JPH07253210A - 超化学量論外燃焼方法 - Google Patents

超化学量論外燃焼方法

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JPH07253210A
JPH07253210A JP7050352A JP5035295A JPH07253210A JP H07253210 A JPH07253210 A JP H07253210A JP 7050352 A JP7050352 A JP 7050352A JP 5035295 A JP5035295 A JP 5035295A JP H07253210 A JPH07253210 A JP H07253210A
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JP
Japan
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combustion
fuel
combustion zone
oxidant
oxygen
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JP7050352A
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English (en)
Inventor
Hisashi Kobayashi
ヒサシ・コバヤシ
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Praxair Technology Inc
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Praxair Technology Inc
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Publication date
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F23C6/045—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2201/00—Staged combustion
    • F23C2201/10—Furnace staging
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 窒素酸化物の発生を減少させて燃焼を行う方
法を提供する。 【構成】 極めて燃料に富む燃焼及び極めて燃料が希薄
な燃焼を燃焼域内で別々にかつ同時に採用した後に、そ
れらの生成したガスを燃焼域内で混ぜ合わせて更に燃焼
させる燃焼方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は総括的には燃焼に関し、
窒素酸化物の発生を減少させて燃焼を行うために特に有
用である。
【０００２】
【従来技術】窒素酸化物（ＮＯｘ）は燃焼する間に発生
される重大な汚染物質であり、燃焼を行う際にそれらの
発生を低減させるのが好ましい。燃焼は、技術的に純粋
な酸素或は酸素冨化空気をオキシダントとして使用する
ことによってＮＯｘ発生を低減させて行うことができる
ことが知られている。というのは、これは等量酸素基準
で燃焼反応に付与される窒素の量を減少させるからであ
る。しかし、空気より高い酸素濃度を有するオキシダン
トを使用することは燃焼反応を一層高い温度でランさせ
ることになり、このように温度が高くなると、速度論的
にＮＯｘの生成を促進させる。よって、本発明の目的
は、空気より高い酸素濃度を有するオキシダントを使用
して実施し得る燃焼を、窒素酸化物の発生の低減を達成
しながら行う方法を提供するにある。
【０００３】
【課題を解決するための手段】この開示を読む際に当業
者に明らかになると思われる上記の及びその他の目的
は、下記の本発明によって達成される： （Ａ）酸素濃度少なくとも３０容積％を有する流体であ
る第一オキシダント及び第一燃料を化学量論の５〜５０
％の範囲内の比で燃焼域中に注入することによって濃厚
流を形成し； （Ｂ）第二オキシダント及び第二燃料を化学量論の２０
０％より大きい比で燃焼域中に注入することによって希
薄流を形成し； （Ｃ）第一オキシダント及び第一燃料を燃焼域内で燃焼
させて燃焼反応生成物を生成し； （Ｄ）第二オキシダント及び第二燃料を燃焼域内で燃焼
させて完全燃焼の生成物及び残留酸素を生成し；並びに （Ｅ）残留酸素と燃焼反応生成物とを燃焼域内で混合し
て残留酸素と燃焼反応生成物とを燃焼させることを含む
燃焼方法。
【０００４】本明細書中で使用する通りの「窒素酸化
物」及び「ＮＯｘ」なる用語は、亜酸化窒素（Ｎ2
Ｏ）、酸化窒素（ＮＯ）、三酸化窒素（Ｎ2 Ｏ3 ）、四
酸化窒素（Ｎ2 Ｏ4 ）、二酸化窒素（ＮＯ2 ）、四酸化
三窒素（Ｎ3 Ｏ4 ）及び三酸化窒素（ＮＯ3 ）の内の一
種又はそれ以上を意味する。本明細書中で使用する通り
の「完全燃焼の生成物」なる用語は、二酸化炭素及び水
蒸気の内の一種又はそれ以上を意味する。
【０００５】本明細書中で使用する通りの「不完全燃焼
の生成物」なる用語は、一酸化炭素、水素、炭素及び部
分燃焼した炭化水素の内の一種又はそれ以上を意味す
る。本明細書中で使用する通りの「未燃燃料」なる用語
は、燃焼を受けなかった燃料及び／又は不完全燃焼の生
成物を意味する。本明細書中で使用する通りの「運動量
束」なる用語は、質量束と流体速度との積として表わさ
れる単位時間当り流れる流体運動量の量を意味する。
【０００６】発明を図面を参照しながら詳細に説明する
ことにする。今、図１及び２を参照すると、炉１は炉域
或は燃焼域２を定める。炉は任意の適した工業炉、例え
ばガラス製炉、スチール製炉、アルミニウム溶融炉、セ
メントキルン或は焼却炉にすることができる。
【０００７】第一燃料及び第一オキシダントを燃焼域２
の中に注入して濃厚流Ｒを形成する。図１に例示する実
施態様は燃焼域２において５つの濃厚流を形成すること
を示す。図２に例示する実施態様では、燃焼域２におい
て６つの濃厚流Ｒを形成する。第一燃料及びオキシダン
トを、図１及び２に例示しない適当なバーナー或はラン
スを使用して注入する。バーナーは燃料及びオキシダン
トの両方を燃焼域の中に供する装置であり、ランスは燃
料及びオキシダントの内の一種だけを燃焼域に注入する
装置である。第一燃料及びオキシダントを一緒に予備混
合した状態で燃焼域２の中に注入してもよく或は第一燃
料及びオキシダントを別々に燃焼域２の中に注入した後
に燃焼域２内で混合して燃焼域２内で第一燃料及びオキ
シダント混合物Ｒを形成してもよい。
【０００８】第一燃料は任意のガス或は燃焼域内で燃焼
し得る可燃物を含有するその他の流体にすることができ
る。そのような燃料の中で、天然ガス、コークス炉ガ
ス、プロパン、メタン及び油の名を挙げることができ
る。第一オキシダントは酸素濃度少なくとも３０容積
％、好ましくは少なくとも９０容積％を有する流体であ
る。第一オキシダントは酸素濃度９９．５％又はそれ以
上を有する技術的に純粋な酸素にするのがよい。第一燃
料及びオキシダントを燃焼域２の中に、流れＲ中の第一
燃料に対する第一酸素の比を化学量論の５〜５０％の範
囲内、好ましくは１０〜３０％の範囲内にするような流
量で供する。第一酸素の化学量論は燃焼域２の中に注入
する第一燃料を完全燃焼させて流れＲを形成するのに要
する第一酸素の量である。
【０００９】濃厚流は、燃焼域内で、５０フィート／秒
（１５ｍ／秒）を超える、通常５０〜１５００フィート
／秒（１５〜４６０ｍ／秒）の範囲内の速度を有するの
が好ましい。この高い速度は、燃料を高い速度で注入
し、その間低速酸素流を燃料の中に同伴させて濃厚流を
形成することによって達成するのが好ましい。低速の酸
素流は炉ガスを、燃料及びオキシダントを注入する際に
通すノズルから離れさせたままにする働きをし、こうし
てノズルが経験するファウリング或は腐食を低減させる
のを助成する。本発明の実施において濃厚流を形成する
のに、小林等の米国特許第５，２６７，８５０号（本明
細書中に援用する）に開示される方法を採用するのが特
に好適である。その上、また、本発明の実施において希
薄流を形成するのに、この特許に開示される方法をまた
採用するのが特に好適である。
【００１０】第一燃料及び第一オキシダントは燃焼域２
内で燃焼して燃焼反応生成物を生成する。燃焼反応生成
物は完全燃焼の生成物を含み得るが、規定の化学量論以
下の（ｓｕｂｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）酸素対燃
料比により、未燃燃料を含むことになる。第一燃料と第
一オキシダントとの不完全燃焼は、第一燃料及び第一オ
キシダントの燃焼を、そうでない場合に比べて相当に低
い温度で進行させることを可能にし、これよりＮＯｘが
形成する傾向を低減させる。
【００１１】また、第二燃料及び第二オキシダントを燃
焼域の中に注入して１つ又はそれ以上の希薄流Ｌを形成
する。図１に例示する実施態様では、５つの希薄流Ｌを
採用し、それらの各々はＲ流と頭と頭で会う、すなわち
Ｒ流と直接交差するような方向で燃焼域内を流れるよう
に形成する。本発明の実施では、Ｒ及びＬ流は、Ｌ流中
の第二燃料の少なくともいくらかが実質的に燃焼されか
つＲ及びＬ流が炉ガスと混合した後に、燃焼域内で混ざ
り合う。図２に例示する実施態様では、６つの希薄流Ｌ
を採用し、それらの各々は燃焼域において、希薄流と濃
厚流とが混ざり合う前に第二燃料の必要な実質的な燃焼
を可能とするようにＲ流に隣接するが、Ｒ流と離して形
成する。特に濃厚流及び希薄流を燃焼域内で互いに近付
けて形成する場合に、前記の実質的な燃焼を達成するの
を助成するためには、濃厚流の運動量束を希薄流の運動
量束の３倍内、すなわち３倍より大きくなく或は三分の
一より小さくなくするのが好適である。流れが広く異な
る運動量束を有するならば、低運動量束流は、上記の実
質的な燃焼の前に、高運動量束流中に急速に引込まれる
ことになる。
【００１２】第二燃料及び第二オキシダントを燃焼域２
において、図１及び２に例示しない適当なバーナー及び
ランスを使用して形成する。第二燃料及びオキシダント
を一緒に予備混合した状態で燃焼域２の中に注入しても
よく或は第二燃料及びオキシダントを別々に燃焼域２の
中に注入した後に燃焼域２内で混合して燃焼域２内で第
二燃料及びオキシダント混合物Ｌを形成してもよい。第
二燃料は任意のガス或は燃焼域内で燃焼し得る可燃物を
含有するその他の流体にすることができる。そのような
燃料の中で、天然ガス、コークス炉ガス、プロパン、メ
タン及び油の名を挙げることができる。第二オキシダン
トは酸素を含有する任意の流体、例えば空気、酸素冨化
空気或は技術的に純粋な酸素にするのがよい。
【００１３】第二燃料及び第二オキシダントを燃焼域２
の中に、流れＬ中の第二燃料に対する第二酸素の比を化
学量論の２００％より多く、好ましくは化学量論の２０
０〜１０００％の範囲内にするような流量で供する。第
二酸素の化学量論は燃焼域２の中に注入する第二燃料を
完全燃焼させて流れＬを形成するのに要する第二酸素の
量である。高い酸素濃度を有するオキシダントによる高
い化学量論比は、燃焼反応内で燃焼温度を一層低くしか
つ窒素濃度を一層低下させることになり、ＮＯｘ生成を
一層減少させることになることから、特に好適である。
発明の特に好適な実施態様では、第二オキシダントは酸
素濃度少なくとも３０容積％を有する流体でありかつ流
れＬ中の第二燃料に対する第二酸素の比は化学量論の３
００％を越える。
【００１４】第二燃料及び第二オキシダントは燃焼域２
内で燃焼して完全燃焼の生成物及び残留酸素を生成す
る。残留酸素は、流れＬ中の第二燃料に対する第二酸素
の量が過剰であることにより第二燃料と燃焼しない第二
酸素である。また、未燃燃料がいくらか生成され得る。
燃焼域２内で、残留酸素は次いで第一燃料及びオキシダ
ントの燃焼から生じた燃焼反応生成物と混合し、燃焼反
応生成物の未燃燃料により燃焼する。未燃燃料は燃焼域
内で残留酸素により完全に燃焼される。燃焼域内の燃焼
は熱を発生する働きをし、該熱は加熱、溶融、乾燥或は
その他の目的に使用してよい。燃焼した後に生成するガ
スは燃焼域から排出される。
【００１５】図３、４、５、６、７、８、９及び１０
は、各々、第一燃料及びオキシダントを流れＲとして並
びに第二燃料及びオキシダントを流れＬとして燃焼域の
中に注入するのに使用することができるバーナーの種々
の実施態様を断面図及び正面図で例示する。
【００１６】
【実施例】下記の例及び比較例は発明及びそれによって
達成し得る利点を更に例示するために挙げる。それらは
制限するつもりのものではない。図３及び４に例示する
配置を使用し、かつ内直径３フィート（０．９１ｍ）×
長さ１０．５フィート（３．２ｍ）がある円筒形炉を採
用して、米国特許第５，２６７，８５０号に開示される
ようなバーナーを使用して表１に挙げる条件で、Ａ、Ｂ
及びＣと標識する発明の３つのテストを行った。燃料は
天然ガスであり、オキシダントは９９．５モル％を超え
る酸素濃度を有する商用酸素であった。比較のために、
希薄流を用いないで、むしろ燃料無しでオキシダントを
使用してテストを行った。これを表１にＤとして報告す
る。炉雰囲気において有意のかつ一定の濃度の窒素をも
たらすために、１５０標準立方フィート／時（４．３Ｓ
ｍ3／時）の窒素を炉側壁から炉の中に注入した。結果
を、また図１１にグラフで示す。分かる通りに、驚くべ
きことに、本発明を実施することにより、酸素を更に燃
焼域の中に提供して燃焼を完全なものにするために燃料
無しでオキシダントを使用するのに比べて、ＮＯｘレベ
ルの相当の低減が達成される。何ら理論に固守すること
を望むものではないが、達成される驚く程に有利な結果
は、高速燃料流を加えることによって希薄流の運動量束
が増大することによるものと考えられる。テストＤで
は、二次オキシダント速度は小さく、濃厚流の運動量束
は希薄流の運動量束に比べてずっと大きかった。
【００１７】
【表１】
【００１８】Ｒ流中の燃料に対する酸素の極めて低い比
は、Ｒ流内の低い燃焼温度及び燃料に富む条件は速度論
的にＮＯｘ生成に有利でないことから、ＮＯｘ発生を低
減させる働きをする。Ｌ流中の燃料に対する酸素の極め
て高い比は、第二酸素との燃焼に利用し得る第二燃料の
量が極めて少ないことにより、Ｌ流における燃焼の温度
は速度論的にＮＯｘ生成を促進させるレベルより低いま
まであることにより、ＮＯｘ発生を低減させる働きをす
る。続く残留酸素と未燃燃料との燃焼は、Ｒ及びＬ流の
分離及びその後の完全燃焼の生成物のような燃焼反応生
成物の存在との混ざり合いのための高い混合及び希釈の
条件下で行われる。この混合及び希釈は高い酸素濃度の
局所ポケットを燃焼域内で生じさせない働きをし、これ
より残留酸素のほとんどが低いフレーム温度で未燃燃料
と反応するのを確実にする働きをする。発明の正味の効
果は燃焼域内で高いＮＯｘを発生しない効率的な燃焼で
ある。
【００１９】発明をいくつかの特定の実施態様により詳
細に説明したが、当業者ならば特許請求の範囲に記載す
る発明の精神及び範囲内の発明のその他の実施態様が存
在することを認めるものと思う。
【図面の簡単な説明】
【図１】複数の濃厚流及び希薄流を燃焼域内で交互シー
ケンスで形成しかつ同じ間隔を置いて並べる、本発明の
方法を実施する一実施態様の略平面図である。
【図２】複数の濃厚流及び希薄流対を燃焼域内で形成す
る、本発明の方法を実施する別の実施態様の略平面図で
ある。
【図３】本発明の実施において使用し得るバーナー装置
の実施態様の断面図である。
【図４】図３に例示するバーナー装置実施態様の正面図
である。
【図５】本発明の実施において使用し得るバーナー装置
の実施態様の断面図である。
【図６】図５に例示するバーナー装置実施態様の正面図
である。
【図７】本発明の実施において使用し得るバーナー装置
の実施態様の断面図である。
【図８】図７に例示するバーナー装置実施態様の正面図
である。
【図９】本発明の実施において使用し得るバーナー装置
の実施態様の断面図である。
【図１０】図９に例示するバーナー装置実施態様の正面
図である。
【図１１】発明の例及び比較例を実施する際に達成され
るテスト結果のグラフで表す図である。
【符号の説明】
１ 炉 ２ 燃焼域

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 下記： （Ａ）酸素濃度少なくとも３０容積％を有する流体であ
    る第一オキシダント及び第一燃料を化学量論の５〜５０
    ％の範囲内の比で燃焼域中に注入することによって濃厚
    流を形成し； （Ｂ）第二オキシダント及び第二燃料を化学量論の２０
    ０％より大きい比で燃焼域中に注入することによって希
    薄流を形成し； （Ｃ）第一オキシダント及び第一燃料を燃焼域内で燃焼
    させて燃焼反応生成物を生成し； （Ｄ）第二オキシダント及び第二燃料を燃焼域内で燃焼
    させて完全燃焼の生成物及び残留酸素を生成し；並びに （Ｅ）残留酸素と燃焼反応生成物とを燃焼域内で混合し
    て残留酸素と燃焼反応生成物とを燃焼させることを含む
    燃焼方法。
  2. 【請求項２】 複数の濃厚流を燃焼域内で形成させる請
    求項１の方法。
  3. 【請求項３】 複数の希薄流を燃焼域内で形成させる請
    求項１の方法。
  4. 【請求項４】 複数の濃厚流及び複数の希薄流を燃焼域
    内で形成させる請求項１の方法。
  5. 【請求項５】 濃厚流及び希薄流を燃焼域内で交互シー
    ケンスで形成させる請求項４の方法。
  6. 【請求項６】 濃厚流及び希薄流を燃焼域内で同じ間隔
    で配置する請求項５の方法。
  7. 【請求項７】 濃厚及び希薄流対を複数燃焼域内で形成
    させる請求項４の方法。
  8. 【請求項８】 濃厚流の運動量束が希薄流の運動量束の
    ３倍内である請求項１の方法。
  9. 【請求項９】 第二オキシダントが酸素濃度少なくとも
    ３０容積％を有する流体でありかつ希薄流中の第二燃料
    に対する第二オキシダントの比が化学量論の３００％を
    越える請求項１の方法。
JP7050352A 1994-02-17 1995-02-16 超化学量論外燃焼方法 Withdrawn JPH07253210A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/197,991 US5387100A (en) 1994-02-17 1994-02-17 Super off-stoichiometric combustion method
US197991 1994-02-17

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ID=22731560

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EP (1) EP0668469B1 (ja)
JP (1) JPH07253210A (ja)
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CN (1) CN1106526C (ja)
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DE (1) DE69500474T2 (ja)
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