JP5409779B2

JP5409779B2 - 低窒素酸化物炉用燃料噴射器

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Publication number: JP5409779B2
Application number: JP2011511589A
Authority: JP
Inventors: ヴァツキー、ジョエル; シャン、ジーフェング
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: JP2011523013A; WO2009154665A3; EP2318763A2; KR20110030495A; CN102047041B; KR101366032B1; US20090297996A1; WO2009154665A2; CN102047041A; AU2009260867B2; AU2009260867A1

Description

本発明は、一般に炉に用いられる燃料噴射器に関するものであり、とりわけ、関連する炉内の燃焼によって生じる窒素酸化物（ＮＯｘ）及び未燃炭素（ＵＢＣ）の濃度を低下させるための燃料噴射器に関するものである。

先行技術の発明者は多大の努力を払って、副産物として生じる汚染物質である窒素酸化物が最小限に抑えられ、不完全燃焼の生成物質であるＵＢＣも最小限に抑えられる、関連する炉内で燃焼させるための、燃料噴射器によって微粉炭が輸送されるようにした。しかしながら、ＮＯｘ制御とＵＢＣレベルとの一般的な関係は、ＮＯｘの減少につれてＵＢＣが増大し易くなるということである。副産物として少量の窒素酸化物を生じる先行技術による炉は、一般に低ＮＯｘ炉として知られている。

亜酸化窒素の排出は、２つの主たる発生源、即ち「燃料ＮＯｘ」として知られる石炭のような燃料中で化学的に結合している窒素と、「熱ＮＯｘ」として知られる燃焼空気中に含まれた大気中窒素の高温固定から生じる。燃料ＮＯｘ及び熱ＮＯｘの生成は、両方とも燃焼の初期段階における酸素の利用可能度によって左右される。これに関して、初期燃焼段階で利用可能な酸素が多すぎると、高ＮＯｘ出力を生じることになる。熱ＮＯｘは、直接又は指数関数的に温度によって左右される。燃焼温度が上昇するにつれて、ＮＯｘ出力は指数関数的に増大する。初期燃焼が極めて濃い燃料条件下で生じるように、燃料噴射器のノズル、即ち炉の燃焼領域への入口における空気と燃料の配分を調整すると、燃料ベースの窒素から亜酸化窒素への転化が大幅に減少して、望ましくないＵＢＣの生成が一般に増大し、そのため、システム全体の燃料効率が低下する。

当該技術において周知のように、低ＮＯｘ燃焼を実現するため、炉内における微粉炭の燃焼は、微粉炭中の窒素が大気中の空気と結合してＮＯｘを生じることがないように、酸素の欠乏した領域で開始される。こうした酸素の欠乏した領域において石炭から放出される窒素は、他の窒素原子と結合して、大気中では無害なＮ₂分子を生じる。

先行技術の場合、低ＮＯｘ炉には、一般に微粉炭等の燃料の混入した一次空気流を炉の燃焼領域に供給する中央燃料噴射器が含まれている。更にこれらの炉は、加熱した二次空気流を燃焼領域に導入する。炉には、例えば燃料噴射器の外側に加熱した二次空気流を流す多段二次空気レジスタが含まれている。二次空気レジスタは、段階的な燃料及び空気流を生じ、燃焼領域に流入する燃料流の中央部分の燃料が濃厚になるようにする。或いは又、他の先行技術による低ＮＯｘ微粉炭炉には、加熱した二次空気流によって包囲された微粉炭を含有する幾つかの分離した一次空気流を生じる燃料噴射器が含まれている。

上述の先行技術による炉の場合、一次流の微粉炭は燃焼領域の中心において濃度が高い。燃焼領域の中心における微粉炭の濃度が高いと、燃焼領域の中央部における空気対微粉炭濃度比が極めて低くなるか、化学量論比が低くなる。燃焼領域の外部は燃焼を支援するのに十分な化学量論比を有しているが、燃焼領域中央部における燃料流の化学量論比では、空気が燃焼を支援するのに十分ではなく、望ましくないＮＯｘ及びＵＢＣを生じることになる。

他の先行技術による低ＮＯｘ微粉炭炉の場合、燃焼領域内で生じるＮＯｘを減少させるようにＮＯｘ低減領域を拡大すべく、二次空気流は燃料噴射器の出口で一次空気及び微粉炭流と混合される。二次空気流が燃料噴射器の出口において燃焼領域に流入する燃料流の中央部分に供給される先行技術による炉構成の場合、燃焼領域の中央部分に燃焼空気の領域が生じる。この燃焼空気の領域によって一次空気／微粉炭流と中央の二次空気流との間に内部界面が生じ、その結果、火炎の容積内に化学量論比の高い火炎表面が形成され、一次空気／微粉炭流の僅かな部分だけしか影響されないようになる。こうして形成された内部火炎表面は１００％の空気の量によって支援されるので、この内部火炎表面内で燃焼する微粉炭粒子は化学量論比が最低の状態にある。従って、結果的に生じるＮＯｘレベルは、この特徴を備えない炉のＮＯｘレベルに比べて大幅には低くならない。特定の条件下では、内部火炎表面はある程度の追加ＮＯｘ低減を生じさせることが可能である。

従って、本発明の目的は、燃料の燃焼を最大にし、その一方でＮＯｘの発生を最小限に抑える、付随する炉に用いられる燃料噴射器を提供することにある。

本発明によれば、微粉炭燃焼炉のような炉のための燃料噴射器は、空気のようなキャリアガスと微粉炭のような燃料を含む一次流を噴射器の内部通路に沿って炉の燃焼領域に向かって送り、一次流が噴射器を出て、噴射器によって燃料流の形態で炉の燃焼領域に送り込まれる前に、空気が好適である加熱ガスの二次流を通路内に導入することで、二次流が通路の中心軸に沿って及びその周りで一次流の一部と混合し、それを加熱して、その酸素濃度を高めるようにする構成が施されている。燃料噴射器には、内部通路を形成するハウジングが含まれており、通路は、入口端から出口端迄燃料噴射器の全長にわたって延びている。燃料噴射器内において二次流の加熱空気で一次流の一部の酸素濃度を高めると、燃焼領域内の噴射器の中心軸と同軸をなすバーナ軸上とその周りの燃料流の化学量論比が高くなって、加熱された空気内には燃焼軸上とその周りの燃焼を支援するのに十分な量の酸素が存在するが、燃焼領域の燃焼軸上及びその周りの加熱酸素量では、ＮＯｘを生じるのに不十分か、最小限の量のＮＯｘだけしか生じないようになっている。

従って、加熱二次空気流の目的は、燃料噴射器内において中心軸上及びその周りで一次流の一部を完全に混合することにある。中心軸上及びその周りにおける化学量論比は、炉熱又は他の着火源の追加によって、バーナ軸及びその廻りにおける燃料流を部分的にガス化するのに十分な程高くなる。石炭のような燃料は、炭素、水素、窒素、酸素及び硫黄や、化学的に結合する他の種を含んでいるので、部分燃焼又はガス化によって、有害なＮＯｘではなく無害なＮ₂の形態で部分燃焼した炭素、一酸化炭素、Ｈ₂Ｏ、ＳＯ₂及び未反応窒素の混合物が生じる。

実施形態の１つでは、二次流が、通路の入口端と出口端の間に配置された噴射器のハウジングの開口から噴射器の通路に供給される。もう１つの実施形態では、空気レジスタが開口を介した二次流の供給を制御する。

通路の入口端と出口端の間に配置されて通路に二次流を供給するための噴射器のハウジングの開口を含む噴射器のもう１つの実施形態では、噴射器には、ハウジングから通路の中心軸に向かって内側に延び、開口の上流に配置されたバッフルが含まれている。バッフルは、一次流の流れを遮り、その結果、開口から中心軸に向かって供給される二次流の進入が促進されるようにするため通路内に延び、通路内に配置される。

通路の入口端と出口端の間に配置されて通路に二次流を供給するための噴射器のハウジングの開口を含む噴射器のもう１つの実施形態では、噴射器に、開口の上流で噴射器の中心軸に沿って延び、中心軸付近に中心がくる発散円錐が含まれており、中心軸に沿って流れる一次流の燃料量を減少させるようになっている。

もう１つの実施形態では、噴射器に、噴射器の中心軸に沿って延び、中心軸付近に中心がくる、好適には発散円錐の形態をなす空気分配装置が含まれる。空気分配装置は、噴射器の中心軸に沿って、その回りに二次空気を分配する。実施形態の１つでは、二次流は、通路の入口端から分配装置に延びる中空導管を介して分配装置に供給される。もう１つの実施形態では、二次流は、ハウジングの開口から分配装置に延びる中空導管を介して噴射器に供給される。もう１つの望ましい実施形態の場合、分配装置には、二次流が供給される中空の内部が形成される。中空の内部は、中心軸に沿って、その周りで二次流を燃焼領域に送るように構成される。

本発明の他の目的及び利点については、同様の符号が同様の要素を表わしている添付の図面に関連して検討するのが望ましい、現在のところ望ましい実施形態に関する下記の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明による微粉炭炉用燃料噴射器の典型的な実施形態の断面図である。本発明による微粉炭炉用のセグメント化ノズルを備えた燃料噴射器に関するもう１つの典型的な実施形態の断面図である。本発明による微粉炭炉用燃料噴射器のもう１つの典型的な実施形態の断面図である。本発明による微粉炭炉用燃料噴射器のもう１つの典型的な実施形態の断面図である。本発明による燃料噴射器に関連して用いられる複数の中空管に結合された発散円錐の典型的な実施形態の斜視図である。本発明による微粉炭炉用燃料噴射器のもう１つの典型的な実施形態の断面図である。

図１は、本発明の１実施形態による典型的な燃料噴射器１０を例示している。噴射器１０は、微粉炭炉のような炉において用いられ、一次流が噴射器１０を出て、燃料流ＦＳの形態で炉の燃焼領域に入る前に、噴射器１０内の空気が望ましい加熱ガスの二次流ＳＳによって、微粉炭が望ましい燃料が、混入された空気が望ましいキャリアガスの一次流の加熱を行う。代替実施形態では、二次流は１００％の酸素、空気と酸素の混合物、ＣＯ₂と酸素の混合物、又は再循環燃焼排ガスと酸素の混合物とすることが可能である。

本明細書において用いる限りにおいて、「燃料噴射器」という用語は、関連する炉内で燃焼させる微粉燃料及びキャリアガスを輸送するために用いられる装置を含む。理解しておくべきは、「微粉燃料」という用語は微粉炭等のような多種多様な燃料を含むように意図しているということである。以下では、便宜上「微粉炭」という用語を用いるが、炭以外の多種多様な微粉燃料を網羅するように意図している。更に、「キャリアガス」という用語には、空気以外のガスが含まれる。

図１を参照すると、燃料噴射器１０には、入口端１２と出口端１４を備えた細長いハウジング１１が含まれている。燃料噴射器１０を製造することが可能な材料は、従来のものであり、鉄のような極度の熱に耐えることが可能な各種材料、炭素鋼及びステンレス鋼、セラミックス等の他の各種材料を含む。ハウジング１１には、入口端１２から外側に向かってテーパ状になった、環状壁１８迄延びる細長い環状壁１６が含まれている。更に、ハウジング１１には、出口端１４と、燃料噴射器１０の出口端１４に対向する壁１８の端部１９との間に延びる細長い環状壁２０が含まれている。便宜上及び参照し易いように、壁１６、１８及び２０によって形成された噴射器１０の各部分を、以下ではそれぞれ入口領域２２、移行領域２４及びノズル領域２６と呼ぶ。

ハウジング１１の壁１６、１８及び２０は、噴射器１０の入口端１２と出口端１４の間に延びる略環状の細長い通路２８を形成している。参照し易くし、また本発明の特徴を明示すべく、入口端１２と出口端１４の間を、通路２８の中心を通って延びる軸方向の線を中心軸Ａと定義する。通路２８は、微粉炭のような微粉燃料と空気が望ましいキャリアガスとを含む一次流が噴射器１０に供給される入口端１２から、燃料流がそこから噴射器１０を出る出口端１４迄延びる流路として働く。噴射器１０の出口端１４は、関連する炉（不図示）の燃焼領域３０に隣接している。噴射器１０の中心軸Ａは、燃焼領域３０の中心を通って延び、その周りを炉内の燃料コア（不図示）の火炎が包むバーナ軸Ｂと同軸をなしている。一次流は、入口端１２から通路２８に供給されると、通路２８に沿って入口領域２２、移行領域２４及びノズル領域２６を通って流れ、その後、噴射器１０の出口端１４に隣接した燃焼領域３０に送られる燃料流の形態でノズル領域２６から噴射器１０を出る。燃焼領域３０で、燃料流中の燃料が、燃焼領域３０内にある火炎によって燃焼する。

上述の如く、先行技術による低ＮＯｘ炉の場合、燃料噴射器の出口端を出る微粉炭と空気の一次流を更に加熱すべく、加熱した空気が炉の燃焼領域に供給されていた。しかしながら、こうした先行技術による炉の場合、噴射器から燃焼領域に供給される燃料流の中心は、一般に高濃度の燃料を有している。加熱空気流は、燃焼領域の濃縮燃料を包囲することはできるが、燃料流の中心で燃料の燃焼を支援する程十分に燃料流（一次流）に入り込むことはない。従って、燃料流の中心の未燃焼粒子は、燃料噴射器から炉内にかなりの距離を進入した、燃焼の支援に十分な空気が存在する領域に達する迄燃焼を開始しない。火炎の初期部分に存在するよりはるかに高い酸素濃度で燃料が燃焼するこの条件下では、結果として望ましくない量のＮＯｘが生じることになる。

本発明によれば、燃料噴射器１０は、一次流が関連する炉の燃焼領域３０に送られる燃料流の形態で出口端１４から燃料噴射器１０を出る前に、加熱した空気の二次流を通路２８内に導入して、一次流の一部と二次流の加熱及び混合を行う。通路２８内における出口端１４の上流の部分で燃料噴射器１０に二次流を導入することで、一次流の中央部分における化学量論比は、炉の燃焼領域３０内で燃料流の中心における燃料のガス化を促進するのに十分な程高くなる。有利なことに、二次流は酸素濃度を高め、噴射器１０内の一次流を加熱して、通路２８の中心軸Ａ及びその周りにおける一次流の化学量論比を高め、その結果、更に燃焼領域３０内のバーナ軸及びその周りにおける燃料流の化学量論比も高くなる。更に、高温の二次流と一次流との混合によって燃料流の温度が上昇することから、バーナ軸及びその周りに結果として生じる燃料／空気混合物は、燃焼プロセスの開始に十分なエネルギが供給されると、一層容易にガス化又は燃焼することになる。低ＮＯｘ及びＵＢＣに加えて、もう１つの利点は火炎長の短縮である。

ある望ましい実施形態の場合、二次流で供給される空気の量及び温度は、バッファ軸及びその周りにおける燃料流の化学量論比を燃焼の支援に十分なレベル迄高めるように選択されるが、ここで、空気量は、ＮＯｘを生じる可能性のあるレベルを超えないことが望ましい。換言すれば、噴射器１０内における二次流からの空気による一次流の加熱及びそれとの混合は、燃焼領域３０内のバーナ軸及びその周りにおける酸素量が、燃焼の支援には十分な程度に不足し、英国熱単位（「ＢＴＵ」）で表わすことが可能な低発熱量ガスを生じるように実施される。周知の如く、低発熱量ガスは、燃料と結合した窒素のほぼ全てが無害なＮ₂分子に転換されているため、燃料と結合した窒素は極めて少ない。

本発明に従い噴射器を出る燃料流の化学量論比を高めることで、炉の燃焼領域内でバーナ軸の周り及びそれに沿って燃料の燃焼を強め得るというもう１つの利点が生ずる。従って一次流中の燃料が微粉炭の場合、一般に未燃炭素（ＵＢＣ）として表わされる一次流の未燃炭の総量が、従来の低ＮＯｘ微粉炭炉に関して一般的なレベル未満迄減少する。

望ましい一実施形態では、噴射器１０への供給時における二次流中の空気温度は、約２０４〜５３７℃であり、最も望ましいのは約２６８〜３７１℃である。

図１をもう一度参照すると、燃料噴射器１０の典型的な例示の実施形態において、テーパ付きの環状壁１８は、噴射器１０の移行領域２４において通路２８に二次流を直接供給する環状開口３２を形成している。開口３２の上流において、環状バッフル３４が、壁１６、１８の接合部から中心軸Ａに対して直交するように半径方向の内側に向かって通路２８内に延び、中心軸Ａと平行なリップ３５にその終端がくる。代替実施形態の１つでは、バッフル３４は、ハウジング１１から内側へ通路２８内に入り、出口端１４に向かって延びている。

更に、流量調整弁５２を含む空気レジスタ５０が、ハウジング１１の外部表面５３の開口３２の周りに取り付けられている。流量調整弁５２は、開口３２を少なくとも部分的に又は完全に覆うように、換言すれば開口３２の有効寸法を調整するように、従って開口３２を介して通路２８に入る二次流の流量を制御するように位置決めすることができる。

バッフル３４を含む噴射器１０の動作時、一次流は入口端１２から下流に流れ、通路２８を通って出口端１４に達する。更に、二次流が、壁１８の開口３２を介して通路２８に供給される。移行領域２４の上流側で、壁１６、１８の接合部にほぼ隣接したリップ３５を備えたバッフル３４は、一次流が出口端１４に向かって流れる際、通路２８内における一次流の流れを遮り、二次流が一次流に進入するのを促進する。移行領域２４で始まり、引き続きノズル領域２６に入り込む二次流中の加熱空気が、軸Ａの周りをそれに沿って流れる一次流の燃料と相互作用し、その結果、軸Ａに沿ったその周りにおける化学量論比が高まり、更に軸Ａに沿ってその周りを流れる一次流の燃料が加熱される。従って、ノズル領域２６を出て燃焼領域３０に送られる燃料流は、二次流により加熱され、燃焼領域３０のバーナ軸及びその周りにおいて適切な所望の化学量論比を有するようになる。

言う迄もなく、移行領域２４における壁１８のテーパ角と、それぞれ入口領域２２及びノズル領域２６内における壁１６及び２０の直径と、バッフル３４がハウジング１１から内側へ通路２８内に入り、出口端１４の方向に向かって延びる中心軸Ａに対する角度と、バッフル３４に対するリップ３５の角度と、バッフル３４及びリップ３５の長さ及び開口３２を通る二次流の流量とは、燃焼領域３０のバーナ軸及びその周りにおいて所望の化学量論比をもたらすように、噴射器１０によって燃料流が供給される炉の要件に基づいて適切に選択される。例えばテーパ及び直径は、通路２８全体にわたって一次流の速度が一定に保たれるか、又は噴射器１０の出口端１４を出る燃料流が、噴射器１０の入口端１２に入る一次流の速度とは異なる選択速度になるように選択される。

もう一度図１を参照すると、もう１つの実施形態の場合、噴射器１０には、入口領域２２内に配置されたオプションの内部発散円錐４０が含まれている。更に円錐４０の望ましい実施形態の透視図を例示した図４を参照すると、円錐は、噴射器１０の出口端１４の方に向いた円錐４０の環状の下流端壁４３の外径より外径が小さい入口端１２の方に向いた環状の上流端壁４１を備えている。更に円錐４０には、外面１４４と内面１４６を備えた壁１４２が含まれている。内面１４６は、円筒形状の中空内部１５０を形成している。円錐４０は、少なくとも２つの脚１５４により通路２８内に適正に支持されることができ、１つ以上の脚１５４に固定されて入口端１２迄延びるロッド（不図示）を介して軸方向に調整可能である。円錐４０は、軸Ａに沿って延び、軸Ａの付近に中心があり、上流端壁４１と移行領域２４との間の距離は、上流端壁４１と入口端１２との間の距離より短い。

図１に例示した、オプションの円錐４０を含む噴射器１０の動作時、一次流は、入口端１２から流入し、通路２８に沿って入口領域２２を通り、出口端１４の方向に進む。一次流が通路２８内で円錐４０に遭遇すると、円錐４０は一次流の流れの一部を入口領域２２内における通路２８の外側半径部分に向かって逸らせる。この逸らされた一次流は円錐４０を通過し、移行領域２４に向かって流れ続ける。バッフル３４が、移行領域２４又はその近くで一次流の流れを遮り、上述のように、開口３２で供給される二次流が中心軸Ａに向かって進入できるようにする。円錐４０の上流端壁４１と壁１６、１８の接合部との間の距離は、一次流が移行領域２４に達する前に、一次流を通路２８の外側半径部分に向かって所望の通りに逸らすことができるように適切に選択される。

望ましい実施形態の１つでは、噴射器１０内の円錐４０が、一次流中の所定量の燃料を入口領域２６の外側半径部分に向かわせ、その結果、中心軸Ａ及びその周りの移行領域２４に流入する一次流の、例えば微粉炭のような燃料の濃度が所定の量迄減少し、出口端１４を出て、燃焼領域３０のバーナ軸上に流れ、それを包み込む燃料流が所望の化学量論比を有するようになる。

言う迄もなく、空気レジスタ５０の流量調整弁５２により調整される開口３２の有効寸法、円錐４０の形状、移行領域２４に対する円錐４０の位置及びバッフル３４の位置と寸法及び配向は、噴射器１０から燃焼領域３０に送られる燃料流の所望の化学量論比を得るため、一次流中の燃料特性、一次流中の燃料濃度等に基づいて選択可能な設計パラメータである。

噴射器１０のもう１つの実施形態では、噴射器１０には、円錐４０と、二次流を供給するための開口３２が含まれているが、バッフル３４は省かれている。

図２は、本発明による燃料噴射器１００のもう１つの実施形態を例示している。同様の符号は、構成及び動作が噴射器１０に関連して記載の要素と同じか又はほぼ同様の燃料噴射器１００の要素を表示するために用いている。図２を参照すると、噴射器１００は、入口領域２２、移行領域２４及びノズル領域２６を含み、移行領域２４に隣接したノズル領域２６の一部にバッフル３４に隣接した開口３２が含まれ、開口３２の有効寸法は空気レジスタ５０の流量調整弁５２によって制御可能である。更に噴射器１００には、参考迄に援用した米国特許第５，７６２，００７号明細書に記載のタイプのような、ノズル領域２２と出口端１４の間に延びるセグメント化ノズル領域１２６が含まれている。更に、噴射器１０を出て、燃焼領域３０に送られる燃料流の外側半径部分に加熱空気の補助流を供給すべく、二次空気レジスタ１３０が噴射器１００と併せて設けられている。セグメント化ノズル領域１２６は、一次流が噴射器１００を出て燃料流の形態で燃焼領域３０に流入する際、噴射器１００の通路２８内において二次流と相互作用し、加熱された一次流の外表面積を拡大し、燃料流中のより多くの燃料が、燃焼領域３０内のバーナ軸とその周りの酸素の不足した領域内で燃焼できるようにする。レジスタ１３０により供給される加熱空気の補助流は、燃焼領域３０内で燃料流と相互作用してそれを加熱し、燃焼領域３０内のバーナ軸及びその周りにおける化学量論比の所望の増大を実現する。

図３Ａは、本発明による噴射器１１０のもう１つの代替実施形態を例示している。同様の符号は、構成及び動作が噴射器１０に関連して記載の要素と同じか又はほぼ同様の燃料噴射器１１０の要素を表示するために用いている。図３Ａを参照すると、噴射器１１０には、各々ハウジング１１の壁１６、１８及び２０によって形成された入口領域２２、移行領域２４及びノズル領域２６が含まれている。噴射器１１０には、端壁４１が内部１５０の入口端を密封し、壁１４２が更に内部１５０と通じる開口１５２を形成している点を除けば、上述の発散円錐４０と同じ構造を備えるのが望ましい空気分配装置１４０が含まれている。更に、入口領域２２の壁１６には、分配装置１４０の開口１５２と半径方向において位置合わせがとれるのが望ましい開口１３２が含まれている。流量調整弁５２を備えた空気レジスタ５０が、調整弁５２によって開口１３２を通る流れを制御できるようにハウジング１１の外面５３に取り付けられている。中空管１５４が、位置合わせのとれた開口１３２と１５２の間に延びている。分配装置１４０の実施形態の１つでは、複数の中空管１５４が、壁１６の周りに円周方向に間隔をあけて配置された複数の開口１３２と壁１４２の周りに円周方向に間隔をあけて配置された複数の対応する開口１５２の間にそれぞれ延びている。

噴射器１１０の動作時、二次流は、開口１３２を介して噴射器１１０に供給され、更に開口１３２から中空管１５４を通って分配装置１４０の内部１５０に流入する。内部１５０の円錐形状により、二次流は通路２８のほぼ中心軸Ａ及びその周りに向けられる。二次流は、内部１５０を出ると、噴射器１０の円錐４０に関して上述のところと同様に、初めに噴射器１０の入口領域２２で、次に移行領域２４及びノズル領域２６で分配装置１４０によって逸らされた一次流と相互作用してそれを加熱する。二次流として分配装置１４０に供給される加熱空気の温度と量は、本発明に従い、中心軸Ａの周り及びそれに沿った一次流の化学量論比を適宜修正して、噴射器１０によって燃焼領域３０のバーナ軸及びその周りに送られる燃料流の低ＮＯｘ及び低ＵＢＣ燃焼を実現できるように選択される。

図３Ｂは、本発明による噴射器１７０のもう１つの代替実施形態を例示する。同様の符号は、構成及び動作が噴射器１１０に関連して既述の要素と同じか又はほぼ同様の燃料噴射器１７０の要素を表示すべく用いている。図３Ｂを参照すると、噴射器１７０には、入口領域２２、移行領域２４及びノズル領域２６と、入口領域２２内の分配装置１４０が含まれている。更に、噴射器１７０には、ノズル領域２２と出口端１４の間に延びるセグメント化ノズル領域１２６が含まれている。

図５は、本発明による噴射器２００のもう１つの実施形態を例示する。同様の符号は、構成及び動作が噴射器１０に関連して既述の要素と同じか又はほぼ同様の燃料噴射器２００の要素を表示するために用いている。図５を参照すると、噴射器２００は、それぞれハウジング１１の壁１６、１８及び２０により形成された入口領域２２、移行領域２４及びノズル領域２６を含んでいる。噴射器２００には、更に上述の発散円錐４０と同じ外面構造を備えることが望ましい空気分配装置２４０が含まれている。分配装置２４０には、分配装置１４０と同様の外面１４４及び内面１４６を備えた壁１４２が含まれている。内面１４６及び環状の上流端壁４１は、円錐形状の中空内部１５０を形成している。上流端壁４１は、内部１５０と通じる開口２４１を形成している。中空管１５４が、入口端１２から開口２４１迄延びている。管１５４は、入口端１２の上流にも延び、空気レジスタ（不図示）と結合されている。

噴射器２００の動作時、入口領域２２において、二次流が管１５４を通って開口２４１から分配装置２４０に流入し、更に分配装置２４０の内部１５０から出て通路２８に入リ込む。内部１５０の円錐形状によって、二次流は通路２８のほぼ中心軸Ａに沿ってその周りに向けられる。二次流は、一次流が噴射器１０の入口領域から移行領域２４に流入し、更にノズル領域２６に流入する際に、分配装置２４０の内部１５０から出ると、通路２８の中心軸に沿ってその周りを流れる一次流の一部と相互作用し、それを加熱する。

本発明の噴射器の望ましい実施形態の１つでは、ノズル領域２６はステンレス鋼で製作され、入口領域２２は炭素鋼で製作される。

本明細書では特定の実施形態に関連して本発明の説明をしてきたが、言う迄もなく、これらの実施形態は本発明の原理及び応用例をただ単に例証したものでしかない。従って言う迄もないが、例証となる実施形態には多くの修正を加えることが可能であり、付属の請求の範囲に定義された本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく他の構成を考案することも可能である。

１０燃料噴射器、１１ハウジング、１２ハウジング入口端、１４ハウジング出口端、１６細長い環状壁、１８テーパ付き環状壁、２０環状壁、２２入口領域、２４移行領域、２６ノズル領域、２８通路、３０燃焼領域、３２開口、３４バッフル、３５リップ、４０発散円錐、４１上流端壁、４３下流端壁、５０空気レジスタ、５２流量調整弁、１００燃料噴射器、１１０燃料噴射器、１２６セグメント化ノズル領域、１３０二次空気レジスタ、１３２開口、１４０空気分配装置、１４２空気分配装置の壁、１５０中空内部、１５２開口、１５４中空管、１７０燃料噴射器、２００燃料噴射器、２４０空気分配装置、２４１開口

Claims

炉で用いられる燃料噴射器（１０）であって、
入口端（１２）と出口端（１４）を備え、前記入口端（１２）と前記出口端（１４）との間に延びる通路（２８）が形成されており、前記入口端（１２）がキャリアガスと燃料の一次流（ＰＳ）を受け入れるようになっており、中心軸（Ａ）が前記通路（２８）の全長に亘って当該通路（２８）の中心を通るように延びているハウジング（１１）と、
前記通路（２８）内に加熱空気の二次流（ＳＳ）を導入するための導入手段（５０）とを有しており、
前記導入手段（５０）が、前記通路（２８）に前記二次流（ＳＳ）を送り込むための少なくとも１つの開口（３２）を形成しており、当該開口（３２）は前記入口端（１２）と前記出口端（１４）との間にあり、
前記ハウジング（１１）から前記通路（２８）内に延びて前記中心軸（Ａ）に向かうバッフル（３４）を有しており、当該バッフル（３４）は、前記二次流（ＳＳ）が前記中心軸（Ｂ）に向かって進入するのを促進するべく、前記開口（３２）の上流に配置されており、
前記一次流（ＰＳ）が前記入口端（１２）から前記通路（２８）に供給されると共に、前記二次流（ＳＳ）が前記導入手段（５０）によって前記通路（２８）内に送り込まれると、前記一次流（ＰＳ）が、前記通路（２８）を通って前記出口端（１４）に向かって流れ、前記一次流（ＰＳ）が前記出口端（１４）から前記通路（２８）の外へと出る前に、前記二次流（ＳＳ）が、前記通路（２８）の中心軸（Ａ）に沿ってその周りで前記一次流（ＰＳ）の一部と混合し、それを加熱して、その酸素濃度を高める
ことを特徴とする燃料噴射器。
前記二次流（ＳＳ）のキャリアガスが空気であり、前記燃料が微粉炭である
ことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射器。
前記二次流（ＳＳ）中の空気の温度が、２０４〜５３７℃である
ことを特徴とする請求項２記載の燃料噴射器。
前記開口（３２）が、可調整空気レジスタによって形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射器。
前記バッフル（３４）が、前記開口（３２）に隣接している
ことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射器。
前記バッフル（３４）が、前記出口端（１４）の方向に延びるリップ（３５）を備えている
ことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射器。
前記中心軸（Ａ）に沿って前記開口（３２）の上流に発散円錐（４０）が配置されており、当該発散円錐（４０）が前記出口端（１４）の方向に発散している
ことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射器。
前記バッフル（３４）が、前記発散円錐（４０）の下流に配置されている
ことを特徴とする請求項７記載の燃料噴射器。
前記二次流（ＳＳ）と組み合わせた前記一次流（ＰＳ）を前記通路（２８）から受け入れるため前記出口端（１４）にセグメント化ノズル（１２６）が含まれており、当該セグメント化ノズル（１２６）は、前記一次流（ＰＳ）と前記二次流（ＳＳ）の組合せを複数のほぼ楕円形の燃料流に分離して、前記出口端（１４）から送り出すように設定されている
ことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射器。
前記二次流（ＳＳ）が、１００％の酸素、空気と酸素の混合物、ＣＯ₂と酸素の混合物、又は再循環燃焼排ガスと酸素の混合物である
ことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射器。
炉で用いられる燃料噴射器（１０）であって、
入口端（１２）と出口端（１４）を備え、前記入口端（１２）と前記出口端（１４）との間に延びる通路（２８）が形成されており、中心軸（Ａ）が前記通路（２８）の全長に亘って当該通路（２８）の中心を通るように延びており、前記入口端（１２）がキャリアガスと燃料の一次流（ＰＳ）を受け入れるようになっているハウジング（１１）と、
前記出口端（１４）の上流でほぼ前記中心軸（Ａ）に沿ってその周りに二次流（ＳＳ）を分配する空気分配装置（１４０、２４０）とを有しており、
前記空気分配装置（１４０、２４０）には、前記二次流（ＳＳ）を供給するための中空導管（１５４）が含まれており、前記空気分配装置（１４０、２４０）は、前記中空導管（１５４）と通じる中空内部（１５０）を形成する発散円錐（４０、１４０、２４０）であり、
前記一次流（ＰＳ）が前記入口端（１２）から前記通路（２８）に供給されて、前記通路（２８）を通って前記出口端（１４）に向かって流れると共に、前記二次流（ＳＳ）が前記空気分配装置（１４０、２４０）によって分配されると、前記一次流（ＰＳ）が前記出口端（１４）から前記通路（２８）を出る前に、前記空気分配装置（１４０、２４０）を出る前記二次流（ＳＳ）が、前記中心軸（Ａ）に沿ってその周りで前記一次流（ＰＳ）の一部と混合し、それを加熱して、その酸素濃度を高める
ことを特徴とする燃料噴射器。
前記中空導管（１５４）が、前記入口端（１２）から前記空気分配装置（１４０、２４０）迄延びている
ことを特徴とする請求項１１記載の燃料噴射器。
前記ハウジング（１１）が、前記入口端（１２）と前記出口端（１４）との間に少なくとも１つの開口（１３２）を形成していると共に、前記中空導管（１５４）が前記開口（１３２）から前記空気分配装置（１４０、２４０）迄延びている
ことを特徴とする請求項１１記載の燃料噴射器。
前記二次流（ＳＳ）のキャリアガスが空気であり、前記燃料が微粉炭である
ことを特徴とする請求項１１記載の燃料噴射器。
前記二次流（ＳＳ）中の空気の温度が、２０４〜５３７℃である
ことを特徴とする請求項１４記載の燃料噴射器。
前記二次流（ＳＳ）と組み合わせた前記一次流（ＰＳ）を前記通路（２８）から受け入れるため前記出口端（１４）にセグメント化ノズル（１２６）が含まれており、当該セグメント化ノズル（１２６）は、前記一次流（ＰＳ）と前記二次流（ＳＳ）の組合せを複数のほぼ楕円形の燃料流に分離して、前記出口端（１４）から送り出すように設定されている
ことを特徴とする請求項１１記載の燃料噴射器。
前記二次流（ＳＳ）が、１００％の酸素、空気と酸素の混合物、または、ＣＯ₂と酸素の混合物、もしくは、再循環燃焼排ガスと酸素の混合物である
ことを特徴とする請求項１１記載の燃料噴射器。