JP4750174B2 - 拡散燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、拡散燃焼装置に関する。

特許文献１には、燃焼室内に燃料および空気を直接噴射して燃焼させる拡散燃焼装置において、主燃焼室に開口し、パイロットバーナが設けられた１次燃焼室に、燃料および１次空気を噴射し、１次燃焼室の近傍から主燃焼室に２次空気を噴射する拡散燃焼装置が記載されている。

また、特許文献２には、２次空気の供給路と、排気ガスの排出路とを交番式にし、それぞれに蓄熱体を配設した拡散燃焼装置が記載されている。

このような蓄熱交番式の拡散燃焼装置は、ガスを燃料とするものについては実用化されているが、液体燃料については未だ実用的ではない。特に、燃焼容量の大きな燃焼装置は、重油を燃料として使用することへのニーズが大きい。しかしながら、液体燃料は、噴霧された燃料を一旦気化する必要があるために、特に低温時に、着火遅れや急燃焼が発生し、不完全燃焼や炉壁（特に１次燃焼室内壁）へのカーボンの付着などの不具合が発生するという問題がある。
特公平８−２６９７０号公報 特開２００７−２４３３５号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、液体燃料を使用し得る拡散燃焼装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による拡散燃焼装置は、主燃焼室に開口する１次燃焼室と、前記１次燃焼室に設けられたパイロットバーナと、前記１次燃焼室に液体燃料と、前記液体燃料を噴霧するための噴霧空気とを噴射する燃料ノズルと、前記燃料ノズルの周囲に、前記燃料ノズルに沿って１次空気を供給する１次空気供給路と、前記１次燃焼室の近傍から、前記主燃焼室内に２次空気を噴射する２次空気供給路と、前記１次空気を前記燃料ノズル周りに旋回させて、前記燃料ノズルから噴霧された前記液体燃料を包み込むエアカーテンを形成する気流旋回手段と、前記１次空気および前記２次空気の全体量に対する前記１次空気の割合である１次空気比を、前記主燃焼室の温度が前記液体燃料の自然着火温度よりも低いときには高くし、前記主燃焼室の温度が前記液体燃料の自然着火温度よりも高いときには低くする１次空気比調節手段とを有するものとする。

この構成によれば、低温時に１次空気比を高くして、噴霧された燃料を１次空気で取り囲むことで、燃焼が不完全な燃料が炉壁に付着することを防止し、特に１次燃焼室の内壁にカーボンが付着することを防止する。そして、燃料の気化および燃焼が容易な高温時には、１次空気比を低くすることで、ＮＯｘを低減できる。

また、本発明の拡散燃焼装置は、前記１次空気を前記燃料ノズル周りに旋回させる気流旋回手段をさらに有するので、旋回気流がエアカーテンとなって燃料を包み込むので、前記１次燃焼室の内壁へのカーボンの付着を防止する効果を高められる。

また、本発明の拡散燃焼装置において、前記主燃焼室の温度が前記液体燃料の自然着火温度よりも低いときの前記１次空気比を、５％以上、好ましくは１０％以上にすれば、前記１次燃焼室の内壁へのカーボンの付着を有効に防止できる。また、前記１次空気比を４０％以下とすることで、ＮＯｘの発生を工業炉に対する法令の規制範囲内に抑制できる。

また、本発明の拡散燃焼装置において、前記主燃焼室の温度が前記液体燃料の自然着火温度よりも高いときの前記１次空気比を１０％以下にすれば、十分なＮＯｘ抑制効果が得られる。

また、本発明の拡散燃焼装置において、前記２次空気供給路を、交番して燃焼ガスの排気のための流路を兼ねるために複数設け、それぞれ蓄熱体を介して前記２次空気が導入されるようにすれば、蓄熱体で排気ガスから回収した熱によって前記２次空気を予熱できるため、熱効率を高められる。さらに、前記主燃焼室の温度が高いときは、前記１次空気比を低くして２次空気の比率を高めるので、より熱効率が高くなる。

以上のように、本発明の拡散燃焼装置では、主燃焼室の温度が低いときは、１次空気比を高くすることによって、１次空気がエアカーテンとなって噴霧された燃料が１次燃焼室の内壁に付着することを防止でき、主燃焼室の温度が高いときは、１次空気比を下げてＮＯｘを抑制するとともに、蓄熱体による熱回収の効率を高められる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の１つの実施形態である拡散燃焼装置１を示す。拡散燃焼装置１は、主燃焼室２を画定する炉壁３に形成されている。拡散燃焼装置１は、主燃焼室２に開口するように炉壁３に形成した凹部からなる１次燃焼室４と、１次燃焼室４内に点火源となる火炎を形成するパイロットバーナ５と、１次燃焼室４を介して主燃焼室２内に燃料を噴射する燃料ノズル６と、燃料ノズル６の外側に嵌装された管によって形成され、燃料ノズル６の周囲に１次空気を供給する１次空気供給路７と、１次燃焼室４の近傍から主燃焼室２内に２次空気を噴射可能な複数の２次空気供給路８（１つだけ図示）と、それぞれ、蓄熱体９を備え、２次空気供給路８と連通し、蓄熱体９を介して２次空気供給路８に２次空気を供給可能な複数の蓄熱器１０（１つだけ図示）とを有する。

１つの２次空気供給路８および１つの蓄熱器１０を一式として、順番に、少なくとも１式が２次空気の吸気路として使用され、他の少なくとも１式が、燃焼排ガスの排気路として使用される。蓄熱体９は、排気路となるときに燃焼排ガスの熱エネルギーを回収し、２次空気の吸気路となるときは２次空気を予熱する役目を果たす。

本実施形態では、燃料ノズル６には、液体燃料（例えば重油）と、液体燃料をスプレーするための噴霧空気とが供給されるが、噴霧空気を用いずに液体燃料を高圧噴霧してもよい。また、１次空気供給路７は、１次空気を燃料ノズル６周りに旋回させるための、旋回羽根１１を備える。

拡散燃焼装置１では、ブロワ１２により、燃料ノズル６から噴射される燃料の量に応じて最適な空燃比を実現する流量の燃焼用空気が供給され、１次空気供給路７と蓄熱室１０とに分配される。１次空気を供給する流路には、主供給ダンパ１３と、増量供給ダンパ１４とが並列に設けられている。拡散燃焼装置１では、主供給ダンパ１３のみを開放すると、燃焼用空気全量の５％を１次空気として１次空気供給路７に導入し、主供給ダンパ１３および増量供給ダンパ１４を共に開放すると、燃焼用空気全量の１０％を１次空気として１次空気供給路７に導入するように設計されている。

また、拡散燃焼装置１は、主燃焼室２内の温度を計測する温度検出器１５を有し、燃焼運転中において、温度検出器１５の検出温度が所定の設定値、例えば８００℃以上である場合に、増量供給ダンパ１４を閉鎖する制御装置ようになっている。換言すると、拡散燃焼装置１では、１次空気および２次空気の全体量に対する１次空気の割合である１次空気比を、主燃焼室４の温度が８００℃未満の低温の場合には１０％と高く設定し、主燃焼室２の温度が８００℃以上の場合には５％と低く設定する（１次空気比調節手段）。

図２に、拡散燃焼装置１の１次空気比と燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度との関係を示す。図示するように、１次空気比が高くなる程、ＮＯｘ濃度が高くなるが、この関係は、液体燃料を用いる燃焼装置において一般的に知られているものである。さらに、ＮＯｘ濃度は、１次空気比が４０％を超えると急激に増加する。また、一般に、排気ガスのＮＯｘ濃度は、法令によって制限されており、工業炉に対しては、酸素濃度１１％換算値で１２０〜１５０ｐｐｍが上限であるので、工業炉の製品仕様としては、１００ｐｐｍ程度を上限とすることが適切である。このため、本発明の拡散燃焼装置１では、１次空気比を４０％以下にすべきである。また、１次空気比を１０％以下にすることができれば、排気ガスのＮＯｘ濃度を十分に低くでき、ＮＯｘ濃度の観点からは非常に安全になる。

続いて、表１に、常温における、１次空気比の違いによる拡散燃焼装置１の１次燃焼室４の内壁へのカーボン付着状態の変化を確認した結果を示す。表において、１次燃焼室４の内壁に、明かなカーボンの付着がある場合を×、僅かに黒ずみを確認できる場合を△、全く汚れがない場合を○で示す。尚、この実験のために、主供給ダンパ１３および増量供給ダンパ１４は、適当な容量のものに適宜交換した。

このように、拡散燃焼装置１では、常温における１次空気比が１０％以上であれば、カーボンの発生がなく、良好な燃焼状態が得られた。また、１次空気比が１０％に満たない場合でも、主燃焼室２内の温度や外気（燃焼用空気）温度によっては、良好な燃焼が得られ、１次空気比が５％以上であれば、明かに黒煙を発生させるような不完全燃焼を防止できることが確認された。よって、拡散燃焼装置１では、常温の場合、１次空気比が５％以上、４０％以下であれば、法令に対しても不完全燃焼に対しても問題がない。

さらに、表２に、主燃焼室２の温度が８００℃のときの、１次空気比の違いによるカーボンの付着状態の変化を示す。

このように、拡散燃焼装置１では、主燃焼室２の温度が高いときは、１次空気比を５％まで低下させても、カーボンの発生が見られなかった。

以上の燃焼条件を考慮して、拡散燃焼装置１では、ＮＯｘ濃度をできるだけ低くし、且つ、理想的な燃焼を得るために、先に説明したように、１次空気比を、低温時には１０％に、高温時には５％にするようにした。これにより、拡散燃焼装置１は、液体燃料を用いても発煙や炉壁へのカーボンの付着のない良好な燃焼を得ることができ、ＮＯｘの発生も最低限度に留められる。

これは、低温時に多く発生する未燃焼の燃料およびその不完全燃焼物（ＣＯ）を、１次燃焼室４の内部において、１次空気によって包み込み、主燃焼室２に形成される火炎の内部に導くことで、炉壁３の内面、特に、１次燃焼室４の内面にカーボンとして付着したり、燃焼排ガス中の煙となることを防止できるためである。このエアカーテンとしての効果をもたせるために、本発明では、特に低温時に、本実施形態の旋回羽根１１などによって、１次燃焼空気を燃料ノズル６の周りに旋回させて供給することが有効である。

また、１次空気比を低下させることは、燃焼用空気全量に対して、蓄熱体９を介して供給される２次空気の比率を高めることになる。このため、１次空気比をできるだけ低くすることによって熱効率を高めることにもなる。例えば、１次空気比を４０％以下にすれば、蓄熱式バーナ装置として、レキュペレータを備えるバーナ等に比べても有利な、高い熱効率を得ることができる。

尚、拡散燃焼装置１では、燃料ノズル６またはその先端チップをＬＮＧ等の気体燃料に適したものに交換することで、気体燃料を使用可能としてもよい。

また、上記実施形態では、主燃焼室２の温度が８００℃以上であるか否かによって１次空気比を５％および１０％に設定しているが、開度調節可能なダンパを使用して、主燃焼室２の温度上昇に連れて徐々に１次空気比を上昇させてもよい。

尚、上記実施形態では、１次空気比を調整する際の主燃焼室２の温度の閾値を８００℃としているが、この温度設定値は、通常、噴霧された液体燃料が自然着火する温度とするとよい。

さらに、上記実施形態では、１次空気比を低温時には１０％、高温時には５％に設定したが、これは一例であり、他の実施形態では、その燃焼装置によって最適な１次空気比が異なり得る。よって、本発明は、高温時の１次空気比を低温時よりも低い値にすることを企図し、その値は上記実施形態と異なってもよい。

本発明の１つの実施形態の拡散燃焼装置の構成を示す断面図。 図１の拡散燃焼装置における１次空気比とＮＯｘ濃度との関係を示すグラフ。

符号の説明

１…拡散燃焼装置
２…主燃焼室
３…炉壁
４…１次燃焼室
５…パイロットノズル
６…燃料ノズル
７…１次空気供給路
８…２次空気供給路
９…蓄熱体
１０…蓄熱器
１１…旋回羽根（気流旋回手段）
１２…ブロワ
１３…主供給ダンパ
１４…増量供給ダンパ
１５…温度検出器

Claims (5)

1. 主燃焼室に開口する１次燃焼室と、
   前記１次燃焼室に設けられたパイロットバーナと、
   前記１次燃焼室に液体燃料と、前記液体燃料を噴霧するための噴霧空気とを噴射する燃料ノズルと、
   前記燃料ノズルの周囲に、前記燃料ノズルに沿って１次空気を供給する１次空気供給路と、
   前記１次燃焼室の近傍から、前記主燃焼室内に２次空気を噴射する２次空気供給路と、
   前記１次空気を前記燃料ノズル周りに旋回させて、前記燃料ノズルから噴霧された前記液体燃料を包み込むエアカーテンを形成する気流旋回手段と、
   前記１次空気および前記２次空気の全体量に対する前記１次空気の割合である１次空気比を、前記主燃焼室の温度が前記液体燃料の自然着火温度よりも低いときには高くし、前記主燃焼室の温度が前記液体燃料の自然着火温度よりも高いときには低くする１次空気比調節手段とを有することを特徴とする拡散燃焼装置。
2. 前記主燃焼室の温度が前記液体燃料の自然着火温度よりも低いときの前記１次空気比は、５％以上、４０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の拡散燃焼装置。
3. 前記主燃焼室の温度が前記液体燃料の自然着火温度よりも低いときの前記１次空気比は、１０％以上であることを特徴とする請求項２に記載の拡散燃焼装置。
4. 前記主燃焼室の温度が前記液体燃料の自然着火温度よりも高いときの前記１次空気比は、１０％以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の拡散燃焼装置。
5. 前記２次空気供給路は、交番して燃焼ガスの排気のための流路を兼ねるために複数設けられ、それぞれ蓄熱体を介して前記２次空気が導入されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の拡散燃焼装置。

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