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を提供する。
【解決手段】酸化剤流れと、燃料流れを供給して燃焼するバーナ１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、前記燃料流れを中心とした対称な位置から噴出する複数の２次酸化剤流れとからなり、前記複数の２次酸化剤流れを、個々に周期的変化をもって流量を変化して噴出することを特徴とするバーナ１の燃焼方法を採用する。
【解決手段】酸化剤流れと、燃料流れを供給して燃焼するバーナ１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、前記燃料流れを中心とした対称な位置から噴出する複数の２次酸化剤流れとからなり、前記複数の２次酸化剤流れを、個々に周期的変化をもって流量を変化して噴出することを特徴とするバーナ１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】
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、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次酸化剤流れとは別に、外側に対称に、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、前記燃料流れを中心とした対称の位置から噴出する複数の２次酸化剤流れとからなり、前記複数の２次酸化剤流れを、個々に周期的変化をもって流量を変化して噴出す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、前記２次酸化剤流れ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２次酸化剤流れの流速が、秒速２０ｍ以上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、前記燃料流れの燃焼に対して必要とされる酸化剤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、前記燃料流れ及び前記１次酸化剤流れを、周期的変化をもって流量を変化して噴出す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。
【００１５】
請求項６に係る発明は、前記燃料流れの周期的変化の周波数と、前記１次酸化剤流れの周期的変化の周波数とが、同じであることを特徴とする請求項５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、前記燃料流れの周期的変化と、前記１次酸化剤流れの周期的変化との位相差がπ／２で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。
【００１７】
請求項８に係る発明は、前記酸化剤流れ中の酸素以外のガスの主成分が、窒素ガスであることを特徴とする請求項１ないし請求項７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９に係る発明は、前記酸化剤流れ中の酸素以外のガスの主成分が、炭酸ガスであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。
【発明の効果】
【００１９】
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】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の一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、本発明の一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、本発明に用いる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、本発明の一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、本発明の一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７】図７（ａ）ないし図７（ｃ）は、本発明の一実施形態であるバーナの燃焼の概略を示す側面図である。
【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。
【図１３】図１３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】
【００２１】
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。
【００２２】
本発明の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、燃料流れを噴出する燃料ノズル２と、１次酸化剤流れを噴出する１次酸化剤ノズル３と、２次酸化剤流れを噴出する２次酸化剤ノズル４から概略構成されている。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、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。
【００２８】
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。
【００２９】
また、対象の位置に配置された２つの２次酸化剤ノズル４の間の距離ｌは、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、適宜決めればよい。
【００３０】
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ればよい。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、工業用純酸素を用いるのが好ましい。
【００３４】
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。
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。
【００３５】
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、工業用純酸素を用いるのが好ましい。
【００３６】
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。
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。
【００３７】
また、バーナ１には、図１に示したように、２次酸化剤ノズル４が、複数設けられている。そこで、図５に示すように、２次酸化剤ノズル４ごとに、２次酸化剤供給配管１２、２次空気供給配管８、２次酸素供給配管９、強制手段８０，９０をそれぞれ用意し、各２次酸化剤ノズル４ごとに噴出する２次酸化剤流れの流量を変化させても構わない。また、図６に示すように、２次酸化剤供給配管１２を下流において切替え弁１３を設けて分岐させ、分岐した配管にそれぞれ２次酸化剤ノズル４を接続させてもよい。
【００３８】
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。
また、複数の２次酸化剤ノズル４の噴出口からは、強制振動手段８０，９０により、流量が周期的に変化するように２次酸化剤が噴出される。そして、個々の２次酸化剤ノズル４から噴出される流量の周期的変化には、位相差をもたせる。例えば、図７（ａ）ないし図７（ｃ）に示すように、２つの２次酸化剤ノズル４１，４２を用いた場合は、２次酸化剤ノズル４１と２次酸化剤ノズル４２とから噴出する２次酸化剤流れの流量の周期的変化の位相差をπとしても構わない。
【００３９】
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。
燃料ノズル２から噴出する燃料流れの流量は、一定であっても構わないし、強制振動手段５０を用いて、周期的変化していても構わない。周期的に変化させる場合は、その周期は、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。
【００４０】
また、燃料流れの流量が周期的に変化する場合は、１次酸化剤流れの流量も周期的に変化することが好ましく、更に両者の周波数が等しいことがより好ましく、その位相差がπ／２に制御されているのが最も好ましい。
【００４１】
１次酸化剤流れの流量は、一定であっても構わないし、強制振動手段６０，７０を用いて、周期的に変化していても構わない。周期的に変化させる場合は、その周期は、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。
【００４２】
また、１次酸化剤流れの流量が周期的に変化する場合は、燃料流れの流量も周期的に変化することが好ましく、更に両者の周波数が等しいことがより好ましく、その位相差がπ／２に制御されているのが最も好ましい。
【００４３】
また、１次酸化剤流れ中の酸素濃度は、強制振動手段６０，７０を用いて、空気の流量や酸素の流量を変化させ、周期的に変化させていても構わない。なお、酸素濃度を一定にしながら、１次酸化剤流れの流量を周期的に変化させる場合には、１次酸化剤供給配管１１に直接、酸素濃度が一定の酸化剤を供給し、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。また、強制振動手段６０，７０によって、空気の流量と酸素の流量をそれぞれの比率が一定になるように、ともに周期的に変化させる、すなわち両者の周波数が等しく、位相差が０となるように制御してもよい。
【００４４】
２次酸化剤流れの流量は、強制振動手段８０，９０を用いて、周期的に変化するように制御する。また、その周期は、０．０１Ｈｚ以上２０Ｈｚ以下に制御されていることが好ましく、０．０２Ｈｚ以上２Ｈｚ以下に制御されているのがより好ましい。また、複数の２次酸化剤ノズル４から噴出される２次酸化剤流れの流量の周期的変化には、位相差をもたせるように制御する。
また、２次酸化剤流れの流速は、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。
【００４５】
また、２次酸化剤流れ中の酸素濃度は、強制振動手段８０，９０を用いて、空気の流量や酸素の流量を変化させ、周期的に変化させていても構わない。なお、２次酸化剤流れ中の酸素濃度を一定にする場合は、２次酸化剤供給配管１２に直接、酸素濃度が一定の酸化剤を供給し、２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。また、強制振動手段８０，９０によって、空気の流量と酸素の流量をそれぞれの比率が一定になるように、ともに周期的に変化させる、すなわち両者の周波数が等しく、位相差が０となるように制御してもよい。
【００４６】
また、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の比率は、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。
すなわち、燃料流れを燃焼するのに消費された酸素のうち、１０％以上７０％以下の酸素が１次酸化剤流れ由来の酸素であることが好ましく、１０％以上５０％以下の酸素が、１次酸化剤流れ由来の酸素であることがより好ましい。
なお、ここでいう比率は、時間平均での値である。
【００４７】
また、２次酸化剤流れに含まれる酸素の流量を基準とすると、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に対する、２次酸化剤流れに含まれる酸素の流量の比率は、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こととなる。
【００４８】
また、１次酸化剤流れ及び２次酸化剤流れは、ともに酸素以外のガスの主成分が窒素ガスまたは炭酸ガスであることが好ましい。すなわち、１次酸化剤流れ及び２次酸化剤流れは、空気と酸素が混合した流体だが、ここで空気として大気中のものを取り込んで利用した場合は、１次酸化剤流れ及び２次酸化剤流れは、ともに酸素以外のガスの主成分が窒素ガスとなる。また、空気として排ガスを用いた場合は、１次酸化剤流れ及び２次酸化剤流れは、ともの酸素以外のガスの主成分が窒素ガスと炭酸ガスとなる。なお、１次酸化剤流れと２次酸化剤流れとで、用いる空気を変えても構わない。
【００４９】
本実施形態のバーナ１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、燃料流れを中心とした対称な位置から噴出する複数の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、複数の２次酸化剤流れを、周期的変化をもって流量を変化して噴出し、それぞれに位相差を設けることで、ＮＯＸを大幅かつ確実に低減することができる。
また、本実施形態のバーナ１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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
（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４０ｃｍとし、個々の２次酸化剤ノズル４から噴出する２次酸化剤流れの流量の周期的変化について、位相差をπとした。
【００５３】
燃料流れには、ＬＮＧを使用し、燃料流れの流量は一定とした。また、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。
【００５４】
１次酸化剤流れの流量は一定とし、１次酸化剤流れ及び２次酸化剤流れの酸素濃度は４０％に固定した。また、酸素比は、時間平均で１．０５となるようにした。
２次酸化剤流れの流量は周期的に変化するようにし、その周期を０．０１７Ｈｚ〜１００Ｈｚの配位で変えた際の、ＮＯＸ排出量及びＣＯ濃度を測定した。ＮＯＸ排出量の結果を図８に、ＣＯ濃度の結果を図９に示す。
【００５５】
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排出量及びＣＯ濃度を測定した。この値をそれぞれ基準値ＮＯＸ（ｒｅｆ）ないし基準値ＣＯ（ｒｅｆ）とした。
図８及び図９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））を表している。
【００５６】
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。
【００５７】
（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。ＮＯＸ排出量を測定した結果を図１０に示す。なお、図１０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。
【００５８】
図１０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、実施例１と同様に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った。
【００５９】
なお、燃焼量による影響を確認するため、実施例２においては、２倍の燃焼量、すなわち燃料流れと酸化剤流れの流量を２倍にした場合についても、ＮＯＸ排出量を測定した。結果を図１１に示す。なお、図１１においては、各周波数において、ノズル間距離を１０〜５０ｃｍにした際の規格化されたＮＯＸ排出量の範囲を示している。
図１１から明らかなように、燃焼量を２倍にしたとしても、同様な傾向にあることが確認された。
【００６０】
（実施例３）
次に、実施例３では、酸化剤流れ中の酸素濃度を変えて、ＮＯＸ排出量への影響を調べた。具体的には、１次酸化剤流れ中の酸素濃度及び２次酸化剤流れ中の酸素濃度をともに同じ濃度とし、４０％、６０％、９７％のそれぞれの場合について、２次酸化剤流れの周波数を０．０１７Ｈｚ〜１００Ｈｚの範囲で変化させて、ＮＯＸ排出量を測定した。結果を図１２に示す。
【００６１】
なお、試験結果の解析にあたり、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％、６０％、９７％に固定し、通常燃焼させた場合のＮＯＸ排出量を測定し、この値をそれぞれの酸素濃度での基準値ＮＯＸ（ｒｅｆ）とした。
図１２において、横軸は、周波数を表しており、縦軸は、それぞれの濃度に対応した基準値ＮＯＸ（ｒｅｆ）によって規格された排出量を表している。
【００６２】
図１２から明らかなように、酸素濃度の変化に影響されることなく、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。
なお、実施例３においてもＣＯ濃度を測定したこところ、実施例１や実施例２と同様に、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った。
【００６３】
（実施例４）
次に、実施例４では、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。ＮＯＸ排出量を測定した結果を図１３に示す。なお、図１３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。
【００６４】
図１３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４においてもＣＯ濃度を測定したこところ、実施例１ないし実施例３と同様に、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った。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
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】
【００６６】
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
【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、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次酸化剤流れとは別に、外側に対称に、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、前記燃料流れを中心とした対称の位置から噴出する複数の２次酸化剤流れとからなり、前記複数の２次酸化剤流れを、個々に周期的変化をもって流量を変化して噴出す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、前記２次酸化剤流れ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２次酸化剤流れの流速が、秒速２０ｍ以上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、前記燃料流れの燃焼に対して必要とされる酸化剤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、前記燃料流れ及び前記１次酸化剤流れを、周期的変化をもって流量を変化して噴出す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。
【００１５】
請求項６に係る発明は、前記燃料流れの周期的変化の周波数と、前記１次酸化剤流れの周期的変化の周波数とが、同じであることを特徴とする請求項５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、前記燃料流れの周期的変化と、前記１次酸化剤流れの周期的変化との位相差がπ／２で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。
【００１７】
請求項８に係る発明は、前記酸化剤流れ中の酸素以外のガスの主成分が、窒素ガスであることを特徴とする請求項１ないし請求項７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９に係る発明は、前記酸化剤流れ中の酸素以外のガスの主成分が、炭酸ガスであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法である。
【発明の効果】
【００１９】
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】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の一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、本発明の一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、本発明に用いる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、本発明の一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、本発明の一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７】図７（ａ）ないし図７（ｃ）は、本発明の一実施形態であるバーナの燃焼の概略を示す側面図である。
【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。
【図１３】図１３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】
【００２１】
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。
【００２２】
本発明の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、燃料流れを噴出する燃料ノズル２と、１次酸化剤流れを噴出する１次酸化剤ノズル３と、２次酸化剤流れを噴出する２次酸化剤ノズル４から概略構成されている。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、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。
【００２８】
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。
【００２９】
また、対象の位置に配置された２つの２次酸化剤ノズル４の間の距離ｌは、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、適宜決めればよい。
【００３０】
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ればよい。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、工業用純酸素を用いるのが好ましい。
【００３４】
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。
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。
【００３５】
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、工業用純酸素を用いるのが好ましい。
【００３６】
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。
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。
【００３７】
また、バーナ１には、図１に示したように、２次酸化剤ノズル４が、複数設けられている。そこで、図５に示すように、２次酸化剤ノズル４ごとに、２次酸化剤供給配管１２、２次空気供給配管８、２次酸素供給配管９、強制手段８０，９０をそれぞれ用意し、各２次酸化剤ノズル４ごとに噴出する２次酸化剤流れの流量を変化させても構わない。また、図６に示すように、２次酸化剤供給配管１２を下流において切替え弁１３を設けて分岐させ、分岐した配管にそれぞれ２次酸化剤ノズル４を接続させてもよい。
【００３８】
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。
また、複数の２次酸化剤ノズル４の噴出口からは、強制振動手段８０，９０により、流量が周期的に変化するように２次酸化剤が噴出される。そして、個々の２次酸化剤ノズル４から噴出される流量の周期的変化には、位相差をもたせる。例えば、図７（ａ）ないし図７（ｃ）に示すように、２つの２次酸化剤ノズル４１，４２を用いた場合は、２次酸化剤ノズル４１と２次酸化剤ノズル４２とから噴出する２次酸化剤流れの流量の周期的変化の位相差をπとしても構わない。
【００３９】
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。
燃料ノズル２から噴出する燃料流れの流量は、一定であっても構わないし、強制振動手段５０を用いて、周期的変化していても構わない。周期的に変化させる場合は、その周期は、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。
【００４０】
また、燃料流れの流量が周期的に変化する場合は、１次酸化剤流れの流量も周期的に変化することが好ましく、更に両者の周波数が等しいことがより好ましく、その位相差がπ／２に制御されているのが最も好ましい。
【００４１】
１次酸化剤流れの流量は、一定であっても構わないし、強制振動手段６０，７０を用いて、周期的に変化していても構わない。周期的に変化させる場合は、その周期は、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。
【００４２】
また、１次酸化剤流れの流量が周期的に変化する場合は、燃料流れの流量も周期的に変化することが好ましく、更に両者の周波数が等しいことがより好ましく、その位相差がπ／２に制御されているのが最も好ましい。
【００４３】
また、１次酸化剤流れ中の酸素濃度は、強制振動手段６０，７０を用いて、空気の流量や酸素の流量を変化させ、周期的に変化させていても構わない。なお、酸素濃度を一定にしながら、１次酸化剤流れの流量を周期的に変化させる場合には、１次酸化剤供給配管１１に直接、酸素濃度が一定の酸化剤を供給し、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。また、強制振動手段６０，７０によって、空気の流量と酸素の流量をそれぞれの比率が一定になるように、ともに周期的に変化させる、すなわち両者の周波数が等しく、位相差が０となるように制御してもよい。
【００４４】
２次酸化剤流れの流量は、強制振動手段８０，９０を用いて、周期的に変化するように制御する。また、その周期は、０．０１Ｈｚ以上２０Ｈｚ以下に制御されていることが好ましく、０．０２Ｈｚ以上２Ｈｚ以下に制御されているのがより好ましい。また、複数の２次酸化剤ノズル４から噴出される２次酸化剤流れの流量の周期的変化には、位相差をもたせるように制御する。
また、２次酸化剤流れの流速は、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。
【００４５】
また、２次酸化剤流れ中の酸素濃度は、強制振動手段８０，９０を用いて、空気の流量や酸素の流量を変化させ、周期的に変化させていても構わない。なお、２次酸化剤流れ中の酸素濃度を一定にする場合は、２次酸化剤供給配管１２に直接、酸素濃度が一定の酸化剤を供給し、２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。また、強制振動手段８０，９０によって、空気の流量と酸素の流量をそれぞれの比率が一定になるように、ともに周期的に変化させる、すなわち両者の周波数が等しく、位相差が０となるように制御してもよい。
【００４６】
また、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の比率は、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。
すなわち、燃料流れを燃焼するのに消費された酸素のうち、１０％以上７０％以下の酸素が１次酸化剤流れ由来の酸素であることが好ましく、１０％以上５０％以下の酸素が、１次酸化剤流れ由来の酸素であることがより好ましい。
なお、ここでいう比率は、時間平均での値である。
【００４７】
また、２次酸化剤流れに含まれる酸素の流量を基準とすると、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に対する、２次酸化剤流れに含まれる酸素の流量の比率は、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こととなる。
【００４８】
また、１次酸化剤流れ及び２次酸化剤流れは、ともに酸素以外のガスの主成分が窒素ガスまたは炭酸ガスであることが好ましい。すなわち、１次酸化剤流れ及び２次酸化剤流れは、空気と酸素が混合した流体だが、ここで空気として大気中のものを取り込んで利用した場合は、１次酸化剤流れ及び２次酸化剤流れは、ともに酸素以外のガスの主成分が窒素ガスとなる。また、空気として排ガスを用いた場合は、１次酸化剤流れ及び２次酸化剤流れは、ともの酸素以外のガスの主成分が窒素ガスと炭酸ガスとなる。なお、１次酸化剤流れと２次酸化剤流れとで、用いる空気を変えても構わない。
【００４９】
本実施形態のバーナ１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、燃料流れを中心とした対称な位置から噴出する複数の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、複数の２次酸化剤流れを、周期的変化をもって流量を変化して噴出し、それぞれに位相差を設けることで、ＮＯＸを大幅かつ確実に低減することができる。
また、本実施形態のバーナ１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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
（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４０ｃｍとし、個々の２次酸化剤ノズル４から噴出する２次酸化剤流れの流量の周期的変化について、位相差をπとした。
【００５３】
燃料流れには、ＬＮＧを使用し、燃料流れの流量は一定とした。また、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。
【００５４】
１次酸化剤流れの流量は一定とし、１次酸化剤流れ及び２次酸化剤流れの酸素濃度は４０％に固定した。また、酸素比は、時間平均で１．０５となるようにした。
２次酸化剤流れの流量は周期的に変化するようにし、その周期を０．０１７Ｈｚ〜１００Ｈｚの配位で変えた際の、ＮＯＸ排出量及びＣＯ濃度を測定した。ＮＯＸ排出量の結果を図８に、ＣＯ濃度の結果を図９に示す。
【００５５】
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排出量及びＣＯ濃度を測定した。この値をそれぞれ基準値ＮＯＸ（ｒｅｆ）ないし基準値ＣＯ（ｒｅｆ）とした。
図８及び図９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））を表している。
【００５６】
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。
【００５７】
（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。ＮＯＸ排出量を測定した結果を図１０に示す。なお、図１０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。
【００５８】
図１０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、実施例１と同様に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った。
【００５９】
なお、燃焼量による影響を確認するため、実施例２においては、２倍の燃焼量、すなわち燃料流れと酸化剤流れの流量を２倍にした場合についても、ＮＯＸ排出量を測定した。結果を図１１に示す。なお、図１１においては、各周波数において、ノズル間距離を１０〜５０ｃｍにした際の規格化されたＮＯＸ排出量の範囲を示している。
図１１から明らかなように、燃焼量を２倍にしたとしても、同様な傾向にあることが確認された。
【００６０】
（実施例３）
次に、実施例３では、酸化剤流れ中の酸素濃度を変えて、ＮＯＸ排出量への影響を調べた。具体的には、１次酸化剤流れ中の酸素濃度及び２次酸化剤流れ中の酸素濃度をともに同じ濃度とし、４０％、６０％、９７％のそれぞれの場合について、２次酸化剤流れの周波数を０．０１７Ｈｚ〜１００Ｈｚの範囲で変化させて、ＮＯＸ排出量を測定した。結果を図１２に示す。
【００６１】
なお、試験結果の解析にあたり、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％、６０％、９７％に固定し、通常燃焼させた場合のＮＯＸ排出量を測定し、この値をそれぞれの酸素濃度での基準値ＮＯＸ（ｒｅｆ）とした。
図１２において、横軸は、周波数を表しており、縦軸は、それぞれの濃度に対応した基準値ＮＯＸ（ｒｅｆ）によって規格された排出量を表している。
【００６２】
図１２から明らかなように、酸素濃度の変化に影響されることなく、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。
なお、実施例３においてもＣＯ濃度を測定したこところ、実施例１や実施例２と同様に、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った。
【００６３】
（実施例４）
次に、実施例４では、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。ＮＯＸ排出量を測定した結果を図１３に示す。なお、図１３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。
【００６４】
図１３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４においてもＣＯ濃度を測定したこところ、実施例１ないし実施例３と同様に、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った。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
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】
【００６６】
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
【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、前記燃料流れを中心とした対称な位置から噴出する複数の２次酸化剤流れとからなり、
前記複数の２次酸化剤流れを、個々に周期的変化をもって流量を変化して噴出することを特徴とするバーナの燃焼方法。
【請求項２】
前記２次酸化剤流れ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１に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項３】
前記２次酸化剤流れの流速が、秒速２０ｍ以上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１次酸化剤流れに含まれる酸素の流量と前記２次酸化剤流れに含まれる酸素の流量の合計量に対する、前記１次酸化剤流れに含まれる酸素の流量の比率が、１０％以上７０％以下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】
前記燃料流れ及び前記１次酸化剤流れを、周期的変化をもって流量を変化して噴出す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】
前記燃料流れの周期的変化の周波数と、前記１次酸化剤流れの周期的変化の周波数とが、同じであることを特徴とする請求項５に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項７】
前記燃料流れの周期的変化と、前記１次酸化剤流れの周期的変化との位相差がπ／２で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】
前記酸化剤流れ中の酸素以外のガスの主成分が、窒素ガスであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項９】
前記酸化剤流れ中の酸素以外のガスの主成分が、炭酸ガスであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
【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、前記燃料流れを中心とした対称な位置から噴出する複数の２次酸化剤流れとからなり、
前記複数の２次酸化剤流れを、個々に周期的変化をもって流量を変化して噴出することを特徴とするバーナの燃焼方法。
【請求項２】
前記２次酸化剤流れ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１に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項３】
前記２次酸化剤流れの流速が、秒速２０ｍ以上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１次酸化剤流れに含まれる酸素の流量と前記２次酸化剤流れに含まれる酸素の流量の合計量に対する、前記１次酸化剤流れに含まれる酸素の流量の比率が、１０％以上７０％以下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】
前記燃料流れ及び前記１次酸化剤流れを、周期的変化をもって流量を変化して噴出す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】
前記燃料流れの周期的変化の周波数と、前記１次酸化剤流れの周期的変化の周波数とが、同じであることを特徴とする請求項５に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項７】
前記燃料流れの周期的変化と、前記１次酸化剤流れの周期的変化との位相差がπ／２で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】
前記酸化剤流れ中の酸素以外のガスの主成分が、窒素ガスであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のバーナの燃焼方法。
【請求項９】
前記酸化剤流れ中の酸素以外のガスの主成分が、炭酸ガスであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項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１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−８３０４５（Ｐ２０１２−８３０４５Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３０６０１（Ｐ２０１０−２３０６０１）
【出願日】平成２２年１０月１３日（２０１０．１０．１３）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１３日（２０１０．１０．１３）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
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