JP5357108B2

JP5357108B2 - バーナの燃焼方法

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Publication number: JP5357108B2
Application number: JP2010147576A
Authority: JP
Inventors: 康之山本; 公夫飯野; 義之萩原; 智之羽路
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2030-06-29
Also published as: JP2012013258A; EP2589865A1; MY166266A; TWI502155B; CN102959330A; PT2589865T; US20130095436A1; US9581332B2; CN102959330B; EP2589865A4; KR20130086296A; EP2589865B1; TW201211462A; WO2012002362A1; KR101778706B1; ES2729938T3

Description

本発明は、バーナの燃焼方法に関するものである。

地球環境問題が大きくクローズアップされる現在にあって、窒素酸化物削減は重要課題の１つであり、急務である。ＮＯ_Ｘ削減方法としては、発生抑制に関する技術が重要であり、排ガス再循環、希薄燃焼、濃淡燃焼、多段燃焼などが挙げられ、工業用から民生用に至るまで広く応用されている。これらの技術を適用した低ＮＯ_Ｘ燃焼器により、ある程度ＮＯ_Ｘ対策は進展してきたものの、より効果的なＮＯ_Ｘ低減方法がさらに求められてきている。

従来から研究、開発が進められてきていたＮＯ_Ｘ低減方法の１つに燃料、または酸化剤となる空気等の流量を周期的に変化させて、一種の時間的な濃淡燃焼を行う方法（以後、強制振動燃焼という）があり、提案されてきた（特許文献１〜６参照）。

これらは燃料流体または酸化剤流体の一方を、または、燃料流体および酸化剤流体の両方の供給流量を変化させることで、燃焼火炎の化学量論比を変化させ、燃料過濃燃焼および燃料希薄燃焼を交互に形成することで燃焼ガス中のＮＯ_Ｘの低減を実現している。

また、特許文献７には、酸化剤として純酸素を用いることで、高濃度としている場合の脈動燃焼いわゆる強制振動燃焼を利用した窒素酸化物の低減方法、およびその方法を実施するための装置について開示されている。

一般的な加熱炉および溶解炉では、複数のバーナが設置されており、各バーナに強制振動燃焼を適用する場合、燃焼条件および振動周期を適正に制御しなければ、大幅なＮＯ_Ｘ低減効果を得ることができない。

欧州特許第００４６８９８号明細書米国特許第４８４６６６５号明細書特開平６−２１３４１１号公報特開２０００−１７１００５号公報特開２０００−１７１００３２号公報特開２００１−３１１５０５号公報特開平５−２１５３１１号公報

しかしながら、発明者らが、これら先行技術によるＮＯ_Ｘ低減効果を確かめるために追試験を実施したところ、上記先行技術のいくつかには、ＮＯ_Ｘ低減効果が認められたものの、実用的に価値のある低減効果は得られないことがわかった。
本発明が解決しようとする課題は、従来に比較して大幅なＮＯ_Ｘ低減効果を発揮する、実用的に価値のあるバーナの燃焼方法及び装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本願発明者らは、実用的に価値のあるＮＯ_Ｘ低減方法の開発に鋭意取り組んでいたところ、バーナに供給される燃料流体の流量もしくは酸化剤流体の流量の少なくとも一方に周期的変化を起こさせると同時に、酸化剤流体中の酸素濃度を周期的に変化させることによって、強制振動燃焼とすることで、従来よりも大幅にＮＯ_Ｘ低減効果が発現することを見いだした。

すなわち、請求項１に係る発明は、炉において、複数のバーナを対向させて設置し燃焼させるバーナの燃焼方法であって、各バーナに供給する燃料流体もしくは酸化剤流体の流量のうち、少なくとも一方を周期的に変化させるとともに、前記酸化剤流体中の酸素濃度を周期的に変化させることによって、供給酸素量を理論必要酸素量で除した酸素比を周期的に変化させ、前記バーナを周期的な振動状態で燃焼し、前記バーナの振動状態の周期的変化について、少なくとも１つのバーナの振動状態の周期的変化と、他のバーナの振動状態の周期的変化とに位相差を設けることを特徴とするバーナの燃焼方法である。

請求項２に係る発明は、前記各バーナに供給する燃料流体の流量の周期的変化と、前記酸素濃度及び前記酸素比の周期的変化とに位相差を設けることを特徴とする請求項１に記載のバーナの燃焼方法である。

請求項３に係る発明は、前記酸素比の周期的変化の周波数が２０Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバーナの燃焼方法である。

請求項４に係る発明は、前記酸素比の周期的変化の周波数が０．０２Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。

請求項５に係る発明は、周期的に変化する前記酸素比の上限と下限の差が０．２以上であり、１周期における前記酸素比の平均値が１．０以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。

請求項６に係る発明は、前記バーナの全てにおいて、酸素比の周期的変化もしくは酸素濃度の周期的変化のうち少なくとも１つを同期して燃焼させることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。

請求項７に係る発明は、対向して配置された前記バーナ同士の振動状態の周期的変化の位相差がπであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。

請求項８に係る発明は、１本以上のバーナからなるバーナアレイを用いて燃焼させる場合において、前記炉の側壁に複数のバーナアレイが配置されており、前記各バーナアレイを構成するバーナの振動状態の周期的変化と、当該バーナアレイと隣接して配置されたバーナアレイを構成するバーナの振動状態の周期的変化との位相差がπであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。

請求項９に係る発明は、１本以上のバーナからなるバーナアレイを用いて燃焼させる場合において、前記炉の側壁が対向しており、一方の側壁にｎ組のバーナアレイが配置されており、前記各バーナアレイを構成するバーナの振動状態の周期的変化と、当該バーナアレイと隣接して配置されたバーナアレイを構成するバーナの振動状態の周期的変化との位相差が２π／ｎであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。

請求項１０に係る発明は、少なくとも１つの前記バーナの振動状態の周期的変化と、他のバーナの振動状態の周期的変化とに位相差を設けることによって、炉内圧力を一定に保持することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。

本発明により、ＮＯ_Ｘを大幅かつ確実に低減できる燃焼方法を得ることができる。本発明は新規の加熱炉を設計する場合のみならず、既設の加熱炉における燃焼バーナにも適用することが可能である。

図１は、本発明の第１の実施形態の炉を示す平面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に用いられるバーナの供給配管を示す模式図である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の炉を示す平面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、本発明の第２の実施形態の炉を示す平面図である。図５は、本発明の第２の実施形態の炉を示す平面図である。図６は、本発明の第３の実施形態の炉を示す平面図である。図７は、本発明の第３の実施形態の炉を示す平面図である。図８は、本発明の一実施例における周波数とＮＯ_Ｘ濃度の関係を示すグラフである。図９は、本発明の一実施例における周波数とＣＯ濃度の関係を示すグラフである。図１０は、本発明の一実施例における酸素比とＮＯ_Ｘ濃度の関係を示すグラフである。図１１は、本発明の一実施例における酸素比とＣＯ濃度の関係を示すグラフである。

以下、本発明を適用した一実施形態であるバーナの燃焼方法について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率が実際と同じであるとは限らない。

［第１の実施形態］
＜燃焼装置＞
本発明の第１の実施形態に用いられる燃焼装置は、図１および図２に示すように、炉１と、炉１内に燃焼炎３を形成するバーナ２と、バーナ２に燃料流体および酸化剤流体を供給する各種の配管５，６，７，８とを備えた構成となっている。

図１に示すように、炉１は、加熱炉であっても、溶解炉であってもよく、長手方向に延在し、互いに対向して配置された側壁１ａと側壁１ｂとを備えている。側壁１ａには複数のバーナ２ａが設けられており、側壁１ｂにも複数のバーナ２ｂが設けられている。このように、炉１は、長手方向の両側壁１ａ，１ｂに、燃焼炎３ａ，３ｂを形成するバーナ２ａ，２ｂが設けられたいわゆるサイドバーナ式の構成となっている。
なお、本実施形態においては、側壁１ａに設けられるバーナ２ａの本数と、側壁１ｂに設けられるバーナ２ｂの本数を同一にしているが、異なっても構わない。

各バーナ２ａ，２ｂは、それぞれ設けられた側壁１ａまたは側壁１ｂから対向する側壁１ｂまたは側壁１ａに向かって燃焼炎３ａ，３ｂを形成するように配置されている。すなわち、バーナ２ａは、側壁１ｂに向かって燃焼炎３ａを形成し、バーナ２ｂは、側壁１ａに向かって燃焼炎３ｂを形成する。そして、バーナ２ａの燃焼炎３ａと、バーナ２ｂの燃焼炎３ｂは、炉１内において、それぞれ互い違いに配置されており、燃焼炎３は千鳥状に形成されている。

また、後述するように各バーナ２は周期的な振動状態で燃焼をするが（強制振動燃焼）、その際、振動状態は１本以上のバーナ２からなるバーナアレイ単位で制御される。
本実施形態では、側壁１ａに設けられた全てのバーナ２ａによってバーナアレイ１４ａが形成されており、バーナ２ａの振動状態は全て同じように制御されている。また、側壁１ｂに設けられた全てのバーナ２ｂによって、バーナアレイ１４ｂが形成されており、バーナ２ｂの振動状態も全て同じように制御されている。各バーナ２の燃焼については、後述する。

次に、図２に示すように、各バーナ２には、燃料流体を供給する燃料供給配管５と、酸化剤流体を供給する酸化剤供給配管６とが連結されている。また、酸化剤供給配管６は、上流において酸素供給配管７と空気供給配管８とに分岐した構成となっている。

燃料供給配管５、酸素給配管７及び空気供給配管８には、それぞれ供給される流体の流れに強制的に振動を加える強制振動手段５１，７１，８１が設けられている。
ここで、流体の流れに強制的に振動を加えるとは、流体の流量を周期的に調整することを指し、強制振動手段５１，７１，８１とは、具体的には、各供給配管５，７，８に設けられた流量調節弁５２，７２，８２及び流量調節弁５２，７２，８２を制御する流量計５３，７３，８３を含むコントロールユニットのことを指す。

燃料供給配管５によって供給される燃料は、バーナ２の燃料に適しているものであればどのようなものであっても構わず、例えば液化天然ガス（ＬＮＧ）等を挙げることができる。
酸素供給配管７からは酸素が供給されるが、この酸素は、必ずしも純酸素である必要はなく、後述する酸素濃度との関係から適宜所望のものを用いればよい。
空気供給配管８からは空気が供給されるが、空気として、大気中から取り込んだ空気以外に、燃焼排ガスを使用することもできる。燃焼排ガスを使用した場合は、酸素濃度を２１％（空気中の酸素濃度）未満に下げることができる。

また、炉１内には、炉１内の状況に適時に対応するため、各種の検知器（図示略）が配置されていることが好ましい。更に、検知器によって検出されたデータをもとに炉１内の雰囲気状況を把握し、自動的に燃料流体または酸化剤流体の流量、強制振動の周期等を適宜変更するシーケンスプログラムを備えていることが好ましい。

＜酸化剤流体の流量及び酸化剤流体中の酸素濃度＞
次に、酸化剤流体の流量及び酸化剤流体中の酸素濃度について説明する。なお、以下の説明においては、便宜上、酸素供給配管７、空気供給配管８及び燃料供給配管５からは、それぞれ純酸素、空気（酸素濃度は約２１％）及び液化天然ガス（ＬＮＧ）が供給されるものとして説明する。

本実施形態では、酸化剤流体は、純酸素及び空気から構成されている。そして、強制振動手段７１，８１によって、酸素供給配管７から供給される純酸素の流量と空気供給配管８から供給される空気の流量の一方または双方が、経時的にみて周期的に変化するように制御されている。

純酸素の流量及び空気の流量は、酸化剤流体中の酸素濃度が周期的に変化しているのであれば、どのように制御されていても構わない。また、純酸素の流量及び空気の流量の和（すなわち、酸化剤流体の流量）は、一定であっても、周期的に変化していても構わない。

酸化剤流体の流量を一定にする場合は、例えば純酸素の流量及び空気の流量の周期的変化を同波形、同変動幅にし、位相差をπとすればよい。このように構成すれば、純酸素の流量と空気の流量の増減は相殺されるので、バーナ２に供給される酸化剤流体の流量は一定に制御されることとなる。

また、この場合は、純酸素及び空気の流量の最小値は、いずれも０となるように制御されていることが好ましい。このように制御することによって、酸化剤流体中の酸素濃度を約２１％〜１００％の範囲で変化させることが可能となる。

すなわち、酸化剤流体中に占める純酸素の流量が０の場合、酸化剤流体の酸素濃度は空気の酸素濃度と等しくなり、酸素濃度は約２１％となる。逆に、酸化剤流体中に占める空気の流量が０の場合は、酸化剤流体は純酸素のみから構成されることとなり、酸素濃度は１００％となる。

一方、酸化剤流体の流量を周期的に変化させる場合は、例えば空気を一定量で供給しながら、純酸素の流量を定期的に変化させればよい。この場合は、純酸素の流量が最大となるときに、酸化剤流体中の酸素濃度は最大となり、純酸素の流量が最小となるときに、酸化剤流体中の酸素濃度は最小となる。

例えば、純酸素の流量の最大値を、空気の流量と同じになるようにし、最小値を０となるように制御すれば、酸化剤流体中の酸素濃度は、約２１％〜約６１％の範囲で周期的に変化することとなる。すなわち、純酸素の流量が最大のときは、純酸素と空気の流量比が１対１となり、酸化剤流体中の酸素濃度は約６１％となる。また、純酸素の流量が最小となるときは、酸化剤流体は空気のみで構成されることとなり、酸素濃度は約２１％となる。

なお、酸化剤流体の流量を周期的に変化させる方法として、空気の流量を一定とし、純酸素の流量を定期的に変化させる方法について説明したが、純酸素の流量を一定として、空気の流量を周期的に変化させてもよく、また、両方の流量を周期的に変化させても構わない。

＜燃料流体の流量＞
燃料流体の流量は、酸化剤流体の流量を周期的に変化させている場合には、一定であっても周期的に変化していても構わない。一方、酸化剤流体の流量を一定にする場合は、燃料流体の流量を周期的に変化させることとなる。

＜酸素比＞
次に、酸素比について説明する。ここで酸素比とは、酸化剤流体としてバーナ２に供給される供給酸素量を、バーナ２に供給される燃料流体を燃焼させるのに必要とされる理論必要酸素量で除した値をいう。したがって、理論的には、酸素比１．０の状態が、酸素を過不足なく用いて完全燃焼することが可能な状態といえる。
なお、ＬＮＧの燃焼における理論必要酸素量は、ＬＮＧ組成にもよるが、モル比にして、おおよそＬＮＧの２．３倍である。

本実施形態では、燃料流体もしくは酸化剤流体の流量の少なくとも一方が周期的に変化しており、また、酸化剤流体中の酸素濃度も周期的に変化していることから、酸素比も周期的に変化している。

例えば、酸化剤流体の流量を一定にし、燃料流体の流量を周期的に変化させる場合は、酸化剤流体の流量を１とし、燃料流体（ＬＮＧ）の流量を０．０５〜０．６５の範囲で周期的に変化させると、酸素比は０．１４〜８．７の範囲で周期的に変化する。

また、酸化剤流体の流量が周期的に変化している場合は、燃料流体の流量を一定にすることが可能となる。この際、例えば酸化剤流体の流量を１〜２の範囲で変化させ、燃料流体（ＬＮＧ）の流量を０．３で供給すれば、酸素比は０．３〜１．７５の範囲で周期的に変化する。

なお、酸素比の周期的変化の周波数は大きいと、ＮＯ_Ｘの低減効果が十分には認められなくなるので、２０Ｈｚ以下であることが好ましい。また、逆に小さ過ぎると、ＣＯの発生量が増大してしまうので、０．０２Ｈｚ以上であることが好ましい。

また、酸素比の上限と下限の差が小さいと、ＮＯ_Ｘの低減効果が十分には認められなくなるので、酸素比の上限と下限の差は、０．２以上であることが好ましい。また、酸素比の時間平均値（１周期における平均値）は、小さいと燃料流体が不完全燃焼となるので、１．０以上であることが好ましく、１．０５以上であることがより好ましい。

以上のように、本実施形態では、燃料流体の流量または酸化剤流体の流量の少なくとも一方、および酸化剤流体中の酸素濃度を周期的に変化させて、酸素比を周期的に変化させる。
そして、これらの周期的変化は、燃料流体の流量、酸素の流量および空気の流量を変化させることで制御されている。例えば、燃料流体の流量を０．５〜１．５の範囲で変化させ、酸素の流量を１．２〜１．７、空気の流量を０〜９．２の範囲で変化させて供給すると、酸素比は０．５〜２．７の範囲で周期的に変化し、酸素濃度は３０〜１００％の範囲で周期的に変化する。

＜バーナの燃焼＞
次に、バーナ２の燃焼について説明する。各バーナ２は、供給される燃料流体の流量、酸化剤流体の流量、および酸化剤流体中の酸素濃度の変化に応じて、時間的な濃淡燃焼を行い、振動状態が周期的に変化して燃焼する。

本実施形態では、図１に示すように、炉１内には複数のバーナ２が設けられているが、各バーナ２の振動状態の周期的変化（振動周期）と、対向して配置されたバーナ２の振動周期との位相差がπとなるように制御されている。
ここで、対向して配置されたバーナ２とは、対向する側壁１ａ、１ｂの対抗する位置に設けられたものを指すが、厳密な意味で対向する位置に配置されることを要求しているのではなく、対抗する位置に最も近いバーナ２のことを指す。例えば、バーナ２ａ_１にとって対向するバーナ２とは、バーナ２ｂ_１を指し、バーナ２ａ_２にとって対向するバーナ２とは、バーナ２ｂ_２のことを指す。

そして、本実施形態では、側壁１ａに配置された全てのバーナ２ａによってバーナアレイ１４ａが形成されており、各バーナ２ａは燃料流体の流量、空気の流量、酸素の流量の周期的変化が全て同期している。また、側壁１ｂに配置された全てのバーナ２ｂによってバーナアレイ１４ｂが形成されており、各バーナ２ｂも全て同期している。したがって、図３（ａ）に示すように、側壁１ａに配置されたバーナ２ａが最も強く燃焼する際には、側壁１ｂに配置されたバーナ２ｂが最も弱く燃焼する。反対に、図３（ｂ）に示すように、側壁１ａに配置されたバーナ２ａが最も弱く燃焼する際に、側壁１ｂに配置されたバーナ２ｂが最も強く燃焼する。

各バーナ２ａは、全て燃料流体の流量、空気の流量、酸素の流量の周期的変化が同期しているので、酸素比および酸素濃度の周期的変化も同期している。なお、ここでいう同期とは、波形、周波数、位相が同一であることを指し、変動幅は必ずしも同一でなくても構わない。例えば、バーナ２ａ_１とバーナ２ａ_２とで変動幅が異なっていてもかまわない。
また、バーナ２ｂについても同様で、各バーナ２ｂは、全て酸素比および酸素濃度の周期的変化は同期しているが、変動幅は異なっていても構わない。

酸素比を同期させると、一方の側壁１ａ，１ｂに設けられたバーナ２ａ，２ｂが同時に酸素比の低い条件となるため、酸素不足の領域が広くなり、ＮＯ_Ｘ低減効果が大きくなり、好ましい。また、酸素濃度を同期させると、一方の側壁１ａ，１ｂに設けられたバーナ２ａ，２ｂが同時に酸素濃度の低い条件となるため、局所的な高温領域が形成されず、ＮＯ_Ｘの低減効果が大きくなり、好ましい。

また、バーナ２ａとバーナ２ｂの関係について、位相差がπであるだけでなく、酸素比または酸素濃度の周期的変化のうち少なくとも１つは、同一周波数、同一波形であることが好ましい。
また、対向するバーナ２同士は、変動幅が同一であることが好ましい。例えば、バーナ２ａ_１とバーナ２ｂ_１は、酸素比および酸素濃度の周期的変化が、同一波形、同一周波数、同一変動幅で、位相差がπとなるように構成されているのが好ましい。

以上説明したような本実施形態のバーナの燃焼方法によれば、ＮＯ_Ｘの発生量を大幅かつ確実に低減できる。
すなわち、従来のバーナの燃焼方法では、バーナに供給される燃料流体の流量もしくは酸化剤流体の流量の少なくとも一方のみを変化させて、酸素比のみを周期的に変化させていた。これに対し、本実施形態では、燃料流体の流量もしくは酸化剤流体の流量の少なくとも一方を周期的に変化させると同時に、酸化剤流体中の酸素濃度を周期的に変化させている。これにより、従来よりも大幅にＮＯ_Ｘ低減効果が発現することができる。
また、炉に配置された複数のバーナについて、振動状態の周期的変化（振動周期）を全て同じにした場合、大きなＮＯ_Ｘ低減効果は得られるものの、バーナへの燃料流体と酸化剤流体の流量が大きく変動するため、炉内圧力の変動が大きくなる。これに対し、本実施形態では、バーナ２の振動状態の周期的変化について、少なくとも１つのバーナ２の振動周期と、他のバーナ２の振動周期とに位相差が設けられている。これにより、大きなＮＯ_Ｘ低減効果を得るとともに、炉１内に供給される燃料流体と酸化剤流体の流量の変動が小さくなるので、バーナ２が炉１に与える圧力を均一化させることができる。
特に、対向して設けられたバーナ２同士の位相差をπとすることで、よりＮＯ_Ｘ低減効果を得るとともに、炉１内圧力を一定にすることができる。
また、本実施形態のバーナの燃焼方法は、新規の加熱炉を設計する場合のみならず、既設の加熱炉や燃焼炉におけるバーナにも適用することが可能である。

［第２の実施形態］
次に、本発明を適用した第２の実施形態に係るバーナの燃焼方法について説明する。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、同様の部分については説明を省略する。

本実施形態は、第１の実施形態とは、隣接するバーナ２の振動周期に位相差が設けられている点が異なり、他は第１の実施形態と同様である。
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、本実施形態でも、側壁１ａおよび側壁１ｂに、それぞれ複数のバーナ２ａおよびバーナ２ｂが設けられている。そして、各バーナ２は、それぞれ１本のみで各バーナアレイ２４を形成している。すなわち、側壁１ａに設けられた各バーナ２ａは、それぞれがバーナアレイ２４ａを形成しており、側壁１ｂに設けられた各バーナ２ｂは、それぞれがバーナアレイ２４ｂを形成している。

また、本実施形態では、隣接するバーナ２は、振動周期の位相差がπになるように制御されている。例えば、図４（ａ）に示すように、バーナ２ａ_１が最も強く燃焼する際には、隣に配置されたバーナ２ａ_２とバーナ２ａ_３は、最も弱く燃焼する。一方、図４（ｂ）に示すように、バーナ２ａ_１が最も弱く燃焼する際には、隣に配置されたバーナ２ａ_２とバーナ２ａ_３は、最も強く燃焼する。
この際、各バーナ２の振動周期は、それぞれ対向するバーナ２の振動周期と位相差がπとなるように制御されている。例えば、バーナ２ａ_１と、それと対向するバーナ２ｂ_１の振動周期の位相差はπであるし、バーナ２ａ_２と、それと対向するバーナ２ｂ_２の振動周期の位相差はπである。

本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、酸化剤流体中の酸素濃度を周期的に変化させているので、従来よりも大幅にＮＯ_Ｘ低減効果が発現することができる。
更に、各バーナ２の振動周期が、それぞれ隣接するバーナ２の振動周期と位相差がπになるように制御されている。その結果、長手方向に沿って、高酸素比かつ低酸素濃度で燃焼するバーナ２と、低酸素比かつ高酸素濃度で燃焼するバーナ２が交互に配置されることになる。これにより、混合が促進され、炉内の温度分布がより均一化されることにより、ＮＯ_Ｘ発生量をより低減化することができる。また、排ガス中のＣＯ濃度をより下げることができる。

なお、上記実施形態では、バーナアレイ２４が１本のバーナ２から構成される場合について説明したが、複数のバーナ２から構成されていても構わない。
すなわち、図５に示すように、炉１の側壁１ａに複数本のバーナ２ａからなるバーナアレイ３４ａを複数組設け、側壁１ｂに複数本のバーナ２ｂからなる複数組のバーナアレイ３４ｂを設けるようにしても構わない。その場合は、各バーナアレイ３４を構成するバーナ２と、当該バーナアレイ３４と隣接するバーナアレイ３４を構成するバーナ２とで、振動周期の位相差がπとなるように制御すればよい。例えば、バーナアレイ３４ａ_１を構成するバーナ２ａと、バーナアレイ３４ａ_２およびバーナアレイ３４ａ_３を構成するバーナ２ａの振動周期の位相差をπとすればよい。

［第３の実施形態］
次に、本発明を適用した第３の実施形態に係るバーナの燃焼方法について説明する。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、同様の部分については説明を省略する。

本実施形態も、第１の実施形態とは、隣接するバーナ２の振動周期に差が設けられている点が異なり、他は第１の実施形態と同様である。
すなわち、図６に示すように、本実施形態では、炉１の側壁１ａおよび側壁１ｂに、それぞれｎ本のバーナ２ａおよびバーナ２ｂが設けられている。そして、各バーナ２は、それぞれ１本のみで各バーナアレイ４４を形成している。すなわち、側壁１ａに設けられた各バーナ２ａは、それぞれがバーナアレイ４４ａを形成しており、側壁１ｂに設けられた各バーナ２ｂは、それぞれがバーナアレイ４４ｂを形成している。

また、本実施形態では、隣接するバーナ２の振動周期と位相差が２π／ｎとなるように制御されている。例えば、側壁１ａにバーナ２ａが４本設けられた場合は、バーナ２ａ_１の振動周期と、隣接して配置されたバーナ２ａ_２とバーナ２ａ_３の振動周期とは、位相差がπ／２となるように制御されており、バーナ２ａ_２の振動周期とバーナ２ａ_３の振動周期とは、位相差がπとなるように制御されている。
この際、各バーナ２の振動周期は、それぞれ対向するバーナ２の振動周期と位相差がπとなるように制御されている。例えば、バーナ２ａ_１と、それと対向するバーナ２ｂ_１の振動周期の位相差はπであるし、バーナ２ａ_２と、それと対向するバーナ２ｂ_２の振動周期の位相差はπである。

本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、酸化剤流体中の酸素濃度を周期的に変化させているので、従来よりも大幅にＮＯ_Ｘ低減効果が発現することができる。
更に、炉の側壁に配置されたバーナ２の本数がｎ本の際に、各バーナ２の振動周期が、それぞれ隣接するバーナの振動周期と位相差が２π／ｎとなるように制御されている。これにより、炉１内に供給される燃料流体と、酸化剤流体の流量変動が小さく抑えられるので、より炉１内の圧力を均一化することができる。

なお、上記実施形態では、第１の実施形態と同様に、バーナアレイ４４が１つのバーナ２から構成される場合について説明したが、複数のバーナ２から構成されていても構わない。
すなわち、図７に示すように、炉１の側壁１ａに、複数本のバーナ２ａからなるバーナアレイ５４ａをｎ組設け、側壁１ｂにも、複数本のバーナ２ｂからなるバーナアレイ５４ｂをｎ組設けるようにしても構わない。その場合は、バーナアレイ５４を構成するバーナ２と、当該バーナアレイ５４と隣接するバーナアレイ５４を構成するバーナ２とで、振動周期の位相差が２π／ｎとなるように制御すればよい。例えば、炉１の側壁１ａに、２本のバーナ２ａかなるバーナアレイ５４ａを４組設けた場合は、バーナアレイ５４ａ_１を構成するバーナ２ａと、バーナアレイ５４ａ_２およびバーナアレイ５４ａ_３を構成するバーナ２ａの振動周期の位相差をπ／２とすればよい。

以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

以下、燃料流体をＬＮＧとし、酸素濃度９９．６％の酸素と空気とで酸化剤流体を形成し、酸素比と酸化剤流体中の酸素濃度を周期的に変化させ、強制振動燃焼をさせた場合のＮＯ_Ｘ低減効果について、実施例を示して説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

（実施例１）
実施例１では、図３に示すように、炉１内に８本のバーナ２が配置された燃焼装置を用いて実験を行った。具体的には、全てのバーナ２の酸素比と酸化剤中の酸素濃度の波形、変動幅および周波数を同じにし、酸化剤中の酸素濃度は、３３〜１００％の範囲で、酸素比は０．５〜１．６の範囲で周期的に変化するようにし、周波数をともに０．０３３Ｈｚとした。このとき、１周期における酸化剤中の酸素濃度の平均値（時間平均値）を４０％とし、酸素比の平均値を１．０５とした。また、酸素濃度と酸素比の周期的変化の位相差がπとなるようにした。
また、側壁１ａに設けられたバーナ２の振動周期と、側壁１ｂに設けられたバーナ２の振動周期は、位相差がπとなるようにした。

試験結果の解析にあたり、同じ装置を用いて従来の酸素富化燃焼（定常燃焼）を実施した場合の燃焼排ガス中のＮＯ_Ｘの濃度を測定し、この値を基準値ＮＯ_Ｘ（ｒｅｆ）とした。
実施例１では、ＮＯ_Ｘ（ｒｅｆ）と比較して、ＮＯ_Ｘ濃度は約９０％減となった。

比較のため、従来の強制振動燃焼のように、酸素濃度を４０％に固定し、酸素比のみを０．５〜１．６の範囲で周期的に変化させる外は、実施例１と同様の条件で試験を行った。
比較例１では、ＮＯ_Ｘ（ｒｅｆ）と比較して、ＮＯ_Ｘ濃度は約５０％減に留まった。

（実施例２）
次に、実施例２では、バーナ２の振動周波数のＮＯ_Ｘ濃度低減効果への影響を調べるため、周波数以外を実施例１と同じ条件に設定し、酸素比と酸化剤中の酸素濃度の周波数を０．０１７〜１００Ｈｚの範囲で変えた。この際、酸素比と酸化剤中の酸素濃度の周波数は同じにした。ＮＯ_Ｘ濃度の結果を表１及び図８に、ＣＯ濃度の結果を表２及び図９に示す。

なお、ＣＯ濃度の試験結果の解析にあたり、同じ装置を用いて従来の酸素富化燃焼（定常燃焼）を実施した場合の燃焼排ガス中のＣＯ濃度を測定し、この値を基準値ＣＯ（ｒｅｆ）とした。また、図８および図９において、横軸は、酸素濃度及び酸素比の周波数を表しており、縦軸は、基準値ＮＯ_Ｘ（ｒｅｆ）を用いて規格したＮＯ_Ｘ濃度（ＮＯ_Ｘ／ＮＯ_Ｘ（ｒｅｆ））、または、基準値ＣＯ（ｒｅｆ）を用いて規格化したＣＯ濃度（ＣＯ／ＣＯ（ｒｅｆ））を表している。また、比較のため、ＮＯ_Ｘ濃度については、従来の強制振動燃焼のように、酸素濃度を４０％に固定し、酸素比のみを０．５〜１．６の範囲で周期的に変化させた場合の結果についても表１および図８に示す。

表１及び図８から明らかなように、周波数を２０Ｈｚ以下にすることで、急激にＮＯ_Ｘが減少する傾向にあり、酸素比および酸化剤中の酸素濃度の周期的変化の周波数は、２０Ｈｚ以下にすると、ＮＯ_Ｘ濃度低減効果がより得られることが分かる。

表２および図９から明らかなように、周波数が０．０１７〜１００Ｈｚの範囲では、ＣＯ濃度は、周波数による影響をあまり受けず、特認０．０２Ｈｚ以上であれば、周波数による影響をより受けないことが分かる。

（実施例３）
次に、実施例３では、燃料流量を一定として、酸素比の変動幅がＮＯ_Ｘ濃度低減効果に与える影響を調べた。具体的には、酸素濃度を３０〜１００％の範囲で周期的に変化させ、酸素比を変動させる範囲を変えてＮＯ_Ｘ濃度を測定した。
酸素比の下限を０．１、０．２、０．３、０．４、０．５とした各場合について、酸素比の上限を１．１〜７の範囲で変化させ、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を測定した。

なお、酸素比の時間平均値を１．０５、酸化剤流体中の酸素濃度を４０％とした。例えば、酸素比ｍが０．５〜５の場合、ｍ＜１．０５となる燃焼時間をｍ＞１．０５の時間より長くするようにし、逆に、酸素比ｍが０．２〜１．２の場合、ｍ＜１．０５となる燃焼時間をｍ＞１．０５の時間より短くするように調整した。ここで、燃料流量が一定であり、酸素比、酸素濃度の平均は一定なので、ある一定時間に使用される酸素量は同じとなる。

ＮＯ_Ｘ濃度の測定結果を表３および図１０に、ＣＯ濃度の測定結果を表４および図１１に示す。なお、図１０および図１１の横軸は、酸素比の上限値ｍ_ｍａｘであり、縦軸は規格化されたＮＯ_Ｘ濃度または規格化されたＣＯ濃度であり、表３および表４の値は、規格化されたＮＯ_Ｘ濃度または規格化されたＣＯ濃度である。

表３，表４、図１０および図１１から、酸素比の下限値ｍ_ｍｉｎが大きくなるにつれて、ＮＯ_Ｘ濃度は高くなり、ＣＯ濃度が下がる傾向にあることが分かる。
そして、表３および図８から、ｍ_ｍｉｎ＝０．５のグラフは、ｍ_ｍａｘが大きくなる（酸素比の振幅が大きくなる）にしたがって、ＮＯ_Ｘが減少していくが、ｍ_ｍａｘ＞５では、ＮＯ_Ｘ濃度は一定となる。また、ｍ_ｍｉｎ＝０．３のグラフは、ｍ_ｍｉｎ＝０．５のグラフよりＮＯ_Ｘ濃度は下がるが、ｍ_ｍｉｎ＝０．２と、ｍ_ｍｉｎ＝０．３とでは、ほぼ変らない。
したがって、ＮＯ_Ｘ濃度とＣＯ濃度の双方を下げたいときは、酸素比の下限値ｍ_ｍｉｎは、０．３であることが好ましい。

また、表４および図１１から、酸素比の上限値ｍ_ｍａｘが大きくなるにつれて、ＣＯ濃度が上昇することが分かり、特にｍ_ｍａｘ＞６となると、ＣＯ濃度が急激に上昇することがわかる。
よって、本発明において、排ガス中のＮＯ_Ｘ濃度とともに、ＣＯ濃度を下げたいときは、酸素比を０．３以上６以下の範囲で変動させることが好ましいことがわかる。

（実施例４）
実施例４では、酸素濃度の変動幅の影響を調べるため、燃料流量を一定として、酸素比を０．５〜１．６の範囲で変動させ、酸素濃度の変動幅を変えてＮＯ_Ｘ排出量への影響を調べた。試験では、酸素濃度下限を３３％にし、酸素濃度の上限値Ｃ_ｍａｘを５０〜１００％の範囲で変化させた。平均の酸素比は１．０５、酸化剤中酸素濃度は４０％とした。また、酸素比及び酸素濃度の周波数を０．０６７Ｈｚとし、酸素比と酸素濃度の周期的変化の位相差をπとした。結果を表５に示す。

表５および図１２から、酸素濃度の変動幅を大きくすると、ＮＯ_Ｘ濃度の低減効果がより大きくなることがわかった。

（実施例５）
次に、実施例５では、図４に示すように、各バーナ２の振動周期を、それぞれ隣接するバーナ２の振動周期と位相をπずらして運転した場合のＮＯ_Ｘ濃度低減効果について調べた。具体的には、全てのバーナ２の酸素比と酸素濃度の周期的変化について、それぞれ波形、振動幅および周波数を同じにし、一つ置きに位相をπずらして燃焼させた。また、各バーナ２の振動周期は、それぞれ対向する位置に設けられたバーナ２の振動周期と位相がπずれるようにした。

また、酸化剤中の酸素濃度は、３３〜１００％の範囲で、酸素比は、０．５〜１．６の範囲で周期的に変化させるようにした。このとき、時間平均の酸素濃度は４０％とし、酸素比は１．０５になるようにした。そして、酸素濃度と酸素比の周期的変化の周波数を０．０３３Ｈｚで試験を行った。酸素濃度と酸素比の周期的変化の位相差はπとした。
ＮＯ_Ｘ濃度の測定結果を表６に示す。また、ＣＯ濃度の測定結果を表７に示す。

表６より、実施例５では、ＮＯ_Ｘ濃度は、実施例１に比べ更に低下することが分かった。さらに、表７より、実施例５では、ＣＯ濃度は、実施例１に比べ更に低下することが分かった。

（実施例６）
次に、実施例６では、片側４本のバーナの位相をπ／２ずつずらして運転した場合のＮＯ_Ｘ濃度低減効果について調べた。具体的には、実施例１と同じように、全てのバーナ２の酸素比と酸素濃度の波形、変動幅および周波数を同じにし、図６に示すように、側壁１ａおよび側壁１ｂにそれぞれ配置された４本の各バーナ２の振動周期を、それぞれ隣接するバーナ２の振動周期と位相差がπ／２となるようにして燃焼させた。また、各バーナ２の振動周期は、対向するバーナ２の振動周期と位相がπずれるようにした。

ＮＯ_Ｘ濃度を測定すると、実施例１と同等でＮＯ_Ｘ／ＮＯ_Ｘ（ｒｅｆ）＝０．３であった。また、実施例６では、炉圧変動幅を測定したところ、±１ｍｍＡｑ以下であり、定常燃焼時と同等の圧力変動まで抑えられた。

１・・・炉、１ａ，１ｂ・・・側壁、２，２ａ，２ｂ，２ａ_１，２ａ_２，２ａ_３，２ｂ_１，２ｂ_２，２ｂ_３・・・バーナ、３，３ａ，３ｂ・・・燃焼炎、１４ａ，１４ｂ，２４，２４ａ，２４ｂ，３４，３４ａ，３４ｂ，４４，４４ａ，４４ｂ，５４，５４ａ，５４ｂ，・・・バーナアレイ、５・・・燃料供給配管、６・・・酸化剤流体供給配管、７・・・酸素供給配管、８・・・空気供給配管

Claims

炉において、複数のバーナを対向させて設置し燃焼させるバーナの燃焼方法であって、
各バーナに供給する燃料流体もしくは酸化剤流体の流量のうち、少なくとも一方を周期的に変化させるとともに、前記酸化剤流体中の酸素濃度を周期的に変化させることによって、供給酸素量を理論必要酸素量で除した酸素比を周期的に変化させ、前記バーナを周期的な振動状態で燃焼し、
前記バーナの振動状態の周期的変化について、少なくとも１つのバーナの振動状態の周期的変化と、他のバーナの振動状態の周期的変化とに位相差を設けることを特徴とするバーナの燃焼方法。
前記各バーナに供給する燃料流体の流量の周期的変化と、前記酸素濃度及び前記酸素比の周期的変化とに位相差を設けることを特徴とする請求項１に記載のバーナの燃焼方法。
前記酸素比の周期的変化の周波数が２０Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバーナの燃焼方法。
前記酸素比の周期的変化の周波数が０．０２Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
周期的に変化する前記酸素比の上限と下限の差が０．２以上であり、１周期における前記酸素比の平均値が１．０以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
前記バーナの全てにおいて、酸素比の周期的変化もしくは酸素濃度の周期的変化のうち少なくとも１つを同期して燃焼させることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
対向して配置された前記バーナ同士の振動状態の周期的変化の位相差がπであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
１本以上のバーナからなるバーナアレイを用いて燃焼させる場合において、
前記炉の側壁に複数のバーナアレイが配置されており、
前記各バーナアレイを構成するバーナの振動状態の周期的変化と、当該バーナアレイと隣接して配置されたバーナアレイを構成するバーナの振動状態の周期的変化との位相差がπであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
１本以上のバーナからなるバーナアレイを用いて燃焼させる場合において、
前記炉の側壁が対向しており、一方の側壁にｎ組のバーナアレイが配置されており、
前記各バーナアレイを構成するバーナの振動状態の周期的変化と、当該バーナアレイと隣接して配置されたバーナアレイを構成するバーナの振動状態の周期的変化との位相差が２π／ｎであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
少なくとも１つの前記バーナの振動状態の周期的変化と、他のバーナの振動状態の周期的変化とに位相差を設けることによって、炉内圧力を一定に保持することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。