WO2011077762A1 - 燃焼バーナおよびこの燃焼バーナを備えるボイラ - Google Patents

Abstract

　この燃焼バーナ１は、固体燃料と一次空気とを混合した燃料ガスを噴射する燃料ノズル２と、燃料ノズル２の外周から二次空気を噴射する二次空気ノズル３、４と、燃料ノズル２の開口部に配置される保炎器５とを備える。この燃焼バーナ１では、保炎器５が燃料ガスの流れ方向に拡幅するスプリット形状を有する。また、燃料ノズル２の中心軸を含む断面のうち保炎器５の拡幅方向にかかる断面視にて、燃料ノズル２の中心軸から保炎器５の拡幅端までの最大距離ｈと燃料ノズル２の開口部２１の内径ｒとがｈ／（ｒ／２）＜０．６の関係を有する。

Description

燃焼バーナおよびこの燃焼バーナを備えるボイラ

　この発明は、燃焼バーナおよびこの燃焼バーナを備えるボイラに関し、さらに詳しくは、ＮＯｘ発生量を低減できる燃焼バーナおよびこの燃焼バーナを備えるボイラに関する。

　従来の燃焼バーナでは、一般に燃焼火炎を外部保炎する構成が採用されている。かかる構成では、燃焼火炎の外周部に高温高酸素領域が形成されるため、ＮＯｘ発生量が増加するという課題がある。かかる構成を採用する従来の燃焼バーナとして、特許文献１に記載される技術が知られている。

特許第２７８１７４０号公報

　この発明は、ＮＯｘ発生量を低減できる燃焼バーナおよびこの燃焼バーナを備えるボイラを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、この発明にかかる燃焼バーナは、固体燃料と一次空気とを混合した燃料ガスを噴射する燃料ノズルと、前記燃料ノズルの外周から二次空気を噴射する二次空気ノズルと、前記燃料ノズルの開口部に配置される保炎器とを備える燃焼バーナであって、前記保炎器が前記燃料ガスの流れ方向に拡幅するスプリット形状を有し、且つ、前記燃料ノズルの中心軸を含む断面のうち前記保炎器の拡幅方向にかかる断面視にて、前記燃料ノズルの中心軸から前記保炎器の拡幅端までの最大距離ｈと前記燃料ノズルの開口部の内径ｒとがｈ／（ｒ／２）＜０．６の関係を有することを特徴とする。

　この発明にかかる燃焼バーナでは、燃焼火炎の内部保炎（燃料ノズルの開口部の中央領域における保炎）が実現されるので、燃焼火炎の外部保炎（燃料ノズルの外周における保炎、あるいは、燃料ノズルの開口部の内壁面近傍の領域における保炎）が行われる構成と比較して、燃焼火炎の外周部が低温となる。したがって、二次空気により高酸素雰囲気下にある燃焼火炎の外周部の温度を低くできる。これにより、燃焼火炎の外周部におけるＮＯｘ発生量を低減できる利点がある。

図１は、この発明の実施の形態にかかる燃焼バーナを示す構成図である。 図２は、図１に記載した燃焼バーナの開口部を示す正面図である。 図３は、図１に記載した燃焼バーナの保炎器を示す説明図である。 図４は、図１に記載した燃焼バーナの作用を示す説明図である。 図５は、図１に記載した燃焼バーナの性能試験の結果を示すグラフである。 図６は、図３に記載した保炎器の作用を示す説明図である。 図７は、燃焼バーナの性能試験の結果を示すグラフである。 図８は、図１に記載した燃焼バーナの整流構造を示す説明図である。 図９は、図８に記載した整流構造の整流環を示す説明図である。 図１０は、図１に記載した燃焼バーナの変形例を示す説明図である。 図１１は、図１に記載した燃焼バーナの変形例を示す説明図である。 図１２は、図１に記載した燃焼バーナの変形例を示す説明図である。 図１３は、燃焼バーナの性能試験の結果を示すグラフである。 図１４は、図１に記載した燃焼バーナの変形例を示す説明図である。 図１５は、図１に記載した燃焼バーナの変形例を示す説明図である。 図１６は、図１に記載した燃焼バーナの変形例を示す説明図である。 図１７は、図１に記載した燃焼バーナの変形例を示す説明図である。 図１８は、図１に記載した燃焼バーナの変形例を示す説明図である。 図１９は、図１に記載した燃焼バーナの変形例を示す説明図である。 図２０は、図１に記載した燃焼バーナがアディショナルエア方式を採用するボイラに適用された場合のＮＯｘ発生量を示す説明図である。 図２１は、図１に記載した燃焼バーナがアディショナルエア方式を採用するボイラに適用された場合のＮＯｘ発生量を示す説明図である。 図２２は、一般的な微粉炭焚きボイラを示す構成図である。

　以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施の形態に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

［微粉炭焚きボイラ］
　図２２は、一般的な微粉炭焚きボイラを示す構成図である。微粉炭焚きボイラ１００は、微粉炭を焚いて熱エネルギーを取得するボイラであり、例えば、発電用途、工業用途などに用いられる。

　微粉炭焚きボイラ１００は、火炉１１０と、燃焼装置１２０と、蒸気発生装置１３０とを備える（図２２参照）。火炉１１０は、微粉炭を焚くための炉であり、燃焼室１１１と、この燃焼室１１１の上方に接続される煙道１１２とを有する。燃焼装置１２０は、微粉炭を燃焼させる装置であり、燃焼バーナ１２１と、燃焼バーナ１２１に微粉炭を供給する微粉炭供給系統１２２と、燃焼バーナ１２１に二次空気を供給する空気供給系統１２３とを有する。この燃焼装置１２０は、燃焼バーナ１２１を火炉１１０の燃焼室１１１に接続して配置される。また、この燃焼装置１２０では、空気供給系統１２３が微粉炭の酸化燃焼を完結するためのアディショナルエアを燃焼室１１１に供給する。蒸気発生装置１３０は、燃料ガスとの熱交換によりボイラ給水を加熱して蒸気を発生する装置であり、節炭器１３１、再熱器１３２、過熱器１３３および蒸気ドラム（図示省略）を有する。この蒸気発生装置１３０は、節炭器１３１、再熱器１３２および過熱器１３３を火炉１１０の煙道１１２上に段階的に配置して構成される。

　この微粉炭焚きボイラ１００では、まず、燃焼装置１２０にて、微粉炭供給系統１２２が微粉炭および一次空気を燃焼バーナ１２１に供給し、また、空気供給系統１２３が燃焼用の二次空気を燃焼バーナ１２１に供給する（図２２参照）。次に、燃焼バーナ１２１が微粉炭、一次空気および二次空気の燃料ガスに着火して、この燃料ガスを燃焼室１１１に噴射する。すると、この燃料ガスが燃焼室１１１にて燃焼して、燃料ガスが発生する。次に、この燃料ガスが燃焼室１１１内から煙道１１２を通って排出される。このとき、蒸気発生装置１３０が燃料ガスとボイラ給水とを熱交換させて蒸気を発生する。そして、この蒸気が外部のプラント（例えば、蒸気タービンなど）に供給される。

　なお、この微粉炭焚きボイラ１００では、一次空気の供給量と二次空気の供給量との和が微粉炭の供給量に対して理論空気量未満となるように設定されて、燃焼室１１１が還元雰囲気に保持される。そして、微粉炭の燃焼により発生したＮＯxが燃焼室１１１にて還元され、その後に、アディショナルエア（ＡＡ）が追加供給されて微粉炭の酸化燃焼が完結される（アディショナルエア方式）。これにより、微粉炭の燃焼によるＮＯxの発生量が低減される。

［燃焼バーナ］
　図１は、この発明の実施の形態にかかる燃焼バーナを示す構成図である。同図は、燃焼バーナの中心軸における高さ方向の断面図を示している。図２は、図１に記載した燃焼バーナの開口部を示す正面図である。

　この燃焼バーナ１は、固体燃料を燃焼させるための固体燃料焚きバーナであり、例えば、図２２に記載した微粉炭焚きボイラ１００の燃焼バーナ１２１として用いられる。ここでは、一例として、固体燃料として微粉炭が用いられ、燃焼バーナ１が微粉炭焚きボイラ１００に適用される場合について説明する。

　この燃焼バーナ１は、燃料ノズル２と、主二次空気ノズル３と、二次空気ノズル４と、保炎器５とを備える（図１および図２参照）。燃料ノズル２は、微粉炭（固体燃料）と一次空気とを混合した燃料ガス（固体燃料を含んだ一次空気）を噴射するノズルである。主二次空気ノズル３は、燃料ノズル２から噴射された燃料ガスの外周に主二次空気（Coal　二次空気）を噴射するノズルである。二次空気ノズル４は、主二次空気ノズル３から噴射された主二次空気の外周に二次空気を噴射するノズルである。保炎器５は、燃料ガスの着火用および保炎用の機器であり、燃料ノズル２の開口部２１に配置される。

　例えば、この実施の形態では、燃料ノズル２および主二次空気ノズル３が長尺な管状構造を有し、矩形状の開口部２１、３１を有している（図１および図２参照）。また、燃料ノズル２を中心として外側に主二次空気ノズル３を配置した二重管が構成されている。また、二次空気ノズル４が二重管構造を有し、環状の開口部４１を有している。そして、この二次空気ノズル４の内環に、燃料ノズル２および主二次空気ノズル３が挿入されて配置されている。これにより、燃料ノズル２の開口部２１が中心に配置され、その外側に主二次空気ノズル３の開口部３１が配置され、その外側に二次空気ノズル４の開口部４１が配置されている。また、これらのノズル２～４の開口部２１～４１が同一面上に揃えられて配置されている。また、保炎器５が、燃料ガスの上流側から板材（図示省略）により支持されて、燃料ノズル２の開口部２１に配置されている。また、保炎器５の下流側端部（拡幅端部）とノズル２～４の開口部２１～４１とが同一面上に揃えられている。

　この燃焼バーナ１では、微粉炭と一次空気とを混合した燃料ガスが燃料ノズル２の開口部２１から噴射される（図１参照）。このとき、燃料ガスは、燃料ノズル２の開口部２１にて保炎器５により分岐され着火され、燃焼して燃料ガスとなる。また、この燃料ガスの外周に、主二次空気が主二次空気ノズル３の開口部３１から噴射されて、燃料ガスの燃焼が促進される。また、燃焼火炎の外周に、二次空気が二次空気ノズル４の開口部４１から供給されて、燃焼火炎の外周部が冷却される。

［保炎器の配置］
　ここで、この燃焼バーナ１では、微粉炭の燃焼によるＮＯｘ発生量を低減するために、燃料ノズル２の開口部２１に対する保炎器５の配置が適正化される。以下、この点について説明する。

　まず、燃料ノズル２の中心軸を含む断面のうち保炎器５の拡幅方向にかかる断面視にて、保炎器５が燃料ガス（微粉炭と一次空気との混合ガス）の流れ方向に拡幅するスプリット形状を有する（図１および図３参照）。また、燃料ノズル２の中心軸から保炎器５の拡幅端（スプリット形状の下流側端部）までの最大距離ｈと、燃料ノズル２の開口部２１の内径ｒとがｈ／（ｒ／２）＜０．６の関係を有する。

　例えば、この実施の形態では、燃料ノズル２が矩形状の開口部２１を有し、その高さ方向を鉛直方向に向けると共にその幅方向を水平方向に向けて設置されている（図１および図２参照）。そして、この燃料ノズル２の開口部２１に保炎器５が配置されている。また、保炎器５が燃料ガスの流れ方向に拡幅するスプリット形状を有し、且つ、この拡幅方向に直交する方向に長尺な形状を有している。そして、保炎器５が、その長手方向を燃料ノズル２の幅方向に向けて配置されて、燃料ノズル２の開口部２１を幅方向に略横断している。また、保炎器５が、燃料ノズル２の開口部２１の中心線上に配置されて、燃料ノズル２の開口部２１を高さ方向に二等分している。

　また、保炎器５が略二等辺三角形断面かつ長尺な略プリズム形状を有している（図１および図３参照）。また、燃料ノズル２の軸方向断面視にて、燃料ノズル２の中心軸上に配置されている。このとき、保炎器５が、その頂部を燃料ガスの上流側に向けると共に、その底部を燃料ノズル２の開口部２１に揃えて配置されている。これにより、保炎器５が燃料ガスの流れ方向に拡幅するスプリット形状を有している。また、保炎器５のスプリット角（二等辺三角形の頂角）θおよびスプリット幅（二等辺三角形の底辺長さ）Ｌが所定の大きさに設定されている。

　また、かかるスプリット形状を有する保炎器５が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に配置されている（図１および図２参照）。ここで、開口部２１の「中央領域」とは、保炎器５が燃料ガスの流れ方向に拡幅するスプリット形状を有するときに、燃料ノズル２の中心軸を含む断面のうち保炎器５の拡幅方向にかかる断面視にて、燃料ノズル２の中心軸から保炎器５の拡幅端（スプリット形状の下流側端部）までの最大距離ｈと、燃料ノズル２の開口部２１の内径ｒとがｈ／（ｒ／２）＜０．６の関係を有する領域をいうものとする。なお、この実施の形態では、保炎器５が燃料ノズル２の中心軸上に配置されるため、燃料ノズル２の中心軸から保炎器５の拡幅端までの最大距離ｈが保炎器５のスプリット半幅Ｌ／２となっている。

　この燃焼バーナ１では、保炎器５がスプリット形状を有するので、燃料ガスが燃料ノズル２の開口部２１にて保炎器５により分岐される（図１参照）。このとき、保炎器５が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に配置され、この中央領域にて、燃料ガスの着火および保炎が行われる。これにより、燃焼火炎の内部保炎（燃料ノズル２の開口部２１の中央領域における保炎）が実現される。

　かかる構成では、燃焼火炎の外部保炎（燃料ノズルの外周における保炎、あるいは、燃料ノズルの開口部の内壁面近傍の領域における保炎）が行われる構成（図示省略）と比較して、燃焼火炎の外周部Ｙが低温となる（図４参照）。したがって、二次空気により高酸素雰囲気下にある燃焼火炎の外周部Ｙの温度を低くできる。これにより、燃焼火炎の外周部ＹにおけるＮＯｘ発生量が低減される。

　図５は、図１に記載した燃焼バーナの性能試験の結果を示すグラフである。同図は、燃料ノズル２の開口部２１における保炎器５の位置ｈ／（ｒ／２）とＮＯｘ発生量との関係にかかる試験結果を示している。

　この性能試験では、図１に記載した燃焼バーナ１において、保炎器５の距離ｈを変化させたときにＮＯｘ発生量が測定された。このとき、燃料ノズル２の内径ｒ、保炎器５のスプリット角θおよびスプリット幅Ｌなどが一定に設定されている。なお、ＮＯｘ発生量は、燃焼火炎の外部保炎が行われる構成（保炎器が燃料ノズルの外周に配置される構成。特許文献１参照。）を基準（ｈ／（ｒ／２）＝１）とした相対値で示されている。

　試験結果に示すように、保炎器５の位置が燃料ノズル２の開口部２１の中心に近づくに連れて、ＮＯｘ発生量が減少することが分かる（図５参照）。具体的には、保炎器５の位置がｈ／（ｒ／２）＜０．６となることにより、ＮＯｘ発生量が１０％以上減少して、優位性が認められている。

　なお、燃焼バーナ１では、保炎器５の長手方向の端部と、燃料ノズル２の開口部２１の内壁面とが当接していることが好ましい。しかし、通常の設計では、保炎器５の端部と燃料ノズル２の内壁面との間には、部材の熱伸びを考慮して数ｍｍ程度の微少な隙間ｄが形成される（図２参照）。このように、保炎器５の端部と燃料ノズル２の内壁面とが近接して配置される構成では、保炎器５の端部が燃焼火炎からの輻射を受ける。これにより、保炎器５の端部から内部への火炎伝播を得られるので、好ましい。

［保炎器のスプリット角およびスプリット幅］
　また、この燃焼バーナ１では、固体燃料の燃焼によるＮＯｘ発生量を抑制するために、保炎器５のスプリット形状が適正化されることが好ましい。以下、この点について説明する。

　上記のように、この燃焼バーナ１では、保炎器５が燃料ガスを分岐するためのスプリット形状を有する（図３参照）。このとき、保炎器５は、三角形断面のスプリット形状を有し、その頂部を燃料ガスの流れ方向上流側に向けて配置されることが好ましい（図６（ａ）参照）。かかる三角形断面の保炎器５では、分岐された燃料ガスが保炎器５の側面に沿って流れて差圧により底辺側に巻き込まれる。したがって、燃料ガスが保炎器５の径方向外側に拡散し難いので、燃焼火炎の内部保炎が適正に確保（あるいは補強）される。これにより、燃焼火炎の外周部Ｙ（図４参照）が低温となるので、二次空気との混合によるＮＯｘ発生量が低減される。

　なお、保炎器が板状形状のスプリット形状を有する構成（図６（ｂ）参照）では、分岐された燃料ガスが保炎器から燃料ノズルの内壁面に向かって流れる。既存の燃焼バーナでは、このように、保炎器により燃料ガスを分岐して燃料ノズルの内壁面沿いにガイドする構成が一般的である。かかる構成では、燃料ノズルの中央領域よりも内壁面近傍領域のほうが燃料ガスリッチとなり、燃焼火炎の外周部Ｙが内部Ｘよりも高温となる（図４参照）。すると、この燃焼火炎の外周部Ｙにて、二次空気との混合によるＮＯｘ発生量が増加するおそれがある。

　また、上記の構成では、三角形断面を有する保炎器５のスプリット角θがθ＜９０［deg］であることが好ましい（図３参照）。さらに、保炎器５のスプリット角θがθ＜６０［deg］であることがより好ましい。これにより、分岐された燃料ガスが燃料ノズルのない壁面側に拡散する事態が抑制されるので、燃焼火炎の内部保炎がより適正に確保される。

　例えば、この実施の形態では、保炎器５が断面二等辺三角形のスプリット形状を有しており、そのスプリット角θがθ＜９０［deg］に設定されている（図３参照）。また、保炎器５が燃料ガスの流れ方向に対して左右対称に配置されることにより、側面の傾斜角（θ／２）が３０［deg］未満に設定されている。

　さらに、上記の構成では、三角形断面を有する保炎器５のスプリット幅Ｌと燃料ノズル２の開口部２１の内径ｒとが、０．０６≦Ｌ／ｒの関係を有することが好ましく、０．１０≦Ｌ／ｒの関係を有することがより好ましい。これにより、保炎器５のスプリット幅Ｌと燃料ノズル２の内径ｒとの比Ｌ／ｒが適正化されて、ＮＯｘ発生量が低減される。

　図７は、燃焼バーナの性能試験の結果を示すグラフである。同図は、保炎器５のスプリット幅Ｌおよび燃料ノズル２の開口部２１の内径ｒの比Ｌ／ｒとＮＯｘ発生量との関係にかかる試験結果を示している。

　この性能試験では、図１に記載した燃焼バーナ１において、保炎器５のスプリット幅Ｌを変化させたときのＮＯｘ発生量が測定された。このとき、燃料ノズル２の内径ｒ、保炎器５の距離ｈやスプリット角θなどが一定に設定されている。なお、ＮＯｘ発生量は、燃焼火炎のスプリット幅ＬがＬ＝０であるときを基準とした相対値で示されている。

　試験結果に示すように、保炎器５のスプリット幅Ｌが大きくなるほど、ＮＯｘ発生量が減少することが分かる。具体的には、０．０６≦Ｌ／ｒとすることにより、ＮＯｘ発生量が２０％減少し、０．１０≦Ｌ／ｒとすることにより、ＮＯｘ発生量が３０％以上減少することが分かる。ただし、０．１３＜Ｌ／ｒとなると、ＮＯｘ発生量の減少が底打ちとなる傾向がある。

　なお、スプリット幅Ｌの上限は、燃料ノズル２の開口部２１における保炎器５の位置ｈ／（ｒ／２）との関係で制限される。すなわち、スプリット幅Ｌが大きくなり過ぎると、保炎器の位置が燃料ノズル２の内壁面に近づいて燃焼火炎の内部保持による効果が低下するため、好ましくない（図５参照）。したがって、保炎器５のスプリット幅Ｌは、燃料ノズル２の開口部２１の内径ｒとの関係（比Ｌ／ｒ）および保炎器５の位置ｈ／（ｒ／２）との関係により、適正化されることが好ましい。

　なお、この実施の形態では、保炎器５が三角形断面形状を有するが、これに限らず、保炎器５がＶ字断面形状を有しても良い（図示省略）。かかる構成としても、同様の効果を得られる。

　ただし、保炎器５は、三角形断面形状の方がＶ字断面形状よりも好ましい。例えば、Ｖ字断面形状では、（１）油焚き時にて輻射熱により保炎器が変形するおそれがある。また、保炎器の内部に灰が滞留して付着し成長するおそれがある。したがって、保炎器５を三角形断面形状とし、火炉側をセラミックス製とすることにより、灰の付着が緩和される。

［燃料ノズルの整流構造］
　図８は、図１に記載した燃焼バーナの整流構造を示す説明図である。図９は、図８に記載した整流構造の整流環を示す説明図である。

　従来の燃焼バーナでは、燃焼火炎を外部保炎する構成において、燃料ガスあるいは二次空気が旋回流あるいは急激に角度を変える流れとして供給されている。これにより、燃料ノズルの外周に再循環域が形成されて、外部着火および外部保炎が効率的に行われている（図示省略）。

　これに対して、この燃焼バーナ１では、上記のように燃焼火炎を内部保炎する構成が採用されるため、燃料ガスおよび二次空気（主二次空気および二次空気）が直進流として供給されることが好ましい（図１参照）。すなわち、燃料ノズル２、主二次空気ノズル３および二次空気ノズル４が、燃料ガスあるいは二次空気を旋回させることなく直進流として供給する構造を有することが好ましい。

　例えば、燃料ノズル２、主二次空気ノズル３および二次空気ノズル４が、燃料ガスあるいは二次空気の直進流を阻害するような障害物を内部のガス通路に有さない構成が好ましい（図１参照）。かかる障害物には、例えば、旋回流を形成するための旋回羽根や、ガス流れを内壁面近傍領域にガイドする構造物などが含まれる。

　かかる構成では、燃料ガスおよび二次空気が直進流として噴射されて燃焼火炎が形成されるので、燃焼火炎を内部保炎する構成において、燃焼火炎内のガス循環が抑制される。これにより、燃焼火炎の外周部Ｙ（図４参照）が低温のまま維持されるので、二次空気との混合によるＮＯｘ発生量が低減される。

　さらに、この燃焼バーナ１では、燃料ノズル２が整流機構６を有することが好ましい（図８および図９参照）。この整流機構６は、燃料ノズル２に供給される燃料ガスの流れを整流する機構であり、例えば、燃料ノズル２内を通過する燃料ガスに圧力損失を発生させて、燃焼ガスの流量偏差を抑制する機能を有する。かかる構成では、整流機構６により、燃料ノズル２内に燃料ガスの直進流が形成される。そして、保炎器５が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に配置されることにより、燃焼火炎の内部保炎が行われる（図１参照）。これにより、内部保炎が適正に確保されるので、燃焼火炎の外周部Ｙ（図４参照）におけるＮＯｘ発生量が低減される。

　例えば、この実施の形態では、燃料ノズル２が燃料ガスの上流側（燃焼バーナ１の根元部）にて円管構造を有し、徐々に断面形状を変化させて、開口部２１にて矩形の断面形状となっている（図２、図８および図９参照）。また、環状のオリフィスから成る整流機構６が燃料ノズル２内の上流部に配置されている。また、燃料ノズル２が、この整流機構６の位置から開口部２１に渡って直線的な燃料ガスの流路を有している（ストレート形状）。また、燃料ノズル２の内部には、整流機構６から開口部２１（保炎器５）までの範囲に、直進流を阻害するような障害物が設けられていない。これにより、燃料ガスを整流機構６にて整流し、燃料ガスの直進流をそのまま燃料ノズル２の開口部２１に供給する構造（燃焼ガスの整流構造）が形成されている。

　なお、整流機構６と燃料ノズル２の開口部２１との距離は、燃焼バーナ１の高さＨに対して２Ｈ以上であることが好ましく、１０Ｈであることがより好ましい。これにより、整流機構６の設置による燃焼ガス流れへの悪影響が低減されて、好適な直進流が形成される。

［保炎器の形状の変形例１］
　この実施の形態では、燃料ノズル２の正面視にて、燃料ノズル２が矩形状の開口部２１を有し、保炎器５が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域を略横断して配置されている（図２参照）。また、長尺な保炎器５が単独で配置されている。

　しかし、これに限らず、この燃焼バーナ１では、一対の保炎器５、５が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に並列に配置されても良い（図１０参照）。かかる構成では、一対の保炎器５、５に挟まれた領域が燃料ノズル２の開口部２１に形成される（図１１参照）。すると、この挟まれた領域にて空気不足が発生する。したがって、燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に、空気不足による還元雰囲気が形成される。これにより、燃焼火炎の内部Ｘ（図４参照）におけるＮＯｘ発生量が低減される。

　例えば、この実施の形態では、長尺な一対の保炎器５、５が、その長手方向を燃料ノズル２の開口部２１の幅方向に向けつつ並行に揃えられて配置されている（図１０参照）。そして、これらの保炎器５、５が燃料ノズル２の開口部２１を幅方向に略横断することにより、燃料ノズル２の開口部２１が高さ方向に３つの領域に区画されている。このとき、燃料ノズル２の中心軸を含む断面のうち保炎器５の拡幅方向にかかる断面視にて、これらの保炎器５、５が三角形断面のスプリット形状をそれぞれ有し、その拡幅方向を燃料ガスの流れ方向にそれぞれ向けて配置されている（図１１参照）。また、一対の保炎器５、５の双方が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域にあるように構成されている。具体的には、燃料ノズル２の中心軸から一対の保炎器５、５の拡幅端までの最大距離ｈと、燃料ノズル２の開口部２１の内径ｒとがｈ／（ｒ／２）＜０．６の関係を有するように構成されている。これにより、燃焼火炎の内部保炎が行われている。

　なお、上記の構成では、一対の保炎器５、５が配置されている（図１０および図１１参照）。しかし、これに限らず、３つ以上の保炎器５が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に並列に配置されてもよい（図示省略）。かかる構成としても、隣り合う保炎器５、５に挟まれた領域に、空気不足による還元雰囲気が形成される。これにより、燃焼火炎の内部Ｘ（図４参照）におけるＮＯｘ発生量が低減される。

［保炎器の形状の変形例２］
　また、この燃焼バーナ１では、一対の保炎器５、５が交差して連結されると共にその交差部を燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に位置させて配置されても良い（図１２参照）。かかる構成では、一対の保炎器５、５が交差して連結されることにより、その交差部に強い着火面が形成される。そして、この交差部が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に配置されることにより、燃焼火炎の内部保炎が適正に行われる。これにより、燃焼火炎の内部Ｘ（図４参照）におけるＮＯｘ発生量が低減される。

　例えば、この実施の形態では、長尺な一対の保炎器５、５が、その長手方向を燃料ノズル２の開口部２１の幅方向および高さ方向にそれぞれ向けて配置されている（図１２参照）。また、これらの保炎器５、５が開口部２１を幅方向あるいは高さ方向にそれぞれ略横断している。また、これらの保炎器５、５が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域にそれぞれ配置される。これにより、保炎器５、５の交差部が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に位置している。また、燃料ノズル２の中心軸から保炎器５の拡幅端までの最大距離ｈ（ｈ’）と、燃料ノズル２の開口部２１の内径ｒ（ｒ’）とがｈ／（ｒ／２）＜０．６の関係（（ｈ’／（ｒ’／２）＜０．６）の関係）を有するように構成されている。これにより、燃焼火炎の内部保炎が実現されている。

　なお、上記の構成では、一対の保炎器５、５が配置されている（図１２参照）。しかし、これに限らず、３つ以上の保炎器５が交差して連結されると共にその交差部を燃料ノズルの開口部の中央領域に位置させて配置されてもよい（図示省略）。かかる構成としても、保炎器５、５の交差部が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に形成される。これにより、燃焼火炎の内部保炎が適正に行われて、燃焼火炎の内部Ｘ（図４参照）におけるＮＯｘ発生量が低減される。

　図１３は、燃焼バーナの性能試験の結果を示すグラフである。同図は、図１０に記載した燃焼バーナ１と図１２に記載した燃焼バーナ１との比較試験の結果を示している。これらの燃焼バーナ１は、いずれも一対の保炎器５、５を燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に配置する点で共通している。ただし、図１０に記載した燃焼バーナ１が一対の保炎器５、５を並列に配置する構造（並列スプリット構造）を有するのに対して、図１２に記載した燃焼バーナ１が一対の保炎器５、５を十字状にクロスさせて配置する構造（クロススプリット構造）を有する点で相異する。なお、燃料ガスの未燃分の数値は、図１０に記載した燃焼バーナ１を基準（１．００）とした相対値である。

　試験結果に示すように、図１２に記載した燃焼バーナ１では、燃料ガスの未燃分が相対的に減少することが分かる。

［保炎器の形状の変形例３］
　さらに、この燃焼バーナ１では、複数の保炎器５が井桁状に組み合わされると共に、これらの保炎器５により囲まれた部分が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に位置しても良い（図１４参照）。すなわち、図１０の構成と図１２の構成とが組み合わされても良い。かかる構成では、保炎器５により囲まれた部分に強い着火面が形成される。そして、この保炎器５により囲まれた部分が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に配置されることにより、燃焼火炎の内部保炎が適正に行われる。これにより、燃焼火炎の内部Ｘ（図４参照）におけるＮＯｘ発生量が低減される。

　例えば、この実施の形態では、長尺な４つの保炎器５が井桁状に連結され、その長手方向を燃料ノズル２の幅方向あるいは高さ方向にそれぞれ向けて配置されている（図１４参照）。また、各保炎器５が燃料ノズル２の開口部２１を幅方向あるいは高さ方向にそれぞれ略横断している。４つの保炎器５がそれぞれ燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に配置されている。これにより、保炎器５により囲まれた部分が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に配置されている。また、燃料ノズル２の中心軸から保炎器５の拡幅端までの最大距離ｈと、燃料ノズル２の開口部２１の内径ｒとがｈ／（ｒ／２）＜０．６の関係を有するように構成されている。これにより、燃焼火炎の内部保炎が適正に行われている。

　なお、上記の構成では、複数の保炎器５の配置間隔が密に設定されることが好ましい（図１４参照）。かかる構成では、保炎器５により囲まれた部分のフリーエリアが小さくなる。すると、保炎器５のスプリット形状による圧力損失が相対的に大きくなり、燃料ノズル２内における燃焼ガスの流速が低下する。これにより、燃料ガスの着火が迅速に行われる。

　また、上記の構成では、４つの保炎器５が井桁状に連結されている（図１４参照）。しかし、これに限らず、任意の数（例えば、高さ方向２本かつ幅方向３本）の保炎器５が連結されて、保炎器５により囲まれた部分が形成されても良い（図示省略）。そして、この保炎器５により囲まれた部分が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に位置することにより、燃焼火炎の内部保炎が適正に行われる。

［燃料ノズルの開口部が円形である場合の適用例］
　この実施の形態では、燃料ノズル２の正面視にて、燃料ノズル２が矩形状の開口部２１を有し、この開口部２１に保炎器５が配置されている（図２、図１０、図１２および図１４参照）。しかし、これに限らず、燃料ノズル２が円形状の開口部２１を有し、この開口部２１に保炎器５が配置されても良い（図１５および図１６参照）。

　例えば、図１５に示す燃焼バーナ１では、円形状の開口部２１に、クロススプリット構造を有する保炎器５（図１２参照）が配置されている。また、図１６に示す燃焼バーナ１では、円形状の開口部２１に、井桁状に連結された保炎器５（図１４参照）が配置されている。これらの構成においても、保炎器５の交差部（図１２参照）あるいは保炎器５により囲まれた部分（図１４参照）が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に配置されることにより、燃焼火炎の内部保炎が適正に行われる。

　また、例えば、円形状の開口部２１とし、二次空気を同心円上で多重に供給することにより、二次空気が均一に供給される。これにより、局所的な高酸素領域の発生が抑制されるので好ましい。

［二次空気ノズルのダンパ構造］
　一般に、燃焼火炎の外周部Ｙは、二次空気の供給により局所的に高温かつ高酸素な領域となり易い（図４参照）。そこで、二次空気の供給量を調整することにより、この高温かつ高酸素な状態を緩和することが好ましい。その一方で、燃料ガスの未燃分が多い場合には、これを緩和することが好ましい。

　そこで、この燃焼バーナ１では、主二次空気ノズル３の外周に、複数（ここでは３基）の二次空気ノズル４が配置される（図１７参照）。また、主二次空気ノズル３および各二次空気ノズル４がダンパ構造を有することにより、主二次空気および二次空気の供給量が調整される。このとき、各二次空気ノズル４は、二次空気の噴射方向を±３０［deg］の範囲で調整できることが好ましい。

　かかる構成では、より外側に配置される二次空気ノズル４がより内側に配置される二次空気ノズル４よりも多めに二次空気を噴射することにより、二次空気の拡散が緩和される。すると、燃焼火炎の外周部Ｙにおける高温かつ高酸素な状態が緩和される。一方、かかる構成では、より内側に配置される二次空気ノズル４がより外側に配置される二次空気ノズル４よりも多めに二次空気を噴射することにより、二次空気の拡散が促進される。すると、燃料ガスの未燃分の増加が抑制される。したがって、各二次空気ノズル４からの二次空気の噴射量を調整することにより、燃焼火炎の状態を適正に制御できる。

　なお、上記の構成は、相互に異なる燃料比を有する固体燃料が切り替えられて使用されるときに、有益である。例えば、揮発分が多い石炭が固体燃料として使用される場合には、二次空気の拡散を早期に行う制御を行うことにより、燃焼火炎の状態を適正に制御できる。

　また、上記の構成では、すべての二次空気ノズル４が常時運用されることが好ましい。かかる構成では、運用されない二次空気ノズルが存在する構成と比較して、火炉からの火炎輻射により二次空気ノズルが焼損する事態が抑制される。例えば、すべての二次空気ノズル４が常時運用される。また、特定の二次空気ノズル４が焼損しない程度の最低限の流速にて二次空気を噴射する。そして、他の二次空気ノズル４が広い範囲の流量および流速にて二次空気を供給する。これにより、二次空気の供給をボイラの運転条件の変化に伴に応じて適正に行い得る。例えば、ボイラの低負荷運転時には、一部の二次空気ノズル４が焼損しない程度の最低限の流速にて二次空気を噴射する。そして、他の二次空気ノズル４からの二次空気の供給量を調整する。これにより、二次空気の流速を維持できるので、燃焼火炎の状態を適正に維持できる。

　また、上記の構成では、複数の二次空気ノズル４のうちの一部がオイルポートを兼ねても良い（図１８参照）。かかる構成では、例えば、燃焼バーナ１が微粉炭焚きボイラ１００に適用されるときに、一部の二次空気ノズル４がオイルポートとして用いられる。そして、この二次空気ノズル４がボイラの起動運転に必要なオイルを供給する。かかる構成では、オイルポートあるいは二次空気ノズルの増設が不要となるので、ボイラの高さを低減できる。

　また、上記の構成では、主二次空気ノズル３に供給される主二次空気と、二次空気ノズル４に供給される二次空気とが相互に異なる供給系統から供給されることが好ましい（図１９参照）。かかる構成では、多数の二次空気ノズル（主二次空気ノズル３および複数の二次空気ノズル４）が設置されるときに、これらの運用および調整が容易となる。

［対向燃焼ボイラへの適用］
　また、この燃焼バーナ１は、対向燃焼ボイラに適用されることが好ましい（図示省略）。かかる構成では、二次空気が徐々に供給される構成なので、空気の供給量を容易に制御できる。これにより、ＮＯｘ発生量が低減される。

［アディショナルエア方式の採用］
　また、この燃焼バーナ１は、アディショナルエア方式を採用する微粉炭焚きボイラ１００に適用されることが好ましい（図２２参照）。

　すなわち、この燃焼バーナ１では、燃焼火炎を内部保炎する構造が採用される（図１参照）。これにより、燃焼火炎の内部Ｘでの均一な燃焼が促進され、燃焼火炎の外周部Ｙの温度が低減されて、燃焼バーナ１でのＮＯｘ発生量が減少する（図４および図５参照）。すると、燃焼バーナ１での空気の供給比率を増加させて、アディショナルエアの供給比率を減少させることができる。これにより、アディショナルエアによるＮＯｘ発生量が減少するので、ボイラ全体としてのＮＯｘ発生量が低減される。

　図２０および図２１は、この燃焼バーナ１がアディショナルエア方式を採用するボイラに適用された場合のＮＯｘ発生量を示す説明図である。

　従来の燃焼バーナでは、燃焼火炎を外部保炎する構成が採用されている（特許文献１参照）。かかる構成では、燃焼火炎の内部Ｘ（図４参照）に酸素の残存領域が生じる。このため、ＮＯｘ還元を十分に行うためには、一般にアディショナルエアの供給比率を３０％～４０％程度に設定し、燃焼バーナからアディショナルエア供給領域までの空気比を０．８程度に設定する必要がある（図２０左側参照）。すると、アディショナルエア供給領域にて多量のＮＯｘが発生するという課題がある。

　これに対して、この燃焼バーナ１では、燃焼火炎を内部保炎する構成が採用されている（図１参照）。かかる構成では、燃焼火炎の内部Ｘ（図４参照）での均一な燃焼が促進されるので、燃焼火炎の内部Ｘに還元雰囲気が形成される。このため、燃焼バーナ１からアディショナルエア供給領域までの空気比を増加させることができる（図２１参照）。したがって、燃焼バーナ１からアディショナルエア供給領域までの空気比を０．９程度に増加する一方で、アディショナルエアの供給比率を０％～２０％に低減できる（図２０右側参照）。これにより、アディショナルエア供給領域におけるＮＯｘ発生量が減少するので、ボイラ全体としてのＮＯｘ発生量が低減される。

　なお、この燃焼バーナ１では、燃焼火炎の内部保炎により、ボイラ全体の空気過剰率を１．０～１．１まで低減できる（通常は、空気比１．１５程度で運用される）。これにより、ボイラ効率が増加する。

［効果］
　以上説明したように、この燃焼バーナ１では、燃料ノズル２の中心軸を含む断面のうち保炎器５の拡幅方向にかかる断面視にて、保炎器５が燃料ガスの流れ方向に拡幅するスプリット形状を有する（図１および図３参照）。また、燃料ノズル２の中心軸から保炎器５の拡幅端（スプリット形状の下流側端部）までの最大距離ｈ（ｈ’）と、燃料ノズル２の開口部２１の内径ｒ（ｒ’）とがｈ／（ｒ／２）＜０．６の関係を有する（図１、２、図１０～図１２および図１４～図１６参照）。かかる構成では、燃焼火炎の内部保炎（燃料ノズルの開口部の中央領域における保炎）が実現されるので、燃焼火炎の外部保炎（燃料ノズルの外周における保炎、あるいは、燃料ノズルの開口部の内壁面近傍の領域における保炎）が行われる構成（図示省略）と比較して、燃焼火炎の外周部Ｙが低温となる（図４参照）。したがって、二次空気により高酸素雰囲気下にある燃焼火炎の外周部Ｙの温度を低くできる。これにより、燃焼火炎の外周部Ｙ（図４参照）におけるＮＯｘ発生量を低減できる利点がある。

　なお、この燃焼バーナ１において、燃料ノズル２の開口部２１の「中央領域」とは、保炎器５が燃料ガスの流れ方向に拡幅するスプリット形状を有するときに、燃料ノズル２の中心軸を含む断面のうち保炎器５の拡幅方向にかかる断面視にて、燃料ノズル２の中心軸から保炎器５の拡幅端（スプリット形状の下流側端部）までの最大距離ｈ（ｈ’）と、燃料ノズル２の開口部２１の内径ｒ（ｒ’）とがｈ／（ｒ／２）＜０．６の関係（（ｈ’／（ｒ’／２）＜０．６）の関係）を有する領域をいうものとする（図１、２、図１０～図１２および図１４～図１６参照）。また、最大距離ｈ（ｈ’）とは、保炎器５の拡幅端が複数あるときに、これらの距離ｈ（ｈ’）の内の最大値をいうものとする。

　また、燃焼ノズル２の内径とは、燃料ノズル２の開口部２１が矩形の場合には、その幅方向および高さ方向にかかる内側寸法ｒ、ｒ’をいうものとする（図２、図１０、図１２および図１４参照）。また、燃料ノズル２の開口部２１が円形の場合には、その直径ｒをいうものとする（図１５および図１６参照）。また、また、燃料ノズル２の開口部２１が楕円形の場合には、その長径および短径をいうものとする（図示省略）。

　また、この燃焼バーナ１では、保炎器５のスプリット形状にかかるスプリット幅Ｌと燃料ノズル２の開口部２１の内径ｒとが０．０６≦Ｌ／ｒの関係を有する（図１および図３参照）。かかる構成では、保炎器５のスプリット幅Ｌと燃料ノズル２の内径ｒとの比Ｌ／ｒが適正化されるので、内部保炎が適正に確保される。これにより、燃焼火炎の外周部Ｙ（図４参照）におけるＮＯｘ発生量を低減できる利点がある。

　また、この燃焼バーナ１では、燃料ノズル２および二次空気ノズル３、４が燃料ガスあるいは二次空気を直進流として噴射する構造を有する（図１、図８および図１１参照）。かかる構成では、燃料ガスおよび二次空気が直進流として噴射されて燃焼火炎が形成されるので、燃焼火炎を内部保炎する構成において、燃焼火炎内のガス循環が抑制される。これにより、燃焼火炎の外周部が低温のまま維持されるので、二次空気との混合によるＮＯｘ発生量が低減される。

　また、この燃焼バーナ１では、複数の保炎器５が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に並列に配置される（図１０、図１１、図１４および図１６参照）。かかる構成では、隣り合う保炎器５、５に挟まれた領域に、空気不足による還元雰囲気が形成される。これにより、燃焼火炎の内部Ｘ（図４参照）におけるＮＯｘ発生量が低減される利点がある。

　この燃焼バーナ１では、一対の保炎器５、５が交差して連結されると共に交差部を燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に位置させて配置される（図１２、図１４～図１６参照）。かかる構成では、一対の保炎器５、５が交差して連結されることにより、その交差部に強い着火面が形成される。そして、この交差部が燃料ノズル２の開口部２１の中央領域に配置されることにより、燃焼火炎の内部保炎が適正に行われる。これにより、燃焼火炎の内部Ｘ（図４参照）におけるＮＯｘ発生量が低減される。

　また、この燃焼バーナ１では、複数の二次空気ノズル（二次空気ノズル４）が配置されると共に、これらの二次空気ノズルが二次空気の供給量を相互に調整できる（図１７参照）。かかる構成では、各二次空気ノズル４からの二次空気の噴射量を調整することにより、燃焼火炎の状態を適正に制御できる利点がある。

　また、この燃焼バーナ１では、上記の構成において、すべての二次空気ノズル（二次空気ノズル４）が常時運用される。かかる構成では、運用されない二次空気ノズルが存在する構成と比較して、火炉からの火炎輻射により二次空気ノズルが焼損する事態が抑制される利点がある。

　また、この燃焼バーナ１では、上記の構成において、二次空気ノズル４のうちの一部がオイルポートあるいはガスポートを兼ねる（図１８参照）。かかる構成では、例えば、燃焼バーナ１が微粉炭焚きボイラ１００に適用されるときに、オイルポートあるいはガスポートを兼ねる二次空気ノズル４を介してボイラの起動運転に必要なオイルを供給できる。これにより、オイルポートあるいは二次空気ノズルの増設が不要となるので、ボイラの高さを低減できる利点がある。

　以上のように、この発明にかかる燃焼バーナおよびこの燃焼バーナを備えるボイラは、ＮＯｘ発生量を低減できる点で有用である。

１　燃焼バーナ
２　燃料ノズル
２１　開口部
３　主二次空気ノズル
３１　開口部
４　二次空気ノズル
４１　開口部
５　保炎器
６　整流機構
１００　ボイラ
１１０　火炉
１１１　燃焼室
１１２　煙道
１２０　燃焼装置
１２１　燃焼バーナ
１２２　微粉炭供給系統
１２３　空気供給系統
１３０　蒸気発生装置
１３１　節炭器
１３２　再熱器
１３３　過熱器

Claims (11)

1. 　固体燃料と一次空気とを混合した燃料ガスを噴射する燃料ノズルと、前記燃料ノズルの外周から二次空気を噴射する二次空気ノズルと、前記燃料ノズルの開口部に配置される保炎器とを備える燃焼バーナであって、
   　前記保炎器が前記燃料ガスの流れ方向に拡幅するスプリット形状を有し、且つ、
   　前記燃料ノズルの中心軸を含む断面のうち前記保炎器の拡幅方向にかかる断面視にて、前記燃料ノズルの中心軸から前記保炎器の拡幅端までの最大距離ｈと前記燃料ノズルの開口部の内径ｒとがｈ／（ｒ／２）＜０．６の関係を有することを特徴とする燃焼バーナ。
2. 　前記保炎器のスプリット形状にかかるスプリット幅Ｌと前記燃料ノズルの開口部の内径ｒとが０．０６≦Ｌ／ｒの関係を有する請求項１に記載の燃焼バーナ。
3. 　前記燃料ノズルおよび前記二次空気ノズルが燃料ガスあるいは二次空気を直進流として噴射する構造を有する請求項１または２に記載の燃焼バーナ。
4. 　複数の前記保炎器が前記燃料ノズルの開口部の中央領域に並列に配置される請求項１～３のいずれか一つに記載の燃焼バーナ。
5. 　複数の前記保炎器が交差して連結されると共に交差部を前記燃料ノズルの開口部の中央領域に位置させて配置される請求項１～４のいずれか一つに記載の燃焼バーナ。
6. 　前記燃料ノズルが矩形状または楕円形状の開口部を有すると共に、前記保炎器が前記燃料ノズルの開口部の中央領域を略横断して配置される請求項１～５のいずれか一つに記載の燃焼バーナ。
7. 　前記燃料ノズルが円形状の開口部を有すると共に、前記保炎器が前記燃料ノズルの開口部の中央領域を略横断して配置される請求項１～５のいずれか一つに記載の燃焼バーナ。
8. 　複数の前記二次空気ノズルが配置されると共に前記二次空気ノズルが二次空気の供給量を相互に調整できる請求項１～７のいずれか一つに記載の燃焼バーナ。
9. 　すべての前記二次空気ノズルが常時運用される請求項８に記載の燃焼バーナ。
10. 　複数の前記二次空気ノズルのうちの一部の二次空気ノズルがオイルポートあるいはガスポートを兼ねる請求項８または９に記載の燃焼バーナ。
11. 　請求項１～１０のいずれか一つに記載の燃焼バーナを備えるボイラ。

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