JPS6373006A - 炭素質微粉固体燃料の燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は石炭のような炭素質燃料の燃焼装置に関する。

水蒸気発生等のための従来のスラッギング炉においては
、微粉化した歴青炭又は半歴青炭を反一応区域に送入す
る。燃ｆｌ温度をアッシユ溶融温度又はそれ以上に保持
して、燃料中に存在する非燃焼性のアッシユの大部分を
溶融スラグに変える。このような従来の炉は、大気圧又
は大気圧付近で作動するように設計されており、その結
果、一般には極めて大型であり、高温燃焼生成物による
燃焼室の侵蝕を防止するためにセラミック構造体を使用
することが必要であり、大量の汚染物を大気中に放出し
、またその用途が厳しく限定されている。

このような大型の炉は、熱損失が大きく、全体的な熱効
率が低く、またパワー密度すなわち炉の単位容積当りの
熱パワー出力が望ましくない程低い。

本発明は、効率が良＜、燃料から最適化したエネルギー
回収が可能で、かつ向上したパワー密度をもって固体又
は液体の炭素質燃料を燃焼させるだめの方法及び装置を
提供するものである。改善された熱的及び容積的効率は
、旋型流の場を通ってらせん状に進む燃料と酸化剤ガス
との混合物を提供することによって得られ、この旋廻流
の場は、スラグの中の望ましくない程大きな未燃焼部分
を損失させることなしにアッシユ及びスラグの大部分を
遠心力作用によってガス状燃焼生成物から分離するよう
に働く。本発明の燃焼装置が占める空間的大きさはこれ
と同等の熱パワー出力を有する従来の燃焼装置に比べて
小さい。本発明においては、反応区域内の温度を制御し
て、燃料中に存在する非燃焼物の大部分を溶融させ、こ
れを反応室の壁土に液状で沈着させ、反応区域から別個
に除去し、そして化学物質を反応区域に添加して排出ガ
ス中の汚染物質を減らす。本発明の一つの実施例装置は
磁気流体力学発電機とともに用いらのに特に良く適する
。本発明装置はまた、天然のガス又は油を焚くように設
計かつ構成されている熱エネルギー施設への付属設備と
して好適し、また冶金的処理若しくはクラブキング、石
炭熱分解、又は発生炉ガスまたは合成ガスの製造のよう
な他の化学処理を行うのに用いることができる。

本発明装置は反応区域を形成する壁を有する室を有す。

この室には燃料入口があり、この人口を通じて固体又は
液体の燃料の粒子を供給する。大部分の用途に対しては
、燃料の粒子は粒径が約７５０ミクロン以下である。適
当する燃料は、微粉炭、粉砕した油含有頁岩、石油残留
物、等である。また上記室には酸化剤人口があり、この
入口を通じて燃焼区域内に空気又は純酸素のようなうず
巻く酸化剤ガスを導入する。上記人口の下流には出口が
あり、この出口を通じて上記室から、ガス状の反応生成
物及び室の内壁上に捕集されないスラグの微細粒子が排
出される。

本発明による装置の特徴は、燃料の粒子が、これが室の
内壁に衝突する前に、はぼ完全に反応させられることで
ある。これは、”反応区域内の流体力学弾道学的形態を
制御して、燃料粒子の燃焼時間をこの粒子の室壁までの
飛走時間よりも短かくすることによって達成される。流
体力学弾道学的形態における燃焼の主な特徴は、混合を
最適化し、また、スラグによる炭素の捕捉、下降率、燃
料の型または組硯、スラグ除去率、炭素燃焼効率、及び
燃焼区域添加物のような種々の燃焼条件に対して燃焼過
程を変化させることが可能であるということである。こ
の特徴があるので、本発明による装置はこれと同等の熱
パワー出力を有する燃焼機よりもかなり小形である。ま
た、本発明においては燃焼しつつある粒子の飛走を制御
するので、本発明装置は発生炉ガス、合成ガスの製造、
又は後で説明する冶金処理に特に良く適する。

本発明の一つの実施例においては、酸化剤ガスを筒状の
室内に複数の別々の流れとして導入する。

一つのガス粒は反応区域内に反応室の縦軸とほぼ平行の
方向に注入し、第２の流れは反応室の壁に対して接線方
向に導入する。これら２つのガス流及び反応室内に導入
する燃料の流量及び速度を規制することにより、燃焼粒
子の飛走中燃焼を実現及び保持することができる。特に
、本発明においては、反応区域において酸化剤と燃料と
の混合物の旋廻流を作る。ここに旋廻流とは、はぼ純粋
な軸流又は輪とうすとの組合せ流を意味する。これら２
つの型の流れについては後で詳述するが、いずれの型も
、若干の従来の燃焼機において用いられているうす型温
によって得られるものに比べて、燃焼しつつある粒子の
反応区域における滞留時間がかなり長い流体力学弾道学
的形態を提供するものである。

本発明の装置及びその作動の状態は、燃料のスラグ成分
の大部分がガス状反応生成物から、この生成物が反応室
から出て行く前に、除去されるようになっている。特に
、本発明の好ましい実施例においては、反応室は反応区
域の出口端にスラグバッフルを備えている。旋廻流はス
ラグ粒子を反応室の下流端の近くにおいて半径方向に反
応室の壁の方へ運ぶ働きをなし、反応区域内の反応温度
はスラグ蒸発を最少ならしめるレベルに保持される。ス
ラグの約９５％までが反応室壁土に沈着し、反応区域か
ら液体として除去される。ガス状反応生成物からスラグ
を液体状で分離することは、少なくとも一部は、燃料と
空気との相対送入速度を制御して反応区域内の温度を制
御することによって制御される。その結果、反応室内面
に沈着したスラグの液体小滴は液状のままでおって反応
室の下部へ流れ、スラグトラップ又は他の適当なスラグ
除去及び処理装置を介して除去される。更に、金属製の
水冷式反応室を用いることにより、反応室の内面上の固
化したスラグの層の拡大が促進される。反応室内壁上の
固化スラグの層は熱伝導率が比較的小さいから、この層
は内部室壁を保護するライナの役をなし、また熱損失を
減らす。この燃料送入及び酸化剤送入を制御する機構に
、スラグバッフル及び水冷式反応室とともに用いられ、
送出ガス流内の蒸発したスラグの濃度を最小化し、スラ
グの大部分を液体状で除去する手段を構成する。

本発明の実施例においては、燃料は第１の反応区域に、
キャリヤガスと混合してこれによって運ばれる微細化し
た炭素質材料の形で供給される。

燃料注入装置は好しくはピントル弁装置を備え、これに
よって燃料送入速度を制御し、また後で詳述するように
、燃料を反応区域内で分散させる。

色々な作動モードに対しては反応区域内に色々な燃料分
散パターンを用いるのが望ましい。これは、ピントル弁
を色々な位置に置くか、又は燃料を注入する噴射角度を
反応室の縦軸に対して変化させることによってなされる
。一つの実施例においては、ピントル弁装置は、径が大
きな末端部を有する同軸配置された縦方向調節可能なピ
ントルを有す。この径が大きな末端部のほぼ円錐面はデ
フレクタとして働き、送入された燃料をピントル弁装置
から半径方向外方へ導いてほぼ円錐形分散バクーンにす
る。燃料流量の調節は２つの機構の組合せによってなさ
れる。第１の機構においては、燃料対キャリヤガスの比
率をキャリヤガス流を増減することによって変化させる
。固体対ガス比率は、上は１００：１から下はほぼ前部
がキャリヤガスである比率まで、ピントル弁に運動部品
を用いることなしに、広い範囲にわたって絞り制御でき
る。

第２の機構は燃料送入を制御するものであり、これはピ
ントル弁の縦方向調節によってなされる。

本発明の一つの実施例は特別に設計したものであり、磁
気流体力学発電機に用いられる。この実施例装置は、第
１の反応室のスラッギングバッフルから直ぐ下流に配置
された第２の反応室を有す。

またこの実施例装置は、追加の酸化剤ガスを導入し、こ
れを第１の反応区域から出て来るガス状反応生成物と混
合させる。この構成により、第１の反応区域は燃料が豊
富な状態すなわち燃料リッチで作動し、従って排出ガス
は一酸化炭素及び炭化水素のようなかなりの量の不完全
燃焼生成物を含有する。第２の室においては、これら生
成物は更に反応して追加の熱エネルギーを作る。約９０
％以上のスラグが第１の反応区域において除去されてい
るから、第２の反応室における温度をスラグ蒸発温度以
上に高くすることができ、熱力学的効率を改善して熱的
パワーを電気的パワーに変換することができる。

この実施例装置は、第２の反応室の人口端近くに、反応
物送入装置を有しており、これにより、選択された追加
の反応物を第２の反応室に流入する高温ガス流に加える
ことができる。更に、第２の反応室はガス状反応生成物
の高い角速度を減少又は無くするた必の装置を有す。一
つの実施例においては、角速度の変化は、補足の空気を
成る方向に成る速度で注入してこの追加の酸化剤ガスの
角運動量を第１の反応区域から出て来る反応生成物の角
運動量と平衡させて相殺させることによってなされる。

この追加の酸化剤ガスの第２の反応室内への導入は、運
動量交換により、ガス状反応生成物のうす巻きをなくす
る手段となる。

本発明の方法及び装、置は、銅、亜鉛、鉄、鉛、ニッケ
ル、及び銀の酸化物及び硫化物のような金属鉱石の溶融
に有利に用いられることが見い出された。冶金処理にお
いては、先ず燃料医大速度を調節するか又は予め定めて
、燃焼区域内に所望の温度状態を保持するのに充分なレ
ベルで作動するようにする。燃料送入レベルが決まった
ら、空気送入を調節して、要求に応じて燃焼区域内の燃
料過剰的すなわち燃料リッチの又は燃料不足的すなわち
燃料プアの作動が得られるようにする。多くの冶金処理
においては、反応区域を化学量論の燃料リッチ側に保持
して還元性雰囲気を提供するのが好ましく、この雰囲気
内に選鉱鉱石を投入する。

金属鉱石は、好ましくは、これを微砕粉として微粉固体
燃料と混合するか又はキャリヤガスと混合して反応区域
内に導入されるのであり、別個のピントル弁又は他の適
当な反応物注入装置を通じて反応区域に注入される。こ
のようにしてガス状反応生成物の燃料リッチの流れ内に
注入された選鉱鉱石はこれと混合する燃料リッチガスに
よって還元され、溶融した金属の小滴がガス状反応生成
物の回転体の下流部分に形成される。装置を適当に９周
節すれば、この溶融金属小滴は、反応区域の排出端の方
へ進みながら遠心力を受け、反応室の半径方向末端の方
へ加速される。従って、燃焼区域内の旋廻流は、溶融し
た金属をガス状燃焼生成物かち分離してこの溶融金属を
反応室の壁上に沈着させるように働くものであり、沈着
した金属は室壁からスラグとともに運び出される。

大多数の冶金処理においては、燃料リッチ作動を行なっ
て燃焼区域内に還元性雰囲気を保持するが、本発明の適
用はこれに限定されるものではない。特殊の例として、
金Ｒ銅は黄銅鉱及び輝銅鉱のような銅の硫化物から作ら
れ、この時、燃焼区域は平衡した化学量論状態又は僅か
に酸化剤過剰状態すなわち酸化剤リッチで作動する。

本発明の他の特徴としては、反応区域において行われる
格別の型の反応の化学によって示される化学反応の目的
のために、他の反応物を選鉱鉱石とともに又は別個に反
応区域に加える。例えば、添加物を用いて、スラグと金
属生成物との分離をし易くしたり、又は、燃焼過程で発
生する空気汚染の可能性ある汚染物質の捕捉を増大する
。選択された反応物を加え、かつ温度制御することによ
り、酸化硫黄（ＳＯＸ）溶出物を、従来の堆積ガススフ
ラッパ装置を用いることなしに、ガス状燃焼生成物から
除去することができる。ＳＯＸ放出を制御するために、
炭酸塩のような処理化学剤を送入燃料に添加するか又は
別個に反応室に導入する。酸化窒素（ＮＯＸ）汚染物の
形成は燃料リッチ燃焼状態を保持することによって制御
され、これにより温度はＮＯｘの急速な形成を妨げるよ
うに充分に低いレベルに制限される。

本発明の他の特徴は発生炉ガスまたは合成ガスを作るこ
とができることである。本発明装置を用いて炭素質燃料
を燃焼し、従来からある油又はガス焚きバーナに供給す
る型の発生炉ガスを作る。

このような発生炉ガスとしてはできるだけ多くの一酸化
炭素を有することが望ましい。これによりガスの熱量含
量が増し、その経済価値が高まる。

若干の水が石炭及び空気とともに反応区域内に運び込ま
れるが、水又は水蒸気を反応区域に加えるのは望ましく
ない。すなわち、これは−酸化炭素の生成量を減少させ
るからである。しかし、適当な化学剤を反応区域内に注
入してＳＯＸを除去することは望ましい。油及びガスが
欠乏しているときは、本発明による装置を用いて、油及
び天然ガスの代替となるきれいな燃焼燃料を作ることが
できる。

合成ガスは、燃焼過程中に空気の代りに純酸素を用１１
、適当量の水蒸気を注入して合成ガス中の一酸化炭素と
水累とを所望の比率にすることによって作られる。空気
の代りに酸素を用いる理由は、合成ガスの希釈物となり
また多くの場合は有害成分となる窒素を除くためである
。本発明装置内では石炭をきれいに燃焼させてＳＯＸ及
びスラグを排出ガスから除去できるから、本発明による
装置は従来の技術に比べて合成ガスを安価に作ることが
できる。

本発明の他の特徴としては、本発明による装置を用いて
、石炭、頁岩、又は油のような炭素質材料の処理に用い
る高温の排出ガスを発生させることができる。このよう
な炭素質材料の処理に適する装置は、本発明による装置
を具備する第１のステージと、この本発明による装着に
連結される１つ以上のステージを有す。炭素質材料は１
つ以上のこれらの下流ステージに供給され、第１のステ
ージ又は第２のステージから後続のステージに流入する
排出ガスは炭素質材料を処理するための熱を提供する。

固体は装置の最終ステージから出て来るガス状成分から
分離され、揮発性の炭化水素は回収される。石炭の処理
においては、熱ガスが石炭中の水及び炭化水素を蒸発さ
せる。価値のある炭化水素は回収され、そして、重さの
軽い残留チャーは未処理の石炭よりも経済的に輸送され
る。

例えば、石炭は２０重量パーセントもの水を含んでいる
。このような多量の水を含んでいる石炭の輸送費は、本
発明による装置を用いる石炭処理費を相殺する以上の多
額である。頁岩を熱処理によってレトルトする場合には
、頁岩中のケローゲンが分解して油となり、次にこの油
を蒸発させて固体頁岩鉱物から分離する。油はフラッシ
ュクランキングによって処理する。すなわち、油の流れ
を装置の下流ステージ内に注入して急速に加熱する。

この油は分解して軽い炭化水素となり、次いでこの炭化
水素は不活性のガス状燃焼生成物から分離される。

本発明は、図面を参照して以下に行う本発明の実施例に
ついての詳細な説明から更によく理解でき、また他の利
点が解る。

次に本発明の一般的構成について説明する。

本発明の基本的概念の理解のために、第１図に本発明の
装置１０を簡単に示す。この装置１０は反応室２１を有
しており、この反応室２１は縦軸Ｚ対称の金属筒であり
、筒状の反応区域２２を形成している。入口端２３にお
いて、−次のまたは縦方向の空気が上記軸と平行な線に
沿って反応区域２２に流入する。入口端２３から下流に
注入ダクト２４があり、二次空気を反応区域２２内に接
線方向に導入するようになっている。人口端２３におい
て室２１と同軸的に燃料注入ピントル弁２５が設置され
ており、このピントル弁２５は燃料送入管２９内で縦方
向調節するだめのピントル２７を有しており、燃料は送
入管２９を通って上記反応室に流入する。ピントル２７
はテーパ付き端部３１を有し、燃料を縦軸から半径方向
外方へ鐘形の分散エンベロープ４１に向きをそらせるよ
うになっている。上記ピントルを第１図に示すように左
方へ移動させると、端部３１のテーパ面が管２９の端部
にある弁座３３の方へ移動し、反応区域２２に流入する
燃料の流量を漸次減らす。この構成により、ピントル弁
２５は送入燃料の流量を可変に制御する。右手端におい
て、反応室２１は中央開口３７のあるバッフル３５を有
しており、反応区域２２内で発生したガス状反応生成物
は開口３７を通って上記室から逸出する。バッフル３５
は微粒物及びスラグ滴をガス状反応生成物から分離する
。従って、開口３７を通って出て行く流れには液状スラ
グ固体粒子はあまり含まれていない。

第２ａ図ないし第２ｃ図に示すように、ピントル弁２５
０周りを環状に反応区域２２に流入する一次空気は、ダ
クト２４から反応区域に入って来る二次空気によって途
中でさえぎられる。炭素質燃料、例えば微粉炭は、窒素
（Ｎ２）、圧縮空気又はガス状燃料のようなキャリヤガ
スとの濃密な混合物の形で反応室２１に送入される。接
線方向に注入される二次空気流４７は上記燃料及び−次
空気と完全に混合し、後で詳述する流体原理に従って固
体燃料粒子を加速する。第２ｄ図に示すように、燃焼し
つつある燃料粒子と高温のガス状反応生成物との混合物
は、らせん状の通路４９に沿って反応区域２２の下流端
においてバッフル３５によって内方へ押され、中央開口
３７を通って室２１から逸出する。反応生成物がバッフ
ル３５によって内方へ押されるので、バッフルに至近し
た領域内では角速度が急激に増し、スラグ滴はガス流か
ら遠心力で分離され、大部分が上記室の壁及びバッフル
３５の内側面に沈着させられる。

鐘形分散エンベロブ４１内において運ばれる粒子は、空
気及び燃料の組合せ流量によって定まる平均速度で上記
室内を縦方向に移動する。小さな粒子は上記混合物の流
れに捕えられてこれとともに運ばれ、大きな粒子はその
元の速度ベクトルによっ、て一部定まる軌道に沿って移
動する。大きな粒子は急速回転するガスによって加速さ
れるが、この加速の程度は小さな粒子よりも少ない。す
なわち、第１図に示すように、線４３は、比較的大きな
燃料粒子、例えば約１００ミクロンの粒径を有す粒子の
らせん状軌道の外側限界を示すものである。このような
大きな粒子は、実際には、線４３に沿うのではなく、エ
ンベロブ４１内で縦軸の周りをらせん状に進むものであ
り、線４３はその外側限界を示すのである。同様に、比
較的小さな粒子、例えば粒径約１０ミクロンの石炭粒子
はエンベロブ４１内でらせん状通路を進むものであり、
線４５はその内側限界を示す。このように、粒径約１０
ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲の大きさのほ
ぼ全部の粒子は、線４３と４５との間のエンベロブ４１
内でらせん軌道に沿って進む。上記の燃料と２つの空気
流との混合の結果、運動量の交１り及び混合物の流れが
生じ、この混合物流れは上記室の長さに沿うほぼ筒状の
らせんとして延びる。後で更に明らかになる理由により
、旋廻流の分野または旋廻流・うす流の組合せ分野を反
応区域２２の主要部内に保持することが望ましい。

第１図に示す鐘形分散エンベロブ４１は、二次空気の流
速を１秒当り約４８．８メートル（１６０フイート）、
縦方向の一次空気の流速を１秒当り約１５．２メートル
（約５０フイート）、注入キャリヤガス及び燃料の混合
物の流速を１秒当り約３．０５ないし１５．２メートル
（約１０ないし５０フイート）と仮定した場合のもので
ある。しかし、本発明は上記の流速値にも、又はこれら
流速値の比率にも限定されるものではない。二次空気の
流速、−次空気の流速、燃料の送入流速、及び燃料の方
向の相互間の最適関係を選定することにより、エンベロ
ープ４１の形を広い範囲にわたって調整することができ
る。この選定は、使用する燃料及びそのときの処理に望
ましい緒特性に従って行なう。

ある場合には、燃料リッチの環境すなわち還元雰囲気中
での作動が望ましい。例えば、燃料作動は後述するよう
に反応温度下げ及びスラグ蒸発を制限するのに望ましい
。

次に反応室の設計について考察する。

反応器を小形にするためには、４．ｙ　Ｉ４粒子が小さ
いことが必要である。一般に、燃可害拉子は粒径が約７
５０ミクロン以下であるべきであり、約７５ミクロン以
下の粒径であることが望ましい。このような小さな粒子
は数ミリ秒以内に燃焼する。本発明における反応器は、
うず巻くガスによって充分な遠心力が生じて粒子を反応
室の内壁へ向って動かすが、はぼ全ての粒子が室壁に衝
突する前に完全に燃焼するように設計されている。例え
ば、粒径７５ミクロンの粒子は約６０ミリ秒以内に燃焼
する。粒子が注入される空気力学弾道学的環境は、粒子
に働く力が、この粒子が室壁に到達する前に完全に燃焼
するような力であるように制御されることが好ましい。

小さな粒子が受ける空気力学的抗力の影響は大きな粒子
よりも遥かに大きいということは一般に解っている。例
えば、小さな粒子が反応区域内のうず巻くガスに入ると
、この粒子によって突進する酸化剤ガスによって抗力が
生じ、この抗力により、はとんど同時に、この小さな粒
子の速度及び方向が変化して上記うず巻くガスの速度及
び方向と一致するようになる。これに反して、極めて大
きな粒子は、その慣性のために、この粒子がうず巻くガ
スに入り込んだときに持っていた速度及び方向で運動し
続けようとする。本発明が対象とする小さな粒子に関し
ては、これが反応区域に入った後数ミリ秒以内にほとん
ど全ての粒子はうず巻くガスの速度となる。

これらの粒子がガス中でうず巻くにつれて遠心力が生じ
、この遠心力は粒子の質量及び粒子の角速度に正比例す
る。大きな粒子は、小さな粒子よりも、これに働く大き
な遠心力を有し、抗力の影響を受けることが少ない。従
って、大きな粒子は小さな粒子よりも速かに外側壁の方
へ動く。うず巻くガスの接線速度を制御することにより
、粒子に働く遠心力及び抗力を制御できる。このことか
ら、うず巻くガスの接線速度を適当に選定することによ
り、大きな粒子を、これが反応室の壁に衝突する前に、
燃焼させることができる。入って来るガスの相互作用に
よって運搬作用が生じ、これにより、粒子に働く遠心力
及び抗力を変化させることができる。接線方向及び縦方
向のガス流の流量の比率を制御することにより、はぼ全
部の粒子を、これが反応室壁に衝突する前に燃焼させる
ことができる。更に、反応区域内のガスの流れの旋廻流
の程度が大きい程、反応室内における粒子の飛走時間が
長い。

反応室の設計においては、この室内に捕えられるスラグ
の量を最大限にするのが望ましい。小さな粒子は大きな
粒子のように速くは反応室壁の方へ動かないから、極め
て小さな粒子は室の開口を通って逸出し、微細なスラグ
滴の若干の損失があるのが常である。しかし、反応室の
長さ及び開口の大きさは、スラグの少な（とも約９０な
いし９５％が室内に捕えられるように選定する。

燃料粒子の注入速度が余りに大きく、そのために、粒子
が、その運動量によって、燃焼する前に反応室壁に到達
することのないように配慮する。

換言すれば、燃料粒子の速度をうず巻くガスの速度より
も充分に小さくし、ガスがこれに入って来る粒子に作用
してこれをうす内に充分な時間にわたって捕えて粒子を
完全に燃焼させるようにすることが必要である。

次に反応区域内の粒子の挙動について説明する。

本発明において用いる旋廻流の特性を完全に理解するた
めに、ガス流及びこのガスによって生じて粒子に働く力
についての詳細な考察を行う。

反応領域内のうず巻くガス内には２つの型のガス流、す
なわちうす流及び旋廻流がある。理論的に純粋なうす流
においては、接線速度は半径方向位置の関数として減少
する。換言すれば、最大接線速度は回転している流れの
場の中心付近にある。

うす流は次式によって数学的に特徴づけられる。

ここに、 ■、−接線速度、 Ｒｏ　−反応室の半径、 Ｒ＝半径上の位置、 ■。−半径外端における接線速度 である。

理論的に純粋なうす流を第３図にグラフ的に示す。

第３図において、曲線５１は、うす流湯における回転軸
からの半径方向距離の関数としての接線速度のプロット
である。曲線５１で示すように、接線速度は半径方向位
置の減少に伴って指数関数的に増加し、純粋なうす流が
保持されるならば、軸の近くにおいて極めて高い。

旋廻流においては、流体の全体が固体のように一緒に回
転する。この型の流れを「純粋旋廻流」と呼ぶことにす
る。純粋旋廻流は次式によって数学的に特徴づけられる
。

■、〜Ｒω ここ（乙 ■、＝接線速度、 Ｒ−半径方向の位置、 ω　＝Ｒにおける角速度 である。

すなわち、旋廻流においては、任意の半径方向位置Ｒに
おけるガスの接線速度は回転軸からのこの半径方向位置
に正比例する。これは、いうまでもなく、各構成部分が
互いに一定した関係にある回転固体の特性である。角速
度のは全ての半径方向位置において同一である。従って
、純粋旋廻流においては、同一の横断面においてはωは
全ての点（位置）に対して定数であり、最大接線速度は
、純粋うず流における最大接線速度が軸のすぐ近くにあ
るのと異なり、半径外端において生ずる。純粋旋廻流を
第４図に示す。第４図において、線５３は回転軸Ｚから
の半径方向距離の関数としてプロットした接線速度を表
わす。

軸方向空気を接線方向空気と混合するに際しては、反応
区域２２内のガス流を、このガス流が第５図に曲線５５
で示す速度プロフィルにほぼ対応するように制御する。

この曲線は反応区域２２に沿ける典型的な流れ形態であ
る。曲線部分５６は、速度が回転軸からの半径方向距離
のほぼ線型関数として増加する領域を示すものであり、
純粋旋廻流に対応する。純粋うず流にもっと近似的に対
応する流れ場の部分を曲線部分５７で示す。この組合せ
の旋廻・うす流の場においては、軸付近の接線速度は、
軸からの距離に伴ってほぼ直線的に増加し、バッフル開
口３７の半径とほぼ等しい距離において最大速度となる
。この点を外方へ越えると、速度は軸からの距離とほぼ
反比例して変化し、先に説明し第３図に示したうす流に
もっと近似的に対応する。従って、ここに用いる流れ場
は燃焼区域の心領域においては純枠旋廻流に近似してお
り、第３図及び第４図においてａで示す過渡部分を有し
、流れ場の外側シェル部分においてはうず流に実質的に
類似している。

大きな粒子の飛走時間は、この粒子が反応室を飛走する
初期においてこの粒子に出合うガスの接線速度を最小限
化することによって大巾に増大できる。従って、Ｒ＝Ｏ
からＲ＝ａまでの心領域の直径を実行可能な限り大きく
することが望ましい。

旋廻流の中心領域の実際の直径は反応室の長さに沿って
変化し、下流端付近ではバッフル開口３７の半径とほぼ
等しくなる。燃焼区域の上流部分においては、旋廻流中
心領域の半径ｒａＪは、速度、流量、及び燃料注入モー
ドを制御することによって最大限化することができ、こ
れによりスラグの捕獲に都合のよいように中心領域をで
きるだけ大きくすることができる。

本発明によれば、燃料及び２つの医大空気流の速度及び
流量を制御することにより、軸方向及び接線方向の空気
流と燃料との間の運動量伝達を制御して反応区域２２内
の流れ場を第５図に示す旋廻・うす流に類似させ、従っ
て、粒子の長い飛走時間を実現するものである。反応室
の直径を約４５．７センチメードル（１８インチ）程度
に小さくすることにより、大きな粒子に対して３０ない
し７０ミリ秒程度の飛走時間が得られる。自由飛走にお
ける化学反応のこの空気力学弾道学的制御を行なうこと
により、スラグ中の未燃焼燃料の損失を最小限化し、開
口３７を通って反応室から逸出するスラグの量を制限す
ることができる。この効果はまた、注入燃料の速度を酸
化剤ガスの医大接線方向流れの速度よりも小さくし、か
つ、酸化３’１’ｌガス流の角速度を増やそうとする部
分を燃料でさえぎらせることによって高められる。

上記の２つの流れの間の顕著な差異は反応区域２２にお
ける粒子の滞留時間である。これら２つの型の流れに同
じ半径において注入された同じような粒子に対しては、
その滞留時間は旋廻流内の方がうす流内よりも遥かに長
い。従って、飛走時間を長くするには、反応区域２２内
に旋廻流をよく生じさせるような条件の下で作動させる
のがよい。これは本発明の極めて重要な特徴であり、こ
れによりパワー密度を高めることができる。例えば、従
来のルルギ（Ｌｕｒｇｉ）　　のガス化器は、２〇−気
圧で作動した場合、反応室の約０．０２８３立方メート
ル（１立方）−ト）１時間当り石炭の約４．５４キログ
ラム（１０ボンド）のパワー密度を有す。

これに対して本発明の装置は、上記と同じ圧力で作動し
た場合、反応室の約０．０２８３立方メートル／時間当
り石炭の約３４５キログラム（７６０ボンド）のパワー
密度を有する。

本発明の装置内に優勢な旋廻流を保持することの利点は
、うず巻くガス内で運ばれる粒子の流体力学を考察する
ことによってよく理解できる。繰り返して言うと、本発
明の目的は、大きな粒子を充分に長い飛走時間にわたっ
て滞留させ、この粒子を、これが反応室の壁に衝突する
前に、はぼ完全に反応させてスラグ小滴に分解すること
である。

本発明の装置及びその作動は、未燃焼の及び部分的に燃
焼した粒子の半径方向加速を最小限化し、一方、スラグ
小滴の大部分を反応室壁に到達させるように設計しであ
る。これを達成するための手段は反応区域における粒子
について考察することによってよく理解できる。

いま、反応区域に入って来る粒子を考えてみる。

柄杓にこの粒子に働くのは抗力だけである。球形の粒子
を考えると、この抗力（Ｆ、）は次式の通りである。

ｇ ここに、 Ｃｄ　　は抗力密度、 Ｐ９　はガス密度、 Ｄ、　は粒子直径、 ■、　はガスの速度、 ■、　は粒子の速度、 ｇ　　は重力の加速度 である。

しかし、小さな粒子は、重さが軽い、すなわち質量が小
さいので、うず巻くガスによってこの粒子に働く抗力の
影響を大きな重い粒子よりも多く受ける。本発明の対象
とする全ての粒子は比較的小さいので、これらの粒子の
大部分は、これに働く抗力により、はとんど即時に、う
ず巻くガスの速度と同じ速度になる。

粒子が回転すると、遠心力（ＦＣ）　　が粒子に働く。

物理法則から、この遠心力は次式の通りである。

Ｆｃ＝ＭＲω２ ここに、 Ｍ　は粒子質量、 Ｒは粒子の半径方向位置、 ω　は粒子の角速度 である。

この式から、粒子の質量が大きい程、この粒子を反応室
の内側壁の方へ押しやる遠心力が大きくなる。遠心力が
あまり大きくならないように角速度を制御して粒子に与
えられる速度を制御し、粒子が完全に燃焼する前に反応
室壁に到達することのないようにする。うす型温におい
ては、反応室の中心付近で高速度であり、この回転流に
注入された燃料粒子は初期に大きな遠心力を受け、半径
方向に急速に加速される。他方、旋廻流においては、同
じ注入条件の下では、上記と同じ粒子は比較的小さい遠
心力を受け、従って、初期に受ける半径方向の加速は低
い。抗力は主として極めて小さな粒子の動きを制御する
から、この粒子は、一旦勢いよく回転させられると、ガ
ス中の同じ位置に停まろうとし、反応室壁の方へはゆっ
くりと動くだけである。

粒子の接線加速度（ｄＶθ／ｄｔ）は次式で与えられる
。

ｄＶθ　　１　８　μ　　　　ｄ（Ｖ、−Ｖ、）ｄｔ　
　　　ＰｐＤ、”　　　　　、　　ｄｔこの式から解る
ように、粒子の加速度は粒子直径の二乗に逆比例する。

従って、小さな粒子は、大きな粒子よりも速かに、うず
巻くガスと同じ速度となり、大きな粒子が飛走するとき
に異るガス環境内へ移動しようとして常に新しい酸化剤
ガスと摺接するのと同じ程度には、周りのガスと相対移
動しようとしない。これは大きな粒子の周りの反応生成
物のブランケットの展開を妨げ、大きな粒、子の燃焼を
著しく増大させる。これらの利点を実現できる程度は、
一部は、流れ場が純粋旋廻流に近似する程度に依存する
。

第６図は３つの異なる流れ場における与えられた大きさ
の粒子の挙動を示すものである。公称直径約０．４５７
メートル（１Ｍフート）の室内における粒径７５ミクロ
ンの粒子の半径方向位置を３つの異る条件の下で検討し
たものである。曲線Ａは、純粋うず流内では粒子が約１
０ミリ秒で室壁に到達することを示している。曲線Ｂは
、旋廻・うず流の組合せ場内ではこの粒子が約３０ミリ
秒で室壁に到達することを示している。曲線Ｃは、純枠
旋廻流内では粒子が室壁に到達するのに７０ミリ秒以上
かかることを示している。この粒子の燃焼時間は１０ミ
リ秒よりも長いから、純粋うず流では本発明の意図を達
成できない。流れ場が沌粋旋廻流によく近似してくるに
つれて、もっと大きな粒子もこの大きさの室内で燃焼可
能になる。

室をもっと大きくすればうす流内の粒子の飛走燃焼力Ｓ
可能になるが、これは経済的に不利であり、またパワー
密度及び効率を低下させる。

上記のようにして得られる８債または飛走燃焼により、
極めて高い熱効率が得られ、壁土での燃焼、これに付随
するスラグ中炭素の損失、及び壁への熱の過度の損失が
避けられる。更に、壁土燃焼は酸化体をこの壁へ運んで
くることを必要とし、従って余分の空気の使用が必要と
なり、反応区域２′２の外側領域内の還元雲囲気の保持
を妨げる。

更に、与えられた室直径に対してより長い滞留時間を与
え、かつ、より大きな粒子の飛走［スクラビングＪ　（
ｓｃｒｕｂｂｉｎｇ）　　を増大させることにより、極
めて高いパワー密度を得ることができる。本発明の装置
は回転するガスと大きな粒子との間の相対速度を最小限
化するものであるから、大きな粒子の燃焼が増大し、反
応区域２２は未燃焼粒子の過度の壁土沈着なしに燃料リ
ッチ状態で作動できる。燃料リッチ作動が可能であるの
で、反応区域作動温度をスラグの過度の蒸発のない温度
に保持することが容易になる。従って、本発明の装置に
おいては、過大燃料のスラグ成分の９０％以上を、ガス
状反応生成物が反応室から出る前に、液体として除去で
きる。

次に本発明の実施例について説明する。

第７図及び第８図は、磁気流体力学的発電機を駆動する
ための高温プラズマ流を発生するための微粉炭の燃焼に
良く適する本発明の実施例を示すものである。第１図に
ついて前述した構成部品のほかに、この実施例装置は酸
化剤マニホルド６１を有しており、このマニホルドを通
って供給源６５からの空気が二次空気ダクト２４を通っ
て注入口５９へ流れ、反応区域２２に接線方向に流入す
る。

第８図に詳細に示すように、ピントル弁２５は燃料源６
３から燃料を受入れ、この燃料は送入管２９を通り、ピ
ントル端部３１から半径方向へ偏向させられる。ピント
ルの縦方向調節は雄ねじ切りしであるピントルスリーブ
２８によって行われ、このスリーブ２８は雌ねじ切りし
た孔に回転可能に支持されている。

燃料源６３は、好ましくは、第１３図及び第１４図に示
しかつ後で詳述する別個の燃料混合及び濃密相輸送装置
である。燃料源６３の主要な殿能は微粉炭を供給してキ
ャリヤ流体に乗せることであり、石炭対流体の量の比率
はＯ：１ないし１００：ｌの範囲にわたって調整できる
。微粉炭をキャリヤ流体に乗せてこｎと混合させた流れ
すなわちエンドレーン流は粘性流体の流れ特性に類似し
た流れ特性を有し、このエンドレーン流がピントル弁２
５を通って分散させられると、微粉化された石炭は弁２
５から第１図の鐘形分散エンベロブ４１で示すように噴
射される。

第７図及び第８図において酸化剤源６５からの高温圧縮
空気はマニホルド６１を通って供給され、第１、第２及
び第３の空気流を装置に供給する。

マニホルド６１は、燃焼室すなわち反応室２１の縦軸と
ほぼ平行に酸化剤源６５から延びる主ダクト６６、及び
室２１の方へ直角に延びる第１の分岐ダクト６７を有し
、ダクト６７の高圧の一次空気を気体溜め６９に送り、
この−次空気は気体溜め６９から多重開口流れ直状化装
置７０を通過する。この−次空気は室２１の縦軸とほぼ
平行の方向に反応区域２２に流入し、ピントル弁２５を
取り巻く環状空間を通る。気体溜め６９においては、体
積膨張によって空気は速度が減り、気体溜めの壁によっ
て流れ直状化装置７０の方へ向けられてこれを通過する
。第８図及び第９図に詳細に示すように、装置７０はシ
リコンカーバイト製翼の自由組込み式の組立体であり、
上記翼は互いに嵌合して多重開口組立体を形成し、−次
空気流はこれを通過する。上記の代りに、翼をインコネ
ル８００又は他の謝腐蝕性高温合金で作り、全体の設計
を全金属構造としてもよい。この場合には、普通の冷却
方法によって翼を水冷することができる。

二次空気の送入は、酸化剤源６５から主空気ダクト及び
分岐ダクト２４を通じて、接線方向整合の空気注入口５
９に対して充分な速度で行われ、反応区域２２内に、燃
料粒子、−次空気及び二次空気から成る回転混合物を作
る。反応区域内に旋廻流を保持し、かつ反応温度を規制
するためには、−次空気と二次空気との相対流量値、及
び過大燃料に対する空気の流量を制御することが望まし
い。

このようなパラメータ規制を行うには、普通の流体弁（
図示せず）を空気ダクト６７及び２４内に用いてそれぞ
れの流量を予め選定するか又は連続的に規制することが
できる。−例を挙げれば、セラミック（ゼルコニア）製
のベンチュリ装置をダクト２４及び６７に挿入して流量
を制限し、２つの流量の総量及び比率を予め設定する。

スラッギングを制御して燃料のスラグ成分のほぼ全部を
燃焼室の壁土に沈着させるようにすることはかなり重要
な特徴である。ガス状反応生成物からのスラグの最適の
分離は、先ず反応区域２２内に旋廻流を形成かつ制御し
、次に、反応温度を規制してスラグの蒸発を最小化する
ことによってなされる。温度制御は、送入空気流の温度
を規制し、かつ空気対燃料比率を選択的に変えて燃料リ
ッチ混合物を反応区域内に保持することによってなされ
る。燃料リッチ燃焼により、石炭に含まれている炭素の
かなりの部分が一酸化炭素として反応区域２２から出て
行って反応区域内の熱エネルギーの発生が制限され、反
応室２１内の作動温度が制御される。スラグ粒子を室２
１の壁の方へ動かす遠心力的推進とともに温度を制御す
ることにより、ガス状反応生成物がバッフル３５の中央
開口３７を通って反応区域から逸出する前に、この生成
物の流れからスラグの９０％以上を除去することができ
る。

燃焼室の内面７１を耐火物セラミック材料で被覆してお
いても、反応区域内のスラグ、高速流、及び燃焼してい
る燃料粒子の侵蝕作用によって室２１の壁から耐火物が
剥され易く、耐火物が剥れると、上記室の金属内面７１
の侵蝕が始まる。本発明においては、面７１上に沈着固
化したスラグの保護層を形成してそれ以上の侵蝕を制限
することによって上記の難点を避けるものである。この
目的のために、金属製冷却剤導管７３を室２１の内面７
１に設ける。導管７８は反応室２１に対する水冷ライニ
ングを形成し、充分なスラグを保留かつ固化して比較的
低い熱伝導率を有する保護スラグ層を形成する。導管７
８に冷却剤を供給するには普通の機構、すなわちマニホ
ルド７４及び７５を用いる。

第７図、第８図及び第１０図に詳細に示すように、バッ
フル３５は環状板であり、この環状板は、その面上に配
設され室２１の下流端において縦軸とほぼ直角に配置さ
れた冷却剤導管７７の二重コイルヲ有す。バッフル３５
の一つの殿能は、室２．１の壁にまだ到達しないスラグ
小滴を阻止、この室から逸出するガス状生成物のスラグ
及びアッシュ成分を最小限化することである。更に、ガ
ス状反応生成物の回転流は、反応室の下流端に到達する
と、バッフル３５によって半径方向内方へ開口３７の方
へ動かされる。高速回転ガス流が内方へ押しやられると
、角速度は３倍、４倍又はそれ以上に増加する。遠心力
のこの急激な増大により、燃料のスラグ成分のほぼ全部
がガス状反応生成物からはね出され、液状スラグ居とし
て燃焼室の内面７１及びバッフル３５上に沈着する。

この液状スラグは重力によって反応室の底へ向って流れ
、スラッギングロア８を通り、室の底においてスラグト
ラップ７９に出る。第８図及び第１０図に詳細に示すよ
うに、スラッギングロア８を形成している筒状導管の短
かい部分は、入口８０及び出口８１を有する普通の水ジ
ャケットを貫流する冷却水によって冷却される。スラッ
ギング口７８の領域内では、冷却剤導管７３は、スラッ
ギングロア８の在る場所において相隣る導管７３の間に
実質的に開口を形成する成形された内面部分８２を作る
ように形成されている。このスラグダンピング装置は好
ましくは加圧スラグ溜め（図示せず）を有し、ガス状反
応生成物がスラッギング口を通って逸出するのを防止す
る。

磁気流体力学への適用においては、本発明の装置は更に
二次反応室８５を有し、この二次反応室は室２１の下流
端に連結されて第２の反応区域８８を形成している。二
次反応室８５はガス状反応生成物を室２１から受入れ、
この高温ガス状反応生成物を変形し、その送出口８７に
おいて、磁気流体力学（ＭＨＤ）発電装置のプラズマチ
ャンネルに注入するのに適する高速プラズマを作る。

このＭ　ＨＤ装置は本発明に関するものではなく、従来
から周知であり、本明細書ではそのｉ３２明を省く。

反応区域２２から出て来るガス状反応生成物は開口３７
を通って第２の反応区域８８に入る。バッフル３５の直
ぐ下流には反応物注入装置９０が設けてあり、例えば炭
酸カリウムのような選択された化学反応物を上記高温ガ
ス流に注入するようになっている。注入装置９０は反応
物送入管９１を有し、この送入管は室８５の軸を暎切っ
て延び、冷却剤導管９２と同軸的に支持されている。反
応物送入管９１には、室８５のほぼ軸上に、スリーブ９
４を備えた反応物注入器が取付けられており、このスリ
ーブ９４はピントル９５を内部に同軸的に支持している
。この同軸ピントル反応物注入器は、好ましくは、前述
しかつ第１図及び第８図に示した同軸ピントル弁２５を
小形にした型のものである。磁気流体力学発電機の効率
的な性能のためには、磁気流体力学チャンネルを通過す
るガスが、高い導電性の流体の電気的特性に対応する電
気的特性を有することが望ましい。従って、本発明の磁
気流体力学的適用においては、反応区域８８の送出口８
７から出て来るガス流がほぼ完全にかつ一様にイオン化
されていることが好ましい。

炭酸カリウムの注入により、反応生成物は、反応区域８
８を通るときに、完全かつ一様にイオン化される。本発
明装置の他の適用においては、反応物注入装置９０を用
いて、うず巻くガス流が開口３７を通って反応区域８８
に流入した直後に、このガス流に何等かの付加的又は化
学的反応物を注入することができる。

反応物注入装置９０の直ぐ下流において、第２のすなわ
ち二次反応室８５は完全な化学量論的反応に必要な量の
予熱空気を注入するための装置を備えている。この第３
の空気は充分な接線速度で注入され、運動量交換により
、開口３７から受入れられたガス状反応生成物の角速度
を無くさせる。

更に詳細に説明すると、この第２のステージの非うず巻
化装置は接線方向に延びる空気ダクト９６を備えており
、このダクト９６は高温空気をマニホルド６１から受入
れてこれをドーナツ形の空気分配器９７に送り込む。こ
の空気分配器９７は、第８図及び第１２図に詳細に示す
ように、第２の室すなわち二次反応室８５の周を取り巻
いて延び、その内周には、高速の接線方向空気流を分配
器９７から反応区域８８に導入するための１２個の空気
注入口９８を有す。本発明装置を磁気流体力学的電力装
置のためのプラズマ源として使用する場合は、出力プラ
ズマ流が実質的に角速度を持っていないことが望ましい
。この目的のために、ダクト９６及び分配器９７を通る
空気流を規制して室８５内のガス流の角速度を零に鐵少
させる。角速度を問題としない他の適用に対しては、ダ
クト９６を通じて供給される空気の容積を制御して反応
区域８８との化学量論関係を予め選定するか又はこれを
連続的に変化させる。要すれば、空気マニホルド６１及
びこれから延びる若干のダクトに外部水冷ジャケットを
設ける。この水ジャケットに冷却剤を供給するには普通
のマニホルドを用いる。

次に濃密相燃料輸送について説明する。

微粉化した燃料例えば石炭をボールミル又は貯蔵施設か
ら反応室２１へ、管状導管を通るキャリヤガスとの濃密
な混合物として輸送する。反応室２１は２ないし８気圧
又はそれ以上の圧力で作動するから、燃料輸送装置はこ
れとほぼ同じ程度に加圧するのが好ましい。第１３図及
び第１４図は本発明の実施例である加圧濃密相燃料輸送
装置を示すものである。第１３図に示すように、石炭ホ
ッパ１４５は、石炭貯蔵施設（図示せず）からドームＢ
１４７の頂部にある積込みハツチ１４６を通じて送られ
る通例は２００メツシュ程度の細かさに微粉化された粉
炭で満たされている。加圧石炭ホッパの充填は中間の加
圧輸送容器（図示せず）によって、又は、例えば、微粉
炭取扱い用の普通のスクリューポンプによって行われる
。ドーム部１４７のほかに、石炭ホッパは中間筒状部及
び３０°の開先角度を有する下部円錐部１４８を備えて
いる。円錐部１４８の底部には石炭流動化噴射器１４９
が設けられており、この噴射器から微粉炭が絞り弁１５
０を通ってエゼクタ装置１５６へ流れる。エゼクタ装置
１５６は石炭粒子の１秒当り約６．１メートル（約２０
フイート）の速度に加速して、この石炭を、空気又は他
の適当なキャリヤガスとの濃密な混合物の形で石炭給送
ライン１５８を通じて輸送して反応室２１（第７図及び
第８図）内に連続的に噴射させる。石炭給送ライン１５
８はエゼクタ装置１５６から延び、ピントル弁２５の人
口管すなわち送入管２９に接続している。石炭ホッパ１
４５を加圧するためのキャリヤガスはガス源１５２から
ライン１５３を通り、そして制御弁１５４を通ってホッ
パ頂部にある医大接続部に送られる。キャリヤガスはま
たガス源１５２からライン１５５及び制御弁１５７によ
って流動化噴射器１４９へ送られる。エゼクタ装置１５
６を働かせるための圧縮ガスはガス源１５９から制御弁
１６０を通ってエゼクタの入口へ送られる。流動化噴射
器１４９及びエゼクタ装置を第１４図に詳細に示す。第
１４図は流動化噴射器の筒軸に沿う断面図である。

第１４図に示すように、流動化噴射器１４９はほぼ筒状
の金属部材１６６を備え、この部材はその上端部に円１
１１６７及び平面フランジ１７０を有す。フランジ１７
０は石炭ホッパの円錐部１４８の底端に接続かつ密封さ
れている。部材１６６は、垂直に延びて円錐開口部１７
４内に開口する直ｑ＝　１２．７ミリメードル（１／２
インチ）の中心孔１７２を有し、円錐開口部７７４は相
対向する壁間の開先角度が４５°であり、上端の直ｆｊ
ｔが約１５センチメートル（約６インチ）である。

円錐開口部１７４の両端間には、部材１６６の周囲に、
周縁に沿って延びぬガスマニホルド１７６′が設けであ
る。ガスマニホルド１７６は周ｔｉ　７ｆｐ１７８を覆
う部材１６６の面に固着されており、溝１７８内には上
記マニホルドからガスが分配される。溝１７８からは、
複数の等角度間隔孔１７９が半径方向内方へ部材６６の
壁を通って中心孔１７４へ延びている。ガス源１５２か
らの加圧キャリヤガスは制御弁１５７を通ってマニホル
ド１７６へ送られ、そこから分配されて１６個の半径方
向孔１７９を通って円錐開口部１７４に流入する。この
キャリヤガスの注入により、開口部１７４内の微粉炭は
流動させられ、キャリヤガスと粉化燃料との混合物は中
心孔１７２を通って下方へ推進させられる。部材１６６
の基部から、上記の流動混合物は校り弁１５０を通って
エゼクタ装置１５６の垂直に延びる孔１８１に流入する
。

燃料絞り弁１５０は例えば普通のボール弁であり、その
制御軸はギヤモータ１８３によって回転させられるよう
に連結されている。普通の１路を用いてギヤモータの軸
の位置のモニタ及び制御を行ない、燃料対キャリヤガス
の所望の容積又は量の比率に従って絞り弁１５０を通る
燃料流を規制する。

エゼクタ装置１５６はハウジング１８５を備えており、
このハウジングはこれを通って水平に延びる筒状孔１８
６及びこの水平孔と接続する垂直に延びる孔１８１を有
し、これを通って加圧石炭が絞り弁１５０から流れる。

先細ノズル１８７がねじ１８８によって水平孔１８６内
に取付けられており、高圧キャリヤガスをハウジング１
８５内に注入する。ハウジング１８５内では上記のガス
ジェットが微細炭の下向きの流れに衝突してこれを外方
へ加速してコネクタ１８９及び石炭給送ライン１５８を
通過させる。コネクタ１８９の内端には円錐孔１９０が
設けてあり、この円錐孔が微粉燃料とキャリヤガスとの
混合物を給送ライン１５８に注ぎ込む。先細ノズル１８
７は制御弁１６０（第１３図）を介してガス源１５９と
連結しておってこれから圧縮キャリヤガスを供給される
。

作動においては、流動化噴射器１４９には円錐開口部１
７４内に高速乱流の領域が生じ、この領域内で微粉炭は
機械的に賦勢かつ潤滑化され、石炭及びキャリヤガスは
円滑かつ確実に中心孔１７２を下方へ通過する。キャリ
ヤガスの内部供給により、加圧されている石炭ホッパ１
４５のオーバヘッド圧力がバランスさせられ、ホッパ１
４５内に収容されている石炭の量が次第に減っても、ホ
ッパ圧力が保持される。好ましい作動方法においては、
流動化噴射器は、石炭の容積流量と定常稼働状態の下で
生ずるキャリヤガス損失との合計に等しい流動化容積流
量を提供する。

絞り弁１５０を通って下方へ流れる定常状態の石炭流が
できると、流れつつある石炭は、エゼクタ装置内の先細
ノズル１８７を通って注入される圧縮キャリヤガスによ
って希釈かつ加速される。

ノズル１８７の先細内部孔は集束したガスジェットを提
供し、適切に調節されたガス速度及び石炭量流量により
、石炭粒子は１秒当り約６メートル（約２０フイート）
の速度に加速され、この速度で給送ライン１５８を通っ
て反応室２１へ連続的に流れる。

固体燃料は通例は２００メツシュ程度の細かさに微粉化
されるが、適切な範囲の粒度を用いてよい。本発明にお
いては、約１００：１というような高い固体対ガスの比
率が容易に得られる。約０．７ないし５．６ｋｇｗ／ｃ
ｒｄ’（１０ないし８０ｆｂｗ／１ｎ２）の範囲の流動
化（Ｎ２）圧力で５０：１程度の比率を得、かつかなり
一様な流量を保持できた石炭粉を流動化によって流動化
噴射器１４９を通って数分間噴射させた後、流動化噴射
器へのキャリヤガス送入を断つ。そして、濃密相石炭輸
送は、単に石炭ホッパ１４５の加圧及びエゼクタ装置１
５６への圧縮ガスの供給を保持するだけで、継続する。

固体対ガスの比率及び給送ライン１５８内の輸送速度は
連続的に制御するか、又は石炭絞り弁１５０及びガス供
給の制御弁１６０を制御することによって上記の範囲内
で任意の予備選定値に設定する。流量変換器を含む普通
の回路を用いてこれらの作動パラメータをモニターし、
かつ帰還信号を発して制御用のギヤモータ１８３を賦勢
し、弁１５０及び制御用の送入空気の速度及び圧力を規
制する。

通例は乾燥した窒素又は空気を流動化キャリヤガスとし
て用いるが、石油液体及び炭化水母ガスを含むほぼ任意
の液体又はガスを用いることができる。

次に好ましい実施例の作動について説明する。

磁気流体力学発電機を駆動するだめのパワー源としての
本発明装置の作動においては、１００ないし２００メッ
シニ程度に微細化した石炭をほぼ周囲温度の空気流に乗
せる。プラズマ発生のような最小限のエンクルピ損失を
要求する用途に対しては、周囲空気キャリヤに対する固
体燃料粒子の量比率を３０：１ないし１００：１の範囲
内にとる。この濃密相燃料輸送により、燃焼区域２２に
導入される比較的冷たい空気の量が制限され、出力プラ
ズマの温度レベルを最高限にする助けとなる。石炭粒子
を乗せた流れはピントル弁２５を迫って送られ、半径方
向外方へ向けられて燃焼区域ずなわち反応区域２２内に
、鐘形分散パターンすなわちエンベロブ４１（第１図）
となって流入する。

プラズマ発生に用いる酸化剤は通例約１５９０℃（約２
９００°Ｆ）に予熱した空気である。この予熱空気は、
そのとき用いる石炭燃料の性質によって必要な場合には
、燃焼区域に導入する前に、「補足Ｊ　８Ｂをこの空気
に加える。予熱空気のらせん旋廻流を燃焼区域２２内に
作り、キャリヤガスに石炭を乗せた流れをこの旋廻流内
に導く。燃焼温度をスラグ蒸発温度以下に保持するには
、燃焼区域２２を、酸化剤の化学量論的量の約０．４な
いし０．９の範囲内で燃Ｉｔ　ＩＪプツチ動させるのが
好ましい。これにより、燃焼区域２２の温度は、スラグ
の組成に応じて、約１６５０℃ないし２（１１）０℃（
３０００°Ｆないし３８００°Ｆ）となる。高温ガス状
燃焼生成物は、燃焼区域２２からバッフル３５の中央開
口３７を通って約１８７０℃（約３４００°Ｆ）の温度
で逸出する。燃焼区域２２内の燃ＩＥ）　ＩＪプツチ囲
気から出るこれらのガスは粒径約１０ミクロン以下のス
ラグ小滴及び若干量の恭発スラグを含んでいる。

前に述べたよう！こ、ガス状燃焼生成物を化学量論的に
して完全に燃焼させるのに必要な酸化剤を追加して送入
ダクトすなわち空気ダクト９６及び分配器９７を通じて
第２の室８５に導入する。反応区域８８内におけるＣＯ
とＨ２との完全燃焼により、ガス流の温度は出口８７に
おいて約１８７０℃（約３４００°Ｆ）から約２８１０
℃（約５１００゜Ｆ）に上昇する。出口８７は、磁気流
体力学発電機、又は、熱的及び／又はガス動力学エネル
ギーの利用のための他の装置に直接に接続される。室２
１の壁土に捕集されないスラグ小滴、アッシユ、及び未
燃焼の燃料粒子は極めて僅かである。従って、大抵は、
これらは、反応区域８８内の高温状態にさらされるとガ
ス化する。

次に他の実施例について説明する。

本発明装置の前述の実施例においては、ピントル弁２５
は燃焼室２１と整合してほぼその縦軸上に位置している
。この同軸的対称性にはいくつかの利点があるが、本発
明はこれに限るものではない。本発明の他の実施例にお
いては、ピントル弁２５は上記縦軸から間隔をおき、及
び／又は入口管２９と室２１の縦軸に対するほぼ任意の
角度で位置する。

本発明の種々の適用においては、特に、反応区域２２内
の回転流を純粋旋廻流に適応させたい場合には、鐘形燃
料分散エンベロブ４１（第１図）を注入微粉燃料によっ
て変形して制限された角度の扇形だけのパターンにする
ことが望ましい。第１５図及び第１６図は、鐘形エンベ
ロープ４１の一部角度の扇形に対応する燃料分散パター
ンを作るのに用いる変形したピントル弁を示すものであ
る。この変形したピントル弁２２５は第８図に示す弁の
人口管２９とほぼ同じ燃料入口管２２９を有す。入口端
２３０において、キャリヤガスと混合した炭素質燃料の
流れは管２２９と中央に整合したピントル２２７との間
の隙間を通ってピントル弁２２５に流入する。第１５図
に示す右手端においては、ピントルはテーパ面２３２を
有する径大円形端部２３１を有しており、このテーパ面
２３２は、ピントル２２７が縦方向に左へ移動すると、
弁座２３３に対する封じをなす。この実施例においては
、ピントル弁２２５の上述の弁２５との相異点は、円形
端部２３１がこれと一体に形成された肉薄筒状スカート
２３４を有し、このスカートが管２２９０入口端の方へ
この人口管の内壁に至近して延びていることである。２
３５に示すように、スカート２３４は端部２３１に至近
した一部が切除されており、所望の扇形燃料分散パター
ンの角度範囲に対応する角度にわたってスヵ−）２３４
の周縁に沿って延びる開口２３６を形成している。−例
を挙げると、開口２３６は約６０°の開先角度にかたっ
て延びる。この実施例においては、ピントル軸２２７は
、回転することなしに入口管２２９の縦方向に運動でき
るように滑動可能に支持されている。ピントル軸２２７
をその閉塞位置へ動かすとく第１５図示）、テーパ部２
３２はその周縁が弁座２３３に対して封じをなし、燃料
及びキャリヤガスの流量をほぼ零に減少させる。ピント
ルを第１６図に示すその全開位置へ動かすと、スカート
２３４は人口管２２９の内壁に対する滑動釣針じを保持
し、開口２３６の頭載以外における燃料及びキャリヤガ
スの流出を妨げる。従って、第１６図に示すように、人
口管２２９を通って流れる燃料及びキャリヤガスの加圧
流は開口２３６を通って流出し、第１図の鐘形エンベロ
ブ４１の一部角度部分に対応する制限された角度扇形パ
ターンで燃焼区域内に噴出する。

ピントル２２７を第１６図に示す開放位置から第１５図
に示す閉塞位置の方へ動かすと、開口２３６はブ「座２
３３によって漸次閉じられ、反応室に注入される燃料及
びキャリヤガスの流量が徐々に減る。この実施例におい
ては、この扇形的ピントル弁は周縁に沿って延びる開口
２３６を有しているが、他の等価的構造、例えば複数の
角度間隔配置した筒状孔を用いてもよい。

第１７図、第１８図及び第１９図に示す反応室構造の他
の例は高圧用途に対して利点を有す。第１７図に示すよ
うに、室２４０は外壁２４２及び内壁２４３を有する二
重壁！１′ＩＩｉ造である。内壁２４３は、第１９図に
示すよう１−１その外面に化学切削した冷却剤通路２４
４を有す。この冷却剤通路は、外壁２４２を通路２４４
相互間のリブ部２４６にシーム溶接することによって閉
じられている。この熱交換機構は、水マニホルド２４９
０入口２４８で冷却剤を受入れ、この冷却剤を通路２４
４を通して分配し、そしてこの冷却剤を出口マニホルド
２５０を通じて排出する。室の金属内壁面２４３を覆う
スラグの層は冷却剤への伝熱を減らし、ガス状燃焼生成
物の流れからのエンクルピ損失を最少限にする。

燃料と酸化剤との相対送入比率の規制によって定まる所
定の燃焼温度に対しては、燃焼中に生ずるスラグが室２
４０の金属内面２４３を覆う固化したスラグの被覆とし
て成る厚さまでの固化スラグの絶縁層となって集積し、
その後に沈着するスラグは熱交換通路２４４内の水の冷
却効果から実質的に絶縁される。この時点において、固
相のスラグと液相のスラグとの間の平衡に達し、液体ス
ラグの流動層が固化スラグの絶縁層を覆う。この液体ス
ラグの層は、重力により、燃焼室の下部へ向って流れ、
その下部において液体スラッグトラップ２５２に除却さ
れる。第１７図において、開口２５４は第７図及び第８
図の注入口５９に対応する接線方向の酸化剤注入口であ
る。

次に発生炉ガスまたは合成ガスの製造法について説明す
る。

本発明の装置１０は、−酸化炭素の形成に都合のよい条
件の下で空気中で発生炉ガスを作るのに用いることがで
きる。装置１０からの発生炉ガスは従来からあるガス又
は油焚きバーナへ送られ、バーナの燃料となる。すなわ
ち、本発明装置は、石炭を燃焼して、天然のガス又は石
油の代りとして用いられるガス状燃料を作るための手段
を提供するものである。

第２１図に示すシステムは、本発明装置を用いて発生炉
ガスを作る道すじを略示するものである。

石油燃焼器装置１０は前述した型のものであり、この装
置においては、燃料の粒子は装置の内壁に衝突する前に
燃焼させられる。好ましくは予熱した圧縮空気を弁付き
ライン３００を通じて装置１０の反応室に前述のうす巻
き状態で送入する。

微粉炭をピントル（図示せず）を通じて注入する。

反応生成物からＳ０８を除去するために、炭酸塩を反応
区域に加える。石炭と空気との流量比率を制御すること
により、−酸化炭朱の量を最少限にする。可燃ガスを排
出ガスとして、要すればガスフィルタを通じて、ガス又
は油焚きバーナへ送る。

排出ガスとともに出て来るスラグ粒子はフィルタに捕捉
され、廃物として除去される。スラグは装置１０から引
き出し、適当な処理場に捨てる。

合成ガスを作る場合には、空気の代りに酸素を用い、水
蒸気を装置１０の反応区域に注入する。

従って、装置１０から出て来る排出ガス中には窒零はほ
とんどない。この場合には、ライン３００中の弁３１０
を閉じ、酸素源３２２からの酸素の流量を制御する弁３
２０を開く。石炭、酸素及び水蒸気の流量を制御して、
所望量の一酸化炭赤及び水素が装置１０内で作られるよ
うにする。この合成ガスは次いで熱ガスフィルタを通過
させ、合成ガスを用いて化学物質を製造する化学プラン
トへ送る。合成ガスを作る際には、炭酸塩を加えて排出
ガスからＳＯＸを除去するのが望ましい。

次に石炭の熱分解、頁岩のレトルティング、及びフレー
ムクラッキングについて説明する。

本発明の装置１０はまた石炭、頁岩、又は石油の処理に
用いることができる。第２０図に示すように、このため
のシステムは少なくとも３つのステージを有す。システ
ムの第１のステージは装置１０である。第２のステージ
は装置１０から出て来る反応生成物を完全に燃焼させる
アフクバーナである。予熱した空気又は酸素を第２のス
テージに注入してこの第２のステージから出て来る排出
ガスの温度を最低限にする。第３のステージは頁岩、石
炭又は石油が注入される反応室である。装置１０からの
熱ガスは第３のステージに注入された頁岩、石炭又は石
油に接触する。石炭の場合には、水を除去して石炭を脱
水し、炭化水素を蒸発させる。そして残留するチャーは
輸送し易いものになる。頁岩の場合には、頁岩の炭素質
物質を分解させてオイルとなし、次いでこれを蒸発させ
、そして第３のステージから除去する。もしもオイルが
第３のステージに注入されると、このオイルはフラッシ
ュクラックされて軽い炭化水素になる。

前に述べたように、燃焼器装置１０に注入した微粉炭を
炭酸塩と混合させてＳＯＸの生成を減らす。スラグを除
去して処理する。第３のステージからの排出ガスをケン
チングによって冷却し、第３のステージから出て来る揮
発性物質は排出ガスとともに回収して化学供給物として
貯蔵する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の縦断面略図、第２ａ図ないし第２
ｄ図は第１図の装置内に作られるらせん状旋廻流を示す
斜視図、第３図乃至第６図は種々の型の高速流体流及び
回転流体環境内の粒子の運動を示すグラフ、第７図は本
発明装置の一部截断除去した斜視図、第８図は第７図に
示す装置の一部断面で示す側面図、第９図ないし第１２
図はそれぞれ第８図の９−９線、１０−１０線、１１−
１１線及び１２−１２線に沿う横断面図、第１３図は本
発明の濃密相反忘物輸送装置の略図、第１４図は第１３
図の装置の一部分の一部断面で示す側面図、第１５図及
び第１６図は第７図及び第８図に示す装置の一部分の他
の実施例の一部断面で示す側面図、第１７図は本発明装
置の反応室の他の構造を示す縦断面図、第１８図は第１
７図の１８−１８線に沿う横断面図、第１９図は第１７
図に示す構造の一部を詳細に示す断面図、第２０図は本
発明装置を用いて発生炉ガスまたは合成ガスを作る方法
を示すフローダイヤグラム、第２１図は本発明装置を用
いて石炭の熱分解、頁岩のレトルト、又は石油のフレー
ムクラブキングを行う方法を示すフローダイヤグラムで
ある。 ２１．２４０・・・・・・反応室、２２・・・・・・反
応区域、２３．２３０・・・・・・送入口、 ２４．２５４・・・・・注入口、 ２５．２２５・・・・・・ピントル弁、３５・・・・・
バッフル、３７・・・・・・中央開口。 Ｆｉｇ、　１ Ｉｆｌｉｔ 睡閘（ミリ不）゛） Ｆｉｇ、　６ 図面間者（内容に変更なし） Ｆｉｇ、　７ Ｆｉｇ、　８ Ｆｉｇ、　１１　　　　　　　　　　　　Ｆｉｇ、　１
２Ｆｉｇ、　１３

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素質微粉固体燃料の燃焼装置であって、 （ａ）かかる燃料を燃焼室内に、その一端の中央付近で
   導入するための燃料投入装置と、 （ｂ）前記燃焼室内に高速回転流をつくるように少なく
   とも１つの酸化剤流を前記燃焼室内に差し向けるための
   酸化剤投入装置と、 （ｃ）（ア）燃焼温度を、液体スラッジを前記燃焼室の
   内面に本質的に連続して付着しそしてこの液体スラッジ
   をガス燃焼生成物とは独立して前記内面から剥離させる
   ような範囲内に保ち、（イ）燃料粒子が前記燃焼室の内
   壁に当たる前に燃料粒子の炭素分の大部分を炭素酸化物
   に変換し、（ウ）多燃料燃焼混合物を前記燃焼室内の燃
   焼区域の少なくとも一部に保ち、それによって、窒素酸
   化物及び／又は硫黄酸化物の生成を制限するように前記
   燃料及び前記酸化剤の速度及びこれらの相対的な流量比
   率を調節するための装置とを有することを特徴とする燃
   焼装置。
2. （２）前記燃料投入装置は、前記炭素質微粉燃料を前記
   燃焼室内に末広がりの円錐形分布パターンで供給するた
   めの装置を有し、燃料粒子と酸化剤との間の角速度差は
   燃料が前記燃焼室内を飛んでいる間、前記燃料粒子の実
   質的に全ての炭素分の迅速かつ安定した燃焼を促進する
   のに十分な角速度差であることを特徴とする特許請求の
   範囲第（１）項記載の燃焼装置。
3. （３）前記燃料と前記酸化剤の相対的な流量比率を調節
   して前記燃焼室内の空間平均化学量論量を約０．４〜約
   １．０に保つための装置を有することを特徴とする特許
   請求の範囲第（２）項記載の燃焼装置。
4. （４）所定の化学反応物を前記燃焼室内に導入するため
   の装置をさらに有することを特徴とする特許請求の範囲
   第（１）項記載の燃焼装置。
5. （５）前記反応物導入装置は、流体キャリヤ媒体で運ば
   れる微細に分割された固形化学反応物の同伴流を前記燃
   焼室内に注入するための装置をさらに有することを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項記載の燃焼装置。
6. （６）前記燃料投入装置は前記炭素質微粉燃料を前記燃
   焼区域と実質的に同軸状に差し向けられた末広がりの且
   つ実質的に円錐形の分布パターンで供給するための装置
   を有し、前記酸化剤差向け装置は前記酸化剤ガスの少な
   くとも大部分を前記燃焼区域に対して実質的に接線方向
   に、且つ、約１０ミクロン以上の直径を有する実質的に
   全てのスラグ液体粒子が液体として流体力学弾道学的に
   前記燃焼区域の周囲に付着し、それによってガス燃焼生
   成物から分離され、その後かかるガス燃焼生成物が燃焼
   区域から出るように調節された前記酸化剤ガスの投入速
   度で注入するための装置を有することを特徴とする特許
   請求の範囲第（１）項記載の燃焼装置。
7. （７）前記燃焼室は実質的に円筒形であり、且つ前記燃
   焼室は実質的に全てのスラグ液体粒子が流体力学弾道学
   的に燃焼反応室の壁に向かって遠心作用を受けてこの壁
   に液体として付着するような半径方向及び長さ方向の寸
   法形状を有することを特徴とする特許請求の範囲第（１
   ）項記載の燃焼装置。
8. （８）前記炭素質燃料は微粉炭であり、前記反応物は、
   燃焼室の壁に遠心作用で付着しそれによって前記燃焼室
   から出る燃焼生成分から取除かれるスラグ状物質を生成
   するように石炭中の硫黄化合物のかなりの部分と反応す
   る炭酸塩物であることを特徴とする特許請求の範囲第（
   ４）項記載の燃焼装置。
9. （９）前記炭素質燃料は微粉炭であり、前記燃料投入装
   置は、前記微粉炭を前記燃焼室内に、石炭粒子が前記燃
   焼室内で円錐形の分布パターンで分布し且つ石炭粒子と
   酸化剤との間の角速度差が石炭の飛行している間、数百
   ミリ秒以下の飛行時間で石炭粒子の炭素分の迅速な燃焼
   を促進するように酸化剤の角速度よりも実質的に小さい
   角速度で注入するための装置を有することを特徴とする
   特許請求の範囲第（１）項記載の燃焼装置。
10. （１０）前記燃料粒子は前記キャリヤ流体で、燃焼室の
    高温部分に可動部品を使用することなく酸化剤に対する
    燃料の比の制御を行なうように１：１〜１００：１の範
    囲のキャリヤ流体に対する燃料の質量比で同伴されるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の燃焼装
    置。
11. （１１）前記調節装置は燃料の投入量を酸化剤投入量に
    対して制御する濃密相燃料供給装置を有することを特徴
    とする特許請求の範囲第（１）項記載の燃料装置。
12. （１２）前記濃密相燃料供給装置はキャリヤ流体の流れ
    で同伴された粉状炭素質燃料を運ぶための装置を有し、
    実質的に全ての燃料粒子は直径が約７５０ミクロン（２
    ００メッシュを７０％通過する）よりも小さいことを特
    徴とする特許請求の範囲第（１１）項記載の燃焼装置。
13. （１３）前記濃密相燃料供給装置は、キャリヤ流体に対
    する石炭粒子の同伴質量比を約３：１〜約１０：１の範
    囲に調節してキャリヤ流体で同伴される粒状石炭の流れ
    をつくることを特徴とする特許請求の範囲第（１２）項
    記載の燃焼装置。
14. （１４）前記燃料投入装置は燃焼室の長さ方向軸線と実
    質的に平行に整列した同軸のピントル弁を有することを
    特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の燃焼装置。
15. （１５）前記燃料投入装置は前記ピントル弁に連結され
    て、微粉炭をキャリヤ流体の流れで同伴しそして石炭と
    キャリヤ流体の混合物を前記ピントル弁に供給するため
    の燃料同伴装置をさらに有し、該燃料同体装置は、粒状
    石炭の流れをつくるための粉状石炭供給源と、該供給源
    から石炭を受け入れるように連結され且つ逆円錐形断面
    の形態を有する内部プレナムを構成する流動化装置と、
    前記プレナムから前記流動化装置の外面まで延びる流動
    化石炭用流出通路と、前記流動化装置に連結されて、前
    記流動化装置から流れ出る微粉炭の流れを受け入れるた
    めのエダクタとを有し、該エダクタがキャリヤガスノズ
    ル及び該ノズルと実質的に同軸に且つエダクタ内への石
    炭の流れ方向に対してかなりの角度をもって整列した流
    出管を備え、さらに、前記微粉炭の粒子を加速して、該
    微粉炭の粒子と前記キャリヤガスとを混合し、それによ
    って前記流出管を通る燃料・キャリヤガス混合物の流れ
    をつくるために高速のキャリヤガス流を前記ノズルを介
    して前記エダクタ内に差し向ける装置と、前記流出管か
    ら延び且つ前記同軸ピントル弁に連結されて、前記エダ
    クタからの前記流れを前記ピントル弁に導くための導管
    と、前記エダクタへの微粉炭とキャリヤガスの流れを調
    節し、それによって前記混合物の流体に対する石炭の質
    量比を２０：１〜１０：１の範囲に制御するための制御
    装置とを有することを特徴とする特許請求の範囲第（１
    ４）項記載の燃焼装置。