(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料の噴出口と、これに近接配置される低酸素濃度ガスの噴出口と、前記低酸素濃度ガスの噴出口の後方に配置される通常の空気の噴出口とを有する２段階燃焼バーナを用い、
５００℃以上の高温の低酸素濃度ガスを発生する酸素分離装置であって、セラミックのイオン導電体材料から成る固体電解質膜を用いた酸素分離装置からの高温の低酸素濃度ガスを１次空気とし、通常の空気を２次空気として混合させながら段階燃焼させることを特徴とする低酸素濃度ガスの燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば酸素分離装置からのオフガスである高温の低酸素濃度ガスを燃焼させる低酸素濃度ガスの燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
支燃性ガスとして高濃度酸素を使用する酸素バーナを用いた燃焼装置においては、酸素供給源として、たとえば空気中の酸素と窒素を分離して高濃度酸素を発生する酸素分離装置を用いる場合がある。酸素分離装置として、セラミックから成るイオン導電体材料から構成される固体電解質膜を用いた酸素分離装置がある。この酸素分離装置から得られた高濃度酸素を前記酸素バーナに、支燃性ガスとして供給して燃焼させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この酸素分離装置は、作動温度が高く、７００〜１０００℃程度の高温で作動し、高温の低酸素濃度ガスをオフガスとして排出するが、このオフガスの有効利用についてははあまり考えられていない。
本発明の目的は、高温の低酸素濃度ガスを有効に利用することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、炭化水素燃料の噴出口と、これに近接配置される低酸素濃度ガスの噴出口と、前記低酸素濃度ガスの噴出口の後方に配置される通常の空気の噴出口とを有する２段階燃焼バーナを用い、
５００℃以上の高温の低酸素濃度ガスを発生する酸素分離装置であって、セラミックのイオン導電体材料から成る固体電解質膜を用いた酸素分離装置からの高温の低酸素濃度ガスを１次空気とし、通常の空気を２次空気として混合させながら段階燃焼させることを特徴とする低酸素濃度ガスの燃焼方法である。
【０００６】
酸素分離装置からは、５００℃以上の高温の低酸素濃度ガスがオフガスとして排出される。この高温の低酸素濃度ガスに、通常の空気を混合させることによって、燃焼させることができる。このように燃焼させることによって、酸素分離装置のオフガスの所有するエネルギを有効利用することができる。
【０００７】
また、酸素濃度が低い空気を燃焼させると、燃焼速度が遅くなり、火炎中に高温部分ができにくくなりＮＯX（窒化酸化物）濃度は低下する。図１のグラフに示すように、燃焼空気の温度が高いとＮＯXは上昇するが、酸素濃度低減効果にて相殺される。したがって、酸素分離装置からのオフガスを燃焼させることによって、低ＮＯXで燃焼させることができる。
【０００９】
また、低酸素濃度ガスを一次空気とし、通常の空気を２次空気として２段階燃焼させることによって、火炎中心部の酸素濃度が低下してその部分の燃焼速度が遅くなり、さらに低ＮＯXで燃焼させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の低濃度酸素ガス燃焼方法を用いた低濃度酸素ガス燃焼システム１の構成を示すブロック図である。本実施形態の燃焼システム１は、酸素分離装置２と低酸素濃度ガス燃焼装置３とを含む。
【００１１】
酸素分離装置２は、固体電解質膜（ＩＴＭ：Ion Transport Membrane）を用いて酸素を分離させる装置である。この固体電解質膜は、セラミックから成るイオン導電材料で構成され、酸素の高濃度分離が可能であり、理論上酸素しか分離しない構造となっている。また、作動温度が非常に高く、５００℃以上必要であり、好ましくは７００〜１０００℃の作動温度が必要である。また、固体電解質膜はセラミック結晶構造であるので、上記したような高温でも安定性が高い。
【００１２】
固体電解質膜法による酸素分離装置には、外部通電型と内部短絡型とがある。外部通電型は、電解質に安定化ジルコニアを使用し、膜前後に電圧を印加して酸素イオンを移動させる構造である。内部短絡型は、ランタン酸コバルトなど（混合導電体）を使用し、膜前後の酸素分圧差を用いて内部で酸素イオンと電子を移動させる構造である。本実施形態ではどちらを用いてもよい。
【００１３】
酸素分離装置２に導入された空気７は、酸素が分離されて高濃度酸素８が得られ、この高濃度酸素８は酸素バーナの支燃性ガスとして用いられる。
【００１４】
酸素分離装置２からの高温のオフガスである低酸素濃度ガス９は、通常の空気１０と共に低酸素濃度ガス燃焼装置３に供給され、プロパンガスや天然ガスなどの炭化水素燃料１１を燃焼させる。酸素分離装置２からのオフガスは高温であるので、炭化水素燃料１１を容易に燃焼させることができる。また、低酸素濃度ガス９を用いるので、低ＮＯXで燃焼させることができる。
【００１５】
図３は、本発明の低酸素濃度ガスの燃焼方法を用いる低酸素濃度燃焼システム１５の構成を示すブロック図である。本実施形態の燃焼システム１５においても前述した燃焼システム１と同様に、固体電解質膜を用いた酸素分離装置１２からの高温の低酸素濃度ガス１６と通常の空気とを低酸素濃度ガス燃焼装置１３に供給して燃焼させる構成であるが、本実施形態の低酸素濃度ガス燃焼装置１３は、２段階燃焼ガスバーナ１９を用いる。
【００１６】
図４は、低酸素濃度ガス燃焼装置３の２段階燃焼バーナ１９の構造を示す図である。図４に示すように、２段階燃焼バーナ１９には、低酸素濃度ガス１６が一次空気として導入され、通常の空気が２次空気として導入される。１次空気である低濃度酸素ガスの噴出口と、炭化水素燃料の噴出口とは近接配置され、まず、低酸素濃度ガスと炭化水素燃料とが混合されて一次燃焼する。２次空気である通常の空気１８の噴出口は、一次空気噴出口の後方に配置され、１次燃焼された後、２次空気が混合して２次燃焼が行われる。
【００１７】
このように２段階で燃焼させることによって、低温度燃焼が行われ、さらに低ＮＯXで燃焼させることができる。
【００１８】
上述した本実施形態では、固体電解質膜を用いた酸素分離装置からの低酸素濃度ガスのオフガスを用いるように構成したが、本発明はこれに限らず、高温の低酸素濃度ガスに通常の空気を混合させながら燃焼させる場合は本発明に含まれる。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、酸素分離装置からの高温の低酸素濃度ガスに空気を混合させながら燃焼させることによって、酸素分離装置のオフガスを有効に利用することができ、省エネルギーが達成される。
【００２０】
低酸素空気を用いるので、予熱空気を用いるにもかかわらず、低ＮＯX燃焼を達成することができる。
【００２１】
また、低酸素濃度ガスの燃焼方法として、排ガス再循環方式があるが、この方法では火炎内部の酸素濃度を下げることが困難であったが、本発明の２段階燃焼方式では、一次空気として低酸素濃度ガスを用いることにより、予熱ガスを用いているにもかかわらず、低ＮＯX燃焼を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】空気温度とＮＯX濃度との関係を示すグラフである。
【図２】燃焼システム１の構成を示すブロック図である。
【図３】燃焼システム１５の構成を示すブロック図である。
【図４】２段階燃焼バーナ１９の構造を示す図である。
【符号の説明】
１，１５  低酸素濃度ガス燃焼システム
２，１２  酸素分離装置
３，１３  低酸素濃度ガス燃焼装置
９，１９  ２段階燃焼バーナ
１０，１８  通常の空気
１６  低酸素濃度ガス
【図１】
0004387549.tif 000002
【図２】
0004387549.tif 000003
【図３】
0004387549.tif 000004
【図４】
0004387549.tif 000005