JPS5813802B2 - 水素・炭化水素ガス混焼によるＮＯｘ抑制燃焼法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水素の燃焼における窒素酸化物（以下ＮＯｘと
記載する）の発生抑制法に関するものである。

水素は未来燃料として期待されているが、それは前提と
して水素がクリーンな燃料であることによる。

ところが現実には、水素の燃焼においては燃焼三大公害
といわれるばいじん、硫黄酸化物及び窒素酸化物の発生
のうち前二者については無害保障が確実なものの、ＮＯ
ｘについては全くその保障がない。

特に高い予混合空気比で水素を燃焼したときは発生ＮＯ
ｘ濃度が極めて低く、水素は抜群の低ＮＯｘ燃料である
といえるが予混合空気比０．４未満で燃焼したときは図
１のように炭化水素ガス等他の燃料に比し発生ＮＯｘ濃
度は著しく高く到底クリーンな燃料とはいえない。

しかも水素は極端に逆火し易い燃料であって予混合空気
比を高めて定常運転をすることは危険が大きい。

これは水素が低い空気比（約０．５〜０．７）において
燃焼速度が最犬になるという他の燃料に見られない特性
（炭化水素ガスの最大燃焼速度は空気比約１付近で現わ
れる）がもたらした結果であり不可避の現象である。

このように水素はＮＯｘの発生を抑制しようとすれば高
予混合空気比を採用する必要があり逆火の危険が増大し
、逆火を避けようとすれば低予混合空気比を採用する必
要がありＮＯｘの発生が大巾に増大するという難点を有
しているのである。

この現象は近時「水素炎のジレンマ」として問題化して
いる（たとえば日本ガス協会編「水素燃焼技術に関する
研究、昭和５１報告書」第１章２節２項、１９７７年）
。

逆火対策として決定的な手段が見出されない現状ｌこお
いては、水素燃焼は低い予混合空気比で使用せざるを得
ず、したがって、高いＮＯｘ発生度は避けられないこと
になる。

したがって水素炎のＮＯｘ抑制は水素燃料の利用におけ
るもつとも重大な技術的課題の一つとみなすことができ
る。

一方、炭化水素ガスの燃焼では一般に予混合空気比０．
５〜１が使用されている。

このような条件で炭化水素ガスの一部分を等カロリーの
量の水素（あるいは等しい酸素消費当量の水素）で置き
換えて混焼すると、発生ＮＯｘ はむしろ増大すること
が知られている。

そのため、一般に水素混焼はＮＯｘ抑制に不利という印
象が普及している。

しかして、本発明者は水素の拡散炎におけるＮＯｘ発生
の抑制について検討した結果、意外にも、予混合空気比
０．４未満の条件下で少量の炭化水素ガスを添加した場
合にはＮＯｘ の発生量を激減させうろことを見出し本
発明を完成するに至った。

即ち本発明は、水素に０．４以下の空気比で、酸素消費
量として３０当量％以下の炭化水素ガスを予め混合し、
これを燃焼せしめることよりなるＮＯｘ抑制燃焼法を提
供するものである。

系に添加する炭化水素ガスは常温で気体の炭化水素であ
れば飽和、不飽和いづれの炭化水素の使用も可能である
。

具体的にはメタン、エタン、エチレン、アセチレン、プ
０／々ン、フロピレン、ブタン等があるが、特に炭素数
３以上の炭化水素ガスが好ましく使用される。

水素炎の予混合空気比（λ，）は０．４以下であればい
つれでもよく、λ１＝０．４（完全な拡散炎）からλ１
−０であるものが対象とされるがλ１−０〜λ， ＝
０． ３の範囲が特に好ましい。

炭化水素ガスの添加量は水素の当量に対し３０当量％以
下、特に５〜２０当量％が好ましい。

ただし、ここでは当量とは炭化水素および水素の燃焼時
消費する酸素量によって示されるものとし、各ガス同容
積につき次のような値となる。

Ｈ２−１、ＣＨ４： ４、Ｃ２Ｈ２：５、Ｃ３Ｈ６：９
、Ｃ３Ｈ８：１０。

以下、実験結果に基づいて本発明を説明する。

第１図は、各種ガスの予混合空気比と発生ＮＯｘ濃度と
の関係を示す線図であり、各種ガスをそれぞれＨ２ １
０ｌ／分（ ２ ５ Ｋｃａｌ／分）と同じ当量になる
ように供給燃焼した炎についての測定値であって、ほぼ
同じ発熱量／分の実験値である。

一般に高い予混合空気比においては水素炎自体が第１図
に見られるようにすでにいちじるしい低ＮＯｘであるか
ら、炭化水素ガス添加は無用の措置である。

そこで低空気予混合条件に限って考察すると、第１図の
Ｈ２のＮＯｘ レベルはλ１＜０．４ではほぼ高レベ
ルで一定でありもつともＮＯｘ抑制技術の助けを要求し
ている。

また他の炭化水素ガスについては、Ｃ２Ｈ２の一部分を
例外として、λ１＜０．４では低いＮＯｘレベルにあっ
て大きな変動はない。

そこで水素に炭化水素ガスを少量混焼した場合、両ガス
のそれぞれ単独燃焼排煙のＮＯｘ レベルの重荷平均
値に比べてより高いかより減少しているかによって混焼
メリットの有無を検証する必要がある。

第２図は、水素と飽和炭化水素ガスとの混合系について
実測ＮＯｘ濃度と理論平均値（各ガスの単独燃焼排煙の
ＮＯｘ レベルの重荷平均値）濃度とを実線と点線で
対比したものである。

いずれの場合も実測ラインは理論ラインを下廻り、単焼
の和に比べて混焼の方がＮＯｘが減少することを明示し
ている。

第３図は、水素と不飽和炭化水素ガスとの混合系につい
ての同様な比較であり、同じく混焼の方がＮＯｘ低減と
なることを明示している。

第２図および第３図によって示された実測ＮＯｘ ラ
インの下方へのかたよりは次のようなことを示している
。

１）各線について、実線の下方への偏差が大きく現われ
るのはＸ≧７０、特にＸ＝８０〜Ｘ−９５の付近（水素
に炭化水素ガスを５〜２０当量％添加した域）である。

２）飽和、不飽和炭化水素の差はいちじるしくない。

混焼メリット（点線から実線が下方へ偏移すること）は
炭素数のより大きい炭化水素ほど大きい傾向がある。

以上述べたように本発明は水素に予混合空気比０．４以
下で、酸素消費量として３０当量％以下の炭化水素ガス
を混合し、これを燃焼させることを特徴とするものであ
る。

この結果、本発明によれば、予期に反して排煙中のＮＯ
ｘ濃度を、水素と炭化水素ガスを夫々単独で燃焼させた
ときの排煙中のＮＯｘ濃度の重荷平均値よりも著るしく
低く保つことができる。

かつ、本発明では予混合空気比を０．４以下にしたので
水素の逆火を防止しながら定常燃焼運転をすることもで
きる。

従って本発明によれば、従来、逆火の防止とＮＯｘ濃度
低下を両立せしめることが不可能であった水素燃焼時の
問題を一挙に解決することができ、クリーンな燃料とし
ての水素の地位を確立することができる。

更に本発明では、水素に混合される炭化水素ガスの混合
量が酸素消費量として３０当量％以下、すなわち容量％
として３％程度なので極く少量ですみ、水素コストを上
昇させることも少なく、本発明の実用的価値は更に高め
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は諸ガスのＮＯｘ発生の予混合空気比依存性を示
す線図である。 λ１：予混合空気比、ＮＯｘ：排煙中ＮＯｘ濃度（空気
比１換算） 第２図は水素〜メタン系および水素〜プロパン系混焼に
おけるＮＯｘ発生を示す線図である。 Ｘ：炭化水素ガスの混合ガス中の酸素消費当量率、ＮＯ
ｘ：第１図と同、−：実測ＮＯｘ値、・・・・・・・・
・：各単独ガス燃焼の排煙ＮＯｘ重荷平均値。 第３図は水素〜アセチレン系および水素〜プロピレン系
混焼におけるＮＯｘ発生を示す線図である。 ｘ，ＮＯｘ：第１図および第２図に準じる。 ， 五・・：第２図と同じ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水素に０．４以下の空気比で、酸素消費量として３
   ０当量％以下の炭化水素ガスを予め混合し、これを燃焼
   せしめることを特徴とする水素・炭化水素ガス混焼によ
   るＮＯｘ抑制燃焼法。