JP2001116214A - 三位置制御バーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高負荷燃焼時におけるＮＯｘの発生を効果的
に抑制できる三位置制御バーナを提供する。 【解決手段】 バーナスロート１１に配置した一本の一
定供給油圧戻り式噴射弁構造をなす燃料油噴霧ノズル１
３から、高負荷燃焼及び低負荷燃焼に応じた油量の燃料
油を燃焼室２に噴霧させる。バーナスロート１１から燃
焼室２内に理論燃焼空気量より少ない一次空気１６ａを
旋回流をなして供給すると共に、バーナスロート１１の
側方に設けた複数の空気噴出ノズル１８から燃焼室２内
に一次空気１６ａと同等量以下の二次空気１６ｂを供給
する。空気噴出ノズル１８は、バーナスロート１１の周
辺環状領域に、二次空気１６ｂを一次空気１６ａによる
一次燃焼部４６の下流側中心に向けて噴出させるべく且
つ空気噴出ノズル１８からの噴出空気流５６がその上流
側においては相互に干渉しないように、燃焼室２の軸線
に対して傾斜された状態で配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ａ重油等の燃料油を使
用する三位置制御バーナであって、特に、比較的小容量
（油量３０〜１５０ｋｇ／ｈ）で高負荷燃焼のボイラ，
ヒータ等において好適に使用される窒素酸化物低減バー
ナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の三位置制御バーナは、バーナスロ
ートに二本の燃料油噴霧ノズルを配置して、高燃焼時
（定格運転時）においては二本の燃料油噴霧ノズルから
燃料油を噴霧させ、低燃焼時には一本の燃料油噴霧ノズ
ルのみから燃料油を噴霧させるように構成されている
が、かかるバーナにあっては、一般に、窒素酸化物（Ｎ
Ｏｘ）の低減対策として排ガス循環燃焼，水添燃焼，水
蒸気噴射燃焼等の方式が採用されている。すなわち、排
ガス循環燃焼方式は、排ガスの一部をバーナ部に再循環
して酸素分圧を下げることによって低ＮＯｘ化を図るも
のであり、また水添燃焼，水蒸気噴射燃焼方式は、燃焼
室に水，水蒸気を吹き込んで火炎温度を下げることによ
って低ＮＯｘ化を図るものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、排ガス循環燃
焼方式では、燃焼用送風機により排ガスを強制循環させ
る場合、火炎の不安定や燃焼用空気系の汚れ等を避ける
ために、排ガス再循環量を或る程度以上増大させること
ができず、充分な低ＮＯｘ化を図り得ない。また排ガス
を自己循環させる場合、低負荷条件下では排ガスの再循
環率が低下するために、効果的な低ＮＯｘ化を図り得な
い。さらに、何れの場合にも送風機能力を必要以上に高
くしておく必要があり、コスト面での問題もある。

【０００４】また、水添燃焼，水蒸気噴射燃焼方式で
は、方式では、水の吹き込みにより缶体腐食が生じる虞
れがあり、ボイラ効率も低下する。さらに、ポンプ等の
水吹き込み装置が別途必要となり、コスト面でも問題が
ある。一方、水蒸気噴射燃焼方式では、ボイラの発生蒸
気を利用すると、ボイラ効率が低下し、ボイラの発生蒸
気を利用しない場合或いは利用できない場合には、蒸気
発生装置等が別途必要となり、大幅なコストアップとな
る。

【０００５】さらに、高燃焼時においては、二本のノズ
ルから噴霧された油滴が互いに干渉するために、噴霧領
域における油滴分布に濃淡が生じると共に油滴が大きく
なるため、上記した低減対策を講じても、充分なＮＯｘ
低減効果を発揮することができない。かかる問題は、特
に、窒素成分を含むＡ重油等を使用する場合には、顕著
となる。

【０００６】本発明は、かかるボイラ機能上，コスト上
での問題を生じることなく、ＮＯｘの発生を大幅に低減
することができ、しかも煤塵，ＣＯの発生も効果的に抑
制しうる極めて実用的な三位置制御バーナを提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明の窒素酸化物低減バーナは、燃焼室に開口するバーナ
スロートと、バーナスロートの開口部に配置された円環
状の保炎板と、保炎板に噴霧口を近接させた状態でバー
ナスロートに配置された一本の燃料油噴霧ノズルと、燃
料油噴霧ノズルから燃焼室への燃料油噴霧量を三位置制
御する燃料油噴霧制御機構と、バーナスロートから燃焼
室内に理論燃焼空気量より少ない一次空気をスワール数
０．３〜０．６の旋回流をなして供給する一次燃焼用空
気供給機構と、バーナスロートの外部側方に設けた複数
の空気噴出ノズルから燃焼室内に一次空気と同等量以下
の二次空気を供給する二次燃焼用空気供給機構とを具備
するものである。なお、スワール数とは、後述する如く
定義される旋回の度合をいう。而して、燃料油噴霧ノズ
ルは、噴霧口を開口する噴射弁部とこれに連通する油供
給部及び油戻し部とを有する一定供給油圧戻り式噴射弁
構造をなすものである。また、燃料油噴霧制御機構は、
燃料油噴霧ノズルの油供給部に接続された油供給路と、
油供給路に介設されて、一定量の燃料油を油供給部に供
給する燃料ポンプと、油供給路における燃料ポンプの下
流側に介設された第１開閉弁と、一端部が燃料油噴霧ノ
ズルの油戻し部に接続されると共に他端部が油供給路に
おける燃料ポンプの上流側に接続された油戻し路と、油
戻し路に介設された第２開閉弁と、油戻し路に介設され
て、油戻し部からの油戻り量を調整する流量調整弁とを
具備して、高燃焼時においては第１開閉弁を開くと共に
第２開閉弁を閉じ、低燃焼時においては第１及び第２開
閉弁を開き、燃焼停止時には第１及び第２開閉弁を閉じ
ることにより、燃料油噴霧ノズルを三位置制御するよう
に構成されたものである。また、前記複数の空気噴出ノ
ズルは、バーナスロートの周辺環状領域に、当該空気噴
出ノズルからの噴出空気流がその上流側においては拡散
せず且つ相互に干渉しない状態で一次空気による一次燃
焼部の下流側中心に向けて二次空気を噴出させるべく、
燃焼室の軸線に対して傾斜された状態で所定間隔を隔て
て配置されていて、一次燃焼部における還元炎の周囲に
各空気噴出ノズルからの噴出空気流による酸化炎が明瞭
に区別された状態で部分的に食い込む炎形態が生じるよ
うに構成されている。

【０００８】かかる三位置制御バーナの好ましい実施の
形態にあっては、保炎板における、燃料油噴霧ノズルか
らの噴霧油滴が通過する中心孔の面積は、バーナスロー
トにおける保炎板による全開口面積の３５〜４０％とな
るように設定される。また、一次燃焼用空気供給機構
は、一次空気が１５ｍ／ｓ以上の流速で保炎板の中心孔
を通過するように構成される。また、一次空気の供給量
は、一般に、理論燃焼空気量に対して０．６〜０．９に
設定され、二次空気も含めた全空気供給量は、理論燃焼
空気量に対して１．１〜 1．４（より好ましくは１．２
〜１．３）に設定される。また、燃料油噴霧制御機構に
あっては、燃焼停止時において流量調整弁を介して燃料
ポンプの入口圧で燃料油が燃料油噴霧ノズルから燃焼室
内に漏出する虞れを完全に回避するために、油戻し路に
おける流量調整弁の下流側ないし両側に燃料油逆流防止
器（逆止弁等）を配設しておくことが好ましい。さら
に、燃料油噴霧ノズルの噴射弁部から油戻し部を経て油
戻し路へと至る油戻し経路において塵埃等の付着，堆積
が発生すると、当該油戻し経路における燃料油（戻り
油）の円滑な流動が妨げられて、燃料油噴霧ノズルから
の燃料噴出圧（噴霧圧）が変動し、燃焼性能が低下する
虞れがあるが、かかる虞れを確実に排除するために、油
供給路における燃料ポンプの下流側に塵埃等の油戻し経
路への侵入を防止するフィルタを配設しておくことが好
ましい。

【０００９】かかる構成の三位置制御バーナによれば、
一次空気，二次空気の供給により二段燃焼が行われ、酸
化炎と還元炎との混合，拡散作用により、ＮＯｘ，Ｃ
Ｏ，煤塵の発生が効果的に抑制されることになる。かか
る抑制効果は、特に、空気噴出ノズルを上記した傾斜状
態で環状領域上に並列配置しておくことによって奏せら
れるものである。すなわち、このように配置して、二次
空気の噴出空気流が拡散することなく干渉しない領域に
おいて、図７に示す如く、一次燃焼部における還元炎の
周囲に各空気噴出ノズルからの噴出空気流による酸化炎
が明瞭に区別された状態で部分的に食い込む炎形態を呈
し、両炎の境界面積が大きくなるようにしておくことに
よって、ＮＯｘ等の効果的な抑制が達成される。

【００１０】さらに、高燃焼時においても一本の燃料油
噴霧ノズルから燃料油を噴霧させることから、二本の燃
料油噴霧ノズルを使用する場合に比して、噴霧領域にお
ける油滴分布が均一となって濃淡が生じず、油滴径も大
きくならない。また、燃料油噴霧ノズルが一定供給油圧
戻り式噴射弁構造をなすものであるから、燃料油の噴霧
圧が一定であり、油滴がより微細化される。また、一本
の燃料油噴霧ノズルをバーナスロートないし保炎板の中
心に配置させておくことができるから、二本の燃料油噴
霧ノズルを各々バーナスロートないし保炎板の中心から
偏倚させておかざるを得ない場合に比して、バーナスロ
ートから保炎板を通過する一次空気の流れが円滑とな
る。これらのことから、ＮＯｘ低減をより効果的に図る
ことができる。また、一本の燃料油噴霧ノズルを使用し
ていることから、保炎板の中心孔を可及的に小さくする
ことができる。したがって、保炎板の中心孔を小さくす
ることによって、高燃焼時に比して煤塵の発生量が多く
なる虞れのある低燃焼時においても、煤塵の発生を可及
的に防止することができる。

【００１１】

【実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１〜図１
０に基づいて説明する。

【００１２】図１は、本体ケース１と燃焼室２と熱交換
器３と三位置制御バーナ４とを具備すると着火器６とを
具備する、比較的小容量（油量３０〜１５０ｋｇ／ｈ）
で高負荷燃焼（出力５０００００ｋｃａｌ／ｈ）の温水
ヒータを示している。なお、以下の説明において、前後
とは図１における左右を意味するものとする。

【００１３】本体ケース１は矩形箱状をなす金属板壁構
造のものであり、所定量の熱媒水５が貯溜されている。
燃焼室２は後端部を燃焼ガス出口６とした炉筒構造（内
径：５９０ｍｍ，軸線方向長さ：９５０ｍｍ）をなすも
のであり、円筒状の金属壁７で囲繞形成されていて、そ
の軸線を水平とした状態で熱媒水５中に浸漬配置されて
いる。熱交換器３は、燃焼室２の後方に位置して熱媒水
５中に浸漬配置されており、燃焼室３の燃焼ガス出口６
に接続された角筒状の周壁８とその上下端部に貫通支持
された複数本の伝熱水管（図示せず）とからなる。各伝
熱水管は上下方向に延びており、上下端部を熱媒水５中
に開口されている。熱交換器３の後端部には、金属筒で
構成される煙道９が連通接続されている。燃焼室２で発
生した燃焼ガスは燃焼ガス出口６から伝熱水管間をを通
過して煙道９に排出され、各伝熱水管内の熱媒水５は燃
焼ガスとの熱交換により加熱され、自然循環せしめられ
る。

【００１４】三位置制御バーナ４は、図１〜図６に示す
如く、燃焼室１の前端部を構成する炉壁１０に装着され
ており、炉壁１０の中心部に設けた断面円形のバーナス
ロート１１と、バーナスロート１１の開口部（前端開口
部）に配置された円環状の保炎板１２と、保炎板１２の
後方に配してバーナスロート１１に配置された一本の燃
料油噴霧ノズル１３と、燃料油噴霧ノズル１３から燃焼
室２への燃料油噴霧量を三位置制御する燃料油噴霧制御
機構１５と、バーナスロート１１から燃焼室２内に一次
空気１６ａを供給する一次燃焼用空気供給機構１７と、
バーナスロート１１の外部側方に設けた複数の空気噴出
ノズル１８…から燃焼室２内に二次空気１６ｂを供給す
る二次燃焼用空気供給機構１９とを具備する。

【００１５】バーナスロート１１は、図１〜図５に示す
如く、燃焼室２と同心をなす円筒状のバーナスロートリ
ング（内径：１１６ｍｍ）で構成されており、前端開口
部には燃焼室２に向けて広がる裁頭円錐状のバーナコー
ン２１が連設されている。

【００１６】保炎板１２は、図１〜図５に示す如く、バ
ーナスロート１１の前端開口部（バーナスロートリング
とバーナコーン２１との接合部）に同心状に配置された
円環状板（内径：２８ｍｍ，外径：１１０ｍｍ）であ
る。保炎板１２には、中心孔２２から外周方向に放射状
に延びる複数の切り起こし孔２３が形成されている。切
り起こし孔２３…は、図４及び図５に示す如く、中心孔
２２から放射状に延びる帯状部２３ａ…を燃焼室２に向
けて切り起こすことによって形成されたものであり、後
述する一次空気１６ａをバーナスロート１１に供給され
る旋回流と同一方向（図５における時計回り方向）に旋
回誘導しつつ通過させうる形状とされている。保炎板１
２は、図４及び図５に示す如く、その外周部に等間隔を
隔てて突設された複数のガイド突起２５…によりバーナ
スロート１１の内周部との径方向間隔が不均一とならな
いように保持された状態で、バーナスロート１１により
取り付けられていて、保炎板１２の外周部とバーナスロ
ート１１の内周部との間に、バーナスロート１１に供給
された一次空気１６ａの一部が均等に通過しうる径方向
幅一定の環状孔２４が形成される。したがって、バーナ
スロート１１に供給された一次空気１６ａは、保炎板１
２の中心孔２２、切り起こし孔２３…及び環状孔２４を
通過して、燃焼室２に均等且つ円滑に供給されるように
なっている。中心孔２２の径は、後述する燃料油噴霧ノ
ズル１３からの噴霧角度等に応じて決定されるが、低燃
焼時における煤塵発生を抑制するために可及的に小さく
設定しておくことが好ましい。具体的には、中心孔２２
の面積がバーナスロート１１における保炎板１２による
全開口面積（中心孔２２、切り起こし孔２３…及び環状
孔２４の合計面積）の３５〜４０％となるように設定し
ておくことが好ましい。この例では、中心孔２２を２８
ｍｍ径の円形孔としてある。

【００１７】燃料油噴霧ノズル１３は、図１〜図５に示
す如く、バーナスロート１１ないし保炎板１２と同心状
をなし且つ噴霧口１４が保炎板１２の後面に近接する状
態で、バーナスロート１１に配置されており、図６に示
す如く、噴霧口１４を開口する噴射弁部２６とこれに連
通する油供給部２７及び油戻し部２８とを有する一定供
給油圧戻り式噴射弁構造に構成されている。なお、噴霧
口１４と保炎板１２の後面との軸線方向距離（前後方向
距離）は、通常、０〜７ｍｍに設定される。また、燃料
油噴霧ノズル１３の近傍には、点火電極２９が設けられ
ている。

【００１８】燃料油噴霧制御機構１５は、図６に示す如
く、燃料油噴霧ノズル１３の油供給部２７に接続された
油供給路３１と、油供給路３１に介設されて、一定量の
燃料油３２を油供給部２７に供給する燃料ポンプ３３
と、油供給路３１における燃料ポンプ３３の下流側に介
設された第１開閉弁３４と、油供給路３１における燃料
ポンプ３３と第１開閉弁３４との間に介設されたフィル
タ６１と、一端部が燃料油噴霧ノズル１３の油戻し部２
８に接続されると共に他端部が油供給路３１における燃
料ポンプ３３の上流側に接続された油戻し路３５と、油
戻し路３５に介設された第２開閉弁３６と、油戻し路３
５における第２開閉弁３６の下流側に介設されて、油戻
し部２８からの油戻り量を調整する流量調整弁３７と、
油戻し路３５における流量調整弁３７の両側に介設され
た燃料油漏出防止機構たる逆止弁６０，６０とを具備す
る。なお、油供給路３１及び油戻し路３５には、夫々、
油圧計３８，３９が設けられている。

【００１９】このような燃料油噴霧ノズル１３及び燃料
油噴霧制御機構１５によれば、高燃焼時においては第１
開閉弁３４を開くと共に第２開閉弁３６を閉じることに
より、油供給路３１から燃料ポンプ３３により油供給部
２７を経て噴射弁部２６に供給された燃料油３２の全量
が、噴霧口１４から噴霧される。すなわち、油供給部２
７から噴射弁部２６に供給された燃料油３２が、全て、
噴霧口１４からの噴霧油３２ａとして使用される。油供
給部２７から噴射弁部２６に供給される油量（噴霧油
量）は、高燃焼運転（負荷１００％の定格運転）に最適
する値に設定される。また、低燃焼時（負荷５０％の低
負荷運転時）においては第１及び第２開閉弁３４，３６
を開くことにより、油供給路３１から油供給部２７を経
て噴射弁部２６に燃料油３２が供給されると共に、噴射
弁部２６に供給された燃料油３２の一部（以下「 戻り
油」という）３２ｂが油戻し部２８から油戻し路３５を
経て油供給路３１に戻される。したがって、噴霧口１４
からは、油供給部２７に供給された油量から戻り油３２
ｂを差し引いた差分油量が噴霧される。このときの噴霧
油量は、戻り油３２ｂを流量調整弁３７により調整する
ことにより、任意に設定することができる。すなわち、
戻り油量は、上記差分油量が低燃焼条件に応じた噴霧油
量となるように、流量制御弁３７により調整される。か
かる調整は運転開始前において行われる。また、燃焼停
止時にあっては、第１及び第２開閉弁３４，３６は閉じ
られる。なお、高燃焼時及び低燃焼時における噴霧圧は
同一である。つまり、噴霧油量が燃焼負荷により変化す
るときにも、噴霧油３２ａの噴出圧（噴霧圧）は一定に
保持される。また、燃料油噴霧ノズル１３の噴射弁部２
６から油戻し部２８を経て油戻し路３５へと至る油戻し
経路において塵埃等の付着，堆積が発生すると、当該油
戻し経路における燃料油（戻り油）３２ｂの円滑な流動
が妨げられて、燃料油噴霧ノズル１３からの噴霧圧が変
動し、燃焼性能が低下する虞れがあるが、かかる虞れ
は、油供給路３１における燃料ポンプ３３の下流側に塵
埃等の油戻し経路への侵入を防止するフィルタ６１を配
設しておくことよって、排除される。また、燃焼停止時
において流量調整弁３７を介して燃料ポンプ３３の入口
圧で燃料油３２が燃料油噴霧ノズル１３から燃焼室２内
に漏出する虞れは、油戻し路３５に設けた燃料油逆流防
止器である逆止弁６０，６０により排除される。燃料油
逆流防止器としては、このような機能を有するものであ
ればよく、逆止弁６０に限定されるものではない。

【００２０】一次燃焼用空気供給機構１７は、図１及び
図２に示す如く、バーナスロート１１の上端部に連通し
且つこれを同心状に囲繞する断面円形の一次空気用ウイ
ンドボックス４１を設けてなる。ウインドボックス４１
内には、バーナスロート１１を中心として放射状に延び
る複数枚の旋回ベーン４２…が設けられていて、ウイン
ドボックス４１の周壁に設けた一次空気供給口４３から
供給された一次空気１６ａを図２における反時計回り方
向に旋回させながらバーナスロート１１から燃焼室２に
供給しうるようになっている。一次空気１６ａのスワー
ル数Ｓはバーナスロート１１の径，旋回ベーン４２の形
状等によって決定されるが、本発明にあっては、旋回流
のスワール数Ｓが０．３〜０．６となるように設計され
ている。けだし、スワール数Ｓが０．３未満であると、
火炎が長大になって、燃焼室２が大型化し、０．６を超
えると、燃料油噴霧ノズル１３からの噴霧油３２ａが燃
焼室２の周壁７に衝突して、カーボン化する虞れがある
からである。なお、スワール数とはＳ＝Ｇφ／（Ｇｘ／
（ｄ／２））で定義される旋回の度合をいう（Ｇφ：噴
流内の角運動量，Ｇｘ：噴流内の軸線方向運動量，ｄ：
バーナスロートの直径）。また、ウインドボックス４１
の一次空気供給口４３には一次空気量制御ダンパ４４が
設けられていて、ウインドボックス４１からバーナスロ
ート１１に供給される一次空気量（バーナスロート１１
から燃焼室２に供給される一次空気量）を理論燃焼空気
量以下に調整しうるようになっており、通常、理論燃焼
空気量に対して０．６〜０．９に設定される。また、一
次空気供給口４３には、この供給口４３から供給された
一次空気１６ａを上記旋回方向に流動させるべく誘導す
る誘導板４５が連設されている。

【００２１】かかる一次燃焼空気供給機構１７によれ
ば、一次空気１６ａを理論燃焼空気量より少ない状態で
燃焼室２に供給させるから、点火電極２９の放電により
燃料油噴霧ノズル１３からの噴霧油３２ａに着火させる
と、還元燃焼且つ気化燃焼をなす一次燃焼部４６が形成
されることになる。そして、この一次燃焼部４６におい
ては、一次空気１６ａが旋回流をなして供給されること
から、保炎板１２による負圧部の形成と相俟って、生成
した還元ガスたる燃焼ガスが再循環せしめられて、滞留
時間の増大，噴霧油の気化促進が図られ、安定した燃焼
が継続されることになる。

【００２２】二次燃焼用空気供給機構１９は、図１及び
図２に示す如く、炉壁１０に、複数の空気噴出ノズル１
８…を設けると共に、前記一次空気用ウインドボックス
４１を囲繞して空気噴出ノズル１８…に連通する二次空
気用ウインドボックス５１を設けてなり、二次空気１６
ｂを各ノズル１８から燃焼室２内に噴出させるように構
成されている。空気噴出ノズル１８…は、バーナスロー
ト１１の周囲環状領域に所定間隔を隔てて並列配置され
ており、二次空気１６ｂを一次燃焼部４６の下流側中心
に向けて噴出させるべく、燃焼室２の軸線に対して所定
角度（以下「ノズル角度」という）をなす傾斜姿勢とさ
れている。また、ウインドボックス５１の周壁に形成し
た給気口５２には、送風路５３が接続されると共に風量
制御ダンパ５４が配設されている。送風路５３から二次
空気用ウインドボックス５１に供給された空気１６の一
部は、一次空気供給口４３から一次空気１６ａとして一
次空気用ウンドボックス４１に供給され、残余の空気
は、二次空気１６ｂとして空気噴出ノズル１８…から燃
焼室２に噴出される。すなわち、燃焼室２に供給される
空気全量（一次空気１６ａと二次空気１６ｂとの合計
量）は風量制御ダンパ５４により制御され、一次空気量
は前記した一次空気量調整ダンパ４４によって調整され
る。二次空気量は、両ダンパ４４，５４によって制御さ
れる空気量差によって決定されるものであり、一般に、
一次空気量と同等以下に設定される。例えば、風量制御
ダンパ５４によって決定される必要な燃焼空気比を１．
２として、一次空気量制御ダンパ４４により決定される
一次空気比が０．６であるときは、二次空気比は０．６
とされる。なお、前記した燃料油噴霧ノズル１３からの
噴霧油量制御は、一次空気量及びに二次空気量のダンパ
制御に連動して行われる。例えば、低燃焼から高燃焼に
移行して、風量制御が高燃焼用に切り換えられると、燃
焼室２内における空気量が高燃焼条件へ移行する過程に
おいて第１開閉弁３４を開放したまま第２開閉弁３６が
閉塞されて、高燃焼用の油量が噴霧される。このよう
に、風量制御を噴霧油量制御に先駆けて行うのは、噴霧
油量制御の応答性が風量制御の応答性より高いためであ
る。

【００２３】ところで、各空気噴出ノズル１８からの噴
出空気流（二次空気流）５６は下流側方向（前方）に向
かうに従って漸次拡散されていくが、空気噴出ノズル１
８…の相互間隔，本数及びノズル角度は、噴出空気流５
６…が上流側においては拡散することなく且つ相互に干
渉せず、下流側において拡散，相互干渉して、一次燃焼
ガスの再循環領域の下方に入り込む（以下「適正二次空
気供給形態」という）ように、一次燃焼ガスの再循環
力，燃焼室２の形状等に応じて適宜に設定される。一般
には、５〜８本のノズル１８…をノズル角度が１０〜３
０°の傾斜姿勢で等間隔配置しておくのが好ましく、こ
の例では、５本の空気噴出ノズル１８…を２０°の傾斜
姿勢で等間隔配置してある。なお、二次空気１６ｂのノ
ズル１８からの噴出速度も、上記した適正二次空気供給
形態を確保するために必要な条件であり、一般には、当
該温水ヒータにおける最低の負荷条件下において２０ｍ
／ｓ以上となるように設定しておくことが好ましい。

【００２４】かかる二次燃焼用空気供給機構１９によれ
ば、二次空気１６ｂを上記した適正二次空気供給形態で
吹き込むから、一次燃焼ガスの再循環領域の下流側にお
いて拡散燃焼による二次燃焼部５７が形成され、燃焼室
２内での完全燃焼が達成されることになる。すなわち、
噴出空気流５６…が下流側においては拡散混合して、均
一な緩慢燃焼が行われ、噴出空気流５６…の上流側では
空気が拡散しないで顕著な酸化燃焼が行われる。したが
って、噴出空気流５６…の拡散することなく相互に干渉
しない上流側部分においては、図７に示す如く、還元炎
（輝炎）５８の周囲に酸化炎（目視透明）５９が部分的
に食い込んだ炎形態（以下「適正炎形態」という）を呈
するのであり、ノズル１８…直下の環状領域において還
元炎５８と酸化炎５９とが明瞭に区別されて混在し、両
炎５８，５９の境界面積が大きくなっている。

【００２５】したがって、以上のような一次空気１６ａ
及び二次空気１６ｂの供給により、上流側においては還
元炎５８と酸化炎５９とが明瞭に区別されて混在し、下
流側に至るに従って両炎５８，５９が徐々に拡散，混合
していく状態で二段燃焼されることから、ＮＯｘ低減が
困難とされる高負荷燃焼で比較的小容量型の油焚き燃焼
装置においても、ＮＯｘを大幅に低減することができ、
ＣＯ，煤塵の発生も良好に抑制することができる。

【００２６】ところで、このような二段燃焼において
も、図１１に示す如く、近接配置した二本の燃料油噴霧
ノズル１３ａ，１３ｂを使用した三位置制御を行うとき
は、高負荷燃焼における燃焼効率が低く、ＮＯｘ低減効
果がさほど有効に奏せられない。すなわち、二本の燃料
油噴霧ノズル１３ａ，１３ｂから同時に燃料油を噴霧さ
せる高燃焼状態においては、両ノズル１３ａ，１３ｂに
よる噴霧領域が部分的に重なるため、当該油噴霧領域に
おける油滴分布が不均一となって濃淡が生じると共に、
油滴同士の接着により油滴径も大きくなる。また、バー
ナスロート１１内に二本の燃料油噴霧ノズル１３ａ，１
３ｂを配置するため、ノズルホルダの断面形状も大型
化，複雑化することになると共に、各ノズル１３ａ，１
３ｂの位置が保炎板１２の中心孔２２と同心とならず、
偏心することから、バーナスロート１１から保炎板１２
を通過する一次空気流れが円滑とならず、適正な旋回流
を得ることができない。したがって、二本の燃料油噴霧
ノズル１３ａ，１３ｂを使用した場合には、これらのこ
とに起因して、良好な燃焼が行われず、ＮＯｘがさほど
低減されない。また、火炎も長尺化する。

【００２７】しかし、本発明では、上記した如く、一本
の燃料油噴霧ノズル１３を使用していることから、上記
したような問題が生じない。すなわち、高燃焼時におい
ても一本の燃料油噴霧ノズル１３から燃料油（噴霧油）
３２ａを噴霧させることから、二本の燃料油噴霧ノズル
１３ａ，１３ｂを使用する場合に比して、噴霧領域にお
ける油滴分布が均一となって濃淡が生じず、油滴径も大
きくならない。また、燃料油噴霧ノズル１３が一定供給
油圧戻り式噴射弁構造をなすものであるから、噴霧油３
２ａの噴霧圧が一定であり、油滴がより微細化される。
また、一本の燃料油噴霧ノズル１３をバーナスロート１
１ないし保炎板１２の中心に配置させておくことができ
るから、二本の燃料油噴霧ノズル１３ａ，１３ｂを各々
バーナスロート１１ないし保炎板１２の中心から偏倚さ
せておかざるを得ない場合に比して、バーナスロート１
１から保炎板１２を通過する一次空気１６ａの流れが極
めて円滑となり、適正な旋回流が得られる。したがっ
て、これらのことから、ＮＯｘ低減をより効果的に図る
ことができる。また、一本の燃料油噴霧ノズル１３を使
用していることから、保炎板１２の中心孔２２を可及的
に小さくすることができるから、保炎板１２の中心孔２
２を絞ることにより、高燃焼時に比して煤塵の発生量が
多くなる虞れのある低燃焼時においても、良好な燃焼が
行われ、煤塵の発生を可及的に防止することができる。

【００２８】かかる効果については、次のような実験に
より確認されている。すなわち、上記した構成の温水ヒ
ータにおいて、燃料油３２としてＡ重油（窒素成分含有
量：０．０２ｗｔ％）を使用し、負荷１００％，５０％
の条件下で燃焼実験を行ったところ、上記適正炎形態
（図７）が確認され、図８〜図１０に示す如く、ＮＯｘ
発生量（ｐｐｍ（Ｏ₂ ＝０％換算、以下において同
じ）），ＣＯ発生量（ｐｐｍ），スモークスケールＮ
ｏ．（煤塵発生度の主たる指標）についてはこれらが著
しく低減されることが確認された。図８〜図１０におい
て、横軸は排ガス（燃焼ガス）中の酸素濃度（％）を示
しており、また実線は１００％負荷の場合を示し、破線
は５０％負荷の場合を示す。

【００２９】かかる燃焼実験の結果からも明らかなよう
に、フューエルＮＯｘが生じ易いＡ重油を燃料油として
いるにも拘わらず、本発明に係る三位置制御バーナ４に
よれば、都道府県自治体のうち最も厳しい東京都の規制
（油焚きでＮＯｘ＜８０ｐｐｍ，ガス焚きでＮＯｘ＜６
０ｐｐｍ）をも充分クリアすることができ、しかも、将
来、油焚きについてもガス焚き並みの規制が行われるよ
うな場合にも、これに充分対処することができる。

【００３０】一方、比較例として、図１１に示す如く二
本の燃料油噴霧ノズル１３ａ，１３ｂを使用した点及び
保炎板１２の中心孔径を４０ｍｍとした点を除いて、上
記と全く同一条件にて燃焼実験を行ったが、ＣＯ発生量
及びスモークスケールＮｏ．についてはさほどの差はな
かった。しかし、ＮＯｘ低減効果、特に高燃焼（負荷１
００％）におけるＮＯｘ低減効果は、図１２に示す如
く、本発明の三位置制御バーナ４を使用した場合（図
８）に比して著しく低いことが確認された。なお、図１
２において、横軸は排ガス（燃焼ガス）中の酸素濃度
（％）を示しており、また実線は１００％負荷の場合を
示し、破線は５０％負荷の場合を示す。

【００３１】なお、本発明は上記した実施の形態に限定
されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範
囲において適宜に改良・変更することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明によれば、ＮＯｘ，ＣＯ，煤塵の発生を大幅に抑制す
ることができ、近時の低ＮＯｘ燃焼の要請を充分満足さ
せることができる。特に、高負荷燃焼の小容量ボイラ，
ヒータ等において、Ａ重油を使用する場合にも、現在最
も厳しい東京都の規制枠内に収めることが可能となり、
将来、益々規制が厳格になるであろう低ＮＯｘ燃焼化の
要請に充分応えることができる。しかも、必要以上の高
能力送風機や水，蒸気の吹き込み装置等を必要せず、ボ
イラの大幅なコンパクト化を図ることができ、コスト的
にも極めて有利となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る三位置制御バーナの実施の形態を
示す縦断側面図である。

【図２】図１のII−II線に沿う要部の縦断正面図であ
る。

【図３】図１のIII −III 線に沿う要部の縦断背面図で
ある。

【図４】図１の要部を拡大して示す詳細図である。

【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う縦断面図である。

【図６】燃料油噴霧ノズル及び燃料油噴霧制御機構を示
す系統図である。

【図７】図１のVII −VII 線に沿う縦断正面図である。

【図８】ＮＯｘ発生量についての測定結果を示すグラフ
である。

【図９】ＣＯ発生量についての測定結果を示すグラフで
ある。

【図１０】スモークスケールＮＯ．についての測定結果
を示すグラフである。

【図１１】比較例におけるバーナを示す図５相当図であ
る。

【図１２】比較例における、ＮＯｘ発生量についての測
定結果を示すグラフである。

【符号の説明】

２…燃焼室、４…三位置制御バーナ４、１１…バーナス
ロート、１２…保炎板、１３…燃料油噴霧ノズル、１４
…噴霧口、１５…燃料油噴霧制御機構、１６ａ…一次空
気、１６ｂ…二次空気、１７…一次燃焼用空気供給機
構、１８…空気噴出ノズル、２１…バーナコーン、２２
…中心孔、２３…切り起こし孔、２４…環状孔、２６…
噴射弁部、２７…油供給部、２８…油戻し部、２９…点
火電極、３１…油供給路、３２…燃料油、３２ａ…噴霧
油、３２ｂ…戻り油、３３…燃料ポンプ、３４…第１開
閉弁、３５…油戻し路、３６…第２開閉弁、３７…流量
調整弁、４１…一次空気用ウインドボックス、４２…旋
回ベーン４２、４３…一次空気供給口、４４…一次空気
量制御ダンパ、４５…誘導板、４６…一次燃焼部、５１
…二次空気用ウインドボックス、５２…給気口、５３…
送風路、５４…風量制御ダンパ、５６…噴出空気流、５
７…二次燃焼部、５８…還元炎、５９…酸化炎、６０…
逆止弁（燃料油逆流防止器）、６１…フィルタ。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3K055 AA05 AA06 AB01 AB04 BA05 BA08 BA11 BB01 BB09 BC02 BD04 3K065 TA01 TA19 TB01 TB08 TB13 TC01 TD02 TD04 TE01 TH06 TJ03 TJ06

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室に開口するバーナスロートと、バ
   ーナスロートの開口部に配置された円環状の保炎板と、
   保炎板に噴霧口を近接させた状態でバーナスロートに配
   置された一本の燃料油噴霧ノズルと、燃料油噴霧ノズル
   から燃焼室への燃料油噴霧量を三位置制御する燃料油噴
   霧制御機構と、バーナスロートから燃焼室内に理論燃焼
   空気量より少ない一次空気をスワール数０．３〜０．６
   の旋回流をなして供給する一次燃焼用空気供給機構と、
   バーナスロートの外部側方に設けた複数の空気噴出ノズ
   ルから燃焼室内に一次空気と同等量以下の二次空気を供
   給する二次燃焼用空気供給機構とを具備し、 燃料油噴霧ノズルは、噴霧口を開口する噴射弁部とこれ
   に連通する油供給部及び油戻し部とを有する一定供給油
   圧戻り式噴射弁構造をなすものであり、 燃料油噴霧制御機構は、燃料油噴霧ノズルの油供給部に
   接続された油供給路と、油供給路に介設されて、一定量
   の燃料油を油供給部に供給する燃料ポンプと、油供給路
   における燃料ポンプの下流側に介設された第１開閉弁
   と、一端部が燃料油噴霧ノズルの油戻し部に接続される
   と共に他端部が油供給路における燃料ポンプの上流側に
   接続された油戻し路と、油戻し路に介設された第２開閉
   弁と、油戻し路に介設されて、油戻し部からの油戻り量
   を調整する流量調整弁とを具備して、高燃焼時において
   は第１開閉弁を開くと共に第２開閉弁を閉じ、低燃焼時
   においては第１及び第２開閉弁を開き、燃焼停止時には
   第１及び第２開閉弁を閉じることにより、燃料油噴霧ノ
   ズルを三位置制御するように構成されており、 前記複数の空気噴出ノズルは、バーナスロートの周辺環
   状領域に、当該空気噴出ノズルからの噴出空気流がその
   上流側においては拡散せず且つ相互に干渉しない状態で
   一次空気による一次燃焼部の下流側中心に向けて二次空
   気を噴出させるべく、燃焼室の軸線に対して傾斜された
   状態で所定間隔を隔てて配置されていて、一次燃焼部に
   おける還元炎の周囲に各空気噴出ノズルからの噴出空気
   流による酸化炎が明瞭に区別された状態で部分的に食い
   込む炎形態が生じるように構成されていることを特徴と
   する三位置制御バーナ。
2. 【請求項２】 保炎板における、燃料油噴霧ノズルから
   の噴霧油滴が通過する中心孔の面積は、バーナスロート
   における保炎板による全開口面積の３５〜４０％となる
   ように設定されていることを特徴とする、請求項１に記
   載する三位置制御バーナ。
3. 【請求項３】 一次燃焼用空気供給機構は、一次空気が
   １５ｍ／ｓ以上の流速で保炎板の中心孔を通過するよう
   に構成されていることを特徴とする、請求項１又は請求
   項２に記載する三位置制御バーナ。