(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤流れと、燃料流れを供給して燃焼するバーナの燃焼方法であって、
前記酸化剤流れは、前記燃料流れの周囲または前記燃料流れの近傍から噴出する１次酸化剤流れと、複数の２次酸化剤流れとからなり、
前記１次酸化剤流れ、及び複数の前記２次酸化剤流れの流量の少なくとも一つを周期的に変化させるとともに、
前記酸化剤流れ中の酸素濃度に周期的な変化を与え、
前記酸化剤流れによって供給される供給酸素量を理論必要酸素量で除した酸素比に周期的変化を与え、
前記酸素濃度と前記酸素比の周期的変化に差を設けることにより、燃焼状態が周期的な振動状態となることを特徴とするバーナの燃焼方法。
【請求項２】
複数の前記２次酸化剤流れが、前記燃料流れを中心とした対称な位置から噴出することを特徴とする請求項１に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項３】
前記酸化剤流れの流量に対する前記１次酸化剤流れの流量比率が１０％以上７０％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項４】
前記２次酸化剤流れの流量が周期的に変化することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項５】
前記２次酸化剤流れの流量の周期的変化の周波数が０．０１Ｈｚ以上２０Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項４に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項６】
周期的に変化する前記酸素比の上限と下限の差が０．２以上であり、
１周期における前記酸素比の平均値が１．０以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項７】
前記酸素濃度及び前記酸素比の周期的変化が、同じ周波数であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項８】
前記酸素濃度と前記酸素比の周期的変化の位相差がπ／２以上３π／２以下であることを特徴とする請求項７に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項９】
前記燃料流れの流量が周期的に変化し、
前記燃料流れの流量の周期的変化及び前記酸素比の周期的変化が、同じ周波数であり、
前記燃料流れの流量と前記酸素比の周期的変化の位相差がπ／２以上３π／２以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項１０】
前記酸化剤流体が酸素と空気から構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項１１】
前記酸化剤流体が酸素と燃焼排ガスから構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項１２】
前記酸素が実質的に純酸素であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のバーナの燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナの燃焼方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題が大きくクローズアップされるなか、窒素酸化物削減は重要課題の１つであり、急務な課題である。このＮＯＸ削減方法としては、発生抑制に関する技術が重要であり、排ガス再循環、希薄燃焼、濃淡燃焼、多段燃焼などが知られており、工業用から民生用に至るまで広く応用されている。これらの技術を適用した低ＮＯＸ燃焼器により、ある程度ＮＯＸ対策は進展してきたものの、より効果的なＮＯＸ低減方法がさらに求められてきている。
【０００３】
これらの課題を解決する方法として、従来から研究・開発が進められてきていたＮＯＸ低減方法の１つに、燃料、酸化剤の流量を周期的に変化させて、一種の時間的な濃淡燃焼を行う方法（以後、「強制振動燃焼」という。）がある（特許文献１〜６）。
【０００４】
これらは、燃料または酸化剤の一方を、または、燃料および酸化剤の両方の供給流量を振動制御することで、燃焼火炎の化学量論比を変化させ、燃料過濃燃焼および燃料希薄燃焼を交互に形成することで、ＮＯＸの低減を実現している。
【０００５】
また、特許文献７には、酸化剤が純酸素によって高濃度に富化されている場合の脈動燃焼、いわゆる強制振動燃焼を利用したＮＯＸの低減方法、およびその方法を実施するための装置について開示されている。
【０００６】
また、特許文献８〜１４には、燃料や酸化剤を多段で炉内や燃焼室に噴出するいわゆる多段燃焼方法が開示されており、低ＮＯＸの効果について言及している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許第００４６８９８号明細書
【特許文献２】米国特許第４８４６６６５号明細書
【特許文献３】特開平６−２１３４１１号公報
【特許文献４】特開２０００−１７１００５号公報
【特許文献５】特開２０００−１７１００３２号公報
【特許文献６】特開２００１−３１１５０５号公報
【特許文献７】特開平５−２１５３１１号公報
【特許文献８】特開平６−２５７７２３号公報
【特許文献９】特開平７−２３３９２０号公報
【特許文献１０】特許第４１３２４０９号公報
【特許文献１１】特開２００７−２３２３６４号公報
【特許文献１２】特開平６−２１３４１０号公報
【特許文献１３】特表２００４−５２３７２１号公報
【特許文献１４】米国特許第５６０１４２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、本願発明者らが低減効果に関する追試験を実施したところ、ＮＯＸ低減効果は認められたものの実用的に価値のある低減効果は得られず、更なる革新的な技術開発が必要であることが確認された。
このような背景のもと、実用的に価値のあるＮＯＸ低減方法が望まれていたが、有効適切なものは提供されていないのが実情である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本願発明者らは、実用的に価値のあるＮＯＸ低減方法の開発に鋭意取り組んでいたところ、バーナに複数の酸化剤流れを供給し、燃料周囲から噴出される１次酸化剤流れ、及び、所望の距離離れた場所から噴出される２次酸化剤流れの流量の少なくとも一つに周期的変化をおこさせることによって、従来よりも大幅にＮＯＸ低減効果が発現することを見いだした。
【００１０】
すなわち、請求項１に係る発明は、酸化剤流れと、燃料流れを供給して燃焼するバーナの燃焼方法であって、前記酸化剤流れは、前記燃料流れの周囲または前記燃料流れの近傍から噴出する１次酸化剤流れと、複数の２次酸化剤流れとからなり、前記１次酸化剤流れ、及び複数の前記２次酸化剤流れの流量の少なくとも一つを周期的に変化させるとともに、前記酸化剤流れ中の酸素濃度に周期的な変化を与え、前記酸化剤流れによって供給される供給酸素量を理論必要酸素量で除した酸素比に周期的変化を与え、前記酸素濃度と前記酸素比の周期的変化に差を設けることにより、燃焼状態が周期的な振動状態となることを特徴とするバーナの燃焼方法である。
【００１１】
請求項２に係る発明は、複数の前記２次酸化剤流れが、前記燃料流れを中心とした対称な位置から噴出することを特徴とする請求項１に記載のバーナの燃焼方法である。
【００１２】
請求項３に係る発明は、前記酸化剤流れの流量に対する前記１次酸化剤流れの流量比率が１０％以上７０％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバーナの燃焼方法である。
【００１３】
請求項４に係る発明は、前記２次酸化剤流れの流量が周期的に変化することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。
【００１４】
請求項５に係る発明は、前記２次酸化剤流れの流量の周期的変化の周波数が０．０１Ｈｚ以上２０Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項４に記載のバーナの燃焼方法である。
【００１５】
請求項６に係る発明は、周期的に変化する前記酸素比の上限と下限の差が０．２以上であり、１周期における前記酸素比の平均値が１．０以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。
【００１６】
請求項７に係る発明は、前記酸素濃度及び前記酸素比の周期的変化が、同じ周波数であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。
【００１７】
請求項８に係る発明は、前記酸素濃度と前記酸素比の周期的変化の位相差がπ／２以上３π／２以下であることを特徴とする請求項７に記載のバーナの燃焼方法である。
【００１８】
請求項９に係る発明は、前記燃料流れの流量が周期的に変化し、前記燃料流れの流量の周期的変化及び前記酸素比の周期的変化が、同じ周波数であり、前記燃料流れの流量と前記酸素比の周期的変化の位相差がπ／２以上３π／２以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。
【００１９】
請求項１０に係る発明は、前記酸化剤流体が酸素と空気から構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。
【００２０】
請求項１１に係る発明は、前記酸化剤流体が酸素と燃焼排ガスから構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。
【００２１】
請求項１２に係る発明は、前記酸素が実質的に純酸素であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のバーナの燃焼方法である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により、ＮＯＸを大幅かつ確実に低減できるバーナの燃焼方法を得ることができる。また、本発明は、新規燃焼器を設計する場合のみならず、既設燃焼器にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態であるバーナの概略を示す側面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態であるバーナの概略を示す平面図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態に用いる燃料ノズルの一例を示す概念図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態に用いる１次酸化剤ノズルの一例を示す概念図であり、図４（ｂ）は、２次酸化剤ノズルの一例を示す概念図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施形態であるバーナの配管の一例を示す概念図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施形態の酸素流量及び空気流慮の周期的変化を示す図の一例である。
【図７】図７は、本発明の第１の実施形態の酸素流量及び空気流慮の周期的変化を示す図の一例である。
【図８】図８は、本発明の一実施例における周波数とＮＯＸ濃度の関係を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明の一実施例における周波数とＣＯ濃度の関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本発明の一実施例における周波数と伝熱効率の関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、本発明の一実施例における周波数とＮＯＸ濃度の関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明の一実施例における周波数とＮＯＸ濃度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
［第１の実施形態］
以下、本発明を適用した第１の実施形態であるバーナの燃焼方法について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴を分かり易くするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率が実際と同じであるとは限らない。
【００２５】
本実施形態に用いられるバーナ１は、図１及び図２に示すように、燃料流れ（燃料流体）を噴出する燃料ノズル２と、１次酸化剤流れ（１次酸化剤流体）を噴出する１次酸化剤ノズル３と、２次酸化剤流れ（２次酸化剤流体）を噴出する複数の２次酸化剤ノズル４から概略構成されている。
【００２６】
図１に示すように、燃料ノズル２と、１次酸化剤ノズル３と、２次酸化剤ノズル４は、いずれも筒状に形成されており、その長手方向が同一方向となるように形成されている。したがって、燃料ノズル２が燃料流れを噴出する方向と、１次酸化剤ノズル３が酸化剤流れを噴出する方向と、２次酸化剤ノズル４が酸化剤流れを噴出する方向は、いずれも同一方向となっている。
【００２７】
また、燃料ノズル２の噴出口が設けられた噴出面２ａと、１次酸化剤ノズル３の噴出口が設けられた噴出面３ａと、２次酸化剤ノズル４の噴出口が設けられた噴出面４ａは、全て同一平面上に形成されている。したがって、図１に示すように、バーナ１を側面から見た際には、燃料ノズル２の噴出面２ａと、１次酸化剤ノズル３の噴出面３ａと、２次酸化剤ノズル４の噴出面４ａは一直線状に見える。
【００２８】
また、１次酸化剤ノズル３は、燃料ノズル２の周囲または燃料ノズル２の近傍に設けられている。ここで、周囲または近傍に設けられているとは、１次酸化剤ノズル３と燃料ノズル２が、所望の距離内に配置されていることをいい、１次酸化剤ノズル３が、実質的に燃料ノズル２と隣接した位置に配置されていることをいう。
これにより、燃料流れを噴出する位置と、実質的に隣接した位置から酸化剤流れを噴出することができる。
【００２９】
また、本実施形態では、図２に示すように、燃料ノズル２と、１次酸化剤ノズル３が同軸上に形成されている。具体的には、燃料ノズル２は、円筒状に形成されており、１次酸化剤ノズル３は、燃料ノズル２の外周を囲むように形成されている。すなわち、１次酸化剤ノズル３は、断面形状が所定幅ｈを有したリング状（ドーナツ状）に形成されており、燃料ノズル２は、リング状に形成された１次酸化剤ノズル３の内周内に配置されている。
【００３０】
もっとも、燃料ノズル２と１次酸化剤ノズル３の配置位置については、上記形態に限定されず、必ずしも１次酸化剤ノズル３の断面形状はリング状である必要はなく、１次酸化剤ノズル３が、実質的に燃料ノズル２の周囲または近傍に配置されていればよい。
【００３１】
２次酸化剤ノズル４は、燃料ノズル２を軸中心とした、対象な位置に複数配置されている。したがって、平面視した際には、図２に示すように、２次酸化剤ノズル４は、燃料ノズル２に対して点対称の位置に配置されている。
【００３２】
もっとも、複数の２次酸化剤ノズル４の配置位置は、上記形態に限定されず、燃料流れや、１次酸化剤流れや、２次酸化剤流れの流速などを勘案して、燃料ノズル２から所望の距離の範囲内に配置されていればよい。
【００３３】
なお、図１および図２においては、２次酸化剤ノズル４を２つ配置する場合について描かれているが、これに限定されず、３つ以上でも構わない。３つ以上の場合は、平面視した際に、各２次酸化剤ノズル４を頂点とする図形の重心の位置に、燃料ノズル２が配置されるようにするのが好ましい。以下では、２次酸化剤ノズル４を２つ設けた場合について説明する。
【００３４】
次に、各ノズルに流体を供給する配管について説明する。
燃料ノズル２には、図３に示すように、燃料流れを供給する燃料供給配管５が接続されている。なお、燃料流れとしては、典型的には天然ガス（ＬＮＧ）を例示することができるが、重油などの液体燃料であっても構わない。
【００３５】
また、燃料供給配管５には、燃料流れの流量に周期的変化を与える強制振動手段５０が設けられている。この強制振動手段５０とは、具体的には、燃料供給配管５に設けられた流量調節弁５１と、流量調節弁５１を制御する流量計５２を含むコントロールユニットのことを指す。
【００３６】
１次酸化剤ノズル３には、図４（ａ）に示すように、１次酸化剤流れを供給する１次酸化剤供給配管１１が接続されている。そして、１次酸化剤供給配管１１は、上流において空気を供給する１次空気供給配管６と、酸素を供給する１次酸素供給配管７とに分岐している。１次酸化剤流れは、空気と酸素の混合ガスであり、空気の替わりに窒素ガス・炭酸ガス・排ガスを用いても構わない。酸素としては、実質的な純酸素、例えば工業用純酸素を用いるのが好ましい。
【００３７】
そして、１次空気供給配管６及び１次酸素供給配管７には、それぞれ空気の流量や酸素の流量に周期的変化を与える強制振動手段６０，７０が設けられている。この強制振動手段６０，７０とは、具体的には、１次空気供給配管６または１次酸素供給配管７に設けられた流量調節弁６１，７１と、流量調節弁６１，７１を制御する流量計６２，７２を含むコントロールユニットのことをそれぞれ指す。
【００３８】
なお、１次酸化剤流れとして、酸素濃度が固定された酸化剤を用いる場合は、予め当該濃度に固定された酸化剤を供給すれば足りるので、１次酸化剤供給配管１１は、上流で分岐する必要がなく、１次酸化剤供給配管１１に、強制振動手段（図示略）を設ければよい。
【００３９】
２次酸化剤ノズル４は、略１次酸化剤ノズル３と同様に制御されている。すなわち、２次酸化剤ノズル４には、図４（ｂ）に示すように、２次酸化剤流れを供給する２次酸化剤供給配管１２が接続されている。そして、２次酸化剤供給配管１２は、上流において空気を供給する２次空気供給配管８と、酸素を供給する２次酸素供給配管９とに分岐している。２次酸化剤流れは、空気と酸素の混合ガスであり、空気の替わりに窒素ガス・炭酸ガス・排ガスを用いても構わない。酸素としては、実質的な純酸素、例えば工業用純酸素を用いるのが好ましい。
【００４０】
そして、２次空気供給配管８及び２次酸素供給配管９には、それぞれ空気の流量や酸素の流量に周期的変化を与える強制振動手段８０，９０が設けられている。この強制振動手段８０，９０とは、具体的には、２次空気供給配管８または２次酸素供給配管９に設けられた流量調節弁８１，９１と、流量調節弁８１，９１を制御する流量計８２，９２を含むコントロールユニットのことをそれぞれ指す。
【００４１】
なお、２次酸化剤流れとして、酸素濃度が固定された酸化剤を用いる場合は、予め当該濃度に固定された酸化剤を供給すれば足りるので、２次酸化剤供給配管１２は、上流で分岐する必要がなく、１次酸化剤供給配管１２に、強制振動手段（図示略）を設ければよい。
【００４２】
また、２次酸化剤ノズル４は２つ設けられているので、図５に示すように、２次酸化剤供給配管１２は、下流において２つに分岐しており、それぞれ２次酸化剤ノズル４に２次酸化剤流れを供給するように形成されている。
したがって、各２次酸化剤ノズル４に供給する２次酸化剤流れの流量および酸素濃度を周期的に変化させる場合は、ともに同周期で変化することになる。
【００４３】
以上の配管５，１１、１２を介して、各ノズル２，３，４には、燃料流れないし酸化剤流れが供給される。そして、各強制振動手段５０，６０，７０，８０，９０を制御することで、各ノズル２，３，４から噴出される流体の流量が制御される。
【００４４】
＜流量の制御＞
次に、各ノズル２，３，４から供給される流体の流量の制御について説明する。
なお、以下の説明においては、便宜上、１次酸素供給配管７および２次酸素供給配管９からは純酸素が、１次空気供給配管６および２次空気供給配管８からは空気（酸素濃度は約２１％）、燃料供給配管５からは、液化天然ガス（ＬＮＧ）が供給されるものとする。
【００４５】
まず、酸化剤流れの流量及び酸化剤流れ中の酸素濃度の関係について、１次酸化剤流れを例に説明する。なお、２次酸化剤流れも同様な関係にある。
１次酸化剤流れを構成する空気と純酸素の流量は、それぞれ強制振動手段６０及び強制振動手段７０によって、変化させることができる。
【００４６】
１次酸化剤流れの流量を一定とする場合、純酸素と空気の流量をともに一定とすれば、酸素濃度は一定となる。
一方、１次酸化剤流れの流量を一定としながらも、例えば図６に示すように、純酸素の流量及び空気の流量の周期的変化を同波形、同変動幅にし、位相差をπとすれば、酸素濃度を周期的に変化させることもできる。このように構成すれば、純酸素の流量と空気の流量の増減は相殺されるので、１次酸化剤流れの流量自体は一定に制御される。
【００４７】
この場合、純酸素及び空気の流量の最小値を、いずれも０となるように制御することによって、１次酸化剤流れ中の酸素濃度を約２１％〜１００％の範囲で変化させることが可能となる。
【００４８】
すなわち、純酸素の流量が０の場合、１次酸化剤流れの酸素濃度は空気の酸素濃度と等しくなり、酸素濃度は約２１％となる。逆に、空気の流量が０の場合は、１次酸化剤流れは純酸素のみから構成されることとなり、酸素濃度は１００％となる。
【００４９】
また、１次酸化剤流れの流量を周期的に変化させる場合は、例えば図７に示すように、空気を一定量で供給しながら、純酸素の流量を定期的に変化させればよい。この場合は、純酸素の流量が最大となるときに、酸素濃度は最大となり、純酸素の流量が最小となるときに、酸素濃度は最小となる。
【００５０】
例えば、純酸素の流量の最大値を、空気の流量と同じになるようにし、最小値を０となるように制御すれば、酸素濃度は、約２１％〜約６１％の範囲で周期的に変化することとなる。すなわち、純酸素の流量が最大のときは、純酸素と空気の流量比が１対１となり、１次酸化剤流れ中の酸素濃度は約６１％となる。また、純酸素の流量が最小となるときは、１次酸化剤流体は空気のみで構成されることとなり、酸素濃度は約２１％となる。
【００５１】
なお、１次酸化剤流れの流量を周期的に変化させる方法として、空気の流量を一定とし、純酸素の流量を定期的に変化させる方法について説明したが、純酸素の流量を一定として、空気の流量を周期的に変化させてもよく、また、両方の流量を周期的に変化させても構わない。
以上のようにして、酸化剤流れの流量と、酸素濃度を制御する。
【００５２】
なお、ここで酸素比について説明する。酸素比とは、酸化剤流れとしてバーナ３およびバーナ４に供給される供給酸素量を、バーナ２に供給される燃料流体を燃焼させるのに必要とされる理論必要酸素量で除した値をいう。したがって、理論的には、酸素比１．０の状態が、酸素を過不足なく用いて完全燃焼することが可能な状態といえる。ＬＮＧの燃焼における理論必要酸素量は、ＬＮＧ組成にもよるが、モル比にして、おおよそＬＮＧの２．３倍である。
【００５３】
次に、本実施形態の燃料流れ、１次酸化剤流れ、及び２次酸化剤流れの制御について説明する。
本実施形態では、燃料流れの流量を一定とし、１次酸化剤流れと２次酸化剤流れの流量のうち、少なくとも１つを周期的に変化させる。また、１次酸化剤流れと２次酸化剤流れからなる酸化剤流れ中の酸素濃度が周期的に変化するように制御するとともに、酸素比にも周期的変化を与える。
そして、この酸素濃度の周期的変化と酸素比の周期的変化に差を設けるように制御する。特に、低酸素比かつ高酸素濃度の状態と、高酸素比かつ低酸素濃度の状態とが周期的に生じるように制御するのが好ましい。
【００５４】
なお、ここで周期的変化に差を設けるとは、波形、周波数、位相が完全に一致する場合以外という意味である。例えば、酸素比及び酸素濃度の波形がともに正弦波であり、同一周波数であったとしても、位相に差が生じているのであれば、周期的変化に差を設けたこととなる。
【００５５】
上記のような制御の一例として、１次酸化剤流れに供給する空気の流量と純酸素の流量をともに一定とし、２次酸化剤流れに供給する純酸素の流量を一定として、２次酸化剤流れに供給する空気の流量に周期的変化を与えるように制御することが挙げられる。
【００５６】
この場合、１次酸化剤流れの流量は一定だが、２次酸化剤流れの流量は周期的に変化をしている。
また、酸化剤流れ全体としてみると、１次酸化剤流れに供給される空気と純酸素、及び２次酸化剤流れに供給される純酸素の流量は一定だが、２次酸化剤流れに供給される空気の流量が周期的に変化するので、酸素濃度も周期的に変化する。具体的には、２次酸化剤流れに供給される空気の流量が最大のときに、酸素濃度は最小となり、逆に２次酸化剤流れに供給される空気の流量が最小のときに、酸素濃度は最大となる。
【００５７】
また、燃料流れの流量が一定なので、理論必要酸素量は一定となる。
そして、酸化剤流れ全体としてみると、供給される酸素の絶対量は、２次酸化剤流れに供給される空気の流量が最大のときに、酸素量は最大となり、２次酸化剤流れに供給される空気の流量が最小のときに、酸素量は最小となる。
したがって、供給酸素量を理論必要酸素量で除した酸素比は、２次酸化剤流れに供給される空気の流量が最大のときに、酸素比は最大となり、２次酸化剤流れに供給される空気の流量が最小のときに、酸素比は最小となる。
【００５８】
すなわち、上記制御の例によると、酸素濃度が最小のときに酸素比は最大となり、酸素濃度が最大のときに酸素比は最小となり、酸素濃度と酸素比の周期的変化には差が生じることとなる。
【００５９】
なお、上記制御は一例であり、このような制御に限定されるものではなく、適宜１次酸化剤流れに供給される空気と純酸素および２次酸化剤流れに供給される空気と純酸素の流量を所望の範囲で制御すればよい。
【００６０】
特に、２次酸化剤流れの流量を周期的に変化することが好ましく、その際は周波数が０．０１Ｈｚ以上２０Ｈｚ以下であることが好ましく、０．０２Ｈｚ以上２Ｈｚ以下であることがより好ましい。
【００６１】
また、酸化剤流れの流量に占める１次酸化剤流れの流量は、時間平均で１０％以上７０％以下であることが好ましく、１０％以上５０％以下であることがより好ましい。
逆に述べると、酸化剤流れの流量に占める２次酸化剤流れの流量は、時間平均で３０％以上９０％以下であることが好ましく、５０％以上９０％以下であることがより好ましい。
【００６２】
また、酸化剤流れ中の酸素濃度は、５％以上１００％以下であることが好ましく、２１％以上１００％以下であることがより好ましい。
酸素比については、周期的に変化するように制御するが、酸素比の上限と下限の差（すなわち、酸素比の振幅）が、０．２以上であることが好ましい。また、酸素比の時間平均で１．０以上であることが好ましく、１．０５以上であることがより好ましい。
【００６３】
また、酸素比と酸素濃度の周期的変化は、同じ周波数であることが好ましく、その際は位相差がπ／２以上３π／２以下であること（すなわち、酸素比と酸素濃度の位相差の絶対値がπ／２以上であること）が好ましく、位相差がπであることがより好ましい。
【００６４】
本実施形態のバーナの燃焼方法によれば、酸化剤流れが、燃料流れの周囲または近傍から噴出する１次酸化剤流れと、複数の２次酸化剤流れとからなるので、従来のように１つの酸化剤流れによって燃焼する場合と比較して、酸化剤流れの供給の仕方が異なる。加えて、酸素濃度および酸素比を周期的に変化させ、それらの周期的変化に差を設けることで、ＮＯＸを大幅かつ確実に低減することができる。
【００６５】
また、バーナによる燃焼は、主として溶解炉や加熱炉等の熱利用設備や装置での利用が想定されているところ、当然のことながら省エネルギーの観点から熱利用効率の向上も至上命題であり、また、炭酸ガスの排出抑制も要求されるところ、本実施形態のバーナの燃焼方法によれば、これらの要望も満足することができる。
更に、本実施形態のバーナの燃焼方法は、新規に燃焼器を設計する場合のみならず、既設の燃焼器におけるバーナにも適用することが可能である。
【００６６】
［第２の実施形態］
次に、本発明を適用した第２の実施形態であるバーナの燃焼方法について、説明する。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、同様の部分については説明を省略する。
【００６７】
本実施形態は、第１の実施形態と比較すると、燃料流れの流量を周期的に変化させるように制御した点が異なり、その他のバーナの構成とは同一である。
本実施形態の燃料流れの流量は周期的に変化しており、燃料流れの流量の周期的変化と酸素比の周期的変化が、同じ周波数に制御されている。
また、燃料流れの流量と酸素比の周期的変化の位相差はπ／２以上３π／２以下（すなわち、燃料流れの流量と酸素比の周期的変化の位相差の絶対値がπ／２以上）に制御されており、この位相差はπであることが好ましい。
【００６８】
このような制御の一例として、１次酸化剤流れに供給する１次空気の流量と１次酸素の流量をともに一定とし、２次酸化剤流れに供給する純酸素の流量を一定として、２次酸化剤流れに供給する空気の流量に周期的変化を与え、この周期的変化と位相差がπとなるように、燃料流れの流量を制御することが挙げられる。
【００６９】
この場合、１次酸化剤流れの流量は一定だが、２次酸化剤流れの流量は周期的に変化をしている。
また、２次酸化剤流れの流量が周期的に変化するので、酸素濃度も周期的に変化し、２次酸化剤流れに供給される空気の流量が最大のときに、酸素濃度は最小となり、逆に２次酸化剤流れに供給される空気の流量が最小のときに、酸素濃度は最大となる。
【００７０】
酸化剤流れ全体としてみると、２次酸化剤流れに供給される空気の流量が最大のときに、酸素量は最大となり、２次酸化剤流れに供給される空気の流量が最小のときに、酸素量は最小となる。
一方で、２次酸化剤流れに供給される空気の流量が最大のときに、燃料流れの流量は最小となり、理論必要酸素量は最も小さくなる。これに対し、２次酸化剤流れに供給される空気の流量が最小のときに、燃料流れの流量は最大となり、理論必要酸素量は最大となる。
【００７１】
したがって、供給酸素量を理論必要酸素量で除した酸素比は、２次酸化剤流れに供給される空気の流量が最大のときに、酸素比は最大となり、２次酸化剤流れに供給される空気の流量が最小のときに、酸素比は最小となる。
【００７２】
すなわち、上記制御の例によると、酸素濃度が最小のときに、酸素比は最大で、かつ燃料流れの流量は最小となり、酸素濃度が最大のときに、酸素比は最小で、かつ燃料流れの流量は最小となるように、酸素濃度、酸素比、及び燃料流れの流量の周期的変化が制御される。
【００７３】
なお、上記制御は一例であり、このような制御に限定されるものではなく、適宜燃料流れ、１次酸化剤流れに供給される空気と純酸素、および２次酸化剤流れに供給される空気と純酸素の流量を所望の範囲で制御すればよい。
【００７４】
本実施形態のバーナの燃焼方法も、第１の実施形態と同様に、従来のように１つの酸化剤流れによって燃焼する場合と比較して、酸化剤流れの供給の仕方が異なることから、ＮＯＸを大幅かつ確実に低減することができる。
【００７５】
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、燃料流れの流量や、１次酸化剤流れ及び２次酸化剤流れを構成する空気や酸素の流量を周期的に変化させる際は、正弦波を示す周期的変化だけでなく、流量変化が矩形波や三角波となるような供給パターンでも構わない。
【００７６】
以下、２次酸化剤流れの流量を周期的に変化させてバーナを燃焼した際の、ＮＯＸ低減効果について、実施例を示して説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
【００７７】
（実施例１）
実施例１では、図１及び図２に示すように、１次酸化剤ノズル３が、燃料ノズル２の外周を囲むように配置され、２つの２次酸化剤ノズル４が、同一平面上で、燃料ノズル２を軸中心として左右対称な位置に配置されたバーナ１を用いて実験を行った。なお、２つの２次酸化剤ノズル４の間の距離ｌを５０ｃｍとし、２次酸化剤ノズル４から噴出する２次酸化剤流れの流速を１００ｍ／ｓとした。
【００７８】
燃料にはＬＮＧを使用し、燃料流れの流量は一定とし、時間平均での酸素比を１．０５、時間平均での酸化剤流れ（１次酸化剤流れと２次酸化剤流れの合計）中の酸素濃度は、一般に排ガス量の低減が期待できる４０％とした。
また、時間平均で、１次酸化剤流れに含まれる酸素の流量と２次酸化剤流れに含まれる酸素の流量の合計量（すなわち、バーナ１に供給される酸素量）に対する、１次酸化剤流れに含まれる酸素の流量を３０％とし、２次酸化剤流れに含まれる酸素の流量を７０％とした。言い換えれば、１次酸化剤流れからは理論必要酸素量の３１．５％の酸素が供給され、２次酸化剤流れからは時間平均で理論必要酸素量の７３．５％が供給されるようにした。
【００７９】
１次酸化剤流れの流量は一定とし、２次酸化剤流れの酸素と空気の流量を周期的に変化させるようにした。酸素濃度は２１％以上１００％以下となるようにし、酸素比は０．６以上１．５以下として、その周期を０．０１７Ｈｚ〜１００Ｈｚの範囲で変えて試験を行い、ＮＯＸ排出量、ＣＯ濃度、伝熱効率を測定した。ＮＯＸ排出量の結果を図８に、ＣＯ濃度の結果を図９に、伝熱効率の結果を図１０に示す。
【００８０】
なお、試験結果の解析にあたり、従来技術として、燃料ノズルの周囲に酸化剤ノズルが配置された構造のバーナを用いて、酸素濃度を４０％に固定し、通常燃焼させた場合のＮＯＸ排出量、ＣＯ濃度、及び伝熱効率を測定した。この値をそれぞれ基準値ＮＯＸ（ｒｅｆ）、基準値ＣＯ（ｒｅｆ）、基準値伝熱効率（ｒｅｆ）とした。
図８ないし図１０においては、横軸は、周波数を表しており、縦軸は、基準値ＮＯＸ（ｒｅｆ）を用いて規格化したＮＯＸ排出量（ＮＯＸ／ＮＯＸ（ｒｅｆ））、または基準値ＣＯ（ｒｅｆ）を用いて規格化したＣＯ濃度（ＣＯ／ＣＯ（ｒｅｆ））、または基準値伝熱効率（ｒｅｆ）を用いて規格化した伝熱効率（伝熱効率／伝熱効率（ｒｅｆ））を表している。
【００８１】
図８から明らかなように、２次酸化剤流れを用い、その流量を周期的に変化させることで、ＮＯＸ排出量を大幅に低減することができた。また、２次酸化剤流れの流量の周波数が２０Ｈｚのところで、ＮＯＸ排出量が急激に増加する傾向にあり、周波数は２０Ｈｚ以下にするのが好ましいことが分かる。
また、図９から明らかなように、２次酸化剤流れを用いるか否か、及びその流量の周期的変化の周波数は、ＣＯ濃度にあまり影響を与えない傾向にある。
また、図１０から明らかなように、２次酸化剤流れの流量を周期的に変化させることで、伝熱効率を向上させることができた。また、伝熱効率は、２次酸化剤流れの周波数にはあまり影響を受けない傾向にある。
【００８２】
（実施例２）
次に、実施例２では、２つの２次酸化剤ノズル４間の距離ｌを変えて、ＮＯＸ排出量への影響を調べた。具体的には、２つの２次酸化剤ノズル４の間の距離ｌを、１０，２０，３０，４０，５０ｃｍの５つの条件について、２次酸化剤流れの周波数を０．０１７Ｈｚ〜１００Ｈｚの範囲で変化させた。他の条件は、実施例１と同じ条件で行った。
【００８３】
ＮＯＸ排出量を測定した結果を図１１に示す。
なお、図１１において、横軸は、周波数を表しており、縦軸は、実施例１における基準値ＮＯＸ（ｒｅｆ）によって規格化されたＮＯＸ排出量を表している。
【００８４】
図１１から明らかなように、２次酸化剤ノズル間４の距離ｌを大きくすることにより、ＮＯＸ排出量は減少する。また、２次酸化剤流れの流量の周波数が２０Ｈｚのところで、急激にＮＯＸ排出量が増加する傾向にあるので、周波数は２０Ｈｚ以下にするのが好ましいことが分かる。
なお、実施例２においてもＣＯ濃度を測定したこところ、ノズル間の距離は、ＣＯ濃度にあまり影響を与えない傾向にあった。
また、実施例２においても伝熱効率を測定したが、ノズル間の距離は、伝熱効率にあまり影響を与えない傾向にあった。
【００８５】
（実施例３）
次に、実施例３では、ノズル径を変更することで２次酸化剤流れの流速を変えて、ＮＯＸ排出量への影響を調べた。具体的には、２次酸化剤流れの流速が、１０ｍ／ｓ，２０ｍ／ｓ，３０ｍ／ｓ，６０ｍ／ｓ，１００ｍ／ｓ，２００ｍ／ｓ，３００ｍ／ｓの７つの条件について、２次酸化剤流れの周波数を、０．０１７Ｈｚ〜１００Ｈｚの範囲で変化させた。他の条件は、実施例１と同じ条件で行った。
【００８６】
ＮＯＸ排出量を測定した結果を図１２に示す。なお、図１２において、横軸は、周波数を表しており、縦軸は、実施例１における基準値ＮＯＸ（ｒｅｆ）をもとに規格化されたＮＯＸ排出量を表している。
【００８７】
図１２から明らかなように、２次酸化剤流れの流速を上昇させると、ＮＯＸ排出量が減少する傾向にある。特に、流速が２０ｍ／ｓ以上であることが好ましく、６０ｍ／ｓ以上であることがより好ましいことが分かる。
なお、実施例３においてもＣＯ濃度を測定したこところ、２次酸化剤流れの流速は、ＣＯ濃度にあまり影響を与えない傾向にあった。
また、実施例３においても伝熱効率を測定したが、２次酸化剤流れの流速は、伝熱効率にあまり影響を与えない傾向にあった。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、バーナの燃焼方法に関するものなので、燃焼器を利用する製造業において幅広く利用することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１・・・バーナ、２・・・燃料ノズル、３・・・１次酸化剤ノズル、４・・・２次酸化剤ノズル、５・・・燃料供給配管、１１・・・１次酸化剤供給配管、１２・・・２次酸化剤供給配管、５０，６０，７０，８０，９０・・・強制振動手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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