JP2010526747A - 低ＮＯｘ複合インジェクタ - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼プロセス、特にガラスの溶融のための燃焼プロセスに関し、火炎が、液体燃料の推力と単一の気体燃料の推力とによって生成され、全パワーに対する、液体燃料に基づくパワーの比率を、２０％と８０％の間とし、気体燃料の比推力を十分に小さな値に制限して、生成する煙に含まれるＮＯｘの含有量が、サイド・ポート式炉に関しては８００ｍｇ／Ｎｍ³を超えず、エンド・ポート式炉に関しては６００ｍｇ／Ｎｍ³を超えないようにする。本発明はまた、このプロセスを実施するインジェクタと、このインジェクタを１つ以上備えるバーナーと、このバーナーを備える炉と、に関する。

Description

本発明は、燃料の供給が少なくとも１つのインジェクタによって行われる、燃焼方法と燃焼装置に関する。

本発明は、特に、ガラス溶解炉での利用に関し、特に、フロートガラスを製造する炉、又は容器用の中空ガラスを製造する炉、例えば蓄熱室（熱回収装置）を用いる炉のような、蓄熱式作動炉に関するが、このような用途に限定するものではない。

上記のタイプの燃焼方法の大半、その中でも特にガラス製造炉で利用される燃焼方法は、燃焼後の煙の中に望ましくないＮＯｘが放出されるという問題に直面している。

ＮＯｘは、人間と環境の両方に悪い影響を与える。ＮＯ_２は刺激性のガスであり、呼吸器疾患の原因になる。また、ＮＯｘは、大気と接触すると、徐々に酸性雨となる恐れがある。更に、ＮＯｘは光化学汚染を発生する。なぜならＮＯｘは、揮発性有機化合物及び太陽光線と組み合わさると、いわゆる対流圏オゾンというオゾンの生成原因となるからであり、標高の低い場所でオゾンの濃度が増大すると、特に暑さが厳しい期間には、人間にとって有害になる。

そのためＮＯｘの放出に関する現在の規制はますます厳しくなっている。このような規制が存在するので、炉の製造者と使用者、例えばガラス製造炉の製造者と使用者は、ＮＯｘの放出の低減を常に気にかけており、ＮＯｘの放出は、サイド・ポート式炉に関しては１Ｎｍ³の煙につき８００ｍｇ未満であることが好ましく、エンド・ポート式炉に関しては１Ｎｍ³の煙につき６００ｍｇ未満であることが好ましい。

ＮＯｘの生成に影響するパラメータはすでに研究されており、温度が問題である。なぜなら１，３００℃を超え、空気が過剰であると、ＮＯｘの濃度は酸素の濃度の平方根に従って変わり、又はＮ₂の濃度の平方根にも従うため、ＮＯｘの放出が指数関数的に増大するからである。

ＮＯｘの放出を低減するため、すでに多数の方法が提案されている。

第１の方法は、放出されるガスに対して還元剤を利用し、ＮＯｘを窒素に変換するものである。還元剤としては、アンモニアが可能だが、貯蔵と取り扱いが難しいという問題が発生する。還元剤として、天然ガスも利用できるが、炉の消耗の原因となり、ＣＯ₂の放出が増加する。更に、炉の特定の部分、例えば蓄熱室、に還元ガスが存在していると、この領域の耐火材の腐食を加速する可能性がある。

従って、必須ではないが、この方法をやめ、一次手段と呼ばれる手段を採用することが好ましい。この手段がこのように呼ばれているのは、上記の方法のように生成されたＮＯｘを分解するのではなく、例えば火炎の段階で、ＮＯｘの生成を阻止しようとするからである。この手段はまた、実施が比較的簡単であるため、より経済的である。しかし、この手段は、上述の方法に完全に取って代わるのではなく、上述の方法を補足することが好ましい。いずれにせよ、この一次手段は、二次手段の反応物質の消費を低減するのに必要不可欠である。

既存の手段はいくつかのカテゴリーに分類することができるが、これに限定するものではない。
‐第１のカテゴリーは、「再燃焼」技術を利用して、ＮＯｘの生成を低減するものである。この方法では、炉の燃焼室の中に空気のない領域が作り出される。この技術には、蓄熱室の積層レンガの温度が上昇し、場合によっては、特に気密性と耐食性に関して、蓄熱室とその積層レンガが特殊な設計になる、という欠点がある。
‐第２のカテゴリーは、火炎に作用し、火炎中のＮＯｘの生成を低減する、又は、阻止するものである。このためには、例えば、過剰な燃焼用空気を低減するとよい。また、火炎の長さを維持し、火炎前部の体積を大きくして、火炎の中心における平均温度を下げ、温度のピークを制限することも可能である。このような解決法は、例えば、特許文献１と特許文献２に記載されている。この解決法は、ガラスの溶融のための燃焼方法から成り、この方法では、燃料の供給と酸化剤の供給の両方が、ＮＯｘの放出量を低減するよう、燃料と酸化剤との接触時間を拡張するか、又は、燃料と酸化剤との接触の体積を増大させるようになされる。

インジェクタは、燃焼の推進専用であり、燃料は、酸化剤によって燃焼される。従って、インジェクタは、バーナーの一部を形成し、バーナーという用語は、一般的に、燃料入口と酸化剤入口との、両方を備える装置を示す。

ＮＯｘを低減するために、特許文献３（又は特許文献４）は、少なくとも１つのインジェクタを備えるバーナーを提案しており、このインジェクタは、燃料油のような液体燃料の入口ダクトと、液体燃料の入口ダクトに対して同心に配置された、噴霧流体の入口ダクトとを備えており、液体燃料の入口ダクトは、液体燃料を内壁に沿った中空ジェットの形態にする、斜め方向の通路が設けられた要素を備えており、この通路の各母線は、液体燃料の入口方向と少なくとも１０度の角度をなしている。

特許文献５は、
‐液体燃料、
‐高圧気体燃料、
‐低圧気体燃料
を導く同軸の３つの通路をこの順番で軸から遠ざかるようにして備える少なくとも１つのインジェクタを有するバーナーを使用して、ＮＯｘを低減することを提案している。しかし、このインジェクタでは、さまざまな燃料の相対的な割合を変化させたい場合に、低ＮＯｘ放出を維持するためには、複雑な調節が必要である。

アメリカ合衆国特許第6,047,565号 WO 98/02386 ヨーロッパ特許第921349号 アメリカ合衆国特許第6,244,524号 フランス国特許第2 834 774号

本発明は、異なったタイプの燃料が利用される溶融ガラスの熱処理の方法を提供し、特性が広範囲に変わっても、低ＮＯｘの放出を維持することを目的とする。

この目的のために、本発明は、ガラスを溶融させる燃焼方法に関し、液体燃料の推力と気体燃料の推力の両方によって火炎を生成させる燃焼方法であって、全パワーに対する、液体燃料に基づくパワーの比率を、２０から８０％の間とし、気体燃料の比推力を十分に小さな値に制限して、生成する煙に含まれるＮＯｘの含有量が、サイド・ポート式炉に関しては８００ｍｇ／Ｎｍ³を超えず、エンド・ポート式炉に関しては６００ｍｇ／Ｎｍ³を超えないようにすることを特徴とする。

事実、液体燃料（例えば燃料油）の推力と低圧ガスの推力を組み合わせることにより、複雑な設定や調節を必要とすることなく、低ＮＯｘを維持できることが確認された。すなわち、例えば、燃料油とガスとの割合を、特にこれら燃料のコストの変動に合わせて、非常に簡単に変えることができる。

本発明の方法により、燃料油を単独の燃料として使用して、ＮＯｘの放出をできるだけ少なくすることができる。

燃焼のパワーは、ここでは、液体燃料に基づくパワーと、気体燃料に基づくパワーに分けられ、気体燃料に基づくパワーの割合は、１００％から液体燃料の割合を引いたものである（すなわち８０％と２０％の間で変化する）。

気体燃料の比推力は、最大で３Ｎ／ＭＷに等しいことが好ましく、２．５Ｎ／ＭＷであることが特に好ましい。

本発明に関連するガラス産業では、エンド・ポート式炉は、炉の左側と右側に位置する２つのバーナーが交互に作動できることに、注意されたい。バーナーのパワーは、バーナーが備えるインジェクタの数（特に２又は３）と、インジェクタのパワーとの積に等しい。

バーナーのパワー（従ってバーナー１つ当たりのインジェクタの数）は変えることができ、特に炉のサイズに合わせる必要がある。

例えば、約１００ｍ²（溶融面積）の炉は、それぞれが８〜１４ＭＷの２つのバーナーを交互に用いて作動させることができる。もしこれらのバーナーが、それぞれ２つのインジェクタを備えているならば、インジェクタのパワーは４〜７ＭＷであり、このパワーは、液体燃料に基づくインジェクタのパワーと、気体燃料に基づくインジェクタのパワーに分けられる。

気体燃料の、上記の最大比推力は、気体燃料に基づくインジェクタのパワーに関係している。気体燃料の比推力を比較的小さな値に維持すると、ＮＯｘの放出を低いレベルに維持しつつ、液体燃料と気体燃料の相対比率を大きく変えることができる。

この比推力の調節は、気体燃料入口ダクトの直径を選定することによって、非常に簡単に行うことができる。比推力を小さくするにはこの直径を大きくするだけでよく、他のパラメータは同じままであり、逆の場合も同様である。

本発明による方法の、別の有利な特徴によれば、液体燃料の比推力は、最大で１Ｎ／ＭＷである。この値は、インジェクタのパワーに対する液体燃料の寄与だけに関係する。この値は、ガラス産業又はそれと同等の産業の炉のあらゆるサイズと構成における、火炎の長さと最適な燃焼出力に当てはまる。この値はまた、ＮＯｘの放出量を、望ましい低レベルにすることも保証している。

液体燃料の比推力の調節は、気体燃料の比推力の調節と同じくらい容易であり、同じように行われる。液体燃料の入口ダクト（ノズル）の直径を大きくすると、液体燃料の比推力が小さくなるが、他のすべてのパラメータは同じままであり、逆の場合も同様である。

本発明は、上記の方法を実施するためのインジェクタにも関し、このインジェクタは、液体燃料を噴霧する流体入口ダクトに同軸に取り囲まれている、液体燃料入口ダクトを備え、この液体燃料を噴霧する流体入口ダクトは、気体燃料用の単一の入口ダクトに同軸に取り囲まれていることを特徴とする。インジェクタのこの構成は、特許文献５に記載されているインジェクタにおいて、互いに同軸の液体燃料入口ダクトと液体燃料の噴霧流体のダクトとの間に配置された、同軸の高圧ガス入口ダクトを除去するとともに、同軸の低圧ガス入口ダクトを除去することによって得られる。本発明の入口ダクトは、流体の排出機能も有する。

液体燃料の入口ダクトは、液体燃料を、インジェクタから放出する前に中空旋回ジェットの形態にするための、斜め方向の通路が設けられた要素を備えていて、これら通路各々の母線は、液体燃料の入口方向と２〜３０度の角度をなしていることが好ましい。この特徴は特に特許文献３で公知である。液体燃料は、斜め方向の通路と同数の個別のジェットに分割される。

液体燃料の入口ダクトの全周にわたって斜め方向の通路が一様に分配され、これら通路の母線が２〜３０度傾斜しており、全ジェットが、相互に干渉することなく、遠心力を与えられるということになる。

この遠心力は、下流において、燃料が入口ダクトの内壁に沿った中空ジェットの形態になって螺旋軌跡を形成するのに寄与する。

入口ダクトの出口では、液体燃料が、このようにして最大の運動エネルギーを獲得し、噴霧流体の影響下で、最適のサイズ分布を有する液滴になる。

本発明のインジェクタの特に有利な一実施態様では、ガス１００％の運転ができるように、液体燃料の入口ダクトと液体燃料の噴霧流体の入口ダクトは、取外し可能である。これら入口ダクトは、軽量の一体化した組立体に形成でき、インジェクタから取り外すのもインジェクタに取り付けるのも容易である。この組立体をインジェクタから取り外すと、インジェクタは、完全に気体燃料で作動することができる。燃料油ラインを除去することによって空いたまま残された場所では、高圧ガスが排出される。低圧ガスは、外側リング部を通過し続ける。

本発明の他の目的は、
‐上記で定義した１つ又は複数のインジェクタを備えるバーナーと；
‐このようなバーナーを少なくとも1つ備える炉、特にエンド・ポート式炉又はサイド・ポート式炉、を提供することである。

本発明を、以下の実施例によって説明する。

９５ｍ²（溶融ガラス面積）のエンド・ポート式炉に、炉のそれぞれ左側と右側に配置した、２つのバーナーを備える。

バーナーは空気到着路を備えており、その空気到着路の下には、１３０℃に加熱した液体燃料のインジェクタと天然ガスのインジェクタとの２つのインジェクタが、配置されている。バーナーのパワーは１３ＭＷである。

インジェクタの燃料油入口ダクトは、同軸の、燃料油の噴霧用空気（２バール）の入口ダクトに、取り囲まれている。

噴霧用空気の入口ダクトは、同軸の、天然ガスの入口ダクトに、取り囲まれている。

単一のインジェクタの燃料油のパワーに対する、燃料油の比推力Ｉｓｐｅ（ｆ）は、燃料油入口ダクトのノズルに依存する。値Ｉｓｐｅ（ｆ）は下に示す表に記載されている。インジェクタのパワーは、バーナーのパワーの半分（すなわち６．５ＭＷ）であり、インジェクタの燃料油のパワーとガスのパワーとの合計になる。

単一のインジェクタの、ガスのパワーに対するガスの比推力Ｉｓｐｅ（ｇ）は、ガス入口ダクトの直径に依存する。値Ｉｓｐｅ（ｇ）は下に示す表に記載されている。

燃料油の入口ダクトは、燃料油を回転させる要素を備え、燃料油を回転させる要素は穴を有し、穴の軸は、燃料油入口方向と２〜３０度の角度をなしている。

ガスと燃料油のパワーの相対的な関係は、２つのバーナーの、両方のインジェクタに対して、下の表に示した各構成について、同じように変化する。燃料油の相対的なパワーは、下表に、％（ｆ）で示してある。

それぞれの構成に対し、耐火材の腐食に関して妥当なＣＯの値に対する、ＮＯｘの放出量を示す。

構成１〜３について、以下に比較する。

燃料油よりもＮＯｘをより多く生成させることが知られている、ガスの割合を増加して、テストした。結果は、明確に示されている。

値Ｉｓｐｅ（ｆ）をほぼ一定に維持するためノズル（ｆ）を変化させた。この値は、対象とする炉での最適な火炎の長さに対応する。

ガス・ノズルの直径を同じに維持すると、ガスの比推力が、ガス流量に対応して増加することが観測されている。

構成３と４を比較する。

ガス・ノズルの直径を、より大きくし、Ｉｓｐｅ（ｇ）の値を、２．０５Ｎ／ＭＷから０．６４Ｎ／ＭＷに低下させ、ＮＯｘの放出量を低減することに成功した。

しかし、Ｉｓｐｅ（ｇ）の値が０．６４Ｎ／ＭＷよりも２．０５Ｎ／ＭＷのほうが、火炎の制御性がよく、火炎の体積が少ない。

構成５と６を比較する。

燃料油のパワーが増加するとＮＯｘの放出量が減ることが、再度観察されている。このデータは、ノズルの値（ｆ）とノズル直径の値（ｇ）とを変化させることによって、比推力を一定値に維持し、比推力とは無関係であることが確認されている。

従って、本発明により、液体燃料の推力と、相対的に小さい気体燃料の推力とを組み合わせることによって、ＮＯｘの放出量を、エンド・ポート式炉に関して６００ｍｇ／Ｎｍ³（サイド・ポート式炉に関しては８００ｍｇ／Ｎｍ³）未満に制限することができる。

Claims (9)

1. ガラスを溶融させる燃焼方法であって、液体燃料の推力と単一の気体燃料の推力との両方によって火炎を生成させる燃焼方法において、全パワーに対する、液体燃料に基づくパワーの比率を、２０〜８０％とし、気体燃料の比推力を十分に小さな値に制限して、生成する煙に含まれるＮＯｘの含有量が、サイド・ポート式炉に関しては８００ｍｇ／Ｎｍ³を超えず、エンド・ポート式炉に関しては６００ｍｇ／Ｎｍ³を超えないようにすることを特徴とする方法。
2. 気体燃料の比推力が、３Ｎ／ＭＷを超えず、２．５Ｎ／ＭＷであることが好ましいことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 液体燃料の比推力が、１Ｎ／ＭＷを超えないことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法を実施するためのインジェクタであって、前記インジェクタが、液体燃料の入口ダクトを備え、液体燃料の前記入口ダクトが、液体燃料の噴霧用の流体の入口ダクトに同軸に取り囲まれ、液体燃料の噴霧用の前記流体の入口ダクトは、同軸の単一の気体燃料入口ダクトに取り囲まれていることを特徴とする、インジェクタ。
5. 液体燃料の前記入口ダクトが、液体燃料を、インジェクタから放出する前に中空旋回ジェットの形態にするための、斜め方向の通路が設けられた要素を備え、前記通路各々の母線は、液体燃料の入口方向と２〜３０度の角度をなしていることを特徴とする、請求項４に記載のインジェクタ。
6. ガス１００％で作動させるため、液体燃料の前記入口ダクトと、液体燃料の噴霧用の前記流体の入口ダクトとが、取外し可能であることを特徴とする、請求項４又は５に記載のインジェクタ。
7. 請求項４〜６のいずれか1項に記載の１つ又は複数のインジェクタを備える、バーナー。
8. 請求項７に記載のバーナーを、少なくとも１つ備える、炉。
9. エンド・ポート式炉又はサイド・ポート式炉であることを特徴とする、請求項８に記載の炉。