(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の燃焼室の天井部に、前記燃焼室の軸心線上に設けられた燃料噴射ノズルと、該燃料噴射ノズルを中心として同心円状に形成された１次空気導入路と２次空気導入路と、該２次空気導入路の下端に、等角度ピッチで放射状に所定数設けられた２次空気ノズルとを具備し、該２次空気ノズルは断面が径方向に長い矩形であることを特徴とするバーナ。
【請求項２】
前記断面の矩形比は１．５〜５である請求項１のバーナ。
【請求項３】
前記燃焼室は、壁面の一部に排気口が形成され、前記２次空気ノズルは噴出される２次空気を前記排気口から遠ざける様に方向付ける請求項１又は請求項２のバーナ。
【請求項４】
前記バーナを構成する前記壁面の１つが前記排気口から離反する方向に傾斜した請求項３のバーナ。
【請求項５】
前記２次空気ノズルの内部を中心側と外側に分割し、ベーンは流通する２次空気を前記内部排気口から遠ざける様に傾斜した請求項３又は請求項４のバーナ。
【請求項６】
前記ベーンは、矩形比が２以上の場合に設けられる請求項５のバーナ。
【請求項７】
円筒状の燃焼室と、該燃焼室の周囲を囲繞する伝熱壁、該伝熱壁の下端に設けられた下部管寄せと、前記伝熱壁の上端に設けられた上部管寄せと、前記燃焼室の天井部に設けられたバーナとを具備し、該バーナは前記燃焼室の軸心線上に設けられた燃料噴射ノズルと、該燃料噴射ノズルを中心として同心円状に形成された１次空気導入路と２次空気導入路と、該２次空気導入路の下端に、等角度ピッチで放射状に所定数設けられた２次空気ノズルとを有し、該２次空気ノズルは断面が径方向に長い矩形であることを特徴とするボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナ及びボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大気汚染を防止する為、排気ガス規制は年々厳しくなっており、排気ガス規制にＮＯｘ排出規制がある。
【０００３】
燃焼時に生じるＮＯｘの１つとして、燃焼空気中の窒素ガスによって生じるサーマルＮＯｘがある。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るものであり、温度依存率が高く、燃焼温度が高くなる程、生成量は急激に増大する。
【０００４】
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、更に天然ガスでは排出されるＮＯｘはサーマルＮＯｘである。従って、ボイラに於いても燃焼温度を低くする燃焼法が研究されている。
【０００５】
簡易型ボイラ、小型ボイラ等（以下簡易型ボイラと称す）として、貫流ボイラがある。  簡易型ボイラに採用される貫流ボイラの構造としては、特許文献１に示されるものがあり、円筒状の燃焼室、該燃焼室の周囲に該燃焼室の軸心と平行に加熱管を多数配列して形成した炉壁、前記燃焼室の上部に設けられた燃料噴射ノズル、該燃料噴射ノズルの周囲に配設された断面が円又は矩形の燃焼空気供給ノズル、該燃焼空気供給ノズルの下方に前記燃料噴射ノズルと同心に配設された短円筒状のコーンガイドを有するものがあり、燃焼ガスと前記加熱管との間で熱交換させ、蒸気を発生させている。
【０００６】
上記した簡易型ボイラでは、燃焼時に前記燃焼空気が高速で前記コーンガイド内に噴射されることで、燃焼室の燃焼ガスを前記コーンガイド内に呼込み、再循環流が形成される。燃焼ガスの再循環流が形成されることで、燃焼空気中の酸素濃度が低下し、燃料の燃焼速度が抑制され、燃焼温度が低く抑えられる。
【０００７】
又、前記炉壁には、燃焼ガスを排気する為の排気口が形成されており、前記燃焼空気供給ノズルが前記排気口から離反する様に傾斜した構造を有している。これは、燃焼ガスが前記加熱管と充分な熱交換をしない内に排気口から排出される、所謂ショートパスしない様にしたものである。
【０００８】
特許文献１では、燃焼ガスを自己再循環させ、前記燃焼空気供給ノズルが前記排気口から離反する様に傾斜した構造により、ＣＯの低減効果が得られているが、ＮＯｘの低減効果は比較的少ないという結果が得られている。
【０００９】
又、前記燃焼空気供給ノズルから高速の燃焼ガスが噴出される為、前記燃焼空気供給ノズルが低周波振動を起す場合がある。
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−５７９９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は斯かる実情に鑑み、一層のＮＯｘの低減を図り、又前記燃焼空気供給ノズルの低周波振動の抑制を図るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、円筒状の燃焼室の天井部に、前記燃焼室の軸心線上に設けられた燃料噴射ノズルと、該燃料噴射ノズルを中心として同心円状に形成された１次空気導入路と２次空気導入路と、該２次空気導入路の下端に、等角度ピッチで放射状に所定数設けられた２次空気ノズルとを具備し、該２次空気ノズルは断面が径方向に長い矩形であるバーナに係るものである。
【００１３】
又本発明は、前記断面の矩形比は１．５〜５であるバーナに係り、又前記燃焼室は、壁面の一部に排気口が形成され、前記２次空気ノズルは噴出される２次空気を前記排気口から遠ざける様に方向付けるバーナに係り、又前記バーナを構成する前記壁面の１つが前記排気口から離反する方向に傾斜したバーナに係り、又前記２次空気ノズルの内部を中心側と外側に分割し、ベーンは流通する２次空気を前記内部排気口から遠ざける様に傾斜したバーナに係り、更に又前記ベーンは、矩形比が２以上の場合に設けられるバーナに係るものである。
【００１４】
又本発明は、円筒状の燃焼室と、該燃焼室の周囲を囲繞する伝熱壁、該伝熱壁の下端に設けられた下部管寄せと、前記伝熱壁の上端に設けられた上部管寄せと、前記燃焼室の天井部に設けられたバーナとを具備し、該バーナは前記燃焼室の軸心線上に設けられた燃料噴射ノズルと、該燃料噴射ノズルを中心として同心円状に形成された１次空気導入路と２次空気導入路と、該２次空気導入路の下端に、等角度ピッチで放射状に所定数設けられた２次空気ノズルとを有し、該２次空気ノズルは断面が径方向に長い矩形であるボイラに係るものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、円筒状の燃焼室の天井部に、前記燃焼室の軸心線上に設けられた燃料噴射ノズルと、該燃料噴射ノズルを中心として同心円状に形成された１次空気導入路と２次空気導入路と、該２次空気導入路の下端に、等角度ピッチで放射状に所定数設けられた２次空気ノズルとを具備し、該２次空気ノズルは断面が径方向に長い矩形のあるので、２次空気が中心側から順次燃焼に寄与し、燃焼速度の抑制が図られ、燃焼温度の上昇を抑制し、ＮＯｘの低減が図れ、又低周波騒音が低減する。
【００１６】
又本発明によれば、前記燃焼室は、壁面の一部に排気口が形成され、前記２次空気ノズルは噴出される２次空気を前記排気口から遠ざける様に方向付けるので、又前記バーナを構成する前記壁面の１つが前記排気口から離反する方向に傾斜したので、燃焼空気の前記排気口へのショートパスを防止でき、燃焼空気の熱回収が向上する。
【００１７】
又本発明は、前記２次空気ノズルの内部を中心側と外側に分割し、ベーンは流通する２次空気を前記内部排気口から遠ざける様に傾斜したので、又前記ベーンは、矩形比が２以上の場合に設けられるので、矩形比を大きくした場合にも、前記２次空気ノズルの２次空気を前記排気口から遠ざける様に方向付ける機能を損わせることがなく、一層のＮＯｘの低減が図れる。
【００１８】
又本発明によれば、円筒状の燃焼室と、該燃焼室の周囲を囲繞する伝熱壁、該伝熱壁の下端に設けられた下部管寄せと、前記伝熱壁の上端に設けられた上部管寄せと、前記燃焼室の天井部に設けられたバーナとを具備し、該バーナは前記燃焼室の軸心線上に設けられた燃料噴射ノズルと、該燃料噴射ノズルを中心として同心円状に形成された１次空気導入路と２次空気導入路と、該２次空気導入路の下端に、等角度ピッチで放射状に所定数設けられた２次空気ノズルとを有し、該２次空気ノズルは断面が径方向に長い矩形であるので、２次空気が中心側から順次燃焼に寄与し、燃焼速度の抑制が図られ、燃焼温度の上昇を抑制し、ＮＯｘの低減が図れ、又低周波騒音が低減するという優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。
【００２０】
図１、図２は、本発明に係るボイラ１を示しており、図中、２は円筒形状の燃焼室を示し、該燃焼室２の周囲を囲繞する様に、内側伝熱壁３、外側伝熱壁４が設けられている。
【００２１】
前記内側伝熱壁３は所要数の内列加熱管５を内側フィン６で気密に連結したものであり、又前記外側伝熱壁４は所要数の外列加熱管７を外側フィン８で気密に連結したものであり、前記内側伝熱壁３と前記外側伝熱壁４との間にはガス流路９が形成される。前記内側伝熱壁３には前記内側フィン６の一部が欠切され内部排気口１０が形成され、該内部排気口１０により前記燃焼室２と前記ガス流路９とが連通されている。
【００２２】
前記内側伝熱壁３、前記外側伝熱壁４の下端にはリング状の下部管寄せ１１が設けられ、前記内側伝熱壁３、前記外側伝熱壁４の上端にはリング状の上部管寄せ１２が設けられている。
【００２３】
前記内列加熱管５、前記外列加熱管７の下端はそれぞれ前記下部管寄せ１１に連通し、前記内列加熱管５、前記外列加熱管７の上端はそれぞれ前記上部管寄せ１２に連通し、前記下部管寄せ１１は図示しない給水源に接続され、前記上部管寄せ１２は蒸気溜めである図示しないヘッダに接続されている。
【００２４】
前記燃焼室２の底部１３は耐火材で形成され、前記燃焼室２の天井部１４の中心部にはバーナ１５が支持されている。前記外側伝熱壁４の周囲、前記下部管寄せ１１、前記上部管寄せ１２の外面は、保温材１６によって覆われ、更に該保温材１６の周囲はケーシング１７によって覆われている。
【００２５】
前記バーナ１５の前記天井部１４より上方に突出する部分は、風箱１８に収納され、該風箱１８はダクト１９を介して送風機２１に接続されている。又、前記ダクト１９にはダンパ２２が設けられ、前記送風機２１により送風された燃焼用空気は、前記ダンパ２２で風量調整され、前記バーナ１５に供給される様になっている。
【００２６】
前記外側伝熱壁４の下端部で前記内部排気口１０とは反対側の位置に排気管２３が接続され、該排気管２３から排ガスが排出される。
【００２７】
以下、図３、図４を参照して前記バーナ１５について説明する。
【００２８】
前記天井部１４の中央には、焚口２５が形成され、該焚口２５と同心に２次空気導入筒２６がフランジ２７を介して前記天井部１４に取付けられている。前記２次空気導入筒２６の上端は開放され、下端には該２次空気導入筒２６と同心に１次空気導入筒２８が設けられ、該１次空気導入筒２８の下端には火炎保持板４０が設けられ、前記１次空気導入筒２８の上端は開放されている。
【００２９】
前記２次空気導入筒２６の下端は底板２９によって閉塞され、前記１次空気導入筒２８の周囲には、放射状に２次空気ノズル３０が前記底板２９に等角度ピッチで所要数（図示では６個）設けられている。更に、前記２次空気ノズル３０の下方には前記２次空気導入筒２６と同心に筒状のコーンガイド３１が設けられている。尚、前記２次空気ノズル３０の数は４〜１２の範囲で、前記ボイラ１の規模等に応じて適宜選択される。
【００３０】
前記風箱１８は前記天井部１４の上面に、前記２次空気導入筒２６と同心に設けられており、前記風箱１８の天板３２には前記２次空気導入筒２６と同心に２次空気ガイド筒３３が垂設されている。該２次空気ガイド筒３３は前記２次空気導入筒２６の上端部とオーバラップし、該２次空気導入筒２６と前記２次空気ガイド筒３３との間には円筒状の２次空気流路３４が形成されている。
【００３１】
前記天板３２を貫通して燃料噴射ノズル３５が設けられる。該燃料噴射ノズル３５は前記２次空気導入筒２６の中心線上に位置し、下端は前記２次空気導入筒２６の下端、又は下端近傍迄延出している。前記燃料噴射ノズル３５の所要位置には、中蓋３６が設けられ、前記燃料噴射ノズル３５が前記天板３２に固定された状態で、前記中蓋３６は前記１次空気導入筒２８の上端を閉塞する様になっている。
【００３２】
該１次空気導入筒２８と前記中蓋３６で画成された空間は、１次空気導入路３７を形成し、前記２次空気導入筒２６の内部及び前記１次空気導入筒２８の周囲の空間は２次空気導入路３８を形成する。
【００３３】
特に、前記２次空気導入筒２６と前記１次空気導入筒２８とは２重筒構造を形成し、該１次空気導入筒２８の外側が前記２次空気導入路３８、内側が前記１次空気導入路３７となる。
【００３４】
前記１次空気導入筒２８の周面には周方向に所要間隔で、１次空気取入れ口３９が穿設され、前記２次空気導入路３８を流れる２次空気の一部を１次空気として前記１次空気取入れ口３９より前記１次空気導入路３７に分流させる様になっている。
【００３５】
前記２次空気ノズル３０の断面は矩形であり、矩形の長手方向の中心線が前記２次空気導入筒２６の半径方向と一致しており、矩形比（＝縦長さ／横長さ）は、＞１．５となっている。
【００３６】
又、前記２次空気ノズル３０を形成する壁面の内、外周側、内周側のいずれか一方は傾斜しており、該２次空気ノズル３０から噴射される２次空気を前記内部排気口１０から遠ざける様に方向付ける。傾斜壁面の角度は、鉛直に対して２０°以下の０°を除く任意の角度とする。
【００３７】
例えば、図４で矢印が前記内部排気口１０の方向であるとすると、２次空気ノズル３０ａは、外周側の壁面が前記内部排気口１０と離反する様に傾斜し、２次空気ノズル３０ｂでは、内周側の壁面が前記内部排気口１０と離反する様に傾斜する等である。
【００３８】
以下、作用について説明する。
【００３９】
前記送風機２１を駆動して、燃焼用空気を送風すると、燃焼用空気は前記ダクト１９から前記風箱１８に供給され、前記２次空気流路３４を通って前記２次空気導入筒２６の上端で折返し、前記２次空気導入路３８に２次空気として流入し、前記２次空気ノズル３０より分流され、下方に噴出される。又、２次空気の一部、例えば５％が１次空気として前記１次空気取入れ口３９より前記１次空気導入路３７に取込まれ、前記火炎保持板４０の周囲より下方に噴出される。
【００４０】
前記燃料噴射ノズル３５下端より噴出された燃料は、１次空気と混合して着火し、更に２次空気と混合して燃焼する。又、前記２次空気ノズル３０からの２次空気の噴出流が前記コーンガイド３１によって周囲と仕切られていることから、周辺の燃焼ガスが前記コーンガイド３１の上端から導引され、前記２次空気と混合する。周辺の燃焼ガスが導引されることは、自己再循環と呼ばれ、２次空気中の酸素濃度を低下させ、燃料の燃焼速度を抑制する。即ち、燃焼温度の上昇を抑制する。
【００４１】
更に、前記２次空気ノズル３０の断面が、半径方向に長い矩形形状である為、前記２次空気ノズル３０から噴出される２次空気は、燃料に一度に触れるのではなく、中心側から漸次接触する。従って、２次空気は一度に燃焼に寄与するのではなく、燃焼速度が抑制される。即ち、前記２次空気ノズル３０からの２次空気の噴出形態によっても、燃焼温度の上昇が抑制される。燃焼温度の上昇が抑制されることで、ＮＯｘの発生も抑制される。
【００４２】
燃焼ガスは、前記２次空気ノズル３０の壁面の傾斜により、前記内部排気口１０から離反する方向に向けられ、該内部排気口１０にショートパスすることが防止される。又、前記燃焼室２の燃焼ガスは、前記内部排気口１０から前記ガス流路９に流入し、更に前記排気管２３より排気される。前記内列加熱管５は、前記燃焼室２の燃焼ガス、及び前記ガス流路９を流通する燃焼ガスと熱交換し、又前記外列加熱管７は前記ガス流路９を流通する燃焼ガスと熱交換する。
【００４３】
前記内列加熱管５、前記外列加熱管７に供給された水は、上昇しつつ蒸発し、蒸気は前記上部管寄せ１２を経てヘッダ（図示せず）に導かれる。
【００４４】
前記２次空気ノズル３０を矩形にした場合の、ＮＯｘ及び低周波振動の低減効果について、図７〜図１０に於いて説明する。
【００４５】
図７は２次空気ノズル３０の形状配置を模式的に示したものであり、図３のＢ−Ｂ矢視相当図である。
【００４６】
前記２次空気ノズル３０が円周６等分した位置に配置され、図７（Ａ）は従来の２次空気ノズル３０を示し、断面形状が正方形となっている。又、図７（Ｂ）は、本発明の２次空気ノズル３０を示し、断面形状は矩形であり、矩形比は２となっている。又、ノズルの１つの壁面が傾斜し、噴出される２次空気を前記内部排気口１０（図２参照）から遠ざける様に方向付けることは、従来と本発明共に同様である。
【００４７】
図８は、排ガス中のＮＯｘ濃度を示しており、曲線Ａが矩形比＝１を示し、曲線Ｂが矩形比＝２を示しており、２次空気ノズル３０の断面形状を矩形とすることで、ＮＯｘ濃度が低減していることが分る。又、図中、曲線Ｃは矩形比＝１．５を示しており、矩形比＝１．５の場合、矩形比＝１の時よりＮＯｘ濃度は低減しているが、矩形比＝２より低減効果は少ないことが分り、矩形比が大きくなる程ＮＯｘ濃度の低減が大きい傾向を示している。
【００４８】
又、図９は、ノズル数と矩形比を変えた場合の排ガス中のＮＯｘ濃度の低減効果を示しており、図中曲線Ａが矩形比＝１で２次空気ノズル３０の数が６、曲線Ｂが矩形比＝２で２次空気ノズル３０の数が６、曲線Ｃが矩形比＝２で２次空気ノズル３０の数が８を示しており、２次空気ノズル３０の数が８の場合は、矩形比＝１の時よりＮＯｘ濃度は低減しているが、矩形比＝２のノズル数が６より低減効果は少ないことが分り、又図８と比較すると、ノズル数は、矩形比程ＮＯｘ濃度の低減に影響が大きくない傾向を示している。
【００４９】
又、図１０は、バーナの燃焼状態での騒音を示しており、曲線Ａが矩形比＝１を示し、曲線Ｂが矩形比＝２を示し、矩形比＝２の場合で、低周波騒音が低減していることが分る。低周波騒音が低減する原因としては、前記２次空気ノズル３０の断面形状が、一方向にのみ対称であり、共振し難い形状であることが挙げられる。
【００５０】
図５、図６は他の実施の形態を示しており、該他の実施の形態では、２次空気ノズル３０の内部に流路を内側と外側に分割するベーン４１を設けたものである。
【００５１】
該ベーン４１は２次空気ノズル３０の傾斜した壁面と同方向に傾斜しており、好ましくは傾斜壁面と平行に設けられる。従って、前記ベーン４１は噴出される２次空気を前記内部排気口１０から遠ざける様に方向付ける。
【００５２】
前記２次空気ノズル３０の矩形比を大きくした場合、傾斜した壁面から離反する程、壁面のガイド作用が減少し、傾斜した壁面から離反する部分を流れる２次空気が、傾斜面の影響を受けずに直進する状態となる。
【００５３】
前記ベーン４１は、前記２次空気ノズル３０の矩形比を大きくした場合でも効果的に２次空気を前記内部排気口１０から遠ざける様に方向付ける作用を有する。前記ベーン４１が設けられる条件としては、矩形比が２以上となった場合が好ましい。又、矩形比は流路断面積との関係から最大で５程度とすることが好ましい。
【００５４】
図１１は、２次空気ノズル３０の矩形比が２でベーンを設けた場合と、設けない場合とのＮＯｘ濃度の低減効果を示している。
【００５５】
図１１中、曲線Ａはベーンがない場合、曲線Ｂはベーンがある場合を示している。ベーン４１を設けることで、大きくＮＯｘ濃度が低減しており、前記ベーン４１がＮＯｘ濃度の低減に大きな効果を発揮することが分る。
【００５６】
又、図１２は、２次空気ノズル３０の矩形比が２でベーンを設けた場合と、設けない場合とのＣＯ濃度の低減効果を示している。
【００５７】
図１２中、曲線Ａはベーンがない場合、曲線Ｂはベーンがある場合を示している。ベーン４１を設けることで、大きくＣＯ濃度が低減しており、前記ベーン４１がＣＯ濃度の低減にも効果を発揮することが分る。
【００５８】
図１３は、ノズル数が６で、矩形比が１でベーンを設けない場合と、ノズル数が６で、矩形比が２でベーンを設けた場合についてのＣＯ濃度を示したものであり、やはり、ベーン４１を設けた場合の方がＣＯ濃度が低いことが分る。
【００５９】
尚、矩形比は１．５又は２又は３に限定されるものではなく、又２次空気ノズル３０の数も６又は８に限定されるものではなく、更にボイラ１の規模等により、適宜変更されるものである。
【００６０】
又、前記２次空気ノズル３０は、２次空気を前記内部排気口１０から遠ざける様に方向付ける構成として、壁面の１つを傾斜させたが、前記２次空気ノズル３０全体を、即ち中心線を傾斜させた構成としてもよい。
【００６１】
又、燃料としては、石油、ガスのいずれも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態に係るボイラの断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】前記ボイラのバーナの断面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ矢視図である。
【図５】他の実施の形態に於けるバーナの一部を示す断面図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ矢視図である。
【図７】２次空気ノズルの形状配置を模式的に示したものであり、（Ａ）は従来の２次空気ノズル、（Ｂ）は本発明の２次空気ノズルを示している。
【図８】２次空気ノズルの形状の相違による排ガス中のＮＯｘ濃度を示すグラフである。
【図９】２次空気ノズルの形状、数の相違による排ガス中のＮＯｘ濃度を示すグラフである。
【図１０】２次空気ノズルの形状、数の相違による低周波振動を示すグラフである。
【図１１】２次空気ノズルにベーンを設けた場合と設けなかった場合の排ガス中のＮＯｘ濃度を示すグラフである。
【図１２】２次空気ノズルにベーンを設けた場合と設けなかった場合の排ガス中のＣＯ濃度を示すグラフである。
【図１３】２次空気ノズルにベーンを設けた場合と設けなかった場合の排ガス中のＣＯ濃度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６３】
１              ボイラ
２              燃焼室
３              内側伝熱壁
４              外側伝熱壁
１０            内部排気口
１５            バーナ
１８            風箱
２６            ２次空気導入筒
２８            １次空気導入筒
３０            ２次空気ノズル
３１            コーンガイド
３５            燃料噴射ノズル
３７            １次空気導入路
３８            ２次空気導入路
４１            ベーン
【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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