バーナの燃焼方法
【課題】ＮＯＸ低減効果を発揮する、実用的に価値のあるバーナの燃焼方法及び装置を提供する。
【解決手段】加熱炉２におけるバーナ４の燃焼方法であって、バーナ４に供給する燃料流体もしくは酸化剤流体の流量の少なくとも一方を周期的に変化させるとともに、前記酸化剤流体中の酸素濃度に周期的な変化を与えることによって、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発生させ、前記酸素比と前記酸素濃度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を採用する。
【解決手段】加熱炉２におけるバーナ４の燃焼方法であって、バーナ４に供給する燃料流体もしくは酸化剤流体の流量の少なくとも一方を周期的に変化させるとともに、前記酸化剤流体中の酸素濃度に周期的な変化を与えることによって、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発生させ、前記酸素比と前記酸素濃度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を採用する。
【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】
地球環境問題が大きくクローズアップされる現在にあって、窒素酸化物削減は重要課題の１つであり、急務である。ＮＯＸ削減方法で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、多段燃焼などが挙げられ、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】
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、酸化剤となる空気等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）があり、提案されてきた（特許文献１〜６参照）。
【０００４】
これらは燃料流体または酸化剤流体の一方を、または、燃料流体および酸化剤流体の両方の供給流量を変化させることで、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燃焼ガス中のＮＯＸの低減を実現している。
【０００５】
また、特許文献７には、酸化剤として純酸素を用いることで、高濃度とし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窒素酸化物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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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
【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、発明者らが、これら先行技術によるＮＯＸ低減効果を確かめるために追試験を実施したところ、上記先行技術のいくつかには、ＮＯＸ低減効果が認められたものの、実用的に価値のある低減効果は得られないことがわかった。
本発明が解決しようとする課題は、従来に比較して大幅なＮＯＸ低減効果を発揮する、実用的に価値のあるバーナの燃焼方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、バーナに供給される燃料流体の流量もしくは酸化剤流体の流量の少なくとも一方に周期的変化を起こさせると同時に、酸化剤流体中の酸素濃度を周期的に変化させることによって、強制振動燃焼とすることで、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。
【０００９】
すなわち、請求項１に係る発明は、加熱炉におけるバーナの燃焼方法であって、バーナに供給する燃料流体もしくは酸化剤流体の流量の少なくとも一方を周期的に変化させるとともに、前記酸化剤流体中の酸素濃度に周期的な変化を与えることによって、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発生させ、前記酸素比と前記酸素濃度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。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記燃料流体の流量の周期的変化と、前記酸素濃度及び前記酸素比の周期的変化とに差を設け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。
【００１１】
請求項３に係る発明は、前記酸素比の周期的変化の周波数が２０Ｈｚ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。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記酸素比の周期的変化の周波数が０．０２Ｈｚ以上であ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。
【００１３】
請求項５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４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６に係る発明は、前記酸素比及び前記酸素濃度の周期的変化が、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５のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。
【００１５】
請求項７に係る発明は、前記酸素比と前記酸素濃度の周期的変化の位相差がπ／２以上３π／２以下の範囲にあることを特徴とする請求項６に記載のバーナの燃焼方法である。
【００１６】
請求項８に係る発明は、前記酸素比と前記酸素濃度の周期的変化の位相差がπ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。
【００１７】
請求項９に係る発明は、前記燃料流体の流量及び前記酸素比の周期的変化が、同じ周波数であり、前記燃料流体の流量の周期的変化と前記酸素比の周期的変化の位相差がπ／２以上３π／２以下の範囲に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。
【００１８】
請求項１０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の位相差がπであることを特徴とする請求項９に記載のバーナの燃焼方法である。
【００１９】
請求項１１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１０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１２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１０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１３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１１または請求項１２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燃焼方法を得ることができる。本発明は新規の加熱炉を設計する場合のみならず、既設の加熱炉における燃焼バーナ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、本発明の実施形態である燃焼装置を示す図の一例である。
【図２】図２は、本発明の実施形態の酸素流量及び空気流量の周期的変化を示す図の一例である。
【図３】図３は、本発明の実施形態の酸素流量及び空気流量の周期的変化を示す図の一例である。
【図４】図４は、本発明の実施形態の燃料流量、酸素流量及び空気流量の周期的変化を示す図の一例である。
【図５】図５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６】図６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７】図７は、本発明の一実施例における酸素比とＮＯＸ濃度の関係を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の一実施例における酸素比とＣＯ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酸素濃度の上限値と、ＮＯＸ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燃料流量とＮＯＸ濃度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酸素比と酸素濃度の位相差と、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】
以下、本発明を適用した一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、特徴を分かりやすくするために、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】
＜燃焼装置＞
本発明の実施形態に用いられる燃焼装置１は、図１に示すように、加熱炉２内に燃焼炎３を形成するバーナ４と、バーナ４と連結された燃料流体を供給する燃料供給配管５と、バーナ４と連結された酸化剤流体を供給する酸化剤供給配管６とを備えている。また、酸化剤供給配管６は、上流において酸素供給配管７と空気供給配管８とに分岐した構成となっている。
【００２６】
また、燃料供給配管５、酸素給配管７及び空気供給配管８には、それぞれ供給される流体の流れに強制的に振動を加える強制振動手段５０，７０，８０が設けられている。
ここで、流体の流れに強制的に振動を加えるとは、流体の流量を周期的に調整することを指し、強制振動手段とは、具体的には、各供給配管５，７，８に設けられた開閉弁５１，７１，８１及び開閉弁を制御する制御機構５２，７２，８２からなるコントロールユニットのことを指す。
【００２７】
燃料供給配管５によって供給される燃料は、バーナ４の燃料に適してきるものであればどのようなものであっても構わず、例えば液化天然ガス（ＬＮＧ）等を挙げることができる。
酸素供給配管７からは酸素が供給されるが、この酸素は、必ずしも純酸素である必要はなく、後述する酸素濃度との関係から適宜所望のものを用いればよい。
空気供給配管８からは空気が供給されるが、空気として、大気中から取り込んだ空気以外に、燃焼排ガスを使用することもできる。燃焼排ガスを使用した場合は、酸素濃度を２１％（空気中の酸素濃度）未満に下げることができる。
【００２８】
また、本実施形態の燃焼装置１は、加熱炉２内の状況に適時に対応するため、加熱炉２内には各種の検知器（図示略）が配置されていることが好ましい。更に、当該検知器によって検出されたデータをもとに加熱炉２内の雰囲気状況を把握し、自動的に燃料流体または酸化剤流体の流量、強制振動の周期等を適宜変更するシーケンスプログラムを備えていることが好ましい。
【００２９】
＜酸化剤流体の流量及び酸化剤流体中の酸素濃度＞
次に、酸化剤流体の流量及び酸化剤流体中の酸素濃度について説明する。なお、以下の説明においては、便宜上、酸素供給配管７、空気供給配管８及び燃料供給配管５からは、それぞれ純酸素、空気（酸素濃度は約２１％）及び液化天然ガス（ＬＮＧ）が供給されるものとして説明する。
【００３０】
本実施形態では、酸化剤流体は、純酸素及び空気から構成されている。そして、強制振動手段７０，８０によって、酸素供給配管７から供給される純酸素の流量と空気供給配管８から供給される空気の流量の一方または双方が、経時的にみて周期的に変化するように制御されている。
【００３１】
純酸素の流量及び空気の流量は、酸化剤流体中の酸素濃度が周期的に変化しているのであれば、どのように制御されていても構わない。また、純酸素の流量及び空気の流量の和（すなわち、酸化剤流体の流量）は、一定であっても、周期的に変化していても構わない。
【００３２】
酸化剤流体の流量を一定にする場合は、例えば図２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とすればよい。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、バーナ４に供給される酸化剤流体の流量は一定に制御されることとなる。
【００３３】
また、この場合は、純酸素及び空気の流量の最小値は、いずれも０となるように制御されていることが好ましい。このように制御することによって、酸化剤流体中の酸素濃度を約２１％〜１００％の範囲で変化させることが可能となる。
【００３４】
すなわち、酸化剤流体中に占める純酸素の流量が０の場合、酸化剤流体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、酸化剤流体中に占める空気の流量が０の場合は、酸化剤流体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。
なお、酸化剤流体の流量を一定にする場合は、燃料流体の流量を周期的に変化させることとなる。
【００３５】
一方、酸化剤流体の流量を周期的に変化させる場合は、例えば図３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、酸化剤流体中の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、酸化剤流体中の酸素濃度は最小となる。
【００３６】
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、酸化剤流体中の酸素濃度は、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、酸化剤流体中の酸素濃度は約６１％となる。また、純酸素の流量が最小となるときは、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。
【００３７】
なお、酸化剤流体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。
【００３８】
＜燃料流体の流量＞
また、本実施形態の燃料流体の流量は、酸化剤流体の流量を周期的に変化させている場合には、一定であっても周期的に変化していても構わない。
【００３９】
＜酸素比＞
次に、酸素比について説明する。ここで酸素比とは、酸化剤流体としてバーナ４に供給される供給酸素量を、バーナ４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。
なお、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。
【００４０】
本実施形態では、燃料流体もしくは酸化剤流体の流量の少なくとも一方が周期的に変化しており、また、酸化剤流体中の酸素濃度も周期的に変化していることから、酸素比も周期的に変化している。
【００４１】
例えば、図２に示したように、酸化剤流体の流量を一定にし、燃料流体の流量を周期的に変化させる場合は、酸化剤流体の流量を１とし、燃料流体（ＬＮＧ）の流量を０．０５〜０．６５の範囲で周期的に変化させると、酸素比は０．１４〜８．７の範囲で周期的に変化する。
【００４２】
また、図３に示すように、酸化剤流体の流量が周期的に変化している場合は、燃料流体の流量を一定にすることが可能となる。この際、例えば酸化剤流体の流量を１〜２の範囲で変化させ、燃料流体（ＬＮＧ）の流量を０．３で供給すれば、酸素比は０．３〜１．７５の範囲で周期的に変化する。
【００４３】
また、図４に示すように、酸化剤流体の流量と燃料流体の流量を周期的に変化させることによって、酸化剤中の酸素濃度と酸素比を周期的に変化させるとともに、燃焼負荷（炉内へ投入する熱量）を変動させることが可能となる。
例えば、燃料流体の流量を０．５〜１．５の範囲で変化させ、酸素の流量を１．２〜１．７、空気の流量を０〜９．２の範囲で変化させて供給すると、酸素比は０．５〜２．７の範囲で周期的に変化し、酸素濃度は３０〜１００％の範囲で周期的に変化する。
【００４４】
また、酸素比の周期的変化と酸素濃度の周期的変化に差が生じるように、燃料流体、純酸素、及び空気の流量は、強制振動手段によって適宜制御されている。
ここで、酸素比の周期的変化と酸素濃度の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。すなわち、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。
【００４５】
また、酸素比の周期的変化の周波数は大きいと、ＮＯＸの低減効果が十分には認められなくなるので、２０Ｈｚ以下であることが好ましい。また、逆に小さ過ぎると、ＣＯの発生量が増大してしまうので、０．０２Ｈｚ以上であることが好ましい。
また、酸素比の上限と下限の差が小さいと、ＮＯＸの低減効果が十分には認められなくなるので、酸素比の上限と下限の差は、０．２以上であることが好ましい。また、酸素比の時間平均値は、小さいと燃料流体が不完全燃焼となるので、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。
【００４６】
また、酸素比の周期的変化と、酸化剤流体中の酸素濃度の周期的変化が、同じ周波数であることが好ましい。そして、同じ周波数であるならば、両者の位相差がπ／２以上３π／２以下の範囲であることが好ましく、πであることがより好ましい。更に、燃料流体の流量と酸素比及び酸素濃度の周期的変化が、同じ周波数であることが好ましい。そして、同じ周波数であるならば、燃料流体の流量の周期的変化と、酸素比の周期的変化の位相差が、π／２以上３π／２以下の範囲であることが好ましく、πであることがより好ましい。
【００４７】
以上説明したような、本実施形態のバーナの燃焼方法によれば、ＮＯＸの発生量を大幅かつ確実に低減できる。また、新規の加熱炉を設計する場合のみならず、既設の加熱炉におけるバーナにも適用することが可能である。
【００４８】
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、燃料流体や酸化剤流体の供給量は、図２ないし図４に示したような正弦波を示す周期的変化だけではなく、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。
【００４９】
以下、燃料流体をＬＮＧとし、酸素濃度９９．６％の酸素と空気とで酸化剤流体を形成し、酸素比と酸化剤流体中の酸素濃度を周期的に変化させ、強制振動燃焼をさせた場合のＮＯＸ低減効果について、実施例を示して説明する。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。
【００５０】
（実施例１）
まず、実施例１では、図１に示すような燃焼装置において、ＬＮＧの流量を固定し、酸素および空気の流量を変化させて、酸素比と酸素濃度を周期的に変化させながら燃焼試験を行った。
酸化剤流体中の酸素濃度は、３３〜１００％の範囲で、酸素比は、０．５〜１．６の範囲で周期的に変化させるようにした。このとき、酸化剤流体中の酸素濃度並びに酸素比は、時間平均値でそれぞれ４０％、１．０５となるようにした。
【００５１】
試験結果の解析にあたり、同じ装置を用いて従来の酸素富化燃焼（定常燃焼）を実施した場合の燃焼排ガス中のＮＯＸの濃度を測定し、この値を基準値ＮＯＸ（ｒｅｆ）とした。
【００５２】
酸化剤流体中の酸素濃度と酸素比の周期的変化の周波数を、いずれも０．０３３Ｈｚとし、位相をπずらして燃焼させたところ、ＮＯＸ（ｒｅｆ）と比較して、ＮＯＸ濃度は約８３％減となった。
【００５３】
（比較例１）
実施例１と同条件で、酸素比のみを周期的に変化させた場合のＮＯＸ低減について、燃焼試験を実施した。酸化剤流体中の酸素濃度を４０％の一定とし、酸素比のみを０．５〜１．６の範囲で、周波数０．０３３Ｈｚで変化させたところ、ＮＯＸ（ｒｅｆ）と比較して、ＮＯＸ濃度は約５８％減に留まった。
【００５４】
（実施例２）
次に、実施例２では、酸化剤流体中の酸素濃度を周期的変化させた場合のＮＯＸ低減効果について、周波数の影響を調べた。
酸化剤流体中の酸素濃度及び酸素比の周期的変化の周波数が、０．０１７、０．０２、０．０２５、０．０３３、０．０６７、０．２、１、５、１０、２０、２５、５０、１００Ｈｚのそれぞれの場合において、排ガス中のＮＯＸ濃度を測定した。なお、酸素濃度と酸素比の位相差をπに設定し、酸素濃度及び酸素比の周波数以外は、実施例１と同条件とし、酸化剤流体中の酸素濃度の時間平均値は４０％、酸素比の時間平均は１．０５となるようにした。結果を表１及び図５に示す。
【００５５】
なお、図５において、横軸は、酸素濃度及び酸素比の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濃度（ＮＯＸ／ＮＯＸ（ｒｅｆ））を表している。
【００５６】
（比較例２）
また、実施例２の比較のため、比較例２として、酸素濃度を４０％に固定し、酸素比のみを０．５〜１．６の範囲で強制振動燃焼させた場合のＮＯＸの低減効果を調べた。結果を、同じく表１及び図５に示す。
【００５７】
【表１】
【００５８】
図５から、酸化剤流体中の酸素濃度及び酸素比の周期的変化の周波数が小さい方が、ＮＯＸ低減効果が高いことがわかる。また、酸素濃度と酸素比を同時に変動させることによって、ＮＯＸを大幅に低減できることがわかる。また、試験した範囲内では、周波数は小さい方が効果は高く、特に２０Ｈｚのところで急激にＮＯＸ減少の効果が表れることがわかった。そして、いずれの場合でも、本発明は、酸素比のみを周期的に変化させる場合に比べて高いＮＯＸ低減効果があることがわかった。
【００５９】
（実施例３）
次に、実施例３では、酸素濃度及び酸素比を周期的変化させた場合の排ガス中のＣＯ濃度について、周波数の影響を調べた。
具体的には、酸素濃度及び酸素比の周期的変化の周波数が、０．０１７、０．０２、０．０２５、０．０３３、０．０６７、０．２、１、５、１０、２０、２５、５０、１００Ｈｚのそれぞれの場合において、排ガス中のＣＯ濃度を測定した。なお、酸素濃度と酸素比の位相差をπに設定し、酸素濃度及び酸素比の周波数以外は、実施例１と同条件とし、酸化剤流体中の酸素濃度の時間平均値は４０％、酸素比の時間平均は１．０５となるようにした。結果を表２及び図６に示す。
【００６０】
なお、試験結果の解析にあたり、同じ装置を用いて従来の酸素富化燃焼（定常燃焼）を実施した場合の燃焼排ガス中のＣＯ濃度を測定し、この値を基準値ＣＯ（ｒｅｆ）とした。そして、図６において、横軸は、酸素濃度及び酸素比の周波数を表しており、縦軸は、基準値ＣＯ（ｒｅｆ）を用いて規格化したＣＯ濃度（ＣＯ／ＣＯ（ｒｅｆ））を表している。
【００６１】
【表２】
【００６２】
図６から、周波数が０．０２より小さくなると、ＣＯ濃度が急激に上昇することが認められる。
以上から、周波数が小さい方がＮＯＸ低減効果は高いが、排ガス中のＣＯ濃度も下げたい場合には、周波数が０．０２以上であることが好ましい。
【００６３】
（実施例４）
次に、実施例４では、燃料流量を一定として、酸素比の変動幅がＮＯＸ低減に与える影響を調べた。酸素濃度を３０〜１００％の範囲で周期的に変化させ、酸素比を変動させる範囲を変えてＮＯＸ濃度を測定した。酸素比の下限を０．１、０．２、０．３、０．４、０．５とした各場合について、酸素比の上限を１．１〜７の範囲で変化させ、排ガス中のＮＯＸ濃度を測定した。結果を表３及び図７に示す。
【００６４】
なお、酸素比の時間平均値を１．０５、酸化剤流体中の酸素濃度を４０％とした。たとえば、酸素比ｍが０．５〜５の場合、ｍ＜１．０５となる燃焼時間をｍ＞１．０５の時間より長くするようにし、逆に、酸素比ｍが０．２〜１．２の場合、ｍ＜１．０５となる燃焼時間をｍ＞１．０５の時間より短くするように調整した。
酸素比、酸素濃度の平均は一定なので、ある一定時間に使用される酸素量は同じとなる。
【００６５】
また、図７の横軸は、酸素比の上限値ｍｍａｘであり、縦軸は規格化されたＮＯＸ濃度である。図７の見方を説明すると、例えば、酸素比ｍを０．５〜２の範囲（下限値ｍｍｉｎは０．５）で周期的に変化させた場合のＮＯＸ濃度は、ｍｍｉｎ＝２のグラフにおける横軸ｍｍａｘ＝２のときの値（０．３）となる。
【００６６】
【表３】
【００６７】
図７から、ｍｍｉｎ＝０．５のグラフは、ｍｍａｘが大きくなる（酸素比の振幅が大きくなる）にしたがって、ＮＯＸが減少していくが、ｍｍａｘ＞５では、ＮＯＸ濃度は一定となる。
また、ｍｍｉｎ＝０．３とするとｍｍｉｎ＝０．５よりＮＯＸ濃度は下がるが、ｍｍｉｎ＝０．２では、ｍｍｉｎ＝０．３とほぼ変らない。
【００６８】
（実施例５）
次に、実施例５では、燃料流量を一定として、酸素比の変動幅がＣＯ濃度に与える影響を調べた。具体的には、実施例４と同様の条件におけるＣＯ濃度を調べた。結果を表４及び図８に示す。
【００６９】
【表４】
【００７０】
図８から、ｍｍａｘ＞６となると、ＣＯ濃度が急激に上昇することがわかる。
よって、本発明において、排ガス中のＮＯＸ濃度とともに、ＣＯ濃度を下げたいときは、酸素比を０．２以上６以下の範囲で変動させることが好ましい。
【００７１】
（実施例６）
実施例６では、燃料流量を一定として、酸素比を０．５〜１．６の範囲で変動させ、酸素濃度の変動幅を変えてＮＯＸ排出量への影響を調べた。試験では、酸素濃度下限を３３％にし、酸素濃度の上限を５０〜１００％の範囲で変化させた。平均の酸素比は１．０５、酸化剤中酸素濃度は４０％とした。また、酸素比及び酸素濃度の周波数を０．０６７Ｈｚとし、位相差をπとした。結果を表５及び図９に示す。
【００７２】
なお、図９の横軸は、酸化剤中の酸素濃度の上限値Ｃｍａｘであり、縦軸は、規格化されたＮＯＸ濃度である。図９の見方を説明すると、例えば、酸素濃度３３〜７０％の範囲で周期的に変化させた場合のＮＯＸ濃度は、横軸Ｃｍａｘ＝７０のときの値（０．３８）となる。
【００７３】
【表５】
【００７４】
図９から、酸素濃度の変動幅を大きくすると、ＮＯＸ濃度の低減効果がより大きくなることがわかった。
【００７５】
（実施例７）
次に、実施例７では、ＬＮＧ、酸素、空気の流量を変化させ、酸素比と酸素濃度を周期的に変化させながら燃焼試験を行い、ＮＯＸ濃度を測定した。ＬＮＧ流量の周期、酸素比の周期及び酸素濃度の周期は、いずれも周波数が０．２Ｈｚとなるように設定した。また、ＬＮＧ流量と酸素比の位相差をπとし、ＬＮＧ流量が多いときに酸素比が低くなるようにした。また、酸素比と酸素濃度の位相差をπとした。
【００７６】
酸化剤中の酸素濃度は、３０〜１００％の範囲で、酸素比は、０．５〜２．７の範囲で周期的に変化させるようにした。このときの酸化剤中の酸素濃度ならびに酸素比は、時間平均でそれぞれ、４０％、１．０５となるようにした。結果を図１０に示す。
【００７７】
（比較例３）
また、比較例３として、ＬＮＧ流量を一定とし、酸素と空気の流量のみを変化させて酸素比と酸素濃度を周期的に変化させて燃焼して、ＮＯＸ濃度を測定した。酸素比と酸素濃度の位相差はπとした。酸素濃度及び酸素比の範囲は、実施例７と同じになるようにした。結果を同じく図１０に示す。
【００７８】
図１０から、ＬＮＧ流量を変動させた場合の方が、ＮＯＸ濃度が低くなることがわかった。
【００７９】
（実施例８）
次に、実施例８では、ＬＮＧ流量を一定にし、酸素及び空気の流量を変化させ、酸素比と酸素濃度を周期的に変動させる試験において、酸素比と酸素濃度の位相差を０、π／２、π、３π／２と変えてＮＯＸ濃度への影響を調べた。なお、酸素比と酸素濃度の周波数は０．０６７Ｈｚとし、酸化剤中の酸素濃度は、３３〜１００％の範囲で、酸素比は、０．５〜１．６の範囲で周期的に変化させるようにした。このときの酸化剤中の酸素濃度並びに酸素比は、時間平均でそれぞれ、４０％、１．０５となるようにした。結果を図１１に示す。
【００８０】
図１１から、酸素比と酸素濃度の周期的変化の位相差がπ／２以上３π／２以下の範囲にあると、ＮＯＸ濃度が低くなり、位相差がπだともっとも低くなることが分かった。
【符号の説明】
【００８１】
１・・・燃焼装置、２・・・加熱炉、３・・・燃焼炎、４・・・バーナ、５・・・燃料供給配管、６・・・酸化剤供給配管、７・・・酸素供給配管、８・・・空気供給配管、５０，７０，８０・・・強制振動手段、５１，７１，８１・・・開閉弁、５２，７２，８２・・・制御機構
【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】
地球環境問題が大きくクローズアップされる現在にあって、窒素酸化物削減は重要課題の１つであり、急務である。ＮＯＸ削減方法で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、多段燃焼などが挙げられ、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】
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、酸化剤となる空気等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）があり、提案されてきた（特許文献１〜６参照）。
【０００４】
これらは燃料流体または酸化剤流体の一方を、または、燃料流体および酸化剤流体の両方の供給流量を変化させることで、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燃焼ガス中のＮＯＸの低減を実現している。
【０００５】
また、特許文献７には、酸化剤として純酸素を用いることで、高濃度とし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窒素酸化物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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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
【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、発明者らが、これら先行技術によるＮＯＸ低減効果を確かめるために追試験を実施したところ、上記先行技術のいくつかには、ＮＯＸ低減効果が認められたものの、実用的に価値のある低減効果は得られないことがわかった。
本発明が解決しようとする課題は、従来に比較して大幅なＮＯＸ低減効果を発揮する、実用的に価値のあるバーナの燃焼方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、バーナに供給される燃料流体の流量もしくは酸化剤流体の流量の少なくとも一方に周期的変化を起こさせると同時に、酸化剤流体中の酸素濃度を周期的に変化させることによって、強制振動燃焼とすることで、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。
【０００９】
すなわち、請求項１に係る発明は、加熱炉におけるバーナの燃焼方法であって、バーナに供給する燃料流体もしくは酸化剤流体の流量の少なくとも一方を周期的に変化させるとともに、前記酸化剤流体中の酸素濃度に周期的な変化を与えることによって、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発生させ、前記酸素比と前記酸素濃度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。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記燃料流体の流量の周期的変化と、前記酸素濃度及び前記酸素比の周期的変化とに差を設け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。
【００１１】
請求項３に係る発明は、前記酸素比の周期的変化の周波数が２０Ｈｚ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。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記酸素比の周期的変化の周波数が０．０２Ｈｚ以上であ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。
【００１３】
請求項５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４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６に係る発明は、前記酸素比及び前記酸素濃度の周期的変化が、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５のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。
【００１５】
請求項７に係る発明は、前記酸素比と前記酸素濃度の周期的変化の位相差がπ／２以上３π／２以下の範囲にあることを特徴とする請求項６に記載のバーナの燃焼方法である。
【００１６】
請求項８に係る発明は、前記酸素比と前記酸素濃度の周期的変化の位相差がπ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。
【００１７】
請求項９に係る発明は、前記燃料流体の流量及び前記酸素比の周期的変化が、同じ周波数であり、前記燃料流体の流量の周期的変化と前記酸素比の周期的変化の位相差がπ／２以上３π／２以下の範囲に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。
【００１８】
請求項１０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の位相差がπであることを特徴とする請求項９に記載のバーナの燃焼方法である。
【００１９】
請求項１１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１０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１２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１０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１３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１１または請求項１２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燃焼方法を得ることができる。本発明は新規の加熱炉を設計する場合のみならず、既設の加熱炉における燃焼バーナ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、本発明の実施形態である燃焼装置を示す図の一例である。
【図２】図２は、本発明の実施形態の酸素流量及び空気流量の周期的変化を示す図の一例である。
【図３】図３は、本発明の実施形態の酸素流量及び空気流量の周期的変化を示す図の一例である。
【図４】図４は、本発明の実施形態の燃料流量、酸素流量及び空気流量の周期的変化を示す図の一例である。
【図５】図５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６】図６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７】図７は、本発明の一実施例における酸素比とＮＯＸ濃度の関係を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の一実施例における酸素比とＣＯ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酸素濃度の上限値と、ＮＯＸ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燃料流量とＮＯＸ濃度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酸素比と酸素濃度の位相差と、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】
以下、本発明を適用した一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、特徴を分かりやすくするために、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】
＜燃焼装置＞
本発明の実施形態に用いられる燃焼装置１は、図１に示すように、加熱炉２内に燃焼炎３を形成するバーナ４と、バーナ４と連結された燃料流体を供給する燃料供給配管５と、バーナ４と連結された酸化剤流体を供給する酸化剤供給配管６とを備えている。また、酸化剤供給配管６は、上流において酸素供給配管７と空気供給配管８とに分岐した構成となっている。
【００２６】
また、燃料供給配管５、酸素給配管７及び空気供給配管８には、それぞれ供給される流体の流れに強制的に振動を加える強制振動手段５０，７０，８０が設けられている。
ここで、流体の流れに強制的に振動を加えるとは、流体の流量を周期的に調整することを指し、強制振動手段とは、具体的には、各供給配管５，７，８に設けられた開閉弁５１，７１，８１及び開閉弁を制御する制御機構５２，７２，８２からなるコントロールユニットのことを指す。
【００２７】
燃料供給配管５によって供給される燃料は、バーナ４の燃料に適してきるものであればどのようなものであっても構わず、例えば液化天然ガス（ＬＮＧ）等を挙げることができる。
酸素供給配管７からは酸素が供給されるが、この酸素は、必ずしも純酸素である必要はなく、後述する酸素濃度との関係から適宜所望のものを用いればよい。
空気供給配管８からは空気が供給されるが、空気として、大気中から取り込んだ空気以外に、燃焼排ガスを使用することもできる。燃焼排ガスを使用した場合は、酸素濃度を２１％（空気中の酸素濃度）未満に下げることができる。
【００２８】
また、本実施形態の燃焼装置１は、加熱炉２内の状況に適時に対応するため、加熱炉２内には各種の検知器（図示略）が配置されていることが好ましい。更に、当該検知器によって検出されたデータをもとに加熱炉２内の雰囲気状況を把握し、自動的に燃料流体または酸化剤流体の流量、強制振動の周期等を適宜変更するシーケンスプログラムを備えていることが好ましい。
【００２９】
＜酸化剤流体の流量及び酸化剤流体中の酸素濃度＞
次に、酸化剤流体の流量及び酸化剤流体中の酸素濃度について説明する。なお、以下の説明においては、便宜上、酸素供給配管７、空気供給配管８及び燃料供給配管５からは、それぞれ純酸素、空気（酸素濃度は約２１％）及び液化天然ガス（ＬＮＧ）が供給されるものとして説明する。
【００３０】
本実施形態では、酸化剤流体は、純酸素及び空気から構成されている。そして、強制振動手段７０，８０によって、酸素供給配管７から供給される純酸素の流量と空気供給配管８から供給される空気の流量の一方または双方が、経時的にみて周期的に変化するように制御されている。
【００３１】
純酸素の流量及び空気の流量は、酸化剤流体中の酸素濃度が周期的に変化しているのであれば、どのように制御されていても構わない。また、純酸素の流量及び空気の流量の和（すなわち、酸化剤流体の流量）は、一定であっても、周期的に変化していても構わない。
【００３２】
酸化剤流体の流量を一定にする場合は、例えば図２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とすればよい。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、バーナ４に供給される酸化剤流体の流量は一定に制御されることとなる。
【００３３】
また、この場合は、純酸素及び空気の流量の最小値は、いずれも０となるように制御されていることが好ましい。このように制御することによって、酸化剤流体中の酸素濃度を約２１％〜１００％の範囲で変化させることが可能となる。
【００３４】
すなわち、酸化剤流体中に占める純酸素の流量が０の場合、酸化剤流体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、酸化剤流体中に占める空気の流量が０の場合は、酸化剤流体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。
なお、酸化剤流体の流量を一定にする場合は、燃料流体の流量を周期的に変化させることとなる。
【００３５】
一方、酸化剤流体の流量を周期的に変化させる場合は、例えば図３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、酸化剤流体中の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、酸化剤流体中の酸素濃度は最小となる。
【００３６】
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、酸化剤流体中の酸素濃度は、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、酸化剤流体中の酸素濃度は約６１％となる。また、純酸素の流量が最小となるときは、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。
【００３７】
なお、酸化剤流体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。
【００３８】
＜燃料流体の流量＞
また、本実施形態の燃料流体の流量は、酸化剤流体の流量を周期的に変化させている場合には、一定であっても周期的に変化していても構わない。
【００３９】
＜酸素比＞
次に、酸素比について説明する。ここで酸素比とは、酸化剤流体としてバーナ４に供給される供給酸素量を、バーナ４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。
なお、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。
【００４０】
本実施形態では、燃料流体もしくは酸化剤流体の流量の少なくとも一方が周期的に変化しており、また、酸化剤流体中の酸素濃度も周期的に変化していることから、酸素比も周期的に変化している。
【００４１】
例えば、図２に示したように、酸化剤流体の流量を一定にし、燃料流体の流量を周期的に変化させる場合は、酸化剤流体の流量を１とし、燃料流体（ＬＮＧ）の流量を０．０５〜０．６５の範囲で周期的に変化させると、酸素比は０．１４〜８．７の範囲で周期的に変化する。
【００４２】
また、図３に示すように、酸化剤流体の流量が周期的に変化している場合は、燃料流体の流量を一定にすることが可能となる。この際、例えば酸化剤流体の流量を１〜２の範囲で変化させ、燃料流体（ＬＮＧ）の流量を０．３で供給すれば、酸素比は０．３〜１．７５の範囲で周期的に変化する。
【００４３】
また、図４に示すように、酸化剤流体の流量と燃料流体の流量を周期的に変化させることによって、酸化剤中の酸素濃度と酸素比を周期的に変化させるとともに、燃焼負荷（炉内へ投入する熱量）を変動させることが可能となる。
例えば、燃料流体の流量を０．５〜１．５の範囲で変化させ、酸素の流量を１．２〜１．７、空気の流量を０〜９．２の範囲で変化させて供給すると、酸素比は０．５〜２．７の範囲で周期的に変化し、酸素濃度は３０〜１００％の範囲で周期的に変化する。
【００４４】
また、酸素比の周期的変化と酸素濃度の周期的変化に差が生じるように、燃料流体、純酸素、及び空気の流量は、強制振動手段によって適宜制御されている。
ここで、酸素比の周期的変化と酸素濃度の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。すなわち、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。
【００４５】
また、酸素比の周期的変化の周波数は大きいと、ＮＯＸの低減効果が十分には認められなくなるので、２０Ｈｚ以下であることが好ましい。また、逆に小さ過ぎると、ＣＯの発生量が増大してしまうので、０．０２Ｈｚ以上であることが好ましい。
また、酸素比の上限と下限の差が小さいと、ＮＯＸの低減効果が十分には認められなくなるので、酸素比の上限と下限の差は、０．２以上であることが好ましい。また、酸素比の時間平均値は、小さいと燃料流体が不完全燃焼となるので、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。
【００４６】
また、酸素比の周期的変化と、酸化剤流体中の酸素濃度の周期的変化が、同じ周波数であることが好ましい。そして、同じ周波数であるならば、両者の位相差がπ／２以上３π／２以下の範囲であることが好ましく、πであることがより好ましい。更に、燃料流体の流量と酸素比及び酸素濃度の周期的変化が、同じ周波数であることが好ましい。そして、同じ周波数であるならば、燃料流体の流量の周期的変化と、酸素比の周期的変化の位相差が、π／２以上３π／２以下の範囲であることが好ましく、πであることがより好ましい。
【００４７】
以上説明したような、本実施形態のバーナの燃焼方法によれば、ＮＯＸの発生量を大幅かつ確実に低減できる。また、新規の加熱炉を設計する場合のみならず、既設の加熱炉におけるバーナにも適用することが可能である。
【００４８】
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、燃料流体や酸化剤流体の供給量は、図２ないし図４に示したような正弦波を示す周期的変化だけではなく、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。
【００４９】
以下、燃料流体をＬＮＧとし、酸素濃度９９．６％の酸素と空気とで酸化剤流体を形成し、酸素比と酸化剤流体中の酸素濃度を周期的に変化させ、強制振動燃焼をさせた場合のＮＯＸ低減効果について、実施例を示して説明する。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。
【００５０】
（実施例１）
まず、実施例１では、図１に示すような燃焼装置において、ＬＮＧの流量を固定し、酸素および空気の流量を変化させて、酸素比と酸素濃度を周期的に変化させながら燃焼試験を行った。
酸化剤流体中の酸素濃度は、３３〜１００％の範囲で、酸素比は、０．５〜１．６の範囲で周期的に変化させるようにした。このとき、酸化剤流体中の酸素濃度並びに酸素比は、時間平均値でそれぞれ４０％、１．０５となるようにした。
【００５１】
試験結果の解析にあたり、同じ装置を用いて従来の酸素富化燃焼（定常燃焼）を実施した場合の燃焼排ガス中のＮＯＸの濃度を測定し、この値を基準値ＮＯＸ（ｒｅｆ）とした。
【００５２】
酸化剤流体中の酸素濃度と酸素比の周期的変化の周波数を、いずれも０．０３３Ｈｚとし、位相をπずらして燃焼させたところ、ＮＯＸ（ｒｅｆ）と比較して、ＮＯＸ濃度は約８３％減となった。
【００５３】
（比較例１）
実施例１と同条件で、酸素比のみを周期的に変化させた場合のＮＯＸ低減について、燃焼試験を実施した。酸化剤流体中の酸素濃度を４０％の一定とし、酸素比のみを０．５〜１．６の範囲で、周波数０．０３３Ｈｚで変化させたところ、ＮＯＸ（ｒｅｆ）と比較して、ＮＯＸ濃度は約５８％減に留まった。
【００５４】
（実施例２）
次に、実施例２では、酸化剤流体中の酸素濃度を周期的変化させた場合のＮＯＸ低減効果について、周波数の影響を調べた。
酸化剤流体中の酸素濃度及び酸素比の周期的変化の周波数が、０．０１７、０．０２、０．０２５、０．０３３、０．０６７、０．２、１、５、１０、２０、２５、５０、１００Ｈｚのそれぞれの場合において、排ガス中のＮＯＸ濃度を測定した。なお、酸素濃度と酸素比の位相差をπに設定し、酸素濃度及び酸素比の周波数以外は、実施例１と同条件とし、酸化剤流体中の酸素濃度の時間平均値は４０％、酸素比の時間平均は１．０５となるようにした。結果を表１及び図５に示す。
【００５５】
なお、図５において、横軸は、酸素濃度及び酸素比の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濃度（ＮＯＸ／ＮＯＸ（ｒｅｆ））を表している。
【００５６】
（比較例２）
また、実施例２の比較のため、比較例２として、酸素濃度を４０％に固定し、酸素比のみを０．５〜１．６の範囲で強制振動燃焼させた場合のＮＯＸの低減効果を調べた。結果を、同じく表１及び図５に示す。
【００５７】
【表１】
【００５８】
図５から、酸化剤流体中の酸素濃度及び酸素比の周期的変化の周波数が小さい方が、ＮＯＸ低減効果が高いことがわかる。また、酸素濃度と酸素比を同時に変動させることによって、ＮＯＸを大幅に低減できることがわかる。また、試験した範囲内では、周波数は小さい方が効果は高く、特に２０Ｈｚのところで急激にＮＯＸ減少の効果が表れることがわかった。そして、いずれの場合でも、本発明は、酸素比のみを周期的に変化させる場合に比べて高いＮＯＸ低減効果があることがわかった。
【００５９】
（実施例３）
次に、実施例３では、酸素濃度及び酸素比を周期的変化させた場合の排ガス中のＣＯ濃度について、周波数の影響を調べた。
具体的には、酸素濃度及び酸素比の周期的変化の周波数が、０．０１７、０．０２、０．０２５、０．０３３、０．０６７、０．２、１、５、１０、２０、２５、５０、１００Ｈｚのそれぞれの場合において、排ガス中のＣＯ濃度を測定した。なお、酸素濃度と酸素比の位相差をπに設定し、酸素濃度及び酸素比の周波数以外は、実施例１と同条件とし、酸化剤流体中の酸素濃度の時間平均値は４０％、酸素比の時間平均は１．０５となるようにした。結果を表２及び図６に示す。
【００６０】
なお、試験結果の解析にあたり、同じ装置を用いて従来の酸素富化燃焼（定常燃焼）を実施した場合の燃焼排ガス中のＣＯ濃度を測定し、この値を基準値ＣＯ（ｒｅｆ）とした。そして、図６において、横軸は、酸素濃度及び酸素比の周波数を表しており、縦軸は、基準値ＣＯ（ｒｅｆ）を用いて規格化したＣＯ濃度（ＣＯ／ＣＯ（ｒｅｆ））を表している。
【００６１】
【表２】
【００６２】
図６から、周波数が０．０２より小さくなると、ＣＯ濃度が急激に上昇することが認められる。
以上から、周波数が小さい方がＮＯＸ低減効果は高いが、排ガス中のＣＯ濃度も下げたい場合には、周波数が０．０２以上であることが好ましい。
【００６３】
（実施例４）
次に、実施例４では、燃料流量を一定として、酸素比の変動幅がＮＯＸ低減に与える影響を調べた。酸素濃度を３０〜１００％の範囲で周期的に変化させ、酸素比を変動させる範囲を変えてＮＯＸ濃度を測定した。酸素比の下限を０．１、０．２、０．３、０．４、０．５とした各場合について、酸素比の上限を１．１〜７の範囲で変化させ、排ガス中のＮＯＸ濃度を測定した。結果を表３及び図７に示す。
【００６４】
なお、酸素比の時間平均値を１．０５、酸化剤流体中の酸素濃度を４０％とした。たとえば、酸素比ｍが０．５〜５の場合、ｍ＜１．０５となる燃焼時間をｍ＞１．０５の時間より長くするようにし、逆に、酸素比ｍが０．２〜１．２の場合、ｍ＜１．０５となる燃焼時間をｍ＞１．０５の時間より短くするように調整した。
酸素比、酸素濃度の平均は一定なので、ある一定時間に使用される酸素量は同じとなる。
【００６５】
また、図７の横軸は、酸素比の上限値ｍｍａｘであり、縦軸は規格化されたＮＯＸ濃度である。図７の見方を説明すると、例えば、酸素比ｍを０．５〜２の範囲（下限値ｍｍｉｎは０．５）で周期的に変化させた場合のＮＯＸ濃度は、ｍｍｉｎ＝２のグラフにおける横軸ｍｍａｘ＝２のときの値（０．３）となる。
【００６６】
【表３】
【００６７】
図７から、ｍｍｉｎ＝０．５のグラフは、ｍｍａｘが大きくなる（酸素比の振幅が大きくなる）にしたがって、ＮＯＸが減少していくが、ｍｍａｘ＞５では、ＮＯＸ濃度は一定となる。
また、ｍｍｉｎ＝０．３とするとｍｍｉｎ＝０．５よりＮＯＸ濃度は下がるが、ｍｍｉｎ＝０．２では、ｍｍｉｎ＝０．３とほぼ変らない。
【００６８】
（実施例５）
次に、実施例５では、燃料流量を一定として、酸素比の変動幅がＣＯ濃度に与える影響を調べた。具体的には、実施例４と同様の条件におけるＣＯ濃度を調べた。結果を表４及び図８に示す。
【００６９】
【表４】
【００７０】
図８から、ｍｍａｘ＞６となると、ＣＯ濃度が急激に上昇することがわかる。
よって、本発明において、排ガス中のＮＯＸ濃度とともに、ＣＯ濃度を下げたいときは、酸素比を０．２以上６以下の範囲で変動させることが好ましい。
【００７１】
（実施例６）
実施例６では、燃料流量を一定として、酸素比を０．５〜１．６の範囲で変動させ、酸素濃度の変動幅を変えてＮＯＸ排出量への影響を調べた。試験では、酸素濃度下限を３３％にし、酸素濃度の上限を５０〜１００％の範囲で変化させた。平均の酸素比は１．０５、酸化剤中酸素濃度は４０％とした。また、酸素比及び酸素濃度の周波数を０．０６７Ｈｚとし、位相差をπとした。結果を表５及び図９に示す。
【００７２】
なお、図９の横軸は、酸化剤中の酸素濃度の上限値Ｃｍａｘであり、縦軸は、規格化されたＮＯＸ濃度である。図９の見方を説明すると、例えば、酸素濃度３３〜７０％の範囲で周期的に変化させた場合のＮＯＸ濃度は、横軸Ｃｍａｘ＝７０のときの値（０．３８）となる。
【００７３】
【表５】
【００７４】
図９から、酸素濃度の変動幅を大きくすると、ＮＯＸ濃度の低減効果がより大きくなることがわかった。
【００７５】
（実施例７）
次に、実施例７では、ＬＮＧ、酸素、空気の流量を変化させ、酸素比と酸素濃度を周期的に変化させながら燃焼試験を行い、ＮＯＸ濃度を測定した。ＬＮＧ流量の周期、酸素比の周期及び酸素濃度の周期は、いずれも周波数が０．２Ｈｚとなるように設定した。また、ＬＮＧ流量と酸素比の位相差をπとし、ＬＮＧ流量が多いときに酸素比が低くなるようにした。また、酸素比と酸素濃度の位相差をπとした。
【００７６】
酸化剤中の酸素濃度は、３０〜１００％の範囲で、酸素比は、０．５〜２．７の範囲で周期的に変化させるようにした。このときの酸化剤中の酸素濃度ならびに酸素比は、時間平均でそれぞれ、４０％、１．０５となるようにした。結果を図１０に示す。
【００７７】
（比較例３）
また、比較例３として、ＬＮＧ流量を一定とし、酸素と空気の流量のみを変化させて酸素比と酸素濃度を周期的に変化させて燃焼して、ＮＯＸ濃度を測定した。酸素比と酸素濃度の位相差はπとした。酸素濃度及び酸素比の範囲は、実施例７と同じになるようにした。結果を同じく図１０に示す。
【００７８】
図１０から、ＬＮＧ流量を変動させた場合の方が、ＮＯＸ濃度が低くなることがわかった。
【００７９】
（実施例８）
次に、実施例８では、ＬＮＧ流量を一定にし、酸素及び空気の流量を変化させ、酸素比と酸素濃度を周期的に変動させる試験において、酸素比と酸素濃度の位相差を０、π／２、π、３π／２と変えてＮＯＸ濃度への影響を調べた。なお、酸素比と酸素濃度の周波数は０．０６７Ｈｚとし、酸化剤中の酸素濃度は、３３〜１００％の範囲で、酸素比は、０．５〜１．６の範囲で周期的に変化させるようにした。このときの酸化剤中の酸素濃度並びに酸素比は、時間平均でそれぞれ、４０％、１．０５となるようにした。結果を図１１に示す。
【００８０】
図１１から、酸素比と酸素濃度の周期的変化の位相差がπ／２以上３π／２以下の範囲にあると、ＮＯＸ濃度が低くなり、位相差がπだともっとも低くなることが分かった。
【符号の説明】
【００８１】
１・・・燃焼装置、２・・・加熱炉、３・・・燃焼炎、４・・・バーナ、５・・・燃料供給配管、６・・・酸化剤供給配管、７・・・酸素供給配管、８・・・空気供給配管、５０，７０，８０・・・強制振動手段、５１，７１，８１・・・開閉弁、５２，７２，８２・・・制御機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱炉におけるバーナの燃焼方法であって、
バーナに供給する燃料流体もしくは酸化剤流体の流量の少なくとも一方を周期的に変化させるとともに、
前記酸化剤流体中の酸素濃度に周期的な変化を与えることによって、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発生させ、
前記酸素比と前記酸素濃度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】
前記燃料流体の流量の周期的変化と、前記酸素濃度及び前記酸素比の周期的変化とに差を設け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】
前記酸素比の周期的変化の周波数が２０Ｈｚ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】
前記酸素比の周期的変化の周波数が０．０２Ｈｚ以上であ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】
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４のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項６】
前記酸素比及び前記酸素濃度の周期的変化が、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】
前記酸素比と前記酸素濃度の周期的変化の位相差がπ／２以上３π／２以下の範囲にあることを特徴とする請求項６に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項８】
前記酸素比と前記酸素濃度の周期的変化の位相差がπ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】
前記燃料流体の流量及び前記酸素比の周期的変化が、同じ周波数であり、前記燃料流体の流量の周期的変化と前記酸素比の周期的変化の位相差がπ／２以上３π／２以下の範囲に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】
前記酸素濃度及び前記酸素比の周期的変化の位相差がπであることを特徴とする請求項９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１０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１０のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項１３】
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１１または請求項１２に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項１】
加熱炉におけるバーナの燃焼方法であって、
バーナに供給する燃料流体もしくは酸化剤流体の流量の少なくとも一方を周期的に変化させるとともに、
前記酸化剤流体中の酸素濃度に周期的な変化を与えることによって、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発生させ、
前記酸素比と前記酸素濃度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】
前記燃料流体の流量の周期的変化と、前記酸素濃度及び前記酸素比の周期的変化とに差を設け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】
前記酸素比の周期的変化の周波数が２０Ｈｚ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】
前記酸素比の周期的変化の周波数が０．０２Ｈｚ以上であ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】
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４のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項６】
前記酸素比及び前記酸素濃度の周期的変化が、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】
前記酸素比と前記酸素濃度の周期的変化の位相差がπ／２以上３π／２以下の範囲にあることを特徴とする請求項６に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項８】
前記酸素比と前記酸素濃度の周期的変化の位相差がπ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】
前記燃料流体の流量及び前記酸素比の周期的変化が、同じ周波数であり、前記燃料流体の流量の周期的変化と前記酸素比の周期的変化の位相差がπ／２以上３π／２以下の範囲に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】
前記酸素濃度及び前記酸素比の周期的変化の位相差がπであることを特徴とする請求項９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１０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１０のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項１３】
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１１または請求項１２に記載のバーナの燃焼方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１７９７５１（Ｐ２０１１−１７９７５１Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４４２６２（Ｐ２０１０−４４２６２）
【出願日】平成２２年３月１日（２０１０．３．１）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１日（２０１０．３．１）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
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