JP2006132811A - 燃料燃焼用空気ポート、その製造方法及びボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】空気の混合状態を変化させることで未燃分を低減するとともに、空気ポートのクリン力の付着を低減し、空気ポートの温度上昇を低減する。
【解決手段】ボイラは、バーナ１０１と空気ポート１００を備える。空気ポート１００は、炉内２３にバーナ１０１により形成される理論空気比以下の不完全燃焼領域に燃焼不足分の空気を供給する２段燃焼方式の空気ポートである。空気ポート１００は、空気流の軸方向の速度成分と中心に向かう速度成分とを含む燃焼用空気を噴き出すノズル機構と、その速度成分の比を変える機構と、を備える。ノズル機構は、空気ポートの軸方向に直進する１次空気を噴き出す１次ノズル１と、旋回流を伴う２次空気を噴き出す２次ノズル２と、１次ノズルの外側から縮流の空気を３次空気として噴き出す３次ノズル３よりなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料燃焼用空気ポート、その製造方法及びボイラに関する。

ボイラなどの燃焼炉では、窒素酸化物（NOｘ）の濃度低減、未燃分の低減などが求められており、こうした要求に応えるために、二段燃焼法が適用されている。

二段燃焼法は、燃焼炉内にバーナにより理論空気比（理論燃料空気量）以下の不完全燃焼領域（可燃ガスの多い領域）を形成し、バーナの下流側に設けた空気ポート（アフタエアポート）により、前記不完全燃焼領域の可燃ガスに燃焼不足分の空気を供給する燃焼方式である。この燃焼方式は、酸素過多による高温燃焼領域を抑制して低NOｘ化が図り得る。理論空気比とは、バーナ空気量と完全燃焼に必要な理論燃焼空気量との比が１対１であることを意味する。

二段燃焼においては、未燃分の低減を図るために、バーナにより形成する不完全燃焼領域の可燃ガスと空気ポートから供給される空気との混合促進を図ることが望まれている。

この改善策として、特許文献１においては、空気ポートにバッフル付きのガイドスリーブを設置して、空気の噴出方向として、空気ポートの中心に平行な流れ（一次空気）と、その周りに末広がりに広がる流れ（二次空気）を形成する。この方式は、噴流全体を広げることにより、燃焼炉内の燃焼ガスと空気の混合促進を図る。

特許文献２では、空気ポートから噴出される空気流を縮流とすることで燃焼装置の内部まで噴流を貫通させる方法が提案されている。同時にこの方法では、クリンカを生じさせない構造となっている。

これらの例では、空気ポートから噴出される空気流の方向性は、固定されている。

特開２００１一３５５８３２号公報（特許請求の範囲、図２） 持開平１０一１２２５４６号公報（特許請求の範囲、図１）

２段燃焼法における燃焼炉内に形成される不完全燃焼領域と、アフタエアポートとして使用される空気ポートとの位置関係は、燃焼炉の形態に応じて様々である。したがって、不完全燃焼領域の位置に対応して空気ポートの空気噴出方向が任意に調整できることが望まれる。

本発明は、上記要求に応えて、２段燃焼法の不完全燃焼領域の位置に応じてアフタエアポートから噴出される空気の方向性や態様を変えることにより、不完全燃焼領域と空気との混合効率を高める装置を提供する。

また、空気ポートのクリンカ付着の低減、空気ポートの温度上昇を低減し得る装置も提案する。

本発明の基本構成は、炉内にバーナにより形成される理論空気比以下の不完全燃焼領域に、燃焼不足分の空気を供給する空気ポートにおいて、空気流の軸方向の速度成分と中心に向かう速度成分とを含む燃焼用空気を噴き出すノズル機構と、前記速度成分の比を変える機構と、を備えたことを特徴とする。

例えば、空気ノズル機構は、空気ポートの軸方向に直進する１次空気を噴き出す１次ノズルと、空気ポートの軸方向に旋回流を伴って進む２次空気を噴き出す２次ノズルと、前記１次ノズルの外側から中心に向けた空気を３次空気として噴き出す３次ノズルとを有する。また、前記速度成分の比を変える機構は、前記１次空気、２次空気、３次空気の流量比を変える機構により構成される。

本発明における空気ポートは、空気だけではなく、排ガスや水を混合した空気を供給する空気ポートも適用対象になる。

本発明の空気ポートは、二段燃焼方式のアフタエアポートに適し、未燃分を低減するのに優れている。特に、炉内の不完全燃焼領域（可燃ガスの多く集まっている場所）に位置に応じた空気流を伴なう燃焼促進用の空気をアフタエアポートより噴出することにより、燃焼空間の状態によらず未燃分の低減を効率良く図ることができる。

以下、図面を用いて、本発明の空気ポートおよびその使用方法について説明する。

まず、本発明の空気ポートを用いる２段燃焼方式のボイラについて図１を用いて説明する。

図１はボイラの全体構造を示す。

ボイラの火炉１１３には、炉壁の下部に複数のバーナ１０１が対向配置され、バーナ設置箇所の上方に複数の空気ポート１００が対向配置される。バーナ１０１は、理論空気比以下（例えば０．８）の混合気を炉内の火炎領域に噴射し、炉内に不完全燃焼領域を形成する。空気ポート１００は、不完全燃焼領域の可燃ガスに燃焼不足分の空気を供給し、燃焼促進を図る。

バーナ１０１に供給される燃料は、石炭、油、ガスなどである。燃焼用の全空気量は、空気供給系により管理され、その空気量は、バーナ１０１と空気ポート１００に分配される。具体的には、ブロア１１４から供給された空気は、空気供給ライン１０８を経由して、空気ポート側の空気供給ライン１１２とバーナ側の空気供給ライン１１１とに分岐し、空気ポート１００のウインドボックス１０３及びバーナ１０１のウインドボックス１０４に導かれる。流量配分は、空気ポート側のダンパ１１０及びバーナ側のダンパ１０９により調整される。ブロワ１１４の出力は、全空気流量が排ガスの酸素濃度を指定した値となるように制御される。

バーナ１０１には、空気供給ライン１１１から理論空気比以下の空気が供給され、且つ、燃料供給ライン１０７から燃料が供給される。燃料として、石炭を供給する場合には、石炭を気流搬送するとよい。バーナ１０１から炉内（燃焼空間）２３に噴出する混合気は、完全燃焼に必要な空気量よりも少ないために、不完全燃焼し、この時にNOxを還元することができる。不完全燃焼するので、バーナの下流に可燃ガスの流れ２００が形成される。

空気供給ライン１１２を経て、空気ポート１００側のウインドボックス１０３に入った空気は、後述する空気ポート１００の１次ノズル、２次ノズル、３次ノズルに分配されて炉内２３の可燃ガスの流れ（不完全燃焼領域）２００に供給される。この空気は、可燃ガスの流れ２００と混合して、完全燃焼し、燃焼ガス１０６となり出口に流れる。

１０５は、ボイラの壁面に配置されるボイラ水管である。

次に上記ボイラに適用される本発明の空気ポートの態様を以下の実施例により説明する。
（実施例１）
図２は、本発明による空気ポートの実施例１を示した断面図（図４のＡ−Ａ´断面図）、図３はその一部省略斜視図、図４は炉内から空気ポートを見た図を示す。図５は、空気ポート出口の流速を示す図である。図６，７，８は炉内２３内の空気の流動状態と不完全燃焼領域（すなわち可燃ガスの多い場所）との関係を示す模式図である。

空気ポート１００は、ウインドボックス１０３内に配置される。空気ポートの空気ノズル機構は、１次ノズル１と、１次ノズルの外周に沿った旋回流の空気を２次空気として噴き出す２次ノズル２と、１次ノズル１の外側から空気ポートの中心線に向けた流れの空気を３次空気として噴き出す３次ノズル３とを有する。

１次ノズル１、２次ノズル２、３次ノズル３は、同軸のノズル構造であり、中心部に１次ノズル、その外側に２次ノズル、さらに外側に３次ノズルが位置する。

１次ノズル１は、ストレートな管状をなし、前端に空気噴き出し口１Aを有し、後端に空気取り入れ口１Ｂを有する。１次ダンパ５は、空気取り入れ口１Ｂの開口面積を調整することで１次空気流量を調整する。１次ノズル１は、空気ポートの中心線に平行な直進流の空気を１次空気として噴き出す。空気取り入れ口１Ｂの開口面積は、１次ダンパ５を１次ノズル１の外周上でスライドさせることにより変えられる。

２次ノズル２は、その後端側に環状の空気取り入れ口２Ｂを有し、２次ノズル内周と１次ノズル外周との間に断面が環状の２空気通路２´が形成される。空気取り入れ口２Ｂから流入する２次空気１０は、２次空気レジスタ（偏向板）７により旋回力が与えられ、１次ノズル１の外周に沿った旋回流を伴って２次ノズル出口（前端）２Aから噴き出す。２次ノズル２の空気取り入れ口２Ｂの開口面積は、環状の２次ダンパ６を軸方向にスライドさせることにより変えることができ、それによって２次空気流量が調整される。２次空気レジスタ７は、支軸７Aを介してその偏向角を変えることができるように２次空気取り入れ口２Ｂに取付られ、２次空気取り入れ口２Ｂの円周方向に複数配置される。２次空気レジスタ７の偏向角を変えることによって、２次空気に付与される旋回力を変えることができる。

３次ノズル３は、円錐形の前壁３０１とこの前壁に対向配置される円錐形の後壁３０２とを有し、この前壁と後壁との間に３次ノズルの円錐形の空気流路３´が形成される。３次ノズル３の空気取り入れ口３Ｂは、環状をなし、その開口面積は、環状の３次ダンパ８を空気ポートの軸方向にスライドさせることにより変えることができ、それによって３次空気流量が調整される。前壁３０１と後壁３０２は、空気取り入れ口３Ｂに配置した複数の連結板４を介して接合される。３次ノズル３の出口３Aは、２次ノズル２の先端に接続され、３次空気１１と２次空気１０は、矢印１２に示すように合流して炉内に流入（噴き出す）ようにしてある。

ここで、２次空気１０は、空気ポートの中心線に平行で、さらに、２次空気レジスタ７により旋回力を与えられる。一方、３次ノズル３は、空気ポートの中心方向に傾きを持って向いている（内向き）ために、３次空気１１が空気ポートの中心線方向に集中する縮流を形成するのに好適な構造である。２次空気１０と３次空気１１の流量を変化させることで、２次空気と３次空気の合流後の方向を調整することができる。

たとえば、３次空気１１の流量を０とすれば、２次空気１０と３次空気１１の合流後の空気１２の内向きの速度成分（空気流の中心に向かう速度成分）は０となる。また。２次空気１０の流量を０とすれば、空気１２は、３次空気が占めることで内向きの速度成分が増して３次ノズルの方向（斜め内向き）に噴出する。空気１２の噴出方向の調整により、炉内に偏在する空気不足の未燃ガス領域と空気とが好適に混合して未燃分を低減できる。さらに、２次空気の旋回の強さによっても、混合状態を調整可能である。

空気ポートの１次、２次、３次の空気流量比を調整するために、１次ダンバ５、２次ダンパ６、３次ダンバ８が使用される。

図５に本実施例の空気ポートの出口における空気の流速分布を示す。

図５（１）は、空気ポートから噴射する空気流１２の軸方向の流速（速度成分）である。同図（２）は、同じく空気流１２の中心に向かう流速（速度成分）であり、ここでは、中心方向流速と称している。同図（３）は、同じく空気流１２の旋回方向の流速（速度成分）であり、旋回流速と称している。図５（１）〜（３）の縦軸にそれぞれの流速を示し、横軸に空気ポート中心から外径に向かう距離を示している。横軸には、１次ノズル径と２次ノズル径の位置を示している。

図５（１）〜（３）において、実線Ａは１次空気と２次空気を使用し、３次空気を使わない場合である。また、２次空気レジスタの旋回も弱く設定している。この場合には、空気流１２は、全体として直進成分（軸方向流速）が強く、また、直進成分の空気流は空気ポート１２の中心からその外径方向にほぼ均一に分布している。

このような空気は、図６に示すように空気ポートから直進して炉内（燃焼空間）２３の中央に到達する。したがって、図６に示すように、炉内２３の中心で、対向する空気ポートの間に可燃ガスの流れ（不完全燃焼領域）３４が多く存在する場合に、その領域に空気ポート１２からの空気を効率良く供給できる。

図５（１）〜（３）において、破線Ｂは３次空気を使用せず、１次空気流量を低くし、２次空気流量を増加した場合である。また、２次空気レジスタ７による空気旋回力を強く設定しているので、空気流１２の直進成分が弱く旋回力（旋回流速）が強い。旋回流速は図５（３）に示すように、２次ノズル出口径付近に集中する。また、この場合には、図５（１）に示すように、軸方向流速のうち流れの速い領域が１次ノズル出口と２次ノズル出口間に集中する。このような場合は、図７に示すように噴流の広がりが大きい流れを形成する。この場合、図７に示すように、炉内２３の中央付近で、かつ対向する空気ポート１００を結ぶ中心から左右に外れた位置に可燃ガスの多い場所（不完全燃焼領域）３４に空気を効率良く供給できる。

図５（１）〜（３）において、太線Ｃは、１、２次空気流量を低下させ、３次空気流量を増加させた場合である。旋回速度がない代わりに、中心方向流速（内向き速度成分）が高くなっている。このために空気ポート１００の下流に、その周辺からガスを巻き込むことができる。このような場合は、図８に示すように隣り合う空気ポート１００の間で、壁に近い場所に不完全燃焼領域３４があるときに、その領域３４の可燃ガスを空気ポートからの空気流に巻き込むことができる。それによって、可燃ガスと空気の混合を促進させる。３次空気１１は、可燃ガスを巻き込むのに適した内向き角度で噴出する必要がある。そのような内向きの角度は、おおよそ２０°から４５°の範囲に設定すると良い。角度が小さすぎると、ガスの巻き込みが小さくなり効果がない。角度が大きすぎると乱れが大きくなり、合流後の２次空気と３次空気の流れ１２を安定的に形成できない。

可燃ガスの多い場所は、石炭の燃料比、粒径、バーナの空気比、バーナの型式、火炉形状により異なる。また、火炉内でも中心、外側で異なる。図５（１）〜（３）のＡ，Ｂ，Ｃのように、空気の流れ方向（速度成分）の比を変化できると可燃ガスの多い場所が変化しても、常に末燃分の低い状態に保つことができる。

１次、２次、３次空気の流量比を変化させると、空気ポート内に局所的に空気が流れない場所が形成される場合がある。このような場所は、燃焼空間からの輻射伝熱により温度が上昇することが考えられる。このため、このような場所の空気ポートの部材を高温に耐えられるものにすると良い。たとえば、１次、２次空気が少ない場合には、１次ノズル１の先端の温度が高くなる。そこで、ここに高温に耐える材料を使用する。また、１次ノズル１が燃焼空間２３に近いと、火炎を見る視野角が広くなり輻射強度が強くなるので、１次ノズルの先端の長さを他のノズルよりも短くすると良い。

石炭、重油などのように燃料中に灰を含むものがある。この場合、３次空気流量を増加し、空気流１２を中心方向に集中する、いわゆる縮流にすると、高温の燃焼ガス中で溶融した灰が空気ポート出口の水管１４付近に付着することがある。灰の付着が成長してクリンカを形成すると、空気流動を妨げたり、クリンカ落下による水管の損傷を生じたりする可能性がある。このような場合は、クリンカが小さいうちに３次空気の流量を低減し、２次空気の流量を増加してクリンカの温度を低下させることで、熱応力を発生させ、剥離することが良い。クリンカが成長しているかをセンサーで調べて、成長していれば自動的に２次空気の流量を増加するようにすると運用しやすい。このようなセンサーとしては、クリンカの成長に伴い視野が限定されるのを検知する光センサーを使用することが考えられる。

なお、従来の空気ポートは、１次ノズル１、２次ノズル２だけから構成されているものが多く、また、１次ノズル１、２次ノズル２の流量比が固定されている。

このような既存の空気ポート製品を、本発明の空気ポートへ改造する方法は簡単である。そのような改造を伴った空気ポートの製造方法の例を３つ列挙する。
（１）２次ノズル２の先端部分を切り取る。次に、あらかじめ作成しておいた３次ノズル３の出口側に２次ノズルに溶接する。
（２）既存製品の２次ノズルを取り除く。本発明に使用する２次ノズルと３次ノズルが一体となった部品を、上記２次ノズルを取り除いた既存の１次ノズルに溶接する。
（３）既存製品の空気ポートのノズルをすべて取り除き、新しい１，２，３次ノズルを溶接して、ウインドボックスの壁面に溶接する。
（実施例２）
図９及び図１０は、本発明による空気ポート１００の実施例２を示した断面図である。

実施例１と異なる点は、１次ノズル１の外周と２次ノズル２の内周の間に、外部からのハンドル２１の操作により軸方向に移動可能な可動スリーブ１５を設けたことである。また、可動スリーブ１５と一体に移動可能になるように可動スリーブ１６を設ける。すなわち、可動スリーブは、２重構造になっている。

可動スリーブ１５、１６は、連結部材１８を介して互いに連結され、ガイドローラ１７を介して軸方向に移動可能である。可動スリーブ１５は、２次ノズル２の内周に案内されて軸方向に移動可能であり、一方、可動スリーブ１６は、１次ノズル１の外周に案内されて移動可能である。

可動スリーブ１５は、２次ノズル２の壁面の一部となり、可動スリーブ１６は、１次ノズル１の壁面の一部となるので、ノズルの長さを調整する機能を有し、ノズル調整部材と称することもある。ガイドローラ１７は、可動スリーブ（可動ノズル）１５，１６或いは１次ノズル１、２次ノズル２のいずれかに設けられ、可動スリーブの移動をスムーズにする。

例えば、３次ダンパ８により３次空気１１の流量を多くする場合には、可動ノズル１５を図９に示す位置（３次ノズル３の出口面積を増大する位置）に移動させる。

３次ダンパ８を絞り３次空気１１の流量を小さくし、一方、２次ダンパ６により２次空気取り入れ口２Ｂを大きくし、２次空気１０を増加し、２次レジスタ７の旋回強度を強くすると、３次ノズル３のダクトに空気が入っていく可能性がある。また、旋回流を安定的に維持できない可能性がある。そのような不具合をなくすために、本実施例では、図１０に示すように、可動ノズル１５を、炉内側に移動させることにより、３次ノズル出口３Ａを可動ノズル１５で塞ぐようにした。ここで、３次空気流量が零の場合には、３次ノズル出口３Ａを完全に塞ぎ、３次空気流量が少量である場合には、３次ノズル出口３Ａの大部分を塞ぎ、出口３Ａが幾分開口する状態を保つ。

また、図９に示す状態、すなわち、３次空気量が多く、１，２次空気の流量が少ない場合には、１次ノズル１の先端の温度が高くなる可能性がある。そのため、実施例１に比べて、１次ノズルが短くなっている。ところで、３次空気１１を流さない場合に、１次ノズル１が短いと、何らの配慮がないと、空気ポート内で１次，２次空気が混合する可能性がある。しかしながら、本実施例では、このような場合に、可動スリーブ（ノズル調整部材）１６が図８に示すように空気ポート１２の出口部近くまで移動するので、これが１次ノズルの延長壁面として機能し、空気ポート内での１次，２次空気の混合を防止することができる。

ノズル調整部材１５，１６を、ウインドボックス外壁１３の外側から移動操作するために、操作ハンドル２１は、ロッド２０を介してノズル調整部材の一方と連結されている。ノズル調整部材１５と１６は、必要に応じていずれか一つだけを採用してもよい。

可動スリーブ（可動ノズル）は燃焼空間の近くまで移動するので温度が高くなりやすい。このため、可動変形や焼損の可能性がある。このような場合に、簡単に可動スリーブ１５、１６を交換できるように、取り出し口２７を設置しておき、可動ノズルを引き抜けるようにしておくと良い。取り出し口２７は、２次ノズル２の後壁２０２に設けられ、可動ノズルの交換を除いて、盲板２７Aによりふさがれている。交換の場合には、１次ダンパ５が邪魔になる場合には、ダンパ５を取り外せるようにしておけばよい。

図１１は、図９のX方向から２次ノズル２の後壁２０２と盲板２７を見た図である。同図に示すように、盲板２７Ａは、環状のものを、周方向に複数（例えば４分割）に分割してなる。本例では、盲板２７Ａの各分割要素の周方向両端２０３を板面から垂直に起こして、この端部２０３を隣合う分割要素の端部２０３と合わせてねじ２０４を締め付けることで、各分割要素を結合している。

図１２は、盲板２７Ａの別の態様を示すものである。本例も盲板２７を複数に分割している。これらの分割要素は２０４を介して直接、２次ノズル２の後壁２０２に取り付けられている。
（実施例３）
図１３は、本発明による空気ポートの実施例３を示した断面図である。

本例も可動スリーブ（可動ノズル：ノズル調整部材）１５、１６を設けているが、実施例２とは、次の点で異なる。本例では、３次ノズル３を構成する円錐形の前壁３０１、３０２のうち、後壁３０２が軸方向にスライド可能である。この後壁３０２のスライドにより３次ノズルの出口３Ａの開口面積を変えられるようにした。本例では、後壁３０２は、２次ノズル２の可動スリーブ１５と一体に結合され、可動スリーブ１５の移動操作により後壁３０２も同時に移動するようになっている。前壁３０１は、ウインドボックス１３内に固定支持されている。

本実施例においても、３次空気１１の流量を少なく（流量零を含む）、２次空気流量を増大させる場合には、可動スリーブ１５を炉内２３寄りに移動させる。このスリーブ移動により、後壁３０２が３次ノズルの出口３Ａを狭めるように移動する。そのため、２次空気（旋回空気）が３次ノズル３側に流れ込むのを防止することができる。このようにすると、３次ノズルのダクト３´の乱れを生じさせるものがないので圧力損失を低減できる。また、３次空気１１が常に壁面に沿って流れるので、全体的に熱伝達を促進することができる。

可動スリーブ１５と３次ノズルの後壁３０２は、放射状に配置した伝熱板２６を介して接続される。２次もしくは３次空気のどちらかが流れていれば、可動スリーブ１５と３次ノズルの後壁３０２は冷却される。また、可動スリーブ（２次ノズル要素）１５と可動スリーブ（１次ノズル要素）１６同士を連結する部材１８を多数用いることで、可動スリーブ同士の伝熱を向上させ、可動スリーブ１６の温度も低減することができる。
（実施例４）
図１４は、本発明による空気ポートの実施例４を示した断面図である。

本実施例では、実施例１に加えて、３次ノズルの空気取り入れ口３Ｂに３次空気に旋回力を与えるための空気レジスタ２２を設置している。空気レジスタ２２の構造は、既述した２次空気レジスタ７と同様であり、その偏向角を変えることができるように支軸２２Ｂを介して支持され、空気取り入れ口３Ｂの円周方向に複数配設されている。

３次空気１１を、旋回力を伴う縮流とすることで、空気ポート付近の可燃性のガス３４を巻き込むと同時に、旋回力で噴流を拡大し、炉内２３の中央付近で空気ポートの間にある可燃性ガス３４に空気ポートから噴出する空気１２を供給可能である。この状態を図１５に示す。

空気ポート１００の出口部１１０には、空気ポートの軸線と平行な直管部１１０を形成している。この直管部１１０は、空気ポート出口の水管１４接続部付近の空気の流れを整流する機能を有する。３次ノズル外壁３０１と水管１４の接続部が急な角度になると、接続部で応力が大きくなるかもしくは、流れが急激に剥離して乱れを発生させて良くない場合がある。このような場合に、本形状とすることで、上記問題を回避することができる。

また、本実施例では、３次ノズルの前壁３０１と後壁３０２の傾き角（テーパー角）の角度を変えて、３次空気取り入れ口３Ｂに近い場所の断面積を大きくしている。このようにすることで、３次空気取り入れ口３Ｂの圧力損失を低減でき、縮流効果を向上できる。
（実施例５）
図１６は、本発明による空気ポートの実施例５を示した断面図である。

この実施例では、既述した実施例同様に、１次空気、２次空気、３次空気の流量比を変える機構に加えて、１次ノズル１を冷却するための構造を追加している。

１次ノズル（１次ダクト）１の出口側に近い外周と２次ノズル（２次ダクト）２の出口側に近い内周とが複数の放射状配置の伝熱板３２で連結され、この伝熱板３２を介して１次ノズルの熱を２次ノズルへ伝える。また、伝熱板２６で２次ノズル２の熱を３次ノズル内壁３の内壁３０１に伝える。

このような構成によれば、１次、２次、３次空気のいずれかが流れていれば、すべてのノズルを冷却できる。

さらに、本実施例では、１次空気の流量が少なくても、１次ノズル１を冷却可能にするために、１次ノズルのダクトの一部に、１次冷却ノズル３６を設置している。たとえば、１次冷却ノズル３６は、その冷却用空気の取り入れ口３６Aが１次空気取り入れ口１Ｂに隣接して設けられ、１次ノズル１のダクト内壁に沿って冷却空気が流れるダクトを有する。１次ダンパ２４を絞ることで１次空気流量を低下させると、１次冷却ノズルにしか空気が流れなくなる。１次ノズル１の近傍に、少量の空気を高速で噴出すことで１次ノズルの冷却効果を向上させている。
（実施例６）
図１７、１８は、本発明による空気ポートの実施例６を示した断面図である。

この実施例では、２次ノズル２のダクトを、３次ノズル３を有する側のダクト２３０と空気取り入れ口２Ｂを有する側のダクト２３１に分割し、そのうち前者のダクト２３０を後者のダクト２３１に周方向に回転可能に嵌合している。

ダクト２３０の外周には、２次ノズル回転機構の要素となるギア２８が設けられ、このギア２８が動力伝達ギア２９とかみ合っている。ウインドボックス外壁１３に設けた回転ハンドル３１を操作すると、動力伝達要素であるユニバーサルジョイント３０および動力伝達ギア２９、ギア２８を介してダクト２３０が軸廻りに回転する。ダクト２３０は、その先端一部２３０´に左右対称の切り欠き２３０Ａ，２３０Ｂが設けられ（図１８参照）、この切り欠き以外の壁面によって、３次ノズル３の出口３Aを部分的に塞ぐ構造になっている。３次空気１１は、この切り欠き２３０Ａ，２３０Ｂを介して噴出する。したがって、２次ノズルのダクト２３０を回転することで３次ノズル３の３次空気噴出位置を変えることができる。本実施例では、ダクト２３０と３次ノズルの後壁３０２とが溶接などで一体に結合され、後壁３０２がダクト２３０と一緒に回転するようにしてある。

本実施例によれば、３次ノズルのダクト３２０を図１８に位置にセットすることで、３次ノズル３の左右だけ縮流にすることが可能になり、左右の可燃ガスのみを巻き込むようにできる。この場合、３次ノズルの上下から可燃ガスを吸い込まないので、吸い込みのエネルギーを節約できる。また、上下だけから吸い込みたい場合は、ダクト３２０を図１８の位置から９０度回転すればよい。
（実施例７）
図１９、本発明による空気ポートの実施例７を示した断面図、図２０はそれを炉内方向から見た図である。

この実施例では、３次ノズル３の設置位置を完全に２次ノズル２の外側にした点が他の実施例と異なる。3次ノズル出口３Aと2次ノズル出口２Aとは共に炉内２３に臨んでいる。すなわち、今まで述べた実施例では、３次ノズル出口３Aから噴出する3次空気１１は、２次ノズル出口２Aから噴出する空気１０と空気ポート１００内で合流していたが、本実施例では、３次空気１１と２次空気１０は炉内１２で合流する構造になっている。

このような構造でも、今までの実施例と同様の効果を得ることができる。また．この方法であると２次空気の旋回を強くしても３次ノズルに入り込む可能性が小さい。

しかし、３次ノズル内壁が燃焼空間から見えることになり、ここの温度が輻射熱により上昇することが考えられる。このため３次空気の流量を常に3次ノズルの温度上昇抑制に必要なだけ確保して流す必要がある。もしくは2次ノズルと3次ノズル間に伝熱板２６を設置して２次空気を流すようにすれば、３次ノズル内壁の温度を下げることが可能である。
（実施例８）
図２１は、本発明による空気ポートの実施例８を示す図で、空気ポート出口側からみた正面図である。断面図は、図１９同様になる。実施例６と異なる点は、3次ノズル３を円錐形状とせず、２次ノズル２の上下に配置した点である。すなわち、３次ノズル３は、セパレートタイプの２個ノズルよりなる。この実施例では、３次空気を２次空気の上下２箇所から噴出して、炉内で２次空気と３次空気が合流する。このような構造でも、直進流と縮流を調整可能である。
（実施例９）
図２２は、本発明による空気ポートの実施例９を示す断面図である。この実施例では、実施例１の構造に加えて、１次ノズル１内に１次空気遮断板３７を設置している。また、これは、ハンドル２１によりロッド２１０を介して１次ノズル内を軸方向に移動可能となっている。

１次空気遮蔽板３７をウインドボックス外壁１３に接するまで後退させると、空気ポート１００は、実施例１とほほ同様の構造となる。

１次空気遮蔽板３７を１次ノズル１の出口１Aまで移動させると、少量の１次空気を、１次空気遮蔽板３７と１次空気ノズル内壁との間から噴出でき、１次ノズルを冷却できる。１次空気遮蔽板３７の温度は、函射により高くなる可能性がある。そこで、耐火煉瓦やセラミックスなどの高温に耐えられる材料を使用すると良い。また、図２２にも示すように、遮蔽板３７に１次空気の流れる穴３７Aを設けると、遮蔽板３７を冷却することができる。さらに、この板３７は、２，３次空気や炉内２３からの燃焼ガスが１次空気内に入り込まない役割も果たすことができる。
（実施例１０）
図２３は、本発明による空気ポートの実施例１０を示す断面図である。

今まで述べてきた実施例との相違点は、この実施例では、１次ノズルがない。２次ノズル２が実施例１の１次ノズルと２次ノズルを合わせたノズルとして機能する。レジスタ７は必須ではないが、旋回により燃焼空間の流動状態を、好適にするために使用できる。この例では、図１の１次ノズルがない場合を示したが、図１５の空気ポートにおいて、１次ノズルを省略した場合にも、同様の構造にすることができる。
（実施例１１）
図２４は、本発明による空気ポートの実施例１１を示した断面図である。

この実施例では、今までに述べてきた実施例のような１次ノズルがなく、２次ノズル２と３次ノズル３よりなる。厳密にいえば、第１のノズル２、第２のノズル３とよりなり、第１のノズル２の空気が旋回流となってノズル軸方向に噴出し、第２のノズル３が縮流となって第１のノズル２の旋回流と合流する。ここでは、他の実施例同様に、ノズル２については、２次ノズルと称し、ノズル３については３次ノズルと称する。２次ノズル２の中に紡錘形の物体３８が入っており、ノズル２の軸方向（前後）に移動できるようになっている。２次ノズル２は、通路断面積が出口２Aに向かうにつれて徐々に狭まる先細り形状になっている。したがって、紡錘形の物体３８を炉内（燃焼空間）２３の方に移動（前進）すると、流路面積が狭くなり、２次空気が流れなくなる。紡錘形の物体（紡錘体）３８を反対方向に移動（後退）すると、流路面積が広くなり、２次空気が流れやすくなる。このように、紡錘形の物体３８は流量を調整する機能があるので、２次ダンパ６はなくても同様の効果を得ることができる。また、紡錘形の物体は温度が上昇する可能性があるので．高温に耐える材料にすることが望ましい。

本発明の適用対象となる２段燃焼方式のボイラの全体構造を示す図。 本発明による空気ポートの実施例１を示した断面図（図４のＡ−Ａ断面図）。 上記空気ポートの一部省略斜視図。 炉内から空気ポートを見た図。 上記空気ポートの出口の流速分布を示す図。 炉内の空気の流動状態と不完全燃焼領域との関係を示す模式図。 炉内の空気の流動状態と不完全燃焼領域との関係を示す模式図。 炉内の空気の流動状態と不完全燃焼領域との関係を示す模式図。 本発明の実施例２を示す断面図。 実施例２の図９とは動作を変えた状態を示す断面図。 図９のX方向から２次ノズルの後壁と盲板を見た図。 前記盲板の別の態様を示す図。 本発明による空気ポートの実施例３を示した断面図。 本発明による空気ポートの実施例４を示した断面図。 実施例４における空気ポートからの空気噴出と炉内の不完全燃焼領域との関係を示す図。 本発明による空気ポートの実施例５を示した断面図。 本発明による空気ポートの実施例６を示した断面図。 図１７のＡ−Ａ´断面図。 本発明による空気ポートの実施例７を示した断面図。 図１９の空気ポートを炉内方向から見た図。 本発明による空気ポートの実施例８を示した断面図。 本発明による空気ポートの実施例９を示した断面図。 本発明による空気ポートの実施例１０を示した断面図。 本発明による空気ポートの実施例１１を示した断面図。

符号の説明

１…１次ノズル２、２…２次ノズル、３…３次ノズル、５，６，８…空気流の速度成分比可変機構（１次ダンパ、２次ダンパ、３次ダンパ）、７…２次空気レジスタ、９…１次空気の流れ、１０…２次空気の流れ、１１…３次空気の流れ、１２…合流後の２次空気の流れ、１５，１６…可動スリーブ（ノズル調整部材）、２３…炉内、３４…不完全燃焼領域（可燃ガスの多い場所）、３５…ガス巻き込みの流れ、３６…１次冷却ノズル、３７…１次空気遮断板、３８…紡錘形の物体。

Claims (18)

1. 炉内にバーナにより形成される理論空気比以下の不完全燃焼領域に、燃焼不足分の空気を供給する空気ポートにおいて、
   空気流の軸方向の速度成分と中心に向かう速度成分とを含む燃焼用空気を噴き出すノズル機構と、前記速度成分の比を変える機構と、を備えたことを特徴とする燃焼用空気ポート。
2. 二段燃焼方式の燃焼炉に用いる空気ポートにおいて、
   空気流の軸方向の速度成分と中心に向かう速度成分とを含む燃焼用空気を噴き出すノズル機構と、前記速度成分の比を変える機構と、を備えたことを特徴とする燃焼用空気ポート。
3. 二段燃焼方式の燃焼炉に用いる空気ポートにおいて、
   空気ポートの軸方向に空気を噴出する第１のノズルと、前記第１のノズルの外側から中心に向けて傾きを持って空気を噴出する第２のノズルと、前記第１、第２のノズルの空気流量比を変える機構と、を備えたことを特徴とする燃焼用空気ポート。
4. 請求項１において、
   前記ノズル機構は、空気ポートの軸方向に直進する１次空気を噴き出す１次ノズルと、空気ポートの軸方向に旋回流を伴って進む２次空気を噴き出す２次ノズルと、前記１次ノズルの外側から中心に向けた空気を３次空気として噴き出す３次ノズルとを有し、
   前記速度成分の比を変える機構は、前記１次空気、２次空気、３次空気の流量比を変える機構により構成される燃焼用空気ポート。
5. 請求項４において、前記１次空気、２次空気、３次空気の流量比を変える機構は、前記１次ノズルの空気流量を調整する１次ダンパと、前記２次ノズルの空気流量を調整する２次ダンパと、前記３次ノズルの空気流量を調整する３次ダンパとにより構成される燃焼用空気ポート。
6. 請求項４において、前記１次ノズル、２次ノズル、３次ノズルが同軸のノズル構造であり、前記３次ノズルの出口を、前記２次ノズルの先端に接続することで３次空気と２次空気を合流させて噴き出すようにした燃料燃焼用空気ポート。
7. 請求項６において、前記２次ノズルの内周に沿って２次ノズルの軸方向に移動が可能なスリーブが設けられ、このスリーブにより前記２次ノズルおよび３次ノズルの少なくとも一つの流路断面積を変えられるようにした燃料燃焼用空気ポート。
8. 請求項６において、前記３次ノズルは、円錐形の前壁とこの前壁に対向配置される円錐形の後壁とを有し、この円錐形の前壁と後壁との間に３次ノズルの空気流路が形成され、前記後壁が軸方向にスライド可能であり、この後壁のスライドにより前記３次ノズルの流路断面積を変えられるようにした燃料燃焼用空気ポート。
9. 請求項８において、前記３次ノズルの後壁は、２次ノズルにガイドされて軸方向に移動する可動スリーブの先端に設けられている燃料燃焼用空気ポート。
10. 請求項１において、前記空気ノズル機構から噴き出される空気は、排ガス又は水蒸気を混合した空気である燃料燃焼用空気ポート。
11. 請求項４において、前記３次ノズルは、外側から中心に向かう縮流に加えて旋回流を伴う空気を噴き出すように構成されている燃料燃焼用空気ポート。
12. 請求項４において、前記２次ノズルと前記３次ノズルとを伝熱促進板で接続して熱伝導を促進させている燃料燃焼用空気ポート。
13. 請求項２において、前記１次ノズルの先端に１次ノズルと２次ノズルを伝熱促進板で接続して熱伝導を促進させている燃料燃焼用空気ポート。
14. 請求項４において、前記２次ノズルの一部を軸廻りに回転可能にし、この回転可能なノズルには左右対称の切り欠きが設けられ、この切り欠き以外のノズル壁面によって、前記３次ノズルの出口を部分的に塞ぎ、前記切り欠きが前記３次ノズルの出口開口として機能する燃料燃焼用空気ポート。
15. 請求項３において、前記第1のノズルは、その流路が出口に向けて先細りの形状をなし、該ノズル内に紡錘体がノズルの軸方向に移動可能に設けられ、前記紡錘体の移動により前記１次ノズルの流路断面積が変えられるようにした燃料燃焼用空気ポート
16. 空気ポートの軸方向に直進する１次空気として噴き出す１次ノズルと、前記１次ノズルの外周に沿って旋回する空気を２次空気として噴き出す２次ノズルと、前記１次ノズルの外側から中心に向けた空気を３次空気として噴き出す３次ノズルとを有し、中心から順に１次ノズル、２次ノズル、３次ノズルが同軸に配置されるノズル構造を有する空気ポートの製造方法において、
    前記１次ノズルおよび前記２次ノズルだけから構成されている既存の空気ポート製品における２次ノズルの先端部分を切り取る工程と、この２次ノズルの切り取り部に予め作成しておいた前記３次ノズルの先端を溶接する工程とを有することを特徴とする空気ポートの製造方法。
17. 空気ポートの軸方向に直進する１次空気として噴き出す１次ノズルと、前記１次ノズルの外周に沿って旋回する空気を２次空気として噴き出す２次ノズルと、前記１次ノズルの外側から中心に向けた空気を３次空気として噴き出す３次ノズルとを有し、中心から順に１次ノズル、２次ノズル、３次ノズルが同軸に配置されるノズル構造を有する空気ポートの製造方法において、
    前記１次ノズル及び前記２次ノズルだけから構成されている既存の空気ポート製品における２次ノズルを取り除く工程と、予め２次ノズルと３次ノズルが一体となった部品を、前記２次ノズルを取り除いた既存の１次ノズルに溶接する工程とを有することを特徴とする空気ポートの製造方法。
18. 燃焼炉内に理論空気比以下の不完全燃焼領域を形成するバーナと、前記不完全燃焼領域の可燃ガスに燃焼不足分の空気を供給する空気ポートと、燃焼用の全空気量を管理しかつその空気量を前記バーナと前記空気ポートに分配する空気供給ラインを備えた２段燃焼式のボイラにおいて、
    前記空気ポートが請求項１から１５のいずれか１項記載の空気ポートによって構成されていることを特徴とする燃料燃焼用空気ポート。
    

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