JP3153374B2 - 多段階超希薄予混合燃焼法 - Google Patents
多段階超希薄予混合燃焼法Info
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- JP3153374B2 JP3153374B2 JP06565493A JP6565493A JP3153374B2 JP 3153374 B2 JP3153374 B2 JP 3153374B2 JP 06565493 A JP06565493 A JP 06565493A JP 6565493 A JP6565493 A JP 6565493A JP 3153374 B2 JP3153374 B2 JP 3153374B2
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は多段階超希薄予混合燃焼
法に関し、従来完全燃焼させることが不可能とされてい
た希薄可燃限界外の超希薄予混合気を完全燃焼させるこ
とを可能とした多段階超希薄予混合燃焼法に関する。
法に関し、従来完全燃焼させることが不可能とされてい
た希薄可燃限界外の超希薄予混合気を完全燃焼させるこ
とを可能とした多段階超希薄予混合燃焼法に関する。
【０００２】
【従来の技術】各種燃焼器の低ＮＯx 燃焼法として予混
合燃焼法が注目されており、なかでもガスタービン燃焼
器における予混合希薄燃焼法は確実にＮＯx 排出量を低
減できる燃焼法として注目され、各方面で実用燃焼器の
開発が行われている。しかし、低負荷時におけるＣＯや
未燃炭化水素の排出による燃焼効率の低下抑制と、最大
負荷時におけるＮＯx 排出量の低減とはトレードオフの
関係にあり、これらをどうバランスさせるかが技術的課
題となっている。
合燃焼法が注目されており、なかでもガスタービン燃焼
器における予混合希薄燃焼法は確実にＮＯx 排出量を低
減できる燃焼法として注目され、各方面で実用燃焼器の
開発が行われている。しかし、低負荷時におけるＣＯや
未燃炭化水素の排出による燃焼効率の低下抑制と、最大
負荷時におけるＮＯx 排出量の低減とはトレードオフの
関係にあり、これらをどうバランスさせるかが技術的課
題となっている。
【０００３】このような課題を克服するため、負荷変動
に応じて空気をバイパスさせ、燃焼領域の空燃比を一定
範囲にコントロールする方式が、大型の燃焼器で一部実
用化されているが、この方式ではシステムが非常に複雑
であることなどから、スペース、安全性、コストなどの
面で中、小型のガスタービン燃焼器への適用が困難であ
る。この解決手段として、本出願人は、燃料ガスと空気
の予混合気を２段に分割供給し、燃料制御のみで広い負
荷範囲にわたって高い燃焼効率と低ＮＯx 性を実現する
燃焼器の開発を行ないすでに出願している（特願平３−
３４０１７５号）。
に応じて空気をバイパスさせ、燃焼領域の空燃比を一定
範囲にコントロールする方式が、大型の燃焼器で一部実
用化されているが、この方式ではシステムが非常に複雑
であることなどから、スペース、安全性、コストなどの
面で中、小型のガスタービン燃焼器への適用が困難であ
る。この解決手段として、本出願人は、燃料ガスと空気
の予混合気を２段に分割供給し、燃料制御のみで広い負
荷範囲にわたって高い燃焼効率と低ＮＯx 性を実現する
燃焼器の開発を行ないすでに出願している（特願平３−
３４０１７５号）。
【０００４】これは基本的に１段目の空燃比一定の安定
な予混合火炎により２段目以降の希薄予混合気を燃焼さ
せ、燃料制御のみで負荷変動に対応するもので、バイパ
スコントロール弁等を必要としないことから他方面への
適用を可能としている。図１は上記した燃焼器をガスタ
ービン燃焼器として用いた場合の一例を示している。こ
の燃焼器の第１の特徴は、予混合気供給を２段に分割し
ていることである。１段目の予混合気は２段目に比べ低
空気比 (約1.４) であり、これは１次燃焼火炎として安
定に燃焼する。一方、２段目の予混合気は非常に高空気
比 (２〜２０) であり、燃料濃度が低く燃焼限界をはず
れるため、この超希薄予混合気のみでは燃焼し得ない
が、１次燃焼ガスと混合することによって燃焼させるこ
とができる。これによって、トータルで非常に高空気比
の燃焼が可能となり、ＮＯx排出量の低減が可能とな
る。この燃焼器の第２の特徴は制御の容易性である。１
段目および２段目の燃焼用予熱空気は、ライナーの周囲
を通って常に一定量供給されている。また、１段目の燃
料ガスは常に一定量供給されており、負荷変動には２段
目の燃料ガスのみで対応するように設計されている。
な予混合火炎により２段目以降の希薄予混合気を燃焼さ
せ、燃料制御のみで負荷変動に対応するもので、バイパ
スコントロール弁等を必要としないことから他方面への
適用を可能としている。図１は上記した燃焼器をガスタ
ービン燃焼器として用いた場合の一例を示している。こ
の燃焼器の第１の特徴は、予混合気供給を２段に分割し
ていることである。１段目の予混合気は２段目に比べ低
空気比 (約1.４) であり、これは１次燃焼火炎として安
定に燃焼する。一方、２段目の予混合気は非常に高空気
比 (２〜２０) であり、燃料濃度が低く燃焼限界をはず
れるため、この超希薄予混合気のみでは燃焼し得ない
が、１次燃焼ガスと混合することによって燃焼させるこ
とができる。これによって、トータルで非常に高空気比
の燃焼が可能となり、ＮＯx排出量の低減が可能とな
る。この燃焼器の第２の特徴は制御の容易性である。１
段目および２段目の燃焼用予熱空気は、ライナーの周囲
を通って常に一定量供給されている。また、１段目の燃
料ガスは常に一定量供給されており、負荷変動には２段
目の燃料ガスのみで対応するように設計されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記の形式の燃焼器は
空気比２〜２０程度の超希薄予混合気を低ＮＯx 燃焼さ
せることができ有効なものであるが、本発明者らがさら
に実験を継続する過程において、負荷の低下に伴い２段
目の燃料ガスの供給を低下させていくと、燃焼用空気は
常に一定量供給されているため、結果的に２次予混合気
の空気比が上昇し、未燃分 (ＣＯやメタンを主成分とす
る燃料ガス) が排出され、燃焼効率を低下させる場合が
生じることを知見した。
空気比２〜２０程度の超希薄予混合気を低ＮＯx 燃焼さ
せることができ有効なものであるが、本発明者らがさら
に実験を継続する過程において、負荷の低下に伴い２段
目の燃料ガスの供給を低下させていくと、燃焼用空気は
常に一定量供給されているため、結果的に２次予混合気
の空気比が上昇し、未燃分 (ＣＯやメタンを主成分とす
る燃料ガス) が排出され、燃焼効率を低下させる場合が
生じることを知見した。
【０００６】本発明は、この希薄予混合気を用いた低Ｎ
Ｏx 多段燃焼法において上記のような未燃分が発生する
ことを回避し、それにより高い燃焼効率を呈する多段階
超希薄予混合燃焼法を得ることにある。
Ｏx 多段燃焼法において上記のような未燃分が発生する
ことを回避し、それにより高い燃焼効率を呈する多段階
超希薄予混合燃焼法を得ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決しかつ
目的を達成するために、本発明者らは上記の未燃分発生
の原因について多くの研究を行なった。そこにおいて、
未燃分発生の原因は１次燃焼ガスと２次希薄予混合気の
流れ、混合や反応など種々の要因が考えられるが、燃焼
における化学反応のみに注目して検討を行なうことによ
っても有効な解決手段を得られることを認識し、以下に
記載する手法により解析を進めた。
目的を達成するために、本発明者らは上記の未燃分発生
の原因について多くの研究を行なった。そこにおいて、
未燃分発生の原因は１次燃焼ガスと２次希薄予混合気の
流れ、混合や反応など種々の要因が考えられるが、燃焼
における化学反応のみに注目して検討を行なうことによ
っても有効な解決手段を得られることを認識し、以下に
記載する手法により解析を進めた。
【０００８】具体的には、まず燃焼ガスの温度および組
成を求め、この高温の燃焼ガスに種々の割合で希薄予混
合気を瞬時混合させた後の組成と温度を初期値として反
応計算を行った。反応計算にはCHEMKIN の定圧反応計算
プログラムを用いた。計算条件を表１に示す。これらは
タービン燃焼器実験を考慮して設定した。ここで、未燃
混合気割合とは一次燃焼ガスと二次希薄予混合気の混合
比を示しており、混合後の全モル数の中の二次希薄予混
合気モル数を％で表示したものである。また、プロセス
１で必要となる燃焼ガスの滞留時間は、0.１、１、１０
ｍｓと変化させて比較した結果、得られる結論には定性
的にあまり影響しないことが確認されたため、すべて１
ｍｓの結果として以下に述べる。 表１．計算条件 燃料 メタン 圧力および予熱温度 ３atm ３２０℃ １atm ２５℃ 一次燃焼ガス空気比 1.４ 〜 2.８ 二次希薄予混合気空気比 ２ 〜 ２０ 未燃混合気割合 ５０ 〜 ８０％ 計算時間 １０ｍｓ 火炎は少なくとも空気比が1.４以上の希薄火炎を対象と
した。一般に、量論空気比付近およびそれより希薄な火
炎の燃焼反応としては、炭素数２以上の化学種が関与す
る素反応を考慮する必要がないといわれている。そこ
で、J.A.Miller他、"Progress Energy Combustion Scie
nce", 15, 287-338,に記載の２３５の素反応式群から以
下の化学種の関与する１０１式を用い反応計算を行なっ
た。
成を求め、この高温の燃焼ガスに種々の割合で希薄予混
合気を瞬時混合させた後の組成と温度を初期値として反
応計算を行った。反応計算にはCHEMKIN の定圧反応計算
プログラムを用いた。計算条件を表１に示す。これらは
タービン燃焼器実験を考慮して設定した。ここで、未燃
混合気割合とは一次燃焼ガスと二次希薄予混合気の混合
比を示しており、混合後の全モル数の中の二次希薄予混
合気モル数を％で表示したものである。また、プロセス
１で必要となる燃焼ガスの滞留時間は、0.１、１、１０
ｍｓと変化させて比較した結果、得られる結論には定性
的にあまり影響しないことが確認されたため、すべて１
ｍｓの結果として以下に述べる。 表１．計算条件 燃料 メタン 圧力および予熱温度 ３atm ３２０℃ １atm ２５℃ 一次燃焼ガス空気比 1.４ 〜 2.８ 二次希薄予混合気空気比 ２ 〜 ２０ 未燃混合気割合 ５０ 〜 ８０％ 計算時間 １０ｍｓ 火炎は少なくとも空気比が1.４以上の希薄火炎を対象と
した。一般に、量論空気比付近およびそれより希薄な火
炎の燃焼反応としては、炭素数２以上の化学種が関与す
る素反応を考慮する必要がないといわれている。そこ
で、J.A.Miller他、"Progress Energy Combustion Scie
nce", 15, 287-338,に記載の２３５の素反応式群から以
下の化学種の関与する１０１式を用い反応計算を行なっ
た。
【０００９】考慮した化学種 CH4 O2 N2 H2O CO CO2 H2 CH3 CH3O CH2 CH2
O CH2OH CH CHO C H O OH HO2 H2O2 N NO NO2 N2O まず、燃焼ガスの空気比を1.４に、圧力、予熱温度を３
atm 、３２０℃に固定し、燃焼ガスと希薄予混合気の混
合割合および希薄予混合気の空気比を変化させた場合の
メタン濃度と反応時間の関係を求めた。希薄予混合気の
空気比が２ (メタン濃度約５％) で、希薄予混合気割合
が５０〜８０％と変化した場合の計算結果を図２ａに示
した。ただし、メタン濃度は条件によって大きく異なる
ため、縦軸はそれぞれの条件での初期濃度を１００とし
た場合のメタン残存率で示した。これより、混合後の希
薄予混合気割合が７０％以下では、数ｍｓ以内でメタン
が消失しているが、希薄予混合気割合が７５％以上に増
加すれば、ｍｓのオーダーでは燃焼反応が開始されない
か、あるいは開始されたとしてもメタンの減少速度が遅
いことがわかる。
O CH2OH CH CHO C H O OH HO2 H2O2 N NO NO2 N2O まず、燃焼ガスの空気比を1.４に、圧力、予熱温度を３
atm 、３２０℃に固定し、燃焼ガスと希薄予混合気の混
合割合および希薄予混合気の空気比を変化させた場合の
メタン濃度と反応時間の関係を求めた。希薄予混合気の
空気比が２ (メタン濃度約５％) で、希薄予混合気割合
が５０〜８０％と変化した場合の計算結果を図２ａに示
した。ただし、メタン濃度は条件によって大きく異なる
ため、縦軸はそれぞれの条件での初期濃度を１００とし
た場合のメタン残存率で示した。これより、混合後の希
薄予混合気割合が７０％以下では、数ｍｓ以内でメタン
が消失しているが、希薄予混合気割合が７５％以上に増
加すれば、ｍｓのオーダーでは燃焼反応が開始されない
か、あるいは開始されたとしてもメタンの減少速度が遅
いことがわかる。
【００１０】次に、希薄予混合気の空気比が２０ (メタ
ン濃度は約0.５２％) で、混合後の希薄予混合気割合が
５０％〜８０％と変化した場合の計算結果を図２ｂに示
した。これより、希薄予混合気の空気比が２０と非常に
希薄な場合でも、希薄予混合気の空気比が２の場合と同
様に、混合後の希薄予混合気割合が６５％以下では数ｍ
ｓ以内でメタンが消失していることがわかる。
ン濃度は約0.５２％) で、混合後の希薄予混合気割合が
５０％〜８０％と変化した場合の計算結果を図２ｂに示
した。これより、希薄予混合気の空気比が２０と非常に
希薄な場合でも、希薄予混合気の空気比が２の場合と同
様に、混合後の希薄予混合気割合が６５％以下では数ｍ
ｓ以内でメタンが消失していることがわかる。
【００１１】従来、燃焼器での未燃分発生は希薄予混合
気の空気比に左右されると予想されていたが、この反応
計算からメタンの燃焼性は希薄予混合気の空気比が２で
あっても２０であってもそれほど大きな影響はなく、希
薄予混合気の割合が全体の６５〜７０％でメタンが酸化
されるか否かの限界があることがわかる。つまり、燃焼
ガスと混合後の希薄予混合気中メタンの酸化は、希薄予
混合気の空気比よりも燃焼ガスと希薄予混合気との混合
割合に強く影響されることが明らかとなった。
気の空気比に左右されると予想されていたが、この反応
計算からメタンの燃焼性は希薄予混合気の空気比が２で
あっても２０であってもそれほど大きな影響はなく、希
薄予混合気の割合が全体の６５〜７０％でメタンが酸化
されるか否かの限界があることがわかる。つまり、燃焼
ガスと混合後の希薄予混合気中メタンの酸化は、希薄予
混合気の空気比よりも燃焼ガスと希薄予混合気との混合
割合に強く影響されることが明らかとなった。
【００１２】本発明者らはさらに研究を継続し、燃焼ガ
スと希薄予混合気の混合割合の変化に追随して最も大き
く変化する因子は、燃焼ガスと希薄予混合気の混合後の
温度であると推定した。そこで、燃焼ガスの空気比が1.
４、希薄予混合気の空気比が２〜２０、燃焼ガスと希薄
予混合気の混合割合が５０％〜８０％の場合の各計算結
果を用い、混合後の濃度に対しメタン濃度が初期濃度の
１０分の１になる時間をプロットした。その結果を図３
ａに示す。これより、メタンの消失時間は、希薄予混合
気の空気比よりも混合後の温度に強く依存し、特に混合
後の温度、すなわち高温の燃焼ガスと低温の希薄予混合
気が反応を伴わないで均一に混合したときの混合直後の
温度Ｔmix が約１０００℃以上であれば、希薄予混合気
の空気比に関係なくメタンが約0.５ms以内で消失するこ
とがわかる。つまり、燃料メタンの酸化は、燃焼ガスと
希薄予混合気の混合後の温度でほぼ決定されることが明
らかとなった。
スと希薄予混合気の混合割合の変化に追随して最も大き
く変化する因子は、燃焼ガスと希薄予混合気の混合後の
温度であると推定した。そこで、燃焼ガスの空気比が1.
４、希薄予混合気の空気比が２〜２０、燃焼ガスと希薄
予混合気の混合割合が５０％〜８０％の場合の各計算結
果を用い、混合後の濃度に対しメタン濃度が初期濃度の
１０分の１になる時間をプロットした。その結果を図３
ａに示す。これより、メタンの消失時間は、希薄予混合
気の空気比よりも混合後の温度に強く依存し、特に混合
後の温度、すなわち高温の燃焼ガスと低温の希薄予混合
気が反応を伴わないで均一に混合したときの混合直後の
温度Ｔmix が約１０００℃以上であれば、希薄予混合気
の空気比に関係なくメタンが約0.５ms以内で消失するこ
とがわかる。つまり、燃料メタンの酸化は、燃焼ガスと
希薄予混合気の混合後の温度でほぼ決定されることが明
らかとなった。
【００１３】次に1.４で固定していた燃焼ガスの空気比
を２に変化させて計算を行なった。図３ａと同様に、希
薄予混合気の空気比が６〜２０、燃焼ガスと希薄予混合
気の混合割合が５０％〜８０％の場合の各計算結果を用
い、混合後の温度に対しメタン濃度が初期濃度の１０分
の１になる時間をプロットしたグラフを図３ｂに示し
た。これより、燃焼ガスの空気比が２であっても、メタ
ンの酸化は燃焼ガスと希薄予混合気の混合後の温度でほ
ぼ決定され、同様に、混合後の温度Ｔmix が約１０００
℃以上であれば、希薄予混合気の空気比に関係なくメタ
ンは約1.０ｍｓ以内短時間で消失することがわかる。
を２に変化させて計算を行なった。図３ａと同様に、希
薄予混合気の空気比が６〜２０、燃焼ガスと希薄予混合
気の混合割合が５０％〜８０％の場合の各計算結果を用
い、混合後の温度に対しメタン濃度が初期濃度の１０分
の１になる時間をプロットしたグラフを図３ｂに示し
た。これより、燃焼ガスの空気比が２であっても、メタ
ンの酸化は燃焼ガスと希薄予混合気の混合後の温度でほ
ぼ決定され、同様に、混合後の温度Ｔmix が約１０００
℃以上であれば、希薄予混合気の空気比に関係なくメタ
ンは約1.０ｍｓ以内短時間で消失することがわかる。
【００１４】次に、３atm、３２０℃で固定していた燃
料と空気の加圧＋予熱条件を、加圧、予熱を行なわない
１atm 、２５℃に変化させて計算を行なった。図３ａと
同様に、希薄予混合気の空気比が２〜２０、燃焼ガスと
希薄予混合気の混合割合が５０％〜８０％の場合の各計
算結果を用い、混合後の温度に対しメタン濃度が初期濃
度の１０分の１になる時間をプロットしたグラフを図４
に示した。これより、加圧、予熱を行なわない１atm、
２５℃の条件であっても、メタンの酸化は燃焼ガスと希
薄予混合気の混合後の温度でほぼ決定され、この場合に
も、混合後の温度Ｔmix が約１０００℃以上であれば、
希薄予混合気の空気比に関係なくメタンは約1.０ｍｓ以
内短時間で消失することがわかる。
料と空気の加圧＋予熱条件を、加圧、予熱を行なわない
１atm 、２５℃に変化させて計算を行なった。図３ａと
同様に、希薄予混合気の空気比が２〜２０、燃焼ガスと
希薄予混合気の混合割合が５０％〜８０％の場合の各計
算結果を用い、混合後の温度に対しメタン濃度が初期濃
度の１０分の１になる時間をプロットしたグラフを図４
に示した。これより、加圧、予熱を行なわない１atm、
２５℃の条件であっても、メタンの酸化は燃焼ガスと希
薄予混合気の混合後の温度でほぼ決定され、この場合に
も、混合後の温度Ｔmix が約１０００℃以上であれば、
希薄予混合気の空気比に関係なくメタンは約1.０ｍｓ以
内短時間で消失することがわかる。
【００１５】上記の考察の結果として、本発明者らは次
のことを知見するに至った。すなわち、「メタンを主成
分とする炭化水素系燃料の酸化については、理論上、燃
焼ガスと希薄予混合気の空気比に関係なく混合後の温度
Ｔmix 、すなわち該高温の燃焼ガスと低温の希薄予混合
気が反応を伴わないで均一に混合したときの混合直後の
温度Ｔmix が１０００℃以上であれば１ｍｓ以内で９０
％以上酸化する。またこれは、圧力や予熱温度が変化し
ても同じ傾向である。」本発明は、基本的に上記の知見
に基づくものであり、前段において燃焼した高温燃焼ガ
ス中に可燃限界外にある低温の希薄予混合気を混合して
燃焼させる多段階超希薄予混合燃焼法であって、該高温
の燃焼ガスと低温の希薄予混合気が反応を伴わないで均
一に混合したときの混合直後の温度Ｔmix が９００℃前
後以上となるように、前記高温の燃焼ガス中に低温の希
薄予混合気を供給し燃焼させることを特徴とする多段階
超希薄予混合燃焼法を開示する。
のことを知見するに至った。すなわち、「メタンを主成
分とする炭化水素系燃料の酸化については、理論上、燃
焼ガスと希薄予混合気の空気比に関係なく混合後の温度
Ｔmix 、すなわち該高温の燃焼ガスと低温の希薄予混合
気が反応を伴わないで均一に混合したときの混合直後の
温度Ｔmix が１０００℃以上であれば１ｍｓ以内で９０
％以上酸化する。またこれは、圧力や予熱温度が変化し
ても同じ傾向である。」本発明は、基本的に上記の知見
に基づくものであり、前段において燃焼した高温燃焼ガ
ス中に可燃限界外にある低温の希薄予混合気を混合して
燃焼させる多段階超希薄予混合燃焼法であって、該高温
の燃焼ガスと低温の希薄予混合気が反応を伴わないで均
一に混合したときの混合直後の温度Ｔmix が９００℃前
後以上となるように、前記高温の燃焼ガス中に低温の希
薄予混合気を供給し燃焼させることを特徴とする多段階
超希薄予混合燃焼法を開示する。
【００１６】本発明による燃焼法は、その第１段として
可燃範囲にある予混合気の燃焼を行い、その燃焼ガスに
対して可燃限界外にある低温の希薄予混合気を上記のよ
うな条件の下に混合していく態様の２段予混合燃焼法で
あってもよく、さらに、前記の２段予混合燃焼により生
成される燃焼ガスを「前段において燃焼した高温燃焼ガ
ス」（２次燃焼ガス）とし、そこに可燃限界外にある低
温の希薄予混合気を上記の条件を満足するように混合し
ていく態様であってもよい。
可燃範囲にある予混合気の燃焼を行い、その燃焼ガスに
対して可燃限界外にある低温の希薄予混合気を上記のよ
うな条件の下に混合していく態様の２段予混合燃焼法で
あってもよく、さらに、前記の２段予混合燃焼により生
成される燃焼ガスを「前段において燃焼した高温燃焼ガ
ス」（２次燃焼ガス）とし、そこに可燃限界外にある低
温の希薄予混合気を上記の条件を満足するように混合し
ていく態様であってもよい。
【００１７】その繰り返し段数は任意であり、それによ
り多段階超希薄予混合燃焼法を得ることができる。ま
た、該高温の燃焼ガスと低温の希薄予混合気が反応を伴
わないで均一に混合したときの混合直後の温度Ｔmix が
９００℃前後以上となるように、前記高温の燃焼ガス中
に低温の希薄予混合気を供給する態様としては、多くの
態様が存在する。
り多段階超希薄予混合燃焼法を得ることができる。ま
た、該高温の燃焼ガスと低温の希薄予混合気が反応を伴
わないで均一に混合したときの混合直後の温度Ｔmix が
９００℃前後以上となるように、前記高温の燃焼ガス中
に低温の希薄予混合気を供給する態様としては、多くの
態様が存在する。
【００１８】さらに、本発明による燃焼法は、完全燃焼
を目指した燃焼技術に適用できるだけでなく、ガソリン
エンジン、天然ガスエンジン等の各種熱機関から排出さ
れるガスに含まれている微量の残存不完全燃焼成分の除
去にも適用でき、また、工業用の乾燥設備から生成され
る微量の有機溶剤が気化した臭気を有する気体の脱臭プ
ロセス等にも適用できる。
を目指した燃焼技術に適用できるだけでなく、ガソリン
エンジン、天然ガスエンジン等の各種熱機関から排出さ
れるガスに含まれている微量の残存不完全燃焼成分の除
去にも適用でき、また、工業用の乾燥設備から生成され
る微量の有機溶剤が気化した臭気を有する気体の脱臭プ
ロセス等にも適用できる。
【００１９】
【実施例】本発明による多段階超希薄予混合燃焼法の有
用性を実機において確認すべく、本発明者らは図５に示
す構造の燃焼装置を作製して燃焼試験を行った。以下、
その燃焼試験に基づき本発明を説明する。燃焼試験に用
いた装置は２段階希薄予混合燃焼装置であり、一次旋回
流バーナ１０と燃焼室２０とから構成される。一次旋回
流バーナ１０において一次空気入口１１からの空気と一
次燃料入口１２をからの燃料ガスがスワーラ１３を通り
可燃範囲にある一次予混合気Ｑ1 となり一次燃焼室２１
に安定した予混合火炎を形成して完全燃焼する。一次燃
焼室２２の下流には半径方向に４本の二次予混合気（希
薄予混合気）供給孔３０が設けられ、そこから可燃限界
外にある低温の希薄予混合気が二次予混合気Ｑ2 として
供給される。供給された二次予混合気は、一次燃焼室内
２１での予混合気の燃焼ガスと混合し、二次燃焼室２２
において燃焼する。なお、２３は断熱材である。
用性を実機において確認すべく、本発明者らは図５に示
す構造の燃焼装置を作製して燃焼試験を行った。以下、
その燃焼試験に基づき本発明を説明する。燃焼試験に用
いた装置は２段階希薄予混合燃焼装置であり、一次旋回
流バーナ１０と燃焼室２０とから構成される。一次旋回
流バーナ１０において一次空気入口１１からの空気と一
次燃料入口１２をからの燃料ガスがスワーラ１３を通り
可燃範囲にある一次予混合気Ｑ1 となり一次燃焼室２１
に安定した予混合火炎を形成して完全燃焼する。一次燃
焼室２２の下流には半径方向に４本の二次予混合気（希
薄予混合気）供給孔３０が設けられ、そこから可燃限界
外にある低温の希薄予混合気が二次予混合気Ｑ2 として
供給される。供給された二次予混合気は、一次燃焼室内
２１での予混合気の燃焼ガスと混合し、二次燃焼室２２
において燃焼する。なお、２３は断熱材である。
【００２０】燃焼試験は一次予混合気Ｑ1 の空気比
λ1 、二次予混合気Ｑ2 の空気比λ2 、一次燃焼での供
給空気量ＱA1と二次燃焼での供給空気量ＱA2の比率τ
（すなわち一次燃焼と二次燃焼の燃焼割合）の種々の組
み合わせの下で行い、一次予混合気Ｑ1 の燃焼ガスと二
次予混合気Ｑ2 が反応を伴わないで均一に混合したとき
の混合直後の温度Ｔmix を計算した。その燃焼結果を図
６〜図１１に示す。
λ1 、二次予混合気Ｑ2 の空気比λ2 、一次燃焼での供
給空気量ＱA1と二次燃焼での供給空気量ＱA2の比率τ
（すなわち一次燃焼と二次燃焼の燃焼割合）の種々の組
み合わせの下で行い、一次予混合気Ｑ1 の燃焼ガスと二
次予混合気Ｑ2 が反応を伴わないで均一に混合したとき
の混合直後の温度Ｔmix を計算した。その燃焼結果を図
６〜図１１に示す。
【００２１】なお、すべての図において、横軸は二次予
混合気Ｑ2 の空気比λ2 、左縦軸は二次予混合気Ｑ2 の
燃焼効率、右縦軸はＮＯx の含有量であり、燃焼効率お
よびＮＯx の含有量はいずれも図１の燃焼装置における
燃焼室２０の下流端で測定した値である。図６の場合を
例に取り具体的に説明すると、一次燃焼用の供給空気量
ＱA1＝３３ｍ3 /h、一次燃焼用のガス量ＱG1＝1.８８ｍ
3 /h（空気比1.６）の混合気を一次旋回流バーナ１０で
燃焼させ、一次燃焼室２１に安定した予混合火炎を形成
した。燃焼ガスの温度は約１４００℃であった。二次予
混合気供給孔３０から混合後の温度Ｔmix が約１０５０
℃となるように二次空気量ＱA2＝１4.１ｍ3 /hを供給
し、二次燃焼用ガス量ＱG2を0.６５ｍ3 /h（空気比２）
から０ｍ3 /hまで変化させた。この場合、τ＝７：３と
なる。
混合気Ｑ2 の空気比λ2 、左縦軸は二次予混合気Ｑ2 の
燃焼効率、右縦軸はＮＯx の含有量であり、燃焼効率お
よびＮＯx の含有量はいずれも図１の燃焼装置における
燃焼室２０の下流端で測定した値である。図６の場合を
例に取り具体的に説明すると、一次燃焼用の供給空気量
ＱA1＝３３ｍ3 /h、一次燃焼用のガス量ＱG1＝1.８８ｍ
3 /h（空気比1.６）の混合気を一次旋回流バーナ１０で
燃焼させ、一次燃焼室２１に安定した予混合火炎を形成
した。燃焼ガスの温度は約１４００℃であった。二次予
混合気供給孔３０から混合後の温度Ｔmix が約１０５０
℃となるように二次空気量ＱA2＝１4.１ｍ3 /hを供給
し、二次燃焼用ガス量ＱG2を0.６５ｍ3 /h（空気比２）
から０ｍ3 /hまで変化させた。この場合、τ＝７：３と
なる。
【００２２】図６から、従来完全燃焼は困難であった空
気比λ2 ＝２〜１０の超希薄二次予混合気Ｑ2 がすべて
完全燃焼しており、かつ生成ＮＯｘも１〜２ppm と微量
であり、本発明による多段階超希薄予混合燃焼法が有効
であることが実証される。図７は、二次空気量ＱA2を変
え、τ＝６：４とした場合のグラフである。この場合に
はＴmix は約９３０℃となるが、この場合でも、空気比
λ2 ＝２〜６の範囲では超希薄二次予混合気Ｑ2 は完全
燃焼していることがわかる。より高い空気比（６〜１
２）の場合でもほぼ９０％以上の燃焼効率で燃焼してお
り、ここでも本発明による多段階超希薄予混合燃焼法が
有効であることが実証される。
気比λ2 ＝２〜１０の超希薄二次予混合気Ｑ2 がすべて
完全燃焼しており、かつ生成ＮＯｘも１〜２ppm と微量
であり、本発明による多段階超希薄予混合燃焼法が有効
であることが実証される。図７は、二次空気量ＱA2を変
え、τ＝６：４とした場合のグラフである。この場合に
はＴmix は約９３０℃となるが、この場合でも、空気比
λ2 ＝２〜６の範囲では超希薄二次予混合気Ｑ2 は完全
燃焼していることがわかる。より高い空気比（６〜１
２）の場合でもほぼ９０％以上の燃焼効率で燃焼してお
り、ここでも本発明による多段階超希薄予混合燃焼法が
有効であることが実証される。
【００２３】図８は比較例であり、二次空気量ＱA2を変
え、τ＝５：５とした場合のグラフである。この場合に
はＴmix は約８３０℃となり、空気比λ2 ＝２以上の超
希薄二次予混合気Ｑ2 の燃焼効率は４０％以下であっ
た。すなわち、Ｔmix が８３０℃前後より低い場合には
完全燃焼を達成することができないことがわかる。図９
から図１１は、一次燃焼での供給空気量ＱA1と二次燃焼
での供給空気量Ｑ A2の比率τを６：４に一定とし、一次
予混合気Ｑ1 の空気比λ1 を図９においては1.４、図１
０においては1.６、図１１においては1.８とした場合の
測定結果である。このτ＝６：４の比は前記図７の場合
と同じ設定であるが、その場合であっても、図９の場合
のように一次燃焼用ガスの空気比を1.４と低いものとす
る（すなわち、一次燃焼ガスの温度を約１４００℃とす
る）ことにより、Ｔmix を１０３０℃以上に保つことが
可能となり、その結果二次燃焼での燃焼効率を空気比λ
2 ＝２〜１０の超希薄二次予混合気のすべてについて１
００％とすることが可能となり、かつ生成ＮＯｘも２〜
４ppm と微量であり、ここでも本発明による多段階超希
薄予混合燃焼法が有効であることが実証される。
え、τ＝５：５とした場合のグラフである。この場合に
はＴmix は約８３０℃となり、空気比λ2 ＝２以上の超
希薄二次予混合気Ｑ2 の燃焼効率は４０％以下であっ
た。すなわち、Ｔmix が８３０℃前後より低い場合には
完全燃焼を達成することができないことがわかる。図９
から図１１は、一次燃焼での供給空気量ＱA1と二次燃焼
での供給空気量Ｑ A2の比率τを６：４に一定とし、一次
予混合気Ｑ1 の空気比λ1 を図９においては1.４、図１
０においては1.６、図１１においては1.８とした場合の
測定結果である。このτ＝６：４の比は前記図７の場合
と同じ設定であるが、その場合であっても、図９の場合
のように一次燃焼用ガスの空気比を1.４と低いものとす
る（すなわち、一次燃焼ガスの温度を約１４００℃とす
る）ことにより、Ｔmix を１０３０℃以上に保つことが
可能となり、その結果二次燃焼での燃焼効率を空気比λ
2 ＝２〜１０の超希薄二次予混合気のすべてについて１
００％とすることが可能となり、かつ生成ＮＯｘも２〜
４ppm と微量であり、ここでも本発明による多段階超希
薄予混合燃焼法が有効であることが実証される。
【００２４】図１０は同じ条件のもとで一次予混合気Ｑ
1 の空気比λ1 のみを1.６とした場合であるが、この場
合にはＴmix は約９３０℃となり、空気比λ2 ＝２〜６
の範囲では超希薄二次予混合気Ｑ2 は完全燃焼してお
り、より高い空気比（６〜１２）の場合でもほぼ９０％
以上の燃焼効率で燃焼している。ここでも本発明による
多段階超希薄予混合燃焼法が有効であることが実証され
る。
1 の空気比λ1 のみを1.６とした場合であるが、この場
合にはＴmix は約９３０℃となり、空気比λ2 ＝２〜６
の範囲では超希薄二次予混合気Ｑ2 は完全燃焼してお
り、より高い空気比（６〜１２）の場合でもほぼ９０％
以上の燃焼効率で燃焼している。ここでも本発明による
多段階超希薄予混合燃焼法が有効であることが実証され
る。
【００２５】図１１は比較例であり、同じ条件のもとで
一次予混合気Ｑ1 の空気比λ1 を1.８として場合である
が、この場合にはＴmix は約８４０℃となり、空気比λ
2 ＝２〜３の範囲では超希薄二次予混合気Ｑ2 は完全燃
焼しているものの、より高い空気比（３〜１０）の場合
では燃焼効率は次第に低下して空気比λ2 ＝１０では約
４０％に低下している。この例から、Ｔmix は約８４０
℃程度では二次予混合気の完全燃焼が達せられる空気比
の範囲はきわめて限られたものとなり、発明の目的は十
分には達成されないことがわかる。
一次予混合気Ｑ1 の空気比λ1 を1.８として場合である
が、この場合にはＴmix は約８４０℃となり、空気比λ
2 ＝２〜３の範囲では超希薄二次予混合気Ｑ2 は完全燃
焼しているものの、より高い空気比（３〜１０）の場合
では燃焼効率は次第に低下して空気比λ2 ＝１０では約
４０％に低下している。この例から、Ｔmix は約８４０
℃程度では二次予混合気の完全燃焼が達せられる空気比
の範囲はきわめて限られたものとなり、発明の目的は十
分には達成されないことがわかる。
【００２６】上記の実施例の結果から、本発明による多
段階超希薄予混合燃焼法の実機での有用性は十分に裏付
けられる。
段階超希薄予混合燃焼法の実機での有用性は十分に裏付
けられる。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、従来燃焼不可能と考え
られてきた予混合気、つまり理論的にそれ自信のみでは
燃焼し得ないきわめて希薄な予混合気（例えばメタンの
場合に予熱温度が２５℃では空気比２以上の予混合気）
を完全燃焼させることが可能となる。それにより、トー
タルで非常に高空気比の燃焼が可能な低ＮＯx 燃焼器を
実現することもできる。
られてきた予混合気、つまり理論的にそれ自信のみでは
燃焼し得ないきわめて希薄な予混合気（例えばメタンの
場合に予熱温度が２５℃では空気比２以上の予混合気）
を完全燃焼させることが可能となる。それにより、トー
タルで非常に高空気比の燃焼が可能な低ＮＯx 燃焼器を
実現することもできる。
【図１】多段階希薄燃焼装置の一例を示す説明図。
【図２】混合後の予混合気の割合変化とメタン濃度変化
を示すグラフ。
を示すグラフ。
【図３】予混合気の空気比を変化した場合の混合後の温
度のメタン消失時間との関係を示すグラフ。
度のメタン消失時間との関係を示すグラフ。
【図４】燃料と空気の加圧、予熱条件を変えた場合の混
合後の温度のメタン消失時間との関係を示すグラフ。
合後の温度のメタン消失時間との関係を示すグラフ。
【図５】燃焼試験に用いた燃焼装置の説明図。
【図６】実験結果を示すグラフ（一次空気量と二次空気
量の比λ＝７：３）
量の比λ＝７：３）
【図７】実験結果を示すグラフ（一次空気量と二次空気
量の比λ＝６：４）
量の比λ＝６：４）
【図８】実験結果を示すグラフ（一次空気量と二次空気
量の比λ＝５：５）
量の比λ＝５：５）
【図９】実験結果を示すグラフ（一次燃料の空気比1.
４）
４）
【図１０】実験結果を示すグラフ（一次燃料の空気比1.
６）
６）
【図１１】実験結果を示すグラフ（一次燃料の空気比1.
８）
８）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F23C 11/00 F02M 23/04 F23R 3/26
Claims (2)
- 【請求項１】 前段において燃焼した高温燃焼ガス中に
可燃限界外にある低温の希薄予混合気を混合して燃焼さ
せる多段階超希薄予混合燃焼法であって、該高温の燃焼
ガスと低温の希薄予混合気が反応を伴わないで均一に混
合したときの混合直後の温度が９００℃前後以上となる
ように、前記高温の燃焼ガス中に低温の希薄予混合気を
供給し燃焼させることを特徴とする多段階超希薄予混合
燃焼法。 - 【請求項２】 請求項１記載の燃焼法の結果として得ら
れる燃焼ガス中に、反応を伴わないで均一に混合したと
きの混合直後の温度が９００℃前後以上となるように可
燃限界外にある低温の希薄予混合気を供給し燃焼させる
ことを特徴とする多段階超希薄予混合燃焼法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06565493A JP3153374B2 (ja) | 1993-03-24 | 1993-03-24 | 多段階超希薄予混合燃焼法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06565493A JP3153374B2 (ja) | 1993-03-24 | 1993-03-24 | 多段階超希薄予混合燃焼法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06272811A JPH06272811A (ja) | 1994-09-27 |
| JP3153374B2 true JP3153374B2 (ja) | 2001-04-09 |
Family
ID=13293214
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06565493A Expired - Fee Related JP3153374B2 (ja) | 1993-03-24 | 1993-03-24 | 多段階超希薄予混合燃焼法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3153374B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6049927B1 (ja) * | 2016-02-29 | 2016-12-21 | 株式会社プラモール精工 | スプルーブッシュ及びそのブッシュ部品 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0284707U (ja) * | 1988-12-20 | 1990-07-02 | ||
| JP2528781Y2 (ja) * | 1988-12-26 | 1997-03-12 | 株式会社 ユニシアジェックス | サスペンションシステム |
| DE4129610A1 (de) * | 1991-09-06 | 1993-03-11 | Teves Gmbh Alfred | Niveauregelsystem fuer kraftfahrzeuge |
| JP4655464B2 (ja) * | 2003-09-24 | 2011-03-23 | 日産自動車株式会社 | 燃料改質装置 |
| JP6430339B2 (ja) * | 2015-07-31 | 2018-11-28 | 株式会社エコム | フレームレス燃焼装置 |
-
1993
- 1993-03-24 JP JP06565493A patent/JP3153374B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6049927B1 (ja) * | 2016-02-29 | 2016-12-21 | 株式会社プラモール精工 | スプルーブッシュ及びそのブッシュ部品 |
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| Publication number | Publication date |
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| JPH06272811A (ja) | 1994-09-27 |
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|---|---|---|---|
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