JPH1163418A - 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す
る。 【解決手段】 筒体と、保炎室５を区画するように筒体
内部を閉塞する底板４とを備え、底板４近傍の筒体内周
面に、理論空気比よりも大きな空気比の希薄予混合気Ｐ
を保炎室５に向けて旋回させつつ噴出する複数の１次炎
孔１２，１３と、この１次炎孔１２，１３の下流側に位
置して理論空気比よりも小さな空気比の過濃予混合気Ｒ
もしくは燃料ガスを保炎室５に向けて噴出する複数の２
次炎孔１４とを設けた。

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、ボイラやガスタービン等に広く使用
されている。この予混合燃焼の燃焼特性を図６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もって
いることが判る。

【０００３】この特性を利用し、燃料を希薄にして低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、
熱効率が低下する。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の空気
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７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内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、
筒体と、保炎室を区画するように該筒体内部を閉塞する
該底板とを備え、該底板近傍の前記筒体内周面に、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
に向けて旋回させつつ噴出する複数の１次炎孔と、この
１次炎孔の下流側に位置して理論空気比よりも小さな空
気比の過濃予混合気もしくは燃料ガスを前記保炎室に向
けて噴出する複数の２次炎孔とを設けたことを特徴とす
る。

【００１１】これにより、１次炎孔から噴出する希薄予
混合気の旋回流による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決して安定性を高め、希薄燃
焼により低ＮＯx 化を図り、また２次炎孔から噴出する
過濃予混合気による２次燃焼では低酸素分圧のもとで低
ＮＯx 緩慢燃焼を行って、全体として１次及び２次燃焼
後で空燃比を小さくした低ＮＯx 燃焼を行うことができ
る。

【００１２】ここに、前記筒体内周面の２次炎孔部の下
流側に燃焼ガスによる予熱面を形成し、前記過濃予混合
気もしくは燃料ガスが該予熱面に沿って前記筒体の内部
を流れるようにすることが好ましく、これにより、過濃
予混合気もしくは燃料ガスを、２次炎孔から保炎室に噴
出させる前に燃焼ガスで予熱することができる。

【００１３】更に、前記単位となる燃焼器を複数個備
え、これらを互いに隣接させつつ、前記燃焼室の内部に
平面状に密に配列することができ、これにより、旋回炎
を複数個形成し、火炎を密集させて燃焼面当りの燃焼量
を増大させるとともに、円筒状でない燃焼室にも適用す
ることができる。

【００１４】

【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及び図２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の内方に向けて突出する
円筒体３の基端部を該円筒体３と一体に形成した底板４
で閉塞させた保炎室５が設けられている。

【００１５】そして、前記円筒体３の外周部には、燃焼
室２の反対側に延びる外筒６が一体に連接されていると
ともに、この外筒６の内部に前記底板４の上方に達する
内筒７が配置されている。更にこの内筒７の上端には、
内方に延びて該内筒７の開口部を閉塞する塞板８が連接
されている。従って内筒７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、外筒６と内筒７と間に
過濃予混合気Ｒを保持し導く過濃予混合気室１１がそれ
ぞれ区画形成されている。

【００１６】これにより、図示しない送風機から送られ
てきた空気を所定の比率を基に多量と少量の２つの流れ
に分け、その各々に燃料ガスを吹き込んで予混合気を作
り出すのであるが、その際、空気量が多量の側は理論空
気比よりも大きな空気比の希薄予混合気Ｐに、空気量が
少量の側は理論空気比よりも小さな空気比の過濃予混合
気Ｒになるようにそれぞれ混合して、この希薄予混合気
Ｐを希薄予混合気室１０内に、過濃予混合気Ｒを過濃予
混合気室１１内に個別に導いて保持するようになってい
る。

【００１７】前記円筒体３の前記塞板８で仕切られた基
端部側には、保炎室５に向けて略接線方向に延びて該保
炎室５と希薄予混合気室１０を連通する複数の１次炎孔
１２が、また前記底板４にも、鉛直方向に延びて保炎室
５と希薄予混合気室１０を連通する複数の１次炎孔１３
が設けられている。一方、円筒体３の前記塞板９で仕切
られた先端側には、保炎室５に向けて略接線方向に延び
て該保炎室５と過濃予混合気室１１を連通する複数の２
次炎孔１４が設けられている。

【００１８】次に、上記燃焼器の動作について説明す
る。希薄予混合室１０内に保持された希薄予混合気Ｐ
は、円筒体３の底部近傍に設けられた１次炎孔１２から
保炎室５に向けて旋回流を作り出すように噴出し、図示
しない着火元により点火されると、円筒体３の内側面に
旋回炎を形成する。同時に、底板４に設けられた１次炎
孔１３から噴出する希薄予混合気Ｐに熱とラジカルを供
給してここにも火炎を形成する。

【００１９】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
火炎相互に熱とラジカルを供給し合い、また、火炎が円
筒体３の内周面に沿って形成されることから、この側壁
が加熱されるとともに加熱された側壁により未燃予混合
気が加熱されて保炎性が高くなる。

【００２０】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。

【００２１】そして、円筒体３に設けられた２次炎孔１
４から、過濃予混合気室１１に保持された過濃予混合気
Ｒが希薄予混合気Ｐと同一方向に旋回しつつ保炎室５に
向かって噴出する。すると、この２次炎孔１４は、円筒
体３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から噴出される過濃予混合気Ｒが円筒体３の内側面
に沿って旋回し混合して燃焼を開始する。

【００２２】即ち、旋回している１次火炎は円筒体３の
内周面に定在しているが、この燃焼ガス中に２次炎孔１
４からの過濃予混合気Ｒが噴出するため、旋回による優
れた混合力により両者の温度、酸素及び燃料濃度が均質
になる。そして、過濃予混合気Ｒ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遙かに低い
ため、ここでの燃焼は緩慢となって生成される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。

【００２３】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、中心部に火炎の先方から炎孔
に向けて逆流する自己循環流が発生し、この循環流が２
次予混合気および１次火炎の燃焼ガスと混合して低ＮＯ
x 性を向上させる作用をする。しかも、過濃予混合気Ｒ
が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。

【００２４】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空気比が低い燃
焼を行ったことになる。

【００２５】以上のように、火炎を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 化と空燃化を小さくし
た燃焼を同時に実現することができる。

【００２６】ここに、１次燃焼には多量の希薄予混合気
Ｐが、２次燃焼には少量の過濃予混合気Ｒがそれぞれ使
用されるため、１次炎孔の面積は広く、２次炎孔の面積
は狭くする必要がある。この点から、底板４に１次炎孔
１３を設けることは有効であるが、燃焼容量によっては
底板４に１次炎孔１３を設けなくてもよい。燃焼容量が
小さい場合には、底板４に１次炎孔１３を設けずシンプ
ルな構成にすることができる。このことは、以下の実施
の形態においても同様である。

【００２７】また、図３及び図４に示すように、燃焼室
２内に複数個（図示では合計８個）の単位となる燃焼器
を互いに隣接させつつ平面状に密に配列することもでき
る。これにより、保炎室５を小径化して１個の単位とな
る燃焼器の小型化を図るとともに、この燃焼器を平面状
に密接配置することにより、小径の旋回炎を複数個形成
することができる。前記図１及び図２に示す例の場合、
火炎は保炎室５の周辺部に形成されて中央部に形成され
ないが、このように構成することにより、火炎を密集さ
せて燃焼面当りの燃焼量を増大させることができる。し
かも、円筒状でない燃焼室、例えば矩形の燃焼室に対し
てもこの燃焼器が取り付け可能となり、適用範囲を拡大
することができる。

【００２８】このように、燃焼室２内に複数個の単位と
なる燃焼器を互いに隣接させつつ平面状に密に配列でき
ることは、以下の実施の形態においても同様である。

【００２９】図５は、本発明の第２の実施の形態を示す
もので、この実施の形態の前記図１及び図２に示す実施
の形態と異なる点は、円筒体３を燃焼室２側に突き出し
て延長させ、この円筒体３の突出部の内周面を燃焼ガス
による予熱面２０とするとともに、前記内筒７を前記塞
板８の上方まで延長させて、この延長させた内筒７の外
側に過濃混合気室１１に連通する外流路２１を、内側に
該外流路２１と円筒体８の先端で連通し前記予熱面２０
に沿って延びる内流路２２を形成した点である。

【００３０】この実施の形態では、過濃予混合気Ｒは、
燃焼室２内で円筒体３の外流路２１から内流路２２を流
れ、この内流路２２を流れる間に燃焼ガスで予熱された
後、２次炎孔１４から保炎室５に旋回しつつ噴出する。
このため、２次燃焼を起こし易くして燃焼性を向上さ
せ、しかもＣＯを発生することなく安定燃焼を維持する
ことができる。

【００３１】なお、前記各実施の形態においては、２次
炎孔から過濃予混合気Ｒを噴出するようにした例を示し
ているが、この過濃予混合気Ｒの代わりに空気を含まな
い燃料ガスを噴出するようにしても良い。このように、
燃料ガスを噴出するようにすると、過濃予混合気のため
に空気を分流させる必要がなく、また空気と燃料ガスを
混合する混合器を１つ削減させて、構造が簡単で且つ安
価な構成にすることができる。

【００３２】また、２次炎孔を略接線方向に設けること
により、過濃予混合気Ｒを旋回させつつ噴出するように
しているが、旋回力の弱い半径方向に設けるようにして
も良い。即ち、１次火炎の旋回力を利用して、過濃予混
合気もしくは燃料ガスを１次火炎の燃焼ガスと混合して
燃焼させるようにしても良い。

【００３３】更に、前記各実施の形態のように、炎孔を
多数の小孔で構成することにより、予混合気または燃料
ガスが炎孔を通過する際の通気損失を小さくすることが
できる。また、これらの円筒体３及び底板４等の燃焼器
を形成する材料としてはセラミックスや耐熱金属材が好
適である。

【００３４】更に上記実施形態は筒体として円筒体を用
いる例について説明したが、角形又は楕円形のものを用
いても勿論よい。

【００３５】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、旋回燃焼方式を採用することにより、１次燃焼では
予混合燃焼の欠点である不安定性を解決して安定性を高
め、希薄燃焼による低ＮＯx 燃焼を行い、また、２次燃
焼では低酸素分圧のもとで低ＮＯx 緩慢燃焼を行い、全
体として１次及び２次燃焼後では空燃比を小さくした低
ＮＯx 燃焼を行うことができる。

【００３６】また、保炎室を小径化して１個の単位とな
る燃焼器を小型化するとともに、複数個を平面状に密接
配置することにより、小径の旋回火炎を複数個形成し
て、燃焼面当たりの燃焼量を増大させることができる。
また、円筒体でない燃焼室、例えば矩形の燃焼室に対し
てもこの燃焼器を取付けられるようにすることができ
る。

【００３７】更に、１次旋回炎が定在して高温域にある
外周部に向けて２次炎孔から過濃予混合気もしくは燃料
ガスを噴出することにより、２次燃焼を活発化させ、し
かも円筒体と底板からなる燃焼器をコンパクトに構成す
ることができる。

【００３８】また、２次炎孔が設けられている円筒体の
該２次炎孔の下流側に燃焼ガスによる予熱面を形成し、
前記過濃予混合気もしくは燃料ガスが該予熱面に沿って
前記円筒体の内部を流れるようにすることにより、２次
燃焼を起こし易くして、燃焼性を向上させ安定燃焼を維
持することができる。

【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】図１のＡ−Ａ線断面図。

【図３】複数の燃焼器を備えた第１の実施の形態の変形
例を示す平面図。

【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図。

【図５】本発明の第２の実施の形態を示す断面図。

【図６】予混合燃焼の燃焼特性を示すグラフ。

【図７】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 円筒体 ４ 底板 ５ 保炎室 ６ 外筒 ７ 内筒 １０ 希薄予混合気室 １１ 過濃予混合気室 １２，１３ １次炎孔 １４ ２次炎孔 ２０ 予熱面 ２１，２２ 流路 Ｐ 希薄予混合気 Ｒ 過濃予混合気

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒体と、保炎室を区画するように該筒体
   内部を閉塞する底板とを備え、該底板近傍の前記筒体内
   周面に、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旋回させつつ噴出する複数の１次
   炎孔と、この１次炎孔の下流側に位置して理論空気比よ
   りも小さな空気比の過濃予混合気もしくは燃料ガスを前
   記保炎室に向けて噴出する複数の２次炎孔とを設けたこ
   とを特徴とする２段燃焼器。
2. 【請求項２】 前記筒体内周面の前記２次炎孔の下流側
   に、前記過濃予混合気もしくは燃料ガスの予熱面を形成
   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】 前記請求項１または２記載の燃焼器を単
   位とし、該燃焼器を互いに隣接させつつ、平面状に密に
   配列したことを特徴とする２段燃焼器。
4. 【請求項４】 前記底板から前記保炎室内部に予混合気
   を噴出する１次炎孔を更に備えたことを特徴とする請求
   項１乃至３に記載の２段燃焼器。
5. 【請求項５】 前記筒体は円筒体であることを特徴とす
   る請求項１又は２に記載の２段燃焼器。