JP6679471B2 - 油焚きバーナ - Google Patents

Description

本発明は、油焚きバーナに関し、特に、ターンダウン比を向上させることができる油焚きバーナに関する。

従来、温水機や蒸気ボイラなどに利用される燃焼装置として油焚きバーナが知られている。油焚きバーナには、高燃焼用ノズルと低燃焼用ノズルとを含む、複数の燃料噴霧ノズルを備えたものがある。このような油焚きバーナでは、複数ノズルからの燃料の噴霧の態様を切り替えて噴霧量を調整することにより、多段階の強さで燃焼を行うことができる（例えば、特許文献１〜３）。

特開２０１３−１６７３６６号公報 特開２０１２−１９３９２９号公報 特開２０１３−７６４７７号公報

多段階の強さで燃焼を行う油焚きバーナにおいて、低燃焼時における燃料の噴霧量を低下させながらも燃焼を安定させ、ターンダウン比を向上させることが求められている。ここで、ターンダウン比とは、燃焼装置の定格燃料流量と制御可能な最小燃料流量との比であり、例えばターンダウン比１：３では、定格燃焼量の１／３が最低燃焼量となる。

温水機や蒸気ボイラにおいて、最低燃焼量以下の低負荷域では、バーナが停止と燃焼とを繰り返すことがある。バーナが停止し、再び着火動作に入る前には、掃気動作が必要になり、発停頻度が増える程、運転効率が低下する。

ターンダウン比が大きく最低燃焼量が低い場合、バーナを停止させることなく連続運転させることができる。また、負荷範囲が広がるため、バーナが停止することが抑制される。このため、バーナの再着火時には必要となる掃気動作が不要となり、運転効率が向上するので、ランニングコストを削減することができる。

しかしながら、従来の油焚きバーナの構成では、複数の噴霧ノズルを用いる場合に、低燃焼用ノズルがバーナ中心軸から離れた位置に設けられていることに起因して、低燃焼時の燃焼の安定性の確保が困難になるおそれがあった。

これに対して、噴霧ノズルの偏心配置による燃焼安定性の低下を防止するために、リターンフロー式の単一の噴霧ノズルをバーナ中心軸に沿って配置し、単一ノズルからの噴霧量自体を調整することによって多段階の燃焼を行うことが考えられる。

しかし、このようなリターンフロー式の構成では、高燃焼の燃料供給圧を一定に維持できるものの、還流量の調整によって低燃焼まで噴射量を低下させると、燃料供給圧が低下することになり、ノズルから噴射される燃料の微粒化が適切に行われないことがあった。このため、最低燃焼量を絞りすぎると燃焼不良が生じ、基準値を超える一酸化炭素や煙が発生するおそれがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、複数の噴霧ノズルを用いて構成された油焚きバーナにおいて高ターンダウン比を実現することをその目的とする。

本発明の実施形態による油焚きバーナは、燃料を噴射するための少なくとも３つ以上の噴霧ノズルを備え、前記少なくとも３つ以上の噴霧ノズルは２つの低燃焼用ノズルを含み、前記２つの低燃焼用ノズルがバーナ中心軸を挟んで対向するように設けられている。

ある実施形態において、前記少なくとも３つ以上の噴霧ノズルは、前記２つの低燃焼用ノズルと、中燃焼用ノズルと、高燃焼用ノズルとを含み、前記中燃焼用ノズルと前記高燃焼用ノズルとが前記バーナ中心軸を挟んで対向するように設けられている。

ある実施形態において、前記２つの低燃焼用ノズルと、前記中燃焼用ノズルと、前記高燃焼用ノズルとは、前記バーナ中心軸に対して等距離かつ点対称の位置に配置され、前記バーナ中心軸の周りで周方向に等間隔に設けられている。

ある実施形態において、低燃焼は、前記２つの低燃焼用ノズルから同時に燃料を噴霧させることによって行われ、中燃焼は、前記２つの低燃焼用ノズルおよび前記中燃焼用ノズルから同時に燃料を噴霧させることによって行われ、高燃焼は、前記２つの低燃焼用ノズル、前記中燃焼用ノズルおよび前記高燃焼用ノズルから同時に燃料を噴霧させることによって行われる。

ある実施形態において、前記２つの低燃焼用ノズルの噴霧量は同じであり、前記中燃焼用ノズルの噴霧量および前記高燃焼用ノズルの噴霧量は、前記２つの低燃焼用ノズルの噴霧量よりも大きい。

ある実施形態において、前記２つの低燃焼用ノズルのそれぞれの噴霧量は定格の１２．５％であり、前記中燃焼用ノズルの噴霧量は定格の２５．０％であり、前記高燃焼用ノズルの噴霧量は定格の５０．０％であり、ターンダウン比が１：４である。

ある実施形態において、前記２つの低燃焼用ノズルは、流量調整機構を備えないオンオフ制御ノズルである。

本発明の実施形態にかかる油焚きバーナによれば、低燃焼の安定性を向上させてターンダウン比を向上させることができる。

本発明の実施形態による油焚きバーナの全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態による油焚きバーナの燃焼部を示す模式的な断面図である。 本発明の実施形態による油焚きバーナの燃焼部のより具体的な構成を拡大して示す図であり、（ａ）はバーナ中心軸方向から見たときの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態による油焚きバーナ１００を示す模式図である。油焚きバーナ１００は、高圧の燃料油をノズルから噴射することにより、空気や蒸気などの霧化媒体を用いずに微粒化した燃料油を噴霧する、圧力噴霧式の油焚きバーナ（油圧噴霧式燃焼装置）である。

図１に示すように、油焚きバーナ１００は、複数の燃料噴霧ノズル１４が備えられた燃焼部１０と、燃焼部１０に燃料を供給するための燃料供給ライン２０と、燃焼部１０に燃焼空気を供給するための燃焼空気供給ライン３０とを備えている。

燃料供給ライン２０には、燃料油貯蔵部２１に連通するストレーナ２２と、ストレーナ２２によって清浄化された燃料油を加圧する噴燃ポンプ２４と、噴燃ポンプ２４の下流側に接続された元遮断用電磁弁２６とが設けられている。また、元遮断用電磁弁２６の下流側は、低燃焼用、中燃焼用、高燃焼用の３つのサブ供給ライン２８ａ、２８ｂ、２８ｃに分岐しており、各サブ供給ラインには電磁弁２９ａ、２９ｂ、２９ｃがそれぞれ設けられている。

燃焼空気供給ライン３０には、送風機３１と、送風機３１に接続された空気配管と、燃焼空気の風量を調整するためのエアダンパ３９とが設けられている。

燃焼部１０は、燃焼筒１２の内側に、２つの低燃焼用ノズル１４ａと、中燃焼用ノズル１４ｂと、高燃焼用ノズル１４ｃとが配置された構成を有している。これらの噴霧ノズル１４は、リターンフロー式のノズルではなく、流量調整機構を備えないオンオフ制御ノズル（全量式ノズルまたはノンリターン型ノズル）である。噴霧ノズル１４は、燃料を円錐状に噴霧させることができ、その噴霧角は例えば３０°〜６０°（本実施形態では４５°）に設定されている。

２つの低燃焼用ノズル１４ａには、低燃焼用のサブ供給ライン２８ａから分岐された供給ラインによりそれぞれ燃料油が供給される。また、中燃焼用ノズル１４ｂには中燃焼用のサブ供給ライン２８ｂにより、高燃焼用ノズル１４ｃには高燃焼用のサブ供給ライン２８ｃにより、それぞれ燃料油が供給される。また、燃焼筒１２の内側には、燃焼空気供給ライン３０において風量が調整された燃焼空気が供給される。

燃焼部１０において、加圧された燃料油を噴霧ノズル１４から噴霧させるとともに、燃焼空気供給ライン３０から供給された燃焼空気と混合し、この混合気体に着火することによって燃焼を行うことができる。燃料の噴霧量は、図示しない制御装置によって電磁弁２９ａ、２９ｂ、２９ｃの開閉を制御することによって調整され、燃焼空気の供給量は制御装置によってエアダンパ３９の開度を制御することによって燃料噴霧量に適合するように調整される。このように構成された油圧噴霧式の油焚きバーナ１００において、噴霧量の多寡にかかわらず、燃料油供給圧は概ね一定の圧力に維持されており、その圧力は例えば０．５〜２．０ＭＰａである。

本実施形態の油焚きバーナ１００は、燃焼停止、低燃焼、中燃焼、高燃焼の４段階（４位置）の燃焼を行うことができる。低燃焼は、２つの低燃焼用ノズル１４ａから同時に燃料を噴霧させるとともに、中燃焼用ノズル１４ｂおよび高燃焼用ノズル１４ｃからは燃料を噴霧させない（すなわち、元遮断用電磁弁２６と電磁弁２９ａのみを開放する）ことによって実行することができる。中燃焼は、２つの低燃焼用ノズル１４ａおよび中燃焼用ノズル１４ｂから同時に燃料を噴霧させ、高燃焼用ノズル１４ｃからは燃料を噴霧させない（すなわち、元遮断用電磁弁２６と、電磁弁２９ａおよび電磁弁２９とを開放する）ことによって実行することができる。高燃焼は、全ての噴霧ノズル１４（２つの低燃焼ノズル１４ａ、中燃焼用ノズル１４ｂおよび高燃焼用ノズル１４ｃ）から同時に燃料を噴霧させる（すなわち、元遮断用電磁弁２６と、全ての電磁弁２９ａ、２９ｂ、２９ｃとを開放する）ことによって実行することができる。

図２および図３（ａ）および（ｂ）は、油焚きバーナ１００の燃焼部１０のより具体的な構成を示す図である。図２は燃焼部１０の例示的な構成を示す模式的な断面図であり、図３（ａ）は４つの噴霧ノズル１４の配置を示す平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図２に示すように、燃焼部１０には、燃焼空気供給ライン３０に連通するウインドボックス３２や、ウインドボックス３２に設けられたのぞき窓３３、火炎監視器３４などが設けられている。ウインドボックス３２の内側には整流管３５が設けられ、整流管３５の内側にはブラスト管（ドラフトチューブなどとも呼ばれる）３６が設けられている。

本実施形態において、ブラスト管３６の先端にはフレームファンネル３７が接続されている。なお、本明細書では、ブラスト管３６およびフレームファンネル３７を燃焼筒１２（図１および図３）と称することがあり、噴霧ノズル１４の外側を囲むように配置された筒体を広く燃焼筒１２と呼ぶこととする。

ウインドボックス３２に供給された燃焼空気は、図において白矢印で示すように、整流管３５およびブラスト管３６を通過して、整流されてフレームファンネル３７に向けて供給される。フレームファンネル３７は、先端方向に向かって内径が拡大する形状を有していてもよい。また、フレームファンネル３７の出口には、リング状の絞り部材が設けられていてもよい。

ブラスト管３６およびフレームファンネル３７の内側には、複数の噴霧ノズル１４が収容されている。なお、図２には簡単のために１つの噴霧ノズル１４のみを示しているが、実際には図１、図３（ａ）に示すように、４つの噴霧ノズル１４が設けられている。なお、噴霧ノズル１４に接続された燃料供給管１５は、バーナ中心軸１０ｘと平行に延びるように設けられており、芯出し棒１５ａによって支持されている。燃料供給管１５は、燃料供給ライン２０（図１）に接続されており、黒矢印で示すように、その内部を高圧の燃料油が流れるように構成されている。燃料供給管１５の先端に設けられた噴霧ノズル１４からは、保炎板１６の開口部１６ａを通って燃料が前方に噴霧される。

図３（ａ）に示すように、本実施形態の油焚きバーナ１００は、燃焼部１０において、２つの低燃焼用ノズル１４ａと、中燃焼用ノズル１４ｂと、高燃焼用ノズル１４ｃとをバーナ中心軸１０ｘ（ここでは燃焼筒１２の中心軸）の周囲に備えている。また、低燃焼用ノズル１４ａの一方の近傍には、着火のための点火棒１８の先端部分が配置されている。

４つの噴霧ノズル１４は、燃焼筒１２によって包囲されている。また、燃焼筒１２の内側において、噴霧ノズル１４の前方には、噴霧ノズル１４に対応する位置に開口部１６ａが設けられた保炎板１６が設けられている。本実施形態において、開口部１６ａは、円形の形状を有しているが、これに限られず多角形の形状を有していてもよい。

保炎板１６には、放射状に設けられた複数のスリット１６ｂおよびスリットカバー１６ｃが設けられていてもよい。複数のスリット１６ｂは、開口部１６ａから延びるように設けられ、スリットカバー１６ｃは各スリット１６ｂの片側のエッジのみを開放させるように設けられている。この構成において、燃焼空気（一次空気）は、開口部１６ａおよび各スリット１６ｂを通って、保炎板１６の前方で旋回流をなすように供給される。これによって、噴霧ノズル１４から噴霧された燃料が燃焼空気によって撹拌され、噴霧燃料と燃焼空気とが均一に混合しやすくなっている。なお、保炎板１６と燃焼筒１２との間の空隙からは二次空気が供給される。

図３（ａ）に示すように、本実施形態では、２つの低燃焼用ノズル１４ａは、バーナ中心軸１０ｘを挟んで対向するように設けられている。同様に、中燃焼用ノズル１４ｂおよび高燃焼用ノズル１４ｃはバーナ中心軸１０ｘを挟んで対向するように設けられている。

より具体的には、上記４つの噴霧ノズル１４は、バーナ中心軸１０ｘに対して等距離かつ点対称の位置に配置されており、バーナ中心軸１０ｘの周りで、周方向に等間隔に（すなわち、９０°づつ回転した位置に）設けられている。この構成において、中燃焼用ノズル１４ｂおよび高燃焼用ノズル１４ｃは、周方向において、２つの低燃焼用ノズル１４ａの間に配置されている。

本実施形態では、２つの低燃焼用ノズル１４ａの噴霧量（ノズル口径など）は、同等であるように設計されている。一方で、中燃焼用ノズル１４ｂの噴霧量は、低燃焼用ノズル１４ａの噴霧量よりも大きくなるように設計されている。同様に、高燃焼用ノズル１４ｃの噴霧量も、低燃焼用ノズル１４ａの噴霧量よりも大きくなるように設計されている。高燃焼用ノズル１４ｃの噴霧量はまた、中燃焼用ノズル１４ｂの噴霧量よりも大きく設定されていてもよい。

より具体的な例を挙げると、２つの低燃焼用ノズル１４ａのそれぞれの噴霧量は例えば定格の約１２．５％に設定され、中燃焼用ノズル１４ｂの噴霧量は例えば定格の約２５．０％に設定され、高燃焼用ノズル１４ｃの噴霧量は例えば定格の約５０．０％に設定される。この例において、最低燃焼量は、定格燃焼量の２５％となり、ターンダウン比は１：４となる。

下記の表１に、種々の実施例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６における、２つの低燃焼用ノズル１４ａ、中燃焼用ノズル１４ｂ、高燃焼用ノズル１４ｃの噴霧量と、実現されるターンダウン比とを示す。表１において、噴霧量は、最大（定格）噴霧量に対する割合（％）で示されており、全てのノズル１４ａ、１４ｂ、１４ｃから燃料を噴霧させたときに１００％の最大噴霧量となる。

表１に示すように、２つの低燃焼用ノズル１４ａの噴霧量は例えば１０％〜１５％に設定され、中燃焼用ノズル１４ｂの噴霧量は例えば２０％〜４０％に設定され、高燃焼用ノズル１４ｃの噴霧量は例えば４０％〜５０％に設定される。ただし、各ノズルの噴霧量はこれに限られるものではない。

以上に説明したように、本実施形態の油焚きバーナ１００では、２つの低燃焼用ノズル１４ａをバーナ中心軸１０ｘに対して対向配置させて２つのノズルから燃料を同時に噴霧させるようにしているので、１つのノズルを用いる場合と比較して、燃料噴霧量が低いときにも燃焼の安定性を確保することができる。また、低燃焼においても、高圧の燃料油を２つの低燃焼用ノズル１４ａ（オンオフ制御バルブ）から噴霧させる構成であるので、燃料の微粒化が適切に行われ、燃焼を安定して行うことができる。したがって、上記のような高ターンダウン比を実現することができる。本実施形態の油焚きバーナによれば、１：４以上、さらには１：５以上（最低燃焼量が定格燃焼量の１／５以下）のターンダウン比を実現することも可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、種々の改変が可能である。例えば、上記には４つの噴霧ノズルを設ける構成を説明したが、２つの低燃焼用ノズルと、１つの高燃焼用ノズルとの合計３つの噴霧ノズルを設ける構成であってもよい。この場合にも、２つの低燃焼用ノズルはバーナ中心軸を挟んで対向して配置され、これによって、低燃焼時の安定性を向上させ、ターンダウン比を向上させることができる。また、５つ以上の噴霧ノズルが設けられていてもよく、この場合にも、２つ（あるいは４つ以上の偶数個）の低燃焼用ノズルが、バーナ中心軸を挟んで対向して配置されていればよい。ただし、安定した動作を実現するためには、全ての噴霧ノズルがバーナ中心軸から等距離に周方向に等間隔で配置されていることが好適である。

本発明の実施形態による油焚きバーナは、蒸気ボイラや温水機などに用いられる燃焼装置として好適に利用される。

１０ 燃料部
１２ 燃焼筒
１４ 噴霧ノズル
１４ａ 低燃焼用ノズル
１４ｂ 中燃焼用ノズル
１４ｃ 高燃焼用ノズル
１５ 燃料供給管
１６ 保炎板
２０ 燃料供給ライン
２１ 燃料油貯蔵部
２２ ストレーナ
２４ 噴燃ポンプ
２６ 元遮断用電磁弁
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ サブ供給ライン
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ 電磁弁
３０ 燃焼空気供給ライン
３１ 送風機
３２ ウィンドボックス
３５ 整流管
３６ ブラスト管
３７ フレームファンネル
３９ エアダンパ
１００ 油焚きバーナ

Claims (8)

1. 燃料を噴射するための２つの低燃焼用ノズル、中燃焼用ノズル、および、高燃焼用ノズルを含む複数の噴霧ノズルと、前記複数の噴霧ノズルの前方の位置において一次空気および噴霧燃料を通過させる開口部を有し、外側を二次空気が通過するように設けられた保炎板と、前記複数の噴霧ノズルおよび前記保炎板を囲む燃焼筒とを備える油焚きバーナであって、
   前記２つの低燃焼用ノズルがバーナ中心軸を挟んで対向するように設けられ、かつ、前記中燃焼用ノズルと前記高燃焼用ノズルとが前記バーナ中心軸を挟んで対向するように設けられ、
   前記複数の噴霧ノズルは、前記保炎板の前記開口部の内側の領域において前記バーナ中心軸の周りに近接して配置され、少なくとも前記２つの低燃焼用ノズルから、前記保炎板の開口部を通って噴霧燃料が重なるように噴射されるように構成されている、油焚きバーナ。
2. 前記２つの低燃焼用ノズルと、前記中燃焼用ノズルと、前記高燃焼用ノズルとは、前記バーナ中心軸に対して等距離かつ点対称の位置に配置され、前記バーナ中心軸の周りで周方向に等間隔に設けられている、請求項１に記載の油焚きバーナ。
3. 低燃焼は、前記２つの低燃焼用ノズルから同時に燃料を噴霧させることによって行われ、中燃焼は、前記２つの低燃焼用ノズルおよび前記中燃焼用ノズルから同時に燃料を噴霧させることによって行われ、高燃焼は、前記２つの低燃焼用ノズル、前記中燃焼用ノズルおよび前記高燃焼用ノズルから同時に燃料を噴霧させることによって行われる、請求項１または２に記載の油焚きバーナ。
4. 前記２つの低燃焼用ノズルの噴霧量は同じであり、前記中燃焼用ノズルの噴霧量および前記高燃焼用ノズルの噴霧量は、前記２つの低燃焼用ノズルの噴霧量よりも大きい、請求項１から３のいずれかに記載の油焚きバーナ。
5. 前記２つの低燃焼用ノズルを含む全低燃焼用ノズルの合計噴霧量は定格の２０〜３０％であり、前記中燃焼用ノズルを含む全中燃焼用ノズルの合計噴霧量は定格の２０〜４０％であり、前記高燃焼用ノズルを含む全高燃焼用ノズルの合計噴霧量は定格の４０〜５０％である、請求項４に記載の油焚きバーナ。
6. 前記２つの低燃焼用ノズルのそれぞれの噴霧量は定格の１２．５％であり、前記中燃焼用ノズルの噴霧量は定格の２５．０％であり、前記高燃焼用ノズルの噴霧量は定格の５０．０％であり、ターンダウン比が１：４である、請求項５に記載の油焚きバーナ。
7. 前記２つの低燃焼用ノズルは、流量調整機構を備えないオンオフ制御ノズルである、請求項１から６のいずれかに記載の油焚きバーナ。
8. 前記保炎板には、前記開口部の周囲に放射状に設けられた複数のスリットが形成されている、請求項１から７のいずれかに記載の油焚きバーナ。

Images