JP2006200876A - 含酸素燃料バーナー用途のためのエマルジョン噴霧器ノズル、バーナー及び方法 - Google Patents

含酸素燃料バーナー用途のためのエマルジョン噴霧器ノズル、バーナー及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 含酸素燃料の燃焼のための方法を提供すること。
【解決手段】 液体燃料を有効直径を有する液体燃料用導管を通して該液体燃料用導管の該有効直径の2倍以下の長さを有するエマルジョンチャンバーに導入する工程;噴霧用ガスを少なくとも1つの噴霧用ガス用導管を通して該エマルジョンチャンバーに導入する工程;該液体燃料と該噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバー内で混合し、該エマルジョンチャンバー内の平均滞留時間が500〜800μsであり、その速度が12m/s以下であるエマルジョン混合物を生成する工程;及び該エマルジョン混合物を一般に長方形のオリフィスを通して酸素富化酸化剤流に放出する工程を含む方法によって上記課題を解決する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、酸素系の燃焼のための液体燃料用ノズル、及び産業用溶解炉で高温を作り出すための該ノズルの使用方法に関する。
噴霧器ノズルの使用は、その参照により全体として本明細書に含まれる米国特許第5,547,368号明細書(特許文献1)、同第5,567,141号明細書(特許文献2)、同第5,393,220号明細書(特許文献3)、及び同第5,617,997号明細書(特許文献4)で説明されているように当技術分野において公知である。米国特許第5,547,368で記載されているように、噴霧器ノズルは、金属、ガラス、セラミック材料などのような様々な製品のための産業用溶解炉において使用されている。
燃焼用途において液体燃料を噴霧する方法が多数ある。ノズルは、2つの主なグループに分類することができる。
a)圧力噴霧器であって、比較的高圧の液体燃料を用いて流れを小オリフィスに通し、液体を液滴に分散させる圧力噴霧器。これらの噴霧器は比較的単純である。しかしながら、それらのターンダウン比は制限され、流れの要件において幅広い変化を有する系についてはノズルの交換が必要である。
b)二流体噴霧器であって、噴霧用ガスを用いて液体の噴霧化を促進させる二流体噴霧器。通常、噴霧用ガスは高圧で導入され、液体燃料は低圧で供給することができる。このグループのノズルは、さらに以下に区分することができる。
1)外部混合であって、高速の噴霧用ガスが低速の液体燃料と外部で接触し、液体ジェットの分散、即ち、噴霧化が起こる外部混合。通常、これらのノズルは非常に耐久性があるが、火炎の形状及び噴霧化の品質は、特に含酸素燃料バーナーの用途においてほとんどの場合が最適には及ばない。火炎は短く窮屈であり、不均一な熱供給と局部過熱をもたらす。
2)内部混合又はエマルジョンであって、噴霧用ガスと液体燃料が内部チャンバー内で混合され、次いで、二相の混合物が出口オリフィスを介して噴射され、その結果、混合されたガス相が減圧されて液体の分散が起こる内部混合又はエマルジョン。これらのノズルは、優れた制御可能な噴霧、優れた火炎形状、及び均一な伝熱を作り出す。
内部混合噴霧器は、空気−燃料燃焼において広く使用されているが、含酸素燃料バーナーにおけるその使用は、冷却の問題や起こり得る火炎の逆火の問題によって制限されている。非水冷却式バーナーの場合には、主酸化剤が噴霧ノズルを冷却する。主酸化剤が空気である空気−燃料バーナーについては、冷却は、完全燃焼のために必要かつ提供される大量の空気(主酸化剤)によって達成される。しかしながら、空気よりも高濃度のO2を有する主酸化剤を利用するバーナーである含酸素燃料バーナーについては、主酸化剤の量を減らした噴霧ノズルの冷却は不十分な場合がある。例えば、100%O2の酸化剤のケースにおいて、燃焼に必要とされる化学量論的な量の酸素が与えられる場合には、噴霧ノズルを冷却するのに利用可能な主酸化剤は、空気−燃料バーナーの場合よりも約80%少ない量になる。加えて、含酸素燃料バーナーは、非常により高い火炎温度を有する。これらの理由から、含酸素燃料バーナーの噴霧ノズルは、空気−燃料バーナーの場合よりもはるかに高い温度で運転されることが予想される。
内部混合ノズルの温度がより高いことで幾つかの問題が生じる可能性がある。即ち、
1)高いノズル温度によって炉に導入する前に液体燃料の化学的な劣化が生じる可能性がある。より具体的には、燃料油、例えば、硫黄含有量の高い重油、及び残留炭素分(CCR)の高い油(例えば、アスファルテン分の高い油)について、ノズル温度が高いと内部のコークスの堆積やノズルの詰まりが生じる可能性がある。このことは、使用される噴霧用ガスに関係なく問題である。
2)さらに、酸素が噴霧用ガスとして用いられる場合には、高いノズル温度と不適切なノズルデザインによって、火炎の逆火や破滅的なノズルの破損又はメルトダウンが生じる可能性がある。
米国特許第5,547,368号明細書 米国特許第5,567,141号明細書 米国特許第5,393,220号明細書 米国特許第5,617,997号明細書
本発明は、適切なノズルデザインによって上記運転上の問題を回避する方法を説明する。
本発明は、含酸素燃料の燃焼のための方法であって、液体燃料を有効直径を有する液体燃料用導管を通して該液体燃料用導管の該有効直径の2倍以下の長さを有するエマルジョンチャンバーに導入する工程;噴霧用ガスを少なくとも1つの噴霧用ガス用導管を通して該エマルジョンチャンバーに導入する工程;該液体燃料と該噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバー内で混合し、該エマルジョンチャンバー内の平均滞留時間が500〜800μsであり、その速度が12m/s以下であるエマルジョン混合物を生成する工程;及び該エマルジョン混合物を一般に長方形のオリフィスを通して酸素富化酸化剤流に放出する工程を含む、方法を提供する。
本発明の別の実施態様においては、含酸素燃料の燃焼のためのノズルであって、有効直径を有する液体燃料用導管と;該有効直径の2倍以下の長さを有するエマルジョンチャンバーであって、該液体燃料用導管が該エマルジョンチャンバーに液体燃料を導入するよう配置されたエマルジョンチャンバーと;噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバーに導入するための少なくとも1つの噴霧用ガス用導管と;酸素富化酸化剤流を提供するための手段とを含み;該液体燃料と該噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバー内で混合し、その速度が12m/s未満であり、該エマルジョンチャンバー内の平均滞留時間が500〜800μsであるエマルジョン混合物を生成し;さらに該エマルジョンチャンバーが一般に長方形の放出用オリフィスを含み、該エマルジョン混合物が該エマルジョンチャンバーから該酸素富化酸化剤流に放出される、ノズルが提供される。
本発明の別の実施態様においては、含酸素燃料の燃焼のためのバーナーであって、有効直径を有する液体燃料用導管と;該有効直径の2倍以下の長さを有するエマルジョンチャンバーであって、該液体燃料用導管が該エマルジョンチャンバーに液体燃料を導入するよう配置されたエマルジョンチャンバーと;噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバーに導入するための少なくとも1つの噴霧用ガス用導管と;酸素富化酸化剤流を提供するための手段とを含み;該液体燃料と該噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバー内で混合し、その速度が12m/s未満であり、該エマルジョンチャンバー内の平均滞留時間が500〜800μsであるエマルジョン混合物を生成し;さらに該エマルジョンチャンバーが一般に長方形の放出用オリフィスを含み、それを通して該エマルジョン混合物が該エマルジョンチャンバーから該酸素富化酸化剤流に放出される、バーナーが提供される。
「含酸素燃料バーナー」とは、空気よりも高いO2濃度を有する主酸化剤を利用するバーナーである。
「酸素富化酸化剤」とは、30vol%を超えるO2を有する流体、例えば、酸素富化空気と規定される。他の酸素富化酸化剤は、50vol%又は85vol%を超える酸素を有することができる。
「噴霧用ガス」は、空気、酸素、酸素富化酸化剤、天然ガス、プロパン、窒素、二酸化炭素、水素、又はこれらガスのうち2つ以上の混合ガスであることができる。1つの実施態様においては、噴霧用ガスは酸素富化酸化剤である。
ノズルのための「液体燃料」は、燃料油、例えば、第1の留出油、第2の留出燃料油、ディーゼル燃料、灯油、第4の燃料油、第5の残油、第6の残査燃料油、及びバンカーC型燃料油、並びに当業者に公知の他のものを含む。
本発明は、内部混合タイプのノズルである。図1(a)と図5(a)に示すように、液体燃料20が、出口直径14を有する導管31を介してエマルジョンチャンバー10に導入される。出口直径14は、エマルジョンチャンバー10に隣接する導管31の出口端部15付近又はその地点の導管31の内側について測定される。噴霧用ガス21は、液体燃料用導管31の周りの1つ又は複数の流路を介してエマルジョンチャンバー10に導入される。噴霧用ガスは、図2に示すように単一の環状流路22を介して導入することができるか、又は図3に示すように複数の流路23を介して導入することができる。噴霧用ガス21はデフレクター面12に衝突して、続いてエマルジョンチャンバー10内で液体燃料と混合される。デフレクター面12は、噴霧用ガスをエマルジョンチャンバー10の方へ向けるように角度をつけるか又は成形される。エマルジョンチャンバー10は直径30と長さ13を有する。エマルジョンチャンバー10の直径は、エマルジョンチャンバーの内側について測定され、その長さは、液体燃料用導管31の出口端部15からエマルジョンチャンバーオリフィス11のチャンバー側18まで測定される。エマルジョンチャンバーと液体燃料用導管は円筒形として示されるが、本発明は、導管31又はエマルジョンチャンバー10について円筒形及び/又は円形断面に限定されない。非円形導管の場合には、同じ断面積を与える有効直径を計算することができる。図1(a)では、エマルジョンチャンバーは、オリフィス11の方に設けられたテーパー部分33をさらに示し、それは円錐形として示されるが、球形、楕円形などであってもよく、示されるよりもエマルジョンチャンバーの長さを幾分延長することができる。あるいはまた、オリフィス付近のエマルジョンチャンバーの形状は、図5(a)に示すように長方形であることができる。エマルジョンチャンバーは、(図1(a))のエマルジョンチャンバーの大部分又は(図5(a))のエマルジョンチャンバーの全部について一定の断面で示されるが、本発明は一定の断面には限定されない。他の実施態様においては、エマルジョンチャンバーは、燃料入口からオリフィスまでの長さの大部分又は全部にわたって断面が小さくなるよう成形することができる。
噴霧用ガスと液体燃料は、エマルジョンチャンバー内で混合されエマルジョン混合物(図示せず)を形成した後、高さ16よりも大きな幅17を有する一般に長方形のオリフィス11を通してエマルジョンチャンバーから放出され、高さよりも幅が大きい火炎を生成する(エマルジョンチャンバーオリフィスの高さ及び幅並びに他の寸法について、有効な寸法は必要な場合には使用することができる)。酸素富化酸化剤である主酸化剤41は、エマルジョン混合物がノズルを出るエマルジョンチャンバーオリフィス11に向かって示される方向に流れる。主酸化剤は、ノズル1の全部又は一部の周りに導入することができる。
ノズル形状の好ましい実施態様は、以下の一般的な設計パラメータの指標値を含むことができる。
Figure 2006200876
本発明によれば、エマルジョンチャンバーの長さ13は、噴霧用ガスと液体燃料を火炎成形用オリフィス11を介して放出する前に十分混合するため、液体燃料出口の有効直径14の0.5倍〜2倍であることができる。あるいはまた、エマルジョンチャンバーの長さ13は、導管31の液体燃料出口の有効直径の1倍〜2倍又は約1.7倍であることができる。液体燃料と噴霧用ガスは、エマルジョンチャンバー内に500〜800μs、550〜780μs又は600〜750μsの平均滞留時間とどまるべきである。液体燃料と噴霧用ガスを本発明に従ってエマルジョンチャンバー内で混合する機会が与えられると、ノズルを洗浄するためのメンテナンスと同様、コークスの蓄積が減少する。
平均滞留時間は、(先に規定されたエマルジョンチャンバーの長さにわたる)エマルジョンチャンバーの全体積をエマルジョン混合物の体積流量で割ることにより計算される。エマルジョン混合物の体積流量は、油と噴霧用ガス両方の体積流量を足し算することにより計算される。噴霧用ガスは圧縮性であるため、ガスの実体積流量は圧力補正することにより得られる。例えば、油の流量が70リットル/h、噴霧用ガスの流量が11Nm3/h、エマルジョンチャンバーの圧力が2.4bar(240kPa)である場合には、エマルジョン混合物の体積流量は、
Figure 2006200876
エマルジョンチャンバーの体積が790mm3であるノズルの場合、平均滞留時間は、
Figure 2006200876
である。
幾つかの実施態様においては、液体燃料出口の有効直径は、1.27mm〜12.7mm、1.27mm〜10mm、1.27mm〜8.5mm、又は6.25mmであることができる。幾つかの実施態様においては、エマルジョンチャンバーオリフィスの幅は、3mm〜25.4mm、4mm〜20mm、又は約14.2mmであることができる。幾つかの実施態様においては、エマルジョンチャンバーオリフィスの高さは、0.75mm〜7.62mm、0.75mm〜4.5mm、又は約1.4mmであることができる。幾つかの実施態様においては、液体燃料出口の面積/エマルジョンチャンバーオリフィスの面積は、0.1〜2、0.1〜1.6、又は約1.1であることができる。これらの面積は断面積である。液体燃料出口の面積は、図2に示すハッチングしていない円形面積29に等しい(導管31の断面積が一定でない場合には、断面積は出口で測定される必要があり、図1(a)の線分A−Aが横切っているところではないことに注意すること)。図1(b)に示す実施態様においては、エマルジョンチャンバーオリフィスの面積は、図1(b)に示すハッチングしていない面積に等しい。
幾つかの実施態様においては、液体燃料は、10〜250リットル/h、15〜200リットル/h、又は50〜150リットル/hでエマルジョンチャンバーに導入される。幾つかの実施態様においては、噴霧用ガスは、1〜20Nm3/h又は5〜15Nm3/hでエマルジョンチャンバーに導入される。一般にプラグ流れをエマルジョンチャンバーにおいて作り出すために、エマルジョン混合物の速度を12m/s以下にしてコークスの堆積やノズルの詰まりを防ぐことができる。プラグ流れとは、停滞ゾーン又は再循環ゾーンが生成しないように、エマルジョン混合物がエマルジョンチャンバーを通って移動することを意味する。エマルジョンチャンバー内の流れは乱流であることができる。エマルジョン混合物の速度は、5〜12m/s、6〜12m/s、又は8〜12m/sであることができる。
エマルジョン混合物の速度は、油と噴霧用ガス両方の体積流量を足し算して、得られた結果をエマルジョンチャンバーの断面積で割ることにより計算される。先に記載したように、噴霧用ガスは圧縮性であるため、ガスの実体積流量は圧力補正することにより得られる。例えば、油の流量が70リットル/h、噴霧用ガスの流量が11Nm3/h、エマルジョンチャンバーの圧力が2.4bar(240kPa)、エマルジョンチャンバーの断面積が116mm2である場合には、エマルジョン混合物の速度は、
Figure 2006200876
である。
エマルジョンチャンバーの面積がその長さにわたって変化する場合、エマルジョン混合物の速度の計算には最大面積を用いる。
本発明の噴霧器ノズルは、当業者に公知の通常の方法で作製される。
図4に示す本発明の1つの実施態様においては、本発明の噴霧器ノズル51はバーナー60において使用される。噴霧器ノズル51は、バーナーブロック50の高温面52の方に位置している。ノズルのエマルジョンチャンバーオリフィス55は、バーナーブロックの流路壁54の内部にエマルジョン混合物(液体燃料)がスプレーされるのを防ぐか又は制限するために、高温面52に対して十分近く、即ち、バーナーブロック50の十分前方に置かれる。流路壁54は、(図1(a)の41として示される)主酸化剤がノズル51の周りを流れる流路を画定している。主酸化剤は配管57を介してバーナー60に入る。主酸化剤は、液体酸素タンク源又はオンサイト発生器、例えば、圧力若しくは真空スウィング吸着装置又は深冷分離装置から供給することができる。バーナーブロック50の高温面52は火炎付近、即ち、バーナーブロック50の高温側であり、バーナーブロック50の低温面53はその反対側であって、炉の外部に隣接し、即ち、ブロックの低温側である。図4に示す実施態様においては、バーナーブロック50は、酸化剤の段階化のための導管56を与えている。図示されるバーナーの他の態様は、同時係属中の2004年8月16日出願の米国特許出願第10/919,940号において見出すことができ、この出願はその参照により本明細書に含まれる。しかしながら、本発明は、図示されるバーナー構成に限定されない。本発明において有用なバーナーの他の実施態様は、米国特許第5,360,171号明細書;同第5,545,031号明細書;同第5,611,682号明細書;同第5,575,637号明細書;同第4,690,635号明細書;同第5,439,373号明細書;同第5,924,858号明細書;同第5,458,483号明細書;及び同第5,431,559号明細書において見出すことができ、これらの特許はその参照により本明細書に含まれる。本明細書で記載されるノズルは、主酸化剤として酸素富化酸化剤を与える手段を提供する任意のバーナーに関して使用することができる。
[比較例1]
[エマルジョン速度が12m/sを超える噴霧器ノズル]
エマルジョン速度が13〜14.7m/sであり、滞留時間が800μsを超える通常の噴霧器ノズルを、流量が50〜200リットル/hである第6の燃料油について試験した。ノズルは、図4に示すようにバーナーブロックの高温面付近に配置した。ノズル上に蓄積する炭素は、1日に1回から1週間に2回の洗浄が必要であった。ノズルを洗浄する必要性は、火炎の特性、液体燃料及び/又は噴霧用ガスの圧力上昇により決定した。火炎は燃料油の偏在のために変形した。
[例2]
[エマルジョン速度が12m/s未満の噴霧器ノズル]
エマルジョン速度が8〜12m/sであり、滞留時間が500〜800μsである本発明に従った噴霧器ノズルを、流量が50〜200リットル/hである第6の燃料油について試験した。ノズルは、図4に示すように高温面付近に配置した。ノズルを洗浄する必要性は1月に1回未満まで減少した。
本発明は、特定の実施態様を参照して記載されたが、本発明は、それらの実施態様に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の趣旨及び範囲内にある改良及び同等の変更を含む。
(a)は本発明のノズルの第1及び第2実施態様の縦断面図であり、(b)は(a)で示されるノズルの前端面の断面図である。 本発明の第1実施態様を示す図1(a)のA−A断面である。 本発明の第2実施態様を示す図1(a)のA−A断面である。 本発明のノズルを組み込んだ含酸素燃料バーナーを示す。 (a)は本発明のノズルの第3実施態様の縦断面図であり、(b)は(a)で示されるノズルの前端面の断面図である。
符号の説明
1 ノズル
10 エマルジョンチャンバー
11 オリフィス
20 液体燃料
21 噴霧用ガス
31 導管
41 主酸化剤

Claims (19)

  1. 含酸素燃料の燃焼のための方法であって、
    液体燃料を有効直径を有する液体燃料用導管を通して該液体燃料用導管の該有効直径の2倍以下の長さを有するエマルジョンチャンバーに導入する工程;
    噴霧用ガスを少なくとも1つの噴霧用ガス用導管を通して該エマルジョンチャンバーに導入する工程;
    該液体燃料と該噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバー内で混合し、該エマルジョンチャンバー内の平均滞留時間が500〜800μsであり、その速度が12m/s以下であるエマルジョン混合物を生成する工程;及び
    該エマルジョン混合物を一般に長方形のオリフィスを通して酸素富化酸化剤流に放出する工程
    を含む、含酸素燃料の燃焼のための方法。
  2. 前記酸素富化酸化剤流が50vol%を超える酸素を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記エマルジョンチャンバーの長さが、前記液体燃料用導管の前記有効直径の0.5〜2倍である、請求項1に記載の方法。
  4. 前記平均滞留時間が550〜780μsである、請求項1に記載の方法。
  5. 前記有効直径が1.27〜12.7mmである、請求項1に記載の方法。
  6. 前記オリフィスが、3mm〜25.4mmの幅と、0.75mm〜7.62mmの高さとをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  7. 前記液体燃料の導入工程が10〜250リットル/hの流量であり、前記噴霧用ガスの導入工程が1〜20Nm3/hの流量である、請求項1に記載の方法。
  8. 含酸素燃料の燃焼のためのノズルであって、
    有効直径を有する液体燃料用導管と;
    該有効直径の2倍以下の長さを有するエマルジョンチャンバーであって、該液体燃料用導管が該エマルジョンチャンバーに液体燃料を導入するよう配置されたエマルジョンチャンバーと;
    噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバーに導入するための少なくとも1つの噴霧用ガス用導管と;
    酸素富化酸化剤流を提供するための手段とを含み;
    該液体燃料と該噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバー内で混合し、その速度が12m/s未満であり、該エマルジョンチャンバー内の平均滞留時間が500〜800μsであるエマルジョン混合物を生成し;
    さらに該エマルジョンチャンバーが一般に長方形の放出用オリフィスを含み、該エマルジョン混合物が該エマルジョンチャンバーから該酸素富化酸化剤流に放出される、含酸素燃料の燃焼のためのノズル。
  9. 含酸素燃料の燃焼のためのバーナーであって、
    有効直径を有する液体燃料用導管と;
    該有効直径の2倍以下の長さを有するエマルジョンチャンバーであって、該液体燃料用導管が該エマルジョンチャンバーに液体燃料を導入するよう配置されたエマルジョンチャンバーと;
    噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバーに導入するための少なくとも1つの噴霧用ガス用導管と;
    酸素富化酸化剤流を提供するための手段とを含み;
    該液体燃料と該噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバー内で混合し、その速度が12m/s未満であり、該エマルジョンチャンバー内の平均滞留時間が500〜800μsであるエマルジョン混合物を生成し;
    さらに該エマルジョンチャンバーが一般に長方形の放出用オリフィスを含み、それを通して該エマルジョン混合物が該エマルジョンチャンバーから該酸素富化酸化剤流に放出される、含酸素燃料の燃焼のためのバーナー。
  10. 前記酸素富化酸化剤流が50vol%を超える酸素を含む、請求項9に記載のバーナー。
  11. 前記エマルジョンチャンバーの長さが、前記液体燃料用導管の前記有効直径の0.5〜2倍である、請求項9に記載のバーナー。
  12. 前記平均滞留時間が550〜780μsである、請求項9に記載のバーナー。
  13. 前記有効直径が1.27〜12.7mmである、請求項9に記載のバーナー。
  14. 前記オリフィスが、3mm〜25.4mmの幅と、0.75mm〜7.62mmの高さとを含む、請求項9に記載のバーナー。
  15. 前記液体燃料用導管が1つの出口面積を含み、前記オリフィスが1つの面積を含み、該出口面積/該オリフィス面積が0.1〜2である、請求項9に記載のバーナー。
  16. 前記液体燃料用導管が1つの出口面積を含み、前記オリフィスが1つの面積を含み、該出口面積/該オリフィス面積が0.1〜1.6である、請求項9に記載のバーナー。
  17. 前記オリフィスが、4mm〜20mmの幅と、0.75mm〜4.5mmの高さとを含む、請求項9に記載のバーナー。
  18. 前記エマルジョンチャンバーがテーパー部分を含む、請求項9又は15に記載のバーナー。
  19. 前記エマルジョンチャンバーがその長さにわたって次第に細くなっている、請求項9に記載のバーナー。
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