JPS63113209A - 低温液化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】 〔発明分野〕 本発明は、低温液化燃料ガスを石油代替エネルギーとし
て燃焼利用する方法に関する。特に本発明は液化天然ガ
スを、高温エネルギーを得るために効率よく燃焼させる
方法に関する。

〔従来技術〕

液化天然ガス（以下、ＬＮＧという）がはじめて工業的
に大量に利用されたのは昭和４４年（１９６９年）のこ
とであり、アラスカからクリーンなエネルギーとして導
入されたことに始まる。このしＮＧの導入は一つには、
高カロリー家庭用ガス燃料として、もう一つは大都市に
立地する火力発電所の無公害化という社会的要請に応じ
たものであった。さらにＬＮＧは、昭和４８年以降の数
度のオイルショックの際にも、供給が確保され、安定エ
ネルギーとしての評価を得た。

その結果、ＬＮＧの脱石油エネルギーとしては、国家的
見地からも、原子力、石炭と並ぶ位置を与えられるよう
になり、例えば昭和７０年度には４４００万にすの電力
がＬＩＩＩＧで供給される計画が立っている。

同年度の電源構成について、石油、原子力、石炭がそれ
ぞれ４９００万ＫＶ、４８００万Ｋｌ／、　２１００万
ＫＷテあることを見れば、　ＬＮＧの比重の大きさが分
かるであろう。

しかし、石油危機は一部エネルギーの重要性を広く国民
に認識させ、省エネルギーがあらゆるところで図られ、
産業構造はエネルギー低消費型へと変化した。特にこの
数年間は総エネルギー需要は連続して減少し、ＧＮＰの
エネルギー弾性値はマイナスにまでなっている。その結
果１石油価格は驚くほど低下し１円高とあいまって、原
油の確保は一時はどの緊急性はなくなってきている。

ＬＮＧについても一次エネルギーとしての性格から供給
過大の傾向はまぬがれず、特にサバリン、カナダなど世
界各地に潜在的供給先をかかえていることもあって、そ
の傾向は増大するものとみられる。

しかし、現実的には、ＬＮＧの利用にあたっては、それ
が−１６０℃という低温の液体であるということから、
ＬＮＧの輸入側も輸出側も大きな設備投資を必要とし、
各々が引取保証と供給保証をする形でｒＴａｋｅ　ｏｒ
　ＰａｙＪ条項がつけられているし、契約期間も１５〜
２０年の長期にｂたっている。

つまり、価格は容易には上昇しないが、一方では下降も
し難いのがＬＮＧの本質であり、この中でその利用を図
っていく必要がある。

世界の中で天然ガスの利用状態を見ると１日本以外では
、パイプライン輸送などガスとして用いている国が圧倒
的に多く、例えばアメリカでは１９７８年にはＬＮＧ　
１０億Ｎｍ１″／年に対し、パイプライン輸送は２６３
億Ｎｒｒｉ’／年である。日本はと言えばこの年１５４
億Ｎｒｒ［’（１，１００万トン）の天然ガスはすべて
ＬＮＧとして供給されたものである。したがって、　Ｌ
ＮＧを気体の天然ガスとしてでなく、液体のＬＮＧとし
て利用する道をさぐり、実現させるのはまさに日本に課
せられた課題である。

〔解決しようとする問題点〕

さて、ＬＮＧは、ｉ知のようにメタン（Ｃ１１４）を主
成分とする約−１６２℃の沸点を持つ低温液化ガスであ
る。これは、現在都市ガスや発電用燃料として用いられ
ているものであるが、すべて気化、昇温されて、ガスの
形で用いられている。換言すれば、ＬＮＧとしてわが国
に輸入されながら、利用する段階では再び天然ガスに戻
っていることになる。昭和６５年度には３１００万トン
ものＬＮＧの需要が見込まれているが、このうち都市ガ
スとして本質的にガスが必要とされるのは約６００万ト
ンにすぎない。

ここにプロセス的に大きなロスが生じてはいないだろう
か。事実、この気化の際には加熱源として海水が使用さ
れ、その設備としてアルミニウム、ステンレスなどの高
価な材料が用いられており、ＬＮＧ利用にあたって大き
なコスト負担となっている。

さらに、海水へ無駄に捨てられている冷熱の回収という
問題もある。その対策として、今では空気液化分離、炭
酸ガス液化（固化）、極低温倉庫などが実現している。

特に空気分離は利用温度がＬＮＧの沸点に近いため、冷
熱利用効率が高く、すでにこの分野では主流を占める方
法になっている。

しかし、これらの対象ではＬＮＧ冷熱供給可能量に見合
うほどの需要は期待できないし、冷熱の移送は本質的に
困難であることからして、発電所やＬＮＧ基地に隣接す
ることが条件となるので、立地に極めて大きな制約があ
る。これらの欠点をおぎない需要に問題のないＬＮＧ冷
熱発電も技術開発を経て商業化されている。しかし現状
では、経済的に難点があり、これ以上の進展には疑問符
がなげかけられている。つまり依然として気化設備はＬ
ＮＧ利用のかなりの部分を占めるコストになっているの
である。

本発明は、以上のようなＬＮＧ利用の問題点を解決せん
としてなされたものである。特に、先行技術においては
、ＬＮＧを気化、昇温してから後にｉ焼料用していたが
、一方、ＬＮＧの本質を考究すれば、　ＬＮＧを液化し
たままの状態で燃焼すると、多大なコストの気化設備を
省略し、経済性を上げるとともにＬＮＧのハンドリング
を容易にすることが可能になり、しかも液体のまま用い
ることによって高エネルギー密度の燃料として、航空機
、船舶、自動車にも用いることも可能となることは明ら
かである。即ち、本発明者らは、ＬＮＧの有用性は、天
然ガスとしては勿論であるが、それが液体としである時
にこそ、より以上の技術的利点が生ずることを確認した
。そこで、本発明者らは、ＬＮＧの液体としての特性に
目を向け、その効率的な燃焼方法を開発すべく研究し１
本発明をなすに至った。

〔問題点を解決するための手段〕

即ち、本発明によれば１．低温液化燃料ガスを燃焼する
方法において、液化した状態の低温燃料ガス流に一次空
気又は酸素流を混合して、該液化燃料ガスの一部を気化
させると共に、該液化燃料ガスの液滴粒子と該液化燃料
ガスの蒸気と該−次空気又は酸素との混合物流を形成し
、この混合物流を二次空気又は酸素流中に噴出させて該
液滴粒子をさらに微粒子化し、着火、燃焼させることを
特徴とする。低温液化燃料ガスを気化設備を用いずに液
体のまま直接的に燃焼させる方法が提供される。

以下、低温液化燃料としてＬＮＧを代表させて本発明を
詳述する。

本発明の構成は、第一にＬＮＧを従来とは異なり気化設
備を経ずして直接的に利用することである。

ＬＮＧはその気化した状態である天然ガスに比べて、６
００倍の密度を有するので、これをそのまま燃焼すると
、大きなエネルギー密度が得られ、特に交通機関の動力
源として有用となる。第二には、ＬＮＧの液体流の中へ
燃焼用空気または酸素（以下。

単に空気とも言う）の一部を、−次空気または酸素とし
て導入することである。−次空気の址は、完全燃焼に重
要な理論空気量の２〜５５ｖｏ　Ｑ　’Ａの範囲、より
望ましくは５〜４０ｖｏ　０％の範囲である。この範囲
より多いと、過濃可燃限界濃度より下にくることがあり
、場合によると爆発現象が起る怖れがあるからである。

一方、この範囲より少ない時には、燃焼が単なる拡散に
よって起るのみで、燃焼性が低下する。この−次空気の
導入は、燃焼の化学的側面に加えて、液体流と気体流と
の相対速度差にもとず＜　ＬＮＧの粒子化にも役立つ。

また、ＬＮＧは沸点にあるので、空気の導入は断熱気化
を助長させることになる。しかし、−次空気の導入だけ
では、ＬＮＧの微粒子化は行なわれず燃焼に必要なだけ
の表面積の確保がなされない、第三の手段として、この
ＬＮＧの液滴粒子と一次空気の予混合物をノズルより噴
出させ、これと二次空気を混合し、この領域で燃焼を行
う、二次空気量は理論空気量の１．０１〜１．１０倍か
ら上記−大空気量を減じた址であることが望ましい。こ
の二次空気量は一次空気量に比して多量であるので、Ｌ
ＮＧを微細化して燃焼するのに好適である。

次に本発明を図面により説明する。図面は本発明の燃焼
方法を実施するための燃焼装置系統図である。

図面において、１０はＬＮＧ／−次空気混合器（バーナ
）を示し、全体は外管ｌとＬＮＧ供給管（ノズル）とし
ての内管２とからなる２重管構造を有し、その外管ｌに
はその周壁を貫通し、−次空気を円周方向に流出させる
開口１１を有する一次空気供給管３が付設され、また内
管２の先端部の外表面には旋回羽根４が付設されている
。

ＬＮＧは液状のまま内管２に供給され、−次空気は供給
管３から外管１内へ供給される。供給管３の開口を通っ
て円周方向に導入された一次空気は旋回羽根４によって
加速されて予混合室６へ送られ、ここで内管２の先端か
ら流出するＬＮＧと混合される。

この予混合室６では、ＬＮＧは一次空気流との相対速度
差により粗粒子化され、またＬＮＧの一部は一次空気の
顕熱によって気化し、その結果、ＬＮＧの液滴粒子とＬ
ＮＧの蒸気と一次空気との混合物流が形成される。この
混合物流は外管ｌの先端がら二次混合室７内へ噴出され
ると共に、二次空気供給管５から供給される二次空気中
へ拡散混合される。この混合流の二次空気中への噴出に
よって、ＬＮＧの液滴粒子はさらに微粒子化され、燃焼
室ａ内で火炎８を形成しながら燃焼される。なお、９は
燃焼室壁を示す。

〔効　　果〕

本発明の燃焼方法によれば、ＬＮＧは気化されることな
く液状のまま燃焼されるので、第一に経済的であり、今
までの気化設備を一挙に不要とすることができるので、
その経済性向上は明らかである。今まで気化設備は、　
ＬＮＧ基地における基幹設備であり、極めて高い信頼性
が要求されてきた。

また需要側である発電設備などの負荷変動に対する追従
性、オペレーションに対する安定性、安全性なども具備
する必要があった。さらに、取扱う流体が低温の液体か
ら気体であるので、低温特性のすぐれた材料の使用、不
安定沸騰による飛沫同伴の防止など技術的にも高度のも
のが必要とされてきた。また、これらは熱源を海水とす
ることが多いので耐食性にも十分配慮することが求めら
れてきた。これらの技術的、経済的問題は本発明により
一挙に解決される。

本発明の方法によれば、燃焼は液体の微粒子化を原理と
するので、燃料エネルギー密度が天然ガスより６００倍
も大きく、単位体積当りの燃焼量が圧倒的に大きくなる
ので、燃焼室の大きさは気体燃焼室のそれに比較して極
めて小さくなる。

液体燃料を燃焼させるには一般にはスチームなどの添加
による流体アトマイジングまたは回転体の外周から遠心
力によって液を分散させる機械的アトマイジングなどが
用いられている。本発明の方法では、ＬＮＧが気化しや
すい液体であることから、スチームのような圧力を持っ
たものでなく、燃焼用空気の一部を一次空気としてＬＮ
Ｇに混合することによりＬＮＧの一次的粒子化が容易に
行なわれるという利点が生ずる。しかもこの予混合は、
ＬＮＧの可燃限界濃度の上限側にて行なわれるので、安
全に実施されるという大きな利点が得られる。

この子かしめ部分的に燃焼用空気と混合したＬＮＧを燃
焼させることは、ＬＮＧ全体としては、気／液混合流体
化された後、二次空気の中で燃焼されることになるので
、その燃焼性は向上し、−１００℃以下という低温の流
体であっても着火性が優れており、容易に安定炎を得る
ことが可能である。また燃焼性がよいので、全体として
の燃焼用空気は、理論量のごく近く、実用的には１−１
０％の過剰空気量で完全燃焼させることが可能である。

このように過剰空気率が小さいということは空気汚染の
一つの成分であるＮＯｘの発生片を小さくするという利
点もあり、本発明の方法で用いるバーナーは本質的に低
ＮＯｘバーナーとなる。さらに積極的には、ＬＮＧが燃
焼室内で急速に室内の輻射熱をうけて蒸発する際の流体
エネルギーを用いて、自作的な排ガス循環を行う手段を
設けることによって、発生するＮＯｘをさらに削減する
ことも容易である。

本発明の別の利点は、ＬＮＧを単なる発電用の燃料でな
く、そのエネルギー密度が大きいことを利用して、輸送
機関の燃料として有利に使用し得ることである。ＬＮＧ
が自動車用燃料として考慮されながらも、実用に至らな
かった理由の１つは、燃料タンクの問題もさることなが
ら、従来の考え方ではエンジンに気化したガスを吸入さ
せることになるため、ピーク時の出力が低下することに
あった。しかし、本発明によれば、ＬＮＧは液体として
インジェツクシヨンされるので、エネルギー密度は高く
、そのような問題はなく、最近のハイテクを利用した精
巧な燃料噴射装置を付加して、ＬＮＧ駆動自動車エンジ
ンを作ることができる。また本発明の方法は航空機用ガ
スタービンにも適用し得る。ＬＮＧはほぼ常圧で保持さ
れているので、容器としては航空機に従来用いられてき
たアルミニウムやチタンなどの軽量金属で構成すること
ができるし、さらにこれら航空機用金属は一１６０℃と
いう低温にて靭性があり、その使用は極めて好都合であ
る。特に航空機は、その巡航時においては、高空の温度
の低いところにあるので、ＬＮＧタンクは低温（−５０
℃以下）雰囲気にあり、熱ロスによるＬＮＧのガス化が
極小になるという利点がある。もちろん、地上時には発
生したＬＮＧガスをガス用タービンで処理して、空調用
などに用いるなどのマイナーな対策は必要となる。いず
れにしろ、船舶用を含めて、ＬＮＧの高密度エネルギー
たる特性を利用した本発明の方法を用いることにより、
輸送機関の動力源としてのＬＮＧの使用が可能となる。

また、本発明の方法は、ＬＮＧの他、ＬＰＧ等の他の低
温液化燃料ガスに対しても同様に適用されるものである
。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を述べるが２本発明はこの実施例
に限られるものではない。

実施例１ 図面に示す燃焼装置系を用いてＬＮＧの燃焼を行った。

即ち、　ＬＮＧ　１６０にｇ／Ｈを管２（内径１０ｍｍ
）から導入した。この管２の大部分は通常の保冷材で保
冷したが、バーナー人口部は、ＬＮＧの蒸発を避けるた
めに２重管（環状空間部は真空とする）構造とした。−
大空気５０ＯＮイ／Ｈは、温度２０℃、圧力４００ｍｍ
Ｈ２Ｏで管３（内径１５０ｍｍ）から導入した。この−
大空気は、ＬＮＧノズル１０に対し旋回するように導入
され、さらに旋回羽根４によって加速され、予混合部６
へ導入された。　ＬＮＧは予混合部６で旋回する空気と
混合し、空気流との相対速度差によって粗粒子化され、
その一部は空気の顕熱によって気化した。予混合部のＬ
ＮＧ供給管（ノズル）２は、それに外股された旋回羽根
４とともにセラミック製であるので、その外側には空気
中の水分による氷結は事実上殆ど無視し得た。

予混合されたＬＮＧ／Ｎ低／合物は次いで燃焼室７へ噴
出し、二次空気供給管（内径３００ｍｍ）　５から導入
された二次空気１８０ＯＮｍ／ＩＩの中へ混合拡散し、
これにパイロットバーナー（図示せず）により着火する
と安定な火炎８が形成した。なお、二次混合室室７の開
口端は燃焼室壁９より５００ｍｍ程度燃焼室ａの内部へ
突出し、二次空気とＬＮＧ微粒子とが十分に混合するよ
うにした。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明を実施するための燃焼装置系統図である。 ｌ・・・外管、２・・・ＬＮＧ供給管、３・・・−大空
気供給管、４・・・旋回羽根、５・・・二次空気供給管
、６・・・予混合室、７・・・二次混合室、８・・・火
炎、９・・・燃焼室壁、ａ・・・燃焼室。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）低温液化燃料ガスを燃焼する方法において、液化
   した状態の低温燃料ガス流に一次空気又は酸素流を混合
   して、該液化燃料ガスの一部を気化させると共に、該液
   化燃料ガスの液滴粒子と該液化燃料ガスの蒸気と該一次
   空気又は酸素との混合物流を形成し、この混合物流を二
   次空気又は酸素流中に噴出させて該液滴粒子をさらに微
   粒子化し、着火、燃焼させることを特徴とする、低温液
   化燃料ガスを気化設備を用いずに液体のまま直接的に燃
   焼させる方法。