(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非化学量論的であること、及び、連続炉で実施すること、そして
以下のこと、
ａ．主燃料に対して、連続燃焼における導入ガスの総体積の０．００１％と０．１％（v/V）の間の量の水素を導入すること、
ｂ．水素の導入は、連続燃焼チャンバにおける１つ以上のエントリーポイントで、連続的に又は不連続的に行うこと、その水素エントリーポイントは、
ｉ）空気燃料輸送中にあるか、又は、
ｉｉ）準定常状態の温度プロファイルが水素を自動的に発火させるポイントであること、
ｃ．炉からの排出ガス混合物中の揮発性有機化合物及び一酸化炭素の含有量を連続的に測定すること、
ｄ．水素の導入を制御すること、水素の導入の制御は、測定される揮発性有機化合物及び一酸化炭素の含有量に応じて、カスケード方式で、行われること
を特徴とする、連続燃焼システムの効率を向上させる方法。
【請求項２】
水素の導入は、連続燃焼チャンバからの１つ以上のエントリーポイントで、逆止弁と制御される供給及び中断のシステムとを備えたパイプによって、燃焼チャンバ内の最大圧力より高い圧力で、不連続的に行うことができる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
温度プロファイルは、光高温計によって、又は、それぞれの長さの横で炉の外面の温度を測定し、伝導率及び放射散逸を含む計算によって導出して、測定される、請求項１または２項記載の方法。
【請求項４】
水素のエントリーポイントは、反応器の長さに沿って、炉の本体の内半径（ｒ）よりも大きいがその長さの半分未満の距離で、配置されている、請求項１〜３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
水素のエントリーポイントは、反応器の長さに沿って、炉の本体の内半径（ｒ）に対して２ｒと１６ｒの間及び２ｒと６ｒの間の距離で、配置されている、請求項１〜４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
炉は楕円形、正方形、矩形又は台形の直線部分を有しており、そして水素エントリーポイントは、反応器の長さに沿って、水力半径よりも大きい距離で、配置されている、請求項１〜５のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の枠組み
本発明は、エンジン、チャンバ、さらには従来の工業炉、に保持されているかどうかにかかわらず、連続燃焼の燃焼プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼プロセスは、同時に起こるラジカル機構の一連の反応、すなわち、フリーラジカルとして知られる伝播種を用いた反応を伴うことに留意すべきである。一般的に、存在するフリーラジカルの平均含有量が高いほど、燃焼は最も完全になる。気体燃料、又は気化が容易な燃料は、適度な化学量論的に過剰の空気で容易に燃焼すること、固体燃料に関しては、事前に粉砕した場合でも、より大きな過剰空気で操作する必要があることは、よく知られている。
【０００３】
Ｏ２中における水素の燃焼は、非常に自己加速性かつ非常に発熱性のプロセスで、非常に急速に起こり、このプロセスは巨視的に爆発へと変化し、これは空気（約２１％のＯ２）中でも起こる。水素爆発の伝播波速度は一般的な燃料の爆発よりもはるかに速く、高いラジカル濃度の生成を引き起こし、存在する他の燃料のより完全な燃焼を確保する。
【０００４】
このより完全な燃焼は、ガス状排出物中の炭化水素のレベルの低下、ならびに、一酸化炭素のレベルの低下によって証明される。ＮＯ２レベルは可変であり、使用する燃料の性質、炉の幾何形状、特に優先換気から生じる「ホットスポット」の存在など、多くの要因に依存する。
【０００５】
従来の炉の場合について述べると、事前に粉砕された原料の混合物は、システムにおいてしばしば炉からの排出ガスと向流に、フィードされて炉供給物の予熱を可能にするが、ガス排出物の或る種の汚染物のレベルを有意に低下させ得ることも知られている。耐火層で内部がコーティングされたチューブ炉において、ガスの平均滞留時間は、粒子状物質の平均滞留時間よりはるかに短い。
【０００６】
炉の熱バランスにおいて、吸熱プロセス、特に「炭素損失」及び「溶融」段階の融解潜熱、ならびに、異なる種類の熱損失、特にマルチサイクロンの断熱性がより低い領域における熱損失を、考慮しなければならない。
【０００７】
本発明は、連続燃焼の燃焼プロセスにおいて、少量の水素を（又は初期的に形成されるＨＨＯ混合物で）固体燃料燃焼の領域に導入し、最新技術水準に対して、一貫して燃料の消費及排出を低減するという予想外の技術的効果をもたらす。
【０００８】
発明の技術的水準
内燃エンジンの最適化における水素の使用の現在の技術水準として、特許出願ＰＣＴ／ＰＴ２０１５／００００４３を挙げることができる。これは、内燃エンジンの効率を向上させるための方法を記載し、このプロセスでは、水素は、燃料ではなく、空気とともにエンジンに供給される酸化剤の形態の燃焼パラメータの最適化剤として、作用する。
【０００９】
また、以下の文献を、本発明の最も近い技術水準として参照することができる。
・「ＭＩＬＤ条件下での高温並流におけるメタン-窒素ジェットの層状構造に対する水素添加の実験的及び数値的効果」（International Journal of Hydrogen Energy 38, 13802-13811（2013）, A. Sepman.ら）は、酸素の希釈を伴う層流状態のＭＩＬＤ条件での燃焼を開示している。この文献において、これらの「ＭＩＬＤ」条件で、「ＭＩＬＤ」とは、火炎のない燃焼と理解することができ、これは、英語の用語では「無炎燃焼（flameless combustion）」と呼ばれ、ポルトガル語では「フレームレス（sem chama）」又は単に白熱（incandescent）を指す。本発明は、極端に異なる条件で操作される上記の文献とは異なり、例えばセメント製造炉のような慣用の過剰空気及び慣用の連続炉バーナを用いて操作される。また、水素レベルの使用条件に関しても劇的に異なる。というのは、文献の実験部分又はページ13804のいずれにおいても、水素は燃料として使用され、また、化学量論を考慮することができる条件（例えば、その参照ページで説明されている反応Ｒ３）で使用されていることが示されているからである。本発明において、水素含有量は数十倍低く、その結果は予想外であり、炎のより速い広がりによってのみ説明できる。
【００１０】
ＧＢ２０８９９６４Ａは、燃焼チャンバでのプラズマ生成を伴う連続又はパルス噴射によるバーナを使用する燃焼プロセスを開示しており、したがって、従来のバーナを使用して従来の火炎を発生させ、そして別途、オーブン炉に沿って水素の導入を微量（化学量論からはほど遠い）で行う本発明とは異なる。
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、固体燃料の連続燃焼の領域に少量の水素を導入することにより、連続燃焼の効率を向上させ、環境への影響を低減できるため、最新技術水準の記述とは異なる。水素は、電気化学セルでの電気分解反応により生成される。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
発明の詳細な説明
本発明の連続燃焼対象の効率を向上させる方法は非化学量論的であり、好ましくは連続炉で行われる。この方法において、水素は燃料のより完全な燃焼を促進するために再点火剤として使用され、水素は、燃焼炉で慎重に選択された様々な可能なポイントで、特に白熱のみの粒子の空気輸送（pneumatic transport of particles only incandescent）が行われるポイントで、連続燃焼チャンバの空気供給において導入される。
【００１３】
本発明の目的を達成するために、以下の特性を定義する必要がある。
-燃焼が起こるチャンバに水素を導入しなければならないポイント/エントリー、
-水素の導入方法：圧力及び頻度、
-水素の割合の範囲。
【００１４】
水素のエントリーの位置は、様々な場所とすることができ、最も単純な形での空気燃料輸送の場所、又は、好ましくは、準安定状態の温度プロファイルが水素の即時の自動発火を可能とし、蓄積を防止するポイントとすることができる。この温度プロファイルは、光高温計によって、又は、炉の外表面の温度をその長さに沿って測定し、伝導率及び放射散逸の値を計算によって導き出して、測定することができる。
【００１５】
好ましくは、水素エントリーポイントは、反応器の長さに沿って、炉の本体の内半径（ｒ）よりも大きいが、その半分の長さよりも短い距離で配置される。さらに別の好ましい形態において、水素エントリーポイントは、反応器の長さに沿って、炉の本体の内半径（ｒ）に対して２ｒ〜１６ｒ及び２ｒ〜６ｒの距離で、配置される。
【００１６】
炉の直線部分（stright section of funace）は楕円形、正方形、矩形又は台形であり、水素エントリーポイントは、反応器の長さに沿って、レイノルズ数の計算及び続く摩擦係数の測定の通常の方法で定義される水力半径（hydraurlic radius）よりも大きい距離で、配置される。
【００１７】
レイノルズ数は、無次元パラメータであり、流体力学で特に重要であり、次の式で計算される。
Ｒｅ＝ｕ.ｒｏ ｄ/ｍｉｕ
（上式中、ｕは流体の平均速度であり、
ｒｏは流体の密度であり、
ｄは線形特性パラメータであり、
ｍｉｕは流体の平均粘度である）
【００１８】
水素の導入は、選択した注入ポイントで連続的に行い、又は不連続的に行って、必要な量の水素を減らして、同様の最終結果にすることができる。この不連続形式はパルス形式で保持できる。したがって、好ましくは、逆止弁を備えたパイプ、ならびに投与及び中断の測定システムを用いて、１つ以上のポイントで流入を不連続に行う。この水素の導入は、常に、燃焼チャンバ内に存在する最大圧力よりも高い圧力で行われなければならない。
【００１９】
パルス供給の場合に、注入パルス間の時間は、炉内の固体材料の平均滞留時間よりも短いが、炉の遠端に達するまでの水素爆燃拡散時間よりも長く、したがって共鳴高調波を防ぐために同時性を欠如（lack of simultaneity）することを、明確にする必要がある。
【００２０】
炉内のガス流束に関する動作条件は、１，０００を超えるが、１０８未満のレイノルズ数に対応し、水素エントリーポイントは、反応器の長さに沿って、レイノルズ数の計算及び続く摩擦係数の測定のための、通常の方法で定義される水力半径よりも大きい距離であるが、常に通常の方法で定義される水力半径を上回る相互の間の距離で、配置される。好ましくは、炉内のガス流束に関する動作条件は、１０，０００と１０７の間のレイノルズ数に対応し、つまり、常に乱流動作の状態にあり、そして、水素エントリーポイントは、レイノルズ数の計算とそれに続く摩擦係数の測定によって、通常のように決定される水力半径よりも大きい距離で、反応器の長さに沿って配置される。
【００２１】
燃焼プロセスに導入される水素の量は、主燃料と比較して、ガスの総体積の０．０００１％と１％（ｖ/Ｖ）の間、好ましくは０．００１％と０．１％（ｖ/Ｖ）の間である。水素の導入の制御は、可能な限り完全な燃焼を確保するために、炉からの排出ガス混合物中で連続的に測定される揮発性有機化合物及び一酸化炭素の含有量に応じて、カスケード法で行われる。
【実施例】
【００２２】
本発明に基づいて実施された試験
パイロット炉で行われた予備試験では、通常と非常に類似した温度プロファイルを維持することができ、二次空気流中に注入されるＨＨＯ混合物を使用し、燃料供給を平均で５％削減した。石油残炭の最も完全な燃焼は、ＶＯＣＳ（揮発性有機成分）の排出量の有意な低減及び一酸化炭素含有量の低減によって証明される。
【００２３】
実験の実施において、慣用のバーナ「エアレス」（二次空気のみ）を備えた、直径５ｃｍ及び長さ８０ｃｍのチューブ状実験室炉を使用し、希薄燃料油（Thin Fuel Oil）（ＴＦＯ）を用い、不透明度計出力信号を最小化することで過剰の二次空気を規則化して、１，１００℃の温度に、安定化させた。安定化後に、排出ガス中の総揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の測定及び不透明度計で読み取った値の記録を行った（例えば、ＶＯＣＳ ７２０ｐｐｍ、OPACIMETER 4.3 UVO）。すべてのテストを燃焼及び炉温度の安定化条件下で実施し、各テストで５回繰り返して再現性評価を可能にし、観察された平均値の変量を下記の表に記録した。
【００２４】
間隔１０ｃｍの検査穴に、直径１ｍｍの金属パイプを逆止弁で接続し、それにより、電気分解によって生成された水素を含む導入ガス混合物流を可能にした。
【００２５】
テスト１（ブランク）
-このテストにおいて、炉のガス排出物中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、総揮発性有機化合物（ＶＯＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の濃度を測定した。条件が安定したことを確認した後に、つまり、起動時の過渡状態の後にのみ値を記録するように注意した。このブランクにおいて、水素の導入は行わなかった。
【００２６】
テスト２
-テスト１と同じ条件下で試験を行ったが、０．０１％（Ｖ/Ｖ）のガス流に相当するＨ２含有量を連続的に導入した。
【００２７】
テスト３
-テスト１と同じ条件で試験を行い、テスト２と同じＨ２の総ガス流量を用いたが、１秒の頻度でパルス状にＨ２を導入した。これは１秒の注入、次いで、１秒の中断などであり、分取クロマトグラフィーの注入に使用されるものと同一のロータリーバルブを使用した。
【００２８】
テスト４
-このテストはテスト２とほぼ同じであるが、注入される水素の含有量は０．００１％（Ｖ/Ｖ）であり、すなわち、１０分の１である。
【００２９】
テスト５
-テスト３とすべて同様であるが、水素の合計含有量は０．００１％（Ｖ/Ｖ）であり、それにより、テスト４と直接比較できる。
【００３０】
【表１】
0006912587.tif 000002
【００３１】
得られた結果によれば、水素のパルス注入においてＶＯＣ及びＣＯの低下の効率が高いことを示すが、逆に、水素の連続導入においてＮＯｘ低下の有意な低減を示す。
【００３２】
導入されるＨ２の量は、すべて痕跡量であり、化学量論的燃焼条件からはほど遠いことに留意すべきである。観察される汚染物レベルの変化は非常に驚くべきものであり、説明するのが非常に困難である。
【００３３】
燃焼システムへのＨ２の導入に関する文献に見られるものは全て、数百倍のはるかに高いＨ２レベルを使用しており、気相中の燃焼反応が、速度が濃度の二乗で変化する、二次の限定的反応速度論工程を有することから、同類視すること、又は機構の観点において適用可能性を考慮することは合理的ではない。使用される水素のわずかな量が再点火を引き起こし、主燃料の燃焼をより完全にすることは、驚くべきことである。
【００３４】
１／２時間の操作で記録された体積は、測定ビーカーのおける飽和状態で認められている水中溶解度の集計値で修正した。
【００３５】
パルス形態のＨ２の導入を可能にするロータリーバルブの使用は、ゴムチューブに対する、したがって電解セル内の圧力を増加させる。そのため、水槽内の倒立試験管システムでのフローチェックのテストを繰り返した。観察された小さな差（１％未満）は使用した方法の経験誤差の範囲内であることがわかったため、バルブによって誘発される圧力の小さな差はＨ２を含む平均現在ガス流に有意な影響を与えないと結論付けられるべきである。
【００３６】
使用した実験室設備において、燃料消費の低減を定量化することは容易ではない。しかしながら、２５回のテスト（５回の反復で１〜５）において、炉の同一の平均温度を維持するために、バーナのニードルのバルブに作用して、燃料流量を減らす必要が常にあった。平均温度の応答速度は即時ではなく、安定化を確実にするために少なくとも３分間待つ必要があるため、この低減は、常に繰り返して行った。
【００３７】
さらに低いレベルのＨ２（０．０００１％及び０．００００１％）で行われた実験では、炉の温度変動は観察されなかった。したがって、設置した測定機器では、これらの場合に、燃焼効率への影響はもはや見られないと考えるべきである。
以下に本発明の非限定的な態様の例を示す。
（態様１）
非化学量論的であること、及び、以下のこと、
ａ．主燃料に対して、ガスの総体積の０．０００１％と１％の間の量の水素を導入すること、
ｂ．水素の導入の制御は、排出ガス混合物中で連続的に測定される揮発性有機化合物及び一酸化炭素の含有量の関数及びカスケードで行われること
を特徴とする、連続燃焼システムの効率を向上させる方法。
（態様２）
導入する水素の量はガスの総体積の０．００１〜０．１％（v/V）であることを特徴とする、態様１記載の方法。
（態様３）
連続炉で実施することを特徴とする、態様１記載の方法。
（態様４）
連続燃焼チャンバにおける水素エントリーポイントは、
ａ．空気燃料輸送中にあり、又は、
ｂ．準定常状態の温度プロファイルが水素を自動的に発火させるポイントであり、又は、
ｃ．白熱だけの粒子の空気輸送が起こるポイントであること
を特徴とする、態様１〜３のいずれか１項記載の方法。
（態様５）
水素の導入は、連続燃焼チャンバからの１つ以上のエントリーポイントで、逆止弁と制御される供給及び中断のシステムとを備えたパイプによって、燃焼チャンバ内の最大圧力より高い圧力で、不連続的に行うことができる、態様４記載の方法。
（態様６）
温度プロファイルは、光高温計によって、又は、それぞれの長さの横で炉の外面の温度を測定し、伝導率及び放射散逸を含む計算によって導出して、測定される、態様４または５項記載の方法。
（態様７）
水素のエントリーポイントは、反応器の長さに沿って、炉の本体の内半径（ｒ）よりも大きいがその長さの半分未満の距離で、配置されていることを特徴とする、態様４〜６のいずれか１項記載の方法。
（態様８）
水素のエントリーポイントは、反応器の長さに沿って、炉の本体の内半径（ｒ）に対して２ｒと１６ｒの間及び２ｒと６ｒの間の距離で、配置されていることを特徴とする、態様４〜７のいずれか１項記載の方法。
（態様９）
炉の直線部分は楕円形、正方形、矩形又は台形であり、そして水素エントリーポイントは、反応器の長さに沿って、レイノルズ数を計算し続いて摩擦係数を決定するための水力半径よりも大きい距離で、配置されていることを特徴とする、態様４〜８のいずれか１項記載の方法。
（態様１０）
水素の導入は、炉内の固体材料の平均滞留時間よりも短いが、水素爆燃拡散が炉の遠端に到達するまでの時間よりも長い、水素注入パルスの間の時間で、パルスされることを特徴とする、態様１〜９のいずれか１項記載の方法。
（態様１１）
炉内のガス流に関する動作条件は、レイノルズ数が１，０００を超えるが１０８未満であることに対応し、そして水素エントリーポイントは、反応器の長さに沿って、レイノルズ数を計算し続いて摩擦係数を決定するための水力半径よりも大きい距離であるが、常にこの水力半径を上回る相互からの距離で、配置されていることを特徴とする、態様４〜１０のいずれか１項記載の方法。
（態様１２）
炉内のガス流に関する動作条件は、レイノルズ数が１０，０００〜１０７であることに対応し、水素エントリーポイントは、反応器の長さに沿って、レイノルズ数を計算し続いて摩擦係数を決定するための水力半径よりも大きい距離で、配置されていることを特徴とする、態様４〜１１のいずれか１項記載の方法。