JP6737005B2

JP6737005B2 - バーナ

Info

Publication number: JP6737005B2
Application number: JP2016126699A
Authority: JP
Inventors: 大樹石井; 貴弘小崎
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2020-08-05
Anticipated expiration: 2036-06-27
Also published as: JP2018004095A

Description

本発明は、バーナに関するものである。

下記特許文献１には、バーナの一形態として、石炭焚ボイラに取り付けられた微粉炭バーナが開示されている。この微粉炭バーナは、バーナノズルの先端から微粉炭（燃料）と空気（一次空気）の混合流を、バーナスロートを通して火炉内に噴出し、ウインドボックスから供給される二次空気と混合させながら微粉炭を燃焼させるようになっている。ウインドボックスは、バーナノズルの周りに旋回流を形成し、その旋回流による圧力勾配（旋回流の中心付近とその外側の圧力差）によって、混合流の噴出先に流速ゼロの領域（着火点）を生成している。

特開平１−２１７１１０号公報

ところで、石炭のような化石燃料を燃焼させると、大気汚染の規制対象物である一酸化窒素や二酸化窒素等のＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）が発生する。このため、燃焼域の一部に、窒素分をＮ_２に変換するための酸素濃度が低い還元領域（所謂、蒸し焼き状態となる領域）を形成することが有効である。従来は、二次空気を旋回して供給していたため、二次空気を旋回させない場合に比べて、燃料が二次空気と早く混合されてしまい、十分な還元領域を形成できず、ＮＯ_Ｘの排出量が上昇してしまうことがあった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＮＯ_Ｘの排出量を低減することができるバーナの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、燃料と空気の混合流を噴出するバーナノズルと、前記バーナノズルの周囲から二次空気を供給する二次空気供給手段と、前記二次空気供給手段から供給された二次空気と衝突して、前記混合流の噴出先に淀み点を形成する保炎部材と、を有する、バーナを採用する。

また、本発明においては、前記保炎部材は、前記二次空気の流れに正対する衝突面が形成された保炎板を有する、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記衝突面は、前記バーナノズルの中心軸に対し斜めに傾いている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記保炎部材は、前記バーナノズルの中心軸に沿って延在し、その先端に前記保炎板を支持する支持部材を備える、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記支持部材には、冷却媒体が流通する冷却流路が形成されている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記保炎板は、前記支持部材に着脱自在に取り付けられている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記保炎板は、セラミック製である、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記保炎板は、前記混合流の噴出先である火炉内に配置されている、という構成を採用する。

本発明では、バーナノズルの周囲から供給される二次空気と衝突する保炎部材を設けて、バーナノズルの噴出先に淀み点を形成する。この構成によれば、二次空気を旋回させることなく、バーナノズルの噴出先に流速ゼロの領域（着火点）を形成することができる。このため、二次空気を旋回させる機構が不要となり、二次空気を旋回させない結果、燃焼域において酸素濃度が低い還元領域を十分に形成することができる。
したがって、本発明では、ＮＯ_Ｘの排出量を低減することができる。

本発明の実施形態における微粉炭バーナの構成図である。本発明の実施形態における保炎部材の（ａ）先端部における断面構成図、（ｂ）当該先端部を軸方向から視た図である。本発明の実施形態の一変形例に係る保炎部材の先端部における断面構成図である。本発明の実施形態の一変形例に係る保炎部材の先端部における断面構成における図である。本発明の実施形態の一変形例に係る保炎部材の先端部における構成図である。

以下、本発明の実施形態のバーナについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、バーナの一実施形態として微粉炭バーナを例示する。

図１は、本発明の実施形態における微粉炭バーナ１の構成図である。
微粉炭バーナ１は、微粉炭（燃料）と空気を火炉１００に噴出し、微粉炭を燃焼させるものである。火炉１００は、開口部１０２が形成された炉壁部１０１を有する。開口部１０２には、微粉炭バーナ１が設置されている。

微粉炭バーナ１は、バーナノズル２と、バーナダクト３（二次空気供給手段）と、保炎部材４と、を有する。
バーナノズル２は、筒状に形成されており、その先端に微粉炭と空気（一次空気）の混合流Ｆ１を噴出する噴出口１０が形成されている。本実施形態では、バーナノズル２の噴出口１０側がその中心軸Ｃに向かって絞られて混合流Ｆ１を噴出する構成となっている。

バーナノズル２は、同心で設けられた筒状のバーナ内筒１１とバーナ外筒１２とを有する二重筒構造となっている。バーナ内筒１１は、長手方向の略中腹部位から先端側へ向かって直径が漸減し、且つ、先端部において直径が急減する絞り部を有する。バーナ外筒１２は、バーナ内筒１１の外周に同心状に配設され、バーナ内筒１１と略相似形で、且つ、先端部において直径が急減する絞り部を有する。

バーナ外筒１２には、微粉炭入口管１３が接続されている。微粉炭入口管１３は、バーナ外筒１２の内周面の接線方向に混合流Ｆ１を供給し、混合流Ｆ１を旋回させる。旋回した混合流Ｆ１は、バーナ内筒１１とバーナ外筒１２との間を流通し、リング状に開口する噴出口１０から噴出される。

バーナ内筒１１の先端には、三次空気Ｆ３を噴出する噴出口１４が形成されている。三次空気Ｆ３は、三次空気入口管１５を介してバーナ内筒１１に供給される。三次空気入口管１５は、バーナノズル２の中心軸Ｃに沿う軸方向に三次空気Ｆ３を供給する。三次空気Ｆ３は、バーナ内筒１１の内側を軸方向に流通し、円形に開口する噴出口１４から噴出される。

バーナダクト３は、バーナノズル２の周囲から二次空気Ｆ２を供給するものである。バーナダクト３は、バーナノズル２の外側を囲うように設けられ、二次空気Ｆ２をバーナノズル２の周囲に導く環状流路２０を有する。環状流路２０は、バーナ外筒１２と開口部１０２との間に、リング状に形成されている。なお、バーナダクト３の内部は、セパレート板２１によって区画されており、二次空気Ｆ２は、図示しない他のバーナにも導かれるようになっている。

このバーナダクト３は、二次空気Ｆ２を旋回させる旋回機構（レジスタベーン等）を備えていない。すなわち、環状流路２０を介して供給される二次空気Ｆ２は、旋回成分を含んでいない。環状流路２０には、点火トーチ２２が斜め方向に挿入されている。点火トーチ２２は、点火トーチ挿入筒２３によって進退自在に支持されている。また、環状流路２０には、油バーナ２５が斜め方向に挿入されている。油バーナ２５は、図示しないエアシリンダ装置に接続され、進退自在に支持されている。

保炎部材４は、バーナ内筒１１の内側に挿入されている。保炎部材４は、バーナダクト３から供給された二次空気Ｆ２と衝突して、混合流Ｆ１の噴出先に淀み点Ｓを形成するものである。保炎部材４は、支持台２６によって進退自在に支持されている。支持台２６は、バーナ内筒１１の中心に挿入された筒部材であり、バーナノズル２の中心軸Ｃに沿って保炎部材４を支持する。保炎部材４は、エアシリンダ装置２７と接続され、バーナノズル２の中心軸Ｃ上において位置を調整可能とされている。

図２は、本発明の実施形態における保炎部材４の（ａ）先端部における断面構成図、（ｂ）当該先端部を軸方向から視た図である。
図２（ａ）に示すように、保炎部材４は、保炎板３０と、支持部材４０と、を有する。
保炎板３０は、保炎部材４の先端を形成すると共に、支持部材４０に着脱自在に取り付けられている。支持部材４０は、図１に示すように、バーナノズル２の中心軸Ｃに沿って延在し、その先端に保炎板３０を支持する。保炎板３０は、混合流Ｆ１の噴出先である火炉１００内に配置されている。

保炎板３０は、図２（ａ）に示すように、板部３１と、取付部３２と、を有する。
板部３１には、二次空気Ｆ２の流れに正対する衝突面３３が形成されている。衝突面３３は、バーナノズル２の中心軸Ｃに対し斜めに傾いている。すなわち、衝突面３３は、図１に示すように、バーナノズル２の周囲から中心軸Ｃに向かって斜めに噴出される二次空気Ｆ２の流れに略直交する角度で設けられている。本実施形態の衝突面３３は、中心軸Ｃに対して４５°の角度で設けられている。

板部３１は、略円錐台形状を有する。衝突面３３は、支持部材４０から離間するに従ってその径が漸次増加する。衝突面３３は、円筒状の支持部材４０の外径と同じ径から、板部３１の最大外径の外周面３４と同じ径まで増加する。外周面３４は、中心軸Ｃに沿って所定幅で形成されている。外周面３４よりも先は、中心軸Ｃに対して垂直な垂直面３５となっている。垂直面３５は、図２（ｂ）に示すように、軸方向から視て円形に形成されている。

図２（ａ）に示すように、板部３１の垂直面３５と反対側の面には、取付部３２が一体で形成されている。取付部３２は、略円柱形状を有し、板部３１の中心に突設されている。取付部３２の径は、衝突面３３の最小径よりも小さい。この取付部３２の周面には、雄ネジ３６が形成されている。上記構成の保炎板３０は、セラミック製であり、高い耐熱性を有する。

支持部材４０は、中空棒４１と、被取付部４２と、を有する。
中空棒４１は、支持部材４０のベースとなる部材であり、直管パイプ形状を有する。中空棒４１の内部には、冷却流路４３が形成されている。冷却流路４３は、中空棒４１の基端から先端まで、中空棒４１の長手方向に亘って形成されている。冷却流路４３には、図１に示す、バーナ内筒１１の外側に突出した支持部材４０（中空棒４１）の基端から供給される冷却空気Ａ（冷却媒体）が流通する。

図２（ａ）に戻り、中空棒４１の先端には、冷却流路４３を流通する冷却空気Ａを、中空棒４１の外部に噴出させる空冷用横穴４４が形成されている。空冷用横穴４４は、中心軸Ｃに直交する方向に開口している。すなわち、空冷用横穴４４から噴出される冷却空気Ａの噴出先に、保炎板３０は配置されていない。この空冷用横穴４４は、図２（ｂ）に示すように、中心軸Ｃを中心として所定間隔で複数（本実施形態では、９０°間隔で４つ）形成されている。

被取付部４２は、図２（ａ）に示すように、中空棒４１の先端に接合されている。被取付部４２は、中空棒４１よりも肉厚の筒形状を有する。詳しくは、被取付部４２の外径は、中空棒４１の外径と同じで、被取付部４２の内径は、中空棒４１の内径よりも小さい。被取付部４２の内周面には、雄ネジ３６が螺合可能な雌ネジ４５が形成されている。また、被取付部４２には、雌ネジ４５に螺合した取付部３２を固定するための止めねじ用横穴４６が形成されている。

止めねじ用横穴４６は、中心軸Ｃと直交する方向において一箇所に形成されている。止めねじ用横穴４６には、止めねじ４７が螺合する。止めねじ４７は、半径方向から取付部３２を押圧することで、保炎板３０の回転による螺合解除を規制する。上記構成の支持部材４０は、耐熱性を有する金属材、例えばステンレス鋼材から形成されている。なお、火炎に晒される中空棒４１の先端部、被取付部４２は、ステンレス鋼材の中でも耐熱性の高いもの、例えばＳＵＳ３１０Ｓ等から形成することが好ましい。

続いて、上記構成の微粉炭バーナ１の動作（作用）について説明する。

微粉炭バーナ１の始動時には、図１に示す油バーナ２５による補助燃焼が開始される。この補助燃焼の際には、混合流Ｆ１の供給は停止され、二次空気Ｆ２及び三次空気Ｆ３が供給される。二次空気Ｆ２及び三次空気Ｆ３は、環状流路２０から伸長させた油バーナ２５から噴出される油（軽油や重油等）と混合され、点火トーチ２２による点火により着火する。この補助燃焼により、火炉１００内が所定温度に達したら、混合流Ｆ１を供給し、微粉炭による定常燃焼を開始する。この定常燃焼が安定したら、油バーナ２５は環状流路２０に退避させる。

定常燃焼時、バーナノズル２の周囲からは、二次空気Ｆ２が継続して供給される。二次空気Ｆ２を供給するバーナダクト３は、二次空気Ｆ２を旋回させる機構を備えておらず、二次空気Ｆ２には旋回成分が含まれない。そのため、供給される混合流Ｆ１は、二次空気Ｆ２と合流する領域Ｘ１において、従来のように二次空気Ｆ２と早く混合されなくなる。一方、従来、二次空気Ｆ２の旋回流が担っていた定常燃焼を安定させる流速ゼロの領域Ｘ２の形成は、保炎部材４が担う。

本実施形態では、バーナノズル２の周囲から供給される二次空気Ｆ２と衝突する保炎部材４を設けて、バーナノズル２の噴出先に淀み点Ｓを形成する。この構成によれば、二次空気Ｆ２を旋回させることなく、バーナノズル２の噴出先に淀み点Ｓによる流速ゼロの領域Ｘ１を形成することができる。このため、二次空気Ｆ２を旋回させる機構が不要となり、二次空気Ｆ２を旋回させない結果、燃焼域において微粉炭と二次空気Ｆ２が混合されない酸素濃度が低い還元領域を十分に形成することができる。したがって、本実施形態では、ＮＯ_Ｘの排出量を低減することができる。

また、保炎部材４は、二次空気Ｆ２の流れに正対する衝突面３３が形成された保炎板３０を有する。この構成によれば、二次空気Ｆ２の流れに正対する衝突面３３によって二次空気Ｆ２の流れを止め易くなり、流速ゼロの淀み点Ｓを良好に形成することができる。本実施形態の衝突面３３は、図１に示すように、バーナノズル２の中心軸Ｃに対し斜めに傾いているため、バーナノズル２の周囲から中心軸Ｃに向かって供給される二次空気Ｆ２の主流に対し略直交する壁が形成され、淀み点Ｓを良好に形成することができる。

また、保炎部材４は、バーナノズル２の中心軸Ｃに沿って延在し、その先端に保炎板３０を支持する支持部材４０を備える。この構成によれば、バーナノズル２の中心軸Ｃ上において流速ゼロの領域Ｘ２を形成できるため、中心軸Ｃからずれた位置に流速ゼロの領域Ｘ２を形成する場合より、保炎性を向上させることができる。また、この構成によれば、保炎部材４が、微粉炭を含む混合流Ｆ１と衝突しない配置となるため、保炎板３０や支持部材４０の摩耗が低減され、メンテナンス頻度を低減し、継続燃焼が可能となる。

また、保炎板３０は、図１に示すように、混合流Ｆ１の噴出先である火炉１００内に配置されている。この構成によれば、流速ゼロの領域Ｘ２を、従来、二次空気Ｆ２の旋回流が形成していた場所と同じ火炉１００内に形成することができる。この保炎板３０は、セラミック製から形成されているため、長時間火炎に晒されても焼損し難い。また、支持部材４０は、内部の冷却流路４３を流通する冷却空気Ａによって冷却され、周囲に流れる三次空気Ｆ３によっても冷却されるため、その焼損が防止される。

冷却空気Ａは、図２（ａ）に示す空冷用横穴４４から噴出されるが、空冷用横穴４４は中心軸Ｃに直交する方向に開口しており、また、その噴出量も周囲を流れる混合流Ｆ１、二次空気Ｆ２や三次空気Ｆ３等に比べて微量であるため、淀み点Ｓの形成を阻害することはない。また、保炎板３０は、図２（ａ）に示すように、支持部材４０に着脱自在に取り付けられているため、劣化した場合は簡単に取り換えることができる。すなわち、支持部材４０をバーナノズル２から抜き取り、先端の保炎板３０を取り替えて、再度、バーナノズル２に挿入するだけで、保炎部材４のメンテナンスが完了する。

このように、上述の本実施形態によれば、微粉炭と空気の混合流Ｆ１を噴出するバーナノズル２と、バーナノズル２の周囲から二次空気Ｆ２を供給するバーナダクト３と、バーナダクト３から供給された二次空気Ｆ２と衝突して、混合流Ｆ１の噴出先に淀み点Ｓを形成する保炎部材４と、を有する、という構成を採用することによって、ＮＯ_Ｘの排出量を低減することができる微粉炭バーナ１が得られる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、本発明は、図３〜図５に示すような変形例を採用することができる。なお、以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図３は、本発明の実施形態の一変形例に係る保炎部材４の先端部における断面構成図である。
図３に示す保炎部材４は、バーナノズル２の中心軸Ｃに直交する衝突面３３Ａを備える保炎板３０Ａを有する。この保炎板３０Ａは、側面視Ｔ字形状を有し、衝突面３３Ａは、円板状の板部３１に形成されている。この構成によれば、二次空気Ｆ２のうち中心軸Ｃに沿う方向に流れを変えたものと衝突面３３Ａが正対し、その二次空気Ｆ２との衝突により淀み点Ｓを形成することができる。

図４は、本発明の実施形態の一変形例に係る保炎部材４の先端部における断面構成図である。
図４に示す保炎部材４は、バーナノズル２の中心軸Ｃに対して傾いた第１の衝突面３３Ｂ１と、バーナノズル２の中心軸Ｃに直交する第２の衝突面３３Ｂ２と、を備える保炎板３０Ｂを有する。すなわち、この保炎板３０Ｂは、上述した図２（ａ）に示す衝突面３３と、上述した図３に示す衝突面３３Ａとを併せ持った構成となっている。この構成によれば、中心軸Ｃに向かって供給される二次空気Ｆ２の主流と第１の衝突面３３Ｂ１が正対し、また、二次空気Ｆ２のうち中心軸Ｃに沿う方向に流れを変えたものと第２の衝突面３３Ｂ２が正対するため、両者の流れに対して淀み点Ｓを形成することが可能となる。

図５は、本発明の実施形態の一変形例に係る保炎部材４の先端部における構成図である。
図５に示す保炎部材５は、支持部材４０に対し着脱自在に係合する係合構造を備える保炎板３０Ｃを有する。保炎板３０Ｃは、係合ピン３７を備える取付部３２Ｃを有する。係合ピン３７は、取付部３２Ｃの周面に一対（もう一つの係合ピン３７は不図示）で設けられている。支持部材４０は、係合ピン３７が係合する係合溝４９を備える被取付部４２Ｃを備える。係合溝４９は、中心軸Ｃに沿って延びる第１経路４９ａと、第１経路４９ａの終端から被取付部４２Ｃの周方向に延びる第２経路４９ｂと、第２経路４９ｂの終端から第１経路４９ａと反対方向に延び、係合ピン３７が係止する第３経路４９ｃと、有する。この構成によれば、図２（ａ）に示すような雄ネジ３６や雌ネジ４５を形成することなく、保炎板３０Ｃの着脱が可能になる。なお、この形態においても、止めねじ４７を締めて保炎板３０Ｃの脱落防止することが好ましい。

また、例えば、上述の本実施形態では、保炎部材５を中心軸Ｃに沿って挿入する構成について説明したが、例えば、図１に示す油バーナ２５と同じように、保炎部材５を環状流路２０を通して斜めに挿入する構成を採用してもよい。

また、例えば、上述の本実施形態では、支持部材４０を冷却する冷却媒体として、冷却空気Ａを例示したが、例えば、この冷却媒体として、不活性ガスを供給したり、水や水蒸気等のようなＮＯ_Ｘを低減するような冷却媒体を供給してもよい。

また、例えば、上述の本実施形態では、本発明を微粉炭バーナ１に適用した構成について説明したが、石炭以外の他の化石燃料（石油、天然ガス等）を燃焼させてもＮＯ_Ｘは発生するため、そのような化石燃料を燃焼させる他のバーナにも本発明を適用することができる。

１微粉炭バーナ（バーナ）
２バーナノズル
３バーナダクト（二次空気供給手段）
４保炎部材
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ保炎板
３１板部
３３，３３Ａ，３３Ｂ１，３３Ｂ２衝突面
４０支持部材
４３冷却流路
１００火炉
Ａ冷却空気（冷却媒体）
Ｃ中心軸
Ｆ１混合流
Ｆ２二次空気
Ｆ３三次空気
Ｓ淀み点
Ｘ１領域
Ｘ２領域

Claims

燃料と空気の混合流を噴出するバーナノズルと、
前記バーナノズルの周囲から二次空気を供給する二次空気供給手段と、
前記二次空気供給手段から供給された二次空気と衝突して、前記混合流の噴出先に淀み点を形成する保炎部材と、を有し、
前記保炎部材は、前記二次空気の流れに正対する衝突面が形成された保炎板を有し、
前記保炎部材は、前記バーナノズルの中心軸に沿って延在し、その先端に前記保炎板を支持する支持部材を備え、
前記支持部材には、冷却媒体が流通する冷却流路が形成されていることを特徴とするバーナ。
前記衝突面は、前記バーナノズルの中心軸に対し斜めに傾いている、ことを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
前記保炎板は、前記支持部材に着脱自在に取り付けられている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のバーナ。
前記保炎板は、セラミック製である、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のバーナ。
前記保炎板は、前記混合流の噴出先である火炉内に配置されている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のバーナ。