JPH0151721B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はボイラの火炉等において生ずること
のある共鳴振動を防止する燃焼方法及びその装置
に関する。

化石燃料を使用するボイラ、工業用炉におい
て、石油燃料の不足から天然ガスや石炭燃料への
転換が行なわれている。とりわけ天然ガスは硫黄
分が極めて少なくSOx（硫黄酸化物）の心配がな
く、かつ窒素酸化物（NOx）の防止が容易なこ
とからクリーンエネルギーとして注目されてい
る。しかし天燃ガスはその性格上短炎を形成する
ので新たに火炉の共鳴振動を生起するという問題
を生じ、その解決が要望されているところであ
る。

まず空気中での音の伝播について考えてみる。
音は第１３図に模式に示すように音を伝える媒体
たる空気を構成する微細なる粒子の疎密波により
伝播され、その疎密波は正弦音波になつている。
これが第３図に示すような両端閉の閉管において
は音源の振動数に対応して管長Ｌの関係からして
第１４図に示すように密閉管固有の１次、２次、
３次の振動形式（モード）をもつことゝなる。こ
のような音波についての振動モードをその閉管固
有の音響学的振動モードと称する。

一般的に燃焼炉としてはボイラにおいては、第
１図に示す如く矩形横断面をもつ中空の立方体で
示され、横形のものとしては第２図に示す如く筒
状横形の工業用炉がある。この場合における気柱
圧力振動のモードとしては、固定壁を音響学的振
動の最大振幅部（腹部）にもつ１次からｎ次の音
響学的振動を生ずることとなる。

第１図のボイラについては幅（Ｗ）奥行（Ｄ）
高さ（Ｈ）のいづれについても第３図に示すよう
な両端閉の振動となつており、第２図の工業用炉
については筒の長さ（Ｌ）方向について片側閉の
第４図に示すようなものとなつている。

バーナ８ａへの天然ガスの供給装置は第５図に
示すように管路３ａから燃料ガス流量調節弁１
ａ、燃料ガス遮断弁２ａを経由し分岐する管路に
よりガス入口弁４ａを経由してバーナ８ａに天燃
ガスを供給している。符号５ａ，６ａはガスベン
ト弁、符号７ａはガスベント管を示す。

第６図はそのバーナ８ａの軸心を含む断面図
で、第７図は第６図のＡ―Ａ視図（正面図）であ
る。火炉１の水管壁１４にはバーナ８ａがバーナ
スロート５と同軸心にしてそのノズルを火炉１に
向けて取付けされる。バーナ８ａの中心に位置す
る重油バーナ１２ａの端部には保炎板１２が取付
けされ、これを囲む筒１２ｂから一次空気が供給
され、二次ベーン１１を経由して二次空気１０が
供給される。二次ベーン１１を囲む筒状体１１ａ
の外周にはスロート５と同軸心にガスエレメント
（燃料噴霧管）３が複数本（図示では８本）位置
する。このガスエレメント３の前端にはガスノズ
ル１３が取付けされている。ガスノズル１３には
主燃料噴霧孔６と副燃料噴霧孔７が設けられ、第
７図に示すように主孔燃料噴霧６′、副孔燃料噴
霧７′が噴出する。副孔燃料噴霧は図示の如くイ
ンペラ１２を囲むようにして燃焼し、燃焼用空気
流れにより保炎域４を形成する。何れも主燃料噴
霧６′と副燃料噴霧７′の保炎板１２に対する噴霧
方向の相対位置方向を同じくするようにガスノズ
ル１３を設けている。このようなガスバーナ８ａ
でガスを燃焼させるときはほぼ一定した形状の燃
焼、即ちほぼ一定する振動的発熱率変化をする。
その燃焼に伴う炉内の圧力変動は添付する表１の
欄「安定」の欄に示す圧力変動の「波形特性」
の線図で示すようなものとなる。その圧力振幅と
周波数の関係は平均した３つの山をもつような周
波数分布を示す。

しかしこの波形特性がその炉の固有の振動学的
振動モード（波形と周波数）と近似したものとな
るときは、、の順にその波形特性は変化し
て行き、に示す如く周波数特性で大きな圧力振
幅を一つもつ所謂共鳴振動を生じ遂には炉を破損
するに至るものである。

共鳴振動に成長する条件としては、 (1) 必要条件としては、圧力振動の振幅の最大な
ところ、所謂圧力の腹（その一つは水管壁近傍
となる。）に「発熱位置」すること。

(2) 十分条件としては、圧力変動と発熱変動が同
期すること である。

しかし(1)の必要条件はボイラ等燃焼炉の構造上
バーナは所謂片側閉になる水管壁に取付けされる
ものであり避けることができない。従つて(2)の条
件を満たさないようにすることが共鳴振動防止必
要である。

この発明はこのような十分条件を満たさないよ
うに燃料噴霧管を配置し、共鳴振動を起こすよう
な燃焼モードを形成しないような燃焼をさせる方
法とその装置を提案することを目的とする。

要するにこの発明は燃焼炉に、その燃焼炉固有
の音響学的振動モードとは異なる振動的発熱率変
化をする複数本のバーナ設け燃焼させる共鳴振動
防止燃焼方法であることを特徴とする。

さらにまたこの発明は、燃料噴霧方向と燃料噴
霧量を異にするノズル付き燃料噴霧管２本以上よ
りなる燃料噴霧管の組をバーナスロート内周に沿
い複数組配置した共鳴振動防止燃焼装置であるこ
とを特徴とする。

この発明の実施にかゝる装置を第８図〜第１１
図により説明する。なお第８図、第９図で添付す
る符号で、第６図、第７図と同一のものは同一部
材を示す。この発明の実施にかかるバーナ８では
燃料噴霧管３はガスノズルが主燃料噴霧孔６と副
燃料噴霧孔７をもつガスノズル１３を装着したも
のと、主燃料噴霧孔６のみを有するガスノズル１
３″を装着したものとの２種類とし、バーナスロ
ート５の内周に沿い第９図に示す如くガスノズル
１３装着の燃料噴霧管とガスノズル１３″を装着
した燃料噴霧管との組を複数組（第９図では４
組）設けるものである。即ちガスノズル１３とガ
スノズル１３′はバーナスロート内周に沿い交互
に位置する形となる。このような組合せをすると
発熱率変化のパターンは第１１図に示すq′₁q′₂q′₃
の３つの形態のものが複合した形となり、複雑な
波形のものとなつて炉の固有の音響学的振動モー
ドと異なる波形の発熱率変化をすることとなり炉
の共鳴振動を生ずることがない。

また第１０図に示す如くガスノズルA₁は主燃
料噴霧孔６のみをまたは主燃料噴霧孔６と副燃料
噴霧孔７をもつものとし、ガスノズルB₁は主燃
料噴霧孔６のみをもつものとし、ガスノズルC₁
は副燃料噴霧孔７のみをもつものとし、この
A₁B₁C₁の組を複数組（図示例では３組）バーナ
スロート内周に沿つて配置してもよい。この場合
主燃料噴霧孔からのガス噴出方向は図示如く６_A，
６_Bと内周接線方向についてα_A，α_Bと変化させる
とよい。

また燃料供給量はガスノズルごとに変化させる
こともよい。

副燃料噴霧孔からの燃料噴出量と主燃料噴霧孔
からの燃料噴出量の比は通常0.1〜0.5のものを採
用している。

第１２図は振動指数（％）と二段燃焼比（％）
との関係を示すもので、イ曲線は従来のバーナ、
ロ曲線はこの発明にかかるバーナを使用したとき
のものを示す。ここに振動指数とは火炉ドラフト
の変動を検出し周波数分析をし、炉の気柱の固有
振動数と共鳴する共鳴成分周波数がどの位の比率
で存在するかを示すものであり、二段燃焼比率と
は第二段のバーナに供給する燃料と第一段バーナ
との燃料供給量との比率を言う。実験に供した実
験炉は火炉奥行2m、バーナ２個、燃料として
LPG使用、燃焼量、7.5m³Ｎ／hr、空気過剰率10
％の条件のものである。

この実験の結果でも本願発明にかかるものが振
動指数は従来のバーナより常に低いものであるこ
とが確かめられた。

また実稼動しているボイラにもこの発明にかか
るバーナを装着し実施した結果共鳴振動発生を防
止する効果の大であることが確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図はボイラの火炉の斜視図、第２図は工業
用炉の斜視図、第３図は第１図の奥行きＤ、炉幅
Ｗ、炉高Ｈのいずれについてもの気柱の固有振動
パターン、第４図は第２図に対応する気柱の固有
振動パターン、第５図はガス燃料配管の模式斜視
図、第６図は従来のバーナの側断面図、第７図は
第６図のＡ―Ａ視図、第８図はこ発明にかかるバ
ーナの側断面図、第９図は第８図のＢ―Ｂ視図、
第１０図はこの発明の他の実施例を示すバーナ正
面図、第１１図はこの発明の実施の場合の発熱率
変化と時間線図、第１２図は振動指数と二段燃焼
比の関係線図、第１３図は音波の疎密波と正弦音
波の関係の説明図、第１４図は両端閉の閉管につ
いての音響学的振動モードの説明図である。 １……火炉、３……燃料噴霧管、６……主燃料
噴霧孔、７……副燃料噴霧孔、８，８ａ……バー
ナ、１３……ガスノズル。

【表】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼炉に、その燃焼炉固有の音響学的振動モ
   ードとは異なる振動的発熱率変化をする複数本の
   バーナ設け燃焼させることを特徴とする共鳴振動
   防止燃焼方法。 ２ 燃料噴霧方向と燃料噴霧量を異にするノズル
   付き燃料噴霧管２本以上よりなる燃料噴霧管の組
   をバーナスロート内周に沿い複数組配置したこと
   を特徴とする共鳴振動防止燃焼装置。 ３ 主燃料噴霧孔のみを有するノズル付き燃料噴
   霧管と、主燃料噴霧孔と副燃料噴霧孔とを有する
   ノズル付き燃料噴霧管とをバーナスロート内周に
   沿い交互配置したことを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載の共鳴振動防止燃焼装置。