JP2008122048A - バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘを低減できるとともに、低燃焼かつ低空気比運転時において、振動燃焼が生じることを抑制できるバーナを提供すること。
【解決手段】主空気噴流口１５より下流側には、安定着火領域形成手段２２が設けられている。安定着火領域形成手段２２は、各主空気噴流口１５から噴流する燃焼空気の流れを燃焼速度より遅くし、火炎の安定的な着火源となる安定着火領域を形成する。火炎の安定的な着火源となる安定着火領域が形成されるので、火炎全体を安定化できるとともに、火炎における着火点（火炎面）の振動を低減できて振動燃焼を抑制できる。従って、低燃焼かつ低空気比運転を行うことができるので、排ガス量を低減して熱効率を向上でき、省エネルギー化を推進できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バーナに係り、主として小型のボイラ等に使用される油焚き式のバーナに関する。

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Ｎ_２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、(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、油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、複数個の油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。
特許文献１に記載のバーナは、油ノズルと、当該油ノズルを中心とした周方向に沿って複数設けられた空気ノズルとを備えて構成されている。この特許文献１に記載のバーナでは、油ノズルから燃料が噴霧されるとともに、油ノズルの周囲に配置された空気ノズルから燃焼空気が噴流して火炎が形成される。この際、火炎の着火点（火炎面）は、当該火炎の燃焼速度と、空気ノズルから噴流する燃焼空気の流速とが釣り合った位置に形成される。

特許第３５２７４５６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のバーナでは、低燃焼運転時において、低空気比運転を行った場合、燃焼室の構造や空気ノズルから噴流する燃焼空気の流速等により、この着火点の位置が安定せずに振動してしまういわゆる振動燃焼が生じる場合がある。振動燃焼が生じると、燃焼室内の圧力が変動し、これによりバーナが振動して騒音が生じるおそれがある。従って、従来、低燃焼運転時では、振動燃焼が生じることを抑えるため、空気比を高く設定して運転しており、排ガス量が増加して熱効率が低下してしまうという問題があった。

本発明の目的は、ＮＯｘを低減できるとともに、低燃焼かつ低空気比運転時において、振動燃焼が生じることを抑制できるバーナを提供することにある。

請求項１のバーナは、先端側から燃料を噴霧する油ノズルと、燃料供給下流側に開口部を有して前記油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は主空気噴流口が形成され、前記内筒部材の内部は、供給される燃焼空気から遮断されるか、または、小孔を介して前記燃焼空気の一部が流入可能に設けられたバーナであって、前記各主空気噴流口より下流側には、前記各主空気噴流口から噴流する燃焼空気の流れを燃焼速度より遅くし、火炎の安定的な着火源となる安定着火領域を形成する安定着火領域形成手段が設けられていることを特徴とする。

このような構成では、主空気噴流口を複数設けることで、火炎分割効果が得られ、ＮＯｘの発生が抑制される。また、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る。これによってもＮＯｘの発生が減少する。

さらに、各主空気噴流口より下流側には、安定着火領域形成手段が設けられ、前記各主空気噴流口から噴流する燃焼空気の流れを燃焼速度より遅くし、火炎の安定的な着火源となる安定着火領域が形成されるので、火炎全体を安定化でき、火炎における着火点（火炎面）の振動を低減できて振動燃焼を抑制できる。従って、低燃焼かつ低空気比運転を行うことができるので、排ガス量を低減でき、熱効率を向上できて省エネルギー化を推進できる。

請求項２のバーナは、前記安定着火領域形成手段は、複数の前記空気ノズルの配置位置に対応して環状に設けられていることを特徴とする。
このような構成では、複数の空気ノズルの各主空気噴流口から噴流する高速の燃焼空気の一部が、確実に安定着火領域形成手段に当たり、安定着火領域形成手段の後方（下流側）に、安定的に再循環領域（渦）が形成される。この再循環領域における燃焼空気の速度は、燃焼速度より遅くなるので、当該再循環領域（渦）が火炎の安定的な着火源となり、火炎全体を安定化させる。従って、低燃焼かつ低空気比運転時において、火炎における着火点（火炎面）の振動を低減でき、振動燃焼を確実に抑制できる。

請求項３のバーナは、前記空気ノズルの外周側には、これらの空気ノズルを当該外筒部材の周方向に沿って覆う環状部材が設けられ、前記安定着火領域形成手段は、前記環状部材と一体に形成され、かつ、前記環状部材の内周面から内側に向かって突出していることを特徴とする。
このような構成では、環状部材は、内周面に当該内周面から内側に向かって突出する安定着火領域形成手段が形成された筒状に設けられるだけでよいので、複雑な構造が不要であり、製造コストを安価にできる。
また、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するので、排ガス再循環燃焼効果を向上させることができる。
そのうえ、噴霧燃料を環状部材によって案内するので、未燃燃料の排出を防止できる。従って、燃焼室のバーナと対向する側（バーナの下流側）に排気口が設けられた順流燃焼形式、燃焼室の側方に排気口が設けられたωフロー燃焼形式、および燃焼室のバーナ側に排気口が設けられた反転燃焼形式などの燃焼形式の違いによる外部条件の影響を受けることなく、良好な燃焼性の確保ができ、低ＮＯｘ化とともに、低ＣＯ化、および低煤塵化を促進できる。

請求項４のバーナは、前記環状部材の半径をＲ、前記安定着火領域形成手段の前記環状部材からの高さをＨとした時、Ｈ／Ｒ×１００は、２．０以上、２７．０以下であることを特徴とする。
このような構成では、環状部材の半径Ｒ、および安定着火領域形成手段の環状部材からの高さＨによるＨ／Ｒ×１００の値を２．０以上、２７．０以下にすることで、安定着火領域形成手段が主空気噴流口から噴流する燃焼空気の流れの妨げとなることを防止でき、排ガス再循環燃焼効果を確実に得ることができる。
ここで、環状部材の半径Ｒ、安定着火領域形成手段の環状部材からの高さＨによるＨ／Ｒ×１００の値が２．０以下になると、安定着火領域形成手段の後方に安定して再循環領域が形成されなくなり、火炎における着火点（火炎面）の振動が大きくなってバーナの振動が増大する。また、Ｈ／Ｒ×１００の値が２７．０以上になると、安定着火領域形成手段が主空気噴流口から噴流する燃焼空気の流れを妨げるので、排ガス再循環燃焼効果が弱まり、ＮＯｘの生成量が増加する。

請求項５のバーナは、前記内筒部材に前記小孔が設けられた場合に、前記小孔の総開口面積をＳ１、前記外筒部材の前記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。
このような構成では、小穴の総開口面積Ｓ１、および主空気噴流口の総開口面積Ｓ２によるＳ１／（Ｓ１＋Ｓ２）の値を０．３以下にすることで、小穴から噴流する燃焼空気の量を確実に抑えることができるので、外筒部材の中央側の空気比を外側の空気比よりも小さくでき、２段燃焼効果を確実に得ることができる。ここで、小穴および主空気噴流口の総開口面積Ｓ１，Ｓ２によるＳ１／（Ｓ１＋Ｓ２）の値が０．３を超えると、火炎が内筒部材の開口部近傍で着火しやすくなり、ＮＯｘの生成量が増加する。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において、同一部材には、同一符号を付すことにし、それらの重複する説明を避けるために、その説明を省略または簡略化する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係るバーナ１を示す断面図であり、図２は、図１のII−II線矢視図、図３は、保炎板１７を示す斜視図である。
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、油ノズル１１と、この油ノズル１１の先端側を収容した内筒部材１２と、内筒部材１２の外周側に配置された外筒部材１３と、外筒部材１３の端面１３Ａよりも下流（燃料の供給方向における下流）に設置された燃焼コーン２０とを備えて構成されている。

図１および図２に示すように、外筒部材１３の下流側の端面１３Ａには、内筒部材１２との接合部分の外周側に、周方向に沿って複数（本実施形態では８本）の円筒状の空気ノズル１４が等間隔で設けられている。これらの空気ノズル１４は、内筒部材１２および外筒部材１３の図示しない軸線に沿って平行に下流側に延出しており、先端部分の開口部が主空気噴流口１５とされている。この主空気噴流口１５は、外筒部材１３の端面１３Ａよりも下流側に位置しており、外筒部材１３の内部を介して供給される二次燃焼空気を下流側へ噴出する。

このような外筒部材１３を用いたバーナ１は、主空気噴流口１５が空気ノズル１４の数に応じて周方向の複数箇所（８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１５の下流で燃焼が生じるが、図１および図２に２点鎖線で示すように、燃焼時の排ガスは、隣接する空気ノズル１４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１２の上流側の端部側面、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１６が穿設されている。一方、内筒部材１２の下流側の開口部には、保炎板１７が設けられている。保炎板１７は、図３に示すように、油ノズル１１の取付位置に対応した位置に穿設された燃料噴出口１７Ａと、この燃料噴出口１７Ａの周囲に切り起こし加工等によって等間隔に形成された複数（８個）の副空気噴流口１７Ｂとを備えている。副空気噴流口１７Ｂは、小孔１６を通って内筒部材１２内に流入した一次燃焼空気を旋回させながら下流に向かって噴出するため、当該一次燃焼空気と、油ノズル１１から噴霧された燃料との混合を速やかに行うことができ、一次燃焼空気と燃料とを良好に混合することができる。

ここで、小孔１６の総開口面積をＳ１、空気ノズル１４の主空気噴流口１５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１７Ｂから噴流する一次燃焼空気の空気量を抑え、これによってバーナ１では、外筒部材１３の中央側（油ノズル１１の前方）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、本実施形態の主空気噴流口１５での二次燃焼空気の流速は、２０〜７０ｍ／ｓｅｃであるのに対し、副空気噴流口１７Ｂからの一次燃焼空気の流速は、１０〜２０ｍ／ｓｅｃ以下となる。
なお、総開口面積Ｓ１，Ｓ２による比を０．３を超えて設定すると、二段燃焼の効果が得られず、火炎が保炎板１７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１３と略同じ径寸法の円筒状に形成された環状部材としての燃焼コーン本体２１と、燃焼コーン本体２１の下流側に鍔状に形成された安定着火領域形成手段としての鍔状部２２とを備えている。燃焼コーン本体２１は、図示しない支持部材を介して外筒部材１３の端面１３Ａ等に固定され、空気ノズル１４を当該外筒部材１３の周方向に沿って覆っている。鍔状部２２は、燃焼コーン本体２１の内周面に沿って燃焼コーン本体２１と一体に設けられ、燃焼コーン本体２１の内周面から内側に向かって垂直に突出し、燃焼コーン本体２１を絞っている。

ここで、鍔状部２２の幅、すなわち、燃焼コーン本体２１の内周面からの高さをＨ、燃焼コーン本体２１の半径をＲとした時、絞り高さ比Ｈ／Ｒ×１００は、２．０以上、２７．０以下、好ましくは、４．０以上、２３．０以下、より好ましくは８．０以上、２０．０以下に設定されている。なお、燃焼コーン本体２１の中心軸に沿った長さをｄ、主空気噴流口１５から鍔状部２２までの距離をＷとした時、鍔状部２２の形成位置基準Ｗ／ｄ×１００は、１０．０以上に設定されている。また、鍔状部２２から燃焼コーン本体２１の上流側の端までの距離をｗとした時、鍔状部２２の形成位置比ｗ／ｄ×１００は、１５．０以上に設定されている。

このようなバーナ１では、油ノズル１１から噴霧された燃料には、まず、保炎板１７の各副空気噴流口１７Ｂから一次燃焼空気が供給され、次に、各空気ノズル１４の主空気噴流口１５から２次燃焼空気が供給されて火炎が形成される。
この際、絞り高さ比Ｈ／Ｒ×１００が２．０以上、２７．０以下に設定されているので、図１に示すように、主空気噴流口１５から噴流する高速の２次燃焼空気の一部が鍔状部２２に当たり、鍔状部２２の後方には、安定的に再循環領域（渦）が形成される。この再循環領域における二次燃焼空気の速度は、燃焼速度より遅くなるので、当該再循環領域（渦）が火炎の安定的な着火源となり、火炎全体を安定化させる。これにより、火が一瞬消えたりする不安定な燃焼を抑えることができるとともに、火炎における着火点（火炎面）の振動を低減でき、振動燃焼を抑制できる。この際、鍔状部２２の形成位置基準Ｗ／ｄ×１００が１０．０以上に設定されているとともに、鍔状部２２の形成位置比ｗ／ｄ×１００が１５．０以上に設定されているので、鍔状部２２の下流側に確実に再循環領域が形成される。

そして、前述したように、主空気噴流口１５から噴流する２次燃焼空気量は、副空気噴流口１７Ｂから噴流する１次燃焼空気量より多くなっており、外筒部材１３の中央側（油ノズル１１の前方）が負圧となるので、燃焼後の排ガスは、図１および図２に示すように、隣接する空気ノズル１４の間を通って外筒部材１３の中央側（油ノズル１１の前方）に再循環する。
なお、絞り高さ比Ｈ／Ｒ×１００を２．０以下に設定すると、鍔状部２２の後方に安定的に再循環領域（渦）が良好には形成されず、火炎の安定的な着火源が形成されないので、振動燃焼を効果的に抑制できない。また、鍔状部２２の高さＨを大きくし、設定絞り高さ比Ｈ／Ｒ×１００を２７．０以上に設定すると、振動燃焼は抑制できるが、鍔状部２２が主空気噴流口１５から噴流する２次燃焼空気の流れを妨げるので、排ガス再循環効果を十分には得ることができなくなり、ＮＯｘの生成量が増大してしまう。

従って、第１実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）主空気噴流口１５を有する空気ノズル１４を、油ノズル１１および外筒部材１３の下流側の端面１３Ａより下流側に突出させて複数設けているので、分割火炎燃焼効果および排ガス再循環燃焼効果を得ることができ、燃焼温度を低減できる。従って、ＮＯｘの生成量を低減できる。

（２）燃焼コーン本体２１の半径Ｒに対する鍔状部２２の燃焼コーン本体２１内周面からの高さＨの比Ｈ／Ｒ×１００が２．０以上に設定されているので、主空気噴流口１５から噴流する２次燃焼空気の一部が鍔状部２２に当たり、鍔状部２２の後方に安定的に再循環領域（渦）を形成することができる。これにより、この再循環領域（渦）が火炎の安定的な着火源となり、火炎全体を安定化させるので、火炎における着火点（火炎面）の振動を低減でき、振動燃焼を抑制できる。また、Ｈ／Ｒ×１００が２７．０以下に設定されているので、鍔状部２２が主空気噴流口１５から噴流する２次燃焼空気の流れの妨げとなることを防止でき、排ガス再循環燃焼効果を確実に得ることができる。

（３）主空気噴流口１５と小孔１６との総開口面積Ｓ１＋Ｓ２に対する小孔１６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１５から噴流する２次燃焼空気の空気量に対して、副空気噴流口１７Ｂから噴流する１次燃焼空気の空気量を確実に抑制することができる。これにより、外筒部材１３の中央側（油ノズル１１の前方）の空気比を外側の空気比よりも小さくでき、二段燃焼効果を得ることができるとともに、保炎板１７からより離れた位置で保炎することができ、ＮＯｘの生成量をより低減することができる。

（４）燃焼コーン２０は、円筒状の燃焼コーン本体２１と、燃焼コーン本体２１の内周面に鍔状に一体形成された鍔状部２２とを備えた簡易な構造であるため、製造コストを安価にできる。
また、外筒部材１３の端面１３Ａと燃焼コーン本体２１との間や、外筒部材１３における空気ノズル１４の外周側とこれに対する燃焼コーン本体２１の内周面との間を、外側から入り込む排ガスの流路にできるので、排ガスをよりスムーズに循環させることができ、排ガス再循環燃焼効果を向上させることができる。
そのうえ、噴霧燃料を燃焼コーン本体２１によって案内するので、未燃燃料の排出を防止でき、順流燃焼形式、ωフロー燃焼形式、および反転燃焼形式などの燃焼形式の違いによる外部条件の影響を受けることなく良好な燃焼性の確保ができる。従って、低ＮＯｘ化とともに、低ＣＯ化、および低煤塵化を促進できる。

〔第２実施形態〕
図４には、本発明の第２実施形態として、第１実施形態の保炎板１７の変形例が示されている。図４に示す保炎板１７１の副空気噴流口１７１Ｂは、中央の燃料噴出口１７１Ａの周囲に複数穿設された貫通孔である。その貫通方向を示す軸線Ｂ１は、図示しない外筒部材１３の軸線Ｂ２と平行であり、噴流した１次燃焼空気に旋回流が生じないようになっている。
このような保炎板１７１を用いたバーナでも、第１実施形態の効果（１）〜（４）と同様の効果を得ることができるうえ、以下の効果を得ることができる。

（５）保炎板１７１の副空気噴流口１７１Ｂには、第１実施形態の保炎板１７とは異なって切り起こし部分が存在しないから、１次燃焼空気の旋回が生じず、燃料との混合を遅らすことができる。従って、燃料の蒸発を十分に進ませてから燃焼させることができ、保炎板１７１への火炎の張り付きを抑制することができる。これにより、保炎板１７１から離れた位置で確実に保炎することができ、ＮＯｘの生成量をより低減することができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、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、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、数量などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、数量などの限定の一部も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。

すなわち、安定着火領域形成手段としての鍔状部２２は、円筒形状の燃焼コーン本体２１の内周面に沿って設けられていたが、各空気ノズル１４の配置位置に対応した位置に形成されているならば、四角筒形状や楕円筒形状などの適宜の形状の燃焼コーン本体２１の内周面に沿って設けられていてもよい。同様に、環状部材としての燃焼コーン本体２１は、円筒形状でなくともよく、四角筒形状や楕円筒形状などの適宜の形状に形成されていてよい。
鍔状部２２は、燃焼コーン本体２１に対して垂直に形成されていたが、二次燃焼空気の噴流動作やバーナ１の使用条件、燃焼コーン２０の製造性などを考慮して、燃焼コーン本体２１に対して斜めに形成されていてもよい。また、部分的に幅（燃焼コーン本体２１内周面からの高さ）が大きく形成されていてもよいし、厚みを有していてもよい。
鍔状部２２の材質は、耐熱性、強度が使用に耐えられるものであればよい。

安定着火領域形成手段は、燃焼コーン本体２１の内周面に沿って設けられた鍔状部２２でなくてもよい。すなわち、各空気ノズル１４の配置位置に対応して環状に設けられているならば、例えば、内筒部材１２から下流側（つまり本実施形態の鍔状部２２より内側）に形成された環状、かつ、平板な鍔状部材でもよい。このような部材でも、各主空気噴流口１５から噴流する高速の燃焼空気の一部が当該鍔状部材に当たり、当該鍔状部材の下流側に安定的に再循環領域（渦）が形成されるからである。また、安定着火領域形成手段は、前述したものに限定されず、各主空気噴流口１５から噴流する燃焼空気の流れを燃焼速度より遅くし、火炎の安定的な着火源となる安定着火領域を形成するものなら、どのような形状のものでもよい。

空気ノズル１４の本数は、Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）が０．３以下となる範囲内で任意に設定できる。つまり、例えば第一実施形態の空気ノズル１４を外筒部材１３の端面１３Ａ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１４の断面形状も、円形や矩形に限らず、例えば三角形状、楕円形状など、燃焼空気の噴流動作やバーナの使用条件、空気ノズル１４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１４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てもよい。また、空気ノズル１４は、内筒部材１２の外周側に配置されていれば、同一半径の円周方向に沿って配置されていなくてもよい。
さらに、空気ノズル１４は、外筒部材１３の端面１３Ａから延出して、主空気噴流口１５が油ノズル１１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１５が油ノズル１１先端部と略面一に配置されているものでもよい。
空気ノズル１４は、内筒部材１２の軸線に平行に延出していたが、内筒部材１２の軸線に向かって傾斜していたり、内筒部材１２の軸線に対し外側に向かって傾斜していてもよい。

油ノズル１１の設置個数は、１個に限らず、２個以上であってもよい。また、油ノズル１１の配置は、その先端部が外筒部材１３の下流側の端面１３Ａから突出していてもよい。
保炎板１７，１７１は、必ずしも設けられていなくてもよい。
内筒部材１２の小孔１６は、内筒部材１２の上流側の端部側面に形成されていたが、これに限らず、例えば内筒部材１２の下流側の端部近傍の側面に形成されていてもよい。また、内筒部材１２の小孔１６は、必ずしも設けられていなくてもよく、例えば内筒部材１２の下流側の端面が封止されて、内筒部材１２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１５のみから燃焼空気が噴流することになる。
燃料は、Ａ重油や灯油など、用途に応じて任意に選択できる。

第１実施形態から燃焼コーン２０を取り外したものとほぼ同様のバーナを製作した。そして、このバーナを市販の小型貫流ボイラに組み込み、低燃焼運転および高燃焼運転のそれぞれの場合において空気比を１．１〜１．５の間で数段階に変えて燃焼試験を行い、ボイラの振幅を計測した。なお、ボイラの振幅は、バイパスブローラインのバイパスのフランジ部（ボイラにおいて最も振動値が大きい場所）を計測した。また、その振幅は、市販のポータブル製の振動計測器を用いて計測した。燃料は、市販ＪＩＳ１種１号重油を用いた。高燃焼運転時の重油の燃焼量は、７５．３Ｌ／ｈｒ、低燃焼運転時の重油の燃焼量は、３７．７Ｌ／ｈｒである。

図５に燃焼試験の結果を示す。図５に示すように、高燃焼運転時に比べて、低燃焼運転時では、低空気比になるほど顕著にボイラの振幅が増大することが判る。これは、前述の背景技術で述べたように、低燃焼運転時では、低空気比になるほど着火点の位置が不安定になり、着火点の位置が振動してしまい、バーナや燃焼室が振動し、ひいてはボイラが振動してしまうからである。

前述の実施例１における燃焼コーン無しバーナ、および燃焼コーン２０が取り付けられた第１実施形態とほぼ同様のバーナ１を製作した。そして、燃焼コーン無しバーナを前述と同様の小型貫流ボイラに組み込み、低燃焼かつ低空気比（１．１７）運転において燃焼試験を行い、ボイラの振幅を測定した。また、燃焼コーン２０が取り付けられたバーナ１を前述と同様の小型貫流ボイラに組み込み、低燃焼かつ低空気比（１．１７）運転において、鍔状部２２の燃焼コーン本体２１内周面からの高さを０ｍｍ〜３０ｍｍの間で数段階に変えて燃焼試験を行い、ボイラの振幅を測定した。なお、燃焼コーン２０は、燃焼コーン本体２１の半径Ｒが１０８ｍｍ、軸方向に沿った長さｄが１２０ｍｍ、鍔状部２２から主空気噴流口１５までの距離Ｗが８４．０ｍｍ、鍔状部２２から燃焼コーン本体２１の上流側の端までの距離ｗが９０．０ｍｍのものを用いた。鍔状部２２の形成位置基準Ｗ／ｄ×１００は、７０．０（１０．０以上が好ましい値）、鍔状部２２の形成位置比ｗ／ｄ×１００は、７５．０（１５．０以上が好ましい値）となっている。

図６に燃焼試験の結果を示す。図６に示すように、燃焼コーン無しバーナを備えたボイラでは、振幅が約４５０μｍなのに対し、鍔状部２２が設けられていない、すなわち鍔状部２２の高さが０ｍｍのバーナ１を備えたボイラでは、振幅が約３３０μｍとなっており、鍔状部２２が設けられていない燃焼コーン本体２１のみを備えたバーナを用いることによっても、僅かにだが振動を抑制できることが判る。
また、鍔状部２２が設けられたバーナ１を備えたボイラでは、鍔状部２２の高さが大きくなるほど振幅が低減されることがわかる。特に、鍔状部２２の高さが２．１６（絞り高さ比Ｈ／Ｒ×１００が２．０）以上の請求項４の発明に係るバーナ１を備えたボイラでは、振幅が効果的に低減されることが判る。

これは、鍔状部２２が設けられたバーナ１を備えたボイラでは、主空気噴流口１５から噴流する２次燃焼空気の一部が鍔状部２２に当たり、鍔状部２２の後方に、再循環領域（渦）が形成され、当該再循環領域（渦）が安定的な火炎の着火源となり、振動燃焼が抑制されるからである。従って、本発明に係るバーナ１、特に、鍔状部２２の高さが２．１６（絞り高さ比Ｈ／Ｒ×１００が２．０）以上の請求項４の発明に係るバーナ１を備えたボイラでは、確実に振動を抑制できることが確認できた。

前述の実施例１における燃焼コーン無しバーナを、前述と同様の小型貫流ボイラに組み込み、低燃焼かつ低空気比（１．１７）運転において、ＮＯｘおよびＣＯ排出値測定するとともに、燃焼コーン２０が取り付けられた第１実施形態とほぼ同様のバーナ１を前述と同様の小型貫流ボイラに組み込み、低燃焼かつ低空気比（１．１７）運転において、鍔状部２２の高さを０ｍｍ〜３０ｍｍの間で数段階に変えて燃焼試験を行い、ＮＯｘ排出値およびＣＯ排出値を測定した。なお、ＮＯｘ排出値およびＣＯ排出値の測定には、通常一般に用いられている排ガス分析装置を使用した。

図７に燃焼試験の結果を示す。図７に示すように、ＣＯの排出量は、燃焼コーン２０が取り付けられたバーナ１を備えたボイラにおいて、燃焼コーン無しバーナを備えたボイラと同様に低減できることが判る。
また、ＮＯｘの排出量は、鍔状部２２の高さが２１．６ｍｍ（絞り高さ比Ｈ／Ｒ×１００が２０．０）までのバーナ１を備えたボイラは、燃焼コーン無しバーナを備えたボイラと同様に低減できることが判る。鍔状部２２の高さが２１．６ｍｍより大きくなると、ＮＯｘ低減の効果が弱まるとはいえ、鍔状部２２の高さが２９．２ｍｍ（絞り高さ比Ｈ／Ｒ×１００が２７．０）までのバーナ１を備えたボイラにおいては、十分にＮＯｘ低減の効果を得ることができることが判る。

これは、鍔状部２２の高さが２１．６ｍｍまでのバーナ１を備えたボイラでは、分割火炎燃焼、２段燃焼、および排ガス再循環燃焼の効果を得ることができるので、ＮＯｘおよびＣＯの生成量を低減できることを示している。一方、鍔状部２２の高さが２１．６ｍｍより大きいバーナ１を備えたボイラでは、分割火炎燃焼および２段燃焼の効果からＮＯｘの生成量を低減できるとはいえ、鍔状部２２が２次燃焼空気の流れの妨げとなるので、排ガス再循環燃焼効果、すなわちＮＯｘ低減効果が弱まることを示している。よって、本発明に係るバーナ１、および鍔状部２２の高さが２９．２ｍｍ（絞り高さ比Ｈ／Ｒ×１００が２７．０）以下の請求項４の発明に係るバーナ１を備えたボイラでは、鍔状部２２の高さが２１．６ｍｍ（絞り高さ比Ｈ／Ｒ×１００が２０．０）より大きくなると、ＮＯｘ低減の効果が弱まるとはいえ、ＮＯｘおよびＣＯの排出量を確実に低減できることが確認できた。

従って、本発明に係るバーナ１は、ＮＯｘを低減できるともに、低燃焼かつ低空気比運転時において、振動燃焼が生じることを抑制できることを確認できたことにより、本発明の優位性が認められた。特に、鍔状部２２の高さが２．１６（絞り高さ比Ｈ／Ｒ×１００が２．０）以上、２９．２ｍｍ（絞り高さ比Ｈ／Ｒ×１００が２７．０）以下の請求項４の発明に係るバーナ１は、十分にＮＯｘを低減できるとともに、低燃焼かつ低空気比運転時において、振動燃焼が生じることを効果的に抑制できることを確認できた。

本発明のバーナは、順流燃焼形式、ωフロー燃焼形式、および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ほか、その他の燃焼装置にも利用することができる。

本発明の第１実施形態に係るバーナを示す断面図である。 前記第１実施形態のバーナのII−II線矢視図である。 前記第１実施形態の保炎板を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る保炎板を示す斜視図である。 本発明の実施例１の試験結果を示す図である。 本発明の実施例２の試験結果を示す図である。 本発明の実施例３の試験結果を示す図である。

符号の説明

１…バーナ、１１…油ノズル、１２…内筒部材、１３…外筒部材、１３Ａ…外筒部材の下流側の端面、１４…空気ノズル、１５…主空気噴流口、１６…小孔、２１…燃焼コーン本体（環状部材）、２２…鍔状部（安定着火領域形成手段）。

Claims (5)

1. 先端側から燃料を噴霧する油ノズルと、燃料供給下流側に開口部を有して前記油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は主空気噴流口が形成され、
   前記内筒部材の内部は、供給される燃焼空気から遮断されるか、または、小孔を介して前記燃焼空気の一部が流入可能に設けられたバーナであって、
   前記各主空気噴流口より下流側には、前記各主空気噴流口から噴流する燃焼空気の流れを燃焼速度より遅くし、火炎の安定的な着火源となる安定着火領域を形成する安定着火領域形成手段が設けられている
   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、
   前記安定着火領域形成手段は、複数の前記空気ノズルの配置位置に対応して環状に設けられている
   ことを特徴とするバーナ。
3. 請求項２に記載のバーナにおいて、
   前記空気ノズルの外周側には、これらの空気ノズルを当該外筒部材の周方向に沿って覆う環状部材が設けられ、
   前記安定着火領域形成手段は、前記環状部材と一体に形成され、かつ、前記環状部材の内周面から内側に向かって突出している
   ことを特徴とするバーナ。
4. 請求項３に記載のバーナにおいて、
   前記環状部材の半径をＲ、前記安定着火領域形成手段の前記環状部材からの高さをＨとした時、Ｈ／Ｒ×１００は、２．０以上、２７．０以下である
   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、
   前記内筒部材に前記小孔が設けられた場合に、前記小孔の総開口面積をＳ１、前記外筒部材の前記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。

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