JP3899082B2 - 予混合燃料噴出装置 - Google Patents

Description

本発明は、低ＮＯｘ排出及び高負荷燃焼のための予混合燃料噴出装置に関し、より詳しくは、火炎の安定性を最大限に高め、窒素酸化物（以下、ＮＯｘとも称する）の制御が可能な予混合燃焼を高流量(高速)で供給することを可能とし、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を著しく低減できる低ＮＯｘ排出及び高負荷燃焼のための予混合燃料噴出装置に関する。

一般に、ガス燃料に使われる火炎は、燃料と空気とを分離して供給する非予混合火炎(拡散火炎)と、燃料に空気を予め混合して供給する予混合火炎とに大別される。

拡散火炎は、火炎の安定燃焼範囲が広いが、煤煙の発生可能性が高く、予混合火炎は、ＮＯｘの発生量の制御が容易ではあるが、逆火や火炎の吹き飛びの危険があるという問題があった。最近では、公害問題が重要な課題となっており、燃焼器の設計の際に火炎の安定性と共に公害物質の排出特性が燃焼器の開発に重要な選択因子として作用しているのが実情である。

このような窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制するための方法としては、排気ガス再循環方法などによって燃焼温度を低くする方法や多段燃焼を行うなどの方法が公知になっている。排気ガス再循環方法によって燃焼温度を低くする方法は、窒素酸化物の発生を低減できるものの、排気ガスの再循環のための付加的な設計や装置が必要となるという問題があった。また、前記多段燃焼を行う方法は、広く用いられているが、装置や運用が複雑化するという問題があった。

最近、燃焼器の開発では、高負荷化、小型化、軽量化及び低公害性が要求されており、このような状況に対処できる方法として、高効率の低公害燃焼技術を開発し、さらに、これを応用するのを主な目的としている。

高負荷燃焼の場合、強い乱流を伴う高速流動場内の燃焼が必要であるが、乱流の増加及び気流の高速化に伴い、火炎が動いたり、不安定になって消炎したり、燃焼の際に流動特性の異常によって燃焼が不安定な方向に展開してしまう。従って、さらなる汚染物質を排出することになり、効率を悪くし、さらなる問題を招来することもある。

特に、特開平７-１０３４２８号公報には、バーナの中心に高速噴射酸素ノズルを設け、酸素ノズルの外周同心円上で燃料を複数のノズルを介して噴射する技術が開示されている。このような型のバーナでは、空気(酸素)が高速で噴射されることによって炉内の燃焼ガスを吸い込むことでバーナの吐出口の付近の燃焼温度や燃焼用空気中の酸素濃度を低下させ、これにより窒素酸化物の発生量が低下するものであり、最近、高温燃焼の窒素酸化物の抑制方法として多くの研究が進められている。

しかし、この方式は、最低の窒素酸化物の発生量が２００ｐｐｍ以上であり、この方式を実際に適用するには不都合があった。さらに、前記既存のＮＯｘを低減させる方法としての排気ガス再循環方法や多段燃焼の技術は、その構造が複雑となり、加工性及び製作性が低下するのみならず、製作コストが高価となるという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ガス燃料の燃焼器において、装置を簡単にしながらも低公害かつ高負荷の燃焼が可能な燃焼方法及び火炎特性(高負荷、低公害)を有する低ＮＯｘ排出及び高負荷燃焼のための予混合燃料噴出装置を提供することを目的とする。

より詳しくは、燃料噴出装置のノズル配列の最適化及び運用方法の改善で火炎の安定性を最大限に高め、予混合燃焼との相互作用によって窒素酸化物の発生を低減できる環境にやさしい低ＮＯｘ排出及び高負荷燃焼のための予混合燃料噴出装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、予混合燃料噴出装置において、一つのセンターノズルと、前記センターノズルを取り囲むように配列された複数の外部ノズルを備え、前記隣接した外部ノズル間の距離が前記外部ノズルの直径の１５乃至２５倍となることを特徴とするものである。

また、前記センターノズルの直径は、前記外部ノズルの直径と同じか、より大きいことが好ましい。

また、前記複数の外部ノズルには燃料と空気の混合気を供給し、前記センターノズルには非予混合気を供給し、前記センターノズルには前記外部ノズルの全流量の０.１〜１０％を供給することが好ましい。

なお、本発明による実験結果は、理解を容易にするためのものに過ぎず、本発明の配列と濃度及び流量の条件は、多様に設定することができ、例示的な数値に限定されないことは言うまでもない。

このような本発明に係る予混合燃料噴出装置は、別の付加装置を備えることなく、高効率かつ安定した火炎状態が得られ、燃焼の際の窒素酸化物の発生量を極めて低減できるという効果がある。

従って、エネルギーの節減及び加熱状態の改善をもたらし、公害排出物による経済的な損失を減らして非常に経済的であると共に、環境にやさしく、幅広い各種の応用分野に適用できる有用性がある。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づいて詳しく説明する。

図１は、本発明による低ＮＯｘ排出及び高負荷燃焼のための予混合燃料噴出装置の特性を把握するための予混合高負荷燃焼器の特性実験に用いた実験装置の構造図であり、図２は、従来技術のセンターノズルの無い非予混合バーナを上方から見たノズル配列の模式図であり、図３は、本発明に係る低ＮＯｘ排出及び高負荷燃焼のための予混合燃料噴出装置による、センターノズルを備えた、窒素酸化物を低減できる高負荷燃焼のための複数のノズル配列の模式図であり、図４a及び 図４b は、プロパン燃料を使用した場合の火炎の吹き飛びの特性を示すグラフであり、図５は、センターノズルの直径を外部ノズルの直径と異ならせた場合において、予混合程度及びセンターノズルの燃料流量が火炎の吹き飛びに及ぼす影響に関するグラフであり、図６は、非予混合火炎と予混合火炎とで排出物質の濃度を測定したグラフであり、図７は、メタン燃料を使用した場合の火炎の吹き飛びの特性のグラフである。

本発明に係る低ＮＯｘ排出及び高負荷燃焼のための予混合燃料噴出装置の特性を把握するために構成された実験装置の一例は、図１に示すように、燃料タンク１０と、エアコンプレッサ１１と、流量計１２と、流量制御バルブ２１、２２、２３と、４チャンネル読み出し機３０と、ＮＯｘの測定のために使用されたガラスチューブ４０と燃料/空気分配チャンバー６０とを含む燃焼試験管５０と、これらの間に回路を形成するための複数の管とから構成される。流量制御バルブ２２、２３によって流量がそれぞれ調節された燃料と空気は混合されて供給管１と分配チャンバー６０を介して燃焼試験管５０の燃料噴出装置の中央を取り囲む複数の外部ノズルに供給される。また、流量制御バルブ２１によって流量が調節された燃料は、単独で供給管２を介してセンターノズルに供給される。

このような装置は、前述の目的を達成するために、最適化した燃料噴射ノズルの配列とセンターノズルの適当な燃料濃度及び噴射速度を調整するためのものである。

図２は、ガラスチューブ４０に被せられた燃焼試験管５０内に配列される従来技術のノズル噴射装置を上方から見た複数のノズルの配列を示しており、(ａ)は、四角形状配列であり、(ｂ)は、円形状配列である。図２は、韓国特許出願公開２００３-００４７１４６号公報に開示されているように、燃料噴射速度２０４[m/s]でも火炎が安定している。しかし、これらは燃料のみを大気中に噴射する非予混合燃焼用高負荷燃焼器の配列であり、この配列に低公害の燃焼のために予混合気を提供すると、低流量では火炎が消炎し、所望の高負荷燃焼ができなくなる。

従って、本発明では、このような火炎の安定化及び低公害化のための制御を共に考慮するために、ノズル配列の中央に噴射ノズルを備えた図３に示すような複数のノズル配列を使用している。

外部ノズルＡは図１に示す供給管１から噴射される燃料と空気の混合ガスが、センターノズルＢは図１に示す供給管２からの燃料(または、少量の酸化剤が添加された燃料)が、それぞれ供給されている。

一般に、火炎の吹き飛びを防止するために使用されるパイロット火炎燃焼器の場合は、殆どの燃料と空気が供給される直径の大きいノズルが中央に、燃料が供給される直径の小さいノズルが外部にそれぞれ存在し、これらの距離はセンターノズルの直径と等しい程度離れて配置されている。

従来の非予混合で高負荷の複数のノズルの火炎噴出装置のように、ノズルの中心と最も隣接したノズルの中心までの距離(以下、Ｓと表す)を外部ノズルの直径Dで割った無次元数をＳ/Ｄという。

複数のノズルの火炎噴出装置のノズル配列は、従来技術と類似した配列で構成しており、中央にノズルをさらに備えている。外部ノズルＡには窒素酸化物の低減のために、空気と混合した燃料を供給する。センターノズルＢの燃料は、外部ノズルＡに供給される全流量の０.１〜１０％を保っている。センターノズルＢに外部ノズルと同じ濃度及び流量を供給した場合、火炎が低流量でも吹き飛んでしまい、高負荷燃焼ができなくなった。

前記の配列や燃料と空気の濃度比及び外部ノズルとセンターノズルとの速度比は、非予混合の場合とほぼ同様に、高流速でも火炎が吹き飛ばないように保っている。

メタン(ＣＨ₄)の場合は、ノズル出口流速２００[m/s]以上でも火炎が吹き飛ばなかった。このような運用条件は、高価な費用をかけず、装置が簡単となり、実用的かつ経済的な面で極めて有利である(図７参照)。

図４ａ及び図４ｂは、当量比(Eq)がそれぞれ４０及び２０である場合の、火炎が吹き飛ぶ流量に関するグラフである。図４ａ及び図４ｂでは、プロパン燃料の場合、予混合を行い、前記燃料比で外部ノズルやセンターノズルに供給したとき、Ｓ/Ｄが１５〜２５領域でも高流速(または、高流量)にて火炎の吹き飛びが起きず、安定していることを示している。即ち、適当な配列においては、火炎が２００[m/s]以上でも吹き飛ばないことを示している。

図５は、センターノズルの直径を外部ノズルより大きくした場合に、外部ノズルでの燃料と空気の混合比とセンターノズルに供給される燃料量を切り替えながら、外部ノズルでの流速が２００ｍ/ｓ以上で火炎の吹き飛びが起きるかどうかを調べた結果を示すグラフである。センターノズルが大きい場合、センターノズルの燃料量が外部ノズルの燃料量の０.１〜１％の間で安定していることが分かる。

窒素酸化物の低減の面から、本発明の特徴を図６に示している。燃料と空気とを混合していない非予混合火炎の場合に比べて予混合の場合には窒素酸化物の排出が２０〜７０％低減していることが分かる。

また、高流量(高速燃焼)の場合にも窒素酸化物が定量的に１００ｐｐｍ以下であり、非常に環境にやさしく、実用的であると言える。

図７は、メタン(ＣＨ₄)燃料についても、センターノズルの無い複数のノズルの組み合わせと比べてセンターノズルがある場合の方が、本発明による濃度条件の場合に、高流量でも火炎の吹き飛びが起きず、安定していることを示している。

前記の実験の結果、本発明による複数のノズルの火炎噴出装置の最適なノズル配列及び運用方法は、下記のような特徴を有する。
（１）低公害のバーナの開発のための予混合の条件を整え、高速燃焼下でも火炎の吹き飛びが起きないようにするために、全体の火炎噴出装置のノズル配列において、ノズルの配列を円形状または四角形状などの多角形状とし、中央にノズルＢを配列し、図３の外部ノズルＡに燃料/空気の混合気を供給し、図３のセンターノズルＢの流量条件を外部ノズルＡの全流量の５％程度に保っている場合には、火炎の吹き飛びを起こさず、火炎が安定している。
(２)上記（１）の条件下での窒素酸化物の排出は、非予混合条件と比較すると、予混合を行う場合の方が２０〜７０％低減され、高流量で６０ｐｐｍ以下の条件に保つことができ、非常に実用的である。
(３)メタンの場合、センターノズルが無い場合には火炎の吹き飛びが起きていたが、センターノズルを配列して前記条件を適用する場合には、チョーキング(Choking)まで火炎の吹き飛びが起きず、高負荷燃焼が可能となる。

以上のように、上記実施の形態を参照して詳細に説明され図示されたが、本発明は、これに限定されるものでなく、このような本発明の基本的な技術的思想を逸脱しない範囲内で、当業界の通常の知識を有する者にとっては、他の多くの変更が可能であろう。また、本発明は、添付の特許請求の範囲により解釈されるべきであることは言うまでもない。

本発明による低ＮＯｘ排出及び高負荷燃焼のための予混合燃料噴出装置の特性を把握するための予混合高負荷燃焼器の特性実験に用いた実験装置の構成図である。 従来技術のセンターノズルの無い非予混合バーナを上方から見たノズル配列の模式図である。 本発明に係る低ＮＯｘ排出及び高負荷燃焼のための予混合燃料噴出装置による、センターノズルを備えた、窒素酸化物を低減できる高負荷燃焼のための複数のノズル配列の模式図である。 プロパン燃料を使用した場合の火炎の吹き飛びの特性を示すグラフである。 プロパン燃料を使用した場合の火炎の吹き飛びの特性を示すグラフである。 センターノズルの直径を外部ノズルの直径と異ならせた場合において、予混合程度及びセンターノズルの燃料流量が火炎の吹き飛びに及ぼす影響に関するグラフである。 非予混合火炎と予混合火炎とで排出物質の濃度を測定したグラフである。 メタン燃料を使用した場合の火炎の吹き飛びの特性のグラフである。

符号の説明

１、２ 供給管
１０ 燃料タンク
１１ エアコンプレッサ
１２ 流量計
２１、２２、２３ 流量制御バルブ
４０ ガラスチューブ
５０ 燃焼試験管
６０ 分配チャンバー

Claims (2)

1. 予混合燃料噴出装置において、
   燃料を空気と混合せずに供給する一つのセンターノズルと、
   前記センターノズルを取り囲むように配列されて燃料-空気の混合気体を供給する複数の外部ノズルとを備え、
   互いに隣接した前記外部ノズル間の距離を前記外部ノズルの直径の１５乃至２５倍とし、前記センターノズルは前記外部ノズルに供給される全燃料流量の０．１乃至１０％を供給することを特徴とする予混合燃料噴出装置。
2. 前記センターノズルの直径は、前記外部ノズルに供給される全燃料流量の０．１乃至１０％を供給するために前記外部ノズルの直径以上であることを特徴とする請求項１に記載の予混合燃料噴出装置。

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