JP4264003B2 - 改良型燃焼排ガス循環を使用するバーナーシステム - Google Patents

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、ＮＯｘ放出低減を達成するために燃焼排ガス循環（ＦＧＲ）を使用するバーナーシステムに関する。

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。

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。

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Ｎｏ．５,０９２,７６１は、燃焼排ガスを再循環させることによって、プレミックスバーナーからのＮＯｘの放出を低減する方法と装置を開示する。燃焼排ガスは、炉からパイプまでバーナー管のベンチュリ管部分を通り抜ける燃料ガスと燃焼用空気の吸引効果によって、パイプを介して、引っ張られる。燃焼排ガスは、燃焼の前に、一次空気室内の燃焼用空気に混ざり、一次空気室内の燃焼用空気の酸素（Ｏ_２）濃度を希釈して火炎温度を下げ、その結果、ＮＯｘの放出を抑える。

米国特許Ｎｏ．５,０９２,７６１に開示されるタイプのバーナーを分析すると、煙道ガス再循環（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。

このタイプの既存のバーナーのより高いＦＧＲ比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。一次空気ダンパをさらに完全又は部分的に閉じることで一次空気室より低い圧力を発生させてＦＧＲ比を大きくすることが可能であるが、結果としての一次空気量の減少は、ベンチュリ管の中にバーナーを安定させるには不十分な酸素しか存在しないといったものになる。

ヨーロッパ特許（出願）公報No. 0,374 ,423 A は、解放面を有するパイプの開口領域の中央に配設された少なくとも１つの給送孔を有するガス燃料供給手段を含む周囲バーナーの構造を提案している。燃焼空気が」ベンチュリ官原理により引っ張られて前記パイプ開口を通ると共に、圧力下の燃料は軸方向に前記パイプ内に流れ込んで、燃焼空気と混ざって、パイプの他端に隣接するバーナージェットから出る。特別に混合された燃焼排ガスをパイプの孔部に排出する循環パイプを使用することもまた提案されている。
ヨーロッパ特許（出願）公報No. 1,096,202 A1 は燃料を希釈する方法と、ＮＯｘ低減を目的とする装置を提供する。この特許出願が提供するものは、炉からの燃焼排ガスを燃料ガスと混合させるための混合室をバーナー及び炉の外に設けることを含む方法であって、そこでは、炉からの燃焼排ガスが該混合室の中へ引っ張られるように燃料ガスを燃料ジェットとして混合室の中に排出し、混合室内で燃料ガスを燃焼排ガスに混合し希釈し、この結果としての燃料ガスと燃焼排ガスの混合物をバーナーに導き、ここにおいて、該混合物を燃焼空気と一緒にし炉内で燃焼させる方法である。燃焼排ガスは炉の排気ダクトで引っ張られることが示されている。

この提案の欠点は、気体漏れの問題を引き起こす構成となりうる、バーナー及び炉の外側の別個の室に燃料が導入されることを含んでいる。さらに、炉と連携する外部ダクトに潜在的爆発性の混合物を通すことはそれほど最適でない構成である。別の欠点は、提案を既存のバーナーに組み込むことが明らかに困難であることである。最後に、ヨーロッパ特許出願No.1,096,202
A1の開示において水蒸気が使用されているが、それは、ＮＯｘ低減の目的にのみ使用するものであり、燃焼排ガスをバーナー内に移送するために有効な推進力を増大させるためのものではない。

したがって、要請されるものは、上述した実際又は潜在的な欠点を有することなく、燃料と空気を燃焼させるバーナーであって、ＮＯｘ放出量をさらに低減することができるバーナーである。

本発明は水蒸気分解において用いられるような炉のバーナーから放出されるＮＯｘを低減する方法とシステムである。本発明の広い局面に従い、水蒸気分解において用いられるような炉のバーナーから放出されるＮＯｘを低減するが提供される。本発明に従って、炉内で燃料を燃焼させるバーナーが提供され、このバーナーは、
（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）前記バーナー管の前記上流端に隣接して配設され燃料を前記バーナー管に導入する燃料スパッドと、
（ｄ）前記炉の第１開口に隣接して前記バーナー管の前記上流端に設けられたバーナー先端と、
（ｅ）前記炉の第２開口において第１端部を、前記バーナー管の前記上流端に隣接して第２端部を有する少なくとも１つの流路と、
（ｆ）前記燃料スパッドを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を通るまだ燃焼していない燃料の吸引効果に応答して、燃焼排ガスを前記炉から引っ張って前記少なくとも１つの流路に流す手段とを、
含んでなり、前記燃料スパッドは、該燃料スパッドを出るまだ燃焼していない燃料の前記吸引効果を増大させる手段を含む。

本発明の特定の実施の形態に従い、本発明のバーナーは改善された燃焼排ガス再循環速度を与えると共に、それに伴うバーナーの安定性の低減を最小限にする。

本発明の別の特定の実施の形態に従い、本発明のバーナーはより高い燃焼排ガス再循環速度を与えることでき、それにより、ＮＯｘ放出量を低減する。

本発明の別の特定の実施の形態に従い、本発明のバーナーは、燃料オリフィスとバーナー管の組合せの前記吸引効果を最適化するように設計されている。

本発明の別の特定の実施の形態に従い、本発明のバーナーは燃焼排ガス再循環ダクト内の摩擦による流量ロスを低減し、かつ、より高い燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）速度の使用を可能にしてＮＯｘ放出量をさらに低減するために、例えば、火炎温度と酸素レベルを下げることで燃料／空気／燃焼排ガスの混合物の温度を有利に下げる。

本発明の別の特定の実施の形態に従い、本発明のシステムは燃焼排ガスをリサイクルして使用することができ、燃料排ガスは炉の単排気管から引っ張られ、本発明のシステムは外部ファンの使用を必要とせず、あるいは、その必要性を最小限にする。

本発明の別の特定の実施の形態に従い、本発明のバーナーは、より低温のより低酸素含有量の再循環される燃焼排ガスの使用をより可能にする。

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３に言及すると、バーナー１０は、炉の床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２５の上端にあり、かつ、バーナー管１２の上流端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２８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、そして、上方へ流れてベンチュリ管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。バーナー管１２内へ流れる燃焼排ガス再循環流、空気、及びオプションとして水蒸気を含み、ベンチュリ管１９内に入る燃料の流れによって推進力が与えられることが理解される。オプションとして、燃焼排ガスと空気の流れをバーナー管１２内へ入れることにより、ベンチュリ管１９によって与えられた推進力を増大するために、流れの方向に配設した１つ以上の水蒸気噴射管１５を備えることができる。

複数の空気口３０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、そして、米国特許No.４,６２９,４１３で説明されるように段階空気口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。米国特許No.４,６２９,４１３は参照のためにここに組み入れられる。

好ましくは、燃焼排ガスは、燃料オリフィス１１（これはスパッド２４内に含むことができる）から出てベンチュリ管１９を通る燃料の吸引効果によって、流路７６を介して炉から一次空気室２６へ引っ張られる。

ダンパー３４を介して二次空気室３２に入り空気口３０を通って炉内に入った、まだ混合されていない低温の新鮮な空気又は周囲空気もまた、ベンチュリ管１９を通る燃料の吸引効果によって、流路７６を介して引っ張られて一次空気室２６に入る。流路７６は好ましくは金属製であり、ＦＧＲダクトとして使用される。段階空気又は二次空気を燃焼排ガスに混ぜることで、流路７６を流れる高温の燃焼排ガスの温度を下げることができ、その結果、実質的に流路７６の寿命を延ばし、この種のバーナーを使用して炉の放射部において１０４０℃（１９００°Ｆ）以上の燃焼排ガス温度を有する高温熱分解炉におけるＮＯｘ放出量を低減することができる。

米国特許No. 5,092,761は、ＮＯｘを低減する目的でベンチュリ管の底部に水蒸気噴射点を位置させることを行っている。これはまた、ＮＯｘ低減水蒸気噴射として知られる。本発明の１局面に従い、水蒸気噴射手段であるＮＯｘ低減水蒸気噴射管５３は空気源８０の上流において流路７６内に位置する。この位置は、バーナーベンチュリ管１９に入る燃焼ガス、水蒸気又はそれらの混合物及び空気の混合物を均質にする。より均質な混合物はより高いベンチュリ管能力、より高い燃焼排ガス連行能力、より低い火炎温度、及びより低いＮＯｘを生じさせる。この位置はまた、金属ＦＧＲダクト７６の温度を下げる傾向があり、これにより、ダクトの寿命が長くなる。

点火ポート５０がバーナープレナム４８内に設けられており、この点火ポートはバーナーアセンブリの内部の点検を可能にすると共に、バーナーに点火するために点火要素（図示省略）のためのアクセスを与える。遮音のためにバーナープレナム４８をミネラルウール遮音材及びワイヤメッシュスクリーンで覆うこととしても良い。

図１，２及び４に示すように、バーナー先端２０とバーナータイル２２の間に非常に小さいギャップが存在する。このギャップを小さく保つことで、バーナー先端２０のすぐ炉側に位置する一次燃焼帯からいくらかの距離隔てたところに位置する段階空気口３０を介して二次空気を炉内に押し入れることができる。バーナー先端２０とバーナータイル２２の間のギャップを大きくすると全体的なＮＯｘ量を増加させるが、また、火炎を全体的に安定させることが試験により判明した。この環状ギャップのサイズは、ＮＯｘを最小にするように十分に小さく、かつ、火炎の安定性を適当に維持するのに十分に大きなものでなければならない。

燃焼排ガスは、バーナー管１２のベンチュリ管１９を通り抜ける燃料ガスの吸気効果によって、引っ張られて流路７６を通る。このように、一次空気と燃焼排ガスは、燃焼ゾーンの手前に位置する一次空気室２６で混ぜられる。燃料に混ざる不活性物質の量が増えて火炎温度を下げ、そのため、ＮＯｘ放出量が減る。

ダンパー２８を完全または部分的に閉じると、一次空気室２６に引っ張られる新鮮な空気の量が制限され、炉床から燃焼排ガスを得るのに必要な真空は提供される。

２０〜８０％の燃焼排ガスと２０〜８０％の周囲空気の混合物が燃焼排ガス再循環流路７６を通って引っ張られることが好ましい。５０％の燃焼排ガスと５０％の周囲空気の混合物を用いることが特に好ましい。燃焼排ガスと周囲空気の望ましい割合は、空気口３０に対して流路７６を適切なサイズにし、配置し、及び／又は構造とすることによって達成することができる。すなわち、空気口のバーナー管からの距離、空気口の数及び空気口のサイズを含み（但し、これらに限定されない）、空気口の幾何学条件を変えて燃焼排ガスと周囲の空気の必要な割合を得ることができる。

図４は、バーナー１００の燃焼排ガス再循環率を高めるために水蒸気噴射を用いる本発明の別の実施の態様を示す。図４に言及し、燃料は、バーナー管１０６のベンチュリ部分１０４への入口において高速度で燃料オリフィス１１１（これは燃料スパッド１０２内に設けることができる）から出て、これにより、空気を一次空気室１１０から吸引してベンチュリ管部分１０４へ入れる。一次空気ダンパー１０８を部分的に閉じることにより、一次空気室１１０内に副周囲圧を発生させる。燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）ダクト１１２は炉をバーナー１００の一次空気室１１０に繋いで燃焼排ガスの流れが一次空気室１１０に入って燃料オリフィス１１１からの燃料及びダンパー１０８からの一次空気と混ざることを可能にする。

燃焼排ガス再循環ダクト１１２はベンチュリ管部分１１６を有する。ベンチュリ管部分１１６への入口において高速水蒸気ジェットを発生させるために水蒸気噴射管１１８のスパッド１２０内に位置することができるオリフィスからＮＯｘ低減のための水蒸気がベンチュリ管部分１１６の入口において噴射される。この水蒸気ジェットとベンチュリ管部分の組合せは炉の床１２２からの燃焼排ガスを吸引してバーナー１００の一次空気室１１０に入れる。この構成を用いることで、一次空気室１１０の圧力を米国特許No.5,092,761のバーナーのように周囲温度よりもかなり低くする必要は無く、燃焼排ガス、空気及び水蒸気の混合物はより均質であり、より多くの量の燃焼排ガスを再循環させることができ、より大きなＦＧＲ速度及びより低いＮＯｘ放出を与えると共に、良好なバーナーの安定性を保証するために十分な一次空気流量を維持することができる。

オプションとして、燃焼排ガス、空気又はそれらの混合物の流れをバーナー管１０６内に誘導するために、ベンチュリ管部分１０４によって与えられる推進力を増大するように流れの向きに１つ以上の水蒸気噴射管１１５を流れの向きに配設することができる。

複数の段階空気口は二次空気室１３２に始まり、炉床１２２を通って炉内に入る。新鮮な空気又は周囲空気は可変ダンパー１３５を介して二次空気室１３２に入り、段階空気口（図示省略）を通って炉に入り二次の、即ち、段階燃焼を生じさせる。

本発明の別の局面に従い、新規なバーナー先端構成を以下に論じる。ここで一般に図１−３、特に図５を参照し、バーナー先端２０の上端６６は中央に配設された端面６９に複数のメインポート６４を有し、環状側面６７に複数のサイドポート６８を含んでいる。運転において、サイドポート６８は燃料／空気混合気の一部を環状タイル２２の表面を横切るように指向させるが、メインポート６４は混合物の大部分を炉の中に向ける。スエージングにより、又はより望ましくは溶接若しくは螺合接合により、バーナー先端２０の下端をバーナー管１２に接合することができる。

ここで図６Ａと６Ｂについて言及すると、本発明の実施の形態に従ったバーナー先端の上端６６は図６Ａに示される。図６Ｂは従来のバーナー先端の上端６６を示す。本発明の実施の形態に従ったバーナー先端の中央に配設された端面６９のメインポート６４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６４の数と大きさは、端面６９のメインポート６４の総面積が１ＫＪ／秒当たり少なくとも２.２ｍｍ^２（１００万（ＭＭ）Ｂｔｕ／時間当たり１.０ｉｎ^２）、望ましくは、１ＫＪ／秒当たり少なくとも２.６ｍｍ^２（１ＭＭ Ｂｔｕ／時間１.２ｉｎ^２）のバーナー容量となるようなものである。対照的に、図６Ｂに示される従来のバーナー先端では、端面６９のメインポート６４の総面積は１ＫＪ／秒当たり２.２ｍｍ^２（１００万（ＭＭ）Ｂｔｕ／ｈ当たり１.０ｉｎ^２）未満のバーナー容量である。バーナーの設計燃焼速度が１.８ＫＪ／秒（６.０ＭＭＢｔｕ／ｈ）である発明に従ったバーナー先端の１つの実用的な実施の形態では、端面６９のメインポート６４の総面積は５４.２ｃｍ^２（８.４ｉｎ^２）であるにもかかわらず、同じ設計燃焼速度で使用する従来のバーナー先端においては、これらの開口の総面積は３７.４ｃｍ^２（５.８ｉｎ^２）であるにすぎない。

直観的に、先端の流れ面積を大きくすると比例して先端速度が落ちるだろうと期待されるが、代わりに、速度の低下は、先端の流れ面積を大きくすることが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でメインポート６４の総面積を増加させると、バーナー先端２０の流れ面積が増加し、これは、先端を通して流れる燃料／空気混合物の速度を上げることなく、引き起こされるＦＧＲ速度をより高くする。このように、より高いＦＧＲ速度でバーナーの安定した運転が維持される。

発明の好ましい１実施の形態において、図１３Ｂに示され以下で論じるバーナーのベンチュリ管１９は今論じたバーナー先端の特徴と組み合わせて使用される。さらに以下で論じられるように、図１３Ｂのベンチュリ管１９から生じる増加した燃焼排ガス再循環は、先端に増加した開口領域を生じさせる先端速度の低下を減少させる。より長いベンチュリ管ののどはまた、より良い流れを促進し、ひいては、バーナー先端２０を出る混合物の手前で燃料／空気流の改良された混合を促進する。また、燃料／空気流のより良好な混合は、均等により開発された火炎を発生させ、ひいては、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。

本発明の別の局面に従って、新規なセンタリングプレート構造を次に論じる。一般に図１−３、特に、図７に言及して、複数の支持部材６１は一次空気室２６の天井から孔空きセンタリングプレート６０を吊す。図７で示されるように、特定の実施の形態の孔空きセンタリングプレート６０は、ライザーセンタリング部材６３と周囲リング支持部材（外輪部材）６４を相互連結する複数のスポーク６２を有する。ライザーセンタリング部材６３は、燃料スパッド２４のベンチュリ管部分１９への入口に対する適切な一直線上の配列を維持するために、ガスライザー２５の回りに置かれる。リング部材６４はセンタリングプレート６０を支持部材６１に固定するのに使用する複数の孔９６を有する。

本発明の１実施の形態においてセンタリングプレート６０は、水蒸気噴射管１５が存在するときに、その対応する対の水蒸気噴射管１５を通す対の孔９８をまた含む。

上で注意したように、センタリングプレート６０は、一次空気室２６からの空気がそれを通って流れることを可能にするために孔空きであり、このことは、現在使用されている中実のセンタリングプレートによって引き起こされる通常曲りくねった流れパターンから生じる流れ損失を避けることを可能にする。これらの流れ損失が避けることができる理由は、孔空きのセンタリングプレート構造が、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、下側の火炎温度、およびより低いＮＯｘ生産を可能にするために、バーナー管１２のベンチュリ管部分１９に入る流れベクトルをならすからである。

図７のセンタリングプレート６０は円形として図示され、そして、円形の形状は本発明の好ましいの実施の形態であるが、当業者によって理解されるように、本発明の技術的思想の範囲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、三角形を含むその他の多くの形状のいずれかに形成することもできる。

本発明のさらに別の局面によると、新規の外部ＦＧＲ構成を図８に関してここにおいて論じる。好ましくは、炉の排気管３００からの３７０℃未満（７００°Ｆ）の温度を有する燃焼排ガスが燃料オリフィス１１（これは燃料スパッド２４の中に位置してもよい）から出てベンチュリ管部分１９を通り抜ける燃料の吸気効果によって外部再循環（ＦＧＲ）ダクト３７６を介して一次空気室７８まで引っ張られる。バーナー火炎に隣接する炉箱から直接引っ張るよりむしろ排気流から燃焼排ガスを引っ張ることで、より低い温度の燃焼排ガスを供給することができ、そのため、燃焼排ガスの有効性を実質的に増加させて火炎温度を下げ、その結果、ＮＯｘ放出量の低減をもたらす。

したがって、発明のこの局面を使用することで、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放出量が低減されることがわかる。本発明の燃焼排ガス再循環システムをまた容易に既存のバーナーに組み込むことができる。なぜならば、組み込むときに、燃料オリフィス１１（燃料スパッド２４に位置してもよい）からの推進力が外部ファンの取付の必要性を最小にし、または排除することに役立つからである。

炉の放射箱から燃焼排ガスを引っ張るシステム上のさらなる長所は、外部的に引っ張られたＦＧＲが通常低酸素分を有するという事実にある。炉の単排気管から外部的に引かれた燃焼排ガスは通常２−３容積％のＯ_２を有するであろう。比較により、バーナー火炎の底部から再循環する燃焼排ガスは典型的に１０−１５容積％のＯ_２分を有することがわかった。Ｏ_２分が低い再循環燃焼排ガスは、それがより非反応性、すなわち、より不活性であるので、ＮＯｘを低減するためにより効果的な希釈剤である。

図９は本発明の概略図であり、ここで説明されるタイプの多重バーナーは炉の中に含まれ、同じＦＧＲダクト３７６と炉排気管３００を共有する。図示のように、一次空気が一次ダンパー３２８ａ、ダンパー３２８ｂまたは一次ダンパー３２８ａとダンパー３２８ｂの組み合わせたものを介して複数のバーナー３１０に入れられる。図９は６つのバーナー３１０を示すが、バーナーの数はこれよりも多くても少なくてもよく、いかなる数の連続的又は並列に配列されたバーナーを使用することができ、このことは本発明の技術思想の範囲内である。当業者によって理解されるように、数個のバーナーを炉の中に位置させることができ、これらの全てのバーナーは炉の排気管３００と外部ＦＧＲダクト３７６に燃焼排ガスを与える。本発明によって生じる改良された吸気に関する利点は、燃焼排ガスをＦＧＲダクト３７６に引っ張るのに有用な推進力を増加させるのに役立つことであり、適切なレベルのＦＧＲを供給するのに必要な外部ファンを最小にしまたは排除することができる。

図１０は、水蒸気噴射レベルを変えたときのＮＯｘ放出量を外部燃焼排ガス再循環レベルの関数として示すグラフである。グラフに示されるように、これらの結果は、１５％の内部ＦＧＲを使用することで得られる結果と比較される。この図は本発明のこの局面の利点を示す。

ここで図１１Ａについて言及し、ここに従来技術の燃料スパッド２４が示されている。燃料スパッド２４は、望ましくは図示のようにねじにより、燃料ライザー２５の出口端に取り付けられている。燃料スパッド２４はバーナー管１２の上流端１６と一直線をなすように並べられているので、燃料スパッド２４の出口端２９を出る燃料は一次空気及び再循環燃焼排ガスと共にバーナー管１２の上流端１６内に引っ張られる。図示されるように、燃料スパッド２４の入口端２３の内径は、変遷部２７を使用することにより、出口端２９において小径となる。燃料スパッド２４の外部表面２１は流線Ｓによって表されるベンチュリ管入口の流れにさらされる。外部表面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。

外表面２１は燃料スパッド２４の取付けに役立つが、図１１Ａの流線Ｓによって図示されるように、空気がベンチュリ管の入口１６内に引っ張られると、燃料スパッド２４の縁を通過した流れは、燃料スパッド２４の最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が燃料スパッド２４とバーナー管１２のベンチュリ管の組合せによる吸気効率（吸引効果）を減少させることが発見された。この非効率性はバーナー内で達成可能なＦＧＲ比を制限することがわかった。

図１１Ｂは、本発明の１実施の形態に従って設計された燃料スパッド１２４を示す。図示されるように、燃料スパッド１２４は、空気と再循環燃焼排ガスが燃料スパッド１２４の上を通り過ぎてバーナー管１２の上流端１６に入るときに流れの分離や渦巻が生じないようにするために、滑らかな断面形の外表面１２１を使用する。流線Ｓ’によって概略的に示されるように、渦巻と乱流が最小にされ、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速度比とより低いＮＯｘ放出レベルが達成される。

図１１Ｃは、本発明の別の実施の形態に従い設計された別の燃料スパッド２２４を図示する。当業者によって理解されうるように、燃料スパッド／バーナー管１２のベンチュリ管の組合せは、バーナー管のベンチュリ管の中での燃料から空気（または、空気と燃焼排ガス）への運動量の遷移を介して空気（または、空気と燃焼排ガス）を吸入する。流れの運動量は質量流量と速度の積として定められる。バーナーにおいて、燃料流の質量流量はバーナーの必要な熱発生によって定められる。燃料スパッドの直径は燃料ガス供給システムの有効な上流圧によって確立される。したがって、燃料ジェットが燃料スパッドを出るときに燃料ジェットにおいて達成される運動量は出口速度に関する関数である。図１１Ａ又は図１１Ｂに示される幾何学形状の燃料スパッドに関しては、圧縮性ガス流の法則は、燃料スパッドの出口での流れがマッハ１、すなわち、ガス流における音速を超えることができないことを示す。

ガスジェットの出口速度をマッハ１以上に増加させることができるならば、燃料スパッド／バーナー管のベンチュリ管の組合せによる吸気効果を高めることができる。ＦＧＲを使うバーナーの場合、より高いＦＧＲ比を達成することでき、ＮＯｘ放出量を減少させることができる。収束発散ノズルを使用することで燃料スパッドの出口において超音速ガスジェットを発生させることができる。そのような幾何学的形状は「ラバルノズル」あるいは「臨界流ベンチュリ管」としてさまざまな形状が知られている。

ここで図１１Ｃと１１Ｄについて言及すると、ガススパッド２２４と３２４がそれぞれ示されており、これらのガススパッドは、それぞれ、ラバルノズル２２７と３２７を使う。さらに、燃料スパッド３２４は、有利なことに、ラバルノズル内部断面形３２７と、上で説明した渦巻形成を低減することができる外面断面形３２１の両方を使う。

図１１Ｅは、別の好ましい形態に従って設計された燃料スパッド４２４を示す。図示されるように、燃料スパッド４２４は、空気と再循環燃焼排ガスが燃料スパッド４２４の上を通り過ぎてバーナー管１２の上流端１６内に入るときに流れの分離及び渦巻を排除するために、円錐切頭体の形態である滑らかな断面形の外表面４２１を使う。流線によって概略的に表現されるように、流れの渦巻および乱れは最小にされ、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比とより低いＮＯｘ放出レベルを達成することができる。

当業者によって理解されうるように、本発明の燃料スパッド構造は新しいバーナーに取り入れることができるし、また、既存のバーナーに組み込むことができる。従来技術の構造と異なり、本発明の燃料スパッド構造を使用することは、燃料スパッド／バーナー管のベンチュリ管の組合せの吸気特性を実質的に改良するのに役立ち、より高いＦＧＲレベルを使用しＮＯｘ放出量を低減する能力を増加させる。

本発明の１実施の形態では、燃料を燃料スパッドに提供する前に加熱することが望ましい。そうすることにより、バーナーの熱発生速度が低下したときでさえ、最適の結果をもたらすことができる。そういうものとして、ラバルノズル燃料スパッドのこの限界を排除するために、可変燃料予熱と燃料供給制御の新規な方法を開発したのでそれを図１２Ｂに示す。図１２Ａは従来の燃料ガス制御系４００を図示する。複数のバーナー４５０の燃料スパッドの上流での燃料圧４０６は圧力調節弁４１０によって制御される。一般に、圧力調節器のための目標値は、必要な熱発生、必要な処理出口温度などのような、より高いレベル制御装置によってリセットされる。図１２Ｂに示す本発明の燃料制御系５００において、燃料はバーナー５５０に入る前に熱交換器５１８を通る。バーナー５５０に渡される燃料の量は圧力調節器よりむしろ流量調節器５１０によって制御される。必要な熱発生、必要な処理出口温度などのような、より高いレベル調節器によって燃料流量調節器５１０をリセットすることとしてもよい。燃料を加熱する温度は、所望の最適スパッド性能を提供するために、バーナー入口における圧力によって決定される。

ここで図１３Ａについて言及し、米国特許Ｎｏ.５,０９２,７６１に開示されるタイプの従来技術のバーナー１９のベンチュリ管は、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。発明の１実施の形態に従ったバーナーのバーナー管のベンチュリ管１９もまた、図１３Ｂに示されるように、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、この１実施の形態のバーナーののど部１９ａは図１３Ａに示される従来のバーナーのものよりもかなり長い。図１３Ｂののど部１９ａの長さ対最大断面内寸法の比は少なくとも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、この１実施の形態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。

本発明のさらに別の局面によると、図１に示されるＦＧＲダクト７６の断面は実質的に長方形である。通常、その小径は大径の１００％から３０％までの範囲である。好都合なことに、ＦＧＲダクト７６の断面積は１１ないし２６ｍｍ^２／ｋＪ／ｓｅｃ（５〜１２ｉｎ^２／１００万（ＭＭ）Ｂｔｕ／ｈ）のバーナー容量の範囲に渡り、実用的な実施の形態においては、２１９〜３８７ｃｍ^２（３４ｉｎ^２〜６０ｉｎ^２）まで及ぶ。このように、ＦＧＲダクト７６はＫＪ／秒当たり少なくとも４３ｇ／秒（１ＭＭＢｔｕ／ｈ当たり１００ポンド／ｈ）のバーナー容量、望ましくはＫＪ／秒当たり少なくとも５６ｇ／秒（１ＭＭＢｔｕ／ｈ当たり１３０ｌｂ／ｈ）のバーナー容量、さらに望ましくは、ＫＪ／秒当たり少なくとも８６ｇ／秒（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％か最大２０％さえのＦＧＲ比を達成することができる。ＦＧＲダクト７６のためのこの構成はこの場所に説明される他の様々な教示と実施の形態と組み合わせて適用されてもよい。

当業者にとって明らかなように、ここにおいて開示される教示と様々な実施の形態は、図１４、１５、１６Ａ、および１６Ｂに参照して今説明するように、フラットフレームバーナーに代替的に適用することができる。

図１４と１５で示されるように、バーナー４１０は炉の床４１４のウエルに位置する自立型のバーナー管４１２を含んでいる。バーナー管４１２は上流端４１６、下流端４１８、およびベンチュリ管部分４１９を含んでいる。バーナー先端４２０は下流端４１８に位置して、周囲タイル４２２によって囲まれる。燃料オリフィス４１１（ガススパッド４２４の中に位置してもよい）は上流端４１６に位置して、バーナー管４１２に燃料ガスを導入する。新鮮な空気又は周囲の空気は、バーナー管４１２の上流端４１６の燃料ガスを混ぜるためにダンパー４２８を通して一次空気室４２６に導入されてもよい。燃料ガスの燃焼はバーナー先端４２０の下流で生じる。新鮮な二次空気はダンパー４３４を通して二次室４３２に入る。

燃焼排ガスを炉から一次空気室まで再循環させるように燃焼排ガス再循環流路４７６が炉の床４１４に形成され一次空気室４２６に達するので、燃焼排ガスは、ダンパー４２８を介して開口４８０から一次空気室に引っ張られた新鮮な空気に混ぜられる。燃焼排ガスは、バーナー管４１２のベンチュリ管の部分４１９を通り抜ける燃料ガスの吸気効果によって引っ張られて通路４７６を通る。この様に、一次空気と燃焼排ガスは、燃焼点の手前にある一次空気室４２６で混ぜられる。したがって、燃料に混ぜられる不活性材料の量が増えて火炎温度を下げる。オプションとして、ベンチュリ管部分４１９によってバーナー管４１２の中に再循環燃焼排ガスと空気の流れを引き起こす推進力を増大するために１つ以上の水蒸気噴射の管４８４を流れの向きに配設することとしてもよい。

図１６Ａと１６Ｂに示されるように、バーナー先端１２０とバーナータイル１２２の間に小ギャップが存在している。このギャップを小さく保つことによって、バーナー先端１２０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（図示省略）を通して二次段階空気を炉内に押し込むことができる。このギャップは図示されるように周囲ギャップ構成とすることができ、または、それに代えて、周囲に配設された一連の離間したギャップを含むこととしてもよい。

本発明の様々な実施の形態と特徴を説明したが、そのような様々な実施の形態と特徴は、当業者によって理解されるように、様々な組み合わせと置換により使用することができ、ここでの様々な教示の利点を示すデータが今提示される。

最初に、水蒸気噴射を使う利点の説明に役立つデータをここに提示する。

実施例１
この実施例は、材料バランス計算に基づくモデル化として図４に示されるタイプのバーナーの長所を探る。次のバーナー条件が研究された。
燃料速度＝１１６ｋｇ／ｈ（２５５ｌｂ／ｈ）（燃料オリフィスの上流の燃料圧が３４２−５１５ＫＰａ（３５−５０ｐｓｉｇ）のメタン燃料ガス）
燃料オリフィス／燃料スパッドは、望ましくは図１１Ａ−１１Ｅに関してここで開示されるタイプのものである。

合計２２９７ｋｇ／ｈ（５，０６３ｌｂ／ｈ）の空気（乾燥量基準）がバーナー１００で消費され、空気をわずかに過剰にした状態の燃料の燃焼を可能にする。合計４１５ｋｇ／ｈ（９１４ｌｂ／ｈ）の空気が一次空気室１１０に引っ張られる。水蒸気は水蒸気噴射管１１８を通して５４ｋｇ／ｈ（１２０ｌｂ／ｈ）の速度で噴射され、オリフィス１２０の上流の水蒸気圧は、高速水蒸気噴射を発生させるように、２４０−７９０ｋＰａ（２０−１００ｐｓｉｇ）の範囲とすることができる。適当な典型的な圧力は３７７ｋＰａ（４０ｐｓｉｇ）であるかもしれない。

ＦＧＲベンチュリ管部分１１６での高速水蒸気噴射の動作はおよそ３６０ｋｇ／ｈ（８００ｌｂ／ｈ）の燃焼排ガスをＦＧＲダクト１１２内に吸気し、およそ１５％のＦＧＲ比を提供するであろう。本発明の実施の形態は１０−２５％の範囲のＦＧＲ比を発生させるように設計される。

実施例２
本発明の利点をさらに示すために、図４に示すタイプのバーナーがテストされた。燃料オリフィス／燃料スパッドは図１１Ｅに示すタイプのものであった。この実施例のバーナーもまた、ここで説明される燃焼排ガス再循環を使い、３０％のＨ_２／７０％の天然ガスからなる燃料ガスを使用して、水蒸気噴射なしで、１７６０ｋＪ／ｓ（６ＭＭＢＴＵ／ｈ）の燃焼速度で運転された。非常に安定した火炎が観測され、６７ｐｐｍのＮＯｘ放出量が測定された。

実施例３
この例では、実施例２のバーナーが使用された。この実施例でもバーナーは、ここで説明される燃焼排ガス再循環を使い、３０％のＨ_２／７０％の天然ガスからなる燃料ガスを使用して、水蒸気を６５ｋｇ／ｈ（１４３ｌｂ／ｈ）の速度でＦＧＲダクト（だけ）に噴射した状態で、１７６０ｋＪ／ｓ（６００万ＢＴＵ／ｈ）の燃焼速度で運転された。非常に安定した火炎が観測され、４２ｐｐｍのＮＯｘ放出量が測定された。

実施例４
この実施例においても、ここで説明されるタイプの燃焼排ガス再循環を使って、実施例２のバーナーが使用された。バーナーは、３０％のＨ_２／７０％の天然ガスからなる燃料ガスを使用し、バーナー管のベンチュリ管領域内（のみ）で水蒸気を６５ｋｇ／ｈ（１４３ｌｂ／ｈ）の速度で噴射した状態で、１７６０ｋＪ／ｓ（６ＭＭＢＴＵ／ｈ）の燃焼速度で運転された。非常に安定した火炎が観測され、３７ｐｐｍのＮＯｘ放出量が測定された。

次に、本発明が教示するバーナースパッドの特別の利点を以下の実施例５乃至８を通して説明する。

実施例５
次の実施例は、収束／分岐（ラバル）ノズル燃料スパッドを使用するとガス速度（引いては、運動量）を上がることができることを示す。次のバーナー条件が研究された。
燃料速度＝１５８ｋｇ／ｈ（３４８ｌｂ／ｈ）；
燃料組成＝ＣＨ_４；
燃料上流温度＝２１℃（６０°Ｆ）；
燃料上流圧力＝４４６ｋＰａ（５０psig）
燃料スパッドののど径として０.８５３４ｃｍ（０.３３６０インチ）が選択された。
３つの異なるノズル出口径がそれらの出口圧と出口速度への影響に関して評価された。分析の結果は次の表１の通りである。

これからわかるように、達成可能な最も高いガス速度は０.９８ｃｍ（０.３８５５in）（ガス出口圧力＝０.０ｋＰａ（０.０ｐｓｉｇ））のノズル排気管直径で起こった。この速度と運動量の増加は直接的に燃料スパッド／ベンチュリ管の組み合わせの吸気能力を改善して、そのように備えられたバーナーでＦＧＲ比が増加することを可能にする。

実施例６−８
これらの実施例は、燃料供給速度を制御するのに可変燃料予熱システムを使用すると、収束／分岐（ラバル）ノズル燃料スパッドにおける燃焼速度の変化に関連する主要な問題を解決することができることを示す。

実施例６
実施例５の最適化されたノズル（ノズル排気管直径０.９８ｃｍ（０.３８５５in））の燃料速度を１０６ｋｇ／ｈ（２３３ｌｂ／ｈ）に下げ、一方、同じ燃料（ＣＨ_４）を使用し、燃料上流温度を２１℃（６０°Ｆ）、燃料上流圧を２９７ｋＰａ（２８.４ｐｓｉｇ）、スパッドのど径を０.８５ｃｍ（０.３３６０ｉｎ）に維持した。

この燃料速度では、以下の表２の結果が予測される。

実施例７
実施例６の条件の最適なノズル構造を採用し、かつ、燃焼速度を実施例５のレベル（１５８ｋｇ／ｈ（３４８ｌｂ／ｈ））に増加させると、以下の表３の結果をもたらすことが予測される。

実施例８
以下のデータは、燃料ガスを燃料スパッドに提供する前に加熱することは、バーナーの熱発生速度が低下するときでさえ、最適の結果をもたらすことができることを示している。

燃料は実施例５の最適化されたノズル（０.９８ｃｍ（０.３８５５ｉｎ）のノズル排気管直径）の燃料速度を１０６ｋｇ／ｈ（２３３ｌｂ／ｈ）に下げ、一方、同じ燃料（ＣＨ_４）を使用し燃料上流温度を３７７℃（７１０°Ｆ）まで上げた。燃料上流圧を４４６ｋＰａ（５０ｐｓｉｇ）に維持し、スパッドのど径を０.８５ｃｍ（０.３３６０ｉｎ）に保った。

これらの条件で、以下の表４の結果が予測される。

次に、図１３Ｂに図示されるベンチュリ管の利点を示すデータが提示される。

実施例９−１４
以下の表５は、ＦＧＲを行う従来のプレミックスバーナー（実施例９）と、ベンチュリ管ののど部が変更された５個のプレミックスバーナー（実施例１０−１４）の幾何学的条件をまとめたものである。

ベンチュリ管ののど部の変更による効果を評価するために、数値流体力学、即ち、ＣＦＤを用いて、表５にまとめられた構成を評価した。Fluent Inc.（米国ニューハンプシャー州０３７６６−１４４２、レバノン、センテラ・リソース・パーク、キャベンディッシュ・コート１０のFluent Inc.）のソフトウェアであるＦＬＵＥＮＴ（登録商標）を用いて分析を実行した。様々なベンチュリ管の構造に関して計算された流体流量は以下の表６にまとめられる。

表５からわかるように、実施例１０のバーナーを除き、ベンチュリ管ののど部のＬ／Ｄ（長さ／直径）比を大きくすると、バーナー管を流れる総質量流量が増加した。与えられた流量に関して、最適なＬ／Ｄ比に加え、また、ベンチュリ管のための最適な直径がある。その直径が小さ過ぎるならば、それはベンチュリ管の容量を制限する過度の摩擦損失を引き起こす。直径が大き過ぎる（実施例１０のように）ならば、流れの分離がのどにおいて起こり、それはまた容量を減少させる。

ベンチュリ管ののど部長さを長くし、したがって、Ｌ／Ｄを増加させると、バーナー管を通る総質量流量は増加するが、のど部が長くなり過ぎると、摩擦損失は増加した流量の利点を超えるようになる。したがって、ベンチュリ管ののど部のＬ／Ｄ比は望ましくは、１０を超えるべきでなくて、より望ましくは、６.５と７.５の間であって、最も望ましくは、６.５と７.０の間である。

最後に、ここでのＦＧＲダクトのサイズ設定の教えの利点を示すデータが次に提示される。

以下に説明する構成を評価するためにＣＦＤを用いた。ＣＦＤ解析は基本的な制御方程式を解いて解領域のあらゆる点における流体速度、種別、燃焼反応、圧力、熱伝達、および温度値等を提供する。分析を実行するためにFluent Inc.のソフトウェア「ＦＬＵＥＮＴ」（登録商標）を使用した。

実施例１５
本発明の利点をさらに示すために、米国特許Ｎｏ.５,０９２,７６１（該特許の図５で示されるように）で説明されるタイプの燃焼排ガス再循環を用いるプレミックスバーナーの運転をソフトウェアパッケージ「ＦＬＵＥＮＴ」（登録商標）を使用してシミュレートして基本データを確立した。数値計算流体力学ソフトウェア「ＦＬＵＥＮＴ」（登録商標）を使用して計算された詳細な物質及びエネルギーバランスの結果は、１０.２ｃｍ（４.０in）ｘ１７.８ｃｍ（７in）、合計長方形断面積が１８１ｃｍ^２（２８in^２））のＦＧＲダクトを用いた基本バーナーに関して、約２８２Ｋｇ／ｈ（６２０ｌｂ／ｈ）の質量流量速度を生じさせた。これは、約１０％のＦＧＲ速度に等しい。

実施例１６
この実施例において、詳細な物質及びエネルギーバランスは数値流体力学ソフトウェア「ＦＬＵＥＮＴ」を使用して計算された。計算結果は、１２.１ｃｍ（４.７５in）ｘ２２.９ｃｍ（９in）の合計長方形１８１ｃｍ^２（２８in^２））のより大きなＦＧＲダクトを用いた場合、ＦＧＲダクトを通る質量流量率は４１７ｋｇ／ｈ（９２０ｌｂ／ｈ）まで上昇すること示した。これはＦＧＲ速度を約５０％、合計で約１５％まで増加させることが予期される。そのようなＦＧＲ速度増加はバーナーのＮＯｘ放出を抑えると予期される。

当業者であれば理解できるように、本発明を新しいバーナーに取り入れることもでき、また、バーナーの周囲を変更することにより既存のバーナーに組み入れることもできる。

本発明のいくつかのバーナーを床燃焼式炭化水素分解炉に関して説明してきたが、これらのバーナーを他の反応又は機能を行う炉にもまた使用することができる。

ここで説明して開示したものは従来の生ガスバーナー及びバーナー管の入口において燃焼排ガスのみが燃料ガスに混合される構成のプレミックスバーナーを有する生ガスバナーにおいても有益であることが理解される。事実、ここで詳細に説明したタイプのプレミックス段階空気バーナーは、一次空気ダンパードアを閉めた状態で、非常に満足できる結果をもたらすように運転できることが判明した。

ここで提示される種々の開示、実施の形態及び特徴は、当業者にとって理解できるように、種々の組合せ及び置換において使用することができることが理解される。

本発明を特定の手段、材料及び実施の形態に関連して説明してきたが、発明は、この開示された特定のものに限定されるものではなく、また、添付の請求の範囲の請求項の範囲内の同等なものを含む。

本発明のバーナーの実施の形態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１実施の形態のバーナーの概略図である。 本発明の１実施の形態のバーナー先端の斜視図である。 図６Ａと図６Ｂはそれぞれ、図５に示すバーナー先端と、従来技術のバーナーの先端の平面図である。 本発明のバーナーの１実施の形態に用いるセンタリングプレートの平面図である。 本発明のバーナーの１実施の形態の一部断面側面図であって、外部流路を示す図である。 １つの外部排気管を共有する一連の複数のバーナーを使用する本発明の実施の形態の説明図である。 外部ＦＧＲの関数としてＮＯｘ放出量（％）を示すプロット図である。 図１１Ａは従来技術の燃料スパッドの断面図である。図１１Ｂは本発明に従う改良型燃料スパッドの１実施の形態の断面図である。図１１Ｃは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１１Ｄは本発明に従う改良型燃料スパッドの更に別の実施の形態の断面図である。図１１Ｅは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１２Ａは従来技術のバーナーシステムのバーナーを用いた炉に使用する従来技術の燃料ガス制御システムを示す図である。図１２Ｂは本発明の１実施の形態に従う燃料供給制御システムを示す図である。 図１３Ａと図１３Ｂは、比較のために、それぞれ、従来のバーナー管のベンチュリ管と、本発明の１実施の形態に従うバーナーのバーナー管のベンチュリ管を示す図である。 本発明のフラットフレームバーナーの１実施の形態の一部断面側面図である。 図１４のフラットフレームバーナーの実施の形態の図１４の線１５−１５に沿った一部断面側面図である。 図１６Ａはフラットフレームバーナーに用いるバーナー先端の１実施の形態の平面図である。図１６Ｂはフラットフレームバーナーに用いるバーナー先端の別の実施の形態の平面図である。

Claims (21)

1. 炉内において燃料を燃焼させるバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）であって、
   （ａ）一次空気室（２６，１１０，７８，４２６）と、
   （ｂ）上流端（１６，４１６）、下流端（１８，４１８）及び該上流端（１６，４１６）と下流端（１８，４１８）の間に位置するベンチュリ管（１９，１０４，４１９）を有するバーナー管（１２，１０６，４１２）であって、前記ベンチュリ管（１９，１０４，４１９）はほぼ一定の内断面を有するのど部（１９ａ）を備え、該のど部（１９ａ）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）前記バーナー管（１２，１０６，４１２）の前記上流端（１６，４１６）に隣接して配設され燃料を前記バーナー管（１２，１０６，４１２）に導入する燃料スパッド（２４，１０２，１２４，２２４，３２４，４２４）と、
   （ｄ） 前記バーナー管（１２，１０６，４１２）の前記下流端（１８，４１８）に設けられたバーナー先端（２０，４２０）と、
   （ｅ）第１端部と、前記バーナー管（１２，１０６，４１２）の前記上流端（１６，４１６）に隣接する第２端部を有する少なくとも１つの流路（７６，１１２，３７６，４７６）であって、前記第１端部は前記炉内と連通し、前記第２端部は前記一次空気室（２６，１１０，７８，４２６）と連通する、流路（７６，１１２，３７６，４７６）と、
   （ｆ）前記燃料スパッド（２４，１０２，１２４，２２４，３２４，４２４）を出て前記バーナー管（１２，１０６，４１２）の前記上流端（１６，４１６）から下流端（１８，４１８）へと前記バーナー管を通るまだ燃焼していない燃料の吸引効果に応答して、燃焼排ガスを前記炉から引っ張って前記少なくとも１つの流路（７６，１１２，３７６，４７６）に流す手段とを、
   含んでなり、前記燃料スパッド（２４，１０２，１２４，２２４，３２４，４２４）は、前記燃料スパッド（２４，１０２，１２４，２２４，３２４，４２４）に隣接する渦巻乱流ゾーンを縮小し、あるいは、前記燃料スパッド（２４，１０２，１２４，２２４，３２４，４２４）での前記燃料の出口速度を音速以上に増加させる手段を含み、かつ、前記少なくとも１つの流路（７６，１１２，３７６，４７６）は、１０％を超える合計ＦＧＲ比（燃焼排ガス重量の燃料重量と空気重量の合計に対する比）を可能にする断面及び形状を有するバーナー。
2. 前記のど部（１９ａ）の前記長さ対最大断面内寸法の比は６.５乃至７.０である請求項１のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
3. 前記バーナー管（１２，１０６，４１２）の前記上流端（１６，４１６）に隣接して終端し空気及び前記燃料と共に水蒸気を前記バーナー管内に導入する１つ以上の水蒸気管(１５，１１５，４８４)をさらに含んでなる請求項１又は２のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
4. 前記少なくとも１つの流路（７６，１１２，４７６）は前記バーナーの内部に位置する流路（７６，１１２，４７６）を含んでなる請求項１ないし３のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
5. 前記少なくとも１つの流路（３７６）は少なくとも部分的に前記炉の外部に位置しかつ複数のバーナー（３１０）に流体連通する請求項１ないし３のいずれか１つに記載のバーナー（３１０）。
6. 前記燃焼排ガスを引っ張る手段は前記一次空気室と空気源に流体連通するように解放される第１可変ダンパー（２８，１０８，３２８ａ，４２８）をさらに含んでなる請求項１ないし５のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
7. 二次空気室（３２，１３２，４３２）と、該二次空気室に入る空気の量を制限するために前記二次空気室に解放された第２可変ダンパー（３４，１３５，４３４）とを含んでなり、前記二次空気室（３２，１３２，４３２）は前記炉内に繋がる少なくとも１つの空気開口に流体連通する請求項６のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
8. 前記二次空気室（３２，１３２，４３２）に流体連通する少なくとも１つの空気口（３０）を含んでなる請求項７のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
9. 前記燃料スパッド（２４，１０２，１２４，２２４，３２４，４２４）をセンタリングして前記バーナー管（１２，１０６，４１２）に一直線上に配列するセンタリングプレート（６０）であって、前記一次空気室（２６，１１０，７８，４２６）からの流れを許容するために孔空きであるセンタリングプレートを更に含んでなる請求項１ないし８のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
10. 前記センタリングプレート（６０）は外輪部材（６４）と、内センタリング部材と、半径方向に延伸して前記外輪部材（６４）と前記内センタリング部材を連結する複数のスポーク（６２）とを有する請求項９のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
11. 前記外輪部材（６４）は前記センタリングプレート（６０）を前記一次空気室（２６，１１０，７８，４２６）内に固定し、前記燃料を前記バーナー管（１２，１０６，４１２）に供給するガスライザー（２５）が前記内センタリング部材の中を延伸し前記内センタリング部材によって支持されている請求項１０のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
12. 前記一次空気室（２６，１１０，７８，４２６）内に水蒸気を噴射する手段（１５，１１５，４８４）をさらに含んでなる請求項１乃至１１のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
13. 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１２のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
14. 前記バーナーはフラットフレームバーナーである請求項１乃至１３のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
15. 前記燃料は燃焼排ガスである請求項１ないし１４のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
16. 前記燃料スパッド（２４，１０２，１２４，２２４，３２４，４２４）を出るまだ燃焼していない燃料ガスの前記吸引効果を増大させる前記手段は前記燃料スパッド（２４，１０２，１２４，２２４，３２４，４２４）の滑らかな断面の外表面（１２１，３２１，４２１）であって、空気と燃焼排ガスが前記燃料スパッドの上を通過して前記バーナー管（１２，１０６，４１２）の前記上流端（１６，４１６）に入るときに流れの分離と流れの渦巻きを低減するものである請求項１ないし１５のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
17. 前記燃料スパッド（２２４，３２４）を出るまだ燃焼していない燃料ガスの前記吸引効果を増大させる前記手段は前記燃料スパッド（２４，１０２，１２４，２２４，３２４，４２４）内に形成された集束／拡散ラバルノズル（２２７，３２７）をさらに含んでなる請求項１１ないし１６のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
18. 前記燃料を該燃料が前記バーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）に入る前に、前記燃料スパッド（２２４，３２４）の前記ラバルノズル（２２７，３２７）を出る前記燃料の速度を最大にするのに有効な温度まで加熱するヒータ（５１８）を有する燃料供給制御システム（５００）を更に含んでなる請求項１７のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
19. 前記バーナー先端（２０，４２０）は、その外表面（６９）の下流において燃料の燃焼が生じるように前記外表面（６９）に複数の中央バーナー先端開口（６４，１６４）を有し、該複数のバーナー先端開口（６４，１６４）の数及び寸法は、前記外表面（６９）における前記複数のバーナー先端開口（６４，１６４）の合計面積比が１ｋＪ／秒につき少なくとも２.２mm²（百万（ＭＭ）Ｂｔｕ／ｈｒにつき１in² ）のバーナー能力となるものである請求項１ないし１８のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
20. 前記少なくとも１つの流路（７６，１１２，３７６，４７６）の断面は、大径と、該大径の３０乃至１００％である小径を有する請求項１ないし１９のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。
21. 前記少なくとも１つの流路（７６，１１２，３７６，４７６）に水蒸気を導入する少なくとも１つの水蒸気管（５３，１１８）を更に含んでなる請求項１ないし２０のいずれか１つに記載のバーナー（１０，１００，３１０，４５０，５５０，４１０）。

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