JP2005083643A

JP2005083643A - 二酸化炭素／酸素混合酸化剤を用いた燃焼方法

Info

Publication number: JP2005083643A
Application number: JP2003315650A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Morimitsu; 信介森光; Takaaki Shinoda; 高明篠田
Original assignee: Takuma Co Ltd
Current assignee: Takuma Co Ltd
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】燃焼排ガス中の窒素酸化物量の低減と、燃焼ガスからの輻射伝熱効率の改善を図る二酸化炭素／酸素混合酸化剤を用いた燃焼方法を提供する。
【解決手段】純度の高い酸素と二酸化炭素とを混合して燃焼酸化剤として用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的な燃焼において燃焼排ガス中の窒素酸化物量の低減と、燃焼ガスからの輻射伝熱効率の改善を図った二酸化炭素／酸素混合酸化剤を用いた燃焼方法に関するものである。

従来、通常の燃焼には、主に空気を燃焼酸化剤として用いている。また、ＮＯｘの発生を抑えることから低窒素酸化物化とエネルギーの有効利用の観点から燃焼排ガスの一部を循環して空気と混合し、酸化剤として利用する再循環燃焼法がある。さらに、酸化剤中の酸素濃度を酸素富化膜などで高めて主要な酸化剤として用いることも既に知られている。

しかしながら、燃焼酸化剤として空気を用いる場合、その燃焼酸化剤中には大量の窒素分が混入しており、燃焼過程において窒素酸化物が生成されることは周知のとおりである。また、前記再循環燃焼法においても、窒素が存在するために、窒素酸化物が生成されることは避けられない。さらに、酸素富化燃焼においては、火炎温度が高くなり過ぎるために、高濃度の窒素酸化物が生成されることになる。このように、従来の燃焼方式によれば、窒素酸化物の生成を避けることが困難であり、そのために、ＮＯｘなどの有害物質の発生量を抑制する種々の手段を付帯させる必要がある。当然、それらに要する設備費や運転コストが嵩むことは不可避条件となっている。

しかも、従来の燃焼方式によると、燃焼ガス中では、工業的に熱放射能力が小さい窒素分が多量に含まれており、放射伝熱による効果が小さくなる。また、前記再循環燃焼法においては、装置の始動時に燃焼ガスがなく、システムが定常状態に達するのに長時間を要するという問題点もある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、従来の概念に捉われないで、燃焼排ガス中の窒素酸化物量の低減と、燃焼ガスからの輻射伝熱効率の改善を図る二酸化炭素／酸素混合酸化剤を用いた燃焼方法を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明による二酸化炭素／酸素混合酸化剤を用いた燃焼方法は、
純度の高い酸素と二酸化炭素とを混合して燃焼酸化剤として用いることを特徴とするものである（第1発明）。

また、前記発明において、燃焼酸化剤における酸素濃度は、２５〜４０％であるのが好ましい（第２発明）。

さらに、前記第１発明または第２発明において、燃焼酸化剤の混合は、所要量の二酸化酸素と純度の高い酸素とを、広い混合室内に細い導管で送り込んで、多孔仕切り板を通過させて混合した後、供給管にてバーナへ供給するのがよい（第３発明）。

前記第１発明によれば、燃焼酸化剤として、高い純度の酸素と二酸化炭素を混合して用いるので、酸化剤中にまったく窒素を含まないから、ＮＯｘの発生がほとんどない。したがって、この燃焼方法によれば、排ガス処理に際しての窒素酸化物除去設備を最小限にとどめることができるという効果を奏する。また、燃焼ガスにおいては、熱放射能力が高い二酸化炭素および水蒸気の分圧が高くなるため、伝熱効率の改善が期待できる。当然、ボイラーなどの熱効率向上を図ることができる。

また、前記第２発明によれば、酸素濃度を高めることで排ガス量を減らすことができ、排ガス処理施設を小型化できて設備費の削減を図ることができるという経済的効果が得られる。なお、混合する酸素の割合が２５％以下では、燃焼が不安定になって不完全燃焼を起こし、これよりも酸素の割合を増加させて４０％近傍を超える濃度に達すると、高温燃焼となって炉壁の損傷や周辺部位の損耗が激しくなり、実用に耐えなくなる。

さらに、第３発明によれば、燃焼酸化剤として二酸化炭素と酸素とを混合するのに、相対的に小さい断面の導入管（細い管）で広い容積の混合室に両ガス体を導入して、多孔の仕切り板を通過させた後に再び細い供給管によってバーナに供給することで、多段階に流速を変更させることにより両ガスの混合効果が高められ、簡単な操作で混合気を得ることができ、むらなく混合燃焼酸化剤を生成させて燃焼部に供給させることができる。

次に、本発明による二酸化炭素／酸素混合酸化剤を用いた燃焼方法の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１には本発明による燃焼方法を実施する装置の概要図が示されている。図２には燃焼酸化剤を生成する混合器の一実施形態の断面図が示されている。

前記図１に示される燃焼装置は、燃焼炉７に付設されるバーナ６に対して燃料ガス１（例えばＬＰＧあるいは都市ガス）を、複合ガスバルブ２によって調圧されるとともに流量制御されて供給できるようにされており、燃焼酸化剤としては酸素ボンベ３と二酸化炭素ボンベ４からそれぞれ調節弁８，９を介して所要の酸化剤組成になるように調整されて混合器１０に供給され、この混合器１０によって前記酸素ボンベ３からの酸素と二酸化炭素ボンベ４からの二酸化炭素を受け入れて混合気とし、前記バーナ６に供給するようになされている。そして、バーナ６においては、前記混合気とともに燃料ガス１を供給されて燃焼炉７内で燃焼するようになされている。

また、前記混合器１０としては、図２に示されるような構成のものを採用するのが好ましい。この混合器１０は、円筒または角筒でその軸方向に両端部を側板１１ａ，１１ｂにて閉鎖して混合器本体１１が形成され、その混合器本体１１の一側面に酸素導入管１３および二酸化炭素導入管１４が取付けられており、他方の側面には混合酸化剤送出管１６（本発明における供給管に対応）が取付けられている。混合器本体１１の内部は少なくとも一枚の仕切り板１２で軸線方向に内部を仕切ってあり、この仕切り板１２には適宜寸法の流体通孔１５が多数設けられて、仕切り板で区画された一方の室１７から他方の室１８に流体が前記通孔１５を通って流動するようにされている。また、前記酸素導入管１３および二酸化炭素導入管１４は仕切り板１２で区切られた一方の室１７に貫通するようにされ、前記混合酸化剤送出管１６は前記酸素導入管１３および二酸化炭素導入管１４と逆に他方の室１８に貫通するようにされている。

このようにされる混合器１０では、酸素導入管１３および二酸化炭素導入管１４からそれぞれ導入された酸素と二酸化炭素が、一方の室１７に流入した後、この室１７から仕切り板１２に設けられた多数の通孔１５を通過して他方の室１８に流動することで、流速を高めて乱流状態にして効率よく混合させる。他方の室１８に流入して混合された燃焼酸化剤は、この室１８内で開口する混合酸化剤送出管１６によってバーナ６に導かれる。

こうして酸素ボンベ３ならびに二酸化炭素ボンベ４から混合器１０に送り込まれて混合気とされた燃焼酸化剤は、バーナ６に導かれて噴射することにより、バーナ６に供給される燃料ガス１と混合して、燃焼炉７内で燃焼される。ここで用いられる燃焼酸化剤（混合酸化剤）は、酸素濃度が２５〜４０％であるのが好ましい。酸素濃度を２５％以上とすることは、窒素と比較して比熱の大きい二酸化炭素を用いることで燃焼温度が低下し、その温度低下により未燃物が増大するのを防ぐためである。また、酸素濃度を４０％以下にすることは、燃焼温度の上がり過ぎを防ぎ、炉壁やボイラーの缶体の損傷を防ぎ寿命を長めるためである。こうして、燃焼炉７内で燃料ガス１を燃焼させると、燃焼酸化剤には窒素分が含まれていないので、燃焼によって発生する燃焼排ガス中にはほとんど窒素酸化物が含まれない。

前述のように、本発明によれば、酸素と二酸化炭素との混合酸化剤を使用して燃料ガスとで燃焼させることにより、燃焼排ガス中に含まれる窒素酸化物を僅少にすることができるとともに、排ガス量を減らすことができ、排ガス処理に要する設備を小型化して設備費ならびに運転費用の削減が可能になる。

次に、前記図１で示される燃焼装置により酸素と二酸化炭素との混合酸化剤を用いて燃焼操作を行った実施例を示す。

酸素ボンベからの酸素と二酸化炭素ボンベからの二酸化炭素とを使用して、次の濃度の混合酸化剤を使用し、燃料ガスにＬＰＧ（プロパン）を使用し、燃焼試験を行った。
混合酸化剤
酸素３２．１％
二酸化炭素６７．９％
酸素過剰率１．１４
この条件での燃焼状態は、火炎が勢いよく伸びて激しく燃焼する状態を視認できた。比較するために、酸素富化のエア（Ｎ_２／Ｏ_２）（Ｏ_２３３．０％）を酸化剤として燃焼させた場合の火炎は、勢いがなく、めらめらとした状態を呈していた。
前記条件による燃焼排ガスを、燃焼炉の排ガス出口においてサンプリングして燃焼排ガス組成を確認した。その結果は、下記の通りであった。
燃焼排ガス組成（乾燥ベース）
Ｏ_２４．４４％
ＣＯ_２９５．５６％
ＣＯ２．１１４ｐｐｍ
ＮＯｘ０ｐｐｍ

前記実施例１と同様に、酸素ボンベからの酸素と二酸化炭素ボンベからの二酸化炭素とを使用して、次の濃度の混合酸化剤を使用し、燃料ガスにＬＰＧ（プロパン）を使用し、燃焼試験を行った。
混合酸化剤
酸素３９．６８％
二酸化炭素６０．３２％
酸素過剰率１．１１
この条件で燃焼時の状態は、目視で前記実施例１の場合よりやや火炎の輝度が高い状態にあった。
前記条件による燃焼排ガスを、燃焼炉の排ガス出口においてサンプリングして燃焼排ガス組成を確認した。その結果は、下記の通りであった。
燃焼排ガス組成（乾燥ベース）
Ｏ_２４．４７６％
ＣＯ_２９５．５２３％
ＣＯ２４．３８８ｐｐｍ
ＮＯｘ０ｐｐｍ

上記実施例から判断して、燃焼炉における炉壁部やボイラー缶体など燃焼部に曝される部位に大きく影響を及ぼさない範囲で、混合酸化剤の酸素濃度割合を高めて燃焼させることが好ましい。

本発明による燃焼方法を実施する装置の概要図燃焼酸化剤を生成する混合器の一実施形態の断面図

符号の説明

１燃料ガス
３酸素ボンベ
４二酸化炭素ボンベ
６バーナ
７燃焼炉
１０混合器
１２仕切り板
１３酸素導入管
１４二酸化炭素導入管
１５流体通孔
１６混合酸化剤送出管

Claims

純度の高い酸素と二酸化炭素とを混合して燃焼酸化剤として用いることを特徴とする二酸化炭素／酸素混合酸化剤を用いた燃焼方法。
前記燃焼酸化剤における酸素濃度は、２５〜４０％である請求項１に記載の二酸化炭素／酸素混合酸化剤を用いた燃焼方法。
燃焼酸化剤の混合は、所要量の二酸化酸素と純度の高い酸素とを、広い混合室内に細い導管で送り込んで、多孔仕切り板を通過させて混合した後、供給管にてバーナへ供給する請求項１または２に記載の二酸化炭素／酸素混合酸化剤を用いた燃焼方法。