Reliable ignition of the hot oxygen generator

本発明は、高温の酸素流を形成することに関し、特に、このような流れを生み出すことのできる仕方に関する。

多くの工業プロセスでは、プロセスに応じて酸素含有量が２２ｖｏｌ． ％から９９ｖｏｌ． ％超までの範囲の気体酸化剤流として供給される酸素を使用する。 これらのプロセスの多くにおいて、気体酸化剤流が周囲に比べて高温である場合、またしばしば、気体酸化剤流の温度が５３７．８Ｃ（１０００Ｆ）、又は１０９３Ｃ（２０００Ｆ）すら超える場合、また気体酸化剤流がかなりの速度を有している場合に、メリットがある。

本発明は、高温の酸素流を供給する有用な方法を提供する。

本発明の一態様は、高温の酸素流を形成する方法であり、
（Ａ）出口オリフィスを有するダクトを備え、前記ダクトの内側に位置決めされ、前記ダクト内で軸方向に移動可能な中空燃料ランスを備え、前記ランスは前記ダクトの前記出口オリフィスの方により近い前記ランスの端部に燃料出口を有することと、
（Ｂ）気体燃料を前記燃料ランス内に流し、前記燃料出口から前記燃料出口と前記出口オリフィスとの間の前記ダクト内の空間内の前記ダクト内に流し、前記ダクト内の気体酸化剤を前記出口オリフィスの方へ流して前記空間内に送り込み、これにより前記気体酸化剤と前記気体燃料との混合気を前記空間内に形成することと、
（Ｃ）前記混合気を前記ダクトから前記出口オリフィスに通し雰囲気以外の点火源の助けを借りずに前記混合気を点火する十分な高温を保つ雰囲気中に流し込み、前記混合気を前記ダクト内に入り込まない火炎で燃焼させることと、
（Ｄ）前記燃料出口を前記出口オリフィスの方へ移動するために前記燃料ランスを移動し、これにより前記燃料出口が好ましくは前記ダクト出口オリフィスの内側にあるが、前記出口オリフィスから外へ突き出ることができ、これにより前記火炎の基部が前記燃料出口へ移動するようにすることと、次いで（Ｅ）前記燃料出口のところの基部で前記火炎を維持しながら前記燃料出口を前記ダクトの内側の前記出口オリフィスから遠ざけるために前記燃料ランスを移動することと、
（Ｆ）前記火炎の基部が前記燃料出口へ移動した後、前記出口オリフィスの方へ向かう前記ダクト内の前記気体酸化剤の流量を増大することとを含み、前記増大した流量において前記気体酸化剤中の酸素は前記気体燃料が前記ダクト内に流れ込むことに関して完全燃焼に必要な化学量論的過剰であり、前記過剰量の酸素は、前記燃焼によって前記ダクト内で加熱され、前記出口オリフィスから高温酸化剤の流れとして出現する。

本発明の他の態様は、高温の酸素流を形成するために有用な装置であり、
（Ａ）出口オリフィスを有するダクトと、
（Ｂ）前記酸化剤を前記ダクト内に制御可能に変化させることができる流量で供給することができる気体酸化剤の供給源と、
（Ｃ）前記ダクトの内側に位置決めされ、前記ダクト内で軸方向に移動可能である中空燃料ランスであって、前記ランスは前記ダクトの前記出口オリフィスにより近い前記ランスの端部に燃料出口を有し装置は前記燃料ランスを前記ダクト内で軸方向に移動することができる、中空燃料ランスと、
（Ｄ）前記燃料を前記ランス内に制御可能に変化させることができる流量で供給することができる気体燃料の供給源とを備え、
（ｉ）気体酸化剤の前記供給源は、前記酸化剤中の酸素が前記ランス内に供給される燃料に関して完全燃焼に必要な化学量論的過剰となる流量で前記酸化剤を供給することができ、（ｉｉ）前記燃料ランスは、前記燃料出口を前記出口オリフィスの方へ移動して、前記酸化剤と前記燃料の燃焼によって形成され、前記出口オリフィスの外側にのみある火炎が、燃料が前記燃料出口から流れ、酸化剤が前記ダクト内に流れ込んでいるときにその基部とともに前記ダクト内に移動して入ることができる火炎捕捉位置に置くために移動することができ、（ｉｉｉ）気体酸化剤の前記供給源及び気体燃料の前記供給源は、前記酸化剤及び前記燃料の燃焼によって形成され、前記出口オリフィスの外側にのみある火炎が、前記燃料出口が前記火炎捕捉位置にない限り前記ダクト内に入り込まない流量で前記酸化剤及び燃料を供給することができる。

本発明の好ましい一態様では、前記装置は、前記出口オリフィスの外側に気体雰囲気を供給することができる構造をさらに備え、前記雰囲気は前記雰囲気以外の点火源の助けを借りずに前記混合気を点火できるくらい十分に高温である。 製鉄容器の羽口は、このような構造の１つである。

本発明で有用な装置の全体的断面図である。

本発明により高温酸素流を形成するために有用な装置の一部の断面図である。

本発明の方法において異なるポイントから見た、図２の装置の断面図である。

本発明の方法において異なるポイントから見た、図２の装置の断面図である。

工業環境における本発明の応用の一実施例の断面図である。

本発明を実施する際に有用な一実施例の斜視図である。

本発明の装置の他の実施例の断面図である。

図１は、高温の酸素流を生成するために有用な本発明を具現化する装置の略図である。 装置１は、出口オリフィス５内の一端で終端する、好ましくは均一な直径の、通路の形態のダクト３を備える。 出口オリフィス５の直径がダクト３の直径より小さい、示されている実施例が有用であるが、出口オリフィス５の直径は、ダクト３の直径より小さくても、大きくても、同じであってもよい。 中空燃料ランス７は、ダクト３内に、好ましくはダクト３と同軸上に配置される。 ランス７の２つの端部のうち、出口オリフィス５に近い方の端部が燃料出口９である。 燃料出口９は、ランス７の端部の中の単一の穴とすることができるか、又はランス７の端部を通過する複数のより小さな開口部を備えることができる。 ランス７は、ランス７をダクト３内で軸方向に移動させられるような仕方でダクト３内で支持され、これにより、燃料出口９は出口オリフィス５に近い位置に移動することができ、またランス７は、燃料出口９が出口オリフィス５からより遠くにダクト３内に再配置されるように移動させることができる。 ランス７のこのような位置決めと移動を可能にする適切な支持軸受、及び本明細書で説明されているようにランス７を移動することができる特定の装置が、図１に示されていないが、以下でさらに詳しく説明する。

例示することを目的とし、限定はしないが、装置１の典型的な寸法として、ダクト３の内部は、典型的には、長さが３０．４８ｃｍ（１フィート）から１８２．８８ｃｍ（６フィート）、直径が１．２７ｃｍ（０．５インチ）から６．３５ｃｍ（２．５インチ）であり、出口オリフィスは、典型的には、直径が１．２７ｃｍ（０．５インチ）から５．０８ｃｍ（２．０インチ）であり、ランス７（ダクト３内の部分）は、典型的には、長さが３８．１ｃｍ（１．２５フィート）から１９８．１２ｃｍ（６．５フィート）であり、その中空内部は、典型的には、直径が０．６３５（０．２５インチ）から３．８１ｃｍ（１．５インチ）である。 単一の燃料出口が備えられている場合、その直径は、典型的には、直径が０．３１７５ｃｍ（０．１２５インチ）から２．５４ｃｍ（１インチ）であり、複数の燃料出口が備えられている場合には、それらの直径は、典型的には、０．０７９３７５ｃｍ（１／３２インチ）から０．９５２５ｃｍ（０．３７５インチ）である。

ダクト３は、ダクト３に送られる気体酸化剤の供給源１１に好適な配管１２によって接続される。 配管１２は、気体酸化剤をダクト３に送り込むものである。 供給源１１は、オペレータがダクト３に送られる気体酸化剤の流量を制御可能に変化させることができる制御装置も備える。 気体酸化剤は、２０．９体積パーセント（つまり、気体酸化剤が空気の場合）から９９体積パーセント超までの範囲内の量の酸素を含む。 好ましくは、気体酸化剤は、少なくとも約５０体積パーセントの酸素、及びより好ましくは少なくとも約９０体積パーセントの酸素を含む。

中空ランス７は、好適な配管１４によって気体燃料の供給源３に接続される。 配管１４は、燃料をランス７の中空内部に送り込む。 供給源１３は、オペレータがランス７に送られる気体燃料の流量を制御可能に変化させることができるようにする制御装置も備える。 気体燃料は、一般に、気体可燃物を含むことができる。 好ましくは、気体燃料は可燃性炭化水素である。 好ましい、気体の及び蒸発性の燃料の実例として、天然ガス、メタン、プロパン、石油ガス、ストーブガス、発生炉ガス、コークス炉ガス、並びに１００℃以下で気体になるアルカン、アルケン、及びアルキンが挙げられる。 他の燃料として、気化アルコール（例えば、エタノール）及び気化若しくは熱分解燃料油（例えば、ナンバー２ディーゼル、ガソリン、又はバイオ燃料）が挙げられる。

出口オリフィス５から遠いランス７の端部は、図１に示されていない、当業者になじみのある適切なシールを通じて、出口オリフィス５の反対側にあるダクト３の端部を通過する。

ダクト３及びランス７は、運転時に曝される高温に耐えられる材料で製作されるべきである。 好適な材料としては、炭素鋼、ステンレス鋼、及び耐熱合金が挙げられる。 ダクト３は、冷却水を流して外部ウォーター・ジャケット（図示せず）に通すことによって冷却することができる。 しかし、本発明の一利点は、装置のコンポーネント（特に、ダクト、出口オリフィス、ランス、及びランスの燃料出口（先端部））が過剰な加熱によって損傷を受けないようにする適切な冷却を、ダクト３を通る気体酸化剤及び燃料の流量を十分に高く維持することによって行うことができることである。 これは、ランスの端部のところで火を付けるために流量を下げなければならない、また結果として生じる過熱の危険性に耐えなければならないと予想しているであろうから予期しないことである。 本発明によれば、点火は、外部から加えられる冷却（ウォーター・ジャケットを使用するなど、ダクト３の内部からダクト３の壁を通して部分的に又は完全に熱を引き出すことを意味する）を必要としない十分なガス流量で行うことができる。

図２、３、及び４は、本発明の方法のさまざまな段階における、装置１の端部の内部の図面である。 図１にも現れる参照番号は、図２、３、及び４と同じ意味を有する。 最初に図２を参照すると、ランス７は、燃料出口９が燃料出口９と出口オリフィス５との間に空間１５を画成するように位置決めされる。 燃料出口９は、後述のように出口オリフィス５のところの装置１の外側で火が付けられたときにその火炎が完全にダクト３の外側に留まるように出口オリフィス５から十分に遠く離れていなければならない。

図２に示されている本発明の段階において、気体燃料は、燃料出口９からランス７を通って空間１５内に流れ込み、気体酸化剤はダクト３内に流れ込み、同様に空間１５にも流れ込む。 気体酸化剤及び気体燃料が空間１５内で混合し、燃料と酸化剤との混合気が出口オリフィス５から流れ出る。 方法のこの段階において供給される気体酸化剤中の酸素は、燃料の完全燃焼のために供給される気体燃料の量に比べて化学量論的に少ないか、等しいか、又は過剰であるものとしてよい。

本発明の方法を実施する際に、本明細書で説明されている装置１は、出口オリフィス５のすぐ外側の雰囲気の温度が十分に高く、出口オリフィス５から出てくる気体燃料及び気体酸化剤の混合気がこの雰囲気の熱によって点火するような位置に配置される。 混合気を点火するのに十分な温度は、特定の用途において容易に決定することができるが、一般的には少なくとも５３７．８Ｃ（１０００Ｆ）である。 この点火は、雰囲気及びその高温以外の点火源の助けを借りずに生じる。 つまり、気体燃料と気体酸化剤との混合気は、従来の点火装置又は裸火、火花発生装置、高抵抗電線、及び同様のものなどの点火源の助けを借りなくても点火する。 この高温雰囲気をもたらす状況の例について以下で説明する。

出口オリフィス５の外側での高温雰囲気による気体燃料及び気体酸化剤の混合気の点火により、燃料及び酸化剤は基部がダクト３内に入り込まない火炎内で燃焼する。 火炎の基部は、出口オリフィス５のところにあるか、又は出口オリフィス５から隔てられていてもよい。 この動作段階では、気体燃料及び気体酸化剤は、これらが燃焼する際の火炎がダクト３内の上流に伝搬することのない十分に高速な速度で出口オリフィス５を通して送り出される。 ダクト３を通る気体酸化剤の流量は（及び好ましくは燃料の流量も）この動作段階において、設計流量よりも低くなければならない（後で流量を高められるように）。

このような伝搬が生じるのを防ぐ効果のある速度は、所定の装置について容易に決定することができるが、例えば、この動作段階でダクト３を通る気体酸化剤の典型的な流量は、５００から２０００ｓｃｆｈであり、供給源１１からの７５００ｓｃｆｈの設計流量に比べて小さく、この動作段階でダクト３内に入る気体燃料の典型的な流量は、３００から６００ｓｃｆｈであり、１６４９Ｃ（３０００Ｆ）で７５００ｓｃｆｈの高温酸素を生成するためには設計流量の５０〜１００％である。 化学量論的に、この段階における気体酸化剤中の酸素と燃料との比は、０．７５から７の範囲内でなければならない。 これらの典型的な値は、酸化剤濃度、燃料のタイプ、設計供給圧、及び動作規模に依存する。

本発明の方法の動作の次の段階において、出口オリフィス５の外側で火が付けられた後に、ランス７は、燃料出口９が出口オリフィス５に近づいてゆくように移動される。 この移動中に、気体酸化剤の流れ及び燃料の流れは継続し、これにより、出口オリフィス５の外側の火炎の燃焼を支持し続ける。 燃料出口９が出口オリフィス５に近づくにつれ、出口オリフィス５の外側にあった火炎の基部が出口オリフィス５を通じてダクト３内に移動するポイントに到達し、これにより、火炎の基部は燃料出口９のところか、又はわずかに内側に入る。 図３は、火炎の基部が燃料出口９のところに移動するときのダクト３内のランス７の典型的な位置を示している。 燃料管が出口オリフィス５の外側に突き出ることができるが、これは、先端部を高温の雰囲気に曝し（場合によっては過熱する）、存在している場合がある溶融した鉄及びスラグが跳ねて栓をする形になる可能性があるため好ましくない。

次いで、ランス７は、軸方向に移動し、燃料出口９が、出口オリフィス５から遠ざかりダクト３の中に入り込む。 気体燃料及び気体酸化剤の流れは、火炎が燃料出口９のところでその基部とともに続き、火炎、及び好ましくは火炎全体が、ダクト３内に引き込まれるように維持される。 図４は、ランス７が出口オリフィス５から離れダクト３内に引き込まれた後の、ダクト３内のランス７の典型的な位置を示す。 火炎４は、その基部を燃料出口９のところに有する。 火炎４の基部は、燃料出口９内にわずかに入るか、又は出口９内に入り込まずに出口９の外面のところにあるものとしてよい。

ダクト３に入る気体酸化剤の流量を増大する。 この増大は、ランス７が出口オリフィス５から燃料出口９を引き離すように移動している間に開始するか、又はこの増大は、出口オリフィス５から燃料出口９を離す動作が終了した後に開始することができる。 気体酸化剤の流量は、ダクト３内に送り込まれる気体燃料に関する酸素の化学量論的過剰がもたらされるように増大されなければならない。 気体燃料の流量も増大させることができる。 増大した流量における、酸化剤中の酸素と、燃料との化学量論比は、２：１より大きく、好ましくは、少なくとも２５：１であり、より好ましくは少なくとも１２．５：１である。 典型的には、気体酸化剤の流量は、５０００から１０，０００ｓｃｆｈの流量まで増大されるが、動作の規模に応じて１０００から１００，０００ｓｃｆｈ又はそれ以上の流量を使用することができる。 燃料供給量は、典型的には、燃料が天然ガスの場合は、化学量論に基づき酸素流量のおよそ３から１２％である。 他の燃料を使用した場合、対応する数字を天然ガスに関する発熱量に基づいて調節するが、例えば、プロパンの発熱量は、天然ガスの２．５倍であり、したがって、酸素の同じ流量に対し必要なプロパンの量は、天然ガスの流量の１／（２．５）＝０．４倍となる。 ダクト３内の気体酸化剤と気体燃料の燃焼により、過剰な未燃焼酸素を少なくとも５３７．８℃（１０００°Ｆ）まで加熱し、好ましくは、少なくとも１０９３℃（２０００°Ｆ）まで加熱し、より好ましくは少なくとも１６４９℃（３０００°Ｆ）まで加熱する。 高温の酸素流は、気体燃料と酸化剤の燃焼による生成物も含み、典型的には少なくとも毎秒３０４．８ｍ（１０００フィート）の速度で、さらには少なくとも毎秒６０９．６ｍ（２０００フィート）の速度で出口オリフィス５から出てくる。 もちろん気体燃料の量に関する過剰な酸素の量に応じて、出口オリフィス５から出てくる高温の酸素流の酸素含有量は、典型的には、約８０ｖｏｌ． ％であり、好ましくは少なくとも６５ｖｏｌ． ％である。 酸素が高温であればあるほど、高温の酸素流中に残っている酸素含有量は低くなる。 ダクト３内で火が付けられ、高温の酸素流がダクト３内に発生していて、出入オリフィス５から出てくると、火炎の働きと高温の酸素流の発生は、好きなだけ長く持続できる。 この動作において、条件に変化はないものとしてよいか、又はオペレータが、必要に応じて、高温の酸素流の速度、及び／又は高温の酸素流の酸素含有量を、酸素と燃料の流量、及び／又はダクト３内に送り込まれる酸化剤の酸素含有量を変化させることによって変えることができる。

例えば、７５００ｓｃｆｈの酸化剤（９９ｖｏｌ．％のＯ _２として）、及び天然ガスの６００ｓｃｆｈを使用して１６４９Ｃ（３０００Ｆ）の温度を有する高温の酸素流を生成するためには、天然ガス流量は酸化剤流量の（１００ｘ６００）／７５００＝８％となる。 天然ガスが１００％のＣＨ _４であると仮定すると、６００ｓｃｆｈの天然ガスは、１２００ｓｃｆｈのＯ _２と反応して、未燃焼酸化剤の量は、初期流量の（１００×（７５００−１２００）／７５００）＝８４％となる。 この実例は、内径２．５４ｃｍ（１インチ）の酸化剤ダクト、直径１．６５１ｃｍ（０．６５インチ）の出口オリフィス、内径１．２７ｃｍ（０．５インチ）の燃料ランス、及びランスの端部に、それぞれ直径０．１５８７５ｃｍ（１／１６インチ）の５つの穴を有する燃料出口に基づいている。

ダクト３内のランス７の前述の移動は、手で、出口オリフィス５が配置されている端部の反対側にある装置の端部から突き出るランス７の一部を操作することなどによって行える。 しかし、ランス７の移動は、機械制御装置又は空気圧制御装置で行うこともでき、これらの方法が好ましい。 例えば、図６を参照すると、歯付トラック６１を、装置１から突き出るランス７の一部に取り付けることができ、またトラック６１と係合する周上に歯を有するギアホイール６３を備えることができる。 ギアホイール６３は、モーター６７によって回転されうるアクスル６５上で回転することができる。 従来の制御装置を用いることで、オペレータは、アクスル６５（したがって、ギアホイール６３）の回転の開始及び停止を行う、一方の位置にランス７を残す、又はモーターを作動させ、アクスル６５及びギアホイール６３の回転の方向、アクスル６５が回転する速度（したがって、ランス７がダクト３内で移動する速度を制御する）、並びにアクスル６５の回転が停止したときのランス７の位置を制御することができる。

ランス７を制御可能に移動する他の好ましい方法では、液体又は圧縮空気若しくは窒素若しくは酸素などの気体状流体を使用し、この流体をランス７に取り付けられているプラテンの一方の側又は他方の側に当てる。 図７を参照すると、ランス７が、ハウジング７０に取り付けられ固定されているダクト３の端部内に入り込んでいる。 ランス７は、ハウジング７０を通ってスライドし、ガスがシールを通過してハウジング７０内のキャビティ７６に入るのを防ぐ気密シールを形成するＯリング８０などのシールを通り越すことができる。 上述の酸化剤配管１２は、酸化剤がダクト３内に入る際に通る酸化剤コネクタ７１に接続される。 ハウジング７０は、送気管７３に接続された空気コネクタ７２、及び送気管７５に接続された空気コネクタ７４も備える。 キャビティ７６内に置かれているランス７の一部に圧力板７７が取り付けられる。 圧力板７７は、圧力板７７の一番外側の縁がキャビティ７６の内面とスライド可能なように、ただし気密を保つように合わせることができる寸法を有する。 ハウジング７０の内部は、送気管７３を通して供給される空気がコネクタ７２を通り圧力板７７の一方の側のキャビティ７６に入り、送気管７５を通して供給される空気若しくは窒素若しくは酸素がコネクタ７４を通り圧力板７７の他方の側のキャビティ７６内に入るように作製することができる。 ランス７の移動が望ましい場合、コントローラ７８が、ランス７の望ましい移動方向に応じて、送気管７３若しくは７５の一方の中の圧力を高める。 ランス７が所望の距離を移動するまで圧力を加え、次いで、送気管７３及び７５内の圧力を等しくする。 ランス７が起動する速度は、送気管７３と送気管７５との間に印加される圧力の差の大きさで決められる。 この実施例は、ランス７を移動するために圧力を加える送気管７３及び７５内並びにキャビティ７６内の媒体として空気を使用して説明されているが、この実施例は、空気の代わりに、窒素又は他の不活性ガスなどの、他の気体若しくは液体の流体とともに使用することもできる。

本発明により生成される高温の酸素流は、そのような流れが望ましい工業用途で使用することができるが、ただし、この用途では、燃料及び出口オリフィス５から出てくる酸化剤の混合気を点火するために出口オリフィス５の外側に前述の高温の雰囲気を形成するものとする。 例えば、高温の酸素流を燃焼チャンバから高温の煙道ガスに送り込み、煙道ガスの成分と反応させることができ、このような燃焼チャンバの実例として、焼却炉、並びに気体、液体、及び／又は固体の燃料を燃やす発電用ボイラーが挙げられる。 また、高温の酸素流を（例えば）製造プロセス、化学プラント、又は精油所の調製段階によって形成される高温の燃焼排ガス又は生成ガス流中に送り込むことができる。

本発明により生成される高温の酸素流に対する工業用途の好ましい一実例は、鉄、鋼鉄、及び銅などの金属の生産におけるものである。 図５は、製鉄及び溶銑製造に対するこのような一用途を示しており、そこでは、上述の装置１は、高温の酸素流をブローパイプ５１内に送り込んで、高温の酸素を石炭ランス５３を通して送り込まれた粉炭と、またブローパイプ５１を通して送り込まれた熱風とを混合させる。 気体酸化剤と燃料との未点火混合気が、装置１から出てきて熱風内に入るときに、この熱風は混合気を点火するのに十分に高温であり、典型的には８１５．６から１３１６Ｃ（１５００から２４００Ｆ）であり、続いて、装置１の燃料ランスが、上述のように、ダクト３内に移動され、装置１内の気体燃料と酸素との燃焼によって形成される火炎が高温の酸素流を生成し、この高温の酸素流が装置１から出てくる。 その高温の酸素流及び石炭はブローパイプ５１内で燃焼し、その結果得られる、高温の燃焼生成物を含む混合物が、羽口５５を通り高炉（図示せず）内に出てくる。

本発明には、多数の利点がある。 例えば、火炎がダクト３内に伝搬（フラッシュバック）することによる点火を利用する代わりに装置１の外側で火炎点火することにより、酸化剤と燃料の流量をフラッシュバックが発生できる低さに抑えることから生じる運用制御面の問題点が回避される。

また、点火プロセスの一部としてダクト内に入るフラッシュバックに依存すると、フラッシュバックを発生させるために酸化剤及び燃料の流量を相当に下げる必要があり、このような低い流量で両方の流れを十分に制御できるようにするために、主流量制御装置類の周りのバイパス機器を含む複雑で高価な流量制御機器が必要になる。 本発明を用いると、別々のバイパス流量制御機器を必要としない。

本発明の他の利点は、フラッシュバックを回避することで装置内部に加えられる熱応力が回避されるという点である。 その代わりに、装置の外側で点火される前にダクト３を通る気体酸化剤と燃料の流れが、装置を冷却し、したがって、ウォーター・ジャケットなどの追加の冷却構造を備える必要がない。