JPH0658512A - 窒素酸化物低発生濃淡バーナに於けるｃｏ発生低減方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】家庭用や小型業務用等の小型の燃焼装置に於い
て、高負荷燃焼を実現する窒素酸化物低発生濃淡バーナ
の特性を維持しながらＣＯの発生を効果的に抑制する 【構成】燃料濃厚な混合気を供給する濃バーナユニット
と燃料希薄な混合気を供給する淡バーナユニットを隣接
させて交互に列設して構成し、淡バーナユニットに供給
するガス量を濃バーナユニットに供給するガス量よりも
大きくした濃淡バーナに於いて、面積熱負荷が一定の条
件のもとで淡バーナユニットと濃バーナユニットの隣接
線の長さの総和を大きく設定してＣＯの発生を低減す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、家庭用や小型業務用等
の小型の燃焼装置に使用する窒素酸化物低発生濃淡バー
ナに於けるＣＯ発生低減方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】各種燃焼装置に於けるバーナの燃焼ガス
中の窒素酸化物（ＮＯｘ）は環境破壊の原因となるた
め、燃焼装置に使用するバーナには、このＮＯｘの発生
量を低減するために種々の対策が開発され、講じられて
いる。その対策例として、過剰空気の燃焼により火炎温
度を低下させてサーマルＮＯｘを抑制する濃淡燃焼法や
希薄燃焼法の適用がある。

【０００３】しかし、これらの対策は、法的な規制があ
る産業用等の大型燃焼機器や業務用ボイラに対してなさ
れており、家庭用や小型業務用等の小型の燃焼装置で
は、騒音やコスト等の問題があるため、十分な対策は施
されていない。

【０００４】即ち、大型燃焼機器に於いては騒音に対し
ての対策条件が厳しくなく、また燃焼室が大きくとれた
り、燃焼用ファンの能力が大きくとれることから、希薄
火炎や分割火炎を形成させたり、乱流燃焼や緩慢燃焼等
の様々な燃焼法を適用して効果的にＮＯｘ低減対策を施
すことができ、完全燃焼させることもできた。

【０００５】例えば濃淡燃焼法を適用する場合、混合気
を希薄にすればするほど、空気過剰燃焼のため燃焼速度
が小さくなり、かつ噴出速度が大きくなるため、火炎長
が長くなる傾向にあるが、大型燃焼機器に於いては上記
乱流燃焼を適用することができるため、乱流火炎内に生
ずる渦により火炎長さを短くすることができ、また燃焼
室も大きくとれることから、火炎が熱交換器に達するこ
とによる不完全燃焼、そしてＣＯの発生を防止すること
ができた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一方、小型燃焼機器、
とりわけ小型の高負荷燃焼機器では大型燃焼機器と比較
して低ＮＯｘ対策が難しかった。例えば大型燃焼機器に
採用されている濃淡燃焼法を小型燃焼機器に適用する場
合、小型燃焼機器では燃焼音を極力小さくする必要があ
るため上記乱流燃焼を適用することはできず、できるだ
け層流火炎の燃焼を実現しなければならないが、過剰空
気の燃焼では、空気過剰燃焼のため燃焼速度が小さくな
ることに加えて混合気の噴出速度は大きくなるため火炎
長が長くなってしまう。即ち、図１０は天然ガス（１at
m，室温）の燃焼速度を空気比に対して表したもので、
この図から、過剰空気にしていくと燃焼速度が小さくな
っていくことがわかる。このように混合気を希薄にすれ
ばするほど、空気過剰燃焼のため燃焼速度が小さくなる
ことに加え、混合気の噴出速度は大きくなるため、火炎
長が長くなってしまい、燃焼室の大きさが制限される小
型燃焼機器では火炎が熱交換器に到達してしまって不完
全燃焼、そしてＣＯの発生という不都合が生じる。火炎
長を短くする方法として、炎口面積を大きくすることに
より噴出速度を小さくする方法があるが、この方法で
は、インプットを小さくした時にバックを起こしたりし
てターンダウン比（ＴＤＲ）が小さくなってしまうし、
面積熱負荷が低下して高負荷燃焼でなくなってしまう。
このような理由により従来は、濃淡燃焼法を小型の高負
荷燃焼機器、例えば100万kcal/m²h以上の高負荷燃焼給
湯器に適用することはできなかった。そこで本発明で
は、このような従来の課題を解決し、濃淡燃焼法を小型
の高負荷燃焼機器に適用してＮＯｘの低減を図ると同時
に、その場合に於けるＣＯの発生を抑制する方法を提供
することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明では、燃料濃厚な混合気を供給する濃バ
ーナユニットと燃料希薄な混合気を供給する淡バーナユ
ニットを隣接させて交互に列設して構成し、淡バーナユ
ニットに供給するガス量を濃バーナユニットに供給する
ガス量よりも大きくした濃淡バーナに於いて、面積熱負
荷が一定の条件のもとで淡バーナユニットと濃バーナユ
ニットの隣接線の長さの総和を大きく設定してＣＯの発
生を低減する窒素酸化物低発生濃淡バーナに於けるＣＯ
発生低減方法を提案する。

【０００８】また本発明では上記方法を適用するバーナ
を面積熱負荷が100万kcal/m²h以上の高負荷燃焼バーナ
とし、淡バーナユニットと濃バーナユニットの隣接線の
長さの総和を、燃焼熱量1000kcal/h当たり50mm以上の適
値に設定する窒素酸化物低発生濃淡バーナに於けるＣＯ
発生低減方法を提案する。

【０００９】

【作用】淡バーナユニットに於ける燃料希薄な混合気に
よる過剰空気の燃焼は単独では火炎の安定性が悪いので
あるが、これらの火炎に隣接して濃バーナユニットに於
ける燃料濃厚な混合気による安定した火炎が存在してい
るので、これらの安定した火炎が種火としての作用をし
て過剰空気の火炎を安定化すると共に、燃料濃厚な混合
ガスの火炎から過剰空気の火炎への熱の移動により、過
剰空気の火炎温度が上昇して燃焼速度の増大が図られ、
火炎の短炎化に寄与する。火炎が短炎化すると小型の燃
焼室であっても火炎の先端が熱交換器等に到達しにくく
なり、従って火炎の冷却に起因するＣＯの発生が低減さ
れる。

【００１０】炎口の外形が同様で面積熱負荷が一定の条
件のもとで、淡バーナユニットと濃バーナユニットの隣
接線の長さの総和を大きくすると、淡バーナユニットと
濃バーナユニットの火炎の夫々が細分化されると共に夫
々の火炎の接触が良好に行われるので、上述した火炎の
短炎化が十分に行われて十分なＣＯ低減効果を得ること
ができる。

【００１１】かかる火炎の短炎化では、燃料希薄な混合
気の噴出速度を小さくせず、かつ炎口負荷を小さくしな
いので、インプットを小さくした時にバックを起こした
りしてターンダウン比が小さくなってしまうことがな
い。

【００１２】しかしながら上記隣接線の長さの総和を非
常に大きく設定することは、淡バーナユニットと濃バー
ナユニットの数を多くして、これらを高密度に交互に実
装する必要性が生じ、材料費や組立等の面からコストが
高騰して実際的ではない。従って上記総和の長さは、Ｃ
Ｏの低減とコストを勘案して適値に設定するのが良い。

【００１３】例えば、以上の本発明方法を面積熱負荷が
100万kcal/m²h以上の高負荷燃焼バーナに適用した場
合、淡バーナユニットと濃バーナユニットの隣接線の長
さの総和を、燃焼熱量1000kcal/h当たり50mm以上の適値
に設定するのが効果的である。

【００１４】

【実施例】次に本発明の実施例を図について説明する。
図１、図２は本発明のバーナの構成の一実施例を概念的
に表した夫々、一部を断面表示した斜視図、正面図であ
り、これらの図に於いて符号１ａ，１ｂは夫々スリット
状の炎口ａ，ｂを列設した濃バーナユニット、淡バーナ
ユニットを示すものである。これらのバーナユニット１
ａ，１ｂを隣接させて交互に列設してバーナを構成して
いる。図示の実施例では、両端に濃バーナユニット１
ａ，１ｂを配設して、４つの濃バーナユニット１ａと３
つの淡バーナユニット１ｂを列設してバーナを構成して
いる。このバーナの全体としてのバーナユニット面の外
形は図中符号２で示すように矩形状となっており、この
バーナユニット面２の面積熱負荷は100万kcal/m²h以上
の高い値に設定している。

【００１５】上記バーナユニット１ａ，１ｂには適宜の
燃料混合手段（図示省略）を経て、夫々燃料濃厚な混合
気、燃料希薄な混合気を供給して燃焼させる構成として
おり、これらの燃料混合手段はブンゼンバーナ、その他
の予混合バーナに用いられる適宜の構成を適用すること
ができる。

【００１６】そしてこれら濃バーナユニット１ａ，淡バ
ーナユニット１ｂの夫々に供給する混合気の空気比は理
論空気量λ＝１とすると、例えば夫々λ≒１．６〜２．
２、λ≒０．５〜０．８となるように設定する。また夫
々のバーナユニット１ａ，１ｂに供給する燃料ガス量の
総量比は、例えば濃バーナユニット１ａ：淡バーナユニ
ット１ｂ＝８：２〜６：４程度と、淡バーナユニット１
ｂに供給するガス量の総量を、濃バーナユニット１ａに
供給するガス量の総量よりも大きく設定する。しかしな
がらこれらの夫々の空気比や燃料ガス量の比は、これら
の範囲を越えて適宜に決定することができる。

【００１７】以上のような混合気の供給により、濃バー
ナユニット１ａの炎口ａ上には燃料濃厚な混合気の燃焼
による火炎３ａが形成されると共に、淡バーナユニット
１ｂの炎口ｂ上には燃料希薄な混合気の燃焼による火炎
３ｂが形成され、これらは隣接により互いに接触して燃
焼する。この際、濃バーナユニット１ａはバーナの両端
側に位置しているので、火炎３ａの両側には必ず火炎３
ｂが存在することになる。

【００１８】火炎３ｂは燃料希薄な混合気の燃焼による
ものであるので単独では安定性が悪いのであるが、その
両側に位置する火炎３ａは燃料濃厚な混合気の燃焼によ
るものであるため安定しており、この安定している火炎
３ａが種火として作用して燃料希薄な混合気による火炎
３ｂを安定化する。従って燃料希薄な混合気による火炎
３ｂのリフトや振動燃焼が起こり難く、騒音の発生が抑
制される。

【００１９】以上の如くして安定化される燃料希薄な混
合気の燃焼は、過剰空気の燃焼であるため、その冷却作
用により火炎３ａの温度が低温に維持されてＮＯｘの発
生が低減される。またこのように燃料希薄な混合気とし
て燃焼に供される燃料ガス量の方が、燃料濃厚な混合気
として供される燃料ガス量よりも多いので、バーナ全体
の燃焼量に対してのＮＯｘの発生量も少ない。

【００２０】図７は、本発明のバーナに於けるＮＯｘ排
出特性の一例を表したものである。この例は図に示すよ
うなバーナ（尚、各バーナユニット１ａ，１ｂに於ける
炎口ａ，ｂの形状等の各種構成は適宜に選定する。）に
於いて、濃バーナユニット１ａに於ける燃料濃厚な混合
気の空気比をλ＝０．４〜０．７と設定すると共にバー
ナ全体としての空気比が図中横軸に示す値となるように
淡バーナユニット１ｂに於ける燃料希薄な混合気の空気
比を調節して燃焼させた場合のＮＯｘの発生量を表した
ものである。尚、表示の空気比は、バーナユニット１
ａ，１ｂの周囲に冷却用空気を流した場合に於いて、こ
の冷却用空気を含んだ値であり、（ ）内の空気比がこ
の冷却用空気を含まない値である。また、淡バーナユニ
ット１ｂに於いて燃焼させる燃料ガス量と第１のバーナ
ユニット１ａに於いて燃焼させる燃料ガス量の比は、
７．５：２．５としている。図に示すように本発明を適
用するバーナでは、従来の一般的なブンゼンバーナと比
較してＮＯｘの発生量が大幅に低減されていることがわ
かる。

【００２１】また図８は本発明のバーナに於いて、淡バ
ーナユニット１ｂの火炎３ｂのリフト限界の一例を他の
ものと比較して示すものである。まずＡは本発明を適用
するバーナに於いて、淡バーナユニット１ｂにのみ燃料
希薄な混合気を供給し、濃バーナユニット１ａの火炎３
ａによる保炎を行わない場合に於ける淡バーナユニット
１ｂの火炎３ｂのリフト限界を示すもので、この限界は
λ＝０．７程度である。これに対してＢは保炎機構を有
する従来の一般的なブンゼンバーナに於けるリフト限界
を示すもので、この限界はλ＝１．３程度である。そし
てＣは本発明を適用するバーナに於いて夫々のバーナユ
ニット１ａ，１ｂの燃焼を同時に行わせた場合に於ける
淡バーナユニット１ｂのリフト限界を示すもので、λ＝
３．０程度である。

【００２２】このように本発明を適用するバーナでは、
従来の一般的なブンゼンバーナと比較して、より高過剰
空気の燃焼を安定的に行え、こうして高過剰空気の燃焼
によるＮＯｘの低減を図ることができることがわかる。

【００２３】次に、淡バーナユニット１ｂの火炎３ｂに
対しての濃バーナユニット１ａの火炎３ａの影響は、以
上説明した燃焼安定化作用としてあらわれると共に、燃
料濃厚な混合ガスの火炎３ａから過剰空気の火炎３ｂへ
の熱の移動による、火炎３ｂ温度の上昇にあらわる。こ
の火炎３ｂ温度の上昇は、燃料希薄な混合気の燃焼速度
の増大にあらわれ、このため火炎３ｂが短炎化する。火
炎３ｂが短くなると、小型の燃焼室であっても火炎の先
端が熱交換器等に到達しにくくなり、従って火炎の冷却
に起因するＣＯの発生が低減される。

【００２４】淡バーナユニット１ｂの火炎３ｂに対する
上述した影響は、この淡バーナユニット１ｂの両側の濃
バーナユニット１ａの火炎３ａに起因する。従って上述
した影響は、面積熱負荷が一定の条件のもとで、淡バー
ナユニット１ｂと濃バーナユニット１ａの単位燃焼熱量
当たりの隣接線の長さＡと相関する。図１に示すバーナ
の場合には、各バーナユニット１ａ，１ｂ個々の長さを
Ｌとすると、隣接線の長さの総和は６Ｌとなり、Ａは６
Ｌ×Ｃ（但しＣは単位燃焼熱量／全体燃焼熱量）とな
る。従ってバーナユニット面２の外形が同様で面積熱負
荷が一定の条件のもとで、上記隣接線の長さの総和Ａを
大きくすると、淡バーナユニット１ｂと濃バーナユニッ
ト１ａの火炎３ｂ，３ａの夫々が細分化されると共に、
夫々の火炎３ｂ，３ａの接触がより良好に行われるの
で、上述した火炎３ｂの短炎化が十分に行われて十分な
ＣＯ低減効果を得ることができる。

【００２５】図９は、本発明を適用するバーナに於ける
ＣＯ排出特性の一例を表したものである。この例は図に
示すようなバーナ（尚、各バーナユニット１ａ，１ｂに
於ける炎口ａ，ｂの形状等の各種構成は適宜に選定す
る。）に於いて、バーナユニット面２の面積熱負荷を10
0万kcal/m²hとし、燃焼熱量1000kcal/h当たりの上記隣
接線の長さＡと排出されるＣＯとの関係を実験により得
たものである。この図からわかるように、ＣＯの排出量
は、Ａが30〜50mmの範囲では、Ａが大きくなるにつれて
急激に低下し、50mm以上では低い値に飽和していること
がわかる。従って、上述したようなバーナの条件に於い
ては、Ａは燃焼熱量1000kcal/h当たり50mm以上の適値に
設定することでＣＯの発生を低く抑制し得ることがわか
る。

【００２６】しかしながらＡ＞50mm以上とはいっても、
このＡの値を非常に大きく設定すること、即ちＡ≫50mm
以上と設定することは、淡バーナユニット１ｂと濃バー
ナユニット１ａの数を多くして、これらを高密度に交互
に実装する必要性が生じ、材料費や組立等の面からコス
トが高騰して実際的ではなく、またＣＯの排出量は50mm
以上に於いて低い値に飽和していることから大幅な低減
効果を得ることもできない。従って長さＡは、ＣＯの低
減とコストを勘案して適値に設定するのが良い。

【００２７】次に本発明を適用するバーナの他例を説明
すると、まず図３、図４のものでは、濃バーナユニット
１ａは上側にスリット状の炎口ａを設けた先端噴出部４
を細く形成して側壁５との間に空間部を構成しており、
そして先端噴出部４には袖火炎口６を形成している。一
方、淡バーナユニット１ｂは先端部にリボン７を設置し
て多数の炎口を形成している。

【００２８】また図５は、更に他の実施例を示すもの
で、この実施例のバーナでは上記図３、図５の構成に於
ける濃バーナユニット１ａのスリット状の炎口ａに代え
て、淡バーナユニット１ｂの炎口ｂと同様に先端部にリ
ボン８を設置して多数の炎口ａを形成すると共に、袖火
炎口６、そして外側に間隔をおいて袖火形成用の側壁５
を形成したものである。

【００２９】更に図６は、更に他の実施例を示すもの
で、この実施例のバーナは、濃バーナユニット１ａ、淡
バーナユニット１ｂを構成する多数の炎口ａ，ｂをセラ
ミック板９により形成しており、従って濃バーナユニッ
ト１ａ、淡バーナユニット１ｂ、そして全体としてのバ
ーナを一体に構成している。即ち、このセラミック板９
には、多数の炎口ａ，ｂを夫々直線状に列設して炎口群
を構成すると共に、これらの炎口群を交互に列設して、
濃バーナユニット１ａ、淡バーナユニット１ｂを交互に
列設する構成としている。そして淡バーナユニット１ｂ
を構成する炎口ｂは濃バーナユニット１ａを構成する炎
口ａよりも径を小さく形成しているが数を多く、図に於
いては２列に配列することにより、炎口ｂに燃料希薄な
混合気を多量に供給し得る構成としている。

【００３０】以上に説明した実施例の他、本発明を適用
するバーナは、燃料濃厚な混合気を供給する濃バーナユ
ニットと燃料希薄な混合気を供給する淡バーナユニット
を隣接させて交互に列設して構成し、淡バーナユニット
に供給するガス量を濃バーナユニットに供給するガス量
よりも大きくした濃淡バーナであれば、具体的な構成は
適宜である。

【００３１】

【発明の効果】本発明は以上の通りであるので、高負荷
燃焼を実現する窒素酸化物低発生濃淡バーナの特性を維
持しながらＣＯの発生を効果的に抑制することができ、
以下に示すような効果がある。 燃焼室の高さを小さくすることができる。 インプットを小さくしてもバックを防止することが
でき、ターンダウン比を大きくとれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用するバーナの構成例を概念的に表
した一部断面斜視図である。

【図２】図１のものの正面図である。

【図３】本発明を適用するバーナの構成の他の例を概念
的に表した断面図である。

【図４】本発明を適用するバーナの構成の、更に他の例
を概念的に表した断面図である。

【図５】本発明を適用するバーナの構成の、更に他の例
を概念的に表した断面図である。

【図６】本発明を適用するバーナの構成の、更に他の例
を概念的に表した断面図である。

【図７】本発明を適用するバーナによるＮＯｘ発生量を
従来のブンゼンバーナと比較して示した説明図である。

【図８】本発明を適用するバーナに於ける淡バーナユニ
ットの火炎のリフト限界の一例を他のものと比較して示
す説明図である。

【図９】本発明を適用した場合のＣＯ排出特性を示す説
明図である。

【図１０】空気比と燃焼速度との相関関係を示す説明図
である。

【符号の説明】

１ａ 濃バーナユニット １ｂ 淡バーナユニット ２ バーナユニット面 ３ａ，３ｂ 火炎 ４ 先端噴出部 ５ 側壁 ６ 袖火炎口 ７ リボン ８ リボン ９ セラミック板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 望月 公雄 静岡県富士市西柏原新田201番地 高木産 業株式会社内 (72)発明者 秋山 茂俊 静岡県富士市西柏原新田201番地 高木産 業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料濃厚な混合気を供給する濃バーナユ
   ニットと燃料希薄な混合気を供給する淡バーナユニット
   を隣接させて交互に列設して構成し、淡バーナユニット
   に供給するガス量を濃バーナユニットに供給するガス量
   よりも大きくした濃淡バーナに於いて、面積熱負荷が一
   定の条件のもとで淡バーナユニットと濃バーナユニット
   の隣接線の長さの総和を大きく設定してＣＯの発生を低
   減することを特徴とする窒素酸化物低発生濃淡バーナに
   於けるＣＯ発生低減方法
2. 【請求項２】 請求項１のバーナは、面積熱負荷が100
   万kcal/m²h以上の高負荷燃焼バーナとし、淡バーナユニ
   ットと濃バーナユニットの隣接線の長さの総和は、燃焼
   熱量1000kcal/h当たり50mm以上の適値に設定することを
   特徴とする窒素酸化物低発生濃淡バーナに於けるＣＯ発
   生低減方法