JPH0791611A

JPH0791611A - 低ＮＯｘ燃焼装置及び水管ボイラ

Info

Publication number: JPH0791611A
Application number: JP5240487A
Authority: JP
Inventors: Saburo Nakamura; 三郎中村; Kenichi Araki; 憲一荒木; Koji Ueda; 公史上田; Shigetoshi Kurokawa; 重利黒川
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 1995-04-04

Abstract

(57)【要約】【目的】比較的大容量の燃焼装置において、液体燃料
と燃焼用空気との予混合を効果的に行い、液体燃料の蒸
発の効率を良くして、ＮＯｘの排出を抑制した予混合燃
焼方式の燃焼装置を提供すること。【構成】燃焼室のバーナ取り付け面に複数の単位バー
ナを同心状に配置した低ＮＯｘ燃焼装置において、各単
位バーナが独立した排ガス自己循環手段を有し、この各
単位バーナを互いに間隔を存して配置したことを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ＮＯｘ（窒素酸化
物）の排出を抑制した低ＮＯｘ燃焼装置及びこれを用い
た水管ボイラに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の液体燃料燃焼装置は、燃料と燃焼
空気を異なる噴出口から供給し、燃焼室内で混合させな
がら燃焼させる拡散燃焼を用いたものが一般的である。
こうした、拡散燃焼方式では例え燃料を希薄な条件下で
燃焼させても、又空気不足の状態で燃焼させても最終的
に適正空気比で燃焼を完結させようとすれば燃料と空気
との混合過程において空気比が１付近となる領域が必ず
存在し燃焼火炎中に局部的高温部ができるために、ＮＯ
ｘの低減が困難である。こうした拡散燃焼に対して、予
混合燃焼の割合を増加させ火炎中の局部高温部を少なく
することで低ＮＯｘ化が期待できる。この予混合燃焼を
実現するためには、単に燃料と空気とを混合しただけで
は困難であり、液体燃料を効果的に蒸発させる手段が必
要である。こうした予混合燃焼を行う燃焼装置が、特開
昭60-232408 号公報にて提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来例においては、燃焼空気通路の圧力損失が大きいの
で、供給空気の噴出速度と燃料噴出速度の間に大きな相
対速度差を設けて液滴の蒸発を促進するという観点から
効果的でない。特に、燃焼装置の大容量化に伴い燃料噴
出量を増加させていくと、燃焼空気流速も増加させない
と効果的な蒸発ができないことから、燃焼装置の大容量
化において問題が顕著となる。この空気流速を増加させ
る手段としては送風機の大容量化が考えられるが、送風
機の大型化や騒音の発生などの課題が生ずる。本発明
は、比較的大容量の燃焼装置において、液体燃料と燃焼
用空気との予混合を効果的に行い、液体燃料の蒸発の効
率を良くして、ＮＯｘの排出を抑制した予混合燃焼方式
の燃焼装置を提供することを目的とする。又、ＮＯｘの
排出量が少なく、熱交換効率の良好な水管ボイラを提供
することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するためになされたものであって、請求項１の発明
は、燃焼室のバーナ取り付け面に複数の単位バーナを同
心状に配置した低ＮＯｘ燃焼装置において、各単位バー
ナが独立した排ガス自己循環手段を有し、この各単位バ
ーナを互いに間隔を存して配置したことを特徴とし、請
求項２の発明は、請求項１に記載の低ＮＯｘ燃焼装置に
おいて、単位バーナの排ガス自己循環手段は、燃料を円
錐状に噴射する燃料噴出ノズルを先端に有する燃料噴出
パイプの周囲にこれと間隔を存して同心円状に配置され
る複数の燃焼空気噴出筒を備え、前記燃焼空気噴出筒か
ら噴出される燃焼用空気とこの燃焼用空気の噴出流によ
って燃焼排ガスを誘引し、自己循環させる構成としたこ
とを特徴とし、請求項３の発明は、請求項２に記載の低
ＮＯｘ燃焼装置において、各単位バーナは燃焼空気噴出
筒の少なくとも先端を包囲しこの先端から燃焼空気噴出
方向に所定の長さを有する蒸発筒を配置し、この蒸発筒
内で燃料と燃焼空気と排ガスとを予混合させ、蒸発させ
る構成としたことを特徴とし、請求項４の発明は、請求
項２に記載の低ＮＯｘ燃焼装置において、各単位バーナ
において燃焼空気噴出通路と排ガス噴出通路とが燃料噴
出パイプの周囲に交互に設けられ、隣接する単位バーナ
の互いに対抗する部位には２次空気噴出通路と排ガス噴
出通路が存在するように構成したことを特徴とし、請求
項５の発明は、請求項２に記載の低ＮＯｘ燃焼装置にお
いて、単位バーナの基準ＮＯｘ値と燃焼空気噴出速度と
から単位燃焼量を決定し、この単位燃焼量と燃焼装置全
体の総燃焼量とから求めた数の単位バーナを有すること
を特徴とし、請求項６の発明は、互いに間隔を存して設
けた一対のヘッダ間に多数の水管を環状に配置してその
内側を円筒状の燃焼室とした水管ボイラにおいて、前記
燃焼室のバーナ取り付け面にそれぞれ独立した排ガス自
己循環型手段を有する複数の単位バーナを同心状に互い
に間隔を存して配置した低ＮＯｘ燃焼装置を備えたこと
を特徴とする。

【０００５】

【作用】請求項１及び２の発明によれば、燃焼装置が複
数の単位バーナに分割され、しかも、各単位バーナが独
立した排ガス自己循環手段を有し、互いに間隔を存して
配置されているので、総燃焼量を単位バーナ数で割るこ
とで１単位のバーナの燃焼量を少なくし、各単位バーナ
の近傍で自己循環する排ガスによって燃料の蒸発が効果
的に行われる。そして、燃焼装置全体として見た場合、
局部的高温部の少ない火炎体積の大きい火炎が形成され
る。請求項３の発明によれば、蒸発筒内で燃焼空気噴出
筒から高速で噴出する燃焼用空気が流路の急激な拡大に
よって拡散することで、燃焼用空気と高温の排ガスと液
滴との燃料希薄の予混合が効果的に行われ、微粒状の液
滴の蒸発が促進される。請求項４の発明によれば、複数
の単位バーナが隣接しても燃焼排ガスの自己循環をスム
ーズが行われる。請求項５の発明によれば、必要以上に
単位時間当たりの燃焼空気噴出速度を大きくすることな
く、全体として低ＮＯｘ燃焼がが実現される。請求項６
の発明によれば、ＮＯｘの排出量が少なく、しかも燃焼
装置により形成される火炎は比較的短く、且つ燃焼室内
形状に相応した火炎体積の大きい火炎形状とすることが
でき、水管と火炎との熱交換効率が向上する。そして、
水管による火炎の冷却が広い範囲で効果的に行われるの
で、一層の低ＮＯｘ燃焼が行われる。

【０００６】

【実施例】本発明の一実施例を以下に図面に従い説明す
る。図１は同実施例の燃焼装置の要部拡大縦断面図、図
２は同実施例の燃焼装置の要部底面図、図３は図１の要
部拡大斜視図、図４は同燃焼装置を装着した水管ボイラ
の一種である多管式貫流ボイラの縦断面図である。

【０００７】図４において、１は、多管式貫流ボイラ等
の円筒状缶体で、環状形とした上部ヘッダ（管寄せ）２
及び下部ヘッダ３を多数の垂直水管で連結し、これら水
管は半径方向に間隔をおいた２列の環状水管列４，５と
し、内方の環状水管列４内側に円筒状燃焼室６を形成
し、内外の水管列４，５間に環状の燃焼ガス通路７を形
成し、内方の水管列４には燃焼ガス通路７と燃焼室６と
を連通する燃焼室開口部（図示しない）を設け、外方の
水管列５には煙道（図示しない）と燃焼ガス通路７とを
連通する燃焼ガス通路開口部（図示しない）を設けてい
る。この燃焼室開口部と燃焼ガス通路開口部とは互いに
約１８０度位置をずらせて形成されている。この缶体１
の構造は所謂ωフロー缶体と呼ばれる構造のものである
が、缶体構造としてはこれに限定されるものではなく、
少なくとも環状の水管列とその内側に円筒状燃焼室を形
成した缶体構造であれば良い。

【０００８】８は缶体１の上部に設けたウインドボック
ス（風箱）で、図１に示すように内部に複数の整流板
９、10を同軸状に配置している。この整流板９、10はウ
インドボックス８の入口11に連通接続される送風機（図
示しない）から後述のマルチバーナ型燃焼装置Ｂに向け
て供給する燃焼用空気の偏流を防止し、均一な流れを得
るためのものである。そして、このウインドボックス８
の底板12を、マルチバーナ型燃焼装置Ｂの取り付け部
（面）として用いている。

【０００９】次に、図１〜図３に従いマルチバーナ型燃
焼装置Ｂの構造について説明する。このマルチ型燃焼装
置Ｂはウインドボックス８の底板12の略中心に装着する
パイロットバーナ兼用の第１単位バーナ13と、この単位
バーナ13の周囲にこのバーナ13と半径方向に所定の間隔
D1を存すると共に、互いに周方向に所定の略等間隔D2を
存して装着する第２単位バーナ14A 、14B ・・・とから
構成される。

【００１０】第１単位バーナ13及び第２単位バーナ14A,
14B は互いに独立した排ガス自己循環手段を有した圧力
噴霧型の液体燃焼バーナとして基本的には同様な構造で
ある。ここで独立した排ガス自己循環とは各バーナ単体
で排ガス自己循環を行うという意味であり、より具体的
には各バーナに排ガス自己循環を促進するための手段を
備えているという意味である。そして、後述するよう
に、各単位バーナ13、14A,14B は各バーナの噴霧近傍の
予混合ゾーンで噴霧燃料と燃焼空気と自己循環する排ガ
スとを予混合し、予混合ゾーンの下流側で燃焼を行う構
成を有し、燃焼空気噴出速度の増加に伴い発生するＮＯ
ｘは低減される特性を有している。こうした特性から、
単位バーナの基準ＮＯｘ値（目標ＮＯｘ値）と送風機性
能などで規定される燃焼空気噴出速度とから単位バーナ
の単位燃焼量（インプット量）の上限値を求め、求めた
単位燃焼量で燃焼装置の総燃焼量を割ることで、必要と
する単位バーナの数を求める。単位燃焼量を求める理由
は、設定燃焼空気噴出速度に対してそれ以上に燃焼量を
増大させるとＮＯｘ値が増大するからである。

【００１１】ここで、第２単位バーナ14A,14B の構造に
ついて説明する。第２単位バーナ14A と第２単位バーナ
14B とは同じ構造であるので、第２単位バーナ14A につ
いて説明する。15は底板12に形成の１次空気孔16に一端
（上端）を取り付けた１次空気噴出筒、17は１次空気噴
出筒15と少許の間隔を存してこれに内包されるようにこ
れを貫通する液体燃料噴出パイプで、先端を底板12より
も下流側（下方）に所定長さ突出させて取り付け、先端
に液体燃料の略円錐状噴射面Ｆを形成する燃料ノズル
（噴出孔）18を設けている。19、19・・は１次空気噴出
筒15の外周側にこれと壁面を接するように、且つ周方向
に互いに所定間隔D3を存して装着される２次空気噴出筒
で、各一端（上端）は底板12に形成した２次空気孔20、
20・・・に取り付けられる。この実施例では、１次空気
孔16と２次空気孔20、20・・・とは連通状態に形成され
ている。この２次空気噴出筒19、19・・・の先端位置
（底板12からの突出長さは）は燃料噴出パイプ17の先端
と略等しい位置から、液体燃料の略円錐状噴射面Ｆに触
れない（突入しない）位置迄の範囲とし、２次空気噴出
筒19、19・・・からの高速噴出流の運動エネルギーがノ
ズル18から噴出される円錐状液体燃料に効果的に作用す
るよう構成している。

【００１２】21は円筒状をなす排ガス自己再循環筒兼用
の蒸発筒で、２次空気噴出筒19、19・・の外周側にこれ
らの外周壁と自らの内周壁とを接するように設けてい
る。この蒸発筒21はその下端を液体燃料の略円錐状噴射
面Ｆに触れない程度に下流側に突設させ、液体燃料が燃
焼空気及び排ガスとを部分予混合する蒸発ゾーンＨを２
次空気噴出筒19、19・・・の先端から所定の範囲にわた
り形成している。蒸発ゾーンＨは２次空気による負圧エ
ネルギーを保持し、より多くの排ガスを導入する機能を
成す。蒸発筒21の上端は２次空気噴出筒19、19・・・の
略中段に迄延在させているが、これに限定させるもので
はなく２次空気噴出筒19、19・・・を包囲するように２
次空気噴出筒19、19・・・の先端近傍に位置させてもよ
い。

【００１３】上記の１次空気噴出筒15、２次空気噴出筒
19、19・・・及び蒸発筒21の配置により、２次空気噴出
筒19、19・・・の内側が２次空気噴出通路Ｘ・・・とな
り、２次空気噴出筒19、19・・・の間が２次空気噴出筒
19、19・・・から噴出される燃焼空気によって誘引、循
環する燃焼排ガスの噴出通路Ｙ・・・となる。そして、
隣接する単位バーナ14A,14B 間において、対向する部位
の通路は同じ種類の通路でなく、２次空気噴出通路Ｘと
燃焼排ガスの噴出通路Ｙとが対向するように配置してい
る。この関係は第 1単位バーナ13と第２単位バーナ14A,
14B との間においても同様である。こうした配置構成と
することにより、単位バーナが隣接しているにもかかわ
らず燃焼排ガスの誘引がスムーズに行えるようにしてい
る。

【００１４】次に、第１単位バーナ13の構成について説
明する。第１単位バーナ13は基本的には第２単位バーナ
22A,22B と同様な構造を有している。互いに異なるの点
を説明するに、１次空気噴出筒15は燃料噴出パイプ17と
図示しない着火ガイシ( 点火用電極) を内包するために
第２単位バーナの１次空気噴出筒15よりも径を大きく構
成され、１次空気量をノズル18先端下方に位置するバッ
フル板28の孔29の内径で制御し、第１単位バーナの全１
次空気量の約１０％〜６０％としている。燃料噴出パイ
プ17はそこからの噴霧がバッフル板28に接触しな程度に
バッフル板28から後退している。バッフル板28はここで
１次空気を衝突させ、空気流速を下げることで燃料噴出
パイプ17からの燃料噴霧に点火させる機能を有する。そ
の他の構成は第２単位バーナ13A,13B と同様であるの、
第２単位バーナ14A の対応する要素に同じ符号を付し
て、説明を省略する。

【００１５】上記の如く構成される実施例の作用を説明
する。先ず、送風機を駆動し、第１単位バーナ13にのみ
燃料を供給して着火を行い、これの燃焼を開始し、次い
で半数の第２単位バーナバーナ14A ・・・に燃料を供給
して、第１単位バーナ13からの火移りによって着火し燃
焼を開始する。次いで、残りの第２単位バーナ14B,・・
・燃料を供給して周囲のバーナからの火移りにより着火
して燃焼を開始する。尚、第１単位バーナ13と第２単位
バーナバーナ14A ・・・に同時に燃料を供給して、着火
させても良い。

【００１６】次に、各単位バーナ13、14A,14B における
燃焼状態を第２単位バーナ14A を例にとり説明する。燃
料噴出パイプ17から液体燃料が微粒の液滴となって円錐
状に噴霧され、これに対して２次空気噴出筒19、19・・
・から燃焼空気Ｋ２が高速で噴射され噴霧状の燃料と衝
突し、混合して液滴の蒸発を促進する。同時に、２次空
気噴出筒19、19・・・からの燃焼空気の高速噴出によっ
て、蒸発筒29の内側に負圧領域が生じ、これによって高
温の燃焼排ガスＧを燃焼排ガス噴出通路Ｙ・・・内に誘
引し、その先端開口から蒸発筒21内に噴出させること
で、蒸発筒21内では燃料の液滴流と燃焼空気と燃焼排ガ
スの３者のミキシングが効果的に行われ、液滴の蒸発が
効果的に行われる。この蒸発筒21内での燃料希薄の予混
合は蒸発筒21先端から更に所定の範囲Ｐ（例えば１０cm
程度）継続された後、燃焼ゾーンＮにおいて煤発生の少
ない燃焼を開始する。こうした、液体燃料と燃焼空気と
の部分予混合が蒸発筒21内及びそれに連続する所定幅の
ゾーンにて継続される為に、単位バーナ毎に火炎の局部
高温部が無くなり、ＮＯｘの低い燃焼が行われる。

【００１７】こうした比較的炎の短い低ＮＯｘ燃焼が、
同心円状に配置された複数個の各単位バーナにて行われ
る結果、燃焼装置全体としての全体火炎は、図４に示す
ように、火炎体積が拡大し火炎長の比較的短い略円筒状
の放熱効果の大きい火炎となる。その結果、この炎と内
側水管列４との熱交換は、水管列の上部から下部まで長
い範囲において効果的に行われるので、火炎の１３００
℃以上の高温部分の発生を極力抑えることができ、低Ｎ
Ｏｘで熱交換効率の良好な水管ボイラを提供できる。
尚、ＮＯｘ低減の効果は実験により確かめられており、
図８に示す従来の単一の拡散燃焼型の圧力噴霧型液体燃
料燃焼バーナを円筒状水管ボイラに装着した場合のＮＯ
ｘが１２０ppm （Ｏ₂０％換算）であったものが、図４
に示す本実施例のマルチバーナ型燃焼装置を装着した場
合ではＮＯｘが６５ppm （Ｏ₂０％換算）と大幅に低減
された。

【００１８】尚、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、単位バーナの構造としては図１〜図３に示す
ものでなく、例えば、図５に示すような構造の排ガス自
己循環型のバーナであってもよい。このバーナは、２次
空気噴出筒19、19・・・の下部を燃料噴出パイプ17側へ
屈曲すると共に、２次空気噴出筒19、19・・・の屈曲に
合わせて蒸発筒21の下部の径を絞ることで、噴霧された
液体燃料と燃焼用空気及び燃焼排ガスとの一層の混合促
進を図ったものである。更に、図５の単位バーナと同様
な作用をなすバーナとして、図６及び図７に示すような
構造の排ガス自己循環型のバーナとしてもよい。このバ
ーナは図５のバーナと異なり、下部の径を絞った２重の
筒30、31の下部に、放射状の仕切り板32、32・・・と２
次空気の流れを遮蔽する遮蔽板33、33・・・とによって
２次空気噴出通路（噴出筒）Ｘ、Ｘ・・・と排ガス噴出
通路（噴出筒）Ｙ、Ｙ・・・とを形成している点であ
る。１次空気、２次空気、排ガスのそれぞれの流れは矢
示Ｋ１、Ｋ２、Ｇにて示す。更に、各単位バーナの構成
はこれらの構造に限定されるものではなく、要するに各
バーナがそれぞれ独立した排ガス自己循環の手段を持つ
もものであれば良い。更に、本発明においては第１単位
バーナ13は必ずしも必要とするものではなく、省略可能
である。又、第２単位バーナにおける１次空気の噴出量
は燃料噴出パイプ17の油による汚れを防止するに要する
少量に制限することは可能である。

【００１９】

【発明の効果】以上のように構成される本発明によれ
ば、燃焼装置が複数の単位バーナに分割され、しかも、
各単位バーナが独立した排ガス自己循環手段を有し、互
いに間隔を存して配置されているので、総燃焼量を単位
バーナ数で割ることで１単位のバーナの燃焼量を少なく
し、各単位バーナの近傍で自己循環する排ガスによって
燃料の蒸発が効果的に行われ、単位バーナ毎に低ＮＯｘ
の予混合燃焼が実現され、燃焼装置全体としては燃焼量
が増大しても空気流速を増大させることなく、低ＮＯｘ
の燃焼装置を提供できる。又、複数の単位バーナに分割
され、しかも、各単位バーナが独立した排ガス自己循環
手段を有し、互いに間隔を存して配置した燃焼装置を円
筒状燃焼室を有する水管ボイラに適用することで、局部
的高温部の少ない火炎体積の大きい火炎と水管との熱交
換によって、低ＮＯｘで、しかも熱交換効率の良好な水
管ボイラを提供できるなど多大な効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図は本発明一実施例の燃焼装置の要部拡大縦断
面図である。

【図２】図は本発明一実施例の燃焼装置の要部底面図で
ある。

【図３】図は図１の要部拡大斜視図である。

【図４】図は同実施例の燃焼装置を装着した水管ボイラ
の一種である多管式貫流ボイラの縦断面図である。

【図５】図は本発明他の実施例の燃焼装置の要部拡大縦
断面図である。

【図６】図は本発明他の実施例の燃焼装置の要部拡大縦
断面図で、図８のＶＩ−ＶＩ線断面図である。

【図７】図は図６の実施例の燃焼装置の要部拡大横断面
図である。

【図８】図は従来の水管ボイラの縦断面図である。

【符号の説明】

Ｂ・・・・・マルチバーナ型燃焼装置 13・・・・・第１単位バーナ 13A,13B ・・第２単位バーナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者黒川重利愛媛県松山市堀江町７番地三浦工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室のバーナ取り付け面に複数の単位バ
ーナを同心状に配置した低ＮＯｘ燃焼装置において、各
単位バーナが独立した排ガス自己循環手段を有し、この
各単位バーナを互いに間隔を存して配置したことを特徴
とする低ＮＯｘ燃焼装置。
【請求項２】請求項１に記載の低ＮＯｘ燃焼装置におい
て、単位バーナの排ガス自己循環手段は、燃料を円錐状
に噴射する燃料噴出ノズルを先端に有する燃料噴出パイ
プの周囲にこれと間隔を存して同心円状に配置される複
数の燃焼空気噴出筒を備え、前記燃焼空気噴出筒から噴
出される燃焼用空気とこの燃焼用空気の噴出流によって
燃焼排ガスを誘引し、自己循環させる構成としたことを
特徴とする低ＮＯｘ燃焼装置。
【請求項３】請求項２に記載の低ＮＯｘ燃焼装置におい
て、各単位バーナは燃焼空気噴出筒の少なくとも先端を
包囲しこの先端から燃焼空気噴出方向に所定の長さを有
する蒸発筒を配置し、この蒸発筒内で燃料と燃焼空気と
排ガスとを予混合させ、蒸発させる構成としたことを特
徴とする低ＮＯｘ燃焼装置。
【請求項４】請求項２に記載の低ＮＯｘ燃焼装置におい
て、各単位バーナにおいて燃焼空気噴出通路と排ガス噴
出通路とが燃料噴出パイプの周囲に交互に設けられ、隣
接する単位バーナの互いに対抗する部位には２次空気噴
出通路と排ガス噴出通路が存在するように構成したこと
を特徴とする低ＮＯｘ燃焼装置。
【請求項５】請求項２に記載の低ＮＯｘ燃焼装置におい
て、単位バーナの基準ＮＯｘ値と燃焼空気噴出速度とか
ら単位燃焼量を決定し、この単位燃焼量と燃焼装置全体
の総燃焼量とから求めた数の単位バーナを有することを
特徴とする低ＮＯｘ燃焼装置。
【請求項６】互いに間隔を存して設けた一対のヘッダ間
に多数の水管を環状に配置してその内側を円筒状の燃焼
室とした水管ボイラにおいて、前記燃焼室のバーナ取り
付け面にそれぞれ独立した排ガス自己循環型手段を有す
る複数の単位バーナを同心状に互いに間隔を存して配置
した低ＮＯｘ燃焼装置を備えたことを特徴とする水管ボ
イラ。