JP3680659B2 - 燃焼装置および燃焼方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼装置および燃焼方法に関し、特に燃焼負荷の調整が広範囲に可能であり、低ＮＯx 化、低浮遊粒子状物質（低ＳＰＭ）化を図ることができる燃焼装置および燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工業炉に用いられる従来型の燃焼装置、例えば加熱設備、ボイラ、発電設備等に応用されている燃焼装置として、燃料と燃焼用空気の一部を混合させて一次燃焼を行い、さらに残部の燃焼用空気を混合させて二次燃焼を行う二段燃焼方式が知られている。
【０００３】
上記従来型の炉に用いられるバーナとしては、燃料の種類によりガスバーナ、オイルバーナ、微粉炭バーナ等が知られている。
【０００４】
従来型のガスバーナは、燃料ガスと酸素含有ガスの混合法によって、拡散燃焼方式（外部混合）のものと、予混合燃焼方式（内部混合）のものとに大別される。これらの型式のガスバーナは、何れも、バーナの先端よりも前方の炉内で火炎が形成される構造になっている。そして、拡散燃焼方式のものは、バーナの先端で上記両者のガスを混合して燃焼させるものであって、高温の火炎を得ることができ、広く利用されている。また、予混合燃焼方式のものは、比較的短い火炎を形成させることができる等の利点を有している。
【０００５】
また、従来型のオイルバーナは、噴霧型と予蒸発型に大別される。噴霧型のバーナとしては、液体燃料を加圧して噴出口から高速で噴射し、微粒化して燃焼させる方式によるもの、液体燃料を加圧空気の気流と共に噴射して微粒化し燃焼させる方式によるもの等があり、燃料の噴射がバーナの下流で行われる。また、予蒸発型のバーナは、予め、液体燃料を加熱してガス化させたのち、空気と混合して燃焼させるものであって、燃料の噴射がバーナの上流側で行われる。これらの型式のオイルバーナは、火炎がバーナの前方の炉内に形成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来型のバーナを有する燃焼装置においては、幾つかの問題点がある。その主たるものは、次のごとくである。
【０００７】
バーナの先端よりも前方に火炎が形成されるため、バーナの前方に広い燃焼用の空間を確保しなければならず、燃焼設備が大型化する。さらに、燃焼量の調節幅が狭く、燃焼量を大幅に変更する必要がある場合には、燃焼量の調整範囲を分担させた複数のバーナを設置しなければならず、操作が複雑になると共に、燃焼設備が一層大型化する。
【０００８】
また、燃焼条件によっては、ＮＯx などの有害物質の生成量が増加し、炭化水素などの未燃焼分が発生する。さらに、ススなどの生成により環境汚染源の一つになることが懸念される。
【０００９】
さらに、製鉄所、廃棄物処理施設等からの副生ガスや新たに創造される低発熱量燃料（ゴミ焼却炉からの排ガス等）の有効利用、および、例えば加熱設備、ボイラ、発電設備等における使用燃料種の多様化（低質化、多種燃料化）に対応しようとした場合、以下のような問題点がある。
【００１０】
副生ガスや新たに創造される低発熱量燃料を利用する場合、（１）燃料の組成や流量の変動が大きく失火しやすい、（２）反応性が低いため火炎長が長くなり炉容積が大型化する、（３）発熱量が低いため設備の冷間立ち上げが困難となり、長時間の助燃が必要となる。
【００１１】
使用燃料種の多様化（低質化、多種燃料化）に対応する場合、（１）燃料種毎に燃焼性が異なるため設置バーナ本数が増加する、（２）ガスから油への切り替え時、また、燃料の低質化に伴い、ＮＯx 、ＳＰＭ（浮遊粒子状物質）等が増加する。
【００１２】
さらに、バーナをボイラや発電設備等へ適用する場合、設備をコンパクト化したり、熱効率を向上させるためにバーナの高負荷燃焼が必要とされている。
【００１３】
そこで本発明は、一般の高い発熱量をもつ良質な燃料のみならず、副生ガスや新たに創造される低発熱量燃料を使用した場合、あるいは使用燃料種が多様化（低質化、多種燃料化）した場合においても、高負荷燃焼が可能で、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、設備のコンパクト化が可能な燃焼装置および燃焼方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記の課題を解決するために検討を行い、その結果、一端が炉内に開放された管状の燃焼室を有し、該燃焼室の周囲に、吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように、酸素含有ガスおよび燃料を別々に、あるいは混合して吹込むノズルが設けられているバーナ部と、該バーナ部開放端の近傍に高温空気吹き出し部を有することにより、燃焼量の調節範囲が広く高負荷燃焼が可能で、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能な燃焼装置が提供されることを見い出した。
【００１５】
また、前記酸素含有ガスおよび燃料を吹込むノズルが、酸素含有ガス用、液体燃料用および気体燃料用の複数のノズルからなることにより、低質燃料の利用が可能となる。さらに、複数のノズルを有することにより燃焼量の調節範囲が広く高負荷燃焼も可能となり、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能な燃焼装置が提供されることを見い出した。ここで低質燃料とは、製鉄所、廃棄物処理施設等からの副生ガスや新たに創造される低発熱量燃料（ゴミ焼却炉からの排ガス等）等をいう。
【００１６】
さらに、酸素含有ガスおよび燃料を吹込むノズルの一方または双方に、ノズル絞り部の通路断面積を調整できる手段を有することにより、流量を変えずにバーナ部内での旋回速度を変化させ、これによって火炎直径および火炎長を変更することができることを見い出した。
【００１７】
さらに、バーナ部開放端と、高温空気吹き出し部との間に、循環ガスの吹き出し口を有することにより、燃焼炉内等での二次燃焼の均一化が促進され、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が促進されることを見い出した。
【００１８】
さらに、循環ガスを導入する配管の途中にエジェクタを設けることにより、バーナ部の燃焼室内またはボイラ火炉内の圧力変動に影響されることなく循環ガスの流量を調整することができる。これにより、火炉内での燃焼制御がより精密に可能となり、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が促進されることを見い出した。
【００１９】
さらに、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前でこの燃料をＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質する手段を有することにより、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が促進されることを見い出した。
【００２０】
さらに、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前でこの燃料に、Ｈ2 あるいはＨ2 含有燃料を添加することにより、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能なことを見い出した。
【００２１】
さらに、バーナ部燃焼室内にリセスまたは凸部のどちらか一方あるいは両方を有することにより、これらの下流において燃料と酸素含有ガスの混合が促進され、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能なことを見い出した。
【００２２】
さらに、バーナ部開放端部がノズル形状を有することにより、ノズル部およびボイラ火炉内において燃料と酸素含有ガスの混合が促進され、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能なことを見い出した。
【００２３】
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下のような特徴を有する燃焼装置および燃焼方法である。
【００２４】
［１］一端が炉内に開放され、他端部には管軸方向に沿ってスリットが形成された管状の燃焼室を有し、前記スリットには、先端部の形状が偏平でかつその開口面積が縮小された酸素含有ガスを吹き込むノズルが、そのガス吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように接続され、前記酸素含有ガスを吹き込むノズルが配置されている位置と同一の周面には、液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルが、その吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように接続され、前記酸素含有ガスを吹き込むノズル及び前記液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルから吹き出されるガスの燃焼室内壁近傍における旋回速度が火炎伝播速度を上回るように吹き込まれているバーナ部と、該バーナ部開放端の近傍に高温空気吹き出し部を有することを特徴とする燃焼装置。
【００２５】
［２］上記［１］の酸素含有ガスを吹き込むノズル及び液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルが配置されている位置より上流側に、吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように、気体燃料を吹き込むための気体燃料ノズルが設けられている燃焼装置。
【００２６】
［３］上記［１］又は［２］の燃焼装置において、酸素含有ガスおよび燃料を吹込むノズルの１以上に、ノズル絞り部の通路断面積を調整できる手段を有する燃焼装置。
【００２７】
［４］上記［１］乃至［３］のいずれかの燃焼装置において、前記バーナ部開放端と、高温空気吹き出し部との間に、循環ガスの吹き出し口を有する燃焼装置。
【００２８】
［５］上記［１］乃至［４］のいずれかの燃焼装置において、循環ガスを導入する配管の途中にエジェクタを有する燃焼装置。
【００２９】
［６］上記［１］乃至［５］のいずれかの燃焼装置において、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前で該燃料をＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質する手段を有する燃焼装置。
【００３０】
［７］上記［１］乃至［６］のいずれかの燃焼装置において、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前で該燃料に、Ｈ2 あるいはＨ2 含有燃料を添加する手段を有する燃焼装置。
【００３１】
［８］上記［１］乃至［７］のいずれかの燃焼装置において、バーナ部燃焼室内にリセスまたは凸部のどちらか一方あるいは両方を有する請求項１ないし７に記載の燃焼装置。
【００３２】
［９］上記［１］乃至［８］のいずれかの燃焼装置において、バーナ部開放端部がノズル形状を有する燃焼装置。
【００３３】
［１０］一端が炉内に開放され、他端部には管軸方向に沿ってスリットが形成された管状の燃焼室を有し、前記スリットには、先端部の形状が偏平でかつその開口面積が縮小された酸素含有ガスを吹き込むノズルが、そのガス吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように接続され、前記酸素含有ガスを吹き込むノズルが配置されている位置と同一の周面には、液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルが、その吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように接続され、前記酸素含有ガスを吹き込むノズル及び前記液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルから吹き出されるガスの燃焼室内壁近傍における旋回速度が火炎伝播速度を上回るように吹き込まれるバーナ部で管状の火炎を生成して一次燃焼を行い、該バーナ部から排出された一次燃焼ガスと、該バーナ部開放端の近傍に設けられた高温空気吹き出し部から吹き出される高温空気とで二次燃焼を行うことを特徴とする燃焼方法。
【００３４】
［１１］上記［１０］の燃焼方法において、燃料をＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質した後、バーナ部燃焼室内に吹き込むことを特徴とする燃焼方法。
【００３５】
なお、酸素含有ガスとは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を含有するガスを指すものとする。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態としてボイラに適用した場合の概略構成の側面を示す図である。（ｂ）は、 Ａ−Ａ矢視の断面図である。（ｃ）は、燃焼装置１の拡大図である。
【００３７】
本実施形態に係る燃焼装置１は、バーナ部８と、バーナ部開放端の上下に設けられた切替式高温空気吹き出し部９ａ，９ｂとからなり、ボイラ火炉２に設置されている。ここでは、バーナ部８内で一次燃焼を行い、ボイラ火炉２内に噴出した一次燃焼ガスを高温空気吹き出し部から吹き出された高温空気とともにボイラ火炉２内で二次燃焼させるものである。なお、図１（ｂ）に示すように、ボイラ火炉２のコーナー部分に燃焼装置８を設置する場合、それぞれのバーナ中心軸は、水平方向断面内の火炉中心から水平方向にズラして設置される。中心軸の方向としては、水平方向断面内の火炉中心にボイラ幅ＷのほぼＷ／１０となる円を断面内に仮定した場合のその接線方向とすることが好ましい。火炉内に旋回流が生じることによりガスの攪拌が促進され二次燃焼の均一化が図られる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、ボイラ火炉２に燃焼装置１が8 基設置されている場合を図示しているが、ボイラの規模および用途等により、１基での使用を含めてその数を増減できることはいうまでもない。また、本実施形態においては、燃焼装置１をボイラに設置する場合について説明するが、ボイラに限らず、加熱設備一般に使用できることはいうまでもない。
【００３９】
図２（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るバーナ部を示す図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視の断面図である。１０は管状の燃焼室であり、一端が開放されて燃焼排ガスの排出口になっている。そして、他端部には管軸方向に沿って長いスリットが形成されており、このスリットに接続させて酸素含有ガスを吹き込むノズル１１が設けられている。ノズル１１は噴射方向が燃焼室１０の内壁面のほぼ接線方向となるように設けられており、酸素含有ガスの吹き込みによって、燃焼室１０内に排ガス流れが形成されるようになっている。また、ノズル１１は先端部の形状が偏平で、かつその開口面積が縮小されており、このノズル絞り部で酸素含有ガスが高速で吹き込まれるようになっている。この際、酸素含有ガスは予熱されて供給されても良い。
【００４０】
また、ノズル１１が配置されている位置と同一の周面には液体燃料の噴射弁１２が設けられており、酸素含有ガスの排ガス流れ中に液体燃料が噴射されるようになっている。この実施の形態における噴射弁１２は液体燃料を加圧空気の気流と共に噴射して微粒化するもの（二流体噴射弁）であり、噴射弁１２には液体燃料配管及び空気配管が接続されている。１３は点火プラグである。
【００４１】
また、酸素含有ガスを吹き込むノズル１１及び液体燃料の噴射弁１２が配置されている位置よりも上流側に、気体燃料と空気よりなる予混合気を吹き込む気体燃料ノズル１４が設けられている。この気体燃料ノズル１４は噴射方向が燃焼室１０の内壁面のほぼ接線方向となるように設けられており、その吹き込みによって、燃焼室１０内に旋回流が形成されるようになっている。
【００４２】
上記の構成によるバーナ部において、ノズル１１から酸素含有ガスを吹き込んで旋回流を形成させると共に、噴射弁１２から液体燃料を噴射すると、液体燃料の蒸発が始まり、その液滴が気化したり、液滴が更に微細になったりする。このような状態にして点火すると、噴射された液体燃料は気体燃料と同様に燃焼する。
【００４３】
そして、燃焼室１０内においては、流体が密度差によって層別され、火炎の両側に密度の異なるものの層ができる。すなわち、遠心力の小さい軸心側には高温の燃焼ガスが存在し、遠心力の大きい燃焼室の内壁側には未燃焼のガスあるいは未蒸発の液滴を含むガスが存在するようになる。また、内壁の近傍では、旋回速度が火炎伝播速度を上回っているため、火炎が形成されることはない。このため、燃焼室１０内では火炎が管状の形になって生成する。５０は管状の火炎を示す。そして、燃焼室１０内のガスは旋回しながら下流側へ流れ、その間、内壁側のガスや液滴が順次燃焼して軸心側へ移動し、開放端部から排出される。なお、燃焼室の内壁付近には未燃焼のガスが存在しているので、燃焼室１０の壁面が直接的な伝熱により高温になることはない。
【００４４】
また、液体燃料の噴射弁１２よりも上流側においては、ノズル１４から吹き込まれた気体燃料が燃焼して管状の火炎が形成される。この気体燃料のノズル１４はパイロットバーナの役目をなすと共に、液体燃料を噴射している際に、その蒸発を促進する作用をもなす。さらに、着火性がよくない液体燃料を使用する場合には、ノズル１４から吹込んだ気体燃料・空気の予混合気に着火させてから液体燃料を噴射させると、確実に着火させることができる。
【００４５】
なお、図２においては、液体燃料の噴射弁として、二流体噴射弁を使用しているが、液体燃料の噴射弁は、必ずしも、二流体噴射弁でなければならない訳ではなく、加圧噴霧式のものであってもよい。但し、液体燃料の液滴が一層微細になれば燃焼性がさらに向上するので、この観点からは噴射弁としては二流体噴射弁が好ましい。
【００４６】
また、図２においては、液体燃料の噴射弁１２が配置されている位置よりも上流側に管状火炎を形成させるために、気体燃料と空気よりなる予混合気を吹き込む気体燃料ノズル１４が設けられているが、気体燃料による管状火炎を形成させるものは予混合気でなければならない訳ではなく、気体燃料と空気を別々のノズルから吹き込んでもよい。
【００４７】
また、空気または燃料ノズルの通路断面積を増減させる手段を備えているため、流量を変えずにバーナ部内での旋回速度を変化させ、これによって火炎直径および火炎長を変更することができる。
【００４８】
上記の構成により、バーナ部においては、遠心力の小さい軸心側には高温の燃焼排ガスが存在し、遠心力の大きい燃焼室の内壁側には未燃焼のガスが存在し、その間に管状の火炎が存在するようになる。そのため、未燃焼ガスが燃焼排ガスで希釈されることがなく、安定な燃焼が可能となる。
【００４９】
安定した燃焼が得られることにより、酸素の利用効率を高めることができ、これに関連して余分な空気を供給する必要がなくなるため、高温の燃焼ガスを発生させることができる。また、燃料ガス成分が非常に希薄の状態あるいは過濃の状態になる条件でも燃焼させることができるので、バーナ部自身の安定燃焼範囲が広くなると共に、燃焼排ガス温度の選択範囲を広げることもできる。
【００５０】
さらに、バーナ部の中に安定した火炎が形成されるので、燃焼ガスの導入先に流れ場が形成されていても、火炎が吹き消えることがなく、保炎器等を設ける必要がない。
【００５１】
さらにバーナ部は、バーナ部端部からの火炎長が調整できるため、火炎長を短くすることにより、ボイラの容積を小さくすることが可能となり、システム全体のコンパクト化が可能となる。
【００５２】
図１（ｃ）の切替式高温空気吹き出し部９ａ，９ｂは、ボイラ火炉内２に吹き込まれる空気が蓄熱体３５を通過する構造になっている。ボイラ火炉内に吹き込まれる空気が蓄熱体３５を通過する際に、蓄熱体３５に蓄えられた熱により高温化され、ボイラ火炉内に導入される。
【００５３】
また、バーナ部開放端の上下に設置されたそれぞれの切替式高温空気吹き出し部９ａ，９ｂは、図１（ｃ）に示されているように、４方バルブ６を介して押込ブロワ７が接続されている。バーナ部開放端の上下に設置された切替式高温空気吹き出し部９ａ，９ｂは、４方バルブ６の切替により交互に高温空気の吹き出しと、ボイラ火炉内ガスの取り込みを行う。切り替えは、あらかじめ設定された時間で切り替えても良く、任意に設定可能とすることもできる。ボイラ火炉内ガスの取り込み時に蓄熱体３５は、排ガスの顕熱を蓄熱し、逆に空気吹き出し時には、蓄熱体３５に蓄えられた熱によりブロワからの空気が高温化されて、ボイラ火炉内に導入される。なお、ボイラ火炉内から取り込まれたガスは、再びボイラ火炉内に戻されるか、あるいは排ガス処理した後に大気放出される。
【００５４】
高温化された空気により、ボイラ火炉内での燃焼の反応性が上がり、二次燃焼が効率よく行われ、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化に貢献する。
【００５５】
また、高温空気吹き出し部９ａ，９ｂの吹き出しと取り込みを切り替えることにより、ボイラ火炉内に上から下、あるいは下から上へと、非定常な排ガスまたは空気流れを起こすことができる。バーナ部からの安定した組成かつ温度分布の一次燃焼排ガスの供給、および非定常な高温の空気吹き出し、または排ガス流れにより、ボイラ火炉内の温度およびガス組成分布が平均化され、ボイラ火炉内での局所的な高低温部や酸素の過不足を防ぐことができ、燃焼に必要な最小限の空気量または燃料流量での燃焼が可能となり、燃焼に必要な空気量の上限または下限を拡張することができる。この結果として、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、システム全体のメンテナンス周期の延長、さらには長寿命化が図れる。さらに、高負荷燃焼が可能となるためボイラの小型化が可能となる。
【００５６】
図３（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係るバーナ部を示す図である。（ｂ）は図３（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視の断面図である。ここで、バーナ部以外の部分は、第１の実施形態と同じであるので記載および説明を省略する。
【００５７】
本実施形態に係るバーナ部は、燃焼室の一部が二重管状に形成され、その外管に酸素含有ガスを吹き込むノズルが内壁面のほぼ接線方向となるように設けられ、内管には管軸方向に沿って形成されたスリットが同一周面に複数設けられると共に、内管内へ液体燃料を噴霧するための噴射弁が配置されているものである。
【００５８】
図３において、図２で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。この実施の形態においては、燃焼室１０の一部が外管１５と内管１６よりなり、二重管状に形成されている。この二重管状に形成された部分が燃料吹込み部になっており、外管１５にはその内壁面のほぼ接線方向となるよう酸素含有ガスを吹き込むノズル１１が設けられている。
【００５９】
又、内管１６には管軸方向に沿って形成されたスリット１７が円周方向に複数設けられており、このスリット１７がノズル１１から吹き込まれたガスの燃焼室１０内への吹き込み口になっている。スリット１７は円周方向に対して等間隔に配置されたり、あるいは対称の位置に配置されたりする。
【００６０】
又、スリット１７はガスの吹き込み方向が内管１６の内壁面のほぼ接線方向となるよう設けられており、ノズル１１から吹込まれて外管１５の内側に旋回流を形成したガスが、再びスリット１７からその内壁面のほぼ接線方向に吹込まれ、内管１６内にも旋回流が形成されるようになっている。さらに、内管１６には管内へ液体燃料を噴霧するための噴射弁１２が配置さており、スリット１７から吹込まれて旋回流を形成している酸素含有ガス中に液体燃料が噴射されるようになっている。
【００６１】
上記の構成によるバーナ部においては、内管１６の複数箇所から吹込まれる酸素含有ガスの旋回流中に液体燃料が噴射されるので、液体燃料と酸素含有ガスの混合が促進され、燃焼性が向上する。さらに、外管１５に酸素含有ガスを吹き込むノズル１１が設けられており、内管１６が常に吹込まれた酸素含有ガスで覆われるようになっているので、内管１６が自己冷却される。このため、その内側に存在する火炎や軸心側の高温ガスの輻射熱によって加熱されても、内管１６の温度上昇は抑えられる。
【００６２】
なお、第１の実施形態または第２の実施形態において、酸素含有ガスを吹き込むノズル及び液体燃料の噴射弁が配置されている位置よりも上流側に、気体燃料と酸素含有ガスよりなる予混合気を吹き込むノズル又は気体燃料を吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルが設けられているものでも良い。
【００６３】
図４は、本発明の第３の実施形態に係るバーナ部を示す図である。ここで、バーナ部以外の部分は、第１の実施形態と同じであるので記載および説明を省略する。
【００６４】
本実施形態に係るバーナ部は、第１の実施形態または第２の実施形態において、燃焼室の他端部に、その管軸方向に移動可能なスペーサーが設けられているものである。
【００６５】
図４において、図２で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。この実施の形態においては、燃焼室１０の上流側の端部にスペーサー１８が挿入されている。このスペーサー１８は燃焼室１０と摺動してその管軸方向に移動可能になっている。１９はスペーサーの駆動装置である。このため、スペーサー１８を下流側へ移動させれば、燃焼室１０内の燃焼区間が短くなるようになっている。なお、スペーサー１８を液体燃料の噴射弁１２が設置されている位置の一部まで移動させる場合には、その位置にある噴射弁だけを全閉にすれば、液体燃料の吹込みに支障をきたすことはない。
【００６６】
このような構成のバーナ部によれば、燃焼量を減少させた場合に火炎長が短くなっても、スペーサー１８を適宜下流側へ移動させることによって、火炎が形成される位置が調整され、火炎の端が常にバーナ部の下流端部に形成されるようにすることができる。このため、燃焼室１０の下流端部が高温に曝されて損傷したりする問題の発生が防止される。
【００６７】
図５は、本発明の第４の実施形態に係るバーナ部を示す図である。ここで、バーナ部以外の部分は、第１の実施形態と同じであるので記載および説明を省略する。
【００６８】
本実施形態に係るバーナ部は、第１の実施形態〜第３の実施形態の何れかの形態において、酸素含有ガスを吹き込むノズルに接続された酸素含有ガス供給ラインに加熱器が配置され、この加熱器出口の酸素含有ガスの温度を調節する装置が設けられているものである。
【００６９】
図５において、図２で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。この実施の形態においては、酸素含有ガスを吹き込むノズル１１に接続された酸素含有ガス供給ラインに、酸素含有ガスを予熱するための加熱器２０が設けられている。加熱器２０には加熱流体として燃焼排ガスを流通させ、その熱回収が行われるようになっている。又、加熱された酸素含有ガスの温度を調節するために、温度調節装置２１が設けられている。温度調節装置２１は加熱器２０の出口温度を検出する温度計２２と燃焼排ガスの流量調節弁２３とを有し、酸素含有ガスを所定の温度に予熱することができるように構成されている。
【００７０】
なお、加熱器２０に導入する加熱流体は燃焼排ガスに限定されるものではなく、別途に燃焼させて得た高温ガス等であってもよく、酸素含有ガスをより高温にして液体燃料の着火性をよくすることが望ましい。又、加熱器２０で加熱された酸素含有ガスの温度を調節する場合、上記のように加熱流体の流量を調節するのではなく、加熱された酸素含有ガスに冷空気を混合する方法を採用してもよい。
【００７１】
但し、酸素含有ガスの予熱温度は約６００℃を上限にする必要がある。燃焼室１０内へ６００℃以上の酸素含有ガスを吹き込むと、噴射弁１２内又はその近傍で液体燃料が熱分解して炭化し、ススが発生しやすい。
【００７２】
図６は、本発明の第５の実施形態に係るバーナ部を示す図である。ここで、バーナ部以外の部分は、第１の実施形態と同じであるので記載および説明を省略する。
【００７３】
本実施形態に係るバーナ部は、第１の実施形態〜第４の実施形態の何れかの形態において、燃焼室の下流端部の内壁温度を測定するための温度計が設けられ、この温度計の検出値に基づいて、液体燃料及び／又は酸素含有ガスの流量を調節するするように構成された制御機構が設けられているものである。
【００７４】
図６において、図２で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。この実施の形態においては、燃焼室１０の下流端部の内壁温度を測定するための温度計２４が設けられており、この温度計２４で検出された値の信号が演算・制御器２５へ送られるようになっている。又、噴射弁１２に接続された液体燃料配管及びノズル１１に接続された酸素含有ガスの配管には、それぞれ流量調節計２６，２７が設けられており、これらの流量調節計２６で検出された流量値の信号が演算・制御器２５へ送られると共に、演算・制御器２５から流量調節計２６及び流量調節計２７へ制御信号が送られるようになっている。
【００７５】
ところで、燃焼条件によっては、管状の火炎は下流に向かうに従って旋回流が減衰して火炎の形状が崩れる傾向があり、下流端部の内壁温度が高温になったり、あるいは未燃焼のガスが残留したまま排出されたりする現象が起こるが、上記のように構成されたバーナ部においては、演算・制御器２５からの制御信号に基づいて、下流端部の内壁温度が所定温度になるように、液体燃料の流量及び酸素含有ガスの流量が調節されたり、あるいは液体燃料と酸素含有ガスの流量が個別に調節される制御が行われる。このため、燃焼室１０の下流端部においては、常に管状の火炎が形成され、かつ火炎が燃焼室１０の外に出ない長さに維持されるので、下流端部が高温に曝されて損傷したり、未燃焼ガスが排出したりする問題の発生が防止される。
【００７６】
図７は、本発明の第６の実施形態に係るバーナ部を示す図である。ここで、バーナ部以外の部分は、第１の実施形態と同じであるので記載および説明を省略する。
【００７７】
本実施形態に係るバーナ部は、第１の実施形態〜第５の実施形態の何れかの形態において、燃焼室の下流部が開放端に向けて縮径された形状をなしているものである。
【００７８】
図７において、図２で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【００７９】
この実施の形態においては、燃焼室１０の下流部が開放端に向けて縮径され、先細りの形状をなしている。このように、燃焼室１０の下流部を細くすれば、吹き込み量が減少しても、下流端部における旋回速度大きくすることができる。このため、下流端部においても、正常な管状火炎が形成され、下流端部の内壁が異常な高温になって損傷したり、燃焼排ガスの組成が悪化したりする問題が発生しなくなる。
【００８０】
図８は、本発明の第７の実施形態に係るバーナ部を示す図である。ここで、バーナ部以外の部分は、第１の実施形態と同じであるので記載および説明を省略する。
【００８１】
本実施形態に係るバーナ部は、第１の実施形態〜第６の実施形態の何れかの形態において、燃焼室の内壁の少なくとも一部が耐火物で形成されているものである。
【００８２】
図８において、図２で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【００８３】
この実施の形態においては、燃焼室１０が二つの部分からなり、上流部側の部分１０ａが金属で形成され、下流部側の部分１０ｂが耐火物で形成されている。この二つの部分はフランジ接合によって連結されている。そして、この燃焼室１０は取付け先の装置に設けられた開口にフランジ接合される。４０はバーナ部を取付ける装置の鉄皮、４１は鉄皮に内張りされた耐火物を示す。
【００８４】
上記のように、燃焼室１０の少なくとも下流側の部分が耐火物で形成されていると、液体燃料と酸素含有ガスの混合比の変動によって火炎長が短くなったり、旋回流が減衰して管状火炎の形状が崩れたりして、燃焼室１０の下流側が高温になったり、あるいは火炎や軸心側の高温ガスからの輻射熱によって加熱されても、燃焼室１０の損傷は回避される。
【００８５】
なお、燃焼状態の変動による燃焼室１０の損傷を防ぐ手段としては、図８に示す実施の形態の他に、燃焼室１０の少なくとも下流側の部分を冷却構造（冷却ジャケット）にしてもよい。そして、冷却方式の選定に際しては、水冷方式よりも、空冷方式によるものが好ましい。水冷方式の場合、内壁が過度に冷却され、内壁面に燃焼排ガス中の水分が結露する可能性があるからである。
【００８６】
図９（ａ）は、本発明の第８の実施形態に係るバーナ部を示す図であって、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ矢視の断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＥ−Ｅ矢視の断面図である。ここで、バーナ部以外の部分は、第１の実施形態と同じであるので記載および説明を省略する。
【００８７】
この実施の形態においては、第１の実施形態〜第６の実施形態の何れかの例において、燃焼室の液体燃料の噴射弁が配置されている位置よりも燃焼排ガスの排出口側に冷却ジャケットが設けられて、この部分が二重管状に形成され、この二重管状に形成された部分の外管に冷却流体となる酸素含有ガスを供給するノズルが設けられ、又、燃焼室には管軸方向に沿ってスリット状の開口が設けられ、この開口から燃焼室内へ酸素含有ガスが吹込まれるように構成されているものである。
【００８８】
図９において、図２で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。この実施の形態においては、燃焼室１０の液体燃料の噴射弁１２が配置されている位置よりも燃焼排ガスの排出口側に冷却ジャケット２８が設けられており、この部分が二重管状に形成されている。この二重管状に形成された部分の外管２９には冷却流体となる酸素含有ガスを供給するノズル３０が内壁面のほぼ接線方向となるよう設けられている。又、二重管状に形成された部分の内管である燃焼室１０には管軸方向に沿ってスリット状の開口３１が設けられ、この開口３１から燃焼室１０内へ酸素含有ガスが吹込まれるようになっている。又、燃焼室１０に設けられているスリット状の開口３１はその内壁面のほぼ接線方向となるよう設けられている。
【００８９】
酸素含有ガスを供給するノズル３０が内壁面のほぼ接線方向となるよう設けられていると、燃焼室１０の外周を流れる酸素含有ガスの流速が大きくなって、燃焼室１０からの伝熱が促進されると共に、ジャケット２８内の温度差が小さくなる。又、開口３１が燃焼室１０の内壁面のほぼ接線方向となるよう設けられていると、燃焼室１０内へ吹込まれた酸素含有ガスは旋回しながら混合されるので、旋回流によって形成されている管状火炎が乱される現象は起らない。
【００９０】
上記のようにして、冷却ジャケット２８に冷却流体として酸素含有ガスを供給すると、燃焼室１０が冷却され、前述のような燃焼条件の変動に起因する異常な温度上昇が防止されると共に、燃焼室１０から放散される熱が酸素含有ガスによって回収される。そして、この酸素含有ガスが二次空気として燃焼室１０内へ吹込まれるので、燃焼排ガスが高温になり、ＣＯ等の有害ガスの発生が抑制される。このため、上記の構成によれば、省エネルギー化及び低公害化の機能を有するバーナ部を得ることができる。
【００９１】
なお、上記の実施の形態においては、ジャケット２８に供給された酸素含有ガスが加熱された後、燃焼室１０内へ吹込まれるようになっているが、この加熱された酸素含有ガスを液体燃料を燃焼させるための一次空気として、吹込みノズル１１へ供給してもよい。
【００９２】
図１０（ａ）は、本発明の第９の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図であり、（ｂ）はＦ−Ｆ矢視の断面図である。
【００９３】
酸素含有ガスおよび燃料を吹込むノズルが、酸素含有ガス用ノズル６０，６５、液体燃料用ノズル６１および気体燃料用ノズル６４の複数のノズルからなっている。該構成により、低質燃料においても、燃焼量の調節範囲が広く高負荷燃焼が可能で、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能な燃焼装置が提供される。
【００９４】
低質燃料の場合、バーナ部８への燃料の供給は、外部混合（バーナ部内で混合）方式が好ましく、酸素含有ガスおよび燃料蒸気が図１０（ｂ）に示すように別々のノズルから燃焼室の内壁面のほぼ接線方向に吹き込まれる。
【００９５】
なお、酸素含有ガスは、熱交換器６２等によりあらかじめ予熱されたものが好ましい。例えば、酸素含有ガスを熱交換器６２により燃料ガスの着火温度以上に加熱して導入した場合、燃焼室内での反応性が上がり燃焼速度が上昇する。その結果としてバーナ部の全長を短くすることが可能となり装置のコンパクト化が図れる。また、酸素含有ガスを高温化することにより、酸化剤としての反応性が上がるため、より低質な燃料を用いた場合においても燃焼が可能となる。なお、加熱温度としては、用いる燃料により最適な温度が選択される。
【００９６】
また、酸素含有ガスを、酸素富化空気とすることもできる。なお、酸素富化空気としては、酸素濃度が２５〜３０％程度のものが好ましい。酸素含有ガスとして酸素富化空気を用いることにより、排ガスの量が減少し、排ガスとともに大気中に放出される顕熱を減少させることができる。その結果として熱効率を高めることができ、省エネルギー化を図ることができる。
【００９７】
ノズル６０から吹き込まれる酸素含有ガスおよび液体燃料用ノズル６１から吹き込まれる燃料は、燃焼室の内壁面のほぼ接線方向に吹き込まれるが、該ノズルの双方または一方を可変スリットノズルとすることが好ましい。可変スリットノズルはスリット幅調整治具６３によりスリット幅を任意に調整でき、酸素含有ガスあるいは燃料の流量を変えずに吹き込み速度が任意に調整できる。これにより、酸素含有ガスが高温の場合でも、火炎伝達速度以上の吹き込み速度とすることにより、内壁近傍に消炎領域を定在させることが可能となり、バーナ部内での火炎直径を広範囲に調整可能となる。また、酸素含有ガスの吹き込み速度および吹き込み量、さらに燃料の吹き込み速度および吹き込み量を調整することにより、火炎長の制御が可能となり、熱利用効率の向上が図られる。
【００９８】
また、燃料として液体の低質燃料を使う場合、予蒸発室６９を設けることが好ましい。予蒸発室６９で液体の低質燃料と霧化用空気を混合し蒸発を促進させることにより、燃焼効率を向上させる。気化した燃料は、燃焼室の内壁面のほぼ接線方向にあけられたノズル６１より吹き込まれ、酸素含有ガスと混合され、燃焼する。
【００９９】
なお、燃料の吹き込まれるノズルは、１個でも良いが、複数個設置することが好ましい。複数個設置された燃料ノズルを任意に開閉可能とすることにより、燃料の霧化状態を変化させることなく操業状況に応じた燃料流量の制御が可能となる。ここで、複数個の燃料ノズルは、燃料噴霧同士の干渉を回避する上で、燃焼室の長手方向に直線状に配置されることがより好ましい。
【０１００】
さらに、低質の気体燃料を使う場合は、専用の燃料吹き込みノズル６４および酸素含有ガス吹き込みノズル６５を持つことが好ましい。この場合、燃料吹き込みノズル６４あるいは／および酸素含有ガス吹き込みノズル６５は、上記と同様、可変スリットノズルとすることが好ましい。
【０１０１】
燃焼室内の点火を行うためのパイロットバーナ６６の位置は、その先端部が管状燃焼室上流端部付近のおよそ中央部にくるようにすることが好ましい。燃焼室中央部は、ガスの旋回流速が低く、高温になっているため、最も着火しやすい位置だからである。さらにそのパイロットバーナには、失火検知器６７を取り付けることが好ましい。失火を検知し、安全に停止あるいは再点火操作ができるようにするためである。
【０１０２】
バーナ部は液体燃料用と気体燃料用のそれぞれ独立した燃料供給ノズルおよび酸素含有ガス吹き込みノズルを配設することにより、多様な燃料に対応可能となる。これにより、バーナ部の設置数を減らすことが可能となり、システム全体のコンパクト化に貢献する。さらに、バーナ部の火炎構造が単純であるため、燃料組成や流量が変動しても、火炎直径が自ら変化することにより追従し、燃焼の安定化に貢献する。
【０１０３】
図１１は、本発明の第１０の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。図１０で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【０１０４】
この実施形態においては、バーナ部開放端と、高温空気吹き出し部との間に、循環ガスの吹き出し口６８を有する構造とするものである。これは、例えばバーナ部８の排出口周辺を二重管構造とし、この部分に４方バルブ６を介してボイラ火炉内の排ガスを導入する構造とすることにより達成される。この場合、バーナ部からは高速の燃焼ガスが吹き出されるため、バーナ部開放端近傍が負圧となり、４方バルブ６を介してボイラ火炉２内の排ガスが吸引され、これが循環ガスとなって循環ガスの吹き出し口６８より吹き出される。
【０１０５】
ここで、ボイラ火炉内からの高温の排ガスは、切替式高温空気吹き出し部９ｂの蓄熱体３５で、その熱を吸収され低温化される。低温化された排ガスは、４方バルブ６から配管７０により、二重管内に導入される。この二重管内に導入された排ガスは、バーナ部８の排出口周辺の冷却効果を有するとともに、バーナ部８の一次燃焼排ガスと、切替式高温空気吹き出し部から吹き出される高温空気との間に吹き出され、ボイラ壁近傍でバーナ部８の一次燃焼排ガスと、切替式高温空気吹き出し部から吹き出される高温空気の急速燃焼を防止する。これにより、ボイラ火炉内での局所高温域または局所低温域の形成が抑制され、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化に効果を有する。
【０１０６】
図１２（ａ）は、本発明の第１１の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図であり、（ｂ）はエジェクタの配置構成を示す図である。図１１で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【０１０７】
この実施形態においては、４方バルブ６とバーナ部８排出口周辺の二重管構造との間の配管７０にエジェクタ７３を設けるものである。なお、本エジェクタは、駆動用ガスとして空気あるいは排ガスの切り替えが可能な物とすることが好ましく、これは図１２（ｂ）のような構成にすることにより達成される。つまり、図１（ａ）に示したボイラ排ガス誘引ファン４の出口から分岐させた排ガス配管７５と、図１２（ａ）に示した押込ブロワ７の出口から分岐させた空気配管７６とを切換バルブ７７を介してエジェクタ７３に駆動用ガスとして供給するものである。
【０１０８】
エジェクタを設けることにより、火炉２内の圧力変動に影響されることなく循環ガスの流量を調整することができる。これにより、火炉内での燃焼制御がより精密に可能となり、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化に効果を有する。さらに、エジェクタを設けることにより蓄熱体３５を通過する循環ガス量が増加し、蓄熱体の高温化がより促進されるため、より高温の蓄熱空気が得られる。
【０１０９】
駆動ガスとして空気あるいは排ガスの切り換えは、例えばボイラ火炉２内に噴出したバーナ部からの一次燃焼ガスの周囲に何らかの原因で局所高温領域が形成され、ボイラ火炉出口でのＮＯx の排出濃度が高い値を示した場合には、エジェクタ７３の駆動用ガスを排ガス側に切り換える。これにより、低酸素濃度からなる循環ガスをボイラ火炉２内に供給し、バーナ部からの一次燃焼ガスの周囲での局所高温および酸素過剰領域を低減させ、低ＮＯx 化を図る。また、ボイラ火炉２内の二次燃焼領域での火炎が不安定になったり、ボイラ火炉出口での一酸化炭素あるいは炭化水素等の未燃成分が増大した場合には、エジェクタ７３の駆動用ガスを空気側に切り換える。これにより、酸素を十分含有した循環ガスが燃焼室内に供給され、ボイラ火炉２内の二次燃焼領域での局所低温あるいは酸素不足領域を低減させることができ、燃焼が促進され一酸化炭素あるいは炭化水素等の未燃成分が低減されるとともに低ＳＰＭ化が図られる。
【０１１０】
図１３は、本発明の第１２の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。図１０で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【０１１１】
この実施形態においては、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前で該燃料をＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質する手段を有するものである。例えば、燃料の主成分が炭化水素の場合、予混合火炎あるいは拡散火炎にかかわらず燃焼中にＦｕｅｌ Ｎ分からＮＯx への転換率が高く、低ＮＯx 化を図る上で問題がある。それに対し、燃料の主成分がＣＯまたはＨ2 で、かつ拡散火炎の場合は、燃焼中にＦｕｅｌ Ｎ分からＮＯx への転換率が極めて低く、低ＮＯx 化に有利となる。そこでこの実施形態においては、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前で、ＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質し低ＮＯx 化を図るものである。さらに、燃料をＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質することにより、ススが生成し易い炭化水素の濃度が低下するため、低ＳＰＭ化も図れる。
【０１１２】
ここで、燃料をＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質する方法としては、高温下で熱分解を行う方法あるいはプラズマによるＯ、Ｈ、ＯＨ等の活性化学種を添加する方法あるいはそれらを組み合わせた方法などを用いることができる。
【０１１３】
高温での熱分解は、例えば燃料を微量の酸素存在下で少なくとも約５００℃以上、望ましくは６００℃以上、に加熱することにより行う。これにより、燃料がＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質される。なお、熱分解の上限温度は、熱解離による熱損失とのバランスにより決定される。
【０１１４】
プラズマを発生させる方法としては、放電による方法、純酸素燃焼による高温排ガスを利用する方法、連続爆轟（デトネーション）による方法、あるいはこれらを組み合わせた方法などが利用できる。
【０１１５】
ここで、加熱方法としては、例えば図１３に示すように、予蒸発室６９の周囲にヒーター８０を有する構造とすることにより達成できる。なお、ヒーターによる加熱の代わりに、バーナ部あるいは火炉内の排ガス顕熱を利用した、熱交換器による加熱方法を利用することもできる。ただし、これらの場合、ススの発生を抑制するため、活性化学種の添加と併用することが望ましい。また、プラズマを発生させる方法としては、予蒸発室６９にプラズマ発生装置８１を有する構造とすることにより達成できる。
【０１１６】
図１４は、本発明の第１３の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。図１０で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【０１１７】
この実施形態においては、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前で該燃料に、Ｈ2 あるいはＨ2 含有燃料を添加するものである。
【０１１８】
例えば、低質の液体燃料あるいは低質の気体燃料あるいはその両方にＨ2 あるいはＨ2 含有燃料等の反応性が著しく高い燃料を添加することにより、燃料全体の燃焼速度を高めることができる。その結果、バーナ部の全長を短くすることが可能となり装置のコンパクト化が図れる。さらに、Ｈ2 あるいはＨ2 含有燃料を添加することにより、より低質な燃料を用いた場合においても燃焼が可能となる。ここで、Ｈ2 含有燃料としては、例えば製鉄所からの副生ガスであるＣガス等を用いることができる。
【０１１９】
Ｈ2 あるいはＨ2 含有燃料の添加は、混合器７１，７２内で行うことが好ましい。混合器としては、例えば、旋回混合型の混合器とし、混合器中心軸方向からＨ2 あるいはＨ2 含有燃料を低速で吹き込み、燃料ガスを混合器側壁から高速旋回吹き込みすると均一な混合が可能となるため、より好ましい。
【０１２０】
図１５は、本発明の第１４の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。図１１で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【０１２１】
この実施形態においては、バーナ部８燃焼室内にリセス７８を有するものである。リセス７８は、バーナ部燃焼室の内壁円周方向の全周またはその一部に溝を設ける構造としたものである。リセス部分でガスの渦流が発生することにより、燃料と酸素含有ガスの混合が促進され、燃焼が加速される。その結果として、バーナ長を短くすることが可能になり、装置のコンパクト化に寄与する。なお、この場合、吹き込む酸素含有ガスの量は、理論空気量に対してそれより少ない量にする必要がある。理論空気量以上の場合、ＮＯx の濃度が増加する危険があるからである。
【０１２２】
リセスの位置は、バーナ部燃焼室内に燃料と酸素含有ガスの混合領域を確保する必要性から、バーナ部開放端からバーナ部燃焼室のほぼ半径の長さ以上上流に位置させることが望ましい。また、リセスの深さは、バーナ部燃焼室の内径の１／４０から１／１０程度、望ましくは１／２０程度、が望ましく、リセスの幅はリセスの深さの２倍程度が望ましい。
【０１２３】
なお、リセスは燃料と酸素含有ガスの混合状態を調整する目的で、２ヶ所以上に設けても良い。
【０１２４】
さらに、リセスのかわりに、あるいはリセスとともに、バーナ部燃焼室の内壁の一部またはリング状に凸部を設けても同様の効果がある。
【０１２５】
図１６は、本発明の第１５の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。図１１で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【０１２６】
この実施形態においては、バーナ部開放端部がノズル形状を有するものである。バーナ部開放端部をノズル形状にすることにより、開放端部近傍に乱流が形成され、燃料と酸素含有ガスの混合が促進されるとともに、火炉内への吹き出し速度が高くなることから、火炉内温度の均一化が促進される。その結果として、バーナ長を短くすることが可能になり、装置のコンパクト化に寄与する。さらに、火炉出口での低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が促進される。なお、ノズル形状部分の径は、バーナ部直径の２分の１程度とすることが好ましく、絞り部の傾斜部の仰角は約９０°が好ましい。また、ノズル先端部の形状は、円形に限ったものではなく、小判形あるいは長方形でも良い。
【０１２７】
【発明の効果】
本発明によれば、バーナ部からの安定した組成かつ温度分布の一次燃焼排ガスの供給、および非定常な高温の空気吹き出し、または排ガス流れにより、ボイラ火炉内の温度およびガス組成分布が平均化され、ボイラ火炉内での局所的な高低温部や酸素の過不足を防ぐことができ、燃焼に必要な最小限の空気量または燃料流量での燃焼が可能となり、燃焼に必要な空気量の上限または下限を拡張することができる。この結果として、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、システム全体のメンテナンス周期の延長、さらには長寿命化が図れる。さらに、高負荷燃焼が可能となるためボイラの小型化が可能となる。
【０１２８】
また、バーナ部は液体燃料用と気体燃料用のそれぞれ独立した燃料供給ノズルおよび酸素含有ガス吹き込みノズルを配設することにより、多様な燃料に対応可能となり、バーナ部の設置数を減らすことが可能となり、システム全体のコンパクト化に貢献する。さらに、バーナ部の火炎構造が単純であるため、燃料組成や流量が変動しても、火炎直径が自ら変化することにより追従し、燃焼の安定化に貢献する。
【０１２９】
さらに、酸素含有ガスおよび燃料を吹込むノズルの一方または双方に、ノズル絞り部の通路断面積を調整できる手段を有することにより、流量を変えずにバーナ部内での旋回速度を変化させ、これによって火炎直径および火炎長を変更することができる。
【０１３０】
さらに、バーナ部の排出口周辺の外周部から、高温空気吹き出し部との間に、ボイラ火炉内の排ガスを循環して吹き込む構造とすることにより、バーナ部の排出口周辺の冷却効果を有するとともに、ボイラ壁近傍でバーナ部の一次燃焼排ガスと、高温空気吹き出し部から吹き出される高温空気との急速燃焼を防止する。これにより、ボイラ火炉内での局所高温域または局所低温域の形成を抑制し、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化にさらに効果を有する。
【０１３１】
さらに、循環ガスを導入する配管の途中にエジェクタを設けることにより、バーナ部の燃焼室内またはボイラ火炉内の圧力変動に影響されることなく循環ガスの流量を調整することができる。これにより、火炉内での燃焼制御がより精密に可能となり、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が促進される。
【０１３２】
さらに、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前でこの燃料を熱分解する手段を有することにより、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が促進される。
【０１３３】
さらに、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前でこの燃料に、Ｈ2 あるいはＨ2 含有燃料を添加することにより、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能となる。
【０１３４】
さらに、バーナ部燃焼室内にリセスまたは凸部のどちらか一方あるいは両方を有することにより、燃料と酸素含有ガスの混合が促進され、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能となる。
【０１３５】
さらに、バーナ部開放端部がノズル形状を有することにより、燃料と酸素含有ガスの混合が促進され、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本実施形態の一例としてボイラに適用する場合に好適な本発明の燃焼装置の側面を示す図である。
（ｂ）Ａ−Ａ矢視の断面図である。
（ｃ）燃焼装置の拡大図である。
【図２】（ａ）本発明の第１の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
（ｂ）Ｂ−Ｂ矢視の断面図である。
【図３】（ａ）本発明の第２の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
（ｂ）Ｃ−Ｃ矢視の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
【図７】本発明の第６の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
【図８】本発明の第７の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
【図９】（ａ）本発明の第８の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
（ｂ）Ｄ−Ｄ矢視の断面図である。
（ｃ）Ｅ−Ｅ矢視の断面図である。
【図１０】（ａ）本発明の第９の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。
（ｂ）Ｆ−Ｆ矢視の断面図である。
【図１１】本発明の第１０の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。
【図１２】（ａ）本発明の第１１の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。
（ｂ）エジェクタの配置構成を示す図である。
【図１３】本発明の第１２の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。
【図１４】本発明の第１３の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。
【図１５】本発明の第１４の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。
【図１６】本発明の第１５の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃焼装置
２ ボイラ火炉
３ 集塵器
４ ボイラ排ガス誘引ファン
５ 煙突
６ ４方バルブ
７ 押込ブロワ
８ バーナ部
９ａ，９ｂ 切替式高温空気吹き出し部
１０ 燃焼室
１０ａ 燃焼室の上流側の部分
１０ｂ 燃焼室の下流側の部分
１１ 酸素含有ガスを吹き込むノズル
１２ 液体燃料の噴射弁
１３ 点火プラグ
１４ 気体燃料ノズル
１５ 二重管状に形成された燃料吹込み部の外管
１６ 二重管状に形成された燃料吹込み部の内管
１７ 内管に設けられたスリット
１８ スペーサー
１９ スペーサーの駆動装置
２０ 加熱器
２１ 温度調節装置
２２ 温度計
２３ 流量調節弁
２４ 温度計
２５ 演算・制御器
２６ 流量調節計
２７ 流量調節計
２８ 冷却ジャケット
２９ 冷却ジャケットの外管
３０ 冷却ジャケットに酸素含有ガスを供給するノズル
３１ 冷却ジャケットの内側の燃焼室に設けられた開口
３５ 蓄熱体
４０ バーナ部を取付ける装置の鉄皮
４１ 鉄皮に内張りされた耐火物
５０ 管状の火炎
６０ 酸素含有ガス用ノズル
６１ 液体燃料用ノズル
６２ 熱交換器
６３ スリット幅調整治具
６４ 気体燃料用ノズル
６５ 酸素含有ガス用ノズル
６６ パイロットバーナ
６７ 失火検知器
６８ 循環ガスの吹き出し口
６９ 予蒸発室
７０ 配管
７１，７２ 混合器
７３ エジェクタ
７５ 排ガス配管
７６ 空気配管
７７ 切換バルブ
７８ リセス
８０ ヒーター
８１ プラズマ発生装置
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼装置および燃焼方法に関し、特に燃焼負荷の調整が広範囲に可能であり、低ＮＯx 化、低浮遊粒子状物質（低ＳＰＭ）化を図ることができる燃焼装置および燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工業炉に用いられる従来型の燃焼装置、例えば加熱設備、ボイラ、発電設備等に応用されている燃焼装置として、燃料と燃焼用空気の一部を混合させて一次燃焼を行い、さらに残部の燃焼用空気を混合させて二次燃焼を行う二段燃焼方式が知られている。
【０００３】
上記従来型の炉に用いられるバーナとしては、燃料の種類によりガスバーナ、オイルバーナ、微粉炭バーナ等が知られている。
【０００４】
従来型のガスバーナは、燃料ガスと酸素含有ガスの混合法によって、拡散燃焼方式（外部混合）のものと、予混合燃焼方式（内部混合）のものとに大別される。これらの型式のガスバーナは、何れも、バーナの先端よりも前方の炉内で火炎が形成される構造になっている。そして、拡散燃焼方式のものは、バーナの先端で上記両者のガスを混合して燃焼させるものであって、高温の火炎を得ることができ、広く利用されている。また、予混合燃焼方式のものは、比較的短い火炎を形成させることができる等の利点を有している。
【０００５】
また、従来型のオイルバーナは、噴霧型と予蒸発型に大別される。噴霧型のバーナとしては、液体燃料を加圧して噴出口から高速で噴射し、微粒化して燃焼させる方式によるもの、液体燃料を加圧空気の気流と共に噴射して微粒化し燃焼させる方式によるもの等があり、燃料の噴射がバーナの下流で行われる。また、予蒸発型のバーナは、予め、液体燃料を加熱してガス化させたのち、空気と混合して燃焼させるものであって、燃料の噴射がバーナの上流側で行われる。これらの型式のオイルバーナは、火炎がバーナの前方の炉内に形成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来型のバーナを有する燃焼装置においては、幾つかの問題点がある。その主たるものは、次のごとくである。
【０００７】
バーナの先端よりも前方に火炎が形成されるため、バーナの前方に広い燃焼用の空間を確保しなければならず、燃焼設備が大型化する。さらに、燃焼量の調節幅が狭く、燃焼量を大幅に変更する必要がある場合には、燃焼量の調整範囲を分担させた複数のバーナを設置しなければならず、操作が複雑になると共に、燃焼設備が一層大型化する。
【０００８】
また、燃焼条件によっては、ＮＯx などの有害物質の生成量が増加し、炭化水素などの未燃焼分が発生する。さらに、ススなどの生成により環境汚染源の一つになることが懸念される。
【０００９】
さらに、製鉄所、廃棄物処理施設等からの副生ガスや新たに創造される低発熱量燃料（ゴミ焼却炉からの排ガス等）の有効利用、および、例えば加熱設備、ボイラ、発電設備等における使用燃料種の多様化（低質化、多種燃料化）に対応しようとした場合、以下のような問題点がある。
【００１０】
副生ガスや新たに創造される低発熱量燃料を利用する場合、（１）燃料の組成や流量の変動が大きく失火しやすい、（２）反応性が低いため火炎長が長くなり炉容積が大型化する、（３）発熱量が低いため設備の冷間立ち上げが困難となり、長時間の助燃が必要となる。
【００１１】
使用燃料種の多様化（低質化、多種燃料化）に対応する場合、（１）燃料種毎に燃焼性が異なるため設置バーナ本数が増加する、（２）ガスから油への切り替え時、また、燃料の低質化に伴い、ＮＯx 、ＳＰＭ（浮遊粒子状物質）等が増加する。
【００１２】
さらに、バーナをボイラや発電設備等へ適用する場合、設備をコンパクト化したり、熱効率を向上させるためにバーナの高負荷燃焼が必要とされている。
【００１３】
そこで本発明は、一般の高い発熱量をもつ良質な燃料のみならず、副生ガスや新たに創造される低発熱量燃料を使用した場合、あるいは使用燃料種が多様化（低質化、多種燃料化）した場合においても、高負荷燃焼が可能で、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、設備のコンパクト化が可能な燃焼装置および燃焼方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記の課題を解決するために検討を行い、その結果、一端が炉内に開放された管状の燃焼室を有し、該燃焼室の周囲に、吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように、酸素含有ガスおよび燃料を別々に、あるいは混合して吹込むノズルが設けられているバーナ部と、該バーナ部開放端の近傍に高温空気吹き出し部を有することにより、燃焼量の調節範囲が広く高負荷燃焼が可能で、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能な燃焼装置が提供されることを見い出した。
【００１５】
また、前記酸素含有ガスおよび燃料を吹込むノズルが、酸素含有ガス用、液体燃料用および気体燃料用の複数のノズルからなることにより、低質燃料の利用が可能となる。さらに、複数のノズルを有することにより燃焼量の調節範囲が広く高負荷燃焼も可能となり、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能な燃焼装置が提供されることを見い出した。ここで低質燃料とは、製鉄所、廃棄物処理施設等からの副生ガスや新たに創造される低発熱量燃料（ゴミ焼却炉からの排ガス等）等をいう。
【００１６】
さらに、酸素含有ガスおよび燃料を吹込むノズルの一方または双方に、ノズル絞り部の通路断面積を調整できる手段を有することにより、流量を変えずにバーナ部内での旋回速度を変化させ、これによって火炎直径および火炎長を変更することができることを見い出した。
【００１７】
さらに、バーナ部開放端と、高温空気吹き出し部との間に、循環ガスの吹き出し口を有することにより、燃焼炉内等での二次燃焼の均一化が促進され、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が促進されることを見い出した。
【００１８】
さらに、循環ガスを導入する配管の途中にエジェクタを設けることにより、バーナ部の燃焼室内またはボイラ火炉内の圧力変動に影響されることなく循環ガスの流量を調整することができる。これにより、火炉内での燃焼制御がより精密に可能となり、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が促進されることを見い出した。
【００１９】
さらに、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前でこの燃料をＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質する手段を有することにより、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が促進されることを見い出した。
【００２０】
さらに、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前でこの燃料に、Ｈ2 あるいはＨ2 含有燃料を添加することにより、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能なことを見い出した。
【００２１】
さらに、バーナ部燃焼室内にリセスまたは凸部のどちらか一方あるいは両方を有することにより、これらの下流において燃料と酸素含有ガスの混合が促進され、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能なことを見い出した。
【００２２】
さらに、バーナ部開放端部がノズル形状を有することにより、ノズル部およびボイラ火炉内において燃料と酸素含有ガスの混合が促進され、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能なことを見い出した。
【００２３】
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下のような特徴を有する燃焼装置および燃焼方法である。
【００２４】
［１］一端が炉内に開放され、他端部には管軸方向に沿ってスリットが形成された管状の燃焼室を有し、前記スリットには、先端部の形状が偏平でかつその開口面積が縮小された酸素含有ガスを吹き込むノズルが、そのガス吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように接続され、前記酸素含有ガスを吹き込むノズルが配置されている位置と同一の周面には、液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルが、その吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように接続され、前記酸素含有ガスを吹き込むノズル及び前記液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルから吹き出されるガスの燃焼室内壁近傍における旋回速度が火炎伝播速度を上回るように吹き込まれているバーナ部と、該バーナ部開放端の近傍に高温空気吹き出し部を有することを特徴とする燃焼装置。
【００２５】
［２］上記［１］の酸素含有ガスを吹き込むノズル及び液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルが配置されている位置より上流側に、吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように、気体燃料を吹き込むための気体燃料ノズルが設けられている燃焼装置。
【００２６】
［３］上記［１］又は［２］の燃焼装置において、酸素含有ガスおよび燃料を吹込むノズルの１以上に、ノズル絞り部の通路断面積を調整できる手段を有する燃焼装置。
【００２７】
［４］上記［１］乃至［３］のいずれかの燃焼装置において、前記バーナ部開放端と、高温空気吹き出し部との間に、循環ガスの吹き出し口を有する燃焼装置。
【００２８】
［５］上記［１］乃至［４］のいずれかの燃焼装置において、循環ガスを導入する配管の途中にエジェクタを有する燃焼装置。
【００２９】
［６］上記［１］乃至［５］のいずれかの燃焼装置において、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前で該燃料をＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質する手段を有する燃焼装置。
【００３０】
［７］上記［１］乃至［６］のいずれかの燃焼装置において、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前で該燃料に、Ｈ2 あるいはＨ2 含有燃料を添加する手段を有する燃焼装置。
【００３１】
［８］上記［１］乃至［７］のいずれかの燃焼装置において、バーナ部燃焼室内にリセスまたは凸部のどちらか一方あるいは両方を有する請求項１ないし７に記載の燃焼装置。
【００３２】
［９］上記［１］乃至［８］のいずれかの燃焼装置において、バーナ部開放端部がノズル形状を有する燃焼装置。
【００３３】
［１０］一端が炉内に開放され、他端部には管軸方向に沿ってスリットが形成された管状の燃焼室を有し、前記スリットには、先端部の形状が偏平でかつその開口面積が縮小された酸素含有ガスを吹き込むノズルが、そのガス吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように接続され、前記酸素含有ガスを吹き込むノズルが配置されている位置と同一の周面には、液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルが、その吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように接続され、前記酸素含有ガスを吹き込むノズル及び前記液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルから吹き出されるガスの燃焼室内壁近傍における旋回速度が火炎伝播速度を上回るように吹き込まれるバーナ部で管状の火炎を生成して一次燃焼を行い、該バーナ部から排出された一次燃焼ガスと、該バーナ部開放端の近傍に設けられた高温空気吹き出し部から吹き出される高温空気とで二次燃焼を行うことを特徴とする燃焼方法。
【００３４】
［１１］上記［１０］の燃焼方法において、燃料をＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質した後、バーナ部燃焼室内に吹き込むことを特徴とする燃焼方法。
【００３５】
なお、酸素含有ガスとは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を含有するガスを指すものとする。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態としてボイラに適用した場合の概略構成の側面を示す図である。（ｂ）は、 Ａ−Ａ矢視の断面図である。（ｃ）は、燃焼装置１の拡大図である。
【００３７】
本実施形態に係る燃焼装置１は、バーナ部８と、バーナ部開放端の上下に設けられた切替式高温空気吹き出し部９ａ，９ｂとからなり、ボイラ火炉２に設置されている。ここでは、バーナ部８内で一次燃焼を行い、ボイラ火炉２内に噴出した一次燃焼ガスを高温空気吹き出し部から吹き出された高温空気とともにボイラ火炉２内で二次燃焼させるものである。なお、図１（ｂ）に示すように、ボイラ火炉２のコーナー部分に燃焼装置８を設置する場合、それぞれのバーナ中心軸は、水平方向断面内の火炉中心から水平方向にズラして設置される。中心軸の方向としては、水平方向断面内の火炉中心にボイラ幅ＷのほぼＷ／１０となる円を断面内に仮定した場合のその接線方向とすることが好ましい。火炉内に旋回流が生じることによりガスの攪拌が促進され二次燃焼の均一化が図られる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、ボイラ火炉２に燃焼装置１が8 基設置されている場合を図示しているが、ボイラの規模および用途等により、１基での使用を含めてその数を増減できることはいうまでもない。また、本実施形態においては、燃焼装置１をボイラに設置する場合について説明するが、ボイラに限らず、加熱設備一般に使用できることはいうまでもない。
【００３９】
図２（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るバーナ部を示す図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視の断面図である。１０は管状の燃焼室であり、一端が開放されて燃焼排ガスの排出口になっている。そして、他端部には管軸方向に沿って長いスリットが形成されており、このスリットに接続させて酸素含有ガスを吹き込むノズル１１が設けられている。ノズル１１は噴射方向が燃焼室１０の内壁面のほぼ接線方向となるように設けられており、酸素含有ガスの吹き込みによって、燃焼室１０内に排ガス流れが形成されるようになっている。また、ノズル１１は先端部の形状が偏平で、かつその開口面積が縮小されており、このノズル絞り部で酸素含有ガスが高速で吹き込まれるようになっている。この際、酸素含有ガスは予熱されて供給されても良い。
【００４０】
また、ノズル１１が配置されている位置と同一の周面には液体燃料の噴射弁１２が設けられており、酸素含有ガスの排ガス流れ中に液体燃料が噴射されるようになっている。この実施の形態における噴射弁１２は液体燃料を加圧空気の気流と共に噴射して微粒化するもの（二流体噴射弁）であり、噴射弁１２には液体燃料配管及び空気配管が接続されている。１３は点火プラグである。
【００４１】
また、酸素含有ガスを吹き込むノズル１１及び液体燃料の噴射弁１２が配置されている位置よりも上流側に、気体燃料と空気よりなる予混合気を吹き込む気体燃料ノズル１４が設けられている。この気体燃料ノズル１４は噴射方向が燃焼室１０の内壁面のほぼ接線方向となるように設けられており、その吹き込みによって、燃焼室１０内に旋回流が形成されるようになっている。
【００４２】
上記の構成によるバーナ部において、ノズル１１から酸素含有ガスを吹き込んで旋回流を形成させると共に、噴射弁１２から液体燃料を噴射すると、液体燃料の蒸発が始まり、その液滴が気化したり、液滴が更に微細になったりする。このような状態にして点火すると、噴射された液体燃料は気体燃料と同様に燃焼する。
【００４３】
そして、燃焼室１０内においては、流体が密度差によって層別され、火炎の両側に密度の異なるものの層ができる。すなわち、遠心力の小さい軸心側には高温の燃焼ガスが存在し、遠心力の大きい燃焼室の内壁側には未燃焼のガスあるいは未蒸発の液滴を含むガスが存在するようになる。また、内壁の近傍では、旋回速度が火炎伝播速度を上回っているため、火炎が形成されることはない。このため、燃焼室１０内では火炎が管状の形になって生成する。５０は管状の火炎を示す。そして、燃焼室１０内のガスは旋回しながら下流側へ流れ、その間、内壁側のガスや液滴が順次燃焼して軸心側へ移動し、開放端部から排出される。なお、燃焼室の内壁付近には未燃焼のガスが存在しているので、燃焼室１０の壁面が直接的な伝熱により高温になることはない。
【００４４】
また、液体燃料の噴射弁１２よりも上流側においては、ノズル１４から吹き込まれた気体燃料が燃焼して管状の火炎が形成される。この気体燃料のノズル１４はパイロットバーナの役目をなすと共に、液体燃料を噴射している際に、その蒸発を促進する作用をもなす。さらに、着火性がよくない液体燃料を使用する場合には、ノズル１４から吹込んだ気体燃料・空気の予混合気に着火させてから液体燃料を噴射させると、確実に着火させることができる。
【００４５】
なお、図２においては、液体燃料の噴射弁として、二流体噴射弁を使用しているが、液体燃料の噴射弁は、必ずしも、二流体噴射弁でなければならない訳ではなく、加圧噴霧式のものであってもよい。但し、液体燃料の液滴が一層微細になれば燃焼性がさらに向上するので、この観点からは噴射弁としては二流体噴射弁が好ましい。
【００４６】
また、図２においては、液体燃料の噴射弁１２が配置されている位置よりも上流側に管状火炎を形成させるために、気体燃料と空気よりなる予混合気を吹き込む気体燃料ノズル１４が設けられているが、気体燃料による管状火炎を形成させるものは予混合気でなければならない訳ではなく、気体燃料と空気を別々のノズルから吹き込んでもよい。
【００４７】
また、空気または燃料ノズルの通路断面積を増減させる手段を備えているため、流量を変えずにバーナ部内での旋回速度を変化させ、これによって火炎直径および火炎長を変更することができる。
【００４８】
上記の構成により、バーナ部においては、遠心力の小さい軸心側には高温の燃焼排ガスが存在し、遠心力の大きい燃焼室の内壁側には未燃焼のガスが存在し、その間に管状の火炎が存在するようになる。そのため、未燃焼ガスが燃焼排ガスで希釈されることがなく、安定な燃焼が可能となる。
【００４９】
安定した燃焼が得られることにより、酸素の利用効率を高めることができ、これに関連して余分な空気を供給する必要がなくなるため、高温の燃焼ガスを発生させることができる。また、燃料ガス成分が非常に希薄の状態あるいは過濃の状態になる条件でも燃焼させることができるので、バーナ部自身の安定燃焼範囲が広くなると共に、燃焼排ガス温度の選択範囲を広げることもできる。
【００５０】
さらに、バーナ部の中に安定した火炎が形成されるので、燃焼ガスの導入先に流れ場が形成されていても、火炎が吹き消えることがなく、保炎器等を設ける必要がない。
【００５１】
さらにバーナ部は、バーナ部端部からの火炎長が調整できるため、火炎長を短くすることにより、ボイラの容積を小さくすることが可能となり、システム全体のコンパクト化が可能となる。
【００５２】
図１（ｃ）の切替式高温空気吹き出し部９ａ，９ｂは、ボイラ火炉内２に吹き込まれる空気が蓄熱体３５を通過する構造になっている。ボイラ火炉内に吹き込まれる空気が蓄熱体３５を通過する際に、蓄熱体３５に蓄えられた熱により高温化され、ボイラ火炉内に導入される。
【００５３】
また、バーナ部開放端の上下に設置されたそれぞれの切替式高温空気吹き出し部９ａ，９ｂは、図１（ｃ）に示されているように、４方バルブ６を介して押込ブロワ７が接続されている。バーナ部開放端の上下に設置された切替式高温空気吹き出し部９ａ，９ｂは、４方バルブ６の切替により交互に高温空気の吹き出しと、ボイラ火炉内ガスの取り込みを行う。切り替えは、あらかじめ設定された時間で切り替えても良く、任意に設定可能とすることもできる。ボイラ火炉内ガスの取り込み時に蓄熱体３５は、排ガスの顕熱を蓄熱し、逆に空気吹き出し時には、蓄熱体３５に蓄えられた熱によりブロワからの空気が高温化されて、ボイラ火炉内に導入される。なお、ボイラ火炉内から取り込まれたガスは、再びボイラ火炉内に戻されるか、あるいは排ガス処理した後に大気放出される。
【００５４】
高温化された空気により、ボイラ火炉内での燃焼の反応性が上がり、二次燃焼が効率よく行われ、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化に貢献する。
【００５５】
また、高温空気吹き出し部９ａ，９ｂの吹き出しと取り込みを切り替えることにより、ボイラ火炉内に上から下、あるいは下から上へと、非定常な排ガスまたは空気流れを起こすことができる。バーナ部からの安定した組成かつ温度分布の一次燃焼排ガスの供給、および非定常な高温の空気吹き出し、または排ガス流れにより、ボイラ火炉内の温度およびガス組成分布が平均化され、ボイラ火炉内での局所的な高低温部や酸素の過不足を防ぐことができ、燃焼に必要な最小限の空気量または燃料流量での燃焼が可能となり、燃焼に必要な空気量の上限または下限を拡張することができる。この結果として、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、システム全体のメンテナンス周期の延長、さらには長寿命化が図れる。さらに、高負荷燃焼が可能となるためボイラの小型化が可能となる。
【００５６】
図３（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係るバーナ部を示す図である。（ｂ）は図３（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視の断面図である。ここで、バーナ部以外の部分は、第１の実施形態と同じであるので記載および説明を省略する。
【００５７】
本実施形態に係るバーナ部は、燃焼室の一部が二重管状に形成され、その外管に酸素含有ガスを吹き込むノズルが内壁面のほぼ接線方向となるように設けられ、内管には管軸方向に沿って形成されたスリットが同一周面に複数設けられると共に、内管内へ液体燃料を噴霧するための噴射弁が配置されているものである。
【００５８】
図３において、図２で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。この実施の形態においては、燃焼室１０の一部が外管１５と内管１６よりなり、二重管状に形成されている。この二重管状に形成された部分が燃料吹込み部になっており、外管１５にはその内壁面のほぼ接線方向となるよう酸素含有ガスを吹き込むノズル１１が設けられている。
【００５９】
又、内管１６には管軸方向に沿って形成されたスリット１７が円周方向に複数設けられており、このスリット１７がノズル１１から吹き込まれたガスの燃焼室１０内への吹き込み口になっている。スリット１７は円周方向に対して等間隔に配置されたり、あるいは対称の位置に配置されたりする。
【００６０】
又、スリット１７はガスの吹き込み方向が内管１６の内壁面のほぼ接線方向となるよう設けられており、ノズル１１から吹込まれて外管１５の内側に旋回流を形成したガスが、再びスリット１７からその内壁面のほぼ接線方向に吹込まれ、内管１６内にも旋回流が形成されるようになっている。さらに、内管１６には管内へ液体燃料を噴霧するための噴射弁１２が配置さており、スリット１７から吹込まれて旋回流を形成している酸素含有ガス中に液体燃料が噴射されるようになっている。
【００６１】
上記の構成によるバーナ部においては、内管１６の複数箇所から吹込まれる酸素含有ガスの旋回流中に液体燃料が噴射されるので、液体燃料と酸素含有ガスの混合が促進され、燃焼性が向上する。さらに、外管１５に酸素含有ガスを吹き込むノズル１１が設けられており、内管１６が常に吹込まれた酸素含有ガスで覆われるようになっているので、内管１６が自己冷却される。このため、その内側に存在する火炎や軸心側の高温ガスの輻射熱によって加熱されても、内管１６の温度上昇は抑えられる。
【００６２】
なお、第１の実施形態または第２の実施形態において、酸素含有ガスを吹き込むノズル及び液体燃料の噴射弁が配置されている位置よりも上流側に、気体燃料と酸素含有ガスよりなる予混合気を吹き込むノズル又は気体燃料を吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルが設けられているものでも良い。
【００６３】
図４は、本発明の第３の実施形態に係るバーナ部を示す図である。ここで、バーナ部以外の部分は、第１の実施形態と同じであるので記載および説明を省略する。
【００６４】
本実施形態に係るバーナ部は、第１の実施形態または第２の実施形態において、燃焼室の他端部に、その管軸方向に移動可能なスペーサーが設けられているものである。
【００６５】
図４において、図２で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。この実施の形態においては、燃焼室１０の上流側の端部にスペーサー１８が挿入されている。このスペーサー１８は燃焼室１０と摺動してその管軸方向に移動可能になっている。１９はスペーサーの駆動装置である。このため、スペーサー１８を下流側へ移動させれば、燃焼室１０内の燃焼区間が短くなるようになっている。なお、スペーサー１８を液体燃料の噴射弁１２が設置されている位置の一部まで移動させる場合には、その位置にある噴射弁だけを全閉にすれば、液体燃料の吹込みに支障をきたすことはない。
【００６６】
このような構成のバーナ部によれば、燃焼量を減少させた場合に火炎長が短くなっても、スペーサー１８を適宜下流側へ移動させることによって、火炎が形成される位置が調整され、火炎の端が常にバーナ部の下流端部に形成されるようにすることができる。このため、燃焼室１０の下流端部が高温に曝されて損傷したりする問題の発生が防止される。
【００６７】
図５は、本発明の第４の実施形態に係るバーナ部を示す図である。ここで、バーナ部以外の部分は、第１の実施形態と同じであるので記載および説明を省略する。
【００６８】
本実施形態に係るバーナ部は、第１の実施形態〜第３の実施形態の何れかの形態において、酸素含有ガスを吹き込むノズルに接続された酸素含有ガス供給ラインに加熱器が配置され、この加熱器出口の酸素含有ガスの温度を調節する装置が設けられているものである。
【００６９】
図５において、図２で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。この実施の形態においては、酸素含有ガスを吹き込むノズル１１に接続された酸素含有ガス供給ラインに、酸素含有ガスを予熱するための加熱器２０が設けられている。加熱器２０には加熱流体として燃焼排ガスを流通させ、その熱回収が行われるようになっている。又、加熱された酸素含有ガスの温度を調節するために、温度調節装置２１が設けられている。温度調節装置２１は加熱器２０の出口温度を検出する温度計２２と燃焼排ガスの流量調節弁２３とを有し、酸素含有ガスを所定の温度に予熱することができるように構成されている。
【００７０】
なお、加熱器２０に導入する加熱流体は燃焼排ガスに限定されるものではなく、別途に燃焼させて得た高温ガス等であってもよく、酸素含有ガスをより高温にして液体燃料の着火性をよくすることが望ましい。又、加熱器２０で加熱された酸素含有ガスの温度を調節する場合、上記のように加熱流体の流量を調節するのではなく、加熱された酸素含有ガスに冷空気を混合する方法を採用してもよい。
【００７１】
但し、酸素含有ガスの予熱温度は約６００℃を上限にする必要がある。燃焼室１０内へ６００℃以上の酸素含有ガスを吹き込むと、噴射弁１２内又はその近傍で液体燃料が熱分解して炭化し、ススが発生しやすい。
【００７２】
図６は、本発明の第５の実施形態に係るバーナ部を示す図である。ここで、バーナ部以外の部分は、第１の実施形態と同じであるので記載および説明を省略する。
【００７３】
本実施形態に係るバーナ部は、第１の実施形態〜第４の実施形態の何れかの形態において、燃焼室の下流端部の内壁温度を測定するための温度計が設けられ、この温度計の検出値に基づいて、液体燃料及び／又は酸素含有ガスの流量を調節するするように構成された制御機構が設けられているものである。
【００７４】
図６において、図２で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。この実施の形態においては、燃焼室１０の下流端部の内壁温度を測定するための温度計２４が設けられており、この温度計２４で検出された値の信号が演算・制御器２５へ送られるようになっている。又、噴射弁１２に接続された液体燃料配管及びノズル１１に接続された酸素含有ガスの配管には、それぞれ流量調節計２６，２７が設けられており、これらの流量調節計２６で検出された流量値の信号が演算・制御器２５へ送られると共に、演算・制御器２５から流量調節計２６及び流量調節計２７へ制御信号が送られるようになっている。
【００７５】
ところで、燃焼条件によっては、管状の火炎は下流に向かうに従って旋回流が減衰して火炎の形状が崩れる傾向があり、下流端部の内壁温度が高温になったり、あるいは未燃焼のガスが残留したまま排出されたりする現象が起こるが、上記のように構成されたバーナ部においては、演算・制御器２５からの制御信号に基づいて、下流端部の内壁温度が所定温度になるように、液体燃料の流量及び酸素含有ガスの流量が調節されたり、あるいは液体燃料と酸素含有ガスの流量が個別に調節される制御が行われる。このため、燃焼室１０の下流端部においては、常に管状の火炎が形成され、かつ火炎が燃焼室１０の外に出ない長さに維持されるので、下流端部が高温に曝されて損傷したり、未燃焼ガスが排出したりする問題の発生が防止される。
【００７６】
図７は、本発明の第６の実施形態に係るバーナ部を示す図である。ここで、バーナ部以外の部分は、第１の実施形態と同じであるので記載および説明を省略する。
【００７７】
本実施形態に係るバーナ部は、第１の実施形態〜第５の実施形態の何れかの形態において、燃焼室の下流部が開放端に向けて縮径された形状をなしているものである。
【００７８】
図７において、図２で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【００７９】
この実施の形態においては、燃焼室１０の下流部が開放端に向けて縮径され、先細りの形状をなしている。このように、燃焼室１０の下流部を細くすれば、吹き込み量が減少しても、下流端部における旋回速度大きくすることができる。このため、下流端部においても、正常な管状火炎が形成され、下流端部の内壁が異常な高温になって損傷したり、燃焼排ガスの組成が悪化したりする問題が発生しなくなる。
【００８０】
図８は、本発明の第７の実施形態に係るバーナ部を示す図である。ここで、バーナ部以外の部分は、第１の実施形態と同じであるので記載および説明を省略する。
【００８１】
本実施形態に係るバーナ部は、第１の実施形態〜第６の実施形態の何れかの形態において、燃焼室の内壁の少なくとも一部が耐火物で形成されているものである。
【００８２】
図８において、図２で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【００８３】
この実施の形態においては、燃焼室１０が二つの部分からなり、上流部側の部分１０ａが金属で形成され、下流部側の部分１０ｂが耐火物で形成されている。この二つの部分はフランジ接合によって連結されている。そして、この燃焼室１０は取付け先の装置に設けられた開口にフランジ接合される。４０はバーナ部を取付ける装置の鉄皮、４１は鉄皮に内張りされた耐火物を示す。
【００８４】
上記のように、燃焼室１０の少なくとも下流側の部分が耐火物で形成されていると、液体燃料と酸素含有ガスの混合比の変動によって火炎長が短くなったり、旋回流が減衰して管状火炎の形状が崩れたりして、燃焼室１０の下流側が高温になったり、あるいは火炎や軸心側の高温ガスからの輻射熱によって加熱されても、燃焼室１０の損傷は回避される。
【００８５】
なお、燃焼状態の変動による燃焼室１０の損傷を防ぐ手段としては、図８に示す実施の形態の他に、燃焼室１０の少なくとも下流側の部分を冷却構造（冷却ジャケット）にしてもよい。そして、冷却方式の選定に際しては、水冷方式よりも、空冷方式によるものが好ましい。水冷方式の場合、内壁が過度に冷却され、内壁面に燃焼排ガス中の水分が結露する可能性があるからである。
【００８６】
図９（ａ）は、本発明の第８の実施形態に係るバーナ部を示す図であって、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ矢視の断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＥ−Ｅ矢視の断面図である。ここで、バーナ部以外の部分は、第１の実施形態と同じであるので記載および説明を省略する。
【００８７】
この実施の形態においては、第１の実施形態〜第６の実施形態の何れかの例において、燃焼室の液体燃料の噴射弁が配置されている位置よりも燃焼排ガスの排出口側に冷却ジャケットが設けられて、この部分が二重管状に形成され、この二重管状に形成された部分の外管に冷却流体となる酸素含有ガスを供給するノズルが設けられ、又、燃焼室には管軸方向に沿ってスリット状の開口が設けられ、この開口から燃焼室内へ酸素含有ガスが吹込まれるように構成されているものである。
【００８８】
図９において、図２で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。この実施の形態においては、燃焼室１０の液体燃料の噴射弁１２が配置されている位置よりも燃焼排ガスの排出口側に冷却ジャケット２８が設けられており、この部分が二重管状に形成されている。この二重管状に形成された部分の外管２９には冷却流体となる酸素含有ガスを供給するノズル３０が内壁面のほぼ接線方向となるよう設けられている。又、二重管状に形成された部分の内管である燃焼室１０には管軸方向に沿ってスリット状の開口３１が設けられ、この開口３１から燃焼室１０内へ酸素含有ガスが吹込まれるようになっている。又、燃焼室１０に設けられているスリット状の開口３１はその内壁面のほぼ接線方向となるよう設けられている。
【００８９】
酸素含有ガスを供給するノズル３０が内壁面のほぼ接線方向となるよう設けられていると、燃焼室１０の外周を流れる酸素含有ガスの流速が大きくなって、燃焼室１０からの伝熱が促進されると共に、ジャケット２８内の温度差が小さくなる。又、開口３１が燃焼室１０の内壁面のほぼ接線方向となるよう設けられていると、燃焼室１０内へ吹込まれた酸素含有ガスは旋回しながら混合されるので、旋回流によって形成されている管状火炎が乱される現象は起らない。
【００９０】
上記のようにして、冷却ジャケット２８に冷却流体として酸素含有ガスを供給すると、燃焼室１０が冷却され、前述のような燃焼条件の変動に起因する異常な温度上昇が防止されると共に、燃焼室１０から放散される熱が酸素含有ガスによって回収される。そして、この酸素含有ガスが二次空気として燃焼室１０内へ吹込まれるので、燃焼排ガスが高温になり、ＣＯ等の有害ガスの発生が抑制される。このため、上記の構成によれば、省エネルギー化及び低公害化の機能を有するバーナ部を得ることができる。
【００９１】
なお、上記の実施の形態においては、ジャケット２８に供給された酸素含有ガスが加熱された後、燃焼室１０内へ吹込まれるようになっているが、この加熱された酸素含有ガスを液体燃料を燃焼させるための一次空気として、吹込みノズル１１へ供給してもよい。
【００９２】
図１０（ａ）は、本発明の第９の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図であり、（ｂ）はＦ−Ｆ矢視の断面図である。
【００９３】
酸素含有ガスおよび燃料を吹込むノズルが、酸素含有ガス用ノズル６０，６５、液体燃料用ノズル６１および気体燃料用ノズル６４の複数のノズルからなっている。該構成により、低質燃料においても、燃焼量の調節範囲が広く高負荷燃焼が可能で、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能な燃焼装置が提供される。
【００９４】
低質燃料の場合、バーナ部８への燃料の供給は、外部混合（バーナ部内で混合）方式が好ましく、酸素含有ガスおよび燃料蒸気が図１０（ｂ）に示すように別々のノズルから燃焼室の内壁面のほぼ接線方向に吹き込まれる。
【００９５】
なお、酸素含有ガスは、熱交換器６２等によりあらかじめ予熱されたものが好ましい。例えば、酸素含有ガスを熱交換器６２により燃料ガスの着火温度以上に加熱して導入した場合、燃焼室内での反応性が上がり燃焼速度が上昇する。その結果としてバーナ部の全長を短くすることが可能となり装置のコンパクト化が図れる。また、酸素含有ガスを高温化することにより、酸化剤としての反応性が上がるため、より低質な燃料を用いた場合においても燃焼が可能となる。なお、加熱温度としては、用いる燃料により最適な温度が選択される。
【００９６】
また、酸素含有ガスを、酸素富化空気とすることもできる。なお、酸素富化空気としては、酸素濃度が２５〜３０％程度のものが好ましい。酸素含有ガスとして酸素富化空気を用いることにより、排ガスの量が減少し、排ガスとともに大気中に放出される顕熱を減少させることができる。その結果として熱効率を高めることができ、省エネルギー化を図ることができる。
【００９７】
ノズル６０から吹き込まれる酸素含有ガスおよび液体燃料用ノズル６１から吹き込まれる燃料は、燃焼室の内壁面のほぼ接線方向に吹き込まれるが、該ノズルの双方または一方を可変スリットノズルとすることが好ましい。可変スリットノズルはスリット幅調整治具６３によりスリット幅を任意に調整でき、酸素含有ガスあるいは燃料の流量を変えずに吹き込み速度が任意に調整できる。これにより、酸素含有ガスが高温の場合でも、火炎伝達速度以上の吹き込み速度とすることにより、内壁近傍に消炎領域を定在させることが可能となり、バーナ部内での火炎直径を広範囲に調整可能となる。また、酸素含有ガスの吹き込み速度および吹き込み量、さらに燃料の吹き込み速度および吹き込み量を調整することにより、火炎長の制御が可能となり、熱利用効率の向上が図られる。
【００９８】
また、燃料として液体の低質燃料を使う場合、予蒸発室６９を設けることが好ましい。予蒸発室６９で液体の低質燃料と霧化用空気を混合し蒸発を促進させることにより、燃焼効率を向上させる。気化した燃料は、燃焼室の内壁面のほぼ接線方向にあけられたノズル６１より吹き込まれ、酸素含有ガスと混合され、燃焼する。
【００９９】
なお、燃料の吹き込まれるノズルは、１個でも良いが、複数個設置することが好ましい。複数個設置された燃料ノズルを任意に開閉可能とすることにより、燃料の霧化状態を変化させることなく操業状況に応じた燃料流量の制御が可能となる。ここで、複数個の燃料ノズルは、燃料噴霧同士の干渉を回避する上で、燃焼室の長手方向に直線状に配置されることがより好ましい。
【０１００】
さらに、低質の気体燃料を使う場合は、専用の燃料吹き込みノズル６４および酸素含有ガス吹き込みノズル６５を持つことが好ましい。この場合、燃料吹き込みノズル６４あるいは／および酸素含有ガス吹き込みノズル６５は、上記と同様、可変スリットノズルとすることが好ましい。
【０１０１】
燃焼室内の点火を行うためのパイロットバーナ６６の位置は、その先端部が管状燃焼室上流端部付近のおよそ中央部にくるようにすることが好ましい。燃焼室中央部は、ガスの旋回流速が低く、高温になっているため、最も着火しやすい位置だからである。さらにそのパイロットバーナには、失火検知器６７を取り付けることが好ましい。失火を検知し、安全に停止あるいは再点火操作ができるようにするためである。
【０１０２】
バーナ部は液体燃料用と気体燃料用のそれぞれ独立した燃料供給ノズルおよび酸素含有ガス吹き込みノズルを配設することにより、多様な燃料に対応可能となる。これにより、バーナ部の設置数を減らすことが可能となり、システム全体のコンパクト化に貢献する。さらに、バーナ部の火炎構造が単純であるため、燃料組成や流量が変動しても、火炎直径が自ら変化することにより追従し、燃焼の安定化に貢献する。
【０１０３】
図１１は、本発明の第１０の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。図１０で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【０１０４】
この実施形態においては、バーナ部開放端と、高温空気吹き出し部との間に、循環ガスの吹き出し口６８を有する構造とするものである。これは、例えばバーナ部８の排出口周辺を二重管構造とし、この部分に４方バルブ６を介してボイラ火炉内の排ガスを導入する構造とすることにより達成される。この場合、バーナ部からは高速の燃焼ガスが吹き出されるため、バーナ部開放端近傍が負圧となり、４方バルブ６を介してボイラ火炉２内の排ガスが吸引され、これが循環ガスとなって循環ガスの吹き出し口６８より吹き出される。
【０１０５】
ここで、ボイラ火炉内からの高温の排ガスは、切替式高温空気吹き出し部９ｂの蓄熱体３５で、その熱を吸収され低温化される。低温化された排ガスは、４方バルブ６から配管７０により、二重管内に導入される。この二重管内に導入された排ガスは、バーナ部８の排出口周辺の冷却効果を有するとともに、バーナ部８の一次燃焼排ガスと、切替式高温空気吹き出し部から吹き出される高温空気との間に吹き出され、ボイラ壁近傍でバーナ部８の一次燃焼排ガスと、切替式高温空気吹き出し部から吹き出される高温空気の急速燃焼を防止する。これにより、ボイラ火炉内での局所高温域または局所低温域の形成が抑制され、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化に効果を有する。
【０１０６】
図１２（ａ）は、本発明の第１１の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図であり、（ｂ）はエジェクタの配置構成を示す図である。図１１で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【０１０７】
この実施形態においては、４方バルブ６とバーナ部８排出口周辺の二重管構造との間の配管７０にエジェクタ７３を設けるものである。なお、本エジェクタは、駆動用ガスとして空気あるいは排ガスの切り替えが可能な物とすることが好ましく、これは図１２（ｂ）のような構成にすることにより達成される。つまり、図１（ａ）に示したボイラ排ガス誘引ファン４の出口から分岐させた排ガス配管７５と、図１２（ａ）に示した押込ブロワ７の出口から分岐させた空気配管７６とを切換バルブ７７を介してエジェクタ７３に駆動用ガスとして供給するものである。
【０１０８】
エジェクタを設けることにより、火炉２内の圧力変動に影響されることなく循環ガスの流量を調整することができる。これにより、火炉内での燃焼制御がより精密に可能となり、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化に効果を有する。さらに、エジェクタを設けることにより蓄熱体３５を通過する循環ガス量が増加し、蓄熱体の高温化がより促進されるため、より高温の蓄熱空気が得られる。
【０１０９】
駆動ガスとして空気あるいは排ガスの切り換えは、例えばボイラ火炉２内に噴出したバーナ部からの一次燃焼ガスの周囲に何らかの原因で局所高温領域が形成され、ボイラ火炉出口でのＮＯx の排出濃度が高い値を示した場合には、エジェクタ７３の駆動用ガスを排ガス側に切り換える。これにより、低酸素濃度からなる循環ガスをボイラ火炉２内に供給し、バーナ部からの一次燃焼ガスの周囲での局所高温および酸素過剰領域を低減させ、低ＮＯx 化を図る。また、ボイラ火炉２内の二次燃焼領域での火炎が不安定になったり、ボイラ火炉出口での一酸化炭素あるいは炭化水素等の未燃成分が増大した場合には、エジェクタ７３の駆動用ガスを空気側に切り換える。これにより、酸素を十分含有した循環ガスが燃焼室内に供給され、ボイラ火炉２内の二次燃焼領域での局所低温あるいは酸素不足領域を低減させることができ、燃焼が促進され一酸化炭素あるいは炭化水素等の未燃成分が低減されるとともに低ＳＰＭ化が図られる。
【０１１０】
図１３は、本発明の第１２の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。図１０で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【０１１１】
この実施形態においては、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前で該燃料をＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質する手段を有するものである。例えば、燃料の主成分が炭化水素の場合、予混合火炎あるいは拡散火炎にかかわらず燃焼中にＦｕｅｌ Ｎ分からＮＯx への転換率が高く、低ＮＯx 化を図る上で問題がある。それに対し、燃料の主成分がＣＯまたはＨ2 で、かつ拡散火炎の場合は、燃焼中にＦｕｅｌ Ｎ分からＮＯx への転換率が極めて低く、低ＮＯx 化に有利となる。そこでこの実施形態においては、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前で、ＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質し低ＮＯx 化を図るものである。さらに、燃料をＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質することにより、ススが生成し易い炭化水素の濃度が低下するため、低ＳＰＭ化も図れる。
【０１１２】
ここで、燃料をＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質する方法としては、高温下で熱分解を行う方法あるいはプラズマによるＯ、Ｈ、ＯＨ等の活性化学種を添加する方法あるいはそれらを組み合わせた方法などを用いることができる。
【０１１３】
高温での熱分解は、例えば燃料を微量の酸素存在下で少なくとも約５００℃以上、望ましくは６００℃以上、に加熱することにより行う。これにより、燃料がＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質される。なお、熱分解の上限温度は、熱解離による熱損失とのバランスにより決定される。
【０１１４】
プラズマを発生させる方法としては、放電による方法、純酸素燃焼による高温排ガスを利用する方法、連続爆轟（デトネーション）による方法、あるいはこれらを組み合わせた方法などが利用できる。
【０１１５】
ここで、加熱方法としては、例えば図１３に示すように、予蒸発室６９の周囲にヒーター８０を有する構造とすることにより達成できる。なお、ヒーターによる加熱の代わりに、バーナ部あるいは火炉内の排ガス顕熱を利用した、熱交換器による加熱方法を利用することもできる。ただし、これらの場合、ススの発生を抑制するため、活性化学種の添加と併用することが望ましい。また、プラズマを発生させる方法としては、予蒸発室６９にプラズマ発生装置８１を有する構造とすることにより達成できる。
【０１１６】
図１４は、本発明の第１３の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。図１０で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【０１１７】
この実施形態においては、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前で該燃料に、Ｈ2 あるいはＨ2 含有燃料を添加するものである。
【０１１８】
例えば、低質の液体燃料あるいは低質の気体燃料あるいはその両方にＨ2 あるいはＨ2 含有燃料等の反応性が著しく高い燃料を添加することにより、燃料全体の燃焼速度を高めることができる。その結果、バーナ部の全長を短くすることが可能となり装置のコンパクト化が図れる。さらに、Ｈ2 あるいはＨ2 含有燃料を添加することにより、より低質な燃料を用いた場合においても燃焼が可能となる。ここで、Ｈ2 含有燃料としては、例えば製鉄所からの副生ガスであるＣガス等を用いることができる。
【０１１９】
Ｈ2 あるいはＨ2 含有燃料の添加は、混合器７１，７２内で行うことが好ましい。混合器としては、例えば、旋回混合型の混合器とし、混合器中心軸方向からＨ2 あるいはＨ2 含有燃料を低速で吹き込み、燃料ガスを混合器側壁から高速旋回吹き込みすると均一な混合が可能となるため、より好ましい。
【０１２０】
図１５は、本発明の第１４の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。図１１で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【０１２１】
この実施形態においては、バーナ部８燃焼室内にリセス７８を有するものである。リセス７８は、バーナ部燃焼室の内壁円周方向の全周またはその一部に溝を設ける構造としたものである。リセス部分でガスの渦流が発生することにより、燃料と酸素含有ガスの混合が促進され、燃焼が加速される。その結果として、バーナ長を短くすることが可能になり、装置のコンパクト化に寄与する。なお、この場合、吹き込む酸素含有ガスの量は、理論空気量に対してそれより少ない量にする必要がある。理論空気量以上の場合、ＮＯx の濃度が増加する危険があるからである。
【０１２２】
リセスの位置は、バーナ部燃焼室内に燃料と酸素含有ガスの混合領域を確保する必要性から、バーナ部開放端からバーナ部燃焼室のほぼ半径の長さ以上上流に位置させることが望ましい。また、リセスの深さは、バーナ部燃焼室の内径の１／４０から１／１０程度、望ましくは１／２０程度、が望ましく、リセスの幅はリセスの深さの２倍程度が望ましい。
【０１２３】
なお、リセスは燃料と酸素含有ガスの混合状態を調整する目的で、２ヶ所以上に設けても良い。
【０１２４】
さらに、リセスのかわりに、あるいはリセスとともに、バーナ部燃焼室の内壁の一部またはリング状に凸部を設けても同様の効果がある。
【０１２５】
図１６は、本発明の第１５の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。図１１で説明した部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【０１２６】
この実施形態においては、バーナ部開放端部がノズル形状を有するものである。バーナ部開放端部をノズル形状にすることにより、開放端部近傍に乱流が形成され、燃料と酸素含有ガスの混合が促進されるとともに、火炉内への吹き出し速度が高くなることから、火炉内温度の均一化が促進される。その結果として、バーナ長を短くすることが可能になり、装置のコンパクト化に寄与する。さらに、火炉出口での低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が促進される。なお、ノズル形状部分の径は、バーナ部直径の２分の１程度とすることが好ましく、絞り部の傾斜部の仰角は約９０°が好ましい。また、ノズル先端部の形状は、円形に限ったものではなく、小判形あるいは長方形でも良い。
【０１２７】
【発明の効果】
本発明によれば、バーナ部からの安定した組成かつ温度分布の一次燃焼排ガスの供給、および非定常な高温の空気吹き出し、または排ガス流れにより、ボイラ火炉内の温度およびガス組成分布が平均化され、ボイラ火炉内での局所的な高低温部や酸素の過不足を防ぐことができ、燃焼に必要な最小限の空気量または燃料流量での燃焼が可能となり、燃焼に必要な空気量の上限または下限を拡張することができる。この結果として、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、システム全体のメンテナンス周期の延長、さらには長寿命化が図れる。さらに、高負荷燃焼が可能となるためボイラの小型化が可能となる。
【０１２８】
また、バーナ部は液体燃料用と気体燃料用のそれぞれ独立した燃料供給ノズルおよび酸素含有ガス吹き込みノズルを配設することにより、多様な燃料に対応可能となり、バーナ部の設置数を減らすことが可能となり、システム全体のコンパクト化に貢献する。さらに、バーナ部の火炎構造が単純であるため、燃料組成や流量が変動しても、火炎直径が自ら変化することにより追従し、燃焼の安定化に貢献する。
【０１２９】
さらに、酸素含有ガスおよび燃料を吹込むノズルの一方または双方に、ノズル絞り部の通路断面積を調整できる手段を有することにより、流量を変えずにバーナ部内での旋回速度を変化させ、これによって火炎直径および火炎長を変更することができる。
【０１３０】
さらに、バーナ部の排出口周辺の外周部から、高温空気吹き出し部との間に、ボイラ火炉内の排ガスを循環して吹き込む構造とすることにより、バーナ部の排出口周辺の冷却効果を有するとともに、ボイラ壁近傍でバーナ部の一次燃焼排ガスと、高温空気吹き出し部から吹き出される高温空気との急速燃焼を防止する。これにより、ボイラ火炉内での局所高温域または局所低温域の形成を抑制し、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化にさらに効果を有する。
【０１３１】
さらに、循環ガスを導入する配管の途中にエジェクタを設けることにより、バーナ部の燃焼室内またはボイラ火炉内の圧力変動に影響されることなく循環ガスの流量を調整することができる。これにより、火炉内での燃焼制御がより精密に可能となり、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が促進される。
【０１３２】
さらに、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前でこの燃料を熱分解する手段を有することにより、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が促進される。
【０１３３】
さらに、燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前でこの燃料に、Ｈ2 あるいはＨ2 含有燃料を添加することにより、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能となる。
【０１３４】
さらに、バーナ部燃焼室内にリセスまたは凸部のどちらか一方あるいは両方を有することにより、燃料と酸素含有ガスの混合が促進され、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能となる。
【０１３５】
さらに、バーナ部開放端部がノズル形状を有することにより、燃料と酸素含有ガスの混合が促進され、低ＮＯx 化、低ＳＰＭ化が図れ、かつシステムのコンパクト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本実施形態の一例としてボイラに適用する場合に好適な本発明の燃焼装置の側面を示す図である。
（ｂ）Ａ−Ａ矢視の断面図である。
（ｃ）燃焼装置の拡大図である。
【図２】（ａ）本発明の第１の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
（ｂ）Ｂ−Ｂ矢視の断面図である。
【図３】（ａ）本発明の第２の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
（ｂ）Ｃ−Ｃ矢視の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
【図７】本発明の第６の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
【図８】本発明の第７の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
【図９】（ａ）本発明の第８の実施形態に係るバーナ部を示す図である。
（ｂ）Ｄ−Ｄ矢視の断面図である。
（ｃ）Ｅ−Ｅ矢視の断面図である。
【図１０】（ａ）本発明の第９の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。
（ｂ）Ｆ−Ｆ矢視の断面図である。
【図１１】本発明の第１０の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。
【図１２】（ａ）本発明の第１１の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。
（ｂ）エジェクタの配置構成を示す図である。
【図１３】本発明の第１２の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。
【図１４】本発明の第１３の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。
【図１５】本発明の第１４の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。
【図１６】本発明の第１５の実施形態に係る燃焼装置の側面を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃焼装置
２ ボイラ火炉
３ 集塵器
４ ボイラ排ガス誘引ファン
５ 煙突
６ ４方バルブ
７ 押込ブロワ
８ バーナ部
９ａ，９ｂ 切替式高温空気吹き出し部
１０ 燃焼室
１０ａ 燃焼室の上流側の部分
１０ｂ 燃焼室の下流側の部分
１１ 酸素含有ガスを吹き込むノズル
１２ 液体燃料の噴射弁
１３ 点火プラグ
１４ 気体燃料ノズル
１５ 二重管状に形成された燃料吹込み部の外管
１６ 二重管状に形成された燃料吹込み部の内管
１７ 内管に設けられたスリット
１８ スペーサー
１９ スペーサーの駆動装置
２０ 加熱器
２１ 温度調節装置
２２ 温度計
２３ 流量調節弁
２４ 温度計
２５ 演算・制御器
２６ 流量調節計
２７ 流量調節計
２８ 冷却ジャケット
２９ 冷却ジャケットの外管
３０ 冷却ジャケットに酸素含有ガスを供給するノズル
３１ 冷却ジャケットの内側の燃焼室に設けられた開口
３５ 蓄熱体
４０ バーナ部を取付ける装置の鉄皮
４１ 鉄皮に内張りされた耐火物
５０ 管状の火炎
６０ 酸素含有ガス用ノズル
６１ 液体燃料用ノズル
６２ 熱交換器
６３ スリット幅調整治具
６４ 気体燃料用ノズル
６５ 酸素含有ガス用ノズル
６６ パイロットバーナ
６７ 失火検知器
６８ 循環ガスの吹き出し口
６９ 予蒸発室
７０ 配管
７１，７２ 混合器
７３ エジェクタ
７５ 排ガス配管
７６ 空気配管
７７ 切換バルブ
７８ リセス
８０ ヒーター
８１ プラズマ発生装置
Claims (11)
- 一端が炉内に開放され、他端部には管軸方向に沿ってスリットが形成された管状の燃焼室を有し、前記スリットには、先端部の形状が偏平でかつその開口面積が縮小された酸素含有ガスを吹き込むノズルが、そのガス吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように接続され、前記酸素含有ガスを吹き込むノズルが配置されている位置と同一の周面には、液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルが、その吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように接続され、前記酸素含有ガスを吹き込むノズル及び前記液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルから吹き出されるガスの燃焼室内壁近傍における旋回速度が火炎伝播速度を上回るように吹き込まれているバーナ部と、
該バーナ部開放端の近傍に高温空気吹き出し部を有することを特徴とする燃焼装置。 - 前記酸素含有ガスを吹き込むノズル及び液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルが配置されている位置より上流側に、吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように、気体燃料を吹き込むための気体燃料ノズルが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
- 前記酸素含有ガスおよび燃料を吹込むノズルの１以上に、ノズル絞り部の通路断面積を調整できる手段を有する請求項１又は２に記載の燃焼装置。
- 前記バーナ部開放端と、高温空気吹き出し部との間に、循環ガスの吹き出し口を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の燃焼装置。
- 前記循環ガスを導入する配管の途中にエジェクタを有する請求項１乃至４のいずれかに記載の燃焼装置。
- 前記燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前で該燃料をＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質する手段を有する請求項１乃至５のいずれかに記載の燃焼装置。
- 前記燃料をバーナ部の燃焼室内に吹き込む手前で該燃料に、Ｈ2 あるいはＨ2 含有燃料を添加する手段を有する請求項１乃至６のいずれかに記載の燃焼装置。
- 前記バーナ部燃焼室内にリセスまたは凸部のどちらか一方あるいは両方を有する請求項１乃至７のいずれかに記載の燃焼装置。
- 前記バーナ部開放端部がノズル形状を有する請求項１乃至８のいずれかに記載の燃焼装置。
- 一端が炉内に開放され、他端部には管軸方向に沿ってスリットが形成された管状の燃焼室を有し、前記スリットには、先端部の形状が偏平でかつその開口面積が縮小された酸素含有ガスを吹き込むノズルが、そのガス吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように接続され、前記酸素含有ガスを吹き込むノズルが配置されている位置と同一の周面には、液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルが、その吹き込み方向が燃焼室の内壁面のほぼ接線方向となるように接続され、前記酸素含有ガスを吹き込むノズル及び前記液体燃料を吹き込む噴射弁又はノズルから吹き出されるガスの燃焼室内壁近傍における旋回速度が火炎伝播速度を上回るように吹き込まれているバーナ部で管状の火炎を生成して一次燃焼を行い、該バーナ部から排出された一次燃焼ガスと、該バーナ部開放端の近傍に設けられた高温空気吹き出し部から吹き出される高温空気とで二次燃焼を行うことを特徴とする燃焼方法。
- 前記燃料を、ＣＯおよびＨ2 主体のガスに改質した後、バーナ部燃焼室内に吹き込むことを特徴とする請求項１０に記載の燃焼方法。
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