JP4264005B2 - 燃料ガスの再循環率が高いＮＯｘ低放出バーナー - Google Patents

Description

本発明は炭化水素の水蒸気分解に使用される高温炉に用いられるようなバーナーの改良に関する。本発明は、特に、より高い燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）速度を用いる窒素酸化物（ＮＯｘ）低放出のＦＧＲバーナーに関する。

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、バーナー構造の焦点を規制される汚染物質を最小にすることにシフトさせた。

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、頻繁な調整が必要であるかもしれない。さらに、多くの生の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つのテクニックはステージング（段階燃焼）として知られている。ステージングでは、一次火炎帯は空気が不十分（多富燃料）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。ステージング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。燃焼性の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を可能にすることができる。しかしながら、ＦＧＲ比が大きくされると、火炎がＦＧＲダクトへより巻込まれやすくなり燃焼温度を上げ、これがＮＯｘを高めて金属部へ損傷をもたらすかもしれない。

商業的経験とモデルは、燃焼排ガス再循環レートが高くされたときに火炎がＦＧＲダクト内に引っ張られる傾向があることを示した。しばしば、燃焼排ガス再循環量を抑制するのはこの現象である。火炎（フレーム）が燃焼排ガス再循環ダクトに直接入ると、バーナーベンチュリ管の温度は上昇する傾向があり、これがフレーム速度を上げ、再循環された燃焼排ガスによるＮＯｘの低減効果を下げる。運転の視点から見ると、金属ＦＧＲダクトの寿命を保持するためにＦＧＲダクト内に火炎を入れないようにするために燃焼排ガス再循環速度をより低くする必要がある。

したがって、必要とされるものは燃料燃焼のためのバーナーであって、ＦＧＲダクト内に火炎が巻込まれるという問題を生じることなくＦＧＲ量を増やすことができ、ＮＯｘの放出をさらに削減することのできる燃料燃焼のためのバーナーである。

本発明は蒸気分解などにおける炉に使用されるバーナーに関連する。バーナーは炉の第１火炎開口内に位置する。バーナーは一次空気室と、バーナー管であって、下流端、一次空気室と流体連通する上流端、およびバーナー管の下流端に設けられたバーナー先端であって、燃料の燃焼がバーナー先端の下流で生じるように炉の第１火炎開口に向けられたバーナーの先端を含むバーナー管と、炉の第２開口に位置する第１端部及び一次空気室へ開く第２端部を有する少なくとも１つの燃焼排ガス再循環ダクトと、第１火炎開口と、燃焼排ガス再循環ダクトの第１端部の間において炉内に延伸して第１火炎開口と第１端部の間の流路を実質的に長くして実質的に流れに対するバリアーを提供する壁とを含んでいる。

上で説明される壁の使用に加えて、本発明はＦＧＲダクトの入口を火炎からさらに遠ざけるように有効に移動させて火炎の巻込みを避け、あるいは、少なくとも最小にする。したがって、燃焼排ガス再循環量を増加させて、全体的な火炎温度を低下させＮＯｘの生産を抑えることができる。

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。

図１乃至３に言及すると、バーナー１０は、炉床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、ベンチュリ管部分１９を含む。バーナー先端２０は下流端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６５の上端に位置し、かつ、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、又は周囲の空気が調整ダンパ２８を介して開口８０を通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、ベンチュリ管部分１９を通って上方へ通過する。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。

複数の空気口３０（図２，図３Ａ及び図３Ｂ）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の空気は調整ダンパ３４を介して二次空気室３２に入り、米国特許No.4,629,413に説明されるように、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。

ダンパ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、混合されていない低温の新鮮又は周囲空気はまた、ベンチュリ管部分１９を通る燃料の吸引効果によって、燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）ダクト７６を介して一次空気室内に引っ張られる。ダクト７６は、図示の場合、金属製ＦＧＲダクトである。

図１に示すように、本発明の１局面において、ＦＧＲダクト７６の開口８２がバーナー先端２０の底部から物理的にさらに離れるように、ＦＧＲダクト７６は入口８４において外側に傾けられている。したがって、この傾けられたＦＧＲダクトの入口８４はバーナーの火炎がＦＧＲダクト内に連行されることを防ぎ、あるいは、少なくとも減少させる。この実施の形態は、バーナー１０により高速の燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）を与えることができる。このようなより高い燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）速度は、ひいては、全体的火炎温度及びＮＯｘの産生を低減する。

図３Ａ及び図３Ｂに言及し、火炎開口２３は半径Ｒの円形であり、ダクト開口８２に火炎が連行されることを防ぐために、ダクト開口８２の火炎開口２３からの横方向の離間距離ｄは０.５Ｒ以上である。ダクト入口８４が外側に傾斜していることはまた、比較的小さいバーナーボックス１７を連続して使用することを可能にする。そういったＦＧＲバーナーは、その高さを６フィートのオーダ（約１.８ｍ乃至２.１ｍ）、幅が３フィートのオーダ（約０.９ｍ乃至１.２ｍ）とすることができることに注意されたい。

図２及び５に言及し、希釈剤として燃料ガスを使用することに加え、希釈を介してより低い火炎温度を達成するための別の技術手段は水蒸気放射を介してなされるものである。これは、水蒸気放射管１５を介して達成される。水蒸気を一次空気室又は二次空気室へ放射することとしても良い。好ましくは、水蒸気をベンチュリ管部分１９の上流に放射する。

発明のオプションの実施の形態では、ＦＧＲダクト７６の開口８２とバーナー火炎の底部の間の有効距離をより大きくしている。この実施の形態において、物理的な壁９５がバーナー先端２０とＦＧＲ７６の開口８２の間に設けられている。壁９５もまたバーナー火炎がＦＧＲダクト７６内に連行されることを防止し、あるいは、少なくとも低減し、故に、より高速度の燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）がバーナー１０に付与される。このようなより高速度の燃焼排ガス再循環はひいては全体的な火炎温度及びＮＯｘ産生を低減する。本発明の教示に従って、壁９５は、図３Ａに示すように、直線的（まっすぐ）とすることができ、あるいは、図３Ｂに示すように、湾曲したものとすることができ、又は、当業者にとって明確であるように、その他の形状とすることができる。

例えば、１０乃至１５％のＯ_２を含有する燃料ガスは、バーナー管１２ベンチュリ管部分１９を通過する燃料の吸引効果によって、好ましくは５乃至１５％のＯ_２、より好ましくは２乃至１０％のＯ_２、特に好ましくは２乃至５％のＯ_２と共に、ＦＧＲダクト７６を介して炉床付近から引っ張られる。このように、一次空気と燃料ガスは、燃焼帯の手前である一次空気室において混合される。故に、燃料と混合される不活性材料の量が増えて火炎温度を下げ、その結果、ＮＯｘの放出を低減する。

ダンパ２８を全体的又は部分的に閉じることで、一次空気室２６内に引っ張られる新鮮な空気の量を制限し、それにより、燃料ガスを炉床から引っ張るのに必要な真空を与える。

有利なことに、２０％乃至８０％の燃料と、２０％乃至８０％の周囲空気の混合物が流路（ＦＧＲダクト）７６を介して引っ張られるべきである。５０％の燃料と、５０％の周囲空気の混合物を使用することが特に好ましい。この好ましい燃料と周囲空気の比率は、空気口３０に対するＦＧＲダクト７６の適当な設置や設計によって達成される。すなわち、空気口３０の幾何学的条件（これは、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むが、これらに限定されるものではない）を変えて燃料ガスと周囲空気の望ましい比率を得ることができる。

オプションとして、ベンチュリ管部分１９によって与えられる推進力を大きくして、燃料と、水蒸気及び燃料ガスと、空気と、それらの混合物の流れをバーナー管１２内に導くために、１本又は２本以上の水蒸気放出管１５が流れの方向に配設されている。

ここで、図４乃至７に言及して本発明の別の実施の形態を論ずる。この実施の形態において、バーナー１０は炉床１４のウェル内に位置する自立したバーナー管１２を含む。バーナー管１２は上流端１６と、下流端１８と、ベンチュリ管部分１９を含む。バーナー先端２０は下流端１８に位置され、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内に位置することができる）はガス燃料ライザー６５の上端に位置し、かつ、前記上流端１６に位置し、燃料をバーナー管１２に導く。新鮮な空気又は周囲空気が調整ダンパ２８を介して一次空気室２６の中に導かれてバーナー管１２の上流端１６において燃料に混合され、そしてベンチュリ管部分１９内を上方に通過する。燃料と新鮮な空気の燃焼はバーナー先端２０の下流で生じる。

複数の空気口３０（図５及び図６）は二次空気室３２において始まり、炉床１４を貫通し炉内に通じる。新鮮な空気又は周囲空気は調整ダンパ３４を介して二次空気室３２に入り、米国特許Ｎｏ.4,629,413に説明されるように段階空気口３０を通過し炉内に入り二次燃焼、即ち、段階燃焼を生じさせる。

ダンパ３４を介して二次空気室３２に入り、かつ、空気口３０を通って炉内に入った混合されていない低温の新鮮空気又は周囲空気は、また、ベンチュリ管部分１９を通過する燃料の吸引効果によって、流路（ＦＧＲダクト）７６を介して一次空気室２６内に引っ張られる。流路７６は、図示の場合、金属ＦＧＲダクトである。

図４乃至７に言及し、壁６０は、バーナー１２の下流端１８に設けたバーナー先端２０の周囲を囲ってバーナー先端２０の下流の火炎の底部と、炉の第２開口（ＦＧＲダクト）７６及び前記少なくとも１つの空気口３０との間にバリアーを与える。

本発明の１実施の形態において、壁６０は燃料ガスや空気がそれを貫通しないように孔無しである。本発明の別の実施の形態において、壁６０はその周囲に離間して配設された複数の壁孔６１を有する。図示の実施の形態において、開口６１は、その形状が長方形であり、壁６０の周囲に沿って離間して壁の底部に配設されている。複数の壁開口６１を用いることの利点はそれらの開口の配列にあり、その配列は火炎に到達する段階空気口３０からの酸素量を減少させるように最適化されたものであり、火炎に対する酸素の干渉レベルを減少させる。当業者であれば理解することができるものであるが、各壁開口は、このように配列された場合、空気口３０から火炎までの有効流路を最長化するように配列されている。しかしながら燃焼排ガスは有利に火炎に入ることが許容されていて、ＮＯｘ放出レベルを低減することを可能にしている。

本発明の好ましい実施の形態によると、各空気口３０は、空気口３０から壁開口６１を介して火炎の底部に流入する酸素の量を最小にするために、互いに隣接する２つの壁開口６１の間に配設されている。

観察及び照明用のポート５０（図５）は照明具（図示省略）がバーナー１０の内部にアクセスすることを可能にする。

図８及び９（ここでは同様な要素に同様な番号が用いられている）に言及し、ここに本発明の別の実施の形態を示す。この実施の形態において、本発明の上述の隔壁と、傾斜ダクトの教示は、１又は２つ以上のバーナーを有し、炉の排ガス３００と流体連通する外部ＦＧＲダクトを用いる炉に関して適用することができる。炉内に数個のバーナー３１０を設け、これらのすべてのバーナーが炉の排ガスを外部ＦＧＲダクト３７６に供給できることは当業者であれば、理解されるものである。バーナー管１２の下流端１８に設けたバーナー先端２０の周囲を囲む壁６０は、バーナー先端２０における火炎の底部と、前記少なくとも１つの空気口３０の間にバリアーを与えることが理解される。

本発明の燃焼排ガス再循環システムの使用を通じて上に説明した利点と同様な利点は、図１０乃至１３を参照して以下に説明するように、フラットフレームバーナーにおいて達成される。図１０及び１１は、図１に示す新規なバーナー構成と同様なラットフレームバーナー構成を示し、一方、図１２及び１３は、図４に示す新規なバーナー構成と同様なラットフレームバーナー構成を示す。

バーナー１１０は炉床１１４のウェル内に位置する自立型のバーナー管１１２を含む。バーナー管１１２は上流端１１６と、下流端１１８と、ベンチュリ管部分１１９を含む。バーナー先端１２０は下流端１１８に設けられ周囲タイル１２２によって周囲が囲まれている。燃料オリフィス１１１（これはガススパッド１２４内に配設することができる）は上流端１１６に配設され燃料をバーナー管１１２に導入する。新鮮なあるいは周囲の空気を一次空気室１２６に導入してバーナー管１１２の上流端において燃料に混合することができる。燃料と新鮮な空気の燃焼はバーナー先端１２０の下流において生じる。新鮮な二次空気はダンパ１３４を介して二次空気室１３２に入る。炉からの燃焼排ガスを一次空気室へ再循環するために、燃焼排ガス再循環流路１７６は炉床を貫通し一次空気室１２６まで延伸しているので、燃焼排ガスは、ダンパ１２８を通って開口１８０から一次空気室へ引かれた新鮮な空気と混合される。例えば、０乃至１５％のＯ_２を含有する燃料は、バーナー管１１２のベンチュリ管部分１１９を通る燃料の吸引効果によって流路１７６を介して引かれる。一次空気及び燃料ガスは、燃焼帯よりも手前の一次空気室において混合される。

運転において、燃料オリフィス１１１（これはガススパッド１２４内に配設される）は燃料をバーナー管１１２内に排出し、ここにおいて燃料は一次空気、再循環された燃焼排ガス、又はそれらの混合物と混合される。燃料、再循環された燃焼排ガス、一次空気、又はそれらの混合物は次にバーナー先端１２０から排出される。バーナー管１１２のベンチュリ管部分１１９におけるその混合物は多燃料可燃限界以下に維持され、即ち、燃焼を支持するために不十分な空気が存在する。二次空気の大部分はバーナー先端１２０から有限距離離れて追加される。

オプションとして、ベンチュリ管部分１１９によって与えられる推進力を増大して燃料と、水蒸気及び燃料ガスと、空気と、それらの混合物の流れをバーナー管１１２に導入するために１本又は２本以上の水蒸気放射管１１５を備えることができる。

ここで、先の実施の形態と共に図１０及び１１に言及すると、ＦＧＲダクト１７６の開口１８２がバーナー先端１２０の底部から物理的により離間するようにＦＧＲダクト１７６を入口１８４において外側に傾斜させてもよい。従って、傾斜したＦＧＲダクト内の入口１８４はバーナー火炎がＦＧＲダクト１７６に連行されることを防止し又は少なくとも減少させる。これは、バーナー１１０に与えられるより高い燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）速度を達成する。こういったより高いＦＧＲ速度は、引いては、全体的火炎温度及びＮＯｘの産生を低減する。

入口１８４における外側への傾斜は、また、比較的小さいバーナーボックス１１７の連続使用を許容する。そういったＦＧＲバーナーを高さが６フィートのオーダ、幅が３フィートのオーダとすることができることに留意されたい。

図１０と１１に続いて言及すると、フラットフレームバーナーの実施の形態に関する本発明の利点は、ＦＧＲダクト１７６の開口１８２とバーナー火炎の底部の間の有効距離を大きくすることによってさらに高揚される。この実施の形態において、上述した物理的な壁１９５はバーナー先端１２０と、ＦＧＲダクト１７６の開口８２の間に設置される。この壁は、また、バーナー火炎がＦＧＲダクト１７６内に連行させることを防止又は少なくとも減少させ、よって、バーナー１１０により高い燃焼排ガス再循環（ＦＧＲ）速度を与えることができる。こういったより高いＦＧＲ速度は、引いては、全体的な火炎温度及びＮＯｘ産生を低減する。

（図４の実施の形態と同様な）図１２及び１３に示すフラットフレームバーナーの実施の形態に関して、壁１６０は、バーナー先端１２０における火炎の底部と、炉の第２開口１７６及び前記少なくとも１つの空気口（図示省略）の両方との間にバリアーを与えるために、バーナー管１１２の上流端１１６に設けたバーナー先端１２０の周囲を囲む。壁１６０は火炎の底部に流れ込む酸素の量を減少させる。

実施例１
本発明の利点を示すために、本発明の火炎の底部と、燃焼排ガス再循環ダクト及び二次空気口の両方との間にバリアーを与えるためにバーナー先端の周囲を囲む壁を設けること無く、米国特許Ｎｏ.5,092,761に説明されるタイプの燃焼排ガス再循環を行うプレミックスバーナーをＨ_２（水素）を３０％、天然ガスを７０％含有する燃料ガスを用いて６,１１９,０００ＢＴＵ／ｈｒ（５,８００,０００ＢＴＵ／ｈｒ）の燃焼速度で運転した。バーナーのＮＯｘ放出値は４９ppmであった。

実施例２
本発明の火炎の底部と、燃焼排ガス再循環ダクト及び二次空気口の両方との間にバリアーを与えるためにバーナー先端の周囲を囲む壁を実施例１のプレミックスバーナーに設けた。バーナーをＨ_２３０％、天然ガス７０％を含有する燃料ガスを用いて６,１３５,０００ＢＴＵ／ｈｒの燃焼速度で運転した。４６.１１ppmのＮＯｘ放出値が検出された。

コンピュータによる流体力学モデル解析と、上述の市販ユニットによる実際の試験は、バーナー先端の周囲を囲む壁を持たない既存の構造は、炉内のＦＧＲダクト上方に酸素高濃度帯を持つことを示した。この酸素の一部は火炎底部に流入し、多量の酸素が火炎底部に干渉する結果、ＮＯｘの高い産生の原因になると信じられている。そういった並流は好ましい混合と高燃焼速度を引き起こす一方、この効果により、より高い温度と、より高いＮＯｘ放出レベルを生じやすいと信じられている。この問題を解決する努力において、本発明に従い火炎と酸素再循環帯の間に壁を使用することが火炎と酸素再循環帯の干渉を大きく低減することが発見された。

本発明のいくつかのバーナーを床燃焼炭化水素水蒸気炉に関して説明してきたが、これらのバーナーをまた炉の他の反応を実行するために使用することができる。

ここで説明する燃焼排ガス再循環システムと方法論はまた、プレミックスバーナーを有する生ガスバーナーにおいてバーナー管の入口において燃焼排ガスだけが燃料ガスと混合されるという有用性をまた有することにも留意されたい。事実、ここで詳細に説明されるタイプのプレミックス段階空気バーナーは一次空気室のダンパドアーを閉じた状態で運転可能であり、非常に満足する結果を伴うものである。

本発明を特定の手段、材料及び実施の形態について説明してきたが、本発明はこういった特に開示されたものに限定されるものではなく、請求の範囲に相当する全ての同等なものを含むことが理解される。

本発明に従う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３Ａは、図１の３−３線に沿う一部断面側面図である。図３Ｂは、図３Ａの真直ぐな壁に代えて湾曲壁を採用した本発明の別の実施の形態を示す。 本発明に従う隔壁を備えるバーナーの別の実施の形態の一部断面側面図である。 図４の５−５線に沿う一部断面側面図である。 図４の６−６線に沿う平面図である。 本発明に従う隔壁の斜視図である。 外部ＦＧＲを用いた本発明の実施の形態の側面図である。 外部ＦＧＲを用いた本発明の実施の形態の平面図である。 本発明のフラットフレームバーナーの実施の形態の一部断面側面図である。 図１０の１０−１０線に沿う図１０のフラットフレームバーナーの実施の形態の一部断面側面図である。 本発明のフラットフレームバーナーの別の実施の形態の一部断面側面図である。 図１２の１３−１３線に沿う図１２のフラットフレームバーナーの実施の形態の一部断面側面図である。

Claims (18)

1. 段階空気バーナー（１０，３１０，１００）であって、
   （ａ）一次空気室（２６，１２６）と、
   （ｂ）炉床（１４，１１４）の第１火炎開口内に位置するバーナー管（１２，１１２）であって、（ｉ）下流端（１８，１１８）と、（ii）前記一次空気室（２６，１２６）に流体連通する上流端（１６，１１６）と、（iii）前記バーナー管（１２，１１２）の前記下流端（１８，１１８）に設けられたバーナー先端（２０，１２０）であって、該バーナー先端の下流において燃料の燃焼が生じるように前記炉の前記第１火炎開口に向けられたバーナー先端（２０，１２０）とを含むバーナー管と、
   （ｂ２）前記バーナー先端（２０，１２０）を囲み、前記第１火炎開口を形成するタイル（２２、１２２）と、
   （ｃ）前記炉床（１４，１１４）の前記第１火炎開口から横方向に離間する第２開口に位置する第１端部と、前記一次空気室（２６，１２６）へ解放された第２端部とを有する少なくとも１つの燃焼排ガス再循環ダクト（７６，３７６，１７６）と、
   （ｄ）前記炉床（１４，１１４）に対して垂直に設けられた壁（９５，６０，１９５，１６０）であって、前記炉床（１４，１１４）から前記第１火炎開口と前記燃焼排ガス再循環ダクト（７６，３７６，１７６）の前記第１端部の間において前記炉内に延伸する壁と、
   （ｅ）少なくとも１つの空気口（３０，１３０）と流体連通する二次空気室（３２，１３２）と、
   （ｆ）前記燃焼排ガス再循環ダクト（７６，３７６，１７６）を介して前記炉から燃焼排ガスを引っ張るベンチュリ管（１９，１１９）とを、
   含むバーナー（１０，３１０，１００）。
2. 前記ベンチュリ管（１９，１１９）は、バーナー管の一部（１２，１２２）である請求項１のバーナー（１０，３１０，１００）。
3. 前記一次空気室（２６，１２６）に流入する空気の量を制限し、それにより前記炉から燃焼排ガスを引っ張るための真空を与えるように前記一次空気室（２６，１２６）へ解放された少なくとも１つの第１調整可能ダンパ（２８，１２８）をさらに含んでなる請求項１又は２のバーナー（１０，３１０，１００）。
4. 前記二次空気（３２，１３２）に流入する空気の量を制限するために前記二次空気室（３２，１３２）へ解放された少なくとも１つの第２調整可能ダンパ（３４，１３４）とをさらに含んでなる請求項１ないし３のいずれか１つに記載のバーナー（１０，３１０，１００）。
5. 前記空気口（３０，１３０）は複数であり、前記二次空気室（３２，１３２）は該複数の空気口に流体連通する請求項４のバーナー（１０，３１０，１００）。
6. 前記少なくとも１つの燃焼排ガス再循環ダクト（７６，３７６，１７６）の前記第１端部は、バーナー火炎を前記第２開口に連行することを最小にするために、前記第１開口から有効な距離離間している請求項１ないし５のいずれか１つに記載のバーナー（１０，３１０，１００）。
7. 前記第１火炎開口は半径がＲの円形であり、前記第２開口が前記第１火炎開口から横方向に離間する前記距離は、前記バーナー火炎を前記第２開口内に連行することを実質的に防止するために、０.５Ｒ以上である請求項１ないし６のいずれか１つに記載のバーナー（１０，３１０，１００）。
8. 前記少なくとも１つの燃焼排ガス再循環ダクト（７６，３７６，１７６）は前記一次空気室（２６，１２６）から垂直方向に延伸し、かつ、前記第１端部において前記第１火炎開口から外側に角度をなし、前記第１火炎開口から横方向に離間する前記第２開口につながっている請求項１ないし７のいずれか１つに記載のバーナー（１０，３１０，１００）。
9. 前記壁（６０，１６０）は前記バーナー先端（２０，１２０）の周囲を囲む請求項１ないし８のいずれか１つに記載のバーナー（１０，３１０，１００）。
10. 前記壁（６０，１６０）は複数の壁開口（６１，１６１）を有する請求項９のバーナー。
11. 前記複数の壁開口（６１，１６１）は前記壁の底部に位置する請求項１０のバーナー。
12. 前記壁開口（６１，１６１）は長方形形状である請求項１０のバーナー（１０，３１０，１００）。
13. 前記第１火炎開口と、前記燃焼排ガス再循環ダクト（７６，３７６，１７６）の第１端部との間において前記炉内へ延伸する壁は部分的な壁（９５，１９５）である請求項１のバーナー（１０，３１０，１００）。
14. 前記第１火炎開口と、前記燃焼排ガス再循環ダクト（７６，３７６，１７６）の第１端部との間において前記炉内へ延伸する部分的な壁（９５，１９５）は湾曲し、前記バーナー先端（２０，１２０）を部分的に囲む壁である請求項１３のバーナー（１０，３１０，１００）。
15. 前記バーナーはプレミックスバーナーである請求項１ないし１４のいずれか１つに記載のバーナー。
16. 前記バーナーはフラットフレームバーナー（１００）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。
17. 前記炉は水蒸気分解炉である請求項１ないし１６のいずれか１つに記載のバーナー（１０，３１０，１００）。
18. 少なくとも１つの水蒸気放射管（１５，１１５）を含んでなる請求項１ないし１７のいずれか１つに記載のバーナー（１０，３１０，１００）。

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