JP4040831B2

JP4040831B2 - Burner mat for liquid fuel

Info

Publication number: JP4040831B2
Application number: JP2000293016A
Authority: JP
Inventors: 後藤　　晃
Original assignee: Petroleum Energy Center PEC; Nippon Oil Corp
Current assignee: Japan Petroleum Energy Center JPEC; Eneos Corp
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2020-09-26
Also published as: JP2002098310A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料と空気との混合気を面状に燃焼させる液体燃料用バーナマット（以下「バーナマット」という）において、特に、逆火を防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、気体燃料と空気との混合気を面状に燃焼させるバーナマットがよく知られている。バーナマットの裏面に供給された混合気は、表裏連通した細孔を通過してその表面に供給され、表面近傍で燃焼する。このため、混合気は、バーナマットの表面全体で面状に燃焼することとなり、燃焼用空気の供給が十分行われることから、ＮＯｘ低減効果が発揮される。
【０００３】
バーナマットは、通常、金属繊維やセラミック繊維を素材とした不織布又は織布から形成される。これまで、バーナマットについては、その素材や形状，作製方法などについて、様々な工夫がなされてきた。例えば、特開昭６０−２１３７１７号公報では、バーナマットに耐熱性を付与するため、その素材を改良した技術が提案されており、また、特開平２−２７９９０８号公報では、高負荷燃焼を可能にするため、バーナマットの空隙率，マット厚さ，繊維径及び繊維長さを見直した技術が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのバーナマットは気体燃料を使用することを前提としているため、燃料として液体燃料たる灯油を使用すると、次のような不具合が発生するおそれがある。即ち、バーナマットに気化灯油と空気との混合気を供給すると、バーナマット裏面で灯油が再液化し、燃焼面の熱により再液化した灯油が着火して逆火が発生してしまう。一方、逆火を防止するために、灯油の再液化を防止すべく空気温度を高める方法も考えられるが、空気温度を高くしすぎると、灯油の自然発火温度に達し、同様に逆火が発生してしまう。また、このような方法で安定燃焼ができたとしても、燃焼を継続するうちに、バーナマットが油滴，コークスなどにより目詰まりを起こし、失火又は逆火が発生してしまう。
【０００５】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、灯油などの液体燃料を使用しても、逆火が起こり難く、安定した表面燃焼を可能とした液体燃料用バーナマットを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の発明では、金属繊維又はセラミック繊維の不織布又は織布から形成され、その裏面に供給された液体燃料が表面に通過して、該表面で面状に燃焼する液体燃料用バーナマットにおいて、前記バーナマットの平均空隙率を、２．５×板厚＋８１以上にしたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明では、前記バーナマットには、その厚さ方向に、直径０．５〜２ｍｍの直線状の貫通孔が、平均して１ｃｍ²あたり２個以上形成されていることを特徴とする。
ここで、本発明の気体燃料用バーナマットの作用について説明する。
液体燃料としての灯油を気化すべく、灯油を自然発火温度より低い温度で加熱すると、その大部分が気化するが、灯油中にわずかに含有される高沸点留分は気化されないまま、油滴又はコークスの微粒子として残留してしまう。また、気化された気化灯油の一部は、低温部を通過する際に再液化することがある。このような油滴、微粒子又は再液化した灯油がバーナマットに供給されると、バーナマットの裏面に付着し、燃焼熱により着火して逆火が発生するおそれがある。
【０００８】
しかし、請求項１に係るバーナマットでは、その平均空隙率が、２．５×板厚＋８１以上になるように形成されているので、裏面に付着した油滴等はバーナマットを通過し、その表面に供給される。このため、バーナマット裏面に付着した油滴等により逆火が発生することが防止され、安定した表面燃焼が行なわれるようになる。
【０００９】
また、請求項２に係るバーナマットでは、その厚さ方向に、直径０．５〜２ｍｍの直線状の貫通孔が、平均して１ｃｍ²あたり２個以上形成されているので、裏面に付着した油滴等の通過性能がさらに向上し、逆火の発生がより効果的に防止される。また、多孔化の副次的な効果として、ＮＯｘ，ＣＯ，未燃炭化水素が低減され、排気性状も向上する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明に係るバーナマットを適用した液体燃料用面状バーナの全体構成を示す。なお、液体燃料用面状バーナでは、液体燃料として、例えば、灯油が使用される。
【００１１】
液体燃料用面状バーナは、バーナマット１０と、灯油供給ポンプ１２と、気化器１４と、ブロア１６と、ケーシング１８と、分散板２０と、着火装置２２と、を含んで構成される。
ケーシング１８の一面には、燃焼用空気を供給するブロア１６の吐出口が接続される。ブロア１６の吐出口下流には、図示しない燃料タンクに貯留される灯油が、灯油供給ポンプ１２及び気化器１４を介して、気化された状態で供給される。灯油供給部下流にあたるケーシング１８内部には、燃焼用空気と気化灯油との混合を促進すべく、隔壁により混合気通路が延長された混合部１８ａが形成される。混合部１８ａの出口下流には、混合気をケーシング１８内部に略均一に分散させるべく、例えば、パンチ板により形成される分散板２０が配設される。分散板２０の下流にあたるケーシング１８の他面は、外部に開口し、ここにバーナマット１０が固定される。また、バーナマット１０の下流には、供給された混合気を着火すべく、着火装置２２が配設される。
【００１２】
バーナマット１０としては、金属繊維の不織布又は織布を焼結して成型したものや、コージェライト，チタニア，ムライト，アルミナ，シリカ，アルミナ−シリカなどのセラミック繊維の不織布又は織布が用いられる。
金属繊維は、引抜き法，溶融紡糸法，ワイヤ切削法，コイル材切削法，びびり振動切削法，コーティング法，ウイスカー法などの加工法により製造される。金属繊維の平均直径は、５〜２００μｍが好ましく、特に、１０〜１００μｍがより好ましい。即ち、平均直径が５μｍ以下の金属繊維は、製造が困難であり、平均直径が２００μｍ以上の金属繊維は、バーナマット１０で灯油を燃焼させた際に、温度分布ができてしまうからである。
【００１３】
金属繊維の素材の材質としては、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ，Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌなどを用いる。この場合、素材を焼結処理後、酸化雰囲気中で熱処理し、表面にアルミナ層またはシリカ層を形成することで、高温耐熱性を向上させることができる。他の材質を用いる場合には、アルミナなどで表面をコーティングすることで、耐酸化性を向上させることができる。
【００１４】
そして、このようにして製造された金属繊維は、マット状に成型され、真空又は非酸化性雰囲気中で８００〜１２００℃の温度条件下、１０分〜１０時間焼結され、バーナマット１０が形成される。このとき、最終的に形成されるバーナマット１０の平均空隙率が、２．５×板厚＋８１以上になるように、焼結時にマット全体に荷重を作用させる。なお、バーナマット１０は、ケーシング１８の形状に合わせて、円筒形や平板形など任意の形状に形成される。
【００１５】
また、バーナマット１０には、その厚さ方向に、直径０．５〜２ｍｍの直線状の貫通孔を形成してもよい。この場合、バーナマット１ｃｍ²あたり、平均して２個以上の貫通孔を形成することが好ましい。貫通孔は、金属繊維の焼結後、ニードルパンチなどを用いて形成することが好ましいが、レーザ加工などの他の方法を用いて形成してもよい。
【００１６】
次に、かかる構成からなる液体燃料用面状バーナの作用について説明する。
図示しない燃料タンクに貯蓄される灯油は、灯油供給ポンプ１２により所定圧力に加圧され、気化器１４に供給される。気化器１４に供給された灯油は、金属製又はセラミック製の電気ヒータ等により加熱され気化灯油となり、ブロア１６下流側に供給される。ブロア１６下流側に供給された気化灯油は、ケーシング１８内部に形成された混合部１８ａにおいて、ブロア１６から供給される燃焼用空気と混合して混合気となる。混合気は、分散板２０により分散され、ケーシング１８に固定されたバーナマット１０裏面に略均一に供給される。そして、混合気は、バーナマット１０を通過して表面に供給され、着火装置２２により着火されて、面状に燃焼する。
【００１７】
ここで、バーナマット１０の平均空隙率を、２．５×板厚＋８１以上にすることで、逆火が防止できることを実証する実験データについて説明する。なお、以下の実験データは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉを主成分とした平均直径４０μｍの金属繊維を積層した不織布を焼結して形成したバーナマット１０を使用したものである。
【００１８】
実験は、図１に示す液体燃料用面状燃焼バーナにおいて、空気比１．１，表面積１ｍ²あたりの燃焼量６００ｋＷとして、板厚を１〜４ｍｍ，平均空隙率を８５〜９５％に変化させて行なった。そして、各実験条件において、逆火が発生したか否かを確認した。その結果、表１に示すような実験データが得られた。なお、表中の「○」は逆火が発生せず、「×」は逆火が発生したことを示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
この表を見ると、板厚が１ｍｍの場合には、実験した平均空隙率の範囲では逆火が発生していないが、板厚が厚くなるに従って、平均空隙率が小さい範囲で逆火が発生するようになる現象が把握できる。この現象を数値化すると、バーナマット１０の平均空隙率が２．５×板厚＋８１以上のときには、逆火が発生せず、平均空隙率がそれ未満のときには、逆火が発生することがわかった。
【００２１】
この現象は、次のようにして説明することができる。即ち、バーナマット１０の平均空隙率を２．５×板厚＋８１以上にすると、コークスなどの微粒子又は再液化した灯油は、バーナマット１０を通過して表面に供給されるようになる。このため、灯油などの液体燃料を使用しても、逆火が起こり難くなり、安定した表面燃焼を行なうことができるようなる。また、表面における火炎の長さが短くなるため、被加熱物との距離を短くすることができ、ボイラなどの燃焼機器全体をコンパクトにすることができる。さらに、ボイラなどの水管を加熱する場合には、水管の近くにバーナマット１０を設置することができ、輻射エネルギーと排気熱エネルギーとを効率よく利用することができる。この他には、輻射エネルギーが通常の火炎燃料よりも多く発生するため、輻射型暖房機としても使用することができる。
【００２２】
また、以上説明したバーナマット１０に、１ｃｍ²あたり２．６個の割合で直径１．２ｍｍの貫通孔を形成したところ、長時間連続しても逆火が発生することがなく、安定燃焼が行なわれることを確認した。これは、貫通孔を形成することで、再液化した灯油の通過性能がさらに向上したことによる。そして、多孔化の副次的な効果として、ＮＯｘ，ＣＯ，未燃炭化水素の低減も認められ、排気性状も向上することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、バーナマットに付着した油滴等により逆火が発生することが防止され、安定した表面燃焼を行なうことができる。
請求項２記載の発明によれば、逆火の発生をより効果的に防止することができる。また、多孔化の副次的な効果として、ＮＯｘ，ＣＯ，未燃炭化水素も低減され、排気性状も向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る液体燃料用バーナマットを適用した液体燃料用面状バーナの構成図である。
【符号の説明】
１０バーナマット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for preventing backfire particularly in a burner mat for liquid fuel (hereinafter referred to as “burner mat”) that burns a mixture of liquid fuel and air in a planar shape.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a burner mat that burns a mixture of gaseous fuel and air in a planar shape is well known. The air-fuel mixture supplied to the back surface of the burner mat passes through the front and back pores, is supplied to the surface, and burns in the vicinity of the surface. For this reason, the air-fuel mixture burns in a planar shape over the entire surface of the burner mat, and the combustion air is sufficiently supplied, so that the NOx reduction effect is exhibited.
[0003]
The burner mat is usually formed from a nonwoven fabric or a woven fabric made of metal fibers or ceramic fibers. Until now, various ingenuity has been made for the burner mats in terms of the material, shape, manufacturing method, and the like. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-213717 proposes a technique for improving the material for imparting heat resistance to the burner mat, and Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 2-279908 enables high-load combustion. Therefore, a technique has been proposed in which the porosity, mat thickness, fiber diameter and fiber length of the burner mat are reviewed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, since these burner mats are based on the premise that gaseous fuel is used, the use of kerosene, which is a liquid fuel, may cause the following problems. That is, if a mixture of vaporized kerosene and air is supplied to the burner mat, the kerosene is re-liquefied on the back surface of the burner mat, and the re-liquefied kerosene is ignited by the heat on the combustion surface, causing backfire. On the other hand, in order to prevent backfire, a method of increasing the air temperature to prevent reliquefaction of kerosene is also conceivable, but if the air temperature is too high, the autoignition temperature of kerosene will be reached, and backfire will occur as well. Resulting in. Further, even if stable combustion can be achieved by such a method, the burner mat is clogged with oil droplets, coke, etc. while combustion is continued, and misfire or flashback occurs.
[0005]
Therefore, in view of the conventional problems as described above, the present invention provides a burner mat for liquid fuel that is less likely to cause backfire even when liquid fuel such as kerosene is used and that enables stable surface combustion. With the goal.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, according to the first aspect of the present invention, the liquid fuel is formed from a non-woven fabric or woven fabric of metal fibers or ceramic fibers, and the liquid fuel supplied to the back surface thereof passes through the surface and burns in a plane on the surface. In the burner mat for use, the average porosity of the burner mat is 2.5 × plate thickness + 81 or more.
[0007]
The invention according to claim 2 is characterized in that, in the burner mat, two or more linear through holes with a diameter of 0.5 to 2 mm are formed on the average in a thickness direction per 1 cm ^2. And
Here, the effect | action of the burner mat for gaseous fuels of this invention is demonstrated.
When kerosene is heated at a temperature lower than the autoignition temperature to vaporize kerosene as a liquid fuel, most of it is vaporized, but the high-boiling fraction slightly contained in kerosene is not vaporized, but oil droplets or It remains as fine particles of coke. In addition, a part of the vaporized kerosene that has been vaporized may re-liquefy when passing through the low temperature part. When such oil droplets, fine particles, or reliquefied kerosene is supplied to the burner mat, it adheres to the back surface of the burner mat and may be ignited by combustion heat to cause backfire.
[0008]
However, in the burner mat according to claim 1, since the average porosity is 2.5 × plate thickness + 81 or more, oil droplets or the like adhering to the back surface passes through the burner mat, Supplied to the surface. For this reason, backfire is prevented from occurring due to oil droplets or the like adhering to the back surface of the burner mat, and stable surface combustion is performed.
[0009]
Further, in the burner mat according to claim 2, since two or more linear through holes having a diameter of 0.5 to 2 mm are formed on the average in the thickness direction per 1 cm ² , the burner mat is attached to the back surface. The passage performance of oil droplets and the like is further improved, and the occurrence of flashback is more effectively prevented. Further, as a secondary effect of the porosity, NOx, CO, unburned hydrocarbons are reduced, and exhaust properties are also improved.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows the overall configuration of a planar burner for liquid fuel to which a burner mat according to the present invention is applied. In the planar burner for liquid fuel, for example, kerosene is used as the liquid fuel.
[0011]
The planar burner for liquid fuel includes a burner mat 10, a kerosene supply pump 12, a vaporizer 14, a blower 16, a casing 18, a dispersion plate 20, and an ignition device 22.
A discharge port of a blower 16 that supplies combustion air is connected to one surface of the casing 18. Kerosene stored in a fuel tank (not shown) is supplied in a vaporized state downstream of the discharge port of the blower 16 via the kerosene supply pump 12 and the vaporizer 14. In the casing 18 which is downstream of the kerosene supply portion, a mixing portion 18a is formed in which the air-fuel mixture passage is extended by a partition wall in order to promote mixing of combustion air and vaporized kerosene. In order to disperse the air-fuel mixture substantially uniformly in the casing 18, for example, a dispersion plate 20 formed of a punch plate is disposed downstream of the outlet of the mixing unit 18 a. The other surface of the casing 18 downstream of the dispersion plate 20 opens to the outside, and the burner mat 10 is fixed thereto. An ignition device 22 is disposed downstream of the burner mat 10 to ignite the supplied air-fuel mixture.
[0012]
As the burner mat 10, a metal fiber nonwoven fabric or woven fabric sintered or a ceramic fiber nonwoven fabric or woven fabric such as cordierite, titania, mullite, alumina, silica, or alumina-silica is used.
The metal fiber is manufactured by a processing method such as a drawing method, a melt spinning method, a wire cutting method, a coil material cutting method, a chatter vibration cutting method, a coating method, or a whisker method. The average diameter of the metal fibers is preferably 5 to 200 μm, and more preferably 10 to 100 μm. That is, metal fibers having an average diameter of 5 μm or less are difficult to manufacture, and metal fibers having an average diameter of 200 μm or more cause a temperature distribution when burning kerosene with the burner mat 10.
[0013]
Fe-Cr-Si, Fe-Cr-Al, etc. are used as the material of the metal fiber material. In this case, high temperature heat resistance can be improved by heat-treating the material in an oxidizing atmosphere after the sintering treatment to form an alumina layer or a silica layer on the surface. When other materials are used, oxidation resistance can be improved by coating the surface with alumina or the like.
[0014]
And the metal fiber manufactured in this way is shape | molded in the shape of a mat | matte, and it is sintered for 10 minutes-10 hours in 800-1200 degreeC temperature conditions in a vacuum or non-oxidizing atmosphere, and the burner mat 10 forms. Is done. At this time, a load is applied to the entire mat during sintering so that the average porosity of the burner mat 10 finally formed is 2.5 × plate thickness + 81 or more. The burner mat 10 is formed in an arbitrary shape such as a cylindrical shape or a flat plate shape in accordance with the shape of the casing 18.
[0015]
Moreover, you may form in the burner mat 10 the linear through-hole of diameter 0.5-2mm in the thickness direction. In this case, it is preferable to form two or more through holes on average per 1 cm ^{2 of} the burner mat. The through-hole is preferably formed using a needle punch or the like after the metal fiber is sintered, but may be formed using another method such as laser processing.
[0016]
Next, the operation of the planar burner for liquid fuel having such a configuration will be described.
Kerosene stored in a fuel tank (not shown) is pressurized to a predetermined pressure by the kerosene supply pump 12 and supplied to the vaporizer 14. The kerosene supplied to the vaporizer 14 is heated by a metal or ceramic electric heater or the like to become vaporized kerosene, and is supplied downstream of the blower 16. The vaporized kerosene supplied to the downstream side of the blower 16 is mixed with the combustion air supplied from the blower 16 in the mixing portion 18a formed inside the casing 18 to become an air-fuel mixture. The air-fuel mixture is dispersed by the dispersion plate 20 and is supplied substantially uniformly to the back surface of the burner mat 10 fixed to the casing 18. Then, the air-fuel mixture passes through the burner mat 10 and is supplied to the surface, and is ignited by the ignition device 22 and burned into a planar shape.
[0017]
Here, experimental data demonstrating that backfire can be prevented by setting the average porosity of the burner mat 10 to 2.5 × plate thickness + 81 or more will be described. In addition, the following experimental data use the burner mat 10 formed by sintering the nonwoven fabric which laminated | stacked the metal fiber with an average diameter of 40 micrometers which has Fe-Cr-Si as a main component.
[0018]
Experiments in planar combustion burner for liquid fuels shown in FIG. 1, an air ratio of 1.1, as a combustion amount 600kW per surface area 1 m ^2, by changing the plate thickness 1 to 4 mm, an average void ratio 85% to 95% It was done. In each experimental condition, it was confirmed whether a backfire occurred. As a result, experimental data as shown in Table 1 was obtained. In the table, “◯” indicates that no flashback occurred, and “X” indicates that a flashback occurred.
[0019]
[Table 1]

[0020]
Looking at this table, when the plate thickness is 1 mm, backfire does not occur in the range of the average porosity tested, but backfire occurs in the range where the average porosity is small as the plate thickness increases. It is possible to grasp the phenomenon of becoming. When this phenomenon is quantified, it can be seen that when the average porosity of the burner mat 10 is 2.5 × plate thickness + 81 or more, no backfire occurs, and when the average porosity is less than that, a backfire occurs. It was.
[0021]
This phenomenon can be explained as follows. That is, when the average porosity of the burner mat 10 is 2.5 × plate thickness + 81 or more, fine particles such as coke or reliquefied kerosene passes through the burner mat 10 and is supplied to the surface. For this reason, even if liquid fuel such as kerosene is used, backfire hardly occurs, and stable surface combustion can be performed. Further, since the length of the flame on the surface is shortened, the distance to the object to be heated can be shortened, and the entire combustion equipment such as a boiler can be made compact. Furthermore, when heating a water pipe such as a boiler, the burner mat 10 can be installed near the water pipe, and the radiant energy and the exhaust heat energy can be used efficiently. In addition, since radiant energy is generated more than normal flame fuel, it can also be used as a radiant heater.
[0022]
In addition, when the through-holes having a diameter of 1.2 mm are formed in the burner mat 10 described above at a rate of 2.6 per 1 cm ² , no backfire occurs even if continuous for a long time, and stable combustion is achieved. Confirmed that it was done. This is because the passage performance of the re-liquefied kerosene was further improved by forming the through hole. Further, as a secondary effect of porosity, reduction of NOx, CO, and unburned hydrocarbons is recognized, and exhaust properties can be improved.
[0023]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, backfire is prevented from occurring due to oil droplets or the like adhering to the burner mat, and stable surface combustion can be performed.
According to invention of Claim 2, generation | occurrence | production of backfire can be prevented more effectively. Further, as a secondary effect of porosity, NOx, CO, and unburned hydrocarbons are also reduced, and the exhaust properties can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a planar burner for liquid fuel to which a burner mat for liquid fuel according to the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
10 Burna mat

Claims

In a liquid fuel burner mat that is formed from a nonwoven fabric or a woven fabric of metal fibers or ceramic fibers, and the liquid fuel supplied to the back surface thereof passes through the surface and burns in a planar shape on the surface,
A burner mat for liquid fuel, wherein the average porosity of the burner mat is 2.5 × plate thickness + 81 or more.

2. The liquid according to claim 1, wherein, on the burner mat, two or more linear through holes having a diameter of 0.5 to 2 mm are formed on an average per cm ² in the thickness direction. Burner mat for fuel.