JPH06272818A

JPH06272818A - サイクロン燃焼方法及び装置

Info

Publication number: JPH06272818A
Application number: JP27421093A
Authority: JP
Inventors: Mark J Khinkis; マーク、ジェー、キンキズ
Original assignee: Institute of Gas Technology
Current assignee: GTI Energy
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1993-11-02
Publication date: 1994-09-27
Anticipated expiration: 2012-10-08
Also published as: JP2662175B2

Abstract

(57)【要約】【目的】燃料／一次燃焼空気混合物をサイクロン燃焼
器の還元一次燃焼ゾーン内に接線方向に噴射する、サイ
クロン燃焼を超低汚染エミッションで且つ高効率で行う
ための方法及び装置の提供。【構成】燃料を完全燃焼するのに必要な化学量論的量
の約３０％乃至約９０％に等しい量の一次燃焼空気を還
元一次燃焼ゾーン内に噴射する。燃料を完全燃焼するの
に必要な化学量論的量の約１０％乃至約９０％に等しい
量の二次燃焼空気をサイクロン燃焼器の酸化二次燃焼ゾ
ーン内に接線方向に噴射する。酸化二次燃焼ゾーン内で
燃焼を完了するため、還元一次燃焼ゾーンからの一次燃
焼生成物を接線方向に噴射された二次空気と混合する。
還元一次燃焼ゾーン及び酸化二次燃焼ゾーンを構成する
燃焼室壁は水冷されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷却された壁を備えた
燃焼室内で化石燃料、好ましくは天然ガス、をサイクロ
ン燃焼するための方法及び装置に関し、本発明は、水管
式ボイラー、湯沸器、及び他の同様の装置においてシス
テム効率を高くするばかりでなくエミッションを超低汚
染エミッションにする。燃焼室は、冷却流体導管によっ
て包囲されており、この導管を通って循環する冷却流体
によって冷却される。

【０００２】

【従来の技術】従来、化石燃料を空気と燃焼すると高温
を発生し、これにより、空気中の酸素と窒素との間に複
雑な化学反応が生じ、燃焼工程の副産物として種々の窒
素酸化物を形成する。種々の酸化状態の窒素を含むこれ
らの酸化物は、一般に、ＮＯXという単一の表示で表さ
れる。「酸性雨」及び他の環境上の問題点におけるＮＯ
X 及び二酸化硫黄及び一酸化炭素のような他の燃焼副産
物の役割に対する懸念は、環境に有害なこれらの燃焼副
産物の形成を減少することについて大きな関心を引き起
こした。

【０００３】米国特許第3,934,555 号には、円筒形の燃
焼室を持つ鋳鉄モジュラーボイラーが開示されている。
円筒形の燃焼室には、気体状の燃料と空気の混合物が燃
焼室の長さ方向軸線を中心とした回転流をなして導入さ
れる。燃焼ガスを内部で循環し、これによってボイラー
内のガスを希釈する。燃焼室は、水循環導管によって取
り囲まれており、導管を通って循環する冷水の流れによ
って冷却される。熱は燃焼室から熱水として取り出され
る。

【０００４】米国特許第4,714,032 号は、灰粒子、アル
カリ、及び廃アルカリを含む凝縮液を細長い同伴相燃焼
リアクターに装入することによるこのような凝縮液の再
循環により水性スラリーとして装入された固形燃料の燃
焼を教示する。圧縮された高温の乾燥空気を一次空気及
び／又は二次空気としてリアクタ内に噴射する。燃焼ゾ
ーン内に解放された熱の一部を使用して燃料スラリーの
水分を気化する。燃焼温度を下げるため吸収されなけれ
ばならない残りの熱は、燃焼ゾーンの伝熱表面を通して
取り出されるか或いはリサイクルされた水又はスラリー
の潜熱によって吸収されるか、これらの方法の両方の組
み合わせによって吸収される。

【０００５】米国特許第3,969,482 号には、硫黄酸化
物、窒素酸化物、ハロゲン化水素、四弗化珪素、及びそ
の混合物を高濃度で含む流出ガスを処理するための方法
が開示されている。流出ガスは、水溶液又はスラリーを
流出ガス中にスプレーすることによって酸性ガスの一部
を除去するように処理される。

【０００６】米国特許第4,007,001 号には、全空気の０
％乃至６５％を一次燃焼ゾーンに接線方向で導入し全空
気の約５％乃至２５％を二次燃焼ゾーンに接線方向で導
入することによってＮＯX の生成を低くする燃焼が教示
されている。一次燃焼ゾーンと二次燃焼ゾーンとの間に
はオリフィスが設けられている。米国特許第3,859,786
号は、燃焼室からの出口が絞ってある渦流燃焼器を教示
する。

【０００７】米国特許第4,021,188 号及び米国特許第3,
837,788 号の両方には、一次燃焼室において化学量論的
量以下の空気で燃焼を行い、燃焼を完了するため二次燃
焼室に追加の空気を加えることによる段階をなした燃焼
が開示されている。米国特許第4,575,332 号には、煙道
ガスを一次燃焼ゾーンの上流端へ強制的に環状リサイク
ルすることによる渦燃焼器内での段階をなした燃焼が教
示されている。

【０００８】米国特許第4,395,223 号には、過剰の空気
を一次燃焼ゾーン内に導入し、追加の燃料を二次燃焼ゾ
ーン内に導入することによる段階をなした燃焼が開示さ
れている。米国特許第3,741,166 号には、燃焼生成物を
過剰の度合いが低い空気とともにリサイクルしてＮＯX
の生成を低くする青色火炎バーナーが開示されており、
米国特許第4,297,093 号には、燃料の濃い一次ゾーン及
び燃料の薄い二次ゾーンを燃焼室内に形成する燃料及び
燃焼空気の特定の流れパターンを持つ単一の燃焼室が開
示されている。

【０００９】米国特許第4,920,925 号には、冷却されて
いない一次燃焼室、前記一次燃焼室と連通した二次燃焼
室、燃料及び燃焼空気を一次燃焼室内に直接供給し、一
次燃焼室及び二次燃焼室内での燃焼のため高温のガスの
サイクロン流れパターンを形成するためのダクト、二次
燃焼室の下流端に配置されたオリフィス、及び二次燃焼
室から熱を取り出すため二次燃焼室を取り囲む熱交換器
を有するボイラー用サイクロン燃焼器が教示されてい
る。

【００１０】米国特許第4,989,549 号には、煙管ボイラ
ーのモリソン管の内部で段階をなした燃焼を行うための
燃焼装置が教示されており、第１段階は化学量論的燃焼
であり、第２段階は化学量論以上の燃焼である。一実施
例によれば、二次燃焼空気が噴射される細長いオリフィ
スが一次燃焼ゾーンと二次燃焼ゾーンとの間に配置さ
れ、旋回翼が二次燃焼ゾーンの下流端に配置されてい
る。第２の実施例によれば、一次燃焼室の下流端は耐火
壁で塞がれており、二次燃焼室の上流端内に延びてい
る。一次燃焼室の側壁に軸線方向に配置された開口部に
より、一次燃焼室から燃焼生成物を二次燃焼室内に通す
ことができる。二次燃焼ゾーンの出口端にはオリフィス
が配置されており、このオリフィスを通して二次燃焼室
からガスが排出される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の一つの目的
は、高いシステム効率で超低汚染エミッションを生成す
るサイクロン燃焼を行うための方法を提供することであ
る。

【００１２】本発明の別の目的は、燃焼室の壁が冷却流
体で冷却される、サイクロン燃焼を行うための方法を提
供することである。本発明の別の目的は、燃焼生成物か
ら燃焼室壁への高い伝熱速度が維持された、サイクロン
燃焼を行うための方法を提供することである。

【００１３】本発明の別の目的は、不完全燃焼生成物及
び完全燃焼生成物の両方を含む比較的低温の燃焼生成物
を燃料及び一次燃焼空気が接線方向に噴射される第１燃
焼ゾーン即ち一次燃焼ゾーンへ再循環する、サイクロン
燃焼を行うための方法を提供することである。

【００１４】本発明の更に別の目的は、不完全燃焼生成
物及び完全燃焼生成物の両方を含む比較的低温の燃焼生
成物を二次燃焼空気が接線方向に噴射される第２燃焼ゾ
ーン即ち二次燃焼ゾーンへ再循環する、サイクロン燃焼
を行うための方法を提供することである。

【００１５】本発明の他の目的は、本明細書中に記載し
たサイクロン燃焼方法を実施するための装置を提供する
ことである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の上述の目的は、
流体冷却式の壁を備えた燃焼器内でサイクロン燃焼を行
うための方法によって達成され、この方法は、壁への伝
熱速度が高く、超低汚染エミッションで、システム効率
が高く、燃料を燃焼器のサイクロン燃焼室の一次燃焼ゾ
ーン内に接線方向に噴射する工程で始まる。更に、好ま
しくは、燃料を完全燃焼するのに必要な化学量論的量の
約３０％乃至約９０％に等しい量の一次燃焼空気を一次
燃焼ゾーン内に接線方向に噴射し、一次燃焼ゾーン内に
還元雰囲気を形成する。この開示の目的のため、一次燃
焼ゾーンは、本明細書及び特許請求の範囲中で使用され
ているように、還元ゾーンである。燃料及び燃焼空気に
よって燃料の濃い一次燃焼混合気を形成する。燃料の濃
い一次燃焼混合気を一次燃焼ゾーン内で燃焼し、主に不
完全燃焼生成物である一次燃焼生成物を形成する。一次
燃焼生成物を一次燃焼ゾーンと該一次燃焼ゾーンの下流
の二次燃焼ゾーンとの間に配置された水冷式一次オリフ
ィスに通す。化学量論的必要量の約１０％乃至約９０％
に等しい量の二次燃焼空気を一次オリフィスの下流で二
次燃焼ゾーン内に接線方向に噴射し、酸化二次燃焼ゾー
ンを形成する。二次燃焼ゾーン内で燃焼を完了し、排気
ガスを形成し、この排気ガスを二次燃焼ゾーンの下流端
にある二次オリフィスを通して排気する。燃焼器内の温
度をＮＯX の形成に必要な温度以下に維持するため、一
次燃焼ゾーン及び二次燃焼ゾーンの両方並びに一次オリ
フィスは流体冷却式であり、好ましくは水冷式である。

【００１７】本発明の好ましい実施例では、燃料、好ま
しくは天然ガス、を一次燃焼空気と予め混合し、その結
果得られた燃料の濃い一次燃焼混合気をサイクロン燃焼
室の一次燃焼ゾーン内に接線方向に噴射する。本発明の
別の実施例では、比較的低温の排気ガスを二次燃焼ゾー
ンの排出端から再循環して一次燃焼ゾーンに戻す。

【００１８】本発明の更に別の実施例では、二次燃焼ゾ
ーンの上流で且つサイクロン燃焼器の前壁近くのサイク
ロン燃焼室側壁の内側表面に一次耐火リングを取り付け
る。接線方向に噴射した一次燃焼混合気を一次耐火リン
グ上に通し、この耐火リングは一次燃焼ゾーン内で火炎
を安定化する。本発明の他の実施例では、二次耐火リン
グを一次オリフィスの下流の二次燃焼室側壁の内側表面
に取り付ける。一次燃焼ゾーンから一次オリフィスを通
して二次燃焼ゾーン内に排出された燃焼生成物は、接線
方向に噴射した二次燃焼空気と混合され、二次耐火リン
グ上を通る。二次耐火リングは二次燃焼ゾーン内で火炎
を安定化する。

【００１９】本発明の一実施例による水冷式サイクロン
燃焼器は、燃焼室前壁に固定された少なくとも一つの燃
焼室側壁を有し、燃焼室前壁及び燃焼室側壁の両方が、
一次燃焼ゾーン及び二次燃焼ゾーンを有するサイクロン
燃焼室を構成する。各燃焼室側壁は、冷却流体、好まし
くは水、の流れを少なくともその一部を通して受入れる
流体冷却式導管を有する。

【００２０】一次オリフィスを持つ一次オリフィス壁が
一次燃焼ゾーンと二次燃焼ゾーンとの間で燃焼室側壁に
固定され、サイクロン燃焼室を一次燃焼室と二次燃焼室
とに分離する。二次オリフィスが二次燃焼室の排出端で
又はこの排出端の近くで燃焼室側壁に固定されている。
一次オリフィス壁は冷却手段を有し、この冷却手段は、
好ましくは、給水が循環される冷却水導管の形態であ
る。本発明によるサイクロン燃焼装置は、燃料及び一次
燃焼空気を前記一次燃焼ゾーン内に接線方向に噴射する
ための一次接線方向噴射手段及び二次燃焼空気を前記二
次燃焼ゾーン内に接線方向に噴射するための二次接線方
向噴射手段を更に有する。

【００２１】本発明の一実施例によれば、前記一次接線
方向噴射手段は、燃焼室側壁に固定され且つ一次燃焼ゾ
ーンと連通した少なくとも一つの一次ノズルからなる。
本発明の一実施例によれば、前記二次接線方向噴射手段
は、燃焼室側壁に固定され且つ二次燃焼ゾーンと連通し
た少なくとも一つの二次ノズルからなる。燃焼室側壁、
燃焼室前壁、及び一次オリフィス壁の水冷導管に冷却水
を提供するため、ポンプ、又は給水を強制的に循環させ
るための他のシステムが設けられている。更に、給水を
重力で供給し、給水−蒸気混合物内に生じた圧力を使用
する自然給水循環システムを使用して給水の循環を行う
のがよい。本発明の好ましい実施例では、燃焼室側壁
は、二次オリフィスを通して排出された排気を再循環し
て二次燃焼ゾーン内に戻すための入口開口部を有する。
本発明の上述の及び他の目的及び利点は、好ましい実施
例の詳細な説明を添付図面と関連して読むことにより更
によく理解されるであろう。

【００２２】

【実施例】本発明によるサイクロン燃焼器１５は、化石
燃料、好ましくは天然ガス、を完全燃焼させるのに必要
な燃焼空気を燃焼室に段階的に導入する化石燃料の二段
燃焼を使用することによって超低汚染エミッションをつ
くりだすように設計されている。化石燃料を完全燃焼さ
せるのに必要な化学量論的量の約３０％乃至約９０％の
燃焼空気即ち一次燃焼空気をサイクロン第１段に導入
し、還元一次燃焼ゾーンを形成する。化石燃料を完全燃
焼させるのに必要な化学量論的量の約１０％乃至約９０
％の燃焼空気即ち二次燃焼空気をサイクロン第２段に導
入し、酸化二次燃焼ゾーンを形成する。

【００２３】本発明の好ましい実施例では、一次燃焼空
気を化石燃料と予め混合して一次燃焼空気／燃料混合物
即ち一次燃焼混合気をつくり、この混合気をサイクロン
燃焼器の還元一次燃焼ゾーン内に接線方向に噴射する。
強さが強く、壁への伝熱速度が早い、過剰の度合いが低
い好ましくは約５％以下の空気で燃料を完全燃焼させる
ため、二次燃焼空気を酸化二次燃焼ゾーン内に接線方向
に噴射し、ＮＯX が約１５vppm以下、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）が３０vppm又はこれ以下、及び全炭化水素（ＴＨ
Ｃ）が約５vppm又はこれ以下の超低汚染エミッションを
得る。サイクロン燃焼器内を比較的低温に維持するた
め、一次燃焼ゾーン及び二次燃焼ゾーンを構成する燃焼
室側壁及び前記一次燃焼ゾーンと二次燃焼ゾーンとの間
に配置された一次オリフィス壁は流体冷却式になってお
り、好ましくは水冷式である。

【００２４】本発明の好ましい実施例では、サイクロン
燃焼室の二次燃焼ゾーンからの低温の排気ガスを循環さ
せることによってサイクロン燃焼器の内部を比較的低温
に維持する。このように燃焼を低温で行うことによって
ＮＯX エミッションを更に低くし、代表的には、約１０
vppm以下にする。超低汚染エミッション及び高効率でサ
イクロン燃焼を行うための方法は、本発明によれば、図
１に示すように、サイクロン燃焼器１５の一次燃焼ゾー
ン２５内に燃料、好ましくは天然ガス、を接線方向に噴
射することによって開始する。更に、燃料を完全燃焼す
るのに必要な化学量論的量の好ましくは約３０％、又は
約３０％乃至９０％の量の一次燃焼空気を一次燃焼ゾー
ン２５内に接線方向に噴射し、一次燃焼ゾーン２５内に
還元雰囲気をつくりだす。本発明の好ましい実施例で
は、一次燃焼ゾーン２５内に噴射する前に、燃料を一次
燃焼空気と予め混合する。しかしながら、接線方向噴射
により、適切な混合及び所望の燃焼について適当な渦が
つくりだされる限り、燃料及び一次燃焼空気を一次燃焼
ゾーン２５内に別々に導入してもよいということは明ら
かである。二次燃焼ゾーン３０内で燃焼を完了するた
め、燃料を完全燃焼するのに必要な化学量論的量の約１
０％又は約１０％乃至９０％の量の二次燃焼空気を二次
燃焼ゾーン３０内に接線方向に噴射し、二次燃焼ゾーン
３０内に酸化雰囲気をつくりだす。

【００２５】本発明による好ましい実施例では、図２に
示すように、燃料及び一次燃焼空気を一次耐火リング２
６上に、一次燃焼ゾーン２５内に接線方向に噴射する。
一次耐火リング２６は、燃焼室側壁２０の燃焼室前壁２
２に近い内側表面２１上に取り付けられている。燃料及
び一次燃焼空気を一次耐火リング２６上に噴射すること
によってサイクロン燃焼器１５内での火炎安定性を高め
る。

【００２６】本発明による別の好ましい実施例では、燃
料及び一次燃焼空気を、本発明のこの実施例では水冷式
の燃焼室前壁２２の近くで一次燃焼ゾーン２５内に接線
方向に噴射する。燃料及び一次燃焼空気が比較的低温で
且つ安定して燃焼するようにするため、燃料及び一次空
気を燃焼室前壁２２の内側表面２１から特定の距離のと
ころで接線方向に噴射するのが有利である。図４は、一
次ノズル４５が燃焼室側壁２０を通って一次燃焼ゾーン
２５内にどのように突出しているかを示す。燃焼室前壁
２２の内側表面２１から一次ノズル４５の中心線までの
距離を「l1」で示す。一次耐火リング２６の下流縁部か
ら一次ノズル４５の中心線までの距離を「l2」で示す。
一次ノズル４５の内径を「ｄ」で示す。サイクロン燃焼
器１５の全体としての効率を最大にするため、l1：ｄの
比は、約１．５乃至３．５である。同様に、全体として
の効率を最大にするため、l2：ｄの比は、約１．５乃至
３．５である。

【００２７】一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ2 ）、及び
幾らかの未燃焼燃料からなる一次燃焼生成物は、一次燃
焼ゾーン２５から一次オリフィス２７を通って排出され
る。一次オリフィス２７は、サイクロン燃焼器１５内に
一次燃焼ゾーン２５と二次燃焼ゾーン３０との間に位置
決めされている。本発明による別の好ましい実施例で
は、一次オリフィス２７は水冷式である。二次燃焼ゾー
ン３０に進入する一次燃焼生成物は、接線方向に噴射さ
れた二次燃焼空気と混合され、好ましくは、図３に示す
ように、燃焼室側壁２０の内側表面２１上に取り付けら
れた二次耐火リング３１上を通過する。二次耐火リング
３１は、一次耐火リング２６と同様に、サイクロン燃焼
器１５内での火炎の安定性を高める。

【００２８】二次燃焼ゾーン３０からの排気ガスは、燃
焼室側壁２０に二次燃焼空気の二次噴射点の下流で取り
付けられた二次オリフィス壁３２を通過する。二次噴射
点は、一次オリフィス２７の位置の下流にある。本願明
細書及び特許請求の範囲に亘って、「下流」という用語
は、一次ノズル４５に入り、二次オリフィス壁３２の排
出開口部３４を通って出る、サイクロン燃焼器１５を通
る燃料及び空気の通常の流れに関する。更に、二次噴射
点は、二次燃焼空気入口が炉の外側からサイクロン燃焼
器１５に進入するように、炉壁１６に関して外の位置に
位置決めされている。

【００２９】図１に示すように、燃焼室壁２０は入口開
口部２３を有し、二次オリフィス壁３２の排出開口部３
４を通ってサイクロン燃焼器１５から排出された排気ガ
スは、入口開口部２３を通ってサイクロン燃焼器１５の
二次燃焼ゾーン３０内に再循環される。再循環は、炉内
の燃焼生成物の流れパターンによって、及び入口開口部
２３の上流にあり且つこの入口開口部と隣接した燃焼室
側壁２０に位置決めされた二次ノズル５０を通して二次
燃焼空気を噴射することによってつくりだされたベンチ
ュリ効果によって、サイクロン燃焼器１５が取り付けら
れた炉内に延びる燃焼室側壁２０の部分に沿ってつくり
だされた負圧によって生じる。一次ノズル４５は、燃焼
室前壁２２と隣接した燃焼室側壁２０に位置決めされて
いる。更に、蒸発冷却コイル４０は、燃料及び一次燃焼
空気を一次ノズル４５を通して一次燃焼ゾーン２５の入
口端内に噴射することによるベンチュリ効果の負圧によ
って、燃焼生成物が一次燃焼ゾーン２５の排出端から燃
焼室側壁２０に沿って矢印が示すように循環されるよう
に、その一部が一次燃焼ゾーン２５内に位置決めされて
いる。

【００３０】図２は、本発明の好ましい実施例を示す。
この実施例では、図１に示す特徴の他に、水冷式一次オ
リフィス壁２７がサイクロン燃焼器１５内に一次燃焼ゾ
ーン２５と二次燃焼ゾーン３０との間に位置決めされて
いるという特徴を有し、この壁が、サイクロン燃焼器１
５内で一次燃焼室と二次燃焼室とを構成する。図３に示
す本発明の更に好ましい実施例では、図２に示す好まし
い実施例の特徴の他に、二次耐火リング３１が二次燃焼
ゾーン３０内に二次ノズル５０の下流に位置決めされて
いるという特徴を有する。更に、図２及び図３の両方で
は、燃焼室前壁２２並びに燃焼室側壁２０が水冷式にな
っている。水冷式の燃焼室前壁２２は、一次燃焼ゾーン
２５内での燃焼温度を効果的に下げ、及びかくしてＮＯ
X エミッションを減少させる。

【００３１】本発明の全ての実施例において、燃焼室側
壁２０のうちの少なくとも一つが燃焼室の前壁２２に固
定されている。燃焼室側壁２０は、全体に円筒形の一つ
の壁又はサイクロン燃焼器１５を形成するように配置さ
れた多数の壁のいずれかからなるのがよいということは
明らかである。燃焼室側壁２０がどのように配置されて
いるかに関わらず、全体構造が一次燃焼ゾーン２５及び
二次燃焼ゾーン３０を通る渦流を収容するということが
重要である。

【００３２】本発明によるサイクロン燃焼法では、燃焼
生成物から壁への伝熱速度が高いため、一次燃焼ゾーン
２５及び二次燃焼ゾーン３０内の温度を制御するのに水
冷が用いられる。従って、本発明の各実施例において、
少なくとも一つの燃焼室側壁２０が、各燃焼室側壁２０
の少なくとも一部を通って流れる供給水を受入れるため
の水冷手段を有する。本発明による好ましい実施例で
は、図１乃至図５に示すように、水冷手段は、蒸発冷却
コイル４０からなる。蒸発冷却コイル４０は、一つの冷
却コイル又は多数の冷却コイルからなるのがよいという
ことは明らかである。更に、蒸発冷却コイル４０の大き
さは種々の伝熱速度をつくりだすような大きさであるの
がよいということは明らかである。サイクロン燃焼器１
５の蒸発冷却コイル４０の大きさ及び配置を決定する必
要な伝熱速度は、サイクロン燃焼器１５の大きさ及びこ
の燃焼器内で燃焼される燃料の量の関数である。蒸発冷
却コイル４０は、好ましくは、燃焼室側壁２０の内壁２
１及び／又は燃焼室前壁２２に固定されているか或いは
これらの壁と隣接しているかのいずれかである。しかし
ながら、蒸発冷却コイル４０は、燃焼室側壁２０又は燃
焼室前壁２２のいずれかの内部に収容されていてもよ
い。蒸発冷却コイル４０への入口は、好ましくは、給水
ドラムと連通している。蒸発冷却コイル４０の排出ノズ
ル４１は、好ましくは、給水ドラムと連通している。

【００３３】上述のように、一次オリフィス壁２７は、
燃焼室側壁２０に固定されており、一次燃焼ゾーン２５
と二次燃焼ゾーン３０との間に位置決めされている。二
次オリフィス壁３２は、好ましくは、燃焼室側壁２０に
固定されており、二次燃焼ゾーン３０の排出端３５に又
はこの近くに位置決めされている。一次オリフィス壁２
７は、プレート構造、耐火構造、冷却管でできた壁、冷
却コイルが固定された耐火壁、耐火ルーバ、水冷式ルー
バ、又はオリフィスを水冷するための他の適当な構造か
らなるのがよい。

【００３４】一次接線方向噴射手段が燃焼室側壁２０に
固定されており、一次燃焼ゾーン２５と連通している。
本発明の好ましい実施例によれば、一次接線方向噴射手
段は燃焼室側壁２０に固定されており且つ一次燃焼ゾー
ン２５と連通した少なくとも一つの一次ノズル４５を含
む。各一次ノズル４５は、好ましくは、燃焼室側壁２０
の内側表面２１と隣接して位置決めされており、燃焼室
側壁２０の一次燃焼ゾーン２５の中心線に関して中心が
ずらしてある。二次接線方向噴射手段を使用して二次燃
焼空気を二次燃焼ゾーン３０内に接線方向に噴射する。
本発明による一つの好ましい実施例では、二次接線方向
噴射手段は、一次ノズル４５と同様の構成を持つ少なく
とも一つの二次ノズル５０を含み、このノズルは二次燃
焼ゾーン３０だけと連通している。各二次ノズル５０
は、好ましくは、一次オリフィス壁２７の下流側３３と
隣接して位置決めされており、燃焼室側壁２０の二次燃
焼ゾーン３０の中心線に関して中心がずらしてある。一
次接線方向噴射手段又は二次接線方向噴射手段のいずれ
も、媒体を適当な燃焼ゾーン内に接線方向に噴射するた
めの他の適当な構成要素でできていてもよいということ
は明らかである。

【００３５】上述のように、水冷手段を通して給水を流
すのに給水循環手段を使用する。本発明による一つの好
ましい実施例では、給水循環手段は、水冷手段と連通し
たポンプ排出部を持つポンプ６０からなる。水冷手段に
給水を供給するのに、例えば、重力の作用で作動し給水
−蒸気混合物内で圧力を発生する自然供給システムのよ
うな他の適当な装置を使用してもよいということは明ら
かである。比較的低温の排気ガスを排出開口部３４から
再循環させるのに再循環手段を使用する。本発明による
一つの好ましい実施例では、再循環手段は、二次オリフ
ィス３２を通して排出された排気ガスを二次燃焼ゾーン
２５内に入れるための入口開口部３３を持つ燃焼室側壁
２０を含む。一次オリフィス２７及び二次オリフィス３
２は、燃焼生成物をサイクロン燃焼器１５内で再循環さ
せるのに非常に役立つ。

【００３６】本発明による別の好ましい実施例では、図
２乃至図５に示すように、一次耐火リング２６を内側表
面２１に燃焼室側壁２２と隣接して固定する。本発明に
よる別の好ましい実施例では、二次耐火リング３１を、
一次オリフィス壁２７の下流でこのオリフィスと隣接し
て内側表面２１に固定する。上述の耐火リングは、各燃
焼ゾーンの少なくとも一部に亘って延びている。好まし
くは、サイクロン燃焼器１５は、炉壁１６に関し、一次
燃焼ゾーン２５及び二次燃焼ゾーン３０の少なくとも一
部が炉の外側に炉壁１６から延びているように配置され
ている。このような構成により、サイクロン燃焼器１５
の全体としての効率を増大する。

【００３７】上述のように、サイクロン燃焼器１５から
のエミッションを超低汚染エミッションにするには、蒸
発冷却コイル４０でサイクロン燃焼器１５から十分な熱
量を取り除いてサイクロン燃焼室内の温度を約８７１．
１0C乃至１３１５．６0C（１６００0F乃至２４００0F）
に維持する必要がある。蒸発冷却コイル４０の長さを含
む必要な寸法は、サイクロン燃焼器１５の大きさ及びこ
の燃焼器内で燃焼される燃料の量の関数である。

【００３８】図５は、超低汚染エミッションをつくりだ
しながら大量の燃料を燃焼するのに特に適した本発明の
一実施例を示す。一次燃焼ゾーン２５は一次燃焼室内に
配置されており、この一次燃焼室は、二次燃焼ゾーン３
０が配置された二次燃焼室の周りに環状体を構成する。
一次ノズル４５は、炉壁１６の近くに位置決めされてい
る。一次ノズル４５を通して一次燃焼ゾーン内に接線方
向に噴射された一次燃焼空気及び燃料は燃焼室前壁２２
に向かって流れる。二次ノズル５０が燃焼室前壁２２に
隣接して位置決めされており、二次ノズルを通して二次
燃焼空気がサイクロン燃焼器１５内に接線方向に噴射さ
れる。一次燃焼ゾーンからの燃焼生成物を二次燃焼空気
と混合し、水冷式ルーバからなる一次オリフィス壁２７
を通して二次燃焼ゾーン３０内へ約１８０°偏向する。
排気ガスは、二次燃焼ゾーン３０から二次オリフィス３
２を通って炉内に排出される。

【００３９】以上の記載において、本発明を特定の好ま
しい実施例に関して説明し、多くの細部を例示の目的で
記載したが、本発明はこれ以外の実施例で実施すること
ができ、本明細書中に記載した細部のうちの特定のもの
を本発明の基本的原理から逸脱することなく大きく変化
させることができるということは、当業者には明らかで
あろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるサイクロン燃焼器の側
断面図である。

【図２】耐火リングが一次燃焼ゾーン内に取り付けら
れ、水冷式一次オリフィスが一次燃焼ゾーンと二次燃焼
ゾーンとの間に位置決めされた、本発明の一実施例によ
るサイクロン燃焼器の側断面図である。

【図３】一次耐火リングが一次燃焼ゾーン内に取り付け
られ、二次耐火リングが二次燃焼ゾーン内に取り付けら
れた、本発明の別の実施例によるサイクロン燃焼器の側
断面図である。

【図４】本発明の一実施例によるサイクロン燃焼器の前
壁及び側壁の部分断面図である。

【図５】本発明の更に別の実施例によるサイクロン燃焼
器の側断面図である。

【符号の説明】

１５サイクロン燃焼器１６炉壁２０燃焼室側壁２１内側表面２２燃焼室前壁２３入口開口部２５一次燃焼ゾーン２６一次耐火リング２７一次オリフィス壁３０二次燃焼ゾーン３１二次耐火リング３２二次オリフィス壁３４排出開口部４０蒸発冷却コイル４５一次ノズル５０二次ノズル６０ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超低汚染エミッションで且つ高効率でサイ
クロン燃焼を行うための方法において、サイクロン燃焼器の還元一次燃焼ゾーン内に燃料を接線
方向に噴射する工程と、前記燃料を完全燃焼するのに必要な化学量論的量の約３
０％乃至約９０％に等しい量の一次燃焼空気を還元一次
燃焼ゾーン内に接線方向に噴射する工程と、前記還元一次燃焼ゾーン内の前記燃料／空気混合物に点
火し、一次燃焼生成物を形成する工程と、前記一次燃焼ゾーンと酸化二次燃焼ゾーンとの間に配置
された一次オリフィスに前記一次燃焼生成物を通す工程
と、前記一次オリフィスを冷却する工程と、化学量論的必要量の約１０％乃至約９０％に等しい量の
二次燃焼空気を前記一次オリフィスの下流でサイクロン
燃焼器の前記酸化二次燃焼ゾーン内に接線方向に噴射す
る工程と、前記酸化二次燃焼ゾーン内で燃焼を完了し、排気ガスを
形成する工程と、前記還元一次燃焼ゾーン及び前記酸化二次燃焼ゾーンを
構成する燃焼室壁の少なくとも一部を冷却する工程と、
を有する方法。
【請求項２】前記燃料及び一次燃焼空気は、前記還元一
次燃焼ゾーン内に噴射する前に予め混合されている、請
求項１に記載の方法。
【請求項３】前記一次オリフィスを通過した前記一次燃
焼生成物を前記二次燃焼空気と混合し、前記一次オリフ
ィスの下流で前記燃焼室壁の内側表面上に取り付けられ
た二次耐火リング上を通過させる、請求項１に記載の方
法。
【請求項４】前記サイクロン燃焼器から排出された前記
排気ガスを前記酸化二次燃焼ゾーンに再循環する工程を
更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】前記燃焼室壁の内側表面上に前記還元一次
燃焼ゾーンの上流端と近接して取り付けられた一次耐火
リング上に前記燃料及び前記一次燃焼空気を通過させる
工程を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】前記排気ガスは、前記燃焼室壁に前記酸化
二次燃焼ゾーンの下流で固定された二次オリフィスを通
して前記燃焼器から排出される、請求項１に記載の方
法。
【請求項７】前記一次燃焼生成物の一部を前記還元一次
燃焼ゾーンの排出端から前記還元一次燃焼ゾーンの入口
端まで再循環させる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】前記一次オリフィス及び前記燃焼室壁が水
冷式である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】一次燃焼ゾーン及び二次燃焼ゾーンを構成
し、前記一次燃焼ゾーン及び前記二次燃焼ゾーンの少な
くとも一部を冷却するための手段を有する、燃焼室前壁
に固定された少なくとも一つの燃焼室側壁と、前記一次燃焼ゾーンと前記二次燃焼ゾーンとの間に配置
された一次オリフィスを持つ、前記燃焼室側壁に固定さ
れた一次オリフィス壁であって、該一次オリフィス壁を
冷却するための手段を有する一次オリフィス壁と、前記燃焼室側壁に前記二次燃焼ゾーンの排出端で固定さ
れた、二次オリフィスを持つ二次オリフィス壁と、燃料及び一次燃焼空気を前記一次燃焼ゾーン内に接線方
向に噴射するための一次接線方向噴射手段と、二次燃焼空気を前記二次燃焼ゾーン内に接線方向に噴射
するための二次接線方向噴射手段とを有する、サイクロン燃焼を行うための装置。
【請求項１０】前記二次オリフィスを通して排出された
排気ガスを前記二次燃焼ゾーン内に再循環するための手
段を更に有する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】前記燃焼室前壁が冷却手段を有する、請
求項９に記載の装置。
【請求項１２】前記一次オリフィス壁を冷却するための
前記手段は、冷却流体を前記一次オリフィス壁と熱交換
関係で循環するための循環手段を有する、請求項１１に
記載の装置。
【請求項１３】前記循環手段は、前記一次オリフィス壁
の内部及び前記一次オリフィス壁の表面上のうちの一方
に固定された管状部材からなる、請求項１２に記載の装
置。
【請求項１４】前記一次燃焼ゾーン及び前記二次燃焼ゾ
ーンの少なくとも一部を冷却するための前記手段は、前
記燃焼室側壁の内側表面と隣接して固定された蒸発冷却
コイルからなる、請求項９に記載の装置。
【請求項１５】前記一次接線方向噴射手段は、前記燃焼
室側壁に固定され、前記一次燃焼ゾーンと連通した少な
くとも一つの一次ノズルからなる、請求項９に記載の装
置。
【請求項１６】前記一次ノズルは、前記一次燃焼ゾーン
の中心線に関して中心がずれた状態で、前記燃焼室前壁
の内側表面と隣接して前記燃焼室側壁に位置決めされて
いる、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】前記二次接線方向噴射手段は、前記燃焼
室側壁に固定され、前記二次燃焼ゾーンと連通した少な
くとも一つの二次ノズルからなる、請求項９に記載の装
置。
【請求項１８】前記二次ノズルは、前記酸化二次燃焼ゾ
ーンの中心線に関して中心がずれた状態で、前記一次オ
リフィス壁と隣接して前記燃焼室側壁に位置決めされて
いる、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】前記再循環手段は、前記二次オリフィス
を通して排出された排気ガスを前記二次燃焼ゾーン内に
入れるための入口開口部を持つ前記燃焼室側壁からな
る、請求項１０に記載の装置。
【請求項２０】前記一次燃焼ゾーン内で前記燃焼室側壁
の内側表面に前記燃焼室前壁と近接して固定された一次
耐火リングを更に有する、請求項９に記載の装置。
【請求項２１】前記二次燃焼ゾーン内で前記燃焼室側壁
の内側表面に前記一次オリフィス壁と近接して固定され
た二次耐火リングを更に有する、請求項２０に記載の装
置。
【請求項２２】前記燃焼室前壁に固定された前記燃焼室
側壁が、前記二次燃焼ゾーンの周りに配置された環状一
次燃焼ゾーンを構成する、請求項９に記載の装置。
【請求項２３】前記一次接線方向噴射手段は、前記一つ
の燃焼室側壁に前記一次燃焼ゾーンと連通した状態で固
定され、前記一次燃焼ゾーンの上流端に近接して配置さ
れた一次ノズルからなる、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】前記二次接線方向噴射手段は、前記一次
ノズルの下流で且つ前記一次オリフィス壁の上流にある
前記燃焼室前壁と近接して配置された前記燃焼室側壁に
固定された二次ノズルからなる、請求項２２に記載の装
置。