JP5453318B2 - 低窒素酸化物ガス噴射器 - Google Patents

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Description

本発明は、少なくとも一つの噴射器により燃料が供給される燃焼方法及び燃焼装置に関する。
より具体的には、本発明は、ガラスをガラス溶融炉、特に、フロート式の板ガラス製造用の溶解炉や中空ガラス容器製造用溶解炉において融解する際に使用する場合について説明し、溶解炉としては、例えば、蓄熱器を使用するタイプの反転モードで作動する溶解炉を挙げるが、これらに限定されるものではない。
上述のタイプの燃焼方法、特に、ガラス溶融炉で使用される方法のほとんどは、燃焼排ガス中に望ましくない窒素酸化物ＮＯxの排出を伴うという問題を抱えている。
窒素酸化物は、人体及び環境の両方に悪影響を及ぼす。第一に、二酸化窒素は呼吸器疾患を起こす刺激性ガスである。第二に、大気と接触することで、窒素酸化物は徐々に酸性雨を生成し得る。最後に、窒素酸化物は、揮発性有機化合物及び太陽光放射と組み合わされることによりいわゆる対流圏オゾンを形成するので、光化学汚染が発生し、低高度域での対流圏オゾンの濃度上昇は、特に暑い時期に、人体に有害になる。
このような理由から、窒素酸化物の排出に関する現行規制はますます厳しくなってきている。このような規制の存在により、ガラス溶融炉などの炉の製造者及び使用者は常に窒素酸化物の排出量を最小化すること、好ましくは、サイド・ファイア溶融炉の場合で排ガス１Ｎｍ3あたり８００ｍｇまで、エンド・ファイア溶融炉又はホースシュー・フレーム溶鉱炉の場合で排ガス１Ｎｍ3あたり６００ｍｇまで下げること、に終始している。
窒素酸化物の生成に影響する要因については既に分析されている。要因は基本的には温度と過剰空気である。というのは、１３００℃を超えると窒素酸化物の排出は急激に増え、また、窒素酸化物の濃度は酸素濃度又は窒素濃度の平方根に依存するからである。
窒素酸化物の排出を削減するために様々な手法がすでに提案されている。
第一の手法は、排出されたガスに還元剤を作用させて、窒素酸化物を窒素に還元することである。この還元剤はアンモニアでもよいが、その場合には保管・取り扱いが難しいという欠点がある。天然ガスを還元剤として使用することも可能であるが、その場合は溶解炉による消費量に損失を与え、かつ二酸化炭素排出量を増加させる。一酸化炭素などの還元ガスが溶融炉のある部分、たとえば蓄熱器に存在すると、その部分の耐火材の腐食を加速させる。
したがって、一次的解決手段とよばれる方法を適用することによってこれらの手法を使わずに済ますことが、必須ではないにしろ、好ましい。これらの解決手段は、上に述べた手法のように既に生成した窒素酸化物を破壊するのが目的ではなく、むしろたとえば炎の中でその生成自体を阻むので、このように呼ばれる。さらにこれらの解決手段は、より簡単に、ひいてはより安価に実施できる。しかしながら、これらの解決手段は上で述べた手法に完全に置き換わることはできず、むしろ、有利に補完するものである。ともかく、これら一次的解決手段は、二次的解決手段での反応剤の消費量を減らすための不可欠な前提条件である。
これらに限定されるものではないが、既存の解決手段をいくつかのカテゴリに分けることができる。
第一のカテゴリは、「再燃焼」技術と呼ばれる手法を用いて溶解炉の燃焼室内に空気が足りない部分を作り、窒素酸化物の生成を削減するものである。この方法は蓄熱器の排気管の温度上昇を起こし、場合によっては、特に密封性及び耐腐食性の面で特殊な蓄熱器排気管を必要とするという短所がある。
第二のカテゴリは、炎に作用してその中での窒素酸化物の生成を減らす、あるいは阻むものである。そのためには、例えば過剰な燃焼用空気を減らすことを目的にしてもよい。また、火炎中の平均温度を下げるために、火炎長を維持しながら最高温度を制限し、かつ火炎前面の体積を増やすことを目的にしてもよい。このような解決方法は、特許文献１や２に記載されている。第二のカテゴリは、窒素酸化物の排出を減らす目的で、燃料／酸化剤の接触を長い時間に分散し、かつ、又は、接触量を増大させ得るように燃料の供給及び酸化剤の供給の両方が行われるガラス溶融燃焼方法である。
米国特許第６０４７５６５号 国際公開公報第９８／０２３８６号 仏国特許第２８３４７７４号
噴射器は、酸化剤と共に燃やされる燃料を推進することのみに使われることに注意が必要である。したがって、噴射器は燃焼器の一部を構成し、「燃焼器」とは一般には燃料供給器と酸化剤供給器の両方を兼ね備えた装置を指す。
燃料は、燃料油系の液体か、天然ガスのようなガス燃料である。例えば、特許文献３にあるように、一部の噴射器では、少なくとも一つの液体燃料供給をガス燃料供給と組み合わせる。
さらに、ガス燃料は燃料油よりも多くの窒素酸化物を生成することが知られている。
本発明の目的は、ガス燃料のみを使用しながら比較的少量のみの窒素酸化物の生成に抑えるような燃焼工程を創出することである。
この目的は、本発明によって達成され、そのひとつの主題は、燃焼方法、特に、ガス燃料により炎が生成するガラス溶融のための燃焼方法であって、一定間隔をあけたいくつかの周辺低圧ガス噴流が中心高圧ガス噴流に収束することを特徴とする燃焼方法である。
中心高圧ガス噴流は火炎長を決定する一方、全体の（低圧及び高圧）ガス流量は炎の強さを決定する。本発明の方法により、強さを変更しつつ一定の火炎長を維持することも、あるいはその逆も可能である。
周辺低圧ガス噴流は炎の火炎拡散を遅延させる。
したがって、特に火炎長を短くすること、及び、窒素酸化物の排出量の削減において、調節のためにとり得る手段の数が増えることになる。
本発明の方法の好ましい特徴によれば、
発熱量の７０〜９０％、好ましくは７５〜８５％は低圧ガスに起因する。
中心高圧ガス噴流に対する周辺低圧ガス噴流の収束角度は４°〜１０°の間であり、好ましくは５°〜８°の間である。
周辺低圧ガス噴流の数は４〜１６で、好ましくは８〜１２である。
全ての周辺低圧ガス噴流は同一の特徴：断面、流量、及び、中心高圧ガス噴流の軸に対する収束角度、を有する。
本発明の別の主題は、本発明の方法を実施するための噴射器に関し、同心状の低圧ガス供給管に取り囲まれる高圧ガス供給管を含み、その出口は同一断面の穴が設けられた平坦リングで完全にふさがれており、前記穴は前記供給管の軸線の周りに一定間隔で隔てられ、全てが同じ角度で前記軸線上に収束する。
好ましくは、穴の断面、つまり、穴の軸線に垂直な面における断面は円形である。
本発明の別の主題は、
上記の一つ又はそれ以上の噴射器を含む燃焼器、
上記燃焼器を少なくとも一つ備えた溶解炉、特にエンド・ファイア溶解炉、又は、サイド・ファイア溶融炉、及び、
窒素酸化物の排出量を制限するための本発明の方法、噴射器、燃焼器、又は溶解炉の適用、である。
本発明を、以下の実施例につき添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の噴射器の一部を構成する平坦リングの正面図である。 図２は、この平坦リングの断面図である。
平坦リング１は、軸線３の周りに一定間隔に設けられた１０個の穴２を有する。
円形の穴２は、軸線３に対して６°の角度で収束する。
さらに、平坦リング１は、中心高圧ガス噴流を受けるために設けられる中心穴を有し、他方、周辺低圧ガス噴流は収束穴２を通る。
４４ｍ2のエンド・ファイア溶解炉にて試験が行われた。
溶解炉は、第一段階では溶解炉の右側部分と左側部分に交互に噴射器を使用して稼働させた。
これは、二重ガス稼働噴射器であり、本発明の噴射器とは個々の収束する低圧噴流がないという点でのみ異なる。
本実施例では、噴射器は空気流の下の中心部にあり、５°の角度で上方へ向けられており、空気流は２２°の角度で下方に向けられた。噴射器は、溶解炉の内側中心軸の方へ方位角３°で傾けられた。
数値は、酸素８％、一酸化炭素５０００ｐｐｍにおけるものである。
噴射器の出力は８０００ｋｗで一定に保たれた。
窒素酸化物の排出量は、４Ｎ／ＭＷの比運動量Ｉsp（発熱量に対する燃料噴流の総運動量の割合として定義される）当たり、６８７ｍｇ／Ｎｍ3であった。
その後、噴射器は、本発明にしたがって、図１及び２に示される平坦リングを使用して改良された。
４Ｎ／ＭＷの比運動量に対し, 窒素酸化物排出量は５８７ｍｇ／Ｎｍ3まで低下した。

Claims (2)

  1. ガス燃料により炎が生成するガラス溶融のための燃焼方法であって、一定間隔をあけたいくつかの周辺低圧ガス噴流が中心高圧ガス噴流に収束する燃焼方法を実施するための噴射器を含む燃焼器を少なくとも一つ含むエンド・ファイア溶解炉において、
    前記噴射器は、前記エンド・ファイア溶解炉の右側部分と左側部分に交互に噴射する二重ガス稼働噴射器であり、
    同心状の低圧ガス供給管に包囲される高圧ガス供給管を含み、その円形の出口は、同一断面の穴が設けられた平坦リングで完全にふさがれ、前記穴は前記供給管の軸線の周りに一定間隔で隔てられ、全てが同じ角度で前記軸上に収束することを特徴とするエンド・ファイア溶解炉。
  2. ガス燃料により炎が生成するガラス溶融のための燃焼方法であって、一定間隔をあけたいくつかの周辺低圧ガス噴流が中心高圧ガス噴流に収束する燃焼方法を実施するための噴射器を含む燃焼器を少なくとも一つ含むサイド・ファイア溶解炉において、
    前記噴射器は、前記サイド・ファイア溶解炉の右側部分と左側部分に交互に噴射する二重ガス稼働噴射器であり、
    同心状の低圧ガス供給管に包囲される高圧ガス供給管を含み、その円形の出口は、同一断面の穴が設けられた平坦リングで完全にふさがれ、前記穴は前記供給管の軸線の周りに一定間隔で隔てられ、全てが同じ角度で前記軸上に収束することを特徴とするサイド・ファイア溶解炉。
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