JP2008309411A

JP2008309411A - 多層排ガス再循環バーナ及びその制御方法

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Publication number: JP2008309411A
Application number: JP2007158362A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kumada; 雅行熊田
Original assignee: Takuma Co Ltd
Current assignee: Takuma Co Ltd
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2008-12-25

Abstract

【課題】燃焼室内へ燃焼用空気を供給するバーナスロートを環状の多層構造に形成し、各層に夫々排ガス濃度が異なる燃焼用空気を投入することによって、着火及び燃焼火炎の安定性を保てると共に、ＮＯｘの大幅な低減を図る。
【解決手段】燃焼室２に連通するバーナスロート４の中心位置から燃焼室２内へ燃料Ｆを噴霧又は噴射し、その周囲にバーナスロート４から排ガスを混合した燃焼用空気を吹き込んで前記燃料Ｆを燃焼させるようにした排ガス再循環バーナ１に於いて、前記バーナスロート４に一つの筒状のスリーブ７又は直径の異なる複数の筒状のスリーブ７，７′を配設してバーナスロート４を環状の多層構造に形成し、バーナスロート４の各層４ａ，４ｂ，４ｃに異なる排ガス再循環率の燃焼用空気Ａ１，Ａ２，Ａ３を夫々供給する構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として蒸気ボイラや温水ボイラ、加熱炉、溶融炉等に用いられるものであり、液体燃料やガス燃料、微粉炭等の燃料と排ガスを混合した燃焼用空気とを燃焼室内で燃焼させるようにした排ガス再循環バーナ及びその制御方法に係り、特に、ボイラ等の燃焼室内へ燃焼用空気を供給するバーナスロートを環状の多層構造に形成し、各層に夫々排ガス濃度が異なる燃焼用空気を投入することによって、着火及び燃焼火炎の安定性を保てると共に、ＮＯｘの大幅な低減を図れるようにした多層排ガス再循環バーナ及びその制御方法に関するものである。

一般に、ボイラや加熱炉、溶融炉等に用いるバーナに於いては、ＮＯｘ（窒素酸化物）の低減対策として排ガス再循環方式が採用されている。
即ち、排ガス再循環方式を採用したバーナは、排ガスの一部を燃焼用空気に混合して酸素濃度を下げて燃焼を緩慢にすると共に、排ガス成分によりＮＯｘの生成を抑制することによって、燃焼時に発生するＮＯｘの低減を図るようにしたものである。

前記排ガス再循環方式には、バーナの前側位置で燃焼用空気に排ガスの一部を混合する強制排ガス再循環方式と、バーナのバーナスロートで燃焼室内の排ガスの一部を吸引して混合する自己排ガス再循環方式（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）とがある。

即ち、前者の強制排ガス再循環方式を採用したバーナ２０に於いては、図３に示す如く、ボイラ２１に設置したバーナ２０へ燃焼用空気Ａを供給する燃焼用空気供給ダクト２２の途中にミキシング装置２３を介設すると共に、当該ミキシング装置２３とボイラ２１内の排ガスＧを排出する排ガスダクト２４とを排ガス再循環ダクト２５で接続し、ボイラ２１から排出された排ガスＧの一部を再循環ファン２６により吸引して排ガス再循環ダクト２５からミキシング装置２３へ供給し、ここで押込みファン２７により供給された燃焼用空気Ａと排ガスＧの一部とを混合させてバーナ２０のウインドボックス２８へ供給するようにしたものである。

一方、後者の自己排ガス再循環方式を採用したバーナ３０は、図４に示す如く、バーナスロート３１、バーナガン３２、保炎器３３、スリーブ３４、ウインドボックス３５、空気ノズル３６及び二次空気ノズル３７等から構成されおり、ウインドボックス３５内に供給された燃焼用空気Ａを空気ノズル３６からスリーブ３４を通して燃焼室３８内へ供給する際に、空気ノズル３６によるベンチュリ効果により燃焼室３８内の排ガスＧの一部をバーナスロート３１から吸い込んで燃焼用空気Ａと混合させて燃焼室３８内へ供給し、バーナガン３２に供給された液体燃料をバーナガン３２のアトマイザ３２ａから燃焼室３８内へ噴霧して排ガスＧを含んだ燃焼用空気Ａと混合燃焼させるようにしたものである。

ところで、強制排ガス再循環方式及び自己排ガス再循環方式を採用したバーナに於いては、何れも燃焼用空気への排ガスの混合比率（排ガス再循環量）を上げる程、ＮＯｘの低減化を図れるが、排ガスの混合比率を上げ過ぎると、燃焼用空気中の酸素濃度が低くなり過ぎ、着火部での着火が不安定となって燃焼不良を引き起こすため、排ガスの混合比率には限界があった。
又、各方式を採用したバーナに於いては、何れも排ガス（再循環ガス）を燃焼用空気に一定の割合で混合しているだけであるため、燃焼用空気への排ガスの混合が均一に近い排ガス混合比率となっている。特に、強制排ガス再循環方式を採用したバーナに於いては、排ガスを混合した燃焼用空気を一本の燃焼用空気ダクトによりバーナへ供給するようにしているため、例え燃焼用空気を二層の状態で噴霧燃料の周囲に吹き込めるバーナであっても、一層目と二層目の排ガス混合比率は全く同じになっている。
その結果、各方式を採用したバーナに於いては、何れもバーナの着火部の安定性から排ガスの混合比率をあまり上げられず、１５％〜２０％が排ガス混合比率の限界であり、充分な低ＮＯｘ化を図れないと云う問題があった。
特開平９−１４５０１３号公報特開２０００−７４３２９号公報

本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、燃焼室内へ燃焼用空気を供給するバーナスロートを環状の多層構造に形成し、各層に夫々排ガス濃度が異なる燃焼用空気を投入することによって、着火及び燃焼火炎の安定性を保てると共に、ＮＯｘの大幅な低減を図れるようにした多層排ガス再循環バーナ及びその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１の発明は、燃焼室に連通するバーナスロートの中心位置から燃焼室内へ燃料を噴霧又は噴射し、その周囲にバーナスロートから排ガスを混合した燃焼用空気を吹き込んで前記燃料を燃焼させるようにした排ガス再循環バーナに於いて、前記バーナスロートに一つの筒状のスリーブ又は直径の異なる複数の筒状のスリーブを配設してバーナスロートを環状の多層構造に形成し、バーナスロートの各層に異なる排ガス再循環率の燃焼用空気を夫々供給する構成としたことに特徴がある。

又、本発明の請求項２の発明は、請求項１に記載の多層排ガス再循環バーナに於いて、着火部に対応する一番内側の層には、燃焼用空気のみ又は排ガス再循環率が低い燃焼用空気を供給して着火を安定させ、その他の層には、排ガス再循環率が高い燃焼用空気を供給して排ガス再循環によるＮＯｘの低減を図るようにしたことに特徴がある。

本発明は、燃焼室に連通するバーナスロートに一つの筒状のスリーブ又は直径の異なる複数の筒状のスリーブを配設してバーナスロートを環状の多層構造に形成し、着火部に対応する一番内側の層には、燃焼用空気のみ又は排ガス再循環率が低い燃焼用空気を供給し、その他の層には、排ガス再循環率が高い燃焼用空気を供給するようにしているため、着火及び燃焼火炎が安定すると共に、安定燃焼を保った状態でＮＯｘの低減効果を高めることができる。
特に、本発明は、着火部に対応する一番内側の層に燃焼用空気のみを供給した場合には、硫黄や塩素等の腐食成分を含む排ガスであっても、バーナガンやガイドパイプ等が腐食成分を含む排ガスと接触することがないため、バーナガンやガイドパイプ等の腐食対策が不要になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２は発明の実施の形態に係る多層排ガス再循環バーナ１を示し、当該多層排ガス再循環バーナ１は、蒸気ボイラや温水ボイラ、加熱炉、溶融炉等の燃焼室２を形成する炉壁３に装着されており、炉壁３に燃焼室２へ連通するバーナスロート４を形成すると共に、炉壁３の外壁面にバーナスロート４に連通するウインドボックス１１を設け、前記バーナスロート４及びウインドボックス１１内にバーナガン５、保炎器６及び点火電極（図示省略）等を夫々配設し、又、前記バーナスロート４及びウインドボックス１１内に直径の異なる複数の筒状のスリーブ７，７′を同心円状に配設してバーナスロート４を環状の多層構造に形成し、バーナスロート４の各層４ａ，４ｂ，４ｃに異なる排ガス再循環率（排ガス量／燃焼用空気量の比率）の燃焼用空気Ａ１，Ａ２，Ａ３を夫々供給する構成としたものである。

前記バーナガン５は、炉壁３に形成した円形のバーナスロート４の中心位置に配設されており、灯油等の液体燃料Ｆを噴霧用空気により燃焼室２内へ噴霧するものである。このバーナガン５の先端部には、燃料配管（図示省略）から供給された燃料Ｆと噴霧用空気配管（図示省略）から供給された噴霧用空気とを燃焼室２内へ噴霧して燃料Ｆを噴霧状にするアトマイザ５ａと、火炎８の安定を図るための保炎器６とが設けられている。

前記複数の直径の異なるスリーブ７，７′は、バーナスロート４を環状の多層構造に形成するものであり、バーナスロート４にバーナガン５を中心にして同心円状に配設されている。
この実施の形態に於いては、バーナスロート４にバーナガン５を中心にして二つの直径の異なるスリーブ７，７′を同心円状に配設している。
従って、バーナスロート４は、内側の小さいスリーブ７で囲まれた一層４ａ目の空間と、内側の小さいスリーブ７とその外側の大きいスリーブ７′とで囲まれた環状の二層４ｂ目の空間と、大きいスリーブ７′とバーナスロート４の内周面とで囲まれた環状の三層４ｃ目の空間とに区分けされた三層構造に形成されている。

そして、バーナスロート４の一層４ａ目、二層４ｂ目及び三層４ｃ目には、夫々独立した燃焼用空気供給通路９ａ，９ｂ，９ｃから異なる排ガス再循環比（排ガス量／燃焼用空気量の比率）の燃焼用空気Ａ１，Ａ２，Ａ３が夫々供給されるように構成されている。

即ち、多層排ガス再循環バーナ１の着火部１０に対応するバーナスロート４の一層４ａ目には、着火の安定性を考慮して排ガス再循環率が０〜１５％程度の燃焼用空気Ａ１を供給している。一層４ａ目の燃焼用空気Ａ１の排ガス再循環率を０〜１５％程度としたのは、排ガス再循環率が１５％を超えると、着火部１０の酸素濃度が低くなり、保炎器６を装備していても、着火不良が発生して振動燃焼（着火部１０が離れたり、手前に戻ったりする現象）したり、火炎８が消えてしまったりする制約があるためである。
又、燃焼が安定しているバーナスロート４の二層４ｂ目には、排ガス再循環率が０〜１００％の燃焼用空気Ａ２を供給している。
更に、燃焼が安定しているバーナスロート４の三層４ｃ目には、排ガス再循環率が０〜１００％の燃焼用空気Ａ３を供給するようにしている。

尚、バーナスロート４の各層４ａ，４ｂ，４ｃに供給する燃焼用空気Ａ１，Ａ２，Ａ３の排ガス再循環率の調整は、各層４ａ，４ｂ，４ｃに夫々燃焼用空気Ａ１，Ａ２，Ａ３を供給する燃焼用空気供給通路９ａ，９ｂ，９ｃにミキシング装置（図示省略）を夫々介設し、燃焼室２から排出された排ガスの一部を再循環ファン（図示省略）により吸引して任意の量の排ガスを排ガス再循環ダクト（図示省略）から前記各ミキシング装置へ夫々供給し、ここで押込みファン（図示省略）により供給された燃焼用空気Ａ１，Ａ２，Ａ３と混合させることにより行われている。

次に、上述した多層排ガス再循環バーナ１の作用について説明する。
燃焼用空気供給通路９ａからバーナスロート４の一層４ａ目に供給された燃焼用空気Ａ１は、バーナガン５のアトマイザ５ａから噴霧される燃料Ｆと混合されて一層４ａ目の下流側から燃焼室２内へ供給される。燃焼室２内へ供給された燃焼用空気Ａ１と燃料Ｆの混合流体は、点火電極（図示省略）により着火されて燃焼する。
このとき、燃焼用空気Ａ１には、排ガス再循環率が０〜１５％程度の低い燃焼用空気Ａ１が使用されているため、バーナ１の着火部１０に於いては安定した着火が得られる。又、保炎器６により安定した火炎８が継続して得られる。特に、バーナスロート４の一層４ａ目に排ガスを含まない燃焼用空気Ａ１のみを供給した場合には、硫黄や塩素等の腐食成分を含む排ガスであっても、バーナガン５やガイドパイプ等が腐食成分を含む排ガスと接触することがないため、バーナガン５やガイドパイプ等の腐食対策が不要になる。

そして、燃焼用空気供給通路９ｂからバーナスロート４の二層４ｂ目に供給された燃焼用空気Ａ２は、二層４ｂ目の下流側から火炎８の周囲に供給される。又、燃焼用空気供給通路９ｃからバーナスロート４の三層４ｃ目に供給された燃焼用空気Ａ３は、三層４ｃ目の下流側から火炎８の周囲に供給される。このとき、二層４ｂ目から燃焼室２内へ供給される燃焼用空気Ａ２及び三層４ｃ目から燃焼室２内へ供給される燃焼用空気Ａ３には、排ガス再循環率が２０％〜３０％の高い燃焼用空気Ａ２，Ａ３が使用されている。その結果、燃焼反応が抑制され、排ガス再循環によるＮＯｘの低減効果を高めることができる。

このように、前記多層排ガス再循環バーナ１は、燃焼用空気Ａ１，Ａ２，Ａ３を供給するバーナスロート４を環状の多層構造に形成して各層４ａ，４ｂ，４ｃに異なる排ガス再循環率の燃焼用空気Ａ１，Ａ２，Ａ３を夫々供給し、バーナ１の着火部１０に対応する一番内側の層４ａには、燃焼用空気Ａ１のみ又は排ガス再循環率が低い燃焼用空気Ａ１を供給し、その他の環状の層４ｂ，４ｃには、排ガス再循環率が高い燃焼用空気Ａ２，Ａ３を供給するようにしているため、着火及び燃焼火炎８が安定すると共に、安定燃焼を保った状態でＮＯｘの低減効果を高めることができる。即ち、この多層排ガス再循環バーナ１を用いれば、ＮＯｘの発生量を４５ｐｐｍ（Ｏ₂＝０％換算値）以下に抑えることができる。

尚、上記実施の形態に於いては、バーナスロート４の一層４ａ目には、排ガス再循環率が低い燃焼用空気Ａ１又は排ガスを含まない燃焼用空気Ａ１を供給し、バーナスロート４の二層４ｂ目及び三層４ｃ目には、排ガス再循環率が高い燃焼用空気Ａ２，Ａ３を供給するようにしたが、他の実施の形態に於いては、バーナスロート４の一層４ａ目には、排ガスを含まない燃焼用空気Ａ１を供給し、バーナスロート４の二層４ｂ目には、排ガスのみ、バーナスロート４の三層４ｃ目には、排ガスを含まない燃焼用空気Ａ３のみを供給するようにしても良い。この場合にも、着火及び燃焼火炎８が安定すると共に、安定燃焼を保った状態でＮＯｘの低減効果を高めることができる。

又、上記実施の形態に於いては、バーナスロート４に直径の異なる二つの円筒状のスリーブ７，７′を同心円状に配設し、バーナスロート４を環状の三層構造に形成したが、他の実施の形態に於いては、バーナスロート４に一つの円筒状のスリーブ７を配設し、バーナスロート４を二層構造に形成しても良く、或いはバーナスロート４に直径の異なる三つ以上の円筒状のスリーブ７，７′，…を同心円状に配設し、バーナスロート４を四層構造以上に形成しても良い。

更に、上記実施の形態に於いては、多層排ガス再循環バーナ１の燃料Ｆに石油等の液体燃料を使用し、多層排ガス再循環バーナ１をオイルバーナ構造としたが、他の実施の形態に於いては、燃料Ｆに天然ガス等のガス燃料を使用し、多層排ガス再循環バーナ１をガスバーナ構造としても良く、或いは燃料Ｆに微粉炭を使用し、多層排ガス再循環バーナ１を微粉炭バーナ構造としても良い。

本発明の実施の形態に係る多層排ガス再循環バーナの概略縦断面図である。図１のイ−イ線矢視図である。強制排ガス再循環方式を採用したバーナを用いたボイラ設備の概略系統図である。自己排ガス再循環方式を採用したバーナの縦断面図である。

符号の説明

１は多層排ガス再循環バーナ、２は燃焼室、４はバーナスロート、４ａはバーナスロートの一層目、４ｂはバーナスロートの二層目、４ｃはバーナスロートの三層目、７，７′はスリーブ、Ａ１は一層目の燃焼用空気、Ａ２は二層目の燃焼用空気、Ａ３は三層目の燃焼用空気、Ｆは燃料。

Claims

燃焼室に連通するバーナスロートの中心位置から燃焼室内へ燃料を噴霧又は噴射し、その周囲にバーナスロートから排ガスを混合した燃焼用空気を吹き込んで前記燃料を燃焼させるようにした排ガス再循環バーナに於いて、前記バーナスロートに一つの筒状のスリーブ又は直径の異なる複数の筒状のスリーブを配設してバーナスロートを環状の多層構造に形成し、バーナスロートの各層に異なる排ガス再循環率の燃焼用空気を夫々供給する構成としたことを特徴とする多層排ガス再循環バーナ。
請求項１に記載の多層排ガス再循環バーナの制御方法に於いて、着火部に対応する一番内側の層には、燃焼用空気のみ又は排ガス再循環率が低い燃焼用空気を供給して着火を安定させ、その他の層には、排ガス再循環率が高い燃焼用空気を供給して排ガス再循環によるＮＯｘの低減を図るようにしたことを特徴とする多層排ガス再循環バーナの制御方法。