JP2022154831A - バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼性を向上させる。【解決手段】バーナ１００は、炉の内部空間に向けて設けられる１または複数の第１噴射口（第１燃料噴射口１１２ｃ、第１混合ガス噴射口１１４ｃ）を含む第１噴射部１１０と、第１噴射口と離隔し炉の内部空間に向けて設けられる１または複数の第２噴射口（第２混合ガス噴射口１３８ａ、１３８ｂ、第２燃料噴射口１４２ｄ、１４２ｅ）を含む第２噴射部１３０と、アンモニアおよび炭化水素を少なくとも含む第１燃料ガスを第１噴射部１１０に供給する第１供給部１２０と、炭化水素を少なくとも含む第２燃料ガスを第２噴射部１３０に供給する第２供給部１５０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、アンモニアを燃焼させるバーナに関する。

近年、地球温暖化を防止するために、ＣＯ_２（二酸化炭素）排出量の削減が求められている。このため、化石燃料に加えてアンモニアを燃焼させる技術が注目されている（例えば、特許文献１）。

特開２０２０－１１２２８０号公報

しかし、アンモニアは燃焼速度が遅く燃焼性が低いという問題がある、そこで、アンモニアを燃焼させる際、燃焼性を向上させる技術の開発が希求されている。

本発明は、燃焼性を向上させることが可能なバーナを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のバーナは、炉の内部空間に向けて設けられる１または複数の第１噴射口を含む第１噴射部と、第１噴射口と離隔し炉の内部空間に向けて設けられる１または複数の第２噴射口を含む第２噴射部と、アンモニアおよび炭化水素を少なくとも含む第１燃料ガスを第１噴射部に供給する第１供給部と、炭化水素を少なくとも含む第２燃料ガスを第２噴射部に供給する第２供給部と、を備える。

また、第２燃料ガスに含まれる炭化水素は、第１燃料ガスに含まれる炭化水素よりも少なくてもよい。

また、第２燃料ガスは、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体の熱量の０％超９％以下の熱量の炭化水素を含んでもよい。

また、第２燃料ガスは、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体に含まれる炭化水素の０％超３０％以下の炭化水素を含んでもよい。

また、第１供給部は、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体に対する理論酸化剤量以上の目標酸化剤量の１／３以上２／３以下の酸化剤ガスを第１噴射部に供給し、第２供給部は、第１噴射部に供給される酸化剤ガスの量と目標酸化剤量との差分の酸化剤ガスを第２噴射部に供給してもよい。

本発明によれば、燃焼性を向上させることが可能となる。

本実施形態に係るバーナを説明する図である。 第１噴射部の噴射口、および、第２噴射部の噴射口を炉の内部空間側から見た図である。 第１供給部によって供給される空気の比率と、排気ガス中に含まれるＮＯｘ量との関係を説明する図である。 第２供給部によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率と、排気ガス中に含まれるＮＯｘ量との関係を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

［バーナ１００］
図１は、本実施形態に係るバーナ１００を説明する図である。図１に示すように、バーナ１００は、炉（例えば、ボイラを構成する火炉）を構成する炉壁１０に設けられる。バーナ１００は、アンモニアおよび炭化水素を少なくとも含む第１燃料ガス、および、炭化水素を少なくとも含む第２燃料ガスを燃焼させる。炭化水素は、メタン、エタン、プロパン、ブタン等である。ここでは、炭化水素がメタンである場合を例に挙げる。

バーナ１００は、第１噴射部１１０と、第１供給部１２０と、第２噴射部１３０と、第２供給部１５０とを含む。

第１噴射部１１０は、炉の内部空間に向けて設けられる。第１噴射部１１０は、第１燃料ガスおよび酸化剤ガスを噴射する。ここでは、酸化剤ガスが、空気である場合を例に挙げる。本実施形態において、第１噴射部１１０は、第１燃料噴射ノズル１１２と、第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４とを有する。

第１燃料噴射ノズル１１２は、第１燃料ガスを噴射するノズルである。第１燃料噴射ノズル１１２は、本体１１２ａと、第１燃料供給管１１２ｂと、第１燃料噴射口１１２ｃ（第１噴射口）とを含む。本体１１２ａは、円筒形状の管体である。本体１１２ａの中心軸は、炉壁１０に対して交差（ここでは、略直交）する。

本体１１２ａの後部（本体１１２ａにおける炉壁１０側に対する逆側（図１中、左側、以下「後端」という）の部分）に、第１燃料供給管１１２ｂが接続される。また、本体１１２ａの先端（本体１１２ａにおける炉壁１０側（図１中、右側）、以下「先端」という）に、開口である第１燃料噴射口１１２ｃが形成される。第１燃料噴射口１１２ｃは、炉の内部空間を向いている。

第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４は、第１燃料ガスと空気（一次空気）とを含む第１混合ガスを噴射するノズルである。第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４は、本体１１４ａと、第１酸化剤供給管１１４ｂと、第１混合ガス噴射口１１４ｃ（第１噴射口）とを有する。本体１１４ａは、円筒形状の管体である。本体１１４ａは、第１燃料噴射ノズル１１２の本体１１２ａと同軸上に、本体１１２ａを囲むように配置される。つまり、第１燃料噴射ノズル１１２の本体１１２ａと、第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４の本体１１４ａとによって、二重円筒構造が形成される。図１では、本体１１４ａにおける炉壁１０側（図１中、右側、以下「先端」という）に位置する先端部１１４ｄが先端に向かうにつれて径が漸減する形状の場合の例を示しているが、第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４の形状はこれに限らない。

本体１１４ａの後部（本体１１４ａにおける炉壁１０側に対する逆側（図１中、左側、以下「後端」という）の部分）に、第１酸化剤供給管１１４ｂが接続される。本体１１４ａの後端は、第１燃料噴射ノズル１１２の本体１１２ａの後端よりも炉壁１０側に位置する。

また、本体１１４ａの先端に、開口である第１混合ガス噴射口１１４ｃが形成される。第１混合ガス噴射口１１４ｃは、炉の内部空間に臨む。

なお、本実施形態において、第１燃料噴射ノズル１１２の第１燃料噴射口１１２ｃは、第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４の本体１１４ａ内に位置するように設けられる。つまり、第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４の第１混合ガス噴射口１１４ｃは、第１燃料噴射ノズル１１２の第１燃料噴射口１１２ｃよりも炉の内部空間側に設けられる。

第１供給部１２０は、第１燃料ガスおよび空気を第１噴射部１１０に供給する。本実施形態において、第１供給部１２０は、燃料供給系統１２２と、酸化剤供給系統１２４とを含む。第１燃料ガスは、燃料供給系統１２２から、第１燃料供給管１１２ｂを介して本体１１２ａ内に供給される。本体１１２ａ内に供給された第１燃料ガスは、本体１１２ａ内の空間を流れる。本体１１２ａ内を通過した第１燃料ガスは、第１燃料噴射口１１２ｃから本体１１４ａの先端部１１４ｄ内に形成される空間に向けて噴射される。

空気は、酸化剤供給系統１２４から、第１酸化剤供給管１１４ｂを介して本体１１４ａ内に供給される。本体１１４ａ内に供給された空気は、本体１１４ａ内の空間を流れる。そして、本体１１４ａの先端部１１４ｄに到達した空気は、先端部１１４ｄ内の空間において、第１燃料噴射口１１２ｃから噴射された第１燃料ガスと混合される。第１燃料ガスと空気とを含む第１混合ガスは、第１混合ガス噴射口１１４ｃから炉の内部空間に噴射される。

こうして、第１混合ガス噴射口１１４ｃから噴射された第１混合ガスは、不図示の着火装置によって着火され、炉の内部空間において火炎が形成される。

第２噴射部１３０は、第１噴射部１１０によって形成される火炎に対し、径方向外側から、第２燃料ガスおよび空気（二次空気）を含む第２混合ガスを供給する。第２噴射部１３０は、第２酸化剤ガス噴射ノズル１３２と、第２燃料噴射ノズル１４２とを有する。

第２酸化剤ガス噴射ノズル１３２は、主流路１３２ａと、分岐流路１３４ａ、１３４ｂと、第２酸化剤供給管１３６と、第２混合ガス噴射口１３８ａ、１３８ｂとを有する。主流路１３２ａは、バーナ本体ブロック１０２内および耐火材製バーナヘッド１０４内に形成される流路である。主流路１３２ａは、円筒形状である。主流路１３２ａは、第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４の本体１１４ａと同軸上に、本体１１４ａを囲むように配置される。主流路１３２ａにおける炉壁１０側（図１中、右側、以下「先端」という）は、分岐流路１３４ａ、１３４ｂに分岐される。分岐流路１３４ａ、１３４ｂは、耐火材製バーナヘッド１０４内に形成される流路である。分岐流路１３４ａ、１３４ｂは、主流路１３２ａよりも小径の円筒形状である。

図１では、分岐流路１３４ａ、１３４ｂにおける炉壁１０側（図１中、右側、以下「先端」という）に位置する先端部１３４ｃ、１３４ｄが先端に向かうにつれて径が漸減する形状の場合の例を示しているが、分岐流路１３４ａ、１３４ｂの形状はこれに限らない。

主流路１３２ａの後部（主流路１３２ａにおける炉壁１０側に対する逆側（図１中、左側、以下「後端」という）の部分）に、第２酸化剤供給管１３６が接続される。主流路１３２ａの後端は、第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４の本体１１４ａの後端よりも炉壁１０側に位置する。

また、分岐流路１３４ａ、１３４ｂの先端に、開口である第２混合ガス噴射口（第２噴射口）１３８ａ、１３８ｂが形成される。第２混合ガス噴射口１３８ａ、１３８ｂは、炉の内部空間に臨む。第２混合ガス噴射口１３８ａ、１３８ｂは、第１混合ガス噴射口１１４ｃと、第１混合ガス噴射口１１４ｃの径方向に離隔して設けられる。なお、第２混合ガス噴射口１３８ａ、１３８ｂと第１燃料噴射口１１２ｃとの間の距離は、第１混合ガス噴射口１１４ｃの内壁面と第１燃料噴射口１１２ｃとの間の径方向の距離よりも大きい。

第２混合ガス噴射口１３８ａ、１３８ｂは、第１噴射部１１０の第１混合ガス噴射口１１４ｃと略同一平面上に設けられる。つまり、分岐流路１３４ａ、１３４ｂの先端の軸方向の位置は、第１噴射部１１０の第１混合ガス噴射口１１４ｃの軸方向の位置と略一致する。

図２は、第１噴射部１１０の第１混合ガス噴射口１１４ｃ、および、第２噴射部１３０の第２混合ガス噴射口１３８ａ、１３８ｂを炉の内部空間側から見た図である。図２に示すように、第１噴射部１１０の第１混合ガス噴射口１１４ｃと、第２噴射部１３０の第２混合ガス噴射口１３８ａ、１３８ｂとは、距離Ｌｎ離隔している。距離Ｌｎは、例えば、第１混合ガス噴射口１１４ｃの半径の１．５倍以上である。

図１に戻って説明すると、第２燃料噴射ノズル１４２は、第２燃料ガスを噴射するノズルである。第２燃料噴射ノズル１４２は、２本の本体１４２ａ、１４２ｂと、第２燃料供給管１４２ｃと、第２燃料噴射口（第２噴射口）１４２ｄ、１４２ｅとを含む。本体１４２ａ、１４２ｂは、円筒形状の管体である。本体１４２ａは、第２酸化剤ガス噴射ノズル１３２の分岐流路１３４ａと同軸上に、分岐流路１３４ａ内に配置される。つまり、第２酸化剤ガス噴射ノズル１３２の分岐流路１３４ａと、第２燃料噴射ノズル１４２の本体１４２ａとによって、二重円筒構造が形成される。同様に、本体１４２ｂは、第２酸化剤ガス噴射ノズル１３２の分岐流路１３４ｂと同軸上に、分岐流路１３４ｂ内に配置される。つまり、第２酸化剤ガス噴射ノズル１３２の分岐流路１３４ｂと、第２燃料噴射ノズル１４２の本体１４２ｂとによって、二重円筒構造が形成される。

本体１４２ａ、１４２ｂの後部（本体１４２ａ、１４２ｂにおける炉壁１０側に対する逆側（図１中、左側、以下「後端」という）の部分）に、第２燃料供給管１４２ｃが接続される。第２燃料供給管１４２ｃは、第２酸化剤供給管１３６内に設けられる。また、本体１４２ａ、１４２ｂの先端（本体１４２ａ、１４２ｂにおける炉壁１０側（図１中、右側）、以下「先端」という）に、開口である第２燃料噴射口１４２ｄ、１４２ｅが形成される。第２燃料噴射口１４２ｄ、１４２ｅは、炉の内部空間を向いている。

第２供給部１５０は、第２燃料ガスおよび空気を第２噴射部１３０に供給する。本実施形態において、第２供給部１５０は、燃料供給系統１５２と、酸化剤供給系統１５４とを含む。第２燃料ガスは、燃料供給系統１５２から、第２燃料供給管１４２ｃを介して本体１４２ａ、１４２ｂ内に供給される。本体１４２ａ、１４２ｂ内に供給された第２燃料ガスは、本体１４２ａ、１４２ｂ内の空間を流れる。本体１４２ａ、１４２ｂ内を通過した第２燃料ガスは、第２燃料噴射口１４２ｄ、１４２ｅから分岐流路１３４ａ、１３４ｂの先端部１３４ｃ、１３４ｄ内に形成される空間に向けて噴射される。

空気は、酸化剤供給系統１５４から、第２酸化剤供給管１３６を介して主流路１３２ａ内に供給される。主流路１３２ａ内に供給された空気は、主流路１３２ａから分岐流路１３４ａ、１３４ｂに導かれる。そして、分岐流路１３４ａ、１３４ｂの先端部１３４ｃ、１３４ｄに到達した空気は、先端部１３４ｃ、１３４ｄ内の空間において、第２燃料噴射口１４２ｄ、１４２ｅから噴射された第２燃料ガスと混合される。第２燃料ガスと空気とを含む第２混合ガスは、第２混合ガス噴射口１３８ａ、１３８ｂから炉の内部空間に噴射される。

こうして、第２混合ガス噴射口１３８ａ、１３８ｂから噴射された第２混合ガスは、不図示の着火装置によって着火され、炉の内部空間において火炎が形成される。

［第１供給部１２０および第２供給部１５０の空気量の比］
続いて、上記第１供給部１２０によって第１噴射部１１０（第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４）に供給される空気量と、第２供給部１５０によって第２噴射部１３０（第２酸化剤ガス噴射ノズル１３２）に供給される空気量との関係について説明する。

第１供給部１２０および第２供給部１５０は、合計で、目標空気量の空気を供給する。目標空気量は、第１供給部１２０によって第１噴射部１１０（第１燃料噴射ノズル１１２）に供給される第１燃料ガスおよび第２供給部１５０によって第２噴射部１３０（第２燃料噴射ノズル１４２）に供給される第２燃料ガス全体に対する理論空気量以上の所定の空気量である。理論空気量は、第１燃料ガスおよび第２燃料を完全燃焼させるために必要な最小の空気量である。目標空気量は、例えば、理論空気量の１．１倍～１．２倍である。

図３は、第１供給部１２０によって供給される空気の比率と、排気ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）量との関係を説明する図である。図３中、横軸は、目標空気量に対する、第１供給部１２０によって供給される空気の比率を示す。図３中、縦軸は、炉の煙道（煙突）から排出される排気ガス中に含まれるＮＯｘ量を示す。なお、ＮＯｘ量は、第１供給部１２０が目標空気量の空気を供給した場合、つまり、第２供給部１５０（第２噴射部１３０）を備えない場合の排気ガス中に含まれるＮＯｘ量を１．００とする。

図３に示すように、第１供給部１２０によって供給される空気の比率が、１／２（第２供給部１５０によって供給される空気の比率も１／２）以下の範囲では、比率が大きくなるにつれて、ＮＯｘ量が低減する。第１供給部１２０によって供給される空気の比率が、１／２の場合、ＮＯｘ量は、０．０８程度となる。

一方、第１供給部１２０によって供給される空気の比率が、１／２超の範囲では、比率が大きくなるにつれて、ＮＯｘ量が増加する。例えば、第１供給部１２０によって供給される空気の比率が、４／５（第２供給部１５０によって供給される空気の比率は１／５）を超えると、ＮＯｘ量は１．００以上となる。

なお、目標空気量の１／３未満の空気を供給した場合、ＮＯｘの量は、０．２５以下となるものの、第１燃料ガスの着火性が低下する。一方、目標空気量の２／３超の空気を供給した場合、ＮＯｘの量が０．３７５を上回ってしまう。

したがって、第１供給部１２０は、目標空気量の１／３以上２／３以下、好ましくは１／２の空気を、第１噴射部１１０（第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４）に供給する。これにより、第１供給部１２０は、第１燃料ガスの着火性を低下させることなく、ＮＯｘを低減することが可能となる。

なお、第１供給部１２０が目標空気量未満の一次空気を供給することにより、第１混合ガス噴射口１１４ｃから炉の内部空間に噴出される第１混合ガス中の第１燃料ガス（アンモニアおよびメタン）が一次空気で燃焼されても、炉の内部空間において未燃のアンモニアが残存する。このため、炉の内部空間において、一次空気で燃焼した第１燃料ガスによって生じるＮＯｘを、未燃のアンモニアで還元（脱硝）することができる。したがって、バーナ１００は、炉の内部空間において生じる排気ガス中のＮＯｘを低減することが可能となる。

そして、第２供給部１５０が、第１噴射部１１０に供給される空気量と目標空気量との差分の空気を第２噴射部１３０に供給する。これにより、バーナ１００は、第１混合ガスに含まれる未燃の第１燃料ガス、および、第２混合ガスに含まれる第２燃料ガスを二次空気によって完全燃焼させることが可能となる。

［第１供給部１２０および第２供給部１５０のメタンの比］
続いて、上記第１供給部１２０によって第１噴射部１１０（第１燃料噴射ノズル１１２）に供給される第１燃料ガスに含まれるメタン（炭化水素）の量と、第２供給部１５０によって第２噴射部１３０（第２燃料噴射ノズル１４２）に供給される第２燃料ガスに含まれるメタン（炭化水素）の量との関係について説明する。

本実施形態において、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体に含まれるアンモニアとメタンとの比率は、例えば、アンモニア：メタン＝７：３である。

図４は、第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率と、排気ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）量との関係を説明する図である。図４中、横軸は、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体の熱量に対する、第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率［％］を示す。なお、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体の熱量（低位発熱量）は、第１燃料ガスに含まれるアンモニアおよびメタンの熱量と、第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量との合計の熱量である。

図４中、縦軸は、炉の煙道（煙突）から排出される排気ガス中に含まれるＮＯｘ量を示す。なお、ＮＯｘ量は、第１供給部１２０（燃料供給系統１２２）が第１燃料ガスおよび第２燃料ガスを供給し、第２供給部１５０（燃料供給系統１５２）が第２燃料ガスを供給しない場合、つまり、第２供給部１５０（酸化剤供給系統１５４）が空気のみを供給する場合の排気ガス中に含まれるＮＯｘ量を１．００とする。

図４に示すように、第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率が、６％以下の範囲では、比率が大きくなるにつれて、ＮＯｘ量が低減する。第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率が、６％超９％以下の範囲では、比率が大きくなるにつれて、ＮＯｘ量が微増する。一方、第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率が、９％超の範囲では、比率が大きくなるにつれて、ＮＯｘ量が増加する。

具体的に説明すると、第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率が、１％（第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体に含まれる炭化水素に対する第２燃料ガスに含まれる炭化水素の割合（以下、「炭化水素比」とする）は、約３．３％）である場合、ＮＯｘ量は、０．９８程度となる。第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率が、２％（炭化水素比は約６．７％）である場合、ＮＯｘ量は、０．９７程度となる。第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率が、３％（炭化水素比は１０％）である場合、ＮＯｘ量は、０．９４程度となる。第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率が、４％（炭化水素比は約１３．３％）である場合、ＮＯｘ量は、０．８８程度となる。第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率が、５％（炭化水素比は約１６．７％）である場合、ＮＯｘ量は、０．８０程度となる。第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率が、６％（炭化水素比は２０％）である場合、ＮＯｘ量は、０．７３程度となる。また、第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率が、７％（炭化水素比は約２３．３％）である場合、ＮＯｘ量は、０．７５程度となる。第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率が、８％（炭化水素比は約２６．７％）である場合、ＮＯｘ量は、０．７６程度となる。第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率が、９％（炭化水素比は３０％）である場合、ＮＯｘ量は、０．７７程度となる。

一方、第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率が、１０％（炭化水素比は約３３．３％）である場合、ＮＯｘ量は、１．２４程度となる。また、第２供給部１５０によって供給される第２燃料ガスに含まれるメタンの熱量の比率が、１１％（炭化水素比は約３６．７％）である場合、ＮＯｘ量は、１．７程度となる。

したがって、第２供給部１５０は、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体の熱量の０％超９％以下、好ましくは、３％以上９％以下、より好ましくは５％以上９％以下、さらに好ましくは６％の熱量のメタンを含む第２燃料ガスを、第２噴射部１３０（第２燃料噴射ノズル１４２）に供給する。

上記したように、第１供給部１２０が目標空気量未満の一次空気を供給することにより、炉の内部空間において未燃のアンモニアが残存し、炉の内部空間において、一次空気で燃焼した第１燃料ガスによって生じるＮＯｘを、未燃のアンモニアで還元（脱硝）することができる。このようなＮＯｘの脱硝反応は、１１００Ｋ以上１５００Ｋ以下（８２６．８５℃以上１２２６．８５℃以下）で進行する（KASUYA,F. et al. (1995). Chemical Engineering Science, Vol.50, No.9, pp.1455-1466）。

ここで、仮に、燃料供給系統１５２を備えない場合、つまり、第２噴射部１３０が空気のみを噴射する場合、炉の内部空間において、１５００Ｋ超の高温部が局所的に生成されてしまう。そうすると、炉の内部空間において、脱硝反応が進行しない箇所が生じてしまう。

そこで、第２供給部１５０は、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体の熱量の３％以上９％以下の熱量のメタンを含む第２燃料ガスを、第２噴射部１３０に供給する。これにより、第２供給部１５０は、火炎温度の低い空気過剰な希薄燃焼火炎を形成し、１５００Ｋ超の高温部の生成を抑制することができる。したがって、第２供給部１５０は、炉の内部空間において脱硝反応が進行する領域を拡大することが可能となる。このため、バーナ１００は、炉の内部空間において生じる排気ガス中のＮＯｘを低減することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係るバーナ１００は、第２噴射部１３０および第２供給部１５０を備える。これにより、バーナ１００は、第１噴射部１１０により形成される第１燃料ガスの火炎の周囲（近傍）に、より燃焼性の高い第２燃料ガスの希薄燃焼火炎を形成することで、燃焼性の低いアンモニアを含む第１燃料ガスの燃焼を促進することができる。したがって、バーナ１００は、燃焼速度が遅いアンモニアの燃焼性を改善することができ、炉における熱効率を向上させることが可能となる。また、本実施形態において、第２燃料ガスに含まれるメタンは、第１燃料ガスに含まれるメタンよりも少ない。これにより、バーナ１００は、第１燃料ガス中のメタンの燃焼性を十分に利用することができるのでアンモニアの燃焼性をさらに改善することができる。

また、第２燃料ガスは、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体の熱量の３％以上９％以下の熱量の炭化水素を含む。これにより、バーナ１００は、炉の内部空間において脱硝反応が進行する領域を拡大することができ、排気ガス中のＮＯｘを低減することが可能となる。これにより、バーナ１００は、大気汚染防止法のＮＯｘ排出基準値未満で、アンモニアを含む燃料ガスを燃焼させることができる。

また、既存のプレート保炎型の炭化水素燃料用バーナに、第１供給部１２０、第２噴射部１３０、および、第２供給部１５０を取り付けるだけで、バーナ１００とすることができる。したがって、既存のプレート保炎型の炭化水素燃料用バーナを流用して、アンモニアを含む燃料ガスを低ＮＯｘで燃焼させることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態において、炭化水素としてメタンを例に挙げた。しかし、炭化水素は、メタンに加えて、または、代えて、エタン、プロパン、ブタン等を含んでもよい。いずれにせよ、第２燃料ガスは、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体の熱量の３％以上９％以下の熱量の炭化水素を含んでいればよい。

また、上記実施形態において、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体に含まれるアンモニアとメタンとの比率が、アンモニア：メタン＝７：３であり、第２燃料ガスは、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体の熱量の３％以上９％以下の熱量のメタンを含む場合を例に挙げた。つまり、第２燃料ガスは、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体に含まれるメタンの１０％以上３０％以下のメタンを含む場合を例に挙げた。しかし、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体に含まれるアンモニアと炭化水素との比率に拘わらず、第２燃料ガスは、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体の熱量の３％以上９％以下の熱量の炭化水素を含んでいればよい。また、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体に含まれるアンモニアと炭化水素との比率に拘わらず、第２燃料ガスは、第１燃料ガスおよび第２燃料ガス全体に含まれる炭化水素の０％超３０％以下、好ましくは、１０％以上３０％以下、より好ましくは１６．７％以上３０％以下、さらに好ましくは２０％の炭化水素を含んでもよい。

また、上記実施形態において、酸化剤ガスとして空気を例に挙げた。しかし、酸化剤ガスは、燃料ガスを燃焼させることができればよい。酸化剤ガスは、空気の他、例えば、酸素富化空気、酸素であってもよい。なお、酸化剤ガスが空気以外である場合、上記理論空気量は、理論酸化剤量となり、目標空気量は目標酸化剤量となる。理論酸化剤量は、第１燃料ガスおよび第２燃料ガスを完全燃焼させるために必要な最小の酸化剤ガスの量である。また、目標酸化剤量は、理論酸化剤量以上の所定の酸化剤ガス量であり、例えば、理論酸化剤量の１．１倍～１．２倍である。

また、上記実施形態において、第１燃料噴射ノズル１１２の本体１１２ａおよび第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４の本体１１４ａが管体である場合を例に挙げた。しかし、第１燃料噴射ノズル１１２の本体１１２ａおよび第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４の本体１１４ａは、バーナ本体ブロック１０２内および耐火材製バーナヘッド１０４内に形成される流路であってもよい。

同様に、上記実施形態において、主流路１３２ａがバーナ本体ブロック１０２内および耐火材製バーナヘッド１０４内に形成される流路であり、分岐流路１３４ａ、１３４ｂが耐火材製バーナヘッド１０４内に形成される流路である場合を例に挙げた。しかし、主流路１３２ａ、および、分岐流路１３４ａ、１３４ｂは、管体であってもよい。

また、上記実施形態において、第２噴射部１３０の第２混合ガス噴射口１３８ａ、１３８ｂが、第１噴射部１１０の第１混合ガス噴射口１１４ｃと略同一平面上に設けられる場合を例に挙げた。しかし、第２噴射部１３０の第２混合ガス噴射口１３８ａ、１３８ｂは、第１噴射部１１０の第１混合ガス噴射口１１４ｃと略同一平面上に設けられずともよい。例えば、第２噴射部１３０の第２混合ガス噴射口１３８ａ、１３８ｂは、火炎に向けて設けられてもよい。

また、上記実施形態において、第１燃料噴射ノズル１１２の第１燃料噴射口１１２ｃが、第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４の本体１１４ａ内に位置するように設けられる場合を例に挙げた。しかし、第１燃料噴射ノズル１１２の第１燃料噴射口１１２ｃは、第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４の第１混合ガス噴射口１１４ｃと略同一平面上に設けられてもよいし、第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４の本体１１４ａの先端から突出してもよい。この場合、第１混合ガス噴射口１１４ｃから一次空気が噴射され、炉の内部空間において混合ガスが生成される。また、第１混合ガス噴射口１１４ｃが一次空気を噴射する場合、第１燃料噴射口１１２ｃおよび第１混合ガス噴射口１１４ｃは、それぞれ複数設けられてもよいし、第１燃料噴射口１１２ｃが１つ設けられ、第１混合ガス噴射口１１４ｃが第１燃料噴射口１１２ｃを囲むように複数設けられてもよい。

また、上記実施形態において、第１噴射部１１０が第１燃料噴射ノズル１１２と第１酸化剤ガス噴射ノズル１１４とを備える場合を例に挙げた。しかし、第１噴射部１１０は、第１燃料ガスと酸化剤ガスとの第１混合ガスが流れる１のノズルを有していてもよい。この場合、第１混合ガスを噴射する第１噴射口を１または複数備える。

また、上記実施形態において、第２噴射部１３０が、第２混合ガス噴射口１３８ａ、１３８ｂを備える場合を例に挙げた。しかし、第２噴射部１３０が備える第２混合ガス噴射口（第２噴射口）の数に限定はない。例えば、第２噴射部１３０は、第２混合ガス噴射口を１つのみ備えていてもよいし、３以上備えていてもよい。なお、第２噴射部１３０は、第２混合ガス噴射口を３つ以上備える場合、略同一円周上に略等間隔で複数の第２混合ガス噴射口が設けられるとよい。また、第２噴射部１３０が複数の第２混合ガス噴射口を備えることにより、第２燃料ガスを効率よく燃焼させることができる。

また、上記実施形態において、第２噴射部１３０が、第２酸化剤ガス噴射ノズル１３２と、第２燃料噴射ノズル１４２とを備える場合を例に挙げた。しかし、第２噴射部１３０は、第２燃料ガスと酸化剤ガスとの第２混合ガスが流れる１のノズルを有していてもよい。この場合、第２混合ガスを噴射する第２噴射口を１または複数備える。

また、上記実施形態において、第２燃料ガスが炭化水素（メタン）のみを含む場合を例に挙げた。しかし、第２燃料ガスは、炭化水素を少なくとも含んでいればよい。例えば、第２燃料ガスは、炭化水素に加えて、アンモニアを含んでもよい。

１００ バーナ
１１０ 第１噴射部
１１２ｃ 第１燃料噴射口（第１噴射口）
１１４ｃ 第１混合ガス噴射口（第１噴射口）
１２０ 第１供給部
１３０ 第２噴射部
１３８ａ 第２混合ガス噴射口（第２噴射口）
１４２ｄ 第２燃料噴射口（第２噴射口）
１５０ 第２供給部

Claims (5)

1. 炉の内部空間に向けて設けられる１または複数の第１噴射口を含む第１噴射部と、
   前記第１噴射口と離隔し前記炉の内部空間に向けて設けられる１または複数の第２噴射口を含む第２噴射部と、
   アンモニアおよび炭化水素を少なくとも含む第１燃料ガスを前記第１噴射部に供給する第１供給部と、
   炭化水素を少なくとも含む第２燃料ガスを前記第２噴射部に供給する第２供給部と、
   を備えるバーナ。
2. 前記第２燃料ガスに含まれる前記炭化水素は、前記第１燃料ガスに含まれる前記炭化水素よりも少ない請求項１に記載のバーナ。
3. 前記第２燃料ガスは、前記第１燃料ガスおよび前記第２燃料ガス全体の熱量の０％超９％以下の熱量の前記炭化水素を含む請求項１または２に記載のバーナ。
4. 前記第２燃料ガスは、前記第１燃料ガスおよび前記第２燃料ガス全体に含まれる前記炭化水素の０％超３０％以下の前記炭化水素を含む請求項１または２に記載のバーナ。
5. 前記第１供給部は、前記第１燃料ガスおよび前記第２燃料ガス全体に対する理論酸化剤量以上の目標酸化剤量の１／３以上２／３以下の酸化剤ガスを前記第１噴射部に供給し、
   前記第２供給部は、前記第１噴射部に供給される前記酸化剤ガスの量と前記目標酸化剤量との差分の前記酸化剤ガスを前記第２噴射部に供給する請求項１から４のいずれか１項に記載のバーナ。

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