JPS58173302A - 低ＮＯｘ放出を伴う燃料ガスの燃焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分針〕 本発明は、増大された熱効率と鑞本酸化−（ＮＯｘ）の
少ない生成とを優るため予熱を利用してガス燃料を燃焼
させる方法および装置に関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

ガス燃焼における予熱の使用は、熱効率を増大させるが
、＊、ｔながらとのような燃焼は一般に燃焼生成物すな
わち煙道ガス中により多量のＮＯｘを生成することが知
られている。しえがつて、大気中へのＮＯ工の放出を制
限することに益々関心が深まり、かつ必要性が大きくな
っているので、ガス燃（Ｊ４における予熱の使用は制限
されつつあり、その結果熱効率の損失を生じている。し
かしながら、燃料価格の上昇はよプ大きいガス燃焼の熱
効率を達成するという希望を強調している。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、従来のガス燃焼に伴なう上記の欠点を
克服するガス燃料の燃焼方法および装置を提供すること
である。

〔発明の要点〕

上記全考慮して、本発明によれば、燃料ガスと燃焼媒体
との予備加熱混合物を形成し、この予備加熱混合物を多
孔質Ｉａ織バーナの多孔質繊維層に通し、前記燃料ガス
を前記繊維層の外部表面上で燃焼させて前記外部表面を
笑質的に火毀を伴なわずに白熱させ、それにより低ＮＯ
ｘ含量倉の熱煙道ガスを生成させることを特徴とする、
改良された熱効率と低ＮＯｘ生成とｔ達成する燃料ガス
の燃焼方法が提供さｎる。

〔発明の実施例〕

予熱は燃料ガスまたは燃焼媒体（通常空気ｌ或いはその
両者に施こすこと−できるが、大抵の場合燃焼媒体に施
こされる。たとえば、化学量論的においてさえ１容量の
メタン１ｒ燃焼させるには少なくとも約１０倍容量の空
気を必要とするので、熱効率においてメタンを予備加熱
すゐことにより殆んど利益が得られないことは明らかで
ある。さらに、＃１ば完全な燃焼を達成するには、しば
しば化学量論上必要な量より一般に約１０〜１５優過剰
の燃焼空気が使用さ１する。

したがって、燃料ガスを予備加熱する利益は減少する。

主としてメタンである天然ガスは燃料ガスとして豊富で
あシ、かつ広範に使用されるが、たとえばプロパンのよ
うなその他の炭化水素ガス４使用することができ、或い
は水系のみ、または−酸化炭素と共に或いはその混合物
を燃料ガスとして使用することもできる。精製ガスおよ
び埋立地ガスはガス混合物の例であって、燃料１１ｔｔ
１１１Ｍを有すると共に本発明によＪ）ｆｆｉ焼するこ
とができる。燃料ガスが主として水素および／ｌたは一
酸化炭素である場合、燃料ガスならびに燃焼用空気の予
備加熱が推奨される。何故なら、これは水素および／ま
たは一酸化炭素の１容量を燃焼させるのに僅か約２５倍
容量の空気しか必要としないからである。

多孔質繊維バーナは、その多孔質繊維層の外部表面にお
いて、無火炎の燃焼をもたらし、それにより外部表面を
白熱させると共に高割合の禰射熱を発生する。本発明を
実施するのに使用しうる無火炎の輻射バーナは、米１４
１許第４２７５，４９７号および直り８５，１５９号に
開示されている。粉末化アルミニウムを含有する多孔質
繊維バーナが米国特許１ｉ３，３８３，１５９号に開示
されており、これは−酸化炭素の生成を抑−ｊし、し九
がって本発明の目的にとってより好ましいものである。

しばしば−次空気および二次空気を供給して燃料ガスの
燃焼を行なう通常の火炎型バーナと異なり、燃＠に所望
される全空気は燃料ガスと混合された多孔質繊維バーナ
に通される。

一般に、燃焼反応体へ移行される予熱の量が大きい程、
熱効率における増大も大きくなｐ、この熱効率は本発明
の目的でＰまたは燃焼帯域中へ投入されて有用な熱に変
換される熱投入量のパーセント（創として定義される。

たとえば、炉が８０嚢の熱効率を要する場合、これは熱
投入量の２０優が主として戸外に排気される煙道ガス中
に熱として損失されること全意味する。

熱効率における損失の他の理由は、４道ガス中における
一戚化炭素、炭化水素、水嵩および煤（炭素）Ｋよって
証明されるような燃料ガスの不完全燃焼である。

測定を簡単かつ容易にする丸め、燃焼反応体へ加えられ
る予熱の量は、−明細書において予熱反応体の温度（°
Ｆ）として表わされる。住宅用炉は一般に煙道ガスｔ−
排気する前に、この熱煙道ガスと／Ｍｌ接的に熱交換す
るよう必要空気を通すことにより予備加熱さｔ１九燃焼
反応体を有するが、産業用および工業用のＦは多くの場
合。

燃焼反応体のための他の利用しうる予熱源を有し、すな
わち操作の廃熱を炉と組合せることができ或いは組合せ
なくともよい、この種の廃熱を利用して炉の煙道ガスか
ら生じる予熱を増加させ、或いは所望の予熱を全部供給
することができる。

大抵の場合、燃焼反応体に実用的に付与しうる予熱の量
は、全燃焼用空気の温度を約２００〜１，０ＯＯＴＯ軛
曲の値まで上昇させるであろう。２００°Ｆ未満の予熱
源ｔは、炉の熱効率を光分に増大させず、したがって熱
交換器の経費を台場化しない。Ｌ０００°Ｆ０００号熱
源＆け経隣的に４に達成さ１−１成る種の燃料ガスの場
合、これら燃焼反応体を多孔質繊維バーナに通す前Ｋｊ
＃前発火またはフラッシュ・バラクラ引起こすことがあ
る。

慣用の火炎屋バーナは、予熱温度が上昇するので煙道ガ
ス中のＭ４の量を急速に増大させることが知られている
。たとえば、６６０？の予熱源ｔにおいて、煙道ガスの
ＮＯｘ含有量は乾燥基準かつ酸素０憾に補正して煙道ガ
スの約２２０ｐｐｍであ）、また９００ｆｆの予熱温度
においてはＮＯｘ含有量は約３７０　ｐｒｉｎｔで上昇
する。これらの極めて高いＮＯｘ含有量と著しく対称的
Ｋ、米国特許＄１１４３８へ１５９号の多孔質繊維バー
ナの使用は何ら予１ｍを伴なわずに１６〜１７９９ｍの
ＮＯｘ含有量を有する煙道ガスを生成し、かつ燃焼用空
気を６６４？程度の高い温ｆまで予備加熱して４　ＮＯ
，含有量は１ａ７ｍ）りｍを越えて増大しなかつえ。明
らかに、火炎型バーナによる予熱は環境的に射光られな
いものであるが、多孔質繊維バーナを用いれば、これは
許容しうるたけてなく望首しいものとなる。何故なら、
４られる熱効率の増大は燃料を節約しようとする国家的
希望と一致するからである・ 以下１本発明を添付図面を参照して詳細に説明する。

第１図は、底部に多孔質繊維バーナ１１を備えた炉１０
ｆ：示している。燃焼反応体は配管１２を介してバーナ
１１へ流れ、この配管１２には配管１６によυ燃料ガス
と、配管１４によル予備加熱窒気とが供給される。無火
炎燃焼がバーナ１１の外部表面で起ヒシ、輻射熱と熱煙
道ガスとを発生する。水またはその他の所望の流体が炉
１０内の熱交換器コイル１５へ入口１６から流入し、コ
イル１５を流下して上昇熱煙道ガスから熱を抽出すると
共Ｋ、赤外線をバーナ１１から吸収する。このように加
熱された流体はコイル１５からその出口１７を介して流
出し、その目的用途に利用さｎる。冷却されるがまだ熱
い産道ガスは炉１ｏから配管１８を介して熱交Ｓ器１９
中へ放出される。バーナ１１へ供給さｔまた燃焼用空気
の全ては、入口２１を介して熱交換６１９におけるコイ
ル２ｏに流入し、煙道ガスに対し向流として流れ、ａ道
ガスは配管２２を介し交換器１９から流出する。このよ
うに予備加熱された燃焼用空気はコイル２ｏから配管１
４ｔ−介して配管１２に達しバーナ１１へ供給される。

燃焼用空気を予備加熱することから得らｎる利益を示す
ため、標準状１１立方フイー）！ｆＮ）１０００ＢＴＵ
（英ａｉｔ重量単位）の熱量を有する天然ガスと７０１
０周Ｓ温度を有する１５慢過剰の空気とで操作する住宅
用炉は８４優の熱効率を有し、かつ７５０１の温度にて
煙道ガスを放出する。＠１図に示すように煙道ガスを使
用して同量の燃焼用空気を４００°Ｆの温度まで予備加
熱すると、炉の熱効率は９１嚢まで増大する。同時に、
煙道ガスのＮＯｘの含有量は予熱により実質上変化せず
１両者の場合ＮＯｘ含有量は１８　ｐｐｍ未満である。

注目すべきことは、両者の場合多孔質繊維バーナからの
煙道ガスが一酸化炭木を含有せず、かつ５ｐｐｍ以下の
未燃焼炭化水嵩を含有する煙道ガスを生成することであ
る。

第２図は、天然ガスと７０°ＦのｌＩ４囲温度の１５−
過剰空気とで操作する炉の熱効率（横軸に屑囲Ｔ０組憾
として示す）がどのように燃焼用空気を４つの異なる一
度まで予備加熱することにより増大されるかを示すグラ
フである。２００゜５００．７５０および１０００で示
したグラフの直線は門孔質繊維バーナへ流れる燃焼用空
気の予熱温ｆ　（’Ｆ）　ｔ−示し、得られる熱効率の
増大はグラフの縦軸に示した予熱Ｔ、Ｅ、　ｓで＃！マ
れる・たとえば１周囲−７０＊　ｒ、ｉ、を有する炉は
燃焼用空気を５００″Ｆまで予熱する場合、予熱７６僑
Ｔ、Ｅ、をもたらす。周１１５５優ＴＪ、を有する他の
炉は、１５％過剰空気を温ｆ７５０°Ｆまで予備加熱す
ると、予熱６４僑を示す。さらに他の炉を用いれば、燃
焼用空気を温度７５０°Ｆまで予備加熱することによ勺
、周囲８Ｑ％Ｔ、ｌｉｉ。

は予熱９４僑’ｒ、ｎ、ｔで上昇する。

本発明に従って行なった試験は、さらに幾つかの有利な
特徴を示した。九とえば、米国特許第４３８４１５９号
の教示に従って多孔質繊維層をステンレス鋼のスクリ□
−ン上へ付着させて形成しかつ標準状態で１立方フィー
ト当り１０００ＢＴＵＬ７）熱量を有する天然ガスと共
に供給し九場合１時閲轟ヤ１ｏｏｏｎ’ｒｕの熱投入容
量を得るよう設計したバーナを、開放空気（炉内のもの
でない）においてバーナを用いる幾つかの燃焼試験に使
用した。これらの試験の全ては１０優過剰の空気で行な
つ九、１合され九空気と天然ガスとに対し８００　”Ｆ
に達する予熱ｍｆｔ用いると、バーナの輻射表面の温ｍ
＃ｉ、バーナに毎時３ＱＯＯＯｊ３ＴＵの速縦で天然ガ
スを供給し九場合、１７３０７の平均温度から約６０°
Ｆ以上変化しなかつえ、天然ガスの流れを毎時２ＱＯＯ
ＯＢＴＵ１Ｎで減少させると、バーナの輻射表面の温度
は、９６０°Ｆの予熱ａｍで操作する際１６５０°Ｆま
で減少した。したがって、多孔質繊維バーナは、熱投入
量をその設計容菫以下まで相当に減少さく丸場合成功４
に操作することができ、さらに約ｔ０００°Ｆｆｉで拡
張する予熱１度を用いかつ操作条件におけるこれらの変
化を伴なっても煙道ガスのＮＯｘ含有量は一般に約２０
ｐ−以下という寓〈程低い値ＷＣ＠まる。

燃料ガスが実質的に純粋な水素である場合、多孔質繊維
バーナの外部表面における水嵩−空気混合物の燃焼は、
多孔質繊維層を通って移動しかつ燃焼反応体の７ラツシ
ユパツクを引起こす傾向があると判明した。多孔質繊維
バーナにおけるフラッシュバックは、多孔質繊維バーナ
の内部表面近くに有孔セライック板（一般に金属スクリ
ーン）を設置し、バーナの内部表面に面するセライック
板の側部へ金フィルムを付着させることにより防止する
ことができる。有孔セライック板は、本発明の燃焼法を
実施する際。

燃料ガスが７ラツシユバツク傾向を示す時はいつでも使
用すべきである。

上記の説明は、操作条件における融通性を確立すると共
に、全ゆる場合に極めて低いＮＯｘ含有量を有する煙道
ガスを生成しかつ実質的に一酸化炭ｌＡを含有しない多
孔質繊維バーナの使用により可能にされる燃焼反応体に
与えられる予熱のｔｔ確立する。本発明の思想を逸脱す
ることなく、当業者には本発明の設計変更が明らかであ
ろう。たとえば、第１図の熱交換器１９におけるコイル
２０を通過してその予熱を得る燃焼用空気ｔ−，ａｍ温
度の空気と組合せ或いは別途の供給源からの廃熱で予備
加熱され良空気と組合せることもできる。同様に、コイ
ル２０と同様な空気加熱コイルを炉１０内に煙道ガスを
得るための出口配管１８の近傍に設けることＫより一１
別通Ｏ熱交換器１９を省略することもできる。

〔発明の効果〕

債鬼された熱効率を連成しかつＮＯｘ生成を抑制するた
めの燃料ガスの燃焼は、燃焼反応体へ予熱を加え次いで
多孔質繊維バーナの外部表面上での無火炎燃焼によｐ行
なわれる。好筐しくは、望まれる燃焼用空気の全部を無
火炎燃焼から住する煙道ガスとの間接的熱交換により予
備加熱し１次層で予備加熱され九空気を燃料ガスと混合
して多孔質繊維バーナへ供給する。燃焼反応体を予備加
熱するには、別途の利用しうる供給源からの廃熱を利用
することもできる。

かくして１本発明によれば、−道ガス中のＮＯｘ含有量
を少なく保ちながら熱効率を増大することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な具体例を示す燃焼装置の略図、 第２図は本発明により予熱を利用する炉の増大熱効率と
予熱を使用しない炉の熱効率との比較を示すダラスであ
る。 １０・・・炉　　　　　１１・・・繊維バーナ１２・・
・配　　　管　１３・−配　　　管１４・・・パ　　イ
　　プ　　１５・・・熱交換器コイル１６・・・入　　
　口　１７・・・出　　　口１８・・・配　　　管　１
９・・・熱交換器２０・・・コ　イ　ル　２１・・・入
　　　口２２・・・配　　　管 特許出願人　　　アルゼタ　コーポレーション　５１、
＝Ｄ 二＝＝Ｄ □ヨ二＝Ｄ 二Ｄ ＦＩＧ、　２ ｆ　［”ｙ’ｚｎ１ ６エ １０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　燃料ガスと燃焼媒体との予備加熱混合物を形
   成し、この予備加熱混合＊１多孔質繊維バーナの多孔質
   繊維層に通し、前記燃料ガスを前記繊維層の外部表面上
   で燃焼させて、前記外部表面を実質的に火炎を伴なわず
   に白熱させ、それにより低Ｎｏｘ含有量の熱煙道ガスを
   生成させることを４１黴とする改良された熱効率と低Ｎ
   Ｏｘ生成とを達成する燃料ガスの燃焼方法・ （２）熱煙道ガスを使用して、燃料ガスと燃焼媒体との
   温合物に予熱を与える特許請求の範囲菖１項記載の方法
   。 β）　燃焼媒体をＭＩ１１道ガスとの間接的熱交換によ
   り少なくとも２００°Ｆ（Ｑ温ｆまで空気加熱し、この
   ように加熱された空気を燃料ガスと混合して予備加熱混
   合物を形成し、こｆｉを多孔質繊維層に通す特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 （４）燃料ガスが天然ガスであり、かつ所望の燃焼用空
   気が理論上必要量の１５嚢以下の過剰量である特許請求
   の範８菖１項、第２項または第６墳記載の方法。 ６）燃焼媒体上熱煙道ガスとの間接的熱交換により少な
   くとも約４００°Ｆの温度まで加熱し、多孔質繊維層が
   均一分配された少量の黴細なアルミニウム粉末を含有す
   る特許請求の範囲第１項、第２項１．第５項ま九はＩｊ
   ＩＩＦ４項記載の方法０ （６１ＮＯｘの生成が煙道ガス中で約２０９ｐｍ以下で
   ある特許請求の範囲ｊ１１項乃至第５項のいずれかに記
   載の方法。 （ハ　多孔質繊維バーナ（１１）を備えた炉（１０）と
   、この炉に接続されてこの炉から煙道ガスの流れを受け
   る熱交換器（１９）と、燃ｔｓ空気の流れを通過させる
   ための前記熱交換器中の連結（２０）と、この通路およ
   び前記バーナの人口に接続されて加熱空気を前記過紬か
   ら前記バーナ中に流すための配管（１４）と、＊紀燃料
   ガスｔ？前記バーナ中へ供給する手段嶋）とを備えるこ
   とを特徴とする。低ＮＯｘ含量を有する煙道ガスを生成
   させかつ増大され良熱効率ｔ−得るための燃料ガスの改
   良燃焼装置。 鎚　バーナの多孔質繊維層が均一分配された少量の黴細
   なアルミニウム粉末會含有する特許請求の範囲第７項記
   載の改良燃焼装置。