(57)【要約】【課題】排ガス中に含まれるＮＯＸの濃度を低減でき、かつ安定して燃焼可能な排気再循環バーナ、及び当該排気再循環バーナを備えたボイラを提供すること。【解決手段】排ガスの一部を給気側に循環させて燃料ガス及び燃焼用空気に混合し燃焼させる排気再循環バーナ１０であって、第１の混合比で燃料ガス及び燃焼用空気と排ガスとが混合された予混合気を燃焼させるメイン燃焼部２０と、メイン燃焼部２０を挟むように配置され、第１の混合比よりも排ガスの割合が低くかつ安定して火炎を形成可能な第２の混合比で燃料ガス及び燃焼用空気と排ガスとが混合された予混合気を燃焼させる複数の保炎部３０と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスの一部を給気側に循環させて燃料ガス及び燃焼用空気に混合し燃焼させる排気再循環バーナであって、
第１の混合比で燃料ガス及び燃焼用空気と排ガスとが混合された予混合気を燃焼させるメイン燃焼部と、
前記メイン燃焼部を挟むように配置され、前記第１の混合比よりも排ガスの割合が低くかつ安定して火炎を形成可能な第２の混合比で燃料ガス及び燃焼用空気と排ガスとが混合された予混合気を燃焼させる複数の保炎部と、を備える排気再循環バーナ。
【請求項２】
前記保炎部及び前記メイン燃焼部に前記第２の混合比の予混合気を供給する第１供給ラインと、
前記メイン燃焼部に排ガスを供給する第２供給ラインと、を更に備える請求項１に記載の排気再循環バーナ。
【請求項３】
前記メイン燃焼部は、複数の分割メイン燃焼部からなり、
前記保炎部は、前記分割メイン燃焼部それぞれを挟むように配置される請求項１又は２に記載の排気再循環バーナ。
【請求項４】
前記複数の分割メイン燃焼部は、水平方向に予混合気を噴出すると共に、横方向に所定の間隔をあけて配置され、
前記保炎部は、前記分割メイン燃焼部の両側部にそれぞれ配置される請求項３に記載の排気再循環バーナ。
【請求項５】
上下方向に延びる複数の水管、該複数の水管の下部に配置される下部ヘッダ、及び前記複数の水管の上部に配置される上部ヘッダを有する缶体と、
先端部が前記缶体に接続され該缶体に燃焼用空気及び燃料ガスを供給する給気ダクトと、
前記缶体と前記給気ダクトの接続部に配置される排気再循環バーナと、
前記缶体で前記燃焼用空気及び燃料ガスが燃焼されて発生した排ガスを排出する排気筒と、
前記排気筒と前記給気ダクトとを接続し前記排ガスの一部を前記給気ダクトに再循環させる排ガス再循環路と、を備えるボイラであって、
前記排気再循環バーナは、請求項１〜４のいずれかに記載の排気再循環バーナであるボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気再循環バーナ及び該排気再循環バーナを備えるボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排ガスの一部を吸気側に循環させて燃料ガス及び燃焼用空気に所定の割合で混合し、この混合された混合気を噴出して燃焼させる排気再循環バーナが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような排気再循環バーナによれば、酸素濃度の低下した排ガスを給気側に再循環させることで、バーナにおける燃料ガスの燃焼温度を低下させられ、その結果、排ガス中に含まれるＮＯＸの濃度を低下させられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６９１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、排ガス中に含まれるＮＯＸの濃度を低下させるためには、バーナにおける燃料ガスの燃焼温度をできるだけ低くすることが望ましい。しかしながら、燃料ガスの燃焼温度を低下させるために、再循環させる排ガスの量を多くしすぎると、バーナにおいて火炎を安定して維持させられなくなり、燃料ガスを安定して燃焼させられなくなってしまう。
【０００５】
従って、本発明は、排ガス中に含まれるＮＯＸの濃度を低減でき、かつ安定して燃焼可能な排気再循環バーナ、及び当該排気再循環バーナを備えたボイラ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】
【０００６】
本発明は、排ガスの一部を給気側に循環させて燃料ガス及び燃焼用空気に混合し燃焼させる排気再循環バーナであって、第１の混合比で燃料ガス及び燃焼用空気と排ガスとが混合された予混合気を燃焼させるメイン燃焼部と、前記メイン燃焼部を挟むように配置され、前記第１の混合比よりも排ガスの割合が低くかつ安定して火炎を形成可能な第２の混合比で燃料ガス及び燃焼用空気と排ガスとが混合された予混合気を燃焼させる複数の保炎部と、を備える排気再循環バーナに関する。
【０００７】
また、排気再循環バーナは、前記保炎部及び前記メイン燃焼部に前記第２の混合比の予混合気を供給する第１供給ラインと、前記メイン燃焼部に排ガスを供給する第２供給ラインと、を更に備えることが好ましい。
【０００８】
また、前記メイン燃焼部は、複数の分割メイン燃焼部からなり、前記保炎部は、前記分割メイン燃焼部それぞれを挟むように配置されることが好ましい。
【０００９】
また、前記複数の分割メイン燃焼部は、水平方向に予混合気を噴出すると共に、横方向に所定の間隔をあけて配置され、前記保炎部は、前記分割メイン燃焼部の両側部にそれぞれ配置されることが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、上下方向に延びる複数の水管、該複数の水管の下部に配置される下部ヘッダ、及び前記複数の水管の上部に配置される上部ヘッダを有する缶体と、先端部が前記缶体に接続され該缶体に燃焼用空気及び燃料ガスを供給する給気ダクトと、前記缶体と前記給気ダクトの接続部に配置される排気再循環バーナと、前記缶体で前記燃焼用空気及び燃料ガスが燃焼されて発生した排ガスを排出する排気筒と、前記排気筒と前記給気ダクトとを接続し前記排ガスの一部を前記給気ダクトに再循環させる排ガス再循環路と、を備えるボイラであって、前記排気再循環バーナは、上記のいずれかに記載の排気再循環バーナであるボイラに関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、排ガス中に含まれるＮＯＸの濃度を低減でき、かつ安定して燃焼可能な排気再循環バーナ、及び当該排気再循環バーナを備えたボイラを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の排気再循環バーナを備えたボイラの縦断面を示す図であり、バーナの水平方向断面を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】排気再循環バーナの全体構成を示した図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る排気再循環バーナの構造を模式的に示した図である。
【図５】実施例及び比較例における再循環排ガス（ＥＧＲ）供給量と、ＮＯＸ濃度及びＣＯ濃度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の排気再循環バーナ及びボイラの好ましい一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態の排気再循環バーナ（以下、単に「バーナ」という）は、排ガスの一部を給気側に循環させて燃料ガス及び燃焼用空気と所定の割合で予混合し、この予混合された予混合気を噴出して燃焼させる予混合バーナである。このバーナは、小型貫流ボイラ（以下、単に「ボイラ」という）に用いられる。
【００１４】
本実施形態のボイラ１は、図１及び図２に示すように、缶体１１と、複数の水管１２と、連結壁１３と、下部ヘッダ１４と、上部ヘッダ１５と、給気ダクト１６と、排気筒１７と、排ガス再循環路１９と、バーナ１０と、を備える。
【００１５】
缶体１１は、平面視矩形形状の直方体状に構成される。
複数の水管１２は、缶体１１の内部に上下方向に延びて配置されると共に、缶体１１の長手方向及び幅方向に所定の間隔をあけて配置される。
本実施形態では、複数の水管１２は、幅方向の外側に、缶体１１の長手方向に延びる側部に沿って配置される外側水管群１２ａと、缶体１１の幅方向の中央部に、長手方向に沿って配置される中央水管群１２ｂと、外側水管群１２ａと中央水管群１２ｂとの間に配置される中間水管群１２ｃと、に分類される。
連結壁１３は、外側水管群１２ａにおいて隣り合って配置される水管１２同士を連結する。
【００１６】
下部ヘッダ１４は、平面視矩形形状の直方体状の容器によって構成され、缶体１１の下部に配置される。下部ヘッダ１４には、複数の水管１２の下端部が接続される。下部ヘッダ１４には、給水源（図示せず）から蒸気生成に用いられる水が供給され、この下部ヘッダ１４から複数の水管１２に水が供給される。
【００１７】
上部ヘッダ１５は、平面視矩形形状の直方体状の容器によって構成され、缶体１１の上部に配置される。上部ヘッダ１５には、複数の水管１２の上端部が接続される。上部ヘッダ１５には、複数の水管１２において生成された蒸気が集められる。上部ヘッダ１５に集められた蒸気は、蒸気を使用する負荷機器（図示せず）に供給される。
【００１８】
給気ダクト１６は、缶体１１の長手方向の一端側に位置する第１側面１１ａの下部に接続される。給気ダクト１６の上流側には、燃料ガスが供給される燃料供給ライン１６１の先端部及び燃焼用空気を供給する送風機１８が接続される。給気ダクト１６には、燃料供給ライン１６１から供給される燃料ガス、送風機１８から供給される燃焼用空気、及び後述の排ガス再循環路１９から供給される排ガスが混合された予混合気が流通し、この予混合気を缶体１１の内部に向けて供給する。
【００１９】
バーナ１０は、第１側面１１ａにおける給気ダクト１６と缶体１１との接続部分に配置される。バーナ１０は、燃焼用空気、燃料及び排ガスが混合された予混合気を給気ダクト１６から缶体１１の内部に噴出し、この予混合気を燃焼させる。バーナ１０の詳細については後述する。
【００２０】
排気筒１７は、缶体１１の長手方向の他端側（給気ダクト１６が設けられた側と反対側）に位置する第２側面１１ｂに接続される。排気筒１７は、缶体１１の内部で予混合気が燃焼して生じた燃焼ガスを排ガスとして排出する。
【００２１】
排ガス再循環路１９は、排気筒１７と給気ダクト１６とを接続する。そして、排ガス再循環路１９は、排気筒１７を流通する排ガスの一部を給気ダクト１６に再循環させる。
【００２２】
次に、本実施形態のバーナ１０の詳細について、図３及び図４を参照しながら説明する。
本実施形態のバーナ１０は、図３及び図４に示すように、メイン燃焼部２０と、複数の保炎部３０と、第１供給ラインＬ１と、第２供給ラインＬ２と、を備える。
【００２３】
メイン燃焼部２０は、第１の混合比で燃料ガス、燃焼用空気及び排ガスが混合された予混合気を燃焼させる。ここで、第１の混合比は、所定の空気比（例えば、排ガスＯ２濃度換算で５％）で燃焼用空気と燃料ガスとが混合される場合において、この混合気に対して、理論上の燃焼下限界となる割合に近い割合で更に排ガスを混合した値に設定される。これにより、メイン燃焼部２０において、より低い温度で予混合気を燃焼させられる。
【００２４】
尚、空気比は、実際燃焼空気量／理論燃焼空気量の値により表されるが、この値は、排ガスＯ２濃度（％）と所定の関係で対応している。そのため、本明細書においては、空気比を排ガスＯ２濃度（％）にて表示する。また、ＮＯｘ値は、排ガスＯ２濃度３％換算の値を示し、ＣＯ値は、換算値でなく読取値を示す。
【００２５】
本実施形態では、メイン燃焼部２０は、複数の分割メイン燃焼部２１により構成される。より具体的には、複数の分割メイン燃焼部２１は、横方向（水平方向）に所定間隔をあけて配置される。そして、それぞれの分割メイン燃焼部２１は、缶体１１の内部に向かって水平方向に予混合気を噴出する。本実施形態では、分割メイン燃焼部２１は、２列に配置される。
【００２６】
複数の保炎部３０は、第２の混合比の予混合気を燃焼させる。ここで、第２の混合比は、第１の混合比よりも排ガスが含まれる割合が低くかつ安定して火炎を形成可能な混合比に設定される。
【００２７】
複数の保炎部３０は、メイン燃焼部２０を挟むように配置される。そして、複数の保炎部３０は、缶体１１の内部に向かって水平方向に予混合気を噴出する。本実施形態では、保炎部３０は、２つの分割メイン燃焼部２１の両側部にそれぞれ配置される。
【００２８】
第１供給ラインＬ１は、保炎部３０及びメイン燃焼部２０に第２の混合比の予混合気を供給する。本実施形態では、給気ダクト１６を流通する予混合気は、第２の混合比となるように設定されている。即ち、第１供給ラインＬ１は、給気ダクト１６により構成される（図１参照）。
第２供給ラインＬ２は、メイン燃焼部２０に排ガスを供給する。本実施形態では、第２供給ラインＬ２は、基端側が排ガス再循環路１９に接続され先端側が給気ダクト１６の内部に挿通された配管により構成される。第２供給ラインＬ２の先端部は分岐しており、複数の分割メイン燃焼部２１の近傍にそれぞれ配置される（図４参照）。
【００２９】
メイン燃焼部２０に供給される燃料ガスの量は、排ガス中に含まれるＮＯＸの濃度を低減しつつ、火炎を安定的に維持させる観点から、バーナ１０に供給される燃料ガスの量の５０％〜９５％であることが好ましく、７０％〜９０％であることがより好ましい。
【００３０】
次に、本実施形態のボイラ１の動作につき説明する。
まず、送風機１８から供給された燃焼用空気、燃料供給ライン１６１から供給された燃料ガス、及び排ガス再循環路１９から供給された排ガスが給気ダクト１６において予混合される。ここで、給気ダクト１６の内部においては、燃料ガスと燃焼用空気と排ガスとは、第２の混合比となるように予混合される。そして、第２の混合比となるように予混合された予混合気は、メイン燃焼部２０（複数の分割メイン燃焼部２１）及び複数の保炎部３０に供給される。
【００３１】
また、第２供給ラインＬ２からは、複数の分割メイン燃焼部２１に、排ガスが供給される。これにより、複数の分割メイン燃焼部２１から噴出される予混合気に含まれる排ガスの割合は、保炎部３０から噴出される予混合気に含まれる排ガスの割合よりも高くなる。具体的には、第２供給ラインＬ２からは、分割メイン燃焼部２１から噴出される予混合気が第１の混合比となる量の排ガスが供給される。
【００３２】
そして、複数の分割メイン燃焼部２１からは、第１の混合比の予混合気が缶体１１の内部に噴出されて燃焼される。また、複数の保炎部３０からは、第２の混合比の予混合気が缶体１１の内部に噴出されて燃焼される。ここで、本実施形態では、複数の保炎部３０を、複数の分割メイン燃焼部２１それぞれを挟むように配置した。これにより、排ガスが含まれる割合の高い混合比（第１の混合比）の予混合気が燃焼される分割メイン燃焼部２１を、より安定して燃焼可能な、排ガスが含まれる割合の低い混合比（第２の混合比）の予混合気が燃焼される保炎部３０により挟みこむことで、分割メイン燃焼部２１をより高い排ガスの混合比で燃焼させても火炎を維持させられる。よって、バーナ１０における燃焼温度をより低くできる。
【００３３】
また、メイン燃焼部２０を複数の分割メイン燃焼部２１により構成し、複数の保炎部３０をこれら複数の分割メイン燃焼部２１それぞれの両側部に配置した。これにより、一つ一つのメイン燃焼部２０（分割メイン燃焼部２１）の火炎の大きさ（幅）を小さくできるので、メイン燃焼部２０において不完全燃焼を起こしにくくでき、排ガス中に含まれるＣＯの濃度を低減できる。
【００３４】
次いで、バーナ１０から噴出された予混合気の燃焼により発生した燃焼ガスにより、複数の水管１２が加熱され、これら複数の水管１２の内部に供給された給水から蒸気が生成される。複数の水管１２の内部で生成された蒸気は、上部ヘッダ１５に集められた後、負荷機器に供給される。
【００３５】
一方、缶体１１の内部において蒸気の生成に用いられた燃焼ガスは、排気筒１７から排ガスとして排出される。また、排ガスの一部は、排ガス再循環路１９を通って給気ダクト１６及び第２供給ラインＬ２に再循環される。ここで、本実施形態では、バーナ１０において、より排ガスが含まれる割合の高い混合比で予混合気を燃焼させられるので、予混合気の燃焼温度が高くなりすぎることを抑制できる。これにより、排ガス中に含まれるＮＯＸの濃度を低減できる。
【００３６】
以上説明した本実施形態のバーナ１０及びこのバーナ１０を備えるボイラ１によれば、以下のような効果を奏する。
【００３７】
（１）バーナ１０を、第１の混合比の予混合気を燃焼させるメイン燃焼部２０と、このメイン燃焼部２０を挟むように配置され、第１の混合比よりも排ガスが含まれる割合が低い第２の混合比の予混合気を燃焼させる複数の保炎部３０と、を含んで構成した。これにより、メイン燃焼部２０を、安定して火炎を形成できる保炎部３０により挟んだ状態で燃焼させられるので、メイン燃焼部２０をより高い排ガス混合比で燃焼させても火炎を維持させられる。よって、バーナ１０をより低い温度で燃焼させられるので、排ガス中に含まれるＮＯＸの濃度を低減でき、かつバーナ１０を安定して燃焼させられる。
【００３８】
（２）バーナ１０を、第２の混合比の予混合気をメイン燃焼部２０及び保炎部３０に供給する第１供給ラインＬ１と、メイン燃焼部２０に排ガスを供給する第２供給ラインＬ２と、を含んで構成した。これにより、メイン燃焼部２０及び保炎部３０を備えるバーナ１０を簡易な構成により実現できる。
【００３９】
（３）メイン燃焼部２０を、複数の分割メイン燃焼部２１により構成し、保炎部３０を、複数の分割メイン燃焼部２１それぞれを挟むように配置した。これにより、一つ一つの分割メイン燃焼部２１の火炎の大きさ（幅）を小さくできるので、メイン燃焼部２０において不完全燃焼を起こしにくくでき、排ガス中に含まれるＣＯの濃度を低減できる。
【００４０】
（４）水平方向に予混合気を噴出するバーナ１０において、複数の分割メイン燃焼部２１を横に間隔をあけて配置し、保炎部３０を分割メイン燃焼部２１の両側部にそれぞれ配置した。これにより、水平方向に延びる火炎を形成するバーナ１０において、排ガス中のＮＯＸの生成を抑制でき、かつ安定して燃焼させられるバーナを実現できる。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例及び比較例により、本発明の効果をより詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲は、かかる実施例に制限されるものではない。
メイン燃焼部２０を２つの分割メイン燃焼部２１により構成し、これら２つの分割メイン燃焼部２１の上部及び下部にそれぞれ保炎部３０を配置した実施例のバーナ１０（図４参照）を用いて、メイン燃焼部２０への排ガスの供給量を変化させた場合における排ガス中に含まれるＮＯＸ濃度及びＣＯ濃度の変化を測定した。
【００４２】
尚、本実施例においては、３ｔ／ｈの容量のボイラを使用し、バーナ１０には、高燃焼時（１００％燃焼時）で１７０ｍ３Ｎ／ｈの燃料ガス（１３Ａ）を供給すると共に、燃料ガスの８０％をメイン燃焼部２０に、２０％を保炎部３０に供給した。また、燃料ガス及び燃焼用空気は、空気比が排ガスＯ２濃度換算で５％となるように混合した。また、排ガスの供給量は、第１供給ラインＬ１に供給される排ガスの量を変化させることで調整した。そして、第２供給ラインＬ２には、２２０ｍ３Ｎ／ｈの排ガスを供給した。
また、実施例のバーナ１０を用い、第２供給ラインＬ２からの排ガスの供給を行わなかったものを比較例とした。
【００４３】
結果を図５に示す。
図５は、実施例及び比較例におけるメイン燃焼部２０に供給する排ガスの量を変化させた場合の総排ガス供給量と、ＮＯＸ濃度及びＣＯ濃度との関係を示す図である。
【００４４】
図５に示すように、比較例においては、総排ガス供給量が約４３ｍ３／ｈとなった時点でバーナ１０の燃焼が不可能となっているのに対し、実施例においては、総排ガス供給量が約５８ｍ３／ｈとなるまでバーナ１０の燃焼（火炎）を維持できたことが分かる。
【００４５】
また、総排ガス供給量が約３７ｍ３／ｈ〜約５８ｍ３の広い範囲において、排ガス中に含まれるＮＯＸ濃度を６ｐｐｍ以下という非常に低い状態に抑えてバーナ１０を燃焼させることが分かる。
更に、総排ガス供給量が約５２ｍ３を超えたあたりからは、ＣＯ濃度が高くなってしまうことが分かる。
【００４６】
以上の結果から、従来では、安定的な燃焼が困難であった高い排ガス混合比の予混合気を用いた場合であっても、バーナ１０を安定して燃焼させられることが分かる。
【００４７】
以上、本発明のバーナ１０及びボイラ１の好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、メイン燃焼部２０を２つの分割メイン燃焼部２１により構成したが、これに限らない。即ち、メイン燃焼部を３つ以上の分割メイン燃焼部により構成してもよい。また、メイン燃焼部を単一のメイン燃焼部により構成してもよい。
【００４８】
また、本実施形態では、分割メイン燃焼部２１を横方向に所定間隔をあけて配置したが、これに限らない。即ち、分割メイン燃焼部を高さ方向に所定間隔をあけて配置してもよく、また、分割メイン燃焼部を縦横方向（高さ方向及び水平方向）にそれぞれ所定間隔をあけて配置し、これらの分割メイン燃焼部を挟むように保炎部を配置してもよい。
【００４９】
また、本実施形態では、本発明を、予混合ガスを水平方向に噴出させるバーナ１０に適用したが、これに限らない。即ち、本発明を、予混合ガスを鉛直方向に噴出させるバーナにより構成してもよい。
【００５０】
また、本実施形態では、本発明のバーナ１０を、小型貫流ボイラ１に適用したが、これに限らない。即ち、本発明のバーナを、給湯器、吸収式冷凍機の再熱器等の他の熱機器に適用してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１  貫流ボイラ（ボイラ）
１０  バーナ
１１  缶体
１２  水管
１４  下部ヘッダ
１５  上部ヘッダ
１６  給気ダクト
１７  排気筒
１９  排ガス再循環路
２０  メイン燃焼部
２１  分割メイン燃焼部
３０  保炎部
Ｌ１  第１供給ライン
Ｌ２  第２供給ライン
【図１】
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【図２】
2015031466.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015031466.tif 000006
【図５】
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