(57)【要約】      （修正有）【課題】ＣＨ4を含有するオフガスを安定して燃焼させることができる燃焼装置を提供する。【解決手段】燃焼装置１０は、ＣＨ4を含有し、かつ熱量が所定量以下のオフガスを燃焼する燃焼装置１０であって、ガス導入口２３１ａ及びガス排出部２２を有し、前記ガス導入口２３１ａから導入される前記オフガスを燃焼し、燃焼排ガスを前記ガス排出部２２から排出する燃焼部２０と、前記ガス排出部２２に設けられ、前記オフガスを前記燃焼排ガスと熱交換して加熱する熱交換器３０と、前記熱交換器３０で加熱されたオフガスを前記燃焼部２０の前記ガス導入口２３１ａに供給する予熱ガス供給ラインＬ１０と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＨ4を含有し、かつ熱量が所定量以下のオフガスを燃焼する燃焼装置であって、
ガス導入口及びガス排出部を有し、前記ガス導入口から導入される前記オフガスを燃焼し、燃焼排ガスを前記ガス排出部から排出する燃焼部と、
前記ガス排出部に設けられ、前記オフガスを前記燃焼排ガスと熱交換して加熱する熱交換器と、
前記熱交換器で加熱されたオフガスを前記燃焼部の前記ガス導入口に供給する予熱ガス供給ラインと、
を有する燃焼装置。
【請求項２】
前記熱交換器は、前記燃焼部と一体化されている請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記燃焼部の外表面を囲う断熱材を含み、
前記断熱材の厚さが、１００〜１５０ｍｍである請求項１又は２に記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記燃焼部は、メタルニットバーナ又は旋回流バーナを有する請求項１〜３の何れか一項に記載の燃焼装置。
【請求項５】
前記燃焼部は、前記メタルニットバーナを有する場合に、
前記メタルニットバーナのメタルニット径の前記燃焼部の内径に対する比が、０．８０〜１．００である請求項４に記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記燃焼部は、前記メタルニットバーナを有する場合に、
前記メタルニットバーナの表面負荷が、２０００〜４０００ｋＷ／ｍ2である請求項４又は５に記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記オフガス中のＣＨ4流量が、４．０〜６．０Ｌ／ｍｉｎである請求項１〜６の何れか一項に記載の燃焼装置。
【請求項８】
前記オフガスのＣＨ4濃度が、１０％以下である請求項１〜７の何れか一項に記載の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオマス原料から生成されるバイオガスは、約５５〜６５％のメタン（ＣＨ4）と約３５〜４５％の二酸化炭素（ＣＯ2）を主成分として含んでいる。バイオガスを発電設備、天然ガス自動車燃料、都市ガス燃料等に有効利用するため、ガス精製設備等でバイオガス中のＣＯ2や不純物等の成分を分離して、バイオガス中のＣＨ4濃度を高濃度（例えば、９７％以上）に高めている。これにより、バイオガスは、高濃度のＣＨ4を含む精製ガスとして回収して利用されている。その際、低濃度のＣＨ4を含むバイオガスがオフガス（精製排ガス）として排出される。
【０００３】
ＣＨ4は、ＣＯ2よりも温暖化係数が高い温室効果ガスであるため、オフガスが大気中に放出されると、オフガス中に含まれるＣＨ4がオフガスに同伴して大気中に放出され、地球温暖化がより促進される。ＣＨ4が大気中に放出されるのを抑えるため、燃焼装置でオフガス中に含まれるＣＨ4を燃焼させる方法が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００４】
例えば、特許文献１では、ＣＨ4分離装置から排出されたオフガスを、バーナから排ガスラインに排出された燃焼排ガスと熱交換器において熱交換して加熱した後にバーナに供給するオフガス燃焼装置が提案されている。
【０００５】
また、特許文献２では、ガス精製部でバイオガスを精製した際に発生したオフガスを、燃料電池から流通路に排出されたカソードガス（燃料電池排ガス）と熱交換器において熱交換して加熱した後に、加熱炉に送るガス製造装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２４３４０号公報
【特許文献２】特開２０１６−１８６０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１のオフガス燃焼装置は、燃焼排ガスがバーナから排ガスラインを通して熱交換器に送られる間に燃焼排ガスの熱が外部に放熱されるため、熱交換器で燃焼排ガスが保有する熱をオフガスの加熱に十分に利用できない可能性がある。
【０００８】
また、特許文献２のガス製造装置でも、燃料電池排ガスが燃料電池から流通路を通して熱交換器に送られる間に燃料電池排ガスの熱が外部に放熱されるため、熱交換器で燃料電池排ガスの熱をオフガスの加熱に有効に利用できない可能性がある。また、燃料電池から排出される燃料電池排ガスの温度は、一般に、燃焼装置から排出される燃焼排ガスの温度よりも低いため、オフガスの加熱効率はさらに低くなるといえる。
【０００９】
ガス精製設備等のバイオガスの精製効率の向上に伴い、バイオガスを精製した際に生じるオフガス中に含まれるＣＨ4濃度も低くなる（例えば、１０％以下）傾向にある。オフガス中に含まれるＣＨ4濃度が低くなると、その分、オフガスの保有する熱量が低くなるため、オフガスは加熱させ難くなる。今後、ＣＨ4濃度が低いオフガスでも、安定して燃焼させることができる燃焼装置が求められている。
【００１０】
本発明の一態様は、ＣＨ4を含有するオフガスを安定して燃焼させることができる燃焼装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様に係る燃焼装置は、ＣＨ4を含有し、かつ熱量が所定量以下のオフガスを燃焼する燃焼装置であって、ガス導入口及びガス排出部を有し、前記ガス導入口から導入される前記オフガスを燃焼し、燃焼排ガスを前記ガス排出部から排出する燃焼部と、前記ガス排出部に設けられ、前記オフガスを前記燃焼排ガスと熱交換して加熱する熱交換器と、前記熱交換器で加熱されたオフガスを前記燃焼部の前記ガス導入口に供給する予熱ガス供給ラインと、を有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一態様に係る燃焼装置は、ＣＨ4を含有するオフガスを安定して燃焼させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態による燃焼装置の外観を示す図である。
【図２】図１のI−I断面図である。
【図３】バーナの構成の一例を示す斜視図である。
【図４】熱交換部の構成の一例を示す斜視図である。
【図５】燃焼装置の他の構成を図１のI−I断面と同じ位置から＋Ｙ軸方向に向かって見た時の一例を示す断面図である。
【図６】バーナの構成の他の一例を示す斜視図である。
【図７】オフガスのＣＨ4濃度と燃焼室内部温度との関係を示す図である。
【図８】オフガスのＣＨ4濃度と燃焼室外壁温度との関係を示す図である。
【図９】オフガスのＣＨ4濃度と表面負荷との関係を示す図である。
【図１０】オフガスのＣＨ4濃度とＣＯ濃度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１に、一実施形態による燃焼装置の外観を示す。なお、理解の容易のため、図面における各部材の縮尺は実際とは異なる場合がある。本明細書では、３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の３次元直交座標系を用い、燃焼装置１０の幅方向をＸ軸方向とし、奥行き方向をＹ軸方向とし、高さ方向をＺ軸方向とする。燃焼装置１０の下から上に向かう方向を＋Ｚ軸方向とし、その反対方向を−Ｚ軸方向とする。以下の説明において、＋Ｚ軸方向を上といい、−Ｚ軸方向を下という場合がある。
【００１５】
＜燃焼装置＞
一実施形態による燃焼装置について説明する。図２は、図１のI−I断面図であり、燃焼装置の構成を簡略に示す。図２に示すように、燃焼装置１０は、燃焼部である燃焼塔２０、熱交換器３０、断熱材４０及び予熱ガス供給ラインＬ１０を有する。
【００１６】
本実施形態では、燃焼装置１０で燃焼処理されるガスは、メタン（ＣＨ4）を含有し、かつ熱量が所定量以下のオフガスである。本実施形態では、一例として、バイオガスを精製する際に発生するオフガスを用いる。熱量が所定量以下とは、熱量が約３．６ＭＪ／ｍ3以下であることをいう。約３．６ＭＪ／ｍ3をオフガスのＣＨ4濃度に換算すると、ＣＨ4濃度は約１０％となる。
【００１７】
バイオガスは、約５５〜６５％のＣＨ4と約４５〜３５％のＣＯ2を主成分として含み、硫化水素、シロキサン類、アンモニア又はメチルメルカプタン等の微量の不純物成分を含んでいてもよい。オフガスは、ガス精製設備において、バイオガス中のＣＨ4とＣＯ2とを分離して高濃度のＣＨ4を含有する精製ガスを生成する際に排出されるＣＯ2リッチガスである。オフガスはＣＨ4及びＣＯ2を含有しており、本実施形態において、オフガスのＣＨ4濃度は約３〜１０％であり、ＣＯ2濃度は約９０〜９７％である。このオフガスのガス組成は、その元となるバイオガスのガス組成やガス精製設備におけるバイオガスの精製能力等によって変化する。
【００１８】
燃焼装置１０には、オフガス中のＣＨ4と空気（燃焼用空気）とを、オフガス中のＣＨ4と空気との空気比（ＣＨ4が完全燃焼する時に必要な理論空気量に対する実空気量の比）が所定の値（例えば、約１．０５）となるように混合した予混合気Ｇ１が供給される。本実施形態では、熱交換器３０に供給される予混合気を予混合気Ｇ１とし、熱交換器３０から燃焼塔２０に予熱ガス供給ラインＬ１０を通って供給される予混合気を加熱された予混合気Ｇ２とする。
【００１９】
次に、燃焼装置１０を構成する、燃焼塔２０、熱交換器３０、断熱材４０及び予熱ガス供給ラインＬ１０について説明する。
【００２０】
［燃焼塔］
図２に示すように、燃焼塔２０は、燃焼筒２１、蓋部２２、バーナ２３及びスパークロッド２４を有する。燃焼塔２０の内部には、燃焼筒２１及び蓋部２２に囲まれた、燃焼空間である燃焼室２６が形成されている。燃焼室２６において、燃焼室２６内に流入する加熱された予混合気Ｇ２が加熱されて、加熱された予混合気Ｇ２が燃焼することで、燃焼排ガスＨＧが生成される。
【００２１】
図２に示すように、燃焼筒２１は、円筒状に形成された筒状体である。燃焼筒２１は、基台５１上に設置されている。
【００２２】
燃焼筒２１は、側面２１１の下部近傍に、側面２１１の外側に突出した覗き窓２５を有する。覗き窓２５より、外部から燃焼室２６内の状態が確認される。
【００２３】
図２に示すように、蓋部２２は、燃焼筒２１の上部２１２に設けられている。蓋部２２は、平面視において、中央部に、ガス排出口２２１を有する。本実施形態では、蓋部２２が、燃焼室２６内に生じる燃焼排ガスＨＧを排出するガス排出部となる。なお、図２では、ガス排出口２２１は一つであるが、ガス排出口２２１の数や大きさ等は、適宜設計可能である。
【００２４】
燃焼塔２０を構成する燃焼筒２１及び蓋部２２は、例えば、鉄、Ｎｉ−Ｆｅ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金、ステンレス等の耐熱性金属やキャスタブル等で形成することができる。Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金としては、例えば、インコネル等を用いることができる。Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金として、例えば、コバール等を用いることができる。ステンレスとしては、例えば、ＳＵＳ３０４等を用いることができる。
【００２５】
図２に示すように、バーナ２３は、予混合気Ｇ１のガス流れ方向の上流側である、燃焼筒２１の下部に基台５１を貫通した状態で設けられている。バーナ２３は、チャンバ部２３１とメタルニット部２３２とを有する表面燃焼バーナ（メタルニットバーナ）である。バーナ２３を構成する各部材は、ステンレス等の耐熱性金属で形成することができる。なお、バーナ２３は、有線の通信回線又は無線通信回線を介してインターネット等のネットワークに接続される不図示の制御装置により制御可能に構成されている。
【００２６】
チャンバ部２３１は、有底筒状に形成されている。図２に示すように、チャンバ部２３１は、その下部に予熱ガス供給ラインＬ１０と連結されるガス導入口２３１ａを有する。ガス導入口２３１ａが、熱交換器３０で加熱された予混合気Ｇ２が燃焼室２６内に供給される、燃焼塔２０のガス導入口となる。
【００２７】
図３に、バーナ２３の外観の斜視図を示す。図２及び図３に示すように、メタルニット部２３２は、平板状に形成され、チャンバ部２３１の上部開口を塞ぐように設けられている。
【００２８】
メタルニット部２３２は、繊維径が数ミクロン〜数百ミクロンの耐熱金属繊維を編み込んで形成された織布であり、内部に空隙を有する。メタルニット部２３２は、前記空隙を介して、燃焼室２６とチャンバ部２３１との通気性を確保しつつ、燃焼室２６とチャンバ部２３１とを仕切っている。
【００２９】
耐熱金属繊維としては、例えば、フェクラロイ（Fecralloy）（登録商標）等のＣｒ−Ｆｅ系合金等を用いることができる。
【００３０】
メタルニット部２３２は、メタルニット部２３２の表面に炎を発生させることで、メタルニット部２３２の表面には燃焼面が形成される。メタルニット部２３２から発生する炎の大きさは、メタルニット部２３２への加熱された予混合気Ｇ２の供給量、加熱された予混合気Ｇ２のオフガス中のＣＨ4と空気との空気比又は加熱された予混合気Ｇ２の温度等を制御することにより、調整できる。
【００３１】
メタルニット部２３２のメタルニット径Ｄ１は、燃焼筒２１の内径Ｄ２と同等程度であることが好ましい。具体的には、メタルニット部２３２のメタルニット径Ｄ１の燃焼筒２１の内径Ｄ２に対する比（Ｄ１／Ｄ２）は、０．８０〜１．００の範囲内であることが好ましく、０．８７〜１．０であることがより好ましく、０．９０〜１．００であることがさらに好ましい。上記比Ｄ１／Ｄ２が０．８０〜１．００の範囲内であれば、燃焼筒２１の内壁又はその近傍までメタルニット部２３２から生じる炎の燃焼面が形成される。
【００３２】
メタルニット部２３２の表面負荷は、２０００〜４０００ｋＷ／ｍ2であることが好ましく、２５００〜３０００ｋＷ／ｍ2であることがより好ましい。メタルニット部２３２の表面負荷が上記範囲内であれば、加熱された予混合気Ｇ２は完全燃焼させやすくなる。
【００３３】
図２に示すように、スパークロッド２４は、燃焼筒２１の側面２１１に、側面２１１を貫通して燃焼室２６内に突出させた状態で設けられている。スパークロッド２４の先端の放電部２４ａは、メタルニット部２３２の上方であって、平面視においてメタルニット部２３２の略中央部分に位置している。スパークロッド２４は、不図示の給電部に不図示のケーブル等により連結されており、前記給電部より高電圧の電流が給電される。スパークロッド２４に高電圧の電流を給電して、放電部２４ａでスパークを発生させることで、メタルニット部２３２の表面で燃焼室２６内に供給されるオフガスに含まれるＣＨ4を点火させる。
【００３４】
［熱交換器］
図２に示すように、熱交換器３０は、熱交換器本体３１と、熱交換部３２とを有している。
【００３５】
図２に示すように、熱交換器本体３１は、燃焼塔２０のガス排出部である蓋部２２の上部に設けられている。熱交換器本体３１は、内部に熱交換部３２を収容するための空間を有する。
【００３６】
熱交換器本体３１は、溶接、ねじ止め、焼きばめ又はロウ材等の高温での耐熱性を有する接合材を用いた接着等により、蓋部２２の上部に固定できる。熱交換器本体３１は、溶接、ねじ止め、焼きばめ又は接着等を用いて蓋部２２に固定することにより、蓋部２２と一体化させることができる。
【００３７】
熱交換器本体３１は、熱交換器本体３１の底部３１１にガス流入口３１１ａを有する。ガス流入口３１１ａは、蓋部２２のガス排出口２２１に対応する位置に設けられ、燃焼室２６でオフガスが燃焼することで生じる燃焼排ガスＨＧが流入可能に形成されている。
【００３８】
熱交換器本体３１は、熱交換器本体３１の上部３１２にガス流出口３１２ａを有する。ガス流出口３１２ａは、ガス排出ラインＬ２０と連結されている。
【００３９】
熱交換器本体３１は、内周面３１３に、熱交換部３２を熱交換器本体３１内で保持するための保持部３１４を有する。保持部３１４は、内周面３１３に熱交換部３２の上下両端を挟み込むように設けられている。熱交換部３２の上下両端に設けた保持部３１４により、熱交換部３２は熱交換器本体３１内に着脱可能に固定されている。
【００４０】
熱交換器本体３１は、その内周面３１３に、予混合気Ｇ１が供給されるガス供給ラインＬ１と連結された予混合気供給口３１３ａと、熱交換器本体３１内の加熱された予混合気Ｇ２を排出する予熱ガス供給ラインＬ１０と連結された予混合気排出口３１３ｂとを有する。
【００４１】
図４に、熱交換部３２の外観の斜視図を示す。図２及び図４に示すように、熱交換部３２は、熱交換器本体３１内に保持部３１４により保持されている。熱交換部３２は、予混合気Ｇ１と、燃焼塔２０で発生する燃焼排ガスＨＧとを熱交換して、予混合気Ｇ１を加熱する。
【００４２】
図４に示すように、熱交換部３２は、予混合気Ｇ１が通過する第１通路Ｌ３２１と、燃焼排ガスＨＧが通過する第２通路Ｌ３２２とを交互に配置した状態でそれぞれ複数有する。第１通路Ｌ３２１と、第２通路Ｌ３２２とは、それぞれのガス流れ方向が直交するように配置されている。第１通路Ｌ３２１及び第２通路Ｌ３２２の数は、適宜設計可能である。
【００４３】
図２に示すように、第１通路Ｌ３２１の吸気口３２１ａは、熱交換器本体３１の予混合気供給口３１３ａ側に設けられ、第１通路Ｌ３２１の排気口３２１ｂは、熱交換器本体３１の予混合気排出口３１３ｂ側に設けられている。
【００４４】
第２通路Ｌ３２２の吸気口３２２ａは、熱交換器本体３１のガス流入口３１１ａ側に設けられ、第２通路Ｌ３２２の排気口３２２ｂは、熱交換器本体３１のガス流出口３１２ａ側に設けられている。
【００４５】
［断熱材］
図２に示すように、断熱材４０は、燃焼筒２１の側面２１１と、バーナ２３のチャンバ部２３１の側壁及び下部と、熱交換器３０の熱交換器本体３１の側壁及び上部３１２との外表面に設けられている。
【００４６】
断熱材４０は、外部の熱を遮断できる材料で形成することができ、断熱材４０としては、例えば、ガラスウールや羊毛等の繊維又は硬質ウレタンフォームやフェノールフォーム等の発砲樹脂等を用いることができる。
【００４７】
断熱材４０の厚さは、１００ｍｍ〜１５０ｍｍであることが好ましい。断熱材４０の厚さが１００ｍｍ以上であれば、燃焼排ガスＨＧの放熱が軽減され、燃焼室２６内の温度を所定の温度（例えば、８００℃）以上に保持できる。断熱材４０は厚いほど断熱効果が得られるが、厚くし過ぎても断熱効果がそれほど向上せず、費用が増大することになる。そのため、断熱材４０の厚さは、断熱効果の発揮と費用負担とのバランスの観点から、１５０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４８】
［予熱ガス供給ライン］
図２に示すように、予熱ガス供給ラインＬ１０は、加熱された予混合気Ｇ２を熱交換器３０から燃焼塔２０のガス導入口２３１ａに供給するラインであり、予混合気排出口３１３ｂとチャンバ部２３１のガス導入口２３１ａとを連結している。
【００４９】
燃焼装置１０は、予熱ガス供給ラインＬ１０に、加熱された予混合気Ｇ２のオフガスに含まれるＣＨ4の流量を測定する流量計５２を有する。流量計５２は、加熱された予混合気Ｇ２中のＣＨ4の流量を測定できる装置であれば用いることができる。
【００５０】
図２に示すように、燃焼装置１０では、熱交換器本体３１のガス流出口３１２ａにガス排出ラインＬ２０の一端が連結されており、ガス排出ラインＬ２０の他端は大気に開放されている。
【００５１】
燃焼装置１０は、ガス排出ラインＬ２０に、燃焼排ガスＨＧ中のＣＨ4濃度を測定するＣＨ4濃度測定部５４と、燃焼排ガスＨＧ中のＣＯ濃度を測定するＣＯ濃度測定部５５とを有する。ＣＨ4濃度測定部５４及びＣＯ濃度測定部５５は、それぞれ、ＣＯ濃度及びＣＨ4濃度を測定できる測定装置であれば用いることができる。
【００５２】
次に、燃焼装置１０を用いて、予混合気Ｇ１中のオフガスを燃焼処理する場合について説明する。
【００５３】
図２に示すように、オフガスに空気を混合した予混合気Ｇ１は、ガス供給ラインＬ１を通って、熱交換器本体３１の予混合気供給口３１３ａから熱交換器本体３１内に供給される。
【００５４】
予混合気Ｇ１中のオフガスと空気とは、空気比が所定の値（例えば、約１．０５）となるように混合される。
【００５５】
加熱された予混合気Ｇ２中のオフガスのＣＨ4流量が４．０〜６．０Ｌ／ｍｉｎとなるように、予混合気Ｇ１の流量は調整される。予混合気Ｇ１の流量は、ガス供給ラインＬ１に設けられる不図示の送風機等により調整される。加熱された予混合気Ｇ２中のオフガスのＣＨ4流量は、流量計５２により測定される。なお、本実施形態では、予混合気Ｇ１及びオフガスのＣＨ4の流量は、０℃、１ａｔｍでの基準状態（Ｎｏｒｍａｌ状態）で求めた値である。
【００５６】
予混合気Ｇ１は、熱交換部３２の第１通路Ｌ３２１の吸気口３２１ａから第１通路Ｌ３２１内を通過する。予混合気Ｇ１は、第１通路Ｌ３２１を通過しながら燃焼室２６から第２通路Ｌ３２２に流れてきた燃焼排ガスＨＧと熱交換する。燃焼排ガスＨＧは、予混合気Ｇ１よりも高温であるため、予混合気Ｇ１は燃焼排ガスＨＧと熱交換することで加熱（予熱）される。これにより、予混合気Ｇ１の温度は、所定の温度（例えば、４００℃）以上に昇温できる。
【００５７】
その後、加熱された予混合気Ｇ２は、熱交換器本体３１の予混合気排出口３１３ｂから予熱ガス供給ラインＬ１０を通って、チャンバ部２３１のガス導入口２３１ａからチャンバ部２３１内に流れる。
【００５８】
そして、加熱された予混合気Ｇ２は、チャンバ部２３１内をメタルニット部２３２に向かって流れる。このとき、スパークロッド２４に給電して放電部２４ａでスパークを発生させることで、オフガスに含まれるＣＨ4を点火して、メタルニット部２３２の表面に炎を発生させる。
【００５９】
加熱された予混合気Ｇ２は、メタルニット部２３２の表面に発生させた炎により加熱されることにより、メタルニット部２３２の表面付近において、加熱された予混合気Ｇ２が燃焼する。
【００６０】
加熱された予混合気Ｇ２が燃焼するとは、加熱された予混合気Ｇ２中のオフガスの燃焼を意味し、具体的には、オフガスに含まれるＣＨ4が燃焼することである。加熱された予混合気Ｇ２中のオフガスはＣＨ4及びＣＯ2を含むため、オフガスがメタルニット部２３２の表面に発生させた炎によってＣＨ4の発火点（例えば、５３７℃）以上に加熱されることで、オフガスに含まれるＣＨ4が燃焼する。
【００６１】
ＣＨ4が完全燃焼する場合には、下記式（１）の通り、ＣＨ4は、加熱された予混合気Ｇ２中の酸素と反応（酸化）して、ＣＯ２と水とに分離される。ＣＨ4が不完全燃焼の場合には、下記式（２）の通り、ＣＨ4は酸化して、ＣＯと水とに分離される。
ＣＨ4＋２Ｏ2  →  ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ  ・・・（１）
２ＣＨ4＋３Ｏ2  →  ２ＣＯ＋４Ｈ2Ｏ  ・・・（２）
【００６２】
メタルニット部２３２の表面に発生させる炎の大きさは、メタルニット部２３２への加熱された予混合気Ｇ２の供給量、加熱された予混合気Ｇ２のオフガス中のＣＨ4と空気との空気比又は加熱された予混合気Ｇ２の温度等を調整することにより調整できる。メタルニット部２３２の表面に発生させた炎の大きさを調整して、加熱された予混合気Ｇ２を適切な温度に加熱することで、加熱された予混合気Ｇ２を燃焼できる。
【００６３】
燃焼室２６内で、加熱された予混合気Ｇ２が燃焼することにより、加熱された予混合気Ｇ２は、燃焼排ガスＨＧとなる。
【００６４】
燃焼室２６内に発生した燃焼排ガスＨＧは、燃焼室２６内を上昇して、蓋部２２のガス排出口２２１及び熱交換器本体３１のガス流入口３１１ａを通り、熱交換器本体３１内に流れる。その後、燃焼排ガスＨＧは、熱交換部３２の第２通路Ｌ３２２の吸気口３２２ａから第２通路Ｌ３２２内に流れる。
【００６５】
燃焼排ガスＨＧは、第２通路Ｌ３２２内を通りながら、第１通路Ｌ３２１内を流れる予混合気Ｇ１と熱交換して予混合気Ｇ１を加熱しながら、排気口３２２ｂから流出する。このとき、燃焼排ガスＨＧは、燃焼室２６と熱交換部３２との移動距離が短いため、燃焼排ガスＨＧが保有する熱は、放熱することなく熱交換部３２に伝えられる。
【００６６】
その後、燃焼排ガスＨＧは、熱交換器本体３１のガス流出口３１２ａからガス排出ラインＬ２０を通って、ＣＨ4濃度測定部５４及びＣＯ濃度測定部５５で燃焼排ガスＨＧ中のＣＨ4濃度及びＣＯ濃度が測定された後、大気中に放出される。
【００６７】
以上のように構成された、燃焼装置１０は、熱交換器３０を燃焼塔２０の蓋部２２に設け、熱交換器３０で加熱された予混合気Ｇ２を予熱ガス供給ラインＬ１０を通して燃焼室２６内に供給している。燃焼塔２０で発生した燃焼排ガスＨＧの熱が熱交換器３０で予混合気Ｇ１と熱交換する前に放出されるのを軽減できる。そのため、熱交換器３０で予混合気Ｇ１を燃焼排ガスＨＧと熱交換して加熱する際、燃焼排ガスＨＧの熱を予混合気Ｇ１の加熱に有効に利用することができる。これにより、熱交換器３０で予混合気Ｇ１を予め所定の温度（例えば、４００℃）以上に加熱できるので、燃焼塔２０において予混合気Ｇ１に含まれるオフガスは燃焼させやすくなる。
【００６８】
一般に、オフガスに含まれるＣＨ4等の炭化水素系燃料は、アンモニア等の難燃性燃料に比べて燃焼速度が速く、安定して燃焼させ易い。ガス製造設備においてより高濃度のＣＨ4を含む精製ガスが得られるようになることで、オフガスのＣＨ4濃度はさらに低くなる。そして、オフガス中のＣＨ4濃度が低濃度（例えば、１０％以下）になると、オフガスの熱量は低くなり、オフガスの燃焼速度は難燃性燃料の燃焼速度よりも遅くなる。その結果、オフガスは、安定して燃焼させ難くなる傾向にある。
【００６９】
本実施形態では、燃焼装置１０は、燃焼塔２０で加熱された予混合気Ｇ２を燃焼させる前に、予混合気Ｇ１を予め所定の温度（例えば、４００℃）以上に加熱できるため、燃焼塔２０において加熱された予混合気Ｇ２中のＣＨ4を安定して燃焼できる。よって、燃焼装置１０は、オフガスがＣＨ4濃度が例えば１０％以下のガスでも、加熱された予混合気Ｇ２を安定して燃焼させることができる。
【００７０】
したがって、燃焼装置１０は、ガス精製設備においてバイオガスを精製する際に排出されるオフガス等、ＣＨ4を含有する排ガスの燃焼に有効に用いることができる。
【００７１】
また、ＣＨ4は、ＣＯ2の２５倍の温暖化係数を有するため、ＣＨ4の大気放散は、ＣＯ2の大気放散よりも温室効果を高めることになり、地球温暖化を助長する。燃焼装置１０は、オフガス中のＣＨ4が燃焼して除去されることで、地球温暖化への影響を軽減できる。
【００７２】
燃焼装置１０は、燃焼塔２０の蓋部２２に熱交換部３２の熱交換器本体３１を固定して、燃焼塔２０と熱交換器３０とを一体化している。これにより、燃焼排ガスＨＧの保有する熱が予混合気Ｇ１と熱交換する前に放熱されるのを軽減できるため、熱交換部３２でより効率良く予混合気Ｇ１を加熱できる。
【００７３】
燃焼装置１０は、断熱材４０を、燃焼筒２１の側面２１１と、バーナ２３のチャンバ部２３１の側壁及び下部と、熱交換器３０の熱交換器本体３１の側壁及び上部３１２との外表面に設け、断熱材４０の厚さを１００ｍｍ以上としている。これにより、燃焼装置１０は、燃焼排ガスＨＧの保有する熱が予混合気Ｇ１と熱交換する前に放熱するのをより軽減でき、燃焼室２６内の温度を所定の温度（例えば、８００℃）以上にできる。そのため、燃焼排ガスＨＧをその熱量を維持した状態で熱交換部３２に供給できる。よって、燃焼装置１０は、熱交換部３２で予混合気Ｇ１をさらに効率良く加熱できる。
【００７４】
燃焼塔２０は、バーナ２３としてメタルニットバーナを用いている。メタルニットバーナは、加熱された予混合気Ｇ２を安定して加熱させ易いため、加熱された予混合気Ｇ２の燃焼効率を向上させることができる。
【００７５】
メタルニット部２３２のメタルニット径Ｄ１の燃焼筒２１の内径Ｄ２に対する比（Ｄ１／Ｄ２）を、０．８０〜１．００としている。上記比Ｄ１／Ｄ２を上記範囲内とすることで、平面視において、燃焼筒２１のほぼ全面でＣＨ4を燃焼させることができるので、予混合気Ｇ１中のオフガスの燃焼量当たりの予混合気Ｇ１の放熱を抑えることができる。
【００７６】
燃焼装置１０は、バーナ２３のメタルニット部２３２の表面負荷を、２０００〜４０００ｋＷ／ｍ2としている。これにより、燃焼室２６内の温度を所定の温度（８００℃以上）に安定して加熱できるので、バーナ２３で加熱された予混合気Ｇ２を完全燃焼させやすくなる。
【００７７】
燃焼装置１０は、オフガス中のＣＨ4の流量が４．０〜６．０Ｌ／ｍｉｎとなるように、予混合気Ｇ１の流量は調整している。オフガス中のＣＨ4の流量が上記範囲内であれば、燃焼室２６において、メタルニット部２３２の表面に発生させる炎をオフガスが通過する際、加熱された予混合気Ｇ２を完全燃焼させることができ、オフガスの不完全燃焼を抑えることができる。これにより、加熱された予混合気Ｇ２の不完全燃焼により生じるＣＯが燃焼排ガス中に含まれるのを抑制できる。
【００７８】
（変形例）
燃焼装置１０の変形例について説明する。
【００７９】
本実施形態では、バーナ２３がメタルニットバーナである場合について説明したが、バーナ２３は旋回流バーナでもよい。図５は、燃焼装置１０を図１のI−I断面と同じ位置から＋Ｙ軸方向に向かって見た時の一例を示す断面図であり、図６は、旋回流バーナの外観の斜視図である。図５及び図６に示すように、バーナ２３は、有底筒状に形成された外筒２３３と、円柱部２３４と、羽根２３５とを有する。図６に示すように、外筒２３３と円柱部２３４との間には、リング状流通路２３６が上下方向に形成されている。
【００８０】
外筒２３３は、図６に示すように、円筒状に形成されており、図５に示すように、底部に、予混合気Ｇ２が流入する導入口２３３ａを有する。
【００８１】
図６に示すように、羽根２３５は、円柱部２３４と外筒２３３との間に、円柱部２３４の周方向に複数（図６では７枚）設けられている。複数の羽根２３５は、円柱部２３４の側面に、バーナ軸方向Ｊに対して同一方向に傾斜するように取り付けられると共に、円柱部２３４の周方向に互いに離間して配置されている。羽根２３５は、外筒２３３と円柱部２３４との間に嵌め込んで固定して一体化させている。なお、羽根２３５の数は７枚に限定されず、適宜設計可能である。
【００８２】
図５に示すように、バーナ２３の導入口２３３ａからリング状流通路２３６に加熱された予混合気Ｇ２に導入される。図６に示すように、バーナ２３の羽根２３５同士の間に流入した加熱された予混合気Ｇ２は、羽根２３５の傾斜によって旋回し、バーナ２３の出口である上方に向けて噴射される。そして、燃焼室２６に加熱された予混合気Ｇ２の旋回流を形成する。このとき、スパークロッド２４の放電部２４ａでスパークを発生させることで、オフガスに含まれるＣＨ4を点火して、バーナ２３の上方に炎を発生させる。加熱された予混合気Ｇ２は炎で加熱されることで、加熱された予混合気Ｇ２を燃焼させる。よって、バーナ２３が旋回流バーナでも、燃焼塔２０において加熱された予混合気Ｇ２を安定して燃焼できる。
【００８３】
本実施形態では、燃焼筒２１は、平面視において、楕円形や矩形等の多角形に形成されていてもよい。
【００８４】
本実施形態では、バーナ２３のチャンバ部２３１及びメタルニット部２３２は、平面視において、楕円形や多角形に形成されていてもよい。
【００８５】
本実施形態では、メタルニット部２３２は、半球状又は円錐状等に形成されていてもよい。
【００８６】
本実施形態では、蓋部２２と熱交換器本体３１との少なくとも一方がフランジ部を有する場合、燃焼塔２０と熱交換器３０とは、前記フランジ部を介して蓋部２２と熱交換器本体３１とを連結させてもよい。
【００８７】
本実施形態では、断熱材４０は、少なくとも、燃焼筒２１の側面２１１の外表面に設けられていればよい。断熱材４０は、例えば、燃焼筒２１の側面２１１の外表面のみに設けられてもよい。また、断熱材４０は、側面２１１とバーナ２３のチャンバ部２３１の側壁及び下部の外表面に設けられてもよいし、側面２１１と熱交換器３０の熱交換器本体３１の側壁及び上部３１２との外表面に設けられてもよい。これらの場合でも、燃焼排ガスＨＧの放熱は抑えられる。また、断熱材４０が特に不要の場合には、断熱材４０は設けなくてもよい。
【実施例】
【００８８】
以下、実施例及び比較例を示して実施形態を更に具体的に説明するが、実施形態はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００８９】
＜実施例１＞
［実施例１−１］
図１に示す燃焼装置を準備した。燃焼筒２１の内径は約１１４ｍｍとし、断熱材の厚さｔは１００ｍｍとし、バーナとしてメタルニットバーナ（メタルニット径Ｄ１＝１００ｍｍ）を用いた。以下の、予混合気の条件に従って、燃焼室内にＣＨ4、ＣＯ2及び空気を含む予混合気を供給し、ＣＨ4の流量は５．０Ｌ／ｍｉｎで固定とし、ＣＨ4と空気との空気比は１．０５とした。燃焼室内の予混合気中のオフガスのＣＨ4濃度を所定の濃度に調整した後、予混合気を燃焼した。オフガスのＣＨ4濃度は、最大で２０％として、燃焼室内の予混合気を５分以上燃焼させることができた時のＣＨ4濃度の最小値を求めた。測定結果を表１に結果を示す。
（予混合気の条件）
予混合気の成分：ＣＨ4、ＣＯ2、空気
ＣＨ4の流量：５．０Ｌ／ｍｉｎ
空気比：１．０５
【００９０】
また、予混合気を燃焼させている時の、燃焼室内の温度（燃焼室内部温度）及び燃焼筒の側壁の外表面の温度（燃焼室外壁温度）を測定した。燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、燃焼室内部温度との関係を図７に示し、燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、燃焼室外壁温度との関係を図８に示す。
【００９１】
［実施例１−２］
実施例１−１において、断熱材の厚さｔを１５０ｍｍに変更したこと以外は、実施例１−１と同様にして行った。この結果、燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度が６．９％まで予混合気を燃焼させることができた。燃焼室内の予混合気を５分以上燃焼させることができた時のオフガスのＣＨ4濃度の最小値を表１に結果を示す。また、燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、燃焼室内部温度及び燃焼室外壁温度との関係を図７及び図８に示す。
【００９２】
［実施例１−３］
実施例１−１において、断熱材の厚さｔを１５０ｍｍに変更し、バーナを旋回流バーナに変更したこと以外は、実施例１−１と同様にして行った。この結果、燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度が６．５％まで予混合気を燃焼させることができた。燃焼室内の予混合気を５分以上加熱させることができた時のオフガスのＣＨ4濃度の最小値を表１に結果を示す。燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、燃焼室内部温度及び燃焼室外壁温度との関係を図７及び図８に示す。
【００９３】
［比較例１−１］
実施例１−１において、断熱材の厚さｔを５０ｍｍに変更し、メタルニットバーナのメタルニット径Ｄを６４ｍｍに変更したこと以外は、実施例１−１と同様にして行った。この結果、燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度が１２．０％まで予混合気を燃焼させることができた。燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、燃焼室内部温度及び燃焼室外壁温度との関係を図７及び図８に示す。
【００９４】
［比較例１−２］
比較例１−１において、さらに、燃焼室に供給する予混合気を予め電気ヒータを用いて約４００℃まで加熱したこと以外は、実施例１−１と同様にして行った。この結果、燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度が９．７％まで予混合気を燃焼させることができた。燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、燃焼室内部温度及び燃焼室外壁温度との関係を図７及び図８に示す。
【００９５】
上記各実施例及び比較例における、熱交換器の有無、断熱材の厚さｔ、バーナの種類、及び燃焼室内の予混合気を５分以上加熱させることができた時のオフガスのＣＨ4濃度の最小値を表１にまとめた。
【００９６】
【表１】
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【００９７】
表１より、実施例１−１〜１−３では、燃焼室内のオフガス中のＣＨ4濃度が７．５％以下でも、燃焼室内の予混合気を５分以上加熱させることができた。これに対し、比較例１−１では、燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度が約１０％以上でなければ、燃焼室内の予混合気を５分以上加熱させることができなかった。比較例１−２では、燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度が約１０％まで燃焼室内の予混合気を５分以上加熱させることができたが、外部熱源として電気ヒータを使用する必要があるため、運転費用等が新たに発生することになり、好ましくない。
【００９８】
また、図７及び図８に示すように、実施例１−１〜１−３では、燃焼室内部温度は約８００℃以上の高い温度を維持でき、燃焼室外壁温度は約２００℃以下で低い温度であった。これに対し、比較例１−１及び１−２では、燃焼室内部温度は最高でも約６００℃であった。また、燃焼室外壁温度は、約２２０℃以上と高く、燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度が低くなるほど高くなっていった。
【００９９】
よって、燃焼塔のガス排出部である蓋部に熱交換器を配置して、熱交換器で燃焼排ガスの熱を予混合気の加熱に有効に利用しつつ、燃焼室から排出される燃焼排ガスの熱が放熱されるのを軽減することで、オフガスのＣＨ4濃度が低くても予混合気を安定して燃焼できることが確認された。これは、予混合気を燃焼させる前に予め予混合気のガス温度をより高温に高めると共に燃焼室内部温度を高温に保持することで、オフガス中のＣＨ4濃度が低くても、予混合気を安定して燃焼できたためといえる。
【０１００】
＜実施例２＞
［実施例２−１］
上記の実施例１−１において、燃焼室内の予混合気を燃焼させている時の、メタルニットバーナの表面負荷を測定すると共に、燃焼室から排出される燃焼排ガス中のＣＯ濃度を測定した。燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、メタルニットバーナの表面負荷との関係を図９に示し、燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、ＣＯ濃度との関係を図１０に示す。
【０１０１】
［実施例２−２］
上記の実施例１−２において、実施例２−１と同様に、燃焼室内の予混合気を燃焼させている時の、メタルニットバーナの表面負荷を測定すると共に、燃焼室から排出される燃焼排ガス中のＣＯ濃度を測定した。燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、メタルニットバーナの表面負荷との関係を図９に示し、燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、ＣＯ濃度との関係を図１０に示す。
【０１０２】
［比較例２−１］
実施例２−１において、上記実施例１−１の予混合気の条件のＣＨ4流量を７．０Ｌ／ｍｉｎに変更したこと以外は、実施例２−１と同様にして行った。燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、メタルニットバーナの表面負荷との関係を図９に示し、燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、ＣＯ濃度との関係を図１０に示す。
【０１０３】
［比較例２−２］
実施例２−１において、上記実施例１−１の予混合気の条件のＣＨ4流量を９．０Ｌ／ｍｉｎに変更したこと以外は、実施例２−１と同様にして行った。燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、メタルニットバーナの表面負荷との関係を図９に示し、燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、ＣＯ濃度との関係を図１０に示す。
【０１０４】
［比較例２−３］
実施例２−１において、上記実施例１−１の予混合気の条件のＣＨ4流量を３．０Ｌ／ｍｉｎに変更したこと以外は、実施例２−１と同様にして行った。燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、メタルニットバーナの表面負荷との関係を図９に示し、燃焼室内のオフガスのＣＨ4濃度と、ＣＯ濃度との関係を図１０に示す。
【０１０５】
図９及び図１０に示すように、実施例２−１及び２−２では、メタルニットバーナの表面負荷は約２０００〜４０００ｋＷ／ｍ2であり、ＣＨ4はほぼ完全燃焼して燃焼排ガスにＣＯは殆ど発生しなかった。これに対し、比較例２−１及び２−２では、メタルニットバーナの表面負荷が高く、燃焼排ガスのＣＯ濃度は約１００ｐｐｍ以上であった。比較例２−３では、メタルニットバーナの表面負荷が低すぎ、燃焼排ガスのＣＯ濃度は約４００ｐｐｍ以上であった。
【０１０６】
よって、予混合気を燃焼させる際、ＣＨ4流量を所定の範囲内に調整することで、メタルニットバーナの表面負荷を所定の範囲に調整できるため、予混合気中のＣＨ4を完全燃焼でき、ＣＯの発生を抑えることができるといえる。
【０１０７】
以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更等を行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０８】
１０  燃焼装置
２０  燃焼塔
２２  蓋部
２３１ａ  ガス導入口
２３２  メタルニット部
３０  熱交換器
３１  熱交換器本体
３２  熱交換部
４０  断熱材
Ｌ１０  予熱ガス供給ライン
【図１】
2020008215.tif 000004
【図２】
2020008215.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
2020008215.tif 000008
【図６】
2020008215.tif 000009
【図７】
2020008215.tif 000010
【図８】
2020008215.tif 000011
【図９】
2020008215.tif 000012
【図１０】
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