JPH06509158A - Combustion device and method in porous matrix element - Google Patents
Combustion device and method in porous matrix elementInfo
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】 マトリクスエレメント の び 発明p公野 本発明は、一般に燃焼装置及び技術に関し、より詳細には火炎制御及び安定性が 増加しかつN Oxの放出を減少させるために効果的な改良された燃焼装置及び 方法に関する。[Detailed description of the invention] matrix element invention p kono FIELD OF THE INVENTION This invention relates generally to combustion devices and technology, and more particularly to flame control and stability. Improved combustion equipment and effective to increase and reduce NOx emissions Regarding the method.
主朋少背量 燃焼で発生するN Ox放出により生ずる環境汚染は工業的な燃料のユーザーだ けでなく公衆にとっても大きな興味の対象である。 1960年代の初期に、実 際にスモッグ及び空気汚染物質のレベルが増加しているという公衆の興味の対象 により刺激された政府機関は主要な大都市に存在する電力プラントに対しNo、 減少要求を課した。これらの制限は1970年代及び1980年代には広がって 燃焼機器を有する実質的に全ての工業を含むようになった。これらの挑戦を受け 入れた工業界は新規なニーズに合った多種の技術を既に発展させた。燃焼プロセ スの修正は燃焼で発生するN山を減少させるために最も広く使用されるようにな った技術である。更に一定用途用の主要な制御J方法として、煙突ガス処理の多 数の技術が開発されかつ出現しているが、天然ガスがより抜きの燃料である場合 には使用が制限されているようである。My main friend is small Environmental pollution caused by NOx emissions from combustion is an industrial fuel user. It is of great interest not only to the public, but also to the public. In the early 1960s, the fruit of public concern that levels of smog and air pollutants are increasing Prompted by government agencies to issue no. imposed a reduction requirement. These restrictions expanded in the 1970s and 1980s. It has come to include virtually all industries that have combustion equipment. accept these challenges The industries involved have already developed a variety of technologies to meet new needs. combustion process The most widely used modification is to reduce the N-mountain generated in combustion. It is a technology that has been developed. Furthermore, as a major control method for certain applications, multiple stack gas treatment Although several technologies have been developed and are emerging, natural gas is the fuel of choice. seems to have limited use.
窒素酸化物(NOX)が、燃料中に化学的に結合した窒素の変換により又は「迅 速なN OX J形成を通して、燃焼空気中の窒素の熱的固定の結果として(「 熱的NOx4)燃焼プロセス中で生成する。「熱的N0XJつまりこのようなユ ーザーにより使用される燃料(例えばコールガス)がかなりの量の化学的に結合 した窒素を含む場合に遊離の窒素及び酸素の高温結合による「熱的NO,Jの発 生に加えて、一定の燃焼条件は、燃料に結合した窒素からの望ましくないNoタ イフ。Nitrogen oxides (NOX) are produced by the conversion of chemically bound nitrogen in fuels or As a result of thermal fixation of nitrogen in the combustion air through rapid N OX J formation ( Thermal NOx4) is produced during the combustion process. “A hot N0XJ, that is, a guy like this The fuel (e.g. coal gas) used by the ``Thermal NO,J generation'' due to high-temperature combination of free nitrogen and oxygen In addition to the If.
の化合物の生成に有利になる。「迅速Now Jとは火炎中に早期に形成され力 ・つ全てがゼルドビンチ機構からは生成しない窒素の酸化物を意味する。迅速N Oxは、(1)一定の炭化水素成分及び窒素成分間の相互作用及び/又は(2 )早期のNOx生成に導く過剰量の酸素原子により生ずる。天然ガスの着火に関 しては実質的に全てのNo、放出は、熱的固定つまり「熱的N08」からあるい は迅速NOxから生ずる。生成速度は強い温度依存性があり、通常1800°K (2800”F)を越える温度で起こり、通常過剰酸素の存在でより有利にな る。これらの温度では一般に安定な窒素分子が解離して窒素原子を形成し、次い で該窒素原子が酸素原子及びヒドロキシルラジカルと反応して主としてNOを形 成する。It is advantageous for the production of compounds. ``Rapid Now J'' is the force formed early in the flame. ・All of these mean nitrogen oxides that are not produced by the Zeldvinci mechanism. Quick N Ox is caused by (1) interaction between certain hydrocarbon components and nitrogen components and/or (2 ) caused by an excess amount of oxygen atoms leading to premature NOx formation. Regarding ignition of natural gas Virtually all NO emissions are from thermal fixation or "thermal N08" or arises from rapid NOx. The production rate has a strong temperature dependence, usually around 1800°K. (2800”F) and is usually made more favorable by the presence of excess oxygen. Ru. At these temperatures, generally stable nitrogen molecules dissociate to form nitrogen atoms, which then The nitrogen atoms react with oxygen atoms and hydroxyl radicals to mainly form NO. to be accomplished.
一般にNo、形成は、ピーク燃焼温度での窒素及び酸素原子濃度を減少させるこ とにより、又は燃焼ゾーン中のピーク燃焼温度及び滞留時間を減少させることに より遅らせることができる。これは、操作条件の変化、バーナーデザインの修正 又は燃焼システムの修正のような燃焼修正技術を使用することにより達成するこ とができる。Generally no, formation can reduce nitrogen and oxygen atomic concentrations at peak combustion temperatures. or by reducing the peak combustion temperature and residence time in the combustion zone. It can be delayed further. This is due to changes in operating conditions, modifications to burner design or by using combustion modification techniques such as combustion system modifications. I can do it.
上記した燃焼修正法のうちバーナーデザインの修正が最も広く使用されている。Of the combustion modification methods listed above, burner design modification is the most widely used.
低NOxバーナーは一般に、火炎乱流を減少させ、燃料と空気の混合を遅らせか つ燃焼が開始される燃料富化ゾーンを確立するようデザインされる。製造者は4 0から50%の名目減少を要求しているが、予測されるN Ox排出と実際に達 成される排出の間にはかなりの差異が認められている。これらの相違の基礎とな る原因は拡散燃焼の反応力学とともに同時に起こる熱及び物質移動を制御する試 みの複雑性に起因する。Low NOx burners generally reduce flame turbulence and slow the mixing of fuel and air. is designed to establish a fuel-enriched zone where combustion begins. The manufacturer is 4 It calls for a nominal reduction of 0 to 50%, but the predicted NOx emissions and the actual reductions are Significant differences have been observed between the emissions produced. The basis for these differences is The reason for this is the reaction dynamics of diffusive combustion and the simultaneous efforts to control heat and mass transfer. due to the complexity of the
前述の及び関連するNOx減少技術の例は、次の米国特許の開示である。Examples of the aforementioned and related NOx reduction techniques are the disclosures of the following US patents:
デコルソの米国特許4,787,208号は、富化された主要な燃焼ゾーンと欠 乏した第2の燃焼ゾーンを有する低NOx燃焼器を開示している。酸素を欠乏さ せることにより富化された燃焼ゾーンでのNOx形成を抑制し、欠乏燃焼ゾーン では低燃焼反応温度により抑制している。セラミック製の円筒体が燃焼室の一部 分として使用される。Decorso's U.S. Pat. No. 4,787,208 describes an enriched primary combustion zone and A low NOx combustor is disclosed having a depleted second combustion zone. deprived of oxygen This suppresses NOx formation in the enriched combustion zone and reduces NOx formation in the depleted combustion zone. This is suppressed by low combustion reaction temperature. Ceramic cylinder is part of the combustion chamber used as minutes.
フルヤらの米国特許4,731,989号は、触媒的燃焼に続いて非触媒的熱的 燃焼が起こるN OX排出減少のための燃焼方法を開示している。Furuya et al., U.S. Pat. No. 4,731,989, discloses catalytic combustion followed by non-catalytic thermal combustion. A combustion method for reducing NOx emissions in which combustion occurs is disclosed.
ディビス・ジュニアらの米国特許4,534,165号は、複数の触媒的燃焼ゾ ーンと燃料が供給される下流側の単一「パイロット」ゾーンが装着された操作を 提供し、かつ燃料の流れを制i1して燃料供給を段階的に行うことによりN08 排出を最小にすることを模索している。U.S. Pat. No. 4,534,165 to Davis Jr. et al. For operation fitted with a single downstream “pilot” zone that is supplied with fuel and N08 by supplying fuel in stages and controlling the flow of fuel i1. We are seeking to minimize emissions.
デコルソの米国特許4,112.676号は、一般にガスタービンエンジン用の 拡11kF焼タイプの燃焼器を示している。Decorso's U.S. Pat. No. 4,112.676 generally describes It shows an expanded 11kF sintering type combustor.
ビレブリーの米国特許4,726.181号は、NOxレベルを減少させること を意図する2段階触媒的燃焼を提供している。Billebry's U.S. Pat. No. 4,726.181 provides a method for reducing NOx levels. It provides a two-stage catalytic combustion intended for
ケンダルらの米国特許4,730.599号は、不均一触媒的燃焼を使用しかつ 低No8触媒的燃焼を要求するガス着火放射管加熱システムを開示している。U.S. Pat. No. 4,730.599 to Kendall et al. uses heterogeneous catalytic combustion and A gas-ignited radiant tube heating system that requires low No. 8 catalytic combustion is disclosed.
シャ中らの米国特許4.285.193号は、直列の多段触媒の使用により又は 非触媒的及び触媒的燃焼の組み合わせの使用によりNOx形成を最小にすること を意図するガスタービン燃焼器を開示している。U.S. Pat. No. 4,285,193 to Shanaka et al. Minimizing NOx formation through the use of a combination of non-catalytic and catalytic combustion A gas turbine combustor intended for use is disclosed.
ペノフェルの米国特許3,846,979号は、燃焼が約3300@Fで起こり 、流出物が急冷され、かつ流出物が触媒的酸化を受ける2段階燃焼プロセスでの 低No、放出を記載している。Penofel's US Pat. No. 3,846,979 states that combustion occurs at approximately 3300@F. , in a two-stage combustion process in which the effluent is quenched and the effluent undergoes catalytic oxidation. Low No., release is described.
ベレマントらの米国特許4,087,962号は、ガスタービン用の低排出燃焼 を提供する非断熱的火炎を利用する燃焼器を開示している。燃料−空気混合物を 多孔質壁を通る方向に流し、その反対面は燃料表面として機能する。放射熱シン クがバーナーの第2の表面に近接して設置され前記燃料−空気混合物の燃焼によ り生成する放射エネルギーを除去し、これにより断熱温度未満での操作を可能に する。U.S. Pat. No. 4,087,962 to Beremant et al. A combustor that utilizes a non-adiabatic flame is disclosed. fuel-air mixture It flows in the direction through the porous wall, the opposite side of which acts as the fuel surface. radiant heat sink a second surface of the burner is located adjacent to the second surface of the burner to cause combustion of the fuel-air mixture; removes the radiant energy produced by the do.
発明者らは、燃焼器は化学険論的混合比の近くで動作するが、その温度は過剰の NO。排出を防止するために十分低いと述べている。ある態様では前記放射熱シ ンクは更に多孔質プレートを含んで成っている。The inventors believe that although the combustor operates near the stoichiometric mixture ratio, its temperature is No. It says it's low enough to prevent emissions. In one embodiment, the radiant heat shield The tank further includes a porous plate.
本出願の出願人の一人であるロナルド・ディー・ヘルが特許権者である米国特許 4,811,555号では、減圧及び触媒的酸化の燃焼の組み合わせによるター ビン廃棄物の処理によりNOxが制御される共発生システムが記載されている。U.S. Patent of which Ronald D. Herr, one of the applicants of this application, is the patentee No. 4,811,555, a combination of reduced pressure and catalytic oxidation combustion A co-generation system is described in which NOx is controlled by processing bottle waste.
ロナルド・ディー・ヘルが共有特許権者あるマノクギルらの米国特許4.405 .587号では、使用済流のN08含有量を、それを処理しかつそれを還元及び 酸化の組み合わせゾーンで高温燃焼を受けさせることにより制御している。U.S. Patent No. 4.405 to Manokgil et al., co-owned by Ronald D. Hel. .. No. 587, the N08 content of the spent stream is reduced by treating it and reducing and reducing it. It is controlled by subjecting it to high temperature combustion in the combined oxidation zone.
本共同発明者の何人か又は他の発明者による最近の研究は、高多孔度及び高溶融 温度を有する繊維、ビーズ又は他の物質を含んで成る多孔質マトリクス(PM) 内に封じ込めた燃焼反応を提供する高度に多孔質な不活性媒体マトリクスを利用 する燃焼器を生じさせている。セラミックフオームを使用することが好ましい。Recent work by some of our co-inventors or other inventors has shown that high porosity and high melting Porous matrix (PM) comprising fibers, beads or other materials with temperature Utilizes a highly porous inert media matrix that provides a contained combustion reaction within This creates a combustor that produces Preference is given to using ceramic foam.
このセラミック製のスポンジ状物質は可燃性混合物用の流路を提供するための多 孔度(典型的には約90%)を有している。ガス相反応によるエネルギー放出は ポスト火炎ゾーン中の多孔質マトリクスを通して流れるガスの温度を上昇させる 。This ceramic sponge-like material is designed to provide a flow path for combustible mixtures. porosity (typically about 90%). Energy release due to gas phase reactions is Increase the temperature of the gas flowing through the porous matrix in the post-flame zone .
次いでこれはポスト火炎ゾーン中の多孔質マトリクスを好便に加熱する。ガスに 比較して固形分の高放出性のため、高温ポスト火炎ゾーンからの排出は多孔質物 質のプレ火炎ゾーンを加熱するために機能し、次いでこれは入って来る反応物を 加熱する。この熱のフィードバック機構はフリーの燃焼火炎に関して幾つかの興 味深い特性を生しさせる。これらは、より高い燃焼速度、より高い容量的エネル ギー放出速度及び火炎安定性の増加を含み、欠乏及び富化の両引火限界を広げる 。This then conveniently heats the porous matrix in the post-flame zone. to gas Evacuation from the hot post-flame zone is a porous material due to the relatively high release of solids. This serves to heat the pre-flame zone of the quality, which then heats the incoming reactants. Heat. This thermal feedback mechanism has some implications for free combustion flames. Produces deep flavor characteristics. These have higher burning rates, higher capacitive energy Including increased ghee release rate and flame stability, extending both depleted and enriched flammability limits .
非常にコンパクトな燃焼器からの非常に高い放射を達成する能力に加えて、火炎 温度の増加を無視することができる。これはN0XII?Iの目的に関して重量 な考慮点である。In addition to the ability to achieve very high radiation from a very compact combustor, the flame The increase in temperature can be ignored. Is this NOXII? Regarding the purpose of I weight This is a point to consider.
放射及び正確な多段化学的力学を含むワンディメンジッンの数学的モデルを構成 した。このモデルは、不活性の高度の多孔質媒体内で予備混合された火炎の火炎 構造及び燃焼速度を予測するために使用した。このモデルの種々の予測はチェノ らにより議論されている。ASME刊行物HT D 1987年第81巻のY、 ジャルリア、v、p、カレイ、W、 A、ファイブランド及びW、ユエンにより 編集された・ び ・システム中のY、K、チェノ、R,D、マシューズ及びJ 、R,ハウエルの「高多孔質不活性媒体内の予備混合された火炎の構造に対する 放射の効果」;プロシー−゛イング・オブ・ザ・ジョイン ・ミー−ング・オブ ・ザ・ジャパニーズ・アン′・ウェス ン・スーーツ・セクション・オブ・ザ・ コンパスチョン・インスー ニー の1987年266−268頁のY、 K。Construct a one-dimensional mathematical model including radiation and accurate multi-stage chemical mechanics did. This model consists of a premixed flame in an inert highly porous medium. used to predict structure and burning rate. The various predictions of this model are It has been discussed by et al. ASME Publication HT D 1987 Volume 81 Y, By Jarria, V., P., Calais, W., A., Fiveland and W. Yuen. Edited by Y. K. Cheno, R. D., Matthews and J. System. , R. Howell, “On the structure of premixed flames in highly porous inert media.” Effects of Radiation; Processing of the Join Meaning of ・The Japanese Anne's Suit Section of the... Compassion Insu Ni, 1987, pp. 266-268, Y, K.
チェノ、R,D、マシューズ、J、R,ハウエル、Z、H,ルー及びP、L、ハ ーゲゼの「多孔質不活性媒体中の予備混合された燃焼」 ;及び1988年の燃 焼に関1灸第η回2ンボジウム インターナショナル の雑誌PS−201のY 、K、チェノ、R,D、 マシューズ、■、G、リム、Z、ルー、J、R,ハウ エル及びS。Cheno, R.D., Matthews, J.R., Howell, Z., H., Lu and P.L., Ha. ``Premixed combustion in porous inert media''; and ``Premixed Combustion in Porous Inert Media''; Yaki-related 1st Moxibustion 2nd Mbosium International Magazine PS-201 Y , K., Cheno, R.D., Matthews, ■, G., Lim, Z., Lu, J., and R., Howe. L and S.
P、ニコルスの[多孔質不活性媒体中の燃焼の実験的及び理論的研究」を参照。See "Experimental and Theoretical Studies of Combustion in Porous Inert Media" by P. Nichols.
これらの刊行物は多孔質マトリクス(PM)燃焼器が拡散バーナーに対して多数 の利点を供給できることを示している。しかしこれらの刊行物はこの新規な観念 の開発に集中されているが、NOx排出の問題には関連せず、その効果的減少に ついては更に関連していない。These publications indicate that porous matrix (PM) combustors are This shows that it is possible to provide the benefits of However, these publications However, it is not related to the problem of NOx emissions, but is focused on the effective reduction of NOx emissions. This is even less relevant.
しかし後者の刊行物は、燃料例えば天然ガスと酸素源例えば空気を混合し、該混 合物を多孔質マトリクスが充填されかつその空隙が燃焼が起こる実質的に全ての サイトを提供する少なくとも連続した2段の燃焼ゾーンで燃焼される方法により 低No、燃焼が行われる、出願番号が554.748号である我々の親出願に言 及している。好ましくは該方法は3種のこのような燃焼ゾーンを利用する。第1 のつまり最も」二流側のゾーンは前記多孔質マトリクスにより充填され、前記混 合物はここに燃料が欠乏した状態で供給される。第2の連続したゾーンでは前記 混合物は燃料富化され、第3段では前記混合物は燃料欠乏となる。However, the latter publications do not mix a fuel, such as natural gas, and an oxygen source, such as air, and the The composite is filled with a porous matrix whose voids occupy virtually all of the areas where combustion occurs. By the method of being burned in at least two consecutive combustion zones providing a site No. 554.748, where combustion takes place. It is reaching. Preferably the method utilizes three such combustion zones. 1st That is, the most second-stream zone is filled with the porous matrix and the mixed The compound is supplied here in a fuel-starved condition. In the second consecutive zone the said The mixture becomes fuel enriched and in the third stage the mixture becomes fuel starved.
本願が一部継続出願である米国特許出願670.286号は、PMバーナーで体 験される重要な問題つまりポスト火炎からプレ火炎ゾーンまでのフランシュバッ クに言及している。後者のゾーンはセラミックフオーム及び/又はフロー混合及 びセラミックハニカム、ガラスピーズ又は他の媒体、あるいは単に媒体のない混 合空間を含む。定義からして燃焼が起こることが望ましいポスト火炎ゾーンから の火炎のフラノツユハックは重大なあるいは実際の危険を生しさせることは別と して、No、生成を除外しあるいは低減させるために回避することを探索される 正確な状態である制?■できない燃焼である。PM燃焼ゾーンを通して燃料/空 気流の十分な量を供給することにより、つまり起こり得る火炎の逆移行の量を越 える流量を使用することにより問題点を除去することができると考えられる。し かしこれはPMバーナーに存在する真のシステム中に、例えば中実シリンダーの 一般的形状を有するような多孔質媒体がこのようなシリンダーを通る燃料−空気 混合物の通常の軸方向の流れに作用して前記シリンダーを横切る平面を通る流れ の不均一速度を生しさせる。特に、軸に生ずる通常の最大流速に対してシリンダ ーの周壁で流れの停滞が起こりやすくなる。従って単に燃料−空気混合物の流速 を増加させるだけではプレ火炎ゾーンへの望ましくない火炎のフラッシュバック を確実に起こさないことを確保するのに一般には十分ではない。U.S. Patent Application No. 670.286, of which this application is a continuation-in-part, is An important issue to be investigated is the Franche bag from post-flame to pre-flame zone. It refers to The latter zone contains ceramic foam and/or flow mixing and and ceramic honeycombs, glass beads or other media, or simply a mixture without media. Including joint space. From the post-flame zone where combustion, by definition, is desirable to occur. Aside from creating a serious or actual danger, No, it is sought to be avoided in order to eliminate or reduce generation. System that is accurate? ■This is impossible combustion. Fuel/air through PM combustion zone By providing a sufficient amount of airflow, it is possible to overcome the amount of flame back migration that may occur. It is believed that the problem can be eliminated by using a higher flow rate. death However, this is not true in the true system that exists in PM burners, e.g. A porous medium having a general shape passes through such a cylinder fuel-air flow through a plane across said cylinder acting on the normal axial flow of the mixture This results in non-uniform speed. In particular, the cylinder - Flow stagnation is likely to occur on the surrounding wall. Therefore, simply the flow rate of the fuel-air mixture Simply increasing the unwanted flame flashback to the pre-flame zone is generally not sufficient to ensure that this does not occur.
前述のように提起された問題点はフレミングの米国特許第4,643.667号 で認識されている。この中でフレミングは、固有の低い熱伝導性を有する物質を 含んで成る第1の予備加熱層と固有の高い熱伝導性を有し更に排出表面も提供す る物質を含んで成る第1の燃料層の少なくとも2種の別個で隣接する層を有する 多孔質プレートを含んで成る触媒を使用しない多孔質相燃料器を開示している。The issues raised above are addressed by Fleming, U.S. Pat. No. 4,643,667. It is recognized in Among these, Fleming identified a substance with an inherent low thermal conductivity. a first preheating layer comprising a first preheating layer having an inherent high thermal conductivity and also providing a discharge surface; at least two separate and adjacent layers of the first fuel layer comprising a material comprising: A catalystless porous phase fuel device comprising porous plates is disclosed.
低い伝導性物質の存在は初期ゾーンでの加熱を制限する傾向にありこれによりフ ラッジユバ、りが生ずることをなくす、しかしフレミングにより推薦される該構 造は、非常に複雑で達成しがたいものである。更に上述の利点を提供しながら隣 接する低い伝導性物質が存在することは、同程度の利益を生じさせることなく、 流れ中に圧力低下を生しさせる。The presence of low conductivity materials tends to limit heating in the initial zone, thereby Rudge Yuba eliminates the occurrence of ri, but the structure recommended by Fleming Construction is extremely complex and difficult to achieve. Adjacent while still offering the above-mentioned benefits. The presence of a lower conductivity material in contact with the Creates a pressure drop in the flow.
米国特許出11670.286号の発明の装置には、燃料例えば天然ガスと酸素 源例えば空気を受け入れかつ混合し更に可燃性混合物の流れを形成するための混 合及び流れ形成手段が装着されている。該可燃性混合物は、その空隙が実質的に 全ての燃焼が起こるサイトを提供する多孔質高温耐性マトリクスにより限定され る下流側の燃焼ゾーンに向かって流れ、該ゾーンは前記混合及び流れ形成手段か ら可燃性流を受け取る入口端を含んでいる。該入口端における可燃性混合物の温 度を着火温度未満に維持するための冷却手段が前記燃焼ゾーンの入口端に近接し て設置され、これにより冷却手段下流側又はポスト火炎側の多孔質マトリクス中 での燃焼により生ずる火炎を制限する。該冷却手段は典型的には、1又は2以上 の内部冷却チャンネルを有する一般にトロイダル状の金属体を含んで成っている 。この金属体は燃焼ゾーンの入口端を囲みかつ熱的に接触している。該金属体を 通して冷媒を循環させるたの手段が装着され、該冷媒は典型的には水であるが他 の液体媒体や空気を含むガスであってもよい、該冷却体は燃焼ゾーン中の多孔質 マトリクスに対して侵入しないように設置され、これにより流れている燃料及び 酸素源混合物にインピーダンスが導入されないようにしている。The device of the invention of U.S. Pat. No. 11,670.286 uses fuel such as natural gas and oxygen. source, for example, a mixture for receiving and mixing air and further forming a stream of flammable mixture. fitting and flow forming means are fitted. The combustible mixture has voids substantially confined by a porous high temperature resistant matrix that provides the sites where all combustion occurs. flow toward a downstream combustion zone, which zone is connected to said mixing and flow forming means. and an inlet end for receiving the combustible flow. The temperature of the combustible mixture at the inlet end cooling means for maintaining the temperature below the ignition temperature are proximate to the inlet end of said combustion zone. installed in the porous matrix downstream of the cooling means or on the post-flame side. limit the flame produced by combustion. The cooling means typically includes one or more consisting of a generally toroidal metal body having internal cooling channels of . This metal body surrounds and is in thermal contact with the inlet end of the combustion zone. the metal body Means is fitted for circulating a refrigerant through the refrigerant, typically water but other means. The cooling body may be a liquid medium or a gas containing air. It is installed in such a way that it does not intrude on the matrix, so that the flowing fuel and No impedance is introduced into the oxygen source mixture.
米国特許用11670,286号の発明は、その観出願である米国特許出願55 4.748号に開示された多段デバイスだけでなく単一段の多孔質マトリクスバ ーナーにも適用できる。これらのいずれの場合でも、前記冷却手段は燃焼が行わ れる第1 (又は単一)段の入口端に(つまり咳段より前に)あるように位置し ている。各場合の冷却段は温度の鋭い不連続性が生ずるように作用し、(多孔質 マトリクスの周縁で生じやすい)前述の流れの停滞が存在する場合でもポスト火 炎PMゾーンに存在する燃焼の火炎からのフラッシュバンクの危険が実質的に生 じないようにしている。フラノツユハックポテンシャルを除去することにより、 NO8発生を減少させる特別の目的のために多孔質媒体バーナーで探究される目 的の1つである高度に制御された燃焼条件を提供する種度に安定で良好に形成さ れた火炎が生ずることが判る。The invention of U.S. Pat. No. 11,670,286 is based on U.S. Pat. 4.748 as well as a single stage porous matrix bar. It can also be applied to In any of these cases, the cooling means located at the inlet end of the first (or single) stage (i.e. before the cough stage) ing. The cooling stages in each case act in such a way that sharp discontinuities in temperature occur (porous post-fire even in the presence of the aforementioned flow stagnation (which tends to occur at the periphery of the matrix). There is a substantial risk of flashbanking from combustion flames present in the flame PM zone. I try not to let it happen. By removing the furanotsuyu hack potential, Eyes explored in porous media burners for the special purpose of reducing NO8 emissions A highly stable and well-formed material that provides highly controlled combustion conditions, which is one of the goals of It can be seen that a cold flame is generated.
燃焼プロセスはこのように提供され、低NO9燃焼の制御を可能にする。燃料及 び空気のような酸素源は混合されて可燃流を形成する。この流れは多孔質の高温 耐性マトリクスにより限定される燃焼ゾーンの入口端へ供給される。前記混合物 は、その空隙か実質的に全ての前記燃焼が起こるサイトを提供する前記マトリク スで燃焼し、燃焼生成物はマトリクスの出口端から流れ出す。燃焼ゾーンの入口 端は冷却されて該入口端における可燃性混合物の温度を着火温度未満に維持し、 これにより多孔質マトリクス中の燃焼により生ずる火炎を冷却手段の下流側に限 定する。The combustion process is thus provided, allowing control of low NO9 combustion. fuel and Oxygen sources such as gas and air are mixed to form a combustible stream. This flow is porous and high temperature. It is fed to the inlet end of the combustion zone defined by the resistance matrix. said mixture the matrix that provides the voids or sites for substantially all of the combustion to occur; The combustion products flow out the outlet end of the matrix. Combustion zone inlet the end is cooled to maintain the temperature of the combustible mixture at the inlet end below the ignition temperature; This confines the flame generated by combustion in the porous matrix to the downstream side of the cooling means. Set.
宛所Ω概要 我々の前述の先行出願では2段PMバーナーの利点が、第1のつまり上流側ゾー ンを燃焼富化状態に、そして第2のつまり下流側のゾーンを燃料欠乏状態に維持 することにより最も良く達成できると考えられた。予期しないことに、N08及 びCOの顕著な減少が、燃料欠乏第1段及び燃料富化第2段を利用することによ り達成できることが見出された。NOx減少用としては必要とされないが、この ような配置は好ましくは上述のような第1段冷却手段に関連してつまり第1の燃 焼ゾーンの入口端に近接して設置されて使用される。冷却手段を組み入れること は、本発明の操作における等価の広い範囲を最も良く達成することを含む前述し たその利点を達成するために好ましい。Destination Ω overview In our aforementioned prior application, the advantage of a two-stage PM burner is that the first or upstream zone maintains one zone in a combustion-rich state and a second or downstream zone in a fuel-starved state. It was thought that this could be best achieved by doing so. Unexpectedly, N08 and A significant reduction in CO and CO was achieved by using a fuel-deficient first stage and a fuel-enriched second stage. It has been found that this can be achieved. Although not required for NOx reduction, this Such an arrangement is preferably in conjunction with the first stage cooling means as described above, i.e. the first combustion It is installed and used close to the inlet end of the baking zone. Incorporating cooling means The foregoing, including best achieving a wide range of equivalence in the operation of the present invention. preferred to achieve its advantages.
本発明による低N08燃焼装置は、このようにそれぞれが前記多孔質マトリクス で充填された第1及び第2の燃焼ゾーンを含んで成り、前記第2のゾーンは前記 第1のゾーンの下流側にある。燃料と酸素を混合しそれを前記第1の燃焼ゾーン に供給してそこに燃料欠乏条件を確立する手段、及び前記第1のゾーンから前記 第2のゾーンへ燃焼生成物を供給しかつ十分な燃料と付加的な酸素でそれを増や して燃料富化燃焼状態をそこに形成し第1のゾーンからの生成物の酸化を完了さ せる手段が設けられている。In this way, the low N08 combustion device according to the present invention each uses the porous matrix. comprising first and second combustion zones filled with said combustion zone, said second zone being filled with said downstream of the first zone. Mix fuel and oxygen and transfer it to the first combustion zone means for supplying the first zone to the first zone to establish a fuel starvation condition therein; Supplying the combustion products to the second zone and augmenting it with sufficient fuel and additional oxygen to form fuel-enriched combustion conditions therein to complete the oxidation of the products from the first zone. There is a means to do so.
第1のゾーンの多孔質マトリクスエレメント内の対流及び放射による熱移動は入 ってくる燃料/空気混合物を予熱して該混合物の理論的な断熱火炎温度より高い 火炎温度を生しさせ、これにより広い範囲の燃料/空気混合物が燃料欠乏状態で 燃焼されることを可能にし、かつ第2段の非多孔質壁からの放射による熱移動が 富化燃料/空気比の条件で操作される第2段の温度を全体的に低い火炎温度とし 、これにより熱的及び迅速NO1の生成を最小にする。Heat transfer by convection and radiation within the porous matrix element of the first zone is Preheat the incoming fuel/air mixture above the theoretical adiabatic flame temperature of the mixture. This causes a wide range of fuel/air mixtures to become fuel starved. heat transfer by radiation from the non-porous wall of the second stage. The temperature of the second stage operated at enriched fuel/air ratio conditions is an overall lower flame temperature. , thereby minimizing thermal and rapid NO1 production.
多孔質マトリクスは、そのような場合にフオームの多孔度により空隙が限定され る例えば網状のンリカーアルミナ又はジルコニアフオームである多孔質セラミッ クフオームを含んで成ることができる。同様に前記マトリクスは、例えばセラミ ックポール、ロンド、繊維又は他の媒体のような燃焼プロセスの高温に耐えられ る充填床を含んで成ることもできる。これらの場合には空隙は媒体間の相互空間 により限定される。ある種の従来技術と異なり本発明では、実質的に全ての本プ ロセスの燃焼がセラミック又は多孔質チューブ等の表面ではなく前記マトリクス の空隙内で起こることをここで指摘しておくことは重要である。更に注目すべき ことは、連続するゾーンで異なったマトリクスを使用できることで、与えられた ゾーンのマトリクスは1つが例えば多孔質セラミックフオームで他が充填床であ る等の1又は2以上の連続したセクションを含んで成ることができる。In such cases, porous matrices have limited voids due to the porosity of the foam. porous ceramics such as reticulated liquid alumina or zirconia foam. It can comprise a couform. Similarly, the matrix may be made of, for example, ceramic. materials that can withstand the high temperatures of combustion processes such as carbon fibers, ronds, fibers or other media. It may also include a packed bed. In these cases the void is the mutual space between the media limited by. Unlike some prior art techniques, the present invention allows virtually all of the The combustion of the process occurs on the surface of the ceramic or porous tube etc. rather than on the matrix. It is important to point out here that what happens within the void of Even more noteworthy The thing is that we can use different matrices in successive zones, so that given The matrix of zones may be one of e.g. porous ceramic foam and the other a packed bed. It may comprise one or more consecutive sections, such as.
区皿Φ簡単ム説朋 本発明が、添付図面に関連して読まれるべきである引き続く詳細な説明により更 に容易に明らかになるであろう。Easy guide to the ward plate Φ The invention is further illustrated in the following detailed description, which should be read in conjunction with the accompanying drawings. will be readily apparent.
図1は、本発明による2段燃焼装置の好ましい態様の縦断概略断面間であり、図 2は、それが単一段コンフィギュレーションで操作される図工の装置の当量比の 関数としてのNo、’fA度のグラフであり、図3は、種々の温度及び当量比に おけるメタンと空気の混合物用の平衡NO8形成を示すグラフであり、 図4は、2段において固定した流量と特定した当量比用の図1で示したタイプの 燃焼装置中の軸方向の温度分布を示すグラフである。FIG. 1 is a schematic vertical cross-section of a preferred embodiment of a two-stage combustion device according to the present invention, and FIG. 2 of the equivalence ratio of the draftsman's device when it is operated in a single stage configuration. Figure 3 is a graph of No,'fA degrees as a function, at various temperatures and equivalence ratios. 3 is a graph showing equilibrium NO8 formation for a mixture of methane and air in Figure 4 shows a diagram of the type shown in Figure 1 for a fixed flow rate and a specified equivalence ratio in the second stage. It is a graph showing the temperature distribution in the axial direction in the combustion device.
シ しい誼 のi なう日 図面、特に図1を参照すると、本発明の特徴を具有する燃焼器つまりバーナー装 置が全体として参照符号50により示されている。燃焼器つまりバーナー50は ガス流が縦方向の軸に沿って上向きに流れるようにその縦軸方向に位置している 。The new day is here Referring to the drawings, and in particular to FIG. 1, a combustor or burner arrangement incorporating features of the present invention is shown. The location is indicated generally by the reference numeral 50. The combustor or burner 50 is located along its longitudinal axis so that the gas flow flows upwards along the longitudinal axis .
バーナー50は都合良くスチールのような金属で形成されたベース12を有して いる。Burner 50 has a base 12 conveniently formed of metal such as steel. There is.
このベース12には中空の縦方向のカラム14が連設され、その内部には導管1 5が形成されている。カラム14は上方向にフランジ17まで広がっている。ネ ジ付きロッド19がフランツ17とトロイド部材体つまりリング36の外側間に 上下方向に延び、その中には石英で形成できるカプセルスリーブ42が保持され ている。予備混合された反応物(つまり燃料と空気)が、第1段の入口16及び 第2段の入口18を通して供給される前にその中に燃料及び空気が導入される主 要な混合セクションから成る2段混合システム(図示せず)を通してバーナー5 0へ入る。予備混合された空気及び燃料は入口16から導管15内で効果的に限 定された第2の混合チャンバー中へ進む、予備混合された第2段用の空気及び燃 料は入口18をから導管20を通っ′C1反応物の流れを均一にするための多数 の流路を含む多孔質セラミノクツリンダ−とすることができあるいは他の耐熱性 物質から成るディストリビュータ−22へ進む。いずれにしてもその目的は2種 類の当量比で良好に空気と混合された燃料又は他の酸化性可燃性混合物を提供す ることで、一方は第1段へ他方は第2段へ提供される。A hollow vertical column 14 is connected to the base 12, and a conduit 1 is provided inside the column 14. 5 is formed. Column 14 extends upwardly to flange 17 . Ne A threaded rod 19 is inserted between the flange 17 and the outside of the toroid member body or ring 36. It extends in the vertical direction and holds therein a capsule sleeve 42 that can be made of quartz. ing. The premixed reactants (i.e., fuel and air) enter the first stage inlet 16 and The mains into which fuel and air are introduced before being fed through the second stage inlet 18. burner 5 through a two-stage mixing system (not shown) consisting of the following mixing sections: Enter 0. Premixed air and fuel are effectively confined in conduit 15 from inlet 16. The premixed second stage air and fuel proceed into a defined second mixing chamber. The reactant is passed from the inlet 18 through the conduit 20 through multiple channels to uniformize the flow of the C1 reactant. Can be made of porous ceramic cylinder containing flow channels or other heat resistant Proceed to the distributor 22 consisting of the substance. In any case, there are two purposes to provide a fuel or other oxidizing combustible mixture that is well mixed with air in similar equivalence ratios. Thus, one is provided to the first stage and the other to the second stage.
空隙28が(導管154こおける)この混合セクションの上方でバーナーコアの 予熱セクション30の下方に位置している0図1のバーナーコアは、それぞれが 一般にスポンジの外観を有する部分的に安定化されたジルコニア(PSZ)から 成る多孔質セラミ・7クシリンダーである予熱又は予備火炎セクション30及び 燃焼又はポスト火炎セクション32を含んで成る。網状のシリカアルミナフオー ムのような他のセラミックフオームは、サドル、ボール、ロンド等の床のような 充填床がそうであるように好適であり、圧力低下が小さく燃焼装置内に典型的に 存在する温度に耐えられる他の配合物も使用できる。本発明で使用できるフオー ムは既述したシリカアルミナや部分的に安定化されたジルコニア、インチ当たり 約5から65の孔(ppi)を有することを特徴とするハイテクセラミックの窒 化珪素及び炭化珪素フオームを含む。セクション30のセラミックフオームは典 型的には約65ppiを有しセクション32のそれは約10ppiを有する。セ ラミック媒体の平均多孔度は84から87%まで変化し、一方例えば10ppi のセラミックの熱伝導度は約IW/ m −Kである。A void 28 (at conduit 154) is located above this mixing section in the burner core. The burner cores of FIG. 1 located below the preheating section 30 are each From partially stabilized zirconia (PSZ), which generally has a spongy appearance The preheating or pre-flame section 30 is a porous ceramic cylinder consisting of 7 cylinders and It comprises a combustion or post-flame section 32. Reticulated silica alumina fluoride Other ceramic forms such as the flooring of saddles, balls, rondos, etc. Packed beds are preferred as are typically found in combustion equipment where the pressure drop is low. Other formulations that can withstand the temperatures present can also be used. Forms that can be used in this invention silica alumina, partially stabilized zirconia, etc. High-tech ceramic nitrogen characterized by having about 5 to 65 pores (ppi) Includes silicone and silicone carbide foams. Section 30 ceramic form is standard Typically it has about 65 ppi and that of section 32 has about 10 ppi. Se The average porosity of the ramic media varies from 84 to 87%, while for example 10 ppi The thermal conductivity of the ceramic is approximately IW/m-K.
侵入しない火炎ホルダーを含んで成る冷却手段34は多孔質セラミックセクショ ン32内に限定される第1の反応又は燃焼ゾーン44を安定化させるために利用 される。前記冷却手段34は、全トロイド状部材の周囲の内部に広がるチャンネ ル38により水冷される例えば真鍮から成る前記した通常トロイド状部材36で あると見ることができる。冷却水は、チャンネル38から外側のトロイド部材3 6に突出する入口及び出口(図示せず)によりチャンネル38を通して供給され る。他の冷却媒体を内部チャンネル38に供給することもでき、冷却を空気を含 むガスで達成することもできる。しかし水は容易に人手でき、冷却目的用として 好ましい媒体である。Cooling means 34 comprising an impenetrable flame holder are made of porous ceramic sections. utilized to stabilize the first reaction or combustion zone 44 confined within the chamber 32; be done. The cooling means 34 comprises a channel extending inside the periphery of the entire toroidal member. The above-mentioned usually toroid-shaped member 36 made of brass, for example, is water-cooled by a I can see that there is. The cooling water flows from the channel 38 to the outer toroid member 3. 6 is fed through channel 38 by an inlet and an outlet (not shown) projecting into Ru. Other cooling media can also be supplied to the internal channels 38, including air. This can also be achieved with gas. However, water is easily available and is used for cooling purposes. is the preferred medium.
通常トロイド状である部材36は流れのカプセルスリーブ42の内径端に達する 内方に広がるり、・プ部40を含むことが注目される。従って部材36の最内方 のリンプ40はセラミックコアの外側の周縁つまりセクション3o及び32と実 質的に接触していることが判る。典型的にはセラミックコアを構成するには、異 なった多孔度を有するつまり図1で述べたようにプレ火炎エリア中に実際にある コアセクション3゜が65ppiの多孔度を有し一方実際の火炎燃焼が存在する 主コアセクション32が10ppiの多孔度を有する30及び32のようないく つかの隣接するセラミックセフシランを利用する。図示したように分離されたセ クシ町ンが使用される場合には、冷却手段あるいは火炎ホルダー34が多孔質セ ラミックの2種のセクション間にこのように挿入される。しかし注目すべきこと は前記冷却手段がこのようにコアセクション32の可燃性流の入口端に近接して 位置し、かつ第1の燃焼ゾーン44の流れの入口端43と熱的に接触しているこ とである。A member 36, typically toroidal in shape, reaches the inner diameter end of the flow capsule sleeve 42. It is noted that it extends inwardly and includes a bulge 40. Therefore, the innermost part of member 36 The limp 40 is connected to the outer periphery or sections 3o and 32 of the ceramic core. It can be seen that there is qualitative contact. Typically, different materials are used to construct a ceramic core. It has a porosity that is actually in the pre-flame area as mentioned in Figure 1. The core section 3° has a porosity of 65 ppi while there is actual flame combustion. 30 and 32 in which the main core section 32 has a porosity of 10 ppi. Utilize a few adjacent ceramic cefsilanes. Separated sections as shown If a comb is used, the cooling means or flame holder 34 may be a porous cell. It is thus inserted between two sections of lamic. But it's worth noting The cooling means is thus in close proximity to the inlet end of the combustible stream of the core section 32. located and in thermal contact with the flow inlet end 43 of the first combustion zone 44. That is.
バーナー10を通って流れる燃料−空気混合物の着火は、最終出口35であるい は都合の良い中間流れポイントで流れを着火させることを含む任意の従来手段に より実施することができる。Ignition of the fuel-air mixture flowing through burner 10 occurs at final outlet 35 or by any conventional means including igniting the flow at a convenient intermediate flow point. It can be implemented more easily.
火炎ホルダー34の使用は安定した反応ゾーンを維持しながら、ゾーン44中で 利用される当量比及び流速の組合せを広い範囲で調節することを許容すると考え られる。The use of flame holder 34 allows the flame holder to react in zone 44 while maintaining a stable reaction zone. It is believed to allow for a wide range of adjustment of the combinations of equivalence ratios and flow rates utilized. It will be done.
図1に示された装置では、異なった当量比用の火炎安定性の限界は、図1に類似 するが火炎ホルダー34のない装置が操作される際に達成されるものと比較して 実質的に増加する。火炎ホルダーがない場合には、効果的な火炎安定化機構はバ ーナーの入口及び出口領域からの熱のロスのみである。火炎ホルダー34が存在 すると、反応ゾーンを比較的一定の位置に維持しながらより低い流速を使用でき る。For the apparatus shown in Figure 1, the flame stability limits for different equivalence ratios are similar to Figure 1. but compared to that achieved when the device without the flame holder 34 is operated. increase substantially. In the absence of a flame holder, an effective flame stabilization mechanism is The only heat loss is from the inlet and outlet areas of the heater. Flame holder 34 exists This allows lower flow rates to be used while keeping the reaction zone in a relatively constant position. Ru.
このような使用もこのような安定な操作条件間の迅速な遷移を許容する。2:1 と3:1の間のターンダウン比を有する一般的な必要性に起因してこれらは実際 に適用する際の重要な特性である。Such use also allows for rapid transitions between such stable operating conditions. 2:1 These are practical due to the general need to have a turndown ratio between This is an important characteristic when applied to
第1の燃焼ゾーン44からの燃焼生成物の流れは第2の燃焼ゾーン52へ供給さ れると考えられる。ゾーン52も、ゾーン44中のマトリクス32と同じ又は異 なった多孔質セラミックマトリクス54により構成できる。The flow of combustion products from the first combustion zone 44 is fed to the second combustion zone 52. It is thought that Zone 52 may also be the same or different from matrix 32 in zone 44. It can be constructed from a porous ceramic matrix 54 that has a
図1の2段の態様の操作では、供給されるべき燃料及び酸素含有ガスは従来の混 合手段で混合され、燃料に対して150がら250%典型的には200%の化学 量論の混合中に存在する酸素を含むチャンバー15に混合物を供給し、これによ り混合物は燃料「欠乏」混合物となる。空気による予熱を使用しないと前記混合 物は4oがら80°Fの温度を有している。第1の燃焼ゾーン44で燃料と酸素 含有ガスの混合物が着火され、燃焼が2000から80oO°Fの温度、典型的 には2400″Fで起こる。In the two-stage mode of operation of FIG. 1, the fuel and oxygen-containing gas to be supplied are 150 to 250% typically 200% chemical to fuel. The mixture is fed into the chamber 15 with oxygen present in the stoichiometric mixing, thereby The mixture becomes a fuel "starved" mixture. 3. Mixing without air preheating The object has a temperature of 4 degrees to 80 degrees Fahrenheit. Fuel and oxygen in the first combustion zone 44 The mixture of containing gases is ignited and combustion occurs at temperatures between 2000 and 80oO°F, typical occurs at 2400″F.
該燃焼欠乏混合物がゾーン44中で燃焼された後、追加の燃焼及び酸素含有ガス がゾーン44からの生成物ガスに入口18を通して導管2oに添加され、6oが ら95%典型的には80%の化学量論の酸素が存在する燃料「富化」混合物を生 成し、かつ増加した富化混合物は1800から2600°F典型的には約220 0″Fの温度の第2の燃焼ゾーン52で燃焼する。After the combustion-depleted mixture is combusted in zone 44, additional combustion and oxygen-containing gas is added to the product gas from zone 44 through inlet 18 into conduit 2o, and 6o is produces a fuel "enriched" mixture in which 95% and typically 80% stoichiometric oxygen is present. The enriched mixture is heated between 1800 and 2600 degrees Fahrenheit, typically about 220 degrees Fahrenheit. Combustion occurs in a second combustion zone 52 at a temperature of 0''F.
この温度範囲は十分低く「熱的」又は「迅速」反応機構のいずれかによる窒素の 酸化物の生成を防止する。この温度範囲の制御は燃料−空気貯蔵及び多孔質媒体 の表面からの放射熱移動の組合せ効果により達成される。This temperature range is low enough that nitrogen can be removed by either "thermal" or "rapid" reaction mechanisms. Prevents oxide formation. Control of this temperature range is important for fuel-air storage and porous media. This is achieved by the combined effect of radiant heat transfer from the surface of the
この操作では、燃焼空気及び/又は燃料の一部はPM第1燃焼ゾーン44の内部 の燃焼及び空気の初期予備混合物をバイパスする。初期混合物の着火及び燃焼は 放射フィードバックにより発生する予備加熱の結果として燃料欠乏条件で生じる 。In this operation, a portion of the combustion air and/or fuel is inside the PM first combustion zone 44. Bypassing the combustion and initial premixture of air. Ignition and combustion of the initial mixture Occurs in fuel-starved conditions as a result of preheating generated by radiative feedback .
ピーク着火温度は最小のNOx生成での放射及び対流の予備加熱の結果としてこ のゾーンで起こる。次いでバイパスする空気及び/又は燃料は第1燃焼ゾーン4 4で形成された生成物と混合され、35であるPMバーナーの出口の前で過剰の 可燃物を酸化する。PMバーナーからの放射熱移動の冷却効果は、全体として減 少している第2のゾーン中の全部の組み合わされた燃料/空気混合物の理論火炎 温度より低い温度を生しさせる。この組合せ効果は拡散燃焼を使用する単一段又 は多段バーナーのいずれにも可能な低いNOxレベルの達成を生じさせる。Peak ignition temperatures are reduced as a result of radiative and convective preheating with minimal NOx production. occurs in the zone of The bypassing air and/or fuel then enters the first combustion zone 4 The excess is mixed with the product formed at 4 and before the outlet of the PM burner at 35. Oxidizes flammable materials. The cooling effect of radiant heat transfer from the PM burner is reduced overall. The theoretical flame of the total combined fuel/air mixture in the second zone is a little Generate a temperature lower than the temperature. This combined effect can be achieved by using a single stage or using diffusion combustion. makes it possible to achieve the lowest NOx levels possible with any multi-stage burner.
その結果、ゾーン44のような単一燃焼ゾーンを通る全ての燃料及び全ての酸素 の流通に対するNo、fi少に関する重要な改良が達成される。典型的には燃焼 がマトリクス中又は表面のいずれかで起こる標準拡散火炎バーナー又は単一段予 備混合バーナーと比較して例えば50から80%の減少が達成される。As a result, all fuel and all oxygen passing through a single combustion zone such as zone 44 Significant improvements in No. 1 and Fi 2 distribution are achieved. typically combustion Standard diffusion flame burners or single-stage preheaters where the A reduction of, for example, 50 to 80% compared to a premix burner is achieved.
従って図1に示された方法及び装置では、十分な燃料が装置50の第1(欠乏) 段で空気と混合されてゾーン44中の燃焼温度を1500°K (2500″’ F)未満とし熱的NOオを最小にする。この段では、滞留時間を最小にして燃料 をCOに変換しCOtまでは完全に変換しない。第2段つまりゾーン52では、 残りの燃料が添加されて付加的な熱放出が得られるが、温度は再度1500°K (2500°F)未満となる。第1段からのラジカルは新鮮な燃料を攻撃しエ ネルギーはCOの酸化により迅速に放出されるため、迅速NO0生成は遅くなる 。同時に冷却手段34の存在はプレ火炎セクションへの火炎の戻りを排除してゾ ーン44の下流の燃焼が完全に安定化し制御されて、前述の通りNO8を最小に することが確保される。Therefore, in the method and apparatus shown in FIG. It is mixed with air in the stage to raise the combustion temperature in zone 44 to 1500°K (2500″’ F) to minimize thermal NO. In this stage, the fuel is is converted to CO, but not completely converted up to COt. In the second stage or zone 52, The remaining fuel is added to provide additional heat release, but the temperature is again 1500°K. (2500°F). The radicals from the first stage attack the fresh fuel and Rapid NO0 production is slowed down as energy is rapidly released by oxidation of CO. . At the same time the presence of the cooling means 34 eliminates the return of the flame to the pre-flame section and Combustion downstream of combustion engine 44 is fully stabilized and controlled to minimize NO8 as described above. It is ensured that
実施例 装置50の操作では、バーナーのスタートアップは第1段入口セクションからの 低流速化学量論混合物を供給することにより行った。次いでバーナーを第2段山 口35で着火させた。低流速の化学量論混合物は反応ゾーンが第2段バーナーコ アを通して上流に伝わることを許容した。このプロセスは石英から成るバーナー 壁42を通して視覚的に追跡した。火炎が第1段の火炎コアに移動するにつれ、 燃料及び空気の流速が徐々に増加して所望の第1段当量比及び流速が達成された 。単一段実験を行うときはスタートアップの順序は完全である。2段の実験では 、第2段の反応物が入口18を通して導入される前に、バーナーは第1段で定常 状態の操作に到達することが許容される。Example In operation of apparatus 50, burner start-up is from the first stage inlet section. This was done by feeding a low flow stoichiometric mixture. Then turn the burner on to the second stage. It was ignited at mouth 35. A stoichiometric mixture with a low flow rate allows the reaction zone to reach the second stage burner control. It was allowed to be transmitted upstream through A. This process uses a burner made of quartz Tracked visually through wall 42. As the flame moves to the first stage flame core, The fuel and air flow rates were gradually increased to achieve the desired first stage equivalence ratio and flow rate. . When performing single-stage experiments, the start-up order is complete. In the second stage experiment , the burner is stationary in the first stage before the second stage reactants are introduced through inlet 18. It is permissible to arrive at state operations.
バーナー操作条件は比較できるエネルギー放出及び全体の当量比での単−膜対2 段バーづ−からの排出の比較を許容するよう選択される。単一段バーナー排出は 、第2段に付加的な燃料又は空気を添加することなく2段バーナー装置を使用し て得られる。2段実験では、欠乏/富化及び富化/欠乏の両段コンフィギユレー ションを調べた。第1段の燃料及び空気の流速は、■l′″” =v+ ”’ / [+ (ρ1.r/ρfuel) (φ+ / A F −t) ) (1 )V 、 funI=VIair (ρ1.r/ρfunO(φ+ /AF、t ) ) (2)から1算され、ここでメタンと空気の混合物に対する化学量論的 な燃料空気比は17.2であり、空気のメタンに対する密度比は1.805であ る。式1〜4において当量比(φ)は実際の空気/燃料比により化学量論的な空 気/燃料比を割ったものとして定義される。従って1未満の当量比は欠乏操作条 件を表し、一方1より大きい当量比は富化操作条件を表す。第2段空気流速は全 体の当量比、第1及び第2段の当量比(φ1及びφ2)及び第1段空気流速の関 数として誘導された。Burner operating conditions have comparable energy release and overall equivalence ratios of mono-membrane vs. 2. selected to allow comparison of emissions from one stage bar to another. Single stage burner discharge , using a two-stage burner system without adding additional fuel or air to the second stage. can be obtained. In the two-stage experiment, both depletion/enrichment and enrichment/deficiency configurations were used. I looked into the tion. The flow rate of fuel and air in the first stage is ■l′″”=v+”’ / [+ (ρ1.r/ρfuel) (φ+ / A F -t)) (1 )V, funI=VIair (ρ1.r/ρfunO(φ+/AF, t )) is subtracted from (2) by 1, where the stoichiometric value for the mixture of methane and air is The fuel-air ratio is 17.2, and the density ratio of air to methane is 1.805. Ru. In Equations 1 to 4, the equivalence ratio (φ) is determined by the stoichiometric empty ratio depending on the actual air/fuel ratio. It is defined as the air/fuel ratio divided by the air/fuel ratio. Therefore, an equivalence ratio of less than 1 is while an equivalence ratio greater than 1 represents an enrichment operating condition. The second stage air flow rate is The relationship between the equivalence ratio of the body, the equivalence ratio of the first and second stages (φ1 and φ2), and the first stage air flow rate derived as a number.
V tair =y、 air (φ1−φ。、)/(φ。、−φ! ) (3 )ここでφ。、は第1及び第2段の組み合わされた全体の当量比を表す。第2段 燃料流速は第2段空気流速及び当量比の関数として誘導された。V tair = y, air (φ1-φ.,)/(φ.,-φ!) (3 ) where φ. , represents the combined overall equivalence ratio of the first and second stages. 2nd stage Fuel flow rate was derived as a function of second stage air flow rate and equivalence ratio.
V ! fweL=y、sir (ρ1../ρfa*L) (φ! /A F @L) (4)全体の当量比は、第1段のための所望の富化操作条件(当量比 及び反応物の全流速)、第2段のための欠乏当量比を設定し、第2段で要求され る必要な燃料及び空気の流れを計算して所望の全当量比を得ることにより富化/ 欠乏2段コンフィギエレーション中で維持される。比較を行うために使用される 欠乏/富化コンフィギユレーションは、上記分析により得られる操作条件を反転 することにより達成された。V! fweL=y, sir (ρ1../ρfa*L) (φ!/A F @L) (4) The overall equivalence ratio is based on the desired enrichment operating conditions for the first stage (equivalence ratio and total flow rate of reactants), set the deficient equivalence ratio for the second stage and enrichment/air by calculating the required fuel and air flows to obtain the desired total equivalence ratio. Maintained in a deficient two-stage configuration. used to make comparisons Depletion/enrichment configurations reverse the operating conditions obtained by the above analysis. This was achieved by
多孔質媒体バーナー50は単一段コンフィギュレーション中50slpmで操作 され、マトリクス内での安定な燃焼を示した種々の当量比でのベースラインNO 8生成を決定した。図2に示したように、0.6 (67%過剰空気)から1. 5 (50%過剰燃料)までの当量比で安定な燃焼が達成された。0.6から0 .8までの当量比での乾燥修正されると3%o2である5から15ppmvの範 囲内のNOえレベルはかなり低かった。Porous media burner 50 operates at 50 slpm in a single stage configuration Baseline NO at various equivalence ratios showed stable combustion within the matrix. 8 production was determined. As shown in Figure 2, from 0.6 (67% excess air) to 1. Stable combustion was achieved at equivalence ratios up to 5 (50% excess fuel). 0.6 to 0 .. Range from 5 to 15 ppmv which is 3% O2 when dry corrected at equivalent ratios up to 8. The NOe level within the circle was quite low.
過剰酸素を有する条件と比較して過剰燃料を有する操作条件下でより高いNOル ベルが形成される理由は、容易には理解されないが、起こり得る2種の反応経路 の結果であると思われる。酸化性条件下では殆どのNO8は次の式から成るゼル ドビノチ反応により形成される。Higher NOL under operating conditions with excess fuel compared to conditions with excess oxygen The reason for the formation of bells is not easily understood, but there are two possible reaction routes. This seems to be the result of. Under oxidizing conditions, most NO8 is produced by the following formula: Formed by Dovinoch reaction.
0 + N8 → No + N N + 0! → No + 0 第1ステツプが律速であり、高温で起こる(>2799°F )(5)、平衡時 に酸化性条件下では非常に高いレベルのNOxが形成される。図3は種々の温度 及び当量比におけるメタンと空気の混合物の平衡No、形成を示す、 0.87 (約3%0.)の当量比では1000から4000p p m vの範囲のN Oヨレベルが2400°Fを越える温度で可能である。しかしゼルドビッチ反応 を完結させるために必要とされる高い活性化エネルギー及び長い滞留時間に起因 して、少量の平衡レベルのN08のみが実現される0図2は0.87の当量比に おいて、マトリクス中の小さい滞留時間及び放射熱移動の冷却効果に起因して3 0からasppmvのNO8のみがPMバーナー中で形成されたことを示してい る。0 + N8 → No + N N + 0! → No + 0 The first step is rate-limiting and occurs at high temperatures (>2799°F) (5), at equilibrium Very high levels of NOx are formed under oxidizing conditions. Figure 3 shows various temperatures. and the equilibrium No. of the mixture of methane and air in the equivalence ratio, indicating the formation, 0.87 (approximately 3% 0.) equivalent ratio, N in the range of 1000 to 4000 p p m v Oyo levels are possible at temperatures above 2400°F. But Zeldovich reaction Due to the high activation energy and long residence time required to complete the Figure 2 shows that only a small equilibrium level of N08 is achieved at an equivalence ratio of 0.87. 3 due to the small residence time in the matrix and the cooling effect of radiative heat transfer. 0 to asppmv indicating that only NO8 was formed in the PM burner. Ru.
燃料富化火炎中では、1.0から1.5の当量比で、過剰の炭化水素ラジカルと 窒素元素間の反応により生成されるHCNからNOlが形成される。多くの条件 下で、HCNからNoへの有力な経路はHCNと酸素原子との反応により開始さ れる順序である。In a fuel-rich flame, the excess hydrocarbon radicals and NOl is formed from HCN produced by reactions between nitrogen elements. many conditions Below, the likely route from HCN to No is initiated by the reaction of HCN with oxygen atoms. This is the order in which
ctb + N! → HCN + NHHCN + Q → No + HC (5)燃料富化条件下での平衡NOx形成は、2800°Fを越える温度で乾燥 レベルとして10から200ppmの範囲である。図2に提示した単一段データ は、実際の着火条件では、PMバーナーは25から50%のレベルの平衡NOx を発生させることを示している。これらのデータから導かれる結論は、酸化性条 件下ではNo、形成速度は制限されることである。一方過剰燃料条件ではNOx 形成は平衡変換に近づき、これは形成されるNO8レベルの制限因子である。ctb + N! → HCN + NHHCN + Q → No + HC (5) Equilibrium NOx formation under fuel-rich conditions dries out at temperatures above 2800°F. The level ranges from 10 to 200 ppm. Single stage data presented in Figure 2 Under actual ignition conditions, PM burners produce equilibrium NOx levels of 25 to 50%. This indicates that it will occur. The conclusion drawn from these data is that oxidative conditions No, under the condition that the rate of formation is limited. On the other hand, under excessive fuel conditions, NOx Formation approaches equilibrium conversion and this is the limiting factor for the level of NO8 formed.
2400°F未満の温度では燃料富化燃焼条件での平衡N Ox形成は零に近づ くことが判る。これは、酸化性条件だけでなく還元性条件下の操作でもPMバー ナー中の温度を低く維持する必要性を指摘している。At temperatures below 2400°F, equilibrium NOx formation at fuel-rich combustion conditions approaches zero. It turns out that This means that the PM bar can be operated not only under oxidizing conditions but also under reducing conditions. points out the need to maintain a low temperature in the tank.
図4は、第1段の当量比が1.2で第2段の当量比が0.4で全体として0.8 7(3%過剰OX)である多段燃焼の軸方向の2段温廣プロフィールを示してい る。多段条件下の平均温度は1324°C(2416°F)であった、同し条件 における単一段燃焼の軸方向の平均温度は1420°c (2588°F)であ った(4)。In Figure 4, the equivalence ratio of the first stage is 1.2, the equivalence ratio of the second stage is 0.4, and the total is 0.8. 7 (3% excess OX). Ru. The average temperature under the multistage condition was 1324°C (2416°F), same condition The average axial temperature of single stage combustion at 1420°C (2588°F) It was (4).
多段条件下での燃焼の低温プロフィールは、多孔質マトリクスバーナーの軸に沿 って燃料及び空気を分布させる組合せ効果及び放射熱伝導に起因する第2段の熱 ロスに起因する。The low temperature profile of combustion under multi-stage conditions is second stage heat due to the combined effect of distributing fuel and air and radiative heat conduction. Due to loss.
表1は種々のバーナー操作条件において得られた排出測定の結果を纏めている。Table 1 summarizes the results of emission measurements obtained at various burner operating conditions.
ケース1は単一段燃焼、ケース2は第1富化段と第2欠乏段の2段燃焼、及びケ ース3は第1欠乏段と第2富化段の2段燃焼である。熱放出速度(Q)は燃料の より低い熱量を掛けた燃料の質量流速である。これらの結果は、第1及び第2段 がそれぞれ燃料欠乏及び燃料富化である2段バーナー(ケース3)中でNo形成 が減少することを示している。NO排出に関して同様の傾向が全体の当量比が1 .0である場合に観察される。Case 1 is a single-stage combustion, Case 2 is a two-stage combustion consisting of a first enrichment stage and a second depletion stage; Base 3 is a two-stage combustion consisting of a first depletion stage and a second enrichment stage. The heat release rate (Q) of the fuel is the mass flow rate of fuel multiplied by the lower heating value. These results are shown in the first and second stages. No formation in the two-stage burner (case 3) where are fuel starved and fuel enriched, respectively. It shows that the amount decreases. A similar trend regarding NO emissions is observed when the overall equivalence ratio is 1. .. observed when it is 0.
表I PMバーナーの2段対単一段燃焼*COは検出されず 予期されたように、第1段での非常に欠乏した混合物φ=0.6 、及び第2段 での燃料富化混合物φ−1,4の多段条件で最良の結果が得られた(ケース3及 び6参照)。各段における相対流速はケース3及び6間で変化し所望の全当量比 が得られた。Table I PM burner two-stage versus single-stage combustion *CO not detected As expected, the highly depleted mixture φ = 0.6 in the first stage and the second stage The best results were obtained under multi-stage conditions of fuel-enriched mixture φ-1,4 (Case 3 and and 6). The relative flow velocity in each stage varies between cases 3 and 6 to achieve the desired total equivalence ratio. was gotten.
ケース1及び4はそれぞれφ=0.87及び1.0で操作される単一段燃焼状態 である。同じ全当量比における多段燃焼のそれぞれ10及び20ppmvと比較 して乾燥状態で23及び36ppmvのNO8レベルが得られたことを注目すべ きである。Cases 1 and 4 are single-stage combustion conditions operated at φ = 0.87 and 1.0, respectively. It is. compared to 10 and 20 ppmv, respectively, of multistage combustion at the same total equivalence ratio. It should be noted that NO8 levels of 23 and 36 ppmv were obtained in the dry state. It is possible.
ケース2及び5は第1段が燃料富化燃焼で第2段が燃料欠乏である2段燃焼状態 であり、それぞれ0.87及び1.0の全当量比を生じさせる。N08生成は、 過剰のC01)出の場合でも35から38ppmvの乾燥範囲内である(1.6 から〉2.5%)。Cases 2 and 5 are two-stage combustion conditions where the first stage is fuel-rich combustion and the second stage is fuel-starved. , giving a total equivalent ratio of 0.87 and 1.0, respectively. N08 generation is Even in the case of excess C01), it is within the dry range of 35 to 38 ppmv (1.6 from>2.5%).
ケース3及び6は最低のN08排出を有するだけでなぐ最低のCOレレベを有し ていたことを注目すべきである。Cases 3 and 6 not only have the lowest N08 emissions but also the lowest CO levels. It should be noted that
これらの結果は、第1段は燃料欠乏当量比で第2段が燃料富化当量比である多段 燃焼は等価の全当量比における単一段燃焼に対して重大な利点を提供することを 示している。これらの結果の理由はゼルドビノチ機構から生ずる熱的N Ox生 成が、高度の過剰空気条件で達成される低い火炎温度に起因して第1段で阻害さ れるからである。第2段では燃焼富化混合物が添加されるが、第1段からの(′ $i少した濃度の)未反応酸素の組み合わされた効果及びセラミック製多孔譬マ トリクス管の出口端の火炎温度を低下させる放射熱伝導の効果に起因してシアノ 機構からのNOx形成が抑制される。ケース3及び6の検出できないレベルのC Oは化装置論的燃料空気比(φ=1.0)の場合でも良好な燃焼特性を示してい る。These results demonstrate that the first stage is a fuel-deficient equivalence ratio and the second stage is a fuel-enriched equivalence ratio. Combustion offers significant advantages over single stage combustion at equivalent total equivalence ratios. It shows. The reason for these results is the thermal N formation is inhibited in the first stage due to the low flame temperature achieved at high excess air conditions. This is because In the second stage, the combustion-enriched mixture is added; The combined effect of unreacted oxygen (at a small concentration) and ceramic porous Due to the effect of radiant heat conduction, which reduces the flame temperature at the outlet end of the trix tube, cyano NOx formation from mechanisms is suppressed. Undetectable level of C in cases 3 and 6 O shows good combustion characteristics even at a theoretical fuel-air ratio (φ = 1.0). Ru.
次の結論が導かれる。The following conclusion is drawn.
1、多孔質媒体バーナー中の2段燃焼は単一段燃焼と比較してより低い平均軸方 向温度を生しさせる。1. Two-stage combustion in porous media burners has lower average axial direction compared to single-stage combustion Produces a positive temperature.
2、第1段が欠乏し第2段が燃焼富化である2段燃焼は、同じ全当量比の単一段 燃焼よりNO8及びCOが低くなる。2. Two-stage combustion, where the first stage is deficient and the second stage is combustion enrichment, is a single stage combustion with the same total equivalence ratio. NO8 and CO are lower than combustion.
3、第1段が燃焼富化で第2段が欠乏である2段燃焼は、同じ全当量比の単一段 燃焼に対して重大な利点は提示しない。3. Two-stage combustion, in which the first stage is combustion enrichment and the second stage is deficient, is a single stage combustion with the same total equivalence ratio. Does not present any significant advantage over combustion.
4、第1段が欠乏し第2段が燃焼富化である2段燃焼は、全化学量論的燃料−空 気比でNo、及びCO排出を非常に低くし、最小排出量で最大の燃料効率を提供 する。4. Two-stage combustion, in which the first stage is deficient and the second stage is combustion enrichment, is a total stoichiometric fuel-empty Very low NO and CO emissions, providing maximum fuel efficiency with minimum emissions. do.
添付の請求の範囲で定義された本発明から離れることなく種々の変化及び変形を 、記述しかつ例示した態様中で述べたものと理解されるであろう。従って前述の 説明及び図面中に含まれる全ての事項は例示のみであり限定する意図はないと解 釈されるべきである。Various changes and modifications may be made without departing from the invention as defined in the appended claims. , as described in the described and illustrated embodiments. Therefore, the above It is understood that all matters contained in the description and drawings are illustrative only and are not intended to be limiting. should be interpreted.
FIG、1 0 0 0 0 (id O() ψ 0 寸 の No、濃度(ppm) 温度(°C) 国際調査報告 。、、T/IK 057M。。□1□^−P、〜 PCT/υS 92102084フロントページの続き (81)指定国 EP(AT、BE、CH,DE。FIG.1 0 0 0 0 (id O() ψ No, concentration (ppm) Temperature (°C) International search report. ,,T/IK 057M. . □1□^−P、〜PCT/υS Continuation of 92102084 front page (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE.
DK、 ES、 FR,GB、 GR,IT、 LU、 MC,NL、 SE) 、 CA、JP、 KR (72)発明者 ガーディナー、 ウィリアム シー。DK, ES, FR, GB, GR, IT, LU, MC, NL, SE) , CA, J.P., K.R. (72) Inventor: Gardiner, William See.
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