JPH0792205B2

JPH0792205B2 - ラジアントチューブバーナー

Info

Publication number: JPH0792205B2
Application number: JP62229430A
Authority: JP
Inventors: ハリー・ピー・フィンケ
Original assignee: Bloom Engineering Co Inc
Current assignee: Bloom Engineering Co Inc
Priority date: 1987-03-13
Filing date: 1987-09-11
Publication date: 1995-10-09
Anticipated expiration: 2010-10-09
Also published as: DE3778697D1; ATE75532T1; CA1280685C; EP0290665B2; JPS63238308A; EP0290665A1; EP0290665B1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はラジアントチューブバーナー（以下、放射チュ
ーブバーナーともいう）、特に熱効率が良くて低ノック
ス放出を実現するラジアントチューブバーナーに関す
る。尚、本明細書において「ノックス」とは窒素酸化物
NOxのことをいう。

〔従来の技術〕

火力ヒーター、ボイラー、油田スチーマーなどの多くの
利用において、燃焼中の窒素酸化物の発生を最小限に抑
えることが必要条件となってきている。このような要件
は、また、処理工程に放射チューブおよびバーナーを火
力源として利用する熱処理炉などの装置にとっても現実
となってきている。

ノックス発生には２つの根本的な原因が存在することが
知られており、主に大気中の窒素からの発生と、さらに
燃料結合窒素からの発生がある。エネルギーを保存する
必要性の増加とともに、新たに使用可能となった多量の
結合窒素を含有する合成燃料の利用により、低ノックス
放出がますます必要になってきている。

ノックス放出を減少させるために、さまざまな形の段階
的燃焼や低火炎温度が従来のバーナーに採用されてき
た。しかし、放射チューブ炉利用装置からノックス放射
を減少させるために放射チューブバーナーを改良する余
地は残っている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は良好な熱効率の下で、許容レベルまでノックス
放出を減少させ、さらに、放射チューブに沿って最小の
温度の変化を実現すべく放射チューブをより均一に加熱
することのできる放射チューブバーナーを提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による放射チューブ（ラジアントチューブ）バー
ナーは、バーナーレッグ及び排気レッグを有する放射チ
ューブと、燃焼用空気と前記排気レッグからの燃焼生成
物を混合してこの混合ガスを前記バーナーレッグ内へ送
るプレナムと、高速の燃焼用空気をノズルへ前記プレナ
ムの中心軸線に沿って送り前記燃焼生成物を吸引するジ
ェットポンプと、前記プレナム及び前記排気レッグと連
通し前記燃焼生成物をプレナムへ送るダクトと、前記ダ
クトと連通しジェットポンプノズルと関連する寸法によ
って前記プレナムに吸引される燃焼生成物の量を制御す
る絞りオリフィスと、前記排気レッグ又は前記ダクトと
連通し前記ジェットポンプに吸引されなかった燃焼生成
物を排気する排気口と、前記バーナーレッグ内に延出し
て前記混合ガスと混合する燃料を供給する燃料チューブ
とを備えているものであって、前記燃焼用空気を熱する
ためのレキュペレータが前記排気レッグ内に設けられ、
且つ、前記燃料チューブの端部に、その肉厚が下流側へ
最端面まで徐々に厚くなりその外形が広がることにより
火炎安定器が形成され、燃料と前記混合ガスとの混合が
前記火炎安定器の下流で行なわれる点を特徴とする。

〔作用〕

本発明の放射チューブバーナーによれば、燃焼用空気が
レキュペレータで予熱され、この予熱された燃焼用空気
に燃焼生成物が混合されてバーナレッグに送られるの
で、この混合物の有する熱が燃焼に寄与して熱効率を向
上させる。そして、この混合物は火炎安定器で燃料と完
全に混合されて燃焼するので、燃焼によって生ずる過剰
の二酸化炭素と水とが火炎温度を確実に抑制することに
より、全体として、熱効率を向上させながら、ノックス
放射を許容レベル内に維持することができる。

上記火炎安定器の作用は以下のとおりである。火炎安定
器を形成する燃料チューブ端部の外周とバーナレッグの
内周壁との間に環状のスロート部が形成されており、こ
の環状スロート部を通過する混合ガスの速度が増加する
と共に、燃料チューブ端部から噴出される燃料の流れと
上記混合ガスの流れとの間に部分的に真空（負圧）状態
が形成され、その部分に渦流が発生することにより、燃
料と混合ガスとの混合が促進され、もって安定した燃焼
が得られる。

〔効果〕以上のように、ノックス放射を許容レベルまで減少させ
ながら、熱効率を向上させて、放射チューブの均一な加
熱が可能となった。

〔実施例〕

本発明の放射チューブバーナー装置10はさまざまな放射
チューブ火力炉に利用される。そのような炉の代表的な
例はアルミニウム炉、エアヒーター、ローラ炉床、塩炉
底、鉛炉底、連続冷却炉、ワイヤ冷却炉、エナメル加工
炉、バッチ冷却炉、ガラス炉などである。

放射チューブバーナー装置10は第１図にＵ字型で示され
ている放射チューブ12を有している。本装置はあらゆる
形状のチューブに適しており、特定の形状のチューブが
本発明の一部を構成するものではない。第１図の放射チ
ューブ12は屈曲連結レッグ部18によって連結されたバー
ナーレッグ14と、排気レッグ16を有している。燃焼用空
気を予熱するレキュペレータ20が排気レッグ16によって
形成された排気ダクト内に位置している。ジェットポン
プ22は装置10へ燃焼用空気を供給する。

ジェットポンプ本体34は第１図に示すようにバーナー本
体から独立していてもよいし、または第４図のようにバ
ーナー本体の一部となっていてもよい。ジェットポンプ
ダクト24はレキューペレータ20と連通しており、そこを
介して燃焼用空気がファン40によって送り込まれる。加
熱された燃焼用空気はジェットポンプ22のノズル26を介
して軸方向に排気される。空気圧はおよそ１平方インチ
あたり１ポンドである。

排気ダクト42は排気レッグ16の終端部から排気室43へ連
通している。排気室43は略Ｔ字型で、その一端は排気フ
ァン46によって補助されている排気口44で終端してお
り、他端はしぼりオリフィス48で終端している。本装置
が正常に機能するためには必ずしも排気ファン46を必要
とはしない。しぼりオリフィス48の上流側には始動の際
に利用される冷気バルブ50が設けられている。しぼりオ
リフィス48は排気室43およびジェットポンプ本体34と連
通している。

ジェットポンプ本体34は、放射チューブ12のバーナーレ
ッグ14へ空気を送り込むプレナム36と連通している縮小
部35を有している。

燃料チューブ28はバーナーレッグ14内に延びており。オ
イルや気体燃料などの燃料源（図示せず）を有してい
る。点火は従来の点火装置30、好ましくは小容量予備混
合燃焼パイロットで行なわれる。燃料チューブ28は火炎
安定器32で終端している。この安定器32は炎の安定を図
るためにガス流の周囲に空気を均一に分配するととも
に、２つの流れの間に部分的な真空空間を作る。

作動中、ノズル26を介して軸方向に向けられた燃焼用空
気が加速されて、ノズル26の周辺に排気室43の絶対圧力
以下の負圧領域をつくる。オリフィス48はその孔径によ
って再循環物の量を制御する。このオリフィス48は所定
の設計のものであってもよいし、あるいは燃焼温度によ
ってオリフィス面積を変える多羽根式バイメタル装置で
あってもよい。空気ダクト38は空気を装置内へ送り込む
のに適したファン40に接続されている。

バルブ50は低温始動のために必要であり、ここから新鮮
な空気を導入することにより、再循環される燃焼の生成
物による気体または液体燃料の可炎限界内での作動を可
能にする。

通常作動中では、プレナム36中の混合気流は気体燃料の
場合で16〜18％の酸素量、液体燃料の場合で14〜18％の
酸素量であることが望ましい。混合気流は次に火炎安定
器32で燃料と合流する。調整された火炎はチューブ12内
を伝播してレキュペレータ20に至る前に燃焼を終える。
燃焼ガスはそれからさらにレキュペレータ20を横切って
ダクト42を通り排気口44から外に出る。排気口44におけ
る排気をファン46と連通させる場合は、このダクト42に
おける圧力は、空気および燃料燃焼比に応じて適切な手
段によって調整され、プレナム36からバーナーレッグ14
内および排気レッグ16のレキュペータ20を横切る空気／
燃焼生成物の流れを維持する。この適切な調整がなけれ
ば、ノズル26から出る燃焼用空気は短絡してオリフィス
48および排気口44へ流れることになる。

第２図の放射チューブバーナー装置10は、燃焼生成物が
レキュペータ20の上流部分からダクト54を通って流出す
ることを除けば、第１図のものとほぼ同一である。この
設計は、再循環燃焼生成物／レキュペレータ性能のため
の全体の効率ロスを最小にする。ジェットポンプ22およ
び空気プレナム36からの外方への熱ロスを度外視すれ
ば、第２図の装置10は、再循環燃焼生成物がなく低ノッ
クス放出および改善されたチューブ温度特性を備えた場
合と同じ効率で作動する。

第３図の実施例はレキュペレータが設けられていないこ
とを除けば第１図の実施例と同様である。この実施例で
は、燃焼生成物は排気口49を通って排気されるか、ある
いは排気レッグ16の下流に位置しているしぼりオリフィ
ス48を通って吸引されるかのどちらかである。

この実施例でも他の実施例と同じように、ジェットポン
プダクト24から送られた空気がジェトポンプ本体34と、
プレナム36と連通している縮小部35の軸中心線に沿って
ジェットポンプノズル26から排気されることが重要であ
る。このような構成は渦巻効果つまりコアンダ効果を避
けて、最適作動条件を与える。

第４図では、本発明の別の形態を示しており、これも同
様に直列に連結された放射チューブと放射器の機能特性
を利用している。放射チューブバーナー装置56はバーナ
ーレッグ58、屈曲連結レッグ62、排気レッグ60を有して
いる。排気ダクト80が排気レッグ60とプレナム74を連結
している。しぼりオリフィス78はプレナム74と排気口82
を有するダクト80の間を連通している。この実施例で
は、ジェットポンプ64は取入口68からの燃焼用空気を受
けて、この燃焼用空気を、プレナム74領域内に燃料チュ
ーブ70と同心に配置されたノズル66へ向かわせる。排気
ダクト80からオリフィス78を通って吸引された燃焼生成
物と燃焼用空気はプレナム74で合流して、縮小喉部76を
通って加速し、火炎安定器72から排出される燃料とバー
ナーレッグ58内で合流する。第４図に示された装置は燃
焼用空気のレキュペレータが設けられていない低温シス
テムである。

熱入力がプロセス需要によって減少するにつれて、ノズ
ル66からのジェット流は減少し、チューブはより効果的
になり、放射器とチューブ間の連結特性もより効率性を
増す。これによって、再循環流の量が増加し、その結果
火炎温度が下がり、熱入力需要減少とは不均衡に再循環
流を増加させる。この再循環流の不均衡な増加は、さら
に酸化剤（空気）の希薄をもたらしたり、典型的な「ホ
ットスポット」の減少を促す。余剰ガスはポート82から
排気される。

また、レキュペレータを第４図の低温システムに追加す
ることもできる。第５図に示されているように、レキュ
ペレータ84は排気レッグ60内に位置しており、第４図の
ジェットポンプ64に空気供給する空気ダクト90に連通し
ている。燃焼生成物は排気口94から排気するか、あるい
はダクト92としぼりノズル（図示せず）から吸引され
る。この改変例では、ファン88はレキュペレータ84の開
口部86から空気を送って、ジェットポンプ64を作動させ
る。

放射チューブの排気レッグ60に典型的に設けられたレキ
ュペレータ84にジェットポンプ64が連結されても、作用
パターンは第４図のそれと類似する。つまり、熱入力が
減少するにつれて、レキュペレータ84へ至るときの廃棄
ガスの温度が下がり、その結果プレナム74の温度も下が
り、再循環流の量を増加させて、温度の上昇をもたら
す。しかし、この一時的な状態は、再循環流の量が増加
するとともに空気予熱が上昇し、ジェットから生じる速
度も増加するにつれて均一化し、結局、ホットスポット
を取り除き、空気予熱レベルを上げ、チューブ温度分布
をより均一にする。

段階的な燃焼も第６図〜第８図に示されているように、
さらにノックス放出を減少させるために採用されること
ができる。第６図は二段階燃料低ノックスバーナーの形
状を示しており、ここでは燃料の約50％が複数のオリフ
ィス98から排出し、残りの燃料が１つあるいは複数のオ
リフィアウ101から排出されるよう燃料チューブ96を介
して供給される。また、従来の点火装置97が備えられて
いる。減速された空気の総量は第１段階領域内の火炎安
定器102を通過する。部分的に燃焼した流れは火炎安定
器102へ向けて下流に広がり、余剰酸素と混合されて部
分的に燃焼した火炎は空間119を通過して、オリフィス1
01を出る燃料と合流する。火炎はさらに広がり、チュー
ブを介して排気口へ連通する。

第７図は二段階空気燃焼装置を示しており、燃料は燃料
チューブ104を介して連通するとともに維持フランジ105
のオリフィスから排出される。スリーブ107はバーナー
レッグ103内に内部室108と環状部110を形成している。
標準点火装置106が室108で燃焼を起こし、そこを燃焼用
空気の約50％が通過する。残りの燃焼用空気は環状部11
0を通って、ノズル102の下流で室108からの酸素不足生
成物と合流する。

第８図には多段階空気燃焼装置が示されている・内部ス
リーブ121は第７図の実施例と同様にバーナーレッグ111
内に位置されて内部室116と環状部117を形成している。
しかし、複数のオリフィス115がスリーブ121の中間部に
設けられており、制御された方法で燃焼工程を続行し、
火炎温度とノックスの発生を最小に抑える。燃料は燃料
チューブ112から供給され、最終燃焼は燃焼領域118で行
なわれる。

第１図に示すような装置について一連のテストが行なわ
れた。まず、盲板をジェットポンプと排気ダクトの間に
挿入して、燃焼生成物が再循環できないようにした。そ
して装置は、１時間あたり300,000BTUで酸素２％を含有
する燃料入力で、燃焼生成物を含まないという固定状態
のもとで作動された。装置から放出されるノックスのレ
ベルおよび放射チューブ20インチ毎の温度を含むさまざ
まな試験測定が行なわれた。

次に盲板が取り除かれ、代りに好適な酸素含有量を得る
ためにバタフライバルブが用いられた。再び装置は１時
間あたり300,000BTUで作動され、酸素含有量を変化させ
て、ノックスレベルおよび平均以上のホットスポット
（HSOA）が測定された。

結果は第９図および第10図に示されている。第９図にお
いて、縦軸は放射チューブの温度（゜F）、横軸は放射チ
ューブの20インチ毎の距離で、チューブ温度曲線120は
再循環燃焼生成物を使用しない第１図のシステムの場合
を示しており、曲線122は再循環燃焼生成物を用いた放
射チューブに沿った温度を示している。本発明の放射チ
ューブではチューブ温度がより均一であることがわか
る。

第10図は燃焼生成物の増加と酸素含有量の減少のノック
スレベルと放射チューブの平均以上のホットスポットに
対する効果を示しており、縦軸は酸素２％を含有する燃
料入力でのノックスレベル（PPM）とホットスポットの
温度（゜F）、横軸は酸素含有量（％）である。再循環燃
焼生成物の総量が増加するに従って、チューブの温度特
性が改善されているのがわかる（曲線126を参照）。こ
の曲線126は燃焼生成物が増加し、酸素含有量が減少す
ることにより均一化される加熱を示している。同様に、
曲線124は燃焼生成物が増加するとノックス放出が減少
することを示している。酸素含有量が17％まで減少する
と、ノックスレベルが再循環燃焼生成物を使用しない場
合の約200PPMから100PPM以下に減少し、再循環燃焼生成
物の追加によって更に減少することがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は排気レッグに配されたレキュペレータを有する
本放射チューブバーナー装置の概略図、第２図は吸引される燃焼生成物がレキュペレータ上流で
排気レッグから排出されるように構成された第１図の別
の実施例の概略図、第３図は低温放射チューブバーナー装置の概略図、第４図は低温放射チューブバーナー装置の別の実施例を
示す図、第５図は第４図のバーナーに使用される排気レッグ内の
レキュペレータの概略図、第６図は段階的燃料供給式バーナーの概略図、第７図は段階的空気供給式バーナーの概略図、第８図は多段階空気供給式バーナーの概略図、第９図は従来の装置と本装置について、放射チューブに
沿って測定された温度を示すグラフ、第10図は酸素含有量を関数としたノックス放出およびチ
ューブ温度を示すグラフである。（12）……放射チューブ、（14,58,103,111）……バー
ナレッグ、（16,60）……排気レッグ、（20,84）……レ
キュペレータ、（22,64）……ジェットポンプ、（26,6
6）……ジェットポンプノズル、（28,70,96,104,112）
……燃料チューブ、（32,72）……火炎安定器、（36,7
4）……プレナム、（42,54,80）……ダクト、（44,49,8
2）……排気口、（48,78）……絞りオリフィス、（50）
……バルブ、（76）……縮小喉部、（98,115）……オリ
フィス、（107,121）……スリーブ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭55−60104（ＪＰ，Ａ) 特公昭46−39812（ＪＰ，Ｂ１) 実公昭61−43061（ＪＰ，Ｙ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バーナーレッグ（14,58,103）及び排気レ
ッグ（16,60）を有するラジアントチューブ（12）と、
燃焼用空気と前記排気レッグ（16,60）からの燃焼生成
物を混合してこの混合ガスを前記バーナーレッグ（14,5
8,103）内へ送るプレナム（36,74）と、高速の燃焼用空
気をノズルへ前記プレナムの中心軸線に沿って送り前記
燃焼生成物を吸引するジェットポンプ（22,64）と、前
記プレナム（36,74）及び前記排気レッグ（16,60）と連
通し前記燃焼生成物をプレナム（36,74）へ送るダクト
（42,54,80）と、前記ダクト（42,54,80）と連通しジェ
ットポンプノズル（26,66）と関連する寸法によって前
記プレナム（36,74）に吸引される燃焼生成物の量を制
御する絞りオリフィス（48,78）と、前記排気レッグ（1
6,60）又は前記ダクト（42,54）と連通し前記ジェット
ポンプ（22,64）に吸引されなかった燃焼生成物を排気
する排気口（44,49,82）と、前記バーナーレッグ（14,5
8,103）内に延出して前記混合ガスと混合される燃料を
供給する燃料チューブ（28,70）とを備えているラジア
ントチューブバーナーであって、前記燃焼用空気を熱するためのレキュペレータ（20,8
4）が前記排気レッグ（16,60）内に設けられ、且つ、前記燃料チューブ（28,70）の端部に、その肉厚が下流
側へ最端面まで徐々に厚くなりその外形が広がることに
より火炎安定器（32,72）が形成され、燃料と前記混合
ガスとの混合が前記火炎安定器（32,72）の下流で行な
われるラジアントチューブバーナー。
【請求項２】ダクト（42,54）の絞りオリフィス（48）
の下流に低温始動のための追加燃焼用空気を供給するバ
ルブ（50）を有している特許請求の範囲第１項記載のラ
ジアントチューブバーナー。
【請求項３】ジェットポンプ（64）が燃焼用空気を燃料
チューブ（70）と同心の縮小喉部（76）領域を通過する
軸方向に向かわせ、且つ、前記縮小喉部（76）が火炎安
定器（72）の拡大部で終端している特許請求の範囲第１
項記載のラジアントチューブバーナー。
【請求項４】燃料チューブ（96）の端部の上流に複数の
オリフィス（98）が形成され、燃料の一部が前記複数の
オリフィス（98）から噴出し、残りの燃料が燃料チュー
ブ（96）の端部から噴出する二段バーナーを有する特許
請求の範囲第１項記載のラジアントチューブバーナー。
【請求項５】バーナーレッグ（103,111）内に同心状に
配置され燃料チューブ（104,112）の下流を囲むスリー
ブ（107,121）が設けられ、混合ガスの一部が前記スリ
ーブ（107,121）内を通過し、残りの混合ガスが前記ス
リーブ（107,121）とバーナーチューブとの間の環状路
を通過する多段バーナーを有する特許請求の範囲第１項
記載のラジアントチューブバーナー。
【請求項６】スリーブ（121）に沿って追加燃焼が起こ
るように、前記スリーブ（121）の中間部に複数のオリ
フィス（115）が設けられている特許請求の範囲第５項
記載のラジアントチューブバーナー。
【請求項７】プレナム（36,74）が混合ガスを受ける縮
小喉部（35,76）を有し、この縮小喉部（35,76）が、バ
ーナーへの混合ガスをさらに制御すべく絞りオリフィス
（48,78）及びジェットポンプノズル（26,66）と関連し
た寸法である特許請求の範囲第１項記載のラジアントチ
ューブバーナー。