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技術 燃焼装置

出願人 東京瓦斯株式会社
発明者 加藤拓磨本澤尚史冨永隆一
出願日 2018年7月6日 (1年11ヶ月経過) 出願番号 2018-129350
公開日 2020年1月16日 (5ヶ月経過) 公開番号 2020-008215
状態 未査定
技術分野 ガスバーナ 廃棄物の焼却(5)
主要キーワード 燃焼室外壁 難燃性燃料 発砲樹脂 表面負荷 メタルニット 耐熱金属繊維 予熱ガス スパークロッド
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (11)

課題

CH4を含有するオフガスを安定して燃焼させることができる燃焼装置を提供する。

解決手段

燃焼装置10は、CH4を含有し、かつ熱量が所定量以下のオフガスを燃焼する燃焼装置10であって、ガス導入口231a及びガス排出部22を有し、前記ガス導入口231aから導入される前記オフガスを燃焼し、燃焼排ガスを前記ガス排出部22から排出する燃焼部20と、前記ガス排出部22に設けられ、前記オフガスを前記燃焼排ガスと熱交換して加熱する熱交換器30と、前記熱交換器30で加熱されたオフガスを前記燃焼部20の前記ガス導入口231aに供給する予熱ガス供給ラインL10と、を有する。

概要

背景

バイオマス原料から生成されるバイオガスは、約55〜65%のメタン(CH4)と約35〜45%の二酸化炭素(CO2)を主成分として含んでいる。バイオガスを発電設備天然ガス自動車燃料都市ガス燃料等に有効利用するため、ガス精製設備等でバイオガス中のCO2や不純物等の成分を分離して、バイオガス中のCH4濃度を高濃度(例えば、97%以上)に高めている。これにより、バイオガスは、高濃度のCH4を含む精製ガスとして回収して利用されている。その際、低濃度のCH4を含むバイオガスがオフガス精製排ガス)として排出される。

CH4は、CO2よりも温暖化係数が高い温室効果ガスであるため、オフガスが大気中に放出されると、オフガス中に含まれるCH4がオフガスに同伴して大気中に放出され、地球温暖化がより促進される。CH4が大気中に放出されるのを抑えるため、燃焼装置でオフガス中に含まれるCH4を燃焼させる方法が提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。

例えば、特許文献1では、CH4分離装置から排出されたオフガスを、バーナから排ガスラインに排出された燃焼排ガス熱交換器において熱交換して加熱した後にバーナに供給するオフガス燃焼装置が提案されている。

また、特許文献2では、ガス精製部でバイオガスを精製した際に発生したオフガスを、燃料電池から流通路に排出されたカソードガス燃料電池排ガス)と熱交換器において熱交換して加熱した後に、加熱炉に送るガス製造装置が提案されている。

概要

CH4を含有するオフガスを安定して燃焼させることができる燃焼装置を提供する。燃焼装置10は、CH4を含有し、かつ熱量が所定量以下のオフガスを燃焼する燃焼装置10であって、ガス導入口231a及びガス排出部22を有し、前記ガス導入口231aから導入される前記オフガスを燃焼し、燃焼排ガスを前記ガス排出部22から排出する燃焼部20と、前記ガス排出部22に設けられ、前記オフガスを前記燃焼排ガスと熱交換して加熱する熱交換器30と、前記熱交換器30で加熱されたオフガスを前記燃焼部20の前記ガス導入口231aに供給する予熱ガス供給ラインL10と、を有する。

目的

本発明の一態様は、CH4を含有するオフガスを安定して燃焼させることができる燃焼装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

CH4を含有し、かつ熱量が所定量以下のオフガス燃焼する燃焼装置であって、ガス導入口及びガス排出部を有し、前記ガス導入口から導入される前記オフガスを燃焼し、燃焼排ガスを前記ガス排出部から排出する燃焼部と、前記ガス排出部に設けられ、前記オフガスを前記燃焼排ガスと熱交換して加熱する熱交換器と、前記熱交換器で加熱されたオフガスを前記燃焼部の前記ガス導入口に供給する予熱ガス供給ラインと、を有する燃焼装置。

請求項2

前記熱交換器は、前記燃焼部と一体化されている請求項1に記載の燃焼装置。

請求項3

前記燃焼部の外表面を囲う断熱材を含み、前記断熱材の厚さが、100〜150mmである請求項1又は2に記載の燃焼装置。

請求項4

前記燃焼部は、メタルニットバーナ又は旋回流バーナを有する請求項1〜3の何れか一項に記載の燃焼装置。

請求項5

前記燃焼部は、前記メタルニットバーナを有する場合に、前記メタルニットバーナのメタルニット径の前記燃焼部の内径に対する比が、0.80〜1.00である請求項4に記載の燃焼装置。

請求項6

前記燃焼部は、前記メタルニットバーナを有する場合に、前記メタルニットバーナの表面負荷が、2000〜4000kW/m2である請求項4又は5に記載の燃焼装置。

請求項7

前記オフガス中のCH4流量が、4.0〜6.0L/minである請求項1〜6の何れか一項に記載の燃焼装置。

請求項8

前記オフガスのCH4濃度が、10%以下である請求項1〜7の何れか一項に記載の燃焼装置。

技術分野

0001

本発明は、燃焼装置に関する。

背景技術

0002

バイオマス原料から生成されるバイオガスは、約55〜65%のメタン(CH4)と約35〜45%の二酸化炭素(CO2)を主成分として含んでいる。バイオガスを発電設備天然ガス自動車燃料都市ガス燃料等に有効利用するため、ガス精製設備等でバイオガス中のCO2や不純物等の成分を分離して、バイオガス中のCH4濃度を高濃度(例えば、97%以上)に高めている。これにより、バイオガスは、高濃度のCH4を含む精製ガスとして回収して利用されている。その際、低濃度のCH4を含むバイオガスがオフガス精製排ガス)として排出される。

0003

CH4は、CO2よりも温暖化係数が高い温室効果ガスであるため、オフガスが大気中に放出されると、オフガス中に含まれるCH4がオフガスに同伴して大気中に放出され、地球温暖化がより促進される。CH4が大気中に放出されるのを抑えるため、燃焼装置でオフガス中に含まれるCH4を燃焼させる方法が提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。

0004

例えば、特許文献1では、CH4分離装置から排出されたオフガスを、バーナから排ガスラインに排出された燃焼排ガス熱交換器において熱交換して加熱した後にバーナに供給するオフガス燃焼装置が提案されている。

0005

また、特許文献2では、ガス精製部でバイオガスを精製した際に発生したオフガスを、燃料電池から流通路に排出されたカソードガス燃料電池排ガス)と熱交換器において熱交換して加熱した後に、加熱炉に送るガス製造装置が提案されている。

先行技術

0006

特開2010−24340号公報
特開2016−186056号公報

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、特許文献1のオフガス燃焼装置は、燃焼排ガスがバーナから排ガスラインを通して熱交換器に送られる間に燃焼排ガスの熱が外部に放熱されるため、熱交換器で燃焼排ガスが保有する熱をオフガスの加熱に十分に利用できない可能性がある。

0008

また、特許文献2のガス製造装置でも、燃料電池排ガスが燃料電池から流通路を通して熱交換器に送られる間に燃料電池排ガスの熱が外部に放熱されるため、熱交換器で燃料電池排ガスの熱をオフガスの加熱に有効に利用できない可能性がある。また、燃料電池から排出される燃料電池排ガスの温度は、一般に、燃焼装置から排出される燃焼排ガスの温度よりも低いため、オフガスの加熱効率はさらに低くなるといえる。

0009

ガス精製設備等のバイオガスの精製効率の向上に伴い、バイオガスを精製した際に生じるオフガス中に含まれるCH4濃度も低くなる(例えば、10%以下)傾向にある。オフガス中に含まれるCH4濃度が低くなると、その分、オフガスの保有する熱量が低くなるため、オフガスは加熱させ難くなる。今後、CH4濃度が低いオフガスでも、安定して燃焼させることができる燃焼装置が求められている。

0010

本発明の一態様は、CH4を含有するオフガスを安定して燃焼させることができる燃焼装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0011

本発明の一態様に係る燃焼装置は、CH4を含有し、かつ熱量が所定量以下のオフガスを燃焼する燃焼装置であって、ガス導入口及びガス排出部を有し、前記ガス導入口から導入される前記オフガスを燃焼し、燃焼排ガスを前記ガス排出部から排出する燃焼部と、前記ガス排出部に設けられ、前記オフガスを前記燃焼排ガスと熱交換して加熱する熱交換器と、前記熱交換器で加熱されたオフガスを前記燃焼部の前記ガス導入口に供給する予熱ガス供給ラインと、を有する。

発明の効果

0012

本発明の一態様に係る燃焼装置は、CH4を含有するオフガスを安定して燃焼させることができる。

図面の簡単な説明

0013

一実施形態による燃焼装置の外観を示す図である。
図1のI−I断面図である。
バーナの構成の一例を示す斜視図である。
熱交換部の構成の一例を示す斜視図である。
燃焼装置の他の構成を図1のI−I断面と同じ位置から+Y軸方向に向かって見た時の一例を示す断面図である。
バーナの構成の他の一例を示す斜視図である。
オフガスのCH4濃度と燃焼室内部温度との関係を示す図である。
オフガスのCH4濃度と燃焼室外壁温度との関係を示す図である。
オフガスのCH4濃度と表面負荷との関係を示す図である。
オフガスのCH4濃度とCO濃度との関係を示す図である。

0014

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図1に、一実施形態による燃焼装置の外観を示す。なお、理解の容易のため、図面における各部材の縮尺は実際とは異なる場合がある。本明細書では、3軸方向(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向)の3次元直交座標系を用い、燃焼装置10の幅方向をX軸方向とし、奥行き方向をY軸方向とし、高さ方向をZ軸方向とする。燃焼装置10の下から上に向かう方向を+Z軸方向とし、その反対方向を−Z軸方向とする。以下の説明において、+Z軸方向を上といい、−Z軸方向を下という場合がある。

0015

<燃焼装置>
一実施形態による燃焼装置について説明する。図2は、図1のI−I断面図であり、燃焼装置の構成を簡略に示す。図2に示すように、燃焼装置10は、燃焼部である燃焼塔20、熱交換器30、断熱材40及び予熱ガス供給ラインL10を有する。

0016

本実施形態では、燃焼装置10で燃焼処理されるガスは、メタン(CH4)を含有し、かつ熱量が所定量以下のオフガスである。本実施形態では、一例として、バイオガスを精製する際に発生するオフガスを用いる。熱量が所定量以下とは、熱量が約3.6MJ/m3以下であることをいう。約3.6MJ/m3をオフガスのCH4濃度に換算すると、CH4濃度は約10%となる。

0017

バイオガスは、約55〜65%のCH4と約45〜35%のCO2を主成分として含み、硫化水素シロキサン類アンモニア又はメチルメルカプタン等の微量の不純物成分を含んでいてもよい。オフガスは、ガス精製設備において、バイオガス中のCH4とCO2とを分離して高濃度のCH4を含有する精製ガスを生成する際に排出されるCO2リッチガスである。オフガスはCH4及びCO2を含有しており、本実施形態において、オフガスのCH4濃度は約3〜10%であり、CO2濃度は約90〜97%である。このオフガスのガス組成は、その元となるバイオガスのガス組成やガス精製設備におけるバイオガスの精製能力等によって変化する。

0018

燃焼装置10には、オフガス中のCH4と空気(燃焼用空気)とを、オフガス中のCH4と空気との空気比(CH4が完全燃焼する時に必要な理論空気量に対する実空気量の比)が所定の値(例えば、約1.05)となるように混合した予混合気G1が供給される。本実施形態では、熱交換器30に供給される予混合気を予混合気G1とし、熱交換器30から燃焼塔20に予熱ガス供給ラインL10を通って供給される予混合気を加熱された予混合気G2とする。

0019

次に、燃焼装置10を構成する、燃焼塔20、熱交換器30、断熱材40及び予熱ガス供給ラインL10について説明する。

0020

[燃焼塔]
図2に示すように、燃焼塔20は、燃焼筒21、蓋部22、バーナ23及びスパークロッド24を有する。燃焼塔20の内部には、燃焼筒21及び蓋部22に囲まれた、燃焼空間である燃焼室26が形成されている。燃焼室26において、燃焼室26内に流入する加熱された予混合気G2が加熱されて、加熱された予混合気G2が燃焼することで、燃焼排ガスHGが生成される。

0021

図2に示すように、燃焼筒21は、円筒状に形成された筒状体である。燃焼筒21は、基台51上に設置されている。

0022

燃焼筒21は、側面211の下部近傍に、側面211の外側に突出した覗き窓25を有する。覗き窓25より、外部から燃焼室26内の状態が確認される。

0023

図2に示すように、蓋部22は、燃焼筒21の上部212に設けられている。蓋部22は、平面視において、中央部に、ガス排出口221を有する。本実施形態では、蓋部22が、燃焼室26内に生じる燃焼排ガスHGを排出するガス排出部となる。なお、図2では、ガス排出口221は一つであるが、ガス排出口221の数や大きさ等は、適宜設計可能である。

0024

燃焼塔20を構成する燃焼筒21及び蓋部22は、例えば、鉄、Ni−Fe系合金、Ni−Cr−Fe系合金、Ni−Co−Fe系合金、ステンレス等の耐熱性金属キャスタブル等で形成することができる。Ni−Cr−Fe系合金としては、例えば、インコネル等を用いることができる。Ni−Co−Fe系合金として、例えば、コバール等を用いることができる。ステンレスとしては、例えば、SUS304等を用いることができる。

0025

図2に示すように、バーナ23は、予混合気G1のガス流れ方向上流側である、燃焼筒21の下部に基台51を貫通した状態で設けられている。バーナ23は、チャンバ部231とメタルニット部232とを有する表面燃焼バーナメタルニットバーナ)である。バーナ23を構成する各部材は、ステンレス等の耐熱性金属で形成することができる。なお、バーナ23は、有線通信回線又は無線通信回線を介してインターネット等のネットワークに接続される不図示の制御装置により制御可能に構成されている。

0026

チャンバ部231は、有底筒状に形成されている。図2に示すように、チャンバ部231は、その下部に予熱ガス供給ラインL10と連結されるガス導入口231aを有する。ガス導入口231aが、熱交換器30で加熱された予混合気G2が燃焼室26内に供給される、燃焼塔20のガス導入口となる。

0027

図3に、バーナ23の外観の斜視図を示す。図2及び図3に示すように、メタルニット部232は、平板状に形成され、チャンバ部231の上部開口を塞ぐように設けられている。

0028

メタルニット部232は、繊維径数ミクロン数百ミクロン耐熱金属繊維を編み込んで形成された織布であり、内部に空隙を有する。メタルニット部232は、前記空隙を介して、燃焼室26とチャンバ部231との通気性を確保しつつ、燃焼室26とチャンバ部231とを仕切っている。

0029

耐熱金属繊維としては、例えば、フェクラロイ(Fecralloy)(登録商標)等のCr−Fe系合金等を用いることができる。

0030

メタルニット部232は、メタルニット部232の表面に炎を発生させることで、メタルニット部232の表面には燃焼面が形成される。メタルニット部232から発生する炎の大きさは、メタルニット部232への加熱された予混合気G2の供給量、加熱された予混合気G2のオフガス中のCH4と空気との空気比又は加熱された予混合気G2の温度等を制御することにより、調整できる。

0031

メタルニット部232のメタルニット径D1は、燃焼筒21の内径D2と同等程度であることが好ましい。具体的には、メタルニット部232のメタルニット径D1の燃焼筒21の内径D2に対する比(D1/D2)は、0.80〜1.00の範囲内であることが好ましく、0.87〜1.0であることがより好ましく、0.90〜1.00であることがさらに好ましい。上記比D1/D2が0.80〜1.00の範囲内であれば、燃焼筒21の内壁又はその近傍までメタルニット部232から生じる炎の燃焼面が形成される。

0032

メタルニット部232の表面負荷は、2000〜4000kW/m2であることが好ましく、2500〜3000kW/m2であることがより好ましい。メタルニット部232の表面負荷が上記範囲内であれば、加熱された予混合気G2は完全燃焼させやすくなる。

0033

図2に示すように、スパークロッド24は、燃焼筒21の側面211に、側面211を貫通して燃焼室26内に突出させた状態で設けられている。スパークロッド24の先端の放電部24aは、メタルニット部232の上方であって、平面視においてメタルニット部232の略中央部分に位置している。スパークロッド24は、不図示の給電部に不図示のケーブル等により連結されており、前記給電部より高電圧電流が給電される。スパークロッド24に高電圧の電流を給電して、放電部24aでスパークを発生させることで、メタルニット部232の表面で燃焼室26内に供給されるオフガスに含まれるCH4を点火させる。

0034

[熱交換器]
図2に示すように、熱交換器30は、熱交換器本体31と、熱交換部32とを有している。

0035

図2に示すように、熱交換器本体31は、燃焼塔20のガス排出部である蓋部22の上部に設けられている。熱交換器本体31は、内部に熱交換部32を収容するための空間を有する。

0036

熱交換器本体31は、溶接、ねじ止め、焼きばめ又はロウ材等の高温での耐熱性を有する接合材を用いた接着等により、蓋部22の上部に固定できる。熱交換器本体31は、溶接、ねじ止め、焼きばめ又は接着等を用いて蓋部22に固定することにより、蓋部22と一体化させることができる。

0037

熱交換器本体31は、熱交換器本体31の底部311にガス流入口311aを有する。ガス流入口311aは、蓋部22のガス排出口221に対応する位置に設けられ、燃焼室26でオフガスが燃焼することで生じる燃焼排ガスHGが流入可能に形成されている。

0038

熱交換器本体31は、熱交換器本体31の上部312にガス流出口312aを有する。ガス流出口312aは、ガス排出ラインL20と連結されている。

0039

熱交換器本体31は、内周面313に、熱交換部32を熱交換器本体31内で保持するための保持部314を有する。保持部314は、内周面313に熱交換部32の上下両端を挟み込むように設けられている。熱交換部32の上下両端に設けた保持部314により、熱交換部32は熱交換器本体31内に着脱可能に固定されている。

0040

熱交換器本体31は、その内周面313に、予混合気G1が供給されるガス供給ラインL1と連結された予混合気供給口313aと、熱交換器本体31内の加熱された予混合気G2を排出する予熱ガス供給ラインL10と連結された予混合気排出口313bとを有する。

0041

図4に、熱交換部32の外観の斜視図を示す。図2及び図4に示すように、熱交換部32は、熱交換器本体31内に保持部314により保持されている。熱交換部32は、予混合気G1と、燃焼塔20で発生する燃焼排ガスHGとを熱交換して、予混合気G1を加熱する。

0042

図4に示すように、熱交換部32は、予混合気G1が通過する第1通路L321と、燃焼排ガスHGが通過する第2通路L322とを交互に配置した状態でそれぞれ複数有する。第1通路L321と、第2通路L322とは、それぞれのガス流れ方向が直交するように配置されている。第1通路L321及び第2通路L322の数は、適宜設計可能である。

0043

図2に示すように、第1通路L321の吸気口321aは、熱交換器本体31の予混合気供給口313a側に設けられ、第1通路L321の排気口321bは、熱交換器本体31の予混合気排出口313b側に設けられている。

0044

第2通路L322の吸気口322aは、熱交換器本体31のガス流入口311a側に設けられ、第2通路L322の排気口322bは、熱交換器本体31のガス流出口312a側に設けられている。

0045

[断熱材]
図2に示すように、断熱材40は、燃焼筒21の側面211と、バーナ23のチャンバ部231の側壁及び下部と、熱交換器30の熱交換器本体31の側壁及び上部312との外表面に設けられている。

0046

断熱材40は、外部の熱を遮断できる材料で形成することができ、断熱材40としては、例えば、ガラスウール羊毛等の繊維又は硬質ウレタンフォームフェノールフォーム等の発砲樹脂等を用いることができる。

0047

断熱材40の厚さは、100mm〜150mmであることが好ましい。断熱材40の厚さが100mm以上であれば、燃焼排ガスHGの放熱が軽減され、燃焼室26内の温度を所定の温度(例えば、800℃)以上に保持できる。断熱材40は厚いほど断熱効果が得られるが、厚くし過ぎても断熱効果がそれほど向上せず、費用が増大することになる。そのため、断熱材40の厚さは、断熱効果の発揮と費用負担とのバランスの観点から、150mm以下であることが好ましい。

0048

[予熱ガス供給ライン]
図2に示すように、予熱ガス供給ラインL10は、加熱された予混合気G2を熱交換器30から燃焼塔20のガス導入口231aに供給するラインであり、予混合気排出口313bとチャンバ部231のガス導入口231aとを連結している。

0049

燃焼装置10は、予熱ガス供給ラインL10に、加熱された予混合気G2のオフガスに含まれるCH4の流量を測定する流量計52を有する。流量計52は、加熱された予混合気G2中のCH4の流量を測定できる装置であれば用いることができる。

0050

図2に示すように、燃焼装置10では、熱交換器本体31のガス流出口312aにガス排出ラインL20の一端が連結されており、ガス排出ラインL20の他端は大気に開放されている。

0051

燃焼装置10は、ガス排出ラインL20に、燃焼排ガスHG中のCH4濃度を測定するCH4濃度測定部54と、燃焼排ガスHG中のCO濃度を測定するCO濃度測定部55とを有する。CH4濃度測定部54及びCO濃度測定部55は、それぞれ、CO濃度及びCH4濃度を測定できる測定装置であれば用いることができる。

0052

次に、燃焼装置10を用いて、予混合気G1中のオフガスを燃焼処理する場合について説明する。

0053

図2に示すように、オフガスに空気を混合した予混合気G1は、ガス供給ラインL1を通って、熱交換器本体31の予混合気供給口313aから熱交換器本体31内に供給される。

0054

予混合気G1中のオフガスと空気とは、空気比が所定の値(例えば、約1.05)となるように混合される。

0055

加熱された予混合気G2中のオフガスのCH4流量が4.0〜6.0L/minとなるように、予混合気G1の流量は調整される。予混合気G1の流量は、ガス供給ラインL1に設けられる不図示の送風機等により調整される。加熱された予混合気G2中のオフガスのCH4流量は、流量計52により測定される。なお、本実施形態では、予混合気G1及びオフガスのCH4の流量は、0℃、1atmでの基準状態(Normal状態)で求めた値である。

0056

予混合気G1は、熱交換部32の第1通路L321の吸気口321aから第1通路L321内を通過する。予混合気G1は、第1通路L321を通過しながら燃焼室26から第2通路L322に流れてきた燃焼排ガスHGと熱交換する。燃焼排ガスHGは、予混合気G1よりも高温であるため、予混合気G1は燃焼排ガスHGと熱交換することで加熱(予熱)される。これにより、予混合気G1の温度は、所定の温度(例えば、400℃)以上に昇温できる。

0057

その後、加熱された予混合気G2は、熱交換器本体31の予混合気排出口313bから予熱ガス供給ラインL10を通って、チャンバ部231のガス導入口231aからチャンバ部231内に流れる。

0058

そして、加熱された予混合気G2は、チャンバ部231内をメタルニット部232に向かって流れる。このとき、スパークロッド24に給電して放電部24aでスパークを発生させることで、オフガスに含まれるCH4を点火して、メタルニット部232の表面に炎を発生させる。

0059

加熱された予混合気G2は、メタルニット部232の表面に発生させた炎により加熱されることにより、メタルニット部232の表面付近において、加熱された予混合気G2が燃焼する。

0060

加熱された予混合気G2が燃焼するとは、加熱された予混合気G2中のオフガスの燃焼を意味し、具体的には、オフガスに含まれるCH4が燃焼することである。加熱された予混合気G2中のオフガスはCH4及びCO2を含むため、オフガスがメタルニット部232の表面に発生させた炎によってCH4の発火点(例えば、537℃)以上に加熱されることで、オフガスに含まれるCH4が燃焼する。

0061

CH4が完全燃焼する場合には、下記式(1)の通り、CH4は、加熱された予混合気G2中の酸素と反応(酸化)して、CO2と水とに分離される。CH4が不完全燃焼の場合には、下記式(2)の通り、CH4は酸化して、COと水とに分離される。
CH4+2O2 → CO2+2H2O ・・・(1)
2CH4+3O2 → 2CO+4H2O ・・・(2)

0062

メタルニット部232の表面に発生させる炎の大きさは、メタルニット部232への加熱された予混合気G2の供給量、加熱された予混合気G2のオフガス中のCH4と空気との空気比又は加熱された予混合気G2の温度等を調整することにより調整できる。メタルニット部232の表面に発生させた炎の大きさを調整して、加熱された予混合気G2を適切な温度に加熱することで、加熱された予混合気G2を燃焼できる。

0063

燃焼室26内で、加熱された予混合気G2が燃焼することにより、加熱された予混合気G2は、燃焼排ガスHGとなる。

0064

燃焼室26内に発生した燃焼排ガスHGは、燃焼室26内を上昇して、蓋部22のガス排出口221及び熱交換器本体31のガス流入口311aを通り、熱交換器本体31内に流れる。その後、燃焼排ガスHGは、熱交換部32の第2通路L322の吸気口322aから第2通路L322内に流れる。

0065

燃焼排ガスHGは、第2通路L322内を通りながら、第1通路L321内を流れる予混合気G1と熱交換して予混合気G1を加熱しながら、排気口322bから流出する。このとき、燃焼排ガスHGは、燃焼室26と熱交換部32との移動距離が短いため、燃焼排ガスHGが保有する熱は、放熱することなく熱交換部32に伝えられる。

0066

その後、燃焼排ガスHGは、熱交換器本体31のガス流出口312aからガス排出ラインL20を通って、CH4濃度測定部54及びCO濃度測定部55で燃焼排ガスHG中のCH4濃度及びCO濃度が測定された後、大気中に放出される。

0067

以上のように構成された、燃焼装置10は、熱交換器30を燃焼塔20の蓋部22に設け、熱交換器30で加熱された予混合気G2を予熱ガス供給ラインL10を通して燃焼室26内に供給している。燃焼塔20で発生した燃焼排ガスHGの熱が熱交換器30で予混合気G1と熱交換する前に放出されるのを軽減できる。そのため、熱交換器30で予混合気G1を燃焼排ガスHGと熱交換して加熱する際、燃焼排ガスHGの熱を予混合気G1の加熱に有効に利用することができる。これにより、熱交換器30で予混合気G1を予め所定の温度(例えば、400℃)以上に加熱できるので、燃焼塔20において予混合気G1に含まれるオフガスは燃焼させやすくなる。

0068

一般に、オフガスに含まれるCH4等の炭化水素系燃料は、アンモニア等の難燃性燃料に比べて燃焼速度が速く、安定して燃焼させ易い。ガス製造設備においてより高濃度のCH4を含む精製ガスが得られるようになることで、オフガスのCH4濃度はさらに低くなる。そして、オフガス中のCH4濃度が低濃度(例えば、10%以下)になると、オフガスの熱量は低くなり、オフガスの燃焼速度は難燃性燃料の燃焼速度よりも遅くなる。その結果、オフガスは、安定して燃焼させ難くなる傾向にある。

0069

本実施形態では、燃焼装置10は、燃焼塔20で加熱された予混合気G2を燃焼させる前に、予混合気G1を予め所定の温度(例えば、400℃)以上に加熱できるため、燃焼塔20において加熱された予混合気G2中のCH4を安定して燃焼できる。よって、燃焼装置10は、オフガスがCH4濃度が例えば10%以下のガスでも、加熱された予混合気G2を安定して燃焼させることができる。

0070

したがって、燃焼装置10は、ガス精製設備においてバイオガスを精製する際に排出されるオフガス等、CH4を含有する排ガスの燃焼に有効に用いることができる。

0071

また、CH4は、CO2の25倍の温暖化係数を有するため、CH4の大気放散は、CO2の大気放散よりも温室効果を高めることになり、地球温暖化を助長する。燃焼装置10は、オフガス中のCH4が燃焼して除去されることで、地球温暖化への影響を軽減できる。

0072

燃焼装置10は、燃焼塔20の蓋部22に熱交換部32の熱交換器本体31を固定して、燃焼塔20と熱交換器30とを一体化している。これにより、燃焼排ガスHGの保有する熱が予混合気G1と熱交換する前に放熱されるのを軽減できるため、熱交換部32でより効率良く予混合気G1を加熱できる。

0073

燃焼装置10は、断熱材40を、燃焼筒21の側面211と、バーナ23のチャンバ部231の側壁及び下部と、熱交換器30の熱交換器本体31の側壁及び上部312との外表面に設け、断熱材40の厚さを100mm以上としている。これにより、燃焼装置10は、燃焼排ガスHGの保有する熱が予混合気G1と熱交換する前に放熱するのをより軽減でき、燃焼室26内の温度を所定の温度(例えば、800℃)以上にできる。そのため、燃焼排ガスHGをその熱量を維持した状態で熱交換部32に供給できる。よって、燃焼装置10は、熱交換部32で予混合気G1をさらに効率良く加熱できる。

0074

燃焼塔20は、バーナ23としてメタルニットバーナを用いている。メタルニットバーナは、加熱された予混合気G2を安定して加熱させ易いため、加熱された予混合気G2の燃焼効率を向上させることができる。

0075

メタルニット部232のメタルニット径D1の燃焼筒21の内径D2に対する比(D1/D2)を、0.80〜1.00としている。上記比D1/D2を上記範囲内とすることで、平面視において、燃焼筒21のほぼ全面でCH4を燃焼させることができるので、予混合気G1中のオフガスの燃焼量当たりの予混合気G1の放熱を抑えることができる。

0076

燃焼装置10は、バーナ23のメタルニット部232の表面負荷を、2000〜4000kW/m2としている。これにより、燃焼室26内の温度を所定の温度(800℃以上)に安定して加熱できるので、バーナ23で加熱された予混合気G2を完全燃焼させやすくなる。

0077

燃焼装置10は、オフガス中のCH4の流量が4.0〜6.0L/minとなるように、予混合気G1の流量は調整している。オフガス中のCH4の流量が上記範囲内であれば、燃焼室26において、メタルニット部232の表面に発生させる炎をオフガスが通過する際、加熱された予混合気G2を完全燃焼させることができ、オフガスの不完全燃焼を抑えることができる。これにより、加熱された予混合気G2の不完全燃焼により生じるCOが燃焼排ガス中に含まれるのを抑制できる。

0078

(変形例)
燃焼装置10の変形例について説明する。

0079

本実施形態では、バーナ23がメタルニットバーナである場合について説明したが、バーナ23は旋回流バーナでもよい。図5は、燃焼装置10を図1のI−I断面と同じ位置から+Y軸方向に向かって見た時の一例を示す断面図であり、図6は、旋回流バーナの外観の斜視図である。図5及び図6に示すように、バーナ23は、有底筒状に形成された外筒233と、円柱部234と、羽根235とを有する。図6に示すように、外筒233と円柱部234との間には、リング状流通路236が上下方向に形成されている。

0080

外筒233は、図6に示すように、円筒状に形成されており、図5に示すように、底部に、予混合気G2が流入する導入口233aを有する。

0081

図6に示すように、羽根235は、円柱部234と外筒233との間に、円柱部234の周方向に複数(図6では7枚)設けられている。複数の羽根235は、円柱部234の側面に、バーナ軸方向Jに対して同一方向に傾斜するように取り付けられると共に、円柱部234の周方向に互いに離間して配置されている。羽根235は、外筒233と円柱部234との間に嵌め込んで固定して一体化させている。なお、羽根235の数は7枚に限定されず、適宜設計可能である。

0082

図5に示すように、バーナ23の導入口233aからリング状流通路236に加熱された予混合気G2に導入される。図6に示すように、バーナ23の羽根235同士の間に流入した加熱された予混合気G2は、羽根235の傾斜によって旋回し、バーナ23の出口である上方に向けて噴射される。そして、燃焼室26に加熱された予混合気G2の旋回流を形成する。このとき、スパークロッド24の放電部24aでスパークを発生させることで、オフガスに含まれるCH4を点火して、バーナ23の上方に炎を発生させる。加熱された予混合気G2は炎で加熱されることで、加熱された予混合気G2を燃焼させる。よって、バーナ23が旋回流バーナでも、燃焼塔20において加熱された予混合気G2を安定して燃焼できる。

0083

本実施形態では、燃焼筒21は、平面視において、楕円形矩形等の多角形に形成されていてもよい。

0084

本実施形態では、バーナ23のチャンバ部231及びメタルニット部232は、平面視において、楕円形や多角形に形成されていてもよい。

0085

本実施形態では、メタルニット部232は、半球状又は円錐状等に形成されていてもよい。

0086

本実施形態では、蓋部22と熱交換器本体31との少なくとも一方がフランジ部を有する場合、燃焼塔20と熱交換器30とは、前記フランジ部を介して蓋部22と熱交換器本体31とを連結させてもよい。

0087

本実施形態では、断熱材40は、少なくとも、燃焼筒21の側面211の外表面に設けられていればよい。断熱材40は、例えば、燃焼筒21の側面211の外表面のみに設けられてもよい。また、断熱材40は、側面211とバーナ23のチャンバ部231の側壁及び下部の外表面に設けられてもよいし、側面211と熱交換器30の熱交換器本体31の側壁及び上部312との外表面に設けられてもよい。これらの場合でも、燃焼排ガスHGの放熱は抑えられる。また、断熱材40が特に不要の場合には、断熱材40は設けなくてもよい。

0088

以下、実施例及び比較例を示して実施形態を更に具体的に説明するが、実施形態はこれらの実施例により限定されるものではない。

0089

<実施例1>
[実施例1−1]
図1に示す燃焼装置を準備した。燃焼筒21の内径は約114mmとし、断熱材の厚さtは100mmとし、バーナとしてメタルニットバーナ(メタルニット径D1=100mm)を用いた。以下の、予混合気の条件に従って、燃焼室内にCH4、CO2及び空気を含む予混合気を供給し、CH4の流量は5.0L/minで固定とし、CH4と空気との空気比は1.05とした。燃焼室内の予混合気中のオフガスのCH4濃度を所定の濃度に調整した後、予混合気を燃焼した。オフガスのCH4濃度は、最大で20%として、燃焼室内の予混合気を5分以上燃焼させることができた時のCH4濃度の最小値を求めた。測定結果を表1に結果を示す。
(予混合気の条件)
予混合気の成分:CH4、CO2、空気
CH4の流量:5.0L/min
空気比:1.05

0090

また、予混合気を燃焼させている時の、燃焼室内の温度(燃焼室内部温度)及び燃焼筒の側壁の外表面の温度(燃焼室外壁温度)を測定した。燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、燃焼室内部温度との関係を図7に示し、燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、燃焼室外壁温度との関係を図8に示す。

0091

[実施例1−2]
実施例1−1において、断熱材の厚さtを150mmに変更したこと以外は、実施例1−1と同様にして行った。この結果、燃焼室内のオフガスのCH4濃度が6.9%まで予混合気を燃焼させることができた。燃焼室内の予混合気を5分以上燃焼させることができた時のオフガスのCH4濃度の最小値を表1に結果を示す。また、燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、燃焼室内部温度及び燃焼室外壁温度との関係を図7及び図8に示す。

0092

[実施例1−3]
実施例1−1において、断熱材の厚さtを150mmに変更し、バーナを旋回流バーナに変更したこと以外は、実施例1−1と同様にして行った。この結果、燃焼室内のオフガスのCH4濃度が6.5%まで予混合気を燃焼させることができた。燃焼室内の予混合気を5分以上加熱させることができた時のオフガスのCH4濃度の最小値を表1に結果を示す。燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、燃焼室内部温度及び燃焼室外壁温度との関係を図7及び図8に示す。

0093

[比較例1−1]
実施例1−1において、断熱材の厚さtを50mmに変更し、メタルニットバーナのメタルニット径Dを64mmに変更したこと以外は、実施例1−1と同様にして行った。この結果、燃焼室内のオフガスのCH4濃度が12.0%まで予混合気を燃焼させることができた。燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、燃焼室内部温度及び燃焼室外壁温度との関係を図7及び図8に示す。

0094

[比較例1−2]
比較例1−1において、さらに、燃焼室に供給する予混合気を予め電気ヒータを用いて約400℃まで加熱したこと以外は、実施例1−1と同様にして行った。この結果、燃焼室内のオフガスのCH4濃度が9.7%まで予混合気を燃焼させることができた。燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、燃焼室内部温度及び燃焼室外壁温度との関係を図7及び図8に示す。

0095

上記各実施例及び比較例における、熱交換器の有無、断熱材の厚さt、バーナの種類、及び燃焼室内の予混合気を5分以上加熱させることができた時のオフガスのCH4濃度の最小値を表1にまとめた。

0096

0097

表1より、実施例1−1〜1−3では、燃焼室内のオフガス中のCH4濃度が7.5%以下でも、燃焼室内の予混合気を5分以上加熱させることができた。これに対し、比較例1−1では、燃焼室内のオフガスのCH4濃度が約10%以上でなければ、燃焼室内の予混合気を5分以上加熱させることができなかった。比較例1−2では、燃焼室内のオフガスのCH4濃度が約10%まで燃焼室内の予混合気を5分以上加熱させることができたが、外部熱源として電気ヒータを使用する必要があるため、運転費用等が新たに発生することになり、好ましくない。

0098

また、図7及び図8に示すように、実施例1−1〜1−3では、燃焼室内部温度は約800℃以上の高い温度を維持でき、燃焼室外壁温度は約200℃以下で低い温度であった。これに対し、比較例1−1及び1−2では、燃焼室内部温度は最高でも約600℃であった。また、燃焼室外壁温度は、約220℃以上と高く、燃焼室内のオフガスのCH4濃度が低くなるほど高くなっていった。

0099

よって、燃焼塔のガス排出部である蓋部に熱交換器を配置して、熱交換器で燃焼排ガスの熱を予混合気の加熱に有効に利用しつつ、燃焼室から排出される燃焼排ガスの熱が放熱されるのを軽減することで、オフガスのCH4濃度が低くても予混合気を安定して燃焼できることが確認された。これは、予混合気を燃焼させる前に予め予混合気のガス温度をより高温に高めると共に燃焼室内部温度を高温に保持することで、オフガス中のCH4濃度が低くても、予混合気を安定して燃焼できたためといえる。

0100

<実施例2>
[実施例2−1]
上記の実施例1−1において、燃焼室内の予混合気を燃焼させている時の、メタルニットバーナの表面負荷を測定すると共に、燃焼室から排出される燃焼排ガス中のCO濃度を測定した。燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、メタルニットバーナの表面負荷との関係を図9に示し、燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、CO濃度との関係を図10に示す。

0101

[実施例2−2]
上記の実施例1−2において、実施例2−1と同様に、燃焼室内の予混合気を燃焼させている時の、メタルニットバーナの表面負荷を測定すると共に、燃焼室から排出される燃焼排ガス中のCO濃度を測定した。燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、メタルニットバーナの表面負荷との関係を図9に示し、燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、CO濃度との関係を図10に示す。

0102

[比較例2−1]
実施例2−1において、上記実施例1−1の予混合気の条件のCH4流量を7.0L/minに変更したこと以外は、実施例2−1と同様にして行った。燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、メタルニットバーナの表面負荷との関係を図9に示し、燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、CO濃度との関係を図10に示す。

0103

[比較例2−2]
実施例2−1において、上記実施例1−1の予混合気の条件のCH4流量を9.0L/minに変更したこと以外は、実施例2−1と同様にして行った。燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、メタルニットバーナの表面負荷との関係を図9に示し、燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、CO濃度との関係を図10に示す。

0104

[比較例2−3]
実施例2−1において、上記実施例1−1の予混合気の条件のCH4流量を3.0L/minに変更したこと以外は、実施例2−1と同様にして行った。燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、メタルニットバーナの表面負荷との関係を図9に示し、燃焼室内のオフガスのCH4濃度と、CO濃度との関係を図10に示す。

0105

図9及び図10に示すように、実施例2−1及び2−2では、メタルニットバーナの表面負荷は約2000〜4000kW/m2であり、CH4はほぼ完全燃焼して燃焼排ガスにCOは殆ど発生しなかった。これに対し、比較例2−1及び2−2では、メタルニットバーナの表面負荷が高く、燃焼排ガスのCO濃度は約100ppm以上であった。比較例2−3では、メタルニットバーナの表面負荷が低すぎ、燃焼排ガスのCO濃度は約400ppm以上であった。

0106

よって、予混合気を燃焼させる際、CH4流量を所定の範囲内に調整することで、メタルニットバーナの表面負荷を所定の範囲に調整できるため、予混合気中のCH4を完全燃焼でき、COの発生を抑えることができるといえる。

実施例

0107

以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更等を行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

0108

10燃焼装置
20燃焼塔
22 蓋部
231aガス導入口
232メタルニット部
30熱交換器
31 熱交換器本体
32熱交換部
40断熱材
L10予熱ガス供給ライン

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