JPH0730903B2 - 改良された温度分布を有する燃焼方法 - Google Patents

改良された温度分布を有する燃焼方法

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JPH0730903B2
JPH0730903B2 JP2232631A JP23263190A JPH0730903B2 JP H0730903 B2 JPH0730903 B2 JP H0730903B2 JP 2232631 A JP2232631 A JP 2232631A JP 23263190 A JP23263190 A JP 23263190A JP H0730903 B2 JPH0730903 B2 JP H0730903B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は一般に燃焼に関し、詳しくは酸素富化空気或は
純酸素を伴う焼却に際して使用するために特に有益な燃
焼に関する。
〔従来技術の説明〕
焼却の如きに於て燃焼プロセスの経済性を助長しつつ高
い燃焼効率を達成するために、スループットを出来るだ
け高くする状態で燃焼を実施することが所望される。効
率を高めるための既知の方法は、酸化体として純酸素或
は酸素富化空気を使用することである。焼却システムの
スループットはしばしば煙道ガスの容積流量によって制
限される。純酸素或は酸素富化空気を使用しての焼却に
於ては任意の一定量の燃焼に対して発生する煙道ガス量
は著しく低いことから、それらの使用は焼却装置のスル
ープットを増大し、従って焼却プロセスの全体効率が増
大させる。
しかしながら、燃焼プロセスにおける純酸素或は酸素富
化空気の使用に際しては、燃焼温度が高くなるという問
題がある。この問題は、焼却されるべき廃棄物が3000BT
U/1bを越えるような高い熱分を有する焼却プロセルに於
て特に顕著である。こうした高い温度は耐火物に損傷を
引き起こし得、また通常NOxと参照される窒素酸化物の
如き有害汚染物を過剰に発生させ得る。
燃焼帯域の温度を制御するために、ウオータージャケッ
ト壁の如き間接放熱子が使用されることが知られてい
る。しかしながら、そうした間接放熱子は一般に機構的
に複雑である、加うるに、冷却された壁が、焼却プロセ
スの有機化学的破壊効率に悪影響を与える冷たいガス層
を創出する。更には、焼却されるべき廃棄物は通常、伝
熱面に対して極めて腐蝕性であり得る燃焼生成物を形成
する塩化及び或は硫黄化合物を含む。
燃焼帯域内部の温度を制御するための他の既知の方法
は、空気の如きガスバラストを燃焼帯域に設けることで
ある。残念なことにこの方法は煙道ガス容積を増大さ
せ、従ってスループットを減少させ、酸素或は酸素富化
空気燃焼による利益の幾分かを帳消しにしてしまう。
燃焼帯域の温度が所定の高温設定点に達した場合の温度
変更のための放熱子或はヒートシンクとして、焼却装置
の燃焼帯域内部の水を使用することが提案されてきた。
焼却温度では水蒸気が単位体積当り窒素のそれの約２倍
のエンタルピーを含むことから、これによって焼却器の
スループットの受けるマイナスの影響はより少なくな
る。しかしながら急激な水の注入は真空の一時的な損失
を生ずる。残念なことに今日に至るまで、焼却装置のヒ
ートシンクとしての水の使用は、NOx発生量の増加並び
に高酸素環境に関連しての温度均一性の乏しさを回避出
来ず、従ってその使用の所望性を低下させている。加え
て水の噴霧は冷却むらによる耐火材の損傷を引き起こし
得、且つまた燃焼反応の消火を引き起こす恐れがある。
〔解決しようとする課題〕
酸化体として純酸素或は酸素富化空気を使用し得る燃焼
プロセスにして、液体のヒートシンクを使用しつつ、現
在のところそれに伴うある種の不利益を回避する燃焼プ
ロセスを提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明によれば、 （Ａ）燃焼帯域に燃焼性蒸気を提供すること、 （Ｂ）燃焼帯域内に再循環物質を確立するに十分な高速
で、少なくとも25％の酸素濃度を有する酸化体を燃焼性
蒸気とは別に燃焼帯域に提供すること、 （Ｃ）酸化体及び燃焼性蒸気とは別に燃焼帯域内に噴霧
液を提供して燃焼帯域に対する冷却材となし、該冷却材
を再循環物質と混合することにより燃焼帯域内に冷却材
を均等に分散させること、 （Ｄ）燃焼帯域内に均等に分散された冷却材を燃焼性蒸
気及び或は酸化体と混合させること、 （Ｅ）燃焼性蒸気を燃焼させること を包含する燃焼方法が提供される。
本明細書に於て“再循環率”とは、燃焼帯域に入る全流
体の質量流量に対する噴霧器の周囲に向って再循環して
戻る分の質量流量の比率であり、 “バーナー”とは、酸化体及び燃焼性物質がそこを通し
て燃焼帯域内に提供される装置のことであり、 “冷却材”とは噴霧液のことであるが、この噴霧液の気
化によって生じた蒸気も含んでいる。
“ランス”とは、酸化体、燃焼性の物質、冷却材のただ
１つをそこを通して燃焼帯域内に提供する装置のことで
ある。
〔実施例の説明〕 本願発明者は、燃焼帯域内での効率的燃焼を可能とする
ためには、燃焼帯域内の液体ヒートシンクを使用しての
低温化だけでは不十分であることを見出した。また本願
発明者は、単なる温度低下或は温度低下ではなく温度均
一化がNOx発生を低下させ得る要素であり、またそれに
よって同時に、燃焼反応、特に焼却装置内での酸化体と
して純酸素或は酸素富化空気を使用する際のホット或は
コールドスポットによる損傷が回避されることを見出し
た。本発明は、必要な温度均一化を達成しつつ、同時に
温度低下を達成するために必要なことを含んでいる。こ
うした同時的な温度低下及び温度均一化が有益な結果の
達成を可能とする。
本発明の実施に際し、燃焼性蒸気が燃焼帯域に提供され
る。この燃焼性蒸気は任意の様式で燃焼帯域に提供され
得る。一般に、焼却装置内部には燃焼性蒸気は焼却装置
内部の液体及び或は固定物質からの蒸発或は気化によっ
て燃焼帯域に提供される。燃焼性蒸気はまたガス上燃料
或は、例えばバーナー或はランスを通して燃焼帯域に提
供される液体から気化したものであり得る。
図面には本発明の好ましい具体例が例示され、ここでは
燃焼は焼却プロセスの一部分として実行されている。図
面を参照するに、回転炉１の内部に燃焼帯域２が例示さ
れている。天然ガス、プロパン或は燃料油及び或は液体
廃棄異物３の如き燃料がバーナー４を通して燃焼帯域２
内に射出され得る。燃料或は液体廃棄物はまた、ランス
５を通して燃焼帯域２内に射出され得る。資源保護回収
法（Resource Conservation Recovery Act（RCRA））或
は毒物制御方（Toxic Substabces Control Act（TSC
A））の定義するような液体廃棄物及び或は固形廃棄物
はラムフィーダ６を通して燃焼帯域２に提供され得る。
こうした廃棄物は参照番号８で示される如き燃焼性蒸気
がそこから燃焼帯域２内部へと蒸発するところの床７を
形成する。
燃焼性の蒸気とは別に酸化体もまた燃焼帯域２内に提供
される。この酸化体は99.5％よりも大きい酸素濃度を有
する技術的純酸素であり得、或は少なくとも25％の酸素
濃度、好ましくは30％よりも大きい酸素濃度を有する酸
素富化空気であり得る。酸化体は任意の有効な様式に於
て燃焼帯域に提供され得る。図面に例示された具体例で
は酸化体９はバーナー４を通して燃焼帯域２に提供さ
れ、燃焼帯域内で燃料及び或は液体廃棄物３と混合され
る。或はまた、バーナーを通しての酸化体の提供に代え
てランスを通して酸化体を燃焼帯域に提供し得る。もし
バーナーが本発明の作動上使用される場合は、好ましい
バーナーは米国特許第4,378,205号及び第4,541,796号に
記載され且つ請求されたアスピレータバーナーである。
空気の如き追加的な酸化体もまた、燃焼帯域内に提供し
得る。例えば空気はインリーケージ（inleakege）或は
空気注入を介して燃焼帯域に提供される。
定義された酸化体及び燃焼性蒸気は、今後更に詳しく説
明されるように、燃焼に先立っての冷却材との混合を可
能とするために、燃焼帯域内に別個に提供される。しか
しながら、定義された酸化体は、バーナーを通して提供
される燃料の如きその他の燃料と混合し得、また定義さ
れた燃焼性蒸気は、定義された酸化体及び定義された燃
焼性蒸気との相互作用以前に、空気の如きその他の酸化
体と混合し得る。
酸化体は流れ10を確立するに十分な高速度で燃焼帯域内
に注入され、燃焼帯域内の再循環率は好ましくは４より
も大きく、そして最も好ましくは10よりも大きい。一般
に、酸化体は毎秒100乃至1000フィート（約30乃至300メ
ートル）の範囲内の速度で燃焼帯域内に射出される。液
体は好ましくは少なくとも50％の水から成り立ち、そし
て最も好ましくは全部が水である。液体はまた、正味の
熱分を持たない、燃焼帯域内での焼却を意図された液体
廃棄物であり得る。
前記液体は酸化体及び燃焼性蒸気とは別に且つ間隔を於
て燃焼帯域内に提供され、好ましくは冷却材の耐火材壁
への衝突を回避しそれによって再循環率を約４よりも大
きい状態に維持するための方向に於て提供される。特定
の好ましい具体例に於ては液体は、十分に大きな運動量
を有する様式での液体に射出によって、液体射出をしな
い場合のそれを上回って再循環率を実際に増大させる作
用を為す。
液体の液滴は蒸発によって熱を吸収しそれによって蒸気
相における温度が上昇し、一方、燃焼性蒸気は酸素との
燃焼によって放熱する。強い再循環は、ガスの層形成並
びにポケットを破壊することにより温度均一化を達成す
るために不可欠である。こうした再循環が、ヒートシン
ク及び熱源をして燃焼プロセス中に良好に混合せしめ、
それによって対流による熱伝達を促進する。結果的に、
燃焼は良好に分散されそして燃焼の熱は近傍のヒートシ
ンクによって迅速に吸収され、斯くして火炎温度は低温
に維持される。
好ましくは、液滴は酸化体及び或は燃焼性蒸気との混合
に先立って、再循環物質と混合される。
本発明の方法は、噴霧液のみならず噴霧液の気化によっ
て生じた蒸気、即ち冷却材は燃焼性蒸気及び或は酸化体
と、この酸化体が燃焼性蒸気と混合する以前に混合され
る。冷却材が先ず再循環物質と混合し、次いで酸化体及
び或は燃焼性蒸気と混合するのが好ましい。このように
冷却材は酸化体及び燃焼性蒸気の何れか或は両者を拡散
するように作用し、それらの混合及び燃焼に先立ってそ
こに存在し、これが既知の方法、即ち燃焼帯域の温度が
高設定点を過ぎて上昇した後に燃焼帯域内に水を注入す
る既知の方法とは逆に、燃焼温度の過剰の上昇を抑制す
るよう作用する。噴霧液を酸化体か或は燃焼性蒸気とは
別に燃焼帯域に注入すること、そして好ましくは先ず冷
却材を再循環物質と混合させることにより、冷却材は引
き続く燃焼反応を通してもっと均等に分散されるように
なり、斯くして良好な温度均一性が可能となりそれによ
る利益が達成され得る。液体の広汎な分散が燃焼帯域内
の温度を低く押え、従って熱の吸収及び一般に部分的或
は全体的な気化による耐火材の損失を低減させる。次い
で冷却材が、好ましくは再循環流れの一部分としての酸
化体及び或は燃焼性蒸気と、それらの燃焼に先立って混
合し、従ってNOxの形成を低く押える作用を為す。
液体の好ましい配向は例えば以下のようにして達成され
る。多くの焼却装置は長い或は主たる軸線方向寸法形状
によって特徴付けられる形状を有する。図面に例示され
る焼却装置はそうした焼却器の１例である。この焼却装
置では酸化体はある角度、好ましくは前記軸線方向寸法
に平行な方向から20度以内の角度で燃焼帯域を通過する
流れを形成する角度で射出される。図示される具体例で
は酸化体の射出角度はこの軸線方向寸法に対し平行、即
ち０度である。この状況では液体は前記軸線方向と平行
な方向から30度以内の角度で燃焼帯域に提供されるのが
好ましい。図面の具体例では噴霧液11は前記軸線方向と
平行である。このようにして、液体は焼却装置の壁に衝
突しないのみならず、実質的に流れ10に入り込むことも
なく、むしろ再循環物質内部に伴出される。これが、液
滴を分散させそれによって燃焼反応からヒートシンクへ
のより均一な熱伝達を生じ、希釈された冷却材が再循環
物質によって搬送されるに従い、一般に液体を気化させ
そして流れ10と相互作用せしめる。これにより、幾つか
の焼却装置に於てこれまで観察された高いNOx発生の主
たる原因と考えられれた、燃焼帯域内での局所的な多く
のホットスポット及びコールドスポットの発生が回避さ
れる。
液体の好ましい運動量は例えば以下のようにして達成さ
れ得る。既知の如く、運動量は流れの質量及び速度の積
である。仮に、焼却されるべき廃棄物がガス形態或は容
易に気化される液体及び或は固体形態で先ず燃焼帯域に
提供される場合には、噴霧液の流れは、高度に微粒化さ
れ或は流れを低速で提供することによって達成され得る
比較的低い運動量を有するのが望ましい。これにより、
噴霧液は容易に気化されそして、燃焼の大部分が行なわ
れる初期射出点に近接して再循環される。
一般に、焼却のために焼却装置に提供される廃棄物は高
度の可能性によって特徴付けられる。従って、本発明の
好ましい実施では、噴霧液の燃焼流れ及び或は噴霧液の
微粒化の度合に対する方向は、そうした可変性を補償す
るためにプロセス期間中に調節される。
更には、焼却されるべき廃棄物の酸素要求量は焼却プロ
セス中かなり変化可能であり、特に廃棄物が連続的では
なく断続的に燃焼装置に提供される場合に変化可能であ
り、従ってその場合は燃焼性蒸気は廃棄物から非−均一
状態に発生し、3000或はそれ以上のBTU/1bの高い熱分を
有する。こうした状況では不完全燃焼生成物の発生を回
避して、燃焼帯域内の酸素モル留分の所望の水準を維持
するために、酸化体流量を調節するのが望ましい。酸化
体及び流体流量を調節するための任意の適宜の手段を使
用し得る。好ましい調節手段は、一般にPIDと称され
る、比例−積分−導関数フィードバックループの如きフ
ィードバック制御ループである。
水を噴霧液の全て或は一部分として使用する場合に達成
される追加的な利益は水と廃棄物中のハロゲンとの化学
反応が有害性の少い或は容易に除去し得る水素化合物を
創出し且つそれ以上の燃焼のための酸素を創出すること
である。
以下の例は本発明の更なる例示を提供する。これらの例
は例示目的のために提示されたものであって本発明はこ
れに限定されるものではない。
例１ 本発明の方法がディーゼルオイル或は燃料ガスを、60％
よりも大きい酸素濃度を有する酸化体と共に焼却装置の
燃焼帯域に射出することにより実施された。この時の燃
焼率は約20である再循環率を達成するために36,000BTU/
ft3であった。噴霧液は水であり、水は酸化体流れと平
行方向に2801b/百万BTUの割合で、高度の微粒化状態で
射出され、噴霧された水の低い運動量によって酸化体及
び或は燃料との相互作用が早期に生じた。焼却の燃焼効
率が99.9％を越え、NOxの発生は通常でも0.21b/百万BTU
未満であり且つ最適状況に対しては0.021b/百万BTUもの
低さであると判断された。
例２ 本発明の焼却プロセスが、3000及び4600BTU/1bの間で変
化する熱分を有する湿った、臭素処理スラッジの焼却の
ために実施された。40％の結合酸素濃度を有する酸化体
が焼却装置内に射出され、燃焼性蒸気がスラッジから追
い出される状態での燃焼流れが形成された。燃焼は、3
0,000BTU/ft3の割合で実行され再循環率は約５であっ
た。噴霧液である水は、燃焼流れと平行な方向から５度
の角度で125及び1871b/百万BTUの間で変化し、従って前
記水は酸化体及び燃焼性蒸気と、それら相互の混合及び
燃焼に先立って混合した。NOx発生は約0.1 1b/百万BTU
であり、一方、焼却装置のスループットは約60％から80
％へと増大し、また過渡的放出は酸化体としてく浮を使
用する従来通りの焼却炉によって達成されるそれを上回
って大幅に低減された。
〔発明の効果〕
１）．スループットを増大させるために酸素或は酸素富
化空気を酸化体として使用した場合の燃焼によるNOx発
生量を極めて低いものとし、噴霧液が酸化体及び燃焼性
蒸気とは別に射出されることにより、噴霧液が燃焼帯域
全体を通して完全に混合せしめられ、またこの噴霧液が
熱を吸収して気化することにより耐火材が保護されると
共に局所的なホットスポットの出現が回避される効果
が、そして前記特徴により、 ２）．ガスの層形成並びにポケットを破壊することによ
る温度均一化を達成可能とし、ヒートシンク及び熱源を
して燃焼プロセス中に良好に混合せしめ、それにより対
流による熱伝達を促進するので燃が良好に分散され且つ
燃焼の熱が近傍のヒートシンクに迅速に吸収され、斯く
し火炎温度が低温に維持されるようになることである。
以上本発明を具体例を参照して説明したが、本発明の内
で多くの変更を成し得ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
図面は燃焼が回転路を使用して実施される焼却プロセス
の一部分である、本発明の１具体例の例示図である。 尚、図中主な部分の名称は以下の通りである。 1:回転炉 2:燃焼帯域 3:液体廃棄物 4:バーナー 5:ランス 6:ラムフィーダ 7:床 9:酸化体

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（Ａ）燃焼帯域に燃焼性蒸気を提供するこ
    と、 （Ｂ）燃焼帯域内に再循環物質を確立するに十分な高速
    で、少なくとも25％の酸素濃度を有する酸化体を燃焼性
    蒸気とは別に燃焼帯域に提供すること、 （Ｃ）噴霧液を酸化体及び燃焼性蒸気とは別に燃焼帯域
    内に提供して燃焼帯域に対する冷却材となし、該冷却材
    を再循環物質と混合させることにより燃焼帯域内に均等
    に分散させること、 （Ｄ）燃焼帯域内に均等に分散された冷却材を燃焼性蒸
    気及び或は酸化体と混合させること、 （Ｅ）燃焼性蒸気を燃焼させること を包含する燃焼方法。
  2. 【請求項２】燃焼性蒸気は固形及び或は液体の廃棄物か
    らの気化によって燃焼帯域に提供される請求の範囲第１
    項記載の燃焼方法。
  3. 【請求項３】燃焼性蒸気はバーナを介して燃焼帯域に提
    供される請求の範囲第１項記載の燃焼方法。
  4. 【請求項４】噴霧液は酸化体には実質的に浸透しない請
    求の範囲第１項記載の燃焼方法。
  5. 【請求項５】噴霧液の射出方向を調節することが含まれ
    る請求の範囲第１項記載の燃焼方法。
  6. 【請求項６】噴霧液の噴霧の度合を調節することが含ま
    れる請求の範囲第１項記載の燃焼方法。
  7. 【請求項７】燃焼帯域に提供される酸化体の流量を調節
    することが含まれる請求の範囲第１項記載の燃焼方法。
  8. 【請求項８】酸化体及び或は噴霧液の流量は調節され、
    該調節はフィードバック制御ループを使用して実行され
    る請求の範囲第１項記載の燃焼方法。
  9. 【請求項９】冷却材には幾分かの水が含まれ、燃焼帯域
    には幾分かのハロゲンが含まれ、水とハロゲンとの化学
    反応が含まれる請求の範囲第１項記載の燃焼方法。
  10. 【請求項１０】（Ａ）燃焼帯域に燃焼性蒸気を提供する
    こと、 （Ｂ）燃焼帯域内に、４よりも大きい再循環率にして、
    該再循環率は燃焼領域に入る前流体の質量流量に対する
    噴霧器の周囲に向けて再循環して戻る分の質量流量の比
    率であるところの４よりも大きい再循環率での再循環物
    質を確立するに十分な高速で、少なくとも25％の酸素濃
    度を有する酸化体を燃焼性蒸気とは別に燃焼帯域に提供
    すること、 （Ｃ）酸化体及び燃焼性蒸気とは別に燃焼帯域内に噴霧
    液を提供して燃焼帯域に対する冷却材となし、該冷却材
    を再循環物質と混合させることにより冷却材を分散させ
    ること、 （Ｄ）分散された冷却材を燃焼性蒸気及び或は酸化体と
    混合させること、 （Ｅ）生じた燃焼性蒸気を燃焼させること を包含する燃焼方法。
JP2232631A 1989-09-05 1990-09-04 改良された温度分布を有する燃焼方法 Expired - Lifetime JPH0730903B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/402,556 US4957050A (en) 1989-09-05 1989-09-05 Combustion process having improved temperature distribution
US402556 1989-09-05

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH0399112A JPH0399112A (ja) 1991-04-24
JPH0730903B2 true JPH0730903B2 (ja) 1995-04-10

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