JP2005114318A - バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】 ＮＯｘ、ＣＯ、および煤塵の発生を確実に抑制できるバーナを提供すること。
【解決手段】 内筒部材１１に油供給ライン１０を配置し、燃料噴霧ノズル１０Ａを配置する。外筒部材１２の燃焼室Ｂ側の端面１２Ａに燃焼室Ｂ側に突出する空気ノズル１３を設ける。空気ノズル１３の先端に、燃焼室Ｂの中心軸に対して所定角度θを有する傾斜部１３１を形成する。空気ノズル１３からの燃焼空気が傾斜部１３１によって燃焼室Ｂの中心軸に近接する方向に噴流し、燃料噴霧ノズル１０Ａから噴霧された燃料と良好に混合する。また、再循環した燃焼排ガスによって燃料噴霧ノズル１０Ａ出口付近での火炎の形成を防止できるから、燃料の蒸発が促進され、その結果ＮＯｘ、ＣＯ、および煤塵の発生を確実に抑制できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バーナに関する。

燃焼によって生じるＮＯxに対する排出規制は年々厳しくなっており、ＮＯx低減の技術開発が盛んである。燃焼時に生じるＮＯxとしては、フューエルＮＯx、プロンプトＮＯx、およびサーマルＮＯxがある。中でもサーマルＮＯxは、燃焼空気中のＮ₂成分が高温雰囲気中で酸化して生成され、温度依存が高く、燃焼温度が高くなるほど、生成量は急激に増大する。
従って、サーマルＮＯxは、燃焼に空気を使用する限り必ず生成され、燃料が特に灯油や窒素分の少ないＡ重油である場合には、排出されるＮＯxの大半がサーマルＮＯxといわれ、数多くの低減方法が提案されている。
これらの多くの低減方法の中で、主なＮＯx抑制燃焼技術としては、(Ａ)分割火炎燃焼方式、(Ｂ)排ガス再循環燃焼方式、(Ｃ)多段燃焼方式、(Ｄ)水混合燃焼方式などが知られている。

しかしながら、(Ａ)分割火炎燃焼方式のバーナでは、火炎の分割が不十分となり易く、ＮＯxの低減には限界があり、昨今の厳しいＮＯx規制に対応するには更なる技術開発が必要になっている。
また、分割火炎燃焼方式には、複数の主空気噴流口を設けるタイプと、燃料噴霧ノズルを複数個設けるタイプとがあるが、特に後者のタイプのバーナは、大型の油バーナやガスバーナでは比較的容易に分割火炎を形成できるが、バーナ火炎口（外筒部材の径寸法）の小さいバーナでは、分割火炎の形成に難点があるうえ、複数個の燃料噴霧ノズルが必要であり、コストが高くなる。

(Ｂ)排ガス再循環燃焼方式のバーナは、排ガス（燃焼ガス）の一部を燃焼空気に再循環させ、酸素分圧を下げることで低ＮＯx化を図るものであり、強制排ガス再循環法と自己排ガス再循環法とに大別される。
しかし、強制排ガス再循環法は、排ガスの一部を再循環するのに、再循環用ダクトとブロアーとが必要であり、小型ボイラへの適用はコスト面で問題となる。
これに対して自己排ガス再循環法は、バーナの構造等に工夫を加え、燃焼空気の噴流に周囲の気体が吸引される現象を用いて、燃焼空気流および燃料流に排ガスを混合させて排ガス再循環の効果を持たせることを特徴としており、排ガスを強制的に再循環させることがないため、コスト面でのメリットがあるが、排ガスの再循環量が十分ではなく、ＮＯx低減にはやはり限界がある。

(Ｃ)多段燃焼方式のバーナは、燃料あるいは燃焼空気を空気比の異なる２段もしくはそれよりも多くの段数に分割して濃淡燃焼させることを特徴とし、火炎温度の低下あるいは酸素濃度の低下によって低ＮＯx化を図るものである。
しかし、この燃焼方式においても、多段で燃焼させるために、バーナの構造が複雑になるという問題がある。

(Ｄ)水混合燃焼方式は、予め燃料中に水を混合させるか、あるいは燃焼室に水を吹き込んで火炎温度を下げることにより、低ＮＯx化を図るものである。
しかし、この方式では、水の吹き込みによりバーナを構成する筒部材等に腐食が生じるおそれがあるとともに、ボイラ効率も低下する。さらに、ポンプ等の水供給装置が別途必要となるので、コストアップにつながる。
以上に述べたように、各方式には一長一短があり、ＮＯxが確実に減少するバーナを安価に製作することは難しかった。これに対して、本出願人が先に開発したバーナ（特許文献１参照）によれば、安価な構造で、かつＮＯxを確実に低減できる低ＮＯｘバーナが実現されている。このバーナでは、燃料噴霧ノズルの周囲に空気ノズルを配置し、燃料噴霧ノズルの燃料噴霧口よりも下流側において燃焼空気を噴流することにより、多段燃焼および排ガス再循環燃焼を実現し、ＮＯｘの発生を抑制する。

特開２００１−２５４９１３号公報（第１図）

このような構造のバーナでは、ＮＯx、ＣＯ、煤塵の発生をより確実に抑制するためには、空気ノズルからの燃焼空気と燃料噴霧ノズルから噴霧された燃料との混合が良好に行われることが、より一層良好な燃焼性を確保する上で重要であり、これらＮＯｘ、ＣＯ、および煤塵の発生抑制をより確実として、近年の厳しい規制にも対応できるバーナの開発が望まれている。

本発明の目的は、ＮＯｘ、ＣＯ、および煤塵をより一層効果的に低減できるバーナを提供することである。

請求項１に記載のバーナは、燃焼室に向かって燃料を噴霧する燃料噴霧ノズルと、燃焼室に向かって開口部を有し、燃料噴霧ノズルの先端側が収容される内筒部材と、この内筒部材の外周側に配置された外筒部材とを備え、外筒部材の下流側端面には、さらに下流側に延出した空気ノズルが端面の周方向に間隔を空けて複数設けられ、これらの空気ノズルの下流端側に、燃焼室に燃焼空気を噴流する主空気噴流口が形成されたバーナにおいて、空気ノズル先端側には、外筒部材の径方向外側部分に、燃焼室の中心軸に向かって傾斜する傾斜部が形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、外筒部材に主空気噴流口が設けられているので、外筒部材の中央側の空気比が外側の空気比より小さくなり、二段燃焼（濃淡燃焼）効果が得られる。このため、一次燃焼空気の出口である内筒部材の開口部近傍では、着火が抑制され、開口部からより離れた位置で保炎するようになる。これにより、ＮＯｘの発生が抑制される。また、主空気噴流口からの排ガスが外筒部材の中央側に流入することにより、排ガスの再循環が行われ、燃焼温度が低減する排ガス再循環燃焼効果が得られ、これによってもＮＯｘが減少する。

さらに、空気ノズルの先端側には傾斜部が形成されているので、空気ノズルからの燃焼空気が燃焼室の中心軸に向かって傾斜して噴流されることにより、燃料噴霧ノズルからの未燃燃料の噴霧粒子との混合が促進される。またこれと同時に、空気ノズルからの燃焼空気とともに燃焼排ガスも循環されるので、燃料噴霧ノズルからの未燃燃料の噴霧粒子の蒸発が促進され、空気ノズルからの燃焼空気による排ガスと良好に混合することにより緩慢燃焼する。これにより、ＣＯ、および煤塵の発生が効果的に抑制される。

請求項２に記載のバーナは、傾斜部は、燃焼室の中心軸に対して所定角度を有しており、所定角度は、５°〜９０°であることを特徴とする。
この発明によれば、傾斜部の角度が適切に設定されているので、空気ノズルからの燃焼空気が必要以上に拡散して噴流することがなく、燃料と良好に混合されて燃焼性が良好となる。ここで、所定角度が５°より小さい場合には、噴流される燃料空気に対する傾斜部の影響が小さくなるため、燃焼空気が燃焼室の中心軸にほぼ沿って噴流され、燃料との良好な混合が得られず、ＮＯｘ、ＣＯ、および煤塵の十分な低減効果が得られない。また、所定角度が９０°以上の場合には、空気ノズル内での燃焼空気の流れが悪くなり、燃焼空気の良好な噴流挙動が得られない。

請求項３に記載のバーナは、内筒部材には、燃焼空気の一部が流入可能な小孔が形成され、小孔の総開口面積をＳ1、外筒部材の主空気噴流口の総開口面積をＳ2とした時、Ｓ1／（Ｓ1＋Ｓ2）は、０．３以下であることを特徴とする。
この発明によれば、主空気噴流口と小孔との総開口面積が適切に設定されているので、外筒部材の中央側と外側との空気比の差を適切に設定することが可能となり、より確実な二段燃焼効果および排ガス再循環燃焼が得られ、より一層確実かつ高効率にＮＯｘが低減される。

請求項４に記載のバーナは、内筒部材の開口部内に設けられた保炎板を備え、この保炎板には、内筒部材の略軸線方向に沿って貫通した複数の副空気噴流口が設けられていることを特徴とする。
この発明によれば、保炎板の副空気噴流口を内筒部材の略軸線方向に沿った貫通形状に形成するから、主空気噴流口からの空気が旋回せずに速やかに噴流し、燃料との混合が遅れる。したがって、燃料の蒸発を十分に進ませてから燃焼させることが可能となり、保炎板への火炎の貼り付きが抑制されてＮＯｘの生成量がより確実に減少する。

請求項５に記載のバーナは、燃料噴霧ノズルの噴霧口より下流側で、かつ外筒部材の下流側端面より下流側には、内筒部材の軸線を中心とする環状部材が設けられていることを特徴とする。
この発明によれば、外側から入り込む排ガスの流路が環状部材周りに形成され、排ガスがよりスムーズに循環し、排ガス再循環の効果が一層向上する。
ここで、環状部材は、噴霧燃料の外周縁が環状部材の内周面から外れない範囲に設けられていることが望ましい。この場合には、火炎形状や燃焼排ガスの流れ等が安定化されるため、例えばボイラの燃焼形式の違いなどの外部条件の影響を受けず、燃焼性を良好にすることができ、ＣＯや煤塵の発生をより一層抑制することができる。
したがって、低ＮＯx化とともに、良好な燃焼性による低ＣＯ化、および低煤塵化を達成することができる。
特に、例えば本発明のバーナをωフロー形式や反転燃焼形式のボイラなどに適用する場合には、噴霧燃料が環状部材によって案内されるので、未燃燃料の排出が防止され、良好な燃焼性の確保とともに低ＣＯ化、低防煤塵化が促進される。

請求項６に記載のバーナは、内筒部材の下流側端部より上流側に配置された燃焼排ガスの循環通路を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、循環通路が内筒部材の下流側端部よりも上流側に配置されているので、燃料噴霧ノズルの先端部近傍に効率よく排ガスが循環し、燃料噴霧ノズル先端部近傍での着火を抑制するとともに燃料の噴霧粒子の蒸発が促進され、主空気噴流口からの燃焼空気による排ガスと良好に混合することにより緩慢燃焼する。これにより、ＣＯおよび煤塵の発生が効果的に抑制される。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るバーナ１を示す側断面図であり、図２はバーナ１の正面図である。ここで、図２は図１中のII-II線で示す矢視図であり、図１は図２中のI-I線で示す矢視図である。
これらの図１および図２において、バーナ１は、燃焼空気供給用の図示しないファンにウインドボックスＡを介して取り付けられるものであって、当該ウインドボックスＡ側からボイラ等の燃焼室Ｂ側（図１中の右側）に延びる油供給ライン１０と、この油供給ライン１０の先端部に設けられた燃料噴霧ノズル１０Ａと、油供給ライン１０（および燃料噴霧ノズル１０Ａ）の先端側を収容した内筒部材１１と、内筒部材１１の外周側に配置された外筒部材１２と、外筒部材１２の端面１２Ａよりも燃焼室Ｂ側に設置された環状部材としての燃焼コーン２０とを備えている。

燃料噴霧ノズル１０Ａは、複数個（本実施形態では二個）設けられ、内筒部材１１および外筒部材１２の略中央に、軸線Ｃに沿って互いに近接して配置されている。
外筒部材１２の下流側（燃焼室Ｂ側）の端面１２Ａには、内筒部材１１の外周側に沿って内筒部材１１の軸線Ｃを中心に直径Ｄ１の円周上に複数（本実施形態では八本）の空気ノズル１３が互いにほぼ等間隔に設けられている。空気ノズル１３の矩形断面において、対向する二辺は外筒部材１２の径方向に沿って配置されている。これらの空気ノズル１３は、断面矩形の筒状に形成されて外筒部材１２の端面１２Ａから燃焼室Ｂの中心軸（内筒部材１１の軸線Ｃ）に沿って、燃焼室Ｂ側に延出しており、その中空部分で外筒部材１２内と燃焼室Ｂ内とを連通させている。

各空気ノズル１３の先端側には、外筒部材１２の外周に対向する部分、つまり、空気ノズル１３矩形断面の四辺のうち、外筒部材１２の径方向外側部分の一辺に傾斜部１３１が形成されている。傾斜部１３１は、空気ノズル１３の先端に向かって燃焼室Ｂの中心軸（内筒部材１１の軸線Ｃ）に傾倒するように形成され、傾斜部１３１は、軸線Ｃに対して所定角度θを有している。ここで、所定角度θは、５°〜９０°の間で設定されている。
空気ノズル１３の先端部分（燃焼室Ｂ側）には、開口部が設けられており、この開口部が主空気噴流口１４とされている。この主空気噴流口１４は、外筒部材１２の端面１２Ａよりもボイラの燃焼室Ｂ側に位置しており、外筒部材１２の内部を介して供給される燃焼空気が主空気噴流口１４から燃焼室Ｂに向かって吹き出されるようになっている。

このような外筒部材１２を用いたバーナ１は、主空気噴流口１４が空気ノズル１３の数に応じて周方向の複数箇所（八箇所）に設けられているため、分割火炎燃焼方式の構造を有する。
また、主空気噴流口１４の下流近傍で燃焼が生じるが、燃焼時の排ガスは、隣接する空気ノズル１３の間を通り、燃焼によって最も負圧になる中央側へと入り込んで戻る（排ガス再循環）。このため、バーナ１は、排ガス再循環燃焼方式（自己排ガス再循環法）の構造も有する。

内筒部材１１の燃焼室Ｂ側端面における燃料噴霧ノズル１０Ａの前方には、内筒部材１１の開口を塞ぐ保炎板１５が設けられている。図３に示されるように、保炎板１５には、内筒部材１１の軸線Ｃに沿って貫通する多数（複数）の副空気噴流口１５Ａが穿設されており、また中心部には、燃料噴霧ノズル１０Ａの取付位置に対応した位置に燃料噴出口１５Ｂが形成されている。
また、内筒部材１１において、保炎板１５が設けられた側とは反対側の端部側面、つまりウインドボックスＡ側の端部側面には複数の小孔１１Ａが穿設されており、これら複数の小孔１１Ａの総開口面積をＳ１、外筒部材１２の主空気噴流口１４の総開口面積をＳ2とした時、Ｓ1／（Ｓ1＋Ｓ2）は、０．３以下、好ましくは０．２以下、より好ましくは０．１以下に設定されている。
すなわち、総開口面積Ｓ1，Ｓ2による比を０．３以下に設定することで、副空気噴流口１５Ａから噴流する燃焼空気の量を抑え、これによってバーナ１では、外筒部材１２の中央側の空気比を外周側の空気比よりも小さくし、いわゆる二段燃焼の効果が得られるようになっている。
この場合、本実施形態での主空気噴流口１４での燃焼空気の流速が２０〜４０m/secであるのに対し、副空気噴流口１５Ａからの燃焼空気の流速は１０〜２０m/sec以下となる。
なお、総開口面積Ｓ1，Ｓ2による比を０．３を越えて設定すると、二段燃焼の効果が得られず、火炎が保炎板１５に張り付いた状態で燃焼し易くなり、ＮＯxの生成量が多くなる。

燃焼コーン２０は、外筒部材１２の直径（外径）Ｄ２と略同一の外径寸法を有しており、外筒部材１２に図示しない係合部材により一体に取り付けられている。また、燃焼コーン２０は、内外筒部材１１，１２の軸線Ｃを中心とした円筒状の部材であり、燃料噴霧ノズル１０Ａよりも燃焼室Ｂ側で、かつ外筒部材１２の端面１２Ａとの間に所定寸法の隙間を有して設置されている。
ここで、本実施形態において、燃焼コーン２０の燃料噴霧ノズル１０Ａに対する位置は、噴霧された燃料の外周縁が燃焼コーン２０の内周面から外れない範囲に設けられている。つまり、噴霧された燃料の外周縁が燃焼コーン２０の内周面に交差する位置に配置されている。ここで、本実施形態において、燃焼コーン２０の燃料噴霧ノズル１０Ａ側端縁は、噴霧された燃料の外周縁と燃焼コーン２０の内周面との交差位置に対して、内筒部材１１の軸線に沿った燃焼コーン２０の長さ寸法Ｌ１の１／４だけ燃料噴霧ノズル１０Ａ側に設置されることが望ましい。

このようなバーナ１では、燃料噴霧ノズル１０Ａから燃料が噴霧されると、空気ノズル１３の主空気噴流口１４および保炎板１５の副空気噴流口１５Ａから燃焼空気が供給されて燃焼する。このとき外筒部材１２内の燃焼空気は、それぞれ複数の空気ノズル１３で分岐して噴流され、分割されて燃焼する。空気ノズル１３には傾斜部１３１が形成されているので、主空気噴流口１４から噴流する燃焼空気は、軸線Ｃに平行な方向の燃焼空気と、傾斜部１３１の傾斜角度（所定角度θ）に沿った方向の燃焼空気とが合成され、燃焼室Ｂの中心軸に対してある程度の角度を有して、中心軸に近接する方向に噴流する。一方、副空気噴流口１５Ａからの燃焼空気は、内筒部材１１の軸線Ｃに沿って旋回することなく噴流し、燃料噴霧ノズル１０Ａからの燃料と混合される。
主空気噴流口１４からの空気噴流量は、小孔１１Ａからの空気噴流量より多くなっているので、外筒部材１２の外周側（空気ノズル１３近傍）では、外筒部材１２の中央側より空気比が高くなる。このため、外筒部材１２の中央側が負圧となり、空気ノズル１３から噴流された空気による燃焼後の排ガスは、隣接する空気ノズル１３の間を通って外筒部材１２の中央側、つまり燃料噴霧ノズル１０Ａ前方に再循環する。
燃焼コーン２０は、燃料噴霧ノズル１０Ａから所定の角度（噴霧角）で噴霧された燃料を所定範囲内（燃焼コーン２０の内径範囲内）に案内し、噴霧された燃料のさらなる拡散を防止する。

したがって、第一実施形態によれば、次のような効果がある。
(１) 主空気噴流口１４を有する空気ノズル１３を燃料噴霧ノズル１０Ａおよび外筒部材１２の下流側の端面１２Ａより下流側に突出させて複数設けているので、分割火炎燃焼および自己排ガス再循環燃焼の効果が得られ、燃焼温度を低減できる。したがって、ＮＯｘの発生量を減少できる。
また、空気ノズル１３の先端側に、燃焼室Ｂの中心軸に対して所定角度θを有して傾斜する傾斜部１３１が形成されているので、空気ノズル１３からの燃焼空気が外筒部材１２の中央側に向かって供給され、良好な多段燃焼の効果が得られる。さらに、これらの空気ノズル１３により、主空気噴流口１４からの燃焼空気と、燃料噴霧ノズル１０Ａからの未燃燃料の噴霧粒子との混合を促進できる。同時に、空気ノズル１３からの燃焼空気とともに燃焼排ガスも循環するので、燃料噴霧ノズル１０Ａからの未燃燃料の噴霧粒子の蒸発を促進でき、空気ノズル１３からの燃焼空気による排ガスと良好に混合して緩慢燃焼する。これにより、ＣＯ、および煤塵の発生を効果的に抑制できる。

(２) 主空気噴流口１４と小孔１１Ａとの総開口面積Ｓ１＋Ｓ２に対する小孔１１Ａの総開口面積Ｓ１の比Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）が０．３以下になっているので、主空気噴流口１４から噴流する燃焼空気量に対して副空気噴流口１５Ａから噴流する燃焼空気量を確実に抑えることができ、外筒部材１２の中央側の空気比が外側の空気比よりも小さくなって二段燃焼効果が得られ、保炎板１５からより離れた位置で保炎することができる。したがって、これによってもＮＯｘをさらに低減することができる。

(３) 副空気噴流口１５Ａが内筒部材１１の軸線に沿って保炎板１５を貫通しているので、副空気噴流口１５Ａからの燃焼空気が燃料噴霧ノズル１０Ａ近傍で旋回することなく噴流される。したがって、燃料との混合が遅くなり、その間に燃料の蒸発をより促すことができ、蒸発が十分に進んでから燃焼させることができる。これにより、保炎板１５からより離れた位置で保炎することができ、保炎板１５への火炎の貼り付きを防止できるので、ＮＯｘの生成量をさらに低減することができる。

(４) 燃焼コーン２０が設けられているので、燃料噴霧ノズル１０Ａから噴霧された燃料を燃焼コーン２０内周面で案内でき、排ガスの再循環をより高効率にするとともに、未燃燃料の排出を防止できる。したがって、火炎形状や燃焼排ガスの流れ等を安定化できる。したがって、例えばこのバーナ１をボイラに適用する場合などでは、ボイラの燃焼形式の違いによる影響を受けず、燃焼性を良好にできる。したがって、低ＮＯｘ化とともに、良好な燃焼性による低ＣＯ化、および低煤塵化を達成することができる。
この際、ボイラの燃焼形式としては、燃焼室Ｂの他方側（バーナの反対側）に燃焼後の排ガスを排気する排気口が設けられた順流燃焼形式でもよく、また燃焼室Ｂの側方や一方側（バーナ側）に排気口が設けられた燃焼形式（例えば、ωフロー形式や反転燃焼形式等）でもよい。特に、ωフロー形式や反転燃焼形式のボイラの場合には、噴霧燃料のうちの外周縁の燃料が未燃焼のまま排気口から排出されて燃焼性が悪化する傾向にあるが、バーナ１を適用することで、燃焼コーン２０によって未燃燃料の排出を防止することができ、良好な燃焼性を確保して低ＣＯ化、低煤塵化を図ることができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
空気ノズルの本数は、任意に設定できる。つまり、例えば空気ノズル１３を外筒部材１２の端面１２Ａに七本以下、あるいは九本以上設けてもよい。
また空気ノズルの断面形状も、矩形に限らず、例えば三角形、円形、楕円形など、燃焼空気の噴流動作やバーナの使用条件、空気ノズルの製造性などを考慮して任意に設定してよい。
空気ノズルの配置は、周方向に等間隔に配置されているものに限らず、不等間隔に配置されているものや、周方向に沿って配置されていないものであってもよい。
さらに、空気ノズルは、外筒部材の端面から延出して、主空気噴流口が燃料噴霧ノズル先端部より下流側に配置されているものに限らず、例えば主空気噴流口が燃料噴霧ノズル先端部と略面一に配置されていてもよい。

空気ノズルの傾斜部の所定角度θは、５°〜９０°の間であれば適宜設定してよく、例えば図４に示されるように、傾斜部１３１が軸線Ｃに対して９０°の方向に傾斜していてもよい。この場合には主空気噴流口１４は、空気ノズル１３の先端部が傾斜部１３１によって一部覆われた状態で形成されるが、主空気噴流口１４の総開口面積Ｓ２が適切となるように空気ノズル１３の断面寸法や傾斜部１３１の寸法を設定すればよい。
また、傾斜部の形成位置は、空気ノズル断面において、外筒部材の接線方向で径方向外周側に形成されているものに限らず、例えば傾斜部が外筒部材の接線方向に対して所定角度傾斜していてもよい。この場合には、傾斜部は燃焼室の中心軸に対して傾斜を有する上にさらに外筒部材の接線方向に対しても傾斜を有するので、空気ノズルからの燃焼空気は、燃焼室の中心軸周りに旋回しながら、燃焼室の中心軸に向かって噴流し、燃料噴霧ノズルからの燃料と良好に混合される。このように、傾斜部の形成位置は、バーナの使用条件などに応じて適宜設定してよい。

図５に示されるように、燃料噴霧ノズルの近傍に排ガスを循環させる循環通路を設けてもよい。図５において、バーナ１は、排ガスを再循環させる循環通路１７を備えている。
内筒部材１１外周と外筒部材１２内周との間には、内筒部材１１よりも大径の筒状部材１６が設けられている。この筒状部材１６は、内筒部材１１と同心に配置され、軸線Ｃ方向の寸法が内筒部材１１の軸線Ｃ方向の寸法とほぼ等しくなっている。筒状部材１６は、ウインドボックスＡ側の端部が内筒部材１１端部に固定されて閉口され、燃焼室Ｂ側の端部は外筒部材１２の端面１２Ａを貫通して開口している。このような構造により、内筒部材１１の外周面と、筒状部材１６の内周面との間には、所定間隔ｔの間隙１６Ａが形成される。なお、内筒部材１１の小孔１１Ａは、本実施形態では内筒部材１１のウインドボックスＡ側端面に形成されている。

外筒部材１２および筒状部材１６には、外筒部材１２の周面と筒状部材１６の周面とを連結する円筒状の循環通路１７が設けられている。循環通路１７はそれぞれ内筒部材１１の軸線Ｃにほぼ直角に配置され、外筒部材１２の外周と間隙１６Ａとを連通している。これらの循環通路１７は、外筒部材１２の外周に沿って等間隔に複数本（八本）形成され、外筒部材１２の周方向に対して隣接する空気ノズル１３の間に配置されている。循環通路１７は、内筒部材１１の先端部である開口端部より上流側で当該開口端部近傍に設けられており、また燃料噴霧ノズル１０Ａより上流側で、燃料噴霧ノズル１０Ａ近傍に配置されている。

ここで、所定間隔ｔは、内筒部材１１、外筒部材１２、筒状部材１６の径寸法、空気ノズル１３から噴流する空気流量、燃料噴霧ノズル１０Ａから噴流する燃料流量などのバーナ１の使用条件を勘案して適宜設定され、例えば約５〜１０ｍｍなどに設定される。
また、循環通路１７の径寸法も、内筒部材１１、外筒部材１２、筒状部材１６の径寸法、空気ノズル１３から噴流する空気流量、燃料噴霧ノズル１０Ａから噴流する燃料流量などのバーナ１の使用条件を勘案して適宜設定され、例えば約１０〜２０ｍｍに設定される。
内筒部材１１の軸線Ｃに沿った循環通路１７の配置は、内筒部材１１の先端部近傍または、燃料噴霧ノズル１０Ａ近傍であることが望ましく、例えば内筒部材１１の先端部から循環通路１７の筒軸中心までの距離Ｌ２は、外筒部材１２の直径Ｄ２の１／２以下、より好ましくは直径Ｄ２の１／４以下に設定されており、より具体的には例えばＤ２＝２１６ｍｍの場合にＬ２＝５３ｍｍに設定されている。または、循環通路１７は、燃料噴霧ノズル１０Ａより所定距離だけ上流側に配置されるように設定されてもよい。

このようなバーナ１では、燃焼後の排ガスの一部は、循環通路１７を通って筒状部材１６内部に流入し、内筒部材１１との間隙１６Ａを通って再び燃料噴霧ノズル１０Ａ近傍に再循環する。これにより、内筒部材１１の外周付近、つまり燃料噴霧ノズル１０Ａ近傍に再循環した排ガスを確実に供給でき、より確実にＮＯｘ生成量を低減できる。
このとき、循環通路１７が内筒部材１１の先端部よりも上流側で油供給ライン１０の先端部近傍に配置されているので、燃料噴霧ノズル１０Ａ近傍に効率よく排ガスが循環し、燃料噴霧ノズル１０Ａ近傍での着火を抑制できる。また、これにより燃料の噴霧粒子の蒸発が促進され、主空気噴流口１４からの燃焼空気による排ガスと良好に混合することにより緩慢燃焼するので、ＣＯおよび煤塵の発生を効果的に、大幅に抑制でき、近年の低ＮＯｘ燃焼の要請を十分に満足させることができる。
また、従来のバーナでは困難であった領域の低Ｏ₂燃焼により、省エネルギ化を促進できる。そして、例えばこのバーナ１をボイラに使用する場合などでは、高能力送風機や、水、蒸気の吹き込み装置等が不要となるから、ボイラのコンパクト化、低コスト化を促進できる。

なお、循環通路の形成数は、八本に限らず、例えば隣接する空気ノズルの間の一つおきに四本配置するなど、任意の本数を形成してよい。
また、循環通路の内筒部材または外筒部材の周方向に対する配置は、外筒部材の周方向に等間隔に配置されているものに限らず、例えば隣接する空気ノズルの間に不等間隔に配置されていてもよい。さらに、循環通路の形状は、円筒状に限らず、例えば三角筒状、四角筒状など、筒状に形成されていれば断面構造は任意である。

保炎板は、内筒部材の軸線に沿って貫通する副空気噴流口が形成されているものに限らず、例えば図６に示されるように、副空気噴流口が軸線に沿って形成されていなくてもよい。この図６において、円盤状の保炎板１５は、中心部に燃料噴霧ノズルの取付位置に対応して形成された燃料噴出口１５Ｂと、この燃料噴出口１５Ｂの周囲に切り起こし加工等による副空気噴流口１５Ａとを備えている。この場合には、副空気噴流口１５Ａから噴流した燃焼空気は、旋回しながら燃料と混合する。したがって燃料との混合が速やかに行われ、良好に混合する。
また、保炎板は、必ずしも設けられていなくてもよい。

燃料噴霧ノズルの設置個数は、二個に限らず図７に示されるように一個でもよいし、また三個以上であってもよい。また、燃料噴霧ノズルの配置は、その先端部が内筒部材内に収納されているものに限らず、燃焼室側に突出していてもよい。
環状部材の設置位置は、空気ノズルの先端部から所定距離離間しているものに限らず、例えば空気ノズルの周方向を一部覆うように配置されていてもよい。また、環状部材の径寸法は、外筒部材の外径に等しいものに限らず、例えば本発明では空気ノズルに傾斜部が形成されているので、環状部材の径寸法が外筒部材の外径よりも小さく設定されている場合でも、複数の主空気噴流口の傾斜部外周を覆うように設定されていれば、燃焼空気を環状部材内に案内することができる。
また、環状部材は、必ずしも設けられていなくても本発明の目的を達成できる。

内筒部材の小孔は、必ずしも設けられていなくてもよく、例えば内筒部材の燃焼室から遠い側の端面が封止されて、内筒部材の内部が燃焼空気から遮断されていてもよい。この場合には、主空気噴流口のみから燃焼空気が噴流することとなる。この場合でも、空気ノズルに傾斜部が形成されていれば、良好な多段燃焼の効果が得られる。
燃料は、灯油やＡ重油など、用途に応じて任意に選択できる。

本発明のバーナを用いて燃焼実験を行った。バーナは、燃焼コーン２０が設けられていない点の他は、前述の実施形態のバーナ１とほぼ同様である。燃料は図８に示す組成の灯油を用い、Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）＝０．０４とし、主空気噴流口１４が配置される仮想円形の直径Ｄ１を約１３５ｍｍとした。また、空気ノズル１３の主空気噴流口１４の総開口面積Ｓ２を一定に保持しながら、傾斜部１３１の所定角度θを０°から９０°まで変化させて、つまり所定角度θを０°、１０°、２０°、３０°、４０°、５０°、７０°、８０°、９０°に設定した場合についてそれぞれ燃焼実験を行った。

図９に実施例１の結果を示す。この図９に示されるように、所定角度θが０°の場合と比べて、傾斜部１３１が角度を有する場合（つまり所定角度θが１０°、２０°、３０°、４０°、５０°、７０°、８０°、９０°の場合）の方がＮＯｘの発生量が抑制されることが確認された。これは、傾斜部１３１により、燃焼用空気と未燃燃料の噴霧粒子との混合が促進されると同時に、排ガスの再循環により未燃燃料の噴霧粒子の蒸発も促進されたためと考えられる。また、所定角度θが大きくなるに従って、ＮＯｘ発生量が抑制されていることが確認された。
このことより、傾斜部１３１を設けることにより、ＮＯｘの発生量を抑制できることが確認された。

本発明のバーナを用いて燃焼実験を行った。バーナは、図７に示される、燃料噴霧ノズル１０Ａが一本設けられているものを用いた。燃料は実施例１と同様の灯油を用い、Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）＝０．０４とし、主空気噴流口１４が配置される仮想円形の直径Ｄ１を約１３５ｍｍとした。また、空気ノズル１３の主空気噴流口１４の総開口面積Ｓ２を一定にして、傾斜部１３１の所定角度θを０°から８０°まで変化させて、つまり所定角度θを０°、１０°、２０°、３０°、４０°、５０°、７０°、８０°に設定した場合についてそれぞれ燃焼実験を行った。

図１０に実施例２の結果を示す。この図１０に示されるように、所定角度θが０°の場合と比べて、傾斜部１３１が角度を有する場合（つまり所定角度θが１０°、２０°、３０°、４０°、５０°、７０°、８０°の場合）の方がＮＯｘの発生量が抑制されることが確認された。これは、傾斜部１３１により、燃焼用空気と未燃燃料の噴霧粒子との混合が促進されると同時に、排ガスの再循環により未燃燃料の噴霧粒子の蒸発も促進されたためと考えられる。また、所定角度θが大きくなるに従って、ＮＯｘ発生量が抑制されていることが確認された。
このことより、燃料噴霧ノズル１０Ａが一本の場合でも、傾斜部１３１を設けることにより、ＮＯｘの発生量を抑制できることが確認された。

本発明のバーナを用いて燃焼実験を行った。バーナは、図７に示される、燃料噴霧ノズル１０Ａが一本設けられているものを用いた。燃料は実施例１と同様の灯油を用い、主空気噴流口１４が配置される仮想円形の直径Ｄ１を約１３５ｍｍとし、また、空気ノズル１３の傾斜部１３１の所定角度θを３０°とした。この場合において、Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）を０．０４、０．１８、０．２５、０．３２と変更し、小孔１１Ａからの燃焼空気量を変更させた場合について、それぞれ燃焼実験を行った。

図１１に実施例３の結果を示す。この図１１に示されるように、小孔１１Ａからの燃焼空気が増加するに従って、ＮＯｘ発生量も増加し、Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）が０．３を超えた０．３２の設定の場合では、ＮＯｘ発生量が急激に増加していることが確認された。これは、小孔１１Ａからの燃焼空気量が増加すると、燃料の着火が早くなって燃料噴霧ノズル１０Ａ出口付近で着火し、燃焼空気と燃料とが十分に混合される前に燃焼が始まるためと考えられる。
このことより、Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）を０．３以下に設定することでＮＯｘの発生量を確実に抑制できることが確認された。

本発明のバーナは、ωフロー形式、反転燃焼形式などのボイラに利用でき、特に比較的小型のボイラに適用する場合に有用である他、その他の燃焼装置にも利用することができる。

本発明の一実施形態にかかるバーナを示す側断面図。 一実施形態にかかるバーナを示す平面図。 一実施形態にかかる保炎板を示す斜視図。 本発明のバーナの変形例を示す図。 本発明のバーナの別の変形例を示す。 本発明の保炎板の変形例を示す図。 本発明の燃料噴霧ノズルの変形例を示す図。 本発明の実施例１の燃料の組成を示す図。 実施例１の結果を示す図。 実施例２の結果を示す図。 実施例３の結果を示す図。

符号の説明

１…バーナ
１０…油供給ライン
１０Ａ…燃料噴霧ノズル
１１…内筒部材
１１Ａ…小孔
１２…外筒部材
１３…空気ノズル
１４…主空気噴流口
１５…保炎板
１５Ａ…副空気噴流口
１６…筒状部材
１７…循環通路
２０…燃焼コーン（環状部材）
１３１…傾斜部

Claims (6)

1. 燃焼室に向かって燃料を噴霧する燃料噴霧ノズルと、前記燃焼室に向かって開口部を有し、前記燃料噴霧ノズルの先端側が収容される内筒部材と、この内筒部材の外周側に配置された外筒部材とを備え、
   前記外筒部材の下流側端面には、さらに下流側に延出した空気ノズルが前記端面の周方向に間隔を空けて複数設けられ、
   これらの空気ノズルの下流端側に、前記燃焼室に燃焼空気を噴流する主空気噴流口が形成されたバーナにおいて、
   前記空気ノズル先端側には、前記外筒部材の径方向外側部分に、前記燃焼室の中心軸に向かって傾斜する傾斜部が形成されている
   ことを特徴とするバーナ。
2. 請求項１に記載のバーナにおいて、
   前記傾斜部は、前記燃焼室の中心軸に対して所定角度を有しており、
   前記所定角度は、５°〜９０°である
   ことを特徴とするバーナ。
3. 請求項１または請求項２に記載のバーナにおいて、
   前記内筒部材には、燃焼空気の一部が流入可能な小孔が形成され、
   前記小孔の総開口面積をＳ1、前記外筒部材の主空気噴流口の総開口面積をＳ2とした時、Ｓ1／（Ｓ1＋Ｓ2）は、０．３以下である
   ことを特徴とするバーナ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のバーナにおいて、
   前記内筒部材の開口部内に設けられた保炎板を備え、
   この保炎板には、前記内筒部材の略軸線方向に沿って貫通した複数の副空気噴流口が設けられている
   ことを特徴とするバーナ。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のバーナにおいて、
   前記燃料噴霧ノズルの噴霧口より下流側で、かつ前記外筒部材の下流側端面より下流側には、前記内筒部材の軸線を中心とする環状部材が設けられている
   ことを特徴とするバーナ。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のバーナにおいて、
   前記内筒部材の下流側端部より上流側に配置された燃焼排ガスの循環通路を備えた
   ことを特徴とするバーナ。

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