專利名稱：燃燒裝置以及燃燒方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃燒裝置以及燃燒方法，特別是涉及使燃燒用空氣和燃料流入燃燒室內(nèi)、將燃燒用空氣和燃料混合來進(jìn)行燃燒的燃燒裝置以及燃燒方法。
背景技術(shù)：
對于從燃燒裝置排出的大氣污染物質(zhì)、特別是氮氧化物(NOx)的限制越來越強(qiáng)化，謀求降低了NOx的排出。
按照其生成機(jī)理，氮氧化物(NOx)大體區(qū)分為熱式NOx、瞬發(fā)式NOx以及燃燒式NOx這3種。熱式NOx由于是在高溫下由空氣中的氮?dú)馀c氧氣反應(yīng)所生成的，所以強(qiáng)力地依存溫度。瞬發(fā)式NOx特別是在燃料過剩的火焰帶生成。燃燒式NOx是與燃料中包含的氮化合物有關(guān)地生成。
最近，多使用不含有氮化合物的清潔燃料，在這種情況下，幾乎不生成燃燒式NOx。為了降低瞬發(fā)式NOx，通過將燃料過剩的設(shè)計(jì)修改為稀薄燃燒的設(shè)計(jì)，能夠抑制其生成。與上述的燃燒式NOx和瞬發(fā)式NOx的降低相比較，降低熱式NOx是最難，這是近年來NOx降低技術(shù)的關(guān)鍵。
在此，為了降低熱式NOx，重要的是降低燃燒溫度。作為用于降低燃燒溫度的技術(shù)，存在預(yù)混合燃燒，特別是稀薄的預(yù)混合燃燒、預(yù)蒸發(fā)、濃淡燃燒、2級燃燒、燃燒氣體再循環(huán)等。
在氣體燃料的情況下，通過預(yù)先將燃料與空氣良好地混合之后進(jìn)行點(diǎn)火、燃燒的預(yù)混合燃燒，使燃料濃度分布均勻化，特別是在稀薄燃燒的預(yù)混合燃燒中，能夠降低燃燒溫度。但是，在預(yù)混合燃燒中，穩(wěn)定燃燒范圍窄，存在著容易逆火或爆發(fā)的問題。另外，對于液體燃料，缺點(diǎn)是如果不預(yù)先使燃料蒸發(fā)(預(yù)蒸發(fā))就不能預(yù)混合。
在液體燃料的情況下，燃料在通過流路橫截面積小的噴嘴時(shí)被微?；⑦M(jìn)行噴射，但通常在點(diǎn)火時(shí)，殘存著燃料的液滴，因液滴蒸發(fā)的同時(shí)進(jìn)行燃燒，所以必定存在著形成理論空氣比的地方，局部會(huì)形成高溫。因此，在降低熱式NOx方面存在界限。
作為解決上述問題的技術(shù)，有預(yù)蒸發(fā)的技術(shù)。預(yù)蒸發(fā)為下述技術(shù)，即，在燃燒器內(nèi)部或外部設(shè)置預(yù)蒸發(fā)部，利用來自其他的加熱使在其中噴霧的燃料蒸發(fā)后進(jìn)行燃燒。根據(jù)預(yù)蒸發(fā)，可期待與氣體燃料同等地降低熱式NOx，但相反地，具有燃燒裝置的尺寸增加了預(yù)蒸發(fā)部的部分的缺點(diǎn)。
另外，現(xiàn)有將燃料或空氣分割成數(shù)級地向燃燒裝置內(nèi)供給，對燃燒室內(nèi)的每個(gè)區(qū)域控制空氣比。此時(shí)，有意識(shí)地生成燃料濃度比理論空氣比濃的部分和比理論空氣比薄的部分，通過避開形成理論空氣比的混合狀態(tài)的區(qū)域，可謀求降低熱式NOx。
但是，雖然所述技術(shù)在大型的燃燒爐中有很大的實(shí)際效果，但因燃料或空氣的供給系統(tǒng)變得復(fù)雜，所以不能適用于小型的燃燒裝置。另外，很難找出燃料或空氣的供給位置及分割比例的最佳值，以及很難與負(fù)荷相對應(yīng)地控制這些它們。
在燃燒氣體再循環(huán)(Burnt Gas Recirculation)中，通過將高溫且氧氣濃度低的既燃?xì)怏w與燃燒前的空氣混合，實(shí)現(xiàn)緩慢且均勻的燃燒。由此，降低燃燒溫度，并且增加惰性氣體，增加熱容量，降低平均火焰溫度，來降低熱式NOx。燃燒氣體再循環(huán)主要適用于鍋爐、工業(yè)爐的燃燒裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)。
作為發(fā)生燃燒氣體再循環(huán)的方法例，如有火焰穩(wěn)定器產(chǎn)生的再循環(huán)、外部再循環(huán)、內(nèi)部再循環(huán)。另外，還存在稱作煙道氣體再循環(huán)(FGRFlue Gas Recirculation)以及排氣再循環(huán)(EGRExhaustGas Recirculation)的燃燒方式，這些是與燃燒氣體再循環(huán)基本上相同的技術(shù)。
例如，在日本特開2002-364812號公報(bào)中，公開了一種對氣體燃料使用燃燒氣體再循環(huán)的例，在日本特許3139978號公報(bào)中公開了一種對氣體燃料的預(yù)混合燃燒使用燃燒氣體再循環(huán)的例子。無論哪一個(gè)都是在形成于火焰穩(wěn)定板的下游中央的再循環(huán)區(qū)域、在突出設(shè)置于燃燒室內(nèi)的燃燒裝置和燃燒室壁之間的空間中，使燃燒氣體再循環(huán)。
但是，在火焰穩(wěn)定板的下游中央處的燃燒氣體再循環(huán)流無法到達(dá)點(diǎn)火前的燃料與空氣混合的部分，其作用僅限于使點(diǎn)火穩(wěn)定。另外，來自燃燒裝置與燃燒室壁之間的空間的燃燒氣體再循環(huán)流由于實(shí)際上只限于在燃燒裝置附近的循環(huán)，因此充分燃燒且成為高溫、低氧濃度的燃燒氣體不進(jìn)行再循環(huán)，并且循環(huán)量少，所以熱式NOx的降低效果小。
此外，在這些燃燒裝置中，因燃燒氣體再循環(huán)流從燃燒裝置的外側(cè)被吸引到中心軸方向，因此燃燒室的尺寸需要充分大于燃燒裝置的直徑，不適用于燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒裝置等需要盡量減小燃燒室的尺寸的用途。另外，很難適用于液體燃料。
例如在日本特開平9-133310號公報(bào)中，公開了與氣體燃料有關(guān)的如下技術(shù)，即，利用火焰穩(wěn)定板使燃燒氣體從火焰穩(wěn)定板后方中央再循環(huán)，并且將火焰作為分割上浮的火焰，使燃燒氣體從火焰?zhèn)确揭策M(jìn)行再循環(huán)。根據(jù)所述技術(shù)，能夠加大燃燒氣體再循環(huán)的量，但因形成分割火焰，所以燃燒器的構(gòu)造變得復(fù)雜，因在燃燒器截面上存在無火焰的部分，所以具有燃燒器的尺寸變大(每容積的燃燒負(fù)荷低)的問題。另外，這項(xiàng)技術(shù)很難適用于液體燃料。
例如在日本特開平11-153306號公報(bào)中所公開的鍋爐用燃燒器的、氣體燃料的預(yù)混合燃燒器中，在燃燒室壁上設(shè)有多個(gè)預(yù)混合氣噴射孔，一種預(yù)混合氣成為燃燒氣體，對準(zhǔn)相鄰的預(yù)混合氣噴射孔進(jìn)行噴射。但是，由于燃料與空氣預(yù)先混合，因此點(diǎn)火時(shí)涉及燃燒的空氣是新鮮空氣，燃燒開始后才開始與燃燒氣體混合，所以存在著使燃燒緩慢的效果不明顯的問題。另外，在與氣體燃料的預(yù)混合燃燒有關(guān)的技術(shù)中，可以想到預(yù)混合氣到達(dá)下個(gè)噴射孔的時(shí)間變短，很難適用于液體燃料。
例如，在日本專利3171147號中公開的鍋爐用燃燒器中，主要對于液體燃料，利用流過燃料噴嘴周圍的燃燒用空氣的運(yùn)動(dòng)能量，生成低壓部分，吸引爐內(nèi)的燃燒氣體，將燃燒氣體與燃燒用空氣混合。但是，由于在燃燒用空氣的外側(cè)混合燃燒氣體，所以在燃燒用空氣的內(nèi)側(cè)幾乎不混合，燃料首先與燃燒用空氣混合后，漸漸與燃燒氣體混合。因此，支配燃燒現(xiàn)象的是具有與通常相同的氧濃度的燃燒用空氣，實(shí)際上不能充分地實(shí)現(xiàn)在低氧濃度下的緩慢點(diǎn)火、燃燒的目標(biāo)。并且，用于吸引燃燒氣體的構(gòu)造復(fù)雜。此外，由于采用分割火焰，燃燒器的構(gòu)造變得復(fù)雜，因?qū)θ紵鳈M截面積存在著無火焰的部分，因此存在著燃燒器的尺寸變大(每容積的燃燒負(fù)荷低)的問題。
例如，在日本特開2000-179837號公報(bào)中，公開了如下技術(shù)，即，在圓筒狀的燃燒裝置內(nèi)誘發(fā)回旋流，因該回旋流的中心部分的靜壓下降，所以從回旋面的法線方向向回旋中心吸引其他氣體，所述技術(shù)應(yīng)用于圓筒狀燃燒裝置中的2次燃燒區(qū)域中的燃燒氣體再循環(huán)。雖然使燃燒用的1次空氣和2次空氣、除此之外的燃料供給分別具有誘發(fā)回旋流的作用，但利用回旋所導(dǎo)入的燃燒氣體的再循環(huán)的效果限于2次燃燒區(qū)域的燃燒控制，接近火焰的根部的燃料濃度高的區(qū)域不能作為燃燒氣體再循環(huán)的對象區(qū)域。因此，NOx降低效果也為只限定在火焰末端部的溫度控制的效果。
下面，參照圖1～圖3，更詳細(xì)地說明以往的燃燒裝置的具體構(gòu)成及其問題。
圖1示出以往的通用的燃燒裝置的一例。圖1所示的燃燒裝置為筒形的燃燒裝置，具有筒形容器2001、流入殼體2002、回旋器2003、隔筒2004、燃料噴嘴2005、和與燃料噴嘴2005同軸地設(shè)置于燃料噴嘴2005下游的火焰穩(wěn)定板2006。由筒形容器2001、流入殼體2002、回旋器2003以及隔筒2004形成流入流路。
燃燒用空氣2010利用送風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)(未圖示)流入流入殼體2002，在通過隔筒2004與燃料噴嘴2005之間的空間2012后，穿過火焰穩(wěn)定板2006，流入筒形容器2001中。另外，流入流入殼體2002中的燃燒用空氣2010通過回旋器2003，流入筒狀容器2001中。
另外，利用燃料泵、鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)(未圖示)，經(jīng)燃料噴嘴2005向筒形容器2001內(nèi)噴射燃料2014。燃料2014和燃燒用空氣2010混合燃燒，生成燃燒氣體2016。所產(chǎn)生的燃燒氣體2016從筒形容器2001的開口端2007流出。
在此，無論是火焰穩(wěn)定板2006還是回旋器2003均用于帶來穩(wěn)定的點(diǎn)火，許多情況下只使用某一方。所述火焰穩(wěn)定板2006在圖1所示的例中，為直徑向開口端2007一側(cè)擴(kuò)大的圓錐狀，阻礙在隔筒2004與燃料噴嘴2005之間的空間2012流過的空氣流，使燃料噴嘴2005前端的燃燒用空氣2010的流速降低，并且，在火焰穩(wěn)定板2006的下游側(cè)形成從下游逆流的流動(dòng)區(qū)域2018。此外，回旋器2003通過使燃燒用空氣2010的流動(dòng)回旋，在回旋中心形成負(fù)壓的區(qū)域以形成從下游逆流的流動(dòng)區(qū)域2019。來自所述下游的逆流2018、2019將高溫的燃燒氣體2016返回到燃料噴嘴2005前端的正下游的點(diǎn)火區(qū)域。
但是，這些燃燒氣體的逆流僅在燃料軌跡2014的內(nèi)側(cè)，不波及燃料2014與空氣2010混合的部分。因此，燃燒氣體的逆流的作用僅僅使點(diǎn)火穩(wěn)定。另外，回旋器2003也起到促進(jìn)燃料2014與燃燒用空氣2010混合的作用。
參照圖2，說明關(guān)注于燃燒氣體再循環(huán)的以往的燃燒裝置的構(gòu)成、作用及其問題。圖2所示的燃燒裝置為適用于鍋爐或工業(yè)爐的筒形燃燒裝置，除了圖1所示的以往的燃燒裝置的構(gòu)成外，還具有設(shè)置于容器2001外側(cè)的第2回旋器2030和外筒2031。
說明圖2所示的燃燒裝置的作用。在第2回旋器2030離開燃燒室壁2032時(shí)，通過燃燒用空氣2010流動(dòng)所致的吸引作用，經(jīng)第2回旋器2030，吸引燃燒室內(nèi)的燃燒氣體2016，與燃燒用空氣2010混合并引起燃燒。
以上是現(xiàn)有技術(shù)的燃燒氣體再循環(huán)的代表例，但由于從燃燒用空氣2010的回旋流的外側(cè)導(dǎo)入燃燒氣體2016，所以在燃燒用空氣2010的內(nèi)側(cè)幾乎不混合，燃料2014首先與燃燒用空氣2010混合之后，漸漸與燃燒氣體2016混合。因此，支配燃燒現(xiàn)象的是具有與通常相同的氧濃度的燃燒用空氣2010，實(shí)際上，不能實(shí)現(xiàn)低氧濃度下的點(diǎn)火、燃燒。
另外，在圖2所示的燃燒裝置中，為了從外筒2031的外側(cè)吸引燃燒氣體再循環(huán)流，需要使燃燒室的尺寸充分大于外筒2031的直徑。因此，該燃燒裝置不適用于燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒裝置等、需要燃燒室的尺寸非常小的用途。
參照圖3，說明以往的筒狀燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置的構(gòu)成、作用和問題。以往的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒裝置中，因目標(biāo)的溫度與由理論空氣量即恰好含有燃料燃燒中所需的氧氣量的空氣量所進(jìn)行的燃燒中的火焰溫度相比，相當(dāng)?shù)?，所以總空氣比非常低，在使用通常的碳?xì)浠衔锵等剂蠒r(shí)，很難在1級下燃燒。
為此，將燃燒用空氣的供給分割成數(shù)級，首先，將燃料僅與其一部分(1次空氣2040)混合并燃燒，之后，通過添加剩余的空氣，來在所希望的出口溫度下實(shí)現(xiàn)完全燃燒。
容器2001a完全包在流入殼體2002a的內(nèi)部，通常在燃料噴嘴2005附近和容器2001a的出口固定。容器2001a由于在內(nèi)部發(fā)生燃燒，因此即使外面由燃燒用空氣2010冷卻，也會(huì)形成相當(dāng)?shù)母邷?，因熱膨脹而向容?001a的軸向伸展，因此，容器2001a需要以可以吸收熱膨脹的結(jié)構(gòu)來固定到流入殼體2002a上。
另外，需要將燃料噴嘴2005及點(diǎn)火裝置(未圖示)穿過流入殼體2002a安裝到容器2001a上，但因需要吸收熱膨脹且穿過流入殼體2002a的構(gòu)造，使得構(gòu)造復(fù)雜，成本增加。
在容器2001a的內(nèi)部，從第1級的燃燒用空氣與燃料混合的位置到第2級的空氣流入部分稱作1次燃燒區(qū)域2042。在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒中，為了不降低燃燒效率而排出未燃成分或不增加NOx的生成、而在1次燃燒區(qū)域2042的下游添加空氣的技術(shù)構(gòu)思被廣為公知。
另外，在圖3中，符號2044表示在容器2001a上形成的空氣孔，符號2046表示從該空氣孔2044流入容器2001a內(nèi)的2次和稀釋空氣。
如上所述，燃燒氣體再循環(huán)所致的低氧濃度下的燃燒可有效地降低熱式NOx是公知的。但是，在關(guān)注于燃燒氣體再循環(huán)所致的低氧濃度下的燃燒的以往的燃燒裝置中，還不存在下述燃燒裝置，即，具有充分的燃燒氣體再循環(huán)的量和NOx降低效果，并且，即使是液體燃料也可實(shí)現(xiàn)預(yù)蒸發(fā)燃燒，可與氣體燃料同樣地實(shí)現(xiàn)預(yù)混合燃燒。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的問題而提出的，其目的在于提供燃燒裝置以及燃燒方法，可以以簡單的構(gòu)造最大限度地發(fā)揮燃燒氣體再循環(huán)的效果，實(shí)現(xiàn)液體燃料的預(yù)蒸發(fā)、氣體燃料/液體燃料的預(yù)混合燃燒和低氧濃度下的緩慢燃燒，實(shí)現(xiàn)抑制了NOx生成的燃燒。
另外，本發(fā)明的目的在于提供燃燒裝置，該燃燒裝置適用于以低成本實(shí)現(xiàn)以耐高溫為目標(biāo)的陶瓷化的情況，特別是在適用于燃?xì)廨啓C(jī)用燃燒裝置的情況下，可簡化構(gòu)造，降低成本。
根據(jù)本發(fā)明的第1方式，提供了一種可以以簡單的構(gòu)造積極地控制并產(chǎn)生燃燒氣體再循環(huán)的燃燒裝置。該燃燒裝置具有單筒狀的燃燒室、將燃燒用空氣向所述燃燒室內(nèi)供給的空氣供給部、和將燃料向所述燃燒室內(nèi)供給的燃料供給部。所述燃燒裝置的構(gòu)成為，向所述燃燒室內(nèi)供給的空氣在從所述燃料供給部離開的區(qū)域，最初與向所述燃燒室內(nèi)供給的燃料的軌跡交匯，并且在所述燃料供給部附近的區(qū)域，與所供給的燃料的軌跡再次交匯。
此時(shí)，所述燃料供給部最好形成燃料的流動(dòng)，該燃料的流動(dòng)具有所述燃燒室的中心軸方向的速度成分和從所述燃燒室的中心軸朝向該燃燒室的壁面的方向的速度成分，所述空氣供給部最好形成燃燒用空氣的流動(dòng)，該燃燒用空氣的流動(dòng)在所述燃燒室的中心軸方向上具有與燃料的流動(dòng)相對的朝向的速度成分，且具有向周向回旋的速度成分。此外，最好所述燃料的流動(dòng)具有朝向燃燒裝置的出口方向的速度成分，所述燃燒用空氣的流動(dòng)具有朝向與出口方向相反的方向的速度成分。
根據(jù)本發(fā)明的第2方式，提供了一種可以以簡單的構(gòu)造積極地控制并產(chǎn)生燃燒氣體再循環(huán)的燃燒裝置。該燃燒裝置具有筒狀容器，包括封閉端部和開放端部；流入流路，在所述筒狀容器的中心軸方向上從所述封閉端部離開的位置上，貫穿筒狀容器的側(cè)面而形成，向所述筒狀容器內(nèi)的燃燒室供給燃燒用空氣；和燃料噴嘴，設(shè)置于所述筒狀容器的封閉端部的內(nèi)側(cè)，向所述筒狀容器內(nèi)的燃燒室供給燃料；所述流入流路形成空氣的流動(dòng)，該空氣的流動(dòng)具有從所述開放端部朝向所述封閉端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分和向所述筒狀容器的周向回旋的速度成分。所述燃料噴嘴向所述流入流路噴射燃料，使該燃料具有從所述封閉端部朝向所述開放端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分和朝向半徑方向外方的速度成分。
根據(jù)本發(fā)明的第3方式，提供了一種可以以簡單的構(gòu)造積極地控制并產(chǎn)生燃燒氣體再循環(huán)的燃燒裝置。該燃燒裝置具有包括封閉端部和開放端部的筒狀容器、將燃燒用空氣向所述筒狀容器內(nèi)的燃燒室供給的流入流路、和將燃料向所述筒狀容器內(nèi)的燃燒室供給的燃料噴嘴。所述筒狀容器在沿著所述筒狀容器的中心軸離開所述封閉端部規(guī)定的距離的位置上直徑變小。所述流入流路在所述筒狀容器的直徑變小的部分上形成，并且形成空氣的流動(dòng)，該空氣的流動(dòng)具有從所述開放端部朝向所述封閉端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分和向所述筒狀容器的周向回旋的速度成分。所述燃料噴嘴向所述流入流路噴射燃料，使該燃料具有從所述封閉端部朝向所述開放端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分(與空氣的流動(dòng)相對的朝向的速度成分)和朝向半徑方向外方的速度成分(在半徑方向外側(cè)具有展開角度的速度成分)。
根據(jù)本發(fā)明的第4方式，提供了一種可以以簡單的構(gòu)造積極地控制并產(chǎn)生燃燒氣體再循環(huán)的燃燒裝置。該燃燒裝置具有筒狀容器，包括封閉端部和開放端部；筒狀部件(2次筒)，與所述筒狀容器的中心軸大致同軸且設(shè)置于所述開放端部一側(cè)，具有比所述筒狀容器的直徑小的直徑；環(huán)狀的連接部件，將所述筒狀容器的開放端部與所述筒狀部件的外周面連接；流入流路，在所述連接部件上形成，向所述筒狀容器內(nèi)的燃燒室供給燃燒用空氣；和燃料噴嘴，設(shè)置于所述筒狀容器的封閉端部的內(nèi)側(cè)，向所述筒狀容器內(nèi)的燃燒室供給燃料。所述流入流路形成空氣的流動(dòng)，該空氣的流動(dòng)具有從所述開放端部朝向所述封閉端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分和向所述筒狀容器的周向回旋的速度成分。所述燃料噴嘴向所述流入流路噴射燃料，使該燃料具有從所述封閉端部朝向所述開放端部的所述筒狀容器的中心軸方向的(與空氣的流動(dòng)相對的朝向的)速度成分和朝向半徑方向外方的速度成分。
也可在所述筒狀容器的側(cè)面的所述封閉端部附近，設(shè)有用于朝向所述筒狀容器的半徑方向內(nèi)側(cè)流入空氣的第2流入流路。也可在所述筒狀容器內(nèi)部的封閉端部和/或所述封閉端部附近的側(cè)壁上設(shè)有在所述封閉端部附近的區(qū)域中抑制空氣的流動(dòng)的整流構(gòu)造，該空氣的流動(dòng)具有從所述開放端部朝向所述封閉端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分，且向所述筒狀容器的周向回旋。
也可在所述筒狀容器內(nèi)部的封閉端部和/或所述封閉端部附近的側(cè)壁上設(shè)有在所述封閉端部附近的區(qū)域中將空氣的流動(dòng)變換為朝向半徑方向內(nèi)方的流動(dòng)的整流構(gòu)造，該空氣的流動(dòng)具有從所述開放端部朝向所述封閉端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分，且向所述筒狀容器的周向回旋。
也可在所述筒狀容器內(nèi)部，在所述中心軸方向上比所述流入流路還接近所述封閉端部的位置上設(shè)有附加的燃料噴嘴。
根據(jù)本發(fā)明的第4方式，提供了一種可以以簡單的構(gòu)造積極地控制并產(chǎn)生燃燒氣體再循環(huán)的燃燒方法。根據(jù)該燃燒方法，使燃燒用空氣和燃料流入燃燒裝置內(nèi)的燃燒室中并混合燃燒。所述燃燒室內(nèi)的空氣流的軌跡和燃料流的軌跡不相同。所述空氣流的軌跡與所述燃料流的軌跡最初在所述燃料流的軌跡的前端附近的區(qū)域交匯，接著，在從所述燃料流的軌跡的根部到所述前端附近的范圍內(nèi)交匯。
最好所述燃料流具有所述燃燒室的中心軸方向的速度成分、和從所述燃燒室的中心軸朝向所述燃燒室的壁面的方向的速度成分，最好所述空氣流在所述燃燒室的中心軸方向上具有與所述燃料流相對的朝向的速度成分，并且具有向周向回旋的速度成分。
根據(jù)本發(fā)明，由于燃燒室內(nèi)的空氣流的軌跡與燃料流的軌跡不相同，空氣流的軌跡與燃料流的軌跡2次交匯，空氣流的軌跡最初在燃料軌跡的前端附近的區(qū)域內(nèi)與燃料流的軌跡交匯，空氣流的軌跡在從燃料流的軌跡的根部到前端附近的范圍內(nèi)與燃料流的軌跡第2次交匯，所以能夠以簡單的構(gòu)造積極地控制并產(chǎn)生燃燒氣體再循環(huán)。
因此，在將本發(fā)明適用于通用的燃燒裝置時(shí)，能夠穩(wěn)定性高且最大限度地發(fā)揮燃燒氣體再循環(huán)的作用。
并且，由于能夠以高穩(wěn)定性最大限度地發(fā)揮燃燒氣體再循環(huán)的作用，所以能夠在高溫且低氧濃度的燃燒氣體下燃燒。因此，即使是在現(xiàn)有技術(shù)中很難低NOx化的液體燃料的情況下，也可進(jìn)行具有穩(wěn)定的蒸發(fā)動(dòng)作的預(yù)蒸發(fā)燃燒、與氣體燃料、液體燃料無關(guān)的預(yù)混合燃燒、緩慢的燃燒，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻且最高火焰溫度低的燃燒以及由于燃燒氣體中的惰性氣體的熱容量而平均火焰溫度低的燃燒。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)在現(xiàn)有技術(shù)中很難實(shí)現(xiàn)的熱式NOx的抑制。
在此，為了使燃燒室內(nèi)的空氣流的軌跡與燃料流的軌跡不相同，使空氣流的軌跡與燃料流的軌跡2次交匯，在燃料軌跡的前端附近的區(qū)域內(nèi)空氣流的軌跡最初與燃料流的軌跡交匯，在從燃料流的軌跡的根部到前端附近的范圍內(nèi)空氣流的軌跡與燃料流的軌跡第2次交匯，例如，可以使空氣流與燃料流相對向，空氣與出口方向逆向流動(dòng)并且燃料向出口方向流動(dòng)，燃料越從噴射一側(cè)離開，越向與燃燒室的中心軸垂直的方向的外側(cè)(如果是筒狀容器則為半徑方向外方)展開。
在此，根據(jù)本發(fā)明，由于所述燃料流具有燃燒室中心軸方向的速度成分和從燃燒室中心軸朝向燃燒室壁面方向的速度成分，所述空氣流在燃燒室中心軸方向上具有與燃料的流動(dòng)相對的朝向的速度成分，并且具有向周向回旋的速度成分，燃料的流動(dòng)具有朝向燃燒裝置的出口方向的速度成分，燃燒用空氣的流動(dòng)具有朝向與出口方向相反的方向的速度成分，因此能夠?qū)崿F(xiàn)所述的流動(dòng)。
并且在本發(fā)明中，從空氣供給機(jī)構(gòu)(流入流路)向燃燒室內(nèi)供給的空氣的流動(dòng)的一部分作為低溫的燃燒氣體或不成為燃燒氣體的空氣流，沿著燃燒室內(nèi)壁面流動(dòng)。結(jié)果，通過低溫的燃燒氣體或不成為燃燒氣體的空氣流，保護(hù)燃燒裝置的內(nèi)壁不受燃燒裝置內(nèi)部的熱的影響。結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)提供一種對燃燒熱有高耐久性的燃燒裝置。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，由于提供了能夠積極地控制并產(chǎn)生燃燒氣體再循環(huán)的簡單的構(gòu)造，可實(shí)現(xiàn)容易使用陶瓷等耐熱材料、容易分解和部件更換并且保養(yǎng)性優(yōu)良的燃燒裝置。
另外，在設(shè)有輔助燃料噴嘴(附加燃料噴嘴)時(shí)，即使在氣體燃料/液體燃料的混合燃燒及低發(fā)熱量的燃料及廢液的燃燒中，也可抑制熱式NOx的生成。
在將具備上述構(gòu)成的本發(fā)明作為1次燃燒區(qū)域適用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置時(shí)，可以以簡單的構(gòu)造積極地控制并產(chǎn)生燃燒氣體再循環(huán)。并且，在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置的1次燃燒區(qū)域中，可以穩(wěn)定性高且能夠最大限度地發(fā)揮燃燒氣體再循環(huán)的作用。
并且，由于具有高穩(wěn)定性，在適用了本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置中，能夠更稀薄地設(shè)計(jì)1次燃燒區(qū)域，因此，作用效果為，可以抑制平均燃燒溫度到很低，并進(jìn)一步抑制熱式NOx的生成。
另外，在適用了本發(fā)明的燃燒裝置的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置中，由于能夠在高穩(wěn)定性下最大限度地發(fā)揮燃燒氣體再循環(huán)的作用，所以即使在是例如在現(xiàn)有技術(shù)中很難低Nox化的液體燃料情況下，也可抑制熱式NOx的生成。
如上所述，在本發(fā)明的燃燒裝置中，由于內(nèi)壁適當(dāng)?shù)赜傻蜏氐目諝饬骼鋮s，所以能夠提供一種耐久性高的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置。
此外，在本發(fā)明的燃燒裝置中，由于構(gòu)造簡單，所以容易使用陶瓷等耐熱材料，并且容易分解、更換，能夠?qū)崿F(xiàn)提供一種保養(yǎng)性優(yōu)良的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置。
此外，在適用了本發(fā)明的燃燒裝置的燃?xì)廨啓C(jī)中，由于可以在1次燃燒區(qū)域的外側(cè)空氣不流動(dòng)，并且使襯套露出，可用簡單的構(gòu)造配置燃料噴嘴或點(diǎn)火裝置等，可降低成本。
此外，由于可降低襯套相對殼體的熱膨脹，因此構(gòu)造簡單，可進(jìn)一步降低成本。
并且，根據(jù)將適用了設(shè)有輔助燃料噴嘴(附加燃料噴嘴)的本發(fā)明的燃燒裝置的燃?xì)廨啓C(jī)，即使在氣體燃料/液體燃料的混合燃燒及低發(fā)熱量的燃料及廢液的燃燒中，也可抑制熱式NOx的生成。


圖1為示出以往的筒狀燃燒裝置的剖視圖；圖2為示出以往的筒狀燃燒裝置的另一例的剖視圖；圖3為示出以往的燃?xì)廨啓C(jī)用筒狀燃燒裝置的剖視圖；圖4為示出本發(fā)明的第1實(shí)施方式的燃燒裝置的立體圖；圖5為圖4的剖視圖；圖6為示出本發(fā)明的第2實(shí)施方式的燃燒裝置的立體圖；圖7為圖6的剖視圖；圖8為示出本發(fā)明的第3實(shí)施方式的燃燒裝置的立體圖；圖9為圖8的剖視圖；
圖10為示出本發(fā)明的實(shí)施方式中的回旋器的一例的立體圖；圖11為示出本發(fā)明的實(shí)施方式中的回旋器的另一例的立體圖；圖12為示出本發(fā)明的實(shí)施方式中的回旋器的又一例的立體圖；圖13為示出本發(fā)明的實(shí)施方式中的燃料噴嘴的另一例的立體圖；圖14為圖13的剖視圖；圖15為示出本發(fā)明的實(shí)施方式中的燃料噴嘴的又一例的立體圖；圖16為圖15的剖視圖；圖17為示出本發(fā)明的實(shí)施方式中的作用的立體透視圖；圖18A為圖17的剖視圖；圖18B為圖18A的放大圖；圖19為示出本發(fā)明的第4實(shí)施方式中的燃燒裝置的剖視圖；圖20為示出本發(fā)明的第5實(shí)施方式中的燃燒裝置的剖視圖；圖21為示出本發(fā)明的第6實(shí)施方式中的燃燒裝置的立體透視圖；圖22為示出本發(fā)明的第7實(shí)施方式中的燃燒裝置的立體透視圖；圖23為示出本發(fā)明的第8實(shí)施方式中的燃燒裝置的立體透視圖；圖24為示出本發(fā)明的第9實(shí)施方式中的燃燒裝置的立體透視圖；圖25為示出本發(fā)明的第10實(shí)施方式中的燃燒裝置的立體透視圖；圖26為示出本發(fā)明的第11實(shí)施方式中的燃燒裝置的立體透視圖；圖27為示出本發(fā)明的第12實(shí)施方式中的燃燒裝置的剖視圖；
圖28為示出本發(fā)明的第13實(shí)施方式中的燃燒裝置的立體透視圖；圖29為圖28的剖視圖；圖30為示出本發(fā)明的第14實(shí)施方式中的燃燒裝置的剖視圖；圖31為示出本發(fā)明的第15實(shí)施方式中的燃燒裝置的剖視圖；圖32為示出本發(fā)明的第16實(shí)施方式中的燃燒裝置的剖視圖；圖33為示出本發(fā)明的第17實(shí)施方式中的燃燒裝置的立體透視圖；圖34為示出在本發(fā)明的第2實(shí)施方式的燃燒裝置中不使用回旋器時(shí)的立體圖；圖35為圖34的剖視圖；圖36為示出將本發(fā)明的燃燒裝置適用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的例子的框圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照圖4～圖36，對本發(fā)明的實(shí)施方式的燃燒裝置進(jìn)行說明。在各實(shí)施方式中，相同部分標(biāo)以相同的符號，省略重復(fù)的說明。
首先，參照圖4和圖5，說明第1實(shí)施方式中的燃燒裝置。圖4和圖5所示的燃燒裝置為主要適用于鍋爐或工業(yè)爐、或者也可以適用于燃?xì)廨啓C(jī)的通用的燃燒裝置，具有一端(封閉端部)10被封閉的筒狀容器(以下簡單地稱作“容器”)12、流入殼體14、回旋器16和設(shè)置為穿過前述容器12的上端(封閉端部)10的的燃料噴嘴18。在容器12的側(cè)面13，以相同的間距形成多個(gè)空氣流入部20，形成燃燒用空氣22經(jīng)由該空氣流入部20流入容器12內(nèi)的、由空氣流入部20、流入殼體14和回旋器16形成的流入流路。所述回旋器16將在下面詳述，被形成為將包含所述空氣流入部20的容器12的側(cè)面13的周圍包圍。
如圖4和圖5所示，燃燒用空氣22利用送風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)(未圖示)，流入流入殼體14中，通過回旋器16，從所述空氣流入部20流入容器12內(nèi)。利用燃料泵、鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)(未圖示)，經(jīng)燃料噴嘴18向容器12內(nèi)以相對中心軸J展開角度α來噴射燃料(圖中為符號23所表示的軌跡)。燃料23與燃燒用空氣22混合燃燒，燃燒氣體24從容器12的開口端26排出。
第1實(shí)施方式的燃燒裝置的特征為，如圖5所示，在從容器12的封閉端部10向容器12的軸J方向離開規(guī)定距離的位置上，燃燒用空氣22具有與從容器12的封閉端部10向開放端部26的朝向(出口方向)相反的朝向的速度成分而流入容器12內(nèi)，形成回旋流28(即，形成流動(dòng)，該流動(dòng)在筒狀容器12的中心軸J方向上具有從開放端部26朝向封閉端部10的速度成分，并且具有向圓周方向回旋的速度成分)，并且，從容器12的封閉端部10向出口26方向，相對容器12的中心軸J在徑向上展開角度α并且瞄準(zhǔn)燃燒用空氣的流入部20來噴射燃料(朝向空氣流入部20噴射燃料，使該燃料具有在中心軸J方向上從封閉端部10朝向開放端部26的速度成分和朝向半徑方向外方的速度成分是符號23所表示的軌跡)。
盡管未圖示，但空氣流入部20相對容器12的側(cè)面13的開口比例及形狀及間距可任意設(shè)定。另外，盡管未圖示，但也可以設(shè)置成，在燃燒用空氣22朝向容器12的流入部20中，只要具有與出口26相反朝向的速度成分，就使所流入的燃燒用空氣22的流動(dòng)偏向。最典型地，可由螺旋型噴嘴實(shí)現(xiàn)相對容器12的中心軸具有展開角度的燃料的噴射23。
另外，在圖5中，符號28表示回旋流，該回旋流由燃料與從空氣流入部20流入的燃燒用空氣22混合、燃燒而成的燃燒氣體構(gòu)成，并且在與出口26相反的方向上具有較大的速度成分。
下面，參照圖6和圖7，說明第2實(shí)施方式的燃燒裝置。在圖6和圖7所示的燃燒裝置中，是將圖4和圖5的第1實(shí)施方式中的容器12置換為容器的截面在燃燒用空氣流入部上縮徑后的容器112。
即，在筒狀容器112中，在圖7所示的上下方向的大致中央，形成截面不連續(xù)變化的臺(tái)階部100，在該臺(tái)階部100上，形成使燃燒用空氣22流入容器112內(nèi)的空氣流入部20。另外，在圖6和圖7中，符號110表示容器112的封閉端部。
在如此形成的第2實(shí)施方式的燃燒裝置中，流過流入殼體14的燃燒用空氣22流入回旋器16中，經(jīng)空氣流入部20，從圖7的下方朝向上方流入容器112內(nèi)。另外，流入容器112內(nèi)的空氣22利用后面詳細(xì)描述的回旋器的構(gòu)成，形成在與出口26相反的方向上具有更大的速度成分的回旋流28。即，形成流動(dòng)28，該流動(dòng)28在筒狀容器112的中心軸J方向上具有從開放端部26朝向封閉端部110的速度成分，并且具有向圓周方向回旋的速度成分。并且，朝向空氣流入部(流入流路)20，具有在中心軸J方向上從封閉端部110向開放端部26的速度成分和朝向半徑方向外方的速度成分地噴射燃料。
在此，回旋器16和流入殼體14與后述的圖8和圖9的第3實(shí)施方式大致相同，有關(guān)回旋器16和流入殼體14的詳細(xì)說明將在說明第3實(shí)施方式時(shí)進(jìn)行。
在圖6和圖7中，容器112的截面變化部即臺(tái)階部100被描繪為垂直于容器112的中心軸J方向，但角度是任意的。另外，盡管未圖示，但空氣流入部20的開口比例及形狀及間距也可任意設(shè)定。此外，回旋器16被描繪成軸流形狀，但也可以是從回旋器外周流入燃燒用空氣22的斜流形狀。再者，盡管未圖示，但在空氣流入部20中也可設(shè)置成使流入的燃燒用空氣22的流動(dòng)朝徑向偏向的構(gòu)造。
下面，參照圖8和圖9，說明第3實(shí)施方式的燃燒裝置。在圖8和圖9的第3實(shí)施方式的燃燒裝置中，是將圖4和圖5的第1實(shí)施方式中的容器12根據(jù)制作上的要求置換為在截面變化部分(臺(tái)階部)202分割為容器212、2次筒200和連接部件270的構(gòu)成的實(shí)施方式。
在圖8和圖9中，連接部件270被描繪為垂直于容器212和2次筒200的軸向，但角度是任意的。盡管未圖示，但形成于容器212的側(cè)面212a與2次筒200的外周側(cè)面200a之間的環(huán)狀間隙中所設(shè)置的空氣流入部20的開口比例及形狀及間距可任意設(shè)定。另外，盡管回旋器16被描繪成軸流形狀，但也可以是從回旋器16外周流入燃燒用空氣22的斜流形狀。再者，盡管未圖示，但在空氣流入部20中可設(shè)置成使流入的燃燒用空氣22的流動(dòng)朝徑向偏向的構(gòu)造。
在第1實(shí)施方式～第3實(shí)施方式中，容器12、112、212的截面形狀為圓形，但可變更為任意的形狀。在容器中，只要作為整體形成回旋流，則也可以是多角形。另外，容器12的截面形狀在燃燒用空氣流入位置以外，也可在軸向變化。與以上容器等同的構(gòu)造也同樣適用于以下所有的實(shí)施方式。在此，構(gòu)成流入流路的所述回旋器16的構(gòu)成可進(jìn)行各種變形。
下面，以圖8和圖9的第3實(shí)施方式為例，參照圖10～圖12，對回旋器16的構(gòu)成進(jìn)行詳述?；匦?6的結(jié)構(gòu)通常如圖10所示，在內(nèi)筒50與外筒52之間設(shè)置有使流動(dòng)偏向的回旋葉片54，來形成空氣導(dǎo)入通路56。另外，作為回旋器16的其他方法，如圖11所示，也可以在環(huán)狀部件58上開有使流動(dòng)偏向的多個(gè)空氣導(dǎo)入通路56a。此時(shí)的空氣導(dǎo)入通路56a的形狀、開口面積、個(gè)數(shù)是任意的。或者，作為可實(shí)現(xiàn)與回旋器16同樣的作用的另外的結(jié)構(gòu)，如圖12所示，也可以在所述連接部件270上安裝按每個(gè)所述連接部件270的空氣流入部20進(jìn)行分割的空氣導(dǎo)入通路56b。
另外，在結(jié)構(gòu)為圖10和圖11的回旋器16中，回旋器16可兼作連接部件。即，在圖10的例中，通過廢棄內(nèi)筒50和外筒52，用回旋葉片54將2次筒200(參照圖8和圖9)與容器212(參照圖8和圖9)連接，從而回旋葉片54可兼作連接部件270。在圖11的例中，環(huán)狀部件58可兼作連接部件270。與以上的回旋器16有關(guān)的等同的構(gòu)造也同樣可適用于第1和第2實(shí)施方式以及與以下說明的燃燒裝置有關(guān)的所有的實(shí)施方式中。
關(guān)于殼體，第1～第3實(shí)施方式的流入殼體14的形狀可任意變形。例如，盡管未圖示，但第1～第3實(shí)施方式的渦旋形狀的流入殼體14也可以為從容器12、112或2次筒200的出口226的周圍流入的形狀。此外，盡管未圖示，但在由圖12所示的分割后的空氣導(dǎo)入通路56b起到回旋器16的作用時(shí)，也可以將例如延長管與空氣導(dǎo)入通路56連接，并設(shè)有使該延長管合流的流入管，來代替流入殼體14。與以上的流入殼體14有關(guān)的等同構(gòu)造也同樣可適用于以下所有的實(shí)施方式。
在此，燃料噴嘴18的結(jié)構(gòu)可進(jìn)行各種變形。作為圖8和圖9的第3實(shí)施方式所示的單一的噴嘴，最典型的是利用螺旋型噴嘴尖來實(shí)現(xiàn)，或者，雖然未圖示，但也可利用相對容器212的中心軸具有向徑向外側(cè)展開的角度并開有多個(gè)噴孔的噴嘴尖來實(shí)現(xiàn)。盡管會(huì)形成復(fù)雜的構(gòu)造，但也可使用微粒化特性好的噴嘴尖。
作為燃料噴嘴的其他構(gòu)成方法，如圖13和圖14所示，也可代替單一的燃料噴嘴，將多個(gè)噴嘴18a配置于容器212的封閉端部210的大致同心圓上來實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，只要燃料從容器212的封閉端部210向出口26方向相對于容器212的中心軸J向徑向外方具有角度，呈噴射狀、或較小的展開角度的圓錐狀或扇狀并且對準(zhǔn)燃燒用空氣的流入部20噴射，則也可實(shí)現(xiàn)與單一的噴嘴同樣的作用。通過使噴嘴18a設(shè)有多個(gè)，特別是在大型的燃燒裝置中很難適用單一的噴嘴時(shí)很有效。作為其他的燃料噴嘴的構(gòu)成方法，如圖15和圖16所示，可通過由中空材料形成并開有多個(gè)孔的環(huán)18b來實(shí)現(xiàn)。與以上的燃料噴嘴(18，18a，18b)有關(guān)的同樣的構(gòu)造也可適用于第1實(shí)施方式～第3實(shí)施方式以及以后的所有的實(shí)施方式中。
發(fā)明人等對第3實(shí)施方式的燃燒裝置利用液體燃料進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)下述情況，即，靠近容器中心形成一個(gè)火焰，靠近外周形成一個(gè)環(huán)狀火焰，共計(jì)二個(gè)火焰；靠近容器中心的火焰是均勻且稍青的火焰，靠近外周的環(huán)狀火焰為非常薄且均勻的青火焰；根據(jù)此現(xiàn)象，形成預(yù)蒸發(fā)、預(yù)混合燃燒；作為其結(jié)果，抑制了NOx的生成。
以下以圖8和圖9的第3實(shí)施方式為例，根據(jù)圖17、圖18A以及圖18B，進(jìn)一步詳細(xì)地說明圖示的實(shí)施方式的作用。
如圖17、圖18A和圖18B所示，從燃料噴嘴18相對于容器212的中心軸向徑向外側(cè)具有展開角度α地噴射燃料21(符號23的軌跡)。想到了相對容器212的軸方向具有展開角度α地被噴射的(即，向著流入流路20，具有在中心軸J方向從封閉端部210朝向開放端部26的速度成分和向半徑方向外方的速度成分，來進(jìn)行噴射)燃料的幾個(gè)燃料軌跡23a、23b(參照圖17)。
參照圖17，從周向的某處位置流入容器212中的燃燒用空氣22b在容器212內(nèi)邊朝著與出口26相反的方向回旋邊逆流(即，形成流動(dòng)28，該流動(dòng)28在筒狀容器212的中心軸J方向上具有從開放端部26向封閉端部210的速度成分，并且向筒狀容器212的周向回旋)，一個(gè)軌跡23a與位置25交匯。
考慮到液體燃料的情況時(shí)，在位置25，經(jīng)過燃料軌跡23a的燃料有某種程度的蒸發(fā)，從而粒子的直徑變小，并且，由于在空氣流中行進(jìn)，因此與噴嘴18的出口附近相比速度慢，并且，由于燃料21與燃料用空氣22b的速度成為相對的朝向，所以燃料21趁著燃燒用空氣22b的流動(dòng)被點(diǎn)火，來形成火焰進(jìn)行燃燒。
燃燒用空氣22b在容器212中邊在與出口相反的方向上回旋邊逆流而上，形成高溫低氧濃度的燃燒氣體24b。并且，隨著與容器212的封閉端部210接近，在容器212的中心軸J附近改變朝向，在容器212的中心軸J附近，向出口26方向改變朝向，在位置27橫切燃料軌跡23b。即，產(chǎn)生燃燒氣體再循環(huán)。在圖18A中，燃燒氣體24a橫切的燃料軌跡23也可與燃料軌跡23a相同。
在位置27，高溫、低氧濃度的燃燒氣體24b不使燃料點(diǎn)火而進(jìn)行預(yù)蒸發(fā)。蒸發(fā)后的燃料與燃燒氣體24b伴流，雖然燃燒氣體24b為高溫，但由于為低氧濃度，所以抑制了燃燒速度，從而蒸發(fā)后的燃料不立刻點(diǎn)火而預(yù)混合。并且，經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后點(diǎn)火從而燃燒，燃燒氣體24b進(jìn)一步成為高溫、低氧濃度的燃燒氣體24，從出口26排出。
與現(xiàn)有技術(shù)不同，在圖示實(shí)施方式(在圖17、圖18A和圖18B中例示了第3實(shí)施方式)中，重要的是，大部分的燃料最初不與燃燒用空氣22接觸，而是最初與燃燒氣體24b接觸，從而實(shí)際上可以在低氧濃度下實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火、燃燒。
另外，在圖17、圖18A和圖18B所示的實(shí)施方式中，假如在燃料軌跡23的根部附近的燃料蒸發(fā)少的情況下，更多的燃料在燃料軌跡23的前端與燃燒用空氣22b混合，燃燒氣體24b的溫度變高，從而促進(jìn)了在燃料軌跡23的根部的蒸發(fā)。即，具有對蒸發(fā)量的反饋?zhàn)饔谩Ｒ虼?，具有即使燃料噴射的條件改變也可穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)本實(shí)施方式的作用的性質(zhì)。
在氣體燃料的情況下，燃料呈噴射狀穿過空氣流，被噴射形成為，周邊部部分地與空氣混合，同時(shí)，在喪失其運(yùn)動(dòng)量前燃料噴射流到達(dá)位置25，由此，與液體燃料時(shí)同樣，燃燒用空氣22b在容器212中邊向與出口26相反的方向回旋邊逆流而上，與燃料軌跡23a交匯，并與燃料21混合，形成高溫、低氧濃度的燃燒氣體24b。
并且，隨著接近容器212的封閉端部210，在容器212的中心軸J附近改變朝向，在中心軸J附近反轉(zhuǎn)，在位置27橫切燃料軌跡23b，引起燃燒氣體再循環(huán)。雖然燃燒氣體24b為高溫，但由于為低氧濃度，所以抑制了燃燒速度，從而不立刻點(diǎn)火而進(jìn)行預(yù)混合，在經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后點(diǎn)火從而燃燒。
作為參照圖17、圖18A和圖18B所說明的圖示的實(shí)施方式的最基本的作用為，空氣和燃料在燃燒裝置內(nèi)按如下方式流動(dòng)。即，空氣和燃料在該燃燒裝置內(nèi)改變流動(dòng)的朝向，在燃燒裝置內(nèi)的燃燒用的空氣與燃料的各自的軌跡不相同，空氣的軌跡與燃料的軌跡2回交匯，并且，對于空氣來說，最初的交匯是在燃料軌跡的前端附近，而第2回交匯是從燃料軌跡的根部到前端附近的區(qū)域中產(chǎn)生，通過如此使燃料與空氣混合，可積極地控制并引起燃燒氣體再循環(huán)。
若在通過容器212的中心軸的截面上表現(xiàn)圖示的實(shí)施方式的該燃燒裝置內(nèi)的流動(dòng)，則如圖18A和圖18B所示。在圖18B中，根據(jù)位置示意地分成22a、22b、22c、22d來圖示流入容器212中的燃燒用空氣。
流入筒狀容器212中的燃燒用空氣22的大半部分22b、22c、22d如圖18A所示，分別與燃料軌跡23沖撞，成為燃燒氣體24b、24c、24d，在容器212內(nèi)較深地逆流而上，并再次橫切燃料軌跡23。燃燒用空氣的流入位置越離開容器212的外周13，燃燒用空氣越逆流而上到較淺的位置就進(jìn)行反轉(zhuǎn)。流入容器212的燃燒用空氣22中，從最接近容器212的內(nèi)面21b的位置流入的燃燒用空氣22a在不與燃料21沖撞的狀態(tài)下，在容器212內(nèi)逆流而上到最深。并且，隨著逆流而上，與燃燒氣體24b混合，成為燃燒氣體24a。因此，沿著燃料軌跡23，燃燒氣體24a、24b、24c、24d無遺漏地橫切，燃燒氣體再循環(huán)的作用被最大限度地發(fā)揮。也就是說，圖示的實(shí)施方式的最本質(zhì)的作用之一為，燃燒氣體沿著燃料的軌23無遺漏地橫切。
通過這些作用，在圖示的實(shí)施方式的燃燒裝置中，如圖18A所示，形成有容器中心軸J附近的主火焰60、和容器外周附近的從容器212的內(nèi)壁離開的環(huán)狀火焰62這兩種火焰。
由于燃燒用空氣22回旋，所以環(huán)狀火焰62在容器212內(nèi)的滯留時(shí)間較長，并且在周向上較好地均勻混合，形成燃燒用空氣22與燃料21相對的形式，并且，從主火焰60到與燃料21(23)匯合前的燃燒用空氣22，利用紊流擴(kuò)散來供給高溫的燃燒氣體，由此燃燒用空氣22的溫度上升，氧濃度降低，抑制了燃料的點(diǎn)火，并且促進(jìn)了蒸發(fā)，所以火焰的穩(wěn)定度提高。
另外，主火焰60通過環(huán)狀火焰62的燃燒氣體24a，24b，24c，24d橫切燃料軌跡23，使環(huán)狀火焰62成為可靠的點(diǎn)火源，提高了穩(wěn)定性，并且，由于在高溫且低氧濃度的燃燒氣體下燃燒，所以形成預(yù)蒸發(fā)燃燒、預(yù)混合燃燒和緩慢的燃燒，并不是通常的擴(kuò)散燃燒那樣局部存在高溫的場所的燃燒，而是成為均勻且最高火焰溫度低并且利用燃燒氣體中的惰性氣體的熱容量從而平均火焰溫度低的燃燒，從而抑制了熱式NOx的生成。
若說明圖示的實(shí)施方式中的冷卻上的優(yōu)點(diǎn)，在圖18A和圖18B中，流入容器212的燃燒用空氣22中的、從最接近容器212的內(nèi)面212b流入的燃料用空氣22a在與燃料21不沖撞的狀態(tài)下，在容器212內(nèi)逆流而上到最深，隨著逆流而上，與燃燒氣體24b混合，成為燃燒氣體24a。燃燒氣體24a由于為比較低的溫度，從而保護(hù)容器212的內(nèi)面防止過熱。
另外，在最容器212的內(nèi)面212b最遠(yuǎn)的位置上，流入容器212的燃燒用空氣22e因與燃料21(23)的到達(dá)點(diǎn)相比在出口26一側(cè)反轉(zhuǎn)，向出口26的方向流動(dòng)，所以不形成燃燒氣體，而是從2次筒200的中心軸J附近開始逐漸與主火焰60的燃燒氣體混合。但是，該反轉(zhuǎn)后的燃燒用空氣22e中的、最接近2次筒200的內(nèi)面200a的部分為比較低的溫度，保護(hù)2次筒200的內(nèi)面200a不受主火焰60的高溫的影響。
圖17、圖18A和圖18B例示了第3實(shí)施方式，但上述的作用在第1、第2實(shí)施方式以及以后說明的實(shí)施方式中也是同樣的。
另外，作為構(gòu)造上的優(yōu)點(diǎn)，由于燃燒室被分割成容器212和下游的構(gòu)造(2次筒200)，所以可容易地取出容器212，與現(xiàn)有例相比，燃燒裝置的分解、更換、保養(yǎng)容易，確保了保養(yǎng)性。
下面，參照圖19，說明與所述第3實(shí)施方式等同即具有互換性的第4實(shí)施方式。在圖19中，第4實(shí)施方式的燃燒裝置為，容器312的封閉端部310與所述第1～第3實(shí)施方式不同，是截面曲線Lr由不均勻曲率的自由圓弧形成的曲面，構(gòu)成所謂的“圓頂型”。另外，圓頂型容器312的下端312a的內(nèi)周側(cè)經(jīng)由環(huán)狀的連接部件270與2次筒200連接。
圖19的第4實(shí)施方式的燃燒裝置的情況下，也可實(shí)現(xiàn)與所述第3實(shí)施方式所說明的作用同樣的作用。通過由曲面構(gòu)成容器312的封閉端部310，特別是在燃燒溫度成為高溫的用途中，在容器312由陶瓷等耐熱材料構(gòu)成時(shí)，制作上更容易，可期待成本的下降。另外，由于燃燒室被分割成容器312和下游的構(gòu)造(2次筒200)，所以可容易地取出容器312，與現(xiàn)有例相比，燃燒裝置的分解、更換、保養(yǎng)容易，提高了保養(yǎng)性。圖19的第4實(shí)施方式的由一部分曲面構(gòu)成的容器312也可適用于第1和第2實(shí)施方式。
下面，參照圖20說明第5實(shí)施方式的燃燒裝置。圖20的第5實(shí)施方式為圖8和圖9的第3實(shí)施方式的應(yīng)用型，即，相對于第3實(shí)施方式，是在容器的封閉端部附近形成輔助空氣孔的實(shí)施方式。在圖20中，第5實(shí)施方式的燃燒裝置為在容器412的封閉端部410附近的側(cè)面413上形成多個(gè)輔助空氣孔419的實(shí)施方式。
如上所述從形成于封閉端部410附近的側(cè)面413上的多個(gè)輔助空氣孔419流入的燃燒用空氣22d由于向向心方向噴呈射狀地流入容器412內(nèi)，所以吸引周圍的燃燒氣體24b，在容器412的封閉端部410附近，作為全體在朝向容器412的中心方向的方向上促進(jìn)流動(dòng)。由此，在筒狀容器412的封閉端部410附近，將回旋流動(dòng)的燃燒氣體24b導(dǎo)向容器412的中心附近，使其向著燃料軌跡23進(jìn)行再循環(huán)。第5實(shí)施方式的輔助空氣孔419也適用于第1和第2實(shí)施方式。
下面，參照圖21說明第6實(shí)施方式的燃燒裝置。圖21的第6實(shí)施方式為，相對于圖8和圖9的第3實(shí)施方式，在容器212的封閉端部210內(nèi)側(cè)設(shè)有多個(gè)整流構(gòu)造即導(dǎo)流葉片11的實(shí)施方式。通過設(shè)有所述導(dǎo)流葉片11，可獲取與第5實(shí)施方式(參照圖20)中的輔助空氣孔419同樣的作用。除了在筒狀容器212的封閉端部210內(nèi)側(cè)設(shè)有多個(gè)整流構(gòu)造即導(dǎo)流葉片11之外，實(shí)質(zhì)上與圖8和圖9的第3實(shí)施方式相同。另外，該導(dǎo)流葉片11也可適用于所述第1實(shí)施方式、第2實(shí)施方式以及第5實(shí)施方式。
下面，參照圖22說明第7實(shí)施方式的燃燒裝置。圖22的第7實(shí)施方式為，通過在圖8和圖9的第3實(shí)施方式的容器212的封閉端部210附近的側(cè)面內(nèi)壁213上設(shè)有多個(gè)整流構(gòu)造即導(dǎo)流葉片11a來實(shí)現(xiàn)與圖20的第5實(shí)施方式中的輔助空氣孔419同樣的作用的實(shí)施方式。除了在容器212的封閉端部210附近的側(cè)面內(nèi)壁213上設(shè)有多個(gè)整流構(gòu)造即導(dǎo)流葉片11a以外，實(shí)質(zhì)上與第3實(shí)施方式相同。另外，該導(dǎo)流葉片11a也可適用于所述第1、第2以及第5實(shí)施方式。另外，也可并設(shè)第6和第7實(shí)施方式所示的整流構(gòu)造。
下面，參照圖23，說明第8實(shí)施方式的燃燒裝置。圖23的第8實(shí)施方式是與第6和第7實(shí)施方式同樣地將導(dǎo)流葉片11b適用于圖19的第4實(shí)施方式中。即，沿著由圓頂狀容器312的曲面所構(gòu)成的封閉端部310的曲面的內(nèi)側(cè)，直到大致封閉端部310的頂部形成導(dǎo)流葉片11b。
所述第6～第8實(shí)施方式所示的導(dǎo)流葉片11、11a、11b在容器212、312的封閉端部210、310附近起到抑制空氣流以及/或?qū)⒃摽諝饬鞒霃椒较蛘鞯淖饔?，該空氣流在筒狀容?12的中心軸J方向上具有從開放端部26朝向封閉端部210的速度成分，并且向筒狀容212的周向回旋。并且，可以將與圖20的第5實(shí)施方式同樣地回旋流動(dòng)的燃燒氣體24b(參照圖20)導(dǎo)向筒狀容器212、312的封閉端部210、310的中心附近，順暢地向燃料軌跡23進(jìn)行再循環(huán)。
參照圖24～圖26，分別說明進(jìn)一步發(fā)展所述第6～第8實(shí)施方式的第9～第11實(shí)施方式。
首先，圖24的第9實(shí)施方式是將圖21的第6實(shí)施方式中的整流構(gòu)造即導(dǎo)流葉片11最優(yōu)化后的實(shí)施方式。即，在第9實(shí)施方式的導(dǎo)流葉片11c中，使圖21的第6實(shí)施方式的導(dǎo)流葉片11的形狀彎曲成圓弧狀，以使燃燒用空氣向容器212的中心螺旋狀卷繞(回旋)，從而易向中心部流動(dòng)。該導(dǎo)流葉片11c也可適用于第1、第2和第5實(shí)施方式。另外，也可以與第7實(shí)施方式的導(dǎo)流葉片11a一同使用。
圖25的第10實(shí)施方式是將圖22的第7實(shí)施方式中的整流構(gòu)造即導(dǎo)流葉片11a最優(yōu)化后的實(shí)施方式。即，在第10實(shí)施方式的導(dǎo)流葉片11d中，使圖22的第7實(shí)施方式的導(dǎo)流葉片11a的形狀沿著容器212的內(nèi)壁213傾斜配置，變形為該導(dǎo)流葉片11d的上方前端在圖示的例中朝著垂直方向立起。該導(dǎo)流葉片11d也可適用于第1、第2以及第5實(shí)施方式。另外，可與第9實(shí)施方式所示的導(dǎo)流葉片11c一同使用，也可與第6實(shí)施方式的導(dǎo)流葉片11一同使用。
圖26的第11實(shí)施方式是將圖23的第8實(shí)施方式中的整流構(gòu)造即導(dǎo)流葉片11b最優(yōu)化后的實(shí)施方式。即，在第11實(shí)施方式的導(dǎo)流葉片11e中，使圖23的第8實(shí)施方式的導(dǎo)流葉片11b的形狀沿著圓頂狀容器312的彎曲的圓頂內(nèi)壁313傾斜配置，變形為該導(dǎo)流葉片11e的上方前端在圖示的例中朝著垂直方向立起。
在上述的第9～第11實(shí)施方式中，整流構(gòu)造(導(dǎo)流葉片)11c、11d、11e的作用為，積極地且更順暢地使回旋的燃燒氣體24a(未圖示)的流動(dòng)偏向?yàn)槌蛐姆较虻牧鲃?dòng)，由此，將回旋流過的燃燒氣體24b在容器212、312的封閉端部210、310附近更順暢地引導(dǎo)到容器212、312的中心附近，能夠使其向燃料軌跡23進(jìn)行再循環(huán)。
另外，只要具有使回旋流動(dòng)偏向?yàn)橄蛐姆较虻牧鲃?dòng)的作用，則即使改變整流構(gòu)造的詳細(xì)的形狀，實(shí)質(zhì)上也是相同的。另外，整流構(gòu)造也可以是在容器212、312上附加板狀或臺(tái)狀等的物體，也可以是在容器212、312的內(nèi)面構(gòu)成溝槽狀的形狀。
下面，參照圖27，說明第3實(shí)施方式的應(yīng)用例即第12實(shí)施方式的燃燒裝置。該燃燒裝置為，在容器512的內(nèi)面513，在燃燒用空氣22的流入部20稍靠近封閉端部510處設(shè)有輔助噴射燃料的輔助燃料噴嘴502的實(shí)施方式。
從輔助燃料噴嘴502噴射的燃料既可以與從主燃料噴嘴18噴射出的燃料相同，也可以是不同的燃料。即使是在燃燒裝置是大型裝置，或者氣體燃料下噴射壓力受限從而很難使燃料到達(dá)燃燒用空氣22的流入部20(未圖示)的情況下，若從輔助燃料噴嘴502噴射相同燃料，則通過與圖8和圖9的第3實(shí)施方式同樣的燃燒氣體再循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)抑制熱式Nox再生的燃燒。
另外，通過從燃料噴嘴18噴射液體燃料，從輔助燃料噴嘴502噴射氣體燃料，以簡單的構(gòu)成就可實(shí)現(xiàn)液/氣體混合燃燒。此外，利用輔助燃料噴嘴502，能夠進(jìn)一步提高降低調(diào)節(jié)性能(turndown)。此外，在使用低發(fā)熱量下很難穩(wěn)定地燃燒的燃料時(shí)，特別是在對盡管具有發(fā)熱量但該熱量少的廢液進(jìn)行燃燒處理時(shí)，從燃料噴嘴18噴射低發(fā)熱量燃料或廢液，從輔助燃料噴嘴502噴射燃燒性良好的燃料，從而與第3實(shí)施方式同樣地，通過燃燒氣體再循環(huán)，形成預(yù)蒸發(fā)、預(yù)混合的燃料，能夠?qū)崿F(xiàn)抑制熱式NOx生成的燃燒。
另外，在圖27中，輔助燃料噴嘴502是在容器512的內(nèi)面513設(shè)有多個(gè)噴嘴的噴嘴，但作為其他的構(gòu)成，(盡管未圖示)也可以在容器512的內(nèi)側(cè)側(cè)面設(shè)置開有多個(gè)噴射孔的單一的環(huán)。
第12實(shí)施方式的輔助燃料噴嘴502也可適用于第1、第2以及第4～第11實(shí)施方式。
在將本發(fā)明適用于燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒裝置時(shí)，也可以將上述的實(shí)施方式(第1實(shí)施方式～第12實(shí)施方式)看作1次燃燒區(qū)域，在出口的下游進(jìn)一步設(shè)置空氣流入部。另外，在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒裝置中，為了不降低燃燒效率而排出未燃燒成分或不增加NOx生成，在1次燃燒區(qū)域的下游添加空氣的技術(shù)被廣為公知。因此，由于在將本發(fā)明適用于燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)，可以通過將公知的技術(shù)應(yīng)用到至此所說明的實(shí)施方式中來實(shí)現(xiàn)，所以在保持本發(fā)明本質(zhì)的狀態(tài)下，可具有許多應(yīng)用的實(shí)施方式。以下，不能描述其所有的內(nèi)容，只對其一部分例子進(jìn)行說明。
參照圖28和圖29，說明第13實(shí)施方式中的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒裝置。圖28和圖29的第13實(shí)施方式為將所述圖8和圖9的第3實(shí)施方式的燃燒裝置適用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置的實(shí)施方式。
在圖28和圖29中，該燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置與所述第3實(shí)施方式比較，由2級不同截面的筒構(gòu)成2次筒600，使得具有在上方與連接部件270連接的小徑部602和通過臺(tái)階部(截面擴(kuò)張部)604與該小徑部602連接的大徑部606。在圖示的例中，在所述小徑部602上為1級，在大徑部604上為2級，在各級上開口有多個(gè)并且同一間距的空氣孔614。
2次筒600在下游截面為擴(kuò)張的，但其也可任意設(shè)定。另外，直到出口26一體構(gòu)成2次筒600，但也可根據(jù)制作上的要求進(jìn)行分割。流入殼體14被置換為與2次筒600相對應(yīng)延長的流入殼體14b。
從在2次筒600的周圍在多級上形成的空氣孔614流入2次和稀釋空氣618。與圖8和圖9的第3實(shí)施方式同樣地，在1次燃燒區(qū)域616中，沿著燃料軌跡23無遺漏地發(fā)生燃燒氣體再循環(huán)，從而在高溫且低氧濃度的燃燒氣體下燃燒，所以在液體燃料的情況下形成預(yù)蒸發(fā)燃燒，進(jìn)行形成與氣體燃料/液體燃料無關(guān)的預(yù)混合燃燒及緩慢的燃燒，(不是如通常的擴(kuò)散燃燒那樣在局部形成理論混合比而在在局部存在高溫場所的燃燒)形成均勻且最高火焰溫度低、并且由于燃燒氣體中的惰性氣體的熱容量而平均火焰溫度低的燃燒，從而抑制熱式NOx的生成。2次筒600的最上游側(cè)的直到2次空氣孔614為止的壁面由與第3實(shí)施方式同樣地，由1次空氣617的一部分冷卻。
另外，盡管未圖示，但也可以在從2次筒600的2次空氣孔614到出口的壁面上任意開有冷卻空氣孔。此外，由于1次燃燒區(qū)域616的穩(wěn)定性高，所以可以使相對整個(gè)空氣流量的1次空氣617的流量比率增高，作為更稀薄的1次燃燒，使燃燒溫度降低，從而可進(jìn)一步抑制熱式NOx的生成。
作為構(gòu)成的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，與現(xiàn)有技術(shù)不同，在1次燃燒區(qū)域616最靠近出口26的位置上，由于流入1次空氣617，因此，2次筒600相對流入殼體14b被固定在1次燃燒區(qū)域616最靠近出口的位置和2次筒600的出口這2個(gè)地方。因此，不需要使1次燃燒區(qū)域616的外側(cè)由流入殼體14b包覆而成2重構(gòu)造，在1次燃燒區(qū)域中，容器212露出。為此，燃料噴嘴18或未圖示的點(diǎn)火裝置可不經(jīng)由流入殼體14b而直接安裝到容器212上，由于構(gòu)造簡單，所以可降低成本。當(dāng)然，希望所露出的容器212由隔熱材料經(jīng)隔熱處理而成。
另外，由于2次筒600固定到流入殼體14b上的部分的長度較短，并且是溫度較低的2次/稀釋區(qū)域，所以2次筒600的熱膨脹量減少，可以以更簡單的構(gòu)造固定容器212和流入殼體14b，可降低成本。此外，關(guān)于容器212的熱膨脹，由于容器212的封閉端部210并不受約束，所以一點(diǎn)兒都不存在問題。再有，由于燃燒室被分割成容器212和下游的構(gòu)造(2次筒200)，所以能夠容易地取出容器212，與以往相比，容易進(jìn)行燃燒裝置的分解、更換、保養(yǎng)，提高了保養(yǎng)性。
即使在代替第3實(shí)施方式、將第1、第2以及第6～第12實(shí)施方式適用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置的情況下，也可同樣地實(shí)現(xiàn)第13實(shí)施方式的作用、效果。另外，此時(shí)，可以原樣發(fā)揮第1、第2以及第6～第12實(shí)施方式各自的作用、效果。
下面，參照圖30說明第14實(shí)施方式的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置。圖30的第14實(shí)施方式為，將所述第4實(shí)施方式的燃燒裝置適用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置的實(shí)施方式。
在圖30中，該燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置與所述第4實(shí)施方式比較，2次筒被置換為向出口26側(cè)延長并在合適位置開有空氣孔614的2次筒600。另外，2次筒600在下游截面擴(kuò)張，但其也可任意設(shè)定。此外，2次筒600直到出口26為止為一體構(gòu)成，但也可根據(jù)制作上的要求進(jìn)行分割。流入殼體14置換為與2次筒600相對應(yīng)地延長的流入殼體14b，從空氣孔614流入2次和稀釋空氣618。
與圖19的第4實(shí)施方式相同，在1次燃燒區(qū)域616中，通過沿著燃料軌跡23無遺漏地產(chǎn)生燃燒氣體再循環(huán)，而在高溫且低氧濃度的燃燒氣體下燃燒，所以在液體燃料的情況下形成預(yù)蒸發(fā)燃燒、進(jìn)而形成與氣體燃料/液體燃料無關(guān)的預(yù)混合燃燒及緩慢的燃燒，(不是如通常的擴(kuò)散燃燒那樣在局部形成理論混合比而在局部存在高溫的場所的燃燒)形成均勻且最高火焰溫度低、并且由于燃燒氣體中的惰性氣體的熱容量從而平均火焰溫度低的燃燒，所以抑制熱式NOx的生成。2次筒600的直到最上游側(cè)的2次空氣孔614a為止的壁面602a與圖19的第4實(shí)施方式相同，由1次空氣617的一部分冷卻。
另外，盡管未圖示，但也可以在2次筒600的從2次空氣孔614到出口26的壁面上任意開有冷卻空氣孔。
此外，由于1次燃燒區(qū)域616的穩(wěn)定性高，所以可以使相對整個(gè)空氣流量的1次空氣617的流量比率增高，作為更稀薄的1次燃燒，使燃燒溫度降低，從而可進(jìn)一步抑制熱式NOx的生成。另外，燃燒室通過使容器312的封閉端部310以曲面構(gòu)成圓頂狀，從而特別是在溫度成為高溫的用途中，在由陶瓷等耐熱材料形成筒狀容器312的情況下，制作更容易，可降低成本。
作為構(gòu)成的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，與現(xiàn)有技術(shù)不同，在1次燃燒區(qū)域616的最靠近出口26的位置上，由于流入1次空氣617，因此，2次筒600相對流入殼體14b被固定在1次燃燒區(qū)域616的最靠近出口的位置和2次筒600的出口這2個(gè)地方。因此，不需要使1次燃燒區(qū)域616的外側(cè)由流入殼體14b包覆而成2重構(gòu)造，在1次燃燒區(qū)域中，容器312露出。因此，燃料噴嘴18或未圖示的點(diǎn)火裝置可不經(jīng)由流入殼體14b而直接安裝到容器312上，由于構(gòu)造簡單，可降低成本。當(dāng)然，希望所露出的容器312由隔熱材料經(jīng)隔熱處理而成。
另外，由于2次筒600固定到流入殼體14b上的部分的長度較短，并且是溫度較低的2次/稀釋區(qū)域，所以2次筒600的熱膨脹量減少，可以以更簡單的構(gòu)造固定容器312和流入殼體14b，可降低成本。此外，關(guān)于容器312的熱膨脹，由于容器312的封閉端部310并不受約束，所以一點(diǎn)兒也不存在問題。再有，由于燃燒室被分割成容器312和下游的構(gòu)造(2次筒600)，所以能夠容易地取出容器312，與現(xiàn)有技術(shù)相比，容易進(jìn)行燃燒裝置的分解、更換、保養(yǎng)，提高了保養(yǎng)性。
下面，參照圖31說明第15實(shí)施方式的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置。圖31的第15實(shí)施方式為將所述圖20的第5實(shí)施方式的燃燒裝置適用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置的實(shí)施方式。
在圖31中，該燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置與所述第5實(shí)施方式比較，將2次筒被置換為向出口26側(cè)延長并在合適位置開有空氣孔614的2次筒600。流入殼體被置換為與2次筒600相對應(yīng)地延長的流入殼體14c，從空氣孔614流入2次和稀釋空氣618。
與圖20的第5實(shí)施方式相同，在1次燃燒區(qū)域616中，通過沿著燃料軌跡23無遺漏地發(fā)生燃燒氣體再循環(huán)，而在高溫且低氧濃度的燃燒氣體下燃燒，所以在液體燃料的情況下形成預(yù)蒸發(fā)燃燒、進(jìn)而形成與氣體燃料/液體燃料無關(guān)的預(yù)混合燃燒及緩慢的燃燒，(不是如通常的擴(kuò)散燃燒那樣在局部形成理論混合比而在局部存在高溫的場所的燃燒)形成均勻且最高火焰溫度低、并且由于燃燒氣體中的惰性氣體的熱容量而平均火焰溫度低的燃燒，從而抑制熱式NOx的生成。2次筒600的直到最上游側(cè)的2次空氣孔614為止的壁面602a與第5-實(shí)施方式相同，由1次空氣617的一部分冷卻。
另外，盡管未圖示，但也可以在2次筒600的從2次空氣孔614到出口26的壁面上任意開有冷卻空氣孔。此外，由于1次燃燒區(qū)域616的穩(wěn)定性高，所以可以使相對整個(gè)空氣流量的1次空氣617的流量比率增高，作為更稀薄的1次燃燒，使燃燒溫度降低，從而可進(jìn)一步抑制熱式NOx的生成。
作為構(gòu)成的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，與現(xiàn)有技術(shù)不同，在1次燃燒區(qū)域616的最靠近出口26的位置以及容器412的封閉端部410，流入空氣，所以2次筒600相對流入殼體14c被固定在容器412的封閉端部410和2次筒600的出口這2個(gè)地方。因此，不需要使容器412的封閉端部410的外側(cè)由流入殼體14c包覆而成2重構(gòu)造，容器412的封閉端部410露出。因此，燃料噴嘴18或未圖示的點(diǎn)火裝置可不經(jīng)由流入殼體14c而直接安裝到容器412的封閉端部410上，由于構(gòu)造簡單，所以可降低成本。當(dāng)然，希望所露出的容器412的封閉端部410由隔熱材料經(jīng)隔熱處理而成。
下面，參照圖32，對第16實(shí)施方式的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置進(jìn)行說明。圖32的第16實(shí)施方式為所述圖29的第13實(shí)施方式的應(yīng)用例。
該燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置為，通過由2次回旋器715使2次空氣618成為回旋流，可促進(jìn)2次區(qū)域中的混合。本實(shí)施方式的2次回旋器715也可適用于所述第14、第15實(shí)施方式。如此，在1次燃燒區(qū)域的下游添加空氣時(shí)，通過使用不會(huì)使燃燒效率降低而排出未燃成分或者不會(huì)增加NOx生成的公知技術(shù)，可在保持本發(fā)明的本質(zhì)的狀態(tài)下，獲得各種各樣應(yīng)用的實(shí)施方式。
上述實(shí)施方式涉及單筒型(罐型)燃燒裝置，但在有多種類的環(huán)型(環(huán)狀)燃燒裝置中，具有下述類型，即，設(shè)置有多個(gè)以往在該1次燃燒區(qū)域中通過回旋使火焰穩(wěn)定的圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的燃燒裝置來作為1次燃燒區(qū)域的類型。本發(fā)明的實(shí)施方式的燃燒裝置也可以在具有本質(zhì)效果的狀態(tài)下作為環(huán)型(環(huán)狀)燃燒裝置的1次燃燒區(qū)域來適用。參照圖33，說明這樣的環(huán)型燃燒裝置即第17實(shí)施方式的燃燒裝置。
該燃燒裝置(圖33)為，將所述圖8和圖9的第3實(shí)施方式的燃燒裝置C與多個(gè)(在圖示例中為8個(gè))單一的2次環(huán)狀容器833連接，將流入殼體作為環(huán)狀流入殼體814，以構(gòu)成環(huán)型(環(huán)狀)燃燒裝置。詳細(xì)地講，多個(gè)燃燒裝置C的2次筒200的端部以與2次環(huán)狀容器833的封閉端部834連通方式連接。
代替圖8和圖9的第3實(shí)施方式，將第1、第2、第4和第5～第12實(shí)施方式適用于本實(shí)施方式(第17實(shí)施方式)時(shí)，也可以原樣發(fā)揮第1、第2、第4和第5～第12實(shí)施方式的各自的作用、效果。
另外，盡管未圖示，但圖32的第16實(shí)施方式的2次回旋器715也可適用于圖33的第17實(shí)施方式。此外，盡管未圖示，但多個(gè)的第3實(shí)施方式的燃燒裝置也可不僅在2次環(huán)狀容器833的周向而且可在半徑方向設(shè)置多列。其特別適用于大型的環(huán)狀燃燒裝置。
以上所說明的實(shí)施方式的任意一個(gè)均是將空氣回旋地向燃燒室供給，但圖34和圖35示出了不使空氣回旋而進(jìn)行供給的例子。圖34和圖35所示的燃燒裝置不使用回旋器，而在空氣流入部20中使用導(dǎo)入部17，該導(dǎo)入部17僅用于供給空氣，使得在燃燒室中心軸方向上具有與燃料的流動(dòng)相對的朝向的速度成分。即使采用如此構(gòu)成，空氣流的軌跡和燃料流的軌跡也不相同，可以形成下述流動(dòng)的狀態(tài)，即，空氣流的軌跡與燃料流的軌跡2次交匯，在燃料軌跡的前端附近區(qū)域中空氣流的軌跡最初與燃料流的軌跡交匯，在從燃料流的軌跡根部到前端附近的范圍內(nèi)，空氣流的軌跡與燃料流的軌跡第2次交匯。
另外，在圖34和圖35中，示出了在第2實(shí)施方式中沒有回旋器時(shí)的構(gòu)成，但在上述的第1、第3～第17實(shí)施方式中，也同樣可以采用沒有回旋器的構(gòu)成。但是，如果是使用了回旋器的第1～第17實(shí)施方式所示的構(gòu)成，則空氣流形成沿著燃燒裝置的內(nèi)壁面回旋的回旋流，由于離心力的作用，空氣流在朝著燃燒裝置的出口方向改變流動(dòng)的朝向之前，能夠沿著燃燒裝置外周面的內(nèi)面更圓滑、遍布長距離地逆流而上。即，如果是第1～第17實(shí)施方式所示的構(gòu)成，與圖34和圖35代表性示出的的構(gòu)成相比，能夠更有效地形成上述流動(dòng)的狀態(tài)。
下面，參照圖36，說明將上述實(shí)施方式的燃燒裝置適用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的實(shí)施方式。圖36所示的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)具有燃?xì)廨啓C(jī)裝置900和發(fā)電機(jī)902。
燃?xì)廨啓C(jī)裝置900具有利用燃燒氣體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)904、使燃料與空氣的混合氣燃燒的燃燒器906、調(diào)節(jié)燃料向燃燒器906的供給量的燃料調(diào)節(jié)閥908、將空氣向燃燒器906壓送的空氣壓縮機(jī)910、間接地使所述汽輪機(jī)904成為控制對象的控制裝置912。在此，上述實(shí)施方式的燃燒裝置作為圖36中的燃燒906使用。
汽輪機(jī)904具有接受燃燒氣體926并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的多個(gè)未圖示的旋轉(zhuǎn)翼，通過旋轉(zhuǎn)軸914與空氣壓縮機(jī)910連接，并且，可自由旋轉(zhuǎn)地支承于未圖示的殼體內(nèi)。空氣壓縮機(jī)910的構(gòu)成為，經(jīng)由旋轉(zhuǎn)軸914由汽輪機(jī)904驅(qū)動(dòng)，將供給到空氣壓縮機(jī)910內(nèi)的空氣916壓縮。該空氣壓縮機(jī)910的構(gòu)成為，經(jīng)由配管918與燃燒器906連接，由空氣壓縮機(jī)910壓縮的空氣920經(jīng)由配管918向燃燒器906供給。
燃料調(diào)節(jié)閥908設(shè)置于燃燒器906的上游側(cè)，從未圖示的燃料供給源供給的燃料922通過該燃料調(diào)節(jié)閥908之后，向燃燒器906供給。燃料調(diào)節(jié)閥908為閥的開度可變的構(gòu)成，通過控制裝置912經(jīng)控制信號線924操作該開度，調(diào)節(jié)燃料922對燃燒器906的供給量。
向燃燒器906供給的燃料922和壓縮空氣920在燃燒器906中形成混合氣，混合氣在燃燒器906燃燒，由此產(chǎn)生高溫、高壓的燃燒氣體926。并且，通過將所產(chǎn)生的高溫、高壓燃燒氣體926向汽輪機(jī)904供給，汽輪機(jī)904高速旋轉(zhuǎn)。汽輪機(jī)904經(jīng)由旋轉(zhuǎn)軸914與發(fā)電機(jī)902直接連接，通過汽輪機(jī)904旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機(jī)902旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，從而進(jìn)行發(fā)電。
另外，在旋轉(zhuǎn)軸914的軸附近(在圖36中為發(fā)電機(jī)902的附近)，設(shè)有檢測出汽輪機(jī)904的轉(zhuǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)數(shù)檢測器928。由轉(zhuǎn)數(shù)檢測器928檢測出的轉(zhuǎn)速的信息經(jīng)由信號線930被傳遞給控制裝置912。關(guān)于燃燒器906的構(gòu)成以及作用和效果，與上述各實(shí)施方式中的燃燒裝置的構(gòu)成和作用效果相同。
如上所述，在將本發(fā)明的實(shí)施方式適用于通用的燃燒裝置時(shí)，通過用簡單的構(gòu)造積極地控制并產(chǎn)生燃燒氣體再循環(huán)，能夠穩(wěn)定性高且最大限度地發(fā)揮燃燒氣體再循環(huán)的作用。
另外，由于能夠在高穩(wěn)定性下最大限度地發(fā)揮燃燒氣體再循環(huán)的作用，所以在高溫且低氧濃度的燃燒氣體下燃燒，形成在液體燃料的情況下具有穩(wěn)定的蒸發(fā)動(dòng)作的預(yù)蒸發(fā)燃燒、與氣體燃料、液體燃料無關(guān)的預(yù)混合燃燒、緩慢的燃燒，實(shí)現(xiàn)以均勻且最高火焰溫度低的燃燒、由于燃燒氣體中的惰性氣體的熱容量而平均火焰溫度低的燃燒，可實(shí)現(xiàn)提供一種現(xiàn)有技術(shù)中很難實(shí)現(xiàn)的可以抑制熱式NOx生成的燃燒裝置。
并且，由于燃燒裝置的內(nèi)壁適當(dāng)?shù)赜傻蜏氐目諝饬骼鋮s，因此可實(shí)現(xiàn)提供一種耐久性高的燃燒裝置。
可實(shí)現(xiàn)提供一種容易使用陶瓷等耐熱材料的燃燒裝置。另外，由于分解、更換變得容易，所以可實(shí)現(xiàn)提供一種保養(yǎng)性優(yōu)良的燃燒裝置。
在設(shè)有輔助燃料噴嘴的情況下，可實(shí)現(xiàn)提供一種即使在氣體燃料/液體燃料的混合燃燒及低發(fā)熱量的燃料及廢液的燃燒中也可抑制熱式NOx生成的燃燒裝置。
在將上述實(shí)施方式作為1次燃燒區(qū)域適用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置時(shí)，通過用簡單的構(gòu)造積極地控制并產(chǎn)生燃燒氣體再循環(huán)，在1次燃燒區(qū)域，能夠穩(wěn)定性高且最大限度地發(fā)揮燃燒氣體再循環(huán)的作用。
由于能夠在高穩(wěn)定性下最大限度地發(fā)揮燃燒氣體再循環(huán)的作用，所以在高溫且低氧濃度的燃燒氣體下燃燒，形成在現(xiàn)有技術(shù)下很難實(shí)現(xiàn)低NOx化的液體燃料的情況下具有穩(wěn)定的蒸發(fā)動(dòng)作的預(yù)蒸發(fā)燃燒、與氣體燃料、液體燃料無關(guān)的預(yù)混合燃燒、緩慢的燃燒，實(shí)現(xiàn)以均勻且最高火焰溫度低的燃燒、由于燃燒氣體中的惰性氣體的熱容量而平均火焰溫度低的燃燒，并且，可實(shí)現(xiàn)提供一種通過更稀薄地設(shè)計(jì)1次燃燒區(qū)域可進(jìn)一步將燃燒溫度抑制到很低的、抑制熱式NOx生成的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置。
由于燃燒裝置的內(nèi)壁適當(dāng)?shù)赜傻蜏氐目諝饬骼鋮s，因此可實(shí)現(xiàn)提供一種耐久性高的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置。
可實(shí)現(xiàn)提供一種容易使用陶瓷等耐熱材料的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置。另外，由于分解、更換變得容易，所以可實(shí)現(xiàn)提供一種保養(yǎng)性優(yōu)良的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置。
由于能夠采用在1次燃燒區(qū)域的外側(cè)空氣不流動(dòng)并露出襯套的構(gòu)造，能夠用簡單的構(gòu)造配置燃料噴嘴及點(diǎn)火裝置等，實(shí)現(xiàn)提供一種可降低成本的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置。
由于可降低襯套對殼體的熱膨脹，所以可實(shí)現(xiàn)提供一種構(gòu)造簡單、可降低成本的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置。
在設(shè)有輔助燃料噴嘴的情況下，可實(shí)現(xiàn)提供一種即使在氣體燃料/液體燃料的混合燃燒及低發(fā)熱量的燃料及廢液的燃燒中也可抑制熱式NOx生成的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒裝置。
此外，附記以上說明了的實(shí)施方式在保持發(fā)明的本質(zhì)的范圍內(nèi)可任意地變形，發(fā)明的技術(shù)外延必須始終由權(quán)利要求書的記載判斷。即，圖示的實(shí)施方式只是例示，并不是對限定本發(fā)明的技術(shù)范圍的要旨的記載。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明能夠適當(dāng)?shù)剡m用于使燃燒用空氣和燃料流入燃燒室、將燃燒用空氣和燃料混合來進(jìn)行燃燒的燃燒裝置。
權(quán)利要求
1.一種燃燒裝置，其特征在于，具有單筒狀的燃燒室、將燃燒用空氣向所述燃燒室內(nèi)供給的空氣供給部、和將燃料向所述燃燒室內(nèi)供給的燃料供給部；向所述燃燒室內(nèi)供給的空氣在從所述燃料供給部離開的區(qū)域，與向所述燃燒室內(nèi)供給的燃料的軌跡最初交匯，并且在所述燃料供給部附近的區(qū)域，與所供給的燃料的軌跡再次交匯。
2.按照權(quán)利要求1所述的燃燒裝置，其特征在于，所述燃料供給部形成燃料的流動(dòng)，該燃料的流動(dòng)具有所述燃燒室的中心軸方向的速度成分和從所述燃燒室的中心軸朝向該燃燒室的壁面的方向的速度成分，所述空氣供給部形成燃燒用空氣的流動(dòng)，該燃燒用空氣的流動(dòng)在所述燃燒室的中心軸方向上具有與燃料的流動(dòng)相對的朝向的速度成分，且具有向周向回旋的速度成分。
3.按照權(quán)利要求2所述的燃燒裝置，其特征在于，所述燃料的流動(dòng)具有朝向燃燒裝置的出口方向的速度成分，所述燃燒用空氣的流動(dòng)具有朝向與出口方向相反的方向的速度成分。
4.一種燃燒裝置，其特征在于，具有筒狀容器，包括封閉端部和開放端部；流入流路，在所述筒狀容器的中心軸方向上從所述封閉端部離開的位置上，貫穿筒狀容器的側(cè)面而形成，向所述筒狀容器內(nèi)的燃燒室供給燃燒用空氣；和燃料噴嘴，設(shè)置于所述筒狀容器的封閉端部的內(nèi)側(cè)，向所述筒狀容器內(nèi)的燃燒室供給燃料；所述流入流路形成空氣的流動(dòng)，該空氣的流動(dòng)具有從所述開放端部朝向所述封閉端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分和向所述筒狀容器的周向回旋的速度成分，所述燃料噴嘴向所述流入流路噴射燃料，使該燃料具有從所述封閉端部朝向所述開放端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分和朝向半徑方向外方的速度成分。
5.一種燃燒裝置，其特征在于，具有包括封閉端部和開放端部的筒狀容器、將燃燒用空氣向所述筒狀容器內(nèi)的燃燒室供給的流入流路、和將燃料向所述筒狀容器內(nèi)的燃燒室供給的燃料噴嘴；所述筒狀容器在沿著所述筒狀容器的中心軸離開所述封閉端部規(guī)定的距離的位置上直徑變小，所述流入流路在所述筒狀容器的直徑變小的部分上形成，并且形成空氣的流動(dòng)，該空氣的流動(dòng)具有從所述開放端部朝向所述封閉端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分和向所述筒狀容器的周向回旋的速度成分，所述燃料噴嘴向所述流入流路噴射燃料，使該燃料具有從所述封閉端部朝向所述開放端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分和朝向半徑方向外方的速度成分。
6.一種燃燒裝置，其特征在于，具有筒狀容器，包括封閉端部和開放端部；筒狀部件，與所述筒狀容器的中心軸大致同軸且設(shè)置于所述開放端部一側(cè)，具有比所述筒狀容器的直徑小的直徑；環(huán)狀的連接部件，將所述筒狀容器的開放端部與所述筒狀部件的外周面連接；流入流路，在所述連接部件上形成，向所述筒狀容器內(nèi)的燃燒室供給燃燒用空氣；和燃料噴嘴，設(shè)置于所述筒狀容器的封閉端部的內(nèi)側(cè)，向所述筒狀容器內(nèi)的燃燒室供給燃料；所述流入流路形成空氣的流動(dòng)，該空氣的流動(dòng)具有從所述開放端部朝向所述封閉端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分和向所述筒狀容器的周向回旋的速度成分，所述燃料噴嘴向所述流入流路噴射燃料，使該燃料具有從所述封閉端部朝向所述開放端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分和朝向半徑方向外方的速度成分。
7.按照權(quán)利要求4～6中任一項(xiàng)所述的燃燒裝置，其特征在于，在所述筒狀容器的側(cè)面的所述封閉端部附近，設(shè)有用于朝向所述筒狀容器的半徑方向內(nèi)側(cè)流入空氣的第2流入流路。
8.按照權(quán)利要求4～7中任一項(xiàng)所述的燃燒裝置，其特征在于，在所述筒狀容器內(nèi)部的封閉端部和/或所述封閉端部附近的側(cè)壁上，設(shè)有在所述封閉端部附近的區(qū)域中抑制空氣的流動(dòng)的整流構(gòu)造，該空氣的流動(dòng)具有從所述開放端部朝向所述封閉端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分，且向所述筒狀容器的周向回旋。
9.按照權(quán)利要求4～8中任一項(xiàng)所述的燃燒裝置，其特征在于，在所述筒狀容器內(nèi)部的封閉端部和/或所述封閉端部附近的側(cè)壁上，設(shè)有在所述封閉端部附近的區(qū)域中將空氣的流動(dòng)變換為朝向半徑方向內(nèi)方的流動(dòng)的整流構(gòu)造，該空氣的流動(dòng)具有從所述開放端部朝向所述封閉端部的所述筒狀容器的中心軸方向的速度成分，且向所述筒狀容器的周向回旋。
10.按照權(quán)利要求4～9中任一項(xiàng)所述的燃燒裝置，其特征在于，在所述筒狀容器內(nèi)部，在所述中心軸方向上比所述流入流路還接近所述封閉端部的位置上設(shè)有附加的燃料噴嘴。
11.一種燃燒方法，使燃燒用空氣和燃料流入燃燒裝置內(nèi)的燃燒室中并混合燃燒，其特征在于，所述燃燒室內(nèi)的空氣流的軌跡和燃料流的軌跡不相同，所述空氣流的軌跡與所述燃料流的軌跡最初在所述燃料流的軌跡的前端附近的區(qū)域交匯，接著，在從所述燃料流的軌跡的根部到所述前端附近的范圍內(nèi)交匯。
12.按照權(quán)利要求11所述的燃燒方法，其特征在于，所述燃料流具有所述燃燒室的中心軸方向的速度成分、和從所述燃燒室的中心軸朝向所述燃燒室的壁面的方向的速度成分，所述空氣流在所述燃燒室的中心軸方向上具有與所述燃料流相對的朝向的速度成分，并且具有向周向回旋的速度成分。
全文摘要
本發(fā)明的燃燒裝置能夠以簡單的構(gòu)造積極地控制并產(chǎn)生燃燒氣體再循環(huán)。燃燒裝置具有包括燃燒室、封閉端部(10)和開放端部(26)的筒狀容器(12)、將燃燒用空氣向筒狀容器(12)內(nèi)的燃燒室供給的流入流路(20)、和將燃料向筒狀容器(10)內(nèi)的燃燒室供給的燃料噴嘴(18)。形成空氣的流動(dòng)(28)，該空氣的流動(dòng)(28)具有從開放端部(26)朝向封閉端部(10)的中心軸(J)方向的速度成分和向環(huán)狀容器(12)的周向回旋的速度成分。噴射燃料(23)，該燃料(23)具有從封閉端部(10)朝向開放端部(26)的中心軸(J)方向的速度成分和朝向半徑方向外方的速度成分。
文檔編號F23D14/02GK1918431SQ200580004549
公開日2007年2月21日 申請日期2005年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月10日
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