JP2007139323A - 燃料噴霧チップ、燃料燃焼装置および燃料燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液化ガス燃料の優れた燃焼安定性を実現できる燃料噴霧チップ、省コストかつ短い工事期間で、液化ガス燃料の優れた燃焼安定性を実現できる燃料燃焼装置、および、燃料燃焼方法を提供すること。
【解決手段】バーナに設けられるバーナチップ６Ｂは、チップ本体６１と、チップ本体６１に形成されたテーパ状の混合室６４と、この混合室６４に一端部がそれぞれ開口され、燃料流路と他端部がそれぞれ連通した少なくとも２つの噴射孔６２３とを備え、少なくとも２つの噴射孔６２３は、その軸芯に沿って形成される噴射軸が混合室６４内部において互いに交差している。これにより、各噴射孔６２３を介して噴射された液化・気化ＤＭＥは、噴射軸の交差点Ａで互いに衝突する。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料噴霧チップ、燃料燃焼装置および燃料燃焼方法に関する。詳しくは、液体燃料を噴射することで霧化し燃焼させる燃料噴霧チップ、燃料燃焼装置および燃料燃焼方法に関する。

従来、工場などでは、生産工程で使われる蒸気や暖房・給湯用の蒸気を作り出す熱源機器として、ボイラおよび加熱炉が稼動されている。ボイラおよび加熱炉は、液体燃料を噴射して燃焼させるバーナを備えており（例えば、特許文献１参照）、このバーナによる燃焼で発生される熱を利用して水を蒸発させ、蒸気を作り出すのである。
特許文献１に記載のバーナは、重油などの液体燃料を噴射するチップと、このチップの外周に開口し燃料空気を噴出する噴出口が形成されたテーパリングとを備えている。そして、特許文献１に記載のバーナは、燃焼空気とともに液体燃料をチップの噴出口から放射状に噴射する。すると、噴射された霧状の液体燃料は、周囲の空気を巻き込んで渦流を形成する。この渦流により、バーナの噴射孔付近に火炎が形成され、この火炎が種火の役目をして液体燃料の燃焼が引き起こされるのである。

ボイラおよび加熱炉での燃焼に用いられる燃料は、重油が主であったが、最近では、排気ガスのクリーン化の観点からガス体燃料に転換しつつある。ガス体燃料として、例えば、ジメチルエーテル（ＤＭＥ：Di-Methyl Ether）が挙げられる。ＤＭＥは、液化しやすいなどのハンドリング性も備えているため、今後、ボイラおよび加熱炉の主要燃料となることが予想される。このため、ボイラおよび加熱炉に対して、液化ガス燃料が利用可能なバーナを設備することが望まれている。

特開２００１−２６３６０９号公報（段落番号００２０〜００２１、図１〜２参照）

しかしながら、特許文献１に示されるような従来の重油用のバーナをガス体燃料利用可能な構造に改造するには、大規模な改造が必要となり、多大なコストを要する。
さらに、ガス体燃料を加圧して、特許文献１に記載の従来の重油用バーナに利用することも考えられる。しかし、特許文献１に記載のバーナでは、液化ガス燃料の圧力が高いことから、液化ガス燃料の噴射速度は、重油の噴射速度よりも大きくなる。このため、特許文献１に記載のバーナでは、液化ガス燃料が十分に空気へ巻き込まれず、バーナの噴射孔付近で形成される火炎が不安定で、安定的な燃焼が望めないという課題がある。

本発明の目的は、液化ガス燃料の優れた燃焼安定性を実現できる燃料噴霧チップ、省コストで、液化ガス燃料の優れた燃焼安定性を実現できる燃料燃焼装置、および、燃料燃焼方法を提供することである。

前記した目的を達するために、本発明の燃料噴霧チップは、液化ガス燃料を燃焼させるとともに燃料供給路が形成された燃料燃焼装置に設けられる燃料噴霧チップであって、チップ本体と、前記チップ本体に形成され前記燃料供給路から供給される液化ガス燃料を噴霧させる噴霧衝突手段とを備え、前記噴霧衝突手段は、少なくとも２箇所で噴霧させた液化ガス燃料同士を衝突させることを特徴とする。

液化ガス燃料として、例えば、液化ジメチルエーテル（ＤＭＥ：Di-Methyl Ether）が挙げられる。ＤＭＥのようなガス体燃料は、常温・常圧では気体として安定しているが、本発明では、ガス体燃料を加圧して液化させた液化ガス燃料を、燃焼用の燃料として用いる。

本発明によれば、燃料噴霧チップの噴霧衝突手段は、液化ガス燃料をチップ本体の少なくとも２箇所から噴射させる。このとき、液化ガス燃料は、減圧沸騰により噴霧状態で噴射される。さらに、噴霧衝突手段は、噴射させた液化ガス燃料同士を衝突させる。すると、霧化した液化ガス燃料の粒子は、衝突により互いの運動量を打ち消しあうので、衝突後の液化ガス燃料の速度は減速される。このため、衝突後の液化ガス燃料は、周囲の空気に巻き込まれやすくなり、液化ガス燃料と空気が十分に混合された空気渦を形成する。
また、液化ガス燃料同士を衝突させることにより、液化ガス燃料の粒子は散乱され、周囲の空気を巻き込みやすくなる。
このように、液化ガス燃料と空気が十分に混合された空気渦は、安定した火炎を形成しやすいため、この火炎を種火とする液化ガス燃料の燃焼が安定する。従って、本発明の燃料噴霧チップは、液化ガス燃料の優れた燃焼安定性を実現できる。

また、本発明の燃料噴霧チップは、ボイラおよび加熱炉等に配備された従来構造の燃料燃焼装置に装脱着可能に取り付けられて使用されるものである。すなわち、本発明の燃料噴霧チップを、重油を燃料とする燃料燃焼装置に取り付ければ、この燃料燃焼装置を用いて液化ガス燃料を安定的に燃焼させることができる。従って、本発明の燃料噴霧チップは、従来の重油用の燃料燃焼装置を、低コストかつ短い工事期間で、液化ガス燃料を安定的に燃焼させることのできる燃料燃焼装置に改造することができる。

本発明では、前記噴霧衝突手段は、前記チップ本体に形成された凹部と、この凹部に一端部がそれぞれ開口され前記燃料供給路と他端部がそれぞれ連通した少なくとも２つの噴射孔とを備え、前記少なくとも２つの噴射孔は、その軸芯に沿って形成される噴射軸が前記凹部側において互いに交差することが好ましい。

本発明によれば、噴霧衝突手段は、燃料供給路と連通した少なくとも２つの噴射孔を備え、この噴射孔の噴射軸は、凹部内において交差する。このため、各噴射孔を介して凹部内に噴射された液化ガス燃料は、各噴射軸に沿って飛び、噴射軸の交差点において互いに衝突することになる。従って、噴霧衝突手段は、比較的簡単な構成で、液化ガス燃料の噴射・衝突を実現することができる。

本発明では、前記各噴射孔の前記各噴射軸は、６０度以上１２０度以下の角度で互いに交差することを特徴とすることが好ましい。
本発明によれば、各噴射孔を介して噴射された液化ガス燃料は、６０度以上１２０度以下の角度で互いに衝突することになる。この角度で互いに衝突した液化ガス燃料は、衝突後、各噴射孔を結ぶ線に沿う方向の速度が打ち消され、さらに、各噴射孔を結ぶ線と直交する方向へ向かって減速されて射出される。

ここで、各噴射孔の噴射軸の交差角度が６０度より小さい場合、液化ガス燃料同士も６０度より小さい角度で衝突することになる。すると、衝突時において、各噴射孔を結ぶ線と直交する方向の液化ガス燃料の速度が大きすぎるため、この方向の減速効果が得られない。
一方、各噴射孔の噴射軸の交差角度が１２０度より大きい場合、液化ガス燃料同士も１２０度より大きい角度で衝突することになる。すると、衝突後に、各噴射孔を結ぶ線に直交する方向の液化ガス燃料の速度が不十分で、液化ガス燃料が凹部の内壁に衝突して霧化不良（液だれ）が発生しやすくなる。
これに対し、本発明のように、６０度以上１２０度以下の衝突角で液化ガス燃料同士を衝突させると、液化ガス燃料の速度を十分に減速させることができる。
従って、本発明の燃料噴霧チップは、より一層安定した火炎を形成することができ、液化ガス燃料の優れた燃焼安定性を実現できる。

本発明では、前記凹部は前記噴射孔の前記噴射軸の交差点を包囲する混合室を構成し、この混合室は、前記交差点に軸芯が一致するテーパ状に形成されていることが好ましい。
本発明によれば、混合室は、各噴射軸の交差点を軸芯とするテーパ状を有することから、混合室内部の気圧は、テーパ状の奥部から外部との開放部に向かって序々に低下し、開放部において炉内圧となる。従って、テーパ状の奥部で噴射された液化ガス燃料は、開放部に向かうにつれて緩やかに減圧されるので、液化ガス燃料の減圧沸騰による気化・膨張を緩やかに実行させることができる。従って、本発明の燃料噴霧チップは、噴射された液化ガス燃料が混合室の奥部で急激に気化・膨張することがないので、より一層安定した火炎を形成することができ、液化ガス燃料の優れた燃焼安定性を実現できる。

本発明では、前記テーパ状の混合室の前記軸芯に対する開き角は、１５度以上３０度以下であることが好ましい。
ここで、前記開き角が１５度より小さい場合、液化ガス燃料が混合室の内側面に干渉して霧化不良が発生しやすくなる。一方、前記開き角が３０度より大きい場合、混合室内部の気圧は、テーパ状の奥部から炉内圧に近くなってしまう。
これに対し、本発明のように、前記開き角を１５度以上３０度以下に設定すると、衝突により散乱した液化ガス燃料が混合室内面に干渉しにくくなる。さらに、混合室内部の気圧をテーパ状の奥部から外部との開放部へ向けて序々に低下させることができる。従って、本発明の燃料噴霧チップは、より一層安定した火炎を形成することができ、液化ガス燃料の優れた燃焼安定性を実現できる。

本発明では、前記噴射孔の個数をＮとし、前記噴射孔の孔径をＤ_ｎとし、前記混合室の前記軸芯に沿う長さをＬとすると、Ｌ^２／（Ｄ_ｎ ^２×Ｎ）≧１３０の関係式が成立することが好ましい。
本発明によれば、燃料噴霧チップは、噴射孔の個数Ｎ、噴射孔の孔径Ｄ_ｎ、および、混合室の軸芯に沿う長さをＬが、常に上式を成立させる寸法を有している。このように、噴射孔の個数Ｎおよび噴射孔の孔径Ｄ_ｎで表される液化ガス燃料の噴射規模に対し、混合室長さＬを相対的に適切な寸法に設定することにより、混合室が、液化ガス燃料の気化・膨張が緩やかに行われるための内部の気圧変化特性を達成することができる。従って、本発明の燃料噴霧チップは、より一層安定した火炎を形成することができ、液化ガス燃料の優れた燃焼安定性を実現できる。

本発明の燃料燃焼装置は、前述したいずれかの燃料噴霧チップを備えていることを特徴とする。
本発明によれば、燃料燃焼装置は、上述したように、液化ガス燃料の優れた燃焼安定性を実現することができ、さらに、液化ガス燃料を燃焼燃料とすることで、排気ガスに含まれるすすや硫黄酸化物等の大気汚染物質を低減し、クリーンな燃焼を行うことができる。

本発明の燃料燃焼方法は、燃料供給路が形成された燃料燃焼装置に設けられる燃料噴霧チップから液化ガス燃料を燃焼させる燃料燃焼方法であって、前記燃料供給路から供給される液化ガス燃料を噴霧させる噴霧衝突工程を備え、前記噴霧衝突工程では、この少なくとも２箇所で噴霧させた液化ガス燃料同士を衝突させることを特徴とする。
本発明の燃料燃焼方法によれば、上述したように、液化ガス燃料の優れた燃焼安定性を実現することができ、さらに、液化ガス燃料を燃焼燃料とすることで、排気ガスに含まれるすすや硫黄酸化物等の大気汚染物質を低減し、クリーンな燃焼を行うことができる。

本発明の実施形態を、図１〜図４を用いて説明する。
〔ボイラ５００の概略構成〕
図１は、本実施形態のボイラ５００の概略構成を説明するための模式図である。
ボイラ５００は、液体燃料を燃焼させ、この燃焼による熱で水を蒸発させて蒸気を発生させるための設備である。本実施形態のボイラ５００は、燃料としてジメチルエーテル（ＤＭＥ：Di-Methyl Ether）を液化させた液化ＤＭＥを用いている。
ボイラ５００は、図１に示すように、ボイラ本体１００と、燃料燃焼設備２００と、給水ポンプ３００とを備えている。
ボイラ本体１００は、内部に炉を有しており、この炉内で燃料の燃焼および水の伝熱が行われる。ボイラ本体１００は、内部で発生した蒸気を外部へ送り出すための蒸気送出パイプ１１０と、燃焼により生じた排気ガスを外部へ排出するための排気ガス排出パイプ１２０とを備えている。
給水ポンプ３００は、ボイラ本体１００へ水を供給させる。給水ポンプ３００は、給水タンク（図示略）からボイラ本体１００へ介されたパイプに設けられており、給水タンクから供給される水をボイラ本体１００へ圧入する。

燃料燃焼設備２００は、ボイラ本体１００内で液体燃料を燃焼させるための装置である。燃料燃焼設備２００は、図１に示すように、燃料貯蔵タンク２１０と、噴霧媒体貯蔵タンク２２０と、パイプ２３０と、燃料燃焼装置としてのバーナ１とを備える。
燃料貯蔵タンク２１０は、タンク内を加圧させる設備を備えており、この設備によって加圧させ液化させた液化ＤＭＥを貯蔵している。
噴霧媒体貯蔵タンク２２０は、噴霧媒体を貯蔵している。従来、バーナ１で重油燃焼を行う際には、噴霧媒体として圧縮空気を用いている。しかしながら、本実施形態では、液化ＤＭＥの燃焼に噴霧媒体を用いない。このため、本実施形態では、噴霧媒体貯蔵タンク２２０からバーナ１へ噴霧媒体は供給されない。
パイプ２３０は、燃料貯蔵タンク２１０からバーナ１へ配設されたパイプ２３０Ａと、噴霧媒体貯蔵タンク２２０からバーナ１へ配設されたパイプ２３０Ｂとを備えている。

バーナ１は、パイプ２３０Ａを介して燃料貯蔵タンク２１０から運搬された液化ＤＭＥを噴射して燃焼させる装置である。バーナ１は、図１に示すように棒状を有しており、ボイラ本体１００の炉側端部から液化ＤＭＥを噴射する。このボイラ本体１００の炉側端部では、バーナ１の一端が、ボイラ本体１００の炉壁に形成された開口を介してボイラ本体１００の炉内に引き込まれている。すなわち、バーナ１による液化ＤＭＥの燃焼は、ボイラ本体１００の炉内で行われる。

ボイラ本体１００では、給水ポンプ３００により圧入された水が、バーナ１による燃料の燃焼で発生される熱によって蒸発する。そして、水の蒸発により発生した蒸気は、蒸気送出パイプ１１０を介してタービン等の他設備へ送られる。さらに、燃料の燃焼により発生した排気ガスは、排気ガス排出パイプ１２０を介して外部、または、ガス浄化フィルタ等の他設備へ送られる。

〔バーナ１の構成〕
図２は、バーナ１の構成を示す断面図である。
バーナ１は、ボイラ本体１００の炉壁１０１と直交する姿勢で配置されている。そして、バーナ１の一端部は、前述したように、ボイラ本体１００の炉壁１０１に形成された開口１０２を介して、ボイラ本体１００の炉内へ引き込まれている。バーナ１は、バーナガン１１と、燃焼エアレジスタ２５１と、スロートリング２５２とを備えている。

このうち、燃焼エアレジスタ２５１は、燃焼空気量を調整する装置であり、一次燃焼エアレジスタ２５１１と、二次燃焼エアレジスタ２５１２とで構成される。
スロートリング２５２は、燃焼空気をバーナガン１１の先端に供給する筒体であり、バーナタイル２５４の中心を貫通して炉内に開口している。スロートリング２５２は、一次燃焼エアスロートリング２５２１と、二次燃焼エアスロートリング２５２２とで構成され、点火用パイロットバーナ２５３Ａおよび火炎検知器２５３Ｂを装備している。

〔バーナガン１１の構成〕
図３は、バーナガン１１の構成を説明するための断面図である。なお、図３において、液体・気体が流通する方向、すなわち、図３の左方から右方へ向かう向きを流れ方向とし、図３の左方を流れ前段側、右方を流れ後段側とする。
バーナガン１１は、ボディ部２と、ハンドル部３と、ネック部４と、ノズル部５と、バックプレート６Ａと、バーナチップ６Ｂと、キャップ７とを備えている。
ボディ部２には、パイプ２３０Ａを介して運搬された液化ＤＭＥが送入される。ボディ部２は、ボディ管２１と、第１送入室２２と、第２送入室２３と、仕切部２４とを備えている。
ボディ管２１は、流れ方向両端に開口２１１，２１２を有する管部材である。

第１送入室２２および第２送入室２３は、ボディ管２１の管内が、流れ方向中央において、仕切部２４によって流れ方向に直交する面で分割されることで形成される。
ボディ管２１内の流れ後段側に形成される第１送入室２２は、ボディ管２１側面を貫通する送入孔２２１を備えている。送入孔２２１には、パイプ２３０Ｂの端部に取り付けられた管路結合具２３０Ｃが嵌合される。これにより、パイプ２３０Ｂの流路と、第１送入室２２とが連通される。
なお、従来通り、バーナ１を用いて重油燃焼を行う際には、第１送入室２２には、噴霧媒体貯蔵タンク２２０からパイプ２３０Ｂを介して運搬された圧縮空気が送入される。
一方、ボディ管２１内の流れ前段側に形成される第２送入室２３は、ボディ管２１側面を貫通する送入孔２３１を備えている。送入孔２３１には、パイプ２３０Ａの端部に取り付けられた管路結合具２３０Ｃが嵌合される。これにより、パイプ２３０Ａの流路と、第２送入室２３とが連通される。すなわち、第２送入室２３には、燃料貯蔵タンク２１０からパイプ２３０Ａを介して運搬された液化ＤＭＥが送入される。

仕切部２４は、前述したように、流れ方向に直交する面に沿って、ボディ管２１内を２つの空間（第１送入室２２および第２送入室２３）に分割する。仕切部２４は、スリーブ２４１と、パッキン２４２と、パッキン押え２４３とを備えている。
スリーブ２４１は、ダクト２４４を有する略円筒形状部材であり、ダクト２４４の走行方向が流れ方向と平行になる姿勢で配置されている。スリーブ２４１の流れ前段側部は、略円筒形状の外径がボディ管２１の内径よりも小さくなる細管状になっており、流れ後段側端部は、略円筒形状の外径がボディ管２１の内径まで拡張するフランジ状になっている。
ダクト２４４の流れ後段側開口には、後述するインナーパイプ４２の端部が嵌合される。
パッキン２４２は、スリーブ２４１の細管状の流れ前段側部に嵌合する環状部材である。パッキン２４２は、スリーブ２４１の流れ前段側部の外側面およびボディ管２１内側面の間の隙間を密封する。

パッキン押え２４３は、スリーブ２４１の細管状の流れ前段側部に嵌合する環状部材である。パッキン押え２４３は、スリーブ２４１のフランジ状の流れ後段側端部を、パッキン２４２を介して流れ後段側へ向かって付勢している。
このように、スリーブ２４１の流れ後段側端部、および、パッキン押え２４３の付勢により、仕切部２４は、ボディ管２１内で固定される。

ハンドル部３は、バーナガン１１の配置や流れ方向を変更する際に操作される。ハンドル部３は、プラグ３１と、ハンドルピン３２と、ハンドル３３とを備えている。
プラグ３１は、ボディ管２１の流れ前段側の開口２１２に螺合され、第２送入室２３の流れ前段側を密閉している。
ハンドルピン３２は、プラグ３１から流れ後段側へ向かって伸びる軸部材である。そして、このハンドルピン３２の周囲には、ハンドルピン３２を螺旋軸として螺旋状に伸びるハンドル３３が取り付けられている。

ネック部４は、流れ方向に伸びる棒状を有し、ボディ部２に送入された液化ＤＭＥを、後述するノズル部５およびバックプレート６Ａを介して、バーナチップ６Ｂまで流通させる。
ネック部４は、流れ方向に沿って伸びるアウターパイプ４１およびインナーパイプ４２を備える。
アウターパイプ４１の流れ前段側端部は、ボディ管２１の開口２１１に環状部材を介して嵌合されている。すなわち、アウターパイプ４１の管路は、第１送入室２２と連通している。一方、アウターパイプ４１の流れ後段側端部は、ノズル部５に接続されている。

インナーパイプ４２は、アウターパイプ４１の管路内に円筒軸に沿って挿通されている。インナーパイプ４２の流れ前段側端部は、第１送入室２２内部へと伸びて、スリーブ２４１のダクト２４４の流れ後段側開口に嵌合されている。すなわち、インナーパイプ４２の管路は、ダクト２４４を介して第２送入室２３と連通しており、第２送入室２３内の液化ＤＭＥが流入する燃料流路４４となる。このように、液化ＤＭＥの流路をネック部４の内側の流路４４とすることにより、外部からの入熱による液化ＤＭＥの蒸発を防止することができる。一方、インナーパイプ４２の流れ後段側端部は、アウターパイプ４１の流れ後段側端部付近まで伸びている。

アウターパイプ４１の管内にインナーパイプ４２が挿通されていることから、アウターパイプ４１内面面およびインナーパイプ４２外面面の間には、流れ方向に直交する断面が環状を有する流路４３が形成される。前述したように、アウターパイプ４１の管路が第１送入室２２と連通していることから、この流路４３は、第１送入室２２内の流体が流入する流路となる。なお、バーナ１を用いて重油燃焼を行う際には、当該流路４３は、圧縮空気や蒸気等が流通される噴霧媒体流路となる。
しかし、本実施形態では、前述したように噴霧媒体を用いないため、流路４３に流体の流れはない。本実施形態では、流路４３は、外部からの熱を遮断する断熱層となり、燃料流路４４を流通する液化ＤＭＥの気化を防止している。

ノズル部５は、ネック部４内の燃料流路４４を流通する液化ＤＭＥを、噴射に適した流量および圧力に調節し、バックプレート６Ａへ送り出す。
ノズル部５は、流れ方向に沿って伸びるアウターパイプ５１およびインナーパイプ５２とを備えている。
アウターパイプ５１は、流れ前段側縁部に形成される嵌合縁部５１１と、胴部５１２と、流れ後段側端部に形成される螺設部５１３とを備えている。
嵌合縁部５１１は、パイプ外径が胴部５１２と比べて小さくなっており、アウターパイプ４１の流れ後段側端部に嵌合される。これにより、アウターパイプ５１の管路は、流路４３と連通される。
螺設部５１３は、パイプ外径が胴部５１２と比べて小さくなっており、外側面には流れ方向に伸びるねじ山が形成されている。

インナーパイプ５２は、小径パイプ部５２１と、小径パイプ部５２１よりもパイプ内径が大きい大径パイプ部５２２とを備えている。
小径パイプ部５２１は、インナーパイプ４２の流れ後段側端に、継手５２３を介して接続されている。これにより、インナーパイプ５２の管路は、燃料流路４４と連通され液化ＤＭＥが流通される。
大径パイプ部５２２は、小径パイプ部５２１の流れ後段側に形成される。
アウターパイプ５１および大径パイプ部５２２の各流れ後段側端には、バックプレート６Ａの流れ前段側端面が当接される。

キャップ７は、ノズル部５の流れ後段側端に、後述するバックプレート６Ａおよびバーナチップ６Ｂを取り付けて固定するための部材である。
キャップ７は、ノズル部５とほぼ同等のパイプ外径を有する円筒形状部材であり、その円筒軸が流れ方向と平行になるように配置される。キャップ７の流れ前段側の筒内側面には、流れ方向に伸びるねじ山が形成されている。一方、筒内面の流れ後段側は、バーナチップ６Ｂの外形に沿う形状に形成されている。
キャップ７は、図３に示すように、筒内の流れ後段側にバーナチップ６Ｂおよびバックプレート６Ａを嵌合させた状態で、流れ前段側の筒内側面のねじ山が、螺設部５１３のねじ山に螺合される。すると、バーナチップ６Ｂが、バックプレート６Ａを介してノズル部５の流れ後段側端に固定される。

図４（Ａ）は、バックプレート６Ａの流れ方向に沿う断面図である。図４（Ｂ）は、バーナチップ６Ｂの流れ方向に沿う断面図である。なお、図４は、図３と同様に、左方から右方へ向かう向きを流れ方向とし、図４の左方を流れ前段側、右方を流れ後段側とする。
ノズル部５（図３）では、インナーパイプ５２の管路を液化ＤＭＥが流通するが、バーナチップ６Ｂでは、流れ前段側端面において燃料流路はアウター側になる。このため、ノズル部５およびバーナチップ６Ｂの間にバックプレート６Ａを介在させ、液化ＤＭＥの流路をインナー側からアウター側へ変換する。
前述したように、本実施形態では、噴霧媒体は用いられないが、本実施形態のバーナガン１１およびバックプレート６Ａは、従来の重油燃焼の際にも使用される。このため、バックプレート６Ａには、噴霧媒体の流路も設けられている。

バックプレート６Ａは、図４（Ａ）に示すように、流れ方向に沿う円柱軸を有する円柱部材であり、入口部６１Ａと、出口部６２Ａと、内外変換路６３Ａと、外内変換路６４Ａとを備えている。
入口部６１Ａは、それぞれバックプレート６Ａの流れ前段側端面に開口された内側入口６１１Ａ、および、環状の外側入口６１２Ａとを備えている。このうち、内側入口６１１Ａは、インナーパイプ５２（図３）の管路と連通される。
出口部６２Ａは、それぞれバックプレート６Ａの流れ後段側端面に開口された内側出口６２１Ａ、および、環状の外側出口６２２Ａとを備えている。
内外変換路６３Ａは、内側入口６１１Ａから外側出口６２２Ａへ向かって形成された流路である。これにより、インナーパイプ５２から内側入口６１１Ａへ流入された液化ＤＭＥは、内外変換路６３Ａを介して外側出口６２２Ａへ流出される。
一方、外内変換路６４Ａは、外側入口６１２Ａから内側出口６２１Ａへ向かって形成された流路である。
なお、第２送入室２３、ダクト２４４、燃料流路４４、インナーパイプ５２および内外変換路６３Ａは、本発明の燃料供給路に相当する。

〔バーナチップ６Ｂの構成〕
バーナチップ６Ｂでは、バックプレート６Ａから流入された液化ＤＭＥを、ボイラ本体１００（図１）の炉内へ噴射する。すると、液化・気化ＤＭＥが、燃焼エアと混合されて火種が形成され、ＤＭＥの燃焼が生じる。バーナチップ６Ｂは、本発明の燃料噴霧チップに相当する。
バーナチップ６Ｂは、前述したように、キャップ７（図３）によってバックプレート６Ａの流れ後段側端面に固定され、その流れ後段側端が、キャップ７の流れ後段側の開口７１から外部へ露出される。
バーナチップ６Ｂは、図４（Ｂ）に示すように、噴霧衝突手段としてのチップ本体６１と、このチップ本体６１にそれぞれ形成された燃料流路６２、および、混合室６４とを備えている。

チップ本体６１は、円柱部材であり、その円柱軸が流れ方向と平行に配置されている。チップ本体６１の流れ前段側の円周外側面は、流れ後段側よりも外側へ膨出している。前述したように、チップ本体６１の流れ前段側端面６１１は、バックプレート６Ａの流れ後段端面に当接される。
混合室６４は、チップ本体６１の重心付近から流れ後段側端面６１２に向かって形成され、流れ後段側端面６１２に開口６４１を備えている。混合室６４の流れ方向と直交する断面は、チップ本体６１の円柱軸を中心とする円形であり、流れ方向に向かうにつれて拡張される。すなわち、混合室６４は、チップ本体６１の円柱軸を軸心とする略円錐状に形成されている。
混合室６４の内部では、チップ本体６１から液体ＤＭＥが噴射され、炉内においてＤＭＥおよび燃焼エアの混合、および、ＤＭＥの燃焼が行われる。
なお、本実施形態では、軸心に対する混合室６４の内側面の開き角（テーパ角θ）は２０度、混合室６４の流れ方向長さ（混合室長さＬ）は１０ｍｍである。

燃料流路６２は、バックプレート６Ａから流入される液化ＤＭＥを混合室６４へ供給する。
燃料流路６２は、チップ本体６１内部に形成され、塞止溝６２１と、複数本の傾斜ダクト６２２とを備えている。
塞止溝６２１は、流れ前段側端面６１１から流れ方向に陥設された環状溝であり、この環状は、バックプレート６Ａの外側出口６２２Ａと連通している。すなわち、液化ＤＭＥは、バックプレート６Ａの外側出口６２２Ａから塞止溝６２１へ流入され、塞止溝６２１の溝底面で流れが塞き止められる。

複数本の傾斜ダクト６２２は、この塞止溝６２１で塞き止められた液化ＤＭＥを混合室６４まで流通させる。傾斜ダクト６２２は、塞止溝６２１の溝底面に形成された連通孔６２２Ｂと、混合室６４の円錐状内側面に端部が開口された噴射孔６２３とを備えている。これら複数本の傾斜ダクト６２２は、図４（Ｂ）に示すように、各ダクトの軸線が、混合室６４内部の軸心上で互いに交差する姿勢を有している。なお、各傾斜ダクト６２２の軸線が流れ方向になす角度は、いずれも同一である。
本実施形態では、２本の傾斜ダクト６２２が形成されており、これら２本の傾斜ダクト６２２は、流れ方向に沿う同一平面上に形成されている。すなわち、２本の傾斜ダクト６２２は、混合室６４の軸心を対称軸として対称となる位置に配置されている。

複数の噴射孔６２３を介して、傾斜ダクト６２２を流通してきた液化ＤＭＥが混合室６４内部へ噴射される。複数の噴射孔６２３は、混合室６４の流れ前段側の内側面に、軸芯を中心とする同一円周上に配列している。

前述したように、２本の傾斜ダクト６２２が、流れ方向に向かうにつれて混合室６４の軸心に近づく姿勢で形成されていることから、各傾斜ダクト６２２の噴射孔６２３から噴射されるＤＭＥの噴射軸Ｓは、混合室６４内で交差する。すなわち、各噴射孔６２３から噴射されたＤＭＥは、噴射軸Ｓの交差点（衝突点Ａ）で衝突することになる。
なお、本実施形態では、この２本の噴射軸Ｓの交差角（衝突角α）は９０度である。
また、２つの噴射孔６２３から噴射された液化ＤＭＥの液滴は、噴射直後から減圧沸騰を起こして気化・膨張し始め、全体として霧状態を呈している。

〔バーナチップ６Ｂの作用〕
次に、バーナチップ６Ｂによる液化ＤＭＥの噴射および燃焼について説明する。
まず、チップ本体６１の流れ前段側端面６１１において、液化ＤＭＥがバックプレート６Ａの外側出口６２２Ａから塞止溝６２１へ流入される。そして、液化ＤＭＥは、塞止溝６２１から２本の傾斜ダクト６２２へ流入する。このとき、傾斜ダクト６２２が塞止溝６２１よりも細い径を有するため、液化ＤＭＥは、各傾斜ダクト６２２に均一配分される。そして、均一配分された液化ＤＭＥは、２つの噴射孔６２３から混合室６４内へ噴射される。

２つの噴射孔６２３から噴射されたＤＭＥは、それぞれ、各噴射孔６２３の噴射軸Ｓに沿って飛び、衝突点Ａで衝突する。衝突したＤＭＥは、衝突点Ａから流れ前段側へ向かいながら散乱するが、衝突により互いの運動量を相殺し合っているので、各粒子の流速は噴射時と比べて低減される。

衝突後、霧状態のＤＭＥは、散乱しながら流れ後段側へ移動し始める。
さらに、混合室６４は、流れ後段側に向かうにつれて広がるテーパ状を有しているため、混合室６４内の気圧は、流れ後段側に向かって序々に低下し、開口６４１付近で炉内圧となる。このため、減圧沸騰により気化された気化ＤＭＥは、開口６４１に近づくにつれて緩やかに膨張していく。

このように混合室６４内部で散乱されたＤＭＥは、混合室６４内部を開口６４１へ向かって移動する。このとき、ＤＭＥの流速が減速されていることから、ＤＭＥは、燃焼エアに十分に巻き込まれ、ＤＭＥおよび燃焼エアが混合された渦流を形成する。この渦流の形成により火炎が発生し、この火炎を種火としてＤＭＥの燃焼が行われる。火炎は、ＤＭＥの流れに沿って、混合室６４の開口６４１から流れ後段側に向かって伸びる。そして、ＤＭＥを各噴射孔６２３から噴射し続けることによって、安定的な燃焼が維持される。

〔実施例〕
本実施形態のバーナチップ６Ｂおよび従来型のバーナチップをそれぞれバーナガン１１に取り付け、同一の燃焼条件で液化ＤＭＥの燃焼実験を行った。この実験結果および燃焼条件を、表１および表２に示す。表１は、空気比を１．４で一定に維持したまま負荷を変えた際に、それぞれのバーナガン１１で形成される火炎の様態を比較したものである。表２は、負荷を５０％に一定に維持したまま空気比を変えた際に、それぞれのバーナガン１１で形成される火炎の様態を比較したものである。
なお、この燃焼実験では、噴射孔６２３の数Ｎは３つであり、噴射孔６２３の孔径Ｄ_ｎは、０．３ｍｍである。

表１に示すように、本実施形態のバーナチップ６Ｂを用いた燃焼では、従来型のバーナチップを用いた燃焼と比べ、負荷が小さい場合でも安定した火炎が形成される。一方、従来型のバーナチップは、負荷が４０〜８０％では安定した火炎が形成されない。
表２に示すように、本実施形態のバーナチップ６Ｂを用いた燃焼では、従来型のバーナチップを用いた燃焼と比べ、空気比が小さい場合でも安定した火炎が形成される。一方、従来型のバーナチップは、空気比が１．０〜１．４では安定した火炎が形成されない。
このように、本実施形態のバーナチップ６Ｂは、従来型と比べ安定した火炎を形成することができ、液化ＤＭＥを良好に燃焼させることができる。

次に、各部位の寸法（衝突角α度、テーパ角θ度、混合室長さＬｍｍ）が異なる複数のバーナチップ６Ｂを用いて、同一の燃焼条件で液化ＤＭＥの燃焼実験を行い、噴射されたＤＭＥの減速効果を比較した。この実験結果および燃焼条件を、表３示す。
なお、この燃焼実験では、噴射孔６２３の個数Ｎは２つであり、噴射孔６２３の孔径Ｄ_ｎは、０．５ｍｍである。

表３から、衝突角αが９０度、テーパ角θが２０度、混合室長さＬが１０ｍｍの際に、液化ＤＭＥの減速効果が最も大きく、これら寸法が良好な減速効果を達成するための最適条件であることが分かる。すなわち、これらの寸法で形成されたバーナチップ６Ｂは、液化ＤＭＥの安定した燃焼を実現することができる。
なお、さらなる実験結果によると、衝突角αは６０度以上１２０度以下であることが好ましい。これは、衝突角αが上記範囲より大きい場合では、衝突後に、流れ方向と交差する方向の液化ＤＭＥの流速が十分に減速されず、液化ＤＭＥが混合室６４内側面に衝突して霧化不良（液だれ）が発生しやすくなるためである。一方、衝突角αが上記範囲より小さい場合では、液化ＤＭＥの流れ方向の流速が大きく、流れ方向の減速効果が得られないためである。

また、テーパ角θは１５度以上３０度以下であることが好ましい。これは、テーパ角θが上記角度よりも小さい場合、液化ＤＭＥが混合室６４内側面に干渉して霧化不良が発生しやすくなるためである。一方、テーパ角θが上記角度よりも大きい場合、混合室６４内部の気圧が炉内圧に近くなり、液化ＤＭＥの緩やかな膨張特性を得られないためである。

さらに、混合室長さＬは、噴射孔６２３の孔径Ｄ_ｎ、噴射孔６２３の個数Ｎを用いて、次の式（１）の関係を満たす値であることが好ましい。
Ｌ^２／（Ｄ_ｎ ^２×Ｎ）≧１３０ ・・・（式１）
これは、噴射孔６２３の孔径Ｄ_ｎおよび個数Ｎで表される液化ＤＭＥ噴の噴射規模と比べて、混合室長さＬが相対的に小さい場合、混合室６４は、液化ＤＭＥの気化・膨張が緩やかに行われるための内部の気圧変化特性を達成できないためである。

〔バーナチップ６Ｂおよびバーナガン１１による効果〕
本実施形態によれば、バーナチップ６Ｂは、液化ＤＭＥをチップ本体６１の少なくとも２箇所から噴射させる。このとき、液化ＤＭＥは、減圧沸騰により噴霧状態で噴射される。さらに、バーナチップ６Ｂは、噴射させた液化ＤＭＥ同士を衝突させる。すると、霧状態の液化ＤＭＥの粒子は、衝突により互いの運動量を打ち消しあうので、衝突後の液化ＤＭＥの速度は減速される。このため、衝突後の液化・気化ＤＭＥは、周囲の燃焼エアに巻き込まれやすくなり、液化ＤＭＥと空気が十分に混合された空気渦を形成する。
また、液化ＤＭＥ同士を衝突させることにより、液化・気化ＤＭＥの粒子は散乱され、周囲の燃焼エアに巻き込まれやすくなる。
このように、液化ＤＭＥと空気が十分に混合された空気渦は、安定した火炎を形成しやすいため、この火炎を種火とする液化ＤＭＥの燃焼が安定する。従って、本実施形態のバーナチップ６Ｂは、液化ＤＭＥの優れた燃焼安定性を実現できる。

また、本実施形態のバーナチップ６Ｂは、ボイラ５００および加熱炉等に配備されたバーナに装脱着可能に取り付けられて使用されるものである。すなわち、本実施形態のバーナチップ６Ｂを、重油を燃料とするバーナに取り付ければ、このバーナを用いて液化ＤＭＥを安定的に燃焼させることができる。従って、本実施形態のバーナチップ６Ｂは、従来の重油用のバーナを、低コストかつ短い工事期間で、液化ＤＭＥを安定的に燃焼させることのできるバーナに改造することができる。

本実施形態によれば、チップ本体６１に形成された混合室６４で、液化ＤＭＥの噴射および衝突が行われるので、噴射・衝突により散乱される液化ＤＭＥが、チップ本体６１の前方に飛び散ることなく一箇所に集在させることができる。
さらに、バーナチップ６Ｂは、バックプレート６Ａの外側出口６２２Ａと連通された少なくとも２つの噴射孔６２３を備え、この噴射孔６２３の噴射軸Ｓは、混合室６４内において交差する。このため、各噴射孔６２３を介して混合室６４内に噴射された液化ＤＭＥは、各噴射軸Ｓに沿って飛び、噴射軸Ｓの交差点Ａにおいて互いに衝突することになる。従って、バーナチップ６Ｂは、比較的簡単な構成で、液化ＤＭＥの噴射・衝突を実現することができる。

さらに、本実施形態によれば、各噴射孔６２３を介して噴射された液化ＤＭＥは、６０度以上１２０度以下の角度で互いに衝突することになる。６０度以上１２０度以下の衝突角で液化ＤＭＥ同士を衝突させると、液化ＤＭＥの速度を十分に減速させることができ、さらに、液化ＤＭＥが大きく散乱されることがないので液化ＤＭＥを混合室内面に干渉しにくくさせることができる。従って、本実施形態のバーナチップ６Ｂは、より一層安定した火炎を形成することができ、液化ＤＭＥの優れた燃焼安定性を実現できる。

そして、本実施形態によれば、混合室６４は、各噴射軸Ｓの交差点を軸芯とするテーパ状を有することから、混合室６４内部の気圧は、テーパ状の奥部から外部との開放部に向かって序々に低下し、開放部において炉内圧となる。従って、テーパ状の奥部で噴射された液化ＤＭＥは、開放部に向かうにつれて緩やかに減圧されるので、液化ＤＭＥの減圧沸騰による気化・膨張を緩やかに実行させることができる。従って、本実施形態のバーナチップ６Ｂは、噴射された液化ＤＭＥが混合室６４の奥部で急激に気化・膨張することがないので、より一層安定した火炎を形成することができ、液化ＤＭＥの優れた燃焼安定性を実現できる。

軸芯に対するテーパ状の混合室６４の開き角を、１５度以上３０度以下に設定すると、衝突により散乱した液化ＤＭＥが混合室６４内面に干渉しにくくなり、また、混合室６４内部の気圧をテーパ状の奥部から外部との開放部へ向けて序々に低下させることができる。従って、本実施形態のバーナチップ６Ｂは、より一層安定した火炎を形成することができ、液化ＤＭＥの優れた燃焼安定性を実現できる。

また、本実施形態によれば、バーナチップ６Ｂは、噴射孔６２３の個数Ｎ、噴射孔６２３の孔径Ｄ_ｎ、および、混合室６４の軸芯に沿う長さをＬが、常に上式を成立させる寸法を有している。このように、噴射孔６２３の個数Ｎおよび噴射孔６２３の孔径Ｄ_ｎで表される液化ＤＭＥの噴射規模に対し、混合室６４長さＬを相対的に適切な寸法に設定することにより、混合室６４が、液化ＤＭＥの気化・膨張が緩やかに行われるための内部の気圧変化特性を達成することができる。従って、本実施形態のバーナチップ６Ｂは、より一層安定した火炎を形成することができ、液化ＤＭＥの優れた燃焼安定性を実現できる。

本実施形態のバーナガン１１は、上述したように、液化ＤＭＥの優れた燃焼安定性を実現することができ、さらに、液化ＤＭＥを燃焼燃料とすることで、排気ガスに含まれるすすや硫黄酸化物等の大気汚染物質を低減し、クリーンな燃焼を行うことができる。
本実施形態の燃料燃焼方法によれば、上述したように、液化ＤＭＥの優れた燃焼安定性を実現することができ、さらに、液化ＤＭＥを燃焼燃料とすることで、排気ガスに含まれるすすや硫黄酸化物等の大気汚染物質を低減し、クリーンな燃焼を行うことができる。

〔前記実施形態の変形〕
本発明を実施するための最良の構成などは、以上の記載で開示されているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、前記実施形態は、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部若しくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、混合室６４は、流れ方向に向かって広がる円錐状であるとしたが、本発明では、混合室６４は、噴射孔６２３から開口６４１へ向かって序々に気圧が低下する気圧変化特性を達成可能な形状を有していればよく、例えば、流れ方向に沿う断面が略半楕円形状であってもよい。
本発明は、傾斜ダクト６２２および噴射孔６２３の数を限定するものではなく、複数個の噴射孔６２３の噴射軸が混合室６４内で交差していればよい。
前記実施形態では、バーナチップ６Ｂおよびバーナチップ６Ｂが取り付けられた、ボイラ５００に設けられたバーナガン１１およびバーナガン１１に取り付けられたバーナチップ６Ｂを取り上げたが、本発明では、バーナガン１１およびバーナチップ６Ｂを、例えば、加熱炉等に用いてもよい。

本発明は、ボイラおよび加熱炉等での燃料燃焼に用いられる燃料噴霧チップ、燃料燃焼装置、および、燃料燃焼方法に利用することができる。

本発明の一実施形態に係るボイラの概略構成を示す模式図。 前記実施形態に係るバーナの構成を示す模式断面図。 前記実施形態に係るバーナガンの構成を示す断面図。 前記実施形態に係るバックプレート（Ａ）およびバーナチップ（Ｂ）の構成を示す断面図。

符号の説明

１…バーナ
１１…バーナガン
２３…第２送入室
２４４…ダクト
４４…燃料流路
５２…インナーパイプ
６Ｂ…バーナチップ
６１…チップ本体
６２…燃料流路
６２２…傾斜ダクト
６２３…噴射孔
６４…混合室
６４１…開口
Ａ…衝突点
Ｄ_ｎ…噴射孔の孔径
Ｎ…噴射孔の個数
Ｓ…噴射軸
α…衝突角（交差角）
θ…テーパ角

Claims (8)

1. 液化ガス燃料を燃焼させるとともに燃料供給路が形成された燃料燃焼装置に設けられる燃料噴霧チップであって、
   チップ本体と、前記チップ本体に形成され前記燃料供給路から供給される液化ガス燃料を噴霧させる噴霧衝突手段とを備え、
   前記噴霧衝突手段は、少なくとも２箇所で噴霧させた液化ガス燃料同士を衝突させることを特徴とする燃料噴霧チップ。
2. 請求項１に記載の燃料噴霧チップにおいて、
   前記噴霧衝突手段は、前記チップ本体に形成された凹部と、この凹部に一端部がそれぞれ開口され前記燃料供給路と他端部がそれぞれ連通した少なくとも２つの噴射孔とを備え、
   前記少なくとも２つの噴射孔は、その軸芯に沿って形成される噴射軸が前記凹部側において互いに交差することを特徴とする燃料噴霧チップ。
3. 請求項２に記載の燃料噴霧チップにおいて、
   前記各噴射孔の前記各噴射軸は、６０度以上１２０度以下の角度で互いに交差することを特徴とする燃料噴霧チップ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料噴霧チップにおいて、
   前記凹部は前記噴射孔の前記噴射軸の交差点を包囲する混合室を構成し、この混合室は、前記交差点に軸芯が一致するテーパ状に形成されていることを特徴とする燃料噴霧チップ。
5. 請求項４に記載の燃料噴霧チップにおいて、
   前記テーパ状の混合室の前記軸芯に対する開き角は、１５度以上３０度以下であることを特徴とする燃料噴霧チップ。
6. 請求項４または請求項５のいずれかに記載の燃料噴霧チップにおいて、
   前記噴射孔の個数をＮとし、
   前記噴射孔の孔径をＤ_ｎとし、
   前記混合室の前記軸芯に沿う長さをＬとすると、
   Ｌ^２／（Ｄ_ｎ ^２×Ｎ）≧１３０の関係式が成立することを特徴とする燃料噴霧チップ。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載の燃料噴霧チップを備えたことを特徴とする燃料燃焼装置。
8. 燃料供給路が形成された燃料燃焼装置に設けられる燃料噴霧チップから液化ガス燃料を燃焼させる燃料燃焼方法であって、前記燃料供給路から供給される液化ガス燃料を噴霧させる噴霧衝突工程を備え、
   前記噴霧衝突工程では、この少なくとも２箇所で噴霧させた液化ガス燃料同士を衝突させることを特徴とする燃料燃焼方法。

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