JP5736583B2 - バーナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、多種燃料を燃焼するバーナ装置において、簡素な構成で窒素酸化物濃度の上昇やバーナの先端部の焼損及びバーナ火炎のリフトや吹き消えなどを防止できるバーナ装置に関するものである。

燃料を燃焼するバーナ装置には、主に二種類以上の燃料を同時に燃焼する混焼バーナ装置と一種類の燃料を燃焼する専焼バーナ装置がある。
これらのバーナにおいては、燃焼時における窒素酸化物濃度が高濃度となること、またバーナ火炎のリフト（火炎が不安定で保炎器に接触したり離れたりする現象）や吹き消えが生じるなどの問題がある。なお、混焼バーナ装置を専焼バーナ装置として使用する場合は、使用しないバーナに燃料が供給されず燃焼時に燃料が流れないことから自己冷却効果が働かないため先端が焼損しやすくなり、バーナの先端部が焼損するといった問題がある。

上記問題に対しては種々の対策が施されているが、これらの問題は密接に絡み合っており、複合的に対策を講じる必要がある。例えば、従来、以下のようなバーナ装置がある。

まず、混焼バーナの例として、下記特許文献１及び特許文献２に記載の構成がある。
特許文献１に記載のバーナを図８に示す。
このバーナは、一次空気流路４の中心部に油バーナ１６及び油ノズル１７を配置し、保炎器１２の周囲に複数本の燃料ノズル１９を配置している構成である。また、燃焼用空気は一次空気流路４及び二次空気流路５に二分割してバーナ部から火炉２６へ投入している。そして、油バーナ１６により形成される油バーナ火炎及び複数のガスバーナ１８により形成されるガスバーナ火炎の保炎を一つの保炎器１２で行っている。

また、特許文献２に記載のバーナを図９に示す。このバーナは、一次空気流路４の中心部に油ノズル１７を配置し、三次空気流路２１内に複数本の燃料ノズル１９を配置している構成である。また、燃焼用空気は一次空気流路４、二次空気流路５及び三次空気流路２１に三分割してバーナ部から火炉２６へ投入している。油バーナ１６により形成される油バーナ火炎の保炎を保炎器１２で行う一方、ガスバーナ１８により形成されるガスバーナ火炎の保炎を保炎器１２だけではなく、燃料ノズル１９の周囲に設けたフレームホルダ２５によっても行っている。

図１０には、図９の保炎器１２とフレームホルダ２５付近のガスバーナ火炎の保炎機構原理図を示す。
一般的にガス燃焼では、保炎器１２の周囲に複数本配置した燃料ノズル１９に設けた副孔から燃料を噴射し、保炎器１２外縁部の循環流１１１に向かうガス流１１５を発生させることで、保炎が行われている。そして、この循環流１１１に対して吹き込まれた燃料の燃焼時に発生する輻射熱により、燃料ノズル１９の主孔部からのガス流（ガス火災）１１４の根元部の温度が上昇し、主孔部のガス火災１１４の着火が促進される。

特許文献２に記載の構成では、燃料ノズル１９に設けた副孔及び保炎孔から噴射されたガスは、それぞれガス流１１５とガス流１１６を形成し、副孔からのガス流１１５は保炎器１２周辺の渦状循環流１１１に、保炎孔からのガス流１１６は燃料ノズル１９周辺の渦状循環流１１３に向けて流れている。したがって、これらの２種類の火炎が形成する輻射熱により、主孔部のガス火炎１１４の根元部の温度が上昇し、主孔部のガス火災１１４の着火が促進される。そして、ガスバーナ１８により形成されるガスバーナ火炎の保炎を保炎器１２だけではなく、燃料ノズル１９の周囲に設けたフレームホルダ２５によっても行っている。

次に、専焼バーナの例として、下記特許文献３に記載の構成がある。
特許文献３に記載のバーナを図１１に示す。このバーナは、油専焼バーナであり、一次空気流路４の中心部に油ノズル１７を配置している構成である。また、燃焼用空気は一次空気流路４及び二次空気流路５に二分割してバーナ部から火炉２６へ投入しており、一次スリーブ２の火炉側先端にはガイドスリーブ１５を設置している。

特開２０１０−０７１５７５号公報 特開昭６１−２５２４２０号公報 特開昭５６−０２０９０８号公報

上記特許文献１に記載の構成によれば、バーナの中心軸に対して対称的な位置に液体燃料の噴出方向が互いに９０度異なる油ノズル１７をそれぞれ先端に有する二つの噴霧器を配置して両方の噴霧器で異種燃料を同時に燃焼可能な構成である。そして、燃料ノズル１９の先端から保炎器１２の火炉側端部間の距離を調整する可動性の保炎器１２を設けることで、燃料ノズル１９の焼損を防止している。

しかし、燃焼用空気が常温の場合は、高温の空気に比較して、燃料ノズル１９から噴射される燃料ガスが着火までに要する時間が長いため、ガスバーナ火災のリフトや吹き消えが起こり、燃焼が不安定となるポテンシャルを有しており、燃焼用空気が常温の時の保炎性の問題が残る。また、可動性の保炎器１２を設けると、部品点数が増加してバーナ装置の構成が複雑となり、更に可動部に灰等の異物が混入し油ノズルの出し入れが困難となる可能性がある。また運転調整の煩雑化などの問題が残る。

そして、特許文献２に記載の構成によれば、ガスバーナ１８により形成されるガスバーナ火炎の保炎を保炎器１２だけではなく、燃料ノズル１９の周囲に設けたフレームホルダ２５によっても行っているが、保炎器１２周辺の渦状循環流１１１（図１０）と燃料ノズル１９周辺の渦状循環流１１３とでは周期が異なるため、燃焼振動を発生させる要因となってしまう。燃焼振動が発生すると、ボイラ等の燃焼装置の連続運転が不可能となり、ときにはボイラ等の燃焼装置やボイラ本体の機器の損傷を伴うこともある。

また、フレームホルダ２５の周囲には渦状循環流１１３が形成されることで、フレームホルダ２５の後流側の燃焼空気流による燃料ノズル１９の冷却が阻害され、特に油専焼時にはフレームホルダ２５や燃料ノズル１９の焼損が起こってしまう。また、混焼時でも同様の機構により、発生する場合がある。

そして、特許文献２に記載の構成では、燃焼用空気を三分割することでバーナ部から火炉へ投入している。このように燃焼用空気を三分割してバーナ部から火炉へ投入することは、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減に効果があることが知られている。しかし、部品点数の増加によってバーナ装置の構成が複雑となること、バーナ装置の駆動部の異物噛み込みによる動作不良や運転調整時間が長くなるなどの問題がある。

また、三次空気流路にガスバーナノズルを配置した場合、スリーブ２内に設置している保炎器１２から離れているため、ガス火炎の吹き飛び（燃焼不安定）及び燃焼不安定に伴う燃焼振動ポテンシャルの増加という問題もある。

近年、省エネルギー化への需要の高まりから、石油精製プラントなどの各種化学プラント等において、従来は燃料として採用していなかった燃料を採用する動きがあるが、燃料の多様化はバーナ本数の増加や種類の増加に伴う各種部品点数の増加に繋がり、また運転調整の煩雑化を招いてしまう。

一般に、燃料は発熱量等の燃焼性状の違いから燃焼性（燃えやすさ）に差がある。燃焼性の良い燃料を燃焼させる時は燃焼速度が速いことから局所的な高温燃焼火炎域が発生するため、ＮＯｘ濃度が上昇してしまう。この場合、燃焼を緩慢にするために三次空気流路２１のエアレジスタ２３の開度、二次空気流路５のエアレジスタ９の開度、二次空気流路５のベーン２４の角度及び三次空気流路２１のエアレジスタ２３の開度を燃料の種類や燃焼パターンに応じた設定値に調整する必要がある。

これらの調整は通常の運転を煩雑にするだけではなく、プラントの立ち上げのための試運転においても各種燃料の最適な設定値の調整に時間を要し、プラントの早期立ち上げを困難にしていた。また、駆動部を有するバーナにおいては異物を噛み込むことで動作不良を起こすというポテンシャルを有しているため、バーナ装置の簡素化が望まれている。

更に、特許文献３に記載の構成によれば、ＮＯｘ濃度の低減を図るためにガイドスリーブ１５を設けているが、ガイドスリーブ１５がスロート１から火炉側に張り出しているために、火炎の長炎化や火炎が炉壁に接触することによる黒煙の発生、また燃焼が完結しないこと（不完全燃焼）が原因である一酸化炭素（ＣＯ）や煤塵の発生やガイドスリーブ先端部の焼損などの問題がある。

本発明の課題は、簡素な構成でＮＯｘ濃度の低減、火炎の長炎化、黒煙の防止を図ることが可能なバーナ装置の提供である。更に、本発明の課題は、火炎の輻射熱によるバーナ端部焼損の防止が可能なバーナ装置の提供である。更に、本発明の課題は、燃焼振動を防止して保炎性に優れるバーナ装置の提供である。

本発明の上記課題は、以下の手段により解決することができる。
請求項１記載の発明は、火炉の壁面のスロートに設けられたバーナ装置であって、バーナ中心軸周りに設けられる円筒状のスリーブと、該スリーブ内に設けられる一次空気流路と、該一次空気流路のバーナ中心軸に設けられる第一燃料ノズルと、前記一次空気流路内であって第一燃料ノズルの周囲に設けられ、火炉に向かって末広がり形状である保炎器と、前記保炎器の外周で、且つ一次空気流路の円周方向に複数設けられ、前記第一燃料ノズルの先端部及び前記保炎器の火炉側端部よりも先端部が火炉側に突出し、燃料を保炎器外周の接線方向及び火炉方向に噴射させる第二燃料ノズルと、前記一次空気流路の出口外周に設けられ、該出口外周の先端部から火炉に向かって末広がりの形状であって、且つ先端部が前記スロート内に位置するガイドスリーブと、前記スリーブの外周に設けられる二次空気流路と、該二次空気流路の出口外周となるスロート壁面に、火炉に向かって末広がり形状に形成された末広がり形状部と、該スロートの末広がり形状部と前記一次空気流路のガイドスリーブとにより形成される二次空気流路の出口部とを設けたバーナ装置である。

請求項２記載の発明は、前記ガイドスリーブのバーナ中心軸に対する末広がり角度は、下限値が燃焼によって発生する窒素酸化物の濃度に基づいて該窒素酸化物の濃度が所定値以下になるように設定され、上限値が燃焼によって発生する一酸化炭素の濃度に基づいて該一酸化炭素の濃度が所定値以下になるように設定されている請求項１記載のバーナ装置である。

請求項３記載の発明は、前記ガイドスリーブのバーナ中心軸に対する末広がり角度は１５度以上４５度以下である請求項２記載のバーナ装置である。
請求項４記載の発明は、前記一次空気流路内に、一次空気の流速を制御可能な一次空気流速制御装置を設けた請求項１記載のバーナ装置である。

（作用）
図２には、本発明によるＮＯｘ濃度の低減の原理図を示す。この図はＮＯｘ濃度の低減の原理を分かりやすく説明するための模式図であり、後述する実施例に対応するものである。したがって、本発明が本図に限定されることはなく、後述の図３及び図４についても同様である。

燃焼用空気をバーナ部で分割して火炉２６へ投入することによるＮＯｘ濃度の低減は、バーナ近傍に形成される燃焼域内に酸素の少ない還元雰囲気（還元炎）を形成することで行われる。還元雰囲気によるＮＯｘ濃度の低減の原理は、一般的に以下に示す二つの機構によるものと考えられている。
（１）還元雰囲気が燃焼反応を抑制し、局所的に形成される高温火炎域の火炎温度を低下させる。
（２）還元雰囲気内で中間生成物であるラジカル成分が生成され、このラジカル成分によりＮＯｘが窒素に還元される。

本発明によれば、燃焼用空気は一次空気流路４と二次空気流路５に二分割して火炉２６に投入している。第一燃料ノズル１１周辺の還元炎１０１では空気比が低いために中間生成物であるラジカル成分が生成され、このラジカル成分は脱硝域１０３においてＮＯｘ等を窒素に還元する。一方、二次空気流路５から投入された燃焼用空気は、酸化炎１０２の渦状循環流及び燃焼用空気循環流１０５を形成し、未燃炭化水素が完全酸化域１０４において完全燃焼することで、燃焼が完結する。

ＮＯｘ濃度を低減するためには、図２に示す還元炎１０１及び脱硝域１０３の領域を形成する必要がある。本発明によれば、スロート１の末広がり形状部１ａと一次空気流路４出口に設けた末広がり形状のガイドスリーブ１５によって、燃焼用空気循環流１０５から還元炎１０１及び脱硝域１０３との分離を強化することが可能となり、これらの領域を明確に形成することができる。

そして、請求項１記載の発明によれば、二次空気流路の出口に設けたスロートの末広がり形状部と一次空気流路出口に設けた末広がり形状のガイドスリーブによって、一次空気及び二次空気から火炉へ投入される空気の分離が強化されるため、燃焼用空気を二分割して火炉へ投入する簡素な構成でもＮＯｘ濃度の低減を達成できる。

したがって、部品点数の増加によってバーナ装置の構成が複雑となることや、バーナ装置の駆動部の異物噛み込みによる動作不良や運転調整時間が長くなるなどの問題は生じない。

更に、第二燃料ノズルの先端が第一燃料ノズルの先端及び保炎器の火炉側端部よりも火炉側に突出しているため、保炎器外周の接線方向に噴射するガス燃料で形成される火炎により、第一燃料ノズル及び保炎器の焼損を防止できる。例えば、第二燃料ノズルは、保炎器の外側同心円状に複数本配置し、また、ガス火炎の保炎強化を目的として、先端部は保炎器より火炉側に配置し、各ノズル先端からガス燃料を保炎器外周の接線方向及び火炉方向に噴射させる。したがって、保炎器の内部に第二燃料が効率良く入り、第二燃料ノズルによって形成される火炎の保炎性を高めて火炎の安定化が図れる。また、末広がり形状の拡大面を有する保炎器の近傍に第二燃焼ノズルを配置することで、保炎器の拡大面に沿って流れる高速の一次空気流により常に連続的に冷却することができ、第二燃料ノズルの先端部の焼損を防止できる。

また、図１０に示す特許文献２に記載の構成によれば、保炎器１２周辺の渦状循環流１１１と燃料ノズル１９周辺の渦状循環流１１３とでは周期が異なるため、燃焼振動を発生させる要因となってしまう。

燃焼振動現象は、一般的に、（３）火炉内部の発熱率分布が火炉壁近傍で局在化する（燃料の燃焼速度が大きく、バーナの出口近傍で燃え尽きる）場合、（４）火炎が不安定で、絶えず変動している（保炎器に付着したり、吹き飛ぶ現象を繰り返す）場合などに起こりやすいと言われている。特許文献２に記載の構成では、上記（４）による火災の不安定が原因であると考えられる。

上記２種類の渦状循環流１１１，１１３はガスバーナ火炎の保炎性の向上に寄与しているが、一方で燃焼振動現象を発生する要因となり、火炎のゆらぎ発生のポテンシャルを有している。火炎のゆらぎは燃料、空気量、流速、温度、火炉の形状及びガスノズルの噴射方向等の条件が揃うと微小な圧力変動を形成する。圧力変動は、更に発熱率変動を誘発し、これらはフィードバックループを形成しているため、微小な圧力変動でもエネルギーが蓄積されて大きな圧力変動、すなわち燃焼振動に発達してしまう。

しかし、本発明によれば、第二燃料ノズルを第一燃料ノズルと同一の一次空気流路に設け、第二燃料火炎の保炎を第一燃料火炎と同一の保炎器で行っている。したがって、複数の保炎器を用いることによる、このような燃焼振動の問題も生じない。本発明によって燃焼振動を回避できる理由を以下に詳述する。

燃焼振動を回避する構成としては、下記の３項目（５）〜（７）が挙げられる。
（５）第二燃料ノズルの位置を三次空気流路ではなく保炎器を設置している一次空気流路とすることにより、保炎性の向上が図られる。
（６）フレームホルダがある場合は、一次空気流に対して、フレームホルダでの保炎機構と保炎器での保炎機構の二つの保炎機構の干渉による燃焼振動のポテンシャルを有していたが、フレームホルダを無くすことにより、保炎機構を保炎器一つに統合して燃焼振動を防止できる。
（７）第二燃料ノズルは各ノズル先端からガス燃料を保炎器外周の接線方向及び火炉方向に噴射させる。保炎器外周の接線方向に噴射するガス燃料と一次空気流で形成される火炎により、保炎器近傍に継続して安定したガス燃料火炎が形成され、特にガス燃焼で問題となる燃焼振動を回避することが可能となる。

そして、一次空気が第二燃料ノズルの表面を流れるため、この流れの冷却効果によって第二燃料ノズルの先端部の温度が低下し、第二燃料ノズルの先端部の焼損を防止できる。

また、一次空気流路出口のガイドスリーブの先端部をスロートから火炉側に突出させずにスロート内に設けることで、火炉の輻射熱によるガイドスリーブの先端部の焼損を防止できる。更に、火炎の長炎化や火炎が炉壁に接触することによる黒煙の発生を防止できる。

図３及び図４には、図２に示すガイドスリーブ１５の末広がりの角度を変えた場合の図を示す。図３ではガイドスリーブ１５の末広がりの角度をバーナ中心軸に対して緩い角度（１５度未満）にした場合を示し、図４ではガイドスリーブ１５の角度をバーナ中心軸に対して急な角度（４５度よりも大きい角度）にした場合の図を示している。
図３の場合は、二次空気流路５から火炉２６に投入される燃焼用空気の循環流１０５及び酸化炎１０２がバーナ中心軸に対して水平方向に流れるため、燃焼用空気循環流１０５に対する還元炎１０１及び脱硝域１０３の分離効果が図２の場合と比べて弱くなる。

一方、図４の場合は、二次空気流路５から火炉に投入される燃焼用空気の循環流１０５及び酸化炎１０２がバーナ中心軸に対して遠くへ流れるため、燃焼用空気循環流１０５に対する還元炎１０１及び脱硝域１０３の分離効果は図２の場合と比べて強くなるが、燃焼用空気循環流１０５がバーナ中心軸から遠くへ離れるため、バーナ中心軸の完全酸化域１０４に戻りにくくなってしまう。

そして、燃焼によって生成するＮＯｘの濃度やＣＯの濃度はガイドスリーブ１５の末広がりの角度により傾向が異なってくる。ＮＯｘ濃度はこれらの角度が小さいほど高く、ＣＯ濃度はこれらの角度が大きいほど高くなるという顕著な傾向がある。

図３（ガイドスリーブ１５の角度が緩い角度）の場合は、二次空気流路５を流れる二次空気がガイドスリーブ１５に沿って流れるが、十分に火炎に対して分離できないことから、スロート１付近で燃料とすぐに混合してしまい混合燃焼となって、サーマルＮＯｘ（空気中の窒素が高温条件下で生成する熱的ＮＯｘ）が発生し、ＮＯｘ濃度が高くなる。一方、図４（ガイドスリーブ１５の角度が急な角度）の場合は、二次空気と火炎との混合が進まなくなり、すなわち二次空気が火炎下流まで混合しないことから火炎末端まで未燃分を含むことになり、ＣＯ濃度が高くなる。
したがって、請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の作用に加えて、一次空気流路出口のガイドスリーブの末広がりの角度を、下限値は燃焼によって発生するＮＯｘ濃度に基づいて該ＮＯｘ濃度が所定値以下となるように設定し、上限値は燃焼によって発生するＣＯ濃度に基づいて該ＣＯ濃度が所定値以下となるように設定することで、ＮＯｘ濃度やＣＯ濃度の低減を図ることができる。

更に、請求項３記載の発明によれば、上記請求項２記載の発明の作用に加えて、一次空気流路出口のガイドスリーブの末広がりの角度を１５度以上４５度以下し、適正な角度にすることで、燃焼用空気循環流に対する還元炎及び脱硝域の分離を効率良く行うことができる。したがって、燃焼用空気を三分割にして火炉へ投入するバーナ装置と同等のＮＯｘ濃度の低減が図れると共に、燃料の完全燃焼を図ることができるため、一酸化炭素や煤塵の発生を防止できる。

また、保炎器の外周部を流れる一次空気の流速が小さいと、第二燃料ノズルによって形成される火炎の保炎効果が低減してしまうことが考えられる。一方、保炎器の外周部を流れる一次空気の流速が大きいと、燃焼振動や火炎の吹き飛びや火炎のリフトの要因となる。したがって、一次空気の流速を適正範囲にすることが望ましい。

請求項４記載の発明によれば、一次空気流速制御装置により、例えばバーナ差圧を１８０ｍｍＡｑ以下の範囲内で、一次空気流速を１０〜４０ｍ／ｓの適正範囲にすることができる。

本発明によれば、簡素な構成でＮＯｘ濃度の低減を図ることが可能である。また、火炎の長炎化や黒煙の発生を防止できる。更に、バーナ端部の焼損や燃焼振動を防止して保炎性にも優れる。具体的には以下の効果を有する。
請求項１記載の発明によれば、二次空気流路の出口に設けたスロートの末広がり形状部と一次空気流路出口に設けた末広がり形状のガイドスリーブによって、一次空気及び二次空気から火炉へ投入される空気の分離が強化されるため、燃焼用空気を二分割して火炉へ投入する簡素な構成でもＮＯｘ濃度の低減を図ることが可能となる。また、ガイドスリーブがスロートから火炉側に張り出していないため、火炎の長炎化や黒煙の発生を防止できる。そして、第二燃料ノズルの先端が第一燃料ノズルの先端及び保炎器の火炉側端部よりも火炉側に突出しており、第二燃料ノズルから保炎器の外周の接線方向及び火炉方向に燃料を噴射させることで、第一燃料ノズル及び保炎器の焼損を防止できると共に保炎器の内部に第二燃料が効率良く入り、第二燃料ノズルによって形成される火炎の保炎性を高めて火炎の安定化が図れる。また、保炎器の近傍に継続して安定した火炎が形成され、燃焼振動を回避することが可能となる。

請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、一次空気流路出口のガイドスリーブの末広がりの角度を、下限値はＮＯｘ濃度に応じて、上限値はＣＯ濃度に応じて設定することで、多種燃料の燃焼であっても、ＮＯｘ濃度やＣＯ濃度の低減を図ることができる。

請求項３記載の発明によれば、上記請求項２記載の発明の効果に加えて、一次空気流路出口のガイドスリーブの末広がりの角度を適正な角度にすることで、燃焼用空気循環流に対する還元炎及び脱硝域の分離を効率良く行うことができる。したがって、更なるＮＯｘ濃度の低減が図れると共に、燃料の完全燃焼を図ることができるため、一酸化炭素や煤塵の発生を防止できる。

請求項４記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、燃焼に必要な空気量を、バーナ初期条件から燃料の組み合わせが変わって燃焼空気量が変化したとしても、燃焼振動や吹き飛びを防止するよう調整できる。

本発明の一実施形態のバーナの一部断面を示す平面図である。 ＮＯｘ濃度の低減の原理図を示したバーナの一部断面を示す平面図である。 ＮＯｘ濃度の低減の原理図を示したバーナの一部断面を示す平面図（θ１を変えた場合）である。 ＮＯｘ濃度の低減の原理図を示したバーナの一部断面を示す平面図（θ１を変えた場合）である。 バーナの保炎器周囲における燃焼用空気循環流を示す原理図である。 ガイドスリーブの角度（°）とＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）との関係を示した図である。 ガイドスリーブの角度（°）とＣＯ濃度（ｐｐｍ）との関係を示した図である。 従来のバーナ（特許文献１）の一部断面を示す平面図である。 従来のバーナ（特許文献２）の一部断面を示す平面図である。 従来のバーナ（特許文献２）の保炎機構の原理図である。 従来のバーナ（特許文献３）の一部断面を示す平面図である。

以下に、本発明の実施例について説明する。

図１には、本発明の一実施形態のバーナの一部断面を示した平面図を示す。
火炉２６の側壁のスロート１に設けられたバーナは、円筒状のスリーブ２を備え、スリーブ２の内部には、一次空気流路４と、中心軸Ｃに設けた第一燃料バーナ１０と、第一燃料バーナ１０の火炉側先端部に設けた第一燃料ノズル１１と、第一燃料バーナ１０の外周で、一次空気流路４の円周方向に複数本設けた第二燃料バーナ１３と、該第二燃料バーナ１３の火炉側先端部に設けた第二燃料ノズル１４などを備えている。また、第一燃料ノズル１１及び第二燃料ノズル１４からの火炎を保炎するための火炉側に向かって末広がり状（円錐状）の保炎器１２が第一燃料ノズル１１の周囲であって且つ第一燃料ノズル１１と第二燃料ノズル１４との間に設けられている。
また、一次空気流路４の外周部には燃焼用二次空気流路５が設けられている。一次空気流路４と二次空気流路５は火炉側壁の外側に配置される風箱６から燃焼用空気が供給され、一次空気流路４にスライド式に開閉自在に設けられたダンパ３によりスリーブ２の開口部の開閉度合を調整して一次空気流７が形成され一次空気が供給される。二次空気流路５にはエアレジスタ９を設け、旋回するエアレジスタ９によって二次空気流８が形成され二次空気が供給される。なお、ダンパ３及びエアレジスタ９は図示しない開閉機構により作動することで、一次空気の流量及び二次空気の流量とそれらの流速を調整、制御可能である。

そして、一次空気流路４の出口外周に、該出口外周の先端部から火炉２６に向かって末広がりの形状であって、且つ先端部がスロート１内にあるガイドスリーブ１５を設けている。更に二次空気流路５の出口外周となるスロート１の壁面に、火炉２６に向かって末広がり形状の末広がり形状部１ａを形成し、一次空気流路４のガイドスリーブ１５とスロート１壁面の末広がり形状部１ａによって二次空気流路５の出口部５ａを形成している。

第一燃料バーナ１０は、一本であることが望ましいが、複数本でも可能である。また、第二燃料バーナ１３は、保炎器１２の外周同心円状に４本から８本の第二燃料ノズル１４を配置し、保炎器１２の近傍にガス燃料を均等に噴射投入することにより、燃焼振動のない安定した火炎を継続的に形成することが可能となる。なお、第二燃料バーナ１３は、中心軸Ｃに対して対称的に配置することが望ましいため、偶数本の設置が最適であるが、燃料の消費量が少ない場合などは奇数本の設置でもかまわない。
そして、本実施例のバーナは、混焼バーナとしても専焼バーナとしても使用可能である。

専焼バーナの場合の焼損対策を以下に示す。
第一燃料専焼時には、第一燃料火炎が第二燃料ノズル１４に衝突しないように、第一燃料ノズル１１の噴射角度を選定して適用し、設置する。また、第二燃料ノズル１４は一次空気流で常時冷却されており、更に、保炎器１２よりも第一燃料バーナ１０より遠い外周側に設置しているため、焼損することはない。そして、第二燃料専焼時には、第二燃料バーナ１３の先端部は保炎器１２及び第一燃料バーナ１０のより火炉側にあるため、焼損することはない。また、第二燃料専焼時は、必要に応じて、第一燃料バーナ１０は引き抜き可能な構成としている。

混焼バーナとして使用する場合は、第一燃料バーナ１０と第二燃料バーナ１３に供給する燃料を変えて同時に燃焼させ、必要蒸気量に応じて燃料消費量を変化させて使用する。専焼バーナとして使用する場合は、第一燃料単体のみの燃焼又は第二燃料単体のみの燃焼により対応可能である。

バーナの燃料は、規格燃料の油やガスの他に石油精製プラントや各種化学プラントから生成する副生油、副正ガス、高炉ガス等がある。
具体的に、第一燃料バーナ１０から噴射する燃料としては、軽質油、重質油等化学燃料より精製される液体状の燃料、化学プラント等で生成する副生油、廃油等の液体燃料が望ましいが、液体燃料に限定されない。

また、第二燃料バーナ１３から噴射する燃料としては、化学燃料である各種ガス燃料、化学プラント等で生成する副生ガス、オフガス、廃ガス、消化ガス、嫌気ガス等のガス状の燃料が望ましいが、ガス燃料に限定されない。液体燃料であっても燃料性状によっては適用可能である。

そして、本実施例のバーナは、図１に示すように、二次空気流路５の出口外周のスロート１を末広がり形状１ａとし、更に一次空気流路４の出口に末広がり形状のガイドスリーブ１５を設けている。したがって、図２に示すように、一次空気流路４及び二次空気流路５から火炉２６へ投入される空気（一次空気流７と二次空気流８）の分離が強化されるため、燃焼用空気を二分割して火炉２６へ投入する簡素な構成でも、二次空気流８の酸化炎１０２が脱硝域１０３へ流入することが阻止されるため、ＮＯｘ濃度の低減を図ることが可能となる。

したがって、燃焼用空気を三分割して火炉２６へ投入するバーナ装置のような部品点数の増加によってバーナ装置の構成が複雑となることや、バーナ装置の駆動部の異物噛み込みによる動作不良や運転調整時間が長くなるなどの問題は生じない。

また、図１に示すように、ガイドスリーブ１５の火炉側端部（先端部）とスロート１壁面の末広がり形状部１ａの始端部の位置をガス流れ方向の前後位置で揃えると（点線Ｔで示す）、二次空気流路５から投入される二次空気は出口部５ａのガイドスリーブ１５によってバーナ中心軸Ｃに対して外側に流れてスロート１の内壁面に当たるが、スロート１壁面の末広がり形状部１ａによって再び外側に流れるため、二次空気の流れがスムーズになる。また、二次空気がバーナ中心軸Ｃに対して外側に流れることで、一次空気流７と二次空気流８の分離も強化され、効率良く分離できる。

更に、ガイドスリーブ１５と末広がり形状部１ａのガス流れ方向の長さをほぼ同じ長さにすると二次空気流８は出口部５ａ内側のガイドスリーブ１５による流れと同じように出口部５ａ外側の末広がり形状部１ａによってバーナ中心軸Ｃに対して外側にスムーズに流れる。

また、第二燃料ノズル１４の先端が第一燃料ノズル１１の先端及び保炎器１２の火炉側端部よりも火炉側に突出していることで、保炎器１２の内部に燃料が効率良く入るため、第二燃料ノズル１４によって形成される火炎の保炎性を高めて火炎の安定化が図れる。

第二燃料ノズル１４は、ガス火炎の保炎強化を目的として、各ノズル先端からガス燃料を保炎器１２の外周の接線方向及び火炉方向に噴射させる。この保炎器１２の外周の接線方向に噴射するガス燃料で形成される火炎により、保炎器１２の近傍に継続して安定した火炎が形成され、特にガス燃焼で問題となる燃焼振動を回避することが可能となる。

本実施例のバーナにおける保炎器１２周辺の空気流路及び空気の流れについて説明する。
図５には、バーナの保炎器１２の周囲における燃焼用空気の循環流を示した原理図を示す。この図は、火炉側から見た場合の保炎器１２の正面図である。円筒状のスリーブ２の先端部に設けた末広がり形状の保炎器１２は、一次空気流路４からの一次空気流７が火炉２６内に吹き出す際の抵抗板となり、保炎器１２出口側の火炉２６内に空気の渦状循環流１１１，１１２を形成する。そして、この保炎器１２によって、以下のような効果を奏することが可能となる。

図５に示すように、保炎器１２の外縁部の渦状循環流１１１及び保炎器１２の表面の渦状循環流１１２に対して、スリーブ２の内部に第一燃料ノズル１１から噴射される第一燃料と一次空気流路４からの燃焼用一次空気が適正に混合されることで、第一燃料が確実に着火して第一燃料ノズル１１からの火炎が保炎され燃焼が継続する。

また、スリーブ２の内部で且つ保炎器１２の周囲に複数配置された第二燃料ノズル１４から噴射される第二燃料と前記燃焼用一次空気が適正に混合されることで、第二燃料が確実に着火して第二燃料ノズル１４からの火炎が保炎され燃焼が継続する。

そして、本実施例によれば、第二燃料ノズル１４を第一燃料ノズル１１と同一の一次空気流路４に設け、第二燃料火炎の保炎を第一燃料火炎と同一の保炎器１２で行っている。したがって、複数の保炎器を用いることによる燃焼振動の問題も生じない。そして、一次空気が第二燃料ノズル１４の表面を流れるため、この流れの冷却効果によって第二燃料ノズル１４の先端部の温度が低下し、第二燃料ノズル１４の先端部の焼損を防止できる。

また、一次空気流路４の出口のガイドスリーブ１５の先端部がスロート１内に位置するように、ガイドスリーブ１５を火炉側に突出させずにスロート１内に設けることで、火炉２６の輻射熱によるガイドスリーブ１５の先端部の焼損を防止できる。更に、火炎の長炎化や火炎が炉壁に接触することによる黒煙の発生を防止できる。

更に、保炎器１２の外周部の流速は適正範囲であることが望ましく、例えば１０〜４０ｍ／ｓ程度が好ましい。保炎器１２の外周部を流れる一次空気の流速が小さいと、第二燃料ノズル１４によって形成される火炎の保炎効果が低減してしまうことが考えられる。一方、保炎器１２の外周部を流れる一次空気の流速が大きいと、火炎の吹き飛びや火炎のリフトの要因となる。常温空気（１５〜４０℃程度の空気を指し、それ以上高い温度の空気を高温空気と言う）を一次空気及び二次空気に使用している場合は、第二燃料ノズル１４から噴射される第二燃料の着火性が高温空気の場合と比べて低いため、第二燃料ノズル１４からの火炎の保炎性を高める必要がある。

したがって、保炎器１２外周部の一次空気の流速が前記範囲となるようにすれば、常温空気を用いた場合でも、火炎の吹き飛びやリフトを防止すると共に、第二燃料ノズル１４によって形成される火炎の保炎性を向上させることが可能となる。引いてはバーナ全体の保炎性の向上が可能となる。一次空気流速の制御は、ダンパ３の開度調整によって行えば良い。バーナ差圧を１８０ｍｍＡｑ以下の範囲内で、１０〜４０ｍ／ｓの適正範囲に制御できる。

本実施例は、基本的に上記実施例１と同様であるが、ガイドスリーブ１５の末広がりの角度範囲を規定した例を示している。

上述した図２に示すように、ガイドスリーブ１５の末広がりの角度を適正な角度にすると燃焼用空気循環流１０５に対する還元炎１０１及び脱硝域１０３の分離を効率良く行うことができ、ＮＯｘ濃度の低減効果が大きくなる。

図３ではガイドスリーブ１５の末広がりの角度θ１（図１参照）をバーナ中心軸Ｃに対して１５度未満（比較的緩い角度であり、０度に近い角度）にした場合を示し、図４ではガイドスリーブ１５の末広がりの角度θ１をバーナ中心軸Ｃに対して４５度よりも大きくした場合（比較的急な角度であり、９０度に近い角度）の図を示している。

図３では、二次空気流路５から火炉２６に投入される二次空気はエアレジスタ９による旋回力により遠心力が働くため、火炉２６に投入後はバーナ中心軸Ｃに対して外側に広がって流れる。しかし、ガイドスリーブ１５の末広がりの角度θ１が小さいため、ガイドスリーブ１５とスロート１による燃焼用空気の分割効果が図２の場合と比べて小さく、還元炎１０１及び脱硝域１０３の領域が狭くなり、ＮＯｘ濃度の低減効果が図２の場合と比べて相対的に小さくなってしまう。

一方、図４では、二次空気流路５から火炉２６に投入される二次空気はエアレジスタ９による旋回力による遠心力だけではなく、末広がりの角度θ１の大きいガイドスリーブ１５によっても行われる。二次空気流路５から火炉２６に投入される燃焼用空気の循環流１０５からの還元炎１０１及び脱硝域１０３の分離を強化することは、ＮＯｘ濃度の低減に効果を有する。しかし、燃焼用空気の循環流１０５及び酸化炎１０２がバーナ中心軸Ｃから離れすぎると、燃焼用空気循環流１０５がバーナ中心軸Ｃの完全酸化域１０４に戻りにくくなってしまう。したがって、図２の場合と比べて相対的に燃焼性が劣ってしまう。

燃焼によって生成するＮＯｘ濃度やＣＯ濃度はガイドスリーブ１５の末広がりの角度により傾向が異なってくる。図６には、図１のバーナにおいて、ガイドスリーブ１５の末広がりの角度（θ１）を変えた場合のガイドスリーブ１５の末広がりの角度（°）とＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）との関係を示し、図７には、同様にガイドスリーブ１５の末広がりの角度（°）とＣＯ濃度（ｐｐｍ）との関係を示す。

燃焼試験は、バーナ中心に第一燃料バーナ１０を、その周囲に第二燃料ノズル１４を６本配置した混焼バーナとし、第二燃料としてＬＰＧ（液化石油ガス）のみを使用し第一燃料は使用しない条件で行った。燃焼空気温度は２００℃とした。
測定条件は、奥行９．５ｍ、高さ３．４ｍ、巾３ｍの燃焼炉で、端面にバーナを取り付け、バーナ火炎を奥行方向に形成させ、バーナを取り付けた端面に対向する面を排ガス出口とし、排ガス出口ダクトにＮＯｘ、ＣＯ、Ｏ_２計と温度計を設け、各数値を測定した。パラメータの一つとしてガイドスリーブ１５の末広がりの角度（θ１）の影響を測定した。

図６、図７は、排ガス中のＮＯｘ濃度、ＣＯ濃度をガイドスリーブ角度に応じてプロットしたものであり、燃料の組み合わせや、燃料量、空気旋回等により各濃度の数値は変化するため全体としては数値に巾を持って推移することを示している。なお、ガイドスリーブ角度を１５度とした時のＮＯｘ濃度は１回目が８１ｐｐｍ、２回目が８５ｐｐｍであった。

ＮＯｘ濃度やＣＯ濃度の基準値は一般的に規制値（燃焼炉の大きさによって異なるが、例えば、ＮＯｘ濃度では１３０ｐｐｍ）よりも低く設定する目標値である。図６から分かるように、ガイドスリーブ１５の末広がりの角度が１５度よりも小さいとＮＯｘ濃度が基準値を超えてしまう。また、末広がりの角度が２５度を下回るとＮＯｘ濃度が急激に増加する。末広がりの角度が小さいと、一次空気と二次空気の混合が良く行われず、ＮＯｘの還元・酸化反応が進みにくい。

ガイドスリーブ１５の末広がりの角度が０〜１５度近辺では、二次空気流路５を流れる二次空気がガイドスリーブ１５に沿って流れるが、十分に火炎に対して分離できないことから、スロート１付近で燃料とすぐに混合してしまい混合燃焼となって、サーマルＮＯｘが発生し、ＮＯｘ濃度が高くなる。ガイドスリーブ１５の末広がりの角度が１５度〜３０度付近になると徐々にＮＯｘ濃度が下がってくる。これは、ガイドスリーブ１５の角度に沿って流れる二次空気が火炎中心より外側へ外側へと流れる運動量が増し、一次空気と燃料との混合により形成する火炎に対して一次空気が混合するポイントが後流に移る傾向を示している。

したがって、その火炎に対する分離特性により、角度が３０度を超えるとＮＯｘ濃度は角度０度の時のＮＯｘ濃度に対して３０％程度とほぼ横ばいになり、ＮＯｘ値に対してはガイドスリーブ１５の末広がりの角度を大きく取ることでその低減効果が現れる。なお、燃焼試験においてガイドスリーブ１５の末広がりの角度が１５度では、ＮＯｘ濃度が８１〜８５ｐｐｍを確保できたことから目標値（１００ｐｐｍ）よりも低く、これらの角度を１５度以上とすれば、ＮＯｘ濃度の基準値は十分達成される。

一方、図７から分かるように、末広がりの角度が４５度よりも大きいと不完全燃焼を起こしてＣＯ濃度が基準値（１００ｐｐｍ）を超えてしまい、更に上昇する。ガイドスリーブ１５の末広がりの角度が０〜４５度近辺では、二次空気が火炎に対してある程度分離性を保ちながら、緩やかな混合で燃焼させれば、ＣＯの発生を抑制できる。これらの角度が４５度を超えると二次空気と火炎との混合が進まないことから、すなわち二次空気が火炎下流まで混合しないことから火炎末端まで未燃分を含むことになり、急激にＣＯ濃度が高くなる。

以上述べたように、ＮＯｘ濃度はガイドスリーブ１５の末広がりの角度が小さいほど高く、ＣＯ濃度はガイドスリーブ１５の末広がりの角度が大きいほど高くなるという顕著な傾向がある。したがって、ＮＯｘ濃度やＣＯ濃度の規制値と燃焼傾向から、末広がりの角度を下限値はＮＯｘ濃度に基づいて設定し、上限値はＣＯ濃度に基づいて設定することで、多種燃料の燃焼であってもＮＯｘ濃度やＣＯ濃度の低減を図ることができ、ＮＯｘの還元・酸化反応に最適な角度に設定できる。

特に多種燃料を組み合わせて燃焼させると、燃料の性状によっては燃焼の際にＮＯｘ値が高くなったり、ＣＯ値が高くなったりする場合がある。そのような多種燃料を燃焼させるにあたり、予めガイドスリーブ１５の末広がりの角度を設定する必要がある。その際は燃料の性状に応じて、ＮＯｘ値が高い燃料の場合はこれらの角度を大きめにし、ＣＯ値が高い燃料の場合はこれらの角度を小さめにすれば良い。

なお、本実施例では、第二燃料バーナ１３専焼時の燃焼試験結果を示しているが、第一燃料バーナ１０のみを使用した場合、又は第一燃料バーナ１０及び第二燃料バーナ１３を同時に使用した場合でも、ガイドスリーブ１５の末広がりの角度に対するＮＯｘ濃度やＣＯ濃度は同様の傾向を示す。

これは、ＮＯｘ濃度やＣＯ濃度が還元炎１０１、脱硝域１０３及び完全酸化域１０４の領域生成に依存し、これらの領域は一次空気及び二次空気の分離、分割を制御する役割を持つガイドスリーブ１５の末広がりの角度により左右されるためである。

例えば、使用する燃料を変えて、燃料中の窒素分が高い燃料を使用した場合は、燃料由来のＮＯｘが生成されるため、排ガス中のＮＯｘ濃度の絶対値は高い傾向を示す。しかしながら、この場合においても同じ構造のバーナ装置を用いる限り、一次空気及び二次空気の分離、分割の傾向はガイドスリーブ１５の末広がりの角度によることに変わりがないため、ＮＯｘ値が低減し始めるガイドスリーブ１５の角度やＣＯ値が急激に増加するガイドスリーブ１５の角度は燃料種に関わらずほぼ同一であり、ＮＯｘ及びＣＯの生成特性への影響が変化することはない。

そして、本実施例では、一次空気流路４の出口のガイドスリーブ１５の末広がりの角度θ１を１５〜４５度とすることで、ガイドスリーブ１５とスロート１の末広がり形状部１ａの末広がりの角度が適正な角度になり、一次空気と二次空気の混合が促進され、燃焼領域の後流側でＮＯｘの還元・酸化反応が進む。

したがって、燃焼用空気循環流１０５に対する還元炎１０１及び脱硝域１０３の分離を効率良く行うことができ、ＮＯｘ濃度の低減効果が大きくなる。また、燃焼用空気を二分割にする簡素な構成で、燃焼用空気を三分割にするバーナ装置と同等のＮＯｘ濃度の低減が図れると共に、燃料の完全燃焼を図ることができるため、一酸化炭素や煤塵の発生を防止できる。

なお、二次空気流路５の出口のスロート１の末広がり形状部１ａの末広がりの角度θ２（図１）は１５〜４５度の範囲であり、概ね３０度である。スロート１の末広がり形状部１ａの末広がりの角度はガイドスリーブ角度と同一か、その角度に近く設定し、二次空気の流れ方向を阻害しないようにすれば、排ガス中のＮＯｘ濃度やＣＯ濃度への影響は全く問題ない。

本発明によれば、石油精製プラントなどの各種化学プラント等において、混焼バーナとしても専焼バーナとしても利用可能性がある。

１ スロート ２ スリーブ
３ ダンパ ４ 一次空気流路
５ 二次空気流路 ６ 風箱
７ 一次空気流 ８ 二次空気流
９ エアレジスタ １０ 第一燃料バーナ
１１ 第一燃料ノズル １２ 保炎器
１３ 第二燃料バーナ １４ 第二燃料ノズル
１５ ガイドスリーブ １６ 油バーナ
１７ 油ノズル １８ ガスバーナ
１９ 燃料ノズル ２１ 三次空気流路
２２ 三次空気流
２３ 三次空気流路のエアレジスタ
２４ 二次空気流路のベーン ２５ フレームホルダ
２６ 火炉 １０１ 還元炎
１０２ 酸化炎 １０３ 脱硝炎
１０４ 完全酸化域 １０５ 燃焼用空気循環流
１１１ 保炎器外縁部の渦状循環流
１１２ 保炎器表面の渦状循環流
１１３ ガスノズル周辺の渦状循環流
１１４ ガスノズルの主孔から噴射されるガスのガス流
１１５ ガスノズルの副孔から噴射されるガスのガス流
１１６ ガスノズルの保炎孔から噴射されるガスのガス流

Claims (4)

1. 火炉の壁面のスロートに設けられたバーナ装置であって、
   バーナ中心軸周りに設けられる円筒状のスリーブと、
   該スリーブ内に設けられる一次空気流路と、
   該一次空気流路のバーナ中心軸に設けられる第一燃料ノズルと、
   前記一次空気流路内であって第一燃料ノズルの周囲に設けられ、火炉に向かって末広がり形状である保炎器と、
   前記保炎器の外周で、且つ一次空気流路の円周方向に複数設けられ、前記第一燃料ノズルの先端部及び前記保炎器の火炉側端部よりも先端部が火炉側に突出し、燃料を保炎器外周の接線方向及び火炉方向に噴射させる第二燃料ノズルと、
   前記一次空気流路の出口外周に設けられ、該出口外周の先端部から火炉に向かって末広がりの形状であって、且つ先端部が前記スロート内に位置するガイドスリーブと、
   前記スリーブの外周に設けられる二次空気流路と、
   該二次空気流路の出口外周となるスロート壁面に、火炉に向かって末広がり形状に形成された末広がり形状部と、
   該スロートの末広がり形状部と前記一次空気流路のガイドスリーブとにより形成される二次空気流路の出口部と
   を設けたことを特徴とするバーナ装置。
2. 前記ガイドスリーブのバーナ中心軸に対する末広がり角度は、下限値が燃焼によって発生する窒素酸化物の濃度に基づいて該窒素酸化物の濃度が所定値以下になるように設定され、上限値が燃焼によって発生する一酸化炭素の濃度に基づいて該一酸化炭素の濃度が所定値以下になるように設定されていることを特徴とする請求項１記載のバーナ装置。
3. 前記ガイドスリーブのバーナ中心軸に対する末広がり角度は１５度以上４５度以下であることを特徴とする請求項２記載のバーナ装置。
4. 前記一次空気流路内に、一次空気の流速を制御可能な一次空気流速制御装置を設けたことを特徴とする請求項１記載のバーナ装置。

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