(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質エレメントの上流側から空気と液体燃料とを送り込み、多孔質エレメントの下流側の表面に液体燃料の泡化相を形成する泡化燃焼装置を備える一方、
多孔質エレメントの下流側の表面近傍に冷却管を配するとともに、
該冷却管と多孔質エレメントとの離隔距離を変更調整可能とすることを特徴とする液体燃料を用いた泡化予混合燃焼装置。
【請求項２】
多孔質エレメントを複数に分割して配設し、各多孔質エレメントを独立的に駆動制御可能とすることを特徴とする請求項１記載の液体燃料を用いた泡化予混合燃焼装置。
【請求項３】
貯留タンクから多孔質エレメントへの供給端部に至る液体燃料の供給経路の適宜位置に加熱装置を配し、多孔質エレメントの上流側から供給する液体燃料の温度を予め設定した温度以上に加温することを特徴とする請求項１または請求項２記載の液体燃料を用いた泡化予混合燃焼装置。
【請求項４】
複数に分割して配設した多孔質エレメントに対応する各空気供給装置は、対応する多孔質エレメントの燃焼駆動が停止した場合であって、残余の多孔質エレメントにおける燃焼駆動が継続している場合に、対応する多孔質エレメントへの空気供給量を増加調整する冷却保護手段を備えることを特徴とする請求項２または請求項３記載の液体燃料を用いた泡化予混合燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石油等の液体燃料を用いて多孔質エレメント上に泡化相を形成する燃焼装置に係り、特に液体燃料の泡化予混合燃焼における低ＮＯｘ型の燃焼装置の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体燃料を用いた泡化式の燃焼装置は、多孔質エレメントの表面に液体燃料の泡化相を形成し、これを連続的に燃焼させることから、燃料の比表面積を飛躍的に増加でき、蒸発燃焼における応答性の悪さや、噴霧燃焼における燃焼負荷の可変範囲の狭さを解消できる利点がある。
【０００３】
泡化式の燃焼装置の原理は、図５に示すように、例えば多孔質エレメント１の上流から完全燃焼に必要な量の空気と液体燃料の混合流体２を送り、多孔質エレメント１の表面に泡化した薄膜状の燃料相３を形成し、これを連続的に蒸発燃焼させる。かかる提案としては、従来例えば特開平０５−２０３１１７号がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、かかる泡化式燃焼装置は、液体燃料の泡化相が形成される多孔質エレメント１の表面に、安定した予混合燃焼特有の青色短炎を形成することが可能となるのであるが、一方において、ボイラ装置等に使用する場合は、都市部における環境負荷を軽減するためＮＯｘの低減対策が緊急の課題となっている。
【０００５】
現在のところ、ＮＯｘに関して最も厳しい基準値を求める自治体は東京都である。これは、酸素濃度０％換算時の窒素酸化物濃度を基準値として、例えば、小型ボイラー類の場合、６０ｐｐｍ以下の認定基準値をクリアすることが求められる。
【０００６】
このため、近時、とくにガス燃料の予混合燃焼システムでは、燃焼面の近傍にＮＯｘを軽減するための冷却管（水冷管）を配置する構造が提案されるに至った（特願平１１−０２２９２３号、特開２００１−１５３３１６等）。燃焼面近傍の温度上昇を抑えることにより、ＮＯｘ値を低減する構造である。
【０００７】
一方、技術的にボイラ装置の燃焼を検討した場合、低ＮＯｘの実現と燃焼効率とは必ずしも相容れない課題である。窒素酸化物濃度を低減するために燃焼温度を意図的に抑える必要があるからである。しかしながら、大都市における燃焼装置のＮＯｘを抑えることは絶対に必要な技術であり、かかる要請と燃焼効率とのバランス、或いは低ＮＯｘ化と装置コストのバランスを如何に均衡させるかが、今後の燃焼系システムの課題であるということが出来る。
【０００８】
そこで本発明の目的は、液体燃料を使用する泡化式の予混合燃焼装置を技術的な前提として、汎用性のある低ＮＯｘのボイラ装置を提供する点にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る泡化予混合燃焼装置は、多孔質エレメントの上流側から空気と液体燃料とを送り込み、多孔質エレメントの下流側の表面に液体燃料の泡化相を形成する泡化燃焼装置を備える一方、多孔質エレメントの下流側の表面近傍に冷却管を配するとともに、該冷却管と多孔質エレメントとの離隔距離を変更調整可能とする。
【００１０】
多孔質エレメントを複数に分割して配設し、各多孔質エレメントを独立的に駆動制御可能とする場合がある（請求項２）。また貯留タンクから多孔質エレメントへの供給端部に至る液体燃料の供給経路の適宜位置に加熱装置を配し、多孔質エレメントの上流側から供給する液体燃料の温度を予め設定した温度以上に加温する場合がある（請求項３）。また複数に分割して配設した多孔質エレメントに対応する各空気供給装置は、対応する多孔質エレメントの燃焼駆動が停止した場合であって、残余の多孔質エレメントにおける燃焼駆動が継続している場合に、対応する多孔質エレメントへの空気供給量を増加調整する冷却保護手段を備える場合がある（請求項４）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る泡化予混合燃焼装置をボイラに適用したときの実施形態を示す図である。このボイラ装置は、最上流に液体燃料の噴霧ノズル１１を備え、符号Ｆで示す液体燃料を矢印Ｒで示す空気流とともに多孔質エレメント１４の裏面に噴射し、多孔質エレメント１４の表面側に液体燃料の泡化相を形成して、着火後の連続的な予混合燃焼特有の青色短炎を形成するようになっており、多孔質エレメント１４の下流に、所定の離隔距離をもって冷却管２１と、ボイラ用パイプ２５を配してなる。
【００１２】
冷却管２１は、例えば図２に示すように、多孔質エレメント１４の上面全体を覆う蛇行パターンをとる。多孔質エレメント１４の上面全体を覆うことが出来ればよいので、例えば図３に示すように、冷却ヘッダー管２１−１と２１−１´の間に多数本の分岐管２１−２を用いることも出来る。
【００１３】
この冷却管２１は、上下に所定範囲で可動できるよう配設する。例えば冷却管２１の端部に支持材を設け、この支持材を介して冷却管２１を手動で上下動させる等である。冷却管２１の冷媒は、例えばボイラ給水とする。このことにより熱回収を行いながら多孔質エレメント１４の直上に形成される火炎温度を低下させることによってＮＯｘを低減させる機能を営むが、液体燃料の燃焼は、着火後の燃焼が安定するまでは、近接位置において冷却作用を与えると燃料の蒸発が減少し、燃焼が不安定になるなど却って好ましくない現象を呈する。また液体燃料の供給量や空気量によっても、好ましい冷却条件が変動する。
【００１４】
そこで、冷却管２１と多孔質エレメント１４との離隔距離を可変とすることによって、燃焼条件に応じた最適の冷却を実現する。冷却管２１は、多孔質エレメント１４から例えば２〜３０ｍｍ程度の範囲で位置調整可能とすることが望ましい。位置調整の機構は、いわゆる無段階調整の方式をとっても良い。しかしながら、冷却管２１にはボイラ給水等の冷媒を流動させることから重量もあり、機構的には他段階調整式を用いる方が構造を単純化できる。例えば、冷却管２１を、多孔質エレメント１４の燃焼面から５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍの三段階で切り換え設定する等である。冷却管２１の位置調整は手動式でも良いし、駆動モータを用いた自動制御であっても良い。
【００１５】
従って、かかる泡化予混合燃焼装置によれば、冷却管２１と多孔質エレメント１４との離隔距離を変化させることによってＮＯｘ値を自在にコントロールすることが可能となる。冷却管２１と多孔質エレメント１４との離隔距離を５ｍｍ以下に設定すれば、最も厳しいＮＯｘ値を要求する東京都の場合でも、一般ボイラの燃焼条件下より省エネルギーとなる空気比１．０５〜１．１５で目標値をクリアできる。
【００１６】
本発明に係る泡化予混合燃焼装置は、冷却管２１の上下位置調整を可能とすることにより、多孔質エレメント１４における燃焼の安定性とＮＯｘ値を保証する。しかしながら液体燃料を用いた泡化燃焼システムは、ガスの予混合燃焼方式と異なり、多孔質エレメント１４の内にある燃料が液体であることから逆火の虞れがない。また泡状なので燃料蒸気と空気の均一混合が容易にできる有利性をもつ。しかし一方では、燃料の供給温度と燃焼の安定に若干の制約がある。これは、特に灯油に較べて粘度が高く噴霧の広がり角が小さくなる軽油やＡ重油等が顕著であり、燃料の供給温度が常温では着火や燃焼が不安定になりやすいという点である。
【００１７】
そこで本発明に係る泡化予混合燃焼装置では、液体燃料（特に軽油やＡ重油等）の貯留タンク（図示せず）から噴霧ノズル１１までの経路上に、液体燃料を適当な安定温度、例えば６５℃〜７０℃以上に加熱するヒータ装置を配し、多孔質エレメント１４に対して供給する液体燃料の温度を調整することが望ましい。灯油は特に加熱を必要としないが、軽油は５０℃以上、Ａ重油は７０℃以上に加熱しない限り、泡化予混合燃焼による安定した運転性能が保証できない。
【００１８】
勿論この場合には、液体燃料を過度に加熱する必要はない。従って、最低限のヒータ装置を配すれば良い。またヒータ装置は電気式でも良いが、引火の虞れが少ない低温発熱のもの、或いは温水式ヒータを用いる。ヒータ装置は、必ずしも液体燃料の貯留タンクに配する必要はない。また温度センサを用いて厳密に温度設定管理を行う必要もない。液体燃料の温度が灯油の場合で−５℃以上、また軽油ならびにＡ重油の場合で、それぞれ、５０℃および７０℃以上を確保できれば良いからであり、燃料供給経路上に直接または間接に配した加熱手段であっても、このような加温条件を満足させることは容易である。尚、加温が必要になる条件下で使用する限り、灯油でも加温使用することが望ましい。
【００１９】
本発明に係る泡化予混合燃焼装置は、多孔質エレメントを複数個に分割した構造をとっても良い。例えば図４に示すように、均等面積に分割した４個の多孔質エレメント１４−１〜１４−４を用いる等である。１８は多孔質エレメントの外周部に配した耐熱材、１９は多孔質エレメントを配するための基板である。
【００２０】
均等分割した４個の多孔質エレメント１４−１〜１４−４を用いることにより、燃焼要領を変化させボイラ能力を自由に調整できるからである。この場合、冷却管２１は各多孔質エレメント１４−１〜１４−４にそれぞれ対応配置させても良いが、好ましくは、縦、横または対角上に並ぶ二個の多孔質エレメントを一組として、二個一組の単位で冷却管（２１）を接近／離隔調整可能する。冷却管２１の構造が単純となり、燃焼の安定とＮＯｘ低減をともに実現できるからである。勿論、４個全部の多孔質エレメント１４−１〜１４−４に対して、その全体をカバーするひとつの冷却管２１を配するだけでも燃焼の安定と低ＮＯｘを実現できる。
【００２１】
多孔質エレメントを複数分割して配設した場合は、各多孔質エレメント１４−１〜１４−４を独立して、または例えば二組ずつセットで燃焼駆動または停止制御することが出来る。このとき、停止中の多孔質エレメントは、燃焼運転中の他の多孔質エレメントからの輻射熱によって過度に加熱され劣化しやすい状態に晒される。そこで、停止中の多孔質エレメントに対しては、燃料の供給は遮断しつつ上流から少量の空気を供給することが望ましい。
【００２２】
停止中の多孔質エレメントを少量の空気が通過することによって、燃焼中の他エレメントから受ける輻射熱の影響を軽減できるからである。供給する空気量は、稼働中の多孔質エレメントの数、それらの燃焼の具合によって適宜コントロールすることが望ましいが、最も簡単には、各多孔質エレメント１４−１〜１４−４の外周部に配した耐熱材１８の近傍に温度センサを設け、当該温度センサの計測値に応じて空気量を増減供給する。当然であるが計測温度が高いほど空気量を増大させて温度上昇を抑える構成とする。
【００２３】
一般的に云えば、多孔質エレメント１４に金属性の材質を用いる場合の耐熱温度は５００℃程度である。従って他からの熱輻射を軽減する際の、空気量調整の目標は、約２００℃まで低減できる程度の制御内容とする。これにより、熱輻射による素材の劣化、とくに高温酸化に起因する目減り劣化をより確実に防止することが出来る。
【００２４】
尚、冷却管２１と多孔質エレメント１４との離隔距離は、多孔質エレメント１４の大きさ、最大／最小の燃焼規模、冷却管２１の冷却能力等の関係に基づいて個別具体的に設定することが望ましい。また多孔質エレメントの分割数は、ボイラ装置の使用環境等に応じて適宜増減変更することが出来る。必ずしも４個に分割する必要はない。分轄する際の面積比も自由に設計して構わない。
【００２５】
冷却管２１を上下駆動する手段としてモータ装置を使用する場合は、着火燃焼後のタイミングを計測するタイマ装置と連動させることにより、予め定めたプログラムによって離隔距離を自動調整する。この場合の自動調整は、複雑な運動を冷却管に要求する必要はない。少なくとも、着火後６０秒程度は十分な離隔距離を保ち、その後は、例えば耐熱材１８の近傍に配した温度センサに基づいて、冷却管２１の位置調整または水等の冷媒の供給タイミングを判別して実行すれば良い。手動調整の場合は、冷却管２１の上下位置調整による燃焼状態を視認しながら行えばよいので、より簡易な装置構成で安定燃焼とＮＯｘ低減という所期の目的を達することが出来る。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る泡化予混合燃焼装置によれば、空気比が１．０５〜１．１５の範囲で完全燃焼できるので省エネルギーの達成と、汎用性のある低ＮＯｘのボイラ装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係るボイラ装置を例示する図である。
【図２】本発明の実施形態に係る冷却管の配設パターンを示す第一の図である。
【図３】本発明の実施形態に係る冷却管の配設パターンを示す第二の図である。
【図４】本発明の実施形態に係る多孔質エレメントの分轄配置例を示す図である。
【図５】液体燃料を用いる従来の泡化燃焼装置を例示する図である。
【符号の説明】
１１  噴霧ノズル
１４  多孔質エレメント
２１  冷却管
２１−１  冷却ヘッダー管
２１−２  分岐管（冷却管）
２５  ボイラ用パイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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