JPH11514735A

JPH11514735A - Ｒｓｆｃバーナの制御を行う方法

Info

Publication number: JPH11514735A
Application number: JP10503435A
Authority: JP
Inventors: マジェドエートカン; リチャードダブリューボリオ; トーマスジーデュビー; リチャードシーラフレッシュ; ジュリーエーニコルソン; デービッドイーソーノック
Original assignee: コンバッションエンヂニアリングインコーポレイテッド
Priority date: 1996-06-19
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 1999-12-14
Anticipated expiration: 2017-06-13
Also published as: CZ417098A3; HUP0004867A3; US5960724A; ID17180A; RO117734B1; AU3575897A; IL127097A; TR199802643T2; CA2256494C; CA2256494A1; PL184438B1; AU713124B2; SK173998A3; IL127097A0; EP0906544A1; HUP0004867A2; WO1997048948A1; JP3239142B2; PL330785A1

Abstract

(57)【要約】化石燃料燃焼炉に設置されるタイプの放射状層化火炎中心バーナ（２２）の制御を行う方法において、ａ）放射状層化火炎中心バーナが設置される深さを決定し；ｂ）放射状層化火炎中心バーナが設置される化石燃料燃焼炉にける深さを関数として、放射状層化火炎中心バーナが形成できる火炎の許容長さを確立し；ｃ）放射状層化火炎中心バーナの作動を介して燃焼される化石燃料の燃焼を行うために要求される全空気の第１の部分の注入の結果として、空気流の外部区域（２４）を確立し；ｄ）放射状層化火炎中心バーナの作動を介して燃焼される化石燃料の燃焼を行うために要求される全空気の第２の部分の注入の結果として及び放射状層化火炎中心バーナの作動を介して燃焼される化石燃料の注入の結果として空気流及び化石燃料の内部区域（２６）を確立し；及びｅ）前記内部区域に注入される空気の角モメンタムを制御すること及び前記内部区域に注入される化石燃料の注入角度を制御することによって、放射状層化火炎中心バーナによって形成される火炎の長さが、放射状層化火炎中心バーナが設置される化石燃料燃焼炉について確立されていた火炎の許容長さより長くならないように、放射状層化火炎中心バーナによって形成される火炎の長さの制御を行うことを包含してなることを特徴とする放射状層化火炎中心バーナの制御法。

Description

【発明の詳細な説明】ＲＳＦＣバーナの制御を行う方法発明の背景本発明は、化石燃料燃焼炉の燃焼システムで使用される放射状層化火炎中心バーナに係り、さらに詳しくは、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う方法に係る。化石燃料は、長期間にわたって炉において有効に燃焼されてきた。しかしながら、最近では、空気汚染をできるかぎり最少にすることがますます主張されるようになっている。これに関連して、特にＮＯ_xの制御の問題を参照すると、炉における化石燃料の燃焼の間に窒素酸化物が発生することが知られている。さらに、これら窒素酸化物は主に２つの別々の機構によって発生され、熱ＮＯ_x及び燃料ＮＯ_xと表示されることも知られている。この熱ＮＯ_xは、化石燃料の燃焼を行う過程で使用する空気中の分子状窒素及び酸素の熱固着から生ずる。熱ＮＯ_xの生成速度は局部火炎温度に極めて敏感であり、局部酸素濃度にはさほど敏感ではない。実質的には、すべての熱ＮＯ_xは、最も高い温度にある火炎の領域で形成される。その後、熱ＮＯ_x濃度は、燃焼ガスの熱冷却によって高温領域において一般的なレベルで「固定」される。従って、煙道ガス熱ＮＯ_x濃度は、ピーク火炎温度の平衡レベル特性と煙道ガス温度における平衡レベルとの間にある。一方、燃料ＮＯ_xは、石炭及び重油の如きある種の化石燃料中の有機結合窒素の酸化から発生する。燃料ＮＯ_xの生成速度は、一般に化石燃料と空気流との混合速度、及び特に局部酸素濃度に強く影響される。しかしながら、燃料窒素による煙道ガスＮＯ_x濃度は、代表的には、化石燃料中のすべての窒素の完全酸化から生ずるレベルの一部、たとえば２０〜６０％にすぎない。このように、上述の事項から、ＮＯ_xの全体的生成が局部酸素レベル及びピーク火炎温度の両方の関数であることが容易に明らかになるであろう。ここ数年間で、炉における化石燃料の燃焼の結果として生成されるＮＯ_xの放出を制限することの必要性の主張に関して、従来技術において各種の試みが追求されて来た。このような試みの１つの焦点は、化石燃料燃焼炉での使用に適するいわゆる低ＮＯ_x燃焼システムの開発である。これに関連する例として、これに限定されることなく述べれば、このような低ＮＯ_x燃焼システムの１例としては、１９９１年６月４日発行され、本願と同一の譲受人に譲渡されている米国特許第5,020,454号（発明の名称：集合同心式ぐう角燃焼システム）の目的物を構成するものがある。米国特許第5,020,454号の開示によれば、風箱と、この風箱内に取付けられ、集合燃料を炉内に導入して、炉内に第１の富燃料区域を形成する第１の群の燃料ノズルと、風箱内に取付けられ、集合燃料を炉内に導入して、炉内に第２の富燃料区域を形成する第２の群の燃料ノズルと、風箱内に取付けられ、オフセット空気を炉内に導入して、オフセット空気を炉内に導入されている集合燃料から離れるようにかつ炉の壁に向かってさし向けるオフセット空気ノズルと、風箱内に取付けられ、密結合オーバファイア空気を炉内に導入する密結合オーバファイア空気ノズルと、風箱内に取付けられ、分離オーバファイア空気を炉内に導入する分離オーバファイア空気ノズルとを包含する集合同心式ぐう角燃焼システムが提供されている。上記低ＮＯ_x燃焼システムの他の例は、１９９４年５月３１日発行され、本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許第5,315,939号（発明の名称：統合低ＮＯ_x ぐう角燃焼システム）の目的物を構成するものである。米国特許第5,315,939号によれば、粉末化固体燃料供給手段と、火炎付着粉末化燃料ノズルチップと、同心燃焼ノズルと、密結合オーバファイア空気手段と、及び多段の分離オーバファイア空気手段とを包含し、粉末化固体燃料燃焼炉と一緒に使用されたときには、粉末化固体燃料燃焼炉からのＮＯ_x排出量を0.15 lb／10⁶BTU以下に制限し、さらに、フライアッシュ中に含まれる炭素量を５％以下に、ＣＯ排出量を５０ppm以下に維持することができる統合低ＮＯ_xぐう角燃焼システムが提供される。上記ＮＯ_x燃焼システムのさらに他の例は、１９９４年９月６日発行され、本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許第5,343,820号（発明の名称：高性能のＮＯ_x制御用オーバファイア空気システム）の目的物を構成するものである。米国特許第5,343,820号によれば、多段高さのオーバファイア空気コンパートメントを包含し、該コンパートメントに、これらの間で予め決められた最良のオーバファイア空気の分配が行われ、分離オーバファイア空気コンパートメントから出るオーバファイア空気がオーバファイア空気の水平な「スプレイ状」又は「扇状」の分配を確立し、オーバファイア空気が、これまで用いられていた速度よりも十分に高い速度で分離オーバファイア空気コンパートメントを出るようにオーバファイア空気が供給される高性能のＮＯ_x制御用オーバファイア空気システムが提供される。炉における化石燃料の燃焼の結果として生成されるＮＯ_xの発生を制限することの必要性を解消するために従来技術において追求されている他の試みの注目は、化石燃料燃焼炉で使用される燃焼システムへの一体化に適するいわゆる低ＮＯ_x バーナの開発にある。これに関連する例として、これに限定されることなく述べれば、このような低ＮＯ_xバーナの１例としては、１９８３年１２月２７日発行され、川崎重工業株式会社（神戸市、日本）に譲渡された米国特許第4,422,93 1号（発明の名称：粉末化石炭バーナによる粉末化石炭の燃焼法）の目的物を構成するものがる。米国特許第4,422,931号の開示によれば、粉末化石炭が低ＮＯ_x バーナの燃焼空気アウトレットを通って１次空気と共に供給され、スワラによって渦状でゆっくりと流動しながら炉に注入される低ＮＯ_xバーナが提供される。二次空気は燃焼空気アウトレットを囲繞する内部環状アウトレットを通って排出ガスと共に炉に注入され、該二次空気は場合に応じて渦状でゆっくりと流動するか又は渦状では流動しない。三次空気は、渦状で流動しながら、内部環状アウトレットを囲繞する外部環状アウトレットを通って炉に注入される。一次空気と共に炉に供給される粉末化石炭は燃焼されて一次火炎を形成する。この一次火炎は低温度における低Ｏ₂を使用する粉末化石炭のゆっくりとした燃焼によって形成され、一次空気がこれと共に炉に供給された粉末化石炭のすべてを燃焼させるに必要な空気の量の約２０〜３０％であり、二次及び三次空気との混合が禁止されるため、輝度が低い。粉末化石炭の揮発成分の燃焼は主として一次火炎の形成によるものであり、このため、粉末化石炭は低輝度の火炎によって低温でゆっくりと燃焼される。この種の燃焼では、ＮＯ_xがおおいに生成され、脱窒反応による活性化中間生成物である炭化水素、ＮＨ₃，ＨＣＮ及びＣＯの如き非燃焼成分が多量生成され、非燃焼状態で長い期間排出される。このように、これらの非燃焼成分はＮＯ_xと反応してＮ₂となる。一次火炎の非燃焼成分として多量に生成されたチャーは二次火炎内で燃焼される。残留する揮発成分は、主として内部環状アウトレットを通って注入された二次空気によって燃焼され、二次火炎を形成する。チャーの多くは二次空気及び三次空気によって燃焼され、三次火炎区域を形成する。二次及び三次火炎は、二次及び三次空気が粉末化石炭のすべてを燃焼するに必要な空気の量の約５５〜８０％であり、空気が３５〜６０％の排出ガスを含有するため、低Ｏ₂により比較的低い速度及び低い温度での燃焼によって形成される。上記の低ＮＯ_xバーナの他の例は、１９８５年１０月８日発行され、バブコック日立株式会社（東京都、日本）に譲渡された米国特許第4,545,307号（発明の名称：石炭燃焼装置）の目的物を構成するものである。米国特許第4,545,307号の開示によれば、燃焼炉の側壁上でバーナスロートに挿入され、石炭及び空気を炉に供給する粉末化石炭パイプと、石炭及び空気を石炭パイプに供給する手段と、石炭パイプ及び石炭パイプの外方周辺側上に配置された二次空気供給パイプの間に形成された二次空気通路と、二次空気供給パイプの外部周辺側上に形成された三次空気通路と、空気又は酸素含有ガスを二次空気通路及び三次空気通路に供給する手段と、及び石炭パイプの先端に設けられたＬ字形断面を有するブラフボディとを包含してなる低ＮＯ_xバーナが提供される。上記低ＮＯ_xバーナのさらに他の例は、１９８５年９月１０日発行され、ウエスチングハウス・エレクトリック社に譲渡された米国特許第4,539,918号（発明の名称：粒子の分離を伴うマルチアニュラスワール燃焼装置）の目的物を構成するものである。米国特許第4,539,918号の開示によれば、異なる軸方向の長さを有し、軸方向に一定間隔で位置する富及び希薄燃焼区域を収容するに十分なサイズ及び軸方向の長さのバーナバスケットを形成するよう配列された複数の管状部材；該管状部材を相互に実質的に同軸的及び入れこ式に支持して、各管状部材と半径方向に外側に配列された次の管状部材との間で予め決められた軸方向速度で低ＮＯ_xバーナに流入するインレット加圧ガス状反応体及び加圧空気のための一般に環状の通路を提供する手段；各環状流路を通って低ＮＯ_xバーナに入るガス状反応体にぐう角速度を付与して、少なくとも富燃焼区域に入る流れのぐう角速度が流れ半径の増大に伴って増大するようにする手段；低ＮＯ_xバーナに少なくとも１の予め決められた位置で燃料を供給するノズル［前記管状部材は各々の軸方向の長さを有すると共に、管状部材の出口端の軸方向の部位が一般的に増大する半径を有し、それぞれ連続して下流位置に位置されるように配置され、前記ぐう角付与手段及び管状部材の少なくとも２つの半径方向及び軸方向の幾何学的構造は、操作インレットガス圧力及びガス軸方向速度の条件下で、ａ）低ＮＯ_xバーナの上流部位に富燃焼区域を限定し（ここで、高温の酸素不足燃焼が生じ、火炎が再循環を安定化させ、実質的にＮＯ_xの形成は生じない）、ｂ）富燃焼区域内で円錐形の渦を生成して、再循環燃焼空気が、富燃焼区域のまわりの管状部材の内方壁表面を冷却した後、実質的にスワールインレット環状空気流によって、熱交換式で供給されるようにし、及びｃ）低ＮＯ_xバーナ壁表面に向かう粒状物の遠心分離前に、粒状物の燃焼を行うに十分な富燃焼区域における燃料粒状物の滞留時間を提供するように整列されており、前記ぐう角速度付与手段及び富燃焼区域のまわりの管状部材から外側に配列された少なくとも２つの管状部材の半径方向及び軸方向の幾何学的構造は、操作インレットガス圧力及びガス軸方向速度の条件下で、希薄燃焼区域を限定し、かつ希薄燃焼区域内で円錐状渦を形成させるように整列されており、前記管状部材はスロート区画を提供し、この区画に向かって富燃焼区域が収束すると共に、この区画から希薄燃焼区域が拡散する］；及び前記スロート区画を通過する際に流れから分離された燃焼粒状物を収集しかつ取出す手段を包含してなる低ＮＯ_xバーナが提供される。上記低ＮＯ_xバーナのさらに他の例は、１９８９年７月１１日発行され、ウエスチングハウス・エレクトリック社に譲渡された米国特許第4,845,940号（発明の名称：ガスタービンにおいて経済的に有用な低ＮＯ_x富−希薄燃焼装置）の目的物を構成するものである。米国特許第4,845,940号の開示によれば、連続する下流側位置に配置された少なくとも３つの連続管状壁部分を有し、かつ低ＮＯ_x 燃焼のための一般に外方に向かって拡散する燃焼エンベロープを提供するように、それぞれ増大する半径方向寸法を有する管状壁手段；前記管状壁手段を相互に支持して、低ＮＯ_xバーナのための堅固な構造を提供する手段；低ＮＯ_xバーナに少なくとも１つの予め決められた部位で燃料を供給するノズル手段［近接する管状壁部分の各々の連続するペアは、該ペアの半径方向的に内方の上流壁部分の外表面と、該ペアの半径方向的に外方の下流壁部分の内表面との間で半径方向に延び、しかもさらに該ペアの半径方向的に外方の下流壁部分の内表面に沿って軸方向に延びて、これによって連続する環状流路が軸方向でオーバーラップして、半径方向で内方に渦巻く燃焼区域への流入のために環状流が少なくとも部分的に併合することを可能にする一般的に環状のインレット流路を限定するよう構成されており、さらに壁部分は、環状空気流全体が、各種のノズルアトマイジング空気流又は提供されうる他の特殊な空気流以外に、燃焼区域での完全燃焼に要求される加圧インレット空気流の実質的にすべてを包含し、かつ燃焼空気が燃焼区域の軸方向領域に沿って富燃焼を支持するに必要な速度で内方に向かって流れ、これによって、燃焼区域内で半径方向では外方に向かって、軸方向では下流に向かってより希薄な燃焼が可能になるように寸法が定められかつ構造的に整列される］；第１でかつ半径方向では最も奥の環状流路を通るインレット空気流にぐう角速度を付与する第１のスワール手段；第１の環状流路から半径方向では外方にかつ軸方向では下流に配置された第２の環状流路を通るインレット空気流にぐう角速度を付与する第２のスワール手段を包含してなり、前記第１及び第２のスワール手段は、第１及び第２の環状流路を通るインレット空気流のぐう角速度においてマイナスのグラディエントが生ずるような相関関係にあり、ぐう角速度は半径の増大に従って低減し、燃焼区域の拡散するエンベロープ内において、操作インレット空気圧力及びガスの軸方向速度の条件下で、燃焼装置の軸線上で軸方向速度の抑制を生ずるように作用し、燃焼空気の実質的にすべてが、燃焼区域を限定する壁部分の内表面を冷却した後、渦巻き環状インレット流によって熱交換的に供給される低ＮＯ_xバーナが提供される。低ＮＯ_xバーナのさらに他の例は、１９９５年５月２日発行され、マサチューセッツ・インステチュート・オブ・テクノロジーに譲渡された米国特許第5,411, 394号の目的物を構成するものである。米国特許第5,411,394号の開示によれば、バーナ近くでの拡乱を抑制し、これによって、完全燃焼を行うために燃焼空気の残部と混合する前に燃料富有熱分解混合物の滞留時間を増大させるように、渦巻き流の燃焼による放射状成層の流体動力学的原理及び流れの回転軸に対して直角方向におけるガス密度の強力なグラディエントが使用されたことを特徴とするガス状、液状及び固状燃料の燃焼用低ＮＯ_xバーナが提供される。過去数年間において、従来技術では、炉における化石燃料の燃焼の結果として生成されたＮＯ_xの発生を制限する必要性に関連して各種の試みが追求されたにも拘わらず、これらの各種の試みの追求の中でこれまでに達成されたもの以上に改善したいとの要求がなお存在する。さらに詳述すれば、低ＮＯ_x燃焼システムに関して発行された３つの米国特許（上述の記載で参照している）の開示に従って構成された低ＮＯ_x燃焼システムは、これらが意図する目的のために作用することは証明されている。同様に低ＮＯ_xバーナに関して発行された５つの米国特許（上述の記載で参照している）の開示に従って構成された低ＮＯ_xバーナは、これらが意図する目的のために作用することは証明されている。特に米国特許第5,411,394号の目的物を構成する種類の低ＮＯ_xバーナ、すなわち、いわゆる「放射状層化火炎中心バーナ」は、これらが意図する目的のために作用することは証明されてはいるが、それにもかかわらず、このような放射状層化火炎中心バーナに関してさらなる改善を行いたいとの要求が存在している。さらに詳しくは、従来技術では、放射状層化火炎中心バーナの制御を行いたいとの要求が示されている。このために、化石燃料の燃焼が行われる炉はすべてが同じ深さを具現化するものではない。このように、放射状成層は、放射状層化火炎中心バーナが使用されている炉が予め決められた深さを具現化するものである限り達成されるが、しかしながら、放射状層化火炎中心バーナを使用することが望まれる炉が上述の予め決められた深さ以外の深さを具現化するものである場合には、放射状層化火炎中心バーナの制御を可能にして、これによって、放射状層化火炎中心バーナの使用を介して達成することが求められるＮＯ_x発生の低減下が達成されるようにしたいとの要求がなお存在する。要するに、従来技術では、炉が具現化する深さにかかわらず、放射状層化火炎中心バーナが、達成が求められるＮＯ_x発生の低減の実現を可能にすることにおいて有効であるように、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規及び改良された方法に関する要求が明らかにされている。さらに、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法を使用する際に、炉が具現化する深さにかかわらず、ＮＯ_x発生の低減を達成できるだけでなく、同時に、放射状層化火炎中心バーナの使用によって下記の利点（放射状層化火炎中心バーナを特徴づけるものである）を発揮することを可能にしながら、上記ＮＯ_x発生の低減を達成できる。このような利点の１つは、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法によって制御されている放射状層化火炎中心バーナが、オーバファイア空気又は煙道ガスの再循環を利用することなく、ＮＯ_x発生を州及び合衆国のＮＯ_x規制に適合するレベルまで低減できることである。第２の利点は、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法によって制御されている放射状層化火炎中心バーナが、Ｎｏ.６燃料油を燃焼する際に、0.25 lb／MM BTU以下のＮＯ_x値を達成できることである。第３の利点は、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法によって制御されている放射状層化火炎中心バーナが、その角モメンタムを調節し及びその空気流をバイアスさせる能力を具現化することである。第４の利点は、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法によって制御されている放射状層化火炎中心バーナが、その操作メカニズムが炉から放射される熱から保護されるように配置されているとの事実によって特徴づけられることである。第５の利点は、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法によって制御されている放射状層化火炎中心バーナが、多燃料能力（すなわち、油、天然ガス及び石炭）を有することである。第６の利点は、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法によって制御されている放射状層化火炎中心バーナが、実質的にいかなる新規の又は既存の燃焼システムにも一体化されうることである。第７の利点は、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法によって制御されている放射状層化火炎中心バーナが、実質的にいかなるボイラデザインにも改装されることである。第８の利点は、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法によって制御されている放射状層化火炎中心バーナが１ MM BTU／時間からのバーナ熱インプットを有することである。第９の利点は、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法によって制御されている放射状層化火炎中心バーナが、熱及び／又は腐食の発生を解消するために、使用に当たり高品位の物質を選択することを可能にするものである。このように、本発明の目的は、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法を提供することにある。本発明の他の目的は、炉が具現化する深さにかかわらず、放射状層化火炎中心バーナが、達成が求められているＮＯ_x発生の低減の実現を可能にできる、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法を提供することにある。本発明の他の目的は、放射状層化火炎中心バーナが、オーバファイア空気又は煙道ガスの再循環を使用することなく、州及び合衆国のＮＯ_x規制に適合するレベルにＮＯ_x発生を低減できる放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、放射状層化火炎中心バーナが、Ｎｏ.６燃料油を燃焼させる際に、0.25 lb／MM BTUより少のＮＯ_x値を達成できる放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法を提供することにある。本発明の他の目的は、その角モメンタムを調節し及びその空気流をバイアスさせる能力を具現化する放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、放射状層化火炎中心バーナが、その操作メカニズムが炉から放射される熱から保護されるように配置されているとの事実によって特徴づけられるものである放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法を提供することにある。本発明の他の目的は、放射状層化火炎中心バーナが多燃料能力（すなわち、油、天然ガス及び石炭）を有するものである放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、放射状層化火炎中心バーナが実質的にいかなる新規の又は既存の燃焼システムにも一体化されうるものである放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、放射状層化火炎中心バーナが、実質的にいかなるボイラデザインにも改装されるものである放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、放射状層化火炎中心バーナが１ MM BTU／時間からのバーナ熱インプットを有するものである放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、放射状層化火炎中心バーナが熱及び／又は腐食の発生を解消するために、使用に当たり高品位の物質を選択することを可能にするものである放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法を提供することにある。発明の要約本発明によれば、化石燃料燃焼炉からのＮＯ_xの発生を低減させる目的で、特に化石燃料燃焼炉の燃焼システムにおける使用に適する放射状層化火炎中心バーナの制御を行う方法が提供される。さらに、目的の放射状層化火炎中心バーナの制御を行う方法は、同時に、放射状層化火炎中心バーナによって形成される火炎のエンベロープを拡大させることなく、ＣＯの発生及び化石燃料燃焼炉の煙突からの排ガスの乳白度を最小にしつつ、該方法の実行を可能にするものである。放射状層化火炎中心バーナが化石燃料燃焼炉に設置されるべきものであり、その中に設置された際に、化石燃料燃焼炉からのＮＯ_xの発生を低減させる目的で作動されるものである目的の放射状層化火炎中心バーナの制御を行う方法は、放射状層化火炎中心バーナが設置される深さを決定し；放射状層化火炎中心バーナが設置される深さを関数として放射状層化火炎中心バーナが形成できる火炎の許容長さを確立し；放射状層化火炎中心バーナの作動を介して燃焼される化石燃料の燃焼を行うために要求される全空気の６０〜８０％の注入の結果として、放射状層化火炎中心バーナの中心線と同軸ではあるが、離れている空気流の外部区域を確立し；放射状層化火炎中心バーナの作動を介して燃焼される化石燃料の燃焼を行うために要求される全空気の残部の注入の結果として及び放射状層化火炎中心バーナの作動を介して燃焼される化石燃料の注入の結果として、放射状層化火炎中心バーナの中心線と同軸ではあるが、離れている空気流及び化石燃料流の内部区域を確立し；及び前記内部区域に注入される空気の角モメンタムを制御すること及び前記内部区域に注入される化石燃料の注入角度を制御することによって、放射状層化火炎中心バーナによって形成される火炎の長さが、放射状層化火炎中心バーナが設置される予定の化石燃料燃焼炉について確立されていた火炎の許容長さより長くならないように、放射状層化火炎中心バーナによって形成される火炎の長さの制御を行うことを包含してなる。図面の簡単な説明図１は、本発明の放射状層化火炎中心バーナの制御を行う方法に伴って形成される第１の火炎タイプの概略図である。図２は、本発明の放射状層化火炎中心バーナの制御を行う方法に伴って形成される第２の火炎タイプの概略図である。図３は、本発明の放射状層化火炎中心バーナの制御を行う方法に伴って形成される第３の火炎タイプの概略図である。図４は、図１、２及び３に示す各火炎タイプに関するガス化学量論量対滞留時間のグラフである。図５は、本発明の放射状層化火炎中心バーナの制御を行う方法によって制御されうる放射状層化火炎中心バーナの第１の具体例の斜視図である。図６は、図５に示された放射状層化火炎中心バーナの第１の具体例の部分断面側面図である。第７図は、本発明の放射状層化火炎中心バーナの制御を行う方法によって制御されうる放射状層化火炎中心バーナの第２の具体例の側面図である。好適な具体例の説明図面、特に図１、２及び３を参照すると、これら図面には、本発明による放射状層化火炎中心バーナの制御を行う方法に伴って形成される各種の火炎タイプが概略して示されている。すなわち、図１には、第１の火炎タイプ（参照番号１０で示される）が概略的に図示されている。図２には第２の火炎タイプ（参照番号１２で示される）が概略的に図示されている。図３には第３の火炎タイプ（参照番号１４で示される）が概略的に図示されている。各図１、２及び３に概略的に図示されている火炎タイプのより良好な理解を容易なものとするため、後に十分に説明するように外部区域（後にも参照する）に注入される空気には、各図１、２及び３において同じ参照番号、すなわち参照番号１６が付されている。同様に、後に十分に説明するように内部区域（後にも参照する）に注入される空気の残部には、各図１、２及び３において同じ参照番号、すなわち参照番号１８が付されている。最後に、後に十分に説明するように内部区域（後にも参照する）に注入される化石燃料には、各図１、２及び３において同じ参照番号、すなわち参照番号２０が付されている。ついで、図１、２及び３に概略的に図示した各火炎タイプに関連するガス化学量論量対滞留時間のグラフである図４を参照する。検討すると、火炎は、ガス化学量論量のレベリングオフが生ずるまでに要する滞留時間に基づいて、短い火炎長さ又は長い火炎長さ又は中間の火炎長さを有するものと思われる。すなわち、ガス化学量論量のレベリングオフがより迅速に生ずれば生ずるほど、火炎長さはより短い。これによれば、各図１、２及び３に概略的に図示した各火炎タイプが示された図４を参照することによって最もよく理解されるように、火炎タイプ１４が、火炎タイプ１０及び１２が有する火炎長さと比べて短い火炎長さを有する火炎タイプを示すものと考えられる。同様に、火炎タイプ１０は、火炎タイプ１２及び１４が有する火炎長さと比べて長い火炎長さを有する火炎タイプを示すものと考えられ、一方、火炎タイプ１２は、火炎タイプ１０及び１４が有する火炎長さと比べて中間の火炎の長さを有する火炎タイプを示すものと考えられる。低ＮＯ_xバーナに関しては、内部空気段階が低ＮＯ_xバーナのアウトレット付近での燃料リッチの高温熱分解区域及びこれにつづく残留燃焼空気との混合によって可燃性熱分解生成物が燃焼される希薄火炎区域の形成を要求することが見出された。特に放射状層化火炎中心バーナについては、放射状成層は燃料リッチの高温熱分解区域内での滞留時間を延長させ、これによって、全結合窒素のＮ₂への変化を増大させる効果を有する。さらに、燃料リッチの高温熱分解区域内での初期の着火及び迅速な温度上昇はＮＯ_xの低発生の達成には重要であることも認められた。図１、２及び３に概略的に図示されている火炎タイプ１０、１２及び１４に関しては、火炎タイプ１４の如き非常に短い火炎長さを有する火炎タイプは次の特性を具現化する。火炎タイプ１４の如き火炎タイプは、高容積熱放出をもつ非常に短い、良好に撹乱された火炎でなる。さらに、火炎タイプ１４の如き火炎タイプは、空気が内部区域（後にさらに参照する）、及び該内部区域内の単一の強力な内部再循環区域に注入される（この単一の強力な内部再循環区域へは、上述の内部区域へ注入される空気及び上述の内部区域へ注入される化石燃料はいずれも侵入しない）限りにおいては、非常に高い乱流度を有する。火炎タイプ１４によって、上述の内部区域へ注入された化石燃料の９９％の燃焼が実現される。３種の火炎タイプ、すなわち火炎タイプ１０、１２及び１４の内、火炎タイプ１４は、燃料リッチの高温熱分解区域が非常に小さく（すなわち、最も短い滞留時間を有する）、このように非常に小さい特性により燃料Ｎの分解が制限されるため、最高のＮＯ_x発生レベルを有する。しかしながら、火炎タイプ１４は、ＮＯ_x発生を州及び合衆国のＮＯ_x規制に適合できるレベルまで低減できる。一方、長い火炎長さを有する火炎タイプ１０の如き火炎タイプは下記の点で特徴づけられる。すなわち、火炎タイプ１０の如き火炎タイプは、空気が上記内部区域に注入される限りにおいては、火炎タイプ１４よりも小さい乱流度を有する。さらに、長い火炎長さを有する火炎タイプ１０の如き火炎タイプは、さらに、２つの内部再循環区域を具現化する点で特徴づけられる。これら２つの内部再循環区域の１つ、たとえば第１の内部再循環区域は、放射状層化火炎中心バーナによって形成され、かつ上記内部区域に注入される空気の創造物である火炎の軸上に位置する。さらに、この第１の内部再循環区域は、上記内部区域に注入された化石燃料によって十分に侵入される。他の内部再循環区域、すなわち第２の再循環区域は、第１の内部再循環区域の下流に位置し、放射状層化火炎中心バーナによって形成される火炎の軸から放射状に配置される。第２の内部再循環区域は、外部区域（後述する）に注入された空気の創造物である。上述の第１の内部区域に注入された化石燃料の第１の再循環区域への十分な侵入のため、火炎タイプ１０は、低ＮＯではあるが高ＣＯ及び高い乳白度の火炎を形成する。つづいて、中間の火炎長さを有する火炎タイプ１２の如き火炎タイプについて検討する。中間の火炎長さを有する火炎タイプ１２の如き火炎タイプも、上記内部区域に注入された空気に関する限りにおいては、火炎タイプ１０が有するものと同様の乱流度を有し、火炎タイプ１４が有するものよりも小さい乱流度を有するとの事実によって特徴づけられる。さらに、火炎タイプ１２の如き火炎タイプは、火炎タイプ１０のように２つの内部再循環区域、すなわち第１の内部再循環区域及び第２の内部再循環区域を具現化するものであるとの事実によって特徴づけられる。火炎タイプ１２の第１の内部再循環区域及び第２の内部再循環区域は、火炎タイプ１０の第１の内部再循環区域及び第２の内部再循環区域の如く相互にかつ放射状層化火炎中心バーナによって形成される火炎の軸に対して配置され、火炎タイプ１０の第１の内部再循環区域及び第２の内部再循環区域と同様にして形成される。しかしながら、上述した火炎タイプ１０の場合とは異なり、上記内部区域に注入される空気は、上記内部区域に注入される化石燃料と共に、空気及び化石燃料が第２の内部再循環区域の外部境界に沿って流れるように分岐される前に、部分的にのみ第２の内部再循環区域に侵入する。上述の如く火炎タイプ１４は、火炎タイプ１０、１２及び１４に関する限りにおいてはＮＯ_x発生が最も低減されるとの事実によって特徴づけられ、一方、上述の火炎タイプ１０は、低ＮＯではあるが、高ＣＯ及び高乳白度の火炎を形成するとの事実によって特徴づけられ、火炎タイプ１２が最適な、すなわち低ＮＯ_x、低ＣＯ及び低乳白度を達成する。次に、上述の外部区域及び内部区域の記載を明白にするために、図５及び６を参照する。この目的のため、図５及び６において参照番号２２によって示されている放射状層化火炎中心バーナの如き放射状層化火炎中心バーナの部品についてのみここでは詳述する。ここでは詳述しない放射状層化火炎中心バーナの他の部品の説明については従来技術を参照する。継続して述べれば、図６を参照することにより最もよく理解されるように、上述した外部区域は、その直径が参照番号２４で示される区域でなる。一方、上述の内部区域は、その直径が参照番号２６で示される区域でなる。次に、放射状層化火炎中心バーナ２２の内部の流路（該流路を通って外部区域２４に注入される前に空気が流れる）及び放射状層化火炎中心バーナ２２の内部の流路（該流路を通って内部区域２６に注入される前に空気及び化石燃料が流れる）を説明する。この目的のため、図５及び６の両方を再度参照する。図５を参照することによって最もよく理解されるように、放射状層化火炎中心バーナ２２は、化石燃料燃焼炉（図示していない）内の予め決められた位置に支持状態で取付けられるようになっている。このため、化石燃料燃焼炉（図示していない）の壁には、この目的のため、適切な開口が設けられている。図５に示す放射状層化火炎中心バーナの具体例によれば、化石燃料燃焼炉（図示していない）の壁の前記開口内における支持状態での放射状層化火炎中心バーナの取付けは、図５において参照番号２８で示された取付け手段によって達成される。化石燃料燃焼炉の壁に取付けられると、放射状層化火炎中心バーナの図５において参照番号３０で示す部分は、この目的のため化石燃料燃焼炉（図示していない）の壁に設けられた開口内に突出する。続けて述べれば、外部区域２４に注入される前に放射状層化火炎中心バーナを通って流れる空気は、複数個のインレット開口（図５において参照番号３０で示されている）を通って放射状層化火炎中心バーナに入る。図における説明を明確にするために、図５においては、インレット内に、前記複数個のインレット開口３０の内の２つのみが見られる。この目的のために放射状層化火炎中心バーナ２２に設けられた複数個のインレット開口３０を通って放射状層化火炎中心バーナ２２に入った後、空気は、図６を参照することによって最もよく理解されるように、空気が外部区域２４に注入される前に該空気に予め決められた角モメンタムを付与する目的での使用に適する手段（図６において、参照番号３２で示されている）を通って流れる。図６を参照することによって理解されるように、手段３０は、放射状層化火炎中心バーナ２２の内部に予め決められた距離で好適に配置される。容易に理解されるように、この予め決められた距離を図６において矢印（図６において参照番号３４を使用することによって示す）で示してある。放射状層化火炎中心バーナ２２の内部における上記配置により、手段３２は化石燃料燃焼炉（図示していない）から放射される熱にさらされることはない。次に、内部区域２６に注入される空気及び化石燃料の放射状層化火炎中心バーナ２２を通る流路について説明する。この目的のため、図５及び６を再度参照する。図５を参照することによって最もよく理解されるように、化石燃料は燃料インレット開口（図５において参照番号３６で示されている）を通って放射状層化火炎中心バーナ２２に入る。燃料インレット開口３６を通って放射状層化火炎中心バーナ２２に入った後、化石燃料は、内部区域２６内に注入される前に、本質的に放射状層化火炎中心バーナ２２の中心線に沿って流れる。一方、内部区域２６内に注入された空気は、化石燃料が放射状層化火炎中心バーナ２２を通って流れる際に通る流路を包囲する関係で流れる。この目的のため放射状層化火炎中心バーナ２２に設けられた好適なインレット開口を通って放射状層化火炎中心バーナに入った後、空気は、空気が内部区域２６に注入される前に該空気に角モメンタムを付与する目的での使用に適する手段（図６において参照番号３８で示されている）を通って流れる。既に示したように、内部区域２６に注入される化石燃料の燃焼に要求される空気全体の約６０〜８０％が外部区域２４に注入され、一方、内部区域２６に注入される化石燃料の燃焼に要求される空気の残部は、化石燃料と共に内部区域２６に注入される。さらに、既に述べたように、本発明に従って、内部区域２６に注入された空気の角モメンタムを制御することによって及び化石燃料を内部区域２６内に注入する際の注入角を制御することによって、制御を行うこと、すなわち、内部区域２６に注入された化石燃料の燃焼の結果として放射状層化火炎中心バーナによって形成される火炎が、放射状層化火炎中心バーナが設置される際の化石燃料燃焼炉の深さを関数として確立される予め決められた火炎長さを有することが可能である。次に、本発明の放射状層化火炎中心バーナの制御を行う方法の実施に供される放射状層化火炎中心バーナ（参照番号２２′で示されている）の第２の具体例を示す図７を参照する。図５及び６に図示した放射状層化火炎中心バーナ２２と図７に示す放射状層化火炎中心バーナ２２′との間の構成上の大きな差異は、外部区域２４に注入される空気が放射状層化火炎中心バーナ２２及び２２′に入る際に通るインレット開口の構成にある。放射状層化火炎中心バーナ２２の場合、インレット開口３０と放射状層化火炎中心バーナ２２の内部との間に遷移部片（図５において参照番号４０によって示される）が配置されている。一方、放射状層化火炎中心バーナ２２′の場合には、放射状層化火炎中心バーナ２２の場合に各インレット開口と組合わされていた遷移部片４０が排除され、従って、放射状層化火炎中心バーナ２２′では、インレット開口３０を通って放射状層化火炎中心バーナ２２′に入った後、外部区域２６に注入された空気は、ここから直接放射状層化火炎中心バーナ２２′の内部に流入する。このように、本発明によれば、放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法が提供される。さらに、本発明によれば、炉が具現化する深さにかかわらず、放射状層化火炎中心バーナが、達成が求められているＮＯ_x発生の低減の実現を可能にできる放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法が提供される。さらに、本発明によれば、放射状層化火炎中心バーナが、オーバファイア空気又は煙道ガスの再循環を使用することなく、州及び合衆国のＮＯ_x規制に適合するレベルにＮＯ_xの発生を低減できる放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法が提供される。また、本発明によれば、放射状層化火炎中心バーナが、Ｎｏ.６燃料油を燃焼させる際に0.2 5 lb／MM BTUより小のＮＯ_x値を達成できる放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法が提供される。さらに、本発明によれば、その角モメンタムを調節し及びその空気流をバイアスさせる能力を具現化する放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法が提供される。さらに、本発明によれば、放射状層化火炎中心バーナが、その操作メカニズムが炉から放射される熱から保護されるように配置されているとの事実によって特徴づけられるものである放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法が提供される。さらに、本発明によれば、放射状層化火炎中心バーナが多燃料能力（すなわち、油、天然ガス及び石炭）を有するものである放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法が提供される。さらに、本発明によれば、放射状層化火炎中心バーナが実質的にいかなる新規の又は既存の燃焼システムにも一体化されうるものである放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法が提供される。さらに、本発明によれば、放射状層化火炎中心バーナが実質的にいかなるボイラデザインにも改装されるものである放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法が提供される。さらに、本発明によれば、放射状層化火炎中心バーナが１ MM BTU／時間からのバーナ熱インプットを有するものである放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法が提供される。最後に、本発明によれば、放射状層化火炎中心バーナが熱及び／又は腐食の発生を解消するために、使用に当たり高品位の物質を選択することを可能にするものである放射状層化火炎中心バーナの制御を行う新規でかつ改良された方法が提供される。本発明の具体例を例示したが、当業者によって容易にこれに変更（そのいくつかについては上記記載において示唆している）が加えられるであろう。従って、添付の請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲に属する他のいかなる変形例と共に、ここに示唆した変形例を保護するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＺ，ＥＥ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＲ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者デュビートーマスジーアメリカ合衆国コネチカット 06082 エンフィールドビグローコモンズ 2348 (72)発明者ラフレッシュリチャードシーアメリカ合衆国コネチカット 06078 サフィールドヒルストリート 1678 (72)発明者ニコルソンジュリーエーアメリカ合衆国コネチカット 06516 ニューヘブンノーウェルストリート 69 (72)発明者ソーノックデービッドイーアメリカ合衆国コネチカット 06790 トリントンアッパーバレーロード 190 【要約の続き】いた火炎の許容長さより長くならないように、放射状層化火炎中心バーナによって形成される火炎の長さの制御を行うことを包含してなることを特徴とする放射状層化火炎中心バーナの制御法。

Claims

【特許請求の範囲】１化石燃料燃焼炉に設置されるタイプの放射状層化火炎中心バーナの制御を行う方法において、ａ．放射状層化火炎中心バーナが設置される深さを決定し；ｂ．放射状層化火炎中心バーナが設置される際の化石燃料燃焼炉の深さを関数として、放射状層化火炎中心バーナが形成できる火炎の許容長さを確立し；ｃ．放射状層化火炎中心バーナの作動を介して燃焼される化石燃料の燃焼を行うために要求される全空気の第１の部分の注入の結果として、空気流の外部区域を確立し；ｄ．放射状層化火炎中心バーナの作動を介して燃焼される化石燃料の燃焼を行うために要求される全空気の第２の部分の注入の結果として及び放射状層化火炎中心バーナの作動を介して燃焼される化石燃料の注入の結果として、空気流及び化石燃料流の内部区域を確立し；及びｅ．前記内部区域に注入される空気の角モメンタムを制御すること及び前記内部区域に注入される化石燃料の注入角度を制御することによって、放射状層化火炎中心バーナによって形成される火炎の長さが、放射状層化火炎中心バーナが設置される化石燃料燃焼炉について確立されていた火炎の許容長さより長くならないように、放射状層化火炎中心バーナによって形成される火炎の長さの制御を行うことを包含してなることを特徴とする。放射状層化火炎中心バーナの制御法。２外部区域に注入される全空気の第１の部分が、放射状層化火炎中心バーナの作動を介して燃焼される化石燃料の燃焼を行うために要求される空気の全量の６０〜８０％である、請求項１記載の放射状層化火炎中心バーナの制御法。３外部区域に注入される全空気の第１の部分に対し、該全空気の第１の部分がここに注入される前に、角モメンタムを付与する工程をさらに包含してなる、請求項２記載の放射状層化火炎中心バーナの制御法。４空気流の外部区域が放射状層化火炎中心バーナの中心線と同軸ではあるが、中心線から離れている位置にある、請求項３記載の放射状層化火炎中心バーナの制御法。５内部区域に注入される全空気の第２の部分が、放射状層化火炎中心バーナの作動を介して燃焼される化石燃料の燃焼を行うために要求される全空気の残部である、請求項２記載の放射状層化火炎中心バーナの制御法。６空気流及び化石燃料の内部区域が放射状層化火炎中心バーナの中心線に沿って位置する、請求項５記載の放射状層化火炎中心バーナの制御法。７内部区域に注入される全空気の第２の部分に対し、該全空気の第２の部分がここに注入される前に、角モメンタムを付与する工程をさらに包含してなる、請求項６記載の放射状層化火炎中心バーナの制御法。８放射状層化火炎中心バーナの作動を介して燃焼される化石燃料のすべてが内部区域に注入される、請求項１記載の放射状層化火炎中心バーナの制御法。９化石燃料が、放射状層化火炎中心バーナの中心線に沿って内部区域に注入される、請求項８記載の放射状層化火炎中心バーナの制御法。１０放射状層化火炎中心バーナが１ MM BTUからのバーナ熱インプットを有するものである、請求項１記載の方法。