JPS6325242B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体燃料及びガス状燃料の燃焼の分野
に属する。詳細には、本発明は、流出ガス内の
NOXの値を最少に維持するように、バーナーの
設計及び燃料と空気（他の酸化剤を含む）の供給
が別々に制御されうるような燃料燃焼方法に関す
る。

燃料燃焼の分野で既知であるようにバーナーに
よつて行なわれるような燃料の燃焼においては、
普通の方法で行なうと窒素酸化物（NOX）が生
成される。大気中に存在しうるオレフイン系炭化
水素と組合わさつて生成されるようなこのような
窒素酸化物はスモツグの主原因となる。

必ずしも死の原因とはならないが、スモツグは
動物の細胞に潜在的な損傷を与えるものと一般的
に考えられている。そのため、燃料を燃焼させた
結果として大気中へ放出される排煙中のNOXの
量の種々の規制が政府や関係機関により行なわれ
てきた。

先行技術としての代表的なものとしては、米国
特許第4004875号明細書に開示された特許がある。
この特許に係る技術は天然ガス分野における低
NOXバーナーに幅広く応用されてきた。この特
許に基礎をおく多くのバーナーは産業的に使用さ
れ、意図するようにNOXを抑制する。しかし、
この特許に係る先行技術のバーナーは、第１燃焼
室への１次及び２次空気の供給と第１燃焼室の下
流側への追加的な３次空気の供給との間に良好な
バランスが提供されうるように一定の比率での燃
料の燃焼に対して最適の作動が行なわれるもので
あつた。

この従来のバーナーの設計における弱点は、炉
の送風又は燃焼率のある１つの状態でのみしか埋
想の作動が得られないということである。しか
し、デイリープロセスヒータにおける燃焼におい
て典型的にみられるような100％から80％への如
くに燃焼率が大きく変化した場合には、NOXの
抑制が困難である。その理由は、燃焼率が減少す
ると、炉の送風が一定又はほぼ一定であるため、
燃料に対する空気の比率が増加して、３次空気が
送給される前の燃焼区域における化学量論以下の
空気状態がこわされ、その結果最適なNOXの減
少が達成できず、また好ましい過剰空気状態以上
の空気状態になつてしまうからである。

必要なことは、炉の送風が実質上一定に保たれ
ている状態で、燃焼率が変化した場合に、必要な
燃焼状態（条件）への修正を行なう手段をバーナ
ーが備えることである。このような修正が行なわ
れた場合には、NOXの抑制が引続き行なわれ、
大きな熱効率を与えるための最適の過剰空気の状
態が維持される。従来のバーナーにおいては、炉
の送風（炉のドラフト）により流通せしめられる
３次空気をまつたく制御しておらず、１次及び２
次空気もまた制御されずに流れる。

総空気流量は炉のドラフトの平方根に応じて変
化する。従つて、炉のドラフトのある１つの状態
においては、必要な過剰空気及びNOX抑制を与
える燃焼率はたつた１つ（の値）しかない。その
ため空気流量を制御できるようにすれば利益がも
たらされる。自明でないことは、燃焼率が変化せ
しめられた場合に燃料の完全燃焼及び好適な過剰
空気の状態を与えるために、化学量論量以下のガ
スへ３次空気を供給する前に化学量輪以下の燃焼
区域を維持するように空気の供給を比例的に制御
せねばならないということである。このような状
態が維持される場合には、ドラフト及び燃焼率の
任意の状態において最適なNOX抑制が行なわれ、
炉の過剰空気は大きな熱効率にとつて最良の状態
に維持される。このことは、すべての燃焼状態に
おいて最高に保証された作動を与えるように、１
次、２次及び３次空気の制御を比例的にかつ同時
に行なわねばならないということである。

本発明の主な目的は、流出ガス内のNOXの量
が少ない、液体燃料及び（又は）ガス状燃料を燃
焼させる方法を提供することである。

本発明の別の目的は、広い範囲での燃料燃焼率
及びそれに対応する空気供給率に対して低NOX
での燃焼を行なわせるバーナーシステムを提供す
ることである。

バーナーシステムの軸線に沿つて１次バーナー
を通る液体燃料を燃焼させる手段を含む燃料燃焼
システムを提供する本発明により、上述の諸目的
及びその他の目的が達成され、かつ従来技術の欠
点を克服する。ガス状燃料は、液体燃料バーナー
と同軸の円となつてこの液体燃料バーナーの僅か
に下流側に配置された複数個のバーナーヘツドを
備えた２次バーナーシステムを通して燃焼せしめ
られる。ガス状燃料バーナーの近傍へ出るように
１次バーナーシステムを包囲する環状通路を通つ
て流れる２次空気の流量に対するバーナーシステ
ムの軸線に沿つて液体燃料バーナーへ流れ１次燃
焼空間へ流れる１次空気の比率を別々に制御する
手段が設けてある。

１次及び２次バーナーの下流側に１次燃焼室即
ち第１燃焼空間があり、この１次燃焼室内の燃料
への１次空気と２次空気とを一緒にした空気の供
給量は化学量論量以下であり、そのため炎は還元
炎となり、この炎は発生しうるNOX量を減少さ
せると共に１次燃焼室内でのNOXの生成を阻止
する。

別個に制御される３次空気は、１次燃焼室から
出てくる高温不完全燃焼生成物が３次空気の付加
によつて完全に燃焼するように、１次燃焼室の下
流側の空間へ供給される。

総空気量（即ち、１次、２次及び３次空気の
量）に対する１次及び２次空気の比率は、１次燃
焼室が化学量論量以下の空気状態になつて環元雰
囲気を維持するようなものである。３次空気を付
加することにより、総供給空気量は最適の選択さ
れた比率での供給燃料に対して化学量論量以上と
なる。

バーナー分野の特徴は、発熱反応による燃料成
分の酸化に用いる酸素の供給源が空気であり、従
つて使用される空気は燃料酸化剤又は酸素源と考
えることができる。当該技術分野の一般常識とし
て、ごく一般の窒素酸化物は燃料の燃焼による熱
エネルギの生成のための燃料の発熱酸化である燃
焼を「支援」するといわれている。当該技術分野
においては、空気や産業的に製造した窒素酸化物
と空気との混合体のように、ガス状酸化剤源はた
くさんある。窒素酸化物自体を充分量供給して
も、燃焼のための酸化剤源となりうる。燃料燃焼
の結果として最終的に生成されるガス内のNOX
の量を減少させる目的で、空気、又は空気と窒素
酸化物との混合体、又は窒素酸化物のいずれかを
使用することは燃料燃焼装置の使用範囲にあると
いえる。

従来のものにおいては、燃料の総供給量を変え
たために総供給量が変わつた場合でさえ一定の比
率が得られるように３次空気又は酸化剤に対する
１次と２次の合計空気又は酸化剤の量との比を制
御するための手段が設けられていた。しかし、１
次及び２次空気又は酸化剤が１次燃焼室へ流入す
るときに１次空気又は酸化剤と２次空気又は酸化
剤との相対流量を制御することも重要であること
が判つた。その理由は、このような制御を行なう
と、燃焼工程におけるNOXの総生成量に対して
顕著な効果を与えるからである。

本発明の一実施例において、３次空気又は酸化
剤に関する１次及び２次空気又は酸化剤の制御は
２つの燃焼空気又は酸化剤プレナム室を提供する
ことにより行なわれる。第１プレナム室は流量制
御手段を通つてくる１次空気又は酸化剤を受入れ
る。第１プレナム室から流出する空気又は酸化剤
は少なくとも２つの開口を通るが、これら開口の
１つは２次バーナーに通じていてこの開口を通る
流れは２次空気又は酸化剤となり、また１次バー
ナーに通じている他方の開口を通る流れは１次空
気又は酸化剤となる。２次空気又は酸化剤に対す
る１次空気又は酸化剤の比率は、所望の比率が得
られるように前記２つの開口の少なくとも１方の
開口の寸法を制御することにより行なわれ、一方
１次及び２次空気又は酸化剤の総流量は普通の流
量制御手段により制御される。

第２プレナム室は第１プレナム室の下流側に位
置し単一の出口を有する。この出口は１次燃焼室
の下流側にある２次燃焼空間へ３次空気又は酸化
剤を供給する。１次燃焼室内は化学量論以下の空
気又は酸化剤の状態にある。３次空気又は酸化剤
を付加することにより、この状態が変化して化学
量輪以上の空気又は酸化剤の状態となり２次燃焼
空間では完全燃焼が行なわれる。第２プレナム室
への空気又は酸化剤の流れも調節弁装置等の流量
制御手段により制御される。

第１及び第２プレナム室への空気又は酸化剤の
流れは、強制送風（ドラフト）により、又は高圧
から大気圧へ下がるようなノズルを通してのガス
状又は（及び）液体燃料の流れにより誘発される
吸気作用の制御により、行なわれ、それによつて
１次及び２次の合計燃焼空気又は酸化剤が誘起さ
れる。このような状態の下で３次空気又は酸化剤
は、炉内の圧力状態が大気圧以下であるために炉
の送風（ドラフト）により誘起される。しかし、
第１及び第２プレナム室へ通じる流量制御手段の
下流側に設けたブロワによる強制送風とすること
も可能である。

円形の体積をしている第１及び第２プレナム室
への燃焼空気又は酸化剤の流れは、所望に応じて
右回り又は左回りの方向の流れを提供できる接線
方向の管又は半径方向の管を通る。このように空
気又は酸化剤の流れの制御は、NOXの生成に対
して最少の効果しか与えずに炎の大きさや形状の
制御に対して補助を与える。NOXの生成は、原
理的には、第１、第２及び第３空気又は酸化剤の
相対量に依存する。これら３種の空気又は酸化剤
のそれぞれの流れを独立に制御する手段が設けて
ある。燃焼室内で形成されうるNOX量を減少さ
せるため、再生作用により、水が余分量の一酸化
炭素及び水素を提供するように、ガス状又は液体
状となつた水を第１プレナム室へ導入する手段を
も設けることができる。

ここで、図面特にその第１図を参照すると、こ
の第１図には本発明の一実施例が示してある。こ
の実施例は、流出ガス内におけるNOXを最少に
維持するために、１次、２次及び３次空気の独立
の制御を伴なう炉内での液体燃料及びガス状燃料
のためのバーナーシステム１０である。

バーナー装置自体はその全体を１２にて示す。
液体バーナー装置１４はバーナーシステム１０の
軸線上に位置している。複数個のガスバーナー素
子はマニホールド１６を介して気体即ちガス状燃
料源に接続してあり、このマニホールドはガス状
燃料の燃焼を行なわせ、便宜上２次バーナーとし
て示してあり、液体バーナー装置は１次バーナー
である。

円筒状の壁５６は１次バーナー即ち液体燃料バ
ーナーの区域と２次バーナー即ちガス状燃料バー
ナーの区域とを分けている。全体を１８にて示す
第１のプレナム室即ち充満室は１次バーナーを包
囲しており、管２６を通して矢印６６の方向から
１次空気と２次空気との混合空気を供給される。
シヤフト３４のまわりに回転可能に設けたスロツ
トル弁即ち調整弁装置３０が管２６を通つて第１
プレナム室の内部空間２０へ入る空気の全流量を
制御する。

液体バーナー装置１４は内部のバーナー管４８
を有し、この管を通つて加圧された液体燃料が流
れる。バーナー管４８の下流側端部には複数個の
オリフイス即ち液体燃料ノズルを具備したバーナ
ーヘツド９４が設けてあり、これらのオリフイス
を通つて液体燃料が円すい壁の形をしたジエツト
即ち噴流５０となつて流出する。１次バーナー即
ち液体バーナーのバーナーヘツドを包囲している
小さな室９２内で液体燃料の燃焼が始まる。この
室９２の壁は耐火タイル９０でライニング（裏張
り）されており、この耐火タイルは前記円筒状の
壁即ちスチール製円筒形室５６及び防火壁５４に
より支持されており、この防火壁は１次バーナー
を包囲する中央開口９３を有し、そのため１次空
気は矢印５２の方向へ流れることができる。

室９２の下流側には１次燃焼室即ち第１燃焼空
間８０が位置し、この室は耐火タイル壁即ち耐火
材８８を有する。壁５６とタイル壁８８との間に
第１の環状空間９１が形成され、この空間を通つ
て２次空気が矢印６３の方向へ流れる。

第１プレナム室の内部空間２０からの出口路は
少なくとも２つ存在する。第１の出口路は前記の
環状空間９１であり、第２の出口路は１次バーナ
と２次バーナとを分けている壁５６を貫通して設
けた対をなす開口６０である。

壁５６を包囲しているスチール製スリーブ５８
は壁５６に設けた開口６０とほぼ同じ形状及び寸
法の開口を有し、そのためハンドル２９を用いて
スリーブ５８を回転させて壁５６とスリーブの開
口を整合させれば、内部空間２０からの空気は開
口６０を通つて矢印６５の方向へ流れ壁即ちシリ
ンダ５６の内部の空間５１内へ流入できる。従つ
て、第１プレナム室の内部空間２０からの２つの
別個の独立した空気の流れが存在する。第１の空
気の流れは、矢印６３により示すように、空間
（通路）９１を通つて１次燃焼室８０まで至るも
のである。第２の空気の流れは、必要ならハンド
ル２９によりスリーブ５８を回転させることによ
つて全開位置から全閉位置までの任意の位置をと
ることのできる制御開口６０を通るものである。
従つて、矢印６５の方向から空間即ち第１燃焼空
気室５１へ流入する空気の量を制御して中央開口
９３を通つて矢印５２の方向へ流れる空気量を調
整すれば、室９２内で噴流５０の形となつた液体
燃料と混合してその燃料を燃焼させるための適量
の酸素を供給することができる。もちろん、燃焼
用の燃料は下流側へ動いて１次燃焼室８０へ至
る。室９２は１次燃焼室８０の上流側にある予燃
焼空間として考えることができる。

燃焼室８０内には、複数個のオリフイス即ち気
体燃料ノズルを有するバーナーヘツド４４からガ
ス状噴流即ちガスジエツト状となつた気体燃料４
６も供給される。これらの噴流気体燃料４６は矢
印６３の方向からの２次空気と混合され、液体燃
料の噴流５０と組合わされて又は噴流５０の代り
に燃焼する。

第１プレナム室の内部空間２０からそれぞれ矢
印６５，６３の方向を通つて供給される１次空気
即ち第１燃焼空気と２次空気即ち第２燃焼空気の
合計量は、全体として、燃料内における可燃物を
完全燃焼させるための化学量論量以下である。こ
の化学量論以下の空気流量は窒素酸化物の形成を
排除するような還元雰囲気を燃焼室８０内に生じ
させる。

第２プレナム室２２は環状の空間２４を有し、
この空間は管２８に通じている。矢印６８の方向
からくる３次空気は横方向のシヤフト３６のまわ
りで回転する調節弁装置３２により制御される。
もちろん、調節弁装置の代りに他の空気制御手段
を用いてもよい。プレナム室２２からの３次空気
はタイル８８及び壁６４の外側しかも第２タイル
８４の内側にある環状空間８６を通つて矢印７０
の方向に流れる。この３次空気即ち第３燃焼空気
は環状空間（通路）８６を通つて炉壁内の空間８
２へ流れ、すべての可燃物が燃焼できるように追
加の酸素を提供する役目を果す。

繰返し説明すると、バーナーシステムの支持板
４０に支持された管５３を通して挿入された１次
バーナーヘツド９４が設けてある。液体燃料は加
圧された状態で管４８を通して供給され、液体燃
料の微小粒子の高速ジエツトの形としてバーナー
ヘツド９４のノズルから噴出され、２次燃焼室９
２を通つて１次燃焼室８０へ流入する。第２バー
ナーは１次燃焼室８０内へガスの高速ジエツトの
気体燃料４６を直接提供するバーナーヘツド４４
を有する複数個のガスバーナー管４２を具備した
マニホールド１６を備えている。１次及び２次空
気は管２６を通つて矢印６６の方向から内部空間
２０を有する第１プレナム室１８へ供給される。
この１次及び２次空気は２つの径路を通つて下流
側へ流れる。即ち、１方は環状空間９１を通つて
ガスバーナーヘツド４４の近傍へ至り噴出してい
る気体燃料４６内へ進む。他方の空気（１次空
気）は、壁５６及びスリーブ５８に設けた開口６
０（開口の開度面積は壁５６のまわりでスリーブ
５８を回転させることにより制御される）を通つ
て矢印６５の方向へ流れる。この１次空気は次い
で矢印５２の方向へ流れて板５４の開口９３を通
り液体燃料のための１次空気となる。調節弁装置
３０が１次及び２次空気の総流量を一旦設定して
しまつたのちには、矢印６３及び６５の方向への
空気の相対流量は１次空気のための開口６０の総
開度面積に依存すること明らかである。従つて、
調節弁装置３０の制御による１次及び２次空気の
総流量とは独立に、１次及び２次空気の相対流量
についての幅広い範囲の制御が得られる。

矢印６５，６３の方向へ流れる１次及び２次空
気の総流量は、NOXの形成を排除すべく、１次
燃焼室８０内を還元雰囲気にするように、化学量
論以下である。これらの高温ガスは次いで下流側
へ流れて壁７６の内側の炉内の空間８２へ至り、
この空間内で、還元ガスは次いで３次空気と遭遇
して燃焼を続けるが低温燃焼である。

矢印６６，６８からの総空気量は、バーナーヘ
ツド４４及び（又は）ヘツド９４により供給され
る燃料量の燃焼に必要な化学量論量より多量の燃
料燃焼用酸素を提供する。空気又は適当な燃料酸
化剤が矢印６６，６８の方から供給される。これ
らの空気等は共通の供給源から来る必要は必ずし
もなく、また同じ圧力及び組成である必要もない
ので、選択した量及び体積の空気又は酸化剤が付
加することにより１次燃焼室８０の下流側の可燃
物を完全燃焼させるための可燃物含有ガスが下流
側へ動き室８２へ入る際にこのガスが１次燃焼室
８０内のガスと遭遇したときにNOXの生成を阻
止すべく、燃焼室８０内に還元状態を維持させる
ため、これら６６，６８からくるそれぞれの空気
のための別個の流量制御手段（６６，６８に対し
てそれぞれ３０，３２にて図示したもの）を設け
る必要がある。含有酸素量が全体として、燃焼し
ている燃料のための化学量論量よりも、所定の
（選択された）量だけ多ければ、酸化剤は空気で
もよいし、また空気と産業的に製造した窒素酸化
物との混合体でもよい。

８２にて示す１次燃焼室８０の下流側区域を除
いた炉の空間７８は２次燃焼区域として考えられ
る。炉壁７６は適当なセラミツク又は耐火構造の
ものであつて、外側の保護スチール板７２が設け
てあり、当業界で既知の手段７４によりこの板７
２にバーナーシステムが取付けてある。

周知のように、１次燃焼室８０内の還元雰囲気
においては、燃料の不完全燃焼が行なわれ、それ
故一酸化炭素、水素その他の可燃物が存在する。
また、周知のように、蒸気又は微小粒子の形をし
た水を１及び２次燃焼空気内へ導入すると１次燃
焼室８０に付加的な（即ち余分な）量の一酸化炭
素及び水素が発生し、これらは生成されるNOX
の量に関して有効な効果を与える。１次及び２次
空気の流れ６５，６３内における水又は水蒸気の
存在を実施例において図示しなかつたが、流出ガ
ス内のNOXの減少に対して大きな効果を与える
ものとして第１プレナム室内にこのような水又は
水蒸気を提供することができる。

従来技術よりも優る本発明の主な改良点は、１
次空気流と２次空気流とを互に分離し又３次空気
流からも分離したこと、及びこれら３つの空気流
のそれぞれの流量を他の２つの空気の流量に対し
て所定の比率をもつように個々に制御する手段を
設けたことである。

これを遂行する１つの方法は、１つの管を通る
１次及び２次空気と１つの制御手段３０とを組合
わせ、そして第２の管を通る３次空気と別の制御
手段３２とを組合わせ、それによつて１次及び２
次空気と３次空気との間の比率を所望の値に維持
したまま総流量を変えられるようにすることであ
る。しかし、この実施例においては、１次及び２
次空気の総流量に対して、１次及び２次空気の量
を相対的に制御する付加的な手段をも設けた。こ
のような個々の制御は、第１図に示す実施例のも
のの変形例であるような、例えばそれぞれが別個
の調節弁装置を備えた（管２６，２８の如き）３
つの別個の管（図示せず）を設けることによつて
も、行なうことができる。

第２，３図は本発明のバーナー配置関係を一層
明りようにするために示したものである。第２図
は炉の内部から見た平面図で、例えば、中央タイ
ル９０、内側タイル８８、外側タイル８４、バー
ナーシステムの軸線に沿つた１次液体バーナーヘ
ツド９４及びバーナーヘツド４４とオリフイスと
を有する複数個の２次ガス状燃料バーナーを示
す。

第３図は外側から見た炉の平面図で、マニホー
ルドへのガスは管５５を通つて矢印５７の方向か
ら供給される。

第３図には２６の如き空気供給管が示され、管
５６はこの管２６の下側に隠れている。これらの
管は図示のように半径方向へ延びていてもよい
し、また管が炎の寸法の制御に有益を与えるよう
空気を送れるようにプレナム室に対して接線方向
に延びていてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す水平断面図。
第２図は炉の内側から見た平面図。第３図は炉の
外側から見た平面図である。 １４：液体バーナー装置、１６：マニホール
ド、１８，２２：プレナム室、３０，３２：調節
弁装置、４４，９４：バーナーヘツド、５６：円
筒壁、５８：スリーブ、６０：開口、８０：１次
燃焼室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炉開口内に位置づけられかつ可変量の燃料が
   供給されるバーナ１０へ対する燃焼空気の量を制
   御してNOxの発生を最小限に抑える燃料燃焼方
   法であつて： 耐火材８８を裏張りした第１燃焼空間８０にし
   て、内部に液体燃料ノズルを有している予燃焼空
   間９２を中央に位置づけて有している開口を備え
   ている第１燃焼空間８０を提供すること、 前記液体燃料ノズル周囲において該ノズルと共
   軸上に配設されている複数の気体燃料ノズル４４
   を介して気体燃料源１６から第１燃焼空間８０内
   へ気体燃料４６を送給すること、 前記液体燃料ノズルを取囲んでいる第１燃焼空
   気室５１を介して前記予燃焼空間９２内へ第１燃
   焼空気６５を導入すること、 前記第１燃焼空間８０の開口と、前記予燃焼空
   間９２と、の間に形成されている第１環状空間９
   １内へ第２空気を供給すること、該第１空気及び
   第２空気が全て単一の制御可能な空気源から供給
   された後に該第１空気及び第２空気を夫々第１空
   気部分及び第２空気部分へ分別すること、 独立した制御可能な空気源から、前記第１燃焼
   空間と前記炉開口との間の第２環状空間を介して
   前記第１燃焼空間のすぐ下流点まで、第３空気を
   供給すること、 発生した燃料・空気から成る燃焼混合体を点火
   すること、 から成り、 液体燃料のタイプ及び量の関数として予燃焼空
   間内へ送給される第１空気の量を制御するように
   第１空気及び第２空気の単一の制御可能な空気源
   を分断制御することによつて第１燃焼空間内の液
   体燃料及び気体燃料を化学量論量以下の空気量で
   もつて燃焼すること、 同時に第３空気の供給量を制御して第１燃焼空
   間の下流における合計空気量が前記液体燃料及び
   気体燃料を燃焼するために必要な化学量論量以上
   になるようにすること、 を特徴とする燃料燃焼方法。