JP2012163305A - 燃焼方法およびこれに用いる燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】炉体の内部において燃料と排ガスとの混合を良好にし、燃焼におけるＮＯｘの生成を抑制する。
【解決手段】炉体１１の内部に燃料を供給する燃料ノズル１２を炉体１１に設置し、炉体１１の内部に燃焼空気を供給する空気ノズル１８を炉体１１に設置し、燃料ノズル１２から燃料を間欠的に供給する。
【選択図】図７

Description

本発明は、燃焼方法およびこれに用いる燃焼装置に関する。

特許文献１には、内部に蓄熱部のみを備えた一対のリジェネレータを炉体に設置し、そのリジェネレータの給気排気兼用口を炉内に直接開口すると共に、前記給気排気兼用口とは、距離を置いた位置の前記炉内に、前記給気排気兼用口に対応して単数個又は複数個の燃料噴出部を直接開口させた窒素酸化物低発生燃焼装置が開示されている。

この装置によれば、リジェネレ−タの給気排気兼用口からは、予熱された空気のみが噴出し、この給気排気兼用口から離れた位置に設置する燃料噴出部からは、燃料が噴出するので、空気および燃料は、各独立した噴流となり、混合して燃焼を開始する以前に、炉内に充満する不活性ガスである排ガスを大量に吸引混合する。つまり空気、燃料ともに排ガスで充分希釈されてから混合し燃焼するために、低い酸素濃度の緩慢な燃焼となり、また大量の排ガスの存在により火炎温度を低く抑えることができるので、サーマルＮＯxの生成を抑制できる。

特許文献１以外に、液体燃料を燃焼させる装置として、例えば、特許文献２および特許文献３それぞれに開示された装置があり、粉体を燃焼させる装置として、例えば、特許文献４に開示された装置がある。

しかしながら、前記装置による従来の燃料噴射では、燃料は連続的に噴射され、その外周部にのみ外気との接触面を有するので、中心部では不活性ガス（排ガス）と接触しにくい。したがって、燃料を排ガスと良好に混合すること、ひいてはサーマルＮＯxの生成を効果的に抑制することに対して改善の余地がある。

特開平７−２８０２１０号公報 特公平８−２６９７０号公報 特開２０１０−１３３３９１号公報 特開２００５−３７０４０号公報

本発明は、炉体の内部において燃料と排ガスとの混合を良好にし、燃焼におけるＮＯｘの生成を抑制することを課題とする。

前記課題を解決する手段として、本発明の燃焼方法は、炉体の内部に燃料を供給する燃料供給部を前記炉体に設置し、前記炉体の内部に燃焼空気を供給する空気供給部を前記炉体に設置し、前記燃料供給部から前記燃料を間欠的に供給するようにした。

この方法によれば、燃料供給部から燃料を間欠的に供給して燃料の単位体積当たりの表面積を増加させることができる。これにより、燃料と、炉体の内部で燃料と燃焼空気との燃焼により生じた排ガスとを良好に混合できる。そして、燃料の周囲に排ガスを存在させることにより低い酸素濃度で燃焼を進行させることができる、すなわち燃焼の進行速度を緩慢にすることができるので、火炎温度を低く抑えることができ、サーマルＮＯxの生成を抑制できる。

前記燃料供給部の燃料流量、および前記空気供給部の空気流量を算出し、前記算出した燃料流量となるように前記燃料を供給圧力に応じた供給周波数で前記燃料供給部により間欠的に供給するとともに、前記算出した空気流量で前記燃焼空気を前記空気供給部により供給することが好ましい。この方法によれば、燃料の酸素希薄燃焼により、過剰な温度上昇を回避することができる。これにより、燃焼におけるＮＯｘの生成を抑制できる。

前記燃料は、液体、固体、または気体のいずれか１つを含むことが好ましい。

前記課題を解決する手段として、本発明の燃焼装置は、炉体の内部に燃料を供給するように前記炉体に設けられた燃料供給部と、前記炉体の内部に燃焼空気を供給するように前記炉体に設けられた空気供給部と、前記燃料供給部から前記燃料を間欠的に供給するコントローラとを備えるようにした。

この構成によれば、コントローラにより、燃料供給部から燃料を間欠的に供給して燃料の単位体積当たりの表面積を増加させることができる。これにより、燃料と、炉体の内部で燃料と燃焼空気との燃焼により生じた排ガスとを良好に混合できる。そして、燃料の周囲に排ガスを存在させることにより低い酸素濃度で燃焼を進行させることができる、すなわち燃焼の進行速度を緩慢にすることができるので、火炎温度を低く抑えることができ、サーマルＮＯxの生成を抑制できる。

本発明によれば、燃料供給部から燃料を間欠的に供給して燃料の単位体積当たりの表面積を増加させることができる。これにより、燃料と、炉体の内部で燃料と燃焼空気との燃焼により生じた排ガスとを良好に混合できる。そして、燃料の周囲に排ガスを存在させることにより低い酸素濃度で燃焼を進行させることができる、すなわち燃焼の進行速度を緩慢にすることができるので、火炎温度を低く抑えることができ、サーマルＮＯxの生成を抑制できる。

本発明にかかる燃焼方法に用いる燃焼装置を示す概略図。 燃料の間欠供給を示す図。 間欠供給の供給状態を示す図。 燃料を連続供給した比較例を示す図。 本発明の燃焼方法における燃料と燃焼空気の供給状態を示す図。 供給口からの距離と燃料の表面積との関係を示す図。 炉体の内部における液体燃料および燃焼空気の供給状態を示す図。 炉体の内部における微粒化した液体燃料および燃焼空気の供給状態を示す図。 炉体の内部における液体燃料および燃焼空気の供給状態を示す図。 炉体の内部における固体燃料および燃焼空気の供給状態を示す図。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は、本発明にかかる燃焼方法に用いる燃焼装置１０を示す。燃焼装置１０には、略直方体の炉体１１の内部に燃料を供給する複数（本実施例では４本）の燃料ノズル１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが、供給口１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを介してそれぞれ直接開口するとともに、炉体１１の一側に互いに間隔をあけるように設けられている。複数の燃料ノズル１２ａ〜１２ｄは、それぞれ弁１４ａ〜１４ｄを備えている。各燃料ノズル１２ａ〜１２ｄには、燃料を送出するポンプ１５を介して燃料供給源１６が接続されている。燃料ノズル１２ａ〜１２ｄと弁１４ａ〜１４ｄとは、燃料供給部３２ａ〜３２ｄを構成する。

炉体１１には、供給口１７を介して内部に直接開口する燃焼空気を供給する空気ノズル１８が設けられている。空気ノズル１８には、弁１９を介して空気供給源２０が接続されている。空気ノズル１８は、燃料ノズル１２ａ〜１２ｄが設けられた燃料ノズル設置面２１と略直交する空気ノズル設置面２２において、燃料ノズル設置面２１側に設けられている。空気ノズル１８の供給方向は、燃料ノズル１２ａ〜１２ｄの供給方向と直交する。空気ノズル１８と弁１９とは、空気供給部３３を構成する。

燃焼装置１０には、炉体１１の内部温度を測定する温度センサ２３が設けられている。温度センサ２３は、炉体１１の内部温度の測定値を後述するコントローラ２４に送信する。

燃焼装置１０には、コントローラ２４が設けられている。コントローラ２４は、複数の燃料ノズル１２ａ〜１２ｄの各弁１４ａ〜１４ｄと接続されている。また、コントローラ２４は、空気ノズル１８の弁１９、および、温度センサ２３と接続されている。コントローラ２４は、温度センサ２３から送信された炉体１１の内部温度の測定値と予め入力された設定炉温とに基づいて各弁１４ａ〜１４ｄの開閉を独立して制御するとともに、弁１９の開閉を制御する。

燃焼装置１０の炉体１１には、排気部２５が設けられている。排気部２５は、空気ノズル設置面２２と対向する排気部設置面２６に、空気ノズル１８と対向する位置に設けられている。排気部２５により、燃料と燃焼空気との燃焼により生じた排ガスが排気される。

続いて、本発明にかかる燃焼方法を説明する。

燃焼装置１０では、炉体１１の内部温度が温度センサ２３で測定され、この測定値がコントローラ２４に入力される。コントローラ２４は、前記測定値とコントローラ２４に予め入力されている設定炉温とを比較して温度偏差を演算する。その後、コントローラ２４は、予め設定されている燃焼量パターンから前記内部温度と温度偏差とに対応する燃焼装置１０の燃焼量を決定する。そして、コントローラ２４は、この燃焼量に見合う燃料供給部３２ａ〜３２ｄの燃料流量、および空気供給部３３の空気流量を算出し、算出した燃料流量となるように供給圧力に応じた供給周波数を決定する。ここで、供給周波数とは、燃料の供給状態とこの供給状態の後に続く供給停止状態から構成される燃料供給パターンが単位時間に何回繰り返されるかを示すものである。供給周波数はある値を超えると、供給された燃料パフ３４（図２参照）間の間隔が広がらず連続流と同じことになってしまい、また、供給周波数が低すぎる場合、１回の供給量が多くなるために、燃料パフ３４が細かくならなくなる。したがって、本発明では、燃料の供給状態が連続流とならずに燃料パフ３４を細かくできるように供給周波数を設定している。

コントローラ２４の制御により、炉体１１の内部に供給する燃料流量と燃焼空気流量のそれぞれが決定されると、燃料ノズル１２ａ〜１２ｄの弁１４ａ〜１４ｄを開閉して前記燃料流量となるように設定した供給周波数で燃料を間欠供給するとともに、弁１９の開度を調節して空気ノズル１８により前記燃焼空気流量の燃焼空気を供給する。このようにして、コントローラ２４は、前記決定した燃焼量に見合うよう燃料ノズル１２ａ〜１２ｄに供給される燃料の供給量（燃料流量）と燃焼空気の供給量（燃焼空気流量）とを空気比を予め設定した値に保持したまま制御する。

なお、「間欠供給」とは、図２に模擬的に示すように、パフ３４（１回に噴射した時の燃料粒子の集団）とその後に続くパフ３４との間に間隙を有するように供給することを意味する。したがって、前記供給は、噴射方向に対するパフ３４の後側とその後に続くパフ３４の前側との間に、外気が流入可能な状態となる供給であればよい。図３中のＡ〜Ｄは、間欠供給の供給状態の例を示す。図３中のＡ〜Ｄは、いずれも、横軸を時間Ｔ、縦軸を流量Ｑとしている。供給状態は、図３中のＡ〜Ｄのように、それぞれ、ある供給開始時点から次の供給開始時点までの間隔や供給量（流量×供給時間）が異なっていてもよく、Ｂのように前記間隔、供給量（流量：ランダム、供給時間：ランダム）がランダムでもよい。好ましくは、Ａのように供給周期が一定、供給量（流量：一定、供給時間：一定）が一定、かつ、供給時間と供給停止時間が同じ長さである。そして、供給状態Ａにおいては、供給周波数は、０．１〜１０００Ｈｚであり、好ましくは０．１〜１０Ｈｚである。１回の供給量は、燃焼量に応じて決定される。また、この場合の「Ｈｚ」の定義は、正弦波を意味するのではなく、１秒あたりの噴射回数を示すために用いており、上記のように、ランダムな噴射も含めて表現するものである。

次に、燃料を連続供給した場合における外気と接触可能な表面積と、燃料を間欠供給した場合における外気と接触可能な表面積とを算出結果により比較する。

図４は、燃料を連続供給した比較例を示す。燃料を連続的に供給した場合、燃料は燃焼空気と燃料の流れ方向に対して横方向からのみ混合される（図４では、燃料と燃焼空気との混合状態を、流れ方向において、燃料ノズル１２の供給口１３からＸ離れた位置の長さＹの範囲についてのみ図示している。）。

図５は、本発明の燃焼方法における燃料と燃焼空気の供給状態を示す（図５では、燃料と燃焼空気との混合状態については、流れ方向において、燃料ノズル１２の供給口１３からＸ離れた位置の長さＹの範囲についてのみ図示している。）。燃料パフ３４の流れ方向の長さは一定値Ｙであり、燃料パフ３４とこの燃料パフ３４に隣接する燃料パフ３４との間の間隔は一定値Ｚである。比較例では、燃料と燃焼空気との混合面は燃料の流れ方向に対して横方向のみとなるが、本発明では、燃料を間欠的に供給しているため、燃料と燃焼空気との混合面は横方向および前後方向となる。

表１は、供給角θ＝２０°で燃料を連続供給（Ａ）した場合、および間欠供給（Ｂ）した場合のそれぞれについて、流れ方向の長さＹ＝１００（ｍｍ）とした燃料パフ３４の各位置での表面積を算出した結果を示す。図６は、表１の算出結果について、供給口１３からの距離Ｘ（ｍｍ）と表面積Ｓを、ｘ座標、ｙ座標それぞれについてプロットしたものである。間欠供給（Ｂ）した場合の燃料の表面積Ｓ_Ｂは、連続供給（Ａ）した場合の燃料の表面積Ｓ_Ａに対して、供給口１３から離れるにつれて格段に増加することが分かる。したがって、燃料供給部３２から燃料を間欠的に供給して燃料の単位体積当たりの表面積を増加させることができる。

次に、上述した実施の形態で説明した燃焼方法の適用例について説明する。炉体１１の内部での供給状態を分かりやすくするため、燃料ノズル１２および空気ノズル１８は、それぞれ１つとしている。

図７および図８は、それぞれ、炉体１１の内部における液体燃料および燃焼空気の供給状態を示す。燃料ノズル１２と空気ノズル１８とは、互いに間隔をあけて設けられている。これらの状態では、燃料パフ３４の外面に燃料と燃焼空気との燃焼により生じた排ガスを接触させ燃料と排ガスとを良好に混合できる。そして、燃料の周囲に排ガスを存在させることにより低い酸素濃度で燃焼を進行させることができる、すなわち燃焼の進行速度を緩慢にすることができるので、火炎温度を低く抑えることができ、サーマルＮＯxの生成を抑制できる。

特に、図８の供給状態では、液体燃料を、供給口径が３０〜７０μｍの燃料ノズル１２を使用し、供給圧力３００〜７００ＭＰａで間欠供給することにより微粒化している。このように、高圧での間欠供給によって液体燃料を微粒化することで外気との接触面積はさらに増加するので、液体燃料は排ガスとさらに良好に混合できる。

図９は、燃料ノズル１２と、燃料ノズル１２の外周に設けられた空気ノズル１８とによる液体燃料および燃焼空気の供給状態を示す。この状態では、燃焼空気が燃焼空気の外側の排ガスを巻き込みながら燃料パフ３４の外面に向かって移動するので、燃焼空気および排ガスと良好に混合できる。そして、燃料の周囲に排ガスを存在させることにより低い酸素濃度で燃焼を進行させることができる、すなわち燃焼の進行速度を緩慢にすることができるので、火炎温度を低く抑えることができ、サーマルＮＯxの生成を抑制できる。

図１０は、炉体１１の内部における固体燃料および燃焼空気の供給状態を示す。燃料ノズル１２と空気ノズル１８とは、互いに間隔をあけて設けられている。例えば微粉炭のような固体燃料の場合、液体燃料と比較すると燃焼しにくいものの、外気との接触面積を増加させることにより、液体燃料の場合と同様の効果を得ることができる。

また、間欠供給された固体燃料には、一部ではなく表面全体に還元領域が形成されるので、フューエルＮ分がＮ_２還元されやすくなり、ＮＯｘの生成量を大幅に低下させることができる。なお、間欠供給した固体燃料は、還元領域を形成しながらも完全燃焼できる。

本発明によれば、燃料供給部３２から燃料を間欠的に供給して燃料の単位体積当たりの表面積を増加させることができる。これにより、燃料と、炉体１１の内部で燃料と燃焼空気との燃焼により生じた排ガスとを良好に混合できる。そして、燃料の周囲に排ガスを存在させることにより低い酸素濃度で燃焼を進行させることができる、すなわち燃焼の進行速度を緩慢にすることができるので、火炎温度を低く抑えることができ、サーマルＮＯxの生成を抑制できる。

本発明では、特に、コントローラ２４の制御により、炉体１１の内部に供給する燃料流量と燃焼空気流量のそれぞれを決定し、燃料ノズル１２ａ〜１２ｄの弁１４ａ〜１４ｄを開閉して前記燃料流量となるように設定した供給周波数で燃料を間欠供給するとともに、弁１９の開度を調節して空気ノズル１８により前記燃焼空気流量の燃焼空気を供給するので、燃料を酸素が希薄な状態で燃焼させることができる。これにより、過剰な温度上昇を回避することができる。これにより、燃焼におけるＮＯｘの生成を抑制できる。

本発明では、燃料、燃焼空気を流して燃料流量、燃焼空気流量を実測するわけではないので、フィードバック制御のような流量の変動がなく、制御が非常に安定する。また、同一設備に対して、液体、固体のいずれの燃料でも利用できる。

液体の燃料を供給圧力３００〜７００ＭＰａ程度の超高圧で供給する場合、炉体１１内部の圧力などの影響を受けずに常に安定して燃料を供給することができる。供給口径が３０〜７０μｍ程度の超微小ノズル１２から超高圧で微粒化して燃料を供給するので、燃料の単位体積当たりの表面積を増加させることができる。

本発明は実施形態のものに限定されず、種々の変形が可能である。例えば、本発明はリジェネレーティブバーナに対しても適用できる。また、コントローラ２４により、複数の燃料ノズル１２の供給順序を制御することにより、炉体１１の内部の温度分布を制御するようにしてもよい。さらに、本発明における燃料は、気体でもよい。燃料が気体であっても、液体燃料と同様の作用、効果が得られる。

１０ 燃焼装置
１１ 炉体
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ 燃料ノズル
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ 供給口
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ 弁
１５ ポンプ
１６ 燃料供給源
１７ 供給口
１８ 空気ノズル
１９ 弁
２０ 空気供給源
２１ 燃料ノズル設置面
２２ 空気ノズル設置面
２３ 温度センサ
２４ コントローラ
２５ 排気部
２６ 排気部設置面
３２ 燃料供給部
３３ 空気供給部
３４ パフ

Claims (6)

1. 炉体の内部に燃料を供給する燃料供給部を前記炉体に設置し、
   前記炉体の内部に燃焼空気を供給する空気供給部を前記炉体に設置し、
   前記燃料供給部から前記燃料を間欠的に供給することを特徴とする燃焼方法。
2. 前記燃料供給部の燃料流量、および前記空気供給部の空気流量を算出し、
   前記算出した燃料流量となるように前記燃料を供給圧力に応じた供給周波数で前記燃料供給部により間欠的に供給するとともに、前記算出した空気流量で前記燃焼空気を前記空気供給部により供給するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の燃焼方法。
3. 前記燃料は、液体、固体、または気体のいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼方法。
4. 炉体の内部に燃料を供給するように前記炉体に設けられた燃料供給部と、
   前記炉体の内部に燃焼空気を供給するように前記炉体に設けられた空気供給部と、
   前記燃料供給部から前記燃料を間欠的に供給するコントローラと
   を備えることを特徴とする燃焼装置。
5. 前記コントローラは、前記燃料供給部の燃料流量、および前記空気供給部の空気流量を算出し、
   前記算出した燃料流量となるように供給圧力に応じた供給周波数で間欠的に供給して前記燃料に前記算出した空気流量で前記燃焼空気を前記空気供給部により供給するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の燃焼装置。
6. 前記燃料は、液体、固体、または気体のいずれか１つを含むことを特徴とする請求項４または５に記載の燃焼装置。

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