JPS6046323B2 - 炭化水素の燃焼方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 炭化水素燃料及び廃ガスの燃焼を向上させるために添加
剤として色々な量と形態の水を使用する方法はふるくか
ら行われている。

かような方法は色々な目的、例えば精油所の廃ガス火災
から眼ざわりな煙を出さないようにすることや、家庭用
オイルバーナ装置をより経済的に使用するために提案さ
れて来た。

これらの工程には液体または蒸気として、また極めて広
範囲に亘る比率で水を燃焼物に添加することが含まれて
いた。かかる方法を例示する米国特許の中には極めて高
いレベルの水（米国特許第２１０４３１１号）と極めて
低いレベルの水（米国特許第３８６２８１９号）を利用
するものがある。

ある特許は水と油を混合するものを開示し（米国特許第
３７０６９４２号）またある特許は蒸気触媒の形式で水
を使用する方法、すなわち水を蒸気として噴射する方法
を開示している。従来提案された方法は恐らくほとんど
利用価値がない。というのはそれらの方法が水を過少ま
たは過大に使用しているからである。平衡状態で運転さ
れる場合、従来説明された多くの方法によつて、いくつ
かの燃焼特性の実質的な利点が発揮されることは確かに
考えられることである。然し乍ら、実質的な問題はかか
る方法を営業的に使用する場合に発生する。実現すべき
高燃焼効率は、少量の二次空気を使用することにより達
成される。このことは、与えられた体積の煙道ガス中に
より多量の燃焼水があつて、露点が不都合に高くなるこ
とを意味する。同時に炉内の効率的な高温工程の結果適
切に設計された炉に極めて効率的な熱伝達が行われる。
これは更に廃熱の量を減らし、また煙道ガスの温度がそ
の露点以下に低下する可能性を大きくしている。露点が
ほぼ最低実用レベルに維持されている場合であつても、
通風状態の臨時変動が加熱装置の熱伝達および煙道ガス
処理部分に重大な凝縮の問題を起す。

水を触媒とする燃焼工程を安定な状態で操作できるよう
な信頼できる安定した手段が必要である。炎の安定性、
再点火および炉内の通風または加熱負荷の通常変化にも
関係する問題は、極力小さくしなければならない。これ
らの問題はすべて、実質的な燃焼効率を一切犠牲にせず
に理想的に解決される。すなわち、それはＨ２Ｏを促進
剤とする燃焼で解決される。この発明の主目的は、炎の
安定性が大きく、かつ極めて効率が高い、１１．０を促
進剤とする炭化水素液の燃焼方法を提供することにある
。

この発明のもう一つの目的は、大工業の加熱装置や発電
所においては勿論のこと、小住宅の装置にも利用される
ような方法を提供することにある。

この発明の別の目的は、補足燃焼触媒の利用を必要とし
ない上記方法を提供することにある。

この発明のもう一つの目的は、燃焼工程を更に安定化し
かつ更に効率的にする手段を提供することにある。この
発明の別の目的は、水と燃料油の混合物を、分散流体、
特に空気または水蒸気の如きガス状分散流体で乳化して
燃焼すべき燃料集団とするのを助けることにある。

この発明の他の目的は本文の開示を読めば明白となろう
。上記の目的は次の工程の開発により実質的に達成され
る。

すなわち、（１）燃焼すべき液体炭化水素燃料を、該燃
料がノズル（すなわちバーナーヘッド）を通して炉内に
排出される際に、急速に膨張するような流体で乳化する
。

通常燃料の重量に対して５乃至１５重量パーセントの水
が膨張流体及び燃焼すべき燃料と共に活溌に攪拌される
。これらは膨張流体による燃料の乳化を促進するものと
考えられる。（２）典型的な量としては５乃至２唾量パ
ーセントのＨ２Ｏが、蒸気の雰囲気に含まれ、その中で
前記乳化炭化水素が膨張し燃焼する。

この蒸気を含む雰囲気は、バーナーヘッドのまわりもし
くはバーナーヘッドを通して提供され、あるいはまた、
バーナーヘッドに近い源（ＳＯｕｒｃｅ）からの空気を
バーナーヘッドを通して噴射された分散流体中に含まれ
ているＨ２Ｏと混合することにより提供される。このＨ
２Ｏは乳化段階に使用された水蒸気と水の両方を含むこ
とができる。バーナーヘッドにおける炭化水素蒸気の霧
化による異常な分散と蒸発水とのこの組合せによつて、
極めて効率的で安定した炎が提供される。然し、特に重
要なことは、過剰な酸素がほとんどない場合にもこの炎
を与えることができるという能力である。

従つて、ＳＯ３の過剰生成を実質的に避けることができ
ると考えられる。また当業者がこの開示を読めば判明す
るように、かかる高効率の燃焼は、加熱される窒素の量
を最小にし、主として輻射による高効率の熱交換を可能
にし、著しくスタック温度を低め、最も重要なことには
、選択された煙道ガス温度の安定性を向上させ、その依
存比を更に大きくする方法を提供する。この発明方法の
特に重要な点は、酸化窒素の形成を最小にする能力にあ
る。これは明らかに、油と水のエマルジョンにより、水
が燃焼点、すなわち燃焼が行われる際の炎の形成段階に
直接に存在することができるという理由に基いている。
本発明のこの態様は、燃焼される燃料の重量に対して、
水が重量範囲で約１２乃至２５／ぐーセント内にある場
合に最良に達成されると考えられる。更に、酸化窒素は
広い温度範囲に亘つて低下するが、より低い温度、すな
わち約１４２ｒｃ〜１７６０℃の温度が酸化窒素を最も
よく抑制する温度であると考えられる。この方法がかよ
うな素晴らしい効率と安定性を実現する理由はまだ詳し
く判明していない。

考えられることは、ガス状物質、例えば空気または水蒸
気は、活溌なガス／水／炭化水素の接触段階を使用する
際更に効率よく乳化されるということ、及びその結果、
極めてよく混合された送り燃料ができ、それがバーナー
ヘッドから出る時に、適度な速度をもつた適度な大きさ
の水滴に分散して、炉に送られる燃料集団の燃焼速度が
、異常なほど迅速且つ効率よく達成されるということで
ある。この迅速燃焼が起る区域に水蒸気があることは燃
焼速度に安定化の゜“ブレーキをかけそれにより極めて
効率的で実用的な■程を提供すると信じられている。バ
ーナーヘッドにおける霧化流体として、調節タンクから
の過剰ガスを利用する方法が通常便利である。通常、か
ような過剤ガスは、空気または水蒸気等にせよ、調節タ
ンク内で幾分かの燃料を拾上げていることになる。この
工程を最も効率的に使用してつくられる炎は明るい縁色
であることが観察されており、この色彩はこの発明によ
り操作される更に効率的な方法の性質を特徴づけるよう
に見える。

然し緑色炎が認められる温度より下の温度でまた利点が
得られることを理解する必要がある。重い方の液体炭化
水素燃料を予熱することが望ましい。

一般に、２番油やそのような他の粘度の低い油を極めて
高い温度条件下で予熱する必要はない。この予熱は、分
散流体として使用される水蒸気のような加熱流体の混合
か、または既知の他の任意の加熱手段によつて行うこと
ができる。ある情況では、ある炭化水素燃料が水蒸気を
含む空気内でバーナーヘッドの周囲の区域に運ばれるよ
うな様式でこの発明方法を利用することも有利となる。
通常、かかる燃料の量は空気か自体で燃焼を支持できる
ようにする量よりは少くする。けれども炭化水素の量を
少くすれば燃焼の質と安定性を向上するように見える。
この明細書と添付図面にはこの発明の好適実施例が図示
説明され、その各種の代替例や変形が提案されているが
、それでつきるものでなく、他の変更や変形もこの発明
の範囲内で行えることが理解されるべきである。本文中
の上記提案は、この発明とその原理が公知の通り更によ
く理解され、・特別な場合の状態に最もよく適合する各
種の形式で発明を変形し実施することができるように例
示のために選択され記載されているものである。第１お
よび第２図に示す如く、この発明の装置と方法は、通常
約２００ガ狛ンの液体油３２を収容・し得る油タンク３
１をもち、空気孔３３と充填管３４を備えた典型的な家
庭暖房装置３０に組み込まれている。燃料管３５は通常
、動力燃料ポンプ３７、燃焼筒３８とバーナーロ金３９
をもつ従来のオイルバーナー３６まで延びている。口金
３９ノはほぼ円錐形態の炎４２の霧化燃料４１を、サー
モスタットに誘起されて熱風、熱水、水蒸気その他の型
の暖房装置４４の燃焼室４３に公知の方法で放出する。
この発明においては、加圧タンク４５は弁４６及び４７
により液体燃料管３５内に介在しているので、従来の暖
房が望ましい場合はその間の部分４８が使用されるが、
この発明の補足熱が必要とされるときにはバイパスされ
る。管部分４８は第２図では点線で示されている。圧力
計４９はタンク４５内の圧力を指示し、この圧力は比較
的低く約０．３６ｋ９／ｃ！ｌである。タンク４５は適
当なねじクランプ５３により底部すなわち基部５４に締
付けられる周辺フランジ５２のまわりを密封する頂蓋５
１を備えている。タンク４５は、液体燃料入口５５と出
口５７とを備え、入口５５は導管５６により弁４６に連
結され、タンク３１からの油を受入れ、出口５７は、導
管５８により弁４７に連結されタンク４５からバーナー
３６に油を配給している。

タンク４５はまた、タンクの下部６１に水入口５９を、
タンクの上部すなわち蒸気室６３に蒸気または煙霧出口
６２を備えている。空気または蒸気入口６４は、動力空
気ポンプ６５に連結され、加圧空気をタンク４５内に送
りその中で所望の蒸気圧と乱流を形成する。この空気は
油内で乳化され、油内で分散流体として作用する。家庭
本管６８のような加圧水源に連結された水道管６７を備
えた水供給手段６６が設けられ、水道管６７は通常は閉
じたソレノイド弁６９をもち、弁６９は、そのコイルと
１１０ボルト電流源を含む回路中の一対の電極７１と７
２のような適当なレベル検知手段から信号が受信される
場合に開かれて、タンク４５の下部６１に水を導入する
。

フロート弁、光電池その他の任意の適当な手段が使用さ
れ、タンク４５内の水の所定レベルを維持し、タンク内
に所定の厚さの水層を形成する。その方法はすべて公知
のものである。この発明の液体燃料供給手段７５は、油
タンク３１、燃料管３５及び３６、弁４６及び４７、液
体入口５５、タンク４５、液体出口５７、燃料管５８、
液体燃料ポンプ３７及びバーナーロ金３９を備えている
。

自動液体燃料レベル制御手段７６は、タンク４５の中間
部分８１における油層７９上に乗るフロート７８により
開閉される弁７７の形式て設けられ、油層７９はタンク
４５の下部６１の水層８２上に浮んでいる。

蒸気化燃料形成手段８３は、バイパスすなわち再循環液
体燃料管８４を備えている。

この管８４は燃料ポンプ３７の後部且つバーナーロ金３
９の前方で燃料管５８の継手８５を通じ、ポンプで加圧
した液体油を、予熱コイルすなわちジャケット８９に通
し、それらから好ましくは水層６２の所定レベルの下方
のタンク４５の下部６１で多孔発泡管の形式の出口８７
に導く。加熱コイル８６はバーナー３６の燃焼筒３８を
その端部８８を越して延び、幾つかの渦巻は燃焼室４３
内の截頭円錐炎４２の通路内にあるようにするのがよい
。従つて、オイルバーナー３６の温度その他の制御装置
がこの回路を閉じてポンプ３７を附勢する度毎に、加圧
液体燃料はバーナーロ金３９に配給され霧化され、点火
され燃焼される。同時に、一部の加圧液体燃料はコイル
８６内で加熱され出口８７に送られ、加熱油泡８９をつ
くり、その油泡８９は水層８２及び液体油層７９を通つ
て上昇し、加圧タンク４５の上部すなわち蒸気室６３内
で濃厚な蒸気または煙霧９１を形成する。この発明の濃
厚蒸気供給手段９２は、タンク４５の蒸気出口６２と蒸
気バーナーロ金９４に通する蒸気導管９３とを備え、蒸
気バーナーロ金９４は燃焼室４３内で、バーナーロ金３
９の直前且つそのレベルの下方の炎４２の通路に配置さ
れている。

従つて、蒸気９１は炎４２により点火さて、バーナーロ
金がつくつた熱を補足し第１図に概略的に示されている
炎図形９５を形成する。約０．３６ｋｇ／ｄの蒸気圧力
は動力空気ポンプ６５によりタンク４５の上部につくら
れ、ポンプ６５は燃料ポンプ３７をもつ回路内にあり燃
料ポンプが熱制御装置によつて附勢される各期間毎に附
勢されるようになつている。

図示の如く、空気ポンプ６５を流入導管９６を通し燃料
タンク３１の上部から煙霧を吸込むかまたは、新鮮な周
囲の空気を大気から二方弁９８により吸込むことができ
る。然し点線で示す如く、タンク空気孔３３を密封しポ
ンプ６５が新鮮な空気を入口１０１から吸込みその空気
を多孔発泡管１０２に送り、それにより上部９７に加圧
された濃厚煙霧１０３をつくり、その加圧煙霧１０３が
管９６を通してタンク４５の上部に導かれ、そこから蒸
気バーナーロ金９４に導かれるのが好ましい。第３，第
４および第５図に示す如く、蒸気バーナーロ金９４は、
少なくとも一つ、好ましくは第４図に示されているよう
に三つのオリフィス１０５を備えた、ねじニップル１０
４の形式をとるのがよい。

口金９４の好適な位置は第３図に示されている。次の実
施例は発電所用の蒸気を発生するため大事業が使用する
補助内で実施されている。

普通“ボイラー゛と呼ばれている炉は１６５０ｒＴ１の
加熱面を有し、１７．５ｋ９／ｄで約１８１６０ｋｇ乃
至３７３２０ｋｇの飽和水蒸気をつくるように設計され
ている。それは炉部分で２４０本の管（直径５．０８ｃ
ｍ，壁圧０．３８ｃ！ｎ）を装備し、対流部分で４４８
本の同様な大きさの管を装備している。第６図に概略的
に示されるように、この炉は、着火ヘッド２０４と燃料
調節装置２００を装備している。

燃料は２番油で毎時３００ガロンの速度で供給される。

水蒸気は７ｋ９／ｃ！ｔで、既に知られている普通の水
蒸気霧化操作に適合する速度で供給される。空気は燃料
の１００パーセント理論燃焼を達成するのに要する量よ
り約１パーセント大きい量でバーナーヘッドの周辺を旋
回しつつバーナーに添加される。次の実施例は毎時約１
８１６０ｋ９の水蒸気をつくるために操作される炉を例
示するものである。

第６図についていえば、燃料の導管２０２を通して調節
装置２００の調節区域２０９に管で送られるが、その場
合燃料は導管２２６を通して着火ヘッドすなわちノズル
２０４に送られる前に予熱される（また後述する如く他
の方法で調節され．る）。水蒸気は導管２０６を通過し
調節装置２００の外側調節区域２０３に入るが、そこで
幾らかの水及び油と混合される。

かように“調節゛されすなわち濃厚にされた蒸気は次に
ノズル２０４及びノズル導管２１０に送られ、インテグ
レータ部分２１２内で燃料と結合し混合される。そこか
らその混合物はノズル導管２１４を通過し、燃焼室２１
８内て霧化分散する。油が給油管２２０を介して調節装
置２００の外側調節区域２０３に供給されそこで水蒸気
と混合されることが認められる。

水は同様に給水管２２２を通して供給される。この水蒸
気、水、油の混合作用は微細で極めてよく分散した量の
油をその水蒸気に加え、それが分散流体として作用する
ことになる。このように添加された油量は少量で炉内に
送られた炭化水素燃料の全量の１パーセート以下が普通
であり、かくして得られた分散流体をそれ自体で燃焼さ
せることはないが、然しこの方法の燃焼安定性と効率を
助長すると考えられる。水は燃料油の約５乃至８重量パ
ーセントの割合で添加される。この水量は燃料導管を通
してバーナーヘッドに送られる油、水蒸気および水の乳
化フを助長するのに適当な量である。幾分かの炭化水素
を含む過剰な水蒸気は水蒸気導管を通して送られ霧イリ
ガスとして使用される。この水の約６０乃至８０％は導
管２２２Ａを介して内容器２０９中に油に添加される。
残りは導管２２２を介して水蒸気・−ジャケット区域２
０３に添加される。同様に水蒸気は導管２２０Ａを通し
て内容器が２０９内の油と水に添加され水蒸気により乳
化された所望の油混合物の形成を助け、この油混合物は
、導管２２６を通してバーナーヘッド２０４に送られる
。水蒸気により乳化された炭化水素が圧力の高い方の区
域からバーナーヘッドに送られそれから炉区域すなわち
燃焼室２１８に送られる場合、この流体は急速に膨張し
供給含油燃料を分散させる。Ｈ２Ｏを含む分散ガスを使
用すると極めて燃焼し易い雰囲気がつくられる。この雰
囲気内に乳化炭化水素が瞬間的に分散し燃焼される。上
記実施例に示す如く、Ｈ２Ｏを含む分散ガス内に予め存
在する比較的少量の油は著しく燃焼特性を向上するよう
に見える。

この燃焼の結果、約１６４９℃の温度が達成される。

この燃焼の効率は約９０／ぐーセントである。約１７６
０′Ｃの温度と１００パーセントに近い燃焼効率は、酸
素を更に減らすことにより多数の設備で達成することが
できる。上記の説明は例示のためにのみ行われているこ
とが理解されるべきである。

高温でこの方法を継続操作することは、特別なボイラー
または炉がこの工程固有の温度に耐える能力をもつよう
に慎重に設計されていない場合には行なつてはならない
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の燃料調節装置の概略図であり、第２
図は住宅型オイルバーナー装置とこれに連結されたこの
発明の装置の側面図で、明示のため諸部品は剥脱された
り半分断面図で示されたりしている。 第３図はこの発明の着火装置の拡大部分側面図であり、
第４図は平面図であり、第５図は第３図に示す蒸気バー
ナーロ金の半断面側面図であり、第６図はこの発明の工
程内で乳化流体として水蒸気を使用することを示す概略
図であり、第７図は第６図のノズルが燃焼室に対面した
時の表面を示す図面である。３０・・・・・・家庭暖房
装置、３１・・・・・・油タンク、３２・・・・・・液
体油、３３・・・・・・空気孔、３４・・・・・・充填
管、３５・・・・・・燃料管、３６・・・・・・オイル
バーナー、３７・・・・・・動力燃料ポンプ、３８・・
・・・・砲身、３９・・・・・バーナーロ金、４１・・
・・・・霧化燃料、４２・・・・・・円錐形炎、４３・
・・・・・燃焼室、４４・・・・・・加熱装置、４５・
・・・・・加圧タンク、４６，４７・・・・・・弁、４
８・・管部分、４９・・・・・・圧力計、５１・・・・
・・頂蓋、５２・・・・・・一周辺フランジ、５３・・
・・・・クランプ、５４・・・・基部、５５・・・・・
液体燃料入口、５６・・・・・・導管、５７・・・・・
・液体燃料出口、５８・・・・・・導管、５９・・・・
・・水入口、６１・・・・・タンク下部、６２・・・・
・・蒸気出口、６３・・・・・・蒸気室、６４・・・・
・・空気入口、６５・・・・・・動力空気ポンプ、６７
・・ ・・・水管、６８・・・・・・家庭本管、６９・
・・・・ソレノイド弁、７１，７２・・・・・・電極、
７５・・・・・液体燃料源手段、７６・・・・自働液体
燃料制御手段、７７・・・・・・弁、７８・・・・・・
フロート、７９・・・・・・油層、８１・・・・・・タ
ンクの中間層、８２・・・・・水層、８３・・・・・蒸
気化燃料成形手段、８４・・液体燃料管、８５・・・・
・・継手、８６・・・・・・ジャケット、８７・・・・
・・出口、８９・・・・・・加熱泡、９１・・・・・・
油分の多い蒸気、９２・・・・・・油分の多い蒸気供給
手゛段、９３・・・・・・蒸気導管、９４・・・・・・
蒸気バーナー口金、９５・・・・・・炎図形、９６・・
・・・・流入導管、９７・・・・・・タンク上部、９８
・・・・・・二方弁、１０１・・・・・・入口、１０２
・・・・・・多孔発泡管、１０３・・・・・・油分の多
い煙霧、１０４・・・・・・ねじニップル、１０５・・
・オリフイス、２００・・・・・・燃料調節装置、２０
２・・・・・・導管、２０３・・・・・・外側調節装置
、２０４・・・・・・着火ヘッド、２０９・・・・・・
調節区域、２１０・・・・・・ノズル導管、２１２・・
・・・・インテグレーター部分、２１４・・・・・・ノ
ズル導管、２１８・・・・・・燃焼室、２２０・・・・
・・給ノ油管、２２２・・・・・・給水管、２２６・・
・・・・導管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼室内で１４２７℃〜１７６０℃で液体炭化水素
   を燃焼する方法において、（ｉ）前記炭化水素を水とガ
   ス状分散流体で乳化して燃料エマルジョンを形成し、次
   いで（ｉｉ）前記エマルジョンを高圧下でバーナーヘッ
   ドに送り、低圧の炉内に入れ、前記分散流体が前記燃料
   エマルジョンを膨張させ、分散させるようにすることを
   特徴とする前記液体炭化水素の燃焼方法。 ２ 前記燃料エマルジョンが、水−蒸気−随伴雰囲気中
   に分散され、そこで前記エマルジョンが分散され且つ前
   記液体炭化水素が燃焼せしめられる特許請求の範囲第１
   項記載の方法。 ３ 前記分散流体が空気である特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 ４ 前記水−蒸気−随伴雰囲気が３乃至１３パーセント
   の水蒸気を含んでいる特許請求の範囲第２項記載の方法
   。 ５ 前記分散流体が水蒸気である特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ６ 前記乳化が、幾分かの水蒸気、水および小部分の前
   記燃料と調節区域で密接に接触し、前記調節区域からの
   流入物を燃料と混合し、かくして得られた混合物を前記
   バーナーヘッドに供給する工程を含んでいる特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 ７ 液体燃料タンクと、燃焼室を備えた加熱装置と、液
   体燃料ポンプと燃焼室内に霧化燃料バーナー口金とを備
   えた燃料バーナーとを有し、前記ポンプが燃料を前記タ
   ンクから前記口金に送るようになつている燃焼装置にお
   いて；液体燃料入口、液体燃料出口、水入口、及び上部
   にある蒸気出口を備えた加圧タンクと、前記水入口を水
   源に連結し前記タンクの下部を水で充填する給水手段と
   、前記水を前記加圧タンク内で所定レベルに維持する自
   動水レベル制御手段と、前記液体燃料入口を前記燃料タ
   ンクに連結し且つ前記液体燃料出口を前記ポンプ及び口
   金に連結して、前記加圧タンクの中間部分を前記水の上
   に浮び液体燃料で充填する液体燃料供給手段と、前記液
   体燃料を所定レベルに維持する自動液体燃料レベル制御
   手段と、前記ポンプの後方且つ前記口金の前方にあつて
   前記液体燃料供給手段に通ずる液体燃料管を備えた蒸気
   化燃料形成手段と、ただし、前記管は、前記燃焼室内で
   その中の炎通路内にコイルを備え、且つ、前記タンク内
   の前記水の水位の下にあつて前記水と前記油を通つて上
   昇する液体燃料泡をつくり、濃厚な蒸気を前記タンクの
   上部に形成する多孔発泡管とを備えている、及び、前記
   燃焼室内の蒸気口金と、該口金を前記加圧タンクの蒸気
   出口と連結する蒸気導管と、前記加圧タンク内の所定圧
   力を維持する空気圧力供給手段とを備えた濃厚蒸気供給
   手段、とを備えた前記燃焼装置。