(57)【要約】【課題】フューエルＮ分を含む液体燃料を使用し、小型貫流ボイラ等の高負荷環境下で使用した場合であっても、ＮＯｘの発生を抑制することができる液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置を提供する。【解決手段】内筒１１内の噴出ノズル１５から噴出される液体燃料に、合計空気量が理論空気量よりも少量の燃焼用一次空気および燃焼用二次空気を順に供給して還元炎を発生させるとともに、その際に生じる燃焼熱によって未燃の油分をガス化して燃焼ガスとする。そして、各開口部１８から傾斜板部１３ｂの傾斜角θに支配される方向に燃焼用三次空気を分割して排出して燃焼ガスに部分的に供給し酸化炎を発生させる。これによって多段燃焼、分割燃焼させてＮＯｘの発生を抑制するとともに、火炎が下流側に伸び過ぎるのを防止する。【選択図】                        図１
2004333067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全空気量の８〜１２％の燃焼用一次空気が供給される内筒と、この内筒内に設けられるとともに燃料供給管を介して供給される燃料を下流側に向けて噴出する噴出ノズルと、この噴出ノズルの下流側に配される保炎板と、前記内筒の外周部に配され、その内筒との間に全空気量の８８〜９２％の燃焼用二次空気が通過する環状の二次空気供給路を形成するとともに、その下流端に截頭円錐筒形状の傾斜板部を有する外筒と、前記内筒の下流端と前記傾斜板部の下流端との会合部に設けられる複数の開口部を備え、前記二次空気供給路を通して供給される燃焼用二次空気を前記傾斜板部に沿わせるとともに、前記開口部により分割して排出することを特徴とする液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置。
【請求項２】
燃焼用一次空気が供給される内筒と、この内筒内に設けられるとともに燃料供給管を介して供給される燃料を下流側に向けて噴出する噴出ノズルと、この噴出ノズルの下流側に配される保炎板と、前記内筒の外周部に配され、その内筒との間に燃焼用二次空気が通過する環状の二次空気供給路を形成する中間筒と、前記中間筒の外周部に配され、その中間筒との間に燃焼用三次空気が通過する環状の三次空気供給路を形成するとともに、その下流端に截頭円錐筒形状の傾斜板部を有する外筒と、前記中間筒の下流端と前記傾斜板部の下流端との会合部に設けられる複数の開口部を備え、前記三次空気供給路を通して供給される燃焼用三次空気を前記傾斜板部に沿わせるとともに、前記開口部より分割して排出することを特徴とする液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置。
【請求項３】
前記燃焼用一次空気量、燃焼用二次空気量および燃焼用三次空気量の全空気量に対する比率は、それぞれ２〜８％、２０〜３５％、６０〜８５％である請求項２に記載の液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置。
【請求項４】
前記外筒の傾斜板部の外周面には、その傾斜板部と所要間隔を隔てて燃焼排ガス再循環用の傾斜板部が設けられる請求項１〜３のいずれかに記載の液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置。
【請求項５】
前記外筒には、その外筒の外側の燃焼排ガスを前記外筒内に還流させる還流通路が設けられる請求項１〜３のいずれかに記載の液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼に伴い発生するＮＯｘを抑制できる液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃焼に伴い発生するＮＯｘを抑制するために、フューエルＮ分を含まない気体燃料を用いる燃焼装置が実用に供されている。この種の燃焼装置は、火炎制御が容易でかつフューエルＮ分を含有しない気体燃料が使用されるため燃焼ＮＯｘの発生を容易に抑制することができるという長所を備えてはいるものの、高価な気体燃料を用いるためランニングコストが高くつくという問題点がある。
【０００３】
そこで、ランニングコストを抑えるために、ＮＯｘの抑制が困難ではあるが比較的低コストの液体燃料を用い、この種の液体燃料の燃焼時に発生するＮＯｘの発生量を低減できる液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２９６４１１号公報
【０００５】
前記特許文献１に記載の窒素酸化物低減バーナ（以下「従来装置１００」という。）は、図８に示されるように、燃焼室１０２の端部路壁１０２ａに装着されている。この従来装置１００において、端部炉壁１０２ａの中心部に設けたバーナスロート１０４内には、燃料噴霧ノズル１０５および点火電極１０６が配され、この点火電極１０６の近傍下流側には保炎板１０７が配されている。また、端部炉壁１０２ａの下面側には第１のウィンドボックス１１０が配されており、理論燃焼空気量よりも少ない（理論燃焼空気量の０．１〜０．６倍）一次空気１１２を前記バーナスロート１０４を通して下流側の燃焼室１０２内に供給するようにされている。ここで、前記一次空気１１２は燃料噴霧ノズル１０５から噴霧される燃料（灯油）と燃焼室１０２の上流側中央部にて互いに混合して燃焼し一次燃焼部１１４を形成するようになっている。また、前記バーナスロート１０４の外周には、第１のウィンドボックス１１０の外周に配される第２のウィンドボックス１１７からの二次空気１１８を燃焼室１０２内に噴出する複数の空気噴出ノズル１１６…が配されている。これら各空気噴出ノズル１１６…は、各空気噴出ノズル１１６…から噴出される二次空気１１８が燃焼室１０２の上流側では互いに干渉しないように、かつ前記燃焼室１０２の中心方向に二次空気を噴出するように、燃焼室１０２の中心軸方向に傾斜角θだけ傾斜した状態で、円周方向に所要間隔を隔てて配されている。なお、図中符号１１３は、第１のウィンドボックス１１０への空気供給量を制御するためのダンパであり、符号１１９は、第２のウィンドボックス１１７への空気供給量を制御するためのダンパである。
【０００６】
このように構成される従来装置１００によれば、一次空気１１２と燃料が互いに混合して燃焼する一次燃焼部１１４においては、その一次空気１１２の供給量が理論燃焼空気の０．１〜０．６であるので還元炎が発生するとともに、その際に生じる燃焼熱によって、未燃の液滴がガス化され燃焼ガスが発生する。一方、一次燃焼部１１４の外周部には、前記各空気噴出ノズル１１６から噴出される二次空気１１８が噴出されるが、この二次空気１１８は一次燃焼部１１４の還元炎と急激な反応を起さず、前記燃焼ガスと混合して燃焼し、前記還元炎と明確に区別でき、その還元炎に食い込むような炎形態を呈する酸化炎を還元炎の周囲に形成し、酸化炎と還元炎との境界面積が大きな分割火炎を発生させる。こうして還元炎と酸化炎との境界面積を大きくすることと、前記還元炎の還元作用によってＮＯｘの生成を抑制する。そして、前記酸化炎および還元炎は下流側に拡散してその燃焼を完結する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような従来装置１００においては、一次空気の供給量が理論燃焼空気量の０．１〜０．６に設定されており、残りを前記各空気噴出ノズル１１６から噴出するように構成されているが、その一次空気の供給量を低くすればするほどＮＯｘの発生量が低くなるとされている。しかしながら、前記従来装置１００によれば、二次空気が一次燃焼部１１４の下流側に供給されることになるから、一次空気量を少量にし過ぎると、一次燃焼部１１４における火炎の空気不足の状態が長くなり、燃焼状態が不安定となって煤（気相析出形）が発生する恐れがある。そのため、実用レベルでのＮＯｘ低減には限度があり、フューエルＮ分を含む液体燃料（例えばＡ重油）を使用することができないという問題点がある。また、二次空気を一次燃焼部１１４の下流で混合することから火炎自体が長くなり、炉壁への接触が生じてしまうため、高負荷環境下での使用には不適であるという問題点がある（炉負荷２００万ｋｃａｌ／ｍ３ｈが限界）。さらに、二次空気の噴霧ノズル１１６が端部炉壁１０２ａで、かつ前記バーナスロート１０４から離れた位置に設けられているため、バーナ自体が大きなものになるという問題点がある。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、燃料中にフューエルＮ分を含む液体燃料を使用しても高負荷燃焼を行うことができ、かつＮＯｘ低減ができ、さらにコンパクト化が可能な液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために第１発明による液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置は、
全空気量の８〜１２％の燃焼用一次空気が供給される内筒と、この内筒内に設けられるとともに燃料供給管を介して供給される燃料を下流側に向けて噴出する噴出ノズルと、この噴出ノズルの下流側に配される保炎板と、前記内筒の外周部に配され、その内筒との間に全空気量の８８〜９２％の燃焼用二次空気が通過する環状の二次空気供給路を形成するとともに、その下流端に截頭円錐筒形状の傾斜板部を有する外筒と、前記内筒の下流端と前記傾斜板部の下流端との会合部に設けられる複数の開口部を備え、前記二次空気供給路を通して供給される燃焼用二次空気を前記傾斜板部に沿わせるとともに、前記開口部により分割して排出することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明によれば、噴出ノズルから下流側に向け噴出された液体燃料に対して、内筒内の全空気量の８〜１２％、すなわち理論燃焼空気量よりも少量の燃焼用一次空気を供給することによって急激な燃焼反応を回避して還元炎を発生させ、その際に生じる燃焼熱によって未燃の液滴をガス化して還元成分を多く含む燃焼ガスを発生させる。そして、外筒下流端の傾斜板部の下流端との会合部に設けられる複数の開口部から、全空気量の８８〜９２％の燃焼用二次空気を前記燃焼ガスに向け排出し、その燃料ガスを空気過剰な状態で燃焼させて酸化炎を発生させ、前記還元炎との境界が明確に区別される分割炎を発生させるようにされている。こうして発生した分割炎は下流側に拡散し、その燃焼を完結する。
【００１１】
以上のように本発明によれば、少量の燃焼用一次空気および二次空気を段階的に供給して多段燃焼させるとともに、燃焼用二次空気を分割排出して分割燃焼を行わせているため、急激な燃焼反応を抑制してサーマルＮＯｘの発生を抑制することができる。また、一次燃焼空気と液体燃料との燃焼によって形成される燃焼ガスは燃焼用一次空気量が理論燃焼空気量以下であるため、燃焼ガス中の噴霧液滴の燃焼しない残余はガス化を促進されるとともに、還元成分を多く含んだものとなる。この還元成分は下流側でＮＯｘの生成を抑制する。また、本発明においては、外筒の下流端に傾斜板部が設けられているため、前記二次空気供給路内の燃焼用二次空気は、内筒の下流端と傾斜板部の下流端との会合部に設けられる複数の開口部から傾斜板部の傾きに支配される方向（内筒の中心軸方向でかつ内筒の下流端よりもやや下流方向）に排出される。そのため、前記内筒の下流端近傍位置において、燃焼ガスと燃焼用二次空気とが混合し分割火炎が発生することになるため、火炎が下流側に伸び過ぎることがない。したがって、小型貫流ボイラ等の高負荷環境下での使用に好適である。
【００１２】
また、本発明においては、従来装置のように炉壁から燃焼用の二次空気を噴出するのではなく、噴出ノズルが配される内筒と傾斜版部との会合部に設けられる開口部から燃焼用二次空気を排出するようにされているため、内筒、外筒、傾斜板部のサイズを変更することによって、噴出ノズルと開口部までの距離を容易かつ適切に調整することができる。よって燃焼用一次空気の供給から二次空気の供給までに係る時間を最適化することができ、燃焼状態を安定に保持することができ、それによって煤の発生を防止することができる。加えて、装置全体のコンパクト化も可能である。
【００１３】
次に、第２発明による液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置は、
燃焼用一次空気が供給される内筒と、この内筒内に設けられるとともに燃料供給管を介して供給される燃料を下流側に向けて噴出する噴出ノズルと、この噴出ノズルの下流側に配される保炎板と、前記内筒の外周部に配され、その内筒との間に燃焼用二次空気が通過する環状の二次空気供給路を形成する中間筒と、前記中間筒の外周部に配され、その中間筒との間に燃焼用三次空気が通過する環状の三次空気供給路を形成するとともに、その下流端に截頭円錐筒形状の傾斜板部を有する外筒と、前記中間筒の下流端と前記傾斜板部の下流端との会合部に設けられる複数の開口部を備え、前記三次空気供給路を通して供給される燃焼用三次空気を前記傾斜板部に沿わせるとともに、前記開口部より分割して排出することを特徴とするものである。
【００１４】
本発明によれば、理論燃焼空気量よりも少量の燃焼用一次および二次空気を供給した後、燃焼用三次空気を供給するようにされていることから、前記第１発明と同様、液体燃料を多段燃焼・分割燃焼させてサーマルＮＯｘの発生を抑制することができる。また、本発明によれば、燃焼用一次空気、燃焼用二次空気による燃焼は、理論燃焼空気量より少ない燃焼であるため、未燃の液滴が燃焼熱によってガス化が促進されるとともに、還元成分を多く含む燃焼ガスとなる。この還元成分の還元作用により、フューエルＮ分を含むＡ重油等が供給された場合でもＮＯｘの発生を抑制することができる。さらに、本発明においては燃焼用一次空気の供給後に燃焼用二次空気を供給することによって燃焼状態を安定化することができ、煤等の発生を抑えることができる。
【００１５】
また、本発明においては、三次空気供給路内の燃焼用三次空気を、中間筒と傾斜板部の会合部に設けられる複数の開口部から、その傾斜板部の傾きに支配される方向（中間筒の軸心方向でかつ中間筒の下流端よりも下流方向）に分割して排出するようにされているため、前記中間筒の下流端近傍で燃焼ガスと燃焼用三次空気とを混合させ分割火炎を発生させることができる。したがって、火炎が下流側に伸び過ぎることがないので小型貫流ボイラ等の高負荷環境下での使用に好適である。また、本発明においては、内筒の外周部の中間筒と傾斜板部の会合部に燃焼用三次空気の会合部が配されているため、噴出ノズルと燃焼用三次空気の排出部（開口部）までの距離を短くし装置全体をコンパクト化することも容易である。
【００１６】
前記第２発明において、前記燃焼用一次空気量、燃焼用二次空気量および燃焼用三次空気量の全空気量に対する比率は、それぞれ２〜８％、２０〜３５％、６０〜８５％であるのが好ましい（第３発明）。このようにすることで、ＮＯｘの発生を良好に抑制することができる。
【００１７】
前記第１〜第３発明において前記外筒の傾斜板部の外周面には、その傾斜板部と所要間隔を隔てて燃焼排ガス再循環用の傾斜板部が設けられるが好ましい（第４発明）。また、前記外筒には、その外筒の外側の燃焼排ガスを前記外筒内に導入して還流させる還流通路が設けられるのが良い（第５発明）。こうすることにより、燃焼排ガスを還流させることができ、急激な燃焼反応をより良好に抑えて、ＮＯｘの発生をさらに抑制することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
図１には、本発明の第１の実施形態に係る液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置の正面図（ａ）ならびに縦断面図（ｂ）が、図２には図１（ｂ）のＡ−Ａ視断面図がそれぞれ示されている。
【００２０】
本実施形態に係る液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置１は、図示されない送風機からの燃焼空気の供給を側面から受ける箱型構造のウィンドボックス２と、このウィンドボックス２に取り付けられるとともに、その先端部より火炎を下流側に発するバーナ部１０を備えている。
【００２１】
前記バーナ部１０は、円筒状の内筒１１と、この内筒１１の先端部の外周部に設けられる円筒状の中間筒１２と、この中間筒１２の外周部に配される外筒１３と、前記ウィンドボックス２内部でかつ前記内筒１１の外周部に配されるとともに、前記外筒１３の下端に連続するように設けられる第２の外筒１３’を備えている。また、前記内筒１１の内部先端部には、燃料供給管１４を介して供給される液体燃料（灯油、Ａ重油）を下流側に向け噴出する噴出ノズル１５が配されており、前記内筒１１内でかつ前記噴出ノズル１５のやや下流側には、下流側で生じる火炎を良好に保持するための保炎板１６が、内筒１１の内周面から所要の隙間を隔てて配されている（図２参照）。なお、前記保炎板１６は図示されない支持部材によって前記噴出ノズル１５に支持されており、噴出ノズル１５と保炎板１６との間には図示されない点火装置が配されている。
【００２２】
図２に示されるように、前記内筒１１の先端部外周には、環状の固定用プレート１１ａが配されており、前記内筒１１は固定部材１１ａ’を介してその固定用プレート１１ａに支持されている。この固定用プレート１１ａは第１のバーナプレート３の下面に固定され、この第１のバーナプレート３は前記ウィンドボックス２の上部壁面２’の下面に支持されている。また、前記内筒１１の基端部寄りの胴部には、その内筒１１内に燃焼用の空気（燃焼用一次空気）を供給するための複数個の連通口１１ｄが円周方向に等ピッチに穿設されている。一方、前記ウィンドボックス２の下部壁面２”の下面には中央部が肉厚にされたスリーブ４が固定されている。このスリーブ４の中央部には内筒１１が挿入され、このスリーブ４の下面に第２のバーナプレート５が固定されることで、前記内筒１１の基端部が支持されている。
【００２３】
前記第１のバーナプレート３は、図１に示されるように前記固定用プレート１１ａが下面に固定される第１の環状プレート３ａと、この第１の環状プレート３ａの外周に同心に配されるとともに、前記ウィンドボックス２の上部壁面２’の下面に固定される第２の環状プレート３ｂと、これら各環状プレート３ａ、３ｂ間の空隙部３ｃに配されて両者を互いに支持する図示されない複数個の支持部材から構成されており、前記第１の環状プレート３ａの上面外周部には前記中間筒１２の下端部が、前記第２の環状プレート３ｂの上面内周部には外筒１３の下端部が、第２の環状プレート３ｂの下面内周部には前記第２の外筒１３’の上端部がそれぞれ固定されている。また、前記第１の環状プレート３ａの内径は前記内筒１１の外径よりも大径にされており、前記内筒１１との間に環状の空隙部が形成されている。そして、この空隙部と、前記固定用プレート１１ａ−内筒１１間に形成される空隙部とによって、第２の外筒１３’−内筒１１間の空気（燃焼用二次空気）を、中間筒１２の上流域に通過させるための二次空気供給路Ｙが形成される。なお、この中間筒１２内に収まる内筒１１の先端外周部にはフランジ部材１１ｃが取り付けられ、前記二次空気供給路Ｙを介して中間筒１２内に供給された燃焼用二次空気を中間筒１２の外周方向へ迂回させるようにされている。
【００２４】
一方、前記外筒１３は、図１に示されるように、前記第２の環状プレート３ｂに固定される円筒部１３ａと、この円筒部１３ａの先端部に設けられる截頭円錐筒形状の傾斜板部１３ｂから構成されている。また、その傾斜板部１３ｂの先端部と前記中間筒１２の先端部との会合部には複数個の開口部１８が所要の間隔を隔てて形成されている。こうして、前記外筒１３−中間筒１２間の環状空間（三次空気供給路Ｚ）内の空気（燃焼用三次空気）を傾斜板部１３ｂの内面に沿って流動させ、前記各開口部１８から前記傾斜板部１３ｂの傾斜角に支配される方向（中間筒１２の軸心方向で、かつ中間筒１２の下流端よりも下流側）に噴出するようにされている。また、前記第２の外筒１３’の下端部はウィンドボックス２内で前記スリーブ４の近傍位置で開口されており、前記内筒１１の連通口１１ｄを自身の内部空間に収めるようにされている。これによってウィンドボックス２の側方から供給される燃焼空気を均一化して下流に供給するようにされている。
【００２５】
前記液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置１においては、後述の段階燃焼および分割燃焼を発生させるために、全空気量の２〜８％の燃焼空気（燃焼用一次空気）を内筒１１内部に供給し、２０〜３５％の燃焼空気（燃焼用二次空気）を二次空気供給路Ｙに、６０〜８５％の燃焼空気（燃焼用三次空気）を三次空気供給路Ｚにそれぞれ分配するのが好ましく、本実施形態においては、５．５％、３１．５％、６３．０％の燃焼空気が内筒１１内部、二次空気供給路Ｙ、および三次空気供給路Ｚにそれぞれ分配供給するようにされている。また、全体燃焼空気量は空気過剰率１．２〜１．４に設定されている。
【００２６】
このように構成される液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置１によれば、噴出ノズル１５から下流側に向け噴出され、図示されない点火装置により点火された液体燃料は、燃焼用一次空気（矢印ａ、ｂ参照；全体の５．５％）の供給を受けて燃料過剰な状態で燃焼した後、前記第２の外筒１３’内から二次空気供給路Ｙを介して中間筒１２内に排出される燃焼用二次空気（矢印ｆ、ｇ；全体の３１．５％）の供給を受けて燃焼する。ここで、前記燃焼用一次および二次空気は、全体供給量に比して少量（全体空気量に対して、合計３７．０％）であり、また全体の燃焼空気量は空気過剰率１．２〜１．４であるので、燃焼用一次空気および二次空気を合わせても理論空気量より少量である。したがって、噴出ノズル１５より噴出される液体燃料は、前記燃焼用一次および二次空気が供給された際、燃料過剰状態となり還元炎を発して燃焼する。また、燃料過剰な状態となるため、未燃の液滴が生じるが、この液滴は燃焼用一次空気が供給された際の燃焼に伴ない発生する燃焼熱および、燃焼用二次空気が供給された際に生じる燃焼熱によってガス化が促進され、還元成分をはじめ燃焼中間生成物を多く含んだ燃焼ガスとなる。そして、前記各開口部１８から、全空気量の６３％の燃焼用三次空気を分割して排出し、その燃焼ガスを空気過剰状態で燃焼させ前記還元炎との境界が明確に区別される酸化炎を発生させる。こうして、燃焼用三次空気の供給によって生じる酸化炎と、燃焼用一次、二次空気の供給によって生じる還元炎とが円周方向に交互にあらわれる分割火炎を形成する。この分割火炎は次第に下流側に拡散して、その燃焼を完結する。
【００２７】
本実施形態に係る液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置１によれば、液体燃料に対して理論燃焼用空気よりも少量の燃焼用一次、二次空気を供給して還元炎を発生させるとともに、その際に生じる燃焼ガスに燃焼用三次空気を分割供給することで、多段燃焼・分割燃焼させるため、燃焼のピーク温度を抑制して急激な燃焼反応を抑制しサーマルＮＯｘの発生を抑制することができる。加えて、前記燃焼用一次および二次空気の供給に伴ない生じる燃焼ガス中の還元成分によるＮＯｘの還元作用によってＮＯｘの発生を大幅に抑制することが可能である。そのため、Ａ重油等のフューエルＮ分を含有する液体燃料を使用した場合であっても、ＮＯｘの発生を良好に抑制することができる。また、燃焼用一次空気および二次空気が供給された際に生じる燃焼熱によって、液滴のガス化が複数回促進されることになるので、未燃の油分が発生し難いという効果もある。
【００２８】
また、本実施形態においては中間筒１２内の燃焼用二次空気の流動（矢印ｆ、ｇ参照）によって前記フランジ部材１１ｃの下流域の負圧領域に火炎が形成されるので、中間筒１２内における燃焼状態を安定化させることができ、煤の発生を防止することができる。加えて、前記燃焼用二次空気は、前記中間筒１２の内部上流域において、一旦その外周方向に迂回した後下流側に流動するため、燃焼用二次空気が、燃焼用一次空気の供給の際に生じた燃焼ガスと急激な燃焼反応を起すことがない。そのため、燃焼用二次空気を供給することによる急激な燃焼反応を回避することができる。
【００２９】
さらに、本実施形態において、三次空気供給路Ｚを構成する外筒の下流端には傾斜板部１３ｂが設けられているため、前記燃焼用三次空気は、前記中間筒１２の下流端と傾斜板部１３ｂの下流端との会合部に設けられる複数個の各開口部１８から傾斜板部１３ｂの傾斜角に支配される方向（中間筒１２の中心軸方向で、かつ中間筒１２の下流端よりも下流方向）に分割して排出され（矢印ｅ参照）、中間筒１２の下流端近傍で燃焼用三次空気と燃焼ガスが混合し燃焼する。そのため、火炎が下流側に伸び難く、ボイラの燃焼室の壁面等に直接接触し難い。したがって、小型貫流ボイラ等の高負荷環境下に使用するのに好適である。
【００３０】
なお、本実施形態において、前記傾斜板部１３ｂの円筒部１３ａに対する傾斜角θは２５〜５５°の範囲とするのが好ましく、より好ましくはθ＝３０〜５０°とするのが良い。傾斜角θを２５°以下にすると内筒１１の下流側に高温領域が形成されてＮＯｘの発生要因になるとともに、炎が下流側に過度に伸びてボイラの燃焼室の壁面、管材等に接触する恐れがあるので好ましくなく、傾斜角θを５５°以上にすると、開口部１８付近で燃焼ガスと燃焼用三次空気との急激な燃焼反応が発生して、やはりＮＯｘの発生が増加する恐れがあるので好ましくない。また、前記噴出ノズル１５に対する各開口部１８の高さＨは、前記中間筒１２の内径Ｄ以下であるのが好ましく、本実施形態においては内径Ｄの約０．７倍である。高さＨが大き過ぎると、つまり噴出ノズル１５から各開口部１８までの距離を長くし過ぎると、中間筒１２内における燃料過剰状態での燃焼時間が長くなってその燃焼状態が不安定になる恐れがあり、加えて、中間筒１２の内周面に火炎が直接接触して煤等の発生の要因になるので好ましくない。なお、本実施形態においては、フランジ部材１１ｃの下流域に負圧領域を形成できるように、フランジ部材１１ｃの外周方向の幅を、前記二次空気供給路Ｙの半径方向の幅と同一またはやや大きくなるように設定した。
【００３１】
次に、高負荷燃焼下における適性と、液体燃料を使用した際のＮＯｘの抑制効果を確認するために、本実施形態に係る液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置１を炉負荷５．２３ＭＷ／ｍ３（４５０万ｋｃａｌ／ｍ３ｈ）で、圧力０．７ＭＰａの小型貫流ボイラの燃焼室に設置し、燃料としてＡ重油（含有Ｎ分０．０２ｗｔ％）を噴出ノズル１５に供給した際の燃焼特性を調べた。以下、液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置１の燃焼特性について図３を参照しつつ説明する。
【００３２】
図３には、第１実施形態に係る液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置１を前述の小型貫流ボイラの燃焼室に設置し、かつ液体燃料（Ａ重油）を燃料として供給した際の燃焼特性図が示されている。図中“定格燃焼ＮＯｘ”および、“定格燃焼ＣＯ”で表される曲線は、それぞれ定格燃焼（燃焼量１１０．１ｋｇ／ｈ）時におけるＮＯｘの発生量および、定格燃焼時のＣＯの発生量を示す曲線であり、また、“低燃焼ＮＯｘ”および“低燃焼ＣＯ”で表される曲線は、それぞれ低燃焼時（燃焼量５５．０ｋｇ／ｈ）でのＮＯｘの発生量および、低燃焼時でのＣＯの発生量を示すものである。さらに、曲線“定格燃焼ＳＳ”で表される曲線は定格燃焼の際のスモークスケールＮＯを示すものであり、曲線“低燃焼ＳＳ”は低燃焼時におけるスモークスケールＮＯを示す曲線である。ここで、スモークスケールＮＯは、燃焼ガス中の煤の量を表すのに使用される。また、同図において横軸は煙道における排ガス中の残存Ｏ２％である。
【００３３】
図３の“定格燃焼ＮＯｘ”および“低燃焼ＮＯｘ”で表される曲線が示すように、本実施形態に係る液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置１は、過剰空気になる程ＮＯｘの発生量が低減するという特性を示す。これは、ガス燃料を空気と混合して燃焼させた際に見られる特性と同じである。また、通常ボイラの煙道内には４〜６％の残存Ｏ２が含まれているが、その範囲内におけるＮＯｘの発生量は、定格燃焼時で５０台半ば〜６０台後半（ｐｐｍ）であり、低燃焼時で５０台後半〜６０台後半（ｐｐｍ）である（Ｏ２＝０％換算）。この値はガス燃料を使用した場合に示す値と略等しく、十分に低い値であると言える。このように本実施形態における液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置１は、小型貫流ボイラで使用され、しかもフューエルＮ分を含有するＡ重油が燃料とされた場合であっても、ガス燃料並みにＮＯｘの抑制を図ることができるので、高負荷環境下での使用に十分に適応できるものと言える。なお、低燃焼時においてはＮＯｘの発生の変化率が定格燃焼時よりもやや緩やかであるが、これは、空気流速の低下によるものと考えられる。
【００３４】
次に、本発明の第２実施形態に係る液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置について説明する。なお、以下の説明において、先の実施形態と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３５】
図４には、本発明の第２の実施形態に係る液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置の正面図（ａ）および縦断面図（ｂ）がそれぞれ示されている。
【００３６】
本実施形態に係る液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置１Ａのバーナ部１０Ａは、内筒１１、中間筒１２、外筒１３、第２の外筒１３’および前記外筒１３の傾斜板部１３ｂの外周部に所要間隔を隔てて固定される截頭円錐筒状の再循環円錐板２０を備えて構成されている。この再循環円錐板２０は、前記傾斜板部１３ｂと略平行に配されており、その内径は傾斜板部１３ｂの先端部の内径よりもやや大径に形成され、その外径は円筒部１３ａの外径よりやや小径に形成されている。また、前記再循環円錐板２０と傾斜板部１３ｂとの間の空隙部には、複数個の支持部材２１が円周方向に配されており、それによって再循環円錐板２０を傾斜板部１３ｂに支持するようにされている。そして、前記再循環円錐板２０、傾斜板部１３ｂによって囲まれる空間によって、燃焼室内での燃焼に伴ない生じる燃焼排ガスを環流させるための還流通路Ｗが形成されている。なお、本実施形態において、内筒１１、中間筒１２、外筒１３の形状および、燃焼用一次〜三次空気の分配比率は先の実施形態と同様である。
【００３７】
このように構成される液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置１Ａによれば、燃焼に伴ない発生したバーナ部１０Ａ外部の燃焼排ガスの一部を、その直前における燃焼排ガス（矢印ｊ参照）の噴出による負圧を利用して、還流通路Ｗの上流側の入口ｋから還流経路Ｗ内に導入して出口ｍから噴出（矢印ｊ参照）させ、その噴出された燃焼排ガスを燃焼ガスと同伴させ、下流側での燃焼を継続させるようにされている。こうすることで、不活性ガスを含む燃焼排ガスを燃焼用三次空気と共に燃焼ガスに供給することになるので、燃焼状態を緩慢化することができＮＯｘの発生をより一層抑制することができる。なお、本実施形態においては、このような還流通路Ｗを設けて燃焼排ガスを還流させることにより、第１の実施形態の装置１に対して９．８％の低ＮＯｘ化を実現することができた。
【００３８】
本実施形態において、図５に示されるように、外筒１３Ａの円筒部１３ａの途中から先端に至る範囲を前記傾斜板部１３ｂより緩やかな角度で内周方向に向け傾斜させて傾斜板部１３ａ”とし、外筒１３Ａ−中間筒１２間に形成される三次空気供給路Ｚ’と外筒１３Ａの外部空間とを互いに連通させ、外筒１３Ａ外部の燃焼排ガスを外筒１３Ａ内に導入して還流させるようにした液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置１Ｂとすることもできる。このような装置１Ｂであっても前記第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。この場合、三次空気供給路Ｚ’内に複数個の仕切り板２５を放射状に、かつ各開口部１８の両側部に配置し、その供給路Ｚ’を中間筒１２内に連通する部分と連通しない部分とに円周方向に区画するのが好ましい。
【００３９】
このように構成される液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置１Ｂによれば、燃焼により生じるバーナ部１０Ｂ外部の燃焼排ガスの一部を、傾斜板部１３ｂ、１３ａ”、仕切り板２５、２５に囲まれた空間（還流通路Ｗ’）を通過させて（矢印ｊ’参照）、燃焼用三次空気供路Ｚ’内で燃焼用三次空気と互いに混合させた後、その燃焼用三次空気と共に各開口部１８から下流側の燃焼ガスに向けて排出するため（矢印ｅ’参照）、急激な燃焼反応を抑制することができ、ＮＯｘの発生を抑えることができる。なお、上流側の傾斜板部１３ａ”は、下流側の傾斜板部１３ｂよりも緩やかな角度で内周方向に傾斜することから、還流通路Ｗ’の入口側の断面積が出口側の断面積より広くなり、三次空気供給路Ｚ’内の燃焼ガスおよび燃焼用三次空気が外筒１３Ａの外部空間に向け逆流することがない。
【００４０】
また、前記各実施形態においては、外筒１３（１３Ａ）の先端および中間筒１２の先端と会合部に複数個の開口部１８を設け、それによって、前記燃焼用三次空気を下流側に分割供給するようにされているが、例えば、図６に示されるように、円環状の環状部材２７を前記中間筒１２の先端部に固定し、その環状部材２７に複数個の開口部１８’を水平方向にかつ、円周方向に等ピッチに設け、それよって燃焼用三次空気通過路Ｚを複数の通路に分割する等、他の方式を採用することができる。このようにした場合であっても、多段燃焼・分割燃焼によってＮＯｘの発生を抑制することができるとともに、傾斜板部１３ｂの傾斜角に支配される方向に燃焼用三次空気を排出して、分割火炎を外筒１３の下流端近傍位置に発生させ、火炎が下流側に伸び過ぎるのを防止することが可能である。
【００４１】
前記各実施形態においては、燃焼用三次空気通過路Ｚ（Ｚ’）に複数個の開口部１８（１８’）を設けて、燃焼用三次空気を分割して下流側に供給するように構成されているが、開口部１８（１８’）の個数すなわち、燃焼用三次空気の分割数を必要に応じて増減させることも勿論可能である。しかしながら、燃焼用三次空気を三分割以下に分割して下流側に供給した場合良好な分割炎を発生させるのが難しく、九分割以上に分割して供給した場合であっても同様に良好な分割炎を得ることが難しい。したがって、四〜八個の開口部１８（１８’）を三次空気供給路Ｚ（Ｚ’）に設け、燃焼用三次空気を四〜八分割して下流側に供給するのが好ましい。
【００４２】
また、前記各実施形態においては、燃焼用二次空気を迂回させるために、内筒１１の先端部にフランジ状のフランジ部材１１ｃを取り付けたが、燃焼用二次空気を迂回させることができ、中間筒１２内に火炎を安定させる負圧領域を形成できるものであれば、例えば、孔を有する物や外縁部が凸凹状にされたもの等、異なる形状のものを使用することが可能である。
【００４３】
前記各実施形態においては、燃焼空気を三段階に分けて液体燃料に供給するように構成されているが、図７に示されるように、第２の外筒１３’から中間筒１２への燃焼空気の流れを遮断して、内筒１１’内と、中間筒１２−外筒１３間の空隙部に形成される環状の燃焼用二次空気経路Ｚ”とに燃焼空気を分配した場合であっても、ＮＯｘの発生抑制および火炎の短炎化を図ることが可能である。この場合、前記各実施形態において、内筒１１の先端部に固定される環状の固定用プレート１１ａの代わりに、フランジ状の支持部材１１ａ”を取り付け、これを前記第１の環状プレート３ａの内面に固定して、ウィンドボックス２内から中間筒１２内への空気の流れを遮断するとともに、前記内筒１１内に全体供給量の約８％の燃焼用一次空気を、二次空気供給路Ｚ”に９２％の燃焼用二次空気を分配供給する。加えて、中間筒１２内での燃焼状態が不安定になるのを防止するために噴出ノズル１５から開口部１８までの高さ位置を前記各実施形態よりも低く設定する。このように構成されたものにおいても、多段燃焼・分割燃焼によって急激な燃焼反応を抑制するとともに、分割火炎を発生させてＮＯｘの発生を抑制することが可能である。また、燃焼用二次空気は傾斜板部１３ｂの内面に沿うように流動して、中間筒１２の軸心方向で、かつ中間筒１２の下流端よりも下流側に向け供給されるので分割火炎が中間筒１２の近傍位置で発生し下流側に伸びすぎることがない。よって、燃焼室の壁体に火炎が直接接触しにくいので小型貫流ボイラ等の高負荷環境下で使用することができる。
【００４４】
前記各実施形態においては、円筒状の内筒１１、中間筒１２および、円筒状の円筒部１３ａを有する外筒１３を用いたが、円筒状のものに限定する必要はなく、例えば、多角筒状のものを用いることも可能である。また、送風機から供給される燃焼空気を均一化することができるのであれば、第２の外筒１３’の配置数・配置位置等を必要に応じて任意に変更することができる。また、中間筒１２の胴部に開口部を設け、三次空気供給路Ｚ内の燃焼空気の一部をその隙間から中間筒１２内に供給した場合であっても、火炎の短炎化を図ることができる。また、中間筒１２、外筒１３を小径化する等の方法よって装置のコンパクト化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置の正面図（ａ）および縦断面図（ｂ）である。
【図２】図２は、図１（ｂ）のＡ−Ａ視断面図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置の燃焼特性図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態に係る液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置の正面図（ａ）および縦断面図（ｂ）である。
【図５】図５は、外筒内に燃焼ガスを導入するように構成された液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置の正面図（ａ）ならびに縦断面図（ｂ）である。
【図６】図６は、中間筒の先端部に固定した環状部材に、複数個の開口部を水平方向にかつ等ピッチに設けた液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置の横断面図（ａ）ならびに縦断面図（ｂ）である。
【図７】図７は、第２の外筒から中間筒への空気の流れを遮断するように構成される液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置の正面図（ａ）および縦断面図（ｂ）である。
【図８】図８は、従来装置の縦断面図である。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ、１’                  液体燃料低ＮＯｘ燃焼装置
２                                    ウィンドボックス
１１                                  内筒
１１ａ                                固定用プレート
１１ｃ                                フランジ部材
１１ｄ                                連通口
１２                                  中間筒
１３、１３Ａ、１３Ｂ                  外筒
１３’                                第２の外筒
１３ｂ、１３ａ”                      傾斜板部
１４                                  燃料供給管
１５                                  噴出ノズル
１６                                  保炎板
１８、１８’                          開口部
２０                                  再循環円錐板
２１                                  支持部材
２５                                  仕切り板
２７                                  分割板
Ｗ、Ｗ’                              還流通路
Ｙ                                    二次空気供給路
Ｚ、Ｚ’                              三次空気供給路
Ｚ”                                  二次空気供給路
【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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【図８】
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