JP4976357B2 - 含酸素燃料バーナー用途のためのエマルジョン噴霧器ノズル、バーナー及び方法 - Google Patents

含酸素燃料バーナー用途のためのエマルジョン噴霧器ノズル、バーナー及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、酸素系の燃焼のための液体燃料用ノズル、及び産業用溶解炉で高温を作り出すための該ノズルの使用方法に関する。
噴霧器ノズルの使用は、その参照により全体として本明細書に含まれる米国特許第５，５４７，３６８号明細書（特許文献１）、同第５，５６７，１４１号明細書（特許文献２）、同第５，３９３，２２０号明細書（特許文献３）、及び同第５，６１７，９９７号明細書（特許文献４）で説明されているように当技術分野において公知である。米国特許第５，５４７，３６８で記載されているように、噴霧器ノズルは、金属、ガラス、セラミック材料などのような様々な製品のための産業用溶解炉において使用されている。
燃焼用途において液体燃料を噴霧する方法が多数ある。ノズルは、２つの主なグループに分類することができる。
ａ）圧力噴霧器であって、比較的高圧の液体燃料を用いて流れを小オリフィスに通し、液体を液滴に分散させる圧力噴霧器。これらの噴霧器は比較的単純である。しかしながら、それらのターンダウン比は制限され、流れの要件において幅広い変化を有する系についてはノズルの交換が必要である。
ｂ）二流体噴霧器であって、噴霧用ガスを用いて液体の噴霧化を促進させる二流体噴霧器。通常、噴霧用ガスは高圧で導入され、液体燃料は低圧で供給することができる。このグループのノズルは、さらに以下に区分することができる。
１）外部混合であって、高速の噴霧用ガスが低速の液体燃料と外部で接触し、液体ジェットの分散、即ち、噴霧化が起こる外部混合。通常、これらのノズルは非常に耐久性があるが、火炎の形状及び噴霧化の品質は、特に含酸素燃料バーナーの用途においてほとんどの場合が最適には及ばない。火炎は短く窮屈であり、不均一な熱供給と局部過熱をもたらす。
２）内部混合又はエマルジョンであって、噴霧用ガスと液体燃料が内部チャンバー内で混合され、次いで、二相の混合物が出口オリフィスを介して噴射され、その結果、混合されたガス相が減圧されて液体の分散が起こる内部混合又はエマルジョン。これらのノズルは、優れた制御可能な噴霧、優れた火炎形状、及び均一な伝熱を作り出す。
内部混合噴霧器は、空気−燃料燃焼において広く使用されているが、含酸素燃料バーナーにおけるその使用は、冷却の問題や起こり得る火炎の逆火の問題によって制限されている。非水冷却式バーナーの場合には、主酸化剤が噴霧ノズルを冷却する。主酸化剤が空気である空気−燃料バーナーについては、冷却は、完全燃焼のために必要かつ提供される大量の空気（主酸化剤）によって達成される。しかしながら、空気よりも高濃度のＯ2を有する主酸化剤を利用するバーナーである含酸素燃料バーナーについては、主酸化剤の量を減らした噴霧ノズルの冷却は不十分な場合がある。例えば、１００％Ｏ2の酸化剤のケースにおいて、燃焼に必要とされる化学量論的な量の酸素が与えられる場合には、噴霧ノズルを冷却するのに利用可能な主酸化剤は、空気−燃料バーナーの場合よりも約８０％少ない量になる。加えて、含酸素燃料バーナーは、非常により高い火炎温度を有する。これらの理由から、含酸素燃料バーナーの噴霧ノズルは、空気−燃料バーナーの場合よりもはるかに高い温度で運転されることが予想される。
内部混合ノズルの温度がより高いことで幾つかの問題が生じる可能性がある。即ち、
１）高いノズル温度によって炉に導入する前に液体燃料の化学的な劣化が生じる可能性がある。より具体的には、燃料油、例えば、硫黄含有量の高い重油、及び残留炭素分（ＣＣＲ）の高い油（例えば、アスファルテン分の高い油）について、ノズル温度が高いと内部のコークスの堆積やノズルの詰まりが生じる可能性がある。このことは、使用される噴霧用ガスに関係なく問題である。
２）さらに、酸素が噴霧用ガスとして用いられる場合には、高いノズル温度と不適切なノズルデザインによって、火炎の逆火や破滅的なノズルの破損又はメルトダウンが生じる可能性がある。
米国特許第５，５４７，３６８号明細書 米国特許第５，５６７，１４１号明細書 米国特許第５，３９３，２２０号明細書 米国特許第５，６１７，９９７号明細書
本発明は、適切なノズルデザインによって上記運転上の問題を回避する方法を説明する。
本発明は、含酸素燃料の燃焼のための方法であって、液体燃料を有効直径を有する液体燃料用導管を通して該液体燃料用導管の該有効直径の２倍以下の長さを有するエマルジョンチャンバーに導入する工程；噴霧用ガスを少なくとも１つの噴霧用ガス用導管を通して該エマルジョンチャンバーに導入する工程；該液体燃料と該噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバー内で混合し、該エマルジョンチャンバー内の平均滞留時間が５００〜８００μｓであり、その速度が１２ｍ／ｓ以下であるエマルジョン混合物を生成する工程；及び該エマルジョン混合物を一般に長方形のオリフィスを通して酸素富化酸化剤流に放出する工程を含む、方法を提供する。
本発明の別の実施態様においては、含酸素燃料の燃焼のためのノズルであって、有効直径を有する液体燃料用導管と；該有効直径の２倍以下の長さを有するエマルジョンチャンバーであって、該液体燃料用導管が該エマルジョンチャンバーに液体燃料を導入するよう配置されたエマルジョンチャンバーと；噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバーに導入するための少なくとも１つの噴霧用ガス用導管と；酸素富化酸化剤流を提供するための手段とを含み；該液体燃料と該噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバー内で混合し、その速度が１２ｍ／ｓ未満であり、該エマルジョンチャンバー内の平均滞留時間が５００〜８００μｓであるエマルジョン混合物を生成し；さらに該エマルジョンチャンバーが一般に長方形の放出用オリフィスを含み、該エマルジョン混合物が該エマルジョンチャンバーから該酸素富化酸化剤流に放出される、ノズルが提供される。
本発明の別の実施態様においては、含酸素燃料の燃焼のためのバーナーであって、有効直径を有する液体燃料用導管と；該有効直径の２倍以下の長さを有するエマルジョンチャンバーであって、該液体燃料用導管が該エマルジョンチャンバーに液体燃料を導入するよう配置されたエマルジョンチャンバーと；噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバーに導入するための少なくとも１つの噴霧用ガス用導管と；酸素富化酸化剤流を提供するための手段とを含み；該液体燃料と該噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバー内で混合し、その速度が１２ｍ／ｓ未満であり、該エマルジョンチャンバー内の平均滞留時間が５００〜８００μｓであるエマルジョン混合物を生成し；さらに該エマルジョンチャンバーが一般に長方形の放出用オリフィスを含み、それを通して該エマルジョン混合物が該エマルジョンチャンバーから該酸素富化酸化剤流に放出される、バーナーが提供される。
「含酸素燃料バーナー」とは、空気よりも高いＯ2濃度を有する主酸化剤を利用するバーナーである。
「酸素富化酸化剤」とは、３０ｖｏｌ％を超えるＯ2を有する流体、例えば、酸素富化空気と規定される。他の酸素富化酸化剤は、５０ｖｏｌ％又は８５ｖｏｌ％を超える酸素を有することができる。
「噴霧用ガス」は、空気、酸素、酸素富化酸化剤、天然ガス、プロパン、窒素、二酸化炭素、水素、又はこれらガスのうち２つ以上の混合ガスであることができる。１つの実施態様においては、噴霧用ガスは酸素富化酸化剤である。
ノズルのための「液体燃料」は、燃料油、例えば、第１の留出油、第２の留出燃料油、ディーゼル燃料、灯油、第４の燃料油、第５の残油、第６の残査燃料油、及びバンカーＣ型燃料油、並びに当業者に公知の他のものを含む。
本発明は、内部混合タイプのノズルである。図１（ａ）と図５（ａ）に示すように、液体燃料２０が、出口直径１４を有する導管３１を介してエマルジョンチャンバー１０に導入される。出口直径１４は、エマルジョンチャンバー１０に隣接する導管３１の出口端部１５付近又はその地点の導管３１の内側について測定される。噴霧用ガス２１は、液体燃料用導管３１の周りの１つ又は複数の流路を介してエマルジョンチャンバー１０に導入される。噴霧用ガスは、図２に示すように単一の環状流路２２を介して導入することができるか、又は図３に示すように複数の流路２３を介して導入することができる。噴霧用ガス２１はデフレクター面１２に衝突して、続いてエマルジョンチャンバー１０内で液体燃料と混合される。デフレクター面１２は、噴霧用ガスをエマルジョンチャンバー１０の方へ向けるように角度をつけるか又は成形される。エマルジョンチャンバー１０は直径３０と長さ１３を有する。エマルジョンチャンバー１０の直径は、エマルジョンチャンバーの内側について測定され、その長さは、液体燃料用導管３１の出口端部１５からエマルジョンチャンバーオリフィス１１のチャンバー側１８まで測定される。エマルジョンチャンバーと液体燃料用導管は円筒形として示されるが、本発明は、導管３１又はエマルジョンチャンバー１０について円筒形及び／又は円形断面に限定されない。非円形導管の場合には、同じ断面積を与える有効直径を計算することができる。図１（ａ）では、エマルジョンチャンバーは、オリフィス１１の方に設けられたテーパー部分３３をさらに示し、それは円錐形として示されるが、球形、楕円形などであってもよく、示されるよりもエマルジョンチャンバーの長さを幾分延長することができる。あるいはまた、オリフィス付近のエマルジョンチャンバーの形状は、図５（ａ）に示すように長方形であることができる。エマルジョンチャンバーは、（図１（ａ））のエマルジョンチャンバーの大部分又は（図５（ａ））のエマルジョンチャンバーの全部について一定の断面で示されるが、本発明は一定の断面には限定されない。他の実施態様においては、エマルジョンチャンバーは、燃料入口からオリフィスまでの長さの大部分又は全部にわたって断面が小さくなるよう成形することができる。
噴霧用ガスと液体燃料は、エマルジョンチャンバー内で混合されエマルジョン混合物（図示せず）を形成した後、高さ１６よりも大きな幅１７を有する一般に長方形のオリフィス１１を通してエマルジョンチャンバーから放出され、高さよりも幅が大きい火炎を生成する（エマルジョンチャンバーオリフィスの高さ及び幅並びに他の寸法について、有効な寸法は必要な場合には使用することができる）。酸素富化酸化剤である主酸化剤４１は、エマルジョン混合物がノズルを出るエマルジョンチャンバーオリフィス１１に向かって示される方向に流れる。主酸化剤は、ノズル１の全部又は一部の周りに導入することができる。
ノズル形状の好ましい実施態様は、以下の一般的な設計パラメータの指標値を含むことができる。
Figure 0004976357
本発明によれば、エマルジョンチャンバーの長さ１３は、噴霧用ガスと液体燃料を火炎成形用オリフィス１１を介して放出する前に十分混合するため、液体燃料出口の有効直径１４の０．５倍〜２倍であることができる。あるいはまた、エマルジョンチャンバーの長さ１３は、導管３１の液体燃料出口の有効直径の１倍〜２倍又は約１．７倍であることができる。液体燃料と噴霧用ガスは、エマルジョンチャンバー内に５００〜８００μｓ、５５０〜７８０μｓ又は６００〜７５０μｓの平均滞留時間とどまるべきである。液体燃料と噴霧用ガスを本発明に従ってエマルジョンチャンバー内で混合する機会が与えられると、ノズルを洗浄するためのメンテナンスと同様、コークスの蓄積が減少する。
平均滞留時間は、（先に規定されたエマルジョンチャンバーの長さにわたる）エマルジョンチャンバーの全体積をエマルジョン混合物の体積流量で割ることにより計算される。エマルジョン混合物の体積流量は、油と噴霧用ガス両方の体積流量を足し算することにより計算される。噴霧用ガスは圧縮性であるため、ガスの実体積流量は圧力補正することにより得られる。例えば、油の流量が７０リットル／ｈ、噴霧用ガスの流量が１１Ｎｍ3／ｈ、エマルジョンチャンバーの圧力が２．４ｂａｒ（２４０ｋＰａ）である場合には、エマルジョン混合物の体積流量は、
Figure 0004976357
 エマルジョンチャンバーの体積が７９０ｍｍ3であるノズルの場合、平均滞留時間は、
Figure 0004976357
 である。
幾つかの実施態様においては、液体燃料出口の有効直径は、１．２７ｍｍ〜１２．７ｍｍ、１．２７ｍｍ〜１０ｍｍ、１．２７ｍｍ〜８．５ｍｍ、又は６．２５ｍｍであることができる。幾つかの実施態様においては、エマルジョンチャンバーオリフィスの幅は、３ｍｍ〜２５．４ｍｍ、４ｍｍ〜２０ｍｍ、又は約１４．２ｍｍであることができる。幾つかの実施態様においては、エマルジョンチャンバーオリフィスの高さは、０．７５ｍｍ〜７．６２ｍｍ、０．７５ｍｍ〜４．５ｍｍ、又は約１．４ｍｍであることができる。幾つかの実施態様においては、液体燃料出口の面積／エマルジョンチャンバーオリフィスの面積は、０．１〜２、０．１〜１．６、又は約１．１であることができる。これらの面積は断面積である。液体燃料出口の面積は、図２に示すハッチングしていない円形面積２９に等しい（導管３１の断面積が一定でない場合には、断面積は出口で測定される必要があり、図１（ａ）の線分Ａ−Ａが横切っているところではないことに注意すること）。図１（ｂ）に示す実施態様においては、エマルジョンチャンバーオリフィスの面積は、図１（ｂ）に示すハッチングしていない面積に等しい。
幾つかの実施態様においては、液体燃料は、１０〜２５０リットル／ｈ、１５〜２００リットル／ｈ、又は５０〜１５０リットル／ｈでエマルジョンチャンバーに導入される。幾つかの実施態様においては、噴霧用ガスは、１〜２０Ｎｍ3／ｈ又は５〜１５Ｎｍ3／ｈでエマルジョンチャンバーに導入される。一般にプラグ流れをエマルジョンチャンバーにおいて作り出すために、エマルジョン混合物の速度を１２ｍ／ｓ以下にしてコークスの堆積やノズルの詰まりを防ぐことができる。プラグ流れとは、停滞ゾーン又は再循環ゾーンが生成しないように、エマルジョン混合物がエマルジョンチャンバーを通って移動することを意味する。エマルジョンチャンバー内の流れは乱流であることができる。エマルジョン混合物の速度は、５〜１２ｍ／ｓ、６〜１２ｍ／ｓ、又は８〜１２ｍ／ｓであることができる。
エマルジョン混合物の速度は、油と噴霧用ガス両方の体積流量を足し算して、得られた結果をエマルジョンチャンバーの断面積で割ることにより計算される。先に記載したように、噴霧用ガスは圧縮性であるため、ガスの実体積流量は圧力補正することにより得られる。例えば、油の流量が７０リットル／ｈ、噴霧用ガスの流量が１１Ｎｍ3／ｈ、エマルジョンチャンバーの圧力が２．４ｂａｒ（２４０ｋＰａ）、エマルジョンチャンバーの断面積が１１６ｍｍ2である場合には、エマルジョン混合物の速度は、
Figure 0004976357
 である。
エマルジョンチャンバーの面積がその長さにわたって変化する場合、エマルジョン混合物の速度の計算には最大面積を用いる。
本発明の噴霧器ノズルは、当業者に公知の通常の方法で作製される。
図４に示す本発明の１つの実施態様においては、本発明の噴霧器ノズル５１はバーナー６０において使用される。噴霧器ノズル５１は、バーナーブロック５０の高温面５２の方に位置している。ノズルのエマルジョンチャンバーオリフィス５５は、バーナーブロックの流路壁５４の内部にエマルジョン混合物（液体燃料）がスプレーされるのを防ぐか又は制限するために、高温面５２に対して十分近く、即ち、バーナーブロック５０の十分前方に置かれる。流路壁５４は、（図１（ａ）の４１として示される）主酸化剤がノズル５１の周りを流れる流路を画定している。主酸化剤は配管５７を介してバーナー６０に入る。主酸化剤は、液体酸素タンク源又はオンサイト発生器、例えば、圧力若しくは真空スウィング吸着装置又は深冷分離装置から供給することができる。バーナーブロック５０の高温面５２は火炎付近、即ち、バーナーブロック５０の高温側であり、バーナーブロック５０の低温面５３はその反対側であって、炉の外部に隣接し、即ち、ブロックの低温側である。図４に示す実施態様においては、バーナーブロック５０は、酸化剤の段階化のための導管５６を与えている。図示されるバーナーの他の態様は、同時係属中の２００４年８月１６日出願の米国特許出願第１０／９１９，９４０号において見出すことができ、この出願はその参照により本明細書に含まれる。しかしながら、本発明は、図示されるバーナー構成に限定されない。本発明において有用なバーナーの他の実施態様は、米国特許第５，３６０，１７１号明細書；同第５，５４５，０３１号明細書；同第５，６１１，６８２号明細書；同第５，５７５，６３７号明細書；同第４，６９０，６３５号明細書；同第５，４３９，３７３号明細書；同第５，９２４，８５８号明細書；同第５，４５８，４８３号明細書；及び同第５，４３１，５５９号明細書において見出すことができ、これらの特許はその参照により本明細書に含まれる。本明細書で記載されるノズルは、主酸化剤として酸素富化酸化剤を与える手段を提供する任意のバーナーに関して使用することができる。
［比較例１］
［エマルジョン速度が１２ｍ／ｓを超える噴霧器ノズル］
エマルジョン速度が１３〜１４．７ｍ／ｓであり、滞留時間が８００μｓを超える通常の噴霧器ノズルを、流量が５０〜２００リットル／ｈである第６の燃料油について試験した。ノズルは、図４に示すようにバーナーブロックの高温面付近に配置した。ノズル上に蓄積する炭素は、１日に１回から１週間に２回の洗浄が必要であった。ノズルを洗浄する必要性は、火炎の特性、液体燃料及び／又は噴霧用ガスの圧力上昇により決定した。火炎は燃料油の偏在のために変形した。
［例２］
［エマルジョン速度が１２ｍ／ｓ未満の噴霧器ノズル］
エマルジョン速度が８〜１２ｍ／ｓであり、滞留時間が５００〜８００μｓである本発明に従った噴霧器ノズルを、流量が５０〜２００リットル／ｈである第６の燃料油について試験した。ノズルは、図４に示すように高温面付近に配置した。ノズルを洗浄する必要性は１月に１回未満まで減少した。
本発明は、特定の実施態様を参照して記載されたが、本発明は、それらの実施態様に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の趣旨及び範囲内にある改良及び同等の変更を含む。
（ａ）は本発明のノズルの第１及び第２実施態様の縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）で示されるノズルの前端面の断面図である。 本発明の第１実施態様を示す図１（ａ）のＡ−Ａ断面である。 本発明の第２実施態様を示す図１（ａ）のＡ−Ａ断面である。 本発明のノズルを組み込んだ含酸素燃料バーナーを示す。 （ａ）は本発明のノズルの第３実施態様の縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）で示されるノズルの前端面の断面図である。
符号の説明
１ ノズル
１０ エマルジョンチャンバー
１１ オリフィス
２０ 液体燃料
２１ 噴霧用ガス
３１ 導管
４１ 主酸化剤

Claims (19)

  1. 含酸素燃料の燃焼のための方法であって、
    液体燃料を有効直径を有する液体燃料用導管を通してエマルジョンチャンバーに導入する工程；
    噴霧用ガスを少なくとも１つの噴霧用ガス用導管を通して該エマルジョンチャンバーに導入する工程；
    該液体燃料と該噴霧用ガスを該エマルジョンチャンバー内で混合し、該エマルジョンチャンバー内の平均滞留時間が５００〜８００μｓであり、その速度が１２ｍ／ｓ以下であるエマルジョン混合物を生成する工程；及び
    該エマルジョン混合物を一般に長方形のオリフィスを通して酸素富化酸化剤流に放出する工程
    を含む、含酸素燃料の燃焼のための方法。
  2. 前記酸素富化酸化剤流が５０ｖｏｌ％を超える酸素を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記平均滞留時間が５５０〜７８０μｓである、請求項１に記載の方法。
  4. 前記液体燃料の導入工程が１０〜２５０リットル／ｈの流量であり、前記噴霧用ガスの導入工程が１〜２０Ｎｍ3／ｈの流量である、請求項１に記載の方法。
  5. 有効直径を有する液体燃料用導管と；
    該有効直径の２倍以下の長さを有するエマルジョンチャンバーであって、該液体燃料用導管が該エマルジョンチャンバーに液体燃料を導入するよう配置されたエマルジョンチャンバーとを含み；
    該エマルジョンチャンバーが一般に長方形の放出用オリフィスを含む含酸素燃料の燃焼のためのノズルであって、
    該有効直径が１．２７〜１２．７ｍｍであることを特徴とする、含酸素燃料の燃焼のためのノズル。
  6. 前記エマルジョンチャンバーの長さが、前記液体燃料用導管の前記有効直径の０．５〜２倍である、請求項５に記載のノズル。
  7. 前記オリフィスが、３ｍｍ〜２５．４ｍｍの幅と、０．７５ｍｍ〜７．６２ｍｍの高さとを含む、請求項５に記載のノズル。
  8. 前記液体燃料用導管が１つの出口面積を含み、前記オリフィスが１つの面積を含み、該出口面積／該オリフィス面積が０．１〜２である、請求項５に記載のノズル。
  9. 前記液体燃料用導管が１つの出口面積を含み、前記オリフィスが１つの面積を含み、該出口面積／該オリフィス面積が０．１〜１．６である、請求項５に記載のノズル。
  10. 前記オリフィスが、４ｍｍ〜２０ｍｍの幅と、０．７５ｍｍ〜４．５ｍｍの高さとを含む、請求項５に記載のノズル。
  11. 前記エマルジョンチャンバーがテーパー部分を含む、請求項５に記載のノズル。
  12. 前記エマルジョンチャンバーがテーパー部分を含む、請求項８に記載のノズル。
  13. 前記エマルジョンチャンバーがその長さにわたって次第に細くなっている、請求項５に記載のノズル。
  14. 請求項５〜１３のいずれか１項に記載の含酸素燃料の燃焼のためのノズルと、酸素富化酸化剤流を提供するための手段とを含む、含酸素燃料の燃焼のためのバーナー。
  15. 前記酸素富化酸化剤流を提供するための手段がバーナーブロックであり、該バーナーブロックが、前記酸素富化酸化剤流が前記ノズルの周りを流れる流路を画定する流路壁を備えた、請求項１４に記載のバーナー。
  16. 前記バーナーブロックが酸化剤の段階化のための導管をさらに備えた、請求項１５に記載のバーナー。
  17. 前記オリフィスが前記バーナーブロックの高温面の近くに配置された、請求項１５又は１６に記載のバーナー。
  18. 前記液体燃料と前記噴霧用ガスが、ノズル内のコークスの蓄積を減少させるのに十分に前記エマルジョンチャンバー内で混合される、請求項１に記載の方法。
  19. 前記エマルジョンの速度が、コークスの堆積及びノズルの詰まりが生じる速度未満である、請求項１に記載の方法。
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