(57)【要約】固形燃料粒子を燃焼チェンバー内で燃焼し、炎管ガスを生成するための改善されたプロセスが開示される。該方法は、固形燃料粒子を運搬ガスと混合することにより燃料ガス流を生成すること、燃料出口面において燃焼チェンバーにおける終端をなす燃料ダクトを通って燃料ガス流を輸送すること、および、燃料の燃焼に先立って、または燃料の燃焼時に酸素流と燃料ガスとを直接混合するための混合ゾーンを形成するよう選択される酸素注入位置において、注入装置を介して前記燃料ガス内に酸素流を注入することを含む。かかるプロセスにおけるパラメータの決定は、ＮＯ10放出を最適に削減するために変更することができる。
2006517021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼チェンバー内で固形燃料粒子を燃焼し炎管ガスを生成する燃焼システムを改善するための方法であって、
固形燃料粒子を運搬ガスと混合することにより燃料ガス流を生成すること；
該燃料ガス流を、燃焼チェンバーを終端とする燃料ダクト内を燃料出口面に運搬すること；
燃料出口面の直前に酸素流と燃料ガス流を混合する混合ゾーンを作るために選択される酸素注入位置において前記燃料ガス内に注入装置を用いて酸素流を注入すること；
を含む方法。
【請求項２】
酸素流と燃料ガス流の混合を増加し燃料の燃焼中に生成するNOｘを低減するために前記注入装置を選択することを更に含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
燃料ガス中の標的Ｏ２含有量を選択すること；
酸素流のＯ２含有量を選択すること；
燃料ガス流が燃料ダクトを通り燃焼チェンバーまで絶え間なく運搬され得るよう、混合関係にある固形燃料粒子と運搬ガスを維持するために所望される運搬ガスの流速を選択すること；
燃料ガス中の標的Ｏ２含有量を得るために燃焼チェンバーに入る酸素の合計量を調整すること；
を更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
燃料の燃焼中におけるNOｘ形成を低減するために酸素流と燃料ガス流の混合を増加させる注入装置を選択すること；
燃料ガス中の標的Ｏ２含有量を選択すること；
酸素流のＯ２含有量を選択すること；
燃料ガス流が燃料ダクトを通り燃焼チェンバーまで絶え間なく運搬され得るよう、混合関係にある固形燃料粒子と運搬ガスを維持するために所望される運搬ガスの流速を選択すること；
燃料ガス中の標的Ｏ２含有量を得るために燃焼チェンバーに入る酸素の合計量を調整すること；
を更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
炎管ガス中の標的Ｏ２含有量が、炎管ガスの体積に対し１．５％〜４．５％の範囲となるよう選択される、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
炎管ガス中の標的Ｏ２含有量が、炎管ガスの体積に対し２．５％〜３．５％の範囲となるよう選択される、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
炎管ガス中の標的Ｏ２含有量が、炎管ガスの体積に対し約３．０％となるよう選択される、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
炎管ガス中の標的Ｏ２含有量が、炎管ガスの体積に対し１．５％〜４．５％の範囲となるよう選択される、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
炎管ガス中の標的Ｏ２含有量が、炎管ガスの体積に対し２．５％〜３．５％の範囲となるよう選択される、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
炎管ガス中の標的Ｏ２含有量が、炎管ガスの体積に対し約３．０％となるよう選択される、請求項４に記載の方法。
【請求項１１】
前記運搬ガスが空気である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記運搬ガスが天然ガスと空気との混合物である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記運搬ガスが空気と再循環炎管ガスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記運搬ガスが酸素と再循環炎管ガスとの混合物である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
運搬ガスが酸素を約２０％含有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記酸素流が酸素槍を用いて注入される、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記酸素槍がフロント注入ノズルを有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記酸素槍のフロント注入ノズルが水平である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記酸素槍のフロント注入ノズルが傾斜している、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記酸素槍のノズルがサイド注入ノズルである、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記サイド注入ノズルが一定間隔をあけたサイド開口部を有する、請求項２０に記載の酸素槍。
【請求項２２】
前記サイド注入ノズルが渦巻型サイド開口部を有する、請求項２０に記載の酸素槍。
【請求項２３】
前記酸素流が酸素リングを用いて注入される、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
燃料ダクトが燃料出口面とカーブとの間に挿入された直線部を有し、
該直線部は長さｘを有し；
酸素注入位置は燃料出口面から距離ｅとなるよう選択され；
燃料ダクトは内径Ｄを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
酸素注入位置がゼロより大きくＤの６倍より小さい位置に配置されることを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
酸素注入位置がゼロより大きくｘより小さい位置に配置されることを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
酸素注入位置がゼロより大きくｘより小さい位置に配置されることを更に含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
終端内径Ｄを有する燃料ダクトを選択すること；
終端内径ｄを有する酸素槍を選択すること；
燃料ダクト内の酸素槍を注入方向に延びるように向け、これにより（１）槍終端内表面から燃料出口面と燃料ダクト終端内表面との交差まで延びる線と、（２）槍末端内表面から注入方向に燃料出口面まで延びる線との間に形成される最小角として角αを規定すること；
酸素注入位置が燃料出口面から距離ｅの位置に配置されるよう燃料ダクト内の酸素槍を配置し、角αのタンジェントが（Ｄ−ｄ）／２（ｅ）以下とすること；
を更に含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２９】
燃料ダクトが酸素槍注入方向と実質的に平行な方向に延びている、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
酸素注入位置が燃料ダクトの略中心に位置する、請求項２８に記載の方向。
【請求項３１】
酸素注入位置が燃料ダクトの略中心に位置する、請求項２９に記載の方向。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼に使用される運搬ガスにおいて酸素を高濃度化する分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
すべての燃焼システムにおいて酸素を高濃度化することは周知であり、燃焼特性を改善するための発展的手段が、効率性、製品クオリティ、及び汚染物質排出レベルの観点から多くの産業的製法において実行された。これらには、ガラス溶鉱炉、セメント及び石灰窯、及びアルミニウム又はスチール製法が含まれる。例えば、石灰釜において酸素リッチにすることが非特許文献１に記載されている。純粋又は実質的に純粋な酸素は、ある特定の使用（多くの場合において「充満酸素」("full oxygen")炉と言われる。）において唯一の酸化剤として使用され得る。また、空気流が燃焼室に流れ込むことを可能とするポート、あるいは純粋な酸素又は酸素リッチ空気の注入のために加えられた付加的ポートのいずれかを通り現存する空気焼成の燃焼システムに補助酸化剤として加えられる場合においても有効な場合がある。この最後のケースはよく「酸素リッチ」燃焼（"oxygen-enriched" combustion）又は「酸素増」燃焼（"oxygen-enhanced" combustion）と称される。
【０００３】
酸素を予め混合する（通常、酸素リッチな酸化剤流を形成するために少なくとも現存する空気中のどこかで予め混合する）、あるいは酸素を直接燃焼チェンバーに注入するという２つの主たる選択肢が実行され得る。予め混合することは、Ｏ２を主たるエアーダクト内に注入することにより達成され、燃焼チェンバー内へ導入される均一で、酸素リッチな酸化流を形成することができる。直接注入は、燃焼チェンバー内へ実質的に純粋なＯ２を現存する空気ポートとは別の特定ポートを通って、あるいは現存する空気ポートを通って放つことにより達成され、酸素槍は燃焼チェンバーへの出口前において、主たる空気流により囲まれ、該空気流と混合されない。
【０００４】
純粋Ｏ２流又は酸素リッチ流を使用するものとしてこのように記載された炉は、天然ガス又はオイル等のガス状燃料又は液状燃料を用いて作動する。かかる場合、すべての酸化剤流は、その唯一の役割が燃焼ゾーンに酸化剤（燃焼に必要とされる酸素分子）を提供することにあるため、「酸化剤としてのみ」の流れと分類され得る。これら酸素リッチスキームが適切に適用された固形燃料アプリケーション（例えば、微粉状に粉砕された石炭燃焼ボイラー）は、以下に述べる固形燃料媒介物及びその輸送に特有な問題のために、未だ存在しない。
【０００５】
ガス状又は油状燃焼炉は、通常、２タイプの空気流のみを必要とする。その一つのタイプは、バーナーレベルに配置され、完全燃焼に必要な空気100％を含有し得る。二つ目のタイプは、バーナーとは別に必要に応じて配置され、燃焼を完了するための「第二の燃焼ゾーン」に注入される。
【０００６】
微粉状に粉砕された石炭燃焼ボイラー、及び固形燃料粒子をバーナーに輸送するための運搬ガスを必要とする他の装置（該装置は、粉砕され微粉化された固形物、あるいはガス流により輸送されるのに充分な状態において存在する固形物を燃焼するいかなる装置も含み得る。）の場合、第一の燃焼ゾーンにおいて燃料と接触する第一の酸化剤流はそれ自体が運搬ガスからなる。燃料ストレージ又は粉砕装置からバーナーへ固形燃料粒子を運搬するこの空気流は、よく「第一空気」と称され、燃料の完全燃焼のために燃焼チェンバーに注入される全空気の約10乃至20％に相当する。但し、その機能は上記の「酸化剤としてのみ」の空気流ではない。その主たる機能は燃料をバーナーに運搬することである。実際、酸化剤である必要はまったくなく、例えば、天然ガス又は窒素等の不活性ガスのようなガス状燃料であればよい。現状においては、運搬ガスとして空気が使用されることが実用的であり多い。少なくとも、このガスの酸化剤特性に関係なく、バーナーへ固形燃料の輸送を成し遂げるのに充分な体積と流速を有することが所望される。
【０００７】
このような従来における微粉状に粉砕された石炭燃焼ボイラーは、少なくとも２タイプ（時に３タイプ）の空気流を使用する。但し、使用において各タイプ毎に様々な流れがあり、特定の構造設計に依存する。これらのうちの第一は、第１次空気流であり、微粉状にされた固形燃料を運搬する。第二のタイプ、「第二空気」は、バーナーレベルにおいて第１空気／燃料混合物周囲又は近傍に注入される。第三のタイプであって、「第三空気」又は「焼却炉上部に送り込まれる空気（ＯＦＡ）」と称される空気が、必要に応じ、第二の燃焼ゾーンにおいてバーナー外側に注入され、燃焼過程を完了させる。この従来における石炭燃焼ボイラーが図１に示されている。
【０００８】
文献において報告された研究の中には、燃料リッチな発火ゾーンにおける温度上昇により、微粉状にされた燃料中に含まれる揮発性物質のより早い、より効率的な放出が可能となり、これにより炎安定性が向上し、燃焼効率が増大することにより、より容易な操作及び燃料節約が可能となることを示すものがある。また、燃料リッチ燃焼に高温が加わると、窒素分子（Ｎ２）まで還元されることにより、燃料結合窒素が窒素酸化物に酸化されることが阻止されることが知られているので、汚染物質の放出、特にＮＯｘ形成が減少する。このことは、例えば、非特許文献２及び３により詳細に記載されている。燃焼時の温度を上昇させるために、周知の方法により局所的に酸素含有率を増加させるか、もしくは換言すれば単位体積あたりのエネルギー放出（燃料／酸化剤／燃料ガス体積）をより増大させる。燃料リッチ発火ゾーンにおける酸素リッチは、次いで局所的温度を増大させるのに役立ち、前述した関連利益を得る。燃料と接触している第一の空気流であり、また燃焼過程における極めて初期段階に入手できる唯一の酸化剤流であるため、第一空気は発火ゾーン内でより高いＯ２含有率を得るのに好適であると思われる。
【０００９】
次いで燃料リッチ発火ゾーン内の温度を上昇させるために第一空気をリッチ化することが論理的には望ましいことであるように思われるが、第２又は第３空気のリッチ化のために既に使用され、あるいは所望される公知技術の過去に阻害された適合性において２つの問題点がある。一つは、第一空気が、他のすべての酸化剤流とは対照的に、燃料粒子を含有することである。その場合、現存する燃料／第一空気流は可燃性ガスであり、酸素がそこに注入されると飛躍的に可燃性が向上し得る。このような燃料を運搬する第一空気への酸素注入はかなりの注意力をもって取り扱わなければならない。二つ目は、酸素リッチの第一空気（その機能には、微粉状燃料を運搬することが含まれる。）は、その一部を化学量論の当量の酸素で置換されることにより、運搬ガスの体積が減少し、逆に燃料運搬ガス流特性に影響を及ぼされる。
【００１０】
したがって、本発明に先行する石炭燃焼バーナー及び他の微粉状固形燃料、空気燃焼性燃焼システムに関連する問題点は、現在の環境規制の観点から受け入れられないレベルのＮＯｘ放出を生み出している点にある。
【００１１】
また、本発明に先行する微粉状石炭燃焼バーナーおよび他の微粉状固形燃料バーナーに関連する他の問題点は、これら装置が、発火点から上流における従来の酸素リッチ技術を適用しにくく、そのため早期の発火、爆発又は他の有害な結果という受け入れ難い高リスクに晒されるという点にある。
【００１２】
また、本発明に先行する微粉状石炭燃焼バーナーおよび他の微粉状固形燃料バーナーに関連する他の問題点は、コストをかけず、また複雑なＮＯｘ処理装置を用いることなく環境ガイドラインに充分適合したＮＯｘ形成の適切な削減をもたらす適切な燃焼特性を提供するために、これら装置を逐次変更してこなかった点にある。
【００１３】
本発明に先行する微粉状石炭燃焼バーナーおよび他の微粉状固形燃料バーナーに関連する他の問題点は、ＮＯｘ削減を促進しつつ、同時に、ストレージからバーナーへ、微粉状燃料の流れを促進するための運搬ガスの流れを維持させ得る酸素リッチに適合性がなかった点にある。
【００１４】
更に、本発明に先行する微粉状石炭燃焼バーナーおよび他の微粉状固形燃料バーナーに関連する他の問題点は、これら装置が、必要な最小限の酸素を用いて実質的なＮＯｘ削減を可能とする多様な酸素リッチ手段を備えたものとして提供されていない点にある。
【００１５】
本発明に先行する微粉状石炭燃焼バーナーおよび他の微粉状固形燃料バーナーに関連する他の問題点は、これら装置が、最小限の酸素量を用いて最適なＮＯｘ削減をなし得るように装置を改装すべく、多様な酸素分配変動を具備したものとして提供されていない点にある。
【非特許文献１】Garrido G.F., Perkins A.S., Ayton J.R., UPGRADING LIME RECOVERY WITH O2 ENRICHMENT, CPPA Conference, Montreal, January 1981．
【非特許文献２】Sarofin, A.F.等、"Strategies for Controlling Nitrogen Oxide Emissions during Combustion of Nitrogen-bearing fuels"、PROCEEDINGS OF THE 69TH ANNUAL MEETING OF THE A.I.CH.E., Chicago, November 1976．
【非特許文献３】K. Moore, W. Ellison, "Fuel Rich Combustion, A Low Cost NOx Control Means for Coal-fired Plants," 25TH INTERNATIONAL TECHNICAL CONFERENCE ON COAL UTILIZATION & FUEL SYSTEMS, Clearwater Florida, March 2000．
【発明の開示】
【００１６】
前記理由により、微粉状石炭燃焼バーナーおよび他の微粉状固形燃料バーナーに対し、バーナー処置の操作性及び安全性を維持しつつ、同時に効率的にＮＯｘ放出を削減するために、その中における酸素リッチを促進することが長い間意識され且つ未解決であった課題として規定された。
【００１７】
発明の概要
このように、本発明の好ましい態様は、酸素リッチ燃料運搬ガスに関するプロセス及び酸素を注入するための関連装置を開示する。注入装置の主たる2タイプを利用することができ、各々注入酸素と燃料運搬ガス流とを迅速に予め混合することを促進する。この混合は、燃料ガス出口パネル前における酸素注入時であり発火が起こる前、あるいは発火段階の極めて早期の時期に生じ得る。従って、リッチ化は、酸素リッチ燃料運搬ガスが燃焼チェンバーに導入される注入地点の極近くで行われる。
【００１８】
好ましい態様に適合可能な好ましい第一の注入装置は、燃料流の中央地点に配置された酸素槍を具備する。ノズルは、燃料ダクト末端部の近傍にある燃料ダクトの中央部に酸素を放出する。放出ノズルの構造及び操作は、所望される特定の流れ特性に従い選択し得る。第二の好ましい注入装置は、燃料及び運搬ガス流の周囲に配置された酸素リングを具備する。燃料ダクトは、酸素リング部又は酸素リング手前の短い距離に終端をなし、酸素が燃料ダクトの円周から燃料ダクトの中心まで燃料および運搬ガスと混合することを可能ならしめる。また、放出ノズルの構造及び操作は、所望される特定の流れ特性に従い選択し得る。
【００１９】
本発明の目的は、ＮＯｘ放出が許容し得る程度に低い微粉状石炭燃焼バーナー又は他の微粉状固形燃料バーナーを提供することである。
【００２０】
また本発明の他の目的は、発火地点から上流において従来の酸素リッチ技術に適合しつつ、同時に許容し得ない程度に危険度の高い尚早の発火、爆発又は他の有害な結果を引き起こさない微粉状石炭燃焼バーナー又は他の微粉状固形燃料バーナーを提供することである。
【００２１】
更に、本発明の他の目的は、適切な酸素リッチを提供するために逐次変更され得、更に環境ガイドラインに充分に適合する程度にＮＯｘ放出が低い微粉状石炭燃焼バーナー又は他の微粉状固形燃料バーナーを提供することである。
【００２２】
また、更なる本発明の他の目的は、必要な最低量の酸素を用いて実質的なＮＯｘ削減を可能とする多様な酸素リッチ手段を具備する微粉状石炭燃焼バーナー又は他の微粉状固形燃料バーナーを提供することである。
【００２３】
本発明の他の目的は、最小限の酸素量を用いて最適にＮＯｘ削減をすべく装置を改装可能とするために、多様な酸素分配変動を具備する微粉状石炭燃焼バーナー又は他の微粉状固形燃料バーナーを提供することである。
【００２４】
本発明のこれら及び他の目的、利点及び特徴は以下に示す詳細な説明から明らかとなる。
【００２５】
好ましい態様の説明
従来の微粉状石炭燃焼ボイラーにおいては、少なくとも2タイプ、時に3タイプの空気流が使用されている。図1に概略的に示されているように、燃焼チェンバー２０は、第一の燃焼ゾーン22及び第二の燃焼ゾーン24を有することが示されている。３つの注入流の中の第一として、第一次流26は、第一次空気及び燃料を含有し、微粉状固形燃料を運搬する。第二のタイプ（もしくは第二次流）28は、第一空気／燃料混合物26の周囲、または近傍においてバーナー内に注入される「第二空気」である。第三のタイプ（もしくは第三次流32）は、燃焼を完了させるために必要に応じ、バーナー発火ゾーン30の外側、第二の燃焼ゾーン24に注入される。これら装置において、このように記載された各タイプの多様な空気流（第一、第二、及び第三）を利用することができ、実際に多様なバーナーを使用し得ることが理解できよう。（以下の説明は、簡易化のため一つをもって各々の説明とする。）炎管ガス34は、燃焼チェンバー20から形成され排出される。このように、第一の燃焼ゾーンは、燃料がバーナーレベルの周囲で反応するゾーンである。Ｏ２が、バーナーから下流で炉出口手前で供給される場合には、より完全な燃焼下流を提供するために第二のゾーンが望ましいことがある。
【００２６】
図２は、酸素リッチ化方法及び酸素を注入するための関連装置の第一の好ましい態様を示す。主たる2タイプの注入装置を利用することができ、各々、注入された酸素と燃料及び運搬ガス流とを予め混合することを促進する。安全のため、リッチ化は、酸素リッチ燃料運搬ガスが燃焼チェンバーに導入される注入地点の極近傍で行われる。図３は、燃料流の中心部分に配置された酸素槍を含む好ましい態様に適合し得る第一の好ましい注入装置を示す。ノズルは燃料ダクトの中心部分に酸素を放出する。放出ノズルの構成及び操作は、所望される特定の流れ特性に応じて選択することができる。図４は、燃料及び運搬ガス流の周囲に配置された酸素リングを具備する、第二の好ましい注入装置を示す。燃料ダクトは、酸素リング部又は酸素リング手前の短い距離に終端をなし、酸素が燃料ダクトの円周から燃料ダクトの中心へ燃料および運搬ガスと混合されることを可能ならしめる。また、放出ノズルの構造及び操作は、所望される特定の流れ特性に従い選択することができる。
【００２７】
ここで図２についてより詳細に参照すると、微粉状固形燃料を運搬するガスを含むすべての燃焼システムの燃焼及び放出特性を改善する方法が開示されている。燃焼システムは、壁又はタンジェント燃焼微粉状石炭燃焼ボイラー（wall- or tangential-fired pulverized coal-fired boiler）に適合可能である。運搬ガス（または第一次ガス）は、燃焼チェンバー20の燃料出口面50において終端をなす燃料ダクト40を通って燃焼チェンバー20に輸送される燃料ガス26中において固形燃料粒子を運搬する。少なくとも酸素を含有する酸素流52が、酸素注入装置56を介してダクト40内に注入される。注入装置56は、燃料が燃焼する前または燃焼が始まる際に直接的に酸素流52と燃料ガス流26とを混合する混合ゾーン58を形成するように配置される。
【００２８】
このプロセスには以下の工程が含まれる。第一に、「燃料ガス」は燃料粒子を運搬ガスと混合することにより製造される。第二に、酸素流52は、燃料出口面50の近く、または該出口面に位置する点において燃料ガス26中に注入される（図示されている通り、注入点は燃料出口面50の前である。）。第三に、燃焼を完了するために必要とされる化学量論的均衡の観点から、予め決定された過剰酸素量を維持するために、酸化剤の酸素当量が他の酸化剤流（第二次、及び該当する場合には第三次）において調整される。この過剰酸素量は、燃料ガス中のＯ２含有率が１．５パーセント〜４．５パーセントの範囲において維持されることが好ましく、より好ましくは２．５パーセント〜３．５パーセントの範囲であり、特に好ましくは約３．０パーセントである。本発明の目的において、Ｏ２含有率はすべて（Ｈ２Ｏを除外した）乾燥ガスの体積について言うものである。
【００２９】
前述の運搬ガスには、粒子ストレージまたは生成位置（generation location）（例えば、粉砕機）からバーナーレベル及び燃焼チェンバーまで燃料粒子を運搬するいかなるガスも含まれる。例えば、このガスは、石炭燃焼ボイラーにおいて粉砕又は微粉化された石炭を運搬するために使用される第一空気を含み得る。かかる運搬ガスは、空気、再循環炎管ガスと酸素との混合物（特に好ましくは約80％CO２と約20%O２を含有するよう維持されている。）、天然ガスと空気との混合物であり得、更に天然ガスでさえあり得る。概して、容易に利用し得る適切なガス流はいずれも使用することができる。運搬ガスの酸素リッチ化は、この運搬ガス中の酸素含有率を増加させることにより達成される。空気の場合、上記運搬ガスの酸素含有率を約21％に増加させることを意味する。注入された「酸素」または「酸素流」は、21％乃至100％の酸素を含むすべてのガスを言う。「燃料出口面」は、燃料ガス流の方向に対する垂直面であり、燃料ガスが燃焼チェンバーに導入される注入点を含む。
【００３０】
他の好ましい態様において、２種類の注入装置が提供された燃料運搬ガスにおける酸素リッチ化に適合する。ここで図３を参照すると、これらの中の第一の態様は、燃料ダクト40の中心部分に配置され、燃料ガス26中に注入された酸素62に適合する酸素槍60を具備する。酸素槍60は、燃料ガス26中に酸素を放出することが可能なノズル64により終端をなす。
【００３１】
燃料ガス中に注入される酸素の最適量を決定するために、完全燃焼をもたらす燃料に対する酸素の化学量論的均衡（予め決定された余剰を含む。）を維持するための全源から供給される酸素の量を決定することが望ましい。装置の混合特性を改善し、論理的最大値に近い酸素濃度の選択を可能ならしめることが望ましい。
【００３２】
ここで図４を詳細に参照すると、他の好ましい態様が図示されており、酸素リング70で燃料ダクト40を取り巻いて酸素を導入することにより、酸素62を燃料ガスに注入するよう配置されている。燃焼チェンバー20から上流に位置する混合ゾーン72を提供するために、燃料ダクト40は酸素ダクトの終端部よりも前方において終端をなす。この好ましい態様において、ガス流の酸素含有率は、燃料ダクト40ではなく、酸素リング70のみが混合ゾーン72と接触するため、25％を超えるまでにリッチ化され得る。これにより、「酸素クリーン」輸送装置への要求を回避するために、燃料ガス中のＯ２濃度が25％未満に制限される他の装置に対し追加の利点を提供する。
【００３３】
ここで図５を参照すると、燃料ガス中への酸素注入の好ましいポイントが開示されている。燃料ガスダクト40の、該ダクト40の最初のカーブ80から燃焼チェンバー20までの直線通路長ｘが示されている。更に、燃料ガス中の注入ポイント82と燃料出口面50との間の距離ｅが示されている。安全性の観点から、前記カーブレベルにおけるダクトの内表面の近くで高Ｏ２濃度となることを避けるために、ｅはｘより短くなるように選択される。予め混合する領域が長い必要はないため、ｅは燃料ガス流の直径の6倍より短くなるよう選択される。
【００３４】
ここで図６を参照すると、槍ノズルの４態様が開示されている。図６上部の2つの態様90、92は、フロントＯ２注入装置96を具備しており、該装置においてＯ２注入は入ってくる燃料流の方向に平行に向けられている。図６下部の2つの態様94、96は、放射性Ｏ２注入装置98を具備しており、該装置においてＯ２注入は入ってくる燃料流の方向に対して規定された角度に向けられており、好ましくは垂直方向である。好ましい渦巻形サイドのＯ２注入装置98が、エア・リキッドのU.S.P. No. 5,356,213及びそのEP 474,524（参照によりその内容が本書類に含まれる。）により詳細に開示され記載されており、商標The Oxynator (登録商標)の下、エア・リキッド従属会社により販売されている。ダクト及び燃焼チェンバーの特定結合構造における最適な混合を達成するこれら特定の装置は、平行ジェット、傾斜ジェット、これらの組み合わせ、または当業者が使用可能な他の配置を提供することにより、あらゆる方法を尽くして設計され得ることが理解されよう。
【００３５】
これらのＯ２注入装置は、図６の最上部に示されているように、燃料方向と同一の平均方向か（直線ノズル）、あるいは、図６の上から2番目に描かれた図に示すように、予め選択された角度をもって酸素流を注入することができる。後者の場合、少なくともＯ２の一部は０〜β≠０の範囲の角度において注入される。最大注入角度は、図７に示された、Ａ線及びＢ線の交差により形成される角度αよりも小さい角度を維持するよう選択される。その結果として、酸素ポケットの形成により生成するダクト壁近くのＯ２濃度スポットは生成しない。従って、酸素流は、直線フロント注入ノズル90、傾斜フロント注入ノズル92、一定間隔を設けてサイド孔を有するサイド注入ノズル94、渦巻状にサイド孔を有するサイド注入ノズル96、もしくはこれらの組合せのいずれかを具備する酸素槍を使用して注入され得る。
【００３６】
なお、ノズル先端110、112は槍ノズルの末端に提供される。更に、槍を出る酸素流の所定のガス速度を選択するために、適切な断面積の孔を有するノズル先端を選択することができることが理解されよう。例えば、槍中の酸素流のガス速度がＸのとき、燃焼プロセスに適用される酸素計算により規定される所望の空気体積が与えられ、妨げられていない槍の断面積がＹのとき、孔の断面積がＹの2分の１であるノズル先端を提供することにより簡単に槍を出るガス速度を二倍にすることができる。フロント注入ノズルにおいて、孔のノズル先端断面積は常にＹより小さいため、槍を出るガス速度は槍中のガス速度よりも大きくなり得る。しかしながら、サイド注入ノズルにおいては、孔の断面積がＹより大きくなり得るため、槍を出るガス速度は槍中のガス速度よりも小さくなり得ることが理解されよう。混合する結合構造及びリッチ化流と燃料流との混合に影響する他の変化するものに依存し、これらの考慮は重要となり得る。
【００３７】
ここで図７をより詳細に参照すると、ノズル64を具備する酸素槍60が示されている。燃料ダクト40は終端部の内径がＤであり、酸素槍60は終端部の内径がｄである。酸素槍60は注入ダクト40内において、注入方向に延びるよう向けられており、これにより(1)槍終端部の内表面から、燃料出口面と燃料ダクト終端部の内表面との交差点まで延びる線（図示されている、角度αを形成する下側点線）と、(2)槍終端部の内表面から注入方向に燃料出口面まで延びる線、との間に形成される角度が最小となるよう角度αを規定する。燃料ダクト壁に沿った酸素リッチ化注入の望ましくない衝突を回避するために、注入ポイントとして、燃料出口面50からの距離ｅが、角度αのタンジェントが（Ｄ−ｄ）／２（ｅ）以下となるよう選択される。必須というわけではないが、槍を、燃料ダクト40が酸素槍注入方向120と実質的に平行となり、且つ酸素注入位置が燃料ダクト40の略中心となるように延びるよう配置することが好ましい。
【００３８】
上記態様は、2タイプの微粉状石炭燃焼ボイラー、壁燃焼ボイラー（wall-fired boiler）及びタンジェント燃焼ボイラー(tangential-fired boiler)に適用させ得る。ここで図８を参照すると、壁燃焼ボイラー（ＡＡ線に沿った断面図130に示される。）は、円形バーナーが使用され、「第二空気」は通常、燃料／第一空気ダクト126の周囲にある環128を通って注入される。壁燃焼ボイラーは1個または数個のこれらバーナーを具備し、ボイラーの同じ壁または異なる壁（一般的には反対側）に配置され得る。タンジェント−燃焼（T-燃焼）ボイラーは、複数のバーナーを具備するものとして提供されることが多く、該バーナーはボイラーの四隅に配置されている。図９に示すように、140（BB線に沿った断面図）において、「バーナー」は、交互する「第二空気」ダクト148と燃料／第一空気ダクト146の垂直アレイから構成される。特定ボイラーに1個を超えるバーナーが装着されている場合、好ましい態様はかかるバーナーのすべてか、あるいはいずれかに適用されることができる。
【００３９】
このように、燃焼チェンバー内で固形燃料粒子を燃焼し、炎管ガスを生成するための改善されたプロセスが開示された。かかる方法は、固形燃料粒子を運搬ガスと混合することにより燃料ガス流を生成すること、燃料出口面において燃焼チェンバーにおける終端をなす燃料ダクトを通って燃料ガス流を輸送すること、および、燃料の燃焼に先立って、または燃料の燃焼時に酸素流と燃料ガスとを直接混合するための混合ゾーンを形成するよう選択される酸素注入位置において、注入装置を介して前記燃料ガス内に酸素流を注入することを含む。かかるプロセスにおけるパラメータの決定は、ＮＯｘ放出を最適に削減するために変更することができる。
【００４０】
上記明細書において、本発明をある特定の好ましい態様との関連において記載し、実施例を挙げて多くの詳細を示してきたが、本発明において態様を追加することが可能であり、且つここで記載された詳細のある部分を本発明の基本的要旨から離れない範囲で相当に変化し得ることは当業者であれば容易に理解されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、ガスにより運搬された固形燃料を燃焼する典型的な燃焼システムを示す概略説明図である。運搬ガスは、多くの場合、空気からなる（第１空気）。
【図２】図２は、燃焼システムの燃料運搬ガス内への酸素注入を示す本発明の一態様の概略説明図である。
【図３】図３は、ランシング（lancing）技術を使用した注入装置を示す本発明の一態様の概略説明図である。
【図４】図４は、酸素リングを介した注入装置を示す本発明の一態様の概略説明図である。
【図５】図５は、酸素注入装置の配置を示す本発明の一態様の概略説明図である。
【図６】図６は、Ｏ２槍に適合した注入ノズルを示す本発明の一態様の概略説明図である。
【図７】図７は、α、直径ｄ及びＤを説明する概略説明図である。
【図８】図８は、壁燃焼ボイラーにおける使用に適合した本発明の一態様の概略説明図である。
【図９】図９は、タンジェント燃焼ボイラーにおける使用に適合した本発明の一態様の概略説明図である。
【図１】
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【図２】
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【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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【国際調査報告】
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