JP2006242399A

JP2006242399A - 燃焼装置および燃焼装置による燃焼方法

Info

Publication number: JP2006242399A
Application number: JP2005054555A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Takahashi; 清一高橋
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】
本発明の目的は、保炎バーナからの保炎を制御するための保炎器と、主バーナからの予混合気の噴出速度を制御する開度調整器とを独立に操作することの出来る燃焼装置および燃焼装置による燃焼方法を提供する。
【解決手段】
保炎器と、主バーナからの予混合気の噴出速度を制御する開度調整器とを独立に操作する。逆火が生じた場合、開度調節器と保炎器とを独立に調節することにより、予混合気の噴出速度の低下を防ぎ、逆火を防止する。これにより、主バーナにおける予混合気の混合が十分に行われるようになり、燃焼振動が防止される。また、同時に、主バーナにおける予混合気量の減少が実現でき、ターンダウン比を大きくする。また、主バーナにおける燃焼火炎が吹き飛び傾向の時、開度調節器と保炎器とを独立に調節することにより、主バーナからの予混合気の噴出速度を抑制する。これにより、浮き上がり火炎や吹き飛びを防止する。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、燃焼装置および燃焼装置による燃焼方法に関し、特に火炎を点火するための点火トーチの位置と、火炎を保炎制御するための保炎器と、主バーナからの予混合気の噴出速度を制御するための開度調整器とを独立に操作することの出来る燃焼装置および燃焼装置による燃焼方法に関する。

従来の燃焼装置の概略構成を図１Ａに示す（非特許文献１参照）。従来の燃焼装置１０は、保炎バーナである１次バーナ１１と、主バーナである２次バーナ１４と、追加燃料バーナである３次バーナ１７とを備えている。

１次バーナ１１においては、バーナ内に１次空気１３と１次燃料ガス１２とが注入される。そして、上記１次空気１３と１次燃料ガス１２とが混合されて予混合気として燃焼室２６に向けて噴出される。１次バーナ１１においては、１次バーナ１１の円筒筐体１１ｂの中心軸１１ｃに沿ってバーナガン１１ａが点火トーチ２２として燃焼室２６側端部に設置される。点火トーチ２２による点火に基づいて、１次バーナ１１の燃焼室側端部から燃焼室２６に向けて噴出される１次空気１３と１次燃料ガスとの予混合気の燃焼が開始される。１次バーナ１１から噴出される予混合気２４の燃焼により生じる火炎２７は、１次バーナ１１の円筒筐体１１ｂの燃焼室側端部に設置されている保炎器２３によりその噴出形状および方向を制御されて保炎される。保炎器２３を１次バーナ１１の中心軸１１ｃの垂直方向から見た形状を図１Ｂに示す。保炎器２３は、１次バーナ１１の中心軸１１ｃの垂直方向から見て、１次バーナ１１の予混合気噴出孔１１ｄを中心に円盤形状であり、半径の外周方向に行くに連れて、燃焼室側に迫り出した薄板２３ａで形成されている。また、半径の内周方向に行くに連れても、一部燃焼室側に迫り出した円盤形状の薄板２３ｂで形成されている。保炎器２３の薄板上には半径の異なる複数の円周上に開孔２３ｃが設けられており、薄板が高温化するのを防止している。

また、２次バーナ１４においては、バーナ内に２次空気１６と２次燃料ガス１５とが注入される。２次空気１６は、旋回ベーン２０を経由することにより、２次燃料ガス１５と混合されて予混合気２４として、燃焼室２６内へ噴出される。２次バーナ１４は、１次バーナ１１の外周部に、その中心軸が１次バーナ１１の中心軸１１ｃと一致するように設置される。２次バーナ１４から燃焼室２６に向けて噴出される予混合気２４は、１次バーナ１１の燃焼火炎に混入し、バーナタイル２５の壁面に沿って火炎２７の燃焼方向を制御されて燃焼室２６内に噴出される。１次バーナ１１および２次バーナ１４による燃焼火炎に逆火や吹き飛びが生じる場合には、１次バーナ１１の円筒筐体１１ｂを中心軸１１ｃ方向に移動調整することにより、バーナタイル２５と保炎器２３との隙間を変化させる。これにより、２次バーナ１４から燃焼室に向けて噴出される予混合気２４の噴出口の断面積が変化して、予混合気２４の流速が調整される。通常、火炎に逆火が生じる際には、１次バーナ１１の円筒筐体１１ｂを燃焼室から離れる方向に移動させて、バーナタイル２５の壁面と保炎器２３との隙間が狭くなるように調整する。これにより、予混合気２４の流速が速くなり、逆火が消滅する効果が生じる。また、火炎に吹き飛びが生じる際には、１次バーナ１１の円筒筐体１１ｂを燃焼室から近くなる方向に移動させて、バーナタイル２５の壁面と保炎器２３との隙間が広くなるように調整する。これにより、予混合気２４の流速が遅くなり、吹き飛びが消滅する効果が生じる。

３次バーナ１７は図１Ａに示されるように、その中心軸１７ａが、１次バーナ１１および２次バーナ１４の中心軸１１ｃの外周部に設置される。３次バーナ１７においては、バーナ内に３次空気１９と３次燃料ガス１８とが送られる。そして、上記３次空気１９と３次燃料ガス１８とが混合されて燃焼室２６に向けて噴出される。これにより、３次バーナ１７から燃焼室２６に向けて噴出される３次空気１９と３次燃料ガス１８との予混合気が点火されて燃焼が開始される。３次バーナ１７から噴出される予混合気の酸素混合比率は他の２つのバーナに比較して低く設定されており、燃焼が開始されると、その火炎は、１次バーナ１１および２次バーナ１４による燃焼火炎との混合燃焼領域において還元燃焼域を生じる。

従来の燃焼装置１０においては、安定的な燃焼を実現するために、バーナタイル２５、および１次バーナ１１の円筒筐体１１ｂの燃焼室側端部に設置された保炎器２３を備えている。そして、円筒筐体１１ｂを中心軸１１ｃ方向に移動させることによって保炎器２３とバーナタイル２５との間隔、あるいは保炎器２３および点火トーチ２２と燃焼室２６との距離を調整し、主として２次バーナ１４から噴出される予混合気２４の流速を制御して、火炎２７の逆火、吹き飛び、あるいは振動燃焼を抑制する。しかし、従来の燃焼装置１０においては、２次バーナ１４から噴出される予混合気２４の流速と、保炎器２３および点火トーチ２２と燃焼室２６との距離とを個別に制御出来ないため、上記した火炎２７の逆火、吹き飛び、あるいは振動燃焼を完全に抑制することは困難であった。このため、ターンダウン比も小さく制限されていた。

上記した技術に関連して、以下に示すような提案がなされている。

特開平９−８９２１２号公報に開示されている「ガス焚きバーナ」では、安定燃焼用燃料を供給する１次バーナを囲んで主燃焼用燃料を供給する２次バーナを配設し、同１次バーナの中央部又は２次バーナの外側部のいずれか一方に追加燃焼用燃料を供給する３次バーナを配設したガス焚きバーナが提案されている。

また、特許公報第２５９７７９２号に開示されている「空気段階式の予混合低ＮＯｘ燃焼器」では、燃焼室と、燃焼室の上流に配置された燃料導入マニホルドと、燃料導入マニホルドに隣接した空気制御通路と、燃料導入マニホルドおよび空気制御通路に接続され、燃料と空気とを混合する予混合室と、予混合室に接続され、燃料および空気混合物を受けとるスワラと、スワラに接続された燃料−空気制御通路と、燃料−空気制御通路に隣接して位置して、燃料−空気制御通路の断面積を決めるとともに、実質的に燃焼室内に位置し、予混合室に接続されて、燃料および空気混合物の一部を通す多孔性保炎器とを備える空気段階式の予混合低ＮＯｘ燃焼器が提案されている。

また、ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔ４３５０００９号公報に開示されている「ガスタービン燃焼器」では、燃料と空気との予混合を１次空気中に噴出する環状の噴霧ノズルと、１次空気を生成するプレチャンバと、特定の断面を有する１次空気流入口を備える燃焼領域と、燃焼領域の１次空気流入口においてフレームホルダ−として火炎の安定性を保持するバーナ筐体とを具備し、１次空気流入口において該バーナ筐体の尾筒形状を末広がりの対数曲線形状として該バーナ筐体を筐筒の軸方向に移動することにより、1次空気流入口の該特定の断面面積を変化させることにより、環状の噴霧ノズルから噴出される燃料と空気との予混合を環状に噴出し、１次空気の流れに垂直に衝突させることによって両者の均一な混合を行うガスタービン燃焼器が提案されている。

特開平９−８９２１２号公報特許公報第２５９７７９２号ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔ４３５０００９号公報三菱重工業株式会社「三菱スーパークリーンボイラＭＹ−Ｇ型」製品紹介資料（Ｈ４５０−４５ＬＢ２８Ｊ２−Ａ−０）

本発明の目的は、保炎バーナからの保炎を制御するための保炎器と、主バーナからの予混合気の噴出速度を制御する開度調整器とを独立に操作することの出来る燃焼装置および燃焼装置による燃焼方法を提供することである。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用する番号・符号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために付加されたものであるが、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の燃焼装置（５０）は、主バーナ（１４）と、主バーナと同一中心軸（１１ｃ）を有し、主バーナの中心軸に沿って配置される保炎バーナ（１１）とを備え、保炎バーナは、主バーナから噴出される予混合気（２４）の噴出速度を調節する開度調節器（６０）と、火炎（２７）を点火するための点火トーチ（２２）と、火炎を安定に維持調整するための保炎器（５３）とを有し、開度調節器と、点火トーチの中心軸方向の位置と、保炎バーナとはそれぞれ独立に調節可能である。

また、本発明の燃焼装置（５０）に係わる開度調節器（６０）は、主バーナ（１４）から中心軸方向に噴出される予混合気（２４）の中心軸方向に断面積が変化する形状を備えた開度調節部（６０ｂ）を有し、開度調整器を中心軸方向に移動調整することにより、予混合気の噴出口における断面積が変化する。

また、本発明の燃焼装置（５０）において、保炎バーナ（１１）の円筒筐体（５４）の中心軸に沿って配置されるバーナガン（１１ａ）が点火トーチ（２２）として予混合気の噴出方向に設置され、保炎器（５３）は円筒筐体における予混合気の噴出方向端に外側に向けて末狭まりな環状円盤の板として設置され、開度調節器（６０）は、円筒筐体の中心軸と同一の中心軸になるように、円筒筐体の外周に嵌合して配置される円芯筒（６０ａ）と、円芯筒の予混合気の噴出方向端に外側に向けて末広がりな環状円盤の板として設置される開度調節部（６０ｂ）とを備え、開度調節器の円芯筒と、保炎バーナのバーナガンと円筒筐体とが、それぞれ独立に中心軸方向に移動することにより、主バーナ（１４）から噴出される予混合気（２４）の噴出口における断面積と、火炎（２７）からの点火トーチおよび保炎器の距離が変化する。

また、本発明の燃焼装置（５０）において、主バーナ（１４）および保炎バーナ（１１）により生じる火炎（２７）を制御するために火炎の燃焼領域を包囲するように主バーナの予混合気（２４）の噴出口から末広がりに設けられたバーナタイル（５５）の広がり角と、開度調節部（６０ｂ）の外側に向けて末広がりな環状円盤の板の広がり角とが同一であり、開度調節器（６０）が中心軸方向に移動してバーナタイルと開度調節部との間隔が変化することにより、予混合気の噴出口における断面積が変化する。

また、本発明の燃焼装置（５０）におけるバーナタイル（５５）は、噴出口の周縁部に、主バーナ（１４）と同一中心軸（１１ｃ）を有する少なくとも1本の環状溝部（５５ａ）を備える。

また、本発明の燃焼装置（５０）において、開度調節部（６０ｂ）は、外側に向けて末広がりな環状円盤の板に換わって、外側に向けてその厚さが次第に薄厚となる環状円盤部材である。

また、本発明の燃焼装置（５０）における開度調節部（６０ｂ）は、開度調節部における予混合気（２４）の下流面（６０ｂ２）上に冷却用及び内部気体膨出用の開孔部（６０ｂ３、６０ｂ４）を備える。

また、本発明の燃焼装置（１００）において、保炎器の換わりに火炎を安定に維持調整するためのフレームホルダ（１０３）を備える。

また、本発明の燃焼装置（５０，１００）において、開度調節器（６０）の円芯筒（６０ａ）と、保炎バーナ（１１）のバーナガン（１１ａ）と円筒筐体（５４）の配置位置は、火炎（２７）の燃焼状況に基づいてそれぞれ独立に自動調節可能である。

また、本発明の燃焼装置（１５０）は、さらに、追加燃料バーナ（１７）を備え、追加燃料バーナは、その中心軸が保炎バーナ（１１）および主バーナ（１４）の中心軸の外周部に位置するように配置される。

また、本発明の燃焼装置（１５０）は、さらに、主バーナ（１４）に送られる燃焼ガス（１５）と追加燃料バーナ（１７）に送られる燃料ガス（１８）との分配量を制御する第一の分配器（１１０ｂ）と、主バーナに送られる燃焼空気（１６）と追加燃料バーナに送られる燃焼空気（１９）との分配量を制御する第二の分配器（１１０ａ）とを備える。

また、本発明の燃焼装置（１５０）は、さらに、燃焼室（２６）から排出される保炎バーナ（１１）と主バーナ（１４）と追加バーナ（１７）とによる燃焼排ガス（３０）を、主バーナおよび追加バーナの燃焼空気供給配管のそれぞれに送るための配管を備える。

また、本発明のボイラは、請求項１から１２までに記載のいずれか一項の燃焼装置（５０，１００，１５０）を備える。

また、本発明の燃焼装置の燃焼方法は、主バーナ（１４）と、主バーナと同一中心軸を有し、主バーナから噴出される予混合気（２４）の噴出速度を調節する開度調節器（６０）と、火炎（２７）を点火するための点火トーチ（２２）と、火炎を安定に維持調整するための保炎器（５３）とを備えて主バーナの中心軸に沿って配置される保炎バーナ（１１）とを備える燃焼装置（５０）の燃焼方法であって、開度調節器と、点火トーチの中心軸方向の位置と、保炎バーナとをそれぞれ独立に調節するステップを有する。

また、本発明の燃焼装置の燃焼方法において、燃焼装置（１５０）は、さらに追加燃料バーナ（１７）を備え、主バーナ（１４）に送られる燃焼排ガス（１５）と追加燃料バーナに送られる燃焼排ガス（１８）との分配量を制御する第一分配ステップと、主バーナに送られる燃焼空気（１３）と追加燃料バーナに送られる燃焼空気（１９）との分配量を制御する第二分配ステップとを備える。

また、本発明の燃焼装置の燃焼方法は、さらに、燃焼室（２６）から排出される保炎バーナ（１１）と主バーナ（１４）と追加バーナ（１７）とによる燃焼排ガス（３０）を、主バーナおよび追加バーナの燃焼空気（１６，１９）供給配管のそれぞれに送るためのステップを備える。

本発明により、保炎バーナからの保炎を制御するための保炎器と、保炎バーナの点火トーチの位置と、主バーナからの予混合気の噴出速度を制御する開度調整器とをそれぞれ独立に操作することの出来る燃焼装置および燃焼装置による燃焼方法を提供することができる。

これにより、
（１）燃焼装置の主バーナにおいて予混合気が少ない場合、開度調節器を調節することにより、主バーナからの予混合気の噴出速度の低下を防ぎ、バーナスロート内への逆火を防止することができる。さらに、主バーナのバーナスロート内において予混合気の混合が十分に行われるようになり、主バーナにおける燃焼振動を防止できる。

（２）（１）により、主バーナにおける予混合気量の減少が実現でき、ターンダウン比を大きくすることが出来る。

（３）また、主バーナにおける火炎が吹き飛び傾向の時、開度調節器を中心軸方向に移動調節することによって主バーナからの予混合気の噴出速度を抑制し、浮き上がり火炎や吹き飛びを防止できる。

添付図面を参照して、本発明による燃焼装置および上記燃焼装置を用いた燃焼方法を実施するための最良の形態を以下に説明する。

本発明に係わる燃焼装置は、主バーナと、主バーナと同一の中心軸に沿って配置される保炎バーナとを備えている。保炎バーナは、主バーナから噴出される予混合気の噴出速度を調節する開度調節器と、火炎を点火するための点火トーチと、火炎を安定に維持調整するための保炎器とを有している。そして、開度調節器と、点火トーチと、保炎バーナとをそれぞれ独立に調節することができる。これにより、主バーナからの予混合気の噴出速度の低下を防き、バーナスロート内への逆火を防止すると同時にターンダウン比を大きくする。また、主バーナにおける燃焼振動を防止する。さらに、主バーナにおける火炎が吹き飛び傾向の時、主バーナからの予混合気の噴出速度の上昇を防き、浮き上がり火炎や吹き飛びを防止する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係わる燃焼装置の概略構成を図２Ａに示す。本実施の形態に係わる燃焼装置５０は、保炎バーナである１次バーナ１１（バーナ内における予混合気の燃料率５％、空気比率１．３）と、主バーナである２次バーナ１４（バーナ内における予混合気の燃料率７０％、空気比率１．５）と、追加燃料バーナである３次バーナ１７（バーナ内における予混合気の燃料率２５％、空気比率０．３）とを備えている。ここで、ｎ次バーナの燃料率＝ｎ次バーナの燃焼量／全燃焼量×１００（％）である。

１次バーナ１１は、円筒筐体５４と、円筒筐体５４の燃焼室側端部に設置される保炎器５３と、円筒筐体５４の中心軸１１ｃに沿って設置されるバーナガン１１ａと、バーナガン１１ａの燃焼室２６側端部に設置される点火トーチ２２とを備えている。

１次バーナ１１においては、バーナ内に１次空気１３と１次燃料ガス１２とが注入される。そして、上記１次空気１３と１次燃料ガス１２とが混合されて燃焼室２６に向けて噴出される。点火トーチ２２による点火に基づいて、１次バーナ１１の燃焼室側端部から燃焼室２６に向けて噴出される１次空気１３と１次燃料ガスとの予混合気の燃焼が開始される。１次バーナ１１から噴出される予混合気の燃焼により生じる火炎２７は、円筒筐体５４の燃焼室側端部に設置される保炎器５３によりその噴出形状や方向を制御されて保炎される。保炎器５３は、１次バーナ１１の中心軸１１ｃの垂直方向から見て、１次バーナ１１の予混合気噴出孔１１ｄを中心に円盤形状であり、半径の内周方向に行くに連れて燃焼室２６側に迫り出した板材で形成されている。保炎器５３の板材上には複数の冷却用開孔が設けられても良い。

また、１次バーナ１１は、２次バーナ１４から噴出される予混合気２４の噴出速度を調節する開度調節器６０を備えている。開度調節器６０は、円筒筐体５４の中心軸１１ｃと同一の中心軸になるように、円筒筐体５４の外周に嵌合して配置される円芯筒６０ａと、円芯筒６０ａの燃焼室２６側の端部に外側に向けて末広がりな環状円盤の板として設置される開度調節部６０ｂとを有している。

図２Ｂ（１）に、円筒筐体５４の中心軸１１ｃを通る平面による開度調節部６０ｂの断面を示す。（ａ）は、開度調節部６０ｂを構成するＡ面６０ｂ１およびＢ面６０ｂ２と円筒筐体５４とのなす角度α、βにおいて、α＜β＜π／２の関係にある場合の開度調節部６０ｂの形状を示す。また、（ｂ）は、開度調節部６０ｂを構成するＡ面６０ｂ１およびＢ面６０ｂ２と円筒筐体５４とのなす角度α、βにおいて、β≧π／２の関係にある場合の開度調節部６０ｂの形状を示す。（ｃ）は、開度調節部６０ｂを燃焼室２６方向から円筒筐体５４の中心軸１１ｃの垂直向きに見た図である。開度調節部６０ｂのＢ面６０ｂ２には、円筒筐体５４の中心軸１１ｃを中心として、冷却用及び内部気体膨出用の長形穴部６０ｂ３および穴６０ｂ４が環状に配設されている。

図２Ｂ（２）には、開度調節部６０ｂの形状が図２Ｂ（１）の（ａ）の場合における、２次バーナ１４の内径Ｄ２が開度調節部６０ｂの外形Ｄ１よりも小さい場合（ａ）と、大きい場合（ｂ）との概略構成が示されている。また、開度調節部６０ｂの形状が図２Ｂ（１）の（ｂ）の場合における、２次バーナ１４の内径Ｄ２が開度調節部６０ｂの外形Ｄ１よりも小さい場合（ｃ）と、大きい場合（ｄ）との概略構成が示されている。

開度調節器６０の円芯筒６０ａと、１次バーナ１１の円筒筐体５４と、バーナガン１１ａおよび点火トーチ２２が、それぞれ独立に中心軸１１ｃ方向に移動することにより、２次バーナ１４から噴出される予混合気２４の燃焼室２６に噴出される噴出口における断面積と、火炎２７からの点火トーチ２２および保炎器５３の距離がそれぞれ独立に変化する。

２次バーナ１４においては、バーナ内に２次空気１６と２次燃料ガス１５とが注入される。２次空気１６は、旋回ベーン２０を経由することにより、２次燃料ガス１５と混合されて予混合気２４として、燃焼室２６へ噴出される。２次バーナ１４は、１次バーナ１１の外周を取り巻いて、その中心軸が１次バーナ１１の中心軸１１ｃと一致するように設置される。２次バーナ１４から燃焼室２６に向けて噴出される予混合気２４は、１次バーナ１１の燃焼火炎に混入して燃焼し、バーナタイル２５の壁面により火炎２７の燃焼領域を制御される。

３次バーナ１７は、その中心軸１７ａが、１次バーナ１１および２次バーナ１４の中心軸１１ｃの外周部に位置するように設置される。３次バーナ１７においては、バーナ内に３次空気１９と３次燃料ガス１８とが送られる。そして、上記３次空気１９と３次燃料ガス１８とが混合されて燃焼室２６に向けて噴出される。これにより、３次バーナ１７から燃焼室２６に向けて噴出される３次空気１９と３次燃料ガス１８との予混合気の燃焼が開始される。３次バーナ１７のバーナ内における予混合気の燃料比率は２５％であり、また、空気比率は０．３であることにより、３次バーナ１７から噴出される予混合気の燃焼が燃焼室２６内で開始されると、３次バーナ１７から噴出される予混合気の寄与する火炎は、１次バーナ１１および２次バーナ１４による燃焼火炎との混合燃焼領域において、還元燃焼域を生成する。図２においては、単数の３次バーナ１７しか明示されていないが、これは必要な燃焼量に応じて複数であっても構わない。

以下に、本実施の形態に係わる燃焼装置５０の動作原理を述べる。本実施の形態に係わる燃焼装置５０が起動すると、１次バーナ１１の点火トーチ２２に点火用の火炎が点灯する。点火用火炎の点灯に基づいて、１次バーナ１１の円筒筐体５４内に１次空気１３と１次燃料ガス１２とが注入される。そして、上記１次空気１３と１次燃料ガス１２とが混合されて燃焼室２６に向けて噴出される。これにより、燃焼室２６内に噴出される１次空気１３と１次燃料ガス１２との予混合気が点火されて燃焼室２６において燃焼が開始される。１次バーナ１１による燃焼の開始に基づいて、２次バーナ１４のバーナ内に２次空気１６と２次燃料ガス１５とが注入される。２次空気１６は、旋回ベーン２０を経由することにより、２次燃料ガス１５と混合されて予混合気２４として、燃焼室２６へ噴出される。２次バーナ１４から噴出される予混合気２４は、燃焼室２６において着火されて燃焼が開始される。図２Ｃに、（１）開度調整部６０ｂの形状がα＜β＜π／２、Ｄ１＞Ｄ２、（２）α＜β＜π／２、Ｄ１＜Ｄ２それぞれの条件の場合における動作原理を図示する。図２Ｃ（１）の（ａ）に示すように、１次バーナ１１を引き込み、保炎器５３がバーナスロート２１の奥深くに在る場合には、１次バーナ１１の火炎は予混合性が向上し火勢が強く、安定性が極めて良好な透明に近い火炎となり、２次バーナ１４の火炎の熱源として作用する。２次バーナ１４からの燃焼火炎は、バーナタイル５５により保炎される。特に、本実施の形態においては、バーナタイル５５上の予混合気２４噴出口の周縁部に、１次バーナ中心軸１１ｃを中心にして環状に配設される溝５５ａにより効果的に保炎される。溝５５ａは、１列でも良いし、燃焼器内で発生する火炎の強度に応じて複数列配設されても構わない。本バーナ構成では、燃焼室へのすす付着が防止できる。図２Ｄの（１）に例を示す。上記の何れの場合でも、開度調整器６０は保炎器としての作用は無く、また振動燃焼が起き難い。図２Ｃ（１）の（ｂ）に示すように、１次バーナ１１のみ点火されている場合には、１次バーナ火炎の保炎はバーナタイル５５上に配設される環状の溝５５ａにより保炎されずに、保炎器５３を構成する２つの面により火炎の保炎が行われる。図２Ｃ（２）の（ａ）の場合には、開度調整部６０ｂの外形Ｄ１が２次バーナ１４の内径Ｄ２よりも小さく、開度調整部６０ｂが２次バーナ１４内部にまで引き込め、１次バーナ火炎２７Ａは拡散し、２次バーナ火炎２７Ｂの熱源となる。このため、１次バーナ火炎２７Ａ、２次バーナ火炎２７Ｂ共に予混合性の良い安定火炎を形成する。これにより、全体的に安定した燃焼が実現する。また、図２Ｄ（２）に示すように煤塵濃度、ＮＯｘ濃度ともに低減する傾向にある。開度調整部６０ｂが、図２Ｃ（２）の（ｂ）に示されるような配置の場合には、バーナタイル５５上に配設される環状の溝５５ａの有無に係わらず、燃焼振動や火炎の吹き飛びが発生しにくい安定な燃焼が実現され、特に燃焼量の多い場合に有効である。上記何れの場合でも、開度調整器６０は保炎器としての作用が認められない。図２Ｃ（３）に、開度調整部６０ｂの形状がβ＞π／２、Ｄ１＞Ｄ２の場合、および（４）に、開度調整部６０ｂの形状がβ＞π／２、Ｄ１＜Ｄ２の場合それぞれの条件における動作原理を図示する。図２Ｃ（３）の場合には、開度調整部６０ｂのＢ面６０ｂ２が外方向に凸であるため、火炎に乱の少ない均質な２次バーナ火炎２７Ｂになる。１次バーナ火炎２７Ａは予混合性が良く、保炎状態の良い安定火炎を形成する熱源となり、２次バーナ火炎２７Ｂの燃焼量が増大した時にも、特に燃焼振動の起き難い、全体的に安定した燃焼が実現する。このとき、バーナタイル５５の環状の溝５５ａにより火炎が保炎されている。図２Ｃ（４）に、１次バーナ１１のみのバーナ構成を示す。１次バーナ火炎２７Ａが拡散することにより、バーナタイル５５でも保炎され、排出されるＮＯＸ濃度が大幅に低減される。

上記した２次バーナ１４による燃焼開始に基づいて、３次バーナ１７のバーナ内に３次空気１９と３次燃料ガス１８とが送られる。そして、３次空気１９と３次燃料ガス１８とが混合されて燃焼室２６に向けて噴出される。これにより、３次バーナ１７から燃焼室２６に向けて噴出される３次空気１９と３次燃料ガス１８との予混合気が着火されて燃焼が開始される。３次バーナ１７による燃焼が開始されることにより、本実施の形態に係わる燃焼装置５０における基本となる動作状態が実現する。

本実施の形態に係わる燃焼装置５０の基本動作時において、燃焼室２６の燃焼火炎に逆火や吹き飛びが生じる場合には、開度調節器６０の円芯筒６０ａを中心軸１１ｃ方向に移動調整して、バーナタイル５５と開度調整部６０ｂとの隙間を変化させる。これにより、２次バーナ１４から燃焼室２６に向けて噴出される予混合気２４の噴出口の断面積が変化して、２次バーナ１４から燃焼室２６に向けて噴出される予混合気２４の流速が調整される。また、バーナガン１１ａを中心軸１１ｃ方向に移動調整して、バーナガン１１ａの燃焼室側端部に設置されている点火トーチ２２と燃焼室２６（火炎２７）との距離を変化させる。これにより、火炎２７の保炎を目的とする制御が行われる。また、円筒筐体５４を中心軸１１ｃ方向に移動調整して、保炎器５３と燃焼室２６（火炎２７）との距離を変化させる。これにより、火炎２７の保炎を目的とする制御が行われる。上記した、開度調整部６０ｂと、点火トーチ２２と、保炎器５３との移動調整は、通常手動で行われているが、火炎２７の燃焼状況をモニタして、モニタした火炎２７の燃焼状況に基づいて自動で移動調整しても構わない。

通常、火炎２７がバーナスロート２１内に引き込まれるような逆火が生じる際には、開度調節器６０の円芯筒６０ａを中心軸１１ｃに沿って燃焼室２６（火炎２７）から離れる方向に移動させて、バーナタイル５５と開度調整部６０ｂとの隙間が狭くなるように調整する。これにより、予混合気２４の流速の低下を防ぐことにより、逆火が消滅する効果が生じる。また、火炎２７に吹き飛びが生じる際には、開度調節器６０の円芯筒６０ａを中心軸１１ｃに沿って燃焼室２６（火炎２７）に近くなる方向に移動させて、バーナタイル５５と開度調整部６０ｂとの隙間が広くなるように調整する。これにより、予混合気２４の流速が遅くなり、火炎２７の吹き飛びが消滅する効果が生じる。

このほか、火炎２７の逆火や吹き飛びを細かく制御するために、保炎器５３および点火トーチ２２がそれぞれ独立に位置制御される。

本実施の形態に係わる燃焼装置５０により、実動作中における２次バーナ１４のバーナスロート２１内への逆火を防止することができる。また、２次バーナ１４のバーナスロート２１内において予混合気の混合が十分に行われるようになり、２次バーナ１４における燃焼振動を防止できる。また、２次バーナ１４における火炎２７が吹き飛び傾向の時には、浮き上がり火炎や吹き飛びを防止できる。さらに、２次バーナ１４における予混合気２４量の減少が実現でき、ターンダウン比を大きくすることが出来る。

この結果、運転停止時間を減少させて運転効率を向上させることができる。また、運転停止に基づく装置の故障を未然に防ぎ、燃焼装置５０の信頼性を向上させる他、通常運転時の安全性を向上させることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係わる燃焼装置の概略構成を図３に示す。本実施の形態に係わる燃焼装置１００は、保炎バーナである１次バーナ１１（バーナ内における予混合気の燃料率５％、空気比率１．３）と、主バーナである２次バーナ１４（バーナ内における予混合気の燃料率７０％、空気比率１．５）と、追加燃料バーナである３次バーナ１７（バーナ内における予混合気の燃料率２５％、空気比率０．３）とを備えている。

本実施の形態に係わる燃焼装置１００における基本的な構成、および動作原理は、実施の形態１に係わる燃焼装置５０のそれと同様であり、ここでは詳細な説明は省略する。但し、本実施の形態においては、保炎器５３の換わりにフレームホルダー１０３を備えている。本実施の形態においては、フレームホルダー１０３を備えていることにより、火炎２７の保炎を効率的に行うことができる。

本実施の形態に係わる燃焼装置１００により、実動作中における２次バーナ１４のバーナスロート２１内への逆火を防止することができる。また、２次バーナ１４のバーナスロート２１内において予混合気の混合が十分に行われるようになり、２次バーナ１４における燃焼振動を防止できる。また、２次バーナ１４における火炎２７が吹き飛び傾向の時には、浮き上がり火炎や吹き飛びを防止できる。さらに、２次バーナ１４における予混合気２４量の減少が実現でき、ターンダウン比を大きくすることが出来る。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係わる燃焼装置の概略構成を図４Ａに示す。本実施の形態に係わる燃焼装置１５０は、保炎バーナである１次バーナ１１（バーナ内における予混合気の燃料率５％、空気比率１．３）と、主バーナである２次バーナ１４（バーナ内における予混合気の燃料率７０％、空気比率１．５）と、追加燃料バーナである３次バーナ１７（バーナ内における予混合気の燃料率２５％、空気比率０．３）とを備えている。

本実施の形態に係わる燃焼装置１５０における基本的な構成、および動作原理は、実施の形態１および２に係わる燃焼装置５０、１００のそれと同様であり、ここでは詳細な説明は省略する。但し、本実施の形態においては、２次バーナ１４に送られる２次燃料ガス１５と３次バーナ１７に送られる３次燃料ガス１８との分配量を制御する燃料ガス分配器１１０ｂと、２次バーナ１４に送られる２次空気１６と３次バーナ１７に送られる３次空気１９との分配量を制御する空気分配器１１０ａとを備えている。さらに、本実施の形態に係わる燃焼装置１５０は、燃焼室２６から排出される保炎バーナ１１と主バーナ１４と追加バーナ１７とによる燃焼排ガス３０を、主バーナおよび追加バーナの燃料空気供給配管のそれぞれに送るための配管を備えている。

本実施の形態に係わる燃焼装置１５０の動作時においては、２次バーナ１４における予混合気２４の量がバーナ内において図示せぬ流量計によりモニタされており、予混合気２４の量が低下した際には、流量計からの信号に基づいて２次バーナ１４に送られる２次燃料ガス１５と３次バーナ１７に送られる３次燃料ガス１８との分配量を制御する燃料ガス分配器１１０ｂと、２次バーナ１４に送られる２次空気１６と３次バーナ１７に送られる３次空気１９との分配量を制御する空気分配器１１０ａとが制御される。これにより、３次バーナ１７に配分されていた３次燃料ガス１８と３次空気１９との適量が２次バーナ１４に割り当てられて、２次バーナによる燃焼量が増加することにより燃焼装置１５０における安定的な燃焼が維持される。また、本実施の形態においては、燃焼室２６から排出される保炎バーナ１１と主バーナ１４と追加バーナ１７とによる燃焼排ガス３０を、主バーナおよび追加バーナの燃料空気供給配管のそれぞれに送るための配管を備えることにより、燃焼排ガスを再使用することが出来、実施の形態１または２に比較して燃焼効率の向上が実現される。

例えば、２次バーナ１４の燃焼量を下げる時に２次空気１６も減らして、燃焼排ガス３０を混合することで、予混合気２４の噴出流速を逆火が生じない速度に保つことができる。さらに、予混合気２４の旋回強度が維持でき燃焼炉内の攪拌混合が促進できる。また、燃焼排ガス３０を混合するため燃焼排ガス３０の酸素濃度を低減でき、火炎長を短くせずに燃焼できる。従って、低Ｏ２燃焼、及びボイラの熱吸収領域を広範囲に保つことで、熱効率の大幅な低減のない運転ができる。同時に、緩慢燃焼の効果で低ＮＯｘ燃焼ができる。更に開度調整器６０を引き込むことで、燃焼排ガス３０の混入量を大幅に増加しなくても予混合気２４の予混合度が良くなる。これは、旋回効果も保持して燃焼炉内の攪拌混合が促進でき、ＣＯなどの未燃ガスの少ない低ＮＯｘ燃焼が可能となり、更にボイラの熱吸収効率の向上が図れる。図４Ｂに例を示す。

更には、燃焼量が多い場合に、開度調整器６０を炉内に出し、燃焼排ガス３０の混合量を増やした予混合気２４とすることで、低Ｏ２燃焼と火炎長の短絡とが図れる。

さらに、燃焼室２６の下流に設置される図示せぬ燃焼ガス排気孔から大気中に排出されるＮＯＸ濃度がモニタされる。そして、上記ＮＯＸ濃度のモニタにおいてＮＯＸ濃度の上昇が認められた際には、モニタからのモニタ信号に基づいて２次バーナ１４に送られる２次燃料ガス１５と３次バーナ１７に送られる３次燃料ガス１８との分配量を制御する燃料ガス分配器１１０ｂと、２次バーナ１４に送られる２次空気１６と３次バーナ１７に送られる３次空気１９との分配量を制御する空気分配器１１０ａとが制御されて、３次バーナ１７に配分されていた３次燃料ガス１８と３次空気１９との適量が２次バーナ１４に割り当てられる。

３次バーナ１７内における予混合気の燃料率２５％であり、また、空気比率は０．３である。このため、２次バーナ１４内における空気比率は、従来の１．５から低下する。これにより、燃焼に関与する空気比率が低下することにより、ＮＯＸの発生量が低下する。

本実施の形態に係わる燃焼装置１５０により、実施の形態１および２と同様に、実動作中における２次バーナ１４のバーナスロート２１内への逆火を防止することができる。また、２次バーナ１４のバーナスロート２１内において予混合気の混合が十分に行われるようになり、２次バーナ１４における燃焼振動を防止できる。また、２次バーナ１４における火炎２７が吹き飛び傾向の時には、浮き上がり火炎や吹き飛びを防止できる。さらに、２次バーナ１４における予混合気２４量の減少が実現でき、ターンダウン比を大きくすることが出来る。この結果、運転停止時間を減少させて運転効率を向上させることができる。また、運転停止に基づく装置の故障を未然に防ぎ、燃焼装置５０の信頼性を向上させる他、通常運転時の安全性を向上させることができる。さらに、本実施の形態においては、３次バーナ１７と２次バーナ１４とのそれぞれに分配される燃料ガスおよび空気の配分比率を制御することによって、燃焼により発生するＮＯＸの濃度を適切に制御する。これにより、ＮＯＸ低減装置を設置することが不要となり、製造コストを低く抑制できるほか、低公害環境に即した燃焼装置を実現することができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係わるボイラの概略構成を図５に示す。本実施の形態に係わるボイラ２００は、筐体２１０と、筐体２１０内に設けられた火炉２７０と、火炉２７０の周囲を被覆するように配設される複数の蒸気配管２４０と、地面２６０に固定されて蒸気配管２４０に水を供給する水ドラム２２０と、筐体２１０内の水ドラム２２０よりも高い位置に設置されて、蒸気配管２４０で発生する蒸気を収集する蒸気ドラム２３０と、火炉において燃焼を行うために筐体２１０に貫入される実施の形態１から３までに説明した燃焼装置５０、１００、１５０のいずれか１つを備えている。

本実施の形態に係わるボイラ２００の動作原理を以下に説明する。本実施の形態に係わるボイラ２００の水ドラム２２０および蒸気配管２４０中には、予め、蒸気発生用の水が蓄えられている。本実施の形態に係わるボイラ２００が起動すると、本実施の形態のボイラ２００に設置されている、燃焼装置５０、１００、１５０が起動して燃焼を開始する。そして、蒸気配管２４０内部に満たされている水が気化して蒸気が発生し、発生した蒸気は蒸気ドラム２３０に収集される。そして、蒸気ドラム２３０に収集された蒸気は、蒸気噴出口２５０から用途先に引き渡される。

本実施の形態に係わるボイラ２００は、実施の形態１から３までに説明した燃焼装置５０、１００、１５０のいずれか１つを備えていることにより、高い運転効率と運転費用の低減を実現する。また、運転停止に基づく装置の故障を未然に防ぐことにより、高い信頼性と安全性とを実現する。また、燃焼により発生するＮＯＸの濃度を適切に制御することにより、ＮＯＸ低減装置を設置することが不要となり、製造コストが抑制されるほか、低公害環境に即したボイラを実現することができる。このほか、本実施の形態のボイラ２００においては、その構成が簡素でコンパクトであることにより、メンテナンスが容易であり、また、メンテナンスに要する費用も低減される。

従来の実施形態に係わる燃焼装置の概略構成を示す図である。１次バーナの中心軸の垂直方向から見た保炎器の形状を示す図である。実施の形態１に係わる燃焼装置の概略構成を示す図である。実施の形態１に係わる燃焼装置の一部を示す図である。実施の形態１に係わる燃焼装置の一部を示す図である。（１）実施の形態１に係わる燃焼装置における保炎器の位置とすす付着量との関係を示す図である。（２）実施の形態１に係わる燃焼装置における保炎器の位置と煤塵濃度およびＮＯｘ濃度との関係を示す図である。実施の形態２に係わる燃焼装置の概略構成を示す図である。実施の形態３に係わる燃焼装置の概略構成を示す図である。実施の形態３に係わる燃焼装置における２次バーナ燃焼量とＯ２濃度との関係を示す図である。実施の形態４に係わる燃焼装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０、５０、１００、１５０…燃焼装置
１１…１次バーナ
１１ａ…バーナガン
１１ｂ…円筒筐体
１１ｃ…１次バーナ中心軸
１１ｄ…１次バーナ予混合気噴出孔
１２…１次燃料ガス
１３…１次空気
１４…２次バーナ
１５…２次燃料ガス
１６…２次空気
１７…３次バーナ
１７ａ…３次バーナ中心軸
１８…３次燃料ガス
１９…３次空気
２０…旋回ベーン
２１…バーナスロート
２２…点火トーチ
２３、５３…保炎器
２３ｃ…開孔
２４…予混合気
２５、５５…バーナタイル
２６…燃焼室
２７…火炎
２７Ａ…１次バーナ火炎
２７Ｂ…２次バーナ火炎
３０…燃焼排ガス
５４…円筒筐体
５５ａ…溝
６０…開度調節器
６０ａ…同芯筒
６０ｂ…開度調節部
６０ｂ１…Ａ面
６０ｂ２…Ｂ面
６０ｂ３…長形穴部
６０ｂ４…穴
６０ｃ…移動用取手
１０３…フレームホルダ
１１０ａ…空気分配器
１１０ｂ…燃料ガス分配器
２００…ボイラ
２１０…筐体
２２０…水ドラム
２３０…蒸気ドラム
２４０…蒸気配管
２５０…蒸気噴出口
２６０…地面
２７０…火炉
Ｄ１…開度調整部外径
Ｄ２…２次バーナ内径

Claims

主バーナと、
前記主バーナと同一中心軸を有し、前記主バーナの前記中心軸に沿って配置される保炎バーナと
を具備し、
前記保炎バーナは、前記主バーナから噴出される予混合気の噴出速度を調節する開度調節器と、火炎を点火するための点火トーチと、前記火炎を安定に維持調整するための保炎器とを備え、
前記開度調節器と、前記点火トーチの前記中心軸方向の位置と、前記保炎バーナとはそれぞれ独立に調節可能である
燃焼装置。
請求項１に記載の燃焼装置において、
前記開度調節器は、前記主バーナから前記中心軸方向に噴出される前記予混合気の前記中心軸方向に断面積が変化する形状を備えた開度調節部を有し、前記開度調整器を前記中心軸方向に移動調整することにより、前記予混合気の噴出口における断面積が変化する
燃焼装置。
請求項１または２に記載の燃焼装置において、
前記保炎バーナの円筒筐体の前記中心軸に沿って配置されるバーナガンが前記点火トーチとして前記予混合気の噴出方向に設置され、前記保炎器は前記円筒筐体における前記予混合気の噴出方向端に外側に向けて末狭まりな環状円盤の板として設置され、
前記開度調節器は、前記円筒筐体の前記中心軸と同一の中心軸になるように、前記円筒筐体の外周に嵌合して配置される円芯筒と、前記円芯筒の前記予混合気の噴出方向端に外側に向けて末広がりな環状円盤の板として設置される前記開度調節部とを備え、
前記開度調節器の前記円芯筒と、前記保炎バーナの前記バーナガンと前記円筒筐体とが、それぞれ独立に前記中心軸方向に移動することにより、前記主バーナから噴出される前記予混合気の前記噴出口における前記断面積と、前記火炎からの前記点火トーチおよび前記保炎器の距離が変化する
燃焼装置。
請求項１から３までの少なくとも一項に記載の燃焼装置において、
前記主バーナおよび前記保炎バーナにより生じる火炎を制御するために前記火炎の燃焼領域を包囲するように前記主バーナの前記予混合気の前記噴出口から末広がりに設けられたバーナタイルの広がり角と、前記開度調節部の前記外側に向けて末広がりな前記環状円盤の板の広がり角とが同一であり、前記開度調節器が前記中心軸方向に移動して前記バーナタイルと前記開度調節部との間隔が変化することにより、前記予混合気の前記噴出口における前記断面積が変化する
燃焼装置。
請求項１から４までの少なくとも一項に記載の燃焼装置において、
前記バーナタイルは、前記噴出口の周縁部に、前記主バーナと同一中心軸を有する少なくとも1本の環状溝部を備える
燃焼装置。
請求項２から５までの少なくとも一項に記載の燃焼装置において、
前記開度調節部は、前記外側に向けて末広がりな前記環状円盤の板に換わって、前記外側に向けてその厚さが次第に薄厚となる環状円盤部材である
燃焼装置。
請求項２から６までの少なくとも一項に記載の燃焼装置において、
前記開度調節部は、前記開度調節部における前記予混合気の下流面上に冷却用及び内部気体膨出用の開孔部を備える
燃焼装置。
請求項１から７までの少なくとも一項に記載の燃焼装置において、
前記保炎器の換わりに前記火炎を安定に維持調整するためのフレームホルダを備える
燃焼装置。
請求項１から８までの少なくとも一項に記載の燃焼装置において、
前記開度調節器の前記円芯筒と、前記保炎バーナの前記バーナガンと前記円筒筐体の配置位置は、前記火炎の燃焼状況に基づいてそれぞれ独立に自動調節可能である
燃焼装置。
請求項１から９までの少なくとも一項に記載の燃焼装置において、
さらに、追加燃料バーナを備え、
前記追加燃料バーナは、その中心軸が前記保炎バーナおよび前記主バーナの前記中心軸の外周部に位置するように配置される燃焼装置。
請求項１０に記載の燃焼装置において、
さらに、前記主バーナに送られる燃焼排ガスと前記追加燃料バーナに送られる燃焼排ガスとの分配量を制御する第一の分配器と、
前記主バーナに送られる燃焼空気と前記追加燃料バーナに送られる燃焼空気との分配量を制御する第二の分配器と
を具備する燃焼装置。
請求項１１に記載の燃焼装置において、
さらに、燃焼室から排出される前記保炎バーナと前記主バーナと前記追加バーナとによる燃焼排ガスを、前記主バーナおよび前記追加バーナの燃焼空気供給配管のそれぞれに送るための配管を備える
燃焼装置。
請求項１から１２までのいずれか一項に記載の燃焼装置を具備したボイラ。
主バーナと、前記主バーナと同一中心軸を有し、前記主バーナから噴出される予混合気の噴出速度を調節する開度調節器と、火炎を点火するための点火トーチと、前記火炎を安定に維持調整するための保炎器とを備えて前記主バーナの前記中心軸に沿って配置される保炎バーナとを具備する燃焼装置の燃焼方法であって、
前記開度調節器と、前記点火トーチの前記中心軸方向の位置と、前記保炎バーナとをそれぞれ独立に調節するステップを具備する
燃焼装置の燃焼方法。
請求項１４に記載の燃焼装置の燃焼方法において、
前記燃焼装置は、さらに追加燃料バーナを備え、前記主バーナに送られる燃焼ガスと前記追加燃料バーナに送られる燃料ガスとの分配量を制御する第一分配ステップと、
前記主バーナに送られる燃焼空気と前記追加燃料バーナに送られる燃焼空気との分配量を制御する第二分配ステップと
を具備する燃焼装置の燃焼方法。
請求項１５に記載の燃焼装置の燃焼方法において、
さらに、燃焼室から排出される前記保炎バーナと前記主バーナと前記追加バーナとによる燃焼排ガスを、前記主バーナおよび前記追加バーナの燃焼空気供給配管のそれぞれに送るためのステップを具備する燃焼装置の燃焼方法。