JP5097958B2 - 燃焼空気予熱装置を使用する、オキシバーナー用の燃料及び酸化剤の予熱 - Google Patents

Description

本発明は、空気予熱を行う空気燃焼（aerocombustion）を用いる手段を備えた炉において、酸素及び／又は燃料の予熱を行うオキシ燃焼法の装置に関する。

蓄熱炉は、耐火物のスタックを側壁に備えた炉である。これら耐火物は、熱をこの炉の側壁から出る燃焼排ガスから回収し、この熱をこの炉に提供される冷空気に移すことが可能な熱交換器である。蓄熱器の耐火物は、燃焼排ガスにより、非常に高温（約１３００乃至１５００℃）まで加熱される。実際に、炉の側壁を通って出てきた燃焼排ガスは、一般的に約２０分のサイクルに亘り、耐火物にその上部から下部にかけて接触する。次のサイクルの間中、この炉のバーナーに供給されるように意図された冷たい燃焼空気は、耐火物にその上部から下部にかけて接触し、熱をそれらから取り出す。そのとき、この燃焼空気は、炉の燃焼室へと導入される前に、一般的に約１１００乃至１３００℃の温度まで加熱される。燃焼排ガスと燃焼空気との流れを各々のサイクルで逆行させることで、各々の蓄熱器の面が、交互に加熱され且つ燃焼空気の予熱のために使用され得る。燃焼空気を予熱することで、空気を用いた燃焼が高エネルギー収率で可能となる。複熱器を持つ炉のために、燃焼空気は、燃焼排ガスが供給される金属熱交換器によって、連続的に加熱される。

現在、多くの炉が、オキシ燃焼で動作しており、これは、燃焼が、燃焼と空気との間（空気燃焼）ではもはや行われておらず、燃料と空気よりも高い酸素濃度を有する酸化剤との間で行われていることを意味する。それは、一般的に、酸素で富化された空気又は純粋な酸素とからなる。酸素及び燃料を燃焼生成物からの排ガスを用いて予熱することで、そこに含まれるエネルギーの一部を回収することでき、このタイプの燃焼のエネルギー効率を向上させることができる。オキシ燃料炎を備えたガラス溶融炉を出る燃焼生成物からの排ガスに含まれるエネルギーは、消費される出力の約３０％に当たる。

オキシ燃焼は、新規の炉を建設する場合には、容易に施行される。一方、元々空気を用いる燃焼用に提供された蓄熱炉においてオキシ燃焼のみを使用することは、経済的な理由により、より難しい。理由の１つは、蓄熱器を取り出して、炉の寸法を変更し、燃焼排ガスの排気を再構築することが必要なことにある。実際、オキシ燃焼において、燃焼排ガスの体積は、空気を用いる燃焼の体積の４分の１乃至５分の１である。

本発明の目的は、熱を燃焼排ガスから回収する蓄熱器又は複熱器を備えた炉において、オキシ燃焼を少なくとも部分的に使用することを可能とする燃焼方法を提供することにある。

他の目的は、既存の空気燃焼炉の装置を用いて開始されるオキシ燃焼法を使用することにある。

他の目的は、空気を用いる燃焼のために設計された蓄熱器又は複熱器を有する炉に適合させることのできるオキシ燃焼方法を提供することにある。

この目的をもって、本発明は、エネルギーを燃焼排ガス回収する手段及びバーナーを備えた炉における燃焼方法であって、燃焼排ガスからの熱をエネルギー回収手段によって回収し、エネルギー回収手段によって回収されたこの熱を使用して、空気を加熱し、
−複数のバーナーのうち少なくとも一部が、燃料及び酸素リッチの酸化剤の燃焼を使用し、
−エネルギー回収手段によって加熱された空気の少なくとも一部を使用して、複数のバーナーの燃料及び／又は酸素リッチの酸化剤を予熱する方法に関する。

それゆえに、本発明は、燃焼排ガスに含まれるエネルギーを回収するために設計された蓄熱器又は複熱器などのエネルギー回収手段を備えた炉における燃焼方法の適用に関する。この炉で使用される燃焼は、少なくとも部分的には、オキシ燃焼、すなわち、燃料及び酸素リッチの酸化剤の燃焼である。好ましくは、少なくとも１０％、及び２０％をも超える燃焼出力が、燃料及び酸素リッチの酸化剤の燃焼を使用するバーナーによって生成される。「酸素リッチの酸化剤」は、９０体積％を超える酸素濃度を有する酸化剤を意味するものと理解される。ＶＳＡ（真空スウィング吸着）法によって生成される酸素が、特に適している。本発明の方法に従うと、エネルギー回収手段を使用して、冷空気、すなわち周囲の空気を、全ての燃焼排ガスから回収されたエネルギーを前記手段に持ち込むことによって加熱する。これら燃焼排ガスは、空気バーナーが使用される場合（空気バーナーは、酸化剤が空気であるバーナーを意味するものと理解される）にはオキシ燃焼及び空気燃焼の双方から送り出される。従来技術では、排ガスから回収されるこのエネルギーは、燃焼空気、すなわちバーナー中で燃料と直接混合される空気を予熱することだけが意図されていた。それに反し、本発明では、エネルギーを燃焼排ガスから回収する手段によって加熱されたこの空気に含まれるエネルギーの少なくとも一部を、オキシバーナーの燃料及び酸素リッチの酸化剤を供給する手段に向けて送って、この燃料及びこの酸化剤を予熱する（オキシバーナーは、酸化剤が酸素リッチであるバーナーを意味するものと理解される）。予熱は、熱空気と燃料又は酸化剤との間で熱交換する如何なる手段によっても行われ得る。

オキシ燃焼からの排ガスのエネルギーは、空気燃料バーナーがオキシ燃料バーナーと共にある場合には、空気燃料バーナーでの燃焼のために意図された空気を加熱することによってのみ回収できることが指摘されてきた。実際に、空気の流れは、設置された空気燃焼のパワーと空気／燃料の燃焼比とによって制御され且つ制限される。同じく、燃焼空気の予熱温度は、エネルギーを排ガスから回収するためのシステムの耐火物又は他の材料の強度によって制限される。従って、オキシ燃焼は、過剰なエネルギーを排ガス中に作り出し、オキシ燃焼排ガス中に含まれ且つ炉のエネルギー回収手段によって取り出されるこの追加エネルギーは、一部（又は、炉が複数のオキシバーナーだけで加熱される場合には、全てでさえある）の空気を予熱した後に回収され得て、予熱された空気の一部は、オキシバーナーの燃料及び酸素リッチの酸化剤を予熱する手段に向けて送られる。

冷空気が加熱されたとき、空気は、空気燃焼の要求に適した体積のための、及び、オキシ燃焼の酸素及び／又は燃料を予熱するための最大予熱温度にされる。エネルギー回収手段によって加熱された空気の少なくとも一部は、直接又は間接熱交換器を用いてバーナーの燃料及び／又は酸素リッチの酸化剤を予熱する装置に向けられる。「間接熱交換器」は、不活性ガスを使用して、熱を熱空気から燃料及び／又は酸素リッチの酸化剤へと移す熱交換器を意味するものと理解される。まず初めに、熱空気の熱が不活性ガスへと移され、次いで、この不活性ガスが、その熱を燃料及び／又は酸素リッチの酸化剤へと移す。不活性ガスとしては、例えば、窒素又はアルゴンを使用することができる。

本発明は、全てのバーナーが燃料及び酸素リッチの酸化剤の燃焼を使用する場合に実行され得る。この場合、エネルギー回収手段によって予熱された全ての空気は、燃料及び／又は酸素リッチの酸化剤と熱交換するように意図されている。本発明は、特には、ガラス溶融炉において使用される燃焼に適している。

また、本発明は、
・燃料及び空気の燃焼を使用する複数のバーナーと、
・空気を加熱するために、燃焼排ガスの熱を回収するエネルギー回収手段と、
・加熱された空気を前記複数のバーナーに供給する手段と
を、オキシ燃焼を使用する炉内に備えた炉を改造する方法であって、
−複数のバーナーのうちの少なくとも一部の空気供給を、酸素リッチの酸化剤の供給と取替え、
−エネルギー回収手段によって加熱された空気の少なくとも一部を使用して、バーナー用の燃料及び／又は酸化剤を予熱する方法にも関する。

この改造方法は、エネルギーを排ガスから回収し、オキシ燃焼用の酸素及び／又は燃料を加熱して、装置のエネルギー効率を高めるシステムを使用することによって、現存の炉の構造を維持しながら、空気燃焼を行う炉の機能をオキシ燃焼の機能に部分的又は全体的に切り替えることを可能にするという利点を有している。このように、炉を特に排ガスの排気の点に関して実質的に再設計せずとも、そして結果的には大きな投資をせずとも、オキシ燃焼方法を使用することと、その利点（より高い燃焼温度、排ガスでのより低いエネルギー損失、ＮＯ_x及びダストの削減）から利益を得ることとが可能である。

オキシ燃焼炉を部分的にのみ改造し且つ酸素及び／又は燃料を予熱するための現存の蓄熱器を使用することによって、炉の構造の一部が維持され、変更は排ガスを排気するためのシステムを提供することに限られる。

図１は、本発明の方法を図示している。炉９は：
−上流に、燃料４と酸素リッチの酸化剤３とを供給される複数のオキシバーナーと、
−下流に、燃料６と加熱された空気５１とを供給される複数のバーナーと、
−炉からの熱い排ガス２を供給される（蓄熱器１）か、又は、熱空気５、５１を戻す（蓄熱器１１）かのどちらかの複数の蓄熱器１とを備えている。蓄熱器１１によって送り出された熱空気５は、空気バーナーにおける燃焼空気５１として使用されるか、又は、熱交換器６、７を用いてオキシバーナーの燃料４及び酸素リッチの酸化剤３を予熱するために使用される。この配置では、炉９と同じ側に位置した複熱器１１からの熱空気５は、炉の同じ側に位置した空気燃料バーナー及びオキシ燃料バーナーだけに燃料を供給し且つこれらだけを予熱することを可能とし、炉の反対側に位置したバーナーは機能させない。

図２は、反応物質の予熱を図示している：蓄熱器１１からの熱空気５は、酸素リッチの酸化剤３を加熱すべく熱交換器７へと、次に、燃料４を加熱すべく熱交換器６へと、連続的に導入される。次に、予熱された酸化剤３１及び予熱された燃料４１は、オキシ燃焼のために併せられる。

図３は、蓄熱器１１が空気を加熱している最中であり、熱空気を空気燃焼バーナー用の燃焼空気として送り出すことと、熱空気を送り出して炉の両側に位置したオキシ燃料バーナーの反応物質を予熱することとを可能にする図１の方法の変形を図示している。この適用によって、蓄熱器のサイクルとは無関係に、炉の両側にあるオキシ燃料バーナーを連続的に動作させることが可能である。

記載なし。 記載なし。 記載なし。

Claims (11)

1. 複数のバーナー及びエネルギー回収手段（１、１１）を備えた炉における燃焼方法であって、前記エネルギー回収手段（１、１１）は、燃焼排ガスから熱を回収し、かつ、燃料と空気の燃焼を使用するバーナーのための燃焼空気を予熱するものであり、そして、バーナーの少なくとも第１の部分は、燃料（４）と酸素リッチの酸化剤（３）を用い、また、燃焼排ガス（２）からの熱は、エネルギー回収手段（１、１１）によって回収され、そして、エネルギー回収手段（１、１１）によって回収された熱は、空気を加熱するのに使用される方法において、
   前記エネルギー回収手段（１、１１）によって加熱された空気（５）の少なくとも第１の部分を使用して、燃料（４）と酸素リッチの酸化剤（３）の燃焼を使用する複数のバーナーの燃料（４）及び／又は酸素リッチの酸化剤（３）を予熱することを特徴とする方法。
2. 前記酸素リッチの酸化剤は、９０体積％を超える酸素濃度を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記複数のバーナーのうち少なくとも１０％が、燃料及び酸素リッチの酸化剤の燃焼を使用することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記熱回収手段（１）によって加熱された前記空気（５）が、熱交換器（６、７）を用いて、燃料と酸素リッチの酸化剤の燃焼を使用するバーナーの燃料（４）及び／又は酸素リッチの酸化剤（３）を予熱することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の方法。
5. 全ての前記複数のバーナーが、燃料及び酸素リッチの酸化剤の燃焼を使用することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の方法。
6. 複数のバーナーの第２の部分を有し、この第２の部分は、燃料と空気との燃焼を使用するバーナーであり、エネルギー回収手段（１，１１）で加熱される空気の第２の部分は、燃焼空気として、燃料と空気との燃焼を使用するバーナーに送られることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の方法。
7. 前記エネルギー回収手段（１，１１）は、蓄熱炉又は復熱炉であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の方法。
8. 前記炉はガラス溶融炉であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の方法。
9. 前記燃料及び酸素リッチの酸化剤の燃焼を使用する前記複数のバーナーが、前記炉の両側に位置していること、及び、前記エネルギー回収手段によって加熱された熱を使用して、燃料及び酸素リッチの酸化剤の燃焼を使用する全ての前記複数のバーナーの前記燃料及び／又は酸化剤を予熱することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項記載の方法。
10. ・燃料及び空気の燃焼を使用する複数のバーナーと、
    ・燃料と空気の燃焼を使用するバーナーのための該空気を加熱するために、燃焼排ガスの熱を回収するエネルギー回収手段（１，１１）と、
    ・加熱された空気を前記複数のバーナーに供給する手段とを、
    オキシ燃焼を使用する炉内に備えた炉を改造する方法であって、
    −前記複数のバーナーのうちの少なくとも一部の空気供給を、酸素リッチの酸化剤の供給と取り替え、
    −前記エネルギー回収手段によって加熱された前記空気の少なくとも一部を使用して、前記燃料（４）と酸素リッチ酸化剤（３）の燃焼を使用する複数のバーナーのための前記燃料及び／又は前記酸素リッチ酸化剤を予熱することを特徴とする方法。
11. 前記エネルギー回収手段は蓄熱炉又は復熱炉である請求項１０記載の方法。

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