WO2023053799A1 - ガスバーナ、及び燃焼設備 - Google Patents

Abstract

水素を含むガス燃料を燃焼するためのガスバーナは、ガス燃料を噴出するノズルと、ノズルの軸線方向に沿って視認した正面視において、ノズルの周囲を囲むとともに、一次空気が流出する一次空気出口を形成する一次空気流路部と、正面視において、一次空気出口の上方または下方に位置するとともに、二次空気が流出する二次空気出口であって、内側出口及び内側出口より一次空気出口から離れて位置する外側出口を含む二次空気出口を形成する少なくとも１つの二次空気流路部と、内側出口から流出する二次空気の流出量、及び外側出口から流出する二次空気の流出量のそれぞれを調節可能な流量調節装置と、を備える。

Description

ガスバーナ、及び燃焼設備

　本開示は、水素を含むガス燃料を燃焼するためのガスバーナ、及び燃焼設備に関する。
　本願は、２０２１年９月３０日に日本国特許庁に出願された特願２０２１－１６１０２６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　ボイラのような燃焼設備には、燃料を燃焼するバーナが設置されており、好適な燃焼状態を実現するために保炎性を高める技術や窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制する技術が知られている。例えば、特許文献１には、ノズルの中心軸線上に配置され、燃料ガスの流通方向の下流側に向かうにつれて拡幅するスプリット形状を有する保炎器を備える燃焼バーナが開示されている。

特開２０１１－１４９６７６号公報

　ところで、幾つかの燃焼設備では、代表的な温室効果ガスである二酸化炭素の排出量削減を目的として、化石燃料から脱却する取り組み（脱炭素）が進められている。この脱炭素の１つとして、バーナの燃料として水素を含むガス燃料が適用されることがある。水素は、従来からの燃料に含まれる成分（例えば、都市ガスに含まれるメタンやＬＰＧに含まれるプロパン、特許文献１に記載の燃料ガスに含まれている微粉炭）とは大きく異なる特性を有する。しかしながら、特許文献１に記載の燃焼バーナは、水素の特性を考慮して、燃焼状態を制御する構成となっていない。つまり、ガスバーナが水素を含むガス燃料を用いる場合には、ガスバーナを改善する余地がある。

　本開示は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、水素を含むガス燃料を用いる場合に燃焼状態を容易に制御することができるガスバーナを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本開示に係るガスバーナは、
　水素を含むガス燃料を燃焼するためのガスバーナであって、
　前記ガス燃料を噴出するノズルと、
　前記ノズルの軸線方向に沿って視認した正面視において、前記ノズルの周囲を囲むとともに、一次空気が流出する一次空気出口を形成する一次空気流路部と、
　前記正面視において、前記一次空気出口の上方または下方に位置するとともに、二次空気が流出する二次空気出口であって、内側出口及び前記内側出口より前記一次空気出口から離れて位置する外側出口を含む二次空気出口を形成する少なくとも１つの二次空気流路部と、
　前記内側出口から流出する前記二次空気の流出量、及び前記外側出口から流出する前記二次空気の流出量のそれぞれを調節可能な流量調節装置と、を備える。

　本開示のガスバーナによれば、水素を含むガス燃料を用いる場合に燃焼状態を容易に制御することができる。

第１実施形態に係る燃焼設備の構成を概略的に示す図である。 第１実施形態に係る火炉の内部構成を概略的に示す図である。 第１実施形態に係るガスバーナを火炉内から視た図（正面図）である。 第１実施形態に係るガスバーナの構成を概略的に示す図である。 幾つかの実施形態に係るガスバーナの二次空気の流路を示す図である。 幾つかの実施形態に係るガスバーナの二次空気の流路を示す図である。 第２実施形態に係るガスバーナの構成を概略的に示す図である。 幾つかの実施形態に係る内側出口のレイアウトを説明するための図である。 第３実施形態に係るガスバーナの構成を概略的に示す図である。 幾つかの実施形態に係る第１調節装置の構成を概略的に示す図である。 幾つかの実施形態に係る第２調節装置の構成を概略的に示す図である。 幾つかの実施形態に係る燃焼設備の自動化システムを示す系統図である。

　以下、本開示の実施の形態によるガスバーナについて、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

　　＜第１実施形態＞
　（燃焼設備の構成）
　図１は、第１実施形態に係る燃焼設備１の構成を概略的に示す図である。図１に例示するように、燃焼設備１は、火炉２と、火炉２に設けられ、水素を含むガス燃料Ｆを火炉２内で燃焼するためのガスバーナ４と、を備える。燃焼設備１は、例えば、ボイラであって、ガスバーナ４から火炉２内に噴出されたガス燃料Ｆを火炎Ｘを発生させて燃焼させることで高温の排ガスＧを生成し、この高温の排ガスＧから熱を回収することで蒸気を生成する。尚、排ガスＧの熱は、火炉２内に設けられる熱交換器によって回収されてもよいし、火炉２外に設けられる熱交換器によって回収されてもよい。

　本開示において、「水素を含むガス燃料Ｆ」には、水素と水素以外の燃料を含むもの（混焼）と、水素のみ（専焼）とがあり、さらに、水素と水素以外の燃料を含むものでも、水素が主たる燃料（水素の体積割合が５０％以上）、水素以外の燃料が主たる燃料（水素の体積割合が５０％未満）に区分できる。「水素を含むガス燃料」とは、これらの場合をすべて含む。

　火炉２の構成について説明する。図２は、第１実施形態に係る火炉２の内部構成を概略的に示す図であって、火炉２を鉛直方向から視た図である。第１実施形態では、火炉２は、鉛直方向に沿って長手方向を有する四角筒形状を有している。そして、図２に例示するように、火炉２にはガスバーナ４から噴出されたガス燃料Ｆを燃焼させるための燃焼空間６が形成されている。この火炉２の燃焼空間６は矩形状を有している。

　火炉２は、火炉２の内周面７のうち燃焼空間６の矩形状の何れか１つの辺に対応する第１内周面７ａを含む第１炉壁８と、燃焼空間６を挟んで第１炉壁８とは反対側に位置する第２炉壁１０と、第１炉壁８の一端部１６と第２炉壁１０の一端部１８とを接続する第３炉壁１２と、第１炉壁８の他端部１７と第２炉壁１０の他端部１９とを接続する第４炉壁１４と、を含む。第３炉壁１２は、燃焼空間６を挟んで第４炉壁１４とは反対側に位置している。火炉２の燃焼空間６は、第１炉壁８、第２炉壁１０、第３炉壁１２、及び第４炉壁１４によって囲われることで矩形状に形成されている。

　第１実施形態では、図２に例示するように、火炉２には複数のガスバーナ４が設けられている。複数のガスバーナ４は、第３炉壁１２より第４炉壁１４に近接するように第１炉壁８に設けられる第１ガスバーナ４Ａ（４）と、第４炉壁１４より第３炉壁１２に近接するように第２炉壁１０に設けられる第２ガスバーナ４Ｂ（４）と、第２炉壁１０より第１炉壁８に近接するように第３炉壁１２に設けられる第３ガスバーナ４Ｃ（４）と、第１炉壁８より第２炉壁１０に近接するように第４炉壁１４に設けられる第４ガスバーナ４Ｄ（４）と、を含む。複数のガスバーナ４のそれぞれは、燃焼空間６の矩形状の角部２１にガス燃料Ｆを噴出している。尚、不図示であるが、複数のガスバーナ４は、第１ガスバーナ４Ａに積み上げられる上側ガスバーナをさらに含んでもよい。

　ガスバーナ４は、ガス燃料Ｆを燃焼する。第１実施形態では、図１に例示するように、燃焼設備１は、ガスバーナ４にガス燃料Ｆを供給するガス燃料供給装置１００と、ガスバーナ４に燃焼用空気Ａを供給する空気供給装置１０２と、をさらに含む。そして、ガスバーナ４は、ガス燃料供給装置１００から供給されたガス燃料Ｆに、空気供給装置１０２から供給された燃焼用空気Ａを混合させて火炉２内（燃焼空間６）に噴出し、ガス燃料Ｆを燃焼する。

　ガス燃料供給装置１００は、ガス燃料Ｆが貯蔵されているガスタンク１０４と、ガスタンク１０４とガスバーナ４とを接続し、ガスタンク１０４に貯蔵されているガス燃料Ｆをガスバーナ４に向かって流通可能な燃料供給ライン１０６と、を含む。

　空気供給装置１０２は、一端が大気に開放され、他端がガスバーナ４に接続されている空気供給ライン１０８と、空気供給ライン１０８に設けられ、空気供給ライン１０８の一端から取り込まれた空気を燃焼用空気Ａとして火炉２に送風する送風機１１０と、を含む。

　（ガスバーナの構成）
　ガスバーナ４の構成について具体的に説明する。図３は、第１実施形態に係るガスバーナ４を火炉２の燃焼空間６側から視た図（正面図）である。図４は、第１実施形態に係るガスバーナ４の構成を概略的に示す図である。

　第１実施形態では、図３に例示するように、ガスバーナ４は、火炉２の燃焼空間６に面する端面５の形状が鉛直方向Ｄ２に沿って長手方向を有する矩形状の角型バーナである。そして、図４に例示するように、ガスバーナ４は、ノズル２０と、一次空気流路部２２と、二次空気流路部２４と、流量調節装置２５と、を備える。

　ノズル２０は、ガス燃料供給装置１００から供給されるガス燃料Ｆを火炉２の燃焼空間６に噴出する。このノズル２０は、ガス燃料Ｆが流通可能であるように、例えば、軸線Ｏを中心とする円筒形状を有する。第１実施形態では、ノズル２０は、筒形状を有するバーナ胴体２６を介して、ガス燃料供給装置１００からガス燃料Ｆが供給されている。

　一次空気流路部２２は、図３に例示するように、ノズル２０の軸線方向Ｄ１に沿って視認した正面視（以下、「正面視」とする）において、ノズル２０の周囲を囲む。そして、この一次空気流路部２２は、空気供給装置１０２から供給される燃焼用空気Ａを一次空気Ａ１として流出する一次空気出口３６を形成する。

　第１実施形態では、図４に例示するように、一次空気流路部２２は、空気供給装置１０２から供給される一次空気Ａ１が流通する一次空気流路３８を含む。一次空気流路部２２（スリーブ）は、円筒形状を有しており、ノズル２０の軸線方向Ｄ１に沿って延びている。一次空気流路部２２の内径はノズル２０の外径より大きく、ノズル２０が一次空気流路部２２内に配置されている。つまり、一次空気流路部２２は、一次空気流路部２２の内壁面とノズル２０の外壁面との間に一次空気Ａ１が流通する一次空気流路３８を含む。別の言い方をすると、一次空気流路３８は、ノズル２０の外周に形成されている。

　尚、第１実施形態では、ガスバーナ４は、主に保炎を目的として一次空気流路３８の出口部分に設けられる保炎器５５を備える。一次空気流路３８を流れる一次空気Ａ１は直進流であるが、保炎器５５は一次空気Ａ１のうちの一部又は全部に旋回力を付与するように構成されている。

　二次空気流路部２４は、図３に例示するように、正面視において、一次空気出口３６の上方または下方に位置するとともに、一次空気Ａ１より遅れてガス燃料Ｆに接触させる二次空気Ａ２が流出する二次空気出口４０を形成する。

　第１実施形態では、ガスバーナ４は、鉛直方向Ｄ２において、一次空気流路部２２を挟むように配置される一対の二次空気流路部２４を含む。一対の二次空気流路部２４は、上側二次空気流路部２４Ａ（２４）と下側二次空気流路部２４Ｂ（２４）とを含む。上側二次空気流路部２４Ａの二次空気出口４０Ａ（４０）は、一次空気出口３６より上方に位置している。左右方向Ｄ３において、一次空気出口３６と上側二次空気流路部２４Ａの二次空気出口４０Ａとは少なくとも一部が互いに重複している。下側二次空気流路部２４Ｂの二次空気出口４０Ｂ（４０）は、一次空気出口３６より下方に位置している。左右方向Ｄ３において、一次空気出口３６と下側二次空気流路部２４Ｂの二次空気出口４０Ｂとは少なくとも一部が互いに重複している。上側二次空気流路部２４Ａの二次空気出口４０Ａは、一次空気出口３６を挟んで下側二次空気流路部２４Ｂの二次空気出口４０Ｂとは反対側に位置している。

　二次空気出口４０は、図３に例示するように、内側出口４２と、内側出口４２より一次空気出口３６から離れて位置する外側出口４４を含む。ノズル２０の軸線Ｏを中心とする径方向において、外側出口４４は内側出口４２より径方向の外側に位置している。第１実施形態では、上側二次空気流路部２４Ａの二次空気出口４０Ａは、内側出口４２Ａ（４２）と外側出口４４Ａ（４４）とを含む。下側二次空気流路部２４Ｂの二次空気出口４０Ｂは、内側出口４２Ｂ（４２）と外側出口４４Ｂ（４４）とを含む。そして、図３に例示するように、正面視において、上方から順に、二次空気出口４０Ａの外側出口４４Ａ、二次空気出口４０Ａの内側出口４２Ａ、一次空気出口３６、二次空気出口４０Ｂの内側出口４２Ｂ、及び二次空気出口４０Ｂの外側出口４４Ｂが並んでいる。

　内側出口４２及び外側出口４４のそれぞれは、二次空気Ａ２が流出するように構成される。具体的には、図４に例示するように、二次空気流路部２４は、内部に形成される内側二次空気流路２８と外側二次空気流路３０とを含む。内側二次空気流路２８は、空気供給装置１０２から供給される燃焼用空気Ａが流通し、一端に内側出口４２を含む。外側二次空気流路３０は、空気供給装置１０２から供給される燃焼用空気Ａが流通し、一端に外側出口４４を含む。内側出口４２及び外側出口４４のそれぞれは、燃焼用空気Ａを二次空気Ａ２として火炉２の燃焼空間６に流出する。

　以下では、第１実施形態に係る上側二次空気流路部２４Ａの内側二次空気流路２８を第１流路２８Ａ（２８）と記載し、上側二次空気流路部２４Ａの外側二次空気流路３０を第２流路３０Ａ（３０）と記載する。同様に、第１実施形態に係る下側二次空気流路部２４Ｂの内側二次空気流路２８を第３流路２８Ｂ（２８）と記載し、下側二次空気流路部２４Ｂの外側二次空気流路３０を第４流路３０Ｂ（３０）と記載する。

　流量調節装置２５は、内側出口４２から流出する二次空気Ａ２の流出量、及び外側出口４４から流出する二次空気Ａ２の流出量のそれぞれを調節可能に構成される。第１実施形態では、図４に例示するように、流量調節装置２５は、第１流路２８に設けられる第１弁４６、第２流路３０Ａに設けられる第２弁４８、第３流路２８Ｂに設けられる第３弁５０、及び第４流路３０Ｂに設けられる第４弁５２を含む。第１弁４６の開度が調節されることで、第１流路２８Ａを流通する二次空気Ａ２の量が調節される。第２弁４８の開度が調節されることで、第２流路３０Ａを流通する二次空気Ａ２の量が調節される。第３弁５０の開度が調節されることで、第３流路２８Ｂを流通する二次空気Ａ２の量が調節される。第４弁５２の開度が調節されることで、第４流路３０Ｂを流通する二次空気Ａ２の量が調節される。

　（作用・効果）
　第１実施形態に係るガスバーナ４の作用・効果について説明する。第１実施形態によれば、外側出口４４は内側出口４２より一次空気出口３６からノズル２０の径方向の外側に離れて位置するので、内側出口４２から流出する二次空気Ａ２を保炎のために用い、外側出口４４から流出する二次空気Ａ２を緩慢燃焼の促進のために用いることができる。そして、図４に例示したように、本開示に係るガスバーナ４は流量調節装置２５を備えているので、燃焼状態に応じて、保炎性を高めたり、緩慢燃焼を促進させたりすることができる。よって、燃焼状態を容易に制御することができる。

　第１実施形態では、流量調節装置２５は、第１弁４６、第２弁４８、第３弁５０、及び第４弁５２を含んでいたが、内側出口４２から流出する二次空気Ａ２の流出量、及び外側出口４４から流出する二次空気Ａ２の流出量のそれぞれを調節可能に構成されるのであれば、本開示はこの形態に限定されない。また、本開示は、流量調節装置２５をバルブに限定するものではなく、例えば、送風機を含んでもよい。

　図５Ａは、幾つかの実施形態に係るガスバーナ４の二次空気Ａ２の流路を示す図である。図５Ａには、内側出口４２を流出する二次空気Ａ２の流路が図示されている。幾つかの実施形態では、図５Ａに例示するように、ガスバーナ４は、二次空気Ａ２が流通する内側空気ライン５４であって、第１流路２８Ａ又は第３流路２８Ｂの何れかに分岐する分岐点５６を含む内側空気ライン５４を備える。そして、内側空気ライン５４のうち分岐点５６より二次空気Ａ２の流通方向の上流側に第５弁５８が設けられる。第５弁５８の開度が調節されることで、第１流路２８Ａを流通する二次空気Ａ２の量、及び第３流路２８Ｂを流通する二次空気Ａ２の量が同時に調節される。このような構成によれば、上述した第１弁４６及び第３弁５０の設置を省くことができる。尚、幾つかの実施形態では、空気供給装置１０２の空気供給ライン１０８が内側空気ライン５４を含む。

　図５Ｂは、幾つかの実施形態に係るガスバーナ４の二次空気Ａ２の流路を示す図である。図５Ｂには、外側出口４４を流出する二次空気Ａ２の流路が図示されている。幾つかの実施形態では、図５Ｂに例示するように、ガスバーナ４は、二次空気Ａ２が流通する外側空気ライン６０であって、第２流路３０Ａ又は第４流路３０Ｂの何れかに分岐する分岐点６２を含む外側空気ライン６０を備える。そして、外側空気ライン６０のうち分岐点６２より二次空気Ａ２の流通方向の上流側に第６弁６４が設けられる。第６弁６４の開度が調節されることで、第２流路３０Ａを流通する二次空気Ａ２の量、及び第４流路３０Ｂを流通する二次空気Ａ２の量が同時に調節される。このような構成によれば、上述した第２弁４８及び第４弁５２の設置を省くことができる。尚、幾つかの実施形態では、空気供給装置１０２の空気供給ライン１０８が外側空気ライン６０を含む。

　＜第２実施形態＞
　本開示の第２実施形態に係るガスバーナ４について説明する。第２実施形態では、内側出口４２から低酸素二次空気Ａ２１が流出するように構成されている点で第１実施形態と異なる。第２実施形態において、第１実施形態の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

　図６は、第２実施形態に係るガスバーナ４の構成を概略的に示す図である。第２実施形態では、図６に例示するように、内側出口４２は、外側出口４４から流出される二次空気Ａ２より酸素濃度の低い低酸素二次空気Ａ２１（Ａ２）が流出するように構成される。

　図６に例示する形態では、ガスバーナ４は、空気供給装置１０２から内側二次空気流路２８に供給される燃焼用空気Ａ（二次空気Ａ２）に、火炉２から排出される排ガスＧの一部（循環ガスＥｇ）を混合させるための循環ライン７０を含む。このように、第２実施形態では、ガスバーナ４は、二次空気Ａ２に循環ガスＥｇを混合させることで低酸素二次空気Ａ２１を生成している。尚、幾つかの実施形態では、循環ライン７０は内側二次空気流路２８に接続され、循環ガスＥｇは内側二次空気流路２８を流通する二次空気Ａ２と混合するようになっている。

　不図示であるが、幾つかの実施形態では、ガスバーナ４は、循環ライン７０に設けられ、循環ライン７０を流通する循環ガスＥｇの量を調節可能な循環ガス量調節装置を含む。循環ガス量調節装置は、バルブであってもよいし、送風機であってもよい。このような構成によれば、燃焼状態に応じて、低酸素二次空気Ａ２１に含まれる酸素の量を調節することができる。

　第２実施形態に係るガスバーナ４の作用・効果について説明する。水素は従来からのガス燃料に含まれる成分と比較して燃焼速度が大きい。このため、水素と酸素との混合が速やかに行われるので、燃焼空間６の温度が速やかに高くなり、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を促進してしまう。これに対し、第２実施形態によれば、外側出口４４から流出する二次空気Ａ２に先行して内側出口４２から流出する低酸素二次空気Ａ２１をガス燃料Ｆに接触させることができる。このため、水素と酸素との混合を緩やかにし、燃焼空間６の昇温を抑制することができる。よって、ＮＯｘの発生をさらに抑制することができる。

　図７は、幾つかの実施形態に係る内側出口４２のレイアウトを説明するための図である。図７に例示するように、正面視において、ノズル２０の軸線Ｏから鉛直方向Ｄ２に沿って直線状に仮想線８０を延ばす。この仮想線８０が一次空気出口３６の周縁と交差する点を第１交差点８２とする。さらに、この仮想線８０が内側出口４２の周縁のうち最初に交差する点を第２交差点８４とする。第１交差点８２とノズル２０の軸線Ｏとの間の距離をｒとし、第２交差点８４とノズル２０の軸線Ｏとの間の距離をｄとすると、１．５×ｒ≦ｄ≦５×ｒを満たす。

　上述したように、水素は従来からのガス燃料に含まれる成分と比較して燃焼速度が大きい。このため、１．５×ｒ≦ｄを満たすように内側出口４２をノズル２０の軸線Ｏから離間させても、内側出口４２から流出する二次空気Ａ２（または低酸素二次空気Ａ２１）による保炎を実現することができる。さらに、１．５×ｒ≦ｄを満たすことで、外側出口４４から流出する二次空気Ａ２とガス燃料Ｆとの接触を遅らせ、緩慢燃焼の促進を図ることができる。一方で、５×ｒ＜ｄを満たすと、内側出口４２から流出する二次空気Ａ２（または低酸素二次空気Ａ２１）による保炎の実現が困難となると同時に供給される二次空気Ａ２（または低酸素二次空気Ａ２１）のタイミングの遅れが大きく、もはや二次空気Ａ２（または低酸素二次空気Ａ２１）の流量制御による適正な燃焼状態の維持が困難になる。

　図７に例示する形態によれば、内側出口４２は、１．５×ｒ≦ｄ≦５×ｒを満たすように、ノズル２０の軸線Ｏから離間しているので、内側出口４２から流出する二次空気Ａ２（または低酸素二次空気Ａ２１）による保炎を実現しつつ、外側出口４４から流出する二次空気Ａ２とガス燃料Ｆとの接触を遅らせ、緩慢燃焼の促進を図ることができる。

　＜第３実施形態＞
　本開示の第３実施形態に係るガスバーナ４について説明する。第３実施形態では、第１調節装置８６及び第２調節装置８８をさらに備える点で第２実施形態と異なる。第３実施形態において、第２実施形態の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

　図８は、第３実施形態に係るガスバーナ４の構成を概略的に示す図である。第３実施形態では、図８に例示するように、ガスバーナ４は、第１調節装置８６及び第２調節装置８８をさらに備える。

　図８に例示する形態では、上側二次空気流路部２４Ａは、内側出口４２Ａを含む内側スイング部９０Ａ（９０）を有する。同様に、下側二次空気流路部２４Ｂは、内側出口４２Ｂを含む内側スイング部９０Ｂ（９０）を有する。内側スイング部９０は、筒形状を有しており、燃焼空間６に向かうにつれて縮径している。内側スイング部９０は、軸線方向Ｄ１において燃焼空間６側とは反対側に固定端を燃焼空間６側に回転端を有し、鉛直方向Ｄ２に沿って回転可能（スイング可能）に構成されている。

　図８に例示する形態では、上側二次空気流路部２４Ａは、外側出口４４Ａを含む外側スイング部９４Ａ（９４）を有する。同様に、下側二次空気流路部２４Ｂは、外側出口４４Ｂを含む外側スイング部９４Ｂ（９４）を有する。外側スイング部９４は、筒形状を有しており、燃焼空間６に向かうにつれて縮径している。外側スイング部９４は、軸線方向Ｄ１において燃焼空間６側とは反対側に固定端を燃焼空間６側に回転端を有し、鉛直方向Ｄ２に沿って回転可能（スイング可能）に構成されている。

　第１調節装置８６は、上側二次空気流路部２４Ａの内側出口４２Ａ、及び下側二次空気流路部２４Ｂの内側出口４２Ｂの向きを同時に調節可能に構成されている。図８に例示する形態では、第１調節装置８６は、第１角度設定部９１と第１伝達部９２とを含む。尚、図８において、第１伝達部９２は点線で図示されている。

　第１角度設定部９１は、内側スイング部９０の回転角度（チルト角）を設定するための装置であって、例えば、ハンドルである。第１伝達部９２は、第１角度設定部９１と上側二次空気流路部２４Ａの内側スイング部９０Ａとを接続するとともに、第１角度設定部９１と下側二次空気流路部２４Ｂの内側スイング部９０Ｂとを接続する。このような第１伝達部９２は、例えばロッド状の部材である。

　第１角度設定部９１で設定された回転角度は、第１伝達部９２を介して、上側二次空気流路部２４Ａの内側スイング部９０Ａ、及び下側二次空気流路部２４Ｂの内側スイング部９０Ｂのそれぞれに伝達される。そして、上側二次空気流路部２４Ａの内側スイング部９０Ａ、及び下側二次空気流路部２４Ｂの内側スイング部９０Ｂのそれぞれは、第１角度設定部９１で設定された回転角度となるように回転する。このような第１調節装置８６は、例えば、ターンバックル（図９Ａ参照）である。

　第１調節装置８６の具体的な構成の一例について説明する。図９Ａは、幾つかの実施形態に係る第１調節装置８６の構成を概略的に示す図である。

　図９Ａに例示するように、第１調節装置８６の第１角度設定部９１は、内側スイング部９０Ａ、９０Ｂの回転角度を設定する本体部１２０と、本体部１２０で設定された回転角度に応じて本体部１２０から鉛直方向Ｄ２に突出する長さが決められる一対の伸縮部１２２Ａ、１２２Ｂと、を含む。一方の伸縮部１２２Ａが上方に伸びると、他方の伸縮部１２２Ｂは下方に延びる。一方の伸縮部１２２Ａが下方に縮むと、他方の伸縮部１２２Ｂは上方に縮む。一対の伸縮部１２２Ａ、１２２Ｂの伸縮量は、互いに同程度の大きさである。

　第１調節装置８６の第１伝達部９２は、一方の伸縮部１２２Ａの突出端１２３Ａと内側スイング部９０Ａとを接続する接続部１２４Ａと、他方の伸縮部１２２Ｂの突出端１２３Ｂと内側スイング部９０Ｂとを接続する接続部１２４Ｂと、を含む。

　接続部１２４Ａの内側スイング部９０Ａへの接続位置ＰＡは、内側スイング部９０Ａの固定端１２６Ａより下方である。接続部１２４Ａは、接続位置ＰＡから軸線方向Ｄ１の他方に延びている。接続部１２４Ａは、一方の伸縮部１２２Ａが上方に伸びると、内側スイング部９０Ａを押すように構成されている。内側スイング部９０Ａは、接続部１２４に押されると、上側に向かって回転する（スイングする）。また、接続部１２４Ａは、一方の伸縮部１２２Ａが下方に縮むと、内側スイング部９０Ａを引っ張るように構成されている。内側スイング部９０Ａは、接続部１２４Ａに引っ張られると、下側に向かって回転する（スイングする）。

　接続部１２４Ｂの内側スイング部９０Ｂへの接続位置ＰＢは、内側スイング部９０Ｂの固定端１２６Ｂより上方である。接続部１２４Ｂは、接続位置ＰＢから軸線方向Ｄ１の他方に延びている。接続部１２４Ｂは、他方の伸縮部１２２Ｂが下方に伸びると、内側スイング部９０Ｂを押すように構成されている。内側スイング部９０Ｂは、接続部１２４Ｂに押されると、下側に向かって回転する（スイングする）。また、接続部１２４Ｂは、他方の伸縮部１２２Ｂが上方に縮むと、内側スイング部９０Ｂを引っ張るように構成されている。内側スイング部９０Ｂは、接続部１２４Ｂに引っ張られると、上側に向かって回転する（スイングする）。このように、図９Ａに例示する形態では、内側スイング部９０Ｂは、内側スイング部９０Ａの回転方向とは反対方向に回転するように構成されている。内側スイング部９０Ｂの回転角度の大きさは、内側スイング部９０Ａの回転角度の大きさと同じである。

　第２調節装置８８は、上側二次空気流路部２４Ａの外側出口４４Ａ、及び下側二次空気流路部２４Ｂの外側出口４４Ｂの向きを同時に調節可能に構成されている。図８に例示する形態では、第２調節装置８８は、第２角度設定部９３と第２伝達部９５とを含む。尚、図８において、第２伝達部９５は点線で図示されている。

　第２角度設定部９３は、外側スイング部９４の回転角度（チルト角）を設定するための装置であって、例えば、ハンドルである。第２伝達部９５は、第２角度設定部９３と上側二次空気流路部２４Ａの外側スイング部９４Ａとを接続するとともに、第２角度設定部９３と下側二次空気流路部２４Ｂの外側スイング部９４Ｂとを接続する。このような第２伝達部９５は、例えばロッド状の部材である。

　第２角度設定部９３で設定された回転角度は、第２伝達部９５を介して、上側二次空気流路部２４Ａの外側スイング部９４Ａ、及び下側二次空気流路部２４Ｂの外側スイング部９４Ｂのそれぞれに伝達される。そして、上側二次空気流路部２４Ａの外側スイング部９４Ａ、及び下側二次空気流路部２４Ｂの外側スイング部９４Ｂのそれぞれは、第２角度設定部９３で設定された回転角度となるように回転する。このような第２調節装置８８は、例えば、ターンバックル（図９Ｂ参照）である。

　図９Ｂは、幾つかの実施形態に係る第２調節装置８８の構成を概略的に示す図である。

　図９Ｂに例示するように、第２調節装置８８の第２角度設定部９３は、外側スイング部９４Ａ、９４Ｂの回転角度を設定する本体部１３０と、本体部１３０で設定された回転角度に応じて本体部１３０から鉛直方向Ｄ２に突出する長さが決められる一対の伸縮部１３２Ａ、１３２Ｂと、を含む。一方の伸縮部１３２Ａが上方に伸びると、他方の伸縮部１３２Ｂは下方に延びる。一方の伸縮部１３２Ａが下方に縮むと、他方の伸縮部１３２Ｂは上方に縮む。一対の伸縮部１３２Ａ、１３２Ｂの伸縮量は、互いに同程度の大きさである。

　第２調節装置８８の第２伝達部９５は、一方の伸縮部１３２Ａの突出端１３３Ａと外側スイング部９４Ａとを接続する接続部１３４Ａと、他方の伸縮部１３２Ｂの突出端１３３Ｂと外側スイング部９４Ｂとを接続する接続部１３４Ｂと、を含む。

　接続部１３４Ａの外側スイング部９４Ａへの接続位置ＰＣは、外側スイング部９４Ａの固定端１３６Ａより下方である。接続部１３４Ａは、接続位置ＰＣから軸線方向Ｄ１の他方に延びている。接続部１３４Ａは、一方の伸縮部１３２Ａが上方に伸びると、外側スイング部９４Ａを押すように構成されている。外側スイング部９４Ａは、接続部１３４に押されると、上側に向かって回転する（スイングする）。また、接続部１３４Ａは、一方の伸縮部１３２Ａが下方に縮むと、外側スイング部９４Ａを引っ張るように構成されている。外側スイング部９４Ａは、接続部１３４Ａに引っ張られると、下側に向かって回転する（スイングする）。

　接続部１３４Ｂの外側スイング部９４Ｂへの接続位置ＰＤは、外側スイング部９４Ｂの固定端１３６Ｂより上方である。接続部１３４Ｂは、接続位置ＰＤから軸線方向Ｄ１の他方に延びている。接続部１３４Ｂは、他方の伸縮部１３２Ｂが下方に伸びると、外側スイング部９４Ｂを押すように構成されている。外側スイング部９４Ｂは、接続部１３４Ｂに押されると、下側に向かって回転する（スイングする）。また、接続部１３４Ｂは、他方の伸縮部１３２Ｂが上方に縮むと、外側スイング部９４Ｂを引っ張るように構成されている。外側スイング部９４Ｂは、接続部１３４Ｂに引っ張られると、上側に向かって回転する（スイングする）。このように、図９Ａに例示する形態では、外側スイング部９４Ｂは、外側スイング部９４Ａの回転方向とは反対方向に回転するように構成されている。外側スイング部９４Ｂの回転角度の大きさは、外側スイング部９４Ａの回転角度の大きさと同じである。

　第３実施形態に係るガスバーナ４の作用・効果について説明する。内側出口４２から流出する二次空気Ａ２（または低酸素二次空気Ａ２１）の流出方向を調節することで、保炎性を増減させることができる。第３実施形態によれば、内側出口４２から流出する二次空気Ａ２（または低酸素二次空気Ａ２１）の量及び流出方向が調節されるので、燃焼状態に応じて、保炎性をさらに精密に増減することができる。また、シンプルな構成（例えば、ターンバックルを用いた構成）で、上側二次空気流路部２４Ａの内側出口４２Ａ、及び下側二次空気流路部２４Ｂの内側出口４２Ｂから流出する二次空気Ａ２（または低酸素二次空気Ａ２１）がガス燃料Ｆと接触するタイミング（つまりは、火炎の形成）を調整することができる。図９Ａに例示する形態によれば、内側出口４２Ａの向きと内側出口４２Ｂの向きとがノズル２０の軸線Ｏを挟んで互いに対称的となるように調節されるので、二次空気Ａ２（または低酸素二次空気Ａ２１）がガス燃料Ｆと接触するタイミングを容易に調節することができる。

　外側出口４４から流出する二次空気Ａ２の流出方向を調節することで、緩慢燃焼の促進または抑制を行うことができる。第３実施形態によれば、外側出口４４から流出する二次空気Ａ２の量及び流出方向が調節されるので、燃焼状態に応じて、緩慢燃焼の促進又は抑制をさらに精密に行うことができる。また、シンプルな構成（例えば、ターンバックルを用いた構成）で、上側二次空気流路部２４Ａの外側出口４４Ａ、及び下側二次空気流路部２４Ｂの外側出口４４Ｂから流出する二次空気Ａ２がガス燃料Ｆと接触するタイミング（つまりは、火炎の形成）を調整することができる。図９Ｂに例示する形態によれば、外側出口４４Ａの向きと外側出口４４Ｂの向きとがノズル２０の軸線Ｏを挟んで互いに対称的となるように調節されるので、二次空気Ａ２がガス燃料Ｆと接触するタイミングを容易に調節することができる。

　尚、第３実施形態では、ガスバーナ４は第１調節装置８６及び第２調節装置８８の両方を備えていたが本開示はこの形態に限定されない。幾つかの実施形態では、ガスバーナ４は、第１調節装置８６及び第２調節装置８８のうちの何れか一方を備える。

　ところで、流量調節装置２５による内側出口４２から流出する二次空気Ａ２の流出量、及び外側出口４４から流出する二次空気Ａ２の流出量の調節は、自動的に行われてもよいし、作業員によって手動で行われてもよい。以下、流量調節装置２５による二次空気Ａ２の流出量の調節を自動化するための燃焼設備１の自動化システムについて説明する。

　図１０は、幾つかの実施形態に係る燃焼設備１の自動化システムを示す系統図である。図１０に例示する形態では、燃焼設備１は、燃焼設備１の負荷ＢＬを取得する負荷取得装置１４０と、この負荷取得装置１４０が取得する燃焼設備１の負荷ＢＬに基づいて、流量調節装置２５を制御する制御装置１４２と、を備える。燃焼設備１の負荷ＢＬは、例えば、燃焼設備１（ボイラ）に要求される発電量や燃焼設備１が生成する蒸気の量である。

　制御装置１４２は、例えば、コンピュータであって、図示しないＣＰＵやＧＰＵといったプロセッサ、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリ、及びＩ／Ｏインターフェイスなどを備える。制御装置１４２は、メモリにロードされたプログラムの命令に従ってプロセッサが動作（演算等）することで、制御装置１４２が備える幾つかの機能を実現する。幾つかの実施形態では、制御装置１４２は、クラウド環境に設けられたクラウドサーバである。

　図１０に例示する形態では、制御装置１４２は、負荷取得装置１４０及び流量調節装置２５のそれぞれと電気的に接続されている。制御装置１４２は、負荷取得装置１４０から取得した燃焼設備１の負荷ＢＬに基づいて、内側出口４２から流出する二次空気Ａ２の流出量、及び外側出口４４から流出する二次空気Ａ２の流出量を流量調節装置２５に指示する。流量調節装置２５は、制御装置１４２の指示に従って、内側出口４２及び外側出口４４から流出する二次空気Ａ２の流量を調節する（第１弁４６、第２弁４８、第３弁５０、及び第４弁５２のそれぞれの開度を調節する）。

　図１０に例示する形態では、制御装置１４２は、第１調節装置８６及び第２調節装置８８のそれぞれと電気的に接続されている。負荷取得装置１４０から取得した燃焼設備１の負荷ＢＬに基づいて、二次空気流路部２４の内側出口４２の向きを第１調節装置８６に指示し、二次空気流路部２４の外側出口４４の向きを第２調節装置８８に指示する。第１調節装置８６は、制御装置１４２の指示に従って、二次空気流路部２４の内側出口４２の向きを調節する。第２調節装置８８は、制御装置１４２の指示に従って、二次空気流路部２４の外側出口４４の向きを調節する。

　図１０に例示する形態によれば、燃焼設備１の負荷ＢＬに基づいて、保炎性を高めたり、あるいは緩慢燃焼を促進させたりすることができる。

　幾つかの実施形態では、制御装置１４２は、燃焼設備１の負荷ＢＬが予め設定された閾値より小さくなると、外側出口４４より内側出口４２から流出する二次空気Ａ２の量が多くなるように、流量調節装置２５を制御する。燃焼設備１の負荷ＢＬが小さくなると、ガスバーナ４に供給されるガス燃料Ｆの量が少なくなり、ＮＯｘの発生量が少なくなる。よって、燃焼設備１の負荷ＢＬが閾値より小さい場合には、外側出口４４より内側出口４２から流出する二次空気Ａ２の量を多くすることで、保炎性を向上させることができる。

　幾つかの実施形態では、制御装置１４２は、燃焼設備１の負荷ＢＬが予め設定された閾値より大きくなると、内側出口４２より外側出口４４から流出する二次空気Ａ２の量が多くなるように、流量調節装置２５を制御する。燃焼設備１の負荷ＢＬが大きくなると、ガスバーナ４に供給されるガス燃料Ｆの量が多くなり、ＮＯｘの発生量が増える。よって、燃焼設備１の負荷ＢＬが閾値より大きい場合には、内側出口４２より外側出口４４から流出する二次空気Ａ２の量を多くすることで、緩慢燃焼の促進を図り、ＮＯｘの発生を抑制することができる。

　上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

　［１］本開示に係るガスバーナ（４）は、
　水素を含むガス燃料（Ｆ）を燃焼するためのガスバーナであって、
　前記ガス燃料を噴出するノズル（２０）と、
　前記ノズルの軸線方向（Ｄ１）に沿って視認した正面視において、前記ノズルの周囲を囲むとともに、一次空気（Ａ１）が流出する一次空気出口（３６）を形成する一次空気流路部（２２）と、
　前記正面視において、前記一次空気出口の上方または下方に位置するとともに、二次空気（Ａ２）が流出する二次空気出口（４０）であって、内側出口（４２）及び前記内側出口より前記一次空気出口から離れて位置する外側出口（４４）を含む二次空気出口を形成する少なくとも１つの二次空気流路部（２４）と、
　前記内側出口から流出する前記二次空気の流出量、及び前記外側出口から流出する前記二次空気の流出量のそれぞれを調節可能な流量調節装置（２５）と、を備える。

　上記［１］に記載の構成によれば、外側出口は内側出口より一次空気出口から離れて位置するので、内側出口から流出する二次空気を保炎のために用い、外側出口から流出する二次空気を緩慢燃焼の促進のために用いることができる。そして、本開示に係るガスバーナは流量調節装置を備えているので、燃焼状態に応じて、保炎性を高めたり、緩慢燃焼を促進させたりすることができる。よって、燃焼状態を容易に制御することができる。

　［２］幾つかの実施形態では、上記［１］に記載の構成において、
　前記内側出口は、前記外側出口から流出される前記二次空気より酸素濃度の低い低酸素二次空気（Ａ２１）が流出するように構成される。

　水素は従来からのガス燃料に含まれる成分と比較して燃焼速度が大きい。このため、水素と酸素との混合が速やかに行われるので、ガス燃料が燃焼する燃焼空間の温度が速やかに高くなり、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生が促進される。これに対し、上記［２］に記載の構成によれば、外側出口から流出する二次空気に先行して内側出口から流出する低酸素二次空気をガス燃料に接触させる。このため、水素と酸素との混合を緩やかにし、燃焼空間の昇温を抑制することができる。よって、ＮＯｘの発生をさらに抑制することができる。

　［３］幾つかの実施形態では、上記［１］又は［２］に記載の構成において、
　前記少なくとも１つの二次空気流路部は、鉛直方向において、前記一次空気流路部を挟むように配置される一対の二次空気流路部（２８Ａ、２８Ｂ）を含み、
　前記一対の二次空気流路部の各々の前記内側出口（４２Ａ、４２Ｂ）の向きを同時に調節可能な第１調節装置（８６）をさらに備える。

　内側出口から流出する二次空気の流出方向を調節することで、保炎性を増減させることができる。上記［３］に記載の構成によれば、内側出口から流出する二次空気の量及び流出方向が調節されるので、燃焼状態に応じて、保炎性をさらに精密に増減することができる。また、シンプルな構成（例えば、ターンバックルを用いた構成）で、内側出口から流出する二次空気がガス燃料と接触するタイミングを調整し、火炎の形成を調整することができる。

　［４］幾つかの実施形態では、上記［３］に記載の構成において、
　前記一対の二次空気流路部の各々の前記外側出口（４４Ａ、４４Ｂ）の向きを同時に調節可能な第２調節装置をさらに備える。

　外側出口から流出する二次空気の流出方向を調節することで、緩慢燃焼の促進または抑制を行うことができる。上記［４］に記載の構成によれば、外側出口から流出する二次空気の量及び流出方向が調節されるので、燃焼状態に応じて、緩慢燃焼の促進又は抑制をさらに精密に行うことができる。また、シンプルな構成（例えば、ターンバックルを用いた構成）で、外側出口から流出する二次空気がガス燃料と接触するタイミングを調整し、火炎の形成を調整することができる。

　［５］幾つかの実施形態では、上記［１］から［４］の何れか１つに記載の構成において、
　前記正面視において、前記ノズルの軸線（Ｏ）から鉛直方向に沿って直線状に仮想線（８０）を延ばした場合に、前記仮想線が前記一次空気出口の周縁と交差する第１交差点（８２）と前記ノズルの前記軸線との間の距離をｒとし、前記仮想線が前記内側出口の周縁と最初に交差する第２交差点（８４）と前記ノズルの前記軸線との間の距離をｄとすると、
　１．５×ｒ≦ｄ≦５×ｒを満たす。

　上述したように、水素は従来からのガス燃料に含まれる成分と比較して燃焼速度が大きい。このため、１．５×ｒ≦ｄを満たすように内側出口をノズルの軸線から離間させても、内側出口から流出する二次空気による保炎を実現することができる。さらに、１．５×ｒ≦ｄを満たすことで、外側出口から流出する二次空気とガス燃料との接触を遅らせ、緩慢燃焼の促進を図ることができる。一方で、５×ｒ＜ｄを満たすと、内側出口から流出する二次空気による保炎の実現が困難となると同時に供給される二次空気のタイミングの遅れが大きく、もはや二次空気の流量制御による適正な燃焼状態の維持が困難になる。上記［５］に記載の構成によれば、内側出口は、１．５×ｒ≦ｄ≦５×ｒを満たすように、ノズルの軸線から離間しているので、内側出口から流出する二次空気による保炎を実現しつつ、外側出口から流出する二次空気とガス燃料との接触を遅らせ、緩慢燃焼の促進を図ることができる。

　［６］幾つかの実施形態では、上記［１］から［５］の何れか１つに記載の構成において、
　前記ガスバーナは、火炉（２）に面する端面（５）の形状が鉛直方向に沿って長手方向を有する矩形状の角型バーナである。

　上記［６］に記載の構成によれば、上記［１］から［５］の何れか１つに記載の構成を、角型バーナに適用できる。

　［７］幾つかの実施形態では、燃焼設備は、上記［１］から［６］の何れか１つに記載のガスバーナを備える燃焼設備（１）であって、
　前記燃焼設備の負荷（ＢＬ）を取得する負荷取得装置（１４０）と、
　前記負荷取得装置が取得する前記燃焼設備の負荷に基づいて、前記流量調節装置を制御する制御装置（１４２）と、を備える。

　上記［７］に記載の構成によれば、燃焼設備の負荷に基づいて、保炎性を高めたり、あるいは緩慢燃焼を促進させたりすることができる。

１　　　燃焼設備
２　　　火炉
４　　　ガスバーナ
５　　　ガスバーナの端面
６　　　燃焼空間
２０　　ノズル
２２　　一次空気流路部
２４　　二次空気流路部
２５　　流量調節装置
３６　　一次空気出口
４０　　二次空気出口
４０Ａ　上側二次空気流路部の二次空気出口
４０Ｂ　下側二次空気流路部の二次空気出口
４２　　内側出口
４２Ａ　上側二次空気流路部の内側出口
４２Ｂ　下側二次空気流路部の内側出口
４４　　外側出口
４４Ａ　上側二次空気流路部の外側出口
４４Ｂ　下側二次空気流路部の外側出口
８０　　仮想線
８２　　第１交差点
８４　　第２交差点
８６　　第１調節装置
８８　　第２調節装置
１４０　負荷取得装置
１４２　制御装置
 
Ａ１　　一次空気
Ａ２　　二次空気
Ａ２１　低酸素二次空気
ＢＬ　　燃焼設備の負荷
Ｄ１　　軸線方向
Ｄ２　　鉛直方向
Ｆ　　　ガス燃料
Ｏ　　　軸線

 

Claims (7)

1. 　水素を含むガス燃料を燃焼するためのガスバーナであって、
   　前記ガス燃料を噴出するノズルと、
   　前記ノズルの軸線方向に沿って視認した正面視において、前記ノズルの周囲を囲むとともに、一次空気が流出する一次空気出口を形成する一次空気流路部と、
   　前記正面視において、前記一次空気出口の上方または下方に位置するとともに、二次空気が流出する二次空気出口であって、内側出口及び前記内側出口より前記一次空気出口から離れて位置する外側出口を含む二次空気出口を形成する少なくとも１つの二次空気流路部と、
   　前記内側出口から流出する前記二次空気の流出量、及び前記外側出口から流出する前記二次空気の流出量のそれぞれを調節可能な流量調節装置と、を備える、
   　ガスバーナ。
2. 　前記内側出口は、前記外側出口から流出される前記二次空気より酸素濃度の低い低酸素二次空気が流出するように構成される、
   　請求項１に記載のガスバーナ。
3. 　前記少なくとも１つの二次空気流路部は、鉛直方向において、前記一次空気流路部を挟むように配置される一対の二次空気流路部を含み、
   　前記一対の二次空気流路部の各々の前記内側出口の向きを同時に調節可能な第１調節装置をさらに備える、
   　請求項１又は２に記載のガスバーナ。
4. 　前記一対の二次空気流路部の各々の前記外側出口の向きを同時に調節可能な第２調節装置をさらに備える、
   　請求項３に記載のガスバーナ。
5. 　前記正面視において、前記ノズルの軸線から鉛直方向に沿って直線状に仮想線を延ばした場合に、前記仮想線が前記一次空気出口の周縁と交差する第１交差点と前記ノズルの前記軸線との間の距離をｒとし、前記仮想線が前記内側出口の周縁と最初に交差する第２交差点と前記ノズルの前記軸線との間の距離をｄとすると、
   　１．５×ｒ≦ｄ≦５×ｒを満たす、
   　請求項１から４の何れか一項に記載のガスバーナ。
6. 　前記ガスバーナは、火炉に面する端面の形状が鉛直方向に沿って長手方向を有する矩形状の角型バーナである、
   　請求項１から５の何れか一項に記載のガスバーナ。
7. 　請求項１から６の何れか一項に記載のガスバーナを備える燃焼設備であって、
   　前記燃焼設備の負荷を取得する負荷取得装置と、
   　前記負荷取得装置が取得する前記燃焼設備の負荷に基づいて、前記流量調節装置を制御する制御装置と、を備える、
   　燃焼設備。

Images