JP2761962B2

JP2761962B2 - 低ＮＯ▲下ｘ▼ボイラ用バーナ並びに低ＮＯ▲下ｘ▼ボイラ及びその運転方法

Info

Publication number: JP2761962B2
Application number: JP10202390A
Authority: JP
Inventors: 泰雄吉井; 茂小豆畑; 憲一相馬; 徹稲田; 忠孝村上; 正行谷口; 啓信小林; 紀夫嵐; 博宮寺; 文夫幸田; 達三榎本; 研志小林
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1990-04-18
Filing date: 1990-04-18
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: JPH043802A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、低NOxボイラ用バーナ並びに低NOxボイラ及
びボイラの運転方法に関する。

〔従来の技術〕

光化学スモッグの原因となるNOx（窒素酸化物）に対
する排出規制は年々厳しくなっており、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。また、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（LNG）などがあり、これらの燃料使
用量は増加する傾向にある。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に
よって異なり、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）で燃焼させる時に火炎温度は最も
高くなる。

通常の燃焼装置においては、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
より燃焼室内に投入し、燃焼室内に投入し、燃焼室内で
両者を混合すことにより火炎を形成する方法であり、火
炎の安定性に優れるのが特徴である。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、多くの燃焼装置に採用されている。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。これを防ぐには燃焼
装置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燃焼装置の一例として、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燃焼す
る方法（特開昭52−28251号公報、特開昭57−136011号
公報、特開昭58−104414号公報）がある。この燃焼法は
NOx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、燃焼装置が大きくなる。また、空気不足の火炎
から排出された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
に要する時間だけ燃焼装置は大きくなる。更に他の従来
技術として米国特許第4,150,539号明細書及び米国特許
第3,961,475号明細書が挙げられるが、混合気噴流の外
周からの燃焼ガスの導入が困難な構造であり、高負荷で
しかも低NOxを図るには不充分であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の火炎温度の低減を目的に開発された燃焼法は、
燃焼装置が大きくなり経済性が悪くなる。またこれを補
うために短炎の予混合火炎を採用する場合でも、空気過
剰率の高い条件下げ燃焼するとボイラ効率低下の一因と
なる。

本発明の目的は、高負荷であっても燃焼装置を大型化
せずに、更にはより小型化した燃焼装置でもNOxを低減
できる低NOxボイラ用バーナ並びに低NOxボイラ及びその
運転方法を提供することにある。すなわち、空気過剰率
が1.0付近で燃焼しても予混合火炎から発生するNOxを低
減できるようにするのが目的である。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明に係る低NOxボイラ
用バーナは、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、該拡散火炎用のバーナの
周囲に設けられ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、この予混合火炎用バーナの噴
出口の下流位置に設けられ噴出ガスが衝突して循環流を
形成する保炎器と、を備えたものである。

また、本発明に係る低NOxボイラ用バーナは燃料と空
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、該拡散火炎用のバーナの周囲に複数個設けられ
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、この各々の予混合火炎用バーナの噴出口内に
設けられ前記混合気の中心部に火炎が形成され前記混合
気に循環流を形成させる保炎器を有するバーナと、を備
えたものである。

上記低NOxボイラ用バーナにおいて、予混合火炎用バ
ーナは円環状断面を有する流路を複数個に分割してノズ
ルを形成し、このノズル噴出口上流に燃料と燃焼用空気
を混合する混合手段を備えたものがよい。また、上記バ
ーナにおいて、予混合火炎用バーナはその噴出口上流に
燃料と燃焼用空気を混合する混合手段が設けられている
のがよい。ここで、予混合火炎用バーナの複数個の噴出
口は円筒形状又は角筒形状であるものが挙げられる。ま
た、混合手段とノズル噴出口との間に混合気の整流手段
が設けられているものがよい。また、保炎器は混合気の
ノズル噴射口の形状と略相似形であり且つノズル噴出口
の断面積より小さな面積のものであるのがよい。

本発明に係るNOxボイラは、ボイラ本体と、このボイ
ラ本体に設けられた燃焼装置と、ボイラ本体の燃焼室内
に配設された伝熱管群と、を備えた低NOxボイラにおい
て、前記燃焼装置は前記いずれかの低NOxボイラ用バー
ナで構成されているものである。ここで、予混合火炎用
バーナより噴出される混合気噴流の径より燃焼室空間が
大きく形成されているものがよい。また、燃焼路の熱負
荷は200万Kcal/m³h以上であるものがよい。

本発明に係る低NOxボイラの運転方法は、ボイラ起動
時は拡散火炎用バーナによる拡散火炎を形成し、ボイラ
負荷の上昇と共に予混合火炎用バーナから混合気を噴出
し、予混合火炎が安定に形成された状態で前記拡散火炎
の形成を停止させるものである。ここで、予混合火炎用
バーナは複数個のノズルを備えるものであり、ボイラ負
荷の上昇と共に予混合火炎用バーナの各ノズルから順次
混合気が噴出され、負荷に応じて混合気を噴出するノズ
ルの数を変えるものがよい。

〔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、燃焼室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、先ず燃焼室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確認した。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
な着火法により火炎は噴流中心部より噴流の外側に向か
って伝播する。更に、噴流の外周において保炎器によっ
て燃焼ガスの一部が循環流となって混合気に混合するこ
とにより、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が、保
炎器である。保炎器は、燃焼と空気の混合気の主流方向
に平行とならないよう、直進流の混合気が衝突するよう
に設置され、保炎器の後流に高温の燃焼ガスの循環流を
形成する。他の手段は、予混合気を噴出するノズルの中
心部に更に別の即ち第３のバーナを設置し、この第３の
バーナで形成される火炎からの燃焼ガスが混合気の中心
部に流れるように、該第３のバーナを配置する手法であ
る。このとき中心部に配置される第３のバーナは火炎安
定性に優れるものが良く、保炎器を設置した予混合燃焼
バーナあるいは拡散燃焼用バーナ等が良い。

混合気噴流の外周から燃焼ガスが混合するのを促進す
る手段の一つは、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手法である。これは
混合気噴流の径よりも、混合気が噴出する空間を大きく
することにより達成される。

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燃焼方
法とした。

〔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
図及び第２図は、本発明に係る低NOxボイラ用バーナの
構造を示す。このバーナは中心に設置された円筒状の拡
散火炎用バーナ１と、その外周に設置された円環状の予
混合火炎用バーナ２から構成されている。拡散火炎用バ
ーナ１では、中心に燃料ノズル３が設置され、その外周
に空気ノズル４が設置されている。空気ノズル４には旋
回流発生器５が設置され、燃焼用空気の旋回強度が調整
される。またバーナスロートには水管６が配置され、バ
ーナの焼損が防止される。

予混合火炎用バーナ２は、円環状の流路を４分割した
４つのノズル7A,7B,7C,7Dから構成される。各ノズル7A
〜7Dでは、噴出口上流に燃料と空気との混合手段８、こ
の混合手段８と噴出口の間に混合気の整流手段９が設置
されている。混合手段８は複数の噴出口を有する燃料ノ
ズル10で構成され、燃料は分散して空気供給管11の空気
流内に投入される。整流手段９はハニカム構造の抵抗体
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7A
〜7Dの各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12が設置されている。保炎器12の各辺の長さは
ノズル7A〜7Dの噴出口の対応する各辺の長さより小さ
く、略相似形状に形成されている。これは、例えば、保
炎器12の長手方向の長さがその噴出口より長い場合に
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ためである。同図
において、13は保炎器、14,15は流量調整弁、16は空気
供給管、17は仕切板を示す。

ボイラ起動時には、中心に設置された拡散燃焼用バー
ナ１が使用され、ボイラ負荷の上昇と共に予混合火炎用
バーナ２から燃料−空気の混合気が噴出される。予混合
火炎用バーナ２の使用法として、本実施例の場合、４つ
のノズル7A〜7Dのいずれか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々に各ノズル7A〜7Dから混
合気が噴出される。拡散火炎用バーナ１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１から燃料、空気を噴出
するのが停止される。

第３図は第１図に示す低NOxボイラ用バーナ20を設置
したボイラの一例である。このボイラは自然循環型水管
ボイラである。水ドラム18に蓄えられた水は水管を通し
て蒸気ドラム19へ導かれる。蒸気ドラム19では気水分離
器により水と蒸気が分離され、水は水ドラム18に戻され
る。21は高性能伝熱管群で、ボイラ本体22の燃焼室23内
に配設されている。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、予混合火炎用バーナ１のノズル噴
出口が燃焼室の炉壁の面に一致するように設置される。
また、本発明の予混合燃焼法では、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以上にとられる。火炎の長さは通常5
0cmであり、燃焼炉の奥行き方向の長さは1mあれば十分
である。このボイラの特徴は、ボイラ容量を増加する
際、水ドラム18と蒸気ドラム19の長さ方向にボイラを伸
ばし、伝熱面積を増加すれば良いことにある。これは、
本発明の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５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１だけを使用し、負荷が20％
に達すると予混合火炎用バーナ２のノズル7Aより燃料と
空気が投入される（第４図参照）。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。従ってノズ
ル7A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１から減少し、この減少する燃料と空気とをノズル7A
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7Aから噴出する燃料と空気とを増加し、30
％到達時に、ノズル7B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7Aからはノズル7
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50％,70％に達する時にこれと同様の操作
を繰り返し、ノズル7C,ノズル7D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１の使用
を停止し、拡散火炎用バーナ１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7A,ノズル7Bから投入
する。又、90％から10％の負荷変化に対しては、ノズル
7C,7D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６図は予混合気噴出口から下流に設置した保炎器12
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に
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12により安定化された予混合火
炎の安定な燃焼範囲は空気過剰率が大きくなるにつれて
狭くなっ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程度では安定に燃焼している
ことがわかる。この結果より第５図のボイラ運転方法に
おいて、ノズル7A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20m/sとなり、予混合火炎を逆火させずに安定に
燃焼させることができる。

第７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、縦軸は燃焼器からの排出NOx濃度である。第８図は
基礎燃焼試験装置である。この装置は本発明の保炎器に
より予混合火炎を安定化する技術であり、予混合器噴出
口24の下流に設置した保炎器25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27の内部と外部に矢印で示すように高温燃焼
生成物26が循環するため、これより連続的に燃焼のため
のエネルギーを予混合気体へ供給でき、予混合火炎27を
安定して形成することができる。第９図は比較例であ
り、パイロッ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28に空気過剰率1.0近辺の
予混合気体を供給し、円筒状の予混合噴出口29の外周に
設置された円環状ノズルに、安定したパイロットフレー
ム30を形成する。予混合気噴出口29からの予混合気体へ
は、パイロットフレーム30からエネルギーが供給され
て、予混合火炎31を形成する。前記第７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、パイロット保炎予混合火
炎31からは約80ppmのNOxを排出しているのに対し、保炎
器保炎予混合火炎27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27からの排出NOx濃度はパイロット
保炎予混合火炎31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27でNOxが低減できるのは、
第８図の矢印で示すような炭酸ガスなどの燃焼生成物26
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７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７図から解るように
燃焼負荷が66×10⁴Kcal/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によ
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ことが解る。

第10図は保炎器保炎予混合火炎から発生するNOx濃度
に対する燃焼器内径D3と予混合噴出口径D2の比の影響を
調べたものである。第10図から解るように、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。この結果を基に、前記第４図に示す低NO
xバーナの配置を考えると、予混合気火炎用バーナ２の
ノズル噴出口の中心32からノズルの外周33までの距離は
D2/2、予混合気噴出口中心32からボイラ壁面34までの距
離はD3/2であるので、D3/D2が４より大きくなるように
設置すれば、火炎外部の燃焼生成物の循環流の形成がボ
イラ壁面により妨げられないようになり、低NOx化を達
成できる。

第11図は第１図に示した低NOxバーナの変形例であ
る。本発明では気体燃料と燃焼用空気の均一な予混合気
体を形成するのに、ベンチュリー35を使用している。バ
ーナは中心に設置された着火用の円筒状の拡散火炎用バ
ーナ１と、その外周に設置された円環状の予混合火炎用
バーナ２から構成される。拡散火炎用バーナ１ではバー
ナ中心軸と同心軸上に燃料ノズル３が設置され、その外
周に空気ノズル16が設置される。燃料ノズル３の上端に
は保炎器13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16には旋回流発生器５
が設置され、燃焼用空気の旋回強度が調整される、この
旋回流発生器５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２は、予混合気
噴出口の上流に噴出口の開口と同心位置に、一定間隔で
複数の予混合燃焼ノズル10を有し、ここより噴出される
気体燃料と空気供給管11から供給される燃焼用空気は、
ベンチュリー35を通過する過程で混合されて均一な予混
合気体を形成する。予混合気噴出口から下流位置には板
状の保炎器12が設置されており、保炎器12はその外周端
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。気体燃料と空気の混合が進行する予混合室は仕切り
板によって複数個に分離されており、ボイラ負荷に応じ
て各々の予混合室に燃料及び空気を供給していく。

第12図及び第13図は複数個の円筒状の予混合器噴出口
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１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２から構成され、各々の予混合気噴出口中
心軸と同心軸上に第３のバーナとなる着火用の円筒状の
拡散火炎用バーナ36を有する。第１の拡散火炎用バーナ
１ではバーナ中心軸と同心軸上に燃料ノズル３が設置さ
れ、その外周に空気ノズル16が設置される。空気ノズル
16には旋回流発生器５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２は、それぞれ予
混合気噴出口37の上流に予混合燃焼用燃料ノズル10を設
置し、ここから噴出する気体燃料と空気供給管11から供
給される燃焼用空気は、ベンチュリー35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37
と同心軸上にはもう一つの拡散火炎用バーナ36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38が設
置され、その外周に空気ノズル39が設置される。空気ノ
ズル39には旋回流発生器40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37から噴出する予混合気
体に対し、中心の拡散火炎用バーナ１の第１の拡散火炎
からの火移りが困難な時は、この拡散火炎用バーナ36の
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39の上端
には保炎器41が設置されており、これは保炎器41の外周
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。42は燃料供給管、43は空気供給管、44は燃料ノズ
ル、45は空気ノズルを示す。

第14図及び第15図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１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２から構成され、各々の予混合気噴出口
中心軸と同心軸上に第２の拡散火炎用バーナ36を有す
る。第１の拡散火炎用バーナ１ではバーナ中心軸と同心
軸上に燃料ノズル44が設置され、その外周に空気ノズル
45が設置される。空気ノズル45には旋回流発生器５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２は、予混合気噴出口37の上流に予混合燃料
用ノズル10を設置し、ここから噴出する気体燃料と空気
供給管11から供給される燃焼用空気は、旋回流発生器46
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37の間には整流手段47が設置されて
おり、これにより予混合気噴出口37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37と同心軸上には第２の拡散火炎バーナ36の燃
料ノズル38が設置されている。予混合気噴出口37から噴
出する予混合気体に対し、第１の拡散火炎用バーナ１か
らの火移りが困難な時は、拡散火炎用バーナ36により第
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37から下
流位置には保炎器41が設置されており、保炎器41の外周
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16図に気体燃料と空気との予混合気体を第14図の整
流手段47により整流した時の効果について述べる。第16
図（ａ）は予混合気噴出口37の出口を半径方向にピトー
管で圧力を測定した結果を示す圧力分布、第16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。48,49は整流手段を設置しない時の圧力、速度分
布、50,51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16図（ａ）の曲線48において整
流手段47を設置しない時は、旋回流発生器46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16図（ｂ）の曲線49において整流手段47
を設置しない時は、旋回流発生器46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41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41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47としてハニカムを
設置した時は、第16図（ａ）の曲線50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16図（ｂ）の
曲線51に示すように保炎器41の上流側には予混合気体が
分布しており、この結果、第８図に示すような循環流が
保炎器41の外周端近辺に形成され、ここより予混合火炎
が保炎されるようになる。

第17図及び第18図は複数個の角柱状の予混合噴出口を
備えた高負荷低NOxコンパクト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円筒状の拡散火炎用
バーナ１と、それを囲むように設置された複数個の角筒
形状の予混合火炎用バーナ２から構成されている。拡散
火炎用バーナ１ではバーナ中心軸と同心軸上に燃料ノズ
ル44が設置され、その外周に空気ノズル52が設置され
る。燃料ノズル44の上端には保炎器13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52に設置してある旋回流発生器53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２は、予混合気噴出口37の上流には複数
の噴出口を有する燃料ノズル54が設置してあり、ここよ
り噴出する気体燃料と空気供給管55から供給される空気
とは予混合噴出口37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56により調整する。57は
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。予混合気噴出口37の下流には板状の保炎器12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
12の面積は予混合気噴出口より小さく設計する。

〔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
設置した板等の保炎器の作用により、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、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。又、本発明の予混合燃焼方式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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るバーナの正面図、第２図は第１図
のII−II線断面図、第３図は本発明に係るボイラの一部
切欠の概略斜視図、第４図はボイラとバーナの寸法関係
を説明するための正面図、第５図はボイラの運転方法を
説明するタイムチャート、第６図は予混合火炎の安定性
の説明図、第７図は予混合火炎からのNOx比較データの
説明図、第８図は燃焼試験装置の概略図、第９図は比較
例の燃焼試験装置の概略図、第10図は低NOx化の最適化
実験の説明図、第11図は他実施例の断面図、第12図は更
に他実施例の正面図、第13図は第12図のXIII−XIII線断
面図、第14図は更に他実施例の正面図、第15図は第14図
のXV−XV線断面図、第16図は整流手段の効果の説明図、
第17図は更に他実施例の正面図、第18図は第17図のXVII
I−XVIII線断面図である。１……拡散火炎用バーナ、２……予混合火炎用バーナ、
12……保炎器、36……拡散火炎用バーナ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】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、該拡散火炎用のバーナの
周囲に設けられ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、この予混合火炎用バーナの噴
出口の下流位置に設けられ噴出ガスが衝突して循環流を
形成する保炎器と、を備えた低NOxボイラ用バーナ。
【請求項２】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、該拡散火炎用バーナの周
囲に設けられ燃料と空気とを混合した混合気を噴出する
複数個の予混合火炎用バーナと、この複数個の予混合火
炎用バーナの夫々の噴出口内に設けられ前記混合気の中
心部に火炎が形成され前記混合気に循環流を形成させる
保炎器を有するバーナと、を備えた低NOxボイラ用バー
ナ。
【請求項３】請求項１又は２において、保炎器は混合気
のノズル噴射口の形状と略相似形であり且つノズル噴出
口の断面積より小さな面積のものである低NOxボイラ用
バーナ。
【請求項４】ボイラ本体と、このボイラ本体に設けられ
た燃焼装置と、ボイラ本体の燃焼室内に配設された伝熱
管群と、を備えた低NOxボイラにおいて、前記燃焼装置
は請求項１〜３のいずれかの低NOxボイラ用バーナであ
ると共に、予混合火炎用バーナより噴出される混合気噴
流の径より燃焼室空間が大きく形成されていることを特
徴とする低NOxボイラ。
【請求項５】ボイラ起動時は拡散火炎用バーナによる拡
散火炎を形成し、ボイラ負荷の上昇と共に予混合火炎用
バーナから混合気を噴出し、予混合火炎が安定に形成さ
れた状態で前記拡散火炎の形成を停止させることを特徴
とする請求項４記載の低NOxボイラの運転方法。