JPS5916163B2 - 超希薄混合気の燃焼方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、予混合気の保炎方法、特に、超希薄混合気の
燃焼を安全に維持する方法に関する。

一般に、燃料ガスと空気でつくられる混合気には可燃限
界が存在する。

このため、混合気中の燃料成分の害拾が低くなり希薄可
燃限界以下になると、安全に燃焼を維持できなくなる。

例えば、炭坑における坑内換気によってもたらされるガ
ス中には燃料成分であるメタンが含まれているにもかか
わらず、それが希薄可燃限界以下であるため無駄に捨て
られることになる。

もし、このメタンを有効に燃焼させることができれば、
炭坑に必要な機械の動力の所要エネルギーを十分にまか
なえるものと言われている。

同様に、製鉄における高炉ガスや石油精製プラントにお
ける排ガスなどにおいても、それらが希薄可燃限界以下
であるために、燃暁させることができずエネルギー源と
して利用できないで無駄に捨てられているものが多い。

他方、これらの可燃相分を含んだ排ガスはそのまま排出
されると大気汚染の原因となる場合が多く、省エネルギ
ーの立場のみからでなく、大気保全の立場からもこれら
の排ガス様のエネルギーを有効に回収することが望まれ
ている。

また、燃焼排出ガスによる大気汚染物質の一つであるＮ
Ｏｘは、燃焼ガス温度が高い程多量に生成されやすいこ
とはよく知られている事実である。

一般に可燃混合気中の燃料成分の割合を理論混合比に比
べて少なくしていくと、燃暁ガス温度は低下する。

従って、燃料成分の割合を十分に少なくして、希薄可燃
限界以下で安定に燃暁させることができれば、燃焼ガス
温度が十分に低くなり、ＮＯは殆ど生成されないことに
なる。

さらにまた、最近になって天燃ガスの輸入や排出ガス汚
染対策などを契機として、家庭用或いは産業用燃焼装置
において、気体燃料を燃料とするガスバーナが使用され
る場合が非常に多くなっている。

これらのガスバーナーは、その使用目的によって構造が
異なり、きわめて多種多様なものが存在するが、大別す
ると、燃焼前にあらかじめ空気と燃料が混合している「
予混合燃焼方式」、空気と燃料が別々に供給され混合し
ながら燃焼する「拡散燃焼方式」の二つがある。

一般に前者は燃焼負荷率を高くとることができ、また温
度制御も容易であるなど後者に比べて、すぐれた性能を
持っているが、予混合気中な火炎が逆火したり爆発を生
じる危険があるため後者はど用いられていない。

しかし、もし希薄可燃限界以下の可燃混合気ヲ安定に燃
焼させることができれば、このような混合気中では逆火
や爆発の恐れが全くないために、予混合燃焼方式によっ
て安全に燃焼させることが可能となる。

以上述べたように、省エネルギー、環境保全、安全のい
ずれの立場からも、希薄可燃限界以下の混合気を安全に
燃焼させるための技術の開発が望まれている。

このため、学問的には可燃限界の存在することの理由は
十分に解消されていないにもかかわらず、最近になって
このような技術に対する関心が高まり、いろいろな工夫
が試みられている。

これまでにも混合気の予熱、熱交換器を用いた熱の再循
環、ラジカルの添加、触媒反応の利用などいくつかの方
法が提案されているが、これらはいずれもそれを実現す
るための装置の構造が複雑となって機能的に使用しにく
いことや、そのために余分のエネルギーが必要となって
かえって経済的に不利となることなどから、十分に成功
した例はない。

従って、本発明の目的は、常温では希薄可燃限界以下の
超希薄混合気を、他から余分なエネルギーを与えること
なく、簡単な装置を用いて未燃混合気温度を増加させ、
連続して安定に燃焼させる方法を提供することである。

希薄可燃限界は未燃混合気の温度の上昇とともに希薄混
合比側に拡がることが知られている。

すなわち、何らかの方法で混合気温度を上げてやれば、
常温では希薄可燃限界以下の混合比の混合気を安定に燃
焼させてやることが可能となる。

本発明は、上述の原理にもとすくものであり、基本的に
は、気体の通過を許す構造体の予混合気を供給すること
により、下流の高温既燃部分から上流の低温未燃部分へ
発生した熱の一部を構造体固体部分を通して循環させる
ことにより、構造体内部で安定に燃焼を維持する方法で
ある。

すなわち、混合気は化学反応を行ないながら構造体中の
空間部分を通って下流方向に進む。

このとき、十分に下流の反応を終了した部分では気体温
度が構造体固体温度より高くなっており、このため気体
から固体に熱が流入する。

流入した熱は熱伝導の良い団体を通って上流に向って流
れろ。

上流部分では、未反応の混合気の温度は固体温度に比べ
て低く、このため固体から気体に向って熱が流れ、これ
によって混合気は予熱され、化学反応を行なわなくとも
温度が上昇することになる。

以上の過程を混合気についてエネルギ一曲ニみろと、ま
ず上流部分では、化学エネルギーを消費しないで熱エネ
ルギーを固体からもらうため、両者の和は最初の未燃混
合気のものより大きくなる。

しかし、下流に進むにつれて化学反応が開始し、化学エ
ネルギーが熱エネルギーに変換されるとともに温度が上
昇し、ついには固体温度より高くなる。

このため、発生した熱エネルギーの一部は、固体に流入
し、十分に下流の最終状態では、化学エネルギーと熱エ
ネルギーの和は最初の未燃混合気のものと等しくなる。

すなわち、普通の火炎の場合と同じく混合気の全エネル
ギーは燃焼前と燃焼後では等しく、単に化学エネルギー
が熱エネルギーに変換されただけである。

一方、固体は下流で気体からもらった熱をそのまま上流
で気体に与えるだけであり、エネルギー的に得も損もな
い。

結局、混合気と固体とを含めた全体の系では、燃焼前後
を通じて全エネルギーが保存され、最終燃焼ガス温度は
、もし外部への熱損失がなければ未燃混合気の組成で決
まる断熱火炎温度となる。

結果的には構造体の存在によって、下流で発生した熱が
熱伝導率の悪い気体をバイパスして熱伝導率の良い固体
を通って上流に運ばれ、上流の混合気に熱を与えること
になる。

このため、他からエネルギーをもらうことなく未燃ガス
温度を上昇させ、これによって希薄可燃限界以下の混合
気でも安定に燃焼させることが可能となる。

以上に提案した方法を実現させるためには次の２つの条
件がみたされていなければならない。

第１は構造体の材料として、高温の酸化性雰囲気にさら
されても腐蝕などを生じないで長時間の使用に耐えて、
しかも熱伝導率の良いものが必要である。

構造体温度は、最終燃焼ガス温度である断熱火炎温度に
ほぼ等しくなるものと考えられる。

ところで、希薄可燃限界における断熱火炎温度は代表的
燃料であるメタンの場合（空気中の濃度５．３係）で１
２００°Ｃ％また水素の場合（空気中の濃度４係）で４
００℃近傍である。

従って熱伝導率が非常に良いことから固体材料として金
属を用いた場合を考えると、白金、ロジウムなどの貴金
属はもとより、ステンレス鋼やニッケルクロム合金でも
十分に間にあうものと考えられる。

第２の条件は、構造体内部において気体を通しての上流
への熱伝導に比べて、固体を通しての熱伝導の方が早く
なるためには、固体と気体との熱のやりとりが十分に早
くなければならない。

このため、構造体内部における気体と固体の接触面積を
十分に大きくする必要がある。

例えば、この構造体として、固体中に流れ方向に小さな
穴をあけたものを用いる場合には、直径の小さな穴を沢
山あけることになり、このときの穴の直径や数は熱伝達
の法則に従って簡単な計算を用いて決めろことになる。

構造体としては上の２つの条件がみたさればよく、従っ
て具体的な形状や材料は、この装置の使用目的や或は他
の条件によって自由に変えることができろ。

例えば、固体として金属を用いた場合様々の耐熱合金の
使用が可能であり、また形状としては上にあげた金属中
に沢山の穴をあける方法、多孔質性の焼結金属を用いる
方法、或は金属線を流れ方向に平行にはりめぐらす方法
などが使用できる。

以上、詳細に説明した本発明の燃焼方法によってもたら
される火炎の性質を超過エンタルピ火炎理論によって解
析した（第１０回流体力学講演集１９７８／１０．ＰＰ
、２４４−２４７）結果、次のことが明らかになった。

まず普通の１次元火炎では火炎を安定に保ち燃焼を維持
させるためには、火炎帯に流入する混合気流量は混合気
の燃焼速度に対応する流量でなければならないのに、提
案された火炎ではそれ以上の流量であれば任意の流量を
流しても火炎を安定に維持することができる。

すなわち、挿入した構造体が保炎器としての役割をはた
すことになり、大流量の混合気ＮＯｘを発生させないで
安定に燃焼させることが可能である。

また、気体と固体の接触面積を変化させることにより、
火炎の性質を変化させることもできる。

このように、混合気流量、構造体の通気性を制御するこ
とにより、個々の燃焼装置の使用目的に応じた設計が可
能となることがわかった。

第１図は本発明の原理を示すもので、１は多数の、Ｊｆ
Ｌ２を穿設したメタルブロック等の構造体、３は超希薄
混合気、４は燃焼火炎を示し、構造体１の固体部分に普
通の火炎帯厚さδに比べて十分小さな直径ｄの／ト孔２
を互いに平行にあげ、この中を可燃性超希薄混合気を流
して反応させる方法である。

この方法では下流の開口において燃焼した高温の気体か
ら構造体１の固体（例えば金属又はセラミック）へ熱が
伝えられ、熱伝導率の高い固体部分を通じて上流側に向
って矢印３′のように熱が流れ、次に上流の気体に固体
から熱が伝わることになる。

これによって上流の低温の気体は反応によって化学エン
タルピを消費することなく熱を得て、この領域に超過エ
ンタルピがもたらされ、反応帯では断熱火炎温度よりも
高い温度ピークが現れることになる。

本発明ではこのような燃焼理論に基いて、超希薄混合気
の燃焼に対する有効性を確かめろために、第２図に示す
超き燃焼器を製作して実験を行った。

第２図において、５は燃焼筒内筒、６は多数の小孔７を
設けたメタルブロック、８はメタルブロックの下流側に
設けたヒータ、９は空気供給口、１０は燃料供給口、１
１は燃焼筒の上流側を仕切った多孔質発泡金属隔壁、１
２は燃焼筒の下流側を仕切った多孔質発泡金属隔壁、１
３Ａ、１３Ｂ。

１３Ｃ，１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆは夫々燃焼筒の上流側
より下流側に至る各部に挿入したサーモカプル、１４は
二重筒にした真空ジャケットを示す。

上述のメタルブロックは本発明の通気性固体構造体の役
割をする最重要部分で、流路全体に流れ方向に平行な多
数の／Ｊ（Ｌ ７がおいており、混合気はこの中を反応
しながら通過するように意図して造られている。

メタルブロック６の／ト孔７を出た所で混合気は燃焼し
、この燃焼ガスは、下流の多孔質発泡金属隔壁１２を通
過した後、内筒５と外筒１４との間の流路１５を通して
上方に流れ出るようになっている。

燃焼筒内筒５の最上部はステンレス製の蓋１６が設けら
れており、これに設けられた空気供給口９より空気が導
入され、燃料供給口１０より供給された燃料と予混合室
１７で予混合して超希薄混合気とする。

燃料としてはメタン使用した。

上述したようにメタルブロックは通気性固体の役割をは
だす部分で、この燃焼器で最も重要な部分である。

メタルブロックの幾何学的形状および材質の決定にあた
っては、通気性固体として要求される以下の条件を考慮
した。

まず、幾何学的形状については次の三つである。

第一に、穴の内径ｄが火炎帯の厚さδに比べて十分小さ
いことが必要である。

これはｄがδにくらべて大きいと上流部分で火炎が高温
の壁付近に形成されて固体から気体への熱の循環が行わ
れなくなると考えられるからで、これを防ぎ固体と気体
との間のスムースな熱交換を生じさせ、流れ方向に一次
的な火炎構造をつくるためである。

第二に、穴の径ｄおよびそのピンチは気体と固体との間
の適切な熱伝達係数が得られるように決定する必要があ
る。

これまでの解析によって、熱伝達係数が太きすぎると気
体の最高温度があまり高くならず、逆に小さすぎると気
体が固体を通過する間に両者の間で十分な熱交換を行う
のに必要な長さが長くなりすぎることが示されている。

このために、解析で得られた適切な無次元熱伝達係数が
実現するようにｄおよびピッチを決めろことにした。

無次元熱伝達係数はヌソセルト数Ｎｕと通気性固体の単
位体積あたりの流路表面積との積によって決まる量で、
Ｎｕはレイノルズ数の関数として層流円管流れに対する
値を用いた。

第三にブロックの有効径が十分大きいことである。

これは、ブロックにおける単位時間の発熱量はその有効
断面積に比例し、一方ブロック表面からの熱損失は温度
が同じとすれば周囲の長さに比例すると考えられるので
、熱損失の影響を相対的に減らすためには有効断面積と
周囲の長さの比を大きくする方が有利なためである。

また材質に関しては、熱伝導率が大きいことにくわえ耐
熱性のあることが要求される。

これは、解析によって理想的なときには固体温度が断熱
火炎温度に近い高温になることが示されているためであ
る。

実験方法は、流量と当量比を変えたときの火炎の安定範
囲および燃焼器内部の温度分布の変化を調べることにし
、以下の方法で実験を行った。

実験は、少量の空気を供給しなからヒータでメタルブロ
ックを加熱することによって開始した。

メタルブロックの温度が約１１００Ｋに達したところで
空気流量を増加して同時にメタンの供給を開始し着火さ
せる。

続いて当量比ψをほぼ希薄可燃限界付近の値に保ちなが
ら流量を増加させて所定の流量と当量比とし、一方ヒー
タの出力を徐々に下げて零とした状態で定常状態に到達
するのを持つ。

火炎の安定範囲を測定する場合は空気流量を一定とし、
メタンの流量を少し減らして当量比を小さくし、その当
量比で定常状態に達することができるかどうかを確認す
る。

この操作を消炎が生じる当量比に到達するまで繰り返す
。

定常状態の判断は、温度記録計で６個の熱電対の出力す
べてが時間的に変動がなくなったとみなされろ時点から
３０分間その状態が持続することを基準とした。

流れ方向の温度分布の測定は二つの場合について行った
。

一つは当量比の影響を、他の一つは流量の影響を調べる
場合である。

測定は、定常状態を確認した後に微動装置に取りつけた
熱電対な移動させ行った。

第３図に迎淀した火炎安定範囲を示す。

横軸は当量比ψを、たて軸はメタン・空気混合気の流量
を表わす。

比較のため図にはメタン・空気混合気に対する普通の希
薄可燃限界のψの値（＝０．５３３）も示しである。

太い実線１８が安定限界で、その右側が火炎が安定に存
在する範囲を、また左側が火炎が存在できない範囲を示
している。

火炎安定範囲は希薄可燃限界よりも希薄側に広がってお
り、測定した流量が大きいほどその広がりは大きくなっ
ている。

火炎安定範囲を求めろ実験では、前述したように空気流
量を一定とし可燃限界付近から少しずつメタンの流量を
少なくしていった。

当量比ψを小さくし限界値に達すると、定常状態に到達
することなく系全体の温度が下がり続け、下流の多孔質
発泡金属円中心での気体の温度がｌ１００Ｋ程度に下る
とこの部分およびメタルブロック下流の気体の温度が急
激に降下し消炎にいたる。

以上のようにして求めた安定限界の再現性は良好であっ
た。

測定によって求めた火炎の安定範囲は通常の希薄可燃限
界よりも希薄側に広がっている。

また、本実験の流量範囲では、流量が大きいほど希薄側
への広がりが太きい。

このような系での安定範囲は主として系外への熱損失に
よって決まるものと考えられる。

この熱損失は系全体の平均の温度によって決まるはずで
あるが、この温度は流量によってほとんど変化しない。

一方、系全体の発熱量は流量に比例して増加する。

このため、流量を増すほど熱損失の効果は相対的に小さ
くなり、その結果安定範囲が希薄側に広がることになる
ものと考えられろ。

メタルブロック下流における最高温度が流量の増加とと
もに増加するもこのことによるものと考えられる。

第４図はメタルブロック６と多孔質発泡金属隔壁との間
の流れ方向温度分布を示す図で、普通の火炎ト（点線）
と本発明による超過エンタルビン火炎（実線図示）との
間の温度分布の比較を示す。

これは本発明によりメタルブロック１の構造体の固体部
で熱だけを循環させろようにすると超過エンタルピ火炎
が生じ、希薄可燃限界を下げた超希薄混合気も安定状態
で燃焼できることが証明された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱循環の原理を説明するための説明図
、第２図は本発明の原理を応用した燃焼器の一例を示す
断面図、第３図は火炎安定範囲を示す特性図、第４図は
混合気の流れ方向の温度分布特性を示す特性図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 気体の通過を許す構造体の一方より他方へ可燃限界
   以下の超希薄予混合気を供給して、該構造体の下流の高
   温既燃部分から上流の低温未燃部分へ発生した熱の一部
   を構造体固体部分を通して循環させることにより、構造
   体内部で可燃限界以下の超希薄混合気を安定に燃焼を維
   持させることを判徴とする超希薄混合気の燃焼方法。