(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと燃焼用空気を燃焼させる前に予め混合する予混合装置において、空気を送風供給する供給ダクトと、当該供給ダクトの周方向に穿設された多数のガス噴出孔とこれらのガス噴出孔を気密に蔽うガス環状体からなり、このガス環状体内にガスを供給してガス噴出孔から前記供給ダクト内の空気流に対し燃料ガスを直交状に噴出して両者を１次混合させる燃料ガス供給手段と、この１次混合点より距離Ｌ0だけ下流位置に１次混合気流に対して直交状に間隔Ｌ3で等間隔に配置された２枚の幅Ｌ1の形片をアングル角度θで断面略Ｖ字状に配置したアングル幅Ｌ2のアングルから成る複数本の混合促進体とから構成され、且つ前記距離Ｌ0をＬ0＞０．５Ｄ0（但し、Ｄ0は空気供給ダクトの直径）に、前記アングル角度θを６０°〜１００°に、前記形片の幅Ｌ1を１０〜３０ｍｍに夫々規制すると共に、当該混合促進体の頂線を上流側に向け、両形片により前記１次混合気流をより均一に混合して２次混合気を形成することを特長とする予混合装置。
【請求項２】
燃料ガスと燃焼用空気を燃焼させる前に予め混合する予混合装置において、空気を送風供給する供給ダクトと、当該供給ダクトの直径方向に内設されたガス供給筒とこのガス供給筒の壁面に多数穿設されたガス噴出孔からなり、ガス噴出方向が空気流に直交するように配置されて、供給ダクト内の空気流に対し燃料ガスを直交状に噴出して両者を１次混合させる燃料ガス供給手段と、この１次混合点より距離Ｌ0だけ下流位置に１次混合気流に対して直交状に間隔Ｌ3で等間隔に配置された２枚の幅Ｌ1の形片をアングル角度θで断面略Ｖ字状に配置したアングル幅Ｌ2のアングルから成る複数本の混合促進体から構成され、且つ前記距離Ｌ0をＬ0＞０．５Ｄ0（但し、Ｄ0は空気供給ダクトの直径）に、前記アングル角度θを６０°〜１００°に、前記形片の幅Ｌ1を１０〜３０ｍｍに夫々規制すると共に、当該混合促進体の頂線を上流側に向け、両形片により前記１次混合気流をより均一に混合して２次混合気を形成することを特長とする予混合装置。
【請求項３】
前記混合促進体の形片の端縁にジグザグ状の刻みを入れて複数の切込片を形成した請求項１又は２記載の予混合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温水ボイラや煙管式ボイラ、サイクロン式灰溶融装置等の燃焼装置に用いられるものであり、ガス燃料と燃焼用空気とを予め混合させる予混合装置に関し、更に詳細には、ガス燃料と燃焼用空気とをミクロな領域にまで均一に混合する予混合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料ガスと燃焼用空気を別々に供給して燃焼用バーナで混合させる先混合燃焼方式では、燃料ガスと燃焼用空気が拡散しながら混合する結果、両者の均一な混合が得にくかった。従って、濃混合気と淡混合気が形成されながら燃焼するため、局所的に燃焼温度の高い所ができる。ＮＯｘの中でも特にサーマルＮＯｘは温度に大きく影響されるため、局所的に高温部が存在すると、燃焼中でのＮＯｘ生成率が高くなる。
【０００３】
そこで、温水ボイラや煙管式ボイラ、サイクロン式灰溶融装置等の燃焼装置では、燃焼前に燃料ガスと燃焼用空気とを予め混合させる予混合方式が採用されてきた。この予混合方式では、燃料ガスと燃焼用空気とが予め均一に混合されているので、燃焼の最高温度も低く、生成するＮｏｘも低く押えることができる。
【０００４】
ところが、従来の予混合装置では、燃料ガスと燃焼用空気とを相当均一に混合することができているが、更により高度なレベルまで均一に混合させることは困難であった。その結果、燃焼温度が安定せず、燃焼領域における局部的な高温部の発生がＮＯｘの低減化の限界となっていた。
【０００５】
例えば、図１１は特開平８−８６４１７号公報に開示の予混合燃焼装置である。送風機８０により供給される燃焼用空気８２に対し、直交状に燃料ガス８４が燃料ガス供給管８６より噴出される。この流体衝突により燃焼用空気８２と燃料ガス８４が１次混合され、矢印方向に流送後、１次混合気８８の燃焼が行われる。この装置では流体衝突による均一な混合（以下、流体衝突による混合の均一さのレベルをマクロな混合と呼ぶ）は行われても、燃焼用空気と燃料ガスとの前記流体衝突による均一な混合よりもより均一な混合（以下、このレベルでのより均一な混合を分子レベルでのミクロ混合と呼ぶ）は行われず、ＮＯｘ低減化の限界となっていた。また、混合の不均一性の残留が逆火、即ち、火炎が燃焼ノズルの中に逆流してくる現象の原因にもなっていた。
【０００６】
図１２は特開平６−７４４２３号公報開示の予混合装置である。送風機８０により供給される燃焼用空気８２は旋回流形成手段８１により旋回流となり、この旋回流に対し燃料ガス供給管８６の噴出孔９０から燃料ガスが直交状に噴出される。この噴出でマクロ混合された１次混合気８８は大径部９２に到達する。
【０００７】
しかし、この大径部９２では、周辺部で図示の如き過流によるマクロ混合が行なわれるが、ミクロ混合は行なわれていない。つまり、１次混合気８８の形成時点でマクロ混合は既に行なわれているのであり、次に行うべきは、流体各所における局部的ミクロ混合である。このミクロ混合が行なわれていない点で、この従来技術はまだ不十分であると云わざるを得ない。
【０００８】
図１３は特開平５−２３１６１５号公報開示の予混合燃焼装置である。燃料ガスと燃焼用空気が既に混合された１次混合気が管路９４を通して導入口９５から流入する。１次混合気は立設された平板状の乱流発生部材９６に衝突し、図示のように上下端縁からカルマン渦９７が発生し、乱流領域９８を形成する。この乱流混合気をイグナイタ９９で燃焼させる。
【０００９】
この乱流発生部材９６では図示のような大きなカルマン渦が発生し、１次混合気を分子レベルでミクロ混合することは不可能に近い。乱流を利用して再度、混合攪拌する点は前進しているが、ミクロ混合の水準に到達していない。
【００１０】
図１４は同じく上記特開平５−２３１６１５号公報開示の他の予混合燃焼装置である。
図１３と異なる点は、乱流発生部材９６として円錐体が用いられていることである。ところが、このように大きな円錐体では、周縁により大きなカルマン渦列が生起し、マクロ混合ができてもミクロ混合が無理な点は図１３と同様である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、燃焼用空気流に燃料ガスを直交状に噴出衝突させて両者をマクロ的に混合させる技術はほぼ確立してきた。ところが、この１次混合気ではマクロな混合攪拌は行なわれているが、空気とガスを分子レベルで攪拌するミクロ混合は行なわれていない。
【００１２】
また、この１次混合気を更に混合攪拌して２次混合気を得る技術が開発されてきた。しかし、２次混合する手段が大渦や大カルマン渦を生成することを目的としているため、ミクロ混合することはできなかった。ミクロ混合化するために流速を大きくすることも試みられたが、圧力損失が急速に増大し、ミクロ混合を十分に行うことができなかった。流速の増大化については送風機の限界もあった。
【００１３】
従って、この発明の目的はマクロ混合した１次混合気を均一にミクロ混合する予混合装置を提供することである。このことにより、２次混合気の燃焼温度を下げてＮＯｘの生成量を低減させ、また燃焼炎が燃焼装置内に逆流してくる逆火を防止できる予混合装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１の発明は、燃料ガスと燃焼用空気を燃焼させる前に予め混合する予混合装置において、空気を送風供給する供給ダクトと、当該供給ダクトの周方向に穿設された多数のガス噴出孔とこれらのガス噴出孔を気密に蔽うガス環状体からなり、このガス環状体内にガスを供給してガス噴出孔から前記供給ダクト内の空気流に対し燃料ガスを直交状に噴出して両者を１次混合させる燃料ガス供給手段と、この１次混合点より距離Ｌ0だけ下流位置に１次混合気流に対して直交状に間隔Ｌ3で等間隔に配置された２枚の幅Ｌ1の形片をアングル角度θで断面略Ｖ字状に配置したアングル幅Ｌ2のアングルから成る複数本の混合促進体とから構成され、且つ前記距離Ｌ0をＬ0＞０．５Ｄ0（但し、Ｄ0は空気供給ダクトの直径）に、前記アングル角度θを６０°〜１００°に、前記形片の幅Ｌ1を１０〜３０ｍｍに夫々規制すると共に、当該混合促進体の頂線を上流側に向け、両形片により前記１次混合気流をより均一に混合して２次混合気を形成することを発明の基本構成とするものである。
【００１５】
請求項２の発明は、燃料ガスと燃焼用空気を燃焼させる前に予め混合する予混合装置において、空気を送風供給する供給ダクトと、当該供給ダクトの直径方向に内設されたガス供給筒とこのガス供給筒の壁面に多数穿設されたガス噴出孔からなり、ガス噴出方向が空気流に直交するように配置されて、供給ダクト内の空気流に対し燃料ガスを直交状に噴出して両者を１次混合させる燃料ガス供給手段と、この１次混合点より距離Ｌ0だけ下流位置に１次混合気流に対して直交状に間隔Ｌ3で等間隔に配置された２枚の幅Ｌ1の形片をアングル角度θで断面略Ｖ字状に配置したアングル幅Ｌ2のアングルから成る複数本の混合促進体とから構成され、且つ前記距離Ｌ0をＬ0＞０．５Ｄ0（但し、Ｄ0は空気供給ダクトの直径）に、前記アングル角度θを６０°〜１００°に、前記形片の幅Ｌ1を１０〜３０ｍｍに夫々規制すると共に、当該混合促進体の頂線を上流側に向け、両形片により前記１次混合気流をより均一に混合して２次混合きを形成することを発明の基本構成とするものである。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記混合促進体を、形片の端縁にジグザグ状の刻みを入れて複数の切込片を形成した混合促進体としたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図１〜図１０に基づいて具体的に詳述する。
図１〜図３は本発明に係る予混合装置の第１実施形態を示し、特に図１はその縦断面図、図２は混合促進体の斜視図および図３は図１のＣ−Ｃ線断面図である。断面円形の供給ダクト２を通して図示しない送風機から燃焼用空気が矢印ａ方向に供給される。供給ダクト２の周方向には多数のガス噴出孔４が穿設され、これらのガス噴出孔４を外部から気密に蔽うガス環状体６が設けられている。燃料ガスはガス管８から矢印ｂ方向に供給され、ガス環状体６がガス溜りとなってガス噴出孔４を介して矢印ｃ方向に吹き出す。
【００１８】
供給ダクト２には混合促進体１０が配置されている。
【００１９】
図２から分るように、混合促進体１０は２枚の形片２８、２８がアングル角度θで開いたアングルであり、アングル角度θは６０°〜１００°、望ましくは８０°〜１００°である。形片２８の幅Ｌ1は３０ｍｍ以下で、望ましくは１０〜２０ｍｍである。
【００２０】
このアングル状の混合促進体１０は、その頂線３０が上流を向くように、供給ダクト２の断面部全長に渡って複数本が等間隔に並べられる。間隔Ｌ3はアングル幅をＬ2とすると、０．５Ｌ2＜Ｌ3＜２Ｌ2に設定される。また、Ｌ2を小さくして混合促進体１０をできるだけ多数本配置するとミクロ混合の効率が上昇する。
【００２１】
ガス噴出孔４と混合促進体１０までの距離Ｌ0はできるだけ長い方がよいが、円形の供給ダクトの直径Ｄ0と比較すると、Ｌ0＜０．５Ｄ0とすることが望まれる。また、２次混合（ミクロ混合）を確実に行うために、混合促進体２８位置での混合気の流速は１０ｍ／ｓ以上に設定することが望まれる。この流速が速いときには、前記間隔Ｌ3を大きくとると、２次混合が効果的である。
【００２２】
次に、第１実施形態の作用について説明する。図１および図３から分かるように、燃料ガスはガス環状体６を介して噴出口４から矢印ｃ方向に噴出する。矢印ａ方向の燃焼用空気は直交状に流体衝突する燃料ガスと大乱流状態で１次混合する。１次混合気は大乱流状態から次第に安定した流れになり、この過程をマクロ混合という。
【００２３】
矢印ｆで示すように、この１次混合気は混合促進体１０の頂線３０から左右に分流し、形片２８を上りながら、その端縁２８ａ、２８ａで微小なカルマン渦を形成する。このカルマン渦は微小であるため、下流への流動過程の中で次第に安定し、一様に均一な２次混合流ｇとなる。混合促進体１０より後の混合がミクロ混合で、混合促進体１０のアングル幅Ｌ2をより小さくし、配列本数をより多くすると、ミクロ混合がよりキメ細かく行われる。
【００２４】
図４〜図７は本発明に係る予混合装置の第２実施形態を示している。図４は縦断面図、図５は混合促進体の斜視図、図６は他の混合促進体の斜視図および図７は図４のＥ−Ｅ線断面図である。
この第２実施形態を説明するに当って、第１実施形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、異なる部分を説明する。
【００２５】
第２実施形態が第１実施形態と異なるのは、供給ダクト２の断面が矩形であること、およびアングル状の混合促進体１０形状がやや異なることの２点である。供給ダクト２の断面が矩形である点は第１実施形態と同一であるからその説明を省略する。
【００２６】
図５に示す混合促進体１０は、端縁２８ａにジグザグ状の刻みを入れることにより多数の切込片３２を形成している。この切込片３２の両端はエッジ３２ａとなっており、結局、切込片３２の２倍の数のエッジ３２ａが１つの形片２８に形成されることになる。この例では、切込片３２に端縁２８ａを残しているから、エッジ３２ａの数は少ない。
【００２７】
図６に示す混合促進体１０では、端縁２８ａを完全に失くすまで刻みを入れているので、極めて多数の切込片３２が形成でき、その結果エッジ３２ａの個数が急増できる。
【００２８】
図５又は図６で示す混合促進体１０に１次混合気がやってくると、矢印ｆに示されるように、形片２８、２８でまず上下に分流し、各々の分流が切込片３２のエッジ３２ａ、３２ａにより更に左右に分流して微小なカルマン渦を形成する。多数の切込片３２があると、極めて微小なカルマン渦が多数形成されるため、少し流下した段階では一様で均一な２次混合流ｇが形成されることになる。
【００２９】
図８〜図１０は本発明に係る予近具装置の第３実施形態を示している。図８は縦断面図、図９は図８のＦ−Ｆ線断面図および図１０は図８のＧ−Ｇ線断面図である。この第３実施形態を説明するに当って、第２実施形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、異なる部分を説明する。
【００３０】
この第３実施形態は、燃料ガス供給手段の他の実施例を示しており、ガス環状体６とは異なって、供給ダクト２の直径方向にガス供給筒７を内設して構成する。このガス供給筒７の側面で空気供給方向ａと直交する位置には、多数のガス噴出孔４がその軸方向に穿設され、燃料ガスを矢印ｃ方向に噴出する。
【００３１】
この実施形態では、ガス供給筒７が供給ダクト２内の中央に位置するから、燃焼用空気の流れが乱される面を有するが、燃料ガスとの１次混合はガス供給筒７の両サイドで行われる。両サイドの１次混合流も少し流下すると相互に融合し、混合促進体１０による２次混合の後は、第２実施形態とほぼ同一の作用効果を奏するので、その説明を省略する。
【００３２】
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更等をその技術的範囲内に包含するものである。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料ガスと燃焼用空気をマクロに１次混合した後、この１次混合気をミクロに２次混合できるから一様で均一な混合気を生成できる。従って、この混合気を燃焼しても燃焼温度のムラが無くなり、ＮＯｘを減少できると同時に逆火を防止することができ、低圧力損失での均一混合が可能となる。
【００３４】
請求項３の発明によれば、より高効率化することができる。
【００３５】
請求項１の発明によれば、燃料ガス供給手段が供給ダクト内にないので、燃料ガスと燃焼用空気との１次混合が広い場所で行え、しかも機械的な擾乱を受けることがないので、１次混合の高効率化を達成できる。
【００３６】
請求項２の発明によれば、燃料ガス供給手段の構造がシンプルで製作が容易である。また、ガス噴出部付近の空気流速が速いから、燃料ガスの供給圧が低くても、１次混合と２次混合を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態に係る予混合装置の縦断面図である。
【図２】  第１実施形態の混合促進体の斜視図である。
【図３】  図１のＣ−Ｃ線断面図である。
【図４】  本発明の第２実施形態に係る予混合装置の縦断面図である。
【図５】  第２実施形態の混合促進体の斜視図である。
【図６】  第２実施形態の他の混合促進体の斜視図である。
【図７】  図４のＥ−Ｅ線断面図である。
【図８】  本発明の第３実施形態に係る予混合装置の縦断面図である。
【図９】  図８のＦ−Ｆ線断面図である。
【図１０】  図８のＧ−Ｇ線断面図である。
【図１１】  予混合燃焼装置の第１従来例の斜視図である。
【図１２】  予混合燃焼装置の第２従来例の要部断面図である。
【図１３】  予混合燃焼装置の第３従来例の断面図である。
【図１４】  予混合燃焼装置の第４従来例の断面図である。
【符号の説明】
２は供給ダクト、４はガス噴出孔、６はガス環状体、８はガス管、１０は混合促進体、２８は形片、２８ａは端縁、３０は頂線、３２は切込片、３２ａはエッジ、８０は送風機、８２は燃焼用空気、８４は燃料ガス、８６は燃料ガス供給管、８８は１次混合気、９０は噴出孔、９２は大径部、９４は管路、９５は導入口、９６は乱流発生部材、９７はカルマン渦、９８は乱流領域、９９はイグナイタ。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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