JP3903930B2 - 管状火炎バーナを用いた燃焼方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管状火炎バーナを炉等に取り付けて燃焼を行う際に、超低ＮＯｘ化、超低ＳＰＭ化等を達成することができる管状火炎バーナを用いた燃焼方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炉や燃焼器に取り付けられるバーナとして、管状火炎バーナと呼ばれる、先端が炉内に向かって開放された管状の燃焼室を有し、この燃焼室の後端の閉塞端部近傍に、燃料ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルが、燃焼室の内周面の接線方向に向けて設けられているバーナが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この管状火炎バーナは、吹き込まれた燃料ガスと酸素含有ガスが高速乱流混合状態となって均一に混合されることや連続した火炎帯を通過することから、ＮＯｘやＳＰＭ（浮遊粒子状物質）の発生を低く抑えることができるバーナである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２８１０１５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１記載の管状火炎バーナによって低ＮＯｘ及び低ＳＰＭ化を図ることができるのだが、それだけでは、超低ＮＯｘ化、超低ＳＰＭ化及び省エネルギーを達成することはできない。吹き込む燃料として液体燃料や高カロリーガス燃料を使用した場合には特に難しい。
【０００６】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、炉や燃焼器に取り付けた管状火炎バーナを用いて燃焼させるに際し、超低ＮＯｘ化、超低ＳＰＭ化及び省エネルギーを達成することができる管状火炎バーナを用いた燃焼方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
【０００８】
［１］先端が炉内に向けて開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口し、噴射方向が前記燃焼室の内周面の接線方向とほぼ一致している燃料吹き込みノズル及び酸素含有ガス吹き込みノズルとを備えた管状火炎バーナを用いた燃焼方法であって、前記燃焼室の後端から炉内方向に向かって、１次燃料吹き込みノズル、１次酸素含有ガス吹き込みノズル、２次酸素含有ガス吹き込みノズル、３次酸素含有ガス吹き込みノズルの順に配置し、以下の条件を満足するようにして燃焼させることを特徴とする管状火炎バーナを用いた燃焼方法。
【０００９】
ｋ≧α1＋α2＋α3≧１．０
α1≧β
α2＞０
α3≧０
Ｌ2≦Ｌ（α1）
ここで、α1は、１次酸素含有ガス比
α2は、２次酸素含有ガス比
α3は、３次酸素含有ガス比
ｋは、完全燃焼のための最大酸素含有ガス過剰率
βは、すすが発生しない最小酸素含有ガス比
Ｌ2は、１次酸素含有ガス吹き込みノズルと２次酸素含有ガス吹き込みノズルとの間隔
Ｌ（α1）は、１次酸素含有ガス吹き込みノズルと１次酸素含有ガス燃焼終了点との距離
［２］前記「１」に記載の管状火炎バーナを用いた燃焼方法において、１次燃料吹き込みノズルから液体燃料を吹き込む場合は、液体燃料を吹き込んだ位置と１次酸素含有ガスを吹き込んだ位置とを離し、液体燃料がガス化してから１次酸素含有ガスと混合するようにしたことを特徴とする管状火炎バーナを用いた燃焼方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
炉に取り付けられた管状火炎バーナを用いて燃焼を行うに際し、超低ＮＯｘ化、超低ＳＰＭ化及び省エネルギーを達成するためには、下記のような燃焼を行うことが望ましい。
【００１１】
（Ａ）超低ＮＯｘ化 …… サーマルＮＯｘのみならず、ＮＯｘ転換率を低減させてＦｕｅｌ ＮＯｘも減らす。
▲１▼着火領域では、最小限の１次酸素含有ガス比とする。
▲２▼１次酸素含有ガスによる管状火炎と、発生ＮＯｘを還元するラジカル因子（ＣＨ、ＣＨ2、ＯＨ等）の存在範囲を確保した後、２次酸素含有ガスを吹き込む。
これにより、安定した管状火炎を確保する。
▲３▼燃料カロリー、ＮＯｘレベル及び炉内温度レベルにより、３次酸素含有ガスを吹き込む。
▲４▼適宜、炉内に燃料を２次燃料（分解燃焼）、３次燃料（分解燃焼）として吹き込む。液体燃料のみならず、高カロリーガス燃料を用いる場合も、特に効果がある。
【００１２】
（Ｂ）超低ＳＰＭ化
▲１▼特に低質液体燃料を用いる場合は予熱する。可能なら予蒸発器を設置する。
▲２▼液体燃料を吹き込む場合は、吹き込んで霧化した後に１次酸素含有ガスと混合するまでの距離を確保する。
▲３▼あまり多過ぎない量の１次酸素含有ガスと均一混合を行う。
▲４▼１次酸素含有ガスによる燃焼で残った燃料に２次酸素含有ガスを吹き込み、ＳＰＭ粒子のさらなる小径化を図る。
▲５▼３次酸素含有ガスの吹き込みにより、完全燃焼および炉内伝熱の促進を図る。
なお、省エネルギーとの観点から、３次酸素含有ガスの吹き込みの役割を炉内で行うこともできる。
【００１３】
（Ｃ）省エネルギー
▲１▼ＳＰＭ粒度、２次酸素含有ガス吹き込み及び３次酸素含有ガス吹き込みの最適化によって、最適伝熱の促進と完全燃焼を図る。
【００１４】
本発明は、上記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を実現することを意図したものであり、その実施形態を以下に述べる。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態を示す。図１において、１がこの実施形態において用いる管状火炎バーナであり、先端部が炉２に取り付けられている。
【００１６】
管状火炎バーナ１は、先端が炉２内に向かって開放された管状の燃焼室１０と、その燃焼室１０の後端から先端に向かって順に配置された、１次燃料吹き込み用ノズル１１と、１次酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２と、２次酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３とを備えており、それらのノズル１１、１２、１３の噴射口は燃焼室１０の内面に開口し、噴射方向が燃焼室１０の内周面の接線方向とほぼ一致している。
【００１７】
１次燃料として吹き込む燃料は、ガス燃料及び液体燃料を使用する。液体燃料としては、灯油、軽油、アルコール、Ａ重油等の比較的低い温度で気化するものが望ましい。Ｃ重油等の低質液体燃料を使用する場合には予加熱し、可能なら、予蒸発器を設置し、液体燃料を充分霧化させて用いるとよい。
【００１８】
また、上記の酸素含有ガスは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を供給するガスを指している。
【００１９】
そして、燃焼室１０の管軸方向に対する１次燃料吹き込み用ノズル１１の吹き込み角度θと、１次燃料吹き込み用ノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２との間隔Ｌ1を、使用する燃料の種類によって下記のように設定する。
【００２０】
まず、液体燃料を使用する場合は、
θ＝９０°−Δθ ……（１）
Ｌ1＞０ ……（２）
とする。
【００２１】
すなわち、（１）式のように、１次燃料吹き込み角度θを所定角度Δθだけ燃焼室１０の後端側に向けるようにするとともに、（２）式のように、１次燃料吹き込みノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２との間隔Ｌ1を所定の距離だけ離すことにより、吹き込まれた液体燃料が１次酸素含有ガスと接触するまでの距離を確保し、液体燃料の霧化およびガス化が十分行われてから１次酸素含有ガスと混合するようにする。なお、角度Δθと間隔Ｌ1は、液体燃料の種類及び予加熱の有無や予蒸発器の有無によって適切に設定すればよいが、角度Δθは５°〜１５°程度、間隔Ｌ1は燃焼室１０の内径の１〜２倍程度が好ましい。
【００２２】
一方、高カロリーガス燃料を使用する場合は、
θ≒９０° ……（３）
Ｌ1≒０ ……（４）
とする。
【００２３】
すなわち、１次燃料吹き込みノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込み用ズル１２との間隔Ｌ1を限りなく０に近づけて、高カロリーガス燃料と１次酸素含有ガスの混合を促進する。
【００２４】
そして、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と１次酸素含有ガス燃焼終了点（図１中にＸ-Ｘ線で示す）との距離をＬ（α1）、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔をＬ2、１次酸素含有ガス比をα1、２次酸素含有ガス比をα2、すすが発生しない最小酸素含有ガス比をβ（β≒０．３）、完全燃焼のための最大酸素含有ガス過剰率をｋとした時に、下記の式（５）〜（８）を満足するようにして燃焼させる。
【００２５】
ｋ≧α1＋α2≧１．０ ……（５）
α1≧β ……（６）
α2＞０ ……（７）
Ｌ2≦Ｌ（α1） ……（８）
ここで、完全燃焼のための最大酸素含有ガス過剰率ｋは、液体燃料の場合は１．２〜１．３、高カロリーガス燃料の場合は１．０５〜１．１である。ちなみに、完全燃焼のための最小酸素含有ガス過剰率は１．０である。
【００２６】
１次酸素含有ガス比α1は使用する燃料によって最適値があるが、すすを発生させない範囲でできるだけ小さな値が望ましいので、０．３〜０．５程度が好適である。
【００２７】
そして、２次酸素含有ガス比α2は、完全燃焼領域を確保するために、１次酸素含有ガス比α1の値に基づいて、上記（５）式が満足されるように定めればよい。
【００２８】
また、１次酸素含有ガス燃焼終了点までの距離Ｌ（α1）は燃焼室１０の内径の３倍程度になるので、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔Ｌ2は、燃焼室１０の内径の２〜３倍程度とするのが好ましい。
【００２９】
なお、必要に応じて、２次酸素含有ガスの前に、２次燃料を吹き込むようにしてもよい。
【００３０】
このように、この実施形態においては、管状火炎バーナを用いて燃焼を行うに際して、燃料及び酸素含有ガスの吹き込み位置及び酸素含有ガス比を適切にして燃焼を行っているので、以下のような効果を有している。
【００３１】
まず、１次燃料吹き込みノズル１１の角度θ、１次燃料吹き込みノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２との間隔Ｌ1、１次酸素含有ガス比α1を適切な値としているので、液体燃料の霧化さらにはガス化への促進が確保され、ＳＰＭ粒子が小径化する。
【００３２】
そして、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔Ｌ2及び２次酸素含有ガス比α2を適切な値としているので、安定した管状火炎と排ガスラジカル因子の存在範囲が確保され、発生ＮＯXの還元化がなされるとともに、ＳＰＭ粒子の再結合が防止され、ＳＰＭ粒子がさらに小径化する。
【００３３】
そして、２次酸素含有ガス比α2を適切な値にして完全燃焼領域が確保されるようにしているので、超低ＮＯXとＳＰＭのほぼ完全燃焼が得られる。
【００３４】
この結果、液体燃料や高カロリーガス燃料を使用した場合においても、超低ＮＯｘ化および超低ＳＰＭ化された燃焼を行うことができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
図２に、本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態は、基本的には前記の第１の実施形態と同様であり、前記の式（１）〜（８）が満足されるようにして燃焼させているが、第１の実施形態では、２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３を燃焼室１０に取り付けているのに対して、この実施形態では、２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３を炉２の炉壁２ａに取り付け、２次酸素含有ガスを炉内に吹き込むようにしている。
【００３６】
この際、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔Ｌ2は、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と炉壁２ａの内壁面までの距離となり、１次酸素含有ガス燃焼終了点（図２中にＸ-Ｘ線で示す）は炉２内に位置するようにする。
【００３７】
また、必要に応じて、炉２内に２次燃料を吹き込むようにしてもよい。
【００３８】
これにより、この実施形態においては、第１の実施形態と同様に、超低ＮＯｘ化および超低ＳＰＭ化された燃焼を行うことができるとともに、炉内燃焼による輻射伝熱によって炉内温度を上昇させることで省エネルギーも図ることができる。
【００３９】
（第３の実施形態）
図３に、本発明の第３の実施形態を示す。図３において、１がこの実施形態において用いる管状火炎バーナであり、先端部が炉２に取り付けられている。
【００４０】
管状火炎バーナ１は、先端が炉２内に向かって開放された管状の燃焼室１０と、その燃焼室１０の後端から先端に向かって順に配置された、１次燃料吹き込み用ノズル１１と、１次酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２と、２次酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３と、３次酸素含有ガス吹き込み用ノズル１４とを備えており、それらのノズル１１、１２、１３、１４の噴射口は燃焼室１０の内面に開口し、噴射方向が燃焼室１０の内周面の接線方向とほぼ一致している。
【００４１】
１次燃料として吹き込む燃料は、ガス燃料及び液体燃料を使用する。液体燃料としては、灯油、軽油、アルコール、Ａ重油等の比較的低い温度で気化するものが望ましい。Ｃ重油等の低質液体燃料を使用する場合には予加熱し、可能なら、予蒸発器を設置し、液体燃料を充分霧化させて用いるとよい。
【００４２】
また、上記の酸素含有ガスは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を供給するガスを指している。
【００４３】
そして、燃焼室１０の管軸方向に対する１次燃料吹き込み用ノズル１１の吹き込み角度θと、１次燃料吹き込み用ノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２との間隔Ｌ1を、使用する燃料の種類によって下記のように設定する。
【００４４】
まず、液体燃料を使用する場合は、
θ＝９０°−Δθ ……（１）
Ｌ1＞０ ……（２）
とする。
【００４５】
すなわち、（１）式のように、１次燃料吹き込み角度θを所定角度Δθだけ燃焼室１０の後端側に向けるようにするとともに、（２）式のように、１次燃料吹き込みノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２との間隔Ｌ1を所定の距離だけ離すことにより、吹き込まれた液体燃料が１次酸素含有ガスと接触するまでの距離を確保し、液体燃料の霧化およびガス化が十分行われてから１次酸素含有ガスと混合するようにする。なお、角度Δθと間隔Ｌ1は、液体燃料の種類及び予加熱の有無や予蒸発器の有無によって適切に設定すればよいが、角度Δθは５°〜１５°程度、間隔Ｌ1は燃焼室１０の内径の１〜２倍程度が好ましい。
【００４６】
一方、高カロリーガス燃料を使用する場合は、
θ≒９０° ……（３）
Ｌ1≒０ ……（４）
とする。
【００４７】
すなわち、１次燃料吹き込みノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込み用ズル１２との間隔Ｌ1を限りなく０に近づけて、高カロリーガス燃料と１次酸素含有ガスの混合を促進する。
【００４８】
そして、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と１次酸素含有ガス燃焼終了点（図１中にＸ-Ｘ線で示す）との距離をＬ（α1）、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔をＬ2、２次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と３次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔をＬ3、１次酸素含有ガス比をα1、２次酸素含有ガス比をα2、３次酸素含有ガス比をα3、すすが発生しない最小酸素含有ガス比をβ（β≒０．３）、完全燃焼のための最大酸素含有ガス過剰率をｋとした時に、下記の式（９）〜（１３）を満足するようにして燃焼させる。
【００４９】
ｋ≧α1＋α2＋α3≧１．０ ……（９）
α1≧β ……（１０）
α2＞０ ……（１１）
α3＞０ ……（１２）
Ｌ2≦Ｌ（α1） ……（１３）
ここで、完全燃焼のための最大酸素含有ガス過剰率ｋは、液体燃料の場合は１．２〜１．３、高カロリーガス燃料の場合は１．０５〜１．１である。ちなみに、完全燃焼のための最小酸素含有ガス過剰率は１．０である。
【００５０】
１次酸素含有ガス比α1は使用する燃料によって最適値があるが、すすを発生させない範囲でできるだけ小さな値が望ましいので、０．３〜０．５程度が好適である。
【００５１】
２次酸素含有ガス比α2も使用する燃料や燃焼状態によって最適値があるが、０．２〜０．５程度が好ましい。
【００５２】
そして、３次酸素含有ガス比α2は、完全燃焼領域を確保するために、１次酸素含有ガス比α1と２次酸素含有ガス比α2の値に基づいて、上記（９）式が満足されるように定めればよい。
【００５３】
また、１次酸素含有ガス燃焼終了点までの距離Ｌ（α1）は燃焼室１０の内径の３倍程度になるので、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔Ｌ2は、燃焼室１０の内径の２〜３倍程度とするのが好ましい。
【００５４】
また、２次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と３次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔をＬ3は、できれば短くして、燃焼室１０の全長があまり長くならないようにするのが好ましい。
【００５５】
なお、必要に応じて、２次酸素含有ガスの前に２次燃料を吹き込み、３次酸素含有ガスの前に３次燃料を吹き込みむようにしてもよい。
【００５６】
このように、この実施形態においては、管状火炎バーナを用いて燃焼を行うに際して、燃料及び酸素含有ガスの吹き込み位置及び酸素含有ガス比を適切にして燃焼を行っているので、以下のような効果を有している。
【００５７】
まず、１次燃料吹き込みノズル１１の角度θ、１次燃料吹き込みノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２との間隔Ｌ1、１次酸素含有ガス比α1を適切な値としているので、液体燃料の霧化さらにはガス化への促進が確保され、ＳＰＭ粒子が小径化する。
【００５８】
そして、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔Ｌ2及び２次酸素含有ガス比α2を適切な値としているので、安定した管状火炎と排ガスラジカル因子の存在範囲が確保され、発生ＮＯXの還元化がなされるとともに、ＳＰＭ粒子の再結合が防止され、ＳＰＭ粒子がさらに小径化する。
【００５９】
そして、２次酸素含有ガス比α2及び３次酸素含有ガス比α3を適切な値にして完全燃焼領域が確保されるようにしているので、超低ＮＯXとＳＰＭのほぼ完全燃焼が得られる。
【００６０】
この結果、液体燃料や高カロリーガス燃料を使用した場合においても、超低ＮＯｘ化および超低ＳＰＭ化された燃焼を一層確実に行うことができる。
【００６１】
（第４の実施形態）
図４に、本発明の第４の実施形態を示す。この実施形態は、基本的には前記の第３の実施形態と同様であり、前記の式（１）〜（４）及び式（９）〜（１３）が満足されるようにして燃焼させているが、第３の実施形態では、３次酸素含有ガス吹き込みノズル１４を燃焼室１０に取り付けているのに対して、この実施形態では、３次酸素含有ガス吹き込みノズル１４を炉２の炉壁２ａに取り付け、３次酸素含有ガスを炉内に吹き込むようにしている。３次酸素含有ガス吹き込みノズル１４の取り付け位置は、管状火炎バーナ１に近い炉２の前段部でもよいし、管状火炎バーナ１から離れた炉２の後段部でもよい。
【００６２】
なお、必要に応じて、炉２内に３次燃料を吹き込むようにしてもよい。
【００６３】
これにより、この実施形態においては、第３の実施形態と同様に、超低ＮＯｘ化および超低ＳＰＭ化された燃焼を確実に行うことができるとともに、炉内燃焼による輻射伝熱によって炉内温度を上昇させることで省エネルギーも図ることができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明においては、管状火炎バーナを用いて燃焼を行うに際して、燃料及び酸素含有ガスの吹き込み位置及び酸素含有ガス比を適切にして燃焼を行っているので、超低ＮＯｘ化、超低ＳＰＭ化及び省エネルギーの燃焼を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の説明図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の説明図である。
【図３】本発明の第３の実施形態の説明図である。
【図４】本発明の第４の実施形態の説明図である。
【符号の説明】
１ 管状火炎バーナ
２ 炉
２ａ 炉壁
１０ 燃焼室
１１ １次燃料吹き込みノズル
１２ １次酸素含有ガス吹き込みノズル
１３ ２次酸素含有ガス吹き込みノズル
１４ ３次酸素含有ガス吹き込みノズル
【発明の属する技術分野】
本発明は、管状火炎バーナを炉等に取り付けて燃焼を行う際に、超低ＮＯｘ化、超低ＳＰＭ化等を達成することができる管状火炎バーナを用いた燃焼方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炉や燃焼器に取り付けられるバーナとして、管状火炎バーナと呼ばれる、先端が炉内に向かって開放された管状の燃焼室を有し、この燃焼室の後端の閉塞端部近傍に、燃料ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルが、燃焼室の内周面の接線方向に向けて設けられているバーナが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この管状火炎バーナは、吹き込まれた燃料ガスと酸素含有ガスが高速乱流混合状態となって均一に混合されることや連続した火炎帯を通過することから、ＮＯｘやＳＰＭ（浮遊粒子状物質）の発生を低く抑えることができるバーナである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２８１０１５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１記載の管状火炎バーナによって低ＮＯｘ及び低ＳＰＭ化を図ることができるのだが、それだけでは、超低ＮＯｘ化、超低ＳＰＭ化及び省エネルギーを達成することはできない。吹き込む燃料として液体燃料や高カロリーガス燃料を使用した場合には特に難しい。
【０００６】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、炉や燃焼器に取り付けた管状火炎バーナを用いて燃焼させるに際し、超低ＮＯｘ化、超低ＳＰＭ化及び省エネルギーを達成することができる管状火炎バーナを用いた燃焼方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
【０００８】
［１］先端が炉内に向けて開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口し、噴射方向が前記燃焼室の内周面の接線方向とほぼ一致している燃料吹き込みノズル及び酸素含有ガス吹き込みノズルとを備えた管状火炎バーナを用いた燃焼方法であって、前記燃焼室の後端から炉内方向に向かって、１次燃料吹き込みノズル、１次酸素含有ガス吹き込みノズル、２次酸素含有ガス吹き込みノズル、３次酸素含有ガス吹き込みノズルの順に配置し、以下の条件を満足するようにして燃焼させることを特徴とする管状火炎バーナを用いた燃焼方法。
【０００９】
ｋ≧α1＋α2＋α3≧１．０
α1≧β
α2＞０
α3≧０
Ｌ2≦Ｌ（α1）
ここで、α1は、１次酸素含有ガス比
α2は、２次酸素含有ガス比
α3は、３次酸素含有ガス比
ｋは、完全燃焼のための最大酸素含有ガス過剰率
βは、すすが発生しない最小酸素含有ガス比
Ｌ2は、１次酸素含有ガス吹き込みノズルと２次酸素含有ガス吹き込みノズルとの間隔
Ｌ（α1）は、１次酸素含有ガス吹き込みノズルと１次酸素含有ガス燃焼終了点との距離
［２］前記「１」に記載の管状火炎バーナを用いた燃焼方法において、１次燃料吹き込みノズルから液体燃料を吹き込む場合は、液体燃料を吹き込んだ位置と１次酸素含有ガスを吹き込んだ位置とを離し、液体燃料がガス化してから１次酸素含有ガスと混合するようにしたことを特徴とする管状火炎バーナを用いた燃焼方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
炉に取り付けられた管状火炎バーナを用いて燃焼を行うに際し、超低ＮＯｘ化、超低ＳＰＭ化及び省エネルギーを達成するためには、下記のような燃焼を行うことが望ましい。
【００１１】
（Ａ）超低ＮＯｘ化 …… サーマルＮＯｘのみならず、ＮＯｘ転換率を低減させてＦｕｅｌ ＮＯｘも減らす。
▲１▼着火領域では、最小限の１次酸素含有ガス比とする。
▲２▼１次酸素含有ガスによる管状火炎と、発生ＮＯｘを還元するラジカル因子（ＣＨ、ＣＨ2、ＯＨ等）の存在範囲を確保した後、２次酸素含有ガスを吹き込む。
これにより、安定した管状火炎を確保する。
▲３▼燃料カロリー、ＮＯｘレベル及び炉内温度レベルにより、３次酸素含有ガスを吹き込む。
▲４▼適宜、炉内に燃料を２次燃料（分解燃焼）、３次燃料（分解燃焼）として吹き込む。液体燃料のみならず、高カロリーガス燃料を用いる場合も、特に効果がある。
【００１２】
（Ｂ）超低ＳＰＭ化
▲１▼特に低質液体燃料を用いる場合は予熱する。可能なら予蒸発器を設置する。
▲２▼液体燃料を吹き込む場合は、吹き込んで霧化した後に１次酸素含有ガスと混合するまでの距離を確保する。
▲３▼あまり多過ぎない量の１次酸素含有ガスと均一混合を行う。
▲４▼１次酸素含有ガスによる燃焼で残った燃料に２次酸素含有ガスを吹き込み、ＳＰＭ粒子のさらなる小径化を図る。
▲５▼３次酸素含有ガスの吹き込みにより、完全燃焼および炉内伝熱の促進を図る。
なお、省エネルギーとの観点から、３次酸素含有ガスの吹き込みの役割を炉内で行うこともできる。
【００１３】
（Ｃ）省エネルギー
▲１▼ＳＰＭ粒度、２次酸素含有ガス吹き込み及び３次酸素含有ガス吹き込みの最適化によって、最適伝熱の促進と完全燃焼を図る。
【００１４】
本発明は、上記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を実現することを意図したものであり、その実施形態を以下に述べる。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態を示す。図１において、１がこの実施形態において用いる管状火炎バーナであり、先端部が炉２に取り付けられている。
【００１６】
管状火炎バーナ１は、先端が炉２内に向かって開放された管状の燃焼室１０と、その燃焼室１０の後端から先端に向かって順に配置された、１次燃料吹き込み用ノズル１１と、１次酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２と、２次酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３とを備えており、それらのノズル１１、１２、１３の噴射口は燃焼室１０の内面に開口し、噴射方向が燃焼室１０の内周面の接線方向とほぼ一致している。
【００１７】
１次燃料として吹き込む燃料は、ガス燃料及び液体燃料を使用する。液体燃料としては、灯油、軽油、アルコール、Ａ重油等の比較的低い温度で気化するものが望ましい。Ｃ重油等の低質液体燃料を使用する場合には予加熱し、可能なら、予蒸発器を設置し、液体燃料を充分霧化させて用いるとよい。
【００１８】
また、上記の酸素含有ガスは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を供給するガスを指している。
【００１９】
そして、燃焼室１０の管軸方向に対する１次燃料吹き込み用ノズル１１の吹き込み角度θと、１次燃料吹き込み用ノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２との間隔Ｌ1を、使用する燃料の種類によって下記のように設定する。
【００２０】
まず、液体燃料を使用する場合は、
θ＝９０°−Δθ ……（１）
Ｌ1＞０ ……（２）
とする。
【００２１】
すなわち、（１）式のように、１次燃料吹き込み角度θを所定角度Δθだけ燃焼室１０の後端側に向けるようにするとともに、（２）式のように、１次燃料吹き込みノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２との間隔Ｌ1を所定の距離だけ離すことにより、吹き込まれた液体燃料が１次酸素含有ガスと接触するまでの距離を確保し、液体燃料の霧化およびガス化が十分行われてから１次酸素含有ガスと混合するようにする。なお、角度Δθと間隔Ｌ1は、液体燃料の種類及び予加熱の有無や予蒸発器の有無によって適切に設定すればよいが、角度Δθは５°〜１５°程度、間隔Ｌ1は燃焼室１０の内径の１〜２倍程度が好ましい。
【００２２】
一方、高カロリーガス燃料を使用する場合は、
θ≒９０° ……（３）
Ｌ1≒０ ……（４）
とする。
【００２３】
すなわち、１次燃料吹き込みノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込み用ズル１２との間隔Ｌ1を限りなく０に近づけて、高カロリーガス燃料と１次酸素含有ガスの混合を促進する。
【００２４】
そして、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と１次酸素含有ガス燃焼終了点（図１中にＸ-Ｘ線で示す）との距離をＬ（α1）、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔をＬ2、１次酸素含有ガス比をα1、２次酸素含有ガス比をα2、すすが発生しない最小酸素含有ガス比をβ（β≒０．３）、完全燃焼のための最大酸素含有ガス過剰率をｋとした時に、下記の式（５）〜（８）を満足するようにして燃焼させる。
【００２５】
ｋ≧α1＋α2≧１．０ ……（５）
α1≧β ……（６）
α2＞０ ……（７）
Ｌ2≦Ｌ（α1） ……（８）
ここで、完全燃焼のための最大酸素含有ガス過剰率ｋは、液体燃料の場合は１．２〜１．３、高カロリーガス燃料の場合は１．０５〜１．１である。ちなみに、完全燃焼のための最小酸素含有ガス過剰率は１．０である。
【００２６】
１次酸素含有ガス比α1は使用する燃料によって最適値があるが、すすを発生させない範囲でできるだけ小さな値が望ましいので、０．３〜０．５程度が好適である。
【００２７】
そして、２次酸素含有ガス比α2は、完全燃焼領域を確保するために、１次酸素含有ガス比α1の値に基づいて、上記（５）式が満足されるように定めればよい。
【００２８】
また、１次酸素含有ガス燃焼終了点までの距離Ｌ（α1）は燃焼室１０の内径の３倍程度になるので、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔Ｌ2は、燃焼室１０の内径の２〜３倍程度とするのが好ましい。
【００２９】
なお、必要に応じて、２次酸素含有ガスの前に、２次燃料を吹き込むようにしてもよい。
【００３０】
このように、この実施形態においては、管状火炎バーナを用いて燃焼を行うに際して、燃料及び酸素含有ガスの吹き込み位置及び酸素含有ガス比を適切にして燃焼を行っているので、以下のような効果を有している。
【００３１】
まず、１次燃料吹き込みノズル１１の角度θ、１次燃料吹き込みノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２との間隔Ｌ1、１次酸素含有ガス比α1を適切な値としているので、液体燃料の霧化さらにはガス化への促進が確保され、ＳＰＭ粒子が小径化する。
【００３２】
そして、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔Ｌ2及び２次酸素含有ガス比α2を適切な値としているので、安定した管状火炎と排ガスラジカル因子の存在範囲が確保され、発生ＮＯXの還元化がなされるとともに、ＳＰＭ粒子の再結合が防止され、ＳＰＭ粒子がさらに小径化する。
【００３３】
そして、２次酸素含有ガス比α2を適切な値にして完全燃焼領域が確保されるようにしているので、超低ＮＯXとＳＰＭのほぼ完全燃焼が得られる。
【００３４】
この結果、液体燃料や高カロリーガス燃料を使用した場合においても、超低ＮＯｘ化および超低ＳＰＭ化された燃焼を行うことができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
図２に、本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態は、基本的には前記の第１の実施形態と同様であり、前記の式（１）〜（８）が満足されるようにして燃焼させているが、第１の実施形態では、２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３を燃焼室１０に取り付けているのに対して、この実施形態では、２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３を炉２の炉壁２ａに取り付け、２次酸素含有ガスを炉内に吹き込むようにしている。
【００３６】
この際、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔Ｌ2は、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と炉壁２ａの内壁面までの距離となり、１次酸素含有ガス燃焼終了点（図２中にＸ-Ｘ線で示す）は炉２内に位置するようにする。
【００３７】
また、必要に応じて、炉２内に２次燃料を吹き込むようにしてもよい。
【００３８】
これにより、この実施形態においては、第１の実施形態と同様に、超低ＮＯｘ化および超低ＳＰＭ化された燃焼を行うことができるとともに、炉内燃焼による輻射伝熱によって炉内温度を上昇させることで省エネルギーも図ることができる。
【００３９】
（第３の実施形態）
図３に、本発明の第３の実施形態を示す。図３において、１がこの実施形態において用いる管状火炎バーナであり、先端部が炉２に取り付けられている。
【００４０】
管状火炎バーナ１は、先端が炉２内に向かって開放された管状の燃焼室１０と、その燃焼室１０の後端から先端に向かって順に配置された、１次燃料吹き込み用ノズル１１と、１次酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２と、２次酸素含有ガス吹き込み用ノズル１３と、３次酸素含有ガス吹き込み用ノズル１４とを備えており、それらのノズル１１、１２、１３、１４の噴射口は燃焼室１０の内面に開口し、噴射方向が燃焼室１０の内周面の接線方向とほぼ一致している。
【００４１】
１次燃料として吹き込む燃料は、ガス燃料及び液体燃料を使用する。液体燃料としては、灯油、軽油、アルコール、Ａ重油等の比較的低い温度で気化するものが望ましい。Ｃ重油等の低質液体燃料を使用する場合には予加熱し、可能なら、予蒸発器を設置し、液体燃料を充分霧化させて用いるとよい。
【００４２】
また、上記の酸素含有ガスは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を供給するガスを指している。
【００４３】
そして、燃焼室１０の管軸方向に対する１次燃料吹き込み用ノズル１１の吹き込み角度θと、１次燃料吹き込み用ノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込み用ノズル１２との間隔Ｌ1を、使用する燃料の種類によって下記のように設定する。
【００４４】
まず、液体燃料を使用する場合は、
θ＝９０°−Δθ ……（１）
Ｌ1＞０ ……（２）
とする。
【００４５】
すなわち、（１）式のように、１次燃料吹き込み角度θを所定角度Δθだけ燃焼室１０の後端側に向けるようにするとともに、（２）式のように、１次燃料吹き込みノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２との間隔Ｌ1を所定の距離だけ離すことにより、吹き込まれた液体燃料が１次酸素含有ガスと接触するまでの距離を確保し、液体燃料の霧化およびガス化が十分行われてから１次酸素含有ガスと混合するようにする。なお、角度Δθと間隔Ｌ1は、液体燃料の種類及び予加熱の有無や予蒸発器の有無によって適切に設定すればよいが、角度Δθは５°〜１５°程度、間隔Ｌ1は燃焼室１０の内径の１〜２倍程度が好ましい。
【００４６】
一方、高カロリーガス燃料を使用する場合は、
θ≒９０° ……（３）
Ｌ1≒０ ……（４）
とする。
【００４７】
すなわち、１次燃料吹き込みノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込み用ズル１２との間隔Ｌ1を限りなく０に近づけて、高カロリーガス燃料と１次酸素含有ガスの混合を促進する。
【００４８】
そして、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と１次酸素含有ガス燃焼終了点（図１中にＸ-Ｘ線で示す）との距離をＬ（α1）、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔をＬ2、２次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と３次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔をＬ3、１次酸素含有ガス比をα1、２次酸素含有ガス比をα2、３次酸素含有ガス比をα3、すすが発生しない最小酸素含有ガス比をβ（β≒０．３）、完全燃焼のための最大酸素含有ガス過剰率をｋとした時に、下記の式（９）〜（１３）を満足するようにして燃焼させる。
【００４９】
ｋ≧α1＋α2＋α3≧１．０ ……（９）
α1≧β ……（１０）
α2＞０ ……（１１）
α3＞０ ……（１２）
Ｌ2≦Ｌ（α1） ……（１３）
ここで、完全燃焼のための最大酸素含有ガス過剰率ｋは、液体燃料の場合は１．２〜１．３、高カロリーガス燃料の場合は１．０５〜１．１である。ちなみに、完全燃焼のための最小酸素含有ガス過剰率は１．０である。
【００５０】
１次酸素含有ガス比α1は使用する燃料によって最適値があるが、すすを発生させない範囲でできるだけ小さな値が望ましいので、０．３〜０．５程度が好適である。
【００５１】
２次酸素含有ガス比α2も使用する燃料や燃焼状態によって最適値があるが、０．２〜０．５程度が好ましい。
【００５２】
そして、３次酸素含有ガス比α2は、完全燃焼領域を確保するために、１次酸素含有ガス比α1と２次酸素含有ガス比α2の値に基づいて、上記（９）式が満足されるように定めればよい。
【００５３】
また、１次酸素含有ガス燃焼終了点までの距離Ｌ（α1）は燃焼室１０の内径の３倍程度になるので、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔Ｌ2は、燃焼室１０の内径の２〜３倍程度とするのが好ましい。
【００５４】
また、２次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と３次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔をＬ3は、できれば短くして、燃焼室１０の全長があまり長くならないようにするのが好ましい。
【００５５】
なお、必要に応じて、２次酸素含有ガスの前に２次燃料を吹き込み、３次酸素含有ガスの前に３次燃料を吹き込みむようにしてもよい。
【００５６】
このように、この実施形態においては、管状火炎バーナを用いて燃焼を行うに際して、燃料及び酸素含有ガスの吹き込み位置及び酸素含有ガス比を適切にして燃焼を行っているので、以下のような効果を有している。
【００５７】
まず、１次燃料吹き込みノズル１１の角度θ、１次燃料吹き込みノズル１１と１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２との間隔Ｌ1、１次酸素含有ガス比α1を適切な値としているので、液体燃料の霧化さらにはガス化への促進が確保され、ＳＰＭ粒子が小径化する。
【００５８】
そして、１次酸素含有ガス吹き込みノズル１２と２次酸素含有ガス吹き込みノズル１３との間隔Ｌ2及び２次酸素含有ガス比α2を適切な値としているので、安定した管状火炎と排ガスラジカル因子の存在範囲が確保され、発生ＮＯXの還元化がなされるとともに、ＳＰＭ粒子の再結合が防止され、ＳＰＭ粒子がさらに小径化する。
【００５９】
そして、２次酸素含有ガス比α2及び３次酸素含有ガス比α3を適切な値にして完全燃焼領域が確保されるようにしているので、超低ＮＯXとＳＰＭのほぼ完全燃焼が得られる。
【００６０】
この結果、液体燃料や高カロリーガス燃料を使用した場合においても、超低ＮＯｘ化および超低ＳＰＭ化された燃焼を一層確実に行うことができる。
【００６１】
（第４の実施形態）
図４に、本発明の第４の実施形態を示す。この実施形態は、基本的には前記の第３の実施形態と同様であり、前記の式（１）〜（４）及び式（９）〜（１３）が満足されるようにして燃焼させているが、第３の実施形態では、３次酸素含有ガス吹き込みノズル１４を燃焼室１０に取り付けているのに対して、この実施形態では、３次酸素含有ガス吹き込みノズル１４を炉２の炉壁２ａに取り付け、３次酸素含有ガスを炉内に吹き込むようにしている。３次酸素含有ガス吹き込みノズル１４の取り付け位置は、管状火炎バーナ１に近い炉２の前段部でもよいし、管状火炎バーナ１から離れた炉２の後段部でもよい。
【００６２】
なお、必要に応じて、炉２内に３次燃料を吹き込むようにしてもよい。
【００６３】
これにより、この実施形態においては、第３の実施形態と同様に、超低ＮＯｘ化および超低ＳＰＭ化された燃焼を確実に行うことができるとともに、炉内燃焼による輻射伝熱によって炉内温度を上昇させることで省エネルギーも図ることができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明においては、管状火炎バーナを用いて燃焼を行うに際して、燃料及び酸素含有ガスの吹き込み位置及び酸素含有ガス比を適切にして燃焼を行っているので、超低ＮＯｘ化、超低ＳＰＭ化及び省エネルギーの燃焼を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の説明図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の説明図である。
【図３】本発明の第３の実施形態の説明図である。
【図４】本発明の第４の実施形態の説明図である。
【符号の説明】
１ 管状火炎バーナ
２ 炉
２ａ 炉壁
１０ 燃焼室
１１ １次燃料吹き込みノズル
１２ １次酸素含有ガス吹き込みノズル
１３ ２次酸素含有ガス吹き込みノズル
１４ ３次酸素含有ガス吹き込みノズル
Claims (2)
- 先端が炉内に向けて開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口し、噴射方向が前記燃焼室の内周面の接線方向とほぼ一致している燃料吹き込みノズル及び酸素含有ガス吹き込みノズルとを備えた管状火炎バーナを用いた燃焼方法であって、前記燃焼室の後端から炉内方向に向かって、１次燃料吹き込みノズル、１次酸素含有ガス吹き込みノズル、２次酸素含有ガス吹き込みノズル、３次酸素含有ガス吹き込みノズルの順に配置し、以下の条件を満足するようにして燃焼させることを特徴とする管状火炎バーナを用いた燃焼方法。
ｋ≧α1＋α2＋α3≧１．０
α1≧β
α2＞０
α3≧０
Ｌ2≦Ｌ（α1）
ここで、α1は、１次酸素含有ガス比
α2は、２次酸素含有ガス比
α3は、３次酸素含有ガス比
ｋは、完全燃焼のための最大酸素含有ガス過剰率
βは、すすが発生しない最小酸素含有ガス比
Ｌ2は、１次酸素含有ガス吹き込みノズルと２次酸素含有ガス吹き込みノズルとの間隔
Ｌ（α1）は、１次酸素含有ガス吹き込みノズルと１次酸素含有ガス燃焼終了点との距離 - 請求項１に記載の管状火炎バーナを用いた燃焼方法において、１次燃料吹き込みノズルから液体燃料を吹き込む場合は、液体燃料を吹き込んだ位置と１次酸素含有ガスを吹き込んだ位置とを離し、液体燃料がガス化してから１次酸素含有ガスと混合するようにしたことを特徴とする管状火炎バーナを用いた燃焼方法。
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