JP2590278B2 - 低ＮＯｘボイラおよびボイラ用バーナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、気体燃料を用いるボイラに係り、特に燃焼
時に排出される窒素酸化物（以下NOxと称する）濃度を
低減するのに好適なボイラに関する。

〔従来の技術〕

光化学スモツグの原因となるNOxに対する排出規制は
年々厳しくなつており、NOx排出量を低減するための技
術開発が盛んに行われている。燃焼時に発生する公害成
分含有量の少ないボイラ用燃料として液化天然ガス（LN
G）などがある。このような窒素含有量の少ない気体燃
料が燃焼する際、発生するNOxは、燃焼用空気中の窒素
が高温雰囲気内で酸化されて生成されるサーマルNOxで
ある。サーマルNOxの生成は温度依存性が高く、火炎温
度が高くなるにつれて増加する。火炎温度は、燃料と燃
焼用空気との混合比いわゆる空気過剰率（空気量／理論
空気量）によつて異なり、燃料を完全燃焼させるのに過
不足のない空気量（理論空気量）で燃焼する時に火炎温
度は最も高くなる。

通常の気体燃料使用ボイラににおいては、拡散燃焼が
よく使用される。この燃焼法は、燃料と燃焼用空気とを
別々のノズルより火炉内に投入し、火炉内で両者を混合
することにより火炎を形成する方法であり、火炎の安定
性に優るのが特徴である。しかしながらこの燃焼法で
は、燃料−空気の混合過程において、空気過剰率が１に
近くなる領域が必ず存在し、この領域で火炎温度は高く
なり、NOxの発生が多くなる。

火炎温度の低減によりNOxの発生量を低減する目的
で、希薄燃焼，二段燃焼，排ガス再循環法等の燃焼法が
既に開発されている。二段燃焼及び排ガス再循環法は、
NOx低減の効果においては優れるが、未燃分が放出され
易い。これを防ぐには火炉を大きくする必要があり、経
済的には不利な燃焼法である。また、希薄燃焼法は空気
過剰率を高くして燃焼する方法である。この燃焼法では
過剰空気が増えるため、ボイラから燃焼ガスにより系外
へ排出される熱が増加し、ボイラの熱効率が低下する。

予混合火炎を採用したボイラの一例として、空気不足
の拡散火炎と空気過剰の予混合火炎を組合せて二段燃焼
する方法（特公昭52−28251号）がある。この燃焼法はN
Ox低減効果は大きいが、空気比１以下の拡散火炎は長炎
化し、火炉が大きくなる。また、空気不足の拡散火炎か
ら排出された未燃の可燃性気体を燃焼するのに、空気過
剰で燃焼した燃焼ガス中の酸素を使用するには、両者の
混合に要する時間を確保しなければならずボイラは大き
くなる。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように従来の火炎温度の低減を目的に開発された
燃焼法は、ボイラが大きくなり経済性が悪くなる。また
ボイラをコンパクト化するために短炎の予混合火炎を採
用する場合でも、空気過剰率の高い条件下で燃焼すると
ボイラ効果低下の一因となる。本発明の目的はボイラを
大型化せずに、更にはより小型化したボイラでもNOx排
出量を少なく抑えることのできるボイラを提供すること
にある。

本発明の他の目的は、空気過剰率が1.0付近で燃焼し
てもNOx排出量が少ないボイラを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はボイラは、火炉内に、気体燃料燃焼用バー
ナ、燃焼熱によつて水を加熱し蒸気を発生させる伝熱
管、伝熱管と連通しており該伝熱管から送られてきた蒸
気を溜める蒸気ドラム、燃焼ガスを排出する排ガスダク
トを有する。排ガスダクトの一部に未燃分燃焼手段を設
けても良い。

気体燃料燃焼用バーナは、気体燃料と空気とが予め混
合された混合気を火炉内に噴出するノズルを有し、更に
ノズルの噴出口近傍に混合気を２つの噴流に分割し分割
した噴流の間に循環流を生じさせる保炎手段を有する。

保炎手段の断面形状は、ノズルの噴出口の断面形状と
同じにし、且つ保炎手段の断面積をノズル噴出口の断面
積よりも小さくする。そして、ノズル噴出口の中心軸と
保炎手段の中心軸とが一致するように保炎手段を設け
る。

保炎手段付き予混合バーナを備えることによつて火炎
を安定にししかもNOx発生を抑制することができる。
又、未燃分が生じても排ガスダクトに未燃分燃焼手段を
設けておくことにより未燃分が外部へ排出されるのを防
止できる。

予混合バーナによる火炎は、拡散燃焼火炎にくらべて
火炎長さが短く、このためボイラを大型化することがな
い。

気体燃料と燃焼用空気との混合気を火炉内に噴出する
ノズルは、燃料流路と燃焼用空気の流路、両流路が合体
され１つの流路になる領域、及び燃料と空気が合体され
混合気になった領域或いは燃料と合体される前の燃焼用
空気流路に位置する整流手段を備えることが望ましい。
燃料と空気の混合気は直進流として火炉内に噴出される
ことが望ましい。保炎手段としては、噴出される燃料と
空気との混合気の主流方向に平行にならないように板を
設置することが望ましい。

気体燃料燃焼用バーナとして、燃料と空気とをそれぞ
れ異なるノズルから噴出する拡散火炎用バーナと、燃料
と空気とを混合した混合気を噴出する予混合火炎用バー
ナとを有し、ボイラ起動時には拡散火炎を形成し、ボイ
ラ負荷の上昇とともに予混合火炎用バーナから混合気を
噴出することは非常に望ましい。

更に保炎手段としては、ノズル噴出口に混合気主流方
向と平行にならないように、ノズル断面積より小さな面
積の板を設置することが望ましい。保炎手段を備えるこ
とによつて、混合気の燃焼が噴流の中心部より進行し、
かつ混合気の燃焼が始まる前に、混合気噴流の外周にお
いても燃焼ガスの一部が混合気に混合するようになる。

本発明において、好適な気体燃料燃焼用バーナは、燃
料と空気とを火炉内に噴出する前に予め混合した混合気
を直進流として噴出するノズルを有し、ノズル噴出口に
混合気主流方向と平行にならないように、ノズル断面積
より小さな面積の板を設置し、それによつて混合気の燃
焼が噴流の中心部より進行し、かつ混合気の燃焼が始ま
る前に、混合気噴流の外周においても燃焼ガスの一部が
混合気に混合するようにし、かつ燃料と空気とをそれぞ
れ異なるノズルから噴出する拡散燃焼用バーナを備える
ことが望ましい。燃料と空気の混合気噴流の径よりも、
燃焼ガスが循環できる空間を大きくすることにより、噴
流端付近の混合気が燃焼する前に、噴流外周から燃焼ガ
スを混合気に混合することができる。

〔作用〕

ボイラ効率を向上させるには、理論空気量に近い空気
量で燃焼し、ボイラ系外へ排出される熱量を低減するの
と同時に、火炉を小さくして放散熱を少なくするのが重
要である。これには、先ず火炉を小さくするのに火炎の
長さを短縮できる予混合火炎を採用する。予混合火炎で
NOxを低減するには従来過剰空気で燃焼するのが主流の
技術であるが、発明者らは、鋭意検討の結果、燃料−空
気の混合気噴流の中心に高温の燃焼ガスを導入し、また
混合気が燃焼する前に、燃焼ガスの１部が混合気に混合
すればNOxを低減できることを明らかにした。噴流の中
心部に導入された燃焼ガスは、ここからの熱の移動によ
り混合気を着火し、火炎を安定化する。またこのような
着火法を採れば火炎は噴流中心部より噴流の外側に向か
つて伝播する。更に、噴流の外周において燃焼ガスが混
合気に混合されるようになり、火炎の高温領域が縮小さ
れサーマルNOxの発生が抑制される。

このような燃焼法を実現するための一つの手段とし
て、保炎器がある。保炎器はノズルの噴出口と同じ断面
形状を有し、断面積がノズル噴出口の断面積よりも小さ
い。この保炎器は、燃料と空気の混合気の主流方向に平
行とならないよう、混合気が衝突するように設置され、
保炎器後流に高温の燃焼ガスの循環流を形成する。

混合気噴流の外周から燃焼ガスが混合するのを促進す
る一つの手段としては、混合気噴出ノズルの噴出口付近
に燃焼ガスが循環できる燃焼器構造とすることが望まし
い。これには混合気噴流の径よりも、燃焼ガスが循環す
る空間を大きくするのが良い。

類似の公知技術として、例えば、米国特許4,150,539
号に記載される燃焼器（但しガスタービン燃焼器）で
は、混合気噴流の中心部に保炎器が配置されているが、
混合気ノズル口径と燃焼器口径に関する記載が無い。ま
た米国特許3,961,475号記載の燃焼法（但しガスタービ
ンの燃焼法）では混合気噴流が半径方向に噴出される構
造であり、混合気は燃焼器壁面付近に集まり、燃焼器壁
面より火炎が形成されるため、混合気噴流の外周からの
燃焼ガスの混入が不充分になる。

予混合火炎は一般に拡散火炎に比べて不安定であり、
安定燃焼の範囲が狭い。また負荷が頻繁に変わるボイラ
では、燃焼空気と燃料の供給量をできるだけ速く変化さ
せる必要がある。このような時には、火炎が不安定にな
りやすく、これを防ぐため、本発明では負荷の低いとき
に拡散火炎を形成し、予混合火炎の安定化を図ることが
できるようにすることが望ましい。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図を用いて説明する。第１
図は本発明による低NOxボイラ用バーナの概略の構造
を、第２図はバーナの断面図を示す。バーナは中心に設
置された円筒状の拡散火炎用バーナ６と、その外周に設
置された複数個の角型の予混合火炎用バーナ1000から構
成される。拡散火炎用バーナ６では、中心に燃料ノズル
11が設置され、その外周に空気ノズル10が設置される。
火炉壁999の近傍に多数の伝熱管117が設置されている。
バーナスロートには水管12および着火用イグナイタ13が
配置され、バーナの焼損が防止される。第１図では予混
合火炎用バーナ1000は、６個の角型のバーナ1000a〜100
0fから構成されている。各バーナは、混合気噴出ノズル
２と空気ダンパ７と整流板３と空気供給管５および燃料
ノズル４を備える。燃料ノズル４は複数の噴出口を有し
ており、燃料は分散して空気流内に投入されこれより下
流側に混合領域となる。整流板３はハニカム構造の流路
抵抗体であり、均一な速度分布の流れを形成する整流作
用と同時に、ここでは流路断面積が縮小されるため流速
が高くなり、予混合火炎の逆火防止の作用も有する。ノ
ズル２の噴出口近傍には混合気噴流の主流方向に直角に
板状の保炎器１が設置される。保炎器１の各辺の長さは
ノズルの対応する各辺の長さより小さい。これは、例え
ば、保炎器の長手方向の長さがノズルの対応する各辺の
長さより長い場合には、混合気噴流の一部が主流直角方
向に曲げられて噴出されるため、火炎の安定性が悪くな
ることを考慮したものである。

ボイラ起動時には、中心に設置された拡散燃焼用バー
ナ６が使用され、ボイラ負荷の上昇と共に予混合燃焼用
バーナ1000から燃料−空気の混合気が噴出される。予混
合燃焼バーナの使用法として、本実施例の場合、６つの
ノズルの一つから先ず混合気が噴出され、負荷が上昇す
ると共に次次に各ノズルから混合気が噴出される。拡散
火炎用バーナ６は予混合火炎を安定化するのに利用さ
れ、予混合火炎が安定に形成される条件下では拡散火炎
用バーナ６から燃料、空気を噴出するのが停止される。

第２図のバーナ断面図からわかるように拡散火炎用バ
ーナではバーナ中心軸と同心軸上に燃料ノズル11が設置
され、その外周に空気ノズル10が設置される。燃料ノズ
ル11の上端には保炎器９が設置されており、これは拡散
火炎を保炎するためのものである。空気ノズル10に設置
してある旋回流発生器８の作用により、燃料と空気の混
合を促進し拡散火炎を短炎化する。予混合火炎用バーナ
は、予混合気噴出ノズル２の上流側に複数の噴出口を有
する燃料ノズル４が設置してある。ここより噴出する気
体燃料と空気供給管５から供給される空気とは予混合気
噴出ノズル２から噴出する前に均一に混合される。燃焼
用空気量は空気ダンパ７により調整する。整流板３は空
気の流れを整流すると共にフレームアレスターであり、
予混合火炎の逆火を防止する。予混合気噴出ノズル２の
下流には板状の保炎器１が設置してあり、これにより予
混合火炎を安定化する。保炎器１の面積は予混合気噴出
口より小さく設計されている。

第３図は第１図に示すバーナを設置したボイラの一例
である。ボイラは自然循環型水管ボイラである。水ドラ
ム131に蓄えられた水は伝熱管117を通して蒸気ドラム12
8へ導かれる。蒸気ドラムでは水と蒸気とが分離され、
水は水ドラム131に戻される。蒸気は蒸気溜129に溜られ
る。後述の実施例において述べるように、予混合気噴流
はバーナ口径より口径の大きな領域に噴出される方が良
く、予混合バーナのノズル噴出口が燃焼炉壁の面に一致
するように設置されることが望ましい。燃焼ガスは排ガ
スダクト114を通つてボイラの外部へ排出され、その途
中で未燃分は燃焼装置126にて燃焼される。

燃焼ガスはダクト114内を予混合気の噴出方向と逆方
向に流れ、未燃分燃焼装置126の前段及び後段で夫々第
１空気予熱器123,第２空気予熱器124によつて予熱され
る。

本発明では、NOx発生量は燃焼負荷に依らず、更に火
炎を短くできるため、燃焼炉の熱負荷は200万kcal/m³h
以上にとることができる。火炎の長さは通常50cm以下に
できる。火炉の奥行き方向の長さは1mあれば十分であ
る。本発明のボイラは、ボイラ容量を増加する際、水ド
ラムと蒸気ドラムの長さ方向に火炉を伸ばし、伝熱面積
を増加すれば良い。これは、保炎器付き予混合バーナを
使用すれば、バーナ容量を増加しても火炎の長さがほと
んど変化しないことにより可能になる。当然、予混合ノ
ズルの数を増加することにより容量の増加を図ることも
可能である。

第４図はボイラ負荷と各ノズルから供給する燃料供給
率の関係を示す。縦軸の燃料供給率は、各ノズルで使用
される燃料と、ボイラ負荷が100％の時にボイラで使用
される燃料との比を百分率で表わす。ボイラの負荷が20
％までは拡散火炎用バーナだけを使用し、負荷が20％に
達するとノズルＡ（保炎器付き予混合バーナ1000a）よ
り燃料と空気が投入される。この時ノズル内へ火炎がも
どる。即ち逆火するのを防ぐには、予混合気の噴出速度
を20m/s以上に保つのが安全である。従つてノズルＡか
ら噴出速度20m/sで空気比1.1の予混合気を噴出するに
は、これに相当する燃料と空気とを拡散火炎用バーナか
ら減少し、この減少する燃料と空気とをノズルＡから噴
出することになる。次にボイラ負荷が30％に達するまで
ノズルＡから噴出する燃料と空気とを増加し、30％到達
時に、ノズルＢ（保炎器付き予混合バーナ1000b）から
空気比1.1の予混合気を噴出速度20m/sで噴出する。この
時、ノズルＡからはノズルＢから噴出する予混合気に相
当する量の予混合気を減少する。負荷が40％,50％,60
％,70％に達する時にこれと同時の操作を繰り返し、ノ
ズルＣ（保炎器付き予混合バーナ1000c）、ノズルＤ
（保炎器付き予混合バーナ1000d）、ノズルＥ（保炎器
付き予混合バーナ1000e）、ノズルＦ（保炎器付き予混
合バーナ1000f）から予混合気を噴出する。70％から90
％の負荷変化に対しては、ノズルA,B,C,Dから投入する
予混合気の量を変化させることにより対応する。負荷が
90％に達する時に拡散火炎用バーナの使用を停止し、拡
散火炎用バーナから噴出していた燃料と空気に相当する
予混合気をノズルE,Fから投入する。又、90％から100％
の負荷変化に対しては、ノズルA,B,C,D,E,Fから投入す
る予混合気の量を変化させることにより対応する。

第５図は予混合気噴出口から下流に設置した保炎器に
より安定化した予混合火炎の吹き消え限界を調べたもの
である。横軸は予混合気体の空気過剰率、縦軸は予混合
気噴出速度である。図中の白丸は予混合火炎が安定燃焼
している時、黒丸は予混合火炎が不安定になり吹き消え
た時である。保炎器により安定化された予混合火炎の安
定燃焼範囲は空気過剰率が大きくなるにつれて狭くなつ
ていることがわかる。ボイラを運転する時に予混合気の
空気過剰率を1.0から1.3の範囲に設定すれば、予混合気
噴出速度が50m/s程度では安定燃焼していることがわか
る。この結果より第３図のボイラの運転方法において、
ノズルＡへの燃料供給率が25％の時の予混合気噴出速度
を50m/sにすると、予混合気の空気過剰率一定下で予混
合気噴出速度を減少することで、ボイラ負荷を低下させ
るとすると、ボイラ負荷10％時の予混合気噴出速度は20
m/sとなり、予混合火炎を逆火させずに安定燃焼させる
ことができる。

第６図は保炎器により安定化した予混合火炎のNOx低
減効果を調べたものである。横軸は予混合気の空気過剰
率、縦軸はボイラからの排出NOx濃度である。第７図
（ａ）及び（ｂ）は基礎燃焼試験の結果を示すものであ
る。第７図（ａ）は本発明の例であり保炎器により予混
合火炎を安定化する技術であり、予混合気噴出口21の下
流に設置した保炎器１の外周端近辺には、予混合気体が
矢印のように渦を形成して、ここが着火点となる。着火
後、予混合気体の噴出量を増大させていくと、予混合火
炎99の内部と外部に矢印で示すように高温燃焼生成物が
循環するため、これより連続的にエネルギーを予混合気
体へ供給できるため、予混合火炎を安定して形成するこ
とができる。第７図（ｂ）はパイロツトフレームにより
予混合火炎を安定化する技術である。予混合気供給管22
に空気過剰率1.0近辺を予混合気体を供給し、円筒状の
予混合気噴出口23の外周に設置された円環状ノズルに、
安定したパイロツトフレーム300を形成する。予混合気
噴出口23からの予混合気体へは、パイロツトフレーム30
0からエネルギーが供給されて、第７図（ｂ）に示す予
混合火炎99を形成する。第６図において以上の二種類の
予混合火炎からのNOx濃度を比較してみると、空気過剰
率1.05において、パイロツト保炎予混合火炎からは約80
ppmのNOxを排出しているのに対し、保炎器保炎予混合火
炎からは25ppmのNOxしか排出しない。予混合気の空気過
剰率が1.0から1.3の範囲において、保炎器保炎予混合火
炎からの排出NOx濃度はパイロツト保炎予混合火炎から
のNOx濃度の約1/3に低減できている。保炎器保炎予混合
火炎でNOxが低減できるのは、第７図（ａ）の矢印で示
すような炭酸ガスなどの燃焼生成物が火炎内部及び外部
に循環し、燃焼が進行している火炎帯内に流入して、サ
ーマルNOxの発生量を左右する酸素分圧を下げるため
に、発生するNOx濃度は低下したと考えられる。第６図
の白丸に添えた数字は燃焼負荷であり、単位は10⁴kcal/
m³hである。第６図からわかるように燃焼負荷が66×10⁴
kcal/m³hから267×10⁴kcal/m³hの間で変化してもNOx濃
度はほとんど変化しないことより、本発明の予混合燃焼
方式を採用すれば高負荷でかつ低NOxのボイラが実現で
きる。

第８図は保炎器保炎予混合火炎から発生するNOx濃度
に対するボイラ内径D3と予混合気噴出口径D2の比の影響
を調べたものである。図からわかるように、D3/D2が４
より小さくなるとNOx濃度は増大していることがわか
る。これは燃焼器内径D3が狭くなると、火炎の外側の燃
焼生成物の循環流が形成されにくくなるので、火炎帯内
の酸素分圧を低減する効果が薄れ、NOx濃度は増大した
と考えられる。

第９図（ａ），（ｂ）は、第１図に示した低NOxボイ
ラ用バーナの変形例である。バーナは中心に設置された
円筒状の保炎器付き拡散火炎用バーナと、その外周に設
置された円環状の保炎器付き予混合火炎用バーナから構
成される。予混合火炎用バーナは、円環状の流路を４分
割した４つのノズル2a,2b,2c,2dから構成される。各ノ
ズルでは、噴出口上流に燃料と空気との混合領域、この
混合領域と噴出口21の間に混合気の整流装置３が設置さ
れる。燃料は複数の噴出口を有する燃料ノズルによつて
分散して空気流内に投入され空気と混合される。整流装
置３はハニカム構造の流路抵抗体である。ノズル噴出口
には混合気噴流の主流方向に直角に板状の保炎器１が設
置される。保炎器１の各辺の長さはノズルの対応する各
辺の長さより小さい。

ボイラ起動時には、中心に設置された拡散燃焼用バー
ナが使用され、ボイラ負荷の上昇と共に保炎器付き予混
合燃焼用バーナから燃料−空気の混合気が噴出される。
予混合燃焼バーナの使用法として、本実施例の場合、４
つのノズルの一つから先ず混合気が噴出され、負荷が上
昇すると共に次次に各ノズルから混合気が噴出される。
拡散火炎用バーナは予混合火炎を安定化するのに利用さ
れ、予混合火炎が安定に形成される条件下では拡散火炎
用バーナから燃料，空気を噴出するのが停止される。

第10図は第９図（ａ）と（ｂ）に示す低NOxバーナを
備えたボイラの負荷と各ノズルから供給する燃料供給率
の関係を示す。縦軸の燃料供給率は、各ノズルで使用さ
れる燃料と、ボイラ負荷が100％の時にボイラで使用さ
れる燃料との比を百分率で表わす。ボイラの負荷が20％
までは拡散火炎用バーナだけを使用し、負荷が20％に達
すると４つのノズルのうちの任意の１つのノズルＡより
燃料と空気が投入される。この時ノズル内へ火炎がもど
る、即ち逆火するのを防ぐには、予混合気の噴出速度を
20m/s以上に保つのが安全である。従つてノズルＡから
噴出速度20m/sで空気比1.1の予混合気を噴出するには、
これに相当する燃料と空気とを拡散火炎用バーナから減
少し、この減少する燃料と空気とをノズルＡから噴出す
ることになる。次にボイラ負荷が30％に達するまでノズ
ルＡから噴出する燃料と空気とを増加し、30％到達時
に、残りの３つのノズルのうちの任意の１つのノズルＢ
から空気比1.1の予混合気を噴出速度20m/sで噴出する。
この時、ノズルＡからはノズルＢから噴出する予混合気
に相当する量の混合気を減少する。負荷が50％,70％に
達する時にこれと同様の操作を繰り返し、残りの２つの
ノズルのうちの任意の１つのノズルＣ、続いて最後に残
つたノズルＤから予混合気を噴出する。負荷が90％に達
する時に拡散火炎用バーナの使用を停止し、拡散火炎用
バーナから噴出していた燃料と空気に相当する予混合気
をノズルA,ノズルＢから投入する。又、90％から100％
の負荷変化に対しては、ノズルC,Dから投入する予混合
気の量を変化させることにより対応する。

第11図は第１図に示した低NOxバーナの他の変形例で
ある。本実施例では気体燃料と燃焼用空気の均一な予混
合気体を形成するための整流手段として半球状のベンチ
ユリー27を使用しているのが特徴である。他の構成は第
９図（ａ），（ｂ）と同じである。

第12図（ａ），（ｂ）は複数個の円筒状の予混合器噴
出ノズルを備えた低NOxボイラ用バーナの構造を示す。
バーナは中心に設置された第１の着火用の円筒状の拡散
火炎用バーナ６と、それを囲むように設置された保炎器
付きの複数個の予混合火炎用バーナ1000から構成され、
各々の予混合気噴出ノズルの噴出口32の中心軸と同心軸
上に第２の着火用の円筒状の拡散火炎用バーナ600を有
する。第１の拡散火炎バーナ６ではバーナ中心軸と同心
軸上に燃料ノズル35が設置され、その外周に空気ノズル
36が設置される。空気ノズル36には旋回流発生器37が設
置され、燃焼用空気の旋回強度が調整される。予混合火
炎用バーナ1000は、予混合気噴出口32の上流に予混合燃
焼用燃料ノズル39を設置し、ここから噴出する気体燃料
と空気供給管40から供給される燃料用空気は、ベンチユ
リー41を通過する過程で均一な予混合気体を形成する。
又、予混合気噴出口32と同心軸上には第２の拡散火炎バ
ーナ600が設置されており、バーナ中心軸と同心軸上に
燃料ノズル45が設置され、その外周に空気ノズル46が設
置される。空気ノズルには旋回流発生器44が設置され、
第２の拡散火炎を短炎化する。予混合気噴出口32から噴
出する予混合気体に対し、第１の拡散火炎からの火移り
が困難な時は、第２の拡散火炎を形成し、全ての予混合
気体に着火する。前記の２種類の拡散火炎はボイラ負荷
変動時に、予混合気体に着火する時に使用する。空気ノ
ズル46の上端には保炎器31が設置されており、これは保
炎器外周端近辺に予混合気体の循環流を形成することに
より予混合火炎の安定性を向上させ、更に燃焼生成物を
火炎内及び外に循環させることによりNOxを低減できる
作用がある。第13図（ａ），（ｂ）は複数個の円筒状の
予混合気噴出口を備えた低NOxボイラ用バーナの変形例
を示す。バーナは中心に設置された第１の着火用の円筒
状の拡散火炎用バーナ６と、それを囲むように設置され
た複数個の予混合火炎用バーナ1000から構成され、各々
の予混合気噴出口48の中心軸と同心軸上に第２の拡散火
炎用燃料ノズル60を有する、第１の拡散火炎バーナ６で
はバーナ中心軸と同心軸上に燃料ノズル49が設置され、
その外周に空気ノズル50が設置される。空気ノズル50に
は旋回流発生器54が設置され、燃焼用空気の旋回強度が
調整される。予混合火炎用バーナ1000は、予混合気噴出
口48の上流に予混合燃焼用燃料ノズル55を設置し、ここ
から噴出する気体燃料と空気供給管56から供給される燃
焼用空気は、旋回流発生器57の作用により均一な予混合
気体を形成する。この混合手段と予混合気噴出口48の間
には整流手段59が設置されており、これにより予混合気
噴出口48の半径方向に予混合気体の均一な速度分布を形
成できるようにする。予混合気噴出口48と同心軸上には
第２の拡散火炎用の燃料ノズル60が設置されている。予
混合気噴出口48から噴出する予混合気体に対し、第１の
拡散火炎からの火移りが困難な時は、第２の拡散火炎を
形成し、全ての予混合気体に着火する。前記の２種類の
拡散火炎はボイラ負荷変動時に、予混合気体に着火する
時に使用する。予混合気噴出口48から下流位置には保炎
器47が設置されており、保炎器外周端近辺に予混合気体
の循環流を形成することにより予混合火炎の安定性を向
上させ、更に燃焼生成物を火炎内及び外に循環させるこ
とによりNOxを低減できる作用がある。

第14図（ａ）及び（ｂ）では気体燃料と空気との予混
合気体を第13図（ａ），（ｂ）の整流器59により整流し
た時の効果について述べる。第14図（ａ）は予混合気噴
出口48の出口を半径方向にピトー管で圧力を測定した結
果、第14図（ｂ）は予混合気噴出口半径方向の予混合気
の速度分布である。ラツパ状保炎器47のラツパの先端は
半径方向20mmの位置にあり、ラツパの下端は半径方向10
mmの位置にある。予混合噴出ノズルの端部は半径方向の
およそ33mmの位置にある。61,63は整流手段を設置しな
い時の圧力，速度分布、62,64は整流手段としてハニカ
ムを設置した時の圧力，速度分布である。第14図
（ａ）、61において整流手段59を設置しない時は、旋回
流発生器57の作用によりノズル中心から約20mmの位置ま
で負圧領域が形成されている。又、第14図（ｂ）、63に
おいて整流手段59を設置しない時は、旋回流発生器57の
作用により予混合気体は遠心力を受けて、噴出口の外周
付近に集まり、保炎器47の上流側には予混合気体は分布
しない。この結果、予混合火炎は噴出口の外周から保炎
され、その結果生じる高温排ガスは噴出口中心に広がる
負圧領域に引きこまれるので、噴出口中心付近では噴出
口内から火炎が形成されるため、保炎器47は上流側から
加熱されて劣化するという問題が生じる。整流手段59と
してハニカムを設置した時は、第14図（ａ）、62に示す
ように負圧領域はほとんど形成されておらず、又、第14
図（ｂ）、64に示すように保炎器47の上流側には予混合
気体が分布しており、この結果、第７図（ａ）に示すよ
うな循環流が保炎器47の外周端近辺に形成され、ここに
予混合火炎が保炎されるようになる。

〔発明の効果〕 本発明によれば、予混合気ノズル噴出口の下流に、噴
出される予混合気体の主流方向に平行にならないように
設置した板の作用により、予混合気の燃焼が噴流の中心
部より進行し易くすることで、予混合火炎の安定性を向
上することができる。又、混合気の燃焼が始まる前に、
混合気噴流の外周において燃焼ガスの一部を混合気に混
入させることで、空気過剰率1.0近辺においても予混合
火炎からのNOxを大幅に低減することができる。本発明
の予混合燃焼方式のボイラでは同じ空気過剰率下での発
生NOxは、燃焼負荷を増大させてもほとんど変化しない
ため、高負荷でかつ低NOxのボイラが実現できる。又、
予混合ノズルを複数個設置し、かつこれらに保炎用の拡
散燃焼バーナを近接して設置することにより、ボイラ負
荷を10％から100％まで安定して変化することができ
る。

本発明のボイラは、燃焼ガス中の未燃分を排ガスダク
トの途中で燃焼させる構造としたため、未燃分がボイラ
外部へ排出されるのを著しく低減でき、低NOx燃焼を実
現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図は低NOxボイラ用バーナの概略図、第３
図は低NOxボイラの概略図、第４図はボイラ負荷と燃料
供給率の関係を示すグラフ、第５図と第６図と第８図は
低NOxボイラ用バーナの燃焼特性図、第７図（ａ）と第
７図（ｂ）は保炎器の有無による火炎形状を示す断面
図、第９図（ａ）は低NOxボイラ用バーナの他の例を示
す平面図、第９図（ｂ）は側断面図、第10図はボイラ負
荷と燃料供給率の関係を示すグラフ、第11図は低NOxボ
イラ用バーナの他の例を示す側断面図、第12図（ａ）は
低NOxボイラ用バーナの更に他の例を示す平面図、第12
図（ｂ）は同じく側面断面図、第13図（ａ）は低NOxボ
イラ用バーナの他の変形例を示す平面図、第13図（ｂ）
は同じく側面断面図、第14図（ａ）及び第14図（ｂ）は
整流手段による影響を示した特性図である。 １……保炎器、２……ノズル、３……整流板、４……燃
料ノズル、６……拡散火炎用バーナ、114……排ガスダ
クト、117……伝熱管、126……未燃分燃焼器、129……
蒸気溜、1000……予混合火炎用バーナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 啓信 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 楢戸 清 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 相馬 憲一 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 稲田 徹 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 菊池 秀雄 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 村上 忠孝 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 谷口 正行 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 嵐 紀夫 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 宮寺 博 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 幸田 文夫 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日 立株式会社呉工場内 (72)発明者 榎本 達三 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日 立株式会社呉工場内 (72)発明者 小林 研志 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日 立株式会社呉工場内 (72)発明者 西本 重一 神奈川県横浜市磯子区磯子１―２―10 バブコック日立株式会社横浜工場内 (72)発明者 小山 勲 神奈川県横浜市磯子区磯子１―２―10 バブコック日立株式会社横浜工場内 (56)参考文献 特開 昭59−97407（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−88016（ＪＰ，Ａ) 実開 昭49−118831（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−33446（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−12065（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭58−34723（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭60−21604（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】火炉、 該火炉に設けられた気体燃料燃焼用バーナ、 該火炉内に位置し、内部に水が通る流路を有し、前記バ
   ーナによる燃焼熱によって水を加熱して蒸気を発生させ
   る伝熱管、 該伝熱管と連通しており、該伝熱管内を流れる蒸気を溜
   める蒸気ドラム、 前記火炉内に位置し気体燃料の燃焼によって発生した燃
   焼ガスをボイラ外部へ排出する排ガスダクトを具備し、 前記気体燃料燃焼用バーナには、気体燃料と燃焼用空気
   との混合気を直進流にて噴出するノズルと、該ノズルの
   噴出口よりも下流側の近傍に位置し該噴出口の断面と同
   じ断面形状をしており、該噴出口よりも小さい断面積を
   有し混合気の流れをさえぎって後流側で循環流を形成し
   て端部から火炎を形成する保炎手段を前記ノズルの中心
   軸と該保炎手段の中心軸とが一致するように備えたこと
   を特徴とする低NOxボイラ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記ノズル内に、多数
   の通気孔を有し、気体燃料と混合される前の燃焼用空気
   或いは混合気を該通気孔を通すことによって整流する整
   流手段を備えたことを特徴とする低Noxボイラ。
3. 【請求項３】請求項１において、前記ノズルの噴出口の
   断面が矩形状をしており、該保炎手段として断面が矩形
   状をした平板を備えたことを特徴とする低NOxボイラ。
4. 【請求項４】請求項１において、前記排ガスダクトの途
   中に、該ダクト内を流れる燃焼ガス中の未燃分を燃焼す
   る未燃分燃焼手段を備えたことを特徴とする低NOxボイ
   ラ。
5. 【請求項５】火炉、 該火炉に設けられた複数の気体燃料燃焼用バーナ、 該火炉内に位置し、内部に水が通る流路を有し、前記バ
   ーナによる燃焼熱によって水を加熱して蒸気を発生させ
   る伝熱管、 該伝熱管と連通しており、該伝熱管内を流れる蒸気を溜
   める蒸気ドラム、 前記火炉内に位置し気体燃料の燃焼によって発生した燃
   焼ガスをボイラ外部へ排出する排ガスダクトを具備し、 前記気体燃料燃焼用バーナを、拡散燃焼用バーナと該拡
   散燃焼用バーナの周囲に位置する複数の予混合気燃焼用
   バーナとから構成し、 該予混合気燃焼用バーナには、気体燃料と燃焼用空気と
   の混合気を直進流にて噴出するノズルと、該ノズルの噴
   出口よりも下流側の近傍に位置し該噴出口の断面と同じ
   断面形状をしており、該噴出口よりも小さい断面積を有
   し混合気の流れをさえぎって後流側で循環流を形成して
   端部から火炎を形成する保炎手段を前記ノズルの中心軸
   と該保炎手段の中心軸とが一致するように備えたことを
   特徴とする低NOxボイラ。
6. 【請求項６】請求項５において、前記予混合気燃焼用バ
   ーナの前記ノズル内に、多数の通気孔を有し、気体燃料
   と混合される前の燃焼用空気或いは混合気を該通気孔を
   通すことによって整流する整流手段を備えたことを特徴
   とする低NOxボイラ。
7. 【請求項７】請求項５において、前記拡散燃焼用バーナ
   に保炎手段を備えたことを特徴とする低NOxボイラ。
8. 【請求項８】請求項５において、複数の前記予混合気燃
   焼用バーナを前記拡散燃焼用バーナの周囲の円環状に配
   置したことを特徴とする低NOxボイラ。
9. 【請求項９】火炉、 該火炉に設けられた複数の気体燃料燃焼用バーナ、 該火炉内に位置し、内部に水が通る流路を有し、前記バ
   ーナによる燃焼熱によって水を加熱して蒸気を発生させ
   る伝熱管、 該伝熱管と連通しており、該伝熱管内を流れる蒸気を溜
   める蒸気ドラム、 前記火炉内に位置し気体燃料の燃焼によって発生した燃
   焼ガスをボイラ外部へ排出する排ガスダクトを具備し、 前記気体燃料燃焼用バーナは、第１の拡散燃焼用バーナ
   と該第１の拡散燃焼用バーナの周囲に位置する複数の予
   混合気燃焼用バーナ及び該予混合気燃焼用バーナ内に位
   置する予混合火炎安定化用の第２の拡散燃焼用バーナと
   を備え、 該予混合気燃焼用バーナは、気体燃料と燃焼用空気との
   混合気を直進流にて噴出する断面円形のノズルと、該ノ
   ズルの噴出口よりも下流側の近傍に位置し円錐状の筒形
   をなし該噴出口の断面積よりも小さい断面積を有し混合
   気の流れをさえぎって後流側の循環流を形成して端部か
   ら火炎を形成する保炎手段を前記ノズルの中心軸と該保
   炎手段の中心軸とが一致するように備え、該ノズルの中
   心軸に前記第２の拡散燃焼用バーナの燃料ノズルを備
   え、該燃料ノズルの噴出口を前記円錐状の筒形をした保
   炎手段の円錐の頂部に有することを特徴とする低NOxボ
   イラ。
10. 【請求項１０】請求項９において、前記第１の拡散燃焼
    用バーナに保炎手段を備えたことを特徴とする低NOxボ
    イラ。
11. 【請求項１１】気体燃料と燃焼用空気とが混合された混
    合気を直進流にて噴出するノズルと、 該ノズル内に位置し、多数の通気孔を有し、該混合気或
    いは気体燃料と混合される前の燃焼用空気を該通気孔を
    通すことによって整流する整流手段と、 該ノズルの噴出口よりも下流側の近傍に位置し、該噴出
    口の断面と同じ断面形状をしており、該噴出口よりも小
    さい断面積を有し混合気の流れをさえぎって後流側で循
    環流を形成して端部から火炎を形成する保炎手段とを備
    え、 該ノズルの中心軸と該保炎手段の中心軸とを一致させた
    ことを特徴とするボイラ用バーナ。