JP2008281242A

JP2008281242A - 油焚き低ＮＯｘバーナ

Info

Publication number: JP2008281242A
Application number: JP2007124112A
Authority: JP
Inventors: Wataru Kobayashi; 渉小林
Original assignee: KYUSHU OLYMPIA KOGYO KK
Current assignee: KYUSHU OLYMPIA KOGYO KK
Priority date: 2007-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2008-11-20

Abstract

【課題】火炉の中心軸に沿って細長く開口した排気口のある面が火炉円筒面の60％以上を占める燃焼炉において、CO、ススの増加をもたらすことなく、効果的にNOx低減できるバーナを提供する。
【解決手段】火炉に向かって燃料を噴霧する噴霧ノズル4と噴霧ノズルの先端側が収納されている内筒1とこの内筒の外周側に配置された外筒2とを備え、前記外筒の下流端面3には更に下流側へと伸びた複数の空気ノズル8が設けられたバーナにあって、1次空気が全燃焼空気の10％以下で、かつ、空気ノズル8の開口面積が燃料油1L当り50〜110ｍｍ2で、火炉壁面側にある空気ノズルの面が火炉中心軸に対して5〜30°の角度で内側に、中心軸側にある面が0〜5°の角度で外側に向き、その長さLが15mm＜L＜L2である多角形の形をした空気ノズルであることを特徴とした構造をもつバーナとする。
【選択図】図2

Description

本発明は燃焼にともない発生するNOxを抑制できる液体燃料用低NOxバーナに関するものである。

従来、燃焼にともない発生するNOxを抑制するために、燃料中にN分を含まない気体燃料をもちいるバーナが実用に供されているが、この種のバーナは火炎制御が容易でかつ燃料中にN分を含まないことから、燃焼で生じるNOxを容易に抑制することができるという特徴を備えているものの、高価な気体燃料をもちいるためランニングコストが高くつくという問題がある。

そこで、ランニングコストを抑えるためや、ガス燃料の入手が難しい地域では、NOxの抑制は困難であるが、比較的低コストで入手しやすい液体燃料をもちい、この種の液体燃料の燃焼時に発生するNOxの発生量を低減できる排ガス外部再循環法や水噴霧法または、両者を併用したバーナが採用されてきた。

しかし、これらの方法は、設備費の増加だけでなく、熱効率の低下や、耐久性の低下となりやすいため、近年、より簡単で低NOx化が図れる液体燃料用低NOxバーナが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献1の低NOx手法は、火炉で生じた燃焼ガスをバーナ先端部に再循環しやすいバーナ構造をとることで、燃料・燃焼空気の混合と燃焼開始のタイミングをコントロールし、燃焼の低NOx化を図る手法であるが、火炉の構造によっては適用が難しいことがわかった。

そこで、燃焼室の中心軸に沿って一箇所スリット状の排気口を有するボイラ（所謂Ω形貫流ボイラ）に対して、主燃焼空気の噴出方向を火炉の中心軸からずらし、火炎を排気口から遠い領域に形成さすべく、この領域に向けて噴出さすことで、CO・煤煙の発生を抑えながらNOxの低減を図ることが提案されている。（たとえば、特許文献２参照）
特許第3527456号特開2006-57996

Ω形貫流ボイラにおける火炉の燃焼ガス排気口は燃焼室側壁に中心軸に沿ったスリット状で通常一箇所、多くても2箇所のため、主燃焼空気の噴出方向も定め易い。

一方、蒸気発生量が100〜500kg/h程度の油焚き小型貫流ボイラの火炉においては火炉を囲む水管が1重配列にため、ボイラから系外に排気される煙道に面した水管部を除く水管スリット部のほとんどの箇所から燃焼ガスが排気される構造となっているため、特許文献２に記載されている方法を適用することは難しい。

また、このような小型貫流ボイラでは火炉径も小さく、火炎を偏らそうとすると、排気口に近くなるため、COや煤煙の発生も起こりやすい。

しかし、このような構造の炉でも、近年の厳しい環境規制に対応させることが望まれ、バーナの改良や炉構造の改良が行なわれている。

本発明の目的はこのような構造の缶体においても、CO,煤煙を増加することなく、効果的にNOxの低減を図るバーナを提供することである。

本発明のバーナは、火炉の中心軸に沿って細長く開口した排気口を複数有するボイラににあって、排気口を有する面が火炉円周部の60％以上となるボイラに取付けられるバーナで、火炉に向かって燃料を噴霧する噴霧ノズルと噴霧ノズルの先端側が収容される内筒とこの内筒の外周側に配置された外筒とを備え、外筒の下流端面には更に下流側へと延び出た空気ノズルが設けられ、これら空気ノズル下流端面に火炉内に燃焼用主空気を噴出する噴出口が形成されているバーナにあって、内筒に流入する燃焼空気（以下１次空気と呼ぶ）が全燃焼空気の１0％以下で、燃焼用主空気（以後２次空気と呼ぶ）を噴出する空気ノズル（以後２次空気ノズルと呼ぶ）の噴出し方向が火炉の中心軸に向かって傾斜し、その開口面積が燃料油1リットル当たり60~110mm²で、かつ、外筒の下流端面に燃料噴霧軸を中心とした円周上に均等配列する複数の空気ノズルをもつことを特徴とする。

前記のごとく、２次空気の噴出し方向が火炉の中心軸に向かって傾斜していると、火炎は大きく広がらず、燃焼が完結する前に火炉側面のスリット状排気口に流れることが抑えられるが、過度に傾斜させると、燃料と燃焼空気との混合が早くなり、1次空気を10％以下にし、デフューザー直下の雰囲気の酸素濃度を下げることで燃焼速度を抑え、NOx低減を図る意図が無駄となるため、2次空気ノズルの角度を制限する必要が生じる。

すなわち、2次空気ノズルはノズルを構成する面で、火炉壁側にある面が火炉中心軸に向かって5〜30°の傾斜し、火炉中心軸にある面が火炉中心軸に平行か、外に向かって0~5°の傾斜を持つ多角形とすることである。

2次空気ノズルの火炉壁側にある面を火炉中心軸に向かって5〜30°傾斜させると、燃料噴霧軸と２次空気ノズルとの距離が近くなり、小型貫流ボイラでは火炉径が小さいために２次空気と燃料との混合が必要以上に早く始まるため、これを抑えるために２次空気ノズルの火炉中心軸側にある面が外に向かって0~5°の傾斜をつけることは低NOxを図るための１つの方法である。

2次空気の噴出し方向を定めるには２次空気ノズルの長さをある程度確保する必要があるが、２次空気ノズルと燃料噴霧ノズルから噴出された液滴が直接ぶつかると燃焼性が悪くなり、煤煙を発生させるだけでなく、デフューザーや２次空気ノズル、外筒下流端面を汚し、不着火の原因にもなるので、これを避け得る長さに制限する必要がある。

すなわち、空気ノズル先端から外筒の下流端面までの距離をLとし、２次空気ノズルと燃料噴霧ノズルから噴出された液滴が直接ぶつかるときのノズル長さをL2とすると、
２次空気ノズルの長さを15mm＜L＜L2とすることである。

これまでに記述した工夫のバーナでも、CO,煤煙を抑えたまま、NOx低減は十分図れるが、バーナ先端部の火炎の状態を観察していると、2次空気ノズル直下流に燃焼ガスの強い反転流が生じるため、燃焼ガスと2次空気の混合が激しくなって気流が乱れることが原因と思われるチラチラとした輝炎が火炎根元部に生じる現象が見られる。

この反転流と2次空気の流れを制御するため、外筒の下流端面の更に下流に円筒上の燃焼ガイド筒（以後コーンガイドと呼ぶ）を設け、更なるNOxの低減を図った。

すなわち、外筒下流端面に円周上に並んだ2次空気ノズルの外周と火炉中心軸との距離をRとすると、その径Dは2R以上2.8R以下で、その長さEが50〜150mm以下となるコーンガイドを外筒下流端面からコーンガイド上端までの距離Fを20〜60mmとなる位置に、火炉中心軸と同心となるよう取り付けることである。

このバーナに切り替えると、市販されている油焚き小型貫流ボイラの中で多くの部分を占める水管1重配列の貫流ボイラにおいて、CO、ススの生成を増加することなくNOxの大幅な抑制が期待できる。

次に、本発明による液体燃料用低NOxバーナの具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図1は、本発明のバーナを適用した小型貫流ボイラの火炉105内の火炎108の状態、位置および燃焼排ガスが水管の間を抜ける位置等を模式的に示した図である。

図４は一般にΩ形貫流ボイラといわれる火炉の横断面図と特許文献2に記述された好ましい火炎位置を示したものである。

これらの図から、小型貫流ボイラの火炉105の構造では火炎位置が火炉中心軸から偏芯すると、排気口に近くなり、燃焼が完結する前に排気される可能性が高くなるため、火炎中心軸は火炉中心軸と同じ位置にあり、火炎形状としては細長い火炎108が好ましいことが容易に想像できよう。

図２は本発明の実施例であるバーナの断面図を示す。バーナは燃料噴霧ノズルを内蔵する内筒1とその外側にある外筒2及び外筒の下流端面3から構成され、下流端面3には主燃焼空気が噴出す複数の２次空気ノズル8が円周上に均等に配列されている。

このバーナにおいて、燃料噴霧ノズル4下流のデフューザー6の隙間を流れる１次空気は内筒１の側面に開けられた１次空気口の面積で流量を全燃焼空気の10％以下に制御し、内筒1と外筒2の間を流れる主燃焼空気は２次空気ノズル8の角度θ及びψにより方向を定め、火炉内における火炎の位置を調整する。また、２次空気ノズルの本数と噴出口の開口面積は送風機の能力だけでなく、燃焼排ガスの性状にも大きく影響するため、適当な数値を選択する必要がある。2次空気ノズルの長さLも同様である。

本実施例1では1次空気量5％、2次空気ノズル6本、面積200mm2/本、長さ35mm、θ10°ψ0°のバーナヘッドを用い、N分220ppmのA重油を14L/hで燃焼したときの燃焼排ガス特性を図５に示す。

図５から本発明のバーナを使用すると、NOxはO2＝0％換算で40ppmを切り、CO,スモークポイントも問題なく、十分使用に耐え得る燃焼範囲領域が確保できることがわかる。

図３は実施例にコーンガイド9を付けた例である。

コーンガイド9は円筒状の耐熱性金属で出来ており、バーナから噴出する燃焼空気とバーナ先端直近に反転循環する燃焼ガスが途中で混合しないよう整流する機能とコーンガイド自体の輻射熱で燃料の気化を促進する機能をもたす。

2次空気ノズル8の円周配列の外周半径Rとするとコーンガイドの径Dは2R~2.8Rであるが小型貫流ボイラでは火炉の径が小さく、多くはバーナ取付け口径で規制される。

コーンガイド9の取付け位置と長さは、バーナ先端直下に戻る高温の燃焼排ガスの量と燃料噴霧ノズルから噴出する液滴の最外郭飛行線104により決まり、十分な燃焼排ガスの循環が達成できる間隙Fを確保しながら、燃料液滴がコーンガイド内側にぶつからない長さEが好ましい。

外部部材の下流端面3からコーンガイド9の上流端までの距離Fは20~60mm、コーンガイド長さEは50~150mmが好ましい。

実施例2では実施例1のバーナヘッドに径D=160mm長さE=100mmのコーンガイド9をF=40mmの位置に付けて、灯油を15L/hで燃焼したときの燃焼ガス特性を図6に示す。

図6から、NOxはO2＝0％換算で10ppmを切り、CO,スモークポイントも問題なく、十分使用に耐え得る燃焼範囲領域が確保できることがわかる。

本発明を適用しようする代表的な小型貫流ボイラの縦断面・横断面図である。実施形態1の例であるバーナの断面図である。実施形態2の例で、コーンガイドを取り付けたバーナの断面図である。特許文献２で開示されたΩ形貫流ボイラにおける排気場所と火炎の位置の関係をしめす火炉の断面図である。実施形態1のバーナを使用し、A重油を燃焼した時の排ガス特性を示す図である。実施形態2であるコーンガイドを取り付けたバーナを使用し、灯油を燃焼した時の排気ガス特性を示す図である。

符号の説明

１内筒
２外筒
３外筒の下流端面
４燃料噴霧ノズル
５点火棒
６デフューザー
７１次空気口
８２次空気ノズル
９コーンガイド
101 風箱
102 蒸気室
103 断熱材
104 最外郭噴霧燃料飛行線
105 火炉
106 水管
107 排気ダクト
108 火炎

Claims

火炉の中心軸に沿って細長く開口した排気口を複数有するボイラにあって、排気口のある面が火炉円筒部の60％以上を占めるボイラに取付けられるバーナで、火炉に向かって燃料を噴霧する噴霧ノズル（4）と噴霧ノズルの先端側が収容される内筒（１）とこの内筒の外周側に配置された外筒（２）とを備え、外筒の下流端面（３）には更に下流側へと延び出た空気ノズル（８）が設けられ、これら空気ノズル下流端面に火炉内に燃焼用主空気を噴出する噴出口が形成されているバーナにあって、内筒に流入する燃焼空気が全燃焼空気の10％以下であり、燃焼用主空気を噴出する空気ノズル（８）の噴出し方向が火炉の中心軸に傾斜していて、その開口面積が燃料油1リットル当たり60~110mm²で、かつ、外筒の下流端面（４）に燃料噴霧軸を中心とした円周上に均等配列する複数の空気ノズル（８）をもつことを特徴とするバーナ。
前記のように設けられた空気ノズル（８）の火炉壁側にある面が火炉中心軸に向かって５〜30°の傾斜があり、火炉中心軸側にある面が火炉中心軸に平行か外に向かって０~5°の傾斜をも持つ多角形をした空気ノズル（８）であることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
空気ノズル（８）の先端から外筒の下流端面（３）までの距離Lとし、燃料噴霧ノズルより噴霧された液滴が空気ノズル（８）に直接ぶつかるときの距離をL₂とすると、空気ノズルの長さが15mm＜L＜L₂であることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載のバーナ。
円周上に並んだ空気ノズル（８）の外周と火炉中心軸との距離をRとすると、径が2.0R以上2.8R以下で、長さは50mm以上150mm以下となるコーンガイド（９）が外筒の下流端面（３）から燃焼ガイド上流端までの距離20〜60mmの位置に取付けられていることを特徴とする請求項１から請求項3に記載のバーナ。