JP4713496B2 - 一次酸化剤の最適化された注入を伴う段階的な燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸化剤の一次噴流および酸化剤の二次噴流を用いる段階的な燃焼方法であって、一次酸化剤の注入が、最適化されている段階的な燃焼方法に関する。

工業用炉における燃焼方法の実行は、２つの基準を満たす必要がある。すなわち、
法律により定められた制限よりも量の面で少なければならない、大気汚染物質（ＮＯｘ、粉塵等）の排出を制限すること、
燃焼に供される製品の質、およびエネルギーの消費に関する双方の制約を満たすために、炉壁の温度および加熱される装填物の温度を制御すること
である。これらの２つの基準を満たすための有利な解決策は、燃焼炎の温度を低減することであり、用いられる手段の１つは、段階的な燃焼である。燃料の段階的な燃焼方法は、燃料の完全な燃焼に必要な酸化剤の量を、燃料の流れから種々の距離隔てて導入される、酸化剤の少なくとも２つの流れに分割することを含む。つまり、酸化剤の第１の流れを、燃料の流れに非常に近接して導入する。燃料の流れに最も近接するこの流れを、一次流と呼び、これは、制御された温度における燃料の部分的な燃焼を可能にし、ＮＯｘの生成を制限する。酸化剤の他方の流れを、酸化剤の一次流と比べて燃料からより大きな距離隔てて注入し、これは、一次酸化剤により反応していない燃料の燃焼を完了することを可能にする。これらの流れを二次流と呼ぶ。文献 WO 02/081967 は、このタイプの段階的な燃焼方法を適用することができる方法を記載している。酸化剤を、３つの異なる流れに分離し、これらを、燃料の注入の地点から種々の距離隔てて、および種々の速度で注入する。つまり、酸化剤の第１噴流を、燃料の噴流の中心において高速度で注入する。その後、酸化剤の第２噴流を、燃料の噴流から第１の距離隔てて、より低速度で注入する。最後に、酸化剤の第３噴流を、燃料の噴流から第２の距離隔てて注入し、この第２の距離は、第１の距離よりも大きい。

可変のバーナーパワー（例えば、炉の装填物が変化した際）を用いてこのタイプの方法を適用することは、有用であり得る。中でも、低いバーナーパワーを用いること、すなわち、バーナーの名目上の仕様に対して低い燃料速度を伴うバーナーを用いることが所望され得る。ここで、名目上の仕様に対して低い燃料速度を用いるバーナーの使用は、炎の立ち上がりをもたらし得る。水平面における燃料と酸化剤の注入のために、炎が、工業用炉の天井に向かって立ち上がり、これを損傷し得る。

本発明の目的は、バーナーのパワーを加減すること、および特にはその名目上のパワーに比べてこれを削減することができ、パワーのこの変化が、炎の方向の変化、および炉壁の損傷をもたらさない段階的な燃焼方法を提供することである。

この目的に基づいて、本発明は、燃料の１つの噴流および酸化剤の少なくとも２つの噴流を注入し、一次噴流と呼ぶ酸化剤の第１噴流を、燃料の噴流と接触するように、且つ第１の不完全な燃焼を引き起こすように注入し、この第１の燃焼から生じるガスは、燃料の少なくとも一部をなお含み、酸化剤の第２噴流を、第１の燃焼から生じるガス中に存在する燃料の部分を燃焼するように、燃料の噴流からある距離隔てて注入する燃焼の燃焼方法であって、ここで、酸化剤の一次噴流を、２つの一次噴流、すなわち、
燃料の噴流の中心に注入される、中央一次噴流と呼ぶ酸化剤の第１の一次噴流、
燃料の噴流の周囲に同軸上に注入される、被覆一次噴流と呼ぶ酸化剤の第２の一次噴流
に分割する燃料の燃焼方法に関する。

従って、本発明は、燃料の燃焼に必要な酸化剤を、２つの噴流に分割する段階的な燃焼方法から成る。一次噴流と呼ぶ第１噴流を、燃料と接触して注入し、これは、燃料の噴流と酸化剤の一次噴流との間の距離が、（これらの種々の噴流を流す、考えられるダクト壁の存在を除いて）ゼロであることを意味する。本発明の必須な側面によれば、酸化剤の一次噴流を、燃料の噴流とは異なって注入される２つの噴流に分割する。中央噴流と呼ぶ酸化剤の第１の一次噴流を、燃料の噴流の中心において注入し、および被覆一次噴流と呼ぶ酸化剤の第２の一次噴流を、燃料の噴流の周囲に同軸上に注入する。実際には、この方法を、一方が燃料の注入のため、他方は、中央一次酸化剤のための２つの同心チューブから成る注入パイプの使用により適用することができる。注入パイプは、セラミック製通気路（quarl）の中に位置し、被覆一次酸化剤を、通気路および注入パイプの間にできた空間中に注入する。注入パイプの末端は、炉中の注入壁から後退し得るか、または炉中の注入壁と同じ平面にあり得る。

本発明によれば、酸化剤の一次噴流中に存在する酸化剤の量は、燃料の完全な燃焼に必要な酸化剤の総量よりも少ない。酸化剤の第２噴流が、燃料の燃焼を完了するために必要な酸化剤の量を供給することを可能にする。酸化剤の第２噴流を、酸化剤の第２の一次噴流からある距離隔てて注入し、これは、これらの２つの噴流の間の距離は、ゼロではないことを意味する。好ましくは、この距離は、少なくとも８０ｍｍ、さらにより好ましくは少なくとも９０ｍｍである。一般的に、全ての注入される酸化剤の量の合計は、実質的には、化学量論、すなわち、燃料の完全な燃焼に必要な化学量論量に対して±１５％の範囲にある。第２酸化剤の量は、通常、注入される酸化剤の総量の１０〜９８％に相当し、好ましくは、５０〜９８％に、さらにより好ましくは７５〜９８％に相当し、一次酸化剤（中央一次酸化剤および被覆一次酸化剤の双方に相当する）は、酸化剤の総量の２〜９０％、好ましくは２〜５０％、さらにより好ましくは２〜２５％にある量に相当する。

本発明によれば、酸化剤の中央一次噴流の注入速度が、燃料の噴流の注入速度よりも大きいことが好ましい。この側面を通じて、酸化剤の中央噴流は、燃料の噴流の良好な輸送と、この燃料の噴流の十分に高い速度を確実にする。つまり、燃料は、第２酸化剤による燃焼の帯域に向かって、確実に運ばれる。酸化剤の中央一次噴流の注入速度は、通常、少なくとも５０ｍ／ｓ、好ましくは５０〜１５０ｍ／ｓである。燃料の噴流の注入速度は、好ましくは、酸化剤の被覆一次噴流の注入速度よりも大きく、さらにより好ましくは、５〜１５ｍ／ｓである。有利な態様によれば、酸化剤の第２噴流の注入速度は、酸化剤の被覆一次噴流の注入速度よりも大きくてよい。

本発明によれば、酸化剤の第２噴流を注入する距離と、酸化剤のこの第２噴流の速度は、好ましくは、酸化剤の中央一次噴流の注入地点と酸化剤の第２噴流の注入地点との間の距離の、酸化剤の第２噴流の注入速度に対する比が、１０^−３ｓ〜１０^−２ｓ、好ましくは３×１０^−３ｓ〜８．５×１０^−３ｓにあるものである。この関係は、本発明の課題を解決すると同時に、ＮＯｘの低い放出、および操作者が燃焼を視覚的に確認することを可能にする改善された炎の光度を提供する。

本発明の方法の特有の態様によれば、酸化剤の第３噴流を、酸化剤の中央一次噴流の注入地点と、第２酸化噴流の注入地点との間に位置する地点において注入することができる。この第３酸化噴流の注入の利点は、酸化剤の第２噴流および第３噴流との間の流速を変化させ、および炉の装填物の移動プロファイル（furnace charge transfer profile）を制御するために、バーナーの勢いと炎の長さを変更することができることである。好ましくは酸化剤の第２噴流の注入速度は、酸化剤の第３噴流の注入速度よりも大きいか、これと等しい。酸化剤の第２噴流の注入地点と酸化剤の中央一次噴流の注入地点との間の距離の、酸化剤の第３噴流の注入地点と酸化剤の中央一次噴流の注入地点との間の距離に対する比が、２〜１０にあることが好ましいということが観察された。この特有な態様の場合に、第３噴流中に存在する酸化剤の量は、好ましくは、第２噴流および第３噴流により注入される酸化剤の合計量の５０〜７５％に相当し、第２噴流および第３噴流により注入される酸化剤のこの合計量は、注入される酸化剤の総量の１０〜９８％、好ましくは５０〜９８％、さらにより好ましくは７５〜９８％に相当する。本発明によれば、酸化剤の第３噴流を注入する距離と、酸化剤のこの第３噴流の速度は、好ましくは、酸化剤の中央一次流の注入地点と酸化剤の第３噴流の注入地点との間の距離の、酸化剤の第３噴流の注入速度に対する比が、６×１０^−４ｓ〜６×１０^−３ｓ、好ましくは１．５×１０^−３ｓ〜４×１０^−３ｓにあるものである。

本発明による方法の第１の変形によれば、酸化剤の２つの一次噴流は、同じ酸素濃度を有する。その際、第１の噴流と同じ組成を有する第２噴流中の、必要な場合に第３噴流中の酸化剤を使用することが有利である。これは、酸化剤を注入する種々の地点間に分割される酸化剤のただ１つの源を有すればよいためである。

しかしながら、本発明による方法の第２の変形によれば、酸化剤の中央一次噴流の酸素濃度が、酸化剤の被覆一次噴流、並びに第２噴流および第３噴流の酸素濃度よりも高くてもよい。これは、高純度の酸素の供給が制限される場合であり得る。高酸素濃度酸化剤を、酸化剤の中央一次噴流の形態で注入すると同時に、空気を、酸化剤の他の噴流の全てにおいて注入する。

第２酸化剤の噴流は、それ自体、第２酸化剤の複数の噴流から成り得る。燃焼集成装置の良好な対称性のために、第２酸化剤の噴流は、好ましくは、燃料および一次酸化剤の噴流の周囲に均一に位置する。この配置は、第３酸化剤の噴流にも適用され得る。

本方法は、好ましくは、ガス体燃料を用いて適用され得る。燃料が液体の場合には、噴霧ガスを、液体を霧状にするために用いることが望ましく、本発明によれば、噴霧ガスは、酸化剤であり得、特に空気または酸素であり得る。噴霧ガスは、被覆酸化剤の代わりに、および／または中央酸化剤の代わりに注入してもよい。

最後に、本発明は、ガラスの装填物の加熱についての、または再加熱炉についての、前述した方法の使用に関する。

本発明による方法の適用は、ピンと張った炎という目的、言い換えれば、炉壁に向かって外れることのない炎という目的を達成することを可能にする。

図１は、本発明による方法を実行するためのデバイスを示す。図１は、軸ＡＡ’に対して対称的に設計されたデバイスの一部を示す。図１は、デバイスの正面図、および軸ＢＢ’に沿った該当部分を与える。デバイスは、炉８の壁に穿孔された通気路（quarl）５、６、７から成り、注入パイプ９は、２つの同軸チューブから成る。注入パイプは、通気路５中に位置する。この通気路５は、自由空間１０が、パイプの外側のチューブと通気路の壁との間に存在するのに十分な広さである。一次酸化剤２、３を、パイプ９の中央のチューブの中と、自由空間１０の中の双方に注入する。燃料１を、注入パイプ９の内部チューブおよび外側チューブとの間のスペース中に注入する。第２酸化剤４を、中央通気路５から最も遠い通気路７中に注入する。第３酸化剤１１を、中間の通気路６中に注入する。

デバイスの正面図、および軸ＢＢ’に沿った該当部分の図。

Claims (11)

1. 燃料の１つの噴流、および酸化剤の少なくとも２つの噴流を注入し、一次噴流と呼ぶ前記酸化剤の第１噴流を、前記燃料の噴流と接触し、且つ第１の不完全な燃焼を引き起こすように注入し、この第１の燃焼から生じるガスは、前記燃料の少なくとも一部をなお含み、および前記酸化剤の第２噴流を、前記第１の燃焼により生じるガス中に存在する前記燃料の部分を燃焼するように、前記燃料の噴流からある距離隔てて注入する燃料の燃焼方法であって、前記酸化剤の一次噴流を２つの一次噴流、すなわち、
   前記燃料の噴流の中央に注入される、中央一次噴流と呼ぶ前記酸化剤の第１の一次噴流、および
   前記燃料の噴流の周囲に同軸上に注入される、被覆一次噴流と呼ぶ前記酸化剤の第２の一次噴流に分割し、
   酸化剤の第３噴流を、前記酸化剤の中央一次噴流の注入地点と前記第２酸化噴流の注入地点との間に位置する地点において注入することを特徴とする燃料の燃焼方法。
2. 前記酸化剤の第２噴流の注入速度が、前記酸化剤の第３噴流の注入速度よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記酸化剤の第２噴流の注入地点と前記酸化剤の中央一次噴流の注入地点との間にある距離の、前記酸化剤の第３噴流の注入地点と前記酸化剤の中央一次噴流の注入地点との間にある距離に対する比が、２〜１０にあることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記酸化剤の中央一次噴流の注入速度が、前記燃料の噴流の注入速度よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記燃料の噴流の注入速度が、前記酸化剤の被覆一次噴流の注入速度よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記酸化剤の第２噴流の注入速度が、前記酸化剤の被覆一次噴流の注入速度よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記酸化剤の中央一次噴流の注入地点と前記酸化剤の第２噴流の注入地点との間にある距離の、前記酸化剤の第２噴流の注入速度に対する比が、１０^−３ｓ〜１０^−２ｓにあることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記酸化剤の２つの一次噴流が、同じ酸素濃度を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記酸化剤の中央一次噴流の酸素濃度が、前記酸化剤の被覆一次噴流の酸素濃度よりも高いことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
10. 第３噴流中に存在する酸化剤の量は、第２噴流および第３噴流により注入される酸化剤の合計量の５０〜７５％に相当し、第２噴流および第３噴流により注入される酸化剤の合計量は、第１、第２及び第３噴流により注入される酸化剤の総量の１０〜９８％に相当する請求項１〜９のいずれかに一項に記載の方法。
11. ガラス装填物を加熱するための、または再加熱炉のための請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法の使用。

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