(57)【要約】【課題】灯油や重油等の液体燃料を噴霧して燃焼させるバーナにおいて、低ＮＯｘ化を実現しつつ、燃焼状態を安定化させることができる構成を提供すること。【解決手段】バーナ１は、液体燃料を下方に向かって噴霧する第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４と、第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４を囲むように複数配置され、下方に向かって空気を供給する空気ノズル１６と、燃料ノズルを囲むように複数配置され、下方に向かって水素を供給する水素ノズル１７と、を備え、水素ノズル１７は、空気ノズル１６の内側に位置する。そして、空気ノズル１６は、その先端が第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４の先端よりも下流側に位置し、水素ノズル１７は、その先端が第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４の先端よりも下流側に位置する。【選択図】図１
2017122540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を下方に向かって噴霧する燃料ノズルと、
前記燃料ノズルを囲むように複数配置され、下方に向かって空気を供給する空気ノズルと、
前記燃料ノズルを囲むように複数配置され、下方に向かって水素を供給する水素ノズルと、
を備え、
前記水素ノズルは、前記空気ノズルの内側に位置するバーナ。
【請求項２】
前記空気ノズルは、その先端が前記燃料ノズルの先端よりも下流側に位置し、
前記水素ノズルは、その先端が前記燃料ノズルの先端よりも下流側に位置する請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
前記水素ノズルは、前記空気ノズルの中心軸上に配置される請求項１又は２に記載のバーナ。
【請求項４】
前記空気ノズルの先端及び前記水素ノズルの先端よりも下流側に配置される整流筒を更に備える請求項１から３の何れかに記載のバーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、灯油や重油等の液体燃料を噴霧して燃焼させるバーナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料を下方に噴霧する燃料ノズルと、この燃料ノズルの周囲に配置され下方に向かって空気を噴射する複数の空気ノズルと、を備えるバーナにおいて、空気ノズルから高速で空気を噴射して負圧を発生させることにより、炉内ガスを再循環させて低ＮＯｘ化を実現する技術が知られている。この種のバーナを開示するものとしては例えば特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２５４９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されるような技術では、炉内ガスを再循環させることにより、低ＮＯｘ化を実現している。しかしながら、その燃焼形態がいわゆる空間保炎であるため、空気噴流が圧力噴霧された燃料液滴と混合・燃焼する位置がバーナからある程度離れた位置となり、保炎位置が揺らぐ傾向がある。そのため、定常燃焼中も大きな燃焼音や振動が発生しやすく、燃焼状態を安定化させるという観点から改善の余地があった。
【０００５】
本発明は、灯油や重油等の液体燃料を噴霧して燃焼させるバーナにおいて、低ＮＯｘ化を実現しつつ、燃焼状態を安定化させることができる構成を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、液体燃料を下方に向かって噴霧する燃料ノズルと、前記燃料ノズルを囲むように複数配置され、下方に向かって空気を供給する空気ノズルと、前記燃料ノズルを囲むように複数配置され、下方に向かって水素を供給する水素ノズルと、を備え、前記水素ノズルは、前記空気ノズルの内側に位置するバーナに関する。
【０００７】
前記空気ノズルは、その先端が前記燃料ノズルの先端よりも下流側に位置し、前記水素ノズルは、その先端が前記燃料ノズルの先端よりも下流側に位置することが好ましい。
【０００８】
前記水素ノズルは、前記空気ノズルの中心軸上に配置されることが好ましい。
【０００９】
前記バーナは、前記空気ノズルの先端及び前記水素ノズルの先端よりも下流側に配置される整流筒を更に備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、灯油や重油等の液体燃料を噴霧して燃焼させるバーナにおいて、低ＮＯｘ化を実現しつつ、燃焼状態を安定化させることができる構成を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るバーナの内部の様子を示す縦断面図である。
【図２】第１実施形態のバーナを下から見た様子を示す底面図である。
【図３】第１実施形態のバーナの燃焼筒の外観を示す斜視図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るバーナの内部の様子を示す拡大縦断面図である。
【図５】第２実施形態のバーナを下から見た様子を示す底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明のバーナの好ましい各実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るバーナ１の内部の様子を示す縦断面図である。図２は、第１実施形態のバーナ１を下から見た様子を示す底面図であり、図１のＡ−Ａ線矢視図である。
【００１３】
本実施形態のバーナ１は、ボイラ装置に適用されるものであり、重油や灯油等の液体の燃料を燃焼させて水を加熱し、蒸気又は温水を生成するものである。バーナ１が適用されるボイラ装置の缶体１００の内部には燃焼室２２が形成される。
【００１４】
バーナ１は燃焼室２２の上方に配置される。この燃焼室２２では、後述するバーナ１の第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４から噴霧された燃料が燃焼され、燃焼ガスが発生する。
【００１５】
バーナ１の構成について説明する。図１及び図２に示すように、バーナ１は、内筒部１１と、この内筒部１１の外側に配置される外筒部１２と、内筒部１１の内部に配置される第１燃料ノズル１３、第２燃料ノズル１４と及び着火部１５と、複数の空気ノズル１６と、複数の水素ノズル１７と、整流部６０と、を備える。
【００１６】
内筒部１１は、円筒形状に構成される。この内筒部１１の底部１１０には、燃焼室２２と連通する開口１１１が形成される。本実施形態の開口１１１は、略楕円状になっている。
【００１７】
外筒部１２は、内筒部１１の直径よりも大きな直径を有する円筒形状に形成される。この外筒部１２は、中心軸が内筒部１１の中心軸と一致するように配置される。外筒部１２の内面と内筒部１１の外面との間には、空間が形成されており、この空間には、外筒部１２の上部に接続された空気供給装置（図示省略）から空気が供給される。
【００１８】
外筒部１２の底面には、複数の開口１２１が形成されている。図２に示すように、複数の開口１２１は、内筒部１１を囲うように環状に配置される。
【００１９】
第１燃料ノズル１３は、第１燃料供給管１３１と、第１ノズルチップ１３２と、を備える。第１燃料供給管１３１は、内筒部１１の内部に鉛直方向（上下方向）に延びて配置される。第１燃料供給管１３１の基端部（上端部）は、燃料供給装置（図示省略）に接続される。
【００２０】
第１ノズルチップ１３２は、第１燃料供給管１３１の先端部（下端部）に配置される。図１の破線に示すように、第１ノズルチップ１３２は、鉛直方向下方を中心として、所定の範囲に液体の燃料を噴霧可能に構成される。
【００２１】
以上の第１燃料ノズル１３によれば、燃料供給装置から第１燃料供給管１３１に供給された液体の燃料は、第１ノズルチップ１３２から鉛直方向下方を中心として所定の範囲に略円錐状に噴霧される。
【００２２】
第２燃料ノズル１４は、第１燃料ノズル１３に近接して配置される。第２燃料ノズル１４は、第２燃料供給管１４１と、第２ノズルチップ１４２と、を備える。第２燃料供給管１４１は、内筒部１１の内部に鉛直方向（上下方向）に延びて配置される。第２燃料供給管１４１の基端部（上端部）は、燃料供給装置（図示省略）に接続される。
【００２３】
第２ノズルチップ１４２は、第２燃料供給管１４１の先端部（下端部）に配置される。図１の破線に示すように、第２ノズルチップ１４２は、鉛直方向下方を中心として、所定の範囲に液体の燃料を噴霧可能に構成される。
【００２４】
以上の第２燃料ノズル１４によれば、燃料供給装置から第２燃料供給管１４１に供給された液体の燃料は、第２ノズルチップ１４２から鉛直方向下方を中心として所定の範囲に略円錐状に噴霧される。なお、第２ノズルチップ１４２が噴霧する所定範囲は、第１ノズルチップ１３２が噴霧する所定範囲の一部と重なるようになっている。
【００２５】
図２に示すように、着火部１５は、第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４に近接配置される。着火部１５は、第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４の軸方向と同じ方向に延びている。この着火部１５の先端部（下端部）は、第１ノズルチップ１３２に近接して配置される。着火部１５は、火花を発生させることで、第１燃料ノズル１３から噴霧された燃料に着火し、燃料の燃焼を開始させる。
【００２６】
複数の空気ノズル１６は、第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４を囲むように配置される。より具体的には、複数の空気ノズル１６は、外筒部１２の底面における複数の開口が形成された位置に対応しており、周方向で等間隔に配置されている。
【００２７】
複数の空気ノズル１６は、空気供給装置（図示省略）から外筒部１２の内面と内筒部１１の外面との間の空間に供給された空気を、下方に向けて噴射する。
【００２８】
複数の水素ノズル１７は、その外径が空気ノズル１６の内径よりも小さくなっており、各空気ノズル１６の内側に配置される。ここでいう空気ノズル１６の内側とは、空気の経路となる空気ノズル１６の内部空間のことを意味する。本実施形態では、１つの空気ノズル１６に対して１つの水素ノズル１７が配置されている。従って、水素ノズル１７についても、第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４を囲むように配置されることになる。
【００２９】
水素ノズル１７は、その上流側から気体燃料室１７５を介して水素が供給され、下流側の端部に形成される噴射口１７２を通じて水素を燃焼室２２側に送る。気体燃料室１７５は、外筒部１２の外周面に設けられるガス室であり、均圧室としての機能を有する構成としてもよい。
【００３０】
水素供給管１７１は、缶体１００の外側に配置される水素供給装置（図示省略）から水素ノズル１７に水素を供給する配管である。本実施形態では、複数の水素供給管１７１が気体燃料室１７５に接続されており、気体燃料室１７５を介して水素ノズル１７に水素が供給される。この構成により、水素ノズル１７に対する水素供給管１７１の本数を減らすことができるとともに、レイアウトの自由度をひろげることができる。また、気体燃料室１７５を介して水素ノズル１７に水素が供給されることにより、水素のガス圧力に偏りが生じる事態を防止でき、後述の燃焼状態をより一層安定化させることができる。
【００３１】
水素ノズル１７は、外筒部１２の内側面から水平方向に延出した後、湾曲しながら鉛直下方向に延出する。水素ノズル１７における鉛直方向に延びる部分は、空気ノズル１６の同軸上を通過するよう配置される。
【００３２】
水素ノズル１７は、その先端側の噴射口１７２が空気ノズル１６の先端と略同じ位置である。従って、空気ノズル１６の先端（下流側の端部）及び水素ノズル１７の先端（下流側の端部）は、いずれも第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４の先端よりも下流側に位置している。
【００３３】
整流部６０は、複数の空気ノズル１６から下方に向かって噴射された空気の流れを整流する。この整流部６０は、複数の空気ノズル１６の外方に配置され、これら複数の空気ノズル１６よりも下方に延びる。
【００３４】
図３は、本実施形態のバーナ１の整流部６０の外観を示す斜視図である。図３に示すように、整流部６０は、外筒部１２の下方に配置される整流筒６１と、整流筒６１を支持する複数の支持部６２と、を備える。整流筒６１は、上面及び下面が開放された円筒形状に形成されており、複数の支持部６２を介して外筒部１２に支持される。
【００３５】
図１の破線に示すように、第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４から噴霧される燃料の範囲が、整流筒６１の内側に収まるように設定されている。なお、第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４によって噴射させる燃料の所定範囲は、事情に応じて適宜変更することができる。
【００３６】
第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４から噴霧される燃料を調整することにより、燃焼状態を切り替えることができる。本実施形態のバーナ１は、第１燃料ノズル１３のみから燃料を噴霧させて燃料を燃焼させる第１燃焼状態としての低燃焼状態、及び第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４の両方のノズルから燃料を噴霧させる第２燃焼状態としての高燃焼状態、並びに、燃料を燃焼させない停止状態の３つの燃焼状態（３位置）を切り替え可能に構成される。
【００３７】
次に、バーナ１の燃焼時の動作について説明する。燃焼状態では、第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４から燃料を噴射するとともに、複数の空気ノズル１６から下方に向かって空気が高速で噴射される。
【００３８】
また、空気ノズル１６の内側に配置される水素ノズル１７からも下方に向かって水素が放出される。なお、灯油と水素の合計の発熱量に対する水素ガスの割合は、例えば、バーナ１が通常稼動中（定格）の燃焼量の５％から３０％の範囲内、より好ましくは１０％から２０％に設定される。なお、水素の供給量は、水素の燃焼によるホットスポットでのＮＯｘ生成量が多くならないように調整される。本実施形態では、水素の供給量は、低燃焼状態と高燃焼状態で同じ量の水素が供給される。なお、水素の供給量は低燃焼状態と高燃焼状態で変更するように構成してもよい。
【００３９】
本実施形態では、蒸気負荷に応じて着火時の水素を噴射するタイミングが制御される。蒸気負荷が高燃焼状態に移行する必要がない範囲にある場合は、第１燃料ノズル１３から燃料を噴射し、着火部１５による着火によって燃焼を開始する。そして、所定時間後に水素ノズル１７から水素を噴射して燃焼範囲の広い水素による水素燃焼を行う。これに対して蒸気負荷が高燃焼状態を要求する範囲にある場合は、第１燃料ノズル１３から燃料を噴射し、着火部１５の着火によって燃焼を開始する。その後、第２燃料ノズル１４からも燃料を噴射し燃焼を行う。そして、所定時間後に水素ノズル１７から水素を噴射して水素燃焼を行う。本実施形態のように、圧力噴霧された燃料液滴と空気噴流が混合・燃焼する位置が第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４から離れた位置にある場合でも、噴射口１７２から噴射される水素によって噴射口１７２の近傍で保炎源となる火炎を生じさせることができるので、保炎位置の揺らぎを効果的に防止でき、空間保炎を安定的に実現することができる。
【００４０】
また、空気ノズル１６から高速で燃焼用の空気が噴出されることにより、空気噴流の近傍に負圧が生じ、炉（缶体１００）内の排ガスを第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４側に引き込む吸引力が生じ、排ガス循環が生じる。本実施形態では、整流筒６１と外筒部１２の間には隙間が形成されている。この隙間から第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４側に排ガスを効率的に引き込むことができる。更に、水素ノズル１７は、空気ノズル１６の内側に配置されているので、排ガスを引き込む流れを妨げることもない。
【００４１】
以上説明した第１実施形態のバーナ１によれば、以下のような効果を奏する。
即ち、第１実施形態のバーナ１は、液体燃料を下方に向かって噴霧する第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４と、第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４を囲むように複数配置され、下方に向かって空気を供給する空気ノズル１６と、燃料ノズルを囲むように複数配置され、下方に向かって水素を供給する水素ノズル１７と、を備え、水素ノズル１７は、空気ノズル１６の内側に位置する。
【００４２】
これにより、水素の燃焼によって保炎位置が安定するので、保炎の揺らぎに伴って生じる大きな燃焼音や振動の発生を効果的に低減し、空気噴流による炉内ガス誘因効果を維持してＮＯｘ低減効果を達成しつつ、燃料状態の安定化を実現できる。また、空気と灯油（燃料液滴）が混ざり合うまでに水素火炎という高温部ができるので、燃料の気化・混合促進効果によってＣＯも低減できる。また、空気ノズル１６の内側に水素ノズル１７が位置するので、燃焼室２２側に送り出される空気流によって水素ノズル１７が冷却され、水素ノズル１７を熱的に保護にする点からも本実施形態の構成は有効である。更に、水素ノズル１７が空気ノズル１６の内側に位置することにより、炉内再循環を妨げる障害ともならず、低ＮＯｘ化及び燃焼制御の安定化の両方を実現できる。
【００４３】
空気ノズル１６は、その先端が第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４の先端よりも下流側に位置し、水素ノズル１７は、その先端が第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４の先端よりも下流側に位置する。これにより、第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４の先端から間隔をあけて保炎状態を良好に維持することができ、ＮＯｘ低減効果及び燃焼状態の安定化をより高度な水準で達成することができる。
【００４４】
水素ノズル１７は、空気ノズル１６の中心軸上に配置される。これにより、空気ノズル１６から噴射される空気の流れを妨げることなく、水素ノズル１７から噴射される水素ノズルを空気ノズル１６から噴流される空気の中に効率的に混合することができる。
【００４５】
バーナ１は、空気ノズル１６の先端及び水素ノズル１７の先端よりも下流側に配置される整流筒６１を更に備える。これにより、空気ノズル１６の先端及び水素ノズル１７の先端よりも先で整流を行うことができ、保炎状態をより一層安定的に維持することができる。
【００４６】
次に、第２実施形態のバーナ２０１について説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係るバーナ２０１の内部の様子を示す拡大縦断面図である。図５は、第２実施形態のバーナ２０１を下から見た様子を示す底面図である。図５では缶体１００等の図示を省略している。また、以下の説明において上記実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略することがある。
【００４７】
第２実施形態のバーナ２０１は、液体燃料を噴射するための構成が第１実施形態と異なっている。図５及び図６に示すように、第２実施形態のバーナ２０１は、第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４に替えて、内筒部１１の内側に配置されるリターンフローノズル２１３を燃料ノズルとして備える。本実施形態では、リターンフローノズル２１３は、内筒部１１の略中心軸上に位置している。
【００４８】
リターンフローノズル２１３の先端にはノズルチップ２２０が配置されている。リターンフローノズル２１３には、液体燃料の供給経路２１５が接続されるとともに、戻し経路２１６が接続される。戻し経路２１６には、流量調整弁（図示省略）が配置されており、戻し経路の流量を調整して噴霧量を調整できるように構成される。図４の破線に示すように、ノズルチップ２２０から所定の範囲に液体燃料が噴霧される。
【００４９】
リターンフローノズル２１３の周囲には、複数の空気ノズル１６と、空気ノズル１６の内側に配置される複数の水素ノズル１７が配置される。空気ノズル１６及び水素ノズル１７の構成は第１実施形態と同様である。第２実施形態のバーナ２０１のように、燃焼制御における液体燃料の量を連続的に調整できる構成においても、空気ノズル１６の内側に配置される水素ノズル１７から噴射される水素によって空間保炎を安定的なものにすることができ、低ＮＯｘ化及び燃焼制御の安定化の両方を実現できる。
【００５０】
以上、本発明のバーナの好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
【００５１】
上記実施形態では、水素ノズル１７が空気ノズル１６の中心軸上に位置するように構成されているが、この構成に限定されない。水素ノズル１７が空気ノズル１６の内側で偏芯するように配置されてもよい。
【００５２】
上記実施形態では、整流筒６１を備える構成を例に説明したが、整流筒６１を省略することもできる。
【００５３】
上記実施形態では、各空気ノズル１６に水素ノズル１７が配置される構成であるが、一部の空気ノズル１６に水素ノズル１７を配置する構成としてもよい。
【００５４】
上記実施形態では、空気ノズル１６及び水素ノズル１７の先端が、第１燃料ノズル１３及び第２燃料ノズル１４の先端やリターンフローノズル２１３の先端よりも下流側に位置する構成であるが、この構成に限定されない。空気ノズル及び水素ノズルの先端位置が燃料ノズルの先端位置と略一致するように構成してもよい。
【００５５】
上記実施形態では、ボイラ装置に適用されるバーナを例に説明したが、ボイラ装置以外の構成にも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１  バーナ
１３  第１燃料ノズル（燃料ノズル）
１４  第２燃料ノズル（燃料ノズル）
１６  空気ノズル
１７  水素ノズル
６１  整流筒
２０１  バーナ
２１３  リターンフローノズル（燃料ノズル）
【図１】
2017122540.tif 000003
【図２】
2017122540.tif 000004
【図３】
2017122540.tif 000005
【図４】
2017122540.tif 000006
【図５】
2017122540.tif 000007