JPH07502104A - 低ＮＯ↓ｘパイロットバーナーによって誘導される低ＮＯ↓ｘ燃焼 - 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】 低Ｎ　Ｏｘパイロットバーナーによって誘導される低Ｎ　Ｏｘ燃焼技術分野 本発明は、Ｎ　Ｏｘ排出を低下させた炭化水素燃料の燃焼に関する。

背景技術 炭化水素燃料が、燃焼の際に大気汚染物質を発生させることは以前から知られて いる。通常、汚染物質には、しばしば窒素酸化物すなわちＮ　Ｏｘと総括される 酸化窒素（ＮＯ）および二酸化窒素（ＮＯｌ）、未燃炭化水素（ＵＨＣ）　、− 酸化炭素（ＣＯ）、および炭素ススを主とする粒状物質が含まれる。ＮＯｘは、 地表面のスモッグや酸性雨の発生ならびに成層圏オゾンの破壊に関与しているた め、特に問題となる。

炭化水素の燃焼では、いくつかの機構（メカニズム）によりＮ０８が生成される 。空気中の酸素と空気中の窒素との高温反応では、特に約１５４０℃（２８００ Ｆ）以上の火炎温度において、サーマル機構、すなわちツエルドビッチ機構によ ってＮ０ｘ（ｒサーマル素燃料成分（ＣＨＩ）との反応では、特に燃料過濃状態 で、急速機構によってＮｏ、（ｒプロンプトＮｏｔ　（ｐｒｏｍｐｔ　Ｎ０ｘ） 　Ｊ　）が生成される。窒素含有燃料から放出される窒素と空気中の酸素との反 応では、特に燃料希薄状態で、燃料結合機構により、Ｎ０ｘ（ｒ燃料結合ＮＯＸ 　（ｆｕｅｌ−ｂｏｕｎｄ　Ｎ０Ｘ）　Ｊ　）が生成される。通常、空気中の酸 素と窒素は、燃料と混合される燃焼空気中におけるＮ　Ｏｘの生成反応を引き起 こす。

Ｎ　Ｏｘ生成を抑制するために、最近の燃焼器の多くは窒素をほとんどあるいは 全く含まない燃料を燃焼し、均一な燃料希薄状態で作動する。低窒素燃料の燃焼 により、燃料結合ＮＯｘの生成は低減または排除される。例えば希薄予混合／予 気化システムを用いることで均一な燃料希薄状態で動作させた場合、サーマルお よびプロンプト機構によるＮ　Ｏｘの生成は減少する。燃料を希薄状態にするた めに用いられている過剰空気は、火炎温度を下げる希釈剤として働くことによっ てサーマルＮＯｘの生成を低減させる。過剰空気はまた、空気中の窒素と反応す るＣ　ＨＩの濃度を低下させ、これによりプロンプトＮ　Ｏｘの生成を減少させ る。しかしながら、サーマルおよびプロンプトＮＯｘの生成を低減させるために 必要な量にまで空気を過剰にすると、希薄燃焼限界近傍で燃焼器を作動すること となり、その結果、火炎が不安定になる恐れがある。超希薄燃焼状態であっても 主火炎が点火されたままに保たれるように、パイロット火炎で主火炎を補助する ことによって、火炎を安定化することができる。

燃料希薄燃焼によりＮＯＸの生成を減少させることは可能であるものの、ますま す厳しくなる排ガス規制に適合するようにＮ　Ｏｘの発生をさらに抑制する方法 を見出だす必要がある。したがって、当業界においては、燃料希薄低Ｎ　Ｏｘ燃 焼システムを改良することがめられている。

発明の開示 本発明は、燃料希薄低Ｎ　Ｏｘ燃焼システムの改良に関する。

本発明の一態様は、燃料希薄状態で主バーナー内の燃料を燃焼させて主火炎を形 成し、パイロットバーナー内でパイロット燃料を燃焼させて主火炎を安定させる ことにより燃焼システム内の炭化水素燃料を燃焼させる方法を包含している。そ の改良は、パイロットバーナー内で低発熱量燃料を燃焼し、パイロットバーナー 内で生成されるＮＯｘの量を制限するようにしたことである。

本発明の別の態様は、Ｎ　Ｏｘ排出を抑制して炭化水素燃料を燃焼させるための 、主バーナーとパイロットバーナーを備えた燃焼システムを包含する。その改良 は、部分酸化反応において高発熱量燃料を低発熱量燃料に変換することができる 部分酸化ステージを含む。

このシステムは、さらに、パイロットバーナー内で低発熱量燃料を燃焼する手段 を備えている。

本発明のこれらのおよびその他の特徴ならびに利点は、以下の説明と添付図面か らさらに明らかにされる。

図面の簡単な説明 第１図は、パイロットバーナーを備えた燃料希薄バーナーがらのＮ　Ｏｘ排出量 とパイロットバーナー内の燃料の量の関係を示す実験データグラフである。

第２図は、低発熱量のパイロット燃料を生成する部分酸化ステージを備えた本発 明の燃焼システムの概略図である。

第３図および第４図は、低発熱量燃料がら抽出された熱を燃焼システムに再循環 させた第２図の燃焼システムの概略図である。

発明を実施するための最良の形態 本発明は、最近のパイロットバーナーを備えた燃料希薄バーナーからのＮＯｘの 主排出源はパイロットバーナーであると認識している。第１図は、シーメンスＶ ８４．２型バーナー（ドイツ国ミュンヘン、シーメンス株式会社）における最近 の研究に基づき、パイロットバーナー内で燃焼された燃料の割合とバーナーから のＮ　Ｏｘ排出の関係がほとんど直線的であることを示している。したがって、 ＮＯｘ排出をさらに低減するためには、パイロットバーナーを改良することにと りくむべきである。しかし、パイロットバーナー内で燃焼される燃料の量はバー ナーの設計および主バーナー内の燃料／空気比の関数であるため、パイロットバ ーナー内の燃料の量を減少させることは難しい。本発明は、パイロットバーナー 内で燃焼される燃料の量を変えることではなく、パイロット燃料の組成を変える ことによりこの問題を解決するものである。

本発明に用いられるパイロット燃料は、主火炎内の一次燃料よりも発熱量が低い ものであればどんな燃料でもよい。パイロットバーナー内で高発熱量燃料ではな く低発熱燃料を燃焼すると、パイロット火炎温度が下がり、パイロットバーナー 内のサーマルＮ　Ｏｘの生成が低減される。また、パイロット燃料は、プロンプ トＮ　Ｏｘの生成を減少するためには、ＣＨＩの含有量が少ない方が望ましい。

本発明は、パイロット燃料が標準立法フィート当たり約８００　ＢＴＵ（ＢＴＵ ／５ｃｆ）（２９，８１０ｋＪ／ｍ）以下の発熱量を有するときにもっとも効果 的である。約８００ＢＴＵ／ｓ　ｃ　ｆ以下の発熱量を存する燃料は低発熱量燃 料と呼ばれる。８００ＢＴＵ／ｓｃｆ以上の発熱量を有する燃料は高発熱量燃料 と呼ばれる。本発明に有用な低発熱量燃料は、もともと約８００ＢＴＵ／ｓ　ｃ 　ｆ以下の発熱量をもつもの、高発熱量燃料を希釈して低発熱燃料としたもの、 高発熱量燃料を部分的に酸化して得られたもののいずれでもよい。

本発明において、部分酸化とは、高発熱量燃料の燃料過濃酸化のことである。酸 化は接触酸化でも非接触酸化でもよい。酸化が非接触酸化の場合には、セラミッ ク管内での燃焼のような表面支持燃焼（ｓｕｒｆａｃｅ　５ｕｐｐｏｒｔｅｄ　 ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）でもよい。部分酸化は熱除去を行なっても行わなくても よい。熱を除去する場合は、熱除去は部分酸化と同時か、または部分酸化の完了 後に行われる。部分酸化に関する熱除去は、１９９１年５月１５日出願の同一出 願人の米国特許出願第０７／７０１，４２６号にも開示されており、この開示は 参考としてここに取り入れる。

もともと約８００ＢＴＵ／ｓｃｆ以下の発熱量を存する低発熱量燃料には、メタ ノール、その他の酸化された炭化水素、発生炉ガス、石炭および石油製造工程か らの合成ガス、Ｃｏ、Ｈ，およびそれらの混合物がある。発生炉ガス、Ｃｏ、Ｎ ２およびそれらの混合物などの燃料は、プロンプトＮ　Ｏｘの生成源となるＣＨ ，を含まないので好適である。希釈により低発熱量燃料となる高発熱量燃料には 、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、および家庭暖房用油、ディー ゼル燃料、灯油などの液体燃料が含まれる。高発熱量燃料のための希釈剤として は、空気、窒素、窒素濃厚化空気、二酸化炭素、水、蒸気、その他の不活性化合 物が適当である。

高発熱量燃料の部分酸化は低発熱量燃料を生成する方法として好ましい。この方 法では、燃焼システムにおいて単一の燃料を使用することができ液体燃料との適 合性がある。したがって、既存の燃焼器に組み込まれる改修システムとして適し ている。部分酸化は、本発明による希薄予混合燃焼システムの概略図である第２ 図を参照することによつてさらに明確に理解できょう。

燃焼システムはバーナー２と部分酸化ステージ４を備えている。

バーナー２はパイロットバーナーを備えた燃料希薄バーナーであればどれでもよ く、これには、１つまたはそれ以上の燃焼ゾーンを備えた従来型もしくは改良型 のバーナーが含まれる。例えば、このバーナーはシーメンスＶ８４．２型バーナ ーでもよい。好ましくは、バーナーは、第２図に示したような希薄予混合バーナ ーである。バーナー２は、燃焼前に燃料と空気を混合する混合室６と、主火炎を 安定させる火炎ホルダー８と、やはり主火炎を安定させるパイロットバーナー１ ０とを備えている。部分酸化ステージ４は酸化触媒１２を含んでいる。酸化触媒 １２は部分酸化反応にともない高発熱量燃料を低発熱量燃料に変換できるもので あればどんな触媒でもよい。

ここでの部分酸化とは、無火炎の急速酸化すなわち、火炎をともなう従来の燃焼 である熱燃焼を維持するために通常必要な温度よりも低く、サーマルＮＯｘの生 成量が満足できる程度に納まるような温度で行われる酸化的熱分解反応を含む。

部分酸化という用語は、酸素量が不十分であって、高発熱量燃料がＣｏ２とＨ， Ｏに完全に変換されるようなことがなく、燃料中に保存されている化学エネルギ ーのすべてが解放されるわけではないということを意味している。触媒としては 、プラチナ、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、パラジウムなどのプラチナ系 金属およびそれらの混合物、酸化クロム、酸化コバルト、アルミナ、ゼオライト が適当である。触媒はアルミナその信置様な基板上に支持することができ、金属 熱交換器面、金属ホイル、金属ハニカム、セラミックハニカム上の粒状物、押出 し成形、被覆など、従来のいかなる形態をとってもよい。触媒としては、プラチ ナ系金属、特に、アルミナ支持上に溶着されたプラチナ−ロジウムが好ましい。

要望に応じて、一つ以上の触媒を級化触媒床に組み込んでもよい。部分酸化ステ ージ４は従来の触媒反応器設計技術にしたがって設計することができる。

燃焼システムが作動されると、主空気流２ｏは第一の空気流２２と第二の空気流 ２４に分流される。主空気流２ｏは酸素含有流であればどんなものでもよい。同 様に、主燃料流２６は第一の燃料流２８と第二の燃料流３０に分流される。主空 気流２ｏと主燃料流２６はいずれも適当な温度と圧力とする。主燃料流２６は０ １〜Ｃ２Ｇの炭化水素、ＣＩ−Ｃ２゜の炭化水素酸化物、およびそれらの混合物 から構成することができる。気体燃料としては、天然ガス、メタン、プロパンが 適当である。液体燃料としては、灯油、Ｎｏ、ｌ暖房油、Ｎｏ、２暖房油、Ｊｅ ｔＡ、ＪｅｔＢ、ＪＰ−４、ＪＰ−５、ＪＰ−７、ＪＰ−８などの従来の航空タ ービン燃料が適当である。液体燃料は、空気との混合前または空気との混合中に 蒸発または霧化されねばならない。燃料を気化または霧化させるためには、当業 界で公知の従来技術を用いることができる。

第一の空気流２２は第一の燃料流２８と混合し、当量比が１以下の第一の燃料／ 空気混合物３２を形成する。当量比は、理論燃料／空気比に対する実際の燃料／ 空気比の割合である。１以上の当量比は燃料過濃状態を示し、１以下の比率は燃 料希薄状態を示す。第一の燃料／空気混合物３２は混合室６に入り、ここで燃料 と空気は主火炎３４内での燃焼前に完全に混合される。

第二の空気流２４は第二の燃料流３０と混合し、当量比が１以上の第二の燃料／ 空気混合物３６を形成する。第二の燃料／空気混合物３６は２以上の当量比、好 ましくは約２．５ないし約８の当量比を有している。当量比が約３ないし約５で あるのがもっとも好ましい。第二の燃料／空気混合物３６は部分酸化ステージ４ に流入し、ここで酸化触媒１２と接触し、発熱反応において部分的に酸化され、 部分酸化生成物流３８を発生する。生成物流３８はＮ２．Ｃｏ５Ｃ０□、Ｎ２０ 、Ｎ２、少量の未反応燃料からなり、他の炭化水素種が含まれることもある。燃 料を部分的に酸化することは、下流側のパイロット火炎内にＣＨＩ成分を生成す るのに用いられる炭化水素燃料の量を低減し、したがって、パイロットバーナー １０内で生成されるプロンプトＮＯ，の量も減少する。実際に生成されるＨ！、 ＣＯおよび未反応炭化水素燃料の量は部分酸化ステージ４内の温度に依存し、こ の温度の範囲は約１５０℃（３００Ｆ）ないし約９８０℃（１８００Ｆ）である 。高温において、平衡生成物の組成の変化により、低温の場合にくらべてより多 くの燃料がＮ２およびＣＯに変換される。燃焼システムを起動したとき、システ ム内で得られる熱が部分酸化反応を始めるためには不十分である場合がある。こ の場合には、抵抗加熱、二次動作流体、もしくは触媒１２の上流側で一時的に火 炎を点火することにより、触媒１２を予熱することができる。あるいは、圧縮機 空気、バーナー排気ガス、または他の熱源を用いて触媒を加熱しながら、主火炎 ３４を点火し、パイロットバーナーを用いずまたは高発熱量燃料を燃焼するパイ ロットバーナーを用いて安定した状態で続行させることができる。

部分酸化は発熱反応であり、この反応で生じる熱は生成物流３８から取り除いて もよい。生成物流３８を冷却するとパイロット火炎の温度が下がり、パイロット 内のサーマルＮｏ工の生成が減少する。

生成物流３８は、部分酸化ステージ４の下流側で、または、部分酸化ステージ４ 自体を冷却することによって冷却される。好ましくは、部分酸化ステージ４の下 流側で生成物流３８から熱を取り除くことで、部分酸化ステージ４をより高温で 作動させるようにする。部分酸化ステージ４をより高温で作動させることは、未 反応燃料、ＣＯ２、Ｈ，Ｏよりも、Ｈ，およびＣＯの生成を増やす方に反応平衡 変化させる。Ｈ！およびＣＯの量が増えると、パイロット中のプロンプトＮ　Ｏ ｘを生成するのに用いられるＣＨ，の量が低減される。生成物流３８は熱伝達手 段１６内の熱伝達流４０を用いて冷却することができるが、この手段は従来のい かなる熱伝達手段でもよい。熱伝達流４０は、生成物流３８を冷却するのに適当 な温度のものであれば、水、空気、またはプロセス流（ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｔｒ ｅａｍ）などのいかなる流れでもよい。生成物流３８から取り出された熱は、周 囲の空気や冷却水システムへ伝達され、あるいは燃焼システムの熱効率を改善す るために燃焼システムに再循環される。例えば、第３図に示されるように、熱伝 達流４０は、加熱流４２を生成するために熱伝達手段１６内で加熱される空気流 である。加熱流４２は混合室６に与えられ、−次空気の一部または全部として用 いられる。あるいは、加熱流４２は、第４図に示されるように、パイロットバー ナー１０の下流側のバーナー２に与えられ、二次空気として用いられる。

部分酸化ステージ４を出て何らかの冷却を経た後、部分酸化生成物流３８はパイ ロットバーナー１０に入り、ここで主火炎３４を安定させるパイロット火炎４４ を形成する。パイロット火炎温度は、サーマルＮ　Ｏｘの生成を最小限にするた めに約１５４０℃（２８００Ｆ）以下にすることが好ましい。

本発明を触媒を用いた部分酸化に関して説明したが、本発明の方法およびシステ ムを非接触部分酸化に適用することもできる。例えば、触媒１２を含む部分酸化 ステージ４を、多孔性のセラミックバーナーまたはセラミック管群などの、非接 触性表面支持燃焼装置に置き換えてもよい。

本発明は、家庭用暖炉、工業用のボイラーおよび炉、ガスタービン燃焼器などの 種々のパイロットバーナーを備えた燃料希薄連続燃焼システムに用いることがで き、従来技術に優るいくつかの利点を提供する。例えば、パイロットバーナー内 で低発熱量燃料を燃焼することにより、すでにＮＯｘの排出量を低減している燃 焼システムからのＮ　Ｏｘ排出を更に低減することができる。この利点は、全て の作動状態にパイロットバーナーを必要とするシステムおよびバーナー負荷調整 （ターンダウン；　ｔｕｒｎｄｏｗｎ）動作中にのみパイロットバーナーを必要 とするシステムにおいて得られる。さらに、低発熱藷−、＝、＝、、、、、ＰＣ Ｔ／ＬＩ５９２１０９８０Ｂフロントページの続き （７２）発明者　シアリー、ダニエル　ジエイ。

アメリカ合衆国、コネチカット　０６０３３゜グラストンベリー、インディアン 　ヒルトレイル　１３２ （７２）発明者　サンジョバンニ、ジョセフ　ジエイ。

アメリカ合衆国、コネチカット、ウエストサフィールド、サウス　ストーン　ス トリート１５０

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．燃料希薄状態で主バーナー内の燃料を燃焼して主火炎を生成し、パイロット バーナー内でパイロット燃料を燃焼して主火炎を安定させる工程を含む、燃焼シ ステム内で炭化水素燃料を燃焼する方法において、 前記パイロットバーナー内で低発熱量燃料を燃焼することにより前記パイロット バーナー内で生成されるＮＯｘの量を抑制するようにしたことを特徴とする方法 。
2. ２．前記低発熱量燃料は酸化された炭化水素、発生炉ガス、合成ガス、一酸化炭 素、水素、およびそれらの混合物からなるグルーブから選択されることを特徴と する請求項１に記載の方法。
3. ３．高発熱量燃料を希釈することにより前記低発熱量燃料を生成する工程をさら に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. ４．前記高発熱量燃料は、空気、窒素、窒素濃厚化空気、二酸化炭素、水、およ び蒸気からなるグループから選択された希釈剤で希釈されることを特徴とする請 求項３に記載の方法。
5. ５．高発熱量燃料の部分酸化により前記低発熱量燃料を生成する工程をさらに含 むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. ６．前記高発熱量燃料はＣ１ないしＣ２０の炭化水素、Ｃ１ないしＣ２０の炭化 水素酸化物、およびこれらの混合物からなるグループから選択されることを特徴 とする請求項５に記載の方法。
7. ７．前記高発熱量燃料は触媒と接触することにより部分酸化されることを特徴と する請求項５または６に記載の方法。
8. ８．前記触媒は、プラチナ、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、パラジウムお よびこれらの混合物、酸化クロム、酸化コバルト、アルミナ、およびゼオライト からなるグループから選択されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. ９．前記高発熱量燃料は、約１５０℃ないし約９８０℃で前記触媒と接触するこ とにより部分酸化されることを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
10. １０．前記低発熱量燃料は前記パイロットバーナー内で燃焼される前に冷却され ることを特徴とする請求項５、６、７、８、または９に記載の方法。
11. １１．冷却によって前記低発熱量燃料から抽出された熱を前記燃焼システムに再 循環させ、前記燃焼システムの熱効率を改善するようにしたことを特徴とする請 求項１０に記載の方法。
12. １２．ＮＯｘ排出を抑制して炭化水素燃料を燃焼するための、主バーナーとパイ ロットバーナーを有する燃焼システムにおいて、（ａ）部分酸化反応において高 発熱量燃料を低発熱量燃料に変換することのできる部分酸化ステージと、（ｂ） 前記パイロットバーナー内で前記低発熱量燃料を燃焼するための手段とを備えた ことを特徴とする燃焼システム。
13. １３．前記部分酸化ステージは、前記高発熱量燃料を低発熱量燃料に部分的に酸 化することのできる触媒を含むことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. １４．前記パイロットバーナー内で燃焼される前に前記低発熱量燃料から熱を取 り除いてこれを冷却することのできる熱伝達手段をさらに備えたことを特徴とす る請求項１２または１３に記載のシステム。
15. １５．前記低発熱量燃料から取り除いた熱を前記燃焼システムに再循環させ、前 記燃焼システムの熱効率を改善するようにしたことを特徴とする請求項１４に記 載のシステム。
16. １６．前記高発熱量燃料はＣ１ないしＣ２０の炭化水素、Ｃ１ないしＣ２０の炭 化水素酸化物、およびそれらの混合物からなるグループから選択されることを特 徴とする請求項１２、１３、１４、または１５のいずれかに記載のシステム。
17. １７．前記触媒は、プラチナ、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、パラジウム およびそれらの混合物、酸化クロム、酸化コバルト、アルミナおよびゼオライト からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１３、１４、１５、ま たは１６のいずれかに記載のシステム。