JPH02247406A - 炭化水素燃料燃焼装置の輻射熱の発生を増加するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃料（好ましくはガス状炭化水素燃料）を用
いて熱を発生させる燃焼装置（システム）に関する。よ
り詳しくは、本発明は、燃焼火炎（この燃焼火炎には、
火炎領域内で実質的に酸化されるプラズマ発生形態輻射
粒子（ｐｌａｓｍａ−ｇｅｎｅ−ｒａｔｅｄ、　ｈｅａ
ｔ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）が供給
される）の輻射出熱（ｒａｄｉａｎｔ　ｈｅａｔ　ｏｕ
ｔｐｕｔ）を増大させる方法及び装置を提供することに
ある。

炭化水素燃料を酸化してエネルギを熱の形態で解放する
燃焼装置が、熱発生及び熱伝達を最適化するため、広く
研究されている。当業者は、燃焼装置の設計及び作動に
おいては、エネルギの効率的な利用及び汚染制御が主要
考察事項であると考えている。従来の１つの形式の燃焼
バーナには、燃料ガスを流すノズルが設けられていて、
ノズルの出口開口部では、燃料と酸化体ガス（ｏｘｉｄ
ａｎｔｇａｓ　）、代表的には空気、とが−緒になって
可燃性混合物を形成する。この可燃性混合物が点火され
ると、自続式酸化反応（すなわち燃焼）が開始され、こ
の自続式酸化反応は、反応物質の供給、必須発火温度及
び火炎の安定性が維持される限り継続する。この構成で
は、燃料ガスと酸化体とが完全に予混合されないため、
２つの反応ガス同士の界面で酸化作用が行われる拡散火
炎が形成される。

また、燃料ガスと酸化体ガスとの性質に応じて、種々の
燃焼生成物が形成される。空気中で化石燃料を燃焼する
ような場合には、高温の高速膨張燃焼ガスは、主として
、二酸化炭素、水蒸気、窒素、−酸化炭素、水素、酸素
、炭化水素、酸化窒素からなり、これに微量の他の物質
が含まれている。

大部分の燃焼装置の主目的は熱エネルギ源を提供するこ
とにあり、多数の形状の燃焼室及び熱交換器が考案され
ている。当業者には知られているように、燃焼火炎によ
って解放された熱は、２つの主要な伝熱モード（すなわ
ち、対流及び輻射）により燃焼室の壁に伝達される。高
温の燃焼ガスが反応装置を通って移動するとき、燃焼ガ
スは伝熱表面と接触し、従って直接伝熱を行う。また、
熱は熱輻射によっても伝達され、この熱輻射は、火炎温
度及び／又は火炎の明るさの上昇につれて伝熱量が大き
くなる。当業者には理解されようが、輻射による熱伝達
は、視感プロセス（ｌｕｍｉｎｏｕｓｐｒｏｃｅｓｓ）
及び非視感プロセスの両方の場合に行われる。視感輻射
熱伝達の場合には、炎中に同伴される煤（スート）及び
他の粒子のような物質が、赤外線スペクトルの広帯域に
亘って熱を輻射し、スペクトルの可視光帯域でも僅かな
輻射が行われる。これに対し、非視感輻射熱伝達には、
高温の燃焼生成物（一般には二酸化炭素及び水蒸気）か
らの赤外線発光が含まれている。

後でより詳しく説明するように、本発明は、主として輻
射熱伝達の視感成分（ｌｕｍｉｎｏｕｓ　ｃｏｍｐｏｎ
−ｅｎｔ）を取り扱うものである。燃料油等のような炭
素／水素比（ｃａｒｂｏｎ−ｔｏ−ｈｙｄｒｏｇｅｎ　
ｒａｔｉｏ）の大きな燃料は、燃焼中にかなり多量の煤
を生成する。この煤の生成により、輻射熱伝達が大幅に
向上する。

逆に、天然ガスの主成分であるメタンのように炭素／水
素比の小さな燃料は、最小量の煤を生成するだけであり
、従って、視感熱輻射能力（ｌｕｍｉｎｏ−ｕｓ　ｈｅ
ａｔ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ　ｃａｐａｃｉｔｉｅｓ）は
小さい。しかしながら、これらの燃料は、燃焼中の水蒸
気の増加により、大きな非視感輻射出熱（ｎｏｎ−１ｕ
ｍｉｎｏｕｓｒａｄｉａｎｔ　ｏｕｔｐｕｔ）を有して
いる。燃焼火炎の視感幅射出熱（ｌｕｍｉｎｏｕｓ　ｒ
ａｄｉａｎｔ　ｏｕｔｐｕｔ）と燃料の炭素／水素比と
の間には、全体的な相関関係があることが分かっ、てい
る。燃料の炭素含有量が増大すると、煤生成の増大によ
り、火炎の視感幅射出熱が増大する。本発明においては
、燃料の炭素含有量と視感輻射熱伝達との間の経験的な
関係が回避される。

拡散炎中に炭素粒子が形成される正確なメカニズムは、
この現象についての多くの研究がなされているにもかか
わらず、未だ良く理解されていない。１つの理論は、正
に帯電した炭素イオンが熱分解領域内に形成され、この
イオンが炭素成長の核になると考えるものである。炭素
粒子は相互に関連して、種々のサイズ及び形状をもつ大
きな凝集を形成するようになる。火炎からの輻射熱伝達
は、拡散アセチレン火炎の熱分解領域中に自然に形成さ
れた炭素粒子に電界をかけて、その滞留時間を調節する
ことにより制御できることが他の文献により示唆されて
いる（１９８１年、燃焼学会（Ｃｏｍ−ｂｕｓｔｉｏｎ
　Ｉｎ５ｔｉｔｕｔｅ）主催、燃焼に関する第１８回（
国際）シンポジウム（Ｅｉｇｈｔｅｅｎｔｈ　Ｓｙｍｐ
ｏｓｉｕｍ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）　ｏｎ　　
Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）、「直流ｌＯＭＨｚの電界をか
けたときの火炎明るさ及び炭素形成に与える効果」　（
“Ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ＤＣ１０ＭＨ２Ｅｌｅ
ｃｔｒｉｃ　Ｆｉｅｌｄ　ｏｎ　Ｐｌａｎｅ　Ｌｕｍ１
ｎｏｓｉｔｙ　ａｎｄ　Ｃａｒｂｏ−ｎ　Ｆｏｒｍａｔ
ｉｏｎ”）。この技術分野の当業者には、炭素／水素比
の小さな例えば天然ガス及び他のガスの燃焼中に形成さ
れる炭素粒子が少ないことから、これらの燃料が環境衛
生の観点（微粒煙突排出物（ｐａｒｔｉ−ｃｕｌａｔｅ
　５ｔａｃｋ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ）が少ないこと）から
好ましいものであるとはいえ、輻射能力が小さいという
重大な欠点を有するものであることに気付くであろう。

従って、最も好ましくは、微粒煙突排出物を増加させる
ことなく、小さな炭素／水素比をもつ燃料の熱輻射能力
を向上できる手段を提供することが望ましい。更に好ま
しくは、これを、酸化窒素排出量を低減できる方法で行
うことである。

燃焼火炎中の輻射物質（ｒａｄｉａｔｉｖｅ　ｂｏｄｉ
ｅｓ）の数を増加させるため、これ迄、燃焼燃料及び／
又は酸化体ガスの予熱を行ってきた。しかしながら、こ
の技術では、条里の粒子を形成させるのに７（１０℃以
上の温度が必要であることが分かっている。また、三酸
化硫黄、塩素化炭化水素、無機塩、四塩化チタン、フッ
化炭素及び他のガス等の添加剤を燃焼火炎に添加する試
みもなされている。

種々の理由から、これらの従来の方法は実用的な価値が
ないことが実証されている。最も重要なことは、火炎添
加剤のコストにより燃焼装置の運転費用が嵩むこと及び
好ましくない汚染物質がしばしば形成されることである
。また、外部供給源から燃焼火炎に炭素粒子を添加する
ことも試みられてきたが、粒子サイズの正確な制御が不
可能なため、制限的な成功に終わっていた。また、摩擦
電気作用により、燃焼室内では完全燃焼できないサイズ
に炭素粒子が凝集されてしまい、このため、大きな粒子
の熱慣性の増大により高輻射温度を得ることは不可能で
ある。次いで、これらの炭素凝集物は排出ガス中に追い
出される。摩擦電気の帯電による粒子の凝集は、サブミ
クロンの炭素粒子の場合にも観察されている。また、外
部供給源からの炭素粒子の添加により輻射熱伝達が幾分
増大すると同時に煙突排出物も増加し、伝熱表面上に炭
素が堆積する（この炭素の堆積により熱伝達が低減され
る）。更に、生成される比較的大きな粒子は、従来の粒
子噴射方法又はプリクラッキング方法にとって全て非常
に有害である。

また、天然ガス及びメタンガスのような炭化水素燃料ガ
スは、適当な電気的特性をもつ電気アークにより熱分解
することができる。主として、１０．（１００℃を超え
る極めて高い温度を発生させることができるため、アル
ゴンのような不活性ガスをイオン化することにより形成
されるガスプラズマの研究が広範囲に行われている。こ
れらの装置では、ガス又はガス混合物が、間隔を隔てて
配置された１対の電極の間で発生される電気アークに通
して流される。ガスプラズマが形成される正確なメカニ
ズムは未だ完全に理解されていないが、ガス分子がイオ
ン化されて正及び負のイオンが形成されるこ・と、及び
電子が電極に向かって加速されることは明白である。加
速された粒子は他のガス分子と衝突し、衝突した分子は
次に分離する。

このようにして、イオンのプラズマ、遊離基、及び高エ
ネルギ電子（ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ
）が形成される。活性ガスを用いてガスプラズマを形成
する研究についてはなされているが、天然ガスを用いて
ガスプラズマを形成する研究は殆どなされていない。

本願において参考として導入する「電気アーク装置」　
（“ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＲＣＡＰＰＡＲＡＴｔｌＳ”）
という名称の米国特許第４．３５５．２６２号には、ガ
ス状供給原料のプラズマを発生させるのに特に効率良く
使用できる電気アーク装置が開示されている。この電気
アーク装置には、電極アーク中で材料を処理する装置が
設けられている。この装置は、環状アノードの収斂する
のど部に同心状に配置された平らな端部を備えたロッド
状キャッチを有している。カソードとアノードとの間に
は環状のギャップが形成されており、このギャップを通
ってアルゴンのようなガスが流れることができるように
なっている。電極の間で、このギャップに跨がる電気ア
ークが発生される。また、磁界発生手段のような手段が
設けられていて、アノード及びカソード上の所定経路に
沿ってアークを移動できるようになっている。すなわち
、アークの両端部は、アノード及びカソード上の所定経
路の回りで回転し、これにより、電極の侵食が大幅に低
減される。

上記米国特許には、不燃性ガスから活性種（ａ−ｃｔｉ
ｖｅ　５ｐｅｃｉｅｓ）を発生させて燃焼装置に噴射で
きるようにする電気アーク装置を使用することも開示さ
れている。この電極アーク装置では、例えば該装置から
噴射される材料により酸化し又は煤形成工程を電気的に
修正して煤を除去し、当然に汚染の除去を行うようにな
っている。これにより、煤の酸化速度の増大及び／又は
その電気的表面特性従って凝集特性の改善を図ることが
でき、燃焼生成物を容易に除去できると説明されている
。また、上記米国特許においては、水素原子又は窒素原
子を噴射して火炎の安定性を向上させ、希薄燃料混合物
（ｆｕｅｌ−１ｅａｎ　ｍ１ｘｔｕｒｅ）を点火しかつ
燃焼を加速して燃焼を向上させると同時に汚染を低減で
きると説明されている。この従来の装置は、ガス流中に
アルゴンを用いる必要性を無くすべく開発されたもので
ある。この装置は、アルゴンを使用することなく炭化水
素ガス中にアークを発生させることができるが、カソー
ドの端部に尖塔状炭素堆積物が形成されるため、２分間
以上は運転できないことが本発明者により確認されてい
る。この米国特許においてより詳しく説明されているよ
うに、この尖塔状炭素堆積物はカソードの電位にあって
、カソードスポット（陰極点）の移動経路を形成し、装
置の安定性を低下させる。また、尖塔状炭素堆積物によ
りアノードのオリフィスが塞がれ、これにより、火炎の
安定化が損なわれかつ火炎の消滅が引き起こされる。尖
塔状炭素堆積物の形成の問題は、本発明により解決され
る。また、この従来技術による装置は、ジェットエンジ
ンの点火源としての炭化水素の供給原料に間歇的に使用
できることが開示されている。

従って、例えば燃焼する天然ガスの連続流中で熱分解的
に炭素粒子を発生させる電気アーク用いている燃焼装置
であって、炭素粒子が持続燃焼火炎中で熱輻射物質とし
て働（ように構成した燃焼装置を提供することが望まれ
ている。理想的には、この特性をもつ装置が、広範囲の
燃料速度（ｆｕｅｌｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ）に亘って安
定している燃焼火炎を形成でき、かつこれらの熱輻射物
質により生成された火炎の輻射冷却（ｒａｄｉａｔｉｖ
ｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ）により酸化窒素排出物を低減でき
ることである。本発明は、この目的を達成することにあ
る。

本発明によれば、炭素／水素比の小さなガス状炭化水素
燃料を燃焼させて多量の輻射熱を生成できる熱エネルギ
発生装置が提供される。本発明の一実施例による装置は
、ギャップが形成されるように互いに間隔を隔てて配置
された１対の電極を有しており、前記ギャップを跨がっ
て電気アークを発生させるようになっている。ギャップ
を通るガス状の流れとして炭化水素燃料を運ぶ手段が設
けられていて、燃焼火炎からの熱が得られるようになっ
ている。本発明の装置は、燃料の流れの少量部分を電気
アークにより熱分解することができる。燃料ガスをイオ
ン化することによりガスプラズマが形成され、このガス
プラズマにより、熱輻射物質が熱分解的に形成される。

これらの熱輻射物質により、燃焼火炎の視感輻射出熱が
顕著に増大され、これが加熱すべき表面に伝達されるよ
うになっている。本発明による装置は、従来の燃焼装置
に比べ、絞り比（ｔｕｒｎｄｏｗｎ　ｒａｔｉｏ）を改
善できかつ酸化窒素の排出量を低減することができる。

ここにいう「絞り比」とは、火炎のりフトオフ（浮き上
がり）又はフレームアウト（立ち消え）を生じさせるこ
とがない最大処理量／最小処理量の比をいう。一実施例
においては、燃焼は、熱伝達表面を備えた燃焼室内で行
われる。別の実施例においては、熱処理すべき材料に熱
が直接伝達されるようになっている。

本発明の好ましい実施例においては、互いに間隔を隔て
て配置された電極が、環状アノードと、該環状アノード
に対して軸線方向に配置されたカソードとにより構成さ
れている。この構成により、燃料ガスは、アノードの中
央ボア内に通じる空間内のカソードの周囲に流入する。

これにより、流れる炭化水素ガスの一部が、互いに間隔
を隔てた電極の間を通り、燃料の一部がイオン化される
。

ガスプラズマがこの熱分解領域において反応し、炭素質
で粒子サイズの熱輻射物質を形成する。これらの熱輻射
物質は、炭化水素ガスの流れに同伴される。同伴した粒
子をもつ炭化水素ガス流は、アノードの中央ボアを通っ
て流れる。アノードのボアから流出するガス流を包囲す
る酸化体ガスを導入する手段が設けられていて、該手段
により酸化体ガスと炭化水素ガスとが一緒になる。これ
らのガスはそれらの界面で点火され、熱輻射物質により
火炎の視感熱輻射が高められた乱流拡散燃焼火炎（ｔｕ
ｒｂｕｌｅｎｔ　ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｃｏｍｂｕｓｔ
ｉｏｎ　ｆｌａｍｅ）が得られる。電極の侵食を低減さ
せるには、両電極間に生じるアークを電極表面の回りで
運動させるのが好ましい。後でより詳しく説明するよう
に、本発明の燃焼装置は、天然ガスの乱流拡散火炎の輻
射熱伝達を最適化するのに特に有効である。

本発明の他の特徴は、プラズマ発生器と、熱分解により
形成された物質が電極の表面上に堆積することを防止す
る手段とを備えている燃焼バーナを提供することである
。このバーナは、熱回収装置に関連して本発明で説明し
た熱輻射増強装置と組み合わせて使用するか、或いは材
料の熱処理に使用するのが好ましい。一実施例において
は、本発明の燃焼バーナは、電気アークを発生させるギ
ャップが形成されるように互いに間隔を隔てて配置され
た１対の電極を備えている。また、炭化水素ガス搬送手
段が設けられていて、該手段により炭化水素ガスがアー
クギャップ領域に供給されるようになっている。ガスの
二次流が通る少なくとも１つの通路が設けられていて、
ガスが両電極のうちの少なくとも一方の電極の表面に衝
突し、これにより、熱分解により形成された物質が電極
上に堆積することを防止できるようになっている。

好ましい実施例においては、燃焼バーナがカソードと環
状アノードとを有しており、これらは、アークギャップ
を形成すべく適当な間隔を隔てて配置されている。カソ
ードを包囲している環状体は、炭化水素燃料ガスの一次
流のための通路として働くようになっている。カソード
は、環状アノードに対して軸線方向に、好ましくは同心
状に整合して配置されている。一実施例においては、ア
ノードの本体を通ってチャンネルが延在しており、該チ
ャンネルは、カソードの平らな表面（平端面）に向いて
いる出口に終端している。カソードの一部がアノードの
中央ボアの一部の中に同心状に配置されている構成にお
いては、このチャンネルは、アノードの本体を通って半
径方向に配置し、アノードのボアと連通ずる出口に終端
させてカソードの表面に差向させるのが好ましい。別の
実施例においては、熱分解により形成された物質の堆積
を、炭素源のカソード（炭素カソード〕を用いて防止す
るように構成されでいる。

更に別の実施例においては、改良された電気アーク装置
により、元のアークギャップ距離を変えることなく、反
応性材料をイオン化してプラズマ流を形成するように構
成されている。この改良された電気アーク装置は従来の
２電極プラズマ発生器を有しており、これを、熱分解に
より形成された物質が電極上に堆積されることを防止す
る手段を構成するように改良したものである。好ましい
実施例においては、電極に関連してガスジェット通路が
設けられており、少な（とも一方の電極の表面に高速ガ
ス流が衝突するようになっている。

別の構成では、炭素電極を用いて、この好ましからざる
堆積を防止するようになっている。この方法によれば、
イオン化のために材料の一次流が電極のギャップを通っ
て流れ得るようになっており、同時に、帯電した種（ｓ
ｐｅｃｉｅｓ）が電極上に堆積することを防止すること
ができる。１つの実施例においては、環状アノードのチ
ャンネルすなわちボアを通るガスジェット通路が設けら
れており、この通路は、ロッド状のカソードと同心状に
整合する収斂のど部を備えている。この構成においては
、ガスジェット通路をアノードの中央ボアと連通させる
のが最も好ましい。

また、本発明によれば、被酸化性の熱輻射粒子の滞留時
間を調節できかつ酸化窒素の排出量を低減できる燃焼装
置が提供される。１つの構成として、燃焼装置にプラズ
マ発生器を設け、これにより熱輻射粒子を発生させるよ
うにした。別の構成として、燃焼装置が、燃焼火炎の熱
分解作用により形成された粒子の滞留時間を制御できる
ようにした。好ましい構成においては、燃焼火炎の回り
に周方向に配置された環状出口を燃焼装置に設け、この
環状出口を通って炭化水素ガスが流れるようになってい
る。バーナノズルの下流側に燃料供給源を設けることに
より、熱輻射粒子の早期酸化を低減することができ、こ
れにより、火炎からの熱伝達を向上させかつ酸化窒素の
排出量を低減することができる。この燃焼装置は、１つ
以上の上記熱輻射増強装置と組み合わせて使用するのが
より好ましい。

また、本発明によれば、燃焼火炎の輻射熱の発生を増強
できる多数の方法が提供される。本発明の方法は、天然
ガスの燃焼に特に有効である。従って、本発明によれば
、−次燃料流の一部を電気アークにより熱分解すること
により、制御された量で熱輻射物質を発生させることが
できる方法が提供される。熱輻射物質は、ノズルオリフ
ィスを通って流れる燃料流中に同伴される。酸化体ガス
が供給され、該酸化体ガスは、燃料流がノズルを出ると
きに該燃料流を包囲するようになっている。

燃料と酸化体ガスとの間の界面において、燃料分子が酸
化体ガスと一緒になって燃焼混合物が形成される。公知
の方法でこの混合物を点火すれば、乱流拡散火炎が形成
される。燃焼火炎中に熱輻射物質が存在すると、乱流拡
散火炎の視感幅射出熱が増大される。また、燃焼の強さ
及び火炎の安定性も増大する。燃焼室内で燃焼反応が行
われ、火炎の輻射熱成分及び対流熱成分が、熱伝達表面
に伝達される。別の方法として、燃焼反応により生じた
熱が、熱処理すべき材料に直接伝達されるようになって
いる。

本発明の別の構成により、電気アークにより熱輻射物質
を発生させ、燃焼火炎の輻射熱の発生量を増大させる方
法が提供され、この方法は、熱分解的に形成された物質
がプラズマ発生用の電極上に堆積することを防止する工
程を有している。この方法は、炭化水素燃料の一次流を
電気アークに通して流し、燃料流の一部を熱分解して、
燃料流中に同伴される熱輻射物質を形成することにより
達成される。さもなくば電極上に堆積されることになる
熱輻射物質は、二次ガス流を電極の表面に向けて噴射す
ることにより一次流中で移動される。

この二次ガスのジェットは、炭化水素燃料で構成しても
よい。好ましい実施例においては、電極組立体が環状ア
ノードを備えており、該環状アノードが、平端部をもつ
カソードから所定距離だけ間隔を隔てて配置されていて
、アノードに隣接するカソードの表面に向けて二次ガス
流が差向されるように構成されている。１つの形態にお
いては、二次ガスのジェットが、アノードに形成された
チャンネルから流出するようになっている。別の構成と
して、炭素電極を用いて、熱分解により形成された物質
が電極上に堆積することがないようにしている。

本発明の更に別の実施例によれば、燃焼火炎中における
被酸化性の熱輻射粒子の滞留時間を制御する方法が提供
される。これらの熱輻射粒子は、本発明の教示に従って
プラズマ熱分解により形成することもできるし、或いは
拡散火炎の熱分解作用により形成してもよい。燃焼火炎
の回りで周方向に配置された環状出口から炭化水素燃料
の流れ又は他の非酸化性ガスを導入することにより、粒
子の早期酸化が防止される。このガス流によって、粒子
を輻射するより均一な温度場（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｆｉｅｌｄ）が形成されかつ酸化窒素排出蛍が低減され
る。所望ならば、周方向のガス流中に酸化体を添加する
ことにより、同伴された粒子のより迅速な酸化を行うこ
とができる。最も好ましい実施例においては、前述の二
次ガス流を使用するプラズマ増強燃焼装置中の三次ガス
流で周方向のガス流を形成し、カソード上への物質の堆
積を防止するようになっている。

燃焼を増強しかつ制御する装置に用いるこれらの方法に
加え、本発明によれば、電気アーク熱分解により物質を
処理する改良された方法が提供される。この方法は、さ
もなければ堆積が生じるであろう電極の表面にガス状の
流れを差向させることにより、或いは炭素電極を用いる
ことにより、熱分解で形成された粒子がアーク電極上に
堆積することを防止することができる。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

寒施上 第１図には燃焼装置３０の全体が示されており、該燃焼
装置３０は、慣用的な方法で一連のチャンバを形成して
いる燃焼ユニット３２を有している。

この実施例においては、燃焼ユニット３２は、プラズマ
アシスト形燃焼バーナ３４により頂部点火されるスチー
ムボイラの範噴に入る。プラズマアシスト形燃焼バーナ
３４からは乱流拡散火炎３６が放出され、該火炎３６は
燃焼室３８内に延入している。高速で膨張する高温の燃
焼ガスは、燃焼室３８からポート４２を通って環状の煙
道通路４０に移動し、煙道出口４３を通って環状の煙道
通路４０から排出される。熱交換ジャケット４４が環状
体４６として示されており、燃焼装置３０の運転中に、
水のような適当な熱交換媒体が、パイプ４８．５０を介
して熱交換ジャケット４４に通して循環される。また、
熱交換ジャケット４４は燃焼室３８を形成している。環
状体４６内の圧力を制御するため、逃がし弁５１が設け
られている。当業者には理解されようが、断熱シェル５
２が設けられていて、燃焼装置３０からの熱損失を最小
にしている。より詳しく説明すると、プラズマアシスト
形燃焼バーナ３４には、ガス供給源５８に連結された燃
料供給パイプ５６を通して、燃料（好ましくはガス状燃
料）が供給される。同様に、プラズマアシスト形燃焼バ
ーナ３４の酸化体ガス供給ハウジング６３により形成さ
れた環状の酸化体ガス通路６１を通して、酸化体ガス（
好ましくは空気）がブロワ６０により供給される。

導管　６２内には電気のリード線（図示せず）が通され
ていて、プラズマアシスト形燃焼バーナ３４と適当な電
源とが相互連結されている。プラズマアシスト形燃焼バ
ーナ３４は、開口部６８を通して、燃焼ユニット３２の
キャップ６６内に支持及び保持されている。運転中に、
プラズマアシスト形バーナ３４は、クーラント循環装置
７０により冷却される。バーナ３４の冷却は、該バーナ
３４を通して熱伝達液体を循環させるクーラント循環装
置７０により行うか、或いは燃焼ガス及び／又は物質ガ
ス（ｍａｔｅｒｉａｌ　ｇａｓ）の流れをバーナ３４に
流すことにより行うことができる。

本発明には、燃焼ユニット３２と同様な種々の装置を用
いることができることを理解すべきであるが、後でより
詳しく説明するように、物質の直接処理を行うにはプラ
ズマアシスト形燃焼バーナ３４が有効であると考えられ
る。第１図に示す燃焼ユニット３２は単なる１つの好ま
しい構造であり、当業者ならばその原理を理解できるで
あろう。

従って、火炎３６により発生された熱は、輻射及び対流
による熱伝達によって、熱交換ジャケット４４の通路（
環状体）Ａ６中の熱交換媒体に伝達される。対流熱の回
収を最適化するため、燃焼ガスがポート４２を通って煙
道通路４０内に移動し、該煙道通路４０内で燃焼ガスは
再び熱交換ジャケット４４と接触する。寄生冷却（ｐａ
ｒａｓｉｔｉｃ　ｃｏ。

１ｉｎｇ）による装置からの熱損失は、断熱シェル５２
により最小限になる。

第２図及び第３図には、この実施例のプラズマアシスト
形燃焼バーナ３４が示されている。バーナ３４はバーナ
ヘッド７４を有しており、該バーナヘッド７４は複数の
支柱７８によりベースプレート７６に取り付けられてい
る。ベースプレート７６を通してカソードブツシュロッ
ド８０が設けられている。電極間の間隔は、このカソー
ドブツシュロッド８０により、ここに詳細に説明する方
法により調節される。電極間の間隔を手で調節できるよ
うにするため、カソードブツシュロッド８０の一端にノ
ブ８２（第１図には示されていない）を設けるのが好ま
しい。プラズマアシスト形燃焼バーナ３４の内部部品を
隔絶しかつカソードブツシュロッドホルダ８６の環状の
クーラント通路８４を包囲するため、円筒状のハウジン
グ８８が設けられている。このハウジング　８８は、こ
の特定の実施例においてはプレキシガラス（「Ｐｌｅｘ
ｉｇｌａｓ」）により形成されている。円筒状ハウジン
グ８８の一端はベースプレート　７６に当接しており、
他端はバーナヘッド７４に当接している。より詳しく説
明するように、装置の運転中に、プラズマアシスト形バ
ーナ３４の幾つかの部品は、相互連結された通路　（そ
の１つはクーラント通路８４である）を通して適当なり
−ラントを循環させることにより冷却される。クーラン
トは、クーラントライン８９を通してクーラント通路８
４内に導入される。クーラントは、第２クーラントライ
ン（図示せず）を通してクーラント通路のネットワーク
から取出される。第２クーラントラインはクーラントラ
イン８９と同一であり、かつクーラント通路８４と流体
連通している。このため、クーラント通路８４とバーナ
ヘッド７４内の同様なり−ラント通路　（第１図〜第３
図には図示されていない）とを連結するホース９０が設
けられている。また、プラズマアシスト形燃焼バーナ３
４内には、燃料供給ライン（燃料供給パイプ）５６を通
して、燃料ガスの一次流が導入される。

バーナヘッド７４内にはカソードホルダ９４が収容され
ており、該カソードホルダ９４にはカソード９６が堅固
に固定されている。バーナヘッド７４の中央ボア９８内
には、アノード支持体１（１０が緊密に受は入れられて
おり、該アノード支持体１（１０は、アノードハウジン
グ１０６の肩部１０４上に廃合するフランジ１０２を備
えている。アノード支持体１（１０とアノードハウジン
グ１０６との間に実質的な気密シールを確保するため、
アノード支持体１（１０の溝１０８内にＯリング（図示
せず）が設けられている。本発明の１つの実施例におい
ては、アノード支持体１（１０に内部の環状棚部１１０
が設けられており、該棚部１１０が環状の磁石１１１を
支持するようになっている。この環状磁石１１１の正確
な機能については、後に詳述する。第３図に最も良く示
すように、環状アノード１１２にはフランジ１１４が設
けられており、この特定の実施例においては、１つの二
次ガス供給ライン１１６も設けられている。

バーナヘッド７４には支柱９２が取り付けられており、
該支柱９２は、介在構造（アノード支持体１（１０及び
アノードハウジング１０６）を介して、環状アノードｌ
Ｉ２と電気的に接続されるようになっている。次に、電
気的に付勢するための電気のリード線（図示せず）が支
柱９２に取り付けられる。同様に導管１１７が設けられ
ており、該導管１１７には、カソードブツシュロッド８
０と電気的に接触するリード線１１９が通されている。

このようにして、カソード９６（該カソード９６はカソ
ードホルダ９４と電気的に接触している）が電気的に付
勢されるようになっている。アノード及びカソードに通
じる両リード線は、導管６２を通って電源６４に導かれ
ているが、この点は第１図に概略的に示すに留める。ア
ノード支持体１（１０上に環状アノード１１２を保持し
ておくための保持カラー１１８が設けられており、該保
持カラー１１８には、二次ガス供給ライン１１６のため
のクリアランスを与えるスロット１２０が設けられてい
る。保持カラー１１８は、複数の保持ねじ１２２を用い
てアノード支持体１（１０に取り付けられている。

第４図には、プラズマアシスト形燃焼バーナ３４の全体
が断面図として示されている。このバーナ３４の環状ア
ノード１１２は、保持カラー１１８及び保持ねじ１２２
によりアノード支持体１（１０上の所定位置に固定され
ている。環状アノード１１２は中央のボア１２３を有し
ており、該ボア１２３は、直線状のボア部１２４と収斂
するのど部１２６とで構成されている。収斂するのど部
１２６は、環状アノード１１２の内壁の収斂部すなわち
傾斜部１２７により形成されている。

二次ガス供給ライン１１６は、環状アノード１１２の中
央ボア１２３と連通している二次ガスボアすなわちチャ
ンネル１２８の箇所において環状アノード１１２に取り
付けられている。チャンネル１２８の幾何学的形状は、
このチャンネル１２８を通って流れるガスが、カソード
９６の平らな端部（平端部）１３０に向けられた所定の
角度で中央のボア１２３内に流入するような形状である
。

図示のように、環状アノード１１２の下でかつカソード
９６と同心状に整合した、環状磁石１１１がアノード支
持体１（１０上に支持されている。更に、このアノード
支持体１（１０はアノードハウジング１０６の肩部１０
４上に座台しており、アノードハウジング１０６は、周
方向ハウジング１３２内で所定位置に固定されている。

簡単化のため、第２図〜第４図に、酸化体ガス供給ハウ
ジング６３を図示することは省略しである。前述のよう
に、バーナヘッド７４は支柱７８によりベースプレート
７６に取り付けられており、そのうちの２本の支柱７８
が第４図に示しである。環状アノード１１２からカソー
ド９６を電気的に絶縁するため、好ましくは、介在部品
を通して通電が生じないように、ベースプレート７６及
び円筒状のハウジング８８はプレキシガラスのような電
気絶縁物で形成される。

収斂しているのど部１２６を形成している環状アノード
１１２の収斂部１２７に対するカソード９６の位置が明
瞭に図示されており、図示の構成では、両者は実質的に
同心状に配置されている。

カソード９６はカソード支持体（カソードホルダ）９４
により保持されており、該カソード支持体９４は、その
一端がカソードブツシュロッド８０に螺合されている。

前述のように、カソード９６は、電気リード線１１９（
第４図には図示せず）を介して電気的に付勢される。ま
た第４図には、カソードブツシュロッドホルダ８６の環
状のクーラント通路８４及びアノードハウジング１０６
の環状のクーラント通路１３４が示されている。環状の
クーラント通路１３４は環状のキャップ１３６により閉
鎖されており、該キャップ１３６は、周方向ハウジング
１３２及び保持リング１３８により所定位置に固定され
ている。燃料供給ライン５６の入口ポートと燃料室１４
０との間には、アノードハウジング１０６を貫通してチ
ャンネル　１３９が設けられている。最後に、カソード
９６と環状アノード１１２との間の電極間間隔を調節す
るため、カソードブツシュロッド８０は、ブツシュロッ
ド支持ブロック８６内でねじ調節できるようになってい
る。カソードブツシュロッド支持ブロック（カソードブ
ツシュロッドホルダ）８６の環状クーラント通路８４と
、アノードハウジング１０６の環状クーラント通路１３
４とは、クーラントライン（ホース）９０及びアノード
ハウジング１０６を通っている適当なチャンネル（図示
せず）により互いに連通している。これにより、クーラ
ントは、クーラントライン８９を通して環状通路（クー
ラント通路）８４内に導入され、更に環状クーラント通
路１３４内へと導入される。クーラントは、アノード支
持体（アノードハウジング）１０６に設けた第２チヤン
ネル（図示せず）を通してクーラント通路１３４を出る
ように構成するのが好ましい。

次に第１図を参照して、本発明の一実施例における方法
を説明する。装置の運転に際し、燃料（好ましくはガス
状燃料、最も好ましくは炭素／水素比の小さな炭化水素
燃料）が、燃料供給源５８から燃料供給パイプ５６を通
ってアノードハウジング１０６のチャンネル１３９に流
入し、該チャンネル１３９から更に燃料室１４０内に流
入する。炭素質粒子（ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ　ｐａ
ｒｔｉｃｌｅｓ）を形成する能力及び乱流拡散火炎の視
感輻射出熱に与える炭素質粒子の効果に関する炭化水素
燃料の特徴についての前述の説明に基づけば、本発明の
この特定の実施例は、天然ガスのような燃料の燃焼に顕
著な効果をもたらすものであることが明らかである。天
然ガスは、経済的であること及び全体として汚染性が低
いこと等を含む多くの好ましい特徴を有している。しか
しながら、従来技術による燃焼バーナでは、天然ガスは
、充分な量の炭素質粒子を生成させて、所望レベルの視
感輻射出熱を得ることはできない。従って、本発明は、
その最も好ましい実施例においては、主燃料源として天
然ガスを用いて作動される。本発明は、他の特徴では、
プラズマアシスト形燃焼バーナ３４に導入したときに容
易に気化できる燃料油、アルコ−／ペケロシン等の高級
炭化水素燃料即ち液体燃料を含む種々の燃料に対して有
効である。従って、本発明の装置は、炭素／水素比の小
さな炭化水素燃料に対して特に有効であるけれども、こ
れらの燃料に限定されるものではない。

燃料は、燃料室１４０からアノード支持体１（１０の中
央ボア１４２を通って、収斂するのど部１２６へと流入
し、こののど部１２６において、燃料の一部は以下に詳
しく述べる方法により熱分解される。燃料の流れ及びこ
の流れに同伴された、熱分解により形成された炭素質粒
子は、直線状のボア通路１２４を通って移動し、ノズル
開口部１４４から排出される。乱流拡散火炎３６中の視
感熱輻射物質として作用する炭素質粒子の数を増大させ
るため、カソード９６と環状アノード１１２との間に電
気アークを発生させる。この特定の実施例においては、
カソード９６は平らな端部すなわち平端部１３０を有し
ている。適当な電気回路（図示せず）により両電極間に
電位差を生じさせれば、カソード９６のこの平端部１３
０と環状アノード１１２との間のギャップを横切ってア
ークが発生する。一般に、アークは両電極間の最短経路
を探すため、アークの一端は収斂部１２７において環状
アノード１１２と接触するであろう。アークは、例えば
高周波数発振器を使用したり或いはカソードブツシュロ
ッド８０により電極間間隔を単に縮小する等の当業者に
知られた多くの方法で調節でき、また、カソードブツシ
ュロッド８０を再調節して引っ込めることにより、アー
クの長さを長くすることもできる。

第４図に示す本発明の特定の実施例は、平端部１３０を
もっカソード９６を使用している。この構成は、前記米
国特許第４．３５５．２６２号において説明されている
優れた長所を得ることができるものである。より詳しく
説明すると、平端部１３０をもつカソード９６とこれに
同心状に配置される磁石１１１とを設けることにより、
カソード９６と環状アノード１１２との間に生じるアー
クは、カソード９６の平端部１３０の縁部の回り及び環
状アノード１１２の表面の回りで回転されるようになる
。換言すれば、磁石１１１は、環状アノード１１２のボ
ア１２４を通る長手方向軸線に沿って整合された磁束密
度を及ぼすアーク移動手段を形成する（このようにアー
クを回転させる他の手段が米国特許第４．３５５．２６
２号にも開示されている。

これらの手段も本発明での使用に適しており、ここに参
考として特に述べておく）。このように発生された磁束
密度は、アークに対してほぼ直角に向いていて、アーク
を回転できるようになっている。アークの長さ（一般に
このアーク長は、カソード９６の平端面１３０のリム上
のカソードスポットの点と、アノード１１２の収斂表面
１２７との間の最短距離により定まる）は、作動条件す
なわち運転条件により決定される。このアーク長を決定
する場合に最も重要なことは、作用電流及び電圧であり
、これも質量流量（ｍａｓｓ　ｆｌｏｗ　ｒａｔｅ）に
基づいて決定される。当業者ならば、−次ガス流及びア
ークの回転によりアークを巻き込む傾向、従ってアーク
長が変化する傾向があることに気付くであろう。このア
ークの巻き込み（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）は、両電極
の作用表面間の距離が増大するにつれて増大する。１つ
の実施例においては、電極間間隔は２５０〜１．（１０
０ミクロンの範囲に定めるのが好ましい。当業者には理
解されようが、カソード９６及びアーク１１２の直径は
、−次流の流れ面積（ｆｌｏｗ　ａｒｅａ）を決定する
。カソード９６の直径を大きくすることにより（この場
合、電極間間隔は上記範囲に維持するのが好ましい）、
−次流の流れ面積を増大させることができる。上記の電
極間間隔は本発明の一実施例についてのものであるが、
流量及び作動条件、特に電流及び電圧を注意深くマツチ
ングさせることにより、上記特定の値を超える範囲でも
作動させることができる。

１つの実施例においては、次の作動条件が好ましい。す
なわち、作動電圧は６０〜１２０Ｖ、作動電流は５〜３
０Ａとする。プラズマアシスト形の燃焼に適用する場合
には、電流と電圧との直積（ｄｉｒｅｃｔ　ｐｒｏｄｕ
ｃｔ）により概算することができる。

しかしながら、アークの良（知られたｖ−ｉ挙動（ｖ−
ｉ　ｂｅｈａｖｉｏｒ）のため、一般に、最大電流は最
小電圧において生じ、これにより、上記値に基づくと、
６（１０　（５Ｘ１２０）〜１，８（１０（６０Ｘ３０
）Ｗ　（ワット）の瞬間電力値が得られる。天然ガス火
炎の全流量（ｔｏｔａｌ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　ｆ
ｌａｍｅｆｌｏｗ　ｒａｔｅ）が１．５〜２．２５　　
ｋｇ／ｈｒの間にある適用例の場合には、通路（ボア）
１２３を通る流量は、好ましくは、０．５〜１．０　ｋ
ｇ／ｈｒである。成る適用例の場合には、上記範囲外の
値が適当な実施例もある。

燃料が電極間ギャップを通って流れるとき、燃料の一部
が電気アークにより熱分解され、炭素質粒子すなわち「
種粒子（ｓｅｅｄ−ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）Ｊが生成され
る。理論的には、これらの粒子は核として始まり、次い
で、ノズル開口部１４４を出るときには約０．０１〜０
．０５ミクロンの最適粒子サイズまで凝集する。更に、
理論的には、これらの炭素質粒子は、乱流拡散火炎３６
を更に凝集させて約０．０５〜０．２５ミクロンのすに
ズにするということも理論上想定される。粒子サイズは
、火炎中での熱輻射物質の滞留時間並びに粒子の視感輻
射出熱特性を部分的に決定する。粒子サイズは、燃料の
化学的特性、アーク特性並びにアーク領域における燃料
の質量流量の関数である。例えば、アーク電流を増大さ
せると、発生する粒子の数並びに粒子の最大サイズが大
きくなる。粒子は核形成段階で相互作用させるべきであ
り、粒子は充分に小さくて熱慣性を小さくできるもので
あるべきであり、及び大きな単位質量（マス）当りの輻
射表面積が得られるものである。また、粒子は、好まし
くは、燃焼領域を出る前に完全に酸化される。

乱流拡散火炎３６は、関連する燃料と、空気又は酸素を
濃厚にした空気のような酸化体ガスとを電気アークでス
パーク点火することにより形成されることが理解されよ
う。酸化体ガス（好ましくはブロワ６０により供給され
る空気）は、酸化体ガス通路６１を通って流れ、出口（
ノズル開口部）１４４から出る燃料（この燃料は、同伴
した炭素質粒子を含有している）と−緒になり、乱流拡
散火炎３６を形成する。当業者には理解されようが、従
来の乱流拡散火炎の基部のところで空気を同伴すること
により、火炎のりフトオフ（浮き上がり）及びブローア
ウト（吹き消え）を引き起こし、このため有効絞り比（
ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｕｒｎ−ｄｏｗｎ　ｒａｔｉｏ
）を低下させる。これに対し本発明においては、増大さ
せた視感輻射により火炎が安定化されるだけでなく、熱
分解により形成された水素原子及び分子の断片（ｆｒａ
ｇｍｅｎｔｓ）によりこれらの火炎領域における臨界燃
焼速度が増大される（このようなことがなければ、火炎
領域における燃料と空気との予混合燃焼により火炎の安
定性が制限される）。

従って本発明によれば、燃焼の安定性が改善され、これ
により絞り比を改善できると共に、燃焼の強さ、すなわ
ち単位体積当りの熱発生量（ｈｅａｔ　ｒｅｉｅａｓｅ
　ｒａｔｅ）を増大することができる。

上記のように、電気アークにより点火が行われ、火炎は
、燃料及び／又は酸化体の流れが遮断されるまで燃焼し
続ける。本発明によれば、絞り比が大幅に増大されるた
め、アークを遮断することにより、非常に小さな（又は
大きな）燃料速度において乱流拡散火炎３６を消滅させ
ることができる。

従って、信頼性の高い電源を設けることが重要である。

標準的な平滑回路技術が使用されておりかつ大きなキャ
パシタンス及びインダクタンスを有するＤＣ（直流）電
源を用いるのが好ましい。アークを生じさせるのに高電
圧トリガを使用できるので、ゼロに非常に近い電流の変
動を監視して安定化を図るべきである。電流の変動が非
常に大きいとジュール熱が発生し、これが電極の寿命に
悪影響を及ぼす。

このようにして熱輻射粒子を発生させることにより、乱
流拡散火炎３６の視感輻射出熱を大幅に向上させること
ができる。

最高燃焼温度と酸化窒素の形成との間には相関関係があ
り、最高燃焼温度が高い程、多量の酸化窒素が生成され
る。火炎からの視感輻射出熱を高めることにより、熱は
、小さな視感輻射出熱をもつ同様な火炎から消滅するよ
りもより迅速に火炎から消滅する。最高火炎温度が低下
すると、燃焼ガス中の酸化窒素の放出量を低下させる。

酸化窒素の減少は、プラズマにより発生された炭素質の
熱輻射粒子の導入により生じる火炎の輻射冷却の直接的
結果として生じる。

当業者には理解されようが、電気アークによりかなりの
熱が発生するため、プラズマアシスト形燃焼バーナ３４
を冷却するための手段が設けられている。水のようなり
−ラントが、クーラント通路１３４及びクーラント通路
８４を通って循環される。クーラント通路１３４中のク
ーラントは、アノードハウジング１０６、アノード支持
体１（１０及び環状アノード１１２から熱を奪う働きを
なす。同様に、クーラント通路８４を通って流れるクー
ラントは、カソードブツシュロッド８０、カソード支持
体９４及びカソード９６から熱を奪う働きをなす。当業
者には理解できようが、カソード９６を形成している材
料は、特徴的な熱電子作用機能を有している。また、カ
ソード９６は成る程度侵食されるであろうが、その度合
は、前述のように電気アークを回転することにより、本
発明の最も好ましい実施例において最小にできることも
理解されよう。第１図に示すように、乱流拡散火炎３６
により発生される熱は、先ず熱交換ジャケット４４に伝
達され、次いで、通路４６内の熱交換媒体に伝達される
。前述のように、熱交換媒体は、入口５０及び出口４８
を介して、通路４６を通って流れる。熱は、任意の適当
な目的に使用するため、熱交換媒体から取り出すことが
できる。

第５図には、本発明の別の実施例が示されている。この
実施例は、視感熱輻射特性を高めた乱流拡散火炎３６を
発生させることにより材料を加工しかつ火炎からの熱を
加工すべき材料に直接伝達するのに使用されるものであ
る。このため、第５図に示すように、本発明は、燃焼室
２０２内で直接加工される材料の処理に使用する装置と
して示されている。第５図においても、燃料供給源５８
、クーラント循環装置７０、電源６４及びプラズマアシ
スト形燃焼バーナ３４は幾分概略的に示されている。本
発明のこの実施例により、熱分解生成物の形成及び熱輻
射物質の火炎への導入により視感輻射出熱が高められた
乱流拡散火炎から熱を伝達するための装置であって熱が
加工すべき材料に直接伝達される装置並びにこのように
して材料を処理する方法が提供される。

第２図及び第６図に示す本発明の他の実施例では、プラ
ズマアシスト形燃焼バーナ３４に、熱分解により形成さ
れた材料がアノード１１２に隣接するカソード９６の端
部に堆積することを防止する手段が設けられている。第
６図に示されたカソード３（１０及び環状アノード３０
２は、第２図〜第４図に示されたプラズマアシスト形燃
焼バーナ、３４のカソード及びアノードと同じものであ
るが、二次ガス供給ライン１１６及びチャンネル１２８
が設けられていない点で異なっている。この実施例にお
いても、カソード３（１０の平端部３０５とカソードを
包囲する環状アノード３０２の表面との間にアークギャ
ップ３０４が設けられている。

プラズマアシスト形バーナ３４の作動についての前述の
説明から理解されるように、炭化水素燃料ガスは、アー
クギャップ３０４を通って流れ、出口３１０において環
状アノード３０２を出る。従って、この実施例の場合に
も、出口３１０はノズル出口としての性質を有する。カ
ソード３（１０と環状アノード３０２との間に発生する
電気アークを、番号３０６で示しである。プラズマアシ
スト形バーナ３４の作動中には、炭素質の熱輻射粒子か
らなる熱分解生成物が、カソード３（１０の平端面　３
０５上に堆積することが理解されよう。第６図において
、この堆積物を尖塔状炭素堆積物３１２として示しであ
る。尖塔状炭素堆積物３１２が形成されると、電極間間
隔が不安定になるため、乱流拡散火炎の安定性が損なわ
れる。換言すれば、尖塔状炭素堆積物が形成されると、
電気アーク３０６が形成される導電経路が不規則になる
。このため、炭素質の熱輻射物質の形成速度が低下しか
つプラズマアシスト形燃焼バーナ３４の絞り比が小さく
なる。当業者には知られているように、絞り比は、火炎
を消すことなくして維持することができる燃料の流量の
範囲に基づいている。また、尖塔状炭素堆積物３１２の
サイズは環状アノード３０２のボア３１４を塞いでしま
う程に大きくなり、このため、−次燃料の流れが妨げら
れて火炎を消してしまうことにもなる。本発明の１つの
実施例においては、尖塔状炭素堆積物３１２の形成は、
二次ガス供給ライン１１６及び二次ガスボア１２８（前
述のように、二次ガスボア１２８は環状アノード１１２
の中央ボアと連通している）を設けることによって防止
される。以下により詳しく説明するように、本発明によ
れば、尖塔状炭素堆積物３１２の形成を防止する他の手
段も設けられている。

第４図に示すように、プラズマアシスト形燃焼バーナ３
４のこの実施例においては、ガスの二次ジェットは、二
次ガスポア１２８から環状アノード１１２の中央ボア１
２４内に入り、カソード９６の平端面１３０に向かって
流れる。この二次ガス流は、アークに敏感な流れとは別
に燃料の質量流量を増大させる、例えば、天然ガスのよ
うな炭化水素燃料で構成するのがよい。燃料ガスの二次
流れは、電力１ｋｗ当たりの天然ガスのプロセス流を容
易に増加し、かつより安定した作動ができるようにアー
ク運動のより良い制御を行う。また、これにより一次流
の混合が促進される。別の構成として、二次ガス流が水
素のような非炭化水素燃料から成り、アークを通る炭化
水素ガスの一次流から炭素質粒子を得るように構成して
もよい。また、二次ガス流によってカソードの平らな表
面が冷却され、このためより大型で低コストのカソード
の使用が可能になる。この二次ガスジェットが、カソー
ド９６の平端部１３０上での尖塔状炭素堆積物の形成を
防止できる正確なメカニズムは未だ知られていないけれ
ども、カソードの平端部１３０上に堆積するあらゆる粒
子は、二次ガス流の運動により排除されるものと考えら
れる。平端部１３０は、本質的に滞留領域であるという
ことは理解されよう。この二次ガス流中に移動する粒子
は、燃料ガス室９８から流出する一次ガス流中に推進さ
れる。従って、二次ガスボア１２８から流出するガスの
速度は、−次ガス流に本質的に進人できることができる
程に充分大きく、−次ガス流を横切って二次ガス流が通
り、カソード９６の平端部１３０に到達できなければな
らない。すなわち、二次ガスボア１２８から流出するガ
スの速度は、滞留領域中にガス運動を生じさせて、粒子
を移動できる程に充分大きくなくてはならない。

二次ガスボア１２８が約１．０〜１．５　ｍｍの直径を
有する場合には、約１５〜３０ｍ／ｓのガス速度で充分
であり、この場合、−次ガス流は約３〜１５ｍ／ｓの速
度を有する。特定の適用例においては、これらの範囲外
の他の数値に定めることもできる。

第７図及び第８図に示すより好ましい実施例においては
、環状アノード４（１０、アノード支持体４０２、保持
カラー４０４及び磁石４０６の僅かに変更した構成が示
されており、カソード４１０の平端部４０８は、チャン
ネル４１２．４１４により与えられる２つの二次ガスジ
ェット流により、炭素の堆積が無い状態に維持されるよ
うになっている。各チャンネル４１２．４１４には、そ
れぞれ二次ガス供給ライン４１６．４１８からガスが供
給される。最も好ましくは、第８図に示すように、二次
ガス供給チャンネル４１２．４１４を環状アノード４（
１０の中央ボア４２０に対して接線方向に配置して、二
次ガスの渦流を生じさせることができるようにし、カソ
ード４１０の平端部上に炭素質粒子が堆積することを防
止する。すなわち、この方法により二次ガスを接線方向
に導入してガスに旋回運動を伝達し、これにより、カソ
ード４１０上への粒子の堆積の防止を補助できるように
する。二次ガスのジェットは、カソード４１０の平端部
４０８の表面に向くようにするのが最も好ましい。

第９図〜第１２図には、二次ガス環状アノードの幾何学
的形状の種々の他の構成が示されている。

第９図に示すように、環状アノード５０２には２つの二
次ガスボア５０４．５０６が設けられており、これらの
二次ガスボア５０４．５０６は、ボア５１０の収斂する
のど部５０８に直接導かれている。ボア５１０内には、
カソード５１２の一部が破線で示されている。前の実施
例に示された二次ガスボアとは異なり、この実施例の二
次ガスボア５０４．５０６は直線状に形成されていて、
容易に製造できるようになっている。第１０図には直線
状の単一の二次ガスボア５１４が示されており、この二
次ガスボア５１４も環状アノード５１８の収斂するのど
部５１６と連通している。

第１１図には、僅かに異なる形状をもつ単一の二次ガス
供給チャンネル５２０が示されている。この二次ガス供
給チャンネル５２０は、環状アノード５２２を通って延
在しているが、前の実施例とは異なり、中央ボア５２６
の収斂部５２８ではなく直線状ボア部５２４に終端して
いる。第１２図には２つの二次ガス供給ライン５３０．
５３２が示されており、これらの二次ガス供給ラインも
、中央ボア５３６の直線状ボア部５３４と連通している
。

別の実施例としての、カソード上での尖塔状炭素堆積物
の形成を防止する手段は、カソードとして炭素電極を使
用するものである。炭素カソードは良く知られているが
、炭素カソードをプラズマアシスト形燃焼バーナ３４に
使用することは、本発明に従って炭素質の熱輻射粒子を
熱分解的に形成する間に、カソード上に尖塔状炭素堆積
物が形成されることを防止するのに適したものである。

これは、平端部をもつカソードの場合のみにいえること
ではなく、ロッド状の尖った端部をもつカソードの場合
にも当てはまることである。本発明に使用するのに適し
た炭素カソードは、ＭｃＭａｓｔｅｒ−Ｃａｒｒ　Ｃｏ
ｍｐａｎｙ社を含む多数の企業から市販されている。１
つの適当なグラファイトカソードは、約１．８５　Ｇ／
ＣＣの見掛は密度、６０の硬さ値、０．（１００７黍ン
（約０．０１８ｍｍ）の最大粒子サイズをするものであ
る。もちろん、カソードの長さ及び直径は、プラズマア
シスト形燃焼バーナ３４の部品の寸法により決定される
。

第１３図には、カソード５５０上での尖塔状炭素堆積物
の形成を防止するための更に別の手段が示されており、
該手段は、環状アノード５５８の中央ボア５５６に設け
られた複数のバッフル５５２．５５４で構成されている
。これらのバッフル５５２．５５４は、−次燃料流の一
部を反転させて後ろ向きの流れを生じさせるためのもの
であり、これにより、滞留領域５６０に乱流を生じさせ
、該領域５６０上での炭素質粒子の堆積を充分に防止で
きるようになっている。

本発明の更に別の実施例によれば、被酸化性の熱輻射粒
子（ｈｅａｔ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ、　ｏｘｉｄｉｚａ
ｂｌｅ　ｐａｒｔ−ｉｃｌｅｓ）の滞留時間を調節する
装置及び方法が提供される。第１４図には、第１図〜第
３図に示したものと同様な装置に使用できるプラズマア
シスト形バーナ組立体６（１０が示されている。第１４
図には、記載の簡明化を図るため一部の部品のみが示さ
れている。カソード６０２は環状アノード６０４から間
隔を隔てて配置されており、環状アノード６０４はアノ
ード支持体６０６上に支持されており、該アノード支持
体６０６は環状磁石６０８を収容している。この実施例
においては、プラズマアシスト形バーナ組立体６（１０
が二次ガスジェットチャンネル６１０．６１２を有して
おり、該二次ガスジェットチャンネルにより、カソード
６０２上での尖塔状炭素堆積物の形成が防止されるよう
になっている。−次燃料ガスは、前述の方法でバーナ組
立体６（１０を通って流れ、従ってアークギャップを通
って流れるために炭素質粒子が形成され、これらの炭素
質粒子は一次燃料流中に同伴されるようになっている。

前述のように、二次ガス流は、カソード６０２の平端部
６１４を向いているチャンネル６１０．６１２を通って
流れ、尖塔状炭素堆積物の形成を防止できるようになっ
ている。次いで、燃料ガスは出口から出る。

前述の構成においては、酸化体ガスは、燃料流が出口６
１６を出た直後に、燃料流と一緒になるようになってい
る。当業者には気付くであろうが、熱分解的に形成され
た炭素質の熱輻射物質は、燃料流の全体に亘って分散さ
れるであろう。酸化体ガスが燃料ガスと一緒になる界面
と隣接したこれらの粒子は、反応熱及び酸化体の存在に
より、酸化される傾向がある。熱輻射物質の１つの目的
は、このようにして形成された乱流拡散火炎の視感輻射
出熱を向上させることにあるから、これらの粒子が熱輻
射機能を完全に行うことができるように、これらの粒子
の酸化を所定期間遅延させることが好ましい。これは、
本発明のこの実施例においては、三次流キーｔ”ｙブ（
ｔｅｒｔｉａｒｙ　ｆｌｏｗ　ｃａｐ）６１８により達
成される。

第１５図に示すように、この三次流キャップ６１８は環
状の構造を有しており、かつ環状室６２２を形成する本
体すなわちベース部分６２０を有している。環状室６２
２は更にプレート６２４により形成されており、該プレ
ート６２４は、周方向のギャップすなわち出口６２４が
形成されるように構成されている。環状の三次流キャッ
プ６１８のボア６２８は、環状アノード６０４の出口６
１６と整合している。このため、炭素質の熱輻射物質が
同伴されている出口６１６を燃料流が出るとき、この燃
料流は三次ガス流キャップ６１８のボア６２８を通過す
る。三次ガスの供給は、一つ又はそれ以上のチャンネル
６３０．６３２を通して環状室６２２内へ導入される。

次に、三次ガスは、周方向出口６２６を通って流出し、
ボア　６２８を通って流れる燃料流の回りに保護シース
を形成する。この周方向の三次ガス流は、酸化体ガスで
はなく、好ましくは、天然ガスのような炭化水素燃料又
は水素のような非炭化水素燃料である。繰り返すけれど
も、熱輻射粒子は、炭化水素ガスの一次燃料流を熱分解
により形成したものが好もしい。このようにすれば、炭
素質の熱輻射物質が滞留しているボア６２８から流出す
る燃料流は、直ちに酸化体ガスと一緒になることはなく
、三次ガス流により保護されることになる。

三次ガスが燃料ガスである場合には、三次燃料ガスは、
燃焼反応を生じさせる酸化体ガス（該ガスは熱輻射物質
から僅かに距離を隔てている）と−緒になる。従って、
前述のように、さもなくば酸化作用をもつことになる熱
輻射物質が保護される。

この保護の程度、従って粒子の酸化遅延時間は、三次ガ
スの性質、三次ガスキャップ６１８の高さ、周方向出口
６２６から出る三次ガスの体積、並びにボア６２８と周
方向出口６２６との間の横方向距離により部分的に決定
される。ボア６２８と周方向出口６２６との間の横方向
距離を増大すると、酸化を太き（遅延させ、従って熱輻
射物質の滞留時間を大きくするということが分かってい
る。本発明の方法によるこの三次流により、多くの利点
が得られる。すなわち、三次ガス流が燃料ガスである場
合には、電力１　ｋｗ当りに処理される燃料ガスの量が
増大する。また、適当な燃焼空気流を三次流とマツチン
グさせることにより、粒子が熱を輻射するより均一な温
度場を得ることができる。

また、三次流により、粒子数密度が最大になる早期酸化
が防止される。一般に、三次流により装置の作動をより
安定化することができ、非常に重要なことは、酸化窒素
の排出量を大幅に低減できることである。

この実施例においては、三次ガスの流れは、出口６１６
から流出する燃料の流れに対し平行になっているという
ことに注意されたい。第１６図及び第１７図に示す三次
ガス流キャップ７（１０は、前の三次流キャップ６１８
とは異なる形状を有しており、三次ガスが、出ロア０２
から出る燃料ガスの流れに対して垂直に導入されるよう
になっている。この実施例においては、本体７０８に複
数のチャンネル７０４．７０６が設けられているが、図
面にはこれらのうちの２つのみを示しである。次いで、
三次ガスは矢印Ａ、Ｂの方向に流れ、矢印Ｃの方向に流
れている主ガス流に出合う。当業者には理解できようが
、主ガス流と一緒になった三次ガスは、その後、この主
ガス流により矢印Ｃに沿って運ばれる。第１４図及び第
１５図に示した装置において周方向の三次ガス流が形成
されたように、この実施例の三次ガス流も、熱輻射物質
の酸化を遅延すべく作用する保護囲いを形成する。

繰り返すけれども、このメカニズムは酸化窒素の排出量
の低減に寄与できるものであり、三次流が極めて有益で
あることが分かっている。

当業者には知られているように、燃料ガスの炭素／水素
比に応じて、殆どの乱流燃焼火炎には炭素質の熱輻射粒
子が形成される。従って、本願において説明したような
電気的熱分解メカニズムによる熱輻射粒子の発生増強作
用を利用していない装置であっても、これらの粒子の早
期酸化を遅延させるのに、三次ガス流キャップ６１８．
７（１０を使用するのがよいということは、本発明の範
囲内に含まれると考えられる。

本発明の更に別の実施例においては、さもなくばカソー
ド上に堆積されることになるあらゆる物質がカソードか
ら連続的にパージされる、物質の熱処理を行うための新
規な方法及び装置が提供される。これによれば、第１８
図には、物質の流れを処理する装置８（１０の全体が示
されており、該装置８（１０は、カソード８０４と環状
アノード８０６とを備えたハウジング８０２を有してい
る。

ハウジング８０２は円筒状をなしており、カソード組立
体８０８を収容している。このカソード組立体８０８は
カソード支持ブロック８１０を備えており、該カソード
支持ブロック８１０にはカソードブツシュロッド８１２
が通されている。このカソードブツシュロッド　８１２
は、カソード支持体８１４と係合している。前述の実施
例と同様に、カソードブツシュロッド８１２はカソード
支持ブロック８１０と螺合していて、ノブ８１６を回転
することにより、カソード８０４とアノード８０６との
間の電極間距離を手動により調節できるようになってい
る。ベースプレート８１８には、円筒状のハウジング８
２０の一端が取り付けられている。クーラントパイプ８
２２からなるネットワーク（網状組織）が設けられてお
り、該ネットワークにより、クーラントが、アノードハ
ウジング８２６の環状通路８２４及びカソード支持ブロ
ック８１０のクーラント通路８２８を通って循環される
ようになっている。

環状アノード８０６は、環状磁石８３２が設けられたア
ノード支持体８３０により支持されている。環状アノー
ド８０６は、保持カラー８３４によりアノード支持体８
３０上に固定されている。

この実施例においては、キャップ８３６が設けられてお
り、このキャップ８３６には、パージガス供給ライン８
３８が通るように形成されている。

パージガスライン８３８は、環状アノード８０６を通っ
て延在しているアノード部分８４０を備えており、かつ
アノードボア８４２に終端していて該アノードボア８４
２と連通している。

本発明の方法に従って作動するに際し、カソード８０４
及び環状アノード８０６は、適当な電気回路及び電気リ
ード線（図示せず）を介して電気的に付勢され、アーク
ギャップ８４４に跨がる電気アークを発生する。処理す
べき物質は、供給ライン８４６から導入され、アノード
支持体８３０の室８４８及びポア８５０に通される。処
理すべき物質は、その後、アークギャップ８４４に跨が
る電気アークを通って、出口８５２のボア８４２から排
出される。熱分解又は他の原因により形成された物質が
カソード８０４の平端部８５４上に堆積することを防止
するため、平端部８５４に対し強く衝突するのに充分な
速度で、ガスが、通路すなわちチャンネル（パージガス
供給ライン）８３８を通して供給される。このようにし
て、さもなくばカソード８０４の平端部８５４上に堆積
されることになる物質が連続的にパージされる。

以上、本発明の特定の実施例を示しかつ説明したが、本
発明はこれらの特定の実施例に限定されるものではなく
、また、特に当業者ならば本願の開示に基づいて種々の
変更を施すことができるであろう。従って、本発明の精
神及び範囲に含まれるそれらの全ての変更は、特許請求
の範囲に含まれるものである。例えば、本発明の上記実
施例は、乱流拡散火炎（すなわち燃料と酸化体とを予混
合しない場合に生じる火炎）を発生させるバーナに関す
るものである。本発明によるプラズマ粒子発生装置が、
非視感予混合火炎（ｎｏｎ−１ｕｍｉｎｏｕｓ　ｐｒｅ
ｍｉｘｅｄ　ｆｌａｍｅ）から分離できることは理解さ
れよう。プラズマにより発生された粒子は、火炎中に噴
射させて、視感出熱を増大させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるプラズマアシスト形燃焼装置の
概略構成を示す部分断面図である。 第２図は、本発明の一実施例によるプラズマアシスト形
燃焼バーナの分解図である。 第３図は、本発明の一実施例によるプラズマアシスト形
燃焼バーナの斜視図である。 第４図は、本発明のプラズマアシスト形燃焼バーナを示
す第３図の４−４線に沿う断面図である。 第５図は、熱処理すべき材料に直接熱伝達するのに使用
するプラズマアシスト形燃焼装置の概略構成を示す部分
断面図である。 第６図は、カソード上に形成された尖塔状炭素堆積物を
示す図面である。 第７図は、多数の二次ガスチャンネルを備えた本発明に
よるプラズマアシスト形燃焼バーナを示す部分断面図で
ある。 第８図は、第７図のバーナの平面図である。 第９図は、本発明に使用するアノードの断面図である。 第１θ図は、本発明に使用する別のアノードの断面図で
ある。 第１１図は、本発明に使用する別のアノードの断面図で
ある。 第１２図は、本発明に使用する別のアノードの断面図で
ある。 第１３図は、尖塔状炭素堆積物の形成を防止すル手段と
してバッフルを使用している本発明のプラズマアシスト
形燃焼バーナの一部を示す断面図である。 第１４図は、三次ガス流キャップを備えた本発明による
プラズマアシスト形燃焼バーナの一部を示す断面図であ
る。 第１５図は、第１４図のバーナの平面図である。 第１６図は、別の構成の三次ガス流キャップを備えた本
発明によるプラズマアシスト形燃焼バーナの一部を示す
断面図である。 第１７図は、第１６図のバーナの平面図である。 第１８図は、物質を処理するための本発明の装置の断面
図である。 ０・・・燃焼装置、　　　３２・・・燃焼ユニット、４
・・・プラズマアシスト形燃焼バーナ、６・・・乱流拡
散火炎、 ４・・・熱交換ジャケット、 ８・・・ガス供給源、　　６４・・・電源、０・・・ク
ーラント循環装置、 ７４・・・バーナヘッド、 ８０・・・カソードブツシュロッド、 ９６・・・カソード、　　　　１１２・・・環状アノー
ド、１２７・・・収斂部、　　　　１２８・・・二次ガ
スポア、１３０・・・平端部、 ３０２・・・尖塔状炭素堆積物、 ４１２．４１４．５０４．５０６．５１４．５２０．５
３０．５３２・・・二次ガス供給チャンネル（二次ガス
ポア、二次ガス供給ライン）、 ５５４．５５６・・・バッフル、 ６１８．７（１０・・・三次ガス流キャップ。 ＦＩＧ。 ＦＩＧ。 ＦＩＧ。 ＦＩＧ。 ＦＩＧ。 ■ ＦＩＧ。 璽２ ＦＩＧ。 ＦＩＧ。 璽７

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）ギャップを形成するように互いに間隔を隔てて配
   置された第１及び第２の電極と、前記ギャップを通して
   ガス状燃料を運ぶ手段と、前記電極間に電圧を印加して
   両電極間に連続電気アークを発生させる手段とを有する
   燃焼装置において、該燃焼装置が、前記ギャップの下流
   側に燃焼領域を有し、前記アークが、前記燃料の所定部
   分を熱分解して、燃焼前に前記燃料に同伴される熱輻射
   粒子を形成する電気的特性を有し、更に、前記燃焼装置
   は、ガス状ジェットを前記電極のうちの一方の電極に差
   向けて、熱分解により形成された前記粒子が前記一方の
   電極上に堆積することを防止する手段を有することを特
   徴とする燃焼装置。
2. （２）前記両電極がアノード及びカソードであり、前記
   一方の電極がカソードであることを特徴とする請求項１
   に記載の燃焼装置。
3. （３）前記アノードが環状をなしておりかつ収斂してい
   るのど部を備え、該のど部が、前記環状アノードを通っ
   て形成された、燃料を運ぶための直線状のボア通路と連
   通しており、前記カソードの少なくとも一部が、前記収
   斂するのど部と同心に配置されていることを特徴とする
   請求項２に記載の燃焼装置。
4. （４）前記カソードが全体としてロッド状をなしており
   かつ前記収斂するのど部内に配置される全体として平ら
   な端部を備え、前記一方の電極にガス状ジェットを差向
   ける前記手段が、前記カソードの前記平らな端部に少な
   くとも１つのガス状ジェットを差向けることを特徴とす
   る請求項３に記載の燃焼装置。
5. （５）前記ガス状ジェットが、前記アノードに設けられ
   たボアから噴出されることを特徴とする請求項４に記載
   の燃焼装置。
6. （６）前記カソードが、前記アノードに隣接しかつ該ア
   ノードから均一に間隔を隔てられた連続環状縁部を備え
   、前記ギャップが前記アノードと前記環状縁部との間に
   形成され、更に、前記ギャップ内に所定の強さの磁界を
   発生させて前記電気アークを前記環状縁部に沿って移動
   させるための手段を有することを特徴とする請求項５に
   記載の燃焼装置。
7. （７）前記ガス状燃料が天然ガスであり、前記一方の電
   極にガス状ジェットを差向けるための前記手段が、前記
   ガス状燃料の一部を前記一方の電極に向かって差向ける
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の
   燃焼装置。
8. （８）前記燃料及び同伴された熱輻射粒子に酸化体ガス
   を添加して、前記燃料及び前記熱輻射粒子の実質的な完
   全燃焼を促進するように構成したことを特徴とする請求
   項１〜６のいずれか１項に記載の燃焼装置。
9. （９）天然ガスの火炎からの輻射熱伝達を高めるための
   方法において、天然ガスの一部を電気的に熱分解するこ
   とにより所定量の炭素粒子をその場で発生させ、天然ガ
   スの火炎に前記炭素粒子を供給して前記天然ガスの火炎
   の視感輻射熱伝達を高め、前記天然ガスの火炎中で前記
   炭素粒子をほぼ完全に酸化させることを特徴とする天然
   ガスの火炎からの輻射熱伝達を増強させる方法。
10. （１０）環状アノードと軸線方向に配置されたカソード
    との間に形成される電気アークに天然ガスを通すことに
    より前記炭素粒子を発生させることを特徴とする請求項
    ９に記載の方法。
11. （１１）前記カソードの平らな端部に天然ガスのジェッ
    トを差向けることにより、前記平らな端部上に前記炭素
    粒子が堆積することを防止することを特徴とする請求項
    １０に記載の方法。