JP2023154262A - バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼状態にかかわらず火炎を安定させることができるバーナを提供することである。
【解決手段】燃焼用空気が流れる第１空気流路５１と、前記第１空気流路５１を囲むように燃焼用空気が供給され、先端に複数の空気ノズル３１を備えた第２空気流路５２と、前記第１空気流路５１と前記第２空気流路５２の間に燃料ガスが供給される燃料ガス流路５３と、前記燃料ガス流路５３と前記第２空気流路５２との連通部３２から前記空気ノズル３１に延びる燃料ガスパイプ４０と、を備えるバーナ２であって、前記燃料ガスパイプ４０の噴出口４３は、前記空気ノズルの噴出口３３よりも上流側に位置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、バーナに関する。

従来より、内側空気流路とそれを囲む外側空気流路を備え、外側空気流路に燃料を噴出させる、予混合燃焼方式のガスバーナがあった（例えば、特許文献１）。

特開２０１５－２１２５９９号公報

しかしながら、従来のガスバーナでは、例えば、低燃焼時などにおいて、燃焼室内を流通する燃焼ガスの流速が低流速となった場合などに、外側空気流路において安定燃焼させるための保炎部が形成できていないことにより、振動燃焼の発生頻度が高まる虞や、一酸化炭素（ＣＯ）の発生を抑制できない虞があった。これに対して、例えば火炎の温度が高温となるように制御することにより、火炎を安定させることができる可能性はあるものの、この場合には窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が増加してしまい、低ＮＯｘ化を実現することができない。

本発明は、かかる実情に鑑み考え出されたものであり、燃焼状態にかかわらず火炎を安定させることができるバーナを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のある局面に従うバーナは、燃焼用空気が流れる第１空気流路と、前記第１空気流路を囲むように燃焼用空気が供給され、先端に複数の空気ノズルを備えた第２空気流路と、前記第１空気流路と前記第２空気流路の間に燃料ガスが供給される燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路と前記第２空気流路との連通部から前記空気ノズルに延びる燃料ガスパイプと、を備え、前記燃料ガスパイプの噴出口は、前記空気ノズルの噴出口よりも上流側に位置する。

上記の構成によれば、燃料ガスパイプの噴出口を、空気ノズルの噴出口よりも上流側に位置させているため、燃料ガスパイプの先端部で混合気を巻き込んだ循環流を発生させることができる。また、第１空気流路の下流側と空気ノズルの下流側との間でも混合気を巻き込んだ循環流を発生させることができる。これにより、燃焼状態にかかわらず火炎の安定性を向上させることができ、振動燃焼の発生、一酸化炭素（ＣＯ）の発生、および窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制できる。

好ましくは、前記燃料ガスパイプには、当該燃料ガスパイプの噴出口に至るまでの間において貫通孔が設けられている。

上記の構成によれば、燃料ガスパイプの上流側において燃焼用空気と燃料ガスとを事前に混合させることができるため、混合効率を高めることができ、より火炎を安定させることができる。

好ましくは、前記空気ノズルは、前記第２空気流路のうち前記空気ノズルに至るまでの部位よりも断面積が小さく絞られた部位であり、前記貫通孔は、前記空気ノズルの内面と対向する位置に設けられている。

上記の構成によれば、断面積が小さく絞られた空気ノズルの内面では気体の流速が速くなるため、燃焼用空気と燃料ガスとの混合効率をより一層向上させ、より火炎を安定させることができる。

バーナを備えるボイラの断面を説明するための図である。 バーナの断面を説明するための拡大断面図である。 バーナを下方から見た底面図である。 循環流の発生箇所の一例を示す図である。

以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。図１を参照して、本実施の形態に係るボイラ１の概略構成について説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が本発明に含まれることが意図される。

図１には、ボイラ１が備える構成のうちの、燃料を燃焼させて蒸気を生成する缶体３が示されている。缶体３は、略円筒状に形成されており、その内部に燃料を燃焼させるガスバーナ２、複数の水管４、上部ヘッダ６、および下部ヘッダ５などを含む。複数の水管４は、各々、上部ヘッダ６と下部ヘッダ５との間に連結して構成されている。複数の水管４は、缶体３の内部に収容されており、缶体３の円周方向に所定の間隔で立設されている内側水管４ａと、当該内側水管４ａよりも外側において缶体３の円周方向に所定の間隔で立設されている外側水管４ｂとを含む。これらの内側水管４ａと外側水管４ｂとをまとめて水管４ともいう。内側水管４ａのうち隣り合う水管の隙間には、当該隙間を閉塞するように、下端部の隙間を残して内側縦ヒレ４ａ´が設けられる。外側水管４ｂについても隣り合う水管の隙間には、当該隙間を閉塞するように、上端部の隙間を残して外側縦ヒレ４ｂ´が設けられる。これにより、缶体３の略中央部に、燃焼室８および燃焼ガス通路９が形成される。燃焼ガス通路９から送られてきた排気ガスは、排気通路７から缶体３外部に排出される。

ガスバーナ２は、燃焼室８の上方に設けられている。ガスバーナ２は、複数の水管４の内部に導入された缶水を加熱して、蒸気を生成する。また、ガスバーナ２には、空気供給装置から燃焼用空気が供給されるとともに、燃料供給装置から燃料ガスが供給される。空気供給装置は、送風機を含み、燃料供給装置は、流量調整弁を含む。ボイラ１の燃焼量は、ボイラ１の運転・動作を制御する制御装置により、燃焼状態（燃焼量）に応じた態様で送風機および流量調整弁が制御されることにより、連続的又は段階的に調整される。例えば、燃焼状態が高燃焼状態であるときには、流量調整弁の開度が１００％に制御され、高燃焼状態よりも燃焼量が小さい低燃焼状態であるときには、流量調整弁の開度が５０％に制御される。

下部ヘッダ５は、缶体３の下部に設けられ、複数の水管４の下部と連結されている。下部ヘッダ５は、缶体３に給水を行う給水ライン６１と接続されている。給水ライン６１の上流側には、給水ポンプ６３や逆止弁６４が設けられている。給水ポンプ６３から給水ライン６１を介して下部ヘッダ５へ給水され、給水された水は水管４において加熱される。上部ヘッダ６は、缶体３の上部に設けられ、複数の水管４の上部と連結されている。複数の水管４の内部において加熱された水は、蒸気となり、上部ヘッダ６から、蒸気供給管６２を介して蒸気を用いる各種装置に供給される。

本実施形態におけるボイラ１では、まず燃焼室８内においてガスバーナ２から供給された可燃性混合気が燃焼される。燃焼室８において可燃性混合気が燃焼して発生した燃焼ガスは燃焼室８を囲むように配置された複数の水管４（内側水管４ａ）の内部を流通する水を加熱する。次いで、燃焼ガスは、燃焼室８の下部に形成された隙間から燃焼ガス通路９を通り、更に複数の水管（内側水管４ａおよび外側水管４ｂ）の内部を流通する水を加熱する。そして、燃焼ガス通路９を通った燃焼ガスは、缶体３の上部に形成された排気通路７を通って外部に排出される。

次に、ガスバーナ２について説明する。図２および図３に示すように、ガスバーナ２は、パイロットバーナ１１と、パイロットバーナ１１の外側を覆うように配置される円筒状の第１筒部１０、第１筒部１０の外側に配置される（第１筒部１０よりも径が大きい）円筒状の第２筒部２０（図３においても説明の便宜上点線で示す）と、第２筒部２０の外側に配置される（第２筒部２０よりも径が大きい）円筒状の第３筒部３０と、パイロットバーナ１１の下方に設けられ第１筒部１０の内側の一部を塞ぐ第１蓋部１２と、第１筒部１０の先端部から第２筒部２０の先端部を塞ぐとともに、第２筒部２０の先端部から第３筒部３０の先端部までの一部を塞ぐ第２蓋部２２とを備える。

第１筒部１０内であって、パイロットバーナ１１を除く領域は、パイロットバーナ１１および後述する一次燃焼に用いる燃焼用空気が供給される第１空気流路５１を形成する。第１筒部１０の外側および第２筒部２０の内側の領域は、燃料ガスが供給される燃料ガス流路５３を形成する。第２筒部の外側２０および第３筒部３０の内側の領域は、後述する二次燃焼に用いる燃焼用空気が供給される第２空気流路５２を形成する。このため、第２空気流路５２は、第１空気流路５１を囲むように燃焼用空気を供給する流路といえる。また、燃料ガス流路５３は、第１空気流路５１と、第２空気流路５２との間において燃料ガスを供給する流路といえる。第１空気流路５１および第２空気流路５２は、各々、上流側において空気供給装置に接続される。燃料ガス流路５３は、上流側において燃料ガスを供給する燃料供給装置に接続される。

また、ガスバーナ２は、燃焼室８と隣接する第１筒部１０の壁面（第１蓋部１２よりも下流側の壁面）に形成される貫通孔（以下、第１貫通孔という）２１と、第１蓋部１２の中央に形成される開口部１３と、第１蓋部１２の開口部１３を中心として放射状に間隔をあけて開口される多孔１４とを備えている。第１貫通孔２１は、燃料ガス流路５３の周方向に間隔をあけて複数形成される。複数の第１貫通孔２１は、各々、燃料ガス流路５３から供給される燃料ガスを開口部１３の下方（下流側）の燃焼室８に供給する。開口部１３および多孔１４は、各々、第１空気流路５１から供給される燃焼用空気を燃焼室８に供給する。これにより、開口部１３下方の燃焼室８において、燃焼用空気と燃料ガスとを混合させて可燃性混合気が生成される。

一方、第１筒部１０内に設けられているパイロットバーナ１１は、図１に示すように缶体３の中心軸Ｘと重なるように鉛直方向（上下方向）に延び、その先端部が第１蓋部１２の開口部１３に近接するように配置される。パイロットバーナ１１は、開口部１３の下方において生成される可燃性混合気に着火して、燃焼室８において燃焼（以下、一次燃焼ともいう）を開始させる。

また、ガスバーナ２は、第２空気流路５２から供給される燃焼用空気を燃焼室８に噴出する噴出口（以下、第１噴出口ともいう）３３を形成する空気ノズル３１を備える。空気ノズル３１は、図３に示すように、第２蓋部２２において周方向に等間隔で複数形成される。複数の空気ノズル３１は、各々、第２空気通路５２の幅（第２筒部２０と第３筒部３０との間隔）よりも直径が小さい円筒状の部材である。このため、複数の空気ノズル３１の断面積は、第２空気流路５２のうち空気ノズル３１に至るまでの部位よりも小さく絞られている。

また、第２筒部２０には、複数の空気ノズル３１各々の上流位置において、燃料ガス流路５３と連通する連通孔（連通部に相当）３２が設けられている。連通孔３２は、複数の空気ノズル３１と同様に、周方向に等間隔で複数形成される。ガスバーナ２は、複数の連通孔３２各々に接続され、各連通孔３２から下流側に位置する空気ノズル３１に向かって延びる燃料ガスパイプ４０を複数備えている。

複数の燃料ガスパイプ４０には、各々、図２に示すようにその末端部（最下流側、先端）から当該燃料ガスパイプ４０の中心軸方向に延びる壁部４２が形成されている。壁部４２は、燃料ガスパイプ４０のパイプ部材（管部材）に対して直交する向きに所定長さだけ延設されている。これにより、複数の燃料ガスパイプ４０各々の末端部において、図３に示すように、壁部４２の中心端部により円形の開口となる噴出口（以下、第２噴出口ともいう）４３が形成される。また、複数の燃料ガスパイプ４０は、各々の第２噴出口４３が、空気ノズル３１の第１噴出口３３の縁部（点線面）よりも若干上流側に位置するように設けられている。なお、壁部４２は、パイプ部材と同じ材質・肉厚となる部材により生成（例えばパイプ部材の先端を曲げ加工などにより生成）されるため、燃料ガスパイプ４０の先端部の加工が容易となる。

また、複数の燃料ガスパイプ４０には、第２噴出口４３に至るまでの間において貫通孔（以下、第２貫通孔ともいう）４１が形成されている。本実施形態における第２貫通孔４１は、空気ノズル３１の内面と対向する位置であって、空気ノズル３１の内壁に対して直交する向きに形成されている。また、第２貫通孔４１は、燃料ガスパイプ４０の周方向に等間隔で複数形成されている。

これにより、燃料ガス流路５３から供給される燃料ガスを、複数の燃料ガスパイプ４０を介して、第２貫通孔４１から空気ノズル３１の内壁に対して噴出させるとともに、空気ノズル３１のノズル噴出口３３よりも若干上流側に位置する第２噴出口４３から噴出させることができる。その結果、空気ノズル３１の下方の燃焼室８において、燃焼用空気と燃料ガスとを混合させて可燃性混合気が生成され、開口部１３の下方における一次燃焼により発生する一次燃焼ガス（火炎）により着火して燃焼（以下、二次燃焼ともいう）が開始される。なお、一次燃焼と二次燃焼との燃焼量の比率は、一次燃焼よりも二次燃焼側で発生する燃焼量の方が大きく、たとえば、１：９の比率となるように、第２噴出口４３および第２貫通孔４１と、第１貫通孔２１との個数や開口面積などが調整されている。

本実施形態におけるガスバーナ２においては、第２空気流路５２を介して空気ノズル３１に供給された燃焼用空気が、第２貫通孔４１から空気ノズル３１の内壁に対して直交する向きに噴出される燃料ガスと混合される。また、空気ノズル３１の断面積は、第２空気流路５２のうち空気ノズル３１へ至る部位よりも小さく絞られているため、燃焼用空気の流速は、第２空気流路５２内よりも空気ノズル３１内において速くなる。このように空気ノズル３１内の燃焼用空気の流速が速くなる箇所において、燃焼用空気と燃料ガスとを混合させることにより、混合効率をより向上させることができる。

また、空気ノズル３１内のさらに下流側においては、第２貫通孔４１から噴出された燃料ガスと混合された混合気が、第２噴出口４３から噴出された燃料ガスと更に混合される。本実施形態においては、第２噴出口４３が空気ノズル３１のうち第１噴出口３３よりも上流側に位置している。このために、燃料ガスパイプ４０の先端部であって、第２噴出口４３から下方に噴出される燃料ガスと、燃料ガスパイプ４０の先端部と空気ノズル３１との間から下方に供給される混合気との間において、混合気を巻き込んだ循環流を発生させることが可能となる（図４の循環流Ａとして図示した点線囲い部参照）。これにより、燃料ガスパイプ４０の先端部において燃焼用空気と燃焼ガスとの混合が促進されて燃焼室８内に供給されるため、火炎の安定性が向上し、一酸化炭素（ＣＯ）の発生、および、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制することができる。本実施形態では、第２噴出口４３を囲うように壁部４２が形成されているため、第２噴出口４３から下方に噴出される燃料ガスと、燃料ガスパイプ４０の先端部と空気ノズル３１との間隔を大きくすることができ、その結果、より大きな循環流を発生させることができ混合効率をより高めることができる。

また、燃焼室８においては、第１蓋部１２の下方において供給される一次燃焼用の可燃性混合気と、第２噴出口４３から噴出される二次燃焼用の可燃性混合気とが、各々、図４の点線矢印で示すように流通する。これにより、第１蓋部１２の下方において供給される一次燃焼用の可燃性混合気と、第２噴出口４３から噴出される二次燃焼用の可燃性混合気との間、つまり、第１蓋部１２の下流側と空気ノズル３１の下流側との間において、可燃性混合気を巻き込んだ大きな循環流を発生させることが可能となる（図４の循環流Ｂとして図示した点線囲い部参照）。これにより、燃焼室８内においても燃焼用空気と燃焼ガスとの混合が更に促進され、燃焼室８内における火炎の安定性がさらに向上し、一酸化炭素（ＣＯ）の発生、および、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制することができる。なお、第１噴出口３３（空気ノズル３１）から噴出されて混合された可燃性混合気は、第１空気流路５１の下流において一次燃焼により発生する一次燃焼ガス（火炎）により着火され、二次燃焼される。

以上のように、本実施の形態では、燃料ガスパイプ４０の第２噴出口４３を、空気ノズル３１の第１噴出口３３よりも上流側に位置させているため、燃料ガスパイプ４０の先端部で混合気を巻き込んだ循環流を発生させることができる。また、第１空気流路５１の下流側と空気ノズル３１の下流側との間でも混合気を巻き込んだ循環流を発生させることができる。これにより、燃焼状態（あるいは燃焼ガスの流速など）にかかわらず火炎の安定性を向上させることができ、振動燃焼の発生、一酸化炭素（ＣＯ）の発生、および窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制できる。また、複数箇所において循環流を発生することで、たとえ低燃焼時などであって燃焼ガスの流速が低速であっても、効率よく混合させることができ、火炎の安定をより一層向上させることができる。

また、空気ノズル３１の断面積は、第２空気流路５２のうち空気ノズル３１に至るまでの部位よりも小さく絞られていること、および、燃料ガスパイプ４０に当該空気ノズル３１の内面と対向する位置に第２貫通孔４１が設けられていること、により燃料ガスパイプ４０の上流側においても、事前に燃焼用空気と燃料ガスとを混合させることができる。これにより混合効率をさらに高めることができ、火炎を安定させることができるため、一酸化炭素の発生を更に低下させることができる。

本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な上記の実施の形態の変形例などについて説明する。

上記実施の形態では、燃料ガスパイプ４０の第２噴出口４３を、空気ノズル３１の第１噴出口３３よりも若干上流側に位置する例について説明したが、燃料ガスパイプ４０の第２噴出口４３の位置は、空気ノズル３１内であればよく、例えば、空気ノズル３１の流路方向における中間位置となるものであってもよい。燃料ガスパイプ４０の第２噴出口４３の位置が空気ノズル３１内であれば、燃料ガスパイプ４０の先端部（例えば空気ノズル３１内を含む）において循環流を発生させることができ、混合効率を向上させることができる。

上記実施の形態では、第２噴出口４３を囲うように壁部４２が形成されている例について説明したが、壁部４２が形成されていないものであってもよい。この場合であっても、燃料ガスパイプ４０の厚み分だけ、第２噴出口４３から下方に噴出される燃料ガスと、燃料ガスパイプ４０の先端部と空気ノズル３１との間に隙間が生じるため、空気ノズル３１内において循環流を発生させることができる。

上記実施の形態におけるボイラ１は、燃料がガス（気体燃料）である場合について説明した。この気体燃料は、例えば、天然ガス、水素ガス、石炭ガスなど気体化している燃料であればこれに限られない。また、ボイラ１に用いられる燃料は、気体燃料に限らず、液体燃料であってもよい。

上記実施の形態におけるボイラ１では、直径が異なる３つの筒部（第１筒部１０、第２筒部２０、第３筒部３０）の間に第１空気流路５１、第２空気流路５２、燃料ガス流路５３を形成する例について説明したが、これに限らず、第１空気流路５１、第２空気流路５２、燃料ガス流路５３は、流路毎に対応して設けられる専用の管（パイプ）やダクトなどにより形成されるものであってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ボイラ
２ ガスバーナ
３ 缶体
４ 水管
４ａ 内側水管
４ｂ 外側水管
４ａ´ 内側縦ヒレ
４ｂ´ 外側縦ヒレ
５ 下部ヘッダ
６ 上部ヘッダ
７ 排気通路
８ 燃焼室
９ 燃焼ガス通路
１０ 第１筒部
１１ パイロットバーナ
１２ 第１蓋部
１３ 開口部
１４ 多孔
２０ 第２筒部
２１ 貫通孔
２２ 第２蓋部
３０ 第３筒部
３１ 空気ノズル
３２ 連通孔
３３ 第１噴出口
４０ 燃料ガスパイプ
４１ 第２貫通孔
４２ 壁部
４３ 第２噴出口
５１ 第１空気流路
５２ 第２空気流路
５３ 燃料ガス流路
６１ 給水ライン
６２ 蒸気供給管
６３ 給水ポンプ
６４ 逆止弁

Claims (3)

1. 燃焼用空気が流れる第１空気流路と、
   前記第１空気流路を囲むように燃焼用空気が供給され、先端に複数の空気ノズルを備えた第２空気流路と、
   前記第１空気流路と前記第２空気流路の間に燃料ガスが供給される燃料ガス流路と、
   前記燃料ガス流路と前記第２空気流路との連通部から前記空気ノズルに延びる燃料ガスパイプと、を備え、
   前記燃料ガスパイプの噴出口は、前記空気ノズルの噴出口よりも上流側に位置する、バーナ。
2. 前記燃料ガスパイプには、当該燃料ガスパイプの噴出口に至るまでの間において貫通孔が設けられている、請求項１に記載のバーナ。
3. 前記空気ノズルは、前記第２空気流路のうち前記空気ノズルに至るまでの部位よりも断面積が小さく絞られた部位であり、
   前記貫通孔は、前記空気ノズルの内面と対向する位置に設けられている、請求項２に記載のバーナ。

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