CN116724199A - 气体燃烧器以及锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明的一方式的气体燃烧器(1)具备：燃料供给管(10)，其沿着规定的燃烧用空气喷出方向延伸，且被供给燃料气体；空气喷出口(40)，其配置于所述燃料供给管(10)的周围且将燃烧用空气向所述燃烧用空气喷出方向喷出；以及多个流出喷嘴(70)，其以与所述空气喷出口(40)相比不向外侧突出且相对于所述燃烧用空气喷出方向的倾斜角度呈锐角的方式从所述燃料供给管(10)延伸出，并且所述流出喷嘴(70)的前端构成使所述燃料气体流出的燃料流出口(71)。

Description

气体燃烧器以及锅炉

技术领域

本发明涉及气体燃烧器以及锅炉。

本申请基于2021年2月3日在日本申请的日本特愿2021-15591号主张优先权，并将其内容援引于此。

背景技术

例如在锅炉等中，广泛利用将燃料气体与燃烧用空气混合并使其燃烧的气体燃烧器。在气体燃烧器中，有时燃烧温度变高，氮氧化物(NOx)的生成成为问题。为了降低氮氧化物，已知有通过向炉内喷出高速的燃烧用空气而诱导炉内的废气的自循环型燃烧器。喷出的燃烧用空气一边卷入氧浓度低的炉内的废气一边与火焰接触，因此燃烧变得缓慢，火焰温度降低，能够降低氮氧化物的生成。

作为这样的自循环型燃烧器，已知有配设在燃烧用空气的喷流中沿燃烧用空气的喷出方向延伸的燃料喷嘴，并使燃料气体向燃烧用空气的流动中喷出的气体燃烧器(例如参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-173506号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，在专利文献1所记载那样的气体燃烧器中，有时无法充分降低氮氧化物的生成。例如，在使用氢等燃烧速度大的燃料气体的情况下，有可能氮氧化物的生成量变大。另外，氮氧化物的生成和燃烧废气中的未燃物的增加处于折衷的关系，因此要求抑制氮氧化物的生成，并且降低未燃物的产生。

因而，本发明的目的在于提供一种能够抑制氮氧化物的生成并且能够降低燃烧废气中的未燃物的残留的气体燃烧器以及锅炉。

用于解决课题的方案

本发明的一方案的气体燃烧器具备：燃料供给管，其沿着规定的燃烧用空气喷出方向延伸，且被供给燃料气体；空气喷出口，其配置于所述燃料供给管的周围且将燃烧用空气向所述燃烧用空气喷出方向喷出；以及多个流出喷嘴，其以与所述空气喷出口相比不向外侧突出且相对于所述燃烧用空气喷出方向的倾斜角度呈锐角的方式从所述燃料供给管延伸出，并且所述流出喷嘴的前端构成使所述燃料气体流出的燃料流出口。

在上述的气体燃烧器中，可以是，在所述燃烧用空气喷出方向观察时，所述空气喷出口与所述燃料流出口重叠。

可以是，上述的气体燃烧器还具备配置于所述燃料供给管的内侧且将所述燃料气体的流路截面限制为环状的内壁管，所述内壁管具有在所述流出喷嘴的上游侧以减少所述燃料气体的流路截面积的方式扩径的扩径部。

可以是，上述的气体燃烧器还具备：内壁管，其配置于所述燃料供给管的内侧，且将所述燃料气体的流路截面限制为环状；以及环状的密封板，其在所述燃料供给管的中途将所述燃料供给管与所述内壁管之间的间隙密封，所述流出喷嘴从所述密封板贯穿所述燃料供给管而延伸出，且不直接固定于所述燃料供给管。

在上述的气体燃烧器中，优选的是，所述空气喷出口的假想外接圆的直径小于所述燃料供给管的外径的2倍。

本发明的一方案的气体燃烧器具备：上述的气体燃烧器；以及罐体，其具有以包围所述气体燃烧器的方式配置且沿着所述燃烧用空气喷出方向延伸的多个水管，并且罐体划定使所述气体燃烧器的燃烧废气在所述多个水管的轴向上流动的流路。

在上述的锅炉中，优选的是，连结所述空气喷出口的中心的假想圆的直径大于所述罐体的内侧空间的直径的0.15倍且小于0.7倍。

发明效果

根据本发明，能够提供一种能够抑制氮氧化物的生成并且能够降低燃烧废气中的未燃物的残留的气体燃烧器以及锅炉。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的锅炉的剖视图。

图2是表示图1的锅炉的气体燃烧器的结构的剖视图。

图3是从燃烧用空气喷出方向下游侧观察图2的气体燃烧器时的图。

图4是表示本发明的第二实施方式的气体燃烧器的结构的剖视图。

具体实施方式

以下，对于本发明的实施方式，一边参照附图一边进行说明。图1是表示具备本发明的第一实施方式的气体燃烧器1的锅炉100的结构的剖视图。图2是表示气体燃烧器1的结构的剖视图。图3是从燃烧用空气喷出方向下游侧观察气体燃烧器1时的图。

锅炉100具备：气体燃烧器1，其沿着规定的燃烧用空气喷出方向(在本实施方式中为上下方向)延伸且形成火焰；以及罐体110，其被气体燃烧器1的燃烧废气加热。锅炉100其本身是本发明的锅炉的一实施方式。

罐体110具有：多个水管111，它们以包围气体燃烧器1的方式配置且沿着燃烧用空气喷出方向(上下方向)延伸；下部集管112，其将多个水管111的下端连接；以及上部集管113，其将多个水管111的上端连接。罐体110划定使气体燃烧器1的燃烧废气在多个水管111的轴向上流动的流路。

在罐体110中，多个水管111在气体燃烧器1的喷射方向观察时配置成双重的环状。除了内侧的水管111的与气体燃烧器1相反一侧的端部以外，在周向上相邻的水管111彼此直接或通过带状的构件连接，且以燃烧废气无法通过的方式配设。由此，气体燃烧器1的燃烧废气通过内侧的水管111的内侧的空间，在与气体燃烧器1相反一侧的端部穿过水管111的间隙，向相反方向通过内侧的水管11与外侧的水管111之间的空间后排出至外部。

气体燃烧器1具备：燃料供给管10，其沿着燃烧用空气喷出方向延伸；风箱20，其以包围燃料供给管10的上游部的方式配置；空气供给管30，其以配置于燃料供给管10的外侧的方式从风箱20延伸出；多个空气喷出口40，其以配置于燃料供给管10的周围的方式设置于空气供给管30的前端；内壁管50，其配置于燃料供给管10的内侧；环状的密封板60，其在燃料供给管10的前端密封燃料供给管10与内壁管50的间隙；多个流出喷嘴70，其在比空气喷出口40靠燃烧用空气喷出方向下游侧的位置从燃料供给管10延伸出；以及先导燃烧器80，其配置于内壁管50的内侧。

燃料供给管10被供给燃料气体，且划定将燃料气体引导至流出喷嘴70的流路。作为在气体燃烧器1中使用的燃料气体，例如设想氢气、甲烷气体、丙烷气体、包含氢的气体等，但特别是在使用燃烧速度大的氢气、含氢气体的情况下，通过本发明降低氮氧化物的效果变得显著。

风箱20被供给燃烧用空气，将所供给的燃烧用空气以不会因相对于燃料供给管10的角度位置而产生偏差的方式分配并导入空气供给管30。

空气供给管30将燃烧用空气沿着燃料供给管10向燃烧用空气喷出方向引导至空气喷出口40。

空气喷出口40向燃烧用空气喷出方向(在图1以及图2中为下方)喷出燃烧用空气。在图示的例子中，空气喷出口40由在密封空气供给管30的前端的终端板41配设的短管42划定。多个空气喷出口40以包围燃料供给管10的方式呈环状排列而形成，以便能够在燃料供给管10的整周范围内形成沿着燃料供给管10的燃烧用空气的流动。

空气喷出口40优选为从燃料供给管10沿径向分离地设置。通过从燃料供给管10隔开一定的距离地设置空气喷出口40，能够高效地形成沿着燃料供给管10的燃烧用空气的流动。

通过从空气喷出口40喷出的燃烧用空气的喷流，在该喷流附近形成低压区域，炉内的燃烧废气从周向沿着喷流的流动朝向燃料气体供给部连续地卷入燃烧用空气，从而燃烧用空气的氧浓度有效地降低。

空气喷出口40的假想外接圆(在图3中用双点划线图示)的直径优选为小于燃料供给管10的外径的2倍，更优选为小于1.65倍。通过不使空气喷出口40的假想外接圆的直径相对于燃料供给管10的外径增大至必要以上，燃烧用空气的喷流的厚度变薄，每单位体积的比表面积变大，因此能够将炉内的燃烧废气高效地卷入燃烧用空气的喷流。

连结空气喷出口40的中心的假想圆(在图3中用单点划线图示)的直径优选为大于罐体110的内侧空间的直径D(内侧的水管111的节圆直径，参照图1)的0.15倍且小于0.7倍。由此，能够确保燃烧用空气的喷流卷入燃烧废气的区域，并且确保燃烧所需的空间，将燃烧废气高效地卷入燃烧用空气的喷流，同时能够防止不完全燃烧。

内壁管50配置于燃料供给管10的内侧，将燃料气体的流路截面限制为环状。内壁管50在流出喷嘴70的上游侧具有以减少燃料气体的流路截面积的方式扩径的扩径部51。通过内壁管50具有扩径部51，从而燃料供给管10的前端部内侧的燃料气体的流速变大，因此能够利用燃料气体对因燃烧而温度容易变高的燃料供给管10的前端部进行冷却，能够提高气体燃烧器1的耐久性。特别是，燃料气体与空气相比热传导率较大，因此由增大燃料气体的流速带来的燃料供给管10的冷却效果的增大不减小。特别是，在使用氢气作为燃料气体的情况下，氢气的热传导率在200℃下为0.257W/mk，由于接近空气在200℃下的热传导率0.038W/mk的7倍，因此由扩径部51带来的燃料供给管10的冷却效果的增大变得显著。

密封板60将成为燃料气体的流路的燃料供给管10与内壁管50之间隙终止。由此，燃料气体仅从流出喷嘴70流出。

流出喷嘴70以与空气喷出口40相比不向外侧突出且相对于燃烧用空气喷出方向的倾斜角度α呈锐角的方式延伸出。该流出喷嘴70使燃料气体从其前端部流出。即，流出喷嘴70的前端构成使燃料气体流出的燃料流出口71。

通过流出喷嘴70的配置，从而能够控制燃料气体流出的位置以及方向。另外，通过使燃料气体从多个流出喷嘴70流出，从而能够降低气体燃烧器1的周向的燃料分布的偏差。而且，通过设置流出喷嘴70，从而能够抑制在燃烧停止时炉内的燃烧废气或净化空气向燃料供给管10的内部扩散。

流出喷嘴70在比空气喷出口40靠下游侧的位置与空气喷出口40隔开一定的距离地配设。通过从燃料供给管10隔开一定的距离地设置空气喷出口40，从而在混合燃料气体之前在燃烧用空气的喷流中混合炉内的燃烧废气。由此，混合燃料气体时刻的燃烧用空气的氧浓度降低，因此通过降低燃烧温度来抑制氮氧化物的生成。

另外，在气体燃烧器1中，通过在由空气喷流形成的低压区域配置流出喷嘴70的燃料流出口71，即使是供给压力比以往低的燃料气体，也能够使必要的量流出。因此，气体燃烧器1不对例如副产氢、低压供给城市煤气等供给压力低的燃料气体进行加压就能够使用。

作为流出喷嘴70(燃料流出口71的中心)距空气喷出口40的在燃烧用空气喷出方向上的距离L，优选为空气喷出口40的当量直径的3倍以上且15倍以下，更优选为6倍以上且12倍以下。通过使流出喷嘴70距空气喷出口40的距离L为所述下限以上，从而能够向成为可有效地抑制氮氧化物的生成的氧浓度的燃烧用空气混合燃料气体，因此能够有效地抑制氮氧化物的生成。另外，通过使流出喷嘴70距空气喷出口40的距离L为所述上限以下，从而能够抑制燃烧用空气的氧浓度过度降低而燃烧不完全、由燃烧用空气的流速降低而局部温度上升带来的氮氧化物的生成。

流出喷嘴70相对于燃料供给管10以在燃烧用空气喷出方向观察时不从空气喷出口40的外缘的最外部突出的方式配设。即，流出喷嘴70的前端的燃料流出口71图在多个空气喷出口40的假想外接圆的内侧开口。由此，燃料气体向从空气喷出口40喷出的燃烧用空气的喷流在燃料供给管10的背侧局部地形成的低压区域流出，因此能够进一步减小燃料气体的流出压力。

通过流出喷嘴70倾斜，从而燃料气体以具有燃烧用空气喷出方向的速度成分的状态从燃料流出口71流出。由此，燃料气体迅速地向燃烧用空气喷出方向下游侧移动，因此容易确保燃烧用空气与燃烧废气的混合区域以及混合时间，能够抑制未燃物(未燃烧的燃料气体以及一氧化碳等不完全燃烧物)的排出。另外，由于通过流出喷嘴70使燃料气体向相对于燃烧用空气喷出方向呈锐角的方向流出，因此与使燃料气体沿径向喷出的情况相比，燃料气体不易与水管111接触，因此能够更可靠地抑制未燃物(未燃烧的燃料气体以及一氧化碳等不完全燃烧物)的排出。

作为流出喷嘴70相对于燃烧用空气喷出方向的倾斜角度α的下限，优选为15°，更优选为30°，另一方面，作为流出喷嘴70的倾斜角度α的上限，优选为75°，更优选为60°。通过将流出喷嘴70的倾斜角度α设为所述下限以上，从而燃料供给管10的开口不会在燃烧用空气喷出方向上变得过大，因此流出喷嘴70的安装变得容易，并且容易确保对于热应力的强度。另外，通过使流出喷嘴70的倾斜角度α为所述上限以下，从而能够适当地抑制氮氧化物的生成。

空气喷出口40和燃料流出口71优选为在燃烧用空气喷出方向观察时局部地重叠。通过空气喷出口40与燃料流出口71重叠，从而促进燃烧用空气的喷流与燃料气体的混合，因此能够减少未燃物。另外，通过优化它们的重叠程度，能够高度地兼顾由基于燃烧废气的影响的燃烧用空气的氧浓度降低带来的氮氧化物的生成抑制以及由燃料气体与燃烧用空气的混合促进带来的未燃物的降低。

流出喷嘴70的数量以及以燃料供给管10为中心的角度位置并不限定于空气喷出口40的数量以及角度位置，能够任意地设定。

先导燃烧器80具有：先导空气管81，其被供给先导燃烧用空气；以及先导燃料管82，其配置于先导空气管81的内侧，且被供给先导燃料。先导燃烧器80在先导空气管81的前端部将先导燃料与先导燃烧用空气混合，形成先导火焰。

也可以向先导燃烧器80与内壁管50的间隙供给冷却用空气。由此，能够利用冷却用空气经由内壁管50冷却燃料气体进而冷却燃料供给管10，因此能够提高气体燃烧器1的耐久性。冷却用空气能够利用根据向燃料供给管10供给的燃料气体的流量而设定流量的燃烧用空气的一部分。

如以上那样，气体燃烧器1在比空气喷出口40靠下游侧的位置，通过混合炉内的燃烧废气而氧浓度降低的燃烧用空气进行燃料气体的燃烧，因此能够使燃烧温度降低而抑制氮氧化物的生成。特别是，气体燃烧器1通过流出喷嘴70，使燃料气体以具有燃烧用空气喷出方向的速度成分的状态流出，因此燃料气体迅速地向燃烧用空气喷出方向下游侧移动。因此，在气体燃烧器1中，容易确保燃烧用空气与燃烧废气的混合区域以及混合时间，能够降低未燃物的残留。

在锅炉100中，由于在利用多个水管111封闭周围的空间内配设气体燃烧器1，因此在周向上使燃烧用空气的流动不产生偏差。因此，在燃烧用空气的喷流的外侧形成在周向上均等的低压区域，炉内的燃烧废气被卷入燃烧用空气，因此可靠地抑制氮氧化物的生成，并且能够抑制未燃物的产生。另外，锅炉100通过采用划定使气体燃烧器1的燃烧废气在多个水管111的轴向上流动的流路的罐体110，由此不仅在轴向上的流速不存在偏差且能够抑制由燃烧引起的局部高温部分的形成，而且能够降低罐体110中的压损，得到抑制送风机的能量的效果，并且在降低燃料气体的供给压方面还具有效果。因此，锅炉100能够在抑制氮氧化物的生成的同时高效地生成水蒸气。

接着，对本发明的第二实施方式的气体燃烧器1A进行说明。图4是示出气体燃烧器1A的结构的剖视图。需要说明的是，在以后的说明中，有时对与之前说明的实施方式相同的构成要素标注相同的附图标记，并省略重复的说明。该气体燃烧器1A能够在图1的锅炉100中代替气体燃烧器1而使用。

本实施方式的气体燃烧器1A具备：燃料供给管10，其沿规定的燃烧用空气喷出方向延伸；风箱20，其以包围燃料供给管10的上游部的方式配置；空气供给管30，其以配置于燃料供给管10的外侧的方式从风箱20延伸出；单一的空气喷出口40A，其以配置于燃料供给管10的周围的方式设置于空气供给管30的前端；内壁管50A，其配置于燃料供给管10的内侧；环状的密封板60A，其在燃料供给管10的前端密封燃料供给管10与内壁管50A的间隙；多个流出喷嘴70A，其在比空气喷出口40靠燃烧用空气喷出方向下游侧的位置从燃料供给管10延伸出；以及先导燃料管82，其配置于内壁管50A的内侧。

空气喷出口40A配设于燃料供给管10的外周，且是限制燃烧用空气的流路的限制构件43与空气供给管30之间的间隙。限制构件43能够构成为具有：圆环状的凸缘部44，其安装于燃料供给管10；以及筒状的引导筒部45，其从凸缘部44的外缘与空气供给管30平行地延伸至与空气供给管30的前端相同的燃烧用空气喷出方向位置。因此，空气喷出口40A是在空气供给管30与引导筒部45的间隙的前端的燃烧用空气喷出方向上呈环状的开口。

限制构件43优选不固定于空气供给管30，更详细而言，优选引导筒部45与空气供给管不通过间隔件等连接。根据该结构，在高负荷时增大燃料气体以及燃烧用空气的流量的情况下，随着温度上升，空气喷出口40的面积因空气供给管30的热膨胀而增大，因此能够降低燃烧用空气的压损而抑制送风机的能量消耗的增大。

内壁管50A不具有扩径部，以相同的直径延伸至末端。在气体燃烧器1A中，向内壁管50A与先导燃料管82之间供给先导燃烧用空气。即，本实施方式中的内壁管50A划定先导燃烧用空气的流路。因此，在气体燃烧器1A中，利用先导燃烧用空气经由内壁管进行燃料气体冷却，由此间接地冷却燃料供给管10。因此，在气体燃烧器1A中，优选为在不形成先导火焰时也供给先导燃烧用空气。在该情况下，也可以使从空气喷出口40A喷出的燃烧用空气的流量比先导空气的流量小。

密封板60A使成为燃料气体的流路的燃料供给管10与内壁管50A的间隙在比燃料供给管10的中途的从燃料供给管10延伸出流出喷嘴70A的位置靠上游侧终止。在密封板60A连接有流出喷嘴70A，在连接的流出喷嘴70A形成有使燃料气体流出的开口。

流出喷嘴70A在燃料供给管10的内侧与密封板60A连接，从密封板60A向燃烧用空气喷出方向延伸，在燃料供给管10的内侧向径向外侧弯曲，且贯穿燃料供给管10而延伸出。流出喷嘴70A贯穿在燃料供给管10形成的开口，不直接固定于燃料供给管。即，流出喷嘴70A固定于不暴露于火焰的密封板60A，不固定在暴露于火焰而成为高温的燃料供给管10的前端部分。因此，在燃料供给管10与流出喷嘴70A之间不存在能够集中热应力的连接部位，因此气体燃烧器1A在耐久性方面优异。

以上，对本发明的热供给系统的优选的实施方式进行了说明，但本发明并不局限于上述的实施方式，能够进行适当变更。

在将流出喷嘴连接于对燃料供给管与内壁管的间隙进行密封的密封板的结构的情况下，特别是，在内壁管的内侧具备具有先导空气管以及先导燃料管的先导燃烧器的情况下，内壁管也可以在比燃料供给管靠上游侧的位置终止。

附图标记说明

1、1A 气体燃烧器

10 燃料供给管

20 风箱

30 空气供给管

40、40A 空气喷出口

41 终端板

42 短管

43 限制构件

44 凸缘部

45 引导筒部

50、50A 内壁管

51 扩径部

60、60A 密封板

70、70A 流出喷嘴

71 燃料流出口

80 先导燃烧器

81 先导空气管

82 先导燃料管

100 锅炉

110 罐体

111 水管。

Claims (7)

1.一种气体燃烧器，其中，

所述气体燃烧器具备：

燃料供给管，其沿着规定的燃烧用空气喷出方向延伸，且被供给燃料气体；

空气喷出口，其配置于所述燃料供给管的周围且将燃烧用空气向所述燃烧用空气喷出方向喷出；以及

多个流出喷嘴，其以与所述空气喷出口相比不向外侧突出且相对于所述燃烧用空气喷出方向的倾斜角度呈锐角的方式从所述燃料供给管延伸出，并且所述流出喷嘴的前端构成使所述燃料气体流出的燃料流出口。

2.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其中，

在所述燃烧用空气喷出方向观察时，所述空气喷出口与所述燃料流出口重叠。

3.根据权利要求1或2所述的气体燃烧器，其中，

所述气体燃烧器还具备配置于所述燃料供给管的内侧且将所述燃料气体的流路截面限制为环状的内壁管，

所述内壁管具有在所述流出喷嘴的上游侧以减少所述燃料气体的流路截面积的方式扩径的扩径部。

4.根据权利要求1或2所述的气体燃烧器，其中，

所述气体燃烧器还具备：

内壁管，其配置于所述燃料供给管的内侧，且将所述燃料气体的流路截面限制为环状；以及

环状的密封板，其在所述燃料供给管的中途将所述燃料供给管与所述内壁管之间的间隙密封，

所述流出喷嘴从所述密封板贯穿所述燃料供给管而延伸出，且不直接固定于所述燃料供给管。

5.根据权利要求1至4中任一项记载的气体燃烧器，其中，

所述空气喷出口的假想外接圆的直径小于所述燃料供给管的外径的2倍。

6.一种锅炉，其中，

所述锅炉具备：

权利要求1至5中任一项所述的气体燃烧器；以及

罐体，其具有以包围所述气体燃烧器的方式配置且沿着所述燃烧用空气喷出方向延伸的多个水管，并且所述罐体划定使所述气体燃烧器的燃烧废气在所述多个水管的轴向上流动的流路。

7.根据权利要求6所述的锅炉，其中，

连结所述空气喷出口的中心的假想圆的直径大于所述罐体的内侧空间的直径的0.15倍且小于0.7倍。