JP3642037B2 - 旋回燃焼器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼器に関するものであり、特に燃焼室内に予め空気と燃料を混合した混合ガスを噴射して旋回流を発生させる旋回燃焼器に関するものである。本発明の燃焼器は、給湯器やボイラーといった熱源を要するあらゆる装置に活用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
高い空間発熱率を有する燃焼手段の一つとして、旋回燃焼器が知られている（特許第２８６３８４１号）。
旋回燃焼器とは、筒状の燃焼室を使用し、この燃焼室内に空気と燃料との混合ガスを噴射して内部に旋回流を発生させるものである。
【０００３】
図１２は、従来技術の旋回燃焼器の概念図である。
旋回燃焼器１０１では、円筒形の燃焼室１０２を使用し、この燃焼室１０２に対して接線方向に空気と燃料との混合ガスを噴射する。この混合ガスは、燃焼室１０２内で旋回流を形成する。燃焼室１０２内では、円筒状の旋回火炎が発生する。また既燃焼ガスは、旋回しながら開口１０３から外部に排出される。
【０００４】
旋回燃焼器１０１は、開口１０３から大気中に直接的に混合ガスを噴射させる通常の燃焼方式に比べて、格段に高い空間発熱率を発揮する。そのため給湯器等の装置の小形化が可能である。また旋回燃焼器１０１は、強い旋回流を利用して燃焼を行うので、燃料を希薄な状態で燃焼させることができる。そのため火炎の温度を低下させることが可能であり、排出されるＮＯx （窒素酸化物）の低減が可能である。さらに通常の燃焼器に比べて燃焼量絞り比（Ｔ．Ｄ．Ｒ）を広くとることができるという利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
旋回燃焼器１０１は、前記した様に、通常の燃焼方式に比べて、格段に高い空間発熱率を発揮する。しかしながら産業界においては、さらに高い空間発熱率を求める声がある。また燃焼によるＮＯx の発生を現状よりもさらに抑制したいという産業上の要求がある。さらに常に安定して燃料を完全燃焼し、ＮＯx を低減するために、燃料の濃度や流量を規定する燃焼量制御手段が必要とされている。 そこで本発明は、これらの要求に応えるため、旋回燃焼器に改良を加え、より高い空間発熱率を発揮すると共に、ＮＯx の発生がより少ない旋回燃焼器の提供を課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記した様に、産業界にはＮＯx の発生を、現状よりもさらに抑制したいという要求がある。そこで本発明者は、ＮＯx が発生する原理に立ち返って検討を行なった。燃焼装置においてＮＯx が発生するのは、火炎において空気中の窒素と酸素が燃焼反応を通して結合するためである。ここで従来から行なわれていた、ＮＯx を低減するための方策は、燃料を希薄な状態で燃焼させて火炎の温度を低下させ、ＮＯx 生成反応を抑制するものである。
その結果、ＮＯx の発生は少ないものとなったが、薄い混合ガスを使用するため、燃焼室内の単位空間当たりの燃焼反応による熱発生率が減少し、旋回燃焼器の本来の特質たる高空間発熱率を十分に発揮することができないという弊害が生じていた。
【０００７】
すなわち従来技術の旋回燃焼器では、混合ガス中の燃料濃度が低いが故に、急激な発熱を伴う燃焼反応は旋回火炎面でほぼ完了して、旋回燃焼器の中心部分からは熱が発生していない。
そこで本発明者らは、旋回燃焼器の中心に近い部分からも熱を発生させ、空間発熱率を向上させることを考えた。またＮＯx については、従来とは異なる原理に基づいて低減を図ることとした。
【０００８】
そして上記した構想に基づいて完成された請求項１に記載の発明は、一端が開放された燃焼室を有し、該燃焼室内に空気と燃料を所定の割合で混合した第１混合ガスを噴射して燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させ、さらに燃焼室の内壁を離れた位置に、空気と燃料とを先の第１混合ガスとは異なる割合で混合した第２混合ガスおよび燃料を全く含まない空気が噴射されることを特徴とする旋回燃焼器である。
【０００９】
本発明の旋回燃焼器では、燃焼室の中心側に、前記第２混合ガスが噴射される。そのため旋回流の中心部においても火炎が発生し、発熱する。
また第２混合ガスは、旋回火炎に巻き込まれて燃焼するので、第２混合ガスは既燃ガス成分たるＣＯ2 ，Ｈ2 Ｏ等とも混合しながら燃焼することとなる。そのため第２混合ガスの燃焼領域においては既燃成分の希釈により火炎温度が低下する。すなわち本発明の旋回燃焼器では、旋回火炎又は燃焼ガスに含まれる既燃ガス成分の希釈効果により、第２混合ガスの燃焼反応によるＮＯx の生成が著しく減少する。つまり既燃ガスのＥＧＲ効果(Exhaust Gas Recirculation) によってＮＯx の生成量を顕著に減少することができる。
さらに、第２混合ガスは第１混合ガスの燃焼により発生する既燃ガスに比べ低温であるため密度が既燃ガスよりも高く、この密度差と既燃ガスの持つ旋回力に起因して第２混合ガスと既燃ガスの混合が促進され効果的に燃焼される。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、一端が開放された燃焼室を有し、該燃焼室内に空気と燃料を所定の割合で混合した第１混合ガスを噴射して燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させ、さらに燃焼室の内壁を離れた位置に、空気と燃料とを先の第１混合ガスとは異なる割合で混合した第２混合ガスおよび前記２種の混合ガスよりも燃料濃度の低い低濃度ガスが噴射される旋回燃焼器であって、前記低濃度ガスは旋回流の中心部に向かって噴射され、第２混合ガスはその周囲から噴射されることを特徴とする旋回燃焼器である。
【００１１】
第１混合ガスの燃焼により発生した既燃ガスの旋回流の中心部は旋回力が弱いため、第２混合ガスと既燃ガスは旋回流の中心部では混合が不十分であり、燃料ガスの燃焼は不完全となりやすい。しかし旋回流の中心部に向かって低濃度ガスを噴射すると、旋回力の弱い旋回流の中心部分においても低濃度ガスの噴射力により既燃ガスと第２混合ガスの混合が促進され、燃料ガスが完全燃焼される。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、一端が開放された燃焼室を有し、該燃焼室内に空気と燃料を所定の割合で混合した第１混合ガスを噴射して燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させ、さらに燃焼室の内壁を離れた位置に、空気と燃料とを先の第１混合ガスとは異なる割合で混合した第２混合ガスおよび前記２種の混合ガスよりも燃料濃度の低い低濃度ガスが噴射される旋回燃焼器であって、前記旋回流の中心部に、旋回流によって生じる負圧領域の一部または全部を占める占居物が設けられ、前記低濃度ガスは当該占居物の頂部又はその近傍から噴射されることを特徴とする旋回燃焼器である。
【００１３】
前述した請求項１又は２に記載の構成によれば、一定空間での熱発生率を増加させると同時に、既燃ガスの希釈効果によってＮＯx 生成量を低減することができた。しかしながら、既燃ガスの旋回流の勢いが強い場合では、燃焼室の下流から循環流による逆流が生じ、その逆流の影響を受けて、第２混合ガスが燃焼して形成した拡散火炎は不安定になりやすく、更に燃焼室内の燃焼場全体が不安定となるという問題点が生じた。請求項３に記載の発明は、この問題に対処するものであり、燃焼室内の旋回流の中心部に、旋回流によって生じる負圧領域の一部または全部を占める占拠物が設けられているので、燃焼室の半径方向の圧力勾配を小さくすることができ、旋回火炎面が燃焼室内で半径方向の圧力勾配の影響で収縮することが防止されて逆流が阻止され、旋回火炎が安定する。
【００１４】
また低濃度ガスが当該占拠物の頂部またはその近傍から噴射されるため、既燃ガスの旋回流の中心近傍に低濃度ガスが噴射され、既燃ガスと第２混合ガスの混合が促進され、燃料ガスは完全燃焼される。また、占拠物近傍は高温であるが、低濃度ガスにより占拠物およびその近傍が冷却されるため占拠物の耐熱性の向上およびＮＯx の低減が図られる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、一端が開放された燃焼室を有し、該燃焼室内に空気と燃料を所定の割合で混合した第１混合ガスを噴射して燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させ、さらに燃焼室の内壁を離れた位置に、空気と燃料とを先の第１混合ガスとは異なる割合で混合した第２混合ガスおよび前記２種の混合ガスよりも燃料濃度の低い低濃度ガスが噴射される旋回燃焼器であって、前記第１混合ガスと第２混合ガスと低濃度ガスは、空気の総量及び空気の分配比が一定であり、低濃度ガスの燃料の量が一定であり、第１混合ガスあるいは第２混合ガスのいずれか一方の混合ガスの燃料の量が一定であることを特徴とする旋回燃焼器である。
【００１６】
本発明によれば燃焼器の正常燃焼範囲内において燃焼器に要求される燃焼量に応じた濃度または流量で燃料ガスを供給できるため、常に安定して燃料を完全燃焼し、ＮＯx の排出量を低減することができる。
【００１７】
請求項２乃至４のいずれかに記載の旋回燃焼器において、低濃度ガスには燃料が全く含まれていなくてもよい。（請求項５）
【００１８】
上記した各旋回燃焼器において、第２混合ガスは第１混合ガスよりも燃料濃度が高いものであってもよい。また、上記した各旋回燃焼器において、第１混合ガスは空気過剰率が１以上のものであり、第２混合ガスは空気過剰率が０以上１未満のものであってもよい。
【００１９】
ここで空気過剰率とは燃料ガス中に含まれる空気の割合を示すものである。空気過剰率が１．０であればガス中に当該燃料がちょうど完全燃焼し得るだけの空気が含有されており、１．０未満のときはガス中に含まれる空気量が完全燃焼するのに必要な量より少ない。また、空気過剰率が１．０より大きい場合はガスの完全燃焼に必要な空気量以上の空気が含有されている場合である。よって高濃度ガスは、燃料そのもの、あるいは空気が不足した状態の混合ガスである。
【００２０】
本発明者の実験によると、第１混合ガスの燃焼により発生した既燃ガスの旋回流の中に空気が不足状態の第２混合ガスを噴射すると、ＮＯx の発生量が減少した。この理由として、第２混合ガスが燃焼して還元成分を発生しその還元成分により形成された還元性雰囲気において旋回火炎で生成したＮＯx を還元し、ＮＯx 排出濃度を減少させたことが考えられる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下さらに本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は本実施形態における旋回燃焼器の概念図である。
図１において１は本実施形態の旋回燃焼器であり、旋回燃焼器１は円筒形の外周壁２を有し、その内部に円筒状の内周壁３が設置されており、外周壁２の底板４の中央部に貫通孔が設けられ高濃度ガス供給口５を形成している。また、高濃度ガス供給口５と略同心でパイプが挿通され低濃度ガス供給管６が形成されている。
【００２２】
順次説明すると、外周壁２と内周壁３は共に円筒形であり外周壁２の内側に内周壁３が同心状に配されている。また、両者の先端側はフランジ７によって閉塞されており、内部に混合ガス供給部８が形成されている。内周壁４には母線方向および円周方向に等間隔で図１に示すように内周壁３が切り起こされた炎孔９が複数設けられている。内周壁３のガス上流側の端部には底板４が設けられ、内周壁３と底板４により燃焼室１０を形成している。また底板４の中心には図１（ｂ）のように外周壁２と同心円状に貫通孔１１が設けられ高濃度ガス流入口５を構成している。さらに高濃度ガス流入口５と略同心で高濃度ガス流入口５より半径の小さな低濃度ガス供給管６が挿通されている。ただし、図１（ｃ）のように貫通孔１１に貫通孔１１と同径の低濃度ガス供給管６が挿通され、底板４の低濃度ガス供給管６近傍に高濃度ガス供給口５が複数設けられた構造であってもよい。
【００２３】
続いて本実施形態の旋回燃焼器１の作用について説明する。
本実施形態の旋回燃焼器１では濃度の異なる３種類のガスが使用される。すなわち本実施形態では過濃（高濃度）ガス、希薄（混合）ガス、低濃度ガス（空気）の３種類のガスが使用される。
ここで過濃（高濃度）ガスは空気過剰率が０以上１未満であり、特に本実施形態では空気量が燃焼可能範囲未満のガスが使用されている。また、希薄（混合）ガスは空気含有量が過濃（高濃度）ガスより多く、低濃度ガスは空気過剰率が少なくとも１を越えたガスであり本実施形態では特に燃料を全く含まない、すなわち空気が使用されている。
【００２４】
まず、希薄（混合）ガスは混合ガス供給部８に供給され、内周壁３に複数設けられた炎孔９より接線方向に噴出して旋回流を発生し、内周壁３の接線方向に旋回火炎を形成する。希薄（混合）ガスは旋回火炎となって燃焼し、旋回火炎面の内部では高温の既燃ガスの旋回流が発生する。
そして本実施形態に特有の構成・作用として、燃焼室１０の底板４に設けられた高濃度ガス供給口５から空気過剰率が１未満の過濃（高濃度）ガスが、また低濃度ガス供給管６より低濃度ガス（空気）がそれぞれ燃焼室７に噴射される。ここで高濃度ガス供給口５および低濃度ガス供給管６は、燃焼室１０の底板４の略中央部に設けられているため、過濃（高濃度）ガスおよび低濃度ガス（空気）は、前記した旋回火炎の略中心部に、軸方向に噴射されることとなる。特に低濃度ガス（空気）は燃焼室１０内の底板４より離れた位置へ噴射される。本実施例においては低濃度ガス供給管６が底板４より突き出しており、燃焼室１０の中央部に当該低濃度ガス供給管６より低濃度ガス（空気）が噴射される。これは過濃（高濃度）ガスが既燃ガスと混合する以前に低濃度ガス（空気）と混合し、高温の火炎を伴い多量のＮＯx が排出しながら燃焼するのを防止するためである。
【００２５】
旋回火炎の中心部に噴射された過濃（高濃度）ガスは、温度が低いためにその密度が旋回流中の高温既燃ガスの密度より大きい。そのため過濃（高濃度）ガスは、燃焼室１０の中心部から外周方向へ旋回しながら密度差によって拡散する。また旋回流の中心付近においては旋回火炎に起因する旋回力は非常に弱く、当該旋回流のみでは既燃ガスと過濃（高濃度）ガスの混合は不十分であるが、低濃度ガス供給管６より低濃度ガス（空気）が旋回流の中心付近に噴射されるため、この近傍においても過濃（高濃度）ガスの拡散が促進される。過濃（高濃度）ガスは密度差に起因する拡散効果に加えて低濃度ガス（空気）の噴射に起因する拡散効果が生じることによって、既燃ガスの成分と速やかに混合しながら燃焼する。
【００２６】
ここで過濃（高濃度）ガスの燃焼においては希薄（混合）ガスが燃焼して生成した既燃ガスに、酸素が多く残留しているため、過濃（高濃度）ガスの濃度及び流量を適当に制御することによって、過濃（高濃度）ガスは完全燃焼し、未燃成分の発生が非常に少ない。すなわち本実施形態の旋回燃焼器１においては、希薄（混合）ガスから発生した既燃ガスに残留する酸素によって過濃（高濃度）ガスが完全燃焼される。図２は第１実施形態および従来の旋回燃焼器における未燃成分の排出限界を示すグラフであり、従来の燃焼器に比べて本実施形態の旋回燃焼器の方が旋回燃焼器１の過濃側（高濃度側）及び希薄側（混合ガス側）において未燃成分の排出限界領域は広い。すなわち本実施形態の旋回燃焼器の方が従来に比べて未燃成分の発生が非常に少なく、設定可能な燃焼条件の範囲が広い。
本実施形態の旋回燃焼器１は、過濃（高濃度）ガスを噴射しない従来の場合と比べて、限られた燃焼室１０の空間内でより多くの燃料を完全燃焼させることができ、単位時間・単位空間の熱発生量の増加によって、同熱発生量の燃焼器をよりコンパクトにすることができる。
【００２７】
また実験によると、本実施形態の旋回燃焼器１は、ＮＯx の発生量が少ないものであることが分かった。この理由は、本実施形態の旋回燃焼器１においては、過濃（高濃度）ガスは、旋回流の中で拡散効果によって残留酸素以外の既燃ガス成分ＣＯ2 ，Ｈ2 Ｏなどとも混合しながら燃焼するため、これらの既燃ガス成分の希釈効果によりその燃焼反応によるＮＯx の生成が抑制されるからであると予想される。つまり既燃ガスのＥＧＲ効果によってＮＯx の生成量を顕著に減少することができたと考えられる。
また本実施形態の旋回燃焼器では、一旦旋回火炎において生成されたＮＯx が、過濃（高濃度）ガスの燃焼によって形成された還元性雰囲気において窒素と酸素に還元されるのではないかと予想される。
【００２８】
また本実施形態では、過濃（高濃度）ガスは空気混入率が低く、混合された空気量は燃焼可能範囲未満である。このように過濃（高濃度）ガスの濃度を高く設定した理由は、逆火を防止するためである。すなわち燃焼室１０の底板４付近は高温の既燃ガスにさらされて加熱されるので、過濃（高濃度）ガスの流量が小さい時に、上流への逆火が発生しやすい。そこで本実施形態では、過濃（高濃度）ガスの空気過剰率を通常条件で燃焼可能範囲の空気過剰率よりも小さくすることによって、その逆火を防ぐこととした。
【００２９】
（第２実施形態）
前記した第１実施形態の旋回燃焼器１は希薄（混合）ガスを燃焼させて発生する既燃ガスの旋回流の空間に向かって過濃（高濃度）ガスを高濃度ガス供給口５より、また低濃度ガス（空気）を低濃度ガス供給口６より燃焼室１０内に噴出する。よって上記の旋回燃焼器は過濃（高濃度）ガスと既燃ガスの密度差から生じる拡散効果によって過濃（高濃度）ガスと既燃ガスを十分に混合させ、低濃度ガス（空気）を噴出させて追加燃焼させることで未燃成分の発生を抑制するものであり、同一体積空間での熱発生率を増加させると同時に、既燃ガスの希釈効果によってＮＯx 生成量を低減させることができた。
【００３０】
しかし、燃焼量の多い条件下においては高濃度ガス供給口５より既燃ガスの旋回流中に供給される過濃（高濃度）ガスの流入量も多くなる。多量の過濃（高濃度）ガスを旋回流中に一度に供給すると既燃ガスの持つ旋回力では過濃（高濃度）ガスを既燃ガス中に速やかに混合することが困難となり、その結果完全燃焼ができず未燃成分が発生しやすくなってしまうという問題があった。さらに、既燃ガスの旋回流の旋回が強い場合に、燃焼室１０の下流側から循環流による逆流が生じる場合があった。そしてその逆流の影響を受けて、過濃（高濃度）ガスが燃焼して形成した拡散火炎が不安定になりやすく、更に燃焼室１０内の燃焼場全体が不安定となってしまうという問題も生じた。
そこで本発明の第２実施形態は過濃（高濃度）ガスと既燃ガスの混合をさらに促進し、不完全燃焼を防止すると同時に循環流による逆流を阻止するための改良がなされたものである。
【００３１】
図３は本発明の第２実施形態の旋回燃焼器の縦断面図である。
図３の２０は本実施形態の旋回燃焼器であり、旋回燃焼器２０は前記実施形態の旋回燃焼器１とほぼ同様の構造を有するため共通する部分については前記と同様の番号を付し、これらの詳細の説明については省略する。
【００３２】
本実施形態においては過濃（高濃度）ガスおよび低濃度ガス（空気）を燃焼室１０内部に供給する部分が前記実施形態と大きく異なる。すなわち本実施形態では底板４と略同心で略円錐状の占拠物２１が設けられている。占拠物２１の表面には母線方向および平面断面の円周方向に等間隔で複数の高濃度ガス炎孔２２が設けられている。また、占拠物２１内部には占拠物２１と略同心で両端が開口の低濃度ガス噴出管２６が設けられている。低濃度ガス供給管２６の燃焼室１０側の端部と占拠物２１のガス下流側の端部が接合され上端が閉塞された高濃度ガス噴出部２７を構成しており、ガス上流側は底板４および後述する高濃度ガス室２３を貫通し図示しない供給手段に接続される。
底板４の占拠物２１直下には上部が開口していて図示しない高濃度ガス供給手段により内部に過濃（高濃度）ガスが供給される高濃度ガス室２３が接合されており、底板４には占拠物２１直下の高濃度ガス室と通じる高濃度ガス供給口２４が設けられている。
【００３３】
本実施形態においては低濃度ガス供給管２５より燃焼室１０内に低濃度ガス（空気）が噴射される。また、希薄（混合）ガスは混合ガス供給部８より内周壁３に設けられた炎孔９を通じて燃焼室１０内に旋回噴射される。さらに過濃（高濃度）ガスは高濃度ガス室２２より高濃度ガス供給口２４を通じ占拠物２１内部に供給され、高濃度ガス炎孔２２より燃焼室１０内部に噴射される。
【００３４】
前記実施形態と同様に、過濃（高濃度）ガスと低濃度ガス（空気）の既燃ガスの密度の差と、希薄（混合）ガスが燃焼され発生する既燃ガスが持つ旋回力により過濃（高濃度）ガスと既燃ガスの混合が促進され燃焼される。前記旋回力は旋回の中心部、すなわち燃焼室１０の中心部において旋回力が弱いため、この近傍においては過濃（高濃度）ガスと既燃ガスの混合が不十分である。しかし燃焼室１０の中心部に占拠物２１の中心部から低濃度ガス（空気）を供給すると、旋回の中心部においても過濃（高濃度）ガスと既燃ガスの混合が促進され燃焼される。また本実施例においては、過濃（高濃度）ガスは占拠物２１の表面に複数設けられた高濃度ガス炎孔２２より分散されて既燃ガスの旋回流中に噴射される。そのため過濃（高濃度）ガスの流量の多い場合、すなわち旋回燃焼器２０の燃焼量が多い場合においても過濃（高濃度）ガスと既燃ガスは容易に混合され燃焼が促進される。
本実施形態においては、上記のように過濃（高濃度）ガスと既燃ガスは十分混合され完全燃焼されるため、前記第１実施形態と同様に未燃成分の発生が非常に少ない。よって本実施形態の旋回燃焼器は未燃成分の発生が少なく、設定可能な燃焼条件の範囲がさらに広い。
【００３５】
また、過濃（高濃度）ガスは、旋回流の中で拡散効果によって残留酸素の以外の既燃ガス成分ＣＯ2 ，Ｈ2 Ｏなどとも混合しながら燃焼するため、これらの既燃ガス成分の希釈効果によりＮＯx の生成は少ない。さらに空気の供給による燃焼室１０内の温度低下によってもＮＯx の生成が抑制される。
【００３６】
本実施形態に特有の構成として、旋回流の中心であって負圧領域となるであろう部位に占拠物２１が設けられている。そのため本実施形態の旋回燃焼器２０では、旋回流の中心の負圧領域が消失し、または減少する。従って燃焼室１０内の中心部分の圧力低下が緩和され、半径方向の圧力勾配は平坦に近づく。そのため火炎の逆流が無くなり、安定して燃焼する。
【００３７】
また燃焼時においては、燃焼室１０内の全体のガスは、下流に行くに従い、燃焼反応の進行と、それに伴う温度上昇のために体積流量が増大する。しかしながら、本実施形態の旋回燃焼器１では、燃焼室１０の中心部に、下流に行くほど断面積が小さくなる略円錐形の占拠物２１が設けられているので、燃焼室１０の空間から占拠物２１を除いたガスの流れる空間の半径方向の断面積は、下流に行くほど増大している。従って本実施形態の旋回燃焼器２０では、ガスの体積増大が、ガス流路の拡大によって相殺され、燃焼室１０内の全体のガスの線速度は、一定値に近づく。このため火炎面がさらに安定する。
【００３８】
（第３実施形態）
前記した第２実施形態の旋回燃焼器は希薄（混合）ガスを燃焼させて発生する既燃ガスの旋回流の空間に向かって過濃（高濃度）ガスを占拠物２１の表面に複数設けられた高濃度ガス炎孔２２より分散して燃焼室１０に噴出する。よって上記の旋回燃焼器は既燃ガスの旋回流において過濃（高濃度）ガスと既燃ガスの密度差から生じる拡散効果によって過濃（高濃度）ガスと既燃ガスを十分混合した後追加燃焼させることで未燃成分の発生を抑制するものであり、同一体積空間での熱発生率を増加させると同時に、既燃ガスの希釈効果によってＮＯx 生成量を低減させることができた。
また、占拠物２１は下流に行くほど断面積が小さくなる略円錐形であるため
ガスの体積増大がガス流路の拡大によって相殺され、燃焼室１０内の全体のガスの線速度は、一定値に近づき火炎面がさらに安定した。
しかし、旋回燃焼器２０の燃焼能力が向上した分、燃焼量が増え、内部に配置された占拠物２１は非常に高温の雰囲気下に晒される。ここで空気通路と直接接している占拠物２１の先端部分は十分冷却されるが、占拠物２１の下半分は赤熱しやすく耐久性に問題が生じるため、占拠物２１には耐熱性の高い高価な材料を用いざるを得ないという問題が生じてきた。
そこで本発明の第３実施例は、旋回燃焼器２０の燃焼能力を抑制することなく内部に配置される占拠物２１がさらに冷却されるように改良がなされたものである。
【００３９】
本実施例の旋回燃焼器は燃焼室１０内部に設置される占拠物１１以外は前記第２実施例と同様であるため、共通する部分については前記と同様の番号を付し、詳細の説明については省略する。
図４（ａ）は本実施形態において燃焼室１０内部に配置される占拠物３０の斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。占拠物３０は高濃度ガス通路３１と平面視が円弧状の連結部３２の端部を接合し円錐状に形成されている。なお高濃度ガス通路３１は平面視が略「Ｄ」字状でありガス下流側に向かうに従い断面積が小さくなり、頂部が封止された形状である。さらに高濃度ガス通路３１には占拠物３０の母線方向に等間隔に高濃度ガス流出孔３３が設けられている。また、低濃度ガス通路３４は高濃度ガス通路３１と連結部３２で構成される占拠物３０の内部である。
【００４０】
本実施形態の占拠物３０は先の実施形態における旋回燃焼器２０の占拠物２１を代替するものである。以下順次説明すると、過濃（高濃度）ガスは高濃度ガス通路３１を流れ高濃度ガス流出孔３３を通じて燃焼室１０内の既燃ガスの旋回流中に噴出される。低濃度ガス（空気）は通路３４を通じて占拠物３０の頂部より既燃ガスの旋回流のほぼ中央部に噴出される。
【００４１】
本実施形態の占拠物３０において連結部３２は占拠物３０の内部を流れる低温の低濃度ガス（空気）により直接冷却され、さらに高濃度ガス通路３１は３面が低濃度ガス通路３４に面しているため効率よく冷却される。そのため、内部を流れる低濃度ガス（空気）により占拠物３０は全体が効率よく冷却され、高温の燃焼室１０内部に配置しても高温とならないため従来のように耐熱性の高い高価な材料を用いなくてもよい。
【００４２】
また、高濃度ガス流出孔３３は高濃度ガス通路３１に占拠物３０の母線方向に等間隔に複数設けられているため、過濃（高濃度）ガスは流量が分散されて占拠物３０の表面全体から既燃ガスの旋回流中に噴出される。そのため過濃（高濃度）ガスは旋回流中において容易に分散され、過濃（高濃度）ガスの流量の多い場合、すなわち旋回燃焼器２０の燃焼量が多い場合においても過濃（高濃度）ガスと既燃ガスが十分混合され完全燃焼され、未燃成分の発生が非常に少ない。また、前記実施例と同様に過濃（高濃度）ガスの既燃ガスによる希釈効果によりＮＯx の発生量が抑制される。
【００４３】
さらに本実施例の占拠物３０は、前記第２実施例と同様に、旋回流の中心であって負圧領域となるであろう部位に占拠物３０が設けられている。そのため燃焼室１０内の半径方向の圧力勾配は平坦に近づくため火炎の逆流が無くなり、安定して燃焼する。
【００４４】
また燃焼時においては、燃焼室１０内の全体のガスは、下流に行くに従い体積流量が増大するが、本実施形態では燃焼室１０の中心部に、下流に行くほど断面積が小さくなる略円錐形の占拠物３０が設けられているので、下流に行くほどガス流路が拡大する。そのため前記第２実施例と同様に、燃焼室１０内の全体のガスの線速度は一定値に近づき、火炎面がさらに安定する。
【００４５】
図５に示した占拠物３５は図４に示した第３実施形態の占拠物３０の変形実施例である。占拠物３５は中心に円筒状の低濃度ガス噴出管３６が設けられる。低濃度ガス噴出管３６の外周には高濃度ガス噴出管３７が端部を低濃度ガス噴出管３６に接合することにより取り付けられている。なお、高濃度ガス噴出管３７は平面断面が「コ」字状で中空であり、当該平面断面がガス下流に向かって縮小し頂部が閉塞された形状の管である。
【００４６】
低濃度ガス（空気）は低濃度ガス噴出管３６内部を流れ、ガス下流側の開放端より燃焼室１０内部に噴出される。また、過濃（高濃度）ガスは高濃度ガス噴出管３７内部を流れ高濃度ガス噴出口３８より燃焼室１０内部に噴出される。
【００４７】
図６に示した占拠物４０は図４に示した第３実施形態の占拠物３０のさらに別の変形実施例である。占拠物４０は略円錐形で中空の外周部材４２と外周部材４２の内部に設置される中空の中子４１とから構成されている。中子４１は前記占拠物３５と外形が同様である。さらに具体的には、中子４１の外周面は略円錐の母線方向に平面断面が「コ」字状で当該平面断面がガス下流に向かって縮小し頂部が閉塞された形状の凸部４３が複数設けられた形状をしている。占拠物４０は前記中子４１を外周部材４２の内部に設置しガス下流側の端部を閉塞した形状であり、外周部材４２の中子４１の凹部４４に相当する部分には母線方向に等間隔に高濃度ガス噴射口４５が設けられる。中子４１と外周部材４２で構成される隙間により高濃度ガス通路４６が構成される。
【００４８】
低濃度ガス（空気）は中子４１内部を流れ、ガス下流側の開放端より燃焼室１０内部に噴出される。また、過濃（高濃度）ガスは高濃度ガス通路４６内部を流れ高濃度ガス噴出口４５より燃焼室１０内部に噴出される。
【００４９】
上記の占拠物３５，４０のような構造であっても、占拠物３５，４０の内部を流れる低濃度ガス（空気）により占拠物全体が冷却されるため、占拠物３５，４０が高温の燃焼室内に配置されても、占拠物３５，４０は全体にわたって高温にならない。そのため、占拠物の構成材料には従来のように耐熱性の高い高価な材料を用いなくてもよい。また、前記実施例と同様に高濃度ガス噴出口３８，４５が複数設けられているため、過濃（高濃度）ガスは旋回流中において容易に分散され、過濃（高濃度）ガスと既燃ガスが十分混合され完全燃焼され、未燃成分の発生が非常に少ない。また、過濃（高濃度）ガスの既燃ガスによる希釈効果によりＮＯx の発生量も抑制される。さらに占拠物の形状が略円錐形であるため、前記実施例と同様に燃焼室１０内部の圧力勾配は平坦に近づくため火炎の逆流が無くなり、さらに下流に行くほどガス流路が拡大するため燃焼室１０内の全体のガスの線速度は一定値に近づき、火炎面が安定する。
【００５０】
続いて、前記第２実施形態の旋回燃焼器２０を例にあげ、燃料ガスの濃度調整および旋回燃焼器２０への燃料の供給方法による旋回燃焼器の制御について説明する。以下において、低濃度ガスは前記と同様に全く燃料を含まないガス、すなわち空気とする。
図７は旋回燃焼器２０への燃料および空気の供給経路を示す概念図である。燃料および空気の供給手段は旋回燃焼器２０の外部に配置される。燃料を供給するガス管５０はガス第１分岐管５１およびガス第２分岐管５２に分岐される。一方空気を供給する空気管５３は空気第１分岐管５４、空気第２分岐管５５および空気第３分岐管５６に分岐される。空気第１分岐管５４は低濃度ガス供給管２５に接続され、空気第２分岐管５５はガス管５０に接続される。また、空気第３分岐管５６はガス第２分岐管５２に接続される。ガス第１分岐管５４は高濃度ガス室２３に接続され、ガス第２分岐管５５は混合ガス供給部８に接続される。
【００５１】
ガスの流れについて説明すると、燃料はガス管５０およびその分岐管であるガス第１分岐管５１、ガス第２分岐管５２を通じて高濃度ガス室２３あるいは混合ガス供給部８に流れ込む。また、空気は空気管５３およびその分岐管である空気第１分岐管５４、空気第２分岐管５５、空気第３分岐管５６を通じ低濃度ガス供給管２５、高濃度ガス室２３および混合ガス供給部８に流れ込む。さらに具体的には、過濃（高濃度）ガスはガス管５０に接続された空気第２分岐管５５より供給される空気がガス管を流れる燃料と混合の後、ガス第１分岐管５４を通じ高濃度ガス室２３に空気過剰率λR で流れ込む。また希薄（混合）ガスはガス第２分岐管５５を流れる燃料に空気第３分岐管５６より空気が混入し、空気過剰率λL の混合ガスとなって混合ガス供給部８に供給される。ここで希薄（混合）ガスの空気過剰率λL は過濃（高濃度）ガスの空気過剰率λR よりも大きい。さらに本実施形態においては低濃度ガスとして燃料を含まない空気が供給されるため、低濃度ガスは空気第１分岐管５４が低濃度ガス供給管２５に接続されることにより供給される。
【００５２】
図８は前記の燃料供給方法により燃料が供給される旋回燃焼器２０の運転条件を示すグラフである。図８において横軸は旋回燃焼器２０に供給される燃料の総発熱量を示す燃焼量を示し、縦軸は空気過剰率を示す。λT はガス管５０より供給される燃料の総量と空気管５３から供給される空気の総量から求められる見かけの空気過剰率であり、各運転条件におけるλT の変化を運転設定条件とする。ある運転条件において、λT が運転上限の空気過剰率を超えると供給される燃料ガスが希薄となり燃焼が不安定で、未燃成分の濃度が高くなる。また逆にλT が運転下限の空気過剰率を下回ると燃料ガスの濃度が高くなりすぎて逆火が発生しやすく、ＮＯx や未燃成分の発生が急増する。従って運転設定条件λT は運転上限と運転下限に挟まれる範囲内に設定する必要がある。
【００５３】
図８中において外周火炎の燃焼条件の設定値をλL 、内周火炎の燃焼条件の設定値をλR とする。外周火炎に供給される希薄（混合）ガス中の燃料の量と内周火炎に供給される過濃（高濃度）ガス中の燃料の量の比率は常に一定に保たれる。λT は要求される燃焼量に応じて正常燃焼範囲内に設定され、λL およびλR は安定かつ完全燃焼可能であり、ＮＯX 排出量が最小となるように決定される。
【００５４】
図９は図８に示す燃料供給方法とは異なる燃料供給方法を図示したものである。なお前記と同様に、以下において低濃度ガスは全く燃料を含まないガス、すなわち空気とする。図８に示す燃料供給方法では空気と燃料の双方の流量を制御する必要がある。しかし、実際の使用にあたっては双方を一度に制御するのが困難であるという問題や双方の制御をできるようにするためにはコストがその分高くなるという問題があった。そこで、図９に示す燃料の供給方法は燃料の流量の調整によりガス流量および濃度を調整する方法を示したものである。
【００５５】
図９に示す燃料供給方法においては、燃料および空気の供給手段は旋回燃焼器２０の外部に配置される。燃料を供給する燃料管６０は燃料第１分岐管６１およびガス第２分岐管６２に分岐される。一方空気を供給するエア管６３はエア第１分岐管６４、エア第２分岐管６５およびエア第３分岐管６６に分岐される。エア第１分岐管６４は低濃度ガス供給管２５に接続され、エア第２分岐管６５は燃料第１分岐管６１に接続される。また、エア第３分岐管６６は燃料第２分岐管６２に接続され、燃料第２分岐管６２は混合ガス管６８に接続される。また、混合ガス管６８は混合ガス供給部８に接続される。燃料第１分岐管６１は高濃度ガス管６７に接続され、高濃度ガス管６７は高濃度ガス室２３に接続される。
【００５６】
続いてガスの流れについて説明すると、燃料は燃料管およびその分岐管である燃料第１分岐管６１、燃料第２分岐管６２を通じて高濃度ガス室２３あるいは混合ガス供給部８に流れ込む。また、空気はエア管６３およびその分岐管であるエア第１分岐管６４、エア第２分岐管６５、エア第３分岐管６６を通じ低濃度ガス供給管２５、高濃度ガス室３３および混合ガス供給部８に流れ込む。
さらに具体的には、過濃（高濃度）ガスは燃料第１分岐管６１に接続されたエア第２分岐管６５より供給される空気が燃料第１分岐管６１を流れる燃料と混合の後、高濃度ガス管６７を通じ高濃度ガス室２３に空気過剰率λR で流れ込む。また希薄（混合）ガスは燃料第２分岐管６２を流れる燃料にエア第３分岐管６６より空気が混入し、空気過剰率λL の混合ガスとなって混合ガス管６８を通じて混合ガス供給部８に供給される。ここで希薄（混合）ガスの空気過剰率λL は過濃（高濃度）ガスの空気過剰率λR よりも大きい。さらに本実施形態においては低濃度ガスとして燃料を含まない空気が供給されるため、低濃度ガス（空気）はエア第１分岐管６４が低濃度ガス供給管２５に接続されることにより供給される。また、燃料第１分岐管６１の中途には流量が調整可能なように弁６９が設けられている。
【００５７】
上記の燃料供給方法においては旋回燃焼器２０に供給される空気の総量および希薄（混合）ガスと低濃度ガスと過濃（高濃度）ガスに供給される空気の分配比率を一定にする。また、希薄（混合）ガスに供給される燃料の量を一定し、過濃（高濃度）ガスに供給される燃料の量のみを弁６９で調整し旋回燃焼器２０に供給される燃焼量の変化を調整する。このときの運転条件を図１０，１１に示す。図１０は旋回火炎に供給される燃料の量、すなわち混合ガス供給部８に供給される燃料の量を一定に固定した場合の運転条件を図示したものである。なお、図中線Ａは固定された旋回火炎の燃焼条件を示し、空気過剰率が１．０以上である。その際高濃度ガス炎孔２２より噴射される過濃（高濃度）ガスの空気過剰率は線Ａの空気過剰率より小さな値とする。要求される燃焼量に応じて、過濃（高濃度）ガスの空気過剰率は１．０を下回る。図１１は旋回火炎に供給される空気過剰率が１．０を下回る場合（図中線Ｂ）である。この場合、高濃度ガス炎孔２２より噴射されるガスの空気過剰率は点Ｂの空気過剰率よりも大きい。
【００５８】
図９に示す燃料供給方法によれば、高濃度ガス炎孔２２への燃料供給量を弁６９の開度により変化させるだけで燃焼量を調整できる。そのため、本方法によれば空気量の調整が不要であり、燃料濃度、流量の調整が容易であり、最適な燃焼条件下において燃料の燃焼が可能であるため未燃成分の排出が少なく、ＮＯx の発生も抑制できる。また、燃料の供給量の制御が困難な場合においても燃料の濃度および流量が制御できる。
【００５９】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の旋回燃焼器は従来のものに比べてより高い空間発熱率が得られる。また、本発明の旋回燃焼器によれば従来に比べＮＯx の排出量が低減される。
【００６０】
請求項１および５に記載の旋回燃焼器は、燃料を全く含まない空気を噴射する構成とされているため、ガスの濃度調整が不要であり、ガスの供給手段が簡素化できる。
【００６１】
請求項２に記載の旋回燃焼器では既燃ガスの旋回流の中心に低濃度ガスが噴射されるため、既燃ガスと低濃度ガスの周囲から噴射された高濃度ガスが旋回力の弱い中心部分においても十分混合される。そのため完全燃焼により燃焼することなく排出される未燃成分の発生が抑制される。また、低濃度ガスの噴射によりＮＯX の発生もさらに抑制される。
【００６２】
請求項３に記載の旋回燃焼器では、既燃ガスの逆流を阻止することができ、旋回火炎が安定する効果が得られる。また、当該占拠物の頂部あるいはその近傍より噴射される低濃度ガスにより、既燃ガスと低濃度ガスの混合が不十分な旋回流の中心部分においても混合が促進される。
【００６３】
請求項４に記載の燃焼量制御手段によれば内部火炎への燃料供給量の調整のみで容易に燃焼量を調整できる。そのため燃料の完全燃焼が可能であり、未燃成分およびＮＯx の排出量を最小限に抑制できる。また、当該燃焼量制御手段は旋回燃焼器に限らず燃料濃度、流量の調整が必要な場合に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は本発明の第１実施形態の旋回燃焼器の概念図であり、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）の高濃度ガス供給口５および低濃度ガス供給管６の斜視図である。
【図２】 本発明の第１実施形態の旋回燃焼器における未燃成分の排出限界を示すグラフである。
【図３】 本発明の第２実施形態の旋回燃焼器の概念図である。
【図４】 本発明の第３実施形態の旋回燃焼器に内蔵される占拠物であり、（ａ）はその概念図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図５】 本発明の第３実施形態の旋回燃焼器に内蔵される占拠物の変形実施例であり、（ａ）はその概念図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図６】 本発明の第３実施形態の旋回燃焼器に内蔵される占拠物のさらに別の変形実施例であり、（ａ）はその概念図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図７】 本発明の燃料供給方法を示す概念図である。
【図８】 図７における燃焼量制御手段を用いた旋回燃焼器２０における燃焼量と空気過剰率の関係を示すグラフである。
【図９】 本発明のさらに別の燃料供給方法を示す概念図である。
【図１０】 図９における燃焼量制御手段において、外周火炎の燃焼条件を空気過剰率１．０以上に固定した場合の燃焼量と空気過剰率の関係を示すグラフである。
【図１１】 図９における燃焼量制御手段を用いた旋回燃焼器２０において、外周火炎の燃焼条件を空気過剰率１．０以下に固定した場合の燃焼量と空気過剰率の関係を示すグラフである。
【図１２】 従来の旋回燃焼器の概念図である。
【符号の説明】
１，２０ 旋回燃焼器
２ 外周壁
３ 内周壁
４ 底板
５ 高濃度ガス供給口
６ 低濃度ガス供給口
７ フランジ
８ 混合ガス供給部
９ 炎孔
１０ 燃焼室
１１ 貫通孔
２１，３０，３５，４０ 占拠物
２２ 高濃度ガス炎孔
２３ 高濃度ガス室
２４ 高濃度ガス供給口
２５ 低濃度ガス供給管
２６ 低濃度ガス噴出管
２７ 高濃度ガス噴出部
３１ 高濃度ガス通路
３２ 連結部
３３ 高濃度ガス流出口
３４ 低濃度ガス通路
３６ 低濃度ガス噴出管
３７ 高濃度ガス噴出管
３８ 高濃度ガス噴出口
４１ 中子
４２ 外周部材
４３ 凸部
４４ 凹部
４５ 高濃度ガス噴射口
４６ 高濃度ガス通路
５０ ガス管
５１ ガス第１分岐管
５２ ガス第２分岐管
５３ 空気管
５４ 空気第１分岐管
５５ 空気第２分岐管
５６ 空気第３分岐管
６０ 燃料管
６１ 燃料第１分岐管
６２ 燃料第２分岐管
６３ エア管
６４ エア第１分岐管
６５ エア第２分岐管
６６ エア第３分岐管
６７ 高濃度ガス管
６８ 混合ガス管
６９ 弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼器に関するものであり、特に燃焼室内に予め空気と燃料を混合した混合ガスを噴射して旋回流を発生させる旋回燃焼器に関するものである。本発明の燃焼器は、給湯器やボイラーといった熱源を要するあらゆる装置に活用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
高い空間発熱率を有する燃焼手段の一つとして、旋回燃焼器が知られている（特許第２８６３８４１号）。
旋回燃焼器とは、筒状の燃焼室を使用し、この燃焼室内に空気と燃料との混合ガスを噴射して内部に旋回流を発生させるものである。
【０００３】
図１２は、従来技術の旋回燃焼器の概念図である。
旋回燃焼器１０１では、円筒形の燃焼室１０２を使用し、この燃焼室１０２に対して接線方向に空気と燃料との混合ガスを噴射する。この混合ガスは、燃焼室１０２内で旋回流を形成する。燃焼室１０２内では、円筒状の旋回火炎が発生する。また既燃焼ガスは、旋回しながら開口１０３から外部に排出される。
【０００４】
旋回燃焼器１０１は、開口１０３から大気中に直接的に混合ガスを噴射させる通常の燃焼方式に比べて、格段に高い空間発熱率を発揮する。そのため給湯器等の装置の小形化が可能である。また旋回燃焼器１０１は、強い旋回流を利用して燃焼を行うので、燃料を希薄な状態で燃焼させることができる。そのため火炎の温度を低下させることが可能であり、排出されるＮＯx （窒素酸化物）の低減が可能である。さらに通常の燃焼器に比べて燃焼量絞り比（Ｔ．Ｄ．Ｒ）を広くとることができるという利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
旋回燃焼器１０１は、前記した様に、通常の燃焼方式に比べて、格段に高い空間発熱率を発揮する。しかしながら産業界においては、さらに高い空間発熱率を求める声がある。また燃焼によるＮＯx の発生を現状よりもさらに抑制したいという産業上の要求がある。さらに常に安定して燃料を完全燃焼し、ＮＯx を低減するために、燃料の濃度や流量を規定する燃焼量制御手段が必要とされている。 そこで本発明は、これらの要求に応えるため、旋回燃焼器に改良を加え、より高い空間発熱率を発揮すると共に、ＮＯx の発生がより少ない旋回燃焼器の提供を課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記した様に、産業界にはＮＯx の発生を、現状よりもさらに抑制したいという要求がある。そこで本発明者は、ＮＯx が発生する原理に立ち返って検討を行なった。燃焼装置においてＮＯx が発生するのは、火炎において空気中の窒素と酸素が燃焼反応を通して結合するためである。ここで従来から行なわれていた、ＮＯx を低減するための方策は、燃料を希薄な状態で燃焼させて火炎の温度を低下させ、ＮＯx 生成反応を抑制するものである。
その結果、ＮＯx の発生は少ないものとなったが、薄い混合ガスを使用するため、燃焼室内の単位空間当たりの燃焼反応による熱発生率が減少し、旋回燃焼器の本来の特質たる高空間発熱率を十分に発揮することができないという弊害が生じていた。
【０００７】
すなわち従来技術の旋回燃焼器では、混合ガス中の燃料濃度が低いが故に、急激な発熱を伴う燃焼反応は旋回火炎面でほぼ完了して、旋回燃焼器の中心部分からは熱が発生していない。
そこで本発明者らは、旋回燃焼器の中心に近い部分からも熱を発生させ、空間発熱率を向上させることを考えた。またＮＯx については、従来とは異なる原理に基づいて低減を図ることとした。
【０００８】
そして上記した構想に基づいて完成された請求項１に記載の発明は、一端が開放された燃焼室を有し、該燃焼室内に空気と燃料を所定の割合で混合した第１混合ガスを噴射して燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させ、さらに燃焼室の内壁を離れた位置に、空気と燃料とを先の第１混合ガスとは異なる割合で混合した第２混合ガスおよび燃料を全く含まない空気が噴射されることを特徴とする旋回燃焼器である。
【０００９】
本発明の旋回燃焼器では、燃焼室の中心側に、前記第２混合ガスが噴射される。そのため旋回流の中心部においても火炎が発生し、発熱する。
また第２混合ガスは、旋回火炎に巻き込まれて燃焼するので、第２混合ガスは既燃ガス成分たるＣＯ2 ，Ｈ2 Ｏ等とも混合しながら燃焼することとなる。そのため第２混合ガスの燃焼領域においては既燃成分の希釈により火炎温度が低下する。すなわち本発明の旋回燃焼器では、旋回火炎又は燃焼ガスに含まれる既燃ガス成分の希釈効果により、第２混合ガスの燃焼反応によるＮＯx の生成が著しく減少する。つまり既燃ガスのＥＧＲ効果(Exhaust Gas Recirculation) によってＮＯx の生成量を顕著に減少することができる。
さらに、第２混合ガスは第１混合ガスの燃焼により発生する既燃ガスに比べ低温であるため密度が既燃ガスよりも高く、この密度差と既燃ガスの持つ旋回力に起因して第２混合ガスと既燃ガスの混合が促進され効果的に燃焼される。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、一端が開放された燃焼室を有し、該燃焼室内に空気と燃料を所定の割合で混合した第１混合ガスを噴射して燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させ、さらに燃焼室の内壁を離れた位置に、空気と燃料とを先の第１混合ガスとは異なる割合で混合した第２混合ガスおよび前記２種の混合ガスよりも燃料濃度の低い低濃度ガスが噴射される旋回燃焼器であって、前記低濃度ガスは旋回流の中心部に向かって噴射され、第２混合ガスはその周囲から噴射されることを特徴とする旋回燃焼器である。
【００１１】
第１混合ガスの燃焼により発生した既燃ガスの旋回流の中心部は旋回力が弱いため、第２混合ガスと既燃ガスは旋回流の中心部では混合が不十分であり、燃料ガスの燃焼は不完全となりやすい。しかし旋回流の中心部に向かって低濃度ガスを噴射すると、旋回力の弱い旋回流の中心部分においても低濃度ガスの噴射力により既燃ガスと第２混合ガスの混合が促進され、燃料ガスが完全燃焼される。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、一端が開放された燃焼室を有し、該燃焼室内に空気と燃料を所定の割合で混合した第１混合ガスを噴射して燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させ、さらに燃焼室の内壁を離れた位置に、空気と燃料とを先の第１混合ガスとは異なる割合で混合した第２混合ガスおよび前記２種の混合ガスよりも燃料濃度の低い低濃度ガスが噴射される旋回燃焼器であって、前記旋回流の中心部に、旋回流によって生じる負圧領域の一部または全部を占める占居物が設けられ、前記低濃度ガスは当該占居物の頂部又はその近傍から噴射されることを特徴とする旋回燃焼器である。
【００１３】
前述した請求項１又は２に記載の構成によれば、一定空間での熱発生率を増加させると同時に、既燃ガスの希釈効果によってＮＯx 生成量を低減することができた。しかしながら、既燃ガスの旋回流の勢いが強い場合では、燃焼室の下流から循環流による逆流が生じ、その逆流の影響を受けて、第２混合ガスが燃焼して形成した拡散火炎は不安定になりやすく、更に燃焼室内の燃焼場全体が不安定となるという問題点が生じた。請求項３に記載の発明は、この問題に対処するものであり、燃焼室内の旋回流の中心部に、旋回流によって生じる負圧領域の一部または全部を占める占拠物が設けられているので、燃焼室の半径方向の圧力勾配を小さくすることができ、旋回火炎面が燃焼室内で半径方向の圧力勾配の影響で収縮することが防止されて逆流が阻止され、旋回火炎が安定する。
【００１４】
また低濃度ガスが当該占拠物の頂部またはその近傍から噴射されるため、既燃ガスの旋回流の中心近傍に低濃度ガスが噴射され、既燃ガスと第２混合ガスの混合が促進され、燃料ガスは完全燃焼される。また、占拠物近傍は高温であるが、低濃度ガスにより占拠物およびその近傍が冷却されるため占拠物の耐熱性の向上およびＮＯx の低減が図られる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、一端が開放された燃焼室を有し、該燃焼室内に空気と燃料を所定の割合で混合した第１混合ガスを噴射して燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させ、さらに燃焼室の内壁を離れた位置に、空気と燃料とを先の第１混合ガスとは異なる割合で混合した第２混合ガスおよび前記２種の混合ガスよりも燃料濃度の低い低濃度ガスが噴射される旋回燃焼器であって、前記第１混合ガスと第２混合ガスと低濃度ガスは、空気の総量及び空気の分配比が一定であり、低濃度ガスの燃料の量が一定であり、第１混合ガスあるいは第２混合ガスのいずれか一方の混合ガスの燃料の量が一定であることを特徴とする旋回燃焼器である。
【００１６】
本発明によれば燃焼器の正常燃焼範囲内において燃焼器に要求される燃焼量に応じた濃度または流量で燃料ガスを供給できるため、常に安定して燃料を完全燃焼し、ＮＯx の排出量を低減することができる。
【００１７】
請求項２乃至４のいずれかに記載の旋回燃焼器において、低濃度ガスには燃料が全く含まれていなくてもよい。（請求項５）
【００１８】
上記した各旋回燃焼器において、第２混合ガスは第１混合ガスよりも燃料濃度が高いものであってもよい。また、上記した各旋回燃焼器において、第１混合ガスは空気過剰率が１以上のものであり、第２混合ガスは空気過剰率が０以上１未満のものであってもよい。
【００１９】
ここで空気過剰率とは燃料ガス中に含まれる空気の割合を示すものである。空気過剰率が１．０であればガス中に当該燃料がちょうど完全燃焼し得るだけの空気が含有されており、１．０未満のときはガス中に含まれる空気量が完全燃焼するのに必要な量より少ない。また、空気過剰率が１．０より大きい場合はガスの完全燃焼に必要な空気量以上の空気が含有されている場合である。よって高濃度ガスは、燃料そのもの、あるいは空気が不足した状態の混合ガスである。
【００２０】
本発明者の実験によると、第１混合ガスの燃焼により発生した既燃ガスの旋回流の中に空気が不足状態の第２混合ガスを噴射すると、ＮＯx の発生量が減少した。この理由として、第２混合ガスが燃焼して還元成分を発生しその還元成分により形成された還元性雰囲気において旋回火炎で生成したＮＯx を還元し、ＮＯx 排出濃度を減少させたことが考えられる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下さらに本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は本実施形態における旋回燃焼器の概念図である。
図１において１は本実施形態の旋回燃焼器であり、旋回燃焼器１は円筒形の外周壁２を有し、その内部に円筒状の内周壁３が設置されており、外周壁２の底板４の中央部に貫通孔が設けられ高濃度ガス供給口５を形成している。また、高濃度ガス供給口５と略同心でパイプが挿通され低濃度ガス供給管６が形成されている。
【００２２】
順次説明すると、外周壁２と内周壁３は共に円筒形であり外周壁２の内側に内周壁３が同心状に配されている。また、両者の先端側はフランジ７によって閉塞されており、内部に混合ガス供給部８が形成されている。内周壁４には母線方向および円周方向に等間隔で図１に示すように内周壁３が切り起こされた炎孔９が複数設けられている。内周壁３のガス上流側の端部には底板４が設けられ、内周壁３と底板４により燃焼室１０を形成している。また底板４の中心には図１（ｂ）のように外周壁２と同心円状に貫通孔１１が設けられ高濃度ガス流入口５を構成している。さらに高濃度ガス流入口５と略同心で高濃度ガス流入口５より半径の小さな低濃度ガス供給管６が挿通されている。ただし、図１（ｃ）のように貫通孔１１に貫通孔１１と同径の低濃度ガス供給管６が挿通され、底板４の低濃度ガス供給管６近傍に高濃度ガス供給口５が複数設けられた構造であってもよい。
【００２３】
続いて本実施形態の旋回燃焼器１の作用について説明する。
本実施形態の旋回燃焼器１では濃度の異なる３種類のガスが使用される。すなわち本実施形態では過濃（高濃度）ガス、希薄（混合）ガス、低濃度ガス（空気）の３種類のガスが使用される。
ここで過濃（高濃度）ガスは空気過剰率が０以上１未満であり、特に本実施形態では空気量が燃焼可能範囲未満のガスが使用されている。また、希薄（混合）ガスは空気含有量が過濃（高濃度）ガスより多く、低濃度ガスは空気過剰率が少なくとも１を越えたガスであり本実施形態では特に燃料を全く含まない、すなわち空気が使用されている。
【００２４】
まず、希薄（混合）ガスは混合ガス供給部８に供給され、内周壁３に複数設けられた炎孔９より接線方向に噴出して旋回流を発生し、内周壁３の接線方向に旋回火炎を形成する。希薄（混合）ガスは旋回火炎となって燃焼し、旋回火炎面の内部では高温の既燃ガスの旋回流が発生する。
そして本実施形態に特有の構成・作用として、燃焼室１０の底板４に設けられた高濃度ガス供給口５から空気過剰率が１未満の過濃（高濃度）ガスが、また低濃度ガス供給管６より低濃度ガス（空気）がそれぞれ燃焼室７に噴射される。ここで高濃度ガス供給口５および低濃度ガス供給管６は、燃焼室１０の底板４の略中央部に設けられているため、過濃（高濃度）ガスおよび低濃度ガス（空気）は、前記した旋回火炎の略中心部に、軸方向に噴射されることとなる。特に低濃度ガス（空気）は燃焼室１０内の底板４より離れた位置へ噴射される。本実施例においては低濃度ガス供給管６が底板４より突き出しており、燃焼室１０の中央部に当該低濃度ガス供給管６より低濃度ガス（空気）が噴射される。これは過濃（高濃度）ガスが既燃ガスと混合する以前に低濃度ガス（空気）と混合し、高温の火炎を伴い多量のＮＯx が排出しながら燃焼するのを防止するためである。
【００２５】
旋回火炎の中心部に噴射された過濃（高濃度）ガスは、温度が低いためにその密度が旋回流中の高温既燃ガスの密度より大きい。そのため過濃（高濃度）ガスは、燃焼室１０の中心部から外周方向へ旋回しながら密度差によって拡散する。また旋回流の中心付近においては旋回火炎に起因する旋回力は非常に弱く、当該旋回流のみでは既燃ガスと過濃（高濃度）ガスの混合は不十分であるが、低濃度ガス供給管６より低濃度ガス（空気）が旋回流の中心付近に噴射されるため、この近傍においても過濃（高濃度）ガスの拡散が促進される。過濃（高濃度）ガスは密度差に起因する拡散効果に加えて低濃度ガス（空気）の噴射に起因する拡散効果が生じることによって、既燃ガスの成分と速やかに混合しながら燃焼する。
【００２６】
ここで過濃（高濃度）ガスの燃焼においては希薄（混合）ガスが燃焼して生成した既燃ガスに、酸素が多く残留しているため、過濃（高濃度）ガスの濃度及び流量を適当に制御することによって、過濃（高濃度）ガスは完全燃焼し、未燃成分の発生が非常に少ない。すなわち本実施形態の旋回燃焼器１においては、希薄（混合）ガスから発生した既燃ガスに残留する酸素によって過濃（高濃度）ガスが完全燃焼される。図２は第１実施形態および従来の旋回燃焼器における未燃成分の排出限界を示すグラフであり、従来の燃焼器に比べて本実施形態の旋回燃焼器の方が旋回燃焼器１の過濃側（高濃度側）及び希薄側（混合ガス側）において未燃成分の排出限界領域は広い。すなわち本実施形態の旋回燃焼器の方が従来に比べて未燃成分の発生が非常に少なく、設定可能な燃焼条件の範囲が広い。
本実施形態の旋回燃焼器１は、過濃（高濃度）ガスを噴射しない従来の場合と比べて、限られた燃焼室１０の空間内でより多くの燃料を完全燃焼させることができ、単位時間・単位空間の熱発生量の増加によって、同熱発生量の燃焼器をよりコンパクトにすることができる。
【００２７】
また実験によると、本実施形態の旋回燃焼器１は、ＮＯx の発生量が少ないものであることが分かった。この理由は、本実施形態の旋回燃焼器１においては、過濃（高濃度）ガスは、旋回流の中で拡散効果によって残留酸素以外の既燃ガス成分ＣＯ2 ，Ｈ2 Ｏなどとも混合しながら燃焼するため、これらの既燃ガス成分の希釈効果によりその燃焼反応によるＮＯx の生成が抑制されるからであると予想される。つまり既燃ガスのＥＧＲ効果によってＮＯx の生成量を顕著に減少することができたと考えられる。
また本実施形態の旋回燃焼器では、一旦旋回火炎において生成されたＮＯx が、過濃（高濃度）ガスの燃焼によって形成された還元性雰囲気において窒素と酸素に還元されるのではないかと予想される。
【００２８】
また本実施形態では、過濃（高濃度）ガスは空気混入率が低く、混合された空気量は燃焼可能範囲未満である。このように過濃（高濃度）ガスの濃度を高く設定した理由は、逆火を防止するためである。すなわち燃焼室１０の底板４付近は高温の既燃ガスにさらされて加熱されるので、過濃（高濃度）ガスの流量が小さい時に、上流への逆火が発生しやすい。そこで本実施形態では、過濃（高濃度）ガスの空気過剰率を通常条件で燃焼可能範囲の空気過剰率よりも小さくすることによって、その逆火を防ぐこととした。
【００２９】
（第２実施形態）
前記した第１実施形態の旋回燃焼器１は希薄（混合）ガスを燃焼させて発生する既燃ガスの旋回流の空間に向かって過濃（高濃度）ガスを高濃度ガス供給口５より、また低濃度ガス（空気）を低濃度ガス供給口６より燃焼室１０内に噴出する。よって上記の旋回燃焼器は過濃（高濃度）ガスと既燃ガスの密度差から生じる拡散効果によって過濃（高濃度）ガスと既燃ガスを十分に混合させ、低濃度ガス（空気）を噴出させて追加燃焼させることで未燃成分の発生を抑制するものであり、同一体積空間での熱発生率を増加させると同時に、既燃ガスの希釈効果によってＮＯx 生成量を低減させることができた。
【００３０】
しかし、燃焼量の多い条件下においては高濃度ガス供給口５より既燃ガスの旋回流中に供給される過濃（高濃度）ガスの流入量も多くなる。多量の過濃（高濃度）ガスを旋回流中に一度に供給すると既燃ガスの持つ旋回力では過濃（高濃度）ガスを既燃ガス中に速やかに混合することが困難となり、その結果完全燃焼ができず未燃成分が発生しやすくなってしまうという問題があった。さらに、既燃ガスの旋回流の旋回が強い場合に、燃焼室１０の下流側から循環流による逆流が生じる場合があった。そしてその逆流の影響を受けて、過濃（高濃度）ガスが燃焼して形成した拡散火炎が不安定になりやすく、更に燃焼室１０内の燃焼場全体が不安定となってしまうという問題も生じた。
そこで本発明の第２実施形態は過濃（高濃度）ガスと既燃ガスの混合をさらに促進し、不完全燃焼を防止すると同時に循環流による逆流を阻止するための改良がなされたものである。
【００３１】
図３は本発明の第２実施形態の旋回燃焼器の縦断面図である。
図３の２０は本実施形態の旋回燃焼器であり、旋回燃焼器２０は前記実施形態の旋回燃焼器１とほぼ同様の構造を有するため共通する部分については前記と同様の番号を付し、これらの詳細の説明については省略する。
【００３２】
本実施形態においては過濃（高濃度）ガスおよび低濃度ガス（空気）を燃焼室１０内部に供給する部分が前記実施形態と大きく異なる。すなわち本実施形態では底板４と略同心で略円錐状の占拠物２１が設けられている。占拠物２１の表面には母線方向および平面断面の円周方向に等間隔で複数の高濃度ガス炎孔２２が設けられている。また、占拠物２１内部には占拠物２１と略同心で両端が開口の低濃度ガス噴出管２６が設けられている。低濃度ガス供給管２６の燃焼室１０側の端部と占拠物２１のガス下流側の端部が接合され上端が閉塞された高濃度ガス噴出部２７を構成しており、ガス上流側は底板４および後述する高濃度ガス室２３を貫通し図示しない供給手段に接続される。
底板４の占拠物２１直下には上部が開口していて図示しない高濃度ガス供給手段により内部に過濃（高濃度）ガスが供給される高濃度ガス室２３が接合されており、底板４には占拠物２１直下の高濃度ガス室と通じる高濃度ガス供給口２４が設けられている。
【００３３】
本実施形態においては低濃度ガス供給管２５より燃焼室１０内に低濃度ガス（空気）が噴射される。また、希薄（混合）ガスは混合ガス供給部８より内周壁３に設けられた炎孔９を通じて燃焼室１０内に旋回噴射される。さらに過濃（高濃度）ガスは高濃度ガス室２２より高濃度ガス供給口２４を通じ占拠物２１内部に供給され、高濃度ガス炎孔２２より燃焼室１０内部に噴射される。
【００３４】
前記実施形態と同様に、過濃（高濃度）ガスと低濃度ガス（空気）の既燃ガスの密度の差と、希薄（混合）ガスが燃焼され発生する既燃ガスが持つ旋回力により過濃（高濃度）ガスと既燃ガスの混合が促進され燃焼される。前記旋回力は旋回の中心部、すなわち燃焼室１０の中心部において旋回力が弱いため、この近傍においては過濃（高濃度）ガスと既燃ガスの混合が不十分である。しかし燃焼室１０の中心部に占拠物２１の中心部から低濃度ガス（空気）を供給すると、旋回の中心部においても過濃（高濃度）ガスと既燃ガスの混合が促進され燃焼される。また本実施例においては、過濃（高濃度）ガスは占拠物２１の表面に複数設けられた高濃度ガス炎孔２２より分散されて既燃ガスの旋回流中に噴射される。そのため過濃（高濃度）ガスの流量の多い場合、すなわち旋回燃焼器２０の燃焼量が多い場合においても過濃（高濃度）ガスと既燃ガスは容易に混合され燃焼が促進される。
本実施形態においては、上記のように過濃（高濃度）ガスと既燃ガスは十分混合され完全燃焼されるため、前記第１実施形態と同様に未燃成分の発生が非常に少ない。よって本実施形態の旋回燃焼器は未燃成分の発生が少なく、設定可能な燃焼条件の範囲がさらに広い。
【００３５】
また、過濃（高濃度）ガスは、旋回流の中で拡散効果によって残留酸素の以外の既燃ガス成分ＣＯ2 ，Ｈ2 Ｏなどとも混合しながら燃焼するため、これらの既燃ガス成分の希釈効果によりＮＯx の生成は少ない。さらに空気の供給による燃焼室１０内の温度低下によってもＮＯx の生成が抑制される。
【００３６】
本実施形態に特有の構成として、旋回流の中心であって負圧領域となるであろう部位に占拠物２１が設けられている。そのため本実施形態の旋回燃焼器２０では、旋回流の中心の負圧領域が消失し、または減少する。従って燃焼室１０内の中心部分の圧力低下が緩和され、半径方向の圧力勾配は平坦に近づく。そのため火炎の逆流が無くなり、安定して燃焼する。
【００３７】
また燃焼時においては、燃焼室１０内の全体のガスは、下流に行くに従い、燃焼反応の進行と、それに伴う温度上昇のために体積流量が増大する。しかしながら、本実施形態の旋回燃焼器１では、燃焼室１０の中心部に、下流に行くほど断面積が小さくなる略円錐形の占拠物２１が設けられているので、燃焼室１０の空間から占拠物２１を除いたガスの流れる空間の半径方向の断面積は、下流に行くほど増大している。従って本実施形態の旋回燃焼器２０では、ガスの体積増大が、ガス流路の拡大によって相殺され、燃焼室１０内の全体のガスの線速度は、一定値に近づく。このため火炎面がさらに安定する。
【００３８】
（第３実施形態）
前記した第２実施形態の旋回燃焼器は希薄（混合）ガスを燃焼させて発生する既燃ガスの旋回流の空間に向かって過濃（高濃度）ガスを占拠物２１の表面に複数設けられた高濃度ガス炎孔２２より分散して燃焼室１０に噴出する。よって上記の旋回燃焼器は既燃ガスの旋回流において過濃（高濃度）ガスと既燃ガスの密度差から生じる拡散効果によって過濃（高濃度）ガスと既燃ガスを十分混合した後追加燃焼させることで未燃成分の発生を抑制するものであり、同一体積空間での熱発生率を増加させると同時に、既燃ガスの希釈効果によってＮＯx 生成量を低減させることができた。
また、占拠物２１は下流に行くほど断面積が小さくなる略円錐形であるため
ガスの体積増大がガス流路の拡大によって相殺され、燃焼室１０内の全体のガスの線速度は、一定値に近づき火炎面がさらに安定した。
しかし、旋回燃焼器２０の燃焼能力が向上した分、燃焼量が増え、内部に配置された占拠物２１は非常に高温の雰囲気下に晒される。ここで空気通路と直接接している占拠物２１の先端部分は十分冷却されるが、占拠物２１の下半分は赤熱しやすく耐久性に問題が生じるため、占拠物２１には耐熱性の高い高価な材料を用いざるを得ないという問題が生じてきた。
そこで本発明の第３実施例は、旋回燃焼器２０の燃焼能力を抑制することなく内部に配置される占拠物２１がさらに冷却されるように改良がなされたものである。
【００３９】
本実施例の旋回燃焼器は燃焼室１０内部に設置される占拠物１１以外は前記第２実施例と同様であるため、共通する部分については前記と同様の番号を付し、詳細の説明については省略する。
図４（ａ）は本実施形態において燃焼室１０内部に配置される占拠物３０の斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。占拠物３０は高濃度ガス通路３１と平面視が円弧状の連結部３２の端部を接合し円錐状に形成されている。なお高濃度ガス通路３１は平面視が略「Ｄ」字状でありガス下流側に向かうに従い断面積が小さくなり、頂部が封止された形状である。さらに高濃度ガス通路３１には占拠物３０の母線方向に等間隔に高濃度ガス流出孔３３が設けられている。また、低濃度ガス通路３４は高濃度ガス通路３１と連結部３２で構成される占拠物３０の内部である。
【００４０】
本実施形態の占拠物３０は先の実施形態における旋回燃焼器２０の占拠物２１を代替するものである。以下順次説明すると、過濃（高濃度）ガスは高濃度ガス通路３１を流れ高濃度ガス流出孔３３を通じて燃焼室１０内の既燃ガスの旋回流中に噴出される。低濃度ガス（空気）は通路３４を通じて占拠物３０の頂部より既燃ガスの旋回流のほぼ中央部に噴出される。
【００４１】
本実施形態の占拠物３０において連結部３２は占拠物３０の内部を流れる低温の低濃度ガス（空気）により直接冷却され、さらに高濃度ガス通路３１は３面が低濃度ガス通路３４に面しているため効率よく冷却される。そのため、内部を流れる低濃度ガス（空気）により占拠物３０は全体が効率よく冷却され、高温の燃焼室１０内部に配置しても高温とならないため従来のように耐熱性の高い高価な材料を用いなくてもよい。
【００４２】
また、高濃度ガス流出孔３３は高濃度ガス通路３１に占拠物３０の母線方向に等間隔に複数設けられているため、過濃（高濃度）ガスは流量が分散されて占拠物３０の表面全体から既燃ガスの旋回流中に噴出される。そのため過濃（高濃度）ガスは旋回流中において容易に分散され、過濃（高濃度）ガスの流量の多い場合、すなわち旋回燃焼器２０の燃焼量が多い場合においても過濃（高濃度）ガスと既燃ガスが十分混合され完全燃焼され、未燃成分の発生が非常に少ない。また、前記実施例と同様に過濃（高濃度）ガスの既燃ガスによる希釈効果によりＮＯx の発生量が抑制される。
【００４３】
さらに本実施例の占拠物３０は、前記第２実施例と同様に、旋回流の中心であって負圧領域となるであろう部位に占拠物３０が設けられている。そのため燃焼室１０内の半径方向の圧力勾配は平坦に近づくため火炎の逆流が無くなり、安定して燃焼する。
【００４４】
また燃焼時においては、燃焼室１０内の全体のガスは、下流に行くに従い体積流量が増大するが、本実施形態では燃焼室１０の中心部に、下流に行くほど断面積が小さくなる略円錐形の占拠物３０が設けられているので、下流に行くほどガス流路が拡大する。そのため前記第２実施例と同様に、燃焼室１０内の全体のガスの線速度は一定値に近づき、火炎面がさらに安定する。
【００４５】
図５に示した占拠物３５は図４に示した第３実施形態の占拠物３０の変形実施例である。占拠物３５は中心に円筒状の低濃度ガス噴出管３６が設けられる。低濃度ガス噴出管３６の外周には高濃度ガス噴出管３７が端部を低濃度ガス噴出管３６に接合することにより取り付けられている。なお、高濃度ガス噴出管３７は平面断面が「コ」字状で中空であり、当該平面断面がガス下流に向かって縮小し頂部が閉塞された形状の管である。
【００４６】
低濃度ガス（空気）は低濃度ガス噴出管３６内部を流れ、ガス下流側の開放端より燃焼室１０内部に噴出される。また、過濃（高濃度）ガスは高濃度ガス噴出管３７内部を流れ高濃度ガス噴出口３８より燃焼室１０内部に噴出される。
【００４７】
図６に示した占拠物４０は図４に示した第３実施形態の占拠物３０のさらに別の変形実施例である。占拠物４０は略円錐形で中空の外周部材４２と外周部材４２の内部に設置される中空の中子４１とから構成されている。中子４１は前記占拠物３５と外形が同様である。さらに具体的には、中子４１の外周面は略円錐の母線方向に平面断面が「コ」字状で当該平面断面がガス下流に向かって縮小し頂部が閉塞された形状の凸部４３が複数設けられた形状をしている。占拠物４０は前記中子４１を外周部材４２の内部に設置しガス下流側の端部を閉塞した形状であり、外周部材４２の中子４１の凹部４４に相当する部分には母線方向に等間隔に高濃度ガス噴射口４５が設けられる。中子４１と外周部材４２で構成される隙間により高濃度ガス通路４６が構成される。
【００４８】
低濃度ガス（空気）は中子４１内部を流れ、ガス下流側の開放端より燃焼室１０内部に噴出される。また、過濃（高濃度）ガスは高濃度ガス通路４６内部を流れ高濃度ガス噴出口４５より燃焼室１０内部に噴出される。
【００４９】
上記の占拠物３５，４０のような構造であっても、占拠物３５，４０の内部を流れる低濃度ガス（空気）により占拠物全体が冷却されるため、占拠物３５，４０が高温の燃焼室内に配置されても、占拠物３５，４０は全体にわたって高温にならない。そのため、占拠物の構成材料には従来のように耐熱性の高い高価な材料を用いなくてもよい。また、前記実施例と同様に高濃度ガス噴出口３８，４５が複数設けられているため、過濃（高濃度）ガスは旋回流中において容易に分散され、過濃（高濃度）ガスと既燃ガスが十分混合され完全燃焼され、未燃成分の発生が非常に少ない。また、過濃（高濃度）ガスの既燃ガスによる希釈効果によりＮＯx の発生量も抑制される。さらに占拠物の形状が略円錐形であるため、前記実施例と同様に燃焼室１０内部の圧力勾配は平坦に近づくため火炎の逆流が無くなり、さらに下流に行くほどガス流路が拡大するため燃焼室１０内の全体のガスの線速度は一定値に近づき、火炎面が安定する。
【００５０】
続いて、前記第２実施形態の旋回燃焼器２０を例にあげ、燃料ガスの濃度調整および旋回燃焼器２０への燃料の供給方法による旋回燃焼器の制御について説明する。以下において、低濃度ガスは前記と同様に全く燃料を含まないガス、すなわち空気とする。
図７は旋回燃焼器２０への燃料および空気の供給経路を示す概念図である。燃料および空気の供給手段は旋回燃焼器２０の外部に配置される。燃料を供給するガス管５０はガス第１分岐管５１およびガス第２分岐管５２に分岐される。一方空気を供給する空気管５３は空気第１分岐管５４、空気第２分岐管５５および空気第３分岐管５６に分岐される。空気第１分岐管５４は低濃度ガス供給管２５に接続され、空気第２分岐管５５はガス管５０に接続される。また、空気第３分岐管５６はガス第２分岐管５２に接続される。ガス第１分岐管５４は高濃度ガス室２３に接続され、ガス第２分岐管５５は混合ガス供給部８に接続される。
【００５１】
ガスの流れについて説明すると、燃料はガス管５０およびその分岐管であるガス第１分岐管５１、ガス第２分岐管５２を通じて高濃度ガス室２３あるいは混合ガス供給部８に流れ込む。また、空気は空気管５３およびその分岐管である空気第１分岐管５４、空気第２分岐管５５、空気第３分岐管５６を通じ低濃度ガス供給管２５、高濃度ガス室２３および混合ガス供給部８に流れ込む。さらに具体的には、過濃（高濃度）ガスはガス管５０に接続された空気第２分岐管５５より供給される空気がガス管を流れる燃料と混合の後、ガス第１分岐管５４を通じ高濃度ガス室２３に空気過剰率λR で流れ込む。また希薄（混合）ガスはガス第２分岐管５５を流れる燃料に空気第３分岐管５６より空気が混入し、空気過剰率λL の混合ガスとなって混合ガス供給部８に供給される。ここで希薄（混合）ガスの空気過剰率λL は過濃（高濃度）ガスの空気過剰率λR よりも大きい。さらに本実施形態においては低濃度ガスとして燃料を含まない空気が供給されるため、低濃度ガスは空気第１分岐管５４が低濃度ガス供給管２５に接続されることにより供給される。
【００５２】
図８は前記の燃料供給方法により燃料が供給される旋回燃焼器２０の運転条件を示すグラフである。図８において横軸は旋回燃焼器２０に供給される燃料の総発熱量を示す燃焼量を示し、縦軸は空気過剰率を示す。λT はガス管５０より供給される燃料の総量と空気管５３から供給される空気の総量から求められる見かけの空気過剰率であり、各運転条件におけるλT の変化を運転設定条件とする。ある運転条件において、λT が運転上限の空気過剰率を超えると供給される燃料ガスが希薄となり燃焼が不安定で、未燃成分の濃度が高くなる。また逆にλT が運転下限の空気過剰率を下回ると燃料ガスの濃度が高くなりすぎて逆火が発生しやすく、ＮＯx や未燃成分の発生が急増する。従って運転設定条件λT は運転上限と運転下限に挟まれる範囲内に設定する必要がある。
【００５３】
図８中において外周火炎の燃焼条件の設定値をλL 、内周火炎の燃焼条件の設定値をλR とする。外周火炎に供給される希薄（混合）ガス中の燃料の量と内周火炎に供給される過濃（高濃度）ガス中の燃料の量の比率は常に一定に保たれる。λT は要求される燃焼量に応じて正常燃焼範囲内に設定され、λL およびλR は安定かつ完全燃焼可能であり、ＮＯX 排出量が最小となるように決定される。
【００５４】
図９は図８に示す燃料供給方法とは異なる燃料供給方法を図示したものである。なお前記と同様に、以下において低濃度ガスは全く燃料を含まないガス、すなわち空気とする。図８に示す燃料供給方法では空気と燃料の双方の流量を制御する必要がある。しかし、実際の使用にあたっては双方を一度に制御するのが困難であるという問題や双方の制御をできるようにするためにはコストがその分高くなるという問題があった。そこで、図９に示す燃料の供給方法は燃料の流量の調整によりガス流量および濃度を調整する方法を示したものである。
【００５５】
図９に示す燃料供給方法においては、燃料および空気の供給手段は旋回燃焼器２０の外部に配置される。燃料を供給する燃料管６０は燃料第１分岐管６１およびガス第２分岐管６２に分岐される。一方空気を供給するエア管６３はエア第１分岐管６４、エア第２分岐管６５およびエア第３分岐管６６に分岐される。エア第１分岐管６４は低濃度ガス供給管２５に接続され、エア第２分岐管６５は燃料第１分岐管６１に接続される。また、エア第３分岐管６６は燃料第２分岐管６２に接続され、燃料第２分岐管６２は混合ガス管６８に接続される。また、混合ガス管６８は混合ガス供給部８に接続される。燃料第１分岐管６１は高濃度ガス管６７に接続され、高濃度ガス管６７は高濃度ガス室２３に接続される。
【００５６】
続いてガスの流れについて説明すると、燃料は燃料管およびその分岐管である燃料第１分岐管６１、燃料第２分岐管６２を通じて高濃度ガス室２３あるいは混合ガス供給部８に流れ込む。また、空気はエア管６３およびその分岐管であるエア第１分岐管６４、エア第２分岐管６５、エア第３分岐管６６を通じ低濃度ガス供給管２５、高濃度ガス室３３および混合ガス供給部８に流れ込む。
さらに具体的には、過濃（高濃度）ガスは燃料第１分岐管６１に接続されたエア第２分岐管６５より供給される空気が燃料第１分岐管６１を流れる燃料と混合の後、高濃度ガス管６７を通じ高濃度ガス室２３に空気過剰率λR で流れ込む。また希薄（混合）ガスは燃料第２分岐管６２を流れる燃料にエア第３分岐管６６より空気が混入し、空気過剰率λL の混合ガスとなって混合ガス管６８を通じて混合ガス供給部８に供給される。ここで希薄（混合）ガスの空気過剰率λL は過濃（高濃度）ガスの空気過剰率λR よりも大きい。さらに本実施形態においては低濃度ガスとして燃料を含まない空気が供給されるため、低濃度ガス（空気）はエア第１分岐管６４が低濃度ガス供給管２５に接続されることにより供給される。また、燃料第１分岐管６１の中途には流量が調整可能なように弁６９が設けられている。
【００５７】
上記の燃料供給方法においては旋回燃焼器２０に供給される空気の総量および希薄（混合）ガスと低濃度ガスと過濃（高濃度）ガスに供給される空気の分配比率を一定にする。また、希薄（混合）ガスに供給される燃料の量を一定し、過濃（高濃度）ガスに供給される燃料の量のみを弁６９で調整し旋回燃焼器２０に供給される燃焼量の変化を調整する。このときの運転条件を図１０，１１に示す。図１０は旋回火炎に供給される燃料の量、すなわち混合ガス供給部８に供給される燃料の量を一定に固定した場合の運転条件を図示したものである。なお、図中線Ａは固定された旋回火炎の燃焼条件を示し、空気過剰率が１．０以上である。その際高濃度ガス炎孔２２より噴射される過濃（高濃度）ガスの空気過剰率は線Ａの空気過剰率より小さな値とする。要求される燃焼量に応じて、過濃（高濃度）ガスの空気過剰率は１．０を下回る。図１１は旋回火炎に供給される空気過剰率が１．０を下回る場合（図中線Ｂ）である。この場合、高濃度ガス炎孔２２より噴射されるガスの空気過剰率は点Ｂの空気過剰率よりも大きい。
【００５８】
図９に示す燃料供給方法によれば、高濃度ガス炎孔２２への燃料供給量を弁６９の開度により変化させるだけで燃焼量を調整できる。そのため、本方法によれば空気量の調整が不要であり、燃料濃度、流量の調整が容易であり、最適な燃焼条件下において燃料の燃焼が可能であるため未燃成分の排出が少なく、ＮＯx の発生も抑制できる。また、燃料の供給量の制御が困難な場合においても燃料の濃度および流量が制御できる。
【００５９】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の旋回燃焼器は従来のものに比べてより高い空間発熱率が得られる。また、本発明の旋回燃焼器によれば従来に比べＮＯx の排出量が低減される。
【００６０】
請求項１および５に記載の旋回燃焼器は、燃料を全く含まない空気を噴射する構成とされているため、ガスの濃度調整が不要であり、ガスの供給手段が簡素化できる。
【００６１】
請求項２に記載の旋回燃焼器では既燃ガスの旋回流の中心に低濃度ガスが噴射されるため、既燃ガスと低濃度ガスの周囲から噴射された高濃度ガスが旋回力の弱い中心部分においても十分混合される。そのため完全燃焼により燃焼することなく排出される未燃成分の発生が抑制される。また、低濃度ガスの噴射によりＮＯX の発生もさらに抑制される。
【００６２】
請求項３に記載の旋回燃焼器では、既燃ガスの逆流を阻止することができ、旋回火炎が安定する効果が得られる。また、当該占拠物の頂部あるいはその近傍より噴射される低濃度ガスにより、既燃ガスと低濃度ガスの混合が不十分な旋回流の中心部分においても混合が促進される。
【００６３】
請求項４に記載の燃焼量制御手段によれば内部火炎への燃料供給量の調整のみで容易に燃焼量を調整できる。そのため燃料の完全燃焼が可能であり、未燃成分およびＮＯx の排出量を最小限に抑制できる。また、当該燃焼量制御手段は旋回燃焼器に限らず燃料濃度、流量の調整が必要な場合に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は本発明の第１実施形態の旋回燃焼器の概念図であり、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）の高濃度ガス供給口５および低濃度ガス供給管６の斜視図である。
【図２】 本発明の第１実施形態の旋回燃焼器における未燃成分の排出限界を示すグラフである。
【図３】 本発明の第２実施形態の旋回燃焼器の概念図である。
【図４】 本発明の第３実施形態の旋回燃焼器に内蔵される占拠物であり、（ａ）はその概念図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図５】 本発明の第３実施形態の旋回燃焼器に内蔵される占拠物の変形実施例であり、（ａ）はその概念図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図６】 本発明の第３実施形態の旋回燃焼器に内蔵される占拠物のさらに別の変形実施例であり、（ａ）はその概念図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図７】 本発明の燃料供給方法を示す概念図である。
【図８】 図７における燃焼量制御手段を用いた旋回燃焼器２０における燃焼量と空気過剰率の関係を示すグラフである。
【図９】 本発明のさらに別の燃料供給方法を示す概念図である。
【図１０】 図９における燃焼量制御手段において、外周火炎の燃焼条件を空気過剰率１．０以上に固定した場合の燃焼量と空気過剰率の関係を示すグラフである。
【図１１】 図９における燃焼量制御手段を用いた旋回燃焼器２０において、外周火炎の燃焼条件を空気過剰率１．０以下に固定した場合の燃焼量と空気過剰率の関係を示すグラフである。
【図１２】 従来の旋回燃焼器の概念図である。
【符号の説明】
１，２０ 旋回燃焼器
２ 外周壁
３ 内周壁
４ 底板
５ 高濃度ガス供給口
６ 低濃度ガス供給口
７ フランジ
８ 混合ガス供給部
９ 炎孔
１０ 燃焼室
１１ 貫通孔
２１，３０，３５，４０ 占拠物
２２ 高濃度ガス炎孔
２３ 高濃度ガス室
２４ 高濃度ガス供給口
２５ 低濃度ガス供給管
２６ 低濃度ガス噴出管
２７ 高濃度ガス噴出部
３１ 高濃度ガス通路
３２ 連結部
３３ 高濃度ガス流出口
３４ 低濃度ガス通路
３６ 低濃度ガス噴出管
３７ 高濃度ガス噴出管
３８ 高濃度ガス噴出口
４１ 中子
４２ 外周部材
４３ 凸部
４４ 凹部
４５ 高濃度ガス噴射口
４６ 高濃度ガス通路
５０ ガス管
５１ ガス第１分岐管
５２ ガス第２分岐管
５３ 空気管
５４ 空気第１分岐管
５５ 空気第２分岐管
５６ 空気第３分岐管
６０ 燃料管
６１ 燃料第１分岐管
６２ 燃料第２分岐管
６３ エア管
６４ エア第１分岐管
６５ エア第２分岐管
６６ エア第３分岐管
６７ 高濃度ガス管
６８ 混合ガス管
６９ 弁
Claims (5)
- 一端が開放された燃焼室を有し、該燃焼室内に空気と燃料を所定の割合で混合した第１混合ガスを噴射して燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させ、さらに燃焼室の内壁を離れた位置に、空気と燃料とを先の第１混合ガスとは異なる割合で混合した第２混合ガスおよび燃料を全く含まない空気が噴射されることを特徴とする旋回燃焼器。
- 一端が開放された燃焼室を有し、該燃焼室内に空気と燃料を所定の割合で混合した第１混合ガスを噴射して燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させ、さらに燃焼室の内壁を離れた位置に、空気と燃料とを先の第１混合ガスとは異なる割合で混合した第２混合ガスおよび前記２種の混合ガスよりも燃料濃度の低い低濃度ガスが噴射される旋回燃焼器であって、前記低濃度ガスは旋回流の中心部に向かって噴射され、第２混合ガスはその周囲から噴射されることを特徴とする旋回燃焼器。
- 一端が開放された燃焼室を有し、該燃焼室内に空気と燃料を所定の割合で混合した第１混合ガスを噴射して燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させ、さらに燃焼室の内壁を離れた位置に、空気と燃料とを先の第１混合ガスとは異なる割合で混合した第２混合ガスおよび前記２種の混合ガスよりも燃料濃度の低い低濃度ガスが噴射される旋回燃焼器であって、前記旋回流の中心部に、旋回流によって生じる負圧領域の一部または全部を占める占居物が設けられ、前記低濃度ガスは当該占居物の頂部又はその近傍から噴射されることを特徴とする旋回燃焼器。
- 一端が開放された燃焼室を有し、該燃焼室内に空気と燃料を所定の割合で混合した第１混合ガスを噴射して燃焼室内で混合ガスの旋回流を発生させ、さらに燃焼室の内壁を離れた位置に、空気と燃料とを先の第１混合ガスとは異なる割合で混合した第２混合ガスおよび前記２種の混合ガスよりも燃料濃度の低い低濃度ガスが噴射される旋回燃焼器であって、前記第１混合ガスと第２混合ガスと低濃度ガスは、空気の総量及び空気の分配比が一定であり、低濃度ガスの燃料の量が一定であり、第１混合ガスあるいは第２混合ガスのいずれか一方の混合ガスの燃料の量が一定であることを特徴とする旋回燃焼器。
- 低濃度ガスには燃料が全く含まれていないことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の旋回燃焼器。
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