| 【発明の名称】 |
燃焼制御方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】毛笠 明志
|
| 【要約】 |
【課題】強制振動燃焼のＮＯｘ削減効果を高めることを目的としている。
【解決手段】燃料、燃焼用酸素含有ガスもしくは、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの混合気の少なくとも一つの燃焼室への供給状態を周期的に変動させて、前記燃焼室に燃焼炎を形成する燃焼制御方法において、一周期中に、その周期中で変動させる燃料、燃焼用酸素含有ガスもしくは、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの混合気の供給停止が起こる供給停止時間を半周期より長く設定し、前記変動の周波数を１〜２０Ｈｚに設定して燃焼をおこなう。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 燃料、燃焼用酸素含有ガスもしくは、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの混合気の少なくとも一つの燃焼室への供給状態を周期的に変動させて、前記燃焼室に燃焼炎を形成する燃焼制御方法において、一周期中に、その周期中で変動させる燃料、燃焼用酸素含有ガスもしくは、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの混合気の供給停止が起こる供給停止時間を半周期以上に設定し、前記変動の周波数を１〜２０Ｈｚに設定して燃焼をおこなう燃焼制御方法。
【請求項２】 燃料、燃焼用酸素含有ガスもしくは、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの混合気の少なくとも一つの燃焼室への供給状態を周期的に変動させて、前記燃焼室に燃焼炎を形成する燃焼制御方法において、一周期中に、その周期中で変動させる燃料、燃焼用酸素含有ガスもしくは燃料と燃焼用酸素含有ガスとの混合気の供給をおこなう供給時間と、供給停止とする供給停止時間とを含み、前記供給時間を前記供給停止時間と同じか、短く設定し、燃焼室内に供給されるガスが着火して燃焼炎が形成される燃焼炎形成状態と、前記形成された燃焼炎が消火して火炎が消失する燃焼炎消失状態とを交互に繰り返して燃焼をおこなう燃焼制御方法。
【請求項３】 振動周期の周波数が１〜２０Ｈｚである請求項２記載の燃焼制御方法。
【請求項４】 一周期中で、前記燃料の前記燃焼室への供給と、前記燃焼用酸素含有ガスの前記燃焼室への供給とを、両者間に位相差を持たせて両者間で別個におこなう請求項１もしは２記載の燃焼制御方法。
【請求項５】 一周期３６０度中、前記燃焼用酸素含有ガスの供給時期に対する前記燃焼の供給時期との間の前記位相差が３６度より大きく２１６度より小さく設定されている請求項４記載の燃焼制御方法。
【請求項６】 燃焼器と一体にもしくは燃焼室内に点火機構を備え、火炎が消失した場合に、前記点火機構により強制着火をおこなう請求項２記載の燃焼制御方法。
【請求項７】 燃焼室内の温度を検出するとともに、検出される燃焼室内温度が燃料の自着火温度以上の場合は、前記点火機構の働きを停止する請求項６記載の燃焼制御方法。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、工業加熱炉、ボイラその他の燃焼装置のＮＯｘ削減技術に関するものであり、燃焼室内に於ける燃焼状態を制御することにより、ＮＯｘを削減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、燃焼装置のＮＯｘ削減を目的に、燃料、燃焼用酸素含有ガス、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの混合気の流量もしくは空気過剰率を周期的に変化させて、一種の時間的な濃淡燃焼をおこなう方法（以下、強制振動燃焼という）が提案されてきた。その例として、ＵＳＰ４，８４６，６６５や特願平５−４６０２を挙げることができる。この技術においては、空気比等が経時的に変化させられるが、燃料もしくは燃焼用酸素含有ガスの供給が、一時的にでも停止されることはない。一方、所謂、交番燃焼技術あるいはパルス燃焼技術が知られている。この技術分野においては、燃焼と燃焼停止とが、交互に繰替えされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】強制振動燃焼技術では、発明者らによる追試験において、２０％程度までのＮＯｘ低減効果は認められるものの実用的に価値のあるＮＯｘ低減効果は得られなかった。さらに、交番燃焼技術あるいはパルス燃焼技術において、ＮＯｘ発生量の低減化を目的として、燃焼状態を制御しようとする試みは知られていない。本発明は、強制振動燃焼のＮＯｘ削減効果を高めることを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するための、燃料、燃焼用酸素含有ガスもしくは、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの混合気の少なくとも一つの燃焼室への供給流量を、周期的に変動させて、前記燃焼室に燃焼炎を形成する燃焼制御方法における特徴手段は、請求項１に記載されているように、一周期中に、その周期中で変動させる燃料、燃焼用酸素含有ガスもしくは燃料と燃焼用酸素含有ガスとの混合気の供給停止が起こる供給停止時間を半周期以上に長い時間備え、前記変動の周波数を１〜２０Ｈｚに設定して燃焼をおこなうことにある。このような燃焼用ガスの振動供給状態を実現すると、燃焼に供されるガスの供給が起こらない状態が発生するため、燃焼炎の形成とその消滅が交互に発生される。このような燃焼炎の形成は、燃焼室内に燃焼炎の消滅を原因とする排ガス再循環状態とすることとなり、結果的に、一時的な緩慢燃焼状態を実現して窒素酸化物の発生の少ない燃焼を実現できるものと考えられる。
【０００５】さらに、この状態は、その現象上、燃料、燃焼用酸素含有ガスもしくは、燃料と燃焼用酸素含有ガスとの混合気の少なくとも一つの燃焼室への供給流量を、周期的に変動させて、前記燃焼室に燃焼炎を形成する燃焼制御方法において、請求項２に記載されているように、一周期中に、その周期中で変動させる燃料、燃焼用酸素含有ガスもしくは燃料と燃焼用酸素含有ガスとの混合気の供給をおこなう供給時間と、供給停止とされる供給停止時間とを含み、前記供給時間と供給停止時間との比を１：１もしくはそれ未満（前者が後者より小さい）に設定して、燃焼室内に供給されるガスが着火して燃焼炎が形成される燃焼炎形成状態と、前記形成された燃焼炎が消失して火炎が消失する燃焼炎消失状態とを交互に繰り返して燃焼をおこなうこととなっている。この場合も、窒素酸化物の発生量の少ない燃焼を実現できる。
【０００６】さて、請求項２に記載の燃焼制御方法において、請求項３に記載されているように、振動周期の周波数が１〜２０Ｈｚに設定することが好ましい。この範囲において、比較的顕著に発生する窒素酸化物の減少が確認できる。１Ｈｚより低いと燃焼室の容積が小さい場合、燃焼が完結せず不完全燃焼となりＣＯガスが発生する。２０Ｈｚより高いと燃焼停止時間が実現しない。
【０００７】また、請求項４に記載されているように、一周期中で、前記燃料の前記燃焼室への供給と、前記燃焼用酸素含有ガスの前記燃焼室への供給とを、両者間に位相差を持たせ別個におこなうと、後に実験例を示して説明するように、窒素酸化物低減の効果が表れる。このような位相差は、請求項５に記載されているように、一周期３６０度中、前記燃焼用酸素含有ガスの供給時期（例えば供給開始時期）に対する前記燃焼の供給時期（例えば供給開始時期）との間の前記位相差が３６度より大きく２１６度より小さく設定することが、窒素酸化物低減効果が著しい。
【０００８】請求項２に記載の燃焼制御方法において、請求項６に記載されているように、燃焼器と一体にもしくは燃焼室内に点火機構を備え、火炎が消失した場合に、前記点火機構により強制着火をおこなうことが好ましい。本願の燃焼手法は、従来、正常な燃焼状態と考えられていた燃焼炎が常時形成されて燃焼が継続される場合と比較して、燃焼炎の継続形成が無理となってくる燃焼領域において燃焼を断続的に起こさせて動作しようとするものであるため、例えば、燃焼室内の温度が燃料の自着火温度以下の場合は、燃焼炎の消失が起こる。従って、このような燃焼炎の消失が起こった場合には、断続的な点火操作が必要となるが、点火機構を断続的に働かせて強制着火をおこなうことで、本願が目的とする燃焼状態を確実に得ることができる。
【０００９】また、この場合、請求項７に記載されているように、燃焼室内の温度を検出するとともに、検出される燃焼室内温度が燃料の自着火温度以上の場合は、前記点火機構の働きを停止することができる。燃焼室内温度が自着火温度より高い場合は、燃焼用ガスの供給により自動的な着火を起こして、本願所望の燃焼状態を維持できるためである。
【００１０】
【発明の実施の形態】本願の燃焼制御方法が採用される燃焼装置１の概略構成を、図１に示した。この装置１は、燃焼室２内に燃焼炎３が形成される燃焼装置本体４と、この燃焼装置本体４の所定箇所に備えられるバーナ部５を備えて構成されている。このバーナ部５には燃焼用燃料を供給するための燃料供給路６が接続されているとともに、同様にバーナ部５に燃焼用空気を供給するための燃焼用空気供給路７が接続されている。従って、これらの供給路６、７からそれぞれ燃料及び燃焼用空気が、別個に供給されてバーナ部５及び燃焼室２内に火炎３を形成することができる。さらに、バーナ部５には、着火あるいは燃焼維持用の点火機構８ａ（パイロットバーナあるいは点火ロッド）が備えられている。この点火機構は、燃焼器であるバーナ部と一体に設けられていてもいい。また、燃焼室内の温度を検出するための温度検出機構８ｂが備えられている。図示するように、各供給路６、７の基端側には、燃料タンク９及び燃焼用空気タンク１０が備えられ、充分なガス量が確保できるようになっている。前記燃料供給路６及び燃焼用空気供給路７には、それぞれ、そのタンク９、１０側の上流側に調圧弁１１ａ、１１ｂ、下流側に開閉弁１２ａ、１２ｂが備えられている。ここで、開閉弁１２ａ、１２ｂはソレノイド形式のものであり、具体的には自動車用の燃焼噴射弁等に使用されるものを採用する。したがって、このような弁１２ａ、１２ｂは、数百Ｈｚの応答性と、十分な耐久性を備えている。
【００１１】以上が、基本的な燃焼関連の機構構成であるが、前記調圧弁１１ａ、１１ｂ、開閉弁１２ａ、１２ｂ、さらに、前記点火機構８に関して、その動作制御をおこなうための制御盤１３が備えられている。この制御盤１３による制御は、前記調圧弁１１ａ、１１ｂ及に対しては、適切な調圧量の指定制御であり、前記開閉弁１２ａ、１２ｂに関しては、所謂、デューティ制御を行える構成が採用されている。即ち、各々の開閉弁１２ａ、１２ｂに対して、その開時間Ｔｏと閉時間Ｔｃとを交互に所定の周期で設定することが構成とされている。このデューティ制御にあっては、開時間Ｔｏ＋閉時間Ｔｃを１００とした場合の（開時間Ｔｏ：閉時間Ｔｃ）がデューティ比と呼ばれる。さらに、燃料供給系と燃焼用空気供給系とに関して、一周期中に於ける開操作の位相設定が自由に行える構成とされており、結果的に、燃料供給開始もしくは燃焼用空気供給開始の位相差を任意に設定できるように構成されている。この位相差は、本件にあっては、一周期を３６０度として、燃料の供給開始時期に対する燃焼用空気の供給開始時期との間の差により表現する。従って、この装置１にあっては、ガス供給の周期、デューティ比、位相差の任意設定が可能である。この制御盤１３は、先に説明した点火機構８ａへの制御を行うが、この制御はガス供給の周期に対応して行うものであり、ガス供給周期内に於ける位相も設定可能である。また、この点火機構８ａは、先に説明した燃焼室内の温度検出機構８ｂにより検出される検出温が、燃料の自着火温度以下である場合のみ働くように構成されている。従って、この構成にあっては、自着火及び強制着火を含む手法で、継続して燃焼する範囲では、燃料もしくは燃料空気混合気の開閉弁１２ａ、１２ｂのデューティ比を変化させることで、燃焼量を制御することができる。空気の開閉弁１２ｂのデューティ比を変化させれば、空気量、従って、空気比を変えることができる。さらに、家庭用給湯機器でのように空気比を一定にする運転ではなく、燃料量に対応した空気比を設定して効率を一定値に保ような場合には、燃料と同一デューティ比を設定するのでなく、希望する空気比に比例してデューティ比に合わせて変化させれば対応できる。
【００１２】図２に一周期中の燃料供給状態（イ）、燃焼用空気供給状態（ロ）、さらに、火炎の形成状態（ハ）を示した。ここでは、燃料側のデューティ比は３３：６７であり、燃焼用空気のデューティ比は３３：６７である。さらに、一周期が燃料側の供給開始時期（燃料供給路６に備えられる開閉弁１２ａが開操作とされる時期）を起点としなる様に図示している。位相差は、１２０°である。各弁の配設位置の燃焼室内空間とは、ほとんどタイムラグが無い状態で、ガスが流れる状態がおこるように装置構成をおこなっている。即ち、開閉弁から燃焼室までの距離は、可能な限り短く設定される。即ち、開閉弁１２ａ、１２ｂに於ける開閉操作は、ほぼそのまま燃焼室２内に於ける燃焼状態に影響する。
【００１３】以下 本願の燃焼装置１における燃焼に関して説明する。本願のように、開閉弁１２ａ、１２ｂを使用して、デューティ比制御にて燃焼制御をおこなうためには、継続的に燃焼する必要がある。そこで実験にて、その条件を探索した。燃焼室２が燃料の自着火温度以下では約１０Ｈｚ以上、自着火温度以上では３Ｈｚ以上（燃焼室２の大きさ、流速等に依存する）の周波数で燃料、燃焼用空気、もしくは燃料空気混合気を供給、供給停止させても燃焼は継続した。一方、上記のように点火機構８ａを働かせる場合は、自着火温度以下でも、１Ｈｚ程度まで燃焼は継続することが分かった。
【００１４】以下、上記のようなデューティ比制御を伴った燃焼をおこなうことができる燃焼装置１に於ける窒素酸化物発生の状況を説明する。
１ 振動周波数と窒素酸化物発生量の関係図３に、燃料としてメタンを使用し、インプット１００００Ｋｃａｌ／ｈ空気比１．０５の条件において、燃焼を継続した場合の、窒素酸化物（ＮＯｘ）発生量を計測した場合の結果を示した。検討をおこなう対象としては、燃料と燃焼用空気とをともに同位相で振動させた第１条件、燃料と燃焼用空気とをともに振動させるのであるが、デューティ比を５０：５０とし、両者の供給位相を１８０度ずらした第２条件、燃焼用空気のみを振動させた第３条件（但しこのデューティ比は５０：５０とする）、及び燃料のみを振動させた第４条件（但しこのデューティ比は５０：５０とする）について検討した。燃焼室内の温度は８００℃であり、燃焼を継続できる限界まで周波数を下げた。結果、同図に示すように、第１条件においては、窒素酸化物の低減効果が顕著には認められなかったのに対して、第２、第３、第４条件において、特定の周波数領域において、顕著な低減効果が認められた。また、燃焼用空気側の振動と、燃料側の振動とを比較すると、燃焼用空気側の振動のほうが、高い振動数領域から効果が認められた。さて、このような窒素酸化物の低減が認められた領域は、燃焼を継続的に持続する領域ではなく、自然着火もしくは強制着火が周期的に発生している領域であった。即ち、２０Ｈｚ程度で、効果がでてくる。
【００１５】さらに現象的に説明すると、振動数を低下させていくと、窒素酸化物はわずかに低下するものの、低減効果が２０％程度となる１０Ｈｚ前後（バーナの保炎性能で変化する）で火炎は吹き飛んでしまい、継続的に燃焼することが不可能になる。そこで、火花放電を用いた点火機構８ａを連続運転して更に振動数を落として運転すると顕著に窒素酸化物が低減することが明らかになった。これは、強制振動燃焼で窒素酸化物を大きく下げるためには、燃焼の休止期間が必要であることを意味している。従来、強制振動燃焼の窒素酸化物低減効果は、時間的な濃淡燃焼であると説明されていたが、少なくともその理屈で説明できるのは、燃焼が継続する振動数範囲のことである。時間的な濃淡燃焼であれば、空燃比が時間的に変動するだけで、燃焼の休止期間は含まない。実験結果からは、燃焼の休止期間が大きな窒素酸化物削減の要素となっていることが判り、濃淡燃焼では現象を説明できない。発明者は、窒素酸化物低減の原理は、濃淡燃焼ではなく、燃焼休止中に燃料や空気が炉気と混合して希釈され、燃料濃度や酸素濃度が低下してからゆっくりと燃焼する緩慢燃焼であると考えている。見方を変えれば、一種の排ガス再循環の効果であるとも言える。従って、本発明は、従来の濃淡燃焼を原理とする発明と全く別種のものである。
【００１６】２ デューティ比と窒素酸化物発生量の関係上記の第３条件（空気のみを振動させたもの）、第４条件（燃料のみを振動させたもの）において、デューティ比を変化させた場合の窒素酸化物の低減効果を調べた。この時燃焼室温度は、９３０℃となっていた。この結果を図４、図５５に示した。デューティ比（図上ｄｕｔｙと記載）が下がるに従って、窒素酸化物の発生量が低減することが認められた、ここで、デューティ比としては、５０：５０以下が好ましいことが判る。このような状態にあっては、断続的な着火が起こっている。特に、デューティ比５０：５０〜２５：７５の範囲が好ましい。
【００１７】３ 燃料及び燃焼用空気供給に於ける供給位相差と窒素酸化物発生量の関係デューティ比が、７０：３０、５０：５０、さらに好ましい３５：６５の条件下において、燃料供給及び燃焼用空気供給時期に位相差を設けた場合の窒素酸化物の低減効果について検討した。図６、７、８に結果を示した。燃焼室内温度は９３０℃であった。これらの図において位相Ａ％とは３６０×Ａ／１００度の位相差を設けたことをしめしています。これらの図面に示すように、所定の周波数以下の領域２０Ｈｚ以下程度で、窒素酸化物の発生量が低減する位相領域があることが判る。上記２の説明で比較的良好な条件であるデューティ比３５：６５の条件にあっては、位相差があるものに関してほぼ全ての実験例で、周波数１０Ｈｚ以下の領域で大幅な窒素酸化物の低減効果を認めることができる。特に好ましい位相差は、３６度から、２１６度あるいは１８０度の範囲内であった。
【００１８】以上説明したことにより、燃焼装置の燃焼にあたって、燃料供給側、燃焼用空気供給側もしくは、その両方に対して、デューティ制御を施し、振動燃焼状態を発生させるとともに、位相差を持たせることで、好ましい燃焼状態を得ることが判る。
〔別実施の形態例〕上記の実施例においては、燃料と燃焼用酸素含有ガスとを別個に燃焼室内に供給する例を示したが、本願は、燃焼室内で断続的な燃焼を継続させ、積極的に排ガス再循環を起こすことにより低ＮＯｘ燃焼効果を得ようとするものであるため、燃焼室内に燃料と燃焼用酸素含有ガスとの混合気を供給する場合にあっても適用することができる。上記の実施の形態例においては、燃焼用空気を使用したが、これは、酸素成分を含んでいればよく、任意の酸素含有ガスを使用できる。このようなガスを燃焼用酸素含有ガスと呼ぶ。
【００１９】
【発明の効果】本発明により、ＮＯｘを確実に低減できる燃焼法を得ることができた。本発明は、新規に燃焼器を設計するときのみならず、既設の燃焼器にも適用することができる利点がある。バーナを取り替えずに、配管に強制振動用のバルブを取付け、制御を加えるだけですみ、従って、炉壁を傷めず低コストに低ＮＯｘ燃焼を実現できる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】００００００２８４
【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社
|
| 【出願日】 |
平成１０年１２月８日（１９９８．１２．８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０７３０８
【弁理士】
【氏名又は名称】北村 修一郎
|
| 【公開番号】 |
特開２０００−１７１００５（Ｐ２０００−１７１００５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年６月２３日（２０００．６．２３） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３４８５４０ |
|