(57)【要約】【課題】燃焼ガスの温度を高く維持しながら、ＮＯｘの生成および燃焼騒音の発生を抑制することができる複合管状火炎バーナの燃焼方法、及びその方法を使用する複合管状火炎バーナを提供する。【解決手段】円筒状の燃焼室２の側面に軸方向に沿って開口するスリット３から燃焼室内面の接線方向に向けて、酸素含有ガスＡと燃料Ｆとを噴出させて旋回燃焼させる管状火炎バーナ１ａ，１ｂの複数を、燃焼室２同士を軸方向に連通させて接続し、複数の燃焼室２における燃焼ガスＣの流動方向において、上流側に位置する上流側燃焼室２ａの内径が、下流側に位置する下流側燃焼室２ｂの内径より小さく形成され、上流側管状火炎バーナ１ａまたは下流側管状火炎バーナ１ｂのいずれか一方において、空気比が１よりも小さい燃料過濃状態で燃焼させ、他方を空気比が１よりも大きい燃料希薄状態で燃焼させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の燃焼室の側面に軸方向に沿って開口するスリットから前記燃焼室内面の接線方向に向けて、酸素含有ガスと燃料との混合気を噴出させて又は酸素含有ガスと燃料とを各別に噴出させて旋回燃焼させる管状火炎バーナの複数を、前記燃焼室同士を前記軸方向に連通させて接続し、前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室の一端部を閉塞し、
複数の前記燃焼室において、前記旋回燃焼の旋回方向を夫々同じ方向とする複合管状火炎バーナの燃焼方法であって、
複数の前記燃焼室における燃焼ガスの前記一端部から他端部へ向かう流動方向において、上流側に位置する上流側管状火炎バーナの燃焼室の内径が、当該上流側管状火炎バーナの下流側に隣接して位置する下流側管状火炎バーナの燃焼室の内径より小さく形成された複合管状火炎バーナを使用して、
前記上流側管状火炎バーナまたは前記下流側管状火炎バーナのいずれか一方の管状火炎バーナにおいて、空気比が１よりも小さい燃料過濃状態で燃料を燃焼させるとともに、他方の管状火炎バーナにおいて、空気比が１よりも大きい燃料希薄状態で燃料を燃焼させる複合管状火炎バーナの燃焼方法。
【請求項２】
前記燃料希薄状態で燃焼させる管状火炎バーナの燃焼量を前記燃料過濃状態で燃焼させる管状火炎バーナの燃焼量よりも大きくする請求項１に記載の複合管状火炎バーナの燃焼方法。
【請求項３】
前記酸素含有ガスとして空気を用い、両管状火炎バーナにおいて総括空気比を１．０５〜１．５の範囲内で燃焼させる請求項１又は２に記載の複合管状火炎バーナの燃焼方法。
【請求項４】
前記酸素含有ガスとして酸素富化ガスを用い、両管状火炎バーナにおいて総括空気比を１．０５〜１．１５の範囲内で燃焼させる請求項１又は２に記載の複合管状火炎バーナの燃焼方法。
【請求項５】
前記上流側管状火炎バーナにおいて燃料過濃状態で燃焼させ、前記下流側管状火炎バーナにおいて燃料希薄状態で燃焼させる請求項１〜４の何れか１項に記載の複合管状火炎バーナの燃焼方法。
【請求項６】
前記酸素含有ガスとして、酸素と前記燃焼室から排出された燃焼排ガスとの混合ガスを用いる請求項１〜５の何れか１項に記載の複合管状火炎バーナの燃焼方法。
【請求項７】
前記上流側管状火炎バーナの燃焼室および前記下流側管状火炎バーナの燃焼室における径方向で同一位置に於ける前記燃焼ガスの旋回速度を等しくする請求項１〜６の何れか１項に記載の複合管状火炎バーナの燃焼方法。
【請求項８】
円筒状の燃焼室の側面に軸方向に沿って開口するスリットから前記燃焼室内面の接線方向に向けて、酸素含有ガスと燃料との混合気を噴出させて又は酸素含有ガスと燃料とを各別に噴出させて旋回燃焼させる管状火炎バーナの複数を、前記燃焼室同士を前記軸方向に連通させて接続し、前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室の一端部を閉塞し、
複数の前記燃焼室において、前記旋回燃焼の旋回方向を夫々同じ方向とする複合管状火炎バーナであって、
複数の前記燃焼室における燃焼ガスの前記一端部から他端部へ向かう流動方向において、上流側に位置する上流側管状火炎バーナの燃焼室の内径が、当該上流側管状火炎バーナの下流側に隣接して位置する下流側管状火炎バーナの燃焼室の内径より小さく形成され、
前記上流側管状火炎バーナまたは前記下流側管状火炎バーナのいずれか一方の管状火炎バーナにおいて、空気比が１よりも小さい燃料過濃状態で燃料を燃焼させるとともに、他方の管状火炎バーナにおいて、空気比が１よりも大きい燃料希薄状態で燃料を燃焼させ、
両管状火炎バーナに於ける総括空気比を燃料の完全燃焼が可能な範囲内に設定する燃焼設定手段を備えた複合管状火炎バーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒状の燃焼室の側面に軸方向に沿って開口するスリットから前記燃焼室内面の接線方向に向けて、酸素含有ガスと燃料との混合気を噴出させて又は酸素含有ガスと燃料とを各別に噴出させて旋回燃焼させる管状火炎バーナの複数を、前記燃焼室同士を前記軸方向に連通させて接続し、前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室の一端部を閉塞し、複数の前記燃焼室において、前記旋回燃焼の旋回方向を夫々同じ方向とする複合管状火炎バーナの燃焼方法及びその燃焼方法を使用する複合管状火炎バーナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の複合管状火炎バーナとして、特許文献１には、内径の大きい大径管状火炎バーナと内径の小さい小径管状火炎バーナとを、燃焼ガスの流動方向において、小径管状火炎バーナの下流側に大径管状火炎バーナを配置する状態で、これらのバーナの夫々に設けられた円筒状の燃焼室同士を軸方向に連通させて接続した複合管状火炎バーナが開示されている。この複合管状火炎バーナでは、燃焼負荷が小さい時は、小径管状火炎バーナのみで燃焼を行い、燃焼負荷が大きくなると、大径管状火炎バーナのみで燃焼を行い、さらに燃焼負荷が大きくなると、大径管状火炎バーナと小径管状火炎バーナの両方で燃焼を行う形態で、広い燃焼負荷範囲における燃焼を可能にしている。この特許文献１では、燃焼負荷それぞれに対応して良好な管状火炎を形成できるように、燃焼条件が決定される。
【０００３】
また、特許文献２には、複数の管状火炎バーナを、それらの円筒状の燃焼室同士を軸方向に連通させて接続した複合管状火炎バーナが開示されている。この複合管状火炎バーナでは、夫々の管状火炎バーナに供給される混合気の燃料濃度を各別に設定することができ、連通した燃焼室内における燃焼ガスの流動方向の上流側に位置する管状火炎バーナよりも下流側に位置する管状火炎バーナへの燃料濃度を低くして、燃焼ガスの流動方向での燃焼完結を促進する構成とされている。この特許文献２でも、各管状火炎バーナで形成する管状火炎を、それ自体で良好に形成できるように燃焼条件を決定する。
【０００４】
さらに、特許文献３には、円筒状の燃焼室の側面に軸方向に沿って開口するスリットから燃焼室内面の接線方向に向けて、空気と燃料とを噴出させて旋回燃焼させる単一の管状火炎バーナが開示されている。この管状火炎バーナでは、燃焼室の軸方向において、空気供給量および燃料供給量を変化させることができる構成とされ、燃焼室内の燃料濃度を燃焼ガスの流動方向において上流側より下流側を低く調整して、バーナ全体としての燃焼の完結を促進する構成とされている。この特許文献３による開示では、燃焼濃度の濃淡の関係は述べられているが、濃淡の程度に関しては、特に述べられていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−９３１１５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１０１０１号公報
【特許文献３】特開２０１０−２１０１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した従来の管状火炎バーナにおいては、生成するＮＯｘを低減することができず、以下の問題が実用上発生することを発明者らは見出した。
即ち、発明者らは、ＮＯｘの生成を抑制するために、燃料と酸素含有ガスとを予混合または急速混合（拡散燃焼バーナの場合）して、燃料希薄状態で燃焼を行うことを試みたが、このような燃焼形態では、総括の空気比が高くなり、燃焼ガスの温度が低下する。
従って、管状火炎バーナの燃焼ガスと熱交換を行う熱交換器が設けられている場合、熱交換器での熱効率が低下し、あるいは、その熱効率の低下を補償するため、熱交換器の伝熱面積の増加を強いられて設備コストが増加するという問題が生じる。さらに、燃焼ガス中の水蒸気の凝縮潜熱を回収するコンデンシングボイラでは、燃焼ガスの露点が下がって潜熱回収が困難になるという問題が生じる。
また、ＮＯｘの生成を抑制するために、従来の管状火炎バーナにて純酸素又は酸素富ガスを用いた酸素燃焼を行うと、燃焼速度が上昇し、火炎が燃焼室壁に近づいて燃焼室壁を過熱するとともに、燃焼騒音が急増するという問題が生じる。これに対し、酸素を過大に供給して希薄燃焼を行い、燃焼速度を低下させると、同時に火炎温度も低下するため、高温を得るという酸素燃焼の本来の目的が損なわれ、しかも酸素コストが増加するという問題が生じる。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼ガスの温度を高く維持しながら、ＮＯｘの生成および燃焼騒音の発生を抑制することができる複合管状火炎バーナの燃焼方法、及びその方法を使用する複合管状火炎バーナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る複合管状火炎バーナの燃焼方法は、
円筒状の燃焼室の側面に軸方向に沿って開口するスリットから前記燃焼室内面の接線方向に向けて、酸素含有ガスと燃料との混合気を噴出させて又は酸素含有ガスと燃料とを各別に噴出させて旋回燃焼させる管状火炎バーナの複数を、前記燃焼室同士を前記軸方向に連通させて接続し、前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室の一端部を閉塞し、
複数の前記燃焼室において、前記旋回燃焼の旋回方向を夫々同じ方向とする複合管状火炎バーナの燃焼方法であって、その特徴構成は、
複数の前記燃焼室における燃焼ガスの前記一端部から他端部へ向かう流動方向において、上流側に位置する上流側管状火炎バーナの燃焼室の内径が、当該上流側管状火炎バーナの下流側に隣接して位置する下流側管状火炎バーナの燃焼室の内径より小さく形成された複合管状火炎バーナを使用し、
前記上流側管状火炎バーナまたは前記下流側管状火炎バーナのいずれか一方の管状火炎バーナにおいて、空気比が１よりも小さい燃料過濃状態で燃料を燃焼させるとともに、他方の管状火炎バーナにおいて、空気比が１よりも大きい燃料希薄状態で燃料を燃焼させる点にある。
【０００９】
本願において、空気比が１より小さいとは、酸素含有ガスに含まれる酸素量が燃焼に必要となる理論酸素量より少なく、空気比が１より大きいとは、酸素含有ガスに含まれる酸素量が燃焼に必要となる理論酸素量より多いことを意味する。そして本願にあっては、酸素含有ガスとして、空気を用いる場合は、酸素富化空気（例えば、全体の容積に対して４０％以上の酸素を含む）、酸素のみ（酸素１００％）を用いる場合ある。このような場合、空気比は、実際に空気を使用する場合は、実空気量/理論空気量として定義され、酸素富化空気、酸素のみの場合は、それら酸素含有ガスに含まれる酸素量に注目し、実酸素量/理論酸素量として定義される。
上記特徴構成によれば、いずれか一方の管状火炎バーナによって、空気比が１より小さい燃料過濃状態で燃焼を行うとともに、他方の管状火炎バーナによって、空気比が１より大きな燃料希薄状態で燃焼を行うので、これらのバーナにおいて燃焼反応が最も激しくなる量論近くの空気比での激しい燃焼を回避することができ、燃焼速度および燃焼温度を低下させることができる。これにより、燃焼騒音および燃焼室壁の過熱を抑制することができるとともに、酸素含有ガスに窒素が含まれていてもＮＯｘの生成を抑制することができる。
また、上流側管状火炎バーナの燃焼室の内径が下流側管状火炎バーナの燃焼室より小径で、上流側管状火炎バーナの燃焼室および下流側管状火炎バーナの燃焼室における燃焼ガスの旋回方向を同一としているので、下流側管状火炎バーナの燃焼室において形成される管状火炎の中に上流側管状火炎バーナの燃焼室で形成された小径の管状火炎が入り込んだ二重の管状火炎が形成される。よって、旋回により負圧になるとともに温度が低下する傾向にある下流側管状火炎バーナの中心部に、上流側管状火炎バーナの燃焼ガスが流れ込む状態として、中心部付近の負圧化傾向を抑えて半径方向の流速分布を平均化することができるとともに、中心部付近の低温化傾向を抑えることができる。
さらに、上述の如く、いずれか一方の管状火炎バーナでは、空気比が１より小さい燃料過濃状態で燃焼が行われるので、他方の管状火炎バーナにおいて、空気比が１よりも大きい燃料希薄状態で燃焼が行われた場合でも、複数の管状火炎バーナにおける総括空気比（酸素含有ガスとして空気を使用する場合は、燃焼に寄与する実際の空気量である総括実空気量の総括理論空気量に対する比（総括実空気量/総括理論空気量）として定義され、酸素含有ガスとして酸素富化ガス、酸素のみを使用する場合は、燃焼に寄与する実際の酸素量である総括実酸素量の総括理論酸素量に対する比（総括実酸素量/総括理論酸素量）として定義される）を１に近い状態とすることが可能となり、酸素富化ガス又は酸素のみを使用する場合は、その使用量をできるだけ少なくして酸素コストの増加を抑制することができる。また、総括空気比を１に近い状態とすることで、燃焼ガスの温度を比較的高く維持することができ、例えば、下流側管状火炎バーナの下流側に燃焼ガスと熱交換を行う熱交換器が設けられている場合では、熱交換器での熱交換を促進して熱効率を向上させることができる。これにより、熱交換器の伝熱面積を小さくすることも可能であり、設備コストの増加を回避することができる。また、下流側管状火炎バーナの下流側に燃焼ガス中の水蒸気の凝縮潜熱を回収する潜熱回収用熱交換器が設けられている場合においても、総括の空気比が低くなることで、燃焼ガスの露点が下がるので、容易に潜熱回収を行なうことができる。
【００１０】
本発明に係る複合管状火炎バーナの燃焼方法の更なる特徴構成は、
前記燃料希薄状態で燃焼させる管状火炎バーナの燃焼量を前記燃料過濃状態で燃焼させる管状火炎バーナの燃焼量よりも大きくする点にある。
【００１１】
上記特徴構成によれば、燃料希薄状態で燃焼させる燃焼量を燃料過濃状態で燃焼させる燃焼量よりも大きくするので、例えば、燃料希薄燃焼における酸素の過剰率と燃料過濃燃焼における酸素の不足率とを同じものにすれば、総括の空気比を１以上で、１に近い状態に容易に設定することができる。
また、ＮＯｘの生成は、その生成機構により、サーマルＮＯｘとプロンプトＮＯｘとに分けられるが、プロンプトＮＯｘの発生が避けられない燃料過濃燃焼の燃焼量を少なくして、より効果的にＮＯｘを低減することができる。
なお、本発明のＮＯｘ低減原理は、時間的に燃焼状態を分離して二段燃焼を行うステージング燃焼に近く、例えば、上流側管状火炎バーナに燃料過濃状態の混合気を、下流側管状火炎バーナに燃料希薄状態の混合気を送って燃焼させる空気二段燃焼に原理的に近づくものとすることができ、逆に、上流側管状火炎バーナに燃料希薄状態の混合気を、下流側管状火炎バーナに燃料過濃状態の混合気を送って燃料二段燃焼に原理的に近づくものとすることができる。
【００１２】
本発明に係る複合管状火炎バーナの燃焼方法の更なる特徴構成は、
前記酸素含有ガスとして空気を用い、両管状火炎バーナにおいて総括空気比を１．０５〜１．５の範囲内で燃焼させる点にある。
【００１３】
上記特徴構成によれば、酸素含有ガスとして空気を用い、総括空気比（総括実空気量/総括理論空気量）を１．０５〜１．５とするので、下流側管状火炎バーナの燃焼室において、燃料過濃状態における燃焼ガスと燃料希薄状態における燃焼ガスとを混合することで、燃料過濃状態の燃焼によって生成する未燃焼成分を、燃料希薄状態の燃焼ガス中に含まれる過剰な酸素と反応させて完全燃焼させることができるとともに、その下流側管状火炎バーナにおける燃料希薄状態の燃焼量を大きくしてＮＯｘの発生を低減することができる。
また、燃焼によって生成する水分を含んだ状態において、その燃焼により発生する燃焼ガス量をできるだけ少なくすることができるので、燃焼ガスの露点が高く保たれて、例えば、燃焼ガス中の水蒸気の凝縮潜熱を回収する温水機器において、凝縮潜熱回収が容易になり、排気損失が減少する。
【００１４】
本発明に係る複合管状火炎バーナの燃焼方法の更なる特徴構成は、
前記酸素含有ガスとして酸素富化ガスを用い、両管状火炎バーナにおいて総括空気比を１．０５〜１．１５の範囲内で燃焼させる点にある。
【００１５】
上記特徴構成によれば、酸素含有ガスとして酸素富化ガスを用い、総括空気比（総括実酸素量/総括理論酸素量）を１．０５〜１．１５とするので、下流側管状火炎バーナの燃焼室において、燃料過濃状態における燃焼ガスと燃料希薄状態における燃焼ガスとを混合することで、燃料過濃状態の燃焼によって生成する未燃焼成分を、燃料希薄状態の燃焼ガス中に含まれる過剰な酸素と反応させて完全燃焼させることができるとともに、その下流側管状火炎バーナにおける燃料希薄状態の燃焼量を大きくしてＮＯｘの発生を低減することができる。
そして、総括空気比（総括実酸素量/総括理論酸素量）が１に近い値とされているので、酸素の使用量をできるだけ少なくして、酸素コストの増加を抑制することができる。また、燃焼によって生成する水分を含んだ状態において、その燃焼により発生する燃焼ガス量をできるだけ少なくすることができるので、燃焼ガスの露点が高く保たれて、例えば、燃焼ガス中の水蒸気の凝縮潜熱を回収する温水機器において、凝縮潜熱回収が容易になり、排気損失が減少する。
【００１６】
上述の複合管状火炎バーナの燃焼方法を使用する複合管状火炎バーナは、以下の構成とすることができる。
円筒状の燃焼室の側面に軸方向に沿って開口するスリットから前記燃焼室内面の接線方向に向けて、酸素含有ガスと燃料との混合気を噴出させて又は酸素含有ガスと燃料とを各別に噴出させて旋回燃焼させる管状火炎バーナの複数を、前記燃焼室同士を前記軸方向に連通させて接続し、前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室の一端部を閉塞し、
複数の前記燃焼室において、前記旋回燃焼の旋回方向を夫々同じ方向とする複合管状火炎バーナであって、
複数の前記燃焼室における燃焼ガスの前記一端部から他端部へ向かう流動方向において、上流側に位置する上流側管状火炎バーナの燃焼室の内径が、当該上流側管状火炎バーナの下流側に隣接して位置する下流側管状火炎バーナの燃焼室の内径より小さく形成され、
前記上流側管状火炎バーナまたは前記下流側管状火炎バーナのいずれか一方の管状火炎バーナにおいて、空気比が１よりも小さい燃料過濃状態で燃料を燃焼させるとともに、他方の管状火炎バーナにおいて、空気比が１よりも大きい燃料希薄状態で燃料を燃焼させ、
両管状火炎バーナにおける総括空気比を燃料の完全燃焼が可能な範囲内に設定する燃焼設定手段を備えて構成されている。
【００１７】
即ち、燃焼設定手段により、上流側管状火炎バーナ及び下流側管状火炎バーナの燃焼状態（各バーナに供給する燃料量と実酸素量の関係）を設定するとともに、両管状火炎バーナに関する、総括的な燃焼状態（両バーナに供給する燃料総量と実酸素総量との総括的な関係）を本願提案の状態とすることで、これまで説明してきた作用・効果を奏する燃焼を実現できる。
【００１８】
本発明に係る複合管状火炎バーナの燃焼方法の更なる特徴構成は、
前記上流側管状火炎バーナにおいて燃料過濃状態で燃焼させ、前記下流側管状火炎バーナにおいて燃料希薄状態で燃焼させる点にある。
【００１９】
上記特徴構成によれば、下流側管状火炎バーナでは、燃料希薄状態とすることで燃焼ガスの流量が増加するが、燃焼室が大径とされるので、燃焼ガスの流量の増加に伴う圧損を抑制することができる。
また、上流側管状火炎バーナでは、燃料過濃状態で燃焼が行われるので、上流側管状火炎バーナに点火手段を設けることで、燃料過濃とされる混合気に確実に着火して小径の燃料過濃な管状火炎を形成することができる。
更に、下流側管状火炎バーナにおいて、大径の燃料希薄な管状火炎の中に、小径の燃料過濃な管状火炎が入り込んだ二重の管状火炎が形成されるので、燃料希薄な管状火炎を、燃焼状態が安定した小径の燃料過濃な管状火炎により保炎することができる。一方、下流側管状火炎バーナの燃焼室壁付近においては、燃料希薄状態の管状火炎の形成が維持されるので、燃焼速度および燃焼温度が低下して、燃焼室壁の過熱を抑制することができる。
【００２０】
本発明に係る複合管状火炎バーナの燃焼方法の更なる特徴構成は、
前記酸素含有ガスとして、酸素と前記燃焼室から排出された燃焼排ガスとの混合ガスを用いる点にある。
【００２１】
上記特徴構成によれば、燃焼室に供給する酸素含有ガスを、炭酸ガスと水蒸気等を含有する燃焼排ガスと酸素とを含み、窒素が含まれない構成とすることで、燃焼時に燃焼温度の上昇に伴ってＮＯｘを生成する窒素成分が酸素含有ガス中に存在せず、ＮＯｘの生成を抑制することができる。
【００２２】
本発明に係る複合管状火炎バーナの燃焼方法の更なる特徴構成は、
前記上流側管状火炎バーナの燃焼室および前記下流側管状火炎バーナの燃焼室における径方向での同一位置に於ける前記燃焼ガスの旋回速度を等しくする点にある。
【００２３】
上記特徴構成によれば、燃焼ガスの旋回により負圧になるとともに温度が低下する傾向となる下流側管状火炎バーナの中心部に、小径の上流側管状火炎バーナで形成された旋回火炎を乱すことなく流し込むことができる。よって、中心部付近の負圧化傾向を抑えて半径方向の流速分布を平均化することが可能になるとともに、低温化傾向を抑えることができ、例えば、下流側に配置した熱交換器での熱交換性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態に係る複合管状火炎バーナの斜視図（ａ）と横断面図（ｂ）
【図２】第１実施形態に係る複合管状火炎バーナの縦断面図
【図３】第２実施形態に係る複合管状火炎バーナの縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
〔第１実施形態〕
本発明にかかる複合管状火炎バーナの燃焼方法を使用する第１実施形態について、図１および図２に基づいて説明する。
複合管状火炎バーナ１は、円筒状の燃焼室２の側面に当該円筒における軸方向に沿って開口するスリット３から燃焼室２内面の接線方向に向けて、空気Ａ（酸素含有ガスの一例）と天然ガス系都市ガス１３Ａ等のガス燃料Ｆ（燃料の一例）との混合気Ｍを噴出させて旋回燃焼させる管状火炎バーナ１ａ，１ｂを２つ接続して構成されている。これら２つの管状火炎バーナ１ａ，１ｂは、燃焼室２ａ，２ｂ同士を軸方向に、燃焼室２ａ，２ｂ同士の軸心を一致させた状態で連通させて接続されており、それら互いに連通する燃焼室２ａ，２ｂが全体の連通燃焼室４を形成している。この連通燃焼室４の一端部４ａは板状体によって閉塞されている。
【００２６】
そして、上記２つの管状火炎バーナ１ａ，１ｂは、連通燃焼室４における燃焼ガスＣの一端部４ａから他端部４ｂへ向かう流動方向において、一方が、上流側に位置する上流側管状火炎バーナ１ａとして構成され、他方が、下流側に位置する下流側管状火炎バーナ１ｂとして構成されている。上流側管状火炎バーナ１ａの燃焼室２である上流側燃焼室２ａの内径が、下流側管状火炎バーナ１ｂの燃焼室２である下流側燃焼室２ｂの内径より小さく形成されている。そして、図２に示すように、下流側管状火炎バーナ１ｂの下流側の燃焼ガス流路１３において、燃焼ガスＣと熱交換を行う熱交換器１４が設けられている。
【００２７】
上流側燃焼室２ａの側面に設けられた上流側スリット３ａは、図１（ｂ）に示すように、上流側燃焼室２ａの軸方向に長辺をもつように構成されて、軸方向に垂直な断面視で回転対称となるように２箇所に設けられている。この上流側スリット３ａは、上流側燃焼室２ａ内で同一回転方向の管状火炎を形成することができるように、上流側燃焼室２ａの内面の接線方向に同一回転方向に混合気Ｍを噴出させる。また、下流側燃焼室２ｂに設けられ下流側スリット３ｂも、同様に構成されている。
これにより、夫々の燃焼室２ａ、２ｂ内に混合気Ｍをできるだけ均一に噴出させるとともに、十分な旋回力を有する旋回混合気流Ｓを得ることができ、周方向に均一に燃焼する旋回燃焼を行うことができる。また、夫々の燃焼室２ａ，２ｂでは、旋回燃焼の旋回方向を夫々同じ方向とするように構成されている。
【００２８】
そして、スリット３には混合気Ｍを供給するガス供給流路５が接続されている。混合気Ｍは、酸素含有ガス供給流路６から供給される空気Ａおよび燃料供給流路７から供給されるガス燃料Ｆがガス供給流路５内で混合されて生成され、スリット３を経て燃焼室２内に供給される。
つまり、上流側管状火炎バーナ１ａでは、上流側燃料供給流路７ａおよび上流側酸素含有ガス供給流路６ａから供給されるガス燃料Ｆおよび空気Ａが、上流側ガス供給流路５ａ内で混合されて混合気Ｍが生成され、当該混合気Ｍが上流側スリット３ａから上流側燃焼室２ａへ供給される。
一方、下流側管状火炎バーナ１ｂでは、下流側燃料供給流路７ｂおよび下流側酸素含有ガス供給流路６ｂから供給されるガス燃料Ｆおよび空気Ａが、下流側ガス供給流路５ｂ内で混合されて混合気Ｍが生成され、当該混合気Ｍが下流側スリット３ｂから下流側燃焼室２ｂへ供給される。
【００２９】
また、酸素含有ガス供給流路６には空気Ａの流量を調整可能な空気流量調整弁８が設けられ、燃料供給流路７にはガス燃料Ｆの流量を調整可能な燃料流量調整弁９が設けられている。
つまり、上流側管状火炎バーナ１ａと、上流側ガス供給流路５ａを介して接続している上流側燃料供給流路７ａおよび上流側酸素含有ガス供給流路６ａには、上流側燃料流量調整弁９ａおよび上流側空気流量調整弁８ａが夫々設けられている。
一方、下流側管状火炎バーナ１ｂと、下流側ガス供給流路５ｂを介して接続している下流側燃料供給流路７ｂおよび下流側酸素含有ガス供給流路６ｂには、下流側燃料流量調整弁９ｂおよび下流側空気流量調整弁８ｂが夫々設けられている。
ここで、上流側空気流量調整弁８ａ、下流側空気流量調整弁８ｂ、上流側燃料流量調整弁９ａおよび下流側燃料流量調整弁９ｂは制御装置１５によって夫々独立に開度調整が可能に構成されている。
【００３０】
また、連通燃焼室４の閉塞された側の一端部４ａには、図示しない着火手段が設けられており、上流側管状火炎バーナ１ａの上流側燃焼室２ａ内に噴射された混合気Ｍに着火することができるように構成されている。一方、連通燃焼室４の他端部４ｂの燃焼ガス流路１３に設けられた熱交換器１４は、例えば、燃焼ガスＣの凝縮潜熱を回収する潜熱回収用熱交換器で構成されている。
【００３１】
以下、複合管状火炎バーナ１の燃焼制御に関する構成について説明する。上述の如く、上流側空気流量調整弁８ａ、下流側空気流量調整弁８ｂ、上流側燃料流量調整弁９ａおよび下流側燃料流量調整弁９ｂは、制御装置１５によって夫々独立して開度制御可能に構成されている。
これにより、上流側管状火炎バーナ１ａ及び下流側管状火炎バーナ１ｂの夫々において、混合気Ｍの空気比および流量を、所望の空気比および流量に夫々調整することができる。
【００３２】
なお、この混合気Ｍの空気比および流量の調整は、予め制御装置１５の記憶部（図示せず）に空気流量調整弁８の開度と空気Ａの流量との関係および燃料流量調整弁９の開度とガス燃料Ｆの流量との関係が記憶されており、それらの関係より、複合管状火炎バーナ１の運転状況を所定の運転状態等に調整するために、混合気Ｍを所望の空気比および流量にするように空気流量調整弁８および燃料流量調整弁９の開度を適宜選択して調整されている。この制御装置１５が、本願における燃焼設定手段を構成する。
【００３３】
そして、制御装置１５が、上流側空気流量調整弁８ａおよび上流側燃料流量調整弁９ａを夫々独立して制御することで、上流側管状火炎バーナ１ａに供給される混合気Ｍとして、空気比が１よりも小さい燃料過濃状態（空気比が１より小さい範囲で、好ましくはλ＝０．５〜０．８の範囲）とされた過濃混合気Ｍｒが生成され、当該過濃混合気Ｍｒが上流側燃焼室２ａへ供給されて燃焼する。
一方、制御装置１５が、下流側空気流量調整弁８ｂおよび下流側燃料流量調整弁９ｂを夫々独立して制御することで、下流側管状火炎バーナ１ｂに供給される混合気Ｍとして、空気比が１よりも大きい燃料希薄状態（空気比が１より大きい範囲で、好ましくはλ＝１．５〜２．０の範囲）とされた希薄混合気Ｍｌが生成され、当該希薄混合気Ｍｌが下流側燃焼室２ｂに供給されて燃焼する。
【００３４】
これにより、上流側燃焼室２ａにおいて燃料過濃状態の燃料過濃燃焼で形成された管状火炎が、上流側燃焼室２ａよりも大きい内径を有する下流側燃焼室２ｂにおいて燃料希薄状態の燃料希薄燃焼で形成された大径の管状火炎の内側に入り込んだ二重の管状火炎が形成される。即ち、空間的に燃料濃度に差を付けて燃焼させるという濃淡燃焼を実現することができる。よって、量論付近の空気比での激しい燃焼を回避して、燃焼速度および燃焼温度を低下させることができる。これにより、燃焼騒音および燃焼室壁の過熱を抑制することができるとともに、燃焼ガスＣ中におけるＮＯｘの生成を効果的に抑制することができる。また、燃料希薄燃焼による燃焼ガスＣの流量が大きくなる下流側燃焼室２ｂの内径が大きく形成されているので、下流側燃焼室２ｂにおいて発生する圧損を抑制することができる。
【００３５】
また、上述した二重の管状火炎は、燃焼ガスＣの旋回により負圧になるとともに温度が低下する傾向となる下流側燃焼室２ｂの中心部に、上流側燃焼室２ａからの燃焼ガスＣが流れ込む状態で形成されるので、下流側燃焼室２ｂでの中心部付近の負圧化傾向を抑えて径方向の流速分布を平均化することが可能になるとともに、中心部付近の低温化傾向を抑えることができる。よって、下流側管状火炎バーナ１ｂの下流側に設けられた熱交換器１４での熱交換を促進して熱効率を向上させることができる。よって、熱交換器１４の伝熱面積を小さくすることができ、設備コストの増加を回避することができる。
【００３６】
制御装置１５は、燃料希薄状態で燃焼させる下流側管状火炎バーナ１ｂの燃焼量を燃料過濃状態で燃焼させる上流側管状火炎バーナ１ａの燃焼量よりも大きくするように、空気流量調整弁８および燃料流量調整弁９を制御している。つまり、過濃混合気Ｍｒとして上流側燃焼室２ａへ供給されるガス燃料Ｆの供給量を、希薄混合気Ｍｌとして下流側燃焼室２ｂへ供給されるガス燃料Ｆの供給量よりも少なくなるように夫々の混合気Ｍｒ、Ｍｌを生成して、プロンプトＮＯｘの発生が避けられない上流側燃焼室２ａにおける過濃混合気Ｍｒの燃焼量を少なくして、より効果的にＮＯｘを低減することができる。
【００３７】
制御装置１５は、上流側管状火炎バーナ１ａと下流側管状火炎バーナ１ｂとの総括の空気比が実質的に量論空気比、即ち、１ないし１よりも若干大きい空気比（好ましくは１．０５〜１．５の範囲内の空気比、となるように空気流量調整弁８および燃料流量調整弁９の開度を調整する。これにより、下流側燃焼室２ｂにおいて、上流側燃焼室２ａにおける過濃混合気Ｍｒの燃焼による燃焼ガスＣと下流側燃焼室２ｂにおける希薄混合気Ｍｌの燃焼による燃焼ガスＣとを混合することで、過濃混合気Ｍｒの燃焼によって生成した未燃焼成分を、希薄混合気Ｍｌの燃焼ガスＣ中に含まれる過剰な酸素と反応させて燃焼させることができる。このように、上流側燃焼室２ａに供給されたガス燃料Ｆが完全に燃焼して不完全燃焼を抑制することができる。
また、総括の空気比が量論空気比となるように調整することで、燃焼ガスＣにはその温度を低下させる原因となる過剰な空気が混入しておらず、燃焼ガス温度をできるだけ高く保つことができる。よって、燃焼ガス流路１３に設けられた熱交換器１４での熱交換を促進して熱効率を向上させること、および、熱交換器１４の伝熱面積を小さくして設備コストを低下することも可能である。
さらに、総括の空気比が量論空気比となるように調整することで、燃焼によって生成する水分を含んだ状態において、その燃焼により発生する燃焼ガス量をできるだけ少なくすることができるので、燃焼ガスＣの露点が高く保たれて、例えば、燃焼ガスＣの凝縮潜熱を回収する温水機器において、凝縮潜熱回収が容易になり、排気損失が減少する。
【００３８】
制御装置１５は、上流側燃焼室２ａおよび下流側燃焼室２ｂにおける燃焼ガスＣの径方向同一位置に於ける旋回速度が実質的に等しくなるように空気流量調整弁８および燃料流量調整弁９の開度を制御している。夫々の燃焼室２における燃焼ガスＣの旋回速度は、混合気Ｍのスリット３からの噴射量によって調整することができ、制御装置１５によって空気流量調整弁８および燃料流量調整弁９の開度を制御することで燃焼ガスＣの旋回速度を調整することが可能とされる。
一方、燃焼ガスＣの旋回速度は、スリット３の開口面積および燃焼室２の内径を変更することで調整することができるので、複合管状火炎バーナ１を設計するにあたり、旋回速度が等しくなるように調整されている。
なお、本実施形態において、旋回速度が実質的に等しいとは、例えば、上流側燃焼室２ａ内における旋回速度が下流側燃焼室２ｂにおける旋回速度の０．５倍から２倍の範囲内となる状態である。
【００３９】
このように、夫々の燃焼室２における燃焼ガスＣの旋回速度を等しくすることで、燃焼ガスＣの旋回により負圧になるとともに温度が低下する傾向となる下流側燃焼室２ｂの中心部に、小径の上流側管状火炎バーナ１ａで形成された旋回火炎を乱すことなく流し込むことができ、上述の如く、中心部付近の負圧化傾向を抑えて半径方向の流速分布を平均化することが可能になるとともに、中心部付近の低温化傾向が抑えられ、下流側に配置した熱交換器１４での熱交換性能を向上することができる。
【００４０】
〔第２実施形態〕
以下、本発明に係る複合管状火炎バーナの第２実施形態を、図３に基づいて説明する。
上述の第１実施形態では、酸素含有ガスとしてとして空気Ａを使用したが、この第２実施形態では、酸素含有ガスとして、酸素Ｏと燃焼室２から排出された燃焼排ガスＥとの混合ガスを用いる点にある。なお、本実施形態では、酸素Ｏとして純酸素が使用されている。
【００４１】
図３に示す第２実施形態に係る複合管状火炎バーナ１は、第１実施形態に係る複合管状火炎バーナ１の空気流量調整弁８の構成に変えて、酸素流量調整弁１２（上流側酸素流量調整弁１２ａおよび下流側酸素流量調整弁１２ｂ）が設けられるとともに、第１実施形態に係る複合管状火炎バーナ１の構成に加えて、燃焼排ガス流路１０および燃焼排ガス流路１０に燃焼排ガス流量調整弁１１が設けられたものであり、この燃焼排ガス流量調整弁１１は、酸素流量調整弁１２および燃料流量調整弁９と同様に制御装置１５によって開閉制御されるように構成されている。
【００４２】
燃焼排ガス流路１０の燃焼排ガスＥの吸入口１０ｃは、燃焼ガス流路１３において熱交換器１４より下流側に設けられている。ここで、燃焼ガス流路１３において、熱交換器１４を通過した後の燃焼ガスＣを、燃焼排ガスＥと呼ぶ。よって、燃焼ガス流路１３を流れる燃焼排ガスＥの一部が、燃焼排ガス流路１０に設けられたブロア１０ｄ等により吸入口１０ｃから吸入されて燃焼室２に供給される。
また、燃焼排ガス流路１０は、上流側ガス供給流路５ａに接続する上流側燃焼排ガス流路１０ａと、下流側ガス供給流路５ｂに接続する下流側燃焼排ガス流路１０ｂとに分岐されるとともに、上流側燃焼排ガス流路１０ａおよび下流側燃焼排ガス流路１０ｂの夫々には、上流側燃焼排ガス流量調整弁１１ａおよび下流側燃焼排ガス流量調整弁１１ｂが設けられているので、上流側燃焼室２ａと下流側燃焼室２ｂの夫々に供給する燃焼排ガスＥの流量をそれぞれ独立して制御することができる。
【００４３】
なお、この混合気Ｍの空気比および流量の調整は、予め制御装置１５の記憶部（図示せず）に酸素流量調整弁１２の開度と酸素Ｏの流量との関係、燃焼排ガス流量調整弁１１の開度と燃焼排ガスＥの流量との関係、および燃料流量調整弁９の開度とガス燃料Ｆの流量との関係が記憶されており、それらの関係より、複合管状火炎バーナ１の運転状況を所定の運転状態とするために混合気Ｍを所望の空気比および流量にするように酸素流量調整弁１２、燃焼排ガス流量調整弁１１および燃料流量調整弁９の開度を適宜選択して調整することができる。
【００４４】
これにより、燃焼室２に供給する混合気Ｍが、炭酸ガスと水蒸気を含有する燃焼排ガスＥと酸素Ｏとを含み、窒素が含まれない状態となる。よって、燃焼時に燃焼温度の上昇に伴ってＮＯｘを生成する窒素が混合気Ｍに存在せず、ＮＯｘの生成を抑制することができる。
【００４５】
〔別実施形態〕
（Ａ）上記第１実施形態においては、酸素含有ガスとして空気Ａを使用したが、これに限らず、酸素含有ガスとして酸素富化ガス又は酸素を使用してもよい。従って、実施形態で空気比として説明してきた燃料量に対する空気量の関係は、本願において燃料量に対する酸素量（燃焼空間に実際に供給される実酸素量と燃料全てを燃焼させるに必要となる理論酸素量との関係）で定義できる。なお、酸素含有ガスとして酸素のみを使用した場合は、総括空気比（総括実酸素量/総括理論酸素量）を１．０５〜１．１５の範囲内として燃焼させる。
【００４６】
（Ｂ）上記実施形態においては、燃料と酸素含有ガスとを混合した混合気Ｍを燃焼室２に供給して燃焼させたが、これに限らず、燃料と酸素含有ガスを各別個に燃焼室２に供給し、燃焼室２内で急速混合して混合気Ｍを形成し燃焼させてもよい。この場合、燃焼室２の内周面の接線方向に向けて酸素含有ガスを噴出させる酸素含有ガス用スリットと、同じく燃焼室２の内周面の接線方向に向けてガス燃料Ｆを噴出させるガス燃料用スリットとを設けて、燃料と酸素含有ガスを各別個に燃焼室２に供給してもよい。
【００４７】
（Ｃ）上記実施形態においては、上流側管状火炎バーナ１ａに過濃混合気Ｍｒを供給し、下流側管状火炎バーナ１ｂに希薄混合気Ｍｌを供給したが、これに限らず、上流側管状火炎バーナ１ａに希薄混合気Ｍｌを供給し、下流側管状火炎バーナ１ｂに過濃混合気Ｍｒを供給してもよい。
【００４８】
（Ｄ）上記実施形態においては、燃焼ガス流路１３に設置された熱交換器１４として燃焼ガスＣに含まれる水蒸気の凝縮潜熱を回収する潜熱回収用熱交換器が設けられたが、これに限らず、燃焼ガスＣの露点より高い温度域において、燃焼ガスＣから排熱を回収する熱交換器で構成されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上説明したように、燃焼ガスの温度を高く維持しながら、ＮＯｘの生成および燃焼騒音の発生を抑制することができる複合管状火炎バーナの燃焼方法、及びその方法を使用する複合管状火炎バーナを提供することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１      複合管状火炎バーナ
１ａ    上流側管状火炎バーナ
１ｂ    下流側管状火炎バーナ
２      燃焼室
３      スリット
４ａ    一端部
４ｂ    他端部
Ａ      空気（酸素含有ガス）
Ｃ      燃焼ガス
Ｅ      燃焼排ガス
Ｆ      ガス燃料（燃料）
Ｍ      混合気
Ｏ      酸素
【図１】
2014001910.tif 000003
【図２】
2014001910.tif 000004
【図３】
2014001910.tif 000005