JP3206785B2 - 熱ノズル燃焼方法 - Google Patents

熱ノズル燃焼方法

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JP3206785B2 JP26038593A JP26038593A JP3206785B2 JP 3206785 B2 JP3206785 B2 JP 3206785B2 JP 26038593 A JP26038593 A JP 26038593A JP 26038593 A JP26038593 A JP 26038593A JP 3206785 B2 JP3206785 B2 JP 3206785B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、空気の酸素濃度を超え
る酸素濃度を有する酸化体を使用しての燃焼に関するも
のでありそして特に酸化体が比較的低い圧力でしか得ら
れない場合に有益である。
【０００２】
【従来の技術】燃料のコストの増加にともない、燃焼技
術の分野では減少した量の燃料でもって燃焼を実施する
ことが重要となっている。燃料消費量を減じるための一
つの方策が酸化体として酸素乃至酸素富化空気を使用し
て燃焼を実施することであることが古くから知られてい
る。これは、燃焼反応に関与しそして燃焼反応により発
生する熱を吸収する窒素の量を減少しうるからである。
かくして、与えられた量の燃料に対して一層多くの熱を
意図する目的で利用することができる。
【０００３】燃焼反応において酸化体としての酸素乃至
酸素富化空気の使用に伴う問題の一つは、そうした反応
から生じる一層高い温度が汚染物として知られる窒素酸
化物（ＮＯX ）の形成に反応論的に好都合なことであ
る。燃焼技術における近年の研究はこの問題に対処して
きておりそして過度の水準のＮＯX を発生することなく
燃焼プロセスにおける酸素乃至酸素富化空気の使用を可
能ならしめる技術上の幾つかの進展を生み出してきた。
燃焼技術における幾つかのそうした進展の例が、米国特
許第４，３７８，２０５号、第４，５４１，７９６号、
第４，９０７，９６１号及び５，１００，３１３号に開
示されている。
【０００４】燃焼プロセスにおいて大量のＮＯX の発生
を回避しつつ酸素乃至酸素富化空気の使用を可能ならし
めるこれら技術の多くは、酸化体が高速で燃焼帯域に供
給されることを必要とする。ここに問題が存在する。そ
れは、高速噴射は高圧の酸化体を必要としそして、酸化
体がその供給源から所要の高圧で得られないことが多い
からである。こうした状況においては、酸化体は圧縮器
の使用により所要の高圧まで圧縮される。しかし、これ
は所望されない。その理由は、圧縮器の使用は燃焼シス
テムの設備投資及び運転コスト両方を増大しそしてまた
特に酸化体が工業用純酸素であるときには圧縮中の酸化
体がシステムに或る程度の危険性を導入するからであ
る。
【０００５】燃焼帯域に噴射される酸化体の速度を酸化
体を圧縮器に通すことにより圧縮する必要性を軽減若し
くは排除して酸化体の供給源圧力を使用して可能である
速度を超えて増大することのできる方法を得ることが所
望されている。
【０００６】燃焼帯域に噴射される酸化体の速度を増大
するための一つの方法が機械的なノズルを通して酸化体
を燃焼帯域に噴射することであることが知られている。
機械的ノズルは酸化体供給導管の直径より減少した直径
を有するオリフィスであり、それにより酸化体がオリフ
ィスを通して燃焼帯域に通過する際にその速度が増大さ
れる。しかし、これは酸化体を細いオリフィスを通して
有効に流すには比較的高い圧力がまだなお必要とされる
ことからごく限定された有用性を持つだけである。機械
的ノズルシステムのまた別の重大な制約は、与えられた
酸化体流量に対して、燃焼帯域に噴射される酸化体の速
度がノズルを変更するか或いは非常に複雑な調節自在の
ノズルを使用することなく変化され得ないことである。
ノズルの交換は面倒でまた時間を食う作業であり更には
危険な作業である。調節自在のノズルは高価でしかも燃
焼帯域の過酷な環境に曝露されるとき故障或いは損傷し
やすい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、酸化
体を圧縮器に通すことにより圧縮する必要性を軽減或い
は排除して、燃焼帯域に噴射される酸化体の速度を酸化
体の供給源の圧力により可能である速度を超えて増大す
ることのできる燃焼方法を開発することである。本発明
のまた別の課題は、与えられた任意の供給圧力に対し
て、燃焼帯域に噴射される酸化体の速度を噴射ノズルの
交換或いは調節自在のノズルの使用の必要なく制御或い
は変更することのできる燃焼方法を開発することであ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、 （Ａ）燃焼帯域と連通する熱ノズルにおける酸化体供給
ダクト内に３００フィート／秒（９０ｍ／秒）末満の初
期速度において少なくとも３０容積％の酸素濃度を有す
る酸化体を供給すること、 （Ｂ）前記酸化体供給ダクト内に２００フィート／秒
（６０ｍ／秒）を超えそして前記酸化体初期速度を超え
る高速で前記酸化体とは別に燃料を供給して、該高速燃
料中に該酸化体を連行し、そして該酸化体供給ダクト内
に供給された酸化体の酸素の約２０％までを該燃料で燃
焼せしめて熱及び燃焼反応生成物を生成すること、 （Ｃ）前記酸化体供給ダクト内で燃焼反応生成物と酸化
体の残りの酸素とを混合しそして該酸化体供給ダクト内
の該残りの酸化体の温度を上昇せしめること、 （Ｄ）前記酸化体供給ダクトから燃焼帯域に加熱された
酸化体を前記初期速度を少なくとも３００フィート／秒
（９０ｍ／秒）超える出口速度で通すことを包含する熱
ノズル燃焼方法を提供する。
【０００９】本発明はまた、酸化体供給ダクトに供給さ
れる燃料の流量を変更し、それにより燃焼帯域に通され
る酸化体の出口速度を変更することを更に含む方法、並
びに燃焼帯域に可燃性物質を供給しそして加熱された酸
化体と燃焼物質とを燃焼帯域内で燃焼せしめることを更
に含む方法をも提供する。
【００１０】
【作用】本発明は、比較的低い酸化体供給圧力による低
酸化体速度の問題を克服するために熱エネルギーを運動
エネルギーに変換する熱ノズルを使用する方法である。
熱ノズル内部で酸化体を燃料による部分的燃焼により加
熱する。加熱された酸化体は加熱の程度に応じて増大さ
れた速度で熱ノズルから噴射される。本発明方法は、酸
化体圧縮器の使用を軽減或いは排除する。本発明の非常
に重要な追加的利益は、本発明が実施者にシステムに投
入する熱エネルギーを変更し、従ってプロセス中で発生
する運動エネルギーを制御することにより、ノズルを交
換する或いは調節自在のノズルを使用する或いは酸素流
量を増加する必要なく、燃焼帯域に噴射される酸化体の
速度を変更或いは制御することを可能ならしめることで
ある。
【００１１】
【実施例】図１を参照すると、熱ノズル１は、そこを通
して酸化体を燃焼帯域２に供給するランスである。本発
明の実施において、少なくとも３０容積％そして好まし
くは少なくとも８５容積％の酸素濃度を有する酸化体３
が酸化体供給ダクト４内に供給される。酸化体供給ダク
ト４は開口５を通して燃焼帯域２と連通する。最も好ま
しくは、酸化体は９９．５％以上の酸素濃度を有する工
業用純酸素である。酸化体供給ダクト４内で、酸化体
は、一般に５０〜３００フィート／秒（１５〜９０ｍ／
秒）の範囲内のそして代表的には２００フィート／秒
（６０ｍ／秒）未満である初期速度を有する。
【００１２】図１は、熱を酸化体供給ダクトにその内部
での燃焼により供給する本発明の具体例を例示する。本
発明のこの好ましい実施例において、燃料６が燃料ノズ
ル７を通して酸化体供給ダクト４内に供給される。燃料
ノズル７は燃料噴射に一般に使用される任意の適当なノ
ズルでありうる。燃料は、任意の適当な可燃性流体であ
り、その例としては天然ガス、メタン、プロパン、水
素、コークス炉ガス等を挙げることができる。好ましく
は、燃料は気体状燃料である。Ｎｏ．２燃料油のような
液体燃料もまた使用しうるが、但し液体燃料は気体燃料
を使用する場合に比べて酸化体供給ダクト内で良好な混
合と信頼性のあるそして安全な燃焼を維持することが困
難である。
【００１３】酸化体供給ダクト内に供給された燃料は、
酸化体供給ダクト内で酸化体と燃焼して熱並びに二酸化
炭素及び水蒸気のような燃焼反応生成物を生成する。酸
化体の約２０％以下の酸素が酸化体供給ダクト内で反応
することが本発明の重要な要件であり、そうしないと続
いての燃焼を実施するのに不十分な酸素しか燃焼帯域に
供給されない可能性がある。加えて、約２０％を超える
酸素が酸化体供給ダクト内で燃焼すると、残りの酸素の
温度が後に論議するように所望されざる水準まで増大す
る危険がある。
【００１４】酸化体供給ダクト４内で、燃焼反応生成物
は残りの酸素と混合し、以て残りの酸化体に熱を伝えそ
してその温度を上昇せしめる。好ましくは、図１に例示
されるように、燃料６は酸化体供給ダクト４内に代表的
に２００フィート／秒（６０ｍ／秒）を超えるそして一
般には５００〜１５００フィート／秒（１５０〜４５０
ｍ／秒）範囲の高速で供給される。この高速は、燃焼反
応部８中に酸化体を連行し、それにより安定な火炎を確
立する役目をなす。この高速度は更に、燃焼反応生成物
及び酸化体の燃焼への関与を可能ならしめ、それにより
高温燃焼反応生成物と残りの酸素との酸化体供給ダクト
内での混合を改善し、従って残りの酸素を一層効率的に
加熱する。
【００１５】一般的に、酸化体供給ダクト内の残りの酸
化体の温度は、少なくとも約５００°Ｆ（２６０℃）、
好ましくは少なくとも約１０００°Ｆ（５３８℃）増大
される。しかし、酸化体供給ダクト内の残りの酸化体の
温度が約３０００°Ｆ（１６４９℃）を超えないことが
好ましい。なぜならば、この温度を超えると、燃焼反応
生成物の分解乃至解離が著しく増大し、酸化体供給ダク
ト及びノズル内での過熱問題が生じるからである。
【００１６】図３は、天然ガス−酸素火炎に対して酸化
体供給ダクト内で消費された酸素の％の関数としての計
算された火炎温度を例示するグラフである。図３からわ
かるように、温度増大のほとんどは約２０％までの酸素
を燃焼することにより達成されそして約２０％の消費量
を超えると、温度は約３０００°Ｆ（１６４９℃）を超
え、上述した有害な影響をもたらす。
【００１７】酸化体供給ダクト内での残りの酸素の温度
が増大するにつれ、燃焼帯域に所定の酸化体噴射速度を
実現するために酸化体供給ダクトに供給される酸化体の
所要の供給圧力は減少する。この作用が図４の特定例に
対して例示される。酸素温度が横軸にとられそして所要
の圧力が縦軸にとられている。曲線は８００フィート／
秒（２４０ｍ／秒）の酸化体供給ダクトから燃焼帯域へ
の酸化体噴射速度を実現するためのこれら２つのパラメ
ータの関係を示す点を追跡したものである。図４からわ
かるように、酸素が周囲温度にあるとき酸素を８００フ
ィート／秒（２４０ｍ／秒）の速度において燃焼帯域に
噴射するために必要な圧力は７ｐｓｉｇ（０．５kg/cm2
ゲージ圧）を超える。酸素温度が上昇するにつれ、所要
圧力は急激に減少する。１５００°Ｆ（８１６℃）の温
度において、所要圧力は１．６５ｐｓｉｇ（０．１kg/c
m2ゲージ圧）であり、そして３０００°Ｆ（１６４９
℃）の温度においては所要圧力は僅か０．９１ｐｓｉｇ
（０．０６kg/cm2ゲージ圧）である。３０００°Ｆ（１
６４９℃）を超える温度においては、追加的利益はほと
んどなく、従って酸化体供給ダクト内での２０％を超え
ない酸素燃焼に対するまた別の理由を与える。かくし
て、図４のグラフで例示されるように、本発明方法は、
高い供給圧を必要とすることなく燃焼帯域へ高速酸素を
供給することができ、もし酸化体供給源圧力が高くない
なら必要とされる酸化体の燃焼帯域に通すに先立っての
酸化体の圧縮の必要性を軽減若しくは排除する。
【００１８】図１に戻って、酸化体供給ダクト４内の加
熱された酸化体は開口５を通して高速酸化体流れ９とし
て燃焼帯域２に通る。一般に、加熱された酸化体流れ９
は５００〜２０００フィート／秒（１５０〜６００ｍ／
秒）の範囲にありそして初期速度を少なくとも３００フ
ィート／秒（９０ｍ／秒）超える。
【００１９】好ましくは、図１に例示されるように、開
口５は酸化体供給ダクト４の直径未満の直径とされる。
これは本発明の速度増進方法の効率を改善する働きをす
るからである。最も好ましくは、図１に例示されるよう
に、酸化体供給ダクトの直径から開口５の直径の現象は
丸み付けられた或いは曲線状の絞りを使用して達成され
る。この方式において、気体の流れは可逆性のそして断
熱性の流れに近似することができる。開口５において、
多数穴出口ノズルを設けることもまた可能である。
【００２０】燃焼帯域に通った酸化体は燃焼帯域内で可
燃物質と燃焼する。可燃物質は、例えば酸素流れの周囲
に環状の流れとして或いは別個のランスを通して燃焼帯
域に供給される天然ガス、メタン、プロパン乃至水素の
ような気体燃料、廃棄物の焼却において廃棄物から蒸発
せしめられる可燃性有機物、セメントキルンにおいて装
入物と混合される石炭を挙げることができる。
【００２１】可燃物質は流れ９として燃焼帯域に通され
た酸化体とは別途に燃焼帯域に供給される。例えば、可
燃物質は、可燃物質の噴射に隣り合って酸化体を噴射す
る機能をもなすバーナーを通して燃焼帯域に供給されう
るし、別個の燃料ランスを通してもしくは他の任意の適
当な手段を使用して燃焼帯域に供給されうる。図２は簡
略化された燃焼帯域１１を例示し、ここでは高速の加熱
された酸化体が酸化体ランス１３を通して燃焼帯域に供
給されそして天然ガスのような可燃物質が燃焼帯域の異
なった側において燃料ランス１２を通して酸化体とは別
途に燃焼帯域に供給される。燃料はまた、酸化体と同じ
側で燃焼帯域に供給されうるし、また固体乃至液体可燃
廃棄物質として燃焼帯域に送給されるといった任意の他
の態様で燃焼帯域に供給されうる。酸化体と可燃物質は
燃焼帯域内で燃焼しそして熱を発生する。燃焼帯域は、
例えば鋼、ガラス、アルミニウム等のための加熱炉、焼
却炉、キルン、或いは乾燥炉のような任意の適当な設備
でありうる。
【００２２】本発明の主たる利点は、酸化体供給ダクト
内に供給される燃料の流量を変えることにより燃焼帯域
に通される酸化体の速度を変更或いは制御しうることで
ある。これは、ノズルの変更や調整自在のノズルの使用
を必要とすることなく燃焼帯域に通される酸化体速度の
増減をもたらす。この熱ノズル制御機構は本発明の主た
る利点であり、供給圧力を変えることなしに、機械的ノ
ズルの交換や調節自在のノズルの使用なしにはこれまで
なし得なかったものである。
【００２３】
【発明の効果】本発明の使用により、酸化体供給圧力が
低い場合でも、酸化体圧縮の必要性を回避或いは軽減し
て燃焼帯域に高速度の酸化体を供給することが可能とな
る。加えて、本発明は、ある与えられた酸化体供給圧力
において燃焼帯域への酸化体噴射速度を容易に増減する
ことを可能ならしめ、酸化体を噴射するためのノズルの
変更や調節自在のノズルの使用なく燃焼帯域内での燃焼
反応全体にわたり改善された制御を可能ならしめる。
【００２４】本発明の好ましい具体例を参照して説明し
たが、本発明の範囲内で本発明を他の形態でも具現しう
ることを銘記されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱ノズル燃焼システムを実施するのに
使用されうる装置の好ましい具体例の断面図である。
【図２】燃料と酸化体とが別々に噴射されそして燃焼が
実施される燃焼帯域の説明図である。
【図３】酸素消費量の関数として天然ガス−酸素火炎に
対する火炎温度の関係を表すグラフである。
【図４】酸化体供給ダクト内の酸化体温度の関数として
８００フィート／秒（２４０ｍ／秒）の酸化体噴射速度
を得るのに必要な酸化体供給ダクト内の圧力を表すグラ
フである。
【符号の説明】
１ 熱ノズル ２ 燃焼帯域 ３ 酸化体 ４ 酸化体供給ダクト ５ 開口 ６ 燃料 ７ 燃料ノズル ８ 燃焼反応部 ９ 加熱された酸化体流れ １１ 燃焼帯域 １２ 燃料ランス １３ 酸化体ランス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−157706（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−32133（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−306718（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F23C 11/00 310

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱ノズル燃焼方法であって、 （Ａ）燃焼帯域と連通する熱ノズルにおける酸化体供給
    ダクト内に５０〜２００フィート／秒（１５〜６０ｍ／
    秒）の初期速度において少なくとも３０容積％の酸素濃
    度を有する酸化体を供給すること、 （Ｂ）前記酸化体供給ダクト内に２００フィート／秒
    （６０ｍ／秒）を超える高速で前記酸化体とは別に燃料
    を供給して、該高速燃料中に該酸化体を連行し、そして
    該酸化体供給ダクト内に供給された酸化体の酸素の２０
    ％までを該燃料で燃焼せしめて熱及び燃焼反応生成物を
    生成し、そして更に燃焼反応生成物と酸化体燃焼反応に
    供すること、 （Ｃ）前記酸化体供給ダクト内で燃焼反応生成物と酸化
    体の残りの酸素とを混合しそして該酸化体供給ダクト内
    の該残りの酸化体の温度を上昇せしめること、 （Ｄ）前記酸化体供給ダクトから燃焼帯域に加熱された
    酸化体を前記初期速度を少なくとも３００フィート／秒
    （９０ｍ／秒）超える出口速度で通すことを包含する熱
    ノズル燃焼方法。
  2. 【請求項２】 酸化体が少なくとも８５容積％の酸素濃
    度を有する請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 酸化体の温度が３０００゜Ｆ（１６４９
    ℃）を超えない温度まで昇温される請求項１の方法。
  4. 【請求項４】 加熱された酸化体が酸化体供給ダクト直
    径未満の開講を有する少なくとも一つの開口を通して燃
    焼帯域に通される請求項１の方法。
  5. 【請求項５】 酸化体供給ダクトに供給される燃料の流
    量を変更し、それにより燃焼帯域に通される酸化体の出
    口速度を変更することを更に含む請求項１の方法。
  6. 【請求項６】 燃焼帯域に可燃性物質を供給しそして加
    熱された酸化体と該可燃性物質とを燃焼帯域内で燃焼せ
    しめることを更に含む請求項１の方法。
JP26038593A 1992-09-28 1993-09-27 熱ノズル燃焼方法 Expired - Fee Related JP3206785B2 (ja)

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EP (1) EP0590572B1 (ja)
JP (1) JP3206785B2 (ja)
KR (1) KR0165902B1 (ja)
CN (1) CN1075184C (ja)
AT (1) ATE159804T1 (ja)
BR (1) BR9303914A (ja)
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