JP5068183B2 - 燃焼方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、固体炭化水素燃料のための燃焼方法および燃焼システムに関する。

石炭のような固体化石燃料は、発電のために特に重要なエネルギー源である。しかしながら、石炭の燃焼から排出された汚染物質は大気汚染の主要な原因である。石炭燃焼からの汚染物質のうち窒素酸化物（ＮＯｘ）については、非常に注目されてきた。

燃焼の間に発生するＮＯｘの主要な供給源は、フューエルＮＯｘとサーマルＮＯｘとの２つがある。フューエルＮＯｘは、化学結合した窒素（フューエル窒素）が燃焼の間に転化することで形成されたＮＯｘである。フューエル窒素（あるいは炭化物Ｎ）は、いくつかの複雑な燃焼過程において解放される。燃焼の主要初期生成物はＨＣＮかＮＨ_３かのどちらかである。その後、ＨＣＮはＮＯへ酸化されるか、あるいはＮ_２へ還元される。ガスが酸化剤であるかあるいは燃料が低品質のものであるときには、ＮＯはフューエル窒素の支配的生成物である。燃料富裕であるときには、ＨＣＮは、石炭炭化物表面におけるＣＯあるいはＣ（炭化物）によって、Ｎ_２へ還元される。

サーマルＮＯｘとは、空中窒素の高温酸化から形成されたＮＯｘをいう。サーマルＮＯｘ形成は、温度の指数関数および酸素濃度の平方根関数である。より低い燃焼温度あるいはより低い酸素濃度によって、より少ないＮＯｘが生成される。従って、サーマルＮＯｘの生成は、反応温度あるいは酸素濃度を制御することで制御することができる。しかしながら、より低い燃焼温度あるいはより低い酸素濃度によって、石炭の非効率的燃焼、すなわち緩慢な燃焼速度がもたらされる。緩慢な燃焼速度は、石炭の不完全燃焼および石炭の持続性燃焼を引き起こすかもしれない。

ＮＯｘの排出量を削減するために、さまざまな技術が開発されてきた。これらの技術は、燃焼温度を減少させるかあるいは酸素濃度を人為処理するかのいずれかである。前者は「希釈化に基づく燃焼制御技術」と称されており、また、後者は「化学量論に基づく燃焼制御技術」として言及されている。希釈化に基づく燃焼技術においては、火炎最大温度を減少させるために、水性ガスあるいは煙道ガスのような不活性ガスが導入される。化学量論に基づく燃焼技術においては、火炎帯域における酸素濃度を低下させることと還元性雰囲気を発生させることとが含まれ、それによって、ＮＯｘが還元される。その実例は、低ＮＯｘ段階型バーナーおよびＯＳ燃焼、例えばオーバーファイアエア(over-fire-air)および切り離し型バーナーである。これらの技術では、空気および／または燃料を段階的に供給して、燃料富裕帯域（部分燃焼帯域）が作り出され、次いで空気富裕帯域が作り出されて、燃焼過程が終了する。これらの低ＮＯｘ型バーナーによれば、ＮＯｘ排出量を０．６５ポンド／１００００００ＢＴＵから０．２５ポンド／１００００００ＢＴＵまで削減することができる。別の型のＮＯｘ制御技術はガス再燃焼である。このガス再燃焼技術によれば、ＮＯｘ排出量を０．４５ポンド／１００００００ＢＴＵから０．１８ポンド／１００００００ＢＴＵまで削減することができる。

しかしながら、これらのＮＯｘ還元技術は決して適切なものではない。例えば、それらは米国大気汚染防止法における排出基準（０．１５ポンド／１００００００ＢＴＵ未満）を満たすことができない。加えて、ほとんどすべての低ＮＯｘ燃焼技術では、燃焼時間を著しく増大させなければならない。その結果、ボイラーの寸法は、石炭燃焼を経済的に許容できる水準で遂行することができるようにするうえで、長い燃焼時間を受け入れるように増大させなければならない。このため、ほとんどすべてのＮＯｘ制御技術では、著しい設備投資が必要であるとともに、作業のコストが高い。

最近の研究によれば、石炭を高温ガスとともに送給すると、ＮＯｘ排出量およびフライアッシュ中の未燃焼炭素量が著しく減少することが示された。高温ガスでの燃焼過程では、フューエル窒素は、燃料富裕帯域における揮発分除去および燃焼の間に、急速に揮発分が除去されて、窒素へ還元される。

本発明は、従来技術に関するいくつかの問題点についての本発明者の認識に基づく。１つの問題点は、ＮＯｘを還元するための従来技術が固体理論に基づいているにもかかわらず、そのような技術に基づいた装置では最適なＮＯｘ還元がたいてい達成されない、ということである。その理由は、それらの装置によれば、最適なＮＯｘ還元のための作動条件を変更するように構成するために作動パラメータを迅速に調整することがないかあるいはできないからである。例えば、石炭の品質あるいは種類が変更されるとき、あるいはその装填量が変更されるときには、従来技術の装置では、その変更を迅速に認識して作動パラメータをその変更に適合させることがないかあるいはできない。その結果、石炭が使用されるときには最適なＮＯｘ還元を達成することができない。同時に、フライアッシュ中の未燃焼炭素量も増加する。

従来技術に関する別の問題点は、高い燃焼温度がもたらされる高温ガスを石炭へ送給することが含まれる技術の場合には、作動パラメータを調整して作動条件を変更するように構成することができないために、火炎前線はバーナーの壁および／または燃焼チャンバーの壁に接近しすぎることになる。その結果、バーナーの壁および／または燃焼チャンバーの壁にスラッギングが起きる。例えば、本発明者の実験では、作動パラメータが無煙炭（７．３６％の揮発性物質がある）に対して設定されているにもかかわらず瀝青炭（１７．２２％の揮発性物質がある）が使用されるときには、過熱のためにバーナーの壁にスラッギングが起きて、燃焼システムの停止が引き起こされることがある。

本発明は、低いＮＯｘ排出量、低い未燃焼炭素量、任意の種類の化石燃料への自動適合性、および低減したスラッギングのうち１つ以上の利点を有する燃焼の方法を対象とする。この燃焼方法は、バーナーの中へ空気／燃料流を噴射して低圧帯域を作り出す工程と、高温燃焼ガスの流れを燃焼チャンバーから上記バーナーの中における低圧帯域の中へ導入する工程と、高温燃焼ガスを噴射された空気／燃料流と混合してその空気／燃料流を加熱し、加熱された空気／燃料流を上記バーナーから上記燃焼チャンバーへ噴射することにより、空気／燃料流が火炎の中で急速に揮発分除去されるとともに燃焼される工程と、燃焼パラメータを感知する工程と、感知した燃焼パラメータに基づいて、所望のＮＯｘ還元および上記バーナーから火炎の前線までの所望距離のうち少なくとも一方を達成するために燃焼を制御する工程とを含む。好ましい１つの実施形態では、燃焼は、非許容スラッギングがないＮＯｘ還元を最大化するために制御される。「非許容スラッギング」の構成は、要約的に決定することはできず、所与の燃焼システムについての設計要件からケースバイケースの原則で決定しなければならない。このような決定は当業者によって行うことができる。

本発明は、微粉化炭化水素燃料についての燃焼システムもまた対象としている。燃焼システムは、空気／燃料流を受け入れるように設計されたバーナーと、このバーナーへ接続されていて、高温燃焼ガスの流れをこのバーナーへ送り前記空気／燃料流を加熱し、燃焼のためのバーナーを形成するその加熱空気／燃料流を受け入れる燃焼チャンバーと、燃焼パラメータを感知するためのセンサーと、感知した燃焼パラメータに基づいて燃焼を制御して所望のＮＯｘ還元および上記バーナーから火炎の前線までの所望距離のうち少なくとも一方を達成する制御装置とを含む。好ましい１つの実施形態では、燃焼は、非許容スラッギングがないＮＯｘ還元を最大化するために制御される。

好ましい１つの実施形態では、バーナーの中における噴射された空気／燃料流の速度は１０〜６０ｍ／秒であり、より好ましくは１５〜５０ｍ／秒である。この速度は、送給管を詰まらせることなく空気／燃料流を送給するように、また、燃焼チャンバーの中における圧力よりも低い圧力をバーナーの内側へ導入するように、設計することができる。バーナーの入口での噴射の断面積は、バーナーの断面積の分数であり、好ましくは２０％〜６０％である。２つの断面積が望ましい比にあると、ある量の高温燃焼ガスが燃焼チャンバーからバーナーの中へ逆流する。

別の好ましい実施形態では、空気／燃料流は高濃度空気／燃料流、すなわち低い空燃比がある空気／燃料流である。高濃度流における空気燃料固形物比は０．４〜２．２ｋｇ空気／１ｋｇ燃料であるのが好ましく、０．７〜１．８ｋｇ空気／１ｋｇ燃料であるのがより好ましい。これは、無煙炭および瀝青炭のような燃料についての化学量論比のわずか８％〜２５％であることを意味している。

高濃度空気／燃料流を使用することについては、いくつかの理由がある。第１に、高濃度流によれば、ＮＯｘを著しく削減することのできるバーナーおよび燃焼チャンバーの内側におけるより高い燃料富裕火炎の維持管理が可能である。第２に、高濃度流によれば、比較的少量の熱を使用して加熱することができる。従って、高濃度流によれば、近距離において迅速に加熱することができる。第３に、加熱された高濃度流によって、迅速な加熱中に大量の揮発性物質が解放される。（高濃度流の加熱の間に不完全燃焼もまた起きることがある。）解放された揮発性物質によって、石炭粒子の発火および燃焼が促進され、フライアッシュ中の未燃焼炭素量が削減される。加えて、燃料富裕雰囲気における燃料結合窒素が含まれる揮発性物質の迅速な解放によって、燃料結合窒素はＮＯｘへではなくＮ_２へ変換される。高濃度空気／燃料流と設計されたバーナーとの総合的効果によって、燃焼が実行され高温で、減圧ガスの大気中で維持され、極少量のＮＯｘ排出とフライアッシュ中における低い未燃焼炭素量とが導かれる。

バーナーの中における空気／燃料流は、渦巻き流であっても直線流であってもよい。バーナーのいくつかの典型的な構成は、壁面加熱型、対向加熱型、接線加熱型、下向き加熱型である。バーナーは燃焼チャンバーと同一の鉛直高さで配置されているのが好ましい。

本発明のさらに別の好ましい実施形態では、燃焼システムに、微粉化システムからの空気／燃料流を高濃度空気／燃料流と希薄な空気／燃料流と分離するように設計される分離用装置が含まれていてもよい。この分離用装置は、高濃度空気／燃料流をバーナーへ供給するためにバーナーへ接続されている。高濃度流についての空気燃料固形物比は、微粉化システムからの空気／燃料流についてのそれよりも低い。典型的には、微粉化システムからの空気／燃料流の中における空気燃料固形物比は、１．２５〜４．０ｋｇ空気／１ｋｇ燃料であってもよい。高濃度空気／燃料流における空気燃料固形物比は、好ましくは０．４〜２．２ｋｇ空気／１ｋｇ燃料であり、より好ましくは０．７〜１．８ｋｇ空気／１ｋｇ燃料である。

一般に、本発明の実施形態には、燃焼チャンバーの中へ噴射される２つ以上の空気／燃料流が含まれていてもよい。これらの空気／燃料流のそれぞれは、０．４〜２．２ｋｇ空気／１ｋｇ燃料の、より好ましくは０．７〜１．８ｋｇ空気／１ｋｇ燃料の空気燃料固形物比を有することができる高濃度空気／燃料流であってもよい。代わりに、これらの空気／燃料流のそれぞれは、高濃度空気／燃料流の空燃比よりも大きい空燃比を有することができる希薄な空気／燃料流であってもよい。空気／燃料流のそれぞれは、燃焼チャンバーの中へ噴射される前に、上記のように加熱されてもよく、加熱されなくてもよい。

例えば、本発明の好ましい実施形態には、高濃度であって加熱される一次空気／燃料流と、希薄であって加熱されていても加熱されていなくてもよい二次空気／燃料流とが含まれていてもよい。好ましくは、燃焼を遂行するために、まず一次空気／燃料流が燃焼チャンバーの中へ噴射され、次いで二次空気／燃料流が燃焼チャンバーの中へ噴射されることである。二次空気／燃料流には、燃焼チャンバーの中へ送給された全酸素量が燃料の完全燃焼のために必要な化学量論量を少なくとも構成する充分な酸素が含まれていてもよい。好ましくは、二次空気／燃料流が一次空気／燃料流のためのバーナーの出口に隣接した燃焼チャンバーの中へ送給されることである。典型的な二次空気／燃料流には約３．５〜８．０ｋｇ空気／１ｋｇ燃料が含まれているが、これは、無煙炭、瀝青炭および石油コークスの完全燃焼のために必要な化学量論的燃焼空気の６５〜９０％に相当する。

本例では、いわゆる「オーバーファイアエア」のような付加的な希薄空気／燃料流が燃焼チャンバーの中へ噴射される。この付加的な希薄空気／燃料流は、加熱されても加熱されなくてもよい。いくつかの実施形態では、付加的な希薄空気／燃料流には、燃焼チャンバーの中へ送給された全酸素量が燃料の完全燃焼のための少なくとも化学量論量であるような充分な酸素が含まれている。

別の例については、本発明の好ましい実施形態には、加熱されても加熱されなくてもよい２つ以上の高濃度空気／燃料流が含まれていてもよく、また、それぞれの高濃度空気／燃料流は、加熱されても加熱されなくてもよい１つ以上の希薄空気／燃料流に続くものであってもよい。

ＮＯｘ還元およびバーナーから火炎前線までの距離の少なくとも一方を最適化するための燃焼の制御は、いくつかの方法で実施される。例えば、それには、次の制御パラメータの１つ以上を制御することが含まれる。バーナー中の低圧帯域における圧力、高濃度空気／燃料流の流量および空燃比のうち少なくとも１つ、さらに希薄空気／燃料流の流量および空燃比のうち少なくとも１つ。

燃焼制御は、低圧帯域における圧力を制御することによって達成することができるが、その理由は、低圧帯域における圧力が、燃焼チャンバーからバーナーにおける低圧帯域の中へ入る高温燃焼ガスの流量に、ひいては空気／燃料流の加熱に影響を及ぼすからである。低圧帯域における圧力は、ガスを低圧帯域の中へ導入することによって制御することができる。このガスは空気（三次空気）であるのが好ましい。三次空気の量が増大すると、低圧帯域における圧力もまた増大し、結果として、燃焼チャンバーから低圧帯域の中へ入る高温燃焼ガスの流量が減少する。その結果、空気／燃料流の発熱は減少し、燃焼温度は低下することができる。三次空気の量は、燃焼制御のために使用されることもある空気／燃料流の空燃重量比にもまた影響を及ぼす。

燃焼制御は、バーナーの中へ噴射された空気／燃料流の流量および空燃比を制御することによっても達成することができるが、その理由は、空気／燃料流の流量および／または濃度が低圧帯域における圧力および空気／燃料流の揮発分除去および燃焼に影響を及ぼすからである。

本発明の燃焼制御は１つ以上の燃焼パラメータに基づくことができる。代表的なパラメータは、二酸化炭素、一酸化炭素、酸素および窒素のような１つ以上の選定ガスの燃焼温度、圧力、および濃度であり得る。温度は燃焼パラメータとして使用されるのが好ましい。この制御は、バーナーおよび／または燃焼チャンバーの内側における燃焼パラメータの値を感知するとともに、感知された値を事前に設定された値と比較することによって、実現することができる。感知された値と事前に設定された値との差に基づいて、閉ループ制御装置あるいは分散型制御システムのような制御装置が上記制御パラメータの１つ以上を調整して上記の差を少なくする。差が少なくなると、ＮＯｘ排出量が削減され、かつ／または、バーナーから火炎前線までの所望距離が、スラッギングを削減するために維持される。この自動制御によれば、燃焼システムの構造を変更することなく、バーナーにほとんどすべての種類の燃料を使用することができる。

本明細書において、「逆流」という用語は燃焼チャンバーからバーナーへ戻る高温燃焼ガスの流れを意味している。燃焼ガスのこの流れは、燃料流の反対方向にある。このような型の流れについての他の用語は、「還流」および「再循環」である。逆流は、バーナーの中への空気／燃料流の噴射によって引き起こされた圧力低下によって起きる。

本明細書において、「加熱」という用語はバーナーの中における空気／燃料流の加熱を意味している。加熱源は高温燃焼ガスの逆流による。加熱は混合および熱放射によって行われる。高濃度空気／燃料流の場合には、空気／燃料流の温度は、高濃度燃料流のための送給管の出口からバーナーまでの距離が２５０ｍｍ〜１９５０ｍｍである距離範囲においては７００℃〜１２００℃に達し得る。

本明細書において、「ＮＯｘ」という用語は、窒素の酸化物を意味し、ＮＯ、ＮＯ_２、ＮＯ_３、Ｎ_２Ｏ、Ｎ_２Ｏ_３、Ｎ_２Ｏ_４、Ｎ_３Ｏ_４、およびこれらの混合物を含む。

本明細書において、「結合窒素」という用語は、炭素、水素およびことによると酸素から構成される分子の成分である窒素を意味している。

以下に説明された本発明の好ましい実施形態は時には、石炭燃焼について、また、ガス状担体である空気およびオキシダントについて検討される。説明された技術は、他のどのような微粉化固体燃料にも、また、他のどのようなガス状担体にも適用することができる。本発明は図面の支援により説明されるが、図面に言及する説明が本発明の範囲を制限することはない。

図１〜４は、本発明による渦巻き流バーナーの好ましい実施形態を示している。このバーナーのいくつかの実施形態は、図４および５にいっそう詳しく説明されている。本発明はまた直線流バーナーも含んでおり、そこでは、二次流れまたは／および他の流れが燃焼チャンバーの中へ直線流で送給される。

図１は、バーナー３とチャンバー２を有する燃焼装置１を含む燃焼システムを示している。本発明の燃焼装置は、内部で燃焼が起きる任意の装置であってもよい。典型的な燃焼装置には加熱炉とボイラーとが含まれる。バーナー３は、燃焼装置１の側壁にあるいは壁隅に取り付けられていて、燃料固形物および空気を燃焼装置１の外側における供給源から燃焼装置１の燃焼チャンバー２の中へ送給する。典型的な燃料には微粉化炭化水素固形物が含まれ、その例は微粉化石炭あるいは石油コークスである。

図示された実施形態では、燃料および空気は、主要な空気／燃料流Ａとして、また、燃料および空気の混合の空気力学的制御のための二次的で希薄な空気／燃料流として、燃焼システムへ供給される。主要な空気／燃料流Ａの中では、空気は１未満の化学量論比で供給される。燃料の燃焼を遂行するために使用される空気は、二次流Ｂ（＝Ｂ_１＋Ｂ_２）として、かつ／または、図１〜４に示されたようなオーバーファイアエアとして、燃焼装置１へ供給される。

図１および３〜６に示されたように、バーナー３は、一次高濃度空気／燃料流ａ_１のための噴射器８、１６、二次流噴射器１３、１９、および自動制御ユニット３０から構成されている。好ましくは、主要な空気／燃料流Ａを高濃度流ａ_１と希薄燃料流ａ_２とに分離するために、固体−気体分離器４が一次高濃度空気／燃料流ａ_１のための噴射器８の前方に配置されていることである。この分離器４は曲がった３方向分離器４であるのが好ましいものの、曲がった分離器に限定されることはない。曲がった３方向分離器４には、主要流入口管５、曲がり管６、希薄流ａ_２のための送給管７、および一次高濃度燃料流ａ_１のための送給管８が含まれている。曲がり管６の屈曲角は６０°〜１２０°であるのが好ましい。希薄燃料流のための管７の内側半径に対する高濃度空気／燃料流のための管８の内側半径の比は０．５〜２．０である。

微粉化システム（図示略）からの主要な空気／燃料流Ａは、入口管５から曲がった３方向分離器４を通ってある速度で送給することができる。燃料粉末は、その速度に合致する特定の半径と屈曲角とが備わった分離器４の設計によって、分離器４の外側曲がり部に集めることができる。このことによって、主要流Ａは、曲がり部の外側領域における一次高濃度流ａ_１と、曲がり部の内側領域における希薄流ａ_２とに分離される。この高濃度流ａ_１は、送給管８によってバーナー３へ送給される。送給管７によって、希薄流ａ_２は、バーナー３に近接した箇所で入口２０から燃焼装置１の中へ送給される。分離器４の出口方向における角度は調節することができる。典型的な主要流Ａには、１ｋｇの燃料固形物について約１．２５〜４．０ｋｇの空気が含まれており、これは、燃料の完全燃焼のために必要な化学量論的燃焼空気の約１０〜３５％を表している。

高濃度流ａ_１あるいは希薄流ａ_２の流量および濃度は、高濃度流ａ_１のための送給管８と希薄流ａ_２のための送給管７との間に配置されたフラップバルブ２７を調節することによって制御することができる。高濃度流ａ_１あるいは希薄流ａ_２の流量および濃度を制御するためには、代わりに、他のいくつかの構成を行うことができる。

二次流は二次流ウィンドボックス１１（図１）から入れられる。好ましくは、二次流が２つの通路である内側二次流通路Ｂ_１と外側二次流通路Ｂ_２との使用により送給されることである。内側二次流通路Ｂ_１には、直線状二次流のためのスロットル９、渦巻き状二次流のためのスロットル１０、空気デフレクタ１２、および二次流噴射管１９が含まれている。外側二次流通路Ｂ_２には、直線状二次流のためのスロットル１４、渦巻き状二次流のためのスロットル１５、空気デフレクタ１８、および二次流噴射管１９が含まれている。これらの構成要素が円形あるいは円筒形状であるときには、これらの構成要素は、高濃度流ａ_１の送給線１６の軸に沿って同心状に置かれる。

次いで、ウィンドボックス１１から送給された内側二次流Ｂ_１は、スロットル９および１０を調節することによって２つの流れに分離される。これらのうちの第１流ｂ_１１は直線流の空気であり、第２流ｂ_１２は軸方向の空気デフレクタ１２によって作られた渦巻き流の空気である。スロットル９および１０を調節すると、望ましい渦巻き強さが可能になる。次いで、ウィンドボックス１１から送給された外側二次流Ｂ_２は、スロットル１４および１５を調節することによって２つの流れに分離される。これらのうちの第１流ｂ_２１は直線流の空気であり、第２流ｂ_２２は軸方向の空気デフレクタ１８によって作られた渦巻き流である。スロットル１４および１５を調節すると、望ましい渦巻き強さが可能になる。典型的な二次流Ｂには、１ｋｇの燃料について約３．５〜８．０ｋｇの空気が含まれており、これは、無煙炭、瀝青炭および石油コークスの完全燃焼のために必要な化学量論的燃焼空気の約６５〜９０％を表している。渦巻き強さは、スロットル９および１０および１４および１５を調節することによって制御される。好ましくは、「Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ」，Ｊ．Ｍ．Ｂｅｅｒ ａｎｄ Ｎ．Ａ．Ｃｈｉｇｉｅｒ，Ｒｏｂｅｒｔ Ｅ．Ｋｒｉｅｇｅｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．，１９８３，において定義されたような渦巻き数が０．１〜２．０であることである。

好ましくは、燃焼装置１の内側に燃料富裕の完全燃焼帯域を作るためにオーバーファイアエアがオーバーファイアエア入口２１から燃焼装置１の中へ送給されることと、燃料の完全燃焼を促進するためにより多くの酸素が供給されることである。オーバーファイアエアの容積パーセントは、燃焼装置１へ送られた、燃料の完全燃焼のために必要な全空気量の０〜３０％であり得る。

好ましい１つの実施形態では、高濃度流は、バーナーチャンバー４０へ入り、化学量論比が０．０８〜０．２５である燃料富裕帯域Ｃ_１を形成する。高濃度流を急速に加熱して揮発性物質および結合窒素を揮発分除去するために、高温ガスの逆流が燃焼チャンバー２からバーナー３の中へ導入される。そして、燃焼が燃料固形物と燃焼空気との間で連続的に起こり、火炎Ｃ_２が作られる。二次流と時にはオーバーファイアエアとが燃焼チャンバー２の中へ噴射されて、燃焼が遂行される。燃焼チャンバー１の内側におけるガスの速度に比べて高い速度での高濃度流ａ_１の噴射によって生じた比較的低い圧力によって、逆流が引き起こされる。

燃料富裕帯域Ｃ_１における高濃度燃料流の急速加熱によって、揮発性燃料富裕帯域が作り出される。これによって、燃料流の燃焼性が顕著に増大する。そして、短い時間と距離とにおいて発火が維持されて遂行される。また、燃料の燃焼は高温で維持することができる。還元ガスの雰囲気下で高温燃焼と組み合わされた急速な加熱と揮発分除去とによって、窒素が発生する。これらの正確に同一の燃焼条件によってもまた、燃料粒子の燃焼が促進され、従って、フライアッシュ中の未燃焼炭素量が削減される。

燃料の濃度がより高いかあるいは空燃比がより小さいときには、発火時間はより短いし、燃焼温度はより高いし、火炎前線はバーナーにより近接している。例えば、火炎前線がバーナーの口に近接しすぎているときには、スラッギングが起き得る。このことは、燃料の種類が、無煙炭のような低含有量の揮発性物質がある低級燃料から瀝青炭のような高含有量の揮発性物質がある燃料へ変更されるときに、特に重要である。この場合には、空燃比はスラッギングを防止するために増大させるべきである。

本発明では、バーナー３の中あるいは燃焼チャンバー２の中における少なくとも１つのパラメータの変化を監視するために、センサー２２が使用される。代表的なパラメータには、温度、圧力、および選定ガスの含有量が含まれる。選定ガスは、Ｏ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、ＮＯｘ、Ｎ_２およびＨＣのうちの１つ以上であってもよい。センサーは、バーナー３の中あるいは燃焼チャンバー２の中に、またはバーナー３と燃焼装置１とが交差する区域に配置することができる。例えば、温度センサーは、スラッギングが起こりそうな箇所にあるいはその近くに配置してもよい。温度信号は閉ループ制御装置２３へ送られる。

典型的な制御装置は、ＰＩＤ（比例積分形微分）制御装置であってもよく、ＤＣＳ（分散型制御システム）制御装置であってもよい。この信号は事前設定された値に比較される。検出された温度信号が事前設定された値よりも大きいときには、すなわち、燃焼温度が高すぎるかあるいは火炎前線がバーナーからの望ましい距離よりも近いということを意味しているときには、制御装置は、命令をサーボモータ２４へ送り、次いで、燃焼温度を減少させるためにバルブ２５の開口を変える。具体的には、制御装置は、より多くの三次空気Ｔを（大気から直接、あるいは供給源から）バーナー３の中へ入れることができる。付加的な三次空気によって、燃料流が希薄化されるとともに燃焼ガスの逆流が減少され、バーナー３と火炎前線との距離が増大される。この制御プロセスは、感知された温度が望ましい値と同一になるかあるいはそれに実質的に近くなるまで、自動的に続けられる。この自動制御によって、この燃焼システムを異なった燃料の種類へ適用することと、ＮＯｘ排出量を削減することとが可能になる。

好ましくは、燃焼装置１へ送給された全空気量、すなわち、主要空気Ａ（＝ａ_１＋ａ_２）、二次流Ｂ（＝Ｂ_１＋Ｂ_２）、および三次空気Ｔにおける空気の総量が、燃焼を遂行するために必要な化学量論的空気の９０〜１２５％であることである。好ましくは、オーバーファイアエア入口２１からの空気が、燃焼装置１へ送られた全空気量の約０〜３０％であることである。オーバーファイアエアの量は、オーバーファイアエアバルブ２６の開口を調節することで制御することができる。

好ましくは、火炎前線がバーナーから１００ｍｍ〜１４００ｍｍの箇所にあるように三次空気Ｔが調節されることである。いくつかの場合には、火炎前線がこの好ましい範囲よりもバーナーに近いと、スラッギングが起こりやすい。

バーナー３と空気の空気力学の構成とへ送給された空気の量は、０．７５未満である火炎Ｃ_２の燃料富裕帯域における化学量論比を確立するために使用される。高濃度流ａ_１における空気の量は、固体燃料の完全燃焼のために必要な化学量論量の３０％未満であるのが好ましい。この量は化学量論量の２０％未満であるのがより好ましい。

ＮＯｘの排出量と灰分中の未燃焼炭素量との両方は、燃料富裕帯域Ｃ_１および燃料富裕火炎帯域Ｃ_２における化学量論比と、燃料富裕帯域Ｃ_１の加熱速度あるいは温度上昇速度とに左右される。例えば、主要流Ａがバーナー３へ直接送られるときには、その流れを発火温度まで加熱するために必要な熱は、高濃度流ａ_１を加熱するために必要な熱の約２倍より多い。その結果、燃料流の発火は遅らされることになり、燃焼はこの燃焼システムでは遂行することができない。同時に、ＮＯｘ排出量は、化学量論比が１．０よりも大きいときには、劇的に増大する。

好ましい１つの実施形態では、本発明は、従来の一次流を濃縮し、次いで、濃縮された一次流をバーナー３の内側における逆流燃焼ガスを使用することで急速に加熱し（この逆流は、比較的高濃度の燃料流それ自体により誘発された負圧によって引き起こされる）、この逆流を制御システムの使用によって制御することで、制御された燃料富裕火炎を作り出すとともにそれを維持する。高濃度燃料流の火炎は、化学量論比を初めの一次空気値よりもかなり下げることのできる制御された逆流によって好ましく維持される。

バーナー中の燃料噴射器は概して、円形断面、環状断面（２つの同心管によって構成されている）、または正方形あるいは長方形の断面（例えば接線加熱型ボイラーにおける噴射器）を有する。これらの設計あるいはレイアウトによって、本発明についての２つの機能が満たされる。すなわち、燃料流を燃焼装置の中へ送給することと、高濃度流を加熱するために使用されるバーナーの中へ戻る高温ガスの逆流を発生させること。図５および６には、このような機能を実行する代表的ないくつかの設計が示されている。それにもかかわらず、本発明には、燃料を送給するとともに燃焼装置１から高温ガスの逆流を発生させるすべての設計またはレイアウトが含まれる。これらの設計は、壁面加熱型ボイラー、接線加熱型ボイラー、および下向き加熱型ボイラーにおいて使用することができる。

図５には、三次空気入口のないいくつかの燃料噴射器が示されている。本発明のいくつかの実施形態では三次空気を使用して低圧逆流帯域における圧力を制御しているが、本発明の他の実施形態では三次空気を使用しないバーナーも含まれている、ということを指摘すべきである。図５ａでは、高濃度燃料流のための送給管８はバーナー管１６の中心線の上にある。図５ｂでは、送給管８はバーナー管１６の中心線から外れて配置されている。図５ｃでは、送給管８はバーナー管１６の周りに配置されている。図５ｄ〜５ｇでは、送給管８は、２つの部分、すなわち直線状部分と同心状部分とから構成され、かつ、バーナー管１６の内側に固体が含まれる。バーナー３の中における低圧帯域の圧力を制御するために三次空気が使用されないときには、バーナーの中へ流れる高濃度燃料流の量および／または内容は、バーナーの内側の圧力を調節し、かつ／またはバーナー３の中における加熱と燃料／空気の重量比とを調節することによって、制御することができる。

図６には、三次空気入口を有するいくつかの燃料噴射器が示されている。図６ａでは、三次空気入口は、バーナー管１６の側壁に配置されている。好ましくは、三次空気管１７がバーナー管１６中の（燃料流入口から）３分の２までの箇所に配置されていることである。図６ｂでは、三次空気入口１７はバーナー管１６の前方面（本明細書では、前方とは燃料流の入口である）に配置されている。

バーナー管１６および三次空気管１７は任意の形状であってもよい。代表的な形状は、円筒状、立方体状、プリズム状、円錐状、楕円状、およびピラミッドの円錐台状である。加えて、図５に示された送給管８およびバーナー管１６はすべて、三次空気の燃料噴射器として使用することができる。好ましい形状は円筒状、立方体状およびプリズム状である。高濃度燃料流のための送給管および三次空気管の数は任意であってもよい。三次空気管１７はバーナーの中心線に対して任意の角度であってもよい。

高濃度燃料流を作り出すとともにバーナーの中における加熱と燃焼チャンバーの中における燃焼とを実行するための、本発明の好ましい実施形態の断面図を示す。 空気／燃料流の逆流および加熱のための流れパターンを示す。 図１に示された実施形態のバーナーの断面図を示す。 図１に示された実施形態のバーナーの断面図を示す。 高濃度燃料流を燃焼チャンバーヘ送給するために、バーナーの中へ戻る高温燃焼ガスの逆流を作り出すために、さらにバーナーの中へ戻る高温燃焼ガスの逆流を制御するために、本発明において使用される装置の断面状説明図を示す。 高濃度燃料流を燃焼チャンバーヘ送給するために、バーナーの中へ戻る高温燃焼ガスの逆流を作り出すために、さらにバーナーの中へ戻る高温燃焼ガスの逆流を制御するために、本発明において使用される装置の断面状説明図を示す。

Claims (37)

1. バーナーの中へ高濃度空気／燃料流を噴射して低圧帯域を作り出す工程と、
   高温燃焼ガスの流れを燃焼チャンバーから前記バーナーの中における前記低圧帯域の中へ導入する工程と、
   前記高温燃焼ガスを噴射された高濃度流と混合して前記噴射された高濃度流を加熱し、加熱された前記高濃度流を前記バーナーから前記燃焼チャンバーへ噴射することにより、前記高濃度流が、燃料富裕帯域を有する火炎の中で急速に揮発分除去されるとともに燃焼される工程と、
   燃焼パラメータを感知する工程と、
   前記感知した燃焼パラメータに基づいて前記低圧帯域の圧力を制御して、所望のＮＯｘ還元および前記バーナーから火炎前線までの所望距離のうち少なくとも一方を達成するために燃焼を制御する工程と
   を備える微粉化炭化水素燃料のための燃焼方法。
2. 前記低圧帯域の圧力を制御する前記工程は、前記低圧帯域の圧力を制御するために前記低圧帯域の中へ送給された三次空気を制御する工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記三次空気を送給するための送給管が、バーナー中の前記高濃度流のための入口から測定して３分の２までの箇所に配置されている、請求項２に記載の方法。
4. 燃焼を制御する前記工程は、前記燃焼チャンバーから前記バーナーの中における前記低圧帯域の中へ入る高温燃焼ガスの流量を制御する工程を含む、請求項１に記載の方法。
5. 燃焼を制御する前記工程は、前記噴射された高濃度流の流量および濃度のうち少なくとも一方を制御する工程を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記高濃度流は、前記バーナー中の高温ガスのための入口から測定して２５０ｍｍ〜１９５０ｍｍの距離の間に７００℃〜１２００℃の温度まで加熱される、請求項１に記載の方法。
7. 前記高濃度流は、０．４〜２．２の範囲にある空気対燃料の重量比を有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記高濃度流は、０．７〜１．８の範囲にある空気対燃料の重量比を有する、請求項１に記載の方法。
9. 前記高濃度流は、１０〜６０ｍ／秒の速度で前記バーナーの中へ噴射される、請求項１に記載の方法。
10. 前記高濃度流は、１５〜５０ｍ／秒の速度で前記バーナーの中へ噴射される、請求項１に記載の方法。
11. 前記噴射された高濃度流の前記バーナーへの入口での断面積が、前記バーナーの断面積の一部である、請求項１に記載の方法。
12. 前記噴射された高濃度流の前記バーナーへの入口での断面積は、前記バーナーの断面積の５０％未満である、請求項１１に記載の方法。
13. 前記燃料は、石炭および石油コークスのうち少なくとも一方である、請求項１に記載の方法。
14. 一次空気／燃料流を前記高濃度空気／燃料流と希薄空気／燃料流とに分離する工程と、前記希薄空気／燃料流を前記燃焼チャンバーの中へ送給する工程とをさらに備える、請求項１に記載の方法。
15. 燃焼を制御する前記工程は、前記希薄空気／燃料流の前記燃焼チャンバーの中への送給を制御する工程を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記一次空気／燃料流を前記高濃度空気／燃料流と前記希薄空気／燃料流とに分離する前記工程は、曲がり管によって実行される、請求項１４に記載の方法。
17. 前記曲がり管の屈曲角は、６０°〜１２０°である、請求項１６に記載の方法。
18. 前記一次空気／燃料流は、化学量論的空気の１０％〜３５％を含む、請求項１４に記載の方法。
19. 前記燃焼パラメータは、圧力センサー、温度センサー、およびガスの含有量を感知するための化学センサーのうち少なくとも１つにより感知される、請求項１に記載の方法。
20. 前記感知工程は、前記バーナーあるいは燃焼チャンバーの中に配置されているかまたは前記バーナーあるいは燃焼チャンバーの壁に埋め込まれているセンサーによって実行される、請求項１に記載の方法。
21. 燃焼チャンバーの中にオーバーファイアエアを送給する工程をさらに備え、このオーバーファイアエアは、前記燃焼チャンバーへ送給された全空気量の０〜３０％である、請求項１に記載の方法。
22. 燃焼を制御する前記工程は、前記オーバーファイアエアの送給を制御する工程を含む、請求項２１に記載の方法。
23. 二次流を送給する工程をさらに備え、前記一次空気／燃料流は、化学量論的空気の６５％〜９０％を含む、請求項１に記載の方法。
24. 前記二次流を前記高濃度流のための前記バーナーの出口の周縁に隣接した前記燃焼チャンバーへ送給する工程をさらに備える、請求項２３に記載の方法。
25. 燃焼を制御する前記工程は、前記二次流の送給を制御する工程を含む、請求項２３に記載の方法。
26. 前記二次流は、直線流あるいは渦巻き流の一方である、請求項２３に記載の方法。
27. 前記渦巻き状二次流を内側二次流と外側二次流とに分ける工程をさらに備える、請求項２６に記載の方法。
28. 渦巻き強さが０．１〜２．０である、請求項２７に記載の方法。
29. 燃焼を制御する前記工程は、非許容スラッギングをおこさずにＮＯｘ還元を最大化するように燃焼を制御する工程を含む、請求項１に記載の方法。
30. 高濃度空気／燃料流を受け入れ、前記高濃度空気／燃料流により低圧帯域が作り出されるように設計されたバーナーと、
    前記バーナーへ接続され、高温燃焼ガスの流れを前記低圧帯域へ送って前記高濃度流を加熱する燃焼チャンバーと、
    燃焼パラメータを感知するためのセンサーと、
    感知した燃焼パラメータに基づいて前記低圧帯域の圧力を制御することで燃焼を制御して所望のＮＯｘ還元および前記バーナーから火炎前線までの所望距離のうち少なくとも一方を達成する制御装置とを備える微粉化炭化水素燃料のための燃焼システム。
31. 一次空気／燃料流を前記高濃度空気／燃料流と希薄な空気／燃料流とに分離する分離用装置を備え、前記分離用装置は前記バーナーへ接続され、前記高濃度空気／燃料流を前記バーナーへ供給する、請求項３０に記載の燃焼システム。
32. 前記制御装置は非許容スラッギングがないＮＯｘ還元を最大化するように燃焼を制御する、請求項３０に記載の燃焼システム。
33. 前記燃焼を制御する工程は、前記バーナーから火炎の前線までの所望距離を達成するように燃焼を制御する工程を含む、請求項１に記載の方法。
34. 前記所望距離を達成するように燃焼を制御する工程は、前記低圧帯域の中へ送給される三次空気を制御する工程を含む、請求項３３に記載の方法。
35. 前記制御装置は、前記バーナーから火炎の前線までの所望距離を達成するように燃焼を制御する、請求項３０に記載の燃焼システム。
36. 前記制御装置は、前記低圧帯域の中へ送給される三次空気を制御することにより前記所望距離を制御する、請求項３５に記載の燃焼システム。
37. バーナーの中へ高濃度の空気／燃料流を噴射して低圧帯域を作り出す工程と、
    高温燃焼ガスの流れを燃焼チャンバーから前記バーナーの中における前記低圧帯域の中へ導入する工程と、
    前記高温燃焼ガスを前記噴射された高濃度流と混合して前記噴射された高濃度流を加熱し、加熱された前記高濃度流を前記バーナーから前記燃焼チャンバーへ噴射することにより、前記高濃度の空気／燃料流が、燃料富裕帯域を有する火炎の中で急速に揮発分除去されるとともに燃焼される工程と、
    燃焼パラメータを感知する工程と、
    前記感知した燃焼パラメータに基づいて前記低圧帯域の圧力を制御して、スラッギングを減少させるために燃焼を制御する工程と
    を備える微粉化炭化水素燃料のための燃焼方法。

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