JP5451455B2 - バーナの燃焼方法 - Google Patents
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Description
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NOX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。
本発明の実施形態に用いられる燃焼装置1は、図1に示すように、加熱炉2内に燃焼炎3を形成するバーナ4と、バーナ4と連結された燃料流体を供給する燃料供給配管5と、バーナ4と連結された酸化剤流体を供給する酸化剤供給配管6とを備えている。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。
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、強制振動手段とは、具体的には、各供給配管5,7,8に設けられた開閉弁51,71,81及び開閉弁を制御する制御機構52,72,82からなるコントロールユニットのことを指す。
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。
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。
なお、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。
また、本実施形態の燃料流体の流量は、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。
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4に供給される供給酸素量を、バーナ4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。
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。
ここで、酸素比の周期的変化と酸素濃度の周期的変化に差を設けるとは、波形、周波数、位相が完全に一致する場合以外という意味である。すなわち、酸素比及び酸素濃度の波形がともに正弦波であり、同一周波数であったとしても、位相に差が生じているのであれば、周期的変化に差を設けたこととなる。
また、酸素比の上限と下限の差が小さいと、NOX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。
例えば、燃料流体や酸化剤流体の供給量は、図2ないし図4に示したような正弦波を示す周期的変化だけではなく、流量変化が矩形波や三角波となるような供給パターンでも構わない。
まず、実施例1では、図1に示すような燃焼装置において、LNGの流量を固定し、酸素および空気の流量を変化させて、酸素比と酸素濃度を周期的に変化させながら燃焼試験を行った。
酸化剤流体中の酸素濃度は、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、酸化剤流体中の酸素濃度並びに酸素比は、時間平均値でそれぞれ40%、1.05となるようにした。
実施例1と同条件で、酸素比のみを周期的に変化させた場合のNOX低減について、燃焼試験を実施した。酸化剤流体中の酸素濃度を40%の一定とし、酸素比のみを0.5〜1.6の範囲で、周波数0.033Hzで変化させたところ、NOX(ref)と比較して、NOX濃度は約58%減に留まった。
次に、実施例2では、酸化剤流体中の酸素濃度を周期的変化させた場合のNOX低減効果について、周波数の影響を調べた。
酸化剤流体中の酸素濃度及び酸素比の周期的変化の周波数が、0.017、0.02、0.025、0.033、0.067、0.2、1、5、10、20、25、50、100Hzのそれぞれの場合において、排ガス中のNOX濃度を測定した。なお、酸素濃度と酸素比の位相差をπに設定し、酸素濃度及び酸素比の周波数以外は、実施例1と同条件とし、酸化剤流体中の酸素濃度の時間平均値は40%、酸素比の時間平均は1.05となるようにした。結果を表1及び図5に示す。
また、実施例2の比較のため、比較例2として、酸素濃度を40%に固定し、酸素比のみを0.5〜1.6の範囲で強制振動燃焼させた場合のNOXの低減効果を調べた。結果を、同じく表1及び図5に示す。
次に、実施例3では、酸素濃度及び酸素比を周期的変化させた場合の排ガス中のCO濃度について、周波数の影響を調べた。
具体的には、酸素濃度及び酸素比の周期的変化の周波数が、0.017、0.02、0.025、0.033、0.067、0.2、1、5、10、20、25、50、100Hzのそれぞれの場合において、排ガス中のCO濃度を測定した。なお、酸素濃度と酸素比の位相差をπに設定し、酸素濃度及び酸素比の周波数以外は、実施例1と同条件とし、酸化剤流体中の酸素濃度の時間平均値は40%、酸素比の時間平均は1.05となるようにした。結果を表2及び図6に示す。
以上から、周波数が小さい方がNOX低減効果は高いが、排ガス中のCO濃度も下げたい場合には、周波数が0.02以上であることが好ましい。
次に、実施例4では、燃料流量を一定として、酸素比の変動幅がNOX低減に与える影響を調べた。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NOX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NOX濃度を測定した。結果を表3及び図7に示す。
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。
また、mmin=0.3とするとmmin=0.5よりNOX濃度は下がるが、mmin=0.2では、mmin=0.3とほぼ変らない。
次に、実施例5では、燃料流量を一定として、酸素比の変動幅がCO濃度に与える影響を調べた。具体的には、実施例4と同様の条件におけるCO濃度を調べた。結果を表4及び図8に示す。
よって、本発明において、排ガス中のNOX濃度とともに、CO濃度を下げたいときは、酸素比を0.2以上6以下の範囲で変動させることが好ましい。
実施例6では、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NOX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、位相差をπとした。結果を表5及び図9に示す。
次に、実施例7では、LNG、酸素、空気の流量を変化させ、酸素比と酸素濃度を周期的に変化させながら燃焼試験を行い、NOX濃度を測定した。LNG流量の周期、酸素比の周期及び酸素濃度の周期は、いずれも周波数が0.2Hzとなるように設定した。また、LNG流量と酸素比の位相差をπとし、LNG流量が多いときに酸素比が低くなるようにした。また、酸素比と酸素濃度の位相差をπとした。
また、比較例3として、LNG流量を一定とし、酸素と空気の流量のみを変化させて酸素比と酸素濃度を周期的に変化させて燃焼して、NOX濃度を測定した。酸素比と酸素濃度の位相差はπとした。酸素濃度及び酸素比の範囲は、実施例7と同じになるようにした。結果を同じく図10に示す。
次に、実施例8では、LNG流量を一定にし、酸素及び空気の流量を変化させ、酸素比と酸素濃度を周期的に変動させる試験において、酸素比と酸素濃度の位相差を0、π/2、π、3π/2と変えてNOX濃度への影響を調べた。なお、酸素比と酸素濃度の周波数は0.067Hzとし、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させるようにした。このときの酸化剤中の酸素濃度並びに酸素比は、時間平均でそれぞれ、40%、1.05となるようにした。結果を図11に示す。
Claims (13)
- 加熱炉におけるバーナの燃焼方法であって、
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に周期的な変化を与えることによって、供給酸素量を理論必要酸素量で除した酸素比に周期的変化を発生させ、
前記酸素比と前記酸素濃度の周期的変化に差を設けることにより、燃焼状態が周期的な振動状態となることを特徴とするバーナの燃焼方法。 - 前記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。
- 前記酸素比及び前記酸素濃度の周期的変化が、同じ周波数であ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。
- 前記酸素比と前記酸素濃度の周期的変化の位相差がπ/2以上3π/2以下の範囲にあることを特徴とする請求項6に記載のバーナの燃焼方法。
- 前記酸素比と前記酸素濃度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7に記載のバーナの燃焼方法。
- 前記燃料流体の流量及び前記酸素比の周期的変化が、同じ周波数であり、前記燃料流体の流量の周期的変化と前記酸素比の周期的変化の位相差がπ/2以上3π/2以下の範囲にあることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載のバーナの燃焼方法。
- 前記酸素濃度及び前記酸素比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9に記載のバーナの燃焼方法。
- 前記酸化剤流体が酸素と空気から構成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載のバーナの燃焼方法。
- 前記酸化剤流体が酸素と燃焼排ガスから構成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載のバーナの燃焼方法。
- 前記酸素が実質的に純酸素であることを特徴とする請求項11または請求項12に記載のバーナの燃焼方法。
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