JP4551971B2 - 高温空気燃焼技術を用いた反応炉 - Google Patents

Description

本発明は、高温空気燃焼技術を用いた反応炉及び該反応炉で使用するのに適した燃料ガス燃焼装置に関するものである。

例えば、特開２００５−４６７５３号公報には、高温空気燃焼技術を用いた反応炉の従来例が示されている。高温空気燃焼技術を用いた反応炉で使用する燃料ガス燃焼装置は、燃料ガスを燃焼室内に噴射するバーナ構造体と交番式熱交換型燃焼用空気供給装置（以下燃焼用空気供給装置と言う場合がある）とを備えている。また特開平１０−２０５７４３号公報には、燃焼用空気供給装置に設けられた熱交換用の通気性を有する蓄熱体で高炉ガス、臭気ガス等の低カロリー燃料ガスを加熱して燃焼する燃焼装置が示されている。この燃焼装置では、高カロリー燃料ガスを燃料とするパイロットバーナを着火用のバーナとして利用して、低カロリー燃料ガスを燃焼させる。この公報に示されたパイロットバーナでは、燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と同心的に配置された燃焼用空気供給管から燃焼用空気を燃料ガスと一緒に炉内に噴射している。なおパイロットバーナは、着火用であるが、着火直後から炉内の温度が低炉温（例えば５００〜６００℃以下）間における、燃焼の安定維持のためにも使用される。炉内の温度が高温に達した後は、パイロットバーナの消火が可能である。しかしながら、低カロリー燃料ガスのカロリーでは、高温空気燃焼状態を作ることができない。そのため、燃料を連続供給し且つ蓄熱手段で加熱された燃焼用空気で燃料ガスの燃焼を行う燃料ガス燃焼装置では、高カロリー燃料ガスを燃料ガスとするバーナ構造体から噴射した高カロリー燃料ガスと、交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置により高温に加熱した燃焼用空気とを高温空気燃焼場で交わらせて燃焼させている。

また燃料ガス燃焼装置では、高カロリー燃料ガスを燃料ガスとするバーナ構造体から噴射した高カロリー燃料ガスと、熱交換型燃焼用空気供給装置により高温に加熱した燃焼用空気とを高温空気燃焼場で混合して燃焼させている。なお低カロリー燃料ガスを燃料ガスとして用いることも考えられる。しかしながら、その場合には大量の低カロリー燃料ガスを必要とする上、大量の低カロリー燃料ガスを高い温度に加熱して供給することは難しい。そのため従来の燃料ガス燃焼装置では、低カロリーガスの使用が困難であった。

また交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置を用いて加熱された燃焼用空気を燃料ガス燃焼装置に供給する場合には、排気される燃焼排ガスと一緒に未燃燃料ガスが排出される可能性がある。そこで特開平９−２７３７４１号公報等に示されるように、燃料ガスの噴射口を燃焼排ガス排出口よりも炉内側に位置させることが提案されている。
特開２００５−４６７５３号公報 特開平１０−２０５７４３号公報 特開平９−２７３７４１号公報

従来の高温空気燃焼技術を用いた反応炉では、高温空気燃焼状態を得ることに主眼が置かれていた。そのため、プラントにおいて発生する各種の低カロリーの燃料ガスのように発熱量の低い燃料ガスを利用することは、高カロリー燃料ガスと比べて低カロリーの燃料ガスの発熱量が低すぎるために、従来は、高温空気燃焼技術に適用する検討も行われていなかった。燃料ガスの発熱量が違った場合には、高温空気燃焼時において燃焼が完結せず、未燃分のＣＯが排出されることも考えられる。

本発明の目的は、低カロリー燃焼ガスを有効に利用することができて、しかも排気ガス中のＣＯ濃度を低減することができる高温空気燃焼技術を用いた反応炉を提供することにある。

本発明の他の目的は、高温空気燃焼技術を用いる場合において、低カロリー燃料ガスを有効に利用することができる燃料ガス燃焼装置を提供することにある。

上記目的に加えて、本発明の他の目的は、排熱回収性能を低下させることなく、排気ガス中のＣＯ濃度を低減することができる燃料ガス燃焼装置を提供することにある。

本発明の高温空気燃焼技術を用いた反応炉では、使用する複数台の燃料ガス燃焼装置として、燃料ガスを燃焼室内に連続して噴射するバーナ構造体と、交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置とを備えたものを用いる。この種の燃料ガス燃焼装置は、燃焼連続式空気供給交番型燃料ガス燃焼装置と呼ばれる。複数台の燃焼ガス燃焼装置は、所定の間隔をあけて配置されている。この交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置は、二つの通気口を備えて、二つの通気口が交互に燃焼排ガス排出口または高温空気供給口となるように切り替え動作を行う。この燃焼用空気供給装置では、１つの蓄熱手段に燃焼用空気と排気ガスとを交互に流して、燃焼用空気を蓄熱手段の顕熱で加熱する。このような交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置については、例えば、特開平５−２５６４２３号公報及び特開平６−１１１２１号公報等に示されている。交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置は、一方の通気口を燃焼排ガス排出口として利用して、燃焼室内の燃焼排ガスを一方の通気口から通気性を有する蓄熱手段を通して燃焼室外に排出する。そして交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置は、他方の通気口を高温空気供給口として利用して、他方の通気口を通して蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を燃焼室内に供給する。燃焼用空気は、一般的に蓄熱手段の顕熱で８００℃以上の高温に加熱される。なお高カロリー燃料ガスと混合される予燃焼空気として、この８００℃以上に加熱された燃焼用空気の一部を利用してもよいのは勿論である。

本発明では、バーナ構造体として、高カロリー燃料ガスと予燃焼空気とが混合されて高カロリー燃料ガスの一部が燃焼している高温の予燃焼高カロリー燃料ガスを連続して噴出する予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口と、低カロリー燃料ガスを連続して噴射する複数の低カロリー燃料ガス噴出口とを備えた構造のものを用いる。複数の低カロリー燃料ガス噴出口は、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口を囲む領域に分散して配置されている。そして本発明では、予燃焼高カロリー燃料ガスと燃焼用空気とが混合を開始する混合開始領域に低カロリー燃料ガスが到達するまでの間に、低カロリー燃料ガスが予燃焼高カロリー燃料ガスの熱で予熱され、混合開始領域において予燃焼高カロリー燃料ガスと低カロリー燃料ガスとが本格的に一緒に燃焼するようにバーナ構造体を構成する。すなわち予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口と複数の低カロリー燃料ガス噴出口との位置関係が適宜に定められる。なお燃料ガスの燃焼は、混合開始領域だけでなくその周囲の高温空気燃焼場において当然にして行われている。また当然にして、交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置から供給される燃焼用空気の速度（流速）も適宜に定められることになる。

高カロリー燃料ガスは予燃焼空気と混合し一部燃焼しているため、前述の混合開始領域に到達する高カロリー燃料ガスの温度は、所定の温度まで上昇している。しかしながら低カロリー燃料ガスは、高カロリー燃料ガスと比べて容量が大きいため、高カロリー燃料ガスと同様に、常温の予燃焼空気と混合し一部燃焼しただけでは温度を上昇させることは難しい。そこで本発明では、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口の周囲に、複数の低カロリー燃料ガス噴出口を分散して配置することにより、予燃焼高カロリー燃料ガスの流れに沿って低カロリー燃料ガスを混合開始領域に供給できるようにしている。そして予燃焼高カロリー燃料ガスの熱で、低カロリー燃料ガスは混合開始領域に到達するまでの間に加熱された状態となる。その結果、本発明によれば、予燃焼空気により加熱された高カロリー燃料ガスと低カロリー燃料ガスとが、混合開始領域で燃焼用空気と交わって、効率よく燃焼することになる。よって本発明によれば、高温空気燃焼技術を用いる場合においても、低カロリー燃料ガスを有効利用できる。

特に、本発明の反応炉では、交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置で、燃焼用空気の供給及び燃焼排ガスの排出を８０〜２００ｍ／secの速度で行う。そしてこの場合において、複数台の燃料ガス燃焼装置の高温空気供給口から供給される空気量Ｑ１と複数台の燃料ガス燃焼装置の高カロリー燃料ガスに混合される予燃焼空気の空気量Ｑ２との合計量（Ｑ１＋Ｑ２）を、燃焼に必要な理論空気量Ｑｓの１．０２〜１．１０倍とし、Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）が０．０１１〜０．０４７の範囲の値になるようにする。前述の構造の交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置を用いる場合に、空気量に関して、このような条件設定をすると、安定した燃焼を行って、ＣＯの排出量を少なくして、しかも燃料ガスの使用効率を高めることができる。これらの数値範囲は、安定した燃焼を得られることを条件として、ＣＯの排出量を少なくして、しかも燃料ガスの使用効率を高めることができる範囲を試験によって求めた結果である。したがってそれぞれの数値範囲に関して、個別に臨界的な意義を論じることは意味がない。

複数の低カロリー燃料ガス噴出口を、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口を中心にして仮想円上に周方向に等間隔あけて配置すると、低カロリー燃料ガスが予燃焼高カロリー燃料ガスの周囲を、バランス良く流れることになり、複数本の低カロリー燃料ガスの流れが予燃焼高カロリー燃料ガスの流れを大きく乱すことがない。そのため安定した高温空気燃焼を得ることができる。

なお予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口及び低カロリー燃料ガス噴出口は、二つの通気口よりも燃焼室内に突出して配置されているのが好ましい。このようにすると、予燃焼高カロリー燃料ガス及び低カロリー燃料ガスを混合開始領域に到達させ易くなる。その結果、低カロリー燃料ガスの利用効率を高めることができる。なおこの場合、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口及び低カロリー燃料ガス噴出口の位置と、二つの通気口の位置との間の高さ寸法Ｌ２及び予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口の中心と二つの通気口のそれぞれの中心との間の距離Ｌ１とは、次の条件を満たす長さにする。すなわち第１の条件は、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口及び低カロリー燃料ガス噴出口から噴出した燃料ガスの一部が、混合開始領域に到達する前に燃焼排ガス排出口として利用される通気口から排出されるのを抑制できる長さに設定することである。また第２の条件は、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口及び低カロリー燃料ガス噴出口から噴出した燃料ガスによって、燃焼排ガス排出口に燃焼排ガスが吸引されるのを部分的に妨げる長さに設定することである。第１の条件が満たされると、予燃焼高カロリー燃料ガス及び低カロリー燃料ガスが通気口から排出されて燃焼室以外で燃焼することを防止することができる。また第２の条件が満たされると、燃焼排ガス排出口として利用される通気口に向かう燃焼排ガスの一部を燃料ガスと一緒に再度混合開始領域に戻して再燃焼することができるため、燃焼排ガス中に含まれる未燃焼ガス（ＣＯ，Ｈなど）の排出量を小さく押さえることができ、炉内の循環を増やして炉内の温度の均一性を高めることができる。

二つの通気口及び予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口は、中央に予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口が位置するように一列に並んでいるのが好ましい。この場合において、燃焼用空気の供給及び燃焼排ガスの排出が８０〜２００ｍ／secの速度（流速）でなされる場合には、二つの通気口のそれぞれと予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口との間の距離Ｌ１を、３５０〜５００ｍｍとし、また後述する耐火筒の高さ寸法Ｌ２を、５０〜６００ｍｍとするのが好ましい。また二つの通気口のそれぞれの中心と予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口の中心との間の距離Ｌ１を、３５０〜５００ｍｍの値とする場合には、二つの通気口間の距離ＰＣＤ（Ｌ１の２倍の距離）と、それぞれの通気口の直径Ｄａとの比ＰＣＤ／Ｄａが３〜６．５の値となるように距離ＰＣＤ及び直径Ｄａを設定するのが好ましい。但し、この比ＰＣＤ／Ｄａを定めるには、まず距離ＰＣＤを７００ｍｍとしたときに速度を８０〜２００ｍ／secの範囲で変化させたときに設定可能な比ＰＣＤ／Ｄａと速度（流速）との関係を示す下限対応関係と定める。そして距離ＰＣＤを１０００ｍｍとしたときに速度を８０〜２００ｍ／secの範囲で変化させたときに設定可能な比ＰＣＤ／Ｄａと速度（流速）との関係を上限対応関係と定める。そして比ＰＣＤ／Ｄａと流速との対応関係が、下限対応関係と上限対応関係との間の対応関係となるように距離ＰＣＤ及び直径Ｄａを設定すればよい。このようにして比ＰＣＤ／Ｄａと流速との対応関係を定めれば、前述の第１及び第２の条件が満たされて、高温空気燃焼場において、安定して、予燃焼高カロリー燃料ガスと低カロリー燃料ガスを燃焼させることができる。

またバーナ構造体は以下の構造を有する耐火筒を備えているのが好ましい。本願明細書では、耐火筒は横断面形状の輪郭が円形になる筒に限定されるものではない。この耐火筒は、中央に予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口及び該予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口につながる予燃焼室を有している。そして耐火筒は、予燃焼室の底部に高カロリー燃料ガス噴出口と予燃焼空気噴出口とを備えている。また耐火筒は、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口を囲むように周方向に所定の間隔をあけて配置された複数の低カロリー燃料ガス噴出口及び予燃焼室を囲むように配置され且つ複数の低カロリー燃料ガス噴出口につながる低カロリー燃料ガス通路を備えている。バーナ構造体が、このような耐火筒を備えていると、簡単な構造で、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口と複数の低カロリー燃料ガス噴出口とを所定の位置関係に配置することができる。

本発明の燃料ガス燃焼装置は、燃料ガスを燃焼室内に連続して噴射するバーナ構造体と、交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置とを備えている。交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置は、二つの通気口を備えて、二つの通気口を交互に燃焼排ガス排出口または高温空気供給口として利用する。交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置は、一方の通気口を燃焼排ガス排出口として利用して、燃焼室内の燃焼排ガスを一方の通気口から通気性を有する蓄熱手段を通して燃焼室外に排出する。そして交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置は、他方の通気口を高温空気供給口として利用して、他方の通気口を通して蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を燃焼室内に供給する。

本発明で使用する予燃焼空気は、交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置から排出される燃焼排ガスの熱を利用して加熱することができる。このようにすると、冷たい予燃焼空気ではなく、加熱された予燃焼空気が燃焼室内に入ることになり、炉効率を上げることができる。具体的には、交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置を、二つの通気口と二つの蓄熱手段との間に設けられた二つの流路の間に、予燃焼空気が通る予燃焼空気流路を設ける。そして、予燃焼空気流路と二つの流路との間で熱伝達を可能にすればよい。

（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ燃料ガス燃焼装置を改質用反応炉に適用する場合におけるバーナ及び通気口複合構造体と反応管との配置関係の一例を示す図である。 バーナ及び通気口複合構造体の平面図である。 バーナ及び通気口複合構造体の部分斜視図である。 バーナ及び通気口複合構造体の構成部分の一部断面図と、その下方に配置される交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置の構成との関係を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、解析モデルに基づいて、燃焼用空気の供給及び燃焼排ガスの排出を２００ｍ／secとし、距離Ｌ１を５００ｍｍとし、耐火筒の高さ寸法Ｌ２を０ｍｍと２００ｍｍとした場合において、シミュレーションにより解析したときの燃焼状態を模擬的に示す図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、燃焼室内のガスの流れをシミュレーションにより求めた結果を模擬的に示す図である。 通気口空気流速を８０〜２００ｍ／secの範囲で変化させたときに設定可能な比ＰＣＤ／Ｄａと流速との関係を求めた結果を示す図である。 空気比と予燃焼空気量比とを変えて燃焼を行った場合における燃焼結果を表にして示す図である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ本発明の高温空気燃焼技術を用いた反応炉の実施の形態における後に詳しく説明するバーナ及び通気口複合構造体１と反応管Ｐとの配置関係の一例を示す図である。また図２はバーナ及び通気口複合構造体１の平面図であり、図３はバーナ及び通気口複合構造体１の部分斜視図である。バーナ及び通気口複合構造体１は、燃焼排ガス排出口または高温空気供給口として利用される二つの通気口２及び３と、バーナ構造体４とが、耐火性を有する耐火構造部材５に支持されてセットになった構造を有している。

図１（Ａ）及び（Ｂ）において、符号６で示したものは、内部に燃焼室７を有する炉本体である。炉本体６は、底壁（炉床）６ａ及び上壁（炉天井）６ｂと、横方向に位置する一対の側壁６ｃ及び６ｄと、幅方向に位置する一対の側壁６ｅ及び６ｆとを備えている。炉本体６の底壁（炉床）６ａは、図示しない支持構造部によって支持されている。そして炉本体６の底壁６ａと上壁６ｂとを貫通するように、複数本の反応管Ｐが配置されている。この実施の形態では、それぞれ複数本（図上は１２本）の反応管Ｐからなる２列の反応管列８Ａ及び８Ｂが、距離Ｌをあけて平行に配置されている。この例では１列の反応管列に含まれる、隣り合う２本の反応管Ｐ，Ｐ間の距離はほぼ等しくなるように、複数の反応管Ｐが配置されている。この例では、炉本体６の底壁６ａに、６台のバーナ及び通気口複合構造体１が配置されている。

図４は、バーナ及び通気口複合構造体１の構成部分の一部断面図（図２のIV−IV線断面図）と、その下方に配置される熱交換型燃焼用空気供給装置９の主要部分の構成との関係を示す図である。交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置９は、燃焼室７内の燃焼排ガスを二つの流路Ｆ１，Ｆ２と通気性を有する蓄熱手段１０または１１を通して炉外に排出し且つ蓄熱手段１０または１１の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を複数の反応管Ｐの管軸方向（反応管が延びる方向）に沿って燃焼室７内に供給する。通気口２及び３につながった給排気通路２Ａ及び３Ａには具体的な構造を図示しないダクト構造体内の流路Ｆ１及びＦ２が接続されている。これらの流路Ｆ１及びＦ２は、給排気通路２Ａ及び３Ａを通る燃焼排ガスを蓄熱手段１０及び１１に案内し、また蓄熱手段１０及び１１で加熱された燃焼用空気を給排気通路２Ａ及び３Ａへと案内する。なお図４に示すように、ダクト構造体は、二つの流路Ｆ１及びＦ２を通る燃焼排ガスまたは燃焼用空気の熱を利用して後述する予燃焼空気流路１９を通る空気を加熱できるように構成されている。ダクト構造体において、二つの流路Ｆ１及びＦ２と予燃焼空気流路１９との間は、熱伝達可能に構成されている。このように構成すると、燃焼排ガスや燃焼用空気の熱が、予燃焼空気の加熱にも利用され、加熱された予燃焼空気が燃焼室７内に入ることにより、炉効率を上げることができる。

図４に示された状態は、通気口３が高温空気供給口として利用され、通気口２が燃焼排ガス排出口として利用されているときであり、このときの流体の流れを矢印で示してある。蓄熱手段１０及び１１のいずれを燃焼用空気の加熱用として利用するか（または燃焼排ガスの熱を蓄熱用として利用するか否か）は、ダクト構造の途中に設けられた切替制御弁１２及び１３の切替動作を制御する切替制御装置１５の制御により決定される。切替制御弁１２及び１３は、蓄熱手段１０及び１１を押込送風機１６及び誘引送風機１７のいずれか一方に接続するために使用される。

図４に示すように、通気口３が高温空気供給口として利用され、通気口２が燃焼排ガス排出口として利用されているときには、切替制御弁１２は蓄熱手段１１を送風機１６に接続し、切替制御弁１３は蓄熱手段１０を誘引送風機１７に接続する。また通気口２が高温空気供給口として利用され、通気口３が燃焼排ガス排出口として利用されているときには、切替制御弁１２は蓄熱手段１１を誘引送風機１７に接続し、切替制御弁１３は蓄熱手段１０を押込送風機１６に接続する。本例では、燃焼用空気は、蓄熱手段の顕熱で８００℃以上の高温に加熱されている。

バーナ構造体４は、高カロリー燃料ガスと予燃焼空気とが混合された予燃焼高カロリー燃料ガスを噴出する予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口２０と、低カロリー燃料ガスを噴射する４つの低カロリー燃料ガス噴出口２１とを備えている。予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口２０及び４つの低カロリー燃料ガス噴出口２１は、耐火材料によって一体に形成された耐火筒２３に形成されている。この耐火筒２３は、中央に予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口２０及びこの予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口２０につながる予燃焼室２４を有している。また耐火筒２３は、予燃焼室２４の底部２５に高カロリー燃料ガス噴出口２６と予燃焼空気噴出口１８とを備えている。この実施の形態では、耐火筒２３の底部２５を、予燃焼空気が流れる外管２７と、高カロリー燃料ガスが流れる内管２８とが同心的に配置されて構成された二重管が貫通している。なお図４には、図示していないが、図２に示すように、外管２７の先端部と内管２８の先端部との間には予燃焼空気ノズル２９が嵌合されている。予燃焼室２４内では、予燃焼空気と高カロリー燃料ガスとが混合され高カロリー燃料ガスの一部が燃焼している高温の予燃焼高カロリー燃料ガスが生成されている。この予燃焼高カロリー燃料ガスの一部は、予燃焼空気によって一部燃焼しているが、大部分は未燃焼のまま後述する燃焼室７内の混合開始領域ＣＡまで到達する。なお外管２７と内管２８は、耐火構造部材５の内部を延びている。なお燃焼動作時には、内管２８に、図示しない高カロリー燃料ガス（天然ガス等）源から絞り弁等の流量制御手段を介して連続して高カロリー燃焼ガスが供給される。

また耐火筒２３には、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口２０を囲むように周方向に所定の間隔をあけて配置された４つの低カロリー燃料ガス噴出口２１と、予燃焼室２４を囲むように配置され且つ４つの低カロリー燃料ガス噴出口２１につながる４本の低カロリー燃料ガス通路３０とが形成されている。４本の低カロリー燃料ガス通路３０は、耐火構造部材５の内部に配置された４本の低カロリー燃料ガス延長通路３１と連結されている。なお４本の低カロリー燃料ガス延長通路３１には、プラントから出る各種の低カロリー燃焼ガスが絞り弁等の流量制御手段を介して連続して供給される。反応炉が水素生成プラントであれば、水素精製時の改質ガスから製品水素を抽出した後のオフガス（水素を含むパージガス）を、この低カロリー燃料ガスとして利用可能である。この例では、４つの低カロリー燃料ガス噴出口２１は、周方向に９０度ずつ間隔をあけて形成されているが、低カロリー燃料ガス噴出口２１は予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口２０を囲む領域に分散して配置されていてもよい。すなわち複数の低カロリー燃料ガス噴出口２１を不等間隔で配置してもよいのは勿論である。

予燃焼高カロリー燃料ガスと通気口２または３から供給される燃焼用空気とは、バーナ及び通気口複合構造体１の上方に形成される混合開始領域ＣＡ［図１（Ｂ）参照］で交わる。低カロリー燃料ガス噴出口２１から噴出される低カロリー燃料ガスは、混合開始領域ＣＡに到達するまでの間に、予燃焼高カロリー燃料ガスの熱で予熱され、また一部が燃焼する。混合開始領域ＣＡに到達した、予燃焼高カロリー燃料ガスと低カロリー燃料ガスとは、混合開始領域ＣＡで燃焼用空気と混合されて、本格的に燃焼を開始するようにバーナ構造体の各部の寸法と各ガスの噴射速度、そして燃焼用空気の噴射速度が定められている。

次に、図２及び図４に示した、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口２０及び低カロリー燃料ガス噴出口２１の位置と、二つの通気口２及び３の位置との間の高さ寸法Ｌ２及び予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口２０の中心と二つの通気口２及び３の中心との間の距離Ｌ１の好ましい関係について説明する。これらの距離Ｌ１及び高さ寸法Ｌ２については、次の２つの条件を満たす長さに設定するのが好ましい。すなわち第１の条件は、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口２０及び低カロリー燃料ガス噴出口２１から噴出した燃料ガスが、高温空気燃焼場に到達する前に燃焼排ガス排出口として利用される通気口２または３から排出されるのを抑制できる長さにすることである。ここで高温空気燃焼場とは、混合開始領域ＣＡよりも上に形成されて高温空気で燃焼が行われる燃焼場である。また第２の条件は、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口２０及び低カロリー燃料ガス噴出口２１から噴出した燃料ガスが、燃焼排ガス排出口に燃焼排ガスが吸引されるのを部分的に妨げる長さに設定することである。前述の距離Ｌ１を、これら第１及び第２の条件を満たす長さに設定すると、燃焼排ガス排出口として利用される通気口に向かう燃焼排ガスの一部を燃料ガスと一緒に再度高温空気燃焼場に戻して再燃焼することができるため、燃焼排ガス中に含まれる未燃焼ガス（ＣＯ，炭化水素など）の量を、小さくすることができる。

具体的には、燃焼用空気の供給及び燃焼排ガスの排出を８０〜２００ｍ／secの速度でするものとする。そして二つの通気口２及び３のそれぞれの中心線と予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口２０の中心線との間の距離Ｌ１は、３５０〜５００ｍｍとする。また耐火筒２３の高さ寸法Ｌ２を、５０〜６００ｍｍとする。さらにＬ１／Ｌ２が、１〜１０の値になるようにする。特にＬ１／Ｌ２が、２〜５になるようにすると、燃焼室７の内部である程度の量の燃焼排ガスが循環して再度燃焼する再循環現象が発生するので、燃焼排ガス中のＣＯの量を小さくすることができる効果が高くなる。また二つの通気口２及び３の中心間の距離ＰＣＤ＝２Ｌ１と、それぞれの通気口の直径Ｄａとの比ＰＣＤ／Ｄａを３〜６．５とするのが好ましい。このような数値範囲を採用すると、高温空気燃焼場において、安定して、予燃焼高カロリー燃料ガスと低カロリー燃料ガスを燃焼させることができる。

以下上記の数値範囲の根拠について説明する。図５（Ａ）及び（Ｂ）は、解析モデルに基づいて、燃焼用空気の供給及び燃焼排ガスの排出を２００ｍ／secとし、距離Ｌ１を５００ｍｍとし、耐火筒２３の高さ寸法Ｌ２を０ｍｍ（筒なし）及び２００ｍｍとした場合において、シミュレーションにより解析したときの燃焼状態を模擬的に示す図である。図５（Ａ）及び（Ｂ）を対比すると分かるように、耐火筒２３が無い場合（Ｌ２＝０ｍｍ）には、燃料ガスの一部が通気口に引き込まれているのが分かる。また下記の表１は、耐火筒２３の高さ寸法と排出される燃焼排ガス中のＣＯ濃度を示している。

表１を見ると、耐火筒２３の高さ寸法Ｌ２を４００ｍｍにした場合に、ＣＯ濃度が最も低下することが分かる。実用上の観点から見ると、高さ寸法Ｌ２は５０〜６００ｍｍの範囲が好ましい。耐火筒２３の好ましい高さ寸法は、ＣＯ濃度の低減の目標値の定め方によって異なってくる。耐火筒２３の高さ寸法が５０ｍｍの場合でも、０ｍｍの場合と比べてＣＯ濃度は、３０％以上低減している。このレベルでも実用上の観点からは、十分である。また表１には、高さ寸法Ｌ２が６００ｍｍより長い場合について記載していないが、高さ寸法Ｌ２をこれ以上長くすると、燃焼排ガス排出口として利用される通気口に向かう燃焼排ガスの一部を燃料ガスと一緒に再度高温空気燃焼場に戻して再燃焼させる効果が低下するため、高さ寸法Ｌ２の上限は６００ｍｍとしている。

図６（Ａ）乃至（Ｃ）は、図５と同じ条件における燃焼室７内のガスの流れをシミュレーションにより求めた結果を示す模式図である。この図からわかるように、耐火筒２３の高さ寸法を２００ｍｍと４００ｍｍにした場合には、燃焼排ガス排出口に吸い込まれようとする燃焼排ガスが、燃料ガスの流れに沿って戻る現象（再循環現象）が明確に発生している。これに対して耐火筒２３の高さ寸法を６００ｍｍにすると、この再循環現象が発生しづらくなって、燃焼排ガスの大部分が排出されるような状態が始まる。なお耐火筒２３が無い場合には、燃料ガスの一部が燃焼排ガス排出口から直接排出されるため、ＣＯ濃度は大幅に大きくなる。

二つの通気口２及び３のそれぞれの中心と予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口２０の中心との間の距離Ｌ１は、短すぎてもまた長すぎても、耐火筒２３の効果（再循環現象の発生）がほとんどなくなる。この距離Ｌ１の適当な数値範囲は、３５０〜５００ｍｍである。この数値範囲は、二つの通気口２及び３の中心間の距離ＰＣＤ＝２Ｌ１と、それぞれの通気口の直径Ｄａとの比ＰＣＤ／Ｄａを３〜６．５とすることが好ましいことが試験により確認されたこと、及びＬ１／Ｌ２を１から１０の値とすることが好ましいことが試験により確認されたことに基づいて定められた。

図７に示す曲線Ｃ１乃至Ｃ３は、それぞれ前述の耐火筒２３の高さ寸法を前述の数値範囲内の２００ｍｍとし、二つの通気口２及び３の中心間の距離ＰＣＤ＝２Ｌ１を７００ｍｍ、８７０ｍｍ及び１０００ｍｍとし、それぞれの距離ＰＣＤを固定したときに燃焼用空気の供給及び燃焼排ガスの排出の速度すなわち流速［通気口空気流速］を８０〜２００ｍ／secの範囲で変化させたときに設定可能な比ＰＣＤ／Ｄａと流速との関係を求めた結果を示している。曲線Ｃ１が示す対応関係は、距離ＰＣＤを７００ｍｍとしたときに速度を８０〜２００ｍ／secの範囲で変化させたときに設定可能な比ＰＣＤ／Ｄａと流速との関係を示す下限対応関係である。この下限対応関係より下の領域Ｒ１に含まれる対応関係では、燃料ガスと空気とが接近した位置において、急速に混合されるため、促進燃焼となり、燃焼排ガス中のＮＯｘが増加することになる。曲線Ｃ３が示す対応関係は、距離ＰＣＤを１０００ｍｍとしたときに速度を８０〜２００ｍ／secの範囲で変化させたときに設定可能な比ＰＣＤ／Ｄａと流速との関係を示す上限対応関係である。また図７において、上下方向に延びる直線ＳＬ１が示す範囲は、燃焼排ガスの排出速度（通気口空気流速）を８０ｍ／sec一定としたときに、距離ＰＣＤを７００〜１０００ｍｍの範囲で変化させたときに設定可能な比ＰＣＤ／Ｄａの適正範囲である。この直線ＳＬ１よりも左側の領域及び曲線Ｃ３よりも上の領域Ｒ２に含まれる対応関係では、燃料ガスと空気との混合不良が発生して、燃焼が不安定となる。図７において、上下方向に延びる直線ＳＬ２が示す範囲は、燃焼排ガスの排出速度（通気口空気流速）を２００ｍ／sec一定としたときに、距離ＰＣＤを７００〜１０００ｍｍの範囲で変化させたときに設定可能な比ＰＣＤ／Ｄａの適正範囲である。この直線ＳＬ２よりも右の領域Ｒ４に含まれる対応関係では、空気流速が速いために、火炎の吹き飛びが発生して、燃焼が不安定となる。曲線Ｃ２は、比ＰＣＤ／Ｄａと流速との対応関係が、下限対応関係と上限対応関係との間の対応関係となっている。この領域Ｒ１と領域Ｒ２と領域Ｒ４との間の領域Ｒ３に入る対応関係となるように、比ＰＣＤ／Ｄａと流速との対応関係を定めれば、前述の第１及び第２の条件が満たされて、良好な燃焼を得ることができる。耐火筒２３の高さ寸法を変えた場合も、図７と同様の傾向が得られる。

なお低カロリー燃料ガスの有効利用という観点から見ると、再循環現象の発生は、必ずしも重要ではない。すなわち低カロリー燃料ガスの有効利用という観点から見ると、低カロリー燃料ガスを確実に加熱して、高温空気燃焼場で燃焼させることができればよい。高カロリー燃料ガスは予燃焼空気と予め混合して一部燃焼するため、高温空気燃焼場中の混合開始領域ＣＡに到達する高カロリー燃料ガスの温度は、所定の温度まで上昇している。しかしながら低カロリー燃料ガスは、高カロリー燃料ガスと比べてボリュームが大きいため、高カロリー燃料ガスと同様に、予燃焼空気と混合し一部燃焼して温度を上昇させることは難しい。そこで本実施の形態のように、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口２０の周囲に、複数の低カロリー燃料ガス噴出口２１を分散して配置することにより、予燃焼高カロリー燃料ガスの流れに沿って低カロリー燃料ガスを高温空気燃焼場の混合開始領域ＣＡに供給できるようにすると、予燃焼高カロリー燃料ガスの熱で、低カロリー燃料ガスは加熱された状態となる。その結果、予燃焼空気により一部燃焼した高温の高カロリー燃料ガスと低カロリー燃料ガスとが、高温空気燃焼場の混合開始領域ＣＡで燃焼用空気と交わって、効率よく燃焼することになる。よって本実施の形態によれば、高温空気燃焼技術を用いる場合においても、高温空気燃焼に影響を与えることなく、低カロリー燃料ガスを有効利用できる。

特に、本実施の形態のように、複数の低カロリー燃料ガス噴出口２１を、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口２０を中心とし、仮想円上に周方向に等間隔あけて配置すると、低カロリー燃料ガスが予燃焼高カロリー燃料ガスの周囲を、バランス良く流れることになり、複数本の低カロリー燃料ガスの流れが予燃焼高カロリー燃料ガスの流れを大きく乱すことがない。そのため安定した高温空気燃焼を得ることができる。

図１の本実施の形態の反応炉において、交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置９における燃焼用空気の供給及び燃焼排ガスの排出を８０〜２００ｍ／secの速度で行う場合において、次のように燃焼用空気と予燃焼空気との空気比を定めることにより、燃焼排ガス中のＣＯの排出量を少なくして、しかも燃料ガスの使用効率を高めることができる。また使用した燃料ガス燃焼装置の具体的な条件は、前述の具体的なシミュレーションを行ったものの条件と同じにした。

使用する空気比については、複数台の燃料ガス燃焼装置における高温空気供給口（２または３）から供給される燃焼用空気の空気量Ｑ１と複数台の燃料ガス燃焼装置の高カロリー燃料ガスに混合される予燃焼空気の空気量Ｑ２との合計量（Ｑ１＋Ｑ２）を、燃焼に必要な理論空気量Ｑｓの１．０２〜１．１０倍とし、Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）が０．０１１〜０．０４７の範囲の値になるようするのが好ましい。前述の構造の燃料ガス燃焼装置を用いる場合に、空気量に関して、このような条件設定をすると、安定した燃焼を行って、ＣＯの排出量を少なくして、しかも燃料ガスの使用効率を高めることができることがシミュレーションと試験によって確認されている。

図８は、予燃焼空気量比＝Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）を０，０．００３８，０．００７５，０．０１１，０．０１５，０．０２３，０．０３５，０．０４７とした場合に、空気比λ＝（Ｑ１＋Ｑ２）／Ｑｓを変えて、燃焼状態を確認した結果を示す表である。この表から、安定燃焼（図８の○印参照）を得るためには、燃焼用空気の空気量Ｑ１と複数台の燃料ガス燃焼装置の高カロリー燃料ガスに混合される予燃焼空気の空気量Ｑ２との合計量（Ｑ１＋Ｑ２）を、燃焼に必要な理論空気量Ｑｓの１．０２〜１．１０倍とし、予燃焼空気量比＝Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）が０．０１１〜０．０４７の範囲の値になるようにするのが好ましいことが分かる。図８から分かるように、これらの数値範囲を外れると、不完全燃焼または不安定燃焼の傾向が現れるか（図８中の△印参照）、不完全燃焼または不安定燃焼状態になる（図８の×印参照）。不完全燃焼または不安定燃焼の傾向が現れた場合には、燃焼排ガス中のＣＯ濃度は増加し、不完全燃焼または不安定燃焼状態になった場合にはさらに燃焼排ガス中のＣＯ濃度は増加する。

なお上記燃焼条件の範囲であれば、目標効率６０％以上の輻射部熱効率ηが得られることが確認されている。なお輻射部熱効率ηは、η＝Ｑｄ÷Ｑｆ×１００＝（Ｑｆ−Ｑｗ−Ｑｌ）÷Ｑｆ×１００の計算式で計算される。Ｑｆは燃焼量、Ｑｄは輻射部での吸収熱量、Ｑｗは炉壁からの放熱量、Ｑｌは排ガスが系外へ持ち去る熱量である。

なお上記の燃焼条件は、反応炉の燃焼室が大きくなって、燃焼室の大きさに応じて高温空気燃焼を得るために必要な燃料ガス燃焼装置の台数を増やした場合にも、適用できる条件である。

本発明によれば、複数台の燃料ガス燃焼装置の高温空気供給口から供給される空気量Ｑ１と複数台の燃料ガス燃焼装置の高カロリー燃料ガスに混合される予燃焼空気の空気量Ｑ２との合計量（Ｑ１＋Ｑ２）を、燃焼に必要な理論空気量Ｑｓの１．０２〜１．１０倍とし、かつＱ２／（Ｑ１＋Ｑ２）が０．０１１〜０．０４７の範囲の値になるようにしたので、安定した燃焼を行って、ＣＯの排出量を少なくして、しかも燃料ガスの使用効率を高めることができる利点が得られる。

また本発明の燃料ガス燃焼装置によれば、高カロリー燃料ガスと予燃焼空気とが混合されて高カロリー燃料ガスの一部が燃焼している高温の予燃焼高カロリー燃料ガスによって低カロリー燃料ガスが予熱された状態で、高温空気燃焼場中の混合開始領域に到達し、混合開始領域において予燃焼高カロリー燃料ガスと予熱された低カロリー燃料ガスとが燃焼用空気と交わって、両燃料ガスが本格的に一緒に燃焼を開始できるので、燃料ガスを効率よく燃焼させることができる。よって本発明によれば、高温空気燃焼技術を用いる場合においても、高温空気燃焼に影響を与えることなく、低カロリー燃料ガスを有効利用できる。また本発明によれば、特定のバーナ構造体を用いることにより、燃焼排ガス中のＣＯ濃度を大幅に低減できる。

Claims (5)

1. 燃料ガスを燃焼室内に連続して噴射するバーナ構造体と、
   二つの通気口を有し、一方の前記通気口を燃焼排ガス排出口として利用して、前記燃焼室内の燃焼排ガスを前記一方の通気口から通気性を有する蓄熱手段を通して前記燃焼室外に排出し且つ他方の前記通気口を高温空気供給口として利用して、前記他方の通気口を通して前記蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を前記燃焼室内に供給し、前記二つの通気口が交互に前記燃焼排ガス排出口または前記高温空気供給口となるように切り替え動作が行われる交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置とを備え、
   前記バーナ構造体は、高カロリー燃料ガスと予燃焼空気とが混合されて前記高カロリー燃料ガスの一部が燃焼している高温の予燃焼高カロリー燃料ガスを連続して噴出する予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口と、前記予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口を囲む領域に分散して配置されて、低カロリー燃料ガスを連続して噴射する複数の低カロリー燃料ガス噴出口とを備えている燃料ガス燃焼装置が、所定の間隔をあけて複数台配置されている高温空気燃焼技術を用いた反応炉であって、
   前記燃料ガス燃焼装置の前記バーナ構造体は、中央に前記予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口及び該予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口につながる予燃焼室を有し、前記予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口を囲むように周方向に所定の間隔をあけて配置された前記複数の低カロリー燃料ガス噴出口及び前記予燃焼室を囲むように配置され且つ前記複数の低カロリー燃料ガス噴出口につながる低カロリー燃料ガス通路とを備えた耐火筒を備えており、
   前記耐火筒は前記予燃焼室の底部に高カロリー燃料ガス噴出口と予燃焼空気噴出口とを備えており、
   前記燃料ガス燃焼装置は、前記予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口及び前記低カロリー燃料ガス噴出口の位置と、前記二つの通気口の位置との間の高さ寸法（Ｌ２）が５０〜６００ｍｍであり、前記予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口の中心線と前記二つの通気口のそれぞれの中心線との間の距離（Ｌ１）が３５０〜５００ｍｍであり、
   前記交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置では、前記燃焼用空気の供給及び前記燃焼排ガスの排出が８０〜２００ｍ／secの速度でなされ、
   前記複数台の燃料ガス燃焼装置の前記高温空気供給口から供給される空気量Ｑ１と前記複数台の燃料ガス燃焼装置の前記高カロリー燃料ガスに混合される前記予燃焼空気の空気量Ｑ２との合計量（Ｑ１＋Ｑ２）が、燃焼に必要な理論空気量Ｑｓの１．０２〜１．１０倍であり、かつＱ２／（Ｑ１＋Ｑ２）が０．０１１〜０．０４７の範囲の値となることを特徴とする高温空気燃焼技術を用いた反応炉。
2. 燃料ガスを燃焼室内に連続して噴射するバーナ構造体と、
   二つの通気口を有し、一方の前記通気口を燃焼排ガス排出口として利用して、前記燃焼室内の燃焼排ガスを前記一方の通気口から通気性を有する蓄熱手段を通して前記燃焼室外に排出し且つ他方の前記通気口を高温空気供給口として利用して、前記他方の通気口を通して前記蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を前記燃焼室内に供給し、前記二つの通気口が交互に前記燃焼排ガス排出口または前記高温空気供給口となるように切り替え動作が行われる交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置とを備え、
   前記バーナ構造体は、高カロリー燃料ガスと予燃焼空気とが混合されて前記高カロリー燃料ガスの一部が燃焼している高温の予燃焼高カロリー燃料ガスを連続して噴出する予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口と、前記予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口を囲む領域に分散して配置されて、低カロリー燃料ガスを連続して噴射する複数の低カロリー燃料ガス噴出口とを備えており、
   前記バーナ構造体は、中央に前記予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口及び該予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口につながる予燃焼室を有し、前記予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口を囲むように周方向に所定の間隔をあけて配置された前記複数の低カロリー燃料ガス噴出口及び前記予燃焼室を囲むように配置され且つ前記複数の低カロリー燃料ガス噴出口につながる低カロリー燃料ガス通路を備えた耐火筒を備えており、
   前記耐火筒の前記予燃焼室の底部に高カロリー燃料ガス噴出口と予燃焼空気噴出口とを備えており、
   前記燃料ガス燃焼装置は、前記予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口及び前記低カロリー燃料ガス噴出口の位置と、前記二つの通気口の位置との間の高さ寸法Ｌ２が５０〜６００ｍｍであり、前記予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口の中心線と前記二つの通気口のそれぞれの中心線との間の距離Ｌ１が３５０〜５００ｍｍであることを特徴とする燃料ガス燃焼装置。
3. 前記複数の低カロリー燃料ガス噴出口が、前記予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口を中心に仮想円上に周方向に等間隔あけて配置されている請求項２に記載の燃料ガス燃焼装置。
4. 前記予燃焼空気は、前記交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置から排出される前記燃焼排ガスの熱を利用して加熱されている請求項２に記載の燃料ガス燃焼装置。
5. 前記交番式熱交換型の燃焼用空気供給装置は、前記二つの通気口と二つの前記蓄熱手段との間に設けられた二つの流路の間に、該二つの流路との間で熱伝達可能に設けられた前記予燃焼空気が通る予燃焼空気流路を備えている請求項４に記載の燃料ガス燃焼装置。