JP2007530898A

JP2007530898A - 低ＮＯｘ及び改良された炎安定化のための燃料噴射器

Info

Publication number: JP2007530898A
Application number: JP2007503005A
Authority: JP
Inventors: ヴァツキー，ジョエル
Original assignee: ヴァツキー，ジョエル
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2007-11-01
Also published as: CA2558490A1; WO2005086916A2; CN101124433A; EP1754000A2; US20060029895A1; KR20070003984A; WO2005086916A3; MXPA06010315A; AU2005221152A1; RU2006135372A

Abstract

炉に用いられる燃料噴射器（１０）が提供されている。燃料噴射器（１０）は、微粉砕された燃料を炉の燃焼室に送給するのに用いられている。燃料噴射器（１０）の構造は、燃焼火炎を安定化させる共に効率的な燃焼を容易にするものである。その結果、最小量のＮＯ_xと他の望ましくない副生成物しか大気中に放出されないことになる。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２００４年３月８日に出願された米国仮特許出願第６０／５５１，１４３号の利得を主張するものであり、その開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。

本発明は、炉と関連して用いられる燃料噴射器に関する。さらに詳細には、本発明は、微粉炭又は他の固体燃料が、酸化窒素（ＮＯ_x）と未燃燃料に関連する他の望ましくない副産物の生成が低減されるように、キャリアガスと共に移送され、炉の燃焼室内で効率的に燃焼される燃料噴射器及び炉に関する。

低ＮＯ_x微粉炭バーナは、燃料噴射器と、二次空気が流通する２つ以上の通路を有する二次空気レジスタ制御装置とから構成されている。微粉炭は、１種以上のガス、一般的には、空気によって運ばれ、燃料噴射器を通って炉内に入るようになっている。キャリアガスは、一次空気と考えられている。しかし、石炭を運ぶ一次空気は、典型的には、燃焼に必要とされる全燃焼空気の２５％にすぎない。残りの燃焼空気は、二次空気レジスタを通って、炉に入っている。多くの追加的な例では、二次空気の一部は、二次空気口のような別段の引込み口に導かれ、石炭の燃焼をより効率的に行なっている。

石炭バーナ、特に、低ＮＯ_x微粉炭バーナは、バーナの喉（ｔｈｒｏａｔ）に良好に定着した強力な安定火炎を生じさせねばならない。これらの形式のバーナに特有の設計上の課題は、とりわけ、ＮＯ_xの生成を最小限に抑える微粉炭とキャリア（一次）空気の分布を生成し、かつ燃料噴射器の周囲からバーナに入る二次燃焼空気の近距離領域における空力的な安定化パターンを生成すると共に、燃料噴射器の高い信頼性を維持する点にある。

多くの古い設計では、バーナ内に分布される燃料／空気の最適な比率を生成することを試みるために、石炭流れ内に、火炎安定器、羽根、又は収集口を用いている。しかし、これらの構成は、部品の急速な磨耗、過熱の可能性、及び部品への石炭のコークス化（望ましくない堆積）、及びその結果としての寿命の低下を受けることになる。さらに、部品が磨耗するにつれて、幾何学な形状が変化し、燃焼を劣化させることになる。

典型的な低ＮＯ_xバーナでは、二次空気は、「空気の多段化」効果を生成するために、２つ以上の同心通路を通ってバーナに入っている。一般的に、これらの設計は、各々に調整可能な旋回生成器を有する内側及び外側二次空気ゾーンを備えている。結果的に、内側及び外側ゾーン間の空気を旋回と無関係に均衡を保ち、最適化することができない。これらの設計は、外側二次空気ゾーンに対する内側二次空気ゾーンの流量と旋回を最適化する独立した手段を有していない。

低ＮＯ_xバーナ設計は、燃料噴射の機能と二次空気流れを制御する機能を本質的に独立した機能に分離しているが、これらの組立体を１つのバーナに一体化している。１つの形式のバーナの燃料噴射器は、一般的に、他のバーナ設計システムのレジスタ組立体に移行させることができない。

本発明は、微粉砕された燃料とそのキャリアガスが流通する障害物のない通路を燃料噴射器に設けることによって、既知の低ＮＯ_xバーナ設計に関連する問題を解消するものである。外部火炎安定器が、バーナ内の火炎の優れた安定性をもたらすために、配置されている。また、固定羽根旋回翼と空気制御ダンパーとが、微粉砕された燃料の燃焼時に生成される火炎をさらに制御するために、燃料噴射器に配置されている。本発明の燃料噴射器は、前述の操作と信頼性の課題を解消するものである。さらに、このような燃料噴射器は、実質的にどのようなバーナ構成にも利用することができる。「隅角燃焼」に特有の垂直方向に重ねられる線状バーナのみならず、円形バーナ構成にも利用することができる。

ここで用いられる「燃料噴射器」という用語は、微粉砕された燃料とキャリアガスを移送し、関連する炉内で燃焼させるのに用いられる装置を含むことが意図されている。「微粉砕された燃料」という用語は、微粉炭などのような種々の燃料を含むことが意図されていることが理解されるべきである。「微粉炭」という用語は、好ましい実施形態を説明するのに便利に用いられるが、石炭以外の種々の微粉砕された燃料を包含することも意図されている。さらに、「キャリアガス」という用語は、空気中に存在するガス以外のガスを含んでいる。しかし、空気は、本発明の好ましい実施形態によれば、微粉炭を移送するのに用いられるので、多くの場合、「一次空気」という用語がここでは用いられるが、空気以外の種々のキャリアガスを包含することが意図されている。

本発明の燃料噴射器の設計は、低ＮＯ_xバーナの性能と信頼性を高めるために、開発されたものである。従って、本発明の設計の特徴は、種々の形式の低ＮＯ_xバーナシステムに適用可能である。

本発明の好ましい実施形態によれば、炉内に用いられる燃料噴射器が提供されている。この燃料噴射器は、入口端及び出口端と、入口端と出口端との間に延在し、キャリアガスと燃料粒子を含む燃料流れが流通することを可能にする通路とを有する内筒を備えている。内筒は、好ましくは、キャリアガスと燃料粒子が妨害されることなく関連する炉内に流れることができるように、入口端と出口端との間に障害物が存在しないようになっている。燃料噴射器は、好ましくは、内筒の少なくとも一部を包囲し、二次空気が流通することを可能にする内筒と外筒との間の外側通路を有する外筒を備えている。複数の安定化羽根が、好ましくは、内筒の出口端の近くで、外側通路内に配置されている。外側通路を流通する二次空気は、安定化羽根と衝突し、燃料流れの燃焼を内筒の出口端の近くに維持するのを促進するものである。また、複数の軸方向羽根が、好ましくは、内筒と外筒との間の外側通路内に配置されている。軸方向羽根の各々は、安定化羽根の対応する対間に配置され、安定化羽根と協力して、出口端から流れる燃料流れに対して所望量の二次空気を生成するように機能している。また、固定羽根旋回翼が、好ましくは、内筒と外筒との間の外側通路内に配置されている。固定羽根旋回翼は、二次空気と衝突し、安定化羽根と軸方向羽根の周囲に二次空気の回転流れを生成するのに充分な構造を、備えている。

他の好ましい実施形態において、空気制御ダンパーが、内筒と外筒との間の外側通路内に配置されていてもよい。この空気制御ダンパーは、固定羽根旋回翼を流通する二次空気の量を制御するように構造化され、かつ配置されているとよい。

安定化羽根及び軸方向羽根は、内筒に取り付けられ、固定羽根旋回翼は、外筒に取り付けられているとよい。しかし、これらの特徴の具体的な構成は、任意選択的であり、好ましい一実施形態をなすものである。

空気制御ダンパーは、固定羽根旋回翼を流通し得る空気の量の選択的な制御を可能にする穴付き板と軸方向可動性スリーブとを備えているとよい。

他の好ましい実施形態において、炉システムが設けられている。この炉は、ハウジングと、ハウジング内に配置される燃焼ゾーンと、前述の特徴を有する１つ以上の燃料噴射器とを備えているとよい。

低ＮＯ_xバーナ設計は、燃料噴射の機能と二次空気流れ制御の機能を本質的に独立した機能に分離し、２つの組立体を１つのバーナに一体化している。１つの形式のバーナシステムの燃料噴射器は、典型的には、他のバーナ設計システムのレジスタ組立体内に一体化することができない。

本発明は、一体型安定化空気流れ制御器と装置とをそれ自体に備える独立型の燃料噴射器である。その結果、本発明の燃料噴射器は、種々の形式のレジスタ組立体に挿入することが可能となる。本発明の燃料噴射器は、改良された火炎安定性、低ＮＯ_x排出、及び一酸化炭素と未燃炭素の良好な制御をもたらしている。

従って、本発明の目的は、低ＮＯ_x排出をもたらす改良された燃料噴射器及び任意選択的に全体の炉を提供することにある。他の目的は、改良された火炎安定性を有する燃料噴射器及び任意選択的に炉システムを提供することにある。本発明のこれら及び他の目的及び利点は、添付の図面と以下の好ましい実施形態の詳細な説明と関連して考察すれば、より容易に理解されるだろう。

図面の図１〜図８を参照すると、本発明の燃料噴射器１０が、種々の実施形態及び図で示されている。図１及び図２のようないくつかの図において、燃料噴射器１０は、単独で示されている。図５、図６、図７及び図８のような他の図において、燃料噴射器１０は、炉内に組み込まれて示されている。

本発明の燃料噴射器１０の好ましい実施形態が、図１及び図２に示されている。この燃料噴射器１０は、入口端１６と出口端１４とを有する細長の内筒１２を備えている。一連の凹状又は楕円状領域１８が出口端１４においてノズルを出る多数の集中石炭流れを生成するように機能する分割ノズル設計部が、出口端に配置されている。

図２は、燃料噴射器１０が内筒１２を少なくともその一部にわたって周方向に包囲する外筒２０を備えていることを、示している。安定化羽根２２、軸方向羽根２４及び固定羽根旋回翼２６は、内筒１２と外筒２０との間の通路に配置されている。以下、これらの構成要素の構造と作用について、さらに詳細に説明する。

また、空気制御ダンパー２８も、内筒１２と外筒２０との間の通路に配置されている。空気制御ダンパー組立体は、孔付き板３０と軸方向可動性スリーブ３２とを備えている。制御アーム３４は、オペレータが可動性スリーブを所望量の二次空気が固定羽根旋回翼２６の内部及びその周囲に流れ得るように軸方向に調整することを可能にすべく、可動性スリーブに接続されている。

図２、図３及び図４にも示されるように、接続フランジ３６は、燃料噴射器１０の入口端１６に配置されている。この接続フランジ３６は、キャリアガスと粉砕された燃料粒子を内筒１２に供給するために、燃料噴射器１０をＬ型導管又は他の導管に接続するのに用いられるとよい。

図５、図７及び図８は、燃料噴射器１０（又は複数の燃料噴射器１０）を全体の炉組立体３８の一部として示している。このような炉内に配置される場合、燃料噴射器１０は、最適な性能を確保するために、（図６及び図７に示されるような）空気阻止板４０を備えているとよい。

低ＮＯ_x火炎安定化ノズル１５は、すぐれた火炎の安定性と最小のＮＯ_x排出を得るために、重要な要素である。図１は、石炭を堆積させる障害のないオープン設計を有する分割式石炭ノズルを示している。圧力降下は低く、磨耗、石炭の堆積、すなわち、コークス化を受けるどのような構成要素もこの石炭経路に存在しない。すぐれた火炎の安定性は、各分割部を包囲する外部火炎安定化装置によって、達成されることになる。

安定化羽根２２と軸方向羽根２４は、組み合わせられ、内側ゾーンからノズル１５を出る燃料流れの上方とその周囲に二次空気の複合流を生成するように作用している。これは、初期の安定化区域を燃料噴射器ノズル１５の近くに生成する効果がある。

図２は、周方向に湾曲した安定化羽根２２及び軸方向羽根２４と、固定羽根旋回翼２６及び空気制御ダンパー２８との組合せを備える火炎安定化装置が配置された完全な燃料噴射器組立体１０を示している。以下、これらの装置の機能について、説明する。

火炎安定化装置は、米国特許第５，７６２，００７号にすでに記載されているように機能するものである。この開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。一般に、図１〜図８は、湾曲した安定化羽根２２と縦走する軸方向羽根２４とを示している。これらの羽根２２，２４は、内筒１２の出口端１４の近くで、（内筒１２と外筒２０との間）の外側通路内に配置されている。図１及び図２に明確に示されているように、二次空気が流通するのを可能にする間隙が、隣接する湾曲した安定化羽根２２間に保持されているとよい。湾曲した安定化羽根２２と軸方向羽根２４との組合せは、ノズル１５を出る燃料流れの燃焼時に生成する火炎が燃料噴射器１０の出口端の近くで「良好に定着される」のを確実にするのを促進する火炎安定化装置として、機能している。従って、最大の火炎安定性とＮＯ_x及びＣＯのような望ましくない副生成物が最小限に抑えられることになる。内筒１２と外筒２０との間を流れる二次空気は、湾曲した安定化羽根２２と衝突し、軸方向羽根２４によって案内されている。これは、乱流を生成し、得られる火炎の強化をさらに容易にすると共に、一次粉炭流れとの干渉を最小限に抑止するものである。

固定羽根旋回翼２６は、燃料噴射器１０の外筒２０に取り付けられている。旋回翼２６の位置は、一定で、調整する必要がない。これによって、火炎安定器２２の上方を流れる空気に回転を与え、ノズル１５を出る石炭によって形成される火炎の根元を制御する効果を高めている。

空気制御ダンパー２８は、軸方向可動性スリーブ３２によって包囲された穴付き板３０を備えている。このダンパーは、固定羽根旋回翼２６内を流通し、ノズル１５を包囲している火炎安定器２２を超えて流れる空気の量を制御するように、操作可能となっている。軸方向可動性スリーブ３２は、制御アーム３４に接続され、これによって、空気の流量の制御を可能にし、さらに火炎位置と炉３８のバーナに近い領域における内的化学量論値の最適化を可能にしている。

空気流れ制御装置をそれ自体に有する燃料噴射器組立体１０は、１つの特定のバーナ形状の一体部分として設置される必要がない独立した組立体を代表している。従って、この燃料噴射器組立体１０は、比較的単純な単一のレジスタ組立体と関連して用いることができ、このレジスタ組立体は、ここに開示される燃料噴射組立体と組み合わされる場合、低ＮＯ_xバーナに特有の２段の二次空気力学を完全なものとすることができる。

固定羽根旋回翼２６は、燃料噴射器１０の外筒２０に取り付けられている。この旋回翼の位置は固定され、調整される必要がない。

図３は、炉システム内に半径方向の軸を有する主レジスタを用いる二重レジスタの実施形態を示している。この組立体において、外側ゾーンの二次空気旋回を制御する半径方向の軸を有するスピン羽根とバーナに入る二次空気の全量を制御するスリーブダンパーとを備える単一レジスタが、燃料噴射器１０とその二次空気制御装置とで組み合わされ、完全な低ＮＯ_xバーナを形成している。

図４は、本発明の改良された火炎安定化燃料噴射器１０が、噴射器の軸方向の軸を有する主レジスタを利用するレジスタ組立体内に一体化されている他の実施形態を、示している。改良された火炎安定化燃料噴射器１０は、最小の修正で、それぞれの主レジスタ組立体内に挿入されている。ここに開示された設計によって与えられるムラのない近距離領域の空気力学条件によって、これらのバーナ構成の各々の性能は、全体の幾何学的形状が異なっていても、実質的に同じである。

代替的形式の燃焼システムである隅角燃焼バーナシステムが、図５に示されている。このシステムにおいて、バーナは、交互に並んだ通常は正方形又は矩形の二次空気噴射ノズルと燃料噴射器１０の垂直列とから構成されている。従来の配置では、燃料噴射器も正方形又は矩形の構成である。しかし、本発明の改良された火炎安定化燃料噴射器１０は、この技術を円形バーナに用いることによって、この標準的な設計から変更して設置しても、同じ信頼性及び燃焼条件をもたらすことが可能である。

隅角燃焼配置では、二次空気流れ分割器が、二次空気を一体の固定羽根旋回翼２６を超えて導くために、本発明の改良された火炎安定化燃料噴射器１０の周りに一体に設置されている。二次空気が流れて分割器の外側の周りを迂回するのを阻止するために、従って、二次空気が流れて分割器の内部でかつそれと石炭ノズル１５との間にある固定羽根旋回翼を通過しなくなるのを阻止するために、空気阻止板が流れ分割器に取り付けられている。

図８は、完全な隅角バーナ列であって、その列と一体になっている状態が示されている本発明の安定化燃料噴射器１０の組立体を有する隅角バーナ列を例示している。

本発明の改良された火炎安定化燃料噴射器１０は、燃焼性能を損なうことなく、最小のＮＯ_x生成を確実にする最適な空力学の条件と燃料流れを維持しながら、広範囲の微粉炭バーナ形式に組み込まれ得る燃料噴射器組立体を開示している。

本発明の燃料噴射器１０と関連する炉システムの構成及び寸法に対する種々の修正が、以下に述べる請求項に定義される本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の好ましい実施形態に対してなされ得ることは、明らかであろう。

本発明の燃料噴射器の好ましい実施形態の出口部の併用される概略的な断面図及び正面図である。本発明の燃料噴射器の好ましい実施形態の切断斜視図である。炉に対する設置位置を示す本発明の燃料噴射器の他の実施形態の概略的断面図である。炉に対する設置位置を示す本発明の燃料噴射器の他の好ましい実施形態の概略的断面図である。本発明による複数の燃料噴射器を示す隅角燃焼バーナ列を示す正面図である。本発明の燃料噴射器の実施形態の一部の正面斜視図である。炉内のさらに他の組立位置にある図６に示される燃料噴射器の実施形態の正面斜視図である。炉の隅角燃焼バーナ列内に組み込まれた本発明の実施形態による複数の燃料噴射器の併用される概略的な断面図及び正面図である。

Claims

炉内で用いられる燃料噴射器において、
（ａ）入口端及び出口端を有する内筒であって、前記入口端と前記出口端との間に延在し、キャリアガスと燃料粒子とを含む燃料流れが流通するのを可能にする通路を画成する内筒と、
（ｂ）前記内筒の少なくとも一部を包囲し、二次空気が流通するのを可能にする外側通路を画成する外筒と、
（ｃ）前記内筒の前記出口端の近くで前記外側通路内に配置される複数の安定化羽根であって、前記外側通路を流通する二次空気は、燃料流れの燃焼が前記内筒の前記出口端の近くに維持されるように、前記複数の安定化羽根と衝突するような安定化羽根と、
（ｄ）前記内筒と前記外筒との間の前記外側通路内に配置される複数の軸方向羽根であって、各々が前記安定化羽根の対応する対の間に配置され、前記安定化羽根と協力して、前記出口端から流れる燃料流れに対して二次空気の所望の流れを生成するように機能する軸方向羽根と、
（ｅ）前記内筒と前記外筒との間の前記外側通路内に配置される固定羽根旋回翼であって、二次空気の回転流れを前記複数の安定化羽根と軸方向羽根の周囲に生成するのに充分な構造を有する固定羽根旋回翼と、
を備えていることを特徴とする燃料噴射器。
前記外側通路内に配置され、前記固定羽根旋回翼を流通する二次空気の量を制御するように構造化され、かつ配置される空気制御ダンパーをさらに備えていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射器。
前記複数の安定化羽根は、前記内筒に取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射器。
前記複数の軸方向羽根は、前記内筒に取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射器。
前記固定羽根旋回翼は、前記外筒に取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射器。
前記空気制御ダンパーは、穴付き板と軸方向可動性スリーブとを備えていることを特徴とする、請求項２に記載の燃料噴射器。
前記内筒の前記出口端は、複数の集中燃料流れを前記内筒の前記出口端に生成するのに適した複数の楕円区域を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射器。
（ａ）ハウジングと、
（ｂ）前記ハウジング内の燃焼ゾーンと、
（ｃ）少なくとも１つの燃料流れを前記燃焼ゾーンに送給するように配置される燃料噴射器であって、（１）入口端及び出口端を有する内筒であって、前記入口端と出口端との間に延在し、キャリアガスと燃料粒子とを含む燃料流れが流通するのを可能にする通路を画成する内筒と、（２）前記内筒の少なくとも一部を包囲し、二次空気が流通するのを可能にする外側通路を画成する外筒と、（３）前記内筒の前記出口端の近くで前記外側通路内に配置される複数の安定化羽根であって、前記外側通路を流通する二次空気は、燃料流れの燃焼が前記内筒の前記出口端の近くに維持されるように、前記複数の安定化羽根と衝突するような安定化羽根と、（４）前記内筒と前記外筒との間の前記外側通路内に配置される複数の軸方向羽根であって、各々が前記安定化羽根の対応する対の間に配置され、前記安定化羽根と協力して、前記出口端から流れる燃料流れに対して二次空気の所望の流れを生成するように機能する軸方向羽根と、（５）前記内筒と前記外筒との間の前記外側通路内に配置される固定羽根旋回翼であって、二次空気の回転流れを前記複数の安定化羽根と軸方向羽根の周囲に生成するのに充分な構造を有する固定羽根旋回翼とを備える燃料噴射器と、
を備えていることを特徴とする炉。
前記外側通路内に配置され、前記固定羽根旋回翼を流通する二次空気の量を制御するように構造化され、かつ配置される空気制御ダンパーをさらに備えていることを特徴とする、請求項８に記載の炉。
前記複数の安定化羽根は、前記内筒に取り付けられていることを特徴とする、請求項８に記載の炉。
前記複数の軸方向羽根は、前記内筒に取り付けられていることを特徴とする、請求項８に記載の炉。
前記固定羽根旋回翼は、前記外筒に取り付けられていることを特徴とする、請求項８に記載の炉。
前記空気制御ダンパーは、穴付き板と軸方向可動性スリーブとを備えていることを特徴とする、請求項９に記載の炉。
前記内筒の前記出口端は、複数の集中燃料流れを前記内筒の前記出口端に生成するのに適した複数の楕円区域を備えていることを特徴とする、請求項８に記載の炉。
複数の燃料噴射器をさらに備えていることを特徴とする、請求項８に記載の炉。
前記外側通路内に配置され、前記固定羽根旋回翼を流通する二次空気の量を制御するように構造化され、かつ配置される空気制御ダンパーをさらに備えていることを特徴とする、請求項１５に記載の炉。