JP7141267B2 - 燃焼装置及び燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼装置及び燃焼方法に関する。

バイオマス原料から生成されるバイオガスは、約５５～６５％のメタン（ＣＨ₄）と約３５～４５％の二酸化炭素（ＣＯ₂）を主成分として含んでいる。バイオガスを発電設備、天然ガス自動車燃料、都市ガス燃料等に有効利用するため、ガス精製設備等でバイオガス中のＣＯ₂や不純物等の成分を分離して、バイオガス中のＣＨ₄濃度を高濃度（例えば、９７％以上）に高めている。これにより、バイオガスは、高濃度のＣＨ₄を含む精製ガスとして回収して利用されている。その際、低濃度のＣＨ₄を含むバイオガスがオフガス（精製排ガス）として排出される。

ＣＨ₄は、ＣＯ₂よりも温暖化係数が高い温室効果ガスであるため、オフガスが大気中に放出されると、オフガス中に含まれるＣＨ₄がオフガスに同伴して大気中に放出され、地球温暖化がより促進される。ＣＨ₄が大気中に放出されるのを抑えるため、オフガス中に含まれるＣＨ₄を燃焼してＣＯ₂に酸化する燃焼装置が用いられている。

燃焼装置として、例えば、ＣＨ₄分離装置から排出されたオフガスを燃焼塔で燃焼させるオフガス燃焼システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。オフガス燃焼システムでは、燃焼塔は中空円筒形状に形成された燃焼筒を有し、燃焼筒内にバーナから噴出させた炎によりオフガスを燃焼している。そして、オフガスを燃焼した際に排出される排ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）やＣＨ₄等の未燃成分を検出して、オフガスの燃焼が不十分であるか確認している。オフガスの燃焼が不十分である場合には、調整用空気を燃焼筒内に供給して未燃成分の生成を抑制している。

特開２０１２－２１５３７６号公報

しかしながら、従来のオフガス燃焼システムの場合、大気中に未燃成分を放散させないようにするためには、排ガス中の未燃成分の濃度に応じて調整用空気を燃焼塔内に適切に供給して、調整用空気の供給量を調整したり、未燃成分の燃焼時間を長くする必要がある。

ガス精製設備等のバイオガスの精製効率の向上に伴い、バイオガスを精製した際に生じるオフガス中に含まれるＣＨ₄濃度も低くなる（例えば、１０％以下）傾向にある。オフガス中に含まれるＣＨ₄濃度が低くなると、その分、オフガスの燃焼速度や発熱量が低下し、オフガスの燃焼性が悪化する。その結果、オフガスの燃焼は不完全となりやすく、ＣＯの発生量が増大する可能性がある。今後、ＣＨ₄濃度が低いオフガスを適切に燃焼処理する上で、燃焼塔内への調整用空気の供給等を行わなくても、ＣＯの発生を抑制しつつオフガスを安定して燃焼させることができる燃焼装置が求められている。

本発明の一態様は、ＣＯの発生を抑制しつつＣＨ₄を含有するオフガスを安定して燃焼させることができる燃焼装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る燃焼装置は、ＣＨ₄を含有し、かつ熱量が所定量以下のオフガスを燃焼する燃焼装置であって、ガス導入口及びガス排出部を有し、前記ガス導入口から導入される前記オフガスのみを燃焼し、燃焼排ガスを前記ガス排出部から排出する燃焼部と、前記ガス排出部に設けられ、前記オフガスを前記燃焼排ガスと熱交換して４００℃以上に加熱する熱交換器と、前記熱交換器で加熱されたオフガスを前記燃焼部の前記ガス導入口に供給する予熱ガス供給ラインと、を備え、前記ガス導入口から流入する前記オフガスの流速が、０．００７～０．０１２ｍ／ｓである。

本発明の一態様に係る燃焼装置は、ＣＯの発生を抑制しつつＣＨ₄を含有するオフガスを安定して燃焼させることができる。

一実施形態による燃焼装置の外観を示す図である。 図１のI－I断面図である。 バーナの構成の一例を示す斜視図である。 熱交換部の構成の一例を示す斜視図である。 予混合気の流速と、燃焼排ガスのＣＯ濃度との関係の一例を示す図である。 燃焼装置の他の構成を図１のI－I断面と同じ位置から＋Ｙ軸方向に向かって見た時の一例を示す断面図である。 バーナの他の構成の外観を示す斜視図である。 第２の実施形態に係る燃焼装置を図１のI－I断面と同じ位置から＋Ｙ軸方向に向かって見た時の一例を示す断面図である。 燃焼装置における、加熱された予混合気の流れを説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

［第１の実施形態］
＜燃焼装置＞
第１の実施形態による燃焼装置について説明する。図１は、本実施形態による燃焼装置の外観を示す図である。なお、理解の容易のため、図面における各部材の縮尺は実際とは異なる場合がある。本明細書では、３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の３次元直交座標系を用い、燃焼装置１０Ａの幅方向をＸ軸方向とし、奥行き方向をＹ軸方向とし、高さ方向をＺ軸方向とする。燃焼装置１０Ａの下から上に向かう方向を＋Ｚ軸方向とし、その反対方向を－Ｚ軸方向とする。以下の説明において、＋Ｚ軸方向を上といい、－Ｚ軸方向を下という場合がある。

図２は、図１のI－I断面図であり、燃焼装置の構成を簡略に示す図である。図２に示すように、本実施形態による燃焼装置１０Ａは、燃焼部である燃焼塔２０、熱交換器３０、断熱材４０及び予熱ガス供給ラインＬ１０を有する。

本実施形態では、燃焼装置１０Ａで燃焼処理されるガスは、メタン（ＣＨ₄）を含有し、かつ熱量が所定量以下のオフガスである。本実施形態では、一例として、バイオガスを精製する際に発生するオフガスを用いる。熱量が所定量以下とは、熱量が約３．６ＭＪ／ｍ³以下であることをいう。約３．６ＭＪ／ｍ³をオフガス中のＣＨ₄濃度に換算すると、ＣＨ₄濃度は約１０％となる。

バイオガスは、約５５～６５％のＣＨ₄と約４５～３５％のＣＯ₂を主成分として含み、硫化水素、シロキサン類、アンモニア、又はメチルメルカプタン等の微量の不純物成分を含んでいてもよい。オフガスは、ガス精製設備において、バイオガス中のＣＨ₄とＣＯ₂とを分離して高濃度のＣＨ₄を含有する精製ガスを生成する際に排出されるＣＯ₂リッチガスである。オフガスは、ＣＨ₄及びＣＯ₂を含有しており、本実施形態において、オフガス中のＣＨ₄濃度は約３～１０％であり、ＣＯ₂濃度は約９０～９７％である。このオフガスのガス組成は、その元となるバイオガスのガス組成やガス精製設備におけるバイオガスの精製能力等によって変化する。

燃焼装置１０Ａには、オフガスと空気（燃焼用空気）とを、オフガス中のＣＨ₄と空気との空気比（ＣＨ₄が完全燃焼する時に必要な理論空気量に対する実空気量の比）が所定の値（例えば、約１．０５）となるように混合した予混合気Ｇ１が供給される。本実施形態では、熱交換器３０に供給される予混合気を予混合気Ｇ１とし、熱交換器３０から燃焼塔２０に予熱ガス供給ラインＬ１０を通って供給される予混合気を加熱された予混合気Ｇ２とする。

次に、燃焼装置１０Ａを構成する、燃焼塔２０、熱交換器３０、断熱材４０及び予熱ガス供給ラインＬ１０について説明する。

［燃焼塔］
図２に示すように、燃焼塔２０は、燃焼筒２１、蓋部２２、バーナ２３及びスパークロッド２４を有する。燃焼塔２０の内部には、燃焼筒２１及び蓋部２２に囲まれた、燃焼空間である燃焼室２６が形成されている。燃焼室２６において、燃焼室２６内に流入する加熱された予混合気Ｇ２が加熱されて、加熱された予混合気Ｇ２が燃焼することで、燃焼排ガスＨＧが生成される。

図２に示すように、燃焼筒２１は、円筒状に形成された筒状体である。燃焼筒２１は、基台５１上に設置されている。燃焼筒２１の高さは、加熱された予混合気Ｇ２を完全燃焼できる高さであればよく、例えば、６００ｍｍ以上であることが好ましい。

燃焼筒２１は、側面２１ａの下部近傍に、側面２１ａの外側に突出した覗き窓２５を有する。覗き窓２５より、外部から燃焼室２６内の状態が確認される。

図２に示すように、蓋部２２は、燃焼筒２１の上部２１ｂに設けられている。蓋部２２は、平面視において、中央部に、ガス排出口２２１を有する。本実施形態では、蓋部２２が、燃焼室２６内に生じる燃焼排ガスＨＧを排出するガス排出部となる。なお、図２では、ガス排出口２２１は一つであるが、ガス排出口２２１の数や大きさ等は、適宜設計可能である。

燃焼塔２０を構成する燃焼筒２１及び蓋部２２は、例えば、鉄、Ｎｉ－Ｆｅ系合金、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ系合金、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ系合金、ステンレス等の耐熱性金属やキャスタブル等で形成することができる。Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ系合金としては、例えば、インコネル等を用いることができる。Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ系合金として、例えば、コバール等を用いることができる。ステンレスとしては、例えば、ＳＵＳ３０４等を用いることができる。

図２に示すように、バーナ２３は、予混合気Ｇ１のガス流れ方向の上流側である、燃焼筒２１の下部に基台５１を貫通した状態で設けられている。バーナ２３は、チャンバ部２３１とメタルニット部２３２とを有する表面燃焼バーナ（メタルニットバーナ）である。バーナ２３を構成する各部材は、ステンレス等の耐熱性金属で形成することができる。なお、バーナ２３は、有線の通信回線又は無線通信回線を介してインターネット等のネットワークに接続される不図示の制御装置により制御可能に構成されている。

チャンバ部２３１は、有底筒状に形成されている。図２に示すように、チャンバ部２３１は、その下部に予熱ガス供給ラインＬ１０と連結されるガス導入口２３１ａを有する。ガス導入口２３１ａが、熱交換器３０で加熱された予混合気Ｇ２が燃焼室２６内に供給される、燃焼塔２０のガス導入口となる。

図３に、バーナ２３の外観の斜視図を示す。図２及び図３に示すように、メタルニット部２３２は、平板状に形成され、チャンバ部２３１の上部開口を塞ぐように設けられている。

メタルニット部２３２は、繊維径が数ミクロン～数百ミクロンの耐熱金属繊維を編み込んで形成された織布であり、内部に空隙を有する。メタルニット部２３２は、前記空隙を介して、燃焼室２６とチャンバ部２３１との通気性を確保しつつ、燃焼室２６とチャンバ部２３１とを仕切っている。

耐熱金属繊維としては、例えば、フェクラロイ（Fecralloy）（登録商標）等のＣｒ－Ｆｅ系合金等を用いることができる。

メタルニット部２３２は、メタルニット部２３２の表面に炎を発生させることで、メタルニット部２３２の表面には燃焼面が形成される。メタルニット部２３２から発生する炎の大きさは、メタルニット部２３２への加熱された予混合気Ｇ２の供給量、加熱された予混合気Ｇ２のオフガス中のＣＨ₄と空気との空気比、又は加熱された予混合気Ｇ２の温度等を制御することにより、調整できる。

メタルニット部２３２のメタルニット径Ｄ１は、燃焼筒２１の内径Ｄ２と同等程度であることが好ましい。具体的には、メタルニット部２３２のメタルニット径Ｄ１の燃焼筒２１の内径Ｄ２に対する比（Ｄ１／Ｄ２）は、０．８０～１．００の範囲内であることが好ましく、０．８７～１．０であることがより好ましく、０．９０～１．００であることがさらに好ましい。上記比Ｄ１／Ｄ２が０．８０～１．００の範囲内であれば、燃焼筒２１の内壁、又はその近傍までメタルニット部２３２から生じる炎の燃焼面が形成される。

メタルニット部２３２の表面負荷は、２０００～４０００ｋＷ／ｍ²であることが好ましく、２５００～３０００ｋＷ／ｍ²であることがより好ましい。メタルニット部２３２の表面負荷が上記範囲内であれば、加熱された予混合気Ｇ２は完全燃焼させやすくなる。

図２に示すように、スパークロッド２４は、燃焼筒２１の側面２１ａに、側面２１ａを貫通して燃焼室２６内に突出させた状態で設けられている。スパークロッド２４の先端の放電部２４ａは、メタルニット部２３２の上方であって、平面視においてメタルニット部２３２の略中央部分に位置している。スパークロッド２４は、不図示の給電部に不図示のケーブル等により連結されており、前記給電部より高電圧の電流が給電される。スパークロッド２４に高電圧の電流を給電して、放電部２４ａでスパークを発生させることで、メタルニット部２３２の表面で燃焼室２６内に供給されるオフガスに含まれるＣＨ₄を点火させる。

［熱交換器］
図２に示すように、熱交換器３０は、熱交換器本体３１と、熱交換部３２とを有している。

図２に示すように、熱交換器本体３１は、燃焼塔２０のガス排出部である蓋部２２の上部に設けられている。熱交換器本体３１は、内部に熱交換部３２を収容するための空間を有する。

熱交換器本体３１は、溶接、ねじ止め、焼きばめ又はロウ材等の高温での耐熱性を有する接合材を用いた接着等により、蓋部２２の上部に固定できる。熱交換器本体３１は、溶接、ねじ止め、焼きばめ又は接着等を用いて蓋部２２に固定することにより、蓋部２２と一体化させることができる。熱交換器本体３１が蓋部２２と一体化した状態で設けられることで、燃焼排ガスＨＧの保有する熱が予混合気Ｇ１と熱交換する前に放熱されるのを軽減でき、予混合気Ｇ１は熱交換部３２でより効率良く加熱される。

熱交換器本体３１は、熱交換器本体３１の底部３１１にガス流入口３１１ａを有する。ガス流入口３１１ａは、蓋部２２のガス排出口２２１に対応する位置に設けられ、燃焼室２６でオフガスが燃焼することで生じる燃焼排ガスＨＧが流入可能に形成されている。

熱交換器本体３１は、熱交換器本体３１の上部３１２にガス流出口３１２ａを有する。ガス流出口３１２ａは、ガス排出ラインＬ２０と連結されている。

熱交換器本体３１は、内周面３１３に、熱交換部３２を熱交換器本体３１内で保持するための保持部３１４を有する。保持部３１４は、内周面３１３に熱交換部３２の上下両端を挟み込むように設けられている。熱交換部３２の上下両端に設けた保持部３１４により、熱交換部３２は熱交換器本体３１内に着脱可能に固定されている。

熱交換器本体３１は、その内周面３１３に、予混合気Ｇ１が供給されるガス供給ラインＬ１と連結された予混合気供給口３１３ａと、熱交換器本体３１内の加熱された予混合気Ｇ２を排出する予熱ガス供給ラインＬ１０と連結された予混合気排出口３１３ｂとを有する。

図４に、熱交換部３２の外観の斜視図を示す。図２及び図４に示すように、熱交換部３２は、熱交換器本体３１内に保持部３１４により保持されている。熱交換部３２は、予混合気Ｇ１と、燃焼塔２０で発生する燃焼排ガスＨＧとを熱交換して、予混合気Ｇ１を加熱する。

図４に示すように、熱交換部３２は、予混合気Ｇ１が通過する第１通路Ｌ３２１と、燃焼排ガスＨＧが通過する第２通路Ｌ３２２とを交互に配置した状態でそれぞれ複数有する。第１通路Ｌ３２１と、第２通路Ｌ３２２とは、それぞれのガス流れ方向が直交するように配置されている。第１通路Ｌ３２１及び第２通路Ｌ３２２の数は、適宜設計可能である。

図２に示すように、第１通路Ｌ３２１の吸気口３２１ａは、熱交換器本体３１の予混合気供給口３１３ａ側に設けられ、第１通路Ｌ３２１の排気口３２１ｂは、熱交換器本体３１の予混合気排出口３１３ｂ側に設けられている。

第２通路Ｌ３２２の吸気口３２２ａは、熱交換器本体３１のガス流入口３１１ａ側に設けられ、第２通路Ｌ３２２の排気口３２２ｂは、熱交換器本体３１のガス流出口３１２ａ側に設けられている。

［断熱材］
図２に示すように、断熱材４０は、燃焼筒２１の側面２１ａと、バーナ２３のチャンバ部２３１の側壁及び下部と、熱交換器３０の熱交換器本体３１の側壁及び上部３１２との外表面に設けられている。

断熱材４０は、外部の熱を遮断できる材料で形成することができ、断熱材４０としては、例えば、ガラスウールや羊毛等の繊維又は硬質ウレタンフォームやフェノールフォーム等の発砲樹脂等を用いることができる。

断熱材４０の厚さは、１００ｍｍ～１５０ｍｍであることが好ましい。断熱材４０の厚さが１００ｍｍ以上であれば、燃焼排ガスＨＧの放熱が軽減され、燃焼室２６内の温度を所定の温度（例えば、８００℃）以上で保持できる。断熱材４０は厚いほど断熱効果が得られるが、厚くし過ぎても断熱効果がそれほど向上せず、費用が増大することになる。そのため、断熱材４０の厚さは、断熱効果の発揮と費用負担とのバランスの観点から、１５０ｍｍ以下であればよい。

［予熱ガス供給ライン］
図２に示すように、予熱ガス供給ラインＬ１０は、加熱された予混合気Ｇ２を熱交換器３０から燃焼塔２０のガス導入口２３１ａに供給するラインであり、予混合気排出口３１３ｂとチャンバ部２３１のガス導入口２３１ａとを連結している。

燃焼装置１０Ａは、予熱ガス供給ラインＬ１０に、加熱された予混合気Ｇ２の流速を測定する流速計５２を有する。流速計５２としては、加熱された予混合気Ｇ２の流速を測定できる装置であれば用いることができる。

図２に示すように、燃焼装置１０Ａは、ガス供給ラインＬ１に、予混合気Ｇ１の流速を調整する送風部５３を有する。送風部５３は、予混合気Ｇ１の流速が調整可能な送風機等を用いることができる。

図２に示すように、燃焼装置１０Ａは、熱交換器本体３１のガス流出口３１２ａに連結されたガス排出ラインＬ２０を有する。熱交換器本体３１のガス流出口３１２ａにガス排出ラインＬ２０の一端が連結されており、ガス排出ラインＬ２０の他端は大気に開放されている。

燃焼装置１０Ａは、ガス排出ラインＬ２０に、燃焼排ガスＨＧ中のＣＨ₄濃度を測定するＣＨ₄濃度測定部５５と、燃焼排ガスＨＧ中のＣＯ濃度を測定するＣＯ濃度測定部５６とを有する。ＣＨ₄濃度測定部５５及びＣＯ濃度測定部５６は、それぞれ、ＣＯ濃度及びＣＨ₄濃度を測定できる装置であれば用いることができる。

次に、燃焼装置１０Ａを用いて、予混合気Ｇ１中のオフガスを燃焼処理する場合について説明する。

図２に示すように、オフガスに空気を混合した予混合気Ｇ１は、ガス供給ラインＬ１を通って、熱交換器本体３１の予混合気供給口３１３ａから熱交換器本体３１内に供給される。

予混合気Ｇ１中のオフガスと空気とは、空気比が所定の値（例えば、約１．０５）となるように混合される。

予混合気Ｇ１の流速Ｖ１は、送風部５３により調整される。流速Ｖ１は、ガス導入口２３１ａに流入する、加熱された予混合気Ｇ２の流速Ｖ２が０．００７～０．０１２ｍ／ｓの範囲内となるように調整される。また、流速Ｖ２は、０．００８～０．０１１ｍ／ｓであることが好ましく、０．００９～０．０１０５ｍ／ｓであることがより好ましい。流速Ｖ２は、予熱ガス供給ラインＬ１０に設けられた流速計５２により測定される。流速Ｖ２が０．００７～０．０１２ｍ／ｓの範囲内であれば、燃焼室２６内で加熱された予混合気Ｇ２中のオフガスは完全燃焼し易くなる。なお、本実施形態では、予混合気Ｇ１の流速Ｖ１、及び加熱された予混合気Ｇ２の流速Ｖ２は、０℃、１ａｔｍでの基準状態（Ｎｏｒｍａｌ状態）で求めた値である。

予混合気Ｇ１は、熱交換部３２の第１通路Ｌ３２１の吸気口３２１ａから第１通路Ｌ３２１内を通過する。予混合気Ｇ１は、第１通路Ｌ３２１を通過しながら燃焼室２６から第２通路Ｌ３２２に流れてきた燃焼排ガスＨＧと熱交換する。燃焼排ガスＨＧは、予混合気Ｇ１よりも高温であるため、予混合気Ｇ１は燃焼排ガスＨＧと熱交換することで加熱（予熱）される。これにより、予混合気Ｇ１の温度は、所定の温度（例えば、４００℃）以上に昇温できる。

その後、加熱された予混合気Ｇ２は、熱交換器本体３１の予混合気排出口３１３ｂから予熱ガス供給ラインＬ１０を通って、チャンバ部２３１のガス導入口２３１ａからチャンバ部２３１内に流れる。

そして、加熱された予混合気Ｇ２は、チャンバ部２３１内をメタルニット部２３２に向かって流れる。このとき、スパークロッド２４に給電して放電部２４ａでスパークを発生させることで、オフガスに含まれるＣＨ₄を点火して、メタルニット部２３２の表面に炎を発生させる。

加熱された予混合気Ｇ２は、メタルニット部２３２の表面に発生させた炎により加熱されることにより、メタルニット部２３２の表面付近において、加熱された予混合気Ｇ２が燃焼する。

加熱された予混合気Ｇ２が燃焼するとは、加熱された予混合気Ｇ２中のオフガスの燃焼を意味し、具体的には、オフガスに含まれるＣＨ₄が燃焼することである。加熱された予混合気Ｇ２中のオフガスはＣＨ₄及びＣＯ₂を含むため、オフガスがメタルニット部２３２の表面に発生させた炎によってＣＨ₄の発火点（例えば、５３７℃）以上に加熱されることで、オフガスに含まれるＣＨ₄が燃焼する。

ＣＨ₄が完全燃焼する場合には、下記式（１）の通り、ＣＨ₄は、加熱された予混合気Ｇ２中の酸素と反応（酸化）して、ＣＯ_２と水とに分離される。ＣＨ₄が不完全燃焼の場合には、下記式（２）の通り、ＣＨ₄は酸化して、ＣＯと水とに分離される。
ＣＨ₄＋２Ｏ₂ → ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ ・・・（１）
２ＣＨ₄＋３Ｏ₂ → ２ＣＯ＋４Ｈ₂Ｏ ・・・（２）

メタルニット部２３２の表面に発生させる炎の大きさは、メタルニット部２３２への加熱された予混合気Ｇ２の供給量、加熱された予混合気Ｇ２のオフガス中のＣＨ₄と空気との空気比又は加熱された予混合気Ｇ２の温度等を調整することにより調整できる。メタルニット部２３２の表面に発生させた炎の大きさを調整して、加熱された予混合気Ｇ２を適切な温度に加熱することで、加熱された予混合気Ｇ２を燃焼できる。

燃焼室２６内で、加熱された予混合気Ｇ２が燃焼することにより、加熱された予混合気Ｇ２は、燃焼排ガスＨＧとなる。

燃焼室２６内に発生した燃焼排ガスＨＧは、燃焼室２６内を上昇して、蓋部２２のガス排出口２２１及び熱交換器本体３１のガス流入口３１１ａを通り、熱交換器本体３１内に流れる。その後、燃焼排ガスＨＧは、熱交換部３２の第２通路Ｌ３２２の吸気口３２２ａから第２通路Ｌ３２２内に流れる。

燃焼排ガスＨＧは、第２通路Ｌ３２２内を通りながら、第１通路Ｌ３２１内を流れる予混合気Ｇ１と熱交換して予混合気Ｇ１を加熱しながら、排気口３２２ｂから流出する。このとき、燃焼排ガスＨＧは、燃焼室２６と熱交換部３２との移動距離が短いため、燃焼排ガスＨＧが保有する熱は、放熱することなく熱交換部３２に伝えられる。

その後、燃焼排ガスＨＧは、熱交換器本体３１のガス流出口３１２ａからガス排出ラインＬ２０を通って、ＣＨ₄濃度測定部５５及びＣＯ濃度測定部５６で燃焼排ガスＨＧ中のＣＨ₄濃度及びＣＯ濃度が測定された後、大気中に放出される。

以上のように構成された、燃焼装置１０Ａは、ガス導入口２３１ａから燃焼室２６内に流入する、加熱された予混合気Ｇ２の流速Ｖ２を０．００７～０．０１２ｍ／ｓに調整している。流速Ｖ２が０．００７ｍ／ｓ未満である場合、加熱された予混合気Ｇ２の流量が少ないため、加熱された予混合気Ｇ２が燃焼室２６内で燃焼することで生じる熱量よりも、外部への放熱量の方が大きく、燃焼室２６内の熱損失が大きい。そのため、燃焼室２６内は高温（例えば、８００℃以上）になり難いか高温状態を維持し難い。その結果、ＣＨ₄は完全燃焼し難くなる。また、ＣＨ₄の不完全燃焼により生じたＣＯがＣＯ₂まで酸化され難い。一方、流速Ｖ２が０．０１２ｍ／ｓを超える場合、加熱された予混合気Ｇ２の流速が速過ぎるため、加熱された予混合気Ｇ２は、加熱された予混合気Ｇ２中のオフガスが完全燃焼する前にメタルニット部２３２から生じる炎を通過してしまう可能性が高い。そのため、ＣＨ₄は完全燃焼し難くなる。また、ＣＨ₄の不完全燃焼により生じたＣＯは、ＣＯ₂まで酸化され難くなり、燃焼排ガスＨＧ中のＣＯ濃度は増大する。

図５に、加熱された予混合気Ｇ２の流速と、燃焼排ガスのＣＯ濃度との関係の一例を示す。なお、図５では、燃焼筒２１の内径は約１００ｍｍであり、高さは６００ｍｍであり、断熱材４０の厚さｔは１００ｍｍである。そして、加熱された予混合気Ｇ２中の成分は、ＣＨ₄、ＣＯ₂、及び空気であり、加熱された予混合気Ｇ２の流速は０．０１ｍ／ｓであり、ＣＨ₄及びＣＯ₂と空気との空気比は１．０５であり、加熱された予混合気Ｇ２を所定の流速で燃焼室２６内に供給し、燃焼させている。

図５に示すように、加熱された予混合気Ｇ２の流速が０．００７～０．０１２ｍ／ｓの範囲内であれば、燃焼排ガスＨＧ中のＣＯの濃度の最大値（ＣＯの最大濃度）は１００ｐｐｍ以下に抑えられている。なお、加熱された予混合気Ｇ２の流速が同じでも、燃焼排ガスＨＧ中のＣＯ濃度が変動するのは、加熱された予混合気Ｇ２中の成分の組成や燃焼室２６内の温度等が変化して、燃焼室２６内の燃焼環境が変化していることによる。よって、加熱された予混合気Ｇ２の流速が所定の範囲内であれば、燃焼室２６内の燃焼環境が変化しても、燃焼排ガスＨＧ中のＣＯの最大濃度は１００ｐｐｍ以下に抑えられ、燃焼室２６内で加熱された予混合気Ｇ２中のオフガスを完全燃焼できる割合が高められる。

このように、燃焼装置１０Ａは、燃焼塔２０内に供給される、加熱された予混合気Ｇ２の流速Ｖ２を上記のように所定の範囲内に調整することで、燃焼室２６において加熱された予混合気Ｇ２が完全燃焼する割合を高めることができる。よって、燃焼装置１０Ａは、燃焼室２６内への調整用空気の供給等を行わなくても、ＣＯの発生を抑制しつつ加熱された予混合気Ｇ２を安定して燃焼させることができる。

一般に、オフガスに含まれるＣＨ₄等の炭化水素系燃料は、アンモニア等の難燃性燃料に比べて燃焼速度が速く、安定して燃焼させ易い。ガス製造設備においてより高濃度のＣＨ₄を含む精製ガスが得られるようになることで、オフガスのＣＨ₄濃度はさらに低くなる。そして、オフガス中のＣＨ₄濃度が低濃度（例えば、１０％以下）になると、オフガスの熱量は低くなり、オフガスの燃焼速度は難燃性燃料の燃焼速度よりも遅くなる。その結果、オフガスは、安定して燃焼させ難くなる傾向にある。

本実施形態では、燃焼装置１０Ａは、燃焼塔２０内に供給される、加熱された予混合気Ｇ２の流速を所定の範囲内に調整することで、燃焼塔２０において加熱された予混合気Ｇ２中のＣＨ₄を完全燃焼させることができる。よって、燃焼装置１０Ａは、予混合気Ｇ１中のオフガスが例えばＣＨ₄濃度が１０％以下のガスでも、ＣＯの発生を抑制しつつ加熱された予混合気Ｇ２を燃焼させることができる。

したがって、燃焼装置１０Ａは、ガス精製設備においてバイオガスを精製する際に排出されるオフガス等、ＣＨ₄を含有する排ガスの燃焼に有効に用いることができる。

また、ＣＨ₄は、ＣＯ₂の２５倍の温暖化係数を有するため、ＣＨ₄の大気放散は、ＣＯ₂の大気放散よりも温室効果を高めることになり、地球温暖化を助長する。燃焼装置１０Ａは、オフガス中のＣＨ₄が燃焼して除去されることで、地球温暖化への影響を軽減できる。

燃焼装置１０Ａは、熱交換器３０を燃焼塔２０の蓋部２２に設け、熱交換器３０で加熱された予混合気Ｇ２を予熱ガス供給ラインＬ１０を通して燃焼室２６内に供給している。そのため、燃焼塔２０で発生した燃焼排ガスＨＧの熱が熱交換器３０で予混合気Ｇ１と熱交換する前に放出されるのを軽減できる。よって、熱交換器３０で予混合気Ｇ１を燃焼排ガスＨＧと熱交換して加熱する際、燃焼排ガスＨＧの熱を予混合気Ｇ１の加熱に有効に利用することができる。これにより、燃焼塔２０で加熱された予混合気Ｇ２を燃焼させる前に、熱交換器３０で予混合気Ｇ１を予め所定の温度（例えば、４００℃）以上に加熱できる。そのため、燃焼塔２０において、加熱された予混合気Ｇ２をＣＯの発生をより抑制しつつ燃焼させることができる。

燃焼装置１０Ａは、断熱材４０を、燃焼筒２１の側面２１ａと、バーナ２３のチャンバ部２３１の側壁及び下部と、熱交換器３０の熱交換器本体３１の側壁及び上部３１２との外表面に設け、断熱材４０の厚さを１００ｍｍ以上としている。これにより、燃焼装置１０Ａは、燃焼排ガスＨＧの保有する熱が予混合気Ｇ１と熱交換する前に放熱するのをより軽減でき、燃焼室２６内の温度を所定の温度（例えば、８００℃）以上にできる。これにより、加熱された予混合気Ｇ２はより完全燃焼させ易くなり、燃焼排ガスＨＧ中のＣＯ濃度をより低濃度（例えば、１０ｐｐｍ以下）にできる。また、燃焼排ガスＨＧをその熱量を維持した状態で熱交換部３２に供給できる。よって、燃焼装置１０Ａは、熱交換部３２で予混合気Ｇ１をさらに効率良く加熱できる。

燃焼塔２０は、バーナ２３としてメタルニットバーナを用いている。メタルニットバーナは、加熱された予混合気Ｇ２を安定して加熱させ易いため、加熱された予混合気Ｇ２の燃焼効率を向上させることができる。

メタルニット部２３２のメタルニット径Ｄ１の燃焼筒２１の内径Ｄ２に対する比（Ｄ１／Ｄ２）を、０．９０～１．００としている。上記比Ｄ１／Ｄ２を上記範囲内とすることで、平面視において、燃焼筒２１のほぼ全面でＣＨ₄を燃焼させることができるので、予混合気Ｇ１中のオフガスの燃焼量当たりの予混合気Ｇ１の放熱を抑えることができる。

燃焼装置１０は、バーナ２３のメタルニット部２３２の表面負荷を、２０００～４０００ｋＷ／ｍ²としている。これにより、燃焼室２６内の温度を所定の温度（８００℃以上）に安定して加熱できるので、バーナ２３で加熱された予混合気Ｇ２を完全燃焼させやすくなる。

（変形例）
燃焼装置１０Ａの変形例について説明する。

本実施形態では、バーナ２３がメタルニットバーナである場合について説明したが、バーナ２３は旋回流バーナでもよい。図６は、燃焼装置１０Ａを図１のI－I断面と同じ位置から＋Ｙ軸方向に向かって見た時の一例を示す断面図であり、図７は、旋回流バーナの外観の斜視図である。図６及び図７に示すように、バーナ２３は、有底筒状に形成された外筒２３３と、円柱部２３４と、羽根２３５とを有する。図７に示すように、外筒２３３と円柱部２３４との間には、リング状流通路２３６が上下方向に形成されている。

外筒２３３は、図７に示すように、円筒状に形成されており、図６に示すように、底部に、加熱された予混合気Ｇ２が流入する導入口２３３ａを有する。

図７に示すように、羽根２３５は、円柱部２３４と外筒２３３との間に、円柱部２３４の周方向に複数（図７では７枚）設けられている。複数の羽根２３５は、円柱部２３４の側面に、バーナ軸方向Ｊに対して同一方向に傾斜するように取り付けられると共に、円柱部２３４の周方向に互いに離間して配置されている。羽根２３５は、外筒２３３と円柱部２３４との間に嵌め込んで固定して一体化させている。なお、羽根２３５の数は７枚に限定されず、適宜設計可能である。

図６に示すように、バーナ２３の導入口２３３ａからリング状流通路２３６に加熱された予混合気Ｇ２に導入される。図７に示すように、バーナ２３の羽根２３５同士の間に流入した加熱された予混合気Ｇ２は、羽根２３５の傾斜によって旋回し、バーナ２３の出口である上方に向けて噴射される。そして、燃焼室２６に加熱された予混合気Ｇ２の旋回流を形成する。このとき、スパークロッド２４の放電部２４ａでスパークを発生させることで、オフガスに含まれるＣＨ₄を点火して、バーナ２３の上方に炎を発生させる。加熱された予混合気Ｇ２は炎で加熱されることで、加熱された予混合気Ｇ２を燃焼させる。よって、バーナ２３が旋回流バーナでも、燃焼塔２０において加熱された予混合気Ｇ２を安定して燃焼できる。

本実施形態では、熱交換器３０は、燃焼塔２０の蓋部２２に設置しているが、燃焼排ガスＨＧが通過可能な配管を介して連結してもよい。

本実施形態では、燃焼筒２１は、平面視において、楕円形や矩形等の多角形に形成されていてもよい。

本実施形態では、バーナ２３のチャンバ部２３１及びメタルニット部２３２は、平面視において、楕円形や多角形に形成されていてもよい。

本実施形態では、メタルニット部２３２は、半球状、又は円錐状等に形成されていてもよい。

本実施形態では、蓋部２２と熱交換器本体３１との少なくとも一方がフランジ部を有する場合、燃焼塔２０と熱交換器３０とは、前記フランジ部を介して蓋部２２と熱交換器本体３１とを連結させてもよい。

本実施形態では、断熱材４０は、少なくとも、燃焼筒２１の側面２１ａの外表面に設けられていればよい。断熱材４０は、例えば、燃焼筒２１の側面２１ａの外表面のみに設けられてもよい。また、断熱材４０は、側面２１ａとバーナ２３のチャンバ部２３１の側壁及び下部の外表面に設けられてもよいし、側面２１ａと熱交換器３０の熱交換器本体３１の側壁及び上部３１２との外表面に設けられてもよい。これらの場合でも、燃焼排ガスＨＧの放熱は抑えられる。また、断熱材４０が特に不要の場合には、断熱材４０は設けなくてもよい。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る燃焼装置について、図面を参照して説明する。なお、上記実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図８は、第２の実施形態に係る燃焼装置を図１のI－I断面と同じ位置から＋Ｙ軸方向に向かって見た時の一例を示す断面図である。図８に示すように、本実施形態に係る燃焼装置１０Ｂは、図１及び図２に示す第１の実施形態による燃焼装置１０Ａの燃焼塔２０の燃焼筒２１をテーパ状に形成したものである。なお、本実施形態では、燃焼塔２０は、バーナとして旋回流バーナを備えている。

燃焼筒２１は、小径部２１１、テーパ部２１２及び大径部２１３で構成されている。小径部２１１、テーパ部２１２及び大径部２１３は、いずれも、円筒状に形成されている。

小径部２１１は、内径がバーナ２３の外筒２３３の外径に略等しい大きさを有し、下端がバーナ２３の外筒２３３に連結されている。

テーパ部２１２は、小径部２１１の上端に連結され、小径部２１１から離れるほど内径が大きくなる円錐台状に形成されている。

大径部２１３は、内径が小径部２１１の内径よりも大きく、テーパ部２１２の上端に連結されている。

次に、燃焼装置１０Ｂを用いて、予混合気Ｇ１中のオフガスを燃焼処理する場合について説明する。なお、加熱された予混合気Ｇ２が予熱ガス供給ラインＬ１０を通って、燃焼塔２０のバーナ２３に流れる過程までは、上記の第１の実施形態と同様であるため、加熱された予混合気Ｇ２が燃焼塔２０に供給された過程以降を説明する。

図９は、燃焼装置１０Ｂにおける、加熱された予混合気Ｇ２の流れを説明するための図である。図９に示すように、バーナ２３の導入口２３３ａからリング状流通路２３６に加熱された予混合気Ｇ２に導入される。バーナ２３の羽根２３５同士の間に流入した加熱された予混合気Ｇ２は、羽根２３５の傾斜によって旋回し、バーナ２３の出口である上方に向けて噴射され、燃焼室２６内には加熱された予混合気Ｇ２の旋回流を形成する。

燃焼筒２１には、加熱された予混合気Ｇ２がバーナ２３から燃焼筒２１の小径部２１１の内周面に沿って旋回しながら上昇する。加熱された予混合気Ｇ２は、小径部２１１及びテーパ部２１２を通って大径部２１３に達するように、各部の内周面に沿って旋回しながら上昇していく。

燃焼室２６の内部では、加熱された予混合気Ｇ２が旋回することにより、加熱された予混合気Ｇ２が外周側に引き寄せられて、燃焼室２６の内周面に近い部分の圧が高まり、中央部分の圧が低くなるように圧力差が生じる。また、加熱された予混合気Ｇ２の旋回流は、テーパ部２１２及び大径部２１３において徐々に内径が大きくなるにしたがって弱まっていく。このため、燃焼塔２０に供給された、加熱された予混合気Ｇ２は、旋回しながら上昇して大径部２１３に達した後、図９に示されるように、テーパ部２１２及び小径部２１１で圧が低下している旋回流の中央部分に向かって下降するように流れる。

燃焼室２６の内部において、上記のように、加熱された予混合気Ｇ２が流れることで、加熱された予混合気Ｇ２の燃焼により発生する炎Ｆがテーパ部２１２付近に形成されることになる。

図８に示すように、燃焼室２６内で、加熱された予混合気Ｇ２中のオフガスが燃焼することにより、加熱された予混合気Ｇ２は、燃焼排ガスＨＧとなる。

燃焼室２６内に発生した燃焼排ガスＨＧは、旋回しながら燃焼室２６内を上昇して、上記の第１の実施形態と同様、蓋部２２のガス排出口２２１及び熱交換器本体３１のガス流入口３１１ａを通り、熱交換部３２の第２通路Ｌ３２２内に流れる。その後、燃焼排ガスＨＧは、第２通路Ｌ３２２内を通りながら、第１通路Ｌ３２１内を流れる予混合気Ｇ１と熱交換して予混合気Ｇ１を加熱しながら、排気口３２２ｂから流出する。このとき、燃焼排ガスＨＧは、燃焼室２６と熱交換部３２との移動距離が短いため、燃焼排ガスＨＧが保有する熱は、放熱することなく熱交換部３２に伝えられる。

その後、燃焼排ガスＨＧは、熱交換器本体３１のガス流出口３１２ａからガス排出ラインＬ２０を通って、大気中に放出される。

このように、燃焼装置１０Ｂは、燃焼筒２１を、小径部２１１、テーパ部２１２及び大径部２１３で構成している。燃焼筒２１内では、大径部２１３の内周面と中央部分との間に圧力差を生じさせることで、加熱された予混合気Ｇ２を大径部２１３からテーパ部２１２及び小径部２１１に向かって下降させることができる。これにより、バーナ２３から生じる炎の位置をテーパ部２１２付近に安定させることができる。よって、燃焼装置１０Ｂは、燃焼室２６内に生じる炎をテーパ部２１２付近に安定して生じさせることで、加熱された予混合気Ｇ２をより安定して燃焼させることができる。

なお、本実施形態では、燃焼筒２１は、必ずしもテーパ部２１２を有していなくてもよく、小径部２１１及び大径部２１３で構成されていてもよい。

以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更等を行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０Ａ、１０Ｂ 燃焼装置
２０ 燃焼塔（燃焼部）
２１ 燃焼筒
２１１ 小径部
２１２ テーパ部
２１３ 大径部
２２ 蓋部
２２１ ガス排出口
２３１ａ ガス導入口
２３２ メタルニット部
３０ 熱交換器
３１ 熱交換器本体
３２ 熱交換部
４０ 断熱材
Ｌ１０ 予熱ガス供給ライン
Ｇ１ 予混合気
Ｇ２ 加熱された予混合気
ＨＧ 燃焼排ガス

Claims (6)

1. ＣＨ₄を含有し、かつ熱量が所定量以下のオフガスを燃焼する燃焼装置であって、
   ガス導入口及びガス排出部を有し、前記ガス導入口から導入される前記オフガスのみを燃焼し、燃焼排ガスを前記ガス排出部から排出する燃焼部と、
   前記ガス排出部に設けられ、前記オフガスを前記燃焼排ガスと熱交換して４００℃以上に加熱する熱交換器と、
   前記熱交換器で加熱されたオフガスを前記燃焼部の前記ガス導入口に供給する予熱ガス供給ラインと、
   を備え、
   前記ガス導入口から流入する前記オフガスの流速が、０．００７～０．０１２ｍ／ｓである燃焼装置。
2. 前記燃焼部の外表面を囲う断熱材を含み、
   前記断熱材の厚さが、１００～１５０ｍｍである、請求項１に記載の燃焼装置。
3. 前記燃焼部は、メタルニットバーナ又は旋回流バーナを有する、請求項１又は２に記載の燃焼装置。
4. 前記燃焼部は、前記旋回流バーナを有する場合に、
   前記燃焼部は、前記旋回流バーナに連結される円筒状の小径部と、
   前記小径部に連結され、前記小径部から離れるほど内径が大きくなるように形成されているテーパ部と、
   前記テーパ部に連結される円筒状の大径部と、
   を備える請求項３に記載の燃焼装置。
5. 前記オフガスのＣＨ₄濃度が、１０％以下である、請求項１～４の何れか一項に記載の燃焼装置。
6. ＣＨ₄を含有し、かつ熱量が所定量以下のオフガスのみを燃焼する燃焼部を備える燃焼装置を用いた燃焼方法であって、
   前記燃焼部の前記オフガスを燃焼して生じた燃焼排ガスを排出するガス排出部に設けた熱交換器において前記オフガスを前記燃焼排ガスと熱交換して４００℃以上に加熱し、
   前記熱交換器で加熱されたオフガスを予熱ガス供給ラインを介して前記燃焼部のガス導入口に供給し、
   前記燃焼部の前記ガス導入口から流入する前記オフガスの流速を、０．００７～０．０１２ｍ／ｓとする燃焼方法。

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