JP2002061806A

JP2002061806A - 低ＮＯｘ燃焼方法並びにバーナ

Info

Publication number: JP2002061806A
Application number: JP2000245386A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sudo; 淳須藤; Toshiaki Hasegawa; 敏明長谷川
Original assignee: Nippon Furnace Co Ltd
Current assignee: Nippon Furnace Co Ltd
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2002-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】炉長が短くても、炉長が長いときと変わらな
い平坦な分布の火炎温度を形成してなおかつ完全燃焼さ
せる。また、蓄熱バーナ技術を短い炉長でも適用可能と
する。【解決手段】理論空気量以上の燃焼用空気を真円のスロ
ートから同一流量だけ供給する場合と比べて比表面積が
大きな噴流断面を形成するように炉内へ噴射すると共に
この空気噴流に向けて燃料を噴射させ、燃料がその速度
エネルギーを失う前に空気噴流に強い乱れを以て急速に
混合されるようにしている。具体的には、エアスロート13
の開口部13aの相当直径ｄｅとエアスロート13の中心か
ら燃料ノズル11の中心までの間隔１／２Ｄpcdとの比ｄ
ｅ／Ｄpcdが０．１〜０．５の範囲であり、かつ燃料噴
流軸とエアスロート13の長手方向の中心軸上平面との交
点とエアスロートの出口面までの距離Ｌａに対するエア
スロートの相当直径ｄｅの比Ｌａ／ｄｅが２．０〜１
０．０の範囲で燃料を噴射するようにエアスローと13と
燃料ノズル11とを配置し、より好ましくはエアスロート
13が扁平な矩形状の開口13aを有するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は低ＮＯｘ燃焼方法及
びバーナに関する。更に詳述すると、本発明は、燃料及
び空気の高強度の乱流拡散混合を可能とする低ＮＯｘ燃
焼方法及びバーナに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃焼におけるＮＯｘ生成を抑制する根本
的な方法としては、（１）火炎温度を下げる、（２）酸
素濃度を低くする、（３）滞留時間を短くすることであ
る。そこで、一般的には、酸素濃度の濃い空気と燃料と
を急激に混合させると、火炎に高温域が発生するためサ
ーマルＮＯｘが急激に増加すると思われている。このた
め、ＮＯｘの発生を抑制するためには、燃料あるいは燃
焼用空気を二段に分けて噴射して所謂濃淡燃焼を起こさ
せて火炎が高温となるのを防ぐようにしたり、空気と燃
料との噴流によって生じる伴流によってバーナ内部で燃
焼ガスを強制的に循環させ、この領域での酸素濃度を低
下させると共に燃料の希釈を促進させ火炎温度を下げて
ＮＯｘ生成量を低くするようにしている。

【０００３】また、近年、省エネルギのため、蓄熱体を
利用して燃焼排ガスの熱を回収しそれを燃焼用空気の予
熱に使って再び炉内へ投入するリジェネレイティブバー
ナ（蓄熱バーナとも呼ばれる）が提案されている。この
バーナでは、燃焼用空気そのものが１，０００℃または
それ以上に予熱されてＮＯｘが増加し易い環境にある。
その上、空気と燃料とを噴射直後に衝突させると、上述
のごとく酸素濃度の濃い空気と燃料とが急速に混合され
て火炎の最高温度を高めＮＯｘを急激に増加させると考
えられる。

【０００４】そこで、十分な間隔を保って燃料と高温の
空気とを平行に炉内へ噴射して、燃料と空気との急激な
初期混合を抑制すると同時に、燃料と空気とが混合する
前に十分な排ガスを巻き込んで低酸素濃度となってから
燃焼を開始させることが試みられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、常温の
空気を用いた濃淡燃焼の場合には空気と燃料とを噴射直
後に衝突させて十分に混合させなければ燃焼させられな
いので、酸素濃度の濃い空気と燃料との拡散燃焼により
火炎の高温域の発生を十分には防ぐことができず、また
排ガス再循環燃焼の場合には狭いバーナ内部への排ガス
の取り込みが十分なものとはならず、いずれもＮＯｘの
低減が十分なものとは言えなかった。

【０００６】一方、高温空気を利用する燃焼方法の場
合、空気と燃料との可燃混合範囲が増大するため燃焼域
が局在せずに分散して広がりＮＯｘの発生を十分に抑制
できるが、その反面十分な間隔を保って燃料と高温の空
気とを平行に炉内へ噴射させて低速混合を実現するため
には、十分に長い炉内滞留時間を必要とする。このた
め、狭い炉内・短い炉では燃焼し切れずに未燃分・ＣＯ
が排出されてしまう危険がある。そこで、十分な長さの
炉（対を成す燃焼側と排気側のバーナ間の十分な間隔）
が必要となり、炉が大型化する問題を有している。

【０００７】本発明は、炉長が短く、しかも炉長が長い
ときと変わらない平坦な分布の火炎温度が得られると共
に完全燃焼してＣＯの発生がない低ＮＯｘ燃焼方法及び
バーナを提供することを目的とする。また、本発明は、
省エネルギーや低ＮＯｘ性、均一温度分布特性に優れた
蓄熱バーナ技術を短い炉長でも適用可能とする低ＮＯｘ
燃焼方法及びバーナ構造を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明者等が種々研究・開発した結果、短炎化のた
め空気と燃料とを噴射直後に急速に混合（乱流拡散混
合）させることは、ＮＯｘの発生を急激に増大させると
従来思われていたが、空気噴流の比表面積を増大させ尚
かつ所定範囲で衝突させる場合にはＮＯｘの発生を抑制
しつつ短炎化できることを知見するに至った。

【０００９】即ち、従来は燃焼用空気と燃料とが高強度
の乱流の状態で混合を起こすに十分な速度エネルギーを
有する間であれば、どこで衝突させても燃焼域が狭まり
火炎最高温度を高くしてＮＯｘの発生を急激に増大させ
るものと思われていた。特に、燃焼用空気を燃焼排ガス
温度近くの高温に予熱して供給する場合にはそれが顕著
になると考えられていた。しかし、本発明者等は、空気
噴流の断面形状を変え所定の範囲で衝突させることによ
り、十分な乱れ強さをもった範囲内で尚かつ酸素濃度が
低い状態での燃焼のさせ方が可能となることを知見する
に至った。

【００１０】本発明はかかる知見に基づくものであっ
て、請求項１記載の低ＮＯｘ燃焼方法は、理論空気量以
上の燃焼用空気で燃焼させる方法において、燃焼用空気
を同一流量を真円のスロートから供給する場合に比べて
比表面積が大きな噴流断面にして炉温が８００℃以上の
炉内へ噴射すると共にこの空気噴流に向けて燃料を噴射
させ、燃料がその速度エネルギーを失う前に空気噴流に
強い乱れを以て急速に混合されるようにしている。

【００１１】この場合、空気噴流の比表面積が大きく広
い面積で周りの燃焼ガスと接触しかつ取り込んで行くた
め、噴射直後から急速に酸素濃度が下がって行き、噴出
後もまだ強い乱れを伴う乱流拡散混合に必要かつ十分な
速度エネルギーを有する燃料と衝突する頃には酸素濃度
が十分低くなっている。そして、炉内温度が８００℃以
上という条件では、空気噴流が短い距離で炉内ガスと混
合して希釈とともに予熱され空気温度を上げる。そのた
め、供給空気温度が、保炎機構がない系で安定に燃焼す
るために必要とされる少なくとも自己着火温度以上の温
度よりもはるかに低くても、例えば空気温度４００℃で
あっても、燃料噴流と接触する以前に容易に高温空気燃
焼が必要とされる温度即ち、８００℃に達する。依って
高温空気燃焼で必要条件とされている約８００℃以上と
いう空気温度に対しても、供給空気温度が２００ないし
３００℃以上あれば良い。空気噴流の乱流攪拌効果を高
めたことにより、従来の空気温度範囲よりも広い温度範
囲で燃焼が可能となる。

【００１２】したがって、燃料と空気噴流とが強い乱れ
を以て急速に混合されても、燃焼用空気の噴流には酸素
濃度の高い部分がないことから燃焼域が通常の乱流拡散
燃焼時よりも広がりかつ低速混合燃焼時よりも狭まり、
低速混合燃焼時よりも短炎でありながら低速混合燃焼時
と変わらない局所的な高温域の発生しない平坦な温度分
布の火炎が形成される。

【００１３】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の低ＮＯｘ燃焼方法において、燃焼用空気が蓄熱メデ
ィアを介して排気される燃焼排ガスの熱を回収して燃焼
排ガスの温度に近い高温に予熱されてから供給されるよ
うにしている。

【００１４】この場合、蓄熱体を介して炉内へ高速で噴
出される燃焼用空気は排気ガス温度に近い高温に予熱さ
れるため、炉内へ噴射されるときには既に混合気の自己
着火温度以上となっている。したがって、燃料と混合さ
れると同時に燃焼を開始するため、乱流拡散により高い
酸素濃度の空気噴流と燃料噴流とを急速に混合させる
と、狭い範囲内で急激に燃焼して火炎最高温度を上げる
こととなる。しかしながら、本発明の場合、燃焼用空気
と燃料の双方が強い乱れを伴う乱流拡散に必要かつ十分
な速度エネルギーを有するうちに急速に混合されても、
燃焼用空気の酸素濃度が十分に低下しているため燃焼域
が乱流拡散混合の場合よりも広がり局所的な高温域が発
生しない。しかも、高温に予熱された燃焼用空気は高速
の流れとなって燃焼室あるいは炉内での燃焼ガスの挙動
・循環を活発にし、燃焼室内温度分布を平坦化（局所的
高温域のない平坦な温度分布の燃焼場を形成）する。即
ち、燃料と空気の初期混合の促進が図られると共に炉内
ガスの循環効果が促進される。

【００１５】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは２記載の低ＮＯｘ燃焼方法において、燃焼用空気
が、全体として扁平で肉厚の薄い噴流に形成されるよう
にしている。この場合、空気噴流の比表面積の大幅な増
加により、燃焼ガスによる希釈効果を一層高めて、燃料
と衝突する頃には酸素濃度の高い流れ部分・芯のない噴
流を形成する。したがって、十分な乱れ強さをもった範
囲内で尚かつ酸素濃度が低い状態で急速に混合させて燃
焼させることができる。

【００１６】また、請求項４記載の発明は、請求項１か
ら３のいずれかに記載の低ＮＯｘ燃焼方法において、燃
料が、少なくとも２つ以上の噴射口から分けて噴射さ
れ、比表面積を大きくした空気噴流に対して広い面積で
衝突させられて当該燃料が強い乱れを以て空気噴流と急
速に混合されるようにしている。この場合、空気と燃料
との接触面積も広がり、混合がより急速なものとなる。

【００１７】また、請求項５記載の発明は、請求項１か
ら４のいずれかに記載の低ＮＯｘ燃焼方法において、燃
料噴流が複数本形成され、空気噴流と衝突する前に燃料
噴流同士が衝突するようにしている。この場合、燃料噴
流同士が空気噴流と衝突する前に衝突することによって
扁平に広がる噴流が得られることから、空気噴流との接
触表面積が増大する結果、燃焼用空気の低温から高温ま
での広い範囲で着火源の安定化がはかられると同時に燃
焼反応が促進されて短炎化が実現される。

【００１８】また、請求項６記載の発明は、請求項１か
ら４のいずれかに記載の低ＮＯｘ燃焼方法において、空
気噴流が複数本形成され、燃料噴流と衝突する前に空気
噴流同士が衝突するようにされている。この場合、燃料
噴流と衝突する前に空気噴流同士が衝突することによっ
て扁平に広がる平面状噴流が得られることから、炉内高
温ガスとの接触表面積が増大する結果、空気噴出部から
真円状噴流の場合に比してごく短い距離で燃焼用空気が
希釈・予熱され（炉温８００℃以上の条件）る。このと
き、燃焼用空気が高温で、かつ酸素濃度が充分に低下し
ているため、その状態で燃料と混合しても供給空気温度
の広い範囲で着火源の安定性および局所的な高温域が発
生しない燃焼形成が図られると同時に燃焼反応が促進さ
れて短炎化が実現される。

【００１９】また、請求項７記載の発明は、請求項１か
ら４のいずれかに記載の低ＮＯｘ燃焼方法において、燃
料噴流並びに空気噴流が複数本形成され、かつ燃料噴流
と空気噴流とが衝突する前に空気噴流同士並びに燃料噴
流同士が衝突するように設けられている。この場合、空
気噴流と衝突する前に燃料噴流同士が衝突することによ
って扁平に広がる平面状噴流が得られることから、燃料
と炉内高温ガスとの接触表面積が増大する結果、燃料噴
出部から真円状噴流の場合に比してごく短い距離で燃料
噴流が希釈・予熱され（炉温８００℃以上の条件）る。
このとき、燃料が高温で、かつ発熱量が充分に低下して
いるため、その状態で前記燃焼用空気（すなわち燃料噴
流と衝突する前に空気噴流同士が衝突することによって
扁平に広がる平面状噴流であることにより燃焼用空気が
高温で、かつ酸素濃度が充分に低下している）と混合し
ても供給空気温度の広い範囲で着火源の安定性および局
所的な高温域が発生しない燃焼状態形成が図られると同
時に燃焼反応が促進されて短炎化が実現される。

【００２０】更に、請求項８記載の発明は、請求項１か
ら７のいずれかに記載の低ＮＯｘ燃焼方法において、炉
内で衝突する前記燃焼噴流と空気噴流との組を複数組形
成して大型燃焼場を形成するようにしている。

【００２１】また、請求項９記載の発明は、理論空気量
以上の燃焼用空気で燃焼させる低ＮＯｘバーナにおい
て、同一流量の燃焼用空気を真円のスロートから供給す
る場合に比べて比表面積が大きな噴流断面を形成して全
量の燃焼用空気を炉内へ噴出するエアスロートと、エア
スロートの噴射口からある距離を隔てた位置で尚かつ空
気噴流と速度エネルギーを失う前に燃料を衝突させるべ
く燃料を炉内へ噴射する燃料ノズルとを備えるようにし
ている。この場合、比表面積が大きな形状の空気噴流が
形成されるため、広い面積で周りの燃焼ガスと接触しか
つ取り込んで噴射直後から急速に酸素濃度が下がって行
く。そして、燃料と衝突する頃には、酸素濃度が十分低
くなっていると共に燃料噴流も噴出後まだ強い乱れを伴
う乱流拡散混合に必要かつ十分な速度エネルギーを有す
ることから、燃料噴流と空気噴流との衝突によって両者
は急速に混合される。依って、燃焼域が通常の乱流拡散
燃焼時よりも広がりかつ低速混合燃焼時よりも狭まり、
低速混合燃焼時よりも短炎でありながら低速混合燃焼時
と変わらない局所的な高温域の発生しない平坦な温度分
布の火炎が形成される。

【００２２】また、請求項１０記載の発明は、請求項９
記載の低ＮＯｘバーナにおいて、エアスロートの開口の
相当直径ｄｅとエアスロートの中心から燃料ノズルの中
心までの間隔１／２Ｄpcdとの比ｄｅ／Ｄpcdが０．１〜
０．５の範囲であり、かつ燃料噴流軸とエアスロートの
長手方向の中心軸上平面との交点とエアスロートの出口
面までの距離Ｌａに対するエアスロートの相当直径ｄｅ
の比Ｌａ／ｄｅが２．０〜１０．０の範囲で燃料を噴射
するようにしている。この範囲内にエアスロートと燃料
ノズルとが配置される場合、強い乱れを伴う乱流拡散混
合に必要かつ十分な速度エネルギーを燃料が有しながら
尚かつ燃焼用空気の酸素濃度が十分に低い状態となって
燃料噴流と空気噴流とが衝突させられる。

【００２３】また、請求項１１記載の発明は、請求項９
または１０記載の低ＮＯｘバーナにおいて、エアスロー
トが、扁平な矩形状の開口を有するようにしている。こ
の場合、空気噴流の比表面積が真円の場合に比べて飛躍
的に増加して排ガス循環による希釈効果を一層高めるた
め、ＮＯｘの発生が更に抑制される。

【００２４】また、請求項１２記載の発明は、請求項９
または１０記載の低ＮＯｘバーナにおいて、エアスロー
トを複数の小孔に分割することによって、比表面積を増
加できた。この場合、単一の真円から成るエアスロート
に比べて容易に比表面積が大幅に増えると共に火炎の散
在による温度の平坦化が可能となる。

【００２５】また、請求項１３記載の発明は、請求項９
または１０記載の低ＮＯｘバーナにおいて、エアスロー
トが、複数の小孔に分割されて各噴流が独立せずに連な
るように列状に配置され全体として扁平な断面形状の噴
流を形成するようにしている。この場合、扁平な矩形ス
ロートの場合と同様に比表面積が真円のエアスロートの
場合に比べて増大し、酸素濃度の低下がより急速なもの
となる。

【００２６】また、請求項１４記載の発明は、請求項１
２または１３記載の低ＮＯｘバーナにおいて、複数の小
孔は、燃料噴流と衝突する前に空気噴流同士が衝突する
噴流を形成するものであるようにしている。この場合、
複数の小孔は燃料噴流と衝突する前に空気噴流同士が衝
突することによって扁平に広がる複数の平面状噴流が得
られることから、炉内高温ガスとの接触表面積が単一の
平面状噴流の場合に比べて大幅に増大する結果、空気噴
出部から真円状噴流の場合に比して極めて短い距離で燃
焼用空気が希釈・予熱され（炉温８００℃以上の条件）
る。このとき、燃焼用空気が高温で、かつ酸素濃度が充
分に低下しているため、その状態で燃料と混合しても供
給空気温度の広い範囲で着火源の安定性および局所的な
高温域が発生しない燃焼形成が図られると同時に燃焼反
応が一層促進されて顕著に短炎化が実現される。しか
も、扁平エアスロートを用いずとも、空気噴流同士の衝
突によって扁平断面を有する噴流を形成することがで
き、扁平エアスロートの噴流がもたらすものと同じ効果
を得ることができる。

【００２７】また、請求項１５記載の発明は、請求項９
から１４のいずれかに記載の低ＮＯｘバーナにおいて、
燃料ノズルが、少なくとも２つの噴射口を有し、比表面
積が大きくなった空気噴流に対して広い面積で燃料を衝
突させるようにしている。この場合、燃料との接触面積
が広がり、乱流拡散による混合がより急速なものとな
る。

【００２８】また、請求項１６記載の発明は、請求項９
から１４のいずれかに記載の低ＮＯｘバーナにおいて、
燃料ノズルが少なくとも２つの噴口を有し、各噴口から
噴出される燃料噴流同士が空気噴流と衝突する前に衝突
する噴流を形成するようにしている。この場合、燃料噴
流同士が空気噴流と衝突する前に衝突することによって
扁平に広がる噴流が得られることから、空気噴流との接
触表面積が増大する結果、燃焼用空気の低温から高温ま
での広い範囲で着火源の安定化がはかられると同時に燃
焼反応が促進されて短炎化が実現される。

【００２９】また、請求項１７記載の発明は、請求項９
から１６のいずれかに記載の低ＮＯｘバーナにおいて、
燃料ノズルが、空気噴流を囲むように複数配置されるよ
うにしている。この場合も、燃料との接触面積が広が
り、乱流拡散による混合がより急速なものとなる。

【００３０】また、請求項１８記載の発明は、請求項１
７記載の低ＮＯｘバーナにおいて、複数本の燃料ノズル
は、空気噴流と衝突する前に燃料噴流同士が衝突する噴
流を形成するようにしている。この場合、燃料噴流同士
が空気噴流と衝突する前に衝突することによって扁平に
広がる噴流が得られることから、空気噴流との接触表面
積が増大する結果、燃焼用空気の低温から高温までの広
い範囲で着火源の安定化がはかられると同時に燃焼反応
が促進されて短炎化が実現される。

【００３１】また、請求項１９記載の発明は、請求項９
から１８のいずれかに記載の低ＮＯｘバーナにおいて、
空気噴流並びに燃料噴流が複数本形成され、かつ空気噴
流と燃料噴流とが衝突する前にそれぞれ空気噴流同士並
びに燃料噴流同士が衝突する噴流を形成するようにされ
ている。この場合、空気噴流と燃料噴流とが衝突する前
にそれぞれ空気噴流同士並びに燃料噴流同士が衝突する
噴流を形成することによって扁平に広がる複数の燃料及
び燃焼用空気平面状噴流が得られることから、炉内高温
ガスとの接触表面積が単一の燃料及び燃焼用空気平面状
噴流の場合に比べて飛躍的に増大する結果、燃料及び燃
焼用空気噴出部それぞれから極めて短い距離で燃料及び
燃焼用空気が希釈・予熱され（炉温８００℃以上の条
件）る。このとき、燃料が高温で、かつ発熱量が充分に
低下し、かつ燃焼用空気が高温で酸素濃度が充分に低下
しているため、その状態で燃料と燃焼用空気が混合して
も供給空気温度の広い範囲で着火源の安定性および局所
的な高温域が発生しない燃焼形成が図られると同時に燃
焼反応が飛躍的に促進されて従来の高負荷燃焼に匹敵す
る短炎化が実現される。

【００３２】また、請求項２０記載の発明は、請求項９
から１９のいずれかに記載の低ＮＯｘバーナにおいて、
エアスロートに蓄熱メディアと該蓄熱メディアに対し燃
焼排ガスと燃焼用空気とを交互に導く流路切替手段とを
備え、蓄熱体を通して燃焼排ガス温度に近い高温に予熱
された燃焼用空気を炉内へ向けて噴射させるようにして
いる。この場合、燃料噴流が衝突する際の燃焼用空気は
燃焼排ガス温度に近い高温で混合気の自己着火温度以上
となっていることから燃料と混合されると同時に燃焼を
開始するが、酸素濃度が極めて低くなっているため通常
の乱流拡散燃焼時よりも燃焼域が広がり、通常乱流拡散
燃焼時よりも局所的な高温域が発生しない。

【００３３】また、請求項２１記載の発明は、請求項２
０記載の低ＮＯｘバーナにおいて、セラミックハニカム
を蓄熱メディアとして内蔵するようにしている。ここ
で、ハニカムのセル数は１０〜２００セル/ｉｎ^２であ
ることが好ましい。この場合、ナゲットやブロックなど
を充填した蓄熱体に比べて遙かに低圧損のため、すすな
どが発生してもそれらによる閉塞や汚れによる性能低下
が極めて起りにくい。また、圧損が少ない分だけ低供給
動力で燃焼用空気を高速にして炉内へ噴射することがで
きるため、炉内ガスを活発に撹拌し炉内温度分布の均一
化を一層助けてＮＯｘの発生を抑制すると共に、蓄熱メ
ディア内を乱れなく高速で流れる空気あるいは排ガスと
蓄熱体との間の対流伝熱を良好にすると共に薄いセル厚
さによりナゲット等の蓄熱体の場合に比べて極めて短時
間で温度変化に追従することから、蓄熱体としての能力
を十分に利用した状態での高速切換を可能にして熱交換
の温度効率を高め、炉内温度の昇温あるいは降下を短時
間で実現を可能とすると共により高温の予熱空気を供給
させて省エネルギー効果を上げる。

【００３４】また、請求項２２記載の発明は、請求項２
０または２１記載の低ＮＯｘバーナにおいて、バーナ本
体のエアスロートに蓄熱メディアを内蔵すると共に、該
バーナ本体に流路切替手段を直結し、バーナ本体の直近
で燃焼用空気と排ガスとの切替えを行うようにしてい
る。この場合、バーナ切換時の給気・排気の送気遅れ時
間を最少化できる。即ち、蓄熱メディアと流路切替手段
との間のダクト分のパージ容積が不要となる分だけそこ
に残留する排ガス量も少なくなり、切替時のパージ用空
気の量が極微量となるため、切替時に排ガスのパージに
要するデッドタイムを短くして高速切替を可能とするた
め、燃料噴射のタイムラグをほとんど無くし消火と同時
に対を成す他方のバーナを着火することができる。この
ため、バーナの実稼動率を上げる一方、炉圧変動を小さ
く抑えることができる。

【００３５】更に、請求項２３記載の発明は、請求項９
から２２のいずれかに記載の低ＮＯｘバーナにおいて、
エアスロートと燃料ノズルとを複数組設置して大型燃焼
機を構成するようにしている。この場合、エアスロート
と燃料ノズルを収容するスロートとを必要に応じて複数
組、例えば環状に配置したり、縦あるいは横に一直線上
に配置したり若しくは放射状に配置するだけで必要に応
じて大型の燃焼機を構成できる。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

【００３７】図１に本発明の低ＮＯｘ燃焼方法を実施す
る低ＮＯｘバーナの一例を示す。この実施形態のバーナ
１は、蓄熱メディアを介して空気の供給と燃焼ガスの排
気とを交互に行う蓄熱型バーナとして構成したものであ
り、２基で一対を成し、燃焼と排気を数十秒間のインタ
ーバルで交互に繰返すように燃焼が燃焼制御装置（１７
図示省略）で制御されている。燃焼排ガスは休止中のバ
ーナ内を通過し、バーナに内蔵されたハニカム状蓄熱メ
ディア２に熱を与えることにより冷却されて流路切替手
段たる切換弁（三方弁）３を経由して、排風機（図示省
略）を通って煙突等に至る。燃焼排ガスは、一方、蓄熱
バーナ１では各々内蔵した蓄熱メディア２で排ガスから
回収した熱によって燃焼空気を予熱する。そして、この
高温予熱空気を使って乱流拡散燃焼を行う。

【００３８】各蓄熱バーナ１は、例えば図１及び図２に
示すように、蓄熱メディア２と、第２の燃料ノズル１１
と、流路切替手段たるフラッパ式三方弁（スイッチバル
ブ）３及びこれらを支持するバーナ本体１０並びに必要
に応じて第１の燃料ノズル１２とから構成され、耐火耐
熱物から成るバーナ本体１０に蓄熱メディア２と第２の
燃料ノズル１１及び第１の燃料ノズル１２とを内蔵して
いる。そして、バーナ本体１０の後端にはフラッパ式三
方弁３が直結され、バーナ本体によって形成されるエア
スロート１３に収容されている蓄熱メディア２との間に
できるだけ空間を開けないように三方弁３を配置して蓄
熱メディア２の直近で燃焼用空気と排ガスとの切替えを
行うように設けられている。

【００３９】ここで、フラッパ式三方弁は、図１に示す
ように、バーナ本体１０に直結されるハウジング１７
と、このハウジング１７内に設置されてバーナ本体１０
に連結されたポート１４を除く２つのポート１５，１６
を開閉するフラッパ１９とこれを２つのポート１５，１
６の間で揺動させる切替シャフト１８と、該切替シャフ
ト１８をハウジング１７の外で駆動するアクチュエータ
（図示省略）とから構成されている。ハウジング１７
は、バーナ本体１０に直結される座を含む３つの座を有
し、各座部分にポート１４，１５，１６が形成され、一
方のポート１５には燃焼用空気の供給系統のダクト２０
が、他方のポート１６には排気系統のダクト２１がそれ
ぞれ連結されている。

【００４０】このように構成されたフラッパ式三方弁３
の内部空間Ｓは、フラッパ１９が揺動し得る最小の空間
から成り、給気と排気との切替時にパージする容積を極
めて小さして残留する排ガスを空気に入れ換えるための
時間を短くし、パージのための時間が燃焼の切替時間に
占める割合を小さくする。加えて、三方弁３と蓄熱メデ
ィア２とは近接して設けられており、排ガスから燃焼用
空気への切替時に三方弁３から蓄熱メディア２にかけて
残存する排ガスの量が極微量であり、バーナ本体１０と
三方弁３とを繋ぐべきダクト分のパージ容積が不要とな
る分だけパージ時間とパージガス量を少なくできる。し
かして、残留する排ガスを空気と入れ替える時間を短く
できるので高速切替を可能とする。このため一方の蓄熱
バーナを消火するのとほぼ同時に他方の蓄熱バーナを着
火することができ、温度効率を上げてより高温の予熱空
気での燃焼を実現でき省エネルギー効果を高める。

【００４１】また、第２の燃料ノズル１１は、図示して
いないが必要に応じてパイロットバーナ等を備え、取り
外すことができるようにバーナ本体１０に装着されてい
る。この燃料ガンの後端には図示していないが燃料遮断
用電磁弁などを含む燃料ガンアッセンブリが備えられ
る。

【００４２】この第２の燃料ノズル１１は、エアスロー
ト１３の出口１３ａからある距離を隔てた位置に所定の
傾きを以て配置され、空気噴流と燃料噴流とが噴射口か
ら離れた所定範囲で衝突させられるように設置されてい
る。

【００４３】ここで、衝突位置を定める所定範囲とは、
燃料が噴射・速度エネルギを失わないで尚かつ空気噴流
が十分に排ガスを巻き込んで酸素濃度を低くした位置を
意味する。

【００４４】具体的には空気噴射口及び燃料噴射口に近
い所で空気噴流と衝突させるべく燃料を噴射するように
設けられている。例えば本実施形態の場合、図３に示す
ように、定格運転時に主に燃料を噴射するノズル即ち第
２の燃料ノズル１１は、エアスロート１３の相当直径
（面積を円に換算したときの直径）ｄｅとエアスロート
１３の中心から燃料ノズルの中心までの間隔１／２Ｄpc
dとの比ｄｅ／Ｄpcdが０．１〜０．５の範囲で、かつ燃
料噴流軸とエアスロートの長手方向の中心軸上平面との
交点とエアスロート１３の出口面までの距離Ｌａに対す
るエアスロートの相当直径ｄｅの比が２．０〜１０．０
の範囲で設定されることが好ましい。この場合、強い乱
れを伴う乱流拡散に必要かつ十分な速度エネルギーを燃
料が有しながら尚かつ燃焼用空気の酸素濃度が十分に低
い状態となって燃料噴流と空気噴流とが衝突させられ
る。尚、図中の符号αは第２の燃料ノズルから噴射され
る燃料の衝突噴射角度である。

【００４５】この第２の燃料ノズル１１から噴射される
燃料の噴流はその速度エネルギーを失う前即ち噴射エネ
ルギーが大きく衰えない乱れ強さの強い乱流であるうち
に空気噴流と衝突して十分な乱れ強さをもった状態で速
やかに混合され、低速混合の場合よりも短い火炎を形成
する。しかも、長い火炎となる低速混合の場合と変わら
ない低ＮＯｘ性を有する。

【００４６】また、燃焼用空気は、同一流量を真円のス
ロートから供給する場合に比べて比表面積が大きな噴流
断面を形成するように噴出される。例えば、エアスロー
トの噴射口の形状を非円形にして円形よりも比表面積を
大きくしたり、噴流同士を衝突させて流体干渉によって
扁平状断面を有する噴流を形成する。より好ましくは、
全体として肉厚の薄い・芯（酸素濃度の高い部分・流
れ）のない空気噴流を形成して比表面積をより大きくす
ることである。具体的には図２に示すような矩形、図５
に示すような扁平な楕円、多数の小孔に分割されて散在
する円形あるいは図４に示すような小孔が一直線上に配
置されることによって全体として扁平な矩形、楕円など
の噴流断面が形成される。この場合、炉内ガスを短い時
間で巻き込み、酸素濃度が速く下がって行くので、噴射
エネルギー・速度エネルギーの強い状態の燃料と衝突す
る頃には酸素濃度が十分低くなっている。

【００４７】燃料ノズルは２つあるいはそれ以上設けら
れることが好ましい。燃料ノズルから噴射される燃料は
所有するエネルギが小さい。このことから噴射された後
に直ぐにエネルギを失う。したがって、噴射ノズル数を
多くして広い範囲に広がるように噴射させれば、比表面
積が大きくなった空気噴流に対して広い面積で燃料が衝
突することによって、バーナからより短い距離において
強い乱れを伴う乱流拡散混合を起こせる。即ち、比表面
積を広くした空気噴流のできるだけ全域に燃料が強い乱
れを以て噴きつけられるようにすることが好ましい。こ
の観点から、燃料ノズルも２本以上設けられることが好
ましく、より好ましくは空気噴流を囲むように配置され
ることである。

【００４８】ここで、空気噴流の噴流直後からの速度低
下は、その開口形状にも左右される。例えば、扁平な矩
形状エアスロート１３を例にとると、矩形の短い辺の長
さをa、長い辺をb、相当直径deとしたとき、ａはdeの1/
２ないし1/5程度に設計すると、La/de＝2とはLa/ａでは
４ないし１０となる。初期速度が同じであれば速度減衰
はLa/ａで表されることから、本混合形式はその値が大
きいことがわかる。即ち、速度減衰の値が大きいという
ことは、噴出後同一距離で比較すると、炉内ガスの巻き
込みを促進させたことを意味する。したがって、ノズル
近傍で、高温排ガスによる空気流の希釈は所定の条件
（例えば、高温空気燃焼を成立させるのに必要な空気中
酸素濃度の値例えば１０％以下）に達するので、その領
域に燃料を噴出させることが出来る。

【００４９】同様に、燃料も燃料噴流径dfと燃料噴流が
空気噴流と接触するまでの距離Lfとにより速度低下が定
まる。したがって、燃料噴流がその衝突エネルギを失う
前とは、例えば空気噴出後短い距離で高温空気燃焼を成
立させる場合には、Lf/dfがおおよそ100ないし200以内
で空気流に接触衝突することを表す。ここで、速度減衰
を大きくすることは、高温空気燃焼を成立させる上で好
ましいことは公知であるが、そのようなノズルは一般に
火炎が浮力の影響を受けやすく加熱炉にはあまり適さな
いと見られていた。しかし、今般、見出した範囲であれ
ば、火炎が浮力の影響を受けることなく、混合は効果的
に促進された。その結果、単一の円形ノズルの場合より
も、よりバーナから近い位置で燃料と空気を混合させる
ようにしても、従来であれば顕著に生じていた急激なＮ
Ｏｘ発生もなく、しかも火炎の長さは効果的に短炎化さ
れた。これは、燃料と空気の接触位置が従前よりもバー
ナ寄り即ち噴口寄りとなったので、衝突混合時の燃料噴
流の乱流乱れ強さが大きい状態で混合が開始するように
なったことが主因であろうと思われる

【００５０】また、バーナ本体１０は、先端開口１３ａ
が蓄熱メディア２を収容する部分よりも絞られて扁平な
矩形状に形成されたエアスロート１３を有している。そ
して、このエアスロート１３からは、定格運転（炉内温
度８００℃以上）時に通常燃焼時の流速またはこれより
も高流速で理論空気量以上、例えばガス燃料の場合には
空気比ｍ＝１〜１．２程度低過剰空気比、好ましくは
１．０３〜１．１５、最も好ましくは１．１程度の燃焼
用空気が炉内へ向けて噴射される。燃焼用空気はエアス
ロート１３の開口１３ａの形状に倣って扁平な矩形状に
整形されてから炉内へ噴射される。このため、燃料噴流
に対して広い面積で衝突することとなる。同時に、この
スロート形状によれば、バーナ本体１０を構成する耐火
耐熱物によって蓄熱メディア２が覆われることから、炉
内からの輻射熱に対して蓄熱メディア２を保護すること
ができる。

【００５１】エアスロート１３の開口（噴射口）１３ａ
の形状は、最も好ましくは、図２に示すような細長いス
リット状の矩形に形成されることである。しかし、エア
スロート１３の開口１３ａの形状は、図示の扁平な矩形
状に特に限定されず、図５に示すような楕円形や、図４
に示すような小孔に分割された円形あるいは図示してい
ないその他の比表面積が増大する形状例えば星形、繭
形、正方形、三角形などの形状が必要に応じて適宜採用
される。また、噴射口の形状そのものは場合によっては
円形でも良いが、この場合には図４に示すように噴射口
を多数の小さな円孔に分割して一列状に並べることによ
って、実質的にスリット形状のスロートから噴射される
のとほぼ同様の矩形状の空気噴流を形成するように設け
ることが好ましい。これらの場合、比表面積の大きな噴
流が形成されれば、排ガスの巻き込みが活発となり短い
距離で燃料と混合されても混合直前の位置での酸素濃度
は充分に低くなっている。

【００５２】この所定の空気流速は、図示していない送
風機、排風機並びにエアスロート１３の大きさ等を適切
に設計することによって得られる。このエアスロート１
３の先端の開口１３ａの大きさを変えることで、燃焼用
空気の噴射速度（運動量）を自由にコントロールするこ
とができ、火炎の形状及び性状を変えることができる。

【００５３】尚、本実施形態の場合、蓄熱メディア２を
装填した１本のエアスロート１３に対し２本の第２の燃
料ノズル１１を対称に配置して１ユニットのバーナを構
成しているがこれに特に限定されず、１本のエアスロー
ト１３に対し１本の燃料ノズル１１を、あるいは１本の
エアスロート１３に対し３本以上の燃料ノズル１１を配
置して１ユニットのバーナを構成するようにしても良
い。例えば、バーナが大型でエアスロート１３が細長い
矩形の場合には、燃料を空気噴流に均等に衝突させるた
め、図２に示すようにエアスロート１３を挟んで２本の
第２の燃料ノズル１１を対称に配置して空気噴流を挟む
ように燃料を噴射するようにしているが、更には片側に
２本ずつ配置して計４本配置することもある。燃料ノズ
ルの数及び噴射口の数は多くすることが好ましく、例え
ば空気噴流を囲むように複数配置されたり、少なくとも
２つの噴射口を有し、比表面積が大きくなった空気噴流
に対して広い面積で燃料を衝突させるように設けられ
る。

【００５４】また、蓄熱メディア２は、その材質、構造
については特に限定を受けるものではないが、比較的圧
力損失が低い割に熱容量が大きく形成できるハニカム形
状、特に耐久性の高い材料、例えばセラミックスで成形
されたハニカム形状のセル孔を多数有する筒体の使用が
好ましい。この場合、蓄熱容量の割に圧損が低いため、
送風機及び排風機の能力を特別に上げずとも給気と排気
とが実施可能である。例えば１００mmＡｑ以下の低圧損
で実現できる。また、蓄熱メディア２としては、例え
ば、排ガスのように１０００℃前後の高温流体と燃焼用
空気のように２０℃前後の低温流体との熱交換には、コ
ージライトやムライト、アルミナ等のセラミックスを材
料として押し出し成形によって製造されるハニカム形状
のものの使用が好ましい。また、ハニカム形状の蓄熱メ
ディア２は、その他のセラミックスやセラミックス以外
の素材例えば耐熱鋼等の金属あるいはセラミックスと金
属の複合体例えばポーラスな骨格を有するセラミックス
の気孔中に溶融した金属を自発浸透させ、その金属の一
部を酸化あるいは窒化させてセラミックス化し、気孔を
完全に埋め尽くしたＡｌ_２Ｏ_３−Ａｌ複合体、Ｓｉ
Ｃ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ａｌ複合体などを用いて製作して
も良い。尚、ハニカム形状とは、本来六角形のセル
（穴）を意味しているが、本明細書では本来の六角形の
みならず四角形や三角形のセルを無数にあけたものを含
む。また、一体成形せずに管などを束ねることによって
ハニカム形状の蓄熱メディアを得るようにしても良い。
尚、ハニカム形状とは、本来六角形のセル（穴）を意味
しているが、本明細書では本来の六角形のみならず四角
形や三角形のセルを無数にあけたものを含む。また、一
体成形せずに管などを束ねることによってハニカム形状
の蓄熱メディアを得るようにしても良い。

【００５５】また、蓄熱メディア２の形状も特に図示の
ハニカム形状に限定されず、図示していないが筒状のメ
ディアケースに平板形状や波板形状の蓄熱材料を放射状
にあるいは環状に配置したり、パイプ形状の蓄熱材料を
軸方向に流体が通過するように充填したり、ボール状や
ナゲット状の蓄熱材を充填したり、更にはパンチングメ
タルのような多数の孔を穿孔した板材・耐熱鋼板等を単
独であるいは積層するように収納したものであっても良
い。

【００５６】尚、本実施形態の蓄熱バーナ１に用いられ
る蓄熱メディア２は、ハニカム状のセラミック（セル数
１０〜２００セル／ｉｎ^２）であり、この小ブロック
（５０ｍｍ□〜２００ｍｍ□×５０ｍｍｈ）が通常４〜
１０段垂直に重ねられて用いられる。ハニカム状の通路
の中を排ガスと空気が短時間例えば約３０秒毎に交互に
逆方向に流れる。このようにハニカム内の流れに、局所
的な乱流域や低流速がない往復動のため、すすなどが発
生してもそれらが付着したり堆積することは少ない。こ
のため長期使用においても蓄熱体の清掃や交換の必要は
なく、メンテナンスが不要であることも特長である。

【００５７】以上のように構成されたバーナによれば例
えば次のように操業される。

【００５８】まず、炉内温度が常温から決められた温度
（高温燃焼が実施可能な温度で、例えば８００℃程度以
上）にまで昇温する間は、立ち上げ用の第１の燃料ノズ
ル１２及び必要あれば定格運転用の第２の燃料ノズル１
１から燃料を噴射してバーナを運転する。所定温度へ達
した後は、定格運転用の第２の燃料ノズル１１だけから
の燃料噴射に切り替えて第１の燃料ノズル１２からの燃
料噴射を停止する。勿論、場合によっては第１及び第２
の双方の燃料ノズル１１，１２から燃料を噴射すること
もある。そして、フラッパ式三方弁を動作させて交互燃
焼運転を行う。

【００５９】交互燃焼は、例えば２セットの隣接するバ
ーナ同士でペア（ＡバーナおよびＢバーナ）を組み、一
方のバーナが燃焼モードの時、他方のバーナは排気モー
ド（炉内の燃焼ガスを吸引し炉外へ排出する）となる。
排気はバーナ本体１０のエアスロート１３から蓄熱メデ
ィア２を経て、排ガスの顕熱を蓄熱メディア２で回収し
て低温にしてから行われる。そして燃焼時に、蓄熱メデ
ィア２に燃焼空気を通すことで、炉内燃焼ガス温度に近
い高温の予熱空気が得られる。第２の燃料ノズル１１は
燃焼空気の供給とほぼ同一タイミングで燃料を供給す
る。通常、定格運転時に炉内へ直接燃料を噴射する第２
の燃料ノズル１１にはパイロットバーナが組み込まれず
一次空気を使用しないが、第１の燃料ノズル１２などで
冷却のため空気を流す場合にはこの冷却用空気を含めて
全体に理論空気比未満の空気比となるように供給空気量
と燃料量とが調整されている。また、フラッパ式三方弁
３と同期して一対のバーナの各ガス電磁弁は開閉する。

【００６０】ここで、蓄熱メディアに対する排ガス及び
燃焼用空気の流れを相対的に切り替えて該蓄熱メディア
を通して燃焼排ガスの排気と燃焼用空気の給気とが交互
に行なわれることによって、燃焼用空気が排ガスの温度
に近い高温に予熱されてから供給され燃焼に供される。
燃焼用空気は定格運転時において通常燃焼時の流速また
はこれよりも高流速で噴射させられると共にこの空気噴
流に向けて燃料を噴射させ、空気噴流の出口からある距
離を隔てた位置で燃焼用空気と燃料を高速で衝突させて
急速に混合させられる。ここで、定格運転時とは、例え
ば炉内温度が８００℃以上に達した状態における燃焼時
などの、設計前提条件を満たしている運転を意味する。

【００６１】このとき、第２の燃料ノズル１１から高速
度で噴射される燃料と、エアスロート１３から高速度で
噴射される燃焼用空気とは、それらの間の相似則を保ち
ながらエアスロート１３の出口１３ａからある距離Ｌａ
を隔てた位置で衝突し、乱流拡散により急速に混合して
燃焼を起こす。ここで、通常燃焼時の流速またはこれよ
りも高流速でかつ高温の燃焼用空気噴流と燃料噴流とが
炉内への噴射直後に激しく衝突して急速に混合され、拡
散燃焼すると共に周囲の燃焼ガスを随時取り込んで還元
させ低ＮＯｘ化すると共に炉内のガス流動を激しくして
局所高温域のない平担な温度分布を形成する。

【００６２】そして、一対の蓄熱バーナ１の燃焼モード
と排気モードの切替は、所定の切替時間例えば約３０秒
毎に行われる。燃焼するバーナの切替は、各ペア間でタ
イミングをずらし、順次行うことにより、炉内圧力の変
動を最小限にすることが好ましい。いずれの場合にも、
Ａバーナ燃焼とＢバーナ燃焼の間には休止時間と呼べる
ほどのものは設けられておらず、切替運転用燃料弁はＡ
バーナの閉止とほぼ同時にＢバーナが開放される。即
ち、バーナ本体１０とフラッパ式三方弁３とが直結され
た本実施形態の場合、切替時間にはパージ時間が極めて
短時間（例えば消火して反対側のバーナに着火するまで
が０．３秒以内のパージ時間）しか採られず、消すと同
時に対となる相手側のバーナが着火するように設けられ
ている。これによって、炉圧変動をほぼ１／４程度に小
さく抑えることができると共にバーナの実稼動率を上げ
ることができる。

【００６３】ここで、三方弁３の切替は、予め決められ
た切替時間に基づいて行っても良いが、熱電対で測定さ
れる排ガス温度によって切替られることもある。排気温
度は常温付近から例えば２００℃ないし３００℃の間で
管理されることが好ましい。

【００６４】尚、交互燃焼は上述したように対を成すバ
ーナが固定される場合に限られず、順次ペアを組む相手
バーナを変更するようにしても良い。例えば、図示して
いないが、図１のバーナを単位ユニットとして３ユニッ
ト以上で燃焼システムを構成すると共に燃焼させるバー
ナの台数と燃焼を停止させて排気に利用するバーナの台
数との比率を可変とし、ユニットが固定的な対を組まな
いで順次全ユニットが交互燃焼を繰り返すように燃焼す
るバーナの数よりも排気に利用するバーナの数を多くさ
せても良い。この場合、全てのユニットのバーナが時間
をずらして尚かつ切替の際のパージ時間をできるだけな
くして燃焼するため、広い範囲で非定在火炎を形成しな
がら交互燃焼を成立させることができる。したがって、
図１に示す実施形態の交互燃焼バーナシステムよりも火
炎の非定在化が進み、炉内温度分布がより均一化され
る。また、燃焼量を小さくしても燃焼バーナの数を減ら
すことによってエアスロートから噴出される燃焼用空気
の速度を高速に維持でき、初期混合を良好な状態に維持
すると共に炉内ガスの流動を活発に保持して、ＮＯｘの
抑制を図りつつ局所的な高温域の発生を抑制した平坦な
炉内温度分布を形成可能とする。ここで、燃焼バーナと
排気バーナの数が異なっても、供給空気量と排気量との
関係は変わらない。即ち、燃焼バーナと排気バーナとの
台数比率が１：１であっても１：２であっても、１行程
内でみれば、空気の流れる量も排気量も変わらない。た
だし、燃焼バーナの比率が減ればその分だけ空気時間の
比率が減ることとなり、蓄熱体の中を流れる流体速度は
空気のときは速く、排気のときは遅くなり、冷却の伝熱
の方が良好となるため、蓄熱体の効率は良くなる傾向と
なる。即ち、加熱空気の温度が上がり、排気温度が下が
る傾向となる。

【００６５】図６〜図８に他の実施形態を示す。この実
施形態は、例えば、本構成条件を大型装置に適用した代
表的な例（高温熱風発生設備）を示すものである。この
バーナ装置には、エアスロート１３と定格運転時に使用
する第２の燃料ノズル１１とが環状に交互に配置され、
全体で１つの大型燃焼機が構成されている。本実施形態
の場合、６箇所の矩形状（扁平な小判型）のエアスロー
ト１３と６本の第２の燃料ノズル１１とが交互に環状に
相互に接近させて設置されることによって１つの大型燃
焼機を構成するようにしている。尚、図中の符号１２は
立ち上げ用のパイロットバーナ付き第１の燃料ノズル、
３１はウィンドボックス、３２は炉内である。

【００６６】このバーナ装置においても、第２の燃料ノ
ズル１１は、エアスロート１３の相当直径ｄｅとエアス
ロート１３を挟む２つの燃料ノズル間隔Ｄpcdとの比ｄ
ｅ／Ｄpcdが０．１〜０．５の範囲で、かつ燃料噴流軸
とエアスロートの長手方向の中心軸上平面との交点とエ
アスロート出口面までの距離Ｌａに対するエアスロート
の相当直径ｄｅの比Ｌａ／ｄｅが２．０〜１０．０の範
囲で設定される。

【００６７】そして、燃焼用空気はウィンドボックス３
１に導入され、各蓄熱メディア２を経て各々のエアスロ
ート１３の出口１３ａから炉内へ通常燃焼時の流速また
はこれよりも高流速で噴射され、周辺の第２の燃料ノズ
ル１１から噴射される燃料がエアスロート１３の出口か
らある間隔を隔てた近い位置例えば上述の各範囲を満た
す位置で高速に衝突させられ、急速に混合される。

【００６８】また、図１１〜図１３に他の実施形態を示
す。この実施形態は、燃料ノズルに複数の燃料噴射口
（小孔）あるいは複数の燃料ノズルが、噴射される燃料
噴流同士が空気噴流と衝突する前に衝突するように配置
されて設けられたものである。この場合、燃料噴流同士
が空気噴流と衝突する前に衝突することによって扁平に
広がる噴流が得られることから、空気噴流との接触表面
積が増大する結果、燃焼用空気の低温から高温までの広
い範囲で着火源の安定化がはかられると同時に燃焼反応
が促進されて短炎化が実現される。

【００６９】燃料ノズルは、例えば図１２の（Ａ）及び
（Ｂ）に示すように、少なくとも２箇所の噴射口が、エ
アスロート開口１３ａから等距離に開口されると共に互
いの燃料噴流同士が空気噴流と衝突する前に衝突するよ
うに形成されている。このような燃料ノズル１１が少な
くとも１本、好ましくは２本以上で例えば矩形状の開口
１３ａのエアスロート１３の周りに配置されている。図
１２の実施形態の場合、２本の燃料ノズル１１がエアス
ロート１３を挟むように対向配置されているが、図１２
に示すように４本を対向配置させても良いしそれ以上の
本数を配置しても良い。また、燃料ノズルの少なくとも
２箇所の噴射口は、例えば図１３に示すように、エアス
ロート開口１３ａから異なる距離に開口され、互いの燃
料噴流同士が衝突してから空気噴流と衝突するように形
成されることも可能である。この場合、燃料噴流同士の
衝突によって燃料噴流が空気噴流と平行に膜状に拡が
り、その後に空気噴流と衝突するため、空気噴流との接
触表面積がより一層増大して燃焼用空気の低温から高温
までの広い範囲で着火源の安定化がはかられると同時に
燃焼反応が促進されて一層の短炎化が実現される。

【００７０】また、図１４〜図１５に他の実施形態を示
す。この実施形態は、空気噴流が複数本形成され、燃料
噴流と衝突する前に空気噴流同士が衝突するようにされ
たものである。この場合、空気噴流と燃料噴流とが衝突
する前にそれぞれ空気噴流同士並びに燃料噴流同士が衝
突する噴流を形成することによって扁平に広がる複数の
燃料及び燃焼用空気平面状噴流が得られることから、炉
内高温ガスとの接触表面積が単一の燃料及び燃焼用空気
平面状噴流の場合に比べて飛躍的に増大する結果、燃料
及び燃焼用空気噴出部それぞれから極めて短い距離で燃
料及び燃焼用空気が希釈・予熱され（炉温800℃以上の
条件）る。このとき、燃料が高温で、かつ発熱量が充分
に低下し、かつ燃焼用空気が高温で酸素濃度が充分に低
下しているため、その状態で燃料と燃焼用空気が混合し
ても供給空気温度の広い範囲で着火源の安定性および局
所的な高温域が発生しない燃焼形成が図られると同時に
燃焼反応が飛躍的に促進されて従来の高負荷燃焼に匹敵
する短炎化が実現される。

【００７１】エアスロート１３は、例えば図１４の
（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、噴射口１３ａが６箇所の
小さな円孔に分割し尚かつ各噴流が独立せずに連なるよ
うに接近させて一列に並べられることによって、実質的
に矩形状のスロート開口から噴射されるのとほぼ同様の
扁平な矩形状の空気噴流を形成するように設けられてい
る。さらに、各円孔１３ａは斜めでかつ１つおきに逆方
向となるように形成され、隣同士の空気噴流が衝突しそ
の後に燃料噴流と衝突するように形成されている。ここ
で燃料噴流は、図示のように空気噴流に対して離れた箇
所で分けられて衝突するように形成されても良いし、図
１１〜図１３に示すように燃料噴流同士が衝突してから
空気噴流と衝突するように形成して燃料噴流と空気噴流
とが衝突する前に空気噴流同士並びに燃料噴流同士が衝
突するように設けるようにしても良い。さらに、燃料ノ
ズル１１の数は特に限定されず、図１５に示すように本
数が多くなるほどに燃料分散効果が顕著となり、着火源
の安定化がはかられると同時に燃焼反応が促進されて一
層の短炎化が実現される。

【００７２】なお、上述の実施形態は本発明の好適な実
施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発
明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能で
ある。例えば、本実施形態では、一対のバーナを交互に
燃焼させる燃焼方法について主に説明したが、これに特
に限定されるものではなく、同一バーナを連続的に燃焼
させる方式の蓄熱バーナ構造とすることも可能である。
即ち、別々に独立したエアスロート１３と排気通路とを
設け、排気通路から連続して炉内ガスを排出する。一
方、エアスロートから高温予熱された燃焼用空気を連続
供給して連続燃焼させることも可能である。この場合、
蓄熱メディアに対して排ガスと燃焼用空気とを連続的に
途切れることなく通過させることが必要となるので、例
えば蓄熱メディアをエアスロート１３の外に配置して回
転させ、あるいは蓄熱メディアに対して排ガス流路と空
気流路とを回転させるかあるいは切り替え、燃焼排ガス
と燃焼用空気とを相対移動する蓄熱メディアに対して異
なる領域・位置で同時に通過させるようにしている。こ
れによって、蓄熱メディアの加熱された部分に空気が流
されて高温に予熱されることとなる。

【００７３】また、本実施形態では、バーナ本体１０内
に蓄熱メディアを内装した蓄熱式バーナを例に挙げて主
に説明したがこれに特に限定されるものではなく、蓄熱
メディアをバーナ本体の外に設置したり、あるいは蓄熱
メディアを介さずに燃焼用空気の供給と燃焼ガスの排気
を行う非蓄熱型のバーナであっても良い。

【００７４】また、本実施形態ではフラッパ式三方弁３
を流路切替手段として用いた場合について主に説明した
が、この三方弁に特に限定されるものではなく、その他
の構造の三方弁や、複数の電磁弁の組み合わせや四方弁
などの使用が可能である。また燃料についても、ガス燃
料に限らず、オイル燃料あるいはオイル・ガス燃料を併
用することも可能である。

【００７５】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、請求項
１並びに９記載の発明の低ＮＯｘ燃焼方法及びバーナに
よると、同一流量を真円のスロートから供給する場合に
比べて比表面積が大きな噴流断面を形成するため、周り
の燃焼ガスの空気噴流への拡散が活発となり、噴射直後
から急速に酸素濃度が下がって行き、燃料と衝突する頃
には酸素濃度が十分低くなっていることから、燃料と空
気とが強い乱れを以て急速に混合されても、燃焼用空気
の噴流には酸素濃度の高い部分がなく燃焼域が広がり局
所的な高温域の発生しない平坦な温度分布の火炎が形成
される。しかも、強い乱れを伴う乱流拡散混合により速
やかに混合するため低速混合時に比べて遙かに短炎とな
る。

【００７６】即ち、短い火炎長さで完全燃焼する。図９
に示す実験結果からも明らかなように、同じ発生熱量の
場合、火炎長さが短くなる。例えば３３０Kwのバーナ出
力の場合、空気と燃料とを一定の間隔を保って平行に炉
内へ噴射し低速混合させる（La/de=∞，α＝０゜）時に
は完全燃焼時の可視火炎長さが約７ｍ必要としているの
に対し、本発明のバーナ並びに燃焼方法のように噴射口
から一定範囲内（de/Dpcd=０．１〜０．５，La/de=５．
０，α＝２０゜）で衝突させる場合には火炎長さは約
５．２ｍしか必要としない。したがって、その分だけ炉
長を短くできるし、炉長が短くても完全燃焼してＣＯも
発生しない。しかも、炉長が長いときと変わらない火炎
温度が得られる。その上ＮＯｘの発生も図１０に示す実
験結果より明らかなように低くすることができる。例え
ば、１１％Ｏ_２低いレベル換算で、空気比ｍ＝１．０３
の場合で５０ｐｐｍ程度に、ｍ＝１．１で８０ｐｐｍ以
下と極めて低くできる。尚、de/Dpcdの値は、火炎長さ
には大きな影響を与えないので、０．１〜０．５の範囲
において火炎長さは大きく変わらない。

【００７７】この燃料と空気との混合は、請求項１０記
載のバーナによって容易に実現される。この範囲内にエ
アスロートと燃料ノズルとが配置される場合、強い乱れ
を伴う乱流拡散混合に必要かつ十分な速度エネルギーを
燃料が有しながら尚かつ燃焼用空気の酸素濃度が十分に
低い状態となって燃料噴流と空気噴流とが衝突させられ
る。

【００７８】また、請求項２及び２０記載の低ＮＯｘ燃
焼方法並びにバーナの場合、蓄熱メディアを介して混合
気の自己着火温度以上の高温（排気ガス温度に近い高
温）に予熱された燃焼用空気の酸素濃度を十分に低くし
て強い乱れを伴う乱流拡散混合に必要かつ十分な速度エ
ネルギーを有する燃料と衝突させるようにしているの
で、ＮＯｘの発生を抑えつつ同じ発熱量を少ない燃料量
で得ることができる省エネルギー効果を奏する。即ち、
省エネルギー効果の高い蓄熱バーナを乱流拡散燃焼に適
用することができる。これによって、火炎長を１０〜３
０％程度短くすることが可能となると共に、炉出口の排
ガス温度を排ガスの酸露点近い温度まで下げることがで
き、従来バーナに比べ３０％以上の省エネルギー化が可
能となる。また高温空気燃焼によって発生ＮＯｘ量の低
減率も従来型に比べ５０％以下にすることができ、燃焼
場での温度分布が非常に平坦化される。

【００７９】また、この低ＮＯｘバーナによると、大型
のレキュペレータを使用する場合に比べて設備的にも簡
素化される。

【００８０】更に、本発明によると、空気と燃料を高速
に混合しつつ、なおかつ火炎中に局所的高温領域が形成
されることのない燃焼が実現される。よって非常に高温
熱風を耐火物許容最高限界近くで効果的に発生させるこ
とが出来る。

【００８１】また、請求項３および１１記載の発明の低
ＮＯｘ燃焼方法及びバーナによると、空気噴流の比表面
積が真円の場合に比べて飛躍的に増加して排ガス循環に
よる希釈効果を一層高めるため、ＮＯｘの発生が更に抑
制される。

【００８２】また、請求項１２及び１３記載の発明の低
ＮＯｘバーナによると、扁平な矩形スロートの場合と同
様に空気噴流の比表面積が真円の場合に比べて飛躍的に
増加して排ガス循環による希釈効果を一層高めるため、
ＮＯｘの発生が更に抑制される。

【００８３】また、請求項４及び１５並びに１７記載の
発明の低ＮＯｘ燃焼方法並びにバーナによると、燃料噴
流と空気噴流との接触面積が増大して空気と燃料との混
合を良好なものとする。

【００８４】また、請求項５および１６並びに１８記載
の発明の低ＮＯｘ燃焼方法及びバーナによると、燃料噴
流同士が空気噴流と衝突する前に衝突することによって
扁平に広がる噴流が得られることから、空気噴流との接
触表面積が増大する結果、燃焼用空気の低温から高温ま
での広い範囲で着火源の安定化がはかられると同時に燃
焼反応が促進されて短炎化が実現される。

【００８５】また、請求項６および１４記載の発明の低
ＮＯｘ燃焼方法及びバーナによると、扁平状の空気噴流
が短い時間・距離で効果的に形成される。このため、炉
内ガスとの接触面積が効果的に増え、炉内ガスで希釈・
予熱され、燃料と混合されると同時に局所高温域を発生
させずに安定して燃焼して短炎を形成する。

【００８６】また、請求項７および１９記載の発明の低
ＮＯｘ燃焼方法及びバーナによると、燃料自体も短い時
間・距離で炉内ガスとの接触面積が効果的に増え、希釈
されて実効発熱量が落ちるため、局所的高温域の発生を
防いでＮＯｘの発生を抑えることできる。

【００８７】また、請求項２２記載の発明の低ＮＯｘバ
ーナによると、バーナ切換時の給気・排気の送気遅れ時
間及びパージ量を最少化して高速切換を可能としている
ので、燃料噴射のタイムラグをほとんど無くし消火と同
時に対を成す他方のバーナを着火することができる。こ
のため、バーナの実稼動率を上げる一方、炉圧変動を小
さく抑えることができる。

【００８８】また、請求項２１の発明によると、ナゲッ
トやブロックなどを充填した蓄熱体に比べて遙かに低圧
損のため、蓄熱体としての能力を十分に利用した状態で
の高速切換を可能にして熱交換の温度効率を高め、炉内
温度の昇温あるいは降下を短時間で実現を可能とすると
共により高温の予熱空気を供給させて省エネルギー効果
を上げる。

【００８９】更に、請求項８並びに２３記載の発明の場
合、空間をより効率的に活用した配置を採ることにより
燃焼装置の大型化の要請に容易に応えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の低ＮＯｘ燃焼方法を実施する無酸化バ
ーナの一実施形態を示す中央縦断面図である。

【図２】図１のバーナの正面図である。

【図３】図１のバーナの燃焼用空気噴流と燃料噴流との
適切な衝突位置を示す説明図である。

【図４】エアスロートと燃料ノズルの他の実施形態を示
す正面図及び断面図である。

【図５】エアスロートと燃料ノズルの更に他の実施形態
を示す正面図及び断面図である。

【図６】本発明の低ＮＯｘ燃焼方法を実施する無酸化バ
ーナの他の実施形態を示す中央縦断面図である。

【図７】図６のバーナのエアスロートと燃料ノズルとの
配置関係を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図
である。

【図８】図６のバーナの燃焼用空気噴流と燃料噴流との
衝突関係を示す説明図である。

【図９】従来の層流拡散燃焼法による火炎長さと本発明
の燃焼法による火炎長さとを比較した実験結果を示すグ
ラフである。

【図１０】ＮＯｘ発生量とＬａ／ｄｅ比との関係を空気
比ごとに実験した結果を示すグラフである。

【図１１】エアスロートと燃料ノズルの他の実施形態を
示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は縦断面図である。

【図１２】エアスロートと燃料ノズルの更に他の実施形
態を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は縦断面図であ
る。

【図１３】燃料ノズルの他の実施形態を示す正面図であ
る。

【図１４】エアスロートと燃料ノズルの更に他の実施形
態を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は縦断面図、
（Ｃ）はＡ−Ａ線断面図である。

【図１５】エアスロートと燃料ノズルの更に他の実施形
態を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は縦断面図、
（Ｃ）はＡ−Ａ線断面図である。

【符号の説明】

１蓄熱バーナ２蓄熱メディア３フラッパ式三方弁（流体切替手段）４炉１０バーナ本体１１第２の燃料ノズル（燃料ノズル）１３エアスロート１３ａエアスロートの出口ｄｅエアスロートの相当直径１／２Ｄｐｃｄエアスロートの中心から燃料ノズルの
中心までの間隔Ｌａエアスロート出口面から燃料噴流と空気噴流とが
衝突する位置までの間隔

フロントページの続きＦターム(参考） 3K023 QB02 QC01 QC05 3K065 TA01 TA09 TA13 TB01 TB02 TB04 TB13 TH01 TH06 TM03 TP09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】理論空気量以上の燃焼用空気を用いる燃
焼方法において、前記燃焼用空気を同一流量を真円のス
ロートから供給する場合に比べて比表面積が大きな噴流
断面にして炉温が８００℃以上の炉内へ噴射すると共に
この空気噴流に向けて燃料を噴射させ、前記燃料噴流が
その速度エネルギーを失う前に前記空気噴流に強い乱れ
を以て急速に混合されることを特徴とする低ＮＯｘ燃焼
方法。
【請求項２】前記燃焼用空気は蓄熱メディアを介して
排気される燃焼排ガスの熱を回収して前記燃焼排ガスの
温度に近い高温に予熱されてから供給されるものである
ことを特徴とする請求項１記載の低ＮＯｘ燃焼方法。
【請求項３】前記燃焼用空気は、全体として扁平で肉
厚の薄い噴流に形成されることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の低ＮＯｘ燃焼方法。
【請求項４】前記燃料は、少なくとも２つ以上の噴射
口から分けて噴射され、比表面積を大きくした空気噴流
に対して広い面積で衝突させられて当該燃料が強い乱れ
を以て前記空気噴流と急速に混合されることを特徴とす
る請求項１から３のいずれかに記載の低ＮＯｘ燃焼方
法。
【請求項５】前記燃料噴流が複数本形成され、前記空
気噴流と衝突する前に前記燃料噴流同士が衝突すること
を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の低ＮＯ
ｘ燃焼方法。
【請求項６】前記空気噴流が複数本形成され、前記燃
料噴流と衝突する前に前記空気噴流同士が衝突すること
を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の低ＮＯ
ｘ燃焼方法。
【請求項７】前記燃料噴流並びに空気噴流が複数本形
成され、かつ前記燃料噴流と前記空気噴流とが衝突する
前に前記空気噴流同士並びに前記燃料噴流同士が衝突す
ることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の
低ＮＯｘ燃焼方法。
【請求項８】炉内で衝突する前記燃焼噴流と空気噴流
との組を複数組形成して大型燃焼場を形成することを特
徴とする請求項１から７のいずれかに記載の低ＮＯｘ燃
焼方法。
【請求項９】理論空気量以上の燃焼用空気で燃焼させ
るバーナにおいて、同一流量の前記燃焼用空気を真円の
スロートから供給する場合に比べて比表面積が大きな噴
流断面を形成して全量の前記燃焼用空気を炉温が８００
℃以上の炉内へ噴出するエアスロートと、前記エアスロ
ートの噴射口からある距離を隔てた位置で尚かつ前記空
気噴流と速度エネルギーを失う前に燃料噴流を衝突させ
るべく燃料を炉内へ噴射する燃料ノズルとを備えること
を特徴とする低ＮＯｘバーナ。
【請求項１０】前記エアスロートの開口の相当直径ｄ
ｅと前記エアスロートの中心から前記燃料ノズルの中心
までの間隔１／２Ｄpcdとの比ｄｅ／Ｄpcdが０．１〜
０．５の範囲であり、かつ燃料噴流軸と前記エアスロー
トの長手方向の中心軸上平面との交点と前記エアスロー
トの出口面までの距離Ｌａに対する前記エアスロートの
相当直径ｄｅの比Ｌａ／ｄｅが２．０〜１０．０の範囲
で燃料を噴射することを特徴とする請求項９記載の低Ｎ
Ｏｘバーナ。
【請求項１１】前記エアスロートは、扁平な矩形状の
開口を有することを特徴とする請求項９または１０記載
の低ＮＯｘバーナ。
【請求項１２】前記エアスロートは複数の小孔に分割
することによって、比表面積を増加できたことを特徴と
する請求項９または１０記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項１３】前記エアスロートは、複数の小孔に分
割されて各噴流が独立せずに連なるように列状に配置さ
れ全体として扁平な断面形状の噴流を形成することを特
徴とする請求項９または１０記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項１４】前記複数の小孔は、前記燃料噴流と衝
突する前に前記空気噴流同士が衝突する噴流を形成する
ものであることを特徴とする請求項１２または１３記載
の低ＮＯｘバーナ。
【請求項１５】前記燃料ノズルは、少なくとも２つの
噴射口を有し、比表面積が大きくなった空気噴流に対し
て広い面積で燃料を衝突させることを特徴とする請求項
９から１４のいずれかに記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項１６】前記燃料ノズルは少なくとも２つの噴
口を有し、各噴口から噴出される燃料噴流同士が前記空
気噴流と衝突する前に衝突する噴流を形成するものであ
ることを特徴とする請求項９から１４のいずれかに記載
の低ＮＯｘバーナ。
【請求項１７】前記燃料ノズルは、空気噴流を囲むよ
うに複数配置されていることを特徴とする請求項９から
１６のいずれかに記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項１８】前記複数本の燃料ノズルは、空気噴流
と衝突する前に燃料噴流同士が衝突する噴流を形成する
ものであることを特徴とする請求項１７記載の低ＮＯｘ
バーナ。
【請求項１９】空気噴流並びに燃料噴流が複数本形成
され、かつ前記空気噴流と前記燃料噴流とが衝突する前
にそれぞれ前記空気噴流同士並びに前記燃料噴流同士が
衝突する噴流を形成することを特徴とする請求項９から
１８のいずれかに記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項２０】前記エアスロートには蓄熱メディアと
該蓄熱メディアに対し燃焼排ガスと燃焼用空気とを交互
に導く流路切替手段とを備え、前記蓄熱体を通して燃焼
排ガス温度に近い高温に予熱された前記燃焼用空気を炉
内へ向けて噴射させることを特徴とする請求項９から１
９のいずれかに記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項２１】セラミックハニカムを前記蓄熱メディ
アとして内蔵したことを特徴とする請求項２０記載の低
ＮＯｘバーナ。
【請求項２２】前記蓄熱メディアは前記エアスロート
に内蔵されると共に、前記流路切替手段は前記エアスロ
ートを構成するバーナ本体に直結し、前記蓄熱メディア
の直近で燃焼用空気と排ガスとの切替えを行うことを特
徴とする請求項２０または２１記載の低ＮＯｘバーナ。
【請求項２３】複数組の前記エアスロートと前記燃料
ノズルとを設置して大型燃焼機を構成することを特徴と
する請求項９から２２のいずれかに記載の低ＮＯｘバー
ナ。