JP3879304B2

JP3879304B2 - 低ＮＯｘ燃焼装置

Info

Publication number: JP3879304B2
Application number: JP03533699A
Authority: JP
Inventors: 文孝菊谷; 充慶中本; 俊哉渡邊
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-02-15
Filing date: 1999-02-15
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2019-02-15
Also published as: JP2000234709A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として家庭用又は業務用の燃焼装置において特に超低ＮＯｘ化を図った燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の低ＮＯｘ燃焼装置の第一の例としては特開平１−２１９４０６号公報に記載されているようなものが一般的であった。この低ＮＯｘ燃焼装置は希薄混合気を燃焼室内に噴出供給する淡バーナと、淡バーナの両側に濃混合気を噴出供給する濃バーナが交互に配置するように構成されている。
【０００３】
そして上記淡バーナから供給された淡希薄混合気は、燃焼室内で火炎温度が低く、従って低ＮＯｘではあるが自身は不安定な希薄火炎を形成する。また濃バーナから供給された濃混合気は燃焼室内で火炎温度が高く従って高ＮＯｘだが自身は安定な濃火炎を形成し、近接した希薄火炎に熱エネルギーを供給して燃焼反応を促進させることにより全体として安定ないわゆる濃淡燃焼を実現する。そして淡バーナの燃焼割合を濃バーナより大きく設定し、全体として低ＮＯｘ化を図っていた。
【０００４】
また第二の例として混合気濃度を段階的に変化させ、低ＮＯｘ化を図った全一次式の燃焼装置が特公昭５７−１２９２３号公報に記載されている。この装置は図７に示すように中央炎口部１から周辺炎口部２にむかって互いの希薄混合気室３を連通口４によって連通させ、徐々に燃料を供給し希薄混合気室３の混合気濃度を段階的に濃くする構成になっている。
【０００５】
そして上記中央炎口部１で形成された超希薄火炎を周囲のやや濃度の高い希薄火炎である程度安定化させ、それぞれ順次濃度が濃くなる希薄火炎で安定化するという全一次式の低ＮＯｘ燃焼を実現する。
【０００６】
さらに第三の例として混合気濃度を同様に段階的に変化させ低ＮＯｘ化を図った濃淡燃焼式の燃焼装置が特開平７−３１０９０６号公報に記載されている。この装置は図８に示すように濃混合気室５に希薄混合気室（図示せず）から希薄炎口６につながる希薄混合気通路７のうち、仕切で区切られた区画８に向かい濃混合気噴射口９を設けた構成になっている。
【０００７】
そして上記濃混合気室５から濃混合気噴射口９を通って仕切で区切られた区画８の希薄混合気通路７に向かい濃混合気を供給し、希薄炎口６の両端に中間濃度の中間炎Ａと低流速の希薄火炎Ｂを形成し、主炎である希薄火炎Ｃを濃火炎Ｄの作用と共に安定化して低ＮＯｘ化を図るものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の第一の例における低ＮＯｘ燃焼装置では、希薄火炎を濃火炎の熱的エネルギーで安定化する方式であるため、濃バーナの燃焼割合を小さくすると希薄火炎が不安定となり、希薄混合気の燃焼割合を増加させ更にＮＯｘの低減を図るには限界が存在するという課題があった。
【０００９】
また上記図７に示す第二の例における低ＮＯｘ燃焼装置では、中央炎口部１にも周辺炎口部２にも全一次燃焼をおこなう希薄火炎が形成されることになり、濃淡燃焼における濃火炎のような希薄火炎を安定化させる有効な手段を有しないため非常に微妙な燃料と空気の供給バランスが必要で、従って連通口４の構成にも高精度の加工が要求された。また高速で高精度の空気と燃料の流量制御が必要であった。更に全一次燃焼で不安定な希薄火炎を形成するため燃焼量の可変調節幅が小さく、燃焼量の高速変化への対応は燃料供給バランスが崩れやすいため困難であるという課題を有していた。
【００１０】
更に第三の例の低ＮＯｘ燃焼装置では、仕切で区切られた区画８の混合気濃度は濃混合気と希薄混合気が混合して中間濃度となり、形成される中間炎Ａはちょうど燃焼速度が最も高くなる理論混合比に近い濃度となる。一方、中間炎Ａの中間濃度の混合気は炎口からの噴出流速が最も小さくなる。従って中間炎は炎口に近接して炎口を加熱し、炎口赤熱や火炎が上流側に進行するバックを発生させる。そして低流速の中間炎Ｂも同様に炎口に近接し炎口を赤熱するため燃焼量の可変幅を大きくすることが困難となる。また隣接する炎口に希薄混合気の一部を供給し、燃料濃度を段階的に濃くしていく方式は図７と同様であり、従って主炎となる希薄火炎Ｃの安定性を決定する火炎基部は、低流速の希薄火炎Ｂが実質上の火炎基部を形成することになり、従って火炎温度が高くないため保炎効果は図７と同様に小さなものとなる。従ってこの点においても燃焼量の可変調節幅が小さくなったり、希薄火炎の燃焼割合を更に増加して一層の低ＮＯｘ化を図るにも限界があった。
【００１１】
このように従来の燃焼装置では中央部の炎口に向かって混合気の濃度が段階的で単調に変化して薄くなっていくという方式であって火炎の安定性に制約を受けており、更に低ＮＯｘ化を図るために希薄火炎の燃焼割合を増加させることや希薄火炎の濃度を更に薄くすることには限界があった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため希薄混合気を内包する希薄室と、希薄室と連通し希薄混合気を燃焼室内に流出供給する希薄炎口と、希薄室に隣接し燃料或いは高濃度混合気を内包する第一混合気室と、第一混合気室に連通し希薄炎口に近接して設けられた第一炎口と、第一混合気室に隣接し混合気を内包する第二混合気室と、第二混合気室に連通し第一炎口に近接して設けられた第二炎口を有し、第一混合気室の濃度を第二混合気室の濃度より濃くなるように構成したものである。
【００１３】
技術課題のポイントとなる希薄火炎の安定性を決定づける火炎基部構造を詳細に調査した結果、上記構成によって第二炎口上に形成される濃火炎で第一炎口から供給される過濃混合気が熱分解を受け、化学的に活性な中間生成物が多量に発生し拡散によって希薄炎口の基部に供給されて基部の微小空間に燃焼反応が活発に行われる「高温・高反応域」が形成され、これにより希薄火炎が安定化されていることが分かった。そして物質拡散の基本であるフックの法則から推察されるように、第一混合気室と希薄室の濃度差が大きいほど、第一炎口からの噴出流速が小さいほど「高温・高反応域」が形成されやすいことが判明した。また第二炎口から供給される濃混合気により自身が安定な濃火炎を形成し、希薄火炎の反応を促進するので燃焼反応も完結する。従って希薄混合気の燃焼割合を増加させ、また希薄混合気の濃度を小さくすることができるので更に低ＮＯｘ化が図られ、燃焼量可変幅の拡大や燃料が図られ、空気の高速変動にも追従して安定燃焼を実現できる。このように互いに濃度の異なる混合気を供給し超低ＮＯｘ燃焼を実現する燃焼方式を、従来の濃淡燃焼と識別するため以後「多濃度燃焼」と呼ぶ。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に係る低ＮＯｘ燃焼装置は、希薄混合気を内包する希薄室と、前記希薄室と連通し希薄混合気を燃焼室内に流出供給する希薄炎口と、前記希薄室に隣接し燃料或いは高濃度混合気を内包する第一混合気室と、前記第一混合気室に連通し前記希薄炎口に近接して設けられた第一炎口と、前記第一混合気室に隣接し混合気を内包する第二混合気室と、前記第二混合気室に連通し前記第一炎口に近接して設けられた第二炎口を有し、前記第一混合気室の濃度を前記第二混合気室の濃度より濃くした構成を有する。そして、第一炎口から流出した燃料或いは高濃度混合気が希薄炎口上に形成される希薄火炎の基部に拡散供給されて「高温・高反応域」を形成し希薄火炎を安定化するため、希薄混合気の燃焼割合を増加させ、また希薄混合気の濃度を小さくして超低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００１５】
本発明の請求項２に係る低ＮＯｘ燃焼装置は第一混合気室への燃料供給量を第二混合気室への燃料供給量よりも大きくした構成を有する。そして、第一混合気室の燃料が多くなると熱分解を受けて生成される活性な化学種の濃度が増加するため「高温・高反応域」が安定的に形成され、自身がＮＯｘを発生する第二炎口上に形成される濃火炎の燃焼割合を低減することになるため、超低ＮＯｘ燃焼を実現することができる。
【００１６】
本発明の請求項３に係る低ＮＯｘ燃焼装置は希薄室への燃料供給量を第一混合気室と第二混合気室への燃料供給量の和よりも大きくした構成を有する。これによりＮＯｘ濃度が小さい希薄火炎の燃焼割合が増加し、自身が高濃度のＮＯｘを発生する濃火炎の燃焼割合が低下するため、燃焼装置全体として低ＮＯｘ燃焼を確実に実現することができる。
【００１７】
本発明の請求項４に係る低ＮＯｘ燃焼装置は第一炎口の炎口面積を第二炎口の炎口面積よりも大きくした構成を有する。そして、第一炎口から供給した燃料或いは高濃度混合気の流出速度は大きな炎口面積のため小さくなり、希薄火炎の基部に十分拡散供給されて着実に「高温・高反応域」の形成を実現でき、希薄火炎の燃焼割合が増加して希薄炎口からの噴出流速が増加しても安定化することができる。
【００１８】
本発明の請求項５に係る低ＮＯｘ燃焼装置は希薄炎口の流出する炎口面積は第一炎口の炎口面積又は第二炎口の炎口面積よりも大きくした構成を有する。そして、希薄火炎への燃料供給割合が大きくなり希薄混合気の流量が増加しても、希薄炎口の炎口面積が大きく設けられているため、希薄炎口からの噴出流速を低減することができ、「高温・高反応域」の安定形成が図られる。
【００１９】
本発明の請求項６に係る低ＮＯｘ燃焼装置は第二炎口の片側に第一炎口を設け、反対側に空気流を設けた構成を有する。そして、第二炎口上に形成される濃火炎が空気流によって酸素の供給を受け、第一炎口から流出する燃料或いは高濃度混合気は希薄火炎より酸素の供給を受けるため、燃焼装置全体で完全燃焼することができる。
【００２０】
本発明の請求項７に係る低ＮＯｘ燃焼装置は希薄室、第一混合気室、第二混合気室への燃料供給はそれぞれ互いに独立した供給系を設けた構成を有する。そして、互いに独立した供給系が各混合気室に最適の燃焼量割合の配分や混合比を設定することができるため、同一の燃焼装置で燃料の特性に合わせて最適の供給設定を容易に行うことができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２２】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の低ＮＯｘ燃焼装置を示す全体断面図、図２は同低ＮＯｘ燃焼装置の火炎形成状態を示す部分拡大図である。
【００２３】
図１〜図２において、希薄バーナ１０には希薄混合気を内包する希薄室１１が希薄炎口１２に連接しており、希薄バーナ１０の両側には第一混合気室１３を内包し第一炎口１４に連接した第一バーナ１５が密着して設けられている。第一バーナ１５の外側には第二混合気室１６を内包し第二炎口１７に連接した第二バーナ１８が同様に密着して設けられ、これら希薄バーナ１０とその両側の第一バーナ１５と更にその両側に設けられた第二バーナ１８が一体化されてバーナブロック１９を構成している。バーナケース２０内にはこのバーナブロック１９が複数個収納され燃焼室２１と連接している。
【００２４】
またバーナケース２０の上流側には燃料を供給する燃料管２２と燃焼用空気を供給するファン２３が設けられている。ここで燃料管２２及びファン２３の下流側には希薄混合器２４、第一混合器２５、第二混合器２６がそれぞれ分岐された供給系に設けられ、各混合器には、燃料系の中に希薄燃料調節手段２７、第一燃料調節手段２８、第二燃料調節手段２９及び空気系の中に希薄空気調節手段３０、第一空気調節手段３１、第二空気調節手段３２が介され各混合器に接続されている。
【００２５】
そして希薄混合器２４と希薄室１１は希薄通路３３で、第一混合器２５と第一混合気室１３は第一通路３４で、第二混合器２６と第二混合気室１６は第二通路でそれぞれ接続されている。各通路には他のバーナブロック１９に各混合気を供給する分岐路３６が設けられている。また空気供給系は各混合器と接続する以外に空気調節手段３７を介してバーナケース２０に接続する空気路３８が設けられている。
【００２６】
次に動作、作用について説明すると、燃料管２２から供給された燃料は３つに分岐され希薄燃料調節手段２７、第一燃料調節手段２８、第二燃料調節手段２９で所定の分配比に調節された後希薄混合器２４、第一混合器２５、第二混合器２６にそれぞれ供給される。またファン２３から供給された燃焼用空気は一部が空気調節手段３７で所定の流量に調節された後空気路３８を通ってバーナケース２０に供給され、各バーナブロック１９との隙間を通過して燃焼室２１に流出する。大部分の燃焼用空気は３つに分岐され希薄空気調節手段３０、第一空気調節手段３１、第二空気調節手段３２で所定の分配比に調節された後希薄混合器２４、第一混合器２５、第二混合器２６にそれぞれ供給される。
【００２７】
そして大部分の燃料が希薄燃料調節手段２７で、大量の燃焼用空気が希薄空気調節手段３０で希薄混合器２４に供給され均一な希薄混合気となって希薄通路３３及び分岐路３６を通って各バーナブロック１９に設けられた希薄バーナ１０の希薄室１１に供給される。希薄室１１に供給された希薄混合気は図２に示すように、希薄炎口１２から燃焼室２１内に噴出され火炎温度が低く極めてＮＯｘ濃度が低い希薄火炎Ｅを形成する。次に少量の燃料が第一燃料調節手段２８で、極めて少量の燃焼用空気が第一空気調節手段３１で流量調節され第一混合器２５に供給され均一な過濃混合気となって第一通路３４及び分岐路３６を通って各バーナブロック１９に設けられた第一混合気室１３に供給される。第一混合気室１３に供給された過濃混合気は第一炎口１４から燃焼室２１内に低速で流出し、熱分解を受けて多量の活性な化学種を生成しこの拡散供給によって希薄火炎の基部に燃焼反応が極めて活発な「高温・高反応域」αを形成し、大量の希薄火炎を両側の基部で安定化させる過濃火炎Ｆを形成する。
【００２８】
また次に極めて少量の燃料が第二燃料調節手段２９で、少量の燃焼用空気が第二空気調節手段３２で流量調節され第二混合器２６に供給され均一な濃混合気となって第二通路３５及び分岐路３６を通って各バーナブロック１９に設けられた第二混合気室１６に供給される。第二混合気室１６に供給された濃混合気は第二炎口１７から燃焼室２１内に低速で流出し、安定した濃火炎Ｇを形成すると共に、第一バーナ１５の過濃混合気を着火して過濃火炎Ｆを発生させ、同時にバーナブロック１９間から供給される燃焼用空気で完全燃焼する。
【００２９】
このように、これら３種類の混合気濃度を有する多濃度燃焼により従来の濃淡燃焼でも設けられていた自身が安定した濃火炎Ｇで過濃火炎Ｆを着火させ、多量の活性な反応化学種いわゆるラジカルを希薄火炎Ｆの基部に拡散供給して「高温・高反応域」αを形成し希薄火炎の安定化を大きく促進する。
【００３０】
ここで第一燃料調節手段２８及び第二燃料調節手段２９により第二炎口よりも第一炎口の燃料流量を多く設定することにより活性化学種の生成量が増加し「高温・高反応域」αの形成領域も拡大して希薄火炎Ｅの安定性を更に増加させることが出来る。これにより図３に示すように、希薄火炎Ｅが吹き飛ぶ希薄１２炎口からの限界噴出流速は、基部の安定化促進によって大幅に向上させることが出来た。
【００３１】
また希薄燃料調節手段２７と第一燃料調節手段２８及び第二燃料調節手段２９で第一混合気室１３と第二混合気室１６への燃料供給量の和よりも希薄室１１への燃料流量を多く設定することにより、ＮＯｘ濃度が低い希薄火炎の燃焼割合を増加させることが出来る。これにより図４に示す如く希薄火炎の燃焼割合を従来の点Ｓから点Ｒに増加させることができ更なる低ＮＯｘ化を実現できる。
【００３２】
また本実施例では第一バーナ１５の幅を第二バーナ１８の幅より大きく設けて、第一炎口１４の炎口面積を第二炎口１７の炎口面積よりも大きく構成されている。これにより第一炎口１４から噴出される過濃混合気の流速が低下し、加熱分解で生成した活性化学種が下流に運ばれる割合が低下し、拡散によって希薄火炎の基部により多くの活性化学種が運ばれ上記と同様に図３で示した如く希薄火炎の安定性を大幅に向上させることが出来る。また本実施例では希薄炎口１２の面積を第一炎口１４又は第二炎口１７の炎口面積よりも大きく構成してある。これにより図３で示す如く希薄炎口１２の噴出速度が低下するので希薄室１１内の希薄混合気濃度をＪ濃度からＫ濃度に薄くしても同様の希薄火炎の安定性を得ることが出来る。従って図５に示すようにＮＯｘの生成濃度が濃度Ｊに対応した点Ｎから濃度Ｋに対応した点Ｐに移動して更なる低ＮＯｘ化を実現することができる。
【００３３】
また本実施例では空気調節手段３７で調節され空気路３８から供給された空気が各バーナブロック１９の間を流れる。これにより第二炎口１７上に形成された濃火炎はこの空気によって完全燃焼することが出来る。そして第一炎口１４から供給された過濃混合気によって形成された「高温・高反応域」により希薄火炎が安定化されている。従って燃焼量が少ない領域では図６に示すように、従来燃焼設定点Ｔから強風などで空気量が増加し空気過剰率が大きくなった場合には希薄火炎が不安定となりＨＣなどの未燃生成物が急速に発生した。しかし本発明では完全燃焼する濃火炎により安定的に過濃混合気の熱分解で「高温・高反応域」を形成するためＨＣの発生を抑制できる。
【００３４】
また本実施例では希薄室１１、第一混合気室１３、第二混合気室１６への燃料供給はそれぞれ互いに独立した混合器２４、２５、２６及び希薄通路３３、第一通路３４、第二通路３５の供給系を設けてある。これにより供給する燃料の種類が異なった場合にはその燃料に最適の燃料分配比および各混合気の濃度を容易に再設定することが出来る。従って同一燃焼装置で各種の燃料を使用できる。
【００３５】
なお第一混合気室１３には少量の空気を含む過濃混合気を供給したが、第一空気調節手段３１を閉じて燃料のみであっても同様の効果が実現できる。
【００３６】
また各供給系には各々１つの混合器で混合気を作成し各バーナブロック１９に分配したが、各バーナブロック１９にそれぞれ混合器を設けてもよい。要は各炎口に供給される混合気がそれぞれ独立しておればよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかのように本発明の低ＮＯｘ燃焼装置によれば次の効果が得られる。
【００３８】
請求項１に係る低ＮＯｘ燃焼装置は、第二炎口の濃火炎で第一炎口から流出した燃料或いは過濃混合気を点火させ、活性化学種を多量に発生させ希薄炎口上に形成される希薄火炎の基部に拡散供給して「高温・高反応域」を形成し希薄火炎を安定化するため、希薄混合気の燃焼割合を増加させ、また希薄混合気の濃度を小さくして超低ＮＯｘ化を図ることができる。
【００３９】
また、請求項２に係る低ＮＯｘ燃焼装置は第一混合気室への燃料供給量を第二混合気室への燃料供給量よりも大きくしているので第一混合気室の燃料が多くなり「高温・高反応域」が安定的に形成され、自身がＮＯｘを発生する第二炎口上に形成される濃火炎の燃焼割合を低減することになり、超低ＮＯｘ燃焼を実現することができる。
【００４０】
また、請求項３に係る低ＮＯｘ燃焼装置は希薄室への燃料供給量を第一混合気室と第二混合気室への燃料供給量の和よりも大きくしているので低ＮＯｘとなる希薄火炎の燃焼割合が増加するため、超低ＮＯｘ燃焼を確実に実現することができる。
【００４１】
また、請求項４に係る低ＮＯｘ燃焼装置は第一炎口の炎口面積を第二炎口の炎口面積よりも大きくしているので、第一炎口から供給した燃料或いは高濃度混合気の流出速度は大きな炎口面積のため小さくなり、希薄火炎の基部に十分拡散供給されて着実に「高温・高反応域」の形成を実現でき、希薄火炎を安定化することができる。
【００４２】
また、請求項５に係る低ＮＯｘ燃焼装置は希薄炎口の流出する炎口面積は第一炎口の炎口面積又は第二炎口の炎口面積よりも大きくしているので希薄火炎への燃料供給割合が大きくなり希薄混合気の流量が増加しても、希薄炎口からの噴出流速を低減することができ、「高温・高反応域」で安定化が図れる。
【００４３】
また、請求項６に係る低ＮＯｘ燃焼装置は第二炎口の片側に第一炎口を設け、反対側に空気流を設けているので第二炎口上に形成される濃火炎が空気流によって酸素の供給を受け第一炎口から流出する燃料或いは高濃度混合気は希薄火炎より酸素の供給を受けるため、燃焼装置全体で完全燃焼することができる。
【００４４】
また、請求項７に係る低ＮＯｘ燃焼装置は希薄室、第一混合気室、第二混合気室への燃料供給はそれぞれ互いに独立した供給系を設けているので互いに独立した供給系が各混合気室に最適の燃焼量割合の配分や混合比を設定することができるため、同一の燃焼装置で燃料の特性に合わせて最適の設定をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における低ＮＯｘ燃焼装置の全体断面図
【図２】同燃焼装置要部の部分拡大断面図
【図３】同燃焼装置における希薄濃度と吹き飛び現象との関係を説明する図
【図４】同燃焼装置における希薄燃焼割合とＮＯｘとの関係を説明する図
【図５】同燃焼装置における混合気濃度とＮＯｘの特性図
【図６】同燃焼装置における空気過剰率と排出濃度の特性図
【図７】従来の燃焼装置の部分断面図
【図８】従来の他の燃焼装置の部分断面図
【符号の説明】
１１希薄室
１２希薄炎口
１３第一混合気室
１４第一炎口
１６第二混合気室
１７第二炎口
３３、３４、３５互いに独立した供給系

Claims

希薄混合気を内包する希薄室と、前記希薄室と連通し希薄混合気を燃焼室内に供給する希薄炎口と、前記希薄室に隣接し燃料或いは高濃度混合気を内包する第一混合気室と、前記第一混合気室に連通し前記希薄炎口に近接して設けられた第一炎口と、前記第一混合気室に隣接し混合気を内包する第二混合気室と、前記第二混合気室に連通し前記第一炎口に近接して設けられた第二炎口を有し、前記第一混合気室の濃度を前記第二混合気室の濃度より濃くした低ＮＯｘ燃焼装置。
第一混合気室への燃料供給量を第二混合気室への燃料供給量よりも大きくした請求項１記載の低ＮＯｘ燃焼装置。
希薄室への燃料供給量を第一混合気室と第二混合気室への燃料供給量の和よりも大きくした請求項１又は請求項２記載の低ＮＯｘ燃焼装置。
第一炎口の炎口面積を第二炎口の炎口面積よりも大きくした請求項１、２又は３記載の低ＮＯｘ燃焼装置。
希薄炎口の炎口面積を第一炎口の炎口面積又は第二炎口の炎口面積よりも大きくした請求項１〜４のいずれか１項記載の低ＮＯｘ燃焼装置。
第二炎口の片側に第一炎口を設け、反対側に空気流を設けた請求項１〜５のいずれか１項記載の低ＮＯｘ燃焼装置。
希薄室、第一混合気室及び第二混合気室への燃料供給はそれぞれ互いに独立した請求項１〜５のいずれか１項記載の低ＮＯｘ燃焼装置。