JPS5916161B2 - 高温高圧エネルギ−気体の発生法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は石油その他の炭化水素系燃料を純酸素で完全燃
焼させて生ずる高温のジェット炎により水を加熱し、燃
焼ガス即ち炭酸ガスと水蒸気と水蒸気の高温高圧の混合
ガスを発生させる装置に関する。

従来よりノズルから噴射される流体燃料を圧縮空気によ
り燃暁させ、得られる高圧燃焼ガスをタービンで機械的
エネルギーに変換させるガスタービンはよく知られてい
る。

しかしこの場合、高温高圧の反応であるため空気中の窒
素が反応し窒素酸化物（ＮＯｘ）を発生するが、このＮ
Ｏｘは生理的に猛毒であり大気汚染による公害源となっ
ている。

今日このＮＯｘの除去手段については未だ実用的成果に
達しておらず、特に自動車に関する所謂５１年規制（０
，２５ｇｒ／ＩＫｍ走行）については一般国民の反対に
も不拘３年間延期となっているのが実情である。

近年、ＮＯｘを発生させないために空気の代りに純酸素
を用いで燃料を燃暁させることも考えられているが、純
酸素を用いた場合形成されるジェット炎は酸素アセチレ
ンバーナーの炎と同じで３．０００℃を超える高温とな
る。

従来の高温蒸気発生装置は水管ボイラーに見られる如く
石炭の燃焼室中に例えば蛇管状水管を設け、燃焼炎によ
り管壁を介して管中の水を加熱、蒸気化する方法が採用
されている。

しかし、このような態様の蒸気発生方式では前記の高温
ジェット炎を発生する純酸素燃焼法はジェット炎と直接
接触する水管の外壁部分が溶融破壊されるという問題が
生じる。

そこで、従来より周囲の壁面を二重構造として冷水を通
して炉の内面を保護する方法などが提案されているが、
こうした方法では構造が複雑となリ、ガスの発生量に対
して装置が大型化して蒸気発生効率も低下する。

本発明は燃料として石油等の炭化水素を用い、純酸素に
よってこれを？Ｊさせて３．ＯＯＯ’Ｃのジェット炎を
生成させるが、このジェット炎の温度を注水によって１
．５００℃以下に下降させる方式によって上記の問題点
を解消し、かつＮＯｘを発生させずに効率よく高温高圧
の混合ガスを発生させる装置を提供することを目的とす
る。

すなわち本発明によれば、燃焼室底部中央に設置したバ
ーナーの高熱のジェット炎は中空管を上昇する間にその
外側に設けた螺旋状フィンを赤熱し、その上を流下する
水を瞬間的に蒸発させる方式の熱交換により燃焼ガスの
温度を低下（例えば１．５００℃以下まで低下）させる
と共に高温高圧（例えば１．０００℃、１２５Ｋｇ／ｃ
４）の水蒸気を発生させ、両者を混合してガスタービン
等を駆動させるための高温高圧の混合ガスを発生させる
ものである。

このため本発明は、閉鎖構造の燃焼室兼高温蒸気発生基
の下部に同心円状ダブルノズル式の燃焼バーナーを設け
、中心ノズルより炭化水素燃料を、同心環状ノズルから
純酸素を噴射点火して上向きジェット炎（３，０００℃
）として燃焼させ、この３，０００℃のジェット炎の直
上に火炎が中空部を通るように表面に螺旋状のフィンを
備えた中空管を直立して設け、この螺旋状のフィンに沿
ってで燃焼室の頂部から圧入された水を流下させ、それ
によって発生した高温高圧の水蒸気は上昇する燃焼ガス
と混合され、この混合ガスは上記閉鎖構造の燃焼室傭高
温蒸気発生塔の上部に設けられた圧力制御弁を介してタ
ービン等に送るようにした高温高圧の混合ガス発生装置
である。

本発明の具体例を添付図面を参照して説明する。

第１図は石油系炭化水素液体燃料を外気を遮断した閉鎖
構造の燃焼室葦高温蒸気発生塔内で純酸素気流中で完全
燃焼させ、別に塔の頂部から加圧注入した流体の水をそ
の燃焼熱で高温高圧水蒸気に転換させ、生成した高温高
圧水蒸気と燃焼ガス（主成分は水蒸気と炭酸ガス）との
混合気体でタービン駆動の仕事をさせる機構を図示した
ものである。

第１図において、１は外気を遮断した閉鎖構造の燃焼室
葦高温蒸気発生塔（以下蒸気発生基と云う）である。

この発生基は下部に燃料を燃焼させるための燃料酸素バ
ーナー９を装備し、このバーナーは加圧注入燃料を同時
に圧入される酸素で完全燃焼させるように、同心円状ダ
ブルノズル式で設計されており、溶接に使用する酸素ア
セチレンバーナーと同じ構造である。

燃料送大系は燃料圧入管２、燃料噴射用ポンプ３、燃料
調節弁４、燃料制御用圧力センサー５およびコンピュー
ター６からなる。

燃料タンク（図示せず）から送られる燃料は、燃料流入
管Ｔより燃料調節弁４を経て、燃料噴射ポンプ３により
燃料圧入管２から蒸気発生基の下部に開口する燃料噴射
ノズル８より塔内に噴射され、周囲より圧入された純酸
素と混合され、点火栓１５により点火燃焼して２，００
０℃以上の細長い青白色の高温ジェット炎となって塔の
中心を上昇する。

燃料の量は塔内圧力を検出する圧力センサー５と連動し
て予かしめ２，０００℃以上の青白色ジェット炎を生成
させるのに必要な燃料量を酸素量と共に記憶させたコン
ピューター６からの指令に応じて作動する燃料調節弁４
によって調節圧入される。

調節された量の燃料は燃料噴射ポンプによりジーゼル機
関の場合と同様の燃料噴射ノズル８より噴射される。

噴射ポンプは通常のプランジャーポンプでよ゛いが、殆
んど全ての規格のものが市販されているジーゼル機関用
燃料噴射ポンプを使用すればよく、特別の構造を必要と
しない。

酸素送大系は酸素圧入管１０、酸素制御弁１１、酸素制
御用圧力センサー１２およびコンピューター１３から成
る。

高圧酸素ボンベまたは液体酸素タンク（図示せず）から
の純酸素は、燃料系と同様に圧力センサー１２の指示圧
力に連動し予かしめ燃料を完全燃焼させるのに必要な酸
素量を記憶させておいた酸素制御コンピューター１３の
指令により開閉する酸素制御弁１１の作動によって、蒸
気発生塔内に開口する酸素ノズル１４から放出され、燃
料噴射ノズル８から噴射される燃料と混合し、点火栓１
５によって点火される。

燃料噴射ノズルは点火されると、高温バーナーとなり、
燃料は２．０００℃以上の細長い青白色のジェット炎と
なって燃焼する。

二重同心円構造の燃料酸素バーナー９は溶接剤の酸素ア
セチレンバーナーと全く同様の構造である。

着火装置は白金線、ニクロム線などでもよいが、自動車
用点火栓を使用すれば、低価格、ネジ止め装着可能など
の点で便利である。

燃料および酸素は高圧状態で噴射されるので、一見、２
，０００°Ｃ以上の高温を示す青白色筋のジェット炎と
なって燃焼する。

その際燃料は多気筒ジーゼル機関用（図では囲気筒）燃
料噴射ポンプによって脈動的に供給されるが、多気筒に
よる各燃料送入管は一本に集約されるので燃料噴射ノズ
ル８からは燃料が連続的に噴射され、最初に一旦点火さ
れた後は燃焼は連続自動的に行なわれる。

一方、高温高圧蒸気発生基１の上部からは水が水圧入系
によって塔の中心部に装着されている中空基１９の外側
に熔接された蒸気発生用の螺旋板デツキ（螺旋状フィン
）１８の上端に流下される。

水の圧入装置としては塔内の高圧に対応して水を圧入す
るための水噴射ポンプ１７と塔内の螺旋状フィン１８の
上端に開口する水圧入管１６とからなり、水噴射ポンプ
は前記の燃料送入装置と全く同様のジーゼル機関の燃料
ポンプを使用する。

螺旋状フィン１８の上端に圧入流下された水はデツキ上
を薄層状に流下しつつ下端から中空管１９内を垂直に上
昇する細長い高熱ジェット炎の熱で蒸発し、閉鎖容器の
効果によって高圧水蒸気となる。

螺旋状フィン１８はステンレス鋼製であって、ジェット
炎の太さく径５０〜１００ｍｍ）に見合った内径を有す
るステンレス鋼円筒中空管１９の外側に熔接されている
。

中空管１９は管内を垂直に上昇するジェット炎の中心の
約２，０００℃の高温部が直接金属表面に触れないよう
に設計され位置させる必要がある。

ステンレスの円筒中空管を上昇する高温ジェット炎の高
温燃焼ガスは中空管の内側を加熱し、外面に熔接されて
いる螺旋状フィン上を薄層状で流下する水を殆んど瞬間
的に気化して閉鎖室効果によって高温高圧状の水蒸気と
する。

燃焼室を葦ねた高温高圧蒸気発生基１の上端には高圧エ
ネルギー気体の圧力制御弁２１を装着した高圧気体噴出
管２０があり、塔内の蒸気／燃焼ガスの圧力がバーナー
の点火と共に漸次上昇し、高圧エネルギー気体としてタ
ービンを回転させるのに十分な圧力に達すると、この圧
力制御弁が自動的に開いて高圧気体は噴出管より噴出し
て排気回収室２２内のガスタービン２３を駆動させろ。

タービン回転の仕事を果して低温低圧となった排気は蒸
気機関に見られろように、なお１００°Ｃ内外の白煙水
蒸気であるから、排気室の底部から凝縮基２５に導びか
れ、水蒸気は凝縮塔内の蛇管コンデンサー２６内で凝縮
され、コンデンサーの下端から冷却水中に混入する。

液化しない燃焼ガス（炭酸ガス）は冷却水中に放出され
た後、冷却水上面から放散されるが、この中には勿論Ｎ
Ｏｘは実質的に含まれていない。

凝縮塔内の冷却水の一部は水圧入系の噴射ポンプに送ら
れた圧入水として回収再利用される。

以上述べたように本発明によれば、酸化剤として純酸素
を用いるのでＮＯｘは発生せず、しかも純酸素を用いて
形成された２ 、 ０００℃以上の高温ジェット炎と水
との間の効率的熱交換が達成され、全体として極めてコ
ンパクトで効率の高い混合ガス発生器を実現した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高温高圧エネルギー気体発生方式の実
施とその利用法を例示する概略図である。 １・・・燃焼室葦高温蒸気発生塔：２・・・燃料臥管；
３・・・燃料噴射用ポンプ：４・・・燃料調節弁；５・
・・燃料制御用圧力センサー：６・・・コンピューター
；７・・・燃料流入管；８・・・燃料噴射ノズル；９・
・・燃料酸素バーナー；１０・・・酸素圧入管；１１・
・・酸素制御弁；１２・・・酸素制御用圧力センサー：
１３・・・コンピューター；１４・・・酸素ノズル：１
５・・・点火栓：１６・・・水圧入管：１７・・・水噴
射ポンプ：１８・・・螺旋状フィン：１９・・・円筒中
空管：２０・・・高圧気体噴出管：２１・・・圧力制御
弁：２２・・・排気回収室：２３・・・ガスタービン：
２４・・・回転軸：２５・・・凝縮基：２６・・蛇管コ
ンデンサー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 閉鎖構造の燃焼室兼高温蒸気発生基の下部に燃焼バ
   ーナーを設け、容器外から圧入された炭化水素を主成分
   とする流体燃料を純酸素で燃暁させて上向きのジェット
   炎を形成し、該ジェット炎の直上に外周表面に螺旋状の
   フィンを備えた両端の開口した中空管を直立して設け、
   該ジェット炎が該中空管の中空部を通るようにし、該螺
   旋状のフィンに沿って上記蒸気発生塔の頂部から圧入さ
   れた水を流下させてジェット炎の側熱により赤熱された
   螺旋状フィンの表面から蒸発させ、それによって発生し
   た高温高圧の水蒸気と燃焼ガスとの混合によって生成さ
   れる混合ガスを上記蒸気発生塔の上部に設けられた圧力
   制御弁を介して機械エネルギー変換手段に送るように構
   成された燃焼ガスと水蒸気の混合ガス発生装置。