JPH07151306A - 燃料燃焼方法 - Google Patents

燃料燃焼方法

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JPH07151306A
JPH07151306A JP6220269A JP22026994A JPH07151306A JP H07151306 A JPH07151306 A JP H07151306A JP 6220269 A JP6220269 A JP 6220269A JP 22026994 A JP22026994 A JP 22026994A JP H07151306 A JPH07151306 A JP H07151306A
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oxygen
combustion
stage
air
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JP6220269A
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Loo T Yap
ルー・ティー・ヤップ
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Publication date
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    • F23C6/045—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 少ない酸素消費量にて火炎を射出することが
でき、ＮＯxの発生を少なくする、空気−酸素−燃料燃
焼方法とその装置を提供する。 【構成】 燃料は、燃焼の第１段階において酸素中で燃
焼される。燃料の燃焼は、燃焼の第２段階において空気
の存在下で完全に行われる。燃料と酸素のミキシング
は、燃料噴流と酸素噴流を互いに近接した状態で形成さ
せることによって果たされる。次いで、燃焼の第１段階
の燃焼生成物が再循環して燃料過剰状態の火炎（火炎ル
ミノシティの増大を特徴とする）を有する安定な燃焼が
得られるよう、空気が、約０.６以上の渦巻き比にて燃
料噴流と酸素噴流のまわりに渦巻かされる。空気を使用
することにより、燃焼の第１と第２の段階においてオキ
シダントのみを使用した場合より渦巻きの程度を小さく
することができる。なぜなら、酸素より大きい質量の空
気が供給されるからである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、酸素と空気の存在下に
て燃料を燃焼させるための方法と装置に関する。さらに
詳細には本発明は、先ず燃焼の第１段階において燃料過
剰の化学量論にて燃料が燃焼し、次いで燃焼の第２段階
において燃料不十分の化学量論にて燃料が燃焼するよう
燃焼が段階分けされている、というバーナーに関する。
さらに詳細には本発明は、燃焼の第１段階における燃焼
を支えるために酸素が使用され、そして燃焼の第２段階
における燃焼を支えるために渦巻き状空気または酸素高
含量空気が使用される、という装置と方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】多く
の工業プロセスにおいては、溶融体（例えば、ガラス、
鉄金属、非鉄金属、および他の金属など）を加熱するこ
とが必要である。このようなプロセスに対し、空気、酸
素、もしくは酸素高含量空気を含んだオキシダントの存
在下で燃料を燃焼させる種々のバーナーが使用されてい
る。
【０００３】空気だけを使用するバーナーは一般に、作
動範囲や出力が限定され、また燃料を空気中の窒素とと
もに燃焼させることからＮＯxが形成される恐れがある
と言われている。ＮＯxの形成を少なくするために、米
国特許第４,２９７,０９３号は、燃料噴流のまわりに空
気を渦巻かせて、燃料不十分の燃焼ゾーンによって取り
囲まれた燃料過剰の燃焼ゾーンを生成させる、というバ
ーナーを提唱している。このような態様にて燃料を燃焼
させるとＮＯxの形成が少なくなり、渦巻き状空気はバ
ーナーを火炎から隔離するよう作用する。
【０００４】バーナーの作動範囲と得られる出力を増大
させるために、酸素をオキシダントとして使用する酸素
−燃料バーナー（oxy-fuel burner）が開発された。こ
のようなバーナーはコンパクトであり、燃料の燃焼速度
と火炎のルミノシティ高いエネルギー出力を生成するこ
とができる。こうしたバーナーの欠点は、バーナーの生
成する火炎が極めて局在化された熱フラツクスを形成
し、このため溶融体中に高温スポットが現れるというこ
とである。さらに、酸素の使用によりプロセスのコスト
が高まる。酸素を節約するために、当業界で空気−酸素
−燃料バーナー（air-oxy-fuel burner）と呼ばれてい
るバーナーが開発された。このバーナーでは、酸素のみ
で燃料を燃焼する際にかかるコストを少なくするため
に、オキシダントの一部を空気により供給している。こ
のようなバーナーに対して起こりうる問題点は、空気の
みを使用してオキシダントを供給するバーナーに比べ
て、多量のＮＯxを生成しやすいということである。
【０００５】空気−酸素−燃焼バーナーの１つの例は米
国特許第５,１４５,３６１号に記載のものである。該特
許のバーナーによれば、燃料ガスまたは酸素の流れ中に
空気が吸引され、こうして得られた混合物を渦巻き状に
して、これを火炎が上がっているエリアに広げる。米国
特許第５,１４５,３６１号において意図されている燃焼
のタイプでは、ＮＯx形成の可能性が高い。米国特許第
４,６４２,０４７号は別の空気−酸素−燃料バーナーを
開示しており、該特許によれば、燃料と酸素が火炎のコ
アーにおいて燃料過剰の化学量論にて燃焼され、また断
熱の目的で火炎を覆うよう、そして燃料の燃焼を完全に
起こさせるよう、空気が火炎コアーの付近に接線方向に
て導入される。火炎のコアー中に空気が欠乏すると、Ｎ
Ｏxの形成が抑制される。米国特許第４,６４２,０４７
号は、前述した米国特許第４,２９７,０９３号とは異な
る。これら２つの特許は、ＮＯxの形成を少なくするた
めに、放射状に層化された燃料過剰ゾーンと燃料不足ゾ
ーンを造りだすことを考案している。しかしながら、こ
のような層化ゾーンを造りだすと、火炎が外向きに射出
される能力が、バーナー（燃料とオキシダントが火炎の
軸方向にて混合する）全体にわたって大幅に低下する。
その結果、米国特許第４,６４２,０４７号は、バーナー
の近接場所での強力な燃焼から生じるバーナーの破壊を
防止するために水による冷却を必要とする。熱負荷への
良好な熱伝達得るためにはバーナーから火炎を前方に射
出することが必須であり、これによってバーナーの自己
冷却が可能となる。
【０００６】後述するように、本発明は、前記のいくつ
かの特許に記載のバーナーより少ない酸素消費量にて火
炎を射出することができ、且つＮＯxの形成を抑制する
よう設計されている空気−酸素−燃料バーナーを提供す
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、燃料を燃焼さ
せる方法を提供する。本発明の方法によれば、燃料と酸
素が燃料過剰の化学量論にて燃焼して未燃焼燃料と燃焼
生成物が得られるよう、燃料と酸素を燃焼の第１段階に
導入する。燃料の燃焼が燃料不十分の化学量論にて完全
に行われるよう、燃焼の第１段階からの未燃焼燃料と、
空気を含んだオキシダントもしくは酸素高含量空気とを
燃焼の第２段階（燃焼の第１段階より下流に位置する）
に導入する。燃料と酸素は、燃料とオキシダントの収束
性噴流を形成させることによって燃焼の第１段階に導入
される。本明細書で使用している“収束性の”とは、燃
料噴流と酸素噴流が互いに方向づけされることを必要と
していないということを指摘しておく。燃料噴流と酸素
噴流はパラレルであってもよいし、また各噴流の発散に
より、燃料と酸素が混合するのに必要な全体としての収
束性が得られるというのでもよい。未燃焼燃料とオキシ
ダントが、空気を接線モーメントと軸モーメントをもた
せた状態で燃料噴流と酸素噴流のまわりに渦巻かせるこ
とによって、燃焼の第２段階に導入される。オキシダン
トの接線モーメントは、燃焼の第１段階において再循環
ゾーンを形成するに足る大きさであり、この第１段階に
おいては、加熱された燃焼生成物が酸素の渦巻きに対し
て直角に循環する。オキシダントの軸モーメントは、燃
焼の第１段階より下流にて、オキシダントを、したがっ
て燃焼の第２段階を射出するに足る大きさである。
【０００８】他の態様においては、本発明は空気−酸素
−燃料バーナーを提供する。本発明のバーナーは、燃料
と酸素が燃料過剰の化学量論にて燃焼の第１段階に導入
されて未燃焼燃料と燃焼生成物が形成されるよう、収束
性の燃料噴流と酸素噴流とを形成させるための手段を有
する燃料バーナーを含む。燃料不十分の化学量論を有す
る燃焼の第２段階において、空気を含んだオキシダント
または酸素高含量空気を供給して未燃焼燃料の燃焼を完
全に起こさせるための空気シュラウド（air shroud）
が、燃料バーナーを取り囲んでいる。前記空気シュラウ
ドは、オキシダントの渦巻きに対して直角に燃焼生成物
が再循環する再循環ゾーンが燃焼の第１段階において造
りだされるに充分な接線速度をもった状態で、燃料噴流
と酸素噴流のまわりに空気を渦巻かせるための手段を有
する。渦巻き状のオキシダントはさらに、オキシダント
が、したがって燃焼の第２段階が燃焼の第１段階より下
流にて直接発射されるに充分な軸速度を有する。
【０００９】酸素と空気もしくは酸素高含量空気が協同
的に作用して、本発明の利点を生じる。酸素が確立され
た再循環ゾーンと組み合わさることにより、第１の燃焼
段階は燃料過剰の状態にて極めて安定となることができ
る。空気または酸素高含量空気は酸素より重く、酸素の
単位体積当たりに対しより多くのオキシダントが燃焼の
第２段階に供給される。したがって、第１のゾーンにお
いて再循環を造りだすために、空気または酸素高含量空
気をそれほど高い程度に渦巻き状にする必要がない。空
気または酸素高含量空気のモーメントの殆どを、前向き
軸モーメントの形にして、燃焼の第１段階より下流の燃
焼の第２段階に射出することができる。こうした点は、
前述の従来技術の特許とは大きく異なる。従来技術の特
許においては、燃料過剰ゾーンと燃料不十分ゾーンを放
射状に層化して火炎を造りだしており、この火炎が、本
発明にしたがって造りだされた火炎と同じようには射出
されない。
【００１０】以上のことから明らかなように、本発明で
は、段階分けした燃焼を利用することによりＮＯxの発
生が少なくなっている。これは主として、より有効な火
炎放射による火炎冷却の増大だけでなく、化学量論にお
ける大きな層化構造によるものである。一般に段階分け
した燃焼においては、オキシダントを燃料中に段階分け
して、燃料過剰ゾーンと燃料不十分ゾーンを造りだす。
本発明においては、燃料中に段階分けされる２種のオキ
シダントがある。すなわち、燃料過剰ゾーンにおける燃
焼を支えるための酸素、および燃料不十分ゾーンにおけ
る未燃焼燃料と燃焼生成物の燃焼を支えるためのオキシ
ダント（空気または酸素高含量空気）である。酸素が確
立された再循環ゾーンと組み合わさることにより、第１
の燃焼段階は燃料過剰の状態で極めて安定となることが
でき、したがって化学量論範囲が広がって、安定な操作
が可能となる。火炎のルミノシティ（flame luminosit
y）により、燃料過剰の第１燃焼段階に関して、ある与
えられた酸素消費速度に対するバーナーの放射エネルギ
ー出力が増大する。殆どの工業用炉において、プロセス
の熱効率を決定するのは放射エネルギー出力である。
【００１１】したがって本発明は、放射エネルギー出力
の増大、ある与えられたエネルギー出力に対する酸素消
費量の減少、およびＮＯx発生量の減少、という利点を
もっていると言うことができる。
【００１２】図面を参照すると、図１に本発明によるバ
ーナー１０が示されている。バーナー１０は、空気シュ
ラウドとして機能するバーナーブロック１４内にセット
された酸素−燃料バーナーからなる。アローヘッドＡで
示されている空気がウインドボックス１６に入り、調節
可能な渦巻きブロック機構１８（空気Ａに対して回転運
動を与える）によって渦巻き状にされる。これと同時
に、燃料とオキシダントの噴流が、燃焼の第１段階にお
いて燃料過剰の化学量論にて燃焼する。
【００１３】空気Ａが、燃焼の第１段階において燃料噴
流とオキシダント噴流のまわりに渦巻き状になるので、
未燃焼燃料と燃焼生成物が、空気がその渦巻き化により
膨張するにつれて、常に増大する空気静圧によって混ぜ
合わされる。未燃焼燃料と燃焼生成物の粒子が常に増大
する静圧にさからって進み、アローヘッドＢによって示
されている再循環通路中に、約０.６より大きい充分に
高い渦巻き比（軸モーメントを接線モーメントで除して
得られる値）にて送り込まれる。バーナー１２の酸素−
燃料火炎において燃焼生成物の燃料過剰の化学量論によ
り、火炎のルミノシティが増大する（火炎は参照記号Ｃ
によって示されている）。火炎Ｃの放射エネルギー出力
は、燃料のある与えられたトータル流量に対し、第１段
階においては化学量論比の増大とともに増大するので、
殆どの工業プロセスに対して熱伝達の効率も増大すると
言うことができる。火炎Ｃのより有効な放射冷却、化学
量論をはずれた操作によって引き起こされるより低い火
炎温度、ならびに燃料過剰の化学量論はいずれも、燃料
流れ（Ｅ）および／またはオキシダント流れ（Ｆ）中の
窒素から形成されるＮＯxの、火炎Ｃ中の形成速度を低
下させるのに寄与する。
【００１４】燃料を酸素中で燃焼させると燃焼の第１段
階が広がり、したがって渦巻き状の空気Ａが、参照記号
Ｄで示されている燃焼の第２段階（燃焼の第１段階より
下流に位置している）において未燃焼燃料と混ざり合
う。この燃焼の第２段階は燃料不十分の状態であって低
温となっており、したがって空気中に存在している窒素
は、酸素と結合してＮＯxを形成するという反応を起こ
しにくい。したがってバーナー１０は、酸素および空気
中で燃料を効率的に燃焼させるよう設計されており、こ
のときＮＯxの発生は少なくなっている。
【００１５】図２を参照すると、酸素−燃料バーナー１
２は、外側燃料導管２２、および外側燃料導管２２の内
部に同軸的に配置された内側酸素導管２４を含む。外側
燃料導管２２と内側酸素導管２４は、外側環状燃料通路
２６と内側酸素通路２８を与える。燃料と酸素が、それ
ぞれ燃料入口３０と酸素入口３２（これらの入口は、速
やかに接続・切断ができる取り付け具３４と３６が設け
られている）によって、外側燃料通路と内側酸素通路に
導入される。したがって、酸素−燃料バーナー１２の遠
位端３８においては、酸素噴流がまわりを取り囲んでい
る燃料噴流に極めて接近して追い出され、このため極め
て近いことからこれらの噴流は収束性となる。さらに、
バーナー１２の近位端４０においては、燃料と酸素が、
バーナー１２の外側燃料導管と内側酸素導管中に接線方
向にて導入されて回転運動（燃料流れに対してはアロー
ヘッドＥで、酸素流れに対してはアローヘッドＦで示
す）を与える。この回転運動により、再循環ゾーンＢが
形成されやすくなる。
【００１６】図４と図５を参照すると、酸素−燃料バー
ナー１２の別の実施態様が示されている。図示されてい
ないが、バーナーの近位端に燃料導管と酸素導管が設け
られている。これらは、燃料と酸素を接線方向状に射出
するようオフセットされないことによって、燃料入口３
０および酸素入口３２とは異なる。したがって、酸素−
燃料バーナー内に渦巻きは起こらない。外側燃料通路２
６と内側酸素通路２８は、遠位端３８において終結して
いる。遠位端３８には、内側酸素導管２８と連通してい
る中央酸素内腔４２、および外側酸素導管２６と連通し
ている燃料内腔４４の外側リングが設けられている。燃
料と酸素の収束性噴流を生成させるために、好ましく
は、酸素に対しては６個以上の内腔が、また燃料に対し
ては８個以上の内腔が必要とされる。
【００１７】酸素−燃料バーナー１２は、ウインドボッ
クス１６中に設けられた内腔４６と、バーナーブロック
１４内にて画定された中央通路４８を通って延びてお
り、ウインドボックス１６に接続されたカラー５０とセ
ットスクリュー５２の集成体によって所定の位置に保持
されている。ウインドボックス１６は、スタッド５４と
六角ナット５６を使用することによって、バーナーブロ
ック１４に取り付けられている。バーナーブロック１４
の中央通路４８には、スロート部５８と末広開口６０が
設けられている。酸素−燃料バーナー１２は、スロート
部５８にさからって配置されているスパイダー６２によ
って、中央通路内に支持されている。
【００１８】燃料の燃焼を完全に起こさせるために、空
気が入口６４を介してウインドボックス１６に入る。空
気の渦巻き運動は、調節可能な渦巻きブロック機構１８
（前述）によって与えられる。渦巻きブロック機構１８
は、カラーとセットスクリューの集成体６６によって酸
素−燃料バーナーに接続されている。図６を参照する
と、環状渦巻きプレート６８に可動渦巻きブロック７０
が取り付けられている。バーナーブロック１４は、固定
された渦巻きブロック７２を有する。図示のように、可
動の固定渦巻きブロック７０と７２は、空気を接線成分
と軸成分の形で中央通路４８のスロート５８に強制的に
送り込んで、空気の渦巻き運動を起こさせるための羽根
として作用する。酸素−燃料バーナー１２を回転させる
と、固定渦巻きブロック７０と可動渦巻きブロック７２
との間に隙間が生じ、これによって空気に与えられる渦
巻きの程度が変わる。
【００１９】図４と図５に示した実施態様にしたがっ
て、８５０万ＢＴＵ／ｈｒのガスバーナーを設計した。
このような実施態様で示されている酸素−燃料バーナー
では、１２個の中央酸素内腔があり、それぞれ直径が約
５.５６ｍｍであってリング状に配置されており、また
ある１つの中央酸素内腔は直径が約１２.７ｍｍであっ
て、酸素−燃料バーナーの中央軸に配置されている。こ
れらの中央酸素内腔は、図示の６個の中央酸素内腔４２
の代わりに設けられている。さらに、燃料内腔４４の図
示した外側リングの代わりに、１６個の燃料内腔（それ
ぞれ直径が約９.５２５ｍｍ）の外側リングも設けられ
ている。このような燃料バーナーの外径は約６ｃｍであ
り、中央通路４８のスロート部５８は、約６ｃｍの内径
と約８.５ｃｍの外径を有する環中で空気が渦巻き状に
なるよう、約８.５ｃｍの内径を有する。燃焼の第１段
階への酸素の流量に比較して、２倍量の酸素が空気によ
って供給される。酸素−燃料バーナーへの酸素と空気か
ら供給されるトータル量の酸素は化学量論量である。空
気が２１％の酸素を含有すると仮定すると、空気に対す
る渦巻き角度（swirling angle）は、このようなバーナ
ーでは約４９.５度である。空気の代わりに高純度酸素
を使用する場合、渦巻き角度は約８３度である。８３度
の渦巻き角度では、前向き成分が小さすぎて、燃焼の第
１段階の前および下流にて燃焼の第２段階を射出するこ
とができない。その結果、燃焼は、射出されるよりむし
ろ放射状に層化される。空気に酸素を多く含有させる
と、渦巻き角度の急激な増大が認められた。また実施例
のバーナーに関して、空気は５０％を越えて酸素を含有
しないほうがよい。なぜなら、渦巻き角度が約７０％以
上に急速に増大するからである。約７０％以上の渦巻き
角度は、不可能ではないとしても、燃焼の第２段階を
（したがって火炎を）射出するのを困難にする。
【００２０】周知のように、他のバーナー設計物の挙動
は上記の実施例とは幾分異なる。しかしながら、本発明
にて意図されている方法で火炎を射出することが殆ど不
可能であるようないかなる設計物に対しても、空気に対
する酸素富化レベルには速やかに到達するであろう、と
いう点を指摘しておかねばならない。
【００２１】好ましい実施態様に関して本発明を説明し
てきたが、当技術者にとっては、本発明の精神と範囲を
逸脱することなく、多くの変形、改良形、付加形が可能
であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による、一部切り欠きした空気−酸素−
燃料バーナーの断面図である。
【図２】図１のライン２−２に沿って切り取った断面図
である。
【図３】図１のライン３−３に沿って切り取った断面図
である。
【図４】図１において使用されるバーナーの別の実施態
様で、図１のライン３−３と同じ位置から見たときの断
面図である。
【図５】図４のバーナーの別の実施態様で、図１のライ
ン４−４に沿って見たときの断面図である。
【図６】図１に示した空気−酸素−燃料バーナーの、ラ
イン５−５に沿って見たときの断面図である。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）燃料と酸素が燃料過剰の化学量論
    にて燃焼して未燃焼燃料と燃焼生成物が得られるよう、
    燃料と酸素を燃焼の第１段階に導入する工程；および
    （ｂ）燃料の燃焼が燃料不十分の化学量論にて完全に行
    われるよう、燃焼の前記第１段階からの未燃焼燃料と、
    空気を含んだオキシダントもしくは酸素高含量空気とを
    燃焼の第２段階に導入する工程；を含む燃料燃焼方法で
    あって、 このとき燃料と酸素が、燃料と酸素の収束性噴流を形成
    させることによって燃焼の第１段階に導入され；未燃焼
    燃料とオキシダントが、オキシダントを接線モーメント
    と軸モーメントをもたせた状態で燃料噴流と酸素噴流の
    まわりに渦巻かせることによって、燃焼の第２段階に導
    入され；オキシダントの接線モーメントが、燃焼の第１
    段階において再循環ゾーンを形成するに足る大きさであ
    り、この第１段階においては、加熱された燃焼生成物が
    オキシダントの渦巻きに対して直角に循環し；そしてオ
    キシダントの軸モーメントが、燃焼の第１段階より下流
    にて、オキシダントを、したがって燃焼の第２段階を射
    出するに足る大きさである；前記方法。
  2. 【請求項２】 前記オキシダントが空気を含む、請求項
    １に記載の方法。
  3. 【請求項３】 燃焼の第１段階において前記循環が増大
    するよう、燃料と酸素の両方を渦巻かせる工程をさらに
    含む、請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 （ａ）燃料と酸素が燃料過剰の化学量論
    にて燃焼の第１段階に導入されて未燃焼燃料と燃焼生成
    物が形成されるよう、収束性の燃料噴流と酸素噴流とを
    形成させるための手段を有する燃料バーナー；および
    （ｂ）燃料不十分の化学量論を有する燃焼の第２段階に
    おいて、空気を含んだオキシダントまたは酸素高含量空
    気を供給して未燃焼燃料の燃焼を完全に起こさせるため
    の、前記燃料バーナーを取り囲んでいる空気シュラウ
    ド；を含み、 このとき前記空気シュラウドが、オキシダントの渦巻き
    に対して直角に燃焼生成物が再循環する再循環ゾーンが
    燃焼の第１段階において造りだされるに充分な接線速度
    と、オキシダントが、したがって燃焼の第２段階が燃焼
    の第１段階より下流にて直接発射されるに充分な軸速度
    とをもった状態で、燃料噴流と酸素噴流のまわりに空気
    を渦巻かせるための手段を有する、空気−酸素−燃料バ
    ーナー。
  5. 【請求項５】 前記空気シュラウドがバーナーブロック
    によって形成される、請求項４に記載の空気−酸素−燃
    料バーナー。
  6. 【請求項６】 前記燃料バーナーが、対向した近位端と
    遠位端；前記の近位端と遠位端との間を連通している中
    央通路と環状通路；前記遠位端にて画定されていて、前
    記環状通路と連通している内腔の外側リング；前記中央
    通路と連通している内腔の内側リング；オキシダントの
    噴流が中央内腔から出てくるよう、前記中央通路と連通
    しているオキシダント入口；および燃料の噴流が内腔の
    前記外側リングから出てくるよう、前記環状通路と連通
    している燃料入口；を有する、請求項４に記載の空気−
    酸素−燃料バーナー。
  7. 【請求項７】 前記燃料バーナーが、同軸を有する細長
    いボディ、内側酸素通路、内側燃料通路、外側酸素通
    路、外側燃料通路、および燃焼の第１段階内にて再循環
    が増大するよう酸素と燃料を渦巻かせるための、酸素通
    路と燃料通路内に設けられた手段を含む、請求項４に記
    載のバーナー。
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