JP3153421B2 - 多段希薄予混合燃焼における不完全燃焼防止方法 - Google Patents
多段希薄予混合燃焼における不完全燃焼防止方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は多段希薄予混合燃焼法に
おける不完全燃焼防止方法に関し、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する多段希薄予混合燃焼
法において、燃焼時に未燃焼成分が排出されるであろう
燃焼環境を早期に検知し、未燃焼成分が排出されないよ
うに運転条件を変更することにより希薄予混合気の不完
全燃焼が生じるのを防止するようにした多段希薄予混合
燃焼法における不完全燃焼防止方法に関する。
おける不完全燃焼防止方法に関し、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する多段希薄予混合燃焼
法において、燃焼時に未燃焼成分が排出されるであろう
燃焼環境を早期に検知し、未燃焼成分が排出されないよ
うに運転条件を変更することにより希薄予混合気の不完
全燃焼が生じるのを防止するようにした多段希薄予混合
燃焼法における不完全燃焼防止方法に関する。
【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、各方面で実用燃焼器の開発
が行われている。予混合燃焼法において低負荷時におけ
るＣＯや未燃炭化水素の排出（いわゆる、未燃焼成分の
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、各方面で実用燃焼器の開発
が行われている。予混合燃焼法において低負荷時におけ
るＣＯや未燃炭化水素の排出（いわゆる、未燃焼成分の
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、大型のガスタービン燃
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。
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、大型のガスタービン燃
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。
【０００４】この解決手段として、本出願人は、燃料ガ
スと空気の予混合ガスを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
（特開平５−２９６４１２号公報、特開平５−３４０５
０８号公報参照）。すなわち、予混合ガス供給は二段に
分割され、一段目には低空気比の予混合ガスを供給して
一次燃焼火炎として安定に燃焼させ、２段目には負荷に
応じて制御される燃料ガスを供給する。その間に２段目
には一定の空気量が供給されていることから、結果とし
て、空気比が1.３〜3.５程度の領域において未燃分の排
出を低い値に抑えたままで低ＮＯx 燃焼が行われる。
スと空気の予混合ガスを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
（特開平５−２９６４１２号公報、特開平５−３４０５
０８号公報参照）。すなわち、予混合ガス供給は二段に
分割され、一段目には低空気比の予混合ガスを供給して
一次燃焼火炎として安定に燃焼させ、２段目には負荷に
応じて制御される燃料ガスを供給する。その間に２段目
には一定の空気量が供給されていることから、結果とし
て、空気比が1.３〜3.５程度の領域において未燃分の排
出を低い値に抑えたままで低ＮＯx 燃焼が行われる。
【０００５】本発明者らは上記形式の燃焼器を用いてさ
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量を低下させていくと、空気比２
０程度（すなわち、燃料濃度が低く燃焼限界を外れてい
るもの）まで燃焼を継続することが可能であること、し
かしながら、その過程において未燃焼成分 (ＣＯや炭化
水素を主成分とする）が排出され、いわゆる不完全燃焼
状態を示すことを知った。すなわち、この種の希薄予混
合燃焼法は、ＮＯx 排出量を大幅に削減できるものの、
特に２段目が高空気比での低負荷燃焼において、ＮＯx
排出量の低減と未燃焼成分の排出抑制を同時に達成でき
る範囲が非常に狭く、そのために、燃焼器の燃焼条件を
監視しながら未燃焼成分の排出を低減した状態での継続
燃焼を行うことのできる燃焼法の開発が必要であること
を知った。
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量を低下させていくと、空気比２
０程度（すなわち、燃料濃度が低く燃焼限界を外れてい
るもの）まで燃焼を継続することが可能であること、し
かしながら、その過程において未燃焼成分 (ＣＯや炭化
水素を主成分とする）が排出され、いわゆる不完全燃焼
状態を示すことを知った。すなわち、この種の希薄予混
合燃焼法は、ＮＯx 排出量を大幅に削減できるものの、
特に２段目が高空気比での低負荷燃焼において、ＮＯx
排出量の低減と未燃焼成分の排出抑制を同時に達成でき
る範囲が非常に狭く、そのために、燃焼器の燃焼条件を
監視しながら未燃焼成分の排出を低減した状態での継続
燃焼を行うことのできる燃焼法の開発が必要であること
を知った。
【０００６】そのために、本発明者らは未燃焼成分発生
の原因について多くの研究を行なった。そこにおいて、
未燃焼成分発生の原因は一次燃焼ガスと希薄な二次予混
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、燃料としてメタンを想定してその一次燃焼ガスの温
度及び組成を求め、この高温の一次燃焼ガスに種々の割
合で希薄な二次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、CHEMKIN の定圧反応計算プログラム
を用いて反応計算を行った。
の原因について多くの研究を行なった。そこにおいて、
未燃焼成分発生の原因は一次燃焼ガスと希薄な二次予混
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、燃料としてメタンを想定してその一次燃焼ガスの温
度及び組成を求め、この高温の一次燃焼ガスに種々の割
合で希薄な二次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、CHEMKIN の定圧反応計算プログラム
を用いて反応計算を行った。
【０００７】それにより、本発明者らは、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℃前後以
上であれば１ｍｓ以内で９０％以上酸化すること、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こ
と、を知った。
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℃前後以
上であれば１ｍｓ以内で９０％以上酸化すること、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こ
と、を知った。
【０００８】本発明者らは、上記の知見を実際の多段希
薄予混合燃焼器における超希薄予混合燃焼法に適用すべ
く多くの実験を行うことにより、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
を混合して反応させる多段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反応させることを特徴と
する多段超希薄予混合燃焼法をすでに提案している（特
願平５−６５６５４号）。
薄予混合燃焼器における超希薄予混合燃焼法に適用すべ
く多くの実験を行うことにより、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
を混合して反応させる多段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反応させることを特徴と
する多段超希薄予混合燃焼法をすでに提案している（特
願平５−６５６５４号）。
【０００９】前記の出願において、燃焼実験は図１に示
す構造の燃焼装置を用いて行った。この燃焼装置は前記
特開平５−２９６４１２号公報あるいは特開平５−３４
０５０８号公報に示された燃焼装置と同様の構造を持つ
２段階希薄予混合燃焼装置であり、一次旋回流バーナ１
０と燃焼室２０とから構成される。一次旋回流バーナ１
０内に一次空気入口１１からの空気ＱA1と一次燃料入口
１２からの燃料ＱG1とが送給され、スワーラ１３を通り
可燃範囲にある一次予混合気Ｑ1 として一次燃焼室２１
に供給されて、そこで安定した予混合火炎を形成して完
全燃焼する。
す構造の燃焼装置を用いて行った。この燃焼装置は前記
特開平５−２９６４１２号公報あるいは特開平５−３４
０５０８号公報に示された燃焼装置と同様の構造を持つ
２段階希薄予混合燃焼装置であり、一次旋回流バーナ１
０と燃焼室２０とから構成される。一次旋回流バーナ１
０内に一次空気入口１１からの空気ＱA1と一次燃料入口
１２からの燃料ＱG1とが送給され、スワーラ１３を通り
可燃範囲にある一次予混合気Ｑ1 として一次燃焼室２１
に供給されて、そこで安定した予混合火炎を形成して完
全燃焼する。
【００１０】一次燃焼室２１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Ｑ2 は、一次燃焼室内２１での一次燃焼ガスと混合
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。
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Ｑ2 は、一次燃焼室内２１での一次燃焼ガスと混合
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。
【００１１】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。その試験結果を図
２〜図７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。その試験結果を図
２〜図７に示す。
【００１２】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、右縦軸は燃焼排ガス中のＮＯx の含有量であ
り、燃焼効率及び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２の場合を例にとり具体的に説明すると、一次燃焼用
の供給空気量ＱA1＝３３ｍ3/h、一次燃焼用の燃料量Ｑ
G1＝1.８８ｍ3/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
合火炎を形成させた。一次燃焼ガスの温度は約１４００
℃であった。二次予混合気供給孔３０から混合後の前記
温度Ｔmix が約１０５０℃となるように二次空気量ＱA2
＝１4.１ｍ 3/hを供給し、二次燃焼用ガス量ＱG2を0.６
５ｍ3/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、右縦軸は燃焼排ガス中のＮＯx の含有量であ
り、燃焼効率及び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２の場合を例にとり具体的に説明すると、一次燃焼用
の供給空気量ＱA1＝３３ｍ3/h、一次燃焼用の燃料量Ｑ
G1＝1.８８ｍ3/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
合火炎を形成させた。一次燃焼ガスの温度は約１４００
℃であった。二次予混合気供給孔３０から混合後の前記
温度Ｔmix が約１０５０℃となるように二次空気量ＱA2
＝１4.１ｍ 3/hを供給し、二次燃焼用ガス量ＱG2を0.６
５ｍ3/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。
【００１３】図２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、前記出願にかかる燃焼法、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多段超希薄予混合燃焼法が有効であ
ることが実証されている。
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、前記出願にかかる燃焼法、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多段超希薄予混合燃焼法が有効であ
ることが実証されている。
【００１４】図３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、二次予混合気Ｑ2 の
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、λ2 ＝６〜１２の場合でもほぼ９
０％以上の燃焼効率で燃焼している。ここでも前記多段
超希薄予混合燃焼法が有効であることが実証される。
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、二次予混合気Ｑ2 の
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、λ2 ＝６〜１２の場合でもほぼ９
０％以上の燃焼効率で燃焼している。ここでも前記多段
超希薄予混合燃焼法が有効であることが実証される。
【００１５】図４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％以下となって
いる。すなわち、Ｔmix が８３０℃前後より低い場合に
は、二次予混合気Ｑ2 は完全燃焼を達成することができ
ないことを示している。
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％以下となって
いる。すなわち、Ｔmix が８３０℃前後より低い場合に
は、二次予混合気Ｑ2 は完全燃焼を達成することができ
ないことを示している。
【００１６】図５から図７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ＱA2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５におい
ては1.４、図６においては1.６、図７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３の場合と同じ設定であるが、その場合であっても、
図５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１６
００℃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λ2 ＝２〜１０の超希薄二次予混合気のすべて
について１００％とすることが可能となり、かつ生成Ｎ
Ｏｘも５〜１０ppm と微量であり、ここでも前記多段超
希薄予混合燃焼法が有効であることが実証される。
ＱA1と二次燃焼での供給空気量ＱA2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５におい
ては1.４、図６においては1.６、図７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３の場合と同じ設定であるが、その場合であっても、
図５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１６
００℃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λ2 ＝２〜１０の超希薄二次予混合気のすべて
について１００％とすることが可能となり、かつ生成Ｎ
Ｏｘも５〜１０ppm と微量であり、ここでも前記多段超
希薄予混合燃焼法が有効であることが実証される。
【００１７】図６は同じ条件のもとで一次予混合気Ｑ1
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。ここでも前記多段超希薄予
混合燃焼法が有効であることが実証される。
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。ここでも前記多段超希薄予
混合燃焼法が有効であることが実証される。
【００１８】図７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とした場合である
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、目的は十分には
達成されないことがわかる。
次予混合気Ｑ1 の空気比λ1 を1.８とした場合である
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、目的は十分には
達成されないことがわかる。
【００１９】上記多段超希薄予混合燃焼法によれば、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
にそれ自身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、非常に高い空気比の燃焼が可能な低Ｎ
Ｏx 燃焼器を実現することもできる。
来燃焼不可能と考えられてきた予混合気、つまり理論的
にそれ自身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、非常に高い空気比の燃焼が可能な低Ｎ
Ｏx 燃焼器を実現することもできる。
【００２０】
【発明が解決しようとする技術課題】上記のように、先
の出願にかかる多段希薄予混合燃焼法によれば、燃料と
してメタンを主成分とする燃料を用い、燃焼器内での一
次燃焼ガスと二次予混合気と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９００℃前後以
上となるように一次燃焼ガス中に二次予混合気を供給し
燃焼させることにより、低ＮＯx でかつ未燃焼成分の排
出のない完全燃焼が達成される。
の出願にかかる多段希薄予混合燃焼法によれば、燃料と
してメタンを主成分とする燃料を用い、燃焼器内での一
次燃焼ガスと二次予混合気と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９００℃前後以
上となるように一次燃焼ガス中に二次予混合気を供給し
燃焼させることにより、低ＮＯx でかつ未燃焼成分の排
出のない完全燃焼が達成される。
【００２１】上記の燃焼法を実際の希薄予混合燃焼器に
適用して運転する場合に、負荷変動により燃焼器の運転
条件に変更が求められる場合であっても、前記温度Ｔmi
x を所定の温度例えば９００℃前後以上となるように常
に制御することが必要とされる。温度Ｔmix が継続して
維持されない場合にはそこに不完全燃焼が生じることと
なる。
適用して運転する場合に、負荷変動により燃焼器の運転
条件に変更が求められる場合であっても、前記温度Ｔmi
x を所定の温度例えば９００℃前後以上となるように常
に制御することが必要とされる。温度Ｔmix が継続して
維持されない場合にはそこに不完全燃焼が生じることと
なる。
【００２２】本発明の目的は、先の出願による多段希薄
予混合燃焼法を実際の燃焼器に適用する際に、負荷変動
などが生じた場合であっても常に前記温度Ｔmix が維持
されるようにその運転条件を随時変更することにより不
完全燃焼が生じるのを防止するようにした多段希薄予混
合燃焼における不完全燃焼防止方法を提供することにあ
る。
予混合燃焼法を実際の燃焼器に適用する際に、負荷変動
などが生じた場合であっても常に前記温度Ｔmix が維持
されるようにその運転条件を随時変更することにより不
完全燃焼が生じるのを防止するようにした多段希薄予混
合燃焼における不完全燃焼防止方法を提供することにあ
る。
【００２３】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による多段希薄予混合燃焼における不完全燃
焼防止方法は、基本的に、前段での燃焼により生じた一
次燃焼ガスに次段において可燃限界外の希薄な二次予混
合気を混合して反応させる多段希薄予混合燃焼法におけ
る不完全燃焼防止方法であって、あらかじめ、当該燃焼
器について燃焼器出口からの未燃焼成分排出開始前後に
おける燃焼器内での前記一次燃焼ガスと二次予混合気と
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Ｋを求めておき、実際の運転において、一次空気の供
給量、一次燃料の供給量、一次空気の予熱温度、及び、
二次空気の供給量、二次燃料の供給量、二次空気の予熱
温度を測定し、そこから、その条件における前記混合気
の温度Ｔmix を次式、 但し、Ｈ1 (J/kg)：一次燃料の単位質量当たりの発熱量
（２５℃基準） ｍg1(kg/h)：一次燃料の質量流量 ｍa1(kg/h)：一次空気の質量流量 ｍg2(kg/h)：二次燃料の質量流量 ｍa2(kg/h)：二次空気の質量流量 Ｔa1（℃) ：一次空気の予熱温度 Ｔa2（℃) ：二次空気の予熱温度 CaT1 (J/kg℃) ：空気の温度Ｔa1における平均比熱（２
５℃基準） CaT2 (J/kg℃) ：空気の温度Ｔa2における平均比熱（２
５℃基準） CmixTmix (J/kg℃) ：一次燃焼ガスと二次予混合気を反
応を伴わずに均一に混合してできた混合気の温度Ｔmix
における平均比熱（２５℃基準） で算出し、温度Ｋと温度Ｔmix を比較し、温度Ｋ＞温度
Ｔmix であってかつ二次予混合気中に燃料が供給されて
いる場合には、温度Ｋ≦温度Ｔmix となるように運転条
件を変更することを特徴とする不完全燃焼防止方法、を
開示する。
めの本発明による多段希薄予混合燃焼における不完全燃
焼防止方法は、基本的に、前段での燃焼により生じた一
次燃焼ガスに次段において可燃限界外の希薄な二次予混
合気を混合して反応させる多段希薄予混合燃焼法におけ
る不完全燃焼防止方法であって、あらかじめ、当該燃焼
器について燃焼器出口からの未燃焼成分排出開始前後に
おける燃焼器内での前記一次燃焼ガスと二次予混合気と
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Ｋを求めておき、実際の運転において、一次空気の供
給量、一次燃料の供給量、一次空気の予熱温度、及び、
二次空気の供給量、二次燃料の供給量、二次空気の予熱
温度を測定し、そこから、その条件における前記混合気
の温度Ｔmix を次式、 但し、Ｈ1 (J/kg)：一次燃料の単位質量当たりの発熱量
（２５℃基準） ｍg1(kg/h)：一次燃料の質量流量 ｍa1(kg/h)：一次空気の質量流量 ｍg2(kg/h)：二次燃料の質量流量 ｍa2(kg/h)：二次空気の質量流量 Ｔa1（℃) ：一次空気の予熱温度 Ｔa2（℃) ：二次空気の予熱温度 CaT1 (J/kg℃) ：空気の温度Ｔa1における平均比熱（２
５℃基準） CaT2 (J/kg℃) ：空気の温度Ｔa2における平均比熱（２
５℃基準） CmixTmix (J/kg℃) ：一次燃焼ガスと二次予混合気を反
応を伴わずに均一に混合してできた混合気の温度Ｔmix
における平均比熱（２５℃基準） で算出し、温度Ｋと温度Ｔmix を比較し、温度Ｋ＞温度
Ｔmix であってかつ二次予混合気中に燃料が供給されて
いる場合には、温度Ｋ≦温度Ｔmix となるように運転条
件を変更することを特徴とする不完全燃焼防止方法、を
開示する。
【００２４】温度Ｋ＞温度Ｔmix で二次予混合気中に燃
料が供給されている場合での運転条件の変更の具体的手
法としては、一次燃料の質量流量ｍg1を増加すること、
一次空気の質量流量ｍa1を減少すること及び／又は一次
空気の温度Ｔa1を上昇させること、二次空気の質量流量
ｍa2を減少すること及び／又は二次空気の温度Ｔa2を上
昇させること、などにより有効に行うことができる。
料が供給されている場合での運転条件の変更の具体的手
法としては、一次燃料の質量流量ｍg1を増加すること、
一次空気の質量流量ｍa1を減少すること及び／又は一次
空気の温度Ｔa1を上昇させること、二次空気の質量流量
ｍa2を減少すること及び／又は二次空気の温度Ｔa2を上
昇させること、などにより有効に行うことができる。
【００２５】本発明において前記温度Ｋは一定でなく使
用する燃料の種類及び燃焼器の種類によって変化する。
１次燃料及び２次燃料がメタンを主成分とする燃料であ
る場合には、温度Ｋを９００℃としてあらかじめ設定し
ておくことも可能である。本発明はまた、燃焼器の負荷
変動に対して、低負荷時には二次予混合気中に燃料を供
給せず、一次予混合気中の燃料流量を増加させることに
より負荷の上昇に対応し、温度Ｋ≦温度Ｔmix となった
時点から二次予混合気中に燃料を供給し、その流量を増
加させることで負荷の上昇に対応することを特徴とする
請求項１記載の不完全燃焼防止方法を用いた多段希薄予
混合燃焼器の燃焼制御方法をも開示している。
用する燃料の種類及び燃焼器の種類によって変化する。
１次燃料及び２次燃料がメタンを主成分とする燃料であ
る場合には、温度Ｋを９００℃としてあらかじめ設定し
ておくことも可能である。本発明はまた、燃焼器の負荷
変動に対して、低負荷時には二次予混合気中に燃料を供
給せず、一次予混合気中の燃料流量を増加させることに
より負荷の上昇に対応し、温度Ｋ≦温度Ｔmix となった
時点から二次予混合気中に燃料を供給し、その流量を増
加させることで負荷の上昇に対応することを特徴とする
請求項１記載の不完全燃焼防止方法を用いた多段希薄予
混合燃焼器の燃焼制御方法をも開示している。
【００２６】上記の不完全燃焼防止方法を実施するに際
して、Ｔmix の算出は図９にそのフローチャートを示す
ように、先ずある値のＴmix を仮定値としてCmixTmixを
求め、そのCmixTmixを用いてＴmix を算出し仮定値と比
べるという繰り返し計算が必要とされる。その煩雑さ避
け制御装置の簡易化と処理時間の短縮を可能とするもの
として、本発明は発熱量を基準値とした次の方法をも開
示する。
して、Ｔmix の算出は図９にそのフローチャートを示す
ように、先ずある値のＴmix を仮定値としてCmixTmixを
求め、そのCmixTmixを用いてＴmix を算出し仮定値と比
べるという繰り返し計算が必要とされる。その煩雑さ避
け制御装置の簡易化と処理時間の短縮を可能とするもの
として、本発明は発熱量を基準値とした次の方法をも開
示する。
【００２７】すなわち、その方法は、前記の多段希薄予
混合燃焼における不完全燃焼防止方法において、実際の
運転において、一次空気の供給量、一次燃料の供給量、
一次空気の予熱温度、及び、二次空気の供給量、二次燃
料の供給量、二次空気の予熱温度を測定し、そこから、
その条件における、二次予混合気の反応による発熱を無
視した場合の燃焼器への入熱量Ｈinと、一次燃焼ガスと
二次予混合気とが反応を伴わないで均一に混合してでき
た混合気の前記温度Ｋにおける保有熱量Ｈmixを式
（Ｂ）、（Ｃ）によって算出し、熱量Ｈmix と熱量Ｈin
とを比較し、熱量Ｈmix ＞熱量Ｈinであってかつ二次予
混合気中に燃料が供給されている場合には、熱量Ｈmix
≦熱量Ｈinとなるように運転条件を変更することを特徴
とする。
混合燃焼における不完全燃焼防止方法において、実際の
運転において、一次空気の供給量、一次燃料の供給量、
一次空気の予熱温度、及び、二次空気の供給量、二次燃
料の供給量、二次空気の予熱温度を測定し、そこから、
その条件における、二次予混合気の反応による発熱を無
視した場合の燃焼器への入熱量Ｈinと、一次燃焼ガスと
二次予混合気とが反応を伴わないで均一に混合してでき
た混合気の前記温度Ｋにおける保有熱量Ｈmixを式
（Ｂ）、（Ｃ）によって算出し、熱量Ｈmix と熱量Ｈin
とを比較し、熱量Ｈmix ＞熱量Ｈinであってかつ二次予
混合気中に燃料が供給されている場合には、熱量Ｈmix
≦熱量Ｈinとなるように運転条件を変更することを特徴
とする。
【００２８】式（Ｂ） Ｈin＝H1×mg1＋CaT1×(Ta1-2
5)×ma1＋CaT2×(Ta2-25)×ma2 式（Ｃ） Ｈmix＝CmixK×(K-25)×(ma1＋mg1＋ma2＋mg
2) 但し、Ｈ1 (J/kg)：一次燃料の単位質量当たりの発熱量
（２５℃基準） ｍg1(kg/h)：一次燃料の質量流量 ｍa1(kg/h)：一次空気の質量流量 ｍg2(kg/h)：二次燃料の質量流量 ｍa2(kg/h)：二次空気の質量流量 Ｔa1（℃) ：一次空気の予熱温度 Ｔa2（℃) ：二次空気の予熱温度 CaT1 (J/kg℃) ：空気の温度Ｔa1における平均比熱（２
５℃基準） CaT2 (J/kg℃) ：空気の温度Ｔa2における平均比熱（２
５℃基準） CmixK (J/kg℃) ：一次燃焼ガスと二次予混合気が反応
を伴わないで均一に混合してできた混合気の温度Ｋにお
ける平均比熱（２５℃基準） この方法においても、熱量Ｈmix ＞熱量Ｈinで二次予混
合気中に燃料が供給されている場合での運転条件の変更
の具体的手段は、温度Ｋと温度Ｔmix を比較する先の不
完全燃焼防止方法の場合と同様な手段を用いることがで
きる。さらに、１次燃料及び２次燃料がメタンを主成分
とする燃料である場合には、温度Ｋを９００℃としてあ
らかじめ設定しておくこと、燃焼器の負荷変動に対し
て、低負荷時には二次予混合気中に燃料を供給せず、一
次予混合気中の燃料流量を増加させることにより負荷の
上昇に対応し、熱量Ｈmix ≦熱量Ｈinとなった時点から
二次予混合気中に燃料を供給し、その流量を増加させる
ことで負荷の上昇に対応するようにすること、なども発
明の一態様である。
5)×ma1＋CaT2×(Ta2-25)×ma2 式（Ｃ） Ｈmix＝CmixK×(K-25)×(ma1＋mg1＋ma2＋mg
2) 但し、Ｈ1 (J/kg)：一次燃料の単位質量当たりの発熱量
（２５℃基準） ｍg1(kg/h)：一次燃料の質量流量 ｍa1(kg/h)：一次空気の質量流量 ｍg2(kg/h)：二次燃料の質量流量 ｍa2(kg/h)：二次空気の質量流量 Ｔa1（℃) ：一次空気の予熱温度 Ｔa2（℃) ：二次空気の予熱温度 CaT1 (J/kg℃) ：空気の温度Ｔa1における平均比熱（２
５℃基準） CaT2 (J/kg℃) ：空気の温度Ｔa2における平均比熱（２
５℃基準） CmixK (J/kg℃) ：一次燃焼ガスと二次予混合気が反応
を伴わないで均一に混合してできた混合気の温度Ｋにお
ける平均比熱（２５℃基準） この方法においても、熱量Ｈmix ＞熱量Ｈinで二次予混
合気中に燃料が供給されている場合での運転条件の変更
の具体的手段は、温度Ｋと温度Ｔmix を比較する先の不
完全燃焼防止方法の場合と同様な手段を用いることがで
きる。さらに、１次燃料及び２次燃料がメタンを主成分
とする燃料である場合には、温度Ｋを９００℃としてあ
らかじめ設定しておくこと、燃焼器の負荷変動に対し
て、低負荷時には二次予混合気中に燃料を供給せず、一
次予混合気中の燃料流量を増加させることにより負荷の
上昇に対応し、熱量Ｈmix ≦熱量Ｈinとなった時点から
二次予混合気中に燃料を供給し、その流量を増加させる
ことで負荷の上昇に対応するようにすること、なども発
明の一態様である。
【００２９】
【実施例】以下、実施例に基づき本発明をより詳細に説
明する。図８は本発明による多段希薄予混合燃焼におけ
る不完全燃焼防止方法を実施するための制御システムを
示す概略説明図であり、図９は温度Ｋと温度Ｔmix を比
較する態様におけるそのフローチャートである。
明する。図８は本発明による多段希薄予混合燃焼におけ
る不完全燃焼防止方法を実施するための制御システムを
示す概略説明図であり、図９は温度Ｋと温度Ｔmix を比
較する態様におけるそのフローチャートである。
【００３０】図８において、１００は二段希薄予混合燃
焼器であり図１に示したものと同様の燃焼器が用いら
れ、その燃焼態様も図１に示した燃焼器の場合と同様で
ある。すなわち、一次予混合気Ｑ1 は一次予混合気供給
口１０ａから供給され、そこで安定した予混合火炎を形
成して完全燃焼する。一方、可燃限界外にある低温の二
次予混合気Ｑ2 は二次予混合気供給口３０から供給さ
れ、一次予混合気Ｑ1 の一次燃焼ガスと混合し、反応す
る。
焼器であり図１に示したものと同様の燃焼器が用いら
れ、その燃焼態様も図１に示した燃焼器の場合と同様で
ある。すなわち、一次予混合気Ｑ1 は一次予混合気供給
口１０ａから供給され、そこで安定した予混合火炎を形
成して完全燃焼する。一方、可燃限界外にある低温の二
次予混合気Ｑ2 は二次予混合気供給口３０から供給さ
れ、一次予混合気Ｑ1 の一次燃焼ガスと混合し、反応す
る。
【００３１】本発明において、二段希薄予混合燃焼器１
００には不完全燃焼を防止するための制御システムが燃
料及び空気供給ラインに設けられる。すなわち、一次空
気ＱA1の供給路５０には、流量調節弁５１の下流側に流
量計５２、空気予熱器５３、温度センサ５４が順次配置
され、また、一次燃料ＱG1の供給路６０には、流量調節
弁６１の下流に流量計６２が配置されている。そして、
供給路５０を通る一次空気ＱA1と供給路６０を通る一次
燃料ＱG1とは一体となって一次予混合気Ｑ1 とされる。
００には不完全燃焼を防止するための制御システムが燃
料及び空気供給ラインに設けられる。すなわち、一次空
気ＱA1の供給路５０には、流量調節弁５１の下流側に流
量計５２、空気予熱器５３、温度センサ５４が順次配置
され、また、一次燃料ＱG1の供給路６０には、流量調節
弁６１の下流に流量計６２が配置されている。そして、
供給路５０を通る一次空気ＱA1と供給路６０を通る一次
燃料ＱG1とは一体となって一次予混合気Ｑ1 とされる。
【００３２】同様に、二次空気ＱA2の供給路７０には、
流量調節弁７１の下流側に流量計７２、空気予熱器７
３、温度センサ７４が順次配置され、また、二次燃料Ｑ
G2の供給路８０には、流量調節弁８１の下流に流量計８
２が配置されている。そして、供給路７０を通る二次空
気ＱA2と供給路８０を通る二次燃料ＱG2とは一体となっ
て二次予混合気Ｑ2 とされる。
流量調節弁７１の下流側に流量計７２、空気予熱器７
３、温度センサ７４が順次配置され、また、二次燃料Ｑ
G2の供給路８０には、流量調節弁８１の下流に流量計８
２が配置されている。そして、供給路７０を通る二次空
気ＱA2と供給路８０を通る二次燃料ＱG2とは一体となっ
て二次予混合気Ｑ2 とされる。
【００３３】９０は制御装置であり、各流量計、温度セ
ンサからのデータが入力されると共に、後記するよう
に、温度Ｔmix の算出を行うとともに、各流量調整弁、
空気予熱器に制御信号を出力する。すなわち、一次空気
ＱA1の供給量は質量流量ｍa1(kg/h)として流量計５２に
より計測され、また空気予熱器５３通過後の予熱温度Ｔ
a1（℃) が温度センサ５４により計測される。一次燃料
ＱG1の供給量も質量流量ｍg1(kg/h)として流量計６２に
より計測される。同様に、二次空気ＱA2の供給量は質量
流量ｍa2(kg/h)として流量計７２により計測され、空気
予熱器５３通過後の予熱温度Ｔa2（℃) が温度センサ７
４により計測される。二次燃料ＱG2の供給量も質量流量
ｍg2(kg/h)として流量計８２により計測される。
ンサからのデータが入力されると共に、後記するよう
に、温度Ｔmix の算出を行うとともに、各流量調整弁、
空気予熱器に制御信号を出力する。すなわち、一次空気
ＱA1の供給量は質量流量ｍa1(kg/h)として流量計５２に
より計測され、また空気予熱器５３通過後の予熱温度Ｔ
a1（℃) が温度センサ５４により計測される。一次燃料
ＱG1の供給量も質量流量ｍg1(kg/h)として流量計６２に
より計測される。同様に、二次空気ＱA2の供給量は質量
流量ｍa2(kg/h)として流量計７２により計測され、空気
予熱器５３通過後の予熱温度Ｔa2（℃) が温度センサ７
４により計測される。二次燃料ＱG2の供給量も質量流量
ｍg2(kg/h)として流量計８２により計測される。
【００３４】それらの計測データを基に制御装置９０は
次式（Ａ）により燃焼器Ｃ内での一次燃焼ガスと二次予
混合気と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 を算出する。算出に際しては、先ずあ
る値のＴmix を仮定値として立ててCmixTmixを求め、そ
のCmixTmixを用いてＴmix を算出し仮定値と比べるとい
う繰り返し計算を行い、最終的なＴmix を算出する。式
（Ａ） 但し、Ｈ1 は一次燃料の単位質量当たりの発熱量(J/kg)
（２５℃基準）であり、ＣaT1 は空気の温度Ｔa1におけ
る平均比熱(J/kg ℃)(２５℃基準）、ＣaT2 は空気の温
度Ｔa2における平均比熱(J/kg ℃)(２５℃基準）、Cmix
Tmixは一次燃焼ガスと二次予混合気を反応を伴わずに均
一に混合してできた混合気の温度Ｔmixにおける平均比
熱(J/kg ℃)(２５℃基準）を表している。
次式（Ａ）により燃焼器Ｃ内での一次燃焼ガスと二次予
混合気と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 を算出する。算出に際しては、先ずあ
る値のＴmix を仮定値として立ててCmixTmixを求め、そ
のCmixTmixを用いてＴmix を算出し仮定値と比べるとい
う繰り返し計算を行い、最終的なＴmix を算出する。式
（Ａ） 但し、Ｈ1 は一次燃料の単位質量当たりの発熱量(J/kg)
（２５℃基準）であり、ＣaT1 は空気の温度Ｔa1におけ
る平均比熱(J/kg ℃)(２５℃基準）、ＣaT2 は空気の温
度Ｔa2における平均比熱(J/kg ℃)(２５℃基準）、Cmix
Tmixは一次燃焼ガスと二次予混合気を反応を伴わずに均
一に混合してできた混合気の温度Ｔmixにおける平均比
熱(J/kg ℃)(２５℃基準）を表している。
【００３５】実際の燃焼器について燃焼実験を行い、あ
らかじめ、当該燃焼器について燃焼器出口からの未燃焼
成分排出開始前後における、燃焼器内での前記一次燃焼
ガスと二次予混合気と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Ｋを、前記流量計及び温度セン
サからの計測信号に基づき、その時の一次空気の供給
量、一次燃料の供給量、一次空気の予熱温度、及び、二
次空気の供給量、二次燃料の供給量、二次空気の予熱温
度を測定し、前記式（Ａ）から求めておく（この温度Ｋ
が燃焼器の運転条件にかかわらずほぼ一定であることは
前述した通りであり、より詳細には先に示した本出願人
の出願にかかる特願平５−６５６５４号に開示され
る）。１次燃料及び２次燃料がメタンを主成分とする燃
料である場合には、温度Ｋはほぼ９００℃となる。
らかじめ、当該燃焼器について燃焼器出口からの未燃焼
成分排出開始前後における、燃焼器内での前記一次燃焼
ガスと二次予混合気と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Ｋを、前記流量計及び温度セン
サからの計測信号に基づき、その時の一次空気の供給
量、一次燃料の供給量、一次空気の予熱温度、及び、二
次空気の供給量、二次燃料の供給量、二次空気の予熱温
度を測定し、前記式（Ａ）から求めておく（この温度Ｋ
が燃焼器の運転条件にかかわらずほぼ一定であることは
前述した通りであり、より詳細には先に示した本出願人
の出願にかかる特願平５−６５６５４号に開示され
る）。１次燃料及び２次燃料がメタンを主成分とする燃
料である場合には、温度Ｋはほぼ９００℃となる。
【００３６】次に、当該燃焼器の実際の継続運転を行
う。その運転中に、常時リアルタイムであるいは一定時
間毎に、前記流量計及び温度センサからの計測信号に基
づき、温度Ｔmix を前記したようにして算出し、制御装
置は温度Ｋと温度Ｔmix を比較する。すでに説明したよ
うに、温度Ｋはその燃焼器において二次予混合気中の二
次燃料ＱG2が不完全燃焼を起こして未燃焼成分が排出さ
れる前後の温度であり、温度Ｋ＞温度Ｔmix である場合
にはその運転条件では不完全燃焼が生じていることを示
している。
う。その運転中に、常時リアルタイムであるいは一定時
間毎に、前記流量計及び温度センサからの計測信号に基
づき、温度Ｔmix を前記したようにして算出し、制御装
置は温度Ｋと温度Ｔmix を比較する。すでに説明したよ
うに、温度Ｋはその燃焼器において二次予混合気中の二
次燃料ＱG2が不完全燃焼を起こして未燃焼成分が排出さ
れる前後の温度であり、温度Ｋ＞温度Ｔmix である場合
にはその運転条件では不完全燃焼が生じていることを示
している。
【００３７】従って、温度Ｋ＞温度Ｔmix となったとき
に、温度Ｋ≦温度Ｔmix となるように運転条件を変更す
るような回復措置を講じる。それにより、未燃焼成分の
排出は回避され二次予混合気中の二次燃料ＱG2の完全燃
焼状態が回復する。温度Ｋ＞温度Ｔmix の運転状態とな
ったときに制御装置は何らかの警告信号、例えば、光あ
るいは音による信号を発して運転者に注意を促し、運転
者が必要な回復措置を取るようにしてもよく、あるいは
制御装置からの制御信号により、自動的に回復措置が図
られるようにしてもよい。
に、温度Ｋ≦温度Ｔmix となるように運転条件を変更す
るような回復措置を講じる。それにより、未燃焼成分の
排出は回避され二次予混合気中の二次燃料ＱG2の完全燃
焼状態が回復する。温度Ｋ＞温度Ｔmix の運転状態とな
ったときに制御装置は何らかの警告信号、例えば、光あ
るいは音による信号を発して運転者に注意を促し、運転
者が必要な回復措置を取るようにしてもよく、あるいは
制御装置からの制御信号により、自動的に回復措置が図
られるようにしてもよい。
【００３８】回復措置の具体的方法は式（Ａ）におい
て、その右辺の値が増大する方法が適宜選択して用いら
れる。式（Ａ）から明らかなように、これには、一次燃
料の質量流量ｍg1を増加する方法（この場合には、制御
装置９０は一次燃料ＱG1の供給路６０の流量調整弁６１
に対して開度を大きくする信号を発するようにする）、
一次空気の質量流量ｍa1を減少すること及び／又は一次
空気の温度Ｔa1を上昇させることにより行う方法（この
場合には、制御装置９０は一次空気ＱA1供給路５０の流
量調整弁５１に対して開度を小さくする信号を発する
か、空気予熱器５３の容量を増大する信号を発するか、
双方の信号を同時に発する）、さらには、二次空気の質
量流量ｍa2を減少すること及び／又は二次空気の温度Ｔ
a2を上昇させることにより行うこと方法（この場合に
は、制御装置９０は二次空気ＱA2供給路７０の流量調整
弁７１に対して開度を小さくする信号を発するか、空気
予熱器７３の容量を増大する信号を発するか、双方の信
号を同時に発する）、などが選択的にあるいは同時に実
行される。図９はその一例を示すフローチャートであ
る。
て、その右辺の値が増大する方法が適宜選択して用いら
れる。式（Ａ）から明らかなように、これには、一次燃
料の質量流量ｍg1を増加する方法（この場合には、制御
装置９０は一次燃料ＱG1の供給路６０の流量調整弁６１
に対して開度を大きくする信号を発するようにする）、
一次空気の質量流量ｍa1を減少すること及び／又は一次
空気の温度Ｔa1を上昇させることにより行う方法（この
場合には、制御装置９０は一次空気ＱA1供給路５０の流
量調整弁５１に対して開度を小さくする信号を発する
か、空気予熱器５３の容量を増大する信号を発するか、
双方の信号を同時に発する）、さらには、二次空気の質
量流量ｍa2を減少すること及び／又は二次空気の温度Ｔ
a2を上昇させることにより行うこと方法（この場合に
は、制御装置９０は二次空気ＱA2供給路７０の流量調整
弁７１に対して開度を小さくする信号を発するか、空気
予熱器７３の容量を増大する信号を発するか、双方の信
号を同時に発する）、などが選択的にあるいは同時に実
行される。図９はその一例を示すフローチャートであ
る。
【００３９】そのような回復措置の結果、温度Ｔmix は
上昇し、温度Ｋ≦温度Ｔmix の状態となり、不完全燃焼
は防止される。次に、図１０〜図１４を参照しつつ、各
回復措置を採用する場合の具体例について説明する。図
１０はメタンを主成分とする燃料を用いた場合におけ
る、一次燃料の質量流量ｍg1を変化させる場合の例であ
り、一次空気の質量流量ｍa1と二次空気の質量流量ｍa2
を４２(kg/h)とし、二次燃料の質量流量ｍg2を0.２５(k
g/h)として、一次燃料の質量流量ｍg1を変化させた場合
での、温度Ｔmix と二次予混合気の燃焼効率C.E.との関
係を示している。温度Ｔmix が低温の場合には二次予混
合気の燃焼効率C.E.は悪い、すなわち、二次燃料の一部
は未燃焼成分として排出されているが、一次燃料の質量
流量ｍg1が増加して温度Ｔmix を上昇させるに従い燃焼
効率C.E.は向上し、温度Ｔmix がほぼ９００℃の時点で
ほぼ９５％となり、不完全燃焼が実質的に回避されたこ
とを示している。
上昇し、温度Ｋ≦温度Ｔmix の状態となり、不完全燃焼
は防止される。次に、図１０〜図１４を参照しつつ、各
回復措置を採用する場合の具体例について説明する。図
１０はメタンを主成分とする燃料を用いた場合におけ
る、一次燃料の質量流量ｍg1を変化させる場合の例であ
り、一次空気の質量流量ｍa1と二次空気の質量流量ｍa2
を４２(kg/h)とし、二次燃料の質量流量ｍg2を0.２５(k
g/h)として、一次燃料の質量流量ｍg1を変化させた場合
での、温度Ｔmix と二次予混合気の燃焼効率C.E.との関
係を示している。温度Ｔmix が低温の場合には二次予混
合気の燃焼効率C.E.は悪い、すなわち、二次燃料の一部
は未燃焼成分として排出されているが、一次燃料の質量
流量ｍg1が増加して温度Ｔmix を上昇させるに従い燃焼
効率C.E.は向上し、温度Ｔmix がほぼ９００℃の時点で
ほぼ９５％となり、不完全燃焼が実質的に回避されたこ
とを示している。
【００４０】図１１はメタンを主成分とする燃料を用い
た場合における、二次空気の質量流量ｍa2を変化させる
場合の例である。ここでは、一次空気の質量流量ｍa1を
４２(kg/h)とし、一次燃料の質量流量ｍg1を1.８(kg/
h)、二次燃料の質量流量ｍg2を0.２５(kg/h)として、二
次空気の質量流量ｍa2を変化させた場合である。二次空
気の質量流量ｍa2が少ない場合には温度Ｔmix も高い温
度を維持することができ、高い燃焼効率を保持している
が、二次空気の質量流量ｍa2が増大して温度Ｔmix が９
００℃よりも低い温度になるにつれて二次予混合気の燃
焼効率C.E.は大きく低下していくことが分かる。
た場合における、二次空気の質量流量ｍa2を変化させる
場合の例である。ここでは、一次空気の質量流量ｍa1を
４２(kg/h)とし、一次燃料の質量流量ｍg1を1.８(kg/
h)、二次燃料の質量流量ｍg2を0.２５(kg/h)として、二
次空気の質量流量ｍa2を変化させた場合である。二次空
気の質量流量ｍa2が少ない場合には温度Ｔmix も高い温
度を維持することができ、高い燃焼効率を保持している
が、二次空気の質量流量ｍa2が増大して温度Ｔmix が９
００℃よりも低い温度になるにつれて二次予混合気の燃
焼効率C.E.は大きく低下していくことが分かる。
【００４１】図１２〜図１４は上記した多段希薄予混合
燃焼における不完全燃焼防止方法を実際の二段希薄燃焼
器に用いて運転する場合の他の例を示しており、図１２
は温度Ｔmix の変化、図１３は二次予混合気の燃焼効率
C.E.の変化、図１４はＮＯxの変化をそれぞれ示してい
る。各図において、Ａ〜Ｆの各点での燃焼条件は以下の
通りである。
燃焼における不完全燃焼防止方法を実際の二段希薄燃焼
器に用いて運転する場合の他の例を示しており、図１２
は温度Ｔmix の変化、図１３は二次予混合気の燃焼効率
C.E.の変化、図１４はＮＯxの変化をそれぞれ示してい
る。各図において、Ａ〜Ｆの各点での燃焼条件は以下の
通りである。
【００４２】 ma1(kg/h) mg1(kg/h) ma2(kg/h) mg2(kg/h) 条件Ａ 42 1.57(λ＝1.6) 42 0 条件Ｂ 42 1.57(λ＝1.6) 42 0.23(λ＝11) 条件Ｃ 42 1.80(λ＝1.4) 42 0 条件Ｄ 42 2.10(λ＝1.2) 42 0 条件Ｅ 42 1.80(λ＝1.4) 42 0.30(λ＝8.4) 条件Ｆ 42 1.80(λ＝1.4) 42 1.26(λ＝2.0) すなわち、この例では低負荷の状態では燃焼器は条件Ａ
で運転される。その時の温度Ｔmix はＴmix ＜９００℃
となっている。負荷の上昇のために、二次予混合気中の
燃料流量ｍg2を増加させ条件Ｂにしようとすると、図１
２に示すように温度Ｔmix ＜９００℃であるために未燃
焼成分（ＣＯや未燃炭化水素）が排出され図１３Ｂ点の
ように燃焼効率C.E.は低下する。そこで、このような低
負荷条件では二次予混合気中に燃料を供給しないで運転
を行う。
で運転される。その時の温度Ｔmix はＴmix ＜９００℃
となっている。負荷の上昇のために、二次予混合気中の
燃料流量ｍg2を増加させ条件Ｂにしようとすると、図１
２に示すように温度Ｔmix ＜９００℃であるために未燃
焼成分（ＣＯや未燃炭化水素）が排出され図１３Ｂ点の
ように燃焼効率C.E.は低下する。そこで、このような低
負荷条件では二次予混合気中に燃料を供給しないで運転
を行う。
【００４３】そこで、一次予混合気中の燃料流量ｍg1を
増加させ条件Ｃとする。その状態でさらに燃焼器の負荷
を上昇させるために一次予混合気中の燃料流量ｍg1をさ
らに増加させ条件Ｄにしようとすると、一次燃焼ガスの
温度が上昇し図１４の点Ｄに示すようにＮＯX 排出量が
増加してしまう。そこで、この時点では、図１２のＣ点
に示すように温度Ｔmix ≧９００℃であり、二次予混合
気中に燃料を供給しても未燃焼成分は排出されないこと
から、以降の負荷の上昇には二次予混合気中の燃料流量
ｍg2を増加させ条件Ｅとすることで対応する。
増加させ条件Ｃとする。その状態でさらに燃焼器の負荷
を上昇させるために一次予混合気中の燃料流量ｍg1をさ
らに増加させ条件Ｄにしようとすると、一次燃焼ガスの
温度が上昇し図１４の点Ｄに示すようにＮＯX 排出量が
増加してしまう。そこで、この時点では、図１２のＣ点
に示すように温度Ｔmix ≧９００℃であり、二次予混合
気中に燃料を供給しても未燃焼成分は排出されないこと
から、以降の負荷の上昇には二次予混合気中の燃料流量
ｍg2を増加させ条件Ｅとすることで対応する。
【００４４】さらに二次予混合気中の燃料流量ｍg2を増
加させ条件Ｆをこの燃焼器の最大負荷とする。このよう
に、低負荷には二次予混合気中に燃料を供給せず、一次
混合気中の燃料流量を増加させることで負荷の上昇に対
応し、温度Ｔmix ≧９００℃の条件が満足された瞬間か
ら二次予混合気中の燃料流量を増加させて負荷の上昇に
対応することで、ＮＯX 排出量の低減とＣＯや未燃焼成
分の排出抑制を同時に満足したまま、条件Ａから条件Ｆ
まで約５０％のターンダウンレシオを得ることができ
る。
加させ条件Ｆをこの燃焼器の最大負荷とする。このよう
に、低負荷には二次予混合気中に燃料を供給せず、一次
混合気中の燃料流量を増加させることで負荷の上昇に対
応し、温度Ｔmix ≧９００℃の条件が満足された瞬間か
ら二次予混合気中の燃料流量を増加させて負荷の上昇に
対応することで、ＮＯX 排出量の低減とＣＯや未燃焼成
分の排出抑制を同時に満足したまま、条件Ａから条件Ｆ
まで約５０％のターンダウンレシオを得ることができ
る。
【００４５】また、この制御法によれば、負荷の変動に
対して燃焼器に供給する燃料流量を制御することで対応
することができ、複雑な空気比制御を必要としない利点
がある。図１５は本発明による多段希薄予混合燃焼にお
ける不完全燃焼防止方法の他の態様、すなわち、温度Ｔ
mix とＴinとの比較ではなく、熱量Ｈmix とＨinとを比
較する場合におけるフローチャートを示している。この
例においても、燃焼器および制御システムは、前記した
温度Ｔmix とＴinとを比較する場合と同じものが用いら
れる。この態様においては、前記した式（Ｂ）、（Ｃ）
から分かるようにＨmix の算出に際して仮定値を立てる
必要がないので、制御装置の簡易化と処理時間の短縮が
可能となる。熱量Ｈmix ＞熱量Ｈinの場合において、二
次予混合気中に燃料が供給されている場合に、熱量Ｈmi
x ＞熱量Ｈin運転条件を変更する具体的手法などについ
ては先に詳しく説明した温度Ｔmix とＴinとを比較する
場合と同様であることは容易に理解されよう。
対して燃焼器に供給する燃料流量を制御することで対応
することができ、複雑な空気比制御を必要としない利点
がある。図１５は本発明による多段希薄予混合燃焼にお
ける不完全燃焼防止方法の他の態様、すなわち、温度Ｔ
mix とＴinとの比較ではなく、熱量Ｈmix とＨinとを比
較する場合におけるフローチャートを示している。この
例においても、燃焼器および制御システムは、前記した
温度Ｔmix とＴinとを比較する場合と同じものが用いら
れる。この態様においては、前記した式（Ｂ）、（Ｃ）
から分かるようにＨmix の算出に際して仮定値を立てる
必要がないので、制御装置の簡易化と処理時間の短縮が
可能となる。熱量Ｈmix ＞熱量Ｈinの場合において、二
次予混合気中に燃料が供給されている場合に、熱量Ｈmi
x ＞熱量Ｈin運転条件を変更する具体的手法などについ
ては先に詳しく説明した温度Ｔmix とＴinとを比較する
場合と同様であることは容易に理解されよう。
【００４６】
【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身のみでは
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）
を多段燃焼器を用いてかつその運転負荷の変動などにも
かかわらず常に完全燃焼させることが可能となる。それ
により、多段燃焼器を用いてトータルで非常に高空気比
の低ＮＯx 燃焼器を実現することが可能となる。
られてきた予混合気、つまり理論的にそれ自身のみでは
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）
を多段燃焼器を用いてかつその運転負荷の変動などにも
かかわらず常に完全燃焼させることが可能となる。それ
により、多段燃焼器を用いてトータルで非常に高空気比
の低ＮＯx 燃焼器を実現することが可能となる。
【図１】本発明に用いる多段希薄燃焼装置の一例を示す
説明図。
説明図。
【図２】実験結果を示すグラフ（一次空気量と二次空気
量の比τ＝７：３）。
量の比τ＝７：３）。
【図３】実験結果を示すグラフ（一次空気量と二次空気
量の比τ＝６：４）。
量の比τ＝６：４）。
【図４】実験結果を示すグラフ（一次空気量と二次空気
量の比τ＝５：５）。
量の比τ＝５：５）。
【図５】実験結果を示すグラフ（一次予混合気の空気比
1.４）。
1.４）。
【図６】実験結果を示すグラフ（一次予混合気の空気比
1.６）。
1.６）。
【図７】実験結果を示すグラフ（一次予混合気の空気比
1.８）。
1.８）。
【図８】本発明による多段希薄予混合燃焼における不完
全燃焼防止方法を実施するための制御システムを示す概
略説明図。
全燃焼防止方法を実施するための制御システムを示す概
略説明図。
【図９】フローチャートを示す説明図。
【図１０】本発明による不完全燃焼防止方法による運転
条件の変更例を示すグラフ。
条件の変更例を示すグラフ。
【図１１】本発明による不完全燃焼防止方法による運転
条件の他の変更例を示すグラフ。
条件の他の変更例を示すグラフ。
【図１２】本発明による不完全燃焼防止方法による運転
条件のさらに他の変更例を示すグラフ。
条件のさらに他の変更例を示すグラフ。
【図１３】本発明による不完全燃焼防止方法による運転
条件のさらに他の変更例を示すグラフ。
条件のさらに他の変更例を示すグラフ。
【図１４】本発明による不完全燃焼防止方法による運転
条件のさらに他の変更例を示すグラフ。
条件のさらに他の変更例を示すグラフ。
【図１５】本発明の他のフローチャートを示す図。
１００…多段希薄予混合燃焼器、ＱA1…一次空気、ＱG1
…一次燃料、Ｑ1 …一次予混合気、ＱA2…二次空気、Ｑ
G2…二次燃料、Ｑ2 …二次予混合気、５１、６１、７
１、８１…流量制御弁、５２、６２、７２、８２…流量
計、５３、７３…空気予熱器、５４、７４…温度セン
サ、９０…制御装置
…一次燃料、Ｑ1 …一次予混合気、ＱA2…二次空気、Ｑ
G2…二次燃料、Ｑ2 …二次予混合気、５１、６１、７
１、８１…流量制御弁、５２、６２、７２、８２…流量
計、５３、７３…空気予熱器、５４、７４…温度セン
サ、９０…制御装置
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 (12)
- 【請求項１】 前段での燃焼により生じた一次燃焼ガス
に次段において可燃限界外の希薄な二次予混合気を混合
して反応させる多段希薄予混合燃焼法における不完全燃
焼防止方法であって、 あらかじめ、当該燃焼器について燃焼器出口からの未燃
焼成分排出開始前後における燃焼器内での前記一次燃焼
ガスと二次予混合気と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Ｋを求めておき、 実際の運転において、一次空気の供給量、一次燃料の供
給量、一次空気の予熱温度、及び、二次空気の供給量、
二次燃料の供給量、二次空気の予熱温度を測定し、そこ
から、その条件における前記混合後の温度Ｔmix を次式
（Ａ）で算出し、温度Ｋと温度Ｔmix を比較し、温度Ｋ
＞温度Ｔmix であってかつ二次予混合気中に燃料が供給
されている場合には、温度Ｋ≦温度Ｔmix となるように
運転条件を変更することを特徴とする不完全燃焼防止方
法。 但し、Ｈ1 (J/kg)：一次燃料の単位質量当たりの発熱量
（２５℃基準） ｍg1(kg/h)：一次燃料の質量流量 ｍa1(kg/h)：一次空気の質量流量 ｍg2(kg/h)：二次燃料の質量流量 ｍa2(kg/h)：二次空気の質量流量 Ｔa1（℃) ：一次空気の予熱温度 Ｔa2（℃) ：二次空気の予熱温度 ＣaT1(J/kg℃) ：空気の温度Ｔa1における平均比熱（２
５℃基準） ＣaT2(J/kg℃) ：空気の温度Ｔa2における平均比熱（２
５℃基準） CmixTmix (J/kg℃) ：一次燃焼ガスと二次予混合気を反
応を伴わずに均一に 混合してできた混合気の温度Ｔmix における平均比熱
（２５℃基準） - 【請求項２】 温度Ｋ＞温度Ｔmix で二次予混合気中に
燃料が供給されている場合に、運転条件の変更を一次燃
料の質量流量ｍg1を増加することにより行うことを特徴
とする請求項１記載の不完全燃焼防止方法。 - 【請求項３】 温度Ｋ＞温度Ｔmix で二次予混合気中に
燃料が供給されている場合に、運転条件の変更を一次空
気の質量流量ｍa1を減少すること及び／又は一次空気の
温度Ｔa1を上昇させることにより行うことを特徴とする
請求項１記載の不完全燃焼防止方法。 - 【請求項４】 温度Ｋ＞温度Ｔmix で二次予混合気中に
燃料が供給されている場合に、運転条件の変更を二次空
気の質量流量ｍa2を減少すること及び／又は二次空気の
温度Ｔa2を上昇させることにより行うことを特徴とする
請求項１記載の不完全燃焼防止方法。 - 【請求項５】 １次燃料及び２次燃料がメタンを主成分
とする燃料であり、前記温度Ｋを９００℃として実施す
ることを特徴とする請求項１記載の不完全燃焼防止方
法。 - 【請求項６】 燃焼器の負荷変動に対して、低負荷時に
は二次予混合気中に燃料を供給せず、一次予混合気中の
燃料流量を増加させることにより負荷の上昇に対応し、
温度Ｋ≦温度Ｔmix となった時点から二次予混合気中に
燃料を供給し、その流量を増加させることで負荷の上昇
に対応することを特徴とする請求項１記載の不完全燃焼
防止方法を用いた多段希薄予混合燃焼器の燃焼制御方
法。 - 【請求項７】 前段での燃焼により生じた一次燃焼ガス
に次段において可燃限界外の希薄な二次予混合気を混合
して反応させる多段希薄予混合燃焼法における不完全燃
焼防止方法であって、 あらかじめ、当該燃焼器について燃焼器出口からの未燃
焼成分排出開始前後における燃焼器内での前記一次燃焼
ガスと二次予混合気と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Ｋを求めておき、 実際の運転において、一次空気の供給量、一次燃料の供
給量、一次空気の予熱温度、及び、二次空気の供給量、
二次燃料の供給量、二次空気の予熱温度を測定し、そこ
から、その条件における、二次予混合気の反応による発
熱を無視した場合の燃焼器への入熱量Ｈinと、一次燃焼
ガスと二次予混合気とが反応を伴わないで均一に混合し
てできた混合気の前記温度Ｋにおける保有熱量Ｈmix を
式（Ｂ）、（Ｃ）によって算出し、熱量Ｈmix と熱量Ｈ
inとを比較し、熱量Ｈmix ＞熱量Ｈinであってかつ二次
予混合気中に燃料が供給されている場合には、熱量Ｈmi
x≦熱量Ｈinとなるように運転条件を変更することを特
徴とする不完全燃焼防止方法。 式（Ｂ） Ｈin＝H1×mg1＋CaT1×(Ta1-25)×ma1＋CaT2
×(Ta2-25)×ma2 式（Ｃ） Ｈmix＝CmixK×(K-25)×(ma1＋mg1＋ma2＋mg
2) 但し、Ｈ1 (J/kg)：一次燃料の単位質量当たりの発熱量
（２５℃基準） ｍg1(kg/h)：一次燃料の質量流量 ｍa1(kg/h)：一次空気の質量流量 ｍg2(kg/h)：二次燃料の質量流量 ｍa2(kg/h)：二次空気の質量流量 Ｔa1（℃) ：一次空気の予熱温度 Ｔa2（℃) ：二次空気の予熱温度 CaT1 (J/kg℃) ：空気の温度Ｔa1における平均比熱（２
５℃基準） CaT2 (J/kg℃) ：空気の温度Ｔa2における平均比熱（２
５℃基準） CmixK (J/kg℃) ：一次燃焼ガスと二次予混合気が反応
を伴わないで均一 に混合してできた混合気の温度Ｋにおける平均比熱（２
５℃基準） - 【請求項８】 熱量Ｈmix ＞熱量Ｈinで二次予混合気中
に燃料が供給されている場合に、運転条件の変更を一次
燃料の質量流量ｍg1を増加することにより行うことを特
徴とする請求項７記載の不完全燃焼防止方法。 - 【請求項９】 熱量Ｈmix ＞熱量Ｈinで二次予混合気中
に燃料が供給されている場合に、運転条件の変更を一次
空気の質量流量ｍa1を減少すること及び／又は一次空気
の温度Ｔa1を上昇させることにより行うことを特徴とす
る請求項７記載の不完全燃焼防止方法。 - 【請求項１０】 熱量Ｈmix ＞熱量Ｈinで二次予混合気
中に燃料が供給されている場合に、運転条件の変更を二
次空気の質量流量ｍa2を減少すること及び／又は二次空
気の温度Ｔa2を上昇させることにより行うことを特徴と
する請求項７記載の不完全燃焼防止方法。 - 【請求項１１】 １次燃料及び２次燃料がメタンを主成
分とする燃料であり、前記熱量Ｈmix における温度Ｋを
９００℃として実施することを特徴とする請求項７記載
の不完全燃焼防止方法。 - 【請求項１２】 燃焼器の負荷変動に対して、低負荷時
には二次予混合気中に燃料を供給せず、一次予混合気中
の燃料流量を増加させることにより負荷の上昇に対応
し、熱量Ｈmix ≦熱量Ｈinとなった時点から二次予混合
気中に燃料を供給し、その流量を増加させることで負荷
の上昇に対応することを特徴とする請求項７記載の不完
全燃焼防止方法を用いた多段希薄予混合燃焼器の燃焼制
御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22830794A JP3153421B2 (ja) | 1994-09-22 | 1994-09-22 | 多段希薄予混合燃焼における不完全燃焼防止方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22830794A JP3153421B2 (ja) | 1994-09-22 | 1994-09-22 | 多段希薄予混合燃焼における不完全燃焼防止方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0894018A JPH0894018A (ja) | 1996-04-12 |
| JP3153421B2 true JP3153421B2 (ja) | 2001-04-09 |
Family
ID=16874395
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22830794A Expired - Fee Related JP3153421B2 (ja) | 1994-09-22 | 1994-09-22 | 多段希薄予混合燃焼における不完全燃焼防止方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3153421B2 (ja) |
-
1994
- 1994-09-22 JP JP22830794A patent/JP3153421B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0894018A (ja) | 1996-04-12 |
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