(57)【要約】 【課題】  本発明の目的は、ＮＯｘをより効果的に低減できるバーナおよび高温空気燃焼炉を提供すること。【解決手段】高温空気燃焼炉のバーナ１では、供給ライン１２の先端に設けられる燃料噴射ノズル１２Ｃは、内管１２Ａから導入される燃料と外管１２Ｂから導入される水蒸気とを混同して粒子状にし、高圧で噴射している。これにより、蒸気アトマイジングされた燃料は、燃焼室内で緩慢燃焼させることができ、高圧噴射により粒子化されて燃焼室内に一様に噴霧させることができる。よって、燃焼室内の温度分布を一様にでき、バーナの軸線上に高温域が発生せずＮＯｘの発生量も低減できる。【選択図】 図２
2007078331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に高温の燃焼空気を貫流させるとともに、この燃焼室の排気ガスを排気する少なくとも一対の空気導通孔を備え、前記燃焼空気により前記燃焼室内の温度が一様に保持される高温空気燃焼炉に設けられるバーナであって、
燃料を水蒸気に混合させて粒子化したものを前記燃焼室に高圧噴射する燃料噴射ノズルを備えた
ことを特徴としたバーナ。
【請求項２】
請求項１に記載のバーナであって、
前記燃料噴射ノズルは、前記蒸気アトマイジングされた燃料が燃焼した状態で前記燃焼室の全体に一様に分布可能な量の水蒸気と前記燃料とを混合して粒子化させる
ことを特徴としたバーナ。
【請求項３】
請求項２に記載のバーナであって、
前記燃料噴射ノズルは、前記燃料１ｌに対して水蒸気２００ｇないし８００ｇの割合で混合した前記蒸気アトマイジングされた燃料を生成する
ことを特徴としたバーナ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のバーナであって、
前記燃料噴射ノズルは、前記蒸気アトマイジングされた燃料が前記燃焼室内に一様に分布されて燃焼できる粒子径となる圧力で、前記蒸気アトマイジングされた燃料を噴射する
ことを特徴としたバーナ。
【請求項５】
請求項４に記載のバーナであって、
前記燃料噴射ノズルは、前記蒸気アトマイジングされた燃料を０．２５ＭＰａないし１．００ＭＰａの圧力で噴射させる
ことを特徴としたバーナ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のバーナと、
高温の燃焼空気を貫流させるとともに、排気ガスを排気する少なくとも一対の空気導通孔が設けられた燃焼室と、
前記空気導通孔から前記燃焼室に前記燃焼空気を導入する空気導入装置と、
前記空気導通孔から前記燃焼室の排気ガスを排気する排気装置と、
を具備したことを特徴とした高温空気燃焼炉。
【請求項７】
請求項６に記載の高温空気燃焼炉であって、
前記空気導通孔には、蓄熱部が設けられ、
前記一対の空気導通孔のうち、前記燃焼室の排気ガスを排気する一方の空気導通孔に設けられた蓄熱部は、排気ガスから熱を吸収して蓄熱し、前記燃焼室に前記燃焼空気を導入する他方の空気導通孔に設けられた蓄熱部は、蓄熱した熱により前記燃焼空気を熱する
ことを特徴とした高温空気燃焼炉。
【請求項８】
請求項７に記載の高温空気燃焼炉であって、
前記一対の空気導通孔は、前記排気ガスの排気および前記燃焼空気の導入を所定時間毎に切り替える
ことを特徴とした高温空気燃焼炉。
【請求項９】
請求項６ないし請求項８のいずれかに記載の高温空気燃焼炉であって、
前記空気導入装置は、前記燃焼空気が前記燃焼室内で再循環可能となる流速で、前記燃焼空気を導入する
ことを特徴とした高温空気燃焼炉。
【請求項１０】
請求項９に記載の高温空気燃焼炉であって、
前記空気導入装置は、前記燃焼空気を４５ｍ／ｓないし１４０ｍ／ｓの流速で導入する
ことを特徴とした高温空気燃焼炉。
【請求項１１】
請求項６ないし請求項１０のいずれかに記載の高温空気燃焼炉であって、
前記燃焼室の高温域の温度を低下させる低温空気が常時導入される低温空気導入孔を備えた
ことを特徴とした高温空気燃焼炉。
【請求項１２】
請求項６ないし請求項１１のいずれかに記載の高温空気燃焼炉であって、
前記バーナの燃料噴射ノズルから噴射される燃料に着火するとともに、前記燃料への着火時および安定した高温空気燃焼状態に達するまでの昇温時以外は点火が停止可能なパイロットバーナを備えた
ことを特徴とした高温空気燃焼炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナおよび高温空気燃焼炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃焼によって生じるＮＯｘガスに対する排出規制は年々厳しくなっており、ＮＯｘ低減の技術開発が盛んである。燃焼時に生じるＮＯｘとしては、フューエルＮＯｘ、プロンプトＮＯｘ、およびサーマルＮＯｘがある。中でもサーマルＮＯｘは、燃焼空気中のＮ２成分が高温雰囲気中で酸化して生成され、温度依存が高く、燃焼温度が高くなるほど、生成量は急激に増大する。従って、サーマルＮＯｘは、燃焼に空気を使用する限り必ず生成され、燃料が特に灯油や窒素分の少ないＡ重油である場合には、排出されるＮＯｘの大半がサーマルＮＯｘといわれ、数多くの低減方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載のものは、バーナ本体と、このバーナ本体を前後に貫通する第一および第二空気流路と、第一および第二空気流路内に設けられる蓄熱体と、第一および第二空気流路の間の中央空気流路と、中央空気流路に設けられる燃料ノズルと、を備えた蓄熱バーナである。この蓄熱バーナでは、第一および第二空気流路は供給切換弁を有するエア供給ラインを介してエアブロアに接続されるとともに、排気ガス切換弁を有する排気ガスラインを介して誘引ファンに連結される。そして、蓄熱バーナの燃焼ノズルから火炎を噴射させる際に、第一空気流路の供給切換弁を開口して排気ガス切換弁を閉口し、第二空気流路の供給切換弁を閉口して排気ガス切換弁を開口するモード１と、第一空気流路の供給切換弁を閉口して排気ガス切換弁を開口し、第二空気流路の供給切換弁を開口して排気ガス切換弁を閉口するモード２とを交互に切り替える構成が採られている。
【０００４】
また、ＮＯｘの発生を低減させる方法としては、燃料を噴射する際に高圧にして噴射する方法や、高圧で燃料を噴霧させる高圧燃料噴霧方法、燃焼空気の流速を増大させる方法などがある。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２５６４２３号公報（第３頁左欄ないし第４頁右欄、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１のような従来のバーナやその他の従来のＮＯｘ低減方法では、ＮＯｘの発生を抑制するのに限界がある。このため、バーナや炉内での燃焼条件などをも勘案して、これらのバーナの構造および燃焼条件をさらに工夫することが要求され、これによって、近年の厳しい規制にも対応させることが望まれている。
【０００７】
本発明の目的は、ＮＯｘをより効果的に低減できるバーナ、および高温空気燃焼炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のバーナは、燃焼室に高温の燃焼空気を貫流させるとともに、この燃焼室の排気ガスを排気する少なくとも一対の空気導通孔を備え、前記燃焼空気により前記燃焼室内の温度が一様に保持される高温空気燃焼炉に設けられるバーナであって、燃料を水蒸気に混合させて粒子化したものを前記燃焼室に高圧噴射する燃料噴射ノズルを備えたことを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、燃料噴射ノズルにて燃料が水蒸気に混合されて粒子状にされ、さらに、高圧噴射によってより細かい粒子にされて噴射される。ここで、燃料を水蒸気に混合させて粒子化したものとは、燃料を水蒸気によって微粒化する蒸気アトマイジング法により生成される燃料油のことである。このような燃料油を用いると、燃料粒子の周囲に水蒸気があるため空気との混合が抑制され燃焼は緩慢となり高温空気燃焼を促進する。また、このような燃料油を高圧噴射することで、蒸気アトマイジングされた燃料がより粒子化されて燃焼室内に一様に噴霧される。したがって、蒸気アトマイジングされた燃料は燃焼室内で一様に分布された状態で緩慢燃焼し、燃焼室内の温度を一様にする。よって、燃焼室内のバーナの軸線上に高温域が集中することがなく、ＮＯｘの発生量も低減される。
【００１０】
また、本発明のバーナの前記燃料噴射ノズルにより、前記蒸気アトマイジングされた燃料が燃焼状態で前記燃焼室の全体に一様に分布可能な量の水蒸気と前記燃料とを混合して粒子化させることが好ましい。
この発明によると、燃料噴射ノズルは、蒸気アトマイジングされた燃料が燃焼室のバーナの軸線上で燃え尽きず、燃焼室の全体に一様に分布可能な量の水蒸気を前記燃料に混合する。このため、蒸気アトマイジングされた燃料は、燃焼室の全体に一様に分布され、燃焼室内の温度分布を一様にすることが可能となる。したがって、他部よりも高温となる高温域ができず、ＮＯｘの発生量が低減される。
【００１１】
ここで、本発明のバーナでは、前記燃料噴射ノズルは、前記燃料１ｌに対して水蒸気２００ｇないし８００ｇの割合で混合した前記蒸気アトマイジングされた燃料を生成することが好ましい。
この発明では、燃料噴霧ノズルは、燃料１ｌに対して水蒸気２００ｇないし８００ｇの割合で混合した蒸気アトマイジングされた燃料を噴霧する。ここで燃料１ｌに対して２００ｇより少ない量の水蒸気を混合させると、燃料の微粒化が不十分となりＮＯｘの低減率が低下しても、ＣＯが増大してしまう。また、燃料１ｌに対して８００ｇより多い量の水蒸気を混合させることは、水蒸気発生コストが増大する割にＮＯｘの更なる低下はほとんど見込めず、水蒸気量が多すぎるため燃料の燃焼を阻害してしまうおそれもある。これに対して、燃料１ｌに対して水蒸気２００ｇないし８００ｇの割合とすることで、例えば一般的なボイラの燃焼室においても、好適に温度分布を一様にすることが可能となる。
【００１２】
そして、本発明のバーナでは、前記燃料噴射ノズルは、前記蒸気アトマイジングされた燃料が前記燃焼室内に一様に分布されて燃焼できる粒子径となる圧力で、前記蒸気アトマイジングされた燃料を噴射することが好ましい。
このような発明のバーナでは、燃料噴射ノズルは、高圧により、蒸気アトマイジングされた燃料を燃焼室内に一様に分布されて燃焼できる粒子径にする。これにより、蒸気アトマイジングされた燃料が燃焼室内に一様に分布され、燃焼室の温度分布も一様になる。
【００１３】
ここで、本発明のバーナでは、前記燃料噴射ノズルは、前記蒸気アトマイジングされた燃料を０．２５ＭＰａないし１．００ＭＰａの圧力で噴射させることが好ましい。
この発明によると、燃料噴射ノズルは、蒸気アトマイジングされた燃料を０．２５ＭＰａないし１．００ＭＰａの圧力で噴射させる。ここで、蒸気アトマイジングされた燃料を０．２５ＭＰａより小さい圧力で噴射させると、蒸気アトマイジングされた燃料の粒子径が大きくなるため、燃焼室内に蒸気アトマイジングされた燃料が一様に分布できず、他部より高温となる高温域が形成されるため、ＮＯｘの発生量が増加する。また、蒸気アトマイジングされた燃料の噴霧圧力を１．００ＭＰａよりも大きくすると、粒子が小さく成りすぎて緩慢燃焼が起こらない。従って、燃焼室の温度分布に偏りが生じてしまい、ＮＯｘの低減効果が低下する。
【００１４】
そして、本発明の高温空気燃焼炉は、上述したバーナと、高温の燃焼空気を貫流させるとともに、排気ガスを排気する少なくとも一対の空気導通孔が設けられた燃焼室と、前記空気導通孔から前記燃焼室に前記燃焼空気を導入する空気導入装置と、前記空気導通孔から前記燃焼室の排気ガスを排気する排気装置と、を具備したことを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、高温空気燃焼炉は、上述のバーナと、高温の燃焼空気を貫流させるとともに排気ガスを排出する少なくとも一対の空気導通孔を備えた燃焼室と、燃焼空気を導入する空気導入装置と、排気ガスを排出する排気装置と、を具備している。これにより、燃焼室に高温の燃焼空気を貫流させることで、燃焼室内の温度が一様に高温に維持できる。また、上述のバーナにより、燃焼室内の燃焼空気が一様に加熱される。従って、燃焼室の温度分布が一様となり、高温域が発生しないためＮＯｘの発生を抑制する。
【００１６】
また、本発明の高温空気燃焼炉は、前記空気導通孔には、蓄熱部が設けられ、前記一対の空気導通孔のうち、前記燃焼室の排気ガスを排気する一方の空気導通孔に設けられた蓄熱部は、排気ガスから熱を吸収して蓄熱し、前記燃焼室に前記燃焼空気を導入する他方の空気導通孔に設けられた蓄熱部は、蓄熱した熱により前記燃焼空気を熱することが好ましい。
この発明によると、蓄熱部は、燃焼室の高温の排気ガスから熱を吸収して蓄熱し、蓄熱した熱量を燃焼空気に与えて高温として燃焼室に導入する。これにより、燃焼室の排気ガスの熱量を再利用することが可能となり、省エネが促進される。
【００１７】
さらに、本発明の高温空気燃焼炉では、前記一対の空気導通孔は、前記排気ガスの排気および前記燃焼空気の導入を所定時間毎に切り替えることが好ましい。
この発明によると、一対の空気導通孔は、排気ガスの排気および燃焼空気の導入を所定時間間隔で切り替えている。これにより、蓄熱部に排気ガスから熱を吸収して蓄熱する工程と、蓄熱部から燃焼空気に熱を与える工程とを所定時間毎に交互に実施できる。したがって、簡単な構成で燃焼空気への熱の付与、および排気ガスからの熱の吸収が実施可能となる。
【００１８】
また、本発明の高温空気燃焼炉では、前記空気導入装置は、前記燃焼空気が前記燃焼室内で再循環可能となる流速で、前記燃焼空気を導入することが好ましい。
この発明では、空気導入装置から導入される燃焼空気の流速が早く設定されているので、燃焼室内を十分燃焼空気が行き渡り、温度の一様化を促進する。また、流速が早いため燃焼後の排気ガスの再循環効率が向上し、ＮＯｘの発生率が低減する。
【００１９】
そして、本発明の高温空気燃焼炉では、前記空気導入装置は、前記燃焼空気を４５ｍ／ｓないし１４０ｍ／ｓの流速で導入することが好ましい。
【００２０】
この発明によれば、燃焼空気を４５ｍ／ｓないし１４０ｍ／ｓの流速で導入する。ここで、燃焼空気の流速を４５ｍ／ｓより小さくすると、燃焼室内に十分な空気流が発生せず、排気ガスの再循環率も低下する。また、燃焼空気の流速を１４０ｍ／ｓより大きくすると、燃焼が不安定になってしまう場合がある。これに対して、燃焼空気を４５ｍ／ｓないし１４０ｍ／ｓの流速で導入すると、燃焼室に適切な空気流を発生させて、燃焼効率を低下させることなく、排気ガスの再循環率を上昇させることができ、ＮＯｘの発生をも抑制できる。
【００２１】
また、本発明の高温空気燃焼炉は、前記燃焼室の高温域の温度を低下させる低温空気が常時導入される低温空気導入孔を備えたことが好ましい。
この発明によれば、パイロットバーナ停止時においてもパイロットバーナ点火時においてもパイロットバーナ燃焼用空気としても用いられる低温空気を流し、高温域の温度を低下させる低温空気が導入される低温空気導入孔が設けられている。これにより、燃焼室の高温域の温度を冷却して、燃焼室の温度を一様にできる。この低温空気は、パイロットバーナ燃焼用空気を導入する空気導入孔とは別に炉内の高温域の温度を低下させる低温空気を導入することができる孔から導入されてもよい。
【００２２】
さらに、本発明の高温空気燃焼炉は、前記バーナの燃料噴射ノズルから噴射される燃料に着火するとともに、前記燃料への着火時および安定した高温空気燃焼状態に達するまでの昇温時以外は点火が停止可能なパイロットバーナを備えたことが好ましい。
【００２３】
この発明によれば、蒸気アトマイジングされた燃料に着火するパイロットバーナは、着火時以外は点火が停止されている。これにより、パイロットバーナの熱により燃焼室が熱されず、燃焼室の温度を一様に維持可能となる。このため、ＮＯｘの発生量をさらに抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施形態に係るバーナ１を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るバーナ１が取り付けられた高温空気燃焼炉１００全体の概略を示す模式図。図２は、バーナ１の断面図である。
【００２５】
図１および図２において、高温空気燃焼炉１００は、例えば円筒横置型の炉１０１を備え、炉１０１の一端面の略中心位置には、バーナ１が設けられるバーナ設置部１０３が形成されている。この高温空気燃焼炉１００は、バーナ１から噴射される火炎により炉１０１の内部の燃焼室１０２を一様に加熱する装置である。なお、本実施の形態では、単に炉１０１内部を加熱する高温空気燃焼炉１００について説明するが、この高温空気燃焼炉１００は、通常の工業炉以外には燃焼室１０２に複数の水管が設けられて水管を通る水を加熱するボイラや、燃焼室１０２に被焼却物を入れて焼却する焼却装置などとして利用することができる。
【００２６】
高温空気燃焼炉１００には、図１に示すように、バーナ１から噴射させる燃料を供給する燃料供給装置１１０と、排気ガスおよび燃焼空気の流路を切り替える流路切替弁１２０と、が接続されている。燃料供給装置１１０は、バーナ１から噴射させる燃料の他、燃料とともに噴射させる水蒸気などもバーナ１に供給する。また、燃料供給装置１１０は、後述するパイロットバーナから噴射させるＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）をも供給するものであってもよい。また、燃料供給装置１１０とバーナ１との間には、供給量調整弁１１１が設けられ、バーナ１への燃料などの供給量が調整可能となっている。流路切替弁１２０は、バーナ１に設けられる後述する第一および第二蓄熱部２０Ａ，２０Ｂと、排気ファン１２１と、燃焼用ブロア１２２と、に接続されている。そして、流路切替弁１２０は、第一および第二蓄熱部２０Ａ，２０Ｂのうち一方と排気ファン１２１とを接続して排出される排気ガスを排気ファン１２１から排気させ、燃焼用ブロア１２２と第一および第二蓄熱部２０Ａ，２０Ｂのうち他方とを接続して燃焼用ブロア１２２から燃焼空気を導入する。また、この流路切替弁１２０は、所定時間、例えば十秒間隔で排気ファン１２１および燃焼用ブロア１２２に接続させる蓄熱部２０Ａ，２０Ｂを切り替える。すなわち、流路切替弁１２０は、所定時間間隔で、第一蓄熱部２０Ａの接続先を排気ファン１２１から燃焼用ブロア１２２に切り替え、第二蓄熱部２０Ｂの接続先を燃焼用ブロア１２２から排気ファン１２１に切り替える。
【００２７】
また、高温空気燃焼炉１００は、外周面に図示しない複数の温度分布測定用熱電対穴が、所定間隔毎に配置されている。そして、この熱電対穴から炉１０１内部の燃焼室１０２の温度分布が測定可能となっている。
【００２８】
バーナ１は、火炎を噴射させるバーナ本体１０と、燃焼室１０２内の空気や排気ガスから熱を吸収するとともに燃焼室１０２に送る空気を熱する前述した第一および第二蓄熱部２０Ａ，２０Ｂとを備えている。そして、バーナ１は、バーナ本体１０の先端から噴射される燃焼ガスを燃焼させて炉１０１の一端面から燃焼室１０２に火炎を噴射し、燃焼室１０２を加熱する。また、バーナ１は、第一および第二蓄熱部２０Ａ，２０Ｂのうち一方から熱された燃焼空気を燃焼室１０２に流入させ、燃焼後の燃焼ガス（排気ガス）を他方から排出させる。
【００２９】
バーナ本体１０は、図２に示すように、燃焼室１０２側に伸びる円筒状の外筒部材１１を備えている。この外筒部材１１の略中心軸上には、筒状の供給ライン１２が設けられている。この供給ライン１２は、内管１２Ａおよび外管１２Ｂの２重管構造に形成されている。この内管１２Ａには図示しない燃料供給装置から供給される燃料が流入され、外管１２Ｂには水蒸気が流入される。そして、供給ライン１２の燃焼室１０２側の先端には、燃料噴射ノズル１２Ｃが設けられている。燃料噴射ノズル１２Ｃでは、内管１２Ａから送られる燃料と、外管１２Ｂから送られる水蒸気とを混合して霧状、すなわち粒子状の蒸気アトマイジングされた燃料を生成し、燃焼室１０２に噴射する。ここで、供給ライン１２から噴射される蒸気アトマイジングされた燃料の水蒸気量は、燃料１ｌにつき２００ｇないし８００ｇの割合で混合されることが好ましく、燃焼室１０２の容積に応じて適宜設定されるものである。噴射される蒸気アトマイジングされた燃料に含まれる水蒸気が燃料１ｌに付き２００ｇより小さい場合、燃料の粒子化が十分行われず、バーナ１の中心軸上での火炎が強くなり過ぎるため、炉１０１の周部などバーナ１の軸線上から遠ざかる位置で温度が低くなる。従って、温度分布が一様化されず、バーナ１の中心軸上の高熱領域によりＮＯｘが大量に発生してしまう。また、噴射される蒸気アトマイジングされた燃料に含まれる水蒸気が燃料１ｌに付き８００ｇ以上である場合、水蒸気により火炎が弱まりすぎるため、燃焼室１０２の温度が低下し、効率よい燃焼ができない。これに対して、蒸気アトマイジングされた燃料の水蒸気量を燃料１ｌに付き２００ｇないし８００ｇとすることで、燃料が水蒸気により効率よく粒子化されて燃焼室１０２内で緩慢燃焼され、温度分布が一様になる。また、水蒸気量を燃料１ｌに付き２００ｇないし８００ｇとすると、水蒸気により火炎を著しく弱めることなく、燃焼室１０２内の温度を低下させることが可能で、これによりＮＯｘの発生が低減される。
【００３０】
また、蒸気アトマイジングされた燃料の燃料噴射圧力は、０．２５ＭＰａないし１．０ＭＰａであることが好ましく、燃焼室１０２の容積に応じて適宜設定されるものである。燃料噴射圧力が０．２５ＭＰａよりも小さい場合、蒸気アトマイジングされた燃料の水滴の大きさが大きくなり、蒸気アトマイジングされた燃料の分散率が低下する。従って、バーナ１の中心軸上の火炎が大きくなり、この軸上に高温域が発生してしまい、温度分布に片寄りが生じて、ＮＯｘガスが発生する。また、燃焼噴射圧力が１．０ＭＰａよりも大きい場合、蒸気アトマイジングされた燃料の水滴の大きさが細かく成りすぎて、燃焼室１０２のバーナ１に近接する位置で蒸気アトマイジングされた燃料が燃焼してしまうので、温度分布が一様にならない。これに対して、上記のように蒸気アトマイジングされた燃料の噴射圧力を０．２５ＭＰａないし１．０ＭＰａとすることで、蒸気アトマイジングされた燃料が適度な大きさに粒子化され、緩慢燃焼により燃焼室１０２の全体で一様な温度分布になる。
【００３１】
そして、外筒部材１１の燃焼室１０２から遠ざかる端部には、低温空気導入孔としての空気導入部１１Ａが設けられている。この空気導入部１１Ａは、外筒部材１１の筒内部に低温空気を所定流量で導入する。さらに、外筒部材１１の燃焼室１０２に臨む端面１１Ｂには、複数の図示しない低温空気導入孔が形成されており、この低温空気導入孔から燃焼室に低温空気が導入される。
【００３２】
また、外筒部材１１の内部には、燃焼室１０２に臨むパイロットバーナ１３が設けられている。このパイロットバーナ１３は、ＬＰＧ管１３ＡおよびＬＰＧ管１３Ａの燃焼室１０２側の先端に設けられたＬＰＧ噴射ノズル１３Ｂを備えている。そして、このＬＰＧ管１３Ａには、ＬＰＧが流入され、ＬＰＧ噴射ノズル１３Ｂから燃焼室１０２に噴射される。また、パイロットバーナ１３は、燃料噴射ノズル１２Ｃから噴射される蒸気アトマイジングされた燃料に着火する際や安定した高温空気燃焼状態に達するまでの昇温時、燃料噴射ノズル１２Ｃからの火炎が消えた際の再着火などに利用される。そして、このパイロットバーナ１３による火炎は、燃焼室１０２の温度が一様に安定した後は停止される。なお。パイロットバーナ１３の着火時には、低温空気導入孔から導入される低温空気が用いられるが、パイロットバーナ１３の停止後もこの低温空気は引き続き燃焼室１０２に導入され続ける。
【００３３】
第一および第二蓄熱部２０Ａ，２０Ｂは、バーナ本体１０を挟んで、互いに対称となる位置に一対設けられている。これらの第一および第二蓄熱部２０Ａ，２０Ｂは、燃焼室１０２に臨んで開口する空気導通孔２１と、流路切替弁１２０に接続される接続孔２２と、排気ガスにより熱されて熱を吸収するとともに接続孔２２から導入された空気を熱する蓄熱室２３と、を備えている。蓄熱室２３は、空気導通孔２１と接続孔２２との間に設けられ、空気導通孔２１および接続孔２２の間を空気が流通可能な状態の略筒状に形成されている。また、蓄熱室２３の接続孔２２側には、フィルタ２４が設けられている。
【００３４】
そして、蓄熱室２３内には、例えば粒状に形成された複数の蓄熱体２３Ａが所定の間隔を開けて収納されている。この蓄熱体２３Ａは、熱伝導率が良好な例えば鉄などにより形成されており、蓄熱室２３内を流通する空気との間で熱量の移動が容易になっている。そして、この蓄熱室２３では、流路切替弁１２０にて接続孔２２と排気ファン１２１とが接続された状態において、蓄熱体２３Ａで空気導通孔２１から排気された排気ガスから熱量を吸収して排気ガスを冷却し、接続孔２２から冷却された排気ガスを排気する。この時吸収された熱量は蓄熱体２３Ａに蓄えられ、蓄熱体２３Ａが熱される。この後、流路切替弁１２０にて接続孔２２と燃焼用ブロア１２２とを接続されると、蓄熱室２３では、蓄熱体２３Ａに蓄えた熱により接続孔２２から導入される燃焼空気を熱し、空気導通孔２１から燃焼室１０２に導入する。
【００３５】
また、これらの第一および第二蓄熱部２０Ａ，２０Ｂから燃焼室１０２に導入される燃焼空気の流速は、４５ｍ／ｓないし１４０ｍ／ｓであることが好ましい。すなわち、燃焼空気の流速は、燃焼室１０２の容積に応じて適宜設定されるものであり、燃焼空気が燃焼室１０２内を貫流して排気ガスが再循環可能な状態に設定されることが好ましい。燃焼空気の流速が４５ｍ／ｓよりも小さい場合、燃焼室１０２に十分燃焼空気が行き届かず、燃焼室１０２内の温度分布の巾が大きくなってしまい、排気ガスの再循環効率も低下してしまう。また、燃焼空気の流速が１４０ｍ／ｓよりも大きい場合、空気の流れが速すぎるため、燃焼が不安定になってしまう場合がある。これに対して上記のように燃焼空気の流速を４５ｍ／ｓないし１４０ｍ／ｓにすることで、排気ガスの再循環効率が向上し、燃焼室１０２内を燃焼空気により一様に高温に保持可能となる。
【００３６】
そして、上述したようにバーナ１の第一および第二蓄熱部２０Ａ，２０Ｂのうち一方、例えば第一蓄熱部２０Ａから燃焼用ブロア１２２から導入される燃焼空気が燃焼室に導入され、第二蓄熱部２０Ｂから排気ガスが排気される。そして、第一蓄熱部２０Ａの蓄熱体２３Ａは、燃焼空気を熱して熱を放出し、第二蓄熱部２０Ｂの蓄熱体２３Ａは、排気ガスの熱量を吸収して蓄熱する。この後、流路切替弁１２０で流路を切り替えると、第二蓄熱部２０Ｂは、蓄熱体２３Ａで蓄熱した熱で燃焼空気を熱し、第一蓄熱部２０Ａは、蓄熱体２３Ａで排気ガスからの熱量を吸収する。
【００３７】
このような本発明によれば、以下の効果がある。
すなわち、本実施の形態の高温空気燃焼炉１００のバーナ１では、供給ライン１２の先端に設けられる燃料噴射ノズル１２Ｃは、内管１２Ａから導入される燃料と外管１２Ｂから導入される水蒸気とを混同して粒子状にし、高圧で噴射している。このため、蒸気アトマイジングされた燃料は、水蒸気により火炎の温度が低減されることですぐには燃え尽きず、燃焼室１０２内で緩慢燃焼させることができる。また、蒸気アトマイジングされた燃料を高圧噴射することで、蒸気アトマイジングされた燃料を粒子化し燃焼室１０２内に一様に噴霧させることができる。したがって、蒸気アトマイジングされた燃料は燃焼室１０２内で一様に分布された状態で緩慢燃焼し、燃焼室１０２内の温度を一様にでき、バーナの軸線上に高温域が発生しない。よって、高温域により発生するＮＯｘ量が低減できる。
【００３８】
また、燃料噴射ノズル１２Ｃでは、燃料が水蒸気により効率よく粒子化されて燃焼室１０２内で緩慢燃焼されて温度分布が一様になるように燃料１ｌに付き水蒸気２００ないし８００ｇの割合で混合している。このため、蒸気アトマイジングされた燃料が燃焼室の全体に一様に分布され、燃焼室内の温度分布を一様にできる。したがって、他部よりも高温となる高温域ができず、ＮＯｘの発生量を低減できる。
【００３９】
さらに、燃料噴射ノズル１２Ｃは、蒸気アトマイジングされた燃料が燃焼室１０２内に一様に分布されて燃焼できる粒子径となるように．２５ＭＰａないし１．００ＭＰａの噴射圧力で噴射している。このため、蒸気アトマイジングされた燃料が燃焼室内に一様に分布され、燃焼室の温度分布も一様にできる。したがって、燃焼室１０２に高温域が生じず、温度分布を一様にできるのでＮＯｘの発生量も抑制できる。
【００４０】
そして、高温空気燃焼炉１００のバーナ１には、燃焼室１０２に臨んで開口する空気導入孔２１と、排気ファン１２１および燃焼用ブロア１２２に流路切替弁１２０を介して接続される接続孔２２と、を備えた第一および第二蓄熱部２０Ａ，２０Ｂが設けられている。このため、燃焼室１０２に高温の燃焼空気を貫流させることで、燃焼室１０２内の温度が冷却されずに一様に高温に維持できる。また、燃料噴射ノズル１２Ｃから噴射される火炎により、燃焼室１０２内の燃焼空気が一様に加熱されているため、燃焼室１０２の温度分布が一様となり、高温域が発生しないためＮＯｘの発生を抑制する。
また、バーナ１に第一および第二蓄熱部２０Ａ，２０Ｂを取り付けるため、小型化を促進できる。
【００４１】
また、第一および第二蓄熱部２０Ａ，２０Ｂは、燃焼室１０２の高温の排気ガスから熱を吸収して蓄熱し、蓄熱した熱量を燃焼空気に与えて高温として燃焼室１０２に導入する。このため、燃焼室１０２の排気ガスの熱量を再利用でき、省エネ効率を向上させることができる。
【００４２】
さらに、第一および第二蓄熱部２０Ａ，２０Ｂは、流路切替弁１２０により、排気ガスの排気および燃焼空気の導入を所定時間間隔で切り替えている。このため、蓄熱体２３Ａでの熱交換が簡単かつ効率よく実施できる。
【００４３】
そして、燃焼用ブロア１２２から送られて燃焼室１０２内に導入される燃焼空気は、高速、すなわち４５ｍ／ｓないし１４０ｍ／ｓの流速で導入されている。このため、燃焼室１０２内に十分な高温の燃焼空気を貫流させることができ、温度分布を一様にできる。また、燃焼空気を高速で導入するため、燃焼室１０２内の排気ガスの再循環効率が向上し、酸素濃度も低下するため、ＮＯｘの発生率も低減できる。
【００４４】
また、高温域の温度を低下させる低温空気が導入される低温空気導入孔が設けられている。このため、燃焼室の高温域の温度を冷却して、燃焼室の温度を一様にできる。従って、燃焼室１０２内の温度分布が一様になり、高温域の発生によるＮＯｘの発生も抑制できる。
【００４５】
さらに、パイロットバーナ１３は、蒸気アトマイジングされた燃料の着火時のみ点火され、通常時は停止されている。このため、パイロットバーナ１３の熱により燃焼室１０２が熱されず、燃焼室１０２の温度上昇を抑えられる。従って、高温域の発生によるＮＯｘの発生量をさらに抑えることができる。また、パイロットバーナ１３を停止させるので、従来に比べてパイロットバーナの点火に必要なＬＰＧを不要にでき、省エネ化を図れる。
【００４６】
［実施の形態の変形例］
なお、本発明は、上述した一実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲で以下に示される変形をも含むものである。
【００４７】
例えば、上記実施の形態では、１つのバーナ１に２つの蓄熱部２０Ａ，２０Ｂを設けた構成を示したが、図３、および図４に示すように、１つの蓄熱部２０を有する２つのバーナを取り付けた高温空気燃焼炉３００としてもよい。この高温空気燃焼炉３００は、一端面に２つのバーナ１Ａ，１Ｂを取り付けるバーナ設置部が設けられた炉３０１を備えている。そして、一方のバーナ１Ａから蒸気アトマイジングされた燃料を噴射して火炎を放射するとともに、蓄熱部２０から燃焼空気を導入し、他方のバーナ１Ｂの蓄熱部２０から排気ガスを排気する。そして、流路切替弁１２０は、所定時間毎、例えば１０秒毎に燃焼空気の流路を切り替えて、他方のバーナ１Ｂから蒸気アトマイジングされた燃料を噴射して火炎を放射して、このバーナ１Ｂの蓄熱部２０から燃焼空気を導入し、一方のバーナ１Ａの蓄熱部２０から排気ガスを排出する。このような構成にすることで、２つのバーナ１Ａを交互に着火させるため、バーナ１Ａにより高温域も交互に切り替わることになる。このため、燃焼室３０２内の温度分布をより一様にすることができ、高温域によるＮＯｘの発生をより一層抑制することができる。
【００４８】
また、上記実施の形態では、蒸気アトマイジングされた燃料の燃料と水蒸気との割合を、燃料１ｌに付き２００ｇないし８００ｇの水蒸気量とし、蒸気アトマイジングされた燃料の噴霧圧力を、０．２５ＭＰａないし１．００ＭＰａとし、燃焼空気の流速を、４５ｍ／ｓないし１４０ｍ／ｓとしたが、前述のようにこれらは燃焼室１０２の大きさにより適宜設定されるものであり、この値に限定されない。すなわち、燃焼室１０２の容積が大きい場合には、この燃焼室１０２に燃料を行き渡らせて緩慢燃焼させるために、より多くの水蒸気、より大きな噴霧圧力で蒸気アトマイジングされた燃料を噴射してもよく、また、燃焼空気の流速をさらに大きく設定したものであってもよい。
【００４９】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【実施例１】
【００５０】
前記本実施形態で説明した本発明のバーナ１および高温空気燃焼炉１００を用いて燃焼実験を行った。燃料として、灯油を空気でアトマイジングした燃料、および灯油を水蒸気でアトマイジングした燃料とについてそれぞれ燃焼実験を行った。また、この時の燃料の噴射速度は３０ｌ／ｈとし、燃焼室１０２の温度を９００℃とし、燃料噴射圧力を０．４６ＭＰａとした。さらに、蒸気アトマイジングされた燃料については、燃料噴射圧力を０．４６ＭＰａの場合と、０．１０ＭＰａ（低圧）の場合との燃焼実験を行った。そして、上記条件を保持したうえで、煙道酸素濃度を変化させ、すなわち燃焼室１０２に導入する燃焼空気の流量をそれぞれ空気比１．１５、１．３、１．５に設定した場合について、それぞれ燃焼実験を行った。
【００５１】
図５ないし図７に実施例１の実験結果を示す。図５は、空気アトマイジングされた燃料を用いた際の燃焼室１０２の温度分布を示す等温線であり、（Ａ）が、空気比が１．１５の実験結果、(Ｂ)が空気比１．３の実験結果、（Ｃ）が空気比１．５の実験結果を示す。図６は、蒸気アトマイジングされた燃料（高圧：０．４６ＭＰａ）を用いた際の燃焼室１０２の温度分布を示す等温線であり、（Ａ）が、空気比が１．１５の実験結果、(Ｂ)が空気比１．３の実験結果、（Ｃ）が空気比１．５の実験結果を示す。また、図７は、各燃料を用いた際の各煙道酸素におけるＮＯｘ発生量およびＣＯ発生量を示した実験結果である。
【００５２】
図５および図６から分かるように、各空気比において、空気アトマイジングされた燃料を用いた場合よりも蒸気アトマイジングされた燃料を用いた場合の方が、燃焼室１０２内の温度分布が一様となっていることが分かる。また、図７において、空気アトマイジングされた燃料を用いた場合よりも、蒸気アトマイジングされた燃料を用いた場合の方が、ＮＯｘの発生量が低いことが分かる。これは、蒸気アトマイジングを用いることにより、燃料が空気アトマイジングされた燃料より微粒化され、燃焼室１０２内に分散して緩慢燃焼したためであり、これにより、燃焼室１０２内の温度が一様となり、また燃焼温度も低くなったためＮＯｘが低減された。
【００５３】
また、燃料を高圧で蒸気アトマイジングした場合と低圧で蒸気アトマイジングした場合とでは、高圧で蒸気アトマイジングした際の方がＮＯｘの発生量を低下させることが確認された。これは、高圧で蒸気アトマイジングされるために、燃料が微粒化され、燃焼室１０２内で緩慢燃焼が生じたためである。
【実施例２】
【００５４】
上記実施の形態のバーナ１および高温空気燃焼炉１００を用いて、燃焼実験を行った。燃料としては、実施例１と同様に、灯油を用い、蒸気４００ｇ／ｌとを混合させてアトマイジングさせ、３０ｌ／ｈの噴射速度で噴射した。また、燃焼室１０２の温度は９００℃に設定した。そして、燃焼空気の流量を調節して、煙道酸素濃度を７．０％、５．５％、４．０％として設定した場合において、それぞれ燃焼空気の流速を３５ｍ／ｓ、６０ｍ／ｓ、８５ｍ／ｓに変化させた場合の燃焼実験を実施した。
【００５５】
図８に実施例２の実験結果を示す。図８に示すように、煙道酸素濃度が小さく、また燃焼空気の流速が早くなると、ＮＯｘの発生量が減少することが確認された。
【実施例３】
【００５６】
上記実施の形態のバーナ１および高温空気燃焼炉１００を用いて、燃焼実験を行った。燃料としては、実施例１および実施例２と同様に、灯油を用い、蒸気４００ｇ／ｌを用いてアトマイジングさせ、３０ｌ／ｈの噴射速度で噴射した。また、燃焼室１０２の温度は９００℃に設定し、燃焼空気の流量を空気比が１．５となる状態に保持した。そして、パイロットバーナ１３を常時点火し、低温空気を常時導入した場合、パイロットバーナ１３をバーナ１からの蒸気アトマイジングされた燃料の着火時および安定した高温空気燃焼状態に達するまでの昇温時のみ点火し、低温空気の導入もパイロットバーナ１３とともに停止した場合、およびパイロットバーナ１３をバーナ１からの蒸気アトマイジングされた燃料の着火時および安定した高温空気燃焼状態に達するまでの昇温時のみ点火し、低温空気は常時導入し続けた場合において、それぞれのバーナ１の燃料噴射ノズル１２Ｃから所定距離における最高温度を測定した。
【００５７】
図９には、実施例３の実験結果が示されている。図９に示すように、パイロットバーナ１３を点火し続けた場合と、パイロットバーナ１３を蒸気アトマイジングされた燃料の着火時および安定した高温空気燃焼状態に達するまでの昇温時のみ点火した場合とでは、後者の方が全体的に温度が低くなり、温度分布が一様になることが確認された。
【００５８】
また、図９に示すように、低温空気を導入し続けた場合と、低温空気を止めた場合とでは、低温空気を導入し続けた場合の方が全体的に温度が低下していることが確認された。また、パイロットバーナ１３を常時点火し、低温空気を常時導入した場合では、ＮＯｘの発生量は１２ｐｐｍ、パイロットバーナ１３をバーナ１からの蒸気アトマイジングされた燃料の着火時のみ点火し、低温空気の導入もパイロットバーナ１３とともに停止した場合では、ＮＯｘの発生量は９ｐｐｍ、パイロットバーナ１３をバーナ１からの蒸気アトマイジングされた燃料の着火時および安定した高温空気燃焼状態に達するまでの昇温時のみ点火し、低温空気は常時導入し続けた場合では、ＮＯｘの発生量は７ｐｐｍであった。これにより、パイロットバーナ１３をバーナ１からの蒸気アトマイジングされた燃料の着火時および安定した高温空気燃焼状態に達するまでの昇温時のみ点火し、低温空気は常時導入し続けることで、燃焼室１０２の温度分布が一様化され、ＮＯｘの発生量も抑制できることが確認された。
【実施例４】
【００５９】
上記実施の形態のバーナ１および高温空気燃焼炉１００を用いて、図１０に示す条件で燃焼実験を行った。すなわち、実験１では、灯油を蒸気でアトマイジングした燃料を利用し、燃焼空気の流速を高速化して８０ｍ／ｓに設定し、燃料噴霧圧力を高圧化して０．４６ＭＰａに設定し、低温空気を常時導入し続け、パイロットバーナ１３を着火時および安定した高温空気燃焼状態に達するまでの昇温時以外停止させた。実験２では、実験１において、燃料として灯油を空気でアトマイジングした燃料を用い、他の条件を同様にした。実験３では、実験２において、パイロットバーナ１３を常時点火させ、他の条件を同様にした。実験４では実験１において、低温空気の導入をパイロットバーナ１３の停止と同時に停止し、他の条件を同様にした。実験５では、実験１において、パイロットバーナ１３を常時点火させ、他の条件を同様にした。実験６では、実験５において、燃料噴霧圧力を低圧化して０．１０ＭＰａに設定し、他の条件を同様にした。実験７では、実験６において、燃焼空気の流速を低下させ、４０ｍ／ｓに設定し、他の条件を同様にした。
【００６０】
この実施例４の実験では、図１０に示すように、実験１の条件で燃焼させた場合、他の実験に比べて、ＮＯｘの測定量が最も低くなることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の低ＮＯｘ化技術は高温空気燃焼バーナを有するすべての工業炉に適用でき、さらに燃焼室に複数の水管が設けられて水管を通る水を加熱するボイラや、燃焼室に被焼却物を入れて焼却する焼却装置などに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る高温空気燃焼炉の概略を示す模式図である。
【図２】バーナの断面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態における高温空気燃焼炉の概略を示す模式図である。
【図４】本発明の他の実施の形態における高温空気燃焼炉の概略を示す模式図である。
【図５】実施例１の結果を示す空気アトマイジングされた燃料を用いた際の燃焼室の温度分布を示す等温線であり、（Ａ）が、空気比が１．１５の実験結果を示す図、(Ｂ)が空気比１．３の実験結果を示す図、（Ｃ）が空気比１．５の実験結果を示す図である。
【図６】蒸気アトマイジングされた燃料（高圧：０．４６ＭＰａ）を用いた際の燃焼室の温度分布を示す等温線であり、（Ａ）が、空気比が１．１５の実験結果を示す図、(Ｂ)が空気比１．３の実験結果を示す図、（Ｃ）が空気比１．５の実験結果を示す図である。
【図７】各燃料を用いた際の各煙道酸素におけるＮＯｘ発生量およびＣＯ発生量を示した実験結果である。
【図８】実施例２の結果を示す図である。
【図９】実施例３の結果を示す図である。
【図１０】実施例４の燃焼実験の実験条件および実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１，１Ａ，１Ｂ…バーナ、１２Ｃ…燃料噴射ノズル、１３…パイロットバーナ、２０…蓄熱部、２０Ａ…蓄熱部としての第一蓄熱部、２０Ｂ…蓄熱部としての第二蓄熱部、２１…空気導通孔、１００，３００…高温空気燃焼炉、１０２，３０２…燃焼室、１２１…排気装置としての排気ファン、１２２…空気導入装置としての燃焼用ブロア。
【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】
2007078331.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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