JP5074417B2 - 予熱された反応物を用いた多段酸素燃焼プロセス - Google Patents

Description

本発明は、酸素リッチの含酸素ガスが少なくとも３００℃の温度まで予熱される酸素リッチの含酸素ガスを用いて燃料を燃焼させる方法に関する。

現在、工業炉を想定してバーナーを設計する場合、２つの主な関心事は、装入物への熱伝達送効率および汚染放出物、特に窒素酸化物の削減である。これら２つの関心事に対処するための有望な方法の１つは、予熱された反応物を用いた多段酸素燃焼である。なぜならば、燃焼を多段化することによって、ＮＯｘ放出を削減することが可能で、かつ反応物を予熱することによってエネルギーの節約が可能となることが知られているからである。

酸素燃焼は、空気よりも高い酸素濃度を持った含酸素ガスを用いた燃焼である。燃料の多段燃焼のプロセスは、燃料の完全燃焼のために必要とされる量の酸化剤を、燃料の流から異なる距離を隔てて導入される少なくとも２つの酸化剤の流に分割することからなる。すなわち、第１の酸化剤の流は、燃料の流から非常に短い距離を隔てて導入される。燃料の流に最も近接したこの第１の酸化剤の流は、一次の流と呼ばれ、それは、ＮＯｘ形成を抑制するように制御された温度での、燃料の不完全燃焼を可能にする。他方の酸化剤の流は、一次の酸化剤の流よりも燃料から大きな距離を隔てて導入される。それらは、一次の酸化剤とは反応しなかった燃料との燃焼を完結させるために使用される。これらの流は、二次の流と呼ばれる。

反応物（含酸素ガスおよび燃料）の予熱は、煙道ガスから熱を回収するための種々の手法において既に提案されている（ＵＳ ６ ０７１ １１６）。また、ＷＯ ００／７９１８２において、燃料と酸化剤との両方が予熱されるバーナーが開示されている。しかしながら、これらの文献は、高温反応物の使用に関連する問題の存在に言及していない。しかしながら、高温反応物の使用は、以下の欠点をもたらす：
- 反応物の混合物の炎速度の増加-種々のバーナーオリフィスの出口に近接して炎の先端が安定し、インジェクターの過加熱および早期破壊のリスクを増大させる；
- 炎温度が上昇し、それによって装入物およびバーナー表面への放射伝達が増大する；
- 炎温度が上昇した結果、熱ＮＯｘのレベルが上昇する。

本発明の目的は、多段酸素燃焼および予熱された反応物を用い、予熱された反応物の使用に関連したリスクを招くことなく、多段燃焼の利点を維持するバーナーのための設計ルールを提案することである。

この目的のために、本発明は酸素リッチな含酸素ガスを用いて燃料を燃焼させるための方法であって、：
- 燃料のジェットと、；
- 含酸素ガスの少なくとも２つのジェットと；
が燃焼チャンバーに注入され、
・ 一次のジェットと呼ばれる含酸素ガスの第１のジェットが、第１の不完全燃焼を生じさせるような量で径Ｄを持つオリフィスを介して導入され、かつ燃料のジェットの周りに注入され、この第１の燃焼から生じるガスはいまだ燃料の少なくとも一部を含んでおり、
・ 含酸素ガスの第２のジェットは、含酸素ガスの第１の、一次のジェットを導入するためのオリフィスから距離ｌを隔てて配置された、径ｄを持つオリフィスを介して導入され、第１の燃焼から生じるガス中に存在する燃料の一部との燃焼に入り、
- 燃料のジェットは、で燃焼チャンバーの壁から後退した地点で含酸素ガスの一次のジェット内に出現し、前記地点は壁から距離ｒを隔てて位置し、
- 酸素リッチな含酸素ガスを少なくとも３００℃の温度まで予熱し、
- ｒ／Ｄ比は、
・ ５ないし２０、好ましくは７ないし１５であるか、
・ または０．７５ないし３のいずれかであり、
- ｌ／ｄ比は少なくとも２、好ましくは少なくとも１０である。

本発明による方法は、酸化剤が酸素リッチな、すなわち空気より高い酸素濃度を持った含酸素ガスである燃焼を用いる。これは、酸化剤富化空気または純粋酸素であり得る。好ましくは、この含酸素ガスの酸素濃度は少なくとも７０体積％である。

本発明による方法は、少なくとも含酸素ガスが少なくとも３００℃の温度まで予熱される燃焼を用いる。この予熱は、いずれの先行技術の既知の方法によって実行することができる。好ましくは、これは、燃焼煙道ガスの熱を回収するための伝熱式熱交換器を用いた予熱である。燃料も、好ましくは少なくとも３００℃まで、予熱することができる。

本発明による方法は、含酸素ガスが燃料ジェットから種々の距離を隔てて燃焼チャンバーに導入される２つの流に分割される多段燃焼を用いる。一次のジェットは燃料ジェットと接触し、かつそれを包囲する。一次のジェットを燃焼チャンバーに導入するインジェクターのオリフィスは、径Ｄを持つ。この一次のジェットインジェクターの端は、燃焼チャンバーの中に直接出現する。しかしながら、燃料インジェクターの端は燃焼チャンバーの中に直接出現しないで、燃焼チャンバーの壁から後退している：燃料インジェクターの端は、一次のジェットインジェクターの中ほどで、燃焼チャンバーの壁から距離ｒを隔てて位置する、燃焼チャンバーの壁から後退した地点に出現する。燃料インジェクターの径は、一般に、安定な炎を生じるように調節される。一般に、燃料の燃焼に必要とされる含酸素ガスの総量の２ないし２０％が一次のジェットによって導入される。含酸素ガスの補足分は、端が燃焼チャンバーの中に直接開口し、かつオリフィスが径ｄを持つインジェクターを介した二次のジェットによって導入される。この二次のジェットのインジェクターは、一次の含酸素ガスオリフィスから距離ｌを隔てて配置され、距離ｌは、一次の含酸素ガスインジェクターおよび二次の含酸素ガスインジェクターのオリフィスに最も近接したエッジの間で計測される。

本発明の本質的な特徴の１つは、多段燃焼プロセスが、ｒ／Ｄが３ないし５であるような寸法を伴って一次の含酸素ガスインジェクター内に後退した燃料インジェクターとともに使用されることを防ぐことが必要であるということである。それぞれの寸法ｒおよびＤは、一次の含酸素ガスインジェクター内で後退された燃料インジェクターによって作られるキャビティの体積に影響するので重要である。正確に寸法を選択することによって、本発明は、一方でこのキャビティ内で生じる予混炎が、燃料および一次の含酸素ガスインジェクターの端を損傷させることを防ぎ、他方で、燃焼チャンバーから出る放射が、燃焼インジェクターの端を損傷することを防ぐことを可能にする。

本発明の他の本質的な特徴は、ｌ／ｄ比が少なくとも２、好ましくは少なくとも１０でなければならないことである。

一般に、反応物が通って注入されるところのオリフィスは、円形断面を持つ。しかしながら、本発明は、これらのオリフィスの断面が円形でない場合もカバーしている。後者の場合、先述した径ｄおよびＤは、非円形断面の水力直径に相当し、水力直径は、オリフィス断面の周囲長で除したオリフィス断面積の４倍という比として定義される。

図１は、本発明のプロセスのための、種々の寸法要素（ｒ，ｄ，Ｄ，ｌ）を示す図である。燃料１は、一次の含酸素ガス２のためのインジェクター６の中に配置されたインジェクター７によって導入される。燃料インジェクターの端は、燃焼チャンバーの壁４から距離ｒだけ後退している。一次の含酸素ガスインジェクター２の端は、径Ｄを持つ。二次の含酸素ガス３は、端が径ｄを持つインジェクター５を介して導入される。含酸素ガスインジェクター５および６の端のエッジ間距離はｌである。

先述したプロセスを実施することによって、反応物インジェクターを早期に損傷させることなく、かつＮＯｘ放出を増加させることなく、多段酸素燃焼プロセスにおいて燃焼反応物を予熱することが可能となる。

説明なし

Claims (7)

1. 酸素リッチな含酸素ガスを用いて燃料を燃焼させる方法であって、
   - 燃料のジェットと、
   - 含酸素ガスの少なくとも２つのジェットとが燃焼チャンバーに注入され、
   ・ 一次のジェットと呼ばれる前記含酸素ガスの第１のジェットが、第１の不完全燃焼を生じさせるような量で径Ｄを持つオリフィスを介して導入され、かつ燃料のジェットの周りに注入され、この第１の燃焼から生じるガスはいまだ燃料の少なくとも一部を含んでおり、
   ・ 前記含酸素ガスの第２のジェットは、前記含酸素ガスの第１の、一次のジェットを導入するためのオリフィスから距離ｌを隔てて配置された、径ｄを持つオリフィスを介して導入され、前記第１の燃焼から生じるガス中に存在する燃料の一部との燃焼に入り、
   - 前記燃料のジェットは、前記燃焼チャンバーの壁から後退した地点で含酸素ガスの一次のジェット内に出現し、前記地点は前記壁から距離ｒを隔てて位置し、
   - 前記酸素リッチな含酸素ガスを少なくとも３００℃の温度まで予熱し、
   - ｒ／Ｄ比は、
   ・ ５ないし２０であり、
   - ｌ／ｄ比は少なくとも２であることを特徴とする方法。
2. ｒ／Ｄ比が７ないし１５であることを特徴とする、先行する請求項に記載の方法。
3. ｌ／ｄ比が少なくとも１０であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記酸素リッチな含酸素ガスが少なくとも７０体積％の酸素濃度を持つことを特徴とする、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
5. 燃料を少なくとも３００℃まで予熱することを特徴とする、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
6. ガラス溶融炉の中で使用されることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
7. 再加熱炉の中で使用されることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。

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