(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予熱された８００℃以上の高温空気中で燃焼するに際し、燃料を９０〜１５０ｍ／ｓの高速で噴射する一方、この高速で噴射する燃料の周囲に外周流を設けて当該外周流および前記高温空気と予混合状態とし、火炎をノズルの先端から離れた前方に形成して燃焼することを特徴とする高温空気中での低ＮＯx 燃焼法。
【請求項２】
前記外周流を低温空気、燃焼排ガス、Ｎ2 ガス、ＣＯ2 ガス、水蒸気、不活性ガスのいずれかで構成したことを特徴とする請求項１記載の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法。
【請求項３】
高速で噴射する前記燃料と燃料の周囲の前記外周流とを同軸噴射ノズルで噴射することを特徴とする請求項１または２記載の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法。
【請求項４】
炉本体と、この炉本体に設けられ８００℃以上の高温空気を供給する空気ノズルと、前記炉本体に設けられ中心部から９０〜１５０ｍ／ｓの高速で燃料を噴射するとともに、この高速で噴射される燃料の周囲に外周流を形成して当該外周流および前記高温空気と予混合状態とし、火炎をノズルの先端から離れた前方に形成する同軸噴射ノズルとからなることを特徴とする高温空気中での低ＮＯx 燃焼法を用いる工業炉。
【請求項５】
前記同軸噴射ノズルからの外周流を低温空気、燃焼排ガス、Ｎ2 ガス、ＣＯ2 ガス、水蒸気、不活性ガスのいずれかで構成したことを特徴とする請求項４記載の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法を用いる工業炉。
【請求項６】
前記空気ノズルを前記同軸噴射ノズルと同軸上の外周に配置したことを特徴とする請求項４または５記載の高温空気中での低ＮＯx燃焼法を用いる工業炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高温空気中での低ＮＯx 燃焼法およびこれを用いた工業炉に関し、加熱炉や熱処理炉などの工業炉において８００℃以上の予熱空気を用いて燃焼させる場合のＮＯx 低減を図ることができるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
加熱炉や熱処理炉などの工業炉においては、損失熱のうち高温の排ガスによる持ちさり熱量が最も大きいことから、この排熱を回収し、燃料の節約やエネルギの有効利用を図ることが行われており、例えば空気予熱器を設けて高温空気を得るようにすることが多い。
【０００３】
この高温空気を工業炉の燃焼空気として使用すれば、予熱空気の持ち込む熱量だけ、燃料使用量を節約でき、予熱空気温度を高くすれば、それだけ燃料の節約率も大きくなる。
【０００４】
このため、工業炉などでは、蓄熱式の空気予熱器などを用い、８００℃を越える高温の予熱空気を利用することで効率向上を図ることを目的とした燃焼システムが注目されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、通常のバーナを用いて８００℃を越える高温空気中で燃料を燃焼させると、火炎温度が上昇し、ＮＯx の排出濃度は数千ppm （１１％Ｏ2 換算）にも達してしまい、環境規制をクリアするためには排ガス処理が必要となり、脱硝装置などを設置しなければならないという問題がある。
【０００６】
この発明は、かかる従来技術の課題に鑑みてなされたもので、高温空気中での燃焼であっても火炎温度を低く抑え、ＮＯx 排出量を低減することができる高温空気中での低ＮＯｘ燃焼法およびこれを用いた工業炉を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため高温空気中での燃焼について種々考察したところ、低温空気中の燃焼では、高速で燃料を噴射すると火炎が不安定となり、安定な燃焼を行うことができなくなるのに対し、高温空気中では、燃料を高速で噴射しても火炎を安定に保って燃焼させることができることが分かり、この高温空気中による火炎安定性を利用することで、これまでにない燃焼法を実現しようとするものである。
【０００８】
そこで、この発明の請求項１記載の高温空気中での低ＮＯｘ燃焼法は、予熱された８００℃以上の高温空気中で燃焼するに際し、燃料を９０〜１５０ｍ／ｓの高速で噴射する一方、この高速で噴射する燃料の周囲に外周流を設けて当該外周流および前記高温空気と予混合状態とし、火炎をノズルの先端から離れた前方に形成して燃焼することを特徴とするものである。
この高温空気中での低ＮＯx 燃焼法によれば、８００℃以上の高温空気中に噴射される燃料を９０〜１５０ｍ／ｓの高速で噴射するとともに、この燃料の周囲を外周流で包むようにしてただちに火炎となることがないようにし、ノズルの先端から離れた前方に離して生じさせる火炎に達するまでに周囲の外周流や高温空気などと混合・希釈した状態にして緩やかな燃焼を安定させて行わせ、火炎温度を低くしてＮＯx 低減を図るようにしている。
【００１０】
さらに、この発明の請求項２記載の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法は、請求項１記載の構成に加え、前記外周流を低温空気、燃焼排ガス、Ｎ2 ガス、ＣＯ2 ガス、水蒸気、不活性ガスのいずれかで構成したことを特徴とするものである。
この高温空気中での低ＮＯx 燃焼法によれば、外周流として、低温空気、燃焼排ガス、Ｎ2 ガス、ＣＯ2 ガス、水蒸気、不活性ガスのいずれかを用いており、高速で噴射される燃料の周囲をガスで包むようにして火炎に達するまでに周囲の高温空気などと予混合状態になるようにし、ＮＯx の低減を図るようにしている。
【００１１】
また、この発明の請求項３記載の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法は、請求項１または２記載の構成に加え、高速で噴射する前記燃料と燃料の周囲の前記外周流とを同軸噴射ノズルで噴射することを特徴とするものである。
この高温空気中での低ＮＯx 燃焼法によれば、高速で噴射する燃料と外周流とを同軸噴射ノズルで噴射するようにしており、燃料の外周を外周流で包むことが簡単にできるようになり、ＮＯx の低減を図るようにしている。
【００１２】
さらに、この発明の請求項４記載の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法を用いる工業炉は、炉本体と、この炉本体に設けられ８００℃以上の高温空気を供給する空気ノズルと、前記炉本体に設けられ中心部から９０〜１５０ｍ／ｓの高速で燃料を噴射するとともに、この高速で噴射される燃料の周囲に外周流を形成して当該外周流および前記高温空気と予混合状態とし、火炎をノズルの先端から離れた前方に形成する同軸噴射ノズルとからなることを特徴とするものである。
この高温空気中での低ＮＯx 燃焼法を用いる工業炉によれば、炉本体と、この炉本体に設けられ８００℃以上の高温空気を供給する空気ノズルと、前記炉本体に設けられ中心部から９０〜１５０ｍ／ｓの高速で燃料を噴射するとともに、この高速で噴射される燃料の周囲に外周流を形成して当該外周流および前記高温空気と予混合状態とし、火炎をノズルの先端から離れた前方に形成する同軸噴射ノズルとから構成されており、空気ノズルから供給される８００℃以上の高温空気中に同軸噴射ノズルから燃料を９０〜１５０ｍ／ｓの高速で噴射するとともに、この燃料の周囲を外周流で包むようにしてただちに火炎となることがないようにでき、ノズルの先端から離れた前方に離して生じさせる火炎に達するまでに周囲の外周流や高温空気などと混合・希釈した状態にして緩やかな安定した状態の燃焼とし、火炎温度を低くしてＮＯx 低減を図るようにしている。
【００１４】
さらに、この発明の請求項５記載の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法を用いる工業炉は、請求項４記載の構成に加え、前記同軸噴射ノズルからの外周流を低温空気、燃焼排ガス、Ｎ2 ガス、ＣＯ2 ガス、水蒸気、不活性ガスのいずれかで構成したことを特徴とするものである。
この高温空気中での低ＮＯx 燃焼法を用いる工業炉によれば、前記同軸噴射ノズルからの外周流を低温空気、燃焼排ガス、Ｎ2 ガス、ＣＯ2 ガス、水蒸気、不活性ガスのいずれかで構成しており、高速で噴射される燃料の周囲をこれらいずれかのガスで包むようにして火炎に達するまでに周囲の高温空気などと予混合状態になるようにし、ＮＯx の低減を図るようにしている。
【００１５】
また、この発明の請求項６記載の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法を用いる工業炉は、請求項4または５記載の構成に加え、前記空気ノズルを前記同軸噴射ノズルと同軸上の外周に配置したことを特徴とするものである。
この高温空気中での低ＮＯx 燃焼法を用いる工業炉によれば、前記空気ノズルを前記同軸噴射ノズルと同軸上の外周に配置するようにしており、炉全体をコンパクトにすることができ、高温空気中での燃焼であっても火炎温度を低く抑え、ＮＯx 排出量を低減することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１はこの発明の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法の一実施の形態にかかる概略構成図である。
【００１７】
この高温空気中での低ＮＯx 燃焼法では、低温空気中で燃料をノズルから高速で噴射して燃焼させようとしても火炎が安定せず燃焼を継続することができないが、高温空気中、例えば８００℃以上に予熱された空気中では、燃料をノズルから高速、例えば１００ｍ／ｓ程度で噴射しても火炎がノズルの先端に形成されずに前方に浮いた状態で形成されるものの、安定した火炎が形成され、そのまま燃焼を継続することができるということに基づくものであり、火炎をノズルの先端から離れた前方に形成することで、ノズルから火炎に到達するまでの間に燃料が周囲の高温空気などと混合し、予混合状態で燃焼が起こることになる。
【００１８】
このような燃料を予混合状態として燃焼させることで、燃焼自体が緩やかに起こり、火炎温度もノズル先端で火炎を形成して燃焼する場合に比べて低く抑えることができ、これによってＮＯx の排出量も抑えることができる。
【００１９】
このような高温空気中での低ＮＯx 燃焼法を適用する工業炉では、図１に概略構成を示すように、炉本体１の側壁に同軸噴射ノズル２が取付けられ、２重管構造とされ、中心部の内管３から燃料ガスＦが高速で噴射される一方、外管４には外周流Ｏが供給されて燃料ガスの周囲を包むように噴射される。
【００２０】
さらに、この同軸噴射ノズル２の外側を囲むように、空気ノズル５が取付けられ、図示しない蓄熱式などの空気予熱器で予熱されて高温となった燃焼用の高温空気Ａが炉本体１内に供給されるようになっている。なお、燃焼用の高温空気Ａは同軸噴射ノズル２の外側を囲むように配置する場合に限らず、炉本体１内に供給できればその取付位置を変更しても良い。
【００２１】
この低ＮＯx 燃焼法で用いられる高温空気としては、８００℃以上に予熱された空気が使用され、例えば蓄熱式の空気予熱器を用い、工業炉の燃焼排ガスのエネルギを回収することによって得られる高温空気などを使用する。
【００２２】
また、同軸噴射ノズル２の内管３から高速で噴射される燃料ガスＦの流速は、通常の低温の燃焼空気中への噴射では、高速過ぎて安定した火炎を得られないような高い流速、例えば１００ｍ／ｓ程度、具体的には、９０〜１５０ｍ／ｓの範囲の流速で噴射される。
【００２３】
さらに、同軸噴射ノズル２の外管４から噴射される外周流Ｏとしては、高速で噴射された燃料の外周を包むようにして噴射後高温空気によって直ちに火炎が生じないようにするための膜の機能を成すよう、低温空気、燃焼排ガス、Ｎ2 ガス、ＣＯ2 ガス、水蒸気、不活性ガスのいずれかが用いられるが、低温空気よりもＣＯ2 ガスや燃焼排ガスのように燃焼に預かる酸素を含まないか、含んでもわずかなガスの方が好ましく、炉の燃焼効率からも加熱したり予熱し温度を高めた状態でも燃料ガスＦとの接触で直ちに火炎を生じないガスの方が良い。
【００２４】
このような外周流Ｏの流速は、１０ｍ／ｓ以上であれば外周流Ｏがない場合に比べ、ＮＯx の低減に有効であり、流速が増大するにつれてＮＯx の低減効果も大きくなる傾向にある。
【００２５】
このような工業炉では、炉本体１に空気ノズル５から高温空気Ａを供給した状態にしておき、燃料ガスＦを同軸噴射ノズル２の内管３から高速で噴射するとともに、外管４から外周流Ｏを噴射すると、同軸噴射ノズル２から高速で噴射された燃料ガスＦが外周流Ｏで包まれた状態で直接高温空気Ａに接触せずに前方に噴射され外周流Ｏが減衰して高温空気Ａと接触するところで火炎が生じ、燃焼が起こる。
【００２６】
したがって、同軸噴射ノズル２から噴射された高速の燃料ガスＦは火炎が生じる前方に至るまでの間に外周流Ｏや周囲の高温空気Ａと接触し、予め混合された状態になって燃焼することになる。
【００２７】
これにより、燃料ノズルから噴射された直後に高温空気を接触して火炎を生じる場合には急激な燃焼となるのに対し、高温空気中での燃焼であるにも拘らず緩やかな燃焼となり、火炎の温度も低くなってＮＯx の排出量も抑えられ、例えば、従来の外周流がない場合のＮＯx の排出量数千ppm （Ｏ2 11% 換算）に対し、外周流Ｏを噴射することによってＮＯx の排出量を１００ppm （Ｏ2 11% 換算）以下に下げることが可能となる。
【００２８】
また、このように火炎を同軸噴射ノズル２の前方に離して形成して燃焼を継続するので、同軸噴射ノズル２の近傍に火炎が形成されず、同軸噴射ノズル２の損傷やコーキングが起こり難く、メンテナンスも容易になる。
【００２９】
【実施例】
同軸噴射ノズルとして２重噴射管バーナを用い、ＮＯx の排出量の空気温度による変化を調べるため次のような実験装置でＮＯx の排出量の測定を行った。
【００３０】
実験炉として、図２に示すように、内側の一辺が７０mmの矩形断面の炉本体１０を用い、一端にＬ字状の２重噴射管バーナ１１を取付けた。この２重噴射管バーナ１１は、内管１２の内径が１mm、外径が４mm、外管１３の内径が６mm外径が８mmのものを用いた。
【００３１】
また、炉本体１０の他端にはＮＯx 測定用の水冷式のサンプリングプローブ１４を取付けるとともに、炉本体１０の中間部には、温度測定用の熱電対１５を取付けた。
【００３２】
このような実験炉には、２重噴射管バーナ１１の内管１２から燃料ガスとしてメタンを５NL/minで供給する一方、外管１３には外周流としてＣＯ2 ガスを５NL/minと7.5 NL/minの２通りに変えて供給するとともに、比較のため外周流を流さない場合についても実験した。また、主流となる高温空気は炉本体１０の一端部から333NL/min で供給するとともに、その温度を７００℃〜１２００℃の範囲で変化させた。
【００３３】
このような実験炉でのＮＯx の排出量（Ｏ2 11% 換算）の測定結果を図３に示した。
【００３４】
同図から明らかなように、外周流Ｏがない場合に比べ、外周流ＯによってＮＯx の排出量（Ｏ2 11% 換算）を低減することができ、特に空気温度が９００℃以下では、ＮＯx の排出量（Ｏ2 11% 換算）を１００ppm 以下にすることができた。
【００３５】
また、外周流ＯとしてＣＯ2 ガスを５NL/minと7.5 NL/minの２通りに変えて供給した結果から、流速が増大するにつれてＮＯx の低減効果も大きくなることが分かった。
【００３６】
【発明の効果】
以上、一実施の形態とともに具体的に説明したようにこの発明の請求項１記載の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法によれば、８００℃以上の高温空気中に噴射される燃料を９０〜１５０ｍ／ｓの高速で噴射するとともに、この燃料の周囲を外周流で包むようにしたので、燃料がただちに火炎となることがなく、ノズルの先端から離れた前方に生じる火炎に燃料が達するまでに周囲の外周流や高温空気などと混合・希釈した状態になり、緩やかな安定した燃焼となって火炎温度も低く、ＮＯx 排出量の低減を図ることができる。
【００３８】
さらに、この発明の請求項２記載の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法によれば、外周流として、低温空気、燃焼排ガス、Ｎ2 ガス、ＣＯ2 ガス、水蒸気、不活性ガスのいずれかを用いるようにしたので、高速で噴射される燃料の周囲をガスで包むようにして火炎に達するまでに周囲の高温空気などと予混合状態にでき、緩やかな燃焼となって火炎温度も低く、ＮＯx 排出量の低減を図ることができる。
【００３９】
また、この発明の請求項３記載の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法によれば、高速で噴射する燃料と外周流とを同軸噴射ノズルで噴射するようにしたので、燃料の外周を外周流で包むことが簡単にでき、緩やかな燃焼となって火炎温度も低く、ＮＯx 排出量の低減を図ることができる。
【００４０】
さらに、この発明の請求項４記載の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法を用いる工業炉によれば、炉本体と、この炉本体に設けられ８００℃以上の高温空気を供給する空気ノズルと、前記炉本体に設けられ中心部から９０〜１５０ｍ／ｓの高速で燃料を噴射するとともに、この高速で噴射される燃料の周囲に外周流を形成して当該外周流および前記高温空気と予混合状態とし、火炎をノズルの先端から離れた前方に形成する同軸噴射ノズルとから構成したので、空気ノズルから供給される８００℃以上の高温空気中に同軸噴射ノズルから燃料を９０〜１５０ｍ／ｓの高速で噴射するとともに、この燃料の周囲を外周流で包むようにしてただちに火炎となることがないようにでき、ノズルの先端から離れた前方に離して生じさせる火炎に達するまでに周囲の外周流や高温空気などと混合・希釈した状態にして緩やかな安定した状態の燃焼とし、火炎温度を低くしてＮＯx 低減を図ることができる。
【００４２】
さらに、この発明の請求項５記載の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法を用いる工業炉によれば、前記同軸噴射ノズルからの外周流を低温空気、燃焼排ガス、Ｎ2ガス、ＣＯ2 ガス、水蒸気、不活性ガスのいずれかで構成したので、高速で噴射される燃料の周囲をこれらいずれかのガスで包むようにして火炎に達するまでに周囲の高温空気などと予混合状態になるようにし、ＮＯx の低減を図ることができる。
【００４３】
また、この発明の請求項６記載の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法を用いる工業炉によれば、前記空気ノズルを前記同軸噴射ノズルと同軸上の外周に配置するようにしたので、炉全体をコンパクトにすることができ、高温空気中での燃焼であっても火炎温度を低く抑え、ＮＯx 排出量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法の一実施の形態にかかる概略構成図である。
【図２】この発明の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法の一実施例に用いた実験炉の説明図である。
【図３】この発明の高温空気中での低ＮＯx 燃焼法の一実施例の実験結果である２重噴射管バーナのＮＯx 排出の空気温度による変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１  炉本体
２  同軸噴射ノズル
３  内管
４  外管
５  空気ノズル
Ａ  燃焼用の高温空気
Ｆ  燃料ガス
Ｏ  外周流
【図１】
0003918958.tif 000002
【図２】
0003918958.tif 000003
【図３】
0003918958.tif 000004