JP2008527291A - 可変速度噴霧による液体燃料の燃焼方法 - Google Patents

Abstract

可変速度スプレーによる液体燃料の燃焼方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は液体燃料を燃焼する方法に関する。

例えば工業炉に燃焼システムを取り付ける場合、主な関心事の１つは、施行されている環境基準を満たすようにできる限り大気汚染物質を削減し、一方で熱伝達の点で依然として加熱過程の要求を満たすことである。ＮＯｘと呼ばれる窒素酸化物は環境基準によって最たる標的となる汚染物質のうちの１つであり、それらの放出の最小化は主要な技術的問題を構成する。ＮＯｘ放出を制限するためにいくつかの解決策が考えられるであろう。すなわち燃焼自体の間にＮＯｘ生成を減らすことを意図した第1のタイプの対策、および燃焼後流出物からＮＯｘを除くことを意図した第２のタイプの対策である。第２のタイプの対策は通常極めて高価な手段の取り付けを要し、より高価なほど、達成される排出ＮＯｘレベルが低くなることは注目されるべきである。第1の対策は主としてＮＯｘの主な成分である一酸化窒素ＮＯの生成削減を狙っている。ＮＯの主な生成機構は主として酸素および窒素の分圧、媒質の温度および燃焼帯における反応物の滞留時間に依存する基本的な熱機構である。オキシ燃料（ｏｘｙｆｕｅｌ）の燃焼の場合、すなわち酸化剤が酸素である燃焼（このタイプの燃焼は工業において非常に広範に使われている）は、それゆえに特に問題である。Ｚｅｌ’ｄｏｖｉｃｈによって１９４７年に提唱された熱機構によると、ＮＯの生成速度は以下のように表現される。

式１

ここでｋは活性化定数、Ｒは理想気体定数、Ｅ_ａは反応の活性化エネルギー、Ｔは局所温度、ならびに[Ｏ_２]および[Ｎ_２]は局所酸素濃度および局所窒素濃度である。ＮＯ生成速度および結果的に生成するＮＯ量を最小化するために、酸化剤として酸素富化空気または純酸素すら用いて局所窒素濃度を減じることが知られている。しかしながら窒素の存在は燃焼過程から完全に除去することはできず、窒素は空気の侵入を介して、または燃料それ自身を介して媒質に導入されることも起こりうる。加えて、いくつかの過程において達する温度は、媒質内の低い窒素濃度に関わらず無視できないＮＯ生成の原因となる。

したがって、付加的な解決策が開発されており、特に解決策は反応物、主として酸化剤をＣＯ_２のような非常に反応性の高い気体でまたは例えば排気ガスを燃焼帯に再循環させることによって希釈することからなる。特に炎を安定させるために少量の酸化剤を燃料の近くに注入するにも関わらず、燃料から比較的大きな距離で酸化剤の殆どを注入することによって排気ガス再循環をより特異的に用いる。しかしながら、燃料ジェットと酸化剤ジェットの間に大きな隔たりを与えるこの概念は空気／気体燃料の燃焼に限定される。

特許ＥＰ ０ ５２４ ８８０およびＵＳ ５ ５２２ ７２１は「振動燃焼」と呼ばれる他のＮＯｘ削減方法を開示している。このような方法は酸化剤または燃料の速度を振動させ、反応物の化学量論比が１から離れるようにし、したがって炎の温度の降下、それゆえにＮＯｘ生成の削減という結果となる。加えて振動の周波数、振幅および位相を調整して一酸化炭素の生成を制限してもよい。しかしながら、振動燃焼法は気体燃料の燃焼に関し、液体燃料の燃焼には直接適用できないことを注目すべきである。

この理由は、二相燃焼においては、まず、注入された噴霧ガスによって液体燃料を噴霧し、液体燃料流を不安定化させて酸化剤との接触のためのより大きな表面積をもつ燃料スプレーを形成し、こうして燃焼を促進しなければならないことにある。次に燃料が酸化剤とともに燃焼する前にこのように形成された液体燃料の液滴が気化することが必要である。反応物の混合は結果的に燃料スプレーの特徴、特に形成された燃料液滴のサイズに依存する。気体燃料の場合における上述した振動燃焼の原理を適用することは、液体燃料の場合には満足のいく結果にならないことがわかっている。これは酸化剤流量の振動には極めて高価かつ相対的に有効でないデバイスを取り付けることを必要とし、液体燃料流量を振動させる手段は形成されるスプレーの十分に正確な制御を可能にするわけではないためである。

本発明の目的は上述した欠点を改善し、より具体的には振動燃焼の原理を液体燃料に適用することである。これをするために、本発明は液体燃料の燃焼方法からなり、この方法は液体燃料に接触する噴霧ガスを注入することによって液体燃料のスプレーを生じさせ、次にこのようにして生じたスプレーを酸化剤と接触させてスプレーの燃焼が起こるようにすることを意図した工程を含み、噴霧ガスを、
−燃焼が完全である名目速度値の近くで変動する可変速度で、かつ
−噴霧ガスの名目速度値の１．２倍を下回る最大速度で
注入する。

「可変速度」という用語は噴霧ガスが注入される速度が時間の経過を通じて規則的に２つの極値の間を振動することを意味すると理解するべきである。時間の関数としての注入速度の曲線は、例えば正弦関数プロファイルまたはパルスプロファイルを有するであろう。したがって、噴霧ガスの速度を変動させることによって、結果として生じるスプレーは可変の物理的特性、特に形成される液滴のサイズ、および結果的に、同じく変更された燃焼特性を持つ。より正確には、噴霧ガスの速度を増大することはより小さい液滴サイズを持つ燃料スプレーの形成、したがってより良好な燃焼をもたらすであろうが、噴霧ガスの速度を減少することはより大きな液滴サイズを持つ燃料スプレーの形成、したがってより効率的でない燃焼をもたらすであろう。このようにして、燃料スプレーの物理特性を制御して局所的な燃焼条件、特に火炎長を変動させ、それゆえにＮＯｘ形成の条件に影響を与えることが可能である。具体的には、火炎長を変動させることにより、加熱された装入物への熱伝達のための表面積を増大させ、一方で高温のＮＯｘ発生帯の発生を妨げることが可能になる。噴霧ガスを燃焼が完全である名目速度値の近くで変動する速度で注入する。より正確には、噴霧ガスの名目速度は与えられた液体燃料の流量に関して決定される。したがって、完全燃焼を保証する名目値の近くでの噴霧ガスの速度における変動により、燃焼消費を最適化し、この最適値周辺で燃焼特性を変動させることが可能になる。与えられたバーナー配置で、燃料の速度は要求されるパワーおよび正味の熱量（ＮＣＶ）から推測される。一般的に噴霧ガスの名目速度を選択して、噴霧ガスの質量流量が燃料の質量流量の０．３倍に等しくなるようにする。本発明によれば、噴霧ガスを噴霧ガスの名目速度値の１．２倍を下回る最大速度で注入する。したがって、炎の脱離のリスクが減少する。好ましくは、噴霧ガスを噴霧ガスの名目速度値の０．７倍を上回る最小速度で注入する。したがって、不完全燃焼のリスクが減少する。有利には、噴霧ガスをその変動の周波数が０．１〜１０Ｈｚである速度で注入する。好ましくは、噴霧ガスの注入速度における変動を流量調節弁を制御することによって得る。

１つの実施形態によれば、液体燃料を可変速度でパルス化する。これは噴霧ガスの変動と組み合わされた液体燃料の流量の変動が液体燃料スプレーの物理特性のより良い制御を可能にするためである。有利には、液体燃料を噴霧ガスの注入速度と同位相で変動する速度でパルス化する。この二重の変動の目的は燃料スプレーの液滴サイズをおよそ一定に保つことである。しかしながら、それによって送給される液体燃料の量が変更され、これが火炎長に加えて燃焼の当量比に影響を与える。燃焼が完全である名目値の近くであってその値が加熱過程の要求を満たす変動の場合、これらの条件は変動の間維持されるだろう。好ましくは、液体燃料の速度における変動を流量調節弁を制御することによって得る。

発明の実施は添付の図面と併せて以下に示す詳細な説明の助けによってより明確に理解されるであろう。

図１に示すような燃焼方法は、外部混合器（補助噴霧器とも呼ばれる）を持つスプレー噴霧器１を使用する。この噴霧器１は液体燃料供給装置２と、噴霧ガス供給装置３を含み、液体燃料スプレー４を送る。より正確には、噴霧ガス供給装置３はコントローラー６によって制御される調節弁５を備え、噴霧ガスの流量、および結果的に速度を変更することができる。次に、このスプレー４を酸化剤供給装置８によって送られる酸素７と接触させ、燃料の燃焼が起こるようにする。最初に噴霧ガスの流量を調整し、与えられた液体燃料流量にて安定な炎および完全燃焼を得るようにする。この噴霧ガスの名目流量ｍ_{ｇ，ｎｏｍ}は名目速度Ｕ_{ｇ，ｎｏｍ}に対応する。これらの値において、燃焼の結果として生じる炎は名目火炎長Ｌ_{ｆ，ｎｏｍ}を持つ。本発明による方法の実施の間、コントローラー６は調節弁５を制御して、時間の関数としての噴霧ガスの流量における変動が、曲線９によって示すように周期Ｔの正弦関数であって、流量は各々噴霧ガスの速度Ｕ_{ｇ，ｍａｘ}およびＵ_{ｇ，ｍｉｎ}に対応する最大流量値ｍ_{ｇ，ｍａｘ}と最小流量値ｍ_{ｇ，ｍｉｎ}の間を振動する。結果的に液体燃料の流量ｍ_ｆおよび速度Ｕ_ｆは一定であると仮定する。噴霧ガス流量が振動すると、火炎長は結果的に値Ｌ_{ｆ，ｍａｘ}と値Ｌ_{ｆ，ｍｉｎ}の間で変動する。火炎長の変動は熱伝達のための表面積を増大させ、高温帯の形成を妨げる。しかしながら、炎の安定性および燃焼の質を噴霧ガス流量における変動の間維持しなければならない。炎の脱離およびフレイムアウトを妨げ、燃料液滴の十分な気化を保証するために、噴霧ガス速度を名目速度の０．７倍に設定した下限値Ｕ_{ｇ，ｍｉｎ}と名目速度の１．２倍に設定した上限値Ｕ_{ｇ，ｍａｘ}の間で振動させる。弁はコントローラー６によって作動し、対応する値ｍ_{ｇ，ｍｉｎ}とｍ_{ｇ，ｍａｘ}の間で流量を変更する。時間の関数としての噴霧ガス流量における変動を、周期Ｔの正弦関数プロファイルを持つ曲線９によって示す。

図２は使用した噴霧ガスが空気であり、かつ液体燃料が２．３ｍ／ｓの速度を持つ場合の、噴霧ガス流量ｍｇの関数としての火炎長Ｌｆにおける変動を示す。安定な炎および完全燃焼を与える噴霧ガスの名目速度値は９９ｍ／ｓに等しいことが明らかになった。上の式から、噴霧ガスの速度はそれゆえに６９ｍ／ｓ〜１１８ｍ／ｓで変動する。これらの条件下で、４ｍの名目火炎長に対して火炎長は３．２ｍ〜４．８ｍで変動する。この範囲の火炎長によって、大きな領域をカバーし、したがって増強された熱伝達およびそれゆえにより大きなエネルギー効率を保証し、一方で高温のＮＯｘ発生帯を妨げることが可能になる。

本発明の変形例によれば、図３に示すように、液体燃料供給装置がコントローラー６によって制御される調節弁５０を備えているという事実によってのみ、噴霧器１は図１の噴霧器と異なる。次に、コントローラー６は時間の関数としての液体燃料流量における変動が、各々燃料の速度Ｕ_{ｆ，ｍａｘ}およびＵ_{ｆ，ｍｉｎ}に対応する最大流量値ｍ_{ｆ，ｍａｘ}と最小流量値ｍ_{ｆ，ｍｉｎ}の間で振動する曲線１１に示す周期Ｔの正弦関数となるように調節弁５０を制御する。加えて、コントローラーは調節弁５、５０を同期させてもいて、曲線９、１１が同位相になるようにしている。この二重の同位相振動によって液滴サイズを一定に保ち、それゆえに燃料スプレー４の殆どの物理特性、特に気化時間を保つことを可能にする。したがって、名目条件の場合、すなわち完全燃焼の場合に得られる燃焼が流量変動の間維持される。

噴霧ガスの最小および最大流量ならびに速度値が決定されたので、燃料の最小および最大流量ならびに速度値が決定される。一定の液滴サイズおよび噴霧のモードの一定性を保証するために、液体燃料の速度を名目速度の０．３倍に等しい最小値と名目速度の１．７倍に等しい最大値の間で振動させた。

液体燃料流量の関数としての火炎長Ｌ_ｆにおける変動を図４に示す。図２に示す例のように、使用した噴霧ガスは空気であり、液体燃料は２．３ｍ／ｓの名目速度を持つ。液体燃料の速度はそれゆえに０．７ｍ／ｓ〜３．９ｍ／ｓで変動する。安定な炎および完全燃焼を得ることを可能にする噴霧ガスの速度値は９９ｍ／ｓに等しいことが明らかになった。上の式から、噴霧ガスの速度はそれゆえに６９ｍ／ｓ〜１１８ｍ／ｓで変動する。これらの条件下で、４ｍの名目火炎長に対して火炎長は１．７ｍ〜６ｍで変動する。

本発明を特定の代表的な実施形態と関連して記述したが、本発明は無論これらに限定されるわけではなく、むしろ本発明の範囲に入るならば記述した手段の全ての技術的な均等物およびそれらの組み合わせを含む。

−図１は燃焼の経過を通して噴霧ガスの速度が変動する本発明の第１の実施例による方法の図示的な表現である。 −図２は、図１で示された方法における噴霧ガスの流量の関数としての火炎長の変動を表した曲線である。 −図３は燃焼の経過を通して気化ガスの速度と同位相で液体燃料の速度が変動する第２の実施例による方法の図示的な表現である。 −図４は図３で示された方法における液体燃料流量の関数としての火炎長の変動を表した曲線である。

Claims (7)

1. 液体燃料の燃焼方法であって、液体燃料に接触する噴霧ガスを注入することによって液体燃料のスプレー（４）を生じさせ、次にこのようにして生じたスプレーを酸化剤（７）と接触させてスプレーの燃焼が起こるようにすることを意図した工程を含み、噴霧ガスを燃焼が完全である名目速度値の近くで変動する可変速度で注入し、噴霧ガスを噴霧ガスの名目速度値の１．２倍を下回る最大速度で注入することを特徴とする方法。
2. 請求項１による燃焼方法であって、噴霧ガスを噴霧ガスの名目速度値の０．７倍を上回る最小速度で注入することを特徴とする燃焼方法。
3. 請求項１または２による燃焼方法であって、噴霧ガスをその変動周波数が０．１〜１０Ｈｚである速度で注入することを特徴とする燃焼方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項による燃焼方法であって、噴霧ガスの注入速度における変動を流量調節弁を制御することによって得ることを特徴とする燃焼方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項による燃焼方法であって、液体燃料を可変速度でパルス化することを特徴とする燃焼方法。
6. 請求項５による燃焼方法であって、液体燃料を噴霧ガスの注入速度と同位相で変動する速度でパルス化することを特徴とする燃焼方法。
7. 請求項５および６のいずれかによる燃焼方法であって、液体燃料の速度における変動を流量調節弁を制御することによって得ることを特徴とする燃焼方法。

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