(57)【要約】  Ａ予燃焼器システム前壁、中央軸、直径Ｄｉｃ、および生成ガスを放出するように構成された出口を有する点火チャンバーを含む。この点火チャンバーは、中央軸に実質的に平行な前壁からの第１の酸素流を注入するように構成された中央点火酸素インジェクター、および前壁の下流でＸｐｆ。の距離にある軸上の場所において中央軸に対し接線方向で第１の燃料流を注入するように構成された接線方向の第１の燃料インジェクターを含む。Ｘｐｆ／Ｄｉｃの比は０．２５〜４．０である。中央軸は、垂直線と約４５°以下の角度αをなす。第１の燃料流の軌道は、約２０°以下の中央軸に垂直である平面と角度Θをなす。燃焼のための方法がまた開示されている。【選択図】図３
2014535033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前壁、中央軸、直径Ｄｉｃ、および生成ガスを放出するように構成された出口を有する点火チャンバーであって、該点火チャンバーが、
該中央軸と実質的に平行な該前壁から第１の酸素流を注入するように構成された中央点火酸素インジェクターと、
該前壁から下流の距離Ｘｐｆの軸上の場所において該中央軸の接線方向に第１の燃料流を注入するように構成された接線方向の第１の燃料インジェクターと、
を含む点火チャンバーを含む予燃焼システムであって、
比Ｘｐｆ／Ｄｉｃが０．２５〜４．０であり、該中央軸が垂直線と角度αをなし、そして該角度αの大きさが約４５°以下であり、そして該第１の燃料流の軌道が該中央軸に垂直な平面と角度Θをなし、そして該角度Θの大きさが約２０°以下である、予燃焼システム。
【請求項２】
該比Ｘｐｆ／Ｄｉｃが０．５〜３．０である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
該比Ｘｐｆ／Ｄｉｃが１．５〜３．０である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
該前壁から第１の燃料インジェクターへの距離より大きい距離の場所において、該点火チャンバー内に第２の流れを接線方向に注入するように構成された第２のインジェクターをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
該前壁からの距離が該第１の燃料流とほぼ同じ場所において該点火チャンバー内に接線方向で第２の流れを注入するように構成された第２のインジェクターをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
該前壁から該接線方向の第１の燃料インジェクターへの距離より大きい距離の場所において該点火チャンバー内に接線方向で第２の流れを注入するように構成された第２のインジェクターと、該前壁から第１の燃料流への距離とほぼ同じ距離の場所において該点火チャンバー内に接線方向で追加の第２の流れを注入するように構成された追加の第２のインジェクターとをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
該接線方向の第１の燃料インジェクターと同心円の配置で、該接線方向の第１の燃料インジェクターの周りに酸素を注入する、第１の酸素インジェクターをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
該点火チャンバーの下流の移行区間と、その入口が該出口と流体連通した注入ノズルとをさらに含み、該出口がボイラーまたは炉内に生成ガスおよび未燃焼の燃料を注入するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
該注入ノズルの該入口が垂直の軌道から該生成ガスおよび未燃焼の燃料を受け、そして水平線から４５°以内である軌道に該生成ガスおよび未燃焼の燃料を向け、そして該生成ガスおよび未燃焼の燃料を該炉またはボイラー内に放出する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
該出口を囲む外側の酸素流をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
ボイラーまたは炉内において該生成ガスおよび未燃焼の第１の燃料と混合し、そして反応させて、該生成ガスと未燃焼の第１の燃料との燃焼を完了させるように構成された燃焼用空気流をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
該中央軸と実質的に平行な該前壁から該注入チャンバー内にパイロット燃料を注入するように構成されたパイロット燃料インジェクターをさらに含み、該パイロット燃料が該中央点火酸素インジェクターに隣接して該チャンバー内に注入される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
該中央軸と実質的に平行な該前壁から該注入チャンバー内にパイロット燃料を注入するように構成されたパイロット燃料インジェクターをさらに含み、該パイロット燃料インジェクターおよび該中央点火酸素インジェクターが同心円の配置である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
該角度αが約３０°以下である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前壁、中央軸、直径Ｄｉｃおよび生成ガスを放出するように構成された出口を有する点火チャンバーを提供する工程と、
中央点火酸素インジェクターからの該中央軸と実質的に平行な該前壁から第１の酸素流を注入する工程と、
接線方向の第１の燃料インジェクターから該前壁の下流の軸上で距離Ｘｐｆにある場所において該中央軸の接線方向で第１の燃料流を注入する工程と、
を含む燃焼のための方法であって、
比Ｘｐｆ／Ｄｉｃが０．２５〜４．０であり、該中央軸が垂直線と角度αをなし、そして該角度αの大きさが約４５°以下であり、そして該第１の燃料流の軌道が該中央軸に対直な平面と角度Θをなし、そして該角度Θの大きさが約２０°以下である、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２０１１年１１月１１日出願の米国仮特許出願第６１／５５８、５３１号明細書（参照によりその全てを本明細書中に取り込む）の優先権および利益を主張する。
【０００２】
本発明の主題は、共に係属中でありかつ共通の譲受人である、それぞれ２０１０年７月２９日に出願された米国特許出願公開第１２／８４５、８２６号明細書および米国特許出願公開第１２／８４５、８７９号明細書に関連する。これらの特許出願の開示は参照により本明細書中に取り込まれる。
【背景技術】
【０００３】
この発明の主題は、燃焼システムおよび方法に関する。特に、本発明は、バイオマス等の湿気を含む燃料を蒸気発生ボイラー内で燃焼させるためのシステムおよび方法を対象にする。
【０００４】
粉炭は、炉または蒸気発生ボイラーのための従来燃料である。ある状況において、粉炭を代用物燃料で置き換えるかまたは補うことが望ましい。粉炭は、燃焼区間内で１〜２秒の滞在時間で浮遊状態で実質的に完全燃焼することを可能にする約３０〜４０μｍの質量平均粒径（ｍａｓｓ  ｍｅａｎ  ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｓｉｚｅ）を典型的に有する。しかし、種々のバイオマス燃料等の多くの代替燃料は、石炭ほど細かく粉砕できず；平均粒子径は約１ｍｍ（１０００μｍ）である結果となり、数ｍｍもの大きい多くの粒子を有する。これらのより大きい代用物燃料の燃焼は、典型的には不安定かつ不完全である。さらに、これらの燃料の多くはより高い湿気含有量および石炭より低い比エネルギー含有量を有し、そしてそれ故に、ボイラーシステムの設計上の熱移送を保つのに充分高い炎の温度を生成できない。したがって、ボイラー蒸気出力の費用のかかる低下を招く。
【０００５】
石油コークス等の他の固体燃料は、例えば、非常に低い揮発性成分を有し、そして、それ故に、これらの燃料は、従来の空中（ｉｎ−ｆｌｉｇｈｔ）燃焼システムにおいてこの目的のために通常割り当てられる短い期間内に点火させるのは非常に難しい。最終的に、ある場合には、石炭の粉砕の工程を行わずに済ませ、従ってこの予備ステップに関連した資本設備および出力コストの量を低下させることが望ましい。そうした場合において、本発明は、従来のボイラーおよび炉内でより大きい粒径を用いて完全燃焼を達成する手段を提供する。モデリングにより、炎の安定性およびそうした比較的大きくかつ高い湿気を有する代用物燃料の完全な空中燃焼が、湿気の前放出および炉またはボイラーへの注入の前の燃料粒子の予熱を通して達成できることが示された。そうした粒子の予熱および予備乾燥が酸素を用いて高められた場合、安定かつ完全燃焼なだけでなく、炎の温度を上げることおよび設計上のボイラーの熱移送速度を回復する結果となった。従来の空中燃焼のために設計された炉またはボイラー内での単一のエネルギー源としてのこれらの従来にない燃料を利用しようとする今までの試みは概して不完全な結果；すなわち、非効率的なかつ／または危険に不安定な燃焼となった。したがって、従来にない燃料を利用する空中燃焼の大部分の商業的用途は、代替燃料によって供給される全エネルギーのほんの部分的に過ぎない量を用いて達成されてきた。
【０００６】
接線（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）またはサイクロン（ｃｙｃｌｏｎｉｃ）バーナーは、固体燃料の乾燥、液化および燃焼の問題を解決するために過去に用いられてきた。Ｍｏｒｇａｎら（Ｍｏｒｇａｎ、Ｄ．、Ｂｉｆｆｉｎ、Ｍ．、Ｎｏ、Ｓ．Ｙ．、ａｎｄ  Ｎ．Ｓｙｒｅｄ、“Ａｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｂｅｈａｖｉｏｒ  ｏｆ  Ｎｏｎ−Ｓｌａｇｇｉｎｇ、Ｃｏａｌ  Ｆｉｒｅｄ、Ｃｙｃｌｏｎｅ  Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｍｏｄｅｌ”、Ｔｗｅｎｔｙ  Ｓｅｃｏｎｄ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）  ｏｎ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ／Ｔｈｅ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ、１９８８、ｐｐ．１７５−１８２）は、固体燃料残留物が固体燃料燃焼のガス状生成物とは別個の導管から放出される混合気の、スラグとならない（すなわち、固体燃料残留物が反応器内で溶融しない）固体燃料の燃焼のためのサイクロン反応器を記載する。しかし、試験では、燃料のスラグ化を防ぐのに必要な比較的低温の条件下で、大きな割合の未燃焼の燃料が固体残留物流を残すことを示した。５００μｍ（１／２ｍｍ）より大きい粒子直径で炭素の燃尽の急激な低下を示すＭｏｒｇａｎらの図３を参照のこと。これが、Ｍｏｒｇａｎらの機器内で生じる固体状分離／ガス状分離の固有の限界である。Ｓａｒｖらの国際公開第２００８／１５１２７１号パンフレット、Ｄ’Ａｇｏｓｔｉｎｉらの米国特許第６、９１０、４３２号明細書、米国特許第６、９６８、７９１号明細書およびＤ’Ａｇｏｓｔｉｎｉの米国特許出願公開第２０１２／０２３８２３号明細書（これらはそれぞれ参照によりその全てを本明細書中に取り込む）は、溶融した固体残留物（スラグ）および燃焼のガス状生成物が燃焼器から別個の流れ中で放出される、酸素富化したスラグ化サイクロン燃焼器を開示する。米国特許第６、９６８、７９１号明細書および米国特許出願公開第２０１２／０２３８２３号明細書はまた、サイクロン反応器の主軸に沿って酸素と共に第２の燃料を注入する工程を含む。Ｓｌａｙｔｅｒらの米国特許第２、４５５、９０７号明細書（参照によりその全てを本明細書中に取り込む）は、固体ガラスバッチ材料が溶融機の軸に沿って垂直下向きに供給されるガラス繊維を生成するための溶融装置を開示する。混合気ガス混合物が装置の上部に注入されて、ガラスバッチ材料を加熱し、そして溶融させる旋回する炎を作り出す。空気ガス燃焼のガス状生成物および溶融したガラスの両方は、下に向かって落ちてガラス精製が完了するように前炉内にそれらが放出される円錐形の区画に集中する。
【０００７】
これらの従来技術の参照文献はいずれも、反応チャンバー内での形状の寸法比の重要性、および、特に、必要な比に固守することから生じる独自かつ必要な流れの場について記載していない。実際、反応チャンバー内の形状の寸法の比は、Ｍｏｒｇａｎら機器、すなわち、国際公開第２００８／１５１２７１号パンフレットに開示された機器、米国特許第６、９１０、４３２号明細書に開示された機器、米国特許第６、９６８、７９１号明細書に開示された機器、および米国特許出願公開第２０１２／０２３８２３号明細書に開示された機器では非常に低い重要性を有する。これはそれぞれの機器内で起こる固相と気相との分離が気相および固相の流体の動きを分断することによる。溶融装置内の形状の寸法の比は、米国特許第２、４５５、９０７号明細書内のいずれにおいてもそれほど非常に重要ではない、なぜなら、溶融装置の壁に沿ったガラス繊維溶融および溶融した材料は、底の放出ポートに向かって重力の作用下で自然に流れるからである。さらに、放出開口、装置（溶融チャンバー）の直径間での相対的な寸法および機器内での流れ特性の重要性について言及がない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
効率的でありかつ高い炎の安定性を有し、そして完全な空中燃焼であり、比較的高い湿気内容物を有する固体燃料から湿気を放出させ、そして固体燃料を燃焼させるためのシステムおよび方法は、業界において望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、粉炭燃焼のために設計された炉または蒸気発生ボイラーに代替固体燃料の使用を可能とすることによって、この技術分野における問題を解決する。本発明は、粒子を予備加熱および乾燥させるためのチャンバーを含み、そして炉またはボイラーへの注入の前に粒子の分解蒸発および燃焼を開始させる酸素／固体燃料予燃焼器システムに関する。燃料は旋回が形成されまたは維持される点火チャンバー内に接線方向で注入される。軸上に注入された酸素は、点火チャンバーのコア内のより細かい粒子および揮発性物を点火するための高反応性雰囲気を提供し、一方で接線流れのみで達成できるであろうより長い滞在時間を確立する重要な第２の流れをまた生成する。インジェクターは、混合気バーナー内に挿入されることができ、石炭のバイオマスの追加導入または共燃焼シナリオに特に好都合となる。軸上および／または接線方向での注入に使用される酸素ノズルは、断面が円形であることができ、または改善された混合および旋回する固体燃料流により強い推進力を移送するために溝を有することができる。
【００１０】
本発明の形態は、前壁、中央軸、直径Ｄｉｃ、および生成ガスを放出するように構成された出口を有する点火チャンバーを含む予燃焼器システムに関する。点火チャンバーは、中央軸に実質的に平行な前壁から第１の酸素流を注入するように構成された中央点火酸素インジェクター、および前壁の下流の軸上の距離Ｘｐｆの場所で、中央軸の接線方向に第１の燃料流を注入するように構成された接線方向の第１の燃料インジェクターを含む。比Ｘｐｆ／Ｄｉｃは０．２５〜４．０である。中央軸は垂直線と角度αをなし、そして角度αの大きさは約４５°以下である。第１の燃料流の軌道は、中央軸に垂直である平面と角度Θをなし、そして角度Θの大きさは約２０°以下である。
【００１１】
本発明の別の形態は燃焼のための方法を含み、この方法は、前壁、中央軸、直径Ｄｉｃ、および生成ガスを放出するように構成された出口を有する点火チャンバーを提供する工程を含む。中央点火酸素インジェクターからの中央軸に実質的に平行に前壁から第１の酸素流は注入される。第１の燃料流は、接線方向の第１の燃料インジェクターから、前壁の下流の距離Ｘｐｆである軸上の場所において、中央軸の接線方向に注入される。比Ｘｐｆ／Ｄｉｃは０．２５〜４．０である。中央軸は垂直線と角度αをなし、そして角度αの大きさは約４５°以下である。第１の燃料流の軌道は中央軸に垂直である平面と角度Θをなし、そして角度Θの大きさは約２０°以下である。
【００１２】
本発明の他の特徴および利点は、一例として、本発明の原理を具体的に示す添付図面と共に理解されて、以下の好ましい態様のさらに詳細な記載から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、木材を分解蒸発させるのに必要な粒径対時間のグラフ表示である。
【００１４】
【図２】図２は、石炭と木材とを比較した燃焼室のＣＦＤモデリングの具体的な説明である。
【００１５】
【図３】図３は、本発明の一態様による予燃焼器システムの図である。
【００１６】
【図４】図４は、図３に記載された予燃焼器システムの断面Ａ−Ａの図である。
【００１７】
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の別の形態による予燃焼器システムの図である。
【００１８】
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａに記載された予燃焼器システムの断面Ｂ−Ｂの図である。
【００１９】
【図６】図６は、図３に記載された予燃焼器システムの代替的な配置を記載する断面Ｂ−Ｂの図である。
【００２０】
【図７】図７は、図３に記載された予燃焼器システムの代替的な配置を記載する図である。
【００２１】
【図８】図８は、例示的な移行区間の形状を表す本発明の一形態による予燃焼器システムの代替的な配置の図である。
【００２２】
【図９】図９は、例示的な移行区間および外側の酸素および燃焼用空気を有する注入ノズルを示す本発明の形態による別の予燃焼器システムの図である。
【００２３】
【図１０】図１０は、例示的なブランケット酸化剤を含む図３に記載された予燃焼器システムの代替的な配置を記載する断面Ｂ−Ｂの図である。
【００２４】
【図１１】図１１は、インジェクター区間によって記載された流れ経路入口におけるほぼ垂直から出口におけるほぼ水平の曲がっており、そしてまた軸上のスパージャーを含む本発明の形態による予燃焼器システムの平面図である。
【００２５】
【図１２】図１２は、中央の酸化剤導管をまた含む図１１の態様による別の予燃焼器システムの平面図である。
【００２６】
【図１３】図１３は、点火酸素がパイロット燃料を囲む環に注入される本発明の別の形態による予燃焼器システムの図である。
【００２７】
【図１４】図１４は、パイロット燃料が添加酸素を囲む環に注入される本発明の別の形態による予燃焼器システムの図である。
【００２８】
【図１５】図１５は、例１の配置「Ａ」および「Ｂ」の粒子のトラッキングを比較したＣＦＤの結果の図である。
【００２９】
【図１６】図１６は、例１の配置「Ａ」および「Ｂ」の速度場を比較したＣＦＤの結果の図である。
【００３０】
【図１７】図１７は、例１の配置「Ａ」および「Ｂ」の圧力場を比較したＣＦＤの結果の図である。
【００３１】
【図１８】図１８は、例１の配置「Ａ」および「Ｂ」の揮発性ガス場を比較したＣＦＤの結果の図である。
【００３２】
【図１９】図１９は、例１の配置「Ａ」および「Ｂ」の温度場を比較したＣＦＤの結果の図である。
【００３３】
【図２０】図２０は、図３に記載された発明に係るシステム内の粒子の動作への幾何学的なパラメーターＸｐｆ／Ｄｉｃの効果を比較したＣＦＤの結果の図である。
【００３４】
【図２１】図２１は、図３に記載された発明に係るシステムの速度場への幾何学的なパラメーターＸｐｆ／Ｄｉｃの効果を比較したＣＦＤの結果の図である。
【００３５】
【図２２】図２２は、図３に記載された発明に係るシステムの揮発性ガス場への幾何学的なパラメーターＸｐｆ／Ｄｉｃの効果を比較したＣＦＤの結果の図である。
【００３６】
【図２３】図２３は、図３に記載された発明に係るシステムの温度場への幾何学的なパラメーターＸｐｆ／Ｄｉｃの効果を比較したＣＦＤの結果の図である。
【００３７】
【図２４】図２４は、例２の配置「Ｂ」および「Ｃ」の粒子のトラッキングを比較したＣＦＤの結果の図である。
【００３８】
【図２５】図２５は、例２の配置「Ｂ」および「Ｃ」の速度場を比較したＣＦＤの結果の図である。
【００３９】
【図２６】図２６は、例２の配置「Ｂ」および「Ｃ」の圧力場を比較したＣＦＤの結果の図である。
【００４０】
【図２７】図２７は、例２の配置「Ｂ」および「Ｃ」の酸素濃度プロファイルを比較したＣＦＤの結果の図である。
【００４１】
【図２８】図２８は、例２の配置「Ｂ」および「Ｃ」の揮発性ガス場を比較したＣＦＤの結果の図である。
【００４２】
【図２９】図２９例２の配置「Ｂ」および「Ｃ」の温度場を比較したＣＦＤの結果の図である。
【００４３】
可能である限り、同じ参照番号は、図を通して同じ部分を表すであろう。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
提供されるのは、比較的高い湿気含有量および粒径を有する固体燃料から湿気を放出させ、そして燃焼させ、高い燃焼効率および高い炎安定性を可能にする予燃焼器システムおよび方法である。一態様では、多用途ボイラーのためにバイオマスを燃焼させるシステムおよび方法が開示される。ある態様において、予燃焼器システムは、既存の空気粉炭バーナーの燃料ノズルを置き換えることができ、そして熱移送または蒸気発生能力の損失なしに共燃焼および燃料切り替えを促進するのに必須の予備乾燥、湿気放出、早期の揮発、バイオマスおよび他の代替燃料の点火および燃焼を達成できる。
【００４５】
本発明の目的および配置の両方は、従来技術と重要な側面において異なる。実際、本発明は、（同じポートから放出される固体およびガス状生成物が反応チャンバー内の２相の粒子の動きに特に注意を必要とする）スラグとならない（すなわち、非溶融）反応器である。特に、システムを通る経路中において、ガス流中での固体燃料の粒子の連続的な浮遊を確かにすることは都合がよい、なぜなら浮遊がないと、チャンバーの壁へのより大きい粒子の沈降となるからである。この沈降は、その後に、所望の気体／固体流のパターンをさらに妨げる堆積の形成、チャンバーの壁上での材料の燃焼などの有害な結果となり、これは実用的な関心の対象である多くの燃料にとって、機器の高温故障となり、そして最終的に、粒子の断続的な積み込みまたは再取り込みは、脈動するまたは不安定な燃焼となるであろう。本発明は、酸素の戦略的な使用と相まったその独自の幾何学的な配置を通して、２相気体／固体流場の自然な傾向に関連した前記の望ましくない結果を回避する。
【００４６】
ボイラー／炉内での実質的な湿気および／または大きい粒径を有する固体燃料の効率的な燃焼は、乾燥、加熱、揮発、粒子点火および燃焼の個々の工程の完了を必要とする。この工程における重要なステップは、揮発物の発生である。具体的に、従来の先行技術の空中固体燃料燃焼システムにおいて、揮発物は、好ましくは概して炉内への燃料注入の点の非常に近く（すなわち、わずかに下流で）放出される、なぜならこれに続く揮発物の点火は、固体燃料の残余の早期の点火および急速な燃焼の原動力であるからである。しかし、揮発物の発生は、燃料の表面湿気の乾燥および粒子加熱の前であることが好ましく、これは事象の連鎖において時間が限定される工程である。図１に具体的に記載するように、ＦＬＵＥＮＴソフトウェアパッケージを使用した計算流体力学（ＣＦＤ）モデリングを、初期の粒子サイズおよび湿気含有量の関数として粒子乾燥および湿気の放出に必要な時間の感度を予測するために用いた。このモデルは燃料（この場合は木材）の揮発が１２７℃の燃料粒子温度において開始されることを前提とする。粒子は０に等しい時間で２０℃であると考えられ、その点において１０００℃の放射温度に曝される。揮発物の発生の開始に必要な時間は、粒径および燃料表面の湿気の両方とともに急激に増加することに留意されたい。
【００４７】
このいわゆる揮発遅れ（すなわち、粒子注入と揮発物の発生との間の経過時間）の重要性の具体的な説明として、固体燃料が典型的な値である１００フィート／秒の速度でバーナーから炉に放出されることを考える。この速度において、（表面湿気を有さない０．５ｍｍ粒子に相当する）１０ミリ秒の揮発遅延は、点火遅延、またはバーナーノズルから名目上１フィート（１００フィート／秒×０．０１秒）のスタンドオフ距離となり、一方１００ミリ秒（２ｍｍ粒子、２０％表面湿気）の揮発遅延は、点火遅延、または名目上１０フィート（１００フィート／秒×０．１秒）のスタンドオフ距離を有する。
【００４８】
予備乾燥と揮発物放出との組み合わせが空中（浮遊体燃焼、同伴流）燃焼への大きな効果を有することが、図２に記載するように、蒸気発生ボイラー中で木材粒子の混合気燃焼のＣＦＤモデリングを介して見られた。この図は、粉砕された瀝青石炭の従来の同伴流燃焼を介して生成されたボイラー温度分布に対し、０．８ｍｍに等しいマス平均直径および２０％の表面湿気を有する木材粒子のボイラーの温度分布を比較する。図２は、バーナーノズルの近くにおける高温および粉炭の場合での続く良好に規定された炎の構造を示し、そして比較により、２０％湿気／木材の場合バーナーノズルの周りにおける比較的低い温度は、概して分離しておりかつ一貫していない炎の構造となる。前者の場合は炎の安定性、早期の固体燃料の点火および本質的に完全な燃焼に特徴があり、一方後者では不安定な燃焼、不充分な工程制御および比較的大きい割合の未燃焼燃料と関連していることが当業者によって理解されるであろう。さらに、工業炉中において固体燃料の完全燃焼に使用できる滞在時間は通常約１秒であるので、そうした大きい揮発／点火遅延は、そうした工程において支持できないことが知られている。本予燃焼器の発明は、燃料の揮発物の放出を促進し、そして炉内に注入する前に固体燃料の燃焼を開始させ、それによって燃料としてバイオマスまたは他の比較的大きくかつ湿気を含む燃焼性の材料を使用する工業炉の有効性を高める。
【００４９】
特別の定めのない限り、「酸素」は、本明細書中において、３０体積％超のＯ２、または６０体積％超のＯ２、約８５体積％超のＯ２または約１００体積％のＯ２を有する酸化剤または酸化剤流として規定される。「酸素富化した空気」は、本明細書中において、空気と混合された「酸素」であって、この複合した酸素の濃度が空気単独の酸素濃度より大きいかまたは約２２体積％以上であるものと規定される。
【００５０】
この発明の目的のために、用語「サイクロン」および「旋回」は交互に使用され、そして（例えば、点火チャンバー内での）燃料、ガス、酸化剤および粒子の流れのパターンを記載することを意図する。「サイクロン」および「旋回」の流れのパターンは、チャンバー内で通常円形のまたはらせん状の動きである燃料、ガス、酸化剤および粒子の回転を含む。
【００５１】
特別の定めのない限り、「炉」は燃料が注入され、そして燃焼されて、加熱、溶融、蒸気発生または焼却またはその同類のもの等の具体的工業上の目的を達成するチャンバーである。「ボイラー」は蒸気が生成されるタイプの炉である。
【００５２】
本発明に関連して、第１の燃料は、固体燃料または液体燃料のいずれかであることができる。可能な固体の第１の燃料の例は、燃焼の前に細粉に粉砕されていない他の燃焼性の湿気を含む材料の中でも、木材チップ、のこ屑、草等の粉炭またはバイオマスの少なくとも１種を含む。この第１の燃料はまた、液体燃料、特にグリセロール、ブラックリカーもしくは重油、または液体および固体の両方を含むスラリー等の噴霧または点火が困難な燃料であることができる。第１の燃料の可能な候補を記載したが、このリストは完全でもなく、これらに限定されるべきでもないことに注意すべきである。さらに、本発明の好ましい態様は、第１の燃料がこの段落中に記載された固体燃料の１つとなることを考慮する。
【００５３】
この発明に関連して搬送ガスは、空気、窒素、酸素富化した空気、燃焼の再循環する生成物またはそれらの組み合わせを含む。
【００５４】
図３は、本発明の一態様の形状の断面図を具体的に示す。予燃焼器システム３００は、第１の燃料＋搬送ガス混合物または第１の燃料流３０５を点火チャンバー３０１内に接線方向で導入するように構成された接線方向の第１の燃料インジェクター３０３、点火チャンバー３０１の中央軸３１１に実質的に平行に点火酸素流３０９を送達するように構成された前壁３０８上に並べられた中央点火酸素インジェクター３０７、および生成ガス３１５が追い出される出口３１３を有する点火チャンバー３０１を含む。第１の燃料流３０５の下の点火チャンバー３０１中に第２の酸素流３１９を接線方向で導入するように構成された第２の酸素インジェクター３１７が示されており。第２の酸素流３１９は、酸素、空気、燃焼の再循環する生成物、またはそれらいくらかの組み合わせであることができる。この第２の流れ３１９は、チャンバー３０１内の接線方向の流れパターンまたは旋回プロファイル４０１を増強し（例えば、図４および５を参照のこと）、一方でまた工程運転の要求により、段階的な燃焼を行い、そして第２のインジェクターの下流の点火チャンバー３０１の壁および生成ガス３１５の温度を制御する。第２の流れ３１９はまた、既に記載しさらに下記に記載するようにブランケットガスを生成して、点火チャンバー３０１の壁の保護を助ける。例えば、スラグ形成の防止は、第１の燃料流３０５の灰成分の融点より下の温度に点火チャンバー３０１の壁を維持して運転することにより達成できる。
【００５５】
予燃焼器システム３００の配置が、図３中に示された寸法と共に並べられている。第１の燃料流３０５は、前壁３０８から直線距離Ｘｐｆにある点火チャンバー内の場所にある第１の燃料インジェクター３０３を介して注入される。第２の流れ３１９は、前壁３０８から直線距離Ｘｓｏにある点火チャンバー内の場所にある第２のインジェクター３１７を介して注入される。点火チャンバーの長さＬｉｃは、前壁３０８から出口３１３または移行区間８０１（例えば、図８を参照のこと）の始まりまでの直線距離である。図３に示される別の重要な寸法は、点火チャンバーの直径Ｄｉｃ（これは点火チャンバー３０１の有効径である）を含む。直径が一定の場合、Ｄｉｃは線寸法であることができ、または点火チャンバー３０１の直径が一定でない場合、前壁３０８とＸｐｆとの間の水力直径または平均直径として計算されることができる。本発明により、点火チャンバーの前壁３０８から第１の燃料インジェクターまでの軸上の距離Ｘｐｆの点火チャンバーの直径Ｄｉｃに対する比である、無次元の比Ｘｐｆ／Ｄｉｃは、０．２５〜４．０または０．５〜３．０または１．５〜３．０の範囲、または約２．７である。
【００５６】
接線方向の注入、接線軌道における注入、接線方向の配置およびそれらの他の文法的変化形は、中心軸に対し垂直（すなわち、直角）であるベクトル成分を有し、そして中心軸から充分にオフセットされていて、中心軸周りに旋回プロファイル４０１を作り出す方向をいう。例えば、第１の燃料流３０５および第２の流れ３１９の場合、点火チャンバー３０１中へ接線方向の注入は、側壁に対し接線方向、すなわち、中心軸からオフセットされていて、チャンバー３０１の表面に実質的に沿った点において、搬送ガス＋第１の燃料を用いて提供される。この方向は、旋回プロファイル４０１の結果となるように提供される。このタイプの接線方向の注入によって生成されるこの流れパターンは、図３中で示された区間Ａ−Ａの断面である図４中で具体的に説明されている。
【００５７】
一方、図３に示された態様において、第２の流れ３１９は、第１の燃料流３０５の注入の点から下流の軸上の場所において注入され、別の態様では、図５Ａおよび５Ｂに示されるように、第２のインジェクター３１７は、第１の燃料流３０５と名目上同じ軸上の場所において、点火チャンバー３０１内に第２の流れ３１９を接線方向に注入するように提供される。図３に示された第２のインジェクター３１７の配置では、第２の流れ３１９を介して提供されるガスは、酸素、酸素富化した空気、空気、窒素、再循環する燃焼の生成物、またはなんらかのそれらの組み合わせであることができる。この態様において第２のインジェクター３１７を介して提供される第２の流れ３１９（図５Ｂを参照のこと）は複数の機能を有する。ガスの１つの機能は、点火チャンバー３０１の壁を覆いまたは壁を浸食から保護することである。第２の流れ３１９は、接線方向におよび第１の燃料と名目上同じ断面の平面中であるが、図５Ｂ中で具体的に説明されるように第１の燃料の注入点に対し、外周方向（すなわち、回転方向）においてわずかに前進して導入されることにより浸食を減少させる。そうすることにより、第２の流れ３１９は、第１の燃料流３０５の粒子の腐食電位を最小化させるように点火チャンバーの壁に対して衝突する前に第１の燃料流の経路を曲げる。第２の酸素流３１９の別の機能は、図３に関して既に述べたように、遠心流れ場を強めることである。第２の流れ３１９のまた別の機能は、粒子の点火をさらに促進するために、点火チャンバー３０１に入ると酸素と第１の燃料との混合を早期に促進し、そして開始させることである。図３および図５Ａおよび５Ｂに示された態様は、第２の流れ３１９の注入についての単一の配置を含むが、それぞれは複数の注入点を有することができ、または単独でもしくは相互を組み合わせて存在できる。
【００５８】
点火チャンバー３０１の全体は、例えば、予燃焼器システム３００の用途と関連した空間要求を促進するために、垂直線６０１に対し角度αでオフセットしたその中央軸３１１で方向付けられていることができる（図６を参照のこと）。しかし、点火チャンバー３０１内の望ましい固体燃料の流れを促進するように、角度αの大きさは約４５°以下、または３０°以下である。
【００５９】
点火チャンバー３０１内での燃料の滞在時間の変更は、中央軸に平行な接線方向の流れの成分を与えることにより、部分的に達成できる。それ故に、図７中に具体的に説明されているように、第１の燃料流３０５の軌道７０１は、中央軸に対し垂直である平面７０３から角度Θでオフセットされていることができる。同様に、第２の酸素流３１９は、第１の燃料流３０５と同じ角度Θで、中央軸に対し垂直である平面７０３からオフセットされていることができる。チャンバー内での粒子の充分な滞在時間を維持するためおよびシステムの有益な流体力学特性を保つために、角度Θの大きさは、約２０°以下または約１０°未満であることが好都合である。
【００６０】
図８に示すように、本開示による予燃焼器システム３００の１つの態様は、移行区間８０１を含む。移行区間８０１は、点火チャンバー３０１から生成ガスを受け、そしてその後この生成ガスを燃料ノズルまたはボイラーまたは炉を含むことができる出口３１３に送達する。移行区間８０１は任意の断面形状であることができ、そして表面に沿って変化することができる中央軸３１１から角度Δでオフセットした表面を含むことができるが、その大きさまたは平均の大きさは、実線８０３を参照して示されるように、中央軸３１１から約４５°以下である。
【００６１】
本開示による予燃焼器システム３００のまた別の態様は、図９に具体的に説明されているように、任意選択的な外側の酸素インジェクター９０１および燃焼用空気インジェクター９０３を含むことができる。この態様は、本発明のシステムが既存の混合気燃焼システム中に設置されている用途に特に関連する。図９の予燃焼器システム３００は、点火チャンバー３０１に点火酸素流３０９を送達するように構成された中央点火酸素インジェクター３０７を含む。さらに、パイロット燃料インジェクター９１１は、点火チャンバーにパイロット燃料９１５を提供するように構成されている。そうした用途において、燃焼用空気９０５は既存の供給を利用でき、そして本発明のシステムは予備混合気バーナーの代わりに設置される。最も有利には予燃焼器システム３００の燃焼用空気９０５と生成ガス３１５との間に配置される、任意選択的な外側の酸素流９０７は、本発明のシステムの燃焼効率をさらに改善する手段として使用できる。図９に示された態様の別の特徴は、移行区間８０１の下流の出口３１３として注入ノズルを含むことである。生成ガス３１５の具体的工程の使用によっては、注入ノズルまたは出口３１３は、その最終用途に最適である速度および方向に生成ガス３１５の流れを調整するために場合により存在する。
【００６２】
さらに別の態様では、図５Ｂと同じ平面で表した図１０中で具体的に説明されているように、第１の酸素流１００３は、第１の燃料流３０５を囲む第１の酸素インジェクター１００１中に注入される。さらに、図１０の予燃焼器システム３００は、図５Ａおよび５Ｂに示されそして記載されたのと同じ配置を有する第２のインジェクター３１７および第２の流れ３１９を含む。この態様の利点は、チャンバー中への注入により酸素と燃料との急速かつ緊密な混合が直ちに起こり、そしてそれによって第１の燃料流３０５の急速な点火を助けることである。
【００６３】
図１１は、予燃焼器システム３００の態様を具体的に示し、生成ガス３１５は、水平線１１０１に名目上平行な軌道で工程炉またはボイラー（図示されていない）に注入される。図１１のシステムは、図５Ａおよび５Ｂに示されそして記載されたのと同じ配置を有する第１の燃料インジェクター３０３および２つの第２のインジェクター３１７を含む。第２のインジェクター３１７の一方または両方は、存在でき、そして／または利用できる。当然のことながら、第１の燃料および第２の酸化剤の実際の軌道は水平線から４５°もそれていることができるが、これは本発明の範囲内である。この態様は、点火チャンバー３０１、移行区間８０１、および移行区間８０１と工程炉またはボイラーとの間に導管を形成するインジェクターノズル１１０３を含む。この態様のインジェクターノズル１１０３は、図１１にまた示されるように旋回半径１１０５を含む。図１１はまた、ノズル流中の粒子状物質に空気を取り込むのを助けて跳躍するのを防ぐことができる任意選択的な軸上のスパージャー１１０７を示す。スパージャーで拡散される流体１１０９は、空気、酸素富化した空気、酸素、または任意の他の好適な流体であることができる。この態様の関連する変化形が図１２中に示されており、これは図１１に示され、そして記載された配置と類似の配置を有し、ここでスパージャー１１０７は、ノズルの中心軸に沿って導管中に酸化剤（空気または酸素）を送達する中央の酸化剤ノズル１２０１に接続されており、出口３１３において燃焼を助ける。
【００６４】
本発明のシステムの点火および加熱は、パイロット燃料９１５の導入を介して、例えば、点火チャンバー３０１の前壁３０８においてパイロット燃料インジェクター９１１を通して、最初に達成できる。そうした状況下では、パイロット燃料９１５および点火酸素流３０９が相互の近辺に注入されることは好都合である。図１３および１４に具体的に示された態様は、パイロット燃料９１５および点火酸素流３０９の２つの例示的な幾何学的配置を具体的に示す。図１３は、点火酸素インジェクター３０７を介して注入される点火酸素流３０９に囲まれた点火チャンバー３０１の中央軸３１１に沿ったパイロット燃料インジェクター９１１を経由するパイロット燃料９１５の注入を具体的に示す。図１４は、逆の配置、すなわち、点火酸素流３０９が中央軸３１１に沿って案内され、そしてパイロット燃料９１５を含むパイロット燃料インジェクター９１１によって囲まれているものを具体的に示す。パイロット燃料９１５は、天然ガス、燃料油、粉炭等の任意の固体、液体またはガス状の燃料、またはバイオマスの粉砕から微粒子残留物、または任意の他の容易に引火性の燃料であることができる。あるいは、パイロット燃料９１５は、（簡便であることができる、特に木材または他の代用物燃料と共に燃焼し続けることができる粉炭である場合）少量の粉炭であることができる。最終的に、パイロット燃料９１５は、ミリング処理の後でバイオマス燃料の残余から分離される必要があるであろうバイオマスの微粒子であることができる。入手可能性に依存して、他のパイロット燃料９１５が可能である。パイロット燃料９１５は、第１の燃料流３０５の注入の前に、予燃焼器システム３００の点火チャンバー３０１における加熱を開始し、そして制御するように提供される。
【００６５】
本発明のシステムの幾つかの態様の物理的形状記載したが、２つの例を介して、それによって本発明のシステムがその驚くほど良好な性能およびシステムが最も効果的に機能することを可能にする本発明のある形状に課せられた限界を達成する原理を説明する。例が適用される本発明のシステムの態様のための図３を参照する。下記記載において具体的に改変されたことを除き、予燃焼器システム３００の配置は、図３に示され、そして記載されたようである。これらの例中において第２の流れは点火チャンバー３０１の前壁３０８から下流に位置する第２のインジェクター３１７を介して提供され、そして角度αおよび角度Θはともに０である。この例で使用される第１の燃料は、名目上６０６０Ｂｔｕ／ｌｂの高位発熱量および表１に示された粒径分布を有する２０ｗｔ％湿気を有する粉砕された木材チップである。これらの例に示された結果は、市販されているＦｌｕｅｎｔソフトウェアパッケージを使用して展開された定常状態計算流体力学（ＣＦＤ）モデルに基づいて計算された。
【表１】
2014535033.tif 000003
【実施例】
【００６６】
例１
例１は、１つの幾何学的パラメーター：無次元比Ｘｐｆ／Ｄｉｃ（これは点火チャンバーの前壁３０８から第１の燃料注入点までの軸上の距離の、点火チャンバーの直径に対する比である）の異なる値によって強調された２つの配置を有する本発明のシステムの性能を比較する。点火チャンバー３０１の前壁３０８から第２の流れ注入点までの軸上の距離の比である比Ｘｓｏ／Ｄｉｃはまた、２つの配置において異なるに留意されたい。しかし、これらの２つの幾何学的特徴の間の距離は、簡便のみのために同じに保たれている。重要な比は、具体的に説明され、そして以下説明されるであろうように、は、第１の燃料注入の点火チャンバーの直径に対する比Ｘｐｆ／Ｄｉｃである。分析は、これらの例示的な配置の１つが受け入れ難い性能を生じ、したがって本発明のシステムの可能な幾何学的なパラメーターの範囲の外であり、一方もう一方の配置は、予想外に、卓越した性能を与え、したがって受け入れられる範囲内にあることを示した。
【表２】
2014535033.tif 000004
【００６７】
第１の燃料流３０５の接線方向への注入は、第１の燃料粒子に半径方向で外側へ押し出す遠心力を引き起こし、そして点火チャンバー３０１の周囲を旋回する間第１の燃料粒子を浮遊したままにする。これが重力に対して粒子を一時的な浮遊体に保つ第１メカニズムである。このメカニズムの強度は、全ての他の因子が同じ場合、接線方向の注入速度の２乗とともに増加する。本発明の範囲を限定することを意図しないが、２０〜６０ｍ／秒の範囲の第１の燃料注入の接線方向の速度は、通常一方では（望ましい）遠心力と、他方では（望ましくない）腐食電位および圧力損失と（速度の増加によりこれら全てが増加する）、の間の受け入れられるバランスを与えることが見出された。それぞれの第１の燃料粒子への遠心力の強度はまた、第１の燃料粒子の質量に比例する。それ故に、所与の入口での接線方向の速度および一定の粒子密度を有する第１の燃料流３０５では、より大きい、より重い粒子がより小さい、より軽い粒子より、大きい遠心力を受ける。遠心力場により、より強く影響されない、より小さい、より軽い第１の燃料粒子がそれによって、ある処方された条件下で、遠心場から脱離し、そして点火チャンバー３０１の中央軸３１１に向かって移動し、点火酸素流３０９と反応し、したがって点火チャンバー３０１内に維持された点火のためのエネルギー源となることができるように、この特性は、本発明のシステムにおいて使用される。
【００６８】
０．２８６ｍｍ（２８６μｍ、表１中のグループ１および２）より小さい粒子の配置「Ａ」に関連する計算された粒子運動が図１５に記載されている。粒子密度は、第１の燃料注入点の近くで最も大きく、そして粒子は、重力の作用により徐々に（すなわち、提供された時間尺度に従って時間が増加するにつれて）下方に移動する。全滞在時間は、最大約０．４秒に達することに留意されたい。しかし、配置「Ｂ」では、粒子密度は第１の燃料注入ポートの周辺で依然最大であり、大幅な量の粒子が驚くほど重力に逆らって上に上昇し、そしてこれは、ほぼ１秒までのビーク滞在時間に増加する。この驚くべき結果は、点火チャンバーにおける速度および圧力分布の詳細、および流体力学と燃焼現象との間の結合を考慮した統合的な分析によってのみより理解できる。
【００６９】
２つの配置での点火チャンバー３０１内でのガス速度のベクトルが、図１６に示されている。２つの断面図は、それぞれの配置「Ａ」および「Ｂ」をそれぞれを示す。上のものは中央軸３１１（例えば、図３を参照のこと）を横切る垂直平面を表し、一方、下のものは、前壁から０．０２に等しい軸上の距離ｘ／Ｄｉｃでの水平の平面を表す。上面図を比較すると、配置「Ｂ」では、中央の酸素点火インジェクター３０７から生じる中央の酸素点火流は、配置「Ａ」に比べて、より大きい速度を有し、そして点火チャンバー３０１のより深くに入ることに留意されたい。さらに、組織化された再循環流構造（ｏｒｇａｎｉｚｅｄ  ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ  ｆｌｏｗ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＯＲＦＳ）が、点火酸素が注入される前壁３０８と第１の燃料注入の点との間で配置「Ｂ」において明らかである。このＯＲＦＳは、ガスおよび小さい粒子が重力に逆らって上に搬送される直接のメカニズムである。材料は壁に沿って流れ、そして次に点火酸素ジェットを伴う中心軸に向かって半径方向で内側に向かう。そうした組織化された流れの構造は、とりわけ配置「Ａ」にはない。ＯＲＦＳによって促進される巻き込みメカニズムの可視化が下部断面図により強められた。前壁近傍の混合されたガスの外周の移動／半径方向で中心への移動をはっきり示す配置「Ｂ」に注目する。配置「Ａ」と比較すると、この場合では、半径方向で中心への成分がないことを示している。
【００７０】
配置「Ｂ」におけるＯＲＦＳ展開の原因の出発点は、図１７中に示された圧力場の分析によって推定できる。この図に示された圧力は相対的な圧力、すなわち、点火チャンバー３０１の全体内における局所圧力から平均圧力を引いたものであることが注目される。外周の（接線）流れから進んできた半径方向の力により、第１の燃料注入の上昇で高圧の領域は点火チャンバーの外周上に展開する。これは両方の配置において生じる。両方の配置に共通の第２の流体の現象は、点火酸素流によって作り出された吸引による主軸近傍での低圧力領域である。配置「Ａ」と「Ｂ」との間の顕著な定性的な相違は、後者の場合、高圧領域３３３が上流の方向において低圧力領域に隣接していることである。このように生成された圧力勾配は、ガスおよび燃料粒子が重力に逆らって上流の方向に動く原動力を生じ、中央の点火酸素流の中にガスおよび粒子が取り込まれることを最終的に可能にする。前壁３０８の実質的に下流にある第１の燃料流の注入場所Ｘｐｆの軸上の位置が配置「Ｂ」におけるＯＲＦＳの生成の原因となっているのに対し、第１の燃料流の場所と前壁との間の近さが、配置「Ａ」における組織化された逆方向への流れがないことの原因となっていることが、この分析から明らかである。
【００７１】
図１５〜図１７に記載されそして具体的に説明された流体力学的な効果は、以下のように要約できる燃焼への直接の効果を有する：配置「Ｂ」の組織化された再循環流構造と関連したガスおよび小さい固体粒子の点火酸素への巻き込みは、点火酸素によりその後に燃焼する一酸化炭素、水素、および種々の炭化水素等の大幅な量の揮発性ガスの放出を可能にする。点火チャンバー３０１内の配置「Ａ」および「Ｂ」での揮発性種の濃度を図１８に示す。燃焼反応によって生成された化学エネルギーの熱エネルギーへの結果的な変換は、点火チャンバー３０１内の温度を高め、それによって熱の自己維持プロセスを作り出す。この効果は、図１９に具体的に示されているようにかなり広範囲にわたる。配置「Ｂ」内の温度プロファイルは、点火酸素インジェクター３０７から生じた点火酸素ジェットの端に沿って成長した炎のフロント部の形成をはっきりと示し、一方、そうした反応は、点火酸素ジェットの近くに上記の揮発性種がないことにより配置「Ａ」においては発生できない。最終的に、配置「Ｂ」の中央軸に沿って発生する高温燃焼から生じるガスの膨張は、中央の酸素点火ジェットのより速い速度および点火チャンバーへのより深くへの浸透を生じ、ジェットの流体および燃料粒子巻き込み能力をさらに高め、ＯＲＦＳの安定性最終的に高める。
【００７２】
上記の例に点火チャンバー（ここで点火酸素流３０９が注入される）の前壁３０８と第１の燃料がシステム内に接線方向で導入される場所と間の軸上の距離の重要性をみることができる。距離が短すぎる場合、生じる圧力場は、前壁３０８と第１の燃料注入点との間の組織化された再循環流構造の形成を妨げ、これはその後チャンバー内で点火を維持するのに必要である揮発物の放出および燃焼を妨げる。対照的に、適切な距離が前壁３０８と第１の燃料注入点との間に確立される場合、圧力場は有利に変わり、前壁３０８と第１の燃料注入場所との間の組織化された再循環流構造の確立を可能にする。このＯＲＦＳは流体および小さい第１の燃料粒子の両方を運び、固体燃料の滞在時間を長くし、揮発物の放出および燃焼を可能にし、そして点火酸素流の境界において生成される安定かつ充分に広がった燃焼炎を与える。
【００７３】
本発明の例示的な配置により、前壁３０８と第１の燃料注入点との間の最小の無次元の軸上の距離の比、Ｘｐｆ／Ｄｉｃは、約０．２５に等しい。さらに点火酸素インジェクター３０７から点火酸素ジェットと接線方向の第１の燃料注入の遠心場との間の有利な相互作用が持続するであろう範囲を理解する約４．７までのＸｐｆ／Ｄｉｃの値が提供される。この延長された範囲を可能にするために、無次元の点火チャンバー３０１の長さ、Ｌｉｃ、が５．０に伸ばされた一方、表２中に処方された全ての流量および流速は同じままである。この分析のこの相での粒子のトラッキング／滞在時間の結果を図２０中にまとめる。小さい粒子の上方への移動および最大の滞在時間の増加は、約１．５秒の値で（例えば０．６に等しいＸｐｆ／Ｄｉｃに対し）１．７に等しいＸｐｆ／Ｄｉｃに増加させることに注目する。この点をこえると；すなわち、２．７〜３．７に等しいＸｐｆ／Ｄｉｃでは、小さい第１の燃料粒子の絶対上方移動距離は増加し続け、そして最大滞在時間は約１．５秒で一定のままである。２．７に等しいＸｐｆ／Ｄｉｃでは、最大の滞在時間に届く第１の燃料粒子の量は、１．７に等しいＸｐｆ／Ｄｉｃに対して増加し、一方３．７に等しいＸｐｆ／Ｄｉｃで多少減少するようであることに注目する。この減少はさらに上方に粒子が移動すればする程、粒子がさらに完全に燃焼しかつガス化し；それ故に、それらは結局は流れ場から消えるという事実によることができる。４．７に等しいＸｐｆ／Ｄｉｃでは、ほんのわずかな小さな第１の燃料粒子が前壁３０８まではるばる移動する一方で、上方への移動を開始さえさせる濃度は、３．７に等しいＸｐｆ／Ｄｉｃの場合から実質的に低下する。故にこの低下は、粒子の段階的なガス化および燃焼によらないことができるが、むしろ点火酸素ジェットと接線方向の第１の燃料注入との間の相乗作用的効果の弱まりによることができることが解った。
【００７４】
図２１の速度プロファイルにより、軸上の点火酸素と接線方向の第１の燃料流との間の結合がＸｐｆ／Ｄｉｃに対しどのように変わるかをさらに理解できる。前壁３０８と第１の燃料注入の場所との間の組織化された再循環流構造の領域は、波線の長円によって強調されている。０．６〜３．７のＸｐｆ／Ｄｉｃでは、ＯＲＦＳは２つの臨界終点間の距離で本質的に充分伸びていることに注目する。しかし、４．７に等しいＸｐｆ／Ｄｉｃでは、ＯＲＦＳ接線方向の第１の燃料注入の点まで充分に下向きに伸びない。これは、点火酸素流によって生成された吸引の影響領域がその限界に到達したから、かつ点火酸素流が点火チャンバーの側壁に向かって半径方向で外側へ徐々に伸び、２つの流れ間の流体連通を効果的に防いだからの両方による。
【００７５】
Ｘｐｆ／Ｄｉｃの範囲にわたっての揮発性放出およびチャンバー温度への正味の効果を図２２および２３中に具体的に説明する。揮発性放出は、２．７に等しいＸｐｆ／Ｄｉｃの値まで徐々に増加し、そしてその後減少することが示されている。チャンバー温度、特に点火酸素ジェットの周囲のチャンバー温度はまた、２．７に等しいＸｐｆ／Ｄｉｃまで増加し、揮発物と点火酸素との間の強力な燃焼を示す。３．７に等しいＸｐｆ／Ｄｉｃでは、ＯＲＦＳおよび伸びたチャンバー長さによって与えられた長い粒子の滞在時間により依然充分に高温である。しかし、Ｘｐｆ／Ｄｉｃが４．７に増加すると、点火酸素と第１の燃料ジェットとの間の流体連通の上記のような破壊により、温度が明らかに低下し始める。
【００７６】
モデリング結果および分析に基づき、幾何学的なパラメーターＸｐｆ／Ｄｉｃの上限範囲は、約４．０の最大値に限定される。
【００７７】
特別な配置および本発明のシステムの予期しない性能の理由を、点火チャンバー、点火酸素流および接線方向の第１の燃料流間の特別な関係配置および関係ならびにそれらに課せられた制約に関して記載し、次に本発明のシステムの効率的な機能のために点火酸素流３０９において、空気とは対照的に酸素を使用する利点を具体的に示す例２に進む。
【００７８】
例２
この例における本発明のシステムの流量および配置は、例１の配置「Ｂ」の流量および配置と同じであり。配置「Ｂ」を基本的な場合として使用し、配置「Ｃ」を比較のために示す。配置「Ｃ」は、点火および第２の流れが酸素の代わりに空気であることを除き配置「Ｂ」と同じである。第２の流れは、第１の燃料インジェクター３０３の下で第２のインジェクター３１７を経由してシステム内に導入される点で、ＯＲＦの確立に、そしてひいては、点火チャンバー３０１内の安定した点火において非常に重要でないことをここで強調する。むしろ、上記に記載したように、この例に記載された結果は、点火酸素の違いに依存し、第２の酸素は、主に（点火チャンバー３０１内の第１の燃料流より下の）遠心流れ場および燃焼の穏やかな進行、そして故に、第１の燃料注入点と燃料ノズルの出口との間の温度を高めるために使用される。
【００７９】
酸素富化した配置「Ｂ」と空気バージョンの配置「Ｃ」とを比較した場合に、粒子トラッキングおよび図２４の滞在時間のプロットに第１の注目すべきことを見出した。これら２つの場合において流量および速度は同じであるが、空気の場合、上方への粒子移動の度合いおよび最大滞在時間のいずれもが、酸素富化した均等物の上方への粒子移動の度合いおよび最大滞在時間より実質的に低かった。図２５の速度場の比較を用いて根本的な原因の分析を始めた。この図は、これら２つの場合では同じ反応物の配置であり、そして同じ入口速度であるにも関わらず、配置「Ｂ」の中央のジェットは、配置「Ｃ」に比べて、点火チャンバー３０１の中への高い速度および深い浸透により特徴付けられることを示す。そして、配置「Ｃ」の空気の場合、点火空気流と接線方向の第１の燃料注入との間の流れの再循環は、非常に弱く、そして配置「Ｂ」の上記のＯＲＦＳに比較して弱く組織化されている。しかし、図２６中のこれら２つの場合での相対的圧力場を評価すると、配置「Ｂ」および「Ｃ」の両方が、少なくとも高圧領域の場所に関して、定性的に類似した圧力等高線を有することに注目される。そうしたことから、高圧領域の場所が配置「Ａ」と配置「Ｂ」との間の流体力学の制御における重要な因子であったと推察される例１と対照的に、圧力場は、配置「Ｂ」と配置「Ｃ」との間の差別化因子ではない。これは、配置「Ｂ」および配置「Ｃ」の異なる粒子移動の特徴での根本的な原因がそれぞれの酸化剤の酸素濃度であることを示唆する。このことを証明するためには、２つの配置の燃焼特性の評価を必要とする。
【００８０】
図２７は、２つの例示的な配置での酸素濃度の体積％線を与える。配置「Ｂ」では点火酸素が注入される主垂直軸に沿って非常に高い酸素濃度を示し、そしてこの高い酸素領域が半径方向および流れ方向の両方において徐々に減少することに注目する。この配置「Ｂ」における酸素の緩やかな減少は、揮発物および燃料粒子物の燃焼を通した拡散（混合）と消費とを組み合わせた効果による。対照的に、配置「Ｃ」の空気の場合はチャンバー内で名目上２１体積％の一定の酸素濃度を示し、揮発物および化学反応がないことの指標となる。この評価は、これら２つの配置での点火チャンバー内における揮発性物濃度および温度プロファイルをそれぞれ示す図２８および図２９において確認される。点火酸素注入点の周りの領域中に、酸素を用いた配置「Ｂ」において大幅な揮発物の発生が生じ、空気を用いた配置「Ｃ」においては何も起こらないことがはっきりとわかる。それ故に、配置「Ｂ」においては、揮発物、固体粒子および酸素の間において生じ、これが（温度プロファイルによって既に記載したように）点火酸素ジェットの限界において生成する炎の形成となり、一方チャンバー内の温度が（名目上２０℃の）注入された流れの温度に等しい配置「Ｃ」においては反応が起こらないことの証拠である。例１において配置「Ａ」と配置「Ｂ」とを比較したように、配置「Ｂ」の中央軸に沿って生じる高温燃焼から生じるガスの膨張は、配置「Ｃ」と比較して、中央の酸素点火ジェットのより高い速度および点火チャンバー内へのより深い浸透、そしてジェットの流体および燃料粒子巻き込み能力、およびＯＲＦＳの安定性を高める。
【００８１】
例２で見出したことを要約すると、酸素の存在、すなわち、３０体積％超のＯ２を有する酸化剤流、特に酸素インジェクター３０７からの点火酸素は、本発明のシステムの重要な要素であることが示された。中央の点火酸化剤（酸素対空気）および接線方向の第１の燃料注入と関連した原動力となる流体力学的な力は、例２の２つの配置では同じであるにも関わらず、酸素の存在は以下の様式でシステムの有利な特性を開放し、言わば増幅させるように働く。すなわち、反応の開始に必要な当初の加熱期間に続いて、組織化された再循環が、点火酸素流の近傍に揮発物および微粒子を運ぶことを開始する。予燃焼器システム３００の性能に対し触媒作用をなす点火酸素流３０９の際だった特性は、燃焼反応を促進する能力である。それ故に、点火酸素と接触させられた場合に、揮発性および微粒子の燃焼が容易に起こり、化学的エネルギーを放出し、それがチャンバー温度の上昇、それ故にそれに続くガスの膨張、それ故に、中央のジェットの強度により明らかになる。（空気の場合と比較して）より強い中央のジェットは、上方への第１の燃料注入の平面から点火酸素ジェットの底において生成された吸引領域へ生成ガスおよび微粒子物を進ませるのに必要な原動力を強め、それによって起こることの必要な順序を持続させる。対照的に、空気の場合、燃焼反応を促進する特性がなく、点火およびガス膨張を可能にすることができないことによって、起こることの必要な連鎖を破壊し、したがってすべての化学反応の消滅を生じる。
【００８２】
本発明は、好ましい態様を参照して記載されたが、種々の改変をなすことができ、そして均等物が本発明の範囲から離れることなくそれらの要素の代替となることができることを当業者は理解するであろう。さらに、本発明の基本的な範囲から貼られることなく本発明の教示に対して、多くの改変を特別な状況または材料に適合するようになすことができる。したがって、この発明を行うために考えられた最良の態様として開示された特定の態様に限定されることを意図しておらず、本発明が付属の請求項の範囲内にある全ての態様を含むであろうことを意図する。
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１】
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【図２】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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