JPH0356365B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は微粉固体燃料の部分燃焼方法、および
該方法に使用されるバーナーに関するものであ
る。

固体燃料の部分燃焼（「ガス化」とも称する）
は、固体燃料を酸素と反応させることによつて行
うことができる。この燃料は、有用な成分として
主として炭素および水素を含んでおり、これが酸
素と反応し、そしてまた多分水蒸気および二酸化
炭素とも反応して、一酸化炭素および水素を生成
させる。メタンが生ずることもあり得るが、これ
は温度条件に左右される。

本明細書には主として微粉状石灰すなわち粉炭
の部分燃焼について記載されているが、本発明の
方法およびバーナーは、他の微凝固体燃料（たと
えば亜炭、木粉、ビチユーメン、すす、石油コー
クス）の部分燃焼のためにも好適なものである。
この部分燃焼（ガス化）方法には純粋な炭素また
は酸素含有ガス（たとえば空気、および空気と酸
素との混合物）が使用できる。

固体燃料の部分燃焼を行うための従来の周知方
法は、微粉固体燃料を比較的高速度で反応器内を
通過させ、反応器内に火炎を保ち、燃料を1000℃
より高い温度において酸素と反応させることから
なるものである。燃料の反応器内滞留時間が比較
的短かいので、固体燃料の焼結（sintering）や
目詰まりのおそれがほとんどない。この特長があ
るため、この周知方法は、広範囲にわたる種々の
固体燃料の部分燃焼のために適した方法であり、
焼結傾向のある固体燃料でさえ使用可能である。
固体燃料は一般にキヤリヤーガスと共に前記バー
ナーを経て反応器内に入れ、酸素もまた同様に、
前記バーナーを経て該反応器内に入れる。一般に
固体燃料は微粉にした場合でさえ、アトマイズさ
れた液体燃料またはガス状燃料よりも反応性が低
いから、燃料の分散化およびそれと酸素との混合
を云うときに大きな注意を払わなければならな
い。この混合が不充分な場合には、反応器内にお
いて過熱帯域が生じ、かつその次の区域に加熱不
足帯域が生ずる。なぜならば該固体燃料の一部に
は酸素が充分に供給されず、一方、該燃料中の他
の部分には極端に多量の酸素が供給されるからで
ある。この加熱不足帯域では燃料は完全にガス化
せず、一方、過熱帯域では該燃料は比較的価値の
低い生成物すなわち二酸化炭素および水蒸気に完
全に変換される。さらに反応器内には局所的に高
温部が生じ、そのために、反応器の壁部の内面に
取付けられた耐火材のライニングが破損し易くな
るという不都合が生ずる。

燃料と酸素との充分な混合を確実に行うため
に、燃料を反応器内に供給する前に燃料と酸素と
をバーナー内またはその上流側で混合することが
提案された。しかしながらこの改良案は、特に高
圧下の部分燃焼の場合にはバーナーの構造および
操作が高度に臨界的になるという欠点を有する。
その理由について説明する。前記改良案の場合に
は、混合のときから混合物が反応器に入るときま
での時間を、混合物の燃焼誘起時間（induction
time）よりも常に短かくしなければならない。
しかしながら、燃焼誘起時間はガス化圧の上昇に
伴つてかなり短かくなる。少量の燃料を少量の酸
素（または酸素含有ガス）と共に供給する場合に
は、バーナ内でと当該混合物の全速度（total
velocity）が低くなり、該混合物がまだバーナー
自体の中に存在するときに燃焼誘起時間がすぎて
しまい、バーナーがひどく破損することがあり得
る。バーナー内での早期燃焼は、バーナーの外側
の反応器空間（reactor space）の中で燃料を酸
素と混合することによつて避けることができる。
しかしながらこの場合には、部分燃焼（ガス化）
を具合よく行うために必要な燃料と酸素との充分
な混合を確実に行うために、特別な手段をとる必
要がある。

バーナーの外側の反応器空間の中で燃料と酸素
とを混合することには次の危険が伴う。すなわ
ち、反応器の中で既に生成された一酸化炭素およ
び水素と、遊離酸素との早期接触によつてバーナ
ーの前部が過熱する危険がある。

本発明の目的は前記の欠点を取除き、種々の混
合方法で混合できるようにすることであり、換言
すれば、燃料と酸素または酸素含有ガスとの混合
を、バーナー前部の過熱の危険なしに反応器内の
バーナーの外側の反応器空間内で行うことを包含
する固体燃料の部分燃焼方法を提供することであ
る。

したがつて本発明は、微粉固体燃料からなる芯
流（core）と、酸素または酸素含有ガスからなる
複数のジエツト流とをバーナーを介して別々に反
応器空間に導入することによつて前記酸素または
酸素含有ガスと前記固体燃料とを反応させること
からなる微粉固体燃料の部分燃料方法において、
酸素または酸素含有ガスのジエツト流の各々を、
前記の微粉固体燃料の芯流の方に向けて流動さ
せ、かつ該ジエツト流を前記の芯流の周りに実質
的に均質に分布させ、そして該ジエツト流の各々
をモデレーターガスからなる遮へい体（シール
ド）で包囲することを特徴とする微粉固体燃料の
部分燃焼方法に関するものである。

酸素または酸素含有ガスのジエツト流によつ
て、固体燃料からなる芯流が破壊され、したがつ
て、効果的な部分燃焼（ガス化）とために必要な
固体燃料と酸素との均質混合が確実に実施でき
る。酸素のジエツト流の各々には、その周りにモ
デレーターガスからなる遮へい体が形成されてい
るので、これによつて、反応器内に存在する一酸
化炭素と水素との熱い混合物と、酸素との早期混
合が阻止され、また、酸素含有ガスのジエツト流
の作用により破壊された固体燃料が当該破壊帯域
から逸脱することも防止される。この方法によつ
て、バーナー前部における高温炎（hot flame）
の形成が阻止され、さらにまた、一酸化炭素およ
び水素の酸化による低価値生成物の生成も回避で
きる。

本発明はまた、本発明方法の実施のために使用
されるバーナーにも関する。すなわち本発明はま
た、燃料用中央通路と複数の酸化剤導出通路
（outlet passage）とを有し、該酸化剤導出通路
は前記の燃料用中央通路の周りに実質的に一様に
分布しており、かつ該酸化剤導出通路は前記の燃
料用中央通路の下流側の場所の方に向いており、
前記酸化剤導出通路に連通した酸化剤供給用導管
を備え、さらにまた、モデレーターガス供給用導
管を備えてなる微粉固体燃料の部分燃焼用バーナ
ーにおいて、バーナーの外方末端部に存在しそし
て前記の燃料用中央通路の軸に実質的に垂直な方
向にのびる面であるバーナーフロント内に、前記
の燃料用中央通路の開口部が配置されており、前
記の酸化剤導出通路の各々は、実質的に環状のモ
デレーターガス用通路によつて包囲されており、
前記のモデレーターガス用環状通路は前記のモデ
レーターガス供給用導管と連通しており、そし
て、前記のモデレーターガス用環状通路の開口部
は前記バーナーフロント内に配置されていること
を特徴とする、微粉固体燃料の部分燃焼用バーナ
ーにも関する。前記酸化剤の例には酸素および酸
素含有ガスがあげられる。

次に、本発明の若干の具体例について、添附図
面参照下に詳細に説明する。第１図は本発明のバ
ーナーの１例の前部の略式縦断面図であり、第２
図は、第１図中の線−な沿つた部分の正面図
である。

バーナー１は反応器の壁部の開口部（図示せ
ず）に取付けられており、そしてこれは外壁２を
有し、しかし外壁２はバーイフロントすなわちバ
ーナーの前部を構成する前部部材３を有する。バ
ーナー１はさらに、複合型の内壁構造体４／５を
有する。外壁２と内壁構造体４／５の間には環状
空間６が存在する。環状空間６は、バーナーの前
部を冷却するための冷却水の如き流体の通路とし
て使用される。冷却用流体は環状空間６を経てバ
ーナーの前部に供給され、次いで環状空間７を経
て排出される。環状空間７は、内壁構造体４／５
中の隔壁８と内壁４との間に存在する空間であ
る。内壁４は、反応器空間１０に微粉固体燃料を
供給するための軸方向通路（axial pssage）９を
包囲する壁である。内壁構造体４／５にはまた、
酸素供給用環状通路１２を画定する隔壁１１も設
けられている。環状通路１２は、燃料供給用軸方
向通路９を実質的に同心的に包囲するように形成
される。この酸素通路１２と反応器空間１０との
間は、複数の導管１３を介して連通状態になつて
いる。複数の導管１３は燃料供給用の軸方向通路
９の周りに実質的に均等分布状態になるように設
けられる（第２図）。

第１図および第２図に記載の如く、導管１３の
外方部（outer parts）の横腹の部分は内側に曲
がつている。すなわち導管１３の外方部は、酸素
または酸素含有ガスを、軸方向通路９から出た燃
料の方に向けるために、第１図記載の如く内側に
傾斜した構造にしてあるのである。導管１３の傾
斜角〔軸方向通路９との間の角度〕は20−70度と
するのが有利である。

第１図記載の如くバーナーの前部はさらにモデ
レーターガス供給用環状通路１４を有する。環状
通路１４は、軸方向通路９および酸素供給用環状
通路１２と実質的に同心的に配設される。しかし
て環状通路１４は内壁構造体４／５内の隔壁１１
と隔壁１５との間に配設され、その出口は複数の
モデレーターガス集気空間１６に接している。集
気空間１６の各々は、導管１３の傾斜外方部の周
りに配置された環状通路１７と環状通路１４との
流体連通部を構成する。

バーナーの操作中に、環状空間７内を流動する
冷却用流体が、環状通路１４を通る水蒸気の如き
モデレーターガスと熱交換するのを防ぐために、
内壁構造体４／５内の隔壁１５と隔壁８との間に
断熱用空間１８が設けられる。

添附図面にはバーナーの一部が示されている
が、このバーナーの操作方法について説明する。
酸素の存在下に石炭の部分燃焼を行う目的で粉炭
（石炭粒子）からなる芯流をバーナー下流側の反
応器空間１０に供給するために、粉炭をキヤリア
ーガスと共に軸方向通路９を通じて供給する。使
用できるキヤリヤーガスの例には水蒸気、二酸化
炭素、窒素、コールドプロセスガスがあげられ
る。最後に述べた種類のキヤリヤーガス、すなわ
ちコールドプロセスガスを使用した場合には、反
応器内の生成物の希釈化が避けられるという利益
が得られる（不活性キヤリヤーガスを使用した場
合には、生成物がこの不活性ガスで希釈される）。

石炭を燃焼させるために、環状通路１２および
導管１３を通じて酸素を反応器空間１０に供給す
る。導管１３の外方部が内側に傾斜しているため
に、この導管を出た酸素は固体燃料からなる芯流
の方に向かつて進行する。この酸素によつて石炭
流が破壊され、そし石炭と酸素とが烈しく混合さ
れる。酸素の速度として、石炭流の中に酸素が侵
入できるような速度を選ぶべきである。ただしこ
の速度は、前記の流れからの酸素の分離が実質的
に起らないような速度であるべきである。酸素の
速度は20−90ｍ／ｓとするのが有利である。酸素
ジエツト流の数は、供給された石炭全量が酸素と
充分接触し、反応器空間１０内の未反応石炭（焦
炭）の量が最小限に抑制できるような数でなけれ
ばならない。さらに、各々の酸素ジエツト流がそ
れぞれの隣りの酸素ジエツト流と干渉し合うのを
防止するために、各導管１３はそれぞれその隣り
の導管との間に充分な間隔をおいて配置すべきで
ある。酸素ジエツト流同志が干渉し合つた場合に
は酸素の速度が低下し、石炭流が充分に破壊でき
ず、したがつて、利用可能な時間内における反応
器内の石炭の部分燃焼と効率が低下するであろ
う。酸素ジエツト流の最低許容傾斜角（石炭流の
流動方向基準）は主として酸素の速度に左右され
てて種々変わるであろう。酸素速度を一定とすれ
ば、前記の最低傾斜角は、石炭流を破壊するのに
必要な“石炭流への酸素の衝撃力”によつて決定
される値である。一般に、この最低傾斜角は20度
より小さい角度にすべきでない。ただし空気ジエ
ツト流の傾斜角は70度以下であることが有利であ
る。なぜならば石炭／酸素炎がバーナー前部に極
端に近い場所で生ずるのを防ぐためである（上記
極端に近い場所で火炎が生ずると、過熱によつて
バーナー前部が破損することがあり得る）。この
傾斜角は最高60度とするのが一層有利である。

各酸素ジエツト流がバーナーから離れて反応器
空間１０に入る前に、これらの酸素ジエツト流の
各々は、モデレーターガス（たとえば水蒸気）か
らなる環状体によつて包囲される。このモデレー
ターガスは環状通路１２、集気空間１６および環
状導管１７を経て供給される。このモデレーター
ガスは各酸素ジエツトの周りに遮へい体を形成す
る。この遮へい体は、反応器空間１０内で既に形
成された高温ガス生成物と燃焼用酸素との早期接
触によつてバーナーの付近で高温火炎フロント
（flame front）が生ずるのを防止する役割を果
す。酸素ジエツト流の周りに遮へい体を生成され
ることとは別に、モデレーターガスは次の役割も
果し、すなわちこれは、石炭からなる芯流に接触
する直前の複数の酸素ジエツト流の各々のその隣
りのジエツト流との間の空間を実質的にみたし、
これによつて中央石炭流からの石炭の逸脱を防止
する役割をも果すものである。酸素流がモデレー
ターガスからなる遮へい体を貫通して外部に流出
する原因となり得るような乱流が酸素／モデレー
ターガスの境界面に生ずるのを防止するために、
モデレーターガスの流速は酸素ジエツト流の速度
と実質的に同じにするのが有利である。この燃焼
方法では水蒸気以外の適当なモデレーターガスも
また使用でき、たとえば二酸化炭素、窒素およ
び／またはコールドプロセスガスも使用できる。

本発明は、図面に示されたような酸素供給用環
状通路１２およびモデレーターガス供給用環状通
路１４を有する型式のバーナーの使用のみに限定
されないことが理解されるべきである。環状通路
１２と導管１３との組合わせを使用する代りに、
次の構造のものを使用してもよい。すなわち、主
要部が燃料供給用の軸方向通路９に沿つて実質的
に平行に配置されておりそして外方部（outer
parts）が前記通路９の方に向かつて傾斜（すな
わち内側に傾斜）しているような構造を有する複
数の酸素供給管を配置することもできる。同様
に、環状供給管１４を集気空間１６および環状通
路１７と組合わせて用いる代りに、酸素供給管を
包囲する環状通路を複数個設けることも可能であ
る。酸素流は導管１３内を高速で通過するもので
あるから、これらの導管は、“摩擦による発火”
（frictioninduced ignition）を起さないような材
料から製作するのが好ましい。酸素用導管を製作
するための好適な材料の例にはインコネルがあげ
られる。

また、バーナー前部は必らずしも第１図記載の
如く平坦な状態にする必要がなく、燃料供給用軸
方向通路９に対して少し凸面状または少し凹面状
の形にしてもよい。また、冷却剤用導管の代り
に、または該導管に加えて、断熱材からなる層を
バーナーの壁に設けることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るバーナーの１例の前部
の略式縦断面図である。第２図は、第１図中の線
−に沿つた部分の正面図である。 １……バーナー；２……外壁；３……前部、；
４／５……複合型内壁構造体；６……環状空間；
７……環状空間；８……隔壁；９……燃料供給用
の軸方向供給管；１０……反応器空間；１１……
隔壁；１２……酸素供給用通路；１３……導管、
１４……モデレーターガス供給用環状通路；１５
……隔壁；１６……集気空間；１７……環状導
管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 微粉固体燃料からなる芯流と、酸素または酸
   素含有ガスからなる複数ジエツト流とをバーナー
   を介して別々に反応器空間に導入することによつ
   て前記酸素または酸素含有ガスと前記固体燃料と
   を反応させることからなる微粉固体燃料の部分燃
   焼方法において、酸素または酸素含有ガスのジエ
   ツト流を、前記の微粉固体燃料の芯流の方に向け
   て流動させ、かつ該ジエツト流を前記の芯流の周
   りに実質的に均質に分布させ、そして該ジエツト
   流の各々をモデレーターガスからなる遮へい体で
   包囲することを特徴とする微粉固体燃料の部分燃
   焼方法。 ２ 微粉固体燃料からなる芯流と酸素または酸素
   含有ガスのジエツト流とのなす角度が20−70度で
   ある特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 酸素または酸素含有ガスのジエツト流の速度
   が20−90ｍ／ｓである特許請求の範囲第１項また
   は第２項に記載の方法。 ４ モデレーターガスの速度が、酸素または酸素
   含有ガスのジエツト流の速度と実質的に同速度で
   ある特許請求の範囲第１項−第３項のいずれか一
   項に記載の方法。 ５ モデレーターガスが水蒸気、二酸化炭素、窒
   素またはコールドプロセスガスである特許請求の
   範囲第１項−第４項のいずれか一項に記載の方
   法。 ６ 燃料用中央通路と複数の酸化剤導出通路とを
   有し、該酸化剤導出通路は前記の燃料用中央通路
   の周りに実質的に一様に分布しており、かつ該酸
   化剤導出通路は前記の燃料用中央通路の下流側の
   場所の方に向いており、前記酸化剤導出通路に連
   通した酸化剤供給用導管を備え、さらにまた、モ
   デレーターガス供給用導管を備えてなる微粉固体
   燃料の部分燃焼用バーナーにおいて、バーナーの
   外方末端部に存在しそして前記の燃料用中央通路
   の軸に実質的に垂直な方向にのびる面であるバー
   ナーフロント内に、前記の燃料用中央通路の開口
   部が配置されており、前記の酸化剤導出通路の
   各々は、実質的に環状のモデレーターガス用通路
   によつて包囲されており、前記のモデレーターガ
   ス用環状通路は前記のモデレーターガス供給用導
   管と連通しており、そして、前記のモデレーター
   ガス用環状通路の開口部は前記バーナーフロント
   内に配置されていることを特徴とする、微粉固体
   燃料の部分燃焼用バーナー。 ７ 中央通路に対する導出通路の傾斜角が20−70
   度である特許請求の範囲第６項記載のバーナー。 ８ 中央通路に対する導出通路の傾斜角が20−60
   度である特許請求の範囲第６項記載のバーナー。 ９ 酸化剤供給用導管および中央通路が、実質的
   に相互に一致する縦軸を有するものである特許請
   求の範囲第６項−第８項のいずれか一項に記載の
   バーナー。 １０ モデレーターガス供給用導管および中央通
   路が、実質的に相互に一致する縦軸を有するもの
   である特許請求の範囲第６項−第９項のいずれか
   一項に記載のバーナー。