(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
火炉の壁面のスロートに設けられたバーナ装置であって、
燃焼用の一次空気を搬送する一次空気搬送管と、
該一次空気搬送管の出口部に設けられ、火炉に向かって末広がり形状を有し、一次空気搬送管から火炉に噴出される前記一次空気に旋回を与える一次空気旋回部材と、
一次空気搬送管の外周に設けられ、一次空気搬送管の軸を中心とする螺旋状に旋回させる方向から導入されて一次空気搬送管の外周を旋回しながら一次空気搬送管の出口部に向けて流動し且つ前記一次空気の旋回方向と同方向の旋回が付与された発熱量５０００ｋｃａｌ／ｍ３Ｎ以下の低カロリーガスを搬送する燃料搬送管と、
該燃料搬送管の外周に設けられ、燃焼用の二次空気を搬送する二次空気搬送管と、
該二次空気搬送管に設けられ、二次空気搬送管に供給される二次空気に前記一次空気の旋回方向と同方向の旋回を与える二次空気旋回部材とを設け、
前記低カロリーガスと前記一次空気と前記二次空気がそれぞれ旋回され、且つ、
前記低カロリーガスが内側の前記一次空気と外側の前記二次空気により挟み込まれ、
前記二次空気は、旋回の強さを表すスワール数が前記低カロリーガスよりも大きく、且つ、前記一次空気は、前記スワール数が前記低カロリーガスよりも小さい
ことを特徴とする低カロリーガスバーナ装置。 
【請求項２】
火炉の壁面のスロートに設けられたバーナ装置であって、
燃焼用の一次空気を搬送する一次空気搬送管と、
該一次空気搬送管の出口部に設けられ、火炉に向かって末広がり形状を有し、一次空気搬送管から火炉に噴出される前記一次空気に旋回を与える一次空気旋回部材と、
一次空気搬送管の外周に設けられ、旋回機構を通じ、一次空気搬送管の軸を中心とする螺旋状に旋回させる方向から導入されて一次空気搬送管の外周を旋回しながら一次空気搬送管の出口部に向けて流動し且つ前記一次空気の旋回方向と同方向の旋回が付与された発熱量５０００ｋｃａｌ／ｍ３Ｎ以下の低カロリーガスを搬送する燃料搬送管と、
該燃料搬送管の外周に設けられ、燃焼用の二次空気を搬送する二次空気搬送管と、
該二次空気搬送管に設けられ、二次空気搬送管に供給される二次空気に前記一次空気の旋回方向と同方向の旋回を与える二次空気旋回部材とを設け、
前記二次空気は、旋回の強さを表すスワール数が前記低カロリーガスよりも大きく、且つ、前記一次空気は、前記スワール数が前記低カロリーガスよりも小さいことを特徴とする低カロリーガスバーナ装置。 
【請求項３】
前記二次空気旋回部材が前記二次空気へ与える旋回力は、前記一次空気旋回部材が前記一次空気へ与える旋回力よりも大きい
ことを特徴とする請求項１または２に記載の低カロリーガスバーナ装置。
【請求項４】
前記燃料搬送管の出口外周に保炎器を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の低カロリーガスバーナ装置。
【請求項５】
火炉の壁面のスロートに設けられたバーナ装置であって、
燃焼用の一次空気を搬送する一次空気搬送管と、
該一次空気搬送管の出口部に設けられ、火炉に向かって末広がり形状を有し、一次空気搬送管から火炉に噴出される前記一次空気に旋回を与える一次空気旋回部材と、
一次空気搬送管の外周に設けられ、一次空気搬送管の軸を中心とする螺旋状に旋回させる方向から導入されて一次空気搬送管の外周を旋回しながら一次空気搬送管の出口部に向けて流動し且つ前記一次空気の旋回方向と同方向の旋回が付与された発熱量５０００ｋｃａｌ／ｍ３Ｎ以下の低カロリーガスを搬送する燃料搬送管と、
該燃料搬送管の外周に設けられ、燃焼用の二次空気を搬送する二次空気搬送管と、
該二次空気搬送管に設けられ、二次空気搬送管に供給される二次空気に前記一次空気の旋回方向と同方向の旋回を与える二次空気旋回部材と、
前記燃料搬送管の出口外周に保炎器を設け、
前記保炎器は前記保炎器の下流側に渦流を形成することで前記二次空気の少なくとも一部を前記燃料搬送管側に向け流動させ、
前記二次空気は、旋回の強さを表すスワール数が前記低カロリーガスよりも大きく、且つ、前記一次空気は、前記スワール数が前記低カロリーガスよりも小さい
ことを特徴とする低カロリーガスバーナ装置。
【請求項６】
前記保炎器は歯型形状であることを特徴とする請求項４または５に記載の低カロリーガスバーナ装置。
【請求項７】
製油所又は製鉄所で発生する副生ガスや産業用肥料プラントで生成される廃ガスを含む低発熱量のガス燃料を燃料として燃焼する火炉を備えたボイラにおいて、
火炉内には、下段に高炉ガスを燃料とするＢＦＧバーナ装置、中段にコークス炉ガスを燃料とするＣＯＧバーナ装置、上段に空気を供給するアフターエアポート、該アフターエアポートよりも上部に過熱器を備え、
前記ＣＯＧバーナ装置は、前記請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の低カロリーガスバーナ装置であることを特徴とするボイラ。
【請求項８】
前記ＢＦＧバーナ装置は、前記請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の低カロリーガスバーナ装置であることを特徴とする請求項７記載のボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鉄所等で発生する副生ガスである、発熱量の低い高炉ガス、コークス炉ガスや産業用肥料プラントで生成される廃ガス等を燃料とするバーナ装置及び該バーナ装置を備えたボイラに関し、特に、可燃性成分としてＣＯを含む低カロリーガスを燃料とした低カロリーガスバーナ装置及び該低カロリーガスバーナ装置を備えたボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、製油所や製鉄所等で発生する副生ガスや産業用肥料プラントで生成される廃ガス等は、一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ２）等の可燃性成分とともに窒素（Ｎ２）等の不活性成分を含み、その多くは発熱量の低い低カロリーガスである。副生ガスとしては、コークス炉で発生するコークス炉ガス（以下、ＣＯＧという）と高炉で発生する高炉ガス（以下、ＢＦＧという）などがある。
【０００３】
そして、近年、エネルギー資源の有効利用の観点から、これらの副生ガスも、ボイラにおいて燃料として用いられるようになってきた。即ち、低カロリーガスバーナ装置としての利用である。しかし、副生ガスは発熱量が低いため、低カロリーガスバーナの他に助燃バーナを用いて燃焼することが一般的である。助燃バーナを用いることで燃焼性は良好となるが、燃料の価格上昇や顧客のニーズの多様化等により、なるべく助燃バーナに頼ることなく低カロリーガスバーナ単独で燃焼性を確保できる技術が必要とされている。
【０００４】
下記特許文献１には、低カロリーガスを混合室に旋回流として噴出するガスボディと、燃焼用空気を低カロリーガスと同一方向の旋回流として噴出するエアボディと、混合室に位置する先端部にガス噴出孔を有する点火パイプと、点火パイプのガス噴出孔の後方に設けた保炎板とを備え、混合室で混合した低カロリーガスと燃焼用空気との混合ガスが旋回流として噴出する構成の低カロリーガス燃焼用バーナが開示されている。燃焼排ガスが旋回流となって排ガス中心部に発生する低圧部によりバーナ方向に向かって逆流する排ガスの流れが生じ、保炎機能が発揮される構成である。
【０００５】
また、下記特許文献２には、火炉に面したガスバーナ先端に燃料ガス流と直角に突起した保炎リングを形成し、保炎リング下流に生じた渦流により自燃させる構成とした低カロリーガスバーナ装置が開示されている。
【０００６】
更に、下記特許文献３に記載の構成によれば、二重管構造の内管又は外管の何れか一方に低カロリーガスの供給流路を設け、内管又は外管のいずれか他方に空気の供給流路を設け、低カロリーガスの供給流路の断面積を空気の供給流路の断面積よりも大きくして内管開口部にスワラを設置した低カロリーガスバーナ構造が開示されている。内管のスワラにより内管側の低カロリーガス又は空気が旋回して外管から供給される空気又は低カロリーガスと混合しやすくなる構成である。
【０００７】
そして、下記特許文献４には、燃焼室の円錐面の角度を軸線に対して５〜３０°の範囲に形成し、燃焼室への低カロリーガスの燃料噴出口を環状に形成し、低カロリーガス燃料噴出口に旋回羽根を設け、燃焼室に開口した支燃性ガス噴出口をガス燃料の旋回方向と同方向に噴出するように配設したガスバーナが開示されている。低カロリーガス燃料自体が旋回流となって燃料室に噴出すると共に旋回流と同方向に支燃性ガスが噴出することで、両者の混合を十分行うようにしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２５７６１４号公報
【特許文献２】実開昭６１−６３５２１号公報
【特許文献３】特開２０１２−１１７７９５号公報
【特許文献４】特開平７−１２３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１〜４に記載の構成によれば、低カロリーガス燃料を旋回流としたり（特許文献２，４）、内側の燃焼用空気及び外側の低カロリーガス燃料を同一方向の旋回流としたり（特許文献１）、内側の燃焼用空気又は低カロリーガス燃料を旋回流としたりすることで（特許文献３）、低カロリーガス燃料の保炎性を高めたり、燃焼用空気と低カロリーガス燃料との混合性を良好としたりしている。
【００１０】
上記構成により、ある程度燃焼性は向上するものの、低カロリーガス燃料が多量の場合は、燃料に対する空気比を増加させたり、旋回力を増加させたりする必要が生じる。そして、この場合はボイラで発生する排ガス中のＮＯｘ濃度の増加やファンの駆動力の増加を招くため、ボイラ効率が悪くなってしまう。
【００１１】
また、前記副生ガスを利用したボイラの場合、火炉の下方から上方に向かってＢＦＧバーナ、ＣＯＧバーナ、二段燃焼用のアフターエアポート（以下、ＡＡＰという）を配置し、ボイラ火炉上部に過熱器を設置した構成が一般的である。この構成において、特にＣＯＧバーナは過熱器との距離が近いため、また下段のＢＦＧバーナの火炎からの上昇気流の影響により、火炎が長炎化すると、火炎が火炉上部に流動し、過熱器の下部に接触する可能性が高まってしまう。火炎が過熱器の下部に接触すると、過熱器の損傷を引き起こす副因となるポテンシャルを有することになる。これは、ボイラ火炉をコンパクトにするという最近の技術的趨勢によって生じた新たな課題である。
【００１２】
本発明の課題は、製鉄所等で発生する副生ガスのような低カロリーガスの燃料を用いたバーナ装置において、燃料に対する空気比を増加させることなく、燃料の燃焼性を良好とする低カロリーガスバーナ装置を提供することである。また、本発明の課題は、バーナ火炎の長炎化を防いで、火炉上部に配置した過熱器の下部への火炎の接触を防止できる低カロリーガスバーナ装置を備えたボイラを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記本発明の課題は、下記の構成を採用することにより達成できる。  
請求項１記載の発明は、火炉の壁面のスロートに設けられたバーナ装置であって、燃焼用の一次空気を搬送する一次空気搬送管と、該一次空気搬送管の出口部に設けられ、火炉に向かって末広がり形状を有し、一次空気搬送管から火炉に噴出される前記一次空気に旋回を与える一次空気旋回部材と、一次空気搬送管の外周に設けられ、一次空気搬送管の軸を中心とする螺旋状に旋回させる方向から導入されて一次空気搬送管の外周を旋回しながら一次空気搬送管の出口部に向けて流動し且つ前記一次空気の旋回方向と同方向の旋回が付与された発熱量５０００ｋｃａｌ／ｍ３Ｎ以下の低カロリーガスを搬送する燃料搬送管と、該燃料搬送管の外周に設けられ、燃焼用の二次空気を搬送する二次空気搬送管と、該二次空気搬送管に設けられ、二次空気搬送管に供給される二次空気に前記一次空気の旋回方向と同方向の旋回を与える二次空気旋回部材とを設け、前記低カロリーガスと前記一次空気と前記二次空気がそれぞれ旋回され、且つ、前記低カロリーガスが内側の前記一次空気と外側の前記二次空気により挟み込まれ、前記二次空気は、旋回の強さを表すスワール数が前記低カロリーガスよりも大きく、且つ、前記一次空気は、前記スワール数が前記低カロリーガスよりも小さいことを特徴とする低カロリーガスバーナ装置である。
請求項２記載の発明は、火炉の壁面のスロートに設けられたバーナ装置であって、燃焼用の一次空気を搬送する一次空気搬送管と、該一次空気搬送管の出口部に設けられ、火炉に向かって末広がり形状を有し、一次空気搬送管から火炉に噴出される前記一次空気に旋回を与える一次空気旋回部材と、一次空気搬送管の外周に設けられ、旋回機構を通じ、一次空気搬送管の軸を中心とする螺旋状に旋回させる方向から導入されて一次空気搬送管の外周を旋回しながら一次空気搬送管の出口部に向けて流動し且つ前記一次空気の旋回方向と同方向の旋回が付与された発熱量５０００ｋｃａｌ／ｍ３Ｎ以下の低カロリーガスを搬送する燃料搬送管と、該燃料搬送管の外周に設けられ、燃焼用の二次空気を搬送する二次空気搬送管と、該二次空気搬送管に設けられ、二次空気搬送管に供給される二次空気に前記一次空気の旋回方向と同方向の旋回を与える二次空気旋回部材とを設け、前記二次空気は、旋回の強さを表すスワール数が前記低カロリーガスよりも大きく、且つ、前記一次空気は、前記スワール数が前記低カロリーガスよりも小さいことを特徴とする低カロリーガスバーナ装置である。 
【００１４】
請求項３記載の発明は、前記二次空気旋回部材が前記二次空気へ与える旋回力は、前記一次空気旋回部材が前記一次空気へ与える旋回力よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の低カロリーガスバーナ装置である。
請求項４記載の発明は、前記燃料搬送管の出口外周に保炎器を設けた請求項１ないし３のいずれかに記載の低カロリーガスバーナ装置である。  
請求項５記載の発明は、火炉の壁面のスロートに設けられたバーナ装置であって、燃焼用の一次空気を搬送する一次空気搬送管と、該一次空気搬送管の出口部に設けられ、火炉に向かって末広がり形状を有し、一次空気搬送管から火炉に噴出される前記一次空気に旋回を与える一次空気旋回部材と、一次空気搬送管の外周に設けられ、一次空気搬送管の軸を中心とする螺旋状に旋回させる方向から導入されて一次空気搬送管の外周を旋回しながら一次空気搬送管の出口部に向けて流動し且つ前記一次空気の旋回方向と同方向の旋回が付与された発熱量５０００ｋｃａｌ／ｍ３Ｎ以下の低カロリーガスを搬送する燃料搬送管と、該燃料搬送管の外周に設けられ、燃焼用の二次空気を搬送する二次空気搬送管と、該二次空気搬送管に設けられ、二次空気搬送管に供給される二次空気に前記一次空気の旋回方向と同方向の旋回を与える二次空気旋回部材と、前記燃料搬送管の出口外周に保炎器を設け、前記保炎器は前記保炎器の下流側に渦流を形成することで前記二次空気の少なくとも一部を前記燃料搬送管側に向け流動させ、前記二次空気は、旋回の強さを表すスワール数が前記低カロリーガスよりも大きく、且つ、前記一次空気は、前記スワール数が前記低カロリーガスよりも小さいことを特徴とする低カロリーガスバーナ装置である。
請求項６記載の発明は、前記保炎器は歯型形状であることを特徴とする請求項４または５に記載の低カロリーガスバーナ装置である。
【００１５】
請求項７記載の発明は、製油所又は製鉄所で発生する副生ガスや産業用肥料プラントで生成される廃ガスを含む低発熱量のガス燃料を燃料として燃焼する火炉を備えたボイラにおいて、火炉内には、下段に高炉ガスを燃料とするＢＦＧバーナ装置、中段にコークス炉ガスを燃料とするＣＯＧバーナ装置、上段に空気を供給するアフターエアポート、該アフターエアポートよりも上部に過熱器を備え、前記ＣＯＧバーナ装置は、前記請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の低カロリーガスバーナ装置であることを特徴とするボイラである。
【００１６】
請求項８記載の発明は、前記ＢＦＧバーナ装置は、前記請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の低カロリーガスバーナ装置であることを特徴とする請求項７記載のボイラである。
【００１７】
（作用）
上述のように、ＣＯＧやＢＦＧなどの副生ガスは発熱量が低いため、燃焼性がどうしても劣ってしまう。燃焼性を向上させるためには、燃料と空気との混合性を良好にすることが重要である。
【００１８】
そこで、本発明によれば、一次空気と低カロリーガス燃料と二次空気とをそれぞれ旋回流とし、低カロリーガス燃料を内側の一次空気と外側の二次空気によって挟み込むことで、燃料と空気との混合を促進させることができる。
【００１９】
即ち、請求項１記載の発明によれば、低カロリーガス燃料が一次空気搬送管の外周を螺旋状に流動し、燃料搬送管の先端から火炉内に旋回して噴出する。また、一次空気搬送管からは、出口部の一次空気旋回部材によって旋回力が与えられた一次空気が外側に流れて、一次空気と同一の旋回方向の旋回が付与された低カロリーガス燃料との混合が促進される。更に、二次空気搬送管からは二次空気旋回部材によって一次空気および低カロリーガス燃料と同一の旋回方向の旋回力が与えられた二次空気が噴出することで、低カロリーガス燃料との混合が促進される。すなわち、一次空気と二次空気と低カロリーガス燃料とが同一方向に旋回され、低カロリーガスが旋回する一次空気と二次空気に挟み込まれることで、低カロリーガス燃料との混合が促進される。また、一次空気と二次空気と低カロリーガス燃料との旋回方向が同一であることによって、一次空気と二次空気と低カロリーガス燃料との旋回が弱まらず、バーナ近傍に再循環領域（逆流域）が形成され、火炎がバーナに安定して保持されるようになることで火炎の短炎化にも繋がる。さらに、旋回の強さを表すスワール数が二次空気＞低カロリーガス＞一次空気とすることで、大きな再循環領域を作り出すことができ、高温ガスをバーナ近くに戻すことができ、短炎化でき、燃焼状態を格段に良好にできる。
請求項２記載の発明によれば、低カロリーガス燃料が旋回機構により一次空気搬送管の外周を螺旋状に流動し、燃料搬送管の先端から火炉内に旋回して噴出する。また、一次空気搬送管からは、出口部の一次空気旋回部材によって旋回力が与えられた一次空気が外側に流れて、一次空気と同一の旋回方向の旋回が付与された低カロリーガス燃料との混合が促進される。更に、二次空気搬送管からは二次空気旋回部材によって一次空気および低カロリーガス燃料と同一の旋回方向の旋回力が与えられた二次空気が噴出することで、低カロリーガス燃料との混合が促進される。すなわち、一次空気と二次空気と低カロリーガス燃料とが同一方向に旋回され、低カロリーガスが旋回する一次空気と二次空気に挟み込まれることで、低カロリーガス燃料との混合が促進される。また、一次空気と二次空気と低カロリーガス燃料との旋回方向が同一であることによって、一次空気と二次空気と低カロリーガス燃料との旋回が弱まらず、バーナ近傍に再循環領域（逆流域）が形成され、火炎がバーナに安定して保持されるようになることで火炎の短炎化にも繋がる。さらに、旋回の強さを表すスワール数が二次空気＞低カロリーガス＞一次空気とすることで、大きな再循環領域を作り出すことができ、高温ガスをバーナ近くに戻すことができ、短炎化でき、燃焼状態を格段に良好にできる。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、上記請求項１または２に記載の発明の効果に加えて、二次空気へ与える旋回力を一次空気へ与える旋回力よりも大きくすることで、二次空気の圧損を低いまま維持しつつ、低カロリーガスとの混合を促進できる。さらに、一次空気が旋回力で拡げられることで、大きな再循環領域を作り出すことができ、相乗効果として燃焼状態が格段に良好になる。
請求項４記載の発明によれば、上記請求項１ないし３のいずれかに記載の発明の作用に加えて、燃料搬送管出口の保炎器によって渦流が形成されることで、保炎器近傍で常時燃焼の種火となる火炎が形成されるため、低カロリーガス燃料の燃焼が促進され、短時間で燃焼が完結することで短炎化が達成される。
【００２１】
請求項５記載の発明によれば、低カロリーガス燃料が一次空気搬送管の外周を螺旋状に流動し、燃料搬送管の先端から火炉内に旋回して噴出する。また、一次空気搬送管からは、出口部の一次空気旋回部材によって旋回力が与えられた一次空気が外側に流れて、低カロリーガス燃料との混合が促進される。更に、二次空気搬送管からは二次空気旋回部材によって一次空気と同一の旋回方向の旋回力が与えられた二次空気が噴出することで、低カロリーガス燃料との混合が促進される。特に、保炎器の下流側に渦流が形成されることで、燃料ガス側に空気旋回流が巻き込まれる形となり、低カロリーガス燃料と二次空気の混合が促進される。また、一次空気と二次空気の旋回方向が同一であることによって、一次空気と二次空気の旋回が弱まらず、バーナ近傍に再循環領域（逆流域）が形成され、火炎がバーナに安定して保持されるようになることで火炎の短炎化にも繋がる。さらに、旋回の強さを表すスワール数が二次空気＞低カロリーガス＞一次空気とすることで、大きな再循環領域を作り出すことができ、高温ガスをバーナ近くに戻すことができ、短炎化でき、燃焼状態を格段に良好にできる。
請求項６記載の発明によれば、上記請求項４または５に記載の発明の作用に加えて、歯型形状の保炎器によって、渦流が効率よく形成され、着火性が良好となって、燃料を早く燃焼させることができる。
【００２２】
請求項７記載の発明によれば、製油所又は製鉄所で発生する副生ガスや産業用肥料プラントで生成される廃ガスを含む低発熱量のガス燃料を燃料として燃焼する火炉を備えたボイラにおいて、ＣＯＧバーナ装置を請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の低カロリーガスバーナ装置とすることで、燃焼性が良好となり、ＣＯＧバーナ装置での短炎化が達成される。従って、ＣＯＧバーナ装置による火炎が過熱器の下部に接触する可能性を低減できる。
【００２３】
請求項８記載の発明によれば、上記請求項７記載の発明の作用に加えて、ＣＯＧバーナ装置に加えて、ＢＦＧバーナ装置も請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の低カロリーガスバーナ装置とすることで、ＣＯＧよりも発熱量の低いＢＦＧの燃焼性も良好となり、より一層バーナ装置における短炎化作用が大きくなる。また、ＣＯＧバーナ装置の長炎化に寄与するＢＦＧバーナ装置の火炎からの上昇気流も抑えることができる。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１，２，５記載の発明によれば、低カロリーガス燃料と一次空気と二次空気との混合が促進されることで、燃焼性が向上すると共に、短炎化も達成される。また、請求項１，２，５記載の発明によれば、バーナ近傍に大きな再循環領域を作り出すことができ、燃焼状態を良好にすることができる。
請求項３記載の発明によれば、上記請求項１または２に記載の発明の効果に加えて、２次空気の圧損を低く維持しつつ低カロリーガス燃料との混合を促進でき、燃焼状態も良好にすることができる。
請求項４記載の発明によれば、上記請求項１ないし３のいずれかに記載の発明の効果に加えて、燃料搬送管出口の保炎器によって、低カロリーガス燃料の燃焼が促進され、更なる短炎化が達成される。
【００２５】
請求項６記載の発明によれば、上記請求項４または５記載の発明の効果に加えて、歯型形状の保炎器によって、保炎器近傍の渦流が効率よく形成され、着火性が良好となって、燃焼性がより向上する。  
【００２６】
請求項７記載の発明によれば、製油所又は製鉄所で発生する副生ガスや産業用肥料プラントで生成される廃ガスを含む低発熱量のガス燃料を燃料として燃焼する火炉を備えたボイラにおいて、ＣＯＧバーナ装置による火炎が過熱器の下部に接触することを防止でき、過熱器の損傷の副因となるポテンシャルを低減できる。
【００２７】
請求項８記載の発明によれば、上記請求項７記載の発明の効果に加えて、ＣＯＧバーナ装置の長炎化に寄与するＢＦＧバーナ装置の火炎からの上昇気流が抑制されることで、より一層、ＣＯＧバーナ装置による火炎が過熱器の下部に接触する可能性が低減される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施例であるボイラの側面図である。
【図２】図１のボイラの正面図である。
【図３】図１のボイラのバーナ装置の一部断面を示す平面図である。
【図４】図２のＣＯＧバーナの拡大図である。
【図５】図３のＳ−Ｓ線矢視図である。
【図６】本実施例のバーナ装置の燃焼性能の評価を説明するための平面図である。
【図７】ＣＯＧバーナの一次空気、二次空気、ＣＯＧの速度分布及びガス流れを解析した結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明の実施の形態を示す。
【実施例１】
【００３０】
図１には、本発明の一実施例のボイラ１の側面図を示し、図２には、図１のボイラ１の正面図を示し、図３には、図１のボイラ１のバーナ装置の一部断面を示す平面図を示す。火炉３は水平断面が四角形であり、ノーズ５付近から火炉出口７にかけて過熱器９が配置されている。火炉３の前壁１１及び後壁１３には、下段及び中段にＢＦＧバーナ１５、上段にＣＯＧバーナ１７、更にその上にＡＡＰ１９を配置している。
【００３１】
火炉３内の燃焼によって発生する排ガスは、矢印Ａ方向に流れて出口７から過熱器９を通り、図示しない脱硝装置、脱硫装置、電気集塵機などを経て煙突から排出される。
図３には、ボイラ１に設置したＣＯＧバーナ１７の一例を示している。また、図４には、図２のＣＯＧバーナ１７の拡大図を示し、図５には、図３のＳ−Ｓ線矢視図を示す。
【００３２】
火炉３の壁面スロート３ａに配置されたＣＯＧバーナ１７は、円筒状の一次空気搬送管２１を備え、一次空気搬送管２１の内部には、燃焼用一次空気流路２３と、その出口部にスワラ（一次空気旋回部材、旋回羽根ともいう）２５とを備えている。スワラ２５は中心軸に設けた支持部材２７によって支持されている。スワラ２５は、複数の羽根状体或いはその類似体で構成されていて、風箱３９から供給されて矢印Ｂ方向（水平方向）に流れる一次空気に弱旋回を与えると共に、末広がりにする作用がある。
【００３３】
また、一次空気搬送管２１の外周部にはＣＯＧ燃料搬送管２９が設けられ、ＣＯＧ燃料搬送管２９の内部にＣＯＧ燃料流路３１が設けられている。  
更に、ＣＯＧ燃料搬送管２９の外周部には燃焼用二次空気流路３５を形成する二次空気搬送管３３が設けられている。
【００３４】
二次空気流路３５には火炉３の側壁の外側に配置される風箱３９から矢印Ｃ方向に燃焼用空気が供給される。二次空気流路３５にはエアレジスタ（二次空気旋回部材）４１を設けており、エアレジスタ４１によって燃焼用空気流が形成されて燃焼用空気が供給される。エアレジスタ４１は、燃焼用空気を流したり止めたりする仕切り（ダンパ）であり、バーナから噴射される燃料に燃焼用空気を供給するが、燃焼用空気を燃料と混合する際、燃焼用空気に旋回を与え、火炎手前では極力空気の混合を抑制したり、火炎手前より少しずつ混合したりして、燃焼性を調整したり、火炎を安定させるための空気流を調整する機能をもつ。なお、エアレジスタ４１には案内羽根を利用する軸流式など種々のものがある。
【００３５】
そして、エアレジスタ４１は図示しない開閉機構や制御装置などにより作動することで、旋回力（スワール数）の強弱や燃焼用空気の流量及び流速を調整、制御可能である。
一方、一次空気流路２３の先端部に設置したスワラ２５は固定式で、一次空気に対して、燃料及び二次空気と同一旋回方向に、スワール数が０．１程度の旋回を与えるように構成している。
【００３６】
表１には、ＢＦＧ及びＣＯＧの燃料性状を示す。尚、表１中のＨＨＶとは高位発熱量を示し、ＬＨＶとは低位発熱量を示している。  
【００３７】
【表１】
0006664825.tif 000002
【００３８】
ＢＦＧは不活性成分であるＮ２が多いため、発熱量が１０００ｋｃａｌ／ｍ３Ｎ以下と、燃料としてはかなり低い。ＣＯＧは、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４などの可燃性成分を含むため、ＢＦＧよりは発熱量が高いが、それでも５０００ｋｃａｌ／ｍ３Ｎ以下である。一方、天然ガスの発熱量は約１０，０００ｋｃａｌ／ｍ３Ｎであるため、これに比べるとＢＦＧやＣＯＧは燃焼性が劣る燃焼特性を有している。
【００３９】
そして、ＣＯＧバーナ１７は火炉３の上段に位置するため、出口７に設置されている過熱器９との距離が近い。また、下段及び中段のＢＦＧバーナ１５の火炎からの上昇流の影響もあり、火炎が長炎化すると、火炎が火炉３の上部に流動して過熱器９下部に接触する可能性が高まってしまう。通常、ＢＦＧバーナとＣＯＧバーナの混焼パターンは、ＢＦＧ／ＣＯＧ（燃料の発熱量の比）が５０／５０であるが、運用条件によって６０／４０〜４０／６０の範囲で対応させる。ＢＦＧ燃料はＣＯＧ燃料に対して発熱量が１／５以下程度であるため、一本当たり同一の入熱とするためには、ＢＦＧはＣＯＧに対して５倍以上燃料を投入する必要がある。そのため、図２に示すように燃料ダクトが大きくなり、バーナも大きくなる。
【００４０】
そして、特にボイラ１の負荷が高く、且つＢＦＧ燃料に対してＣＯＧ燃料の割合（発熱量の割合）が高い場合は、高負荷に伴うＢＦＧバーナ１５による上昇流の増加及びＣＯＧ燃料の増加に伴う長炎化によって過熱器９下部に接触する可能性が高くなる。火炎を短炎化するためには、空気とＣＯＧ燃料との混合を促進して燃焼性を良好とすることが必要である。
【００４１】
ＣＯＧ燃料搬送管２９に供給されるＣＯＧは、図４に示すように、スクロール形状の燃料導入管４３により一次空気搬送管２１の軸と略直交する方向から導入されて一次空気搬送管２１の外周に沿って螺旋状（矢印Ｄ方向）に旋回しながら流動し、ＣＯＧ燃料搬送管２９の出口先端から火炉３内に噴出する。
【００４２】
また、一次空気流路２３を矢印Ｂ方向に流れる一次空気は出口部のスワラ２５によって旋回流となり、更に末広がり状に形成された先端部２１ａによって外側に流れることで、ＣＯＧとより早く混合する。そして、二次空気流路３５からはエアレジスタ４１によって旋回力が与えられた二次空気が噴出することで、内側のＣＯＧとの混合がより促進されると共に、二次空気の旋回によって、バーナ近傍に再循環領域Ｗが形成されることで、短炎化にも繋がる。
【００４３】
このように、ＣＯＧ、一次空気、二次空気がそれぞれ旋回流となって、且つＣＯＧが内側の一次空気と外側の二次空気により挟み込まれることで、燃料と空気との混合が促進されて燃焼性が向上する。
【００４４】
また、ＣＯＧ燃料搬送管２９の出口先端に保炎器４５を設けると、保炎器４５近傍で渦流Ｕが形成されることで、ＣＯＧの燃焼が促進され、短時間で燃焼が完結することで、より短炎化を図ることができる。この保炎器４５は、図５に示すように歯型形状とすれば、丸枠Ｚの拡大図に示すように、歯に当たって歯の両側方、上方向から渦が生じる。渦はＣＯＧと空気との混合を促進すると共に、逆向きの流れでもあるので火炎を保持しやすくする作用がある。従って、渦流が効率よく形成され、着火性が良好となって、燃料を早く燃焼させることができる。
【００４５】
尚、エアレジスタ４１を絞り二次空気に強旋回をかけることで、ＣＯＧと空気との混合は促進されるが、エアレジスタ４１を絞りすぎると、二次空気の圧力損失が増加するため、二次空気はエアレジスタ４１により中〜強旋回を与えることが望ましい。一次空気はスワラ２５により弱旋回を与えることで、大きな再循環領域Ｗを作り出す。この再循環領域Ｗは高温ガスをバーナ近くに戻す作用があり、燃焼状態を格段に良好にする。
【００４６】
ＣＯＧ燃料が多量の場合は、燃料に対する空気比を増加させれば燃焼性が向上するものの、ＮＯｘ濃度が増加してしまうため、空気比を１以下に抑えることが望ましい。
以下に、図３のＣＯＧバーナ１７を用いた場合の燃焼性能の評価結果を示す。尚、図６にも、同じバーナを示している。  
【００４７】
本実施例の妥当性を検証するために流動解析を実施した。解析ソフトは、汎用流体解析ソフト(Ａｎｓｙｓ  Ｆｌｕｅｎｔ)（アンシス・ジャパン株式会社製）を用い、解析手法は、有限体積法を適用した。解析条件として、一次空気のＳｗ（スワール数）を０．１、二次空気のＳｗを０．５、ＣＯＧのＳｗを０．４とした。
【００４８】
また、ＣＯＧの燃焼性状は表１とした。バーナ負荷は定格（１００％負荷）条件をベース（バーナ一本の容量は蒸発量ベースで３０ｔ／ｈである）として一次、二次の燃焼用空気量及び燃料量の計画値を適用した。具体的には、一次空気量を４．３ｔ／ｈ、二次空気量を１７．４ｔ／ｈ、一次及び二次空気温度が１６０℃、ＣＯＧ量３５００ｍ３Ｎ／ｈ、ＣＯＧ温度が４０℃の計画条件を用いた。また、一次空気と二次空気の流量配分は２３％（一次）対７７％（二次）とした。
【００４９】
そして、ＣＯＧ、一次空気、二次空気は全て同一方向の旋回とし、空気比（理論空気量に対する割合）は０．９５とした。
尚、スワール数とは、旋回を伴う流れにおいて、旋回の強さを表す無次元数であり、下記式（１）で表され、スワール数が大きいほど旋回の強い流れとなる。  
【００５０】
Ｓｗ＝Ｇθ／（ＧｘＲ）  （１）  
Ｇθ：周方向角運動量  Ｇｘ：軸方向運動量  Ｒ：管の半径
比較例１として、一次空気、二次空気、ＣＯＧの全てが旋回無しの場合、比較例２として、一次空気とＣＯＧは旋回無しで二次空気のみ旋回有りの場合とし、流動状態を比較するため解析を実施した。
【００５１】
尚、比較例１では、図６に示すスワラ２５及びエアレジスタ４１がないバーナ装置を用いて、ＣＯＧ燃料を燃料導入管４３によらずに一次空気搬送管２１と同軸方向から導入することで行い、比較例２では、図６に示すスワラ２５がない（エアレジスタ４１はある）バーナ装置を用いて、同じくＣＯＧ燃料を一次空気搬送管２１と同軸方向から導入することで行った。即ち、比較例１では、一次空気、二次空気、ＣＯＧの全てが直線流となり、比較例２では、二次空気のみエアレジスタ４１によって旋回流となるが、一次空気とＣＯＧは直線流となる条件である。
【００５２】
バーナ先端Ｅからの軸方向距離Ｘ＝０．１ｍ、０．２ｍ、０．４ｍの地点における最も空気濃度の低い箇所（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）及びバーナ先端からの軸方向距離Ｘ＝０．１ｍ、０．５ｍ、２．０ｍの地点における最も空気濃度の高い箇所（Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６）の空気濃度を解析した結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
0006664825.tif 000003
【００５４】
空気濃度の測定は、燃焼反応は無視した条件下で上記解析ソフトによる定常解析を行った。各条件における燃料に対する空気濃度の分布を流動解析によって算出し、数値化して比較評価を行った。
【００５５】
最も空気濃度の低い箇所に着目した場合は、空気濃度の最小値が上昇する程混合が進んでいると言える（０％で燃料と未混合、１００％で燃料と完全混合）。この地点は、概ねＣＯＧ燃料搬送管２９の出口先端から火炉３内に噴出するＣＯＧ燃料流の軌跡上にある。比較例１では、バーナ先端から０．４ｍの地点Ｐ３においても７％、比較例２でも１１％に留まるが、実施例では４７％と大幅にアップする。従って、明らかに混合が促進されていることが分かる。
【００５６】
また、最も空気濃度の高い箇所に着目した場合は、空気濃度の最大値が低下する程混合が進んでいると言える（１００％で燃料と未混合、０％で燃料と完全混合）。この地点は、概ね一次空気搬送管２１の出口先端から火炉３内に噴出する一次空気流の軌跡上にある。比較例１では、バーナ先端Ｅから２．０ｍの地点Ｐ６においても６３％、比較例２でも５９％であるものの、実施例では５３％と低下する。従って、明らかに混合特性が優れていると言える。
【００５７】
図７には、上記実施例、比較例１、比較例２における一次空気、二次空気、ＣＯＧの速度分布及びガス流れを解析した結果を示す。解析条件は、表２の条件と同様とした。
図７（Ａ）には比較例１を、図７（Ｂ）には比較例２を、図７（Ｃ）には実施例を示している。比較例１の二次空気の流れでは、再循環領域が全く形成されていないことが分かる。一方、二次空気を旋回させた比較例２では、再循環領域Ｇが形成されているが、バーナからかなり離れていることが分かる。
【００５８】
一方、実施例では、バーナ近傍に再循環領域Ｈが形成されている。また、バーナ中央部からの逆流はバーナ近傍で軸方向速度が０付近となった後、円滑にバーナ火炎に沿って流れる特徴があり、バーナ近傍での着火性、保炎性が確実に向上する流動特性になっている。
【００５９】
以上のことから、本実施例のＣＯＧバーナ１７によってバーナ火炎の短炎化が達成され、火炎が過熱器９の下部に接触する可能性が低減すると共に、過熱器９の損傷の副因となるポテンシャルを解消できる。従って、コンパクトな火炉のボイラが実現する。
【００６０】
また、ＣＯＧ燃料量が少ない又は低濃度の場合は、安定燃焼を保持するために、助燃燃料による補助燃焼が必要となる。その場合は、支持部材２７を単なるスワラ２５の支持に用いるだけではなく、助燃バーナとすれば助燃燃料が燃焼用空気と共に火炉３に投入される。例えば、油バーナ又はガスバーナとし、また助燃燃料としては、油、ガス、副生油、副生ガス等特に指定はないが、例えばＬＰＧなどで良い。
【００６１】
尚、ＢＦＧバーナ１５もＣＯＧバーナ１７と同様の構成としても良い。本構成を採用することにより、ＣＯＧよりも発熱量の低いＢＦＧの燃焼性も良好となり、より一層バーナ火炎の短炎化作用が大きくなる。また、ＣＯＧバーナ１７の長炎化に寄与するＢＦＧバーナ１５の火炎からの上昇気流も抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
低カロリーガスの燃料を用いたバーナ装置として、利用可能性がある。
【符号の説明】
【００６３】
１  ボイラ               ３  火炉
５  ノーズ               ７  火炉出口
９  過熱器               １１  前壁
１３  後壁               １５  ＢＦＧバーナ
１７  ＣＯＧバーナ       １９  ＡＡＰ
２１  一次空気搬送管     ２３  一次空気流路
２５  スワラ             ２７  支持部材
２９  ＣＯＧ燃料搬送管   ３１  ＣＯＧ燃料流路
３３  二次空気搬送管     ３５  二次空気流路
３９  風箱               ４１  エアレジスタ
４３  燃料導入管         ４５  保炎器
【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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【図６】
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【図７】
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