JP5180291B2 - 希薄燃焼 - Google Patents

Description

本発明は、窒素酸化物をほとんど生成せず、特にガラス炉に適用できる希薄燃焼法に関する。

当業者は、窒素の望ましくない酸化によって生じるＮＯ及び／又はＮＯ_２といった酸化窒素排出物を、一般に“ＮＯｘ”と称する。主な窒素源は、空気或いは酸素富化空気等の酸化性物質内に存在する窒素である。

多くの燃焼法、特にガラス炉に適用される燃焼法は、煙道ガス内への望ましくないＮＯｘ排出という問題を抱えている。ＮＯｘガスは、人間にも環境にも有害である。実際、一方では、刺激性ガスであるＮＯ_２は呼吸器疾患の原因になっており、他方では、ＮＯｘは大気と接触し、次第に酸性雨を形成する。最終的に、ＮＯｘは揮発性有機化合物及び太陽放射と共に、光化学汚染を起こす。ＮＯｘは対流圏オゾンと呼ばれるオゾンを生成する原因となり、低高度域でこのオゾンの濃度が上昇すると、特に暑い時期において、人体に有害となる。

このため、ＮＯｘ排出に関して施行されている規制はますます厳しくなってきている。まさしく、これらの規制が在るために、炉の製造者や操作者、例えばガラス炉の製造者や操作者は、絶えずＮＯｘ排出を最小限、好ましくは煙道ガス１Ｓｍ³当たり８００ｍｇ未満、更には６００ｍｇ未満に抑えることに、絶えず関心を持っている。

温度はＮＯｘに強い影響を有するパラメタである。１３００°Ｃを超えると、ＮＯｘ排出は非常に著しく増加する。

ＮＯｘは、一次的方法、二次的方法と称される二つの方式によって減らすことができる。一次的方法はＮＯｘ形成を防ぐものであり、二次的方法は形成されたＮＯｘをなくすことを目的とする。

二次的方法では、ＮＯｘを減らすために排出されたガスに対して還元剤を使用し、ＮＯｘを窒素に変換する。還元剤はアンモニアでもよいが、この場合、かかる生成物の保管や取扱いが難しいという問題が起きる。還元ガスが炉内の特定の場所、例えば蓄熱室、にあると、その場所にある耐火物の腐食を早める原因となる。

上記の欠点を考慮すると、一次的方法が好ましい。火炎中のＮＯｘ形成を制限するために、燃焼用空気の余剰分を減らしてもよい。火炎面の体積を増やすことによって最高温度を制限し、火炎の平均温度を下げることも可能である。このような解決法が、いくつかの特許文献に記載されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。燃料と酸化剤を連続して供給し、燃料／酸化剤の接触をゆっくり時間をかけて拡げる及び／又は接触する体積を増やすことにより、ＮＯｘ排出を減らす。

米国特許第６０４７５６５号 国際公開第９８／０２３８６号 欧州特許第４１３３０９号 欧州特許第８９６１８９号

また、別の文献では、下記の方法を組み合わせることによって、ＮＯｘを減らせると教示している（特許文献３）。
− 酸化剤導入口と燃料導入口を互いにかなり離れるように、すなわち酸化剤導入口の直径の４倍以上離れるように配置する。
− 酸化剤を高速で、すなわち、毎秒２００〜１０７０フィート（又は６０ｍ／ｓ〜３２６ｍ／ｓ）、好ましくは毎秒５００〜１０７０フィート（又は１５２ｍ／ｓ〜３２６ｍ／ｓ）で導入する。

この文献の実施例では、非常に酸素含有量の高い酸化剤（酸素濃度５０％）が使用された。ＮＯｘは１７〜４３％低減している。図には、同径の金属管につながる酸化剤導入口及び燃料導入口が示される。

また、別の文献は、下記を提唱して、この技術の改良を主張している（特許文献４）。
− 空気よりも酸素濃度の高い酸化剤を使用する。
− 酸化剤及び燃料をマッハ０．２５〜１の速度で噴射する。常温（Ｔ＝２５°Ｃ）で、空気中の音速は３４６ｍ／ｓ、メタン中の音速は４５０ｍ／ｓである。マッハ０．２５という値は、常温で、空気中では８７ｍ／ｓ、メタン中では１１２ｍ／ｓの速度に相当する。温度が上昇すると、これらの速度は、温度の平方根ずつ増加する。また、この文献は、燃料は１００ｍ／ｓを超える速度、酸化剤は７５ｍ／ｓを超える速度にすることも提唱している。

ＮＯｘの低減は、実験煙道ガス中の反応相手を希釈すると、火炎温度がより低く、より均一になるという原則に基づいて行われる。別のやり方として無炎燃焼があるが、これは単に火炎が肉眼で見えないことを意味する。

これらの文献が教示する事項を、空気中或いはやや酸素富化した空気中で動作するガラス炉に適用するのは難しい。なぜなら、ガラス炉の酸化剤導入口の断面は、具体的には、０．５〜３ｍ²にもなる程非常に広いからである。従来技術では、燃料噴射装置は、常に酸化剤導入口の直下或いは内部（大抵は底部）の、実験炉に入る直前の位置にある。特に、ガラス炉の燃焼器に特有の構成を図６に示す。酸化剤導入口の直径が大きいのは、具体的には、下記の理由による。
− 必要な気体の量が多く（特に、酸化剤が空気の場合）、直径が大きいことで圧力低下を制限する。
− 直径が小さいと気体速度が速くなり、溶融面上に浮遊する粉末バッチ材料のフライオフの原因となる。実際には、浮遊する粉末バッチ材料はガラス表面の、少なくとも炉の上流側３分の１（ガラス流方向で）、更には炉の上流側２分の１までに存在する。この粉末は、気体流に引き込まれ、ガラス製造に使われることなく、壁及びアーチ、又は煙道ガス回収ラインの内部に拡がる。更に、この粉末は腐食性材料（アルカリ性酸化物、ホウ素誘導体、等）を含むことが多く、付着した表面上で反応し、表面を損傷する。ユニット溶融炉の場合は、煙道ガス回収ラインが比較的細いので、ラインが詰まらないように、粉末フライオフは除去しなければならない。
− 酸化剤導入口（通常は空気）は、大抵砕けやすい耐火物から出来ており（特に、蓄熱室式炉：クロスファイヤ炉及びエンドファイヤ炉の場合）、気体流量に比例して腐食する。耐火物粒子が溶融ガラスを汚染しないことが重要である。
− 炉がエンドファイヤ型であり、蓄熱室を備える場合、空気導入口は、大抵、空気導入口として、そして煙回収器として交互に動作する。直径が小さすぎると、煙道ガス回収の妨げとなり、より強力な排気扇を使用する必要があるが、そうすると、気体を加速し、耐火物を腐食し、より多くの粒子を蓄熱室に堆積することになる。

当業者によく知られているように、蓄熱室は煙道ガスから熱を回収する役割を果たし、交互に作動する別々の区画に置かれた耐火レンガからなるもので、特にエンドファイヤ型又はクロスファイヤ型の炉で使われる。これらの炉は、一般に連続して作動する少なくとも２つの燃焼器及び連続して作動して酸化剤の加熱や煙道ガスの回収を行う少なくとも２つの蓄熱室を備える。第一燃焼器が作動して火炎を生成すると、酸化剤は火炎で運ばれて近接する第一蓄熱室によって加熱され、煙道ガスは回収されて第二蓄熱室に運ばれ、そこで熱が回収される。第一燃焼器を閉鎖し、第二燃焼器を作動すると、この動作が反転して循環し、先行ステップで煙道ガスの回収を行った第二蓄積室に酸化剤が運ばれて加熱される。それに応じて、第一蓄熱室が煙回収器として作動する。このようにして、炉は、煙道ガスを回収することによって、蓄熱室内の温度が少なくとも１２５０°Ｃに達するまでは一方向へ作動し、その後反転して作動する。セラミックの種類によっては、温度が１４５０°Ｃを超え、更には約１５００°Ｃに達する。

ここで、ユニット溶融炉は熱交換器の原理によって作動するということが想起されよう。即ち、煙道ガスはユニット溶融炉の導管を通り、酸化剤はユニット溶融炉の別の導管内を流れる。煙道ガスは、自身の熱をこれらの導管の壁を通して酸化剤に伝達する。したがって、蓄熱室とは違い、ユニット溶融炉は反転方式では作動しない。

クロスファイヤ炉の場合は、蓄熱室は一般に炉の側壁の後方に置かれる。エンドファイヤ炉の場合は、蓄熱室は一般に上流側の壁の後方に置かれる。

ガラス炉においては、酸化剤導入口の直径が大きいため、酸化剤導入口と燃料導入口を酸化剤導入口の直径の４倍以上に離して設けるのは、一般に難しい。更に、既に説明したように、酸化剤の炉雰囲気中への導入速度は、低速の方が望ましい。

通例、このように大きな空気導入口を備えるガラス炉では、燃料噴射装置は酸化剤導入口自身の直下或いは内部（一般に底部）に設けられる。

本発明により、酸化剤導入口の断面が一般に０．５ｍ²と大きく、酸化剤導入速度が比較的低速であっても、おそらく４５％を超え、更には６０％を超えるほどの非常に大幅なＮＯｘ低減が可能であることが分かった。更に、この新規な構成により、供給物（ガラスバッチ及び液体ガラス）への良好な熱伝達を維持することができる。

本発明は、１０％〜３０％の酸素を含む酸化剤を導入する酸化剤導入口と、炉内の酸化剤導入口の外側で終端する燃料の導入口とを備える燃焼器を有する炉内での燃焼方法であって、上記導入口間の距離は酸化剤導入口の等価直径の０．３〜４倍であり、前記酸化剤は１０〜６０ｍ／ｓの速度で炉内に入るようにした燃焼方法に関する。

本発明によれば、少なくとも１つの燃焼器を使って酸化剤と燃料を燃焼する、あらゆるタイプの炉において、大幅にＮＯｘを低減できる。特に、本発明は、エンドファイヤ炉、クロスファイヤ炉、蓄熱室やユニット溶融炉を有する炉といったあらゆるタイプのガラス炉に適用することができる。エンドファイヤ炉の場合には、劇的なＮＯｘ低減が可能となる。

炉の酸化剤導入口の断面積は、通常０．２５ｍ²以上であり、０．５ｍ²を超える場合もあり、多くは０．８ｍ²を超え、かつ、通常３ｍ²未満で、多くは２ｍ²未満である。

本発明中では、酸化剤は通常、４００°Ｃ以上、或いは１０００°Ｃ以上に加熱されてから炉雰囲気に導入される。蓄熱室は、通常、空気を１１００〜１４００°Ｃに加熱する。ユニット溶融炉は、通常、空気を３００°Ｃ〜９００°Ｃに加熱する。好ましくは、酸化剤は燃料自己着火温度以上になるまで加熱される。

酸化剤は空気或いは酸素富化率の低い空気なので、酸化剤の総酸素含有率は３０％未満で、多くは２５％未満である。酸化剤の総酸素含有率は１０％よりは高い。

本発明によれば、酸化剤は、１０ｍ／ｓを超える速度、好ましくは１５ｍ／ｓを超える速度で炉に導入される。本発明では、酸化剤は、速度６０ｍ／ｓ未満、好ましくは５０ｍ／ｓ未満、例えば，速度４５ｍ／ｓで炉に導入される。

炉の酸化剤導入口及び燃料導入口は、別々のオフィリスを通って炉に至り、（酸化剤導入口は燃料噴射装置を含まないため）、これらの導入口は互いに酸化剤導入口の等価直径の０．３倍以上、好ましくは０．５倍以上、実施例においては０．６倍以上離れている。本発明においては、等価直径とは、空気導入口と同じ断面積を持つ円の直径を意味する。ガラス炉の空気導入口は通常円形ではないので、この定義が必要となる。炉の酸化剤導入口及び燃料導入口は、酸化剤導入口等価直径の４倍以上、好ましくは酸化剤導入口等価直径の３倍以上離れている。一般に、この距離は２０ｃｍ以上、更には５０ｃｍ以上であり、４ｍと遠くなってもよい。この燃料導入口と酸化剤導入口の間の距離は、燃料導入口上の点と酸化剤導入口上の点の最も近い２点間の距離である。燃焼器という用語は、燃焼反応を維持するための、酸化剤導入口と、関連する１つ或いは複数の燃料導入口とを有する、組立体を意味する。１つの酸化剤導入口と関連する燃料噴射装置が複数ある場合、全ての噴射装置は、燃焼反応が実質的に同時に開始するように配置される。

一般に、１つの酸化剤導入口に関連する１つあるいは複数の噴射装置（同一の反応域を共有するもの）は、酸化剤導入口と同一平面（同一壁）に設けられる。しかし、酸化剤導入口と燃料導入口は同一壁になくてもよい。

気体状燃料（天然ガス、メタン、ブタン、プロパン、等）の場合、燃料は３０ｍ／ｓを超える速度、好ましくは５０ｍ／ｓを超える速度で炉に導入される。本発明によれば、燃料が炉に導入される速度は、２５０ｍ／ｓ未満、好ましくは２００ｍ／ｓ未満である。

重油燃料等の液体燃料の使用も可能である。

図１は、エンドファイヤ炉の平面図である。 図２は、エンドファイヤ炉の平面図である。 図３は、ユニット溶融炉を備えるクロスファイヤ炉の平面図である。 図４は、蓄熱室を備えるクロスファイヤ炉の平面図である。 図５は、本発明の燃焼器を形成する酸化剤導入口及び燃料導入口を示す。 図６は、従来の燃焼器を形成する酸化剤導入口及び燃料導入口を示す。

図１は、本発明に適したエンドファイヤ炉の平面図である。この炉は、上流面１、２つの側面２及び２´、及び下流面３からなる。上流面の後方に隣接して位置する、２つの同じ蓄熱室４及び４´を備える。各蓄熱室は、上流面の各半面の後方に位置する。窪み部６及び６´は側壁２及び２´に設けられ、ガラスバッチを導入する。これらの窪み部は、側壁の上流側３分の１の箇所に設けられる。溶融ガラスに浸されるダム５は、炉の下流側半分に設けられる。図１の場合、火炎は上流面の半面ｌａで発生する。火炎は炉雰囲気でループを形成し、上流面の別の半面ｌｂに戻る。そのため、煙道ガスは上流面の半面ｌｂの後方に位置する蓄熱室４´を通る。蓄熱室４´の耐火物レンガが十分に熱くなった時、図２のように炉の動作が反転する。この場合、火炎は上流面の反面ｌｂで発生し、煙道ガスの熱は、もう一方の蓄熱室４で回収される。火炎の酸化剤は、蓄熱室４´を通る際に加熱される空気である。ガラスは、炉の下流面３に設けられるオリフィス７内を流れる。燃料噴射装置は図示しない。本発明では、燃料噴射装置は空気導入口から離れている。

図３はクロスファイヤ炉の平面図である。ガラスバッチは、側壁の上流部に設けられる窪み部１５及び１５´を通じて導入される。多数の横断燃焼器１６が側壁に設けられる。煙道ガスの熱はユニット溶融炉１７で回収される。ガラスは、出口１８を通って回収される。ユニット溶融炉は、熱交換器をモデルとして動作することを想起されたい。煙道ガスは管内を流れて別の管内を流れる空気を加熱し，横断燃焼器へ流れ込む。燃料噴射装置は図示しない。本発明では、燃料噴射装置は空気導入口から離れている。

図４は、燃焼器と蓄熱室を備えるクロスファイヤ炉４１を示す。炉４１は、上流壁４３、下流壁４４、及び２つの側壁４５及び４５´を有する。ガラスバッチは、図示しない従来装置によって、上流壁４３に導入される。溶融したバッチは、矢印で示すように上流から下流へ流れる。ガラスは、冷却室４７を通って温度調節をしてから、板ガラス製造用のフロートガラス設備のような処理ユニット（図示しない）へ流れ込む。炉４１には、２つの側壁を介して、連続して作動する４つの空気ガス燃焼器を２列設ける。各空気ガス燃焼器は、ライン８及び８´を通してガスが供給される燃料噴射装置と、熱気導入口９及び９´を有する。各側壁の初めの２つの燃焼器を、炉の上流側３分の１（この３分の１の境界線を、横断する点線４８で示す）に設置してもよい。噴射装置は空気導入口の下に、本発明に従った十分な距離をおいて、設置する。開口部９及び９´は、交互に熱気導入口、そして煙回収器の役割を果たす。各開口部は、蓄熱室１０、１０´に接続される。壁４５の噴射装置が作動する時は、壁４５´の噴射装置は作動しない。煙道ガスは、開口部９に対向する側壁４５の開口部９´を通り、ガスの熱が蓄熱室１０で回収される。数十分後、炉の運転は反転する。すなわち、壁４５の燃焼器が停止し（ライン８を通した燃料ガス流が停止し、開口部９と通した空気流も停止する）、ライン８´を通してガスを噴射装置に供給し、熱気を空気導入口９´に供給することによって、壁４５´の空気ガス燃焼器を作動する。空気は、蓄熱室１０で加熱されているために熱気である。数十分後、炉の運転は再度反転され、それが続く（反転サイクルの繰り返し）。炉は堰１１を有し、溶融ガラス中での対流帯の形成を促進する。

図５は、本発明による酸化剤導入口５１と３つの燃料噴射装置５２、５３、５４の組み合わせを示し、これは特にエンドファイヤ炉の上流面での使用（図１及び図２に記載のもの）に適する。噴射装置は酸化剤導入口の外側にあり、噴射装置と酸化剤導入口の間の距離５５、５６、５７は、空気導入口の等価直径の０．２〜０．５倍である。

図６は、従来技術による空気導入口６１を示し、関連する３つの噴射装置６２、６３、６４は、空気導入口の内側、底部に設けられる。

実施例１
図３に示すような、蓄熱室を備えるクロスファイヤ炉を使用した。断面積０．２５ｍ²を有する空気導入管が炉の各端壁（側壁）に設けられ、主空気流はガラス流に対して垂直になる。対向する２つの空気導管を１組とする。各空気導入管は、空気導入管の等価直径の距離を離して設けられる２つの燃料噴射装置（天然ガス）と関連する。一組内の各導管が循環的に作動する。一循環する間、空気は導管の一つを通り、燃料はそれに関連する噴射装置を通って導入される。燃焼反応によって生成される煙道ガスは、好ましくは、対向する導管を通って排出され、耐火物スタックを通り、そこでエネルギーの一部を放出する。次の循環では、逆に空気導入口が出口となる。空気は、既に煙道ガスによって加熱された耐火物スタックを通り、そこに接触することで加熱される。

炉内の空気導入口の温度は約１３００°Ｃか或いは燃料の自己着火温度より高い。炉への空気噴射速度は約４０ｍ／ｓである。燃料噴射速度も約４０ｍ／ｓである。

酸化窒素排出物は、４００ｍｇ／Ｓｍ³未満である。

実施例２（比較例）
空気導入口の断面積を０．９ｍ²に拡大することにより空気噴射速度を１２ｍ／ｓに下げ、空気導入口と噴射装置の間の距離を近付けて空気導管の等価直径の０．２倍にした以外は、実施例１と同じにした。測定された酸化窒素排出物は８００ｍｇ／Ｓｍ³近くあり、実施例１に記載した本発明では、本実施例の構成と比較して、ＮＯｘ排出は２分の１に減ったことを示している。供給物（液体ガラス及びバッチ）への熱伝達は、実施例１で観察されたものと同じである。

実施例３
図１に示すような蓄熱室を備えたエンドファイヤ炉を使用した。蓄熱室は２つあり、炉の上流切妻壁端の後方に置かれ、原料導入口に隣接し、溶融ガラスの出口側に対向する。壁には２本の導管が設置され、蓄熱室で加熱済みの空気の導入口として、そして燃焼によって生成された煙道ガスの出口として、交互に作動する。２本の導管が同一壁上にあるため、流れ方向に火炎が起こり、特徴あるループ形を成す。次の循環中に、導管の役割は逆になり、火炎が反転する。つまり、空気導入管が今度は煙道ガス排出管となり、煙道ガスからの熱を蓄熱室の耐火物スタックへ周期的に伝達でき、それにより、燃焼用空気の予熱を行う。炉の空気導入口の温度は約１３００°Ｃか或いは燃料の自己着火温度より高い。空気導入管寸法は、炉への空気導入速度が２５ｍ／ｓになるような寸法にする。各空気導入管は４つの燃料噴射装置と関連し、そのうち２つの燃料噴射装置は空気導管の等価直径の０．８倍の距離だけ離れていて、別の２つの燃料噴射装置は噴射装置空気導管の等価直径の１．６倍の距離だけ離れている。燃えたガスは、燃焼が起こる前に空気及び燃料の噴流に引き込まれ、非常に希薄な燃焼を起こす。ＮＯｘ排出量は２００ｍｇ／Ｓｍ³である。

実施例４（比較例）
空気導入管寸法は、炉への空気導入速度が１５ｍ／ｓになるような寸法にし、空気導入口と噴射装置の間の距離を酸化剤導入口の等価直径の０．１倍に減らし、噴射装置を空気流の直下に置いたこと以外は、実施例３と同じにした。

測定されたＮＯｘ排出量は８００ｍｇ／Ｎｍ³であり、実施例３に記載した本発明では、本実施例の構成と比較して、ＮＯｘ排出の７５％低減に寄与していることを示す。

供給物（液体ガラス及びバッチ）への熱伝達は、実施例３で観察されたものと同じである。

Claims (18)

1. １０％〜３０％の酸素を含む酸化剤を導入する酸化剤導入口と、酸化剤導入口の外側に酸化剤導入口から酸化剤導入口の等価直径の０．３〜４倍の距離を離れて炉内で終端する燃料導入口とを備える燃焼器を有する炉内での燃焼方法において、
   酸化剤は１０〜６０ｍ／ｓの速度で炉内に導入され、前記酸化剤導入口の断面積は少なくとも０．２５ｍ²に等しくかつ３ｍ²未満であることを特徴とする燃焼方法。
2. 前記酸化剤導入口と前記燃料導入口の間の距離は、前記酸化剤導入口の等価直径の３倍よりも短いことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記酸化剤導入口と前記燃料導入口の間の距離は、前記酸化剤導入口の等価直径の少なくとも０．５倍であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記酸化剤導入口と前記燃料導入口の間の距離は、２０ｃｍから４ｍの間であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 酸化剤は１５ｍ／ｓを超える速度で炉に導入されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 酸化剤は５０ｍ／ｓ未満の速度で炉に導入されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 酸化剤は炉への導入前に少なくとも４００°Ｃの温度に加熱され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. 酸化剤は炉への導入前に少なくとも１０００°Ｃの温度に加熱され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. 酸化剤は炉への導入前に少なくとも燃料の自己着火温度に加熱されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記酸化剤導入口の断面積は、０．５〜３ｍ²であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記酸化剤導入口の断面積は、０．８〜３ｍ²であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 燃料は気体であり、燃料の炉への導入速度は３０ｍ／ｓを超えることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 燃料の導入速度は５０ｍ／ｓを超えることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 燃料は気体であり、燃料の炉への導入速度は２５０ｍ／ｓ未満であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 溶融ガラスが上流から下流へ流れる炉内でガラスバッチを溶融する方法であって、
    炉の上流側２分の１に粉末バッチが供給され、炉の上流側２分の１に燃焼器を有し、該燃焼器は請求項１〜１４のいずれか一項に記載の燃焼方法によって作動することを特徴とする方法。
16. 粉末バッチ材料は炉の上流側３分の１にある浮遊物であり、燃焼器は炉の上流側３分の１内にあることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 炉はエンドファイヤ炉であることを特徴とする、請求項１５又は１６に記載の方法。
18. 炉はクロスファイヤ炉であることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。

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