JP2590216B2

JP2590216B2 - 低ＮＯｘ燃焼法及び低ＮＯｘ燃焼器

Info

Publication number: JP2590216B2
Application number: JP63176914A
Authority: JP
Inventors: 泰雄岩井; 茂小豆畑; 紀夫嵐; 憲一相馬; 徹稲田; 秀雄菊池; 正行谷口; 清楢戸; 啓信小林; 忠孝村上; 倫夫黒田; 洋二石橋; 正男桝谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-10-12
Filing date: 1988-07-18
Publication date: 1997-03-12
Anticipated expiration: 2012-03-12
Also published as: JPH0257822A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は気体燃料の燃焼方法及び燃焼装置に係り、特
に燃焼時に発生する窒素酸化物（以下NOxと称する）を
低減するのに好適な燃焼方法及び燃焼装置に関する。

〔従来の技術〕

燃焼時に発生するNOxには、燃焼空気中の窒素が酸化
されて生成するサーマルNOxと、燃料中の窒素が酸化さ
れて生成するフユーエルNOxとがある。一般に産業界で
使用される気体燃料は石炭ガス化によつて製造される燃
料等の特殊な燃料を除いて、天然ガスのように、窒素含
有量の少ない燃料が多い。窒素含有量の少ない燃料の燃
焼において発生するNOxは、空気中の窒素が酸化されて
生成するサーマルNOxである。サーマルNOxの生成は温度
依存性が高く、その発生量は火炎温度に比例して増加す
る。従来の低NOx燃焼技術は火炎温度の低減を原理とす
るものが主流であり、燃焼空気中に酸素濃度の低い燃焼
排ガスを混合する排ガス再循環法や、火炎温度の最も高
くなる空気比が１付近、即ち、完全燃焼に必要な理論空
気量付近で燃焼することを避け、低空気比で燃焼した後
に完全燃焼に必要な燃焼空気を投入する２段燃焼法等が
ある。また火炎温度の低減ではなく、燃料を２分割して
投入し、燃料の一部を発生したNOxの還元剤として使用
する、所謂、炉内脱硝技術がある。これらの燃焼法がNO
xの排出抑制に有効であることは既に実際のボイラ等で
実証されている。しかしながら、これらの燃焼法は燃焼
火炎が長くなり、燃焼器が大型化する即ち装置の値段が
高くなる欠点を有し、更に経済性に優れる燃焼技術が要
求される。

燃焼装置を小型化する、即ち小さな装置で多量の燃料
を燃焼し、燃焼装置の負荷を大きくするには火炎を短く
する必要がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

通常の燃焼装置では、燃料と燃焼用空気とを、それぞ
れ異なるノズルより噴出し、燃焼装置内で両者を混合す
る、所謂、拡散火炎が良く利用される。これは、燃料と
空気のノズルとが異なるため、燃料供給管あるいは空気
供給管内に火炎が戻る、所謂，逆火を防ぐことができ、
安全に燃焼装置を運転できるためであり、又、燃料と空
気の混合部に流速の遅くなる領域を形成すれば、安定な
火炎が得られる等の利点があるためである。しかしなが
ら、拡散火炎は、燃料，空気とが混合するのに要する時
間だけ、燃焼時間が長くなり、長炎化する。そこで、短
炎化のためには、燃料と空気とを予め混合した状態で、
燃焼装置内へ噴出する、予混合火炎が利用される。しか
しながら、予混合火炎は、安定に火炎が形成されるため
の条件が狭く、噴出速度等に大きな制限がある。特に火
炎が安定に形成されるのは、投入空気量と、燃料を完全
に燃焼するのに必要な論理空気量との比である空気比
が、１付近である。即ち、火炎温度が最も高くなる条件
であり、サーマル・NOxが発生し易い。そこで、空気比
が１以下の低空気比火炎と、空気比が１以上の高空気比
火炎とを同時に形成し、それぞれ火炎温度が高くなる空
気比を避けて燃焼する手法が採られる。例えば、特公昭
62−62245号では、燃焼室内に液体燃料の燃焼に必要な
理論空気量以上の量の燃焼用空気を噴出する予混合炎型
ノズル、液体燃料の燃焼に必要な理論空気量以下の量の
燃焼用空気を噴出する拡散炎型ノズル、前記両ノズルか
ら噴出される空気流内に液体燃料を噴霧する燃料噴霧器
とからなる予混合燃焼バーナにおいて、前記予混合炎型
ノズルと前記拡散炎型ノズルとの間に再循環ガスを前記
拡散炎型ノズルから噴出させる空気と平行するように噴
出する再循環排カズ噴出ノズルを配置し、予混合炎型が
拡散炎型から遠ざかるように前記予混合炎型ノズルの噴
出方向を傾斜させたことを特徴とする予混合燃焼バーナ
が示されている。

この場合にも、火炎温度の高くなる領域が避けられ、
NOxの大幅な低減は期待できるが、低空気比火炎が拡散
火炎であるため、燃料と空気との混合領域に一部、空気
比が１付近の領域が形成され、NOxの発生量の多い領域
が形成される。又、低空気比火炎と高空気比火炎とをそ
れぞれ離して形成させるために、両者の混合時間分だ
け、全体の火炎は長くなるという問題がある。

又、不安定な予混合火炎を保炎するためのパイロツト
火炎を設けるバーナは、例えば特開昭62−210313号にあ
る。しかし、このバーナでは主火炎とパイロツト火炎の
空気比が同じであり、安定に予混合火炎を形成させる操
作範囲が狭い。いずれも低空気比とした場合には、未燃
分が出て不完全燃焼になり且つ安定に燃えずに吹き消え
やすい。理論空気比にした場合にはNOxが発生しやす
く、高空気比にした場合にも還元性物質が生成しないの
でNOx低減効果が乏しい。

又、特開昭61−41810号公報には、低空気比拡散火炎
と高空気比拡散火炎とを混合させることによってNOxを
低減する燃焼法が開示されている。

本発明の目的は、燃焼時に発生するNOxを効果的に低
減させる燃焼法、特に従来の拡散火炎を形成する方法よ
りも短い火炎内でNOxを効果的に低減できる燃焼法及び
燃焼器を提供することにある。

本発明の目的は、下記（１）〜（６）の燃焼方法によ
って達成される。

（１）燃料を完全に燃焼するのに必要な理論空気比より
も少ない空気量で燃焼する低空気比火炎の外側に同心円
状に前記理論空気比よりも多い空気量で燃焼する高空気
比火炎を形成する燃焼方法において、前記低空気比火炎
と前記高空気比火炎とをいずれも燃料と空気とを予め混
合して燃焼させる予混合火炎とし、前記低空気比火炎と
前記高空気比火炎との間に同心円状にほぼ完全燃焼に必
要な理論空気量に近似した空気量で燃料と空気とを予め
混合して燃焼させる予混合パイロット火炎を形成したこ
とを特徴とする低NOx燃焼法。

予混合火炎にすることによって、拡散火炎にくらべて
火炎長さを短くすることができ、しかもNOx発生量を低
減できる。しかし、予混合火炎は安定に火炎が形成され
る操作範囲が狭く着火しにくい。予混合火炎のなかでは
最も安定に火炎が形成される理論空気比に近似した空気
量で予混合パイロット火炎を形成し、これを着火源とし
て低空気比火炎と高空気比火炎とを着火することによっ
て、低空気比火炎と高空気比火炎とが混合する前に、両
火炎の燃焼を完了させることができる。これにより、両
火炎の混合領域において、低空気比火炎の燃焼で生成し
た還元性物質により、高空気比火炎の燃焼で生成したNO
xを還元し、更なるNOxの低減を図ることができる。

（２）前記（１）記載の低NOx燃焼法において、前記予
混合パイロット火炎の燃焼条件を、空気比（λ）が0.8
＜λ＜1.2の範囲、噴出速度（vp）が1.0m/s＜vp＜2.0m/
sの範囲に設定したことを特徴とする低NOx燃焼法。

予混合パイロット火炎が安定に形成されるための操作
条件を規定した。

（３）前記（１）記載の低NOx燃焼法において、前記高
空気比火炎の外側に同心円状に理論空気量に近似した空
気量で燃料と空気とを予め混合して燃焼させる予混合パ
イロット火炎を形成したことを特徴とする低NOx燃焼
法。

高空気比火炎の外側に予混合パイロット火炎を形成す
ることによって、高空気比火炎の着火性が更に高まる。

（４）前記（３）記載の低NOx燃焼法において、前記高
空気比火炎の外側に形成する前記予混合パイロット火炎
の燃焼条件を、空気比（λ）が0.8＜λ＜1.2の範囲、噴
出速度（vp）が1.0m/s＜vp＜2.0m/sの範囲に設定したこ
とを特徴とする低NOx燃焼法。

高空気比火炎の外側の予混合パイロット火炎が安定に
形成されるための操作条件を規定した。

（５）燃料を完全に燃焼するのに必要な理論空気比より
も少ない空気量で燃焼する低空気比火炎の外側に同心円
状に前記理論空気比よりも多い空気量で燃焼する高空気
比火炎を形成する燃焼方法において、前記低空気比火炎
と前記高空気比火炎とをいずれも燃料と空気とを予め混
合して燃焼させる予混合火炎とし、該低空気比火炎は燃
料と空気とを予め混合して燃焼触媒を通すことによって
形成し、得られた該低空気比火炎を着火源として前記高
空気比火炎を形成することを特徴とする低NOx燃焼法。

燃焼触媒を用いて低空気比火炎を着火し燃焼すること
によって、その火炎を着火源として高空気比火炎を着火
し燃焼することができる。これにより、前記（１）で述
べたのと同じ効果が得られると共に、低空気比火炎と高
空気比火炎との間の予混合パイロット火炎を省略するこ
とができる。

（６）前記（５）記載の低NOx燃焼法において、前記高
空気比火炎の外側に同心円状に理論空気量に近似した空
気量で燃料と空気とを予め混合して燃焼させる予混合パ
イロット火炎を形成したことを特徴とする低NOx燃焼
法。

高空気比予混合火炎の外側の予混合パイロット火炎に
よって、高空気比予混合火炎の安定性を高めることがで
きる。

本発明の目的は、また、下記（７）〜（10）に示す燃
焼器によって達成される。

（７）燃料を完全に燃焼するのに必要な理論空気比より
も少ない空気量で燃焼して低空気比火炎を形成するノズ
ルと、該ノズルの外側に同心円状に設けられた理論空気
比よりも多い空気量で燃焼して高空気比火炎を形成する
ノズルとを備えた燃焼器において、前記低空気比火炎を
形成するノズルと前記高空気比火炎を形成するノズルと
をいずれも燃料と空気とを予め混合して燃焼させる予混
合ノズルとし、該低空気比火炎を形成する予混合ノズル
と該高空気比火炎を形成する予混合ノズルとの間に同心
円状に理論空気量に近似した空気量で燃料と空気とを予
め混合して燃焼させる予混合パイロットノズルを設けた
ことを特徴とする低NOx燃焼器。この燃焼器は、前記
（１）に示した燃焼方法に対応するものである。

（８）前記（７）記載の低NOx燃焼器において、前記高
空気比火炎を形成する予混合ノズルの外側に同心円状に
理論空気量に近似した空気量で燃料と空気とを予め混合
して燃焼させる予混合パイロットノズルを設けたことを
特徴とする低NOx燃焼器。この燃焼器は、前記（３）に
示した燃焼方法に対応するものである。

（９）燃料を完全に燃焼するのに必要な理論空気比より
も少ない空気量で燃焼して低空気比火炎を形成するノズ
ルと、該ノズルの外側に同心円状に設けられた理論空気
比よりも多い空気量で燃焼して高空気比火炎を形成する
ノズルとを備えた燃焼器において、前記低空気比火炎を
形成するノズルと前記高空気比火炎を形成するノズルと
をいずれも燃料と空気とを予め混合して燃焼させる予混
合ノズルとし、該低空気比火炎を形成する予混合ノズル
の先端部に燃焼触媒を設けたことを特徴とする低NOx燃
焼器。この燃焼器は、前記（５）に示した燃焼方法に対
応するものである。

（10）前記（９）記載の低NOx燃焼器において、前記高
空気比火炎を形成する予混合ノズルの外側に同心円状に
理論空気量に近似した空気量で燃料と空気とを予め混合
して燃焼させる予混合パイロットノズルを設けたことを
特徴とする低NOx燃焼器。この燃焼器は、前記（６）に
示した燃焼方法に対応するものである。

〔作用〕

NOxを効果的に低減するためには、高空気比火炎で発
生する燃焼ガスと低空気比火炎で発生する燃焼ガスが混
合する所では、高空気比，低空気比の燃焼がそれぞれ完
了している必要がある。そこで本発明では、高空気比及
び低空気比の予混合火炎の根元に、保炎及び燃焼を促進
させる目的で層流の予混合火炎を形成させる手段を用い
ることにより、効果的な低NOx燃焼法を実現させた。
又、低空気比の燃焼を限られた空間で完結させる手段と
して、燃焼触媒を用いることにより、効果的な低NOx燃
焼法を実現させた。

燃料と空気とを予め混合して燃焼する予混合燃焼法
は、最もNOxが発生する化学量論数:1.0から離れた条件
で燃焼させることにより、低NOxを実現することがで
き、かつ短炎化にも有効である。しかし安定に形成でき
る空気比、噴出速度の範囲が狭く、非常に不安定である
という欠点がある。そこで本発明では低空気比の乱流予
混合火炎及び高空気比の乱流予混合火炎の外周に層流の
予混合火炎を形成させることにより、乱流予混合火炎の
安定性を向上させるようにした。更に以上の技術的手段
により、低空気比の予混合火炎の周囲に高空気比の予混
合火炎を安定に形成させることにより、低空気比の予混
合火炎から発生する還元化学種により、高空気比の予混
合火炎から発生するサーマルNOxを還元して低減でき、
顕著なNOx低減が実現できる。

〔実施例〕

〔実施例１〕第１図は本発明の一実施例であるバーナの断面図であ
る。本バーナの中心には、円筒１が設置され、この円筒
１は低空気比の予混合火炎を形成するためのノズル２と
して使用される。ノズル２の外周には円筒３を配置し円
筒１と円筒３によつて構成される円環状の流路４は、層
流の予混合火炎用ノズル４として使用される。ノズル４
の外周に円筒５を配置し、円筒３と円筒５によつて構成
される円環状の流路は、高空気比の予混合火炎用ノズル
６として使用される。ノズル６の外周に円筒７を配置
し、円筒５と円筒７によつて構成される円環状の流路
は、層流の予混合火炎用ノズル８を形成する。ノズル４
の上流には燃料供給管９と空気供給管10が設置された予
混合室11がある。ノズル６の上流には燃料供給管12と空
気供給管13が設置されている。ノズル８の上流には燃料
供給管14と空気供給管15が設置された予混合室16があ
る。

円筒１に供給された気体燃料と空気は筒内を流れる際
に混合され均一な予混合気となり、ノズル２に低空気比
の予混合火炎を形成する。供給管9,10から供給された燃
料と空気は予混合室11で混合され均一な予混合気とな
り、ノズル４に層流の予混合火炎を形成する。ノズル４
に安定した層流の予混合火炎を形成するためには、予混
合気体の空気比を最も燃焼が進行する1.0近辺に設定す
る必要があり、通常、予混合気体の空気比は0.8＜λ＜
1.2の範囲に設定される。又、層流の予混合火炎の吹き
飛び、及び逆火を止するために予混合気体の噴出速度:v
_Pを1.0m/s〜2.0m/sの範囲になるようにした。円筒３と
円筒５の間に供給管12,13から燃料と空気が供給され、
筒間を流れる際に混合され均一な予混合気となり、ノズ
ル６に高空気比の予混合火炎を形成する。供給管14,15
から供給された燃料と空気は予混合室16で混合され均一
な予混合気となり、ノズル８に層流の予混合火炎を形成
する。安定した層流の予混合火炎を形成するためには、
予混合気体の空気比は0.8＜λ＜1.2、噴出速度は1.0m/s
＜v_P＜2.0m/sの範囲になるようにした。

本発明の低NOx燃焼法の原理を第２図において説明す
る。既に述べたように、低空気比の予混合気と高空気比
の予混合気を噴出するだけでは、NOxの還元効果は期待
できない。NOxの還元を効果的に行なわせるのには、高
空気比火炎で発生する燃焼ガスと、低空気比火炎で発生
する燃焼ガスが混合する所では、高空気比，低空気比の
燃焼がそれぞれ完了している必要がある。燃焼が完了せ
ずに混合すると、混合した空気比で燃焼が進むだけであ
る。例えば、空気比:0.5の燃料−空気予混合気体と、空
気比:1.5の予混合気体が燃焼が完了しない状態で、それ
ぞれ等量の気体が混合して燃焼が進む場合には、空気
比:1.0の予混合火炎が形成されるだけであり、火炎内で
のNOxの還元は期待できない。本発明の要点は、低空気
比火炎と高空気比火炎が混合する所では、両者の燃焼が
それぞれ完了していることにある。即ち、空気比1.5の
火炎からは、約７％の酸素を含んだ高温の燃焼ガスが、
空気比0.5の火炎からは、酸素のほとんど消費された高
温の燃焼ガスが放出され、両者が混合することにより、
高空気比火炎で生成されたNOxが還元される。第１図の
バーナは、この様な思想で製作されたものである。即
ち、ノズル４に形成される層流の予混合火炎101によつ
て、ノズル２より噴出される低空気比の予混合気噴流が
着火される。着火はノズル４に形成される火炎101で行
なわれるため、低空気比の予混合気噴流の中心部は、噴
出時には未燃の予混合気体の状態であり、後流になるに
つれて中心部まで火炎が伝幡する。

ノズル６より噴出される高空気比の予混合気体はノズ
ル4,ノズル８に形成される層流の予混合火炎101,102に
より着火され、高空気比の火炎104が形成される。この
ようにして形成された火炎は、後流で混合されるが、本
実施例のように、低空気比と高空気比の予混合気体が、
それぞれ外周より着火される場合には、後流に形成され
る混合領域107では、それぞれの燃焼がほぼ完了してい
る。又、混合領域107において、高空気比火炎から排出
される高温の酸素は消費され、高空気比火炎からの燃焼
生成物は、低空気比火炎103中心部へ拡散する。低空気
比火炎中心部には、酸素濃度の低い燃料過剰領域105が
形成され、ここで高空気比火炎で生成されるNOxは還元
される。

本発明では完全予混合燃焼を実施しているが、予混合
燃焼火炎は安定に形成できる空気比，噴出速度等の範囲
が狭く不安定であるという問題点がある。本発明ではこ
のような問題点を解決するために、乱流予混合火炎の根
元に層流予混合火炎を形成することにより、乱流予混合
火炎を数十m/sに及ぶ噴出速度でも安定して燃焼できる
ことを達成した。第３図においては層流の予混合火炎に
より保炎された乱流予混合火炎の燃焼状態を調べた。第
３図は、予混合ノズルから下流方向に5mmの地点を、ノ
ズル中心から半径方向にサンプリング・プローブを移動
し、燃焼ガスを採取・分析し、乱流予混合火炎内部、及
び層流予混合火炎近辺の燃焼状態を調べたものである。
図からわかるように、乱流予混合火炎内部はほとんど燃
料であるCH₄は燃焼していないが、層流予混合火炎に近
づくにつれてCH₄は燃焼していき、層流予混合火炎ノズ
ルの上方では、CH₄はほぼ完全に燃焼している。つま
り、層流予混合火炎から乱流予混合火炎ノズルの予混合
気への火移りが確実に行われていることが判る。

〔実施例２〕第４図は第１図を改良したバーナの断面図である。低
空気比の予混合火炎用の予混合気を流通させる円筒19の
先端が低空気比の予混合火炎用ノズル20である。ノズル
20の外周に円筒21を配置し層流の予混合火炎用ノズル22
を形成する。ノズル22の外周に、かつノズル20,22面よ
り流れ方向に下流側の地点に円筒23を配置し、更に円筒
23の外周にある間隔をもたせて円筒24を配置することに
より、高空気比の予混合火炎ノズル25を形成する。ノズ
ル25の外周に円筒26を配置し、層流の予混合火炎用ノズ
ル27を形成する。ノズル22の上流には燃料供給管28と空
気供給管29が設置された予混合室30がある。ノズル25の
上流には燃料供給管31と空気供給管32が設置されてい
る。ノズル27の上流には燃料供給管33と空気供給管34が
設置された予混合室35がある。

円筒19に供給した気体燃料と空気は筒内を流れる際に
混合され均一な予混合気となり、ノズル20に低空気比の
予混合火炎を形成する。供給管28,29から供給された気
体燃料と空気は、予混合室30で混合され均一な予混合気
となり、ノズル22に層流の予混合火炎を形成する。ノズ
ル22に安定した層流の予混合火炎を形成するために、燃
焼条件を0.8＜λ＜1.2、1.0m/s＜v_P＜2.0m/sの範囲に設
定した。円筒23と円筒24の間に供給管31,32から燃料と
空気を供給し、筒間を流れる際に混合して均一な予混合
気とし、ノズル25に高空気比の予混合火炎を形成する。
供給管33,34から供給された燃料と空気は予混合室35で
混合され均一な予混合気となり、ノズル27に層流の予混
合火炎を形成する。安定した層流の予混合火炎を形成す
るために、燃焼条件を0.8＜λ＜1.2、1.0m/s＜v_P＜2.0m
/sの範囲に設定した。

第４図のバーナにおいて、低空気比の予混合火炎用ノ
ズル20を高空気比の予混合火炎用ノズル25の流れ方向の
上流地点に位置させているのは、低空気比火炎を形成す
るための酸素が充分に消費され、高温の可燃ガスを多量
に含んだ気体を発生させた後、高空気比火炎からのガス
と混合させるためである。このようにすると、低空気比
の予混合火炎から充分に、H₂,COなどの還元剤を発生さ
せた後、これらと高空気比の予混合火炎から発生するNO
xとを混合させて、還元反応を進行させNOxを低減できる
という効果がある。更に第４図の改良型として、高空気
比火炎から発生するNOxと低空気比火炎から発生する還
元剤との混合を促進するために、高空気比火炎用の予混
合気を旋回流として投入する方法もある。

〔実施例３〕第５図は本発明の他の実施例であるバーナの断面図で
ある。低空気比の予混合火炎用の予混合気を流通させる
円筒36の先端が、低空気比の予混合火炎用ノズル37であ
る。ノズル37の上流位置に燃焼触媒38を充填した。燃焼
触媒は、多孔質の担体であるLa・β・Al₂O₃焼結体上に
1.0wt％の担持量でPd金属を担持したものである。触媒
層の上流側と下流側は、燃焼触媒を保持するために耐熱
性のセラミツク性・多孔板39を設置した。円筒36の外周
にはある間隔をもたせて円筒40を配置することにより、
高空気比の予混合火炎ノズル41を形成する。ノズル41の
外周に円筒42を配置し、層流の予混合火炎用ノズル43を
形成する。ノズル41の上流には燃料供給管44と空気供給
管45が配置されている。ノズル43の上流には燃料供給管
46と空気供給管47が設置された予混合室48がある。

円筒36に供給した気体燃料と空気は筒内を流れる際に
混合され均一な予混合気となり、燃焼触媒38上で触媒反
応が起こり、その結果ノズル37に低空気比の予混合火炎
を形成する。円筒36と円筒40の間に供給管44,45から燃
料と空気を供給し、筒間を流れる際に混合して均一な予
混合気とし、ノズル41に高空気比の予混合火炎を形成す
る。供給管46,47から供給された燃料と空気は予混合室4
8で混合され均一な予混合気となり、ノズル43に層流の
予混合火炎を形成する。安定した層流の予混合火炎を形
成するために、燃焼条件を0.8＜λ＜1.2、1.0m/s＜v_P＜
2.0m/sの範囲に設定した。ノズル37にて形成された低空
気比予混合火炎とノズル43にて形成された層流の予混合
火炎とが、ノズル41で形成される高空気比予混合火炎の
着火源となる。

第５図のバーナにおいては、低空気比の予混合火炎を
形成するのに、層流の予混合火炎による保炎手段を必要
としない。又、ノズル37より上流位置にある触媒層出口
において、充分な還元化学種が発生してくるために、高
空気比の予混合火炎から発生するNOxを効果的に還元し
低減するのに、第４図のバーナのように低空気比の予混
合火炎用ノズル面を高空気比の予混合火炎用ノズル面よ
り、流れ方向上流位置に設置する必要がなくなる。

第６図に第５図のバーナで実施した試験結果を示す。
縦軸は触媒層出口でサンプリングした還元性物質:Co,
H₂,CH₄の発生量、触媒層温度（Tc）、転化率（η）、CO
₂の発生量であり、横軸はノズル37に形成される低空気
比の予混合火炎の空気比である。還元性物質:CO,H₂は、
λ＝0.42において最大値を示している。残存CH₄はλ＜
0.42の範囲ではかなり多いが、λ≧0.42の範囲では少量
である。生成CO₂はλが0.42より大きくなると増大す
る。以上のようにλ＜1.0の低空気比領域において還元
性物質:CO,H₂の量に最大値が存在するのは、λが小さく
なると過剰の燃料を供給することにより燃焼性が悪くな
り、残存CH₄の量が増大し、H₂,COの発生量は減少し出す
が、λが大きくなると燃焼用空気が多く供給されること
により、燃焼性が向上して完全燃焼物質:CO₂の生成量は
増大し、未燃分:H₂,COの量が減少し出すためと考えられ
る。触媒層温度（Tc）は、λが0.3より大きくなると100
0℃より高温になるため、本実施例では燃焼触媒として
耐熱性触媒を使用することが望ましい。

第１表に第５図に示すバーナにおいて低NOx燃焼法の
試験を行つた結果を示す。試験方法について説明する。
STEP.1としては、第５図に示すバーナのノズル43に層流
の予混合火炎を形成した状態で、円筒36内に5.0Nm³/h、
供給管45に23.6Nm³/hの予混合燃焼用空気を流す。次に
供給管44に1.10Nm³/hの気体燃料を流し、ノズル41に高
空気比の予混合火炎を形成する。この時の排ガス中のNO
x濃度は5ppmと非常に小さいので、更に供給管44に10％
−NOガス（N₂バランス）を0.81/min流すことにより、
排ガス中のNOx濃度を113ppmに設定し、排ガスを採取し
排ガス組成を分析する。

STEP.2ではSTEP.1の操作において10％−NOガスを止
め、供給管36に気体燃料を1.10m³/h流し、ノズル37に低空気比の予混合火炎、ノ
ズル41に高空気比の予混合火炎を形成した時の排ガス中
のNOx濃度及び排ガス組成を分析する。

STEP.3ではSTEP.2の操作において、10％−NOガスを0.
81N/min流した時の排ガス中のNOx濃度及び排ガス組成
を分析する。

STEP.1からSTEP.3から得られた排ガス分析結果を用い
て、NOx減少量：ηを以下の式より求めた。

NOx（STEP.1〜３）：各段階における排気ガス中のNOx濃
度（ppm） N₂（STEP.1〜３）：各段階における排気ガス中のN₂濃度
（％）第７図に第５図に示すバーナにおいて低NOx燃焼試験
結果を示す。縦軸は式（１），（２）より計算したNOx
減少率（η）、横軸はノズル37に形成される低空気比の
予混合火炎の空気比である。燃焼条件は排ガスの全空気
比が0.98≦λ≦1.07、（１）式で計算した基準NOxが120
〜210ppmである。図からわかるように、0.30≦λ≦0.55
の範囲では空気比が高くなるにつれてNOx減少率は増大
しており、λ＝0.52の時のNOx減少率は45％までに達し
ている。このことにより第５図のノズル41から発生する
NOxは、ノズル37から発生する還元化学種により効果的
に還元され減少している。

第２表ではSTEP.1として第５図のノズル41に形成した
高空気比火炎の負荷を72％〜79％の範囲に上昇させ、高
空気比火炎から発生するNOx濃度を70ppm〜90ppmまでに
高め、この時にSTEP.2としてノズル37に低空気比火炎を
形成するとどの程度NOxが減少するかを試験したもので
ある。STEP.1,STEP.2から得られた排ガス分析結果を用
いて、NOx減少率：ηを以下の式より求めた。

NOx（STEP.1,2）：各段階における排気ガス中のNOx濃度
（ppm） N₂（STEP.1,2）：各段階における排気ガス中のN₂濃度
（％） RUN.1では低空気比火炎の空気比:0.63の時、NOx減少
率は52.5％、RUN.2では低空気比火炎の空気比:0.72の
時、NOx減少率は41.9％に達している。このことにより
第５図のノズル41に形成される高空気比火炎から発生す
るNOxは、ノズル37から発生する還元化学種により効果
的に還元され減少している。

〔実施例４〕第８図は第１図又は第４図，第５図に示す、高空気比
火炎と低空気比火炎を同一火炎内で形成させるバーナを
複数個備えたボイラの実施例である。低空気比火炎から
発生する還元剤により、発生したNOxの還元が充分に進
行するように、供給する気体燃料の配分を、高空気比の
予混合火炎形成用が約60％、低空気比の予混合火炎形成
用が35％、高空気比火炎及び低空気比火炎を保炎するた
めの層流の予混合火炎形成用が５％となるようにした。
第７図、第２表の低NOx燃焼法の基礎試験結果から判断
できるように、低空気比火炎の空気比は、NOx低減率が
向上するように、0.55〜0.70の範囲になるようにした。
又、燃焼効率を高めるために全空気比が1.0〜1.1になる
ように供給燃料、空気を調整した。本実施例では、排気
ガス中のNOx濃度を50ppm以下に低減することができる。

〔実施例５〕第９図は第１図に示す燃焼器をガスタービンに用いて
コンバインド発電プラントに適用した例を示す。

空気は圧縮機130にて加圧され、その空気は燃焼器131
に送られる。燃焼器より出た高温ガスはガスタービン13
2を回転し、それに結合した発電機133を回転し、発電さ
れる。ガスタービン132を出た高温排ガスはボイラ134に
入り、ボイラ134内に設けられた伝熱管135によつて蒸気
が発生される。得られた水蒸気は蒸気タービン136を回
転するとともに発電機133を回転し、発電に寄与する。
本発明の燃焼器によるNOxは約60ppm以下、更に脱硝装置
137によつて約15ppm以下になる。この排ガスは煙突138
より排出される。

〔発明の効果〕

本発明では、主火炎となる高空気比、及び低空気比予
混合火炎の根元に層流の予混合火炎を形成すること或い
は低空気比火炎を燃焼触媒を用いて形成し、その火炎を
高空気比火炎の着火源とすることで、高空気比火炎と低
空気比火炎の燃焼を充分に完結させた後に、高空気比火
炎から発生するNOxと低空気比火炎から発生する還元剤
とを混合できる。よつて、低空気比火炎から充分に発生
した還元剤により、高空気比火炎から発生するNOxを効
果的に還元し、低減できる。本発明ではNOx減少率は最
高45％までに達している。又、予混合燃焼法は火炎の短
炎化に有効であるので、本発明により完全予混合燃焼を
実現することにより、ガスタービンボイラなどの燃焼装
置を小型化できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃焼器の断面図（ａ）及び正面図
（ｂ）、第２図は本発明に係る燃焼方法における火炎の
断面構成図、第３図は同じくノズル位置でのNOx,CH₄,
O₂,CO,H₂量との関係を示す線図、第４図及び第５図は本
発明に係る他の燃焼器の断面図（ａ）及び正面図
（ｂ）、第６図は本発明に係る燃焼器の空気比とCO₂,
O₂,CH₄,CO,H₂,η,Tcとの関係を示す線図、第７図は空気
比とNOx減少率との関係を示す線図、第８図は本発明に
係る燃焼器を用いたボイラの斜視図、第９図は本発明の
燃焼器をガスタービン燃焼器に用いたコンバインド発電
プラントの構成図である。 2,20,37……低空気比ノズル、4,8,22,27,43……空気比
約１の層流予混合ノズル、6,25,41……高空気比ノズ
ル、101,102……空気比約１の予混合火炎、103……低空
気比火炎、104……高空気比火炎、131……燃焼器、132
……ガスタービン、133……発電機、134……ボイラ、13
5……伝熱管、136……蒸気タービン、137……脱硝装
置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者相馬憲一茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者稲田徹茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者菊池秀雄茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者谷口正行茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者楢戸清茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者小林啓信茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者村上忠孝茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者黒田倫夫茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者石橋洋二茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者桝谷正男茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (56)参考文献特開昭57−192728（ＪＰ，Ａ) 実開昭62−70265（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料を完全に燃焼するのに必要な理論空気
比よりも少ない空気量で燃焼する低空気比火炎の外側に
同心円状に前記理論空気比よりも多い空気量で燃焼する
高空気比火炎を形成する燃焼方法において、前記低空気
比火炎と前記高空気比火炎とをいずれも燃料と空気とを
予め混合して燃焼させる予混合火炎とし、前記低空気比
火炎と前記高空気比火炎との間に同心円状にほぼ完全燃
焼に必要な理論空気量に近似した空気量で燃料と空気と
を予め混合して燃焼させる予混合パイロット火炎を形成
したことを特徴とする低NOx燃焼法。
【請求項２】請求項１記載の低NOx燃焼法において、前
記予混合パイロット火炎の燃焼条件を、空気比（λ）が
0.8＜λ＜1.2の範囲、噴出速度（vp）が1.0m/s＜vp＜2.
0m/sの範囲に設定したことを特徴とする低NOx燃焼法。
【請求項３】請求項１記載の低NOx燃焼法において、前
記高空気比火炎の外側に同心円状に理論空気量に近似し
た空気量で燃料と空気とを予め混合して燃焼させる予混
合パイロット火炎を形成したことを特徴とする低NOx燃
焼法。
【請求項４】請求項３記載の低NOx燃焼法において、前
記高空気比火炎の外側に形成する前記予混合パイロット
火炎の燃焼条件を、空気比（λ）が0.8＜λ＜1.2の範
囲、噴出速度（vp）が1.0m/s＜vp＜2.0m/sの範囲に設定
したことを特徴とする低NOx燃焼法。
【請求項５】燃料を完全に燃焼するのに必要な理論空気
比よりも少ない空気量で燃焼する低空気比火炎の外側に
同心円状に前記理論空気比よりも多い空気量で燃焼する
高空気比火炎を形成する燃焼方法において、前記低空気
比火炎と前記高空気比火炎とをいずれも燃料と空気とを
予め混合して燃焼させる予混合火炎とし、該低空気比火
炎は燃料と空気とを予め混合して燃焼触媒を通すことに
よって形成し、得られた該低空気比火炎を着火源として
前記高空気比火炎を形成することを特徴とする低NOx燃
焼法。
【請求項６】請求項５記載の低NOx燃焼法において、前
記高空気比火炎の外側に同心円状に理論空気量に近似し
た空気量で燃料と空気とを予め混合して燃焼させる予混
合パイロット火炎を形成したことを特徴とする低NOx燃
焼法。
【請求項７】燃料を完全に燃焼するのに必要な理論空気
比よりも少ない空気量で燃焼して低空気比火炎を形成す
るノズルと、該ノズルの外側に同心円状に設けられた理
論空気比よりも多い空気量で燃焼して高空気比火炎を形
成するノズルとを備えた燃焼器において、前記低空気比
火炎を形成するノズルと前記高空気比火炎を形成するノ
ズルとをいずれも燃料と空気とを予め混合して燃焼させ
る予混合ノズルとし、該低空気比火炎を形成する予混合
ノズルと該高空気比火炎を形成する予混合ノズルとの間
に同心円状に理論空気量に近似した空気量で燃料と空気
とを予め混合して燃焼させる予混合パイロットノズルを
設けたことを特徴とする低NOx燃焼器。
【請求項８】請求項７記載の低NOx燃焼器において、前
記高空気比火炎を形成する予混合ノズルの外側に同心円
状に理論空気量に近似した空気量で燃料と空気とを予め
混合して燃焼させる予混合パイロットノズルを設けたこ
とを特徴とする低NOx燃焼器。
【請求項９】燃料を完全に燃焼するのに必要な理論空気
比よりも少ない空気量で燃焼して低空気比火炎を形成す
るノズルと、該ノズルの外側に同心円状に設けられた理
論空気比よりも多い空気量で燃焼して高空気比火炎を形
成するノズルとを備えた燃焼器において、前記低空気比
火炎を形成するノズルと前記高空気比火炎を形成するノ
ズルとをいずれも燃料と空気とを予め混合して燃焼させ
る予混合ノズルとし、該低空気比火炎を形成する予混合
ノズルの先端部に燃焼触媒を設けたことを特徴とする低
NOx燃焼器。
【請求項１０】請求項９記載の低NOx燃焼器において、
前記高空気比火炎を形成する予混合ノズルの外側に同心
円状に理論空気量に近似した空気量で燃料と空気とを予
め混合して燃焼させる予混合パイロットノズルを設けた
ことを特徴とする低NOx燃焼器。