(57)【要約】【課題】ＮＯｘ発生量の低減を図り、さらに燃焼コーンの過熱を抑制してバーナの耐久性を向上させる。【解決手段】中央に燃料噴射ノズル１、燃焼噴射ノズル１の周囲に一次空気筒２及び二次空気筒３を設け、一次空気筒内を一次空気流路４、一次空気筒と二次空気筒の間を二次空気流路５とし、二次空気流路下流側端面には、燃料噴射ノズルよりも下流側に延出している複数の空気ノズル６を配置しており、二次空気流路下流側端面よりも下流側には、両端を開口している環状の燃焼コーン７を設けている自己再循環バーナにおいて、環状に配置している空気ノズル列の外周径をＤとしたとき、燃焼コーンの内径はＤ以上であって１．２Ｄ以下とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央に燃料噴射ノズル、燃焼噴射ノズルの周囲に一次空気筒、一次空気筒の周囲に二次空気筒を設け、一次空気筒内を一次空気流路、一次空気筒と二次空気筒の間を二次空気流路とし、二次空気流路下流側端面は、燃料噴射ノズルよりも下流側に延出している複数の空気ノズルを配置した以外の部分を閉塞しており、二次空気流路下流側端面よりも下流側には、両端を開口している環状の燃焼コーンを設け、空気ノズル及び燃焼コーンは、燃料噴射ノズルから噴射する燃料の噴射角外に設置している自己再循環バーナにおいて、環状に配置している空気ノズル列の外周径をＤとしたとき、燃焼コーンの内径はＤ以上であって１．２Ｄ以下としたことを特徴とする自己再循環バーナ。
【請求項２】
請求項１に記載の自己再循環バーナにおいて、燃焼コーンの長さをＬとしたとき、空気ノズルと燃焼コーンの重なり幅は０以上であってＬ／５以下としたことを特徴とする自己再循環バーナ。
【請求項３】
中央に燃料噴射ノズル、燃焼噴射ノズルの周囲に一次空気筒、一次空気筒の周囲に二次空気筒を設け、一次空気筒内を一次空気流路、一次空気筒と二次空気筒の間を二次空気流路とし、二次空気流路下流側端面は、燃料噴射ノズルよりも下流側に延出している複数の空気ノズルを配置した以外の部分を閉塞しており、二次空気流路下流側端面よりも下流側には、両端を開口している環状の燃焼コーンを設け、空気ノズル及び燃焼コーンは、燃料噴射ノズルから噴射する燃料の噴射角外に設置している自己再循環バーナにおいて、燃焼コーンは上流側開口径よりも下流側開口径の方が小さくなるように先細りの構造としたことを特徴とする自己再循環バーナ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の自己再循環バーナにおいて、一次空気流路下流側端面から燃焼コーン開口面までの距離よりも、二次空気流路下流側端面から燃焼コーン開口面までの距離の方が大きくなるようにしたことを特徴とする自己再循環バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は燃焼コーンを持った自己再循環バーナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開２００１−２５４９１３号公報には、二次空気流路下流側端面から下流側に延出した空気ノズルと、空気ノズルを覆う環状の燃焼コーンを設けたバーナが記載されている。本バーナの場合、燃焼コーンの先側へ噴出した燃焼排ガスの一部が、燃焼コーンの周囲を通って燃焼コーンの上流側へ還流し、燃焼コーンの上流側に設置している空気ノズルの間を通って燃焼コーン内に循環するため、排ガス再循環の作用によってＮＯｘ発生量を削減することができる。該バーナの場合、それ以前のバーナに比べるとＮＯｘ発生量を大幅に削減することができたが、燃焼室負荷が高い小型ボイラ等に適用する場合においては、ＮＯｘ発生量の更なる削減が望まれていた。また、燃焼コーンを設けることで、排ガス再循環の効果は大幅に向上するが、循環している排ガスは高温であるために排ガスが燃焼コーンを加熱することになり、温度の上昇によって燃焼コーンの寿命が短くなるという問題があった。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２５４９１３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、ＮＯｘ発生量の更なる低減を図り、さらに燃焼コーンの過熱を抑制してバーナの耐久性を向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、中央に燃料噴射ノズル、燃焼噴射ノズルの周囲に一次空気筒、一次空気筒の周囲に二次空気筒を設け、一次空気筒内を一次空気流路、一次空気筒と二次空気筒の間を二次空気流路とし、二次空気流路下流側端面は、燃料噴射ノズルよりも下流側に延出している複数の空気ノズルを配置した以外の部分を閉塞しており、二次空気流路下流側端面よりも下流側には、両端を開口している環状の燃焼コーンを設け、空気ノズル及び燃焼コーンは、燃料噴射ノズルから噴射する燃料の噴射角外に設置している自己再循環バーナにおいて、環状に配置している空気ノズル列の外周径をＤとしたとき、燃焼コーンの内径はＤ以上であって１．２Ｄ以下としたことを特徴とする自己再循環バーナである。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、前記の自己再循環バーナにおいて、燃焼コーンの長さをＬとしたとき、空気ノズルと燃焼コーンの重なり幅は０以上であってＬ／５以下としたことを特徴とする自己再循環バーナである。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、中央に燃料噴射ノズル、燃焼噴射ノズルの周囲に一次空気筒、一次空気筒の周囲に二次空気筒を設け、一次空気筒内を一次空気流路、一次空気筒と二次空気筒の間を二次空気流路とし、二次空気流路下流側端面は、燃料噴射ノズルよりも下流側に延出している複数の空気ノズルを配置した以外の部分を閉塞しており、二次空気流路下流側端面よりも下流側には、両端を開口している環状の燃焼コーンを設け、空気ノズル及び燃焼コーンは、燃料噴射ノズルから噴射する燃料の噴射角外に設置している自己再循環バーナにおいて、燃焼コーンは上流側開口径よりも下流側開口径の方が小さくなるように先細りの構造としたことを特徴とする自己再循環バーナである。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、前記の自己再循環バーナにおいて、一次空気流路下流側端面から燃焼コーン開口面までの距離よりも、二次空気流路下流側端面から燃焼コーン開口面までの距離の方が大きくなるようにしたことを特徴とする自己再循環バーナである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明の第１実施例におけるバーナの断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は第２実施例におけるバーナの断面図、図４は従来バーナ（特開２００１−２５４９１３号公報）の断面図である。なお、各図において、構成部品自体は共通するため、同じ符号を付記しておく。
【００１０】
まず第１実施例の構成から説明する。中央に燃料噴射ノズル１、燃焼噴射ノズル１の周囲に円筒形の一次空気筒２、一次空気筒２のさらに周囲にも円筒形の二次空気筒３を設ける。一次空気筒２及び二次空気筒３の上流側には、ウインドボックス９（一部のみ記載）を設けておき、一次空気筒２の内側を一次空気流路４、一次空気筒２と二次空気筒３の間を二次空気流路５とする。一次空気流路４の下流側端面は、燃料噴射孔と一次空気孔を設けたディフューザ８で閉塞し、二次空気流路５の下流側端面には、二次空気流路５の先端よりも下流側へ向けて延出している複数の空気ノズル６を設け、空気ノズル６を設けている部分以外の面は閉塞する。空気ノズル６は、周方向に一定の間隔を開けて環状に配置した８本のパイプからなり、複数設置した空気ノズル６の先端を覆うように環状の燃焼コーン７を設ける。燃焼コーン７は、二次空気流路５の下流側先端面から所定の間隔を開けて配置している円筒であり、上流側と下流側の両端は開口している。燃焼コーン７の下流側は先細りになるようにテーパ構造としており、下流側の開口径を上流側の開口径よりも小さく絞り込んでいる。
【００１１】
燃料噴射ノズル１は、燃料を末広がりの円錐状に噴射するものであり、下流側では燃料噴射範囲が広くなるため、空気ノズル６及び燃焼コーン７は、燃料噴射ノズル１から噴射した燃料の直射を受けないように、燃料噴射ノズル１から噴射する燃料の噴射角外に設置しておく。環状に配置している空気ノズル列の外周径をＤとし、燃焼コーン７の上流側開口から下流側開口までの長さをＬとする。この時、燃焼コーン７の上流側開口部における内径は、Ｄ以上であって１．２Ｄ以下とし、空気ノズル６と燃焼コーン７の重なり幅は、０以上であってＬ／５以下としておく。
【００１２】
バーナの燃焼を行う場合、燃料噴射ノズル１から噴射する燃料と、ディフューザ８及び空気ノズル６から噴射する燃焼用空気を混合しながら燃焼を行う。燃料噴射ノズル１から噴射した燃料は、まず一次空気流路４を通ってディフューザ８から噴射された一次空気と混合し、その後に二次空気流路５を通って空気ノズル６から噴射された二次空気と混合する。燃料は燃焼用空気と混合することで燃焼し、燃焼コーン７の下流側開口部から先へ火炎となって噴出する。この場合、ディフューザ８の下流側に負圧が発生するため、燃焼によって発生した燃焼ガスの一部は排ガス再循環用の排ガスとなり、燃焼コーン７の外側を通って燃焼コーン上流側から燃焼コーン内へ循環する排ガス自己再循環を形成する。
【００１３】
本実施例のバーナでは、空気ノズル列の外周径をＤとしたとき、燃焼コーンの上流側開口部における内径をＤ以上であって１．２Ｄ以下としており、空気ノズル６と燃焼コーン７の間隔を狭くしている。空気ノズル６の噴射口から二次空気の噴射を行うと、空気流は末広がりに拡散することになるが、空気ノズル６と燃焼コーン７の間隔を狭くしていると、空気ノズル６から燃焼コーン７の壁面側、つまり周方向へ広がる空気流は、燃焼コーン７の内壁に沿って流れることになり、それ以上に拡散することはなくなる。
【００１４】
従来のバーナの場合、燃焼コーン７の径を空気ノズル列の外周径と対応させて設定することは行っておらず、空気ノズル６と燃焼コーン７の間隔は比較的広く空いていた。空気ノズル６と燃焼コーン７の間隔が広いと、空気ノズル６から周方向へ広がる空気流は、空気ノズル列の外周径から外側へ大きく広がっていくことになり、空気流の直進性が弱まることになる。燃焼コーン７内での空気流の直進性が弱まると、燃焼コーン７から噴射する燃焼ガスの流速が遅くなるため、排ガスの循環が少なくなり、また燃焼コーン７から噴射した後の火炎は拡散することになっていた。
【００１５】
本発明では、空気ノズル６と燃焼コーン７の間隔を狭めることで、空気流の周方向への拡散を防止し、空気流の直進性を向上しているため、排ガス自己再循環を促進することができ、ＮＯｘ発生量を削減することができる。また、排ガス循環量を多くすると、排ガスの熱によって噴射燃料の気化が促進されるため、燃焼性を向上することができる。
【００１６】
さらに、空気ノズル６と燃焼コーン７の間隔を狭くすると、燃焼コーン７の温度上昇を防止することができるという効果も得ることができる。循環している排ガスは高温であり、排ガスが燃焼コーン７を加熱するため、燃焼コーン７は高温となって寿命が短くなるという問題があった。空気ノズル６と燃焼コーン７の間隔が広い場合には、循環してきた排ガスが空気ノズル６と燃焼コーン７の間を通ることになり、また、空気ノズル６から拡散している空気流が燃焼コーン７の内壁面に達するまでに時間が掛かり、燃焼コーン７の内壁面に沿って流れる空気量が少なくなるため、燃焼コーン７が高温になっていた。しかし、空気ノズル６と燃焼コーン７の間隔が狭くすると、空気ノズル６と燃焼コーン７のすきまを通る排ガス量は少なくなるために燃焼コーン７への加熱量が少なくなり、燃焼コーン７の内壁面に沿って流れる空気量が多くなるため、燃焼コーン７を内側から冷却することができるようになる。空気流による冷却によって燃焼コーン７の温度上昇を抑制することができるので、燃焼コーン７の耐久性を向上させることができる。
【００１７】
燃焼コーン７の内径が、空気ノズル列の外周径Ｄの１．２倍より大きくなると、空気ノズル６と燃焼コーン７の間隔が広くなるために上記の効果は少なくなる。燃焼コーン７は空気ノズル６の外側に設けるため、燃焼コーン７の内径は空気ノズル列の外周径Ｄより小さくなることはないが、空気ノズル６と燃焼コーン７の間隔は０であってもよい。そのため、燃焼コーン７の内径はＤ以上であって１．２Ｄ以下の範囲内とする。
【００１８】
また、本実施例のバーナは、燃焼コーン７の長さをＬとしたとき、空気ノズル６と燃焼コーン７の重なり幅を、０以上であってＬ／５以下となるように、空気ノズル６と燃焼コーン７の重なり幅を小さくしている。
【００１９】
従来のバーナの場合、空気ノズル６と燃焼コーン７の重なり幅を燃焼コーン７の長さと対応させて設定することは行っておらず、空気ノズル６は燃焼コーン７の下流側開口近くまで延出していた。空気ノズル６の先端から燃焼コーン７の下流側開口までの距離が短いと、空気流が燃焼コーン７の内壁に沿って流れる距離は短くなり、空気流を燃焼コーン７の内壁に沿わせて整流することによる直進性向上の作用を得ることができなくなり、空気流の直進性が損なわれると排ガスの循環量が少なくなる。
【００２０】
本発明では、空気ノズル６と燃焼コーン７の重なり幅を小さくすることで、空気流が燃焼コーン７の内壁に沿って流れる距離を長くしているため、空気流の直進性を向上することができ、排ガス自己再循環の促進によってＮＯｘ発生量を削減することができる。
【００２１】
さらに、空気ノズル６と燃焼コーン７の重なり幅を小さくすることは、燃焼コーン７を冷却する効果を得ることにもつながる。空気ノズル６と燃焼コーン７の重なり幅が大きい場合には、空気流の燃焼コーン７の内壁面に沿って流れる距離が短くなり、空気流による燃焼コーン７の冷却効果は少なくなっていた。しかし、空気ノズル６と燃焼コーン７の重なり幅を小さくして、空気流が燃焼コーン内壁面に沿って流れる距離を長くすると、空気流による燃焼コーン７の冷却量を増加することができる。空気流による冷却によって燃焼コーン７の温度上昇を抑制することで、燃焼コーン７の耐久性を向上させることができる。
【００２２】
空気ノズル６と燃焼コーン７の重なり幅が、燃焼コーン７の長さＬの２０％よりより大きくなると、上記の効果は少なくなる。また、空気ノズル６と燃焼コーン７が全く重なっていないと、空気ノズル６から噴射した空気流が燃焼コーン７内に入らずに漏れ出る恐れがあるため、重なり幅を０より小さくすることはできない。そのため、空気ノズル６と燃焼コーン７の重なり幅は０以上であってＬ／５以下の範囲内とする。
【００２３】
燃焼コーン７の上流側開口径よりも下流側開口径の方が小さくなるように、燃焼コーン７を先細りの構造とした場合にも、空気ノズル６と燃焼コーン７の間隔を狭めた場合と同様な効果を得ることができる。燃焼コーン７が先細りの構造であれば、下流側へ行くほど空気ノズル６の延長線と燃焼コーン７の間隔が狭まるため、空気ノズル６から噴射した空気流は燃焼コーン７の内壁面に沿って流れ、燃焼コーン７の内壁による整流によって直進性がアップすることになる。
【００２４】
また、燃焼コーン７の開口面積を先細りにしたことにより、燃焼コーン７内を移動する燃焼ガスの流速自体が上昇することになる。燃焼ガスの流速が上昇すれば、燃焼コーン７の上流側と下流側における圧力差が増大するため、排ガスの循環量が増加し、ＮＯｘの発生を更に抑制することができる。また、燃焼ガスの流速上昇は火炎を下流側へシフトさせる作用もあり、火炎の局部高温領域の形成を抑制することによるＮＯｘ低減効果を得ることもできる。燃焼コーン７の内径、空気ノズル６と燃焼コーン７の重なり幅、燃焼コーン７の先細り構造は、いずれかのみを実施した場合でも効果があり、複数を組み合わせることでより大きな効果を得ることができる。
【００２５】
次に第２の実施例である図３に基づいて説明を行う。図３の場合、基本的には図１と同じであり、二次空気筒先端までの長さを短縮し、ディフューザ８から燃焼コーン７の開口面までの距離よりも、二次空気流路５の下流側端面から燃焼コーン７の開口面までの距離の方が大きくなるようにしたことと、燃焼コーン７のテーパ構造を燃焼コーン７の全体にしたことで相違している。
【００２６】
一次空気筒２の長さを短くすることで燃料噴射ノズル１から燃焼コーン７までの距離が長くなると、燃料噴射ノズル１から末広がりに噴射している燃料が燃焼コーン７に付着するなどの制約があるため、一次空気筒２の長さを自由に短くすることはできない。これに対し、二次空気筒３の長さを短くすることで二次空気流路の下流側端面から燃焼コーン７までの距離を長くする場合には、前記の制約はない。一次空気流路４の下流側端面と二次空気流路５の下流側端面を段違いとすることで、燃料噴射ノズル１から燃焼コーン７までの距離は変えずに、二次空気流路５から燃焼コーン７までの距離のみを伸ばすことができる。
【００２７】
二次空気流路５の下流側端面から燃焼コーン７までの距離を大きくすると、二次空気流路５から燃焼コーン７までの間に形成される負圧領域を大きく確保することができ、排ガスが循環しやすくなるため排ガス自己再循環量を増加することができる。また、空気ノズル６と燃焼コーン７の重なり幅を小さくするために空気ノズル６の長さを短くした場合、空気ノズル６内での二次空気流の直進性が不十分になることがあるが、二次空気流路５と燃焼コーン７の距離を大きくすれば、空気ノズル６の長さは長くなるため、二次空気流の直進性を確保することもできる。
【００２８】
燃焼コーン７のテーパ構造は、燃焼コーン７の下流側部分で一気に絞る形状と、燃焼コーン７の上流側から下流側にかけて直線的に絞る形状が考えらるが、燃焼コーン７の上流側と下流側における圧力差の増大作用は、いずれでも得られるため、状況に応じて選択することができる。
【００２９】
燃焼コーン７の径を途中までは一定とし、燃焼コーン７の下流側部分で絞る形状とした場合、燃焼コーン７の内壁を沿って流れている空気流は、テーパ部によって内側に方向転換することで、末広がりの燃焼ガス流と大きな角度を持って衝突することになるため、テーパ部分で空気流が減速する。そのため、燃焼コーン７の上流側から燃焼コーン７内へ入ってきた循環排ガス流は、燃焼コーン７の内壁付近へ向かう流れが減少し、燃焼コーン７の中央へ向かう流れが増加する。燃焼コーン７の中央部へ送る循環排ガス量を増加することで、燃料の気化を促進することができ、燃焼性を向上させることができる。
【００３０】
また、燃焼コーン７の全体で直線的に絞る形状とした場合、燃焼コーン７の内壁を沿って流れている空気流と、末広がりの燃焼ガス流との衝突角度は小さくなるため、空気流の減速は少ない。そのため、空気流が燃焼コーン７の内壁に沿って流れやすくなり、燃焼コーン７を冷却する効果が高くなる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明を実施することで、ＮＯｘ発生量の更なる低減を行うことができ、燃焼コーンの過熱を抑制してバーナの耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例におけるバーナの断面図
【図２】図１のＡ−Ａ断面図
【図３】本発明の第２実施例におけるバーナの断面図
【図４】従来バーナの断面図
【符号の説明】
１　燃料噴射ノズル
２　一次空気筒
３　二次空気筒
４　一次空気流路
５　二次空気流路
６　空気ノズル
７　燃焼コーン
８　ディフューザ
９　ウインドボックス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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