JP2005090820A - 管状火炎バーナ及びその燃焼方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】設備費及びランニングコストを増大させること無く、排ガス中に含まれるＮＯｘ量を大幅に低減することが可能な管状火炎バーナ及びその燃焼方法を提供する。
【解決手段】先端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルとを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナであって、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルが設けられている位置よりもガス流れ方向下流側に、二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズルを、該ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致するように設ける。
【選択図】図１
【解決手段】先端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルとを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナであって、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルが設けられている位置よりもガス流れ方向下流側に、二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズルを、該ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致するように設ける。
【選択図】図１
Description
本発明は、炉や燃焼器に備えるバーナに関する。
特開平１１−２８１０１５号公報（特許文献１）には、一端が開放された管状の燃焼室を有し、この燃焼室の閉塞端部近傍に燃料ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルが、前記燃焼室の内周面の接線方向に向けて設けられている管状火炎バーナが示されている。
この管状火炎バーナは、高速の旋回流中で安定な火炎がバーナ内に形成されるので、燃焼設備の小型化が達成されると共に、燃焼火炎の温度のバラツキが小さく、局所的な高温領域が形成されない上に、酸素比又は空気比を下げることもできるので、ＮＯｘなどの有害物質、炭化水素等の未燃焼分、煤煙といった環境汚染源を低減することができるバーナである。
特開平１１−２８１０１５号公報
しかし、上記特許文献１に記載の管状火炎バーナにおいては、以下のような問題がある。
つまり、上記のような管状火炎バーナにおいては、排気ガス中のＮＯｘ量を低減させるためには、バーナ内で高速の旋回流を起こす必要があり、そのためには燃焼室内に吹き込む燃料ガス及び酸素含有ガスの吹き込み流速を高速にする必要がある。特に、燃料ガスとして高発熱量の、例えばＣＯＧガス等を用いた場合、排気ガス中のＮＯｘ量を所定値以下に低減させるためには、２００ｍ／ｓ以上の高流速でガスを吹き込む必要がある。この場合、ガス吹き込みに用いるブロアについては、一般に比べて仕様圧力の高いものを用いる必要があり、設備費が嵩むと共にブロアの所要動力も大きくなり、ランニングコストも嵩んでいた。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、設備費及びランニングコストを増大させること無く、排ガス中に含まれるＮＯｘ量を大幅に低減することが可能な管状火炎バーナ及びその燃焼方法を提供することを目的とする。
上記の課題は次の発明により解決される。
［１］先端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルとを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナであって、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルが設けられている位置よりもガス流れ方向下流側に、二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズルを、該ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致するように設けたことを特徴とする管状火炎バーナ。
［２］上記［１］において、二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズルを燃焼室管軸方向の複数箇所に設け、該複数の二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズルに対して選択的に二次燃焼用の酸素含有ガスを供給するための切替手段を備えたことを特徴とする管状火炎バーナ。
［３］先端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルとを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナの燃焼方法であって、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルが設けられている位置よりもガス流れ方向下流側に設けられた、二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズルから、二次燃焼用の酸素含有ガスを該ガスの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致するように吹き込み二段燃焼を行うことを特徴とする管状火炎バーナの燃焼方法。
［１］先端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルとを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナであって、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルが設けられている位置よりもガス流れ方向下流側に、二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズルを、該ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致するように設けたことを特徴とする管状火炎バーナ。
［２］上記［１］において、二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズルを燃焼室管軸方向の複数箇所に設け、該複数の二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズルに対して選択的に二次燃焼用の酸素含有ガスを供給するための切替手段を備えたことを特徴とする管状火炎バーナ。
［３］先端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルとを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナの燃焼方法であって、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルが設けられている位置よりもガス流れ方向下流側に設けられた、二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズルから、二次燃焼用の酸素含有ガスを該ガスの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致するように吹き込み二段燃焼を行うことを特徴とする管状火炎バーナの燃焼方法。
本発明によれば、設備費及びランニングコストを増大させること無く、排ガス中に含まれるＮＯｘ量を大幅に低減することが可能な管状火炎バーナ及びその燃焼方法が提供される。
以下、本発明を実施するための最良の形態の一例を説明する。
図１は、本発明に係る管状火炎バーナ１の一実施形態を示す概略構成図である。図１において、１０は管状の燃焼室であり、先端１０ａが開放されて燃焼排ガスの排出口になっている。そして、燃焼室１０の後端１０ｂの近傍に、ノズル噴射口が前記燃焼室１０の内面に開口した、燃料ガスを吹き込むための燃料吹き込み用ノズル１１と酸素含有ガスを吹き込むための酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２が取り付けられている。これらのノズルは、燃焼室１０に対し、ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致するように設けられており、酸素含有ガスおよび燃料の吹き込みによって、燃焼室１０内に旋回流が形成されるようになっている。そして、ノズルの先端部の形状を扁平に形成し、かつその開口面積を絞ることにより、燃焼室内に高速の旋回流を形成することができる。なお、燃焼室１０の後端１０ｂ近傍に、点火プラグ（図示せず）を取り付けてもよい。
なお、図１においては、燃料吹き込み用ノズル１１と酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２を別々に設けているが、酸素含有ガスと燃料を予め混合してから吹き込むようにしてもよい。また、それぞれのノズルの数及び設置位置は特に限定されるものではなく、装置構成等により適宜選択され得る。
ここで、前記酸素含有ガスとは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を含有するガスを指すものとする。また、燃料としては、例えば、ＬＮＧ、プロパンガス、灯油、重油および鉄鋼製造プロセスにおいて副生されるコ−クス炉ガス（ＣＯＧガス）、高炉ガス（Ｂガス）、転炉ガス（ＬＤガス）等を用いることができる。
上記のように構成されたバーナにおいて、燃料吹き込み用ノズル１１と酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２から吹き込まれて旋回流を形成している混合気に点火すると、燃焼室１０内のガスが密度差によって層別され、火炎の両側に密度の異なるガス層ができる。すなわち、旋回速度の小さい軸心側には高温の燃焼ガスが存在し、旋回速度の大きい内壁側には未燃焼のガスが存在するようになる。
また、内壁近傍では、旋回速度が火炎伝播速度を上回っており、火炎が内壁近傍までは伝播しないので、燃焼室１０内には火炎が管状の形になって生成する。燃焼室１０の内壁付近には未燃焼のガスが存在しているので、燃焼室１０の壁面が直接的に加熱されて高温に曝されることはない。燃焼室１０内のガスは旋回しながら下流側へ流れ、その間に、内壁側のガスが順次燃焼して軸心側へ移動し、開放端部から排出される。
上記の構成とすることにより、燃焼室１０内においては、旋回速度の小さい軸心側には高温の燃焼排ガスが存在し、旋回速度の大きい燃焼室の内壁側には未燃焼のガスが存在し、その間に管状の火炎が存在するようになる。そのため、未燃焼ガスが燃焼排ガスで希釈されることがなく、安定な燃焼が可能となる。
このように安定した燃焼が得られることにより、酸素の利用効率を高めることができ、これに関連して余分な空気を供給する必要がなくなるため、高温の燃焼ガスを発生させることができる。また、燃料ガス成分が非常に希薄な極低発熱量のガスでも安定して燃焼させることができるので、安定燃焼範囲が広くなると共に、燃焼排ガス温度の選択範囲を広げることもできる。さらに、燃焼排ガスの温度のバラツキが小さく、燃焼時に局部的な高温部が発生しないので、ＮＯｘなどの有害物質の生成量が少ない。さらに、燃料と酸素との混合性が良好であり、局所的な低温領域ができないので、炭化水素などの未燃焼分の残留量が極めて少なくなく、ススも殆ど生成しない。
また、燃料吹き込み用ノズルと酸素含有ガス吹き込み用ノズルとを分けることにより、供給するガスを着火点以上の高温領域まで予熱することができるので、火炎温度を高くすることができると共に、排ガス等との熱交換による熱回収を効果的に行うことができる。
以上のような構成を有する管状火炎バーナ１において、本発明は、図１に示すように、前記燃料吹き込み用ノズル１１及び酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２が設けられている位置よりもガス流れ方向下流側に、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３を、このノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致するように設けたものである。
このように、燃料吹き込み用ノズル１１及び酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２が設けられている位置よりもガス流れ方向下流側に二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３を設け、二次燃焼用の酸素含有ガスを、このガスの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致するように吹き込むことにより、燃焼室１０内において二段燃焼が行われ、ＮＯｘの生成が抑制される。
燃焼室１０内において二段燃焼を行う方法を用いることにより、従来技術においては、燃料ガスとして高発熱量のＣＯＧガス等を用いた場合、排ガス中のＮＯｘ量を所定値以下に低減させるために、１００ｍ／ｓ以上の高流速でガスを吹き込む必要があったが、本発明においては、例えば５０ｍ／ｓ程度のガス吹き込み速度であっても同程度以上にＮＯｘ量の低減が可能となる。これにより、それぞれのガスを吹き込むためのブロアの仕様圧力を従来に比べて低いものとすることができ、設備費及びランニングコストの低減が可能となる。
前記二段燃焼を行う際に、一段目の酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２から吹き込むガス量と、二段目の二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３から吹き込むガス量との比率としては、燃焼に必要なガス量を１とした場合に、酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２から吹き込むガス量の割合を０．３５〜０．６の間、残りを二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３から吹き込むようにすることが好ましい。
なお、前記二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３の燃焼室１０周方向における設置位置は特に限定されるものではなく、管状火炎バーナ１の設置場所等を考慮して適宜選択され得る。
ここで、前記二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３の燃焼室１０管軸方向の設置数については、1つに限定されるものではない。二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３を燃焼室１０の管軸方向に複数設け、燃焼室１０内で多段燃焼を行うことにより、ＮＯｘの生成をより抑制することが可能となる。
また、本発明においては、二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３を燃焼室１０管軸方向の複数箇所に設け、この複数の二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３に対して選択的に二次燃焼用の酸素含有ガスを供給するための切替手段１４を備えるようにしてもよい。
前記切替手段１４としては、例えば、図２に示すように、複数設けた二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３に、二次燃焼用の酸素含有ガスを供給する配管１５と、この配管１５の途中に設けた遮断弁１６とにより構成することができる。前記遮断弁１６の開閉により、選択的に二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３を切り替えることが可能となる。
これにより、燃焼室１０内に供給される燃料ガスの種類に応じて、適切な位置に二次燃焼用の酸素含有ガスを吹き込むことができ、ＮＯｘの生成をより抑制することが可能となる。
図３に、本発明に係る管状火炎バーナを用いて二段燃焼を行った場合と、従来技術に係る管状火炎バーナ（単段燃焼）を用いて燃焼を行った場合とにおいて、吹き込みガス流速と排ガス中のＮＯｘ量との関係を調べた結果を示す。
図３において、縦軸は、酸素濃度１１％換算のＮＯｘ量であり、測定データ中の最大濃度値を１００とした場合の各測定値の相対値で表している。
また、図３中、単段燃焼１で示す領域は管状火炎バーナの燃焼室内に吹き込まれる燃焼用空気の予熱温度が６００℃の場合を表し、単段燃焼２で示す領域は管状火炎バーナの燃焼室内に吹き込まれる燃焼用空気の予熱温度が４００℃の場合を表している。
また、図３中、二段燃焼１で示す領域は管状火炎バーナの燃焼室内に吹き込まれる燃焼用空気の予熱温度が６００℃の場合で二段燃焼を行った場合を表し、二段燃焼２で示す領域は管状火炎バーナの燃焼室内に吹き込まれる燃焼用空気の予熱温度が４００℃の場合で二段燃焼を行った場合を表す。
図３に示すように、単段燃焼１において吹き込みガスとしての燃焼用空気の吹込流速が約２４０ｍ／ｓで達成されたＮＯｘ量の値と同程度のＮＯｘ量の値が、二段燃焼を行うことにより燃焼用空気の吹込流速が約５０ｍ／ｓで達成できることがわかる。さらに、単段燃焼２において吹き込みガスとしての燃焼用空気の吹込流速が約２００ｍ／ｓで達成されたＮＯｘ量の値と同程度のＮＯｘ量の値が、二段燃焼を行うことにより燃焼用空気の吹込流速が約４０ｍ／ｓで達成できることがわかる。
以上のように、本発明に係る二段燃焼を行うことにより、吹込みガス流速を大幅に抑えても同程度以上にＮＯｘ量の低減が可能となる。これにより、それぞれのガスを吹き込むためのブロアの仕様圧力を従来に比べて低いものとすることができ、設備費及びランニングコストの低減が可能となり、本発明の効果が確認できた。
１ 管状火炎バーナ
１０ 燃焼室
１１ 燃料吹き込み用ノズル
１２ 酸素含有ガス吹き込み用ノズル
１３ 二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズル
１４ 切替手段
１５ 配管
１６ 遮断弁
１０ 燃焼室
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１２ 酸素含有ガス吹き込み用ノズル
１３ 二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズル
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１５ 配管
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Claims (3)
- 先端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルとを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナであって、
前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルが設けられている位置よりもガス流れ方向下流側に、二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズルを、該ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致するように設けたことを特徴とする管状火炎バーナ。 - 二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズルを燃焼室管軸方向の複数箇所に設け、該複数の二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズルに対して選択的に二次燃焼用の酸素含有ガスを供給するための切替手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の管状火炎バーナ。
- 先端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口した燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルとを備え、前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナの燃焼方法であって、
前記燃料吹き込み用ノズル及び酸素含有ガス吹き込み用ノズルが設けられている位置よりもガス流れ方向下流側に設けられた、二次燃焼用の酸素含有ガス吹き込み用ノズルから、二次燃焼用の酸素含有ガスを該ガスの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致するように吹き込み二段燃焼を行うことを特徴とする管状火炎バーナの燃焼方法。
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