(57)【要約】  燃焼容積を低減させるためのマトリクス手段（８）を有する蒸気発生用ボイラが提供される。マトリクス手段（８）は蒸気発生用ボイラの燃焼炉（５）内で、燃料及び酸化体流れ（１１、１２）よりも下流側に配置することが好ましい。マトリクス手段は、従来のボイラのソレよりもずっと短い燃焼エンベロープを発生させ、かくして蒸気発生用ボイラの燃焼容積を低減させ得るようになる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気発生用ボイラであって、
蒸気発生用バンクと、
蒸気発生用バンクよりも下流側に位置付けたエコノマイザと、
蒸気発生用バンクよりも上流側に位置付けた燃焼炉にして、酸化体を提供するための酸化体入口と、燃料を提供するための燃料入口と、燃焼炉の壁に取り付けた複数の蒸気チューブにして、燃焼チャンバよりも下流側に位置付けた蒸気ドラムに流体連結された蒸気チューブと、酸化体と燃料とを受動的に混合させるためのマトリクス手段と、を含む燃焼炉と、
を含む蒸気発生用ボイラ。
【請求項２】
マトリクス手段が、着火される燃料と酸化体とにより生じる燃焼エンベロープを半径方向に分散させる請求項１の蒸気発生用ボイラ。
【請求項３】
マトリクス手段が、球体要素の層を含む請求項２の蒸気発生用ボイラ。
【請求項４】
球体要素がセラミックである請求項２の蒸気発生用ボイラ。
【請求項５】
球体要素が金属である請求項２の蒸気発生用ボイラ。
【請求項６】
マトリクス手段が、ガス状流れ用の開口部分を有する第１断面と、ガス状流れ用の開口部分を有する第２断面と、を含み、第１断面を横断するガス状流れ用の開口部分が第２断面を横断するガス状流れ用の開口部分よりも大きい請求項２の蒸気発生用ボイラ。
【請求項７】
マトリクス手段が第３断面を含み、該第３断面を横断するガス状流れ用の開口部分は、第１断面を横断するガス状流れ用の開口部分と実質的に等しい請求項６の蒸気発生用ボイラ。
【請求項８】
マトリクス手段が第３断面を含み、該第３断面を横断するガス状流れ用の開口部分は、第１断面を横断するガス状流れ用の開口部分よりも大きい請求項６の蒸気発生用ボイラ。
【請求項９】
燃焼エンベロープが、燃焼噴射入口よりも下流側でマトリクス手段に衝突する請求項２の蒸気発生用ボイラ。
【請求項１０】
マトリクス手段が、燃料及び酸化体の着火を維持し得る熱リザーバを含んでいる請求項９の蒸気発生用ボイラ。
【請求項１１】
マトリクス手段の内部に燃料入口を位置付けた請求項２の蒸気発生用ボイラ。
【請求項１２】
マトリクス手段の内部に酸化体入口を位置付けた請求項２の蒸気発生用ボイラ。
【請求項１３】
マトリクス手段よりも上流側に位置付けた穴あきプレートを更に含む請求項２の蒸気発生用ボイラ。
【請求項１４】
エコノマイザよりも下流側に空気ヒーターを位置付けた請求項２の蒸気発生用ボイラ。
【請求項１５】
蒸気発生用ボイラであって、
蒸気発生用バンクと、
蒸気発生用バンクよりも下流側に位置付けたエコノマイザと、
蒸気発生用バンクよりも上流側に位置付けた燃焼炉にして、第１酸化体を提供するための第１酸化体入口と、第２酸化体を提供するための第２酸化体入口と、燃料を提供するための燃料入口と、燃焼炉の壁に取り付けた複数の蒸気チューブにして、燃焼チャンバよりも下流側に位置付けた蒸気ドラムに流体連結された蒸気チューブと、酸化体と燃料とを受動的に混合させるための第１マトリクス手段と、第１酸化体入口よりも下流側に位置付けられ、第２酸化体と燃料とを受動的に混合させるための第２マトリクス手段と、を含む燃焼炉と、
を含む蒸気発生用ボイラ。
【請求項１６】
第１マトリクス手段と第２マトリクス手段との間に位置付けた中間ステージ冷却用チューブを更に含む請求項１５の蒸気発生用ボイラ。
【請求項１７】
第１マトリクス手段よりも上流側に位置付けた穴あきプレートを更に含む請求項１５の蒸気発生用ボイラ。
【請求項１８】
エコノマイザよりも下流側に空気ヒーターを位置付けた請求項１５の蒸気発生用ボイラ。
【請求項１９】
第１マトリクス手段と第２マトリクス手段との間に着火器を位置付けた請求項１６の蒸気発生用ボイラ。
【請求項２０】
第１マトリクス手段と第２マトリクス手段との間にスキャナを位置付けた請求項１６の蒸気発生用ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に化石燃料燃焼に関し、詳しくは、蒸気発生用ボイラのガス状燃料燃焼のための新規且つ有益な方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料バーナは、酸化体の存在下に化石燃料を燃焼させることで、化石燃料に蓄えられた化学的エネルギーを熱に変換する。発電用途ではこの熱を水に移行させて発電用タービン駆動用の蒸気を発生させる。非発電用途では前記熱は考え得る不特定多数の物又はプロセスに移行され得る。
従来の蒸気発生用ボイラには、一般に、一つ以上のバーナと、一つ以上の燃料噴射ポイントと、一つ以上の酸化体噴射ポイントと、噴射された燃料と酸化体とを燃焼炉内に推進させるための手段と、が含まれる。酸化体と燃料との混合物が着火される（図１）と、火炎３と、火炎３とバーナ１との間の酸化体/燃料混合物帯域２とを含む燃焼エンベロープ４が形成される。
【０００３】
図２及び図３には、夫々単一及び多数のバーナを使用する従来の蒸気発生用ボイラの概略図が示される。ボイラの内壁には、図示しないボイラバンクに流体連結した複数の蒸気発生用チューブ６が含まれる。燃焼エンベロープ４内に生じた熱エネルギーはこれらの蒸気発生用チューブ６を放射加熱し、加熱された蒸気発生用チューブ６が結局、蒸気を発生させるための熱エネルギーをその内部の水に伝達する。
大抵の蒸気発生用ボイラでは、燃焼エンベロープ４の長さと幅とには、燃焼炉５を設計する上で欠かせない役割がある。例えばＦＭボイラでは、燃焼エンベロープ４と炉壁１０との過剰接触を回避するべく、燃焼炉５を十分に大きく設計するのが好ましい。火炎衝突としても知られるが、火炎３が図３に示すように炉壁１０と過剰に接触すると、不完全燃焼が生じてＣＯ及びその他の燃焼副産物の放出量が増大し、または早期劣化を生じて費用の掛かる補修やボイラ停止が発生する。従って、一般に燃焼炉５は、所定のバーナ燃焼エンベロープ４を収受する一方で、火炎衝突の生じる可能性を最小化する設計とされる。
【０００４】
従来のバーナでは一般には流れ制御機構を用いて燃焼エンベロープ４が軸方向及び半径方向に拡大するのを制御している。燃焼エンベロープ４の半径方向拡大は一般には、燃料、酸化体、火炎、の旋回及び自然な拡大の関数である。流れ制御機構を使用して燃焼エンベロープ４の半径方向の自然拡大を制限する従来設計型の幾つかのバーナでは、火炎が長く且つ狭幅なものとなっている。流れ制御機構の創出する剪断力が、燃焼に先立つ燃料/酸化体の混合度合いに影響を与え、それによりＣＯやＮＯｘの如きの放出量に影響を与えるべく使用される。
酸化体や燃料の入手性や燃焼前の混合性は、燃焼炉５内の燃焼エンベロープ４の長さに影響する。火炎は、酸化体の供給が不十分である場合、または酸化体と燃料とが燃焼エンベロープ４内で適正混合されていないと一般に長くなり、酸化体が十分に供給され、燃焼エンベロープ４内で酸化体と燃料とが適正混合されていれば一般に短くなる。火炎長さは、燃焼エンベロープ４に入る燃料及び又は酸化体流れの速度によっても影響される。燃料/酸化体流れの速度が速すぎる場合、または燃料/酸化体の流れが瞬間的に途切れるとバーナの火炎３は失火する。失火は、再着火時に暴発しやすい可燃物堆積を生じることから、特に望ましくない。
米国エネルギー庁は、工業ボイラのような蒸気発生用ボイラの寸法及び重量を低減させることが長年要求されていることを明示した。従来の蒸気発生用ボイラは、発生する燃焼エンベロープ４の大きさを収受するように造られる。
【０００５】
【特許文献１】Babcock & Wilcox 社の2005年のSteam/its Generation and Use, 41th Edition, Kitto and Stultz, Eds
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
相当に小さい容積内で蒸気を発生させるための十分な熱エネルギーを発生し、かくして一段と小型軽量で且つコンパクトな設計形状の、長年来要望されている蒸気発生用ボイラの製造を可能とする燃焼エンベロープを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、上述した問題を解決する、液体燃料、気体燃料、又はそれらの任意の組み合わせを燃焼させることのできる蒸気発生用ボイラが提供される。
本発明によれば、コンパクトな蒸気発生用ボイラが提供される。
本発明によれば、燃焼エンベロープの半径方向幅と軸方向長さとが、従来の蒸気発生用ボイラのそれよりも幅広で且つ短い蒸気発生用ボイラが提供される。
本発明によれば、ＮＯｘ及びＣＯ発生量の少ない蒸気発生用ボイラが提供される。
本発明によれば、従来の蒸気発生用ボイラと比較して寸法が小さく且つ重さが軽い蒸気発生用ボイラを設計するための手段が提供される。
本発明によれば、燃焼炉と、酸化体入口と、燃料入口と、マトリクス手段と、蒸気チューブと、を含む蒸気発生用ボイラが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
相当に小さい容積内で蒸気を発生させるための十分な熱エネルギーを発生し、かくして一段と小型軽量で且つコンパクトな設計形状の、長年来要望されている蒸気発生用ボイラの製造を可能とする燃焼エンベロープを提供することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、従来のオイル及びガス焚き式の蒸気発生用ボイラを改善する特徴の組み合わせが使用される。従来のオイル及びガス炊き式の蒸気発生用ボイラには、これに限定するものではないが、ＦＭ、高キャパシティＦＭ、ＰＦＭ、ＰＦＩ、ＰＦＴ、ＳＰＢ、ＲＢの各ボイラが含まれる。これら全てのボイラはBabcock & Wilcox 社の2005年のSteam/its Generation and Use, 41th Edition, Kitto and Stultz, Edsに記載されている。
本明細書ではＦＭボイラの概略図を使用して本発明を説明するが、ＦＭボイラは説明目的においてのみ使用されるものであって、本発明はＦＭボイラ実施例に限定されるものではない。
【００１０】
図２及び図３を参照するに、従来のＦＭボイラの概略図が示され、バッフル壁２０が、図示されないボイラバンクから燃焼炉５を分離している。燃焼エンベロープ４が燃焼炉５内に位置付けられ、バーナ１に送られる燃料と酸化体とが着火されると燃焼エンベロープ４が発生する。
燃焼炉の炉壁１０には、蒸気ドラム７に流体連結されて発電を目的とするプロセスのために使用する蒸気を発生する一連のチューブ６が含まれる。燃焼エンベロープ４が切頭円錐状に拡散する形状を有することで、燃焼エンベロープ４が拡大するに従い、燃焼エンベロープ４に平行するかなりの燃焼炉容積部分が使われない状況となる。
【００１１】
本発明は、使われない燃焼炉容積部分を低減させることを目的とするものであり、本発明によれば、燃焼エンベロープの火炎の内部か又は火炎よりも前方の何れかにマトリクス８が提供される。図５を参照するに、本発明の後付け型の実施例が示され、マトリクス８がバーナ１よりも下流側で燃焼炉５に配置されている。燃料及び酸化体はマトリクス８に入り、マトリクス８の断面設計形状が、そこを通過するガス状流れを混合させ、生じた燃焼エンベロープ９を半径方向に拡散させる手段を提供する。
マトリクス８には、少なくとも一つのガス状の燃料流れと、少なくとも一つのガス状の酸化体流れとが、またはそれらの組み合わせが提供される。ガス状流れはマトリクス８に任意の側から流入し得る。図６には、燃料流れ１２と、燃料流れ１２と酸化体流れ１１とがマトリクス８よりも上流側から導入される好ましい実施例が示される。あるいはガス状の酸化体流れ１１と燃料流れ１２とを、図７や図８に示すようにマトリクス８の側方のみから、またはマトリクスの前方及び各側部からの組み合わせ状態下に導入させ得る。
【００１２】
図９には本発明に従うマトリクス８の好ましい実施例が示される。本実施例では、燃焼装置は少なくとも一つの球体層を含むマトリクス８である。球体は、マトリクス８内でランダムに又は整然と配列され得、本来、中空、中実又は多孔質又はその任意の組み合わせのものであり得る。球体は寸法が異なる又は実質的に類似のものであり得、化石燃料燃焼中にマトリクス８が露呈される高温に耐え得る高温金属又はセラミックであり得ることが好ましく、使用し得る任意の既知の材料を含み得る。
【００１３】
図９を参照するに、マトリクス８を横断するガス状流れのための開口部分の変化を表す４つの断面が平面１〜４として示されている。開口率は、断面１ではおよそ４６パーセント、断面２では３１パーセント、断面３では９パーセント、断面４では約５８パーセントである。
本発明はガス状流れの混合を改善することを目的とするものでもある。混合状況は、開口部分の開口率の異なる、例えば、第１断面のガス状流れのための開口率が第２断面のそれよりも大きい、少なくとも２つの断面を含むマトリクス８の存在下に改善される。図９の断面１と断面２とは、ガス状流れに対する開口率が異なっており、ガス状流れはこれら２つの断面間を通過する際に生じる差圧により圧縮又は拡張され、その際生じる剪断力がガス状流れを強制混合させる。マトリクス８の提供する優れた混合性により、ＣＯ量と、燃焼完了に要する余分の空気量とが最小化される。
【００１４】
本発明は、燃焼エンベロープを半径方向に拡散させることをも目的としている。そうした半径方向拡散は、開口部分の開口率の異なる少なくとも２つの断面を含むマトリクス８の存在下に実現される。２つの断面は軸線が異なり、第１断面のガス状流れに対する開口率は第２断面のそれよりも大きい。図９に示す断面３及び断面４は、ガス状流れに対する開口率の異なる、軸線の異なる各断面であり、ガス状流れは、断面３に接近するとその開口率が比較的小さいことに基づく抵抗を受け、ガスの一部分の、もっと流れ抵抗の小さい断面、例えば断面４に向かうベクトルが変化し、かくして、燃焼エンベロープを軸線方向に抑制し且つ半径方向に拡散させる。
【００１５】
本発明によれば、熱出力をほぼ同じに維持しつつ、蒸気発生用ボイラの設計形状の改善を可能とする燃焼装置が提供される。図５を参照するに、従来のＦＭボイラに後付けした本発明の概略図が示される。本発明は、燃焼エンベロープ４を半径方向に拡散させ、かくして、使用されない燃焼容積部分が燃焼エンベロープ９よりも下流側に移動された、ずっと短い燃焼エンベロープ９が発生される。後付け用途の場合、使用されない燃焼容積部分に蒸気発生機器を追加してエネルギー発生ポテンシャルを最大化させることができる。
燃焼炉の深さを減少させる場合、熱出力を犠牲にすることなく、新規且つコンパクトなボイラ設計形状を開発できるようになるという利益がある。蒸気発生用ボイラの燃焼炉５は、一般に、所定の燃焼エンベロープ４を収受しつつ、火炎衝突のリスクを最小化するように設計される。燃焼エンベロープ４が短いと、任意の所定の熱出力での炉の深さを相当に浅くすることが可能である。本発明を使用してボイラ寸法を低減させると、短いボイラはボイラ壁やチューブ６の製造原料もかなり少ないことから、ボイラ重量も低減される。
【００１６】
本発明に従うマトリクス８は燃焼エンベロープ４内のどこかに配置することができる。マトリクス８は、このマトリクス８の内部で燃焼が開始され、燃焼火炎３が、燃料と酸化体とを導入する位置よりも下流側でマトリクス８から出るに十分な深さ位置で、混合帯域２内に配置するのが好ましい。この実施例では、火炎幅は、着火されて拡張力が創出された燃焼性流れが、この拡張力によりマトリクス８の内部を更に半径方向に拡張することにより最大化される。
本発明の更に他の利益は、一定の着火源が受動的に維持されることである。この実施例では、マトリクス８は熱を維持し得る材料から構成される。燃料及び又は酸化体流れが速過ぎて又は変動量が大き過ぎて火炎が消えてしまうような時でも、マトリクス要素内に維持された熱が着火を維持するに十分な熱源を提供するので、再着火が遅れた場合に関連する所望されざる状況が回避される。
【００１７】
本発明の他の実施例では蒸気発生用ボイラにおいて一つ以上のマトリクス８（以下、第１マトリクス８とも称する）が使用される。図１０には本実施例の概念図が示され、２つのマトリクスがステージ燃焼を容易化するべく用いられている。本実施例では第２マトリクス１４が第１マトリクス８よりも下流側に位置付けられる。第１マトリクス８には燃料流れ１８と、ＮＯｘのような所望されざる燃焼副産物の生成を抑止するための亜化学量論的酸化体１７とが提供される。残留燃料を燃焼させるための十分な酸素を提供する第２酸化体流れ１３が、第１マトリクス８よりも下流側及び第２マトリクス１４よりも上流側に提供される。
図１１には本発明に従う、２つのマトリクスを交互させたステージ燃焼実施例が例示される。本実施例では、火炎温度制御及び熱ＮＯｘ形成を目的とする冷却用チューブ１５が２つのマトリクス８及び１４の間に配置される。フレームアレスターとして作用し及び又は亜化学量論的酸化体１７を予備分与する機能のある穴あきプレート１５０を第１マトリクス８よりも上流側に配置しても良い。
【００１８】
本発明の別の実施例では燃焼炉内に、燃焼炉５内での燃焼プロセスを観察するためのセンサ１６が配置される。
本発明の他の実施例では、マトリクス８を予備加熱するため又は燃料及び酸化体を着火するための着火器１６０が、燃焼炉内に配置される。
図１２には、本発明の他の実施例が示される。本実施例ではマトリクス８は繊維又は粒状物組み合わせからなるランダムに又は整然と配置したブロックを含み、繊維及び粒状物の間には一連の内側通路が配置される。内側通路は、ガス状流れのための開口部分が変化された断面を有し、ガス状燃料及び酸化体の各流れをマトリクス８の内部で受動的に混合させ且つ半径方向に分散させるための手段を提供する。本実施例の線Ａ−Ａに沿った断面図も示されている。
【００１９】
図１３には本発明の別の実施例が例示され、本実施例ではマトリクス８が、通気口１９を有する焼成または嵌め込み（fired-or-fitted）タイルを含んでいる。本実施例の線Ｂ−Ｂに沿った断面図も示され、通気口１９の断面がマトリクス８の幅方向に沿って変化する状況が示されている。
本発明の他の実施例では酸化体及び/燃料が多重流れ形態下にマトリクス８に供給され得る。
本発明の他の実施例ではマトリクス８は、非球形要素から、又は球形要素及び非球形要素を整然と配置し又は非整然と配置して組み合わせたものから成り得る。
【００２０】
本発明の更に他の実施例では、球体又はその他の形状の要素が、燃料の化学的性質の変更、燃焼の助長、汚染物排出量削減、等を目的とする、当業者には既知の任意数の化学物質でコーティングされ得る。
本発明の更に他の実施例では、マトリクス８は矩形、円形、又はその他の幾何学的設計形状のものであり得る。一般に、本発明のマトリクス８は各球体が動かないようにする好適な器具により捕捉状態に保持される。好適な器具の例は、これに限定しないが、ワイヤフレームであり、及び又は、マトリクス８の各要素を相互に化学的又は機械的に接合するものである。
本発明の更に他の実施例では、多数のマトリクスがボイラ内で平行状態に配置され得る。そうした実施例では、多数の燃料が同時に燃焼され、かくしてボイラ設計上の燃焼燃料の融通性が提供される。
本発明の他の実施例では、強制流れ空気又は再循環ファンを使用してマトリクス８を横断する差圧を生じさせ、マトリクス８を通過するガス状流れを促進又は抑制させる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】燃焼エンベロープの概念図である。
【図２】単一のバーナを使用する従来の工業用ボイラの概念図である。
【図３】一つ以上のバーナを使用する従来の工業用ボイラの概念図である。
【図４】燃焼炉の長さと幅とに沿って過剰の火炎接触が生じる、所望されざる燃焼エンベロープの概念図である。
【図５】マトリクス手段を既存の蒸気発生用ボイラの燃焼炉内に組み込んだ状態を例示する本発明の実施例の概念図である。
【図６】マトリクス手段よりも上流側で燃料と酸化体とを導入する本発明の実施例の斜視図である。
【図７】マトリクス手段の側部において燃料と酸化体とを導入する本発明の実施例の斜視図である。
【図８】マトリクス手段の前方及び側部において燃料と酸化体とを導入する本発明の実施例の斜視図である。
【図９】マトリクス手段の線１−４に沿った各断面を例示する本発明のマトリクス手段の好ましい実施例の斜視図である。
【図１０】２つのマトリクス手段を用いてステージ燃焼を容易化する実施例の例示図である。
【図１１】２つのマトリクス手段を用いるステージ燃焼ボイラのステージ間に冷却を介装した実施例の斜視図である。
【図１２】本発明に従うマトリクス手段の別態様の斜視図である。
【図１３】本発明に従うマトリクス手段の別態様の斜視図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  バーナ
４、９  燃焼エンベロープ
５  燃焼炉
６  チューブ
７  蒸気ドラム
８  マトリクス
１０  炉壁
１１  酸化体流れ
１２  燃料流れ
１４  第２マトリクス
１６  センサ
１７  亜化学量論的酸化体
１９  通気口
２０  バッフル壁
１５０  穴あきプレート
１６０  着火器
【図１】
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【図２】
2008527310.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008527310.tif 000012
【図１１】
2008527310.tif 000013
【図１２】
2008527310.tif 000014
【図１３】
2008527310.tif 000015
【国際調査報告】
2008527310.tif 000016