JP6541050B2 - 高温酸素燃焼装置及び高温酸素燃焼方法 - Google Patents
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Description
本発明は高温酸素燃焼装置及び高温酸素燃焼方法に関するものであり、より詳細には、純酸素、或いは、純酸素を含む酸化剤を８００℃以上の超高温域に加熱して炭化水素系燃料と混合する高温酸素燃焼装置及び高温酸素燃焼方法に関するものである。
管式加熱炉、金属加熱炉、窯業焼成炉、金属溶融炉、ガス化溶融炉又はボイラー等の工業炉、或いは、ラジアントチューブバーナ等の燃焼加熱式放熱装置は、炭化水素系燃料を供給する燃料供給装置と、燃焼用空気を供給する空気供給装置と、燃料及び燃焼用空気を混合し且つ燃料を燃焼させるバーナー等の燃焼装置とを備える。燃焼装置において混合した燃料及び燃焼用空気は、拡散燃焼による火炎を燃焼域に生成する。
一般的な燃焼装置において燃料の完全燃焼を図るには、燃焼用空気の実際空気量は、燃料の理論空気量を超える過剰な空気比に設定する必要があり、このため、燃焼用空気及び燃料の混合比（空燃費）は、概ね１４乃至１５程度に設定される。例えば、燃焼装置に供給されるメタン燃料の燃料容積は、必要空気量の１／１５程度に設定される。多くの燃焼設備は、このような流量差を有する燃料噴射流と空気流とを所望の如く混合すべく、旋回流型又は保炎板型等の保炎器を備える。保炎器は、燃料及び空気の混合域に配設され、着火可能な高温循環流を形成し、これにより、火炎の吹き消えを防止し、火炎の安定性を確
保する。
保する。
本願出願人等が開発した燃焼法として、ハニカム構造の切換式蓄熱型熱交換器等を備えた蓄熱再生型バーナーシステム（リジェネレイティブバーナー（regenerative burner)システム)を用いて燃焼用空気を８００℃以上の超高温域に予熱し、高温予熱空気を混合域又は燃焼域に導入する高温空気燃焼法が知られている（特開平6−2135895号公報（特許文献１）等）。８００℃以上に加熱された高温予熱空気による火炎の燃焼モードは、４００℃以下の予熱空気による通常火炎の燃焼モード、或いは、４００乃至８００℃の温度範囲に加熱された予熱空気による遷移火炎の燃焼モードと比較し、極めて広範囲の空気比の燃焼雰囲気において安定燃焼する。このような高温空気燃焼法によれば、極端に低い酸素濃度（3〜10％）の燃焼場を炉内に形成し得るばかりでなく、局部熱発生現象を抑制した熱分散火炎を炉内に形成し、これにより、炉内温度場を均一化するとともに、NOx発生量を低下することができる。
本出願人は又、炉外に導出した燃焼ガス（炉内ガス）、或いは、別途に生成した水蒸気を燃料（或いは、燃料及び燃焼用空気）に混合する高温空気燃焼法を国際特許出願PCT/JP00/05454号(WO01/13042号公報（特許文献２））において提案している。この公報に記載された高温空気燃焼法によれば、炉内に噴射する燃料のモーメンタム（運動量）を増大し、燃料及び燃焼用空気の混合過程及び混合比の制御性を向上し、これにより、火炎特性を効果的に制御することが可能となる。
このような高温空気燃焼法によれば、熱回収率を理論限界に近い80〜90％にまで向上し、従来比でエネルギー消費量を約30％低減するとともに、NOx発生量を50％以上削減し、しかも、伝熱効率の向上により設備全体を約20％程度小型化することが可能になる。
また、本出願人は、高温空気燃焼法において使用可能な炉内ガス循環ユニットとして、蓄熱装置を介して炉内ガスを給排口に送出する循環ファンと、炉内ガス導出位置又は内ガス噴射位置に切換可能な給排切換弁装置とを有する炉内ガス循環ユニットを特開2004-354041号公報（特許文献３）において提案している。同公報に記載された炉内ガス循環ユニットは、炉内ガスの炉内循環又は攪拌を制御すべく、炉体の任意の位置に配置することができる。
更に、切換式蓄熱型熱交換器を備えた蓄熱再生型バーナーシステムにおいて、火炎温度を高温化すべく、燃焼用空気に純酸素を添加して燃焼用空気中の酸素濃度を高め、高酸素濃度且つ高温の燃焼用空気による燃焼火炎を炉内に形成する技術が特開平8-94064号公報（特許文献４）に記載されている。また、このような蓄熱再生型バーナーシステムの応用として、切換式蓄熱型熱交換器を介して純酸素を炉内に供給する酸素燃焼法が欧州特許出願公開公報EP0928938（特許文献５）に記載されている。この酸素燃焼法においては、純酸素が切換式蓄熱型熱交換器によって高温に加熱され、高温の純酸素は、炉内領域において炭化水素系燃料と混合接触して炉内燃焼反応を生起する。このような高温酸素燃焼法においては、切換式蓄熱型熱交換器の給排バランス及び熱バランスを確保すべく、炉内ガスの一部は、炉外に常時排気される。
前述のとおり、高温空気燃焼法によれば、熱回収率を理論限界に近い８０〜９０％にまで向上し、従来比でエネルギー消費量を約30％低減するとともに、NOx発生量を５０％以上削減し、しかも、伝熱効率の向上により設備全体を約２０％程度小型化することが可能になる。このようなエネルギー効率の向上や、設備の小型化は、燃焼方法及び燃焼装置としては限界に近いものと考えられている。しかしながら、更なる燃焼技術の進歩のためには、このようなエネルギー効率を更に向上し且つ燃焼設備を更に小型化し、しかも、NOxの発生を更に抑制し得る新規な燃焼法を開発することが望まれる。
これに関し、特許文献５に記載された酸素燃焼法の如く、燃焼排ガスが保有する顕熱によって高温に予熱した純酸素を燃焼炉に供給する酸素燃焼法を採用することが考えられる。蓄熱再生型バーナーシステムを用いた酸素燃焼法によれば、燃焼域においてNOxが発生するのを実質的に完全に防止することが可能となる。
しかし、８００℃以上に加熱された酸素は、極めて反応性が高く、このため、蓄熱再生型バーナーシステムを構成する熱交換器の金属又はセラミックスの酸化・腐食や、燃焼炉の炉体の酸化・腐食等が生じ易いので、このような酸素燃焼報法は、一般的な工業炉の燃焼設備として採用し難い事情がある。
また、従来の酸素燃焼法は、酸素及び燃料の燃焼反応により、主として高温の火炎を生成することを意図したものである。しかし、多くの工業炉においては、火炎温度が、炉の内面に施された耐火・断熱材料の耐熱温度を超えないように、火炎が局所的に高温化するのを防止又は抑制しつつ、広域且つ比較的低温の拡散燃焼火炎を炉内に生成することが望まれる。このため、このような拡散燃焼火炎を高温酸素燃焼法によって生成することが望まれる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、蓄熱再生型バーナーシステムに純酸素を供給して８００℃以上の超高温域に加熱し、高温の酸素を炭化水素系燃料と燃焼反応せしめる工業炉の高温酸素燃焼装置及び高温酸素燃焼方法であって、燃焼域においてNOxが発生するのを実質的に完全に防止するとともに、高温空気燃焼法に比べてエネルギー消費量を更に低減し且つ燃焼炉及び燃焼設備を更に小型化することができ、しかも、一般的な工業炉において好ましく使用し得る高温酸素燃焼装置及び高温酸素燃焼方法を提供することにある。
上記目的を達成すべく、本発明は、燃焼域を備えた燃焼系と、純酸素を酸化剤として該燃焼域に供給するための酸化剤供給装置と、前記燃焼域に生成した燃焼ガスを前記燃焼系の系外に排気するための排気系装置又は設備とを有し、８００℃以上の温度に加熱した前記酸化剤と炭化水素系燃料とを前記燃焼域で燃焼反応させる高温酸素燃焼装置において、
前記燃焼域と、前記炭化水素系燃料を前記燃焼域に供給する燃料供給手段と、前記純酸素及び前記燃焼ガスに接触し、前記燃焼ガスが保有する顕熱を前記純酸素に伝熱して該純酸素を８００℃以上の温度に加熱する蓄熱再生型熱交換器と、該熱交換器を介して前記酸化剤供給装置の純酸素を前記燃焼域に導入するための酸化剤導入路と、前記熱交換器を介して前記燃焼ガスを前記燃焼域から導出して排気系装置又は設備に送出するための燃焼ガス導出路と、８００℃以上の温度に加熱した前記純酸素に前記燃焼ガスを添加し又は該純酸素を前記燃焼ガスで希釈して前記純酸素と前記燃焼ガスとの混合気を生成する混合気生成手段とにより前記燃焼系を構成し、
前記混合気生成手段により前記燃焼ガスの一部を前記燃焼系の系内で再循環して前記混合気を生成し、該混合気と前記炭化水素系燃料との混合接触による燃焼反応を前記燃焼域に生じさせることを特徴とする高温酸素燃焼装置を提供する。
本発明は又、燃焼域を備えた燃焼系と、純酸素を酸化剤として該燃焼域に供給するための酸化剤供給装置と、前記燃焼域に生成した燃焼ガスを前記燃焼系の系外に排気するための排気系装置又は設備とを有し、８００℃以上の温度に加熱した前記酸化剤と炭化水素系燃料とを前記燃焼域で燃焼反応させる高温酸素燃焼装置において、
前記燃焼域と、前記炭化水素系燃料を前記燃焼域に供給する燃料供給手段と、前記純酸素に前記燃焼ガスを添加し又は前記純酸素を前記燃焼ガスで希釈して前記純酸素と前記燃焼ガスとの混合気を生成する混合気生成手段と、該混合気及び前記燃焼ガスに接触し、前記燃焼ガスが保有する顕熱を前記混合気に伝熱して該混合気を８００℃以上の温度に加熱する蓄熱再生型熱交換器と、該熱交換器を介して前記酸化剤供給装置の純酸素を前記燃焼域に導入するための酸化剤導入路と、前記熱交換器を介して前記燃焼ガスを前記燃焼域から導出して排気系装置又は設備に送出するための燃焼ガス導出路とにより前記燃焼系を構成し、
前記混合気生成手段により前記燃焼ガスの一部を前記燃焼系の系内で再循環して前記混合気を生成し、加熱後の前記混合気と前記炭化水素系燃料との混合接触により前記燃焼域に燃焼反応を生じさせることを特徴とする高温酸素燃焼装置を提供する。
前記燃焼域と、前記炭化水素系燃料を前記燃焼域に供給する燃料供給手段と、前記純酸素及び前記燃焼ガスに接触し、前記燃焼ガスが保有する顕熱を前記純酸素に伝熱して該純酸素を８００℃以上の温度に加熱する蓄熱再生型熱交換器と、該熱交換器を介して前記酸化剤供給装置の純酸素を前記燃焼域に導入するための酸化剤導入路と、前記熱交換器を介して前記燃焼ガスを前記燃焼域から導出して排気系装置又は設備に送出するための燃焼ガス導出路と、８００℃以上の温度に加熱した前記純酸素に前記燃焼ガスを添加し又は該純酸素を前記燃焼ガスで希釈して前記純酸素と前記燃焼ガスとの混合気を生成する混合気生成手段とにより前記燃焼系を構成し、
前記混合気生成手段により前記燃焼ガスの一部を前記燃焼系の系内で再循環して前記混合気を生成し、該混合気と前記炭化水素系燃料との混合接触による燃焼反応を前記燃焼域に生じさせることを特徴とする高温酸素燃焼装置を提供する。
本発明は又、燃焼域を備えた燃焼系と、純酸素を酸化剤として該燃焼域に供給するための酸化剤供給装置と、前記燃焼域に生成した燃焼ガスを前記燃焼系の系外に排気するための排気系装置又は設備とを有し、８００℃以上の温度に加熱した前記酸化剤と炭化水素系燃料とを前記燃焼域で燃焼反応させる高温酸素燃焼装置において、
前記燃焼域と、前記炭化水素系燃料を前記燃焼域に供給する燃料供給手段と、前記純酸素に前記燃焼ガスを添加し又は前記純酸素を前記燃焼ガスで希釈して前記純酸素と前記燃焼ガスとの混合気を生成する混合気生成手段と、該混合気及び前記燃焼ガスに接触し、前記燃焼ガスが保有する顕熱を前記混合気に伝熱して該混合気を８００℃以上の温度に加熱する蓄熱再生型熱交換器と、該熱交換器を介して前記酸化剤供給装置の純酸素を前記燃焼域に導入するための酸化剤導入路と、前記熱交換器を介して前記燃焼ガスを前記燃焼域から導出して排気系装置又は設備に送出するための燃焼ガス導出路とにより前記燃焼系を構成し、
前記混合気生成手段により前記燃焼ガスの一部を前記燃焼系の系内で再循環して前記混合気を生成し、加熱後の前記混合気と前記炭化水素系燃料との混合接触により前記燃焼域に燃焼反応を生じさせることを特徴とする高温酸素燃焼装置を提供する。
好ましくは、上記混合気生成手段は、上記混合気の酸素濃度を体積比２０〜６０％の範囲内（好適には、３０〜５０％の範囲内）に設定する。所望により、上記燃焼ガスは、１５０℃以上に加熱又は予熱された純酸素に混合される。
また、本発明は、燃焼系を構成する燃焼域に対し、酸化剤供給装置から供給される純酸素を酸化剤として前記燃焼域に供給し、８００℃以上の温度に加熱した前記酸化剤と炭化水素系燃料とを前記燃焼域で燃焼反応させ、該燃焼域に生成した燃焼ガスを排気系装置又は設備によって前記燃焼系の系外に排気する高温酸素燃焼方法において、
前記燃焼域と、前記炭化水素系燃料を前記燃焼域に供給する燃料供給手段と、前記純酸素及び前記燃焼ガスに接触し、前記燃焼ガスが保有する顕熱を前記純酸素に伝熱して該純酸素を８００℃以上の温度に加熱する蓄熱再生型熱交換器と、該熱交換器を介して前記純酸素を前記燃焼域に導入するための酸化剤導入路と、前記熱交換器を介して前記燃焼ガスを前記燃焼域から導出して排気系装置又は設備に送出するための燃焼ガス導出路と、８００℃以上の温度に加熱した前記純酸素に前記燃焼ガスを添加し又は該純酸素を前記燃焼ガスで希釈して純酸素及び燃焼ガスの混合気を生成する混合気生成手段とにより前記燃焼系を構成し、
前記混合気生成手段により前記燃焼ガスの一部を前記燃焼系の系内で再循環して前記混合気を生成し、該混合気と前記炭化水素系燃料との混合接触による燃焼反応を前記燃焼域に生じさせることを特徴とする高温酸素燃焼方法を提供する。
更に、本発明は、燃焼系を構成する燃焼域に対し、酸化剤供給装置から供給される純酸素を酸化剤として前記燃焼域に供給し、８００℃以上の温度に加熱した前記酸化剤と炭化水素系燃料とを前記燃焼域で燃焼反応させ、該燃焼域に生成した燃焼ガスを排気系装置又は設備によって前記燃焼系の系外に排気する高温酸素燃焼方法において、
前記燃焼域と、前記炭化水素系燃料を前記燃焼域に供給する燃料供給手段と、前記純酸素に前記燃焼ガスを添加し又は前記純酸素を前記燃焼ガスで希釈して純酸素及び燃焼ガスの混合気を生成する混合気生成手段と、該混合気及び前記燃焼ガスに接触し、前記燃焼ガスが保有する顕熱を前記混合気に伝熱して該混合気を８００℃以上の温度に加熱する蓄熱再生型熱交換器と、該熱交換器を介して前記純酸素を前記燃焼域に導入するための酸化剤導入路と、前記熱交換器を介して前記燃焼ガスを前記燃焼域から導出して排気系装置又は設備に送出するための燃焼ガス導出路とより前記燃焼系を構成し、
前記混合気生成手段により前記燃焼ガスの一部を前記燃焼系の系内で再循環して、加熱後の前記混合気と前記炭化水素系燃料との混合接触による燃焼反応を前記燃焼域に生じさせることを特徴とする高温酸素燃焼方法を提供する。
前記燃焼域と、前記炭化水素系燃料を前記燃焼域に供給する燃料供給手段と、前記純酸素及び前記燃焼ガスに接触し、前記燃焼ガスが保有する顕熱を前記純酸素に伝熱して該純酸素を８００℃以上の温度に加熱する蓄熱再生型熱交換器と、該熱交換器を介して前記純酸素を前記燃焼域に導入するための酸化剤導入路と、前記熱交換器を介して前記燃焼ガスを前記燃焼域から導出して排気系装置又は設備に送出するための燃焼ガス導出路と、８００℃以上の温度に加熱した前記純酸素に前記燃焼ガスを添加し又は該純酸素を前記燃焼ガスで希釈して純酸素及び燃焼ガスの混合気を生成する混合気生成手段とにより前記燃焼系を構成し、
前記混合気生成手段により前記燃焼ガスの一部を前記燃焼系の系内で再循環して前記混合気を生成し、該混合気と前記炭化水素系燃料との混合接触による燃焼反応を前記燃焼域に生じさせることを特徴とする高温酸素燃焼方法を提供する。
更に、本発明は、燃焼系を構成する燃焼域に対し、酸化剤供給装置から供給される純酸素を酸化剤として前記燃焼域に供給し、８００℃以上の温度に加熱した前記酸化剤と炭化水素系燃料とを前記燃焼域で燃焼反応させ、該燃焼域に生成した燃焼ガスを排気系装置又は設備によって前記燃焼系の系外に排気する高温酸素燃焼方法において、
前記燃焼域と、前記炭化水素系燃料を前記燃焼域に供給する燃料供給手段と、前記純酸素に前記燃焼ガスを添加し又は前記純酸素を前記燃焼ガスで希釈して純酸素及び燃焼ガスの混合気を生成する混合気生成手段と、該混合気及び前記燃焼ガスに接触し、前記燃焼ガスが保有する顕熱を前記混合気に伝熱して該混合気を８００℃以上の温度に加熱する蓄熱再生型熱交換器と、該熱交換器を介して前記純酸素を前記燃焼域に導入するための酸化剤導入路と、前記熱交換器を介して前記燃焼ガスを前記燃焼域から導出して排気系装置又は設備に送出するための燃焼ガス導出路とより前記燃焼系を構成し、
前記混合気生成手段により前記燃焼ガスの一部を前記燃焼系の系内で再循環して、加熱後の前記混合気と前記炭化水素系燃料との混合接触による燃焼反応を前記燃焼域に生じさせることを特徴とする高温酸素燃焼方法を提供する。
好ましくは、上記混合気の酸素濃度は、体積比２０〜６０％の範囲内（好適には、体積比３０〜５０％の範囲内）に設定される。所望により、上記燃焼ガスは、１５０℃以上に加熱又は予熱された純酸素に混合される。
本発明の上記構成によれば、純酸素及び炭化水素系燃料の燃焼反応が燃焼域において進行するので、炉外に排出すべき燃焼排ガスの容積は減少し、従って、系外に排出される熱量が減少する。また、燃焼域に生成する水蒸気及び二酸化炭素がいずれも輻射性ガスであるので、燃焼域に配置された被加熱物等に対する加熱性能又は伝熱性能が向上する。これらの事項は、高温空気燃焼と明確に相違する点である。即ち、本発明によれば、高温空気燃焼法に比して、エネルギー消費量を更に低減するとともに、燃焼炉及び燃焼設備を更に小形化することができる。
また、純酸素は、高温酸素燃焼により燃焼域に生成した燃焼ガスと混合し、純酸素及び燃焼ガスの混合気が燃焼域に供給される。混合気は、炭化水素系燃料に混合接触し、燃焼反応する。純酸素及び炭化水素系燃料の燃焼ガスは、実質的に二酸化炭素及び水蒸気のみを含むので、上記混合気は、純酸素、二酸化炭素及び水蒸気の混合気である。従って、意図せぬリーク等によって炉内に進入する微量の外界空気や、燃料に含まれる窒素化合物に由来する僅かな窒素酸化物を除き、窒素酸化物が燃焼域に発生する虞がない。従って、本発明の上記構成によれば、燃焼域においてNOxが発生するのを実質的に完全に防止することができる。なお、本発明によれば、後述するとおり、火炎の温度が極端に高温化せず、従って、このような外界空気や燃料に含まれる窒素に起因して窒素酸化物が燃焼域に生成する現象も抑制される。
更に、本発明において、純酸素は、燃焼ガス（二酸化炭素及び水蒸気）に混合され、従って、酸素濃度が低下した酸化剤（例えば、体積比２０〜５０％の酸素濃度の酸化剤）が炉内に導入されるので、火炎温度が極端に高温化するのを防止することができる。このように火炎の温度が極端に高温化するのを防止することにより、燃焼域及び流路等を区画又は画成する耐火・断熱材料として、既知の耐火性能を有する従来の耐火・断熱材料を用いて工業炉及び流路等を形成し又は構築することが可能となる。なお、８００℃以上の超高温域に加熱された上記混合気と炭化水素系燃料との燃焼反応においては、混合気の酸素濃度（体積比）が２０％以上（好ましくは、３０％以上）の場合、安定した燃焼反応が得られるとともに、火炎形状が概ね同等の形状で安定することが、本発明者等の実験により判明した。
他の観点より、本発明は、純酸素を酸化剤として炉内に供給するための酸化剤供給装置と、燃焼排ガスを系外に排気するための排気系とを有し、前記燃焼排ガスが保有する顕熱を前記酸化剤に伝熱して該酸化剤を８００℃以上の温度に加熱し、加熱後の前記酸化剤と炭化水素系燃料とを炉内領域で燃焼反応させる高温酸素燃焼装置において、
酸化剤供給装置の純酸素供給源と前記排気系とに交互に接続され、炉内燃焼ガスを炉外に導出し且つ前記純酸素供給源の純酸素を炉内領域に供給するための蓄熱再生型の第１及び第２熱交換器と、
各熱交換器の蓄熱体を前記排気系又は純酸素供給源に交互に流体連通せしめる流路切換装置と、
前記第１熱交換器内の流路と、前記第２熱交換器内の流路とを相互連通させ、一方の熱交換器から系外に排気される燃焼排ガスの一部を他方の熱交換器の流路に供給して該燃焼排ガスを前記純酸素に添加する連通路とを有し、
前記純酸素及び燃焼排ガスの混合気と炭化水素系燃料とを炉内領域で燃焼反応させるようにしたことを特徴とする高温酸素燃焼装置を提供する。
好ましくは、上記連通路は、純酸素の流体圧力により燃焼排ガスを誘引し、燃焼排ガスを純酸素に混合せしめる。所望により、上記燃焼排ガスは、１５０℃以上に加熱又は予熱された純酸素に混合される。
酸化剤供給装置の純酸素供給源と前記排気系とに交互に接続され、炉内燃焼ガスを炉外に導出し且つ前記純酸素供給源の純酸素を炉内領域に供給するための蓄熱再生型の第１及び第２熱交換器と、
各熱交換器の蓄熱体を前記排気系又は純酸素供給源に交互に流体連通せしめる流路切換装置と、
前記第１熱交換器内の流路と、前記第２熱交換器内の流路とを相互連通させ、一方の熱交換器から系外に排気される燃焼排ガスの一部を他方の熱交換器の流路に供給して該燃焼排ガスを前記純酸素に添加する連通路とを有し、
前記純酸素及び燃焼排ガスの混合気と炭化水素系燃料とを炉内領域で燃焼反応させるようにしたことを特徴とする高温酸素燃焼装置を提供する。
好ましくは、上記連通路は、純酸素の流体圧力により燃焼排ガスを誘引し、燃焼排ガスを純酸素に混合せしめる。所望により、上記燃焼排ガスは、１５０℃以上に加熱又は予熱された純酸素に混合される。
本発明は又、純酸素を酸化剤として炉内に供給し且つ燃焼排ガスを系外に排気するとともに、該燃焼排ガスが保有する顕熱を前記酸化剤に伝熱して該酸化剤を８００℃以上の温度に加熱し、加熱後の前記酸化剤と炭化水素系燃料とを炉内領域で燃焼反応させる高温酸素燃焼方法において、
蓄熱再生型の第１及び第２熱交換器を純酸素供給源及び排気系に交互に接続して、各熱交換器の蓄熱体を前記純酸素供給源及び排気系に交互に流体連通せしめ、
前記第１熱交換器内の流路と前記第２熱交換器内の流路とを相互連通させ、一方の熱交換器から系外に排気される燃焼排ガスの一部を他方の熱交換器の流路に供給し、該燃焼排ガスを前記純酸素に添加して純酸素及び燃焼排ガスの混合気を生成し、該混合気と炭化水素系燃料とを炉内領域で燃焼反応させることを特徴とする高温酸素燃焼方法を提供する。
好ましくは、燃焼排ガスは、純酸素の流体圧力により誘引され、純酸素に混合する。所望により、上記燃焼排ガスは、１５０℃以上に加熱又は予熱された純酸素に混合される。
蓄熱再生型の第１及び第２熱交換器を純酸素供給源及び排気系に交互に接続して、各熱交換器の蓄熱体を前記純酸素供給源及び排気系に交互に流体連通せしめ、
前記第１熱交換器内の流路と前記第２熱交換器内の流路とを相互連通させ、一方の熱交換器から系外に排気される燃焼排ガスの一部を他方の熱交換器の流路に供給し、該燃焼排ガスを前記純酸素に添加して純酸素及び燃焼排ガスの混合気を生成し、該混合気と炭化水素系燃料とを炉内領域で燃焼反応させることを特徴とする高温酸素燃焼方法を提供する。
好ましくは、燃焼排ガスは、純酸素の流体圧力により誘引され、純酸素に混合する。所望により、上記燃焼排ガスは、１５０℃以上に加熱又は予熱された純酸素に混合される。
本発明の上記構成によれば、一方の熱交換器を介して系外に排気される燃焼排ガスの一部が、他方の熱交換器に供給される。各熱交換器の蓄熱体は、燃焼排ガスに伝熱接触して受熱し且つ蓄熱した後、純酸素、或いは、純酸素及び燃焼排ガスの混合気に伝熱接触して放熱し、純酸素又は混合気を加熱する。加熱後の純酸素と燃焼排ガスとの混合気、或いは、加熱後の混合気は、炉内に供給された炭化水素系燃料に混合接触し、炉内領域において燃焼反応する。純酸素及びその燃焼排ガスの混合気は、窒素を含まず、従って、燃焼域においてNOxが発生するのを実質的に完全に防止することができる。また、純酸素及び炭化水素系燃料の燃焼反応によれば、炉外に排出すべき燃焼排ガスの容積が減少し、従って、系外に排出される熱量が減少する。しかも、燃焼反応によって生成する水蒸気及び二酸化炭素がいずれも輻射性ガスであるので、燃焼炉の加熱性能又は伝熱性能が向上する。このため、高温空気燃焼法に比して、エネルギー消費量が更に低減する。しかも、本発明の高温酸素燃焼法では、給気流体及び排気流体の流量や、系内循環流体の流量が高温空気燃焼に比べて低減するので、高温空気燃焼法よりも燃焼炉及び燃焼設備を更に小形化することができる。
加えて、本発明の上記構成によれば、燃焼排ガス（二酸化炭素及び水蒸気）によって希釈した純酸素が炭化水素系燃料と燃焼反応するので、酸素及び燃料は緩慢に燃焼反応し、火炎温度が局所的に高温化するのを抑制しつつ、広域且つ比較的低温の拡散燃焼火炎を炉内に生成することができる。
また、本発明の上記構成によれば、高温の純酸素は、燃焼排ガスで希釈されるので、８００℃以上の高温純酸素によって燃焼炉の炉体等に酸化・腐食が生じるのを防止することができる。好ましくは、燃焼排ガスは、加熱前の純酸素に添加され、或いは、中間温度（例えば、４００℃程度）まで加熱された加熱過程の純酸素に添加される。これにより、８００℃以上の高温純酸素によって熱交換器内の流路壁等が酸化・腐食するのを確実に防止することができる。
更に他の観点より、本発明は、純酸素を酸化剤として炉内に供給するための酸化剤供給装置と、燃焼排ガスを系外に排気するための排気系とを有し、前記酸化剤と炭化水素系燃料とを炉内領域で燃焼反応させる高温酸素燃焼装置において、
炉内壁面に配置され、純酸素を炉内領域に噴射するとともに、炉内ガスを純酸素噴流によって誘引して純酸素を炉内ガスで希釈し且つ加熱する純酸素噴射手段と、
炉内壁面に配置され、希釈後の純酸素に炭化水素系燃料を混合接触させるように炉内に炭化水素系燃料を噴射する燃料噴射手段と、
炉内ガスを炉外に導出して、該炉内ガスの一部を系外に排気するとともに、前記炉内ガスの残部を炉内領域に還流させる炉内ガス排気・循環装置とを有し、
炉内ガス排気・循環装置は、炉外に導出した炉内ガスに伝熱接触して加熱され且つ該炉内ガスを冷却する蓄熱再生型熱交換器の蓄熱体を有し、冷却後の炉内ガスの一部を系外に排気し、該炉内ガスの残部を前記蓄熱体に伝熱接触せしめて再熱した後、炉内領域に還流せしめることを特徴とする高温酸素燃焼装置を提供する。
好ましくは、炉内ガス排気・循環装置は、純酸素及び燃料の総流量の９倍以上の流量の炉内ガスを炉外に導出する。
炉内壁面に配置され、純酸素を炉内領域に噴射するとともに、炉内ガスを純酸素噴流によって誘引して純酸素を炉内ガスで希釈し且つ加熱する純酸素噴射手段と、
炉内壁面に配置され、希釈後の純酸素に炭化水素系燃料を混合接触させるように炉内に炭化水素系燃料を噴射する燃料噴射手段と、
炉内ガスを炉外に導出して、該炉内ガスの一部を系外に排気するとともに、前記炉内ガスの残部を炉内領域に還流させる炉内ガス排気・循環装置とを有し、
炉内ガス排気・循環装置は、炉外に導出した炉内ガスに伝熱接触して加熱され且つ該炉内ガスを冷却する蓄熱再生型熱交換器の蓄熱体を有し、冷却後の炉内ガスの一部を系外に排気し、該炉内ガスの残部を前記蓄熱体に伝熱接触せしめて再熱した後、炉内領域に還流せしめることを特徴とする高温酸素燃焼装置を提供する。
好ましくは、炉内ガス排気・循環装置は、純酸素及び燃料の総流量の９倍以上の流量の炉内ガスを炉外に導出する。
本発明は又、純酸素を酸化剤として炉内に供給し、該酸化剤と炭化水素系燃料とを炉内領域で燃焼反応させ、燃焼排ガスを系外に排気する高温酸素燃焼方法において、
炉内壁面に配置された純酸素噴射手段によって純酸素を炉内領域に噴射するとともに、炉内ガスを純酸素噴流によって誘引して純酸素を炉内ガスで希釈し且つ加熱し、
炉内壁面に配置された燃料噴射手段によって炭化水素系燃料を炉内領域に噴射し、炉内ガスで希釈された純酸素に炭化水素系燃料を混合接触させて酸素及び燃料を燃焼反応せしめ、
炉内ガスを炉外に導出して、炉外に導出した炉内ガスに伝熱接触する蓄熱再生型熱交換器の蓄熱体によって該炉内ガスを冷却するとともに、前記炉内ガスが保有する顕熱を前記蓄熱体に蓄熱し、
冷却後の前記炉内ガスの一部を燃焼排ガスとして系外に排気するとともに、冷却後の炉内ガスの残部を前記蓄熱体に伝熱接触せしめて炉内ガスの残部を再熱して、炉内領域に還流させることを特徴とする高温酸素燃焼方法を提供する。
好ましくは、炉内領域に噴射される純酸素及び燃料の総流量の９倍以上の流量の炉内ガスが、炉外に導出される。
炉内壁面に配置された純酸素噴射手段によって純酸素を炉内領域に噴射するとともに、炉内ガスを純酸素噴流によって誘引して純酸素を炉内ガスで希釈し且つ加熱し、
炉内壁面に配置された燃料噴射手段によって炭化水素系燃料を炉内領域に噴射し、炉内ガスで希釈された純酸素に炭化水素系燃料を混合接触させて酸素及び燃料を燃焼反応せしめ、
炉内ガスを炉外に導出して、炉外に導出した炉内ガスに伝熱接触する蓄熱再生型熱交換器の蓄熱体によって該炉内ガスを冷却するとともに、前記炉内ガスが保有する顕熱を前記蓄熱体に蓄熱し、
冷却後の前記炉内ガスの一部を燃焼排ガスとして系外に排気するとともに、冷却後の炉内ガスの残部を前記蓄熱体に伝熱接触せしめて炉内ガスの残部を再熱して、炉内領域に還流させることを特徴とする高温酸素燃焼方法を提供する。
好ましくは、炉内領域に噴射される純酸素及び燃料の総流量の９倍以上の流量の炉内ガスが、炉外に導出される。
本発明の上記構成によれば、炉内ガス（二酸化炭素及び水蒸気）と純酸素との混合流体が炭化水素系燃料と燃焼反応するので、酸素及び燃料は緩慢に燃焼反応し、火炎温度が局所的に高温化するのを抑制しつつ、広域且つ比較的低温の拡散燃焼火炎を炉内に生成することができる。また、純酸素及びその燃焼排ガスの混合気は、窒素を含まず、従って、燃焼域においてNOxが発生するのを実質的に完全に防止することができる。更に、この燃焼反応は、純酸素及び炭化水素系燃料の炉内燃焼反応であるので、炉外に排出すべき燃焼排ガスの容積が減少するとともに、燃焼反応によって生成する水蒸気及び二酸化炭素は、いずれも輻射性ガスであり、従って、燃焼炉の加熱性能又は伝熱性能が向上する。従って、本発明によれば、高温空気燃焼法よりもエネルギー消費量を更に低減することができる。更に、上記高温酸素燃焼法では、給気流体及び排気流体の流量や、系内循環流体の流量が高温空気燃焼に比べて低減するので、高温空気燃焼法よりも燃焼炉及び燃焼設備を更に小形化することができる。
加えて、本発明の上記構成によれば、純酸素は、炉内領域において炉内ガスで希釈され且つ加熱されるので、熱交換器を構成する金属又はセラミックス材料の酸化・腐食や、燃焼炉の炉体の酸化・腐食等が生じるのを確実に防止することができる。また、蓄熱再生型熱交換器のガス循環量を適切に設定し、適量の燃焼排ガスを系外に排気することにより、燃焼系全体の流量バランス及び熱バランスを適正化することができる。
なお、「純酸素」は、理想的には、不純物を全く含まない濃度１００％の酸素であることが望ましいが、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）等の技術で製造される通常の「純酸素」は、現実には、少量又は微量の不純物を含有しており、通常は、９５％以下の濃度である。また、純酸素供給経路においては、少量又は微量の外界空気等が不可避的に純酸素供給流路内に進入することも現実には想定される。しかし、このような少量又は微量の不純物等が仮に純酸素に混入したとしても、本発明の意図は、大きく損なわれるものではない。従って、本明細書において、「純酸素」の用語は、９０％以上（重量比）の酸素濃度を有する流体（気体）を意味するものとする。
本発明の高温酸素燃焼装置及び高温酸素燃焼方法は、蓄熱再生型バーナーシステムに純酸素を供給して８００℃以上の超高温域に加熱し、高温の酸素を炭化水素系燃料と燃焼反応せしめる工業炉の高温酸素燃焼装置及び高温酸素燃焼方法を提供する。本発明の高温酸素燃焼装置及び高温酸素燃焼方法は、一般的な工業炉に好適に使用することができ、しかも、NOxが燃焼域に発生するのを実質的に完全に防止するとともに、高温空気燃焼法に比べてエネルギー消費量を更に低減し且つ燃焼炉及び燃焼設備を更に小型化することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
図１は、従来の高温空気燃焼法の構成を概略的に示す高温空気燃焼システムのブロック図である。図１（Ａ）には、高温空気燃焼システムの第１燃焼形態が示され、図１（Ｂ）には、高温空気燃焼システムの第２燃焼形態が示されている。
高温空気燃焼法においては、燃焼炉Ｃは、蓄熱再生型バーナーシステムを構成する第１及び第２の蓄熱型熱交換器Ｈ１、Ｈ２を備える。第１燃焼形態（図１（Ａ））においては、大気圧且つ大気温度（常圧・常温）の燃焼用空気Ａが第２熱交換器Ｈ２に供給され、炉内燃焼ガスＲが第１熱交換器Ｈ１を介して炉外に導出され、燃焼排ガスＥとして系外に排気される。第２燃焼形態（図１（Ｂ））においては、常圧・常温の燃焼用空気Ａが第１熱交換器Ｈ１に供給され、炉内燃焼ガスＲが第２熱交換器Ｈ２を介して炉外に導出され、燃焼排ガスＥとして系外に排気される。第１及び第２燃焼形態は、６０秒以内に設定された所定時間間隔（例えば、３０秒間隔）で交互に切り換えられ、熱交換器Ｈ１、Ｈ２によって８００℃以上の超高温域に加熱された燃焼用空気が炉内領域αに実質的に連続的に供給される。炭化水素系燃料Ｆが炉内領域αに供給され、燃焼用空気Ａと混合接触して炉内燃焼反応が生起する。
例えば、図１に化学式で示す如く、燃料Ｆとしてメタン（CH4）を用いた場合、燃焼反応の化学量論比は、燃料１モルに対して空気１０モル（酸素２モル）であり、理論燃空比は、１/１０である。従って、第１及び第２燃焼形態の各々において各熱交換器Ｈ１、Ｈ２を流通する気体の流量比は、給気流量：排気流量＝１０：１１であり、これは、概ね均等な流量の燃焼用空気及び燃焼排ガスが熱交換器Ｈ１、Ｈ２を常時流通することを意味する。なお、給排気に約１０％の流量差が生じるが、全体流量が比較的大きいので、この程度の流量差の場合、燃焼系全体の流量バランス及び熱バランスに実質的な影響が生じないことが既に確認されている。また、約１０％の流量差の場合、必要に応じて少量の炉内燃焼ガスＲを炉内燃焼域から直に系外に排気することにより、多大な熱損失を伴わずに燃焼系全体の流量バランス及び熱バランスを確保することが可能となる。
図２は、このような高温空気燃焼法の構成を高温酸素燃焼法に適用した高温酸素燃焼システムの構成を概略的に示すブロック図である。
図２に示す燃焼システムは、燃焼用空気Ａに換えて純酸素Ｏを燃焼システムに供給するように構成した燃焼系である。純酸素Ｏは、熱交換器Ｈ１、Ｈ２によって８００℃以上の超高温域に加熱された後、炉内領域αに供給される。炭化水素系燃料Ｆが炉内に供給され、加熱後の純酸素Ｏと混合して炉内燃焼反応が生起する。
例えば、図１に化学式で示す如く、燃料Ｆとしてメタン（CH4）を用いた場合、燃焼反応の量論比は、燃料１モルに対して酸素２モルであり、従って、化学量論比は、１／２である。このため、第１燃焼形態（図２（Ａ））及び第２燃焼形態（図２（Ｂ））の双方において、各熱交換器Ｈ１、Ｈ２を流通する気体の流量比は、排気流量：給気流量＝３：２であるので、給気及び排気の流量差が大きく、燃焼系全体の流量バランス及び熱バランスを所望の如く確保し難い。例えば、高温空気燃焼法の燃焼系（図１）においては、燃焼排ガスＥを２００〜３００℃の温度に冷却し得るが、図２に示す高温酸素燃焼法の燃焼系においては、そのような温度域に燃焼排ガス温度を低下させることができず、この結果、排気系の流路及び機器等に過大な熱負荷が課せられ、或いは、熱交換器Ｈ１、Ｈ２を構成する蓄熱体の過熱等が生じ易い。
図３は、図２に示す燃焼系において、炉内燃焼ガスの一部を直に系外に排気するように構成された高温酸素燃焼システムを概略的に示すブロック図である。
図３に示す高温酸素燃焼システムは、各熱交換器Ｈ１、Ｈ２を流通する純酸素Ｏ及び燃焼排ガスＥの流量比を均等化し、排気流量：給気流量＝１：１に設定すべく、炉内燃焼ガスＲの一部を炉内領域αから直に系外に排気するように構成した燃焼系である。例えば、メタン（CH4）を燃料として使用する場合、給気流量（酸素供給量及び燃料供給量の総量）の１／３に相当する流量の燃焼排ガスＥａが炉内燃焼域から系外に直に排気される。このような構成によれば、第１及び第２燃焼形態の各々において各熱交換器Ｈ１、Ｈ２を流通する純酸素Ｏ及び燃焼排ガスＥの流量を等量（給気流量＝排気流量）に維持することができ、従って、燃焼系全体の流量バランス及び熱バランスを確保し得る。また、酸素及び炭化水素系燃料の燃焼反応により発生する燃焼ガスは、炉内発熱量に対して比較的少量であるので、上記の如く燃焼排ガスＥａを系外に直に排気したとしても、燃焼系全体の熱損失は著しく増大せず、従って、熱効率が顕著に低下するのを回避することができる。
図２及び図３に示す高温酸素燃焼システムによれば、炉内領域αに生成する燃焼ガスの成分は、実質的に水蒸気及び二酸化炭素のみであり、従って、NOxの発生を実質的に完全に抑制することができ、しかも、燃焼系全体を循環する燃焼ガス流量や、系外に排気される燃焼排ガス量が低減するので、炉及び燃焼設備を小型化することが可能となる。しかも、燃焼排ガスが保有する顕熱が蓄熱再生式の熱交換器Ｈ１、Ｈ２によって効率的に回収されるので、燃料消費量（エネルギー消費量）を低下させることが可能となる。
しかし、８００℃以上の超高温域に加熱された酸素は、極めて反応性が高く、このため、熱交換器Ｈ１、Ｈ２や高温ガス流路を構成する金属又はセラミックス材料の酸化・腐食や、燃焼炉の炉体の酸化・腐食等が懸念されることから、このような構成の高温酸素燃焼法は、炉体を構成する耐火・断熱材料や、燃焼設備を構成する材料又は素材の開発を前提条件とせざるを得ず、従って、現状では、一般的な工業炉の燃焼方式として採用し難い事情がある。また、このような酸素燃焼法においては、燃焼域の火炎が局所的に高温化し、一般的な工業炉の炉体及び流路等を構成する耐火・断熱材料が損耗又は損傷することが懸念される。
図４及び図５は、本発明に係る高温酸素燃焼システムの構成を概略的に示すブロック図である。
図４及び図５には、純酸素を燃焼排ガスによって希釈すべく、炉内ガスの一部を再循環して純酸素に添加するように構成された本発明の高温酸素燃焼システムが概略的に示されている。図４及び図５に示す燃焼システムにおいては、炉外に導出された直後の燃焼排ガスＥの一部が、バイパス流Ｂとして純酸素Ｏの供給流に添加され、バイパス流Ｂ及び酸素Ｏの混合気Ｍが炉内領域αに供給される。
図４に示す高温酸素燃焼システムにおいては、熱交換器Ｈ１、Ｈ２の高温側（炉内側）流路が相互連通する。第１燃焼形態（図４（Ａ））において、純酸素Ｏが第２熱交換器Ｈ２に供給され、炉外に導出された燃焼排ガスＥの一部がバイパス流Ｂとして加熱後の純酸素Ｏに添加される。燃焼排ガスＥの残部は、第１熱交換器Ｈ１によって冷却された後、系外に排気される。バイパス流Ｂ及び酸素Ｏの混合気Ｍが、炉内領域αにおいて炭化水素系燃料Ｆに混合接触し、燃焼反応する。第２燃焼形態（図４（Ｂ））においては、純酸素Ｏが第１熱交換器Ｈ１に供給され、炉外に導出された燃焼排ガスＥの一部がバイパス流Ｂとして加熱後の純酸素Ｏに添加される。燃焼排ガスＥの残部は、第２熱交換器Ｈ２によって冷却された後、系外に排気される。バイパス流Ｂ及び純酸素Ｏの混合気Ｍは、炉内領域αにおいて炭化水素系燃料Ｆに混合接触し、燃焼反応する。所望により、燃焼系全体の流量バランス及び熱バランスを確保すべく、比較的少量の燃焼排ガスＥａが炉内領域αから系外に直に排気される。
図５に示す高温酸素燃焼システムにおいては、熱交換器Ｈ１、Ｈ２の低温側（炉外側）流路が相互連通する。第１燃焼形態（図５（Ａ））において、純酸素Ｏが第２熱交換器Ｈ２に供給され、第１熱交換器Ｈ１によって冷却された燃焼排ガスＥの一部が、バイパス流Ｂとして分流し、加熱前の純酸素Ｏに添加される。燃焼排ガスＥの残部は、系外に排気される。バイパス流Ｂ及び純酸素Ｏの混合気Ｍが、第２熱交換器Ｈ２によって加熱された後、炉内領域αに供給され、炉内領域αにおいて炭化水素系燃料Ｆに混合接触し、燃焼反応する。第２燃焼形態（図５（Ｂ））においては、純酸素Ｏが第１熱交換器Ｈ１に供給され、第２熱交換器Ｈ２によって冷却された燃焼排ガスＥの一部が、バイパス流Ｂとして分流し、加熱前の純酸素Ｏに添加される。燃焼排ガスＥの残部は、系外に排気される。バイパス流Ｂ及び純酸素Ｏの混合気Ｍが、第１熱交換器Ｈ１によって加熱された後、炉内領域に供給され、炉内領域αにおいて炭化水素系燃料Ｆに混合接触し、燃焼反応する。所望により、燃焼系全体の流量バランス及び熱バランスを確保すべく、比較的少量の燃焼排ガスＥａが炉内領域αから系外に直に排気される。
図４及び図５に示す高温酸素燃焼システムにおいて、例えば、メタン（CH4）を燃料Ｆとして使用する場合、炭化水素系燃料と酸素との燃焼反応により生成した燃焼ガスは、実質的に二酸化炭素及び水蒸気の混合気であり、従って、混合気Ｍは、純酸素Ｏを二酸化炭素及び水蒸気によって希釈してなる給気流として炉内領域αに供給される。バイパス流Ｂの流量は、例えば、酸素供給量と等量に設定され、混合気Ｍの酸素濃度は、体積比５０％に設定される。所望により、混合気Ｍの酸素濃度を体積比２０％程度まで低減することも可能である。純酸素Ｏを炉内燃焼ガスＲで希釈した混合気は、燃料Ｆと緩慢に燃焼反応するので、火炎温度が局所的に高温化するのを抑制した広域且つ比較的低温の拡散燃焼火炎を炉内に生成することができる。
図４に示す燃焼系においては、炉内領域αから導出された直後の燃焼排ガスＥの一部がバイパス流Ｂとして熱交換器Ｈ１、Ｈ２の高温側（炉内側）流路を循環し、熱交換器Ｈ１、Ｈ２によって加熱された純酸素Ｏに混合する。他方、図５に示す燃焼系においては、炉内領域αから導出された燃焼排ガスＥは、熱交換器Ｈ１、Ｈ２によって冷却された後、その一部がバイパス流Ｂとして純酸素Ｏに添加され、二酸化炭素及び水蒸気によって希釈された純酸素Ｏが、熱交換器Ｈ１、Ｈ２に伝熱接触して加熱される。
図４に示す燃焼系では、熱交換器Ｈ１、Ｈ２の一部を除き、反応性が高い高温の純酸素に直に接触せず、従って、流路及び炉体の酸化・腐食等を抑制することができ、図５に示す燃焼系では、熱交換器Ｈ１、Ｈ２を含む全流路及び炉内壁面が８００℃以上の高温純酸素に直に接触せず、従って、燃焼系全体の酸化・腐食等を確実に防止することができる。
図４（Ｃ）に示す如く、熱交換器Ｈ１、Ｈ２において、各熱交換器の蓄熱体を気流方向に（前後に）分割し、各蓄熱体の中間部分においてバイパス流Ｂを純酸素Ｏに添加するように構成しても良い。このような構成によれば、図５に示す燃焼系と同じく、熱交換器Ｈ１、Ｈ２を含む全流路及び炉内壁面が高温の純酸素に直に接触するのを防止することが可能となる。また、このような構成によれば、低温側の蓄熱体部分によって純酸素Ｏが予熱されるので、バイパス流Ｂ中の水蒸気が常温の純酸素Ｏと混合して凝縮するのを確実に防止することができる。
図６は、本発明の他の実施形態に係る高温酸素燃焼システムの構成を概略的に示すブロック図である。
図４及び図５に示す実施形態は、純酸素Ｏ又はその混合気Mを蓄熱再生型の熱交換器Ｈ１、H２によって加熱する方式のものであるが、図６に示す実施形態の如く、高温の炉内燃焼ガスＲによって純酸素Ｏを炉内領域αで加熱し且つ希釈することも可能である。図６には、純酸素Ｏ及び燃料Ｆの噴射ノズルを炉内壁面に配設し、純酸素Ｏ及び燃料Ｆを炉内領域αに直に噴射し、純酸素Ｏを炉内燃焼ガスＲによって加熱し且つ希釈する方式の燃焼システムが示されている。
炉内領域αは、一般に、１２００℃以上の高温雰囲気である。純酸素Ｏは、酸素噴射ノズルの噴射口から炉内領域αに噴射する。酸素噴射ノズルから炉内領域αに噴射した純酸素Ｏの噴流は、周囲の炉内ガスを誘引しながら、炉内燃焼ガスＲと混合し且つ炉内燃焼ガスＲによって加熱される。このような混合・加熱の作用は、酸素噴射ノズルの噴射部からノズル直径（口径）の約１０倍に相当する距離範囲内の領域において急速に進行する。
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）の各燃焼形態において、炉内領域αに噴射した純酸素Ｏは、炉内燃焼ガスＲと混合し、炉内燃焼ガスＲと同等の温度に加熱された後、炉内領域αに噴射した燃料Ｆと混合接触して炉内領域αで燃焼反応する。純酸素Ｏを炉内燃焼ガスＲで希釈した混合気は、燃料Ｆと緩慢に燃焼反応し、これにより、火炎温度が局所的に高温化するのを抑制しつつ、広域且つ比較的低温の拡散燃焼火炎を炉内に生成することができる。
図６に示す燃焼システムは又、炉内燃焼ガスＲの一部を炉外に排気し、炉内燃焼ガスＲの残部を炉内に還流させる炉内ガス排気・循環装置を備える。炉内ガス排気・循環装置は、一対の熱交換器Ｈ１、Ｈ２から構成される。例えば、炉内ガス排気・循環装置は、純酸素O及び燃料Ｆの総流量の約１０倍に相当する流量の炉内燃焼ガスＲを炉外に導出し且つ炉内に還流させる。
図６に示す如く、炉内ガス排気・循環装置は、第１及び第２の蓄熱型熱交換器Ｈ１、Ｈ２を備える。炉内ガス排気・循環装置は、第１循環形態（図６（Ａ））において、炉内燃焼ガスＲを第１熱交換器Ｈ１から炉外に導出し、炉内燃焼ガスＲが保有する顕熱を第１熱交換器Ｈ１に蓄熱し、冷却後の炉内燃焼ガスＲの大部分を第２熱交換器Ｈ２に導入し、第２熱交換器Ｈ２によって再熱して炉内領域αに還流させる。炉内ガス排気・循環装置は、第２循環形態（図６（Ｂ））において、炉内燃焼ガスＲを第２熱交換器Ｈ２から炉外に導出し、炉内燃焼ガスＲが保有する顕熱を第２熱交換器Ｈ２に蓄熱し、冷却後の炉内燃焼ガスＲの大部分を第１熱交換器Ｈ１に導入し、第１熱交換器Ｈ１によって再熱して炉内領域αに還流させる。各々の排気・循環形態において、冷却後の炉内燃焼ガスＲの一部は、燃焼排ガスＥｘとして系外に排気される。
第１及び第２循環形態は、６０秒以内に設定された所定時間間隔（例えば、３０秒間隔）で交互に切り換えられる。燃焼排ガスＥｘの流量は、炉内領域αに供給される純酸素Ｏ及び燃料Ｆの総流量と等しい流量に設定される。例えば、燃焼排ガスＥｘの流量は、炉内ガス導出量の約１０％に設定され、炉外に導出した炉内燃焼ガスＲの約９０％が炉内領域αに還流する。即ち、炉外に導出した炉内燃焼ガスＲの大部分が、炉外導出時の温度と概ね同等の温度で炉内領域αに還流する。燃焼排ガスＥｘは、熱交換器Ｈ１、Ｈ２により冷却された後に系外に排気されるので、２００〜３００℃程度の温度を有するにすぎない。このような燃焼系によれば、各熱交換器Ｈ１、Ｈ２を炉外方向に流通する炉内燃焼ガスＲの流量と、各熱交換器Ｈ１、Ｈ２を炉内方向に流通する炉内燃焼ガスＲの流量との比は、概ね１０：９であり、ほぼ同等であるので、燃焼系全体の流量バランス及び熱バランスを実質的に確保することができる。
図７は、図５に示す高温酸素燃焼システムの構成を更に具体的に示すシステム構成図である。
高温酸素燃焼システム１は、一対の再生蓄熱型熱交換器２（２Ａ：２Ｂ）、給排切換弁装置３（３Ａ：３Ｂ：３Ｃ：３Ｄ）及び排気ファン４を備える。熱交換器２は、炉内領域αを区画する耐熱・耐火材料の炉体９に配置される。熱交換器２は、蓄熱体ケース２２内に蓄熱体２１を収容した構造を有する。
各蓄熱体２１は、円柱形の外形を有するハニカム構造のセラミックス製蓄熱体からなり、多数の狭小流路を有する。蓄熱体２１の多数の狭小流路は、熱交換器２の軸線方向に蓄熱体２１を貫通する。蓄熱体２１は、０．９以上の温度効率を有する。このような蓄熱体２１の構造及び機能等は、例えば、本願出願人による特願平5-6911号（特開平6-213585号公報（特許文献１））等に詳細に開示されているので、更なる詳細な説明は、省略する。
給排切換弁装置３は、制御ユニット（図示せず）の制御下に開閉制御可能な切換弁３Ａ：３Ｂ：３Ｃ：３Ｄから構成される。切換弁３Ａ、３Ｂを介装した排気管４４、４５が蓄熱体２１の炉外側（低温側）流路に接続される。排気管４４、４５は、排気ファン４の吸引口に交互に接続される。排気ファン４の吐出口には、炉内ガスを系外に排気する排気管４７が接続される。酸素噴射ノズル６が、蓄熱体２１と同心状に各熱交換器２に配置される。ノズル６は、蓄熱体２１の炉外側（低温側）端面に向かって純酸素Ｏを噴射する。ノズル６には、酸素供給管４２、４３が夫々接続される。酸素供給管４２、４３には、切換弁３Ｃ、３Ｄが夫々介装される。酸素供給管４２、４３は、純酸素Ｏの供給源（図示せず）に交互に接続される。蓄熱体２１の低温側（炉外側）流路は、連通路７によって相互連通する。連通路７には、差圧制御弁、差圧制御機構、オリフィス等の差圧形成手段７０（図７に概念的に示す）が介装される。
図７（Ａ）には、熱交換器２Ｂのノズル６に純酸素Ｏを供給する第１燃焼形態が示され、図７（Ｂ）には、熱交換器２Ａのノズル６に純酸素Ｏを供給する第１燃焼形態が示されている。なお、炭化水素系燃料Ｆは、燃料噴射ノズル５の燃料噴射口から連続的に炉内領域αに噴射される。
図７（Ａ）に示す第１燃焼形態においては、燃焼排ガスＥは、熱交換器２Ａを介して炉外に導出され、熱交換器２Ａの蓄熱体２１によって冷却される。燃焼排ガスＥが保有する顕熱は、熱交換器２Ａの蓄熱体２１に蓄熱される。冷却後の燃焼排ガスＥの一部は、熱交換器２Ｂのノズル６から噴射する純酸素Ｏの噴流に誘引され、図７（Ａ）に排ガス循環流Ｅｒとして示す如く連通路７を流通し、熱交換器２Ｂの低温側（炉外側）流路に流入して純酸素Ｏと混合する。燃焼排ガスＥの残部は、図７（Ａ）に示す如く、排気管４４を介して排気ファン４に吸引され、排気管４７を介して系外に排気される。
他方、図７（Ｂ）に示す第２燃焼形態においては、燃焼排ガスＥは、熱交換器２Ｂによって炉外に導出され、熱交換器２Ｂの蓄熱体２１によって冷却される。燃焼排ガスＥが保有する顕熱は、熱交換器２Ｂの蓄熱体２１に蓄熱される。冷却後の燃焼排ガスＥの一部は、熱交換器２Ａのノズル６から噴射する純酸素Ｏの噴流に誘引され、連通路７を介して熱交換器２Ａの低温側（炉外側）流路に流入して純酸素Ｏと混合する。燃焼排ガスＥの残部は、図７（Ｂ）に示す如く、排気管４５を介して排気ファン４に吸引され、燃焼排ガスＥｘとして排気管４７から系外に排気される。
給排切換弁装置３を構成する切換弁３Ａ：３Ｂ：３Ｃ：３Ｄは、制御ユニット（図示せず）の制御下に６０秒以内の所定時間間隔で開閉制御され、高温酸素燃焼システム１は、第１及び第２燃焼形態に交互に切換えられる。また、燃焼排ガスＥａを炉外に直に排気する排気系が設けられ、炉内燃焼ガスＲの一部が、炉外に常時排気される。
このような構成によれば、各熱交換器２Ａ、２Ｂを炉内方向に流通する給気流の流量と、各熱交換器２Ａ、２Ｂを炉外方向に流通する排気流の流量とを常に等量に設定し、燃焼系全体の流量バランス及び熱バランスを確保することができ、しかも、燃焼排ガスＥが保有する顕熱を効率的に熱回収することができる。また、純酸素Ｏは、燃焼排ガスＥによって希釈された後に加熱されるので、蓄熱体２１及び炉体９等の構成材料の酸化・腐食を確実に防止することができる。
図８は、図７に示す高温酸素燃焼システムの変形例を示すシステム構成図である。なお、図８には、燃焼システムの第１燃焼形態のみが示されている。図７に示す燃焼システムは、排気ファン４に換えてエジェクタ４'を備える。エジェクタ４'は、高圧空気、高圧水蒸気等の駆動流体Ｊを噴射する噴射ノズル４"を備え、燃焼排ガスＥｘを駆動流体Ｊの噴流によって誘引して系外に排気する。
図９は、図６に示す高温酸素燃焼システムの構成を更に具体的に示すシステム構成図である。
高温酸素燃焼システム１は、図７及び図８に示す燃焼システムと同じく、炉体９に配置された一対の再生蓄熱型熱交換器２（２Ａ：２Ｂ）と、燃焼排ガスＥｘを系外に排気するための排気ファン４とを備える。しかしながら、酸素噴射ノズル６は、炉内領域αに純酸素Ｏを直に噴射するように炉体９に配置され、各蓄熱体２１の低温側（炉外側）流路の間に延びる連通路７には、熱交換器２（２Ａ、２Ｂ）の給排気方向を６０秒以内の所定時間間隔で切換える四方弁形式の給排切換弁装置３'が介装される。熱交換器２は、給排切換弁装置３'の作動により、図９（Ａ）に示す第１循環形態と、図９（Ｂ）に示す第２循環形態とに交互に切換えられる。
第１循環形態（図９（Ａ））において、炉内燃焼ガスＲは、排気ファン４の吸引圧力下に炉外導出ガスＥ'として熱交換器２Ｂから炉外に導出される。炉内ガスＥ'が保有する顕熱は、熱交換器２Ｂの蓄熱体２１に蓄熱される。冷却後の炉内ガスＥ'は、熱交換器２Ａに導入され、熱交換器２Ａの蓄熱体２１によって導出時と同等の温度に再熱された後、炉内領域αに還流する。第２循環形態（図９（Ｂ））においては、炉内燃焼ガスＲは、炉外導出ガスＥ'として熱交換器２Ａから炉外に導出される。炉外導出ガスＥ'が保有する顕熱は、熱交換器２Ａの蓄熱体２１に蓄熱される。冷却後の炉外導出ガスＥ'は、熱交換器２Ｂに導入され、第２熱交換器Ｈ２の蓄熱体２１によって導出時と同等の温度に再熱された後、炉内領域αに還流する。排気ファン４は、各循環形態において、冷却後の炉外導出ガスＥ'の一部を燃焼排ガスＥｘとして系外に排気する。
前述のとおり、燃焼排ガスＥｘの流量は、炉内領域αに供給される純酸素O及び燃料Ｆの総流量と等しい流量に設定され、炉外導出ガスＥ'の流量は、例えば、燃焼排ガスＥｘの約１０倍に設定され、炉内領域αから導出された炉外導出ガスＥ'の９０％が炉内領域αに還流する。
次に本発明の好適な実施例に係る高温酸素燃焼システムの蓄熱再生型熱交換器について説明する。
図４、図５、図７及び図８に示す高温酸素燃焼システム１は、蓄熱再生型熱交換器２によって排気される燃焼排ガスＥの一部をバイパス流Ｂとして純酸素Ｏに添加し、燃焼排ガスＥの残部を排気ファン４によって系外に排気する構成を有する。図１０は、このような機能を有する蓄熱再生型熱交換器２の構成を示す縦断面図である。図１０（Ａ）には、熱交換器２Ｂに純酸素Ｏを供給する第１燃焼形態が示され、図１０（Ｂ）には、熱交換器２Ａに純酸素Ｏを供給する第２燃焼形態が示されている。なお、図１０に示す熱交換器２の基本構成は、図５、図７及び図８に示す構成に相当しており、熱交換器２は、燃焼排ガスＥを熱交換器２によって冷却した後にその一部（排ガス循環流Ｅｒ）をバイパス流Ｂとして純酸素Ｏに添加する構成を有する。また、図１１は、熱交換器２Ａの構造を具体的に示す縦断面図であり、図１２は、連通路７の構造を示す横断面図である。更に、図１３及び図１４は、燃焼形態を切り換えた状態を示す熱交換器２Ａ及び連通路７の縦断面図及び横断面図である。
熱交換器２Ａ、２Ｂは夫々、蓄熱体２１を収容した蓄熱体ケース２２と、炉体９と同質の耐熱・耐火材料からなる支持基板２３とを有し、蓄熱体ケース２２は、支持基板２３を貫通する。支持基板２３は、炉体９と一体化し、炉内領域αに面しており、炉体９の炉内壁面９２を炉体９とともに形成する。蓄熱体ース２２は、支持基板２３を貫通する金属製円筒形部材からなり、支持基板２３に一体的に支持される。蓄熱体ケース２２の先端部は、蓄熱体２１の先端面から更に炉内側に延び、僅かに縮径して炉内領域αに開口する。蓄熱体ケース２２の先端円形開口は、炉内ガス給排口２０を構成する。給排口２０は、炉内領域９の炉内燃焼ガスＲを吸引する炉内ガス吸引口として機能するとともに、純酸素Ｏ及び排ガス循環流Ｅｒの混合気Ｍを炉内領域αに供給するための混合気噴射口として機能する。
各熱交換器２の給排切換弁装置３は、蓄熱体ケース２２と同軸状に炉外に配置される。弁装置３と蓄熱体２１との間には、連通路７を構成する分流・混合装置８が介装される。図１１には、熱交換器２Ａの構造が具体的に示されている。なお、熱交換器２Ｂの構造は、熱交換器２Ａの構造と実質的に同一である。
図１１に示す如く、分流・混合装置８は、蓄熱体ケース２２に気密連結された炉内側フランジ部８１と、弁装置３の給排管６１に気密連結された炉外側フランジ部８２と、フランジ部８１、８２の間に延びる真円形断面の外管８３と、外管８３の内側に同心状に配置された真円形断面の内管８４とから構成される。図１２示す如く、内管８４は、内管８４の管壁を径方向に貫通する多数の給排孔８５を備える。連通路７を構成する連通管７１が、外管８３に一体的に連結され、連通管７１の端部円形開口７２が、外管８３及び内管８４の間の中空域８６に開放される。給排孔８５は、内管８４の中心軸線廻りに約３０°の角度間隔を隔てて周方向に整列配置される。図１１に示す如く、給排孔８５は、所定間隔Ｌを隔てて二列に配列され、全体的に炉内側に偏在した位置に配置されており、連通管７１の端部円形開口７２は、外管８３の長さ方向中央部に位置決めされる。このような分流・混合装置８の二重管構造は、前述の差圧形成手段７０（図７）を構成する。
弁装置３は、弁機構３０、純酸素導入口３１、炉内ガス導出口３２及び弁駆動装置３３を備える。弁装置３は、給排管６１、弁ハウジング５１及び弁駆動装置３３を直列に連結した構造を有する。弁駆動装置３３は、支持部材５８によって弁ハウジング５１に一体的に取付けられたアクチュエータ５０からなる。給排管６１は、分流・混合装置８の炉外側フランジ部８２に同心状に接続される。弁座部３５を有するエルボ管３６が給排管６１の給排流路６０内に配置される。エルボ管３６は、給排管６１の管壁を貫通し、管外に突出する。エルボ管３６の突出端に形成された接続フランジ部分には、排気管４４（破線で示す）が接続される。
弁ハウジング５１は、給排管６１の炉外側端部に気密連結され、純酸素Ｏの供給領域５６がハウジング５１内に形成される。弁ハウジング５１は、弁座部５５を備え、アクチュエータ５０のピストンロッド５３が弁座部５５の開口を貫通する。ピストンロッド５３は、ロッド挿通部５２に摺動可能に挿通される。給排管６１、弁座部３５、弁体５４、弁座部５５、アクチュエータ５０、ロッド挿通部５２及びピストンロッド５３は、給排切換弁装置３の中心軸線ＣＬを中心に同心状に配置される。
弁座部３５、弁体５４及び弁座部５５は、図７に示す切換弁３Ａ、３Ｃを構成する。駆動装置３３は、制御信号線５９を介して制御ユニットＣ／Ｕ（図１０）に接続される。弁座部３５、弁体５４及び弁座部５５は、制御ユニットＣ／Ｕの制御下に弁座部３４、３５の開口を選択的に開閉制御する二位置制御弁として機能する。
図１１に示す熱交換器２Ａの弁位置では、ピストンロッド５３の先端部に固定された弁体５４は、弁座部３５の開口を開放し、弁座部５５の開口を閉塞しており、給排管６１内の給排流路６０の燃焼排ガスＥは、エルボ管３６の管内領域３７に流入し、排気管４４に排気される。この状態は、図１０（Ａ）に示す第１燃焼形態に相当する。
熱交換器２Ａの駆動装置３３がピストンロッド５３を伸長し、弁座部５５の開口を開放し且つ弁座部３５の開口を弁体５４によって閉塞した状態が図１３に記載されている。この状態では、酸素供給管４２の純酸素Ｏが給排流路６０に噴流し、分流装置８の管内流路８０及び蓄熱体２１のハニカム流路を介して炉内領域αに供給される。この状態は、図１０（Ｂ）に示す第２燃焼形態に相当する。
例えば、各燃焼形態において、各部の流体温度は、以下のとおり設定される。
導出時の炉内ガス温度（給排口２０） Ｔｉ＝１２００℃
蓄熱体通過後の炉内ガス温度（弁機構３０） Ｔ１＝２００℃
弁装置導入時の酸素温度（導入口３１） Ｔ２＝２０℃
混合気Ｍのガス温度（給排口２０） Ｔｏ＝１１００℃
導出時の炉内ガス温度（給排口２０） Ｔｉ＝１２００℃
蓄熱体通過後の炉内ガス温度（弁機構３０） Ｔ１＝２００℃
弁装置導入時の酸素温度（導入口３１） Ｔ２＝２０℃
混合気Ｍのガス温度（給排口２０） Ｔｏ＝１１００℃
図１０に示す如く、一方の分流・混合装置８の管内流路８０には、他方の分流・混合装置８の管内流路８０を流通する純酸素Ｏの流体流の誘引圧力が作用するので、燃焼排ガスＥの一部は、図１２及び図１４に示す如く、排ガス循環流Ｅｒとして連通路７の連通管７１内に流入し、反対側の分流・混合装置８の管内流路８０に流入して純酸素Ｏと混合する。排ガス循環流Ｅｒの流量は、主として、二重管構造の各分流・混合装置８の流路抵抗により設定される。
図１５は、分流装置８の変形例を示す断面図である。図１１〜図１４に示す分流装置８においては、給排孔８５は、内管８４の管壁を径方向に貫通するが、給排孔８５は、図１５に示す如く、径方向に対して所定の傾斜角度をなす方向に配向しても良い。
図１６〜図１８は、排ガス循環流Ｅｒを純酸素Ｏと混合するための混合機構を例示する断面図である。図１６〜図１８に示す混合機構は、排ガス循環流Ｅｒ及び純酸素Ｏの混合のみを行う機構であり、分流・混合装置８のような分流機能を備えていない。このため、排ガス循環流Ｅｒは、別途に設けられた分流手段（図せず）によって燃焼排ガスＥから分流され、各図に矢印で示す如く、連通管７１に給送される。
図１６に示す混合機構は、排ガス循環流Ｅｒを純酸素Ｏと効率的に混合するために、長円形の開口部１０１を備えた円形板１００を有する。図１７に示す混合機構は、排ガス循環流Ｅｒを純酸素Ｏと効率的に混合するために、多数の小径且つ真円形の開口部１０３を備えた円形板１０２を有する。図１８に示す混合機構は、排ガス循環流Ｅｒを純酸素Ｏと効率的に混合するために、多数の小径且つ真円形の開口部１０５を備えた円形板１０４と、給排管６１の延長管１０８に配置された円形板１０６とを有する。円形板１０６は、多数の小径且つ真円形の開口部１０７を備える。
図１９は、図６及び図９に示す蓄熱再生型熱交換器２の構成を示す縦断面図であり、図２０及び図２１は、図１９に示す蓄熱再生型熱交換器２の構造を示す縦断面図である。
図６及び図９に示す高温酸素燃焼システム１は、蓄熱再生型熱交換器２によって炉外導出ガスＥ'の一部を燃焼排ガスＥｘとして系外に排気するとともに、炉外導出ガスＥ'の残部を炉内領域αに再導入するように構成される。純酸素Ｏ及び炭化水素系燃料Ｆは、炉内領域αに直に吐出又は噴射される。図１９は、このような炉外導出ガスＥ'の循環及び排気のための蓄熱再生型熱交換器２の構成を示す縦断面図である。
蓄熱再生型熱交換器２は、一方の給排口２０から炉内燃焼ガスＲを炉外導出ガスＥ'として吸引し、蓄熱体２１によって冷却し、冷却後の炉外導出ガスＥ'を循環ファン４により加圧し、他方の蓄熱体２１によって再熱し、他方の給排口２０から炉内領域αに噴射する。各熱交換器２は、図１０、図１１及び図１３に示す熱交換器２において、連通路７及び分流・混合装置８を取り除いた構造を有する。
図２０に示す弁装置３の弁位置では、弁体５４は、弁座部３５の開口を開放し、弁座部５５の開口を閉塞している。この状態では、給排管６１内の給排流路６０の炉外導出ガスＥ'は、エルボ管３６の管内領域３７に流入し、排気管４４に導出される。他方、図２１に示す弁位置では、駆動装置３３がピストンロッド５３を伸長し、弁座部５５の開口を開放し、弁座部３５の開口を弁体５４によって閉塞する。この状態では、給気管４２の炉外導出ガスＥ'が給排流路６０に噴流し、蓄熱体２１のハニカム流路を介して炉内領域αに導入される。
図１９（Ａ）に示す第１循環形態において、炉内燃焼ガスＲ（図９）は、排気ファン４の吸引圧力下に炉外導出ガスＥ'として熱交換器２Ａから炉外に導出され、切換弁３Ａを介して排気管４４に導出される。炉外導出ガスＥ'の顕熱は、熱交換器２Ａの蓄熱体２１に蓄熱される。冷却後の炉外導出ガスＥ'は、給気管４３を介して熱交換器２Ｂの給気口３１に供給され、熱交換器２Ｂの切換弁３Ｄを介して蓄熱体２１のハニカム流路に導入され、導出時と同等の温度に再熱された後、炉内領域αに還流する。図１９（Ｂ）に示す第２循環形態においては、炉内燃焼ガスＲ（図９）は、排気ファン４の吸引圧力下に炉外導出ガスＥ'として熱交換器２Ｂから炉外に導出され、切換弁３Ｂを介して排気管４５に導出される。炉外導出ガスＥ'の顕熱は、熱交換器２Ｂの蓄熱体２１に蓄熱される。冷却後の炉外導出ガスＥ'は、給気管４２を介して熱交換器２Ａの給気口３１に供給され、熱交換器２Ａの切換弁３Ｃを介して蓄熱体２１のハニカム流路に導入され、導出時と同等の温度に再熱された後、炉内領域αに還流する。各循環形態において、排気ファン４は、冷却後の炉外導出ガスＥ'の一部を燃焼排ガスＥｘとして系外に排気する。
以上、本発明の好適な実施形態及び実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能であり、このような変形例又は変更例も又、本発明の範囲内に含まれるものであることは、いうまでもない。
例えば、上記実施形態及び実施例では、ハニカム構造の切換式蓄熱体を備えた熱交換器について説明したが、多数の粒状蓄熱体を備えた切換式熱交換器、或いは、回転式の蓄熱体を備えた熱交換器を本発明において用いても良い。なお、回転式の蓄熱体を用いた熱交換器を使用する場合、受熱及び放熱を反復する回転式蓄熱体の各部分又は各領域は、第１及び第２熱交換器及びその蓄熱体に相当する構成要素として把握し得る。
また、上記実施形態及び実施例では、本発明の高温酸素燃焼法を工業炉の燃焼装置として用いた構成について説明したが、本発明の高温酸素燃焼法をラジアントチューブバーナ等の燃焼加熱式放熱装置に適用すること可能である。
本発明は、一般的な工業炉において好ましく使用し得る高温酸素燃焼装置及び高温酸素燃焼方法であり、超高温域に加熱された純酸素と炭化水素系燃料との混合接触により炉内燃焼反応を生起するように構成される。本発明の高温酸素燃焼装置及び高温酸素燃焼方法によれば、燃焼域においてNOxが発生するのを実質的に完全に防止するとともに、高温空気燃焼法に比べてエネルギー消費量を更に低減し、しかも、燃焼炉及び燃焼設備を更に小型化することができるので、その実用的効果は、顕著なるものがある。
１ 高温酸素燃焼システム
２ 熱交換器
３ 給排切換弁装置
４ 排気ファン
５ 燃料噴射ノズル
６ 酸素噴射ノズル
７ 連通路
８ 分流装置
９ 炉体
２１ 蓄熱体
７０ 差圧形成手段
Ｃ 燃焼炉
Ｈ１：Ｈ２ 熱交換器
α 炉内領域
Ｏ 純酸素
Ｆ 炭化水素系燃料
Ｍ 混合気
Ｅ：Ｅａ：Ｅｘ 燃焼排ガス
Ｂ バイパス流
Ｅｒ 排ガス循環流
Ｒ 炉内燃焼ガス
２ 熱交換器
３ 給排切換弁装置
４ 排気ファン
５ 燃料噴射ノズル
６ 酸素噴射ノズル
７ 連通路
８ 分流装置
９ 炉体
２１ 蓄熱体
７０ 差圧形成手段
Ｃ 燃焼炉
Ｈ１：Ｈ２ 熱交換器
α 炉内領域
Ｏ 純酸素
Ｆ 炭化水素系燃料
Ｍ 混合気
Ｅ：Ｅａ：Ｅｘ 燃焼排ガス
Ｂ バイパス流
Ｅｒ 排ガス循環流
Ｒ 炉内燃焼ガス
Claims (18)
- 燃焼域を備えた燃焼系と、純酸素を酸化剤として該燃焼域に供給するための酸化剤供給装置と、前記燃焼域に生成した燃焼ガスを前記燃焼系の系外に排気するための排気系装置又は設備とを有し、８００℃以上の温度に加熱した前記酸化剤と炭化水素系燃料とを前記燃焼域で燃焼反応させる高温酸素燃焼装置において、
前記燃焼域と、前記炭化水素系燃料を前記燃焼域に供給する燃料供給手段と、前記純酸素及び前記燃焼ガスに接触し、前記燃焼ガスが保有する顕熱を前記純酸素に伝熱して該純酸素を８００℃以上の温度に加熱する蓄熱再生型熱交換器と、該熱交換器を介して前記酸化剤供給装置の純酸素を前記燃焼域に導入するための酸化剤導入路と、前記熱交換器を介して前記燃焼ガスを前記燃焼域から導出して排気系装置又は設備に送出するための燃焼ガス導出路と、８００℃以上の温度に加熱した前記純酸素に前記燃焼ガスを添加し又は該純酸素を前記燃焼ガスで希釈して前記純酸素と前記燃焼ガスとの混合気を生成する混合気生成手段とにより前記燃焼系を構成し、
前記混合気生成手段により前記燃焼ガスの一部を前記燃焼系の系内で再循環して前記混合気を生成し、該混合気と前記炭化水素系燃料との混合接触による燃焼反応を前記燃焼域に生じさせることを特徴とする高温酸素燃焼装置。 - 燃焼域を備えた燃焼系と、純酸素を酸化剤として該燃焼域に供給するための酸化剤供給装置と、前記燃焼域に生成した燃焼ガスを前記燃焼系の系外に排気するための排気系装置又は設備とを有し、８００℃以上の温度に加熱した前記酸化剤と炭化水素系燃料とを前記燃焼域で燃焼反応させる高温酸素燃焼装置において、
前記燃焼域と、前記炭化水素系燃料を前記燃焼域に供給する燃料供給手段と、前記純酸素に前記燃焼ガスを添加し又は前記純酸素を前記燃焼ガスで希釈して前記純酸素と前記燃焼ガスとの混合気を生成する混合気生成手段と、該混合気及び前記燃焼ガスに接触し、前記燃焼ガスが保有する顕熱を前記混合気に伝熱して該混合気を８００℃以上の温度に加熱する蓄熱再生型熱交換器と、該熱交換器を介して前記酸化剤供給装置の純酸素を前記燃焼域に導入するための酸化剤導入路と、前記熱交換器を介して前記燃焼ガスを前記燃焼域から導出して排気系装置又は設備に送出するための燃焼ガス導出路とにより前記燃焼系を構成し、
前記混合気生成手段により前記燃焼ガスの一部を前記燃焼系の系内で再循環して前記混合気を生成し、加熱後の前記混合気と前記炭化水素系燃料との混合接触により前記燃焼域に燃焼反応を生じさせることを特徴とする高温酸素燃焼装置。 - 前記混合気生成手段は、前記混合気の酸素濃度を体積比２０〜５０％の範囲内に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の高温酸素燃焼装置。
- 燃焼系を構成する燃焼域に対し、酸化剤供給装置から供給される純酸素を酸化剤として前記燃焼域に供給し、８００℃以上の温度に加熱した前記酸化剤と炭化水素系燃料とを前記燃焼域で燃焼反応させ、該燃焼域に生成した燃焼ガスを排気系装置又は設備によって前記燃焼系の系外に排気する高温酸素燃焼方法において、
前記燃焼域と、前記炭化水素系燃料を前記燃焼域に供給する燃料供給手段と、前記純酸素及び前記燃焼ガスに接触し、前記燃焼ガスが保有する顕熱を前記純酸素に伝熱して該純酸素を８００℃以上の温度に加熱する蓄熱再生型熱交換器と、該熱交換器を介して前記純酸素を前記燃焼域に導入するための酸化剤導入路と、前記熱交換器を介して前記燃焼ガスを前記燃焼域から導出して排気系装置又は設備に送出するための燃焼ガス導出路と、８００℃以上の温度に加熱した前記純酸素に前記燃焼ガスを添加し又は該純酸素を前記燃焼ガスで希釈して純酸素及び燃焼ガスの混合気を生成する混合気生成手段とにより前記燃焼系を構成し、
前記混合気生成手段により前記燃焼ガスの一部を前記燃焼系の系内で再循環して前記混合気を生成し、該混合気と前記炭化水素系燃料との混合接触による燃焼反応を前記燃焼域に生じさせることを特徴とする高温酸素燃焼方法。 - 燃焼系を構成する燃焼域に対し、酸化剤供給装置から供給される純酸素を酸化剤として前記燃焼域に供給し、８００℃以上の温度に加熱した前記酸化剤と炭化水素系燃料とを前記燃焼域で燃焼反応させ、該燃焼域に生成した燃焼ガスを排気系装置又は設備によって前記燃焼系の系外に排気する高温酸素燃焼方法において、
前記燃焼域と、前記炭化水素系燃料を前記燃焼域に供給する燃料供給手段と、前記純酸素に前記燃焼ガスを添加し又は前記純酸素を前記燃焼ガスで希釈して純酸素及び燃焼ガスの混合気を生成する混合気生成手段と、該混合気及び前記燃焼ガスに接触し、前記燃焼ガスが保有する顕熱を前記混合気に伝熱して該混合気を８００℃以上の温度に加熱する蓄熱再生型熱交換器と、該熱交換器を介して前記純酸素を前記燃焼域に導入するための酸化剤導入路と、前記熱交換器を介して前記燃焼ガスを前記燃焼域から導出して排気系装置又は設備に送出するための燃焼ガス導出路とより前記燃焼系を構成し、
前記混合気生成手段により前記燃焼ガスの一部を前記燃焼系の系内で再循環して、加熱後の前記混合気と前記炭化水素系燃料との混合接触による燃焼反応を前記燃焼域に生じさせることを特徴とする高温酸素燃焼方法。 - 前記混合気の酸素濃度の体積比は、２０〜５０％の範囲内に設定されることを特徴とする請求項４又は５に記載の高温酸素燃焼装置。
- 純酸素を酸化剤として炉内に供給するための酸化剤供給装置と、燃焼排ガスを系外に排気するための排気系とを有し、前記燃焼排ガスが保有する顕熱を前記酸化剤に伝熱して該酸化剤を８００℃以上の温度に加熱し、加熱後の前記酸化剤と炭化水素系燃料とを炉内領域で燃焼反応させる高温酸素燃焼装置において、
酸化剤供給装置の純酸素供給源と前記排気系とに交互に接続され、炉内燃焼ガスを炉外に導出し且つ前記純酸素供給源の純酸素を炉内領域に供給するための蓄熱再生型の第１及び第２熱交換器と、
各熱交換器の蓄熱体を前記排気系又は純酸素供給源に交互に流体連通せしめる流路切換装置と、
前記第１熱交換器内の流路と、前記第２熱交換器内の流路とを相互連通させ、一方の熱交換器から系外に排気される燃焼排ガスの一部を他方の熱交換器の流路に供給して該燃焼排ガスを前記純酸素に添加する連通路とを有し、
前記純酸素及び燃焼排ガスの混合気と炭化水素系燃料とを炉内領域で燃焼反応させるようにしたことを特徴とする高温酸素燃焼装置。 - 純酸素を酸化剤として炉内に供給し且つ燃焼排ガスを系外に排気するとともに、該燃焼排ガスが保有する顕熱を前記酸化剤に伝熱して該酸化剤を８００℃以上の温度に加熱し、加熱後の前記酸化剤と炭化水素系燃料とを炉内領域で燃焼反応させる高温酸素燃焼方法において、
蓄熱再生型の第１及び第２熱交換器を純酸素供給源及び排気系に交互に接続して、各熱交換器の蓄熱体を前記純酸素供給源及び排気系に交互に流体連通せしめ、
前記第１熱交換器内の流路と前記第２熱交換器内の流路とを相互連通させ、一方の熱交換器から系外に排気される燃焼排ガスの一部を他方の熱交換器の流路に供給し、該燃焼排ガスを前記純酸素に添加して純酸素及び燃焼排ガスの混合気を生成し、該混合気と炭化水素系燃料とを炉内領域で燃焼反応させることを特徴とする高温酸素燃焼方法。 - 純酸素を酸化剤として炉内に供給するための酸化剤供給装置と、燃焼排ガスを系外に排気するための排気系とを有し、前記酸化剤と炭化水素系燃料とを炉内領域で燃焼反応させる高温酸素燃焼装置において、
炉内壁面に配置され、純酸素を炉内領域に噴射するとともに、炉内ガスを純酸素噴流によって誘引して純酸素を炉内ガスで希釈し且つ加熱する純酸素噴射手段と、
炉内壁面に配置され、希釈後の純酸素に炭化水素系燃料を混合接触させるように炉内に炭化水素系燃料を噴射する燃料噴射手段と、
炉内ガスを炉外に導出して、該炉内ガスの一部を系外に排気するとともに、前記炉内ガスの残部を炉内領域に還流させる炉内ガス排気・循環装置とを有し、
炉内ガス排気・循環装置は、炉外に導出した炉内ガスに伝熱接触して加熱され且つ該炉内ガスを冷却する蓄熱再生型熱交換器の蓄熱体を有し、冷却後の炉内ガスの一部を系外に排気し、該炉内ガスの残部を前記蓄熱体に伝熱接触せしめて再熱した後、炉内領域に還流せしめることを特徴とする高温酸素燃焼装置。 - 純酸素を酸化剤として炉内に供給し、該酸化剤と炭化水素系燃料とを炉内領域で燃焼反応させ、燃焼排ガスを系外に排気する高温酸素燃焼方法において、
炉内壁面に配置された純酸素噴射手段によって純酸素を炉内領域に噴射するとともに、炉内ガスを純酸素噴流によって誘引して純酸素を炉内ガスで希釈し且つ加熱し、
炉内壁面に配置された燃料噴射手段によって炭化水素系燃料を炉内領域に噴射し、炉内ガスで希釈された純酸素に炭化水素系燃料を混合接触させて酸素及び燃料を燃焼反応せしめ、
炉内ガスを炉外に導出して、炉外に導出した炉内ガスに伝熱接触する蓄熱再生型熱交換器の蓄熱体によって該炉内ガスを冷却するとともに、前記炉内ガスが保有する顕熱を前記蓄熱体に蓄熱し、
冷却後の前記炉内ガスの一部を燃焼排ガスとして系外に排気するとともに、冷却後の炉内ガスの残部を前記蓄熱体に伝熱接触せしめて炉内ガスの残部を再熱して、炉内領域に還流させることを特徴とする高温酸素燃焼方法。 - 前記燃焼ガス又は燃焼排ガスは、１５０℃以上に加熱又は予熱された前記純酸素に混合されることを特徴とする請求項２又は７に記載の高温酸素燃焼装置。
- １５０℃以上に加熱又は予熱された前記純酸素に前記燃焼ガス又は燃焼排ガスを混合することを特徴とする請求項５又は８に記載の高温酸素燃焼方法。
- 前記混合気の酸素濃度は、体積比２０〜５０％の範囲内に設定されることを特徴とする請求項７に記載の高温酸素燃焼装置。
- 前記連通路は、前記純酸素の流体圧力により前記燃焼排ガスを誘引し、該燃焼排ガスを前記純酸素に混合せしめることを特徴とする請求項７又は１３に記載の高温酸素燃焼装置。
- 前記混合気の酸素濃度は、体積比２０〜５０％の範囲内に設定されることを特徴とする請求項８に記載の高温酸素燃焼方法。
- 前記純酸素の流体圧力により前記燃焼排ガスを誘引し、該燃焼排ガスを前記純酸素に混合せしめることを特徴とする請求項８又は１５に記載の高温酸素燃焼方法。
- 前記炉内ガス排気・循環装置は、前記純酸素及び燃料の総流量の９倍以上の流量の炉内ガスを炉外に導出することを特徴とする請求項９に記載の高温酸素燃焼装置。
- 炉内領域に噴射される前記純酸素及び燃料の総流量の９倍以上の流量の炉内ガスを炉外に導出することを特徴とする請求項１０に記載の高温酸素燃焼方法。
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