JP3523417B2

JP3523417B2 - 燃焼状態診断方法

Info

Publication number: JP3523417B2
Application number: JP16614196A
Authority: JP
Inventors: 敏明長谷川; 良一田中; 俊文星野; 晋持田; 裕和勝島; 雅之田村; 秀男田井
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 2004-04-26
Anticipated expiration: 2016-06-26
Also published as: JPH109562A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃焼状態の診断およ
び制御方法に関する。更に詳述すると、本発明は、熱再
循環とガス再循環により高温かつ低酸素濃度の空気ある
いはそれに相当する酸化剤で十分に低速な酸化発熱反応
下に拡散燃焼させる高温空気燃焼を起こしているか否
か、あるいは高温空気燃焼をどのレベルで実現している
のか、を判定する燃焼状態診断方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に拡散燃焼バーナは、燃料と空気と
を素早く混合して燃焼させるため短炎を形成する。そし
て、火炎部分には燃焼ガスが発生する顕熱の全てが保持
されているため、どうしても火炎の熱流束のピークが発
生し、大量のＮＯｘが発生すると共に均一な熱流束分布
を得ることが困難であった。また、燃料と空気の混合性
を悪くして長炎を形成しようとしても、燃焼が不安定に
なり、不完全燃焼や火炎の吹き飛びなどを起こし易くな
る。そこで、従来の一般的な拡散燃焼方式のバーナで
は、熱流束の均一化を図るためには、たくさんのバーナ
を備え付け、各バーナごとの火炎のボリュームを小さく
して最高熱流束と平均熱流束との差を小さくすることが
行われている。しかしながら、勢いよく酸化発熱反応を
起こす以上、火炎ボリュームが小さくなり熱流束のピー
クが発生することを防ぐことはできないので、根本的な
解決策にはなっていない。

【０００３】一方、加熱システム内の燃焼ガス温度の差
を低下させるという、伝熱面で最も好ましいとされる温
度場を形成する方法のひとつとして、未燃混合気を希釈
してその質量を増すことにより温度差を無くすことが考
えられる。この希釈を排ガス循環によって行う場合、排
ガス損失を抑えつつガス循環量を増やすには、排ガスの
一部を燃焼用空気に混ぜて再循環せさることが考えられ
る。排ガスの一部を燃焼用空気に混ぜて供給する方法と
しては、従来から排ガス再循環燃焼方法と呼ばれる燃焼
方法がある。この燃焼方法は、低温の排ガスの一部を燃
焼用空気に混ぜることによって、通常の空気よりも２〜
３％程度酸素濃度が低くかつ５０℃〜２００℃程度に温
められた空気を使って燃焼させるものである。しかしな
がら、この排ガス再循環燃焼方法によっても、火炎の最
高温度を僅かに低下させてサーマルＮＯｘを幾分抑制さ
せ得る程度であって、加熱システム内例えば炉内での燃
焼ガス温度の差を十分低下させることはできなかった。
更にガス循環量を増加させて温度差を小さくすることも
考えられるが、排ガス再循環量だけを増加させても、酸
素濃度が低くなって燃え難くなり、燃焼の急激な不安定
を生じることとなる。

【０００４】また、酸化剤の温度を単独に上げること、
例えば１０００℃程度以上の高温にすることは、濃淡燃
焼などの特殊な燃焼方法を採用しない限り、あるいは採
用したとしても、火炎の最高温度が通常の燃焼における
よりもはるかに高くなって大量のＮＯｘを発生させるこ
とになると考えられていたので、一般的に利用すること
ができる燃焼としては殆ど考慮されることがなかった。

【０００５】かかる問題を解決するため、本発明者らが
種々研究した結果、酸素濃度を通常の空気よりも遥かに
低くしたときの燃焼の不安定性を回復させるには、空気
温度そのものも従来の排ガス再循環燃焼方法よりも遥か
に上げることが不可欠であることが判明した。即ち、燃
焼用酸化剤たる空気の温度と熱再循環量即ち希釈空気の
酸素濃度との間には、燃焼用酸化剤の温度が高いほどガ
ス再循環量を増加できるという関係、換言すれば、燃焼
用酸化剤である希釈空気の温度が高温度であれば酸素濃
度を低くしても燃焼が成立するという関係がある。そこ
で、この知見に基づいて更に本発明者らが研究した結
果、燃焼用空気の温度を従来の排ガス再循環燃焼方法で
用いられていたよりも遥かに上げるだけでなく空気比を
変えずに燃焼用酸化剤としての酸素濃度を通常の空気よ
りも遥かに低くして行くとき、それがある条件に達する
と、酸化発熱反応が通常の空気を用いた場合に比べて非
常に遅く火炎ボリュームが著しく膨張するにもかかわら
ず安定して燃焼する現象が起こることを知見した。

【０００６】この燃焼状態は、少なくとも燃焼反応直前
には通常の空気よりもはるかに酸素濃度が低くかつその
酸素濃度における燃焼安定限界温度以上、好ましくはそ
の希釈混合気の自己着火温度以上となるように炉内に混
合気が形成される場合に起こり、通常の燃焼に比して熱
発生速度が十分に低速な酸化発熱反応を伴ったものとな
るので、熱ガスが流動する間にも絶えず酸化発熱反応を
持続して広範囲で燃焼し続け、熱流束のピークがなく非
常に大きなボリュームで安定に燃焼する火炎を形成す
る。したがって、従来燃焼法に比べると、加熱効率（伝
熱効率）を格段に高めると同時にＮＯｘの発生も１０ｐ
ｐｍ程度にまで大幅に低減させることができる。

【０００７】しかして、この燃焼を安定に実現するに
は、少なくとも燃焼反応直前の酸化剤の酸素濃度と温度
をある範囲に維持することが必要である。例えばこの高
温空気燃焼を熱再循環とガス再循環により実現しようと
するときには、最も重要な要素となるガス再循環量（即
ち燃焼反応直前の酸化剤たる空気の酸素濃度と温度）の
コントロールが重要である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、拡散燃焼に
関しては、燃焼が生じている炉内空間で燃焼反応直前の
拡散状態にある希釈空気の酸素濃度および温度（その燃
焼が生じた酸化剤の条件）を非接触で測定する手段は従
来全く存在しなかった。特に、内部循環によってガス再
循環を起こす場合のガス再循環量は、噴流のモータメン
タムや炉内のガス流れやガスの密度分布などによって定
まるため、このような複雑な非等温場ではどの程度の排
ガスが巻き込まれて酸素濃度と温度がどのように変化す
るかは特定できず、燃焼反応直前の希釈空気の酸素濃度
および温度をある特定の値に確実に設定することは困難
である。仮に炉内に測定プローブを挿入してガスサンプ
リングが行えたとしても火炎内部の反応を正確に凍結さ
せて分析することは不可能であり、またサンプリング位
置を自由に移動することさえも実際には大きな制約を受
けるものである。

【０００９】そこで、本発明は、通常の燃焼に比して十
分に熱発生速度が低速な酸化発熱反応を伴いかつ広い空
間で安定に燃焼する高温空気燃焼を起こしているか否
か、あるいは高温空気燃焼をどのレベルで実現している
のか、を判定する燃焼状態診断方法を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明者らが更に研究した結果、炭化水素系燃料を
用いた場合、燃焼用空気の温度を上昇させるのに伴って
火炎の可視発光強度そのものは火炎温度の低下とともに
急激に低減するものの、１０００℃程度の領域で再び増
加し始め尚かつその増加割合がＣＨラジカルの発光スペ
クトル強度に対してＣ₂ラジカルの発光スペクトル強度
のそれの方が大きくなる傾向があり、更に酸素濃度を下
げるとその増加現象がより一層顕著になり、燃焼反応直
前の酸化剤の酸素濃度及びその温度とＣＨラジカルとＣ
₂ラジカルとの発光スペクトル強度比とには相関関係が
あることを見い出した。即ち、ＣＨラジカルとＣ₂ラジ
カルとの発光スペクトル強度比が通常拡散燃焼時よりも
顕著に増加して火炎を緑色化していると認められると
き、燃焼に供される空気は、少なくとも燃焼反応直前に
は通常の空気よりもはるかに酸素濃度が低くかつその酸
素濃度における燃焼安定限界温度以上の高温であり、通
常の拡散燃焼に比して熱発生速度が十分に低速な酸化発
熱反応を伴った燃焼、即ち高温空気燃焼を安定かつ確実
に生ずることを知見するに至った。

【００１１】本発明の燃焼状態診断方法はかかる知見に
基づいて為されたものであって、少なくとも６００℃以
上の高温の空気あるいはそれに相当する酸化剤と炭化水
素系燃料あるいは炭化水素を含む燃料若しくは炭化水素
系燃料ないし炭化水素をマーカーとして添加した燃料を
別々に炉内へ噴射し、炉内でのガス再循環により少なく
とも燃焼反応直前には通常の空気よりもはるかに酸素濃
度が低くかつその酸素濃度における混合気の燃焼安定限
界温度以上の高温希釈空気で十分に低速な酸化発熱反応
下に拡散燃焼させる高温空気燃焼において、火炎の可視
発光色中におけるＣＨラジカルの発光スペクトル強度と
Ｃ₂の発光スペクトル強度との比から、高温空気燃焼を
起こしているか否か、あるいは高温空気燃焼をどのレベ
ルで実現しているのか、を診断するようにしている。

【００１２】これによって、緑色がかった火炎が形成さ
れるときは、火炎中に緑色の発光スペクトル成分を出す
炭化水素燃料の燃焼反応中間生成物が青色の発光スペク
トル成分の燃焼反応中間生成物に対してその割合を急激
に増加するため可視発光色中に多く認められる結果であ
り、少なくとも燃焼反応直前には通常の空気よりもはる
かに酸素濃度が低くかつその酸素濃度における燃焼安定
限界温度以上に高温となった所定の当量比の希釈空気と
炭化水素系燃料とが混合拡散されて十分に低速な酸化発
熱反応下に拡散燃焼（高温空気燃焼）を起こしていると
推定できる。即ち、高温空気燃焼では、燃料組織や当量
比が一定であっても、酸化剤の温度と酸素濃度の組み合
わせごとに固有のラジカル発光が生じ、その発光強度比
から燃焼反応直前の酸化剤の酸素濃度と温度との組み合
わせが推定できる。したがって、発光強度比からその燃
焼が極めて低速な酸化発熱反応を伴う高温空気燃焼を起
こしているか否か、あるいはどのレベルの高温空気燃焼
であるか診断することができる。

【００１３】また、請求項２記載の発明は、判定を燃焼
ノズルの最も近傍において発生する燃焼反応領域におけ
るピークスペクトルの比から行うようにしている。この
場合、燃料噴射ノズル近傍における酸化剤の酸素濃度と
温度の組み合わせの推定から、温度のピークがなく非常
に大きなボリュームで安定に燃焼する火炎を形成する高
温空気燃焼が起こっているか否か、あるいはどのレベル
の高温空気燃焼が起こっているかが分かれば、それ以降
の下流で形成される火炎も、温度のピークのある火炎と
成るか成らないかを容易に判断できる。

【００１４】また、請求項３記載の発明は、判定をその
火炎の複数点におけるピークスペクトルの比から行なう
ようにしている。この場合は、局所的に空気比がバラバ
ラとなり可燃範囲に達したところから燃焼を開始する拡
散燃焼であっても、偶然に発生する１つの測定点での条
件に左右されることなく全体の燃焼状態を正確に診断で
きる。

【００１５】

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

【００１７】まず、空気高温化とガス再循環を組み合わ
せた高温空気燃焼の燃焼安定条件について考察すると、
本質的因子は酸化剤の温度と酸素濃度と見ることができ
る。そこで、炭化水素ガスを燃料とした拡散火炎の燃焼
可能範囲が、高温希釈空気温度とその酸素濃度によりど
のように変化するかを実験的に調べた。実験は、図１〜
図７に例示するように、あらかじめ高温空気を窒素で希
釈後、高温予熱空気流に直角方向から燃料噴流が流入す
る交差流れ系で形成される火炎を対象とした。ノズル部
は高温流中にさらされない断熱材で覆われた構造となっ
ている。燃料はＬＰＧ（Ｃ₃Ｈ₈ ９７％）を０．０５３
ｍ³／ｈ（１．３８０ｋＷ）一定とし、高温空気流量は
空気量と窒素希釈量の和を１５ｍ³／ｈ一定とした。希
釈空気温度は１１００℃より漸次低下するが、燃焼が不
安定化する条件までとした。空気の窒素希釈割合を変化
させ、その時の希釈空気温度に対する安定燃焼範囲の傾
向を図８にまとめた。この燃焼状態の観察の結果、燃焼
用酸化剤たる空気の温度と熱再循環量即ち希釈空気の酸
素濃度との間には、燃焼用酸化剤の温度が高いほどガス
再循環量を増加できるという関係、換言すれば、燃焼用
酸化剤・希釈空気の温度が高温度であれば酸素濃度を低
くしても燃焼が成立するという関係があることが理解で
きる。

【００１８】ここで、極めて大きな火炎ボリュームで安
定燃焼させるには、即ち酸化発熱反応を十分に低速にす
るには、酸素濃度をできるだけ通常の空気よりも低くし
尚かつ燃焼用酸化剤の温度をできるだけ高くすることが
必要である。例えば、１５％程度以下、より好ましくは
１０％以下、最も好ましくは５〜３％程度とすることで
ある。また、希釈空気の温度は、少なくともその酸素濃
度における混合気の燃焼安定限界温度（通常燃焼におい
て燃焼が不安定になる場合その限界付近では例えば空気
比の値や空気流速の僅かな変化によって火炎は吹き消え
て消失してしまうという特性が見られる。ところが、高
温の空気を不活性ガスで希釈し、酸素濃度を低下させた
場合には、火炎は容易に消失せず、吹き消えなくなる。
しかし、その際、最終排ガス濃度組成中にＣＯ成分を伴
うようになる。このような現象を引き起こす温度、即ち
それよりも温度が低くなると吹き消えを起こさないまで
も、完全燃焼が困難となり、最終排ガス濃度組成中にＣ
Ｏ成分を伴うようになって、燃焼が急激に不安定となる
温度を本明細書では燃焼安定限界温度と呼ぶ）以上、好
ましくはその酸素濃度における混合気の自己着火温度以
上とされる。ここで、混合気の自己着火温度は、燃焼用
酸化剤の酸素濃度および燃料の種類によって異なるが、
例えばＬＰＧ（Ｃ₃Ｈ₈９７％）の場合には、図８に示す
ように、酸素濃度１５％程度では約８５０℃以上、酸素
濃度１０％程度では約８８０℃以上、酸素濃度３％程度
では約１０００℃以上である。また、希釈空気の少なく
とも燃焼反応直前の温度は各酸素濃度における燃焼安定
限界温度よりは上でも保炎機構を必要とする程度の温
度、例えば酸素濃度１５％以下で温度６００℃以上、酸
素濃度１０％以下で８００℃以上でも良い。この場合で
も、可視発光中での青色の発光スペクトル成分に対する
緑色の発光スペクトル成分の増加の割合は小さくなるも
のの通常燃焼時よりも大きかったことが認められた。

【００１９】図１から図６に空気の酸素濃度と予熱温度
の異なる燃焼状態の観察の結果を示す。そして、図２〜
図４には酸素濃度１０％の燃焼用酸化剤を用いて同じ燃
料（ＬＰＧ）を異なる温度で拡散燃焼させた場合を示し
ている。この観察結果によると、８８０℃（図４参照）
の場合よりも９６０℃（図３参照）の場合、更にそれよ
りも１０００℃（図２参照）の場合の方が、火炎ボリュ
ームもより大きくかつより多くの緑色の発光スペクトル
成分を出す燃焼反応中間生成物が認められ、その結果と
して緑色がかった火炎となることが認められた。即ち、
希釈空気温度の上昇に伴って、青色の発光スペクトル成
分を出す燃焼反応中間生成物に対する緑色の発光スペク
トル成分を出す炭化水素燃料の燃焼反応中間生成物の割
合が増加し、可視発光中に占める緑色の発光スペクトル
の影響が目視でも認められるほどに相対的に大きくなっ
て火炎の緑色化の傾向を強めた。

【００２０】また、図１の酸素濃度３％の場合と図２の
酸素濃度１０％とを比較すると、ほぼ同じ温度（１０１
０℃と１０００℃）でも酸素濃度が低いほど火炎ボリュ
ームが大きくなっていることは明らかである。そしてこ
の場合においても、酸素濃度が低い方即ち酸素濃度３％
の火炎の方が、青色の発光スペクトル成分を出す炭化水
素燃料の燃焼反応中間生成物に対する緑色の発光スペク
トル成分を出す燃焼反応中間生成物の割合が増加し、可
視発光中に占める緑色の発光スペクトルの影響が目視で
も認められるほどに相対的に大きくなって火炎の緑色化
の傾向を強めることが認められた。反面、同じ燃焼用酸
化剤温度でも酸素濃度が通常の空気と同じ２１％では、
図５に示すように火炎ボリュームが小さく、緑色の発光
スペクトル成分の影響のない青色であることが認められ
た。更に、同じ燃料（ＬＰＧ）を酸素濃度２１％、温度
５０℃の燃焼用空気を用いて拡散燃焼させた場合（図６
参照）には、火炎の可視発光色中には青色の発光スペク
トル成分（４３０〜４６０ｎｍ）を出す燃焼中間反応生
成物に対して緑色の発光スペクトル成分（４６０〜５９
０ｎｍ、特に５００〜５９０ｎｍ）を出す燃焼反応中間
生成物の割合が圧倒的に少ないため、火炎の色はいわゆ
るブルーフレームとなった。そして、図７に示すよう
に、同じ燃料を酸素濃度２１％、温度５０℃の燃焼用空
気を用いて拡散燃焼させた場合（実線で示す火炎）と、
酸素濃度３％、温度１０１０℃の高温希釈空気を用いて
拡散燃焼させた場合（仮想線で示す火炎）と比較する
と、火炎ボリュームに概略ではあるが２０倍以上もの差
が生じた。しかも、ボリュームの大きな火炎の可視発光
色中には緑色の発光スペクトル成分を出す炭化水素系燃
料の燃焼反応中間生成物が相対的に多量に認められる結
果、緑色がかった火炎の色となった。このことから、Ｏ
₂ 濃度を下げると、前述の緑色の発光スペクトル成分の
相対的増加現象が顕著になることがわかった。

【００２１】このことは、図９及び図１０に示す火炎分
光測定結果からも明らかである。例えば、空気を窒素ガ
スで５．１％Ｏ₂ に希釈し、燃料にＬＰＧを用いて、希
釈空気温度を三条件１０００℃、１０５０℃、１１００
℃と変えた際の火炎発光スペクトル測定により、図９の
結果が得られた。火炎の目視観察でも希釈空気温度増加
と共に青色から青緑色に変化するのがわかるが、スペク
トル測定により定量的に把握できた。ただし分光器とＣ
ＣＤの感度補正はなされていないので各条件毎の相対比
較となる。また、青色の発光スペクトル成分たるＣＨラ
ジカル（４３１．５ｎｍ）と緑色の発光スペクトル成分
たるＣ₂ スワン帯のひとつのＣ₂ ラジカル（５１６．５
ｎｍ）について、５．１％Ｏ₂ 、２１％Ｏ₂ での希釈空
気温度に対する変化を調べた。図１０によれば希釈空気
温度によりＣ₂ ラジカル発光強度Ｉ_C2がＣＨラジカル発
光強度Ｉ_CHに比べ増加していることがわかる。この青色
発光源のＣＨラジカルＩ_CHと緑色発光源であるＣ₂ ラジ
カル発光強度Ｉ_C2との比を希釈空気温度に対して取り、
その相対割合の変化として図１０を書き換えたのが図１
１である。図中にはメタンについての結果も記されてい
るが、いずれの炭化水素系燃料も希釈空気温度増加によ
り、火炎は青色から青緑色に変わり、酸素濃度が低いと
その増加割合は大きくなる。したがって高温空気燃焼で
は火炎が緑色化することがわかる。

【００２２】この結果からも明らかなように、ＬＰＧ燃
料の場合、通常燃焼時よりも遥かに高温の空気を用いて
燃焼させるだけの燃焼では、発光強度比が空気温度１１
２５℃に至っても１．１５程度であるのに対し、酸素濃
度５．１％の空気を用いて燃焼させる場合には失火する
９９０℃付近でも発光強度比は１．３であり、１０８０
℃付近では２．３５程度である。この結果、酸素濃度が
低くなるほど、また空気温度が高くなるほど発光強度比
は通常燃焼時よりも遥かに大きくなることが理解でき
る。一方、ＬＰＧ燃料と空気との燃焼で発生する火炎の
発光強度比が約２．３以上となった場合、燃焼反応直前
の空気の酸素濃度は５．１％以下、温度は混合気の自己
着火温度よりも十分に高い１１００℃以上となり、確実
に高温燃焼を実現できる。また、メタン燃料の場合、通
常燃焼時よりも遥かに高温の空気を用いて燃焼させるだ
けの燃焼では、発光強度比が空気温度１２５０℃に至っ
ても０．８程度であるのに対し、酸素濃度１５％の空気
を用いて燃焼させる場合には失火する１０３５℃でも発
光強度比は０．９であり、１１２５℃付近では１．２５
程度である。したがって、メタンと空気との燃焼で発生
する火炎の発光強度比が約１．２以上となった場合、燃
焼反応直前の空気の酸素濃度は１５％以下、温度は１１
５０℃以上となる。ここで、大気圧で酸素濃度２１％に
おけるメタン混合気の自己着火温度は５３７℃であるの
で、酸素濃度１５％におけるメタン混合気の自己着火温
度は９００〜１０００℃程度であると推定されるので、
酸化剤温度は自己着火温度よりも十分に高い安定燃焼領
域温度となり、確実に高温燃焼を実現していることが推
定できる。他方、酸素濃度２１％の空気を用いた燃焼は
予熱空気の温度が高くなるにつれ、いわゆるブルーフレ
ームと呼ばれる青色の短炎が強い火炎を伴った火炎を形
成するように変化し、熱流束がピークを持ち最高火炎温
度が平均温度よりもかなり高く極めて大量のＮＯｘを生
成する。

【００２３】斯様に、燃焼反応直前の拡散状態にある酸
化剤の酸素濃度及びその温度は、可視発光中のＣＨラジ
カルとＣ₂ラジカルの発光スペクトル強度比と相関関係
があることが明らかに認められる。そこで、火炎の可視
発光色中にＣＨラジカルとＣ ₂ラジカルの発光スペクト
ル強度比が通常燃焼時よりも大きく緑色がかった火炎が
形成されるときは、少なくとも燃焼反応直前には通常の
空気よりもはるかに酸素濃度が低くかつその酸素濃度に
おける燃焼安定限界温度以上の高温とされた当量比の希
釈空気と燃料とが混合拡散されて十分に低速な酸化発熱
反応下に拡散燃焼（高温空気燃焼）を起こしていると推
定できる。

【００２４】このことから、例えば、ラジカル発光強度
比をモニターしながら燃焼用空気を噴射するノズルの噴
射角度や噴射口径を調整するなどの手法によって燃料噴
流と衝突するまでに巻き込む炉内ガスの量を変化させ、
燃焼反応直前の希釈空気の酸素濃度を調整したり、また
は、炉内に噴出する前に酸化性の微弱なガスあるいは不
活性ガスを注入してその酸素濃度を調整することによ
り、燃焼反応直前の酸化剤の酸素濃度及び温度の組み合
わせを高温空気燃焼を起こすものに設定することができ
る。高温の空気と燃焼排ガスとは、炉内において燃料と
接触する前に混合されて所定の温度でかつ所定の酸素濃
度に希釈された高温希釈空気とされて供給される。一般
に、希釈空気としては、炉内に酸素濃度２１％の燃焼用
空気を高速例えば６０〜１００ｍ／ｓあるいはそれ以上
の高速度で噴出して炉内燃焼ガスを誘引混合させること
によって排ガスで所定の酸素濃度に希釈したものを使用
することが経済的でかつ実用的である。そこで、空気と
燃料とは炉内へそれぞれ別々に噴射され、炉内で拡散混
合するように空気ノズルと燃料ノズルとが配置されてい
る。

【００２５】因みに、図１に示すような好適な高温空気
燃焼を実現しているときの火炎、即ち可視発光色中にお
ける青色の発光スペクトル強度に対する緑色の発光スペ
クトル強度の割合が通常燃焼させたときよりも顕著に増
加したと認められる火炎は、通常燃焼時に発生する青色
（ブルーフレーム）とは目視によってもはっきり区別で
きる程度の緑色がかった色となる。

【００２６】［実施例］燃料ＬＰＧを温度５０℃、酸素
濃度２１％の希釈空気で燃焼させた。この燃焼時のラジ
カル発光強度比Ｉ_C2／Ｉ_CHの測定結果を図１２の（Ａ）
に示す。また、燃料ＬＰＧを温度１１００℃、酸素濃度
４．９％の希釈空気で燃焼させた。この燃焼時の測定結
果を図１２の（Ｂ）に示す。更に、燃料１３Ａ（都市ガ
ス）を空気温度１１００℃、酸素濃度１０．２％の希釈
空気で燃焼させた。この燃焼時の測定結果を図１２の
（Ｃ）に示す。この実験結果では、ラジカル発光強度比
Ｉ_C2／Ｉ_CHが通常燃焼時よりも顕著に大きく緑色化した
領域が点々で示されている。しかも、酸化剤の酸素濃度
とその温度とによってラジカル発光強度比Ｉ_C2／Ｉ_CHの
大きさに違いがあることが明らかである。したがって、
ラジカル発光強度比Ｉ _C2／Ｉ_CHが燃焼反応直前の酸化剤
の酸素濃度とその温度の指標となることは明らかであ
る。

【００２７】また、燃料プロパンを温度７００〜１１０
０℃、酸素濃度２１〜５％の範囲の酸化剤である空気で
燃焼させた場合のラジカル発光強度比Ｉ_C2／Ｉ_CHの測定
結果をプロットしたものを図１３に示す。この結果から
も、空気温度が高くなりかつ酸素濃度も低くなるほどラ
ジカル発光強度比Ｉ_C2／Ｉ_Cが通常燃焼時よりもはるか
に大きくなり火炎が緑色化して行くことが理解できる。
この実測結果では、おおよそ１０００℃以上、１５％以
下の酸素濃度の空気で燃焼させた場合には確実にラジカ
ル発光強度比Ｉ_C2／Ｉ_CHが１以上となり、目視でも火炎
が緑色がかった青色あるいはより緑色化することが示さ
れている。

【００２８】なお、上述の実施形態は本発明の好適な形
態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発
明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能で
ある。例えば、本実施形態では、炭化水素系燃料及び都
市ガスなどの炭化水素を含む燃料の燃焼について主に説
明したが、これに特に限定されず、水素燃料などでは炭
化水素系燃料あるいは炭化水素をマーカーとして添加す
ることによって実施することができる。

【００２９】また、高温空気燃焼を実現する手法として
内部循環による熱再循環とガス再循環とを採用している
が、例えば燃焼用空気中の酸素濃度を燃焼排ガスによっ
て希釈されたものを使用することが実用的であるがこれ
に特に限定されるものではなく、酸素を一定量以上含有
する空気以外の気体をそれとは更に異なる他の気体によ
って希釈したもの、あるいは空気を不活性ガス等の希釈
気体で希釈したものなどが使用可能である。排ガスを利
用した燃焼用酸化剤を使用するバーナシステムの場合に
は、図示していないが、例えば燃焼ガスの一部が循環路
を通ってバーナ側へ還流されると共に排出される残りの
燃焼ガスの顕熱を利用して燃焼用空気を熱交換器等で予
熱し、これら予熱された燃焼用空気と再循環燃焼ガスと
を混合して緑色の発光スペクトル成分を出す燃焼反応中
間生成物が得られる状態の酸素濃度と温度の高温希釈空
気が化学当量比を変えない容量で供給される。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、請求項
１記載の本発明の燃焼状態診断方法によると、ＣＨラジ
カル発光強度とＣ₂ラジカル発光強度とをそれぞれ測定
し、その比から炭化水素系燃料あるいは炭化水素を含む
燃料若しくは炭化水素系燃料ないし炭化水素をマーカー
として添加した燃料の燃焼反応直前の炉内で複雑に変化
する酸化剤である燃焼空気の酸素濃度と温度の組み合わ
せを推定することができる。したがって、ラジカル発光
強度比からその燃焼が極めて低速な酸化発熱反応を伴う
高温空気燃焼を起こしているか否か、あるいはどのレベ
ルの高温空気燃焼であるか診断することができる。

【００３１】また、請求項２記載の発明は、判定を燃焼
ノズルの最も近傍において発生する炭化水素系燃料の燃
焼反応領域におけるピークスペクトルの比から行うよう
にしているので、燃料噴射ノズル近傍における酸化剤の
酸素濃度と温度の組み合わせの推定から、温度のピーク
がなく非常に大きなボリュームで安定に燃焼する火炎を
形成する高温空気燃焼が起こっているか否か、あるいは
どのレベルの高温空気燃焼が起こっているかが分かれ
ば、それ以降の下流で形成される火炎も、温度のピーク
のある火炎と成るか成らないかを容易に判断できる。

【００３２】また、請求項３記載の発明は、判定をその
火炎の複数点におけるピークスペクトルの比から行なう
ようにしているので、局所的に空気比がバラバラとなり
可燃範囲に達したところから燃焼を開始する炭化水素系
燃料の拡散燃焼であっても、偶然に発生する１つの測定
点での条件に左右されることなく全体の燃焼状態を正確
に診断できる。

【００３３】

【図面の簡単な説明】

【図１】酸素濃度３％、温度１０１０℃の燃焼用酸化剤
を用いた場合の火炎の状態を示す説明図である。

【図２】酸素濃度１０％、温度１０００℃の燃焼用酸化
剤を用いた場合の火炎の状態を示す説明図である。

【図３】酸素濃度１０％、温度９６０℃の燃焼用酸化剤
を用いた場合の火炎の状態を示す説明図である。

【図４】酸素濃度１０％、温度８８０℃の燃焼用酸化剤
を用いた場合の火炎の状態を示す説明図である。

【図５】酸素濃度２１．０％、温度１０００℃の燃焼用
酸化剤を用いた場合の火炎の状態を示す説明図である。

【図６】酸素濃度２１．０％、温度５０℃の燃焼用酸化
剤を用いた場合の火炎の状態を示す説明図である。

【図７】酸素濃度３％、温度１０１０℃の燃焼用酸化剤
を用いた場合の火炎の状態と酸素濃度２１．０％、温度
５０℃の燃焼用酸化剤を用いた場合の火炎の状態とを比
較する説明図である。

【図８】燃焼の安定性に対する燃焼用酸化剤の温度と酸
素濃度の影響を示すグラフである。

【図９】空気温度と火炎発光スペクトルとの関係を示す
グラフである。

【図１０】ＣＨ／Ｃ₂ラジカル発光強度の空気温度変化
を示すグラフである。

【図１１】ラジカル発光強度比Ｉ_C2／Ｉ_CHの空気温度変
化を示すグラフである。

【図１２】ラジカル発光強度比Ｉ_C2／Ｉ_CHの測定結果
を、変化空気温度と酸素濃度との関係において燃料毎に
実験した説明図で、（Ａ）は燃料ＬＰＧ、希釈空気温度
５０℃、酸素濃度２１％の場合、（Ｂ）は燃料ＬＰＧ、
希釈空気温度１１００℃、酸素濃度４．９％の場合、
（Ｃ）燃料１３Ａ（都市ガス）、希釈空気温度１１００
℃、酸素濃度１０．２％の場合ある。

【図１３】酸化剤の温度と酸素濃度との関係において変
化するラジカル発光強度比Ｉ_C2／Ｉ_CHの推移を測定して
プロットしたグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者星野俊文神奈川県横浜市鶴見区尻手２丁目１番53 号日本ファーネス工業株式会社内 (72)発明者持田晋神奈川県横浜市鶴見区尻手２丁目１番53 号日本ファーネス工業株式会社内 (72)発明者勝島裕和神奈川県横浜市鶴見区尻手２丁目１番53 号日本ファーネス工業株式会社内 (72)発明者田村雅之東京都墨田区京島１−47−10 東京ガス墨田独身寮709 (72)発明者田井秀男千葉県習志野市東習志野１−10−５− 107 (56)参考文献特開平８−145315（ＪＰ，Ａ) 特開平５−79623（ＪＰ，Ａ) 特開平６−273322（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−107890（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−138022（ＪＰ，Ａ) 特開平７−260137（ＪＰ，Ａ) 特開平６−159641（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−159515（ＪＰ，Ａ) 特開平10−288342（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23N 5/08 F23N 5/18 101 F23N 5/26 101

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも６００℃以上の高温の空気あ
るいはそれに相当する酸化剤と炭化水素系燃料あるいは
炭化水素を含む燃料若しくは炭化水素系燃料ないし炭化
水素をマーカーとして添加した燃料とを別々に炉内へ噴
射し、炉内でのガス再循環により少なくとも燃焼反応直
前には通常の空気よりもはるかに酸素濃度が低くかつそ
の酸素濃度における混合気の燃焼安定限界温度以上の高
温希釈空気で十分に低速な酸化発熱反応下に拡散燃焼さ
せる高温空気燃焼において、火炎の可視発光色中におけ
るＣＨラジカルの発光スペクトル強度とＣ₂の発光スペ
クトル強度との比から、前記高温空気燃焼を起こしてい
るか否か、あるいは前記高温空気燃焼をどのレベルで実
現しているのか、を判定することを特徴とする燃焼状態
診断方法。
【請求項２】前記判定は燃焼ノズルの最も近傍におい
て発生する燃焼反応領域におけるピークスペクトルの比
から行われることを特徴とする請求項１記載の燃焼状態
診断方法。
【請求項３】前記判定はその火炎の複数点におけるピ
ークスペクトルの比から行われることを特徴とする請求
項１または２記載の燃焼状態診断方法。