JP3835955B2 - 加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス燃料を吐出部に導く燃料導入管を備えるとともに、前記吐出部において、前記燃料導入管により導入される前記ガス燃料と燃焼用酸素含有ガスと混合して燃焼させる全一次空気式バーナに関するとともに、このような全一次空気式のバーナを備えた加熱装置に関する。このような加熱装置の代表例としては、水を加熱して蒸気を生成するボイラを挙げることができる。
【０００２】
【従来の技術】
排ガス中に含まれるＮＯｘの低減化は、このようなバーナ若しくは加熱装置にあって重要な課題であり、ＮＯｘの低減を目的として例えば図２に示すように、加熱装置に備えられる排ガス路からブロワーを介して燃焼排ガスを、バーナの燃焼用空気導入路（燃焼用酸素含有ガス導入路）に導き、排ガスを燃焼用空気とともに、バーナ燃焼部に導いて燃焼をおこなうものがある。
この構造にあっては、燃焼用空気側に吸引された排ガスは燃焼部に導かれるが、この燃焼炎は、通常の空気等より酸素濃度が下がったものとなっているため、緩慢燃焼状態となり、発生するＮＯｘ量が低減化される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この構造の場合は燃焼排ガスを燃焼用空気側に強制的に導くため、これ専用のブロワーが必要である。従って、この場合、加熱装置に関して設備コストが増大するとともに、このブロワーのランニングコストも増大する。さらに、従来、比較的高温の排ガスを排ガス路から直接燃焼用空気路から吸引する構造を採用していたため、その容積が大きく、その温度も高いため、改善の余地があった。
本発明の目的は、燃焼排ガスの誘引にあたって特別なエネルギー源を必要とせず、低ＮＯｘ燃焼をおこなうことができる全一次空気式バーナを得るとともに、このようなバーナを利用して燃焼炎を形成して加熱等をおこなう加熱装置を得ることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明で採用するガス燃料を吐出部に導く燃料導入管を備えるとともに、前記吐出部において、前記燃料導入管により導入される前記ガス燃料と燃焼用酸素含有ガスと混合して燃焼させる全一次空気式バーナの特徴構成は、前記燃料導入管内を流れる前記ガス燃料に、前記ガス燃料の保有するエネルギーにより燃焼排ガスを誘引するベンチュリー機構を設けたことにある。
この構造にあっては、排ガスのバーナへの誘引にあたって、ガス燃料が保有するエネルギーを利用する。即ち、ガス燃料の燃料導入管にベンチュリー機構を備えることにより、この機構内部を流れるガス燃料の流速を上昇させ、減圧部を形成して、その部位に排ガスを誘引することにより、燃焼排ガスをガス燃料内に誘引する。従って、この構造の場合は別途何らエネルギー源を必要とすることなく、バーナの燃焼時に自動的に燃焼排ガスを誘引して、低ＮＯｘ燃焼状態を実現できる。
【０００５】
この構造のバーナを採用するにあたっては、前記全一次空気式バーナを燃焼室に対して備え、前記燃焼室からの燃焼排ガスが流れる排ガス路と前記ベンチュリー機構のガス誘引部とを接続する排ガス誘引路を設けるとともに、
前記排ガス誘引路に流量調節弁を設け、前記ベンチュリー機構を介して誘引される排ガス量を調節可能に構成されていることが好ましい。
この加熱装置にあっては、装置の排ガス路から燃焼排ガスをベンチュリー機構を介して誘引することにより、前述の低ＮＯｘ燃焼、別個のエネルギー源が不要となるという効果を得ることができるのであるが、本願の構成にあっては、排ガス誘引路にブロワー等の積極的な誘引手段を設けることなく、ベンチュリー機構を燃料導入管に備えることとなるため、ガス燃料側に誘引される燃焼排ガス量はバーナに供給されるガス燃料の状態（量・圧力）等に従属したものとなる。しかしながら、ガス燃料に混ざる燃焼排ガス量は、適切に低ＮＯｘ効果を得ることができる量とすることが好ましいが、排ガス誘引路に流量制御弁を設けることにより、この弁の開度調整等により、ベンチュリー機構の特性とも相まって誘引される排ガス量を調節することができる。このような調整は、手動で行ってもよく、さらに、後に示すようにバーナに供給されるガス燃料の量等に従って、これを検出して自動制御するようにしてもよい。
【０００６】
この構造のバーナを採用するにあたっては、請求項１に記載されているように、前記全一次空気式バーナを燃焼室に対して備えるとともに、前記燃焼室からの燃焼排ガスが流れる排ガス路と前記ベンチュリー機構のガス誘引部とを接続する排ガス誘引路を設け、前記排ガス誘引路に冷却器を備えることが好ましい。
この加熱装置にあっては、装置の排ガス路から燃焼排ガスをベンチュリー機構を介して誘引することにより、前述の低ＮＯｘ燃焼、別個のエネルギー源が不要となるという効果を得ることができるのであるが、排ガス誘引路に冷却器を備え、排ガスを冷却して容積の小さい状態でベンチュリー機構に導くことにより、ベンチュリー機構の吸引能が高い状態で装置を使用することができる。また、燃焼排ガス温度が下がるため、燃焼における低ＮＯｘ効果が高くなる。
【０００７】
ここで、請求項２に記載されているように、前記冷却器が全一次空気式バーナに導かれる燃焼用酸素含有ガスの予熱器とされることが好ましい。
即ち、この構成の場合は、請求項３に記載されているように、熱交換器を排ガス誘引路に配設して、この熱交換器で、燃焼用酸素含有ガスの予熱と、排ガス路からベンチュリー機構の吸引側へ導かれる燃焼排ガスの冷却とをおこなう。
従って、ベンチュリー機構側における効率の向上と、燃焼排ガスが保有する熱エネルギーの燃焼への有効利用を図ることができる。
【０００８】
さて、請求項１〜３の何れか一項記載の構成にあって、請求項４に記載されているように、前記排ガス誘引路に流量制御弁を設け、前記ベンチュリー機構を介して誘引される排ガス量を調節可能に構成されていることが好ましい。
本願の構成にあっては、排ガス誘引路にブロワー等の積極的な誘引手段を設けることなく、ベンチュリー機構を燃料導入管に備えることとなるため、ガス燃料側に誘引される燃焼排ガス量はバーナに供給されるガス燃料の状態（量・圧力）等に従属したものとなる。しかしながら、ガス燃料に混ざる燃焼排ガス量は、適切に低ＮＯｘ効果を得ることができる量とすることが好ましいが、前述のように、排ガス誘引路に流量制御弁を設けることにより、この弁の開度調整等により、ベンチュリー機構の特性とも相まって誘引される排ガス量を調節することができる。このような調整は、手動で行ってもよく、さらに、後に示すようにバーナに供給されるガス燃料の量等に従って、これを検出して自動制御するようにしてもよい。
【０００９】
このように自動制御する場合は、請求項５に記載されているように、前記燃料導入管内を流れるガス燃料量を検出し、検出される前記燃料量に基づいて前記流量制御弁を調整し、前記排ガス路から前記ベンチュリー機構に誘引される排ガス量を調整する誘引排ガス量制御手段を備えることが好ましい。
この構成の場合は誘引排ガス量制御手段にあって、例えば、ガス燃料量に対する流量制御弁の開度目標値を、ガス燃料量に対する燃焼排ガス量の比が一定（好ましい低ＮＯｘ効果が得られる比等）となるように、その制御指標を設定しておくとともに、このような制御指令が出されるようにしておく。このようにしておくと、ガス燃料量の検出値に従って、流量制御弁の開度等を好適に自動的に制御して、誘引排ガス量を良好に制御することができる。
【００１０】
このような加熱装置としては、請求項６に記載されているように、前記加熱設備としてのボイラに好適に適用でき、結果的に発生するＮＯｘ量を低く抑え、エネルギー効率の高いものを得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本願の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図示する例は本願の全一次空気式バーナ１をボイラ２に適応した例を示している。
図１は、角型多管式ボイラ２を示しており、缶体３内に多数の水管４を備えており、この缶体３の一側面に前記全一次空気式バーナ１を備えている。ここで、缶体３の下面及び上面には、夫々、水管４に接続される水ヘッダ５、気水ヘッダ６を備えている。さらに、前記複数の水管４を備えた燃焼室７からの燃焼排ガスが流れる排ガス路８と本願独特のバーナ１に備えられるベンチュリー機構９のガス誘引部９ａとを接続する排ガス誘引路１０を設け、この排ガス誘引路１０には熱交換器１１が備えられており、排ガス誘引路１０内を流れる燃焼排ガスが熱交換器１１の給熱側流体とされることにより、この熱交換器１１が燃焼排ガスに対してその冷却器として働くように構成されている。一方、この熱交換器１１の受熱側には、前記バーナ１に供給される燃焼用酸素含有ガスとしての燃焼用空気が流れる構成が採用されており、この熱交換器１１により燃焼用空気が予熱される。従って、この熱交換器１１は、燃焼用空気に対して予熱器として働く。
【００１２】
さて、本願の全一次空気式バーナ１に関して説明すると、このバーナ１は、ガス燃料（例えばメタンを主成分とする都市ガス）をノズル部１２に導く燃料導入管１３を備えるとともに、前記ノズル部１２において、前記燃料導入管１３により導入されるガス燃料と、燃焼用酸素含有ガス（例えば燃焼用空気）とを混合して燃焼させる。先に説明したように、このバーナ１に備えられる燃料導入管１３にはベンチュリー機構９が備えられており、ベンチュリー機構９により、燃料導入管１３内を流れるガス燃料に燃焼排ガスを誘引することができる。従って、このバーナ１は、燃料導入管１３からのガス燃料に燃焼排ガスが混合された状態で、バーナ１のノズル部１２に導かれるとともに、この部位に燃焼用空気が導かれてさらに混合され、バーナタイル１４で囲まれたバーナ燃焼空間１５を基端側とする燃焼炎１６を形成することができる。
結果、燃焼炎Ｆは燃焼排ガスが混入されることにより、結果的に緩慢燃焼側に傾き、低ＮＯｘ燃焼状態を実現できる。
【００１３】
さて、図示するように、前記排ガス誘引路１０の熱交換器１１より下手側（熱交換器１１よりベンチュリー機構９側）には、この流路１０を流れる燃焼排ガスの量を調整するための流量制御弁１６が備えられるとともに、前記ベンチュリー機構９より上流側の燃料導入管１３内には、この管１３内を流れるガス燃料の流量を計測する計測計１７が備えられている。そして、前記計測計１７により計測された計測結果に基づいて、前記排ガス誘引路１０に備えられる流量制御弁１６に、その開度調整指令を生成して出す制御器１８が備えられている。
この制御器１８には、ガス燃料の流量に対応して、ベンチュリー機構９及び流量制御弁１６の特性に基づいて、前記ガス燃料に混合される燃焼排ガス量比を適切な割合にする弁開度値が登録されており、ガス燃料の流量検出値に基づいて弁開度の目標値を出力する（この制御信号生成及び送りだしは、誘引排ガス量制御手段Ａにより行われる）ことで、燃焼排ガス量を適切な値に設定することができる。
ここで、ガス燃料流量に対する燃焼排ガス流量は、その比、０．８〜１．２程度とされる。通常１程度でよい。このように設定する場合にあって、ＮＯｘの低減効果は、排ガスの混入が無い場合の約７０％程度（３０％の削減効果）を得ることができる。燃焼排ガスの吸引比が増加するに従って、ＮＯｘ低減効果が増す傾向を示すが、本願にあって、ベンチュリー機構９を使用するため、吸引量を増加させようとすると、ガス燃料の圧力を増加させることとなりやすい。従って、無闇と排ガス吸引量を増加させることは好ましくなく、ベンチュリー機構９を設計するにあたって、ガス燃焼圧１．０ｋｇ／ｃｍ²Ｇの状態にあって、ほぼ、ガス燃料の量に対してほぼ等量程度（前記比１±０．２）の状態とすることが好ましい。
【００１４】
〔別実施の形態例〕
本願に於ける別実施の形態例について、以下説明する。
（イ） 前記の実施の形態にあっては、本願の全一次空気式バーナが備えられる装置としてボイラの場合を例示したが、このようなバーナの設置対象としては、バーナにより燃焼炎Ｆを形成して、この燃焼炎Ｆを作用させる任意の装置を対象とすることができる。このような装置を本願にあっては加熱装置と呼ぶ。
加熱装置としては、例えば、ボイラの他、熱処理装置、加熱炉、乾燥炉等を挙げることができる。
（ロ） 前記の実施の形態にあっては、ガス燃料として、これがメタンを主成分とする都市ガス等である例を示したが、プロパンガス等であってもよく、さらにＡ重油、Ｃ重油等の液体燃料を霧化させてガス形態で燃料を供給する場合にあっても本願は適応できる。
（ハ） 前述の実施の形態にあっては、ガス燃料に対する燃料用酸素含有ガスとして、空気を使用する場合を示したが、このような空気を使用する場合のみならず、燃焼用酸素を含有するものであれば、任意のものを利用することもできる。
（ニ） 前述の実施の形態にあっては、バーナとしてノズル部を備え、このノズル部よりバーナタイルに囲まれたバーナ燃焼領域に、燃焼炎の一部を形成するものを示したが、バーナとしてはガス燃料と燃焼用酸素含有ガスを所定の部位より吐出して、吐出側に燃焼炎を形成するものにあっては任意のものに適応できる。
例えば、面状のバーナ面から予混合ガスを吐出して燃焼炎を形成するものにも適応でき、このように両ガスを吐出する部位（例えばノズル部）を吐出部と呼ぶ。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願の全一次空気式バーナを備えた加熱装置の図
【図２】 従来型の加熱装置の図
【符号の説明】
１ 全一次空気式バーナ
２ ボイラ
７ 燃焼室
８ 排ガス路
９ ベンチュリー機構
１０ 排ガス誘引路
１１ 熱交換器
１２ ノズル部
１３ 燃料導入管
１６ 流量制御弁
１７ 流量計
１８ 制御器
Ａ 誘引排ガス量制御手段
Ｆ 燃焼炎

Claims (6)

1. ガス燃料を吐出部に導く燃料導入管を備えるとともに、前記吐出部において、前記燃料導入管により導入される前記ガス燃料と燃焼用酸素含有ガスと混合して燃焼させる全一次空気式バーナであって、前記燃料導入管内を流れる前記ガス燃料に、前記ガス燃料の保有するエネルギーにより燃焼排ガスを誘引するベンチュリー機構を設けた全一次空気式バーナを燃焼室に対して備えるとともに、前記燃焼室からの燃焼排ガスが流れる排ガス路と前記ベンチュリー機構のガス誘引部とを接続する排ガス誘引路を設け、前記排ガス誘引路に冷却器を備えた加熱装置。
2. 前記冷却器が全一次空気式バーナに導かれる燃焼用酸素含有ガスの予熱器である請求項１記載の加熱装置。
3. 前記排ガス誘引路に熱交換器を備え、前記熱交換器の給熱側に前記燃焼排ガスを流すと共に、前記熱交換器の受熱側に前記燃焼用酸素含有ガスを流すことで、前記熱交換器が前記冷却器及び前記予熱器として働くように構成されている請求項２に記載の加熱装置。
4. 前記排ガス誘引路に流量制御弁を設け、前記ベンチュリー機構を介して誘引される排ガス量を調節可能に構成されている請求項１〜３の何れか一項記載の加熱装置。
5. 前記燃料導入管内を流れるガス燃料量を検出し、検出される前記ガス燃料量に基づいて前記流量制御弁を調整し、前記排ガス路から前記ベンチュリー機構に誘引される排ガス量を調整する誘引排ガス量制御手段を備えた請求項４記載の加熱装置。
6. 被加熱水が前記バーナに形成される燃焼炎によって加熱されて蒸気を得るボイラとしての請求項１〜５の何れか一項記載の加熱装置。

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