WO2010023902A1 - ガス化燃焼装置 - Google Patents

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WO2010023902A1
WO2010023902A1 PCT/JP2009/004134 JP2009004134W WO2010023902A1 WO 2010023902 A1 WO2010023902 A1 WO 2010023902A1 JP 2009004134 W JP2009004134 W JP 2009004134W WO 2010023902 A1 WO2010023902 A1 WO 2010023902A1
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combustion
combustion chamber
fuel
gasification
exhaust flow
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Inventor
敬次 黒澤
Original Assignee
株式会社ブイエスディー
株式会社フジミプラント
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/08—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for reducing temperature in combustion chamber, e.g. for protecting walls of combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F23D11/16—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour in which an emulsion of water and fuel is sprayed

Definitions

  • the present invention relates to a gasification combustion apparatus for burning a fuel such as a highly stable emulsion fuel used as a low pollution fuel.
  • Emulsion fuel which is emulsified by mixing water with pure fuel oil, can reduce the amount of petroleum-based fuel used and reduce smoke slugs and the like. Further, since the flame temperature is lowered by the evaporation of water, there is an effect of reducing NOx in the exhaust gas, so that it can be used as a low pollution fuel.
  • the emulsion fuel when the emulsion fuel is a water-in-oil type (W / O type), it contains many water particles of several microns.
  • W / O type water-in-oil type
  • the oil droplets when the oil droplets are heated at a high temperature, they start to evaporate from the surface and start to burn, and the internal water suddenly blows out in the state of hot water or superheated steam, blowing off the oil surrounding the water particles. To atomize the oil droplets. This is a phenomenon that is not seen in the combustion of a single oil, and is called a micro explosion (steam explosion).
  • steam explosion steam explosion
  • Emulsion fuel mixed with kerosene and waste water at 1: 1 is burned under the condition of a flame temperature of 960 ° C, and it is burned uniformly below the theoretical air volume by atomization by micro explosion and oxygen supply by water gasification reaction.
  • Patent Document 1 Since this apparatus can perform uniform and complete combustion, harmful exhaust gases such as nitrogen oxides and carbon monoxide can be reduced. Further, it is disclosed that since excessive air is not required, a decrease in flame temperature can be prevented and fuel consumption can be reduced.
  • a waste liquid incineration method that prevents the generation of dioxins by burning an emulsion fuel in which various waste waters are mixed with heavy oil A under a furnace temperature of 900 to 1000 ° C. (Patent Document) 2). It is disclosed that this treatment method can simultaneously suppress the amount of nitrogen oxides and dust.
  • Patent Document 3 an apparatus using a tubular combustion chamber is known as an emulsion fuel combustion apparatus (see Patent Document 3).
  • emulsion fuel can generate a complete combustion state by gasification combustion, NOx (nitrogen oxide) concentration, SOx (sulfur oxide) concentration and dust concentration of exhaust gas are reduced, and air pollution prevention request Can be met.
  • NOx nitrogen oxide
  • SOx sulfur oxide
  • the shock wave generated during the steam explosion of the emulsion fuel is confined in the combustion chamber for as long as possible. Therefore, in order to confine the shock wave generated during the steam explosion in the combustion chamber as long as possible, the combustion chamber needs to be devised in terms of shape.
  • the present invention has been made based on these circumstances, and is a gasification that has good combustion efficiency and can reduce NOx (nitrogen oxide) concentration, SOx (sulfur oxide) concentration, and dust concentration of exhaust gas.
  • the object is to provide a combustion device.
  • the gasification combustion apparatus of the present invention has an inlet portion into which fuel is introduced, a combustion portion having a diameter larger than the inlet portion, and a diameter smaller than the combustion portion, and a combustion exhaust flow generated in the combustion portion is discharged.
  • a tubular combustion chamber comprising an outlet portion, a burner attached to the inlet portion of the tubular combustion chamber, and an exhaust flow discharged from the outlet portion of the tubular combustion chamber is provided at the inlet portion of the tubular combustion chamber.
  • An exhaust flow recirculation pipe provided so as to recirculate the exhaust flow to the intake port, and the burner injects the supplied fuel as a swirling flow together with air into the combustion section in the combustion chamber, thereby It has an injection nozzle which forms a flame swirl flow in a combustion part.
  • the tubular combustion chamber is a cross-sectional view along the tube axis, and an inclination angle formed from the inlet portion toward the combustion portion is determined from the discharge port. It is formed so that it may become larger than the inclination angle currently formed toward the combustion part.
  • the diameter of the exhaust port of the combustion chamber is smaller than the diameter of the inlet portion.
  • the fuel injection nozzle provided in the burner is provided movably in the tube axis direction of the combustion chamber.
  • the swirling flow formed by the fuel injection nozzle and the swirling flow formed by the exhaust flow taken in from the exhaust flow intake port have the same swirling direction. It is what.
  • the fuel supplied to the fuel injection nozzle is an emulsion fuel.
  • the present invention it is possible to provide a gasification combustion apparatus that has good combustion efficiency and can reduce NOx (nitrogen oxide) concentration, SOx (sulfur oxide) concentration, and dust concentration of exhaust gas. .
  • FIG. 2B The plane partial cross section schematic diagram of the gasification combustion apparatus which shows embodiment of this invention. These are front views of the burner used for the gasification combustion apparatus shown in FIG.
  • FIG. 2B is a front view showing a modification of the burner shown in FIG. 2A.
  • the schematic diagram which shows the structure of the fuel supply part of FIG. Explanatory drawing which shows the advancing state of the shock wave in the combustion chamber produced in the case of the steam explosion in the gasification combustion apparatus shown in FIG.
  • Emulsion fuel is a fuel oil in which oil and water are finely mixed (about 10 ⁇ m) in a form in which oil is surrounded around water particles to dissolve the oil or fat in water.
  • the water particles are vaporized by the conduction of heat obtained by the combustion of the oil surrounding the water. Vaporized water vapor has an enormous volume, and this water vapor diffuses through the oil layer, causing atomization and helps complete combustion of the oil.
  • the water in the fuel droplets boils instantaneously and rapidly expands about 1240 times to cause a steam explosion.
  • a shock wave is generated and suddenly reaches a high temperature of several thousand to 10,000 ° C. in 10 ⁇ 3 to 10 ⁇ 4 seconds.
  • the water in the emulsion fuel is H 2 O.
  • ⁇ Decomposes into 2H + O (4000 ° C or higher), and flammable oil is decomposed into atoms and gasified.
  • the temperature rise is an extremely short time of 10 ⁇ 3 to 10 ⁇ 4 seconds
  • the temperature in the combustion atmosphere immediately returns to 700 to 800 ° C. Therefore, the average temperature inside the combustion chamber does not increase so much.
  • the steam explosion is also a micro explosion of 10 to 30 ⁇ m, and because the combustion chamber wall is open, no pressure is applied to the wall of the combustion chamber. There is no sex.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a gasification combustion apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the combustion chamber 10 of the gasification combustion apparatus 30 is a tubular body whose diameter changes in the tube axis direction, and an inlet portion 11 to which fuel is supplied, a combustion portion 12 connected thereto, and a combustion portion connected thereto.
  • the exhaust port 13 is configured to exhaust the combustion gas generated at the exhaust gas 12. The diameter suddenly increases from the rear end of the entrance portion 11 and becomes maximum at the combustion portion 12.
  • the combustion section 12 has a constant diameter up to substantially the center of the combustion chamber 10 in the tube axis direction, and then gradually decreases toward the discharge port 13.
  • the discharge port 13 is formed of a tubular body having a smaller radius than the entrance portion 11.
  • a burner 1 is attached to the entrance 11 of the combustion chamber 10.
  • the cross-sectional shape parallel to the tube axis of the combustion chamber 10 is such that the inclination angle ⁇ from the burner mounting part 11 to the combustion part 12 is about 45 degrees, and the inclination angle ⁇ from the discharge port 13 toward the combustion part 12 is 30 degrees. Degree.
  • An exhaust flow intake port 14 for taking in the exhaust flow discharged from the discharge port 13 is provided at the rear of the burner mounting portion of the entrance portion 11.
  • a burner 1 is mounted at the entrance 11 of the combustion chamber 10 with the opening facing the interior of the combustion chamber 10.
  • a fuel injection nozzle 2a is disposed at the center of the rear end surface of the nozzle support portion 2, and an air supply nozzle 2b and a preheating nozzle 2c are arranged on both sides thereof.
  • the nozzle support portion 2 is a cylindrical body that fits into the inlet portion 11 of the combustion chamber 10, and a tapered corner portion 2 d is formed at the rear end portion thereof.
  • the nozzle support part 2 is supported by a slide mechanism (not shown) so that its position can move along the tube axis of the inlet part 11.
  • the fuel injection nozzle 2a penetrates the center of the nozzle support part 2 and the tip part projects into the inlet part 11 of the combustion chamber 10, and the position of the tip part is also movable along the tube axis of the inlet part 11 in the same manner. It is supported.
  • the air supply nozzle 2b and the fuel injection nozzle 2a may be integrally formed by joining the conduits on the way.
  • the fuel injection nozzle 2a has a vortex injection nozzle.
  • a swirling flow (or a rotating flow) is formed in the nozzle cylinder by allowing high-pressure gas to flow in a tangential direction at positions opposed to each other in the diameter direction of the nozzle cylinder.
  • a swirl flow due to the flame of the fuel is formed in the combustion chamber 10 during combustion.
  • the air supply nozzle 2b is connected to high-pressure air blowing means (not shown) and supplies air into the combustion chamber 10.
  • the preheating nozzle 2c preheats the inside of the combustion chamber 10, and introduces a preheating gas such as propane stored in a high pressure cylinder by opening an on-off valve (not shown), and using a piezoelectric element. Ignite and burn in the combustion chamber 10.
  • the open / close valve is closed, and the combustion inside the combustion chamber 10 is injected from the fuel injection nozzle 2a. It becomes gasification combustion only by fuel.
  • a branch pipe 16 is connected to the discharge port 13 of the combustion chamber 10 via a pipe joint 15.
  • One branch pipe 16a of the branch pipe 16 is a pipe for exhausting the exhaust flow of the combustion chamber 10 to the atmosphere side, and the other pipe 16b is connected to the return exhaust heat pipe 17 via the flow rate adjusting valve V1.
  • the return exhaust heat pipe 17 is bifurcated at its end so that a part of the exhaust flow discharged from the combustion chamber 10 is recirculated to the combustion chamber 10, and the exhaust flow intake provided at the inlet 11 of the combustion chamber 10, respectively. It is connected to the mouths 18a and 18b.
  • the exhaust flow intake ports 18 a and 18 b are provided to be inclined with respect to the tube axis direction of the combustion chamber 10.
  • the return exhaust heat pipe 17 is further branched into two downstream from the flow rate adjusting valve V1, one of which is directed to the inlet 11 of the combustion chamber 10, and the other blower path is connected to the blower B for blowing air.
  • guide plates 19a and 19b are provided in the entrance 11 of the combustion chamber 10 downstream of the exhaust flow intake ports 18a and 18b.
  • the return exhaust flow recirculated from the return exhaust heat pipe 17 is taken in through the exhaust flow intake ports 18 a and 18 b formed at the symmetrical position of the combustion chamber 10. Since the exhaust flow intake ports 18 a and 18 b are inclined toward the combustion unit 12, the exhaust flow is guided toward the combustion unit 12 of the combustion chamber 10. At that time, the exhaust flow is guided by the guide plates 19a and 19b to form a spiral swirl flow. Since the swirl flow and the swirl flow of the flame formed by the fuel injection nozzle 2a coincide with each other in the swirl direction, they merge with each other, and the flame in the combustion chamber 10 becomes a strong swirl flow. Proceed to 12.
  • the mounting position of the burner 1 with respect to the combustion chamber 10 is structured to be adjustable by a slide mechanism, the exhaust flow path returning to the combustion chamber 10 depends on the position of the corner 2d of the nozzle support portion 2. , And the flow rate of the return exhaust gas flowing into the combustion chamber 10 can be adjusted. Thereby, the combustion state in the combustion chamber 10 can be controlled corresponding to the amount of fuel supplied and the like.
  • the fuel supply line 3 is connected to the burner 1 on the opposite side of the combustion chamber 10.
  • a fuel supply unit 4 is connected to the fuel supply line 3 through a fixed injection pump P and a fuel supply valve V4. Accordingly, the fuel supplied from the fuel supply line 3 is supplied to the burner 1 by the fuel that is injected in a fixed amount by the fixed injection pump P.
  • combustion chamber 10 is provided with a temperature sensor S for measuring the temperature in the room.
  • the combustion state of the combustion chamber 10 can be detected by the temperature sensor S, and it is also determined whether or not the combustion is in a gasified combustion state. Can do.
  • a water storage chamber 20 can be arranged outside the combustion chamber 10 as necessary.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel supply unit when an emulsion fuel composed of C heavy oil and water is used as the fuel.
  • the fuel supply unit 4 is provided with a functional water tank T1 and a heavy oil tank T2 for storing C heavy oil.
  • the outlets of these tanks T1 and T2 are connected to the mixer / stirrer 6 via valves 5a and 5b via valves Va and Vb, respectively.
  • heaters H1 and H2 for heating and a thermometer 7 are installed in both tanks T1 and T2, respectively, and a propeller 8 for stirring is provided in the heavy oil tank T2.
  • the outlet of the mixer / stirrer 6 is connected to a heat retaining tank T3 for heat retaining having a heater H3 through a conduit 6a. And the exit of the heat retention tank T3 is connected to the gasification combustion apparatus 30 through the fuel supply valve V4 and the fixed injection pump P through the conduit T3p.
  • valves, pumps, blowers, and the like of the gasification combustion device 30 and the fuel supply unit 4 described above are controlled by a control unit (not shown) by a signal from a temperature sensor S or the like provided in the combustion chamber 10. Operate.
  • the functional water tank T1 of the fuel supply unit 4 functional water generated in advance using an emulsion manufacturing apparatus (not shown) is stored.
  • This functional water is generated, for example, by supplying water existing in nature such as well water to the above-described emulsion production apparatus, centrifuging at an acceleration of 7,500 G to 8,500 G, and making ultrafine particles. .
  • the method for generating pressurized water using the above emulsion production apparatus is described in detail in Japanese Patent Application No. 2007-01639, which is filed by the present applicant.
  • slaked lime and urea are added to the functional water tank T1.
  • the functional water to which slaked lime and urea are added is hereinafter referred to as Z solution.
  • C heavy oil is injected into the heavy oil tank T2, and is stirred by the propeller 8 at a predetermined temperature in order to maintain a predetermined fluidity.
  • the mixing / stirring machine 6 the injected fuel oil and Z liquid are stirred for a predetermined time with a stirring blade and sufficiently dispersed. As a result, an emulsion fuel having an average particle size of 1 ⁇ m to 50 ⁇ m is generated.
  • the produced emulsion fuel is injected into the heat retaining tank T3 through the conduit 6a and stored in the heat retaining tank T3.
  • the gasification combustion apparatus 30 When the thus generated emulsion fuel is burned by the gasification combustion apparatus 30, it is burned without adding a dedicated exhaust gas treatment apparatus to the combustion apparatus as in the case of conventional emulsion fuel. NOx concentration and SOx concentration of the exhaust gas can be reduced.
  • a preheating gas such as propane gas ignited from the preheating nozzle 2c is injected into the combustion chamber 10 in a state where air is fed from the air supply nozzle 2b of the burner 1, and the combustion chamber 10 The inside of the combustion chamber 10 is preheated.
  • the inside of the combustion chamber 10 rises to a preheating temperature of about 800 ° C.
  • the temperature sensor S provided in the combustion chamber 10 detects that the predetermined preheating temperature has been reached, the fuel supply valve V1 is opened, and the metering injection pump P connected to the fuel supply unit 4 is operated, and the unit A certain amount of injected fuel per hour is sent to the fuel injection nozzle 2a.
  • the injected fuel that has been fed by the operation of the fuel injection nozzle 2a is fed into the combustion chamber 10 as a swirling flow, and the injected fuel is ignited inside the combustion chamber 10 to form a swirling flow of flame.
  • the swirling flow of the flame advances in a spiral manner inside the combustion chamber 10 toward the discharge port 13 while swirling. Thereby, the residence time inside the combustion chamber 10 becomes longer than that when the flame goes straight, and the combustion efficiency can be increased.
  • preheating nozzle 2c stops the injection of the preheated gas due to the ignition of the injected fuel, and the combustion of the injected fuel continues in the combustion chamber 10.
  • the supplied fuel is emulsion fuel
  • water in the fuel droplets boils instantaneously and gasifies by so-called steam explosion.
  • the optimum position where the steam explosion occurs depends on the fuel. Therefore, the optimum position of the steam explosion is generally obtained by actually burning in the combustion chamber 10. Therefore, the position of the tip of the fuel injection nozzle 2a is adjusted by the slide mechanism, and the optimum position is determined.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing the state of progression of shock waves in the combustion chamber 10 generated during the steam explosion.
  • a shock wave SW Stress Wave
  • the inclination angle ⁇ to the combustion section 12 is about 45 degrees
  • the inclination angle ⁇ from the combustion section 12 to the discharge port 13 is formed to about 30 degrees.
  • the combustion chamber 10 has a large diameter of the combustion portion 12, the swirl flow of the flame injected from the fuel injection nozzle 2 a has an enlarged radius, and thus the swirl flow in which the flame is expanded inside the combustion portion 12. Form. Moreover, since it is a swirling flow, it stays in the combustion chamber 10 for a long time compared to the straight flow and gasifies and burns with high efficiency. Therefore, almost complete combustion is continued in the combustion chamber 10.
  • the emulsion fuel injected from the fuel injection nozzle 2a into the combustion chamber 10 is ignited by the high heat in the combustion chamber 10 at the same time.
  • the air supplied from the air supply nozzle 2b generates a flame swirl inside the combustion chamber 10 and burns vigorously, generating high heat of 1500 ° C. or higher.
  • the internal temperature of the combustion chamber 10 is heated to 800 ° C. or higher in advance is to ignite the emulsion fuel itself.
  • this ignition temperature should just be at least 400 degreeC. Therefore, after the combustion of the emulsion fuel is started, the inside of the combustion chamber 10 is maintained at a high temperature by the combustion heat, so that the continuous combustion of the emulsion fuel is performed after ignition.
  • the exhaust flow during combustion is recirculated to the combustion chamber 10 again by the return exhaust heat pipe 17 connected to the discharge port 13 of the combustion chamber 10 via the branch pipe 16, and the combustion chamber 10 is guided by the guide plates 19a and 19b.
  • This swirl flow is merged with the swirl flow of the flame formed by the fuel injection nozzle 2 a to form a strong flame swirl flow in the combustion chamber 10.
  • the effect of the shock wave SW inside the combustion chamber 10 is also added, and complete combustion continues.
  • the combustion exhaust stream can also be effectively reused, and in particular, the emulsion fuel can be burned effectively.
  • gasification combustion apparatus can be widely used in thermal power plants, paper industry, cement industry, and other industries using combustion apparatuses.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage.
  • Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiments. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

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Abstract

　本発明のガス化燃焼装置は、燃料が導入される入り口部１１、この入り口部より大きな直径を有する燃焼部１２およびこの燃焼部よりも小さな直径を有し、この燃焼部において発生した燃焼排気流が排出される出口部１３からなる管状燃焼室１０と、この管状燃焼室の前記入り口部１１に装着されたバーナー１と、前記管状燃焼室１０の出口部から排出される排気流を前記管状燃焼室の入り口部に設けられた排気流取り込み口に還流するように設けられた排気流還流管３２と、を備え、前記バーナー１は、供給された燃料を前記燃焼室１０内の燃焼部に空気とともに旋回流として噴射することにより、前記燃焼部内に火炎旋回流を形成する噴射ノズル２を有する。

Description

ガス化燃焼装置
　本発明は、例えば、低公害燃料として用いる安定性の高いエマルジョン燃料等の燃料を燃焼させるガス化燃焼装置に関する。
　ボイラ等の各種燃焼装置では、燃焼効率の向上と同時に大気汚染を防止するために、排気ガスのＮＯｘ（窒素酸化物）濃度やＳＯｘ（硫黄酸化物）濃度や煤塵濃度を減少させることへの要請が強まっている。
　純燃料油に水を混合してエマルジョン化（乳化）したエマルジョン燃料は、石油系燃料の使用量を減少させると共に煤煙スラッグ等を減少させることができる。また、水の蒸発によって火炎温度が低下するので、排気ガス中のＮＯｘの低減効果もあるので低公害燃料として用いることができる。
　すなわち、エマルジョン燃料は油中水滴型（ｗａｔｅｒ　ｉｎ　ｏｉｌ；Ｗ／Ｏ型）の場合、数ミクロンの水の粒子を多数含んでいる。このようなエマルジョン燃料においては、油滴が高温で加熱されると表面から蒸発して燃焼を始めるとともに、内部の水が熱水または過熱蒸気の状態で急激に吹き出し、水粒子を取り巻く油を吹き飛ばして油滴を微粒化する。これは油単体の燃焼では見られない現象でミクロ爆発（ｍｉｃｒｏ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；水蒸気爆発）といわれるものである。油滴が再微粒化すると空気との接触面積が増加し、かつ空気との混合がよくなるため、燃焼が促進する。また火炎中に水が存在することから水の蒸発潜熱により火炎温度が低下し窒素酸化物の発生を抑えることができる。また火炎中の遊離炭素と水蒸気との水性ガス反応（Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２）および水蒸気の触媒作用によるＣＯの燃焼促進などの効果があることが知られている（非特許文献１参照）。
　また、灯油と廃液水を１：１で混合したエマルジョン燃料を、火炎温度９６０℃の条件下で燃焼し、ミクロ爆発による微粒化および水性ガス化反応による酸素供給により理論空気量以下で均一完全燃焼が可能な装置が報告されている（特許文献１参照）。この装置では均一完全燃焼が可能なため、窒素酸化物および一酸化炭素等の有害排気ガスを低減できる。更に過剰空気が不要なため火炎温度の低下が防止され燃費を低減できることが開示されている。
　また、Ａ重油に各種廃液水を混合したエマルジョン燃料を、炉温９００～１０００℃の条件下で燃焼することで、ダイオキシン類の発生を防止する廃液の焼却処理方法が知られている（特許文献２参照）。この処理方法では同時に窒素酸化物や煤塵量を抑制することも可能であることが開示されている。
　また、エマルジョン燃料の燃焼装置として、円管状の燃焼室を用いた装置が知られている（特許文献３参照）。
日本国特許公報特開２０００－３１９６７３号公報 日本国特許公報特開２００３－２４０２２０号公報 日本国特許公報特開２００６－１１２６６６号公報
熊倉孝尚、「エマルジョン燃焼」、エネルギー・資源、 ｖｏｌ．２（ＮＯ．５）、ｐ．４４４－４４９（１９８１）
　上述のように、エマルジョン燃料はガス化燃焼による完全燃焼状態が生成できるので、排気ガスのＮＯｘ（窒素酸化物）濃度やＳＯｘ（硫黄酸化物）濃度や煤塵濃度を減少させ、大気汚染の防止要請に応えることが可能である。
　しかし、上記従来の燃焼装置の円筒型の燃焼室は、その形状が燃焼効率の観点からは、最適とは言い難い。
　すなわち、エマルジョン燃料の水蒸気爆発の際に生じる衝撃波は、できるだけ長く燃焼室内に閉じ込めることが燃焼効率上から好ましいことが実験的に確認されている。したがって、水蒸気爆発の際に生じる衝撃波を燃焼室の内部にできるだけ長く閉じ込めるためにも、燃焼室は形状的にも工夫する必要がある。
　本発明はこれらの事情に基づいてなされたもので、燃焼効率がよく、かつ、排気ガスのＮＯｘ（窒素酸化物）濃度やＳＯｘ（硫黄酸化物）濃度や煤塵濃度を減少させることのできるガス化燃焼装置を提供することを目的としている。
　本発明のガス化燃焼装置は、燃料が導入される入り口部、この入り口部より大きな直径を有する燃焼部およびこの燃焼部よりも小さな直径を有し、この燃焼部において発生した燃焼排気流が排出される出口部からなる管状燃焼室と、この管状燃焼室の前記入り口部に装着されたバーナーと、前記管状燃焼室の出口部から排出される排気流を前記管状燃焼室の入り口部に設けられた排気流を取り込み口に還流するように設けられた排気流還流管と、を備え、前記バーナーは、供給された燃料を前記燃焼室内の燃焼部に空気とともに旋回流として噴射することにより、前記燃焼部内に火炎旋回流を形成する噴射ノズルを有することを特徴とするものである。
　また、本発明のガス化燃焼装置においては、前記管状燃焼室は、管軸に沿った断面図において、前記入り口部から前記燃焼部に向かって形成されている傾斜角度は、前記排出口から前記燃焼部に向かって形成されている傾斜角度よりも大きくなるように形成されていることを特徴とするものである。
　また、本発明のガス化燃焼装置においては、前記燃焼室の排出口の直径は前記入り口部の直径より小さいことを特徴とするものである。
　また、本発明のガス化燃焼装置においては、前記バーナーに設けられている前記燃料噴射ノズルは、前記燃焼室の管軸方向に移動自在に設けられていることを特徴とするものである。
　また、本発明のガス化燃焼装置においては、前記燃料噴射ノズルが形成する旋回流と、前記排気流取り込み口から取り込まれた排気流が形成する旋回流とは旋回方向が同じであることを特徴とするものである。
　また、本発明のガス化燃焼装置においては、前記燃料噴射ノズルへ供給される燃料はエマルジョン燃料であることを特徴とするものである。
　本発明によれば、燃焼効率がよく、かつ、排気ガスのＮＯｘ（窒素酸化物）濃度やＳＯｘ（硫黄酸化物）濃度や煤塵濃度を減少させることのできるガス化燃焼装置を提供することができる。
本発明の実施の形態を示すガス化燃焼装置の平面一部断面模式図。 は、図１に示すガス化燃焼装置に用いられているバーナーの正面図。 は、図２ａに示すバーナーの変形例を示す正面図。 図１の燃料供給部の構成を示す模式図。 図１に示すガス化燃焼装置における水蒸気爆発の際に生じた燃焼室内での衝撃波の進行状態を示する説明図。
　以下、本発明のガス化燃焼装置についての実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。
　エマルジョン燃料は、水粒子の周りに油が積み囲まれる形態で油と水を微細混合（１０μｍ程度）させてエマルジョン状態、即ち油か脂肪などを水に溶かした燃料油である。水を取り囲む油の燃焼によって得られる熱の伝導により水粒子は気化される。気化された水蒸気はその体積が膨大し、この水蒸気が油層を拡散させ、霧化現象を引き起こして油の完全燃焼に役立つ。
　霧化された霧状粒子は８００℃程度に予熱された燃焼室の内部に噴霧されたとき、燃料液滴中の水は瞬時に沸騰し、１２４０倍程度に急膨張して水蒸気爆発を起こす。この水蒸気爆発では、衝撃波が発生し、１０－３～１０－４秒の間に急激に数千～一万℃の高温度に達するが、この温度においては、エマルジョン燃料中の水はＨ２Ｏ→２Ｈ＋Ｏ（４０００℃以上）に分解し、また可燃性材料の油も原子状に分解しガス化する。
　ただし、温度上昇は、１０－３～１０－４秒という極めて短時間であるため、燃焼雰囲気中の温度はすぐに７００～８００℃に戻る。従って、燃焼室の内部の平均温度はそれほど上昇しない。また、水蒸気爆発も１０～３０μｍという微粒子の微爆発であり、しかも燃焼室の排気口の側が開口しているので燃焼室の壁面には圧力がかからず、高圧によって燃焼室が破壊される危険性はない。
　これらの背景を基に、発明者は、（イ）燃焼室内で燃焼の際に火炎の旋回流を形成すること、（ロ）燃焼室内に排気熱流を旋回流として還流させること、（ハ）燃焼室内に水蒸気爆発によって生じる衝撃波をできるだけ長く閉じ込めておくこと、がガス化燃焼には好ましいとの知見を得、それらを満足するガス化燃焼装置について種々の実験を重ねた結果、以下のガス化燃焼装置の構造に達した。
　図１は、本発明の実施の形態に係るガス化燃焼装置の縦断面図である。
　ガス化燃焼装置３０の燃焼室１０は、直径が管軸方向で変化する管状体であり、燃料が供給される入り口部１１と、これに連結される燃焼部１２と、これに連結され燃焼部１２で発生する燃焼ガスを排出する排出口１３から構成されている。入り口部１１の後端部から直径が急激に増加し、燃焼部１２で最大になる。燃焼部１２は燃焼室１０の管軸方向のほぼ中央部まで一定の直径を有し、その後、排出口１３に向かって徐々に縮小する。排出口１３は、入り口部１１より小さな半径の管状体により形成されている。燃焼室１０の入り口部１１にはバーナー１が装着されている。
　なお、燃焼室１０の管軸に平行な断面形状は、バーナー装着部１１から燃焼部１２への傾斜角度αは４５度程度であり、排出口１３から燃焼部１２へ向かう傾斜角度βは３０度程度である。なお、入り口部１１のバーナー装着部の後部には、排出口１３から排出された排気流を取り込むための排気流取り込み口１４が設けられている。
　燃焼室１０の入り口部１１には、燃焼室１０の内部に開口を向けてバーナー１が装着されている。このバーナー１には、図２ａに示されるようにノズル支持部２の後端面中央部には燃料噴射ノズル２ａが配置され、その両側に空気供給ノズル２ｂと予熱用ノズル２ｃとが列設されている。ノズル支持部２は、燃焼室１０の入り口部１１に嵌合する円柱体であり、その後端部はテーパー状のコーナー部２ｄが形成されている。ノズル支持部２は、例えば、スライド機構（図示せず）により、その位置が入り口部１１の管軸に沿って移動可能に支持されている。燃料噴射ノズル２ａはノズル支持部２の中心を貫通して先端部が燃焼室１０の入り口部１１内に突出するとともに、先端部の位置が同様に入り口部１１の管軸に沿って移動可能に支持されている。
　なお、バーナー１の変形例として図２ｂに示すように、空気供給ノズル２ｂと燃料噴射ノズル２ａとは、導管が途中で合流して、一体に形成されていてもよい。
　燃料噴射ノズル２ａは渦流式噴射ノズルを備えている。渦流式噴射ノズルは、例えば、ノズル筒の直径方向の対向位置において、それぞれ接線方向に高圧ガスを流入させることによりノズル筒内で旋回流（または、回転流）が形成される。この渦流式噴射ノズルを用いた燃料噴射ノズル２ａからの燃料の噴射により、燃焼室１０の内部に燃焼時に燃料の火炎による旋回流が形成される。
　空気供給ノズル２ｂは、図示しない高圧送風手段に接続されており、燃焼室１０の内部に空気を供給する。また、予熱用ノズル２ｃは、燃焼室１０の内部を予熱するもので、高圧ボンベに貯蔵されているプロパン等の予熱用ガスを、開閉バルブ（図示せず）を開いて導入し、圧電素子で着火して燃焼室１０の内部で燃焼させる。なお、燃焼室１０の内部で、予熱が終了して燃料噴射ノズル２ａからの噴射燃料による燃焼に移行すると、開閉バルブは閉じて、燃焼室１０の内部の燃焼は、燃料噴射ノズル２ａからの噴射燃料のみによるガス化燃焼になる。
　また、燃焼室１０の排出口１３には、管継ぎ手１５を介して分岐管１６が接続されている。分岐管１６の一方の分岐管路１６ａは、燃焼室１０の排気流を大気側に排気する管路であり、他方の管路１６ｂは流量調整バルブＶ１を介して戻り排熱管１７に接続されている。戻り排熱管１７は、燃焼室１０から排出した排気流の一部を再び燃焼室１０に還流するように、その末端は２分岐され、それぞれ燃焼室１０の入り口部１１に設けられた排気流取り込み口１８ａ、１８ｂに接続されている。排気流取り込み口１８ａ、１８ｂは燃焼室１０の管軸方向に対して傾斜して設けられている。戻り排熱管１７は流量調整バルブＶ１の下流においてさらに２分岐され、一方は前記燃焼室１０の入り口部１１に向かい、他方の分岐路には送風用のブロアーＢが接続されている。
　また、排気流取り込み口１８ａ、１８ｂの下流の燃焼室１０の入り口部１１内にはガイド板１９ａ、１９ｂが設けられている。
　戻り排熱管１７から還流されてくる戻りの排気流は、燃焼室１０の対称位置に形成された排気流取り込み口１８ａ、１８ｂから取り込まれる。この排気流取り込み口１８ａ、１８ｂは、燃焼部１２の方向へ傾斜して設けられているので、排気流は燃焼室１０の燃焼部１２の方へ導かれる。その際、排気流はガイド板１９ａ、１９ｂに案内されてスパイラル状の旋回流を形成する。この旋回流と燃料噴射ノズル２aによって形成される火炎の旋回流とは、旋回方向が一致しているので互いに合流し、燃焼室１０内の火炎は強力な旋回流となり、燃焼室１０の燃焼部１２へ進行する。
　しかも、バーナー１の燃焼室１０に対しての装着位置は、スライド機構により調整可能な構造になっているため、ノズル支持部２のコーナー２dの位置によって、燃焼室１０への戻りの排気流路の断面積を変更して燃焼室１０へ流入する戻りの排気流の流量を調整することができる。これにより燃焼室１０内の燃焼状態を、燃料の供給量等に対応して制御することができる。
　バーナー１には、燃焼室１０の反対側において、燃料供給管路３が接続されている。この燃料供給管路３には定量噴射ポンプＰと燃料供給バルブＶ４とを介して燃料供給部４が接続されている。したがって、燃料供給管路３から供給される燃料は、定量噴射ポンプＰにより定量ずつ噴射された燃料がバーナー１に供給される。
　なお、燃焼室１０には室内の温度を測定する温度センサＳが設けられており、温度センサＳによって燃焼室１０の燃焼状態が検知でき、燃焼がガス化燃焼状態になったか否かも判断することができる。
　また、燃焼室１０の外側には、必要に応じて貯水室２０を配置することができる。
　図３は、燃料にＣ重油と水とによるエマルジョン燃料を用いた場合における燃料供給部の構成を示す模式図である。
　燃料供給部４は、機能水用タンクＴ１およびＣ重油を収納する重油用タンクＴ２が設けられている。これらのタンクＴ１およびＴ２の出口は、それぞれバルブＶａ、Ｖｂを介して導管５ａ、５ｂを介して混合・攪拌機６に接続されている。また、両タンクＴ１、Ｔ２にはそれぞれ、加熱用のヒータＨ１、Ｈ２と温度計７が設置され、重油用タンクＴ２には攪拌用のプロペラ８が設けられている。
　混合・攪拌機６の出口は、導管６ａを介してヒータＨ３を有する保温用の保温タンクＴ３に接続されている。そして、保温タンクＴ３の出口は、導管Ｔ３ｐを介して燃料供給バルブＶ４および定量噴射ポンプＰを介してガス化燃焼装置３０に接続されている。
　なお、上述のガス化燃焼装置３０および燃料供給部４の各バルブ、ポンプおよびブロワー等は、燃焼室１０に設けられている温度センサＳ等からの信号により、図示しない制御部の制御の下で作動する。
　燃料供給部４の機能水用タンクＴ１には、予め、エマルジョン製造装置（図示せず）を用いて生成した機能水が貯蔵されている。この機能水は、例えば、井戸水など自然界に存在する水を、前述したエマルジョン製造装置に供給し、７，５００Ｇ～８，５００Ｇの加速度の下で遠心分離し、超微粒子化することにより生成される。なお、上記エマルジョン製造装置を用いて加圧水を生成する方法については、本出願人の出願に係る日本国特許出願特願２００７－０１６３９に詳細に説明されている。また、機能水用タンクＴ１には、消石灰と尿素が加えられる。このように、消石灰と尿素が加えられた機能水を以下ではＺ液と呼ぶこととする。
　一方、重油用タンクＴ２には、Ｃ重油が注入され、所定の流動性を維持するために所定の温度でプロペラ８により攪拌される。
　機能水用タンクＴ１の出口に設けられたバルブＶａと、重油用タンクＴ２の出口に設けられたバルブＶｂとを開いて、重量比で燃料油６０％に対してＺ液４０％の割合で、混合・攪拌機６に注入する。
　混合・攪拌機６においては、注入された燃料油とＺ液が攪拌翼で所定時間攪拌され、十分に分散される。この結果、平均粒径が１μｍ～５０μｍのエマルジョン燃料が生成される。
　生成されたエマルジョン燃料は、導管6ａを介して保温タンクＴ３に注入されて、保温タンクＴ３の内部に貯留される。
　このように生成されたエマルジョン燃料は、ガス化燃焼装置３０で燃焼させる際に、従来のエマルジョン燃料のように、燃焼装置に専用の排ガス対応の処理装置を付加しなくても、燃焼させた際の排ガスのＮＯｘ濃度やＳＯｘ濃度を減少させることができる。
　次に、上述した構成のガス化燃焼装置の動作について図１乃至図３を参照して説明する。　
　まず、予熱工程として、バーナー１の空気供給ノズル２ｂから空気が送り込まれた状態で、予熱用ノズル２ｃから点火されたプロパンガス等の予熱用ガスが燃焼室１０の内部に噴射されて燃焼室１０の内部で燃焼し、燃焼室１０の内部を予熱する。
　この結果、燃焼室１０の内部が８００℃程度の予熱温度に上昇する。燃焼室１０に設けられている温度センサＳが所定の予熱温度に達したことを検知すると、燃料供給バルブＶ１が開かれる共に、燃料供給部４に接続された定量噴射ポンプＰが作動し、単位時間当たり定量の噴射燃料が燃料噴射ノズル２ａに送り込まれる。
　それにより燃焼行程が開始される。すなわち、燃料噴射ノズル２ａが作動して送り込まれてきた噴射燃料を旋回流として燃焼室１０の内部に送り込み燃焼室１０の内部で、噴射燃料を着火させて火炎の旋回流を形成する。火炎の旋回流は燃焼室１０の内部で、スパイラル状になって旋回しながら排出口１３の方へ進行する。それにより、燃焼室１０の内部での滞留時間は、火炎が直進するよりも長くなり、燃焼効率を上げることができる。
　なお、噴射燃料の着火により予熱ノズル２ｃは予熱ガスの噴射を停止し、燃焼室１０の内部では噴射燃料の燃焼が継続する。
　例えば、供給される燃料がエマルジョン燃料の場合は、高温の燃焼室１０の内部に噴霧されたとき、燃料液滴中の水が瞬時に沸騰し、いわゆる水蒸気爆発によりガス化する。
　燃焼室１０の内部において、水蒸気爆発がどの位置で生ずるのが最適かについては燃料により異なる。したがって、水蒸気爆発の最適位置は、実際に燃焼室１０の内部で燃焼させて求めるのが一般である。そのため、燃料噴射ノズル２ａの先端の位置は、スライド機構により調整され、最適位置が決定される。
　図４は、水蒸気爆発の際に生じた燃焼室１０内での衝撃波の進行状態を示す説明図である。燃焼室１０の内部の燃料噴射ノズル２ａの前方で水蒸気爆発が生成されると、水蒸気爆発による衝撃波ＳＷ（Ｓｈｏｃｋ　Ｗａｖｅ）は、燃焼室１０の壁面に向かってあらゆる方向に進行して壁面に衝突して反射を繰り返す。上述の燃焼室１０の場合、図１で説明したように、燃焼部１２への傾斜角度αは４５度程度であり、燃焼部１２から排出口１３への傾斜角度βは３０度程度に形成されているので、水蒸気爆発した位置よりも後方に向かって進行した衝撃波ＳＷも、傾斜角度αの壁面に反射して燃焼室１０の燃焼部１２側へ進行するようになる。したがって、水蒸気爆発により生成された衝撃波ＳＷはそれぞれの反射する壁面に応じて時間差をもって燃焼室１０の内部を進行する。しかも、燃焼室１０の燃焼部１２は直径が最大であるため、衝撃波ＳＷは燃焼室１０の内部に留まりやすくなり、燃焼室１０の内部では衝撃波ＳＷの滞留時間を長くすることができる。
　さらに、燃焼室１０は燃焼部１２の直径が大きいため、燃料噴射ノズル２ａから噴射された火炎の旋回流は、その半径が拡大されるため、燃焼部１２の内部において火炎の拡大された旋回流を形成する。しかも旋回流であるので、直進流に比べて燃焼室１０の内部に長時間滞留して高効率にガス化燃焼する。したがって、燃焼室１０内では、ほぼ完全燃焼の状態が継続される。
　このように、予熱ノズル２ｃからの余熱用ガスの噴射が停止された後においては、燃料噴射ノズル２ａから燃焼室１０の内部に噴出されたエマルジョン燃料は、燃焼室１０内の高熱によって着火すると同時に、空気供給ノズル２ｂから供給される空気によって、燃焼室１０の内部で火炎旋回流を発生して激しく燃焼し、１５００℃以上の高熱を発生する。
　なお、燃焼室１０の内部の温度を予め８００℃以上に加熱しておくのは、エマルジョン燃料自体に着火するためである。なお、この着火温度は少なくとも４００℃であればよい。従って、エマルジョン燃料の燃焼が開始された後は、その燃焼熱によって燃焼室１０の内部が高い温度に維持されるため、着火後はエマルジョン燃料の単独での連続燃焼が行われる。
　しかも、燃焼の際の排気流は、燃焼室１０の排出口１３に分岐管１６を介して接続された戻り排熱管１７により再び燃焼室１０に還流され、ガイド板１９ａ、１９ｂにより燃焼室１０内に火炎旋回流を形成する。この旋回流は、燃料噴射ノズル２ａによって形成される火炎の旋回流と合流され、燃焼室１０内に強力な火炎旋回流を形成する。さらに、燃焼室１０の内部での衝撃波ＳＷの効果も加わり、完全燃焼が継続する。
　したがって、上述した本発明の実施例にかかるガス化燃焼装置によれば、ＮＯｘ（窒素酸化物）あるいはＳＯｘ（硫黄酸化物）などの有害ガスの発生を極めて少なくすることができる。特に、このエマルジョン燃料に消石灰や尿素を混入させておけば、一層効果的である。
　また、本発明の実施例にかかるガス化燃焼装置によれば、燃焼排気流も有効に再利用することができ、特に、エマルジョン燃料を効果的に燃焼させることができる。
　つまり、従来のボイラ等の燃焼装置のように特別な集塵手段や脱硝・脱硫手段等の排煙処理設備が不要または極めて簡単なもので済むことになる。しかも、排煙処理に要するコストを削減することができる。
　したがって、上述のガス化燃焼装置は、火力発電所、製紙業界あるいはセメント業界その他燃焼装置を用いる各業界で広く用いることができる。
　なお、本発明は上記の実施例のそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記の実施例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Claims (13)

  1. 　燃料が導入される入り口部、この入り口部より大きな直径を有する燃焼部およびこの燃焼部よりも小さな直径を有し、この燃焼部において発生した燃焼排気流が排出される出口部からなる管状燃焼室と、この管状燃焼室の前記入り口部に装着されたバーナーと、前記管状燃焼室の出口部から排出される排気流を前記管状燃焼室の入り口部に設けられた排気流取り込み口に還流するように設けられた排気流還流管と、を備え、前記バーナーは、供給された燃料を前記燃焼室内の燃焼部に空気とともに旋回流として噴射することにより、前記燃焼部内に火炎旋回流を形成する噴射ノズルを有することを特徴とするガス化燃焼装置。
  2. 　前記管状燃焼室は、管軸に沿った断面図において、前記入り口部から前記燃焼部に向かって形成されている傾斜角度は、前記排出口から前記燃焼部に向かって形成されている傾斜角度よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載のガス化燃焼装置。
  3. 　前記燃焼室の排出口の直径は前記入り口部の直径より小さいことを特徴とする請求項２記載のガス化燃焼装置。
  4. 　前記バーナーに設けられている前記燃料噴射ノズルは、前記燃焼室の管軸方向に移動自在に設けられていることを特徴とする請求項３記載のガス化燃焼装置。
  5. 　前記ノズル支持部は、その位置が前記燃焼室の管軸に沿って移動可能に支持されていることを特徴とする請求項４記載のガス化燃焼装置。
  6. 前記燃料噴射ノズルが形成する旋回流と、前記排気流取り込み口が排気流を取り込み形
    成した旋回流とは旋回方向が同じであることを特徴とする請求項５記載のガス化燃焼装置。
  7. 前記燃料噴射ノズルへ供給される燃料はエマルジョン燃料であることを特徴とする請求
    項６記載のガス化燃焼装置。
  8.  前記燃料噴射ノズルは、前記燃焼室内に空気を供給する空気供給ノズルおよび前記燃焼室
    内で予熱を行う予熱用ノズルをさらに備えていることを特徴とする請求項５記載のガス化燃焼装置。
  9. 　前記管状燃焼室の入り口部に設けられた排気流取り込み口は、前記燃焼室の管軸に対して対称の位置に設けられており、前記排気流還流管の末端は分岐され、それぞれ前記排気流取り込み口に接続されていることを特徴とする請求項８記載のガス化燃焼装置。
  10. 　前記排気流取り込み口の近傍には、これらの排気流取り込み口から前記管状燃焼室内に還流された排気流を前記管状燃焼室の管軸の周りに旋回させるように案内する案内板が設けられていることを特徴とする請求項９記載のガス化燃焼装置。
  11. 　前記エマルジョン燃料は、機能水用タンク、重油用タンク、これらのタンクに貯蔵された機能水および重油が供給される混合・攪拌機、この混合・攪拌機からなる燃料供給部から前記燃料噴射ノズルに供給されることを特徴とする請求項１０記載のガス化燃焼装置。
  12. 　前記機能水は、自然水を７，５００Ｇ～８，５００Ｇの加速度の下で遠心分離し、超微粒子化された加圧水であることを特徴とする請求項１１記載のガス化燃焼装置。
  13. 　前記機能水には、消石灰と尿素が加えられることを特徴とする請求項１２記載のガス化燃焼装置。
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