JP3702101B2 - ガス焚きバーナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンやディーゼルエンジンの排気又は大気のいづれをも燃焼用空気としてガス燃料を燃焼させることのできる排気再燃ガス焚きバーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばガスタービン排気は酸度濃度が１２〜１５％程度で温度は４００〜５５０℃であり、これをボイラなどにおけるバーナの燃焼用空気として使用することにより、ボイラの出力増加による高効率化、ＣＯ₂ 排出量の削減、さらにはガスタービン排気中のＮＯｘが燃焼によって還元され更なる低ＮＯｘができるなどの利点を達成できる。
【０００３】
従来、排気再燃ガス焚きバーナでは濃燃料ノズルを挟んで、排気を燃焼用空気として用いる淡燃料ノズルを配置した構造のものが使われている。一般に、濃燃料ノズルと淡燃料ノズルによって、それぞれ濃燃料火炎と淡燃料火炎を形成させるようにした、大気を燃焼用空気に使用したガス焚きバーナでは、燃料量の低下（燃焼用空気量も低下）に伴い、特に淡燃料ノズルにおいて火炎がバーナ内へ逆火する恐れがあった。
【０００４】
燃焼用空気としてガスタービン等の排気を使用する場合には、空気量が多く、バーナ内の空気流速も早いので逆火の傾向は少いが、燃焼用空気を排気から大気に切り換えた場合は空気量が低下して流速も遅くなるので逆火し易くなる。
【０００５】
一方、濃燃料ノズルが形成する濃燃料火炎は拡散炎であって前記したような逆火の恐れはないが、その着火性の優劣がバーナ全体の着火安定性を左右する。従来の排気再燃ガス焚きバーナでは濃燃料ノズルにおける保炎性能を確保するため点火トーチを使用するなどの手段を用いていた。そのため、濃燃料ノズルにおける着火安定性は点火トーチの性能に依存するものとなっており、点火トーチの使用で避けたい状況にあった。
【０００６】
本発明は、排ガスを燃焼用空気としてガス燃料を燃焼させるバーナにおいて広範囲な燃料量の増減に対応して安定した着火・燃焼性も確保でき、併せて、燃焼用空気として大気を使用するよう切換えた場合も逆火を起こさず、ガス燃料の燃焼を広範囲な燃料量の増減に対応して常に安定した着火・燃焼性のもとに行えるようにした排気再燃ガス焚きバーナを提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するため、濃燃料ノズルを挟んで淡燃料ノズルと補助排気ノズルを配置してなる排気再燃ガス焚きバーナにおいて、前記濃燃料ノズルは中央に空気吹出孔を有する保炎器の周りに燃料ノズルと排気供給通路を有し、前記淡燃料ノズルは内部に配置された燃料ノズル管から噴出された燃料を排気と混合して放出する予混合ノズルと周囲に排気噴出スリットを有し、前記補助排気ノズルは燃焼用空気として排気を使用する場合のみ本ノズルから排気を吹き込み、大気を使用する場合は本ノズルの過熱防止のために少量の大気を通気する排気再燃ガス焚きバーナを提供する。
【０００８】
このように構成した本発明の排気再燃ガス焚きバーナにおいては、濃燃料ノズルは保炎器を有し、その保炎器の周りから高速度で吹き込まれる燃焼用一次排気によって保炎器背面には渦流（負圧ゾーン）が形成される。保炎器の周りに配された濃燃料ノズルから噴出されたガス燃料はその一部が保炎器背面の渦流へ巻き込まれ、渦流内で保炎器中央の空気吹出孔から吹き出す空気流と混合して着火し、これによって自己保炎性のよい安定した濃燃料火炎を形成する。
【０００９】
一方、淡燃料ノズルでは、ノズル内部で噴出されたガス燃料が燃焼用二次排気と混合して予混合気が形成され、放出されて着火し、燃焼される。この予混合気は淡燃料ノズル出口部に設けられた噴出スリットから噴出される燃焼用二次排気によって淡燃料ノズルから噴出された直後の外周囲をシールされるのでノズル壁面との接触により生ずる予混合気表面の流速低下及び淀み部も無くなるので逆火が防止される。
【００１０】
以上のようにして、本発明の排気再燃ガス焚きバーナにおいては、濃燃料ノズルで保炎器によって自己保炎性のよい安定した着火が行われ、その濃燃料ノズルの両側で予混合気が逆火の恐れなく、良好に燃焼するのである。
【００１１】
また、本発明の排気再燃ガス焚きバーナにおいてガスタービン等の排気を燃焼用空気として使用する場合、それ等の排気は濃燃料、淡燃料及び補助の各コンパートメントへ夫々燃焼用一次排気、二次排気及び補助排気として送り込まれ、所定流速で炉内へ吹き込まれる。
【００１２】
排気の送気が不可能となり燃焼用空気を排気から大気へ切り換える場合は空気量が減少して各ノズルから吹き込まれる空気の流速が低下するので補助コンパートメントへの送気量を調節して濃燃料ノズル及び淡燃料ノズルからの吹き込み流速が排気使用時と変わらぬように出来るので常に良好な燃焼性を維持できて好ましい。
【００１３】
前記した本発明の排気再燃ガス焚きバーナにおいては、保炎器の中央における空気吹出孔は、保炎器の外面に沿って空気を吹き出すように構成すると、保炎器の周りの燃料ノズルから噴出される燃料ガスとの混合を良くして着火安定性を高めるので好ましい。
【００１４】
更にまた、保炎器中央の空気吹出孔内にフレームスキャナを配置すると、そこを流れる空気流によってフレームスキャナを冷却すると共に燃焼生成物がフレームスキャナに付着したりしてフレームの検知に障害を来たすことがないものとすることができる。
【００１５】
また、前記した本発明の排気再燃ガス焚きバーナにおいて濃燃料ノズルにおける燃料ノズルを保炎器の周縁に近接して取付けた構造にすると、燃料ノズルから噴出された燃料ガスが保炎器により着火し易くなって保炎性を高める上で好ましい。
【００１６】
もし、この燃料ノズルが保炎器の周りから離れて保炎器周縁との間に隙間があるときは、その隙間をガスプロテクタで塞いで、燃料ノズルから噴出された燃料の一部が、保炎器の方に流れるのを、その隙間を流れる燃焼空気によって妨げられないようにすると保炎器における保炎機能を高める上で好ましい。
【００１７】
また、本発明による排気再燃ガス焚きバーナにおいて、濃燃料ノズルにおける燃料噴出口の一部を保炎器の方向に向けて設けた構造にするのが保炎器上における燃料の着火を安定して行わせる上で好ましい。
【００１８】
更にまた、本発明による排気再燃ガス焚きバーナにおいては、その淡燃料ノズルにおける燃料ノズル管の前後方向位置を調節可能な構成にすると予混合気の形成状態を調節できるものとなって好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による排気再燃ガス焚きバーナを図示した実施の形態に基づいて具体的に説明する。図１において、ガスタービン或いはディーゼルエンジンから図示されていない風道を通して送られて来た排気はバーナへ入るが、バーナ内は中心部の濃燃料コンパートメント３４を挟んで淡燃料コンパートメント３５、更にその上下に補助コンパートメント３６があって排気は濃燃料コンパートメント３４には燃焼用一次排気３７、淡燃料コンパートメント３５には燃焼用二次排気３８、補助コンパートメント３６には燃焼用補助排気３９として送り込まれる。
【００２０】
ついで、図１、図２により、本実施形態による排気再燃ガス焚きバーナの全体構造を説明する。図１及び図２において、１は濃燃料ノズルで、この濃燃料ノズル１を挟んで淡燃料ノズル２と補助排気ノズル３３が配置されている。
【００２１】
濃燃料ノズル１の構造を図２に拡大して示してあり、これについて説明する。濃燃料ノズル１の中心には保炎器支持管３があり、その先端に保炎器４が取り付けられている。保炎器４は朝顔形で中央に開口５が設けられるとともに半径方向に８本のスリット６が形成されている。
【００２２】
保炎器支持管３は、中空でその先端に空気吹出口７があり、この空気吹出口７から空気を噴出するよう空気源に連絡されている。また、保炎器支持管３の中にはフレームスキャナ（図示していない）が収納されていて保炎器支持管３内を流れる空気流で冷却されるようになっている。
【００２３】
保炎器支持管３の外側に燃料導管８があり、燃料導管８の先端からは６本の燃料ノズル管９が保炎器４のまわりに伸びている。各燃料ノズル管９の先端にはそれぞれ６個の燃料噴出口１０をもつ燃料ノズル１１が設けられている。燃料導管８と燃料ノズル管９の外側を囲んで一次排気ノズル１２が設けられ、この一次排気ノズル１２と燃料導管８及び燃料ノズル管９の間を燃焼用一次排気３７が流れる。
【００２４】
濃燃料ノズル１は以上の構成を有しており、燃料導管８によって導かれたガス燃料は、燃料ノズル管９、燃料ノズル１１を通って燃焼炉内に噴出される。噴出された燃料の一部は、保炎器４の周りから吹き込まれる一次排気によって保炎器４背面に形成された渦流（負圧ゾーン）へ巻き込まれ、保炎器４の中心から噴出される空気流と渦流内で混合して着火し燃料ノズル１１から噴出される燃料全体を燃焼させる。
【００２５】
次に、淡燃料ノズル２の構造を図３に拡大して示してあり、これについて説明する。図３において１３は燃料管であり、この燃料管１３にはヘダー管１４を介して４本の燃料ノズル管１５が連絡されている。各燃料ノズル管１５には、上下にそれぞれ複数個の燃料噴出口１６が形成されている。
【００２６】
１７は二次排気ノズルで、ガスタービン或はディーゼルエンジンからの排気を導き、燃料ノズル管１５の燃料噴出口１６から噴出される燃料と混合させ、形成された予混合気を先端から放出する。なお、図３の（ａ）に矢印で示すように、二次排気ノズル１７内における燃料ノズル管１５の前後位置を調整可能な構造とし、二次排気ノズル１７の先端から所望状態に混合された予混合気を放出させるようにすることが好ましい。
【００２７】
１８はシール用側壁で、二次排気ノズル１７との間に排気を導き、先端のスリット２０から二次排気３８の薄膜流を放出させ、淡燃料ノズル２から放出直後の予混合気を燃焼炉内で周囲からシールし、淡燃料ノズル２における逆火を防ぐ。なお、シール用排ガス量は、全排ガス量の５〜１０％である。
【００２８】
図１〜図３に示す排気再燃ガス焚きバーナは以上の構造を有し、濃燃料ノズル１では、燃料ノズル１１から噴出されたガス燃料が保炎器４で着火し拡散炎を形成して燃焼する。一方、濃燃料ノズルを挟んで配設されている淡燃料ノズル２からは、燃料ノズル管１５から噴出されて排ガスと混合された予混合気が放出され、前記した濃燃料ノズルが形成している拡散炎により着火され燃焼する。
【００２９】
このように、図１〜図３のバーナでは、濃燃料ノズル１において、保炎器４の周りに配置された燃料ノズル１１から噴出される燃料を確実に着火させて自己保炎性の良い燃焼炎を形成させ、その濃燃料ノズル１を挟んで配置された淡燃料ノズル２からは、周りをスリット２０から噴出される排気によってシールされた予混合気を放出させ、その逆火燃焼を防ぎつつ安定した燃焼を行わせる。こうして着火安定性が良く、逆火防止が確実に行われた排気再燃ガス焚きバーナが提供される。
【００３０】
以上、本発明による排気再燃ガス焚きバーナを実施の一形態について説明したが、本発明による排気再燃ガス焚きバーナは種々の変形を加えることができる。以下、それらのいくつかについて具体的に説明する。まず、図４に示す濃燃料バーナの変形例について説明する。
【００３１】
図４において、２１はキャップで、保炎器支持管３の先端に覆されている。保炎器支持管の先端には、中心の空気吹出口７と周囲の空気孔２２が形成されている。キャップ２１は２重管になっていて、中心の管は空気吹出口７と連通されている。一方、２重管の環状空間は空気孔２１と連通している。
【００３２】
キャップ２１の周囲には６個の空気放出孔２３が設けられ、空気孔２２から流れて来た空気を保炎器４の外面に沿わせて放出する。なお、図において１９は保炎器支持管３内に配置されたフレームスキャナを示している。その他の構成は図２に示した濃燃料ノズルの構成と同じである。
【００３３】
前記した構成を持つ図４の濃燃料ノズルにおいて、保炎器支持管３内を流れて来た空気は、フレームスキャナ１９を冷却して保炎器支持管３の先端の空気孔２２からキャップ２１の環状空間に入り、その周囲の空気放出孔２３から保炎器４の外面に沿って流れる。これによって保炎器４の外面に形成される渦流における酸素濃度が増加し、燃料ノズル１１から噴出された燃料ガスの一部を巻き込んでその着火安定性を増すことができる。
【００３４】
次に、図５に示す変形例について説明する。図５において、３０は空気吹出管で、保炎器支持管３の先端に取付けられている。空気吹出管３０は保炎器支持管３の先端中心の空気吹出口７から供給された空気を空気吹出管３０の中心軸に対し直角方向に保炎器４の外面に向け放出するように空気吹出孔３１が形成されている。一方、燃料ノズル１１は保炎器４の周囲に保炎器４の周縁に近接した状態で配置されている。その他の部分の構成は先の実施形態のものと同じなので説明を省略する。
【００３５】
図５に示した排気再燃ガス焚きバーナでは、燃料ノズル１１においては、燃料ノズル１１が保炎器４の周縁に近接して配置されているので、燃料ノズル１１と保炎器４の間に排気が流れず、燃料ノズル１１から噴出された燃料の一部は保炎器４の内側に巻き込まれ易くなる。また、保炎器支持管３によって導かれた空気は空気吹出管３０によって保炎器４の外面に沿って流されて前記した燃料の一部の着火を安定して行わせることとなる。
【００３６】
次に、図６に示す変形例について説明する。図６に示すバーナでは、燃料ノズル１１が保炎器４の周縁から間隔をおいて配置されており、各燃料ノズル１１と保炎器４の周縁との間の隙間を塞ぐようにガスノズルプロテクタ３２が取付けられている。その他の構成は図５に示すバーナと同じである。
【００３７】
図６に示すバーナでは、燃料ノズル１１を保炎器４のまわりに間隙を置いて配設されているが、その間隙をガスノズルプロテクタ３２によって塞いでいるので、燃料ノズル１１と保炎器４の間を排気が流れず、図５に示したバーナと同様、燃料ノズル１１から噴出される燃料の一部を保炎器４の内面に流れ易くし着火安定性を向上させている。
【００３８】
以上、本発明による排気再燃ガス焚きバーナを実施形態に基づいて具体的に説明したが、いづれの実施形態においても、保炎器支持管３内に空気を供給する以外は、濃燃料ノズル１における一次排気ノズル１２、および淡燃料ノズル２における二次排気ノズル１７、シール用側壁１８内にはガスタービン等の排気を供給し燃焼用空気として用いる場合について説明したが、これらの燃焼用排気を通常の大気に切換えて燃焼させることもできる。
【００３９】
即ち、本発明のバーナは排気再燃ガス焚きではあるが、排気を使うガスタービンやディーゼルエンジンが停止された状態等でも通常の大気を使って燃焼させることもできる。
【００４０】
図７は排気、大気切換系統図を示したものである。ガスタービン或いはディーゼルエンジンから送られていた排気が何らかの事情により停止した場合でもボイラの運転は継続する必要があるため燃焼用空気はボイラ側の送風設備（図示されていない）から大気が送り込まれて来る。
【００４１】
図７において図示されていない風道の途中には相互に逆の開閉動作をする排気、大気切換装置４５が装着されていて、事前に発信される排気の送気停止の信号を受けて自動的に作動を開始し、最終的には排気側が全閉され、大気側が全開して完全に大気の送気に切り換わる。
【００４２】
送られて来た大気は共通風箱４０からバーナ内の濃燃料コンパートメント３４、淡燃料コンパートメント３５及び補助コンパートメント３６へ分配され、夫々一次排気ノズル１２、二次排気ノズル１７及び補助排気ノズル３３からボイラ火炉内へ噴出される。しかし、大気は含有酸素濃度（約２１％）が排気（約１２〜１５％）に比べて多いため燃焼用空気流量（容積）としては減少（温度も低い）する。このため噴出速度が低下して燃焼性劣化及び淡燃料ノズル２内への逆火の可能性が高くなる。
【００４３】
本発明では燃焼用空気流量減少による燃焼性劣化と淡燃料ノズル２内への逆火を防止するため大気へ切り換えた際には共通風箱４０圧力と火炉圧力（図示されていない）を測定して風箱〜火炉差圧調節装置４４により補助排気調節ダンパ４３を作動し、燃焼用補助排気（大気）３９流量を減少させて、風箱〜火炉差圧を常時、排気使用時と同一になるよう調節する。この結果、一次排気ノズル１２と二次排気ノズル１７からの大気噴出速度を排気使用じと同様の維持が可能となり燃焼性劣化及び逆火が防止できるので好ましい。
【００４４】
また、前記した実施形態では、濃燃料ノズル１における燃料ノズル１１に設けられた燃料噴出口１０は、燃料ノズル１１の先端から真直ぐに燃料ガスを噴出するものとして説明したが、燃料噴出口１０の一部を保炎器４の外面向きに燃料ガスを噴出するように形成させると、保炎器４における燃料ガスの巻き込むが良くなり着火安定性を増す効果がある。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の排気再燃ガス焚きバーナは濃燃料ノズルを挟んで淡燃料ノズルと補助排気ノズルを配置してなる排気再燃ガス焚きバーナにおいて、濃燃料ノズルは中央に空気吹出孔を有する保炎器の周りに燃料ノズルと排気供給路を有し、淡燃料ノズルは内部に配置された燃料ノズル管から噴出された燃料を排気と混合して放出する予混合ノズルと周囲に排気噴出スリットを設けた構造としたものである。
【００４６】
このバーナによれば、濃燃料ノズルでは保炎器の中央の空気吹出孔から吹出される空気により、保炎器外面での酸素濃度が高くなり、保炎器のまわりの燃料ノズルから噴出されて保炎器の外面に巻き込まれた燃料ガスの安定した着火を維持する。
【００４７】
また、淡燃料ノズルからは排気と混合されて放出される予混合気が周りを排気の膜流でシールされ逆火を防止される。このように本発明によれば着火安定性が良く、かつ、逆火を防止された排気再燃ガス焚きバーナが提供される。
【００４８】
また、本発明のバーナにおいて、保炎気中央の空気吹出孔を保炎器の外面に沿う方向に空気を吹き出すように設けた構造としたものでは保炎器外面での酸度濃度を高め燃料ガスの着火安定性を増す効果がある。
【００４９】
また、本発明のバーナにおいて、濃燃料ノズルにおける燃料ノズルを保炎器の周縁に近接して配置したり、保炎器周縁との間隙を塞ぐことにより、或いは、燃料ノズルにおける燃料噴出口の一部を保炎器の外面向きに設けたものとすることにより着火安定性を増す効果を奏する。
【００５０】
更にまた、本発明のバーナにおいて、保炎器支持管の内部にフレームスキャナを配置することによりフレームスキャナは保炎器支持管内を流れる空気流によって冷却されるとともにダスト類の付着が防がれ、フレームスキャナの作動を確実なものとすることができる。
【００５１】
また、本発明のバーナにおいて、淡燃料ノズル内でガス燃料を噴出する燃料ノズル管の軸方向位置を調節可能としたものでは淡燃料ノズルにおける予混合気形成を所望の状態で行うことのできるものとなる効果がある。
【００５２】
更にまた、本発明のバーナにおいて、燃焼用空気として排気以外に流量減少を伴う大気を使用しての燃焼も変わらぬ燃焼性の維持が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態によるガス焚きバーナの構造を示す図面で（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ矢視図。
【図２】図１のガス焚きバーナにおける濃燃料バーナの構造を拡大して示す図面で（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ矢視図。
【図３】図１のガス焚きバーナにおける淡燃料バーナの構造を拡大して示す図面で（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ矢視図。
【図４】本発明の実施の一形態によるガス焚きバーナにおける濃燃料バーナの変形例を示す図面で（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線に沿う断面図。
【図５】本発明の実施の一形態によるガス焚きバーナにおける濃燃料バーナの他の変形例を示す図面で（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図。
【図６】本発明の実施の一形態によるガス焚きバーナにおける濃燃料バーナの更に他の変形例を示す図面で（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図。
【図７】本発明の実施の一形態によるガス焚きバーナにおける排気、大気切換系統図。
【符号の説明】
１ 濃燃料ノズル
２ 淡燃料ノズル
３ 保炎器支持管
４ 保炎器
５ 開口
６ スリット
７ 空気吹出孔
８ 燃料導管
９ 燃料ノズル管
１０ 燃料噴出口
１１ 燃料ノズル
１２ 一次排気ノズル
１３ 燃料管
１４ ヘダー管
１５ 燃料ノズル管
１６ 燃料噴出口
１７ 二次排気ノズル
１８ シール用側壁
１９ フレームスキャナ
２０ スリット
２１ キャップ
２２ 空気孔
２３ 空気放出孔
３０ 空気吹出管
３１ 空気吹出孔
３２ ガスプロテクタ
３３ 補助排気ノズル
３４ 濃燃料コンパートメント
３５ 淡燃料コンパートメント
３６ 補助コンパートメント
３７ 燃焼用一次排気
３８ 燃焼用二次排気
３９ 燃焼用補助排気
４０ 共通風箱
４１ 一次排気調節ダンパ
４２ 二次排気調節ダンパ
４３ 補助排気調節ダンパ
４４ 風箱〜火炉差圧調節装置
４５ 排気、大気切換装置

Claims (8)

1. 濃燃料ノズルを挟んで淡燃料ノズルと補助排気ノズルを配置してなるガス焚きバーナにおいて、前記濃燃料ノズルは中央に空気吹出孔を有する保炎器の周りに燃料ノズルを有するとともに排気供給通路を有し、前記淡燃料ノズルは内部に配置された燃料ノズル管から噴出された燃料を排気と混合して放出する予混合ノズルとその周囲に排気噴出スリットを有することを特徴とするガス焚きバーナ。
2. 前記保炎器中央の空気吹出孔は同保炎器の面に沿う空気流を吹き出すように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のガス焚きバーナ。
3. 前記保炎器中央の空気吹出孔にフレームスキャナを配置したことを特徴とする請求項１に記載のガス焚きバーナ。
4. 前記濃燃料ノズルにおける燃料ノズルが前記保炎器の周縁に近接して取付けてあることを特徴とする請求項１に記載のガス焚きバーナ。
5. 前記濃燃料ノズルにおける燃料ノズルと前記保炎器の周縁との間の間隙をガスプロテクタで塞いだことを特徴とする請求項１に記載のガス焚きバーナ。
6. 前記濃燃料ノズルにおける燃料ノズルの燃料噴出口の一部を前記保炎器の方向に向けて設けたことを特徴とする請求項１に記載のガス焚きバーナ。
7. 前記淡燃料ノズルにおける燃料ノズル管の前後方向位置を調節可能としたことを特徴とする請求項１に記載のガス焚きバーナ。
8. 燃焼用空気として使用している排気を大気に切換えた際、前記濃燃料ノズル及び淡燃料ノズルからの大気噴出速度を排気使用時と変わらぬ燃焼を維持出来る状態に調節可能なことを特徴とする請求項１に記載のガス焚きバーナ。

Images