JP2019512661A - 非予混合スワールバーナ先端及び燃焼戦略 - Google Patents

Abstract

本発明は、反応物（２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ）と、熱希釈剤としての付加される高品質乾燥蒸気（Ｈ２Ｏ（ｇ））との化学量論的混合気の１つである、スワールバーナ先端を使用する燃焼戦略である。乾燥蒸気の量は、反応物の安全要件及び後燃焼炎ガスの所望の温度によって決定され得る。スワールバーナ先端の設計が、反応物の安全なハンドリングのためのものであり、反応物の迅速かつ徹底的な混合のためのものであるため、燃焼が、スワールバーナ先端の外部でほぼ予混合構成で起こることが理解され得る。Ｈ２／Ｏ２比は、全てのＨ２及びＯ２（化学量論的）を消費するように固定され、乾燥蒸気（Ｈ２Ｏ（ｇ））は反応物に戦略的に付加される。バーナ先端は、互いに離れた反応物の逆スワール流を生成するように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、Ｏ_２の安全なハンドリングを可能にし、後燃焼炎ガスの温度を制御するための原位置機構を提供するために、Ｏ_２及び／又はＨ_２と混合される乾燥蒸気の非予混合燃焼に関連して使用するための非予混合スワールバーナ先端及び燃焼戦略に関する。

本発明は、非予混合スワールバーナ先端及び揮発性ガスについて燃焼戦略を作成することに関連して使用するための方法に関する。ガスを予混合し点火するための同心又は同軸燃焼ノズルが従来技術において知られている。燃焼前に、限定はしないが、水素（Ｈ_２）及び酸素（Ｏ_２）等の化学量論的混合気を予混合することは、点火すると爆発する可能性がある爆発性混合気を生成することになる。結果として得られる過圧は、どんな適正なノズル構造も破壊することになる。これが起こる場合、これは、封じ込め失敗及び極端に危険な状況をもたらすことになり、大爆発をもたらす可能性がある。既存のバーナは、戦略が予混合又は非予混合である。従来技術の非予混合構成は、純粋な酸素（Ｏ_２）の反応特性に対処しない。本発明の燃焼戦略は、酸素（Ｏ_２）及び／又は水素（Ｈ_２）に混じっているガス状水を利用して、Ｏ_２の反応性を低減し、Ｈ_２＋Ｏ_２燃焼反応の後燃焼炎ガスの温度を制御するメカニズムを提供する。

上述したデバイスは、それらのそれぞれの特定の目的及び要件を達成するが、上記特許は、水素（Ｈ_２）及び酸素（Ｏ_２）ガスについての安全かつ制御された燃焼戦略を作成することを可能にする非予混合スワールバーナ先端を述べていない。

したがって、水素−酸素ガスについて燃焼戦略を作成するために使用され得る新しくかつ改善された非予混合スワールバーナ先端についての必要性が存在する。この点に関して、本発明は、このニーズを実質的に達成する。この点に関して、本発明による非予混合スワールバーナ先端は、従来の概念及び従来技術の設計から実質的に離れ、そうして、水素−酸素ガスについて安全でかつ制御された燃焼戦略を作成するために主に開発された装置を提供する。

従来技術に現在存在する、知られているタイプの同心又は同軸燃焼ノズルに固有の前記欠点を考慮して、本発明は、改善された非予混合スワールバーナ先端を提供し、水素−酸素燃焼システムに適用される場合の従来技術の上述した欠点及び不利益を克服する。したがって、後でより詳細に述べることになる本発明の一般的な目的は、単独で又はその任意の組合せで従来技術によって、予想されない、明らかにされない、提案されない、又は更に示唆されない非予混合燃焼戦略をもたらす、これまでに述べた従来技術の全ての利点及び多くの新規な特徴を有する新しくかつ改善された非予混合スワールバーナ先端及び方法を提供することである。

本発明は、本質的に、制御された安全な燃焼が起こる混合ゾーンに非予混合構成で導入されるＨ_２＋Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ（ｇ）の燃焼戦略である。Ｏ_２及びおそらくはＨ_２に関して乾燥蒸気Ｈ_２Ｏ（ｇ）を付加することは、Ｏ_２に対する反応性制御のために提供され、また同様に、後燃焼炎ガスの温度を制御するメカニズムを提供する。乾燥蒸気の付加は、熱希釈剤として使用されることができる。乾燥蒸気の量は、反応物の安全要件及び後燃焼炎ガスの所望の温度によって決定され得る。Ｈ_２／Ｏ_２比は、全てのＨ_２及びＯ_２（化学量論的）を消費するように固定され、乾燥蒸気（Ｈ_２Ｏ（ｇ））は反応物に戦略的に付加される。

これを達成するために、本発明は、本質的に、第１の導管及び第１の導管内に同軸に位置する第２の導管を有するバーナ先端を備える。第１の導管は、中空内部及び第１の出口ポートを画定しながら、第１の流体を受け取ることが可能な構成を有する。第１の導管は、第１の導管の内部表面から中空内部に入るように延在する少なくとも１つの第１のスパイラルベーンを含む。第１のスパイラルベーンは、第１の導管を通って移動する第１の流体の第１のスパイラル流を生成することが可能な構成を有し、第１のスパイラル流は第１の回転方向にある。第２の導管は、中空内部及び第２の出口ポートを画定しながら、第２の流体を受け取ることが可能な構成を有する。第２の導管は、第２の導管の内部表面から第２の導管の中空内部に入るように延在する少なくとも１つの第２のスパイラルベーンを含む。第２のスパイラルベーンは、第２の導管を通って移動する第２の流体の第２のスパイラル流を生成することが可能な構成を有し、第２のスパイラル流は、第１のスパイラル方向と逆の第２の回転方向にある。

スワールバーナ先端の設計が、反応物の安全なハンドリングのためのものであり、反応物の迅速かつ徹底的な混合のためのものであるため、燃焼が、スワールバーナ先端の外部でほぼ予混合構成で起こることが理解され得る。

第１のスパイラルベーンは、第２の導管の外部表面に向かって延在しかつ外部表面に接触して、構造的支持を提供し得る。

第１のスパイラルベーンは、第１のスパイラル流であって、第１の出口ポートを、第１の出口ポートの長手方向軸に実質的に平行な第１の方向に、そして次に、第２の出口ポートに実質的に向かう第２の方向に出て、バーナ先端の外部で燃焼ゾーンを生成するための、第１のスパイラル流を生成することが可能な構成を有し得る。

したがって、以下に続く本発明の詳細な説明がよりよく理解されることができるために、また、当技術分野に対する本発明の寄与がよりよく理解されることができるために、本発明のより重要な特徴が、むしろ大まかに、概説されている。

本発明は、同様に、燃焼器缶内で組立てられた複数のバーナ先端を含むことができる。もちろん、以降で述べられることになり、また、添付特許請求の範囲の主題を形成することになる本発明の更なる特徴が存在する。

本発明の多数の目的、特徴、及び利点は、添付図面と併用されると、本発明の現在のところ好ましいが、それでも例証的な実施形態の以下の詳細な説明を読むことで、当業者に容易に明らかになるであろう。この点に関して、本発明の実施形態を詳細に説明する前に、本発明が、以下の説明で述べられる又は図面で示される構成要素の構成及び配置の詳細に対してその適用が限定されないことが理解される。この点に関して、本発明の現在の実施形態を詳細に説明する前に、本発明が、以下の説明で述べられる又は図面で示される構成要素の構成及び配置の詳細に対してその適用が限定されないことが理解される。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、種々の方法で実践され実施される。同様に、本明細書で使用される連語及び用語が説明のためのものであり、制限的であると見なされるべきでないことが理解される。

したがって、本開示がそれに基づく概念が、本発明の幾つかの目的を実施するために他の構造、方法、及びシステムを設計するための基礎として容易に利用されることができることを当業者は理解するであろう。したがって、特許請求の範囲が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱しない限りにおいて、こうした等価な構成を含むものと見なされることが重要である。

したがって、従来技術の同心又は同軸燃焼ノズルの利点の全てを持ち、欠点を何も持たない新しくかつ改善された非予備混合スワールバーナ先端を提供することが本発明の目的である。

容易にかつ効率的に製造され市場に出されることができる新しくかつ改善された非予備混合スワールバーナ先端を提供することが本発明の別の目的である。

材料と労力の両方に関して低い製造コストを有し、したがって、その後、一般消費者に対する低価格販売が可能であり、それにより、こうした非予混合スワールバーナ先端を一般購買者に経済的に入手可能にする新しくかつ改善された非予備混合スワールバーナ先端を提供することが本発明の更なる目的である。

従来技術に通常関連する欠点の一部を同時に克服しながら、従来技術の装置及び方法において、その利点の一部を提供する新しい非予備混合スワールバーナ先端を提供することが本発明のなお別の目的である。

水素−酸素ガスについての燃焼戦略を作成するための非予備混合スワールバーナ先端を提供することが本発明の更になお別の目的である。これは、バーナ先端を出るまで、反応性流体の非予混合を可能にする。

最後に、バーナ先端を使用する新しくかつ改善された方法を提供することが本発明の目的であり、方法は、第１の導管であって、第１の導管の内部表面から延在する少なくとも１つの第１のスパイラルベーンを含む、第１の導管に第１の流体を導入するステップと、第１のスパイラルベーンによって第１の回転方向に第１の流体の第１のスパイラル流を生成するステップと、第１の導管内に同軸に位置する第２の導管であって、第２の導管の内部表面から延在する少なくとも１つの第２のスパイラルベーンを含む、第２の導管に第２の流体を導入するステップと、第２のスパイラルベーンによって第２の回転方向に第２の流体の第２のスパイラル流を生成するステップであって、第２の回転方向は第１の回転方向と逆である、生成するステップと、第１のスパイラル流及び第２のスパイラル流が混合する、第１及び第２の導管の外部の燃焼ゾーンを生成するステップとを含む。

これらの目的は本発明の他の目的と一緒に、本発明を特徴付ける新規性の種々の特徴と共に、本開示の一部に併合されかつ本開示の一部を形成する特許請求の範囲において詳細に指摘される。本発明、その実行時の利点、及びその使用によって達成される特定の目的をよりよく理解するために、本発明の実施形態がそこに示されている添付図面及び説明的事項に対して参照が行われるべきである。

本発明は、よりよく理解されることになり、上記で述べる目的以外の目的は、以下の詳細な説明を考慮すると明らかになるであろう。

本発明の原理に従って構築された非予混合スワールバーナ先端を含むタービンシステムの概略ブロック図である。 本発明の非予混合スワールバーナ先端の側面平面図である。 本発明の非予混合スワールバーナ先端の正面平面図である。 図２のライン４−４に沿って切取られた本発明の非予混合スワールバーナ先端の断面図である。 本発明の燃焼缶の正面平面図である。

同じ参照数字は、種々の図全体を通して同じ部分を指し、どの仮想線も流体流路を示す。

ここで図面、特に図１〜５を参照すると、本発明の非予混合スワールバーナ先端の一実施形態が示され、また全体的に参照数字２で指定される。

図１において、タービンシステム２が示され、述べられることになり、タービンシステム２は、本発明の新しくかつ改善された非予混合スワールバーナ先端３０を含み得る。スワールバーナ先端３０は、水素・酸素ガスについての燃焼戦略を作成することが可能である。燃焼戦略は、Ｏ_２の安全なハンドリングを可能にし、後燃焼炎ガスの温度を制御するための原位置機構を提供するために、Ｏ_２及び／又はＨ_２と混合される乾燥蒸気を使用する非予混合燃焼である。

タービンシステム２は、第１の発電機４、圧縮機６、スワールバーナ先端３０を含むスワール安定化チャンバ、タービン８、及び蒸気タービンループ１０を備え得る。一実施形態において、圧縮機６は、第１の作動混合気１２を受け取り、第１の作動混合気１２は、Ｏ_２等の酸化剤１４及び低温高品質乾燥蒸気１６からなり得る。酸化剤及び乾燥蒸気は、圧縮機６に入る前に混合される。乾燥蒸気１６は、蒸気タービンループ１０に連結された熱交換器／セパレータ１８によって生成される。熱交換器／セパレータ１８からの水は、電解槽に戻され得、一方、熱水は、水注入システム２６を使用する熱境界層温度制御水注入のためにタービン８内に圧送され得る。蒸気は、凝結が起こる可能性がある温度を超える温度に維持され得る。これは、触媒バーナを通して少量の水素を注入することによって達成される可能性があり、それは、ガス温度を上げ、制御された量の乾燥蒸気を第１の流体に付加することになる。

圧縮機６を出る第１の反応性混合気（Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ（ｇ））１２は、高圧であり、スワールバーナ先端３０に入る。Ｈ_２等の第２の反応物２２は、第１の反応性混合気１２から離れたラインによってスワールバーナ先端３０に入る。第２の反応物２２は、更なる乾燥蒸気１６と更に混合されて、スワールバーナ先端３０に入る又はスワールバーナ先端３０内にある前に、第２の反応性混合気２４を生成し得る。スワールバーナ先端３０は、タービン８に導入される高圧高温燃焼生成物（作動流体）を生成する。

純粋なＯ_２が、非常に反応性が高く、安全性の理由で、空気に似た反応特性を生成するために不活性ガスと希釈される必要があることが知られている。酸化剤１４と乾燥蒸気１６との上記組合せは、例えば、２０％Ｏ_２及び８０％乾燥蒸気（Ｈ_２Ｏ（ｇ））の範囲においてこれを達成する。

図２〜４は、スワールバーナ先端３０を最もよく示し、スワールバーナ先端３０は、第２の反応性混合気ライン又は導管４０と同軸又は同心の関係で第１の反応性混合気ライン又は導管３２を含む。第１の導管３２は、第１の反応性混合気１２を受け取るように構成され、第１の導管４０は、第１の導管３２の内部にかつそれに同軸に位置付けられ、第２の反応性混合気２４を受け取るように構成される。第１及び第２の混合気１２、２４は、非予混合構成で別々にスワールバーナ先端３０に入る。第１の導管３２は、少なくとも１つの内部の第１のスパイラルベーン３４及び出口ポート３６を含む。第１のスパイラルベーン３４は、時計方向又は反時計方向である第１の回転方向に第１の反応性混合気１２のスワール流を生成する。

第２の導管４０は、少なくとも１つの内部の第２のスパイラルベーン４２、及び、第１の導管３２の内部に位置付けされた出口ポート４４を含む。第２のスパイラルベーン４２は、時計方向又は反時計方向である第１の回転方向に第１の反応性混合気１２のスワール流を生成する。

第１の導管３２の出口ポート３６が第２の導管４０の出口ポート４４を通過して長手方向に延在する又は延在しないとすることができることが理解され得る。第１の導管３２の第１のスパイラルベーン３４は、第２の導管４０の外部表面まで延在しかつ外部表面に接触して、第１の導管３２内に位置する第２の導管４０に対する構造的支持を提供し得る。第２の反応性混合気２４のスワール成分は、第１の反応性混合気１２のスワール流より弱い又は強いとすることができる。

スワールバーナ先端３０の同軸構成は、第１の導管３２の出口ポート３６から外方に第１の反応性混合気１２（Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ（ｇ））の第１のスワール流パターンを生成し、第２の導管４０上の中心軸を下流に戻って第２の流れパターンを生成して、第２の導管４０を出る第２の反応性混合気２４の第２のスワール流パターンと混合し、その結果、燃焼ゾーン４６を生成することになる。混合及び予混合／部分的予混合燃焼は、積極的に制御される混合ゾーンである燃焼ゾーン４６において起こる。

更なる乾燥蒸気（Ｈ_２Ｏ（ｇ））が、反応物に付加されて、スワールバーナ先端３０からの後燃焼炎ガスの温度を任意の所望のレベルまで制御し得る。更なるＨ_２Ｏ（ｇ）はタービン８の温度限界に依存することになる。この構成は、後燃焼炎ガス下流注入システムによる温度制御の必要性をなくすことになる。その理由は、これが燃焼ゾーン４６において達成されることになるからである。水希釈が、反応物１２、２４ハンドリングの安全性及び燃焼の制御及び熱希釈による後燃焼炎ガスの温度制御のために使用され得ることが理解され得る。

スワールバーナ先端３０の燃焼戦略は、反応物（２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ）と、熱希釈剤としての付加される高品質乾燥蒸気（品質＝１；Ｈ_２Ｏ（ｇ））との化学量論的混合気の１つである。Ｈ_２Ｏ（ｇ）の量は、反応物の安全要件及び後燃焼炎ガスの所望の温度によって決定され得る。非予混合スワールバーナ先端３０の設計が、反応物１２、２４の安全なハンドリングのためのものであることが理解され得る。スワールバーナ先端３０の更なる設計は、反応物１２、２４の迅速かつ徹底的な混合のためのものであるため、燃焼が、スワールバーナ先端３０の外部でほぼ予混合構成で起こる。Ｈ_２／Ｏ_２比は、全てのＨ_２及びＯ_２（化学量論的）を消費するように固定され、乾燥蒸気（Ｈ_２Ｏ（ｇ））は反応物１２、２４に戦略的に付加される。

複数のスワールバーナ先端３０は、図５に最もよく示すように、燃焼缶５０を作成するためにアレイで組立てられ得る。燃焼缶５０の直径又は寸法エリアは、タービン８の燃焼セクションの幾何形状に依存することになる。幾つかの燃焼缶５０は、タービン８の燃焼セクションにおいて組立てられ、所望の出力パワーを満たすようにサイズ決定され得る。

非予混合スワールバーナ先端の実施形態が詳細に述べられたが、実施形態に対する修正及び変形が可能であり、それらの全てが本発明の趣旨及び範囲内に入ることが理解されるべきである。上記説明に関して、サイズ、材料、形状、形態、機能、及び動作方法の変形を含むための、本発明の部品についての最適な寸法関係が、当業者にとって容易に明らかかつ明白になると思われ、また、図面で示され本明細書で述べられるものに対する全ての等価な関係が、本発明によって包含されることを意図されることが認識される。そして、水素・酸素ガスについての燃焼戦略を作成することが述べられたが、本明細書で述べる非予混合スワールバーナ先端が、同様に、同軸逆回転流を生成するのに適することが理解されるべきである。Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ（ｇ）送出システムに沿って戦略的に位置付けされるＯ_２＋Ｈ_２触媒バーナが、Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ温度を維持して、Ｈ_２Ｏを乾燥したままにするために利用され得ることが理解され得る。

Claims (17)

1. バーナ先端を使用する方法であって、
   ａ）第１の導管であって、第１の導管の内部表面から延在する少なくとも１つの第１のスパイラルベーンを含む、第１の導管に第１の流体を導入するステップと、
   ｂ）前記第１のスパイラルベーンによって第１の回転方向に前記第１の流体の第１のスパイラル流を生成するステップと、
   ｃ）前記第１の導管内に同軸に位置する第２の導管であって、第２の導管の内部表面から延在する少なくとも１つの第２のスパイラルベーンを含む、第２の導管に第２の流体を導入するステップと、
   ｄ）前記第２のスパイラルベーンによって第２の回転方向に前記第２の流体の第２のスパイラル流を生成するステップであって、前記第２の回転方向は前記第１の回転方向と逆である、ステップと、
   ｅ）前記第１のスパイラル流及び前記第２のスパイラル流が混合する、前記第１及び第２の導管の外部の燃焼ゾーンを生成するステップとを含む、方法。
2. 前記第１のスパイラル流は、前記第１の導管の第１の出口ポートを、前記第１の出口ポートの長手方向軸に実質的に平行な第１の方向に、そして次に、前記第２の導管の第２の出口ポートに実質的に向かう第２の方向に出て、前記燃焼ゾーンを生成する、請求項１に記載の方法。
3. 燃焼戦略法であって、
   第１の反応物及び第２の反応物を、制御された燃焼が起こる混合ゾーンに前記第１及び第２の反応物の別個の逆回転流を生成することが可能な構成を有するバーナ先端に別々に導入すること、及び、
   前記第１の反応物に対する反応制御のために、また、後燃焼炎ガスの温度を制御するために少なくとも前記第１の反応物に乾燥蒸気を付加することを含む、燃焼戦略法。
4. 前記第１の反応物は酸素であり、前記第２の反応物は水素である、請求項２に記載の燃焼戦略法。
5. 前記第２の反応物に乾燥蒸気を付加することを更に含む、請求項２に記載の燃焼戦略法。
6. 前記第１の反応物と前記第２の反応物の比は、前記第１及び第２の反応物の全てを消費するように固定される、請求項５に記載の燃焼戦略法。
7. 後燃焼炎ガスの温度を制御するための原位置機構を提供するために、Ｏ_２、Ｈ_２、又はＯ_２及びＨ_２の第２の流れと混合される乾燥蒸気の第１の流れを使用して非予混合燃焼が可能である同軸チューブカウンタースワーリングバーナ構成を有するバーナ先端を備える、燃焼戦略システム。
8. 前記バーナ先端は、
   中空内部及び第１の出口ポートを画定する第１の導管であって、前記第１の導管の内部表面から前記中空内部に入るように延在する少なくとも１つの第１のスパイラルベーンを含み、前記第１のスパイラルベーンは前記第１の導管を通って移動する第１のスパイラル流を生成することが可能な構成を有し、前記第１のスパイラル流は第１の回転方向にある、第１の導管と、
   前記第１の導管内に同軸に位置する第２の導管とを更に備え、前記第２の導管は、中空内部及び第２の出口ポートを画定し、前記第２の導管は、前記第２の導管の内部表面から前記第２の導管の前記中空内部に入るように延在する少なくとも１つの第２のスパイラルベーンを含み、前記第２のスパイラルベーンは前記第２の導管を通って移動する第２のスパイラル流を生成することが可能な構成を有し、前記第２のスパイラル流は、前記第１のスパイラル方向と逆の第２の回転方向にある、請求項７に記載の燃焼戦略システム。
9. 前記第１のスパイラルベーンは、前記第２の導管の外部表面に向かって延在しかつ前記外部表面に接触する、請求項７に記載の燃焼戦略システム。
10. 前記第２の出口ポートは、前記第１の導管の前記中空内部内に位置する、請求項７に記載の燃焼戦略システム。
11. 前記第１及び第２のスパイラルベーンはそれぞれ、前記第１及び第２のスパイラル流をそれぞれ生成して、燃焼ゾーン内で前記バーナ先端の外部で互いに混合することが可能である構成を有する、請求項７に記載の燃焼戦略システム。
12. 前記第１のスパイラルベーンは、前記第１のスパイラル流であって、前記第１の出口ポートを、前記第１の出口ポートの長手方向軸に実質的に平行な第１の方向に、そして次に、前記第２の出口ポートに実質的に向かう第２の方向に出て、前記燃焼ゾーンを生成するための、前記第１のスパイラル流を生成することが可能な構成を有する、請求項１１に記載の燃焼戦略システム。
13. 前記第１の流れはＯ_２と乾燥蒸気の混合気である、請求項７に記載の燃焼戦略システム。
14. 前記第２の流れはＨ_２である、請求項７に記載の燃焼戦略システム。
15. 前記第２流れはＨ_２と乾燥蒸気の混合気である、請求項７に記載の燃焼戦略システム。
16. 前記バーナ先端は、タービン燃焼缶の少なくとも一部分に連結される、請求項７に記載の燃焼戦略システム。
    
17. 前記バーナ先端は、燃焼器缶内で組立てられた複数のバーナ先端である、請求項７に記載の燃焼戦略システム。

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