JP5153918B2

JP5153918B2 - バーナユニット

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Publication number: JP5153918B2
Application number: JP2011122831A
Authority: JP
Inventors: 由和小林; 秀匡小林; 弘希長江; 義勝林
Original assignee: Miike Tekkou KK
Current assignee: Miike Tekkou KK
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2028-01-21
Also published as: JP2011191053A

Description

本発明は、水と油を混合してなる液体を燃料に用いる燃焼バーナ及びバーナユニットに関する。

従来、水と油を混合してなる液体（以下、水油混合燃料という）を燃焼させる燃焼バーナとしては、所定圧力に加圧した水油混合燃料を、筒状の燃焼室の外周側に配置した螺旋状の熱交換パイプに流して加熱し、燃焼室の一端に配置した燃料噴射ノズルで燃焼室内に噴射して燃焼させるように構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。この燃焼バーナは、水油混合燃料を用いることにより、油のみの燃料を用いた場合と比較して、窒素酸化物や硫黄酸化物等の有害物質の排出量を削減するようにしている。

上記従来の燃焼バーナは以下のような構造を有する。すなわち、燃焼室の一端に筒状の空気通路管が固定されており、この空気通路管内に、熱交換パイプに接続された燃料供給管が一端から他端に向かって延びている。空気通路管の他端と燃焼室との接続部に位置する燃料供給管の先端に、上記燃料噴射ノズルが固定されている。空気通路管の一端の近傍には、送風機により燃焼空気が供給される空気供給管が枝状に接続されている。空気通路管内には、空気供給管との接続部よりも下流側と、他端の近傍との２箇所に整流羽根が夫々配置されている。２つの整流羽根は、互いに略同じ形状を有して燃料供給管の外周面に嵌合しており、空気通路管の径方向に放射状に延びる複数のブレードを有する。整流羽根のブレードは、径方向の寸法が軸方向の寸法よりも大きい細長の矩形状を有する。

この燃焼バーナは、送風機から空気供給管を介して空気通路管の一端の近傍に燃焼空気を供給し、この燃焼空気を空気通路管内の２つの整流羽根で整流することにより、空気の渦を生じることなく、空気通路管の他端から燃焼室内に燃焼空気を吹き出すようにしている。

特開２００２−１３７０５号公報

しかしながら、上記従来の燃焼バーナは、燃焼室における燃焼空気の流れが安定し難くて、水油混合燃料の燃焼状態が安定し難いという問題がある。水油混合燃料の燃焼状態が不安定になると、燃焼室の温度が十分に高い温度に達し難く、そのため熱交換パイプによる水油混合燃料の加熱が不十分となり、水油混合燃料の燃焼状態の悪化を招くこととなる。燃焼状態の悪化は、最悪の場合、燃焼バーナの燃焼動作の停止という不都合を招く。また、水油混合燃料の燃焼状態が不安定になると、不完全燃焼が生じ、燃焼ガスに一酸化炭素や煤塵等の有害物質が残留する不都合が生じる。

そこで、本発明の課題は、水油混合燃料を安定して燃焼させることができる燃焼バーナを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の燃焼バーナは、水と油を混合してなる水油混合燃料を燃焼させる燃焼バーナであって、
燃焼室と、
所定圧力に加圧された水油混合燃料が供給され、この水油混合燃料を上記燃焼室の熱で加熱する燃料加熱部と、
上記燃焼室の一端に設けられた燃焼空気の吹出口と、
上記燃焼空気の吹出口の中央に配置され、上記燃料加熱部で加熱された水油混合燃料を燃焼室の他端側に向かって噴射する燃料噴射ノズルと、
上記燃焼空気の吹出口に他端が接続されていると共に一端に燃焼空気が供給される空気通路管と、この空気通路管内に配置されて燃焼空気を整流する整流羽根と、この空気通路管内の上記整流羽根よりも他端側に配置され、上記整流羽根で整流された燃焼空気の旋回流を形成する旋回羽根とを有する燃焼空気供給部と
を備えることを特徴としている。

上記構成によれば、所定圧力に加圧されて燃料加熱部に供給された水油混合燃料は、この燃料加熱部で加熱された後、燃料噴射ノズルから燃焼室の他端側に向かって噴射される。一方、燃焼空気供給部の空気通路管の一端に供給された燃焼空気は、空気通路管内において、整流羽根により整流された後、旋回羽根により旋回流が形成される。燃焼空気供給部で旋回流が形成された燃焼空気は、他端の吹出口から吹き出され、燃焼室に旋回流を形成する。ここで、吹出口の中央に配置された上記燃料噴射ノズルから噴射された水油混合燃料は、上記旋回流によって十分に燃焼空気と混合されて燃焼室に放出される。また、燃焼空気の旋回流が燃焼室に形成されることにより、燃焼空気の直線流が燃焼室に形成されるよりも、燃焼室における燃焼空気の滞在時間が増大し、燃焼室の燃焼空気の密度が高まる。これらにより、燃焼室に、安定した水油混合燃料の燃焼状態を得ることができる。その結果、燃料加熱部により水油混合燃料を安定して加熱することができ、燃焼室の水油混合燃料の燃焼状態を更に安定化させることができる。また、燃焼室において水油混合燃料を完全燃焼させることができ、燃焼ガスに一酸化炭素や煤塵等が残留する不都合を防止できる。

また、上記燃焼空気供給部において、空気通路管の一端に燃焼空気を供給するので、従来のように空気通路管の一端の近傍に枝状に接続された空気供給管により燃焼空気を供給する場合よりも、空気通路管内における燃焼空気の流れの乱れを抑制することができる。その結果、空気通路管内に燃焼空気の旋回流を安定して形成することができ、ひいては、燃焼室における水油混合燃料の燃焼状態を安定させることができる。

また、上記燃焼空気供給部において、空気通路管内に、整流羽根と、この整流羽根よりも他端側の旋回羽根とを配置したので、空気通路管に一端から流入した燃焼空気を整流羽根で整流したうえ、その流れを旋回状に変更することにより、安定した旋回流を生成することができる。その結果、燃焼室に燃焼空気の旋回流を安定して形成することができ、燃焼室における水油混合燃料の燃焼状態を安定させることができる。

一実施形態の燃焼バーナは、上記空気通路管は、この空気通路管の一端に、中心軸と略平行に燃焼空気が供給されるように形成されている。

上記実施形態によれば、空気通路管に適切に燃焼空気を供給することにより、空気通路管内に乱れの少ない旋回流を安定して形成することができる。その結果、燃焼室に燃焼空気の旋回流を安定して形成することができ、燃焼室における水油混合燃料の燃焼状態を安定させることができる。

一実施形態の燃焼バーナは、上記整流羽根は、上記空気通路管の中心軸と平行に延びる複数のブレードを有する。

上記実施形態によれば、空気通路管において、一端に供給された燃焼空気を上記整流羽根で適切に整流して旋回羽根に送ることができる。

一実施形態の燃焼バーナは、上記旋回羽根は、上記空気通路管の中心軸に対して少なくとも一部が湾曲又は傾斜した複数のブレードを有する。

上記実施形態によれば、空気通路管において、整流羽根で整流された燃焼空気の流れを上記旋回羽根で適切に変更して旋回流を形成することができる。

一実施形態の燃焼バーナは、上記燃料加熱部は、上記燃焼室の外周側に巻き回された螺旋状の熱交換パイプである。

上記実施形態によれば、螺旋状の熱交換パイプに導かれた水油混合燃料を燃焼室の熱により効果的に加熱できるので、水油混合燃料を燃料噴射ノズルから噴射するに伴って確実に燃焼させて、燃焼室における水油混合燃料の燃焼状態を更に安定化させることができる。

一実施形態の燃焼バーナは、上記燃料噴射ノズルからの水油混合燃料の噴射が停止するに伴い、上記燃料加熱部の下流側と上流側とをバイパスさせて燃料加熱部に水油混合燃料を循環させるように形成されている。

上記実施形態によれば、燃料噴射ノズルからの水油混合燃料の噴射が停止して燃焼バーナの燃焼動作が停止するに伴い、燃料加熱部に水油混合燃料を循環させることにより、水と油が分離することなく水油混合燃料を保持することができる。したがって、燃焼バーナの燃焼動作を再開する際、水と油の分離に起因する着火不良を生じることなく、迅速に水油混合燃料の燃焼を開始させることができる。

一実施形態の燃焼バーナは、上記燃料加熱部に供給される水油混合燃料は、油混合割合が２０％以上５０％以下である。

上記実施形態によれば、油混合割合が５０％以下であって水の含有量の多い水油混合燃料を燃焼させることにより、窒素酸化物及び硫黄酸化物の排出量や煤塵の排出量を削減することができ、また、油成分の燃焼効率の向上を図ることができる。油成分の燃焼効率の向上により、油成分のみを燃料とした場合と比較して、同一の燃焼エネルギーを少ない油の使用量で得ることができ、燃料費の削減と、二酸化炭素排出量の削減を図ることができる。ここで、油混合割合とは、水油混合燃料を形成する油の全体に対する質量の割合をいい、（油の質量）／（水油混合燃料の質量）で求められる値である。

油混合割合の値が５０％以下の水油混合燃料は、本発明の燃焼バーナにより安定した燃焼が可能となったものであり、従来のように乳化剤が添加されたエマルジョン燃料を燃焼するよりも、有害物質の排出量の削減や、燃焼効率の向上や、燃焼状態の安定化を促進することが可能である。ここで、水油混合燃料を形成する油としては、重油、灯油及び軽油等の化石燃料の他、廃油を用いることも可能であり、廃油としては、廃食用油、潤滑油、絶縁油、洗浄油および切削油等の種々のものを用いることができる。

一実施形態の燃焼バーナは、上記燃料加熱部に供給される水油混合燃料は、０．５〜３０ＭＰａの圧力に加圧されている。

上記実施形態によれば、上記圧力に加圧された水油混合燃料が燃料加熱部で加熱され、燃料噴射ノズルから噴射されることにより、燃焼室内で適切に気化して高効率に燃焼することができる。

本発明の他の側面の発明のバーナユニットは、上記燃焼バーナを複数個備え、
上記複数個の燃焼バーナは、主バーナと、この主バーナの中心軸の周りに略等角度間隔をおいて配置された複数の副バーナを含み、
上記主バーナに供給される水油混合燃料の油混合割合が、上記副バーナに供給される水油混合燃料の油混合割合よりも大きいことを特徴としている。

上記構成によれば、複数個の燃焼バーナを備えるので火力が大きく、しかも、主バーナに油混合割合の大きい水油混合燃料を燃焼させることにより燃焼状態を安定させて、全体として燃焼状態が安定したバーナユニットを得ることができる。

ここで、油混合割合とは、水油混合燃料を形成する油の全体に対する質量の割合をいい、（油の質量）／（水油混合燃料の質量）で求められる値である。

一実施形態のバーナユニットは、上記副バーナの燃料加熱部は上記主バーナの燃焼室の外周側に配置され、上記副バーナで燃焼させる水油混合燃料を主バーナの燃焼室の熱で加熱するように形成されている。

上記実施形態によれば、主バーナの燃焼を開始した後、主バーナの燃焼室の熱を利用して副バーナの燃料加熱部により水油混合燃料を加熱することにより、副バーナの燃焼を確実に開始することができる。また、主バーナの燃焼室の外周側であって、複数の副バーナの燃焼室に囲まれた位置に副バーナの燃料加熱部を配置することにより、油混合割合が比較的小さい水油混合燃料を十分に加熱して副バーナの燃焼室に送ることができるので、副バーナの燃焼室における燃焼状態を安定させることができる。

本発明によれば、燃焼空気供給部の空気通路管内において整流羽根及び旋回羽根の作用により旋回流を形成し、これにより燃焼室に燃焼空気の旋回流を形成することにより、燃料噴射ノズルから噴射された水油混合燃料と燃焼空気とを十分に混合すると共に燃焼室における燃焼空気の密度を増大して水油混合燃料を安定して燃焼させることができる。その結果、水油混合燃料の燃焼状態を安定させて完全燃焼させることができ、また、燃焼ガスに一酸化炭素や煤塵等が残留する不都合を防止できる。

本発明の実施形態の燃焼バーナを示す断面図である。燃焼バーナをバーナケーシングの開口側から見た様子を示す正面図である。旋回羽根、整流羽根、燃料供給管及び燃料噴射ノズルを示す斜視図である。燃焼バーナ及び燃料供給装置を模式的に示す図である。本発明の実施形態のバーナユニットを示す正面図である。

図１は、本発明の実施形態の燃焼バーナを示す模式断面図である。この燃焼バーナ１は、水と油を混合してなる水油混合燃料を燃焼させるものであり、筒状のバーナケーシング２１と、バーナケーシング２１の内側に形成された概ね円筒形状の燃焼室２２と、燃焼室２２の外周側を取り囲む燃料加熱部としての加熱コイル２３と、燃焼室２２の一端側に連なる燃焼空気供給部５を有する。

バーナケーシング２１の他端面には開口２１ａが形成されており、この開口２１ａを介して、例えば燃焼炉等に火炎及び燃焼ガスを放出するように形成されている。

燃焼室２２は、バーナケーシングの開口２１ａに連なる筒状壁２５と、この筒状壁２５の他端側に連なる擂鉢状壁２６の内周側に形成されている。筒状壁２５の他端側部分の外周面を取り囲むように、加熱コイル２３が配置されている。

加熱コイル２３は、径方向に２重の螺旋を描いて巻き回された熱交換パイプによって形成されており、内径側の内側コイル２３ａの一端に、後述するプランジャポンプ３４に接続された加圧燃料供給管３５が連なっている。また、外径側の外側コイル２３ｂの一端に、後述する燃料供給管５６が連なっている。プランジャポンプ３４で所定圧力に加圧された水油混合燃料が、加熱燃料供給管３５を介して矢印Ｆｉで示すように内側コイル２３ａの一端に導かれ、内側コイル２３ａを一端から他端に向かって流れる。この後、他端で外側コイル２３ｂに移り、その後、外側コイル２３ｂを他端から一端に向かって流れた後、矢印Ｆｒで示すように燃料供給管５６に流入して燃焼空気供給部５に送られる。この加熱コイル２３は、内側コイル２３ａの径が約３００ｍｍであると共に外側コイル２３ｂの径が約３４０であり、かつ、軸方向寸法が１８０ｍｍであって、延長が２０ｍ以上の螺旋ピッチに設定されている。加熱コイル２３の２０ｍ以上の延長の経路を流れる過程で、燃焼室２２の熱によって水油混合燃料が十分に加熱されるようになっている。

燃焼室２２を画定する擂鉢状壁２６の一端には、燃焼空気の吹出口５２ａが開口している。擂鉢状壁２６の吹出口５２ａの近傍には点火口２８が設けられており、この点火口２８にパイロットバーナ２９が接続されている。バーナ１の起動時にパイロットバーナ２９から火炎を放出して、水油混合燃料の点火を行うように形成されている。バーナケーシング２１と、筒状壁２５及び擂鉢状壁２６とで取り囲まれた領域には断熱材１１を充填しており、燃焼室２２内の保温とバーナケーシング２１の過熱防止とを行っている。

燃焼空気供給部５は、一端に燃焼空気が供給されて空気通路５１を内部に形成する空気通路管５２と、この空気通路管５２内に配置された整流羽根５４と、空気通路管５２内の整流羽根５４よりも吹出口５２ａ側に配置された２つの旋回羽根５３，５３を有する。

空気通路管５２の他端は擂鉢状壁２６の一端に連なっており、この空気通路管５２と擂鉢状壁２６との連通部に燃焼空気の吹出口５２ａが形成されている。空気通路管５２の一端には空気供給管７１が接続されており、この空気供給管７１を介してシロッコ型の送風機７から所定流量の燃焼空気が供給されるようになっている。空気通路管５２の一端側部分は、バーナケーシング２１の一端面から突出している。空気通路管５２内には、燃料供給管５６が同軸に配置されており、燃料供給管５６の先端に燃料噴射ノズル５７が取り付けられている。燃料供給管５６は加熱コイル２３の下流端、すなわち、加熱コイル２３の外側コイル２３ｂの一端に接続されている。燃料供給管５６の先端近傍の外周面と、燃料供給管５６の中央近傍の外周面に、２つの旋回羽根５３，５３が外嵌して固定されている。また、燃料供給管５６の一端の近傍の外周面に、１つの整流羽根５４が外嵌して固定されている。燃料噴射ノズル５７は、吹出口５２ａの軸方向視において中央に配置されている。

図２は、燃焼バーナ１を、バーナケーシングの開口側２１ａから軸方向に見た様子を示す図である。図２に示すように、バーナケーシング２１の開口２１ａの内側に燃焼室２２が形成されており、燃焼室２２の一端面に開口した吹出口５２ａの中央に、燃料噴射ノズル５７が配置されている。燃料噴射ノズル５７の周囲かつ後方には、旋回羽根５３のブレード５３２，５３２，・・・が放射状に延びている。

図３は、燃焼空気供給部５内に配置される旋回羽根５３、整流羽根５４、燃料供給管５６及び燃料噴射ノズル５７を示す斜視図である。これらの２つの旋回羽根５３，５３、整流羽根５４及び燃料噴射ノズル５７は燃料供給管５６に組み付けられて一体化されており、一体化されたアッセンブリを空気通路管５２内に一端から挿入して装着するように構成されている。

旋回羽根５３は、燃料供給管５６に外嵌する管状の固定部５３１と、この固定部５３１の外周面に放射状に固定された１２枚のブレード５３２，５３２，・・・を有する。ブレード５３２は、軸方向の寸法が径方向の寸法よりも大きい細長の台形状を有し、一端の縁が、径方向の外側に向かうにつれて他端側に傾斜している。このブレード５３２は、燃料供給管５６の中心軸、すなわち、空気通路管５２の中心軸と傾斜して固定部５３１に固定されている。燃料供給管５６の先端側の旋回羽根５３は、ブレード５３２の先端縁が燃料噴射ノズル５７の燃料噴射口と略同じ軸方向位置となるように配置されている。なお、旋回羽根５３のブレード５３２は、内径側の軸方向縁を中心軸に平行に形成する一方、先端側に向かうにつれて外径側部分を周方向に湾曲させるように形成してもよい。あるいは、ブレード５３２の全体を中心軸に対して傾斜するように形成してもよい。

整流羽根５４は、燃料供給管５６に外嵌する管状の固定部５４１と、この固定部５４１の外周面に放射状に固定された８枚のブレード５４２，５４２，・・・を有する。ブレード５４２は、軸方向の寸法が径方向の寸法よりも大きい長方形状を有し、燃料供給管５６の中心軸、すなわち、空気通路管５２の中心軸と平行に延在している。

このように、空気通路管５２内に、燃焼空気が供給される一端の近傍に整流羽根５４を配置すると共に、この整流羽根５４の下流側に２つの旋回羽根５３を所定の離隔をおいて配置している。これにより、空気通路５１の一端から供給された燃焼空気を整流羽根５４で整流したうえ、２つの旋回羽根５３で安定して旋回流を形成することができる。また、空気通路管５２には一端に接続された空気供給管７１を通して、空気通路管５２の一端において中心軸と略平行に燃焼空気が供給される。これにより、従来のように枝状に接続された空気供給管を通して空気通路管に中心軸と傾斜した方向に燃焼空気を供給するよりも、空気通路管５２内における燃焼空気の流れの乱れを低減し、安定した旋回流を形成することができる。なお、旋回羽根５３のブレード５３２の形状、寸法及び枚数、並びに、整流羽根５４のブレード５４２の形状、寸法及び枚数は、供給すべき燃焼空気の流量や空気通路５１の寸法に応じて適宜変更できる。また、空気通路５１に配置する旋回羽根５３及び整流羽根５４の個数は、いずれも適宜変更できる。例えば、径方向寸法よりも軸方向寸法が小さいブレード５３２を有する旋回羽根５３を、空気通路５１内に３個以上配置してもよい。また、径方向寸法よりも軸方向寸法が小さいブレード５４２を有する整流羽根５４を空気通路５１内に２個以上配置してもよい。

図４は、燃焼バーナ１と、この燃焼バーナ１に水油混合燃料を生成して供給する燃料供給装置３を示す模式図である。図４に示すように、燃料供給装置３は、水を貯留する水タンク３１と、油を貯留する油タンク３２と、水タンク３１から供給される水と油タンク３２から供給される油を混合して水油混合燃料を形成する混合装置３３と、混合装置３３から供給された水油混合燃料を加圧するプランジャポンプ３４とを有する。

水タンク３１には水供給管３１０が接続されており、この水供給管３１０に介設されたポンプ３１１で混合装置３３に水を供給する。水供給管３１０には流量計３１２とコントロールバルブ３１３が介設されている。油タンク３２には油供給管３２０が接続されており、この油供給管３２０に介設されたポンプ３２１で混合装置３３に油を供給する。油供給管３２０には流量計３２２とコントロールバルブ３２３が介設されている。混合装置３３は、水供給管３１０から供給された水と油供給管３２０から供給された油とを攪拌する攪拌羽根３３１と、この攪拌羽根３３１を駆動するモータ３３２を有する。混合装置３３の下流側にはプランジャポンプ３４が接続されている。このプランジャポンプ３４で水油混合燃料を０．５〜３０ＭＰａに加圧し、加圧燃料供給管３５を通して燃焼バーナ１の加熱コイル２３に供給するようになっている。加熱コイル２３の下流側には燃料供給管５６が連なり、この燃料供給管５６の先端に燃料噴射ノズル５７が設けられている。

燃料供給管５６の途中には三方弁３６１が介設されており、この三方弁３６１から分岐したバイパス管３６が、加熱コイル２３及び加圧燃料供給管３５の上流側のプランジャポンプ３４に接続されている。加圧燃料供給管３５には圧力計３５１が接続されている。燃焼バーナ１には燃焼室２２内の温度を検出する温度センサ２０１と、燃料供給管５６の燃料温度を検出する温度センサ２０２が設けられている。上記流量計３１２，３２２、圧力計３５１、温度センサ２０１，２０２の検出値を図示しない制御装置に入力し、これらの入力値に基づいて、上記ポンプ３１１，３２１、コントロールバルブ３１３，３２３、モータ３３２及びプランジャポンプ３４の動作を制御装置で制御するように構成されている。

上記構成の燃焼バーナ１は以下のように動作する。まず、制御装置の制御により、燃料供給装置３のコントロールバルブ３１３，３２３が開かれると共にポンプ３１１，３２１が起動されて、油タンク３２からの油と水タンク３１からの水とが混合装置３３に供給される。また、混合装置３３のモータ３３２が起動され、攪拌羽根３３１の動作が開始されて、混合装置３３に所定の油混合割合の水油混合燃料が生成される。混合装置３３に所定量の水油混合燃料が生成されると、プランジャポンプ３４が起動され、所定圧力に加圧された水油混合燃料が加圧燃料供給管３５、加熱コイル２３及び燃料供給管５６を通って燃料噴射ノズル５７から燃焼室２２に噴射される。これと共に送風機７が起動され、空気供給管７１を通って空気通路管５２に供給された燃焼空気が、整流羽根５４で整流された後に２つの旋回羽根５３，５３で旋回流に変更されて、吹出口５２ａから燃焼室２２に吹き出される。引き続いて、点火口２８からパイロットバーナ２９の火炎が放出され、燃料噴射ノズル５７から噴射された水油混合燃料に着火して、燃焼室２２において火炎及び燃焼ガスの生成が開始される。

燃焼室２２の温度が上昇するに伴い、加熱コイル２３による水油混合燃料の加熱効果が増大し、加熱コイル２３で水油混合燃料が十分に加熱されて高温高圧となる。温度センサ２０２により、燃料供給管５６の燃料温度が所定の基準温度に達したことが検出されると、プランジャポンプ３４の動作が制御され、定常運転に対応した水油混合燃料の吐出流量に調節される。

燃焼バーナ１の定常運転において、プランジャポンプ３４から加圧燃料供給管３５に吐出された所定圧力の水油混合燃料は、加熱コイル２３で加熱されて高温高圧となり、燃料供給管５６を通って燃料噴射ノズル５７から燃焼室２２に噴射される。水油混合燃料は、燃料噴射ノズル５７から燃焼室２２に噴射されるに伴い、略全てが気化して燃焼する。ここで、燃料噴射ノズル５７が中央に配置された吹出口５２ａから、燃料噴射ノズル５７の水油混合燃料の噴射方向の中心軸と略同じ中心軸周りの燃焼空気の旋回流が吹き出される。吹出口５２ａから噴出される燃焼空気は、空気通路管５２内の整流羽根５４及び旋回羽根５３により安定な旋回流になっており、燃焼室２２に燃焼空気の旋回流が安定して形成される。燃料噴射ノズル５７から噴射された水油混合燃料は、旋回流によって燃焼空気と十分に混合される。また、燃焼室２２に燃焼空気が旋回状に供給されることにより、燃焼室２２の燃焼空気の滞在時間が増大して燃焼空気の密度が高まる。これらにより、水油混合燃料の実質的に全ての燃焼成分が燃焼して完全燃焼する。また、燃焼空気供給部５により安定した旋回流を燃焼室２２に供給することができるので、燃焼空気の流れと供給量が安定し、燃焼室２２における水油混合燃料の燃焼状態が効果的に安定する。その結果、燃焼ガスに一酸化炭素や煤塵等が残留する不都合が効果的に防止される。

本実施形態の燃焼バーナ１は、火炎及び燃焼ガスを供給する例えば燃焼炉の燃焼状態等に基づいて、燃料供給装置３による水油混合燃料の供給動作が制御される。例えば、燃焼炉の燃焼負荷が増大して燃焼室２２の温度が低下した場合、温度センサ２０１の検出値に基づいて、プランジャポンプ３４の動作が制御されて水油混合燃料の吐出流量が増加し、燃料噴射ノズル５７からの水油混合燃料の噴射量が増加する。これと共に、プランジャポンプ３４の吐出流量に応じた風量となるように送風機７の動作が制御され、吹出口５２ａから吹き出される燃焼空気の流量が制御されて、燃焼室２２における空燃比が所定の値に維持される。なお、温度に応じた空燃比となるようにプランジャポンプ３４及び送風機７を制御してもよい。燃料噴射ノズル５７からの水油混合燃料の噴射量と、吹出口５２ａからの燃焼空気の流量とが増加制御されることにより、燃焼室２２における燃焼に伴う熱量が増加して、燃焼室２２内の温度が所定の目的温度となる。

ところで、この燃焼バーナ１は、燃焼運転を停止する場合、加熱コイル２３に水油混合燃料の循環を行う。すなわち、燃料噴射ノズル５７からの水油混合燃料の噴射を停止する場合、三方弁３６１の弁位置を切り替え制御して、加熱コイル２３の下流側をバイパス管３６に接続する。また、プランジャポンプ３４の動作を制御して、吐出流量を所定の循環流量にする。これにより、プランジャポンプ３４から加圧燃料供給管３５、加熱コイル２３、燃料供給管５６の上流側、三方弁３６１及びバイパス管３６を経由する循環経路を形成し、この循環経路に水油混合燃料の循環流れを形成する。こうして、燃料噴射ノズル５７からの水油混合燃料の噴射が停止しても、水油混合燃料を水と油に分離させることなく、燃料噴射ノズル５７の直ぐ上流側に保持させるようにしている。燃焼運転が再開された場合、三方弁３６１を切り替えて燃料供給管５６の上流側を下流側に接続すると共に、プランジャポンプ３４を通常の吐出流量に戻す。これにより、循環経路に保持していた水油混合燃料を燃料供給管５６の下流側に送り、適切に混合された水油混合燃料を燃料噴射ノズル５７から迅速に噴射することができる。その結果、水と油の分離に起因する着火不良を生じることなく、定常状態に近い燃焼状態を速やかに燃焼室２２に生成することができる。

本実施形態の燃焼バーナ１により、Ａ重油と水を混合してなる水油混合燃料を用いて燃焼実験を行ったところ、水油混合燃料を燃焼させた場合、水油混合燃料に含まれるＡ重油のみを燃焼させた場合よりも大きな熱量が得られることが明らかとなった。すなわち、Ａ重油と水とを混合してなる水油混合燃料は、水油混合燃料を形成する際に混合するＡ重油の量を、Ａ重油のみで同じ熱量を得るのに必要な量よりも少なくできる。したがって、Ａ重油の燃焼効率を向上できてＡ重油の使用量を効果的に削減でき、燃料費のコストダウンと、二酸化炭素の排出量の削減を行うことができる。また、燃焼バーナ１の燃焼ガスは、Ａ重油のみを燃焼させた場合と比較して、未燃成分及び煤塵の量が大幅に少ないので、大気汚染を効果的に防止することができる。

また、本実施形態の燃焼バーナ１によれば、油混合割合が２０％以上５０％以下の水油混合燃料を安定して燃焼させることができる。ここで、油混合割合とは、水油混合燃料を形成する油の全体に対する質量の割合をいい、（油の質量）／（水油混合燃料の質量）で求められる値である。この水油混合燃料は、乳化剤が添加されたエマルジョン燃料ではなく、単に水と油が攪拌混合された混合燃料であるのが好ましい。本実施形態の燃焼バーナ１は、燃料加熱部としての加熱コイル２３と燃焼空気供給部５の作用により、水と油が混合されてなる水油混合燃料を、油混合割合が５０％以下であっても安定して燃焼させることができる。その結果、窒素酸化物及び硫黄酸化物の排出量や煤塵の排出量を効果的に削減でき、また、油成分の燃焼効率を向上させて、燃料費の削減と二酸化炭素排出量の低減を実現できる。

図５は、本発明の実施形態のバーナユニットを示す正面図である。図５は、図２と同様に、火炎及び燃焼ガスを放出する開口側からバーナユニットを見た様子を示している。

このバーナユニット６０１は、図１の燃焼バーナ１と実質的に同一構造を有する燃焼バーナを複数個組み合わせて構成されている。本実施形態において、燃焼バーナ１の実施形態と実質的に同一の構成部分には同一の参照番号を引用して、詳細な説明を省略する。

このバーナユニット６０１は、正面視において中央に配置された主バーナ６１１と、この主バーナ６１１の中心軸周りに等角度間隔をおいて配置された４つの副バーナ６２１，６２２，６２３，６２４とを備える。主バーナ６１１及び副バーナ６２１乃至６２４は、１つのバーナケーシング６２０を共用しており、このバーナケーシング６２０の端面に形成された複数の開口６１１ａ，６２１ａ，６２２ａ，６２３ａ，６２４ａに、各バーナの燃焼室２２が夫々連なっている。

バーナケーシング６２０内の主バーナ６１１の燃焼室２２の外周側には、主バーナ６１１の燃料加熱部としての加熱コイル６１５と配置していると共に、この加熱コイル６１５の外周側に、副バーナ６２１乃至６２４の燃料加熱部としての加熱コイル６２５を配置している。主バーナの加熱コイル６１５及び副バーナの加熱コイル６２５のいずれも螺旋状の熱交換パイプで形成されている。主バーナ６１１は、図示しない燃料供給装置から油：水の混合比が１：１、すなわち、油混合割合が５０％の水油混合燃料が供給される。この油水混合割合が５０％の水油混合燃料を加熱コイル６１５で加熱し、燃料噴射ノズル５７から噴射して燃焼するように形成されている。一方、副バーナ６２１乃至６２４は、主バーナ６１１の燃料供給装置とは別個に設けられた燃料供給装置から、油：水の混合比が１：４、すなわち、油混合割合が２０％の水油混合燃料が供給される。この油混合割合が２０％の水油混合燃料を加熱コイル６２５で加熱し、燃料噴射ノズル５７から噴射して燃焼するように形成されている。

このバーナユニット６０１によれば、複数個の燃焼バーナ６１１，６２１乃至６２４を備えるので、発電設備のボイラ等のような大型の熱機器の熱源として使用することができる。また、主バーナ６１１で燃焼する水油混合燃料の油混合割合を、副バーナ６２１乃至６２４で燃焼する水油混合燃料の油混合割合よりも大きく設定することにより、バーナユニット全体の燃焼状態を安定させることができる。

このバーナユニット６０１を起動する際、先ず主バーナ６１１を起動して燃焼を開始した後、副バーナ６２１乃至６２４を起動する。これにより、主バーナの燃焼室２２の熱を利用して、副バーナの加熱コイル６２５で水油混合燃料を加熱して十分な高温高圧が得られるので、副バーナ６２１乃至６２４の燃焼を迅速に開始することができる。また、主バーナの燃焼室２２の外周側であって、４つの副バーナの燃焼室２２に囲まれた位置に副バーナの加熱コイル６２５を配置しているので、加熱コイル６２５内の水油混合燃料を十分に加熱することができる。したがって、副バーナ６２１乃至６２４は油混合割合が比較的小さい水油混合燃料を用いるにもかかわらず、水油混合燃料を十分に加熱して副バーナの燃焼室２２で効果的に気化させて燃焼させることができる。その結果、副バーナ６２１乃至６２４の燃焼状態を安定させることができ、ひいては、バーナユニット６０１全体の燃焼状態を安定させることができる。

なお、上記実施形態において、バーナユニット６０１が備える副バーナの数は４個に限られない。また、主バーナ６１１で燃焼させる水油混合燃料の油混合割合と、副バーナ６２１乃至６２４で燃焼させる水油混合燃料の油混合割合は、バーナユニット６０１に付与すべき能力に対応して種々の値を設定することができ、要は、主バーナ６１１の油混合割合を副バーナ６２１乃至６２４の油混合割合よりも大きく設定すればよい。

１燃焼バーナ
５燃焼空気供給部
２２燃焼室
２３加熱コイル
５１空気通路
５２空気通路管
５２ａ吹出口
５３旋回羽根
５４整流羽根
５７燃料噴射ノズル

Claims

水と油を混合してなる水油混合燃料を燃焼させる燃焼バーナであって、
燃焼室と、
所定圧力に加圧された水油混合燃料が供給され、この水油混合燃料を上記燃焼室の熱で加熱する燃料加熱部と、
上記燃焼室の一端に設けられた燃焼空気の吹出口と、
上記燃焼空気の吹出口の中央に配置され、上記燃料加熱部で加熱された水油混合燃料を燃焼室の他端側に向かって噴射する燃料噴射ノズルと、
上記燃焼空気の吹出口に他端が接続されていると共に一端に燃焼空気が供給される空気通路管と、この空気通路管内に配置されて燃焼空気を整流する整流羽根と、この空気通路管内の上記整流羽根よりも他端側に配置され、上記整流羽根で整流された燃焼空気の旋回流を形成する旋回羽根とを有する燃焼空気供給部と
を備える燃焼バーナを複数個備え、
上記複数個の燃焼バーナは、主バーナと、この主バーナの中心軸の周りに略等角度間隔をおいて配置された複数の副バーナを含み、
上記主バーナに供給される水油混合燃料の油混合割合が、上記副バーナに供給される水油混合燃料の油混合割合よりも大きいことを特徴とするバーナユニット。
請求項１に記載のバーナユニットにおいて、
上記副バーナの燃料加熱部は上記主バーナの燃焼室の外周側に配置され、上記副バーナで燃焼させる水油混合燃料を主バーナの燃焼室の熱で加熱するように形成されていることを特徴とするバーナユニット。