JP6168875B2 - 燃料二段燃焼式バーナ装置及び燃料二段燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料二段燃焼式バーナ装置及び燃料二段燃焼方法に関するものであり、より詳細には、燃料を二段階に分けて燃焼用空気に供給するとともに、炉内燃焼ガスの循環流を燃焼用空気に混合して燃焼用空気の酸素濃度を低減する燃料二段燃焼法（フューエルステージング法）を実施するための燃料二段燃焼式バーナ装置及び燃料二段燃焼方法に関するものである。

低ＮＯｘ燃焼法として、燃料を二段階に分けて燃焼用空気に供給する燃料二段燃焼法が知られている。燃料二段燃焼法を実施するバーナ装置の構成が図８に例示されている。図８に示す如く、バーナ装置は、一次燃料Ｆ１及び二次燃料Ｆ２を夫々供給する一次燃料ノズル１０１及び二次燃料ノズル１０２を備える。過剰空気量を含む全量（理論空気量＋過剰空気量）の燃焼用空気Ａが、バーナスロート１０３に供給される。一次燃料ノズル１０１は、バーナスロート１０３の中央部に配置され、燃焼用空気流Ａの中央部において一次燃料Ｆ１を噴射し、一次燃焼火炎Ｃ１を形成する。二次燃料ノズル１０２は、バーナタイル、炉壁又は炉床等の炉内表面Ｗに配置され、バーナスロート１０３の出口部近傍において二次燃料Ｆ２を燃焼用空気流Ａに噴射する。

炉内領域Ｖに生成した炉内燃焼ガスＥＧが、炉内領域Ｖに噴流する燃焼用空気流Ａに誘引され、燃焼用空気流Ａに混合する。従って、燃焼用空気流Ａは、一次燃焼により生成した一次燃焼ガスと混合して希釈されるとともに、炉内燃焼ガスＥＧと混合して希釈されるので、燃焼用空気流Ａの酸素濃度は低減する。二次燃料ノズル１０２が噴射した二次燃料Ｆ２は、噴流域Ｊにおいて炉内燃焼ガスＥＧと混合し、酸素濃度が低減した燃焼用空気流Ａと混合接触し、緩慢な炉内燃焼反応による二次燃焼火炎Ｃ２を炉内領域Ｖに形成する。

このような燃料二段燃焼法は、比較的高い空気比の空気過剰状態において一次燃料Ｆ１を燃焼させた後、燃焼用空気、一次燃焼ガス、炉内燃焼ガスＥＧ及び二次燃料Ｆ２を混合して緩慢な二次燃焼反応を炉内領域に進行せしめる方式のものである。この種の燃料二段燃焼法は、例えば、本出願人の出願に係る特開平６−１５９６１３号公報（特許文献１）、特開平８−１４５３１５号公報（特許文献２）等に記載されている。

特開平６−１５９６１３号公報 特開平８−１４５３１５号公報

このような燃料二段燃焼法においては、一次燃料供給量に対する二次燃料供給量の比率（二次燃料供給量／一次燃料供給量）を増大することが、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制する上で望ましい。この点は、近年の研究により既に判明している。

しかしながら、二次燃料供給量の比率を増大する結果、一次燃料供給量の比率を相対的に低減すると、一次燃焼域の空気比が増大して一次燃焼反応が極端に空気過剰の環境で燃焼反応するので、一次燃焼域における安定燃焼性を所望の如く確保し難く、このため、従来の燃料二段燃焼法においては、一次燃焼域における燃焼安定性の確保を優先し又は重視し、二次燃料供給量の比率を所望の如く増大し難い事情がある。これは、ＮＯｘ低減効果をある程度まで犠牲にした二次燃料供給量／一次燃料供給量の比率を運転条件として採用せざるを得ないことを意味する。

また、ある種の燃焼炉、加熱炉等においては、炉温低下等を意図して燃焼用空気の過剰率を増大した運転条件を採用する必要が生じる。このような燃焼炉等の運転条件においては、燃焼反応に関与しない酸素が量的に増大するので、窒素酸化物の発生量が増大する傾向がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、一次燃焼域における燃焼安定性を損なうことなく、二次燃料供給量／一次燃料供給量の比率を増大するとともに、窒素酸化物の発生量を増大することなく、燃焼用空気の過剰率を増大することができる燃料二段燃焼式バーナ装置及び燃料二段燃焼方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明は、炉内壁面、炉床面又は炉頂面に開口したバーナスロートと、一次燃料及び二次燃料を段階的に燃焼用空気に供給する一次燃料噴射口及び二次燃料噴射口とを有し、炉内燃焼ガス循環流を燃焼用空気に混合して燃焼用空気の酸素濃度を低減した後、該燃焼用空気及び前記二次燃料を二次燃焼域で混合する燃料二段燃焼式バーナ装置において、
炉内表面に位置する前記二次燃料噴射口と、前記バーナスロートの出口開口との間に配置され、前記出口開口を囲むように炉内表面に突設された堰とを有し、
該堰は、前記二次燃料噴射口が噴射した二次燃料噴流の方向を変化させる外側面と、炉内燃焼ガス循環流を炉内表面に沿って前記出口開口の開口縁に向かって流動させて、該出口開口から炉内領域に流出する前記燃焼用空気に炉内燃焼ガスを混合せしめる炉内燃焼ガス還流路とを有し、
前記外側面は、前記二次燃料噴流が衝突する弧状且つ凹状の湾曲面に形成されていることを特徴とする燃料二段燃焼式バーナ装置を提供する。

本発明は又、炉内壁面、炉床面又は炉頂面に開口したバーナスロートから燃焼用空気流を炉内領域に供給して、炉内燃焼ガスの循環流を燃焼用空気に混合して燃焼用空気の酸素濃度を低減するとともに、前記バーナスロートに配置された一次燃料噴射口の一次燃料と、炉内表面に配置された二次燃料噴射口の二次燃料とを燃焼用空気に段階的に供給する燃料二段燃焼方法において、
炉内表面に位置する前記二次燃料噴射口と、前記バーナスロートの出口開口との間に堰を配置し、前記二次燃料噴射口が噴射した二次燃料噴流が衝突する弧状且つ凹状の湾曲面によって前記堰の外側面を形成するとともに、炉内表面に突設した前記堰によって前記出口開口を囲むことにより、前記二次燃料噴流の方向を変化させ、
炉内燃焼ガス還流路を前記堰に形成して、炉内燃焼ガス循環流を前記炉内表面に沿って前記出口開口の開口縁に向かって流動させ、前記出口開口から炉内領域に流出する前記燃焼用空気に炉内燃焼ガスを混合することを特徴とする燃料二段燃焼方法を提供する。

好ましくは、上記堰を構成する複数の堰部分が上記出口開口の外縁部に沿って間隔を隔てて配置され、上記炉内燃焼ガス還流路は、隣り合う堰部分の離間領域により形成される。更に好ましくは、堰部分は、出口開口に向かって膨出するように全体的に弧状且つ凸状に湾曲した形態を有し、上記湾曲面は、複数の二次燃料噴流が均等に衝突可能な上記外側面を構成する。

なお、本明細書において、「堰」は、炉内表面に沿って流動する流体の流れを阻止して滞留又は偏向させることができる堤、隆起、突条、凸状部、突出部、隔壁等を包含する概念である。また、上記「堰部分」は、「堰」の構成単位又は構成要素を意味し、「堰」は、複数の「堰部分」を連設又は隔設することによって形成することができる。

本発明の上記構成によれば、一次燃焼火炎に対する炉内燃焼ガス循環流の影響を堰の障害によって緩和し又は妨げることができるので、炉内燃焼ガス循環流が流体力学的に一次燃焼火炎に作用するのを防止し、これにより、一次燃焼域における安定燃焼性を向上することができ、この結果、二次燃料供給量／一次燃料供給量の比率を増大することができる。二次燃料供給量／一次燃料供給量の比率の増大は、より多くの燃料が燃焼反応前に炉内燃焼ガスと混合し得ること（従って、燃料二段燃焼式バーナ装置及び燃料二段燃焼方法のＮＯｘ低減効果を向上し得ること）を意味する。

また、本発明の上記構成によれば、炉内燃焼ガス還流路を介して、炉内燃焼ガス循環流が燃焼用空気流に供給され、燃焼用空気と混合する。燃焼用空気は、バーナスロートの出口開口から流出した直後に炉内燃焼ガスによって希釈され、その酸素濃度を低下させた後、二次燃料と混合する。他方、二次燃料噴射口から噴射した二次燃料は、堰の外側において炉内側に転向又は変向し、炉内燃焼ガスと効果的に混合する。従って、本発明の上記構成によれば、比較的多量の炉内燃焼ガスによって燃焼用空気を早期に（即ち、一次燃焼の直後に）希釈した後、比較的多量の燃焼ガスと混合した二次燃料と混合接触させ、緩慢な二次燃焼反応を生じさせることができる。即ち、本発明によれば、酸素濃度が低下した燃焼用空気と、炉内燃焼ガスと十分に混合した二次燃料との混合接触により緩慢な二次燃焼反応を生起することができるので、燃料二段燃焼式バーナ装置及び燃料二段燃焼方法のＮＯｘ低減効果を向上することができる。

また、本発明によれば、このようなＮＯｘ低減効果の向上により、窒素酸化物の発生を抑制することができるので、燃焼用空気の過剰率を増大することが可能となる。

本発明の燃料二段燃焼式バーナ装置及び燃料二段燃焼方法によれば、一次燃焼域における燃焼安定性を損なうことなく、二次燃料供給量／一次燃料供給量の比率を増大するとともに、窒素酸化物の発生量を増大することなく、燃焼用空気の過剰率を増大することができる。

図１は、本発明に係る燃料二段燃焼式バーナ装置の構造を概略的に示す正面図である。 図２は、図１のＩ−Ｉ線における断面図である。 図３は、図１のII−II線における断面図である。 図４（Ａ）は、図１〜図３に示す堰の作用を示す概略斜視図であり、図４（Ｂ）は、離間領域を備えない円筒状又は円環状の堰を備えたバーナ装置の構成を参考例として示す概略斜視図であり、図４（Ｃ）は、堰を備えないバーナ装置の構成を比較例として示す概略斜視図である。 図５（Ａ）は、図１のＩ−Ｉ線における部分拡大断面図であり、図５（Ｂ）は、図１のII−II線における部分拡大断面図である。 図６は、本発明に係る低NOxバーナ装置を炉床部分に配設した燃焼炉又は加熱炉の実施例を示す燃焼炉又は加熱炉の部分縦断面図である。 図７は、図６のIII−III線における断面図である。 図８は、燃料二段燃焼法を実施する従来の低NOxバーナ装置の構成を例示する断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１〜図３は、本発明に係る燃料二段燃焼式バーナ装置の構成を概略的且つ概念的に示す正面図、Ｉ−Ｉ線断面図及びII−II線断面図である。

燃料二段燃焼式バーナ装置１（以下、「バーナ装置１」という。）は、バーナスロート１３内で一次燃料Ｆ１を噴射又は吐出する一次燃料ノズル１１と、バーナタイル、炉壁又は炉床等の炉内表面Ｗから炉内領域Ｖに二次燃料Ｆ２を噴射又は吐出する二次燃料ノズル１２と、炉内表面Ｗに突設された複数の堰部分２０とを備える。一次燃料ノズル１１は、バーナスロート１３の中央部に配置される。

燃焼用空気Ａがバーナスロート１３に供給される。燃焼用空気Ａは、バーナ装置１の燃焼反応に要する理論空気量及び過剰空気量（全空気量）の空気流である。一次燃料ノズル１１が噴射した一次燃料Ｆ１は、燃焼用空気Ａと混合して燃焼反応し、一次燃焼火炎Ｃ１をバーナスロート１３の出口部に形成する。

図２に示すように、バーナスロート１３の出口開口１４は、バーナスロート１３の中心軸線を中心とした真円形輪郭を有する。堰部分２０は、出口開口１４の外周に沿って周方向に間隔を隔てて配置され、全体的に出口開口１４を囲む堰を形成する。二次燃料ノズル１２は、堰部分２０の外側に配置され、堰部分２０は、出口開口１４の外縁部と二次燃料ノズル１２との間においてノズル１１、１２を分離する隔壁を形成する。

図１に示す如く、同一構造及び同一形状を有する４つの二次燃料ノズル１２が周方向に９０度の角度間隔を隔てて炉内表面Ｗに配置され、同一構造及び同一形状を有する４体の堰部分２０が、９０度の角度間隔を隔てて炉内表面Ｗに配置される。各二次燃料ノズル１２は、複数の燃料噴射口を有するマルチノズル方式の燃料ノズルであり、所定の開き角をもって二次燃料Ｆ２を噴射する。図１に示す如く、各堰部分２０は、出口開口１４に向かって膨出するように全体的に弧状に湾曲した形態を有し、二次燃料Ｆ２の噴流が均等に衝突可能な凹状の弧状外側面２１を備える。弧状外側面２１は、曲率中心Ｏを中心とした曲率半径ｒ１の円弧状面である。曲率中心Ｏは、堰部分２０の中心軸線（図１に一点鎖線で示す）上に位置し、二次燃料ノズル１２の中心は、弧状外側面２１及び曲率中心Ｏの間において堰部分２０の中心軸線上に位置する。堰部分２０は、中心軸線上の近接点２３において出口開口１４の開口縁に近接した凸状の弧状内側面２２を有する。弧状内側面２２は、曲率中心Ｏを中心とした曲率半径ｒ２の円弧状面である。

各堰部分２０は、出口開口１４の中心に対して角度αの角度範囲に形成され、互いに離間した離間領域３０を角度βの角度範囲に形成する。好ましくは、出口開口１４の直径Ｄと離間領域３０の開口幅Ｓとの比、即ち、Ｓ／Ｄは、０．２〜０．５の範囲内の値に設定される。離間領域３０は、炉内領域Ｖに生成した炉内燃焼ガスＥＧを燃焼用空気流Ａに混合させるための炉内燃焼ガス還流路を構成する。

図２及び図３に示すように、堰部分２０は、炉内表面Ｗから炉内側に突出寸法Ｈだけ突出する。好ましくは、直径Ｄと突出寸法Ｈとの比、即ち、Ｈ／Ｄは、０．２〜２．０の範囲内（但し、４０mm以上）に設定される。

図４（Ａ）は、図１〜図３に示す堰部分２０の作用を示す概略斜視図であり、図４（Ｂ）は、離間領域３０を備えない円筒状又は円環状の堰１２０を備えたバーナ装置の構成を参考例として示す概略斜視図であり、図４（Ｃ）は、堰部分２０を備えないバーナ装置の構成を比較例として示す概略斜視図である。また、図５（Ａ）は、図１のＩ−Ｉ線における部分拡大断面図であり、図５（Ｂ）は、図１のII−II線における部分拡大断面図である。図５には、堰部分２０が拡大して示されている。

図４（Ｃ）に示すように、堰部分２０を備えないバーナ装置においては、一次燃料ノズル１１が噴射又は吐出した一次燃料Ｆ１は、燃焼用空気流Ａと混合接触して一次燃焼火炎Ｃ１（図８）を出口開口１４の近傍に形成し、燃焼用空気流Ａに誘引された炉内燃焼ガスＥＧは、出口開口１４の全方位から燃焼用空気流Ａに混合し、二次燃料ノズル１２が噴射又は吐出した二次燃料Ｆ２は、炉内燃焼ガスＥＧと混合する。炉内燃焼ガスＥＧと混合した二次燃料Ｆ２は、炉内燃焼ガスＥＧと混合して酸素濃度が低減した燃焼用空気流Ａと混合接触し、二次燃焼火炎Ｃ２（図８）を炉内領域Ｖ（図８）に生成する。

この構成のバーナ装置は、図８を参照して説明した従来構造のものであり、ＮＯｘ低減効果を向上すべく二次燃料供給量／一次燃料供給量の比率を増大すると、一次燃焼域における安定燃焼性を所望の如く確保し難い事情がある。安定燃焼性が損なわれる理由は、主として、炉内領域において流動する比較的多量の炉内燃焼ガス循環流の全体的挙動又は流体力学的作用が一次燃焼火炎Ｃ１に外乱として影響することに起因すると考えられる。

他方、図４（Ｂ）に示すように円筒状又は円環状の一体的堰１２０を出口開口１４の外周部に配設し、一次燃焼火炎Ｃ１に対する炉内燃焼ガス循環流の影響を緩和する対策が考えられる。このような構成によれば、二次燃料Ｆ２と燃焼用空気流Ａとの混合接触が堰１２０によって過渡的に遮られるので、二次燃料Ｆ２が炉内燃焼ガスＥＧと十分に混合し、これにより、ある程度までは、ＮＯｘ低減効果を向上し得ると考えられる。しかしながら、炉内燃焼ガスＥＧと燃焼用空気流Ａとの混合が堰１２０によって過渡的に遮られるばかりでなく、堰１２０の外周面に沿って上方に差し向けられる二次燃料Ｆ２の多くは、炉内燃焼ガスＥＧが燃焼用空気流Ａに混合する前に燃焼用空気流Ａに混合接触する。即ち、二次燃料Ｆ２の多くは、比較的多量の酸素を含有した燃焼用空気（炉内燃焼ガスと混合する前の燃焼用空気）と混合接触して二次燃焼火炎Ｃ２を炉内領域に生成するので、所望のＮＯｘ低減効果を確保し難い。

これに対し、図４（Ａ）に示すように前述の堰部分２０を備えたバーナ装置においては、一次燃焼火炎Ｃ１（図２、図３）に対する炉内燃焼ガス循環流の影響が緩和し、二次燃料Ｆ２と燃焼用空気流Ａとの混合接触が堰部分２０によって過渡的に妨げられるばかりでなく、堰部分２０の間に形成された離間領域３０が炉内燃焼ガス還流路として機能するので、図４（Ａ）及び図５（Ｂ）に矢印で示す如く、炉内燃焼ガスＥＧが離間領域３０から出口開口１４に向かって径方向内方に流入し、燃焼用空気流Ａに早期に混合する。従って、燃焼用空気流Ａは、出口開口１４の近傍で炉内燃焼ガスＥＧによって確実且つ規則的に希釈される。

しかも、複数の燃料噴射口から噴射した二次燃料Ｆ２は、図５（Ａ）に示す如く、弧状外側面２１によって上方に転向又は変向し、二次燃焼域に差し向けられるとともに、弧状外側面２１の表面に膜状に拡散又は分散し、薄膜状の噴流として上方に流動する。このため、二次燃料Ｆ２は、炉内燃焼ガスＥＧと効果的に混合し、二次燃焼域において希釈後の燃焼用空気と混合接触して燃焼反応するので、ＮＯｘ低減効果を向上することができる。なお、図５（Ａ）に示す如く、堰部分２０の弧状内側面２２は、下流側に拡開したテーパ状の表面として形成することが望ましい。

図６は、上記構成のバーナ装置１を炉床部分に配設した燃焼炉又は加熱炉の実施例を示す燃焼炉又は加熱炉の部分縦断面図であり、図７は、図６のIII−III線における断面図である。

燃焼炉又は加熱炉の炉床５０には、バーナ装置１のバーナスロート１３を構成するバーナタイル１６が固定されており、バーナ装置１は、燃焼用空気流Ａを鉛直上方に吐出するように配向されている。一次燃料ノズル１１を備えたガス燃焼式のバーナガン１５がバーナスロート１３の中心部に配置され、パイロットバーナ１７が、バーナガン１５の近傍に配置される。複数の二次燃料ノズル１２が、周方向に間隔を隔ててバーナタイル１６の上面Ｗ１に配設される。一次燃料ノズル１１、二次燃料ノズル１２及びパイロットバーナ１７は、燃料供給管１１ａ、１２ａ、１７ａを介して燃料ガス供給源等の燃料供給源（図示せず）に接続される。燃焼用空気流路を形成するエアーケーシング１８が炉床５０に固定され、給気ダクト１９がエアーケーシング１８の側部に接続される。給気ダクト１９は、給気ファン（図示せず）に接続され、常温（大気温）の外気又は大気が、給気ファンの給気圧力下に燃焼用空気流Ａとしてエアーケーシング１８内に給送される。

バーナタイル１６の上面Ｗ１は、炉床５０の上面Ｗ２から２０mm程度だけ上方に位置するが、上面Ｗ１、Ｗ２は、実質的には、同一レベルの炉内表面Ｗとして考えることができる。上面Ｗ１には、各二次燃料ノズル１２に対応する堰部分２０が、周方向に所定間隔を隔てて一体的に取付けられ、上面Ｗ１から鉛直上方に突出する。開口幅Ｓの離間領域３０が、炉内領域Ｖに生成した炉内燃焼ガスＥＧを燃焼用空気流Ａに混合させる炉内燃焼ガス還流路として上面Ｗ１に形成される。

本例において、出口開口１４の直径Ｄは、約３００mmであり、堰部分２０及び離間領域３０の角度α、β及び開口幅Ｓは夫々、約７０°、約２０°及び約１００mmである。堰部分２０の突出寸法Ｈ（高さ）は、約１５０mmである。Ｓ／Ｄの値は、約１／３であり、Ｓ／Ｈの値は、約１／２である。

本例において、弧状外側面２１及び弧状内側面２２の曲率半径ｒ１、ｒ２は夫々、約３３０mm、約４３０mmである。近接点２３は、出口開口１４の開口縁に位置する。弧状外側面２１は、上面Ｗ１に対して垂直に起立しており、バーナスロート１３の中心軸線と平行に延在する。他方、弧状内側面２２は、上方且つ外方に僅かに拡開したテーパ状又は円錐台状の面に形成される。弧状内側面２２の傾斜角θは、バーナスロート１３の中心軸線に対して約１０°に設定される。図６に示す如く、離間領域３０も又、このような堰部分２０の形態に相応して、上方に向かって僅かに拡開した輪郭を有する。

一次燃料ノズル１１が噴射した一次燃料Ｆ１は、燃焼用空気流Ａと混合接触して一次燃焼火炎（図示せず）を形成する。燃焼用空気流Ａに誘引された炉内燃焼ガスＥＧが、離間領域３０から出口開口１４に向かって径方向内方に流入し、燃焼用空気流Ａに混合するので、燃焼用空気流Ａは、出口開口１４の近傍で炉内燃焼ガスＥＧによって希釈される。二次燃料ノズル１２の各噴射口が噴射した二次燃料Ｆ２は、弧状外側面２１によって上方に偏向して炉内領域Ｖに差し向けられるとともに、弧状外側面２１の表面に膜状に拡散又は分散し、薄膜状の噴流として上方に流動する。二次燃料Ｆ２は、炉内燃焼ガスＥＧと効果的に混合し、従って、炉内燃焼ガスＥＧと混合した二次燃料Ｆ２と、炉内燃焼ガスＥＧにより希釈された燃焼用空気（空気流Ａ）とが二次燃焼域で混合接触して燃焼反応する。

このようなバーナ装置１を使用した本発明者の実験によれば、二次燃料供給量／一次燃料供給量の比率を９０／１０に設定した状態においても、バーナガン１５の保炎性能が維持され、従って、一次火炎Ｃ１（図２、図３）の燃焼安定性が確保される。しかも、バーナ装置１の構成によれば、二次燃料Ｆ２と炉内燃焼ガスＥＧとの混合が促進し且つ炉内燃焼ガスＥＧと燃焼用空気（空気流Ａ）との混合が促進し、この結果、十分なＮＯｘ低減効果が得られることが本発明者の実験により判明した。また、バーナ装置１を使用した本発明者の実験においては、過剰空気率を増大した継続運転状態においても、燃焼排ガス中のＮＯｘ値が大きく増大しないことが判明した。かくして、バーナ装置１の上記構成によれば、定格燃焼状態において、二次燃料供給量／一次燃料供給量の比率を８０／２０〜９５／５の範囲に設定可能な低NOxバーナ装置を提供することができる。

以上説明した通り、バーナ装置１の優位性は、主として次の事項に起因するものと考えられる。
(1)炉内燃焼ガスＥＧの循環流の流入位置が堰部分２０及び離間領域３０により限定されることから、一次燃焼火炎Ｃ１近傍の流体の流れが整流され且つ安定するので、一次燃焼域の燃焼安定性が向上するとともに、一次燃焼火炎Ｃ１の周囲空気が効果的に温度上昇し且つその酸素濃度を低減する。
(2)二次燃料Ｆ２が堰部分２０に衝突して二次燃焼域の側に転向又は変向するとともに、二次燃料Ｆ２が分散又は拡散するので、二次燃料Ｆ２が炉内燃焼ガスＥＧと均一且つ効率的に混合する。
(3)一次燃焼域に循環する炉内燃焼ガスＥＧの流れと、二次燃焼域に循環する炉内燃焼ガスＥＧの流れとを堰部分２０及び離間領域３０によって分離又は分割し、これらの流れを効果的に規制又は制御し得るので、炉内燃焼ガスＥＧによる燃焼用空気流Ａの希釈と、二次燃料Ｆ２及び炉内燃焼ガスＥＧの混合と、二次燃料Ｆ２及び燃焼用空気流Ａの混合接触という３つの過程を個別又は段階的に実行することができる。

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、バーナスロートの出口開口は、真円形であるが、矩形、方形、多角形、楕円形等の輪郭を有するものであっても良く、この場合、堰又は堰部分は、出口開口の形状に相応した配置及び形状に設計される。

また、上記実施形態及び実施例では、複数の堰部分を周方向に間隔を隔てて配置しているが、離間した堰部分同士を架橋部材等により一体化し又は相互連結して構造的に安定させ、或いは、図４（Ｂ）に示す如く一体的な環状堰等をバーナスロートの出口開口に配設し、堰の適所に開口部を形成するとともに、堰の内側面を燃焼用空気流の下流側に向かって拡開したテーパ状又は円錐台状の面として形成することにより、複数の堰部分を隔設した上記構成と同等の構成に設計することも可能である。

更に、上記実施例では、バーナ装置は、炉床部分に上向きに配置されているが、炉壁部分又は炉頂部分に横向き又は下向き等に配置されたバーナ装置において本発明の構成を採用しても良い。

また、上記実施形態及び実施例では、バーナ装置は、常温空気を燃焼用空気として用いた構成のものであるが、本発明の構成を適用可能なバーナ装置は、蓄熱体等によって予熱した高温の燃焼用空気、或いは、８００℃以上に予熱された超高温の燃焼用空気を燃料に混合する構成のものであっても良い。

本発明は、燃料二段燃焼法を実施する低NOxバーナ装置及び低NOx燃焼方法等の燃料二段燃焼式バーナ装置及び燃料二段燃焼方法に好ましくは適用される。本発明によれば、一次燃焼域における燃焼安定性を損なうことなく、二次燃料供給量／一次燃料供給量の比率を増大するとともに、窒素酸化物の発生量を増大させることなく、燃焼用空気の過剰率を増大することができるので、その実用的価値は顕著である。

１ 燃料二段燃焼式バーナ装置
１１ 一次燃料ノズル
１２ 二次燃料ノズル
１３ バーナスロート
１４ 出口開口
１５ バーナガン
１６ バーナタイル
２０ 堰部分（堰）
２１ 弧状外側面
２２ 弧状内側面
２３ 近接点
３０ 離間領域（炉内燃焼ガス還流路）
５０ 炉床
Ａ 燃焼用空気流
Ｖ 炉内領域
Ｗ 炉内表面
ＥＧ 炉内燃焼ガス
Ｆ１ 一次燃料
Ｆ２ 二次燃料
Ｃ１ 一次燃焼火炎
Ｃ２ 二次燃焼火炎

Claims (6)

1. 炉内壁面、炉床面又は炉頂面に開口したバーナスロートと、一次燃料及び二次燃料を段階的に燃焼用空気に供給する一次燃料噴射口及び二次燃料噴射口とを有し、炉内燃焼ガス循環流を燃焼用空気に混合して燃焼用空気の酸素濃度を低減した後、該燃焼用空気及び前記二次燃料を二次燃焼域で混合する燃料二段燃焼式バーナ装置において、
   炉内表面に位置する前記二次燃料噴射口と、前記バーナスロートの出口開口との間に配置され、前記出口開口を囲むように炉内表面に突設された堰とを有し、
   該堰は、前記二次燃料噴射口が噴射した二次燃料噴流の方向を変化させる外側面と、炉内燃焼ガス循環流を炉内表面に沿って前記出口開口の開口縁に向かって流動させて、該出口開口から炉内領域に流出する前記燃焼用空気に炉内燃焼ガスを混合せしめる炉内燃焼ガス還流路とを有し、
   前記外側面は、前記二次燃料噴流が衝突する弧状且つ凹状の湾曲面に形成されていることを特徴とする燃料二段燃焼式バーナ装置。
2. 前記堰を構成する複数の堰部分が前記出口開口の外縁部に沿って間隔を隔てて配置され、前記炉内燃焼ガス還流路は、隣り合う堰部分の離間領域により形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料二段燃焼式バーナ装置。
3. 前記堰部分は、前記出口開口に向かって膨出するように全体的に弧状且つ凸状に湾曲した形態を有し、前記湾曲面は、複数の前記二次燃料噴流が均等に衝突可能な前記外側面を構成することを特徴とする請求項２に記載の燃料二段燃焼式バーナ装置。
4. 炉内壁面、炉床面又は炉頂面に開口したバーナスロートから燃焼用空気流を炉内領域に供給して、炉内燃焼ガスの循環流を燃焼用空気に混合して燃焼用空気の酸素濃度を低減するとともに、前記バーナスロートに配置された一次燃料噴射口の一次燃料と、炉内表面に配置された二次燃料噴射口の二次燃料とを燃焼用空気に段階的に供給する燃料二段燃焼方法において、
   炉内表面に位置する前記二次燃料噴射口と、前記バーナスロートの出口開口との間に堰を配置し、前記二次燃料噴射口が噴射した二次燃料噴流が衝突する弧状且つ凹状の湾曲面によって前記堰の外側面を形成するとともに、炉内表面に突設した前記堰によって前記出口開口を囲むことにより、前記二次燃料噴流の方向を変化させ、
   炉内燃焼ガス還流路を前記堰に形成して、炉内燃焼ガス循環流を前記炉内表面に沿って前記出口開口の開口縁に向かって流動させ、前記出口開口から炉内領域に流出する前記燃焼用空気に炉内燃焼ガスを混合することを特徴とする燃料二段燃焼方法。
5. 前記出口開口の外縁部に沿って複数の堰部分を隔設することにより前記堰を形成し、隣り合う堰部分の離間領域により前記炉内燃焼ガス還流路を形成することを特徴とする請求項４に記載の燃料二段燃焼方法。
6. 前記堰部分を前記出口開口に向かって膨出するように全体的に弧状且つ凸状に湾曲させ、複数の二次燃料噴流を前記外側面に均等に衝突させることを特徴とする請求項５に記載の燃料二段燃焼方法。

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