(57)【要約】【課題】バーナ内における空気の流れを均一化することで、燃焼状態を改善し、有害物質の発生を抑制する。【解決手段】水中燃焼式気化装置用のバーナ装置１は、燃焼用の空気流路を区画する内筒２と、内筒２に同軸状に配置される外筒３と、外筒３の上端に設けられ、内筒２の上端との間に空間を形成する天板４と、外筒３の側方から投入され内筒２と外筒３の間を流れる空気が、外筒３の中心軸周りの一方向に旋回する入口流路５とを備える。【選択図】図２
2018204859.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼用の空気流路を区画する内筒と、
該内筒に同軸状に配置される外筒と、
該外筒の上端に設けられ、前記内筒の上端との間に空間を形成する天板と、
前記外筒の側方から投入され前記内筒と前記外筒の間を流れる空気が、前記外筒の中心軸周りの一方向に旋回する入口流路とを備えることを特徴とする水中燃焼式気化装置用バーナ装置。
【請求項２】
前記入口流路の片端側には、前記内筒と前記外筒との間の空間を前記中心軸に沿って仕切るバッフルプレートが設けられていることを特徴とする請求項１記載の水中燃焼式気化装置用バーナ装置。
【請求項３】
前記入口流路の投入方向が、前記内筒の外周円の接線方向に向けて配置されていることを特徴とする請求項１記載の水中燃焼式気化装置用バーナ装置。
【請求項４】
前記入口流路及び、前記内筒と前記外筒との間には、空間を上下に仕切る仕切り壁が設けられており、該仕切り壁の上側に投入される空気が前記内筒に流入する１次空気になり、前記仕切り壁の下側に投入される空気が前記外筒に連設されるダウンカマーに流入する２次空気になることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の水中燃焼式気化装置用バーナ装置。
【請求項５】
前記内筒内には、燃料ガスノズルが配置されると共に、１次空気旋回器が配置され、
該１次空気旋回器は、前記中心軸に対して傾斜した空気流案内面を有する旋回羽を複数備え、隣接する前記旋回羽の重複長さと羽間隔との比が１より大であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の水中燃焼式気化装置用バーナ装置。
【請求項６】
前記内筒と前記外筒の間には、２次空気旋回器が設けられ、
該２次空気旋回器は、
前記中心軸に対して傾斜した空気流案内面を有する旋回羽を複数備え、隣接する前記旋回羽の重複長さと羽間隔との比が１より大であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水中燃焼式気化装置用バーナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中燃焼式気化装置に用いられるバーナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水中燃焼式のＬＮＧ気化装置は，バーナは内筒内の保炎器で火炎を安定化してダウンカマー内で燃焼させる機能と火炎の外周に２次空気を供給する機能を有する。バーナ内には燃焼用の空気流路を区画する内筒を有し、内筒に１次空気、内筒と外筒の間の環状流路に２次空気を流す構造となっている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
このようなバーナ装置は、ブロワーから供給される空気の流量を一定の設定量に維持しながら、バーナに供給される燃料量（バーナの負荷）に応じて、１次空気と２次空気との割合が調整されている。具体的には、供給される燃料量が少ない（負荷が低い）ときには、１次空気を少なく、２次空気を多くしており、供給される燃料量が多い（負荷が高い）ときには、１次空気を多く、２次空気を少なくしている。このような調整により、ブロワーから供給される空気の流量を所定の量に設定した上で、全燃焼範囲で最適な空燃比での燃焼を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した従来のバーナ装置は、図１（ａ）に示すように、バーナＪが、内筒Ｊ１と外筒Ｊ２の中心軸であるバーナ軸Ｊ０と直交する向きに、空気の入口流路Ｊ３を備えている。そして、入口流路Ｊ３内及び内筒Ｊ１と外筒Ｊ２の間の環状流路には、流路を上下に仕切る仕切壁Ｊ４が設けられている。これにより、入口流路Ｊ３に投入された空気のうち、仕切壁Ｊ４の上側を流れる空気は、バーナＪの天板Ｊ５下の空間から、１次空気として、燃料ガスノズルＪ７が配備された内筒Ｊ１内に流入し、仕切壁Ｊ４の下側を流れる空気は、内筒Ｊ１と外筒Ｊ２との間の空間から、２次空気としてバーナＪの下方に連設されるダウンカマーＪ６に流入する。
【０００６】
このような従来のバーナ装置は、図１（ｂ）に示すように、入口流路Ｊ３から流入した空気が、内筒Ｊ１と外筒Ｊ２の間の環状流路において、左右に分かれて流れることになり、入口流路Ｊ３と対向する箇所Ｔで衝突して、仕切壁Ｊ４の上側では上昇して１次空気になり、仕切壁Ｊ４の下側では下降して２次空気になる。このため、１次空気と２次空気は共に、内筒Ｊ１と外筒Ｊ２との間の空間において、空気流が衝突する箇所Ｔで圧力が高まり、空気流の流量がそこで高くなる流量分布の不均一（偏流）が発生する。
【０００７】
このように、１次空気と２次空気が共に、入口流路Ｊ３と対向する箇所Ｔで流量が多く、入口流路Ｊ３側で少なく流れる不均一な空気流量分布になると、偏った火炎が形成され、特に、箇所Ｔ側のダウンカマー内では火炎が多量の空気に希釈され、過剰に冷却されて、燃焼温度が低下し、一酸化炭素などの有害物質の発生が増加する問題が生じる。
【０００８】
本発明は、このような事情に対処することを課題としている。すなわち、バーナ内の円周方向の流れを均一化することで円周方向の燃焼を均一化して燃焼状態を改善し、有害物質の発生を抑制すること、などが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を解決するために、本発明は、以下の構成を具備するものである。
燃焼用の空気流路を区画する内筒と、該内筒に同軸状に配置される外筒と、該外筒の上端に設けられ、前記内筒の上端との間に空間を形成する天板と、前記外筒の側方から投入され前記内筒と前記外筒の間を流れる空気が、前記外筒の中心軸周りの一方向に旋回する入口流路とを備えることを特徴とする水中燃焼式気化装置用バーナ装置。
【発明の効果】
【００１０】
このような特徴を有する本発明は、バーナ装置の内筒と外筒との間に投入される空気を外筒（又は内筒）の中心軸周りの一方向に旋回させることで、バーナ内における空気の流れを均一化することができる。これによって、バーナの燃焼状態を改善し、有害物質の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来技術の説明図（（ａ）が中心軸に沿った縦断面図、（ｂ）が中心軸に直交する内筒及び外筒の横断面図（Ｘ１−Ｘ１断面図又はＸ２−Ｘ２断面図））である。
【図２】本発明の一つの実施形態に係るバーナ装置（バッフルプレートを設けた例）の説明図（（ａ）が中心軸に沿った縦断面図、（ｂ）が中心軸に直交する内筒及び外筒の横断面図（Ｘ１−Ｘ１断面図又はＸ２−Ｘ２断面図））である。
【図３】１次空気旋回器と２次空気旋回器の構造例を示した説明図である（(ａ)が隣接する旋回羽の重複長さＬと羽間隔Ｐとの比が１より大（Ｌ／Ｐ＞１）である例、（ｂ）が隣接する旋回羽の重複長さＬと羽間隔Ｐとの比が１より小（Ｌ／Ｐ＜１）である例）。
【図４】本発明の実施形態に係るバーナ装置の燃焼状態を模式的に示した説明図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るバーナ装置（入口流路の投入方向を偏芯した例）の説明図（（ａ）が中心軸に沿った縦断面図、（ｂ）が中心軸に直交する内筒及び外筒の横断面図（Ｘ１−Ｘ１断面図又はＸ２−Ｘ２断面図））である。
【図６】本発明の他の実施形態に係るバーナ装置（燃料ガスノズルを複数化した例）を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態に係るバーナ装置を備えた水中燃焼式気化装置（ＳＭＶ）を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明で、異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。
【００１３】
図２において、バーナ装置１は、燃焼用の空気流路を区画する内筒２と、内筒２に同軸状に配置される外筒３と、外筒３の上端に設けられ、内筒２の上端との間に空間を形成する天板４とを備える。内筒２内の下方には、燃料ガスノズル６が配備されている。また、外筒３には、外筒３の側方から空気を投入する入口流路５が設けられている。
【００１４】
図示の例においては、入口流路５及び、内筒２と外筒３との間には、空間を上下に仕切る仕切壁７が設けられており、仕切壁７の上側を流れる空気が内筒２内に流入する１次空気になり、仕切壁７の下側を流れる空気が、外筒３の下端部に連設されるダウンカマー８に流入する２次空気になる。
【００１５】
図２の例では、バーナ装置１は、入口流路５の片端側に、内筒２と外筒３の間の空間を中心軸（内筒２及び外筒３の中心軸）Ｏに平行に仕切るバッフルプレート１０を備えている。これによって、バーナ装置１は、図２（ｂ）に示すように、内筒２と外筒３との間に投入された空気のうちバッフルプレート１０に向かう方向の流れが制限されることになり、入口流路５から投入される空気によって、内筒２と外筒３の間の環状流路で、中心軸Ｏ周りの一方向にのみ旋回する流れが形成される。
【００１６】
このようなバーナ装置１によると、内筒２と外筒３との間の空間を流れる空気が、異なる方向に分かれて衝突して圧力が高くなることが無くなるので、空気の流量分布を均一にすることができる。このような空気流量の均一化は、仕切壁７の上側を流れる１次空気と仕切壁７の下側を流れる２次空気の両方で得ることができる。
【００１７】
ここで、仕切壁７の上側を流れる１次空気は、天板４の下側の空間を経由して内筒２内に流入し、内筒２内でも旋回流となり、燃料ガスノズル６の外周に配置される1次空気旋回器１１を通って、ダウンカマー８内（燃焼室Ｓ）に流入する。
【００１８】
内筒２の下部に配置される１次空気旋回器１１は、後述するように複数の旋回羽を有しており、内筒２と外筒３との間の空間を一方向のみに旋回する１次空気の旋回流を更に強めるか或いは維持する機能を有している。これによって、ダウンカマー８には、偏流の無い（流量分布が均一な）旋回流が流入することとなり、燃料ガスノズル６の噴出口６Ａから噴出される燃料ガスと１次空気とが均一に混合されることになる。
【００１９】
また、仕切壁７の下側を流れる２次空気は、内筒２と外筒３の間の環状流路を一方向に旋回しながら通過して、内筒２と外筒３の間の環状流路の２次空気出口には２次空気旋回器１２を通って、ダウンカマー８内に流入する。２次空気旋回器１２は、後述するように複数の旋回羽を有しており、内筒２と外筒３との間の空間を一方向のみに旋回する２次空気の旋回流を更に強めるか或いは維持する機能を有している。これにより、ダウンカマー８内（燃焼室Ｓ）で形成される火炎の周囲に偏流の無い（流量分布が均一な）２次空気の旋回流を形成することができ、ダウンカマー８内で形成される火炎が局部的に冷却される現象を抑止することができる。
【００２０】
図３によって、前述した１次空気旋回器１１と２次空気旋回器１２の構成例を説明する。１次空気旋回器１１と２次空気旋回器１２は、複数の旋回羽２０を有している。旋回羽２０は、図２における中心軸Ｏに対して所定の角度（例えば４５°）で傾斜した空気流案内面２０Ａを有しており、中心軸Ｏの周りに軸対象に配置されている。ここで、旋回羽２０の羽間隔Ｐ（枚数）と長さ（隣接する旋回羽の重複長さＬ）の寸法・位置関係は、内筒２と外筒３の間の環状流路を流れる空気に確実に旋回を与えるように設定される。
【００２１】
図３（ａ）に示すように、隣接する旋回羽２０の重複長さＬと羽間隔Ｐとの比が１より大である場合には、旋回羽２０の空気流案内面２０Ａ間を通過する空気の流れは、大半が空気流案内面２０Ａの傾斜角度に規制されることになる。よって、旋回羽２０の角度を適正に設定することで、内筒２と外筒３との間の空間を旋回しながら流れる空気の旋回流を更に強めるか或いは維持する効果を得ることができる。
【００２２】
これに対して、図３（ｂ）に示すように、隣接する旋回羽２０の重複長さＬと羽間隔Ｐとの比が１より小である場合には、旋回羽２０の空気流案内面２０Ａ間を通過する空気の流れは、大半が空気流案内面２０Ａの傾斜角度の影響を受けないことになる。よって、旋回羽２０の角度とは無関係に、空気の流れが形成されることになり、内筒２と外筒３の空間を旋回しながら流れる空気の旋回流にさらなる旋回力を付加することができなくなる。
【００２３】
図４は、バーナ装置１の燃焼状態を模式的に示している。放射状に複数の噴出口６Ａを有する燃料ガスノズル６から燃料ガスが放射状に噴出されると、周囲には1次空気の旋回流ＡＲ１が形成されており、円周方向の燃料ガスと１次空気の混合が軸対称に均一になされる。また、混合気の旋回流が生じることで、ダウンカマー８内の火炎Ｆは、釣り鐘状の形状になり、軸対称に均一に燃焼反応が進行するため、一酸化炭素などの未燃分の発生が抑制される。
【００２４】
燃焼量の大きいバーナの場合は、図６に示すように、放射状に複数の燃料ガスの噴射口６Ａを有する燃料ガスノズル６を４個〜８個を円環状に配置する。この場合の１次空気旋回器１１は円環状に配置された複数の燃料ガスノズル６の内側に配置される。燃料ガスノズル６を複数化すると、燃料ガスが１次空気流中に分散して噴射されるので、燃料ガスと１次空気の混合が促進される効果がある。
【００２５】
更に、内筒２と外筒３の間から流出する２次空気旋回流によって、ダウンカマー８内の外周部には、２次空気の旋回流ＡＲ２が形成される。内側の１次空気旋回流ＡＲ１と２次空気旋回流ＡＲ２の相乗効果により、ダウンカマー８内は全体として強力に旋回する流れが形成される。強力な旋回により、ダウンカマー８内の上部中心付近には、負圧領域が形成されることになり、燃焼排ガスＧの逆流（再循環流）が形成される。
【００２６】
強力な旋回により火炎はダウンカマー８内一杯に広がり、中央部の再循環流により、火炎Ｆの先端部が内側に巻き込まれるので、火炎Ｆの長さを短く抑えることができる。火炎Ｆの内側では、酸素含有量の少ない不活性ガスである燃焼排ガスＧが火炎Ｆへの混合する現象が起こり、火炎Ｆ中の酸素濃度の低下と火炎温度の低下がもたらされるので、ＮＯｘの低減効果が期待できる。
【００２７】
図５は、バーナ装置１の他の構成例を示している。この例では、バーナ装置１の入口流路５の投入方向が、内筒２の外周円の接線方向に向けて配置されている。このように、入口流路５の投入方向を中心線Ｏから側方にシフトさせることで、外筒３の側方から投入される空気は、内筒２と外筒３との間の空間で、中心軸周りの一方向に旋回する旋回流となる。これによっても、前述した例と同様に、ダウンカマー８（燃焼室Ｓ）に１次空気の旋回流を送り込むことができると共に、ダウンカマー８に２次空気の旋回流を送り込むことができる。このような例によっても、図４に示すような良好な燃焼状態を得ることができる。
【００２８】
前述したバーナ装置１は、水管ボイラ、炉筒煙管ボイラなどの各種ボイラにも適用できるが、その場合、バーナ装置１は水平配置となる。図７には、バーナ装置１を備えた水中燃焼式気化装置（Submerged Combustion Vaporizer）を示している。
【００２９】
図示の水中燃焼式気化装置３０は、液化天然ガス（ＬＮＧ）の気化装置であり、例えば直方体状の水槽３１中に浸漬されると共に、ＬＮＧの流路となる多数の伝熱管３２ａが多段に曲げ成形されて構成された熱交換器３２を備えている。熱交換器３２の一端は、ＬＮＧの入口となるＬＮＧ導入管３２ｂに連通し、他端が、気化した天然ガス（ＮＧ）を排出させるＮＧ排出管３１ｃに連通している。図７では、伝熱管３２ａの束は、簡易化して図示されているが、実際には、図７の奥行きに多数列の伝熱管３２ａが配置されて互いに連通されている。
【００３０】
水槽３１は、例えば矩形板状の天板３１ａで覆われている。この天板３１ａは、作業員が歩くこともでき、その所定箇所に円筒状のダウンカマー８が水槽３１内に浸漬するように配備されている。
【００３１】
ダウンカマー８の上端には、前述したバーナ装置１が配置されている。バーナ装置１には、前述した燃料ガスノズル６に連通する燃料供給管４０が接続されると共に、前述した入口流路５に連通するブロワー３４が接続されている。
【００３２】
水槽３１の底部には、ダウンカマー８に連通すると共に、バーナー装置１の燃焼ガスが噴出する多数の小孔３５ａが形成されたスパージパイプ３５が配置されている。このスパージパイプ３５も、実際には、図７の奥行き方向に多数並べられており、熱交換器３２の全体に燃焼ガスを含む気泡Ｂが及ぶようになっている。
【００３３】
ダウンカマー８と各スパージパイプ３５との間には、マニホールド３７が介設されている。マニホールド３７は、その基端がダウンカマー８の下端部に接続されていると共に、スパージパイプ３５の並設方向に延びて配設されている。各スパージパイプ３５は、マニホールド３７に連通しており、マニホールド３７は、ダウンカマー８から排出される燃焼ガスを、各スパージパイプ３５に分配する機能を有している。
【００３４】
水槽３１の天板３１ａには、燃焼排ガスを排気するスタック（煙突）３６が設けられ、その上端が大気と連通している。
【００３５】
このような水中燃焼式気化装置３０は、バーナー装置１の燃焼ガスをスパージパイプ３５の小孔３５ａを通じて水槽３１内に気泡Ｂとして噴出させることによって、水槽３１内の水を撹拌しつつ、熱交換器３２内を通過するＬＮＧを加熱する。これによって、ＬＮＧを気化させてＮＧとし、これをＮＧ排出管３１ｃの出口から送り出すように構成されている。水中燃焼式気化装置３０は、燃焼ガスを気泡Ｂとして水槽３１内に噴出して水槽３１内の水を撹拌して温水から熱交換器への伝熱を促進するとともに、気泡Ｂが細かいので，気泡Ｂから温水への伝熱は良好となり、水槽からスタックへ排出される燃焼排ガスの温度はほぼ温水温度まで低下する。気泡Ｂと温水の熱交換の過程で、燃焼ガス中の気体状水分（水蒸気）は温度が低下するとほとんど凝縮して液体となり、潜熱のほとんどを温水に与えることになるため、熱効率が極めて高いという特徴がある。
【００３６】
このような水中燃焼式気化装置３０に前述したバーナ装置１を用いた場合には、燃焼状態の改善によって、一酸化炭素やＮＯｘなどの有害物質の発生を抑止することができるので、低負荷運転及び高負荷運転の両方で、環境性能を向上させることができる。また、前述したバーナ装置１を用いる場合には、ダウンカマー８内に流入する２次空気を効果的に旋回させることができるので、特に、２次空気流量が大きい低負荷時の燃焼特性を改善することができる。
【００３７】
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１：バーナ装置，２：内筒，３：外筒，４：天板，５：入口流路，
６：燃料ガスノズル，６Ａ：噴出口，７：仕切壁，８：ダウンカマー，
１０：バッフルプレート，１１：１次空気旋回器，１２：２次空気旋回器，
２０：旋回羽，２０Ａ：空気流案内面，３０：水中燃焼式気化装置，
Ｓ：燃焼室，Ｏ：中心軸
【図１】
2018204859.tif 000003
【図２】
2018204859.tif 000004
【図３】
2018204859.tif 000005
【図４】
2018204859.tif 000006
【図５】
2018204859.tif 000007
【図６】
2018204859.tif 000008
【図７】
2018204859.tif 000009