(57)【要約】【課題】火炉の中心軸に沿って排気口のある燃焼炉において、CO、ススの増加をもたらすことなく、効果的にNOｘ低減できるバーナを提供する。【解決手段】火炉に向かって燃料を噴霧する噴霧ノズル３と噴霧ノズルの先端側が収納されている内筒２とこの内筒の外周側に配置された外筒１とを備え、前記外筒の下流端面には更に下流側へと伸びた複数の空気ノズル７が設けられ、これら空気ノズルの下流端面に火炉内へ燃焼用主空気を噴出する噴出口が形成されるバーナにあって、火炉内の中心軸を通り、この軸と火炉排気口を結ぶ線と±100°の位置なる線で作られる面で火炉内を2分割するとき、火炉の排気口側のみに空気ノズルをもち、空気ノズルの下流にこれと重ならないように燃焼ガイド８を設置した構造をもつバーナとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火炉の中心軸に沿って細長く開口した排気口を有するボイラに取付けられるバーナで、火炉に向かって燃料を噴霧する噴霧ノズル（３）と噴霧ノズルの先端側が収容される内筒部材とこの内筒部材（2）の外周側に配置された外筒部材1とを備え、前記外筒部材（１）の下流端面には更に下流側へと延び出た空気ノズル（５）が設けられ、これら空気ノズル下流端面に火炉内に燃焼用主空気を噴出する噴出口が形成されているバーナにあって、火炉内を火炉の中心軸をとおり、この軸から火炉排気口を結ぶ線と±100°なる線でできる平面で２分割すると排気口側となる端面にのみ複数の空気ノズルをもつことを特徴とするバーナ。
【請求項２】
前記外筒部材の下流端面に、前記のように偏って設けられた空気ノズル（６）が当該面の円周方向に間隔をあけて複数設けられ、それら空気ノズルの中心軸が火炉中心軸に向かって０〜10°の傾斜をもつことを特徴とする請求項１に記載するバーナ。
【請求項３】
前記のごとく配列した複数の空気ノズル（７）において、ノズル噴出口の形状は問わないが、噴出口形状を形成する板で、火炉の中心軸より最外辺となる板が火炉の中心軸に向かって20〜40°の傾斜をもつことを特徴とする請求項１に記載するバーナ。
【請求項４】
前記バーナにおいて、円周上に並んだ空気ノズルの外周と火炉中心軸との距離をRとすると、径が2.4R以上で2.8R以下で、長さは100mm以上500mm以下となる燃焼ガイド（８）を空気ノズル下流にノズルと重ならないように取付けられていることを特徴とする請求項１に記載するバーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃焼にともない発生するNOｘを抑制できる液体燃料用低NOｘバーナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃焼にともない発生するNOｘを抑制するために、燃料中にN分を含まない気体燃料をもちいるバーナが実用に供されているが、この種のバーナは火炎制御が容易でかつ燃料中にN分を含まないことから、燃焼で生じるNOｘを容易に抑制することができるという特徴を備えているものの、高価な気体燃料をもちいるためランニングコストが高くつくという問題がある。
【０００３】
そこで、ランニングコストを抑えるために、NOｘの抑制は困難であるが、比較的低コストの液体燃料をもちい、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排ガス外部再循環法や水噴霧法または、両者を併用したバーナが採用されてきた。
【０００４】
しかし、これらの方法は、設備費の増加だけでなく、熱効率の低下や、耐久性の低下となりやすいため、近年、より簡単で低NOｘ化が図れる液体燃料用低NOｘバーナが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第3527456号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１に記載のバーナは図5に示される構造をしており、NOｘ抑制の原理として、火炎分割、濃淡燃焼、排ガス内部再循環法を併用したバーナである。
【０００６】
なかでも、バーナが取り付けられている火炉内の燃焼ガスを燃焼空気の噴流による流体力学効果からバーナ下流直下へ導き、燃焼ガスと燃焼空気に混合による低酸素燃焼で燃焼時のNOｘ生成を抑制する排ガス再循環法が主なNOｘ抑制機構であるため、炉筒煙管型のような順流タイプの燃焼炉では十分機能するが、火炉の構造によってはその機能を十分発揮できない場合がある。
【０００７】
たとえば、反転燃焼炉といわれるような、バーナ取り付け部分のすぐ近くに燃焼ガス出口をもつ火炉や、火炉の中心軸に沿って排気口のある（一般にΩ流炉と呼ばれている）燃焼炉では、炉の煙道のもつドラフト力の方がバーナの燃焼空気の噴流がもたらすドラフト力より強いため、燃焼排ガスがバーナ元に戻らずNOｘ抑制が図れないばかりか、逆に噴流口から出る燃焼空気をもすぐに排気口に引き抜き燃焼性を悪くする場合もある。
【０００８】
また、火炉の中心軸に沿って排気口のある燃焼炉では、バーナの火炎がこの軸に沿って伸び、排気口側に流れるため、燃焼が完結する前に、火炉の排気口に入り、水管や水冷壁で冷却されるため、ススの生成や、COの増加の原因となる。
【０００９】
しかし、このような構造の炉でも、近年の厳しい環境規制に対応させることが望まれ、バーナの改良や炉構造の改良が行なわれている。
【００１０】
本発明の目的は火炉の中心軸に沿って排気口のある燃焼炉において、CO、ススの増加をもたらすことなく、効果的にNOｘを低減できるバーナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のバーナは、火炉の中心軸に沿って細長く開口した排気口を有するボイラに取付けられるバーナで、火炉に向かって燃料を噴霧する噴霧ノズルと噴霧ノズルの先端側が収容される内筒部材とこの内筒部材の外周側に配置された外筒部材とを備え、前記外筒部材の下流端面には更に下流側へと延び出た空気ノズルが設けられ、これら空気ノズル下流端面に火炉内に燃焼用主空気（以下２次空気と呼ぶ）を噴出する噴出口が形成されているバーナにあって、火炉内を火炉の中心軸をとおり、この軸と火炉排気口炉を結ぶ線と±100°なる線からできる平面で２分割すると排気口側となる端面にのみに複数の空気ノズルをもつことを特徴とする。
【００１２】
従来のバーナでは、空気ノズルの２次空気口からの燃焼空気は、火炉の中心軸回りに略均等に分布するように噴出されており、これにより、火炉の中心軸と火炎の中心軸が略一致するものと考えられていた。しかしながら、図６に示すごとく、火炉の中心軸に沿った排気口を有するΩフロー形式の貫流ボイラでは、燃焼排ガスが沿道を流れることで生じるドラフト力により、火炎は排気口側になびき、火炉中心軸から外れて形成されることが多い。
【００１３】
このため、火炎の一部が排気口に近い水管に接触してススが生成したり、燃焼が完結する前に燃焼ガスが火炉形成する水管の外に配列されている水管群の対流伝熱ゾーンに流れ、COが増加する原因となる。
また、燃焼排ガスが早い時点で排気口から排気されると、燃焼排ガスをバーナ元に循環する力も弱くなり、NOｘ生成の抑制も小さくなる。
【００１４】
仮に、図５で示す低NOｘバーナを採用しても、燃焼排ガスがバーナ元に循環する力が弱く、期待するほどの結果は得られない。
【００１５】
これに対して、本発明によれば、２次空気口からの燃焼空気は火炉の排気口に沿って空気カーテンを作る形で集中的に噴流し、この２次空気による生成する火炎もカーテン状に細く・速く形成するため、燃焼が完結していない燃焼ガスの排気口への流れを抑制し、未燃油滴や、燃焼途中の油滴が排気側水管に届くのを抑えるように働く。
【００１６】
また、火炎形成が火炉の片側に集中し、速い速度で炉床の耐火材に衝突するため、火炎流の反対側では高温の燃焼ガスが反転上昇し、この領域に噴霧される燃料の気化・燃焼を促進し、ススの発生を抑えるだけでなく、バーナ元に循環する燃焼排ガスの温度・量を増やし、結果として燃焼によるNOｘ生成の抑制を促進する。
【００１７】
また逆に、２次空気口を排気口と反対側に集中させると、火炎形成側と反対に出来る反転流れの燃焼ガスは途中で排気口に吸引されるため、バーナ元に戻る燃焼排ガスの速度は下がり、温度も下がるため、燃料の気化・着火が遅くなり、ススが出来易く、燃焼排ガス循環量も下がるためNOｘ生成の抑制効果も低下する。
【００１８】
このことは、２次空気口のほとんどを排気口側に設け、１部を反対側につけた場合でも、ここから噴出する２次空気とこれによりできる火炎流が反転燃焼ガスの流れを妨害するため、結果としてNOｘ生成の抑制効果が低下する。
【００１９】
請求項２、及び請求項３は前記バーナにおいて、２次空気の噴流方向を火炉中心軸に向け、空気流を排気口に過度に近づけない工夫である。
【００２０】
空気ノズルから噴出した２次空気はノズル口から遠ざかるにつれて流速が落ち、広がるので、この領域で排気口に近づくと燃焼に寄与しないまま吸引・排気され、燃焼性を悪くするだけでなく、熱効率も下げることとなる。市販燃焼器機では、３位置、４位置制御が一般的で、定格燃焼で設計されるため、低燃焼域では特にこの現象が出易くなる。
【００２１】
また、円周方向に複数本の２次空気ノズルを設けるのは、これらのノズルから出る噴流空気により火炎を分割することによるNOｘ抑制を目的とするだけでなく、ノズル元まで還流した燃焼排ガスをノズルとノズルの間を流し、燃料ノズルから噴霧される油滴との混合を良くし、燃料の気化・着火を促進し、かつ、低酸素燃焼によるNOｘ抑制を図るためである。
【００２２】
請求項４の燃焼ガイドは、燃料ノズルから噴霧され運動量の大きい油滴が、気化が不十分のまま、空気噴流を通過し、水冷壁まで達するのを防ぐとともに、ガイド内で着火・形成される火炎の方向を制御し、火が火炉の半径方向に広がり、排気口に近づく抑制する。また、燃焼ガイドが赤熱することで、この輻射熱で燃料油滴の気化を促進さし、かつ、空気噴流・火炎流を燃焼ガスの流れと分離し、反転流としてバーナ元に還流する燃焼ガスの流れを促進するためである。
【発明の効果】
【００２３】
このバーナに切り替えると、市販されている貫流ボイラの中で大部分を占めるΩフロー形式の貫流ボイラにおいて、CO、ススの生成を増加することなくNOｘの大幅な抑制が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、本発明による液体燃料用低NOｘバーナの具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２５】
図1には、本発明の第一実施形態に関わる液体燃料用低NOｘバーナの縦断面図およびノズル側の側面図がそれぞれ示されている。
【００２６】
図４には、図1の下流に取付ける燃焼ガイドの例を示している。
【００２７】
図７は上記バーナと燃焼ガイドを取付けたΩ流型貫流ボイラ例100の縦断面図を示している。燃焼空気はこの図に示されていない送風機から風箱102に送気され、バーナ101で適切に分配され、火炉103に噴き出す。
【００２８】
図１の縦断面図では火炉に向かって燃料を噴霧する噴霧ノズル３と噴霧ノズルの先端側が収容される内筒部材2とこの内筒部材の外周側に配置された外筒部材1とを備え、前記外筒部材の下流端面には更に下流側へと延び出た空気ノズル5が設けられ、これら空気ノズル下流端面に火炉内に燃焼用主空気を噴出する噴出口が形成されているバーナであり、側面図に示すごとく火炉内を火炉の中心軸を通り、この軸と火炉排気口を通る線と±110°となる線からできる平面で２分割するとき、排気口側となる端面にのみ複数の空気ノズルをもつバーナであることを示す。
【００２９】
風箱102に送られた燃焼空気は外筒1に入り、その10％以下の空気は１次空気口4から内筒2に送られるが、残りは全て噴流空気として空気ノズル５から火炉内の意図した方向に噴き出される。
【００３０】
図４の燃焼ガイド内で着火した火炎は火炉の排気口にカーテンとなる形で火炉下端の耐火材111まで強く延び、耐火材に当たって反転し、高温の燃焼排ガスとして焚口耐火材110のバーナ元に循環する。
【００３１】
この燃焼空気の噴出によるドラフト力でバーナ元まで還ってきた燃焼ガスをバーナ直下流に引き込み、燃料の気化・着火促進と燃焼空気の酸素濃度低下による燃焼時のNOｘ生成の抑制を図る。
【００３２】
火炉排気口側へ空気ノズルの集中は図７の模式図のごとく火炎が排気口に流れるのを押さえ、かつ燃焼ガスの循環を促進する。
【００３３】
図８は前記ごとく集中配列したときと、空気ノズルを外筒部材端面に均一に円周配列したときのA重油定格燃焼時のNOｘ値を示す。集中配置したものは均一配列したものに比べNOｘ抑制効果が大きいことがわかる。
【００３４】
また、空気ノズルの位置を排気口側にしたときと、その反対側にしたときのA重油低燃焼時のススの生成を比較した例が図９である。空気ノズルを排気口側にした方がスス生成は明らか低く、図示していないがNOｘ濃度も低くなっている。この傾向は定格燃焼でも変らない。
【実施例２】
【００３５】
図２は火炎が排気口に近づかず、かつ循環流も妨げないよう空気ノズル６を火炉中心軸に向け角度θ°傾けたバーナの例である。この角度θは０〜15°で、望ましくは５〜10°である。
【００３６】
図３は循環流を維持したまま、火炎を排気口に近づけないよう、空気ノズル７の出口を構成する板で、最外側の板を角度η°傾けたノズルをもつバーナの例である。この角度ηは15〜40°で、望ましくは25〜35°である。
【００３７】
図４の燃焼ガイドは、燃料ノズルから噴霧され運動量の大きい油滴が、気化が不十分のまま、空気噴流を通過し、水冷壁まで達するのを防ぐとともに、ガイド内で着火・形成される火炎の方向を制御し、火が火炉の半径方向に広がり、排気口に近づく抑制するために必要な、適当な径Dと長さLをもつ円筒管である。また、この管は火炎や循環燃焼ガスで加熱されるため、この管から放射される熱で燃料油滴の気化が更に促進される。また、空気噴流・火炎流を燃焼ガスの流れと分離するため、反転流としてバーナ元に還流する燃焼ガスの流れが促進する働きもする。
【００３８】
この燃焼ガイドは円周状に配列した空気ノズルの外側と火炉の中心軸との距離をRとするとその径Dは2.4R以上2.8R以下で、長さLは100mm以上500mm以下の寸法の耐熱性金属管である。
【００３９】
図１０は請求項３のバーナと請求項４の燃焼ガイドを用い、最適化した状態でA重油定格燃焼を実施した例である。NOｘ、CO、ススの値は現在の環境規制値を十分満足していることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】請求項１の実施形態のバーナの断面図・側面図である。
【図２】請求項２の実施形態のバーナの断面図・側面図である。
【図３】請求項３の実施形態のバーナの断面図・側面図である。
【図４】請求項４の実施形態の燃焼ガイドの断面図・側面図である。
【図５】参照特許第3527456号に示された実施形態のバーナの断面図・側面図である。
【図６】Ω流形貫流ボイラにおける従来バーナの火炎断面模式図である。
【図７】Ω流形貫流ボイラにおける本発明バーナの火炎断面模式図である。
【図８】空気ノズルを円周方向に均等配列したものと、排気口側に集中配列したバーナのA重油定格燃焼におけるNOｘの比較図
【図９】空気ノズルを排気口側に集中配列したものと反対に集中配置したバーナのA重油低燃焼におけるススの比較図
【図１０】本発明バーナを最適化したときのA重油定格燃焼における排ガス性状の図
【符号の説明】
【００４１】
１  内筒
２  外筒
３  ノズルアセンブリー
４  １次空気口
５  請求項１形主空気ノズル
６  請求項２形主空気ノズル
７  請求項３形主空気ノズル
８  燃焼ガイド
100  Ω流型貫流ボイラ
101  従来バーナ
102  風箱
103  火炉（燃焼室）
104  水管
105  燃焼ガス室
106  煙室
107  排気ダクト
108  水室
109  蒸気室
110  焚口耐火材
111  火炉耐火材
112  提案バーナ
【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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【図９】
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【図１０】
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