JP2011169578A - 液体燃料の燃焼方法及び燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料の燃焼用装置、例えば噴霧器又はバーナー、及び噴霧化液体燃料の燃焼用装置を用いた関連する方法に関し、洗浄及び／又はメンテナンスをほとんど必要としない液体燃料燃焼バーナー及び液体燃料噴霧器の提供。
【解決手段】液体燃料噴霧器１は、外側導管１０、内側導管２０及びスプレー先端部３０を有する。このスプレー先端部３０は、液体燃料及び噴霧用ガスを受けるための混合チャンバー３６、及び液体燃料と噴霧用ガスとの混合物を噴霧化液体燃料として放出するためのオリフィス３８を有する。内側導管２０は、外部フィン２６を有し、その少なくともいくつかの外部フィン２６は、スプレー先端部３０の内部表面３５に接触している。
【選択図】図１

Description

特許文献１〜５で示されるように、燃焼の分野において、噴霧器ノズルの使用が周知である（これら文献は、参照によりそれら全体が本明細書に組み込まれる）。特許文献１に記載されているように、噴霧器ノズルは、様々な生産品、例えば金属、ガラス、セラミック材料等のための工業的な溶融炉で用いられている。

燃焼の用途において、液体燃料を噴霧する多くの方法がある。そのノズルを、二つの大きなグループに分けることができる：
（ａ）圧力噴霧器
これは、比較的高い圧力の液体燃料を用いて、流れを小さなオリフィスに通らせ、液体を液滴に噴霧する。これらの噴霧器は、比較的単純である。しかし、これらのターンダウン比は限られており、流れの条件に幅広い変化がある系に関して、ノズルの変更を必要とする。
（ｂ）二流体噴霧器
これは、噴霧用ガスを用いて、液体の噴霧を支援する。噴霧用ガスを、通常、比較的高い圧力で導入しながら、液体燃料を、比較的低い圧力で供給することができる。このグループのノズルは、さらに次のように分類できる：
（１）外部混合
これは、高速の噴霧用ガスが、低速の液体燃料と外部で交わり、液体ジェット分散（ｌｉｑｕｉｄ−ｊｅｔ ｂｒｅａｋｕｐ）、すなわち噴霧化をもたらす。これらのノズルは、通常、非常に頑丈であるが、火炎の形状及び噴霧化の品質は、ほとんどの場合、特に酸素−燃料バーナーの用途で、準最適（ｓｕｂ−ｏｐｔｉｍａｌ）である。この火炎は、短く、タイトであり、不均一な熱供給と局所的過熱をもたらす。
（２）内部混合又はエマルション
これは、噴霧用ガス及び液体燃料を、内部のチャンバー内で混合する。そして、２つの相の混合物を、出口オリフィスから噴出させ、内部で混合したガス相を減圧化することによって液体噴霧をもたらす。これらのノズルは、優れた且つ制御可能な噴霧、優れた火炎形状及び均一な伝熱を与える。

内部混合噴霧器が、空気−燃料燃焼において幅広く用いられている一方で、酸素−燃料バーナーでの内部混合噴霧器の使用は、冷却の懸念及び火炎の逆火の問題の可能性に起因して限られている。非水冷バーナーを用いる場合、主な酸化剤が、噴霧化ノズルを冷却する。主な酸化剤が空気である空気−燃料バーナーに関して、冷却は、完全燃焼のために必要で且つ与えられる大量の空気（主な酸化剤）によってなされる。しかし、酸素−燃料バーナーに関しては、空気より高いＯ_２濃度を有する主な酸化剤を用いるので、減少した体積の主な酸化剤による噴霧化ノズルの冷却は、不十分な場合がある。例えば、１００パーセントのＯ_２酸化剤の場合、燃焼のために化学量論的に必要な酸素の量が与えられるならば、噴霧化ノズルを冷却するのに利用可能な主な酸化剤は、空気−燃料バーナーでの場合よりも、約８０％小さい体積となるであろう。加えて、酸素−燃料バーナーは、ずっと高い火炎温度を有する。これらの理由から、酸素−燃料バーナーにおける噴霧化ノズルは、空気−燃料バーナーよりもずっと高い温度に達すると予想される。

内部混合ノズルの比較的高い温度は、いくつかの潜在的な問題をもたらす：
（１）ノズルの高い温度は、液体燃料の炉への導入前に、その化学的劣化をもたらす場合がある。より具体的には、燃料オイル、例えば高い硫黄含量を有する重油、及び炭素の高い残留値を有するオイル、例えば、高い値のコンラドソン残留炭素分（ＣＣＲ：Ｃｏｎｒａｄｓｏｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｒｅｓｉｄｕｅ）で示されるようなオイル（例えば、高い水準のアスファルテンを有する燃料オイルに通常見られるもの）に関して、ノズルの高い温度は、内部にコークスの堆積及びノズルの目詰まりを引き起こす場合がある。コークスの堆積及びノズルの目詰まりは、使用する噴霧用ガスにかかわらず懸念事項である。
（２）さらに、酸素を噴霧用ガスとして用いる場合、高いノズル温度及び不適切なノズルの設計は、火炎の逆火及び破壊的なノズルの障害をもたらす場合がある。

米国特許第５，５４７，３６８号 米国特許第５，５６７，１４１号 米国特許第５，３９３，２２０号 米国特許第５，６１７，９９７号 米国特許第７，５００，８４９号

産業界は、酸素−燃料燃焼炉での使用に適切な液体燃料燃焼バーナー及び液体燃料噴霧器を望んでいる。

産業界は、洗浄及び／又はメンテナンスをほとんど必要としない液体燃料燃焼バーナー及び液体燃料噴霧器を望んでいる。

産業界は、洗浄するのに容易な液体燃料燃焼バーナーと液体燃料噴霧器を望んでいる。

本発明は、液体燃料の燃焼用装置に関する。この燃焼用装置は、液体燃料噴霧器とすることもできる。この液体燃料噴霧器は、（ａ）噴霧用ガス流入端部及び噴霧用ガス放出端部を有する略シリンダー形状の外側導管；（ｂ）液体燃料流入端部及び液体燃料放出端部を有する略シリンダー形状の内側導管であって、上記外側導管の内側に配置され、且つ上記外側導管との間に、噴霧用ガス流入端部から噴霧用ガス放出端部に伸びる噴霧用ガス流路を形成している内側導管；並びに（ｃ）流入端部及び放出端部を有するスプレー先端部であって、その流入端部が外側導管の噴霧用ガス放出端部に連結しているスプレー先端部を具備する。このスプレー先端部は、（ｉ）内側導管の液体燃料放出端部から液体燃料を受けるように配置されており、且つ噴霧用ガス流路の噴霧用ガス放出端部から噴霧用ガスを受けるように配置されている混合チャンバー、及び（ii）液体燃料及び噴霧用ガスを混合チャンバーから受けるように配置されている、スプレー先端部の放出端部にあるオリフィスであって、液体燃料及び噴霧用ガスを、噴霧化液体燃料としてスプレー先端部から放出するためのオリフィスを有する。内側導管は、その液体燃料放出端部で複数の外側フィンを有し、ここで複数の外側フィンの少なくともいくつかは、スプレー先端部の流入端部の内側表面と接触している。

液体燃料のオリフィスは、細長いスロットのオリフィスとすることができる。

複数の外側フィンは、液体燃料放出端部の方向に向かって収束する収束外側テーパーを有することができる。スプレー先端部は、放出端部の方向に向かって収束する収束内側テーパーを流入端部に有することができる。この内側テーパーは、複数の外側フィンの外側テーパーと略相補的である。

複数の外側フィンは、長手方向フィンとすることができる。

複数の外側フィンは、長手方向フィンとすることができ、且つ複数の外側フィンの長さの、外側導管の外径に対する比は、０．１〜３．０とすることができる。

複数の外側フィンは、スパイラルフィンとすることができる。

複数の外側フィンは、３〜２０枚又は６〜１０枚とすることができる。

外側導管は、導管肉厚の導管外径に対する比を０．１〜０．２とすることができる。

この装置は、噴霧用ガス流路の水力直径（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄｉａｍｅｔｅｒ）の、外側導管の外径に対する比を、０．０５〜０．２５とすることができる。

この装置は、複数の外側フィンを有する内側導管の断面で、内側導管肉厚の、内側導管外径に対する比を０．２〜０．７とすることができる。

この装置は、０．１≦（Ｎ×Ｓ）／Ｐ≦０．９とすることができ、ここで、Ｎは複数の外側フィンの外側フィンの枚数、Ｓは複数の外側フィンの外側フィンの平均の円弧長、且つＰは複数の外側フィンに隣接した外側導管断面での外側導管の内側の周囲長さである。

溶接接合によって、スプレー先端部の流入端部を、外側導管の噴霧用ガス放出端部に接合することができる。

溶接接合は、外側導管の肉厚の２５％〜１００％超の厚みとすることができる。

混合チャンバーは、オリフィスの方向に向かって収束する、オリフィスに隣接した収束内側テーパーを有することができる。

燃焼用装置は、酸素−燃料バーナーとすることができる。このバーナーは、（ｉ）第一の酸化剤ガス流路を画定する第一の酸化剤ガス導管部であって、その第一の酸化剤ガス流路が、第一の酸化剤ガス流路流入端部、及び第一の酸化剤ガスの流れを放出するための第一の酸化剤ガス流路放出端部を有する、第一の酸化剤ガス導管部；並びに（ii）第一の酸化剤ガス導管に対して間隔をあけて配置されている液体燃料噴霧器であって、その少なくとも一部が、第一の酸化剤ガス流路の内側に配置されている液体燃料噴霧器を具備する。この液体燃料噴霧器は、（ａ）噴霧用ガス流入端部、及び噴霧用ガス放出端部を有する略シリンダー形状の外側導管；（ｂ）液体燃料流入端部、及び液体燃料放出端部を有する略シリンダー形状の内側導管であって、上記外側導管の内側に配置されており、且つ上記外側導管と上記内側導管との間に、噴霧用ガス流入端部から噴霧用ガス放出端部に伸びる噴霧用ガス流路を形成している内側導管；並びに（ｃ）流入端部及び放出端部を有するスプレー先端部であって、その流入端部が外側導管の噴霧用ガス放出端部に連結しているスプレー先端部を具備する。このスプレー先端部は、（ｉ）内側導管の液体燃料放出端部からの液体燃料を受けるように配置されており、且つ噴霧用ガス流路の噴霧用ガス放出端部から噴霧用ガスを受けるように配置されている混合チャンバー；及び（ii）混合チャンバーからの液体燃料と噴霧用ガスとを受けるように配置されている、スプレー先端部の放出端部にあるオリフィスであって、液体燃料と噴霧用ガスとを噴霧化液体燃料として、スプレー先端部から第一の酸化剤ガスの流れに放出するためのオリフィスを有する。内側導管は、内側導管の液体燃料放出端部で、複数の外側フィンを有する。この複数の外側フィンの少なくともいくつかは、スプレー先端部の流入端部の内部表面と接触している。

オリフィスを、細長いスロットのオリフィスとすることができる。

複数の外側フィンは、液体燃料放出端部の方向に向かって収束する収束外側テーパーを有することができる。ここでは、スプレー先端部が、放出端部の方向に向かって収束する収束内側テーパーを流入端部に有することができる。この内側テーパーは、複数の外側フィンの外側テーパーと略相補的である。

複数の外側フィンは、長手方向フィンとすることができる。

この装置は、複数の外側フィンの長さの、外側導管の外径に対する比は、０．１〜３．０とすることができる。

複数の外側フィンは、スパイラルフィンとすることができる。

複数の外側フィンは、３〜２０枚又は６〜１０枚とすることができる。

外側導管は、導管肉厚の導管外径に対する比を０．１〜０．２とすることができる。

この装置は、噴霧用ガス流路の水力直径の、外側導管の外径に対する比を、０．０５〜０．２５とすることができる。

この装置は、複数の外側フィンを有する内側導管の断面で、内側導管肉厚の、内側導管外径に対する比を０．２〜０．７とすることができる。

スプレー先端部の流入端部を、溶接接合によって外側導管の噴霧用ガス放出端部に接合することができる。

溶接接合は、外側導管の肉厚の５０％〜１００％超の厚みとすることができる。

混合チャンバーは、オリフィスの方向に向かって収束する、オリフィスに隣接した収束内側テーパーを有することができる。

このバーナーは、第一の酸化剤ガス流路に隣接している第二の酸化剤ガス流路を画定する、第二の酸化剤ガス導管部分をさらに具備することができる。ここで、第二の酸化剤ガス流路は、第二の酸化剤ガスの流れを放出するためのものである。この第二の酸化剤ガス流路を、第一の酸化剤ガス流路の上に又は下に位置させることができる。

第一の酸化剤ガス流路は、異なる寸法の幅と高さを有する断面形状を有することができ、ここで第一の酸化剤ガス流路は、５〜３０の幅対高さ比を有し、且つ第二の酸化剤ガス流路は、異なる寸法の幅と高さを有する断面形状を有し、ここで第二の酸化剤ガス流路は、５〜３０の幅対高さ比を有する。

バーナーは、第一の酸化剤ガス流路及び第二の酸化剤ガス流路と流通している酸化剤流入マニホールド、及びその酸化剤流入マニホールドの下流に流通しており、且つ第一の及び第二の酸化剤ガス流路の上流に流通しているステージバルブ（ｓｔａｇｉｎｇ ｖａｌｖｅ）であって、第一の及び第二の酸化剤ガスの流れの間で、それぞれ第一の及び第二の酸化剤ガス流路への流れの分配を調整するためのステージバルブをさらに具備する。

バーナーは、第一の酸化剤ガス流路と上流に流通している酸化剤流入プレナムを、さらに具備することができる。酸化剤流入プレナムは、液体燃料噴霧器の少なくとも一部のまわりに間隔を有することができる。バーナーは、酸化剤流入プレナムの上流に流通して位置する酸化剤拡散器を、さらに具備することができる。

また、本発明は液体燃料の燃焼方法に関する。この方法は、（Ａ）（Ｉ）酸化剤ガス流路を画定する第一の酸化剤ガス導管部であって、この第一の酸化剤ガス流路が、第一の酸化剤ガス流路流入端部、及び第一の酸化剤ガスの流れを放出するための第一の酸化剤ガス流路放出端部を有する第一の酸化剤ガス導管部、並びに（II）酸化剤ガス流路内に配置されている液体燃料噴霧器を具備するバーナーを与えるステップを含む。この液体燃料噴霧器は、（ａ）噴霧用ガス流入端部、及び噴霧用ガス放出端部を有する略シリンダー形状の外側導管；（ｂ）液体燃料流入端部、及び液体燃料放出端部を有する略シリンダー形状の内側導管であって、外側導管の内側に配置されており、且つ外側導管と内側導管との間に、噴霧用ガス流入端部から噴霧用ガス放出端部に伸びている噴霧用ガス流路を形成している内側導管；並びに（ｃ）流入端部及び放出端部を有するスプレー先端部であって、その流入端部が外側導管の噴霧用ガス放出端部に連結しているスプレー先端部を具備する。このスプレー先端部は、（ｉ）内側導管の液体燃料放出端部から液体燃料を受けるように配置されており、且つ噴霧用ガス流路の噴霧用ガス放出端部からの噴霧用ガスを受けるように配置されている混合チャンバー；及び（ii）液体燃料及び噴霧用ガスを混合チャンバーから受けるように配置されている、スプレー先端部の放出端部にあるオリフィスであって、液体燃料及び噴霧用ガスを噴霧化液体燃料として、スプレー先端部から第一の酸化剤ガスの流れに放出するためのオリフィスを有する。内側導管は、内側導管の液体燃料放出端部で、複数の外側フィンを有する。複数の外側フィンの少なくともいくつかは、スプレー先端部の流入端部の内部表面と接触している。この方法は、（Ｂ）第一の酸化剤ガスを第一の酸化剤ガス流路に通し、それにより第一の酸化剤ガスの流れを第一の酸化剤ガス流路放出端部から放出させるステップ、（Ｃ）液体燃料を、内側導管に通して混合チャンバーへと入れ、且つ噴霧用ガスを、噴霧用ガス流路に通して混合チャンバーへと入れ、それによって液体燃料と噴霧用ガスとの混合物を形成させるステップ、（Ｄ）液体燃料と噴霧用ガスとの混合物をオリフィスに通し、それにより液体燃料と噴霧用ガスとの混合物を噴霧化液体燃料として、混合チャンバーから第一の酸化剤ガスの流れへと放出させるステップ、及び（Ｅ）噴霧化液体燃料の少なくとも一部を、第一の酸化剤ガスの流れの少なくとも一部で燃焼させ、それにより火炎を形成するステップをさらに含む。

この方法で用いられるバーナーは、第二の酸化剤ガス流路を画定している、第二の酸化剤ガス導管部をさらに具備する。第二の酸化剤ガス流路は、第一の酸化剤ガス流路と近接し、且つその上側又は下側に位置することができる。第二の酸化剤ガス流路は、第二の酸化剤ガスの流れを放出するためにある。この方法は、第二の酸化剤ガスの流れを第二の酸化剤ガス流路に通し、それによって第二の酸化剤ガスの流れを火炎の下側に放出させるステップ、及び液体燃料の他の一部を第二の酸化剤ガスの流れの少なくとも一部で燃焼させるステップをさらに含むことができる。

この方法において、液体燃料と噴霧用ガスとの混合物は、混合チャンバー中で７０〜３２００マイクロ秒の、１６０〜２４００マイクロ秒の、又は２５０〜１６００マイクロ秒の平均滞留時間を有することができる。

この方法において、液体燃料と噴霧用ガスとの混合物を、スプレー先端部から速度ｖ_１で放出させることができ、第一の酸化剤ガスを第一の酸化剤導管の放出端部から速度ｖ_２で放出させることができる。ここで、１≦ｖ_１／ｖ_２≦１００である。

内部導管上に外側フィンを有する液体燃料噴霧器の断面表示であり、ここでその外側フィンは、外側フィンの一部にわたってテーパー状にされている。 内部導管上に外側フィンを有する液体燃料噴霧器の断面表示であり、ここでその外側フィンは、外側フィンの全長にわたってテーパー状にされている。 内部導管上に外側フィンを有する液体燃料噴霧器の断面表示であり、ここでその外側フィンは、テーパー状にされていない。 液体燃料噴霧器を組み込んでいるバーナーの斜視図である。

明細書及び特許請求の範囲に記載された本発明の実施態様におけるあらゆる要素（ｆｅａｔｕｒｅ）に適用する場合、ここで用いられる単数の表現（「ａ」及び「ａｎ」）は、一以上を意味する。単数の表現の使用は、制限が特に記載されていない限り、１個の要素に制限されない。単数の名詞若しくは複数の名詞、又は名詞句の前に付く語「その」は、特定の指定の要素を示し、且つそれが使用されている文脈に依存して単数又は複数の意味を有する場合がある。形容詞「あらゆる」は、１つ、いくつか、又はどんな量かに無差別に全てを意味する。

表現「少なくとも一部」は、「一部又は全て」を意味する。

一態様において、本発明の開示は、液体燃料の燃焼用装置に関する。この装置を、バーナーでの使用に適切な液体燃料噴霧器とすることもできる。

図１を参照すると、液体燃料噴霧器１は、噴霧用ガス流入端部１２及び噴霧用ガス放出端部１４を有する略シリンダー形状の外側導管１０を具備する。液体燃料噴霧器１は、液体燃料流入端部２２及び液体燃料放出端部２４を有する略シリンダー形状の内側導管２０も具備する。内側導管２０は、外側導管１０の内側に配置されており、外側導管１０と内側導管２０との間に噴霧用ガス流路１６を形成している。噴霧用ガス流路１６は、噴霧用ガス流入端部１２から、噴霧用ガス放出端部１４へと伸びている。単数の表現が流路要素に適用される場合、一以上を意味するので、一以上の流路を、外側導管１０と内側導管２０の間に形成することができる。その上、流路１６が噴霧用ガス流入端部１２から噴霧用ガス放出端部への連続の流路を与えるようにしつつ、流路１６が噴霧用ガス流入端部１２から噴霧用ガス放出端部１４に伸びるようにして、分けること及び／又は分けて再連結させることができる。

外側導管１０の肉厚の、外側導管１０の外径に対する比を、０．０３４〜０．３５、０．１〜０．２、又は０．１４〜０．１８とすることができる。導管の肉厚の、外側導管の外径に対する比を０．１〜０．２にする利益は、より小さい値の比と比較して、２つある。第一に、これは、熱に対して増大した断面積を与えて、液体燃料噴霧器１の外表面にあるホット（ｈｏｔ ｓｐｏｔ）スポットから熱を逃がす。ホットスポットは典型的には、スプレー先端部３０の放出端部３４と３外側導管１０直径の上流との間のどこかに存在する。第二に、これは外側導管１０の肉厚によって、比較的厚い結合部をもたらし、これは熱に対して増大した断面積を与えて、液体燃料噴霧器１の外表面にあるホットスポットから熱を逃がす。

外側導管１０は、第一の長手方向の軸を有することができ、また内側導管２０は第二の長手方向の軸を有することができ、この第一の長手方向の軸及び第二の長手方向の軸は、実質的に同軸である。実質的に同軸とは、軸が合致しているか、平行であり且つ合致させる内側導管の内径の５％以内の位置にあるか、又は軸が２°以内に平行のわずかな斜めで且つ噴霧用ガス放出端部１４及び液体燃料放出端部２４の位置で内側導管の内径の５％以内の位置にあるか、である。

内側導管２０は、その導管２０の内部で、又は混合チャンバー３６に隣接している導管２０の放出端で測定される有効内径、若しくはその付近で測定される有効内径を有する。円形の導管断面の場合、その有効径は直径と等しい。わずかに真円形ではない導管又は非円形導管の場合、非円形導管の断面積と同じ断面積を与える有効径を計算することができる。内側導管２０の有効内径は、１．２７ｍｍ〜１２．７ｍｍとすることができる。

また、液体燃料噴霧器１は、流入端部３２及び放出端部３４を有するスプレー先端部３０を具備する。スプレー先端部３０の流入端部３２を、外側導管１０の噴霧用ガス放出端部１４に、接合１８によって接合させる。接合１８は、溶接接合、圧入接合、ねじ接合、又は本分野で知られている他の適切な接合とすることができる。接合１８は、好ましくは溶接接合である。溶接接合は、スプレー先端部の冷却のために比較的良好な熱伝導性を与えることができる。溶接接合は、外側導管１０の肉厚の５０％〜１００％超の厚みを有することができる。溶接接合を、できるだけ厚く形成することが望ましいことがある。広い溶接接合は、外側導管とスプレー先端部の重なり領域での一方の厚みを薄くすることを必要とし、そしてそれにより溶接している間に比較的変形しやすくなり、これは望ましくない。

内側導管を、洗浄のために液体燃料噴霧器からの内側導管の取り外しを可能とするねじ接続又は他の適切な接続（示されていない）によって、流入端部で外側導管に、着脱可能な状態で、接続させることができる。

スプレー先端部３０は、内側導管２０の液体燃料放出端部２４から液体燃料を受けるように配置され、且つ噴霧用ガス流路１６から噴霧用ガスを受けるように配置される混合チャンバー３６を有する。混合チャンバー３６は、流入端部３２と放出端部３４との間にある。また、スプレー先端部３０は、スプレー先端部３０の放出端部３４でオリフィス３８を有する。オリフィス３８を、混合チャンバー３６から液体燃料及び噴霧用ガスを受けるように、且つスプレー先端部３０から、噴霧化液体燃料として液体燃料と噴霧用ガスとを放出するように、配置する。

混合チャンバー３６は、有効径と長さを有する。混合チャンバーの長さは、内側導管２０の放出端から、混合チャンバーのオリフィス３８のチャンバー側までを測定する。混合チャンバー３６は、シリンダー状として示されるが、シリンダー形状及び／又は円形断面形状に限定されない。混合チャンバーの断面が円形である場合、有効径はその直径と同じである。混合チャンバーの断面が非円形である場合、同じ断面積を与える有効径を計算することができる。混合チャンバー３６は、内側導管の有効内径の２倍以下の長さを有する。噴霧用ガスと液体燃料とを十分に混合した後に火炎形成オリフィス３８から放出させるために、混合チャンバーの長さは、内側導管２０の内径の０．５〜２．０倍とすることができる。あるいは、混合チャンバーの長さを、内側導管２０の有効内径の１〜２倍、又は約１．７倍とすることができる。設計燃焼量（ｆｉｒｉｎｇ ｒａｔｅ）とするために、液体燃料及び噴霧用ガスは、７０〜３２００マイクロ秒の、１６０〜２４００マイクロ秒の、又は２５０〜１６００マイクロ秒の平均滞留時間で混合チャンバーにとどまる必要がある。液体燃料及び噴霧用ガスに、エマルションチャンバーで混合する機会を与える場合、コークスの蓄積が減少し、ノズルを洗浄するメンテナンスが減る。

図１で示されるように、混合チャンバーは、オリフィス３８の方向に収束する、収束内側テーパー３７を有することができる。収束内側テーパーは、比較的簡単な洗浄ができる利点を与える。収束内側テーパーと相補的な形状である、ドリルビットの端のような形状をした洗浄用具を用いて、スプレー先端部を洗浄することができる。あるいは、混合チャンバーは、オリフィスに向かって位置する、球状又は楕円形状等のテーパー部を有することができ、また図示されたようなものよりも長い又は短い長さの混合チャンバーに広がることができる。エマルションチャンバーは、図１において混合チャンバーの大部分にわたって一定の断面で示されているが、混合チャンバーを、燃料流入からオリフィスまでの大部分又はその全長にわたって断面が縮小し、それによりテーパー化された混合チャンバーを与えて、形成することもできる。

内側導管２０は、内側導管２０の液体燃料放出端部２４で、複数の外側フィン２６を有する。ここで、複数の外側フィン２６の少なくともいくつかは、スプレー先端部３０の流入端部３２の内部表面３５に接触している。複数の外側フィン２６の全てが、スプレー先端部３０の流入端部３２の内部表面３５に接触することができる。外側フィンは、内側導管２０の外側表面に溝を画定する外側突起物である。スプレー先端部の内部表面と接触している外側フィン２６は、スプレー先端部からの追加の熱伝導路を与える利益、及び内側導管２０の液体燃料流入端部２２とスプレー先端部３０の流入端部３２との間に、噴霧用ガス流路１６用の所定の隙間を設ける利益を有する。この隙間は、外側フィンにより設けられ、また外側フィンを変更することによらなければ調節不可能である。

複数の外側フィン２６は、３〜２０枚、又は６〜１０枚とすることができる。複数の外側フィン２６は、長手方向フィンとすることができ、ここでは、フィンは、真直ぐであり、且つ内側導管２０の長手方向の軸と平行である軸を有する。あるいは、複数の外側フィン２６は、内側導管の長さ方向に対してスパイラル状又はらせん状とすることができる。外側フィンは、一部で真直ぐとし、且つ内側導管２０の放出端部２４付近でスパイラル状又はらせん状とすることもできる。

図１で示すように、複数の外側フィン２６は、液体燃料放出端部２４の方向に収束する収束外側テーパーを有することができる。さらに図１で示すように、スプレー先端部３０は、放出端部３４の方向に収束する収束内側テーパーを、流入端部３２に有することができる。スプレー先端部３０の内側テーパーは、複数の外側フィン２６の外側テーパーと略相補的とすることができる。収束外側テーパーは、複数の外側フィン２６の一部の長さにわたる場合がある。あるいは、図２で液体燃料噴霧器２に関して示したように、収束外側テーパーは、複数の外側フィン２６の全長にわたる場合がある。

図３で液体燃料噴霧器３に関して示したように、複数の外側フィン２６は、収束外側テーパーがない状態とすることができる。スプレー先端部３０も、流入端部３２で収束内側テーパーのない状態とすることができる。

液体燃料噴霧器を用いて、工業炉の用途で用いられるあらゆる液体燃料を噴霧化することができる。液体燃料には、例えば、第一蒸留油（Ｎｏ．１ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｅ ｏｉｌ）、第二蒸留燃料油（Ｎｏ．２ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｅ ｆｕｅｌ ｏｉｌ）、ディーゼル燃料、バイオディーゼル及びその副生成物（例えばグリコール）、ケロシン、第四燃料油（Ｎｏ．４ ｆｕｅｌ ｏｉｌ）、第五残留油（Ｎｏ．５ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｏｉｌ）、第六残留燃油（Ｎｏ．６ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｆｕｅｌ ｏｉｌ）、Ｃ型燃料油（Ｂｕｎｋｅｒ−Ｃ ｔｙｐｅ ｆｕｅｌ ｏｉｌ）並びに当業者に知られた他の液体燃料がある。噴霧用ガスは、工業炉用途で用いられるあらゆる公知の噴霧用ガス、例えば空気、天然ガス、工業グレードの酸素、酸素富化ガス、プロパン、窒素、二酸化炭素、水素又はこれらのガスの二以上の混合物とすることができる。

炉のいくつかの用途に関して、例えばガラス溶融炉に関して、略平面状の火炎が好ましい場合がある。略平面状の火炎を生成するために、オリフィス３８は、扁平のスプレーパターンを形成するように機能する、細長いスロットのオリフィスとすることができる。スロットオリフィスは、幅寸法と高さ寸法を有するスロットの開孔であり、幅寸法は高さ寸法よりも大きい。幅は、３ｍｍ〜２５．４ｍｍの範囲とすることができ、高さは０．７５〜７．６２ｍｍの範囲とすることができる。スロット断面は、長方形、楕円形、又は適切な非円形形状とすることができる。細長いスロットのオリフィスは、長さの寸法も有し、これは水力直径の少なくとも２倍である。この長さの寸法は、水力直径の２〜１０倍とすることもできる。スロットの断面は、長さ方向に沿って変化してもよく、例えば、幅寸法は、流れの方向に増加してもよく、したがって開度を有してもよい。水力直径の２倍超の長さ寸法は、スプレーパターンをオリフィス形状及び開度によって形状化することを可能にする。水力直径Ｄ_Ｈは、次の通常の方法で定義される：Ｄ_Ｈ＝（４×断面積）／潤辺。水力直径が細長いスロットの長さ方向に沿って変化する場合、必要な直径寸法は、オリフィスの流入平面でとる。

外側導管１０、内側導管２０及びスプレー先端部３０を、あらゆる適切な材料、例えばステンレス鋼で作製することができ、本分野で知られた方法を用いて構築することができる。複数の外側フィン２６を、内側導管２０の表面に、その外側表面に溝を切り込むことによって、機械加工して取り付けることができる。

液体燃料燃焼用装置は、上記のような液体燃料噴霧器を有するバーナーとすることができる。このバーナーを適合させて、０．１０〜１２ＭＷの、又は０．２５〜６ＭＷの燃焼量で運転させることができる。

図４を参照すると、バーナー６０は、第一の酸化剤ガス流路５４を画定している第一の酸化剤ガス導管部分４０、第一の酸化剤ガス流路流入端部４４及び第一の酸化剤ガスの流れを放出するための第一の酸化剤ガス流路放出端部４６を有する第一の酸化剤ガス流路５４、並びに酸化剤ガス導管部分４０に対して間隔をあけて配置している液体燃料噴霧器５であって、その少なくとも一部が第一の酸化剤ガス流路５４の内側に配置されている液体燃料噴霧器５を具備する。

液体燃料噴霧器５は、上記の通りであり、本明細書に記載されたあらゆる液体燃料噴霧器の特徴を有することができる。

第一の酸化剤ガスは、燃焼に適切なあらゆる酸化剤ガスとすることができ、例えば、空気、酸素富化ガス、及び工業グレードの酸素とすることができる。

第一の酸化剤ガス流路５４は、幅と高さの異なる寸法の断面形状を有することができる。第一の酸化剤ガス流路５４は、幅の高さに対する比を、５〜３０とすることができる。第一の酸化剤ガス流路５４は、非円形形状の断面を有することができ、且つ各断面は、中心点又は重心によって特徴付けることができ、ここで重心とは、通常の幾何学的定義を有する。ガス流路５４を、流路の断面と直行し、且つ流路断面の重心につながる直線として定義される長手軸によって、さらに特徴付けることができる。

バーナー６０は、第二の酸化剤ガスの流れを放出するための、いわゆる酸化剤分岐（ｏｘｉｄａｎｔ ｓｔａｇｉｎｇ）のための、第二の酸化剤ガス流路５６を画定している第二の酸化剤ガス導管部分７０を具備する。第二の酸化剤ガス流路５６は、第一の酸化剤ガス流路５４と近接しており、第一の酸化剤ガス流路５４の下に位置することができる。第二の酸化剤ガス流路５６は、幅と高さの異なる寸法の断面形状を有することができる。第二の酸化剤ガス流路５６は、幅の高さに対する比を、５〜３０とすることができる。第二の酸化剤ガス流路５６は、非円形形状の断面を有することができ、且つ各断面は、中心点又は重心によって特徴付けることができ、ここで重心とは、通常の幾何学的定義を有する。第二の酸化剤ガス流路５６を、流路の断面と直行し、且つ流路断面の重心につながる直線として定義される長手軸によって、さらに特徴付けることができる。第一の酸化剤ガス流路５４の長手軸及び第二の酸化剤ガス流路５６の長手軸は、実質的に平行とすることができる。

第二の酸化剤ガスは、燃焼に適切なあらゆる酸化剤ガスとすることができ、例えば、空気、酸素富化ガス、及び工業グレードの酸素とすることができる。第一の酸化剤ガス及び第二の酸化剤ガスは、同じ組成とすることができ、同じ供給源から由来することもできる。

第一の酸化剤ガス導管部分４０及び第二の酸化剤ガス導管部分７０を、分離され且つ別個となる導管から構築してもよく、又は材料の単一のブロック、例えば図４に示すようなバーナーブロックから構築しても良い。図４は、共通のバーナーブロック５０で形成される第一の酸化剤ガス流路５４及び第二の酸化剤ガス流路５６を示す。図４に示すように、バーナーブロック５０は、第一の酸化剤ガス流路部分４０及び第二の酸化剤ガス流路部分７０を具備することができる。

同じ酸化剤ガスを、第一の酸化剤ガス流路５４と第二の酸化剤ガス流路５６とに供給して、それによって第二の酸化剤ガスの流れが、第一の酸化剤ガスの流れと同じ酸素濃度を有するように、バーナーを構築することができる。あるいは、第一の酸化剤ガス流路５４に供給されるのと異なる酸化剤ガスを、第二の酸化剤ガス流路５６へ供給して、それによって第二の酸化剤ガスの流れを、第一の酸化剤ガスの流れとは異なる酸素濃度となるように、バーナーを構築することもできる。

図４で示されるように、バーナー６０は、酸化剤流入マニホールド５７をさらに具備することができる。酸化剤ガスは、酸化剤流入マニホールド５７を通って、そして最終的に第一の酸化剤ガス流路５４と第二の酸化剤ガス流路５６とに流れる。酸化剤流入マニホールド５７は、第一の酸化剤ガス流路５４と第二の酸化剤ガス流路５６との上流に流通している。ステージバルブ６４を用いて、酸化剤ガスの流れを、第二の酸化剤ガス流路５６へと変える又は調節することができる。ステージバルブ６４は、酸化剤流入マニホールド５７の下流に流通しており、且つ第一の及び第二の酸化剤ガス流路５６の上流に流通している。

バーナー６０は、第一の酸化剤ガス流路５４の上流に流通している酸化剤流入プレナム８２をさらに具備する。酸化剤流入プレナムは、液体燃料噴霧器の少なくとも一部のまわりに間隔を有することができ、且つ第一の酸化剤ガス流路５４の少なくとも一部は、スプレー先端部のまわりに間隔を有することができる。バーナーは、酸化剤プレナム８２の上流に位置する拡散器８０を、さらに具備することができる。この拡散器の目的は、酸化剤流入プレナムに入る酸化剤の流れの分配を促進することである。

スプレー先端部３０の放出端は、バーナーブロック５０のホットフェース（ｈｏｔ ｆａｃｅ）５２と同一表面で取り付けることができ、又は第一の酸化剤ガス流路５４の内部に埋め込むことができる。スプレー先端部３０をバーナーブロック５０に埋め込むことは、混合チャンバーの比較的冷えた運転温度を維持することに役立つであろう。しかし、スプレー先端部３０を埋め込むことができる範囲は、下記のように、バーナー６０の運転条件に依存するであろう。

他の一態様において、本発明は、液体燃料を本明細書に記載したようなバーナーを用いて燃焼させる方法に関する。この方法では、０．１０〜１２ＭＷの間、又は０．２５〜６ＭＷの間の燃焼量で運転させることができる。

液体燃料を燃焼させる方法は、本明細書に記載したような液体燃料噴霧器を伴う本明細書に記載したようなバーナーを与えるステップを有する。そのバーナー及び液体燃料噴霧器は、本明細書に記載したあらゆるバーナー又は液体燃料噴霧器の、それぞれの特徴を有することができる。

図１及び図４を参照して、この方法は、第一の酸化剤ガスを第一の酸化剤ガス導管部分４０に通し、それにより第一の酸化剤ガスの流れを第一の酸化剤ガス導管の放出端部４６から放出させるステップを有する。この方法は、液体燃料を、内側導管２０を通して混合チャンバー３６へと入れ、且つ噴霧用ガスを、噴霧用ガス流路１６を通して混合チャンバー３６へと入れ、それによって液体燃料と噴霧用ガスとの混合物を形成させるステップをさらに有する。この方法は、液体燃料と噴霧用ガスとの混合物を、オリフィス３８に通し、それにより液体燃料と噴霧用ガスとの混合物を、噴霧化液体燃料として混合チャンバー３６から第一の酸化剤ガスの流れへと放出させるステップをさらに有する。この方法は、液体燃料の少なくとも一部を、第一の酸化剤ガスの流れの少なくとも一部で燃焼させ、それによって火炎を形成するステップをさらに含む。

この方法は、酸化剤の分岐も含むことができる。第二の酸化剤ガスを、第二の酸化剤流路５６に通し、それによって第二の酸化剤ガスの流れを、火炎の下で放出し、そして液体燃料の少なくとも一部を、第二の酸化剤ガスの流れの少なくとも一部で燃焼させることができる。

この方法では、液体燃料と噴霧用ガスとの混合物は、混合チャンバーにおいて、７０〜３２００マイクロ秒の、１６０〜２４００マイクロ秒の、又は２５０〜１６００マイクロ秒の平均滞留時間を有する場合がある。

平均滞留時間は、混合チャンバーの全体積（前に定義したエマルションチャンバーの長さにわたる）を、エマルション混合物の体積流量で割ることによって計算される。このエマルション混合物の体積流量は、液体燃料と噴霧用ガスとの両方の体積流量を加えることによって計算される。噴霧用ガスは圧縮性なので、このガスの実際の体積流量は、圧力に関して補正することによって得られる。例えば、液体燃料の流量が７０リットル／時、噴霧用ガス流量が単位時間当たり１１標準立方メートル（Ｎｍ^３／時）、エマルションチャンバー内の圧力が２．４ｂａｒ、且つ混合チャンバー内の温度が３７３Ｋである場合、エマルション混合物の体積速度は、次の通りとなる。

７９０ｍｍ^３のエマルションチャンバー体積を有するノズルに関して、平均滞留時間は、下記のようになる：７９０ｍｍ^３×（１ｍ^３／０．００１８ｍ^３／時）×（１／１０^９ｍｍ^３）＝４４３マイクロ秒

この方法では、液体燃料と噴霧用ガスとの混合物を、スプレー先端部から速度ｖ_１で放出し、第一の酸化剤ガスを第一の酸化剤導管放出端部から速度ｖ_２で放出し、１≦ｖ_１／ｖ_２≦１００とすることができる。この範囲で運転させることは、正確な火炎の形状を維持する利益を与える。液体燃料の燃焼では、この火炎の形状は、燃料液滴を含むスプレー先端部から発する領域によって、主に決められる。燃焼の発生に関して、燃料液滴は、まず蒸発するが、これは、（燃焼前の）液滴の蒸発であり、蒸発する液滴の周りで拡散火炎として進行する燃焼プロセスにおいて、律速段階となる（Ｌｅｆｅｂｖｒｅ，“Ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｐｒａｙｓ，”ｐ．３０９，Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，１９８９）。液体燃料と噴霧用ガスとの混合物の速度ｖ_１を、第一の酸化剤ガス速度ｖ_２より高く保つことによって、液体燃料と噴霧用ガスとの混合物は、第一の酸化剤ガスを、液体燃料液滴を含む領域に、液体燃料液滴を含む領域の形状に重大な影響を与えずに引き込む傾向があるであろう。この方法では、火炎の形状は、酸化剤ガスの流れによって重大な影響を受けないが、代わりに液体燃料噴霧器の設計によって比較的大きく影響を受ける。言い換えると、火炎の外被（ｆｌａｍｅ ｅｎｖｅｌｏｐｅ）は、噴霧器のスプレーパターンと強い関係がある。

比ｖ_１／ｖ_２が１００を超えると、噴霧用ガス速度ｖ_１が非常に高くなるか、第一の酸化剤ガス速度ｖ_２が非常に低くなるかのどちらかである。液体燃料と噴霧用ガスとの混合物の速度ｖ_１が非常に高い場合、これは噴霧用ガスと液体燃料の高い供給圧力を必要とする不利点を有する。第一の酸化剤ガス速度ｖ_２が非常に低い場合、これは第一の酸化剤ガスがスプレー先端部に有益な冷却を与えるであろう範囲を縮小する影響があり、結果としてスプレー先端部３０及び外側導管１０の周りに第一の酸化剤ガスの不均一な分布をもたらす場合がある。この理由から、１００を超える比ｖ_１／ｖ_２は、望ましくない。

第一の酸化剤ガス速度ｖ_２が、液体燃料と噴霧用ガスとの混合物の速度ｖ_１より高い場合、液体燃料液滴を含む領域、すなわち火炎は、形状を変え始め、そして場合によっては振動するであろう。これは、液体燃料液滴の領域、すなわち火炎を、バーナーブロック５０の第一酸化剤ガス流路５４の内部表面に接触させて、結果としてバーナーブロック５０にダメージを与える可能性を増大させる。加えて、これは、尖頭（ｌａｎｃｅ）をバーナーブロックの内部に埋め込むことができる範囲を大きく制限するであろう。

混合物の速度ｖ_１は、液体燃料と噴霧用ガスとの体積流量を加え、そしてその結果をオリフィスの断面積で割ることにより計算される。上記のように、噴霧用ガスは圧縮性なので、そのガスに関する実際の体積流量は、圧力に関して補正することによって得られる。例えば、液体燃料流量が７０リットル／時、噴霧用ガス流量が１１Ｎｍ^３／時、混合チャンバー内の圧力が２．４ｂａｒ、混合チャンバー内の温度が３７３Ｋであり、且つオリフィスの断面積が３０ｍｍ^２である場合、混合物の速度は、次の通りとなる。

オリフィスの面積がその長さにわたって変化する場合、最も小さい面積が、混合物の速度の計算のために用いられる。

数値流体力学（ＣＦＤ：Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ）シミュレーションを実行して、液体燃料噴霧器の構造における複数の因子を変えることの影響を見定めた。次のＣＦＤの例の全てにおいて、図４に示すように噴霧化ノズルを第一の酸化剤ガス流路の中心に位置させた。バーナーの構造パラメーターを、表１に要約する。ブロックの深さは、第一の酸化剤ガス流路と第二の酸化剤ガス流路との両方で、酸化剤の完全に発達した流れを確保するのに十分な長さとした。

例１：運転条件の影響
例１において、表３に記載されたようなケース１及び２のノズルを用いて、運転条件を変えることによる混合チャンバーの最大温度への影響を見定めた。２つの運転条件を選択した。第一の運転条件では、バーナーへのオイルの流れを１０６リットル／時とし、且つ噴霧用流れを３．９４Ｎｍ^３／時とした。第一の酸化剤流路を通る酸化剤の割合は３０％とし、化学量論的燃焼に必要な酸化剤の残部を第二の酸化剤流路に流した。第二の運転条件では、バーナーへのオイルの流れを２６５リットル／時とし、且つ噴霧用流れを３．９４Ｎｍ^３／時とした。第一の酸化剤流路を通る酸化剤の割合は５０％とし、化学量論的燃焼に必要な酸化剤の残部を第二の酸化剤流路に流した。両方のケースで炉の温度は、１６４９℃とした。

ケース１に関して、これら２組の運転条件の下で、比較的低いオイル流量、及び第一の酸化剤ガス流路中の比較的低い酸化剤流量では、混合チャンバー内部の予測される最大温度は、５３２℃であった。比較的高いオイル流量、及び第一の酸化剤ガス流路中の比較的高い割合の酸化剤流量では、混合チャンバー内部の予測される最大温度は、３７７℃であった。

ケース２に関して、これら２組の運転条件の下で、比較的低いオイル流量、及び第一の酸化剤ガス流路中の比較的低い酸化剤流量では、混合チャンバー内部の予測される最大温度は、４３３℃であった。比較的高いオイル流量、及び第一の酸化剤ガス流路中の比較的高い割合の酸化剤流量では、混合チャンバー内部の予測される最大温度は、３０６℃であった。

混合チャンバーの最大温度を低下させることは、燃油（特に重油）中のアスファルテンがコークスを形成する傾向を減らし、これは同じくノズルアセンブリの洗浄が必要となる頻度を減らす。これは、単に、バーナーの運転条件を変更することによって（すなわち第一の酸化剤流路への酸化剤の割合をふやすことによって）、及び噴霧器の運転条件を変更することによって（すなわちオイルの流れ及び噴霧用ガスの流れをふやすことによって）、混合チャンバーの温度を許容できる水準に低下させることを確保するだけの問題にすぎないと言いたくなるが、バーナーへのオイル流量、ひいては酸化剤流量を決めるのは、典型的には、炉の運転条件であり、その逆ではない。加えて、最適な運転条件、特にガラスの溶融に関しての最適な運転条件は、典型的には、酸化剤分岐の可能な最大の度合い（すなわち、第二の酸化剤流路に向かう酸化剤の比較的大きな割合）の状態であり、これは方向的な放熱（ガラスに向けて下を向いた火炎からの比較的大きな熱、炉のクラウンに向けた火炎から向けられる比較的小さい熱）を増加させる利益、ガラスの品質を向上させる利益、及び例えば米国特許文献第７，３９０，１８９号に記載されているようなＮＯｘの放出を低下させる利益を有する。最終的に、幅広い運転条件をカバーすることができる噴霧器をバーナーに有するのが好ましい。これは、要求されるバーナーの運転条件（例えば、燃焼量又はオイル流量及び第一の酸化剤流路を通る酸化剤の割合）に合う機器を交換させることなく、炉の運転に非常に大きな柔軟性を与える。

これらの理由のために、所定の運転条件に関して、混合チャンバーの温度を可能な最大範囲まで低下させることが望ましい。そうして、表２に要約したように運転条件を適宜決定した。以下の例は、本発明の異なる構成が混合チャンバーの最大温度をどれだけ低下させるかについて示すことができる。

表３に要約したように、混合チャンバーの最大温度への次の要素の影響を調査した：
１．複数の外側フィンの、スプレー先端部の流入端部の内部表面への接触；
２．外側導管の肉厚の割合としての、溶接接合の厚み；
３．導管の肉厚の、外側導管の外径に対する比；及び
４．噴霧用ガス流路の形状（水力直径）。

例２：複数の外側フィンの、スプレー先端部の流入端部の内部表面への接触の影響

この比較において、表３のケース１とケース２との間で、スプレー先端部の流入端部との間に接触がない場合の混合チャンバー内部の予想最大温度は、３７７℃であったが、スプレー先端部の流入端部との間に接触がある場合では、その温度は、３０６℃であった。

とりわけコークスを生成するアスファルテン（残留燃油の重大な成分）の熱分解は、３５０℃〜８００℃の間で起こり（Ｓｐｅｉｇｈｔ，Ｊａｍｅｓ Ｇ．Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ａｎａｌｙｓｉｓ．（ｐ：２１６）．Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ ２００１）、コークスの形成の可能性を避けるために、混合チャンバーの温度（オイルと接触している噴霧化アセンブリの最も熱い部分）を３５０℃未満に維持することが必要である。それゆえ、複数の外側フィンをスプレー先端部の流入端部の内部表面に接触させることによって、混合チャンバーの最大温度は、アスファルテンがコークスを形成し始める温度である３５０℃より低くなることが理解できる。この問題は、いまや解決され、さらなる改良は必要ないと言いたくなるが、混合チャンバーの最大温度を低下させることによって、コークス形成の傾向を削減又は顕著に減少させる運転条件に、比較的大きなウィンドウをもたらすということに気付くことが重要である。

例３：外側導管の肉厚の割合としての溶接接合の厚みの影響

他の一つの調査を行って、チャンバーの温度をさらに低下させる他の可能性を調べた。表３のケース２とケース３との間のこの比較において、溶接接合の厚みが外側導管の肉厚の２０％である場合の、混合チャンバー内部の予想最大温度は、３０６℃であったが、溶接接合の厚みが外側導管の肉厚の１００％である場合では、その温度は、３１３℃であった。温度のこのわずかな増加は、思いがけない結果であり、さらなる解析は、この理由が、この系の伝熱の多くのモードの複雑な相互作用に起因することを明らかにしている。

炉から外部表面への放射の熱伝導によって、スプレー先端部に加えて、外側導管も、かなりの部分の熱を受ける。一般的に、熱は、次の複数の機構によって、外側導管から除去される：外側導管を取り囲む第一の酸化剤流路を通る、酸化剤の流れによる熱伝達；外側導管の長さに沿った熱伝導、及びその導管壁を通じた半径方向の伝導；外側導管の内部表面に流通している噴霧用ガスの流れによる熱伝達。外側導管の長さに沿った伝導が、チャンバーの温度を冷やすのを促進するかどうかは、どの方向に熱を伝えるかに依存するが、熱伝達は、常にチャンバーの温度を冷やすのを促進する。この例では、スプレー先端部は、液体燃料及び噴霧用ガスによって、エマルションチャンバーの内部表面で効果的に冷却され、そして最も熱いホットスポットは、ノズル先端ではなく外側導管（１０）の外部表面で発生する。複数の外側フィンとスプレー先端部の流入端部の内部表面との間の接触は、その先端部温度をさらに低下させる。

熱は、外側導管の最も熱い部分から、双方向に（スプレー先端部に、且つスプレー先端部から耐火ブロックの後ろにある炉の外側に位置されているバーナーの後ろに）伝わって除去されるであろうが、スプレー先端部への熱伝導の大きさは、スプレー先端部から熱を除去する伝導よりも大きくなる。これは、スプレー先端部への液体燃料の冷却効果、及びスプレー先端部と外側導管のホットスポットとの間の比較的短い距離の結果として、温度勾配が比較的大きいからである。

溶接の厚みが大きくなる場合にチャンバー温度の最大温度が上がる理由は、より厚い溶接は、より大きい量の熱を、外側導管の壁の軸に沿って導管壁のホットスポットからスプレー先端部に、且つ混合チャンバー内部に伝導させるからである。

混合チャンバーの最大温度のわずかな増加にもかかわらず、外側導管の最大温度は、５１１℃から４７９℃に低下したことに気付くことが重要である。

例４：導管の肉厚の、外側導管の外径に対する比の影響

表３のケース３とケース５との間のこの比較において、外側導管の肉厚の、外側導管の外径に対する比が０．１４７である場合には、混合チャンバー内部の予想される最大温度は３１３℃であったが、外側導管の肉厚の、外側導管の外径に対する比が０．１０８である場合には、その温度は３０６℃であった。上記の溶接厚みで比較した例から予想されるように、エマルションチャンバーの温度は、肉厚が薄い場合、わずかに冷却される。しかし、比較的小さい熱が、外側導管の長さに沿ってホットスポットからスプレー先端部へ伝導され、結果として４７９℃から４８７℃に外側導管の最大温度が増加する。

例５：噴霧用ガス流路の形状（水力直径）の影響

表３のケース３とケース４との間のこの比較において、行われた第一の変更は、外側導管と冷却用空気との間に大きな表面積を存在させるように、複数の外側フィンの長さを非常に短くしたことであった。第二の変更は、外側導管の内部表面と内側導管の外部表面との間の環状の空間の水力直径を、内側導管の外径を大きくすることによって（そして内側導管の内径を維持することで肉厚を増加させて）、ケース３からケース４で５０％超減少させたことであった。第三に、ケース４でのスロットのアスペクト比を、狭くて奥行きがあるスロットから比較的四角いスロットにすることで変更した。ケース３でのアスペクト比（高さ対幅）は、２．７４であり、ケース４では０．９７であった。噴霧用ガス流路の構造に対するこれら３つの変更は、噴霧用ガスと外側導管の内部表面との間の熱伝達にかなりの影響を与える。

第一に、外側導管のホットスポット領域（外側導管の最大温度の場所）の、内側導管上の外側フィンの上流領域において、環状の空間を、外側導管の内部表面と内側導管の外部表面との間に設けることは、外側導管の内部表面と噴霧用ガスとの間の伝熱のための有効表面積を増加させる。第二に、この領域の水力直径を減少させることは、外側導管の内部表面と噴霧用ガスとの間の熱伝達の向上を促進する。第三に、そのアスペクト比を変えることによってスロットの幅を拡げること（ひいてはフィンを縮小すること）は、複数の外側フィンとスプレー先端部の流入端部の内部表面との間の接触面積に顕著な影響を与えることなく、噴霧用ガスと外側導管の内部表面との間の伝熱のための有効表面積を増加させる。外側フィンが、噴霧用ガスと外側導管の内部表面との間に熱伝達に対する障壁を作ることは注目に値する。これは、外側フィンの表面と外側導管の内部表面との間の許容ギャップには、流れが本質的に存在しないからである。加えて、このフィンは、外側導管から除熱する半径方向（中心に向かう半径方向）への伝導では、重要な役割は果たさない。これは、外側フィンの外部表面と外側導管の内部表面との間に、緊密な接触が存在しないからである。これは、上記の外側フィンの外部表面とスプレー先端部の内部表面との間の緊密且つ有益な接触とは対照的である。それゆえ、０．１≦（Ｎ×Ｓ）／Ｐ≦０．９（ここで、Ｎは複数の外側フィンの外側フィンの枚数、Ｓは複数の外側フィンの外側フィンの平均の円弧長、且つＰは複数の外側フィンに隣接した外側導管断面での外側導管の内側の周囲長さ）を与えることが望ましい。加えて、ケース４に関して、内側導管の壁が厚ければ厚いほど、混合チャンバーから内側導管の長さに沿って、より大きな伝導を可能とし、それによって混合チャンバーの温度が低下する。

これら３つの改良は、外側導管の最大温度を４７９℃（ケース３）から３７２℃（ケース４）へと顕著に低下させることに役立つ。同様に、これは、外側導管の壁に沿った混合チャンバーへの熱伝導を、小さくすることをもたらす。混合チャンバー内部の予想される最大温度は、３１３℃（ケース３）から２８８℃へ（ケース４）と低下した。

この構造の利益は、混合チャンバーがコークスを形成するであろう温度をはるかに下回ること、及び外側導管の最大温度が、４３０〜９００℃の温度範囲を下回ることである。ここで、この温度範囲は、粒界での炭化物の析出（ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ）（特に炭化クロム）に起因する水腐食が、非常に一般的な合金、例えばＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１０で懸念事項となる温度範囲である（Ｒｏｂｅｒｇｅ，ＰＲ．，Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ ２０００．Ｐａｇｅ ７１２）。

例６

本発明の液体燃料噴霧器と、特許文献５に記載されたような商用の液体燃料噴霧器（以後、「’８４９噴霧器」とする）との間で比較を行った。溶接の厚みは、’８４９噴霧器と本発明の噴霧器とで、それぞれ１．２７ｍｍと３．９１ｍｍであった。外側導管の断面積は、’８４９噴霧器と本発明の噴霧器とで、それぞれ１１７ｍｍ^２と８９ｍｍ^２であった。外側導管の肉厚は、’８４９噴霧器と本発明の噴霧器とで、それぞれ２．８７ｍｍ（０．１１３インチ）と３．９１ｍｍ（０．１５４インチ）であった。

本発明の噴霧器は、８つの外側フィンを内側導管の外部表面上に備えていた。

熱電対を用いて、混合チャンバーの内部表面の表面温度を測定した。空気を、５．２ Ｎｍ^３／時（３．３ｓｃｆｍ）の流量で噴霧用ガス流路に通した。液体燃料は、噴霧器に通さなかった。炉を、約１１５０℃（２１００°Ｆ）に加熱した。これら異なる噴霧器を、噴霧器の先端が炉に突き出すように、同じ奥行きで炉の内部に挿入した。混合チャンバー内側の表面の温度を測定した。’８４９噴霧器の混合チャンバーの内部表面温度は、炉の平均温度が１１８４℃の状態で、約３５０℃であった。本発明の噴霧器の混合チャンバーの内部表面温度は、炉の平均温度が１１９７℃の状態で、約２３６℃であった。

混合チャンバー内の比較的低い温度は、スプレー先端部での液体燃料のコークス化を減らす可能性を示している。混合チャンバーの内側表面温度は、本発明の噴霧器が、’８４９噴霧器と比較して、より低かったので、スプレー先端部における燃料のコークス化は、減少するはずである。

本発明は、特定の実施態様に参照して述べられているが、本発明はこれらの実施態様に限定されるべきではなく、特許請求の範囲内に含まれる変更品及び均等の構成を包含する。

Claims (22)

1. 噴霧用ガス流入端部及び噴霧用ガス放出端部を有する、略シリンダー形状の外側導管；
   液体燃料流入端部及び液体燃料放出端部を有する略シリンダー形状の内側導管であって、前記外側導管の内側に配置され、且つ前記外側導管との間に、前記噴霧用ガス流入端部から前記噴霧用ガス放出端部に伸びる噴霧用ガス流路を形成する、内側導管；並びに
   流入端部及び放出端部を有し、前記流入端部が、前記外側導管の前記噴霧用ガス放出端部に連結しているスプレー先端部であって、次を具備するスプレー先端部：
   前記液体燃料を、前記内側導管の前記液体燃料放出端部から受けるように配置されており、且つ噴霧用ガスを、前記噴霧用ガス流路から受けるように配置されている、混合チャンバー、及び
   前記液体燃料と前記噴霧用ガスとを、前記混合チャンバーから受けるように配置されている、前記スプレー先端部の前記放出端部にあるオリフィスであって、前記液体燃料と前記噴霧用ガスとを、噴霧化液体燃料として前記スプレー先端部から放出するためのオリフィス
   を具備する、液体燃料の燃焼装置であって、
   前記内側導管が、前記内側導管の前記液体燃料放出端部で複数の外側フィンを有し、前記複数の外側フィンの少なくともいくつかは、前記スプレー先端部の前記流入端部の内側表面と接触している、液体燃料の燃焼装置。
2. 前記オリフィスが、細長いスロットのオリフィスである、請求項１に記載の装置。
3. 前記複数の外側フィンが、前記液体燃料放出端部の方向に向かって収束する収束外側テーパーを有し、且つ前記スプレー先端部が、前記放出端部の方向に向かって収束する収束内側テーパーを前記流入端部に有し、前記内側テーパーが、前記複数の外側フィンの前記外側テーパーと略相補的である、請求項１に記載の装置。
4. 前記複数の外側フィンが、長手方向フィンである、請求項１に記載の装置。
5. 前記複数の外側フィンの長さの、前記外側導管の外径に対する比が、０．１〜３．０である、請求項４に記載の装置。
6. 前記複数の外側フィンが、スパイラルフィンである、請求項１に記載の装置。
7. 前記複数の外側フィンが、３〜２０枚ある、請求項１に記載の装置。
8. 前記外側導管が、０．１〜０．２の、導管肉厚の導管外径に対する比を有する、請求項１に記載の装置。
9. 前記噴霧用ガス流路の水力直径の、前記外側導管の外径に対する比が、０．０５〜０．２５である、請求項１に記載の装置。
10. 前記複数の外側フィンを有する内側導管の断面で、内側導管肉厚の、内側導管外径に対する比が、０．２〜０．７である、請求項１に記載の装置。
11. ０．１≦（Ｎ×Ｓ）／Ｐ≦０．９であり、ここで、Ｎは前記複数の外側フィンの前記外側フィンの枚数、Ｓは前記複数の外側フィンの前記外側フィンの平均の円弧長、且つＰは前記複数の外側フィンに隣接した外側導管断面での外側導管の内側の周囲長さである、請求項１に記載の装置。
12. 前記スプレー先端部の前記流入端部が、溶接接合によって、前記外側導管の前記噴霧用ガス放出端部に接合されている、請求項１に記載の装置。
13. 前記溶接接合が、前記外側導管の前記肉厚の２５％〜１００％超の厚みを有する、請求項１２に記載の装置。
14. 前記混合チャンバーが、前記オリフィスの方向に向かって収束する、前記オリフィスに隣接した収束内側テーパーを有する、請求項１に記載の装置。
15. 第一の酸化剤ガス流路流入端部と第一の酸化剤ガスの流れを放出するための第一の酸化剤ガス流路放出端部とを有する第一の酸化剤ガス流路を画定する、第一の酸化剤ガス導管部を具備し、
    前記外側導管は、前記第一の酸化剤ガス導管に対して間隔をあけて配置され、前記外側導管の少なくとも一部は前記酸化剤ガス流路の内側に配置されている、
    請求項１に記載の装置。
16. 前記第一の酸化剤ガス流路に近接した第二の酸化剤ガス流路を画定する第二の酸化剤ガス導管部を具備し、前記第二の酸化剤ガス流路が、第二の酸化剤ガスの流れを放出するためのものである、請求項１５に記載の装置。
17. 前記第一の酸化剤ガス流路及び前記第二の酸化剤ガス流路と流通している酸化剤流入マニホールド；及び
    前記酸化剤流入マニホールドの下流に流通しており、且つ前記第二の酸化剤ガス流路の上流に流通しているステージバルブであって、前記第二の酸化剤ガス流路に向かう前記第二の酸化剤ガスの流れを調整するための、ステージバルブ
    をさらに具備する、請求項１６に記載の装置。
18. 前記第一の酸化剤ガス流路の上流に流通している酸化剤流入プレナムであって、その少なくとも一部が、前記外側導管の少なくとも一部のまわりに間隔を有する、酸化剤流入プレナム；及び
    前記酸化剤流入プレナムの上流に位置する、酸化剤拡散器
    をさらに具備する、請求項１５に記載の装置。
19. 次のステップを含む、液体燃料の燃焼方法：
    請求項１５に記載の装置を与えるステップ；
    第一の酸化剤ガスを、前記第一の酸化剤ガス導管流路に通し、それにより前記第一の酸化剤ガスの流れを、前記第一の酸化剤ガス導管の放出端部から放出させるステップ；
    前記液体燃料を、前記内側導管に通して前記混合チャンバーへと入れ、且つ前記噴霧用ガスを、前記噴霧用ガス流路に通して前記混合チャンバーへと入れ、それによって前記液体燃料と前記噴霧用ガスとの混合物を形成させるステップ；
    前記液体燃料と前記噴霧用ガスとの前記混合物を、前記オリフィスに通し、それにより前記液体燃料と前記噴霧用ガスとの前記混合物を、前記混合チャンバーから前記第一の酸化剤ガスの流れへと、噴霧化液体燃料として放出させるステップ；及び
    前記液体燃料の少なくとも一部を、前記第一の酸化剤ガスの流れの少なくとも一部で燃焼させ、それによって火炎を形成するステップ。
20. 前記装置が、前記第一の酸化剤ガス流路と近接し、且つその下側に位置する第二の酸化剤ガス流路であって、第二の酸化剤ガスの流れを放出するためにある、第二の酸化剤ガス流路を画定する、第二の酸化剤ガス導管部をさらに具備する、請求項１９に記載の方法であって、さらに次のステップを含む方法：
    前記第二の酸化剤ガスの流れを前記第二の酸化剤ガス流路に通し、それによって前記第二の酸化剤ガスの流れを前記火炎の下側に放出させるステップ；及び
    前記液体燃料の他の一部を前記第二の酸化剤ガスの流れの少なくとも一部で燃焼させるステップ。
21. 前記液体燃料と前記噴霧用ガスとの前記混合物の、前記混合チャンバー中での平均滞留時間を２５０〜１６００マイクロ秒とする、請求項１９に記載の方法。
22. 前記液体燃料と前記噴霧用ガスとの前記混合物を、前記スプレー先端部から速度ｖ_１で放出させ、前記第一の酸化剤ガスを、前記第一の酸化剤導管の放出端部から速度ｖ_２で放出させ、且つ１≦ｖ_１／ｖ_２≦１００となるようにする、請求項１９に記載の方法。

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