JP2005521023A - 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
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Abstract
Description
(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。
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。
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。
(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管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。
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。
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H2/70%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。
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H2/70%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。
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H2/70%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=CH4;
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(CH4)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。
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。
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181cm2(28in2))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。
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181cm2(28in2))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。
Claims (21)
- 炉内において燃料を燃焼させるバーナーであって、
(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管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下流端に設けられたバーナー先端と、
(e)第1端部と、前記バーナー管の前記上流端に隣接する第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バーナー。 - 前記のど部の前記長さ対最大断面内寸法の比は4乃至10である請求項1のバーナー。
- 前記バーナー管の前記上流端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つ以上の水蒸気管をさらに含んでなる請求項1又は2のバーナー。
- 前記少なくとも1つの流路は前記バーナーの内部に位置する流路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。
- 前記少なくとも1つの流路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。
- 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。
- 二次空気室と、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可変ダンパーとを含んでなり、前記二次空気室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。
- 前記二次空気室に流体連通する少なくとも1つの空気口を含んでなる請求項7のバーナー。
- 前記燃料スパッドをセンタリングして前記バーナー管に一直線上に配列するセンタリングプレートであって、前記一次空気室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。
- 前記センタリングプレートは外輪部材と、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と前記内センタリング部材を連結する複数のスポークとを有する請求項9のバーナー。
- 前記外輪部材は前記センタリングプレートを前記一次空気室内に固定し、ガスライザー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。
- 水蒸気を前記一次空気室内に噴射する手段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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 前記燃料スパッド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の滑らかな断面の外表面であって、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の前記上流端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。
- 前記燃料スパッド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内に形成された集束/拡散ラバルノズル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。
- 前記燃料をそれが前記バーナーに入る前に、前記燃料スパッドの前記ラバルノズル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を有する燃料供給制御システムを更に含んでなる請求項17のバーナー。
- 前記バーナー先端は、その外表面の下流において燃料の燃焼が生じるように前記外表面に複数の中央バーナー先端開口を有し、該複数のバーナー先端開口の数及び寸法は、前記外表面における前記複数のバーナー先端開口の合計面積比が1ジュール/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。
- 前記少なくとも1つの流路は10%を超える合計FGR比を可能にするのに十分な断面と形状を含み、前記断面は大径と、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。
- 水蒸気を前記少なくとも1つの流路に導入する少なくとも1つの水蒸気管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。
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