JP6433965B2

JP6433965B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP6433965B2
Application number: JP2016231538A
Authority: JP
Inventors: 慶介二塚; 裕文安田; 伊藤　博一; 博一伊藤; 稔副島; 敏明藤野
Original assignee: Volcano Co Ltd
Current assignee: Volcano Co Ltd
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2018-12-05
Anticipated expiration: 2034-09-03
Also published as: JP2017062105A

Description

本発明は、燃焼後の排出ガス（以下、燃焼ガスという）中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の量を低減させるようにした燃焼装置に関する。

従来より、ボイラ等に用いられる燃焼装置において燃焼ガス中のＮＯｘ排出量の低減が図られ、燃焼ガス中のＮＯｘが酸素濃度０％換算にて６０ｐｐｍ程度にまで低減されている。しかしながら、大気汚染が深刻であるところから、特に都市部の地域冷暖房設備においては、ＮＯｘ排出量が酸素濃度０％換算にて４０ｐｐｍ以下とするように求められている（特許文献１参照）。

非特許文献１には、燃料を二段に供給し、一次燃料を高空気比下で急速混合燃焼させ、その低濃度の残存酸素を含む燃焼ガスにより、周囲から噴射された二次ガスを緩慢燃焼させるとともに、二次ガスの高速噴射流で燃焼ガスの再循環を行って、ＮＯｘを低減する旨が記載されている。

特開平９−６０８１１号公報

２０１２年７月１日発行（発行所：一般財団法人省エネルギーセンター）「新版ガス燃焼の理論と実際」第２０６頁〜２０７頁

非特許文献１においては、燃料二段燃焼の欠点として、空気二段燃焼よりはＮＯｘ低減効果が高いものの、未燃分を生成しやすく、振動燃焼もおこしやすいので燃焼室とのマッチングが重要となることが指摘されている。

また、非特許文献１に紹介されているバーナ構造（図８．２３）およびＮＯｘの排出特性（図８．２４）からは以下の問題点等があるものと推定される。すなわち、
・ＮＯｘ排出値が、Ｏ_２＝３％（空気比１．１７）の燃焼条件において、４０ｐｐｍ（Ｏ_２＝５％）すなわち、酸素濃度０％に換算すると５２．５ｐｐｍであり、未だＮＯｘ排出量が多い。

・燃焼に必要とされる全量の空気を用いて一次燃料の高空気比・急速混合燃焼を行っているために、主燃料の流量が副燃料の流量より多くなり、燃料の絞り比（ＴＤＲ：ＴｕｒｎＤｏｗｎＲａｔｉｏ）を大きくすることが困難である。

・燃焼に必要とされる全量の空気をすべて予燃焼ポート（一次燃料領域）に供給しているため、空気供給圧力損失が大きい。
本発明の目的は、上記技術の問題点を解消し、低ＮＯｘ化を有効に達成できる燃焼装置を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明においては、燃焼用空気を供給するパイプ状の燃焼用空気供給スロートと、当該燃焼用空気供給スロートの軸線上に配設された一次燃料ノズルと、前記燃焼用空気供給スロートの内周側であって前記一次燃料ノズルの周囲に配設され前記燃焼用空気供給スロート先端部で保炎する保炎器と、前記燃焼用空気供給スロートの外周側であって前記軸線を中心とした環状領域上に相互間隔をあけて配設された複数本の二次燃料ノズルとを備えた燃焼装置において、前記燃焼用空気供給スロート及び前記二次燃料ノズルの少なくとも一方が燃焼室内に突出して配設されたことを特徴とする。

以上の構成においては、前記燃焼用空気供給スロート及び前記二次燃料ノズルの少なくとも一方が燃焼室内に突出して配設されているため、二次燃料ノズル、燃焼用空気供給スロートの両方による高速噴流効果によって、燃焼ガスの再循環が行われて、低ＮＯｘ状態となる。しかも、燃焼用空気供給スロートと複数本の二次燃料ノズルとが相互に離間されているため、空気と二次燃料ガスとの混合を遅らせて、それらを長時間分割状態に維持できて、有効な緩慢燃焼状態を得ることができる。従って、この緩慢燃焼によってＮＯｘの発生を抑制できる。

本発明によれば、緩慢燃焼によって十分な低ＮＯｘ化を達成できるという効果がある。

第１実施形態の燃焼装置の断面図。図１の燃焼装置の側面図。（ａ）は一次燃料ノズルの断面図、（ｂ）は同じく左側面図。（ａ）は二次燃料ノズルの断面図、（ｂ）は同じく左側面図。二次空気ノズルの平面図。動作状態を示す断面図。動作状態を示す断面図。第２実施形態の燃焼装置の断面図。図８の燃焼装置の左側面図。第３実施形態の燃焼装置の側面図。第１実施形態の燃焼装置の斜視図。同じく正面図。同じく背面図。同じく平面図。同じく底面図。同じく左側面図。第１実施形態及び第２実施形態の燃焼装置の右側面図。図１６のＡ−Ａ線断面図。第２実施形態の燃焼装置の斜視図。同じく正面図。同じく背面図。同じく平面図。同じく底面図。同じく左側面図。図２４のＢ−Ｂ線断面図。従来例のＮＯｘ排出値と第１の実施形態のＮＯｘ排出値との比較を示すグラフ。

以下、本発明を具体化した燃焼装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態を図１〜図７及び図１１〜図１８に基づいて説明する。

図１に示すように、ボイラ２１には横向きの燃焼室２２が形成され、この燃焼室２２に本実施形態の燃焼装置３１が取り付けられる。
図１及び図１１〜図１８に示すように、燃焼装置３１の風箱３２における中心部の水平な軸線１００上にはパイプ状の燃焼用空気供給スロート（以下、単にスロートという）３３が配置されている。このスロート３３は風箱３２内の後部の第１送風室３４に接続され、この第１送風室３４からスロート３３内に一次空気が送られて、その一次空気がスロート３３の先端開口３５から燃焼室２２内の前方に向かって噴出される。なお、本実施形態においては、図１の左側を前部とする。

図１及び図２に示すように、スロート３３内においてその軸線１００上には先端を開口した中央燃料供給管３６が貫通配置されている。この中央燃料供給管３６の先端には一次燃料ノズル３７が取り付けられ、その先端外周部には複数（本実施形態では６個）ノズル孔３８が等間隔を隔てて配列されている。図３（ａ），図３（ｂ）に示すように、前記ノズル孔３８は軸線１００方向から見て軸線１００を中心とした半径線上に配置されるとともに、軸線１００と直交する方向から見て軸線１００に対して中心角θ１が３０度〜８０度（本実施形態では６０度）程度の方向に向かって開口されている。そして、中央燃料供給管３６を介して一次燃料ノズル３７内には都市ガスよりなる燃料ガスが供給され、その燃料ガスがノズル孔３８から燃焼室２２内に対して放射方向に、つまり燃焼室２２内の外周側の斜め前方に向けて噴射される。

なお、スロート３３内において一次燃料ノズル３７の後部側には、着火用のパイロットバーナ（図示しない）が設けられている。
図１及び図３（ａ），（ｂ）に示すように、前記ノズル孔３８の直近の後部において、一次燃料ノズル３７の外周面には、その外周面とスロート３３の内周面との間に位置する保炎器４１が取り付けられており、この保炎器４１の外周部の６箇所には等間隔をおいて複数（実施形態では６箇所）の凸部４３が形成されている。これらの凸部４３間の凹部が通気口４２になっているとともに、凸部４３の先端とスロート３３の内周面との間が狭い通気間隙４４になっている。凸部４３は前記ノズル孔３８間の部分に対応して位置している。そして、スロート３３内の一次空気が通気口４２及び通気間隙４４を通って燃焼室２２内に前記軸線１００に沿って噴出される。この保炎器４１とスロート３３とによって、燃焼室２２内に一次空気を噴出するための一次空気ノズルが構成されている。保炎器４１の前面は前記スロート３３の先端面より所定長さ分だけ奥側に位置している。

図１，図２及び図４（ａ），図４（ｂ）に示すように、スロート３３の周囲において風箱３２の前壁３２１には等間隔をおいて複数本（本実施形態では６本）の外側燃料供給管５１が貫通されている。この外側燃料供給管５１の先端には軸線１００を中心とした環状領域上に位置する二次燃料ノズル５２が固定されている。二次燃料ノズル５２の先端部には単一のノズル孔５３が形成されている。このノズル孔５３は、軸線１００を中心とするとともに、前記保炎器４１の通気口４２を通る半径線上に位置している。図６に示すように、ノズル孔５３は、軸線１００と直交する方向から見て、軸線１００に対して中心角θ２が５度〜３０度（本実施形態では１５度）程度の角度で内向きに開口している。一次燃料ノズル３７の先端部はスロート３３の先端開口と同位置に配置されている。そして、外側燃料供給管５１を介して二次燃料ノズル５２内に都市ガスよりなる燃料ガスが供給され、その燃料ガスがノズル孔５３から燃焼室２２の中心部に向けて斜め前方に向けて噴射される。

図１，図２及び図５に示すように、前記外側燃料供給管５１の間において、風箱３２の前壁３２１の複数箇所（本実施形態では６箇所）には連通口６１が等間隔をおいて形成され、各連通口６１の部分において前壁３２１には二次空気ノズル６２が相互に等間隔をおいて取り付けられている。この二次空気ノズル６２は連通口６１を介して風箱３２の第２送風室６３に接続されている。そして、第２送風室６３からの空気が二次空気ノズル６２の先端開口６２１から二次空気として燃焼室２２内に前記軸線１００に沿う方向に噴出される。この二次空気ノズル６２の先端開口６２１は矩形のスリット状に形成されている。そして先端開口６２１は前記凸部４３を通る軸線１００を中心とした半径線上に位置し、その長辺が半径線に沿って延長されている。二次空気ノズル６２の先端開口６２１は、スロート３３の先端開口に対して所定長さ分だけ燃焼室２２側に突出している。図５に示すように、二次空気ノズル６２の側壁６２２は前記先端開口６２１に向かって収束するように傾斜されている。また、二次空気ノズル６２の先端開口６２１は、底壁６２３を傾斜させることによりスロート３３に近接している。

そして、二次空気ノズル６２及びその先端開口６２１は、前記二次燃料ノズル５２とともに軸線１００を中心とした同心の環状領域上に配置されるとともに、二次燃料ノズル５２と等間隔をおいて交互に配置されている。

本実施形態において、二次空気ノズル６２の先端開口６２１は、軸線１００を中心とした半径線の方向に延長され、その半径線方向の長さが半径線に対する直交線方向の長さより長ければよい。従って、先端開口６２１の形状は、矩形スリットに限定されず、長円状、楕円形状、前記半径線の方向の両端部が膨らんだ分銅形状等、各種形状が実現可能である。

次に、以上のように構成されたバーナの作用について説明する。
図６及び図７に示すように、バーナの燃焼作動時には、一次燃料ノズル３７の軸線１００の周囲のノズル孔３８から一次燃料ガスが燃焼室２２に向かって斜め外周方向に噴出されて、一次火炎２０１が形成される。このとき、一次燃料ノズル３７の周囲において、保炎器４１の通気口４２及び通気間隙４４から一次空気が軸線１００の延長方向に沿って燃焼室２２内に噴出される。このとき、保炎器４１がスロート３３内に位置しているため、保炎器４１の凸部４３の前面側に小さな再循環流２０４が形成されることによって、この一次火炎２０１が、高空気比下において保炎されるとともに、一次火炎２０１が分割状態になって、表面積が増大し、その一次火炎２０１は温度低下される。

一方、二次燃料ノズル５２のノズル孔５３から二次燃料ガスが軸線１００に向かう傾斜方向に噴出されて、この二次燃料ガスが一次火炎２０１の先端付近に向かって供給される。このため、一次火炎２０１をパイロット火炎として一次火炎２０１の先端部に続く二次火炎２０２が形成される。この二次燃料ガスの噴出によって、燃焼ガスが二次燃料ノズル５２の上流側から巻き込まれて再循環されて、その再循環流２０３に二次燃料ガスが混合されるため、二次火炎２０２は緩慢燃焼となりＮＯｘの発生が低減される。つまり、ノズル孔５３からの二次燃料ガスはノズル孔５３から離れた部位で燃焼されるために、その燃焼が緩慢になる。

そして、このとき、二次燃料ノズル５２の間に位置する二次空気ノズル６２の先端開口６２１から燃焼室２２に向かって二次空気が噴出される。このため、この二次空気によって、二次火炎２０２の温度が低下される。これとともに、二次空気ノズル６２の先端開口から、二次火炎２０２、その外側及び二次空気ノズル６２の基端部付近を周回する前記再循環流２０３が形成されて、この再循環流２０３によって二次空気，二次燃料ガス及び両ガスの噴流によって誘引される燃焼ガスが循環して、それらが混合して緩慢燃焼が実現されるとともに、二次火炎が保炎される。

二次燃料ノズル５２及び二次空気ノズル６２はスロート３３の周囲において交互に均等間隔で配置されているため、図２に示すように、再循環流２０３は二次燃料ノズル５２と二次空気ノズル６２との間の空間を通る。このため、燃焼ガスと二次空気とが分割状態になってそれらの混合が遅れる。しかも、二次燃料ノズル５２と二次空気ノズル６２との間の空間を通る再循環流によって緩慢燃焼が達成される。

加えて、二次空気ノズル６２が二次燃料ノズル５２の先端より前方に突出しているため、二次空気が再循環流の前方位置、すなわち、二次火炎２０２を上流とした再循環流の下流側に合流するため、二次火炎２０２に対する酸素供給が遅れ、ＮＯｘの抑制に有効である。

以上のように、本実施形態においては二次燃料ノズル５２が燃焼室２２内へ突出して配設されることによって、燃焼ガスが、二次燃料ノズル５２の上流側から巻き込まれて再循環して混合されるため、緩慢燃焼となり、ＮＯｘの発生が低減される。

また、二次燃料ノズル５２間に二次空気ノズル６２が相互間隔をあけて配置されることによって、二次燃料ノズル５２からの二次燃料及び二次空気ノズル６２からの二次空気の双方による高速噴流効果によって、燃焼室２２内の燃焼ガスの再循環が促進され、低ＮＯｘを得ることができる。さらに、一次火炎２０１は二次火炎２０２のために保炎すればよい程度の強さでよい。このため、一次燃料ガス及び一次空気の量を少なくすることができて、高ＴＤＲ（ターンダウン比）を確保しながら低ＮＯｘが可能となる。

また、従来の燃料二段燃焼方式においては、必要な燃焼空気の全量を一次領域に供給していたが、二次空気ノズル６２から二次空気を分割して供給して燃料二段燃焼を実現したため、空気供給圧力損失を低減できるとともに、一次ガス燃料を少なくすることを実現できる。

図２６に非特許文献１に記載された従来構成のＮＯｘデータと、第１実施形態のＮＯｘデータの比較を示す。Ｏ_２＝３％（空気比１．１７）の燃焼条件において、第１実施形態のＮＯｘ排出値は３０ｐｐｍ（Ｏ_２＝０％換算値）であり、従来構成に対して約２２ｐｐｍの低減効果がある。また、都市部の地域冷暖房設備におけるＮＯｘ排出量の規制値（酸素濃度０％換算にて４０ｐｐｍ以下）にも十分対応できることが分かる。

この実施形態においては、以下の効果がある。
（１）二次燃料ノズル５２がスロート３３の先端より燃焼室２２内へ突出しているため、燃焼ガスが、再循環流としてスロート３３及び二次燃料ノズル５２の上流側で、かつ外周側から中心側に巻き込まれる。このため、二次燃料ノズル５２からの燃料ガスが再循環流に対して徐々に混合されて、緩慢に燃焼され、ＮＯｘが低減される。また、二次燃料ノズル５２からの高速噴流による再循環が円滑に実行される。

（２）一次燃料ノズル３７からの燃料ガスは、二次火炎を保炎する程度の小さな一次火炎が形成される量であればよい。燃焼に必要な全空気量の一部を一次空気としてスロート３３へ供給しているため、従来と比較して、二次燃料ガス量に対し、一次燃料ガス量を少なくできる。例えば、（一次燃料ガス量）／（二次燃料ガス量）との比を１／２〜１／１０程度とし、二次燃料ガスの量のみを制御することによって、高ＴＤＲを得ることができる。従って、燃焼装置の燃焼量を幅広い範囲で制御することができる。また、一次燃料ガス量と二次燃料ガス量とを個別に制御する必要がないため、ガス調量弁が二次燃料ガス用のみとなり、コストダウンをすることができる。

（３）軸線１００上に形成された高空気比の一次燃料ガス領域に向けて二次燃料ガスを噴出することによって、二次火炎を安定化することが可能となるとともに、未燃分および一酸化炭素の排出を防ぐことが可能となる。

（４）二次燃料ノズル５２のノズル孔５３は、軸線１００の方向の下流側に向かって半径方向内側向きに傾斜して配設される単孔である。従って、高空気比の一次燃料ガス領域に向けて二次燃料ガスが噴出されることになり、未燃分および一酸化炭素の排出を防ぐことが可能となる。

（５）スロート３３の外周側であって軸線１００を中心とした環状領域上に相互間隔をあけて複数本の二次空気ノズル６２が設けられているため、軸線１００上に形成される低濃度の残存酸素を含む燃焼ガスに対し、周囲から二次燃料ガスを有効に混合させて、緩慢燃焼させるとともに、未燃分を有効に燃焼させることができる。従って、一次燃料ガス量を減らしても、一次火炎２０１を安定させる補助効果を発揮する。

（６）複数本の二次空気ノズル６２と複数本の二次燃料ノズル５２とが環状領域上に交互に配設されているため、二次燃料ノズル、二次空気ノズルの両方による高速噴流効果によって、燃焼ガスの再循環が行われて、低ＮＯｘ状態となる。しかも、二次空気ノズル６２と複数本の二次燃料ノズル５２とが相互に離間されているため、二次空気と二次燃料ガスとの混合を遅らせて、それらを長時間分割状態に維持できて、有効な緩慢燃焼状態を得ることができる。

（７）二次空気ノズル６２の開口が軸線１００を中心とした半径方向に延びるスリット状の単孔であることにより、二次燃料ノズル５２と二次空気ノズル６２との間の間隔を確保できる。このため、前記分割状態をより確実に形成できて、より有効な緩慢燃焼状態を得ることができる。言い換えれば、二次空気ノズル６２の開口は、前記軸線１００を中心とした半径線に沿って延びる形状の単孔であることから、二次燃料ノズル５２と二次空気ノズル６２との間隔をあけることができるため、燃焼ガスの再循環が良好に行われながら緩慢燃焼するため、より低ＮＯｘ化が可能となる。

（８）二次空気ノズル６２が、燃焼室２２内へ突出しているため、再循環流２０３が二次空気ノズル６２の後方から流れてきて、その流れの下流側に二次空気が巻き込まれて混合していくので、再循環流２０３に対する二次空気の混合が遅れる。このため、より緩慢な燃焼が可能となる。

（９）二次空気ノズル６２の開口がスリット状をなして、スロート３３に近接しているため、一次火炎２０１に対する酸素量が不足することを避けることができ、一酸化炭素の発生を抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図８，図９及び図１９〜図２５に基づいて説明する。なお、この第２実施形態以降の各実施形態及び変更例においては、第１実施形態と相違する部分を中心に説明する。また、第２実施形態の右側面図は、第１実施形態の図１７と同じに表われるため、省略している。

図８，図９及び図１９〜図２５に示すように、第２実施形態では、二次空気ノズル６２の開口６２１は円形に形成されている。そして、この開口６２１は、燃焼室２２の前方に向かって軸線１００に対して内側向きに中心角θ２が１０度〜５０度（第２実施形態では３０度）程度の角度で傾斜している。

従って、この第２実施形態においては、以下の効果がある。
（１０）二次空気ノズル６２の開口６２１は、半径方向の内側向きに傾斜して配設される単孔であることによって、二次空気ノズル６２からの二次空気の噴流が内向きになる。このことから、軸線１００上に形成される二次火炎２０２による燃焼ガスに二次空気が良好に混合することで、二次火炎２０２の安定性を保持しつつ、二次火炎領域における更なる高空気比化を実現できる。従って、ＮＯｘの発生抑制に有効である。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図１０に基づいて説明する。
この第３実施形態においては、二次空気ノズル６２の開口６２１を含む全体のスロート３３側部分及びその反対側の部分が曲面状に形成されている。従って、再循環流２０３が二次空気ノズル６２間において矢印方向に円滑に流れるようになる。

従って、第３実施形態では以下の効果がある。
（１１）再循環流が二次空気ノズル６２間において矢印方向に円滑に流れるため、好適な再循環流２０３を形成でき、低ＮＯｘ化に有効である。

（変更例）
本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、以下のような態様で具体化することも可能である。

・前記第１実施形態において、第２実施形態と同様に二次空気ノズル６２の先端開口６２１を内向きに形成してもよい。このようにすれば、前記（１０）に記載の効果と同様な効果を得ることができる。

・二次燃料ノズル５２及び二次空気ノズル６２の数を変更すること。例えば、二次燃料ノズル５２及び二次空気ノズル６２の数を少なくしてもよい。このように構成すれば、二次空気ノズル６２と二次燃料ノズル５２との間の空間が広くなり、再循環流２０３が円滑に流れる。

・二次燃料ノズル５２及び二次空気ノズル６２の数を同数ではなく、それらの数を異ならせてもよい。
・一次、二次燃料はガス燃料でなくてもよく、噴霧状の液体燃料でもよい。

・一次、二次空気は、２１％酸素含有の空気でなくてもよい。排ガスを混入させてもよい。この場合は、外部排ガス循環となる。
・二次空気ノズル６２を省略してもよい。

・二次燃料ノズル５２を二次空気ノズル６２より燃焼室２２側に突出させてもよい。
・二次燃料ノズル５２及び二次空気ノズル６２の少なくとも一方をスロート３３の先端開口より後退させてもよい。

・保炎器４１は、第１〜３実施形態のような凹凸形のバッフル型保炎器に限らず、他の形状のバッフル型保炎器であってもよい。また、保炎器４１は、スワラ型保炎器としてもよい。

・前記二次燃料ノズル５２のノズル孔３８を前記軸線１００を中心とした半径線に沿って延びるスリット状の単孔にしてもよい。このように、ノズル孔３８をスリット状の単孔とすることで、二次燃料ノズル５２と二次空気ノズル６２との間の間隔をあけることができる。従って、燃焼ガスの再循環が良好に行われながら緩慢燃焼するため、より低ＮＯｘ化が可能となる。

３１…燃焼装置、３３…燃焼用空気供給スロート、３７…一次燃料ノズル、４１…保炎器、５２…二次燃料ノズル、６２…二次空気ノズル、１００…軸線。

Claims

燃焼用空気を供給するパイプ状の燃焼用空気供給スロートと、
当該燃焼用空気供給スロートの軸線上に配設された一次燃料ノズルと、
前記燃焼用空気供給スロートの内周側であって前記一次燃料ノズルの周囲に配設され前記燃焼用空気供給スロート先端部で保炎する保炎器と、
前記燃焼用空気供給スロートの外周側であって前記一次燃料ノズルを中心とした環状領域上に相互間隔をあけて配設された複数本の二次燃料ノズルとを備えた燃焼装置において、
再循環流と混合されるように前記燃焼用空気供給スロートおよび前記二次燃料ノズルの少なくとも一方が燃焼室内へ突出して配設され、
前記一次燃料ノズルにより噴射された一次燃料により形成された一次火炎に向けて、前記二次燃料ノズルから二次燃料が噴出され、上流側から燃焼ガスを巻き込んで緩慢燃焼させることを特徴とする燃焼装置。
前記二次燃料ノズルを前記燃焼用空気供給スロートの先端開口より後退させて配置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。