JP2004144435A - 低ＮＯｘバーナ及び低ＮＯｘバーナの燃焼方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】バーナの構造で低ＮＯｘ化を図り、火炎形状を自由に変えられる低ＮＯｘバーナを提供する。
【解決手段】低ＮＯｘバーナ１００の中心に、先端に保炎板９を供える空気管１を配する。空気管１の外周に、ガスマニホールド３、予混合気マニホールド５、二次空気マニホールド７の順に配置し、ガスマニホールド３から噴出する一次ガス５３と空気管１から噴出する一次空気５５が混合され、二次空気マニホールド７の下流部の二次空気ノズル１５先端付近に分割火炎４１を形成する。また予混合気マニホールド５から噴出される予混合気５１は保炎板９上に薄膜火炎４３を形成する。燃焼ガス再循環流６９、７１を利用する両火炎により低ＮＯｘ化を図る。また、ガスノズルと空気ノズルの配置を変えて、所望の火炎を得る。
【選択図】 図１
【解決手段】低ＮＯｘバーナ１００の中心に、先端に保炎板９を供える空気管１を配する。空気管１の外周に、ガスマニホールド３、予混合気マニホールド５、二次空気マニホールド７の順に配置し、ガスマニホールド３から噴出する一次ガス５３と空気管１から噴出する一次空気５５が混合され、二次空気マニホールド７の下流部の二次空気ノズル１５先端付近に分割火炎４１を形成する。また予混合気マニホールド５から噴出される予混合気５１は保炎板９上に薄膜火炎４３を形成する。燃焼ガス再循環流６９、７１を利用する両火炎により低ＮＯｘ化を図る。また、ガスノズルと空気ノズルの配置を変えて、所望の火炎を得る。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低ＮＯｘバーナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラは、最も厳しいＮＯｘ排出濃度規制が課せられている燃焼機器である。例えば、東京都の低ＮＯｘ認定基準は、ＮＯｘの排出濃度が６０ｐｐｍ（Ｏ２＝０％換算値）以下である。
【０００３】
ＮＯｘの低減を図る技術には、（１）濃淡燃焼、（２）燃料又は酸化剤の多段燃焼、（３）予混合希薄燃焼、（４）燃焼排ガスの再循環、（５）蒸気又は水噴霧などの技術がある。
【０００４】
また、ボイラに使用するバーナの構造を工夫することにより、ＮＯｘの排出濃度を低減する方法が提案されている（特許文献１参照。）。例えば図６を用いて説明する。
【０００５】
図６に予混合燃焼式の低ＮＯｘバーナを示す。ボイラ等の炉壁１１９には、円筒型の予混合気室１０１が形成される。予混合気室１０１には、給気ブロアから送られる空気とガスがミキサ（図示していない）で混合され、混合気１１７として導入される。
【０００６】
予混合気室１０１の燃焼室側には、一次ノズル１０３が複数個、円形同一面に等間隔で配列される。一次ノズル１０３の内部は予混合気室１０１の内部と連通している。また、一次ノズル１０３の円形同一面配列の中央位置には、円筒状の保炎パイプ１０７が設けられ、保炎パイプ１０７の先端は一次ノズル１０３の先端よりも長く突出されている。保炎パイプ１０７の内部は予混合気室１０１の内部と連通している。
【０００７】
この保炎パイプ１０７の先端付近の外周に、一次ノズル１０３から軸方向に噴出される１次予混合気１０９に対し、直角に対面交差するように２次予混合気１１１を噴出する複数の二次ノズル１０５が開口されている。
【０００８】
一次ノズル１０３から軸方向に噴出される１次予混合気１０９は、燃焼室内の燃焼ガスを誘引して巻き込みながら進行したあと、二次ノズル１０５の開口位置に到達すると、この二次ノズル１０５から半径方向に噴出する２次予混合気１１１と対面衝突することで、保炎パイプ１０７の先端領域に大きな燃焼ガス再循環（ＥＧＲ）１１３が発生する。この燃焼ガス再循環（ＥＧＲ）１１３の流れが着火源となり、火炎１１５を形成する。即ち、一次ノズル１０３から噴出する１次予混合気１０９に対して十分な着火エネルギーを与えることができ、バーナの継続的な燃焼を可能にする。また、排気を再循環させることで排気成分中のＮＯｘの低減を図ることができる。
【０００９】
尚、燃焼ガス再循環（ＥＧＲ： Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）とは、燃焼生成物が、再び給気方向に戻ることによって形成され再循環することであり、燃焼排気成分中のＮＯｘの低減を図るべく形成することを目的とする。即ち、ＥＧＲは、燃焼ガスの一部を再び空気等と混合し燃焼室内の残存酸素濃度が抑制され、緩慢な燃焼反応の進行により燃焼温度が低下する。従って、高温燃焼時に生成される窒素酸化物（ＮＯｘ）を減少させることができる。
【００１０】
また、ノズルの構造を工夫して逆火現象等を抑え低ＮＯｘ化を図るバーナがある（例えば特許文献２参照。）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−１８２９０８号公報
【特許文献２】
特開２００２−１８１３０８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のバーナは、保炎機構がなく、上述の燃焼ガス再循環（ＥＧＲ）１１３の流れを着火源としていることから、燃焼が非常に不安定である。そのため、炉負荷が高く、炉内圧の高い最近の小型貫流ボイラ等に適用すると、振動燃焼や逆火等が起こり、実用には供しないことが分かっている。尚、振動燃焼とは、燃焼器が共鳴を起こして不安定になることであり、逆火等とは、燃焼反応に供するガスの噴出速度と火炎の伝播速度のバランスが崩れ、ガスノズル等の中に炎が引き込まれる現象、及び火炎がリフトする現象等を含んでいる。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、バーナの構造で低ＮＯｘ化を図り、火炎形状を自由に変えられる低ＮＯｘバーナを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するための第１の発明は、パイロット空気孔を配置した保炎板と、前記保炎板を端部に備え、一次空気孔を備えた空気管と、前記空気管の外周に配置され、前記一次空気孔の上流に前記一次空気孔とほぼ垂直に向き合うように一次ガスノズルが設けられるガスマニホールドと、前記ガスマニホールドの外周に設置される予混合気マニホールドであって、予混合気孔が設けられ、上流側には前記ガスマニホールド外周から噴出されるガスと、導入される空気流とがほぼ垂直に向き合うように、前記ガスマニホールドと導通する二次ガスノズルが設けられる予混合気マニホールドと、二次空気ノズルを有し、前記予混合気マニホールドの外周に設置される二次空気マニホールドとを、具備することを特徴とする低ＮＯｘバーナである。
【００１５】
前記ガスマニホールドの端部に配置される前記一次ガスノズルは、前記保炎板の外径より小さい同心円上に配置される。
前記予混合気マニホールドの端部に配置される前記予混合気孔は、前記一次ガスノズルと同一面に設けられ、前記保炎板の外径より大きい同心円上に配置される。
前記二次空気マニホールドに接続される前記二次空気ノズルは、前記二次空気マニホールドとの接続口が前記予混合気孔と同一面に位置し、前記二次空気ノズルの先端部の二次空気孔が前記保炎板の位置とほぼ同じ長さになるように調整される。
前記二次空気孔と、前記予混合気孔とは、前記保炎板の正面を中心とした放射状同位置にそれぞれ同心円上に配置される場合がある。
前記一次ガスノズルと、前記一次空気孔とは、前記保炎板の正面を中心とした放射状同位置にそれぞれ同心円上に配置される場合がある。
前記二次空気孔と、前記予混合気孔とは、前記保炎板の正面を中心とした放射状交互の位置にそれぞれ同心円上に配置される場合がある。
前記一次ガスノズルと、前記一次空気孔とは、前記保炎板の正面を中心とした放射状交互の位置にそれぞれ同心円上に配置される場合がある。
前記一次ガスノズルから噴出される一次ガスと、前記一次空気孔から噴出される一次空気との混合気が、前記二次空気ノズルから噴出される二次空気噴流により吸引される炉内の燃焼ガスと混合し、前記二次空気ノズル上に、分割火炎を形成する。
前記予混合気孔から噴出する混合気は、前記保炎板下流に形成される再循環流が着火源となり、前記保炎板上に薄膜火炎を形成する。
【００１６】
第１の発明の低ＮＯｘバーナは、空気管の先端にパイロット空気孔を有する保炎板を配し、先端付近に一次空気孔を備える。空気管の外周には、一次ガスノズルを有するガスマニホールドを配する。ガスマニホールドの外周には、予混合気孔を有する予混合気マニホールドを配する。予混合気マニホールドの外周には、二次空気ノズルを有する二次空気マニホールドを配する。一次ガスノズルから噴出される一次ガスと、一次空気孔から噴出される一次空気との混合気が、二次空気ノズルから噴出される二次空気噴流により吸引される炉内の燃焼ガスと混合し、二次空気ノズル上に、分割火炎を形成する。また、予混合気孔から噴出する混合気は、保炎板下流に形成される再循環流が着火源となり、保炎板上に薄膜火炎を形成する。
【００１７】
燃焼ガス再循環の流れを着火源とする分割火炎、及び薄膜火炎を形成することで、ＮＯｘの低減を図り、また保炎板上に安定したパイロット炎を形成し、燃焼の安定化を図る。また、ガス噴出孔と空気噴出孔の配置を変えることで火炎の形状を自由に変える。
【００１８】
第２の発明は、第１の発明の低ＮＯｘバーナを用いた、低ＮＯｘバーナの燃焼方法であって、前記一次ガスノズルから噴出される一次ガスと、前記一次空気孔から噴出される一次空気との混合気が、前記二次空気ノズルから噴出される二次空気噴流により吸引される炉内の燃焼ガスと混合し、前記二次空気ノズル上に分割火炎を形成し、前記予混合気孔から噴出する混合気は、前記保炎板下流に形成される再循環流が着火源となり、前記保炎板上に薄膜火炎を形成することを特徴とする低ＮＯｘバーナの燃焼方法である。
【００１９】
二次空気孔と予混合気孔との位置関係、及び一次ガスノズルと一次空気孔との位置関係を変更することにより、火炎形状を調整する。
また、二次空気孔、予混合気孔、一次ガスノズル、及び一次空気孔の配置バランスを変更することにより、火炎形状を調整する。
【００２０】
第２の発明による低ＮＯｘバーナの燃焼方法は、第１の発明の低ＮＯｘバーナにおいて、二次空気ノズル上に形成する分割火炎と、保炎板上に形成する薄膜火炎とを組み合わせる燃焼方法である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る低ＮＯｘバーナ１００の構成を示す側面図である。また、図２から図５は、低ＮＯｘバーナ１００の正面図である。図１の側面図、及び図２の正面図を説明する。
【００２２】
本実施の形態に係る低ＮＯｘバーナ１００は、まずボイラ等の炉壁１１の中央位置に円筒形状の空気管１を備える。大まかな構造として、この空気管１の外周に、ガスマニホールド３、予混合気マニホールド５、二次空気マニホールド７を順に配置する。順に詳細に説明を行う。
【００２３】
空気管１の燃焼側先端には、円盤状の保炎板９が配置される。保炎板９中央部には、複数のパイロット空気孔３１が配置される。パイロット空気孔３１は、例えば図２に示す例では同心円上に４個配置される。個数及び配置は図２の例に限らず好適に選択される。
【００２４】
また、空気管１の燃焼側の先端部に近い外周に沿って、周状に複数の一次空気孔２１を開口し配置する。空気管１の上流側からは空気６５が導入され、一次空気孔２１から一次空気５５として噴出される。尚、一次空気孔２１からの一次空気５５噴出方向は、後述する一次ガスノズル２３からの一次ガス５３噴出方向と垂直に交差する。
【００２５】
空気管１の外周には、ガスマニホールド３を配置する。前述の空気管１の一次空気孔２１よりも上流に位置する、燃焼側先端部には、軸方向に噴出するように複数の一次ガスノズル２３が設けられる。図２の例では、６個の一次ガスノズル２３が同心円上に均等に配置され、同様に同心円上に６個が均等配置される空気管１の一次空気孔２１との位置関係は、放射同一線上にある。
【００２６】
更に、ガスマニホールド３の、上流側に近い位置の外周に沿って、周状に二次ガスノズル２５が配置される。二次ガスノズル２５は、ガスマニホールド３の外周上に複数個同心円上に設けられる。また、二次ガスノズル２５は、ガスマニホールド３の外周に配置される予混合気マニホールド５に連通しており、ガスマニホールド３に供給されるガス６３を予混合気マニホールド５の内部に噴出する。
【００２７】
ガスマニホールド３の外周には、予混合気マニホールド５が配置される。予混合気マニホールド５の燃焼側先端は、ガスマニホールド３の燃焼側先端と同一面内にあり、該燃焼側先端部には軸方向に予混合気５１を噴出する複数の予混合気孔２７が設けられている。予混合気孔２７は、例えば図２のように同心円上に６個、均等に配置される。
【００２８】
また、予混合気マニホールド５の上流側に近い位置の外周に沿って、ガスマニホールド３と連通する二次ガスノズル２５から、ガス６７が供給される。ガス６７は上流側の導風口６１から導入される空気と混合され予混合気５１として予混合気孔２７から噴出される。
【００２９】
予混合気マニホールド５の外周には、二次空気マニホールド７が配置される。二次空気マニホールド７の燃焼側には二次空気ノズル１５が接続される。この二次空気ノズル１５の二次空気ノズル接続口１３は、予混合気マニホールド５の燃焼側先端、及びガスマニホールド３の燃焼側先端と同一面に配置される。また、二次空気ノズル１５は、先端に二次空気孔２９を備え、二次空気ノズル１５の先端は、保炎板９の位置とほぼ同位置に達する。二次空気マニホールド７の上流から導入される空気は、この二次空気ノズル１５の二次空気孔２９から、二次空気５７として噴出される。
【００３０】
二次空気孔２９は、例えば図２のように同心円上に６個均等に配置され、前述の予混合気孔２７との位置関係は、放射同一線上にある。
【００３１】
次に、図１、図２を用いて、低ＮＯｘバーナ１００の燃焼動作について説明する。
【００３２】
低ＮＯｘバーナ１００の上流側からは、空気管１、予混合気マニホールド５、二次空気マニホールド７に、それぞれ空気６５が同一の給気ブロアを用いて導入される。空気管１の一次空気孔２１からは空気管１の軸方向とは垂直方向に一次空気５５が噴出される。また、二次空気マニホールド７先端部の二次空気孔２９からは軸方向に二次空気５７が噴出される。
【００３３】
また、ガスマニホールド３にはガス６３が供給され、一次ガスノズル２３から、軸方向に一次ガス５３が噴出される。また、ガスマニホールド３の二次ガスノズル２５から予混合気マニホールド５に噴出されるガス６７は、予混合気マニホールド５上流側の導風口６１から流入する空気６５と混合し、予混合気孔２７から予混合気５１として軸方向に噴出される。
【００３４】
一次ガス５３と、一次空気５５とは直角にぶつかり、その混合気は二次空気ノズル１５まで到達する。さらに二次空気５７噴流により吸引される炉内の燃焼ガス再循環流６９と混合し、二次空気ノズル１５の先端部に、分割火炎４１を形成する。即ち、炉内の燃焼ガスと混合後に燃焼することにより、燃焼ガス中の残存酸素濃度が低下してＮＯｘの排出濃度を低減させることができる。
【００３５】
また、予混合気孔２７から噴出した予混合気５１は、保炎板９の下流に形成される燃焼ガス再循環流７１が着火源となり、保炎板９上に薄膜火炎４３を形成する。同じく予混合気５１は、炉内燃焼ガスとの混合後に燃焼することにより、燃焼ガス中の残存酸素濃度が低下してＮＯｘの排出濃度を低減させることができる。
【００３６】
上記薄膜火炎４３と、二次空気ノズル１５の先端部に形成される分割火炎４１、及び空気噴流による炉内の燃焼ガスの巻き込みにより、低ＮＯｘ化が図られる。
【００３７】
また、パイロット空気孔３１には、安定したパイロット炎４５が形成され、燃焼の安定化に寄与する。即ち、パイロット空気孔３１は、火炎のリフトを防止し安定したパイロット炎４５を形成する。
【００３８】
本実施の形態によれば、炉内の燃焼ガス再循環流６９を着火源とした分割火炎４１と、燃焼ガス再循環流７１を着火源とした薄膜火炎４３とを組み合わせた燃焼構造により、低ＮＯｘ化を実現する。また、炉負荷が高く、炉内圧の高い（炉内圧４ｋＰａ）炉においても、燃焼反応に供するガスの噴出速度と、火炎の伝播速度のバランスがとれているため逆火は見られずに、安定した燃焼が得られる。従って、高負荷型小型貫流ボイラへの適用が可能となる。
【００３９】
また、安定したパイロット炎４５を形成すること等により、燃焼の安定化を図り振動燃焼等を抑えることができる。
【００４０】
また、本実施の形態に係る低ＮＯｘバーナ１００のＮＯｘ排出濃度は、５０ｐｐｍ（Ｏ２＝０％換算値）程度を実現することができる。また、後述するように、二次空気ノズル１５等の配置を工夫することで、更にＮＯｘ排出濃度を低減することが可能になる。
【００４１】
次に、図２から図５は、一次空気孔２１、一次ガスノズル２３、予混合気孔２７、二次空気孔２９等の配置例の正面図を示したものである。それぞれの側面図は図１と同じである。
【００４２】
図２、図４は、ガス噴出と空気噴出の位置が同位置（放射同一線上にある）の場合を示す。図３、図５は、ガス噴出と空気噴出の位置が交互配置の場合を示す。また、図２、図３は、ガス噴出と空気噴出が均等に配置されており、図４、図５では偏った配置になっている。
【００４３】
図２及び図４のように、ガス噴出と空気噴出の位置が同位置（放射同一線上）であるとき、即ち一次空気孔２１と一次ガスノズル２３とが同位置、及び予混合気孔２７と二次空気孔２９とが同位置にあるとき、ガスと空気との混合が促進されるので、火炎のパターンは短炎になる。
【００４４】
図３及び図５のように、ガス噴出と空気噴出の位置が交互位置であるとき、即ち一次空気孔２１と一次ガスノズル２３とが交互位置、及び予混合気孔２７と二次空気孔２９とが交互位置にあるとき、ガス流路と空気流路の位置がずれているため、ガスと空気の混合が促進されず、火炎のパターンは長炎となる。
【００４５】
図４及び図５は、ガスノズルと空気ノズルは偏って配置（バイアス配置）されている。例えば燃焼ガスの流れに偏流がある場合、ガスノズルと空気ノズルをバイアス配置することにより、ショートパスを防止する効果がある。ショートパスとは、燃焼室内で完全燃焼する前に燃焼ガスが排気されてしまうことである。
【００４６】
ガスノズルと空気ノズルが偏って配置されている場合、ガスノズル数の多い側は長炎になり、ガスノズル数の少ない側は短炎となって、自己排ガス再循環が効果的に行われる。
【００４７】
このように、ガスノズルと空気ノズルの配置を変えることにより、燃焼炎のフレームパターンを自由に変化させ、ＮＯｘ低減の最適化をはかることができる。また、燃焼ガスの流れに偏りがある場合には、ガスノズルと空気ノズルを偏って配置（バイアス配置）することにより、燃焼の安定化（ショートパスを防ぐ）等の効果が大きい。
【００４８】
また、空気管１、予混合気マニホールド５、二次空気マニホールド７に導入する空気６５の供給量をそれぞれ調整し、ガスマニホールド３へ供給するガス６３の供給量を調整することにより、分割火炎４１及び薄膜火炎４３の最適な火炎の組み合わせを形成することができる。と同時に、ＮＯｘ低減の最適化をはかることができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明によれば、バーナの構造で低ＮＯｘ化を図り、火炎形状を自由に変えられる低ＮＯｘバーナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る低ＮＯｘバーナ１００の構成を示す側面図
【図２】低ＮＯｘバーナ１００の正面図（ガスノズル・空気孔は同位置、均等）
【図３】低ＮＯｘバーナ１００の正面図（ガスノズル・空気孔は交互位置、均等）
【図４】低ＮＯｘバーナ１００の正面図（ガスノズル・空気孔は同位置）
【図５】低ＮＯｘバーナ１００の正面図（ガスノズル・空気孔は交互位置）
【図６】従来の低ＮＯｘバーナ２００の構成を示す図
【符号の説明】
１・・・ 空気管
３・・・ ガスマニホールド
５・・・ 予混合気マニホールド
７・・・ 二次空気マニホールド
８・・・ 風箱
９・・・ 保炎板
１１・・・ 炉壁
１３・・・ 二次空気ノズル接続口
１５・・・ 二次空気ノズル
２１・・・ 一次空気孔
２３・・・ 一次ガスノズル
２５・・・ 二次ガスノズル
２７・・・ 予混合気孔
２９・・・ 二次空気孔
３１・・・ パイロット空気孔
４１・・・ 分割火炎
４３・・・ 薄膜火炎
４５・・・ パイロット炎
５１・・・ 予混合気
５３・・・ 一次ガス
５５・・・ 一次空気
５７・・・ 二次空気
６１・・・ 導風口
６３、６７・・・ ガス
６５・・・ 空気
６９、７１・・・燃焼ガス再循環流
１１３・・・ ＥＧＲ（燃焼ガス再循環）
１００、２００・・・ 低ＮＯｘバーナ
１０１・・・ 予混合気室
１０３・・・ 一次ノズル
１０５・・・ 二次ノズル
１０７・・・ 保炎パイプ
１０９・・・ １次予混合気
１１１・・・ ２次予混合気
１１５・・・ 火炎
１１７・・・ 混合気
１１９・・・ 炉壁
【発明の属する技術分野】
本発明は、低ＮＯｘバーナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ボイラは、最も厳しいＮＯｘ排出濃度規制が課せられている燃焼機器である。例えば、東京都の低ＮＯｘ認定基準は、ＮＯｘの排出濃度が６０ｐｐｍ（Ｏ２＝０％換算値）以下である。
【０００３】
ＮＯｘの低減を図る技術には、（１）濃淡燃焼、（２）燃料又は酸化剤の多段燃焼、（３）予混合希薄燃焼、（４）燃焼排ガスの再循環、（５）蒸気又は水噴霧などの技術がある。
【０００４】
また、ボイラに使用するバーナの構造を工夫することにより、ＮＯｘの排出濃度を低減する方法が提案されている（特許文献１参照。）。例えば図６を用いて説明する。
【０００５】
図６に予混合燃焼式の低ＮＯｘバーナを示す。ボイラ等の炉壁１１９には、円筒型の予混合気室１０１が形成される。予混合気室１０１には、給気ブロアから送られる空気とガスがミキサ（図示していない）で混合され、混合気１１７として導入される。
【０００６】
予混合気室１０１の燃焼室側には、一次ノズル１０３が複数個、円形同一面に等間隔で配列される。一次ノズル１０３の内部は予混合気室１０１の内部と連通している。また、一次ノズル１０３の円形同一面配列の中央位置には、円筒状の保炎パイプ１０７が設けられ、保炎パイプ１０７の先端は一次ノズル１０３の先端よりも長く突出されている。保炎パイプ１０７の内部は予混合気室１０１の内部と連通している。
【０００７】
この保炎パイプ１０７の先端付近の外周に、一次ノズル１０３から軸方向に噴出される１次予混合気１０９に対し、直角に対面交差するように２次予混合気１１１を噴出する複数の二次ノズル１０５が開口されている。
【０００８】
一次ノズル１０３から軸方向に噴出される１次予混合気１０９は、燃焼室内の燃焼ガスを誘引して巻き込みながら進行したあと、二次ノズル１０５の開口位置に到達すると、この二次ノズル１０５から半径方向に噴出する２次予混合気１１１と対面衝突することで、保炎パイプ１０７の先端領域に大きな燃焼ガス再循環（ＥＧＲ）１１３が発生する。この燃焼ガス再循環（ＥＧＲ）１１３の流れが着火源となり、火炎１１５を形成する。即ち、一次ノズル１０３から噴出する１次予混合気１０９に対して十分な着火エネルギーを与えることができ、バーナの継続的な燃焼を可能にする。また、排気を再循環させることで排気成分中のＮＯｘの低減を図ることができる。
【０００９】
尚、燃焼ガス再循環（ＥＧＲ： Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）とは、燃焼生成物が、再び給気方向に戻ることによって形成され再循環することであり、燃焼排気成分中のＮＯｘの低減を図るべく形成することを目的とする。即ち、ＥＧＲは、燃焼ガスの一部を再び空気等と混合し燃焼室内の残存酸素濃度が抑制され、緩慢な燃焼反応の進行により燃焼温度が低下する。従って、高温燃焼時に生成される窒素酸化物（ＮＯｘ）を減少させることができる。
【００１０】
また、ノズルの構造を工夫して逆火現象等を抑え低ＮＯｘ化を図るバーナがある（例えば特許文献２参照。）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−１８２９０８号公報
【特許文献２】
特開２００２−１８１３０８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のバーナは、保炎機構がなく、上述の燃焼ガス再循環（ＥＧＲ）１１３の流れを着火源としていることから、燃焼が非常に不安定である。そのため、炉負荷が高く、炉内圧の高い最近の小型貫流ボイラ等に適用すると、振動燃焼や逆火等が起こり、実用には供しないことが分かっている。尚、振動燃焼とは、燃焼器が共鳴を起こして不安定になることであり、逆火等とは、燃焼反応に供するガスの噴出速度と火炎の伝播速度のバランスが崩れ、ガスノズル等の中に炎が引き込まれる現象、及び火炎がリフトする現象等を含んでいる。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、バーナの構造で低ＮＯｘ化を図り、火炎形状を自由に変えられる低ＮＯｘバーナを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するための第１の発明は、パイロット空気孔を配置した保炎板と、前記保炎板を端部に備え、一次空気孔を備えた空気管と、前記空気管の外周に配置され、前記一次空気孔の上流に前記一次空気孔とほぼ垂直に向き合うように一次ガスノズルが設けられるガスマニホールドと、前記ガスマニホールドの外周に設置される予混合気マニホールドであって、予混合気孔が設けられ、上流側には前記ガスマニホールド外周から噴出されるガスと、導入される空気流とがほぼ垂直に向き合うように、前記ガスマニホールドと導通する二次ガスノズルが設けられる予混合気マニホールドと、二次空気ノズルを有し、前記予混合気マニホールドの外周に設置される二次空気マニホールドとを、具備することを特徴とする低ＮＯｘバーナである。
【００１５】
前記ガスマニホールドの端部に配置される前記一次ガスノズルは、前記保炎板の外径より小さい同心円上に配置される。
前記予混合気マニホールドの端部に配置される前記予混合気孔は、前記一次ガスノズルと同一面に設けられ、前記保炎板の外径より大きい同心円上に配置される。
前記二次空気マニホールドに接続される前記二次空気ノズルは、前記二次空気マニホールドとの接続口が前記予混合気孔と同一面に位置し、前記二次空気ノズルの先端部の二次空気孔が前記保炎板の位置とほぼ同じ長さになるように調整される。
前記二次空気孔と、前記予混合気孔とは、前記保炎板の正面を中心とした放射状同位置にそれぞれ同心円上に配置される場合がある。
前記一次ガスノズルと、前記一次空気孔とは、前記保炎板の正面を中心とした放射状同位置にそれぞれ同心円上に配置される場合がある。
前記二次空気孔と、前記予混合気孔とは、前記保炎板の正面を中心とした放射状交互の位置にそれぞれ同心円上に配置される場合がある。
前記一次ガスノズルと、前記一次空気孔とは、前記保炎板の正面を中心とした放射状交互の位置にそれぞれ同心円上に配置される場合がある。
前記一次ガスノズルから噴出される一次ガスと、前記一次空気孔から噴出される一次空気との混合気が、前記二次空気ノズルから噴出される二次空気噴流により吸引される炉内の燃焼ガスと混合し、前記二次空気ノズル上に、分割火炎を形成する。
前記予混合気孔から噴出する混合気は、前記保炎板下流に形成される再循環流が着火源となり、前記保炎板上に薄膜火炎を形成する。
【００１６】
第１の発明の低ＮＯｘバーナは、空気管の先端にパイロット空気孔を有する保炎板を配し、先端付近に一次空気孔を備える。空気管の外周には、一次ガスノズルを有するガスマニホールドを配する。ガスマニホールドの外周には、予混合気孔を有する予混合気マニホールドを配する。予混合気マニホールドの外周には、二次空気ノズルを有する二次空気マニホールドを配する。一次ガスノズルから噴出される一次ガスと、一次空気孔から噴出される一次空気との混合気が、二次空気ノズルから噴出される二次空気噴流により吸引される炉内の燃焼ガスと混合し、二次空気ノズル上に、分割火炎を形成する。また、予混合気孔から噴出する混合気は、保炎板下流に形成される再循環流が着火源となり、保炎板上に薄膜火炎を形成する。
【００１７】
燃焼ガス再循環の流れを着火源とする分割火炎、及び薄膜火炎を形成することで、ＮＯｘの低減を図り、また保炎板上に安定したパイロット炎を形成し、燃焼の安定化を図る。また、ガス噴出孔と空気噴出孔の配置を変えることで火炎の形状を自由に変える。
【００１８】
第２の発明は、第１の発明の低ＮＯｘバーナを用いた、低ＮＯｘバーナの燃焼方法であって、前記一次ガスノズルから噴出される一次ガスと、前記一次空気孔から噴出される一次空気との混合気が、前記二次空気ノズルから噴出される二次空気噴流により吸引される炉内の燃焼ガスと混合し、前記二次空気ノズル上に分割火炎を形成し、前記予混合気孔から噴出する混合気は、前記保炎板下流に形成される再循環流が着火源となり、前記保炎板上に薄膜火炎を形成することを特徴とする低ＮＯｘバーナの燃焼方法である。
【００１９】
二次空気孔と予混合気孔との位置関係、及び一次ガスノズルと一次空気孔との位置関係を変更することにより、火炎形状を調整する。
また、二次空気孔、予混合気孔、一次ガスノズル、及び一次空気孔の配置バランスを変更することにより、火炎形状を調整する。
【００２０】
第２の発明による低ＮＯｘバーナの燃焼方法は、第１の発明の低ＮＯｘバーナにおいて、二次空気ノズル上に形成する分割火炎と、保炎板上に形成する薄膜火炎とを組み合わせる燃焼方法である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る低ＮＯｘバーナ１００の構成を示す側面図である。また、図２から図５は、低ＮＯｘバーナ１００の正面図である。図１の側面図、及び図２の正面図を説明する。
【００２２】
本実施の形態に係る低ＮＯｘバーナ１００は、まずボイラ等の炉壁１１の中央位置に円筒形状の空気管１を備える。大まかな構造として、この空気管１の外周に、ガスマニホールド３、予混合気マニホールド５、二次空気マニホールド７を順に配置する。順に詳細に説明を行う。
【００２３】
空気管１の燃焼側先端には、円盤状の保炎板９が配置される。保炎板９中央部には、複数のパイロット空気孔３１が配置される。パイロット空気孔３１は、例えば図２に示す例では同心円上に４個配置される。個数及び配置は図２の例に限らず好適に選択される。
【００２４】
また、空気管１の燃焼側の先端部に近い外周に沿って、周状に複数の一次空気孔２１を開口し配置する。空気管１の上流側からは空気６５が導入され、一次空気孔２１から一次空気５５として噴出される。尚、一次空気孔２１からの一次空気５５噴出方向は、後述する一次ガスノズル２３からの一次ガス５３噴出方向と垂直に交差する。
【００２５】
空気管１の外周には、ガスマニホールド３を配置する。前述の空気管１の一次空気孔２１よりも上流に位置する、燃焼側先端部には、軸方向に噴出するように複数の一次ガスノズル２３が設けられる。図２の例では、６個の一次ガスノズル２３が同心円上に均等に配置され、同様に同心円上に６個が均等配置される空気管１の一次空気孔２１との位置関係は、放射同一線上にある。
【００２６】
更に、ガスマニホールド３の、上流側に近い位置の外周に沿って、周状に二次ガスノズル２５が配置される。二次ガスノズル２５は、ガスマニホールド３の外周上に複数個同心円上に設けられる。また、二次ガスノズル２５は、ガスマニホールド３の外周に配置される予混合気マニホールド５に連通しており、ガスマニホールド３に供給されるガス６３を予混合気マニホールド５の内部に噴出する。
【００２７】
ガスマニホールド３の外周には、予混合気マニホールド５が配置される。予混合気マニホールド５の燃焼側先端は、ガスマニホールド３の燃焼側先端と同一面内にあり、該燃焼側先端部には軸方向に予混合気５１を噴出する複数の予混合気孔２７が設けられている。予混合気孔２７は、例えば図２のように同心円上に６個、均等に配置される。
【００２８】
また、予混合気マニホールド５の上流側に近い位置の外周に沿って、ガスマニホールド３と連通する二次ガスノズル２５から、ガス６７が供給される。ガス６７は上流側の導風口６１から導入される空気と混合され予混合気５１として予混合気孔２７から噴出される。
【００２９】
予混合気マニホールド５の外周には、二次空気マニホールド７が配置される。二次空気マニホールド７の燃焼側には二次空気ノズル１５が接続される。この二次空気ノズル１５の二次空気ノズル接続口１３は、予混合気マニホールド５の燃焼側先端、及びガスマニホールド３の燃焼側先端と同一面に配置される。また、二次空気ノズル１５は、先端に二次空気孔２９を備え、二次空気ノズル１５の先端は、保炎板９の位置とほぼ同位置に達する。二次空気マニホールド７の上流から導入される空気は、この二次空気ノズル１５の二次空気孔２９から、二次空気５７として噴出される。
【００３０】
二次空気孔２９は、例えば図２のように同心円上に６個均等に配置され、前述の予混合気孔２７との位置関係は、放射同一線上にある。
【００３１】
次に、図１、図２を用いて、低ＮＯｘバーナ１００の燃焼動作について説明する。
【００３２】
低ＮＯｘバーナ１００の上流側からは、空気管１、予混合気マニホールド５、二次空気マニホールド７に、それぞれ空気６５が同一の給気ブロアを用いて導入される。空気管１の一次空気孔２１からは空気管１の軸方向とは垂直方向に一次空気５５が噴出される。また、二次空気マニホールド７先端部の二次空気孔２９からは軸方向に二次空気５７が噴出される。
【００３３】
また、ガスマニホールド３にはガス６３が供給され、一次ガスノズル２３から、軸方向に一次ガス５３が噴出される。また、ガスマニホールド３の二次ガスノズル２５から予混合気マニホールド５に噴出されるガス６７は、予混合気マニホールド５上流側の導風口６１から流入する空気６５と混合し、予混合気孔２７から予混合気５１として軸方向に噴出される。
【００３４】
一次ガス５３と、一次空気５５とは直角にぶつかり、その混合気は二次空気ノズル１５まで到達する。さらに二次空気５７噴流により吸引される炉内の燃焼ガス再循環流６９と混合し、二次空気ノズル１５の先端部に、分割火炎４１を形成する。即ち、炉内の燃焼ガスと混合後に燃焼することにより、燃焼ガス中の残存酸素濃度が低下してＮＯｘの排出濃度を低減させることができる。
【００３５】
また、予混合気孔２７から噴出した予混合気５１は、保炎板９の下流に形成される燃焼ガス再循環流７１が着火源となり、保炎板９上に薄膜火炎４３を形成する。同じく予混合気５１は、炉内燃焼ガスとの混合後に燃焼することにより、燃焼ガス中の残存酸素濃度が低下してＮＯｘの排出濃度を低減させることができる。
【００３６】
上記薄膜火炎４３と、二次空気ノズル１５の先端部に形成される分割火炎４１、及び空気噴流による炉内の燃焼ガスの巻き込みにより、低ＮＯｘ化が図られる。
【００３７】
また、パイロット空気孔３１には、安定したパイロット炎４５が形成され、燃焼の安定化に寄与する。即ち、パイロット空気孔３１は、火炎のリフトを防止し安定したパイロット炎４５を形成する。
【００３８】
本実施の形態によれば、炉内の燃焼ガス再循環流６９を着火源とした分割火炎４１と、燃焼ガス再循環流７１を着火源とした薄膜火炎４３とを組み合わせた燃焼構造により、低ＮＯｘ化を実現する。また、炉負荷が高く、炉内圧の高い（炉内圧４ｋＰａ）炉においても、燃焼反応に供するガスの噴出速度と、火炎の伝播速度のバランスがとれているため逆火は見られずに、安定した燃焼が得られる。従って、高負荷型小型貫流ボイラへの適用が可能となる。
【００３９】
また、安定したパイロット炎４５を形成すること等により、燃焼の安定化を図り振動燃焼等を抑えることができる。
【００４０】
また、本実施の形態に係る低ＮＯｘバーナ１００のＮＯｘ排出濃度は、５０ｐｐｍ（Ｏ２＝０％換算値）程度を実現することができる。また、後述するように、二次空気ノズル１５等の配置を工夫することで、更にＮＯｘ排出濃度を低減することが可能になる。
【００４１】
次に、図２から図５は、一次空気孔２１、一次ガスノズル２３、予混合気孔２７、二次空気孔２９等の配置例の正面図を示したものである。それぞれの側面図は図１と同じである。
【００４２】
図２、図４は、ガス噴出と空気噴出の位置が同位置（放射同一線上にある）の場合を示す。図３、図５は、ガス噴出と空気噴出の位置が交互配置の場合を示す。また、図２、図３は、ガス噴出と空気噴出が均等に配置されており、図４、図５では偏った配置になっている。
【００４３】
図２及び図４のように、ガス噴出と空気噴出の位置が同位置（放射同一線上）であるとき、即ち一次空気孔２１と一次ガスノズル２３とが同位置、及び予混合気孔２７と二次空気孔２９とが同位置にあるとき、ガスと空気との混合が促進されるので、火炎のパターンは短炎になる。
【００４４】
図３及び図５のように、ガス噴出と空気噴出の位置が交互位置であるとき、即ち一次空気孔２１と一次ガスノズル２３とが交互位置、及び予混合気孔２７と二次空気孔２９とが交互位置にあるとき、ガス流路と空気流路の位置がずれているため、ガスと空気の混合が促進されず、火炎のパターンは長炎となる。
【００４５】
図４及び図５は、ガスノズルと空気ノズルは偏って配置（バイアス配置）されている。例えば燃焼ガスの流れに偏流がある場合、ガスノズルと空気ノズルをバイアス配置することにより、ショートパスを防止する効果がある。ショートパスとは、燃焼室内で完全燃焼する前に燃焼ガスが排気されてしまうことである。
【００４６】
ガスノズルと空気ノズルが偏って配置されている場合、ガスノズル数の多い側は長炎になり、ガスノズル数の少ない側は短炎となって、自己排ガス再循環が効果的に行われる。
【００４７】
このように、ガスノズルと空気ノズルの配置を変えることにより、燃焼炎のフレームパターンを自由に変化させ、ＮＯｘ低減の最適化をはかることができる。また、燃焼ガスの流れに偏りがある場合には、ガスノズルと空気ノズルを偏って配置（バイアス配置）することにより、燃焼の安定化（ショートパスを防ぐ）等の効果が大きい。
【００４８】
また、空気管１、予混合気マニホールド５、二次空気マニホールド７に導入する空気６５の供給量をそれぞれ調整し、ガスマニホールド３へ供給するガス６３の供給量を調整することにより、分割火炎４１及び薄膜火炎４３の最適な火炎の組み合わせを形成することができる。と同時に、ＮＯｘ低減の最適化をはかることができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明によれば、バーナの構造で低ＮＯｘ化を図り、火炎形状を自由に変えられる低ＮＯｘバーナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る低ＮＯｘバーナ１００の構成を示す側面図
【図２】低ＮＯｘバーナ１００の正面図（ガスノズル・空気孔は同位置、均等）
【図３】低ＮＯｘバーナ１００の正面図（ガスノズル・空気孔は交互位置、均等）
【図４】低ＮＯｘバーナ１００の正面図（ガスノズル・空気孔は同位置）
【図５】低ＮＯｘバーナ１００の正面図（ガスノズル・空気孔は交互位置）
【図６】従来の低ＮＯｘバーナ２００の構成を示す図
【符号の説明】
１・・・ 空気管
３・・・ ガスマニホールド
５・・・ 予混合気マニホールド
７・・・ 二次空気マニホールド
８・・・ 風箱
９・・・ 保炎板
１１・・・ 炉壁
１３・・・ 二次空気ノズル接続口
１５・・・ 二次空気ノズル
２１・・・ 一次空気孔
２３・・・ 一次ガスノズル
２５・・・ 二次ガスノズル
２７・・・ 予混合気孔
２９・・・ 二次空気孔
３１・・・ パイロット空気孔
４１・・・ 分割火炎
４３・・・ 薄膜火炎
４５・・・ パイロット炎
５１・・・ 予混合気
５３・・・ 一次ガス
５５・・・ 一次空気
５７・・・ 二次空気
６１・・・ 導風口
６３、６７・・・ ガス
６５・・・ 空気
６９、７１・・・燃焼ガス再循環流
１１３・・・ ＥＧＲ（燃焼ガス再循環）
１００、２００・・・ 低ＮＯｘバーナ
１０１・・・ 予混合気室
１０３・・・ 一次ノズル
１０５・・・ 二次ノズル
１０７・・・ 保炎パイプ
１０９・・・ １次予混合気
１１１・・・ ２次予混合気
１１５・・・ 火炎
１１７・・・ 混合気
１１９・・・ 炉壁
Claims (13)
- パイロット空気孔を配置した保炎板と、
前記保炎板を端部に備え、一次空気孔を備えた空気管と、
前記空気管の外周に配置され、前記一次空気孔の上流に前記一次空気孔とほぼ垂直に向き合うように一次ガスノズルが設けられるガスマニホールドと、
前記ガスマニホールドの外周に設置される予混合気マニホールドであって、予混合気孔が設けられ、上流側には前記ガスマニホールド外周から噴出されるガスと、導入される空気流とがほぼ垂直に向き合うように、前記ガスマニホールドと導通する二次ガスノズルが設けられる予混合気マニホールドと、
二次空気ノズルを有し、前記予混合気マニホールドの外周に設置される二次空気マニホールドとを、具備することを特徴とする低ＮＯｘバーナ。 - 前記ガスマニホールドの端部に配置される前記一次ガスノズルは、前記保炎板の外径より小さい同心円上に配置されることを特徴する請求項１記載の低ＮＯｘバーナ。
- 前記予混合気マニホールドの端部に配置される前記予混合気孔は、前記一次ガスノズルと同一面に設けられ、前記保炎板の外径より大きい同心円上に配置されることを特徴する請求項１記載の低ＮＯｘバーナ。
- 前記二次空気マニホールドに接続される前記二次空気ノズルは、前記二次空気マニホールドとの接続口が前記予混合気孔と同一面に位置し、前記二次空気ノズルの先端部の二次空気孔が前記保炎板の位置とほぼ同じ長さになるように調整されることを特徴とする請求項１記載の低ＮＯｘバーナ。
- 前記二次空気孔と、前記予混合気孔とは、前記保炎板の正面を中心とした放射状同位置にそれぞれ同心円上に配置されることを特徴とする請求項１記載の低ＮＯｘバーナ。
- 前記一次ガスノズルと、前記一次空気孔とは、前記保炎板の正面を中心とした放射状同位置にそれぞれ同心円上に配置されることを特徴とする請求項１記載の低ＮＯｘバーナ。
- 前記二次空気孔と、前記予混合気孔とは、前記保炎板の正面を中心とした放射状交互の位置にそれぞれ同心円上に配置されることを特徴とする請求項１記載の低ＮＯｘバーナ。
- 前記一次ガスノズルと、前記一次空気孔とは、前記保炎板の正面を中心とした放射状交互の位置にそれぞれ同心円上に配置されることを特徴とする請求項１記載の低ＮＯｘバーナ。
- 前記一次ガスノズルから噴出される一次ガスと、前記一次空気孔から噴出される一次空気との混合気が、前記二次空気ノズルから噴出される二次空気噴流により吸引される炉内の燃焼ガスと混合し、前記二次空気ノズル上に分割火炎を形成することを特徴とする請求項１記載の低ＮＯｘバーナ。
- 前記予混合気孔から噴出する混合気は、前記保炎板下流に形成される再循環流が着火源となり、前記保炎板上に薄膜火炎を形成することを特徴とする請求項１記載の低ＮＯｘバーナ。
- 請求項１に記載された低ＮＯｘバーナを用いた、低ＮＯｘバーナの燃焼方法であって、
前記一次ガスノズルから噴出される一次ガスと、前記一次空気孔から噴出される一次空気との混合気が、前記二次空気ノズルから噴出される二次空気噴流により吸引される炉内の燃焼ガスと混合し、前記二次空気ノズル上に分割火炎を形成し、
前記予混合気孔から噴出する混合気は、前記保炎板下流に形成される再循環流が着火源となり、前記保炎板上に薄膜火炎を形成することを特徴とする低ＮＯｘバーナの燃焼方法。 - 前記二次空気孔と前記予混合気孔との位置関係、及び前記一次ガスノズルと前記一次空気孔との位置関係を変更することにより、火炎形状を調整することを特徴とする請求項１１記載の低ＮＯｘバーナの燃焼方法。
- 前記二次空気孔、前記予混合気孔、前記一次ガスノズル、及び前記一次空気孔の配置バランスを変更することにより、火炎形状を調整することを特徴とする請求項１１記載の低ＮＯｘバーナの燃焼方法。
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