TWI502155B - 燃燒器的燃燒方法 - Google Patents

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Yasuyuki Yamamoto
Kimio Iino
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Tomoyuki Haneji
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Taiyo Nippon Sanso Corp
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Description

燃燒器的燃燒方法
本發明係關於燃燒器的燃燒方法。
地球環境問題已迫在眉睫的現今，以NOx表示之氮氧化物的削減已成為一項重要課題，且為當務之急。NOx削減方法，與抑制NOx的產生相關之技術乃為重要，可列舉出排氣再循環、稀薄燃燒、濃淡燃燒、多段燃燒等，此等係廣泛應用在工業用至民生用途。藉由應用此等技術之低NOx燃燒器，NOx對策已達某種程度的進展，但仍進一步要求更有效果之NOx降低方法。
以往已不斷進行研究開發之NOx降低方法之一，係有提出一種週期地改變燃料或成為氧化劑之空氣等的流量，而進行一種具時間性的濃淡燃燒之方法(以下稱為強制振動燃燒)(參照專利文獻1至6)。
此等方法，係藉由改變燃料流體或氧化劑流體中的一方、或是改變燃料流體及氧化劑流體兩者之供給流量，來改變燃燒火焰的氧比率(以理論必要氧量除供氧量之值)，並交互形成燃料過濃燃燒及燃料稀薄燃燒來實現燃燒氣體中之NOx的降低。
此外，專利文獻7中，係揭示一種使用純氧作為氧化劑，藉此可應用高濃度時的脈動燃燒，亦即所謂強制振動燃燒之氮氧化物的降低方法以及用以實施該方法之裝置。
一般的加熱爐及熔融爐中，設置有複數個燃燒器，將強制振動燃燒應用在各燃燒器時，若未適當地控制燃燒條件及振動週期，則無法得到大幅的NOx降低效果。
(先前技術文獻) (專利文獻)
(專利文獻1)歐洲發明專利第0046898號說明書
(專利文獻2)美國發明專利第4846665號說明書
(專利文獻3)日本特開平6-213411號公報
(專利文獻4)日本特開2000-171005號公報
(專利文獻5)日本特開2000-1710032號公報
(專利文獻6)日本特開2001-311505號公報
(專利文獻7)日本特開平5-215311號公報
然而，本發明人等為了確認此等先前技術所帶來之NOx降低效果而實施追加試驗，結果得知雖然在上述先前技術的數種中可確認到NOx降低效果，但無法得到具有實用價值之降低效果。
本發明所欲解決之課題，在於提供一種與以往相比可發揮大幅的NOx降低效果，且具有實用價值之燃燒器的燃燒方法及裝置。
為了解決上述課題，本申請案發明人等係對具有實用價值之NOx降低方法進行精心探討。結果發現到，藉由對供給至燃燒器之燃料流體的流量或氧化劑流體的流量中的至少一方引起週期性變化，同時週期地改變氧化劑流體中的氧濃度來構成強制振動燃燒，藉此可較以往更顯現出大幅的NOx降低效果。
亦即，本發明之第1態樣是一種燃燒器的燃燒方法，係在爐中使2台以上的燃燒器相對向地設置來進行燃燒之燃燒器的燃燒方法，其特徵為：供給至各燃燒器之燃料流體或氧化劑流體的流量中，係週期地改變至少一方，並且週期地改變前述氧化劑流體中的氧濃度，藉此週期地改變以理論必要氧量除供氧量之氧比率，而在週期性振動狀態下使前述燃燒器進行燃燒；對於前述燃燒器之振動狀態的週期性變化，係對至少1台燃燒器之振動狀態下的週期性變化、與其他燃燒器之振動狀態的週期性變化設置相位差。
上述第1態樣，較佳是對供給至前述各燃燒器之燃料流體之流量的週期性變化、與前述氧濃度及前述氧比率的週期性變化設置相位差。
上述第1態樣，較佳是前述氧比率的週期性變化之頻率為20Hz以下。
上述第1態樣，較佳是前述氧比率的週期性變化之頻率為0.02Hz以上。
上述第1態樣，較佳是呈週期地變化之前述氧比率的上限與下限之差為0.2以上，1週期中之前述氧比率的平均值為1.0以上。
上述第1態樣，較佳是在全部前述燃燒器中，使氧比率的週期性變化或氧濃度的週期性變化中之至少1種同步來進行燃燒。
上述第1態樣，較佳是相對向地配置之前述燃燒器彼此之振動狀態的週期性變化的相位差為π。
上述第1態樣，較佳係當使用由1台以上的燃燒器所構成之燃燒器陣列來進行燃燒時，於前述爐的側壁配置有2組以上的燃燒器陣列，構成前述各燃燒器陣列之燃燒器之振動狀態的週期性變化、與構成和前述燃燒器陣列相鄰接地配置的燃燒器陣列之燃燒器之振動狀態的週期性變化之相位差為π。
上述第1態樣，較佳係當使用由1台以上的燃燒器所構成之燃燒器陣列來進行燃燒時，使前述爐的側壁相對向，並於一方的側壁配置有n組的燃燒器陣列，構成前述各燃燒器陣列之燃燒器之振動狀態的週期性變化、與構成和前述燃燒器陣列相鄰接地配置的燃燒器陣列之燃燒器之振動狀態的週期性變化之相位差為2π/n。
上述第1態樣，較佳是藉由對至少1台前述燃燒器之振動狀態的週期性變化、與其他燃燒器之振動狀態的週期性變化設置相位差，而使爐內壓力保持為一定。
本發明之第2態樣是一種燃燒器的燃燒裝置，係在爐中將2台以上的燃燒器相對向地設置來進行燃燒者，其特徵為：供給至各燃燒器之燃料流體或氧化劑流體的流量中，係週期地改變至少一方，並且週期地改變前述氧化劑流體中的氧濃度，藉此週期地改變以理論必要氧量除供氧量之氧比率，而在週期性振動狀態下使前述燃燒器進行燃燒；對於前述燃燒器之振動狀態的週期性變化，係對至少1台燃燒器之振動狀態的週期性變化、與其他燃燒器之振動狀態的週期性變化設置相位差。
上述第2態樣，較佳是前述燃燒裝置含有：供給前述燃料之燃料供給配管、供給氧之氧供給配管、及供給空氣之空氣供給配管，並藉由所供給之氧與空氣來形成前述氧化劑；前述燃燒裝置係在各前述配管中，分別具備對所供給之燃料、氧、及空氣的流動施以強制性振動之強制振動手段。
上述第2態樣，較佳於前述爐內配置有掌握前述爐內的環境氣體狀況之偵測器；前述燃燒裝置，較佳係具備：根據由前述偵測器所偵測出之資料，來變更前述燃料流體或前述氧化劑流體的流量、或是前述強制振動的週期之控制系統。
藉由本發明，可得到能夠大幅且確實地降低NOx之燃燒方法。本發明不僅可應用在設計新穎加熱爐之情形，亦可應用在已設置之加熱爐中的燃燒器。
以下使用圖式，詳細地說明運用本發明之一項實施形態之燃燒器的燃燒方法。以下說明中所使用之圖式，為了容易了解特徵，有就簡便上擴大顯示特徵部分之情形，各構成要素的尺寸比率並不限於與實際相同者。
[第1實施形態] ＜燃燒裝置＞
如第1圖及第2圖所示，本發明之第1實施形態所使用之燃燒裝置係具備：爐1、將燃燒火焰3形成於爐1內之燃燒器2、以及將燃料流體及氧化劑流體供給至燃燒器2之各種配管5、6、7、8而構成。
如第1圖所示，爐1可為加熱爐或熔融爐，並具備有在長邊方向上延伸存在且彼此相對向地配置之側壁1a及側壁1b。於側壁1a設置有複數個燃燒器2a，於側壁1b亦設置有複數個燃燒器2b。如此，爐1在長邊方向的兩側壁1a、1b設置有形成燃燒火焰3a、3b之燃燒器2a、2b而成為所謂側燃燒器型的構成。
本實施形態中，設置在側壁1a之燃燒器2a的台數與設置在側壁1b之燃燒器2b的台數雖設為相同，但亦可為不同。
各燃燒器2a、2b，係以從分別設置之側壁1a或側壁1b朝相對向的側壁1b或側壁1a形成燃燒火焰3a、3b之方式來配置。亦即，燃燒器2a朝側壁1b形成燃燒火焰3a，燃燒器2b朝側壁1a形成燃燒火焰3b。燃燒器2a的燃燒火焰3a與燃燒器2b的燃燒火焰3b，於爐1內分別錯開地配置而形成燃燒火焰3。
此外，如後所述，各燃燒器2是在週期性的振動狀態下進行燃燒(強制振動燃燒)，此時振動狀態是以由1台以上的燃燒器2所構成之燃燒器陣列單位來控制。
本實施形態中，藉由設置在側壁1a之全部燃燒器2a來形成燃燒器陣列14a，燃燒器2a的振動狀態被控制為全部相同。此外，藉由設置在側壁1b之全部燃燒器2b來形成燃燒器陣列14b，燃燒器2b的振動狀態亦被控制為全部相同。各燃燒器2的燃燒將於之後詳述。
接著如第2圖所示，於各燃燒器2連結有供給燃料流體之燃料供給配管5與供給氧化劑流體之氧化劑流體供給配管6。此外，氧化劑流體供給配管6係在上游分歧為氧供給配管7與空氣供給配管8而構成。
於燃料供給配管5、氧供給配管7及空氣供給配管8，分別設置有對所供給之流體的流動施以強制性振動之強制振動手段51、71、81。
在此，所謂對流體的流動施以強制性振動，是指週期性地調整流體的流量之意。所謂強制振動手段51、71、81，具體而言，是指包含設置在各供給配管5、7、8之流量調節閥52、72、82以及控制流量調節閥52、72、82之流量計53、73、83之控制單元。
由燃料供給配管5所供給之燃料，只要為適用於燃燒器2的燃料者均可，例如可列舉出液化天然氣(LNG)等。
從氧供給配管7來供給氧，但該氧並不一定須為純氧，可從與後述氧濃度之關係中，選擇適合者。
從空氣供給配管8來供給空氣，但空氣除了從大氣中取得之空氣之外，亦可使用燃燒排氣。使用燃燒排氣時，可將氧濃度降低至未達21%(空氣中的氧濃度)。
此外，為了適時地因應爐1內的狀況，如第12圖所示，於爐1內較佳係配置各種偵測器。亦即，以溫度感測器9來測定爐1內的溫度，並以連續排氣濃度測定裝置11來測定從爐1通過煙道10所排出之排氣(NOx、CO、CO2 、O2 )的濃度。再者，藉由此等偵測器所偵測出之資料，被記錄於資料記錄單元12。較佳係具備控制系統13，該控制系統13可根據該資料來掌握爐1內的環境氣體狀況，而自動地適當變更燃料流體或氧化劑流體的流量、強制振動的週期等。具體而言，控制系統13係透過控制單元14，對從各種配管所供給之流體的流動施以強制性振動，結果可使燃燒器2中之振動燃燒15的振動狀態呈週期地變化。
＜氧化劑流體的流量及氧化劑流體中的氧濃度＞
接著，說明氧化劑流體的流量及氧化劑流體中的氧濃度。以下的說明中，簡便上係以從氧供給配管7、空氣供給配管8及燃料供給配管5分別供給純氧、空氣(氧濃度約21%)及液化天然氣(LNG)者來進行說明。此外，本說明書中所使用之氧濃度的單位是以vol%來表示。
本實施形態中，氧化劑流體是由純氧及空氣所構成。藉由強制振動手段71、81，來控制為使從氧供給配管7所供給之純氧的流量及從空氣供給配管8所供給之空氣的流量中之一方或雙方，以隨時間經過來看呈週期地變化。
純氧的流量及空氣的流量，只要氧化劑流體中的氧濃度呈週期地變化，則可為任意控制方式。此外，純氧的流量及空氣的流量之和(亦即氧化劑流體的流量)可為一定或呈週期地變化。
當將氧化劑流體的流量設為一定時，例如可將純氧的流量及空氣的流量之週期性變化設為同波形、同變動幅度，並將相位差設為π。為此般構成時，純氧的流量及空氣的流量之增減可互相抵消，故可將供給至燃燒器2之氧化劑流體的流量控制為一定。
此外，此時純氧及空氣的流量之最小值，較佳均控制為0。藉由如此控制，可在約21%至100%的範圍內改變氧化劑流體中的氧濃度。
亦即，當氧化劑流體中所佔之純氧的流量為0時，氧化劑流體的氧濃度等同於空氣的氧濃度，氧濃度約為21%。相反的，當氧化劑流體中所佔之空氣的流量為0時，氧化劑流體僅由純氧所構成，氧濃度為100%。
另一方面，當週期地改變氧化劑流體的流量時，例如可一邊以一定量供給空氣，一邊定期地改變純氧的流量。此時，當純氧的流量為最大時，氧化劑流體中的氧濃度為最大，純氧的流量為最小時，氧化劑流體中的氧濃度為最小。
例如，若將純氧的流量之最大值設為與空氣流量相同且將最小值設為0地控制，則氧化劑流體中的氧濃度約在21%至61%的範圍內呈週期地變化。亦即，純氧的流量為最大時，純氧與空氣的流量比為1比1，氧化劑流體中的氧濃度約為61%。此外，純氧的流量為最小時，氧化劑流體僅由空氣所構成，氧濃度約為21%。
以上係說明以空氣的流量為一定並定期地改變純氧的流量之方法，作為週期地改變氧化劑流體的流量之方法，但亦可將純氧的流量設為一定並週期地改變空氣的流量，或是週期地改變兩者的流量。
＜燃料流體的流量＞
燃料流體的流量係當週期地改變氧化劑流體的流量時，可呈一定或是週期地變化。另一方面，當將氧化劑流體的流量設為一定時，係週期地改變燃料流體的流量。
＜氧比率＞
接著說明氧比率。在此所謂氧比率，是指以使供給至燃燒器2之燃料流體燃燒所需的理論必要氧量，除作為氧化劑流體而供給至燃燒器2之供氧量之值。因此，理論上氧比率為1.0的狀態，是指不會在過與不足下使用氧而可進行完全燃燒之狀態。
LNG燃燒時的理論必要氧量，雖會因LNG組成的不同而不同，但以莫耳比計大約為LNG的2.3倍。
本實施形態中，燃料流體或氧化劑流體的流量之至少一方呈週期地變化，並且氧化劑流體中的氧濃度亦呈週期地變化，所以氧比率亦呈週期地變化。
例如，於將氧化劑流體的流量設為一定並週期地改變燃料流體的流量時，若將氧化劑流體的流量設為1，在21%至100%的範圍內週期地改變氧化劑的氧濃度，並在0.05至0.65的範圍內週期地改變燃料流體(LNG)的流量，則氧比率會在0.14至8.7的範圍內呈週期地變化。燃料流體(LNG)的流量Qf [Nm3 /h]、氧化劑流量QO2 [Nm3 /h]、氧化劑流體的氧濃度XO2 [vol%]、氧比率m[-]之關係，係由式(1)表示：
m=QO2 ×XO2 /100)/(Qf ×2.3)‧‧‧(1)
此外，當氧化劑流體的流量呈週期地變化時，可將燃料流體的流量設為一定。此時，若例如在1至2的範圍內改變氧化劑流體的流量，在21%至61%的範圍內改變氧化劑的氧濃度，並以0.3來供給燃料流體(LNG)，則氧比率可在0.3至1.75的範圍內呈週期地變化。燃料流體(LNG)的流量、氧化劑流量、氧化劑流體的氧濃度、氧比率之關係，可由與式(1)相同之式子表示。
當氧比率的週期性變化之頻率較大時，無法充分地得到NOx降低效果，所以較佳為在20Hz以下，尤佳為5Hz以下。相反的，當氧比率的週期性變化之頻率過小時，CO的產生量會增大，所以較佳為在0.02Hz以上，尤佳為0.03Hz以上。
此外，當氧比率的上限與下限之差較小時，無法充分地得到NOx降低效果，所以氧比率的上限與下限之差較佳為0.2以上。
此外，當氧比率的時間平均值(1週期中的平均值)較小時，燃料流體會形成不完全燃燒，所以較佳為1.0以上，尤佳為1.05以上。
如上所述，本實施形態中，係週期地改變燃料流體(LNG)的流量或氧化劑流體的流量之至少一方，及週期地改變氧化劑流體中的氧濃度，而週期地改變氧比率。
此等週期性變化，係藉由改變燃料流體的流量、氧的流量及空氣的流量來控制。例如，當在0.5至1.5的範圍內改變燃料流體的流量，在1.2至1.7的範圍內改變氧的流量，在0至9.2的範圍內改變空氣的流量來供給時，氧比率可在0.5至2.7的範圍內呈週期地變化，氧濃度可在30至100%的範圍內呈週期地變化。
＜燃燒器的燃燒＞
接著說明燃燒器2的燃燒。各燃燒器2係因應所供給之燃料流體的流量、氧化劑流體的流量、及氧化劑流體中的氧濃度之變化，進行時間性的濃淡燃燒，使振動狀態呈週期地變化來進行燃燒。本發明中所謂振動狀態，具體而言係意味著藉由改變燃料或氧化劑之至少一方的流量而使燃燒狀態產生變動者。
本實施形態中，如第1圖所示，於爐1內設置有複數個燃燒器2，並控制為使各燃燒器2之振動狀態的週期性變化(振動週期)、與相對向地配置之燃燒器2的振動週期之相位差成為π。
在此，所謂相對向地配置之燃燒器2，是指設置在相對向的側壁1a、1b之相面對的位置者，惟嚴格來說，並非要求配置在相對向的位置，而是指最接近於相面對的位置之燃燒器2。例如，對燃燒器2a1 而言為相對向之燃燒器2，是指燃燒器2b1 ，對燃燒器2a2 而言為相對向之燃燒器2，是指燃燒器2b2 。
本實施形態中，藉由設置在側壁1a之全部燃燒器2a來形成燃燒器陣列14a，各燃燒器2a之燃料流體的流量、空氣的流量、氧的流量之週期性變化均為同步。此外，藉由設置在側壁1b之全部燃燒器2b來形成燃燒器陣列14b，各燃燒器2b亦均為同步。因此，如第3圖(a)所示，當配置在側壁1a之燃燒器2a的燃燒達到最強時，配置在側壁1b之燃燒器2b的燃燒達到最弱。相反的，如第3圖(b)所示，當配置在側壁1a之燃燒器2a的燃燒達到最弱時，配置在側壁1b之燃燒器2b的燃燒達到最強。
各燃燒器2a，由於燃料流體的流量、空氣的流量、氧的流量之週期性變化均為同步，所以氧比率及氧濃度之週期性變化亦為同步。在此所謂同步，是指波形、頻率、相位為同一，但變動幅度並不一定須為同一。例如，燃燒器2a1 與燃燒器2a2 的變動幅度可為不同。
此外，對於燃燒器2b亦相同，各燃燒器2b的氧比率及氧濃度之週期性變化均為同步，但變動幅度可為不同。
使氧比率同步時，設置在一方的側壁1a、1b之燃燒器2a、2b同時成為氧比率低之條件，所以使氧不足的區域擴展，NOx降低效果增大，故較佳。此外，使氧濃度同步時，設置在一方的側壁1a、1b之燃燒器2a、2b同時成為氧濃度低之條件，所以不會形成局部性高溫區域，NOx降低效果增大，故較佳。
此外，對於燃燒器2a與燃燒器2b之關係，不僅是相位差為π，氧比率或氧濃度之週期性變化中的至少1種，較佳為同一頻率、同一波形。
此外，相對向之燃燒器2彼此，該變動幅度較佳為相同。例如，燃燒器2a1 與燃燒器2b1 ，其氧比率及氧濃度之週期性變化，較佳為同一波形、同一頻率、同一變動幅度且相位差為π而構成。
根據以上所說明之本實施形態之燃燒器的燃燒方法，可大幅且確實地降低NOx的產生量。
亦即，以往的燃燒器的燃燒方法中，僅改變供給至燃燒器2之燃料流體的流量或氧化劑流體的流量中的至少一方，並且僅週期地改變氧比率。相對於此，本實施形態中，係週期地改變燃料流體的流量或氧化劑流體的流量中之至少一方，且同時週期地改變氧化劑流體中的氧濃度。藉此可顯現出較以往更大幅度之NOx降低效果。
此外，對於配置在爐內的複數個燃燒器，當將振動狀態下的週期性變化(振動週期)均設為相同時，雖可得到較大的NOx降低效果，但供給至燃燒器之燃料流體與氧化劑流體的流量亦產生較大變動，故會使爐內壓力的變動增大。相對於此，本實施形態中，對於燃燒器2之振動狀態下的週期性變化，係對至少1個燃燒器2的振動週期與其他燃燒器2的振動週期設置相位差π。藉此，可得到較大的NOx降低效果，並且使供給至爐1內之燃料流體與氧化劑流體的流量變動變得較低，所以可使燃燒器2賦予至爐1之壓力達到均一。
尤其是，藉由將相對向地設置之燃燒器2彼此的相位差設為π，更可得到NOx降低效果，並且使爐1內的壓力達到一定。
此外，本實施形態之燃燒器的燃燒方法，不僅可應用在設計新設的加熱爐之情形，亦可應用在已設置之加熱爐或燃燒爐中的燃燒器。
[第2實施形態]
接著說明運用本發明之第2實施形態之燃燒器的燃燒方法。本實施形態為第1實施形態的變形例，對於同樣的部分係省略該說明。
本實施形態，係對相鄰之燃燒器2的振動週期設置相位差之點，與第1實施形態不同，其他與第1實施形態相同。
如第4圖(a)及第4圖(b)所示，本實施形態中，係於側壁1a及側壁1b分別設置有複數個燃燒器2a及燃燒器2b。各燃燒器2分別僅以1台來形成各燃燒器陣列24。亦即，設置在側壁1a之各燃燒器2a，係分別形成燃燒器陣列24a，設置在側壁1b之各燃燒器2b，分別形成燃燒器陣列24b。
此外，本實施形態中，係控制為使相鄰之燃燒器2的振動週期之相位差成為π。例如，如第4圖(a)所示，燃燒器2a1 的燃燒達到最強時，相鄰配置的燃燒器2a2 與燃燒器2a3 的燃燒達到最弱。相反地，如第4圖(b)所示，燃燒器2a1 的燃燒達到最弱時，相鄰配置的燃燒器2a2 與燃燒器2a3 的燃燒達到最強。
此時，係使各燃燒器2的振動週期與分別相對向之燃燒器2的振動週期之相位差成為π來控制。例如，燃燒器2a1 與和該燃燒器2a1 相對向之燃燒器2b1 的振動週期之相位差為π，燃燒器2a2 與和該燃燒器2a2 相對向之燃燒器2b2 的振動週期之相位差為π。
本實施形態中，與第1實施形態相同，由於週期地改變氧化劑流體中的氧濃度，所以可顯現出較以往更大幅度之NOx降低效果。
此外，係使各燃燒器2的振動週期與分別相鄰之燃燒器2的振動週期之相位差成為π來控制。結果為，可沿著長邊方向，將在高氧比率且為低氧濃度下燃燒之燃燒器2、與低氧比率且為高氧濃度下燃燒之燃燒器2交互地配置。藉此可促進混合，使爐內的溫度分佈達到更均一，藉此更可降低NOx的產生量。此外，更可降低排氣中的CO濃度。
上述實施形態中，係說明燃燒器陣列24由1個燃燒器2所構成之情形，但亦可由複數個燃燒器2所構成。
亦即，如第5圖所示，可於爐1的側壁1a設置複數組之由複數台燃燒器2a所構成的燃燒器陣列34a，且於側壁1b設置複數組之由複數台燃燒器2b所構成的燃燒器陣列34b。此時，只需使構成各燃燒器陣列34之燃燒器2、與構成和前述燃燒器陣列34相鄰的燃燒器陣列34之燃燒器2的振動週期之相位差成為π來控制即可。例如，可將構成燃燒器陣列34a1 之燃燒器2a、與構成燃燒器陣列34a2 與燃燒器陣列34a3 之燃燒器2a的振動週期之相位差設為π。
[第3實施形態]
接著說明運用本發明之第3實施形態之燃燒器的燃燒方法。本實施形態為第1實施形態的變形例，對於同樣的部分係省略該說明。
本實施形態，係對相鄰之燃燒器2的振動週期設置差之點，亦與第1實施形態不同，其他與第1實施形態相同。
亦即，如第6圖所示，本實施形態中，係於爐1的側壁1a及側壁1b分別設置有n台燃燒器2a及燃燒器2b。各燃燒器2分別僅以1台來形成各燃燒器陣列44。亦即，設置在側壁1a之各燃燒器2a，係分別形成燃燒器陣列44a，設置在側壁1b之各燃燒器2b，分別形成燃燒器陣列44b。
此外，本實施形態中，係控制為與相鄰之燃燒器2的振動週期之相位差成為2π/n。例如，於側壁1a設置有4台燃燒器2a時，係使燃燒器2a1 的振動週期與相鄰配置之燃燒器2a2 及燃燒器2a3 的振動週期之相位差成為π/2來控制，並且使燃燒器2a2 的振動週期與燃燒器2a3 的振動週期相位差成為π來控制。
此時，係使各燃燒器2的振動週期與分別相對向之燃燒器2的振動週期之相位差成為π來控制。例如，燃燒器2a1 與和該燃燒器2a1 相對向之燃燒器2b1 的振動週期之相位差為π，燃燒器2a2 與和該燃燒器2a2 相對向之燃燒器2b2 的振動週期之相位差為π。
本實施形態中，亦與第1實施形態相同，由於週期地改變氧化劑流體中的氧濃度，所以可顯現出較以往更大幅度之NOx降低效果。
再者，當配置在爐的側壁之燃燒器2的台數為n台時，係使各燃燒器2的振動週期與分別相鄰之燃燒器的振動週期之相位差成為2π/n來控制。藉此，可將供給至爐1內之燃料流體與氧化劑流體的流量變動抑制較低，所以可更使爐1內的壓力達到均一。
上述實施形態中，與第1實施形態相同，係說明燃燒器陣列44由1個燃燒器2所構成之情形，但亦可由複數個燃燒器2所構成。
亦即，如第7圖所示，可於爐1的側壁1a設置n組之由複數台燃燒器2a所構成的燃燒器陣列54a，於側壁1b亦設置n組之由複數台燃燒器2b所構成的燃燒器陣列54b。此時，只需使構成燃燒器陣列54之燃燒器2、與構成和前述燃燒器陣列54相鄰的燃燒器陣列54之燃燒器2的振動週期之相位差成為2π/n來控制即可。例如於爐1的側壁1a設置4組之由2台燃燒器2a所構成的燃燒器陣列54a時，可將構成燃燒器陣列54a1 之燃燒器2a、與構成燃燒器陣列54a2 與燃燒器陣列54a3 之燃燒器2a的振動週期之相位差設為π/2。
以上係根據實施形態來說明本發明，但本發明並不限定於上述實施形態，在不脫離該要旨之範圍內，當然可進行種種變更。
以下係顯示實施例，來說明將燃料流體設為LNG，以氧濃度99.6%的氧與空氣來形成氧化劑流體，並週期地改變氧比率與氧化劑中的氧濃度來進行強制振動燃燒時之NOx降低效果。本發明並不限定於以下實施例，在不脫離該要旨之範圍內，可實施適當的變更。
[實施例1]
如第3圖所示，實施例1中係使用於爐1內配置有8台燃燒器2之燃燒裝置來進行實驗。具體而言，將全部燃燒器2的氧比率與氧化劑中之氧濃度的波形、變動幅度及頻率設為相同，使氧化劑中的氧濃度在33至100%的範圍內，氧比率在0.5至1.6的範圍內週期地變化，並將頻率均設為0.033Hz。此時，將1週期中之氧化劑中的氧濃度的平均值(時間平均值)設為40%，將氧比率的平均值設為1.05。此外，使氧濃度與氧比率的週期性變化之相位差成為π。
此外，係使設置在側壁1a之燃燒器2的振動週期與設置在側壁1b之燃燒器2的振動週期之相位差成為π。
燃燒排氣中的NOx濃度，係使用抽吸泵浦從煙道連續地抽吸排氣，並使用化學發光型的連續式NOx濃度測定裝置來測定。
於試驗結果的解析時，使用相同裝置來測定出實施以往的氧充足燃燒(常態燃燒)時之燃燒排氣中的NOx濃度，並以該值作為基準值NOx(ref)。
實施例1中，NOx濃度之值為90ppm，NOx(ref)之值為850ppm，與NOx(ref)相比，NOx濃度約減少90%。
為了進行比較，係如以往的強制振動燃燒的方式，將氧濃度固定在40%，僅在0.5至1.6的範圍內週期地改變氧比率，除此之外，其他以與實施例1相同的條件來進行試驗。
比較例1中，NOx濃度之值為410ppm，NOx(ref)之值為850ppm，與NOx(ref)相比，NOx濃度僅停留在約減少50%。
[實施例2]
接著在實施例2中，為了調查燃燒器2的振動頻率之對NOx濃度降低效果之影響，除了頻率以外，其他設為與實施例1相同之條件，並在0.017至100Hz的範圍內改變氧比率與氧化劑中之氧濃度的頻率。此時，氧比率與氧化劑中之氧濃度的頻率為相同。
燃燒排氣中的CO濃度係使用抽吸泵浦從煙道連續地抽吸排氣，並使用紅外線吸收型的連續式CO濃度測定裝置來測定。
第1表及第8圖係顯示NOx濃度的結果，第2表及第9圖係顯示CO濃度的結果。
於CO濃度之試驗結果的解析時，使用相同裝置來測定出實施以往的氧充足燃燒(常態燃燒)時之燃燒排氣中的CO濃度，並以該值作為基準值CO(ref)。此外，第8圖及第9圖中，橫軸表示氧濃度及氧比率的頻率，縱軸表示使用基準值NOx(ref)進行常態化之NOx濃度(NOx/NOx(ref))，或是使用基準值CO(ref)進行常態化之CO濃度(CO/CO(ref))。此外，為了進行比較，係如以往的強制振動燃燒的方式，將氧濃度固定在40%，僅在0.5至1.6的範圍內週期地改變氧比率，該結果係顯示於第1表及第8圖。
從第1表及第8圖中，可得知藉由將頻率設為20Hz以下，有NOx急遽減少之傾向，因此，當氧比率及氧化劑中之氧濃度的週期性變化的頻率為20Hz以下時，更可得到NOx濃度降低效果。
的範圍內時，CO濃度不太受到頻率的影響，尤其在0.02Hz以上時，更不易受到頻率的影響。
[實施例3]
接著在實施例3中，將燃料流量設為一定，來調查氧比率的變動幅度對NOx濃度降低效果造成之影響。具體而言，在30至100%的範圍內週期地改變氧濃度，並改變氧比率的變動範圍來測定NOx濃度。
對於將氧比率的下限設為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5之各情形，係在1.1至7的範圍內改變氧比率的上限，並測定排氣中的NOx濃度。
將氧比率的時間平均值設為1.05，氧化劑流體中的氧濃度設為40%。例如，當氧比率m為0.5至5時，係將m＜1.05之燃燒時間設為較m＞1.05之時間為長，相反的，當氧比率m為0.2至1.2時，係將m＜1.05之燃燒時間調整為較m＞1.05之時間為短。在此，燃料流量為一定且氧比率、氧濃度的平均值為一定，所以某一定時間中所使用之氧量為相同。
第3表及第10圖係顯示NOx濃度的測定結果，第4表及第11圖係顯示CO濃度的測定結果。第10圖及第11圖的橫軸為氧比率的上限值mmax ，縱軸為進行常態化後之NOx濃度或進行常態化後之CO濃度，第3表及第4表之值，為進行常態化後之NOx濃度或進行常態化後之CO濃度。
從第3表、第4表、第10圖、第11圖中，可得知隨著氧比率下限值mmin 的增大，具有NOx濃度增高，CO濃度降低之傾向。
從第3表及第10圖中，可得知mmin =0.5的圖表，隨著mmax 的增大(氧比率的振幅變大)，NOx減少，但在mmax ＞5時，Nox成為一定。此外，mmin =0.3的圖表，NOx濃度較mmin =0.5的圖表更降低，但在mmin =0.2與mmin =0.3時，幾乎不變。
因此，當欲降低NOx濃度與CO濃度兩者時，氧比率的下限值mmin 較佳為0.3以下。
此外，從第4表及第11圖中，可得知隨著氧比率上限值mmax 的增大，CO濃度上升，尤其在mmax ＞6時，CO濃度急遽上升。
因此，本發明中，當欲降低排氣中的NOx濃度與CO濃度時，較佳係在0.3以上6以下的範圍內改變氧比率。
[實施例4]
實施例4中，為了調查氧濃度的變動幅度之影響，係將燃料流量設為一定，並在0.5至1.6的範圍內改變氧比率，並改變氧濃度的變動幅度來調查對NOx排出量之影響。試驗中，將氧濃度下限設為33%，在50至100%的範圍內改變氧濃度的上限值Cmax 。平均的氧比率為1.05，氧化劑中的氧濃度為40%。
此外，將氧比率及氧濃度的頻率設為0.067Hz，將氧比率與氧濃度的週期性變化之相位差設為π。結果如第5表所示。
從第5表中，可得知當增大氧濃度的變動幅度，可得到更大的NOx濃度降低效果。
[實施例5]
接著在實施例5中，如第4圖所示，分別將各燃燒器2的振動週期、與相鄰之燃燒器2的振動週期偏移相位π來進行運轉，並調查此時之NOx濃度降低效果。具體而言，對於全部燃燒器2的氧比率與氧濃度的週期性變化，分別將波形、振動幅度及頻率設為相同，並且每隔1個偏移相位π來進行燃燒。此外，各燃燒器2的振動週期，係設為該相位與設置在相對向的位置之燃燒器2的振動週期偏移π。
此外，使氧化劑中的氧濃度在33至100%的範圍內，氧比率在0.5至1.6的範圍內週期地變化。此時，將時間平均的氧濃度設為40%，將氧比率設為1.05。此外，將氧濃度與氧比率的週期性變化的頻率設為0.033Hz來進行試驗。將氧濃度與氧比率的週期性變化之相位差設為π。
NOx濃度的測定結果如第6表所示。此外，CO濃度的測定結果如第7表所示。
從第6表中，可得知在實施例5中，NOx濃度較實施例1更低。再者，從第7表中，可得知在實施例5中，CO濃度較實施例1更低。
[實施例6]
接著在實施例6中，分別將單側4台燃燒器的相位偏移π/2來進行運轉，並調查此時之NOx濃度降低效果。具體而言，與實施例1相同，將全部燃燒器2的氧比率與氧濃度的波形、變動幅度及頻率設為相同，並如第6圖所示，使分別配置在側壁1a及側壁1b之4台各燃燒器2的振動週期、與分別相鄰之燃燒器2的振動週期之相位差成為π/2之方式進行燃燒。此外，各燃燒器2的振動週期，係設為該相位與設置在相對向的位置之燃燒器2的振動週期偏移π。
測定NOx濃度時，結果為與實施例1同等之NOx/NOx(ref)=0.3。此外，實施例6中，測定爐壓變動幅度時，為±1mmAq以下，可抑制在與常態燃燒時為同等之壓力變動。
(產業上的利用可能性)
可提供一種能夠發揮NOx降低效果且具有實用價值之燃燒器的燃燒方法及裝置。
1．．．爐
1a、1b．．．側壁
2、2a、2a1 、2a2 、2a3 、2b、2b1 、2b2 、2b3 ．．．燃燒器
3、3a、3b．．．燃燒火焰
5．．．燃料供給配管
6．．．氧化劑流體供給配管
7．．．氧供給配管
8．．．空氣供給配管
9．．．溫度感測器
10．．．煙道
11．．．連續排氣濃度測定裝置(NOx、CO、CO2 、O2 )
12．．．資料記錄單元
13．．．控制系統
14．．．控制單元
14a、14b、24、24a、24b、34、34a、34b．．．燃燒器陣列
44、44a、44b、54、54a、54b．．．燃燒器陣列
15．．．振動燃燒
第1圖係顯示本發明之第1實施形態的爐之俯視圖。
第2圖係顯示本發明之第1實施形態中所使用之燃燒器的供給配管之示意圖。
第3圖(a)及第3圖(b)係顯示本發明之第1實施形態的爐之俯視圖。
第4圖(a)及第4圖(b)係顯示本發明之第2實施形態的爐之俯視圖。
第5圖係顯示本發明之第2實施形態的爐之俯視圖。
第6圖係顯示本發明之第3實施形態的爐之俯視圖。
第7圖係顯示本發明之第3實施形態的爐之俯視圖。
第8圖係顯示本發明的一實施例中之頻率與NOx濃度之關係之圖表。
第9圖係顯示本發明的一實施例中之頻率與CO濃度之關係之圖表。
第10圖係顯示本發明的一實施例中之氧比率與NOx濃度之關係之圖表。
第11圖係顯示本發明的一實施例中之氧比率與CO濃度之關係之圖表。
第12圖係顯示本發明的燃燒裝置之俯視圖。
1．．．爐
1a、1b．．．側壁
2、2a、2a1 、2a2 ．．．燃燒器
2b、2b1 、2b2 ．．．燃燒器
3、3a、3b．．．燃燒火焰
14a、14b．．．燃燒器陣列

Claims (13)

  1. 一種燃燒器的燃燒方法，係在爐中將2台以上的燃燒器相對向地設置來進行燃燒之燃燒器的燃燒方法，其特徵為：供給至各燃燒器之燃料流體或氧化劑流體的流量中，係週期地改變至少一方，並且週期地改變前述氧化劑流體中的氧濃度，藉此週期地改變以理論必要氧量除供氧量之氧比率，而在週期性振動狀態下使前述燃燒器進行燃燒；對於前述燃燒器之振動狀態的週期性變化，係對至少1台燃燒器之振動狀態的週期性變化、與其他燃燒器之振動狀態的週期性變化設置相位差。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之燃燒器的燃燒方法，其中，對供給至前述各燃燒器之燃料流體之流量的週期性變化、與前述氧濃度及前述氧比率的週期性變化設置相位差。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之燃燒器的燃燒方法，其中，前述氧比率的週期性變化之頻率為20Hz以下。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之燃燒器的燃燒方法，其中，前述氧比率的週期性變化之頻率為0.02Hz以上。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之燃燒器的燃燒方法，其中，呈週期地變化之前述氧比率的上限與下限之差為0.2以上，且1週期中之前述氧比率的平均值為1.0以上。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述之燃燒器的燃燒方法，其中，在全部前述燃燒器中，係使氧比率的週期性變化或氧濃度的週期性變化中之至少1種同步來進行燃燒。
  7. 如申請專利範圍第1或2項所述之燃燒器的燃燒方法，其中，相對向地配置之前述燃燒器彼此之振動狀態的週期性變化的相位差為π。
  8. 如申請專利範圍第1或2項所述之燃燒器的燃燒方法，其中，當使用由1台以上的燃燒器所構成之燃燒器陣列來進行燃燒時，於前述爐的側壁配置有2組以上的燃燒器陣列，構成前述各燃燒器陣列之燃燒器之振動狀態的週期性變化、與構成和前述燃燒器陣列相鄰地配置的燃燒器陣列之燃燒器之振動狀態的週期性變化之相位差為π。
  9. 如申請專利範圍第1或2項所述之燃燒器的燃燒方法，其中，當使用由1台以上的燃燒器所構成之燃燒器陣列來進行燃燒時，使前述爐的側壁相對向，並於一方的側壁配置有n組的燃燒器陣列，構成前述各燃燒器陣列之燃燒器之振動狀態的週期性變化、與構成和前述燃燒器陣列相鄰地配置的燃燒器陣列之燃燒器之振動狀態的週期性變化之相位差為2 π/n。
  10. 如申請專利範圍第1或2項所述之燃燒器的燃燒方法， 其中，藉由對至少1台前述燃燒器之振動狀態的週期性變化、與其他燃燒器之振動狀態的週期性變化設置相位差，使爐內壓力保持為一定。
  11. 一種燃燒器的燃燒裝置，係在爐中將2台以上的燃燒器相對向地設置來進行燃燒之燃燒器的燃燒裝置，其特徵為：供給至各燃燒器之燃料流體或氧化劑流體的流量中，係週期地改變至少一方，並且週期地改變前述氧化劑流體中的氧濃度，藉此週期地改變以理論必要氧量除供氧量之氧比率，而在週期性振動狀態下使前述燃燒器進行燃燒；對於前述燃燒器之振動狀態的週期性變化，係對至少1台燃燒器之振動狀態的週期性變化、與其他燃燒器之振動狀態的週期性變化設置相位差。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之燃燒器的燃燒裝置，其中，前述燃燒裝置係含有：供給前述燃料之燃料供給配管、供給氧之氧供給配管、及供給空氣之空氣供給配管，並藉由所供給之氧與空氣來形成前述氧化劑；前述燃燒裝置係在各前述配管中，分別具備對所供給之燃料、氧、及空氣的流動施以強制性振動之強制振動手段。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之燃燒器的燃燒裝置，其中，於前述爐內配置有掌握前述爐內的環境氣體狀況之偵測器； 前述燃燒裝置係具備：根據由前述偵測器所偵測出之資料，來變更前述燃料流體或前述氧化劑流體的流量、或是前述強制振動的週期之控制系統。
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