JP2001355808A - 低NOxバーナ及びその運転方法 - Google Patents
低NOxバーナ及びその運転方法Info
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Abstract
生量を低減することができる低NOxバーナ及びその運
転方法を提供する。 【解決手段】 先端が拡開した円錐状燃焼室13の基部
中央に燃料噴出孔14を、円錐状燃焼室13の周壁に一
次支燃性ガスを旋回流として噴出する複数の一次支燃性
ガス噴出孔15をそれぞれ有するバーナ本体11と、バ
ーナ中心軸を中心とする円の円周上で、バーナ本体11
から所定距離離れた位置から二次支燃性ガスを噴出する
複数の二次支燃性ガス噴出孔12とを備えている。
Description
びその運転方法に関し、詳しくは、鉄、非鉄、窯業用の
加熱・溶解炉や産業用ボイラに用いられるバーナであっ
て、特に、NOxの排出量を低く抑えた低NOxバーナ
の構造及びその運転方法に関する。
するバーナとしては、放射伝熱効率が高い火炎特性が要
求されている。支燃性ガスとして純酸素を使用した燃焼
装置(酸素バーナ)は、空気燃焼に比較して高温の火炎
が得られるとともに、NOxの排出量が極めて少ないと
いう特性を有している。しかし、加熱・溶解炉におい
て、完全に密閉された炉は実際上あり得ないため、炉内
への空気の流入は避けることができない。
い炉においても、支燃性ガスとして圧力変動吸着式空気
分離装置(PSA装置)で製造した酸素を用いた場合、
PSA装置からの酸素には、不純物として2.5%程度
の窒素が含まれており、この窒素が高温の火炎中でNO
xを生成する。
成量が増加するので、NOxの生成量を抑えるために
は、火炎温度を低下させることが効果的である。また、
NOxは、局所酸素比が高くなると生成量が増加するた
め、燃焼雰囲気を制御して局所酸素比を低くすることに
より、NOxの生成量を抑えることができる。このた
め、一般的には、二段燃焼や排ガス再循環等によって火
炎温度を下げたり、燃焼雰囲気の制御を行ったりしてN
Oxの生成量を低減するようにしている。
焼や排ガス再循環等を行うと、火炎温度が下がり、放射
伝熱効率が低下したり、燃焼効率が低下し、火炎長が長
くなったりするという問題が発生する。
放射伝熱効率を向上させながら、NOxの発生量を低減
することができる低NOxバーナ及びその運転方法を提
供することを目的としている。
め、本発明の低NOxバーナは、先端が拡開した円錐状
燃焼室の基部中央に燃料噴出孔を、前記円錐状燃焼室の
周壁に一次支燃性ガスを旋回流として噴出する複数の一
次支燃性ガス噴出孔をそれぞれ有するバーナ本体と、バ
ーナ中心軸を中心とする円の円周上で、バーナ本体から
所定距離離れた位置から二次支燃性ガスを噴出する複数
の二次支燃性ガス噴出孔とを備えていることを特徴とし
ている。
て、前記二次支燃性ガス噴出孔の位置は、前記バーナ本
体を中心とする直径D[mm]の円周上にあり、該直径
Dが、バーナ燃焼量Q[kcal/hr]に対して、D
=300〜500×(Q×10−6))1/3の範囲に
あることが好ましい。
向が、バーナ中心軸に向かって0〜30度の範囲にある
ことが好ましく、その流量が、全支燃性ガス合計流量の
60〜90%であることが好ましく、その噴出速度が、
40〜150m/sであることが好ましい。
20〜45度であることが好ましく、前記一次支燃性ガ
スは、その噴出速度が、50〜200m/sであるこ
と、その噴出方向が、バーナ中心軸に対して45〜90
度で、かつ、バーナ中心軸を中心とする円の法線に対し
て30〜90度であることが好ましく、その噴出孔がバ
ーナ軸線方向に複数列設けられていることが好ましい。
体燃料用バーナの場合、液体燃料を霧化させる霧化器を
有するとともに、この霧化器から噴出した液体燃料の霧
化を促進する噴霧用支燃性ガス噴出孔を備えていること
が好ましい。一方、バーナ本体がガス燃料用バーナの場
合は、前記燃料噴出孔が、ガス燃料を旋回流で噴出させ
るガス旋回器を備えていることが好ましい。
記構成の低NOxバーナのターンダウン運転の際には、
前記二次支燃性ガスの流量が全支燃性ガス合計流量の6
0〜90%になるように、各支燃性ガスの流量を調節す
ることを特徴とし、特に、バーナ本体が液体燃料用バー
ナの場合は、ターンダウン運転の際に、前記噴霧用支燃
性ガス噴出孔から噴出する噴霧用支燃性ガスの流量を定
格運転時の80%以上に保ちながら、前記二次支燃性ガ
スの流量が全支燃性ガス合計流量の60〜90%になる
ように、各支燃性ガスの流量を調節することを特徴とし
ている。
xバーナの一形態例を示すもので、図1は断面側面図、
図2は正面図である。
からなるバーナ本体11を中心として、その周囲に複数
の二次支燃性ガス噴出孔12を設けたものであって、バ
ーナ本体11は、先端が拡開した円錐状燃焼室13の基
部中央に燃料噴出孔14を、前記円錐状燃焼室13の周
壁に一次支燃性ガスを噴出する複数の一次支燃性ガス噴
出孔15をそれぞれ有している。なお、バーナー本体1
1の外周には、水冷ジャケット16が設けられている。
を有する液体燃料噴出孔18と、該液体燃料噴出孔18
の周囲の噴霧用支燃性ガス噴出孔19とを有しており、
液体燃料噴出孔18から噴出する液体燃料は、燃料霧化
器17で霧状となり、さらに、噴霧用支燃性ガス噴出孔
19から高速の旋回流として噴出する噴霧用支燃性ガス
と急速に混合・燃焼して円錐状燃焼室13内に噴出す
る。
次支燃性ガスは、末広がりとなった円錐状燃焼室13の
周壁内面に沿うような旋回流として噴出し、円錐状燃焼
室13から炉内に噴出する火炎を、円錐状燃焼室13の
内面に沿った形状に拡げることにより、火炎長を短くす
るとともに火炎表面積を大きくし、これによって放射伝
熱特性を向上させるようにしている。
ー本体11の中心軸を中心とする円の円周上で、バーナ
本体11から所定距離離れた位置に等角度間隔で複数個
が設けられており、この二次支燃性ガス噴出孔12から
噴出する二次支燃性ガスは、バーナ本体11により形成
された火炎(一次火炎)を取り囲むようにして噴出し、
一次火炎の後流に吹き込まれて一次火炎後流において未
燃分を燃焼させる。
噴霧用支燃性ガス及び一次支燃性ガスの合計流量を10
〜40%、二次支燃性ガスの流量を全支燃性ガス合計流
量の60〜90%に設定することにより、一次火炎を酸
素不足の状態(還元性雰囲気)で燃焼させてNOxの生
成を抑制することができる。加えて、一次火炎後流で二
次支燃性ガスにより未燃分を燃焼させることにより、火
炎温度を大きく上昇させることなく完全燃焼させること
ができ、火炎温度の上昇を抑えることで火炎後流でのN
Oxの生成を抑制することができるとともに、一酸化炭
素等の発生も低く抑えることができる。なお、二次支燃
性ガスの流量割合を全支燃性ガス合計流量の90%以上
にすると、バーナ本体11での液体燃料の燃焼に悪影響
がでる。
離れた位置に二次支燃性ガス噴出孔12を設け、二次支
燃性ガスを一次火炎の後流に吹き込むようにしたことに
より、二次支燃性ガスが一次火炎に吹き込まれるまでの
間に、支燃性ガス流に炉内雰囲気ガスが同伴されること
になるので、支燃性ガス流中の酸素濃度が低下してNO
xの生成を抑制することができる。
燃性ガスの噴出方向及び噴出速度(流速)は、燃料の種
類、バーナ本体11の性能、炉の状況等によって適宜に
設定することができるが、二次支燃性ガス噴出孔12
を、前記バーナ本体11を中心とする直径D[mm]の
円周上に設置する場合、直径Dを、バーナ燃焼量Q[k
cal/hr]に対して、D=300〜500×(Q×
10−6))1/3の範囲になるように設定することが
好ましい。
炎中への二次支燃性ガスの巻き込みが早くなり、火炎温
度の上昇、一次火炎における還元領域の縮小が起こり、
NOxの生成量が多くなる。逆に直径Dが大きすぎる
と、一次火炎と二次支燃性ガスとの混合性が悪化し、火
炎長が長くなったり、一酸化炭素や煤塵等の未燃分が排
出されるという問題がでてくる。
設置位置によっても異なるが、バーナ中心軸に向かって
の角度αが0(軸線と平行)〜30度の範囲が適当であ
る。すなわち、噴出方向がバーナ中心軸に対して外側に
開いていると、一次火炎と二次支燃性ガスとの混合性が
悪化し、前記同様に一酸化炭素や煤塵等の未燃分が排出
されることがある。30度よりも大きな角度でバーナ中
心軸方向に向けると、一次火炎中への二次支燃性ガスの
巻き込みが早くなり、前記同様に、火炎温度の上昇、一
次火炎における還元領域の縮小が起こり、NOxの生成
量が多くなるという問題がでてくる。
流速は、40〜150m/sが適当である。この流速が
遅すぎると、一次火炎と二次支燃性ガスとの混合性が悪
化し、火炎長が長くなったり、炉内雰囲気ガスの同伴量
が減少することによってNOx排出濃度が高くなる。流
速が速すぎると、一次火炎と二次支燃性ガスとの混合が
急速に起こり、一次火炎後流で未燃分が急速に燃焼する
ことによって温度が上昇し、NOxの排出濃度が高くな
る。
に、全支燃性ガス合計流量の60〜90%が適当であ
り、二次支燃性ガスの流量割合が少なすぎると、一次支
燃性ガスの流量が多くなるため、一次火炎における燃焼
雰囲気の還元性が低くなり、NOxの生成量が多くな
る。二次支燃性ガスの流量割合が多すぎると、相対的に
一次支燃性ガスの流量が減少してバーナ本体11での燃
焼が十分に行えないので、未燃分が排出されたり、火炎
の拡がりが小さくなって放射伝熱効率が低下する。
状によっても異なるが、例えば、図3の断面側面図、図
4の正面図に示すような液体燃料用バーナの場合、円錐
状燃焼室13の円錐角度βは、20〜45度の範囲が適
当であり、円錐角度が小さすぎると、一次火炎が十分に
拡がらないので放射伝熱効率が低下し、円錐角度が大き
すぎると、燃料と支燃性ガスとの混合が十分に行われな
くなるという問題がでてくる。
次支燃性ガスの噴出速度(流速)は、50〜200m/
sの範囲が適当であり、流速が遅すぎると、燃料の噴霧
状態が悪化するとともに、燃料と支燃性ガスとの混合が
十分に行えなくなる。これ以上流速を速くしても、支燃
性ガスの供給圧力が高くなるだけであり、ほとんど無意
味である。
ーナ中心軸に対する角度γが40〜90度の範囲で、か
つ、バーナ中心軸を中心とする円の法線に対する角度δ
が30〜90(接線方向)度の範囲であること好まし
い。バーナ中心軸に対する角度γが小さ過ぎると、十分
な旋回力が得られないので、火炎の拡がりが悪くなり、
角度γを90度を超えて逆方向に向けても無意味であり
効果はない。また、法線に対する角度δが小さすぎる
と、十分な旋回力が得られないので、火炎の拡がりが悪
くなるという問題がある。
に示すように、バーナ軸線方向に複数列設けておくこと
もでき、図3に示すように一列だけ設けておくことがで
きる。この一次支燃性ガス噴出孔15の設置状態は任意
であるが、複数列設けた場合は、一列の場合に比べて火
炎の調整を容易に行えるという利点がある。
料の供給圧力のみで液体燃料を霧状に噴出させてもよい
が、両形態例に示すように、燃料霧化器17及び噴霧用
支燃性ガス噴出孔19を設けて燃料を噴出させることに
より、液体燃料と噴霧用支燃性ガスとを急速に混合させ
て燃焼させることができ、より安定した燃焼状態が得ら
れる。
用したときのバーナ本体11の例を示すもので、図5は
断面側面図、図6は正面図である。ガス燃料の場合は、
ガス燃料噴出孔21の先端にガス旋回器(スワラ)22
を設けてガス燃料を旋回流で噴出させるとともに、円錐
状燃焼室13の周壁に設けた一次支燃性ガス噴出孔15
から一次支燃性ガスを前記同様にして旋回流で噴出させ
ることにより、前記同様の放射伝熱特性に優れた一次火
炎を形成することができる。バーナ本体11や二次支燃
性ガス噴出孔12における各部の設置状態や寸法、角
度、支燃性ガスの流量割合や流速は、液体燃料用バーナ
と同じように設定すればよい。
灯油、メタン、プロパン等の従来から燃料として用いら
れているものを任意に使用することができ、支燃性ガス
には、空気、酸素富化空気、純酸素を使用することがで
きる。
おいて、ターンダウン運転を行う際には、前記二次支燃
性ガスの流量が、定格運転時と同様に、全支燃性ガス合
計流量の60〜90%になるように、各支燃性ガスの流
量を調節することにより、バーナ本体11からの一次火
炎及び二次支燃性ガスの吹き込みのバランスを定格運転
時と同様に維持することができる。
ナーの場合、ターンダウン運転の際には、前記同様に、
二次支燃性ガスの流量が、全支燃性ガス合計流量の60
〜90%になるように調節するとともに、バーナ本体1
1においては、前記噴霧用支燃性ガスの流量は、定格運
転時の80%以上に保つようにする。これにより、液体
燃料の霧化及び初期燃焼を定格運転時と同様に効果的に
行うことができる。
に示した液体燃料用バーナを使用した本発明のバーナ
と、基本的構造が図3、図4に示した構造である従来の
液体燃料用バーナとを使用し、水冷式円筒炉内で燃焼さ
せてNOx排出量及び放射熱流束を比較した。
/hrであり、液体燃料はA重油を120L/hrで供
給した。支燃性ガスは純酸素を使用し、総流量は、酸素
量換算で245Nm3/hrとした。このときの燃料に
対する酸素比は1.02となる。
状燃焼室の角度βは30度、一次支燃性ガスの噴出方向
は、バーナ中心軸に対する角度γを90度、バーナ中心
軸を中心とする円の法線に対する角度δを45度とし
た。また、二次支燃性ガスは、バーナ本体を中心とした
直径400mmの円周上に30度間隔で12個設置した
二次支燃性ガス噴出孔から、角度αを20度にして噴出
させた。
及び流速は、噴霧用支燃性ガス及び一次支燃性ガスを共
に25Nm3/hrで150m/sとし、二次支燃性ガ
スは、純酸素中の窒素濃度(1〜5%)に応じて流量を
195〜208Nm3/hrに変化させたのに伴い、流
速は122〜128m/sに変化した。
とNOx排出濃度との関係を測定した結果を示す図であ
る。この図から、従来バーナーは支燃性ガス中の窒素濃
度の上昇に伴ってNOx排出濃度が増加するのに対し、
本発明バーナは、窒素濃度が増加してもNOx排出濃度
はほとんど変化せず、極めて低く抑えられていることが
分かる。
束との関係を測定した結果を示す図である。この図か
ら、本発明バーナは、従来バーナに比べて高い放射熱流
束が得られることが分かる。
と基本的に同一の構造で、燃焼量が10倍のバーナbを
製作した。バーナbの燃焼量は1100万kcal/h
rであり、角度βは30度、角度γは90度、角度δは
45度とバーナaと同じにした。二次支燃性ガスは、直
径780mmの円周上の12個の噴出孔から角度αを8
度にして噴出させた。また、バーナbではA重油を12
00L/hrで供給した。支燃性ガスは、窒素濃度2.
5%の酸素を使用し、総流量は、バーナaが258Nm
3/hr、バーナbが2580Nm3/hrとし、噴霧
用支燃性ガスの流量は、バーナaが25Nm3/hr、
バーナbが200Nm3/hrにそれぞれ固定した。
次支燃性ガスの流量割合を60〜85%に変化させ、二
次支燃性ガスの流量割合とNOx排出濃度との関係を測
定した。その結果を図9に示す。この結果から、二次支
燃性ガスの流量割合を高く設定することにより、NOx
排出濃度を低く抑えられることが分かる。
ナを使用した。燃焼量は110万kcal/hrであ
り、ガス燃料は天然ガスを107Nm3/hrで供給し
た。支燃性ガスは純酸素(窒素濃度2.5%)を使用
し、総流量を258Nm3/hrとした。このときの燃
料に対する酸素比は1.02となる。
は30度、一次支燃性ガスの噴出方向は、バーナ中心軸
に対する角度γを90度、バーナ中心軸を中心とする円
の法線に対する角度δを45度とした。また、二次支燃
性ガスは、バーナ本体を中心とした直径400mmの円
周上に等間隔で設置した12個の二次支燃性ガス噴出孔
から、角度αを20度にして噴出させた。
支燃性ガスの流量割合を60〜85%に変化させ、二次
支燃性ガスの流量割合とNOx排出濃度との関係を測定
した。その結果を図10に示す。この結果から、前記液
体燃料用バーナーを使用したときと同様に、二次支燃性
ガスの流量割合を高く設定することにより、NOx排出
濃度を低く抑えられることが分かる。
支燃性ガス合計流量を2540Nm3/hr、噴霧用支
燃性ガス及び一次支燃性ガスの流量を共に200Nm3
/hr、二次支燃性ガスの流量を2140Nm3/hr
とし、二次支燃性ガスの流速を40,70,110m/
sに変化させてNOx排出濃度を測定した。その結果を
図11に示す。この結果から、二次支燃性ガスの流速を
高めに設定することによってNOx排出濃度を低下でき
ることが分かる。
NOx排出濃度を測定した。バーナの燃焼条件を表1
に、NOx排出濃度の測定結果を図12にそれぞれ示
す。なお、支燃性ガスの酸素中の窒素濃度は2.5%で
あり、燃料に対する酸素比は1.02に固定している。
バーナによれば、高い放射伝熱性能が得られるととも
に、NOxの排出量を大幅に低減させることが可能とな
る。また、燃焼室負荷の高い工業炉においても、高効率
で燃焼させることができ、一酸化炭素や煤塵等の発生を
十分に低く抑えることができる。
面側面図である。
例を示す断面側面図である。
例を示す断面側面図である。
とNOx排出濃度との関係を測定した結果を示す図であ
る。
放射熱流束との関係を測定した結果を示す図である。
の二次支燃性ガスの流量割合とNOx排出濃度との関係
を測定した結果を示す図である。
合の二次支燃性ガスの流量割合とNOx排出濃度との関
係を測定した結果を示す図である。
とNOx排出濃度との関係を測定した結果を示す図であ
る。
負荷率とNOx排出濃度との関係を測定した結果を示す
図である。
…円錐状燃焼室、14…燃料噴出孔、15…一次支燃性
ガス噴出孔、16…水冷ジャケット、17…燃料霧化
器、18…液体燃料噴出孔、19…噴霧用支燃性ガス噴
出孔、21…ガス燃料噴出孔、22…ガス旋回器
Claims (13)
- 【請求項1】 先端が拡開した円錐状燃焼室の基部中央
に燃料噴出孔を、前記円錐状燃焼室の周壁に一次支燃性
ガスを旋回流として噴出する複数の一次支燃性ガス噴出
孔をそれぞれ有するバーナ本体と、バーナ中心軸を中心
とする円の円周上で、バーナ本体から所定距離離れた位
置から二次支燃性ガスを噴出する複数の二次支燃性ガス
噴出孔とを備えていることを特徴とする低NOxバー
ナ。 - 【請求項2】 前記二次支燃性ガス噴出孔の位置は、前
記バーナ本体を中心とする直径D[mm]の円周上にあ
り、該直径Dが、バーナ燃焼量Q[kcal/hr]に
対して、D=300〜500×(Q×10−6))
1/3の範囲にあることを特徴とする請求項1記載の低
NOxバーナ。 - 【請求項3】 前記二次支燃性ガスの噴出方向は、バー
ナ中心軸に向かって0〜30度の範囲にあることを特徴
とする請求項1記載の低NOxバーナ。 - 【請求項4】 前記二次支燃性ガスの流量は、全支燃性
ガス合計流量の60〜90%であることを特徴とする請
求項1記載の低NOxバーナ。 - 【請求項5】 前記二次支燃性ガスの噴出速度は、40
〜150m/sであることを特徴とする請求項1記載の
低NOxバーナ。 - 【請求項6】 前記円錐状燃焼室の円錐角度は、20〜
45度であることを特徴とする請求項1記載の低NOx
バーナ。 - 【請求項7】 前記一次支燃性ガスの噴出速度は、50
〜200m/sであることを特徴とする請求項1記載の
低NOxバーナ。 - 【請求項8】 前記一次支燃性ガスの噴出方向は、バー
ナ中心軸に対して45〜90度で、かつ、バーナ中心軸
を中心とする円の法線に対して30〜90度であること
を特徴とする請求項1記載の低NOxバーナ。 - 【請求項9】 前記一次支燃性ガス噴出孔は、バーナ軸
線方向に複数列設けられていることを特徴とする請求項
1記載の低NOxバーナ。 - 【請求項10】 前記燃料噴出孔は、液体燃料を霧化さ
せる霧化器と、該霧化器から噴出した液体燃料の霧化を
促進する噴霧用支燃性ガス噴出孔とを備えている請求項
1乃至9記載の低NOxバーナ。 - 【請求項11】 前記燃料噴出孔は、ガス燃料を旋回流
で噴出させるガス旋回器を備えていることを特徴とする
請求項1乃至9記載の低NOxバーナ。 - 【請求項12】 請求項1乃至11のいずれかに記載の
低NOxバーナの運転方法であって、該バーナのターン
ダウン運転の際には、前記二次支燃性ガスの流量が全支
燃性ガス合計流量の60〜90%になるように、各支燃
性ガスの流量を調節することを特徴とする低NOxバー
ナの運転方法。 - 【請求項13】 請求項10記載の低NOxバーナの運
転方法であって、該バーナのターンダウン運転の際に
は、前記噴霧用支燃性ガス噴出孔から噴出する噴霧用支
燃性ガスの流量を定格運転時の80%以上に保ちなが
ら、前記二次支燃性ガスの流量が全支燃性ガス合計流量
の60〜90%になるように、各支燃性ガスの流量を調
節することを特徴とする低NOxバーナの運転方法。
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