JP2023152455A - ガス／油切替専焼バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＯ発生を抑制しながら高ターンダウン比が得られ、低ＮＯｘ化をも促進できるガス／油切替専焼バーナを提供する。【解決手段】 ガス／油切替専焼バーナ１００は、内側に燃焼空気が流れるように構成された燃焼筒１０と、２の低燃焼用ノズル、中燃焼用ノズル、高燃焼用ノズルを含む複数の油噴霧ノズルと中央開口部を有する保炎板２４とを有する燃焼筒内側の油バーナユニット２０と、前方に向かって拡径する拡径筒部分３２および先端開口部３０ａを有し燃焼筒および油バーナユニットの前方に配置されるフレームファンネル３０と、ガス噴射口４２がフレームファンネルの内側に位置するように、フレームファンネルの拡径筒部分３２に形成された挿入孔３２ａを外側から内側に貫通するように設けられた複数のガスノズル４０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス／油切替専焼バーナに関し、特に、高ターンダウン比を達成しながら、低ＮＯｘ化、低ＣＯ化を図ることができるガス／油切替専焼バーナに関する。

従来、温水機や蒸気ボイラなどで利用される燃焼装置としては、ガスバーナや油焚きバーナが広く一般に用いられている。油焚きバーナとしては、複数の燃料噴霧ノズルを備えた圧力噴霧式の油焚きバーナ（油圧噴霧式燃焼装置）が知られている。この種の油焚きバーナでは、燃料を噴霧するノズルを適宜選択して全体の噴霧量を調整することによって、多段階の燃焼を行うことができる。

本出願人による特許文献１および２には、２つの低燃焼用ノズル、中燃焼用ノズル、および、高燃焼用ノズルの４つの油噴霧ノズルを備える圧力噴霧式の油焚きバーナが開示されている。これらの油焚きバーナにおいて、２つの低燃焼用ノズルは、バーナ中心軸を挟んで対向配置されており、また、中燃焼用ノズルと高燃焼用ノズルとは、バーナ中心軸を挟んで対向配置されている。

この構成において、保炎板の中央開口を介して、一次空気を供給するとともに、２つの低燃焼用ノズルから燃料を均等に重なるように噴霧させることによって、低燃焼をより安定して行うことができる。これにより、ＣＯ（一酸化炭素）の発生を抑制しながら、例えば１：４以下の高ターンダウン比を達成することができる。また、燃料を噴霧させるノズルを適宜選択することによって、低、中、高の３段燃焼が可能である。

なお、ターンダウン比とは、燃焼装置の定格燃料流量または定格燃焼量に対する、安定的に制御可能な最低燃料流量または最低燃焼量の比を意味しており、ここでは、比の値がより小さいもの（例えば従来の１：２に比べて１：４や１：５など）を、高ターンダウン比またはターンダウン比が向上したというように記載している。

また、燃焼装置としては、燃料ガスと燃料油とを切り替えて燃焼させることができるように構成されたガス／油切替専焼バーナも知られている（例えば、特許文献３および４）。このような切替専焼バーナでは、バーナ中心軸の近傍に配置された燃料油噴霧口の周囲において、周方向に沿って間隔をあけて複数の燃料ガス噴出口が設けられている。ガス／油切替専焼バーナは、使用する燃料を選択することによって、同じ燃焼域において、ガス専焼と油専焼とを切り替えて行うことができる。

特開２０１９－２１１０９５号公報 特許第６６７９４７１号公報 特開平５－２８０７１６号公報 特開昭６２－２６４１２号公報 特許第４９６３６２１号公報 特開２０１０－２４９４２５号公報 特開２００８－０３２３８１号公報

ガスバーナ、油焚きバーナ、ガス／油切替専焼バーナのいずれのバーナにおいても、環境対策の一環として、低ＮＯｘ（窒素酸化物）化および低ＣＯ化の促進が、近年より一層のこと求められている。特許文献５～７には、燃焼を制御して、低ＮＯｘ化および低ＣＯ化を実現するための種々の技術が適用されたガスバーナまたは油焚きバーナが開示されている。

燃焼にともなって生成されるＮＯｘには、空気に含まれる窒素と酸素とが高温で反応して生成されるサーマルＮＯｘと、燃料中の窒素成分が燃焼の際に酸化されて生成されるフューエルＮＯｘとがある。これら燃焼に伴うＮＯｘの発生を抑制するためには、火炎温度を低くして局所的高温域を無くしたり、燃焼域での酸素濃度を低くしたり、あるいは、高温域での燃焼ガスの滞留時間を短くするような対策を講じることが有効である。

ところが、特に従来の油焚きバーナにおいて、ＣＯ発生を抑制しながら高ターンダウン比を達成するために低燃焼をより安定的に行おうとすると、どうしても火炎温度が上昇しやすくなるバーナ構成に設計せざるを得ず、このためにＮＯｘが発生しやすくなるという問題があった。したがって、高ターンダウン比での油焚きを可能としながらガス焚きも併せて可能とし、さらには低ＮＯｘ化をも図ることができる、ガス／油切替専焼バーナが提供されることが有益であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高ターンダウン比を実現しながらも低ＣＯ化および低ＮＯｘ化を図ることができる、ガス／油切替専焼バーナを提供することをその目的とする。

本発明の実施形態によるガス／油切替専焼バーナは、内側に燃焼空気が流れるように構成された燃焼筒と、前記燃焼筒の内側に配置された油バーナユニットであって、２つの低燃焼用ノズル、中燃焼用ノズルおよび高燃焼用ノズルを含む複数の油噴霧ノズルと、中央開口部を有し前記複数の油噴霧ノズルの噴霧口を覆わないように設けられた保炎板とを有する油バーナユニットと、前記燃焼筒および前記油バーナユニットの前方に配置されたフレームファンネルであって、前方に向かって拡径する拡径筒部分を含み、先端開口部を有するフレームファンネルと、前記油バーナユニットの外周側に配置された複数のガスノズルであって、ガス噴射口が前記フレームファンネルの内側に位置するように、前記フレームファンネルの前記拡径筒部分に形成された複数の挿入孔を、前記フレームファンネルの外側から内側にそれぞれ貫通するように設けられた複数のガスノズルとを備える。

ある実施形態において、前記フレームファンネルに形成された挿入孔と、これを貫通するガスノズルとの間には隙間が設けられており、前記隙間を循環ガスが通ることができるように構成されている。

ある実施形態において、バーナ軸方向における前記燃焼筒より前方の長さである前記複数のガスノズルのそれぞれの突出長さが、前記フレームファンネルのバーナ軸方向の長さの０．３～０．４倍の長さに設定され、かつ、前記複数のガスノズルのノズル中心が位置するガスノズル配置円の径が、前記燃焼筒の径よりも大きく設定される。

ある実施形態において、前記複数のガスノズルのそれぞれの先端の前記ガス噴射口が形成されたガス噴射部において、より前方に配置される突出部と、前記突出部よりも後方に配置される基部とが設けられており、前記基部が前記突出部よりもバーナ中心軸に近い側に配置されている。

ある実施形態において、前記ガス噴出部において、前記突出部と前記基部とは段差を形成している。

ある実施形態において、前記複数のガスノズルのそれぞれの内側において、ガス通過断面積を局所的に小さくすることによって流速を向上させるための流れ制限部が設けられている。

ある実施形態において、前記燃焼筒の内側において、前記油バーナユニットの前記保炎板の後方に配置され、前記保炎板の前記中央開口部を通過する一次空気を旋回させるための旋回羽根をさらに備える。

ある実施形態において、前記フレームファンネルは、前記拡径筒部分の前方に配置される同径筒部分と、前記同径筒部分の前方に配置され前記先端開口部を内側に有する環状絞り部分とをさらに含む。

ある実施形態において、前記複数のガスノズルのノズル中心が位置するガスノズル配置円の径が前記環状絞り部分の内側に設けられた前記先端開口部の径以上の大きさである。

ある実施形態において、前記２つの低燃焼用ノズルは、バーナ中心軸を挟んで対向しており、前記中燃焼用ノズルと前記高燃焼用ノズルとは、前記バーナ中心軸を挟んで対向しており、前記複数の油噴霧ノズルは、バーナ中心軸周りで周方向に沿って均等に配置され、前記複数のガスノズルは、前記油バーナユニットの外周側において周方向に沿って均等に間隔をあけて配置されている。

ある実施形態において、前記複数のガスノズルは８本のガスノズルであり、油およびガスのいずれの燃料を用いたときにも３段燃焼可能なように構成されている。

本発明の実施形態にかかるガス／油切替専焼バーナによれば、燃料としてガスおよび油の両方を任意に切替えて用いることが可能であり、また、高ターンダウン比を実現しながら低ＮＯｘ化、低ＣＯ化を達成することができる。

本発明の実施形態によるガス／油切替専焼バーナの全体構成を示す断面図である。 本発明の実施形態によるガス／油切替専焼バーナを火炎方向（バーナ中心軸方向）から見たときの各構成要素の位置関係を示す図である。 本発明の実施形態によるガス／油切替専焼バーナが備える油バーナユニットの燃焼部を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は火炎方向から見たときの各構成要素の位置関係を示す図である。 本発明の実施形態によるガス／油切替専焼バーナが備えるガスノズルが固定されたバーナ本体とフレームファンネルとを分離した状態を示す側面図である。 本発明の実施形態によるガス／油切替専焼バーナによる、ガス焚きの様子を示す断面図である。 ガスノズルの先端位置や配置円の半径位置の設計例を説明するための図であり、（ａ）はバーナ軸方向に沿った断面図、（ｂ）はバーナ軸方向から見たときのガスノズルの配置を示す図である。 本発明の実施形態によるガス／油切替専焼バーナが備えるガスノズルの詳細構成を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 図６に示したガスノズルをバーナ中心軸方向から見たときの各ノズルの配置を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態にかかるガス／油切替専焼バーナ１００を示す断面図である。また、図２は、ガス／油切替専焼バーナ１００を火炎方向（図１の紙面下から上）から見たときの各構成要素の配置関係を示す図である。

図１および図２に示す様に、ガス／油切替専焼バーナ１００は、燃焼空気の流路を形成する燃焼筒１０と、燃焼筒１０の内側に配置された油バーナユニット２０と、燃焼筒１０および油バーナユニット２０の前方に配置されたフレームファンネル３０と、先端のガス噴射口４２がフレームファンネル３０の内側に位置するように設けられた複数のガスノズル４０とを備えている。なお、燃焼筒１０は、ブラスト管またはドラフトチューブなどと呼ばれることもある。

油バーナユニット２０は、燃料油の供給ラインに接続されており、燃焼筒１０の前方、特にフレームファンネル３０の内側に燃料油を噴霧させ、これを燃焼させることができる。また、複数のガスノズル４０は、燃料ガスの供給ラインに接続されており、燃焼筒１０の前方、特にフレームファンネル３０の内側に燃料ガスを噴射させることができる。

燃焼筒１０は、整流を行うためのウインドボックス１２を介して、送風機からの燃焼空気の供給路に連通しており、燃料に混合させるための燃焼空気を、燃焼筒１０の前方に供給することができる。燃焼空気の供給量は、空気供給ラインに設けられたエアダンパなどを用いて調整可能であり、その調整によって、燃焼筒１０の前方において燃焼に適した混合気を生成することができる。

ガス／油切替専焼バーナ１００において、フレームファンネル３０内への油噴霧とガス噴射とは、各燃料供給ラインに設けたバルブの開閉を制御することによって、スイッチ１つで簡単に切り替えることができる。このようにして、ガス／油切替専焼バーナ１００は、燃焼筒１０の前方またはフレームファンネル３０の内側に形成される同じ燃焼域において、油専焼とガス専焼とを容易に切り替えて実行できるように構成されている。

なお、本明細書において、図１における紙面下向き、すなわち、燃料ノズルから燃料が噴射されて火炎が形成される向きを「前方」と呼び、その反対側の向き（すなわち、図１における紙面上向き）を「後方」と呼んでいる。また、「バーナ中心軸」は、燃焼筒１０の内側に存在し前方－後方方向に沿って延びる軸であり、典型的には、燃焼筒１０および／または油バーナユニット２０の中心軸に一致するものとする。

以下、ガス／油切替専焼バーナ１００のより詳細な構成を説明する。まず、油バーナユニット２０の詳細構成について説明する。

図３（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態のガス／油切替専焼バーナ１００が備える油バーナユニット２０は、複数の油噴霧ノズル２２と、油噴霧ノズル２２の前方に配置され、油噴霧ノズル２２の噴霧口を覆わないように中央開口部２４ａが設けられた保炎板２４と、油噴霧ノズル２２の噴霧口および保炎板２４の後方、背面側に配置された旋回羽根２６とを備えている。

油バーナユニット２０は、例えば特許文献２に記載されている油焚きバーナと同様の構成を有していてよく、本実施形態では、複数の油噴霧ノズル２２として、２本の低燃焼用ノズル２２Ｌと、１本の中燃焼用ノズル２２Ｍと、１本の高燃焼用ノズル２２Ｈとの４本のノズルが設けられている。

各油噴霧ノズル２２は、いずれも、流量調整機構を備えないオンオフ制御ノズル（全量式ノズルまたはノンリターン型ノズル）であり、燃料油を円錐状に噴霧させることができる。各油噴霧ノズル２２の噴霧角は、例えば３０°～６０°に設計されている。本実施形態では、複数の油噴霧ノズル２２のうちの選択したノズルから高圧の燃料油（例えば燃料ポンプにより０．５～２．０ＭＰａに加圧された燃料油）を噴霧させることによって、空気や蒸気などの霧化媒体を必要とせず燃料油を微粒化し、これを燃焼空気とを混合させて得られた混合気を燃焼させることができる。

上記のように構成された油バーナユニット２０は、低、中、高の３段燃焼（あるいは、燃焼停止、低燃焼、中燃焼、高燃焼の４位置燃焼）を行うことができる。低燃焼は、２つの低燃焼用ノズル２２Ｌのみから同時に燃料を噴霧させることによって行われ、中燃焼は、２つの低燃焼用ノズル２２Ｌと中燃焼用ノズル２２Ｍとから同時に燃料を噴霧させることによって行われ、高燃焼は、４本全ての油噴霧ノズル２２から同時に燃料を噴霧させることによって行われる。いずれの油噴霧ノズルから燃料を噴霧させるかは、それぞれの燃料供給ラインに設けた開閉弁（電磁弁など）の開閉を制御することによって任意に決定することができる。

また、本実施形態において、２つの低燃焼用ノズル２２Ｌの噴霧量（ノズル口径などに対応）は同等になるように設計されており、一方で、中燃焼用ノズル２２Ｍおよび高燃焼用ノズル２２Ｈの噴霧量は、低燃焼用ノズル２２Ｌの噴霧量よりも大きくなるように設計されている。高燃焼用ノズル２２ｃの噴霧量は、中燃焼用ノズル２２Ｍの噴霧量よりも大きく設定されていてもよい。より具体的には、２つの低燃焼用ノズル２２Ｌの噴霧量は例えば定格の１０％～１５％に設定され、中燃焼用ノズル２２Ｍの噴霧量は例えば定格の２０％～４０％に設定され、高燃焼用ノズル２２Ｈの噴霧量は例えば定格の４０％～５０％に設定される。

例えば、各低燃焼用ノズル２２Ｌの噴霧量を１０％とし、中燃焼用ノズル２２Ｍの噴霧量を３０％とし、高燃焼用ノズル２２Ｈの噴霧量を５０％とすることができる。この例では、２０％負荷、５０％負荷、１００％負荷の３段燃焼が可能であり、また、ターンダウン比を１：５（最低燃焼量が定格燃焼量の２０％）にすることができる。ただし、上記例に限られず、各ノズルの噴霧量は任意に設定され得る。

また、油バーナユニット２０において、２つの低燃焼用ノズル２２Ｌは、バーナ中心軸２０ｘを挟んで対向しており、また、中燃焼用ノズル２２Ｍと高燃焼用ノズル２２Ｈとは、バーナ中心軸２０ｘを挟んで対向している。また、これらの油噴霧ノズル２２は、バーナ中心軸周りで、周方向に沿って均等に、すなわち、バーナ中心軸２０ｘに対して等距離かつ点対称に配置されている。また、低燃焼用ノズル２２Ｌの一方の噴霧口の近傍には、着火のための点火棒２８の先端部分が位置している。

この構成において、図１～図３を参照してわかるように、保炎板２４の中央開口部２４ａを介して、一次空気（燃料噴射口周辺に供給される燃焼空気）とともに各油噴霧ノズル２２からは燃料油が前方のフレームファンネル３０内に噴霧される。中央開口部２４ａは、典型的には円形の平面形状を有しているが、これに限られず多角形など他の平面形状を有していてもよい。

一方、保炎板２４の外側、すなわち燃焼筒１０と保炎板２４との間の隙間からは、二次空気（可燃ガス化した燃料に供給される燃焼空気）がフレームファンネル３０の根元内側面あたりに供給される。このように、燃焼空気を一次空気と二次空気とで二段に分けて供給し、系全体で完全燃焼させる方式を採用すれば、酸素不足気味の一次空気供給領域での酸素濃度と火炎温度とを低下させることができる。したがって、ＮＯｘ発生量をある程度抑制することができる。

また、低燃焼において、油バーナユニット２０では、中央開口部２４ａを介して、一次空気を供給するとともに、対向配置された２つの低燃焼用ノズル２２Ｌから燃料を同時に重なるように噴霧させている。これにより、低燃焼時に１つのノズルを用いる場合と比較して、噴霧量が少ないときにも、燃料と空気の混合バランスを向上させることができ、燃焼の安定性を確保することができる。また、低燃焼においても、ノズルから高圧の燃料油を噴霧させて燃料の十分な微粒化を行うことができるので、燃焼を安定させることができる。このように２つの低燃焼用ノズル２２Ｌをバーナ中心軸２０ｘを挟んで対向配置することによって、ＣＯの発生を抑制しながら、上記のような高ターンダウン比を達成することができる。

また、本実施形態の油バーナユニット２０には、燃焼筒１０の内側、油噴霧ノズル２２の噴霧口および保炎板２４の後方において、保炎板２４の中央開口部２４ａを通過する一次空気を旋回させるための旋回羽根２６が設けられている。これによって、保炎板２４の前方で、噴霧燃料と一次空気との混合性をより向上させることができる。

旋回羽根２６は、一次空気を旋回させることができる限り、図示するような６枚構成のものに限られず他の任意の態様で設けられていてよい。旋回羽根２６の羽根の枚数は、例えば４～１２枚に設定される。旋回羽根２６の各羽根は、通常、法線方向から見たときにバーナ中心軸方向に対して例えば３０～６０°の角度をなすように斜めに配置される。

さらに、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、本実施形態において、保炎板２４には、中央開口部２４ａから放射状に延びる４～１２本（ここでは８本）のスリット２４ｂが設けられている。スリット２４ｂは、例えば、中央開口部２４ａから放射状に延びるスリットカバー２４ｂ’の片側エッジ部分において細長端面開口として設けられる。スリット２４ｂは、中央開口部２４ａと分離して形成されていてもよい。

以上の構成において、燃焼筒１０に流れ込んだ燃焼空気は、旋回羽根２６によってある程度の旋回性が与えられ、その後、保炎板２４の中央開口部２４ａまたはスリット２４ｂを通り、より攪拌性が高められた状態で一次空気として保炎板２４の前方に集約的に供給される。このようにして一次空気を供給すれば、負圧領域で噴霧燃料と一次空気とを十分に均一に混合させることができ、より燃焼させやすい可燃化ガスを得ることができる。これにより、ＣＯ排出量を抑制しながら低燃焼をより安定的に行うことができ、上記のような高ターンダウン比をより容易に達成することができる。

特に、図示する態様のように、バーナ中心軸方向から見たときの旋回羽根２６の羽先円の径と、保炎板２４のスリット２４ｂの先端部が形成する円の径とを略同じ（誤差１０％以内）に設計することによって、油噴霧ノズル２２の前方へと流れる一次空気を、効果的に旋回させることができる。

このようにして、旋回羽根２６およびスリット２４ｂを用いて一次空気を旋回させておくことによって油噴霧ノズル２２から噴霧される燃料との混合をより均一に行うことが可能になり、また同時に、二次空気を保炎板２４の外側から直流的にスムーズに供給することができる。このため、着火の安定性や保炎性がより良好な安定した燃焼を行うことができる。また、燃料と一次空気との均一混合が促進されるので、着火時の発煙を抑制し、不完全燃焼を抑制してＣＯ発生量を低減することができる。油バーナユニット２０を用いれば、コンパクトな設計にもかかわらず、低燃焼、中燃焼、高燃焼の３段安定燃焼が可能であり、ＣＯ発生量を抑制しながら高ターンダウン比を達成することが可能である。

ただし、油バーナユニット２０では、低燃焼を安定させるために、バーナ中心軸付近において微細化燃料と一次空気とを集約して十分混合させたうえで安定燃焼させている。このため、燃焼空気の２段階供給によって多少下げることはできてはいるものの、やはり火炎の温度は高くなる傾向にある。したがって、油バーナユニット２０を用いただけでは、高ターンダウン比は得られるものの、ＮＯｘ排出量を十分に抑制することは容易ではなかった。

そこで、本実施形態のガス／油切替専焼バーナ１００は、油バーナユニット２０に加えて、フレームファンネル３０内の同じ燃焼域でのガス焚きも可能とするための複数のガスノズル４０を備えている。そして、スイッチ１つで切り替えることができるガス焚きにおいても高ターンダウン比での３段燃焼を可能にするとともに、低ＣＯ化および低ＮＯｘ化を達成できるようにしている。ガス／油切替専焼バーナ１００を用いれば、燃料としてガスおよび油の両方が利用可能であり、いずれの燃料を用いる場合においても、高ターンダウン比での多段燃焼が可能であり、また、特にガス焚きにおいて向上した低ＮＯｘ化を達成することができる。

なお、ガス焚きにおける３段燃焼は、複数のガスノズル４０から噴射させるガス総流量を、ガス供給ラインに設けた流量制御バルブを用いて流量を３段で切り替えることによって容易に実現することができる。特に、ガス流量の制御を、燃焼空気の流量（ダンパなどで調整される送風機からの燃焼空気の風量）に適合するように自動で切り替えることによって、油焚き／ガス焚きの切り替え時にも燃料のみを切り替えて同様の火力で高ターンダウン比での３段燃焼を継続的に実行することが可能である。

また、ガス焚きは、油焚きに比べて、均質効率的な燃焼を行いやすく、低燃焼も比較的安定させやすいため、高ターンダウン比を実現しながら低ＮＯｘ化を達成しやすい。そして、ガス／油切替専焼バーナ１００は、主たる燃焼をガス焚きで行い、ガス焚きに支障が生じたときなどに、補助的に油焚きに切り替えるような運用が可能である。これにより、低ＮＯｘ化を達成するとともに、油焚きによる保障も得ながら、継続的、安定的に適切なバーナ機能を提供することができる。

以下、ガス／油切替専焼バーナ１００において、複数のガスノズル４０を用いて低ＮＯｘガス焚きを行うための構成についてより詳細に説明する。

図１および図２からわかるように、ガス焚きを行うための複数のガスノズル４０は、油バーナユニット２０の外周側（バーナ中心軸２０ｘから遠い側）において、周方向に沿って均等に配置されている。また、各ガスノズル４０は、ガス噴射口４２がフレームファンネル３０の内側に位置するように、フレームファンネル３０の外側から内側へとフレームファンネル３０を貫通するように配置されている。

図２に示すように、本実施形態では、８本のガスノズル４０が用いられ、バーナ中心軸２０ｘの周囲（保炎板２４の外側）で、４５°間隔で均等に配置されている。また、図示するように、本実施形態では、ガスノズル４０は、そのガス噴射口４２が燃焼筒１０（およびフレームファンネル３０の根元筒部）の外周側に位置するように、フレームファンネル３０の根元近傍において、これを貫通するように設けられている。また、本実施形態において、ガスノズル４０のガス噴射口４２は、バーナ軸方向から見たときにフレーム３０の先端開口部３０ａよりもわずかに外周側に位置している。

なお、ガスノズル４０の本数は、８本に限られず、例えば、４本～１６本であってもよい。ただし、本数が少ない場合には、各ノズルから噴出されるガス量に偏りが生じるおそれがあり、燃焼ガスの濃度に濃淡が生じて、燃焼温度およびフレームファンネル３０の温度が上昇する懸念がある。また、本数が多い場合には、製造コストの増加が見込まれる。このため、ガスノズル４０の本数は、例えば６～１２本に設定されることが好適である。

図４は、複数のガスノズル４０が固定されたバーナ本体から、フレームファンネル３０が取り外されたときの状態を示している。なお、バーナ本体において、複数のガスノズル４０は、ガスマニフォールド４４（本実施形態では燃焼筒１０と一体的に形成されている）に共通に接続されており、ガス管４６を介して燃料ガスが共通に送られるように設けられている。バーナ本体とフレームファンネル３０との固定は、ねじ止めなどによって容易に行うことができる。

図４に示すように、本実施形態において、フレームファンネル３０は、前方に向かって拡径する拡径筒部分３２を含むとともに、先端開口部３０ａを有している。さらに、図示する態様のフレームファンネル３０は、拡径筒部分３２の前方に配置される同径筒部分３４と、同径筒部分３４の前方に配置され先端開口部３０ａを内側に有する環状の絞り部分３６とを含んでいる。拡径筒部分３２のバーナ中心軸２０ｘに対する傾斜角は、例えば、２０°～６０°より具体的には３０°～４５°に設定され、必要とされる燃焼室の大きさに応じて任意に角度を選択し得る。

なお、図４および図５に示す例では、フレームファンネル３０の絞り部分３６が、開口部分で略直角に折れ曲がる形状を有している。ただし、図１に示したフレームファンネル３０のように、絞り部分３６が曲面部分を含むように形成されていてもよく、内側に先端開口部３０ａを有する限り、絞り部分３６の形状は任意に設計されていてよい。また、フレームファンネル３０は、拡径筒部分３２を必須とするものの、同径筒部分３４および絞り部分３６は、必ずしも設けられていなくても良い。

また、図４に示すように、フレームファンネル３０の拡径筒部分３２には、各ガスノズル４０が挿入される複数の挿入孔３２ａが、複数のガスノズル４０に対応する位置に設けられている。上記の様に８本の周方向均等に配置されたガスノズル４０を用いる場合、フレームファンネル３０の拡径筒部分３２にも、周方向均等に８つの挿入孔３２ａが設けられることになる。

各ガスノズル４０は、拡径筒部分３２に形成された各挿入孔３２ａを、フレームファンネル３０の外側から内側に貫通するように配置され、各ガスノズル４０のガス噴射口４２は、フレームファンネル３０の内側に位置する。なお、図示する態様では、各ガスノズル４０は、バーナ中心軸２０ｘと平行に直線的に伸びる形状を有しているが、これに限られず、わずかに内側に傾く方向に延びるように形成されていてもよいし、先端部がわずかに内側に湾曲するような形状を有していても良い。

また、各挿入孔３２ａは、各ガスノズル４０よりも大きめに形成されており、これらの間には隙間が形成されている。この隙間を通って、フレームファンネル３０の内外をガスが往来することができる。ガスノズル４０の外径が例えば約１２ｍｍの場合、挿入孔３２ａの断面径（ノズル軸直交面における径）は、例えば、約１４～２０ｍｍ（隙間の幅が約１～４ｍｍ）に設定される。ガスノズル４０は、典型的には、挿入孔３２ａの中心を貫通するように配置され、隙間が周囲に均等に設けられている。

図５は、ガス／油切替専焼バーナ１００におけるガス焚きの様子を示す。各ガスノズル４０からは、フレームファンネル３０内に均一にガスが噴出され、これが燃焼してフレームファンネル３０の前方にまで火炎Ｆが形成される。このとき、フレームファンネル３０の前方に排出された燃焼ガスは、循環ガスＧとして、挿入孔３２ａとガスノズル４０との隙間からフレームファンネル３０内に戻すことができる。これによって、自己再循環燃焼を行うことができる。

一般に、排ガス低ＮＯｘ化のためには緩慢燃焼を行うことが好適であるが、燃料と空気の混合が悪いとＣＯガスに代表される未燃成分が発生しやすくなる。これに対して、ガス／油切替専焼バーナ１００では、フレームファンネル３０の内側で、戻った循環ガスＧが燃料ガスや空気とよく混合するので、ＣＯ発生を抑制して安定燃焼を維持することができる。また、供給された可燃化燃料ガスに循環ガスＧ（排ガス）を混合させることによって、ＣＯ発生を防止しながら急激な燃焼を抑えることができる。したがって、循環ガスＧを導入することによって適切に緩慢燃焼を行うことが可能であり、排ガス低ＮＯｘ、低ＣＯ燃焼を達成することができる。

また、フレームファンネル３０は、油焚きにおいて、油燃料の気化を促し素早く燃焼を完結させる効果を奏するが、一方で、ガス焚きにおいては、フレームファンネル３０内での燃焼が高温を誘発しやすく、ＮＯｘ排出量を増加させ、また、フレームファンネル３０の焼損の可能性も増加させるおそれがある。

これに対して、本実施形態では、ガスノズル４０の突出長さ（燃焼筒１０よりも前方の長さ）を調整することによって、特に低燃焼での安定燃焼を実現しながらフレームファンネルの過剰な温度上昇を防止するようにしている。ガスノズル４０の突出長さが長い場合、火炎はフレームファンネル外に出やすいため、ファンネル温度を下げることができるが、反面、燃焼安定性は低下する。一方、ガスノズル４０の突出長さを短くしすぎると、火炎はフレームファンネル外に出にくく、ファンネル温度は上昇しやすくなるものの、安定燃焼は行いやすくなる。なお、ガスノズル４０の突出長さは、ファンネル内部にガス噴射口が配置されるように、最低限ファンネルまでの距離を超える長さに設計される必要がある。

図６（ａ）は、フレームファンネル３０のバーナ軸方向の長さＨ（以下、ファンネル長Ｈと称することがある）に対する、ガスノズル４０の突出長さの比率の設計例を説明するための図である。図６に示すように、ガスノズル４０の、先端部からフレームファンネル３０の開口部までの距離ｈ（以下、ノズル前空間距離ｈと称することがある）は、ファンネル長Ｈの例えば約０．６～０．７倍に設定され、すなわち、ガスノズル４０の突出長さ（Ｈ－ｈ）は、ファンネル長Ｈの例えば約０．３～０．４倍に設定される。

ガスノズル４０の突出長さ（Ｈ－ｈ）またはノズル前空間距離ｈを上記のように設計することによって、ガス噴射口４２が、旋回羽根２６やスリット２４ｂによる旋回燃焼空気の流れのなかに配置され、旋回燃焼空気によるフレームファンネル３０の冷却効果も見込めるとともに、火炎を前方に出しすぎずに燃料混合も十分に行われ、特に低燃焼時における低ＣＯ排出安定燃焼が実現される。また、本実施形態では、挿入孔３２ａから循環ガスＧを引き込むことができるので、循環ガスＧによる燃料攪拌による安定燃焼および排ガス混入による緩慢燃焼が見込まれ、上記のようなノズル配置での低ＮＯｘ化と低ＣＯ化とを達成することができる。

また、本設計例においては、図６（ｂ）に示す複数のガスノズル４０の配置円Ｃ４０の径Ｄが、図６（ａ）に示す燃焼筒１０の径ｄ３よりも大きく設定されている。また、ガスノズル配置円Ｃ４０の径Ｄは、ファンネル開口径ｄ１以上に設定されている。ここで、ガスノズル配置円Ｃ４０は、バーナ軸に垂直な面において規定される仮想的な円であり、各ガスノズル４０のノズル中心が位置する円を意味している。

このようにすれば、ガスノズル４０の内周側に燃焼筒１０からの燃焼空気が供給されやすくなる。また、フレームファンネル３０の先端開口部３０ａの内側にガスノズル４０の噴射口４２が配置されることは防止されるので、ガスの拡散が抑えられやすい。このようにして、ガスノズル４０の半径方向の配置を適切に設定することによって、ファンネル内の燃焼空間にガスを適切に噴射させて適切な混合気を得ることができ、所望のガス燃焼が実現されやすい。

また、ガスノズル４０の外径ｄ２は、例えば、ガスノズル配置円Ｃ４０の径Ｄの約０．０６５倍～０．０８５倍のサイズに設計されていてよい。所定の外径ｄ２を有するノズルを用いる場合のガス噴霧量を考慮すると、ガスノズル配置円Ｃ４０の径Ｄ（およびフレームファンネル３０のサイズ）を上記のような関係を満たすように設定しておけば、燃焼空間において比較的均質にガスの噴射が行われ、より良好なガス燃焼を達成することができる。

次に、図７および図８を参照して、ガスノズル４０の具体構成例について説明する。図７（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態において、各ガスノズル４０の先端のガス噴射口４２が形成されたガス噴射部には、より前方に配置される突出部４２Ｈと、これよりも後方に配置される基部４２Ｌとが設けられている。

本実施形態では、突出部４２Ｈと基部４２Ｌとは段差をなしており、例えば、外径ｄ２：約１２ｍｍ（内径ｄ４：約９．８ｍｍ）のガスノズル４０において、軸方向に５ｍｍの段差（段差ｂ）が形成されている。段差ｂは、例えば、ノズル外径ｄ２の、約０．３５～０．５倍程度に設定される。ただし、突出部４２Ｈと基部４２Ｌとは、必ずしも段差を形成するように設けられている必要はなく、例えば、基部４２Ｌから突出部４２Ｈに斜めに切り口が設けられた先端形状を有していても良い。

そして、図８に示すように、複数（ここでは８本）のガスノズル４０が、バーナ中心軸の周囲に均等に配置されるとともに、各ガスノズル４０の基部４２Ｌがバーナ中心軸２０ｘに近い内周側に、突出部４２Ｈが外周側に配置されている。このように、突出部４２Ｈを外周側に有していることによって、中心側の空気流と燃料ガスと接触面積が増加しているため、燃焼空気と燃料ガスとの混合が促進される。これにより、燃焼の安定性を図ることができる。また、ガスの噴射が中心側の空気流にやや向かう方向に行われやすいので、外側に火炎が広がりにくく、フレームファンネル３０の温度上昇を抑制することができる。

さらに、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態では、各ガスノズル４０の内側に、ここではオリフィスの態様でガス通過断面積を局所的に小さくする流れ制限部４３が設けられている。流れ制限部４３は、例えば、ノズル内径ｄ４が９．８ｍｍの場合にノズル出口から２５ｍｍ後方の位置に、開口径ｄ５：５．８ｍｍのオリフィスプレートを配置することで設けられる。

このようにガスノズル４０の噴出口４２の手前に、流れ制限部４３を設けておくことによって、ガス流速をこの部分で増加させ、その後、再び通過断面積が大きい流路をガスが流れるので、ノズル出口においてより均等、連続したガスの流れを形成することができ、さらに保炎性を向上させることができる。

以上に説明のようなガス焚き構成によれば、自己燃焼ガス再循環およびガスノズルの適切な長さ調整によって、バーナ部品の赤熱（温度上昇）を抑制できるとともに、ノズル先端形状の工夫によって燃焼安定性が向上しているので、向上した低ＮＯｘ化および低ＣＯ化燃焼を達成することができる。また、従来避けにくかったフレームファンネル３０の焼損も防止することができ、使用耐性にも優れ、油焚き、ガス焚きの両方が可能な利便性の高いバーナが得られる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、種々の改変が可能である。例えば、油バーナユニット２０において、保炎板２４と旋回羽根２６との間には、多孔構造やハニカム格子構造を有する整流板が設けられていても良い。

本発明の実施形態によるガス／油切替専焼バーナは、各種の蒸気ボイラや温水機などに用いられる燃焼装置として好適に利用され、例えば多管式貫流ボイラの燃焼装置として好適に利用される。

１０ 燃焼筒（ブラスト管）
１２ ウインドボックス
２０ 油バーナユニット
２２Ｌ 低燃焼用ノズル
２２Ｍ 中燃焼用ノズル
２２Ｈ 高燃焼用ノズル
２４ 保炎板
２４ａ 中央開口部
２４ｂ スリット
２６ 旋回羽根
２８ 点火棒
３０ フレームファンネル
３２ 拡径筒部分
３４ 同径筒部分
３６ 環状絞り部分
４０ ガスノズル
４２ ガス噴射口
４２Ｌ 基部
４２Ｈ 突出部
４３ 流れ制限部
４４ ガスマニフォールド
４６ ガス管
１００ ガス／油切替専焼バーナ

Claims (11)

1. 内側に燃焼空気が流れるように構成された燃焼筒と、
   前記燃焼筒の内側に配置された油バーナユニットであって、２つの低燃焼用ノズル、中燃焼用ノズルおよび高燃焼用ノズルを含む複数の油噴霧ノズルと、中央開口部を有し前記複数の油噴霧ノズルの噴霧口を覆わないように設けられた保炎板とを有する油バーナユニットと、
   前記燃焼筒および前記油バーナユニットの前方に配置されたフレームファンネルであって、前方に向かって拡径する拡径筒部分を含み、先端開口部を有するフレームファンネルと、
   前記油バーナユニットの外周側に配置された複数のガスノズルであって、ガス噴射口が前記フレームファンネルの内側に位置するように、前記フレームファンネルの前記拡径筒部分に形成された複数の挿入孔を、前記フレームファンネルの外側から内側にそれぞれ貫通するように設けられた複数のガスノズルと
   を備える、ガス／油切替専焼バーナ。
2. 前記フレームファンネルに形成された挿入孔と、これを貫通するガスノズルとの間には隙間が設けられており、前記隙間を循環ガスが通ることができるように構成されている、請求項１に記載のガス／油切替専焼バーナ。
3. バーナ軸方向における前記燃焼筒より前方の長さである前記複数のガスノズルのそれぞれの突出長さが、前記フレームファンネルのバーナ軸方向の長さの０．３～０．４倍の長さに設定され、かつ、前記複数のガスノズルのノズル中心が位置するガスノズル配置円の径が、前記燃焼筒の径よりも大きく設定されている、請求項１または２に記載のガス／油切替専焼バーナ。
4. 前記複数のガスノズルのそれぞれの先端の前記ガス噴射口が形成されたガス噴射部において、より前方に配置される突出部と、前記突出部よりも後方に配置される基部とが設けられており、前記基部が前記突出部よりもバーナ中心軸に近い側に配置されている、請求項１または２に記載のガス／油切替専焼バーナ。
5. 前記ガス噴出部において、前記突出部と前記基部とは段差を形成している、請求項４に記載のガス／油切替専焼バーナ。
6. 前記複数のガスノズルのそれぞれの内側において、ガス通過断面積を局所的に小さくすることによって流速を向上させるための流れ制限部が設けられている、請求項１または２に記載のガス／油切替専焼バーナ。
7. 前記燃焼筒の内側において、前記油バーナユニットの前記保炎板の後方に配置され、前記保炎板の前記中央開口部を通過する一次空気を旋回させるための旋回羽根をさらに備える、請求項１または２に記載のガス／油切替専焼バーナ。
8. 前記フレームファンネルは、前記拡径筒部分の前方に配置される同径筒部分と、前記同径筒部分の前方に配置され前記先端開口部を内側に有する環状絞り部分とをさらに含む、請求項１または２に記載のガス／油切替専焼バーナ。
9. 前記複数のガスノズルのノズル中心が位置するガスノズル配置円の径が、前記環状絞り部分の内側に設けられた前記先端開口部の径以上の大きさである、請求項８に記載のガス／油切替専焼バーナ。
10. 前記２つの低燃焼用ノズルは、バーナ中心軸を挟んで対向しており、前記中燃焼用ノズルと前記高燃焼用ノズルとは、前記バーナ中心軸を挟んで対向しており、前記複数の油噴霧ノズルは、バーナ中心軸周りで周方向に沿って均等に配置され、
    前記複数のガスノズルは、前記油バーナユニットの外周側において周方向に沿って均等に間隔をあけて配置されている、請求項１または２に記載のガス／油切替専焼バーナ。
11. 前記複数のガスノズルは８本のガスノズルであり、油およびガスのいずれの燃料を用いたときにも３段燃焼可能なように構成されている、請求項１０に記載のガス／油切替専焼バーナ。
    
    

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