JP4717827B2 - 水素を用いて液体燃料を燃焼させる装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃えやすい補助燃料と混合燃焼（co-fire）することで、高分子液体炭化水素燃料と重有機化合物を燃焼させる方法に関する。さらに具体的には、本発明は、重炭化水素燃料を燃焼水素ゾーン全体に噴射し、その燃焼水素ゾーンにてその燃料を細かく分散させ、一部気化して、その燃料に点火することで、重炭化水素燃料を効果的に燃焼させる方法および装置を提供する。
本方法は燃焼のために比較的少量の水素を利用するから、所望の供給量の水素を生成するには水の電気分解などの少量の水素源を利用できる。水の電気分解から生成された水素を用いて炭化水素燃料を燃焼させることは、多量の天然ガスと混合燃焼することで重燃料油などを燃焼させる現在の方法および装置と比べて、重要な成果をもたらす。この燃焼水素を用いて、炭化水素燃料を分散させれば、蒸気または空気などの圧縮された不燃性ガスを必要とせずに、所要の霧化度（degree of atomization）がもたらされる。植物油などの高分子液体に使用するときには、本明細書に提示される燃焼法および燃焼装置は、再生可能なエネルギー源だけを用いて熱ネルギーを生成する方法に代わる経済的な方法を提供する。

ある種の高分子液体または重液体燃料油は、その揮発性が低さのために、大量の熱・機械エネルギーを投入して、これらの燃料を、容易に燃焼できる状態にしなければならない。一般に、重油は、周囲温度からその引火点まで加熱しなければならず、しかも、燃焼前に、これらの重油分子の一部を気化させるために、さらに熱を加えなければならない。この重油を容易に燃焼できる状態にするのに必要な熱負荷を提供する効率的な方法として、この重油を容易に燃焼できるガスと混合燃焼することがよく知られている。天然ガスは、非常に燃えやすく、かつ、たいてい最も費用のかからない補助燃料源であるから、現在最も普及した混合燃焼燃料である。しかしながら、天然ガスは、再生不能なエネルギー源であって、いくつかの分野においては容易に入手できことがあり、また、他の競合する家庭での使用や産業での使用を免れないこともある。

現在のバーナ設計の大部分は、この重油の予熱、霧化、さらに、熱伝達を向上させるために、燃焼する混合燃焼燃料からの高温煙道ガス（hot flue gas）とこの重油との混合という様々な手段を使用している。燃料の霧化は、液体燃料の露出表面積を大きくし、それにより、この気化率が上昇する。液体燃料を霧化するために、３つの主要手段、すなわち、１）液体送りノズル、２）高圧蒸気または空気補助形の噴出機構（jetting）、または３）回転カップ（rotating cup）が使用される。これらの霧化する方法の例として、「圧力噴出霧化器（Pressure Jet Atomizer）」、「蒸気または空気補助形の噴出霧化器（Steam or Air Assited Jet Atomizer）」、「低圧空気霧化器（Low pressure Air Atomizer）」がある。「圧力噴出霧化器」は、高い給油圧力を利用して、燃料を霧化し、細かく分散した粒滴の噴霧を形成する。この燃料油は、主霧化本体中の接線ポート（tangential port）を用いて、ウズ室に送られる。このウズ室に渦が形成されるために、空気コア（air core）が発生し、それにより、燃料は環状の薄膜として最後の吐出口を出る。この薄膜の角速度・軸流速度により、燃料は、その吐出口から吐き出すときに、中空円錐体に成長する。これらのタイプのバーナに関わる主な問題の１つは、燃料の流量が減らされると、霧化器は、その噴霧角がゆがめられ、その結果、炉壁に燃料／火炎がぶつかることが多いことである。

「外部混合形蒸気霧化器」タイプまたは「蒸気補助形圧力噴出霧化器」タイプのバーナは、高燃焼率での圧力噴出霧化と、低燃焼率での噴射霧化を充分に活用するように設計されている。外部混合形は、周りに蒸気供給路が設けられている圧力噴出先端を持つ霧化器を使用している。蒸気は、ギャップを通して、斜めにこの環状通路から出る。また、渦は、油噴霧円錐角とほぼ一致する。この燃料油と蒸気は、あらかじめ混合されないから、その出力は、蒸気圧のわずかな変化でも影響を受けない。別の方法は、２つの同心管、一体のノズル、封止ナットから成る内部混合形蒸気霧化器である。この蒸気は中心管を通じて供給され、また、燃料油は外側の管を通じて供給される。中央蒸気管の出口は、ピッチ円上に配列されたいくつかの吐出しノズルを持ち、それぞれの油穴が、交点において、対応する蒸気穴に合するようにしている。蒸気がこれらのノズルから出ると、蒸気は油と混合して、高圧で油と蒸気のエマルジョンを形成する。この混合液が最後の吐出口から出るときに、この混合液が膨脹することにより、細かく霧化された油の噴霧が生じる。

「回転カップ」式霧化器は、電動機とベルト駆動装置により高速（約５０００ＲＰＭ）で回転するカップ状の部材を使用している。この燃料油は、低圧にて、円錐形の高速回転カップに流れ込んで、そこで、燃料油が、その内面上に一様に分布して、非常に薄い油膜として、そのカップ・リム（cup rim）から振り落とされる。一次空気ファンは、このカップの周りに同心に空気を吐き出して、高速で、その油膜に当たって、その油膜を、ごく小さい粒滴に霧化する。回転カップ式バーナは、適切なバーナ負荷調整範囲を持ち、また、比較的に、燃料油中の汚染物質の影響を受けない。「低圧空気霧化器」は、回転カップ式霧化のものと同様な原理を用いているが、ただし、強制的に回転させる一次空気流を用いて、固定カップ内で液体燃料を強制的に回転させる。

前述のバーナは、一般に、ディーゼル燃料などのさらに軽い燃料油を燃焼させるように設計されているが、これらのバーナは、さらに重い燃料油を燃焼するように改良されるべきである。代表的な改良としては、燃焼室、または油膜形成／霧化装置の周りの部位に、その燃焼ゾーンに天然ガスを供給できる複数のポートを備えることが挙げられる。まず最初に、天然ガスに点火し、また、安定したガス火炎が確立されると、油の流れが開始する。この燃料油の分子量が増すと、この燃料油を完全に燃焼させるのに必要な天然ガスの量も増える。天然ガスは、現在、もっとも普及した混合燃焼燃料であるが、重油を完全に燃焼させるのに必要な量は、多量であることもある。

水素は、天然ガスの一次成分であるメタンよりもさらに高い燃焼・断熱火炎温度の熱を持っている（総量ベースで６１，１００ｂｔｕ／ｆｔ３対２３，８７９ｂｔｕ／ｌｂ、３，８６１°Ｆ対３，３７１°Ｆ）。代表的な直接混合燃焼バーナでは、所与の質量の燃焼水素と同一の熱量を生じさせるために、理論上、２．５倍以上の天然ガスが必要となろう。さらに、水素は、再生可能なエネルギー資源から生成でき、かつその燃焼生成物、すなわち水蒸気は、環境によりやさしいために、水素の方が、天然ガスよりもさらに好まれる。しかしながら、単に天然ガスを水素に代えることは、一般には実行できそうでない。なぜなら、２．５分の１のガス割合といっても、それは、標準的な産業規模のバーナでは、なおも、著しい水素需要となるであろうし、しかも、このような用途に対して、大量の水素を経済的に生成し、蓄積できるような方法は、現在ないからである。

水素を処理して、燃焼させることが事実上困難であることから、主として、混合燃焼燃料として水素を使用する有益な燃焼装置を開発することが妨げられてきた。水素の極端な燃焼性により、水素の生成、蓄積、処理は、費用がかかり、かつ潜在的に危険である。第２に、水素の火炎速度は、代表的な重油火炎速度の８倍よりも速い。このような特性から、水素の燃焼率が事実上、重油の燃焼率にまさっており、また、多量の余分の水素がなければ、火炎伝播が安定しないかもしれないために、従来のバーナによる混合燃焼は、ほとんど効果がなくなる。

本発明の燃焼法および燃焼装置の目的は、経済的な選択として、生物燃料油や水素などの再生可能な燃料から完全に熱エネルギーを生産し、その生産された熱エネルギーの価値が、その熱エネルギーを生産するために投入された燃料、装置、電力の合計費用を上回るようにすることである。

この燃焼法および燃焼装置のさらに他の目的は、例えば水の電気分解により「要求に
応じて」生成される水素量程度のような、経済的な見地から実行可能である水素量を利用して重油を燃焼させる効果的な手段を提供し、それにより、水素の分離、圧縮、または蓄積用の補助装置がまったく必要とならず、また、そのシステム内に貯留する水素量を最小限に抑えることで、安全性が維持されるようにすることである。

本発明者らは、重油用の混合燃焼燃料として水素を効果的に利用するには、燃焼水素の特定の特性を受け入れ、かつ比較的に少量を使用できる新規な燃焼法が必要となることを認識した。本発明者らは、豊富に入手でき、かつ再生利用できるが、現在の方法または装置を用いては経済的に燃焼しない一部の種類の液体燃料を燃焼させるために、水素の有利な性質、すなわち、高い燃焼熱と速い火炎速度を利用できることに気づいた。さらに、必要とされる水素の量を減らせば、水の電気分解などの比較的に単純な方法を使用して、要求に応じて（「on-demand」）水素を生成することで、普通なら必要となるかもしれない複雑な水素生成と水素蓄積の方法の必要性を排除できるであろう。このような用途のために、本発明で好まれる重油燃料は原料植物油であるが、この概念および用途は、広範囲の他の可燃性液体燃料にも有効に適用できる。

図１に示される図式的な表現は、本発明者らが開発した燃焼法および燃焼装置の第１の実施形態の基本的特徴を描いている。この基本原理は、少量の燃焼水素を使用して、この燃料を噴射霧化し、かつそれに点火するものである。水素ガスが複数の送り管２０，２１から出るときに、その水素ガスに点火することで、小さな水素火炎が確立される。軸１２を、充分速い速度で軸線Ｚを中心として回転させると、これらの送り管の先端の水素火炎は、円錐球状体として図１に示されている燃焼水素のゾーン１０を形成する。液体一次燃料は、回転軸線Ｚに沿って、管１３を通り、まず最初に、水素燃焼ゾーン１０の底面に霧化される。

引き続き図１を参照すると、ゾーン１１ａでは、回転軸１２から出た霧化された一次燃料油は、水素燃料ゾーン１０から発する強い放射・対流熱により著しく加熱される。この一次燃料油がゾーン１０に入ると、燃焼水素ガスとの接触により、この一次燃料の一部が気化し、かつ、それに点火される。気化しない残りの霧化されたどんな油滴も、水素火炎の燃焼と回転によりゾーン１０内に激しい乱流が生じることで、せん断されて、非常に細かい微量分散液を形成する。ゾーン１０から出る分散した一次燃料は、より少ない量の燃焼気化一次燃料で取り巻かれた主として一部加熱された微量分散油滴から成っている。ゾーン１１ｂは、燃焼一次燃料で発生した熱を用いて、その一次燃料をすべて燃焼させるのに必要な残りの気化を達成する下流ゾーンを示している。この方法は、水素燃焼ゾーン１０から数フィート遠ざかる一次燃料火炎を生じさせ、それにより、この一次燃料燃焼の大部分が、水素燃焼で妨げることなく行われるようにする。

第２のステージの噴射霧化手段として水素火炎乱流を用いることにより、重油の燃焼で直面する２つの重要な問題が解決される。第１に、この方法は、燃料を予熱する必要も、圧縮空気または蒸気を注入する必要もなく、代表的な霧化ノズルまたは霧化オリフィスで達成できるものよりも著しく小さい液体燃料粒滴サイズを燃焼ゾーン内にもたらす。第２に、この方法は、一部、少量の燃料油を気化させて、その燃料蒸気を、一次燃料／空気混合物の全体にわたって分散させて、その燃料蒸気に点火すると、この燃焼燃料油蒸気の熱を、もっと効率的に利用して、さらに、残りのどんな液体燃料も気化させるようにしている。

この実施形態の燃焼法の追加的な特徴は、水素火炎の高速回転により、一次燃料油の気化部分への点火を向上させることである。この気化一次燃料が、ヒドロキシ・ガス管２０，２１の先端のそばを通り過ぎるときに、まず最初に、どんな気化一次燃料にも点火しなければならない。ヒドロキシ・ガス管の先端から外向きに延びている回転水素火炎の前部の１つが、この気化一次燃料に接触すると、このような点火が行われる。剛性軸の回転速度が、水素の前方火炎速度よりも低下すると、一次燃料の燃焼効率は低下し始めて、この火炎が煙を出すことが、実験から明らかにされた。これは、送り管の上方の部位において、水素火炎のカバー範囲が減少するためである。水素の前方火炎速度よりも遅い回転速度では、一次燃料の一部は、水素火炎の前部に接触することなく、ゾーン１０を通過するようであり、したがって、一次燃料の分散、気化、点火効率を減らす。この理論は、その回転速度を、水素の前方火炎速度よりも速くしても、燃焼効率または一次燃料火炎の安定性がたいして向上しないことを明らかにした追加実験により、確証されている。テストの際、本発明者らは、８．０フィート／秒よりも速い水素火炎の回転速度をもたらす容易に入手できるモータで得られる標準速度を選んだ。本発明者らがテストする標準サイズのバーナでは、綿実油を２５ガロン／時間で効率的に燃焼させるために、４００リットル／時間のヒドロキシ・ガスが必要となった。

ゾーン１０内での水素の燃焼を支える酸素は、送り管２０，２１に入る前に、その水素と酸素をあらかじめ混合することで、最適に供給される。これは、発生した「ヒドロキシ」ガスが、すでに燃焼に適正な理論混合比となっているから、水素源として水の電気分解を用いることで、もっとも容易に行われる。重油の燃焼を支える酸素は、外部空気ファンにより、ゾーン１１ｂに引き込まれる周囲空気から供給される。混合燃焼燃料として水素を使用することの欠点の１つは、燃焼水素の高い火炎温度が、引込み空気（draft air）中に含まれている窒素を酸化させて、望ましくないＮＯｘ大気汚染分を生み出しかねないことである。電気分解からの水素と酸素を使用することで、周囲空気は、水素の燃焼を支えるのに必要でない。したがって、窒素ガスは、事実上、水素燃焼ゾーン内には存在しないから、ＮＯｘはもしあっても、ごくわずかしか、高温の水素燃焼ゾーンからは発生しない。

これらの図に示される形状と燃焼ゾーンの相互作用は、この燃焼法に関わる基礎になる原理を開示する目的で、大幅に簡略化されている。燃料の性質、空気引込み率（air draft rate）、燃料の霧化、燃料送り速度、バーナ（１つまたは複数）の向きが変わると、これらの形状が変形することになる。さらに、これらの描かれた形状は、実際は、一様な円錐形状ではなくて、もっと適切に言えば、燃焼事象のピークが現れるやや円錐形の性質のゾーンである。この燃焼法の別の実施形態では、熱エネルギーの熱を追加して、さらに重い燃料を効率的に燃焼させられるように、ゾーン１０の下流に、回転軸線に沿って、燃焼水素の複数ゾーンを確立することもある。このような複数ステージ型の水素燃焼ゾーンまたはヒドロキシ燃焼ゾーンは、回転軸から外向きに突出した追加の送り管によるか、水素火炎の角度を変えて、この燃焼ゾーンを広げることによるか、あるいは、剛性軸１２を、同一軸線に沿って反対方向に回転する第２の軸で取り巻くことにより、生み出される。

この燃焼法を達成するために、本発明者らは、水素またはヒドロキシ・ガスを、電解そうなどの発生源から、回転軸１２に、また、水素燃焼が行われる管２０，２１の先端まで運ぶことに関して、いくつかの問題を解決しなければならなかった。第１に、水素またはヒドロキシ・ガスは、極めて燃えやすいものであり、加熱すると、比較的に低い圧力でも自己点火する。燃焼ゾーン１０，１１からの放射・対流熱は、この燃焼部位に近くで、バーナの構成要素を加熱しようとする。水素またはヒドロキシ・ガスが、これらの管の先端に達する前に、熱で生じる自己点火を防止するために、本発明者らは、送りガスガス圧力をできるだけ低くしておくことが必要であった。しかしながら、軸１２を回転させたときに、遠心力は、分子がこれらの送り管に入らないように、働く。さらに、ヒドロキシ・ガスの場合には、酸素が、水素よりも大きい分子量を持つから、この回転軸でもたらされる遠心力効果は、酸素分子を、水素に対して、この回転軸線から遠ざけようとし、それにより、これらの送り管内で、水素と酸素分子が引き離される。

図２にもっともよく示されるように、それぞれの送り管は、３つのサブセクション、すなわち、入口流路２３、軸流路２４、出口流路２５に分割されることもある。軸１２を回転させると、遠心力が、回転軸線から半径方向外向きに発生して、ヒドロキシ・ガスを入口流路２３に流れ込めないようにするものとして働く。このような抵抗力は、地点Ｐｉにて送りガスステージング圧力（feed gas staging pressure）を上げるか、あるいは、送り管の入口流路２３と軸流路２４とが相交わる地点Ｐｏにて、その圧力を下げることで、負かされることもある。ヒドロキシ・ガスが、低圧にて、さらに安全に処理できるために、好ましい手法は、地点Ｐｏにて、その圧力を下げることである。地点Ｐｏでの圧力は、軸流路２４を、回転軸線Ｚに対して角度「ベータ」だけ傾斜させれば、下げることができる。軸流路２４を傾斜させることで、回転のもとに発生した遠心力は、ヒドロキシ・ガス分子を地点Ｐｏから遠ざけようとし、その結果、地点Ｐｏでのガス圧力が下がる。それゆえ、圧力差（Ｐｉ−Ｐｏ）で生じる、入口流路２３に流させるのに充分な毛管作用力は、圧力Ｐｉを著しく上げたり、上流のヒドロキシ送りガスの自己点火可能性を高めたりしなくとも、発生することもある。

充分速い速度での軸１２の回転は、軸流路２４内で水素と酸素分子を引き離す第２の問題を生む。このような分離は、これらの管の先端での火炎を不安定にさせようとする。なぜなら、水素と酸素は、燃焼エリアに入る前に、充分には混合されないからである。本発明者らは、燃焼ゾーンに出る直前に、出口流路２５内に混合乱流（mixing turbulence）を引き起こすことで、このような問題を解決した。このような混合乱流は、出口先端角「ガンマ」で表わされるように、軸流路２４の軸線に対して流れ方向を変化させることで、発生する。テストされた流れ特性では、安定した水素火炎は、４０°〜５０°の角度「ガンマ」で生じることが判明した。ただし、他の混合角は、異なる流れ特性で、うまくゆくこともある。テストされた条件では、角度が５０°よりも大きくなると、水素と燃料油の炎吹消え（すなわち、点火の失敗）が増し、かつ、燃焼水素のゾーン内での燃料油の包囲が無効になった。

図２に示されるように、油送り管１３、入口流路２３、軸流路２４を作り出す本発明者らの好ましい手段は、これらの流路を、中実金属軸１２中に、空間として切削加工することであった。出口流路２５は、同一の穴径の金属管材から製作され、また、その一端にねじを切って、中実金属軸に連結する。これらの円形の空胴と管材の直径は、バーナの熱定格によって、様々となる。金属軸１２の外面に開いている円形開口２６にて、ヒドロキシ・ガス送り管に入り込む。燃料油は、開口２７にて、金属軸に入って、油送り管１３に進む。

図３で、もっともよくわかるように、複数の円筒形ステージング室が、金属軸１２の周りに形成されて、このバーナの動作に関連する様々なガスおよび液体を収容している。図３に提示される実施形態では、前方冷却液ステージング室３１、中間ヒドロキシ・ガスステージング室３２、後方燃料油ステージング室３３がある。これらのステージング室のそれぞれは、これらの流体が回転軸を包囲できる封止区画（compartment）を提供して、これらの送り管への入口開口２６，２７が、それぞれに貯留する燃料につねにさらされて、一定の流れを維持するようにしている。これらの室はまた、圧力を制御できる一定の容積も提供して、バーナの先端部位への燃料の流れを調整する。前方冷却液ステージング室３１は、主として、燃焼ゾーンから発する放射・対流熱から、ヒドロキシ蓄積室３２を保護するのに使用される多目的室である。この熱は、冷却液をこの室内で循環させるか、後方燃料油ステージング室３３に入る前に液体油燃料を室内で循環させるか、あるいは、液体燃料と水の混合物を循環させることで、除去されることもある。別の実施形態では、前方冷却液ステージング室は、第３の材料送りステージとして使用されることもある。第３の材料送りステージは、液体燃料軸に連絡する別個の入口穴を持っているか、あるいは、それ自体の送り管、または複数の管を持っていて、前方冷却液ステージング室の中身を、これらの燃焼ゾーンに別々に吐き出す。

本発明者らの好ましい実施形態は、液体燃料、ヒドロキシ・ガス、冷却液に対して、３つのステージング室を利用するが、環境上の廃棄物または添加剤など、燃焼ゾーンに注入される一連の他の物質を収容して、発煙、その他を制御するために、さらに多くの室を追加することもある。この軸の長さは、追加のステージング室を受け入れるために、必要に応じて延ばされることもある。複数の送り管も液体燃料軸に通して、これらの追加室の中身を運ぶ導管を提供することもある。

図４は、この燃焼法を効果的に実施すために、本発明者らで製作された完成した装置を示している。この装置は、ギヤ・レジューサ（gear reducer）４１を介して剛性金属軸１２に結合されているＡＣモータ４０から成っている。別の実施形態では、このギヤ・レジューサは省かれて、モータがじかに剛性金属軸に結合されている。この実施形態は、モータの回転速度が、安定した水素火炎を提供するのに充分である場合に、使用されることがある。モータと軸の整合を容易ならしめるために、撓み軸継手４２を設ける。モータ４０は、締付けボルトを受け入れるために、それぞれの端にねじが切られている複数の金属スペーサ４３を介して、バーナの本体に連結されている。これらの金属スペーサの一端は、ギヤ・レジューサ４１に取り付けられているが、一方、その他端は、後方軸受ホルダ・ブラケット・アセンブリ４４に連結されている。後方軸受ホルダ・ブラケット・アセンブリは、複数の短い金属スペーサ４４ｃのそれぞれの端に溶接することで、いっしょに付けられた２つの正方形金属フランジ４４ａ，４４ｂから成っている。後方軸受ホルダ・ブラケット・アセンブリ４４を後方室嵌合フランジ４５に連結する複数の固定具を受け入れるために、前方フランジ面４４ｂに穴をあける。メカニカル・シール・フランジ５５を収めるために、前方フランジ面の中心に、正方形の切抜き穴が設けられる。後方フランジ面４４ａに、別々の複数の穴をあけ、かつ、その穴に雌ねじを切って、後方軸受アセンブリ４６用の止めボルトを受け入れる。モータ軸継手に連結する剛性軸１２の端の短い区間を、主軸径よりもわずかに短い直径まで切削加工して、組立て時に、剛性軸が、後方軸受４６からすり抜けられないようにしている。前方フランジ４４ｂの前方の面は、このフランジの中心線から軸方向に延びていて、かつ後方キャップ・フランジ４５の後方の面に切削加工された凹みに一致するような一段高くなった円板面を持っている。

後方燃料油ステージング室３３、中間ヒドロキシ・ガスステージング室３２、前方冷却液ステージング室３２はそれぞれ、中心管の両端に溶接された前方円形嵌合フランジと後方円形嵌合フランジから成っている。図５は、円形嵌合フランジ６５，６６と中心管６７から成るこれらのステージング室のうちの１つの側面図を示している。これらの円形嵌合フランジ（６５と６６）は、フランジ厚さｔの約２分の１の深さまで、中心管の内径よりもわずかに大きく切削された直径ｄ２の内方凹みを持つ円形の金属円板である。室と室を固定する複数のボルトを受け入れるために、ボルト外径ｄ３に沿って、複数のボルト穴６３をあける。フランジ厚さｔは、この室内の圧力に耐えることができ、かつ切削加工処理の間、平面形状を維持できるのに充分剛性の本体を提供するのに必要なものである。このボルト穴の数は、この室内の圧力に耐え、かつ充分な封止を保証するに足るどんなＡＮＳＩボルト・パターンにも一致できる。それぞれのステージング室は、軸１２の周りの環状空胴として定義できる。それぞれの室の中心管の長さＬは、その室の軸方向の範囲を示すが、一方、中心管の直径ｄ１は、それぞれの室の半径方向の範囲を示す。この軸方向の範囲と、この半径方向の範囲は、前方ステージング室および後方ステージング室内で、その回転軸の周りに、内部メカニカル・シールを収めるのに必要な寸法によってのみ制限される。それぞれの室管は、燃料の流れを受け入れるために、入口ポートを持っている。油燃料／水の混合物を、その混合物が後方燃料油ステージング室に入る前に、前方冷却液ステージング室内で循環させられるように、前方冷却液ステージング室は、２つのポートを持っている。

戻って図４を参照すると、前方ステージング室および後方ステージング室の嵌合フランジと、中間ヒドロキシステージング室の嵌合フランジとの間には、２つのスペーサ・プレート４７，４８がある。図６は、内面７３が前方ステージング室か後方ステージング室のいずれかに向いており、かつ外面７４が中間ヒドロキシステージング室に向いている上記スペーサ・プレートの一方の側面図を示している。それぞれのスペーサ・プレートは、これらの室嵌合フランジのボルト径に相当するボルト外径の周りに複数のボルト穴７０があけられた円形の金属円板から成っている。これらのスペーサ・プレートは、剛性軸１２の中心直径の周りに嵌まるメカニカル・シールのスリーブの外径よりもわずかに大きく切削された内側穴ｄ４を持っている。この内側穴の両側には、一対の植込み軸７１が溶接されて、このスペーサ・プレートの本体を形成することで、内部メカニカル・シールの固定用スロット（fastener slot）に一致するようにしている。図５中の直径ｄ２の凹みと合うように、このスペーサ・リングのそれぞれの側に、一段高くなった面７２を切削加工している。このように切削加工された一段高くなった面と、それに合う凹みにより、剛性軸１２の周りに、これらの室、スペーサ・プレート、内部メカニカル・シールを、非常に正確に揃えることができる。

戻って図４を参照すると、２つのキャップ・フランジ４５，４９を使用して、前方ステージング室と後方ステージング室の外側を封止する。図７は、これらのキャップ・フランジのうちの１つの側面図を示している。それぞれのキャップ・フランジは、内面８１が、前方ステージング室か後方ステージング室のいずれかに向いており、かつ外面８２が、前方軸受ブラケット・アセンブリまたは後方軸受ブラケット・アセンブリに嵌合する円形の金属円板から成っている。これらの室嵌合フランジのボルト径に相当するボルト外径の周りに、複数のボルト穴８０があけられている。これらのキャップ・フランジは、剛性軸１２の中心直径の周りに嵌まるメカニカル・シールのスリーブの外径よりもわずかに大きく切削された内側穴ｄ４を持っている。内側穴ｄ４のいずれかの側にある内面８１に、一対のボルト穴８３があけられ、かつその穴に雌ねじが切られて、キャップ・フランジの本体を形成することで、このメカニカル・シール用の止めボルトを受け入れるようにしている。図６中の直径ｄ２の室嵌合フランジの凹みと合うように、内面８１に、一段高くなった面８４を切削加工している。前方軸受ブラケット・アセンブリまたは後方軸受ブラケット・アセンブリ上の上記一段高くなった面と嵌まり合うように、外面８２に、円形の凹み８５を切削加工している。

図８は、３つのステージング室３３，３２，３１で取り巻かれた剛性軸１２の側面図を示している。内部メカニカル・シール９７の位置は、図では、スペーサ・プレート４７，４８とキャップ・フランジ４５，４９にボルト止めされ、かつ、それらのスペーサ・プレートとキャップ・フランジから遠ざかる方向に突出している。これらのメカニカル・シールは、遠心ポンプに常用されている単一ベローズ形のものであって、前方ステージング室か、後方ステージング室のいずれかから、中間ヒドロキシステージング室内への流体の漏れを最小限に抑える。これらの止めボルトには、これらのステージング室の入口ポートから、近寄れる。別の実施形態では、中間ヒドロキシステージング室がほぼ正方形となり、かつ、これらの側面の１つが着脱自在なパネルから成っていることもある。この実施形態は、これらのメカニカル・シール用の止めボルトを締め付ける別の接近手段を提供する。

戻って図４を参照すると、後方軸受アセンブリ４６と同一の第２の前方軸受アセンブリ５０は、バーナ先端の近くに設けられて、バーナが加熱されると、確実に整合できるようにする。前方軸受ブラケット・アセンブリ５２は、軸１２の周りに、その前方軸受を固定するために設けられる。バーナ先端フランジ５３に連結する剛性軸１２の火炎端の短い区間を、主軸径よりもわずかに短い直径まで切削加工して、剛性軸が、前方軸受５０，５１からすり抜けられないようにしている。前方軸受ブラケット・アセンブリの後方の面はまた、このフランジの中心線から軸方向に延びていて、かつ前方キャップ・フランジ４９の外面に切削加工された凹みに一致するような一段高くなった円板面と、切抜き穴とを持つことで、メカニナル・シール５１のフランジを収めている。円形の金属バーナ先端フランジ５３は、複数の固定具を用いて、剛性軸１２の端に固定される。このバーナ先端フランジは、このバーナを他の燃料タイプに合わせるのに必要となるかもしれない異なる燃焼形態を受け入れるために、容易に変更できる着脱自在な部分を提供する。ヒドロキシ・ガス出口流路２５を、バーナ先端フランジの該当面に連結し、また、その出口が、回転軸線の方向に向くように、ヒドロキシ・ガス出口流路の向きを定める。標準タイプの噴霧霧化ノズル５４を、中心軸線に沿ってバーナ先端フランジの該当面に連結して、燃料油を燃焼水素のゾーン内に噴霧する。様々な燃料タイプ、および様々な噴霧パターンを受け入れて、所与の燃料タイプに対して燃焼を最適化するために、この霧化ノズルは、容易に取り外すことができる。

引き続き図４を参照すると、流体を循環させるために、２つのポート５５，５６が冷却液ステージング室に設けられている。水素またはヒドロキシ・ガスの燃料源に連絡するために、ヒドロキシ・ガス入口ポート５７が１つ設けられている。加圧液体燃料源に連絡するために、第４のポート５８が後方燃料ステージング室に設けられている。

燃焼水素のシミュレートされた円錐形ゾーンが回転軸により確立され、また、重油がこの円錐体の底面に注入されるような、本発明者らが提示した燃焼法の三次元の図を示す。本発明者らが予想する燃焼のメカニズムを実証するために、ヒドロキシと燃料油の燃焼ゾーンの簡略化された図が示されている。 これらの送り管の臨界幾何学的設計角が示されている、図１と同様な三次元の配置および構成を示す。 ヒドロキシ・ガス送り管、前方冷却液ステージング室、中間ヒドロキシ・ガス・ステージング室、後方燃料油ステージング室の第３の三次元の配置構成を示す。 この燃焼法を実行するために、本発明者らにより開発された組み立てたバーナの側面図を示す。 これらのステージング室のうちの１つの側面図を示す。 中間ヒドロキシ・ガス・ステージング室の両側にあるスペーサ・プレートのうちの１つの側面図を示す。 このバーナのステージング室区間（セクション）の前方端と後方端上にあるキャップ・フランジのうちの１つの側面図を示す。 このバーナのうち、内部メカニカル・シールの位置が表わされているステージング室区間の側面図を示す。

Claims (6)

1. 近位端と、バーナ先端に連結された遠位端とを持つ回転軸と、
   前記回転軸内に形成された一対の円形水素移送流路であって、水素を源から受け入れるために、前記回転軸の外部と連通する入口ポートを設けた入口部分と、前記入口部分から、長手方向にバーナ先端フランジまで延びている軸部分とをそれぞれが持っている円形水素移送流路と、
   前記回転軸内に形成された一次燃料導管であって、液体一次燃料を受け入れる入口ポートと、前記一次燃料を前記入口ポートから前記バーナ先端フランジに運ぶために、前記回転軸の縦軸線と垂直に走っている軸部分とを持っている一次燃料導管と、
   循環冷却液を収容するために、前記回転軸の周りで、前記近位の端にもっとも近くに形成された冷却液室と、
   前記水素移送流路と流体連通している、加圧水素ガス源を収容する水素室と、
   前記一次燃料導管と流体連通している、加圧一次液体燃料を収容する一次燃料室と、
   を備える、前記液体一次燃料と前記水素を燃焼させるバーナ。
2. 前記水素移送管の前記軸部分が、前記回転軸の前記縦軸線に対して１０°から３０°の範囲の角度をなして、前記縦軸線から離れて延在する請求項１に記載のバーナ。
3. 前記バーナ先端が、
   前記回転軸の端に取り付けられた近位面、燃焼ゾーンに隣接する遠位面、前記一次燃料導管から前記液体一次燃料を通す穴、および、前記水素移送管から前記水素を通す一対の穴を持つ中実円形フランジと、
   前記水素穴から延びており、かつ、前記回転軸に対して軸方向に、次に、前記回転軸の縦軸線と交わる方向に、前記フランジの前記遠位の面から遠ざかるように突出する一対の水素吐出し管と、
   前記一次燃料を前記燃焼ゾーンに吐き出すために、前記一次燃料穴に設けられた液体分散ノズルと、
   からなる請求項１に記載のバーナ。
4. 前記水素吐出し管が、０．５インチ〜３インチの長さを持つ第１の軸部分、０．５インチ〜３インチの長さを持つ内向きの部分を含み、また、前記軸方向が、前記水素移送管の前記軸部分の軸中心線に対して、２２°〜６０°の角度により画定される請求項３に記載のバーナ。
5. 前記水素室に連結されている、水素および酸素ガスを生成する電解槽をさらに含み、前記電解槽においては、バーナに送られる水素の割合が、前記電解槽中の電解プレートの表面積と、前記電解槽に入力される電流を変えることで制御される請求項１に記載のバーナ。
6. 燃焼ゾーンに注入される二次材料を貯留させるために、前記回転軸の周りに第４の室をさらに備え、かつ、前記回転軸が、前記二次材料を前記バーナ先端に運ぶために内部に配置された追加の移送管を備える請求項１に記載のバーナ。

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