JP2009264731A - 固相燃料の燃焼の方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】その燃焼生成物が低いNOxレベルである、固相燃料を効率的に燃焼させる方法を提供すること。
【解決手段】固相燃料を燃焼させる方法において、非空気供給手段(11)により、バーナー装置(10)の入口開口(11a)に燃料が供給され、第一供給路(13)を介して酸化体が流される、酸化体のための第一入口(13a)をバーナー装置が有する方法である。本発明は、酸化体の第一入口(13a)は、入口開口(11a)を囲む開口の形態で備えられており、酸化体は、バーナーパイプ(16)を通じて少なくとも100m/sの速度で開口(13a)を通じて流出し、かつ燃焼域(18)にバーナー開口部(17)を通じて流出し、排出作用によって、酸化体は、バーナーパイプ(16)を通じて、かつバーナー開口部(17)を通じて燃料が運ばれるようにすることを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】固相燃料を燃焼させる方法において、非空気供給手段(11)により、バーナー装置(10)の入口開口(11a)に燃料が供給され、第一供給路(13)を介して酸化体が流される、酸化体のための第一入口(13a)をバーナー装置が有する方法である。本発明は、酸化体の第一入口(13a)は、入口開口(11a)を囲む開口の形態で備えられており、酸化体は、バーナーパイプ(16)を通じて少なくとも100m/sの速度で開口(13a)を通じて流出し、かつ燃焼域(18)にバーナー開口部(17)を通じて流出し、排出作用によって、酸化体は、バーナーパイプ(16)を通じて、かつバーナー開口部(17)を通じて燃料が運ばれるようにすることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、固相燃料(solid pahse fuel)の燃焼の方法および装置に関する。より具体的には、本発明は、高酸素濃度を有する酸化体(oxidant)を使用するバーナー装置内の燃焼等に関する。
工業用バーナーにおける、周知の固相燃料の燃焼は、入口から燃焼の場所まで固相燃料を運ぶためキャリアガスを使用する。例えば燃料は、微粉炭等の粉体であり、キャリアガスの動きにより、移動させられる。キャリアガスとしては、しばしば空気や窒素が用いられる。このような燃焼システムは、例えば工業用加熱炉に使用される。
そのような装置の一つの問題は、キャリアガスが、燃焼装置内のガスフローの実質的部分を構成することである。結果として、例えば窒素の形態である、大量のバラストガス(ballast gas)を加熱することが必要であり、効率を下げる。
さらに、固相燃料を酸素燃焼(oxyfuel combustion)装置とともに使用することが望ましく、言い換えると、そのような装置では酸化体は高酸素濃度を有する。そのような燃焼の一つの問題は、火炎温度が局所的に非常に上昇することである。燃焼域での大量の窒素の存在との組み合わせにより、燃焼ガスにおけるNOxのレベルが上昇する結果となり、このことは、特に、規制あるいは環境問題のため好ましくない。同時に、固相燃料用に周知の燃焼装置を用いることは非常に難しく、そのような拡散燃焼域を有する燃焼によって、視認可能な火炎が存在しない、いわゆるフレームレス(flameless)燃焼を達成するため、炉頂ガス(furnace gas)を用いて燃料を希釈することが行われ、それにより、より低い燃焼温度が達成される。
したがって、その燃焼生成物が低いNOxレベルである、固相燃料を効率的に燃焼させる方法を達成することが望ましい。
本発明は、上記問題を解決するものである。
したがって、本発明は、固相燃料を燃焼させる方法に関するものであり、非空気供給手段により、バーナー装置の入口開口に燃料が供給され、第一供給路を介して酸化体が流される、酸化体のための第一入口をバーナー装置は有し、酸化体の第一入口は、入口開口を囲む開口の形態で備えられており、酸化体は、バーナーパイプを介して少なくとも100m/sの速度で開口を通じて流出し、かつ燃焼域にバーナー開口部を通じて流出し、排出作用によって、酸化体は、バーナーパイプを介して、かつバーナー開口部を通じて燃料が運ばれるようにする。
さらに、本発明は、装置にも関連し、請求項13に記載された特徴を実質的に有する。
本発明は、例示のための本発明の実施形態および添付の図面を参照しながら、以下で詳細に説明される。
図1は、本発明によるバーナー装置10であって、本発明の方法を用いるのに適したバーナー装置を示す。バーナー装置10は、工業用炉20の壁に備えられ、バーナー装置10と関連する燃焼域18が、炉20の温体21に配置されるように構成される。工業用炉20は、例えば、ガラス、鋼、非鉄材料およびセラミック材料といった、さまざまな物質を加熱することが可能である。さらに、本発明のバーナー装置は、例えば、バーナー装置10からの熱が局所的な加熱として使用され、及び/または(and/or)、電気に変換される、例えば加熱、発電または、火力発電所に、本発明のバーナー装置を使用することができる。
スクリューフィーダー(screw feeder)、あるいは対応する形状である供給手段11は、バーナー装置10の内側に配置された入口開口11aに、所定の量の固相燃料、例えば微粉炭、を供給するように構成されている。供給手段11は、他の態様で設計されてもよく、しかしながら、空気駆動ではないことが好ましい。
酸化体の供給システム12は、酸化体のための第一供給路13、第二供給路14、および第三供給路15に枝分かれしている。それ自体は周知である制御装置19は、供給システム12を通じて酸化体の供給を制御するように配置されている。
第一供給路13は、入口開口11aを囲む開口の形態で配置される、第一入口13aへと広がる。入口開口11aおよび入口13aは、同一のバーナーパイプ16へ流れ出る。言い換えると、酸化体は入口13aを通じて流出し、燃料は入口開口11aへ運ばれ、結果として酸化体と燃料はバーナーパイプ16において接触する。好ましい実施形態によると、開口13aは、対称の態様で入口開口11aを囲み、好ましくは、入口開口11aに沿って、円周上に延在する円形対称の狭い開口の態様である。
他の好ましい実施形態によれば、開口13aは、円形対称でない態様で入口開口11aを囲み、開口13aは、入口開口11aの下部において、上部よりも幅が広い、あるいは大きい。このことにより、入口開口11aの下部において開口13aを通じて流れる、単位時間当たりの酸化体の量がより大きくなる。言い換えると、このことにより燃料のより低い供給速度、および炉20内でその結果生まれる火炎と同一の方向を維持する。
開口13aは、入口開口11aを完全に囲むことができ、代替としては、多数の孔、開口等の態様で入口開口11aを囲むことができ、その結果、開口13aは入口開口11aを完全に囲むことはしない。
バーナーパイプ16は、燃焼域18に向けて開口するバーナー開口部17まで延在する。非常に好ましい実施形態においては、バーナーパイプ16の長さは、入口開口11aの内径の4倍から6倍であり、好ましくは5倍である。この関係は、バーナー装置10の非常に注目すべき燃焼特性の結果をもたらすことがわかった。
開口13aを通じて非常に早い速度で酸化体が流出し、その速度は、好ましくは少なくとも100m/s、より好ましくは少なくとも音速である。このことは、排出作用(ejector action)を創出し、固相燃料に排出効果をもたらす。したがって、燃料が分散し、かつ酸化体の流れによって運ばれる、酸化体及び燃料の混合物は、バーナーパイプ16に沿って、開口17まで流れ、かつ開口17から排出される。
バーナーパイプ16の端部に向けて、徐々に狭まる狭窄16aがあり、開口17におけるバーナーパイプ16の直径は、開口13aよりも、2%〜30%小さい。入口開口11a、開口13a、バーナーパイプ16および狭窄16aの寸法は、特定の用途のために採用され、特に、バーナー装置10の出力に関連する。具体的には、開口17を通じて酸化体および燃料の混合物が排出される特定の最終的な速度を達成するために、狭窄16aは設計される。特に、速度は、燃焼域18の幾何学的形状および所望の燃焼特性に依存し、実際の条件及び目的に基づいて選択される。
したがって、固相燃料は、別個の、不活性キャリアガスの必要なく、燃焼域18まで運ばれる。代替として、酸化体自体をキャリアガスとして使用することもできる。結果として、バーナー装置10の効率を増加させるバラスト材を加熱する必要がない。
さらに、好ましい実施態様によれば、開口13aから流出する単位時間当たりの酸化体の量は、入口開口11aまで供給される燃料の量と、化学量論的(understoichiometric)な関係である。言い換えると、バーナーパイプ16を通じて流れる燃焼混合物は、化学量論的である。
混合物が燃焼域18に近づくにつれ、燃焼域18からの放射熱のために、バーナーパイプ16内で引火しうる。しかしながら、この燃焼作用は、特に、NOxの生成を犠牲にして、COの生成をもたらす。このことは、上述の化学量論的関係、およびキャリアガスの形態で付加的な窒素ガスがなんら供給されないことによるものである。
好ましい実施態様によれば、第二供給路14を介する追加の酸化体の流れは、一つまたはいくつかの酸化体の他の開口14aから流出する。この開口14aは燃焼域18に面して配置されており、バーナー開口17のすぐ近傍である。ここで、文言「バーナー開口17のすぐ近傍」は、燃焼域18において一つの結合された火炎を形成するよう、燃焼混合物および追加の酸化体が実質的にすぐに混合されるよう開口14aおよびバーナー開口17が配置されていることを意味する。
開口14aを通じて流出する追加の酸化体の量は、供給された酸化体の量および供給された燃料の量の合計が化学量論的関係を達成するように選択される。
したがって、バーナーパイプ16から流出する燃焼混合物においは消費されていなかった燃料が、燃焼域18において形成される火炎において消費されるが、CO等の不完全酸化物も消費される。この燃焼は、比較的低い、制御された温度でおこる。なぜなら、入口14aを介して供給される追加の酸化体のため、火炎内で、炉雰囲気との確実な再循環が生じるからである。このことは、火炎の寸法を大きくし、最高混合燃焼温度を低下させ、それによってNOx成分の生成も押さえる、より拡散した状態となる。
さらに、追加の酸化体は入口14aを通じて少なくとも音速で流出することが好ましい。このことは、燃焼域18における再循環を強力に強め、上記利益をもたらす。
さらに別の好ましい実施態様によれば、第三供給路15を介する追加の酸化体の流れは、一つまたはいくつかの酸化体の開口15aから流出する。この開口15aは燃焼域18に面して配置されており、バーナー開口17から一定の距離に配置されている。
文言「バーナー開口17から一定の距離」は、開口15aから流出する追加の酸化体が、バーナー開口17から流出する燃焼混合物とすぐに混合されないが、これらの二つ以上の流れがバーナー開口17からみて燃焼室18内にむけた、ある距離で混合されるように、開口15aおよびバーナー開口17が配置されていることを意味する。
ある実施態様においては、開口15aがバーナーパイプ16の軸線に実質的に平行に配置されていることが好ましい。
特に、バーナー装置10が比較的大きく、炉域21が比較的制限されている、他の実施態様においては、開口17から燃焼混合物が流出する方向に対して、追加の酸化体が、ある角度で燃焼域18に流出するように、開口15aが配置されていることが好ましく、開口17からある距離で流れが交差する共通の点を有することとなる。
好ましい実施態様によれば、開口15aが配置され、バーナーパイプ16の軸線に対して角度をつけられることにより、単一の結合された火炎が、燃焼域18内に形成される。
さらに、追加の酸化体は開口15aを通じて少なくとも音速で流出することが好ましい。このことは、適用可能な場合、燃焼混合物および追加の酸化体の流れが交差する点において、あるいはその周辺で、燃焼域18における再循環を強力に強める。結果として、火炎はさらに拡散され、より低い最高部温度となり、このようにして、フレームレス燃焼を達成することができ、加えて、より少ないNOx成分の生成をもたらす。同様に、燃焼反応による熱は、域18においてより均一に拡散する。
全体として供給された酸化体が、供給された燃料と実質的に化学量論的平衡である限り、バーナー開口17のすぐ近傍に配置されている開口14aと同時に、開口17からある距離に配置されている開口15aの組み合わせを通じて、追加の酸化体を流出させることも可能である。開口14a、15aを通る酸化体の流れにおける酸化体の量の間の関係、開口の相互の幾何学的位置、およびそれぞれの傾斜、それぞれの流速等は、実際の条件及び目的に基づいてその度に決定される。
より小さく、より明確な火炎が望まれる場合、開口14aが主として用いられる。一方で、フレームレス燃焼が望まれる場合、開口15aが主として用いられる。
供給路13、14、15が一つのあるいはそれ以上の供給システムに結合されることができ、これにより、開口13aおよび追加の入口14a、15aのそれぞれを通じて、異なる種類の酸化体を供給することができる。この場合、異なる供給路13、14、15への酸化体の供給を制御するように、制御装置19は配置されてもよい。代替として、いくつかの異なる制御装置19が並列で用いられてもよい。
本発明によるバーナー装置10の使用によって、過度に高温の局部燃焼温度をもたらすことなく、例えば酸化体である空気よりも多くの酸化体を含むガスを使用することができる。したがって、望ましくは、少なくとも80重量パーセントの酸素を酸化体が有し、より望ましくは少なくとも95重量パーセントの酸素を酸化体が有する。このことは、バーナー装置10の効率を高める。それにもかかわらず、上述の通り、生成されるNOxの量は増加しない。なぜなら、上述のように燃焼域18内での再循環のために、燃焼温度が抑えられるからである。
以上では、好ましい実施形態について記載した。しかしながら、本発明の思想から離れることなく、記載された実施形態のさまざまな変更をすることが、当業者にとっては自明である。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の記載の範囲内で変化しうるものである。
Claims (17)
- 固相燃料を燃焼させる方法において、非空気供給手段(11)により、バーナー装置(10)の入口開口(11a)に前記燃料が供給され、第一供給路(13)を介して酸化体が流される、前記酸化体のための第一入口(13a)を前記バーナー装置が有する方法であって、
前記酸化体の第一入口(13a)は、前記入口開口(11a)を囲む開口の形態で備えられており、前記酸化体は、バーナーパイプ(16)を通じて少なくとも100m/sの速度で開口(13a)を通じて流出し、かつ燃焼域(18)にバーナー開口部(17)を通じて流出し、排出作用によって、前記酸化体は、前記バーナーパイプ(16)を通じて、かつ前記バーナー開口部(17)を通じて前記燃料が運ばれるようにすることを特徴とする前記方法。 - 前記開口(13a)が、円形対称の態様で前記入口開口(11a)を囲むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記開口(13a)は、円形対称でない態様で前記入口開口(11a)を囲み、前記開口(13a)は、前記入口開口(11a)の下部において、前記入口開口(11a)の上部よりも幅が広い、あるいは大きいことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記入口開口(11a)の直径が、前記入口開口(11a)および前記バーナー開口部(17)間の前記バーナーパイプ(16)の長さの1/6および1/4の間であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第一開口(13a)から流出する単位時間当たりの前記酸化体の量は、前記入口開口(11a)まで供給するようにさせる燃料の量と、化学量論的な関係であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記酸化体は、前記第一開口(13a)を通じて、少なくとも音速で前記酸化体が流出することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記バーナーパイプ(16)は、狭窄(16a)を備えて設計され、前記バーナー開口部(17)における前記バーナーパイプ(16)の内径は、前記第一入口(13a)よりも、2%乃至30%小さいことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の方法。
- 追加の酸化体は、第2の、追加の第二供給路(14)を介して流れ、酸化体の第2の、追加の入口(14a)から流出し、前記入口(14a)は前記燃焼域(18)に面して、かつ前記バーナー開口(17)のすぐ近傍に配置されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の方法。
- 追加の酸化体は、第3の、追加の第三供給路(15)を介して流れ、酸化体の第3の、追加の入口(15a)から流出し、前記入口(15a)は前記燃焼域(18)に面して、かつ前記バーナー開口(17)から一定の距離に配置されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記酸化体の第3の入口(15a)は、燃料及び酸化体の流出混合物の前記バーナー開口(17)から流出する方向との関係で、ある角度に配置されており、前記第3の入口(15a)からの前記酸化体の流れは、前記バーナー開口(17)からある距離で前記混合物の流れと交差することを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 追加の酸化体の少なくとも一つの流れは、追加の入口(14a、15a)から少なくとも音速で流出することを特徴とする請求項8乃至10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記酸化体が、少なくとも80重量パーセントの酸素を有することを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一項に記載の方法。
- 固相の燃料を燃焼させる装置において、バーナー装置(10)の入口開口(11a)に前記燃料が供給されるよう非空気供給手段(11)が備えられ、前記バーナー装置(10)が、第一供給路(13)及び酸化体のための第一入口(13a)を介して酸化体が前記バーナー装置(10)に供給されるように配置された供給システム(12、19)を有する装置であって、
前記酸化体の第一入口(13a)は、前記入口開口(11a)を囲む開口の形態で備えられており、バーナーパイプ(16)を通じて、かつバーナー開口部(17)を通じて燃焼域(18)に少なくとも100m/sの速度の流れで前記酸化体を供給するよう前記供給システム(12、19)が配置され、
前記酸化体の流れによって生じる排出作用によって、前記バーナーパイプ(16)を通じて、かつ前記バーナー開口部(17)を通じて前記燃料が運ばれることを特徴とする前記装置。 - 前記入口開口(11a)の直径が、前記入口開口(11a)および前記バーナー開口部(17)間の前記バーナーパイプ(16)の長さの1/6および1/4の間であることを特徴とする請求項13に記載の装置。
- 前記供給システム(12、19)が、前記第一開口(13a)から流出する単位時間当たりの前記酸化体の量を制御するように配置され、これは前記入口開口(11a)まで供給される燃料の量と化学量論的な関係であり、かつ前記供給システム(12、19)が、少なくとも一つの追加の供給路(14、15)を介して、前記燃焼域(18)に面する少なくとも一つの追加の酸化物の開口(14a、15a)を通じて、酸化物の追加の流れを供給するように配置され、供給された酸化体の量の合計が供給された燃料の量と化学量論的関係となりうることを特徴とする請求項13あるいは14に記載の装置。
- 追加の酸化物の開口(14a、15a)は、燃料及び酸化体の流出混合物の流出する方向との関係で、ある角度に配置されており、前記追加の開口(14a、15a)からの前記酸化体の流れは、前記バーナー開口(17)からある距離で前記混合物の流れと交差することを特徴とする請求項15に記載の装置。
- 前記バーナーパイプ(16)は、狭窄(16a)を備えて配置され、前記バーナー開口部(17)における前記バーナーパイプ(16)の内径は、前記第一入口(13a)よりも、2%乃至30%小さいことを特徴とする請求項13乃至16のいずれか一項に記載の装置。
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