(57)【要約】【課題】一酸化炭素、窒素酸化物などの有害ガスおよび煤煙が殆ど発生せず、簡素な構造でメンテナンスも容易な、燃焼装置を提供する。【解決手段】本実施形態の燃焼装置１は、円筒形状をした燃焼炉２内に向かって常温の燃料油４を噴射するための油噴射ノズル３と、油噴射ノズル３から燃料油４が噴射される領域である混合室１７ａ内に向かって過熱水蒸気５を噴射するための水蒸気噴射ノズル６と、過熱水蒸気５を生成する水蒸気生成手段である被加熱経路７と、燃焼炉２内に向かって空気を供給するための送風手段である送風機８とを備えている。油ポンプＰ１を作動させることにより、油タンク内の燃料油４が給油管１０を経由して油噴射ノズル３へ供給され、水ポンプを作動させることにより、水タンク内の水が給水管１４を経由して被加熱経路７へ供給される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼炉内に向かって常温の燃料油を噴射する油噴射ノズルと、前記油噴射ノズルから燃料油が噴射される領域に向かって過熱水蒸気を噴射する水蒸気噴射ノズルと、前記過熱水蒸気を生成する水蒸気生成手段と、前記燃焼炉内に向かって空気を供給する送風手段とを備えたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
前記水蒸気生成手段として、外部から供給される水を前記燃焼炉の発熱により昇温・気化させて前記水蒸気噴射ノズルへ送給する被加熱経路を設けた請求項１記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記被加熱経路を前記燃焼炉内に配置した請求項１または２記載の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラの加熱装置、ビニルハウスの暖房装置など各種加熱手段あるいは加温手段として使用する燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
灯油や重油などの燃料油および水を用いた燃焼装置として、従来、エマルジョン方式の燃焼装置がある。エマルジョン方式の燃焼装置は、燃料油に水および界面活性剤などのエマルジョン生成補助剤を添加してエマルジョン化した液体を燃焼させるものである。しかしながら、エマルジョン方式の燃焼装置の場合、燃料油に水および界面活性剤などを加えて攪拌したり、超音波振動を与えたりしてエマルジョン化する必要があるため、エマルジョン化工程が煩雑である。また、エマルジョン化状態を維持するのが困難であるため、燃焼状態が不安定となることもある。
【０００３】
そこで、燃料油と水とを所定の割合で燃焼炉内へ噴射し、両者を互いに混合して燃焼させる混合燃焼装置が開発されている。このような混合燃焼装置として、例えば、本出願人の発明に係る燃料油と水の混合燃焼装置がある（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１に記載された燃料油と水の混合燃焼装置においては、油気化管で加熱した燃料油と、水気化管で加熱した水とを、それぞれ油噴射ノズルおよび水噴射ノズルから混合室に噴射し、混合状態で燃焼させるため、失火することなく、安定した燃焼状態を維持することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２５７６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された混合燃焼装置の場合、燃料油を加熱して油噴射ノズルから噴射するので、燃料油を加熱するための油気化管など設ける必要があり、装置の複雑化を招いている。また、長期間使用すると、加熱された燃料油の一部がタール化して噴射ノズルが詰まることがあるため、定期的なメンテナンスが必要である。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、一酸化炭素、窒素酸化物などの有害ガスおよび煤煙が殆ど発生せず、簡素な構造でメンテナンスも容易な、燃焼装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃焼装置は、燃焼炉内に向かって常温の燃料油を噴射する油噴射ノズルと、前記油噴射ノズルから燃料油が噴射される領域に向かって過熱水蒸気を噴射する水蒸気噴射ノズルと、前記過熱水蒸気を生成する水蒸気生成手段と、前記燃焼炉内に向かって空気を供給する送風手段とを備えたことを特徴とする。ここで、「常温の燃料油」とは、油温が２０℃〜９０℃程度の燃料油をいい、「過熱水蒸気」とは、常圧において１８０℃〜８５０℃程度の高温状態にある水蒸気のことをいう。
【０００９】
このような構成とすれば、油噴射ノズルから噴射される燃料油と、水蒸気噴射ノズルから噴射される高温の過熱水蒸気とが混合された状態で燃焼反応が行われるため、一酸化炭素、窒素酸化物などの有害ガスおよび煤煙が殆ど発生しない。また、油噴射ノズルから常温の燃料油を噴射するので、燃料油の加熱・気化手段である油気化管などを設ける必要がなく、簡素な構造とすることができる。さらに、加熱された燃料油の一部がタール化して噴射ノズルが詰まることもないので、メンテナンスも容易である。
【００１０】
なお、油噴射ノズルから噴射される常温の燃料油に対して、水蒸気噴射ノズルから過熱水蒸気を噴射すると、一酸化炭素、窒素酸化物などの有害ガスおよび煤煙が殆ど発生しなくなり、エネルギー効率も向上する理由については完全に把握できていないが、以下に述べる様々な要因によるものではないかと推測される。
【００１１】
本発明の燃焼装置において、油噴射ノズルから燃料油を噴射するとともに、水蒸気噴射ノズルから過熱水蒸気を噴射すると、粒径３０μｍ〜１００μｍ程度の燃料油の液粒中には、粒径が数μｍ〜１０μｍ程度の多数の水粒が包含されるようになる。燃焼初期段階において加熱されると、水滴が急膨張し、その膨張力で油粒が爆発して燃料油の微粒化（ｍｉｃｒｏ  ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ）が促進され、燃料油と空気との接触面積が増大するため、低空気比でも燃焼性が良くなる結果、ＣＯと煤煙粒子の生成量が減少して、エネルギー効率が改善されるものと思われる。
【００１２】
一方、炭化水素系燃料のＣＯ生成原理式は、
ＣnＨm    ＋  ｎ／２Ｏ2    →  ｎＣＯ  ＋  ｍ／２Ｈ2・・・・・（ａ）
であり、ＮＯxと未燃炭素物質の生成抑制反応は、
Ｈ2Ｏ  ＋  Ｃ（燃料油）→２Ｈ＋ＣＯ−２８．１ｋｃａｌ・・・（ｂ）
である。ここで、（ｂ）の反応は吸熱反応であるため、燃焼初期に局部的に温度が上昇してＮＯxが生成されるのを抑制する同時に未燃炭素物質との反応が生じる。
【００１３】
ここで、水の作用については、次の反応式で示すことができる。
Ｈ2Ｏ  ＋  Ｈ  →  Ｈ2      ＋  ＯＨ（吸熱）・・・・・（ｃ）
Ｈ2Ｏ  ＋  Ｏ  →  ＯＨ  ＋  ＯＨ（吸熱）
Ｈ2        ＋  Ｏ  →  Ｈ    ＋  ＯＨ（吸熱）
【００１４】
また、ＣＯがＣＯ2となる変換過程の反応は、次の反応式で示すことができる。
ＣＯ    ＋  ＯＨ  →  ＣＯ2    ＋  Ｈ（発熱）・・・・・（ｄ）
ＣＯ    ＋  ２Ｏ  →  ＣＯ2    ＋  Ｏ（発熱）・・・・・（ｅ）
この場合、大部分が（ｄ）の変換反応であって、（ｅ）の反応は非常に遅く、無視できる程度である。そして、（ｃ）の反応によって生成されたＯＨ基が（ｄ）の反応を促進させＣＯ量を抑制すると考えられる。
【００１５】
また、ＣＯがＣＯ2へ変換される反応過程で生成される熱が、Ｈ2Ｏの分解過程で必要とする熱より大であることに起因して、火炎温度が通常の燃料のみを単独で燃焼させるときの火炎温度より高くなるものと推測される。
【００１６】
水が燃焼反応に及ぼす作用として前述した「微細爆発→微粒化促進→燃焼性改善（物理的効果）」の過程に関する研究は理論的に殆ど定立されているが、化学的な作用効果については結果検証に基づく推論のみであって全体的な燃焼方程式が未だ確立されていないエマルジョン方式の燃焼装置においては、微細爆発による微粒化現象が大きく作用しているが、本発明の燃焼装置においては化学的な作用効果が大きいものと推測される。
【００１７】
このような推測の根拠として考えられる事項は次の通りである。
（１）本発明の燃焼装置の火炎温度は１５００℃であり、この温度はエマルジョン方式の燃焼装置の火炎温度より３００℃程度高く、また、排気ガス中のＣＯ濃度が低いことから、ＣＯ＋ＯＨ→ＣＯ2＋Ｈ（発熱）の反応がより活発に進行していること。
（２）燃料節減効果が最も良い水添加比率がエマルジョン方式の燃焼装置の場合の１５％（体積比）に対して、本発明の燃焼装置では４０％（体積比）以上と非常に大きいことに基づき、エマルジョン方式の燃焼装置における１５％の水が微粒化促進作用のみをもたらすという極端な仮定をすると、本発明の燃焼装置の場合、使用される水の６２．５％程度の水が化学的な作用効果をもたらしていると思われること。なお、この６２．５％という数値は｛（４０−１５）／４０｝×１００＝６２．５に基づくものである。
（３）微粒化現象は油滴中に水滴が包含されていることによって生じることを前提とすれば、本願発明では水蒸気と油類ガスとを別々に噴射するので、両方の粒子が互いに結合する確率が低いこと。
【００１８】
以上のようなことが、油噴射ノズルから噴射される常温の燃料油に対して、水蒸気噴射ノズルから過熱加熱水蒸気を噴射すると、一酸化炭素、窒素酸化物などの有害ガスおよび煤煙が殆ど発生しなくなる理由であり、エネルギー効率が向上する理由ではないかと推測される。
【００１９】
ここで、燃焼装置を構成する前記水蒸気生成手段として、外部から供給される水を前記燃焼炉の発熱により昇温・気化させて前記水蒸気噴射ノズルへ送給する被加熱経路を設けることが望ましい。このような構成とすれば、燃焼炉の発熱を利用して過熱水蒸気を生成させることができるため、別途、加熱手段を設ける必要がなくなり、構造の簡素化を図ることができる。
【００２０】
この場合、前記被加熱経路を前記燃焼炉内に配置することが望ましい。このような構成とすれば、高温状態にある燃焼炉内に配置された被加熱経路により、外部から供給された水を迅速に昇温・気化させることが可能となるため、燃焼効率が大幅に向上する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、以下の効果を奏する。
【００２２】
（１）燃焼炉内に向かって常温の燃料油を噴射する油噴射ノズルと、前記油噴射ノズルから燃料油が噴射される領域に向かって過熱水蒸気を噴射する水蒸気噴射ノズルと、前記過熱水蒸気を生成する水蒸気生成手段と、前記燃焼炉内に向かって空気を供給する送風手段とを備えたことにより、一酸化炭素、窒素酸化物などの有害ガスおよび煤煙が殆ど発生しなくなり、簡素な構造でメンテナンスも容易となる。
【００２３】
（２）前記水蒸気生成手段として、外部から供給される水を前記燃焼炉の発熱により昇温・気化させて前記水蒸気噴射ノズルへ送給する被加熱経路を設ければ、燃焼炉の発熱を利用して過熱水蒸気を生成させることができるため、別途、加熱手段を設ける必要がなくなり、構造の簡素化を図ることができる。
【００２４】
（３）前記被加熱経路を前記燃焼炉内に配置すれば、外部から供給された水を迅速に昇温・気化させることが可能となるため、燃焼効率が大幅に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態である加熱装置について説明する。図１は本発明の実施の形態である燃焼装置を示す一部切欠側面図、図２は図１に示す燃焼装置の構成を示す概略図である。
【００２６】
図１，図２に示すように、本実施形態の燃焼装置１は、円筒形状をした燃焼炉２内に向かって常温の燃料油４を噴射するための油噴射ノズル３と、油噴射ノズル３から燃料油４が噴射される領域である混合室１７ａ内に向かって過熱水蒸気５を噴射するための水蒸気噴射ノズル６と、過熱水蒸気５を生成する水蒸気生成手段である被加熱経路７と、燃焼炉２内に向かって空気を供給するための送風手段である送風機８とを備えている。
【００２７】
燃焼炉２から離れた位置に配置された油タンク９内には常温の燃料油４が収容されており、油ポンプＰ１を作動させることにより、油タンク９内の燃料油４が給油管１０を経由して油噴射ノズル３へ供給される。油ポンプＰ１の下流側に位置する給油管１０の途中には、油噴射ノズル３に対する燃料油４の供給量を調節するための流量調節器１１が配置されている。給油管１０を経由して供給された燃料油４は油噴射ノズル３から混合室１７ａ内へ噴射され、この混合室１７ａ内で、水蒸気噴射ノズル６から噴射された過熱水蒸気５と混合して燃焼する。
【００２８】
また、燃焼炉２から離れた位置には、水１５が収容された水タンク１３が配置されており、水ポンプＰ２を作動させることにより、水タンク１３内の水１５が給水管１４を経由して被加熱経路７へ供給される。水ポンプＰ２の下流側に位置する給水管１４の途中には、被加熱経路７に対する水１５の供給量を調節するための流量調節器１６が配置されている。
【００２９】
燃焼炉２内に配置された被加熱経路７は、隔壁内に空洞１８ａを有する円筒形状の水気化筒１８と、水気化筒１８と連通するコイル状の過熱管１９とで構成されている。水気化筒１８の基端部は、円筒形状をした混合筒１７を同軸上で包囲するように配置され、水気化筒１８の軸心方向の延長上に、コイル状の過熱管１９が同軸をなすように配置されている。過熱管１９の先端部分は、水気化筒１８および過熱管１９の外側を通って送風機８方向へ配管された水蒸気供給管２０に連通している。
【００３０】
給水管１４を経由して供給された水１５は水気化筒１８の空洞１８ａ内に流入し、混合室１７ａ内の燃焼反応の発熱によって加熱されて気化した後、水蒸気となって過熱管１９内へ流入する。過熱管１９内へ流入した水蒸気は、前記燃焼反応の発熱によってさらに加熱されることによって昇温し、水蒸気供給管２０を通って、一旦、送風機８側へ戻った後、水蒸気噴射ノズル６から過熱水蒸気５として混合室１７ａ内へ噴射され、前述した、油噴射ノズル３から噴射される燃料油４と混合して燃焼する。
【００３１】
燃焼装置１を稼働させる場合、まず、送風機８を作動させて混合室１７ａ内へ空気を送り込みながら油ポンプＰ１を作動させて油噴射ノズル３から噴射される燃料油４に点火する。この後、水ポンプＰ２を作動させて水タンク１３内の水１５を徐々に被加熱経路７に供給すると、燃料油４の燃焼による発熱により、水気化筒１８の空洞１８ａ内で昇温、気化した水蒸気が過熱管１９内へ流入して、この中を通過しながら昇温し、やがて水蒸気噴射ノズル６から過熱水蒸気５となって混合室１７ａ内へ噴射され、混合室１７ａ内で燃焼している燃料油４と混合することにより、燃焼反応が促進される。
【００３２】
このように、油噴射ノズル３から噴射される燃料油４に点火した後、約１分〜２分程度経過すると、送風機８から供給される空気と、油噴射ノズル３から噴射される燃料油４との燃焼により高温となった水蒸気（過熱水蒸気５）が混合室１７ａ内へ噴射されるようになるため、その時点で送風機８を止めて空気の供給を停止すれば、この後は、油噴射ノズル３から噴射される燃料油４と、水蒸気噴射ノズル６から噴射される過熱水蒸気５とによって燃焼を持続させることができる。即ち、過熱水蒸気５の噴射が始まった後は、送風機８を止めても、燃焼炉２の先端開口２ａに向かって勢い良く火炎を吹き出しながら燃焼が持続する。
【００３３】
燃焼装置１の場合、点火は簡単であり、点火後１分〜２分という短時間のうちに通常の燃焼運転を開始させることができる。また、過熱水蒸気５の噴射が始まった後は、送風機８を停止しても燃焼運転できるため、送風機８の稼働に要する電力を節減することができる。なお、燃焼装置１の運転開始時および燃焼運転中の燃焼状態は、流量調節器１１，１６を調節して、燃料油４および水１５の供給量の割合を変化させることによって調節することができる。
【００３４】
このように、燃焼装置１においては、油噴射ノズル３から噴射される燃料油４と、水蒸気噴射ノズル６から噴射される高温の過熱水蒸気５とが混合された状態で燃焼反応が行われるため、一酸化炭素、窒素酸化物などの有害ガスおよび煤煙が殆ど発生しない。このことは、燃焼炉２の先端開口２ａの延長上において、実際にガス測定装置（日本カノマックス株式会社のモデル６２１５，型番ＣＡ−ＣＡＬＣ）を用いて測定することによって確認することができた。
【００３５】
また、油噴射ノズル３から常温の燃料油４を噴射するので、予め燃料油４を加熱したり気化したりするための手段（油気化管など）を設ける必要がなく、簡素な構造とすることができる。さらに、常温の燃料油４を供給するので、燃料油４の一部がタール化したり、このタール化した燃料油４で噴射ノズル３が詰まったりことがなく、メンテナンスも容易である。
【００３６】
また、水蒸気生成手段として、外部から供給される水１５を燃焼炉２内の燃焼熱により昇温・気化させて水蒸気噴射ノズル６へ送給する被加熱経路７を設けている。このため、燃焼炉２内の発熱を利用して過熱水蒸気５を連続的に生成させることができるため、別途、加熱手段を設ける必要がなく、構造の簡素化を図ることができた。
【００３７】
この場合、被加熱経路７を燃焼炉２内に配置しているため、高温状態にある燃焼炉２内に配置された被加熱経路７により、外部から供給された水１５を迅速に昇温・気化させ、過熱水蒸気５を連続的に生成することが可能であり、燃焼効率も良好である。なお、燃焼装置１の構成部分である、水タンク１３から被加熱経路７を経由して水蒸気噴射ノズル６に至るまでの部材を、既存の油式バーナに取り付けることにより、燃焼装置１と同等の燃焼装置を構成することも可能である。
【００３８】
また、従来、運転開始時の予熱に時間を要し、実用化の阻害要因となっていたが、燃焼装置１の場合、点火後１分〜２分程度の短時間で運転開始することができるため、このような阻害要因が解消され、実用化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の燃焼装置は、ボイラの加熱装置、ビニルハウスの暖房装置など各種加熱手段あるいは加温手段として広く使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態である燃焼装置を示す一部切欠側面図である。
【図２】図１に示す燃焼装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  燃焼装置
２  燃焼炉
２ａ  先端開口
３  油噴射ノズル
４  燃料油
５  過熱水蒸気
６  水蒸気噴射ノズル
７  被過熱経路
８  送風機
９  油タンク
１０  給油管
１１，１６  流量調節器
１３  水タンク
１４  給水管
１５  水
１７  混合筒
１７ａ  混合室
１８  水気化筒
１８ａ  空洞
１９  過熱管
２０  水蒸気供給管
Ｐ１  油ポンプ
Ｐ２  水ポンプ
【図１】
2006046765.tif 000003
【図２】
2006046765.tif 000004