JP4248132B2 - 燃料供給装置及び燃料供給方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料供給装置及び燃料供給方法に関するものであり、より詳細には、燃料、燃焼ガス及び燃焼用空気の混合過程及び混合比の制御性を向上することができる燃料供給装置及び燃料供給方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
管式加熱炉、金属加熱炉、窯業焼成炉、金属溶融炉、ガス化溶融炉又はボイラー等の工業炉、或いは、ラジアントチューブバーナ等の燃焼加熱式放熱装置は、炭化水素系燃料を供給する燃料供給装置と、燃焼用空気を供給する空気供給装置と、燃料及び燃焼用空気を混合し且つ燃料を燃焼させるバーナー等の燃焼装置とを備える。燃焼装置において混合した燃料及び燃焼用空気は、拡散燃焼による火炎を燃焼域に生成する。この種の燃焼装置では、燃焼用空気の実際空気量は、燃料の完全燃焼のために、燃料の理論空気量を超える過剰な空気比に設定され、燃焼用空気及び燃料の混合比（空燃費）は、一般には、１４乃至１５程度に設定される。バーナー供給前における燃料及び燃焼用空気の予混合は、予期せぬ逆火現象を生じさせることが懸念されており、一般には採用されておらず、燃焼用空気及び燃料は、空気吐出口及び燃料噴射口からバーナースロート又は炉内領域に導入され、主にバーナーの基部領域において混合する。例えば、バーナーは、流量差を有する燃料噴射流と空気流とを所望の如く混合すべく、旋回流型又は保炎板型等の保炎器を備え、保炎器は、着火可能な高温循環流を燃料及び空気の混合域に形成し、これにより、火炎の吹き消えを防止し、火炎の安定性を確保する。
【０００３】
他方、炉内に生成した燃焼ガスは、炉内領域を循環する。炉内燃焼ガスは、燃焼用空気及び燃料の炉内流入に伴って炉外に排出される。高温の燃焼ガスは、熱回収可能な多大な熱量を依然として保有するので、熱交換装置又は廃熱ボイラ等の廃熱回収手段を介して外界に排気される。一般に、廃熱回収手段は、燃焼用空気を予熱し、或いは、熱媒体として有効利用可能な流体を加熱する。
【０００４】
炉内燃焼ガスの一部は、燃焼用空気及び／又は燃料の噴流と混合する炉内再循環流を形成し、着火を促進するとともに、低酸素濃度の緩慢な燃焼反応を促す。燃焼ガス循環流と燃焼用空気又は燃料との混合は、火炎の局所発熱を防止するとともに、窒素酸化物（ＮＯｘ）生成を抑制する上で有効であることから、近年殊に重視されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料噴流、燃焼用空気流および燃焼ガス再循環流の混合過程及び混合比は、燃焼用空気吐出口及び燃料噴射口の位置、構造及び形状、更には、燃焼炉の形態及び構造等により相違し、しかも、炉内領域における各種流体の混合制御は、炉温、熱負荷及び炉内循環流の変動等の予測困難な各種の制御要因と関連するので、燃料、燃焼用空気及び炉内燃焼ガスの混合過程及び混合比は、容易には制御し難い。殊に、操業状態に相応して熱負荷及び炉温が比較的大きく変動する燃焼炉にあっては、燃焼ガス再循環流と空気及び／又は燃料との混合は、燃焼用空気温度の低下時に燃焼安定性を阻害する懸念があり、これを回避し得る対策が必要とされる。かくして、燃料、燃焼用空気及び炉内燃焼ガスの混合過程及び混合比を任意に可変制御し、燃焼域の燃焼反応を常に適正化することができる燃料供給装置の開発が望まれる。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料及び燃焼用空気の混合過程及び混合比の制御性を向上することができる燃料供給装置及び燃料供給方法を提供することにある。
【０００７】
本発明は又、炉内燃焼ガス再循環流の制御に依存することなく、燃焼ガスと燃料とを任意に混合することができる燃料供給装置及び燃料供給方法を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明は更に、新規な燃焼特性を有する燃料ガスを生成する燃料供給装置及び燃料供給方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明者は、上記目的を達成すべく、鋭意研究を重ねた結果、燃焼域の高温燃焼ガスを炉外に導出して燃料と混合し、または、燃焼ガスに水蒸気を添加して燃焼ガス中の水蒸気量を調節した後に燃料と混合し、或いは、高温の水蒸気を燃料と混合することにより、燃料及び燃焼ガスの混合を確実に制御し得るばかりでなく、新規な燃焼特性を有する多量の燃料ガスを生成し得ることを見出し、かかる知見に基づき、本願発明を達成したものである。
【００１０】
本発明の燃料供給装置は、燃焼用燃料を供給する燃料供給手段と、燃焼用空気を燃焼域に供給する燃焼用空気供給手段とを備えた燃料供給装置であって、炉外に導出した燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の水蒸気と、前記燃料供給手段の燃料とを混合する混合装置と、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料との混合流体を燃料ガスとして前記燃焼域に導入し、該燃料ガスを前記燃焼用空気と混合せしめる燃料ガス導入装置とを備えた燃料供給装置である。
本発明の燃料供給装置は更に、以下に記載する構成を有する。
(1) 前記燃焼ガスを冷却する燃焼ガス冷却装置と、該燃焼ガス及び／又は前記水蒸気を加熱する加熱装置とを有し、前記混合装置は、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料とを混合する混合域を備え、前記混合域は、前記加熱装置と前記燃焼域との間に配置され、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料とは、前記混合域に導入され、前記燃焼域に導入可能な燃料ガスを生成する（請求項１）。
(2) 前記燃焼ガスを冷却する燃焼ガス冷却装置と、該燃焼ガス及び／又は前記水蒸気を加熱する加熱装置とを有し、前記混合装置は、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料とを混合する混合域を備え、前記混合域は、前記冷却装置と前記加熱装置との間に配置され、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料とは、前記混合域に導入され、前記燃焼域に導入可能な燃料ガスを生成する（請求項２）。
(3) 前記混合装置に供給すべき前記水蒸気供給手段の水蒸気を７００℃以上の温度に加熱した後に前記混合装置に供給するための水蒸気加熱手段を備える（請求項３）。
【００１１】
本発明の燃料供給方法は、燃焼用燃料及び燃焼用空気を燃焼域に供給する燃料供給方法であって、炉外に導出した燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の水蒸気を混合域に供給し、前記燃焼用燃料を前記混合域に供給して、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と前記燃料との混合流体を生成し、前記混合流体を燃料ガスとして前記燃焼域に導入し、該燃料ガスを前記燃焼用空気と混合して前記燃料ガスの燃焼反応を前記燃焼域に生じさせる燃料供給方法である。
本発明の燃料供給方法は更に、以下に記載する構成を有する。
(1) 炉外に導出した前記燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の前記水蒸気を加熱装置によって７００℃以上の高温に加熱した後、前記燃料を加熱後の前記燃焼ガス及び／又は水蒸気に混合する（請求項１０）。
(2) 炉外に導出した前記燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の前記水蒸気に対して前記燃料を混合して前記混合流体を得た後、該混合流体を加熱装置によって７００℃以上の高温に加熱して前記燃焼域に導入する（請求項１１）。
(3) 前記燃焼ガス及び／又は水蒸気の一部を前記燃焼用空気と混合し、酸素濃度が低下した前記燃焼用空気と、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気を含み且つ該燃焼域に導入された前記燃料ガスとを燃焼域で混合する（請求項１２）。
(4) 炉外に導出され且つ前記燃料に混合すべき前記燃焼ガスに対して、前記水蒸気を添加して該燃焼ガスの水蒸気含有量を調節する（請求項１３）。
(5) 炉外に導出した高温の燃焼ガス及び／又は水蒸気加熱手段で７００℃以上に加熱した高温の水蒸気を前記混合域に導入して前記燃料と混合する燃料供給方法において、前記燃焼ガス、前記水蒸気又は前記混合流体は、前記燃焼ガスの冷却時に該燃焼ガスが放熱した顕熱を受熱し、再熱又は加熱される（請求項１４）。
(6)前記燃焼域に導入される燃料ガスは、７００℃以上の温度を有する（請求項１６）。
(7)前記燃焼域に導入された燃料ガスは、７００℃以上の温度に予熱された前記燃焼用空気と混合する（請求項１７）。
【００１２】
本発明の上記構成によれば、燃料は、燃焼域から炉外に導出した燃焼ガスと、水蒸気供給手段の水蒸気との双方又は一方と混合する。燃料を燃焼ガス及び／又は水蒸気と混合する工程と、燃料及び燃焼ガスの混合流体を燃焼用空気と更に混合する工程とが、段階的に実行されるので、燃料、燃焼用空気、燃焼ガス及び／又は水蒸気の混合制御の任意性及び確実性は、大幅に向上する。燃料と、燃焼ガス及び／又は水蒸気との混合域には、希薄な燃料を含有する比較的多量の混合流体が生成する。混合流体は、炉内燃焼ガスの循環流とは独立して制御可能な運動量（モーメンタム）を有する多量の燃料ガス流として燃焼域に導入される。従って、炉内に導入された燃料ガス流は、炉内燃焼ガスの循環流に実質的に影響を受けずに燃焼用空気流と混合し、かくして、燃料及び燃焼ガスの混合過程及び混合比は、炉内燃焼ガスの再循環流の制御に依存することなく、燃料供給装置の制御下に可変制御される。
【００１３】
本明細書において、「燃料ガス」なる用語は、燃焼ガス及び／又は水蒸気と燃料とを混合してなる混合流体であって、燃焼用空気と燃焼反応可能な燃料成分を含有するガス流体を意味する。燃料ガス中の燃料成分は、高温の燃焼ガス及び／又は水蒸気との混合により活性化し、これに対し、低酸素濃度の燃焼ガスは、燃料成分の燃焼反応を抑制する。このような燃料ガスは、活性化した希薄な燃料成分を含有する低酸素濃度の高温燃料ガスとして、燃焼域に導入され、従来の燃料とは相違する新規な燃焼特性を発揮する。例えば、炉内に導入された燃料ガスは、炉内燃焼ガスと混合することなく、燃焼用空気と緩慢に燃焼反応し、これにより、局所発熱及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制した広域且つ比較的低温の拡散燃焼火炎を炉内に生成する。
【００１４】
所望により、燃焼ガス及び／又は水蒸気の一部は、燃焼用空気と混合する。燃焼ガス及び／又は水蒸気により希釈された低酸素濃度の燃焼用空気は、燃焼域に導入され、高温且つ低酸素濃度の上記燃料ガスと混合する。燃料ガス中の燃料成分は、低酸素濃度の燃焼用空気と更に緩慢に燃焼反応し、局所発熱を抑制した広範且つ低温の火炎を燃焼域に生成する。
【００１５】
また、燃焼ガス中の水蒸気、高温燃焼ガスとの混合又は熱交換により受熱した高温の水蒸気、或いは、別途の水蒸気加熱手段により７００℃以上に加熱された高温の水蒸気は、燃料炭化水素の熱分解反応及び／又は水蒸気改質反応を生じさせるので、燃料炭化水素は、比較的多量の炭化水素ラジカル、水素、炭素又は一酸化炭素等を含む良質の改質ガスに改質される。従って、燃焼用空気と混合する前に重油等の比較的重質又は低質、或いは、低品位の炭化水素系燃料を軽質又は良質、或いは、高品位の炭化水素系燃料ガスに改質することが可能となる。
このような観点より、本発明は、以下の構成を有する燃料ガス生成装置及び燃料ガス生成方法を更に提供する。
(1) 燃焼用燃料を供給する燃料供給手段を備えた燃料ガス生成装置において、
炭化水素系燃料及び水蒸気を混合する混合域を有するとともに、燃焼排ガスと、前記燃料が混合し又は該燃料が浮遊した水蒸気流とを交互に通す多数の狭小流路を備えたハニカム構造のセラミックス製蓄熱体を有し、
前記セラミックス製蓄熱体の多数の狭小流路に前記燃焼排ガスを通して前記蓄熱体を加熱し、該蓄熱体に蓄熱するとともに、前記燃料が混合し又は該燃料が浮遊した前記水蒸気流を前記蓄熱体の流路に通して該水蒸気流を前記蓄熱体と伝熱接触させ、該蓄熱体の放熱によって前記水蒸気流を７００℃以上の温度に加熱して燃料ガス流を生成するようにしたことを特徴とする燃料ガス生成装置。
(2) 燃料ガスを生成する燃料ガス生成方法において、
ハニカム構造のセラミックス製蓄熱体の多数の狭小流路に燃焼排ガスを通して前記蓄熱体を加熱し、該蓄熱体に蓄熱するとともに、炭化水素系燃料を水蒸気流に混合し、
前記燃料が混合し又は該燃料が浮遊した前記水蒸気流を前記蓄熱体の流路に通し、該水蒸気流を蓄熱後の前記蓄熱体と伝熱接触させ、該蓄熱体の放熱によって前記水蒸気流を７００℃以上の温度に加熱して燃料ガス流を生成することを特徴とする燃料ガス生成方法。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１乃至図４は、本発明の好適な実施形態を示す燃料供給装置のブロックフロー図である。
【００１７】
図１（Ａ）に示す燃料供給装置は、燃焼ガスを燃焼域から導出する燃焼ガス導出路と、燃料及び燃焼ガスの混合域と、燃料を混合域に供給する燃料供給路とを有する。燃焼域に生成した高温の燃焼ガスは、燃焼ガス導出路を介して燃焼域から炉外に導出される。所定流量の燃焼ガスが、燃焼排ガスとして系外に排気され、燃焼ガスの残部は、混合域に導入される。所望により、水蒸気発生装置の水蒸気が燃焼ガスに注入され、燃焼ガス中の水蒸気量が調節される。炭化水素系燃料が、燃料供給路を介して混合域に導入され、燃焼ガスと混合し、この結果、燃料を燃焼ガスにより希釈してなる高温の混合ガス（燃料ガス）が、混合域に生成する。
【００１８】
燃焼ガスは、一般に、０％〜１０％の範囲の残存酸素濃度を有するにすぎず、従って、燃料供給路の燃料は、燃焼ガスと実質的に燃焼反応することなく、燃焼ガスに混合する。燃焼ガスの温度は、燃焼域の温度と実質的に等しく、従って、少量の低温燃料を混入した混合ガスは、燃焼ガスの温度よりも僅かに低い温度、例えば、８００℃〜１２００℃の範囲の温度を依然として保有する。このような高温の混合ガスにおいては、燃焼ガス中の水蒸気は燃料を改質し、燃料は活性化し、この結果、常温の燃料に比べて燃焼反応し易い。これに対し、低酸素濃度の燃焼ガスは、燃料の燃焼反応を抑制する。
【００１９】
燃焼ガスの流量は、燃料供給量に比べて遙に大きく、従って、混合ガスは、希薄な燃料を含有した多量の燃料ガスとして燃焼域に導入される。燃焼用空気が燃焼用空気供給路を介して燃焼域に導入され、混合ガス流は、燃焼域の燃焼ガス循環流に実質的に影響を受けることなく、燃焼域において燃焼用空気流と混合し、燃焼反応する。
【００２０】
燃料として、気体、液体、固体又は半固体の燃料を使用し得る。例えば、メタン等の炭化水素系の気体燃料を上記燃料として使用した場合、気体燃料は、燃焼ガスにより希釈された高温の燃料ガスとして燃焼域に流入する。燃料及び燃焼ガスの混合過程及び導入過程に生じ得る燃料の熱分解反応及び／又は水蒸気改質反応により、比較的多量の炭化水素ラジカル、水素、炭素又は一酸化炭素等を含む良質の改質ガスを生成し、これを燃料ガスとして燃焼域に供給することも可能である。また、炭化水素系の液体燃料を上記燃料として使用した場合、蒸発過程及び熱分解過程を含めた燃料の改質反応が混合域及び導入路において進行し、良質の燃料ガス（改質ガス）を燃焼域に供給することができる。更に、微粉炭等の固体燃料を燃料として使用した場合、燃料は、高温の燃焼ガス中に浮遊し、混合域及び導入路において熱分解し、これにより、炭化水素ラジカル、水素、炭素及び一酸化炭素を含む高品位の燃料ガスを燃焼域に供給することが可能となる。なお、このような燃料炭化水素の改質作用には、燃焼ガス中の水蒸気が実質的に影響しているものと考えられることから、上記水蒸気発生装置は、燃焼ガス中の水蒸気量を増量すべく、所望により水蒸気を燃焼ガスに添加し、燃料の水蒸気改質反応を促進する。
【００２１】
図１（Ａ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略断面図が、図５（Ａ）に図示されている。燃焼装置は、燃焼室１、強制給気ファン２及び燃焼用空気供給装置３０を備えるとともに、燃料供給装置を構成する燃料混合装置１０及び排ガス循環ファン３を備える。給気ファン２は、外気吸入路ＯＡを介して吸引した外気を燃料用空気供給路ＣＡに圧送する。空気供給装置３０は、燃焼室１に開口した燃焼用空気吐出口３５を備え、供給路ＣＡの燃焼用空気は、吐出口３５から燃焼室１内に流入する。排ガス循環ファン３は、燃焼ガス導出口９０及び燃焼ガス導出路ＥＸ、ＥＲを介して燃焼室１の燃焼ガスを誘引し、燃焼ガスを燃焼ガス導入路ＲＧから燃料混合装置１０に供給する。水蒸気ボイラー等の水蒸気発生装置８が、水蒸気供給路ＳＴを介して燃焼ガス導入路ＲＧに接続され、１５０〜３００℃の過熱水蒸気を燃焼ガスに注入し、燃焼ガス中の水蒸気量を調節する。なお、燃焼ガスの一部は、排気流路ＥＧを介して系外に排気される。
【００２２】
空気供給装置３０の内側に配置された燃料混合装置１０は、燃料ノズル１１、燃焼ガス導入部１２、混合域１５及び燃料ガス噴射口１６を備える。燃料ノズル１１は、燃料供給路Ｆの供給燃料を混合域１５に噴射し、燃焼ガス導入部１２は、燃焼ガス導入路ＲＧの燃焼ガス（及び水蒸気）を混合域１５に導入する。混合域１５は、燃料と、燃焼ガス（及び水蒸気）とを混合し、混合ガス（燃料ガス）を燃焼室１に噴射する。燃焼室１に噴射する混合ガスの流量、噴射圧力及び方向は、燃料ノズル１１及び燃焼ガス導入部１２が噴射する燃料及び燃焼ガスの流量、噴射圧力及び方向により制御されるとともに、混合域１５の構造により規制される。
【００２３】
燃焼室１に噴射した混合ガスは、空気供給装置３０が吐出する燃焼用空気と混合し、燃焼する。燃焼用空気と概ね同等の流量を有する混合ガスは、燃焼用空気流の運動量（モーメンタム）に相当する運動量を有するので、温度差による浮力及び燃焼用空気流の方向性及び流勢に実質的に影響されることなく、燃料混合装置１０が設定した方向に流動し、燃焼用空気と混合する。低酸素濃度の燃焼ガスにより燃焼反応を抑制された混合ガスは、燃焼用空気と緩慢に燃焼反応するので、燃焼域に拡散する混合ガスは、所期の到達距離を確保し、燃焼火炎は、燃料混合装置１０及び空気供給装置３０の近傍にのみ局所的且つ集中的に生じることなく、炉内の所定領域に所望の如く生成する。
【００２４】
このような燃料供給法によれば、燃焼ガスを炉外に導出した後に燃料と混合する工程と、燃料（及び水蒸気）と燃焼ガスとの混合流体を燃焼用空気と更に混合する工程とが、段階的に実行される。混合ガスの組成及び流量は、混合域１５に導入される燃焼ガスの流量、燃料供給路Ｆの燃料供給量、更には、燃焼ガス及び燃料の混合比により可変制御される。燃焼ガス及び燃料の混合比は、好適には、１：１〜２０：１の範囲に設定される。混合域に生成した高温の混合ガスは、燃料自体の供給流量よりも遙に大きな流量の燃料ガスとして燃焼域に供給されるので、炉内の燃焼ガス循環流と混合して消勢することなく、燃焼用空気と混合する。従って、燃料ガス及び燃焼用空気の混合比、混合位置、混合形態及び燃焼特性は、燃焼用空気流及び燃料ガス流の双方を調節することにより制御される。燃料ガス及び燃焼用空気の混合比は、好適には、１：１０〜２０：１０の範囲に設定される。また、燃焼域に流入する燃料ガスの流速は、好ましくは、１０〜１５０ｍ／ｓの範囲に設定される。かくして、燃料及び燃焼ガスの混合過程及び混合比は、炉内燃焼ガスの再循環流の影響を実質的に受けることなく、任意に制御することができ、従って、燃料、燃焼用空気及び燃焼ガスの混合制御の任意性及び確実性は、大幅に向上する。
【００２５】
また、上記混合ガスは、活性化した希薄な燃料成分を含有する低酸素濃度の高温燃料ガスとして、燃焼域に導入され、燃焼用空気と緩慢に燃焼反応する。この結果、火炎の局所発熱及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制する上で有利な広域且つ比較的低温の拡散燃焼火炎が、炉内に生成する。しかも、上記燃料供給装置によれば、炉温及び熱負荷が変動する加熱炉等において、炉温及び熱負荷の変動に相応して燃料及び燃焼用空気の混合比を可変制御することができるので、実務的に極めて有利である。
【００２６】
本発明の他の実施形態が図１（Ｂ）に図示されている。図１（Ｂ）に示す燃料供給装置では、燃料ガス導出路、混合域及び燃料ガス導入路を含む循環回路は、ガス流体を強制循環する強制循環ファン等の循環装置を備えるとともに、循環装置の熱負荷及び熱応力を軽減すべく、燃焼ガスを過渡的に冷却する熱交換装置を備える。熱交換装置は、高温の燃焼ガスを過渡的に冷却する冷却部と、降温した燃焼ガスを再熱する加熱部とを有する。冷却部は、燃焼域から導出した燃焼ガスを２００℃乃至３００℃程度の温度に冷却し、加熱部は、冷却部において受熱した顕熱を冷却後の燃焼ガスに放熱する。冷却部において降温した燃焼ガスは、所望により水蒸気発生装置の水蒸気と混合した後、加熱部において、導出直後の温度と同等の温度に昇温する。また、燃焼用空気は、燃焼用空気を８００℃以上、好ましくは、１０００℃以上の超高温域に予熱する空気予熱装置を介して、燃焼域に供給される。
【００２７】
図５（Ｂ）は、図１（Ｂ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略断面図である。燃焼装置は、図５（Ａ）に示す燃焼装置と実質的に同一の燃焼室１、強制給気ファン２、排ガス循環ファン３、水蒸気発生装置８、燃料混合装置１０及び空気供給装置３０を備える。燃焼装置は更に、熱交換装置１３、３３及び強制排気ファン４を有し、熱交換装置１３、３３は夫々、複数の区画に分割された蓄熱体１４、３４を備える。熱交換装置１３は、図１（Ｂ）に示す冷却部及び加熱部を構成し、熱交換装置３３は、図１（Ｂ）に示す空気予熱装置を構成する。熱交換装置１３、３３として、ディスク回転式の流路切換装置２０、４０を備えた高速切換式の蓄熱型熱交換器を好適に使用し、蓄熱体１３、１４として、多数の狭小流路を有するハニカム構造のセラミックス製蓄熱体を好適に使用し得る。この形式の熱交換装置の構造は、例えば、本願出願人による特願平７−２８４８２５号（特開平９−１２６６７５号公報）等に詳細に開示されているので、更なる詳細な説明は、省略する。
【００２８】
外気吸入路ＯＡ及び空気供給路ＣＡに接続された給気ファン２は、燃焼用空気を熱交換装置３３に導入し、排気ファン４は、燃焼ガス導出口９１、排気流路Ｅ１、熱交換装置３３及び排気流路Ｅ２を介して燃焼室１の燃焼ガスを誘引する。蓄熱体３４の各区画は、高温の燃焼排ガスと低温の燃焼用空気とに交互に伝熱接触し、燃焼排ガスが保有する顕熱を燃焼用空気に熱伝達し、燃焼用空気を８００℃以上の超高温域に加熱する。高温の燃焼用空気は、高温空気供給路ＳＡを介して空気供給装置３０に供給され、吐出口３５から燃焼室１内に流入する。他方、２００℃乃至３００℃程度に降温した排気流路Ｅ２の燃焼排ガスは、排気流路Ｅ３から系外に排気される。
【００２９】
排ガス循環路Ｒ３、Ｒ４に接続された排ガス循環ファン３は、燃焼ガス導出口９０、燃焼ガス導出路ＥＸ及び熱交換装置１３を介して燃焼室１の燃焼ガスを誘引する。蓄熱体１４の低温区画が、高温の燃焼ガスと伝熱接触して蓄熱し且つ燃焼ガスを冷却する。降温した燃焼ガスは、循環ファン３により加圧され、所望により水蒸気発生装置８の水蒸気と混合した後、蓄熱により昇温した蓄熱体１４の高温区画と伝熱接触する。燃焼ガス（及び水蒸気）は、蓄熱体１４を冷却するとともに、蓄熱体１４から受熱し、８００℃以上、好ましくは、１０００℃以上の超高温域に加熱され、高温の燃焼ガスとして燃焼ガス導入路ＲＧから燃料混合装置１０に供給される。所望により、燃焼ガスの一部は、燃焼排ガスとして排気流路ＥＧから系外に排気される。
【００３０】
図１（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示す実施形態によれば、燃料供給装置は、冷却部及び加熱部を構成する熱交換装置１３を介装した燃焼ガスの循環回路ＥＸ、ＲＧを備えており、循環ファン３の熱負荷及び熱応力は大幅に軽減する。燃料供給装置は又、燃焼用空気を上記超高温域に予熱する熱交換装置３３と関連しており、燃焼室１の燃焼域には、超高温予熱空気が供給される。
【００３１】
一般に、かかる超高温予熱空気による燃焼反応は、高速の燃焼用空気流の存在下に円滑に進行することが判明しており、燃焼用空気流の流速は、１０ｍ／ｓ以上の高速に設定し得る。高速の空気流は、炉内循環流を活性化するばかりでなく、広範な燃焼反応領域を燃焼室１内に形成する。しかも、低酸素濃度の燃焼ガスを多量に含む混合ガスは、超高温域に予熱された燃焼用空気と混合して自己着火し、低酸素濃度の高温燃焼雰囲気を炉内に形成する。混合ガス中の燃料成分は、高温燃焼雰囲気による燃焼反応の促進、燃焼ガス（及び水蒸気）との予混合による燃料の活性化、低酸素濃度に伴う燃焼反応の抑制、更には、高速流による燃焼反応の広域化等の作用を受け、広範な領域において緩慢に燃焼反応し、比較的低温且つ広域の燃焼火炎を燃焼域に生成する。このような低酸素濃度の高温燃焼雰囲気は、火炎の局所発熱及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を有効に抑制する。
【００３２】
図６は、図１（Ｂ）に示す燃料供給装置を備えた他の構成の燃焼装置を示す概略縦断面図である。なお、図６（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図６（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。また、図６において、上記各実施形態の各構成要素と実質的に同一又は均等な構成要素については、同一の参照符号が付されている。
【００３３】
図６に示す燃焼装置は、一対の燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂ及び一対の空気供給装置３０Ａ、３０Ｂを備える。燃焼装置は、熱交換装置の構成に関し、図５（Ｂ）に示す燃焼装置と相違しており、燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂは夫々、蓄熱体１４を内蔵し、空気供給装置３０Ａ、３０Ｂは夫々、蓄熱体３４を内蔵する。蓄熱体１４、３４として、ハニカム構造のセラミックス製蓄熱体を好適に使用し得る。燃焼装置は又、燃焼ガスの流路を切換える流路切換装置２０と、燃焼用空気の流路を切換える流路切換装置４０とを備える。流路切換装置２０、４０は、６０秒以下に設定された所定の時間間隔毎に第１位置（図６Ａ）又は第２位置（図６Ｂ）に交互に切換えられる。
【００３４】
第１燃焼工程（図６Ａ）において、給気ファン２は、外気吸入路ＯＡの外気を空気供給路ＣＡから流路切換装置４０に導入し、燃焼用空気は、給排流路Ｌ１を介して空気供給装置３０Ａに供給される。燃焼用空気は、空気供給装置３０Ａの蓄熱体３４と伝熱接触し、蓄熱体３４の放熱作用により上記超高温域に加熱され、しかる後、空気吐出口３５から燃焼室１に流入する。排気ファン４は、空気供給装置３０Ｂ、給排流路Ｌ２、流路切換装置４０及び排気流路Ｅ２、Ｅ３を介して燃焼室１の燃焼ガスを系外に排気する。空気供給装置３０Ｂの蓄熱体３４は、高温の燃焼排ガスと伝熱接触して加熱され、燃焼ガスは、降温する。
【００３５】
排ガス循環ファン３は、燃料混合装置１０Ｂ、排ガス循環路Ｒ２、Ｒ３及び流路切換装置２０を介して燃焼室１の燃焼ガスを誘引し、流路切換装置２０及び排ガス循環路Ｒ４、Ｒ１を介して燃焼ガスを燃料混合装置１０Ａに供給する。燃料混合装置１０Ｂを流通する燃焼室１の高温燃焼ガスは、燃料混合装置１０Ｂの蓄熱体１４と伝熱接触して冷却するとともに、蓄熱体１４を加熱する。降温した燃焼ガスは、所望により水蒸気発生装置８の水蒸気と混合した後、循環ファン３の循環圧力下に燃料混合装置１０Ａに供給され、燃料混合装置１０Ａの蓄熱体１４を流通し、高温の蓄熱体１４との熱交換により上記超高温域に加熱される。燃料混合装置１０Ａの燃料ノズル１１は、加熱後の燃焼ガス（及び水蒸気）に燃料を吐出し、燃焼ガス及び燃料の混合ガスは、燃料ガスとして燃料ガス噴射口１６から燃焼室１内に流入する。
【００３６】
第２燃焼工程（図６Ｂ）において、燃焼用空気は、外気吸入路ＯＡ、空気供給路ＣＡ、流路切換装置４０及び給排流路Ｌ２を介して空気供給装置３０Ｂに供給される。燃焼用空気は、空気供給装置３０Ｂの蓄熱体３４と熱交換し、上記超高温域に加熱され、高温の燃焼用空気として空気吐出口３５から燃焼室１に流入する。排気ファン４は、空気供給装置３０Ａ、給排流路Ｌ１、流路切換装置４０及び排気流路Ｅ２、Ｅ３を介して、燃焼ガスを系外に排気する。空気供給装置３０Ａの蓄熱体３４は、高温の燃焼ガスと伝熱接触して加熱され、燃焼排ガスは冷却される。
【００３７】
排ガス循環ファン３は、燃料混合装置１０Ａ、排ガス循環路Ｒ１、Ｒ３及び流路切換装置２０を介して燃焼室１の燃焼ガスを誘引し、流路切換装置２０及び排ガス循環路Ｒ４、Ｒ２を介して燃焼ガスを燃料混合装置１０Ｂに供給する。燃焼室１の高温燃焼ガスは、燃料混合装置１０Ａの蓄熱体１４と伝熱接触して冷却し、蓄熱体１４を加熱する。降温した燃焼ガスは、所望により水蒸気発生装置８の水蒸気と混合した後、循環ファン３の循環圧力下に燃料混合装置１０Ｂに供給され、燃料混合装置１０Ｂの蓄熱体１４と熱交換して上記超高温域に加熱される。燃料混合装置１０Ｂの燃料ノズル１１は、加熱後の燃焼ガス（及び水蒸気）に燃料を吐出し、燃焼ガス及び燃料の混合ガスは、燃料ガスとして燃料ガス噴射口１６から燃焼室１内に流入する。
【００３８】
図７は、図６に示す燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂの作用を概略的に示すブロックフロー図であり、図７（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図７（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。
【００３９】
上記燃焼装置の構成によれば、燃焼室１の燃焼ガスは、一方の燃料混合装置１０を介して燃焼域から導出され、排ガス循環ファン３の循環圧力下に循環路Ｒ１、Ｒ２を循環し、所望により水蒸気を添加した後、他方の燃料混合装置１０に供給され、再熱後に燃料と混合し、燃料ガスとして燃焼域に導入される。高温燃焼ガスの顕熱は、炉外導出時に蓄熱体１４に過渡的に蓄熱され、燃料と混合する直前の低温燃焼ガスに放熱される。第１及び第２燃焼工程が短時間に交互に反復実行され、燃焼ガス（及び水蒸気）は、連続的に冷却され且つ再熱される。
【００４０】
同様に、第１及び第２燃焼工程の反復により、燃焼用空気は、蓄熱体３４（図６）を介して燃焼ガスの顕熱を継続的に受熱し、連続的に超高温域に予熱される。混合ガス及び燃焼用空気は、隣接する燃料混合装置１０及び空気供給装置３０から燃焼室１に夫々導入され、燃焼室１の燃焼域には、上述の如く、緩慢な燃焼反応、燃料ガス流の容積及び流速の増大、更には、燃焼用空気の流速増大等に伴う広域且つ比較的低温の燃焼火炎が生成する。
【００４１】
本発明の更に他の実施形態が図１（Ｃ）に図示されている。図１（Ｃ）に示す燃料供給装置は、図１（Ｂ）に示す実施形態と類似し、燃焼ガスの冷却部及び加熱部と、空気予熱装置とを備える。しかしながら、本実施形態において、混合域１５は、加熱部と循環装置との間に配置される。このような実施形態によれば、燃料は、冷却部において降温した燃焼ガス（及び水蒸気）と混合し、混合域の混合ガスは、加熱部において上記超高温域に加熱される。加熱部における混合ガスの昇温過程により、混合ガスの熱分解反応及び水蒸気改質反応が生じ、混合ガスは、比較的多量の炭化水素ラジカル、水素、炭素又は一酸化炭素等を含む良質の燃料ガスに改質される。
【００４２】
図８は、図１（Ｃ）に示す構成の燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図であり、図８（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図８（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。上記各実施形態の各構成要素と実質的に同一又は均等な構成要素については、同一の参照符号が付されている。
【００４３】
図８に示す燃焼装置は、蓄熱体１４を内蔵した燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂと、蓄熱体３４を内蔵した空気供給装置３０Ａ、３０Ｂと、燃焼ガス及び燃焼用空気の流路を切換える流路切換装置２０、４０とを備えた点において、図６に示す燃焼装置と類似する。しかしながら、図８に示す燃焼装置では、蓄熱体１４は、燃焼室１と混合域１５との間に介装され、蓄熱体１４の狭小流路は、燃焼室１と混合域１５とを相互連通する。
【００４４】
第１燃焼工程（図８Ａ）において、燃料混合装置１０Ａの燃焼ガス導入部１２に供給された低温の燃焼ガス（及び水蒸気）は、燃料混合装置１０Ａの燃料ノズル１１から吐出した燃料と混合し、燃焼ガス（及び水蒸気）と燃料との混合ガスは、燃料混合装置１０Ａの蓄熱体１４を流通し、高温の蓄熱体１４との熱交換により上記超高温域に加熱される。高温の燃料ガスは、燃料ガス噴射口１６から燃焼室１内に流入する。
【００４５】
第２燃焼工程（図８Ｂ）において、燃料混合装置１０Ｂの燃焼ガス導入部１２に供給された低温の燃焼ガス（及び水蒸気）は、燃料混合装置１０Ｂの燃料ノズル１１から吐出した燃料と混合し、燃焼ガス（及び水蒸気）と燃料との混合ガスは、燃料混合装置１０Ｂの蓄熱体１４を流通し、高温の蓄熱体１４との熱交換により上記超高温域に加熱された後、燃料ガス噴射口１６から燃焼室１内に流入する。
【００４６】
混合ガスは、燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂの蓄熱体１４を流通する間に受熱し、熱分解反応し、比較的良質の燃料ガスに改質される。燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂから燃焼室１内に噴射した混合ガスは、隣接する燃焼用空気吐出口３５から燃焼域に流入する高温の燃焼用空気と混合し、低酸素濃度且つ高温の燃焼雰囲気による広範な燃焼火炎を燃焼室１に生成する。
【００４７】
図２（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）には、本発明の他の実施形態が示されている。図２（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、図１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の各実施形態と概ね相応した構成を有するが、図２に示す各実施形態では、燃焼ガスの一部が燃焼用空気と混合する。図２（Ａ）に示す燃料供給装置において、炉外に導出された燃焼ガス（及び水蒸気）は、燃料との混合域に導入されるばかりでなく、燃焼用空気との混合域にも導入される。図２（Ｂ）に示す燃料供給装置は、高温予熱空気と高温燃焼ガスとを混合する混合域を備えており、加熱部において再熱された燃焼ガス（及び水蒸気）の一部が、高温予熱装置により超高温に予熱された燃焼用空気と混合する。図２（Ｃ）に示す燃料供給装置は、燃焼用空気と低温燃焼ガス（及び水蒸気）とを混合する混合域を備えており、冷却部において２００℃乃至３００℃程度の温度域に降温した燃焼ガス（及び水蒸気）の一部が、高温に予熱する前の常温空気と混合する。
【００４８】
このような実施形態によれば、燃焼用空気と燃焼ガス（及び水蒸気）と混合により燃焼用空気の酸素濃度が低下し、燃焼用空気の燃焼反応性が抑制される。低酸素濃度の燃焼用空気は、同様に燃焼ガス（及び水蒸気）により希釈された低酸素濃度の燃料ガスと混合し、低酸素濃度の燃焼雰囲気を燃焼域に形成する。この結果、燃焼域には、緩慢な燃焼反応が進行し、広域且つ均等な火炎が生成する。
【００４９】
図９（Ａ）、（Ｂ）及び図１０は、図２に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。図９及び図１０において、上記各実施形態の各構成要素と実質的に同一又は均等な構成要素については、同一の参照符号が付されている。
【００５０】
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示す燃焼装置は、空気供給装置３０に接続された燃焼ガス導入路ＲＧの分流路Ｒ５を備える。燃焼ガス導入路ＲＧを流通する燃焼ガス（及び水蒸気）は、分流路Ｒ５の分岐部で分流し、燃焼ガス（及び水蒸気）の一部は、空気供給装置３０において燃焼用空気と混合する。
【００５１】
図１０に示す燃焼装置では、排ガス循環路Ｒ１の分岐路Ｒ５が、空気供給装置３０Ａに接続され、排ガス循環路Ｒ２の分岐路Ｒ６が、空気供給装置３０Ｂに接続される。第１燃焼工程（図１０Ａ）において、排ガス循環路Ｒ１の燃焼ガス（及び水蒸気）は、分岐路Ｒ５から部分的に空気供給装置３０Ａに導入され、燃焼用空気と混合する。第２燃焼工程（図１０Ｂ）において、排ガス循環路Ｒ２の燃焼ガス（及び水蒸気）は、分岐路Ｒ６から部分的に空気供給装置３０Ｂに導入され、燃焼用空気と混合する。
【００５２】
図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）には、本発明の更に他の実施形態が示されている。図３に示す実施形態は、燃焼ガス中の水蒸気の作用を殊に重視した構成のものであり、燃焼ガスの熱により７００℃以上、好ましくは、１０００℃以上、更に好ましくは、１５００℃以上の超高温に加熱された水蒸気が、燃料と混合する。即ち、前述の各実施形態では、燃料に含まれる炭化水素の改質反応は、主として、燃焼ガス中の高温水蒸気の存在により効果的に進行しているものと考えられるが、本実施形態では、このような高温水蒸気の作用を更に顕在化すべく、燃焼ガスが保有する顕熱を水蒸気に伝熱して水蒸気を７００℃以上に超高温に加熱し、高温の水蒸気を燃料と混合するようにしている。高温水蒸気は、改質材且つ高温熱媒体として機能し、燃料は、高温水蒸気の作用により、比較的多量の炭化水素ラジカル、水素、炭素又は一酸化炭素等を含む良質の燃料に改質され、高温の燃焼用空気と混合して燃焼する。なお、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示す装置では、燃焼ガスは、水蒸気を加熱した後、系外に排気される。
【００５３】
図１１、図１２及び図１３は、図３の各図に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。図１１乃至図１３の各図に示す燃焼装置は、図６に示す燃焼装置と類似した全体構成を備える。しかしながら、本実施形態では、水蒸気発生装置８の水蒸気が、水蒸気供給路ＳＴを介して流路切換装置２０及び／又は外気吸入路ＯＡに供給される。水蒸気は、蓄熱体１４、３４と伝熱接触し、７００℃以上の高温に加熱された後、燃料と混合する。なお、図１１には、燃焼装置の第１燃焼工程（図１１Ａ）及び第２燃焼工程（図１１Ｂ）が示されており、図１２及び図１３には、燃焼装置の第１燃焼工程のみが図示されている。
【００５４】
図４には、本発明の更に他の実施形態が示されている。図４に示す実施形態は、高温水蒸気を燃料と混合して燃料の改質反応を促進する点において、図３に示す実施形態と類似するが、本実施形態では、燃料供給装置は、水蒸気を高温に加熱する水蒸気加熱装置を更に備える。水蒸気加熱用の燃料及び燃焼用空気が、水蒸気加熱装置の燃焼室に供給され、水蒸気発生装置の水蒸気は、燃焼室の燃焼熱を受熱し、７００℃以上の高温に加熱される。高温水蒸気は、混合域に供給され、燃料と混合して燃料を改質する。燃料及び高温水蒸気の混合気は、良質の燃料ガスとして高温の燃焼用空気と更に混合し、燃焼装置の燃焼域において燃焼する。
【００５５】
図１４は、図４に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図であり、図１５及び図１６は、水蒸気加熱装置の構成を示す断面図である。
図１４に示す如く、水蒸気加熱装置８０は、水蒸気供給路ＬＳを介して水蒸気発生装置８に接続されるとともに、高温水蒸気供給路ＨＳを介して流路切換装置２０に接続される。高温水蒸気は、第１燃焼工程（図１４Ａ）において、燃料混合装置１０Ａの混合域１５に導入され、第２燃焼工程（図１４Ｂ）において、燃料混合装置１０Ｂの混合域１５に導入される。いずれの燃焼工程においても、高温水蒸気は、燃料ノズル１１から吐出した燃料と混合した後、燃料ガス噴射口１６から燃焼室１内に流入する。高温水蒸気は、混合域１５に高温雰囲気を形成するとともに、炭化水素系燃料と水蒸気改質反応し、燃料を良質の燃料ガスに改質する。
【００５６】
図１５及び図１６に示す如く、水蒸気加熱装置８０は、加熱炉本体８８、４方弁９５及び切換制御弁８５、８６、８７を備える。加熱炉本体８８は、左右一対のハニカム型蓄熱体８１、燃焼室８２、燃焼用空気吐出部８３及び燃料ノズル８４を有する。燃焼用空気供給路ＳＡ及び燃料供給路ＳＦの空気及び燃料が、制御弁８５、８６の制御下に空気吐出部８３及び燃料ノズル８４から燃焼室８２のいずれか一方に交互に供給され、水蒸気供給路ＬＳの水蒸気が、４方弁９５の制御下に蓄熱体８１のいずれか一方に交互に供給される。燃焼室８２に生成した高温の燃焼ガスは、蓄熱体８１を加熱した後、排気路ＥＡ及び排気流路ＥＧから排気される。比較的低温の水蒸気は、分配路Ｌ１又はＬ２から高温の蓄熱体８１に供給され、蓄熱体８１に伝熱接触して８００℃以上の高温に加熱された後、供給路ＨＳに流出し、流路切換装置２０（図１４）に供給される。所望により、制御弁８７を開放し、排ガス循環路Ｒ３の燃焼ガスの一部又は全量を燃焼ガス流路ＥＢから水蒸気供給路ＬＳに導入し、水蒸気供給路ＬＳの水蒸気流に混合しても良い。
【００５７】
【実施例】
以下、図１７乃至図２２を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。なお、以下の各図において、図１乃至図１６に示す各構成要素と実質的に同一又は均等な構成要素については、同一の参照符号が付されている。
【００５８】
図１７は、本発明の第１実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置を示す断面図である。図１７（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図１７（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。
【００５９】
図１７に示す燃焼装置は、図６に示す燃焼装置の構成を更に具体化したものであり、空気供給装置３０Ａ、３０Ｂ、流路切換装置４０及び給気ファン２を備えるとともに、燃料供給装置を構成する燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂ、流路切換装置２０及び排ガス循環ファン３を備える。流路切換装置２０、４０は、第１位置（図１７Ａ）又は第２位置（図１７Ｂ）に交互に切換えられる。燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂ及び空気供給装置３０Ａ、３０Ｂは、所定の傾斜角度をなして燃焼室１の炉体Ｗに固定される。装置１０Ａ、３０Ａの中心軸線は、燃焼室１内の燃焼域において交差するように配向され、装置１０Ｂ、３０Ｂの中心軸線は、燃焼室１内の燃焼域において交差するように配向される。
【００６０】
燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂは、円筒形ケーシング１７と、ケーシング１７内に収容された蓄熱体１４と、蓄熱体１４の中心部を貫通する燃料ノズル１１とから概ね構成される。ケーシング１７の先端部は、截頭円錐形の縮径部１６ａを有し、燃料ガス噴射口１６が、縮径部１６ａの先端に開口する。燃料ノズル１１の燃料噴射口１１ａが、燃料ガス噴射口１６から若干引っ込んだ位置に配置され、混合域１５が、燃料ガス噴射口１６と燃料噴射口１１ａとの間に形成される。ケーシング１７の底部は、底板１９により閉塞し、燃焼ガス導入部１２が、蓄熱体１４と底板１９との間に画成される。導入部１２は、燃焼ガスポート１８と連通し、ポート１８は、排ガス循環路Ｒ１、Ｒ２に接続される。燃料ノズル１１は、底板１９を貫通し、燃料供給管Ｆ１、Ｆ２に接続され、燃料供給制御弁Ｖ１、Ｖ２が、燃料供給管Ｆ１、Ｆ２に夫々介装される。
【００６１】
空気供給装置３０Ａ、３０Ｂは、円筒形ケーシング３７と、ケーシング３７内に収容された蓄熱体３４とから概ね構成される。ケーシング３７の先端部は、截頭円錐形の縮径部３６ａを有し、燃焼用空気吐出口３５が、縮径部３６ａの先端に開口する。ケーシング３７の底部は、底板３９により閉塞し、燃焼用空気導入部３２が、蓄熱体３４と底板３９との間に画成される。導入部３２は、燃焼用空気ポート３８と連通し、ポート３８は、給排流路Ｌ１、Ｌ２に接続される。
【００６２】
蓄熱体１４、３４は、多数の正方形断面のセル孔を備えた格子状のセラミックス製ハニカム構造体からなる。ハニカム構造体は、ケーシング１７、３７内に組込み可能な断面寸法及び全長を有し、各セル孔は、燃焼ガス又は燃焼用空気を流通可能な狭小流路を構成する。セル壁の壁厚及び各セル壁のピッチ（間隔）は、好ましくは、蓄熱体の容積効率の最大値に相応し且つ０．７乃至１．０の範囲内の温度効率を達成可能な壁厚及びピッチに設定される。
【００６３】
流路切換装置２０は、第１位置又は第２位置に選択的に切換制御可能な高速切換式の４方弁からなり、中心回転軸２５に固定された板状の弁体２６を有する。流路切換装置２０は、排ガス循環路Ｒ１、Ｒ２に夫々接続された給排ポート２１、２２と、排ガス循環路Ｒ３、Ｒ４に夫々接続されたバイパスポート２３、２４とを備える。循環路Ｒ３は、排ガス循環ファン３の吸引口に接続され、循環路Ｒ４は、循環ファン３の吐出口に接続される。循環路Ｒ４には、排気流路ＥＧ及び水蒸気供給路ＳＴが接続され、所望により、燃焼ガスの一部が系外に排気され、水蒸気発生装置（図示せず）の水蒸気が、循環路Ｒ４の燃焼ガス流に注入される。
【００６４】
流路切換装置４０は、流路切換装置２０と同時に第１位置及び第２位置に切換制御可能な高速切換式の４方弁からなり、中心回転軸４５に固定された板状の弁体４６を有する。流路切換装置４０は、燃料用空気供給路ＣＡに接続された給気ポート４１、排気流路Ｅ２に接続された排気ポート４２、給排流路Ｌ１、Ｌ２に夫々接続された給排ポート４３、４４を備える。
【００６５】
第１燃焼工程（図１７Ａ）において、流路切換装置２０、４０は、第１位置に保持される。燃焼室１の燃焼ガスは、燃料混合装置１０Ｂの蓄熱体１４を介して排ガス循環ファン３に吸引される。燃焼ガスは、循環ファン３により加圧され、所望により供給路ＳＴの水蒸気を添加された後、燃料混合装置１０Ａの蓄熱体１４を介して同混合域１５に吐出する。燃料供給制御弁Ｖ１は、燃料混合装置１０Ａの燃料ノズル１１に燃料を供給し、燃料は、燃料混合装置１０Ａの混合域１５に吐出する。燃料と燃焼ガス（及び水蒸気）とは、混合域１５において混合し、混合ガスは、燃料ガスとして燃料ガス噴射口１６から燃焼室１内に流出する。燃焼室１の燃焼ガスは又、空気供給装置３０Ｂの蓄熱体１４を介して給排流路Ｌ２に導出され、排気ファン（図示せず）の排気誘引圧力下に流路切換装置４０及び排気流路Ｅ２を介して系外に排気される。給気ファン２は、燃料用空気供給路ＣＡ、流路切換装置４０及び給排流路Ｌ１を介して燃焼用空気を空気供給装置３０Ａの蓄熱体３４に導入し、蓄熱体３４を流通した燃焼用空気は、燃焼用空気吐出口３５から燃焼室１内に流出する。装置１０Ａ、３０Ａから吐出した燃料ガス流及び燃焼用空気流は、燃焼室１内において混合し、燃料ガスは、燃焼する。
【００６６】
第２燃焼工程（図１７Ｂ）において、流路切換装置２０、４０は、第２位置に保持される。燃焼室１の燃焼ガスは、燃料混合装置１０Ａの蓄熱体１４を介して排ガス循環ファン３に吸引される。燃焼ガスは、循環ファン３により加圧し且つ所望により供給路ＳＴの水蒸気を添加した後、燃料混合装置１０Ｂの蓄熱体１４を介して混合域１５に吐出する。燃料供給制御弁Ｖ２は、燃料混合装置１０Ｂの燃料ノズル１１に燃料を供給し、燃料は、燃料混合装置１０Ｂの混合域１５に吐出する。燃料と燃焼ガス（及び水蒸気）とは、混合域１５において混合し、混合ガスは、燃料ガスとして燃料ガス噴射口１６から燃焼室１内に流出する。燃焼室１の燃焼ガスは又、空気供給装置３０Ａの蓄熱体１４を介して給排流路Ｌ１に導出され、排気ファン（図示せず）の排気誘引圧力下に流路切換装置４０及び排気流路Ｅ２を介して系外に排気される。給気ファン２は、燃料用空気供給路ＣＡ、流路切換装置４０及び給排流路Ｌ２を介して燃焼用空気を空気供給装置３０Ｂの蓄熱体３４に導入し、蓄熱体３４を流通した燃焼用空気は、燃焼用空気吐出口３５から燃焼室１内に流出する。装置１０Ｂ、３０Ｂから吐出した燃料ガス流及び燃焼用空気流は、燃焼室１内において混合し、燃料ガスは、燃焼する。
【００６７】
流路切換装置２０、４０は、６０秒以下に設定された所定の時間間隔で第１位置又は第２位置に交互に切換えられ、第１燃焼工程（図１７Ａ）及び第２燃焼工程（図１７Ｂ）は、交互に実行される。燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂの各蓄熱体１４は、高温の燃焼ガスに伝熱接触して燃焼ガスを冷却する蓄熱作用と、冷却した燃焼ガスに伝熱接触して燃焼ガスを超高温域に加熱する放熱作用とを反復する。従って、排ガス循環路Ｒ３、Ｒ４の燃焼ガス温度は低下するので、排気循環ファン３の熱負荷及び熱応力は軽減する一方、混合域１５に吐出すべき燃焼ガス（及び水蒸気）は、導出直後の温度よりも僅かに低い温度に再熱される。空気供給装置３０Ａ、３０Ｂの各蓄熱体３４は、高温の燃焼ガスに伝熱接触して燃焼ガスを冷却する蓄熱作用と、低温の燃焼用空気に伝熱接触して燃焼用空気を超高温域に加熱する放熱作用とを反復する。従って、燃焼排ガスが保有する顕熱は、蓄熱体１４を介して燃焼用空気に熱伝達し、燃焼用空気吐出口３５から吐出する燃焼用空気は、継続的に超高温域に予熱される。
【００６８】
このように高温の燃焼用空気及び高温の混合ガスの噴射流が、燃料ガス噴射口１６及び燃焼用空気吐出口３５から燃焼域に噴流し、燃料混合装置１０及び空気供給装置３０の中心軸線の交差領域において混合し、低酸素濃度の高温燃焼雰囲気が交差領域に形成される。流路断面積を制限した燃料ガス噴射口１６及び燃焼用空気吐出口３５における燃料ガス及び燃焼用空気の流速は、例えば、１０ｍ／ｓを超える高速に設定され、高速の燃料ガス流及び燃焼用空気流が、燃焼室１内に流入する。燃焼用空気の流量と概ね同等の流量を有する燃料ガス流は、燃焼用空気流と同等の運動量を有し、従って、燃焼用空気流と独立した燃料ガス流の制御を実行することが可能となる。
【００６９】
また、燃料噴射口１１ａから噴射した燃料は、蓄熱体１４の炉内側端面から吐出した高温の燃焼ガスと混合し、炉内に噴射する混合ガスは、多量の高温燃焼ガスを含む燃料ガス噴流として混合域１５から炉内に流入する。即ち、従来の炉内再循環ガス流による燃料の希釈法では、燃料噴流と炉内燃焼ガス流とを炉内領域で混合することにより、燃料及び燃焼ガスを混合していたのに対し、本発明では、燃料は、炉内に流入する前に既に高温燃焼ガスと混合しており、炉内燃焼ガス流との混合を格別に要しない。しかも、燃焼ガス及び燃料の混合ガス流は、炉内燃焼ガス循環流の影響を実質的に受けない十分な運動量を有する燃料ガス流として炉内に導入され、燃焼用空気流と衝突し、緩慢に燃焼反応する。このような燃焼法によれば、炉内の燃焼ガス循環流に影響されることなく、燃料ガス流と燃焼用空気流とを炉内の所望の位置で混合し、火炎の位置及び範囲を任意に制御することができる。
【００７０】
更に、燃料及び燃焼ガスは、混合域１５において混合するので、燃料と、燃焼ガス（及び水蒸気）との混合過程及び混合比を任意に設定するとともに、かかる制御を確実に実行することができ、しかも、燃料ガス流は、十分な運動量を有するので、所望の炉内位置で燃焼用空気流と混合することができる。かくして、上記構成によれば、燃料、燃焼ガス（及び水蒸気）、燃焼用空気の混合過程及び混合比を確実に制御することが可能となる。
【００７１】
また、水蒸気の注入により比較的多量の水蒸気を含む燃焼ガスは、高温に加熱された後、燃料と混合するので、燃料は、燃焼ガス中の高温水蒸気の改質作用により比較的良質の燃料に改質される。ここに、高温の燃焼ガス及び水蒸気は、水蒸気改質反応（吸熱反応）に要する顕熱を混合域１５に供給する高温熱媒体又は熱源としても作用する。
【００７２】
図１８は、本発明の第２実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。図１８（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図１８（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。
【００７３】
図１８に示す実施例は、上記第１実施例と実質的に同じ構造を有する流路切換装置２０、４０、給気ファン２及び排ガス循環ファン３を備え、流路切換装置２０、４０は、所定の時間間隔において第１位置（図１８Ａ）又は第２位置（図１８Ｂ）に交互に切換えられる。本例において、燃料混合装置１０は、上記第１実施例の燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂを実質的に一体化した構造を有し、空気供給装置３０は、上記第１実施例の空気供給装置３０Ａ、３０Ｂを実質的に一体化した構造を有する。
【００７４】
燃料混合装置１０は、一対の蓄熱体１４Ａ、１４Ｂを備える。第１燃焼工程（図１８Ａ）において、燃焼室１の燃焼ガスは、第２蓄熱体１４Ｂを介して炉外に導出され、排ガス循環ファン３により加圧された後、所望により、水蒸気供給路ＳＴの水蒸気を添加される。燃焼ガス（及び水蒸気）は、第１蓄熱体１４Ａから混合域１５に吐出し、燃料ノズル１１が噴射する燃料と混合し、燃料ガスとして燃焼室１内に流入する。第２燃焼工程（図１８Ｂ）において、燃焼室１の燃焼ガスは、第１蓄熱体１４Ａを介して炉外に導出され、排ガス循環ファン３により加圧された後、所望により、水蒸気供給路ＳＴの水蒸気を添加される。燃焼ガス（及び水蒸気）は、第２蓄熱体１４Ｂから混合域１５に吐出し、燃料ノズル１１が噴射する燃料と混合し、燃料ガスとして燃焼室１内に流入する。流路切換装置２０は、第１及び第２位置に交互に切換制御され、蓄熱体１４Ａ、１４Ｂは、蓄熱作用及び放熱作用を反復する。燃料供給管Ｆ１の燃料供給制御弁Ｖ１は、燃料ノズル１１に対して常時燃料を供給する。燃料は、混合域１５に常時吐出し、蓄熱体１４Ａ又は蓄熱体１４Ｂの一方より吐出した高温の燃焼ガス（及び水蒸気）と混合し、混合ガス（燃料ガス）を連続生成する。
【００７５】
同様に、空気供給装置３０も又、一対の蓄熱体３４Ａ、３４Ｂと、蓄熱体３４Ａ、３４Ｂの間に配置された燃料ノズル３１とを備える。第１燃焼工程（図１８Ａ）において、燃焼室１の燃焼ガスは、第２蓄熱体３４Ｂを介して炉外に導出され、排気流路Ｅ２から系外に排気され、他方、燃焼用空気は、給気ファン２の給気押込み圧力下に第１蓄熱体３４Ａから燃焼室１内に導入される。第２燃焼工程（図１８Ｂ）において、燃焼室１の燃焼ガスは、第１蓄熱体３４Ａを介して炉外に導出され、排気流路Ｅ２から系外に排気され、他方、燃焼用空気は、給気ファン２の給気押込み圧力下に第２蓄熱体３４Ｂから燃焼室１内に導入される。流路切換装置４０は、流路切換装置２０と同時に第１位置又は第２位置に切換制御され、蓄熱体３４Ａ、３４Ｂは、蓄熱作用及び放熱作用を反復する。燃料ノズル３１は、燃料供給制御弁Ｖ３を備えた燃料供給管Ｆ３に接続される。燃料ノズル３１は、燃焼装置の起動時の如く炉温が比較的低温の時期（冷間時）にのみ、燃料を燃料ノズル３１に供給する。燃料ノズル３１の先端に位置する燃料噴射口は、燃料を噴射し、比較的多量の酸素を含む燃焼用空気による燃料の燃焼反応を燃焼域に生起する。燃料ノズル３１は、炉温が所定温度に上昇した時期（熱間時）に燃料の噴射を停止する。
【００７６】
燃料混合装置１０及び空気供給装置３０は、所定の傾斜角度をなして燃焼室１の炉体Ｗに固定され、装置１０、３０の中心軸線は、燃焼室１の燃焼域において交差するように配向される。空気供給装置３０から燃焼室１内に流入した燃焼用空気は、燃料混合装置１０から燃焼室１内に流入した混合ガス（燃料ガス）と混合し、燃焼反応する。
【００７７】
このような燃焼装置によれば、上記第１実施例と同様、燃料、燃焼ガス（及び水蒸気）、そして、燃焼用空気の混合過程及び混合比の制御性を向上し得るばかりでなく、燃料ノズル１１の燃料噴射時期を切換制御することなく、燃料を燃料ノズル１１から連続的に噴射することができる。なお、上記燃料ノズル３１の燃料噴射を熱間時に継続しても良く、この場合、燃料ノズル３１の燃料噴射量は、熱間時に制限される。
【００７８】
図１９は、本発明の第３実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。図１９（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図１９（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。
【００７９】
図１９に示す実施例は、上記第１及び第２実施例と実質的に同じ構造を有する流路切換装置２０、４０、給気ファン２及び排ガス循環ファン３を備え、流路切換装置２０、４０は、所定の時間間隔で第１位置（図１９Ａ）又は第２位置（図１９Ｂ）に交互に切換えられる。各燃料ノズル１１は、流路切換装置２０、４０と同期制御され、交互に燃料を噴射する。
【００８０】
本例の燃料供給装置は、複合燃焼装置５０Ａに組込まれた燃料混合装置１０Ａと、複合燃焼装置５０Ｂに組込まれた燃料混合装置１０Ｂとを備える。このような燃料供給装置の構成は、図６に示す実施形態を更に具体化したものである。
【００８１】
複合装置５０Ａを構成する燃料混合装置１０Ａは、燃料ノズル１１、蓄熱体１４、ケーシング１７及び燃焼ガス導入部１２を備え、空気供給装置３０Ａは、燃料混合装置１０Ａの外側に配置された蓄熱体３４、ケーシング３７及び燃焼用空気導入部３２を備える。燃焼ガスポート１８は、排ガス循環路Ｒ１に接続され、燃焼用空気ポート３８は、給排流路Ｌ１に接続される。また、燃料ノズル１１は、燃料供給制御弁Ｖ１を備えた燃料供給管Ｆ１に接続される。
【００８２】
複合装置５０Ｂは、複合装置５０Ａの燃料混合装置１０Ａ及び空気供給装置３０Ａと実質的に同一の構成を有する燃料混合装置１０Ｂ及び空気供給装置３０Ｂからなり、複合装置５０Ｂの各部構成は、複合装置５０Ａと対称に構成される。複合装置５０Ｂの燃焼ガスポート１８は、排ガス循環路Ｒ２に接続され、燃焼用空気ポート３８は、給排流路Ｌ２に接続される。また、燃料混合装置１０Ｂの燃料ノズル１１は、燃料供給制御弁Ｖ２を備えた燃料供給管Ｆ２に接続される。
【００８３】
第１燃焼工程（図１９Ａ）において、燃焼室１の燃焼ガスは、複合装置５０Ｂの蓄熱体１４、３４を介して排ガス循環路Ｒ２及び給排流路Ｌ２に導出される。循環路Ｒ２の燃焼ガスは、流路切換装置２０を介して排ガス循環ファン３に誘引される。燃焼ガスは、循環ファン３により加圧され且つ所望により水蒸気を注入された後、複合装置５０Ｂの蓄熱体１４から混合域１５に吐出し、燃料ノズル１１が噴射する燃料と混合し、燃焼室１内に流入する。他方、給排流路Ｌ２の燃焼ガスは、流路切換装置４０及び排気流路Ｅ２を介して系外に排気される。また、燃焼用空気は、複合装置５０Ａの蓄熱体３４を流通して複合装置５０Ａの吐出口３５から燃焼室１に流入する。
【００８４】
第２燃焼工程（図１９Ｂ）において、燃焼室１の燃焼ガスは、複合装置５０Ａの蓄熱体１４、３４を介して排ガス循環路Ｒ１及び給排流路Ｌ１に導出される。循環路Ｒ１の燃焼ガスは、流路切換装置２０を介して排ガス循環ファン３に誘引される。燃焼ガスは、循環ファン３により加圧され且つ所望により水蒸気を注入された後、複合装置５０Ｂの蓄熱体１４から混合域１５に吐出し、燃料ノズル１１が噴射する燃料と混合し、燃焼室１内に流入する。他方、給排流路Ｌ１の燃焼ガスは、流路切換装置４０及び排気流路Ｅ２を介して系外に排気される。また、燃焼用空気は、複合装置５０Ｂの蓄熱体３４を流通して複合装置５０Ｂの吐出口３５から燃焼室１に流入する。
【００８５】
流路切換装置２０、４０は、６０秒以下に設定された所定の時間間隔において第１位置又は第２位置に同期切換制御され、蓄熱体１４、３４は、蓄熱作用及び放熱作用を反復する。複合装置５０Ａ、５０Ｂから吐出した燃料ガス流及び燃焼用空気流は、燃焼室１内の燃焼域において混合し、燃焼反応する。
【００８６】
このような実施例によれば、燃料ノズル１１の燃料流体は、蓄熱体１４から流出する高温燃焼ガス流の中心部に噴射され、燃焼ガス流の中心部から燃焼ガスと混合する。燃焼用空気流は、燃焼ガス流を囲むように蓄熱体３４から流出し、燃焼ガス流の外縁領域から燃焼ガス及び燃料の混合ガス（燃料ガス）と反応する。従って、燃焼ガス（及び水蒸気）流は、燃料噴射流と燃焼用空気流とを確実に隔絶する環状の干渉帯を形成し、燃料流体は、燃焼用空気と直に反応することなく、燃焼ガス（及び水蒸気）と混合した後に燃焼用空気と反応する。
【００８７】
図２０は、本発明の第４実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。図２０（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図２０（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。
【００８８】
図２０に示す実施例は、図１（Ｃ）及び図８に示す実施形態を更に具体化した構成のものであり、燃料ノズル１１は、燃焼ガス導入部１２に配置され、燃焼ガス導入部１２は、混合域１５として機能する。即ち、第１燃焼工程（図２０Ａ）において、燃料混合装置１０Ａの燃料ノズル１１が噴射した燃料は、燃焼ガス導入部１２内の混合域１５において低温の燃焼ガス（及び水蒸気）と混合し、混合ガスは、燃料混合装置１０Ａの蓄熱体１４を流通し、高温の蓄熱体１４により加熱される。他方、第２燃焼工程（図２０Ｂ）において、燃料混合装置１０Ｂの燃料ノズル１１が噴射した燃料は、燃焼ガス導入部１２内の混合域１５において低温の燃焼ガス（及び水蒸気）と混合し、混合ガスは、燃料混合装置１０Ｂの蓄熱体１４を流通し、高温の蓄熱体１４により加熱される。本例において、燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂの燃料ガス噴射口１６及び燃焼用空気吐出口３５は、縮径部を備えず、噴射口１６及び吐出口３５は、比較的大きな流路面積を有する。噴射口１６及び吐出口３５から噴射した高温の混合ガス及び燃焼用空気は、燃焼室１内の燃焼域において混合し、燃焼反応する。その他の構成及び作動形態は、図１７に示す第１実施例と実質的に同一であるので、更なる詳細な説明は、省略する。
【００８９】
本実施例によれば、混合ガスは、燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂの蓄熱体１４を流通する間に受熱し、高温に加熱された後、燃焼室１内の燃焼域において高温の燃焼用空気と混合し、低酸素濃度且つ高温の燃焼雰囲気の広範な燃焼火炎を燃焼室１内に生成する。
【００９０】
図２１は、本発明の第５実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。図２１（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図２１（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。
【００９１】
図２１は、図２及び図１０に示す実施形態を更に具体化した構成のものであり、空気供給装置３０Ａ、３０Ｂの燃焼用空気導入部３２は、燃焼ガス導入ポート６０を介して、排ガス循環路Ｒ１、Ｒ２の分岐路Ｒ５、Ｒ６と連通する。ポート６０を介して導入部３２に導入された燃焼ガス（及び水蒸気）は、燃焼用空気と混合し、燃焼用空気及び燃焼ガスの混合流体は、蓄熱体３４により上記超高温域に予熱された後、吐出口３５から炉内に流入する。このような構成によれば、燃料と同様に、燃焼用空気も又、炉内導入前に燃焼ガス（及び水蒸気）と混合し、燃焼用空気の燃焼反応性は、低下する。燃焼ガス及び燃焼用空気の混合気は、炉内に導入され、同様に燃焼ガス（及び水蒸気）により希釈した燃料ガス流と炉内燃焼域で衝突混合し、低酸素濃度の緩慢な燃焼反応を燃焼域に生じさせる。なお、図２１に示す燃焼装置の基本構成及び作動は、図１７に示す実施例と実質的に同一であるので、更なる詳細な説明は、省略する。
【００９２】
図２２は、本発明の第６実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）は、燃焼装置の第１燃焼工程及び第２燃焼工程を夫々示す。
【００９３】
図２２は、図３及び図１１に示す実施形態を更に具体化した構成のものであり、排気流路ＥＧが循環ファン３の吐出口に接続され、水蒸気発生装置８の水蒸気供給路ＳＴ１が、流路切換装置２０のバイパスポート２４に接続される。水蒸気発生装置８は又、水蒸気供給路ＳＴ２を介して外気吸入路ＯＡに供給される。水蒸気発生装置８の水蒸気は、水蒸気供給路ＳＴ１：ＳＴ２を介して流路切換装置２０及び外気吸入路ＯＡに供給され、蓄熱体１４、３４と伝熱接触し、７００℃以上の高温に加熱される。混合域１５に吐出した高温水蒸気は、燃料ノズル１１の炭化水素系燃料と混合し、燃料は、炭化水素の水蒸気改質反応により、比較的多量の炭化水素ラジカル、水素、炭素又は一酸化炭素等を含む良質の燃料に改質される。このような構成によれば、重質油等の比較的重質又は低質、或いは、低品位の炭化水素系燃料を軽質又は良質、或いは、高品位の燃料に改質することができる。改質後の燃料を含む燃料ガスは、燃焼用空気吐出口３５から炉内に流出した高温空気及び高温水蒸気と更に混合し、低酸素濃度且つ高温の燃焼雰囲気の広範な燃焼火炎を燃焼室１内に生成する。
【００９４】
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能であり、該変形例又は変更例も又、本発明の範囲内に含まれるものであることは、いうまでもない。
【００９５】
例えば、上記各実施例では、４方弁構造の切換弁を流路切換装置として使用しているが、複数の開閉弁を組合せた構成の流路切換装置を使用しても良い。
【００９６】
また、燃料混合装置及び空気加熱装置の構造は、上記実施例の構造に限定されるものではなく、例えば、多数の蓄熱体を内蔵した形式の蓄熱型熱交換器を燃料混合装置及び空気加熱装置として使用しても良い。
更に、上記水蒸気供給手段として、工場又は製造プラント内のプロセス蒸気供給系などを使用しても良い。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明の上記構成によれば、燃料及び燃焼用空気の混合過程及び混合比の制御性を向上することができる燃料供給装置及び燃料供給方法を提供することができる。
【００９８】
また、本発明の燃料供給装置及び燃料供給方法によれば、炉内燃焼ガス再循環流の制御に依存することなく、燃焼ガスと燃料とを任意に混合することができる。
【００９９】
更に、本発明の燃料供給装置及び燃料供給方法によれば、新規な燃焼特性を有する燃料ガスを生成する燃料供給装置及び燃料供給方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施形態を示す燃料供給装置のブロックフロー図である。
【図２】本発明の他の好適な実施形態を示す燃料供給装置のブロックフロー図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す燃料供給装置のブロックフロー図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態を示す燃料供給装置のブロックフロー図である。
【図５】図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略断面図である。
【図６】図１（Ｂ）に示す燃料供給装置を備えた他の構成の燃焼装置を示す概略縦断面図である。
【図７】図６に示す燃料混合装置の作用を概略的に示すブロックフロー図である。
【図８】図１（Ｃ）に示す構成の燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。
【図９】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。
【図１０】図２（Ｂ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。
【図１１】図３（Ａ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。
【図１２】図３（Ｂ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。
【図１３】図３（Ｃ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。
【図１４】図４に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。
【図１５】図１４に示す水蒸気加熱装置の構成を示す断面図である。
【図１６】図１４に示す水蒸気加熱装置の構成を示す断面図である。
【図１７】本発明の第１実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置を示す断面図である。
【図１８】本発明の第２実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。
【図１９】本発明の第３実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。
【図２０】本発明の第４実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。
【図２１】本発明の第５実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。
【図２２】本発明の第６実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 燃焼室
２ 強制給気ファン
３ 排ガス循環ファン
８ 水蒸気発生装置
１０、１０Ａ、１０Ｂ 燃料混合装置
１１ 燃料ノズル
１２ 燃焼ガス導入部
１４ 蓄熱体
１５ 混合域
１６ 燃料ガス噴射口
２０、４０ 流路切換装置
３０、３０Ａ、３０Ｂ 燃焼用空気供給装置
８０ 水蒸気加熱装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料供給装置及び燃料供給方法に関するものであり、より詳細には、燃料、燃焼ガス及び燃焼用空気の混合過程及び混合比の制御性を向上することができる燃料供給装置及び燃料供給方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
管式加熱炉、金属加熱炉、窯業焼成炉、金属溶融炉、ガス化溶融炉又はボイラー等の工業炉、或いは、ラジアントチューブバーナ等の燃焼加熱式放熱装置は、炭化水素系燃料を供給する燃料供給装置と、燃焼用空気を供給する空気供給装置と、燃料及び燃焼用空気を混合し且つ燃料を燃焼させるバーナー等の燃焼装置とを備える。燃焼装置において混合した燃料及び燃焼用空気は、拡散燃焼による火炎を燃焼域に生成する。この種の燃焼装置では、燃焼用空気の実際空気量は、燃料の完全燃焼のために、燃料の理論空気量を超える過剰な空気比に設定され、燃焼用空気及び燃料の混合比（空燃費）は、一般には、１４乃至１５程度に設定される。バーナー供給前における燃料及び燃焼用空気の予混合は、予期せぬ逆火現象を生じさせることが懸念されており、一般には採用されておらず、燃焼用空気及び燃料は、空気吐出口及び燃料噴射口からバーナースロート又は炉内領域に導入され、主にバーナーの基部領域において混合する。例えば、バーナーは、流量差を有する燃料噴射流と空気流とを所望の如く混合すべく、旋回流型又は保炎板型等の保炎器を備え、保炎器は、着火可能な高温循環流を燃料及び空気の混合域に形成し、これにより、火炎の吹き消えを防止し、火炎の安定性を確保する。
【０００３】
他方、炉内に生成した燃焼ガスは、炉内領域を循環する。炉内燃焼ガスは、燃焼用空気及び燃料の炉内流入に伴って炉外に排出される。高温の燃焼ガスは、熱回収可能な多大な熱量を依然として保有するので、熱交換装置又は廃熱ボイラ等の廃熱回収手段を介して外界に排気される。一般に、廃熱回収手段は、燃焼用空気を予熱し、或いは、熱媒体として有効利用可能な流体を加熱する。
【０００４】
炉内燃焼ガスの一部は、燃焼用空気及び／又は燃料の噴流と混合する炉内再循環流を形成し、着火を促進するとともに、低酸素濃度の緩慢な燃焼反応を促す。燃焼ガス循環流と燃焼用空気又は燃料との混合は、火炎の局所発熱を防止するとともに、窒素酸化物（ＮＯｘ）生成を抑制する上で有効であることから、近年殊に重視されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料噴流、燃焼用空気流および燃焼ガス再循環流の混合過程及び混合比は、燃焼用空気吐出口及び燃料噴射口の位置、構造及び形状、更には、燃焼炉の形態及び構造等により相違し、しかも、炉内領域における各種流体の混合制御は、炉温、熱負荷及び炉内循環流の変動等の予測困難な各種の制御要因と関連するので、燃料、燃焼用空気及び炉内燃焼ガスの混合過程及び混合比は、容易には制御し難い。殊に、操業状態に相応して熱負荷及び炉温が比較的大きく変動する燃焼炉にあっては、燃焼ガス再循環流と空気及び／又は燃料との混合は、燃焼用空気温度の低下時に燃焼安定性を阻害する懸念があり、これを回避し得る対策が必要とされる。かくして、燃料、燃焼用空気及び炉内燃焼ガスの混合過程及び混合比を任意に可変制御し、燃焼域の燃焼反応を常に適正化することができる燃料供給装置の開発が望まれる。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料及び燃焼用空気の混合過程及び混合比の制御性を向上することができる燃料供給装置及び燃料供給方法を提供することにある。
【０００７】
本発明は又、炉内燃焼ガス再循環流の制御に依存することなく、燃焼ガスと燃料とを任意に混合することができる燃料供給装置及び燃料供給方法を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明は更に、新規な燃焼特性を有する燃料ガスを生成する燃料供給装置及び燃料供給方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明者は、上記目的を達成すべく、鋭意研究を重ねた結果、燃焼域の高温燃焼ガスを炉外に導出して燃料と混合し、または、燃焼ガスに水蒸気を添加して燃焼ガス中の水蒸気量を調節した後に燃料と混合し、或いは、高温の水蒸気を燃料と混合することにより、燃料及び燃焼ガスの混合を確実に制御し得るばかりでなく、新規な燃焼特性を有する多量の燃料ガスを生成し得ることを見出し、かかる知見に基づき、本願発明を達成したものである。
【００１０】
本発明の燃料供給装置は、燃焼用燃料を供給する燃料供給手段と、燃焼用空気を燃焼域に供給する燃焼用空気供給手段とを備えた燃料供給装置であって、炉外に導出した燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の水蒸気と、前記燃料供給手段の燃料とを混合する混合装置と、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料との混合流体を燃料ガスとして前記燃焼域に導入し、該燃料ガスを前記燃焼用空気と混合せしめる燃料ガス導入装置とを備えた燃料供給装置である。
本発明の燃料供給装置は更に、以下に記載する構成を有する。
(1) 前記燃焼ガスを冷却する燃焼ガス冷却装置と、該燃焼ガス及び／又は前記水蒸気を加熱する加熱装置とを有し、前記混合装置は、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料とを混合する混合域を備え、前記混合域は、前記加熱装置と前記燃焼域との間に配置され、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料とは、前記混合域に導入され、前記燃焼域に導入可能な燃料ガスを生成する（請求項１）。
(2) 前記燃焼ガスを冷却する燃焼ガス冷却装置と、該燃焼ガス及び／又は前記水蒸気を加熱する加熱装置とを有し、前記混合装置は、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料とを混合する混合域を備え、前記混合域は、前記冷却装置と前記加熱装置との間に配置され、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料とは、前記混合域に導入され、前記燃焼域に導入可能な燃料ガスを生成する（請求項２）。
(3) 前記混合装置に供給すべき前記水蒸気供給手段の水蒸気を７００℃以上の温度に加熱した後に前記混合装置に供給するための水蒸気加熱手段を備える（請求項３）。
【００１１】
本発明の燃料供給方法は、燃焼用燃料及び燃焼用空気を燃焼域に供給する燃料供給方法であって、炉外に導出した燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の水蒸気を混合域に供給し、前記燃焼用燃料を前記混合域に供給して、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と前記燃料との混合流体を生成し、前記混合流体を燃料ガスとして前記燃焼域に導入し、該燃料ガスを前記燃焼用空気と混合して前記燃料ガスの燃焼反応を前記燃焼域に生じさせる燃料供給方法である。
本発明の燃料供給方法は更に、以下に記載する構成を有する。
(1) 炉外に導出した前記燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の前記水蒸気を加熱装置によって７００℃以上の高温に加熱した後、前記燃料を加熱後の前記燃焼ガス及び／又は水蒸気に混合する（請求項１０）。
(2) 炉外に導出した前記燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の前記水蒸気に対して前記燃料を混合して前記混合流体を得た後、該混合流体を加熱装置によって７００℃以上の高温に加熱して前記燃焼域に導入する（請求項１１）。
(3) 前記燃焼ガス及び／又は水蒸気の一部を前記燃焼用空気と混合し、酸素濃度が低下した前記燃焼用空気と、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気を含み且つ該燃焼域に導入された前記燃料ガスとを燃焼域で混合する（請求項１２）。
(4) 炉外に導出され且つ前記燃料に混合すべき前記燃焼ガスに対して、前記水蒸気を添加して該燃焼ガスの水蒸気含有量を調節する（請求項１３）。
(5) 炉外に導出した高温の燃焼ガス及び／又は水蒸気加熱手段で７００℃以上に加熱した高温の水蒸気を前記混合域に導入して前記燃料と混合する燃料供給方法において、前記燃焼ガス、前記水蒸気又は前記混合流体は、前記燃焼ガスの冷却時に該燃焼ガスが放熱した顕熱を受熱し、再熱又は加熱される（請求項１４）。
(6)前記燃焼域に導入される燃料ガスは、７００℃以上の温度を有する（請求項１６）。
(7)前記燃焼域に導入された燃料ガスは、７００℃以上の温度に予熱された前記燃焼用空気と混合する（請求項１７）。
【００１２】
本発明の上記構成によれば、燃料は、燃焼域から炉外に導出した燃焼ガスと、水蒸気供給手段の水蒸気との双方又は一方と混合する。燃料を燃焼ガス及び／又は水蒸気と混合する工程と、燃料及び燃焼ガスの混合流体を燃焼用空気と更に混合する工程とが、段階的に実行されるので、燃料、燃焼用空気、燃焼ガス及び／又は水蒸気の混合制御の任意性及び確実性は、大幅に向上する。燃料と、燃焼ガス及び／又は水蒸気との混合域には、希薄な燃料を含有する比較的多量の混合流体が生成する。混合流体は、炉内燃焼ガスの循環流とは独立して制御可能な運動量（モーメンタム）を有する多量の燃料ガス流として燃焼域に導入される。従って、炉内に導入された燃料ガス流は、炉内燃焼ガスの循環流に実質的に影響を受けずに燃焼用空気流と混合し、かくして、燃料及び燃焼ガスの混合過程及び混合比は、炉内燃焼ガスの再循環流の制御に依存することなく、燃料供給装置の制御下に可変制御される。
【００１３】
本明細書において、「燃料ガス」なる用語は、燃焼ガス及び／又は水蒸気と燃料とを混合してなる混合流体であって、燃焼用空気と燃焼反応可能な燃料成分を含有するガス流体を意味する。燃料ガス中の燃料成分は、高温の燃焼ガス及び／又は水蒸気との混合により活性化し、これに対し、低酸素濃度の燃焼ガスは、燃料成分の燃焼反応を抑制する。このような燃料ガスは、活性化した希薄な燃料成分を含有する低酸素濃度の高温燃料ガスとして、燃焼域に導入され、従来の燃料とは相違する新規な燃焼特性を発揮する。例えば、炉内に導入された燃料ガスは、炉内燃焼ガスと混合することなく、燃焼用空気と緩慢に燃焼反応し、これにより、局所発熱及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制した広域且つ比較的低温の拡散燃焼火炎を炉内に生成する。
【００１４】
所望により、燃焼ガス及び／又は水蒸気の一部は、燃焼用空気と混合する。燃焼ガス及び／又は水蒸気により希釈された低酸素濃度の燃焼用空気は、燃焼域に導入され、高温且つ低酸素濃度の上記燃料ガスと混合する。燃料ガス中の燃料成分は、低酸素濃度の燃焼用空気と更に緩慢に燃焼反応し、局所発熱を抑制した広範且つ低温の火炎を燃焼域に生成する。
【００１５】
また、燃焼ガス中の水蒸気、高温燃焼ガスとの混合又は熱交換により受熱した高温の水蒸気、或いは、別途の水蒸気加熱手段により７００℃以上に加熱された高温の水蒸気は、燃料炭化水素の熱分解反応及び／又は水蒸気改質反応を生じさせるので、燃料炭化水素は、比較的多量の炭化水素ラジカル、水素、炭素又は一酸化炭素等を含む良質の改質ガスに改質される。従って、燃焼用空気と混合する前に重油等の比較的重質又は低質、或いは、低品位の炭化水素系燃料を軽質又は良質、或いは、高品位の炭化水素系燃料ガスに改質することが可能となる。
このような観点より、本発明は、以下の構成を有する燃料ガス生成装置及び燃料ガス生成方法を更に提供する。
(1) 燃焼用燃料を供給する燃料供給手段を備えた燃料ガス生成装置において、
炭化水素系燃料及び水蒸気を混合する混合域を有するとともに、燃焼排ガスと、前記燃料が混合し又は該燃料が浮遊した水蒸気流とを交互に通す多数の狭小流路を備えたハニカム構造のセラミックス製蓄熱体を有し、
前記セラミックス製蓄熱体の多数の狭小流路に前記燃焼排ガスを通して前記蓄熱体を加熱し、該蓄熱体に蓄熱するとともに、前記燃料が混合し又は該燃料が浮遊した前記水蒸気流を前記蓄熱体の流路に通して該水蒸気流を前記蓄熱体と伝熱接触させ、該蓄熱体の放熱によって前記水蒸気流を７００℃以上の温度に加熱して燃料ガス流を生成するようにしたことを特徴とする燃料ガス生成装置。
(2) 燃料ガスを生成する燃料ガス生成方法において、
ハニカム構造のセラミックス製蓄熱体の多数の狭小流路に燃焼排ガスを通して前記蓄熱体を加熱し、該蓄熱体に蓄熱するとともに、炭化水素系燃料を水蒸気流に混合し、
前記燃料が混合し又は該燃料が浮遊した前記水蒸気流を前記蓄熱体の流路に通し、該水蒸気流を蓄熱後の前記蓄熱体と伝熱接触させ、該蓄熱体の放熱によって前記水蒸気流を７００℃以上の温度に加熱して燃料ガス流を生成することを特徴とする燃料ガス生成方法。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１乃至図４は、本発明の好適な実施形態を示す燃料供給装置のブロックフロー図である。
【００１７】
図１（Ａ）に示す燃料供給装置は、燃焼ガスを燃焼域から導出する燃焼ガス導出路と、燃料及び燃焼ガスの混合域と、燃料を混合域に供給する燃料供給路とを有する。燃焼域に生成した高温の燃焼ガスは、燃焼ガス導出路を介して燃焼域から炉外に導出される。所定流量の燃焼ガスが、燃焼排ガスとして系外に排気され、燃焼ガスの残部は、混合域に導入される。所望により、水蒸気発生装置の水蒸気が燃焼ガスに注入され、燃焼ガス中の水蒸気量が調節される。炭化水素系燃料が、燃料供給路を介して混合域に導入され、燃焼ガスと混合し、この結果、燃料を燃焼ガスにより希釈してなる高温の混合ガス（燃料ガス）が、混合域に生成する。
【００１８】
燃焼ガスは、一般に、０％〜１０％の範囲の残存酸素濃度を有するにすぎず、従って、燃料供給路の燃料は、燃焼ガスと実質的に燃焼反応することなく、燃焼ガスに混合する。燃焼ガスの温度は、燃焼域の温度と実質的に等しく、従って、少量の低温燃料を混入した混合ガスは、燃焼ガスの温度よりも僅かに低い温度、例えば、８００℃〜１２００℃の範囲の温度を依然として保有する。このような高温の混合ガスにおいては、燃焼ガス中の水蒸気は燃料を改質し、燃料は活性化し、この結果、常温の燃料に比べて燃焼反応し易い。これに対し、低酸素濃度の燃焼ガスは、燃料の燃焼反応を抑制する。
【００１９】
燃焼ガスの流量は、燃料供給量に比べて遙に大きく、従って、混合ガスは、希薄な燃料を含有した多量の燃料ガスとして燃焼域に導入される。燃焼用空気が燃焼用空気供給路を介して燃焼域に導入され、混合ガス流は、燃焼域の燃焼ガス循環流に実質的に影響を受けることなく、燃焼域において燃焼用空気流と混合し、燃焼反応する。
【００２０】
燃料として、気体、液体、固体又は半固体の燃料を使用し得る。例えば、メタン等の炭化水素系の気体燃料を上記燃料として使用した場合、気体燃料は、燃焼ガスにより希釈された高温の燃料ガスとして燃焼域に流入する。燃料及び燃焼ガスの混合過程及び導入過程に生じ得る燃料の熱分解反応及び／又は水蒸気改質反応により、比較的多量の炭化水素ラジカル、水素、炭素又は一酸化炭素等を含む良質の改質ガスを生成し、これを燃料ガスとして燃焼域に供給することも可能である。また、炭化水素系の液体燃料を上記燃料として使用した場合、蒸発過程及び熱分解過程を含めた燃料の改質反応が混合域及び導入路において進行し、良質の燃料ガス（改質ガス）を燃焼域に供給することができる。更に、微粉炭等の固体燃料を燃料として使用した場合、燃料は、高温の燃焼ガス中に浮遊し、混合域及び導入路において熱分解し、これにより、炭化水素ラジカル、水素、炭素及び一酸化炭素を含む高品位の燃料ガスを燃焼域に供給することが可能となる。なお、このような燃料炭化水素の改質作用には、燃焼ガス中の水蒸気が実質的に影響しているものと考えられることから、上記水蒸気発生装置は、燃焼ガス中の水蒸気量を増量すべく、所望により水蒸気を燃焼ガスに添加し、燃料の水蒸気改質反応を促進する。
【００２１】
図１（Ａ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略断面図が、図５（Ａ）に図示されている。燃焼装置は、燃焼室１、強制給気ファン２及び燃焼用空気供給装置３０を備えるとともに、燃料供給装置を構成する燃料混合装置１０及び排ガス循環ファン３を備える。給気ファン２は、外気吸入路ＯＡを介して吸引した外気を燃料用空気供給路ＣＡに圧送する。空気供給装置３０は、燃焼室１に開口した燃焼用空気吐出口３５を備え、供給路ＣＡの燃焼用空気は、吐出口３５から燃焼室１内に流入する。排ガス循環ファン３は、燃焼ガス導出口９０及び燃焼ガス導出路ＥＸ、ＥＲを介して燃焼室１の燃焼ガスを誘引し、燃焼ガスを燃焼ガス導入路ＲＧから燃料混合装置１０に供給する。水蒸気ボイラー等の水蒸気発生装置８が、水蒸気供給路ＳＴを介して燃焼ガス導入路ＲＧに接続され、１５０〜３００℃の過熱水蒸気を燃焼ガスに注入し、燃焼ガス中の水蒸気量を調節する。なお、燃焼ガスの一部は、排気流路ＥＧを介して系外に排気される。
【００２２】
空気供給装置３０の内側に配置された燃料混合装置１０は、燃料ノズル１１、燃焼ガス導入部１２、混合域１５及び燃料ガス噴射口１６を備える。燃料ノズル１１は、燃料供給路Ｆの供給燃料を混合域１５に噴射し、燃焼ガス導入部１２は、燃焼ガス導入路ＲＧの燃焼ガス（及び水蒸気）を混合域１５に導入する。混合域１５は、燃料と、燃焼ガス（及び水蒸気）とを混合し、混合ガス（燃料ガス）を燃焼室１に噴射する。燃焼室１に噴射する混合ガスの流量、噴射圧力及び方向は、燃料ノズル１１及び燃焼ガス導入部１２が噴射する燃料及び燃焼ガスの流量、噴射圧力及び方向により制御されるとともに、混合域１５の構造により規制される。
【００２３】
燃焼室１に噴射した混合ガスは、空気供給装置３０が吐出する燃焼用空気と混合し、燃焼する。燃焼用空気と概ね同等の流量を有する混合ガスは、燃焼用空気流の運動量（モーメンタム）に相当する運動量を有するので、温度差による浮力及び燃焼用空気流の方向性及び流勢に実質的に影響されることなく、燃料混合装置１０が設定した方向に流動し、燃焼用空気と混合する。低酸素濃度の燃焼ガスにより燃焼反応を抑制された混合ガスは、燃焼用空気と緩慢に燃焼反応するので、燃焼域に拡散する混合ガスは、所期の到達距離を確保し、燃焼火炎は、燃料混合装置１０及び空気供給装置３０の近傍にのみ局所的且つ集中的に生じることなく、炉内の所定領域に所望の如く生成する。
【００２４】
このような燃料供給法によれば、燃焼ガスを炉外に導出した後に燃料と混合する工程と、燃料（及び水蒸気）と燃焼ガスとの混合流体を燃焼用空気と更に混合する工程とが、段階的に実行される。混合ガスの組成及び流量は、混合域１５に導入される燃焼ガスの流量、燃料供給路Ｆの燃料供給量、更には、燃焼ガス及び燃料の混合比により可変制御される。燃焼ガス及び燃料の混合比は、好適には、１：１〜２０：１の範囲に設定される。混合域に生成した高温の混合ガスは、燃料自体の供給流量よりも遙に大きな流量の燃料ガスとして燃焼域に供給されるので、炉内の燃焼ガス循環流と混合して消勢することなく、燃焼用空気と混合する。従って、燃料ガス及び燃焼用空気の混合比、混合位置、混合形態及び燃焼特性は、燃焼用空気流及び燃料ガス流の双方を調節することにより制御される。燃料ガス及び燃焼用空気の混合比は、好適には、１：１０〜２０：１０の範囲に設定される。また、燃焼域に流入する燃料ガスの流速は、好ましくは、１０〜１５０ｍ／ｓの範囲に設定される。かくして、燃料及び燃焼ガスの混合過程及び混合比は、炉内燃焼ガスの再循環流の影響を実質的に受けることなく、任意に制御することができ、従って、燃料、燃焼用空気及び燃焼ガスの混合制御の任意性及び確実性は、大幅に向上する。
【００２５】
また、上記混合ガスは、活性化した希薄な燃料成分を含有する低酸素濃度の高温燃料ガスとして、燃焼域に導入され、燃焼用空気と緩慢に燃焼反応する。この結果、火炎の局所発熱及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制する上で有利な広域且つ比較的低温の拡散燃焼火炎が、炉内に生成する。しかも、上記燃料供給装置によれば、炉温及び熱負荷が変動する加熱炉等において、炉温及び熱負荷の変動に相応して燃料及び燃焼用空気の混合比を可変制御することができるので、実務的に極めて有利である。
【００２６】
本発明の他の実施形態が図１（Ｂ）に図示されている。図１（Ｂ）に示す燃料供給装置では、燃料ガス導出路、混合域及び燃料ガス導入路を含む循環回路は、ガス流体を強制循環する強制循環ファン等の循環装置を備えるとともに、循環装置の熱負荷及び熱応力を軽減すべく、燃焼ガスを過渡的に冷却する熱交換装置を備える。熱交換装置は、高温の燃焼ガスを過渡的に冷却する冷却部と、降温した燃焼ガスを再熱する加熱部とを有する。冷却部は、燃焼域から導出した燃焼ガスを２００℃乃至３００℃程度の温度に冷却し、加熱部は、冷却部において受熱した顕熱を冷却後の燃焼ガスに放熱する。冷却部において降温した燃焼ガスは、所望により水蒸気発生装置の水蒸気と混合した後、加熱部において、導出直後の温度と同等の温度に昇温する。また、燃焼用空気は、燃焼用空気を８００℃以上、好ましくは、１０００℃以上の超高温域に予熱する空気予熱装置を介して、燃焼域に供給される。
【００２７】
図５（Ｂ）は、図１（Ｂ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略断面図である。燃焼装置は、図５（Ａ）に示す燃焼装置と実質的に同一の燃焼室１、強制給気ファン２、排ガス循環ファン３、水蒸気発生装置８、燃料混合装置１０及び空気供給装置３０を備える。燃焼装置は更に、熱交換装置１３、３３及び強制排気ファン４を有し、熱交換装置１３、３３は夫々、複数の区画に分割された蓄熱体１４、３４を備える。熱交換装置１３は、図１（Ｂ）に示す冷却部及び加熱部を構成し、熱交換装置３３は、図１（Ｂ）に示す空気予熱装置を構成する。熱交換装置１３、３３として、ディスク回転式の流路切換装置２０、４０を備えた高速切換式の蓄熱型熱交換器を好適に使用し、蓄熱体１３、１４として、多数の狭小流路を有するハニカム構造のセラミックス製蓄熱体を好適に使用し得る。この形式の熱交換装置の構造は、例えば、本願出願人による特願平７−２８４８２５号（特開平９−１２６６７５号公報）等に詳細に開示されているので、更なる詳細な説明は、省略する。
【００２８】
外気吸入路ＯＡ及び空気供給路ＣＡに接続された給気ファン２は、燃焼用空気を熱交換装置３３に導入し、排気ファン４は、燃焼ガス導出口９１、排気流路Ｅ１、熱交換装置３３及び排気流路Ｅ２を介して燃焼室１の燃焼ガスを誘引する。蓄熱体３４の各区画は、高温の燃焼排ガスと低温の燃焼用空気とに交互に伝熱接触し、燃焼排ガスが保有する顕熱を燃焼用空気に熱伝達し、燃焼用空気を８００℃以上の超高温域に加熱する。高温の燃焼用空気は、高温空気供給路ＳＡを介して空気供給装置３０に供給され、吐出口３５から燃焼室１内に流入する。他方、２００℃乃至３００℃程度に降温した排気流路Ｅ２の燃焼排ガスは、排気流路Ｅ３から系外に排気される。
【００２９】
排ガス循環路Ｒ３、Ｒ４に接続された排ガス循環ファン３は、燃焼ガス導出口９０、燃焼ガス導出路ＥＸ及び熱交換装置１３を介して燃焼室１の燃焼ガスを誘引する。蓄熱体１４の低温区画が、高温の燃焼ガスと伝熱接触して蓄熱し且つ燃焼ガスを冷却する。降温した燃焼ガスは、循環ファン３により加圧され、所望により水蒸気発生装置８の水蒸気と混合した後、蓄熱により昇温した蓄熱体１４の高温区画と伝熱接触する。燃焼ガス（及び水蒸気）は、蓄熱体１４を冷却するとともに、蓄熱体１４から受熱し、８００℃以上、好ましくは、１０００℃以上の超高温域に加熱され、高温の燃焼ガスとして燃焼ガス導入路ＲＧから燃料混合装置１０に供給される。所望により、燃焼ガスの一部は、燃焼排ガスとして排気流路ＥＧから系外に排気される。
【００３０】
図１（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示す実施形態によれば、燃料供給装置は、冷却部及び加熱部を構成する熱交換装置１３を介装した燃焼ガスの循環回路ＥＸ、ＲＧを備えており、循環ファン３の熱負荷及び熱応力は大幅に軽減する。燃料供給装置は又、燃焼用空気を上記超高温域に予熱する熱交換装置３３と関連しており、燃焼室１の燃焼域には、超高温予熱空気が供給される。
【００３１】
一般に、かかる超高温予熱空気による燃焼反応は、高速の燃焼用空気流の存在下に円滑に進行することが判明しており、燃焼用空気流の流速は、１０ｍ／ｓ以上の高速に設定し得る。高速の空気流は、炉内循環流を活性化するばかりでなく、広範な燃焼反応領域を燃焼室１内に形成する。しかも、低酸素濃度の燃焼ガスを多量に含む混合ガスは、超高温域に予熱された燃焼用空気と混合して自己着火し、低酸素濃度の高温燃焼雰囲気を炉内に形成する。混合ガス中の燃料成分は、高温燃焼雰囲気による燃焼反応の促進、燃焼ガス（及び水蒸気）との予混合による燃料の活性化、低酸素濃度に伴う燃焼反応の抑制、更には、高速流による燃焼反応の広域化等の作用を受け、広範な領域において緩慢に燃焼反応し、比較的低温且つ広域の燃焼火炎を燃焼域に生成する。このような低酸素濃度の高温燃焼雰囲気は、火炎の局所発熱及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を有効に抑制する。
【００３２】
図６は、図１（Ｂ）に示す燃料供給装置を備えた他の構成の燃焼装置を示す概略縦断面図である。なお、図６（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図６（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。また、図６において、上記各実施形態の各構成要素と実質的に同一又は均等な構成要素については、同一の参照符号が付されている。
【００３３】
図６に示す燃焼装置は、一対の燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂ及び一対の空気供給装置３０Ａ、３０Ｂを備える。燃焼装置は、熱交換装置の構成に関し、図５（Ｂ）に示す燃焼装置と相違しており、燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂは夫々、蓄熱体１４を内蔵し、空気供給装置３０Ａ、３０Ｂは夫々、蓄熱体３４を内蔵する。蓄熱体１４、３４として、ハニカム構造のセラミックス製蓄熱体を好適に使用し得る。燃焼装置は又、燃焼ガスの流路を切換える流路切換装置２０と、燃焼用空気の流路を切換える流路切換装置４０とを備える。流路切換装置２０、４０は、６０秒以下に設定された所定の時間間隔毎に第１位置（図６Ａ）又は第２位置（図６Ｂ）に交互に切換えられる。
【００３４】
第１燃焼工程（図６Ａ）において、給気ファン２は、外気吸入路ＯＡの外気を空気供給路ＣＡから流路切換装置４０に導入し、燃焼用空気は、給排流路Ｌ１を介して空気供給装置３０Ａに供給される。燃焼用空気は、空気供給装置３０Ａの蓄熱体３４と伝熱接触し、蓄熱体３４の放熱作用により上記超高温域に加熱され、しかる後、空気吐出口３５から燃焼室１に流入する。排気ファン４は、空気供給装置３０Ｂ、給排流路Ｌ２、流路切換装置４０及び排気流路Ｅ２、Ｅ３を介して燃焼室１の燃焼ガスを系外に排気する。空気供給装置３０Ｂの蓄熱体３４は、高温の燃焼排ガスと伝熱接触して加熱され、燃焼ガスは、降温する。
【００３５】
排ガス循環ファン３は、燃料混合装置１０Ｂ、排ガス循環路Ｒ２、Ｒ３及び流路切換装置２０を介して燃焼室１の燃焼ガスを誘引し、流路切換装置２０及び排ガス循環路Ｒ４、Ｒ１を介して燃焼ガスを燃料混合装置１０Ａに供給する。燃料混合装置１０Ｂを流通する燃焼室１の高温燃焼ガスは、燃料混合装置１０Ｂの蓄熱体１４と伝熱接触して冷却するとともに、蓄熱体１４を加熱する。降温した燃焼ガスは、所望により水蒸気発生装置８の水蒸気と混合した後、循環ファン３の循環圧力下に燃料混合装置１０Ａに供給され、燃料混合装置１０Ａの蓄熱体１４を流通し、高温の蓄熱体１４との熱交換により上記超高温域に加熱される。燃料混合装置１０Ａの燃料ノズル１１は、加熱後の燃焼ガス（及び水蒸気）に燃料を吐出し、燃焼ガス及び燃料の混合ガスは、燃料ガスとして燃料ガス噴射口１６から燃焼室１内に流入する。
【００３６】
第２燃焼工程（図６Ｂ）において、燃焼用空気は、外気吸入路ＯＡ、空気供給路ＣＡ、流路切換装置４０及び給排流路Ｌ２を介して空気供給装置３０Ｂに供給される。燃焼用空気は、空気供給装置３０Ｂの蓄熱体３４と熱交換し、上記超高温域に加熱され、高温の燃焼用空気として空気吐出口３５から燃焼室１に流入する。排気ファン４は、空気供給装置３０Ａ、給排流路Ｌ１、流路切換装置４０及び排気流路Ｅ２、Ｅ３を介して、燃焼ガスを系外に排気する。空気供給装置３０Ａの蓄熱体３４は、高温の燃焼ガスと伝熱接触して加熱され、燃焼排ガスは冷却される。
【００３７】
排ガス循環ファン３は、燃料混合装置１０Ａ、排ガス循環路Ｒ１、Ｒ３及び流路切換装置２０を介して燃焼室１の燃焼ガスを誘引し、流路切換装置２０及び排ガス循環路Ｒ４、Ｒ２を介して燃焼ガスを燃料混合装置１０Ｂに供給する。燃焼室１の高温燃焼ガスは、燃料混合装置１０Ａの蓄熱体１４と伝熱接触して冷却し、蓄熱体１４を加熱する。降温した燃焼ガスは、所望により水蒸気発生装置８の水蒸気と混合した後、循環ファン３の循環圧力下に燃料混合装置１０Ｂに供給され、燃料混合装置１０Ｂの蓄熱体１４と熱交換して上記超高温域に加熱される。燃料混合装置１０Ｂの燃料ノズル１１は、加熱後の燃焼ガス（及び水蒸気）に燃料を吐出し、燃焼ガス及び燃料の混合ガスは、燃料ガスとして燃料ガス噴射口１６から燃焼室１内に流入する。
【００３８】
図７は、図６に示す燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂの作用を概略的に示すブロックフロー図であり、図７（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図７（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。
【００３９】
上記燃焼装置の構成によれば、燃焼室１の燃焼ガスは、一方の燃料混合装置１０を介して燃焼域から導出され、排ガス循環ファン３の循環圧力下に循環路Ｒ１、Ｒ２を循環し、所望により水蒸気を添加した後、他方の燃料混合装置１０に供給され、再熱後に燃料と混合し、燃料ガスとして燃焼域に導入される。高温燃焼ガスの顕熱は、炉外導出時に蓄熱体１４に過渡的に蓄熱され、燃料と混合する直前の低温燃焼ガスに放熱される。第１及び第２燃焼工程が短時間に交互に反復実行され、燃焼ガス（及び水蒸気）は、連続的に冷却され且つ再熱される。
【００４０】
同様に、第１及び第２燃焼工程の反復により、燃焼用空気は、蓄熱体３４（図６）を介して燃焼ガスの顕熱を継続的に受熱し、連続的に超高温域に予熱される。混合ガス及び燃焼用空気は、隣接する燃料混合装置１０及び空気供給装置３０から燃焼室１に夫々導入され、燃焼室１の燃焼域には、上述の如く、緩慢な燃焼反応、燃料ガス流の容積及び流速の増大、更には、燃焼用空気の流速増大等に伴う広域且つ比較的低温の燃焼火炎が生成する。
【００４１】
本発明の更に他の実施形態が図１（Ｃ）に図示されている。図１（Ｃ）に示す燃料供給装置は、図１（Ｂ）に示す実施形態と類似し、燃焼ガスの冷却部及び加熱部と、空気予熱装置とを備える。しかしながら、本実施形態において、混合域１５は、加熱部と循環装置との間に配置される。このような実施形態によれば、燃料は、冷却部において降温した燃焼ガス（及び水蒸気）と混合し、混合域の混合ガスは、加熱部において上記超高温域に加熱される。加熱部における混合ガスの昇温過程により、混合ガスの熱分解反応及び水蒸気改質反応が生じ、混合ガスは、比較的多量の炭化水素ラジカル、水素、炭素又は一酸化炭素等を含む良質の燃料ガスに改質される。
【００４２】
図８は、図１（Ｃ）に示す構成の燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図であり、図８（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図８（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。上記各実施形態の各構成要素と実質的に同一又は均等な構成要素については、同一の参照符号が付されている。
【００４３】
図８に示す燃焼装置は、蓄熱体１４を内蔵した燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂと、蓄熱体３４を内蔵した空気供給装置３０Ａ、３０Ｂと、燃焼ガス及び燃焼用空気の流路を切換える流路切換装置２０、４０とを備えた点において、図６に示す燃焼装置と類似する。しかしながら、図８に示す燃焼装置では、蓄熱体１４は、燃焼室１と混合域１５との間に介装され、蓄熱体１４の狭小流路は、燃焼室１と混合域１５とを相互連通する。
【００４４】
第１燃焼工程（図８Ａ）において、燃料混合装置１０Ａの燃焼ガス導入部１２に供給された低温の燃焼ガス（及び水蒸気）は、燃料混合装置１０Ａの燃料ノズル１１から吐出した燃料と混合し、燃焼ガス（及び水蒸気）と燃料との混合ガスは、燃料混合装置１０Ａの蓄熱体１４を流通し、高温の蓄熱体１４との熱交換により上記超高温域に加熱される。高温の燃料ガスは、燃料ガス噴射口１６から燃焼室１内に流入する。
【００４５】
第２燃焼工程（図８Ｂ）において、燃料混合装置１０Ｂの燃焼ガス導入部１２に供給された低温の燃焼ガス（及び水蒸気）は、燃料混合装置１０Ｂの燃料ノズル１１から吐出した燃料と混合し、燃焼ガス（及び水蒸気）と燃料との混合ガスは、燃料混合装置１０Ｂの蓄熱体１４を流通し、高温の蓄熱体１４との熱交換により上記超高温域に加熱された後、燃料ガス噴射口１６から燃焼室１内に流入する。
【００４６】
混合ガスは、燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂの蓄熱体１４を流通する間に受熱し、熱分解反応し、比較的良質の燃料ガスに改質される。燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂから燃焼室１内に噴射した混合ガスは、隣接する燃焼用空気吐出口３５から燃焼域に流入する高温の燃焼用空気と混合し、低酸素濃度且つ高温の燃焼雰囲気による広範な燃焼火炎を燃焼室１に生成する。
【００４７】
図２（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）には、本発明の他の実施形態が示されている。図２（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、図１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の各実施形態と概ね相応した構成を有するが、図２に示す各実施形態では、燃焼ガスの一部が燃焼用空気と混合する。図２（Ａ）に示す燃料供給装置において、炉外に導出された燃焼ガス（及び水蒸気）は、燃料との混合域に導入されるばかりでなく、燃焼用空気との混合域にも導入される。図２（Ｂ）に示す燃料供給装置は、高温予熱空気と高温燃焼ガスとを混合する混合域を備えており、加熱部において再熱された燃焼ガス（及び水蒸気）の一部が、高温予熱装置により超高温に予熱された燃焼用空気と混合する。図２（Ｃ）に示す燃料供給装置は、燃焼用空気と低温燃焼ガス（及び水蒸気）とを混合する混合域を備えており、冷却部において２００℃乃至３００℃程度の温度域に降温した燃焼ガス（及び水蒸気）の一部が、高温に予熱する前の常温空気と混合する。
【００４８】
このような実施形態によれば、燃焼用空気と燃焼ガス（及び水蒸気）と混合により燃焼用空気の酸素濃度が低下し、燃焼用空気の燃焼反応性が抑制される。低酸素濃度の燃焼用空気は、同様に燃焼ガス（及び水蒸気）により希釈された低酸素濃度の燃料ガスと混合し、低酸素濃度の燃焼雰囲気を燃焼域に形成する。この結果、燃焼域には、緩慢な燃焼反応が進行し、広域且つ均等な火炎が生成する。
【００４９】
図９（Ａ）、（Ｂ）及び図１０は、図２に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。図９及び図１０において、上記各実施形態の各構成要素と実質的に同一又は均等な構成要素については、同一の参照符号が付されている。
【００５０】
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示す燃焼装置は、空気供給装置３０に接続された燃焼ガス導入路ＲＧの分流路Ｒ５を備える。燃焼ガス導入路ＲＧを流通する燃焼ガス（及び水蒸気）は、分流路Ｒ５の分岐部で分流し、燃焼ガス（及び水蒸気）の一部は、空気供給装置３０において燃焼用空気と混合する。
【００５１】
図１０に示す燃焼装置では、排ガス循環路Ｒ１の分岐路Ｒ５が、空気供給装置３０Ａに接続され、排ガス循環路Ｒ２の分岐路Ｒ６が、空気供給装置３０Ｂに接続される。第１燃焼工程（図１０Ａ）において、排ガス循環路Ｒ１の燃焼ガス（及び水蒸気）は、分岐路Ｒ５から部分的に空気供給装置３０Ａに導入され、燃焼用空気と混合する。第２燃焼工程（図１０Ｂ）において、排ガス循環路Ｒ２の燃焼ガス（及び水蒸気）は、分岐路Ｒ６から部分的に空気供給装置３０Ｂに導入され、燃焼用空気と混合する。
【００５２】
図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）には、本発明の更に他の実施形態が示されている。図３に示す実施形態は、燃焼ガス中の水蒸気の作用を殊に重視した構成のものであり、燃焼ガスの熱により７００℃以上、好ましくは、１０００℃以上、更に好ましくは、１５００℃以上の超高温に加熱された水蒸気が、燃料と混合する。即ち、前述の各実施形態では、燃料に含まれる炭化水素の改質反応は、主として、燃焼ガス中の高温水蒸気の存在により効果的に進行しているものと考えられるが、本実施形態では、このような高温水蒸気の作用を更に顕在化すべく、燃焼ガスが保有する顕熱を水蒸気に伝熱して水蒸気を７００℃以上に超高温に加熱し、高温の水蒸気を燃料と混合するようにしている。高温水蒸気は、改質材且つ高温熱媒体として機能し、燃料は、高温水蒸気の作用により、比較的多量の炭化水素ラジカル、水素、炭素又は一酸化炭素等を含む良質の燃料に改質され、高温の燃焼用空気と混合して燃焼する。なお、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示す装置では、燃焼ガスは、水蒸気を加熱した後、系外に排気される。
【００５３】
図１１、図１２及び図１３は、図３の各図に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。図１１乃至図１３の各図に示す燃焼装置は、図６に示す燃焼装置と類似した全体構成を備える。しかしながら、本実施形態では、水蒸気発生装置８の水蒸気が、水蒸気供給路ＳＴを介して流路切換装置２０及び／又は外気吸入路ＯＡに供給される。水蒸気は、蓄熱体１４、３４と伝熱接触し、７００℃以上の高温に加熱された後、燃料と混合する。なお、図１１には、燃焼装置の第１燃焼工程（図１１Ａ）及び第２燃焼工程（図１１Ｂ）が示されており、図１２及び図１３には、燃焼装置の第１燃焼工程のみが図示されている。
【００５４】
図４には、本発明の更に他の実施形態が示されている。図４に示す実施形態は、高温水蒸気を燃料と混合して燃料の改質反応を促進する点において、図３に示す実施形態と類似するが、本実施形態では、燃料供給装置は、水蒸気を高温に加熱する水蒸気加熱装置を更に備える。水蒸気加熱用の燃料及び燃焼用空気が、水蒸気加熱装置の燃焼室に供給され、水蒸気発生装置の水蒸気は、燃焼室の燃焼熱を受熱し、７００℃以上の高温に加熱される。高温水蒸気は、混合域に供給され、燃料と混合して燃料を改質する。燃料及び高温水蒸気の混合気は、良質の燃料ガスとして高温の燃焼用空気と更に混合し、燃焼装置の燃焼域において燃焼する。
【００５５】
図１４は、図４に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図であり、図１５及び図１６は、水蒸気加熱装置の構成を示す断面図である。
図１４に示す如く、水蒸気加熱装置８０は、水蒸気供給路ＬＳを介して水蒸気発生装置８に接続されるとともに、高温水蒸気供給路ＨＳを介して流路切換装置２０に接続される。高温水蒸気は、第１燃焼工程（図１４Ａ）において、燃料混合装置１０Ａの混合域１５に導入され、第２燃焼工程（図１４Ｂ）において、燃料混合装置１０Ｂの混合域１５に導入される。いずれの燃焼工程においても、高温水蒸気は、燃料ノズル１１から吐出した燃料と混合した後、燃料ガス噴射口１６から燃焼室１内に流入する。高温水蒸気は、混合域１５に高温雰囲気を形成するとともに、炭化水素系燃料と水蒸気改質反応し、燃料を良質の燃料ガスに改質する。
【００５６】
図１５及び図１６に示す如く、水蒸気加熱装置８０は、加熱炉本体８８、４方弁９５及び切換制御弁８５、８６、８７を備える。加熱炉本体８８は、左右一対のハニカム型蓄熱体８１、燃焼室８２、燃焼用空気吐出部８３及び燃料ノズル８４を有する。燃焼用空気供給路ＳＡ及び燃料供給路ＳＦの空気及び燃料が、制御弁８５、８６の制御下に空気吐出部８３及び燃料ノズル８４から燃焼室８２のいずれか一方に交互に供給され、水蒸気供給路ＬＳの水蒸気が、４方弁９５の制御下に蓄熱体８１のいずれか一方に交互に供給される。燃焼室８２に生成した高温の燃焼ガスは、蓄熱体８１を加熱した後、排気路ＥＡ及び排気流路ＥＧから排気される。比較的低温の水蒸気は、分配路Ｌ１又はＬ２から高温の蓄熱体８１に供給され、蓄熱体８１に伝熱接触して８００℃以上の高温に加熱された後、供給路ＨＳに流出し、流路切換装置２０（図１４）に供給される。所望により、制御弁８７を開放し、排ガス循環路Ｒ３の燃焼ガスの一部又は全量を燃焼ガス流路ＥＢから水蒸気供給路ＬＳに導入し、水蒸気供給路ＬＳの水蒸気流に混合しても良い。
【００５７】
【実施例】
以下、図１７乃至図２２を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。なお、以下の各図において、図１乃至図１６に示す各構成要素と実質的に同一又は均等な構成要素については、同一の参照符号が付されている。
【００５８】
図１７は、本発明の第１実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置を示す断面図である。図１７（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図１７（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。
【００５９】
図１７に示す燃焼装置は、図６に示す燃焼装置の構成を更に具体化したものであり、空気供給装置３０Ａ、３０Ｂ、流路切換装置４０及び給気ファン２を備えるとともに、燃料供給装置を構成する燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂ、流路切換装置２０及び排ガス循環ファン３を備える。流路切換装置２０、４０は、第１位置（図１７Ａ）又は第２位置（図１７Ｂ）に交互に切換えられる。燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂ及び空気供給装置３０Ａ、３０Ｂは、所定の傾斜角度をなして燃焼室１の炉体Ｗに固定される。装置１０Ａ、３０Ａの中心軸線は、燃焼室１内の燃焼域において交差するように配向され、装置１０Ｂ、３０Ｂの中心軸線は、燃焼室１内の燃焼域において交差するように配向される。
【００６０】
燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂは、円筒形ケーシング１７と、ケーシング１７内に収容された蓄熱体１４と、蓄熱体１４の中心部を貫通する燃料ノズル１１とから概ね構成される。ケーシング１７の先端部は、截頭円錐形の縮径部１６ａを有し、燃料ガス噴射口１６が、縮径部１６ａの先端に開口する。燃料ノズル１１の燃料噴射口１１ａが、燃料ガス噴射口１６から若干引っ込んだ位置に配置され、混合域１５が、燃料ガス噴射口１６と燃料噴射口１１ａとの間に形成される。ケーシング１７の底部は、底板１９により閉塞し、燃焼ガス導入部１２が、蓄熱体１４と底板１９との間に画成される。導入部１２は、燃焼ガスポート１８と連通し、ポート１８は、排ガス循環路Ｒ１、Ｒ２に接続される。燃料ノズル１１は、底板１９を貫通し、燃料供給管Ｆ１、Ｆ２に接続され、燃料供給制御弁Ｖ１、Ｖ２が、燃料供給管Ｆ１、Ｆ２に夫々介装される。
【００６１】
空気供給装置３０Ａ、３０Ｂは、円筒形ケーシング３７と、ケーシング３７内に収容された蓄熱体３４とから概ね構成される。ケーシング３７の先端部は、截頭円錐形の縮径部３６ａを有し、燃焼用空気吐出口３５が、縮径部３６ａの先端に開口する。ケーシング３７の底部は、底板３９により閉塞し、燃焼用空気導入部３２が、蓄熱体３４と底板３９との間に画成される。導入部３２は、燃焼用空気ポート３８と連通し、ポート３８は、給排流路Ｌ１、Ｌ２に接続される。
【００６２】
蓄熱体１４、３４は、多数の正方形断面のセル孔を備えた格子状のセラミックス製ハニカム構造体からなる。ハニカム構造体は、ケーシング１７、３７内に組込み可能な断面寸法及び全長を有し、各セル孔は、燃焼ガス又は燃焼用空気を流通可能な狭小流路を構成する。セル壁の壁厚及び各セル壁のピッチ（間隔）は、好ましくは、蓄熱体の容積効率の最大値に相応し且つ０．７乃至１．０の範囲内の温度効率を達成可能な壁厚及びピッチに設定される。
【００６３】
流路切換装置２０は、第１位置又は第２位置に選択的に切換制御可能な高速切換式の４方弁からなり、中心回転軸２５に固定された板状の弁体２６を有する。流路切換装置２０は、排ガス循環路Ｒ１、Ｒ２に夫々接続された給排ポート２１、２２と、排ガス循環路Ｒ３、Ｒ４に夫々接続されたバイパスポート２３、２４とを備える。循環路Ｒ３は、排ガス循環ファン３の吸引口に接続され、循環路Ｒ４は、循環ファン３の吐出口に接続される。循環路Ｒ４には、排気流路ＥＧ及び水蒸気供給路ＳＴが接続され、所望により、燃焼ガスの一部が系外に排気され、水蒸気発生装置（図示せず）の水蒸気が、循環路Ｒ４の燃焼ガス流に注入される。
【００６４】
流路切換装置４０は、流路切換装置２０と同時に第１位置及び第２位置に切換制御可能な高速切換式の４方弁からなり、中心回転軸４５に固定された板状の弁体４６を有する。流路切換装置４０は、燃料用空気供給路ＣＡに接続された給気ポート４１、排気流路Ｅ２に接続された排気ポート４２、給排流路Ｌ１、Ｌ２に夫々接続された給排ポート４３、４４を備える。
【００６５】
第１燃焼工程（図１７Ａ）において、流路切換装置２０、４０は、第１位置に保持される。燃焼室１の燃焼ガスは、燃料混合装置１０Ｂの蓄熱体１４を介して排ガス循環ファン３に吸引される。燃焼ガスは、循環ファン３により加圧され、所望により供給路ＳＴの水蒸気を添加された後、燃料混合装置１０Ａの蓄熱体１４を介して同混合域１５に吐出する。燃料供給制御弁Ｖ１は、燃料混合装置１０Ａの燃料ノズル１１に燃料を供給し、燃料は、燃料混合装置１０Ａの混合域１５に吐出する。燃料と燃焼ガス（及び水蒸気）とは、混合域１５において混合し、混合ガスは、燃料ガスとして燃料ガス噴射口１６から燃焼室１内に流出する。燃焼室１の燃焼ガスは又、空気供給装置３０Ｂの蓄熱体１４を介して給排流路Ｌ２に導出され、排気ファン（図示せず）の排気誘引圧力下に流路切換装置４０及び排気流路Ｅ２を介して系外に排気される。給気ファン２は、燃料用空気供給路ＣＡ、流路切換装置４０及び給排流路Ｌ１を介して燃焼用空気を空気供給装置３０Ａの蓄熱体３４に導入し、蓄熱体３４を流通した燃焼用空気は、燃焼用空気吐出口３５から燃焼室１内に流出する。装置１０Ａ、３０Ａから吐出した燃料ガス流及び燃焼用空気流は、燃焼室１内において混合し、燃料ガスは、燃焼する。
【００６６】
第２燃焼工程（図１７Ｂ）において、流路切換装置２０、４０は、第２位置に保持される。燃焼室１の燃焼ガスは、燃料混合装置１０Ａの蓄熱体１４を介して排ガス循環ファン３に吸引される。燃焼ガスは、循環ファン３により加圧し且つ所望により供給路ＳＴの水蒸気を添加した後、燃料混合装置１０Ｂの蓄熱体１４を介して混合域１５に吐出する。燃料供給制御弁Ｖ２は、燃料混合装置１０Ｂの燃料ノズル１１に燃料を供給し、燃料は、燃料混合装置１０Ｂの混合域１５に吐出する。燃料と燃焼ガス（及び水蒸気）とは、混合域１５において混合し、混合ガスは、燃料ガスとして燃料ガス噴射口１６から燃焼室１内に流出する。燃焼室１の燃焼ガスは又、空気供給装置３０Ａの蓄熱体１４を介して給排流路Ｌ１に導出され、排気ファン（図示せず）の排気誘引圧力下に流路切換装置４０及び排気流路Ｅ２を介して系外に排気される。給気ファン２は、燃料用空気供給路ＣＡ、流路切換装置４０及び給排流路Ｌ２を介して燃焼用空気を空気供給装置３０Ｂの蓄熱体３４に導入し、蓄熱体３４を流通した燃焼用空気は、燃焼用空気吐出口３５から燃焼室１内に流出する。装置１０Ｂ、３０Ｂから吐出した燃料ガス流及び燃焼用空気流は、燃焼室１内において混合し、燃料ガスは、燃焼する。
【００６７】
流路切換装置２０、４０は、６０秒以下に設定された所定の時間間隔で第１位置又は第２位置に交互に切換えられ、第１燃焼工程（図１７Ａ）及び第２燃焼工程（図１７Ｂ）は、交互に実行される。燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂの各蓄熱体１４は、高温の燃焼ガスに伝熱接触して燃焼ガスを冷却する蓄熱作用と、冷却した燃焼ガスに伝熱接触して燃焼ガスを超高温域に加熱する放熱作用とを反復する。従って、排ガス循環路Ｒ３、Ｒ４の燃焼ガス温度は低下するので、排気循環ファン３の熱負荷及び熱応力は軽減する一方、混合域１５に吐出すべき燃焼ガス（及び水蒸気）は、導出直後の温度よりも僅かに低い温度に再熱される。空気供給装置３０Ａ、３０Ｂの各蓄熱体３４は、高温の燃焼ガスに伝熱接触して燃焼ガスを冷却する蓄熱作用と、低温の燃焼用空気に伝熱接触して燃焼用空気を超高温域に加熱する放熱作用とを反復する。従って、燃焼排ガスが保有する顕熱は、蓄熱体１４を介して燃焼用空気に熱伝達し、燃焼用空気吐出口３５から吐出する燃焼用空気は、継続的に超高温域に予熱される。
【００６８】
このように高温の燃焼用空気及び高温の混合ガスの噴射流が、燃料ガス噴射口１６及び燃焼用空気吐出口３５から燃焼域に噴流し、燃料混合装置１０及び空気供給装置３０の中心軸線の交差領域において混合し、低酸素濃度の高温燃焼雰囲気が交差領域に形成される。流路断面積を制限した燃料ガス噴射口１６及び燃焼用空気吐出口３５における燃料ガス及び燃焼用空気の流速は、例えば、１０ｍ／ｓを超える高速に設定され、高速の燃料ガス流及び燃焼用空気流が、燃焼室１内に流入する。燃焼用空気の流量と概ね同等の流量を有する燃料ガス流は、燃焼用空気流と同等の運動量を有し、従って、燃焼用空気流と独立した燃料ガス流の制御を実行することが可能となる。
【００６９】
また、燃料噴射口１１ａから噴射した燃料は、蓄熱体１４の炉内側端面から吐出した高温の燃焼ガスと混合し、炉内に噴射する混合ガスは、多量の高温燃焼ガスを含む燃料ガス噴流として混合域１５から炉内に流入する。即ち、従来の炉内再循環ガス流による燃料の希釈法では、燃料噴流と炉内燃焼ガス流とを炉内領域で混合することにより、燃料及び燃焼ガスを混合していたのに対し、本発明では、燃料は、炉内に流入する前に既に高温燃焼ガスと混合しており、炉内燃焼ガス流との混合を格別に要しない。しかも、燃焼ガス及び燃料の混合ガス流は、炉内燃焼ガス循環流の影響を実質的に受けない十分な運動量を有する燃料ガス流として炉内に導入され、燃焼用空気流と衝突し、緩慢に燃焼反応する。このような燃焼法によれば、炉内の燃焼ガス循環流に影響されることなく、燃料ガス流と燃焼用空気流とを炉内の所望の位置で混合し、火炎の位置及び範囲を任意に制御することができる。
【００７０】
更に、燃料及び燃焼ガスは、混合域１５において混合するので、燃料と、燃焼ガス（及び水蒸気）との混合過程及び混合比を任意に設定するとともに、かかる制御を確実に実行することができ、しかも、燃料ガス流は、十分な運動量を有するので、所望の炉内位置で燃焼用空気流と混合することができる。かくして、上記構成によれば、燃料、燃焼ガス（及び水蒸気）、燃焼用空気の混合過程及び混合比を確実に制御することが可能となる。
【００７１】
また、水蒸気の注入により比較的多量の水蒸気を含む燃焼ガスは、高温に加熱された後、燃料と混合するので、燃料は、燃焼ガス中の高温水蒸気の改質作用により比較的良質の燃料に改質される。ここに、高温の燃焼ガス及び水蒸気は、水蒸気改質反応（吸熱反応）に要する顕熱を混合域１５に供給する高温熱媒体又は熱源としても作用する。
【００７２】
図１８は、本発明の第２実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。図１８（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図１８（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。
【００７３】
図１８に示す実施例は、上記第１実施例と実質的に同じ構造を有する流路切換装置２０、４０、給気ファン２及び排ガス循環ファン３を備え、流路切換装置２０、４０は、所定の時間間隔において第１位置（図１８Ａ）又は第２位置（図１８Ｂ）に交互に切換えられる。本例において、燃料混合装置１０は、上記第１実施例の燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂを実質的に一体化した構造を有し、空気供給装置３０は、上記第１実施例の空気供給装置３０Ａ、３０Ｂを実質的に一体化した構造を有する。
【００７４】
燃料混合装置１０は、一対の蓄熱体１４Ａ、１４Ｂを備える。第１燃焼工程（図１８Ａ）において、燃焼室１の燃焼ガスは、第２蓄熱体１４Ｂを介して炉外に導出され、排ガス循環ファン３により加圧された後、所望により、水蒸気供給路ＳＴの水蒸気を添加される。燃焼ガス（及び水蒸気）は、第１蓄熱体１４Ａから混合域１５に吐出し、燃料ノズル１１が噴射する燃料と混合し、燃料ガスとして燃焼室１内に流入する。第２燃焼工程（図１８Ｂ）において、燃焼室１の燃焼ガスは、第１蓄熱体１４Ａを介して炉外に導出され、排ガス循環ファン３により加圧された後、所望により、水蒸気供給路ＳＴの水蒸気を添加される。燃焼ガス（及び水蒸気）は、第２蓄熱体１４Ｂから混合域１５に吐出し、燃料ノズル１１が噴射する燃料と混合し、燃料ガスとして燃焼室１内に流入する。流路切換装置２０は、第１及び第２位置に交互に切換制御され、蓄熱体１４Ａ、１４Ｂは、蓄熱作用及び放熱作用を反復する。燃料供給管Ｆ１の燃料供給制御弁Ｖ１は、燃料ノズル１１に対して常時燃料を供給する。燃料は、混合域１５に常時吐出し、蓄熱体１４Ａ又は蓄熱体１４Ｂの一方より吐出した高温の燃焼ガス（及び水蒸気）と混合し、混合ガス（燃料ガス）を連続生成する。
【００７５】
同様に、空気供給装置３０も又、一対の蓄熱体３４Ａ、３４Ｂと、蓄熱体３４Ａ、３４Ｂの間に配置された燃料ノズル３１とを備える。第１燃焼工程（図１８Ａ）において、燃焼室１の燃焼ガスは、第２蓄熱体３４Ｂを介して炉外に導出され、排気流路Ｅ２から系外に排気され、他方、燃焼用空気は、給気ファン２の給気押込み圧力下に第１蓄熱体３４Ａから燃焼室１内に導入される。第２燃焼工程（図１８Ｂ）において、燃焼室１の燃焼ガスは、第１蓄熱体３４Ａを介して炉外に導出され、排気流路Ｅ２から系外に排気され、他方、燃焼用空気は、給気ファン２の給気押込み圧力下に第２蓄熱体３４Ｂから燃焼室１内に導入される。流路切換装置４０は、流路切換装置２０と同時に第１位置又は第２位置に切換制御され、蓄熱体３４Ａ、３４Ｂは、蓄熱作用及び放熱作用を反復する。燃料ノズル３１は、燃料供給制御弁Ｖ３を備えた燃料供給管Ｆ３に接続される。燃料ノズル３１は、燃焼装置の起動時の如く炉温が比較的低温の時期（冷間時）にのみ、燃料を燃料ノズル３１に供給する。燃料ノズル３１の先端に位置する燃料噴射口は、燃料を噴射し、比較的多量の酸素を含む燃焼用空気による燃料の燃焼反応を燃焼域に生起する。燃料ノズル３１は、炉温が所定温度に上昇した時期（熱間時）に燃料の噴射を停止する。
【００７６】
燃料混合装置１０及び空気供給装置３０は、所定の傾斜角度をなして燃焼室１の炉体Ｗに固定され、装置１０、３０の中心軸線は、燃焼室１の燃焼域において交差するように配向される。空気供給装置３０から燃焼室１内に流入した燃焼用空気は、燃料混合装置１０から燃焼室１内に流入した混合ガス（燃料ガス）と混合し、燃焼反応する。
【００７７】
このような燃焼装置によれば、上記第１実施例と同様、燃料、燃焼ガス（及び水蒸気）、そして、燃焼用空気の混合過程及び混合比の制御性を向上し得るばかりでなく、燃料ノズル１１の燃料噴射時期を切換制御することなく、燃料を燃料ノズル１１から連続的に噴射することができる。なお、上記燃料ノズル３１の燃料噴射を熱間時に継続しても良く、この場合、燃料ノズル３１の燃料噴射量は、熱間時に制限される。
【００７８】
図１９は、本発明の第３実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。図１９（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図１９（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。
【００７９】
図１９に示す実施例は、上記第１及び第２実施例と実質的に同じ構造を有する流路切換装置２０、４０、給気ファン２及び排ガス循環ファン３を備え、流路切換装置２０、４０は、所定の時間間隔で第１位置（図１９Ａ）又は第２位置（図１９Ｂ）に交互に切換えられる。各燃料ノズル１１は、流路切換装置２０、４０と同期制御され、交互に燃料を噴射する。
【００８０】
本例の燃料供給装置は、複合燃焼装置５０Ａに組込まれた燃料混合装置１０Ａと、複合燃焼装置５０Ｂに組込まれた燃料混合装置１０Ｂとを備える。このような燃料供給装置の構成は、図６に示す実施形態を更に具体化したものである。
【００８１】
複合装置５０Ａを構成する燃料混合装置１０Ａは、燃料ノズル１１、蓄熱体１４、ケーシング１７及び燃焼ガス導入部１２を備え、空気供給装置３０Ａは、燃料混合装置１０Ａの外側に配置された蓄熱体３４、ケーシング３７及び燃焼用空気導入部３２を備える。燃焼ガスポート１８は、排ガス循環路Ｒ１に接続され、燃焼用空気ポート３８は、給排流路Ｌ１に接続される。また、燃料ノズル１１は、燃料供給制御弁Ｖ１を備えた燃料供給管Ｆ１に接続される。
【００８２】
複合装置５０Ｂは、複合装置５０Ａの燃料混合装置１０Ａ及び空気供給装置３０Ａと実質的に同一の構成を有する燃料混合装置１０Ｂ及び空気供給装置３０Ｂからなり、複合装置５０Ｂの各部構成は、複合装置５０Ａと対称に構成される。複合装置５０Ｂの燃焼ガスポート１８は、排ガス循環路Ｒ２に接続され、燃焼用空気ポート３８は、給排流路Ｌ２に接続される。また、燃料混合装置１０Ｂの燃料ノズル１１は、燃料供給制御弁Ｖ２を備えた燃料供給管Ｆ２に接続される。
【００８３】
第１燃焼工程（図１９Ａ）において、燃焼室１の燃焼ガスは、複合装置５０Ｂの蓄熱体１４、３４を介して排ガス循環路Ｒ２及び給排流路Ｌ２に導出される。循環路Ｒ２の燃焼ガスは、流路切換装置２０を介して排ガス循環ファン３に誘引される。燃焼ガスは、循環ファン３により加圧され且つ所望により水蒸気を注入された後、複合装置５０Ｂの蓄熱体１４から混合域１５に吐出し、燃料ノズル１１が噴射する燃料と混合し、燃焼室１内に流入する。他方、給排流路Ｌ２の燃焼ガスは、流路切換装置４０及び排気流路Ｅ２を介して系外に排気される。また、燃焼用空気は、複合装置５０Ａの蓄熱体３４を流通して複合装置５０Ａの吐出口３５から燃焼室１に流入する。
【００８４】
第２燃焼工程（図１９Ｂ）において、燃焼室１の燃焼ガスは、複合装置５０Ａの蓄熱体１４、３４を介して排ガス循環路Ｒ１及び給排流路Ｌ１に導出される。循環路Ｒ１の燃焼ガスは、流路切換装置２０を介して排ガス循環ファン３に誘引される。燃焼ガスは、循環ファン３により加圧され且つ所望により水蒸気を注入された後、複合装置５０Ｂの蓄熱体１４から混合域１５に吐出し、燃料ノズル１１が噴射する燃料と混合し、燃焼室１内に流入する。他方、給排流路Ｌ１の燃焼ガスは、流路切換装置４０及び排気流路Ｅ２を介して系外に排気される。また、燃焼用空気は、複合装置５０Ｂの蓄熱体３４を流通して複合装置５０Ｂの吐出口３５から燃焼室１に流入する。
【００８５】
流路切換装置２０、４０は、６０秒以下に設定された所定の時間間隔において第１位置又は第２位置に同期切換制御され、蓄熱体１４、３４は、蓄熱作用及び放熱作用を反復する。複合装置５０Ａ、５０Ｂから吐出した燃料ガス流及び燃焼用空気流は、燃焼室１内の燃焼域において混合し、燃焼反応する。
【００８６】
このような実施例によれば、燃料ノズル１１の燃料流体は、蓄熱体１４から流出する高温燃焼ガス流の中心部に噴射され、燃焼ガス流の中心部から燃焼ガスと混合する。燃焼用空気流は、燃焼ガス流を囲むように蓄熱体３４から流出し、燃焼ガス流の外縁領域から燃焼ガス及び燃料の混合ガス（燃料ガス）と反応する。従って、燃焼ガス（及び水蒸気）流は、燃料噴射流と燃焼用空気流とを確実に隔絶する環状の干渉帯を形成し、燃料流体は、燃焼用空気と直に反応することなく、燃焼ガス（及び水蒸気）と混合した後に燃焼用空気と反応する。
【００８７】
図２０は、本発明の第４実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。図２０（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図２０（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。
【００８８】
図２０に示す実施例は、図１（Ｃ）及び図８に示す実施形態を更に具体化した構成のものであり、燃料ノズル１１は、燃焼ガス導入部１２に配置され、燃焼ガス導入部１２は、混合域１５として機能する。即ち、第１燃焼工程（図２０Ａ）において、燃料混合装置１０Ａの燃料ノズル１１が噴射した燃料は、燃焼ガス導入部１２内の混合域１５において低温の燃焼ガス（及び水蒸気）と混合し、混合ガスは、燃料混合装置１０Ａの蓄熱体１４を流通し、高温の蓄熱体１４により加熱される。他方、第２燃焼工程（図２０Ｂ）において、燃料混合装置１０Ｂの燃料ノズル１１が噴射した燃料は、燃焼ガス導入部１２内の混合域１５において低温の燃焼ガス（及び水蒸気）と混合し、混合ガスは、燃料混合装置１０Ｂの蓄熱体１４を流通し、高温の蓄熱体１４により加熱される。本例において、燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂの燃料ガス噴射口１６及び燃焼用空気吐出口３５は、縮径部を備えず、噴射口１６及び吐出口３５は、比較的大きな流路面積を有する。噴射口１６及び吐出口３５から噴射した高温の混合ガス及び燃焼用空気は、燃焼室１内の燃焼域において混合し、燃焼反応する。その他の構成及び作動形態は、図１７に示す第１実施例と実質的に同一であるので、更なる詳細な説明は、省略する。
【００８９】
本実施例によれば、混合ガスは、燃料混合装置１０Ａ、１０Ｂの蓄熱体１４を流通する間に受熱し、高温に加熱された後、燃焼室１内の燃焼域において高温の燃焼用空気と混合し、低酸素濃度且つ高温の燃焼雰囲気の広範な燃焼火炎を燃焼室１内に生成する。
【００９０】
図２１は、本発明の第５実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。図２１（Ａ）は、燃焼装置の第１燃焼工程を示し、図２１（Ｂ）は、燃焼装置の第２燃焼工程を示す。
【００９１】
図２１は、図２及び図１０に示す実施形態を更に具体化した構成のものであり、空気供給装置３０Ａ、３０Ｂの燃焼用空気導入部３２は、燃焼ガス導入ポート６０を介して、排ガス循環路Ｒ１、Ｒ２の分岐路Ｒ５、Ｒ６と連通する。ポート６０を介して導入部３２に導入された燃焼ガス（及び水蒸気）は、燃焼用空気と混合し、燃焼用空気及び燃焼ガスの混合流体は、蓄熱体３４により上記超高温域に予熱された後、吐出口３５から炉内に流入する。このような構成によれば、燃料と同様に、燃焼用空気も又、炉内導入前に燃焼ガス（及び水蒸気）と混合し、燃焼用空気の燃焼反応性は、低下する。燃焼ガス及び燃焼用空気の混合気は、炉内に導入され、同様に燃焼ガス（及び水蒸気）により希釈した燃料ガス流と炉内燃焼域で衝突混合し、低酸素濃度の緩慢な燃焼反応を燃焼域に生じさせる。なお、図２１に示す燃焼装置の基本構成及び作動は、図１７に示す実施例と実質的に同一であるので、更なる詳細な説明は、省略する。
【００９２】
図２２は、本発明の第６実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）は、燃焼装置の第１燃焼工程及び第２燃焼工程を夫々示す。
【００９３】
図２２は、図３及び図１１に示す実施形態を更に具体化した構成のものであり、排気流路ＥＧが循環ファン３の吐出口に接続され、水蒸気発生装置８の水蒸気供給路ＳＴ１が、流路切換装置２０のバイパスポート２４に接続される。水蒸気発生装置８は又、水蒸気供給路ＳＴ２を介して外気吸入路ＯＡに供給される。水蒸気発生装置８の水蒸気は、水蒸気供給路ＳＴ１：ＳＴ２を介して流路切換装置２０及び外気吸入路ＯＡに供給され、蓄熱体１４、３４と伝熱接触し、７００℃以上の高温に加熱される。混合域１５に吐出した高温水蒸気は、燃料ノズル１１の炭化水素系燃料と混合し、燃料は、炭化水素の水蒸気改質反応により、比較的多量の炭化水素ラジカル、水素、炭素又は一酸化炭素等を含む良質の燃料に改質される。このような構成によれば、重質油等の比較的重質又は低質、或いは、低品位の炭化水素系燃料を軽質又は良質、或いは、高品位の燃料に改質することができる。改質後の燃料を含む燃料ガスは、燃焼用空気吐出口３５から炉内に流出した高温空気及び高温水蒸気と更に混合し、低酸素濃度且つ高温の燃焼雰囲気の広範な燃焼火炎を燃焼室１内に生成する。
【００９４】
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能であり、該変形例又は変更例も又、本発明の範囲内に含まれるものであることは、いうまでもない。
【００９５】
例えば、上記各実施例では、４方弁構造の切換弁を流路切換装置として使用しているが、複数の開閉弁を組合せた構成の流路切換装置を使用しても良い。
【００９６】
また、燃料混合装置及び空気加熱装置の構造は、上記実施例の構造に限定されるものではなく、例えば、多数の蓄熱体を内蔵した形式の蓄熱型熱交換器を燃料混合装置及び空気加熱装置として使用しても良い。
更に、上記水蒸気供給手段として、工場又は製造プラント内のプロセス蒸気供給系などを使用しても良い。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明の上記構成によれば、燃料及び燃焼用空気の混合過程及び混合比の制御性を向上することができる燃料供給装置及び燃料供給方法を提供することができる。
【００９８】
また、本発明の燃料供給装置及び燃料供給方法によれば、炉内燃焼ガス再循環流の制御に依存することなく、燃焼ガスと燃料とを任意に混合することができる。
【００９９】
更に、本発明の燃料供給装置及び燃料供給方法によれば、新規な燃焼特性を有する燃料ガスを生成する燃料供給装置及び燃料供給方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施形態を示す燃料供給装置のブロックフロー図である。
【図２】本発明の他の好適な実施形態を示す燃料供給装置のブロックフロー図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す燃料供給装置のブロックフロー図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態を示す燃料供給装置のブロックフロー図である。
【図５】図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略断面図である。
【図６】図１（Ｂ）に示す燃料供給装置を備えた他の構成の燃焼装置を示す概略縦断面図である。
【図７】図６に示す燃料混合装置の作用を概略的に示すブロックフロー図である。
【図８】図１（Ｃ）に示す構成の燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。
【図９】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。
【図１０】図２（Ｂ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。
【図１１】図３（Ａ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。
【図１２】図３（Ｂ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。
【図１３】図３（Ｃ）に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。
【図１４】図４に示す燃料供給装置を備えた燃焼装置の概略縦断面図である。
【図１５】図１４に示す水蒸気加熱装置の構成を示す断面図である。
【図１６】図１４に示す水蒸気加熱装置の構成を示す断面図である。
【図１７】本発明の第１実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置を示す断面図である。
【図１８】本発明の第２実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。
【図１９】本発明の第３実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。
【図２０】本発明の第４実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。
【図２１】本発明の第５実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。
【図２２】本発明の第６実施例に係る燃料供給装置を備えた燃焼装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 燃焼室
２ 強制給気ファン
３ 排ガス循環ファン
８ 水蒸気発生装置
１０、１０Ａ、１０Ｂ 燃料混合装置
１１ 燃料ノズル
１２ 燃焼ガス導入部
１４ 蓄熱体
１５ 混合域
１６ 燃料ガス噴射口
２０、４０ 流路切換装置
３０、３０Ａ、３０Ｂ 燃焼用空気供給装置
８０ 水蒸気加熱装置
Claims (22)
- 燃焼用燃料を供給する燃料供給手段と、燃焼用空気を燃焼域に供給する燃焼用空気供給手段とを備えた燃料供給装置において、
炉外に導出した燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の水蒸気と、前記燃料供給手段の燃料とを混合する混合装置と、
前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料との混合流体を燃料ガスとして前記燃焼域に導入し、該燃料ガスを前記燃焼用空気と混合せしめる燃料ガス導入装置と、
前記燃焼ガスを冷却する燃焼ガス冷却装置と、
該燃焼ガス及び／又は前記水蒸気を加熱する加熱装置とを有し、
前記混合装置は、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料とを混合する混合域を備え、
前記混合域は、前記加熱装置と前記燃焼域との間に配置され、
前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料とは、前記混合域に導入され、前記燃焼域に導入可能な燃料ガスを生成することを特徴とする燃料供給装置。 - 燃焼用燃料を供給する燃料供給手段と、燃焼用空気を燃焼域に供給する燃焼用空気供給手段とを備えた燃料供給装置において、
炉外に導出した燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の水蒸気と、前記燃料供給手段の燃料とを混合する混合装置と、
前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料との混合流体を燃料ガスとして前記燃焼域に導入し、該燃料ガスを前記燃焼用空気と混合せしめる燃料ガス導入装置と、
前記燃焼ガスを冷却する燃焼ガス冷却装置と、
該燃焼ガス及び／又は前記水蒸気を加熱する加熱装置とを有し、
前記混合装置は、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料とを混合する混合域を備え、
前記混合域は、前記冷却装置と前記加熱装置との間に配置され、
前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料とは、前記混合域に導入され、前記燃焼域に導入可能な燃料ガスを生成することを特徴とする燃料供給装置。 - 燃焼用燃料を供給する燃料供給手段と、燃焼用空気を燃焼域に供給する燃焼用空気供給手段とを備えた燃料供給装置において、
炉外に導出した燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の水蒸気と、前記燃料供給手段の燃料とを混合する混合装置と、
前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料との混合流体を燃料ガスとして前記燃焼域に導入し、該燃料ガスを前記燃焼用空気と混合せしめる燃料ガス導入装置とを有し、
前記混合装置に供給すべき前記水蒸気供給手段の水蒸気を７００℃以上の温度に加熱した後に前記混合装置に供給するための水蒸気加熱手段を備えることを特徴とする燃料供給装置。 - 前記混合装置は、前記水蒸気と、前記燃料とを混合する混合域を有し、
前記水蒸気及び前記燃料は前記混合域に導入され、前記燃焼域に導入可能な燃料ガスを生成することを特徴とする請求項３に記載の燃料供給装置。 - 燃焼域に生成した燃焼ガスを燃焼域から炉外に導出する燃焼ガス導出装置を介して前記燃焼ガスを前記燃焼域から誘引し、該燃焼ガスに水蒸気を添加して前記混合装置に圧送する強制循環装置を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料供給装置。
- 前記冷却装置及び加熱装置は、高温の前記燃焼ガスに伝熱接触して蓄熱し且つ冷却後の前記燃焼ガス及び／又は前記水蒸気に伝熱接触して放熱する蓄熱体を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料供給装置。
- 前記燃料供給手段は、前記燃料を前記混合装置に連続的に供給することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料供給装置。
- 燃料ガス導入装置は、前記燃焼域に開口する燃料ガス噴射口を有し、前記混合域は、前記燃料ガス噴射口の内部に配置され、前記燃焼域と連通することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料供給装置。
- 燃焼用燃料及び燃焼用空気を燃焼域に供給する燃料供給方法において、
炉外に導出した燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の水蒸気を混合域に供給し、
前記燃焼用燃料を前記混合域に供給して、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と前記燃料との混合流体を生成し、
前記混合流体を燃料ガスとして前記燃焼域に導入し、該燃料ガスを前記燃焼用空気と混合して前記燃料ガスの燃焼反応を前記燃焼域に生じさせる燃料供給方法であって、
炉外に導出した前記燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の前記水蒸気を加熱装置によって７００℃以上の高温に加熱した後、前記燃料を加熱後の前記燃焼ガス及び／又は水蒸気に混合することを特徴とする燃料供給方法。 - 燃焼用燃料及び燃焼用空気を燃焼域に供給する燃料供給方法において、
炉外に導出した燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の水蒸気を混合域に供給し、
前記燃焼用燃料を前記混合域に供給して、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と前記燃料との混合流体を生成し、
前記混合流体を燃料ガスとして前記燃焼域に導入し、該燃料ガスを前記燃焼用空気と混合して前記燃料ガスの燃焼反応を前記燃焼域に生じさせる燃料供給方法であって、
炉外に導出した前記燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の前記水蒸気に対して前記燃料を混合して前記混合流体を得た後、該混合流体を加熱装置によって７００℃以上の高温に加熱して前記燃焼域に導入することを特徴とする燃料供給方法。 - 燃焼用燃料及び燃焼用空気を燃焼域に供給する燃料供給方法において、
炉外に導出した燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の水蒸気を混合域に供給し、
前記燃焼用燃料を前記混合域に供給して、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と前記燃料との混合流体を生成し、
前記混合流体を燃料ガスとして前記燃焼域に導入し、該燃料ガスを前記燃焼用空気と混合して前記燃料ガスの燃焼反応を前記燃焼域に生じさせる燃料供給方法であって、
前記燃焼ガス及び／又は水蒸気の一部を前記燃焼用空気と混合し、
酸素濃度が低下した前記燃焼用空気と、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気を含み且つ該燃焼域に導入された前記燃料ガスとを前記燃焼域で混合することを特徴とする燃料供給方法。 - 燃焼用燃料及び燃焼用空気を燃焼域に供給する燃料供給方法において、
炉外に導出した燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の水蒸気を混合域に供給し、
前記燃焼用燃料を前記混合域に供給して、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と前記燃料との混合流体を生成し、
前記混合流体を燃料ガスとして前記燃焼域に導入し、該燃料ガスを前記燃焼用空気と混合して前記燃料ガスの燃焼反応を前記燃焼域に生じさせる燃料供給方法であって、
炉外に導出され且つ前記燃料に混合すべき前記燃焼ガスに対して、前記水蒸気を添加して該燃焼ガスの水蒸気含有量を調節することを特徴とする燃料供給方法。 - 燃焼用燃料及び燃焼用空気を燃焼域に供給する燃料供給方法において、
炉外に導出した燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の水蒸気を混合域に供給し、
前記燃焼用燃料を前記混合域に供給して、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と前記燃料との混合流体を生成し、
前記混合流体を燃料ガスとして前記燃焼域に導入し、該燃料ガスを前記燃焼用空気と混合して前記燃料ガスの燃焼反応を前記燃焼域に生じさせ、
炉外に導出した高温の燃焼ガス及び／又は水蒸気加熱手段で７００℃以上に加熱した高温の水蒸気を前記混合域に導入して前記燃料と混合する燃料供給方法であって、
前記燃焼ガス、前記水蒸気又は前記混合流体は、前記燃焼ガスの冷却時に該燃焼ガスが放熱した顕熱を受熱し、再熱又は加熱されることを特徴とする燃料供給方法。 - 前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料との混合域は、前記燃焼域と連続し、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と、前記燃料とは、前記混合域に夫々噴射し、該混合域の混合流体は、前記燃料ガスとして前記燃焼域に導入されることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の燃料供給方法。
- 燃焼用燃料及び燃焼用空気を燃焼域に供給する燃料供給方法において、
炉外に導出した燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の水蒸気を混合域に供給し、
前記燃焼用燃料を前記混合域に供給して、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と前記燃料との混合流体を生成し、
前記混合流体を燃料ガスとして前記燃焼域に導入し、該燃料ガスを前記燃焼用空気と混合して前記燃料ガスの燃焼反応を前記燃焼域に生じさせる燃料供給方法であって、
前記燃焼域に導入される燃料ガスは、７００℃以上の温度を有することを特徴とする燃料供給方法。 - 燃焼用燃料及び燃焼用空気を燃焼域に供給する燃料供給方法において、
炉外に導出した燃焼ガス及び／又は水蒸気供給手段の水蒸気を混合域に供給し、
前記燃焼用燃料を前記混合域に供給して、前記燃焼ガス及び／又は水蒸気と前記燃料との混合流体を生成し、
前記混合流体を燃料ガスとして前記燃焼域に導入し、該燃料ガスを前記燃焼用空気と混合して前記燃料ガスの燃焼反応を前記燃焼域に生じさせる燃料供給方法であって、
前記燃焼域に導入された燃料ガスは、７００℃以上の温度に予熱された前記燃焼用空気と混合することを特徴とする燃料供給方法。 - 前記燃焼ガスは、１０％以下の酸素濃度を有することを特徴とする請求項９乃至１６のいずれか１項に記載の燃料供給方法。
- 前記燃焼ガスと、前記燃料との混合比は、１：１〜２０：１の範囲に設定されることを特徴とする請求項９乃至１７のいずれか１項に記載の燃料供給方法。
- 前記燃料ガスと、前記燃焼用空気との混合比は、１：１０〜２０：１０の範囲に設定されることを特徴とする請求項９乃至１８のいずれか１項に記載の燃料供給方法。
- 前記燃焼域に流入する前記燃料ガスの流速は、１０ｍ／ｓ〜１５０ｍ／ｓの範囲に設定されることを特徴とする請求項９乃至１９のいずれか１項に記載の燃料供給方法。
- 燃焼用燃料を供給する燃料供給手段を備えた燃料ガス生成装置において、
炭化水素系燃料及び水蒸気を混合する混合域を有するとともに、燃焼排ガスと、前記燃料が混合し又は該燃料が浮遊した水蒸気流とを交互に通す多数の狭小流路を備えたハニカム構造のセラミックス製蓄熱体を有し、
前記セラミックス製蓄熱体の多数の狭小流路に前記燃焼排ガスを通して前記蓄熱体を加熱し、該蓄熱体に蓄熱するとともに、前記燃料が混合し又は該燃料が浮遊した前記水蒸気流を前記蓄熱体の流路に通して該水蒸気流を前記蓄熱体と伝熱接触させ、該蓄熱体の放熱によって前記水蒸気流を７００℃以上の温度に加熱して燃料ガス流を生成するようにしたことを特徴とする燃料ガス生成装置。 - 燃料ガスを生成する燃料ガス生成方法において、
ハニカム構造のセラミックス製蓄熱体の多数の狭小流路に燃焼排ガスを通して前記蓄熱体を加熱し、該蓄熱体に蓄熱するとともに、炭化水素系燃料を水蒸気流に混合し、
前記燃料が混合し又は該燃料が浮遊した前記水蒸気流を前記蓄熱体の流路に通し、該水蒸気流を蓄熱後の前記蓄熱体と伝熱接触させ、該蓄熱体の放熱によって前記水蒸気流を７００℃以上の温度に加熱して燃料ガス流を生成することを特徴とする燃料ガス生成方法。
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