(57)【要約】【課題】先行技術の欠点を克服する液体燃料の燃焼方法およびバーナーを提供すること。【解決手段】液体燃料の燃焼方法は、液体燃料（４）と接触させて霧化用ガスの主要流（３）を注入することにより液体燃料のスプレー（１０）を生成させる工程を含み、霧化用ガスの少なくとも１つの二次流（１）を、スプレーが燃料の燃焼を行うために酸化剤の噴流と接触する前に、スプレーの二次霧化を生じさせるためにスプレー（１０）の近傍に注入することを特徴とする。バーナーは、燃料スプレー（１０）を生成させるために少なくとも１つの霧化用ガス注入手段と組み合わされた少なくとも１つの液体燃料注入手段（７）、および少なくとも１つの酸化剤注入手段を備え、燃料注入手段近傍に配置された少なくとも１つの二次霧化用ガス注入手段（１１、１２、１４）を備えることを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料（４）と接触させて霧化用ガスの主要流（３）を注入することにより前記液体燃料のスプレー（１０）を生成させる工程を含む、液体燃料の燃焼方法であって、霧化用ガスの少なくとも１つの二次流（１、５）を、前記スプレーが前記燃料の燃焼を行うために酸化剤の噴流と接触する前に、前記スプレー（１０）の二次霧化を生じさせるために前記スプレー（１０）の近傍に注入することを特徴とする液体燃料の燃焼方法。
【請求項２】
前記霧化用ガスの二次流（１）を、前記液体燃料の注入方向と平行な方向に注入することを特徴とする請求項１に記載の燃焼方法。
【請求項３】
前記霧化用ガスの二次流（５）を、前記液体燃料の注入方向に向かって集束する斜め方向に注入することを特徴とする請求項１に記載の燃焼方法。
【請求項４】
前記霧化用ガスの二次流（１、５）を、乱流を生み出すように注入することを特徴とする請求項１に記載の燃焼方法。
【請求項５】
霧化用ガスの前記二次流（１、５）における霧化用ガスの流量が、霧化用ガスの総流量の２０％〜７０％を構成する請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃焼方法。
【請求項６】
前記霧化用ガスの二次流（１、５）を、均一に分布し、液体燃料流（４）の周りに等間隔で注入される複数の流れに分割することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃焼方法。
【請求項７】
前記酸化剤噴流を、一次酸化剤噴流と二次酸化剤噴流とに分割し、前記一次酸化剤噴流を、第１の不完全燃焼を生じさせるために前記液体燃料スプレーの近傍に注入し、この不完全燃焼から生じるガスは、前記燃料の少なくとも一部をなお含むものであり、他方前記二次酸化剤噴流を、前記第１の不完全燃料から生じるガス中に存在する液体燃料の前記一部との燃焼を行うために、前記液体燃料噴流と前記液体燃料スプレーに最も近い一次酸化剤噴流との間の距離よりも長い、前記液体燃料スプレーから距離Ｉ2隔てたところで注入することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃焼方法。
【請求項８】
燃料スプレー（１０）を生成させるために少なくとも１つの霧化用ガス注入手段（８）と組み合わされた少なくとも１つの液体燃料注入手段（７）、および少なくとも１つの酸化剤注入手段を備えるバーナーであって、前記燃料注入手段の近傍に配置された少なくとも１つの二次霧化用ガス注入手段（１１、１２、１４）を備えることを特徴とするバーナー。
【請求項９】
前記二次霧化用ガス注入手段（１１、１２、１４）が、共通の霧化用ガス供給（９）をバイパスさせることにより得られることを特徴とする請求項８に記載のバーナー。
【請求項１０】
前記二次霧化用ガス注入手段（１１、１２、１４）が、前記燃料注入手段（７）に対して、平行か、または斜めに配向されていることを特徴とする請求項８または９に記載のバーナー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料の燃焼方法およびこれを実施するためのバーナーに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば工業規模の炉のための燃焼システムの組み立て中における重要な関心事の１つは、火炎特性を最適に制御することにより燃焼効率を最適化させる一方、熱伝達の観点において加熱方法のニーズを満足し、空気への汚染質放出を最小限に抑えることである。
【０００３】
酸化性ガスによる液体燃料の２相燃焼は、実際の燃焼が生じる前に２つの主要な工程を含む。第１の工程において、液体燃料流を不安定化させ、酸化剤とのより高い接触面積を有する燃料スプレーを形成するように注入された霧化用ガスを用いて液体燃料を霧化させることが必要である。使用する霧化用ガスは、例えば、空気、酸素、スチーム、あるいは天然ガスでさえあり得る。その場合、こうして形成された液体燃料滴が、燃料が酸化剤により燃焼する前に、気化することが必要である。燃料滴の気化時間は反応時間よりも長いので、当該反応物質の混合物は、従って燃焼特性は、本質的に燃料スプレーの特性、特に、形成される燃料滴のサイズに依存する。
【０００４】
スプレー特性は、使用する注入器（injector）のタイプに依存する。ほとんどの注入器は、燃料を不安定化（destabilize）させ、スプレーを形成するために、霧化用ガスと液体燃料との間の高い速度差を用いている。高速流が燃料に課されているか、あるいは霧化用ガスに課されているかにより、２つのタイプの注入器が利用できる。すなわち、燃料を高圧に供し、小さな直径のオリフィス中を高速で流すメカニカル注入器（mechanical injector）と、燃料噴流が比較的遅い速度で流れ、高速流の霧化用ガスにより不安定化される「デュアル流体」注入器と呼ばれる注入器とである。しかしながらメカニカル注入器は、一方ではそれらが堆積物により燃料注入オリフィスを閉塞する危険性がより高いために、他方では高い液体圧に到達するために必要な圧縮機の高いコスト故に限られた流量範囲のために、ほとんど使用されていない。
【０００５】
デュアル流体注入器は、非常に高い霧化用ガス流速度を可能とし得る。このカテゴリーにおいて、非常に高速で排出されるガスの低い流量で操作される空気補助霧化器と、より低い霧化用ガス流速度であるが、より高い流量により特徴付けられるスプレー霧化器とは区別される。２つの流体は、閉じ込められた環境内（内部混合型注入器）で、または注入システムの外部で（外部混合型注入器）で混合され得る。
【０００６】
さらに、液体燃料流は、任意に、霧化用ガス流と接触する前に、適切な表面上にフィルムを形成するように配向され得る。この場合、この注入器は、事前フィルム形成霧化器（prefilming atomizer）と呼ばれ、液体フィルムの事前形成を伴い、もう一方の場合には、プレーン噴流霧化器（plain jet atomizer）と呼ばれ、全液体流を伴う。
【０００７】
オキシ燃焼において最も普通に用いられている注入器は、外部混合を伴い、２００ｍ・ｓ-1未満の霧化用ガス速度でのスプレーを伴うデュアル流タイプの注入器、およびプレーン噴流注入器である。
【０００８】
かかる注入器により生成されるスプレーの燃焼特性は、主に、相対的な霧化用ガスと液体燃料の速度を変化させることにより制御される。その際、燃料スプレーの平均滴サイズは、変更され、その結果、燃焼反応時間と比較しての気化時間も変化する。滴のサイズと気化時間は、気化した燃料と酸化剤との混合を制御し、それゆえ、特に燃焼が完全であるか否かを決定する非常に重要な燃焼パラメータである。しかしながら、注入速度を制御することは、スプレーの特性と２相燃焼の特性を、それらを加熱されたプロセスに適合させるように調節することに役立つものであるが、そのような注入器は、なお、フレキシビリティーに欠ける。
【０００９】
例えば、注入器の冷却を効果的に制御することが困難である。事実、霧化用ガス流量の増加は、平均滴サイズを減少させ、その結果より近い反応領域を、それゆえ注入器の過熱をもたらす。
【００１０】
さらに、過度に高い霧化用ガス流量については、霧化モードが、ファイバーモード（fibre mode）、すなわち十分に展開された液体円錐体を伴うものから、超パルスモード（superpulse）、すなわち短い液体円錐台を伴うものに移行し得る。その場合、反応領域は、バーナーの直近において安定化し易く、その破損を引き起こし得る。さらに、過度に高い霧化用ガス速度は、また、火炎の不安定性を引き起こし得る。事実、火炎の安定性が、混合時間と燃焼化学の特性時間（characteristic time）との比に関係し得、火炎はこの比が１を超えると安定であることが立証されている。霧化用ガスの速度が過度に増加した場合、混合時間は、燃焼化学の特性時間よりも短くなり、安定性の条件がもはや満たされないものとなる。
【００１１】
他の欠点は、スプレー特性がいくつかのパラメータに影響を及ぼし、従ってそれらを互いに独立に制御することが不可能となることである。すなわち、スプレー滴サイズとスプレー角度を独立に制御することができず、特性は霧化ガスの運動量と燃料の運動量との比の両方に依存する。より具体的には、この運動量の比が５よりも小さいとき、霧化用ガスの流量の増加は、同時に、滴サイズの減少と、スプレー角度の拡張をもたらし、火炎は、隣接するバーナーのそれらと相互作用する。
【００１２】
他の欠点は、高粘度の燃料を用いた場合に現れる。その場合、液体燃料流の周りに環として注入された単純な霧化用ガス流は、均一な滴サイズを有するスプレーを生じさせる均一な霧化を可能にしない。これは、不規則な燃焼と火炎安定化の問題を生じさせる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、上記欠点を克服することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
すなわち、本発明は、液体燃料と接触させて霧化用ガスの主要流を注入することにより前記液体燃料のスプレーを生成させる工程を含む、液体燃料の燃焼方法であって、霧化用ガスの少なくとも１つの二次流を、前記スプレーが前記燃料の燃焼を行うために酸化剤の噴流と接触する前に、前記スプレーの二次霧化を生じさせるために前記スプレーの近傍に注入することを特徴とする液体燃料の燃焼方法を提供する。
【００１５】
かくして、同じ総霧化用ガス流量について、第１の霧化流の流量が減少し、注入器の近傍により大きなサイズの滴を有するプレーを生じさせる。ついで、この第１のスプレーの燃料滴は、第２の霧化を受け、より小さな滴を有する変更されたスプレーをもたらす。第１のスプレーが既に生成しているので、第２の霧化は、特に高粘度燃料の場合に、より効果的であり、注入器からさらに変更スプレーの滴を連行する。液体燃料のこの段階霧化により、燃焼反応は注入器からさらに遠いところで生じ、それによりバーナーの過熱および破損の危険性を減少させる。バーナーが引き込み可能な（retractable）ヘッドを有する場合、二次霧化がより高い引き込み（retraction）をもってそのヘッドを操作させることを可能とすることは重要である。さらに、それにより増大した霧化用ガス流は、バーナーのより効果的な冷却を可能とする。それにより注入器の耐用年数が増加し、そのメンテナンスが減少する。
【００１６】
注入器の冷却のこの改善は、使用する霧化用ガスが、過熱の危険性が高いガスである酸素の場合に特に有利である。
【００１７】
さらに、二次霧化流の存在は、滴サイズ（火炎長）とスプレー角度（火炎幅）との間の依存性を、後者の増加を制限することにより、減少させる。従って、火炎長がより容易に制御され得る一方、隣接するバーナー火炎との相互作用の危険性が制限される。
【００１８】
本発明のさらなる利点は、ＮＯｘ化合物の放出の減少である。事実、得られる火炎温度はより均一であり、そのためＮＯｘの生成は減少する。このプロセスは、二次霧化用ガス流による当該反応物質と燃焼生成物のより良好な希釈により強調される。
【００１９】
本方法の第１の典型的な態様によると、霧化用ガスの二次流は、液体燃料の注入方向と平行な方向に注入される。
【００２０】
本方法の第２の典型的な態様によると、霧化用ガスの二次流は、液体燃料の注入方向に向かって集束する斜め方向に注入される。これにより、スプレー角度をより正確に制御することが可能となり、変更されたスプレー角度は、二次霧化用ガス流の注入方向と燃料の流れ方向との間の角度の２倍に等しい。有利には、二次霧化用ガス流は、０〜６０°の角度で、好ましくは０〜３０°の角度で注入される。
【００２１】
任意に、火炎幅を増加させ、その結果加熱されたプロセスへの熱伝達を増大させるために、必要により、液体燃料の注入方向に対し二次霧化用ガス流の注入方向を配向させるために、調節手段を設けることができる。
【００２２】
有利には、霧化用ガスの二次流は、乱流を生み出すように注入される。この乱流は、反応物質と燃焼生成物の希釈を改善し、ＮＯｘ化合物の放出をさらに減少させる。
【００２３】
好ましくは、二次霧化用ガスの流量は、霧化用ガスの総流量の２０％〜７０％を構成する。
【００２４】
有利には、霧化用ガスの二次流は、均一に分布し、液体燃料流の周りに等間隔で注入される複数の流れに分割される。この注入は、とりわけ、燃料注入の周りの同心流により、またはバーナーヘッド内で終わり、燃料注入の周りに均一に分布された複数の開口により、行うことができる。より正確には、主要霧化用ガス流は、液体燃料の周りに同軸で注入される一方、二次流は、上記複数の開口を介して注入される。
【００２５】
本発明による方法は、特にＷＯ  ２００４／０９４９０２に記載されているような、酸化剤を注入し、これを、燃料スプレーから種々の距離隔てたところで導入される複数の流れに分割する段階燃焼方法に理想的である。すなわち、酸化剤噴流を、一次酸化剤噴流と二次酸化剤噴流とに分割し、一次酸化剤噴流を、第１の不完全燃焼を生じさせるために液体燃料スプレーの近傍に注入し、この第１の不完全燃焼から生じるガスは、燃料の少なくとも一部をなお含むものであり、他方二次酸化剤噴流を、第１の不完全燃料から生じるガス中に存在する液体燃料の前記一部との燃焼を行うために、液体燃料噴流と液体燃料スプレーに最も近い一次酸化剤噴流との間の距離よりも長い、液体燃料スプレーから距離Ｉ2隔てたところで注入することができる。本発明は、また、第３の酸化剤噴流を、距離Ｉ2よりも長い、燃料スプレーから距離Ｉ1隔てたところで注入する場合も包含する。
【００２６】
本発明による方法は、霧化用ガスを、一方では、燃料注入速度よりも少なくとも１０倍早い速度で注入し、他方では、燃料質量流量の１０％よりも高い霧化用ガス質量流量を有するところの２相バーナーについて理想的なものである。
【００２７】
本発明は、さらに、上記２相燃焼方法を実施するためのバーナーに関し、そのバーナーは、燃料スプレーを生成させるために少なくとも１つの霧化用ガス注入手段と組み合わされた少なくとも１つの液体燃料注入手段、および少なくとも１つの酸化剤注入手段を備え、燃料注入手段近傍に配置された少なくとも１つの二次霧化用ガス注入手段を備えることを特徴とする。高度に分離された噴流を伴うバーナーの場合には、そのようなバーナーは、一次酸化剤注入手段、一次注入手段の距離よりも長い距離燃料注入手段から隔たったところに配置された二次酸化剤注入手段、および任意に、バーナーの端縁に配置された三次酸化剤注入手段を備える。
【００２８】
有利には、二次霧化用ガス注入手段は、共通の霧化用ガス供給をバイパスさせることにより得られる。バイパス径の選択は、一次霧化用ガス流と主要流との間の比を規定するために役立つ。さらに有利には、二次注入手段は、燃料注入手段に対して、平行か、または斜めに配向される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明は、添付の図面に関して与えられる以下の詳細な説明からよりよく理解されるであろう。
【００３０】
本発明による燃焼方法は、図１および図２に示すように、外部混合を伴うスプレー案内霧化ヘッド６を備えるバーナーにより実施される。この霧化ヘッド６は、
燃料供給（fuel feed）２により送給される液体燃料流４のための排出ライン（ejection line）７と、
燃料排出ライン７と同心で、霧化用ガス供給（atomizing gas feed）９に接続され、主要霧化用ガス流３の作用下に液体燃料スプレー１０を生成させるために、燃料流４と接触して終わる霧化用ガス排出ライン８
を備える。
【００３１】
さらに、霧化ヘッド６は、燃料排出ライン７と、および霧化用ガス排出ライン８と平行に配向された６つの二次排出チャンネル（secondary ejection channel）１１を有する。これら６つの二次排出チャンネル１１は、排出ライン７、８の周りに均一に分布しており、バイパスチャンネル１２により霧化用ガス供給９から分岐した二次霧化用ガスを作り出すように設計されている。これらの二次霧化用ガス流１の影響下に、液体燃料スプレー１０は、第２の霧化を受け、変更された（modified）スプレー１３を生成する。この変更されたスプレー１３は、次に、任意に一次流と二次流とに分割された酸化剤の流れ（図示せず）と接触し、燃料の燃焼を行う。また、霧化ヘッド６から比較的長い距離隔てたところに三次酸化剤供給を設けることができ、これを、主要燃焼ゾーンの前に反応物の十分な希釈を得るために酸素を高速度で注入し、それにより熱ＮＯｘ化合物の過剰な生成を防止するために用いる。実験は、全酸素の５０％を三次供給レベルで注入したバーナーは、他のすべての事項を等しいままにして、二次霧化用ガス流のない従来の注入器の火炎安定化距離の約４倍に等しい火炎安定化距離を得るために作用したことを立証している。このより長い安定化距離は、霧化ヘッド６の過熱を減少させるために役立つ。さらに、また、得られた火炎は、遅れた霧化のためにより均一で、より長く、スプレー１０は、従来のバーナーから生じるスプレーよりも大きな滴を有する一方、変更されたスプレー１３は、より小さな滴サイズを有し、よりよく希釈され、従ってより均一に分配された滴を有することが立証されている。
【００３２】
こうして得られたより均一な火炎は、従って、ホットスポットとコールドスポットとの間の温度差を減少させる。
【００３３】
本発明による霧化ヘッド６を備えるバーナーによるＮＯｘ化合物放出の有意の減少も、立証されている。選んだ酸化剤分布に依存して１．２分の１〜１．５分の１という減少は、同じ全霧化用ガス流量について得ることができる。この減少は、本発明により得られる反応領域の遅延（lag）により説明することができる。
【００３４】
変形例として、図３に示す霧化ヘッド１は、燃料の流れ方向に対し角度αをもって斜めに配向した二次排出ライン１４を有するという点でのみ、霧化ヘッド６と異なる。角度αは、有利には０〜６０°であり、好ましくは０〜３０°である。これらの二次排出ライン１４は、２αのスプレー角度を有する変更されたスプレー１３をスプレー１０とともに形成する二次霧化用ガス流５を送給する。このような霧化ヘッド１は、火炎幅のより正確な調整に適している。
【００３５】
本発明を具体的な態様に関して説明したが、本発明はそれにより限定されるものではなく、また本発明は、記述した手段、およびそれらの組合せの全ての技術的均等物を、それらが本発明の範囲内にあるならば、包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による１のバーナーの１の霧化ヘッドの縦断面の拡大概略図。
【図２】図１に示す霧化ヘッドの正面図。
【図３】本発明による１つのバーナーの他の霧化ヘッドの縦断面の拡大概略図。
【符号の説明】
【００３７】
１、５…二次霧化用ガス流
２…燃料供給
３…主要霧化用ガス流
４…液体燃料流
６…霧化ヘッド
７…排出ライン
８…霧化用ガス排出ライン
９…霧化用ガス供給
１０…液体燃料スプレー
１１…二次排出チャンネル
１２…バイパスチャンネル
１３…変更されたスプレー
１４…二次排出ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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