JP6359849B2 - 先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気ボイラや温水ボイラ等に設置される先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置の改良に係り、特に、パイロットバーナとメインバーナを一体構造としたガスバーナを用いることによって、メインバーナの単独燃焼時におけるパイロットバーナの過熱、焼損を防止できると共に、パイロットバーナとメインバーナの重複燃焼時（連続パイロット制御時）における燃焼性の悪化を防止できるようにした先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置に関するものである。

一般に、蒸気ボイラや温水ボイラ等の燃焼装置には、有害成分が極めて少ない都市ガスやＬＰＧ等の燃料ガスを使用するガスバーナを備えた燃焼装置が広く使用されている。

前記燃焼装置におけるガスバーナの着火操作は、メインバーナに直接着火するのではなく、一端小容量のパイロットバーナに点火し、このパイロットバーナの火炎を火種としてメインバーナを着火させている。

従って、ガスバーナの構造としては、メインバーナの他に点火用のパイロットバーナが必要であり、各バーナに対してそれぞれ独立した燃料供給系、燃焼用空気供給系を設けた構造が一般的である。

このようなガスバーナの燃焼方式としては、パイロットバーナの着火後、メインバーナの燃焼に移行する際にパイロットバーナ及びメインバーナの双方が燃焼状態となるオーバーラップ状態を経由することになるが、その後、パイロットバーナをメインバーナの着火後もそのまま燃焼させる連続パイロット方式と、パイロットバーナを消火させる時限パイロット方式とがある。

尚、時限パイロット方式においては、パイロットバーナの消火後も、パイロットバーナの先端がメインバーナの火炎に晒されて過熱されるため、パイロットバーナ先端が焼損すると云う問題がある。

また、ガスバーナには、燃料ガスと燃焼用空気を予め混合して成る予混合気をバーナに供給して燃焼させる予混合方式のガスバーナと、バーナに燃料ガスと燃焼用空気を個別に供給し、バーナ先端において両者を混合させながら燃焼させる先混合方式のガスバーナとがある。

予混合方式のガスバーナとしては、実開平６−６５７４９号公報（特許文献１）に記載されたガスバーナが、また、先混合方式のガスバーナとしては、特開平１１−３５１５７０号公報（特許文献２）に記載されたガスバーナがそれぞれ知られている。

前者のガスバーナは、ウインドボックスの内部にパイロットバーナ用ウインドボックスを配設してウインドボックス内の一部を区画し、ウインドボックス内にメインバーナ及びパイロットバーナの空気流路をそれぞれ形成したものであり、燃料供給系及び燃焼用空気供給系の構造の簡略化を図れると共に、燃焼制御の誤動作を防止できて安定した燃焼を行えるようにしたものである。

後者のガスバーナは、パイロット燃料ガス管の側壁にパージ用小孔を設け、パイロットバーナの燃焼を停止してメインバーナのみで燃焼しているとき、パイロットバーナの周囲を流れている空気がパージ用小孔からパイロットバーナ内へ流れるようにしたものであり、パイロットバーナ内を流れる空気がパイロットバーナの熱を吸収してパイロットバーナを冷却し、パイロットバーナの焼損を防止できるようにしたものである。

しかし、後者の先混合方式のガスバーナにおいては、上述した予混合方式のガスバーナのように、燃料供給系及び燃焼用空気供給系の構造の簡略化を図れるようになっていないのが現状である。

図６は従来の先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置の一例を示し、当該燃焼装置は、燃焼室及び水管列等を有するボイラ本体２０に設置されており、メインバーナ２１及びパイロットバーナ２２をそれぞれ独立して設けた先混合式ガスバーナと、メインバーナ２１に燃料ガスＧを供給するメインガスライン２３と、パイロットバーナ２２に燃料ガスＧを供給するパイロットガスライン２４と、メインガスライン２３に設けたメインバーナ用ガス制御弁２５と、パイロットガスライン２４に設けたパイロットバーナ用電磁弁２６及びパイロットガバナ２７と、ボイラ本体２０の上端に設けたウインドボックス２８と、ウインドボックス２８に接続された送風ダクト２９と、ウインドボックス２８に燃焼用空気を供給するファン３０ａ及びモータ３０ｂから成る送風機３０と、燃焼用空気の量を制御するダンパー３１と、ダンパー３１を制御するダンパー用モータ３２と、パイロットバーナ２２へ着火する点火トランス３３ａ及びスパークロッド３３ｂから成る点火装置３３とを備えている。

図６に示す従来の先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置は、メインバーナ２１とパイロットバーナ２２をそれぞれ独立して配置しなければならないので、特許文献２に記載されているようなガスバーナの構造を採用していないと、メインバーナ２１のみが燃焼する際に、パイロットバーナ２２のノズル部がメインバーナ２１の火炎に晒されて過熱し、焼損してしまうと云う問題があった。

また、従来の先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置は、メインバーナ２１の着火後、パイロートバーナ２２を燃焼させ続ける連続パイロット制御を行うと、パイロットバーナ２２とメインバーナ２１が重複して燃焼する際にメインバーナ２１による火炎の中にパイロットバーナ２２の火炎が形成されてしまうため、火炎全体として見た場合に空燃比に偏りを生じてしまい、燃焼性が悪化すると云う問題があった。

実開平６−６５７４９昭号公報 特開平１１−３５１５７０号公報

本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、先混合式ガスバーナに改良を加え、パイロットバーナとメインバーナを一体構造としたガスバーナを用いることによって、メインバーナの単独燃焼時におけるパイロットバーナの過熱、焼損を防止できると共に、パイロットバーナとメインバーナの重複燃焼時における燃焼性の悪化を防止できるようにした先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１の発明は、１本のメインガスノズルと複数本のサブガスノズルとから成り、１本のメインガスノズルと複数本のサブガスノズルとでメインバーナを形成する先混合式ガスバーナと、メインガスノズル及び各サブガスノズルに燃料ガスを供給すると共に、下流側部分がメインガスノズル及び各サブガスノズルの数だけ複数に分岐されたメインガスラインと、を備えた燃焼装置であって、前記複数本のサブガスノズルの１本をパイロットバーナ兼用ノズルとし、当該パイロットバーナ兼用ノズルに、メインガスラインの一部の分岐部分又は燃料ガスを供給するパイロットガスラインの何れか接続すると共に、前記メインガスラインの一部の分岐部分とパイロットガスラインとを分岐状に接続し、前記メインガスラインの一部の分岐部分に、メインガスライン用の逆止弁を設け、また、前記メインガスラインの一部の分岐部分とパイロットガスラインの接続箇所よりも上流側のパイロットガスラインに、パイロットガスライン用の逆止弁を設けたことに特徴がある。

本発明の請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、１本のメインガスノズルの周囲に複数本のサブガスノズルを同心円上で且つ一定角度ごとに配置したことに特徴がある。

本発明の先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置は、先混合式ガスバーナが、メインガスラインに接続されてメインバーナを形成する１本のメインガスノズル及び複数本のサブガスノズルから成り、前記サブガスノズルの１本をパイロットバーナ兼用ノズルとすると共に、当該パイロットバーナ兼用ノズルにパイロットガスラインを接続し、前記パイロットバーナ兼用ノズルに接続されたメインガスライン及びパイロットガスラインにそれぞれ逆止弁を設ける構成としているため、メインバーナの一部（サブガスノズルの１本）をパイロットバーナと兼用して使用することが可能となり、従来の先混合式ガスバーナのようにパイロットバーナとメインバーナをそれぞれ独立して配置することも無く、逆止弁のような簡単な装置を追加するだけで、パイロットバーナとメインバーナを一体構造とすることができる。

また、本発明の先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置においては、メインバーナの単独燃焼時においても、パイロットバーナの役目をするパイロットバーナ兼用ノズル（１本のサブガスノズル）に燃料ガスが供給され続けており、この燃料ガスの流れが高温になったパイロットバーナ兼用ノズル先端の温度を適度に奪って冷却するため、特許文献２に示すような工夫を施すことなく、パイロットバーナ兼用ノズルの過熱、焼損を防止することができる。

更に、本発明の先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置は、１本のメインガスノズル及び複数本のサブガスノズルによりメインバーナを形成しているため、隣り合う火炎の接触を避けることができるので、火炎全体の空燃比をバランス良く保つことができ、極端な燃焼性の悪化を解消することができる。
特に、１本のメインガスノズルの周囲に複数本のサブガスノズルを同心円上で且つ一定角度ごとに配置して成る先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置においては、各火炎が均等に配置された格好になるため、火炎全体の空燃比をよりバランス良く保つことができ、燃焼性の悪化をより解消することができる。

そのうえ、本発明の先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置は、逆止弁を採用しているため、電気的な制御を変更する必要が無い。

加えて、本発明の先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置は、パイロットバーナの役目をするパイロットバーナ兼用ノズル（１本のサブガスノズル）が燃焼し続けるため、点火動作が減少することになり、点火装置の寿命が延びることになる。

本発明の実施の形態に係る先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置をボイラ本体に設置した状態の概略図である。 パイロットバーナ単独燃焼時の燃料ガスの流れを示す先混合式ガスバーナの概略説明図である。 メインバーナ単独燃焼時の燃料ガスの流れを示す先混合式ガスバーナの概略説明図である。 高負荷領域における連続パイロット時の燃焼ガスの流れを示す先混合式ガスバーナの概略説明図である。 超低負荷領域における連続パイロット時の燃焼ガスの流れを示す先混合式ガスバーナの概略説明図である。 従来の先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置をボイラ本体に設置した状態の概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置を示し、当該燃焼装置は、燃焼室及び水管列等を有する蒸気ボイラ等のボイラ本体１に設置されており、燃料ガスＧを供給するメインガスライン２に接続される１本のメインガスノズル３と複数本のサブガスノズル４とから成る先混合式ガスバーナを備えており、前記複数本のサブガスノズル４のうち、１本のサブガスノズル４をパイロットバーナ兼用ノズルとすると共に、当該パイロットバーナ兼用ノズルに燃料ガスＧを供給するパイロットガスライン５を接続し、前記パイロットバーナ兼用ノズルに接続されるメインガスライン２及びパイロットガスライン５にそれぞれ逆止弁６，７を設けた構成となっている。

具体的には、燃焼装置は、図１に示す如く、メインバーナを形成する１本のメインガスノズル３と複数本のサブガスノズル４とから成る先混合式ガスバーナと、メインガスノズル３及び各サブガスノズル４に接続され、メインガスノズル３及び各サブガスノズル４に燃料ガスＧを供給すると共に、下流側部分が各ガスノズル３，４の数だけ複数に分岐されたガス配管から成るメインガスライン２と、パイロットバーナ兼用ノズルとなるサブガスノズル４に接続され、パイロットバーナ兼用ノズルとなるサブガスノズル４に燃料ガスＧを供給するガス配管から成るパイロットガスライン５と、パイロットバーナ兼用ノズルとなるサブガスノズル４に接続されるメインガスライン２の分岐部分に設けたメインガスライン用の逆止弁６と、パイロットガスライン５に設けたパイロットガスライン用の逆止弁７と、メインガスライン２の上流側部分に設けられ、燃料ガスＧの供給量を制御するメインバーナ用ガス制御弁８と、パイロットガスライン用の逆止弁７よりも上流側のパイロットガスライン５に設けられ、燃料ガスＧの供給量を制御するパイロットバーナ用電磁弁９と、パイロットバーナ用電磁弁９より下流側のパイロットガスライン５に設けられ、燃料ガスＧの圧力を調整するパイロットガバナ１０と、ボイラ本体１の上端に設けたウインドボックス１１と、ウインドボックス１１に接続された送風ダクト１２と、ウインドボックス１１に燃焼用空気を供給するファン１３ａ及びモータ１３ｂから成る送風機１３と、送風ダクト１２に設けられ、燃焼用空気の供給量を制御するダンパー１４と、ダンパー１４を制御するダンパー用モータ１５と、パイロットバーナへ着火する点火トランス１６ａ及びスパークロッド１６ｂから成る点火装置１６とを備えている。

前記先混合式ガスバーナは、１本のメインガスノズル３の周囲に複数本のサブガスノズル４を同心円上で且つ一定角度ごとに配置した構成となっており、１本のメインガスノズル３と複数本のサブガスノズル４とでメインバーナを形成し、複数本のサブガスノズル４の１本をパイロットバーナとして使用している。

この実施の形態においては、サブガスノズル４を２本使用し、２本のサブガスノズル４をメインガスノズル３の周囲に同心円上で且つ１８０度間隔で配置していると共に、何れか一方のサブガスノズル４をパイロットバーナ兼用ノズルとしている。

尚、パイロットバーナ兼用ノズルとなるサブガスノズル４には、メインガスライン２の分岐部分を接続しても良く、或いは、パイロットガスライン５を接続しても良い。

例えば、パイロットバーナ兼用ノズルとなるサブガスノズル４にメインガスライン２の分岐部分を接続した場合、パイロットガスライン５をメインガスライン２の分岐部分に分岐状に接続する。また、パイロットバーナ兼用ノズルとなるサブガスノズル４にパイロットガスライン５を接続した場合、メインガスライン２をパイロットガスライン５に分岐状に接続する。
これにより、メインガスライン２からの燃料ガスＧとパイロットガスライン５からの燃料ガスＧをパイロットバーナ兼用ノズルとなるサブガスノズル４へそれぞれ供給することができる。

前記メインガスライン用の逆止弁６は、パイロットバーナの単独燃焼時にパイロットバーナ兼用ノズルとなるサブガスノズル４のみに燃料ガスＧを供給するために設けたものである。

また、前記パイロットガスライン用の逆止弁７は、メインバーナの単独燃焼時若しくはメインバーナとパイロットバーナが重複して高負荷領域で燃焼する際にメインガスライン２を流れている燃料ガスＧがパイロットガスライン５に逆流するのを防止するために設けたものである。

尚、上記の実施の形態においては、メインガスノズル３の周囲に２本のサブガスノズル４を配置するようにしたが、他の実施の形態においては、メインガスノズル３の周囲に３本以上のサブガスノズル４を配置し、そのうちの１本のサブガスノズル４をパイロットバーナ兼用ノズルとしても良い。

上述した先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置によれば、パイロットバーナ（パイロットバーナ兼用ノズルとなるサブガスノズル４）の単独燃焼時には、メインガスライン２の燃料ガスＧの流れを止め、パイロットガスライン５に燃料ガスＧを流すことによって、パイロットバーナ兼用ノズルとなるサブガスノズル４のみに燃料ガスＧが流れ、パイロットバーナ兼用ノズルとなるサブガスノズル４のみに火炎が形成される（図２参照）。
このとき、メインガスライン用の逆止弁６は、燃料ガスＧがメインガスノズル３及び他のサブガスノズル４に流れるのを防止している。

また、メインバーナ（メインガスノズル３及び複数のサブガスノズル４から成る）の単独燃焼時には、パイロットガスライン５の燃料ガスＧの流れを止め、メインガスライン２に燃料ガスＧを流すことによって、メインバーナを形成するメインガスノズル３及び各サブガスノズル４（パイロットバーナ兼用ノズルを含む）に燃料ガスＧが流れ、メインガスノズル３及び各サブガスノズル４に火炎が形成される（図３参照）。
このとき、パイロットガスライン用の逆止弁７は、メインガスライン２を流れている燃料ガスＧがパイロットガスライン５に逆流するのを防止している。

更に、メインバーナとパイロットバーナが重複して燃焼する高負荷領域における連続パイロット時には、メインガスライン２とパイロットガスライン５の両方に燃料ガスＧを流す。そうすると、メインガスノズル３及び各サブガスノズル４（パイロットバーナ兼用ノズルを含む）には、メインガスライン２を流れている圧力の高い燃料ガスＧが流れ、メインガスノズル３及び各サブガスノズル４に火炎が形成される（図４参照）。
このとき、パイロットガス用の逆止弁７は、メインガスライン２を流れている燃料ガスＧがパイロットガスライン５に逆流するのを防止している。

そして、近年では省エネルギーの観点からターンダウン比が例えば１０：１になる超低負荷運転が可能なボイラが増えつつある。
このようなボイラに先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置を設置した場合、メインバーナとパイロットバーナが重複して燃焼する超低負荷領域における連続パイロット時には、メインガスライン２を流れる燃料ガスＧの圧力が極端に低くなるため、メインガスライン２を流れる燃料ガスＧの圧力がパイロットガスライン５を流れる燃料ガスＧの圧力よりも低くなる状態が起こる可能性がある。
この場合、複数のサブガスノズル４のうち、パイロットバーナ兼用ノズルとなるサブガスノズル４のみが圧力が高くなるため、火炎全体として見た場合の空燃比はアンバランスなものとなるが、隣り合う火炎の接触を避けることができるので、空燃比のアンバランスさも僅かであるため、燃焼性の悪化を解消するとこができる（図５参照）。

尚、下記の表１は、上述した各種燃焼時におけるメインガスライン用の逆止弁６とパイロットガスライン用の逆止弁６の開閉状態を示すものである。

このように、上述した先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置は、メインガスライン２及びパイロットガスライン５にそれぞれ逆止弁６，７を設けることで、メインバーナの一部（サブガスノズル４の１本）をパイロットバーナと兼用して使用することが可能となり、従来は独立して配置していたパイロットバーナとメインバーナを一つにまとめることができる。

また、この先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置は、ボイラの燃焼中において如何なる状況でも、パイロットバーナの役目をするパイロットバーナ兼用ノズルとなるサブガスノズル４に燃料ガスＧが供給され続けており、この燃料ガスＧの流れが高温になったパイロットバーナ兼用ノズル先端の温度を適度に奪って冷却するため、パイロットバーナ兼用ノズルの過熱、焼損を防止することができる。

更に、この先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置は、１本のメインガスノズル３及び複数本のサブガスノズル４によりメインバーナを形成しているため、隣り合う火炎の接触を避けることができるので、火炎全体の空燃比をバランス良く保つことができ、極端な燃焼性の悪化を解消することができる。
特に、１本のメインガスノズル３の周囲に複数本のサブガスノズル４を同心円上で且つ一定角度ごとに配置しているため、各火炎が均等に配置された格好になり、火炎全体の空燃比をよりバランス良く保つことができ、燃焼性の悪化をより解消することができる。

そのうえ、この先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置は、逆止弁６，７を採用しているため、電気的な制御を変更する必要が無い。

加えて、この先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置は、パイロットバーナの役目をするパイロットバーナ兼用ノズル（１本のサブガスノズル）が燃焼し続けるため、点火動作が減少することになり、点火装置の寿命が延びることになる。

１はボイラ本体
２はメインガスライン
３はメインガスノズル
４はサブガスノズル
５はパイロットガスライン
６はメインガスライン用の逆止弁
７はパイロットガスライン用の逆止弁
８はメインバーナ用ガス制御弁
９はパイロットバーナ用電磁弁
１０はパイロットガバナ
１１はウインドボックス
１２は送風ダクト
１３は送風機
１３ａはファン
１３ｂはモータ
１４はダンパー
１５はダンパー用モータ
１６は点火装置
１６ａは点火トランス
１６ｂはスパークロッド
Ｇは燃料ガス

Claims (2)

1. １本のメインガスノズルと複数本のサブガスノズルとから成り、１本のメインガスノズルと複数本のサブガスノズルとでメインバーナを形成する先混合式ガスバーナと、メインガスノズル及び各サブガスノズルに燃料ガスを供給すると共に、下流側部分がメインガスノズル及び各サブガスノズルの数だけ複数に分岐されたメインガスラインと、を備えた燃焼装置であって、前記複数本のサブガスノズルの１本をパイロットバーナ兼用ノズルとし、当該パイロットバーナ兼用ノズルに、メインガスラインの一部の分岐部分又は燃料ガスを供給するパイロットガスラインの何れか接続すると共に、前記メインガスラインの一部の分岐部分とパイロットガスラインとを分岐状に接続し、前記メインガスラインの一部の分岐部分に、メインガスライン用の逆止弁を設け、また、前記メインガスラインの一部の分岐部分とパイロットガスラインの接続箇所よりも上流側のパイロットガスラインに、パイロットガスライン用の逆止弁を設けたことを特徴とする先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置。
2. １本のメインガスノズルの周囲に複数本のサブガスノズルを同心円上で且つ一定角度ごとに配置したことを特徴とする請求項１に記載の先混合式ガスバーナを備えた燃焼装置。

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