JP2693101B2 - 燃焼中に発生する窒素酸化物発生量の低減法 - Google Patents

燃焼中に発生する窒素酸化物発生量の低減法

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JP2693101B2
JP2693101B2 JP5040555A JP4055593A JP2693101B2 JP 2693101 B2 JP2693101 B2 JP 2693101B2 JP 5040555 A JP5040555 A JP 5040555A JP 4055593 A JP4055593 A JP 4055593A JP 2693101 B2 JP2693101 B2 JP 2693101B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は空気燃料燃焼方法に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】大多数の燃焼方法は、燃料たとえば天然
ガス、プロパン、廃油、他の炭化水素その他同種類のも
のとの燃焼における酸化剤として空気を用いる。多数の
空気・燃料燃焼方法の実施が、燃焼空気を酸素で濃縮す
ることで改良できる。燃焼空気の濃縮は火炎温度と熱効
率の双方を増加させるが、煙道ガスは空気又は酸化剤の
酸素濃度が低下するに従って減少する。高純度酸素の濃
縮費用は強化燃焼による生産性の増加により相殺でき
る。酸化剤に含まれる最高３５％の全酸素量の低いレベ
ルの濃縮は、既存の空気・燃料装置にわずかな改良を施
してほぼ改装できる。
【０００３】最近、燃焼方法の環境に及ぼす影響に対し
非常な注目を集めてきた。
【０００４】燃焼における低いレベルの酸素濃縮がＮＯ
ｘ排出の劇的な増加を来たす。工業燃焼法では９０％以
上のＮＯｘ排出が酸化窒素もしくはＮＯの形である。
又、高レベルの酸素濃縮たとえば酸化剤に含まれた約９
０％以上の全酸素量では、ＮＯｘは同一燃焼速度の空気
を用いるより少い量が産出される。しかし、高いレベル
の酸素濃縮は所定の方法では経済的でなく、実際には材
料上の問題も生ずる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来、ＮＯｘ排出量の
削減には２つの戦略が用いられてきた。第１の方法は前
記ＮＯｘを排気ガスから除去してから大気に放出させる
ことである。燃焼工程からの排出ガスの後処理は選択触
媒もしくは非触媒と、酸化、吸着および還元工程の種々
の組合わせで実施して、ＮＯｘを洗浄する。これらの工
程は一般に、高い費用と、後処理装置の故障の場合、燃
焼工程を停止する必要が起こる。第２の方法又は戦略は
最初の場所に形成されるＮＯｘを何かの方法で燃焼方法
を改良して最少限に止めることである。この第２の戦略
の実施例は、火炎への水又は水蒸気の注入、燃焼工程に
おける過剰空気の低減、およびいわゆる低ＮＯｘバーナ
ー設計を含む。これらの技術は使用者に熱効率の低下、
さもなければ最低限のＮＯｘの減少だけという不便を与
える。
【０００６】本発明は、酸素と燃料の混合物の燃焼（オ
キシ・燃料燃焼）を既存の空気・燃料装置に用いて生産
性を向上させながらＮＯｘの形成を最少限に抑える方法
の提供にある。前記オキシ・燃料燃焼を空気・燃料燃焼
により保護し、オキシ・燃料燃焼を制御して燃焼が濃厚
燃料状態で行われるようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、（ａ）空気・
燃料混合物の燃焼炎の内側でそれと同心的にオキシ・燃
料混合物の燃焼を行って、空気・燃料混合物の燃焼炎に
よりオキシ・燃料混合物の燃焼炎を窒素から遮蔽して燃
焼を行うこと、および（ｂ）前記燃焼中を通して前記オ
キシ・燃料混合物の当量比（燃焼の化学量論的酸素／燃
料比を前記オキシ・燃料混合物の酸素／燃料比で割った
値）が１．２〜１．３５の富燃料条件に維持することを
特徴とする空気・燃料混合物の燃焼中の窒素酸化物発生
量を低減する方法を要旨とするものである。
【０００８】
【作用】上述の酸素富化を燃焼に使用する場合の問題は
ＮＯｘ排出量の劇的な増加にある。大抵の工業燃焼方法
では、９０％以上のＮＯｘ排出量が酸化窒素もしくはＮ
Ｏの形で起こる。図１は断熱的、化学量論的なメタン火
炎の、酸素・窒素酸化剤たとえば空気中の酸素濃度の関
数としての、ＮＯの平衡による予測を示す。酸化窒素又
はＮＯの単位は燃料の１００万ＢＴＵ総燃焼速度当りＮ
Ｏのポンド数である。図１は、ＮＯが低レベルの酸素の
濃度で劇的に増加することを示し、その傾向が通常の空
気・燃料バーナーの濃度を用いて行われる数々の試験で
実験的に立証された。経済性、方法の研究や材料の制限
が高レベルの酸素濃度を同一の燃焼速度の空気よりもＮ
Ｏｘの排出量を少くするとしても、さらにたびたびそれ
を実用性のないものにしている。本発明に従うと、この
方法は、酸素・燃料バーナーを既存の空気・燃料装置に
取りつけて改造して、生産性を増大させながら、ＮＯｘ
の形成を最少限に抑えることで、最も簡単に達成でき
る。図２に示されるように、１０で全体的に示される複
式燃料空気・燃料バーナーは管形状をした１番目の噴霧
空気通路が備わり、さらにそれに、燃料入口１８の付属
した燃料管１６と同軸に、前記１番目の空気管の回りに
配置された空気入口取付部品１４が備わる。前記燃料管
１６にはその前端に、燃焼空気入口通路２２の備わる主
燃焼空気入口管２０が決まる同軸管を回りに囲繞させて
設ける。前記バーナー１０の前端には、バーナータイル
２６が備わるバーナー取付けフランジ２４があって、前
記バーナータイルはセラミック材料で２次加工されてい
る。前記主燃焼空気通路２０の前端は、前記噴霧空気通
路３４の環状末端の回りに配置された環の形状をした燃
料通路３２の長手方向軸に平行の軸上に配置された複数
の空気通路３２が備わる板２８となって終っている。３
６で全体として示されたオキシ・燃料バーナーを前記空
気通路１２の内部に同軸に配置する。前記オキシ・燃料
バーナー３６は内側管４０の回りに同軸配置された外側
管３８が備わる同軸管バーナーである。前記内側管を前
記バーナーの前端４４に隣接する複数の半径方向離間間
座４２の分だけ前記外側管より離間させて設ける。前記
オキシ・燃料バーナーは、１実施例では、燃料が取付部
品４６を通って入り、前記内側管４０の外側に案内され
てバーナー４４の前端で流出するようになっている。酸
素を酸化剤管の中心まで酸化剤入口取付部品４８により
導入する。前記酸化剤管４０は前記バーナー３６の排出
端の内側にある場所で終り、前記オキシ・燃料の適当な
燃焼を行わせる。別の例として、酸素と燃料の通過を逆
にできる。同軸オキシ・燃料バーナーは技術上周知であ
り、その１つは、本出願人の販売にかかるＫ−テック
（Ｋ−Ｔｅｃｋ）バーナーである。
【０００９】操作中、天然ガスを取付部品１８を通って
送出されるように前記バーナー１０を設定し、又燃焼が
前記オキシ・燃料バーナー３６の前端の前で行われるよ
う１次燃焼空気を取付部品２２を通して送出する。オキ
シ・燃料バーナーを用いてオキシ・燃料火炎又は燃焼を
バーナー３６の前端４４で酸素を取付部品４６に導入、
又燃焼たとえば天然ガスを取付部品４８に導入すること
で発生させる。ＮＯｘの発生を最少限に止めるため、前
記オキシ・燃料バーナーを富燃料状態で運転する。富燃
料（濃厚燃料）の意味は、オキシ・燃料バーナーを化学
量論条件下で運転する場合のオキシ・燃料バーナーにお
ける酸素対燃料の比を実際のオキシ・燃料バーナーにお
ける酸素対燃料の比で割る時の比（当量比）を１．２か
ら１．３５（好ましくは１．２〜約１．３３）にするこ
とである。そのうえ、オキシ・燃料火炎を空気燃料火炎
でおおうように運転を行うことである。図２の装置で
は、これを、前記オキシ・燃料バーナーを前記空気燃料
バーナーの内側に置いて、前記オキシ・燃料燃焼が前記
空気燃料燃焼のエンベロープの内側で行われるようにす
ることで容易に達成される。その他の構成が、オキシ・
燃料火炎が空気・燃料火炎と分離している場合、前記２
つの火炎の発炎の後、合流する場合を除き、利用でき
る。
【００１０】
【実施例】説明として、富燃料火炎で運転すると、火炎
温度の低下と利用可能な酸素ラジカルの量の減少のため
にＮＯｘの発生を減少させる。燃料を完全に酸化させる
だけの十分な酸素がないため、最高火炎温度は決して達
成されない。そのうえ、熱力学的には、酸素が炭素と水
素に選択的に結合してから窒素と結合して窒素酸化物を
形成する。しかし、未燃焼炭化水素排出量が富燃料条件
で増加する。この条件は環境的には受入れられないもの
で、燃焼工程の全熱効率が低下する。
【００１１】図２の構成で行われる実際試験は、高純度
酸素（たとえば９９％Ｏ２）を前記オキシ・燃料バーナ
ーで用い、容量比で９５％以上のメタンと０．３２％以
上の窒素を含む天然ガスを燃料に用いた。図３に示すよ
うに、Ｘ軸はオキシ・燃料燃焼を追加してどのような量
の全燃焼速度が出せるかを示す。たとえば、５０％のオ
キシ・燃料で、全燃焼速度の半分がオキシ・燃料・残り
半分が空気燃料であった。オキシ・燃料バーナーの等量
比を１．００から１．３３に変動させるとその場合、
１．０がメタンの場合の化学量論的比である。オキシ・
燃料を使用しない（０％オキシ・燃料）図３では、空気
・燃料比は変動した。これらの曲線は、オキシ・燃料火
炎がさらに富燃料になるに従ってＮＯの劇的低下を示
す。曲線はさらに、中間範囲のオキシ・燃料補足にピー
クがあることを示すが、しかし精密なピークはこれらの
実験的運転中では測定されなかった。
【００１２】図４は図３でグラフにされたデータの酸化
剤の全酸素濃度について示したデータを除き同一のもの
を示しているので、試験は、あたかも酸素を空気と前混
合したかのように評価できる。たとえば、全燃焼速度を
空気・燃料と酸素燃料燃焼を均等に分離、かつ両バーナ
ーを計量条件で行った場合、空気と前混合した酸素の等
量酸素濃度は３４．６％である。この曲線は、それを図
５に示された理論ＮＯｘ曲線と容易に比較できるので有
益である。図５の曲線は、燃料と酸化剤が完全に混合さ
れているものと仮定した平衡予見である。図５の曲線
は、酸素濃縮レベルが４０％に接近増加するに従ってＮ
Ｏｘが増加するものと予見したものを示す。しかし、図
３の実験データは、濃縮が３０％から４０％に進むに従
ってＮＯｘが減少することを示す。これは、オキシ・燃
料バーナーを空気・燃料バーナーに挿入することで起こ
る分離火炎のためであると考えられている。通常のオキ
シ・燃料バーナーは高い火炎温度をもつものとなる。
【００１３】図面に示された曲線は総燃焼速度に基くも
のであり、さらに酸素を加えた効率増加の効果を含まな
い。これは正味１００万ＢＴｕ当りのＮＯのポイント数
に基く測定の場合、ＮＯｘを一層有効に低下させる。
【００１４】試験された空気・燃料バーナーはその悪い
混合特性のため異常に低いＮＯｘ量であった。大抵の空
気・燃料バーナーは１００万ＢＴｕ当りＮＯのポンド数
は０．１以上であり、これは本発明が他のバーナーにと
って一層都合がよいことを意味する。
【００１５】前記オキシ・燃料バーナーを燃焼濃で運転
することで、火炎温度は劇的に減少する。そのうえ、オ
キシ・燃料バーナーの外側環の天然ガスは、内側高純度
酸素が空気・燃料バーナーの窒素に達することを遅らせ
るシュラウドとして作用する。火炎が濃厚燃料であるの
で、酸素の大部分が炭化水素燃料を酸化させてから空気
・燃料流れと混合する。比較的低い火炎温度と、オキシ
・燃料火炎温度での還元条件と、空気・燃料火炎の窒素
からの内側高純度酸素のおおいの組み合わせ全部が排気
ガス中のＮＯｘの予期しない還元の一因となる。実験デ
ータから、好ましい条件が全燃焼速度の少くとも３分の
２がオキシ・燃料バーナーを用いることにより達成され
る時に起こるものである。実験データと上述のように到
達した結論を考慮して、好ましい運転条件はオキシ・燃
料火炎を濃厚燃料にして、又空気・燃料火炎を逆どころ
かむしろほぼ計算条件で運転することである。本発明と
逆の条件を用いると空気・燃料火炎の火炎温度をわずか
に低下させ、オキシ・燃料火炎の火炎温度を劇的に上昇
させるだけである。火炎中のサーマルノックスの発生量
が温度と指数関数的に増加する事実を考慮して、結果と
して本発明の逆実施となる高いピークの火炎温度が本発
明よりも高いＮＯｘを発生することになる。両バーナー
を濃厚燃料で運転するとＮＯｘを減少させることになる
が、熱効率は悪化する。酸素濃縮が熱効率を増進させる
ことがわかったので、本発明は、前記オキシ・燃料火炎
が濃厚燃料であったとしても、濃厚燃料であることから
の還元が酸素濃縮により遥かに重要となるので生産性を
高めることとなる。大抵の工業炉においては、未燃焼炭
化水素排出は、空気の炉への、又火炎域を離れる排気ガ
ス中に残存する僅かな燃料を燃焼させる排気装置への空
気侵入のため現れない。
【００１６】
【発明の効果】本発明は既存の装置に最少の費用で容易
に改装が施こせる。本発明は、通常低いレベルの酸素濃
度で起こる高いＮＯｘの排出量という不利益もなく生産
性を増大させる。オキシ・燃料バーナーは先に空気・燃
料炉に本開示に先立ち取付けられていたが、ＮＯｘ排出
については問題になるとは考えられなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的燃焼方法の酸化剤中の酸素の％に対する
１００万ＢＴｕ当り発生ＮＯのポンド数を示すグラフで
ある。
【図２】本発明の方法の立証に用いられる装置の略縦断
面図である。
【図３】オキシ・燃料燃焼源からの全燃焼工程の割合に
対し発生した１００万ＢＴｕ当りのＮＯのポンド数を示
すグラフである。
【図４】図３の試験結果の酸化剤中の酸素濃度に対し発
生１００万ＢＴｕ当りのＮＯのポンド数を示すグラフで
ある。
【図５】燃料と酸化剤が完全に混合されて断熱的反応す
るものと仮定して予見された３つの異なる酸素・燃料比
の酸化剤中の全酸素に対し発生した１００万ＢＴｕ当り
のＮＯのポンド数を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 複式燃料空気・燃料バーナー １２ １番目の噴霧空気通路 １４ 空気入口取付部品 １６ 燃料管 １８ 燃料入口 ２０ 主燃焼空気入口管 ２２ 燃焼空気入口通路 ２４ バーナー取付フランジ ２６ バーナータイル ２８ 板 ３０ 空気通路 ３２ 燃料通路 ３４ 噴霧空気通路 ３６ オキシ・燃料バーナー ４０ 内側管 ４２ 半径方向離間間座 ４４ バーナーの前端 ４６ 取付部品 ４８ 酸化剤入口取付部品
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェムス．フランシス．ヘッフロン アメリカ合衆国．17961．ペンシルバニ ア州．オーウィグスバーグ．ブリックヒ ル．ロード．1581 (72)発明者 チャールズ．エドワード．バウカル．ジ ュニア アメリカ合衆国．19438．ペンシルバニ ア州．ハーレイズヴィレー．ブランチ. ロード．792 (56)参考文献 実開 昭59−87508（ＪＰ，Ｕ) 実公 平１−13208（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）空気・燃料混合物の燃焼炎の内側
    でそれと同心的にオキシ・燃料混合物の燃焼を行って、
    空気・燃料混合物の燃焼炎によりオキシ・燃料混合物の
    燃焼炎を窒素から遮蔽して燃焼を行うこと、および （ｂ）前記燃焼中を通して前記オキシ・燃料混合物の当
    量比（燃焼の化学量論的酸素／燃料比を前記オキシ・燃
    料混合物の酸素／燃料比で割った値）を１．２〜１．３
    ５の富燃料条件に維持することを特徴とする空気・燃料
    混合物の燃焼中の窒素酸化物発生量を低減する方法。
  2. 【請求項２】 前記オキシ・燃料燃焼が前記複合燃焼法
    の全体で発生する全熱の５０〜９０％を提供するように
    操作する請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記オキシ・燃料バーナーの燃料をメタ
    ン、プロパン、燃料油、廃油、炭化水素燃料とその混合
    物からなる群より選ぶ請求項１又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記空気・燃料とオキシ・燃料の両燃焼
    用の燃料をメタン、プロパン、燃料油、廃油、炭化水素
    燃料とその混合物からなる群より選ぶ請求項１〜３のい
    ずれか１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 空気・燃料燃焼用の燃料がオイルであ
    り、オキシ・燃料燃焼用の燃料がメタンである請求項１
    又は２に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記方法を、オキシ・燃料バーナーを空
    気・燃料バーナー内に同心に挿入して実施する請求項１
    〜５のいずれか１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記方法を、オキシ・燃料バーナーを前
    記方法の装置にオキシ・燃料燃焼生成物が空気・燃料燃
    焼に噴射されるように挿入して実施する請求項１〜５の
    いずれか１に記載の方法。
JP5040555A 1992-02-04 1993-02-04 燃焼中に発生する窒素酸化物発生量の低減法 Expired - Lifetime JP2693101B2 (ja)

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US07/831149 1992-02-04
US7/831149 1992-02-04
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JPH05340505A JPH05340505A (ja) 1993-12-21
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