JP7360800B2 - バーナーチップ及びバーナーの燃焼制御システム - Google Patents

Description

本開示は、バーナーチップ及びバーナーの燃焼制御システムに関する。

ボイラのバーナーには、液体燃料と噴霧媒体とを混合して霧状に噴出するためのバーナーチップが設けられる場合がある。

特許文献１には、液体燃料と噴霧媒体との混合を促進することで液体燃料の噴霧粒径を小さくして、燃焼性を向上させることが可能なバーナーチップが開示されている。特許文献１のバーナーチップは、チップ本体の内部に設けられる混合室と、混合室からチップ本体の外部に連通する複数の混合流体噴出孔と、チップ本体の基端側に複数設けられ、混合室に軸心方向に沿って噴霧媒体を供給する噴霧媒体供給通路と、チップ本体の基端側で噴霧媒体供給通路より外側に複数設けられ、混合室に径方向に沿って流体燃料を供給する流体燃料供給通路と、を有するバーナーチップが開示されている。

特許第５９７２８４７号公報

ところで、液体燃料と噴霧媒体とを混合して霧状に噴出する場合、液体燃料の粘度が高いとバーナーチップから噴出される液体燃料の噴霧粒径が大きくなりやすい。このため、例えばＣ重油、アスファルト、ＶＲ（Ｖａｃｕｕｍ Ｒｅｓｉｄｕｅ：減圧残渣）、又はＳＤＡ（ＳｏＬｖｅｎｔ Ｄｅ－ａｓｐｈａＬｔｉｎｇ： 溶剤脱瀝アスファルト）等の高粘度の液体燃料を燃焼させる場合には、液体燃料の温度を上げたり、低粘度の液体（粘度調整基材）を混合させたりしなければならないことがある。

しかしながら、液体燃料の温度を上げるためにヒータを用いると、ヒータの設備費用や運用費がかかってしまう。また、液体燃料の温度を上げ過ぎると液体燃料が変質（コーキング等）する恐れがある。また、液体燃料の粘度調整を行う場合には、粘度調整基材が主燃料と比較して高価となりやすく、燃料費が増大する可能性がある。このため、特許文献１に記載されるバーナーチップにおいても、更なる燃焼性の向上が求められている。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、良好な燃焼性を実現できるバーナーチップ及びバーナーの燃焼制御システムを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るバーナーチップは、
液体燃料と噴霧媒体とを混合して噴霧するためのバーナーチップであって、
前記液体燃料と前記噴霧媒体とを混合するための混合室を形成する混合室形成部と、
前記バーナーチップの径方向に沿って前記混合室に前記液体燃料を供給するように構成された複数の液体燃料供給路と、
前記バーナーチップの軸線方向に沿って前記混合室に前記噴霧媒体を供給するように構成された複数の噴霧媒体供給路と、
前記混合室形成部に形成され、前記混合室で混合された流体を前記混合室から前記混合室形成部の外部に噴出するための複数の混合流体噴出孔と、
を備え、
前記混合流体噴出孔の長さをＬ、前記混合流体噴出孔の孔径をｄとすると、
Ｌ／ｄ≦２．０を満たす。

上記（１）に記載のバーナーチップによれば、液体燃料を径方向に沿って混合室に供給するとともに噴霧媒体を軸線方向に沿って混合室に供給することにより、液体燃料が混合室に流入した直後に液体燃料が軸線方向に伸びるため、液体燃料の厚膜化を抑制することができる。また、液体燃料を径方向に沿って混合室に供給することによって混合室内で液体燃料の分裂が進行する時間をある程度確保できるため、高粘度の液体燃料を使用した場合であっても、混合流体噴出孔から噴出される液体燃料の粒径の増大を抑制することができる。

また、Ｌ／ｄ≦２．０を満たすように混合流体噴出孔を構成することにより、混合室内で分裂した液体が混合流体噴出孔の内壁に付着することが抑制され、該内壁に局所的に液体燃料の厚い液膜が形成されることを抑制することができる。これにより、高粘度の高い液体燃料を使用した場合であっても、混合流体噴出孔から噴出される液体燃料の粒径の増大を抑制することができる。
このように、上記（１）に記載の構成によれば、高粘度の液体燃料を使用した場合であっても、混合流体噴出孔から噴出される液体燃料の粒径の増大を抑制することができるため、良好な燃焼性を実現することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載のバーナーチップにおいて、
Ｌ／ｄ≦１．４を満たす。

上記（２）に記載のバーナーチップによれば、混合室内で分裂した液体が混合流体噴出孔の内壁に付着することを効果的に抑制される。これにより、高粘度の液体燃料を使用した場合であっても、混合流体噴出孔から噴出される液体燃料の粒径の増大を抑制することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載のバーナーチップにおいて、
前記噴霧媒体供給路の数をｍ、前記液体燃料供給路の数をｎとすると、
ｍ＞８及びｎ＞８を満たす。

上記（３）に記載のバーナーチップによれば、液体と噴霧媒体が混合する際の流れの乱れを増大させて、液体燃料の微粒化を促進することができる。

（４）本発明の少なくとも一実施形態に係るバーナーの燃焼制御システムは、
上記（１）乃至（３）の何れかに記載のバーナーチップと、
前記噴霧媒体供給路から前記混合室に供給される前記噴霧媒体の流量を調節可能な流量調節装置と、
前記流量調節装置を制御するように構成された流量制御部と、
を備え、
前記液体燃料供給路から前記混合室に供給される前記液体燃料の流量をＦ１、前記噴霧媒体供給路から前記混合室に供給される前記噴霧媒体の流量をＦ２とすると、
前記流量制御部は、バーナーの負荷が基準値以下である場合に、前記バーナーの負荷が基準値より大きい場合よりも前記液体燃料の流量Ｆ１に対する前記噴霧媒体の流量Ｆ２の比Ｆ２／Ｆ１が大きくなるように、前記流量調節装置を制御するよう構成される。

仮にバーナーの負荷０％～１００％にわたって上記比Ｆ２／Ｆ１が一定となるように、負荷が基準値より大きい場合に良好な燃焼性を実現するための比Ｆ２／Ｆ１を負荷が基準値以下の低負荷時にも維持すると、高粘度の液体燃料を使用する場合に、負荷が基準値以下の低負荷時に噴霧媒体の流量が不足し、液体燃料の粒径を小さくすることが困難となりやすい。

そこで、上記（４）に記載のように、バーナーの負荷が基準値以下である場合に、バーナーの負荷が基準値より大きい場合よりも比Ｆ２／Ｆ１が大きくなるように流量調節装置を制御することにより、高粘度の液体燃料を使用する場合であっても、広い負荷範囲にわたって、液体燃料の粒径を小さくして良好な燃焼性を実現することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載のバーナーの燃焼制御システムにおいて、
前記液体燃料の流量Ｆ１に対する前記噴霧媒体の流量Ｆ２の変化率をｄＦ２／ｄＦ１とすると、
前記流量制御部は、前記バーナーの負荷が前記基準値以下である場合に、前記バーナーの負荷が前記基準値より大きい場合よりもｄＦ２／ｄＦ１が小さくなるように、前記流量調節装置を制御するよう構成される。

上記（５）に記載のバーナーの燃焼制御システムによれば、高粘度の液体燃料を使用する場合であっても、広い負荷範囲にわたって、液体燃料の粒径を小さくして良好な燃焼性を実現することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（４）又は（５）に記載のバーナーの燃焼制御システムにおいて、
前記流量制御部は、前記バーナーの負荷が前記基準値以下である場合に、前記噴霧媒体の流量Ｆ２が一定となるように前記流量調節装置を制御するよう構成される。

上記（６）に記載のバーナーの燃焼制御システムによれば、バーナーの負荷が基準値以下の低負荷時に、噴霧媒体の流量を確保して液体燃料の微粒化を促進しつつ噴霧媒体の流量が過剰となって失火することを抑制することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（４）乃至（６）の何れかに記載のバーナーの燃焼制御システムにおいて、
前記流量制御部は、前記バーナーの負荷が基準値よりも大きい場合に、前記比Ｆ２／Ｆ１が１２．５％＜Ｆ２／Ｆ１＜２５％を満たすように、前記流量調節装置を制御するよう構成される。

上記（７）に記載のバーナーの燃焼制御システムによれば、比Ｆ２／Ｆ１を従来の典型的な値よりも大きくすることにより、噴霧媒体の運動エネルギーを増大させ、液体燃料と噴霧媒体との気液衝突による液体の分裂を促進することができる。これにより、燃料の粒径を小さくし、後述する液体燃料の膜厚を小さくすることができる。

（８）本発明の少なくとも一実施形態に係るバーナーの燃焼制御方法は、
液体燃料と噴霧媒体を混合して燃焼させるバーナーの燃焼制御方法であって、
前記バーナーの負荷が基準値よりも大きいか否かを判断する判断ステップと、
前記バーナーに供給される前記噴霧媒体の流量Ｆ２を調節する流量調節ステップと、
を備え、
前記バーナーに供給される前記液体燃料の流量をＦ１とすると、
前記流量調節ステップでは、前記バーナーの負荷が基準値以下である場合に、前記バーナーの負荷が基準値より大きい場合よりも前記液体燃料の流量Ｆ１に対する前記噴霧媒体の流量Ｆ２の比Ｆ２／Ｆ１が大きくなるように、前記噴霧媒体の流量Ｆ２を調節する。

仮にバーナーの負荷０％～１００％にわたって上記比Ｆ２／Ｆ１が一定となるように、負荷が基準値より大きい場合に良好な燃焼性を実現するための比Ｆ２／Ｆ１を負荷が基準値以下の低負荷時にも維持すると、高粘度の液体燃料を使用する場合に、負荷が基準値以下の低負荷時に噴霧媒体の流量が不足し、液体燃料の粒径を小さくすることが困難となりやすい。

そこで、上記（８）に記載のように、バーナーの負荷が基準値以下である場合に、バーナーの負荷が基準値より大きい場合よりも比Ｆ２／Ｆ１が大きくなるように流量Ｆ２を調節することにより、高粘度の液体燃料を使用する場合であっても、広い負荷範囲にわたって、液体燃料の粒径を小さくして良好な燃焼性を実現することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（８）に記載のバーナーの燃焼制御方法において、
前記液体燃料の流量Ｆ１に対する前記噴霧媒体の流量Ｆ２の変化率をｄＦ２／ｄＦ１とすると、
前記流量調節ステップでは、前記バーナーの負荷が前記基準値以下である場合に、前記バーナーの負荷が前記基準値より大きい場合よりもｄＦ２／ｄＦ１が小さくなるように、前記噴霧媒体の流量Ｆ２を調節する。

上記（９）に記載のバーナーの燃焼制御方法によれば、高粘度の液体燃料を使用する場合であっても、広い負荷範囲にわたって、液体燃料の粒径を小さくして良好な燃焼性を実現することができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（８）又は（９）に記載のバーナーの燃焼制御方法において、
前記流量調節ステップでは、前記バーナーの負荷が前記基準値以下である場合に、前記噴霧媒体の流量を一定に調節する。

上記（１０）に記載のバーナーの燃焼制御方法によれば、バーナーの負荷が基準値以下の低負荷時に、噴霧媒体の流量を確保して液体燃料の微粒化を促進しつつ噴霧媒体の流量が過剰となって失火することを抑制することができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（８）乃至（１０）の何れかに記載のバーナーの燃焼制御方法において、
前記流量調節ステップでは、前記バーナーの負荷が基準値よりも大きい場合に、前記比Ｆ２／Ｆ１が１２．５％＜Ｆ２／Ｆ１＜２５％を満たすように、前記流量Ｆ２を調節する。

上記（１１）に記載のバーナーの燃焼制御方法によれば、比Ｆ２／Ｆ１を従来の典型的な値よりも大きくすることにより、噴霧媒体の運動エネルギーを増大させ、液体燃料と噴霧媒体との気液衝突による液体の分裂を促進することができる。これにより、燃料の粒径を小さくし、後述する液体燃料の膜厚を小さくすることができる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、良好な燃焼性を実現できるバーナーチップ及びバーナーの燃焼制御システムが提供される。

一実施形態に係るバーナー６の断面図である。 図１のＡ－Ａ断面図である。 混合室に対して液体燃料を径方向に沿って供給するとともに噴霧媒体を軸方向に沿って供給する内部混合方式のバーナーチップについて、混合室内の流動解析結果を示す図であり、液体燃料の動粘度が２０（ｃＳｔ）である場合を示す図である。 混合室に対して液体燃料を径方向に沿って供給するとともに噴霧媒体を軸方向に沿って供給する内部混合方式のバーナーチップについて、混合室内の流動解析結果を示す図であり、液体燃料の動粘度が１００（ｃＳｔ）である場合を示す図である。 一実施形態に係る燃焼制御システム５２の概略構成図である。 燃焼制御システム５２におけるバーナー６の燃焼制御方法の一例を示す図である。 特許文献１に係るバーナーと上述の実施形態に係るバーナーとで混合流体噴出孔の出口端における混合流体噴出孔の内壁に形成された液体燃料の膜厚を比較した結果を示す図である。 他の実施形態に係るバーナー６の断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、一実施形態に係るバーナー６の断面図である。
図１に示すように、バーナー６は、バーナー６の先端にバーナーチップ８を備えており、バーナーチップ８は、液体燃料と噴霧媒体を混合してボイラ２の火炉４内に霧状の液体燃料を噴霧することにより、火炉４内に火炎を形成する。なお、液体燃料は、例えばＣ重油や、Ｃ重油よりも粘度が高いアスファルト、ＶＲ（Ｖａｃｕｕｍ Ｒｅｓｉｄｕｅ：減圧残渣）、又はＳＤＡ（ＳｏＬｖｅｎｔ Ｄｅ－ａｓｐｈａＬｔｉｎｇ： 溶剤脱瀝アスファルト）等であってもよい。また、噴霧媒体は、例えば蒸気、高圧空気、高圧ガス又は可燃性ガス等であってもよい。

以下では、バーナーチップ８の軸線方向（バーナー６の軸線Ｏ方向）を単に「軸線方向」といい、バーナーチップ８の径方向（バーナー６の径方向）を単に「径方向」といい、バーナーチップ８の周方向（バーナー６の周方向）を単に「周方向」ということとする。また、軸線方向におけるバーナーチップ８の先端側（バーナー６の先端側）を単に「先端側」といい、軸線方向におけるバーナーチップ８の基端側（バーナー６の基端側）を単に「基端側」ということとする。

バーナーチップ８は、液体燃料と噴霧媒体とを混合するための混合室１０を形成する混合室形成部１２と、径方向に沿って混合室１０に液体燃料を供給するように構成された複数の液体燃料供給路１４と、軸線方向に沿って混合室１０に噴霧媒体を供給するように構成された複数の噴霧媒体供給路１６と、混合室形成部１２に形成され、混合室１０で混合された流体を混合室１０から混合室形成部１２の外部に噴出するための複数の混合流体噴出孔１８と、を含む。

図示する例示的形態では、バーナーチップ８は、バーナーチップ８の先端側から順に配置されたチップ本体２０及びバックプレート２２を含んでおり、混合室１０は、チップ本体２０の基端側の面に形成された第１凹部２６と、バックプレート２２の先端側の面に形成された第２凹部２８とによって画定される。また、液体燃料供給路１４の径方向内側端は、第２凹部２８の内周面に接続し、液体燃料供給路１４の径方向外側端は、バックプレート２２における第２凹部２８の外周側に設けられた環状溝４２に接続する。環状溝４２は、軸線方向に延在する連通路４４を介して液体燃料供給ライン４６に接続される。噴霧媒体供給路１６の先端は第２凹部２８の底面（混合室１０の基端側の端面）に接続し、噴霧媒体供給路１６の基端は噴霧媒体供給ライン４８に接続する。

チップ本体２０は、軸線の周りに形成された円筒形状の側壁部３０と、先端側の端面３２を形成する先端部３４とを含む。先端側の端面３２は、軸線方向と直交する平面に沿って形成された先端面３６と、側壁部３０の外面３８と先端面３６とを接続する傾斜面４０とを含む。

複数の混合流体噴出孔１８の各々は、先端側に向かうにつれて径方向における外側に向かうように、軸線方向及び径方向の各々と交差する斜め方向に沿って延設されている。図示する例示的形態では、混合流体噴出孔１８の各々は先端部３４における傾斜面４０の位置に形成される。

ここで、図１に示すように、混合流体噴出孔１８の長さをＬ、混合流体噴出孔１８の孔径をｄとすると、混合流体噴出孔１８の各々は、Ｌ／ｄ≦２．０を満たすように構成されている。一実施形態では、混合流体噴出孔１８の各々は、Ｌ／ｄ≦１．４を満たすように構成されていてもよい。

図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。
図２に示すように、複数の液体燃料供給路１４は、周方向に間隔をあけて設けられており、複数の噴霧媒体供給路１６は、複数の液体燃料供給路１４の内周側に周方向に間隔をあけて設けられている。ここで、液体燃料供給路１４の数をｍ、噴霧媒体供給路１６の数をｎとすると、ｍ＞８及びｎ＞８を満たしている。図示する例示的形態では、ｍ＝１６及びｎ＝１６に設定されている。

以上に示したように、バーナーチップ８では、液体燃料と噴霧媒体とを混合室１０で混合してから噴出する内部混合方式が採用され、混合室１０には、液体燃料が液体燃料供給路１４から径方向に沿って供給され、噴霧媒体が噴霧媒体供給路１６から軸線方向に沿って供給される。

このため、液体燃料が混合室１０に供給されてから混合流体噴出孔１８から噴出されるまでに、混合室１０内で液体燃料の分裂が進行する時間をある程度確保することができる。したがって、液体燃料として、例えばＣ重油や、Ｃ重油よりも粘度が高いアスファルト、ＶＲ、又はＳＤＡ等のちぎれにくい液体燃料を使用しても、該液体燃料の粒径を小さくすることができる。

図３及び図４は、混合室に対して液体燃料を径方向に沿って供給するとともに噴霧媒体を軸方向に沿って供給する内部混合方式のバーナーチップについて、混合室内の流動解析結果を示す図である。図３は液体燃料の動粘度が２０（ｃＳｔ）、すなわち０．２（ｃｍ２／ｓ）である場合を示しており、図４は、液体燃料の動粘度が１００（ｃＳｔ）、すなわち１（ｃｍ２／ｓ）である場合を示している。

図３及び図４に示すように、液体燃料を径方向に沿って混合室に供給するとともに噴霧媒体を軸線方向に沿って混合室に供給することにより、液体燃料が混合室に流入した直後の領域Ｓで液体燃料が軸線方向に伸びるため、液体燃料の厚膜化を抑制することができる。また、図３に示す液体燃料の動粘度が２０（ｃＳｔ）である場合と比較して、図４に示す液体燃料の動粘度が１００（ｃＳｔ）である場合の方が、領域Ｓに示されるように、混合室に供給された液体燃料が千切れにくく伸びる傾向が見られる。しかしながら、液体燃料を径方向に沿って混合室に供給することによって混合室内で液体燃料の分裂が進行する時間をある程度確保できるため、図４に示す場合においても、動粘度を高くする影響が緩和されており、混合室の出口における液体燃料の粒径の増大を抑制できていることが確認できる。

また、図１に示したように、Ｌ／ｄ≦２．０を満たすように混合流体噴出孔１８を構成することにより、混合室１０内で分裂した液体が混合流体噴出孔１８の内壁５０に付着することが抑制され、内壁５０に局所的に液体燃料の厚い液膜が形成されることを抑制することができる。これにより、混合流体噴出孔１８から噴出される液体燃料の粒径の増大を抑制することができる。

また、図２に示したように、ｍ＞８及びｎ＞８を満たすように液体燃料供給路１４の数及び噴霧媒体供給路１６の数を設定することにより、液体と噴霧媒体が混合する際の流れの乱れを増大させて、液体燃料の微粒化を促進することができる。

次に、上述したバーナー６の燃焼を制御するための燃焼制御システム５２について説明する。図５は、一実施形態に係る燃焼制御システム５２の概略構成図である。

図５に示すように、燃焼制御システム５２は、バーナー６に供給される液体燃料の流量Ｆ１（液体燃料供給路１４から混合室１０に供給される液体燃料の流量）を検出するための液体燃料流量検出器５４と、バーナー６に供給される液体燃料の圧力Ｐ１（バーナー６の入口での圧力）を検出するための液体燃料圧力検出器５６と、バーナー６に供給される噴霧媒体の圧力Ｐ２（バーナー６の入口での圧力）を検出するための噴霧媒体圧力検出器５８と、噴霧媒体供給ライン４８に設けられた差圧調節弁６０（流量調節装置）と、流量制御部６２とを含む。なお、バーナー６に供給される液体燃料の流量Ｆ１は、バーナー６の負荷に相当し、需要に応じて不図示の燃料流量調節弁により所望の値に調節される。

差圧調節弁６０は、噴霧媒体の圧力Ｐ２と液体燃料の圧力Ｐ１との差圧を調節するように、バーナー６に供給される噴霧媒体の流量Ｆ２（噴霧媒体供給路１６から混合室１０に供給される噴霧媒体の流量）及び圧力Ｐ２を調節可能に構成される。

流量制御部６２は、差圧調節弁６０を制御するように構成される。図示する形態では、流量制御部６２は、差圧演算器６６、差圧調節計６８、差圧目標値設定部７０、ＰＩ制御器７２及び操作部７４を含む。流量制御部６２は、具体的には、プロセッサ及びメモリを少なくとも備えており、プロセッサがメモリに格納されているソフトウェアを読み出して実行することで差圧調節弁６０を制御するように構成される。

差圧演算器６６は、液体燃料圧力検出器５６によって検出された液体燃料の圧力Ｐ１と噴霧媒体圧力検出器５８によって検出された噴霧媒体の圧力Ｐ２から、バーナー６に供給される噴霧媒体の圧力と液体燃料の圧力との差圧ΔＰ（＝Ｐ２－Ｐ１）を演算する。差圧演算器６６で算出された差圧ΔＰは、差圧調節計６８に測定値として入力される。

一方、差圧目標値設定部７０は、液体燃料流量検出器５４によって検出された液体燃料の流量Ｆ１と、液体燃料の流量と差圧目標値との関係を示す情報Ｄ（例えばメモリ等の記憶装置７６に記憶された関数またはテーブル等）と、に基づいて、バーナー６に供給される噴霧媒体の圧力と液体燃料の圧力との差圧の目標値ΔＰ０を設定し、この差圧目標値ΔＰ０を差圧調節計６８に入力する。差圧調節計６８は、差圧目標値ΔＰ０と差圧演算器６６で算出された差圧測定値ΔＰとの偏差Ｅ（＝ΔＰ０－ΔＰ）を算出する。ＰＩ制御器７２は、差圧調節計６８によって算出された偏差Ｅを用いてＰＩ演算を行い、その演算結果としての操作量に基づいて差圧調節弁６０の開度を操作部７４が操作することで、バーナー６に供給される噴霧媒体の流量が調節される。

図６は、燃焼制御システム５２におけるバーナー６の燃焼制御方法の一例を示す図である。図６に示すグラフにおいて、横軸はバーナー６に供給される液体燃料の流量Ｆ１すなわちバーナー６の負荷であり、縦軸はバーナー６に供給される噴霧媒体の流量Ｆ２である。図６に示す燃焼制御は、流量制御部６２が差圧調節弁６０を制御して、差圧ΔＰを適切な値に調節するように噴霧媒体の圧力Ｐ２及び流量Ｆ２を調節することにより行われる。

図６に示すように、バーナー６の負荷が定格負荷の５０％（基準値）よりも大きい場合には、液体燃料の流量Ｆ１に対する噴霧媒体の流量Ｆ２の比Ｆ２／Ｆ１が流量Ｆ１によらずに一定になるように、噴霧媒体の圧力Ｐ２と液体燃料の圧力Ｐ１との差圧ΔＰを差圧調節弁６０により一定に調節する。また、バーナー６の負荷が定格負荷の５０％よりも大きい場合に、１２．５％＜Ｆ２／Ｆ１＜２５％を満たすように、差圧ΔＰを差圧調節弁６０により調節する。

また、図６に示すように、バーナー６の負荷が定格負荷の５０％以下である場合に、バーナー６の負荷が定格負荷の５０％より大きい場合よりもＦ２／Ｆ１が大きくなるように、差圧ΔＰを差圧調節弁６０により調節する。また、バーナー６の負荷が定格負荷の５０％以下である場合には、噴霧媒体の流量Ｆ２が流量Ｆ１によらず一定量となるように、差圧ΔＰを差圧調節弁６０により調節する。また、流量Ｆ１に対する流量Ｆ２の変化率をｄＦ２／ｄＦ１とすると、バーナー６の負荷が定格負荷の５０％以下である場合に、バーナー６の負荷が定格負荷の５０％より大きい場合よりも、ｄＦ２／ｄＦ１が小さくなるように、差圧ΔＰを差圧調節弁６０により調節する。

仮にバーナー６の負荷０％～１００％にわたって上記比Ｆ２／Ｆ１が一定となるように、高負荷時に良好な燃焼性を実現するための比Ｆ２／Ｆ１を低負荷時にも維持すると、Ｃ重油、アスファルト、ＶＲ及びＳＤＡ等のように、比較的粘度の高い液体燃料を使用する場合に、低負荷時に噴霧媒体の流量が不足し、液体燃料の粒径を小さくすることが困難となりやすい。

そこで、上述のように、バーナー６の負荷が定格負荷の５０％以下である低負荷時に、バーナー６の負荷が定格負荷の５０％より大きい高負荷時よりもＦ２／Ｆ１が大きくなるように差圧調節弁６０を制御することにより、高粘度の液体燃料を使用する場合であっても、低負荷時から高負荷時にわたって、液体燃料の粒径を小さくして良好な燃焼性を実現することができる。

また、バーナー６の負荷が定格負荷の５０％以下である低負荷時に、バーナー６の負荷が定格負荷の５０％よりも大きい高負荷時よりもｄＦ２／ｄＦ１が小さくなるように差圧調節弁６０を制御することにより、高粘度の液体燃料を使用する場合であっても、低負荷時から高負荷時にわたって、液体燃料の粒径を小さくして良好な燃焼性を実現することができる。

また、バーナー６の負荷が定格負荷の５０％以下である低負荷時に、噴霧媒体の流量Ｆ２が流量Ｆ１によらず一定となるように差圧調節弁６０を制御することにより、低負荷時に噴霧媒体の流量を確保して液体燃料の微粒化を促進しつつ噴霧媒体の流量が過剰となって失火することを抑制することができる。

また、バーナー６の負荷が定格負荷の５０％よりも大きい高負荷時に、１２．５％＜Ｆ２／Ｆ１＜２５％を満たすように差圧調節弁６０を制御することにより、比Ｆ２／Ｆ１を従来の典型的な値よりも大きくして噴霧媒体の運動エネルギーを増大させ、液体燃料と噴霧媒体との気液衝突による液体の分裂を促進することができる。これにより、燃料の粒径を小さくし、後述する液体燃料の膜厚を小さくすることができる。

図７は、バーナーの混合流体噴出孔の出口端における混合流体噴出孔の内壁に形成された液体燃料の膜厚を示す図である。

図７において、ケース１は、特許文献１に係るバーナーに動粘度が２０（ｃＳｔ）の液体燃料を使用した場合を示している。ケース２は、特許文献１に係るバーナーに動粘度が１００（ｃＳｔ）の液体燃料を使用した場合を示している。ケース３は、特許文献１に係るバーナーと比較して液体燃料供給路１４の数ｍ及び噴霧媒体供給路１６の数ｎを増加させて、ｍ＝１６及びｎ＝１６とした構成（ｍ＞８及びｎ＞８を満たす構成）について、動粘度が１００（ｃＳｔ）の液体燃料を使用した場合を示している。ケース４は、バーナーの負荷が定格負荷の５０％よりも大きい高負荷時に、上述した比Ｆ２／Ｆ１が１２．５％＜Ｆ２／Ｆ１＜２５％を満たすように制御した場合であって、動粘度が１００（ｃＳｔ）の液体燃料を使用した場合を示している。

図７のケース１とケース２を比較すると、特許文献１に係る構成では、液体燃料の動粘度が２０（ｃＳｔ）から１００（ｃＳｔ）に上昇すると、液体燃料の膜厚が２．４５倍に増大しており、これに伴って液体燃料の粒径も大きくなる。これに対し、ケース３では、液体燃料供給路１４の数ｍ及び噴霧媒体供給路１６の数ｎを増加させたことにより、ケース２と比較して液体燃料の膜厚の増大を抑制し、液体燃料の粒径の増大も抑制することができる。また、ケース４では、高負荷時に上述の比Ｆ２／Ｆ１が１２．５％＜Ｆ２／Ｆ１＜２５％を満たすように制御することにより、液体燃料の膜厚がケース１に対して０．３７倍となり、液体燃料の粒径を効果的に小さくすることができる。これにより、バーナーの良好な燃焼性を実現することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、図１に示した実施形態では、混合流体噴出孔１８の各々が先端部３４における傾斜面４０の位置に形成されたバーナーチップ８を例示した。しかしながら、混合流体噴出孔１８の配置は図１に示した位置に限定されず、例えば図８に示す位置であってもよい。

図８に示すバーナーチップ８において、図１に示したバーナーチップ８の各構成と共通の符号は、特記しない限り図１に示した各構成と同様の構成を示すものとし、説明を省略する。

図８に示す実施形態では、複数の混合流体噴出孔１８は、複数の第１噴出孔１８Ａ、複数の第２噴出孔１８Ｂ及び複数の第３噴出孔１８Ｃを含む。複数の第１噴出孔１８Ａは、先端部３４の傾斜面４０の位置に周方向に間隔をあけて設けられ、先端部３４を貫通するように形成される。複数の第２噴出孔１８Ｂは、複数の第１噴出孔１８Ａよりも基端側にて周方向に間隔をあけて設けられ、側壁部３０を貫通するように形成される。複数の第３噴出孔１８Ｃは、複数の第２噴出孔１８Ｂよりも基端側にて周方向に間隔をあけて設けられ、側壁部３０を貫通するように形成される。第１噴出孔１８Ａ、第２噴出孔１８Ｂ及び第３噴出孔１８Ｃの各々は、先端側に向かうにつれて径方向における外側に向かうように、軸線方向及び径方向の各々と交差する斜め方向に沿って延設されている。

また、図８に示す実施形態では、バーナーチップ８の軸線に沿った断面において、第１噴出孔１８Ａの中心線とバーナーチップ８の軸線とのなす角度をθ１、第２噴出孔１８Ｂの中心線とバーナーチップ８の軸線とのなす角度をθ２、第３噴出孔１８Ｃの中心線とバーナーチップ８の軸線とのなす角度をθ３とすると、θ１＜θ２＜θ３を満たすように第１噴出孔１８Ａ、第２噴出孔１８Ｂ及び第３噴出孔１８Ｃが形成されている。

このように、θ１＜θ２＜θ３を満たすことにより、液体燃料と噴霧媒体との混合流体を第１噴出孔１８Ａ、第２噴出孔１８Ｂ及び第３噴出孔１８Ｃから火炉４内に広範囲にわたって噴出することができ、燃料と周囲の空気との混合を効果的に促進することができる。

また、上述した実施形態では、バーナー６の負荷が５０％よりも大きい場合とバーナー６の負荷が５０％以下である場合とで燃焼制御を変更したが、燃焼制御を変更するためのバーナー６の負荷の基準値は５０％に限定されない。

２ ボイラ
４ 火炉
６ バーナー
８ バーナーチップ
１０ 混合室
１２ 混合室形成部
１４ 液体燃料供給路
１６ 噴霧媒体供給路
１８ 混合流体噴出孔
１８Ａ 第１噴出孔
１８Ｂ 第２噴出孔
１８Ｃ 第３噴出孔
２０ チップ本体
２２ バックプレート
２６ 第１凹部
２８ 第２凹部
３０ 側壁部
３２ 端面
３４ 先端部
３６ 先端面
３８ 外面
４０ 傾斜面
４２ 環状溝
４４ 連通路
４６ 液体燃料供給ライン
４８ 噴霧媒体供給ライン
５０ 内壁
５２ 燃焼制御システム
５４ 液体燃料流量検出器
５６ 液体燃料圧力検出器
５８ 噴霧媒体圧力検出器
６０ 差圧調節弁
６２ 流量制御部
６６ 差圧演算器
６８ 差圧調節計
７０ 差圧目標値設定部
７２ 制御器
７４ 操作部
７６ 記憶装置

Claims (11)

1. 液体燃料と噴霧媒体とを混合して噴霧するためのバーナーチップであって、
   前記液体燃料と前記噴霧媒体とを混合するための混合室を形成する混合室形成部と、
   前記バーナーチップの径方向に沿って前記混合室に前記液体燃料を供給するように構成された複数の液体燃料供給路と、
   前記バーナーチップの軸線方向に沿って前記混合室に前記噴霧媒体を供給するように構成された複数の噴霧媒体供給路と、
   前記混合室形成部に形成され、前記混合室で混合された流体を前記混合室から前記混合室形成部の外部に噴出するための複数の混合流体噴出孔と、
   を備え、
   前記径方向に沿って前記混合室に導入されて前記噴霧媒体との衝突により分裂した前記液体燃料の前記混合流体噴出孔の内壁への付着が抑制されるように、前記混合流体噴出孔の長さをＬ、前記混合流体噴出孔の孔径をｄとすると、
   Ｌ／ｄ≦２．０を満たす、バーナーチップ。
2. Ｌ／ｄ≦１．４を満たす、請求項１に記載のバーナーチップ。
3. 前記噴霧媒体供給路の数をｍ、前記液体燃料供給路の数をｎとすると、
   ｍ＞８及びｎ＞８を満たす、請求項１又は２に記載のバーナーチップ。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のバーナーチップと、
   前記噴霧媒体供給路から前記混合室に供給される前記噴霧媒体の流量を調節可能な流量調節装置と、
   前記流量調節装置を制御するように構成された流量制御部と、
   を備え、
   前記液体燃料供給路から前記混合室に供給される前記液体燃料の流量をＦ１、前記噴霧媒体供給路から前記混合室に供給される前記噴霧媒体の流量をＦ２とすると、
   前記流量制御部は、バーナーの負荷が基準値以下である場合に、前記バーナーの負荷が基準値より大きい場合よりも前記液体燃料の流量Ｆ１に対する前記噴霧媒体の流量Ｆ２の比Ｆ２／Ｆ１が大きくなるように、前記流量調節装置を制御するよう構成された、バーナーの燃焼制御システム。
5. 前記液体燃料の流量Ｆ１に対する前記噴霧媒体の流量Ｆ２の変化率をｄＦ２／ｄＦ１とすると、
   前記流量制御部は、前記バーナーの負荷が前記基準値以下である場合に、前記バーナーの負荷が前記基準値より大きい場合よりもｄＦ２／ｄＦ１が小さくなるように、前記流量調節装置を制御するよう構成された、請求項４に記載のバーナーの燃焼制御システム。
6. 前記流量制御部は、前記バーナーの負荷が前記基準値以下である場合に、前記噴霧媒体の流量Ｆ２が一定となるように前記流量調節装置を制御するよう構成された、請求項４又は５に記載のバーナーの燃焼制御システム。
7. 前記流量制御部は、前記バーナーの負荷が基準値よりも大きい場合に、前記比Ｆ２／Ｆ１が１２．５％＜Ｆ２／Ｆ１＜２５％を満たすように、前記流量調節装置を制御するよう構成された、請求項４乃至６の何れか１項に記載のバーナーの燃焼制御システム。
8. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のバーナーチップを含み、前記バーナーチップを用いて液体燃料と噴霧媒体を混合して燃焼させるバーナーの燃焼制御方法であって、
   前記バーナーの負荷が基準値よりも大きいか否かを判断する判断ステップと、
   前記バーナーに供給される前記噴霧媒体の流量Ｆ２を調節する流量調節ステップと、
   を備え、
   前記バーナーに供給される前記液体燃料の流量をＦ１とすると、
   前記流量調節ステップでは、前記バーナーの負荷が基準値以下である場合に、前記バーナーの負荷が基準値より大きい場合よりも前記液体燃料の流量Ｆ１に対する前記噴霧媒体の流量Ｆ２の比Ｆ２／Ｆ１が大きくなるように、前記噴霧媒体の流量Ｆ２を調節する、バーナーの燃焼制御方法。
9. 前記液体燃料の流量Ｆ１に対する前記噴霧媒体の流量Ｆ２の変化率をｄＦ２／ｄＦ１とすると、
   前記流量調節ステップでは、前記バーナーの負荷が前記基準値以下である場合に、前記バーナーの負荷が前記基準値より大きい場合よりもｄＦ２／ｄＦ１が小さくなるように、前記噴霧媒体の流量Ｆ２を調節する、請求項８に記載のバーナーの燃焼制御方法。
10. 前記流量調節ステップでは、前記バーナーの負荷が前記基準値以下である場合に、前記噴霧媒体の流量を一定に調節する、請求項８又は９に記載のバーナーの燃焼制御方法。
11. 前記流量調節ステップでは、前記バーナーの負荷が基準値よりも大きい場合に、前記比Ｆ２／Ｆ１が１２．５％＜Ｆ２／Ｆ１＜２５％を満たすように、前記流量Ｆ２を調節する、請求項８乃至１０の何れか１項に記載のバーナーの燃焼制御方法。

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