JPH09178114A - 燃料二位置燃焼バーナにおける燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 各々の燃料バランスを空気温度の変化に追従
して変更し、本来の低ＮＯｘ性を維持しつつ、火炎の安
定化を図る。 【解決手段】 二段燃焼バーナ１０の上流側に、一段目
の燃焼に供する燃料を供給するための燃料流路１２ａを
第１燃料ノズル１３ａを介して接続する。また前記二段
燃焼バーナ１０の下流側に、二段目の燃料を供給するた
めの燃料流路１２ｂを、第２燃料ノズル１３ｂを介して
接続する。また、前記一段目の燃料流路１２ａに器具ガ
バナ１４を介在する。器具ガバナ１４で一段目の燃料流
量の比率を調整し、火炎の安定性の確保と共に、ＮＯｘ
の低減化を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各々の燃料バラン
スを空気温度の変化に追従して変更し、本来の低ＮＯｘ
性を維持しつつ、火炎の安定化を図った、燃料二位置燃
焼バーナにおける燃焼制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料二位置燃焼制御方法とは、異なる機
能を有する第１、第２の燃料ノズルを利用する燃焼方法
であり、このなかには、燃料二段燃焼や異なった性質の
ノズルを有する燃料炉内直接噴射法（ＦＤＩ）などが含
まれる。例えば二段燃焼方法では、一般に二段目（後流
の炉内に近い側）の燃料比率が高いほどＮＯｘ低減効果
が高い。その反面燃焼性が悪化し、安定性に問題が残る
ため、１、２段目の燃料流量のバランスは実際には、妥
協点を見出して、固定せざるを得ない。燃焼性は炉内温
度や空気温度が上がるにつれて、良くなるため、高温域
では、二段目の燃料を多くしても、安定性を損なうこと
はない。よってバーナ上流の燃料の制御系において、あ
る温度域で一、二段目の燃料流量の比率を強制的に変え
る方法がある。

【０００３】例えば図６に示すものでは、供給される燃
料を炉壁１に形成したバーナ２に二段階に分けてそれぞ
れ所定量の燃料を供給して二段燃焼させる際、温度セン
サ３による炉内の温度、または予熱空気温度を監視し
て、ある温度域で、一段目の燃焼に供する燃料を供給す
るための流路における燃料弁４と、二段目の燃焼に供す
る燃料を供給するための流路における燃料弁５とを操作
して、燃焼制御を行うようにしている。しかしながら、
温度センサ３による検知信号を基にコントローラ６内に
備える制御回路から前記燃料弁４、５に操作指令を与え
るという、電気信号によって外部の制御系からのバーナ
２の燃焼制御手法であるので、制御系の構造が複雑化す
るのは避けられず設備コストが嵩張る。さらに一、二段
目の燃料流量の比率を連続的に変化させることも困難で
ある。

【０００４】ところで、一般に炭化水素系燃料が燃焼す
る際、場の温度が高温になるほど燃焼は安定する。燃料
の種類を除けば、場の温度は主に、炉内温度と燃焼用空
気温度（低発熱量ガス等ではガス自身の温度も）によ
る。もう一つの安定化の大きな要素は反応部周辺の酸素
濃度である。例えば燃料と空気の予混合気の場合、予混
合気が高温になるほど燃焼速度が大きくなり（図７参
照）、また燃焼範囲も広くなることが知られており、こ
れは燃焼の安定性を示唆している（図８参照）。空気等
の酸化剤、助燃剤の酸素濃度に関しては、一般に濃度が
高いほど燃焼は安定するが、それは主に酸素分圧が下が
るにつれて予混合気の燃焼範囲は狭まり、燃焼速度も小
さくなるという理由にあると考えられる。同時にその場
合、反応に要する体積が大きくならざるを得ず、平均火
炎温度も低下することになる。従って酸素分圧は高いこ
とが安定化要因と言える。一例を挙げれば酸素が共存す
る中で燃料の着火温度以上の場があれば、燃焼というよ
りもむしろ反応と呼んだ方が良いような希薄状態におい
ても燃料は酸化される。これを利用したのが脱臭炉等で
ある。つまり酸素の存在下で、場の温度が高ければ、常
温では燃焼が不安定になる条件下においても安定して燃
焼を継続することができるということである。継続とは
すなわち火炎温度の維持ともとれる。

【０００５】一方、反応事前に燃料と空気等の酸化剤が
混合していない拡散燃焼の場合は、予混合火炎とは様相
が異なる。拡散燃焼では、燃料と空気等が出会った部分
近傍のみ混合し、燃焼が行われている考えられ、その反
応面が火炎として認識される。極めて単純化して記述す
るが、例えば燃料を空気中に軸状に噴出させる場合、空
気と触れ、混合した筒状の表面だけが反応面であり、こ
の筒状の反応面が火炎として認識される（図９参照）。
ミクロ的には、表面は予混合的な状態にある。この外側
は、空気並びに生成した排気ガスが主体であり、筒の内
部は燃料リッチな状態にある。この燃料は加熱され、ク
ラッキング（熱分解）を起こす場合がある（図１０参
照）。

【０００６】次に拡散燃焼における燃焼の継続は以下の
ようにモデル化される。先ず反応面において発生したエ
ネルギーは全体の流れに乗って移動をしながら、輻射等
により、不特定な周囲に熱を奪われながらも、近傍にお
いては伝導により次の反応へ寄与するイグナイタ（点火
源）となる。この際流れが速いと発熱した部分が流さ
れ、伝導が遅れて次の着火部に寄与できないことも起こ
りうるが、混合は促進する傾向にある。反応面で発生し
た生成ガス（排気ガス）は、流れの乱れを起こし、反応
面の破壊を促進することで、次の反応を容易にするが、
場合によりこの生成ガスは燃料と空気の反応を阻害する
ことも考えられる。反応面近傍では、ミクロ的には予混
合状態であるが、この場合燃焼速度等の関係から最も好
条件の理論混合比に近い混合部分に反応面は収束すると
考えられる。この部分の空気の酸素濃度については、ミ
クロ的に予混合燃焼であることから、上記の場合と同じ
働きをする。以上の条件がそろえば燃焼は継続される。
火炎（反応）の安定性は反応の速さ、激しさ（単位面積
当たりの熱発生負荷）等で、表現されるが、マクロ的に
見た場合、単位面積当たりの反応表面積を大きくとれた
場合に安定性は増すと考えられる。つまり混合を促進
し、燃料と空気等の接触する面積を増やせば良く、それ
には後述するが、上記のような理想的な筒状の反応面で
はなく、波状のものや細かい粒状の反応面を作り出す方
が効果的である。これにより反応は促進され、同一発生
エネルギー当たりの火炎体積は小さくなり、安定化す
る。またこの場合火炎温度は高くなる。

【０００７】さて、拡散燃焼の場合の高温場においての
燃焼安定性が良好であることについては、以下のように
まとめられる。 反応部表面ではミクロ的に見て、予混合燃焼であり、
高温になるに従い、燃焼速度が大きくなり、同時に燃火
炎としての焼範囲が広がることから、当該部分の反応が
促進され、確実な反応が期待できる。 高温場であれば、反応により発生したエネルギーが、
周辺に奪われる可能性が低くなり、伝導により次の反応
に寄与する確率が高くなる。 次に反応を行おうとする燃料や空気等のパーツの温度
も、事前に高い状態にあれば、前回の燃焼反応から受け
取るべき必要最低限のエネルギー量も少なくなり、熱伝
導の不確実性に囚われることなく、反応継続が容易とな
る。燃焼の安定性は、すなわち反応が完全にかつ継続的
に行われる条件であり、これは燃料の種類により上記に
延べたような個々の条件が定められる。一方、燃焼によ
り発生するＮＯｘは、一般に場の酸素の分圧や火炎の温
度が高いほど高くなる傾向にある。これは燃焼が安定化
する条件と相関があり、このことからいわゆる燃焼性を
良くするに従い、火炎温度は上昇し、発生するＮＯｘの
濃度は高くなることがわかる。

【０００８】次に工業燃焼で実用的な拡散燃焼を代表に
とり、説明する。低温では空気温度や炉内の温度が低い
ため、酸素濃度を高く維持しながら良く混合させ、反応
表面積を大きくとり、しっかりと燃焼させなくてはなら
ず、これにより火炎の温度が維持でき安定化する。ただ
し発生するＮＯｘは温度条件が低めなため低い。反対に
高温炉内では混合を悪くし、酸素分圧を低くしても場の
温度が維持できるため、燃焼つまり反応を継続すること
は容易である。低温時と同じような火炎の安定装置（保
炎器）を高温で使用した場合、ＮＯｘは急激に上昇する
が、反応を悪く（抑制）した場合はそれほど上昇しな
い。

【０００９】火炎温度は均一ではなく、また発生したエ
ネルギーの吸収状態などにより異なるため、火炎の安定
性を定量的に判断することは難しいが、ここでは説明の
ために、単に火炎温度としてこれを指標にとることとす
る。工業用途において、実用上火炎が安定するには、酸
素濃度の条件を別として１３００℃程度必要だと仮定す
れば、常温状態ではしっかりと保炎させこの温度を維持
させる必要があるが、高温では容易にこの温度以上にな
る。つまりどのように燃焼させても１３００℃以上にな
り、火炎は安定である。発生するＮＯｘについても前述
のように火炎温度を指標とすることができ、安定性＝火
炎温度＝ＮＯｘ発生量の相関関係が成り立つ。高温状態
においても混合等を抑制して、もし火炎温度を１３００
℃に維持できたなら、発生するＮＯｘも常温時と同じと
考えられる。ただし高温状態では実際にはこの温度（低
温時と同じような１３００℃）に維持することができず
に上昇してしまうために、ＮＯｘ値が高い（図１１参
照）。従って、高温状態でのＮＯｘの到達最下限値はそ
の燃料における低温時のＮＯｘ値と同じ値と大まかに仮
定できる。

【００１０】これまで場の温度や火炎の温度を平均的な
ものとして単純化して説明してきたが、実際の火炎温度
は決して均一ではなく、必ずピークがある。ＮＯｘの温
度依存性を考えれば、ＮＯｘはこのピーク部分で大半が
生成されてしまうものと考えられる。このことから火炎
温度はピーク温度と言い替えても良い（一般になにもし
なければ、平均温度が高ければピークも高いものである
ことは、ある程度言えるが）。つまりピーク温度が同じ
でそこに滞留する時間が同じであれば、発生するＮＯｘ
も同じである。火炎の温度プロファイル（温度履歴）が
重要なのであり、これが同一であればＮＯｘは等しい
（図１２参照）。ＮＯｘについて言えば、火炎の温度プ
ロファイルは、火炎の延長上に温度変化のないフラット
な特性が最適（すなわち最低値）である。さらには仮に
トータルの反応表面積は同じとしても、可能な限り火炎
自体を大きくし、反応時のエネルギーを分散させ、この
フラットな温度レベルを燃焼継続が可能な範囲（例えば
周囲条件つまり場が着火温度以上であったなら、どうや
っても反応するため可能な限り低い値）で、全体的に低
く抑えることが望ましい（図１３参照）。

【００１１】以上のことを簡単にまとめると、火炎の安
定性、並びにＮＯｘは以下のようなパラメータがあると
考えられる。 安定性 Ｓ＝ｆ（Ｔ，Ｆ，Ｏ，Ｍ，Ｖ） Ｔ：場の温度（空気等温度、燃料温度、排気ガス温度ま
たは炉内温度、炉壁温度（輻射効果）） Ｆ：燃料による性質（燃焼速度、燃焼範囲、単位面積の
発熱量、着火温度、相） Ｏ：酸化剤の酸素分圧（空気中の酸素温度、再循環率） Ｍ：混合促進ファクタ（幾何学的混合角度、速度比、旋
回効果、保炎器等） Ｖ：移動速度係数（速度、形状等） ＴおよびＯについては、すでに上述した。なおこれら５
パラメータは各々独立ではない場合もあり、例えばＴは
Ｏの影響を受ける。

【００１２】ＮＯｘについては、基本的には、ゼルドビ
ッチ機構、すなわち場の温度並びに対流時間と酸素・窒
素分圧の関数に則る訳であるが、実用上、大きなファク
タを考慮し、以下のように表現した。 ＮＯｘ発生 Ｎ＝（Ｔｐ，Ｆ，Ｏ，Ｍ，Ｖ） ここでは、火炎のピーク温度Ｔｐが支配的と考えてよい
が、Ｔｐは上記Ｔと火炎若しくはバーナ特有の工夫係数
Ｘ（ＭやＶ等も関与）からなると言える。燃焼の実際か
ら判断すれば、安定性はＴを高めにキープすることで良
好となり、一方ＮＯｘはＴｐを可能な限り、抑えること
で低減できることとなる。ＴとＴｐはほぼ同じことであ
るが、わずかな違いはピークの存在である。そしてＴは
必要以上に上げる必要はない。Ｔｐはフラットな温度パ
ターンで改善される。このような状態を目指して多段燃
焼やＦＤＩ等いろいろな試みがなされているが、厳密に
は場の状態により、いくつかの燃焼ファクタを変える必
要があるため、全域でフラットな条件を作り出すことは
実際上難しいとの見方が圧倒的である。しかしこのファ
クタが容易に且つ確実にコントロールできれば、火炎の
安定性とＮＯｘの低減が両立する状態が再現できるので
ある。これは特に高温空気を使用する際に役立つ考え方
である。

【００１３】次にＮＯｘを低減する効果のあるいくつか
の技術、ここでは排気ガス再循環と緩慢燃焼について、
多少の説明を加える。排気ガス再循環は空気または燃料
中に排気ガスを混合し、火炎ボリュームを大きくし、反
応部の酸素分圧を下げることで火炎温度も下がり、その
結果ＮＯｘ濃度が下がるものである。一方緩慢燃焼は、
低酸素濃度での燃焼とも幾何学的な問題とも捉えられ
る。ただこの２つは完全に独立した概念とは言い切れな
い。先ず酸素濃度に関する解析をすると、燃料と空気等
が出会ったところで共に活性が高いとき（つまり排気ガ
ス等の不活性なものが含まれていない）、反応する単位
表面積当たりの発生エネルギー量は大きい。反対に排気
ガス等により活性が低下していれば、いくら混合を良く
しても、発生エネルギーは高くならずに、火炎温度も低
い。従って低酸素濃度での混合・燃焼を緩慢燃焼と考え
るというものである。

【００１４】次に幾何学的な方面からのアプローチを試
みたい。そしてここではこの幾何学的な概念を緩慢燃焼
の基本とする。緩慢燃焼とは火炎のボリュームに対する
反応表面積が非常に小さい状態、若しくはエネルギー当
たりの火炎ボリュームが大きい状態を意味する。ここで
再度、個々の言葉の定義と仮定を行う必要がある。火炎
とは通常燃焼反応のうち可視の部分を言うが、今回は反
応が終了するまで維持している体積全体を火炎と称す
る。この例からすれば、反応表面積は火炎の表面積とも
言えるが、ここでは投入したエネルギーに必要な反応表
面積はどのような状態においても不変と仮定する。断わ
っておくがこの表現は前述の、活性の違いにより単位反
応面積当たりのエネルギー発生（または消費）量が変化
するという内容と明らかに矛盾する。しかし幾何学的な
説明を行う場合には、この矛盾は障害にならず、また理
解しやすく、実用上もその効果に影響を与えないと考え
られるため、あえてこのような仮定を行うものである。

【００１５】数学的な解は別として、実際の火炎の存在
を想定した場合、火炎ボリューム当たりの反応表面積の
小さいものとしては、図１４のように径の大きい筒状の
形に相当する。この筒状の表面積が反応面に相当する訳
であるが、この面を最小に維持するには、乱れを極力抑
えることが必要となる。反対に乱れが大きくなれば境界
が波打ちまたは破壊され、場合により遊離して表面積は
著しく増大し、反応が活発となる。同一エネルギー当た
りの表面積が不変であるから、面積が確保された段階で
反応が終了するとすれば、図１５のように結果火炎長や
火炎ボリュームが小さくなる。また燃料ノズルが複数あ
るマルチノズル等の場合（図１６参照）はさらに火炎ボ
リュームが小さくなることも考えられる。反応表面積は
どの場合も同一と言えるため、火炎ボリュームが小さい
ということは、すなわち火炎温度の上昇特にバーナ面近
傍のピーク温度の上昇を意味するものである（図１７参
照）。このことは火炎の安定性は向上するものの、ＮＯ
ｘ濃度が高くなるという問題がある。従って、緩慢燃焼
とは、図１４のように表面積を抑えた形状であり、特に
燃料、空気等ともに混合燃焼するような穏やかな反応で
あり、例えば燃料と空気の混合角度は小さく、速度の差
も小さいと考える。極めて乱れの少ない火炎と仮定でき
る。ここでは火炎の平均温度もさることながら、ピーク
のない火炎が特徴である。当然のことながら燃料が完全
に反応を終了するまで火炎が存在するとすれば、火炎ボ
リュームＶｓは大きく、また火炎長Ｌｓは長く見える。

【００１６】実際の緩慢燃焼は上記のように理想的な筒
状ではなく、特に反応末期には乱れが大きくなっている
と考えられるが、ここで重要なことは活性の高い初期に
おいて（Ｓ₁）は可能な限り反応面積を抑える形状とす
ることである（図１８参照）。ここが抑えられれば、温
度ピークは大幅に改善される。後半において表面積が大
きくなった場合（Ｓ₂）においても、それまでには既に
排気ガス等の不活性分が多量に入り込んでいると考えら
れることから火炎温度には大きな影響を与えず、ＮＯｘ
に対し悪影響はない。補足ではあるが、緩慢燃焼時には
反応前に燃料が加熱される確率が高く、従って熱分解
（クラッキング）による遊離炭素が火炎の輝度を向上さ
せる効果も加味される。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】これまでの燃焼ではバ
ーナ面直後から混合を開始し反応し始めたが、これに対
し燃料と空気等の混合開始点をバーナ面から離し、図１
８の初期面積Ｓ₁をゼロとした（従って根元には火炎は
存在しない）方法がＦＤＩ（燃料炉内直接噴射）（図１
９参照）である。図１８に示すものに比較してよりピー
ク温度が下がる可能性があることが容易に理解できる。
また混合開始までに各々に不活性ガスである排気ガスを
大量に巻き込ませる効果もある。ＦＤＩの場合はこの排
気ガス再循環（厳密には一般に使われる外部強制式の排
ガス再循環ＦＧＲではなく、炉内での噴出エネルギーを
利用した炉内再循環ＳＧＲである）と緩慢燃焼という２
つの効果がミックスされた状態であるため、説明は複雑
になるがＮＯｘ低減には非常に効果的と思われる。とも
かく、高温の場合は、排ガス再循環や緩慢燃焼等のＮＯ
ｘ対策を駆使して、火炎温度（ピークまたはプロファイ
ル）を可能な限り、燃焼継続に必要な最低温度に維持す
ることがＮＯｘの抑制につながり、それがある温度以上
であれば、火炎の安定性についても充分に確保されてい
るのである。最後の実用的な火炎について解説を加え
る。ＦＧＲは再循環により効果が変化するが、低温では
安定性が悪化するために、その比率を小さくする必要が
ある。高温では大きくして低減効果を大きくするが、こ
れにも限界がある。そこで燃料や空気２段燃焼やＦＤＩ
等の利用となるが、火炎の安定性とＮＯｘの規制値から
なる実用範囲は図２０の如くなる。実用的な技術は、こ
の範囲で効果的な性能を発揮するものに限られる訳であ
る。本発明は、かかる仮説を基に提案されたものであっ
て、場若しくは火炎の温度を主な指標と考え、低温では
火炎の安定性について優先し、高温においてはＮＯｘの
抑制を優先、これにより火炎の安定性並びにＮＯｘ値を
最適にセットする、燃料二位置燃焼バーナにおける燃焼
制御方法を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】前記した課題を解決する
ために、本発明は、異なる機能を有する第１、第２の燃
料ノズルを備えた燃料二位置燃焼バーナにおいて、前記
第１、第２燃料ノズルを介して供給する燃料の総燃料に
対する流量比率を、空気温度の変化に追従して変動さ
せ、最適燃焼を行うようにした。また本発明は、異なる
機能を有する第１、第２の燃料ノズルを備えた燃料二位
置燃焼バーナにおいて、前記第１燃料ノズルをバーナ内
部空間の上流側に配置する一方、第２燃料ノズルを下流
側噴出口近傍に配置し、前記第１燃料ノズルに燃料を供
給するための燃料流路に圧力調整弁を介在し、前記第１
燃料ノズルに対する燃料流路における圧力を特定値に設
定することで、供給される空気の温度からバーナ内圧力
変動に基づいて、前記空気温度が比較的低温時において
は、第１燃料ノズルへの燃料流量比率を増大させて火炎
の安定性を確保する一方、空気温度が比較的高温時にお
いては、第１燃料ノズルへの燃料流量比率を抑えてＮＯ
ｘ発生を抑制するようにした。また本発明は、異なる機
能を有する第１、第２の燃料ノズルを備えた燃料二位置
燃焼バーナにおいて、前記第１燃料ノズルをバーナ内部
空間の上流側に配置する一方、第２燃料ノズルを下流側
噴出口近傍に配置し、前記第１燃料ノズルに燃料を供給
するための燃料流路に圧力調整弁を介在し、この圧力調
整弁は、ダイヤフラム室を有してダイヤフラムが仕切る
下部空間とバーナ内部上流側空間とを連通し、供給され
る空気の温度からバーナ内圧力変動に基づいて、前記空
気温度が比較的低温時においては、第１燃料ノズルへの
燃料流量比率を増大させて火炎の安定性を確保する一
方、空気温度が比較的高温時においては、第１燃料ノズ
ルへの燃料流量比率を抑えてＮＯｘ発生を抑制するよう
にした。また本発明は、異なる機能を有する第１、第２
の燃料ノズルを備えた燃料二位置燃焼バーナにおいて、
前記第１燃料ノズルをバーナ内部空間の上流側に配置す
る一方、第２燃料ノズルを下流側噴出口近傍に配置し、
前記第２燃料ノズルに燃料を供給するための燃料流路に
圧力調整弁を介在し、この圧力調整弁は、ダイヤフラム
室を有してダイヤフラムが仕切る上部空間とバーナ内部
上流側空間とを連通し、供給される空気の温度からバー
ナ内圧力変動に基づいて、前記空気温度が比較的低温時
においては、第１燃料ノズルへの燃料流量比率を増大さ
せて火炎の安定性を確保する一方、空気温度が比較的高
温時においては、第１燃料ノズルへの燃料流量比率を抑
えてＮＯｘ発生を抑制するようにした。さらに本発明
は、異なる機能を有する第１、第２の燃料ノズルを備え
た燃料二位置燃焼バーナにおいて、前記第１燃料ノズル
をバーナ内部空間の上流側に配置する一方、第２燃料ノ
ズルを下流側噴出口近傍に配置し、前記第１燃料ノズル
および第２燃料ノズルに燃料を供給するための燃料流路
にそれぞれ圧力調整弁を介在して、供給される空気の温
度からバーナ内圧力変動に基づいて、第１燃料ノズルお
よび第２燃料ノズルへの燃料流量を調節するようにし
た。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明にかかる燃料二位置
燃焼バーナにおける燃焼制御方法を実施するための典型
的な実施の形態を示し、図面に基づいて、以下説明す
る。図１に燃料二位置燃焼バーナである、二段燃焼バー
ナ１０を示し、この二段燃焼バーナ１０は、炉壁（図示
省略）に炉内に向けて開口して炉内に火炎が形成される
ようにバーナタイルによって構成したもので、この炉内
に向けて開口した箇所を内径を絞り込んでスロート１１
としている。この二段燃焼バーナ１０の上流側には、一
段目の燃焼に供する燃料を供給するための燃料流路１２
ａが第１の燃料ノズル１３ａを介して接続形成され、ま
た前記二段燃焼バーナ１０の下流のスロート１１側近傍
には、二段目の燃焼に供する燃料を供給するための燃料
流路１２ｂが第２の燃料ノズル１３ｂを介して接続形成
されている。なお、前記燃料流路１２ａおよび燃料流路
１２ｂは、夫々一つの元燃料供給路１２に、燃料が分岐
供給されるように繋がっている。また、前記一段目の燃
焼に供する燃料を供給するための燃料流路１２ａには、
圧力調整弁１４（以下、器具ガバナ１４という）が介在
される。さらに、二段燃焼バーナ１０には、予熱された
空気が供給されるようになっている。すなわち、この二
段燃焼バーナ１０の燃焼構造では、一段目の燃焼に供す
る燃料流量を制御する構成としている。

【００２０】以上のような二段燃焼バーナ１０の燃焼構
造における制御方法を説明する。なお、燃料および空気
流量は元において既に調整されているものとする。器具
ガバナ１４で一段目のガス圧ＰＦ₁をある値に設定する
と、空気温度の上昇により、バーナ内空間部の圧力ＰＢ
が上昇して差圧Ｐが小さくなり、燃料流路１２ａから第
１燃料ノズル１３ａを介してバーナ内に供給される一段
目の燃料流量が減少する。これにより、一段目の燃料流
量の比率は減少する。従って、予熱空気が比較的低温な
ときは一段目の燃料流量が多く火炎の安定性を確保する
ことができ、予熱空気が比較的高温では、一段目の燃料
流量の比率は減少することで、二段目の燃料流量の比率
が増大するので、ＮＯｘの低減化を優先して図ることが
できる。

【００２１】本発明にかかる燃料二位置燃焼バーナにお
ける燃焼制御方法は、図２に示す燃焼構造によっても実
施することができる。この場合の燃焼構造においても、
一段目の燃焼に供する燃料流量を制御する構成としてい
る。すなわち、ここでは、一段目の燃焼に供する燃料を
供給するための燃料流路１２ａに、カウンタスプリング
Ｓ付きのガバナ１５を介在すると共に、このガバナ１５
のダイヤフラム室１５ａのダイヤフラム１６が仕切る下
部空間とバーナ内部上流側空間とを連通接続している。
なお、汎用ガバナでは一般に下部空間と燃料流路１２ａ
が連通しているが、ここでは閉止して使用する。

【００２２】かかる燃焼構造によれば、空気温度上昇に
従いダイヤフラム１６を押し上げ、ガバナ１５の弁開度
が小さくなり、一段目の燃焼に供する燃料を供給するた
めの燃料流路１２ａからバーナ内に供給される燃料流量
が減少するので、一段目と二段目との間の燃料流量のバ
ランスが変動し、二段目の燃焼に供する燃料を供給する
ための燃料流路１２ｂからバーナ内に供給される燃料流
量が増加する。なお、前記カウンタスプリングＳのばね
定数、ダイヤフラム１６のストロークは、必要に応じて
設定しなおすことができる。

【００２３】本発明は、また図３のような燃焼構造によ
っても実施することができる。この場合では、二段目の
燃焼に供する燃料流量を制御する構成としている。すな
わち、ここでは二段目の燃焼に供する燃料を供給するた
めの燃料流路１２ｂに、カウンタスプリングＳ付きのガ
バナ１７を介在すると共に、このガバナ１７のダイヤフ
ラム室１７ａのダイヤフラム１８が仕切る上部空間とバ
ーナ内部上流側空間とを連通接続している。

【００２４】この燃焼構造によれば、空気温度上昇に従
い、ダイヤフラム１８が押し下げられ、ガバナ１７の弁
開度が大きくなり、一段目と二段目との間の燃料流量の
バランスが変動し、二段目の燃焼に供する燃料を供給す
るための燃料流路１２ｂからバーナ内に供給される燃料
流量が増加する。

【００２５】本発明は、また図４のような燃焼構造によ
っても実施することができる。ここでは、ＦＤＩ（燃料
炉内直接噴射）方式のバーナ２０を採用している。かか
るバーナ２０では、火炎を形成する、内径を絞った形状
のスロート２１の開口部近傍に、バーナタイルを貫通し
て炉内に燃料を噴出するための第１、第２の燃料ノズル
２２、２３を設けている。前記第１燃料ノズル２２は、
炉内に燃料を噴出する角度を、バーナ２０のスロート２
１開口部、すなわち空気噴出部の噴出方向に対して交叉
するように設定し、空気と燃料との混合を促進し、火炎
の安定性をもたらしている。一方、第２燃料ノズル２３
は、前記スロート２１開口部から、第１燃料ノズル２２
との離隔距離に比較して離した位置に形成され、噴射方
向も、前記空気噴出部の噴出方向に平行した方向とし、
緩慢燃焼によって、ＮＯｘ低減に資している。かかるバ
ーナ２０においては、第１、第２燃料ノズル２２、２３
は、噴出口が炉内に面しているため、バーナ内空間部の
圧力ＰＢの変化による影響は受けず、図２、図３に示す
燃料供給構造と同様の構造を採用している。

【００２６】本発明は、さらに図５のような燃焼構造に
よっても実施することができる。この場合のバーナ３０
では、第１燃料ノズル３１をバーナ３０内空間部の上流
側に形成して、燃料を噴出させている。従って、前記第
１燃料ノズル３１を介して供給される燃料流量は、バー
ナ内空間部の圧力ＰＢの変化によって変動するので、燃
料供給構造は、図１〜図３に示した、燃料二段燃焼バー
ナにおける燃料供給構造と同様の構造とする。

【００２７】以上、いずれにしても、本発明は、燃焼に
供する空気温度によって機能の異なる燃料ノズルからの
バーナへの燃料バランスを自動的に変動させて、低ＮＯ
ｘ性を維持しつつ、火炎の安定性を図った、最適燃焼が
可能となる。なお、本発明は、図１〜図３に示した、燃
料二段燃焼バーナの燃焼構造において、一段目と二段目
の燃焼に供する燃料流量を、個々に制御する構成の他
に、より速やかな応答性を得るために組み合わせ、一段
目と共に二段目の燃焼に供する燃料流量を制御する構成
としても良い。

【００２８】

【発明の効果】以上、本発明によれば、 使用する予熱空気の温度の変化に応じて、機能の異
なる燃料ノズルへの燃料バランスを変動させることで、
最適な条件で燃料二位置燃焼バーナにおける燃焼制御方
法を制御することができる。すなわち、予熱空気が比較
的低温なときは火炎の安定性、予熱空気が比較的高温で
は、ＮＯｘの低減化を優先して図ることができる。 従来型の電磁弁等による外部からの強制的な切り換
え法に比較し、駆動源を初めとする従来の不可欠要素は
全く不要であり、設備コストを抑制することができ、機
械式で構造も単純であり、応答が速く、信頼性も高い。 一つの熱交換器に複数のバーナが配設されている場
合の、各バーナにおける空気温度の違いにも、個々で対
応することができる等、適用範囲が拡大する。

【００２９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる燃料二位置燃焼バーナにおける
燃焼制御方法を実施するための一例を示す系統説明図で
ある。

【図２】本発明にかかる燃料二位置燃焼バーナにおける
燃焼制御方法を実施するための別例を示す系統説明図で
ある。

【図３】本発明にかかる燃料二位置燃焼バーナにおける
燃焼制御方法を実施するための別例を示す系統説明図で
ある。

【図４】本発明にかかる燃料二位置燃焼バーナにおける
燃焼制御方法を実施するためののバーナの構造の一例を
示す模式的説明図である。

【図５】本発明にかかる燃料二位置燃焼バーナにおける
燃焼制御方法を実施するためののバーナの構造の別例を
示す模式的説明図である。

【図６】従来における燃料二位置燃焼バーナにおける燃
焼制御方法の制御構成の一例を示す系統説明図である。

【図７】混合気温度と燃焼速度との関係を示すグラフで
ある。

【図８】混合気温度と混合器濃度との関係を示すグラフ
である。

【図９】拡散燃焼の説明に供するモデル的説明図であ
る。

【図１０】拡散燃焼を別の角度からの説明に供するモデ
ル的説明図である。

【図１１】バーナ面からの距離と、火炎温度との関係を
示すグラフである。

【図１２】火炎温度とＮＯｘ発生との相関性を説明する
ためのグラフである。

【図１３】火炎安定性と共に、低ＮＯｘ性を維持する理
想的な火炎温度の特性グラフである。

【図１４】拡散燃焼における火炎形成面をモデル化して
示した図である。

【図１５】拡散燃焼における火炎形成面をモデル化して
示した図である。

【図１６】拡散燃焼を行う燃料ノズルが複数ある場合の
火炎形成面を示すモデル的説明図である。

【図１７】火炎温度のパターンを示すグラフである。

【図１８】実際の拡散燃焼における火炎形成面を示す、
模式的図である。

【図１９】燃料炉内直接噴射方式の燃焼における火炎形
成面を示す、模式的図である。

【図２０】実際の種々の方式のバーナにおける、火炎の
安定性とＮＯｘ規制値の双方を満たす実用範囲を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１０ 二段燃焼バーナ １１ スロート １２ 元燃料供給路 １２ａ、１２ｂ 燃料流路 １３ａ 第１燃料ノズル １３ｂ 第２燃料ノズル １４、１５、１７ ガバナ １５ａ、１７ａ ガバナ室 １６、１８ ダイヤフラム

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異なる機能を有する第１、第２の燃料
   ノズルを備えた燃料二位置燃焼バーナにおいて、前記第
   １、第２燃料ノズルを介して供給する燃料の総燃料に対
   する流量比率を、空気温度の変化に追従して変動させ、
   最適燃焼を行うようにしたことを特徴とする燃料二位置
   燃焼バーナにおける燃焼制御方法。
2. 【請求項２】 異なる機能を有する第１、第２の燃料
   ノズルを備えた燃料二位置燃焼バーナにおいて、前記第
   １燃料ノズルをバーナ内部空間の上流側に配置する一
   方、第２燃料ノズルを下流側噴出口近傍に配置し、前記
   第１燃料ノズルに燃料を供給するための燃料流路に圧力
   調整弁を介在し、前記第１燃料ノズルに対する燃料流路
   における圧力を特定値に設定することで、供給される空
   気の温度からバーナ内圧力変動に基づいて、前記空気温
   度が比較的低温時においては、第１燃料ノズルへの燃料
   流量比率を増大させて火炎の安定性を確保する一方、空
   気温度が比較的高温時においては、第１燃料ノズルへの
   燃料流量比率を抑えてＮＯｘ発生を抑制するようにした
   ことを特徴とする燃料二位置燃焼バーナにおける燃焼制
   御方法。
3. 【請求項３】 異なる機能を有する第１、第２の燃料
   ノズルを備えた燃料二位置燃焼バーナにおいて、前記第
   １燃料ノズルをバーナ内部空間の上流側に配置する一
   方、第２燃料ノズルを下流側噴出口近傍に配置し、前記
   第１燃料ノズルに燃料を供給するための燃料流路に圧力
   調整弁を介在し、この圧力調整弁は、ダイヤフラム室を
   有してダイヤフラムが仕切る下部空間とバーナ内部上流
   側空間とを連通し、供給される空気の温度からバーナ内
   圧力変動に基づいて、前記空気温度が比較的低温時にお
   いては、第１燃料ノズルへの燃料流量比率を増大させて
   火炎の安定性を確保する一方、空気温度が比較的高温時
   においては、第１燃料ノズルへの燃料流量比率を抑えて
   ＮＯｘ発生を抑制するようにしたことを特徴とする燃料
   二位置燃焼バーナにおける燃焼制御方法。
4. 【請求項４】 異なる機能を有する第１、第２の燃料
   ノズルを備えた燃料二位置燃焼バーナにおいて、前記第
   １燃料ノズルをバーナ内部空間の上流側に配置する一
   方、第２燃料ノズルを下流側噴出口近傍に配置し、前記
   第２燃料ノズルに燃料を供給するための燃料流路に圧力
   調整弁を介在し、この圧力調整弁は、ダイヤフラム室を
   有してダイヤフラムが仕切る上部空間とバーナ内部上流
   側空間とを連通し、供給される空気の温度からバーナ内
   圧力変動に基づいて、前記空気温度が比較的低温時にお
   いては、第１燃料ノズルへの燃料流量比率を増大させて
   火炎の安定性を確保する一方、空気温度が比較的高温時
   においては、第１燃料ノズルへの燃料流量比率を抑えて
   ＮＯｘ発生を抑制するようにしたことを特徴とする燃料
   二位置燃焼バーナにおける燃焼制御方法。
5. 【請求項５】 異なる機能を有する第１、第２の燃料
   ノズルを備えた燃料二位置燃焼バーナにおいて、前記第
   １燃料ノズルをバーナ内部空間の上流側に配置する一
   方、第２燃料ノズルを下流側噴出口近傍に配置し、前記
   第１燃料ノズルおよび第２燃料ノズルに燃料を供給する
   ための燃料流路にそれぞれ圧力調整弁を介在して、供給
   される空気の温度からバーナ内圧力変動に基づいて、第
   １燃料ノズルおよび第２燃料ノズルへの燃料流量を調節
   するようにしたことを特徴とする燃料二位置燃焼バーナ
   における燃焼制御方法。