JP3715496B2

JP3715496B2 - 低ＮＯｘバーナ

Info

Publication number: JP3715496B2
Application number: JP2000039846A
Authority: JP
Inventors: 聡永山; 伸雫石
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2020-02-17
Also published as: JP2001227710A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、低ＮＯｘバーナに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ボイラや冷温水発生装置等に使用されるガスバーナにおいては、燃焼の際に発生するＮＯｘの低減を図ることが重要な課題である。
【０００３】
このＮＯｘの低減を図る技術には、(1)濃淡燃焼，(2)燃料または酸化剤の多段燃焼, (3)予混合希薄燃焼,(4)燃焼ガスの再循環（ＥＧＲ），(5)蒸気または水噴霧等の技術があり、従来の多くの低ＮＯｘバーナにおいては、これらの技術を単独で利用したりまたは組み合わせて利用する機構を備えることによって、低ＮＯｘ化が図られている。
【０００４】
現在、最もＮＯｘ排出濃度の規制が厳しいのはボイラや冷温水発生装置等に使用される燃焼機器であり、例えば、東京都の低ＮＯｘ認定基準は、ＮＯｘの排出濃度が６０ｐｐｍ（Ｏ₂=０%換算値（以下同じ））以下になっている。
【０００５】
このため、最近の低ＮＯｘバーナは、この東京都の低ＮＯｘ認定基準である６０ｐｐｍ以下を目標として低ＮＯｘ化を達成するように設計されており、そのほとんどが、４０〜６０ｐｐｍ程度のＮＯｘの排出濃度で燃焼を行う。
【０００６】
ここで、従来のボイラのなかには、バーナの構造によって低ＮＯｘ化を実現するのではなく、２次側である水管によって火炎を冷却することにより、ＮＯｘの排出濃度を３５ｐｐｍに抑えているボイラがある。
【０００７】
しかしながら、このような火炎を冷却することによって低ＮＯｘ化を図る技術は、二次側に水管などの火炎を冷却するための構造を備える必要があるので、ボイラや冷温水発生装置以外のプロセスヒータには利用することはできない。
【０００８】
これまで、バーナの構造のみによってＮＯｘの排出濃度を３５ｐｐｍ以下に抑えることができるものはなく、従来から、低ＮＯｘ化をさらに達成することが出来るとともに、ボイラや冷温水発生装置以外にも広く使用することが出来る低ＮＯｘバーナの開発が待たれていた。
【０００９】
この発明は、上記のような低ＮＯｘバーナに対する従来からの要望に応えるために為されたものである。
すなわち、この発明は、バーナの構造のみによって従来よりもさらに低ＮＯｘ化を図ることが出来る低ＮＯｘバーナを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明による低ＮＯｘバーナは、上記目的を達成するために、燃料と酸化剤が混合された予混合気を噴射するノズル部材と、このノズル部材から噴射される予混合気に対してその噴射方向と交差する方向に予混合気または酸化剤を噴射する保炎部材とを備えており、さらに、燃料を酸化剤とは別個に供給する燃料供給部材を備えていて、この燃料供給部材から供給される燃料を前記ノズル部材および保炎部材から噴射する直前に酸化剤と混合することを特徴としている。
【００１１】
この第１の発明による低ＮＯｘバーナは、この低ＮＯｘバーナに供給される燃料と空気等の酸化剤との予混合気をノズル部材から高速で噴射し、炉内において燃焼ガスを誘引して自己排ガス再循環を行う。
【００１２】
そして、このノズル部材から噴射される予混合気に対して、その噴射方向の下流側において、保炎部材から予混合気または酸化剤を、噴射方向が互いに交差する方向に吹き付ける。
【００１３】
これによって、ノズル部材から噴射される予混合気と保炎部材から噴射される予混合気または酸化剤とがぶつかる部分の周辺部に渦流が発生され、この渦流が着火源になって保炎されることにより、バーナが継続的な燃焼を維持する。
【００１４】
さらに、この低ＮＯｘバーナは、ノズル部材および保炎部材から噴射される予混合気の混合を、燃料が燃料供給部材から酸化剤とは別個に供給されることによって、ノズル部材および保炎部材からの噴射の直前に行う。
【００１５】
従って、上記第１の発明によれば、保炎が炉壁から離れた位置において所謂リフト火炎気味に穏やかに行われることによって火炎温度が低下するので、これによってＮＯｘの排出濃度を低下させることが出来るとともに、燃焼の際に、万一、逆火が発生した場合でも、予混合気の混合がノズル部材および保炎部材から噴射される直前に行われるので、火炎がバーナ内に深く進行するのが防止される。
【００１６】
第２の発明による低ＮＯｘバーナは、前記目的を達成するために、第１の発明の構成に加えて、前記燃料供給部材が、ノズル部材と保炎部材に連通された予混合気チャンバ内に配置され、この燃料供給部材によって供給される燃料と予混合気チャンバ内に供給される酸化剤とがこの予混合気チャンバ内において混合されることを特徴としている。
【００１７】
この第２の発明による低ＮＯｘバーナによれば、ノズル部材および保炎部材から噴射される予混合気の混合が、このノズル部材および保炎部材に予混合気を供給する予混合気チャンバ内に燃料供給部材から燃料が直接供給されることによって、この予混合気チャンバ内で行われる。
【００１８】
従って、万一、逆火が発生した場合でも、その燃焼が予混合気チャンバから先に進行するのが防止される。
【００１９】
第３の発明による低ＮＯｘバーナは、前記目的を達成するために、第１の発明の構成に加えて、前記燃料供給部材が、ノズル部材の噴射口と保炎部材の噴射口の付近にそれぞれ開口する燃料噴射口を備え、このノズル部材の噴射口と保炎部材の噴射口の付近において、それぞれ、燃料供給部材から供給される燃料がノズル部材と保炎部材に供給される酸化剤と混合されることを特徴としている。
【００２０】
この第３の発明による低ＮＯｘバーナによれば、ノズル部材および保炎部材から噴射される予混合気の混合が、このノズル部材と保炎部材のそれぞれの噴射口の付近に燃料供給部材から燃料が直接供給されることによって、このノズル部材と保炎部材のそれぞれの噴射口の付近において行われる。
従って、万一、逆火が発生した場合でも、その燃焼がノズル部材と保炎部材のそれぞれの噴射口の付近から先に進行するのが防止される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の最も好適と思われる実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明を行う。
【００２２】
ここで、この発明の実施形態について説明を行う前に、ＮＯｘの排出とバーナの火炎との関係を説明する。
先ず、ＮＯｘの低減を図るためには、火炎の温度を低く抑えることが重要である。
【００２３】
しかしながら、ＮＯｘと保炎との関係を見てみると、保炎を良くすればするほど火炎内に局所的に高温域が発生して、ＮＯｘの排出濃度が高くなり、また逆に保炎を悪くすると、ＮＯｘは低くなるが、保炎を悪くすることによって一酸化炭素の発生や振動燃焼，失火等を招く虞があり、このため、保炎を悪くしてＮＯｘを低減するには限界がある。
このように、ガスバーナにおける保炎は、バーナの低ＮＯｘ化を図るための大きな要素である。
【００２４】
図１および２は、上記のようなバーナの保炎とＮＯｘの排出濃度との関係に着目して構成された新規な低ＮＯｘバーナの構造を示すものであって、この発明による低ＮＯｘバーナの基本的構造を為すものである。
【００２５】
先ず、この図１および２の低ＮＯｘバーナについて説明を行うと、この低ＮＯｘバーナ１０は、炉壁Ｈに取り付けられる円筒状の本体ケーシング１１の前面中央部に、中空状の保炎パイプ１２が、本体ケーシング１１の前面から前方に突出しかつ本体ケーシング１１と同軸になるように、一体的に取り付けられている。
【００２６】
この本体ケーシング１１の内部には、予混合気チャンバ１１Ａが形成されており、この予混合気チャンバ１１Ａには、本体ケーシング１１の後部に形成された接続口１１Ｂが連通されている。
【００２７】
保炎パイプ１２は、その先端面が閉じられていて、内部が本体ケーシング１１の予混合気チャンバ１１Ａ内に連通されている。
そして、保炎パイプ１２の先端部外周面に、保炎パイプ１２の内外を連通し軸線が保炎パイプ１２の径方向に延びる保炎用二次ノズル１２Ａが、等角度間隔位置に複数個形成されている。
【００２８】
本体ケーシング１１の前面の保炎パイプ１２を囲む周縁部には、等角度間隔位置に、本体ケーシング１１の軸線方向と平行に延びる複数のメインノズル１３が、本体ケーシング１１に対して一体的に取り付けられている。
【００２９】
このメインノズル１３には、本体ケーシング１１の軸線方向と平行に延びる予混合気噴射孔１３Ａが形成されている。
なお、メインノズル１３の長さは保炎パイプ１２の長さよりも短く、その先端開口部が、保炎パイプ１２の保炎用二次ノズル１２Ａが形成されている位置よりも本体ケーシング１１側に位置されている。
【００３０】
この低ＮＯｘバーナ１０は、図３に示されるように、本体ケーシング１１の接続口１１Ｂに給気ブロワＢがミキサＭを介して接続されて、予混合気チャンバ１１Ａ内に、ミキサＭにおいてガス等の燃料と空気等の酸化剤が混合された予混合気が供給される。
【００３１】
そして、この予混合気チャンバ１１Ａに供給された燃料と酸化剤の予混合気は、メインノズル１３から高速で本体ケーシング１１の軸線方向と平行に噴射されて、炉内の燃焼ガスＥＧを誘引して巻き込みながら、保炎パイプ１２の保炎用二次ノズル１２Ａと対向する位置に到達する。
【００３２】
このとき、保炎パイプ１２の保炎用二次ノズル１２Ａからは、予混合気チャンバ１１Ａ内の予混合気が保炎パイプ１２の径方向、すなわち、メインノズル１３の予混合気噴射孔１３Ａの軸線方向に対して直角向きに噴射されている。
【００３３】
これによって、保炎用二次ノズル１２Ａと対向する位置において、燃焼ガスＥＧを巻き込んだ予混合気に対して、保炎用二次ノズル１３から噴射された予混合気がほぼ直角向きに吹き付けられることにより、その周辺部に渦流ｗが発生される。
そして、この渦流ｗが着火源になって保炎されることにより、バーナの継続的な燃焼が維持される。
【００３４】
このように、上記低ＮＯｘバーナ１０によれば、メインノズル１３から噴射される予混合気が炉内の燃焼ガスを巻き込んで混合した後に燃焼することによって予混合気中の酸素濃度が低下することに加えて、保炎が炉壁Ｈから離れた位置において所謂リフト火炎気味に穏やかに行われるので、火炎温度がさらに低下する。
【００３５】
これによって、低ＮＯｘバーナ１０は、空気中に排出される排ガス中のＮＯｘ濃度を、従来のガスバーナに比べてはるかに低下させることができ、バーナによる燃焼のみによって、排ガス中のＮＯｘ濃度を１０ｐｐｍ以下（Ｏ₂＝０％換算値）にすることが出来るようになる。
【００３６】
また、メインノズル１３から噴射される予混合気に対して保炎用二次ノズル１２Ａから予混合気または酸化剤を吹き付ける角度は、両者がぶつかる部分において渦流が形成されるような角度であれば任意に設定することが出来るが、この角度がほぼ直角に設定されることによって渦流の発生が促進され、これによって、排ガス中のＮＯｘ濃度をさらに低下させることが出来るようになる。
【００３７】
以上のように、この新たに提案された低ＮＯｘバーナ１０は、排ガス中のＮＯｘ濃度の低下を効率的に実現させることができ、さらに、予混合気を高速で噴出するとともに赤熱する部分がないために、逆火が発生する虞はほとんど無い。
しかしながら、使用状況によっては逆火が懸念される場合もあるので、この逆火を防止するための安全対策が必要である。
【００３８】
図４は、この逆火を防止するための構造を備えたこの発明による低ＮＯｘバーナの実施形態における第１の例を示している。
この例における低ＮＯｘバーナ２０の本体ケーシング２１，保炎パイプ２２，メインノズル２３等の基本的構成は、図１の低ＮＯｘバーナ１０とほぼ同様である。
【００３９】
この低ＮＯｘバーナ２０は、この基本的構成に加えて、さらに下記の構成を備えている。
すなわち、本体ケーシング２１の予混合気チャンバ２１Ａ内に、外周面に多数のガス孔２５Ａが形成された中空円盤形状のガスチャンバ２５が挿入されている。
そして、このガスチャンバ２５に、本体ケーシング２１の後方から予混合気チャンバ２１Ａ内に嵌入されたガス供給パイプ２５Ｂが接続されている。
【００４０】
この低ＮＯｘバーナ２０においては、保炎パイプ２２の保炎用二次ノズル２２Ａおよびメインノズル２３から噴射される予混合気の混合が、予混合気チャンバ２１Ａ内において、本体ケーシング２１の接続口２１Ｂに接続された給気ブロワＢから供給される空気と、ガス供給パイプ２５Ｂからガスチャンバ２５内に供給されてそのガス孔２５Ａから予混合気チャンバ２１Ａ内に噴出されるガスとによって行われる。
【００４１】
以上のように、上記低ＮＯｘバーナ２０においては、ガスと空気との混合が、保炎パイプ２２およびメインノズル２３に近い予混合気チャンバ２１Ａ内において行われるように設定されていることによって、万一、逆火が発生した場合でも、その燃焼が予混合気チャンバ２１Ａ内のガスチャンバ２５の位置から先に進行するのが防止される。
【００４２】
図５は、逆火を防止するための構造を備えたこの発明による低ＮＯｘバーナの実施形態における第２の例を示している。
この例における低ＮＯｘバーナ３０の本体ケーシング３１，保炎パイプ３２，メインノズル３３等の基本的構成は、第１の例の低ＮＯｘバーナ１０とほぼ同様である。
【００４３】
この低ＮＯｘバーナ３０は、この基本的構成に加えて、さらに下記の構成を備えている。
すなわち、本体ケーシング３１に、その後方から予混合気チャンバ３１Ａ内に挿入され、この予混合気チャンバ３１Ａ内を通過して、先端部が保炎パイプ３２の先端部に位置されるガス供給パイプ３５が取り付けられている。
【００４４】
このガス供給パイプ３５の先端部には、保炎パイプ３２の先端部に形成された保炎用二次ノズル３２Ａとそれぞれ対向する位置に、複数のガス口３５Ａが形成されている。
【００４５】
ガス供給パイプ３５には、さらに、予混合気チャンバ３１Ａ内においてガス供給パイプ３５から分岐する分岐管３５’が接続されており、この分岐管３５’の数は、メインノズル３３と同数になるように構成されている。
【００４６】
そして、この分岐管３５’の先端部のガス口３５Ａ’は、それぞれ、各メインノズル３３の基端部分の内側に開口されている。
【００４７】
この低ＮＯｘバーナ３０においては、保炎パイプ３２の保炎用二次ノズル３２Ａおよびメインノズル３３から噴射される予混合気の混合が、本体ケーシング３１の接続口３１Ｂに接続された給気ブロワＢから供給される空気と、ガス供給パイプ３５から供給されてそれぞれガス口３５Ａおよび３５Ａ’から噴出されるガスとによって、保炎用二次ノズル３２Ａおよびメインノズル３３から噴射される直前に行われる。
【００４８】
従って、万一、逆火が発生した場合でも、その燃焼が保炎用二次ノズル３２Ａやメインノズル３３内において、ガス供給パイプ３５のそれぞれガス口３５Ａ，３５Ａ’から先に進行するのが防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構造を示す側断面図である。
【図２】同基本構造の正面図である。
【図３】同基本構造の低ＮＯｘバーナにおける保炎状態を示す動作説明図である。
【図４】本発明の実施形態における第１の例を示す側断面図である。
【図５】本発明の実施形態における第２の例を示す側断面図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０ …低ＮＯｘバーナ
１１，２１，３１ …本体ケーシング
１１Ａ，２１Ａ，３１Ａ …予混合気チャンバ
１１Ｂ，２１Ｂ，３１Ｂ …接続口
１２，２２，３２ …保炎パイプ（保炎部材）
１２Ａ，３２Ａ …保炎用二次ノズル（噴射口）
１３，２３，３３ …メインノズル（ノズル部材）
１３Ａ，３３Ａ …予混合気噴射孔（噴射口）
２５ …ガスチャンバ（燃料供給部材）
２５Ａ …ガス孔（燃料供給部材）
２５Ｂ …ガス供給パイプ（燃料供給部材）
３５ …ガス供給パイプ（燃料供給部材）
３５Ａ …ガス口（燃料噴射口）
３５’ …分岐管（燃料供給部材）
３５Ａ’ …ガス口（燃料噴射口）
Ｂ …給気ブロワ
Ｍ …ミキサ
ｗ …渦流
ＥＧ …排ガス
Ｈ …炉壁

Claims

燃料と酸化剤が混合された予混合気を噴射するノズル部材と、このノズル部材から噴射される予混合気に対してその噴射方向と交差する方向に予混合気または酸化剤を噴射する保炎部材とを備えており、さらに、燃料を酸化剤とは別個に供給する燃料供給部材を備えていて、この燃料供給部材から供給される燃料を前記ノズル部材および保炎部材から噴射する直前に酸化剤と混合することを特徴とする低ＮＯｘバーナ。
前記燃料供給部材が、ノズル部材と保炎部材に連通された予混合気チャンバ内に配置され、この燃料供給部材によって供給される燃料と予混合気チャンバ内に供給される酸化剤とがこの予混合気チャンバ内において混合される請求項１に記載の低ＮＯｘバーナ。
前記燃料供給部材が、ノズル部材の噴射口と保炎部材の噴射口の付近にそれぞれ開口する燃料噴射口を備え、このノズル部材の噴射口と保炎部材の噴射口の付近において、それぞれ、燃料供給部材から供給される燃料がノズル部材と保炎部材に供給される酸化剤と混合される請求項１に記載の低ＮＯｘバーナ。