JP4772881B2

JP4772881B2 - バーナ装置および二段燃焼式バーナ装置

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Publication number: JP4772881B2
Application number: JP2009052825A
Authority: JP
Inventors: 佳史阪本
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: JP2010203746A

Description

本発明は、混合部内での点火性、燃焼安定性を良好にするとともに、燃焼途中の失火を防止して継続的な燃焼を可能にするバーナ装置および二段燃焼式バーナ装置に関する。

工業炉における低ＮＯｘ対策のための燃焼技術として、種々の方式を用いた低ＮＯｘバーナ装置の使用があげられる。例えば特許文献１には、中央部の燃焼室の外方にあって、円周方向に複数設けられた二次空気流路を有するバーナタイルと、前記バーナタイルの後端部に設けられた風箱と、前記風箱を貫通して配置された燃料供給管と、前記燃料供給管の周囲外方に所定間隔をもって配置された一次空気供給管とからなる二段燃焼式バーナが示されている。

特開２００２−２９５８１２号公報

上記に示すような二段燃焼式バーナ装置は、一般的に、燃焼室としての混合部内で一次空気と燃料とを混合する際に、一次空気の量を極力絞って燃料過剰にすることで、不完全燃焼状態の一次火炎が形成される。そして、炉内に噴出したこの不完全燃焼状態の一次火炎に新たに二次空気を吹き込んで完全燃焼状態の二次火炎が形成される。このように、一次火炎、二次火炎の二段階で形成することで、火炎をバーナ付近で一気に完全燃焼させずに、炉内部でゆっくりと完全燃焼させることができ、二次火炎が長炎化されて炉内の温度分布をフラットにしピーク温度を低く抑えてＮＯｘの発生を抑制するものである。

上述のように、二段燃焼式バーナ装置の低ＮＯｘ化を図るためには、二次火炎を長炎化させるべく、一次空気の量を極力低減し、二次火炎を形成するため、その分できるだけ多くの二次空気を一次火炎に吹き込むことが重要となる。換言すると、一次空気率｛一次空気率＝一次空気の量／（一次空気の量＋二次空気の量）｝をいかに低減できるかが重要な課題となる。

一般的な従来の二段燃焼式バーナ装置の混合部周囲の構成は、図１３（ａ）に示されるように中央に配置される燃料供給管ａと、燃料供給管ａの外方に同心円上に形成され、その先端側へ向けて一次空気を供給する一次空気供給管ｂと、一次空気供給管ｂの先端に接続されるとともに、燃料供給管ａの先端部ｄが挿入されることで、一次空気供給管ｂから供給される空気に燃料供給管ａから噴射される燃料が混合されて一次火炎を形成する混合部ｃとを備えており、燃料供給管ａの先端部ｄには、図１３（ｂ）に示されるように、その周方向全周に亘って燃料が噴射される燃料噴射孔ｅが均等に配置されている。（ここで燃料供給管ａの先端部ｄは、軸方向に塞がれた構造となっているが、開口されていてもよい。）そして、この燃料噴射孔ｅから混合部ｃ内に放射状に噴射される燃料に、一次空気供給管ｂからの一次空気が混合され、パイロットバーナなどの点火手段で点火することによって火炎が形成される。しかしながら、このような構成において、前述したように低ＮＯｘ化を図るために一次空気率をできる限り低減すれば、混合部ｃ内部が極度に燃料過剰となり、一次火炎が極度の不完全燃焼状態となるため、点火性や燃焼安定性が悪化してしまい失火の原因となっていた。また、二段燃焼式バーナ装置に限られず、その他のバーナ装置においても、混合部内の点火性や燃焼安定性を良好にし、また燃焼途中に失火することなく継続的な燃焼を可能にしたいという要請があった。

本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、混合部内での点火性、燃焼安定性を良好にするとともに、燃焼途中の失火を防止して継続的な燃焼を可能にすることができるバーナ装置および二段燃焼式バーナ装置を提供することを目的とする。

本発明にかかるバーナ装置は、先端部を有する燃料供給管と、該燃料供給管の外方に同心円上に形成され、その先端側へ向けて空気を供給する空気供給管と、該空気供給管の先端に接続されるとともに、該燃料供給管の先端部が挿入されることにより、該空気供給管から供給される空気に該燃料供給管から噴射される燃料が混合されて火炎を形成する混合部とを備え、上記燃料供給管の先端部には、その周方向に、燃料噴射孔を配設することで、該混合部内に濃燃料領域を生成する濃燃料領域生成帯が形成されるとともに、該濃燃料領域生成帯に連続させて、その両端部間には、該混合部内に淡燃料領域を生成するために、該燃料噴射孔を配置しない淡燃料領域生成帯が形成されることを特徴とする。

前記濃燃料領域生成帯には、所定間隔ごとに複数の前記燃料噴射孔が並設されるとともに、前記淡燃料領域生成帯は、該濃燃料領域生成帯内で互いに隣接する該燃料噴射孔間の間隔よりも広く形成されることを特徴とする。

前記濃燃料領域生成帯は、前記燃料供給管の周方向に形成された単一の前記燃料噴射孔によって形成されることを特徴とする。

前記淡燃料領域生成帯は、前記燃料供給管の周方向に９０°以上の範囲で形成されることを特徴とする。

前記濃燃料領域生成帯および前記淡燃料領域生成帯は、前記燃料供給管の長さ方向に複数形成されていることを特徴とする。

先端部を有する燃料供給管と、該燃料供給管の外方に同心円上に形成され、その先端側へ向けて一次空気を供給する一次空気供給管と、該一次空気供給管の先端に接続されるとともに、該燃料供給管の先端部が挿入されることにより、該一次空気供給管から供給される空気に該燃料供給管から噴射される燃料が混合されて一次火炎を形成する混合部と、
該混合部の周囲外方に所定間隔をもって配置され、一次火炎に向けて二次空気を噴出する二次空気噴出口とを備え、上記燃料供給管の先端部には、その周方向に、燃料噴射孔を配設することで、該混合部内に濃燃料領域を生成する濃燃料領域生成帯が形成されるとともに、該濃燃料領域生成帯に連続させて、その両端部間には、該混合部内に淡燃料領域を生成するために、燃料噴射孔を配置しない淡燃料領域生成帯が形成されることを特徴とする。

本発明にかかるバーナ装置および二段燃焼式バーナ装置にあっては、混合部内での点火性、燃焼安定性を良好にするとともに、燃焼途中の失火を防止して継続的な燃焼を可能にすることができる。

本発明にかかるバーナ装置の好適な一実施形態を示す側断面図である。図１のバーナ装置の混合部を示す斜視断面図である。図１のバーナ装置の混合部を示す正面断面図である。図１のバーナ装置の燃焼状態を表す状態図である。図３の混合部内の燃料供給管先端部におけるその他の例を示す正面断面図である。図３の混合部内の燃料供給管先端部におけるその他の例を示す正面断面図および斜視図である。図３の混合部内の燃料供給管先端部におけるその他の例を示す斜視図である。本発明にかかる二段燃焼式バーナ装置の好適な一実施形態を示す側断面図である。図５の二段燃焼式バーナ装置の混合部を示す正面図である。図５の二段燃焼式バーナ装置の燃焼状態を表す状態図である。表１における実験での燃料の量、一次空気の量、二次空気の量を表すグラフである。図５の二段燃焼式バーナ装置において一次空気率を変化させたときの火炎の長さおよびＮＯｘとの関係を表すグラフである。従来の二段燃焼式バーナ装置における混合部周囲を示す説明図である。

以下に、本発明にかかるバーナ装置の好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態にかかるバーナ装置１は基本的には、図１から図４に示すように、先端部２を有する燃料供給管３と、燃料供給管３の外方に同心円上に形成され、その先端側へ向けて空気を供給する空気供給管４と、空気供給管４の先端に接続されるとともに、燃料供給管３の先端部２が挿入されることにより、空気供給管４から供給される空気に燃料供給管３から噴射される燃料が混合されて火炎を形成する混合部５とを備え、燃料供給管３の先端部２には、その周方向に、燃料噴射孔６を配設することで、混合部５内に濃燃料領域Ｚを生成する濃燃料領域生成帯Ｘが形成されるとともに、濃燃料領域生成帯Ｘに連続させて、その両端部Ｘ１、Ｘ１間には、混合部５内に淡燃料領域Ｗ（可燃領域）を生成するために、燃料噴射孔６を配置しない淡燃料領域生成帯Ｙが形成される。

図１は、本発明にかかるバーナ装置１の側断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ斜視断面図である。図３は、濃燃料領域生成帯Ｘおよび淡燃料領域生成帯Ｙの配置を示す燃料供給管先端部２の正面断面図であり、図４は混合部５内での燃焼状態を表す状態図である。

バーナ装置１は、空気供給管４、燃料供給管３および混合部５としてのバーナ口５ａで主に構成されており、燃料には、例えばメタンや都市ガス（１３Ａ）などの燃焼ガスが用いられる。バーナ装置１には、その略中心軸上に円筒状に形成され、軸方向に塞がれた先端部２を有する燃料供給管３が配設される。

燃料供給管３の周囲外方には、同心円上に空気供給管４が配設される。空気供給管４の内部には、これに保持部１０を介して保持された燃料供給管３との間に、後端側より先端側へ向けて燃焼用の空気が供給される空気流路９が形成される。

空気供給管４には、その先端にバーナ口５ａが接続される。図示例にあっては、バーナ口５ａは、空気供給管４の口径よりも狭い口径に形成され、さらにその先端部がやや口細の形状となっており、空気供給管４の先端に一体形成されている。バーナ口５ａ内には、燃料供給管３の先端部２が挿入され、これら燃料供給管３から噴射される燃料と空気供給管４から供給される空気とが混合される。

燃料供給管３の先端部２には、その周方向に、所定間隔ごとに複数の燃料噴射孔６を並設させた濃燃料領域生成帯Ｘが形成される。また、先端部２の周方向における、濃燃料領域生成帯Ｘの両端部Ｘ１、Ｘ１間には、濃燃料領域生成帯Ｘに連続させて、燃料噴射孔６を配置しない淡燃料領域生成帯Ｙが形成される。淡燃料領域生成帯Ｙは、濃燃料領域生成帯Ｘ内で互いに隣接する燃料噴射孔６の間隔よりも広く形成される。図示例にあっては、上下方向を図面上（図２を除く）の上下方向として説明すると（以下同様とする）、濃燃料領域生成帯Ｘは、先端部２の上側にその周方向に沿って形成されている。そして、濃燃料領域生成帯Ｘ内には、一定間隔（等間隔）αごとに、複数の互いに略同一な孔径を有する燃料噴射孔６が形成されている。これにより、濃燃料領域生成帯Ｘ内の燃料噴射孔６からは、燃料が放射状に噴出されることとなる。他方、淡燃料領域生成帯Ｙは、先端部２の下方側に、濃燃料領域生成帯Ｘの両端部Ｘ１、Ｘ１間に形成されており、この淡燃料領域生成帯Ｙ内には、燃料噴出孔６がまったく形成されておらず、従って、この淡燃料領域生成帯Ｙからは、燃料はまったく噴出されない。そして、バーナ口５ａの先端部には、その下方側に、パイロットバーナなどの点火手段１１が設けられている。

これにより、バーナ口５ａの内部に均一に供給される空気に対し、燃料供給管３の先端部２からは、その周方向において、濃燃料領域生成帯Ｘ側からのみ燃料が噴射されることとなる。このため、濃燃料領域生成帯Ｘの周囲には、燃料濃度の高い濃燃料領域Ｚが形成され、淡燃料領域生成帯Ｙの周囲にあっては、燃料濃度の希薄な淡燃料領域Ｗが形成されて、バーナ口５ａの燃料濃度分布が不均一となる。

淡燃料領域生成帯Ｙは、図示例に示されるように、燃料供給管３の周方向に９０°以上の範囲に形成されていることが望ましい。また、図示例では、淡燃料領域生成帯Ｙがバーナ口５ａの下側に形成されているため、点火手段１１はこの近傍に形成されるのが好ましい。これにより、バーナ口５ａ内に点火手段１１による安定した点火性を確保できる程度の淡燃料領域Ｗが形成されることとなる。

次に本実施形態にかかるバーナ装置１の作用を詳細に説明する。バーナ装置１の燃焼時には、燃焼用の空気は空気供給管４内の空気流路９を介してバーナ口５ａ内へ均一に供給される。一方、燃料は燃料供給管３の燃料噴射孔６からバーナ口５ａ内に噴射される。

燃料噴射孔６は、濃燃料領域生成帯Ｘのみに並設されており、淡燃料領域生成帯Ｙには配置されていない。これに加え、淡燃料領域生成帯Ｙが、濃燃料領域生成帯Ｘ内の隣接する燃料噴射孔６間の間隔よりも広く形成されているため、バーナ口５ａ内には、継続的に、濃燃料領域生成帯Ｘ周辺に濃燃料領域Ｚが形成され、淡燃料領域生成帯Ｙ周辺に淡燃料領域Ｗが形成される。

そして、濃燃料領域Ｚでは、空気に対する燃料濃度が過剰となり可燃可能な範囲を超える。このため濃燃料領域Ｚでは、火炎は発生しない。一方、淡燃料領域Ｗにおいては、適度に燃料と空気とが混じり合っていくため、空気に対する燃料濃度が可燃可能な範囲となり、火炎を生じることとなる。

上述のように、バーナ口５ａ内に継続的に淡燃料領域Ｗが形成されたことで、可燃可能な範囲が形成されることとなり、点火性が良好になるとともに燃焼安定性を良好にできる。このため、混合部５内の失火を防止して継続的な燃焼が可能となる。この傾向は、燃料供給管３に流れる燃料の量を一定としたときに、空気流路９に流れる空気が少ないほど顕著に現れる。

さらに、淡燃料領域生成帯Ｙを、燃料供給管の周方向に９０°以上の範囲に形成すれば、淡燃料領域Ｗを、安定した点火性、および、継続的な燃焼が確実となる範囲に形成することができ、これらの効果をさらに発揮することができる。

本実施形態にあっては、濃燃料領域生成帯Ｘには、一定間隔（等間隔）αごとに、複数の互いに略同一な孔径を有する燃料噴射孔６が形成されていた。しかしながら、隣接する燃料噴射孔６の間隔は、図５（ａ）のように不規則であってもよい。また図５（ｂ）のように、隣接する燃料噴射孔６の間隔が、等間隔αであって、複数の燃料噴射孔６の孔径がそれぞれに異なっていてもよい。さらに図示はしないが、これらを組み合わせて、燃料噴射孔６の孔径がそれぞれ異なっており、かつ、隣接する燃料噴射孔６間の間隔が不規則であってもよいものである。この他に、図５（ｃ）に示すように、燃料供給管３の周方向に、交互に複数の濃燃料領域生成帯Ｘ、淡燃料領域生成帯Ｙが形成されていてもよい。上記に例示した形態、またはこれら以外の形態であったとしても、燃料供給管先端部２の周方向に、燃料噴射孔６が配設された濃燃料領域生成帯Ｘと、燃料噴射孔６が形成されず封鎖状態の淡燃料領域生成帯Ｙとが連続して形成されることで、バーナ口５ａ内に、濃燃料領域Ｚと、淡燃料領域Ｗが形成され、内部の燃料濃度が不均一となれば同様の効果が得られるものである。

さらに、濃燃料領域生成帯Ｘは、燃料供給管３の周方向に形成された単一の燃料噴射孔６によって形成されてもよい。この場合、例えば図６（ａ）、（ｂ）に示すように、燃料供給管３の周方向に延びる長孔状に形成される。これにより、濃燃料領域生成帯Ｘは、完全に開口されることとなるので、燃料を効率良く噴出することができる。

また、図７に示すように、濃燃料領域生成帯Ｘおよび淡燃料生成帯Ｙは、燃料供給管３の長さ方向に複数形成されていてもよい。図示例にあっては、燃料供給管３の長さ方向に２列に形成されている。このようにすることで、燃料の噴出場所を自由にコントロールすることができ、濃燃料領域Ｚおよび淡燃料領域Ｗを最適な燃料濃度にすることも可能となる。

次に本発明にかかる二段燃焼式バーナ装置の好適な一実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。前記バーナ装置１と重複する部材については、同一符号をもって説明する。本実施形態にかかる二段燃焼式バーナ装置２０は、基本的には、図８〜１０に示すように、先端部２を有する燃料供給管３と、燃料供給管３の外方に同心円上に形成され、その先端側へ向けて一次空気を供給する一次空気供給管２１と、一次空気供給管２１の先端に接続されるとともに、燃料供給管３の先端部２が挿入されることにより、一次空気供給管２１から供給される空気に燃料供給管３から噴射される燃料が混合されて一次火炎を形成する混合部５と、混合部５の周囲外方に所定間隔をもって配置され、一次火炎に向けて二次空気を噴出する二次空気噴出口２２とを備え、燃料供給管３の先端部２には、その周方向に、燃料噴射孔６を配設することで、混合部５内に濃燃料領域Ｚを生成する濃燃料領域生成帯Ｘが形成されるとともに、濃燃料領域生成帯Ｘに連続させて、その両端部Ｘ１、Ｘ１間には、混合部５内に淡燃料領域Ｗ（可燃領域）を生成するために、燃料噴射孔６を配置しない淡燃料領域生成帯Ｙが形成される。

図８は、本発明にかかる二段燃焼式バーナ装置２０の側断面図である。図９は、図８のＢ−Ｂ断面図である。二段燃焼式バーナ装置２０は、一次空気供給管２１、二次空気噴出口２２、燃料供給管３および混合部５で主に構成されており、燃料には、例えばメタンや都市ガス（１３Ａ）などの燃料ガスが用いられる。図示例にあっては、一次空気供給管２１および燃料供給管３は風箱２３内に配設されている。風箱２３の略中心軸上に円筒状の燃料供給管３が配設され、燃料供給管３の周囲外方に同心円上に、先端側へ向けて燃焼用の一次空気を供給する一次空気供給管２１が配設されている。燃料供給管３は、一次空気供給管２１の先端に保持部１０を介して保持されている。一次空気供給管２１には、その周方向全域に亘って、風箱２３内から空気を流入させる貫通孔２４が設けられており、これより先端側に向けて一次空気を流通させる一次空気流路２５がその内部に形成される。

一次空気供給管２１の先端には、混合部５が接続される。混合部５は、一次空気供給管２１の先端に一体形成されたバーナ口５ａと、風箱２３に隣接させた円筒状の耐火物からなるバーナタイル２６内に設けられ、一端がバーナ口５ａに接続されるとともに他端を炉内に開口した開口部５ｂとから構成される。バーナ口５ａには燃料供給管３の先端部２が挿入され、混合部５内で、これら燃料供給管３から噴射される燃料と一次空気供給管２１から供給される一次空気とが混合される。

混合部５内部は、先に図３を用いて説明したものと同様である。燃料供給管３の先端部２には、その周方向に、所定間隔ごとに複数の燃料噴射孔６を並設させた濃燃料領域生成帯Ｘが形成される。また、先端部２の周方向における、濃燃料領域生成帯Ｘの両端部Ｘ１、Ｘ１間には、濃燃料領域生成帯Ｘに連続させて、燃料噴射孔６を配置しない淡燃料領域生成帯Ｙが形成される。淡燃料領域生成帯Ｙは、濃燃料領域生成帯Ｘ内で互いに隣接する燃料噴射孔６の間隔よりも広く形成される。濃燃料領域生成帯Ｘは、先端部２の周方向に沿って図面上の上方側に形成され、そして、濃燃料領域生成帯Ｘ内には、一定間隔（等間隔）αごとに、複数の互いに略同一な孔径を有する燃料噴射孔６が形成されている。これにより、濃燃料領域生成帯Ｘ内の燃料噴射孔６からは、燃料が放射状に噴出されることとなる。他方、淡燃料領域生成帯Ｙは、先端部２の下方側に、濃燃料領域生成帯Ｘの両端部Ｘ１、Ｘ１間に濃燃料領域生成帯Ｘに連続させて形成されており、この淡燃料領域生成帯Ｙ内には、燃料噴出孔６がまったく形成されておらず、従って、この淡燃料領域生成帯Ｙからは、燃料はまったく噴出されない。そして、バーナ口５ａの先端部には、その下方側に、パイロットバーナなどの点火手段１１が設けられている。

これにより、混合部５の内部に均一に供給される一次空気に対し、燃料供給管３の先端部２からは、その周方向において、濃燃料領域生成帯Ｘ側からのみ燃料が噴射されることとなる。このため、濃燃料領域生成帯Ｘの周囲には、燃料濃度の高い濃燃料領域Ｚが形成され、淡燃料領域生成帯Ｙの周囲にあっては、燃料濃度の希薄な淡燃料領域Ｗが形成されて、混合部５の燃料濃度分布が不均一となる。

混合部５の先端部には、その下方側に、パイロットバーナなどの点火手段１１が設けられており、混合部５内で混合した燃料と一次空気に点火することで一次火炎が形成される。

淡燃料領域生成帯Ｙは、燃料供給管３の周方向に９０°以上の範囲に形成されていることが望ましく、また、点火手段１１は淡燃料領域生成帯Ｙの近傍に形成されるのが好ましい。これにより、混合部５内に点火手段１１による安定した点火性を確保できる程度の淡燃料領域Ｗが形成されることとなる。

バーナタイル２６には、混合部５の周囲外方に適宜間隔をおいて二次空気噴出口２２が形成される。図示例にあっては、二次空気噴出口２２は、開口部５ｂの上方に２箇所適宜間隔をおいて形成されている。二次空気噴出口２２は、その一端が風箱２３と接続されており、風箱２３内から供給される二次空気を一次火炎に向けて噴出する。なお、図示例にあっては、二次空気噴出口２２は２箇所であったが、３箇所以上形成してもよい。

次に、本実施形態にかかる二段式燃焼バーナ装置２０の作用を詳細に説明する。二段燃焼式バーナ装置２０の燃焼時には、燃焼用の空気は風箱２３内を通過して、貫通孔２４を介して一次空気流路２５を通過する一次空気と、二次空気噴出口２２へ流入する二次空気とに分岐される。一次空気は、一次空気流路２５を介して混合部５内に供給される。他方、燃料は燃料供給管３の燃料噴射孔６から混合部５内に噴射される。この際、燃料噴射孔６は、濃燃料領域生成帯Ｘに並設されているのみで、淡燃料領域生成帯Ｙには配置されていない。これに加え、淡燃料領域生成帯Ｙが、濃燃料領域生成帯Ｘ内の隣接する燃料噴射孔６間の間隔よりも広く形成されているため、混合部５内には、継続的に、濃燃料領域生成帯Ｘ周辺に濃燃料領域Ｚが形成され、淡燃料領域生成帯Ｙ周辺に淡燃料領域Ｗが形成される。

そして、濃燃料領域Ｚでは、空気に対する燃料濃度が過剰となり可燃可能な範囲を超える。このため濃燃料領域Ｚでは、一次火炎は発生しない。一方、淡燃料領域Ｗにおいては、適度に燃料と空気とが混じり合っていくため、空気に対する燃料濃度が可燃可能な範囲となり、点火手段１１により点火することで、一次火炎を生じることとなる。さらに、この一次火炎に向けて二次空気噴出口２２から二次空気が噴出されることにより、二次火炎が形成される。

このように、淡燃料領域Ｗが混合部５内に継続的に形成されることにより、混合部５内の点火性が良好になるとともに燃焼安定性を良好にできる。このため、混合部５内の失火を防止して継続的な燃焼が可能となる。この傾向は、燃料供給管３に流れる燃料の量を一定としたときに、空気流路９に流れる一次空気が少ないほど顕著に現れる。

また、ＮＯｘ対策においては、一次空気の量を極力低減し、その分できるだけ多くの二次空気を一次火炎に吹き込んで二次火炎を長炎化させることが重要となる。つまりは、一次空気率｛一次空気率＝一次空気の量／（一次空気の量＋二次空気の量）｝をいかに低減できるかということが重要な課題となるが、本実施形態にかかる二段燃焼式バーナ装置２０にあっては、継続的な淡燃料領域Ｗの形成により点火性、燃焼安定性を良好にでき、さらには、失火を防止できることで、一次空気率を、従来のものよりもさらに低減させることが可能となる。

以下に具体例を説明する。表１には、本実施形態Ａおよび従来例Ｂの二段燃焼式バーナ装置についての混合部５内の燃焼実験結果と、計算例Ｃを示す。燃料に都市ガス（１３Ａ）を使用し、空気比を１．１とした場合、従来の二段燃焼式バーナ装置では、表１の計算例Ｃで示すように、混合部５内の一次空気率が４８．６％以下になると、理論上は、混合部５内が燃料過剰な空気不足の状態となり燃焼が不可能になる。これに対し、本実施形態にかかる二段燃焼式バーナ装置２０にあっては、一次空気率を４０％まで下げても燃焼が可能であることが実験により実証された。

本実験Ａ、Ｂの燃料には、都市ガス（１３Ａ）を使用した。燃料量はＡ、Ｂともに１．０ｍ³Ｎ／ｈである。都市ガス（１３Ａ）の理論空気量（Ａ０）｛１ｍ³Ｎの燃料が完全燃焼するときの空気の量｝は１０．６ｍ³Ｎ／ｍ³Ｎである。空気比は、｛空気比＝実際に使用した空気量／理論空気量（Ａ０）｝で表され、一般に燃焼効率がよいとされる１．１に設定した。このため、本実験Ａ、Ｂにおいて、実際に使用した全体の空気の量（一次空気の量＋二次空気の量）は、１．０ｍ³Ｎ／ｈ×１０．６ｍ³Ｎ／ｍ³Ｎ×１．１＝１１．６６ｍ³Ｎ／ｈである。

表の右側Ｂは、従来例についての実験結果である。従来例Ｂでは、一次空気率を理論上燃焼可能な範囲の５２．７％に設定しており、本実験でも燃焼状態は良好であった。他方、表の左側Ａは、本実施形態についての実験結果である。本実施形態Ａでは、一次空気率を理論上は燃焼不可能な４０％に設定した。しかしながら、二段燃焼式バーナ装置２０の燃焼状態は良好であり、この状態においても継続的な燃焼が可能となることがわかった。なお、混合部５内の燃料濃度についてみても、従来例Ｂにおいては、都市ガス（１３Ａ）の可燃範囲（５〜１５％）内の１４％となり、理論通りの結果となった。しかしながら、本実施形態Ａの燃料濃度については、都市ガス（１３Ａ）の可燃範囲の上限値を超えた１７．６６％となり、可燃範囲を超えて燃焼可能であることがわかった。

上記実験での燃料の量、一次空気の量、二次空気の量を表すグラフを図１１に示す。グラフ左側に示すように、本実施形態Ａと従来例Ｂの燃料の量および全体の空気の量（一次空気の量＋二次空気の量）は同量である。また、燃料の量はＡ、Ｂともに同量である。本実施形態Ａでは、従来例Ｂに比べて一次空気の量を減少させ、二次空気の量を増加させても燃焼が可能となることがわかる。

また、図１２は、本実施形態にかかる二段燃焼式バーナ装置２０の、一次空気率（％）と、二次火炎の長さ（ｍｍ）／ＮＯｘ（ｐｐｍ）の関係を表すグラフである。これより、一次空気率の低下に伴い、二次火炎が長炎化するとともにＮＯｘが低減されることがわかる。特に、一次空気率を５２％程度から４０％程度にまで低減させると、火炎は急激に長炎化し、これに伴いＮＯｘ濃度は約２０ｐｐｍも減少する傾向がみられた。本実施形態にかかる二段燃焼式バーナ装置２０にあっては、表１に示すように、一次空気率を従来の５２％程度から４０％程度まで低下させることを可能にしたので、上記結果より二次火炎を長炎化させて、ＮＯｘを低減させることができることが実証された。

本実施形態にあっては、濃燃料領域生成帯Ｘには、一定間隔（等間隔）αごとに、複数の互いに略同一な孔径を有する燃料噴射孔６が形成されていた。しかしながら、燃料供給管３の周方向に形成される燃料噴出孔６の孔径および隣接する燃料噴出孔６間の間隔は、上述したバーナ装置と同様に（図５参照）、一定間隔αに形成されたものに限られず、様々な形状に形成されるであろうことは言うまでもない。

また、図７に示すように、濃燃料領域生成帯Ｘおよび淡燃料生成帯Ｙは、燃料供給管３の長さ方向に複数形成されていてもよい。図示例にあっては、燃料供給管３の長さ方向に２箇所形成されている。このようにすることで、燃料の噴出場所を自由にコントロールすることができ、濃燃料領域Ｚおよび淡燃料領域Ｗを最適な燃料濃度にすることも可能となる。

上記のバーナ装置および二段燃焼式バーナ装置にかかるそれぞれの実施形態においては、点火手段１１としてパイロットバーナを用いていた。しかしながら点火手段１１はこれに限られず周知の点火手段を用いてもよいことはもちろんである。特に、近年では設備の低コスト化、燃焼の安全性の観点からメインダイレクト点火（点火プラグ）方式を採用するケースが増加する傾向にある。このような場合、燃料の濃度が可燃範囲上限を越えては点火が不可能であったが、本発明では、前述の淡燃料領域Ｗが形成されるため、点火が可能となる。

上記のバーナ装置、および二段燃焼式バーナ装置にかかるそれぞれの実施形態においては、燃料として燃料ガスを用いていた。しかしながら、燃料は燃料ガスには限られず、液体などその他の周知のものであってもよい。

１．バーナ装置
２．先端部
３．燃料供給管
４．空気供給管
５．混合部
６．燃料噴射孔
９．空気流路
１０．保持部
２０．二段燃焼式バーナ装置
２１．一次空気供給管
２２．二次空気噴出口
２５．一次空気流路
Ｘ．濃燃料領域生成帯
Ｘ１．端部
Ｙ．淡燃料領域生成帯
Ｚ．濃燃料領域
Ｗ．淡燃料領域

Claims

先端部を有する燃料供給管と、
該燃料供給管の外方に同心円上に形成され、その先端側へ向けて空気を供給する空気供給管と、
該空気供給管の先端に接続されるとともに、該燃料供給管の先端部が挿入されることにより、該空気供給管から供給される空気に該燃料供給管から噴射される燃料が混合されて火炎を形成する混合部とを備え、
上記燃料供給管の先端部には、その周方向に、燃料噴射孔を配設することで、該混合部内に濃燃料領域を生成する濃燃料領域生成帯が形成されるとともに、
該濃燃料領域生成帯に連続させて、その両端部間には、該混合部内に淡燃料領域を生成するために、該燃料噴射孔を配置しない淡燃料領域生成帯が形成されることを特徴とするバーナ装置。
前記濃燃料領域生成帯には、所定間隔ごとに複数の前記燃料噴射孔が並設されるとともに、前記淡燃料領域生成帯は、該濃燃料領域生成帯内で互いに隣接する該燃料噴射孔間の間隔よりも広く形成されることを特徴とする請求項１に記載のバーナ装置。
前記濃燃料領域生成帯は、前記燃料供給管の周方向に形成された単一の前記燃料噴射孔によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のバーナ装置。
前記淡燃料領域生成帯は、前記燃料供給管の周方向に９０°以上の範囲で形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載のバーナ装置。
前記濃燃料領域生成帯および前記淡燃料領域生成帯は、前記燃料供給管の長さ方向に複数形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載のバーナ装置。
先端部を有する燃料供給管と、
該燃料供給管の外方に同心円上に形成され、その先端側へ向けて一次空気を供給する一次空気供給管と、
該一次空気供給管の先端に接続されるとともに、該燃料供給管の先端部が挿入されることにより、該一次空気供給管から供給される空気に該燃料供給管から噴射される燃料が混合されて一次火炎を形成する混合部と、
該混合部の周囲外方に所定間隔をもって配置され、一次火炎に向けて二次空気を噴出する二次空気噴出口とを備え、
上記燃料供給管の先端部には、その周方向に、燃料噴射孔を配設することで、該混合部内に濃燃料領域を生成する濃燃料領域生成帯が形成されるとともに、
該濃燃料領域生成帯に連続させて、その両端部間には、該混合部内に淡燃料領域を生成するために、燃料噴射孔を配置しない淡燃料領域生成帯が形成されることを特徴とする二段燃焼式バーナ装置。
前記濃燃料領域生成帯には、所定間隔ごとに複数の前記燃料噴射孔が並設されるとともに、前記淡燃料領域生成帯は、該濃燃料領域生成帯内で互いに隣接する該燃料噴射孔間の間隔よりも広く形成されることを特徴とする請求項６に記載の二段燃焼式バーナ装置。
前記濃燃料領域生成帯は、前記燃料供給管の周方向に形成された単一の前記燃料噴射孔によって形成されることを特徴とする請求項６に記載の二段燃焼式バーナ装置。
前記淡燃料領域生成帯は、前記燃料供給管の周方向に９０°以上の範囲で形成されることを特徴とする請求項６〜８のいずれかの項に記載の二段燃焼式バーナ装置。
前記濃燃料領域生成帯および前記淡燃料領域生成帯は、前記燃料供給管の長さ方向に複数形成されていることを特徴とする請求項６〜９のいずれかの項に記載の二段燃焼式バーナ装置。