【発明の詳細な説明】
改善されたインジェクターを利用する低酸化バーナー
発明の背景
発明の分野
本発明は、内燃エンジンおよびタービンから排出される酸化窒素エミッション
を減少させ、若しくは全体的に水素を生成する装置の分野に関し、より詳しくは
、燃焼室内部で別々な空気／燃料混合を受けるとともに、水素の生産を増やすた
めに燃焼した排出物に水を加えることができるインジェクター混合装置に関する
。
従来技術の簡単な説明
通常のバーナーは燃焼室内において、燃料に対して空気が過剰な状態で動作す
るとともに、２つのステージにおいて反応が生じる。第１のステージは空燃比が
理論空燃比に近い領域を有し、ここに生じる高温が燃料の化学反応を誘発する。
このような温度により、高い濃度の窒素酸化物が生じてしまう。最終的なトータ
ルの空燃比を成し遂げるために、第２ステージはエア・リッチ状態で作動する。
その温度はより低く、しかししばしば十分に低くはないが、窒素酸化物は生ずる
ことができない。また、本ステージにおいては、第１ステージで生じた窒素酸化
物を一般的には除去しない。全体的には、両ステージで形成された窒素酸化物は
、バーナーの排出部に現れる。
同時継続中の特許出願第０８‐１４８４７１号および第０７‐９９７４５０号
に開示された技術は、低酸化バーナー内において、空気とかなり過剰な燃料との
間で化学的平衡を達成するために、混合気の流れ方向を急速に反転するようにさ
れている。この技術によれば、窒素酸化物を生じさせることなく合理的に高い温
度で平衡が生じる。これは、過剰な燃料濃度が選択的に、窒素ではなく燃料と空
気との間の反応を引き起こすからである。
出願中の特許に示されている技術が、更なる空気により簡単に燃焼させること
ができる生成物を生じさせることが判明した。結果として、エンジンあるいは加
熱ボイラーその他のための、実質的には全く窒素酸化物を生成しない過剰な空気
を有した燃焼室は、関連する２つのステージプロセスによって達成される。第１
ステージは、出願中の特許が示すタイプの燃料リッチなバーナーを有する。第２
ステージは、同様の技術を用いるがエアリッチで作動する。第１ステージからの
生成物と、最終的な空気／燃料混合物を達成するために必要とされる過剰な空気
とは、第２ステージに導入される。このステージにおいては、後の空気および後
の生成物が共に、出願中の特許に示されたようにその流れ方向が急速に反転され
ることにより、急速な化学的均衡が生じる。低酸化バーナーから得られた燃料生
成物の改善された固有の反応性を考慮して、誘発された流れ方向の反転、および
比較的高い水素濃度、平衡化が、通常より高い空燃比において第２ステージ内に
誘発される。この結果、窒素酸化物の生成が非常に低レベルな、非常に低い温度
が生じる。温度がより高い、より高い空燃比においても、窒素酸化物の生成は低
レベルである。これは、空気および燃料が非常に速く混合されるので、非常に高
い温度をほとんど回避できるからである。
第２ステージにおいて必要とされる状態を達成するために、その噴射は以前の
特許のそれらから修正される。低酸化バーナー生成物の温度が早期点火を生じさ
せ、それによって平衡の傾向を低下させるとともに、インジェクターを害するの
に十分に高い内部温度をもたらすので、この修正は必要である。この修正は、新
しい空気と第１ステージの生成物とを、インジェクターの限られた空間の中でお
互いに分離させる。
それゆえに、空気／燃料を揮発性の混合物に結合させ、燃焼の後に追加の水素
を生成するために導入された水を受け入れる、新しいインジェクターを提供する
必要が長年の間存在した。そのような噴射手段は、製造および窒素酸化物バーナ
ーの燃焼室内への組付けが簡単で有るべきであり、好ましくは、排出ノズルにお
ける排出物は水噴射を受け入れることができる。
発明の概要
それゆえに、燃料および空気が供給チューブを介して導入される少くともひと
つの燃焼室を有し、燃料および空気を誘導して混合させるのみならず流れの方向
を反転させる嵌め筒のバリヤーに対して導かれた空気および燃料が衝突を強いら
れ、供給チューブの周りにおいてそれ自体に折り重ねることと燃焼室内における
方向の反転とによって混合物が層流を形成する、新しいバーナーを提供する本発
明によって、上記の問題および困難を回避することができる。
従って、本発明の主要な目的は、低酸化バーナーを用いて燃料から水素を生成
する際に、水を付加することによって水素の量を増やすための手段を提供するこ
とにある。水を付加するそのような手段は、カーボンの生成を減少させる。本発
明の他の目的は、燃料から最大量の水素を生成するとともに、通常、多くの活動
中の過程を妨げる固体の粉を生成するカーボンを減少させる、低酸化バーナーを
提供することにある。
本発明の他の目的は、混合物が点火されて燃焼させられる燃焼室に燃料および
酸素を一緒に噴射の直前に持ち込ことにより、供給された空気若しくは酸素およ
び燃料の非常に急速な予備混合を生じさせる新規なインジェクターを使用する低
酸化バーナーを提供することである。そのような混合過程が急速に生じるので、
インジェクターにおける予備反応は生じるいとまもない。
本発明の他の目的は、低酸化バーナーの第１ステージによって生成され、通常
は空気あるいは酸素に対して自然にかつ急速に反応する、非常に高い温度の一酸
化炭素および水素の混合物を燃料が含む、低酸化バーナーのための新しいインジ
ェクターを提供することにある。容認されるならば、このような予備反応は破壊
的であり、意図されない生成物が生じる。
本発明の他の目的は、好ましくはバーナーの出口ステージに水を加えることに
よって増やすことができる最大量の水素を、燃料から生成することができる低酸
化バーナーを提供することにある。本発明の更なる目的は、ディーゼル油あるい
は他の液体燃料に似た液体の燃料を使用する低酸化バーナーを提供することにあ
る。
図面の簡単な説明
新しいと信じられる本発明の特徴が、添付の請求項において詳細に説明される
。本発明は、その組織および作動の方法の両方が、更なる目的および利点と共に
、添付の図面と関連してなされる以下の記述を参照することにより最も良く理解
される。ここで、
図１は、本発明を取り入れた新しいインジェクターを使用する２ステージ低酸
化バーナーの長手方向の概略断面図である。
図２は、新しいインジェクターとバーナー出口に水を噴射する手段とを有する
１ステージ低酸化バーナーの長手方向の図１と同様な概略断面図である。
図３、４および５は、図１および２に示した低酸化バーナーに役立つ新しいイ
ンジェクターの変形例を示す図である。
図６は、ディーゼル油のような燃料の取り扱いに適した低酸化バーナーの長手
方向の断面図である。
図７は、水を付加する介在物を有した図２に同様の長手方向の断面図である。
図８および９は、水素の生成量を増加させるために低酸化バーナーに水を付加
することに関連する図である。
図１０および図１１は、カーボンの形成を減少させつつ水素の生成量を出力を
増やすために、低酸化バーナーに水を付加することに関連する図である。
好ましい実施例の詳細な説明
図１を参照すると、符号１０で表された本発明の新しい２ステージ低酸化バー
ナー（低酸化燃焼装置underoxidized burner）は、符号１１で表された新しいイ
ンジェクターを備えている。バーナーは、第１のステージ(first stage)１２お
よび第２のステージ(second stage)１３を含む。導管１４は、低酸化バーナー１
２の下流部分であり、熱い排出物がチューブすなわち導管１４を通過し、ついに
は第２ステージバーナーすなわち第２バーナー１３に至るように配置されている
。前記導管すなわちパイプ１４は、第２ステージバーナー１３内の燃焼室１５に
入りこみ、かつ嵌め筒(thimble)１６の内側の平らな表面に対して間隔を開けて
固定された状態で終端している。前記平らな表面は符号１７によって識別される
。また、図中の矢印から明らかなように、チューブ１４を通った排出物はチュー
ブの端部とそれに対向する前記表面１７との間に入り込み、表面１７に衝突して
方向が１８０度反転し、嵌め筒の開口を通って出るようにされている。図示され
るように、嵌め筒１６はカップ状とされ、かつチューブ１４は空気導入チューブ
１８内に同軸に間隔を開けた状態で配置されている。要求される理論的空燃比を
提供するのに十分な、低酸化バーナーの燃料および空気を含む気流は、パイプ２
０から、同軸に配置されたチューブ１４および１８の表面の間に画成された環状
路２１を通過する。前記環状路２１は、その下端(lower end)が絶縁端部２２に
対して密封されるとともに、その先端は嵌め筒１７内の空間に開口している。導
入パイプすなわち供給パイプ１４からのガスおよび供給パイプ１８からの空気は
、気流を示す矢印によって図示されるように、嵌め筒１７内部で出会って混ざり
合う。空気および燃料の混合物は２度の９０度ターンにより、チューブ１８の外
部に沿って後方に移動する円筒状のガスとして排出される前に十分に混合される
。このような円筒状の混合物は、折り重ねられた(folded over)層流となり、燃
焼室１５内で反転する際に、符号２３によって示されるスパークプラグ若しくは
同
様の点火装置によって点火される。燃焼室内を移動する際、円筒状ガスはバーナ
ー１５からガスを導入し、再循環を生じさせる。ガスは壁２２および周囲の燃焼
壁(burning wall)に突き当たってさらに２回９０度ずつ方向転換し、追加的な混
合が促進される。ガスは、燃焼室内を軸線方向に上流に移動し、絶縁材料から形
成されたバリヤーリング２４に遭遇する。これによりガスがチューブ１８の方へ
移動するので、ガスの誘導−再循環の作用(induction-recirculation action)が
促進される。最終的に、熱いガス生成物は、バーナーの残り部分を通り抜け、オ
リフィスノズル２５から出る。テストの結果は、分離した流れによってほぼ２倍
の燃焼効率が成し遂げられたこと、およびＮＯX（窒素酸化物）およびＣＯ（一
酸化炭素）の排出レベルが非常に低いことを示している。
本発明の他の実施例を示す図２を詳細に参照すると、低酸化バーナーに使用さ
れ、供給された燃料および空気の非常に速い予備混合を実現するインジェクター
が示されている。前記バーナーは、符号３０で図示されており、符号３１によっ
て識別された燃焼室を有する単一のステージを含んでいる。チューブ３２および
１９をそれぞれ介して供給された空気および燃料は、燃焼室３１内に噴射され、
点火されて燃焼する。混合が急速に行われるので、符号３３によって示されるイ
ンジェクター内の予備反応は、生じるいとまもない。
このインジェクターは、図１に記載された低酸化バーナーの第１ステージの排出
物によって生産されるような、一酸化炭素および水素の非常に熱い混合物が燃料
に含まれるときに特に使用される。上記混合物は自然的かつ迅速に空気と反応す
る。このような予備反応は破壊的で、意図されない生成物が生じることがある。
バーナー３０は、金属製の囲い３５内部の断熱材３４によって囲まれている。
セラミックリング３６は、燃焼室３１内に突出し、内側断熱材３４に取り付けら
れている。燃料はチューブ３２ａに入り、インジェクター３３の一部分をなすカ
ップ状の嵌め筒３７へ移動する。嵌め筒３７の内側に入ると、燃料はバリヤ３８
に遭遇してこれに突き当たり、符号３９によって表される嵌め筒３７の円筒形の
側壁の内側に向かって半径方向外側に移動する。空気はチューブ３２に入り込ん
でその開口端から出るとともに、バリア３８の燃料が突き当たる側面と反対側の
側面に突き当たる。この結果、空気は嵌め筒の側壁３９側に強制的に移動させら
れる。ここで、燃料／空気の組合せはその方向が９０度変化し、最初の混合が生
じる。嵌め筒の側壁３９の円筒形部分を通過する際に、空気力学および運動量効
果(aerodynamic and momentum effects)が混合を生じさせ、燃料と空気とを一緒
に押し込み(sqeeze)薄いシート状の蒸気とする。これによりさらなる混合が誘発
される。混合物は嵌め筒の開口を通って進む。また、空気力学的な力およびコア
ンダ効果(Coanda effect)によりもたらされた前記混合物は、圧縮された比較的
薄い層の形態をもって、自ら空気導入チューブ３２の外側表面に付着する。これ
により、さらに混合が進むとともに、チューブ３２を非常に高い燃焼温度から保
護する。下方（downward）に向かって移動する層流は、底面すなわち符号４０に
より識別される端部断熱材表面に遭遇し、その方向を９０度変えて側壁４１の内
面に向かって移動するとともに、側壁４１において更にその方向転換が誘発され
る。これらの方向転換により、燃料と空気の混合が促進される。混合物はスパー
クプラグ４２によって点火される。燃焼ガスは燃焼室の反対側の端部に向かって
上方に進み、バーナーの底部分を満たす。燃焼室内部の熱いガスの一部は、嵌め
筒３７から下方に向かう層流の内部に導き入れられ、燃焼を助ける再循環を引き
起こす。このような導入作用は、熱いガスをチューブ３２に導くセラミックリン
グ３６によって増加させられる。最終的に、燃焼した生成物すなわち排出物はノ
ズル４３を通って外部に出る。点火の後、スパークは必要とされずその作動は止
められる。
空気および燃料の流れがそれぞれチューブ１９および３３の開口端を介して出
ることと同様に、混合物の流れが矢印によって示されることは特に注目されるべ
きことである。また、導入チューブ３２および３３が、図１に示されるように互
いに同軸的に配置されていることも注目すべき点である。しかしながら、図２に
おける供給チューブは、他方と同一の空間を占有しており、また燃料供給チュー
ブ３３の端部に嵌め筒３７が支持されるという形態を採っている。図１の実施形
態においては、前述した同時継続中の出願に開示されているようにスポークある
いは一般的な他の手段によって、インジェクターの嵌め筒１６を、チューブ１８
上に容易に支持することができる。
図３乃至図５には、嵌め筒の位置および嵌め筒への空気および燃料の導入方法
が異なる構成が開示されている。図３においては、嵌め筒４３は、空気供給チュ
ーブ４６および燃料供給チューブ４７の開口端に対して、嵌め筒４３の表面が直
接対向するように配置されている。供給された燃料および空気の混合は、バリヤ
ー３８が使用されない点を除いて、図２に示したインジェクター３３と同様に行
われる。しかしながら、図３に示す実施例は、図１に示した２ステージ低酸化バ
ーナーの第２ステージに使用することができる。図４においては、他の態様のイ
ンジェクターが使用されている。ここで、嵌め筒４８は、前述したように、燃料
供給チューブ４９および空気供給チューブ５０の開口端を受け入れるようになっ
ている。しかしながら、燃料供給チューブ４９の端部は閉じており、燃料は、閉
じた端部に隣接してチューブの側壁に配置された、符号５１によって示される穴
を通して嵌め筒内に導入される。図５に示されたインジェクターの他の態様にお
いては、嵌め筒は反転させられ、供給された空気および燃料がその基部である板
５３の外側表面に突き当たるようになっている。空気供給チューブ５４および燃
料供給チューブ５５は、互いに同軸に、かつ間隔を開けて固定された状態で配置
され、供給される空気は燃料チューブ５１の外側表面に沿って導入される。しか
しながら、空気および燃料は開口端を介して同時に放出され、板５３の外側表面
に突き当たるようにされている。混合流は、前述したように、層流を形成するべ
く嵌め筒の外側表面の周りを通過し、燃焼室に向かう。
図３、図４および図５に示されたインジェクターの各変形例は、図２に示され
たバーナーに使用することができる。この場合、燃料は頂部からではなく底部か
ら導入され、システムの構造を簡単なものにする。図３および４において、空気
および燃料はそれぞれ供給チューブ４６および４７を介して上方に向けて導入さ
れる。図３においては、供給された空気および燃料の二つの流れは嵌め筒４５の
内部に到達し、その内壁面に突き当たって強制的に側方に向きを変えられ、図２
と似た状態となる。図４においては、インジェクターの燃料チューブにだけ、排
出オリフィスすなわち通路５１が設けられている。この場合、燃料は、チューブ
の閉じた前端部の近くに設けられたオリフィスを通ってチューブ４９を出る。次
いで、燃料は、前述したように供給チューブ４６内を流れる空気中に入る。この
タイプのインジェクターは、メタンのように、燃料が空気に対して非常に反応し
にくい時に使用するのに最適である。
図５に示された実施例においては、インジェクターの一つの変形例が開示され
る。この態様においては、チューブ５４からの空気およびチューブ５５からの燃
料が、底板５３の表面に突き当たることにより、嵌め筒５２の外側表面に突き当
たる。この態様においては、コアンダ効果が、嵌め筒の円筒形の部分の外側に２
つの供給流れを薄い層流として付着させるので、押しつけ効果(sqeezing effect
)が誘発され、さらなる混合が生じる。嵌め筒を去る材料に作用する空気力学の
効果により、流れが内側に移動し、比較的直径の小さい下方に向かって移動する
流れが形成されるため、さらに混合が促進される。
開示されたこれらのインジェクターは、供給された空気および燃料を、低酸化
反応(underoxidized reaction)を生じさせるために必要な高温に予備加熱する、
従前の特許出願に記述されたような予熱手段を備えることができる。このことに
関して、エネルギーを再利用するべく空気および燃料の供給物を予備加熱するた
めに使用することができるいくつかの方法が、前述した同時継続中の特許出願に
開示されている。しかしながら、本明細書において開示されたいずれのインジェ
クターにも使用できる追加の予備加熱手段が図６に示されている。
ここで、詳細に図６を参照すると、予備加熱手段を有した新規なインジェクタ
ーを使用する低酸化バーナーが、符号６０で示されている。このバーナーは、金
属壁６３内部の断熱材６２によって囲まれた燃焼室６１を有する。前記金属壁６
３は、間隔をあけた状態で金属壁６４によって包囲され、互いに対向する両金属
壁６３，６４によって空間６５が画成されている。供給された空気は、供給チュ
ーブ６６を介して環状空間６５内に導入され、下方に移動する。バーナーの下端
部分において、空気は、符号６７によって示される図３に示された形式のインジ
ェクター内に入り込む。燃料は、供給チューブ６８を介してインジェクター６７
に導入される。供給された燃料および空気は、前述したようにインジェクターの
嵌め筒内部で混ぜ合わされる。この構造を採用することにより、通常は断熱材を
通過して消失するエネルギーが再生利用される。この構造はまた、断熱材を通る
エネルギー損失を減少させる。なぜなら、外側の金属壁６４の温度が、バーナー
における華氏約２９００度から、供給された空気温度である華氏７８度乃至華氏
１１００度に低下するからである。
本明細書において開示された各実施例のインジェクターにおいては、供給され
た燃料および空気が急速混合の前段階において分離された状態に維持される。こ
のため、燃料を別個に加熱することができるし、若しくは燃料を全く加熱しない
ようにすることもできる。この利点は、相対的に熱に対して敏感な燃料の使用を
容認する。ディーゼル油は、その沸点である華氏約６５０度以上に加熱されると
、カーボンを含む燃えにくい化学物質に分解する傾向がある。
以下の議論は図６に関してなされるものであるが、ディーゼル油若しくは液体
燃料に似た液体燃料を使用する場合の低酸化バーナーの能力を強調するものであ
る。この点において、低酸化バーナーにおいて使用するためには、液体の燃料は
まず最初に蒸気化されなければならない。分析および実験は、ほとんどすべての
このような燃料が熱力学的に不安定でおり、かつ沸点近くにおいては固体カーボ
ンのような材料に分解する傾向があることを示している。このような材料はきれ
いに燃やすことが困難であり、また、燃焼した場合にはさまざまな炭化水素が形
成されることになる。さらに、比較的高い沸点を有する液体は、外側の炎によっ
て熱せられた熱交換器チューブを通過することによって蒸気化されると、「ぼっ
ぼっ」と音をたてる(chug)傾向があり、これにより不均一な燃焼がもたらされる
。また、熱交換チューブは、バーナーにとって望ましくない大きな圧力低下をも
たらす。これらの問題を回避し、かつより普遍的な噴射システムを提供するため
に、本発明の技術的思想が用いることができる。燃料は、高温の供給空気に囲ま
れることにより、熱交換器チューブの外部で蒸気化される。これにより、蒸気化
が行われると直ちに、パルスすなわち良く知られた「ぼっぼっ」という音を生じ
させることなく、望ましい親密な空気と燃料との混合がもたらされる。
ディーゼル油のような液体燃料を取り扱うべく図６の実施例を使用する際には
、液体燃料は、嵌め筒の内側壁面に非常に近接して開口する小さなチューブによ
りバーナーの下方あるいは底端部から導入される。供給される空気は燃料チュー
ブを囲むより大径のチューブに入る。そして、高温の空気と液体燃料との間で熱
交換がなされ、使用される個別の燃料に依存して燃料の温度が上昇する。噴出し
た燃料が嵌め筒に突き当たると、燃料は軸線方向外側に移動し、次いで嵌め筒の
側方を下方に向かって移動する。混合物が嵌め筒を出ると、空力的な力により混
合物はインジェクターの直立したパイプの壁の外面に導かれる。外側環状路から
の空気も、嵌め筒によりインジェクターの壁に向かって下方に移動する。パイプ
を介した熱いガスとの熱交換および外側の炎との熱交換が更に生じ、液体の温度
を高めて沸騰させる。このようにして生成された蒸気が分解することなく周囲の
空
気層に入り込むので、空気が液体燃料に接触し、炭化が生じるような高い温度と
なることを回避することができる。蒸気化された燃料／空気の混合物がインジェ
クターの壁に沿って下方に移動すると、空力的な力が燃料と空気とを一緒に絞る
ので、平衡反応のために必要とされる均一な混合が形成される。底部に到着する
と混合物は点火され、前述したように燃焼する。
低酸化バーナーの一つの目的は、燃料から最大量の水素Ｈ2を生成することに
ある。水素の生成は、水の加えることにより増加させることができ、このことは
以下に図２および図７乃至図１１を参照して議論される。
触媒なしで平衡化を成し遂げるために低酸化バーナーの通常の燃焼温度が高い
ので、かなりの一酸化炭素が生成される。このことを利用して、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）および水（Ｈ2Ｏ）から水素（Ｈ2）および二酸化炭素（ＣＯ2）を生じさせ
る良く知られたシフト反応、すなわち
Ｈ2Ｏ＋ＣＯ＝ Ｈ2＋ ＣＯ2
なる反応により水素を生成することができる。
後者は、低温および水の高い濃度によって特別に有利である。触媒が通常使用
され、かつ低酸化バーナーの下流側で図２に示した触媒作用によるシフト反応２
９を行うことも本発明により開示される技術の一部をなす。
低酸化バーナーの熱出力が比較的高いので、かなりの量の水を加えても、その
燃焼温度は高いままである。
このことは、
ＣＨ4＋ ．５ｘ２（Ｏ2＋３．７６Ｎ2）＋ｎＨ2Ｏ（ｇ）
ここで、ｎは０〜１
なる反応に対して図８に示されている。この反応において、水を含む全ての反応
物は、燃焼ガスとの熱交換によって華氏１０００度に加熱される。
燃焼温度は、華氏３０００度のわずか上から華氏２８００度のわずか下まで低下
するが、後者の温度は、低酸化バーナー内において平衡化をもたらすにはまだ十
分である。従って、シフト反応器のための水の一部は、空気および燃料とともに
直接低酸化バーナーに加えることができる。
この高い燃焼温度においては、水の追加によって、ＣＨ4（メタン）１モルに
つき約１．２〜１．３モルのＨ2（水素）のわずかな増加が生じる。しかしなが
ら、シフト反応を制御するのは低酸化バーナーの出口温度であり、燃焼温度では
ない。この温度は、供給物と燃焼ガスとの間における熱交換がなされるため遥か
に低く、そしてこの温度は、室温ですべての供給が供給された場合の反応によっ
て得られる温度に近づく。
図９は、図８における最も高い水分含有量１モルとした場合に、華氏７８度で
入る液体の水を含んだ全ての供給物を華氏７８度で供給した場合のデータを示す
。これらの状態は、低酸化バーナー出口の状態と密接に関連する。反応のための
平衡は華氏約１８２０度であり、この場合メタン１モルにつき１．６モルの水素
が生産される。これは、メタン燃料中の水素の８０％に達し、高温における低酸
化バーナーの反応よりかなり多い。
図はまた、環境(enviroment)に対する熱交換によって生じるより低い温度にお
ける化学的平衡状態を示している。ここで、十分な量の水が低酸化バーナーの主
反応に加えられるので、熱交換によって温度が華氏４００度の環境温度に減少す
るまで、水素の生成量はその最大値まで増加し続ける。
単純に熱を失うことによる環境に対する熱交換による冷却は、しばしばカーボ
ンの生成をもたらす。これは、華氏約１８００度を下回る中間温度において冷却
の間に成し遂げられる。それは、一酸化炭素が以下の反応
ＣＯ＋ ．５Ｃ＋．５ＣＯ2
により熱力学的に不安定であるからである。華氏約６００度以下のより低い温度
においては、この反応は非常に遅く、通常無視することができる。
主反応に対する供給の流れに水を加えることが最も望ましい。これは、すなわ
ち、冷却過程の間に中間温度を通過する際、その存在が、後の低温状態において
触媒の必要性を軽減するシフト反応をもたらすとともに、全般的にカーボンの生
成を妨げるからである。しかしながら、言及しなければならない問題は、水を加
えられる時に低酸化反応の温度が減少することである。
この効果は、理論空燃比に対して５０％の空気と最高２モルの水の追加に対す
る反応を表す、式ＣＨ4＋（Ｏ2＋３．７６Ｎ2）＋ｎＨ2Ｏについての、図８に似
た、図１０に示されている。上側２本の曲線は燃焼温度を示す。下側は華氏７８
度で導入された場合で、生じた温度は、水の供給がない場合には華氏約２３００
度であるのに対して、２モルの水を加えた場合には華氏１４００度である。これ
らは、平衡化を保証するにはあまりに低い。上側の曲線は、従前の特許が主題と
する予熱方法を使用することにより、華氏１０００度で導入した場合を示す。こ
こにおいては、温度は華氏３０００度、乃至２モルの水を加えた場合でも華氏２
５５０度である。これらは、望まれる平衡化をもたらすに十分である。
平衡化された各化学種は、図１０に同じく示されている。水の量を増やすこと
によってＨ2は１．２〜１．４モルに増加するが、Ｈ2＋ＣＯは多かれ少なかれ約
２モルで一定である。後者は、シフト反応の後の理想的な結果を表す。シフト反
応のために重要な温度は、低酸化バーナーの出口における温度であり、より高い
燃焼温度ではないことに注意しなければならない。
図１１は、排出温度が華氏４００度から華氏１１００度のときに、０モルから
２モルの水を加えた場合における、Ｈ2およびＣのモル数を表している。最も下
の曲線は、水とともにＣが実質的に無に減少することを示す。華氏６００度から
華氏９００度より下の範囲では、ＣＯ（一酸化炭素）が解離することにより生成
するＣの生成率は非常に少なく、平衡化によって示されるより少ない量のＣが生
成される。いずれにしても、２モルの水および華氏９００度においては、Ｃは実
質的に存在しない。
図１１の上側の曲線は水素の生成を示している。より高い水含有量においては
、これらは図１０における理論的な２モルに接近する。これが、触媒なしに成し
遂げられたことに注意しなければならない。
供給物の温度が華氏７８度の場合における低酸化バーナーの理論的な温度は、
図１０において与えられる。これらは、図１１のそれらを上回る。２モルの水に
対しては、理論的な排出温度は華氏１４００度であるが、図１１は華氏９００度
に減少させる必要を示唆する。半分の必要とされた減少が、通常、環境に対する
バーナーの熱損失から生じることを実験は示している。さらに、温度が十分に低
いので、Ｃの形成は起こりずらく、水を下流側の排気に加えることができる。そ
のようにすることは、温度を下げるとともに、理論的な２モルに対してＨ2を増
やす傾向がある。
前述したタイプの噴射混合機が、低酸化バーナーからの排出物に水（あるいは
蒸気）を急速に混ぜ合わせることができるので、両者の混合物はカーボンが生成
される温度状態を通過することができる。次いで、両者の混合物は、燃焼を保証
する親密な混合物に対してシフト反応が生じる状態に移動する。
この場合、嵌め筒上に突き当たるチューブの一方は低酸化バーナーからの排出
物を運び、他方が水若しくは蒸気を運ぶ。続いて生じる事実混合は、シフト反応
のためのより低い温度状態に温度を下げる。このシステム全体は、過剰な空気が
蒸気あるいは水に取り替えられている点を除いては、図１における２ステージの
ＮＯ−ＮＯｘ反応装置のために示されたシステムに似ている。
液体の水がこの様に加えられると、それはインジェクター内においてぱっと蒸
発(flash)することに注意しなければならない。蒸気が加えられる際には、その
蒸気は、混合インジェクターに入る前に、空気あるいは空気／燃料混合物の予熱
に用いるのと同様の方法で、燃焼ガスとの熱交換によって液体の水から前もって
形成することができる。
前述の議論は、水と一酸化炭素等との間でシフト反応を生じさせるべく低酸化
バーナーの下流に水を加える手段を示唆するとともに、急速な混合を生じさせる
手段を使用する。急速な混合は低酸化バーナーにとっては必要ではないが、主に
必要とするところは排出物が均衡を破る反応、２ＣＯ＝Ｃ＋ＣＯ2、が生じそう
にない温度に急冷することである。それから、一酸化炭素と水から水素と二酸化
炭素を生成するシフト反応をもたらす、大部分の改質炉に含まれた、図２の下流
の触媒リアクター２９が下流に追加される。
図７に示した一つの手段は、低酸化バーナーの排出物に対して後ろ向きに液体
の水を噴射する。ここで、水は、管状若しくは円錐状のシートとされる。これは
、スプーンの中空の開口（the hollow opening of a spoon）を蛇口から流れる
水に挿入した時と全く同様に水がシートを形成するように、チューブ７２を出る
水の流れの中に円錐状部材７０を配置することによってなされる。結果として生
ずる層流が水を蒸発させる優れた熱交換面を提供するので、チャンバに対するよ
り強力な後ろ向きの動きが生じ、次いで小滴が提供されてバーナーからの排出物
をより良くカバーする。
図７において、第１の（低酸化）燃焼室の生成物が、第２（過剰酸化）バーナ
ーに至るインジェクターの環状路内を通過するとともに、空気はインジェクター
中央のチューブ１４を通過する。加えられた空気が空気の全流量を増やすので、
２つのバーナーの一緒にされた空燃比は、単一の場合より大きく、通常の範囲に
ある。
図７の装置は、空気を液体の水あるいは蒸気に取り替えることにより、シフト
反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ ＝ ＣＯ2＋Ｈ2）を生じさせ、カーボンの生成を減少させ
るために同じく使用することができる。水は、通常、液体としてポンプあるいは
加圧されたコンテナ７３から供給される。蒸気を水から生成させる際には、蒸
気は、第２バーナー１５における小さい管状の熱交換器７１によって生成される
。その様にして生成された蒸気は、インジェクターに至る環状路あるいはチュー
ブに導入される。
さらに、水素を生成するために電気分解された水（electrolyzed water）を使
用することが予想される。メタンあるいは他の炭化水素燃料低酸化バーナーに対
する空気の代わりの酸化剤として、そのような水電気分解によって生成された酸
素生成物を使用することによって、より多く、より低コストな水素を生成するこ
とができる。
酸素を用いることにより、排出物が希釈剤としての窒素を含まないので、低酸化
バーナーからの水素のパーセントを高めることができる。
これにより、一つのあるいは複数の内部燃焼のステージを有し、ガス燃料ある
いは液体燃料を、空気および／またはスパーク点火によって燃焼させられる酸素
生成物としての電気分解された水との混合物のために利用する、改善された低酸
化バーナーが開示される。空気、酸素生成物あるいはいくらかの例においては前
ステージからの排出物が、選ばれた燃料と共に新しいインジェクターを介して同
時に燃焼室に導入される。最大量の水素を燃料から作り出すために、特に排ガス
と混ぜ合わせるときには、水を使用することができる。
本発明の特別な実施例が示されかつ記述されたが、本発明から離れることなく
変更および修正なし得ることは、そのより幅広い見地において、技術に熟練した
者にとって明らかである。したがって、添付の請求の範囲の狙いは、本発明の本
当の精神および範囲の内側におけるそのような変更および修正をカバーすること
にある。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Low Oxidation Burner Utilizing Improved Injector
Background of the Invention
Field of the invention
The present invention relates to nitric oxide emissions from internal combustion engines and turbines.
More specifically in the field of devices for reducing or overall producing hydrogen
Receive separate air / fuel mixtures inside the combustion chamber and increase hydrogen production
Injector mixing device that can add water to the combustion exhaust
.
Brief description of the prior art
Normal burners operate in a combustion chamber with excess air to fuel.
And a reaction occurs in two stages. The first stage is air-fuel ratio
It has a region close to the stoichiometric air-fuel ratio, and the high temperature generated there induces a chemical reaction of the fuel.
Such temperatures result in high concentrations of nitrogen oxides. Final tota
The second stage operates in an air-rich condition to achieve an air-fuel ratio of 1.5 liters.
Its temperature is lower, but often not sufficiently low, but nitrogen oxides form
Can not do. In this stage, the nitrogen oxidation generated in the first stage
Things are not generally removed. Overall, the nitrogen oxides formed in both stages
Appears at the burner discharge.
No. 08-148471 and No. 07-997450 filed concurrently.
The technique disclosed in U.S. Pat.
The flow direction of the mixture should be rapidly reversed to achieve a chemical equilibrium between them.
Have been. According to this technique, a reasonably high temperature can be obtained without generating nitrogen oxides.
Degrees of equilibrium occur. This is because excess fuel concentrations can selectively cause fuel and
This is because it causes a reaction between qi.
The technology shown in the pending patent should be easily burned with additional air
Was found to give a product which could As a result, the engine or
Excess air that produces virtually no nitrogen oxides for thermal boilers and the like
Is achieved by a related two-stage process. First
The stage has a fuel-rich burner of the type shown in the pending patent. Second
The stage operates using a similar technique but air-rich. From the first stage
Product and excess air needed to achieve the final air / fuel mixture
Is introduced to the second stage. In this stage, after air and after
Both products rapidly reverse their flow direction as shown in the pending patent.
This results in a rapid chemical balance. Fuel production obtained from low oxidation burners
Induced reversal of the flow direction, taking into account the improved intrinsic reactivity of the product, and
Relatively high hydrogen concentration, equilibration, in the second stage at higher than normal air / fuel ratio
Triggered. As a result, very low temperatures with very low levels of nitrogen oxide formation
Occurs. Even at higher temperatures and higher air / fuel ratios, the production of nitrogen oxides is low.
Level. This is very high because the air and fuel mix very quickly.
This is because almost no high temperature can be avoided.
In order to achieve the required condition in the second stage, the injection
Amended from those of the patent. Low oxidation burner product temperature caused premature ignition
And thereby reduce the tendency for equilibrium and harm the injectors.
This correction is necessary because it results in a sufficiently high internal temperature. This fix
Fresh air and the products of the first stage in the limited space of the injector
Separate from each other.
Therefore, the air / fuel is combined into a volatile mixture and after combustion additional hydrogen
Provide a new injector, accepting the water introduced to produce
The need has existed for many years. Such injection means include manufacturing and nitrogen oxide burners
Should be easy to assemble into the combustion chamber, preferably at the discharge nozzle.
The effluent can accept a water jet.
Summary of the Invention
Therefore, at least one person in which fuel and air are introduced via the supply tube
With two combustion chambers, the direction of flow as well as the induction and mixing of fuel and air
Air and fuel directed against the barrier of the sleeve will cause a collision.
And folds itself around the supply tube and within the combustion chamber
The invention provides a new burner in which the mixture forms a laminar flow by reversing the direction
Clearly, the above problems and difficulties can be avoided.
Accordingly, a primary object of the present invention is to produce hydrogen from fuel using a low oxidation burner.
Provide a means to increase the amount of hydrogen by adding water.
And there. Such a means of adding water reduces carbon production. Departure
The other purpose of Ming is to produce the maximum amount of hydrogen from the fuel and usually
A low-oxidation burner that reduces the carbon that forms solid powder that hinders the process
To provide.
Another object of the invention is to provide fuel and fuel to a combustion chamber where the mixture is ignited and burned.
Bringing oxygen together with it just before the injection allows the supplied air or oxygen and
Low fuel using a new injector that causes very rapid premixing of fuel and fuel
It is to provide an oxidized burner. Since such a mixing process occurs rapidly,
Preliminary reactions in the injector are likely to occur.
Another object of the present invention is to produce the first stage of a low oxidation burner,
Is a very high temperature monoacid that reacts spontaneously and rapidly to air or oxygen.
New Injection for Low Oxidation Burners in Fuels Containing a Mixture of Carbonated and Hydrogen
To provide the corrector. If acceptable, such pre-reactions are disruptive
Target and unintended products.
Another object of the invention is to add water, preferably to the outlet stage of the burner.
Therefore, the maximum amount of hydrogen that can be increased is low acid that can be generated from fuel.
To provide chemical burners. A further object of the present invention is to provide diesel oil or
Aims to provide a low oxidation burner that uses a liquid fuel similar to other liquid fuels.
You.
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
The features of the invention believed to be novel are set forth with particularity in the appended claims.
. The present invention provides a method, both for its organization and method of operation, with additional objects and advantages.
, Best understood by referring to the following description taken in conjunction with the accompanying drawings.
Is done. here,
FIG. 1 shows a two stage low acid using a new injector incorporating the present invention.
It is a schematic sectional drawing of the longitudinal direction of a chemical burner.
FIG. 2 has a new injector and means for injecting water at the burner outlet
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view similar to FIG. 1 in a longitudinal direction of a one-stage low-oxidation burner.
FIGS. 3, 4 and 5 show a new construction which is useful for the low oxidation burner shown in FIGS.
It is a figure which shows the modification of an injector.
FIG. 6 shows a longitudinal view of a low-oxidation burner suitable for handling fuels such as diesel oil.
It is sectional drawing of a direction.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view similar to FIG. 2 with inclusions for adding water.
Figures 8 and 9 show the addition of water to a low oxidation burner to increase hydrogen production
FIG.
10 and 11 show the output of hydrogen production while reducing carbon formation.
FIG. 4 is a diagram related to adding water to a low oxidation burner to increase.
Detailed Description of the Preferred Embodiment
Referring to FIG. 1, a new two stage low oxidation bar of the present invention, designated by the numeral 10.
The burner (underoxidized burner) is a new aerosol denoted by reference numeral 11.
Equipped with an injector. The burner is the first stage 12
And a second stage 13. The conduit 14 is a low-oxidation burner 1
2, the hot effluent passes through a tube or conduit 14 and finally
Is disposed so as to reach the second stage burner, that is, the second burner 13.
. The conduit or pipe 14 is connected to a combustion chamber 15 in the second stage burner 13.
Indented and spaced from the flat surface inside thimble 16
Terminates in a fixed state. Said flat surface is identified by reference numeral 17
. Further, as is clear from the arrows in the figure, the discharged material passing through the tube 14
Between the end of the valve and the surface 17 facing it,
The direction is reversed by 180 degrees so as to exit through the opening of the fitting tube. Illustrated
So that the fitting tube 16 is cup-shaped and the tube 14 is an air introducing tube.
18 and are arranged coaxially at an interval. The required theoretical air-fuel ratio
An air stream containing fuel and air of the low oxidation burner sufficient to provide is provided by pipe 2
0 to an annular defined between the surfaces of the coaxially arranged tubes 14 and 18
Passing the road 21. The lower end (lower end) of the annular path 21 corresponds to the insulating end 22.
In addition to being hermetically sealed, its tip is open to a space inside the fitting tube 17. Guidance
The gas from the inlet or supply pipe 14 and the air from the supply pipe 18
, Meet and mix inside the fitting tube 17 as illustrated by the arrows indicating airflow.
Fit. The mixture of air and fuel is removed from the tube 18 by two 90 degree turns.
Well mixed before being exhausted as a cylindrical gas traveling backwards along the part
. Such a cylindrical mixture forms a folded over laminar flow, which is
When inverted in the firing chamber 15, a spark plug indicated by reference numeral 23 or
same
Ignited by such an ignition device. When moving through the combustion chamber, the cylindrical gas
Gas is introduced from -15 to cause recirculation. The gas burns the wall 22 and surroundings
After hitting the burning wall, it turns twice more at 90 degrees each time,
Is promoted. The gas travels axially upstream in the combustion chamber and is formed from insulating material.
The resulting barrier ring 24 is encountered. This allows the gas to travel towards the tube 18
As it moves, the induction-recirculation action of the gas
Promoted. Eventually, the hot gas product passes through the rest of the burner and
Exits from the orifice nozzle 25. Test result almost doubled due to separated flow
That the combustion efficiency of NO was achieved, and NOX(Nitrogen oxide) and CO (one
Carbon oxide) emission levels are very low.
Referring in detail to FIG. 2, which illustrates another embodiment of the present invention, a low-oxidation burner is shown.
Injector for very fast premixing of the supplied fuel and air
It is shown. The burner is illustrated at 30 and at 31.
A single stage having a combustion chamber identified as such. Tube 32 and
The air and fuel supplied through the respective 19 are injected into the combustion chamber 31,
It is ignited and burns. Since the mixing takes place rapidly, b
Preliminary reactions in the injector are likely to occur.
This injector provides the first stage discharge of the low oxidation burner described in FIG.
A very hot mixture of carbon monoxide and hydrogen, such as produced by
Used especially when included in The mixture reacts naturally and quickly with air
You. Such pre-reactions are destructive and can produce unintended products.
The burner 30 is surrounded by a heat insulator 34 inside a metal enclosure 35.
The ceramic ring 36 projects into the combustion chamber 31 and is attached to the inner heat insulator 34.
Have been. The fuel enters the tube 32a and forms a part of the injector 33.
It moves to the top fitting tube 37. When entering the inside of the fitting tube 37, the fuel is
And encounters this, and the cylindrical shape of
Move radially outward toward the inside of the sidewall. Air enters tube 32
At the opening end thereof, and on the opposite side of the side of the barrier 38 where the fuel abuts.
Hit the side. As a result, air is forcibly moved to the side wall 39 of the fitting cylinder.
It is. Here, the direction of the fuel / air combination changes by 90 degrees, and the first mixture is produced.
I will. Aerodynamic and momentum effects as they pass through the cylindrical portion of the
The effects (aerodynamic and momentum effects) cause mixing, and the fuel and air come together.
Into a thin sheet of steam. This triggers further mixing
Is done. The mixture proceeds through the opening in the fitting. Also aerodynamic forces and core
The mixture caused by the Coanda effect is a compressed, relatively
In the form of a thin layer, it attaches itself to the outer surface of the air inlet tube 32. this
This further promotes mixing and keeps the tube 32 from a very high combustion temperature.
Protect. The laminar flow moving downwards has a bottom surface,
The end insulation surface, which is more discernible, is encountered and turned 90 degrees to
While moving toward the surface, the direction is further induced in the side wall 41.
You. These diversions promote mixing of the fuel and air. The mixture is spar
It is ignited by the cup plug 42. Combustion gas is directed towards the opposite end of the combustion chamber
Go up and fill the bottom part of the burner. Some of the hot gases inside the combustion chamber
Introduced into the laminar flow downward from the cylinder 37, the recirculation assists combustion.
Wake up. Such an introductory action is achieved by the ceramic phosphor that directs the hot gas to the tube 32.
Increment 36. Ultimately, the products or emissions of combustion are
It goes outside through the chisel 43. After ignition, no spark is required and its operation stops.
Can be
Air and fuel flows exit through the open ends of tubes 19 and 33, respectively.
It should be especially noted that the flow of the mixture is indicated by arrows as well as
It is a thing. Further, the introduction tubes 32 and 33 are connected to each other as shown in FIG.
It is noteworthy that they are arranged coaxially. However, in FIG.
The supply tube in this case occupies the same space as the other, and the fuel supply tube
The fitting tube 37 is supported at the end of the bush 33. Embodiment of FIG.
In some embodiments, there are spokes as disclosed in the aforementioned co-pending application.
Or by other common means, the tube 16 of the injector is
Can be easily supported on top.
3 to 5 show the position of the fitting tube and the method of introducing air and fuel into the fitting tube.
Are disclosed. In FIG. 3, the fitting tube 43 is an air supply tube.
The surface of the fitting tube 43 is straight against the open ends of the valve 46 and the fuel supply tube 47.
They are arranged so as to face each other. The mixing of the supplied fuel and air is
2 is similar to the injector 33 shown in FIG.
Will be However, the embodiment shown in FIG. 3 is different from the two-stage low-oxidation bath shown in FIG.
Can be used for the second stage. FIG. 4 shows another embodiment.
Injectors are used. Here, as described above, the fitting tube 48 is
The open ends of the supply tube 49 and the air supply tube 50 are received.
ing. However, the end of the fuel supply tube 49 is closed, and the fuel is closed.
Hole indicated by reference numeral 51 located on the side wall of the tube adjacent the kinked end
Through the fitting tube. In another embodiment of the injector shown in FIG.
In other words, the fitting tube is inverted, and the plate on which the supplied air and fuel are based.
53 so as to abut the outer surface. Air supply tube 54 and fuel
The feed tubes 55 are arranged coaxially with each other and fixed at a certain interval.
The supplied air is introduced along the outer surface of the fuel tube 51. Only
Meanwhile, air and fuel are released simultaneously through the open end and the outer surface of plate 53
So that it can strike. The mixed stream should form a laminar flow, as described above.
It passes around the outer surface of the fit tube and into the combustion chamber.
Each variation of the injector shown in FIGS. 3, 4 and 5 is shown in FIG.
Can be used for burners. In this case, the fuel is not at the top but at the bottom
To simplify the structure of the system. 3 and 4, the air
And fuel are introduced upwardly through supply tubes 46 and 47, respectively.
It is. In FIG. 3, the two flows of supplied air and fuel are
When it reaches the inside and hits its inner wall surface, it is forcibly turned to the side.
It is in a state similar to. In FIG. 4, only the fuel tube of the injector is drained.
An exit orifice or passage 51 is provided. In this case, the fuel is
Exits tube 49 through an orifice provided near the closed front end of the tube. Next
Then, the fuel enters the air flowing through the supply tube 46 as described above. this
This type of injector, like methane, has a very
Ideal for use when difficult.
In the embodiment shown in FIG. 5, one variant of the injector is disclosed.
You. In this embodiment, the air from tube 54 and the fuel from tube 55
When the material abuts against the surface of the bottom plate 53, it abuts against the outer surface of the fitting tube 52.
Luck. In this embodiment, the Coanda effect is located on the outside of the cylindrical portion of the fit tube.
Since the two feed streams are attached as a thin laminar flow, the sqeezing effect
) Is induced and further mixing occurs. Aerodynamics acting on the material leaving the fit tube
The effect is that the flow moves inward and moves downward with a relatively small diameter
The flow is formed, which further promotes mixing.
The disclosed injectors convert the supplied air and fuel with low oxidation.
Preheat to the high temperature required to cause the reaction (underoxidized reaction),
Preheating means as described in previous patent applications can be provided. To this
Preheating air and fuel supplies to recycle energy.
Several methods that can be used for
It has been disclosed. However, any of the injections disclosed herein may be used.
An additional preheating means that can also be used for the reactor is shown in FIG.
Referring now in detail to FIG. 6, a novel injector with preheating means
A low-oxidation burner using a heater is indicated by reference numeral 60. This burner is gold
It has a combustion chamber 61 surrounded by a heat insulating material 62 inside the metal wall 63. The metal wall 6
3 are both metal members which are surrounded by a metal wall 64 at an interval and which face each other.
A space 65 is defined by the walls 63 and 64. The supplied air is supplied to the supply tube.
It is introduced into the annular space 65 via the valve 66 and moves downward. Burner bottom edge
In part, air is injected into an indicator of the type shown in FIG.
Into the Ejector. Fuel is supplied to the injector 67 via the supply tube 68.
Will be introduced. The supplied fuel and air are supplied to the injector as described above.
It is mixed inside the fitting tube. By adopting this structure, the insulation material is usually
The energy that passes and disappears is recycled. This structure also goes through insulation
Reduce energy loss. Because the temperature of the outer metal wall 64 is
From about 2900 degrees Fahrenheit to a supplied air temperature of 78 degrees Fahrenheit to
This is because the temperature drops to 1100 degrees.
In the injector of each embodiment disclosed in the present specification,
The separated fuel and air are kept separate prior to rapid mixing. This
Can heat the fuel separately or not at all
You can also do so. This advantage allows the use of relatively heat-sensitive fuels.
To tolerate. Diesel oil is heated above its boiling point of about 650 degrees Fahrenheit.
Tends to decompose into non-flammable chemicals, including carbon.
The following discussion is with reference to FIG.
It emphasizes the capability of low-oxidation burners when using liquid fuels similar to fuels.
You. In this regard, for use in low oxidation burners, liquid fuels
First it must be vaporized. Analysis and experimentation
Such fuels are thermodynamically unstable, and solid carbohydrates near the boiling point
Indicates a tendency to break down into materials such as Such a material
It is difficult to burn, and when burned, various hydrocarbons are formed.
Will be done. In addition, liquids with relatively high boiling points may be
When vaporized by passing through a heated heat exchanger tube,
Prone to chug, which results in uneven combustion
. Heat exchange tubes also create large pressure drops that are undesirable for burners.
Sprinkle. To avoid these problems and provide a more universal injection system
In addition, the technical idea of the present invention can be used. Fuel surrounded by hot supply air
As a result, it is vaporized outside the heat exchanger tube. This allows for vaporization
Immediately, a pulse, or the well-known "buzz" sound, is produced.
Without this, a desirable intimate air / fuel mixture is provided.
When using the embodiment of FIG. 6 to handle liquid fuels such as diesel oil,
Liquid fuel is supplied by a small tube that opens very close to the inner wall of the fitting.
Into the lower or bottom end of the burner. The supplied air is a fuel tube.
Into a larger diameter tube surrounding the tube. And heat between hot air and liquid fuel
Replacements are made and the temperature of the fuel rises depending on the particular fuel used. Spurt
When the fuel hits the fitting, the fuel moves axially outward and then
Move sideways downward. As the mixture exits the fitting, it is mixed by aerodynamic forces.
The compound is directed to the outer surface of the upright pipe wall of the injector. From the outer ring road
Also moves downward toward the injector wall by the fitting tube. pipe
Further heat exchange with the hot gas and heat exchange with the outer flame via the
And bring to a boil. The steam generated in this way is not decomposed
Sky
As it enters the gas phase, the air comes into contact with liquid fuel,
Can be avoided. Evaporated fuel / air mixture is injected
Aerodynamic force squeezes fuel and air together as it moves down along the
As a result, the homogeneous mixing required for the equilibrium reaction is formed. Arrive at the bottom
The mixture is ignited and burns as described above.
One purpose of a low oxidation burner is to maximize the amount of hydrogen H from the fuel.TwoTo generate
is there. Hydrogen production can be increased by adding water, which
It is discussed below with reference to FIG. 2 and FIGS.
Normal combustion temperature of low oxidation burner is high to achieve equilibration without catalyst
Therefore, considerable carbon monoxide is produced. Taking advantage of this, carbon monoxide (C
O) and water (HTwoO) to hydrogen (HTwo) And carbon dioxide (COTwo)
Well-known shift reaction,
HTwoO + CO = HTwo+ COTwo
Hydrogen can be produced by the following reaction.
The latter is particularly advantageous due to the low temperature and high concentration of water. Catalyst usually used
And downstream of the low-oxidation burner, a catalytic shift reaction 2 shown in FIG.
9 also forms part of the technology disclosed by the present invention.
The heat output of the low-oxidation burners is relatively high, so even if a significant amount of water is added,
The combustion temperature remains high.
This means
CHFour+. 5x2 (OTwo+ 3.76NTwo) + NHTwoO (g)
Here, n is 0 to 1
This reaction is shown in FIG. In this reaction, all reactions involving water
The object is heated to 1000 degrees Fahrenheit by heat exchange with the combustion gas.
Combustion temperature drops from just above 3000 degrees Fahrenheit to just below 2800 degrees Fahrenheit
However, the latter temperature is still not enough to provide equilibration in low oxidation burners.
Minutes. Therefore, some of the water for the shift reactor is
Can be added directly to low oxidation burners.
At this high combustion temperature, the addition of water causes CHFour(Methane) 1 mole
About 1.2 to 1.3 moles of HTwoA slight increase in (hydrogen) occurs. But
Therefore, it is the outlet temperature of the low-oxidation burner that controls the shift reaction, and the combustion temperature
Absent. This temperature is much higher due to the heat exchange between the feed and the combustion gases.
And this temperature is dependent on the reaction when all feeds are supplied at room temperature.
Approach the temperature obtained.
FIG. 9 shows that at the highest moisture content of 1 mole in FIG.
Shows data for all supplies containing liquid water entering at 78 degrees Fahrenheit
. These conditions are closely related to the condition of the low oxidation burner outlet. For the reaction
The equilibrium is about 1820 degrees Fahrenheit, where 1.6 moles of hydrogen per mole of methane
Is produced. This amounts to 80% of the hydrogen in methane fuel,
Much more than the reaction of a chemical burner.
The figure also shows that at lower temperatures caused by heat exchange to the environment.
2 shows the chemical equilibrium state of the sample. Here, a sufficient amount of water is
As it is added to the reaction, heat exchange reduces the temperature to an ambient temperature of 400 degrees Fahrenheit
Until it reaches its maximum value.
Cooling by heat exchange to the environment by simply losing heat is often
Results in the generation of It cools at intermediate temperatures below about 1800 degrees Fahrenheit
Achieved during It is a reaction of carbon monoxide following
CO +. 5C +. 5COTwo
Is unstable thermodynamically. Lower temperature below about 600 degrees Fahrenheit
In, this reaction is very slow and can usually be ignored.
It is most desirable to add water to the feed stream for the main reaction. This is
That is, when passing through the intermediate temperature during the cooling process, its presence in a later low temperature state
This results in a shift reaction that reduces the need for a catalyst, and generally produces carbon.
This is because it hinders growth. However, the problem to be mentioned is that water
The lower the temperature of the low oxidation reaction when obtained.
This effect is attributable to the addition of 50% air and up to 2 moles of water relative to the stoichiometric air-fuel ratio.
Formula CHFour+ (OTwo+ 3.76NTwo) + NHTwoSimilar to FIG. 8 for O
10 is shown in FIG. The upper two curves show the combustion temperature. The lower side is 78 degrees Fahrenheit
When introduced in degrees, the resulting temperature can be about 2300 Fahrenheit in the absence of a water supply.
Degrees are 1400 degrees Fahrenheit when 2 moles of water are added. this
Are too low to guarantee equilibrium. The upper curve focuses on previous patents
The case of introducing at 1000 degrees Fahrenheit by using the preheating method shown in FIG. This
Here, the temperature is 3000 degrees Fahrenheit, and even when 2 to 2 moles of water are added
550 degrees. These are sufficient to provide the desired equilibration.
Each equilibrated species is also shown in FIG. Increasing the amount of water
By HTwoIncreases from 1.2 to 1.4 moles, but HTwo+ CO more or less about
It is constant at 2 mol. The latter represents the ideal result after the shift reaction. Shift anti
The important temperature for the reaction is the temperature at the outlet of the low oxidation burner,
Note that it is not the combustion temperature.
FIG. 11 shows that when the discharge temperature is from 400 ° F. to 1100 ° F.,
H when adding 2 moles of waterTwoAnd the number of moles of C. Bottom
Curve shows that C decreases substantially without water with water. From 600 degrees Fahrenheit
In the range below 900 degrees Fahrenheit, it is formed by dissociation of CO (carbon monoxide)
The rate of C production is very low, producing less C than indicated by equilibration.
Is done. In any case, at 2 moles of water and 900 degrees Fahrenheit, C is actually
Does not exist qualitatively.
The upper curve in FIG. 11 shows the production of hydrogen. At higher water content
, These approach the theoretical 2 moles in FIG. This is achieved without a catalyst
You have to be careful about what has been done.
The theoretical temperature of the low oxidation burner at a feed temperature of 78 degrees Fahrenheit is
Given in FIG. These exceed those of FIG. In 2 moles of water
By contrast, the theoretical discharge temperature is 1400 degrees Fahrenheit, while FIG.
Suggests a need to reduce it. Half of the required reduction is usually
Experiments have shown that it results from burner heat loss. In addition, the temperature is low enough
Therefore, the formation of C is unlikely and water can be added to the downstream exhaust. So
Is to lower the temperature and increase the theoretical HTwoIncrease
Tends to be easier.
Injection mixers of the type described above provide water (or
Steam) can be rapidly mixed, resulting in carbon
Temperature conditions can be passed. The mixture of both then guarantees combustion
To a state where a shift reaction occurs for intimate mixtures.
In this case, one of the tubes that abuts on the fitting tube is discharged from the low-oxidation burner.
Carry things, the other carry water or steam. The ensuing fact mixing is a shift reaction
Lower temperature to lower temperature condition for. The whole system is
Except that it has been replaced by steam or water, the two-stage
Similar to the system shown for a NO-NOx reactor.
When liquid water is added in this way, it is quickly steamed in the injector.
You have to be careful about flashing. When steam is added,
The steam preheats the air or air / fuel mixture before entering the mixing injector
In a manner similar to that used for
Can be formed.
The above discussion is based on low oxidation to create a shift reaction between water and carbon monoxide.
Suggests a means of adding water downstream of the burner and causes rapid mixing
Use means. Rapid mixing is not necessary for low oxidation burners, but mainly
What is needed is a reaction where the emissions break the equilibrium, 2CO = C + COTwoIs likely to occur
Quenching to a temperature that is unacceptable. Then hydrogen and dioxide from carbon monoxide and water
Downstream of FIG. 2, included in most reformers, resulting in a shift reaction that produces carbon
Is added downstream.
One means shown in FIG. 7 is to apply liquid backwards to the low oxidation burner effluent.
Spray water. Here, the water is a tubular or conical sheet. this is
Flows from the faucet through the hollow opening of a spoon
Exit tube 72 so that the water forms a sheet just as when inserted into the water
This is done by placing the conical member 70 in the stream of water. Raw as a result
Shear laminar flow provides an excellent heat exchange surface for evaporating water, and
A more powerful backward movement occurs, and then droplets are provided to remove any emissions from the burner.
Better cover.
In FIG. 7, the product of the first (low oxidation) combustion chamber is a second (overoxidation) burner.
While passing through the annular path of the injector leading to the
It passes through the central tube 14. As the added air increases the total flow of air,
The combined air / fuel ratio of the two burners is greater than in a single case and is in the normal range
is there.
The device of FIG. 7 shifts by replacing air with liquid water or steam.
Reaction (CO + HTwoO = COTwo+ HTwo) To reduce carbon production
Can also be used to Water is usually pumped or
It is supplied from the pressurized container 73. When generating steam from water,
The air is generated by a small tubular heat exchanger 71 in the second burner 15.
. The steam thus produced is passed to an annulus or tube to the injector.
Introduced into
In addition, electrolyzed water is used to produce hydrogen.
It is expected to use. For methane or other hydrocarbon fuel low oxidation burners
Acid generated by such water electrolysis as an oxidizing agent instead of air
By using elemental products, more and less costly hydrogen can be produced.
Can be.
The use of oxygen reduces emissions because the effluent does not contain nitrogen as a diluent
Can increase the percentage of hydrogen from the burner.
This has one or more stages of internal combustion and is
Or oxygen produced by burning liquid fuel with air and / or spark ignition
Improved low acid utilization for mixtures with electrolyzed water as product
A burner is disclosed. Before in air, oxygen products or some examples
Emissions from the stage, along with the selected fuel, are passed through a new injector.
Sometimes introduced into the combustion chamber. In order to produce the largest amount of hydrogen from the fuel,
When mixing with water, water can be used.
While particular embodiments of the present invention have been shown and described, without departing from the invention
Being able to make changes and modifications is, in its broader sense, technically skilled.
Is obvious to the person. Accordingly, the scope of the appended claims is to address the subject matter of the present invention.
Cover such changes and modifications within the spirit and scope of the present invention.
It is in.
【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項
【提出日】１９９５年１１月１日
【補正内容】
請求の範囲
１． 空気／燃料蒸気を提供するために、理論空燃比に対して燃料リッチな０
．２５〜１．０の範囲の空燃比で空気および炭化水素燃料を燃焼させる、少くと
も１つの内部燃焼室を有したバーナー手段と、
前記バーナー手段内に配置され、空気および燃料を前記内部燃焼室内に別々に
導入するインジェクター手段であって、互いに近接する開口端を有した空気導入
チューブおよび燃料導入チューブを有するインジェクター手段と、
前記空気導入チューブおよび前記燃料導入チューブの前記開口端の周りに配置
され、導入された空気および燃料を同時に受け取るカップ状の嵌め筒と、を備え
、
前記嵌め筒は、前記燃焼室内において空気／燃料混合物を生成するために、前
記導入空気および前記導入燃料を強制的に衝突させる関係において受け止めるバ
リヤー壁であって、前記開口端の周囲の縁で終端する連続した側壁内に配置され
た平らなバリヤー壁を有することを特徴とする内部燃焼装置。
２． 前記空気／燃料混合物を受け止めてその方向を変え、前記空気／燃料混
合物をさらに混合するために、前記バリヤー壁が、前記導入空気および前記導入
燃料の直前に配置されることを特徴とする請求項１に記載の内部燃焼装置。
３． 前記空気導入チューブおよび前記燃料導入チューブは、異なる直径を有
して互いに同軸に配置され、前記開口端は前記嵌め筒の前記バリヤー壁から等し
い距離をおいて終端し、かつ前記側壁が前記開口端に対して同軸に配置されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の内部燃焼装置。
４． 前記空気導入チューブおよび前記燃料導入チューブの前記開口端は、互
いに離れた状態で互いに対向しつつ同軸に配置され、
前記開口端の間に配置された平坦な隔壁が、導入された空気および導入された
燃料を前記バリアー壁の両側面でそれぞれ直接受け止めることを特徴とする請求
項１に記載の内部燃焼装置。
５． 前記燃焼室を囲む断熱材料から構成されたバーナー壁と、
前記バーナー壁を囲む金属壁と、を有することを特徴とする請求項１記載の内
部燃焼装置。
６． 前記燃焼室内において前記嵌め筒のまわりに配置され、前記嵌め筒との
間に減じられた寸法の通路を画成するバリアリングを有することを特徴とする請
求項５に記載の内部燃焼装置。
７． 前記燃焼室内に配置され、前記空気／燃料混合物の燃焼に反応して水素
および二酸化炭素を生産する触媒シフト反応器を有することを特徴とする請求項
２に記載の内部燃焼装置。
８． 前記燃焼室に連通するように前記バーナー壁上に使用可能に支持された
、前記空気／燃料混合物に点火するための点火手段を有することを特徴とする請
求項７に記載の内部燃焼装置。
９． 前記燃焼室内において前記インジェクター手段のまわりに配置され、前
記燃焼室の寸法と比べて小さい寸法の通路を提供して燃焼させられた前記空気／
燃料混合物を圧縮するバリヤリングを有することを特徴とする請求項２に記載の
内部燃焼装置。[Procedure of Amendment] Article 184-7, Paragraph 1 of the Patent Act
[Submission date] November 1, 1995
[Correction contents]
The scope of the claims
1. In order to provide air / fuel vapor, a fuel-rich 0
. Combustion of air and hydrocarbon fuel at an air-fuel ratio in the range of 25 to 1.0, at least
A burner means also having one internal combustion chamber;
Air and fuel are separately disposed in the internal combustion chamber and disposed within the burner means.
Injector means for introducing, air introduction having open ends close to each other
Injector means having a tube and a fuel introduction tube;
Arranged around the open ends of the air introduction tube and the fuel introduction tube
And a cup-shaped fitting tube for receiving the introduced air and fuel simultaneously.
,
The fit tube is used to create an air / fuel mixture in the combustion chamber.
A bar that is received in a relationship where the introduced air and the introduced fuel are forced to collide with each other.
A rear wall disposed in a continuous side wall terminating at an edge around the open end.
Internal combustion device characterized by having a flat barrier wall.
2. Receiving and changing the direction of the air / fuel mixture, the air / fuel mixture
In order to further mix the compound, the barrier wall is provided by the inlet air and the inlet air.
2. The internal combustion device of claim 1, wherein the internal combustion device is located immediately before the fuel.
3. The air introduction tube and the fuel introduction tube have different diameters.
And the open ends are equal from the barrier wall of the fitting tube.
And the side walls are arranged coaxially with the open end.
The internal combustion device according to claim 1, wherein:
4. The open ends of the air introduction tube and the fuel introduction tube are
It is arranged coaxially while facing each other at a distance,
A flat septum, located between the open ends, introduced air and introduced
The fuel is directly received on both sides of the barrier wall, respectively.
Item 2. The internal combustion device according to Item 1.
5. A burner wall made of a heat insulating material surrounding the combustion chamber,
2. A metal wall surrounding the burner wall.
Part combustion device.
6. In the combustion chamber, disposed around the fitting tube,
A contractor having a barrier ring defining a passage of reduced size therebetween.
The internal combustion device according to claim 5.
7. Hydrogen is located in the combustion chamber and reacts to combustion of the air / fuel mixture.
And a catalyst shift reactor for producing carbon dioxide.
3. The internal combustion device according to 2.
8. Operably supported on the burner wall to communicate with the combustion chamber
And ignition means for igniting said air / fuel mixture.
The internal combustion device according to claim 7.
9. Located around the injector means in the combustion chamber,
The air / burned air provided by providing a passage of smaller size compared to the size of the combustion chamber.
3. The fuel cell of claim 2, comprising a barrier ring for compressing the fuel mixture.
Internal combustion device.
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フロントページの続き
(72)発明者 バート，バラト
アメリカ合衆国カリフォルニア州、コス
タ、メサ、ローガン、アベニュ、1310、ス
ウィート、イー────────────────────────────────────────────────── ───
Continuation of front page
(72) Inventor Bart, Ballat
Kos, California, United States
Ta, Mesa, Logan, Avenue, 1310,
Wheat, Y