高性能工業炉開発の現状と展望(高温空気燃焼利用燃焼炉)

平成11年9月22日








高性能工業炉開発の現状と展望

(高温空気燃焼利用燃焼炉)








国士舘大学工学部
岸本 健


目次





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燃焼装置(炉)の高性能化
高度省エネルギー効果

良質なエクセルギの生成
ニーズにあった温度場の提供
高伝熱効率と低排ガス損失

高安定燃焼と無振動燃焼

高燃焼効率とクリーンな排気

低SOx, NOx排出
すす,微粒子の無排出

高保守性能

高耐熱性。高温安定性


















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燃焼装置(炉)の高性能化の方法

燃焼方式

希薄燃焼
純(富)酸素燃焼
高温空気燃焼(予熱空気による希釈燃焼)

燃焼制御

火炎位置の設定
火炎内温度分布の制御
放射率分布の制御

低公害燃焼方式

希薄燃焼・希釈燃焼
純酸素燃焼


















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希薄燃焼
適当な燃焼範囲がない
base-char.gif

濃淡燃焼

希薄燃焼(主火炎)と過濃燃焼(安定支援)の組合せ

















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酸素付加燃焼

高温を必要とする燃焼炉

大幅な酸素付加

燃焼場での燃焼ガスとの混合を促進

NOx-O2.gif

















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高温空気燃焼

方法の発見

高い伝熱効率を実現するためにフラットな温度分布
交番燃焼
吸気口と排気口の共用
排気ガスからの熱回収
蓄熱体と熱交換器
燃焼用空気の温度上昇
排出 NO の増加
排出 NO は大きくならない
空気流速に依存する


















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燃焼装置に必要な項目

省エネルギー効果 によるCO2排出の抑制

高い燃焼効率

高速混合速度と燃焼速度

高い伝熱効率

低熱損失

蓄熱体と、熱交換器による排ガス熱回収技術
壁面損失の低減


















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省エネルギー効果

蓄熱体と、熱交換器による熱回収技術


















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高温空気燃焼における熱回収技術

高温での熱回収

高耐熱性熱回収メディア。

排ガス損失の大幅削減

燃焼用空気の高温化
回収した熱を燃焼用空気の加熱に利用
燃焼用空気の高温化
燃焼温度の高温化によるNOx増加を抑えるため,希釈燃焼の実施


















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燃焼用空気の高温化

どこまで希釈可能か

combustibleJ.gif

















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直交燃料流での高温空気燃焼
system-o.gif system-o2.gif system-o.gif system-o2.gif system-o.gif

















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直交燃料流での高温空気燃焼火炎の変化
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右上を拡大すると

















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直交燃料流での高温空気燃焼火炎の変化
imageE.gif

















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火炎の自発光と温度の変化
emissionSpJ.gif
 

















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高温空気燃焼の解析

低NOx性能

燃焼前の希釈
火炎の分散化
高温ピークの消失と低酸素濃度雰囲気

希釈の効果

温度分布のフラット化
放射伝熱形態が

%cont, fore "yellow", size 4 設計 %cont, fore "white", size 4 できるか? ↓ ↓
火炎面の化学解析
流動による希釈の進行度の評価

















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高温空気燃焼の火炎面の構造
O2 5% CH4 火炎の火炎面の形状の解析結果
flame-shapej.gif
希釈の度合にほぼ比例して火炎厚みは増す。

















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高性能工業炉:高安定燃焼と無振動燃焼

燃料の自己着火温度以上の予熱空気

吹き消えは,吸熱過程がなければ保証される

吸熱過程

気体燃料では,熱分解過程
液体燃料では,蒸発過程
固体燃料では,加熱・揮発分蒸発過程

火炎面の dT/dx と曲率に依存する騒音発生強度

火炎面の拡大とともに,騒音は発生しない。 (未解明ではあるが,)
通常空気(T=600℃ 予熱) 燃焼では, +4dBspl 上昇。
Ar希釈空気(O2 10%, T = 600℃予熱) -8dBspl 減少。


















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NOxの火炎面での生成

%cont, fore "white", size 3 1700 K 一定での酸素濃度の違いと生成速度 %size 5

ckinetic.gif
20%と5%の違い


















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熱化学平衡NOと断熱燃焼温度

熱化学平衡計算の結果

eq110.gif


















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NOxと混合速度
Nox-Jet.gif


















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NO 低減効果

希釈燃焼の実施

Global Reaction Rate でラフな評価
equa-01.gif
N2, O2 ↓, T ↑
無酸素熱分解過程 → 希釈された酸化過程

正確な評価

無酸素熱分解過程がNOの還元
緑の炎の時には,極端に NO 濃度が低下する。
C2 プロセスを含む詳細な反応解析が必要

フレームレス火炎

拡散した燃焼?。火炎面の拡大


















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化学的側面の課題

高度希釈ながらも継続する燃焼

煤が発生しないことなどが特徴

火炎の酸・塩基度の制御

希釈燃焼での反応プロセス(含む NO低減)の詳細な解明
炉内での流動を加味した反応進行メカニズム

単なる熱発生デバイスからの脱却

廃棄物処理(廃棄物に合わせた火炎性状の制御)


















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高性能工業炉:高度伝熱利用

伝熱のメカニズム

低い火炎輝度 → 加熱炉などの高温壁面に支援された伝熱

熱回収の効率

蓄熱体の開発

高熱容量。高温強度,熱疲労耐久性。保守性

炉内のフローパターン解析と放射伝熱の有効利用

シミュレーションコードを活用した火炎の熱輻射と反応過程からの炉設計


















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高燃焼効率

実際の炉内での現象

dilutecomb.gif
 


















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計算した交番燃焼管での温度分布
tempdis.gif
 


















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加熱の熱の模式図
execesj.gif
 


















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熱放射の波長変換
plank.gif


















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熱放射の波長変換

ガスと壁,被加熱物は吸収係数が異なる

wallrad.gif


















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加熱炉の熱収支

模擬計算による熱収支。波長変換を組み込んだもの

heatbl.gif


















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高性能工業炉:高度伝熱利用の課題

加熱炉が主体

加熱炉には適用しやすい条件が揃っている。

高性能燃焼装置実現の方法としての高温空気燃焼

より高温度の予熱と高速度希釈効果

加熱炉以外の熱容量の小さな燃焼装置への適用

高温の排気ガスによる希釈効果が期待できない燃焼装置に応用する方法

放射伝熱の有効利用



















終了

kkishim@kokushikan.ac.jp