JP2009264731A - 固相燃料の燃焼の方法および装置 - Google Patents

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

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。

本発明によるバーナー装置の概略図を示す。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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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