JPH07280210A

JPH07280210A - 窒素酸化物低発生燃焼装置及び燃焼方法

Info

Publication number: JPH07280210A
Application number: JP6068805A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Nakamachi; 一郎仲町
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1994-04-06
Filing date: 1994-04-06
Publication date: 1995-10-27

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、窒素酸化物低発生燃焼装置と方法
に関するものである。【構成】内部に蓄熱部のみを備えた一対のリジェネレ
−タを炉体に単数個又は複数個設置し、そのリジェネレ
ータの給気排気兼用口を炉内に直接開口すると共に、前
記給気排気兼用口とは、距離を置いた位置の前記炉内
に、前記給気排気兼用口に対応して単数個又は複数個の
燃料噴出部を直接開口させたことを特徴とするものであ
る。リジェネレ−タの給気排気兼用口からは、予熱され
た空気のみが噴出する。この給気排気兼用口から離れた
位置に設置する燃料噴出部からは、燃料が噴出するの
で、空気および燃料は、各独立した噴流となり、混合し
て燃焼を開始する以前に、炉内に充満する不活性ガスで
ある燃焼生成物を大量に吸引混合する。つまり空気、燃
料ともに不活性ガスで充分希釈されてから混合し、燃焼
するために、低い酸素濃度の緩慢な燃焼となり、また大
量の不活性ガスの存在により火炎温度は低く抑えること
ができるので、サーマルＮＯ_xの生成が効果的に抑制で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温工業炉の高効率加
熱システムとして知られるリジェネレイティブバーナを
発展適用させた窒素酸化物低発生燃焼装置及び燃焼方法
に関するものであ

【０００２】

【従来の技術】従来のリジェネレイティブバーナとは、
図６に示すように、蓄熱部と燃料供給部とを備えた一対
のバ−ナ部から成るものを指称する。このリジェネレイ
ティブバーナは、例えば、図６で示すように、炉体に取
着けられている。しかして、図中矢印で示すように、一
方のバーナ部の空気導入部から取り入れた空気は、蓄熱
部で予熱されながら上昇して、燃料供給部から噴出する
燃料と混合燃焼しながら炉内に噴出し燃焼を持続する。
排気は、他方のバーナ部の蓄熱部に於いて、蓄熱されな
がら排気部を介して排気される。かかる燃焼を数十秒か
ら数分の短かいサイクルで切換えて交互燃焼させるもの
である。かかる燃焼方法、即ち、蓄熱燃焼方法は、高い
廃熱回収率が達成でき、大幅に燃料の節減ができるた
め、経済的であると共に、ＣＯ₂排出量削減による環境
保護にも極めて有効な燃焼技術である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記した通り、従来の
蓄熱燃焼方法は、高い廃熱回収率である点で非常に優れ
ているが、燃焼用空気の予熱温度が高くなり、火炎温度
が上昇して窒素酸化物の排出量が格段に大きくなる最大
の欠点を露呈する。前記蓄熱燃焼方法に、従来知られて
いるＮＯｘ低減技術、例えば段階燃焼法、排ガス再循環
法、水噴霧法などを適用しても、その低減率は，高々５
０〜６０％であり、ＮＯ_x排出濃度は，５００〜１２０
０ｐｐｍ（Ｏ₂１１％）が，せいぜい２００〜５００ｐ
ｐｍまで低下するに留まる。これでは日本の大気汚染防
止法の規準値である１８０ｐｐｍ（Ｏ₂１１％）をクリ
アすることができない。本発明は，こうした高温予熱空
気燃焼となるリジェネレイティブバーナを使用した燃焼
技術に於いても、充分低ＮＯ_x燃焼を達成することがで
きると共に、炉内が低温時あるいは高温時においても、
充分な安定燃焼が実現できる燃焼技術を提供することを
目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決する手段】前記した課題を解決するため
に、本発明は、内部に蓄熱部のみを備えた一対のリジェ
ネレ−タを炉体に単数個又は複数個設置し、そのリジェ
ネレータの給気排気兼用口を炉内に直接開口すると共
に、前記給気排気兼用口とは、距離を置いた位置の前記
炉内に、前記給気排気兼用口に対応して単数個又は複数
個の燃料噴出部を直接開口させたことを特徴とする窒素
酸化物低発生燃焼装置を提供するものである。

【０００５】また、本発明は、内部に蓄熱部のみを備え
た一対のリジェネレ−タを炉体に単数個又は複数個設置
し、そのリジェネレータの給気排気兼用口を炉内に直接
開口すると共に、前記給気排気兼用口とは、距離を置い
た位置の前記炉内に、前記給気排気兼用口に対応して単
数個又は複数個の燃料噴出部を直接開口させ、前記リジ
ェネレイティブバーナを切換燃焼させる際、燃料噴出部
の全部から定常的に燃料を噴出させて燃焼させることを
特徴とする窒素酸化物低発生燃焼方法を提供するもので
ある。

【０００６】また、本発明は、給気排気兼用口の給気及
び排気の切換と同期させて、前記給気排気兼用口に対応
する燃料噴出部の切換を行うようにして燃焼させること
を特徴とする窒素酸化物低発生燃焼方法を提供するもの
である。

【０００７】また、本発明は、給気排気兼用口の内部に
は補助燃料噴出部を設けたことを特徴とする窒素酸化物
低発生燃焼装置を提供するものである。。

【０００８】また、本初発明は、内部に蓄熱部のみを備
えた一対のリジェネレ−タを炉体に単数個又は複数個設
置し、そのリジェネレータの給気排気兼用口を炉内に直
接開口すると共に、前記給気排気兼用口とは、距離を置
いた位置の前記炉内に、前記給気排気兼用口に対応して
単数個又は複数個の燃料噴出口を直接開口させ、前記給
気排気兼用口の内部には補助燃料噴出部を設けて、低温
時には、補助燃料噴出部のみから燃料を噴出させて燃焼
させ、高温時には補助燃料噴出部を閉止して、燃料噴出
部のみから燃料を噴出させて燃焼させる窒素酸化物低発
生燃焼方法を提供するものである。

【０００９】

【作用】リジェネレ−タの給気排気兼用口からは、予熱
された空気のみが噴出する。この給気排気兼用口から離
れた位置に設置する燃料噴出部からは、燃料が噴出する
ので、空気および燃料は、各独立した噴流となり、混合
して燃焼を開始する以前に、炉内に充満する不活性ガス
である燃焼生成物を大量に吸引混合する。つまり空気、
燃料ともに不活性ガスで充分希釈されてから混合し、燃
焼するために、低い酸素濃度の緩慢な燃焼となり、また
大量の不活性ガスの存在により火炎温度は低く抑えるこ
とができるので、サーマルＮＯ_xの生成が効果的に抑制
できる。

【００１０】

【実施例】符号１は、リジェネレータであって、このリ
ジェネレータ１とは、図示の通り、内部に蓄熱部２のみ
を保持した一対のものである。このリジェネレータ１を
炉体４に単数個又は複数個設置すると共に、このリジェ
ネレ−タ１の給気排気兼用口３を炉内６に直接開口する
と共に、前記給気排気兼用口３とは、距離を置いた位置
の前記炉内６に、前記給気排気兼用口３に対応して単数
個又は複数個の燃料噴出部７（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、
ｆ、ｇ）を直接開口させた構成である。前記給気排気兼
用口３と燃料噴出部７（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ）
の位置関係、取付角度、噴出速度および数の対応は適宜
である。つまり燃料噴出部７（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、
ｆ、ｇ）の位置は、給気排気兼用口３の周囲に配置して
も良く、また給気排気兼用口３から相当離れた位置でも
良い。更に、燃料噴出部７（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、
ｇ）の数は、一対のリジェネレ−タ１一個に対して一個
でも良く、また、複数個でも良い。燃料の噴出方法とし
ては、リジェネレイ−タ１の周期的な切換交互燃焼と同
期して切換えて、適宜の燃料噴出部７（ａ、ｂ、ｃ、
ｄ、ｅ、ｆ、ｇ）を、交互に、噴出させても良く、また
リジェネレ−タ１の交互切換にも拘らず、全ての燃料噴
出部７（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ）からは、切換え
を行わず定常的に燃料を噴出させ続けても良い。

【００１１】図１、図２および図３により具体的な構成
を示す。先ず、図１に於いて、７ａで示す燃料噴出部
は，給気排気兼用口３に近接させて、給気排気兼用口３
の両側に対称的にやや内側に向けて設置した例である。
７ｂの燃料噴出部は，給気排気兼用口３から離れた位置
に、給気排気兼用口３の下流側に向けて噴出するように
設置した例である。７ｃの燃料噴出部は、給気排気兼用
口３の噴出方向に対して、直角に燃料が噴出するように
設置した例である。更に、７ｄ，７ｅ及び７ｆの各燃料
噴出部は、多数個設置した例である。図３は、並設した
リジェネレ−タ１の給気排気兼用口３の中間に、単一の
燃料噴出部７ｇを設置した例である。図４は、リジェネ
レ−タ１内の軸上に、補助燃料噴出部５を設置したもの
である。

【００１２】しかして、一方のリジェネレ−タ１の空気
導入兼排気部８から、図中実線矢印で示す通り、取り入
れた空気は、蓄熱部２で予熱されながら炉内６に噴出し
燃焼する。排気は、他方のリジェネレ−タ１の蓄熱部２
に於いて、蓄熱されながら、図中実線矢印で示す通り、
空気導入兼排気部８を介して排気される。かかる燃焼を
数十秒から数分の短かいサイクルで切換えて交互燃焼さ
せるものである。図破線で示す矢印は、一方のリジェネ
レ−タ１から他方のリジェネレ−タ１に、空気の噴出と
排出が切り替わった状態をしめすものである。このよう
に、一方のリジェネレ−タ１の給気排気兼用口３から
は、予熱された空気のみが噴出し、かかる際、この給気
排気兼用口３から離れた位置に存在する燃料噴出部７
（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ）からは、前記予熱空気
とは、別個に、燃料が噴出するので、空気および燃料
は、各独立した噴流となり、混合して燃焼を開始する以
前に、炉内６に充満する不活性ガスである燃焼生成物を
大量に吸引混合する。つまり空気、燃料ともに不活性ガ
スで充分希釈されてから混合し、燃焼するために、低い
酸素濃度の緩慢な燃焼となり、また大量の不活性ガスの
存在により火炎温度は低く抑えることができるので、サ
ーマルＮＯｘの生成が効果的に抑制できる。図５で示す
通り、１３００℃の炉温で実験した結果、従来のリジェ
ネレイティブバーナ１０のＮＯｘ値が５００〜１０００
ｐｐｍ（Ｏ₂１１％）であったものが、本発明の燃焼法
では、５０〜１００ｐｐｍ（Ｏ₂１１％）であり、約９
０％のＮＯ_x低減率を得ている。従来のリジェネレイテ
ィブバーナでは、燃料は、空気と共に切換えられて交互
燃焼するが、本発明では燃料の切換えを省略すること、
即ち、定常的に燃料を供給することも提案しており、こ
の場合は燃料切換弁が不要とり、設備の簡略化、コスト
ダウンも可能という大きな利点が生じる。

【００１３】本発明のより深い理解のために、米国特許
第４４９６３０６号で示されている図７に示す従来の低
ＮＯ_x燃焼法と比較しながら、本発明を詳述する。図７
は、燃料二段燃焼に関する従来例であり、この従来例に
於いては、バーナ中心部で燃料の一部と燃焼用空気の全
量とを混合して燃焼させる。つまり高過剰空気燃焼をさ
せる。そして、その高過剰空気火炎の周囲から残りの燃
料を噴射して、前記高過剰空気火炎と後流領域で混合
し、中心部で発生したＮＯｘを燃料で還元するととも
に、余剰の酸素と燃焼反応させて、最終的に低酸素の排
ガス組成とすることを特徴とするものである。この従来
例では、全空気は、炉内ガスを混合しない新鮮な状態の
一次燃料と混合燃焼させている。本発明の基本構成であ
る燃焼以前に炉内６の不活性ガスと空気噴流によって吸
引混合する構成は全く示されていない。燃料および空気
の噴流で炉内ガスを吸引する場合、燃料に比べて空気の
流量の方が圧倒的に多く、例えば天然ガスの場合、完全
燃焼に必要な空気量は天然ガス量の１０倍以上必要で、
噴流の持つ運動量は空気噴流の方が相当大きい。炉内ガ
スの吸引量は噴流の運動量に比例するため、空気噴流に
よって炉内ガスを吸引する方がより効果的であり、大量
の炉内ガスを吸引でき、ＮＯｘの生成の抑制に極めて有
効である。ところが、図７の従来例では、全空気は一次
燃料と混合して燃焼するため直ちにＮＯｘの生成が開始
される。そしてその燃焼により燃焼ガス（高過剰空気火
炎）は急激に膨張し、速度を失い、炉内ガスを吸引混合
する力を失う。従って炉内ガスの吸引量が図６の従来例
と本発明では大きな差違が生じＮＯｘ抑制効果に大きな
差を生じる。

【００１４】更に、本発明のより深い理解のために、米
国特許第４８４２５０９号で示されている図８に示す従
来の低ＮＯ_x燃焼法を引用しながら、本発明を詳述す
る。図８の従来例は、典型的な空気二段燃焼バーナ
である。バーナ中心部で燃料と理論空気量以下の一次空
気と混合して燃焼させ、安定な一次燃焼領域を形成す
る。二次空気孔は、バーナの外周部に設けられ、二次空
気は、一次燃焼後の燃焼後の燃焼生成物と混合して燃焼
を完結させる。このバーナは、図８に示されるように、
耐火物で囲われた空間内に燃料および空気の噴出口を設
け、燃焼室内で燃焼を開始させ火炎を安定化している。
つまり火炎の基部は断熱空間内にあり、放熱がないため
に高温化し易い。これに対し本発明では、燃料噴出部７
（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ）および給気排気兼用口
３が直接炉内６に開口しているため、火炎は炉内空間で
形成され、燃焼開始と同時に周囲（例えば被熱物）への
放熱が行われるため火炎温度が低くなる効果がある。さ
らに不活性ガスである炉内ガスを吸引混合する作用効果
においても、図８のバーナは、空気噴流による吸引効果
があることが推測はされるが、その吸引量は耐火壁の存
在のために限定された量に抑制され、炉内ガス再循環に
よるＮＯ_x低減効果は限られたものとなる。これに対し
本発明では燃料および空気の噴流を直接炉内６に形成す
るため、炉内ガスの吸引量を制限するものは全くなく、
それぞれの噴流による大量の炉内ガスの吸引混合が可能
であり、著しいＮＯx低減効果が得られる。

【００１５】本発明は、燃料および空気の噴流で大量の
炉内ガスを吸引混合してから燃焼させる方法であるた
め、例えば燃料の着火温度以下の炉温では、燃焼が不安
定となる問題がある。これを解決するために本発明で
は、以下の燃焼方法で解決している。即ち、図４に示す
ように、給気排気兼用口３の内部に補助燃料噴出部５を
設ける構成である。これによって例えば８００℃以下の
炉温の時は、燃料噴出部７（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、
ｇ）は閉止し、補助燃料噴出部５を開とする。そうする
と燃料は補助燃料噴出部５のみから噴射されるため、炉
内ガスの混入していない周囲の新鮮空気と混合燃焼する
通常の燃焼方法となる。従って安定した火炎が形成する
ことができ、しかも炉温が低いためにＮＯ_xもそれほど
高くならずすむ。炉温が例えば８００℃以上になった時
は、補助燃料噴出部８を閉止し、燃料噴出部７（ａ、
ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ）を、前記した通り、開として
燃料を燃料噴出部７（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ）の
みから噴出させる。そうするといままで詳述したような
本発明の燃焼となり、高温であるが故に燃焼も安定し、
大量の炉内ガス再循環により、充分低ＮＯ_x化が達成さ
れる。つまり低温時には補助燃料噴出部９からのみ燃料
を噴出させ通常燃焼を行うことにより火炎の安定化を図
り、高温時には補助燃料口６を閉止して、低ＮＯ_x燃焼
を行わせるのである。

【００１６】

【発明の効果】本発明は、以上の通り、従来のリジェネ
レイティブバーナを一層発展させてそれを効果的に応用
して独特の燃焼方法を採用し、燃焼に際して生じる窒素
酸化物の生成を格段に抑制するものである。

【００１７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す平面的断面説明図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ線の縦断的説明図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す平面的要部断面説明
図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す平面的要部断面説明
図である。

【図５】本発明と従来のリジェネレイティブバーナによ
る蓄熱燃焼方法とのＮＯｘ性能説明図である。

【図６】従来のリジェネレイティブバーナの例を示す断
面的説明図である。

【図７】従来例を示す断面的説明図である。

【図８】従来例を示す断面的説明図である。

【符号の説明】

１リジェネレ−
タ２蓄熱部３給気排気兼用
口４炉体５補助燃料噴出
部６炉内７（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ）燃料噴出部８空気導入兼排
気部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に蓄熱部のみを備えた一対のリジェ
ネレ−タを炉体に単数個又は複数個設置し、そのリジェ
ネレータの給気排気兼用口を炉内に直接開口すると共
に、前記給気排気兼用口とは、距離を置いた位置の前記
炉内に、前記給気排気兼用口に対応して単数個又は複数
個の燃料噴出部を直接開口させたことを特徴とする窒素
酸化物低発生燃焼装置。
【請求項２】内部に蓄熱部のみを備えた一対のリジェ
ネレ−タを炉体に単数個又は複数個設置し、そのリジェ
ネレータの給気排気兼用口を炉内に直接開口すると共
に、前記給気排気兼用口とは、距離を置いた位置の前記
炉内に、前記給気排気兼用口に対応して単数個又は複数
個の燃料噴出部を直接開口させ、前記リジェネレータを
切換燃焼させる際、燃料噴出部の全部から定常的に燃料
を噴出させて燃焼させることを特徴とする窒素酸化物低
発生燃焼方法。
【請求項３】給気排気兼用口の給気及び排気の切換と
同期させて、前記給気排気兼用口に対応する燃料噴出部
の切換を行うようにして燃焼させることを特徴とする請
求項２記載の窒素酸化物低発生燃焼方法。
【請求項４】給気排気兼用口の内部には補助燃料噴出
部を設けたことを特徴とする請求項１記載の窒素酸化物
低発生燃焼装置。
【請求項５】内部に蓄熱部のみを備えた一対のリジェ
ネレ−タを炉体に単数個又は複数個設置し、そのリジェ
ネレータの給気排気兼用口を炉内に直接開口すると共
に、前記給気排気兼用口とは、距離を置いた位置の前記
炉内に、前記給気排気兼用口に対応して単数個又は複数
個の燃料噴出部を直接開口させ、前記給気排気兼用口の
内部には補助燃料噴出部を設けて、低温時には、補助燃
料噴出部のみから燃料を噴出させて燃焼させ、高温時に
は補助燃料噴出部を閉止して、燃料噴出部のみから燃料
を噴出させて燃焼させる窒素酸化物低発生燃焼方法。