JP2000506255A - 高伝熱低ＮＯｘ燃焼システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 燃料／酸化剤混合物の燃焼方法および燃焼装置では、燃料の少なくとも一部が予熱され（２１ａ）、その後、燃料リッチ領域を有する炎内の燃料の残りの部分とともに燃焼させ（２１ｂ）、その結果生ずる炎（２２）内にすすを生成して、高伝熱、低ＮＯｘの輝炎を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】 高伝熱低ＮＯｘ燃焼システム 発明の背景 技術分野 本発明は、炎内のすすの形成および炎輝度を高めるように、酸素に富んだ燃料 、好ましくは天然ガスを予熱して燃焼させる装置および方法に関する。 従来技術の説明 今日、新しい環境的な要求が、新しい燃焼方法および燃焼装置の開発の主要な 推進力となっている。コストを抑制して製品品質を維持するように努めながら排 気ガスを減少させる製造が強いられている。例えば、ガラス工業は、ＮＯｘ排気 ガスをかなり減少させる必要性に直面している。これに応答して、高性能燃焼シ ステム、酸素富化、酸素−燃料燃焼が開発されている。燃料と酸素が実質的に窒 素を含まない場合には、ＮＯｘ排気ガスをかなり減少させることができる。しか し、より高いコストの効率的なプロセスによって生成された燃料および酸素には 窒素が見られることが多い。原料を混合するガラスなどの原料および工業炉への 浸透によっても、炎内に窒素を導入することができる。その結果、これらの窒素 源はいずれも、ＮＯｘ排気ガスを増加させ、燃焼プロセスにおいて酸素を使用す ることから得られるＮＯｘの減少という利益の部分を打ち消し得る。また、酸素 の高いコストのため、および燃焼排ガスからのかなり有効な熱回収がないために 、操作コストも増大し得る。従って、酸素に富んだ燃料の燃焼を使用する場合に は、炎から加熱される負荷までの伝熱を向上させ、燃焼プロセスによって燃焼排 ガスからの熱を回収することによってＮＯｘ排気ガスを減少する必要があるのは 明らかである。 米国特許第５，０５７，１３３号および第４，９０９，７２７号には、燃焼用 の燃焼室に連続的に導入される改質および／または熱分解した燃料を生成するた めに、予熱によって燃料を改良することを教示している。米国特許第５，０５７ ，１３３号は、酸素に富んだガラス溶融炉から炉廃熱を使用して、燃料を部分的 に改質する改質装置を加熱し、合成ガスを生成し、この合成ガスを連続的にガス 溶融炉で燃焼させることを教示している。米国特許第４，９０９，７２７号は、 酸素に富んだ空気を使用して、燃焼する燃料の一部を熱分解して、すすを含む熱 分解した燃料を生成し、この熱分解した燃料を燃料の第二の部分とともに連続的 に燃焼室に導入し、高い輝炎を生成する燃焼プロセスを教示している。米国特許 第５，２１６，９６８号は、主燃焼室から離れた室内で燃料ガスをその燃料ガス の着火温度以上の温度まで予熱して、主燃焼室に予熱した燃料ガスを導入して、 そこで酸素を含むガスと混合して燃焼させることによって、燃焼プロセスにおい てＮＯｘ排気ガスを減少させることを教示している。 燃焼プロセスからＮＯｘ排気ガスを減少させる他の方法が米国特許第５，１３ ９，７５５号および第５，１８０，３００号によって教示されている。米国特許 第５，１３９，７５５号は、燃焼プロセスの再燃焼領域に燃料を含む還元剤を導 入して酸素の不足した再燃焼領域を生成して、ＮＯｘ排気ガスを還元する再燃焼 プロセスについて教示している。米国特許第５，１８０，３００号は、燃料を多 段階で燃焼させ、燃焼プロセスによって生成された燃料排ガスを燃焼領域に再循 環させるために、燃焼空気を予熱する復熱ベッドを有する低ＮＯｘ復熱バーナに ついて教示している。 米国特許第４，４８８，８６６号は、最初に燃料を処理してＳＯｘ前駆物質を 除去し、次に二工程プロセスで燃焼させ、第一の燃料リッチ段階に続いて第二の 燃料リッチ段階が行われる、高窒素高硫黄燃料の燃焼プロセスおよび燃料装置に ついて教示している。米国特許第５，０４３，２３２号は、燃料電池発電システ ムに使用する熱交換器で燃料を予熱する燃料電池発電システムについて使用する ガスおよび液体燃料に適した燃料処理システムについて教示している。 米国特許第５，１６１，３６６号は、予燃焼器からの燃焼生成物を燃焼触媒の 存在下で炭化水素燃焼と混合し、予燃焼器を停止した後に着火して触媒燃焼反応 を開始する、予燃焼器を備えたガスタービン触媒燃焼器について教示している。 最後に、米国特許３，９７５，１３８号は、液体燃料を熱分解して炭化水素ガス を生成して燃焼させるオイルバーナについて教示している。 上述したいずれの従来技術も、ＮＯｘ排気ガスの減少と、燃料予熱のために工 業的酸素を使用する炎からの伝熱の改良との組合せを同時に扱うものはない。 発明の概要 従って、本発明は、炎輝度を高める燃焼方法および燃焼装置を提供することを 目的とする。 また、本発明は、ＮＯｘ排気ガスの少ない燃料の燃焼方法および燃焼装置を提 供することを目的とする。 本発明のこれらの目的および他の目的は、燃料の少なくとも一部を予熱し、予熱 した燃料を、燃料の残りの部分および前記燃料の完全燃焼に必要な酸化剤の少な くとも一部と混合し、この混合物を、完全燃焼のために十分な酸素の存在なく約 ２０００°Ｆ以上まで燃料の一部がさらに加熱されて燃料の一部を熱分解してす すを生成する燃料リッチ領域が炎内に形成されるように燃焼させる、燃料／酸化 物混合物の燃焼方法によって達成される。これらの領域は、すすを生成する炎内 において一次酸化剤および燃料の混合を制御することによって形成される。炎内 のすすの生成によって、炎輝度の高い炎を生じ、それによって炎から処理される 負荷まで伝熱を向上させ、ＮＯｘの生成を減少させる。本発明の実施例によれば 、燃料は天然ガスであり、酸化剤は酸素または酸素に富んだ空気である。 この方法によれば、燃料の予熱は、炉熱回収システムにおいて行われる。即ち 、 燃焼プロセスから排気された燃料排ガスを熱交換し、あるいは、燃料の一部を酸 化剤とともに予燃焼させ、その結果生ずる予燃焼生成物内の熱の少なくとも一部 を熱交換器を介して間接的に燃料の残りの部分に伝達し、あるいは、予燃焼生成 物を燃料の残りの部分と直接混合することによって行われる。 本発明によれば、燃料と酸化剤の燃焼装置は、前記燃料の少なくとも一部を予 熱する予熱手段と、予熱した燃料を前記燃料の完全燃焼に必要な酸化剤の少なく とも一部と混合する混合手段と、前記予熱した燃料と前記酸化剤と前記燃料の残 りの部分を燃焼させる燃焼手段とからなり、炎内ですすを生成し、炎輝度を高め 、それによって炎から処理される負荷までの伝熱を向上させ、ＮＯｘの生成を減 少させる。 図面の簡単な説明 本発明のこれらの特徴および目的、および他の特徴および目的は、図面ととも に示す以下の詳細な説明によってさらに良く理解されるであろう。 図１は、本発明の一実施例として、予燃焼器によって燃料を予熱する高伝熱低 ＮＯｘ酸素−燃料燃焼システムの概略側面図である。 図２は、本発明の他の実施例として、低気圧性室の形態で予燃焼器によって燃 料を予熱する高伝熱低ＮＯｘ酸素−燃料燃焼システムの概略側面図である。 図３は、本発明の他の実施例としての炎内ですすの形成を促進する段階で二次 酸化剤を供給する、高伝熱低ＮＯｘ酸素−燃料燃焼システムの概略側面図である 。 図４は、本発明の他の実施例として、すべての燃料を予熱する高伝熱低ＮＯｘ 酸素−燃料燃焼システムの概略側面図である。 図５は、図１または図２に示すシステムを有する蓄熱工業炉の一部の概略図で あり、蓄熱工業炉の熱回収システムによる燃料の予熱を示す。 実施例の説明 本発明のプロセスに従って予熱された燃料を使用すると、窒素存在下でＮＯｘ の排出を減少させ、その結果生ずる炎から処理される負荷までの伝熱速度を向上 させ、燃焼プロセスからの高温燃焼排ガスの排出により生ずる熱損失を減少させ る。予熱された燃料、特に天然ガスは、より多くの輝炎を発生させ、伝熱を向上 させるとともに炎温度を低下させ、ＮＯｘの生成を減少させる。伝熱の向上によ り、生産性の増大のような利益が得られ、結局、より小さくコスト的に有効な炉 が得られる。これらの利益は、単独で、あるいは部分的に改質された高温ガスを 生成する回収熱交換器と組み合わせて、燃料を予熱するために燃焼排ガスからの 熱回収を使用すると、さらに大きくなる。 図１は、予燃焼領域に酸素を使用して、燃焼させる燃料の一部をバーナスペー ス内で別個に燃焼させる本発明のプロセスを利用する酸素−燃料バーナの設計の 概略図である。このようにして生成された高温ガスは、燃料の流れの残りの部分 を予熱領域で予熱するために使用される。次いで、予熱された燃料が燃焼用の炉 に供給される。この種の燃料は、適当な量の工業的酸素とともに燃焼させるとす すを生成し、炎輝度をかなり増大させ、伝熱を向上させ、ＮＯｘの放出を減少さ せることができる。 特に、本発明の一実施例によれば、燃焼プロセスで燃焼させる燃料の第一の部 分を予燃焼器燃料入口２３ａから予燃焼器２５に導入するとともに、予燃焼酸化 剤、好ましくは酸素または酸素に富んだ空気を予燃焼器酸化剤入口２４ａから予 燃焼器２５に導入し、その結果生ずる酸化剤−燃料混合物を燃焼させて、燃料予 燃焼領域２０を形成する。燃焼プロセスで燃焼させる燃料の残りの部分を一次燃 焼燃料入口２３ｂから第一の燃料予熱領域２１ａに導入し、次いで第二の燃料予 熱領域２１ｂに導入して、燃料予燃焼領域２０からの予燃焼生成物と混合して、 燃料の残りの部分が予熱される。第一の燃料予熱領域２１ａおよび第二の燃料予 熱領域２１ｂ内の燃料の予熱は、流れる燃料および酸化剤によって過熱されない ように保護する金属壁によってこれらの領域を形成する燃焼器を利用することに よって高めてもよい。その結果生ずる予熱された燃料は、主燃焼領域２２におい て、一次燃焼酸化剤入口２４ｂから主燃焼領域２２に導入される一次燃焼酸化剤 と順次混合される。燃焼効率をさらに高めるために、一次燃焼酸化剤入口２４ｂ から導入される一次燃焼酸化剤を、酸化剤予熱領域２１ｃで間接手段によって予 熱してもよい。一次燃焼酸化剤と予熱された燃料との混合を制御することによっ て、主燃焼領域２２の炎内にすすが生成され、良好な伝熱特性を有する高い輝炎 を生成する。また、炎内にすすを生成するとともに炎から処理される負荷までの 伝熱を向上させることにより、実質的にＮＯｘの放出をかなり生成するのに必要 なレベル以下に炎温度が維持される。混合を制御することによって、迅速かつ乱 流の大きい混合とは反対の遅くて実質的に乱流のない混合を行い、それによって 完全燃焼のために十分な酸素を存在させずに燃料の少なくとも一部をさらに約２ ０００°Ｆ以上まで加熱する炎内に燃料リッチ領域を生成し、それによって燃料 の一部を熱分解してすすを生成する。 本発明の他の実施例では、図２に示すように、低気圧性室３０を予燃焼器とし て使用し、燃料および酸化剤を予め混合し、あるいは燃焼生成物に渦流を加える ように低気圧性室３０に直接導入する。本発明の一実施例によれば、予燃焼器と して低気圧性室３０を使用して、低気圧性室３０内の渦流パターンにより、高い 強度、有効な燃焼、低気圧性室３０内の低レベルのＮＯｘの放出、燃焼器の壁へ の高い伝熱、燃料予熱領域内の高い伝熱が得られる。 図３は、本発明のバーナのさらに他の実施例によって本発明のプロセスを利用 する酸素−燃料バーナの設計の概略図である。図３に示す実施例によれば、酸化 剤入口２４ｂに導入された第二の酸化剤を主燃焼領域２２に多段階で供給し、そ れぞれ矢印２６および２７で示すように、この酸化剤の第一の部分を主燃焼領域 ２２の上流端の燃焼器出口に最も近い所で混合するとともに、この酸化剤の第二 の部分をその下流で混合する。燃焼器出口の予熱した燃料／酸化剤混合物の温度 は、好ましくは１８００°Ｆ乃至２４００°Ｆの範囲である。この温度範囲内の 操作が、炎内のＮＯｘの生成を最小にするために重要である。また、第二の酸化 物を主燃焼領域２２に多段階で導入すると、炎の中心部内に燃料リッチ領域を生 成し、それによって炎内のすすの生成を促進するとともに、炎中心部を取り囲む 酸化剤リッチ領域を生成して、燃料の完全燃焼を確実にする。これは、炎内のす すの生成を高めるとともに輝炎を生成するために、燃料と酸化剤の制御された混 合の一つの例を示している。 図４は、本発明のバーナのさらに他の実施例によって本発明のプロセスを利用 する酸素−燃料バーナの設計の概略図である。他の実施例と対比して、この実施 例によれば、全ての燃料を一段階で燃焼器に導入して、燃料の完全燃焼に必要な 酸化剤の一部と混合し、燃料の一部の部分燃焼を生ずるとともに、燃料の残りの 部分を予熱する。その結果生ずる部分燃焼の生成物と燃焼器出口端に最も近い所 で予熱された燃料の生成物との混合物の温度は、好ましくは１８００°Ｆ乃至２ ４００°Ｆである。次いで、第二の酸化剤を酸化剤入口２４ｂから燃焼器に導入 し、低気圧性燃焼室３０を取り囲む環状領域を介して燃焼器出口端まで通し、部 分燃焼の生成物と予熱した燃料の生成物との混合物を覆って、主燃焼領域２２に すすを生成するとともに、その結果生ずる炎の輝度を高めるようにする。 図５は、主酸化物として燃焼空気を利用して熱回収する炉の例として、図１に 示す高伝熱低ＮＯｘ酸素−燃料燃焼システムを使用する蓄熱ガラス溶融器の概略 図である。本発明のこの実施例によれば、蓄熱ガラス溶融器４０内で燃焼させる 燃料を、蓄熱器４１からの廃熱を利用して熱交換器４２内で１０００°Ｆまで予 熱し、次いで、二つの別個の流れとしてバーナに噴射する。一方の流れは、予燃 焼器２５内で酸化剤とともに燃焼して他方の流れを約２０００°Ｆまで予熱する ために使用される。次いで、その結果生ずる燃焼は、主燃焼領域２２内で燃焼空 気と混合して燃焼する。本発明が復熱炉のような他のタイプの熱回収付炉に使用 できることは当業者にとって明らかである。 上記明細書において、本発明を実施例に関して説明し、説明のために多くのこ とを詳述したが、本発明を他の別の実施例に適用することが可能であり、ここで 詳述したもののいくらかは本発明の基本的な原理から逸脱することなくかなり変 更できることは、当業者にとって明らかである。

【手続補正書】 【提出日】１９９８年９月３日（１９９８．９．３） 【補正内容】 請求の範囲 １． 燃焼されるべき燃料の一部が予熱され、予熱された前記燃料の一部は前 記燃料の残りの部分及び前記燃料の完全燃焼に必要な酸化剤の少なくとも一部と 混合され、着火され、炎を生成する、燃料と酸化剤との混合物の燃焼方法におい て、 前記予熱された燃料の一部は、空気中の酸素の量よりも多い酸素量を有する予 燃焼酸化剤で前記燃焼されるべき燃料の第一の部分を予燃焼することによって予 熱され、予燃焼生成物を生成し、 予熱された前記燃料は、前記燃料の残りの部分、前記燃料の完全燃焼に必要な 酸化剤の少なくとも一部、及び前記予燃焼生成物と混合され、着火され、前記炎 を生成し、 前記炎内にすすを生成して輝炎を生成することを特徴とする、燃料と酸化剤と の混合物の燃焼方法。 ２． 前記燃料は天然ガスであることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３． 前記酸化剤は酸素及び酸素に富んだ空気からなる群から選ばれることを 特徴とする請求項１記載の方法。 ４． 前記燃料は炉熱回収システムにおいて予熱されることを特徴とする請求 項１記載の方法。 ５． 前記燃料は多段階で予熱され、第一の段階は、炉熱回収システム内で予 熱する工程を有し、第二の段階は、前記第一の段階からの前記燃料の少なくとも 一部を、空気中の酸素の量よりも多い酸素量を有する前記予燃焼酸化剤で予燃焼 することによって予熱し、前記予燃焼生成物を生成し、前記予燃焼生成物を、前 記第一の段階からの前記燃料の残りの部分と混合する工程を有することを特徴と する請求項１記載の方法。 ６． 前記燃料は前記第１の段階において１０００°Ｆまで予熱されることを 特徴とする請求項５記載の方法。 ７． 前記炎内の前記すすの生成は混合を制御することによって行われること を特徴とする請求項１記載の方法。 ８． 前記燃料は約７００°Ｆ乃至２４００°Ｆの温度まで予熱されることを 特徴とする請求項１記載の方法。 ９． 前記予燃焼は低気圧性室内で行われることを特徴とする請求項５記載の 方法。 １０． 前記酸化剤の少なくとも一部は予熱されることを特徴とする請求項１ 記載の方法。 １１． 前記酸化剤は約１０００°Ｆまで予熱されることを特徴とする請求項 １０記載の方法。 １２． 燃料の少なくとも一部を予熱するための予熱手段と、予熱された燃料 を前記燃料の完全燃焼に必要な酸化剤の少なくとも一部と混合する混合手段と、 前記予熱された燃料及び前記酸化剤及び前記燃料の残りの部分を燃焼するための 燃焼手段と、を備えた、燃料と酸化剤との混合物の燃焼装置において、 前記予熱手段は炉熱回収システム又は予燃焼器を有し、前記予燃焼器は予混合 低気圧性酸素／天然ガス室であり、前記燃焼手段は、前記燃焼手段により生成さ れた炎内にすすを生成するように、前記予熱された燃料及び酸化剤の混合を制御 するための手段を有することを特徴とする、燃料と酸化剤との混合物の燃焼装置 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロマン、イー．グロスマン アメリカ合衆国イリノイ州、ロムバード、 ハンター、ストリート、1125

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 燃料と酸化剤との混合物の燃焼方法において、 前記燃料の少なくとも一部を予熱し、 前記予熱した燃料を、前記燃料の残りの部分および前記燃料の完全燃焼に必要 な酸化剤の少なくとも一部と混合し、前記混合物を着火して炎を生成し、 前記炎内にすすを生成して輝炎を生成することを特徴とする、燃料と酸化剤と の混合物の燃焼方法。 ２． 前記燃料が天然ガスであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 ３． 前記酸化剤が酸素および酸素に富んだ空気からなる群から選ばれること を特徴とする、請求項１に記載の方法。 ４． 前記燃料が炉熱回収システムにおいて予熱されることを特徴とする、請 求項１に記載の方法。 ５． 空気中の酸素量よりも多い酸素量を有する予燃焼酸化剤で前記燃料の前 記一部の第一の部分を予燃焼し、予燃焼生成物を生成し、前記予燃焼生成物を前 記燃料の前記一部の前記残りの部分と混合することによって、前記燃料の前記少 なくとも一部を予熱することを特徴とする、請求項１に記載の方法。 ６． 前記燃料を多段階で予熱し、第一の段階が、炉熱回収システム内で予熱 することからなり、第二の段階が、前記第一の段階からの前記燃料の第一の部分 を空気中の酸素量より多い酸素量を有する予燃焼酸化剤で予燃焼させることによ って予熱し、前記予燃焼生成物を前記第一の段階からの前記燃料の残りの部分と 混合することからなることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 ７． 前記燃料が前記第１の段階において１０００°Ｆまで予熱されることを 特徴とする、請求項６に記載の方法。 ８． 前記炎内の前記すすの生成が混合を制御することによって行われること を特徴とする、請求項１に記載の方法。 ９． 前記燃料が約７００°Ｆ乃至約２４００°Ｆの温度まで予熱されること を特徴とする、請求項１に記載の方法。 １０． 前記予燃焼が低気圧性室内で行われることを特徴とする、請求項５に 記載の方法。 １１． 前記酸化剤の少なくとも一部が予熱されることを特徴とする、請求項 １に記載の方法。 １２． 前記酸化剤が約１０００°Ｆまで予熱されることを特徴とする、請求 項１１に記載の方法。 １３． 燃料と酸化剤の混合物の燃焼装置において、 前記燃料の少なくとも一部を予熱する予熱手段と、 予熱した燃料を前記燃料の完全燃焼に必要な酸化剤の少なくとも一部と混合す る混合手段と、 前記予熱した燃料と前記酸化剤と前記燃料の残りの部分を燃焼させる燃焼手段 とからなる、燃料と酸化剤の混合物の燃焼装置。 １４． 前記予熱手段が炉熱回収システムおよび予燃焼器の一つからなること を特徴とする、請求項１３に記載の装置。 １５． 前記予燃焼器が予混合低気圧性酸素／天然ガス室であることを特徴と する、請求項１４に記載の装置。 １６． 前記燃焼手段が、前記燃焼手段によって生成された炎内にすすを生成 する手段からなることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。