JPH0222285B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、燃焼装置に関するものであつて、
一層詳細には、空隙率の充分大きい所謂通気性固
体中で混気燃料の高負荷燃焼を行なつて均一な温
度分布を得、窒素酸化物（NOx）の発生や、一
酸化炭素（CO）、未燃炭化水素（UHC）等の未
燃分の発生を抑制し、併せて高温の燃焼ガスを容
易に得ることのできる燃焼装置に関するものであ
る。

従来技術 各種燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを得、こ
れをボイラや炉等の加熱源としたり、ストーブ等
の暖房源に利用したりするに際して、燃料と気体
との混合物をバーナ（例えばシユバンクバーナ）
に圧力供給し、これに点火して火炎燃焼させる形
態が一般的である。しかし燃焼帯域中で、均一に
火炎燃焼させることは仲々困難である。このた
め、火炎中に温度の局所的に高い部分や低い部分
が存在し、燃焼副産物として有害な窒素酸化物
（NOx）が発生したり、その他一酸化炭素（CO）
や未燃炭化水素（UHC）が発生し易い等の傾向
がある。

従つて、公害防止の見地から行政上の排出量規
制が強化されるに伴い、硫黄分や窒素分の少ない
燃料への転換や排煙脱硝装置の設置、その他低
NOx化等の努力がなされているが、設備費用の
増大や技術的な問題が絡んで、規制値達成が困難
な現状となつている。

このような所謂「サーマルNOx」は、燃料の
燃焼時に空気中の窒素と酸素とが反応して生成す
るものであるが、燃焼温度が高くなるにつれて前
記反応が激しくなり、従つてサーマルNOxの排
出量はその最大温度に依存することが判明してい
る。そして、通常の火炎燃焼では温度分布が一定
しないため、局部的に高温（例えば1400℃の個所
を生じ、これがサーマルNOxの発生を増大させ
る原因となつている。

また、前記一酸化炭素（CO）や未燃炭化水素
（UHC）の発生も、燃焼温度と密接に関連してお
り、後述する触媒を用いた接触燃焼実験によれ
ば、燃焼温度が900℃以下の場合に、CO、UHC
は急激に増大し、1000℃以上ではCO、UHCとも
殆ど発生しないことが確認されている。このよう
にサーマルNOxやCO、UHCは、燃焼温度と関
係するため、高性能の触媒を用いた接触燃焼法の
研究が近時なされ、1000℃以上の高温度領域の燃
焼を均一かつ安定に行なうことにより、NOx等
の発生を有効かつ大幅に低減させる実績が得られ
ている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、この触媒を使用する接触燃焼法
を、ボイラの燃焼装置やガスタービン等に応用す
るに際しネツクとなるのは、高温領域で長寿命の
触媒は未だ開発されておらず、またこれに近い性
能の触媒は極めて高価となるため、ランニングコ
ストが経済上見合わないことである。

更に、従来の火炎燃焼では、火炎としての燃焼
反応が終了した後に得られる高温の燃焼ガスは、
その顕熱を充分に熱源として有効利用されないま
ま（すなわち大量の熱エネルギーを未だ保有した
まま）大気中に放散排出されているのが現状であ
つて、ガス顕熱の有効利用が、省エネルギーの見
地から未解決課題として残されていた。

発明の目的 このような前記の問題点に鑑み、サーマル
NOxやCO、UHC等の発生を低減抑制すること
ができ、しかも燃焼ガス中の顕熱を有効に引出し
て高温の燃焼ガスを得ることのできる新規な燃焼
装置を求めて、発明者は鋭意研究に努めた。その
結果として、空隙率の充分大きい所謂「通気性固
体」を使用して燃焼ブロツクを構成し、この燃焼
ブロツク中で燃料ガスと空気との混合物からなる
混気燃料を燃焼させるようにすれば、後に述べる
ように通気性固体の大きな表面積（伝熱面積）故
に、近接する気体は固体と殆ど等しい温度にな
り、一方固体間は強い輻射の授受により温度分布
が平滑化されるため均一に燃焼することが判つ
た。

これによりサーマルNOxの発生が抑制され、
更に未燃焼成分も高温に加熱された通気性固体の
細線に接触して再燃焼し、COやUHCの発生も有
効に抑制されることを突き止めた。しかも、後述
する特性を有する通気性固体中で燃焼が行なわれ
る結果として、燃焼ガスに含まれる顕熱が大量の
輻射熱に変換されるので極めて燃焼効率に優れ、
高温の燃焼ガスが容易に得られて、省エネルギー
に大きく寄与することも判つた。

課題を解決するための手段 前記課題を克服し、所期の目的を好適に達成す
るため、本発明に係る燃焼装置は、金属、セラミ
ツクス等の耐熱性材料を網状、ハニカム状、繊維
状等の各種形態に成形して空隙率の充分大きい通
気性固体からなる燃焼ブロツクを構成し、この燃
焼ブロツクの一方の端部に、該燃焼ブロツクより
は空隙率の小さい通気性固体のブロツクを接続す
ると共に、前記燃焼ブロツクの他方の端部にも、
該燃焼ブロツクよりは空隙率の小さい通気性固体
のブロツクを接続し、燃料ガスおよび酸素含有気
体を供給する管体の開口を、前記一方の空隙率の
小さい通気性固体のブロツクに連通接続するよう
構成したことを特徴とする。

なお本願発明において、所謂「通気性固体」
は、極めて重要なウエイトを占めるものであるの
で、好適実施例の説明に先立ち、この通気性固体
の概略を述べることとする。本明細書で云う通気
性固体とは、金属、セラミツクス等の耐熱性材料
を網状、ハニカム状、繊維状等の各種形態に成形
して通気性を持たせ、かつ光その他熱線を透過さ
せ難い適宜厚さの固体媒体と定義することができ
る。これは、細線または細粒が多数集合して構成
されたものと考えられ、その実質的な表面積は極
めて大きい。そして、固体の輻射射出能力は気体
よりも充分高いものであるから、前記通気性固体
に燃焼ガスを通過させると、燃焼ガスの顕熱が表
面積の極めて大きい固体と接触して高効率の熱交
換が行なわれ、大量の固体輻射熱を発生する。こ
のような特性を有する固体伝熱変換素子を、通気
性固体と称するものである。なお、この通気性固
体は、燃焼ガスの下流で熱交換により熱を奪つて
も、上流側には殆んど影響がでない、という特性
がある。

通気性固体Ｓの輻射熱射出状態につき、第１図
の模式図で説明すると、通気性固体Ｓは燃焼ガス
Ｇの流通方向に厚さＸを有するため、この燃焼ガ
スＧが固体Ｓを通過すると、その層内で対流熱伝
達が行なわれ、曲線Ｃで示す温度勾配を生じる。
そして各層X₁…X₅において燃焼ガスの顕熱は固
体輻射熱Y₁…Y₅、Z₁…Z₅に変換され、夫々燃焼
ガスＧの上流側（Ｙ）および下流側（Ｚ）に向か
うが、この固体輻射熱の内Y₄，Y₅およびZ₁，Z₂
は通気性固体Ｓの前後方向の厚みに応じて遮蔽さ
れて減衰し、その結果大部分の輻射熱Ｒが燃焼ガ
スＧの上流側（Ｙ）に射出されるものである。

実施例 次に、本発明に係る燃焼装置につき、好適な実
施例を挙げて添付図面を参照しながら説明する。
第２図は、本発明に係る燃焼装置の一実施例を示
すものであつて、符号１２は空隙率の充分大きな
通気性固体からなる適宜立体形状のブロツク体を
示し、このブロツク体１２の内部で、後述する燃
焼が行なわれるので、以下これを燃焼ブロツクと
称する。該ブロツク１２を構成する通気性固体の
空隙率は、99％またはそれ以上（換言すれば、充
填率１％またはそれ以下）とするのが好ましく、
このように空隙率の充分大きい通気性固体として
は、例えば耐熱性の金属細線を線状に集塊させた
ブロツク体や、耐熱金網の多重積層体、その他セ
ラミツクス材料を軽石状に発泡固化させた多孔質
物体等が好適に使用される。

この場合、通気性固体がどの程度の空隙率であ
れば「充分大きい」と云い得るが、が問題となる
が、金網のようにメツシユ数で表現するよりも、
光学的厚さを基準として判断するのが最も適当で
ある。光学的厚さの測定は、光源と照度計との間
に被測定対象物となる通気性固体を介在させ、光
がどれ位吸収されているか、を前記照度計により
求めるものであつて、金属細線の線径その他吸収
系数を考慮して決定される。本実施例の場合、燃
焼ブロツク１２を構成する通気性固体として、燃
焼ブロツク自体の大きさに応じて光学的厚さが１
〜10の範囲にある金属細線の集塊を使用して、好
適な結果を得た。

この燃焼ブロツク１２の一方の端部には、第２
図に示すように、該ブロツク１２を構成する通気
性固体よりも空隙率の小さい通気性固体２４が接
続配置されると共に、その他方の端部にも、同じ
く燃焼ブロツク１２の通気性固体よりも空隙率の
小さい通気性固体２４が接続配置されている。そ
して後述の如く、一方の通気性固体２４に混気燃
料が供給され、また他方の通気性固体２４から燃
焼ガスが排出される。

この通気性固体２４の空隙率は、90〜95％また
はそれ以上（換言すれば、充填率10〜５％または
それ以下）とするのが好ましい。そして、燃焼ブ
ロツク１２およびこれを両側から挟む通気性固体
２４，２４の外周には、後述の混気燃料が流入す
る上流側および燃焼ガスが排出される下流側を除
いて、耐火性の断熱材料２０が囲繞配置され、こ
れにより燃焼ブロツク１２および通気性固体２
４，２４の外周から輻射熱が逃出するのを遮蔽す
るようになつている。

前記上流側に位置する空隙率の小さい通気性固
体２４には、混気燃焼供給管１０の長形開口部１
４が連通接続され、この供給管１０は、例えば都
市ガス、天然ガス、炉頂廃ガス等の可燃性気体と
空気との混合物からなる混気燃料MFの供給源に
接続されている。そして、供給管１０から加圧送
給された混気燃料MFは、該通気性固体２４を通
過する際に均一に分散される。なお、燃焼ガス排
出側から吸引フアン等により燃焼排ガスを吸引す
るようにすれば、混気燃料MFを加圧供給しなく
てもよい。また、混気燃料MFは、後述のブロツ
ク体に流入する直前で燃料ガスと空気とを混合す
るようにしてもよい。更に、燃焼ブロツク１２の
内部には、例えばヒータやスパークプラグからな
る点火手段２６が設けられている。

発明の作用 次に、このように構成した実施例に係る燃焼装
置の作用につき、以下説明する。第２図に示す実
施例において、供給管１０を介して混気燃料MF
を供給すると、この混気燃料は上流側の通気性固
体２４中でその流れを整えられると共に均一に分
散して、燃焼ブロツク１２中に送給される。前記
点火手段２６により混気燃料に点火すると、ブロ
ツク１２として画成される通気性固体の空間中に
封じ込められた状態で、燃焼が開始される。通気
性固体は、先に述べたように、実質的な比表面積
が極めて大きく、固体の輻射射出能力は気体より
も充分に高いものであるから、燃焼反応が終了し
た高温の燃焼ガスが通気性固体に接触することに
より高効率の熱交換が行なわれ、燃焼ガス中の顕
熱は大量の固体輻射熱に変換される。

このとき、固体接触の効果により燃焼ガスの低
い温度のところは引上げられ、また高い温度のと
ころは押えられるため、全体として温度が平坦化
し、均一な燃焼が得られる（通常の火炎燃焼で
は、火炎面に局部的に高い温度が低い温度のとこ
ろが生じる）。このように温度が均一化される結
果として、サーマルNOxの発生が低減化される。
これは、サーマルNOxは燃焼温度が高くなると
共に窒素と酸素との反応が激しくなるが、本発明
に係る装置では、その原因となる局所的な温度上
昇がないからである。また、通常はサーマル
NOxを低減させるべく燃焼温度を降下させると、
COやUHC等の未燃分が発生するが、本発明装置
では、未燃分は高温の金属細線等の通気性固体に
接触して燃焼がなされるので、COやUHC等の未
燃分が発生して大気を汚染するおそれがない。

しかも本実施例では、燃焼ブロツク１２の燃料
流入側に通気性固体２４が接続配置されており、
しかも混気燃料MFの燃焼が燃焼ブロツク１２中
で行なわれる。従つて、この通気性固体２４に対
する燃焼ガスの上流側は、常に当該ブロツク１２
中に存在することになる。このため、第１図に示
す模式図を参照して理論説明したように、該ブロ
ツク１２中で生成した高温の燃焼ガスは、通気性
固体２４に流入してガス中の顕熱を大量の固体輻
射熱に変換させ、得られた輻射熱は燃焼ガスの上
流側である燃焼ブロツク１２に向け射出される。

更に、燃焼ブロツク１２の燃焼ガス排出側にも
通気性固体２４が接続されているので、高温の燃
焼ガスは該固体２４に流入し、ここでも高効率の
熱交換が行なわれ、該燃焼ガス中の顕熱が大量の
固体輻射熱に変換される。しかも得られる大量の
輻射熱の大部分は、燃焼ガスの上流側、すなわち
燃焼ブロツク１２に向けて射出されるから、該ブ
ロツク１２中の輻射熱は更に増大し、燃焼ガスの
温度が一層上昇してかつ平坦化することになる。

このように燃焼ブロツク１２中で得られた温度
分布の平坦化した高温の燃焼ガスは、図示のよう
に下流側に向けて排出され、ガスタービンや大型
ボイラ、その他工業用炉や暖房装置等の熱源とし
て利用される。

発明の効果 以上詳細に説明したように、本発明に係る燃焼
装置によれば、混気燃料を通気性固体からなる燃
焼ブロツク中で燃焼させることにより、固体接触
の効果によつて燃焼時の温度分布を均一にさせる
ことができ、これによつてサーマルNOxの発生
や、CO、UHC等の未燃分の発生を有効に抑制す
ることができる。しかも通気性固体の特性とし
て、燃焼ガスが比表面積の極めて大きい該通気性
固体と接触する際に高効率の熱交換が行なわれ、
燃焼ガスの顕熱は大量は固体輻射熱に変換される
ものであるため、燃焼ブロツク中での燃焼温度が
均一に上昇し、優れた燃焼効率が得られるもので
ある。

なお前述した好適実施例については、燃料ガス
と空気との混合物からなる混気燃料を、共通の混
気燃料供給管を介して燃焼ブロツクに送り込む場
合につき説明したが、燃焼ガス供給管および空気
供給管を独立して設け、夫々の供給管を前記燃焼
ブロツクに接続して、該燃焼ブロツク中で燃料ガ
スと空気との混合および燃焼を行なうようにして
もよい。更に前記燃焼ブロツクに入る以前または
該ブロツク中で燃焼ガスと混合される気体は、一
般に空気とされるが、その他酸素を含有している
気体が適宜使用されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は通気性固体の輻射熱出状態を示す模式
図、第２図は本発明に係る燃焼装置の概略構成図
である。 １０……混気燃料供給管、１２……燃焼ブロツ
ク、１４……開口部、２０……耐火性断熱材、２
４……通気性固体、２６……点火手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 金属、セラミツクス等の耐熱性材料を網状、
   ハニカム状、繊維状等の各種形態に成形して空隙
   率の充分大きい通気性固体からなる燃焼ブロツク
   １２を構成し、この燃焼ブロツク１２の一方の端
   部に、該燃焼ブロツク１２よりは空隙率の小さい
   通気性固体のブロツク２４を接続すると共に、前
   記燃焼ブロツク１２の他方の端部にも、該燃焼ブ
   ロツク１２よりは空隙率の小さい通気性固体のブ
   ロツク２４を接続し、燃料ガスおよび酸素含有気
   体を供給する管体１０の開口１４を、前記一方の
   空隙率の小さい通気性固体のブロツク２４に連通
   接続するよう構成したことを特徴とする燃焼装
   置。