JP3209798B2 - 脈動燃焼方法及び装置 - Google Patents
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Description
される工業用炉のバーナの炎が、バーナに供給される燃
料及び酸化剤の少なくとも一方に周期的変化を起こさせ
る脈動を備えた脈動燃焼の技術に関する。
理に基いた脈動燃焼の方法はすでに知られている。この
量の増加は、燃焼を低下させる、したがって燃焼ガス量
を低下させることにより、燃焼されるガス流量を制御す
る装置に作用する。そのとき流体の上流圧力は、最高値
でその流量を回復し、燃焼は増加して、確実に脈動燃焼
する。
0.046.898号明細書に記載されている。ソ連特
許第857.642号明細書は、軸に取付けられた外輪
の原理に基いて作動する、気体又は液体燃料の燃焼用空
気を脈動させる装置を記載する。
酸素の分圧並びに媒体の温度に依存し、そのことは数多
くの利点を提供する理由で工業用炉にますます使用され
ている純酸素の場合に問題であることは知られている。
酸素の場合に、熱エネルギーが炉の壁、及び2〜16%
に変化する天然ガス中の窒素含有量の変化に応じて発生
する煙霧に伝達される、25kWのいわゆる断熱炉にお
いて、窒素酸化物含有量が180ppmから1600p
pmに増加することを示した。
用される天然ガス中の窒素含有量に応じて、熱エネルギ
ーが装入物、炉壁及び煙霧に同時に伝達される、例えば
ガラス溶融炉のような炉では、150ppmから500
ppmに増加する。他方において出願人は、すべてが同
じ条件で、煙霧中の残存酸素含有量が1%から4%にな
るとき、煙霧中の窒素酸化物含有量が700ppmから
1200ppmになることを認めた。
燃焼、さらに詳しくは、窒素酸化物(NO x )の放出を
減少するために、酸素、例えば実質的に純酸素で高度に
富化されている燃料によって可能にする脈動燃焼の方法
を提供することである。本発明の他の目的は、そのよう
な方法を実施するための脈動燃焼装置である。
によれば、燃料の流れ、および少くとも80%の酸素を
含む酸化剤の流れの少なくとも一方の周期的変動周波数
が、3Hz未満、特に1Hz未満、好ましくは約0.2
Hzに設定される。
間の比率は0.5〜2、好ましくはほぼ1であり、− 脈動流の最少流量と最大流量との間の体積比率は
0.7未満、典型的には0.5未満、好ましくはほぼ
0.25であり、− 最少流量と脈動と組合される流量との間の容積比率
は0.1〜2、好ましくはほぼ0.25であり、− 周期的変化は少くとも燃料流れ中にひき起こされ、
周期的変化が燃料流れ及び酸化剤流れ中にひき起こされ
る場合には、これらの周期的変化は、両方の流れに共通
の周波数を、好ましくは少なくともπ:2だけ位相をず
らすことによって発生させられる。
質的に工業用純酸素からなり、燃料は典型的には天然ガ
スである。
の燃料供給用管路及び少なくとも1本の酸化剤供給用管
路に連結された工業炉用バーナを有し、供給管路の少く
とも一方が、管路により供給される流体の流れに3Hz
未満の周波数の脈動を与えるための脈動手段を備えてい
る。。
装置を用いることにも関する。後で一層詳細に与えられ
る実験結果によって示されるように、これらの特徴は、
純酸素が酸化剤として用いられる場合でさえも窒素酸化
物の放出を実質的に減少し、煙霧中の酸素の容積含有量
を非常に低い値に維持することができる。
んで)存在する種の滞留回数に、第2にこれらの種の遭
遇回数に介入できることが予想される。したがって局部
的に、高度に化学量論以上又は以下の条件が行われると
いう事実によって、直接温度水準に作用することが可能
である。
部的燃焼からの燃焼生成物の存在で行われ、結果として
燃焼機構の一段階があり、したがって窒素酸化物の形成
の直接減少がある。本発明の他の特徴及び利点は、添付
の図面を参照しながら、与えられた実施態様について以
下に述べられる記載から明らかになるであろう。
加えられた脈動と対応し、天然ガスの最大流量に対する
最少流量の容積比率は0.23である。10.8Hzで
0.1の脈動周波数変化について0.5〜1.2の変化
をする、脈動なしの基準システムNOx(基準)に対す
る窒素酸化物の放出比率であることは注目される。
動周波数範囲で50%に達する窒素酸化物の放出の実質
的減少が見られる。同じ条件で図2に関しては、0.1
5Hz未満の非常に低周波数を除いては、ほとんど一酸
化炭素の放出が見られない。
のみ脈動が加えられた場合に、非常に低周波数で、窒素
酸化物放出率の減少及び少量の一酸化炭素の生成という
同様の効果があり、ここでは最適範囲は0.2〜2Hz
である。
に加えられる実験と対応する図5及び図6に関しては、
3Hz未満の脈動周波数についてNOx放出の著しい減
少があり、この減少は、燃料の脈動と酸化剤の脈動とを
少なくともπ:2だけ位相をずらせることによって、
0.2〜0.4Hzの周波数について90%以上に達す
ることは注目される。
で発生する窒素酸化物の減少率は、最少流量と最大流量
との比0.5及び最大流量継続時間と等しい最少流量継
続時間をもった4Hz未満の周波数で見られる。炉は、
最大流量の半分に等しい最少流量、脈動と流れ間の位相
ずらし、及び最大流量継続時間と等しい最少流量継続時
間で操業され、窒素酸化物放出比率は約40%低減され
ている。
炭素の率を、横座標に最少流量と脈動最大流量の比率
(最少一定流量と追加の脈動流量との比率と対応するC
/Pで表わされる)を示す図9及び図10の図表を次に
参照すると、窒素酸化物の実質的な放出の減少について
C/P比率は0.1〜0.3にあり、すなわち最少流量
/最大流量の比率は0.5〜2の間、好ましくはほぼ1
であるのが見られる。
工業用炉の燃焼室を限定する部分1が見られ、部分1内
には酸素供給用同心管5によって取囲まれた天然ガス供
給用中央管4からなる酸素−燃料バーナ3によって炎2
が形成される。管4及び5は管路11,21によって、
それぞれ図示されないガス源に連結され、各管路は、所
定の最少流量を供給するニードル弁13,23を有する
分岐路によってバイパスされる、低周波数制御電磁弁1
2,13を組込んでいる。
て、ニードル弁13,23によって供給される最少流量
(電磁弁12,13は閉じられている)と、電磁弁1
2,22の全開と対応する最大流量との間で、天然ガス
及び酸素の脈動を与えることができる。同じ脈動手段
を、脈動がバーナ3に供給されるガスの一方、典型的に
は酸化剤にだけ行われる簡単な場合に適用することがで
きる。
手段を電子流発生器31,32で構成することもでき
る。図13及び図14は、バーナに燃料を供給する管路
41内に旋回可能に取付けられ、電気モータ43によっ
て周期的に作動される羽部材42の往復振幅運動による
バーナ用供給管路の少なくとも一方内の脈動手段の変形
を示し、燃焼用の他方の成分を供給する管路51は脈動
手段をもたない。
手段は、入口管路63及び出口管路64が一線をなして
そこに達している円筒状内部空間62を限定する弁本体
61をもった回転弁を有する。管状の回転弁頭65は内
部空間62内に回転可能に取付けられ、弁頭65は、弁
頭65の回転中に入口管路63、出口管路64を順次閉
じる閉鎖壁部66,67を間に設けて、角度的に分配配
置された開口68を備えた管状壁を有する。
タ(図示せず)によって連続的に又は場合によっては交
互に回転させられる軸69の端部に取付けられる。バー
ナに供給する2種類の流体に脈動を与える場合、燃料流
れ及び酸化剤流れを確実に脈動させる2個の回転弁を、
共通のモータが作動することができる。弁の開閉、した
がって流れの脈動の位相ずらしは、2個の回転弁間の駆
動ピニオンの調整のみによって行われる。
方向に対向する2個の開口を有する。しかしながら状況
によって、図16(小さい角度の3個の閉鎖壁71〜7
3を隔てる大きな角度をもった3個の開口74〜7
6)、図17(巾広い角度に延びる4個の閉鎖壁81〜
84の間の小さい角度の4個の開口85〜88)、又は
図18(ほぼ同じ角度に延びる4個の開口95〜98及
び4個の閉鎖壁91〜94)に示されたように、異なる
配置の開口をもった弁頭を提供することによって、開閉
間の時間比率を変えることができる。
において、燃焼ガス中のNO x を減少させるために、燃
料流れおよび/あるいは酸化剤流れの周期的変化を、
0.1〜3Hzに設定することが必要であることを示す
燃焼実測の結果を示したグラフである。なお、図19乃
至22において、縦軸はNO x /NO x (ref)および
CO(%)であり、また横軸は脈動周波数であり、適用
周波数Wと基点周波数W0 との比を対数目盛りで示して
いる。また、NO x (ref)は、図1の場合と同じで
ある。
わち燃料としての天然ガス中のN2含有量は15%)に
おいて、天然ガスのみに脈動的変化(pulsatio
n)を与えた場合を示している。排出ガス中のNO x の
減少に関して、天然ガスにのみに脈動的変化を与えるこ
とによるNO x の減少効果が最初に研究された。それに
より、図19に示ように、脈動的変化を減少させると、
NO x 濃度も減少するという結果が得られた。排出ガス
中のNO x の減少は、脈動的変化の無いときに比べて6
0%にまで引き上げられた。
にのみ脈動的変化を与えた場合を示している。この例で
も、図19の場合と同様の結果が得られた。この場合、
グラフ上のカーブの屈曲点(inflection p
oint)が図19の場合よりも低い屈曲点において、
60%のNO x の減少を示している。
ガスと酸素との両方に、両者間の位相ずれ(depha
sing)が1/2となるような脈動的変化を与えた場
合を示している。図21に示すように、両者間の位相ず
れ(dephasing)が1/2の場合、最高のNO
x の減少、それは90%にまで達するNO x の減少を得る
ことができた。この例におけるNO x グラフ上のカーブ
の屈曲点は、図19、20の場合と同じである。しか
し、この例では、COの間欠的な発生があり、NO x と
COとの関係は、上記の図19、図20の場合と逆の関
係となるり、COが増加するものの、NO x は確実に減
少する。
わち燃料としての天然ガス中のN2含有量は7%)にお
いて、ロータリー プラグ 弁(rotary−plu
gvalve)を用いて、天然ガスと酸素との両方に、
両者間の位相ずれ(dephasing)が1/2とな
るような脈動的変化を与えた場合を示している。図22
に示すように、この例では、90%にまで達するNO x
の減少を得ることができた。
きたけれども、本発明はこれに限定されることなく、当
業者にとって自明の改良及び変形が可能である。
波数に応じた脈動による、及び脈動なしの窒素酸化物含
有量比率〔NOx/NOx(基準)〕の図表。
波数に応じた一酸化炭素比率(%)の図表。
化剤にのみ加えられた図表。
化剤にのみ加えられた図表。
な燃料及び酸素のような酸化剤に同時に加えられた図
表。
な燃料及び酸素のような酸化剤に同時に加えられた図
表。
の図表で、ここではCは最少、一定流量、Pは脈動を加
えた流量を示す。
(%)の図表。
的略側面図。
略図。
図。
然ガスのみに脈動的変化(pulsation)を与え
た場合の燃焼実測の結果を示すグラフ。
素のみに脈動的変化(pulsation)を与えた場
合の燃焼実測の結果を示すグラフ。
然ガスと酸素との両方に、両者間の位相ずれ(deph
asing)が1/2となるような脈動的変化を与えた
場合を示すグラフ。
と酸素との両方に、両者間の位相ずれ(dephasi
ng)が1/2となるような脈動的変化を与えた場合を
示すグラフ。
Claims (21)
- 【請求項1】 燃料及び酸化剤を供給される工業用炉の
バーナの炎に、燃料流れ及び酸化剤流れの少なくとも一
方に周期的変化を発生させることによって脈動が加えら
れる燃焼方法において、上記周期的変化の変動周波数が
3Hz未満に設定されるとともに、上記酸化剤が少なく
とも80%の酸素を含むものであることを特徴とする脈
動燃焼方法。 - 【請求項2】 上記周期的変動周波数が、0.1〜1H
zであることを特徴とする請求項1記載の脈動燃焼方
法。 - 【請求項3】 上記周期的変動周波数が、0.2Hzで
あることを特徴とする請求項1記載の脈動燃焼方法。 - 【請求項4】 周期的に変化する最大流量継続時間と最
少流量継続時間との比率が、0.5〜2であることを特
徴とする請求項1記載の脈動燃焼方法。 - 【請求項5】 上記最大流量継続時間と最少流量継続時
間との比率が、ほぼ1であることを特徴とする請求項4
記載の脈動燃焼方法。 - 【請求項6】 周期的に変化する最少流量と最大流量と
の間の容積比率が、0.7未満であることを特徴とする
請求項1記載の脈動燃焼方法。 - 【請求項7】 上記容積比率が、0.5未満であること
を特徴とする請求項6記載の脈動燃焼方法。 - 【請求項8】 上記容積比率が、0.25であることを
特徴とする請求項7記載の脈動燃焼方法。 - 【請求項9】 周期的に変化する最少流量と脈動流れを
備えた流量との間の容積比率が、0.3〜0.2、好ま
しくはほぼ0.3であることを特徴とする請求項7記載
の脈動燃焼方法。 - 【請求項10】 上記周期的変化が、上記燃料の流れに
発生させられることを特徴とする請求項1記載の脈動燃
焼方法。 - 【請求項11】 上記周期的変化が、上記燃料の流れと
上記酸化剤の流れとに発生させられることを特徴とする
請求項1記載の脈動燃焼方法。 - 【請求項12】 上記周期的変化が、上記燃料及び上記
酸化剤の流れについて共通の周波数で行われることを特
徴とする請求項11記載の脈動燃焼方法。 - 【請求項13】 上記燃料の流れと上記酸化剤の流れと
の周期的変化が、少なくともπ:2だけ位相をずらされ
ていることを特徴とする請求項11記載の脈動燃焼方
法。 - 【請求項14】 上記燃料の流れと上記酸化剤の流れと
の周期的変化が、約π:2だけ位相をずらされているこ
とを特徴とする請求項13記載の脈動燃焼方法。 - 【請求項15】 上記酸化剤が、実質的に純酸素である
ことを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに
記載の脈動燃焼方法。 - 【請求項16】 上記燃料が、天然ガスであることを特
徴とする請求項1記載の脈動燃焼方法。 - 【請求項17】 請求項1に記載の脈動燃焼方法を実施
するため、少なくとも1本の燃料供給用管路及び少なく
とも1本の酸化剤供給用管路に連結された工業用炉のバ
ーナを有する脈動燃焼装置において、上記供給用管路の
少なくとも一方が、当該管路により供給される流体の流
れに3Hz未満の周波数の脈動を発生させるための脈動
手段を備えていることを特徴とする脈動燃焼装置。 - 【請求項18】 上記脈動手段が、与えられた最少流量
をもつネック部によってバイパスされる電磁弁を有する
ことを特徴とする請求項17記載の脈動燃焼装置。 - 【請求項19】 上記脈動手段が上記供給用管路内に配
置された旋回羽部材を有し、同羽部材の往復振幅運動を
発生させる手段が設けられていることを特徴とする請求
項17記載の脈動燃焼装置。 - 【請求項20】 上記脈動手段が回転弁頭をもった弁を
有し、同回転弁頭が角度をなして配置された開口を形成
され、弁頭の回転の間に弁内で流体の流れの開閉を順に
定める管状壁を有することを特徴とする請求項17記載
の脈動燃焼装置。 - 【請求項21】 上記バーナが、燃料及び酸化剤を排出
する2個の同心通路を有することを特徴とする請求項1
7記載の脈動燃焼装置。
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