JP2749701B2 - 燃焼空気の汚染によるＮｏ▲下ｘ▼発生の制御方法と制御装置 - Google Patents

燃焼空気の汚染によるＮｏ▲下ｘ▼発生の制御方法と制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃焼用空気の汚染によるNOx発生の制御方法
と制御装置に関する。更に詳細に述べると、本発明は燃
焼を維持する空気に調節した量の燃焼生成物を加えて汚
染することによるNOx発生の制御方法と制御装置に関す
る。
〔従来の技術〕
NOx発生を制御するために、燃焼用空気に燃焼生成物
を混入し汚染させるという考え方は公知である。燃焼生
成物は燃焼用空気中に導入され、不活性ガス源として使
用され、NOxの生成を減少するか、なくす作用をする。
燃焼生成物は酸素含量を稀釈し、従って燃焼用空気中の
酸素濃度を低下する。得られる燃焼生成物と燃焼用空気
の混合物はバーナの炎温度を低下し、その結果NOxの発
生を制御する。
上記一般原理を使用して、燃焼用空気を燃焼生成物が
汚染することにより燃焼中の燃料と空気から発生する窒
素酸化物生成を減少し、かつ最小にしようとする多数の
試みがなされた。本発明はNOx生成を減少し、かつ最小
にするために燃焼用空気の汚染を簡単で効率良く行うた
めの方法である。更に詳細に述べると本発明は空気予熱
温度と、（バーナに供給される予熱された空気の温
度）、燃料入口速度、炉温度の少なくとも１つとの函数
として再循環する燃焼生成物の量を調節する方法と装置
に関するもので蓄熱バーナ装置、非蓄熱バーナ装置、直
接燃焼装置、放射管燃焼装置の何れの場合にもNOx発生
を減少させるものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
従って、本発明の１つの目的は、空気予熱温度と、炉
温度、燃料流速の少なくとも１つとの函数として炉へ向
けて再循環する燃焼生成物の量を調節することにより、
NOx発生を減少させる方法を提供することである。本発
明の他の目的は蓄熱バーナ装置、非蓄熱バーナ装置や直
接燃焼バーナ装置、放射管バーナ装置の何れにも組込む
ことのできるNOx減少装置とNOx発生減少方法を提供する
ことである。
〔発明が解決しようとする課題〕
簡単に述べると、本発明によれば、バーナ燃焼領域内
の空気予熱温度と、炉温度、燃料導入速度の少くとも１
つとの函数として、燃焼生成物で汚染された燃焼空気の
汚染度を調節する方法と装置が提供される。炎温度とNO
x発生を制御する炉は、燃料と空気が燃焼するように供
給され、かつ燃焼生成物が放出されるような炉であっ
て、この場合空気は燃焼生成物で汚染されている。そし
てバーナへの燃料流速を検出するための流速センサーや
炉温度を検出するための第１温度センサーを含めた炉操
業パラメータの検出手段が取付けられている。燃焼生成
物で汚染された燃焼空気の汚染度を調節する手段もまた
取付けられていて、これは検出手段と連結し、燃焼生成
物で汚染された燃焼空気の量は、空気予熱温度と、炉温
度、燃料流速の少くとも１つとの関数として調節され
る。この調節手段は、バーナの燃焼領域を通して応答す
る。
以下に添付した図を用いて本発明を説明する。図にお
いて、類似符号は類似要素を表わすものとする。図は燃
焼用の再循環燃焼生成物による燃焼用空気の汚染度を調
節する炉装置を示す。
この図は、本発明の開示を利用した蓄熱バーナ設備中
の主要素を説明するものである。容易に理解できるよう
に、当業者に周知の蓄熱バーナ装置の要素は、本発明の
詳細な説明および図から省略した。例えば、本発明と直
接関係のない炉付属の圧力バルブや他の基本的循環バル
ブは詳細に説明していない。更に、本発明の特徴が充分
認められるように、蓄熱バーナ装置だけで説明されてい
るが、本発明は、非蓄熱装置、直接燃焼装置、放射管燃
焼装置に関しても、同様に良好な結果を示すことは当業
者に明白である。
図は炉チャンバー12と一対の蓄熱バーナ14、15を有す
る炉10を示す。バーナ14は燃焼状態にあり、バーナ15は
蓄熱状態にある。それぞれの蓄熱バーナは直接近接する
蓄熱ベッド16に接続していて、このベッドを燃焼用空気
／燃焼生成物からなる燃焼維持混合物は通過する。左側
バーナ14が燃焼状態にある時は右側バーナ15が炉チャン
バー12の煙道として働らくように、燃焼維持混合物は片
方のバーナに供給されるようになっている。左側バーナ
14が燃焼状態にある時は、右側バーナ15の蓄熱ベッド16
は左側バーナ14から流出する燃焼生成物の熱を蓄える。
炉10のなかの流れが反対である時は、右側蓄熱ベッド16
が右側蓄熱バーナ15に用いる燃焼用空気を予熱する。
図示したように、バーナ14と15のそれぞれは燃料を燃
焼用バーナボディー10に導入する燃料ノズル18を有して
いる。燃料ノズル18は公知の手段により（熱的に）絶縁
されるか空冷される。バーナー14と15は金属製外部ケー
シングにより構成され、充分に適切な絶縁材料を用いて
完全に絶縁されている。燃焼ノズル18は金属を含む標準
の材料により造られていて、このような金属構造は充分
絶縁されるか、または露出している場合は空冷される。
そのほかにこの金属構造は耐火材料で埋めるか保護され
ていてもよい。耐火材料は公知のものであり、一般に特
殊加工用に製造したセラミック組成物を含むものであ
る。蓄熱ベッド16の用途に適する材質は公知のものであ
る。また燃焼炉に使用される燃料はガスおよび油を含め
る。
二重バーナ蓄熱装置では、左側バーナ14は燃焼状態に
あり、右側バーナ15が排出口として働く場合は、燃料の
燃焼で生成した左側バーナの燃焼生成物は炉チャンバー
12から右側バーナ15の蓄熱ベッド16へ流れる。この時熱
は蓄熱ベッドに吸収される。そして燃焼生成物は次に導
管22を通り、第１切換えバルブ24と、次いで第１、第２
の調節バルブ26、27を通って流れ、燃焼生成物用ブロワ
ー28のところへくる。燃焼生成物用ブロワー28から流出
する燃焼生成物は導管29を通り、煙突を通って排出され
るか、導管31および汚染度調節バルブ32を通り、空気／
燃焼生成物用ブロワー34のところへ達する。空気／燃焼
生成物用ブロワー34は外部空気源と接続していて、汚染
度調節バルブ32からくる燃焼生成物を導入して、外部か
ら入る空気中に混入し汚染する。汚染度調節バルブ32が
開口すると、空気／燃焼生成物用ブロワー34は導管31中
に減圧を生じさせて、燃焼生成物が排出導管29に行かな
いで、ブロワーに向かうように吸引する。このように汚
染された燃焼用空気は空気／燃焼生成物用ブロワー34か
ら導管35、第３調節バルブ36、第２切換えバルブ25を通
して流れる。なお、空気／燃焼生成物用ブロワー34は一
定質量速度で供給されているバーナ14に上記汚染空気を
圧力下、一定の質量速度で供給するように作動する。こ
の汚染空気は燃焼維持用空気混合物として切換バルブ25
から左側バーナ14へ流入する。
本発明で使用されるバルブはゲートバルブ等が用いら
れ、適切なモーター（図示していない）によって調節さ
れる。
燃料源からくる燃料は導管40、燃料調節バルブ42を通
り、丁字管43に達っし、更に第１燃料バルブ44、または
第２燃料バルブ45へ流れる。
図に示した通り、燃料バルブ44が開口した状況では直
接燃焼用の左側燃焼バーナ14へ燃料を供給する。右側の
バーナ15が燃焼していて、左側バーナ14が煙道として作
動する場合は、燃料バルブ45は開口位置に切換えられる
と同時に、燃料バルブ44は閉口位置に切換えられ、燃料
を右側バーナに入るようにする。そして切換えバルブ24
と25は燃焼用汚染空気を右側バーナ15に入るように切換
えられ、燃焼生成物を左側バーナ14から前述した導管22
を通り、燃焼生成物用ブロワー28に向かうようにする。
空気予熱温度（バーナに供給される予熱された空気の温
度）はバーナ18に至る導管のどこかで測定される。
燃焼用空気の上述した汚染度はマイクロコンピュータ
46により調節される。マイクロコンピュータは炉装置の
要所に位置しているセンサーにより、供給される各種炉
操業のパラメータを評価し、バーナ供給の燃焼用汚染空
気のバーナ供給理想量を決定し、NOx発生を最小にす
る。炉のバルブ24、25、26、27、32、36、44、45のそれ
ぞれはマイクロコンピュータ46の出力部48と接続してい
る。マイクロコンピュータ出力部48は適切で有効なイン
ターフェース・カード（interface card）を通ってモー
タ作動バルブと接続している。
センサーは流速、温度、酸素濃度と圧力を測定するた
め炉をの要所に位置している。センサーのそれぞれは電
気作動、空気圧作動、光学作動によりマイクロコンピュ
ータの入力部60に接続している。
図に示した通り、第１温度センサー50は炉チャンバー12
と接続して炉の温度を検出し、この温度に実質的に相当
する再生空気予熱温度を決定する。復熱手段では、更に
１つの温度センサーが空気予熱温度を検出するために必
要であると認められるが、この理由は炉温度が一定の場
合も空気予熱温度は変動する可能性があるためである。
第２温度センサー51、第３温度センサー52、第４温度セ
ンサー53は導管22のなかで、第１切換えバルブ24と第１
調節バルブ26の間、汚染度調節バルブ32と空気／燃焼生
成物用ブロワー34の間、第３調節バルブ36と第１切換バ
ルブ24の間にそれぞれ挿入されている。
３個の流速センサーは炉の要所に位置している。第１
流速センサー55は導管40のなかで燃料源と燃料調節バル
ブ43の間に挿入されていて、燃料流速を検出する。第２
流速センサー56と第３流速センサー57は導管31のなかに
あって、第３温度センサー52と空気／燃焼生成物ブロワ
ー34の間、および第３調節バルブ36と第４温度センサー
53の間にそれぞれ挿入されている。第１酸素レベルセン
サー58は導管内にあって、第１調節バルブ26と第２調節
バルブ27の間に挿入されている。第１酸素センサー58は
バーナ14から流出する燃焼生成物のなかで、更に燃焼を
維持するのに有用な酸素の量を検出する。第２酸素レベ
ルセンサー61は空気／燃焼生成物用ブロワー34と調節バ
ルブ36の間に設けられている。第２酸素レベルセンサー
61は汚染空気流中の酸素を検出し、マイクロコンピュー
タ46へ測定したプロセス変数を伝える。圧力センサー47
は炉チャンバー12内に位置していて、チャンバー内の測
定圧力をマイクロコンピュータ46へ伝達する。センサー
からの出力信号は入力ケーブル60を通りマイクロコンピ
ュータ46へ伝達される。マイクロコンピュータは、セン
サーからの入力信号に応答してバーナ14中での酸素対燃
料の質量バランスを次の如くして調節する。即ち空気予
熱温度と、炉温度、燃料流速の少なくとも１つとの関数
として、再循環燃焼生成物量を調節し、またバーナへの
汚染空気の全流量を第３調節バルブ36で調節することに
よって行なわれる。
マイクロコンピュータ46は燃料に対する酸素含有汚染
空気量を次式で調節するようにプログラム化する。
Qrpoc＝a(Qf)b(Tfce)c 但し、定数ａ、ｂ、ｃは特定バーナおよび蓄熱器の理
論的解析、性能特性により決定される。
Qrpocは再循環燃焼生成物の量を表わし、Qfは燃料流
速を表わし、Tfceは炉温度を表わす。再循環燃焼生成物
の理論的量は上式で表示されるか、あるいは炉温度対燃
焼速度の比率と理想再循環燃焼生成物量対空気流量の適
切比率の２つの因子で決定される。
前述した通り復熱手段では空気予熱温度は必らずしも
炉温度の関数でなく、従って炉と予熱空気に対してはそ
れぞれ温度を測定することが必要である。従って復熱手
段を有する装置では、次式で適用される。
Qrpoc＝a(Qf)b(Tfce)c(Tair)d 但し、定数ａ、ｂ、ｃ、ｄは復熱手段の理論解析およ
び性能特性により決定される。またTairは空気予熱温度
を表わす。このデーターは３つの因子の関数となる。
マイクロコンピュータ46は温度と流速の関数としての
空気と燃焼生成物の最適な組合せでプログラム化が行わ
れた後で、センサーからの情報を合成してバーナ14へ流
入する汚染空気の適切な量を決定する。更に詳細に述べ
ると、汚染度は炉10のバルブを電気的に調節するマイク
ロコンピュータにより調節されるが、この調節は流速セ
ンサー55、56、57と、温度センサー50、51、52、53と酸
素センサー58、61により感知された流速、温度、酸素レ
ベルのそれぞれの間でプログラム化された理想的関係に
達する迄行われる。
燃料流量は、マイクロコンピュータ46で燃料流速が決
定され、これに応答して燃料調節バルブ42が作動して調
節される。温度センサー50や流速センサー55によりマイ
クロコンピュータ46へ伝達された炉温度や燃料流速に応
答して、汚染度調節バルブ32はバーナ14へ再循環する燃
焼生成物量を調節する。マイクロコンピュータ46により
決定された必要な流速に応答して、第３調節バルブ36は
バーナ14へ流入する汚染空気の必要量を調節する。第１
および第２調節バルブ26と27はバーナ15から燃焼生成物
用ブロワー28に流入する燃焼生成物の流量を調節する。
マイクロコンピュータとそれに付帯する電気回路を含め
て、情報フィードバックシステムと称する。
本発明によると再循環燃焼生成物流量対空気流量の最
適比率が決定され、次にかかる比率の燃焼生成物と空気
が燃焼維持空気として燃焼するバーナ14へ圧力下に供給
される。更に炉温度、流速、酸素レベルの変動が検出さ
れ、これらの変動に応答して、簡単でかつ効率的に上述
した流量の比率が調節され、NOx発生を抑制する。
以上は好ましい実施態様を記述したものであるが、こ
れ以外に特許請求の範囲に記述したものが本発明の範囲
に含まれると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
添付図面は本発明の開示の１つである蓄熱バーナ設備を
示した図面である。 10……炉、12……炉チャンバー、14,15……蓄熱バーナ
ー、16……蓄熱ベッド、18……ノズル、24,25……切換
バルブ、26,27,36……調節バルブ、28……燃焼生成物ブ
ロワー、34……空気／燃焼生成物ブロワー、44,45……
燃料バルブ、46……マイクロコンピュータ、55,56,57…
…流速センサー、50,51,52,53……温度センサー、58,61
……酸素レベルセンサー。

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炎温度とNOx発生を制御する炉であって、 ａ）燃料と空気が供給され、燃焼生成物が排出され、そ
    の場合に該空気が該燃焼生成物によって汚染される少な
    くとも１個のバーナ、および ｂ）バーナに供給される予熱された空気の温度と、炉温
    度、燃料流速の少なくとも１つとの関数として該燃焼生
    成物による汚染度を調節する手段 からなることを特徴とする炉。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の炉であって、該汚染度が
    バーナに供給される予熱された空気の温度と燃料流速の
    関数として調節されることを特徴とする炉。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の炉であって、さらに、 ａ）該バーナへ供給される燃料の流速を検出するための
    流速センサーと炉温度を検出するための第１温度センサ
    ーを含む炉操業パラメーターのセンサー手段であって、
    その場合に燃焼空気を汚染する燃焼生成物の量の調節手
    段が該センサーと接続していて、空気を汚染する燃焼生
    成物の量が、バーナに供給される予熱された空気の温度
    と、該バーナへの燃料流速と炉温度の少なくとも１つと
    の関数として調節される手段を含むことを特徴とする
    炉。
  4. 【請求項４】請求項３に記載の炉であって、該調節手段
    が、燃料、空気、汚染空気を炉に送り、その量の調節を
    行うためのバルブ手段と、該バルブ手段と接続したマイ
    クロコンピュータを含むことを特徴とする炉。
  5. 【請求項５】請求項４に記載の炉であって、該センサー
    手段がさらに該バーナから放出される燃焼生成物中に存
    在する酸素の量を検知するための酸素レベルセンサーを
    有することを特徴とする炉。
  6. 【請求項６】請求項４に記載の炉であって、該汚染度調
    節手段が、バーナに供給される予熱された空気の温度
    と、炉温度、燃料流速の少なくとも１つとを、予め計算
    されたバーナに供給される予熱された空気の温度と、炉
    温度、燃料流速の少なくとも１つと比較することによっ
    て、空気を汚染する燃焼生成物の量を調節することを特
    徴とする炉。
  7. 【請求項７】それぞれバーナ手段への空気と燃料との流
    速を調節するための第１と第２のバルブ手段と、それぞ
    れ燃焼生成物と燃料の温度と流速を測定するための第１
    と第２の温度センサーおよび流速センサー手段を有し、
    該センサー手段が第１および第２のバルブ手段の下流に
    接続され、該バーナ手段が、温度および流速センサー手
    段に接続する入力端と第２バルブ手段に接続する出力端
    を有するマイクロコンピュータを含む汚染調節手段を有
    する、バーナへ送る空気の汚染度を調節する方法であっ
    て、 ａ）バーナに供給される予熱された空気の温度と、炉温
    度、バーナに供給される燃料の流速の少なくとも１つと
    を測定することによって再循環される燃焼生成物の最適
    量を導出し、 ｂ）段階ａ）において導出された最適量値を該マイクロ
    コンピュータに入力し、 ｃ）該第１および第２バルブ手段の開度を、再循環され
    る燃焼生成物の最適量値に対応する値に対応してコンピ
    ュータ手段によって調整する ことによって燃焼生成物を再循環することからなる方
    法。
  8. 【請求項８】請求項７に記載の方法であって、バーナに
    供給される空気を汚染する燃焼生成物の量が式Qrpoc＝
    ａ(Qf)b(Tfce)c(Tair)dで表わされ、式中a,b,c,dは理論
    的分析と炉の性能特性によって決定され、Qrpocは再循
    環される燃焼生成物の量を表わし、Qfは燃料の流量を表
    わし、Tfceは炉温度を表わし、Tairはバーナに供給され
    る予熱された空気の温度を表わす方程式によって決定さ
    れる方法。
  9. 【請求項９】炉の炎温度とバーナからのNOxの発生を制
    御する方法であって、 ａ）燃料と空気をバーナに供給し、該バーナから燃焼生
    成物を排出し； ｂ）該空気を排出された燃焼生成物で汚染し； ｃ）燃料流速、炉温度およびバーナに供給される予熱さ
    れた空気の温度を含む炉操業パラメーターを検知し； ｄ）燃焼生成物で汚染された空気の量が、バーナに供給
    される予熱された空気の温度、燃料の該バーナへの流
    速、炉温度の関数として調節されるように、燃焼生成物
    で汚染された空気の量を調節し； ｅ）炉操業パラメーターをコンピュータに入力し； ｆ）該空気を汚染するべき燃焼生成物の最適量を導出
    し；そして ｇ）炉に供給される燃料、空気、汚染された空気の最適
    の流れを炉に向けるように弁手段に命令して制御する ことからなる方法。
  10. 【請求項１０】炎温度と、NOxの発生を制御する炉であ
    って、 ａ）燃料と空気が供給され、燃焼生成物が排出され、そ
    こで空気が燃焼生成物で汚染される少なくとも１つのバ
    ーナと、 ｂ）燃焼生成物による汚染度を、バーナに供給される予
    熱された空気の温度と、炉温度、燃料流速の少なくとも
    １つとの関数として調節する、炉操業パラメーターを検
    知し、空気を汚染する燃焼生成物の量を調整する情報フ
    ィードバックシステムを含む手段 からなる炉。
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