JP2506708B2 - 粒状固形燃料の高圧バ―ナ― - Google Patents

粒状固形燃料の高圧バ―ナ―

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JP2506708B2 JP61500464A JP50046486A JP2506708B2 JP 2506708 B2 JP2506708 B2 JP 2506708B2 JP 61500464 A JP61500464 A JP 61500464A JP 50046486 A JP50046486 A JP 50046486A JP 2506708 B2 JP2506708 B2 JP 2506708B2
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    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は粒状固形材料を効果的に燃焼させてきれいな
高温高圧の放出ガスを作り出すための高圧サイクロン燃
焼方法並びにバーナーに関する。本発明は特に、固形燃
料を長時間燃焼させるためらせん流動パターンを使用し
且つ燃焼を改善し発生する放出ガスの温度を制御するた
め、中間のチョーク地区と空気冷却工程を使用する円筒
形高圧バーナーに関する。
粒状固形燃料用の種々型式のバーナーが以前から次の
ように提案されてきた。例えばミラー（Miller）等の米
国特許第2,614,573号、シモンズ（Simmons）の米国特許
第2,769,411号、ロッツ（Lotz）の米国特許第2,881,720
号は一層完全な燃焼を行わせるためバーナーの中の固形
物を長く保持するように計画された接線方向せん回流動
パターン並びにせまい出口孔を使用している。またネッ
テル（Nettel）の米国特許第3,199,476号は細粒と粗粒
の石炭粒子のための二つの接線方向入口と、燃焼ガスの
せまいのど出口とスラグを除去するための下部ドレーン
孔とを備えた類似の石炭用バーナーを示している。その
他の類似のバーナーがクレッシェ（Kloecher）の米国特
許第3,244,220号とバーデン（Burden）の米国特許第3,4
53,976号及び米国特許第3,472,185号に記載されている
が、これらの特許はせまい出口を持たず且つ高圧作動用
として計画されていない。リュート（Lutes）等の米国
特許第3,777,678号と第4,053,505号は可燃性固形材料の
ための水平サイクロン型バーナーを示しており、このバ
ーナーにおいて燃料は燃焼室の中のその入口から接線方
向に導入され且つ燃焼用空気はバーナーの長さに沿って
接線方向に導入され且つ前記バーナーはせまいチョーク
出口を備えている。またロスキン（Raskin）の米国特許
第4,422,388号は、１端に接線方向に導入される固形燃
料の水平円筒形バーナーを示しているが、下部に燃料の
流動層を保持している。更にまたCoen DAZバーナーの
ようなスクロール又はデエアルレジスター水平燃焼型バ
ーナーが空気搬送固形微粒子の燃焼に使用されてきた。
このようなバーナーは同心のルーバーを備えたデュアル
レジスターを有し、該ルーバーは空気の流れを互にこす
り合う二つの逆回転の同心流に分割し、二重空気流の間
の環状スペース内に導入される燃料を乱流混合させるよ
うになっている。
これらの従来技術のバーナーは粒状固形物を焼却し、
また熱エネルギー回収するのに特に大気圧で燃焼させる
のに有効であることが分っている。しかしながら、大気
圧以上の圧力で粒状固形材料を燃焼させる上で、また、
燃料の処理量を大きくし、バーナー内の放熱速度を大き
くして、動力回収装置に適する比較的固形物の少ない高
圧高温の放出ガスをつくりだすためのバーナーの設計の
上で、更に改良することが必要とされている。
固形燃料を燃焼させることは蒸発性で揮発性の液状燃
料を燃焼させるのと違って、完全燃焼させるのに桁違い
に長い反応時間定数を必要とする。すなわち、質量拡散
率は固形燃料の急速酸化時の制御速度である。この長い
燃焼時間は歴史的に固形物の大きさを小さくすることに
よりすなわち大きな石炭又はれん炭の代りに微粉状石炭
を燃焼することによって減少された。このように大きさ
を小さくすることは便利であるが、非固形燃料の燃焼速
度に近い速度で固形燃料を燃焼させることはできない。
この差は種々の熱発生器の容積エネルギーの放散を比較
すればもっと明らかとなる。
バーナー内での燃料粒子の滞留時間を増大させるた
め、この時間の一定の放熱に対し燃焼器の大きさに逆比
例する。固形粒状燃料に対して長い二相残留時間を増大
するための新規な方法を開発した。この方法において、
大きな体積を有する固形粒状燃料が体積の小さい可燃性
の揮発性ガス状材料に比較して非常に長い時間、燃焼室
の内径のおよそ２倍以上長いアスペクト比を有する円筒
形燃焼室の中に保留されている。粒状固形材料はこの燃
焼室の入口端近くに希薄状態で接線方向に導入される。
バーナーの中の燃料の接線速度が非常に速いのでバーナ
ーの内周をせん回している粒状燃料に高い遠心力が作用
し、一方ガス状材料はこのような遠心力が作用せず且つ
分子運動による運動によって急速燃焼しながらバーナー
の長手方向軸線に沿って自由に移動し、つぎにバーナー
の出口端に在る調節用のせまい孔から逃げる。
固形粒状燃料はこのらせん流動パターンで維持され且
つ相対的に大きい体積と高回転速度によって捕集され
て、ゆっくりらせん状に且つ高レイノルズ数状態で燃焼
室の出口に向って移動する。この長い燃焼通路な高速度
でバーナーの長手方向軸点に沿った燃焼用空気の接線方
向の導入によって顕著に伸長される。この燃焼用空気は
高接線速度とそれに関連した高レイノルズ数の状態で導
入されるので、軌道をえがいて回っている粒状燃料の流
動抵抗に起因するいかなる速度低下にも充分打ち勝つほ
どの付加的な接線加速度を粒状燃料に与えることができ
る。したがって、この燃焼法は粒状燃料が充分に破かい
されてガス状生成物を発生するまで高レイノルズ数の状
態で続けられ、このガス状製品は燃焼室の中で遠心力が
作用せずバーナーの出口端から排出する。
燃焼室の中のガスの残留時間は流量のみの函数である
が、しかし固形燃料の残留時間は通路によって変り且つ
燃焼室の状況と粒状物の速度で割った回転数によって決
まる。したがって、粒状物は揮発性燃料及び前記粒状物
を同伴する燃焼生成物よりも長い時間バーナーの中に保
持されて破かいされる。
この進歩した燃焼方法はまた循環粒状物を燃焼室の高
温輻射内面に接近させることによって固形燃料の一層迅
速な燃焼を促進する。この輻射表面は粒状物に比較して
遥かに広く、また燃焼に必要な最小エネルギーを絶えず
提供することによって反応を続けさせる作用をする。粒
状燃料のらせん状通路に沿って加速空気を加えることに
よって、反応を受けつつある粒状固形材料のすぐ近くに
新鮮な酸素を連続的に供給して急速な酸化を促進する。
燃焼室の長さ方向に沿って接線方向に燃焼用空気を加
えることにより、バーナー室の内面をライニングしてい
る高耐熱性材料の表面を非常に高温の燃焼生成物から緩
衝させることによってバーナーの機械的強さに付加的に
貢献する。この空気の追加によって断熱面が破かい温度
になるのを防止する。この空気を吹き流す作用は空気流
入用羽口の設計と設備によって強化される。
したがって本発明の目的は、高接線速度と高遠心力と
高レイノルズ数の状態で粒状燃料を長時間燃焼させる粒
状固形燃料のための高圧バーナー装置を提供することで
ある。別の目的は高乱粒状態並びに高レイノルズ数で作
動し且つ液体燃料及びガス状燃料に近い非常に高い容積
熱発生率を提供するバーナーを提供することである。別
の目的は動力製造法に使用するのに適したきれいな高温
高圧の放熱ガス流を作り出すことができる、木片のよう
な固形粒状燃料のためのバーナーを提供することであ
る。
発明の要約 本発明は固形物の含有量の少ない高温高圧の放出ガス
を作り出すために粒状固形材料を高圧燃焼させるための
進歩した燃焼方法とバーナー装置を提供する。本発明の
方法において主要寸法が約0.70インチ（17.8mm）より小
さい粒状物を有する粒状固形材料が加圧され且つ少くと
も約３気圧（絶対）通常20気圧を越えない圧力で作動し
ているバーナーの一次燃焼室の中に接線方向に空気力で
送入される。バーナーの一次燃焼室の中に燃料を搬入す
る速度は少くとも約80フィート／秒（2400cm/秒）、な
るべくは約90−120フィート／秒（2700−3600cm/秒）で
あるべきである。また酸素を含んだ燃焼用ガスが約100
フィート／秒（3000cm/秒）の高接線速度並びに羽口の
対し約900,000以上のレイノルズ数で、多数の羽口から
接線方向に燃焼室の中に供給される。燃焼室の中の粒状
燃料と燃焼用ガスは約100フィート／秒（3000cm/秒）以
上の速度でらせん状パターンで燃焼室に流入し、約140
重力単位以上の高遠心力を粒状燃料に与える。粒状燃料
に回転運動と高遠心力が作用するので、本発明のバーナ
ーは燃焼室の中の粒状物を従来技術のバーナーよりも相
当長い時間高温壁の近くに保持するので、固形燃料が一
層急速に且つ完全に燃焼させられる。また、この高回転
速度と高遠心力流動パターンが粒状固形物をバーナーの
中に長く保持して完全燃焼させるだけでなく。付加的に
約150,000以上のレイノルズ数の流れを達成し且つ従来
技術による固形燃料バーナーで得られた熱発生率を遥か
に越える約400,000Btu/hr ft3以上の高容積熱発生率を
バーナーの中に提供する。更に、本バーナーはガスター
ビンや内燃機関において液状又はガス燃料を燃焼させる
場合の放熱速度に匹敵できる熱発生率を固形燃料を燃焼
させるときに提供する。
したがって、本発明の重要な特徴は粒状燃料が完全燃
焼してガスになるまで大きさが小さくなっている時その
中のすべての揮発成分が連続的に放出されるまで燃焼室
の高温輻射壁の近くに留まることである。またバーナー
の内側の長さと直径の比率は少くとも約2.5であり、約1
0まで比率を上げることができ、この円筒形はバーナー
の一次燃焼地区の中の粒状燃料を長く留めておいて従来
のバーナー形状よりも一層完全に燃焼させることに貢献
する。
一次燃焼地区に発生する高温高圧の放出ガスは通常約
2100−2800゜F（1149−1538℃）であり、且つこのガス
を冷却地区において冷却ガス例えば付加的な空気や蒸気
と混合して必要な低温、例えば動力回収タービンの特性
によってのみ制限される低温，通常は約1400−2000゜F
（760−982℃）に低下させる。放出ガスの中の残留固形
物は有効な動力を発生するガスタービン内で膨脹させる
前のガス・固形物分離段階において除去できる。
図示の実施例において、バーナーを去る放出ガスの中
の残留粒状固形物はサイクロン分離器の中でガスから機
械的に分離され、きれいなガスはその後にバーナーに必
要とする高圧燃焼用空気を供給するコンプレッサーを駆
動するためのガスタービンを通じて低圧まで膨脹させら
れる。このガスタービンは負荷、すなわち通常は発電機
である負荷を駆動するための正味の軸出力を提供する。
また、本発明は高温高圧の放出ガス又は生成ガスを作
るため粒状固形燃料を高圧燃焼させるバーナー装置を提
供する。前記バーナーは細長い円筒形の加圧可能な外側
金属ケーシングと、細長い一次燃焼室を作るため前記ケ
ーシングの内壁に接近して配置した耐火性内側ライニン
グと、粒状燃料を一次燃焼室の中に接線方向に供給する
ためバーナーの入口端近くに配置した接線方向の孔と、
それぞれ少くとも約2:1のアスペクト比を有しバーナー
の長さに沿って軸線方向に相へだてられていて燃焼室の
中に燃焼用ガスを接線方向に導入するため接線方向に向
いた複数個の孔と、燃焼室出口端に設けたチョーク孔
と、チョーク孔に接線方向に配置した少くとも一つの孔
とを包含し、この孔はなるべく燃焼室の入口端の接線方
向の孔と反対方向を向き、したがって粒状燃料が高回転
速度並びに高容積熱発生率で急速に燃焼され、その結果
生じた高温放出ガスが冷却されて低温高圧の生成ガスに
なる。チョークの下流において円筒形の二次燃焼室が一
次燃焼室の外側ケーシングに耐密性に連結されている。
二つの室の間のチョーク地区は外方に傾斜して二次室に
入り、そこを流れる製品ガスの回復不能の圧力差を最小
にするようになっている。
本発明のバーナーの多種類の可燃性粒状固形材料例え
ばのこくず、木片、トリム、かんなくず、オイルコーク
ス、それから混合物を燃焼させるのに有用である。前記
バーナーは特に約0.70インチ（17.8mm）より小さく、な
るべく主要寸法が約0.130インチ（3.3mm）より小さい木
片を燃焼させるのに有用である。バーナーに存在する高
い長さ／直径の比率と粒状燃料に対して達成された高回
転速度と遠心力の理由で、粒状固形物がバーナーの中に
非常に長い時間留まって一層完全な燃焼を行い、かくし
て高い容積熱発生率ときれいな生成ガスを作り出すこと
が本発明の高圧燃焼方法とバーナー装置の特徴である。
バーナーの中の可燃性粒状物は高回転速度であり、その
結果高遠心力が生ずるので、バーナーは実質的に重力に
よって影響されず且つどんな方向を向いても作動でき
る。また発生した高温の放出ガスは効果的に空気や蒸気
やその混合物で冷却されるので、前記放出ガスは制御さ
れた低温状態で入手でき、その後にエンジンやタービン
において前記ガスから動力を回収するのに好都合であ
る。
図面の簡単な説明 本発明を添付図面を参照して更に説明する。
第１図は一次燃焼室と二次燃焼室を含む本発明のサイ
クロンバーナー組立体の長手方向断面図、 第２図は第１図の線２−２に沿ったバーナー入口の断
面図、 第３図は第１図の線３−３に沿ったバーナーチョーク
地区の断面図、 第４図は類似の従来のバーナーに比較した遠心力対接
線速度を示すグラフ、 第５図は類似の従来のバーナーに比較した本発明のバ
ーナーの容積熱発生率対内部圧力を示すグラフ、 第６図は第１図のバーナーを含んだシステムの略図で
ある。
（実施例） 粒状固形燃料を長時間高圧燃焼させるため本発明に基
づいて製作し且つ作動させる高圧サイクロン式バーナー
が第１図に図示されている。図示の好適な実施例におい
て、バーナー組立体10は円筒形加圧式外側金属ケーシン
グ12とヘッド13を備え、これらケーシングとヘッドはボ
ルトじめフランジ12aによって固定されている。耐火性
ライニング14がケーシング12の内壁に接近して且つヘッ
ド13の内側に配置されて一次燃焼室を形成し、前記ライ
ニングは約3000゜F（1649℃）以上の温度に耐える。
好ましくは主要寸法が約0.130インチ（3.3mm）より小
さい木片にような粒状固形燃焼材料が適当な装置（図示
せず）によってバーナー一次燃焼室15の中に、該バーナ
ーの入口端ヘッド13の近くに設けた接線方向インレット
コネクションすなわち燃料入口16から均一に供給され
る。前記燃焼室において前記固形材料は少くとも約80フ
ィート／秒（2400cm/秒）で、好ましくは100−200フィ
ート／秒（3000−6000cm/秒）の接線速度で空気と一緒
に吹き込まれる。所望であれば、前記燃焼室に入る固形
粒子の着火を改善するため、耐火性ライニング14の端壁
14aを凸状に作り且つ第１図に点線で示すように燃料入
口16の平面をバーナーの内径の約半分以下越えた位置ま
で燃焼室の中を軸線方向に延びるように作ってもよい。
この構造によって固形材料を高温の耐火壁に接近して移
動させ、この材料を一層効果的に輻射加熱することがで
きるようにする。
燃焼用空気を燃焼室の中に供給するためケーシング12
とライニング14を貫いて且つバーナーの長さ方向に沿っ
て互に隔たって多くの接線方向の入口すなわち羽口18
a、18b、18c…が設けられている。羽口18a、18b、18c…
はなるべく第２図の断面図に示すように複列に設けら
れ、その各列には少くとも３個通常は20個以下の羽口が
設けられている。羽口18aはバーナーの長手方向軸線に
平行な方向で細長く作られている。好ましくは羽口は長
さ対幅の比率が約2:1以上、なるべくは3:1から5:1の範
囲に在る。
燃焼用空気は羽口から約100フィート／秒（3000cm/
秒）以上の速度で、且つ羽口に対して約900,000以上の
レイノルズ数で羽口から供給される。燃焼用空気はなる
べく接線速度110−150フィート／秒（3300−4500cm/
秒）で、且つレイノルズ数1,000,000−3,000,000で羽口
から供給される。フランジを備えた掃除口17がヘッド13
の下部を介して設けられ、この掃除口は取外し自在の耐
火性プラグ17aを備えている。また室15内の燃焼状況を
見るため、ヘッド13の上部を介してのぞき管19が設けら
れている。
燃焼室15は約３−20atm、好ましくは４−10atmの内部
圧力で作動する。燃焼用空気の粒状燃料に対する有効な
重量比は理論値の約1.0乃至4.0倍である。
バーナー燃焼室15の出口の中央にチョークエレメント
20が設けられている。このチョークエレメントは円筒形
孔20aが貫通しており、且つ燃焼室15の断面積より遥か
に小さい断面積を備えている。チョーク20の孔20aは一
次燃焼室の中に燃焼固形物を循環させておくのを助け燃
焼室内に固形物を長時間残留させて完全燃焼できるよう
充分に小さく作るべきであるが、この孔20aはチョーク
を通る放出ガスに望ましくない圧力差を著しく増大させ
る程に小さくすべきでない。チョーク20の断面積は少く
とも燃焼室15の約30％にすべきであり、通常は燃焼室の
断面積の40〜50％である。また、一次燃焼室から灰を容
易に取出したい場合チョークの孔20aを燃焼室の下部近
くに設けるか、又はこの孔の一部分が燃焼室の下壁に向
って下方に延びるようにこの孔を非円形に作ってもよ
い。このチョーク20は通常環状に作られ且つ好ましくは
耐火性ライニング14より一層摩擦抵抗性を有する鋳造自
在の耐火性材料で作る。チョーク20は、周囲の耐火性材
料24内の所定位置に保持するため、湾曲した入口面20b
と傾斜状外面20cを備えている。また所望であれば、前
記チョークを所定位置に保持するためチョークエレメン
ト20と周囲の耐火性材料24との間に耐火性セメント材料
21を使用することができる。
本発明のバーナーを観察した結果、燃焼作動中のバー
ナー内の固形の粒状燃料はバーナーの長手方向軸線に殆
んど垂直ならせん状通路を移動してあることが分り、し
たがってバーナーの軸線に対する粒状燃料の通路の進行
方向の角度は90度より僅かに小さいことを示している。
この流動パターンによって粒状燃料は完全に揮発性分を
抜かれてすなわち脱揮されて消耗されるまでバーナーの
一次燃焼室の中で多数回せん回することを示している。
また粒状燃料は回転速度のためバーナー内に発生する高
遠心力を受け、燃焼によるガス状生成物は非常に大きい
レイノルズ数を受ける。本発明の形体のバーナーを使用
することによって、粒状固形燃料を高圧燃焼させるため
の容積熱発生率は普通の型式のバーナーよりも遥かに高
く、且つ内燃機関で液状燃料又はガス状燃料を燃焼する
ときの放熱速度に近づく。
バーナーの一次燃焼室15内で粒状固形燃料に作用する
高接線速度及び高遠心力のため、この粒状燃料はバーナ
ー内で非常に多く回転し且つこのためにすべての粒状燃
料が揮発物を抜かれて燃焼されるまで相当長い滞留時間
燃焼地区内で耐火性ライニング14に隣接して留まってお
り、これによって、高い容積熱発生率が得られる。燃焼
する粒状固形燃料に作用する遠心力は地球の重力“g"の
凡そ140倍であり、これは、好ましくは約150−300gであ
り、また高温放出ガスのレイノルズ数は少くとも約150,
000であり、好ましくは200,000−500,000である。バー
ナーの一次燃焼室の中の容積熱発生率は一次燃焼室の容
積１立方フィート当り少くとも約400,000Btu/hrであ
り、好ましくは500,000乃至3,000,000Btu/hrである。
円筒形の二次燃焼室25を好ましくは一次燃焼室15とチ
ョーク20の下流に設け、この二次燃焼室の中で全燃焼の
約25％が行われる。二次燃焼室25は耐火性ライニング24
を包囲する円筒形金属ケーシング22を有する。前記ケー
シング22はボルトじめフランジ26によって一次燃焼室15
のケーシング12に耐密性に連結され且つ所望であればフ
ランジ27によって下流の管に耐密性に連結することがで
きる。また耐火性ライニング24はチョーク20から半径方
向外方の位置において耐火性ライニング14に当接してい
る。チョーク20のさぐ下流に設けてある小径の中間地区
28の長さと直径の比率は約1:1乃至1.5:1である。中間地
区28の次に外方傾斜地区29が存在し、この地区29は一次
燃焼室15と大体同一の内径を備えた二次室25の全直径地
区に連結している。チョークから出る高温放出ガスを冷
却するため、チョーク20のすぐ下流に耐火性ライニング
24を貫いて設けてある少くとも１個の孔30から冷却ガス
例えば付加的な高圧空気や高圧蒸気が二次室25の中に入
れられる。通常２個の孔30を設け、なるべくは一次燃焼
室15の中の燃焼用空気の燃料入口16及び多数孔18と反対
の接線方向に向けられる。したがって導管32から孔30を
通って接線方向に流れる冷却ガスの反対向きの流れによ
って二次室24の上流の冷却ガスの高温放出ガスに対し高
速剪断型混合流動を作り、したがって高温放出ガスと冷
却ガスを非常に効果的の混合させ前記高温放出ガスの温
度を約2,700゜F（1,482℃）から低温、例えばガスター
ビンに通ずるに適した1500−1800゜F（815−982℃）に
下げる。好適な冷却ガスはその全体的な信頼性の故に高
圧空気が良い。冷却空気のチョーク20の上流の燃焼ガス
に対する有効な重量比は約0.8乃至約1.5である。蒸気を
冷却ガスとして使用する場合、使用する蒸気の状態と量
はガスタービン排出物の中に凝縮物が存在しないように
すべきである。また一次燃焼室15の下部から二次燃焼室
25に灰が容易に移るようにするため、チョーク20をバイ
パスする通路を設ける。
本発明の高圧サイクロン燃焼方法並びにバーナー装置
を次の実例を参照して更に説明するが、これは本発明の
範囲を限定するものでない。
例 表Ｉに示すような本発明に係る構造上の特徴と性能特
性を有するように円筒形のサイクロン高圧テストバーナ
ーを組立てた。この表Ｉは粒状固形燃料を燃焼するため
に使用され且つ類似の公称又は全放熱速度を有する２個
の類似の従来の水平バーナーと模範的円筒形サイクロン
バーナーとの比較を示す。この新式のテストバーナーは
約0.125インチ（3.18mm）より小さい粒状の木片を燃焼
することによって作動され、この木片は表Ｉに示すよう
に高圧作動条件のもとでバーナー内に接線方向に送入さ
れた。このバーナーの比較において粒状燃料が周囲の温
度で各バーナーに導入される。孔からバーナーの作動を
色々と観察して、一次燃焼室の中の固形粒状燃料が無く
なるまで、バーナーの周辺部での螺旋状進路旋回したこ
とが判明した。また表Ｉは他の類似の普通の非加圧式バ
ーナーの性能特性に比較したテストバーナーの作動結果
を示す。
上述のバーナー構造特性と性能特性の比較から次のこ
とが判明する。本発明の進歩した高圧サイクロンバーナ
ーの一次燃焼室は類似の公知のサイクロン型固形燃料バ
ーナーに比較して大きなアスペクト比と大きなチョーク
制限比を有することが判明した。また本発明のバーナー
は一次燃焼室に入る燃焼用空気に対し非常に大きなレイ
ノルズ数を提供し、また第４図に付加的に示されるよう
に燃焼しつつあるらせん流動中の固形粒状燃料に対し大
なる接線流動速度と非常に大きな遠心力を提供すること
が判明する。更に、本発明のバーナーは類似の従来のバ
ーナーに比較して、高圧の一次と二次の燃焼室から流れ
る高温放出ガスに対し相当大きな容積熱発生率の高レイ
ノルズ数を提供することが分る。容積熱発生率の比較を
第５図のグラフにも示す。このような高圧作動状態にお
ける優秀なバーナー性能は予期されず、また本発明は例
えば動力発生方法に使用するような固形粒状燃料の高圧
燃焼に関するバーナーの設計と性能について顕著で新規
な進歩を燃焼産業にもたらした。
第６図を参照すれば、第１図のバーナーを組入れたシ
ステムが記載されている。
ソース110が主要寸法約0.70インチ（17.8mm）なるべ
くは約0.130インチ（3.3mm）より小さい寸法の木片を供
給する。前記木片111はほぼ大気圧に保たれたホッパー1
12の中に集められる。前記木片111はモータ114aで駆動
される可変速スクリューコンベヤー114によってホッパ
ー112から垂直シュート115の中に供給され、次に粒状固
形木材を高圧搬送導管118に送り込むための適当なフィ
ーダー装置116に通される。前記フィーダー116はなるべ
く、前記粒状固形材料を重力によってシュート115から
約３−20atm（絶対）好ましくは４−15atmの導管118に
運ぶように直列に連結配置された２個の回転弁116a、11
6bからできている。高圧搬送空気は導管117から導管118
の中に40−120フィート／秒（1200−3600cm/秒）の速
度、好ましくは60−100フィート／秒（1800−3000cm/
秒）の速度で流入し且つ空気の力によって前記粒状固形
材料を接線方向に高圧バーナー10に運ぶ。
前記粒状固形材料はバーナー10の入口端近くに空気力
で送られ、約80フィート／秒（2400cm/秒）以上の表面
ガス速度、なるべく90−150フィート／秒（2700−4500c
m/秒）の速度で接線方向入口16から一次燃焼室15に送ら
れる。室15の長さ方向に沿って軸線方向に配置された相
へだたった多数開口すなわち羽口18a、18b、18c…を通
って付加的な燃焼用空気が100フィート／秒（3000cm/
秒）以上好ましくは110−150フィート／秒（3300−4500
cm/秒）の速度で一次燃焼室15の中に入れられる。導管1
18の中で前記固形物を予熱又は乾燥する必要があれば、
このような予熱は細長い熱交換器を包囲するジャケット
を通過するタービン排ガスのような任意の便利な熱源を
使用した熱交換器119の中で行われる。
燃焼室15の中で前記固形燃料は約80フィート／秒（24
00cm/秒）以上好ましくは100−150フィート／秒（3000
−4500cm/秒）の高回転速度で旋回させられて約140g
（重力加速度）以上の遠心力を発生し、また一方前記粒
状燃料は急速に高温の室壁によって加熱され且つ徐々に
揮発分を抜かれて燃焼され約2100−2800゜Ｆ（1149−15
38℃）の高温放出ガスを生ずる。また前記粒状材料は高
遠心力によるばかりでなく、一次室15の出口端に在るチ
ョーク孔20aの作用によって一次室15の中に長時間燃焼
するよう効果的に保留されている。チョーク孔20aは燃
焼室15よりも断面積が狭くなって粒状燃料の燃焼時間を
長びかせてそれを完全燃焼させ、一次燃焼室の容積当り
約400,000Btu/hrft3、なるべく500,000−3,000,000Btu/
hrft3の非常に高い容積熱発生率を作り出す。
一次燃焼室15は長さ／直径アスペクト比が少くとも約
2.5:1であるべきであり、通常は固形燃料に適正な燃焼
時間を与えるには約10:1を越える必要がない。燃焼室の
内径は可燃性固形材料について相当の処理速度を達成す
るため少くとも約1.5フィート（45cm）であるべきであ
り、且つ固形粒状燃料に適正な回転速度を与えるため約
３フィート（90cm）の直径を越えるべきでない。
室15のチョーク地区20において高温排出ガスを導管32
から得られる付加的な燃焼用空気と混合されて前記高温
放出ガスを冷却して、カスタービンに使用するに適する
例えば1500−1800゜Ｆ（816−982℃）の低温にする。
一次燃焼室15の中の羽口18と反対向きの接線方向を向
いた二重孔30からチョーク地区に二次空気すなわち冷却
空気が導入され、かくして二次燃焼地区25に通ずるチョ
ーク地区の中に二つの流れの高度の乱流剪断型の混合作
用を発生させる。導管32における補助空気の流れは羽口
18a、18b、18c…に通ずる導管123a、123b、123c…の中
の燃焼用空気に対してコントローラー132によってコン
トロールされる。前記コントローラー132は流量計131
a、131bにおける空気の流れを監視して導管32の制御弁1
29を作動させる。
このようにして二次燃焼室25の中にできた低温の放出
ガスはなお非常に少量の不燃性粒状固形物を含んでいる
が、このような微細固形物を殆んど完全に除くためサイ
クロン型のセパレーター装置34を通過させられる。この
サイクロンセパレーター34はなるべく軸流型エレメント
35を使用して一層簡潔なセパレーター構造にする。セパ
レーター34から、きれいな高温、1500−1800゜Ｆ（816
−982℃）の放出ガスが位置36において取り出され、ま
た除かれた粒状固形物は適当に捨てるため弁37から出さ
れる。
位置36に在る３−10気圧のきれいな放出ガスは導管38
からガスタービン40の入口に通される。前記ガスタービ
ン40は羽口18における燃焼用空気及び管32における冷却
空気のための高圧空気管44に送気するためエヤーコンプ
レッサー42に連結されている。また管44における高圧空
気の一部分は、通常周囲空気との熱交換によって粒状固
形物の燃焼を防ぐ充分な温度例えば約200゜Ｆ（93℃）
まで流れ45aにさからって熱交換器45において冷却され
る。更に管47における空気はなるべく容積移送式コンプ
レッサー46で例えば２−10psiなるべくは４−8psiまで
の差圧に圧縮され、木片をバーナー10に空気力で運ぶた
め導管118の中に必要な高圧空気を提供する。
またタービン40は通常電力を発生する発電機である負
荷装置50を回転させる。タービン40から大気圧に近く90
0−1000゜Ｆ（482−538℃）の温度の排出流41が熱回収
段階52に通され且つ蒸気を発生するため又は加熱目的に
使用する別の流体を加熱するための熱源として、又は熱
交換器119の中の粒状材料を予熱並びに（又は）乾燥す
るための高温ガスとして使用される。
ガスタービンユニット40は二つの別々のタービンに分
割することができ、それぞれのタービンが異った軸速度
で回転し、第１タービン40aはコンプレッサー42を高速
度で駆動するために使用され、第１タービン40aから出
る中間排出ガス流41aは、発電機50を低速度で駆動する
ためこの発電機に歯車連結されている。またその代り
に、単一軸型式のタービンコンプレッサーを使用して、
１個のタービンで駆動されるコンプレッサーと発電機の
両方に使用できる。
前述の方法の始動時に例えばプロパンのような炭化水
素燃料を使用した補助バーナー（図示せず）を使用して
先ず初めに一次燃焼室10の耐火壁を加熱して、入口16か
ら導入した粒状固形燃料を充分着火させ得る温度にす
る。また補助の駆動モータ54を使用してコンプレッサー
42を回転させて最初に燃焼に必要な高温空気を提供す
る。またコンプレッサー46で更に圧縮した空気を使用し
て粒状固形燃料を導管118からバーナー10に通気力で運
ぶ。
例 例えば木材処理用ミルから作った公称寸法約1/8イン
チ（3.2mm）の木片とかんなくずが大気圧収集ホッパー
から縦並びにロータリフィーダバルブを通って約５気圧
で作動する高圧搬送パイプの中に送られる。木片は約80
フィート／秒（2400cm/秒）の速度で空気力で運ばれ表I
Iに示すような寸法を持った水平向き円筒形サイクロン
バーナー一次燃焼室の入口端に接続方向に供給される。
また高圧の燃焼用空気が燃焼室の長さに沿って軸線方向
に相へだたった６組の二重羽口を通って約100フィート
／秒（3000cm/秒）の表面ガス速度で燃焼室の中へ接線
方向に供給される。監視孔からバーナーの作動を色々と
観察した結果次のことが判明した。すなわち粒状固形材
料が燃焼室の中で燃えつくすまで約100フィート／秒（3
000cm/秒）の予定接線速度でらせん状流通路をせん回し
ていることが分った。
一次燃焼室において、高速せん回中の粒状木片は約20
0gの遠心力を発生し、このため前記木片を高レイノルズ
数で長時間にわたって燃焼させ約1,800,000Btu/hr ft3
の高い容積熱発生率を出した。このようにして固形粒状
燃料は急速に脱揮されて燃焼し2700−2800゜Ｆ（1482−
1538℃）の高温放出ガスを出した。このガスは燃焼室の
出口端のせまいチョーク孔を通過した。
このようにして発生した約2700−2800゜Ｆ（1482−15
38℃）高温放出ガスはチョーク孔ののど部の中に接線方
向に注入される付加的な高圧二次空気によって冷却され
た。この冷却空気は一次燃焼室から出るせん回流動の放
出ガスの方向と反対の接線方向で注入され、かくして二
つのガス流を高度に乱流剪断状に混合させ、その結果高
温放出ガスは効果的に約1700゜Ｆ（972℃）に冷却さ
れ、つぎにチョークのすぐ下流に在る二次燃焼室に通さ
れた。
二次燃料室から、約250ppm（wt.）の微細粒状固形物
を含むきれいな放出ガスの一部分が遠心力型のガス・固
形物セパレーターに通され、この中でガス中の微細粒状
固形物が殆んどすべて遠心分離されて除去された。
つぎにこのように冷却したきれいな約1600゜Ｆ（871
℃）のガスはガスタービンを通じて膨膨させられる。こ
のカスタービンは高圧の搬送用並びに燃料用空気を供給
する回転式エアーコンプレッサーを駆動しまた電力を発
生する電気発電機を駆動する。バーナーの作動データ及
びそれに関連した経験に基づいて、この方法の連続作動
時間は30,000時間を越える。
本発明の動力発生法に対する高圧燃焼段階と性能につ
いて得られたデータを表IIに示す。
上記データから次のことが分る。本発明のプロセスは
バーナーの中に高容積放熱速度を作るために木片やその
他の可燃性粒状固形材料を高圧燃焼させている。また前
記プロセスは電力を作り出すためガスタービンに広く使
用するに適したきれいな高圧放出ガスを作るためガスと
固形物の分離を行うと共に高温放出ガスを効果的に冷却
することを利用している。
本発明を広く説明し且つ好適な実施例に関して説明し
たが請求の範囲に示す本発明の精神並びに範囲内におい
て色々の修正変更を行えることが理解される。
フロントページの続き (72)発明者 モーリソン ジェイムズ エイ アメリカ合衆国 ニュージャージー州 08638 トレントン メテクンク ドラ イヴ 20

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】円筒状の一次燃焼室と、円筒状の二次燃焼
    室と、これら一次燃焼室と二次燃焼室との間の縮径され
    たチョーク孔とを形成する側壁手段を有するハウスを備
    え、 前記二次燃焼室は、前記チョーク孔を介して前記一次燃
    焼室と連通しており、 前記一次燃焼室の前記チョーク孔とは反対側の端部は、
    端壁手段によって閉じられており、 前記二次燃焼室の前記チョーク孔とは反対側の端部は、
    利用装置への高温ガスの通路のための出口を有してお
    り、 また、 前記端壁手段の近くで前記一次燃焼室の前記側壁手段を
    貫通して形成され、粒状燃料が、前記チョーク孔を通っ
    て前記二次燃焼室へ流れる高温ガスを圧力下で生成する
    ために燃焼する前記一次燃焼室の内壁の回りの螺旋状進
    路で前記チョーク孔に向けて進むように、前記一次燃焼
    室の内壁の接線方向に且つ該一次燃焼の軸線を横切る方
    向に、圧力下で粒状燃料を前記一次燃焼室へ導入する燃
    料用開口と、 前記燃料用開口と前記チョーク孔との間に前記一次燃焼
    室の前記側壁手段を貫通して形成され、燃焼支援ガスが
    前記粒状燃料と同じ螺旋状進路で進むように前記一次燃
    焼室の内壁の接線方向に且つ該一次燃焼室の軸線を横切
    る方向に、圧力下で前記燃焼支援ガスを前記一次燃焼室
    へ導入する複数の羽口とを備え、 前記粒状燃料と前記燃焼支援ガスの螺旋状進路によっ
    て、前記粒状燃料が前記一次燃焼室内で数多く回転し、
    該粒状燃料が前記一次燃焼室に居る時間を長引かせてそ
    の燃焼を高め、 また、前記チョーク孔の縮径は、前記粒状燃料が前記一
    次燃焼室に居る時間を長引かせてその燃焼を高めるのに
    効果的であり、 更に、 前記チョーク孔の側壁手段を貫通して形成され、該チョ
    ーク孔を通って前記二次燃焼室に流れる高温ガスを利用
    装置の使用に適した温度まで冷やすために、前記チョー
    ク孔に冷却ガスを導入する少なくとも１つの冷却ガス用
    開口を備えてなる、粒状固形可燃性燃料を加圧燃焼させ
    るためのバーナー装置。
  2. 【請求項２】前記一次燃焼室の内壁が耐火性材料で作ら
    れ、この耐火性材料が熱くなって、該内壁の回りの螺旋
    状進路を粒状燃料が進むときに、この粒状燃料を燃焼さ
    せる、請求の範囲第１項に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記冷却ガス用開口が、冷却ガスを前記チ
    ョーク孔へ前記一次燃焼室内の高温ガスの螺旋状進路と
    は反対の方向で前記チョーク孔の内壁の接線方向に導入
    するように配置されている、請求の範囲第２項に記載の
    装置。
  4. 【請求項４】円筒状の一次燃焼室と、円筒状の二次燃焼
    室と、これら一次燃焼室と二次燃焼室との間の縮径され
    たチョーク孔とを形成する側壁手段とを有するハウスを
    備え、 前記二次燃焼室は、前記チョーク孔を介して前記一次燃
    焼室と連通しており、 前記一次燃焼室の前記チョーク孔とは反対側の端部は、
    端壁手段によって閉じられており、 前記二次燃焼室の前記チョーク孔とは反対側の端部は、
    利用装置への高温ガスの通路のための出口を有してお
    り、 また、 前記端壁手段の近くで前記一次燃焼室の前記端壁手段を
    貫通して形成され、粒状燃料が、前記チョーク孔を通っ
    て前記二次燃焼室へ流れる高温ガスを圧力下で生成する
    ために燃焼する前記一次燃焼室の内壁の回りの螺旋状進
    路で前記チョーク孔に向けて進むように、前記一次燃焼
    室の内壁の接線方向に且つ該一次燃焼室の軸線を横切る
    方向に、圧力下で粒状燃料を前記一次燃焼室へ導入する
    燃料用開口と、 前記燃料用開口と前記チョーク孔との間に前記一次燃焼
    室の前記側壁手段を貫通して形成され、燃焼支援ガスが
    前記粒状燃料と同じ螺旋状進路で進むように前記一次燃
    焼室の内壁の接線方向に且つ該一次燃焼室の軸線を横切
    る方向に、圧力下で前記燃焼支援ガスを前記一次燃焼室
    へ導入する複数の羽口とを備え、 前記粒状燃料と前記燃焼支援ガスの螺旋状進路によっ
    て、前記粒状燃料が前記一次燃焼室で数多く回転し、該
    粒状燃料が前記一次燃焼室に居る時間を長引かせてその
    燃焼を高め、 また、前記チョーク孔の縮径は、前記粒状燃料が前記一
    次燃焼室に居る時間を長引かせてその燃焼を高めるのに
    効果的であり、 更に、 前記チョーク孔の側壁手段を貫通して形成され、該チョ
    ーク孔を通って前記二次燃焼室に流れる高温ガスを利用
    装置の使用に適した温度まで冷やすために、前記チョー
    ク孔に冷却ガスを導入する少なくとも１つの冷却ガス用
    開口を備え、 該冷却ガス用開口は、冷却ガスを前記チョーク孔へ前記
    一次燃焼室内の高温ガスの螺旋状進路とは反対の方向で
    前記チョーク孔の内壁の接線方向に導入するように配置
    されており、 また、前記一次燃焼室の内壁は耐火性材料で作られ、こ
    の耐火性材料が熱くなって、該内壁回りの螺旋状進路を
    粒状燃料が進むときに、粒状燃料を燃焼させ、 更に、 圧力下で空気と共に前記粒状燃料を前記燃料用開口を通
    って前記一次燃焼室へ導入するための燃料源手段と、 前記燃焼支援ガスを前記羽口から所定の速度で前記一次
    燃焼室へ導入するための燃焼支援ガス源手段と、 前記冷却ガスと前記冷却ガス用開口を通って前記チョー
    ク孔に導入するための冷却ガス源手段とを備えてなる、
    粒状固形可燃性燃料を加圧燃焼させるバーナー装置。
  5. 【請求項５】前記一次燃焼室の長さ及び径と、チョーク
    孔の大きさと、前記燃料用開口及び前記羽口の位置と
    が、前記一次燃焼室の軸線に対する粒状燃料の前記螺旋
    状進路の進行方向の角度を90度より若干小さなものにさ
    せるために前記燃料源手段及び前記燃焼支援ガス源手段
    を操作することができるようなものである、請求の範囲
    第４項に記載の装置。
  6. 【請求項６】円筒状の一次燃焼室と、円筒状の二次燃焼
    室と、これら一次燃焼室と二次燃焼室との間の縮径され
    たチョーク孔とを形成する側壁手段を有するハウスを備
    え、 前記二次燃焼室は、前記チョーク孔を介して前記一次燃
    焼室と連通しており、 前記一次燃焼室の前記チョーク孔とは反対側の端部は、
    端壁手段によって閉じられており、 前記二次燃焼室の前記チョーク孔とは反対側の端部は、
    利用装置への高温ガスの通路のための出口を有してお
    り、 また、 前記端壁手段の近くで前記一次燃焼室の前記側壁手段を
    貫通して形成され、粒状燃料が、前記チョーク孔を通っ
    て前記二次燃焼室へ流れる高温ガスを圧力下で生成する
    ために燃焼する前記一次燃焼室の内壁の回りの螺旋状進
    路で前記チョーク孔に向けて進むように、前記一次燃焼
    室の内壁の接線方向に且つ該一次燃焼室の軸線を横切る
    方向に、圧力下で粒状燃料を前記一次燃焼室へ導入する
    燃料用開口と、 前記燃料用開口と前記チョーク孔との間に前記一次燃焼
    室の前記側壁手段を貫通して形成され、燃焼支援ガス前
    記粒状燃料と同じ螺旋状進路で進むように前記一次燃焼
    室の内壁の接線方向に且つ該一次燃焼室の軸線を横切る
    方向に、圧力下で前記燃焼支援ガスを前記一次燃焼室へ
    導入する複数の羽口とを備え、 前記粒状燃料と前記燃焼支援ガスの螺旋状進路によっ
    て、前記粒状燃料が前記一次燃焼室内で数多く回転し、
    該粒状燃料が前記一次燃焼室に居る時間を長引かせてそ
    の燃焼を高め、 また、前記チョーク孔の縮径は、前記粒状燃料が前記一
    次燃焼室に居る時間を長引かせてその燃焼を高めるのに
    効果的であり、 更に、 前記チョーク孔の側壁手段を貫通して形成され、該チョ
    ーク孔を通って前記二次燃焼室に流れる高温ガスを利用
    装置の使用に適した温度まで冷やすために、前記チョー
    ク孔に冷却ガスを導入する少なくとも１つの冷却ガス用
    開口を備え、 該冷却ガス用開口は、冷却ガスを前記チョーク孔へ前記
    一次燃焼室内の高温ガスの螺旋状進路とは反対の方向で
    前記チョーク孔の内壁の接線方向に導入するように配置
    されており、 また、前記一次燃焼室の内壁は耐火性材料で作られ、こ
    の耐火性材料が熱くなって、該内壁の回りの螺旋状進路
    を粒状燃料が進むときに、粒状燃料を燃焼させ、 更に、 圧力下で空気と共に前記粒状燃料を前記燃料用開口を通
    って前記一次燃焼室へ導入するための燃料源手段と、 前記燃焼支援ガスを前記羽口を通って所定の速度で前記
    一次燃焼室へ導入するための燃焼支援ガス源手段と、 前記冷却ガスを前記冷却ガス用開口を通って前記チョー
    ク孔に導入するための冷却ガス源手段と、 前記二次燃焼室の出口に連結され、利用装置で使用する
    ためのきれいなガスを作るために、前記二次燃焼室から
    出る高温ガスから粒状固形物を分離するための手段とを
    備えてなる、粒状固形可燃性燃料を加圧燃焼させるバー
    ナー装置。
  7. 【請求項７】円筒状の一次燃焼室と、円筒状の二次燃焼
    室と、これら一次燃焼室と二次燃焼室との間の縮径され
    たチョーク孔とを形成する側壁手段を有するハウスを備
    え、 前記二次燃焼室は、前記チョーク孔を介して前記一次燃
    焼室と連通しており、 前記一次燃焼室の前記チョーク孔とは反対側の端部は、
    端壁手段によって閉じられており、 前記二次燃焼室の前記チョーク孔とは反対側の端部は、
    利用装置への高温ガスの通路のための出口を有してお
    り、 また、 前記端壁手段の近くで前記一次燃焼室の前記側壁手段を
    貫通して形成され、粒状燃料が、前記チョーク孔を通っ
    て前記二次燃焼室へ流れる高温ガスを圧力下で生成する
    ために燃焼する前記一次燃焼室の内壁の回りの螺旋状進
    路で前記チョーク孔に向けて進むように、前記一次燃焼
    室の内壁の接線方向に且つ前記一次燃焼室の軸線を横切
    る方向に、圧力下で粒状燃料を前記一次燃焼室へ導入す
    る燃料用開口と、 前記燃料用開口と前記チョーク孔との間に前記一次燃焼
    室の前記側壁手段を貫通して形成され、燃焼支援ガスが
    前記粒状燃料と同じ螺旋状進路で進むように前記一次燃
    焼室の内壁の接線方向に且つ該一次燃焼室の軸線を横切
    る方向に、圧力下で前記燃焼支援ガスを前記一次燃焼室
    へ導入する複数の羽口とを備え、 前記粒状燃料と前記燃焼支援ガスの螺旋状進路によっ
    て、前記粒状燃料が前記一次燃焼室内で数多く回転し、
    該粒状燃料が前記一次燃焼室に居る時間を長引かせてそ
    の燃焼を高め、 また、前記チョーク孔の縮径は、前記粒状燃料が前記一
    次燃焼室に居る時間を長引かせてその燃焼を高めるのに
    効果的であり、 更に、 前記チョーク孔の側壁手段を貫通して形成され、該チョ
    ーク孔を通って前記二次燃焼室に流れる高温ガスを利用
    装置の使用に適した温度まで冷やすために、前記チョー
    ク孔に冷却ガスを導入する少なくとも１つの冷却ガス用
    開口を備え、 該冷却ガス用開口は、冷却ガスを前記チョーク孔へ前記
    一次燃焼室内の高温ガスの螺旋状進路とは反対の方向で
    前記チョーク孔の内壁の接線方向に導入するように配置
    されており、 また、前記一次燃焼室の内壁は耐火性材料で作られ、こ
    の耐火性材料が熱くなって、該内壁の回りの螺旋状進路
    を粒状燃料が進むときに、粒状燃料を燃焼させ、 更に、 圧力下で空気と共に前記粒状燃料を前記燃料用開口を通
    って前記一次燃焼室へ導入するための燃料源手段と、 前記燃焼支援ガスを前記羽口から所定の速度で前記一次
    燃焼室へ導入するための燃焼支援ガス源手段と、 前記冷却ガスを前記冷却ガス用開口を通って前記チョー
    ク孔に導入するための冷却ガス源手段と、 前記二次燃焼室の出口に連結され、利用装置で使用する
    ためのきれいなガスを作るために、前記二次燃焼室から
    出る高温ガスから粒状固形物を分離するための手段とを
    備え、 前記一次燃焼室の長さ及び径と、チョーク孔の大きさ
    と、前記燃料用開口及び前記羽口の位置とが、前記一次
    燃焼室の軸線に対して粒状燃料の前記螺旋状進路の進行
    方向の角度を90度より若干小さなものにさせるために前
    記燃料源手段及び前記燃焼支援ガス源手段を操作するこ
    とができるようなものである、粒状固形可燃性燃料を加
    圧燃焼させるバーナー装置。
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