(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料（Ｆ）の燃焼のためのプロセスであって、前記液体燃料（Ｆ）は分配装置（１）により分配され、連通した細孔空間を有する多孔質媒体（６）を備えた下流に配置される反応器の中へ移送され、前記多孔質媒体のペクレ数は前記多孔質媒体（６）内での炎の発達および前記液体燃料（Ｆ）の完全燃焼を可能にするものであり、多孔質体（３）を含む気化装置が前記液体燃料および気体酸化体からなる混合物の気化のために設けられ、前記装置が前記多孔質媒体（６）の上流で前記分配装置（１）の下流に配置されることを特徴とする、プロセス。
【請求項２】
前記多孔質媒体（６）の前記ペクレ数は６５より大きい、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
気体酸化体（Ｌ）、特に空気が、前記分配装置（１）および／または前記多孔質媒体（６）に供給され、前記液体燃料（Ｆ）および前記酸化体（Ｌ）からなる混合物を形成する、請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記分配装置（１）は前記液体燃料（Ｆ）を微粒化するための微粒化装置を有する、請求項１から３のいずれかに記載のプロセス。
【請求項５】
前記微粒化装置は、圧力を加えた液体燃料（Ｆ）が供給されるノズル（１１）を有する、請求項４に記載のプロセス。
【請求項６】
前記微粒化装置は、圧力を加えた液体燃料（Ｆ）および酸化体（Ｌ）が供給される２つのノズル（１７）を有する、請求項４または５に記載のプロセス。
【請求項７】
前記微粒化装置は前記多孔質媒体（６）の近くに配置される、請求項４から６のいずれかに記載のプロセス。
【請求項８】
前記多孔質媒体（６）にはその混合物入口端（１５）において、連通した細孔空間を有する多孔質要素（５）が設けられる、請求項１から７のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９】
前記多孔質要素（５）の前記細孔空間は、炎を発達させないペクレ数を有する、請求項８に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記多孔質要素（５）の前記ペクレ数は６５より小さい、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記多孔質体（３）は前記多孔質媒体（６）において形成される熱輻射により加熱される、請求項１から１０のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１２】
前記多孔質体（３）は、平均孔直径が好ましくは前記多孔質要素（５）の平均孔直径よりも大きい連通した細孔空間を有する、請求項１から１１のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１３】
前記多孔質媒体（６）は前記多孔質要素（５）と接触している、請求項１から１２のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１４】
前記多孔質要素（５）は前記多孔質体（３）と接触している、請求項１から１３のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１５】
前記分配装置（１）は液体噴流を生じるための手段（２）を有する、請求項１から１４のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１６】
前記微粒化装置（１１）および／または液体噴流を生じるための前記手段（２）は、前記多孔質要素（５）または前記多孔質体（３）に設けられる凹み（４）内に突出する、請求項１から１５のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１７】
前記酸化体（Ｌ）および／または前記液体燃料（Ｆ）および／または前記気化装置は加熱装置により加熱される、請求項１から１６のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１８】
前記加熱装置の加熱力は燃焼ガスのエンタルピーから得られる、請求項１７に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記混合物は、前記多孔質媒体（６）内、前記気化装置内または前記分配装置（１）の近くに設けられる点火器具（７）により点火される、請求項１から１８のいずれかに記載のプロセス。
【請求項２０】
前記反応器は前記多孔質媒体（６）を収容するケーシング（１４）を有する、請求項１から１９のいずれかに記載のプロセス。
【請求項２１】
前記ケーシング（１４）は前記多孔質要素（５）および前記気化装置を囲む、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項２２】
中に熱交換器（１２）が埋込まれるマクロ細孔要素（１３）が前記多孔質媒体（６）の下流に設けられる、請求項１から２１のいずれかに記載のプロセス。
【請求項２３】
前記多孔質媒体（６）は前記分配装置（１）の下に配置され、燃焼が起こった際に主な流れに対して向けられる向流が形成されるようにする、請求項１から２２のいずれかに記載のプロセス。
【請求項２４】
液体燃料の燃焼のための器具であって、前記液体燃料（Ｆ）は分配装置（１）により分配することができ、連通した細孔空間を有する多孔質媒体（６）を備えた下流に配置される反応器の中へ移送することができ、前記多孔質媒体のペクレ数は前記多孔質媒体（６）内での炎の発達および前記液体燃料（Ｆ）の完全燃焼を可能にするものであり、多孔質体（３）を含む気化装置が前記液体燃料（Ｆ）および気体酸化体からなる混合物の気化のために備えられ、前記装置が前記多孔質媒体（６）の上流で前記分配装置（１）の下流に配置されることを特徴とする、器具。
【請求項２５】
前記多孔質媒体（６）の前記ペクレ数は６５より大きい、請求項２４に記載の器具。
【請求項２６】
前記分配器具（１）および／または前記多孔質媒体（６）は気体酸化体（Ｌ）、特に空気のための供給構成を有し、前記液体燃料（Ｆ）および前記酸化体（Ｌ）からなる混合物を形成する、請求項２４または２５に記載の器具。
【請求項２７】
前記分配装置（１）は前記液体燃料（Ｆ）を微粒化するための微粒化装置を有する、請求項２４から２６に記載の器具。
【請求項２８】
微粒化装置は、圧力を加えた液体燃料（Ｆ）が供給され得るノズル（１１）を有する、請求項２４から２７のいずれかに記載の器具。
【請求項２９】
前記微粒化装置は、圧力を加えた液体燃料（Ｆ）および酸化体（Ｌ）が供給され得る２つのノズル（１７）を有する、請求項２７または２８に記載の器具。
【請求項３０】
前記微粒化装置は前記多孔質媒体（６）の近くに配置される、請求項２７から２９のいずれかに記載の器具。
【請求項３１】
前記多孔質媒体（６）にはその混合物入口端（１５）において、連通した細孔空間を有する多孔質要素（５）が設けられる、請求項２４から３０のいずれかに記載の器具。
【請求項３２】
前記多孔質要素（５）の前記細孔空間は、炎を発達させないペクレ数を有する、請求項３１に記載の器具。
【請求項３３】
前記多孔質要素（５）の前記ペクレ数は６５より小さい、請求項３２に記載の器具。
【請求項３４】
前記多孔質体（３）は前記多孔質媒体（６）において形成される熱輻射により加熱され得る、請求項２４から３３のいずれかに記載の器具。
【請求項３５】
前記多孔質体（３）は、平均孔直径が好ましくは前記多孔質要素（５）の平均孔直径よりも大きい連通した細孔空間を有する、請求項２４から３４のいずれかに記載の器具。
【請求項３６】
前記多孔質媒体（６）は前記多孔質要素（５）と接触している、請求項２４から３５のいずれかに記載の器具。
【請求項３７】
前記多孔質要素（５）は前記多孔質体（３）と接触している、請求項２４から３６のいずれかに記載の器具。
【請求項３８】
前記分配装置（１）は液体噴流を生じるための手段（２）を有する、請求項２４から３７のいずれかに記載の器具。
【請求項３９】
前記微粒化装置（１１）および／または液体噴流を生じるための前記手段（２）は、前記多孔質要素（５）または多孔質体（３）に設けられる凹み（４）内に突出する、請求項２４から３８のいずれかに記載の器具。
【請求項４０】
前記酸化体（Ｌ）および／または前記液体燃料（Ｆ）および／または前記気化装置を加熱するために加熱装置が設けられる、請求項２４から３９のいずれかに記載の器具。
【請求項４１】
前記加熱装置は燃焼ガスのエンタルピーにより加熱できる、請求項４０に記載の器具。
【請求項４２】
前記混合物に点火するための点火器具（７）が前記多孔質媒体（６）内、前記気化装置内、または前記分配装置（１）の近くに備えられる、請求項２４から４１のいずれかに記載の器具。
【請求項４３】
前記反応器は前記多孔質媒体（６）を収容するケーシング（１４）を有する、請求項２４から４２のいずれかに記載の器具。
【請求項４４】
前記ケーシング（１４）は前記多孔質要素（５）および前記気化装置を囲む、請求項４３に記載の器具。
【請求項４５】
中に熱交換器（１２）が埋込まれるマクロ細孔要素（１３）が前記多孔質媒体（６）の下流に設けられる、請求項２４から４４のいずれかに記載の器具。
【請求項４６】
前記多孔質媒体（６）は前記分配装置（１）の下に配置され、燃焼の際に生じる向流が主な流れに対して向けられるようにする、請求項２４から４５のいずれかに記載の器具。
【発明の詳細な説明】
この発明は液体燃料、特にオイルの燃焼のためのプロセスおよび器具に関する。
ガス／空気混合物を燃料として働かせることのできるバーナーはＤＥ  ４３  ２２  １０９  Ａ１から公知である。このバーナーにおいていわゆる細孔バーナー技術が用いられている。この技術がすべての通常の燃焼プロセスと異なる点は、ガス／空気混合物が不活性多孔質材料の中空空間において燃やされることである。
その多孔質材料の積極的な熱伝搬特性により、このようなバーナーは汚染物質の放出が少ないことと過剰空気数および出力の範囲が非常に大きい（最大で１：２０）こととを特徴とする。さらに、排気ガスは多孔質材料に埋込まれている熱交換器により非常に効率よく冷却できるため、確実に効率が非常に高くなり、燃料利用率が向上する。このようなバーナー／熱交換器の組合せは、公知のシステムの設備容量の約１／１０しか必要としない。
しかしながら、公知のバーナーはオイルなどの液体燃料で働かせることができない。
ＥＰ  ０  ５２４  ７３６  Ａ２では、多孔質マトリックスにおいて制御された反応を実行するためのプロセスおよび器具が示される。これらにおいて、ガスまたは気化ガスはある空間から上方向に垂直に管状に延在する多孔質媒体の中へ案内される。燃焼はその多孔質媒体内で起こる。その燃焼中に生じる熱は主に下流に流れ、さらに別の空間に達する。このプロセスは液体燃料の燃焼には適していない。多孔質体における炎の前線の位置は不安定である。その位置を安定させるために、体積流量を制御するのに温度測定装置に結合される器具が必要となる。公知のプロセスにおいて生じる熱は対流によって周囲の媒体に不完全に伝達される。効率を高めるために燃焼混合物を予め熱することも行なわれない。プロセスが打ち切られた後、空間に残るガスまたは気化ガスの残留分が不利な態様で自己発火に寄与することもあり得る。
気化タイプのオイルバーナーはＵＳ  ４  １３３  ６３２に表わされる。このオイルバーナーにおいて、多孔質プレートが気化ケーシングの底部に設けられ、オイルは毛管力によりそのプレートの一方の側に誘導され、他方の側にある気化ケーシングの中へ気化させられる。その気化したオイルは空気と混ぜられ、その混合物は最後に燃焼空間に供給され、ここで裸火により燃やされる。
公知の気化器は複数の点で不利である。空気との混合がオイルの気化の後にしか行なわれないため、均質な空気／オイル混合物を形成するのに長い距離が必要となる。多孔質プレートへのオイルの誘導は毛管力に依存するため、多孔質プレートは孔の非常に細かい構成を有していなければならない。しかしながらこのことはオイルに含まれる不純物により多孔質プレートが閉塞するという影響があるため、定期的に掃除しなければならない。十分な量のオイル気化ガスを利用可能にするために多孔質プレートは比較的大きな表面を有していなければならず、その表面の全体がオイルリザーバと接していなければならない。この要件は公知のオイルバーナーの小型設計に対して不利に作用する。さらに、この気化器と組合されたバーナーをすぐに働かせることは不可能である。なぜなら、オイル気化ガスを形成するにはある程度の時間を要するからである。バーナーを消した後も、オイル気化ガス／空気混合物は気化器内に残り、これが意図せず燃焼に繋がることもある。
この発明の目的は先行技術の不利な点をうまく回避することである。その目的は特に、液体の燃料、特にオイルの燃焼のための単純なプロセスであって、可能な限り効率がよく可能な限り汚染物質のレベルが低いプロセスを提供することである。さらに、その目的は設計が可能な限り単純かつ小型であり低コストで製造できる液体燃料の燃焼のための器具を提供することである。
この目的は請求項１および請求項２４の特徴により達成される。有用なさらなる実施例は請求項２から２３および請求項２５から４６の特徴から生じる。
この発明のプロセスの局面によれば、液体燃料が分配装置により分配され、連通した細孔空間を有する多孔質媒体を備えた下流に配置される反応器の中へ移送されるようにされており、多孔質媒体のペクレ数
0004029179.tif 000002
は多孔質媒体内の炎の発達を可能にするものである。この発明によるプロセスでは、用いられる液体燃料の特に有効な、汚染物質の少ない燃焼が可能となる。
これまで６５より大きい多孔質媒体のペクレ数を選択するのが有利であることがわかっている。ペクレ数は以下の等式から計算できる。
Ｐｅ＝（ＳLｄmＣpρ）／λ
ここでＳLは層流炎速度であり、ｄmは多孔質材料の平均中空空間の等価直径であり、Ｃpはガス混合物の比熱であり、ρはガス混合物の密度であり、λはガス混合物の熱伝導係数である。この等式から、炎の発達のための条件は実質的に、平均中空空間の等価直径ｄmまたは多孔質材料の平均孔直径に依存することが示される。ＳL、Ｃp、ρおよびλなどのプロセスに依存するパラメータは、入口、すなわち混合物入口端の領域において存在する多孔質媒体条件の下で、特定された酸化体／液体燃料混合物に対して固定する必要がある。これらは特に、液体燃料および酸化体の種類ならびにそれらの混合比により規定される。この発明のよるプロセスの注目すべき利点は、多孔質媒体への入口における酸化体／液体燃料混合物の温度と熱伝導率係数λとを必ずしもこれらが爆発限界の下にあるような態様で選択する必要がないことである。
この発明によるさらなる構成において、気体酸化体、特に空気が、分配装置および／または多孔質媒体に供給されて、液体燃料および酸化体からなる混合物を形成する。この構成では、分配装置は液体燃料を微粒化するための装置を有していてもよい。微粒化装置はたとえばそのまわりに気体酸化体の流れを有していてもよい。有利には、微粒化装置はノズルを備え、そのノズルに圧力を加えた液体燃料が供給される。微粒化装置はまた、圧力を加えた液体の燃料および酸化体が供給される２つのノズルを備えていてもよい。これにより、酸化体および液体燃料からなる第１の混合物が形成され、これはさらに酸化体で濃度を高めてもよい。
微粒化装置は好ましくは、多孔質媒体の近くに配置され、多孔質媒体に対して前後に可動してもよい。多孔質媒体が円筒形の構成である場合、微粒化装置は有利にはその円筒の軸上に配置される。
さらなる実施例によれば、多孔質媒体には混合物入口端において、連通した細孔空間を有する多孔質要素が備えられていてもよい。多孔質要素は好ましくは炎を発達させないペクレ数により規定され、このペクレ数は一般的に６５より小さい。
特に有利な特徴によれば、好ましくは連通した細孔空間を有する多孔質体を含む混合物気化装置を設けてもよい。多孔質体の平均孔直径は多孔質要素の平均孔直径より大きくてもよい。このことにより液体燃料の分配、混合および気化が容易になる。気化装置は一般的に、多孔質媒体の上流で分配装置の下流に配置される。
さらなる実施例では、多孔質媒体は多孔質要素と接触している。通常多孔質要素は、その上流端において多孔質体と接触していてもよい。多孔質媒体の混合物入口端において、多孔質要素は火炎障壁を形成し、これは混合物が主な流れの方向に対して、特に気化装置として作用する多孔質体の中へ、逆方向に燃えるのを防ぐ。多孔質体と多孔質要素との間、および多孔質要素と多孔質媒体との間が直接接触しているため、燃焼により多孔質媒体内で形成される熱は熱輻射の形だけではなく、熱伝導によっても多孔質要素および多孔質体に伝えられる。これにより、多孔質媒体に入る前に混合物が完全にガス化されることが確実となる。
分配装置は好ましくは液体噴流を生じるための手段を有しており、後者および／または微粒化装置は多孔質要素または多孔質体内に設けられる凹みの中へ突出していてもよい。このため、特に小型の設計が可能となる。
特に効率のよいプロセス制御を可能とするために、酸化体および／または液体燃料および／または気化装置を加熱装置によって加熱してもよい。加熱装置に必要な熱は、好ましくは高温燃焼ガスから伝達される。しかしながら、酸化体を高温燃焼ガスと混合することによって加熱することも可能である。
混合物は、多孔質媒体内、気化装置内または分配装置の近くに備えられる点火器具により点火してもよい。点火器具が分配装置の近くに備えられている場合、まず分配装置から出てくる混合物に点火して、むきだしの状態で燃焼させて多孔質媒体を加熱することが好ましい。次に、液体燃料の供給を中断し、よってむきだしの状態での燃焼を中断する。再び液体燃料を供給すると、形成しつつある混合物は予め加熱された多孔質媒体内で自動的に発火し、むきだしの状態での燃焼はもはや起こらない。
さらなる実施例では、反応器は多孔質媒体を収容するケーシングを有しており、そのケーシングは多孔質要素および気化装置を囲んでいてもよい。多孔質媒体は好ましくは熱交換器により囲まれる。
さらなる実施例の特徴によれば、多孔質媒体は、燃焼が起こった際に主な流れに対して向けられる向流が形成されるような態様で分配装置の下に配置される。このことで主な流れにより供給される混合物を予め加熱することができる。さらに、向流により主な流れが後退する。このため炎の前線の位置が安定する。
この発明のさらなる措置によれば、液体燃料、特にオイルの燃焼のための器具が提供され、液体燃料を分配装置により分配し、連通した細孔空間を有する多孔質媒体を備えた下流に配置される反応器の中へ移送することができ、多孔質媒体のペクレ数は多孔質媒体内での炎の発達を可能にするものである。この発明による器具は、単純に、かつ低コストで小型に製造することができる。この器具では液体燃料の汚染物質の少ない燃焼が可能である。この発明による器具が特に、大きな出力範囲および変調能力と、広範囲の空気／燃料比と、高い非出力密度とを特徴とする。
多孔質媒体および多孔質要素の製造に適した材料は、金属、金属酸化物、セラミックまたはセラミック被覆金属である。塊状材料および玉などの個々の要素の集合体もまた用いてもよい。材料の選択の概括的な基準は、形状の定常性、温度変化に対する抵抗、化学的および熱的安定性ならびに、たとえば熱伝導率または熱輻射係数などの熱伝達特性である。
この発明によるプロセスおよび器具の有利な実施例は以下に図面を用いて説明する。
図１は、この発明によるプロセスの原理を説明するための略図を示し、
図２は、この発明による器具の第１の実施例の概略断面図を示し、
図３は、この発明による器具の第２の実施例の概略断面図を示し、
図４は、この発明による器具の第３の実施例の概略断面図を示し、
図５ａは、液体燃料ノズルの断面図を示し、
図５ｂは、２つのノズルの断面図を示し、
図６ａは、ディストリビュータの概略断面図であり、
図６ｂは、図６ａのディストリビュータの平面図を示す。
図１は、この発明によるプロセスの実施例の変形の原理を例示する略図を示す。必要に応じて加熱される液体燃料は多孔質体と相互作用する状態で分配されるため、液体燃料の表面積は増加する。空気が同時に多孔質体に供給され、これにより分配された液体燃料との均質混合が起こる。空気および液体燃料からなる混合物は、主な流れとともに多孔質体を通って多孔質媒体の方向に移動し、その多孔質媒体の混合物入口端には火炎障壁として作用する多孔質要素が存在する。多孔質媒体内で起こる燃焼により熱が多孔質要素に伝達され、その多孔質要素は好ましくは多孔質媒体と直接接触しており、熱はそこから多孔質体へ伝達される。この結果、多孔質体および多孔質要素を通って移動する混合物はますます加熱され、気化するか、または気相に変えられる。このプロセスにおいて、多孔質体内の混合物は完全に均質化される。さらに、特に多孔質体を加熱して気化を助けるようにしてもよい。気化した混合物は最終的に多孔質媒体に達し、そこで燃やされる。
この発明によるプロセスを実行するため、この発明による器具の複数の実施例が特に有利であることがわかった。
この発明による器具の第１の実施例は図２に示される。この例において、参照番号１により概括的に示される分配装置は実質的にディストリビュータ２を含む。ディストリビュータ２は多孔質体３に設けられる凹み４内に突出する。多孔質体３は、ペクレ数が６５より小さい多孔質要素５と直接接触する。また、多孔質要素５は多孔質媒体６と直接接触している。バーナーを形成する多孔質媒体６には点火器具７が設けられる。
この場合、多孔質体３は複数のゾーンまたは層８、９および１０を有し、それらの多孔率および平均孔直径は異なる。
図３に見られる第２の実施例の形態によれば、分配装置１は多孔質体３の上流および上に配置される液体燃料ノズル１１を含む。粗孔要素１３に埋込まれている熱交換器１２は多孔質媒体６の下流に配置される。多孔質体３、多孔質要素５、多孔質媒体６および粗孔要素１３は、ここでは管として構成されるケーシング１４内に収容される。
図４では、特に単純な構造の第３の実施例が示される。この例では、多孔質媒体６はケーシング１４の実質的な部分にわたって延在する。この場合、多孔質媒体６の混合物入口端１５は液体燃料ノズル１１から出てくる液体燃料を直接受ける。
図２および図３に示される器具の機能は以下のとおりである。
分配装置１から出てくる空気／液体燃料混合物または液体燃料は多孔質体３を通過し、そこでその完全な断面にわたって径方向に分配される。その混合物または液体燃料は多孔質体３に入ってくる空気と同時に混ぜられ均質化される。さらに運ばれる間に、混合物はさらに均質化され細かく分配される。混合物は最終的に、多孔質媒体６から伝達される熱の作用の下で気化する。その気化ガスまたはガス化した混合物は、火炎障壁として作用する多孔質要素５を通過し、最後に多孔質媒体６に達してそこで燃やされる。燃焼ガスは多孔質媒体６の出口端１６においてそこから導かれ、熱交換器１２を介して案内される。
図４に示される器具の場合、混合物の混合、均質化および気化は多孔質体の入口端１５の近くで起こる。
図２から図４に示される器具において、いずれの場合にも主な流れは垂直に下方に向けられる。燃焼のため、向流が多孔質媒体内で生じ、これは垂直に上方向に向けられる。向流により主な流れが後退する。これにより、多孔質媒体内の炎の前線の位置が安定に保たれる。
図５ａおよび図５ｂでは、液体燃料ノズル１１および２つのノズル１７の断面図が示される。２つのノズル１７は、空気ノズル１８により囲まれる液体燃料ノズル１１からなる。空気ノズル１８には空気の誘導のための貫通部１９が設けられる。空気／液体燃料混合物は、空気ノズル１８内に設けられた開口部２０を通じて出る。
図６ａには、ディストリビュータ２の断面図が示される。後者は実質的に円筒２１からなり、円筒２１の内部空間は放射状の配置されるノズル２２により周囲と連通している。ノズル２２の配置は図６ｂに特に明らかに見られる。
参照番号のリスト
１  分配装置
２  ディストリビュータ
３  多孔質体
４  凹み
５  多孔質要素
６  多孔質媒体
７  点火器具
８、９、１０  ゾーン
１１  液体燃料ノズル
１２  熱交換器
１３  粗孔要素
１４  ケーシング
１５  混合物入口端
１６  出口端
１７  ２つのノズル
１８  空気ノズル
１９  貫通部
２０  開口部
２１  円筒
２２  ノズル
Ａ  主な流れの方向
Ｆ  液体燃料
Ｌ  空気
【図１】
0004029179.tif 000003
【図２】
0004029179.tif 000004
【図３】
0004029179.tif 000005
【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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