JP3052262B2 - 燃焼炉とその低ＮＯｘ燃焼方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種工業炉及びボイラ
の燃焼に伴う窒素酸化物（以下ＮＯｘという）の生成量
の抑制のための低ＮＯｘ燃焼方法に係わり、特にセラミ
ックス等の蓄熱体を用いた顕熱回収装置によって１００
０℃以上の高温まで予熱した高温燃焼用空気を使用する
燃焼炉における低ＮＯｘ燃焼方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃焼炉における多量のＮＯｘの発生は、
高い酸素濃度、そして、急速な高温燃焼に起因すること
が大きい。しかし、従来一般の燃焼においては、主とし
て燃焼効率の向上等の観点から、火炎の短炎化が図られ
ており、火炎を短炎化するには、燃焼用空気と燃料とを
早期に混合均一化し、急速な燃焼を行わせることが必要
である。このような急速燃焼のもとでは、火炎温度は高
くなり、且つ、炉内高温域も広がり、加えて燃焼帯にお
ける局所酸素濃度が増大する。その結果、多量のＮＯｘ
が生成されてしまい、燃焼効率と公害との両者間のジレ
ンマに悩まされているという問題を有していた。

【０００３】そこで、図４に示すような低ＮＯｘ燃焼方
法が提案されている。図４に示す燃焼方法は、特開平１
−３００１０３号公報に掲載されているものである。図
４（ａ）において、燃焼用空気供給口５１と燃料供給口
５２とが距離Ｌ２だけ離されて炉壁５０に設けられてい
る。そして、前記燃焼用空気供給口５１と周囲炉内壁５
０とが炉内再循環流を形成するのに十分な距離Ｌ３だけ
離されている。

【０００４】このような構造の燃焼炉５０における燃焼
方法は、それぞれの供給口５１、５２から炉内へ噴射さ
れた空気と燃料の混合が悪く、それぞれ炉内の高温排ガ
スと混合した後、図２中Ｄで混合されるので、酸素濃度
が低い場での燃焼となり、ＮＯｘが低減される。また、
前記燃焼用空気供給口５１と周囲炉内壁５０との間で炉
内再循環流を形成して炉内を燃焼させる。

【０００５】一方、この燃焼方法では燃焼炉の温度が低
い場合にはＣＯやすすが発生し、火炎安定性に欠ける。
そこで、炉５０内の温度が燃料の着火温度、例えば、７
５０℃以下の低温時には、燃焼用空気供給口５１内に設
けられたサブ燃料供給口５３から燃料を噴出させ、燃焼
用空気と燃料とを早期に混合均一化し、急速な燃焼を行
わせる。燃料の着火温度、例えば、７５０℃以上に達す
ると、燃料供給口５２からの燃料供給に切り換える。
尚、図４（ｂ）は、Ｂ−Ｂ線断面図である。

【０００６】ところで、燃焼用空気は炉内に噴射される
前に、燃焼効率向上の観点から排ガス顕熱回収装置によ
って予熱される。従来の顕熱回収装置は、熱交換器等に
よるもので、その予熱温度は炉内温度が１３００℃であ
る場合、せいぜい４００℃〜６００℃程度であった。と
ころが、最近の蓄熱性の良いセラミックス等を用いた蓄
熱燃焼（リジェネレイティブ）バーナ等の顕熱回収装置
は、予熱空気温度を１０００℃以上まで昇温する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、燃焼用空気
が、炉内に噴射される時には既に１０００℃以上の高温
であるため、炉内温度が下がらず燃焼効率が低下しない
ものの上記従来のような燃焼方法では、高温の燃焼用空
気と燃料が炉内で燃焼反応すると、更に高温になり、多
量のＮＯｘが発生してしまうという問題が生じる。燃焼
用空気供給口５１と燃料供給口５２との距離Ｌ２を更に
大きく離して混合を抑制することも考えられるが、炉全
体が大きくなってしまう。また、図４に示す燃焼炉では
燃料供給孔５２が炉壁に設けられているためには大がか
りな工事を必要とする。

【０００８】本発明は、従来技術の有するこのような問
題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするとこ
ろは、高温の燃焼用空気が供給される蓄熱燃焼において
ＮＯｘの発生を低減する燃焼炉及びその低ＮＯｘ燃焼方
法を提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、蓄熱燃焼において高温燃焼用空気と燃料
とを炉内に噴射供給する燃焼用空気供給口と燃料供給口
とを離すと共に、前記空気噴流軸と燃料噴流軸が異なる
方向に噴射されるように双方の供給口間に噴出角度を持
たせた燃焼炉である。

【００１０】また、７００℃以上の高温燃焼用空気と燃
料を炉内に噴射する際に、それぞれの噴流の主流部が重
ならないように前記高温燃焼用空気と燃料を炉内に噴射
し、燃料と空気の混合を抑制しながら炉内の排ガス自己
循環により、緩慢な燃焼状態を維持する低ＮＯｘ燃焼方
法である。前記燃料の噴出速度は６０ｍ／ｓｅｃ以上で
あることが望ましい。

【００１１】

【作用】顕熱回収装置の向上に伴い、炉内温度は、一
旦、燃料着火温度にまで上がると、燃焼用空気の供給等
よっては余り下がらず、略定常的に燃料着火温度以上を
保ち続ける。そこへ、高温燃焼用空気と燃料のそれぞれ
の噴流の主流部が重ならないように炉内噴射すると、そ
れぞれの噴流がそれぞれに炉内排ガスを巻き込みながら
低い酸素濃度で燃焼する。この燃焼は、燃焼用空気と燃
料とが直接混合して燃焼するよりも緩慢な燃焼で、急速
に高温にならない。そして、酸素濃度も低いためＮＯｘ
の発生が少なくなる。

【００１２】そして、前記燃料の噴出速度は６０ｍ／ｓ
ｅｃ以上であると、炉内に輝炎の火炎が延び、放射によ
る加熱率も大きくなる。炉内の加熱性も向上する。燃料
の噴射する方向で空気流のある方と反対側での燃料の熱
分解による還元反応で、脱硝反応も進む。

【００１３】

【実施例】次に、図面を参照しつつ本発明を説明する。
図１（ｂ）は本発明の燃焼に用いられる燃焼炉１０の一
具体例を示す断面概要図である。図１（ａ）は図１
（ｂ）のＡ−Ａ線断面図であり、図２は図１（ｂ）のＣ
−Ｃ線断面図である。

【００１４】図１（ｂ）において、バーナタイル８に、
燃焼用空気供給口１と燃料供給口２とが距離Ｌだけ離さ
れ、一体形で設けられ、このＬは空気噴流と燃料噴流の
主流がバーナ近傍で重ならないように噴射するのに必要
最小限の長さで良く、噴射角度にもよるがＬ／Ｄ＝１〜
２で十分である。ここで、Ｄは空気噴射口の径である。
また、バーナタイル８の燃焼用空気供給口１と燃料供給
口２とが炉１０内壁に面一に合わされている。これは、
噴流の運動量によって炉内の高温排ガスを巻き込み、燃
焼帯への自己排ガス循環を有効に行うものである。燃焼
用空気供給口１は水平に真っ直ぐ、燃料供給口２の先端
は角度αだけ水平から傾いており、燃焼用空気５と燃料
６を異なる向きに炉内に噴射するようになっている。角
度αは、約５〜４５°の範囲で選択する。最も好ましく
は約１５°である。

【００１５】バーナタイル８の燃焼用空気供給口１の下
方に顕熱回収装置のセラミックス等の蓄熱体４が設けら
れている。顕熱回収装置は、蓄熱体４によって、高温の
燃焼排ガスからは熱を吸収して出入口９から排出し、出
入口９から供給された空気へは熱を供給する。燃焼用空
気供給口１を通る空気は顕熱回収装置によって１０００
℃以上まで昇温される。燃焼用空気供給口１の中心の図
左方延長上には更に、サブ燃料供給口３が設けられてお
り、炉１０内の温度が４００℃以下の低温時に安全対策
上から燃料を噴出させ、燃焼用空気と燃料とを早期に混
合均一化し、安定な燃焼を行わせる炉をウォーミングア
ップさせるためのものである。

【００１６】燃焼炉１０には、図１（ａ）に示すよう
に、上記のようなバーナタイル８が一対設けられ、これ
らに対向する側の炉壁中央に補助煙道７が設けられてい
る。この補助煙道７は、一対のバーナタイル８から供給
される空気５及び燃料６の燃焼排ガスを対面側へ引き込
むようにして、炉内全体に行き渡らせる働きがある。
尚、一対のバーナ部８は任意に交番運転する。

【００１７】このような構造の燃焼炉１０の運転を説明
する。運転開始時の炉内温度が、４００℃以下の低温時
には、サブ燃料供給口３から燃料を噴出させ、燃焼用空
気と燃料とを早期に混合均一化し、急速な燃焼を行わせ
る。そして、４００℃以上に達すると、燃料供給口２か
らの燃料も供給する。その後のサブ燃料供給口３からの
燃料供給は、炉の使用方法によって異なるが所定温度ま
で同時併用したり、炉内温度が所定温度よりも下がり、
急速な燃焼を行わせて炉内温度を上昇させる必要がある
時にだけ補充的に供給することとなる。

【００１８】このような構造の燃焼炉１０の低ＮＯｘ燃
焼方法においては、炉内温度が１３００℃である場合、
燃料６と顕熱回収装置によって１０００℃以上まで昇温
された高温の燃焼用空気５とが、それぞれの噴流の主流
部が重ならないように供給口１、２から炉内へ噴射され
る。すると、それぞれの噴流がそれぞれに炉内排ガスを
巻き込みながら順次混合して燃焼する。その燃焼は、燃
焼用空気５と燃料６とが直接混合して燃焼するよりも緩
慢な燃焼で、局所的な高温部をもたない。そして、酸素
濃度も低いためＮＯｘの発生が少なくなる。その結果、
高温の燃焼用空気が供給される燃焼効率の良い燃焼炉に
おいてＮＯｘ発生を充分に低減する。

【００１９】この時、燃料と燃焼用空気の流速比を０．
３以上、とりわけ約０．５〜２にしておくと燃料と燃焼
用空気との混合が抑制され、それぞれの噴流がそれぞれ
に炉内排ガスを巻き込みながら燃焼することを促進す
る。また、それぞれの噴流と炉内排ガスとの混合をよく
するためには火炎の長さが炉径の半分以上になるように
噴出速度６０ｍ／ｓｅｃ以上で噴射するとよい。尚、噴
出速度が余りに速い場合は、炉内の排ガスと混合しても
燃焼反応が起こりにくく保炎できないので、炉に保炎用
バーナを備えさせて炎が消えない程度に僅かに着火させ
ておくことが必要である。

【００２０】具体的な試験結果を以下に示す。燃焼用空
気供給口１と燃料供給口２との距離Ｌ／Ｄ＝１．５、燃
料供給口２の水平からの傾きα＝１５°、燃料噴出速度
８０ｍ／ｓ、空気噴出速度３０〜４０ｍ／ｓとし、空気
の予熱温度が約１０００℃で燃焼させた場合、サブ燃料
供給口３から噴射すると、１０００ｐｐｍのＮＯｘ発生
したが、燃料供給口２から噴射すると１０ｐｐｍまでに
低減できた。この時、火炎は輝炎で、大きく、放射によ
る加熱率も大きくなり、炉内の加熱性も向上した。燃料
の噴射する方向で空気流のある方と反対側で燃料の熱分
解による脱硝反応も進んでいた。

【００２１】尚、上記実施例では、水平から所定角度の
傾きαを有する一つの燃焼用空気供給口１と一つの燃料
供給口２とが距離Ｌだけ離されてバーナタイル８に設け
られていたが、図３に示すように、水平から所定角度の
傾きを有する一つの燃料供給口２を中心とする所定半径
Ｌの同心円上に複数の燃焼用空気供給口１を設けてもよ
い。この場合は、炉内に噴射された燃料と燃焼用空気の
それぞれの噴流の向きを異ならせるために、前記燃料供
給口１の傾きと反対側に中心角θが２４０°以下の扇形
を形成するように複数の燃焼用空気供給口１を配置する
必要がある。また、前記所定半径Ｌはそれぞれの噴流の
主流部が重ならないようにするために充分に大きくとる
ことが肝要である。

【００２２】

【発明の効果】上記のように本発明の燃焼炉及びその低
ＮＯｘ燃焼方法は、燃料供給口と、燃焼用空気供給口と
を離すと共に、前記空気噴流軸と燃料噴流軸が異なる方
向に噴射されるように両者の間に噴出角度を持たせ、高
温燃焼用空気と燃料のそれぞれの噴流の主流部が重なら
ないように炉内に噴射することにより、それぞれの噴流
をそれぞれに炉内排ガスと十分反応させた後に燃焼空気
と燃料とを混合して燃焼させ、急速に高温にならない緩
慢なしかも酸素濃度が低い燃焼を実現し、高温の燃焼用
空気が供給される燃焼炉においてＮＯｘ発生を低減す
る。

【００２３】この結果、燃料供給口と空気供給口とが一
体のバーナー体形のコンパクト構造となり、改造が容易
となる。また、上記蓄熱燃焼バーナでは空気供給口を高
温燃焼排ガスが通過するため、燃料供給口が空気供給口
の中にあると、燃料のコーキングや燃料の噴射孔の焼損
が発生する問題が生ずるが、本発明では燃料供給口と空
気供給口とが離れているので完全に解決できる。また、
本発明によると低温でも使用が可能であり操業性が良
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃焼に用いられる燃焼炉の一具体例を
示す断面概要図である。

【図２】図１のＣ−Ｃ線断面図である。

【図３】本発明の燃焼炉における燃焼用空気供給口と燃
料供給口を示す図である。

【図４】従来の燃焼に用いられる燃焼炉のを示す断面概
要図である。

【符号の説明】

１ 燃焼用空気供給口 ２ 燃料供給口 ４ セラミックス等（顕熱回収装置） ５ 空気 ６ 燃料 ７ 煙道 ８ バーナ部 １０ 燃焼炉 α 傾き Ｌ 供給口間距離

フロントページの続き (72)発明者 鈴木 富雄 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (72)発明者 西村 真 兵庫県加古郡播磨町新島41番地 株式会 社神戸製鋼所 播磨汎用圧縮機工場内 (56)参考文献 特開 平１−16759（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−300103（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−26410（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F24C 11/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼用空気と燃料を炉内に噴射して燃焼
   を行う燃焼炉の低ＮＯｘ燃焼方法であって、 ７００℃以上の高温燃焼用空気を用いて、燃料の噴出速
   度は６０ｍ／ｓｅｃ以上とし、前記高温燃焼用空気と燃
   料のそれぞれの噴流の主流部が重ならないように炉内に
   噴射し、燃料と空気の混合を抑制しながら炉内の排ガス
   自己再循環により緩慢な燃焼状態を維持することを特徴
   とする低ＮＯｘ燃焼方法。