JP2010230204A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低ＮＯｘ化のための排気ガス再循環法をさらに効果的にするための改良を施し、さらなる低ＮＯｘ化を実現した燃焼装置を提供する。
【解決手段】本実施形態に係るボイラ１は、缶体２、燃焼装置１０、給水ライン３０及び気水分離器４０を備えている。燃焼装置１０は、流体燃料を噴出する燃料ノズル１２と、燃焼用空気を噴出する燃焼用空気供給部材１５と、火炎を整え、流体燃料と燃焼用空気の噴出領域を側方から囲む再循環経路形成部材として機能する整炎筒状部材１９と、再循環経路を通って循環する再循環ガスを冷却するために、再循環経路上に冷却水管２１が設置された冷却装置２０と、を備え、再循環ガスは、冷却水管２１によって冷やされてから燃焼用空気等と混合される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料を燃焼させて得た熱を水に伝え、水蒸気や温水に換えるボイラ等の熱源機器に用いられる燃焼装置に関し、特に、ＮＯｘの発生を抑えた燃焼装置に関する。

燃焼によって発生するＮＯｘ（窒素酸化物）は、光化学スモッグや酸性雨などを引き起こす大気汚染の原因となる物質であるため、法律等による排出規制も年々厳しくなっている。

燃焼時に発生するＮＯｘとしては、フューエルＮＯｘ、プロンプトＮＯｘ及びサーマルＮＯｘがある。サーマルＮＯｘは、燃焼用空気中の窒素分子成分が、高温雰囲気中で酸化されることによって発生するものであり、温度依存性が高く、燃焼温度が高くなるにつれて生成量は急激に増大する。

また、サーマルＮＯｘは、燃焼ガス中に窒素分子成分が存在する場合には必ず発生し、排出されるＮＯｘの大部分をサーマルＮＯｘが占めるため、数多くの低減方法が従来から提案されている。従来のサーマルＮＯｘ低減方法としては、多段燃焼法、排気ガス再循環法、希薄燃焼法などが提案されている。

このうち、排気ガス再循環法には、強制排気ガス再循環法と自己排気ガス再循環法があり、下記特許文献１には、自己排気ガス再循環法を採用したバーナが開示されている。特許文献１においては、バーナの構造等に工夫を加えることで燃焼用空気の噴流に周囲の気体を吸引させ、燃焼用空気流及び燃料流に循環された排気ガスを混合させることで、火炎温度や酸素濃度を低下させてＮＯｘの発生を低減させている。

特開２００１−２５４９１３号公報

近年、環境意識の高まりにより、燃焼装置に対するＮＯｘ規制は年々厳しくなっており、さらなる低ＮＯｘ燃焼を実現するため、排気ガス再循環法をさらに効果的に活用する技術が望まれている。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、低ＮＯｘ化のための排気ガス再循環法をさらに効果的にするための改良を施し、さらなる低ＮＯｘ化を実現した燃焼装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃焼装置は、流体燃料を噴出する燃料噴出部材と、燃焼用空気を噴出する燃焼用空気供給部材と、前記流体燃料と前記燃焼用空気の噴出領域を側方から囲む再循環経路形成部材と、再循環経路を通って循環する再循環ガスを冷却するために、再循環経路上に冷却部が設置された冷却手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、低ＮＯｘ化のための排気ガス再循環法を採用した燃焼装置において、さらなる低ＮＯｘ化を実現することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るボイラの構成を模式的に示す断面図である。 図２は、図１の燃焼装置の部分を拡大して模式的に示す断面図である。 図３は、本発明の実施形態に係る燃焼装置によるＮＯｘ低減効果試験の結果を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る燃焼装置を備えたボイラについて説明する。図１は、本実施形態に係るボイラの構成を模式的に示す断面図である。図２は、図１の燃焼装置の部分を拡大して示す断面図である。図１に示すように、ボイラ１は、缶体２、燃焼装置１０、給水ライン３０及び気水分離器４０を備えている。

缶体２は、環状の上部ヘッダ３と、環状の下部ヘッダ４と、上部ヘッダ３と下部ヘッダ４とを連通させて環状に配列された複数の水管５と、水管５によって囲まれた燃焼室６とを備えている。

燃焼装置１０は、火炎を下方に向けて形成して燃焼室６内で燃焼を行わせるように、缶体２の上部中心に設置されている。燃焼装置１０は、ウィンドボックス１１、燃料ノズル１２、送風機１４、燃焼用空気供給部材１５、整炎筒状部材１９及び冷却装置２０を備えている。

燃料噴出部材である燃料ノズル１２には、外部の燃料供給器から流体燃料（液体燃料やガス燃料を含む）が供給され、燃料ノズル１２先端のノズルチップ１３から燃焼室６内へと噴霧される。送風機１４によりウィンドボックス１１内に供給された外部の空気は、燃焼用空気供給部材１５の先端から燃焼用空気として燃焼室６内へ供給される。

図１及び図２に示すように、整炎筒状部材１９は、先端側が若干先細りとなる円筒形状をしており、燃料ノズル１２の先端付近の周囲から、燃料ノズル１２及び燃焼用空気供給部材１５の先方の流体燃料と燃焼用空気の噴出領域を側方から囲むように設置されている。これにより、燃料ノズル１２及び燃焼用空気供給部材１５の先端から噴出された流体燃料及び燃焼用空気の拡がりを抑えて内側に向けて噴出させることができる。よって、混合流体及び燃焼開始時における火炎（ガス）が内側の水管５に接触し難くなり、ノズル近傍における不完全燃焼等を抑えることができる。

また、整炎筒状部材１９は、燃焼室６内で循環する再循環ガスの循環経路である再循環経路を形成する再循環路形成部材としても機能している。ここで、再循環ガスは、主として燃焼反応が完了した又はほとんど完了した排気ガスであるが、未燃焼の流体燃料や燃焼用空気も再循環ガスに含まれる。

再循環ガスは、整炎筒状部材１９の外表面上を上昇し、燃焼用空気供給部材１５から噴出される燃焼用空気の噴流に吸引されて、整炎筒状部材１９と上部ヘッダ３との間から整炎筒状部材１９内へと引き込まれて再循環する。

このように、燃焼によって生じた排気ガスを主成分とする再循環ガスを、燃料及び燃焼用空気に混合させることで、大気中よりも酸素濃度が低い状態での燃焼となり、燃焼温度を低下させて、ＮＯｘの発生を大きく抑制することができる。

冷却装置２０は、再循環経路を通過する再循環ガスを冷却するための装置であり、本実施形態では、水冷式の強制冷却手段を採用している。冷却装置２０は、内部を冷却水が通過する管が螺旋状に巻かれた冷却水管２１と、給水ライン３０から冷却水管２１へ冷却水を供給するための供給ライン２２と、冷却水管２１から給水ライン３０の給水タンク３３へと冷却水を戻すための回収ライン２３とを備えている。

再循環ガスを冷却する冷却部として機能する冷却水管２１は、整炎筒状部材１９の外周面上に同心で螺旋状に巻かれて設置されており、整炎筒状部材１９の上端から中程あたりの高さまで設置されている。このように、冷却水管２１は、燃料ノズル１２及び燃焼用空気供給部材１５の先方の流体燃料と燃焼用空気と噴出領域を側方から囲むように設置されている。もちろん、整炎筒状部材１９は、流体燃料と燃焼用空気の噴出領域のうち、火炎形成前の領域だけなく、火炎が形成されている領域を囲んでいても良い。

給水ライン３０は、ボイラ１にボイラ水を供給するためのラインであり、給水ポンプ３１と、逆止弁３２と、給水タンク３３とを備えている。本実施形態では、冷却装置２０の冷媒としてボイラ１の給水ライン３０を流れる給水を利用しているので、構成を簡略化し、冷却手段設置のためのコストを抑えることができる。

ボイラ１において生成された乾き度の高い蒸気が気水分離器４０から外部へ取り出される。気水分離器４０は、蒸気取出ライン４２によって上部ヘッダ３に接続され、降水管４１によって下部ヘッダ４と接続されている。

以上、本実施形態に係る燃焼装置１０の構成について詳細に説明したが、続いて、燃焼装置１０における低ＮＯｘ燃焼の態様について詳細に説明する。まず、ボイラ１に対して燃焼要求が来ると、燃焼ノズル１２及び燃焼用空気供給部材１５から流体燃料及び燃焼用空気が燃焼室６内へと噴出される。この噴出された混合流体に図示しない点火装置により着火が行われ、燃焼室６で燃焼が行われる。

図２に矢印で示すように、燃焼により発生した排気ガスの一部等は、旋回流等によって整炎筒状部材１９の外表面上を上方へ流れる。このとき、このように再循環する再循環ガスは、整炎筒状部材１９の外周面上に設置された冷却水管２１の近傍を通過するため、冷却水管２１内を流れる冷却水によって冷やされる。

冷却された再循環ガスは、燃焼用空気供給部材１５から噴出された燃焼用空気に引き込まれながら、整炎筒状部材１９の上端において整炎筒状部材１９の外側から内側へと回り込み、燃焼用空気と混合する。この冷却された再循環ガスの混合により、流体燃料と燃焼用空気の混合領域においては、再循環ガスが混合されない場合よりも酸素濃度が低い状態となるため、燃焼室６内における燃焼温度が低下してＮＯｘの発生が抑制される。

特に、本実施形態では、再循環ガスを冷却させたうえで再循環させているので、冷却により再循環ガスの体積が小さくなり、従来の自己排気ガス再循環法における再循環ガスと比較して、循環量を大幅に増加させることができる。これにより、従来と比して燃焼用空気をより大きく希釈して酸素濃度を低減させることができ、従来よりもＮＯｘの発生を大きく抑えることができる。

続いて、本実施形態に係る燃焼装置を用いたＮＯｘの低減効果試験の結果について説明する。図３は、本実施形態に係る燃焼装置によるＮＯｘ低減効果試験の結果を示すグラフであり、再循環ガスの温度と排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度との関係を示している。同図の横軸は、再循環ガスの温度（℃）を示し、縦軸は、燃焼後の排気ガス中に含まれるＮＯｘの濃度（ppm）を示している。なお、縦軸は、酸素濃度を0％換算した場合の値である。

同図において、再循環ガスの温度が770℃の場合は、冷却装置を稼働していない、すなわち再循環ガスを冷却しないでそのまま再循環させた場合を示している。同図に示すように、再循環ガスの温度が低くなるにしたがって、ＮＯｘの量も低減している。本実施形態では、再循環ガスを575℃まで200℃程度冷却しているが、その場合には、ＮＯｘの量は、12.8ppmまで低減されていた。

ここで、非冷却時に排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度は21.3ppmであったので、本実施形態に係る再循環ガスの冷却によれば、従来と比較して40％もＮＯｘの発生を抑えることができており、本試験結果により、本発明の効果の大きさが示されている。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の実施の形態は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、冷却手段を強制的に冷却する水冷の冷却装置を採用しているが、水冷装置以外の強制冷却装置でも良いし、動力手段を用いない冷却フィン等の自然冷却装置を採用しても良い。

自然冷却装置としては、例えば、冷却ヒレ（フィン）を用いる場合も含む。この場合、再循環ガスが通過する再循環経路上の所定の位置に設置すれば、再循環ガスを冷却することができる。具体的には、例えば、ヒレ部が再循環ガスの再循環経路上に位置するように、内側の水管の上部付近に内側に延びる横ヒレを設置すれば良い。

また、本実施形態では、再循環経路形成部材として、整炎機能を兼ねた筒状部材を用いているが、再循環ガスの再循環を助長して再循環経路を形成する部材であれば、どのような部材を用いても良い。また、上記実施形態では、再循環経路形成部材が、流体燃料と燃焼用空気の噴出領域を側方全体から囲んでいるが、側方の一部を囲んでいるだけでも良い。

１ ボイラ
２ 缶体
３ 上部ヘッダ
４ 下部ヘッダ
５ 水管
６ 燃焼室
１０ 燃焼装置
１１ ウィンドボックス
１２ 燃料ノズル
１４ 送風機
１５ 燃焼用空気供給部材
１９ 整炎筒状部材
２０ 冷却装置
２１ 冷却水管
２２ 供給ライン
２３ 回収ライン
３０ 給水ライン
４０ 気水分離器

Claims (3)

1. 流体燃料を噴出する燃料噴出部材と、
   燃焼用空気を噴出する燃焼用空気供給部材と、
   前記流体燃料と前記燃焼用空気の噴出領域を側方から囲む再循環経路形成部材と、
   再循環経路を通って循環する再循環ガスを冷却するために、再循環経路上に冷却部が設置された冷却手段と、
   を備えることを特徴とする燃焼装置。
2. 前記冷却手段は、前記冷却部が前記再循環経路形成部材の外表面上であって前記噴出領域の側方に設置された冷却手段であることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
3. ボイラに搭載された請求項１又は請求項２に記載の燃焼装置において、
   前記冷却手段は、ボイラの給水ラインに接続され、前記給水ラインを流れる給水を冷媒として利用する冷却装置であることを特徴とする燃焼装置。

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