JP5485193B2 - バーナの燃焼方法 - Google Patents
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Description
このような背景のもと、実用的に価値のあるNOX低減方法が望まれていたが、有効適切なものは提供されていないのが実情である。
以下、本発明を適用した第1の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、特徴を分かり易くするために、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。
これにより、燃料流れを噴出する位置と、実質的に隣接した位置から酸化剤流れを噴出することができる。
燃料ノズル2には、図3に示すように、燃料流れを供給する燃料供給配管5が接続されている。なお、燃料流れとしては、典型的には天然ガス(LNG)を例示することができるが、重油などの液体燃料であっても構わない。
したがって、各2次酸化剤ノズル4に供給する2次酸化剤流れの流量および酸素濃度を周期的に変化させる場合は、ともに同周期で変化することになる。
次に、各ノズル2,3,4から供給される流体の流量の制御について説明する。
なお、以下の説明においては、便宜上、1次酸素供給配管7および2次酸素供給配管9からは純酸素が、1次空気供給配管6および2次空気供給配管8からは空気(酸素濃度は約21%)、燃料供給配管5からは、液化天然ガス(LNG)が供給されるものとする。
1次酸化剤流れを構成する空気と純酸素の流量は、それぞれ強制振動手段60及び強制振動手段70によって、変化させることができる。
一方、1次酸化剤流れの流量を一定としながらも、例えば図6に示すように、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、酸素濃度を周期的に変化させることもできる。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、1次酸化剤流れの流量自体は一定に制御される。
以上のようにして、酸化剤流れの流量と、酸素濃度を制御する。
本実施形態では、燃料流れの流量を一定とし、1次酸化剤流れと2次酸化剤流れの流量のうち、少なくとも1つを周期的に変化させる。また、1次酸化剤流れと2次酸化剤流れからなる酸化剤流れ中の酸素濃度が周期的に変化するように制御するとともに、酸素比にも周期的変化を与える。
そして、この酸素濃度の周期的変化と酸素比の周期的変化に差を設けるように制御する。特に、低酸素比かつ高酸素濃度の状態と、高酸素比かつ低酸素濃度の状態とが周期的に生じるように制御するのが好ましい。
また、酸化剤流れ全体としてみると、1次酸化剤流れに供給される空気と純酸素、及び2次酸化剤流れに供給される純酸素の流量は一定だが、2次酸化剤流れに供給される空気の流量が周期的に変化するので、酸素濃度も周期的に変化する。具体的には、2次酸化剤流れに供給される空気の流量が最大のときに、酸素濃度は最小となり、逆に2次酸化剤流れに供給される空気の流量が最小のときに、酸素濃度は最大となる。
そして、酸化剤流れ全体としてみると、供給される酸素の絶対量は、2次酸化剤流れに供給される空気の流量が最大のときに、酸素量は最大となり、2次酸化剤流れに供給される空気の流量が最小のときに、酸素量は最小となる。
したがって、供給酸素量を理論必要酸素量で除した酸素比は、2次酸化剤流れに供給される空気の流量が最大のときに、酸素比は最大となり、2次酸化剤流れに供給される空気の流量が最小のときに、酸素比は最小となる。
逆に述べると、酸化剤流れの流量に占める2次酸化剤流れの流量は、時間平均で30%以上90%以下であることが好ましく、50%以上90%以下であることがより好ましい。
酸素比については、周期的に変化するように制御するが、酸素比の上限と下限の差(すなわち、酸素比の振幅)が、0.2以上であることが好ましい。また、酸素比の時間平均で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。
更に、本実施形態のバーナの燃焼方法は、新規に燃焼器を設計する場合のみならず、既設の燃焼器におけるバーナにも適用することが可能である。
次に、本発明を適用した第2の実施形態であ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。
本実施形態の燃料流れの流量は周期的に変化しており、燃料流れの流量の周期的変化と酸素比の周期的変化が、同じ周波数に制御されている。
また、燃料流れの流量と酸素比の周期的変化の位相差はπ/2以上3π/2以下(すなわち、燃料流れの流量と酸素比の周期的変化の位相差の絶対値がπ/2以上)に制御されており、この位相差はπであることが好ましい。
また、2次酸化剤流れの流量が周期的に変化するので、酸素濃度も周期的に変化し、2次酸化剤流れに供給される空気の流量が最大のときに、酸素濃度は最小となり、逆に2次酸化剤流れに供給される空気の流量が最小のときに、酸素濃度は最大となる。
一方で、2次酸化剤流れに供給される空気の流量が最大のときに、燃料流れの流量は最小となり、理論必要酸素量は最も小さくなる。これに対し、2次酸化剤流れに供給される空気の流量が最小のときに、燃料流れの流量は最大となり、理論必要酸素量は最大となる。
例えば、燃料流れの流量や、1次酸化剤流れ及び2次酸化剤流れを構成する空気や酸素の流量を周期的に変化させる際は、正弦波を示す周期的変化だけでなく、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。
実施例1では、図1及び図2に示すように、1次酸化剤ノズル3が、燃料ノズル2の外周を囲むように配置され、2つの2次酸化剤ノズル4が、同一平面上で、燃料ノズル2を軸中心として左右対称な位置に配置されたバーナ1を用いて実験を行った。なお、2つの2次酸化剤ノズル4の間の距離lを50cmとし、2次酸化剤ノズル4から噴出する2次酸化剤流れの流速を100m/sとした。
また、時間平均で、1次酸化剤流れに含まれる酸素の流量と2次酸化剤流れに含まれる酸素の流量の合計量(すなわち、バーナ1に供給される酸素量)に対する、1次酸化剤流れに含まれる酸素の流量を30%とし、2次酸化剤流れに含まれる酸素の流量を70%とした。言い換えれば、1次酸化剤流れからは理論必要酸素量の31.5%の酸素が供給され、2次酸化剤流れからは時間平均で理論必要酸素量の73.5%が供給されるようにした。
図8ないし図10においては、横軸は、周波数を表しており、縦軸は、基準値NOX(ref)を用いて規格化したNOX排出量(NOX/NOX(ref))、または基準値CO(ref)を用いて規格化したCO濃度(CO/CO(ref))、または基準値伝熱効率(ref)を用いて規格化した伝熱効率(伝熱効率/伝熱効率(ref))を表している。
また、図9から明らかなように、2次酸化剤流れを用いるか否か、及びその流量の周期的変化の周波数は、CO濃度にあまり影響を与えない傾向にある。
また、図10から明らかなように、2次酸化剤流れの流量を周期的に変化させることで、伝熱効率を向上させることができた。また、伝熱効率は、2次酸化剤流れの周波数にはあまり影響を受けない傾向にある。
次に、実施例2では、2つの2次酸化剤ノズル4間の距離lを変えて、NOX排出量への影響を調べた。具体的には、2つの2次酸化剤ノズル4の間の距離lを、10,20,30,40,50cmの5つの条件について、2次酸化剤流れの周波数を0.017Hz〜100Hzの範囲で変化させた。他の条件は、実施例1と同じ条件で行った。
なお、図11において、横軸は、周波数を表しており、縦軸は、実施例1における基準値NOX(ref)によって規格化されたNOX排出量を表している。
なお、実施例2においてもCO濃度を測定したこところ、ノズル間の距離は、CO濃度にあまり影響を与えない傾向にあった。
また、実施例2においても伝熱効率を測定したが、ノズル間の距離は、伝熱効率にあまり影響を与えない傾向にあった。
次に、実施例3では、ノズル径を変更することで2次酸化剤流れの流速を変えて、NOX排出量への影響を調べた。具体的には、2次酸化剤流れの流速が、10m/s,20m/s,30m/s,60m/s,100m/s,200m/s,300m/sの7つの条件について、2次酸化剤流れの周波数を、0.017Hz〜100Hzの範囲で変化させた。他の条件は、実施例1と同じ条件で行った。
なお、実施例3においてもCO濃度を測定したこところ、2次酸化剤流れの流速は、CO濃度にあまり影響を与えない傾向にあった。
また、実施例3においても伝熱効率を測定したが、2次酸化剤流れの流速は、伝熱効率にあまり影響を与えない傾向にあった。
Claims (12)
- 酸化剤流れと、燃料流れを供給して燃焼するバーナの燃焼方法であって、
前記酸化剤流れは、前記燃料流れの周囲または前記燃料流れの近傍から噴出する1次酸化剤流れと、複数の2次酸化剤流れとからなり、
前記1次酸化剤流れ、及び複数の前記2次酸化剤流れの流量の少なくとも一つを周期的に変化させるとともに、
前記酸化剤流れ中の酸素濃度に周期的な変化を与え、
前記酸化剤流れによって供給される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与え、
前記酸素濃度と前記酸素比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。 - 複数の前記2次酸化剤流れが、前記燃料流れを中心とした対称な位置から噴出す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。
- 前記酸化剤流れの流量に対する前記1次酸化剤流れの流量比率が10%以上70%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2次酸化剤流れの流量が周期的に変化す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。
- 前記2次酸化剤流れの流量の周期的変化の周波数が0.01Hz以上20Hz以下であることを特徴とする請求項4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5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6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。
- 前記燃料流れの流量が周期的に変化し、
前記燃料流れの流量の周期的変化及び前記酸素比の周期的変化が、同じ周波数であり、
前記燃料流れの流量と前記酸素比の周期的変化の位相差がπ/2以上3π/2以下で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9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9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10または請求項11に記載のバーナの燃焼方法。
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