JPH02302505A - 多重オキシダント噴射式燃焼方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １１上例皿月分１ 本発明は、燃料とオキシダントを燃焼帯域内へ噴射して
　それらを混合し燃焼させるための燃焼方法及び装置に
関する。

良米匹肢盟 燃焼分野における最近の重要な進展は、米国特許第４．
３７８，２０５号及び第４，５４１，７９６号に開示さ
れた吸引器（アスピレータ）型バーナーである。この技
術は、極度に高い温度を伴うことなく、又酸素燃焼の混
合不良特性を伴うことなく、オキシダント（酸素又は酸
素富化空気等の酸化体）による燃焼を可能にするもので
あり、それによって、高いレベルの窒素酸化物（ＮＯＸ
）の発生なしに、かつ、燃焼帯域内に局部的なホッ゛ト
スボット（高温点）を生じさせることなく、燃焼な達成
させる。この燃焼法は、燃料噴射点とオキシダント噴射
点との間に大きな間隔を設定し、オキシダントを燃料と
混合させ燃焼させる前に、炉ガス（燃焼帯域内のガス）
をオキシダント流内へ吸引（アスピレート）させること
によって達成される。

ある種の物質の燃焼、例えば危険な廃物の焼却等におい
ては、燃焼の際に、燃焼帯域内にＮｏつの発生源となり
つる高レベルの窒素又は窒素成分が存在する。更に、例
えば危険な廃物の焼却に使用される回転キルンのような
ある種の燃焼帯域は、比較的長く、かつ、幅狭である。

拡散火炎の形で燃焼を行うことによってＮＯｘの発生を
減少さえ、より均一な温度分布を達成することができる
ことは知られているが、そのような拡散火炎は、幅狭の
燃焼帯域においては、火炎が燃焼帯域の壁に衝突し、壁
を過熱させ易いので、得られなし）。

口が”しようとする； 本発明は、従来技術の上記のような問題を解決すること
を企図したものである。

尺朋Ｊ旧１り 従って、本発明の目的は、より均一な温度分布を達成し
、かつ、たとえ燃焼帯域内に相当な量の窒素又は窒素成
分が存在していてもＮＯ８の発生口を減少させるような
態様で、特に比較的幅狭の燃焼帯域内で燃料とオキシダ
ントを燃焼させるための方法及び装置を提供することで
ある。

１題　”るための 本発明は、上記目的を達成するために、より均一な温度
分布を達成し、かつ、ＮＯｘ発生量を減少させるような
態様で燃料とオキシダントを燃焼させるための方法であ
って、 （Ａ）燃料流を燃焼帯域を通して流し、（Ｂ）前記燃焼
帯域内へオキシダントを少なくとも２つの流れとして噴
射し、その際、少なくとも１つのオキシダント流は、前
記燃料流に対して実質的に平行に噴射し、他の少なくと
も１つのオキシダント流は、該平行噴射のオキシダント
流に対して角度をなして斜めに噴射し、（Ｃ）前記燃焼
帯域内から前記斜め噴射のオキシダント流内へガスを吸
引させ、その後、該ガスを含む該斜め噴射流を前記平行
噴射のオキシダント流の少なくとも１つの流れ内へ合流
させ、（Ｄ）得られた合流オキシダント流を燃料と混合
させて可燃混合物を生成し、該可燃混合物を燃焼させる
ことから成る燃焼方法を提供する。

本発明は、又、より均一な温度分布を達成し、かつ、Ｎ
　Ｏｘ発生量を減少させるような態様で燃料とオキシダ
ントを燃焼させるための装置であって、 （Ａ）燃料流を燃焼帯域を通して流すための燃料送給手
段と、 （Ｂ）前記燃焼帯域内へオキシダントを噴射するための
オキシダント噴射手段であって、オキシダント流を前記
燃料送給手段の燃料通し方向に対して実質的に平行に噴
射するように向けられた少なくとも１つの平行向きオリ
フィスと、該平行向きオリフィスの噴射方向に対して角
度をなして斜めにオキシダント流を噴射噴射するように
向けられた少なくとも１つの斜め向きオリフィスとを含
む少な（とも２つのオリフィスを有するオキシダントノ
ズルを備えたオキシダント噴射手段と、から成る燃焼装
置を提供する。

尺血刊 本発鳴の実施においては、燃料は、１つ又は１つ以上の
流れとして燃焼帯域を通して流すが、好ましくは単一の
流れとして、最も好ましくは、リング状（円形）に配列
した複数のオキシダント流の内側中央に位置する空気力
学的流れとして燃焼帯域内へ噴射する。燃料は、燃焼帯
域を通して流すことができる任意の種類の燃料であって
よい。

そのような燃料の例としては、メタン及び天然ガス等の
ガス燃料、燃料油、有機廃液等の液体燃料、ガス媒体中
に分散させた固形燃料粒子、及び、燃焼帯域を通して搬
送することができるその他の固形及び、又は液体燃料が
挙げられる。

オキシダントは、少なくとも１つのノズルを通して、好
ましくは燃料導入地点から半径方向に離隔させて燃焼帯
域内へ噴射する。オキシダントは、空気、酸素富化空気
、又は９９．５％を越える酸素濃度を有する実質的に純
粋な酸素等であってよいが、２５％を越える平均酸素濃
度を有することが好ましい、燃焼帯域内には、漏入空気
などの他の源からの酸素も存在する場合がある。

本発明によれば、オキシダントは、オキシダント噴射ノ
ズルから少なくとも２つの流れとして燃焼帯域内へ噴射
する。それらのオキシダント流の少なくとも１つは、燃
料流を燃焼帯域を通して流す方向、即ち燃料送給手段の
燃料通し方向に対して実質的に平行に噴射する。ここで
、「平行」とは、流れの中心軸線に関して平行というこ
とであり、「実質的に平行」とは、基準軸線に対して約
５°以内の角度にあることをいう、オキシダント流、及
び燃料流（それが空気力学的流れである場合）は、燃焼
帯域内へ噴射され、燃焼帯域を通る間にほぼ円錐状に膨
張すること、又、場合によってはそれらの流れが回転成
分又は角度成分を有することが知られている。

本発明によれば、少なくとも１つのオキシダント流を平
行噴射のオキシダント流に対して角度をなして、即ち斜
めに燃焼帯域内へ噴射する。その角度即ち傾斜角は、約
１０〜４５°の範囲内とすることが好ましく、約１０〜
３５°の範囲内とすることが最も好ましい、ここでいう
「角度」又は「傾斜角Ｊとは、対象とされる２つの流れ
の中心軸線によって画定される角度のことである。複数
の斜め噴射オキシダント流を用いる場合は、それらのオ
キシダント流の傾斜角をいずれも平行噴射のオキシダン
ト流に対して同じ傾斜角にしてもよく、あるいは、１つ
又はそれ以上のオキシダント流を平行噴射のオキシダン
ト流に対して異る傾斜角とすることもできる。

ノズルを通して燃焼帯域内へ噴射するオキシダントのう
ちの好ましくは３０〜７０％、最も好ましくは３０〜５
０％は、平行流れ流として噴射し、残りを斜め流れ流と
して噴射する。又、ノズルを通して平行流れ流として燃
焼帯域内へ噴射するオキシダントの運動量は、ノズルを
通して燃焼帯域内へ噴射するオキシダントの全運動量の
少なくとも４０％とすることが好ましい。

第１図は、本発明に使用するためのオキシダント噴射ノ
ズルの一実施例の正面図である。第１図を参照して説明
すると、この実施例では、オキシダント噴射ノズル１は
、６つのオリフィス２．３．４．５．６．７を有してお
り、そのうちオリフィス２．３．４．５は、オキシダン
トを、例＾ば同様に真直に向けられたノズルオリフィス
を通して噴射される燃料流に対して実質的に平行に燃焼
帯域内へ噴射するように真直に向けられている。これら
のオリフィスは、「真直向きオリフィス」又は「平行向
きオリフィス」と称することとする。一方、オリフィス
５．７は、平行向きオリフィス２．３．４．５の向きか
ら角度をなして（この実施例では１２°の角度に）配向
されている。オリフィス５．７は、「斜め向きオリフィ
ス」と称することとする。この角度即ち傾斜角は、第１
図の線Ｂ−Ｂに沿ってみた断面図である第２図に明示さ
れている。各ノズルは、１つ以上の斜め向きオリフィス
を有することが好ましい。

オキシダント噴射ノズルに設けるオリフィスの数が多け
れば多いほど、各オリフィスの噴射断面積を小さくする
。又、オリフィスの噴射点の噴射断面積が小さければ小
さいほど、オリフィスを通して噴射されるオキシダント
の噴射速度が高くなる。そして、噴射速度が高ければ高
いほど、後に説明する吸引作用が大きくなる。

斜め流れ流として燃焼帯域内へ噴射するオキシダントは
、燃焼帯域内から該オキシダントの斜め流れ流へのガス
の吸引を惹起させるのに十分な速度で燃焼帯域内へ噴射
する。一般に、オキシダントの斜め流れ流の噴射速度は
、４５．７〜３０４．８ｍ　（１５Ｃ）〜１０００ｆ　
ｔ）　／秒の範囲内とする。オキシダントの斜め流れ流
へ吸引されるガスは、燃焼帯域内への侵入空気、又は、
未燃焼窒素や燃焼反応からの一酸化炭素及び水蒸気等の
炉ガス、燃焼帯域内に存在する固形及び、又は液体の危
険廃物から発せられる溶媒蒸気等の炭化水素等である。

平行流れ流として燃焼帯域内へ噴射するオキシダントは
、燃焼帯域内から上記オキシダントの斜め流れ流へガス
が吸引された後、そのオキシダントの斜め流れ流をオキ
シダントの平行流れ流内へ合流させるのに十分な速度で
平行向きオリフィスを通して燃焼帯域内へ噴射する０本
発明のこの重要な操作は、第４図に示されている。一般
に、オキシダントの平行流れ流の噴射速度は、４５．７
〜３０４．８ｍ　（１５Ｃ）〜１０００ｆｔ）／秒の範
囲内とし、オキシダントの斜め流れ流の噴射速度と同じ
にしてもよく、あるいは異なる速度としてもよい。

第３図は、本発明のバーナー装置即ち燃焼装置の一実施
例の正面図である。第３図を参照して説明すると、バー
ナー即ち燃焼装置１０は、中央燃料噴射ノズル１４と、
その周りにリング状即ち円形に配列された８つのオキシ
ダント噴射ノズル１１とから成る。各オキシダント噴射
ノズル１１は、１つの真直向き即ち平行向きオキシダン
ト噴射オリフィス１２と、該オリフィス１２の外側に１
２°の傾斜角で配向された２つの斜め向きオキシダント
噴射オリフィス１３とから成る。中央燃料噴射ノズル１
４は、平行向きオキシダント噴射オリフィス１２を通し
て噴射されるオキシダントの白方向に平行に燃料を燃焼
帯域２１内へ噴射する。第３図に示されらのと同様の常
温流れかたバーナーを用いてオキシダントの流れ態様を
調べた。その際、オキシダントは、最高１５２．４ｍ／
秒魔での範囲の速度でオリフィス１２及び１３を通して
燃焼帯域内へ噴射した。オキシダント流れを可視化させ
るために燃焼帯域を通るオキシダントに煙を添加した。

可視化されたオキシダントの流れは、第４図に図示され
ている。第４図から分るように、バーナー１０の各斜め
向きオリフィス１３から燃焼帯域内へ噴射された斜め噴
射オキシダント流２０は、それらの噴射地点の下流にお
いて、平行向きオリフィス１２から噴射された平行噴射
オキシダント流２２内へ引込まれて合流する。即ち、こ
の合流点２３において、斜め噴射オキシダント流２０の
実質的にすべてが、その前に上述したように該斜め噴射
オキシダント流に吸引された燃焼帯域からのガスと共に
、平行噴射オキシダント流２２内へ引込まれる。かくし
て、合流された斜め噴射オキシダントと、吸引された燃
焼帯域からのガスと、平行噴射オキシダントは、燃料流
と混合して可燃混合物を生成し、その混合物が燃焼帯域
内で燃焼される。

１団しカ浬 本発明は、２つの重要な作用効果をもたらす。

第１に、オキシダントの一部を斜めに噴射することによ
り、流動する燃焼反応体（オキシダントと燃料の流れ）
の外側からの吸引作用の度合を高める。このことは、燃
焼帯域内に存在する固形及び、又は液体の危険廃物を燃
焼させるのに特に有利である。燃焼帯域内で固形及び、
又は液体の危険廃物から生じる揮発成分が斜め噴射のオ
キシダントの流れによって吸引され、オキシダントと共
に燃焼されるからである。更に、オキシダントの斜め噴
射は、可燃反応体を拡散させる働きをする。この高めら
れた吸引作用と、反応体の拡散とにより、燃焼反応の拡
散を増大させる働きをする。この燃焼反応の拡散の増大
は、燃焼温度の分布をより均一にし、かつ、Ｎｏ８の発
生量を減少させる効果を生む。

第２に、平行噴射のオキシダントは、特に幅狭の燃焼帯
域の場合、斜め噴射のオキシダントが燃焼反応体の流れ
経路から外方へ逸脱して燃焼帯域の囲壁にぶつかること
がないように斜め噴射のオキシダントを内方へ引付ける
作用をする。更に、平行噴射のオキシダントは、斜め噴
射のオキシダントを引付けることによって、燃焼反応体
の流れの「塊」を増大させ、それによって流れの軸方向
の運動量を増大させる働きをする。このことは、オキシ
ダントと燃料の混合作用を高め、燃焼帯域内の熱分布を
より均一にするという有利な効果をもたらす。この効果
は、危険な廃物の焼却に使用される回転キルンに特有の
長くて幅の狭い燃焼帯域にとっては特に有利である。

本発明の上述した有利な作用効果を実現するためには、
同じノズルを通して平行噴射されるオキシダントと、斜
め噴射されるオキシダントとを、互いに比較的近接させ
て燃焼帯域内へ噴射させる必要がある。即ち、これらの
２つのオキシダント（平行噴射されるオキシダントと、
斜め噴射されるオキシダント）の噴射点の半径方向の離
隔距離は、好ましくは、噴射オリフィス又は噴射オキシ
ダント流のうちの最も直径の大きいものの直径の１０倍
を越えないように、最も好ましくは５倍を越えないよう
にすべきである。

本発明の内容を更に説明し、それによって得られる作用
効果を立証するために、下記のような比較テストを実施
した。ただし、これらのテスト結果は、本発明の１つの
例として説明の目的で示されるものであり、本発明を限
定するものではない。

１．２Ｘ１．２Ｘ２．４ｍ　（４ｘ４ｘ８ｆ　ｔ）の大
きさの燃焼帯域内でＭＭ　（１，ＯＯＯ，０ＯＯ）ＢＴ
Ｕ／時の燃焼率で本発明によるバーナーを作動させた。

燃料は、天然ガスとし、中央燃料噴射ノズルを通して噴
射した。オキシダント噴射ノズルとしては、中央燃料噴
射ノズルの周りに６つのオキシダント噴射ノズルを円形
状に配列した。各オキシダント噴射ノズルは、オキシダ
ントを燃料の噴射方向に平行に噴射する１つの平行向き
オリフィスと、オキシダントを平行噴射のオキシダント
流の軸線から３０°の角度をなして斜め外方に噴射する
２つの斜め向きオリフィスを有するものであった。オキ
シダントとしては、実質的に純粋の酸素を使用した。燃
焼は、７．５％の過剰酸素状態で実施し、燃焼のための
酸素濃度を変更するために燃焼帯域内へ空気を注入した
。燃焼に参加する酸素の濃度を変えて５つの燃焼反応実
験を行った。煙道ガス中のＮＯｘ含有含有側定した。そ
の結果が第５図のグラフに曲線５Ａとして示されている
。

比較の目的で、同様の実験を行った。比較実験において
は６つの上述したオキシダント噴射ノズルに代えて、単
一の平行向きオキシダント噴射オリフィスを有する６つ
のノズルを使用した。これらの比較実験の結果は、第５
図のグラフに曲線５Ｂとして示されている。第５図のグ
ラフから、本発明は、従来周知の真直噴射ノズルを用い
た場合に比べてＮ　ＯＸの発生量を大幅に抑制する態様
での燃焼を可能にすることが分る。

上記の実験において燃焼のための酸素濃度を約３８％と
した場合の燃焼反応の温度分布を、燃焼帯域内の４つの
地点で温度を測定することによって調べた。上述の本発
明によるオキシダント噴射ノズルを用いた場合の温度分
布は第６図のグラフの曲線６Ａで示されており、従来周
知の真直噴射ノズルを用いた場合の温度分布は第６図の
グラフの曲線６Ｂで示されている。第６図のグラフから
、本発明は、従来周知の真直噴射ノズルを用いた場合に
比べてより均一な温度分布を達成することができること
が分る。

叙上のように、本発明によれば、長く、細い燃焼帯域内
で、より均一な温度分布を達成し、かつ、Ｎ　ＯＸの発
生量を減少させるような態様で、特に酸素富化空気又は
純粋酸素による燃焼を可能にする。

以上、本発明を実施例に関連して説明したが、本発明は
、ここに例示した実施例の構造及び形態に限定されるも
のではなく、本発明の精神及び範囲から逸脱することな
く、いろいろな実施形態が可能であり、いろいろな変更
及び改変を加えることが、できることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法及び装置に使用するためのオキ
シダント噴射ノズルの一実施例の正面図である。 第２図は、第１図のノズルの断面図である。 第３図は、本発明のバーナー装置の一実施例の正面図で
ある。 第４図は、第３図に示されたバーナー装置を用いた場合
のオキシダント流の流れ経路を示す概略図である。 第５図は、本発明に従って実施した燃焼から発生したＮ
Ｏｘ発生量と、従来の真直ぐな向きのノズルだけを有す
バーナーを用いて実施した燃焼から発生したＮＯｘ発生
量を示すグラフである。 第６図は、本発明に従って燃焼を実施した場合の燃焼帯
域内の温度分布と、から発生したＮＯｘ発生量と、従来
の真直ぐな向きのノズルだけを有すバーナーを用いて燃
焼を実施した場合の燃焼帯域内の温度分布を示すグラフ
である。 １：オキシダント噴射ノズル ２．３．４．５：平行向きオリフィス ６．７：斜め向きオリフィス １０：燃焼装置（バーナー） １１：オキシダント噴射ノズル １２・平行向きオリフィス Ｉ３・斜め向きオリフィス １４　中央燃料噴射ノズル ＦＩＧ、ｌ　　　　　ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４ ２０％　　　４０％　　　　　６０％　　　　８０’／
＠　　　　Ｋ）Ｏ’／＠実効酸孝冨化レベル ＦＩＧ、５ （＋：　可輿）　　ｉ。）面即 手続補正書 平成２年７月２５日 特許庁長官　植　松　　　敏　殿 事件の表示　平成２年特許願第１１５９５４号発明の名
称　多重オキシダント噴射式燃焼方法及び装置補正をす
る者

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、より均一な温度分布を達成し、かつ、 ＮＯ＿ｘ発生量を減少させるような態様で燃料とオキシ
   ダントを燃焼させるための方法であって、（Ａ）燃料流
   を燃焼帯域を通して流し、 （Ｂ）前記燃焼帯域内へオキシダントを少 なくとも２つの流れとして噴射し、その際、少なくとも
   １つのオキシダント流は、前記燃料流に対して実質的に
   平行に噴射し、他の少なくとも１つのオキシダント流は
   、該平行噴射のオキシダント流に対して角度をなして斜
   めに噴射し、 （Ｃ）前記燃焼帯域内から前記斜め噴射の オキシダント流内へガスを吸引させ、その後、該ガスを
   含む該斜め噴射流を前記平行噴射のオキシダント流の少
   なくとも１つの流れ内へ合流させ、（Ｄ）得られた合流
   オキシダント流を燃料 と混合させて可燃混合物を生成し、該可燃混合物を燃焼
   させることから成る燃焼方法。 ２、前記オキシダントは、少なくとも２５％の酸素を含
   むものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の燃焼方法。 ３、前記斜め噴射のオキシダント流の角度を１０〜４５
   ゜の範囲内とすることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の燃焼方法。 ４、前記斜め噴射のオキシダントを４５．７〜３０４．
   ８ｍ（１５０〜１０００ｆｔ）／秒の速度で噴射するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の燃焼方法
   。 ５、前記平行噴射のオキシダントを４５．７〜３０４．
   ８ｍ（１５０〜１０００ｆｔ）／秒の速度で噴射するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の燃焼方法
   。 ６、前記斜め噴射のオキシダントを複数の流れとして噴
   射することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   燃焼方法。 ７、前記各斜め噴射のオキシダント流の角度を同じにす
   ることを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の燃焼
   方法。 ８、前記斜め噴射のオキシダント流を少なくとも２つの
   異る噴射角で噴射することを特徴とする特許請求の範囲
   第６項に記載の燃焼方法。 ９、前記斜め噴射のオキシダントと平行噴射のオキシダ
   ントとは、それらの噴射流のうち直径が最も大きいもの
   の直径の１０倍を越えない半径方向の間隔をおいて噴射
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の燃
   焼方法。 １０、前記燃料は、空気力学的流れとして前記燃焼帯域
   内へ噴射し、該燃焼帯域を通して流すことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の燃焼方法。 １１、前記燃料は、リング状に配列した複数のオキシダ
   ント流の内側の中心に位置する流れとして前記燃焼帯域
   内へ噴射することを特徴とする特許請求の範囲第１０項
   に記載の燃焼方法。 １２、前記オキシダントは、燃料が前記燃焼帯域内へ導
   入される地点から離隔した地点で該燃焼帯域内へ噴射す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の燃焼
   方法。 １３、より均一な温度分布を達成し、かつ、ＮＯ＿ｘ発
   生量を減少させるような態様で燃料とオキシダントを燃
   焼させるための装置であって、（Ａ）燃料流を燃焼帯域
   を通して流すため の燃料送給手段と、 （Ｂ）前記燃焼帯域内へオキシダントを噴 射するためのオキシダント噴射手段であって、オキシダ
   ント流を前記燃料送給手段の燃料通し方向に対して実質
   的に平行に噴射するように向けられた少なくとも１つの
   平行向きオリフィスと、該平行向きオリフィスの噴射方
   向に対して角度をなして斜めにオキシダント流を噴射噴
   射するように向けられた少なくとも１つの斜め向きオリ
   フィスとを含む少なくとも２つのオリフィスを有するオ
   キシダントノズルを備えたオキシダント噴射手段と、か
   ら成る燃焼装置。 １４、前記オキシダントノズルは、複数の斜め向きオリ
   フィスを有することを特徴とする特許請求の範囲第１３
   項に記載の燃焼装置。 １５、前記各斜め向きオリフィスの傾斜角度を同じにし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１４項に記載の燃
   焼装置。 １６、前記斜め向きオリフィスを少なくとも２つの異る
   傾斜角とすることを特徴とする特許請求の範囲第１４項
   に記載の燃焼装置。 １７、前記斜め向きオリフィスと平行向きオリフィスと
   の間の半径方向の間隔は、それらのオリフィスのうち直
   径が最も大きいものの直径の１０倍を越えない距離とす
   るすることを特徴とする特許請求の範囲第１３項に記載
   の燃焼装置。 １８、前記斜め向きオリフィスの傾斜角度を１０〜４５
   ゜の範囲内とすることを特徴とする特許請求の範囲第１
   ３項に記載の燃焼装置。 １９、前記燃料送給手段は、燃料噴射ノズルから成るこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１３項に記載の燃焼装
   置。 ２０、前記オキシダントノズルの複数個を、中央に配置
   した前記燃料噴射の周りに円形に配列したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１９項に記載の燃焼装置。