項１に
記載のバーナー作動方法。
【請求項３】前記火炎安定器を前記バーナーの出口ポ
ート内に配置することを特徴とする請求項１に記載のバ
ーナー作動方法。
【請求項４】前記火炎安定器を前記バーナーの出口ポ
ートの外部に配置することを特徴とする請求項１に記載
のバーナー作動方法。
【請求項５】前記バーナー内で前記空気／ガス混合気
を通るオリフィスのサイズを小さくすることによって該
空気／ガス混合気の速度を増大させることを特徴とする
請求項１に記載のバーナー作動方法。
【請求項６】前記バーナーのポート面負荷を増大させ
ることによって前記空気／ガス混合気の速度を増大させ
ることを特徴とする請求項１に記載のバーナー作動方
法。
【請求項７】前記空気／ガス混合気の速度は、前記バ
ーナーの出口ポートから「リフトオフ」し始める速度に
近い速度であることを特徴とする請求項１に記載のバー
ナー作動方法。
【請求項８】前記火炎安定器は、少くとも１つの火炎
ロッドであることを特徴とする請求項１に記載のバーナ
ー作動方法。
【請求項９】前記火炎安定器は、火炎金網であること
を特徴とする請求項１に記載のバーナー作動方法。
【請求項１０】前記火炎安定器は、火炎金網と少くと
も１つの火炎ロッドの組合せ体であることを特徴とする
請求項１に記載のバーナー作動方法。
【請求項１１】前記火炎安定器は、ブラッフボディで
あることを特徴とする請求項１に記載のバーナー作動方
法。
【請求項１２】ＮＯｘ発生量を減少させる態様でバー
ナーを作動させる方法であって、空気／ガス混合気中の空気の割合が過剰になるように空
気とガスを前混合して空気／ガス混合気とし、火炎の生成に必要とされる時間を短縮するために該バー
ナー内を通る前記空気／ガス混合気の速度を増大させ、該空気／ガス混合気に点火し、その火炎を空気力学的手段によって安定させるすること
を特徴とするバーナー作動方法。
【請求項１３】前記空気力学的手段は、互いに対向す
るジェット流の循環であることを特徴とする請求項１２
に記載のバーナー作動方法。
【請求項１４】前記空気力学的手段は、後流であるこ
とを特徴とする請求項１２に記載のバーナー作動方法。