JP4851027B2 - 一酸化炭素、水素生成用燃焼装置及びバーナ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一酸化炭素、水素生成用燃焼装置及びバーナに関し、詳しくは、液状廃棄物や熱分解タールのような液状燃料をして使用して部分酸化することにより一酸化炭素、水素を生成する燃焼装置及びこの燃焼装置に使用するバーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一酸化炭素及び水素を生成する方法として、炭素質あるいは炭化水素質燃料を、酸素比が１．０未満の酸化剤で燃焼させることにより、一酸化炭素や水素を得る方法が知られている。この方法では、特に、高い収率で一酸化炭素及び水素を得ることが重要であり、この課題を達成する方法として、特公平６−９４３６１号公報には、燃料や酸化剤の噴出速度を規定したり、バーナの形状を規定したりした方法が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法は、原料（燃料）として重油、軽油等の組成が一定のものを用いているので安定した運転ができるが、原料として、ゴミ焼却場やロータリーキルン、炭坑等から排出される液状廃棄物や廃棄物処理物である熱分解タールを使用すると、これらは組成（単位発熱量）や流量が一定ではないため、火炎が不安定になったり、あるいは失火を生じたりすることがあった。
【０００４】
しかも、バーナを用いた方法では、バーナを炉に挿入して不完全燃焼させるため、発熱量の低い原料が導入されたりして失火を生じても気付かないので、再び十分な発熱量を有する原料が導入されても再着火せず、原料がそのまま放出されてしまうという問題があった。
【０００５】
さらに、発熱量の低い原料が短時間、数秒〜数分だけバーナに導入された場合は、炉の温度が高温であるため、一旦失火しても再び発熱量の高い原料が導入されると自動的に着火して処理が継続されることもあり、失火の状態を明確に確認することが行われていなかった。
【０００６】
そこで本発明は、組成や流量が一定ではなく、安定した燃焼状態を継続することが困難な液状物質を液状燃料として使用し、これを酸素比が１．０未満の酸化剤と共にバーナに供給して部分酸化することにより一酸化炭素及び水素を生成する際に、バーナが失火した場合でも確実に着火再燃焼させることができ、効率よく所望の一酸化炭素及び水素を生成することができる一酸化炭素、水素生成用燃焼装置及びバーナを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の一酸化炭素、水素生成用燃焼装置は、液状燃料と、該液状燃料に対する酸素比が１．０未満の酸化剤とをバーナに供給して燃焼させることにより一酸化炭素、水素を生成する燃焼装置において、前記バーナは、前記液状燃料を噴出する液状燃料噴出ノズルと、前記酸化剤を噴出する酸化剤噴出ノズルと、前記液状燃料とは異なる燃料からなる補助燃料を噴出する補助燃料噴出ノズルと、該補助燃料噴出ノズルから噴出する前記補助燃料を燃焼させて常時燃焼状態とするための補助酸化剤を噴出する補助酸化剤噴出ノズルとを備え、運転監視用として、前記液状燃料の流量を測定し、該流量が所定流量を下回ったときに失火の発生を予測する失火監視手段、又は、前記液状燃料の成分を分析し、該液状燃料流量中の可燃成分量が所定量を下回ったときに失火の発生を予測する失火監視手段、又は、前記バーナを設置した燃焼炉から導出される燃焼ガスの成分を分析することによって失火の発生を予測する失火監視手段を設置していることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の一酸化炭素、水素生成用燃焼装置用のバーナは、液状燃料に対する酸素比を１．０未満として燃焼させることにより一酸化炭素、水素を生成するバーナにおいて、第１の構成は、前記バーナは、最外周に水冷ジャケットを設けた多重管構造を有するものであって、バーナ本体内には、中心から順に、前記液状燃料が供給される液状燃料供給通路、前記液状燃料を微粒化状態で噴霧するための噴霧流体が供給される噴霧流体供給通路、補助燃焼火炎を形成するためのガス状補助燃料が供給されるガス状補助燃料供給通路、前記液状燃料を部分酸化するための酸化剤が供給される酸化剤供給通路、前記ガス状補助燃料を燃焼させるための補助酸化剤が供給される補助酸化剤供給通路がそれぞれ設けられ、燃焼炉側が拡開した円錐台状予備燃焼室の短径面中心に、前記液状燃料供給通路から供給された液状燃料と前記噴霧流体供給通路から供給された噴霧流体とを混合して微粒化するための内部混合室と、該内部混合室の中心に前記液状燃料を軸線方向に噴出する小通孔を前記液状燃料供給通路の先端に設け、前記液状燃料を包み込むようにして前記内部混合室内に前記噴霧流体を噴出する円環状のスリットを前記噴霧流体供給通路の先端に形成し、前記内部混合室で混合微粒化した液状燃料を前記円錐台状予備燃焼室に噴射する液状燃料噴出ノズルを前記円錐台状予備燃焼室の中心に設けるとともに、該液状燃料噴出ノズルの外周には、内周側から順に、前記液状燃料噴出ノズル外周の前記円錐台状予備燃焼室周面に、前記ガス状補助燃料供給通路から供給される前記ガス状補助燃料を噴出する補助燃料噴出ノズルと、前記酸化剤供給通路から供給される前記液状燃料を部分酸化するための酸化剤を噴出する酸化剤噴出ノズルと、前記補助酸化剤供給通路から供給される前記ガス状補助燃料を燃焼させるための補助酸化剤を噴出する補助酸化剤噴出ノズルと、をそれぞれ設けたことを特徴としている。
【０００９】
さらに、前記第１のバーナの構成において、第２の構成は、前記酸化剤噴出ノズルを前記補助燃料噴出ノズルより内側に設けたことを特徴とし、また、第３の構成において、前記補助燃料噴出ノズルと前記酸化剤噴出ノズルを前記円錐台状予備燃焼室周面に同一円周上に設けたことを特徴としている。
【００１０】
また、第１から第３の構成のバーナにおいて、前記液状燃料噴出ノズルは、軸線を中心とした４５〜１２０度の開き角度で形成され、前記補助燃料噴出ノズルの噴出方向の角度は、バーナ中心線と平行な補助燃料噴出ノズルを通る直線に対して、内周側に４５度から外周側に１５度の範囲に形成され、前記酸化剤噴出ノズルの噴出方向角度範囲は、バーナ中心線に対して、内周側に４５〜９０度で、かつ、予備燃焼室の接線方向に、予備燃焼室の周面に沿うように螺旋状に酸化剤を噴出するように設定され、前記補助酸化剤噴出ノズルの噴出方向角度は、バーナ中心線と平行な補助酸化剤噴出ノズルを通る直線に対して、内周側に０〜６０度に形成されていることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一酸化炭素、水素生成用燃焼装置の第１形態例を示す概略図である。この一酸化炭素、水素生成用燃焼装置は、燃焼炉１１の側壁に一酸化炭素、水素生成用のバーナ１２を設置し、このバーナ１２に、液状燃料供給経路１３から液状燃料を、酸化剤供給経路１４から酸化剤をそれぞれ供給し、該酸化剤の供給量を、前記液状燃料に対する酸素比が１．０未満になるようにして燃焼させることにより、燃焼炉１１内に一酸化炭素及び水素を含む燃焼ガスを生成させ、燃焼炉１１に設けたガス導出経路１５から導出するように形成されている。
【００１２】
このような一酸化炭素、水素生成用燃焼装置に使用する液状燃料として、前述のような液状廃棄物や廃棄物処理物である熱分解タールを使用した場合、これらの組成や流量が変動するため、例えば流量が所定流量を下回ったり、含有する炭素質や炭化水素質等の可燃成分が所定含有量より下回ったりした場合は、バーナ１２において所定の燃焼状態を維持することが困難となり、火炎が不安定となって失火することがある。
【００１３】
本形態例では、上述のようにしてバーナ１２に失火が生じた場合に備えるため、バーナ１２における液状燃料の流量等が所定条件に復帰したときにバーナ１２に着火して再燃焼させるための着火手段として、バーナ１２の近傍に補助バーナ１６を設置している。この補助バーナ１６には、安定した燃焼状態を得るため、天然ガスやプロパンガス等のガス状燃料又は灯油や重油のような液状燃料を補助燃料供給経路１７から供給するとともに、これらの燃料を安定した燃焼状態に保つため酸素を含む酸化剤を補助酸化剤供給経路１８から供給して常時燃焼させるようにしている。
【００１４】
このように、組成や流量が一定しない液状燃料と、該液状燃料に対する酸素比が１．０未満の酸化剤とを供給して部分燃焼させることにより一酸化炭素、水素を生成するバーナ１２の近傍で、該バーナ１２を着火可能な位置に常時燃焼状態の補助バーナ１６を設置することにより、液状燃料の流量や組成が一時的に変化してバーナ１２が失火した場合でも、補助バーナ１６の火炎によってバーナ１２の着火再燃焼を確実に行うことができるので、効率よく所望の一酸化炭素及び水素を生成することができる。
【００１５】
前記バーナ１２を着火再燃焼させるための着火手段は、上述のような常時燃焼式の補助バーナ１６に限らず、他の着火手段を使用することもできる。例えば、高圧放電を利用した火花をバーナ１２の燃焼室前方に形成したり、常時燃焼式の補助バーナ１６に代えて着火手段を備えた随時着火式の補助バーナを設置したりするようにしてもよい。
【００１６】
さらに、火花を用いたり、随時着火式の補助バーナを使用する場合には、バーナ１２の失火を検出して着火操作を行う必要があるが、失火の検出には、前記バーナ１２の燃焼火炎を炉壁に設置したカメラや温度計１９ａで色や温度を監視し、これらの変化に基づいて失火を監視する手段や、前記液状燃料供給経路１３に設置した流量計や分析計１９ｂで液状燃料の流量を成分を分析し、これらの変化に基づいて失火の発生を予測する手段や、前記ガス導出経路１５に設けた流量計や温度計、分析計１９ｃで燃焼ガスの流量や温度、成分、例えば酸素濃度を分析し、これらの変化に基づいて失火の発生を予測する手段を用いることができる。なお、このような失火監視手段は、常時燃焼式の補助バーナ１６を使用した場合でも、運転状態監視用として設置しておくことができる。
【００１７】
図２及び図３は、本発明のバーナを使用した一酸化炭素、水素生成用燃焼装置の第２形態例を示すもので、図２は燃焼炉におけるバーナ装着部を示す断面図、図３は本発明のバーナの一形態例を示すノズル部分の断面図である。
【００１８】
この燃焼装置は、前記第１形態例と同様に形成された燃焼炉１１の側壁に一酸化炭素、水素生成用のバーナ２１を設置して液状燃料を部分酸化することにより、燃焼炉１１に設けたガス導出経路（図示せず）から一酸化炭素及び水素を含む燃焼ガスを導出するように形成されている。
【００１９】
バーナ２１の先端には、燃焼炉側が拡開した円錐台状の予備燃焼室２２が形成されており、該バーナ２１を設置した炉壁１１ａには、この予備燃焼室２２に連続した円錐形状部１１ｂが設けられている。予備燃焼室２２及び円錐形状部１１ｂの開き角度は、４５〜１２０度の範囲、特に６０度程度で連続した状態が最適であり、これらの開き角度が小さいと、火炎に局所的な高温部が生じて炉壁やバーナを溶損することがあり、開き角度が大きいと、酸化剤と燃料との混合状態が悪化して所望のガス成分が得られなくなり、保炎性能も低下する。
【００２０】
前記バーナ２１は、図３に示すように、最外周に水冷ジャケット２３を設けた多重管構造を有するものであって、バーナ本体内には、中心から順に、液状燃料が供給される液状燃料供給通路２４、液状燃料を微粒化状態で噴霧するための噴霧流体が供給される噴霧流体供給通路２５、補助燃焼火炎を形成するためのガス状補助燃料が供給されるガス状補助燃料供給通路２６、前記液状燃料を部分酸化するための酸化剤が供給される酸化剤供給通路２７、前記ガス状補助燃料を燃焼させるための補助酸化剤が供給される補助酸化剤供給通路２８が、それぞれ設けられている。
【００２１】
前記予備燃焼室２２の短径面中心には、前記液状燃料供給通路２４から供給された液状燃料と、前記噴霧流体供給通路２５から供給された噴霧流体とを混合して微粒化するための内部混合室３１と、該内部混合室３１で混合微粒化した液状燃料を前記予備燃焼室２２に噴射する液状燃料噴出ノズル３２とが設けられている。
【００２２】
前記液状燃料は、前記液状燃料供給通路２４先端の小通孔２４ａから内部混合室３１の中心に軸線方向に噴出し、前記噴霧流体は、前記噴霧流体供給通路２５の先端に形成された円環状のスリット２５ａを通り、液状燃料を包み込むようにして内部混合室３１内に噴出する。この噴霧流体には、任意の気体を使用することができるが、通常は、ガス供給源等を考慮して酸化剤と同じガスを分岐させて使用することが好ましい。
【００２３】
液状燃料噴出ノズル３２は、軸線Ｃを中心とした所定の開き角度α、好ましくは４５〜１２０度、特に好ましくは６０度の開き角度で微粒化した液状燃料を噴射するように形成されており、見掛け上、中心が抜けたホロコーン状に燃料を噴射（スプレー）する。なお、前記液状燃料噴出ノズル３２の開き角度αが小さいと噴射パターンがホローコーン状にならなくなり、酸化剤と燃料との混合状態が悪化して収率が低下し、開き角度が大きいと保炎性能が低下してしまう。
【００２４】
このように、液状燃料と噴霧流体とを内部混合室３１内に噴出させて混合状態にした後、液状燃料噴出ノズル３２から予備燃焼室２２に噴射させることにより、液状燃料の微粒化を効果的にかつ確実に行うことができる。このとき、内部混合室３１の燃料噴射ノズル３２側の壁面をドーム状に形成しておくことにより、燃料の微粒化を促進することができるとともに、燃料噴射ノズル３２をドームの法線方向に向けることにより、各ノズル３２からの燃料噴出量を均一化することができる。
【００２５】
このように形成された燃料噴射ノズル３２の外周には、内周側から順に、ガス状補助燃料を噴出する補助燃料噴出ノズル３３と、酸化剤を噴出する酸化剤噴出ノズル３４と、補助酸化剤を噴出する補助酸化剤噴出ノズル３５とが、予備燃焼室２２の周面にそれぞれ所定の噴出角度で設けられている。
【００２６】
補助燃料噴出ノズル３３は、前記ガス状補助燃料供給通路２６から供給されたガス状補助燃料、例えば天然ガスやプロパンガス等のガス状燃料を予備燃焼室２２に噴出するものであって、その噴出方向の角度範囲βは、バーナ中心線と平行な直線Ｌ１に対して、内周側（収斂方向）に４５度から外周側（開き方向）に１５度までの範囲が適当であり、４５度以上内周側に向けると、局所的に完全燃焼する高温部を生じて均一なガス組成が得られなくなり、１５度以上外周側に向けると、燃料が酸化剤と混合することなく燃焼領域から逸脱してしまうといった問題がある。
【００２７】
前記酸化剤噴出ノズル３４は、前記酸化剤供給通路２７から供給された酸化剤、例えば酸素ガス、酸素富化ガス、空気のような酸素含有ガスを予備燃焼室２２に噴出するものであって、その噴出方向角度γは、バーナ中心線に対して、内周側（収斂方向）に４５〜９０度で、かつ、予備燃焼室２２の接線方向に、予備燃焼室２２の周面に沿うように螺旋状（渦巻状）に酸化剤を噴出するように設定することが好ましい。これにより、液状燃料と酸化剤とを十分に均一に混合することができ、これによって燃料と酸素との均質な反応が得られる。したがって、燃料に対する酸素比を１．０未満として燃焼させることにより、液状燃料を均質に部分酸化することができ、局部的なホットスポットの発生が抑制され、すすや二酸化炭素の発生を抑制して効果的に一酸化炭素と水素とを生成させることができる。
【００２８】
前記補助酸化剤噴出ノズル３５は、前記補助酸化剤供給通路２８から供給される補助酸化剤、例えば前記酸化剤と同じ酸素含有ガスを予備燃焼室２２に噴出するものであって、その噴出方向角度δは、バーナ中心線と平行な直線Ｌ２に対して、内周側（収斂方向）に０〜６０度が適当であり、噴出方向が外周側に向くとガス状補助燃料との混合を十分に行えず、生成ガス中に未反応の酸素が残存して爆発の危険性が生じ、６０度を超える角度で内側に向けると、局所的に完全燃焼する高温部を生じて均一なガス組成が得られなくなるという問題が出てくる。
【００２９】
このように、組成や流量が一定しない液状燃料と、該液状燃料に対する酸素比が１．０未満の酸化剤とを供給して部分燃焼させることにより一酸化炭素、水素を生成するバーナ２１に、ガス状補助燃料供給通路２６及び補助酸化剤供給通路２８を設け、補助燃料噴出ノズル３３から噴出させたガス状燃料と、補助酸化剤噴出ノズル３５から噴出させた酸化剤とを、酸素比を１あるいはそれよりも僅かに高い状態にして燃焼させておくことにより、バーナ２１に常時燃焼状態の補助火炎を形成しておくことができる。したがって、バーナ２１に供給される液状燃料の流量や組成が一時的に変化して液状燃料と酸化剤とにより形成される火炎が一時的に失火した場合でも、前記補助火炎によってバーナ２１の着火再燃焼を確実に行うことができるので、所望の一酸化炭素及び水素を効率よく生成することができる。
【００３０】
なお、前記燃料噴射ノズル３２は予備燃焼室２２の中心に、補助酸化剤噴出ノズル３５は予備燃焼室２２の最外周に設ける必要があるが、補助燃料噴出ノズル３３と酸化剤噴出ノズル３４との位置関係は任意であり、酸化剤噴出ノズル３４を補助燃料噴出ノズル３３より内側（燃料噴射ノズル３２側）に設けたり、同一円周上に設けたりすることができる。
【００３１】
また、上記各噴出ノズルの噴出方向は、液状燃料の性状や流量、酸化剤の種類や流量（酸素比）、ガス状補助燃料の種類や流量、補助酸化剤の種類や流量、燃焼炉１１の形状や容積、予備燃焼室２２の形状（深さ及び開き角度）等の各種条件に応じて最適な設計を行うことができる。さらに、バーナ１２，２１に供給する液状燃料としては、Ａ重油、Ｃ重油、廃油、タール、灯油、エマルジョン等の各種液状燃料を使用することもできる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、バーナが失火した場合でも確実に着火再燃焼させることができるので、組成や流量が一定ではなく、安定した燃焼状態を継続することが困難な液状物質を液状燃料として使用した場合でも、所望の一酸化炭素及び水素を効率よく得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一酸化炭素、水素生成用燃焼装置の第１形態例を示す概略図である。
【図２】 本発明のバーナを使用した一酸化炭素、水素生成用燃焼装置の燃焼炉におけるバーナ装着部を示す断面図である。
【図３】 本発明のバーナの一形態例を示すノズル部分の断面図である。
【符号の説明】
１１…燃焼炉、１２…バーナ、１３…液状燃料供給経路、１４…酸化剤供給経路、１５…ガス導出経路、１６…補助バーナ、１７…補助燃料供給経路、１８…補助酸化剤供給経路、１９ａ…温度計、１９ｂ，１９ｃ…分析計、２１…バーナ、２２…予備燃焼室、２３…水冷ジャケット、２４…液状燃料供給通路、２５…噴霧流体供給通路、２６…ガス状補助燃料供給通路、２７…酸化剤供給通路、２８…補助酸化剤供給通路、３１…内部混合室、３２…液状燃料噴出ノズル、３３…補助燃料噴出ノズル、３４…酸化剤噴出ノズル、３５…補助酸化剤噴出ノズル
【発明の属する技術分野】
本発明は、一酸化炭素、水素生成用燃焼装置及びバーナに関し、詳しくは、液状廃棄物や熱分解タールのような液状燃料をして使用して部分酸化することにより一酸化炭素、水素を生成する燃焼装置及びこの燃焼装置に使用するバーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一酸化炭素及び水素を生成する方法として、炭素質あるいは炭化水素質燃料を、酸素比が１．０未満の酸化剤で燃焼させることにより、一酸化炭素や水素を得る方法が知られている。この方法では、特に、高い収率で一酸化炭素及び水素を得ることが重要であり、この課題を達成する方法として、特公平６−９４３６１号公報には、燃料や酸化剤の噴出速度を規定したり、バーナの形状を規定したりした方法が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法は、原料（燃料）として重油、軽油等の組成が一定のものを用いているので安定した運転ができるが、原料として、ゴミ焼却場やロータリーキルン、炭坑等から排出される液状廃棄物や廃棄物処理物である熱分解タールを使用すると、これらは組成（単位発熱量）や流量が一定ではないため、火炎が不安定になったり、あるいは失火を生じたりすることがあった。
【０００４】
しかも、バーナを用いた方法では、バーナを炉に挿入して不完全燃焼させるため、発熱量の低い原料が導入されたりして失火を生じても気付かないので、再び十分な発熱量を有する原料が導入されても再着火せず、原料がそのまま放出されてしまうという問題があった。
【０００５】
さらに、発熱量の低い原料が短時間、数秒〜数分だけバーナに導入された場合は、炉の温度が高温であるため、一旦失火しても再び発熱量の高い原料が導入されると自動的に着火して処理が継続されることもあり、失火の状態を明確に確認することが行われていなかった。
【０００６】
そこで本発明は、組成や流量が一定ではなく、安定した燃焼状態を継続することが困難な液状物質を液状燃料として使用し、これを酸素比が１．０未満の酸化剤と共にバーナに供給して部分酸化することにより一酸化炭素及び水素を生成する際に、バーナが失火した場合でも確実に着火再燃焼させることができ、効率よく所望の一酸化炭素及び水素を生成することができる一酸化炭素、水素生成用燃焼装置及びバーナを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の一酸化炭素、水素生成用燃焼装置は、液状燃料と、該液状燃料に対する酸素比が１．０未満の酸化剤とをバーナに供給して燃焼させることにより一酸化炭素、水素を生成する燃焼装置において、前記バーナは、前記液状燃料を噴出する液状燃料噴出ノズルと、前記酸化剤を噴出する酸化剤噴出ノズルと、前記液状燃料とは異なる燃料からなる補助燃料を噴出する補助燃料噴出ノズルと、該補助燃料噴出ノズルから噴出する前記補助燃料を燃焼させて常時燃焼状態とするための補助酸化剤を噴出する補助酸化剤噴出ノズルとを備え、運転監視用として、前記液状燃料の流量を測定し、該流量が所定流量を下回ったときに失火の発生を予測する失火監視手段、又は、前記液状燃料の成分を分析し、該液状燃料流量中の可燃成分量が所定量を下回ったときに失火の発生を予測する失火監視手段、又は、前記バーナを設置した燃焼炉から導出される燃焼ガスの成分を分析することによって失火の発生を予測する失火監視手段を設置していることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の一酸化炭素、水素生成用燃焼装置用のバーナは、液状燃料に対する酸素比を１．０未満として燃焼させることにより一酸化炭素、水素を生成するバーナにおいて、第１の構成は、前記バーナは、最外周に水冷ジャケットを設けた多重管構造を有するものであって、バーナ本体内には、中心から順に、前記液状燃料が供給される液状燃料供給通路、前記液状燃料を微粒化状態で噴霧するための噴霧流体が供給される噴霧流体供給通路、補助燃焼火炎を形成するためのガス状補助燃料が供給されるガス状補助燃料供給通路、前記液状燃料を部分酸化するための酸化剤が供給される酸化剤供給通路、前記ガス状補助燃料を燃焼させるための補助酸化剤が供給される補助酸化剤供給通路がそれぞれ設けられ、燃焼炉側が拡開した円錐台状予備燃焼室の短径面中心に、前記液状燃料供給通路から供給された液状燃料と前記噴霧流体供給通路から供給された噴霧流体とを混合して微粒化するための内部混合室と、該内部混合室の中心に前記液状燃料を軸線方向に噴出する小通孔を前記液状燃料供給通路の先端に設け、前記液状燃料を包み込むようにして前記内部混合室内に前記噴霧流体を噴出する円環状のスリットを前記噴霧流体供給通路の先端に形成し、前記内部混合室で混合微粒化した液状燃料を前記円錐台状予備燃焼室に噴射する液状燃料噴出ノズルを前記円錐台状予備燃焼室の中心に設けるとともに、該液状燃料噴出ノズルの外周には、内周側から順に、前記液状燃料噴出ノズル外周の前記円錐台状予備燃焼室周面に、前記ガス状補助燃料供給通路から供給される前記ガス状補助燃料を噴出する補助燃料噴出ノズルと、前記酸化剤供給通路から供給される前記液状燃料を部分酸化するための酸化剤を噴出する酸化剤噴出ノズルと、前記補助酸化剤供給通路から供給される前記ガス状補助燃料を燃焼させるための補助酸化剤を噴出する補助酸化剤噴出ノズルと、をそれぞれ設けたことを特徴としている。
【０００９】
さらに、前記第１のバーナの構成において、第２の構成は、前記酸化剤噴出ノズルを前記補助燃料噴出ノズルより内側に設けたことを特徴とし、また、第３の構成において、前記補助燃料噴出ノズルと前記酸化剤噴出ノズルを前記円錐台状予備燃焼室周面に同一円周上に設けたことを特徴としている。
【００１０】
また、第１から第３の構成のバーナにおいて、前記液状燃料噴出ノズルは、軸線を中心とした４５〜１２０度の開き角度で形成され、前記補助燃料噴出ノズルの噴出方向の角度は、バーナ中心線と平行な補助燃料噴出ノズルを通る直線に対して、内周側に４５度から外周側に１５度の範囲に形成され、前記酸化剤噴出ノズルの噴出方向角度範囲は、バーナ中心線に対して、内周側に４５〜９０度で、かつ、予備燃焼室の接線方向に、予備燃焼室の周面に沿うように螺旋状に酸化剤を噴出するように設定され、前記補助酸化剤噴出ノズルの噴出方向角度は、バーナ中心線と平行な補助酸化剤噴出ノズルを通る直線に対して、内周側に０〜６０度に形成されていることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一酸化炭素、水素生成用燃焼装置の第１形態例を示す概略図である。この一酸化炭素、水素生成用燃焼装置は、燃焼炉１１の側壁に一酸化炭素、水素生成用のバーナ１２を設置し、このバーナ１２に、液状燃料供給経路１３から液状燃料を、酸化剤供給経路１４から酸化剤をそれぞれ供給し、該酸化剤の供給量を、前記液状燃料に対する酸素比が１．０未満になるようにして燃焼させることにより、燃焼炉１１内に一酸化炭素及び水素を含む燃焼ガスを生成させ、燃焼炉１１に設けたガス導出経路１５から導出するように形成されている。
【００１２】
このような一酸化炭素、水素生成用燃焼装置に使用する液状燃料として、前述のような液状廃棄物や廃棄物処理物である熱分解タールを使用した場合、これらの組成や流量が変動するため、例えば流量が所定流量を下回ったり、含有する炭素質や炭化水素質等の可燃成分が所定含有量より下回ったりした場合は、バーナ１２において所定の燃焼状態を維持することが困難となり、火炎が不安定となって失火することがある。
【００１３】
本形態例では、上述のようにしてバーナ１２に失火が生じた場合に備えるため、バーナ１２における液状燃料の流量等が所定条件に復帰したときにバーナ１２に着火して再燃焼させるための着火手段として、バーナ１２の近傍に補助バーナ１６を設置している。この補助バーナ１６には、安定した燃焼状態を得るため、天然ガスやプロパンガス等のガス状燃料又は灯油や重油のような液状燃料を補助燃料供給経路１７から供給するとともに、これらの燃料を安定した燃焼状態に保つため酸素を含む酸化剤を補助酸化剤供給経路１８から供給して常時燃焼させるようにしている。
【００１４】
このように、組成や流量が一定しない液状燃料と、該液状燃料に対する酸素比が１．０未満の酸化剤とを供給して部分燃焼させることにより一酸化炭素、水素を生成するバーナ１２の近傍で、該バーナ１２を着火可能な位置に常時燃焼状態の補助バーナ１６を設置することにより、液状燃料の流量や組成が一時的に変化してバーナ１２が失火した場合でも、補助バーナ１６の火炎によってバーナ１２の着火再燃焼を確実に行うことができるので、効率よく所望の一酸化炭素及び水素を生成することができる。
【００１５】
前記バーナ１２を着火再燃焼させるための着火手段は、上述のような常時燃焼式の補助バーナ１６に限らず、他の着火手段を使用することもできる。例えば、高圧放電を利用した火花をバーナ１２の燃焼室前方に形成したり、常時燃焼式の補助バーナ１６に代えて着火手段を備えた随時着火式の補助バーナを設置したりするようにしてもよい。
【００１６】
さらに、火花を用いたり、随時着火式の補助バーナを使用する場合には、バーナ１２の失火を検出して着火操作を行う必要があるが、失火の検出には、前記バーナ１２の燃焼火炎を炉壁に設置したカメラや温度計１９ａで色や温度を監視し、これらの変化に基づいて失火を監視する手段や、前記液状燃料供給経路１３に設置した流量計や分析計１９ｂで液状燃料の流量を成分を分析し、これらの変化に基づいて失火の発生を予測する手段や、前記ガス導出経路１５に設けた流量計や温度計、分析計１９ｃで燃焼ガスの流量や温度、成分、例えば酸素濃度を分析し、これらの変化に基づいて失火の発生を予測する手段を用いることができる。なお、このような失火監視手段は、常時燃焼式の補助バーナ１６を使用した場合でも、運転状態監視用として設置しておくことができる。
【００１７】
図２及び図３は、本発明のバーナを使用した一酸化炭素、水素生成用燃焼装置の第２形態例を示すもので、図２は燃焼炉におけるバーナ装着部を示す断面図、図３は本発明のバーナの一形態例を示すノズル部分の断面図である。
【００１８】
この燃焼装置は、前記第１形態例と同様に形成された燃焼炉１１の側壁に一酸化炭素、水素生成用のバーナ２１を設置して液状燃料を部分酸化することにより、燃焼炉１１に設けたガス導出経路（図示せず）から一酸化炭素及び水素を含む燃焼ガスを導出するように形成されている。
【００１９】
バーナ２１の先端には、燃焼炉側が拡開した円錐台状の予備燃焼室２２が形成されており、該バーナ２１を設置した炉壁１１ａには、この予備燃焼室２２に連続した円錐形状部１１ｂが設けられている。予備燃焼室２２及び円錐形状部１１ｂの開き角度は、４５〜１２０度の範囲、特に６０度程度で連続した状態が最適であり、これらの開き角度が小さいと、火炎に局所的な高温部が生じて炉壁やバーナを溶損することがあり、開き角度が大きいと、酸化剤と燃料との混合状態が悪化して所望のガス成分が得られなくなり、保炎性能も低下する。
【００２０】
前記バーナ２１は、図３に示すように、最外周に水冷ジャケット２３を設けた多重管構造を有するものであって、バーナ本体内には、中心から順に、液状燃料が供給される液状燃料供給通路２４、液状燃料を微粒化状態で噴霧するための噴霧流体が供給される噴霧流体供給通路２５、補助燃焼火炎を形成するためのガス状補助燃料が供給されるガス状補助燃料供給通路２６、前記液状燃料を部分酸化するための酸化剤が供給される酸化剤供給通路２７、前記ガス状補助燃料を燃焼させるための補助酸化剤が供給される補助酸化剤供給通路２８が、それぞれ設けられている。
【００２１】
前記予備燃焼室２２の短径面中心には、前記液状燃料供給通路２４から供給された液状燃料と、前記噴霧流体供給通路２５から供給された噴霧流体とを混合して微粒化するための内部混合室３１と、該内部混合室３１で混合微粒化した液状燃料を前記予備燃焼室２２に噴射する液状燃料噴出ノズル３２とが設けられている。
【００２２】
前記液状燃料は、前記液状燃料供給通路２４先端の小通孔２４ａから内部混合室３１の中心に軸線方向に噴出し、前記噴霧流体は、前記噴霧流体供給通路２５の先端に形成された円環状のスリット２５ａを通り、液状燃料を包み込むようにして内部混合室３１内に噴出する。この噴霧流体には、任意の気体を使用することができるが、通常は、ガス供給源等を考慮して酸化剤と同じガスを分岐させて使用することが好ましい。
【００２３】
液状燃料噴出ノズル３２は、軸線Ｃを中心とした所定の開き角度α、好ましくは４５〜１２０度、特に好ましくは６０度の開き角度で微粒化した液状燃料を噴射するように形成されており、見掛け上、中心が抜けたホロコーン状に燃料を噴射（スプレー）する。なお、前記液状燃料噴出ノズル３２の開き角度αが小さいと噴射パターンがホローコーン状にならなくなり、酸化剤と燃料との混合状態が悪化して収率が低下し、開き角度が大きいと保炎性能が低下してしまう。
【００２４】
このように、液状燃料と噴霧流体とを内部混合室３１内に噴出させて混合状態にした後、液状燃料噴出ノズル３２から予備燃焼室２２に噴射させることにより、液状燃料の微粒化を効果的にかつ確実に行うことができる。このとき、内部混合室３１の燃料噴射ノズル３２側の壁面をドーム状に形成しておくことにより、燃料の微粒化を促進することができるとともに、燃料噴射ノズル３２をドームの法線方向に向けることにより、各ノズル３２からの燃料噴出量を均一化することができる。
【００２５】
このように形成された燃料噴射ノズル３２の外周には、内周側から順に、ガス状補助燃料を噴出する補助燃料噴出ノズル３３と、酸化剤を噴出する酸化剤噴出ノズル３４と、補助酸化剤を噴出する補助酸化剤噴出ノズル３５とが、予備燃焼室２２の周面にそれぞれ所定の噴出角度で設けられている。
【００２６】
補助燃料噴出ノズル３３は、前記ガス状補助燃料供給通路２６から供給されたガス状補助燃料、例えば天然ガスやプロパンガス等のガス状燃料を予備燃焼室２２に噴出するものであって、その噴出方向の角度範囲βは、バーナ中心線と平行な直線Ｌ１に対して、内周側（収斂方向）に４５度から外周側（開き方向）に１５度までの範囲が適当であり、４５度以上内周側に向けると、局所的に完全燃焼する高温部を生じて均一なガス組成が得られなくなり、１５度以上外周側に向けると、燃料が酸化剤と混合することなく燃焼領域から逸脱してしまうといった問題がある。
【００２７】
前記酸化剤噴出ノズル３４は、前記酸化剤供給通路２７から供給された酸化剤、例えば酸素ガス、酸素富化ガス、空気のような酸素含有ガスを予備燃焼室２２に噴出するものであって、その噴出方向角度γは、バーナ中心線に対して、内周側（収斂方向）に４５〜９０度で、かつ、予備燃焼室２２の接線方向に、予備燃焼室２２の周面に沿うように螺旋状（渦巻状）に酸化剤を噴出するように設定することが好ましい。これにより、液状燃料と酸化剤とを十分に均一に混合することができ、これによって燃料と酸素との均質な反応が得られる。したがって、燃料に対する酸素比を１．０未満として燃焼させることにより、液状燃料を均質に部分酸化することができ、局部的なホットスポットの発生が抑制され、すすや二酸化炭素の発生を抑制して効果的に一酸化炭素と水素とを生成させることができる。
【００２８】
前記補助酸化剤噴出ノズル３５は、前記補助酸化剤供給通路２８から供給される補助酸化剤、例えば前記酸化剤と同じ酸素含有ガスを予備燃焼室２２に噴出するものであって、その噴出方向角度δは、バーナ中心線と平行な直線Ｌ２に対して、内周側（収斂方向）に０〜６０度が適当であり、噴出方向が外周側に向くとガス状補助燃料との混合を十分に行えず、生成ガス中に未反応の酸素が残存して爆発の危険性が生じ、６０度を超える角度で内側に向けると、局所的に完全燃焼する高温部を生じて均一なガス組成が得られなくなるという問題が出てくる。
【００２９】
このように、組成や流量が一定しない液状燃料と、該液状燃料に対する酸素比が１．０未満の酸化剤とを供給して部分燃焼させることにより一酸化炭素、水素を生成するバーナ２１に、ガス状補助燃料供給通路２６及び補助酸化剤供給通路２８を設け、補助燃料噴出ノズル３３から噴出させたガス状燃料と、補助酸化剤噴出ノズル３５から噴出させた酸化剤とを、酸素比を１あるいはそれよりも僅かに高い状態にして燃焼させておくことにより、バーナ２１に常時燃焼状態の補助火炎を形成しておくことができる。したがって、バーナ２１に供給される液状燃料の流量や組成が一時的に変化して液状燃料と酸化剤とにより形成される火炎が一時的に失火した場合でも、前記補助火炎によってバーナ２１の着火再燃焼を確実に行うことができるので、所望の一酸化炭素及び水素を効率よく生成することができる。
【００３０】
なお、前記燃料噴射ノズル３２は予備燃焼室２２の中心に、補助酸化剤噴出ノズル３５は予備燃焼室２２の最外周に設ける必要があるが、補助燃料噴出ノズル３３と酸化剤噴出ノズル３４との位置関係は任意であり、酸化剤噴出ノズル３４を補助燃料噴出ノズル３３より内側（燃料噴射ノズル３２側）に設けたり、同一円周上に設けたりすることができる。
【００３１】
また、上記各噴出ノズルの噴出方向は、液状燃料の性状や流量、酸化剤の種類や流量（酸素比）、ガス状補助燃料の種類や流量、補助酸化剤の種類や流量、燃焼炉１１の形状や容積、予備燃焼室２２の形状（深さ及び開き角度）等の各種条件に応じて最適な設計を行うことができる。さらに、バーナ１２，２１に供給する液状燃料としては、Ａ重油、Ｃ重油、廃油、タール、灯油、エマルジョン等の各種液状燃料を使用することもできる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、バーナが失火した場合でも確実に着火再燃焼させることができるので、組成や流量が一定ではなく、安定した燃焼状態を継続することが困難な液状物質を液状燃料として使用した場合でも、所望の一酸化炭素及び水素を効率よく得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一酸化炭素、水素生成用燃焼装置の第１形態例を示す概略図である。
【図２】 本発明のバーナを使用した一酸化炭素、水素生成用燃焼装置の燃焼炉におけるバーナ装着部を示す断面図である。
【図３】 本発明のバーナの一形態例を示すノズル部分の断面図である。
【符号の説明】
１１…燃焼炉、１２…バーナ、１３…液状燃料供給経路、１４…酸化剤供給経路、１５…ガス導出経路、１６…補助バーナ、１７…補助燃料供給経路、１８…補助酸化剤供給経路、１９ａ…温度計、１９ｂ，１９ｃ…分析計、２１…バーナ、２２…予備燃焼室、２３…水冷ジャケット、２４…液状燃料供給通路、２５…噴霧流体供給通路、２６…ガス状補助燃料供給通路、２７…酸化剤供給通路、２８…補助酸化剤供給通路、３１…内部混合室、３２…液状燃料噴出ノズル、３３…補助燃料噴出ノズル、３４…酸化剤噴出ノズル、３５…補助酸化剤噴出ノズル
Claims (5)
- 液状燃料と、該液状燃料に対する酸素比が１．０未満の酸化剤とをバーナに供給して燃焼させることにより一酸化炭素、水素を生成する燃焼装置において、
前記バーナは、前記液状燃料を噴出する液状燃料噴出ノズルと、前記酸化剤を噴出する酸化剤噴出ノズルと、
前記液状燃料とは異なる燃料からなる補助燃料を噴出する補助燃料噴出ノズルと、
該補助燃料噴出ノズルから噴出する前記補助燃料を燃焼させて常時燃焼状態とするための補助酸化剤を噴出する補助酸化剤噴出ノズルとを備え、
運転監視用として、
前記液状燃料の流量を測定し、該流量が所定流量を下回ったときに失火の発生を予測する失火監視手段、
又は、前記液状燃料の成分を分析し、該液状燃料流量中の可燃成分量が所定量を下回ったときに失火の発生を予測する失火監視手段、
又は、前記バーナを設置した燃焼炉から導出される燃焼ガスの成分を分析することによって失火の発生を予測する失火監視手段、
を設置していることを特徴とする一酸化炭素、水素生成用燃焼装置。 - 液状燃料に対する酸素比を１．０未満として燃焼させることにより一酸化炭素、水素を生成するバーナにおいて、
該バーナは、最外周に水冷ジャケットを設けた多重管構造を有するものであって、バーナ本体内には、中心から順に、前記液状燃料が供給される液状燃料供給通路、前記液状燃料を微粒化状態で噴霧するための噴霧流体が供給される噴霧流体供給通路、補助燃焼火炎を形成するためのガス状補助燃料が供給されるガス状補助燃料供給通路、前記液状燃料を部分酸化するための酸化剤が供給される酸化剤供給通路、前記ガス状補助燃料を燃焼させるための補助酸化剤が供給される補助酸化剤供給通路がそれぞれ設けられ、
燃焼炉側が拡開した円錐台状予備燃焼室の短径面中心に、前記液状燃料供給通路から供給された液状燃料と前記噴霧流体供給通路から供給された噴霧流体とを混合して微粒化するための内部混合室と、
該内部混合室の中心に前記液状燃料を軸線方向に噴出する小通孔を前記液状燃料供給通路の先端に設け、
前記液状燃料を包み込むようにして前記内部混合室内に前記噴霧流体を噴出する円環状のスリットを前記噴霧流体供給通路の先端に形成し、
前記内部混合室で混合微粒化した液状燃料を前記円錐台状予備燃焼室に噴射する液状燃料噴出ノズルを前記円錐台状予備燃焼室の中心に設けるとともに、
該液状燃料噴出ノズルの外周には、内周側から順に、前記液状燃料噴出ノズル外周の前記円錐台状予備燃焼室周面に、
前記ガス状補助燃料供給通路から供給される前記ガス状補助燃料を噴出する補助燃料噴出ノズルと、
前記酸化剤供給通路から供給される前記液状燃料を部分酸化するための酸化剤を噴出する酸化剤噴出ノズルと、
前記補助酸化剤供給通路から供給される前記ガス状補助燃料を燃焼させるための補助酸化剤を噴出する補助酸化剤噴出ノズルと、
をそれぞれ設けたことを特徴とする一酸化炭素、水素生成用バーナ。 - 液状燃料に対する酸素比を１．０未満として燃焼させることにより一酸化炭素、水素を生成するバーナにおいて、
該バーナは、最外周に水冷ジャケットを設けた多重管構造を有するものであって、バーナ本体内には、中心から順に、前記液状燃料が供給される液状燃料供給通路、前記液状燃料を微粒化状態で噴霧するための噴霧流体が供給される噴霧流体供給通路、補助燃焼火炎を形成するためのガス状補助燃料が供給されるガス状補助燃料供給通路、前記液状燃料を部分酸化するための酸化剤が供給される酸化剤供給通路、前記ガス状補助燃料を燃焼させるための補助酸化剤が供給される補助酸化剤供給通路がそれぞれ設けられ、
燃焼炉側が拡開した円錐台状予備燃焼室の短径面中心に、前記液状燃料供給通路から供給された液状燃料と前記噴霧流体供給通路から供給された噴霧流体とを混合して微粒化するための内部混合室と、
該内部混合室の中心に前記液状燃料を軸線方向に噴出する小通孔を前記液状燃料供給通路の先端に設け、
前記液状燃料を包み込むようにして前記内部混合室内に前記噴霧流体を噴出する円環状のスリットを前記噴霧流体供給通路の先端に形成し、
前記内部混合室で混合微粒化した液状燃料を前記円錐台状予備燃焼室に噴射する液状燃料噴出ノズルを前記円錐台状予備燃焼室の中心に設けるとともに、
該液状燃料噴出ノズルの外周には、内周側から順に、前記液状燃料噴出ノズル外周の前記円錐台状予備燃焼室周面に
前記酸化剤供給通路から供給される前記液状燃料を部分酸化するための酸化剤を噴出する酸化剤噴出ノズルと、
前記ガス状補助燃料供給通路から供給される前記ガス状補助燃料を噴出する補助燃料噴出ノズルと、
前記補助酸化剤供給通路から供給される前記ガス状補助燃料を燃焼させるための補助酸化剤を噴出する補助酸化剤噴出ノズルと、
をそれぞれ設けたことを特徴とする一酸化炭素、水素生成用バーナ。 - 液状燃料に対する酸素比を１．０未満として燃焼させることにより一酸化炭素、水素を生成するバーナにおいて、
該バーナは、最外周に水冷ジャケットを設けた多重管構造を有するものであって、バーナ本体内には、中心から順に、前記液状燃料が供給される液状燃料供給通路、前記液状燃料を微粒化状態で噴霧するための噴霧流体が供給される噴霧流体供給通路、補助燃焼火炎を形成するためのガス状補助燃料が供給されるガス状補助燃料供給通路、前記液状燃料を部分酸化するための酸化剤が供給される酸化剤供給通路、前記ガス状補助燃料を燃焼させるための補助酸化剤が供給される補助酸化剤供給通路がそれぞれ設けられ、
燃焼炉側が拡開した円錐台状予備燃焼室の短径面中心に、前記液状燃料供給通路から供給された液状燃料と前記噴霧流体供給通路から供給された噴霧流体とを混合して微粒化するための内部混合室と、
該内部混合室の中心に前記液状燃料を軸線方向に噴出する小通孔を前記液状燃料供給通路の先端に設け、
前記液状燃料を包み込むようにして前記内部混合室内に前記噴霧流体を噴出する円環状のスリットを前記噴霧流体供給通路の先端に形成し、
前記内部混合室で混合微粒化した液状燃料を前記円錐台状予備燃焼室に噴射する液状燃料噴出ノズルを前記円錐台状予備燃焼室の中心に設けるとともに、
該液状燃料噴出ノズルの外周に、前記ガス状補助燃料供給通路から供給される前記ガス状補助燃料を噴出する補助燃料噴出ノズルと、
前記酸化剤供給通路から供給される前記液状燃料を部分酸化するための酸化剤を噴出する酸化剤噴出ノズルと、を前記液状燃料噴出ノズル外周の前記円錐台状予備燃焼室周面に同一円周上に設け、
前記補助燃料噴出ノズル及び前記酸化剤噴出ノズルの外周に、前記補助酸化剤供給通路から供給される前記ガス状補助燃料を燃焼させるための補助酸化剤を噴出する補助酸化剤噴出ノズルを前記円錐台状予備燃焼室周面に設け設けたことを特徴とする一酸化炭素、水素生成用バーナ。 - 前記液状燃料噴出ノズルは、軸線を中心とした４５〜１２０度の開き角度で形成され、
前記補助燃料噴出ノズルの噴出方向の角度は、バーナ中心線と平行な補助燃料噴出ノズルを通る直線に対して、内周側に４５度から外周側に１５度の範囲に形成され、
前記酸化剤噴出ノズルの噴出方向角度範囲は、バーナ中心線に対して、内周側に４５〜９０度で、かつ、予備燃焼室の接線方向に、予備燃焼室の周面に沿うように螺旋状に酸化剤を噴出するように設定され、
前記補助酸化剤噴出ノズルの噴出方向角度は、バーナ中心線と平行な補助酸化剤噴出ノズルを通る直線に対して、内周側に０〜６０度に形成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載の一酸化炭素、水素生成用バーナ。
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