JP3835957B2

JP3835957B2 - 三位置制御バーナ

Info

Publication number: JP3835957B2
Application number: JP29257699A
Authority: JP
Inventors: 孝一松井; 則行古谷
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2019-10-14
Also published as: JP2001116214A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、Ａ重油等の燃料油を使用する三位置制御バーナであって、特に、比較的小容量（油量３０〜１５０ｋｇ／ｈ）で高負荷燃焼のボイラ，ヒータ等において好適に使用される窒素酸化物低減バーナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の三位置制御バーナは、バーナスロートに二本の燃料油噴霧ノズルを配置して、高燃焼時（定格運転時）においては二本の燃料油噴霧ノズルから燃料油を噴霧させ、低燃焼時には一本の燃料油噴霧ノズルのみから燃料油を噴霧させるように構成されているが、かかるバーナにあっては、一般に、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減対策として排ガス循環燃焼，水添燃焼，水蒸気噴射燃焼等の方式が採用されている。すなわち、排ガス循環燃焼方式は、排ガスの一部をバーナ部に再循環して酸素分圧を下げることによって低ＮＯｘ化を図るものであり、また水添燃焼，水蒸気噴射燃焼方式は、燃焼室に水，水蒸気を吹き込んで火炎温度を下げることによって低ＮＯｘ化を図るものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、排ガス循環燃焼方式では、燃焼用送風機により排ガスを強制循環させる場合、火炎の不安定や燃焼用空気系の汚れ等を避けるために、排ガス再循環量を或る程度以上増大させることができず、充分な低ＮＯｘ化を図り得ない。また排ガスを自己循環させる場合、低負荷条件下では排ガスの再循環率が低下するために、効果的な低ＮＯｘ化を図り得ない。さらに、何れの場合にも送風機能力を必要以上に高くしておく必要があり、コスト面での問題もある。
【０００４】
また、水添燃焼，水蒸気噴射燃焼方式では、方式では、水の吹き込みにより缶体腐食が生じる虞れがあり、ボイラ効率も低下する。さらに、ポンプ等の水吹き込み装置が別途必要となり、コスト面でも問題がある。一方、水蒸気噴射燃焼方式では、ボイラの発生蒸気を利用すると、ボイラ効率が低下し、ボイラの発生蒸気を利用しない場合或いは利用できない場合には、蒸気発生装置等が別途必要となり、大幅なコストアップとなる。
【０００５】
さらに、高燃焼時においては、二本のノズルから噴霧された油滴が互いに干渉するために、噴霧領域における油滴分布に濃淡が生じると共に油滴が大きくなるため、上記した低減対策を講じても、充分なＮＯｘ低減効果を発揮することができない。かかる問題は、特に、窒素成分を含むＡ重油等を使用する場合には、顕著となる。
【０００６】
本発明は、かかるボイラ機能上，コスト上での問題を生じることなく、ＮＯｘの発生を大幅に低減することができ、しかも煤塵，ＣＯの発生も効果的に抑制しうる極めて実用的な三位置制御バーナを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決した本発明の窒素酸化物低減バーナは、燃焼室に開口するバーナスロートと、バーナスロートの開口部に配置された円環状の保炎板と、保炎板に噴霧口を近接させた状態でバーナスロートに配置された一本の燃料油噴霧ノズルと、燃料油噴霧ノズルから燃焼室への燃料油噴霧量を三位置制御する燃料油噴霧制御機構と、バーナスロートから燃焼室内に理論燃焼空気量より少ない一次空気をスワール数０．３〜０．６の旋回流をなして供給する一次燃焼用空気供給機構と、バーナスロートの外部側方に設けた複数の空気噴出ノズルから燃焼室内に一次空気と同等量以下の二次空気を供給する二次燃焼用空気供給機構とを具備するものである。なお、スワール数とは、後述する如く定義される旋回の度合をいう。而して、燃料油噴霧ノズルは、噴霧口を開口する噴射弁部とこれに連通する油供給部及び油戻し部とを有する一定供給油圧戻り式噴射弁構造をなすものである。また、燃料油噴霧制御機構は、燃料油噴霧ノズルの油供給部に接続された油供給路と、油供給路に介設されて、一定量の燃料油を油供給部に供給する燃料ポンプと、油供給路における燃料ポンプの下流側に介設された第１開閉弁と、一端部が燃料油噴霧ノズルの油戻し部に接続されると共に他端部が油供給路における燃料ポンプの上流側に接続された油戻し路と、油戻し路に介設された第２開閉弁と、油戻し路に介設されて、油戻し部からの油戻り量を調整する流量調整弁とを具備して、高燃焼時においては第１開閉弁を開くと共に第２開閉弁を閉じ、低燃焼時においては第１及び第２開閉弁を開き、燃焼停止時には第１及び第２開閉弁を閉じることにより、燃料油噴霧ノズルを三位置制御するように構成されたものである。また、前記複数の空気噴出ノズルは、バーナスロートの周辺環状領域に、当該空気噴出ノズルからの噴出空気流がその上流側においては拡散せず且つ相互に干渉しない状態で一次空気による一次燃焼部の下流側中心に向けて二次空気を噴出させるべく、燃焼室の軸線に対して傾斜された状態で所定間隔を隔てて配置されていて、一次燃焼部における還元炎の周囲に各空気噴出ノズルからの噴出空気流による酸化炎が明瞭に区別された状態で部分的に食い込む炎形態が生じるように構成されている。
【０００８】
かかる三位置制御バーナの好ましい実施の形態にあっては、保炎板における、燃料油噴霧ノズルからの噴霧油滴が通過する中心孔の面積は、バーナスロートにおける保炎板による全開口面積の３５〜４０％となるように設定される。また、一次燃焼用空気供給機構は、一次空気が１５ｍ／ｓ以上の流速で保炎板の中心孔を通過するように構成される。また、一次空気の供給量は、一般に、理論燃焼空気量に対して０．６〜０．９に設定され、二次空気も含めた全空気供給量は、理論燃焼空気量に対して１．１〜 1．４（より好ましくは１．２〜１．３）に設定される。また、燃料油噴霧制御機構にあっては、燃焼停止時において流量調整弁を介して燃料ポンプの入口圧で燃料油が燃料油噴霧ノズルから燃焼室内に漏出する虞れを完全に回避するために、油戻し路における流量調整弁の下流側ないし両側に燃料油逆流防止器（逆止弁等）を配設しておくことが好ましい。さらに、燃料油噴霧ノズルの噴射弁部から油戻し部を経て油戻し路へと至る油戻し経路において塵埃等の付着，堆積が発生すると、当該油戻し経路における燃料油（戻り油）の円滑な流動が妨げられて、燃料油噴霧ノズルからの燃料噴出圧（噴霧圧）が変動し、燃焼性能が低下する虞れがあるが、かかる虞れを確実に排除するために、油供給路における燃料ポンプの下流側に塵埃等の油戻し経路への侵入を防止するフィルタを配設しておくことが好ましい。
【０００９】
かかる構成の三位置制御バーナによれば、一次空気，二次空気の供給により二段燃焼が行われ、酸化炎と還元炎との混合，拡散作用により、ＮＯｘ，ＣＯ，煤塵の発生が効果的に抑制されることになる。かかる抑制効果は、特に、空気噴出ノズルを上記した傾斜状態で環状領域上に並列配置しておくことによって奏せられるものである。すなわち、このように配置して、二次空気の噴出空気流が拡散することなく干渉しない領域において、図７に示す如く、一次燃焼部における還元炎の周囲に各空気噴出ノズルからの噴出空気流による酸化炎が明瞭に区別された状態で部分的に食い込む炎形態を呈し、両炎の境界面積が大きくなるようにしておくことによって、ＮＯｘ等の効果的な抑制が達成される。
【００１０】
さらに、高燃焼時においても一本の燃料油噴霧ノズルから燃料油を噴霧させることから、二本の燃料油噴霧ノズルを使用する場合に比して、噴霧領域における油滴分布が均一となって濃淡が生じず、油滴径も大きくならない。また、燃料油噴霧ノズルが一定供給油圧戻り式噴射弁構造をなすものであるから、燃料油の噴霧圧が一定であり、油滴がより微細化される。また、一本の燃料油噴霧ノズルをバーナスロートないし保炎板の中心に配置させておくことができるから、二本の燃料油噴霧ノズルを各々バーナスロートないし保炎板の中心から偏倚させておかざるを得ない場合に比して、バーナスロートから保炎板を通過する一次空気の流れが円滑となる。これらのことから、ＮＯｘ低減をより効果的に図ることができる。また、一本の燃料油噴霧ノズルを使用していることから、保炎板の中心孔を可及的に小さくすることができる。したがって、保炎板の中心孔を小さくすることによって、高燃焼時に比して煤塵の発生量が多くなる虞れのある低燃焼時においても、煤塵の発生を可及的に防止することができる。
【００１１】
【実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図１０に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、本体ケース１と燃焼室２と熱交換器３と三位置制御バーナ４とを具備すると着火器６とを具備する、比較的小容量（油量３０〜１５０ｋｇ／ｈ）で高負荷燃焼（出力５０００００ｋｃａｌ／ｈ）の温水ヒータを示している。なお、以下の説明において、前後とは図１における左右を意味するものとする。
【００１３】
本体ケース１は矩形箱状をなす金属板壁構造のものであり、所定量の熱媒水５が貯溜されている。燃焼室２は後端部を燃焼ガス出口６とした炉筒構造（内径：５９０ｍｍ，軸線方向長さ：９５０ｍｍ）をなすものであり、円筒状の金属壁７で囲繞形成されていて、その軸線を水平とした状態で熱媒水５中に浸漬配置されている。熱交換器３は、燃焼室２の後方に位置して熱媒水５中に浸漬配置されており、燃焼室３の燃焼ガス出口６に接続された角筒状の周壁８とその上下端部に貫通支持された複数本の伝熱水管（図示せず）とからなる。各伝熱水管は上下方向に延びており、上下端部を熱媒水５中に開口されている。熱交換器３の後端部には、金属筒で構成される煙道９が連通接続されている。燃焼室２で発生した燃焼ガスは燃焼ガス出口６から伝熱水管間をを通過して煙道９に排出され、各伝熱水管内の熱媒水５は燃焼ガスとの熱交換により加熱され、自然循環せしめられる。
【００１４】
三位置制御バーナ４は、図１〜図６に示す如く、燃焼室１の前端部を構成する炉壁１０に装着されており、炉壁１０の中心部に設けた断面円形のバーナスロート１１と、バーナスロート１１の開口部（前端開口部）に配置された円環状の保炎板１２と、保炎板１２の後方に配してバーナスロート１１に配置された一本の燃料油噴霧ノズル１３と、燃料油噴霧ノズル１３から燃焼室２への燃料油噴霧量を三位置制御する燃料油噴霧制御機構１５と、バーナスロート１１から燃焼室２内に一次空気１６ａを供給する一次燃焼用空気供給機構１７と、バーナスロート１１の外部側方に設けた複数の空気噴出ノズル１８…から燃焼室２内に二次空気１６ｂを供給する二次燃焼用空気供給機構１９とを具備する。
【００１５】
バーナスロート１１は、図１〜図５に示す如く、燃焼室２と同心をなす円筒状のバーナスロートリング（内径：１１６ｍｍ）で構成されており、前端開口部には燃焼室２に向けて広がる裁頭円錐状のバーナコーン２１が連設されている。
【００１６】
保炎板１２は、図１〜図５に示す如く、バーナスロート１１の前端開口部（バーナスロートリングとバーナコーン２１との接合部）に同心状に配置された円環状板（内径：２８ｍｍ，外径：１１０ｍｍ）である。保炎板１２には、中心孔２２から外周方向に放射状に延びる複数の切り起こし孔２３が形成されている。切り起こし孔２３…は、図４及び図５に示す如く、中心孔２２から放射状に延びる帯状部２３ａ…を燃焼室２に向けて切り起こすことによって形成されたものであり、後述する一次空気１６ａをバーナスロート１１に供給される旋回流と同一方向（図５における時計回り方向）に旋回誘導しつつ通過させうる形状とされている。保炎板１２は、図４及び図５に示す如く、その外周部に等間隔を隔てて突設された複数のガイド突起２５…によりバーナスロート１１の内周部との径方向間隔が不均一とならないように保持された状態で、バーナスロート１１により取り付けられていて、保炎板１２の外周部とバーナスロート１１の内周部との間に、バーナスロート１１に供給された一次空気１６ａの一部が均等に通過しうる径方向幅一定の環状孔２４が形成される。したがって、バーナスロート１１に供給された一次空気１６ａは、保炎板１２の中心孔２２、切り起こし孔２３…及び環状孔２４を通過して、燃焼室２に均等且つ円滑に供給されるようになっている。中心孔２２の径は、後述する燃料油噴霧ノズル１３からの噴霧角度等に応じて決定されるが、低燃焼時における煤塵発生を抑制するために可及的に小さく設定しておくことが好ましい。具体的には、中心孔２２の面積がバーナスロート１１における保炎板１２による全開口面積（中心孔２２、切り起こし孔２３…及び環状孔２４の合計面積）の３５〜４０％となるように設定しておくことが好ましい。この例では、中心孔２２を２８ｍｍ径の円形孔としてある。
【００１７】
燃料油噴霧ノズル１３は、図１〜図５に示す如く、バーナスロート１１ないし保炎板１２と同心状をなし且つ噴霧口１４が保炎板１２の後面に近接する状態で、バーナスロート１１に配置されており、図６に示す如く、噴霧口１４を開口する噴射弁部２６とこれに連通する油供給部２７及び油戻し部２８とを有する一定供給油圧戻り式噴射弁構造に構成されている。なお、噴霧口１４と保炎板１２の後面との軸線方向距離（前後方向距離）は、通常、０〜７ｍｍに設定される。また、燃料油噴霧ノズル１３の近傍には、点火電極２９が設けられている。
【００１８】
燃料油噴霧制御機構１５は、図６に示す如く、燃料油噴霧ノズル１３の油供給部２７に接続された油供給路３１と、油供給路３１に介設されて、一定量の燃料油３２を油供給部２７に供給する燃料ポンプ３３と、油供給路３１における燃料ポンプ３３の下流側に介設された第１開閉弁３４と、油供給路３１における燃料ポンプ３３と第１開閉弁３４との間に介設されたフィルタ６１と、一端部が燃料油噴霧ノズル１３の油戻し部２８に接続されると共に他端部が油供給路３１における燃料ポンプ３３の上流側に接続された油戻し路３５と、油戻し路３５に介設された第２開閉弁３６と、油戻し路３５における第２開閉弁３６の下流側に介設されて、油戻し部２８からの油戻り量を調整する流量調整弁３７と、油戻し路３５における流量調整弁３７の両側に介設された燃料油漏出防止機構たる逆止弁６０，６０とを具備する。なお、油供給路３１及び油戻し路３５には、夫々、油圧計３８，３９が設けられている。
【００１９】
このような燃料油噴霧ノズル１３及び燃料油噴霧制御機構１５によれば、高燃焼時においては第１開閉弁３４を開くと共に第２開閉弁３６を閉じることにより、油供給路３１から燃料ポンプ３３により油供給部２７を経て噴射弁部２６に供給された燃料油３２の全量が、噴霧口１４から噴霧される。すなわち、油供給部２７から噴射弁部２６に供給された燃料油３２が、全て、噴霧口１４からの噴霧油３２ａとして使用される。油供給部２７から噴射弁部２６に供給される油量（噴霧油量）は、高燃焼運転（負荷１００％の定格運転）に最適する値に設定される。また、低燃焼時（負荷５０％の低負荷運転時）においては第１及び第２開閉弁３４，３６を開くことにより、油供給路３１から油供給部２７を経て噴射弁部２６に燃料油３２が供給されると共に、噴射弁部２６に供給された燃料油３２の一部（以下「戻り油」という）３２ｂが油戻し部２８から油戻し路３５を経て油供給路３１に戻される。したがって、噴霧口１４からは、油供給部２７に供給された油量から戻り油３２ｂを差し引いた差分油量が噴霧される。このときの噴霧油量は、戻り油３２ｂを流量調整弁３７により調整することにより、任意に設定することができる。すなわち、戻り油量は、上記差分油量が低燃焼条件に応じた噴霧油量となるように、流量制御弁３７により調整される。かかる調整は運転開始前において行われる。また、燃焼停止時にあっては、第１及び第２開閉弁３４，３６は閉じられる。なお、高燃焼時及び低燃焼時における噴霧圧は同一である。つまり、噴霧油量が燃焼負荷により変化するときにも、噴霧油３２ａの噴出圧（噴霧圧）は一定に保持される。また、燃料油噴霧ノズル１３の噴射弁部２６から油戻し部２８を経て油戻し路３５へと至る油戻し経路において塵埃等の付着，堆積が発生すると、当該油戻し経路における燃料油（戻り油）３２ｂの円滑な流動が妨げられて、燃料油噴霧ノズル１３からの噴霧圧が変動し、燃焼性能が低下する虞れがあるが、かかる虞れは、油供給路３１における燃料ポンプ３３の下流側に塵埃等の油戻し経路への侵入を防止するフィルタ６１を配設しておくことよって、排除される。また、燃焼停止時において流量調整弁３７を介して燃料ポンプ３３の入口圧で燃料油３２が燃料油噴霧ノズル１３から燃焼室２内に漏出する虞れは、油戻し路３５に設けた燃料油逆流防止器である逆止弁６０，６０により排除される。燃料油逆流防止器としては、このような機能を有するものであればよく、逆止弁６０に限定されるものではない。
【００２０】
一次燃焼用空気供給機構１７は、図１及び図２に示す如く、バーナスロート１１の上端部に連通し且つこれを同心状に囲繞する断面円形の一次空気用ウインドボックス４１を設けてなる。ウインドボックス４１内には、バーナスロート１１を中心として放射状に延びる複数枚の旋回ベーン４２…が設けられていて、ウインドボックス４１の周壁に設けた一次空気供給口４３から供給された一次空気１６ａを図２における反時計回り方向に旋回させながらバーナスロート１１から燃焼室２に供給しうるようになっている。一次空気１６ａのスワール数Ｓはバーナスロート１１の径，旋回ベーン４２の形状等によって決定されるが、本発明にあっては、旋回流のスワール数Ｓが０．３〜０．６となるように設計されている。けだし、スワール数Ｓが０．３未満であると、火炎が長大になって、燃焼室２が大型化し、０．６を超えると、燃料油噴霧ノズル１３からの噴霧油３２ａが燃焼室２の周壁７に衝突して、カーボン化する虞れがあるからである。なお、スワール数とはＳ＝Ｇφ／（Ｇｘ／（ｄ／２））で定義される旋回の度合をいう（Ｇφ：噴流内の角運動量，Ｇｘ：噴流内の軸線方向運動量，ｄ：バーナスロートの直径）。また、ウインドボックス４１の一次空気供給口４３には一次空気量制御ダンパ４４が設けられていて、ウインドボックス４１からバーナスロート１１に供給される一次空気量（バーナスロート１１から燃焼室２に供給される一次空気量）を理論燃焼空気量以下に調整しうるようになっており、通常、理論燃焼空気量に対して０．６〜０．９に設定される。また、一次空気供給口４３には、この供給口４３から供給された一次空気１６ａを上記旋回方向に流動させるべく誘導する誘導板４５が連設されている。
【００２１】
かかる一次燃焼空気供給機構１７によれば、一次空気１６ａを理論燃焼空気量より少ない状態で燃焼室２に供給させるから、点火電極２９の放電により燃料油噴霧ノズル１３からの噴霧油３２ａに着火させると、還元燃焼且つ気化燃焼をなす一次燃焼部４６が形成されることになる。そして、この一次燃焼部４６においては、一次空気１６ａが旋回流をなして供給されることから、保炎板１２による負圧部の形成と相俟って、生成した還元ガスたる燃焼ガスが再循環せしめられて、滞留時間の増大，噴霧油の気化促進が図られ、安定した燃焼が継続されることになる。
【００２２】
二次燃焼用空気供給機構１９は、図１及び図２に示す如く、炉壁１０に、複数の空気噴出ノズル１８…を設けると共に、前記一次空気用ウインドボックス４１を囲繞して空気噴出ノズル１８…に連通する二次空気用ウインドボックス５１を設けてなり、二次空気１６ｂを各ノズル１８から燃焼室２内に噴出させるように構成されている。空気噴出ノズル１８…は、バーナスロート１１の周囲環状領域に所定間隔を隔てて並列配置されており、二次空気１６ｂを一次燃焼部４６の下流側中心に向けて噴出させるべく、燃焼室２の軸線に対して所定角度（以下「ノズル角度」という）をなす傾斜姿勢とされている。また、ウインドボックス５１の周壁に形成した給気口５２には、送風路５３が接続されると共に風量制御ダンパ５４が配設されている。送風路５３から二次空気用ウインドボックス５１に供給された空気１６の一部は、一次空気供給口４３から一次空気１６ａとして一次空気用ウンドボックス４１に供給され、残余の空気は、二次空気１６ｂとして空気噴出ノズル１８…から燃焼室２に噴出される。すなわち、燃焼室２に供給される空気全量（一次空気１６ａと二次空気１６ｂとの合計量）は風量制御ダンパ５４により制御され、一次空気量は前記した一次空気量調整ダンパ４４によって調整される。二次空気量は、両ダンパ４４，５４によって制御される空気量差によって決定されるものであり、一般に、一次空気量と同等以下に設定される。例えば、風量制御ダンパ５４によって決定される必要な燃焼空気比を１．２として、一次空気量制御ダンパ４４により決定される一次空気比が０．６であるときは、二次空気比は０．６とされる。なお、前記した燃料油噴霧ノズル１３からの噴霧油量制御は、一次空気量及びに二次空気量のダンパ制御に連動して行われる。例えば、低燃焼から高燃焼に移行して、風量制御が高燃焼用に切り換えられると、燃焼室２内における空気量が高燃焼条件へ移行する過程において第１開閉弁３４を開放したまま第２開閉弁３６が閉塞されて、高燃焼用の油量が噴霧される。このように、風量制御を噴霧油量制御に先駆けて行うのは、噴霧油量制御の応答性が風量制御の応答性より高いためである。
【００２３】
ところで、各空気噴出ノズル１８からの噴出空気流（二次空気流）５６は下流側方向（前方）に向かうに従って漸次拡散されていくが、空気噴出ノズル１８…の相互間隔，本数及びノズル角度は、噴出空気流５６…が上流側においては拡散することなく且つ相互に干渉せず、下流側において拡散，相互干渉して、一次燃焼ガスの再循環領域の下方に入り込む（以下「適正二次空気供給形態」という）ように、一次燃焼ガスの再循環力，燃焼室２の形状等に応じて適宜に設定される。一般には、５〜８本のノズル１８…をノズル角度が１０〜３０°の傾斜姿勢で等間隔配置しておくのが好ましく、この例では、５本の空気噴出ノズル１８…を２０°の傾斜姿勢で等間隔配置してある。なお、二次空気１６ｂのノズル１８からの噴出速度も、上記した適正二次空気供給形態を確保するために必要な条件であり、一般には、当該温水ヒータにおける最低の負荷条件下において２０ｍ／ｓ以上となるように設定しておくことが好ましい。
【００２４】
かかる二次燃焼用空気供給機構１９によれば、二次空気１６ｂを上記した適正二次空気供給形態で吹き込むから、一次燃焼ガスの再循環領域の下流側において拡散燃焼による二次燃焼部５７が形成され、燃焼室２内での完全燃焼が達成されることになる。すなわち、噴出空気流５６…が下流側においては拡散混合して、均一な緩慢燃焼が行われ、噴出空気流５６…の上流側では空気が拡散しないで顕著な酸化燃焼が行われる。したがって、噴出空気流５６…の拡散することなく相互に干渉しない上流側部分においては、図７に示す如く、還元炎（輝炎）５８の周囲に酸化炎（目視透明）５９が部分的に食い込んだ炎形態（以下「適正炎形態」という）を呈するのであり、ノズル１８…直下の環状領域において還元炎５８と酸化炎５９とが明瞭に区別されて混在し、両炎５８，５９の境界面積が大きくなっている。
【００２５】
したがって、以上のような一次空気１６ａ及び二次空気１６ｂの供給により、上流側においては還元炎５８と酸化炎５９とが明瞭に区別されて混在し、下流側に至るに従って両炎５８，５９が徐々に拡散，混合していく状態で二段燃焼されることから、ＮＯｘ低減が困難とされる高負荷燃焼で比較的小容量型の油焚き燃焼装置においても、ＮＯｘを大幅に低減することができ、ＣＯ，煤塵の発生も良好に抑制することができる。
【００２６】
ところで、このような二段燃焼においても、図１１に示す如く、近接配置した二本の燃料油噴霧ノズル１３ａ，１３ｂを使用した三位置制御を行うときは、高負荷燃焼における燃焼効率が低く、ＮＯｘ低減効果がさほど有効に奏せられない。すなわち、二本の燃料油噴霧ノズル１３ａ，１３ｂから同時に燃料油を噴霧させる高燃焼状態においては、両ノズル１３ａ，１３ｂによる噴霧領域が部分的に重なるため、当該油噴霧領域における油滴分布が不均一となって濃淡が生じると共に、油滴同士の接着により油滴径も大きくなる。また、バーナスロート１１内に二本の燃料油噴霧ノズル１３ａ，１３ｂを配置するため、ノズルホルダの断面形状も大型化，複雑化することになると共に、各ノズル１３ａ，１３ｂの位置が保炎板１２の中心孔２２と同心とならず、偏心することから、バーナスロート１１から保炎板１２を通過する一次空気流れが円滑とならず、適正な旋回流を得ることができない。したがって、二本の燃料油噴霧ノズル１３ａ，１３ｂを使用した場合には、これらのことに起因して、良好な燃焼が行われず、ＮＯｘがさほど低減されない。また、火炎も長尺化する。
【００２７】
しかし、本発明では、上記した如く、一本の燃料油噴霧ノズル１３を使用していることから、上記したような問題が生じない。すなわち、高燃焼時においても一本の燃料油噴霧ノズル１３から燃料油（噴霧油）３２ａを噴霧させることから、二本の燃料油噴霧ノズル１３ａ，１３ｂを使用する場合に比して、噴霧領域における油滴分布が均一となって濃淡が生じず、油滴径も大きくならない。また、燃料油噴霧ノズル１３が一定供給油圧戻り式噴射弁構造をなすものであるから、噴霧油３２ａの噴霧圧が一定であり、油滴がより微細化される。また、一本の燃料油噴霧ノズル１３をバーナスロート１１ないし保炎板１２の中心に配置させておくことができるから、二本の燃料油噴霧ノズル１３ａ，１３ｂを各々バーナスロート１１ないし保炎板１２の中心から偏倚させておかざるを得ない場合に比して、バーナスロート１１から保炎板１２を通過する一次空気１６ａの流れが極めて円滑となり、適正な旋回流が得られる。したがって、これらのことから、ＮＯｘ低減をより効果的に図ることができる。また、一本の燃料油噴霧ノズル１３を使用していることから、保炎板１２の中心孔２２を可及的に小さくすることができるから、保炎板１２の中心孔２２を絞ることにより、高燃焼時に比して煤塵の発生量が多くなる虞れのある低燃焼時においても、良好な燃焼が行われ、煤塵の発生を可及的に防止することができる。
【００２８】
かかる効果については、次のような実験により確認されている。すなわち、上記した構成の温水ヒータにおいて、燃料油３２としてＡ重油（窒素成分含有量：０．０２ｗｔ％）を使用し、負荷１００％，５０％の条件下で燃焼実験を行ったところ、上記適正炎形態（図７）が確認され、図８〜図１０に示す如く、ＮＯｘ発生量（ｐｐｍ（Ｏ₂＝０％換算、以下において同じ）），ＣＯ発生量（ｐｐｍ），スモークスケールＮｏ．（煤塵発生度の主たる指標）についてはこれらが著しく低減されることが確認された。図８〜図１０において、横軸は排ガス（燃焼ガス）中の酸素濃度（％）を示しており、また実線は１００％負荷の場合を示し、破線は５０％負荷の場合を示す。
【００２９】
かかる燃焼実験の結果からも明らかなように、フューエルＮＯｘが生じ易いＡ重油を燃料油としているにも拘わらず、本発明に係る三位置制御バーナ４によれば、都道府県自治体のうち最も厳しい東京都の規制（油焚きでＮＯｘ＜８０ｐｐｍ，ガス焚きでＮＯｘ＜６０ｐｐｍ）をも充分クリアすることができ、しかも、将来、油焚きについてもガス焚き並みの規制が行われるような場合にも、これに充分対処することができる。
【００３０】
一方、比較例として、図１１に示す如く二本の燃料油噴霧ノズル１３ａ，１３ｂを使用した点及び保炎板１２の中心孔径を４０ｍｍとした点を除いて、上記と全く同一条件にて燃焼実験を行ったが、ＣＯ発生量及びスモークスケールＮｏ．についてはさほどの差はなかった。しかし、ＮＯｘ低減効果、特に高燃焼（負荷１００％）におけるＮＯｘ低減効果は、図１２に示す如く、本発明の三位置制御バーナ４を使用した場合（図８）に比して著しく低いことが確認された。なお、図１２において、横軸は排ガス（燃焼ガス）中の酸素濃度（％）を示しており、また実線は１００％負荷の場合を示し、破線は５０％負荷の場合を示す。
【００３１】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良・変更することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば、ＮＯｘ，ＣＯ，煤塵の発生を大幅に抑制することができ、近時の低ＮＯｘ燃焼の要請を充分満足させることができる。特に、高負荷燃焼の小容量ボイラ，ヒータ等において、Ａ重油を使用する場合にも、現在最も厳しい東京都の規制枠内に収めることが可能となり、将来、益々規制が厳格になるであろう低ＮＯｘ燃焼化の要請に充分応えることができる。しかも、必要以上の高能力送風機や水，蒸気の吹き込み装置等を必要せず、ボイラの大幅なコンパクト化を図ることができ、コスト的にも極めて有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る三位置制御バーナの実施の形態を示す縦断側面図である。
【図２】図１のII−II線に沿う要部の縦断正面図である。
【図３】図１のIII −III 線に沿う要部の縦断背面図である。
【図４】図１の要部を拡大して示す詳細図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う縦断面図である。
【図６】燃料油噴霧ノズル及び燃料油噴霧制御機構を示す系統図である。
【図７】図１のVII −VII 線に沿う縦断正面図である。
【図８】ＮＯｘ発生量についての測定結果を示すグラフである。
【図９】ＣＯ発生量についての測定結果を示すグラフである。
【図１０】スモークスケールＮＯ．についての測定結果を示すグラフである。
【図１１】比較例におけるバーナを示す図５相当図である。
【図１２】比較例における、ＮＯｘ発生量についての測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
２…燃焼室、４…三位置制御バーナ４、１１…バーナスロート、１２…保炎板、１３…燃料油噴霧ノズル、１４…噴霧口、１５…燃料油噴霧制御機構、１６ａ…一次空気、１６ｂ…二次空気、１７…一次燃焼用空気供給機構、１８…空気噴出ノズル、２１…バーナコーン、２２…中心孔、２３…切り起こし孔、２４…環状孔、２６…噴射弁部、２７…油供給部、２８…油戻し部、２９…点火電極、３１…油供給路、３２…燃料油、３２ａ…噴霧油、３２ｂ…戻り油、３３…燃料ポンプ、３４…第１開閉弁、３５…油戻し路、３６…第２開閉弁、３７…流量調整弁、４１…一次空気用ウインドボックス、４２…旋回ベーン４２、４３…一次空気供給口、４４…一次空気量制御ダンパ、４５…誘導板、４６…一次燃焼部、５１…二次空気用ウインドボックス、５２…給気口、５３…送風路、５４…風量制御ダンパ、５６…噴出空気流、５７…二次燃焼部、５８…還元炎、５９…酸化炎、６０…逆止弁（燃料油逆流防止器）、６１…フィルタ。

Claims

燃焼室に開口するバーナスロートと、バーナスロートの開口部に配置された円環状の保炎板と、保炎板に噴霧口を近接させた状態でバーナスロートに配置された一本の燃料油噴霧ノズルと、燃料油噴霧ノズルから燃焼室への燃料油噴霧量を三位置制御する燃料油噴霧制御機構と、バーナスロートから燃焼室内に理論燃焼空気量より少ない一次空気をスワール数０．３〜０．６の旋回流をなして供給する一次燃焼用空気供給機構と、バーナスロートの外部側方に設けた複数の空気噴出ノズルから燃焼室内に一次空気と同等量以下の二次空気を供給する二次燃焼用空気供給機構とを具備し、燃料油噴霧ノズルは、噴霧口を開口する噴射弁部とこれに連通する油供給部及び油戻し部とを有する一定供給油圧戻り式噴射弁構造をなすものであり、燃料油噴霧制御機構は、燃料油噴霧ノズルの油供給部に接続された油供給路と、油供給路に介設されて、一定量の燃料油を油供給部に供給する燃料ポンプと、油供給路における燃料ポンプの下流側に介設された第１開閉弁と、一端部が燃料油噴霧ノズルの油戻し部に接続されると共に他端部が油供給路における燃料ポンプの上流側に接続された油戻し路と、油戻し路に介設された第２開閉弁と、油戻し路に介設されて、油戻し部からの油戻り量を調整する流量調整弁と、油供給路における燃料ポンプと第１開閉弁との間に介設されたフィルタと、油戻し路における流量調整弁の両側に介設された燃料油漏出防止機構とを具備して、高燃焼時においては第１開閉弁を開くと共に第２開閉弁を閉じ、低燃焼時においては第１及び第２開閉弁を開き、燃焼停止時には第１及び第２開閉弁を閉じることにより、燃料油噴霧ノズルを三位置制御するように構成されており、前記複数の空気噴出ノズルは、バーナスロートの周辺環状領域に、当該空気噴出ノズルからの噴出空気流がその上流側においては拡散せず且つ相互に干渉しない状態で一次空気による一次燃焼部の下流側中心に向けて二次空気を噴出させるべく、燃焼室の軸線に対して傾斜された状態で所定間隔を隔てて配置されていて、一次燃焼部における還元炎の周囲に各空気噴出ノズルからの噴出空気流による酸化炎が明瞭に区別された状態で部分的に食い込む炎形態が生じるように構成されていることを特徴とする三位置制御バーナ。
保炎板における、燃料油噴霧ノズルからの噴霧油滴が通過する中心孔の面積は、バーナスロートにおける保炎板による全開口面積の３５〜４０％となるように設定されていることを特徴とする、請求項１に記載する三位置制御バーナ。
一次燃焼用空気供給機構は、一次空気が１５ｍ／ｓ以上の流速で保炎板の中心孔を通過するように構成されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する三位置制御バーナ。