JPH11153303A - ２段燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定燃焼を実現するとともに、通常の空気比
において更に低ＮＯｘ化を図った燃焼ができるようにし
た角型の２段燃焼器を提供する。 【解決手段】 板状体４ａ，４ｂで側面を囲まれて底板
５で閉塞させた保炎室３を備え、板状体４ｂの少なくと
も一組の相対する面の各々に、予混合気を保炎室３に向
けて噴出する複数の炎孔からなる１次炎孔群１３と、炎
孔無し部とを交互に配置し、且つ１次炎孔群１３の対面
には炎孔無し部を配置し、この１次炎孔群１３の下流側
に位置して燃料ガスＱもしくは理論空気比よりも小さな
空気比の過濃予混合気を保炎室３に向けて噴出する２次
炎孔と炎孔無し部とを１次炎孔群１３と同様に設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばボイラ等の
流体加熱器等に設けられるガス燃焼用の２段燃焼器に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】予混合燃焼は、低ＮＯｘ燃焼が可能であ
ることから、近年、ボイラ、ガスタービン等に広く応用
されている。予混合燃焼の燃焼特性を図１１に示す。こ
の図から、空気比が１の理論空気比付近でＮＯｘ排出値
が最大となり、空気比を大きくして燃料に対して空気量
が多い希薄燃焼にすると、ＮＯｘ排出値が低減し、更に
空気比を大きくすると、ＣＯ排出値が増大してやがて消
炎する特性を持っていることが判る。

【０００３】この特性を利用し、燃焼を希薄にして低Ｎ
Ｏｘ燃焼を行うと、空気比が大きいために同一燃焼量に
対する燃焼ガス量が増大して排ガス損失が大きくなり、
熱効率が劣化する。逆に、熱効率の向上を図るべく、空
気比を理論空気比に近づけると、上述のようにＮＯｘ排
出値が増大して低ＮＯｘ燃焼を実現できない。このよう
に、予混合燃焼においては、熱効率の向上、即ち排ガス
損失の減少と低ＮＯｘ燃焼とは相矛盾する関係にある。

【０００４】これに加えて、予混合燃焼では安定燃焼で
きる空気比の範囲が一般に狭く、容易に騒音や振動等を
伴った異常燃焼を発生しやすい特性があって、問題を一
層複雑にしている。例えば、空気比を大きくすると、Ｃ
Ｏを発生する前に振動音を出し始めて、燃焼を維持する
ことが難しくなる場合がある。

【０００５】そこで、これらの問題を解決し通常空気比
における低ＮＯｘ化を図るため、例えば濃淡燃焼式、２
段燃焼式、自己排ガス再循環式、火炎冷却式、或いはこ
れらを組み合わせたもの等が種々提案されている。

【０００６】前記濃淡燃焼式バーナの一例を図１２に示
す。これは、理論空気比より大きな空気比の希薄予混合
気Ｐと小さな空気比の過濃予混合気Ｒとを互いに分離し
た状態で同時に燃焼器（バーナ）に供給して、燃焼面Ｓ
に過濃燃焼域と希薄燃焼域を交互に作り出すことによ
り、ＮＯｘ排出値が最も高くなる理論空気比付近での燃
焼を避けて燃焼させるようにしたものである。

【０００７】２段燃焼式は、理論空気比より小さな空気
比の過濃予混合気を供給して１次燃焼させた後に、２次
空気を供給して緩慢に燃焼を行わせることにより、低Ｎ
Ｏｘ燃焼を行わせるようにしたものである。自己排ガス
再循環式は、燃焼室内での火炎と燃焼ガスの流動特性を
利用し、燃焼ガスを再循環させて予混合気と混合するこ
とにより、火炎温度等を低減させて低ＮＯｘ燃焼を行わ
せるようにしたものである。また、火炎冷却式は、伝熱
管等の冷物体によりＮＯｘが生成し難い温度まで火炎を
冷却して燃焼させるようにしたものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように、予混合燃焼は、その特性上の制約から安定燃焼
できる空気比の範囲が一般に狭く、上述のような燃焼方
式を採用すると、状況によっては安定燃焼範囲が一層狭
くなる場合もあって、実用化されている燃焼器（バー
ナ）の運転範囲は、振動燃焼等の異常燃焼を引き起こさ
ない狭い空気比範囲等に限られている場合が多い。この
ため、ＮＯｘ排出値を低減できる燃焼条件であっても、
実用上は異常燃焼やＣＯの発生を避けるために燃焼でき
ず、ＮＯｘ排出値の低減にも一定の限界があった。

【０００９】本発明は上記事情に鑑みて為されたもの
で、安定燃焼を実現するとともに、通常の空気比におい
て更に低ＮＯｘ化を図った燃焼ができるようにした角型
の２段燃焼器を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の２段燃焼器は、
板状体で側面を囲まれて底板で閉塞させた保炎室を備
え、前記板状体の少なくとも一組の相対する面の各々
に、理論空気比よりも大きな空気比の希薄予混合気を前
記保炎室に向けて噴出する複数の１次炎孔からなる１次
炎孔群と炎孔なしの部分とを設けるとともに、この１次
炎孔群の下流側に位置して燃料ガスもしくは理論空気比
よりも小さな空気比の過濃予混合気を前記保炎室に向け
て噴出する２次炎孔と炎孔なしの部分とを前記１次炎孔
群と同様に設けたことを特徴とする。

【００１１】これにより、複数の１次炎孔からそれぞれ
一群となって噴出し、しかも互いに衝突することなく交
互に流れる希薄予混合気で形成される該希薄予混合気の
局部旋回流による１次燃焼を行わせて、予混合燃焼の欠
点である不安定性を解消して燃焼安定性を高め、希薄燃
焼による低ＮＯｘ燃焼を行い、また２次炎孔から噴出す
る燃料ガスもしくは過濃予混合気による２次燃焼では、
低酸素分圧のもとでの低ＮＯｘ緩慢燃焼を行って、全体
として１次及び２次燃焼後で空気比を理論空気比に近く
して燃焼効率を向上させ、且つ低ＮＯｘ燃焼を行うこと
ができる。

【００１２】ここに、大容量の燃焼器にあっては、前記
保炎室を長方形形状とし、短辺側の板状体に１つの１次
炎孔群と２次炎孔を、長辺側の板状体に複数の１次炎孔
群と２次炎孔を、それぞれ同一周り方向に沿って炎孔な
しの部分とを交互に設けることが好ましく、これによ
り、保炎室の短辺側の両端部にも強い旋回流を形成し
て、旋回炎による効果を一層高めることができる。

【００１３】また、小容量の燃焼器にあっては、前記保
炎室を略正方形形状とし、各辺側の板状体にそれぞれ１
つの１次炎孔群及び２次炎孔を、それぞれ同一周り方向
に沿って炎孔なしの部分とを交互に設けることが好まし
く、これにより、保炎室内に１個の強い旋回流を形成し
て、旋回炎の優れた特徴を更に高めることができる。

【００１４】更に、前記底板に理論空気比よりも大きな
空気比の希薄予混合気を前記保炎室に向けて噴出する複
数の１次炎孔からなる１次炎孔群を設けることが好まし
く、これにより、燃焼容量を増大させることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１乃至図３は、本発明の第１の
実施の形態を示すもので、炉壁１に囲まれた燃焼室２の
内部には、炉壁１から燃焼室２に臨んで長方形状に開口
する保炎室３が設けられている。この保炎室３は、板状
体、即ちこの実施の形態にあっては、中空状の矩形体４
の短辺側の一対の端板４ａと、長辺側の該矩形体４の内
周面に沿って延びる一対の内側板４ｂで矩形状に囲ま
れ、この矩形体４と一体に連接した底板５で、前記端板
４ａ及び内側板４ｂで構成される開口を閉塞させて構成
されている。

【００１６】そして、前記矩形体４の長辺側の外周面に
沿って延びる外側板４ｃの内側には、前記端板４ａで挟
まれて前記底板５の上方に達する仕切板６が配置されて
いるとともに、この仕切板６の上端部には、内方にほぼ
直角に屈曲して該仕切板６と前記内側板４ｂとの隙間を
塞ぐ塞板７が連結されている。従って、一対の端板４ａ
で挟まれた仕切板６の内部に希薄予混合気Ｐを保持し導
く希薄予混合気室１０が、同じく外側板４ｃと仕切板６
との間に燃料ガスＱを保持し導く燃料ガス室１１がそれ
ぞれ区画形成されている。

【００１７】これにより、図示しない送風機から送られ
てきた空気に燃料ガスを吹き込んで予混合気を作り出
し、理論空気比よりも大きな空気比の希薄予混合気にな
るように混合して、この希薄予混合気Ｐを希薄予混合気
室１０内に、燃料ガスＱを燃料ガス室１１内に導いて保
持するようになっている。

【００１８】前記内側板４ｂの前記塞板７で仕切られた
基端部側（図１の下側）には、前記保炎室３と希薄予混
合気室１０を連通する複数の１次炎孔１２からなる１次
炎孔群１３が形成されている。この１次炎孔群１３は、
この実施の形態にあっては、各内側板４ｂに３群づつ所
定間隔離間して互い違いに配置されている。即ち、この
各１次炎孔群１３から一群となって噴出される希薄予混
合気Ｐは、図２に矢印で示すように、互いに衝突するこ
となく、交互に流れ、旋回流を形成するようになってい
る。

【００１９】一方、内側板４ｂの前記塞板７で仕切られ
た先端側（図１の上側）には、保炎室３に向けて開口す
る複数の２次炎孔１４からなる２次炎孔群１５が前記１
次炎孔群１３と略同一位置に設けられている。この２次
炎孔群１５もまた、前記１次炎孔部１３と同様に、この
各２次炎孔群１５から一群となって噴出される燃料ガス
Ｑが互いに衝突することなく、交互に流れて旋回流を形
成するようになっている。

【００２０】次に、上記燃焼器の動作について説明す
る。希薄予混合気室１０内に保持された希薄予混合気Ｐ
は、矩形体４の底部付近の内側板４ｂに設けられた１次
炎孔１２から保炎室３に向けて噴出し、図示しない着火
元により点火されると、矩形体４の内側に火炎を形成す
る。この時、各内側板４ｂに１次炎孔群１３が互い違い
に設けられているため、予混合気は互いに交互に流れて
隣接する反対向きの流れの間に局部旋回流を形成し、こ
れによって、各１次炎孔群１３，１３間に局部的に旋回
炎１６を形成する。この実施の形態にあっては、各１次
炎孔群１３，１３間に５個の旋回炎１６を形成する。

【００２１】ここで、希薄予混合気Ｐは旋回炎を形成し
ているが、旋回炎は大きな空気比のもとでも安定して燃
焼できる特徴を備えている。即ち、旋回しているために
一方の火炎の熱とラジカルを対面の未燃予混合気に供給
して、対面の火炎を予熱すると共に保炎する。また、一
方の火炎が対面の火炎に燃焼ガスを供給して対面火炎の
燃焼域における酸素濃度を低くし、サーマルＮＯｘの生
成を抑制して低ＮＯｘ燃焼を実現することができる。加
えて、火炎が矩形体４の内側面の一部に沿って形成され
ることから、この側壁が加熱されると共に、加熱された
側壁により未燃予混合気が予熱されて保炎性が高くな
る。

【００２２】これにより、通常であればＣＯを発生した
り消炎するような大きな空気比の希薄燃焼状態において
も、ＣＯを発生したり、振動燃焼を誘発することなく、
安定して燃焼して低ＮＯｘ燃焼を実現することができ
る。つまり、従来よりも遙かに希薄な１次火炎による燃
焼が可能となり、空気比を希薄にすることによりＮＯｘ
排出値を低減させて、１次火炎で生成するＮＯｘ量を極
めて僅かにすることができる。

【００２３】そして、矩形体４の内側板４ｂに設けられ
た２次炎孔１４から、燃料ガス室１１に保持された燃料
ガスＱが希薄予混合気Ｐと同一向きで保炎室３に向かっ
て噴出する。すると、この２次炎孔１４は、内側板４ｂ
に設けられた１次炎孔１２の下流側の１次火炎の燃焼が
完了したところに位置しており、希薄予混合気Ｐには理
論空気量に対して供給される実際の空気量が多く、１次
火炎の燃焼ガスは多くの残存酸素を含んでいて、且つ高
温状態にあるため、この高温の残存酸素と２次炎孔１４
から噴出される燃料ガスＱが内側板４ｂの内側で混合し
て燃焼を開始する。

【００２４】この時、２次炎孔群１５もまた、１次炎孔
群１３と同様な位置に配置されているため、燃料ガスＱ
は交互に対向して噴出して隣接する燃料ガスＱとの間に
局部旋回流を形成して、各２次炎孔群１５，１５間に局
部的に旋回炎を形成することになる。

【００２５】そして、旋回している１次火炎は矩形体４
の内側に定在しているが、この燃焼ガス中に２次炎孔１
４からの燃料ガスＱが噴出されるため、旋回による優れ
た混合力で両者の温度、酸素および燃焼濃度が均質にな
る。そして、燃料ガスＱは多量の１次火炎の燃焼ガスの
高温熱により燃焼を開始するが、ここで１次火炎の燃焼
ガスの酸素分圧は空気の場合よりもはるかに低いため、
ここでの燃焼は緩慢となって生成するＮＯｘは極めて僅
かになる。このように、１次火炎の高温熱により２次燃
焼の保炎性が維持されて安定燃焼を行うことができる。

【００２６】そして、旋回炎を形成すると旋回の中心部
の気流の圧力が低下して、中心部に、燃焼室２側から底
板５側に向けて逆流する自己循環流が発生し、この循環
流もまた燃料ガスおよび１次火炎の未燃予混合気と混合
して低ＮＯｘ性を向上させる作用をする。しかも、燃料
ガスが酸素不足状態で燃焼すると還元性雰囲気を作り出
して脱硝反応も起きるため、１次希薄燃焼により生成し
た僅かなＮＯｘを還元して、一層低ＮＯｘ排出値とする
ことができる。また、この２次燃焼も１次燃焼と同様に
旋回により保炎されているため、燃焼安定性が優れてい
る。

【００２７】このようにして、１次希薄燃焼により生じ
た残存酸素の大部分は、低ＮＯｘ緩慢燃焼を行う２次燃
焼により消費されて、２次燃焼後の排ガス中の残存酸素
量は減少し、２次燃焼を経過した後では全体として空気
比が理論空気比に近い燃焼を行ったことになる。

【００２８】以上のように、火炎を局部的に旋回させて
燃焼させることにより、低ＮＯｘの１次希薄燃焼を行
い、残存酸素と高温熱を利用して低酸素分圧下のもとに
低ＮＯｘの２次緩慢燃焼を行って、低ＮＯｘと空気比を
小さくした燃焼を同時に実現することができる。

【００２９】図４乃至図６は、大容量の燃焼器に適した
本発明の第２の実施の形態を示すもので、これは、前記
矩形体４の長辺側の該矩形体４の内周面に沿って延びる
内側板４ｂと矩形体４の短辺側の該矩形体４の内周面に
沿って延びる内端板４ｄで矩形状に囲まれて、底板５で
閉塞させた長方形状の保炎室３を設ける。更に、前記矩
形体４の長辺側の外周面に沿って延びる外側板４ｃ及び
短辺側の外周面に沿って延びる外端板４ｅの内側に前記
底板５の上方に達する中空の矩形内筒２０を配置し、こ
の矩形内筒２０の開口部を塞板２１で塞いで、矩形内筒
２０の内部に希薄予混合気Ｐを保持し導く希薄予混合気
室１０を、矩形体４の外側板４ｃ及び外端板４ｅと矩形
内筒２０との間に燃料ガスＱを保持し導く燃料ガス室１
１をそれぞれ区画形成している。

【００３０】そして、前記第１の実施の形態における内
側板４ｂの他に、各内端板４ｄにも、多数の１次炎孔１
２からなる１次炎孔群１３と、多数の２次炎孔１４から
なる２次炎孔群１５を各１群づつ、これらの各１次炎孔
群１３及び２次炎孔群１５がそれぞれ同一周り方向に沿
って炎孔なしの部分とを交互に設けたものである。

【００３１】これにより、保炎室３の短辺側の両端部に
おいても、強い旋回炎１６を形成することができる。即
ち、保炎室３の両端部において、内側板４ｂの互いに対
面する位置に設けられた２群の１次炎孔群１３と内端板
４ｄに設けられた１次炎孔群１３の計３群の炎孔群から
噴出する予混合気により旋回炎を形成でき、このため、
すべての火炎が旋回炎となって、図１乃至図３の実施形
態による旋回炎の効果を一層高めることができる。

【００３２】ここに、１次燃焼には希薄予混合気が使用
されるため、混合気量が多量となって、１次炎孔の面積
を広くする必要がある。このため、図７及び図８に示す
ように、底板５に保炎室３と希薄予混合気室１０とを連
通する多数の１次炎孔１２からなる１次炎孔群１３を設
けることが好ましく、これにより、燃焼容量を増大させ
ることができる。このことは、前記第１の実施の形態、
及び以下に示す実施の形態にあっても、同様である。

【００３３】図９及び図１０は、小容量の燃焼器に適し
た本発明の第３の実施の形態を示すもので、これは、矩
形体４として、横断面略正方形状のものを使用して、略
正方形状の保炎室３を形成し、かつこの保炎室３を囲む
各内側板４ｂ及び内端板４ｄにそれぞれ各１群づつ１次
炎孔群１３と２次炎孔群１５をそれぞれ同一周り方向に
沿って炎孔なしの部分とを交互に設けたものである。

【００３４】これにより、希薄予混合気Ｐ及び燃料ガス
Ｑを四隅に編心させて設けた１次炎孔群１３及び２次炎
孔群１５から旋回流を形成するように噴出させて、略正
方形の保炎室３の内側に１個の強い旋回炎１６を形成
し、旋回炎の優れた特徴を更に高めることができる。

【００３５】なお、前記各実施の形態において、燃焼室
２は、保炎室３よりも大きな寸法であれば、円筒形であ
っても、矩形状であっても良い。これにより、上記燃焼
器の適用範囲を極めて広くすることができる。更に燃焼
室内に複数の保炎室を併設することができる。

【００３６】以上の各実施の形態においては、１次炎孔
及び２次炎孔を平板に設けるようにしているため、この
平板に炎孔を設ける作業を極めて容易に行うことができ
る。この素材としては、例えば、セラミック材や表面に
耐火材を取り付けた耐熱ステンレス金属材等の断熱性と
耐熱性に優れた平板が適している。いずれの素材も容易
に入手でき、極めて安価な製造コストのもとに容易に燃
焼器を製造することができる。

【００３７】また、２次炎孔から燃料ガスＱを噴出する
ようにした例を示しているが、空気を含んだ過濃予混合
気を噴出しても同様の効果を期待することができる。更
に、燃料ガスが通過する２次炎孔は、予混合気用の１次
炎孔より大径のものを１個または複数個設けても良い。

【００３８】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、複数の１次炎孔からそれぞれ一群となって噴出し、
しかも互いに衝突することなく交互に流れる希薄予混合
気で形成される該希薄予混合気の局部旋回流による１次
燃焼を行わせて、予混合燃焼の欠点である不安定性を解
消して燃焼安定性を高め、希薄燃焼による低ＮＯｘ燃焼
を行い、また２次炎孔から噴出する燃料ガスもしくは過
濃予混合気による２次燃焼では、低酸素分圧のもとでの
低ＮＯｘ緩慢燃焼を行って、全体として１次及び２次燃
焼後で空気比を理論燃焼比に近付くように小さくして熱
効率を向上させ、且つ低ＮＯｘ燃焼を行うことができ
る。

【００３９】しかも、保炎室を長方形形状にして、保炎
室を囲む各板状体に１次炎孔群及び２次炎孔を設けるこ
とにより、大容量の燃焼器に適した構成にすることがで
き、また、保炎室を略正方形形状にして、保炎室を囲む
各板状体で１次炎孔群及び２次炎孔を設けることによ
り、強い旋回炎を起こして、小容量の燃焼器に適した構
成にすることができる。このようにして構成された本発
明の燃焼器は板状体から形成されるため、加工が容易で
あり、低コストで製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す断面図（図２
のＡ−Ａ線断面図）。

【図２】図１のＢ−Ｂ線断面図。

【図３】図２のＣ−Ｃ線断面図。

【図４】本発明の第２の実施の形態を示す断面図（図５
のＤ−Ｄ線断面図）。

【図５】図４のＥ−Ｅ線断面図。

【図６】図５のＦ−Ｆ線断面図。

【図７】本発明の第２の実施の形態の変形例を示す断面
図（図８のＧ−Ｇ線断面図）。

【図８】図７のＨ−Ｈ線断面図。

【図９】本発明の第３の実施の形態を示し断面図（図１
０のＩ−Ｉ線断面図）。

【図１０】図９のＪ−Ｊ線断面図。

【図１１】予混合燃焼の燃焼特性を示すグラフ。

【図１２】従来の濃淡燃焼式バーナの断面図。

【符号の説明】

２ 燃焼室 ３ 保炎室 ４ 矩形体 ５ 底板 ６ 仕切板 ７，２１ 塞板 １０ 希薄予混合室 １１ 燃料ガス室 １２ １次炎孔 １３ １次炎孔群 １４ ２次炎孔 １５ ２次炎孔群 １６ 旋回炎 ２０ 矩形内筒

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 板状体で側面を囲まれて底板で閉塞させ
   た保炎室を備え、前記板状体の少なくとも一組の相対す
   る面の各々に、予混合気を前記保炎室に向けて噴出する
   複数の炎孔からなる１次炎孔群と、炎孔無し部とを交互
   に配置し、且つ該１次炎孔群の対面には炎孔無し部を配
   置し、この１次炎孔群の下流側に位置して燃料ガスもし
   くは理論空気比よりも小さな空気比の過濃予混合気を前
   記保炎室に向けて噴出する２次炎孔と炎孔無し部とを前
   記１次炎孔群と同様に設けたことを特徴とする２段燃焼
   器。
2. 【請求項２】 前記保炎室を長方形形状とし、短辺側の
   板状体に１つの１次炎孔群と２次炎孔を、長辺側の板状
   体に複数の１次炎孔群と２次炎孔を、それぞれ同一周り
   方向に沿って炎孔無し部とを交互に配置したことを特徴
   とする請求項１記載の２段燃焼器。
3. 【請求項３】 前記保炎室を略正方形形状とし、各辺側
   の板状体にそれぞれ１つの１次炎孔群と２次炎孔を、そ
   れぞれ同一周り方向に沿って炎孔無し部とを交互に配置
   したことを特徴とする請求項１記載の２段燃焼器。
4. 【請求項４】 前記底板に理論空気比よりも大きな空気
   比の希薄予混合気を前記保炎室に向けて噴出する複数の
   １次炎孔からなる１次炎孔群を設けたことを特徴とする
   請求項１乃至３のいずれかに記載の２段燃焼器。