JP3945391B2 - 熱機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、低ＮＯｘバーナを搭載した熱機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年では熱機器における有害燃焼排気物、特にＮＯx の低減化が要望されている。ガス燃料を使用した熱機器においては、燃料自体に窒素分が少ないため、要求される低ＮＯx 化を達成したものが多いが、灯油やＡ重油などの液体燃料を使用した熱機器においては、このレベルまで低ＮＯx 化を達成したものは少ない。これらの液体燃料で低ＮＯx 化を達成した燃焼装置として、当該出願人のものがある（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００３】
前記燃焼装置は、火炎領域（この火炎領域は、燃焼室内でノズルから噴出した燃料の蒸発，ガス化が進行する領域と燃焼反応が進行している領域を含む。）の外周に形成された循環流路で燃焼ガスの自己再循環流を形成するバーナである。
この出願の発明者らは、このバーナを燃焼ガスの出口を偏って形成している燃焼室に装着する場合、この燃焼室内で形成する燃焼ガスの自己再循環流に偏流を生じ、燃焼性能が低下し、所期の低ＮＯx 効果が得られず煤塵やＣＯが増加することを見出した。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０９-２１０３０７号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明が解決しようとする課題は、低ＮＯx バーナを搭載し、燃焼ガスの出口を偏って形成している燃焼室を備えた熱機器の燃焼性能を向上させることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、前記課題を解決するためになされたものであって、請求項１に記載の発明は、火炎領域の外周に形成された循環流路で燃焼ガスの自己再循環流を形成するバーナと、このバーナの燃焼ガス噴出方向とほぼ直交する方向に燃焼ガスの出口を形成した燃焼室と、前記出口側において前記自己再循環流を増強させる循環流増強手段とを備えており、前記バーナが、中心部に燃料を噴出するノズルを備えた第一筒部材と、この第一筒部材の外周にほぼ同軸状に第二筒部材と、前記第一筒部材と前記第二筒部材との間に燃焼用空気を流通させる環状流路と、この環状流路の先端部に燃焼用空気を分割して流出させる遮蔽部材とを備え、前記遮蔽部材に所定数の空気流路部を配置するとともに、前記循環流増強手段が、前記空気流路部のうちの前記出口側に位置する少なくとも１つで燃焼用空気の通過量を多くした拡大空気流路部により構成されたことを特徴している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この発明に係る熱機器は、ボイラや吸収式冷凍機の再生器等の熱機器において好適に実施する。この発明に係る熱機器の実施の形態について説明する。この熱機器として、ボイラを例としてその構成について説明する。このボイラは、燃料を燃焼させて被加熱媒体である水を加温し、温水や蒸気を供給するものである。
【００１０】
このボイラは、燃料を燃焼させるバーナと、このバーナへ燃焼用空気を供給する送風機と、燃焼室の側壁を構成し水を貯留する缶体と、前記側壁に設けた前記燃焼室から燃焼ガスを流出させる出口と、この出口側（出口に近い側）において燃焼ガスの自己再循環流を増強させる循環流増強手段と、前記缶体から熱交換後の燃焼ガス，いわゆる排ガスを排出する煙突とを備えている。
【００１１】
前記バーナは、ウィンドボックス内で中心部に燃料を噴出する１つ以上のノズルを備えた第一筒部材と、この第一筒部材の外周に、ほぼ同軸状に第二筒部材を備えている。前記バーナは、前記第二筒部材を配置することにより、前記第一筒部材と前記第二筒部材との間に燃焼用空気を流通させる環状流路を形成している。そして、前記バーナは、前記環状流路の先端側に燃焼用空気を分割して流出させる遮蔽部材を設けている。すなわち、この遮蔽部材に所定数の空気流路部を配置することにより、前記環状流路を周方向で所定個数に分割している。
【００１２】
前記バーナは、前記ウィンドボックスを介して前記送風機と接続されている。
そして、前記バーナは、整流された燃焼用空気が前記ウィンドボックスを介して前記環状流路へ供給され、この環状流路から噴出した燃焼用空気が前記ノズルから噴出した燃料と混合され、燃焼が開始され、火炎が形成される。この火炎状態の領域（以下、「火炎領域」と云う。）は、燃焼室内でノズルから噴出した燃料の蒸発，ガス化が進行する領域と燃焼反応が進行している領域を含む。そして、前記バーナは、この火炎領域の外周に形成された循環流路で燃焼ガスの自己再循環流を形成するように構成されている。前記循環流路は、火炎領域の外周で前記側壁との間に形成される。そして、前記バーナは、前記缶体の上部中央に前記燃焼室の内底部へ向けて火炎状態の燃焼ガスを噴出するように載置されている。
【００１３】
前記燃焼室は、前記缶体の内側に形成されている。この缶体は、たとえば複数の水管を垂直方向で環状に配列し、上部ヘッダーおよび下部ヘッダーとにより連結したものであり、いわゆる貫流ボイラである。そして、前記缶体は、環状に配列した前記水管で前記側壁を形成し、この側壁で囲まれた内側の空間部を燃焼空間とした前記燃焼室として形成し、前記側壁において水管を設けない部分を開口させて前記出口としている。
【００１４】
すなわち、前記燃焼室の上部に前記バーナが載置され、前記内底部には炉材が設けられており、この燃焼室の側壁に前記出口が偏って開口されている。したがって、前記燃焼室は、このバーナの燃焼ガス噴出方向とほぼ直交する方向に前記出口を形成する，換言すれば、前記燃焼ガス噴出方向にほぼ平行な前記側壁に前記出口を形成している。
【００１５】
そして、前記缶体は、前記バーナの火炎の熱量のうち輻射伝熱による熱量を前記燃焼室を取り囲む前記缶体の内側の水管表面から伝熱するとともに、前記バーナの火炎の熱量のうち対流伝熱による熱量を前記出口から流出させる燃焼ガスから下流側に配列した各水管表面へそれぞれ伝熱することにより、貯留した水を加熱するように構成されている。ここで、環状に配列する前記複数の水管は、内列と外列の２重に配列し、これらの間に前記出口から流出させる燃焼ガスを流通させることも好適である。
【００１６】
さて、前記ボイラは、前記バーナと、前記缶体とを組付けて構成される。そして、前記ボイラは、前記出口側において、前記循環流増強手段を備えている。この循環流増強手段は、前記遮蔽部材に設けた複数の前記空気流路部のうちの少なくとも１つで前記出口側に位置する空気流路部を拡大空気流路部とすることにより構成される。
【００１７】
ここにおいて、前記拡大空気流路部は、前記遮蔽部材に複数設けることも好適であり、また形状を変えて通過面積を大きくしたり、あるいは切り欠くことにより、前記遮蔽部材から前記出口側への燃焼用空気の通過量を増加させる構成とすることもできる。
【００１８】
このような構成の前記ボイラの作用について説明する。前記ノズルから噴出された燃料が、前記第一筒部材内を流通する一次燃焼用空気と、前記環状流路から流出する二次燃焼用空気と混合され、着火手段により着火されて燃焼を開始し火炎を形成する。このとき、前記遮蔽部材の前記各空気流路部により二次燃焼用空気が分割されて噴出されるので、このバーナによる火炎は、分割火炎が形成される。そして、この火炎の熱量を前記缶体で熱交換して水を加熱する。
【００１９】
これらの分割火炎は、円周状に配置された前記各空気流路部の下流側にそれぞれ形成されるが、前記燃焼室内では、環状で互いに近接している。そして、この火炎領域（前記分割火炎が集まった状態の火炎領域）の外周に形成された前記循環流路で燃焼ガスの自己再循環流が形成される。この自己再循環流が形成されることにより、低ＮＯx 化が図られる。
【００２０】
この場合、前記出口が偏って開口しているので、前記自己再循環流が前記出口側においては、流れが阻害され弱くなる。すると、均等な燃焼反応が行われず煤塵やＣＯが増加したり、低ＮＯx 化も不充分となることがある。
【００２１】
そこで、前記循環流増強手段である拡大空気流路部を設けることで、この問題が解消される。これについて詳細に説明する。前記拡大空気流路部は、前記遮蔽部材において、前記出口側に設けられているので、二次燃焼用空気の噴出流量が前記出口側が多くなるように作用する。すると、前記出口側近傍の前記側壁と火炎領域との間に形成された燃焼ガスの循環流量が増加する。したがって、前記出口の偏りにもかかわらず、前記自己再循環流が増強され、阻害され減少していた循環流量を増やすように作用するから均等に燃焼し、低ＮＯx 化できるとともに、煤塵やＣＯの発生も抑制することができる。
【００２２】
以上のように、この実施の形態によれば、低ＮＯx バーナを搭載した熱機器の燃焼性能を向上させることができる。
【００２３】
【実施例】
この発明に係る熱機器の具体的実施例について図面に基づいて詳細に説明する。前記熱機器の好適な実施例としてボイラを例として説明する。図１は、この発明に係るボイラを示す概略縦断面説明図である。図２は、図１のII−II線で示す前記ボイラの概略横断面説明図である。このボイラは、燃料を燃焼させ貯留した水を加温し、温水や蒸気を供給する。
【００２４】
図１および図２において、ボイラ１は、燃料を燃焼させるバーナ２と、このバーナ２へ燃焼用空気（白抜きの太い矢印で示している。）を供給する送風機（図示省略）と、燃焼室３の側壁４を構成し水を貯留する缶体５と、前記側壁４に設けた前記燃焼室３から燃焼ガスを流出させる出口６と、前記バーナ２に設けた前記出口６側（この出口６に近い側）において燃焼ガスの自己再循環流を増強させる循環流増強手段７と、前記缶体５から熱交換後の燃焼ガス，いわゆる排ガスを排出する煙突８とを備えている。前記ボイラ１は、前記バーナ２と、前記缶体５とを組付けて構成される。
【００２５】
前記バーナ２は、燃料供給手段（図示省略）と接続されており、また前記送風機と接続されているウィンドボックス９内で中心部に燃料を噴出する２つのノズル１０，１０を備え一次燃焼用空気を流通させる第一筒部材１１と、この第一筒部材１１の外周に、ほぼ同軸状に第二筒部材１２を備えている。前記バーナ２は、前記第二筒部材１２を配置することにより、前記第一筒部材１１と前記第二筒部材１２との間に二次燃焼用空気を流通させる環状流路１３を形成している。
【００２６】
そして、前記バーナ２は、前記環状流路１３の先端側に二次燃焼用空気を分割して前記燃焼室３内へ流出させる遮蔽部材１４を設けている。すなわち、この遮蔽部材１４に所定数（この実施例では６個設けている。）の空気流路部１５，１５，…を配置することにより、前記環状流路１３を周方向で６個に分割している。ここで、前記循環流増強手段７は、前記遮蔽部材１４に設けた６個の前記空気流路部１５，１５，…のうち、前記出口６側に位置する１つの前記空気流路部１５を大きく形成し、拡大空気流路部とする（以下、「拡大空気流路部７」と云う。）ことにより構成する。
【００２７】
前記バーナ２は、整流された燃焼用空気が、前記ウィンドボックス９を介して前記第一筒部材１１内を流通する一次燃焼用空気と、前記環状流路１３内へ流通する二次燃焼用空気として供給され、この両燃焼用空気が前記各ノズル１０から噴出した燃料と混合され、燃焼が開始され、火炎状態の領域が形成されるように構成されている。この火炎領域は、前記燃焼室３内で燃料の蒸発，ガス化が進行する領域と燃焼反応が進行している領域を含む。そして、前記バーナ２は、この火炎領域の外周に形成された循環流路１６で燃焼ガスの自己再循環流（図１の白抜きで先端黒塗りの矢印２つで示している。）を形成するように構成されている。前記循環流路１６は、火炎領域の外周で前記側壁４との間に形成される。そして、前記バーナ２は、前記缶体５の上部中央に前記燃焼室３の内底部１７へ向けて火炎状態の燃焼ガスを噴出するように載置されている。
【００２８】
前記燃焼室３は、前記缶体５の内側に形成されている。この缶体５は、複数の水管１８，１８，…を垂直方向で環状に内列と外列との２列で配列し、上部ヘッダー１９および下部ヘッダー２０とにより連結しており、いわゆる貫流ボイラであり、前記各水管１８内と前記両ヘッダー１９，２０内（温水ボイラの場合）に水を貯留する。そして、前記缶体５は、環状に配列した内列の各水管１８で前記側壁４を形成し、この側壁４で囲まれた内側の空間部を燃焼空間とした前記燃焼室３として形成し、前記側壁４において水管を設けない部分を開口させて前記出口６としている。
【００２９】
すなわち、前記燃焼室３の上部に前記バーナ２が載置され、前記内底部１７には炉材２１が設けられており、この燃焼室３の側面に前記出口６が偏って開口されている。したがって、前記燃焼室３は、このバーナ２の燃焼ガス噴出方向とほぼ平行に前記側壁４が形成されており、また前記燃焼ガス噴出方向とほぼ直交する方向に前記出口６を形成するように構成されている。
【００３０】
そして、前記缶体５は、前記バーナ２の火炎の熱量のうち輻射伝熱による熱量を前記側壁４の前記各水管１８の表面から伝熱するとともに、前記バーナ２の火炎の熱量のうち対流伝熱による熱量を前記出口６から流出させる燃焼ガスから下流側に配列した前記各水管１８の表面へそれぞれ伝熱することにより、内部に貯留した水を加熱するように構成されている。
【００３１】
このような構成の前記ボイラ１の作用について説明する。前記各ノズル１０から噴出された燃料が、前記第一筒部材１１内を流通する一次燃焼用空気と、前記環状流路１３から流出する二次燃焼用空気と混合され、着火手段２２により着火されて燃焼を開始し火炎を形成する。このとき、５個の前記各空気流路部１５と、前記拡大空気流路部７により二次燃焼用空気が分割されて噴出されるので、このバーナ２による火炎は、６個の分割火炎が形成される。
【００３２】
これらの分割火炎は、円周状に配置された前記各空気流路部１５と、前記拡大空気流路部７の下流側に６個形成されるが、前記燃焼室３内では、環状で互いに近接している。そして、この火炎領域（前記分割火炎が集まった状態の火炎領域）の外周に形成された前記循環流路１６で燃焼ガスの前記自己再循環流が形成される。この自己再循環流が形成されることにより、低ＮＯx 化が図られる。そして、この火炎領域の熱量を前記缶体５で熱交換して水を加熱する。
【００３３】
この場合、前記出口６が偏って開口しているので、前記自己再循環流が前記出口６側においては、流れが阻害され弱くなる，いわゆる偏流が生じる。すると、均等な燃焼反応が行われず煤塵やＣＯが増加したり、低ＮＯx 化も不充分となることがある。
【００３４】
そこで、前記拡大空気流路部７の作用について詳細に説明する。前記拡大空気流路部７は、前記遮蔽部材１４において前記出口６側に設けられているので、図１の黒塗りの太い矢印で示すように、二次燃焼用空気の噴出流量が、前記出口６側が多くなるように作用する。すると、前記出口６側近傍の前記側壁４と火炎領域との間に形成された燃焼ガスの循環流量が増加する。したがって、前記自己再循環流が増強され、阻害され減少していた流量を増やすように作用するから、前記バーナ２は、均等に再循環しながら燃焼する。すなわち、図１の２つの白抜きで先端黒塗りの矢印で示すように、均等な自己再循環流が形成される。図２において、斜線入りの楕円で示したところが、前記拡大空気流路部７の作用により形成される自己再循環流増強領域Ａである。
【００３５】
これにより、前記自己再循環流増強領域Ａにおいて、前記自己再循環流が増強され、阻害され減少していた流量を増やすように作用するから、前記バーナ２は、均等に再循環しながら燃焼し、低ＮＯx 化できるとともに、煤塵やＣＯの発生も抑制することができる。
【００３６】
そして、前記出口６から流出する低公害化された燃焼ガスは、前記各水管１８内の水と熱交換された後、前記煙突８から排出される。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、低ＮＯx バーナを搭載し、燃焼ガスの出口を偏って形成している燃焼室を備えた熱機器の燃焼性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るボイラの概略縦断面説明図である。
【図２】図１のII−II線で示すボイラの概略横断面説明図である。
【符号の説明】
２ バーナ
３ 燃焼室
６ 出口
７ 拡大空気流路部（循環流増強手段）
１０ ノズル
１１ 第一筒部材
１２ 第二筒部材
１３ 環状流路
１４ 遮蔽部材
１５ 空気流路部
１６ 循環流路

Claims (1)

1. 火炎領域の外周に形成された循環流路１６で燃焼ガスの自己再循環流を形成するバーナ２と、このバーナ２の燃焼ガス噴出方向とほぼ直交する方向に燃焼ガスの出口６を形成した燃焼室３と、前記出口６側において前記自己再循環流を増強させる循環流増強手段７とを備えており、前記バーナ２が、中心部に燃料を噴出するノズル１０を備えた第一筒部材１１と、この第一筒部材１１の外周にほぼ同軸状に第二筒部材１２と、前記第一筒部材１１と前記第二筒部材１２との間に燃焼用空気を流通させる環状流路１３と、この環状流路１３の先端部に燃焼用空気を分割して流出させる遮蔽部材１４とを備え、前記遮蔽部材１４に所定数の空気流路部１５を配置するとともに、前記循環流増強手段７が、前記空気流路部１５のうちの前記出口６側に位置する少なくとも１つで燃焼用空気の通過量を多くした拡大空気流路部７により構成されたことを特徴とする熱機器。

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