JP2002115814A - 予混合燃焼器における振動燃焼の抑制方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 すべての予混合燃焼器機に等しく適用するこ
とのできる振動燃焼の抑制方法を提供する。 【解決手段】 予混合燃焼器のバーナ３０の燃焼面に対
して、局所的に空気比が異なるようにしてミキサ２０Ａ
から予混合気を供給する。好ましくは、予混合気の空気
比分布が標準偏差０．０４〜０．１を持つようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は予混合燃焼器におけ
る振動燃焼の抑制方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃焼器機の開発において、低ＮＯｘ化、
コンパクト化、高負荷化が求められるところであり、上
記目標を達成するための有効な燃焼方式として、予混合
燃焼方式が採用されてきている。図８は、予混合燃焼方
式を採用した予混合燃焼器の概念図であり、ブロア１０
などから送られる空気と燃料ガスとを混合して予混合気
を生成するためのミキサ２０が用いられ、該ミキサで生
成された予混合気がバーナ３０に送られて短い距離で燃
焼するようになっている。ミキサとしては、完全混合し
た状態の予混合気を得るために、ベンチュリミキサなど
が多く用いられ、空気と燃料ガスとが実質的に均一に混
合した予混合気が、バーナの燃焼面全域に送られるよう
にされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】予混合燃焼方式では振
動燃焼の問題がしばしば発生する。振動燃焼に伴い共鳴
音が発生し、また場合によっては、振動により機器に損
傷が発生する恐れもあることから、大型の燃焼器機に予
混合燃焼方式を採用するには慎重な検討を必要としてい
る。現在、振動燃焼の発生メカニズムが十分には解明さ
れていないために、その防止対策は経験的に、また、個
々の燃焼器機ごとに試行錯誤的に行われているのが実状
であり、各種燃焼器機に適用可能な汎用性のある振動燃
焼抑制技術が求められている。本発明の目的は、そのよ
うな要望に応えることにあり、燃焼器機の大小にかかわ
らず、すべての予混合燃焼器機に等しく適用することの
できる振動燃焼の抑制方法を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは予混合燃焼
における振動燃焼発生メカニズムを解明すべく、多くの
実験と研究を行ってきているが、その過程において、バ
ーナに供給される予混合気が、空気と燃料ガスが完全に
混合したときよりも、ある程度混合にばらつきのあると
きに振動燃焼が発生しにくいことをしばしば経験した。
そこで、予混合気の混合の悪さと振動燃焼の発生のしに
くさとの関係を定性的、定量的に把握すべく、バーナの
燃焼面に対して、局所的に空気比の異なる予混合気を供
給できるようにしたミキサを用意して燃焼実験を行った
ところ、バーナ燃焼面における予混合気の空気比のばら
つき程度と振動燃焼の発生とは高い相関関係のあること
を知見した。

【０００５】本発明は上記の知見に基づきなされたもの
であり、本発明による予混合燃焼器における振動燃焼の
抑制方法は、バーナの燃焼面に対して、局所的に空気比
が異なるようにして予混合気を供給することを特徴とす
る。なお、本発明において、バーナの燃焼面とは、バー
ナ火炎が形成される面を総称しており、二次元的に平面
のみならず、三次元的な曲面も含まれる。

【０００６】バーナの燃焼面に対して、局所的に異なる
空気比の分布を持つ予混合気を生成し供給する方法及び
手段は任意であり、振動燃焼抑制との関連では特に制限
はない。１個のミキサ内で所要の空気比の分布を持つ予
混合気が形成されるように、該ミキサ内への空気及び／
又は燃料ガスの供給を空間的に分布を付けて行うように
してもよく、複数個のミキサを用い、各ミキサへの空気
及び燃料ガスの供給を分布を付けて行うことにより、複
数個のミキサから供給される予混合気が全体として所要
の空気比の分布を持つようにしてもよい。

【０００７】本発明において、前記予混合気における空
気比分布のばらつきの程度を示す指標として標準偏差を
採用することができ、実験によれば、バーナの燃焼面に
向けて供給される予混合気に、標準偏差０．０４〜０．
１程度の空気比分布を持たせることが、実機としてきわ
めて有効であることが確認された。標準偏差が０．０４
より小さい場合には、振動燃焼抑制効果が十分でなく、
標準偏差が０．１より大きい場合には、未燃分の排出濃
度を指標とする安定燃焼範囲が狭くなり、燃焼器機とし
て好ましくない結果を招いた。

【０００８】本発明による方法によって振動燃焼が抑制
されるのは、次の理由によるものと考えられる。本発明
による方法では、バーナ燃焼平面に供給される予混合気
に対して人為的に空間的な空気比分布を形成するように
している。そのために、バーナ燃焼面の局所局所で空気
比の異なる燃焼火炎、すなわち、燃焼特性の異なる複数
火炎が形成され、各火炎によってその変動に対する応答
特性は異なる。振動燃焼発生メカニズムを混合気流の変
動による火炎の熱発生量変動のフィードバック作用と考
えると、変動特性の異なる火炎を組み合わせることによ
り上記フィードバック作用が分散することとなり、結果
として、振動レベルが低下するものと解される。またこ
れにより、振動燃焼特性は安定化の方向へ変化するた
め、安定燃焼範囲も拡大する。

【０００９】すなわち、振動燃焼は、燃焼反応と流れの
変動との間の相互作用が存在することによって、熱エネ
ルギーの一部が振動のエネルギに変換される現象である
と解される。この相互作用とは、流れのわずかな擾乱が
火炎での熱発生速度の変動、そして圧力変動を発生さ
せ、この圧力変動が供給系にフィードバックして、さら
なる流れの変動を生み出すことである。そこで、燃焼が
振動燃焼へ移行する過程において、ある流れの変動に対
して火炎の熱発生変動が増幅されるか、減衰されるか、
また、その割合といった火炎の性質（火炎の変動に対す
る応答特性）が支配因子となると考えられ、本発明によ
る振動抑制効果は、空気比の異なる火炎を形成すること
により、火炎の変動特性を分散させ（ある火炎は不安定
化に向かう燃焼条件下にあっても安定状態の他の火炎が
存在する）ることにより、変動→増幅→振動のフィード
バック作用を抑制、あるいは鈍化させることにより実現
されたものと解される。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明者らが行った実験結
果を踏まえながら、実施の形態により本発明を説明す
る。図１は、燃焼実験に用いた予混合燃焼装置の概念図
であり、ミキサ２０内の燃料ガス噴出ノズル２１に複数
の燃料ガス噴出孔２２を不等間隔（ピッチＰ１，Ｐ２，
・・を異にして）に配置することで、予混合気は予混合
気供給ダクト２３を通過して、バーナ３０の燃焼面に対
して局所的に空気比が異なるようにして予混合気を供給
できるようにした。

【００１１】図２〜図４は、３種類の異なった燃焼量条
件（Ｉｐ＝５８ｋＷ，１１０ｋＷ，１５４ｋＷ）におけ
る、空気比と音圧レベル（ｄＢ（Ｃ））との関係を、空
気比分布のない場合（すなわち、標準偏差：０．００−
●−）と、２種類の異なった空気比分布標準偏差の場合
（−▲−及び−■−）について示している。図２は、Ｉ
ｐ＝５８ｋＷ、標準偏差：０．００，０．０４，０．０
６であり、図３は、Ｉｐ＝１１０ｋＷ、標準偏差：０．
００，０．０５，０．０８であり、図４は、Ｉｐ＝１５
４ｋＷ、標準偏差：０．００，０．０７，０．１１であ
る。

【００１２】いずれの場合も、標準偏差０．００、すな
わち従来の予混合燃焼で目途としていた完全混合した予
混合気の場合よりも、ある程度の空気比分布を持つ予混
合気のほうが、所定の空気比範囲において、低い音圧レ
ベルとなっており、振動燃焼の抑制効果が有意に現れて
いることがわかる。さらに、いずれの場合でも、標準偏
差０．００の場合よりも空気比分布を持つ予混合気のほ
うが、より低い空気比において、音圧レベルが下限値と
なった安定燃焼状態に入っており、安定燃焼範囲が広が
ることも示している。上記のことから、振動燃焼抑制と
いう観点からは、完全混合に対して標準偏差０．０４程
度より大きな分布を持たせることは、効果的であること
がわかる。

【００１３】安定燃焼範囲の指標として、他に、未燃分
の排出濃度がある。ある特定の燃焼条件が振動燃焼抑制
という観点ではよい結果をもたらすとしても、未燃分の
排出濃度が所定の基準値をクリアーできない場合には、
当該燃焼条件は、実際の燃焼器機での燃焼条件として不
適切なものとなる。そこで、予混合燃焼における空気比
分布のばらつき程度（標準偏差の大小）と未燃分の排出
濃度との関係について、さらに考察した。

【００１４】未燃分の指標としては、一般的に燃焼排ガ
ス中に含まれるＣＯ濃度が用いられる。どの程度のＣＯ
排出量が許容されるかは、社会環境などによって変動は
あるが、例えば、ボイラなどの燃焼器機では１００ｐｐ
ｍ以下程度とされるのが普通である。ＣＯなどの未燃分
は主に高空気比条件あるいは低空気比条件での不完全燃
焼により排出される。そこで、安定燃焼範囲は、ＣＯ排
出が１００ｐｐｍを越える上限界と下限界の空気比の領
域ということとなる。

【００１５】そこで、同じ燃焼器機を用い、前記と同じ
３種類の異なった燃焼量条件（Ｉｐ＝５８ｋＷ，１１０
ｋＷ，１５４ｋＷ）において、空気比分布の標準偏差を
異ならせた燃焼を行い、それぞれの燃焼量条件におけ
る、ＣＯ排出の上限界と下限界の空気比（ＣＯ限界空気
比）を測定した。その結果を図５に示す。図示のよう
に、空気比分布標準偏差が０（すなわち、完全混合）の
場合には、燃焼範囲はＣＯ限界空気比で１．０〜１．７
程度の範囲であったものが、空気比分布の標準偏差が
０．１０程度では、燃焼範囲はＣＯ限界空気比で１．１
〜１．５程度と、完全混合での燃焼範囲の約３／４程度
となってしまうことがわかる。燃焼範囲が狭い燃焼器機
は実機として有効なものでなく、従って、空気比分布の
標準偏差の上限値は１．０程度であることが望ましいと
いえる。

【００１６】図６ａは、本発明による予混合燃焼器にお
ける振動燃焼の抑制方法を実施するための燃焼器機の一
実施の形態を示す概念図である。この例では、１個のミ
キサ２０Ａを用いており、該ミキサ２０Ａ内へのブロア
１０からの空気及び／又は燃料ガス供給源からの燃料ガ
スの供給を空間的に分布を付けて行うことにより、バー
ナ３０の燃焼面に対して、局所的に異なる空気比分布を
持つ予混合気を供給するようにしている。具体的には、
図６ｂに示すように、ミキサ２０Ａ内の空気流路内に燃
料ガス噴出ノズル２１Ａを配置し、該噴出ノズル２１Ａ
に開口面積（φｄ１，ｄ２，ｄ３，・・）の異なる複数
の燃焼ガス噴出孔２２Ａを配置させることにより、空気
比分布にある程度の偏差が生じるようにしている。

【００１７】図７は、本発明による予混合燃焼器におけ
る振動燃焼の抑制方法を実施するための燃焼器機の他の
実施の形態を示す概念図である。この例では、複数個の
ミキサ２０ａ、・・を用いており、各ミキサ２０ａへの
空気及び燃料ガスの供給を分布を付けて行うことによ
り、バーナ３０の燃焼面に対して、局所的に異なる空気
比分布を持つ予混合気を供給するようにしている。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、バーナの燃焼面に対し
て、局所的に空気比が異なる（ある程度の標準偏差をも
たせる）ようにして予混合気を供給する、という手段に
より予混合燃焼器における振動燃焼の発生を抑制するこ
とが可能となる。この方法は、各種燃焼器機に適用可能
な汎用性のある方法であり、燃焼器機の大小などにかか
わらず、すべての予混合燃焼器機に等しく適用すること
のできることから、予混合燃焼器における振動燃焼の抑
制方法としてきわめて有効な手法となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃焼実験に用いた予混合燃焼装置の概念図。

【図２】燃焼量条件（Ｉｐ＝５８ｋＷ）における、空気
比と音圧レベルとの関係を、空気比分布のない場合（標
準偏差：０．００−●−）と、２種類の異なった空気比
分布標準偏差の場合（−▲−及び−■−）について示す
グラフ。

【図３】燃焼量条件（Ｉｐ＝１００ｋＷ）における、図
２と同様のグラフ。

【図４】燃焼量条件（Ｉｐ＝１５４ｋＷ）における、図
２と同様のグラフ。

【図５】３種類の異なった燃焼量条件（Ｉｐ＝５８ｋ
Ｗ，１１０ｋＷ，１５４ｋＷ）において、空気比分布の
標準偏差を異ならせた燃焼を行い、それぞれの燃焼量条
件における、ＣＯ排出の上限界と下限界の空気比（ＣＯ
限界空気比）を示すグラフであり、当該燃焼器機での安
定燃焼範囲を示す。

【図６】本発明による予混合燃焼器における振動燃焼の
抑制方法を実施するための燃焼器機の一実施の形態を示
す概念図。

【図７】本発明による予混合燃焼器における振動燃焼の
抑制方法を実施するための燃焼器機の他の実施の形態を
示す概念図。

【図８】予混合燃焼方式を採用した予混合燃焼器の概念
図。

【符号の説明】

１０…ブロア、２０、２０Ａ，２０ａ…ミキサ、３０…
バーナ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バーナの燃焼面に対して、局所的に空気
   比が異なるようにして予混合気を供給することを特徴と
   する予混合燃焼器における振動燃焼の抑制方法。
2. 【請求項２】 前記予混合気の局所的に異なる空気比の
   分布が１個のミキサ内で生成されるよう、該ミキサ内へ
   の空気及び／又は燃料ガスの供給を空間的に分布を付け
   て行うことを特徴とする請求項１記載の予混合燃焼器に
   おける振動燃焼の抑制方法。
3. 【請求項３】 前記予混合気の局所的に異なる空気比の
   分布が複数個のミキサにより生成されるよう、各ミキサ
   への空気及び燃料ガスの供給を分布を付けて行うことを
   特徴とする請求項１記載の予混合燃焼器における振動燃
   焼の抑制方法。
4. 【請求項４】 前記予混合気の局所的に異なる空気比の
   分布が、標準偏差０．０４〜０．１を持つ分布であるこ
   とを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の予混合
   燃焼器における振動燃焼の抑制方法。