JP2767534B2 - ２種の異なった酸化体を使用する燃焼方法 - Google Patents

２種の異なった酸化体を使用する燃焼方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、２種の異なった酸化体
を使用する燃焼技術に関するものであり、特にはＮＯX
を低減して燃焼を実施するのに有用である燃焼を実施す
る方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】窒素酸化物は（ＮＯX ）は燃焼中発生す
る重大な汚染物でありそして燃焼を実施するに当ってそ
の低減が所望される。代表的に、燃焼は、燃料を酸化体
としての空気と反応せしめることにより実施される。周
知のように、窒素は空気のほぼ８０％を構成し、従って
燃焼反応に大量の窒素を提供し、これが酸素と反応して
ＮＯX を形成する可能性がある。
【０００３】酸化体として工業用純酸素或いは酸素富化
空気を使用することによりＮＯX の発生を低減して燃焼
を実施しうることが知られている。これは、酸化体とし
ての工業用純酸素或いは酸素富化空気が均等な酸素基準
において燃焼反応に供せられる窒素の量を減ずるからで
ある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、燃焼反応にお
いて空気の代わりにそうした酸化体を使用することは２
つの欠点がある。一つの欠点は、空気に比較してそうし
た酸化体の使用コストが著しく増大することである。第
２の欠点は、そうした酸化体の高い酸素濃度が空気が酸
化体である場合より高い温度で燃焼反応を進行せしめる
ことである。温度が高いほど、反応速度論的にＮＯX の
形成に有利に働き、かえって窒素の存在が少ないことに
よるＮＯX 発生量の低減の傾向を相殺する。
【０００５】本発明の課題は、上に呈示したような既知
のＮＯX 低減燃焼方法の欠点を克服して、ＮＯX 発生量
を減じる改善された燃焼方法を開発することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者は、２種の異な
った酸化体を使用し、第１の酸化体は燃料と不完全燃焼
せしめそして第１の酸化体より高酸素濃度を有する高速
の第２の酸化体によりそれを稀釈した後燃焼を完了せし
めることによりＮＯｘの低減が可能であることを見出す
に至った。この知見に基づいて、本発明は、 （Ａ）燃料と第１酸化体とを燃料リッチ比において炉内
ガスを含む燃焼室内に噴射しそして該燃焼室内で該燃料
と第１酸化体との混合物を火炎流れを形成するように不
完全燃焼せしめて不完全燃焼生成物を生成すること、 （Ｂ）第１酸化体の酸素濃度を超える酸素濃度を有する
第２酸化体の流れを火炎流れから離してそして少なくと
も２００フィート／秒（６０ｍ／秒）の速度で燃焼室内
に噴射すること、 （Ｃ）炉内ガスを高速の第２酸化体中に連行せしめて稀
釈された第２酸化体流れを生成すること、 （Ｄ）火炎流れが第１酸化体の酸素の少なくとも９０％
が燃料と反応し終る距離燃焼室を通過した後稀釈された
第２酸化体流れの軸線が火炎流れと交差するようにし
て、稀釈された第２酸化体流れを火炎流れ中に通すこ
と、そして （Ｅ）稀釈された第２酸化体流れと火炎流れとを混合し
そして前記不完全燃焼生成物を稀釈された第２酸化体で
燃焼せしめることを包含する燃焼を実施する方法を提供
する。
【０００７】
【作用】２種の異なった酸化体を使用し、燃料と第１酸
化体とを燃焼室に噴射し、火炎流れにおいて不完全燃焼
させ、不完全燃焼生成物を生成せしめ、第１酸化体の酸
素濃度を超える酸素濃度を有する第２酸化体の流れを火
炎流れから離してそして少なくとも６０ｍ／秒の速度で
燃焼室内に噴射し、炉内ガスを高速の第２酸化体中に連
行せしめて稀釈された第２酸化体流れを生成し、火炎流
れが燃焼室を第１酸化体の酸素の少なくとも９０％が燃
料と反応し終る距離通過した後稀釈された第２酸化体流
れを火炎流れ合流し、不完全燃焼生成物を稀釈された第
２酸化体で燃焼させることによりＮＯX を低減する。
【０００８】
【実施例】図１を参照すると、この具体例ではガラス溶
解に使用されることの多いクロス焚き炉である燃焼室
（或いは燃焼帯域）５が例示されている。燃焼室５に
は、二酸化炭素、水蒸気、窒素、酸素並びに微量の一酸
化炭素及び水素のような気体を含みうる炉内ガスが存在
している。
【０００９】燃料及び第１の酸化体が、例えば単数乃至
複数のバーナー２を通して燃焼室５内に噴射される。燃
料はメタン、プロパン、天然ガス、或いは燃料油のよう
な任意の流体燃料でありうる。好ましくは、第１酸化体
は空気である。
【００１０】燃料及び第１酸化体は、それらが燃焼室５
内に火炎流れ３を形成するような態様で噴射される。火
炎流れにおいては、燃料は不完全燃焼されて不完全燃焼
生成物を生成する。燃料と第１酸化体との燃焼により完
全燃焼生成物もまた発生せしめられる。好ましくは、燃
料と第１酸化体とは、所要の不完全燃焼をもたらすため
に酸素が化学量論に不足する比率即ち燃料リッチ比にお
いて燃焼室に噴射される。不完全燃焼生成物は、一酸化
炭素及び水素のような不完全に酸化された種並びに未燃
焼燃料を含む。火炎流れを燃焼室を通して流しながら燃
焼が行われるに際して、火炎流れ内部の温度は、上昇
し、最大温度に達しそして第１酸化体が完全消費に向け
て次第に減ずるにつれ低下し始める。
【００１１】例えば単数乃至複数のランス１を通して、
第２酸化体の流れもまた燃焼室５に噴射される。ここ
で、「ランス」は酸化体及び燃料の一方のみを燃焼室に
噴射する装置であり、他方「バーナー」は燃料と酸化体
の両者を燃焼室に噴射することのできる装置である。第
２酸化体は第１酸化体の酸素濃度を超える酸素濃度を有
する。一般には、第２酸化体は少なくとも３０％の酸素
濃度を有する。好ましくは、第２酸化体は少なくとも９
０％の酸素濃度を有しそして最も好ましくは第２酸化体
は９９．５％以上の酸素濃度を有する工業用純酸素とさ
れる。
【００１２】第２酸化体は火炎流れから離れてそして少
なくとも２００フィート／秒（６０ｍ／秒）の高速度で
燃焼室内に噴射される。好ましくは、第２酸化体の噴射
速度は４００〜１０００フィート／秒（１２１〜３０５
ｍ／秒）の範囲内にある。
【００１３】この高速度が第２酸化体流れと火炎流れと
の間のスペースの存在と共同して、燃焼室内の炉内ガス
を第２酸化体に連行随伴せしめ、それにより図１に番号
４により示されるような、稀釈されそして拡大された第
２酸化体流れを創出する。好ましくは、第２酸化体は、
火炎流れと交差する前に第２酸化体流れ中に所要の大量
の炉内ガスの連行を容易ならしめるように、燃料及び第
１酸化体が燃焼室に噴射されるのと同じ側（壁）におい
て燃焼室に噴射される。
【００１４】稀釈された第２酸化体流れは、火炎流れ内
の温度が火炎流れからの熱の放射によりその最大値から
減じた地点より下流の地点において火炎流れに交差しそ
して合流する。これは、第１酸化体中の酸素の少なくと
も９０％、好ましくは少なくとも９８％が燃料と反応し
終るような距離燃焼室を横切って流れた後に起こる。一
般に、これは、火炎流れがその軸線方向において測定し
たものとして燃焼室の長さの少なくとも半分を横切って
流れたときに起こる。従って、本発明の実施において、
稀釈された第２酸化体流れの軸線即ち中心線は一般に、
燃焼室の中点を越えた地点で火炎流れと交差するものと
される。但し、幾つかの場合には、この交差は燃焼室の
長さの１／３〜１／４の横断後に起こりうる。
【００１５】拡大された、高速の第２酸化体流れは、そ
の高い速度と質量の増加により高い運動量（モーメンタ
ム）を持っている。一般に、交差の時点での稀釈された
第２酸化体流れの質量は、最初に噴射された第２酸化体
流れの質量を１０倍以上超える。稀釈された第２酸化体
流れと火炎流れとの交差に際して、この高い運動量は稀
釈された第２酸化体と不完全燃焼生成物との完全な混合
をもたらす。その後、火炎流れ中に残る不完全燃焼生成
物は稀釈された第２酸化体と反応して完全燃焼生成物を
形成し、これがその後炉内ガスとなる。炉内ガスは単数
乃至複数の排出口６を通して燃焼室から取り出される。
【００１６】本発明は、他の低ＮＯX 燃焼方法に比べ
て、著しく少ない量の高酸素濃度酸化体を使用し、従っ
て燃焼コストを減じるから有益である。一般に、本発明
の実施において、全燃焼の約８０％以上が一般にそして
好ましくは空気である低酸素濃度酸化体を使用して実施
される。
【００１７】更に、本発明は、窒素濃度に起因するＮＯ
X 発生問題と共に高温によるＮＯX 発生問題を同時的に
解決する。最初、第１酸化体による火炎流れ内での燃焼
は不完全燃焼である。従って、火炎流れ中で窒素との反
応に供される酸素はほとんど存在しない。何故ならば利
用しうる酸素は燃料中の酸化性の成分種と反応せしめら
れているからである。かくして、空気のような第１酸化
体の使用からの高窒素濃度の存在にかかわらず、火炎流
れ中ではＮＯX はほとんど形成されない。
【００１８】第２酸化体の高速度と火炎流れに対する離
間関係による炉内ガスの第２酸化体流れへの連行は、第
２酸化体中の最初の高い酸素濃度を稀釈するので、第２
酸化体が火炎流れと先に定義した下流位置において合流
する時点までに、第２酸化体流れはもはやそうした高い
酸素濃度を有さず、従って高酸素濃度によりもたらされ
る高温がＮＯX 発生を増加するという上述した反応速度
論によるＮＯX 問題を克服する。この利点は更に、火炎
流れが第２酸化体との相互混合及び反応前に燃焼室を横
切って定義された長い長さにわたり流れることによる火
炎流れ内での温度の低下により達成される。第２酸化体
流れによる燃焼は、従来の酸素富化実施法を使用した場
合のように燃料を高濃度酸素と接触状態に持ちきたすこ
となく燃焼室内での燃焼を完了する。
【００１９】その結果、燃焼室に提供される燃料は完全
に燃焼し、従ってガラスの溶解、金属の加熱或いは溶解
或いは廃棄物の焼却といった目的での使用のための熱を
効率的に放出する。これは、燃焼の大半が空気のような
第１酸化体を使用して達成されることから高いコストを
伴うことなく実現される。しかも、従来からの空気燃焼
或いは酸素富化燃焼を上回るＮＯX の低減が、最初の不
完全燃焼と組み合わせての稀釈第２酸化体を使用しての
下流での燃焼の完了により実現される。
【００２０】図２、３及び４は本発明の別の有用な具体
例を例示する。図２、３及び４における参照番号は図１
と共通する要素に対してはそれぞれ２０、３０及び４０
を加えたものとして示してある。
【００２１】図２は、火炎流れの一つが他のものとは反
対方向に差し向けられそして排出口２６が燃焼室の端壁
に設けられていることを除いて図１に例示したのと同様
の複数バーナー燃焼方式を例示する。
【００２２】図３は燃焼室内で長手方向に燃焼を実施す
る本発明の具体例を例示し、排出口３６は噴射端側にあ
り、火炎流れを転向して戻す状態で即ちＵ字形をなして
移行せしめる。
【００２３】図４は、また別の長手方向燃焼の具体例を
例示し、ここでは第２酸化体は燃焼室内に第１酸化体が
噴射されるのとは反対の端から噴射される。
【００２４】（実施例及び比較例）９２０ｆｔ3 ／時間
（２６ｍ3 ／時間）の流量における天然ガスを空気組成
を有する酸化体と共に試験炉に噴射した。空気噴射速度
は３０〜３５フィート／時間（９〜１０．５ｍ／時間）
でありそして化学量論の９５％の流量において噴射し
た。酸素不足量を補うに充分量の工業用純酸素を５つの
別々の試験において試験炉に空気噴射口から５．５イン
チ（１４ｃｍ）或いは９．５インチ（２４．１ｃｍ）い
ずれかの距離において図３に例示したのと同様の空気／
燃料流れに平行な方向に噴射した。５つの試験の各々に
対する酸素速度は５７９〜１６３０フィート／時間（１
７４〜４８９ｍ／時間）の範囲内であった。酸素速度と
空気／燃料流れからの噴射地点の離間距離は、炉内ガス
を酸素流れ中に連行せしめそして空気流れ中の酸素の少
なくとも９０％が燃料流れと燃焼した後酸素流れ中心線
が空気／燃料火炎流れと空気／燃料火炎流れと交差する
ことを可能ならしめた。炉からの排気中のＮＯX 濃度を
５つの試験の各々に対して測定した結果、いずれの場合
も１３９〜１５２ｐｐｍの範囲にあった。
【００２５】比較目的で、別の試験を空気流れが化学量
論でありそして酸素が噴射されないことを除いて同じ設
備でそして同様の条件で実施した。炉排気中のＮＯX 濃
度は３１０ｐｐｍであった。これら実施例及び比較例に
おいて、本発明方法は、従来の燃焼方式を使用して達成
された値より５１〜５５％のＮＯX 低減化を可能ならし
めた。
【００２６】本発明は、この非常に有益な、低ＮＯX の
効率的な完全燃焼を単一の燃焼室において実施すること
を可能ならしめ、２つ乃至それ以上の燃焼室或いは帯域
を使用する燃焼プロセスと不可避的に遭遇する著しい複
雑さを回避する。
【００２７】
【発明の効果】本発明は、窒素濃度に起因するＮＯX 発
生問題と共に高温によるＮＯX 発生問題を他の低ＮＯX
燃焼方法に比べて、著しく少ない量の高酸素濃度酸化体
を使用し、従って燃焼コストを減じて解決する。一般
に、本発明の実施において、全燃焼の約８０％以上が一
般にそして好ましくは空気である低酸素濃度酸化体を使
用して実施される。本発明は、この非常に有益な、低Ｎ
ＯX の効率的な完全燃焼を単一の燃焼室において実施す
ることを可能ならしめ、２つ乃至それ以上の燃焼室或い
は帯域を使用する燃焼プロセスと不可避的に遭遇する著
しい複雑さを回避する。
【００２８】本発明を幾つかの具体例に基づいて詳しく
記載したが、当業者は本発明の範囲内で本発明を別様に
具現しうることを認識しよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】クロス焚き炉と関連して実施されうるような本
発明の一具体例の簡略説明図である。
【図２】対向するクロス焚き炉において実施されうるよ
うな本発明の別の具体例の簡略説明図である。
【図３】端部焚き炉と関連して実施されうるような本発
明の一具体例の簡略説明図である。
【図４】端部焚き炉と関連して実施されうるような本発
明のまた別の具体例の簡略説明図である。
【符号の説明】
１、２１、３１、４１ ランス ２、２２、３２、４２ バーナー ３、２３、３３、４３ 火炎流れ ４、２４、３４、４４ 第２酸化体流れ ５、２５、３５、４５ 燃焼室 ６、２６、３６、４６ 排出口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−58007（ＪＰ，Ａ) 特公 昭62−14048（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F23C 11/00

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼を実施するための方法であって、 （Ａ）燃料と第１酸化体とを燃料リッチ比において炉内
    ガスを含む燃焼室内に噴射しそして該燃焼室内で該燃料
    と第１酸化体との混合物を火炎流れを形成するように不
    完全燃焼せしめて不完全燃焼生成物を生成すること、 （Ｂ）前記第１酸化体の酸素濃度を超える酸素濃度を有
    する第２酸化体の流れを前記火炎流れから離してそして
    少なくとも２００フィート／秒（６０ｍ／秒）の速度で
    前記燃焼室内に噴射すること、 （Ｃ）炉内ガスを前記高速の第２酸化体中に連行せしめ
    て稀釈された第２酸化体流れを生成すること、 （Ｄ）前記火炎流れが前記第１酸化体の酸素の少なくと
    も９０％が燃料と反応し終る距離前記燃焼室を通過した
    後、前記稀釈された第２酸化体流れの軸線が該火炎流れ
    と交差するようにして、該稀釈された第２酸化体流れを
    該火炎流れ中に通すこと、そして （Ｅ）前記稀釈された第２酸化体流れと前記火炎流れと
    を混合しそして前記不完全燃焼生成物を該稀釈された第
    ２酸化体で燃焼せしめることを包含する燃焼を実施する
    方法。
  2. 【請求項２】 第１酸化体が空気である請求項１の方
    法。
  3. 【請求項３】 第２酸化体が少なくとも９０％の酸素濃
    度を有する請求項１の方法。
  4. 【請求項４】 第２酸化体が工業用純酸素である請求項
    １の方法。
  5. 【請求項５】 稀釈された第２酸化体の流れの軸線が火
    炎流れが燃焼室の中点を通過した後火炎流れと交差する
    請求項１の方法。
  6. 【請求項６】 稀釈された第２酸化体流れの火炎流れと
    の交差時点での質量が燃焼室へ噴射時点での第２酸化体
    の質量の少なくとも１０倍を超える請求項１の方法。
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