JP2003172505A - 内部混合形高圧気流噴霧式燃焼方法並びに油バーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼性が良くかつＮＯｘ値も基準値を満た
し、尚かつ煤塵量も少なくする。噴霧蒸気量を増やして
もＮＯｘの急増をなくす。更に、ターンダウンの幅を大
きくする。 【解決手段】 スワラーと、主噴孔１と副噴孔２とを有
するノズルとを備え、バーナタイルから燃焼空気を旋回
させて噴出する一方、旋回燃焼空気を遮る円錐状の薄膜
環状噴流から成る主燃料噴流６と、該主燃料噴流６の下
流において主燃料噴流６の内側で主燃料噴流６に沿って
流れ主燃料噴流６を貫通することのない円錐状の薄膜環
状噴流から成る副燃料噴流７との２段に分けて燃料を噴
霧させ、主燃料噴流６と旋回燃焼空気とで薄膜主火炎を
形成して超空気過剰状態で燃焼させると共に、主火炎を
通過し酸素を一部消費した低酸素濃度の燃焼空気で副燃
料を燃焼させ還元炎から成る副火炎を形成して主火炎で
生成されたＮＯｘを還元すると共に下流において主火炎
を貫通した燃焼空気中に残存する酸素で副火炎を完全燃
焼させるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、重油などの液体燃
料を霧化媒体を用いて微粒化して燃焼させる内部混合形
高圧気流噴霧式燃焼方法及び油バーナに関する。更に詳
述すると、本発明は、内部混合形高圧気流噴霧式燃焼方
法及び油バーナのＮＯｘと煤塵の抑制を可能とする改良
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、重油に代表される液体燃料は、
気化または分解されて燃焼を行うので種々の噴霧器で直
径の小さい多数の油滴群に霧化させてガス化を容易とし
かつ着火の安定、空気との混合良化をはかって燃焼させ
ている（この燃焼法を噴霧燃焼という）。この燃焼方法
は、噴霧中の油滴の蒸発、蒸気の拡散、周囲空気との混
合、それによって生じた混合気体の燃焼といったいくつ
かの過程が互いに関連し影響しあって同時に進行してい
る。このため、噴霧燃焼にあっては、油の微粒化と燃焼
空気に対する混合性を促進させることが必要である。し
かし、油の微粒化を図っても燃焼空気をうまく取り入れ
ることができなければ燃焼性の悪化は免がれない。

【０００３】そこで従来から、油バ―ナでは微粒化媒体
（蒸気若しくは空気）を使って油の微粒化を図ることが
行なわれている。なかでも、ノズル内の混合室において
油と微粒化媒体とを混合した後ノズルより噴出する内部
混合形高圧気流（噴霧）式バーナが一般的である。この
バーナによると、油と微粒化媒体の混合流体はノズルよ
り噴出すると同時に膨張、自爆して霧化するため、燃焼
空気との拡散混合が良好で安定した火炎の形成が期待で
きる。

【０００４】そこで、従来の油バーナは、例えば、図
６に示すように、多数の小噴射穴例えば３６穴程度の小
噴射穴から燃料を放射状に噴射させて環状噴流を形成
し、その周りを流れる燃焼空気の流れと直交させるよう
に衝突させて混合し、薄膜の釣鐘状の火炎を形成するよ
うにしている。このバーナの場合、放射状に薄い層とな
って噴射される燃料の噴射速度とそれと直交する燃焼空
気の噴射速度との釣り合いで薄く釣鐘状に燃料が広がり
火炎が形成されるため、安定に燃焼し煤塵の発生量も少
ない。そこで、要求されるＮＯｘの規制値を満たすた
め、ＮＯｘを下げながら煤塵が出ない程度に蒸気量を減
らしたり、空気との混合を制御するようにしている。

【０００５】また、図７に示すように、燃焼空気を分
割して供給する方式のバーナもある。このバーナは、バ
ーナタイルの内側に、燃料噴射ノズルを中央に配置しか
つその周りにスワラーを備えた中筒を設け、燃焼空気を
中筒のスワラーを通して旋回させて噴射させるものと中
筒とバーナタイルとの間から炉内へ直接噴射される流れ
との２つの流れに分配するようにしたものである。この
バーナの場合には、スワラーにより旋回される燃焼空気
と噴射燃料とが噴射直後に混合されて火炎の安定性を確
保し、その後遅れて火炎の周りから供給される二次空気
によって完全燃焼する２段燃焼（燃焼を遅らせること）
を実現し、ＮＯｘの低減を図るものである。

【０００６】また、燃焼空気２段燃焼の他の例として
は、図８に示すように、炉内へ直接二次空気を噴射して
火炎の胴の当たりに吹き付けるようにする方式のバーナ
もある。このバーナは、大型ボイラで使用されることが
多い。

【０００７】また、燃料２段燃焼方式のバーナもあ
る。このバーナは、図９に示すように、燃焼空気を噴射
するバーナスロート内に一次燃料ノズルを配置すると共
に、バーナタイルの周りに二次燃料ノズルを配置し、燃
料の一部を燃焼空気と拡散混合させながら噴射し、燃料
の一部を火炎の周りから噴射するようにしている。

【０００８】更に、分割火炎方式のバーナもある。こ
のバーナは、図１０に示すように、燃料噴射ノズルの噴
射口を大孔にして数を少なくし、完全に分割された数本
の火炎をつくることによって、火炎同士の干渉を抑制し
て火炎の冷却と燃焼遅れを作り火炎温度を押さえてＮＯ
ｘの発生を抑えるようにしたものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、のバ
ーナは噴霧蒸気量を多くして燃焼を良好にするとＮＯｘ
が高くなる問題を有する。また、ＮＯｘを下げようとす
ると煤塵量が増える問題を有している。更に、速度の制
御がうまく行かないと、釣鐘状が生成できず、燃焼が不
安定となる。また、水管が周りに配置されたボイラなど
に使用される場合には、水管内を流れる水との間の熱交
換で火炎温度が比較的早い時期に下がってＮＯｘが下が
るが、周りに水管が配置されていない燃焼炉などでは火
炎温度が早い時期に下がらずにＮＯｘが増える問題を有
している。また、のバーナによると、火炎が比較的狭
角となり火炎温度が高くなり易い傾向にあるため、噴霧
蒸気を多くして燃焼を良好にするとＮＯｘが高くなり、
噴霧蒸気量を少なくしてＮＯｘを下げようとすると煤塵
量が増える問題を有している。また、のバーナによる
と、複雑な構造をとる割にはＮＯｘの低減効果は小さ
し、のバーナと同様の問題を有する。また、のバー
ナによると、ＮＯｘの低減効果の割に煤塵の発生量が多
い問題を有している。更に、のバーナによると、空気
によって火炎が冷却されるものの、火炎間を燃焼空気が
貫通するため、混合性が悪くなるし、酸素濃度が低くな
らないので、ＮＯｘの低減効果は小さい。

【００１０】いずれのバーナも、燃焼を抑えると煤塵が
増える関係にあり、燃焼性を犠牲にしてＮＯｘを下げる
ようにしたものである。通常、蒸気量を減らすと（微粒
化が遅れて）霧化が悪くなるのでＮＯｘは減るが、煤塵
が増える。そこで、従来の内部混合形高圧気流噴霧式燃
焼方法並びに油バーナは、基準（１５０ｐｐｍ）以下に
なるように蒸気量を減らして燃焼させるようにしてい
る。

【００１１】本発明は、燃焼性が良くかつＮＯｘ値も基
準値を満たし、尚かつ煤塵量も少ないバーナを提供する
ことを目的とする。また本発明は、噴霧蒸気量を増やし
てもＮＯｘの急増のないバーナを提供することを目的と
する。更に本発明はターンダウンの幅を大きくすること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、燃料油と霧化流体とを混合
室で混合したのちノズルより噴出させて膨張、自爆によ
り前記燃料油を霧化させて燃焼させる噴霧燃焼方法にお
いて、燃焼空気を旋回させてバーナタイルから噴出させ
る一方、旋回燃焼空気を遮る円錐状の薄膜環状噴流から
成る主燃料噴流と、該主燃料噴流の下流において主燃料
噴流の内側で主燃料噴流に沿って流れ主燃料噴流を貫通
することのない円錐状の薄膜環状噴流から成る副燃料噴
流との２段に分けて燃料を噴霧させ、主燃料噴流と旋回
燃焼空気とで超空気過剰状態で燃焼させて薄膜主火炎を
形成すると共に、主火炎を通過した低酸素濃度の一部の
燃焼排ガスで副燃料を燃焼させて還元雰囲気を形成して
主火炎で生成されたＮＯｘを還元すると共に更に下流に
おいて主燃料を燃焼させた燃焼排ガスで副燃料を完全燃
焼させるようにしている。

【００１３】この内部混合形高圧気流噴霧式燃焼方法
は、例えば請求項２記載の発明にかかる内部混合形高圧
気流噴霧式油バーナによって実現される。請求項２記載
の発明は、燃料油と霧化流体とを混合室で混合したのち
ノズルより噴出させて膨張、自爆により燃料油を霧化さ
せる高圧油バーナにおいて、ノズルの周りのバーナタイ
ル内を流れる燃焼空気に旋回を与えるスワラーと、ノズ
ルに円錐状の薄膜環状噴流から成る主燃料噴流を形成す
る主噴孔と主燃料噴流の内側で主燃料噴流に沿って流れ
主燃料噴流を貫通することのない円錐状の薄膜環状噴流
から成る副燃料噴流を形成する副噴孔とを備え、主噴孔
から噴射される薄膜環状噴流から成る主燃料と旋回燃焼
空気とで超空気過剰状態で初期燃焼させて主火炎を安定
形成すると共に該主火炎により副燃料への新鮮空気の供
給を遮断して低酸素濃度の一部の燃焼排ガスで副燃料の
還元燃焼を起こして主火炎で生成されたＮＯｘを還元す
ると共に更に下流において主燃料を燃焼せさた燃焼排ガ
スで副燃料を完全燃焼させるようにしている。

【００１４】したがって、これら請求項１及び２記載の
内部混合形高圧気流噴霧式燃焼方法並びに油バーナによ
ると、旋回燃焼空気の流れが薄膜状に拡がる主燃料によ
って遮られるため、旋回燃焼空気が主燃料の膜を貫通せ
ずに主燃料噴流の表面で良好に混合されて燃焼すること
から、初期燃焼が促進されて主火炎の燃焼状態が良好で
かつ安定したものとできる。即ち、燃焼性が非常に良く
なることから、ターンダウンの幅も広くできる（例えば
１０：１程度以上）。

【００１５】また、主火炎が燃焼空気の流れを遮るため
主火炎の空気が内側には入り難い。しかも、主火炎を燃
焼空気が貫通するときに酸素が消費される。このため、
主火炎の内側においては、主火炎の内側の表面と接触す
る副燃料が残存酸素量が過少状態での還元燃焼（還元域
の生成）を起こして主火炎で生成されたＮＯｘを還元し
て減少させる一方、副火炎そのものの燃焼も進まないた
め副火炎でのサーマルＮＯｘができにくい。しかも、こ
の還元燃焼は主火炎内に負圧が生じるのを防いで火炎が
萎むのを防ぐ。これによって主火炎の開き角を維持でき
るので、火炎が萎んで火炎温度が高くなるのを防ぐこと
ができる。

【００１６】更に、副火炎は主火炎よりも下流におい
て、主燃料を燃焼させた燃焼排ガスと混合されて完全燃
焼を起こす。このとき、主火炎が火種として存在するた
め、安定して二次燃焼を起こして燃焼が進んでいなかっ
た副燃料を燃焼させ、全体として完全燃焼させる。これ
により、全体として完全燃焼するため、煤塵の発生が少
ない。

【００１７】また、請求項３記載の発明は、請求項２記
載の内部混合形高圧気流噴霧式油バーナにおいて、副噴
孔のヘッダ部にオリフィスを設け、燃料油と霧化流体と
の混合流体の噴射圧力を主噴孔よりも弱めるようにして
いる。この場合には、主噴孔と副噴孔との面積比に加え
てオリフィスによる減圧作用で副噴孔にかかる燃料の圧
力が下がり、貫通力を抑えるので、主火炎を副燃料が貫
通することがない。

【００１８】また、請求項４記載の発明は、請求項２ま
たは３記載の内部混合形高圧気流噴霧式油バーナにおい
て、主噴孔の隣角が１０〜１４゜の範囲であるようにし
ている。この場合には、薄膜状の主燃料噴流が確実に形
成される。

【００１９】また、請求項５記載の発明は、請求項２か
ら４のいずれかに記載の内部混合形高圧気流噴霧式油バ
ーナにおいて、主噴孔のノズル噴射角度に対し副噴孔の
ノズル噴射角度が僅かに狭くなるようにしている。この
場合には、主燃料が燃焼を完結してその噴射モーメンタ
ムを失っても、主火炎を副燃料が貫通することがない。
同角若しくは副噴孔のノズル噴射角度の方が広い場合に
は、燃焼が完結して噴射モーメンタムを失う主火炎より
も燃焼していない副燃料噴流の方が噴射モーメンタムが
大きくなることから、主火炎を副燃料が貫通することが
ある。

【００２０】更に、請求項６記載の発明は、請求項２か
ら５のいずれかに記載の内部混合形高圧気流噴霧式油バ
ーナにおいて、主燃料噴流がバーナタイルの開口との間
に旋回燃焼空気が流出できる僅かな隙間が生じる位置に
形成されるようにしている。この場合には、燃焼空気の
流れを遮るような広がりを以て薄膜状に形成された主燃
料噴流の根元部分で空気と混合されるので、火炎の根本
部分の初期燃焼が促進され、主火炎の燃焼状態が良好で
かつ安定したものとできる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
実施形態に基づいて詳細に説明する。

【００２２】図１及び図２に本発明のオイルバ―ナの一
実施例を示す。このオイルバ―ナは、液体燃料特にＣ重
油のような油燃料を燃焼させるものであり、油と蒸気ま
たは空気などの霧化用流体（微粒化媒体とも呼ばれる）
を均等な圧力下で混合してから噴出する内部混合式油バ
ーナ（内部混合形高圧噴霧式バーナ）である。このバー
ナは、油と霧化用流体を例えば１〜５ｋｇ／ｃｍ^２の均
等な圧力でノズル９の先端のノズルチップ８に圧送し、
ノズルチップ８内の混合室３で混合した後２種の噴孔
１，２から噴出する一方、ノズル９の周りを流れる燃焼
空気と混合させて燃焼させるものである。

【００２３】燃焼空気はノズル９の周りに配置されたス
ワラー１１によって強力に旋回させられて、バーナタイ
ル１０から噴出される際に該旋回燃焼空気を遮る円錐状
の薄膜環状噴流から成る主燃料噴流と、該主燃料噴流の
下流において主燃料噴流の内側で主燃料噴流に沿って流
れ主燃料噴流を貫通することのない円錐状の薄膜環状噴
流から成る副燃料噴流との２段に分けて噴射される燃料
と混合して、主火炎と副火炎とを形成する。ここで、油
と霧化用流体との混合流体は、内部混合ノズルより噴出
すると同時に膨張、自爆して霧化するため、燃焼空気と
の拡散混合が良好で安定した主火炎を形成する。しか
も、旋回が与えられた燃焼空気はその前方で広がる薄膜
状の主燃料噴流を貫通し難くなり、主燃料と接触して表
面で燃焼を完了する。また、主燃料噴流と旋回燃焼空気
とは薄膜主火炎を形成して超空気過剰状態で燃焼し、該
主火炎を通過し酸素を一部消費した低酸素濃度の燃焼空
気で副燃料を燃焼させ還元炎から成る副火炎を形成して
主火炎で生成されたＮＯｘを還元すると共に下流におい
て主火炎を貫通した燃焼空気中に残存する酸素で副火炎
を完全燃焼させるようにしている。

【００２４】本実施例において、燃焼空気は、ウィンド
ボックス１４を経てバーナタイル１０内へ導入される際
に、第１のエアレジスタ１５と第２のエアレジスタ１６
とによって、予め旋回が与えられる。第１のエアレジス
タ１５と第２のエアレジスタ１６は、導入する燃焼空気
に対し互いに逆向きの旋回を与える。例えば、第１のエ
アレジスタ１５は、バーナタイル１０の開口１３に向か
って反時計回転方向にに、第２のエアレジスタ１６は時
計回転方向にそれぞれ燃焼空気を旋回させるように設け
られている。第１のエアレジスタ１５は、第２のエアレ
ジスタ１６よりも内側に配置（小径）されており、第２
のエアレジスタ１６が形成する燃焼空気の旋回流の内側
に逆向きの燃焼空気の旋回流が形成されるようにしてい
る。したがって、外の旋回流と内の旋回流との境界部分
に環状渦流が形成され、主燃料に万遍なく接触して良好
な混合気を生成することができる。ここで、第１及び第
２のエアレジスタ１５，１６のみで燃焼空気に旋回力を
与え過ぎると、遠心力の影響を受けて外側に空気が集ま
り、内側が希薄となることから、５０％開度程度とし、
内にも空気を入れながら外の空気に旋回力を与えるよう
にしている。そして、主噴孔１の直前にスワラ１１を配
置して、第１のエアレジスタ１５とは逆回転の旋回力を
与え、濃淡のない整流された旋回流を与えるようにして
いる。ここで、スワラ１１としては、例えば軸流５０
％、旋回流５０％程度のものが使用されている。

【００２５】また、バーナタイル１０の出口拡がり角度
は、通常よりは狭い１８゜程度とされ、旋回燃焼空気が
広がるのを防いでバーナの根元部分（主噴孔１の噴出孔
近く）に集め、出口部分で初期燃焼をするようにしてい
る。尚、図中の符号１２は炉体である。

【００２６】内部混合ノズルは、図３及び図４に示すよ
うに、混合室３部分に主噴孔１の群と副噴孔２の群との
２種の群の噴孔１，２を軸方向に前後に配置して備え
る。主噴孔１の群と副噴孔２の群とは、それぞれノズル
軸Ｏ_１周りに環状に配置され、主噴孔１の群よりも前方
（即ち、主噴孔１の群から噴出される燃料で形成される
主火炎６の内側に副燃料が噴出されるよう）に副噴孔２
の群が配置されるようにしている。主噴孔１は、その噴
射軸Ｏ_２がノズル軸Ｏ_１に対して交差しノズル前方へ向
けて円錐状に広がる薄膜状の燃料油と霧化用流体の混合
流体を噴射するように一定ピッチで環状に穿孔されてい
る。例えば、本実施例の場合には、ノズル噴射角度（全
角とも呼ばれる）θ_１が９０〜１００゜程度で隣角（隣
り合うノズル間の角度）１０〜１４゜の範囲に収まるよ
うに多数の噴孔１が環状に形成されることによって、ノ
ズルの周りを流れる燃焼空気を遮る円錐状の薄膜環状噴
流を形成するようにしている。

【００２７】この主噴孔１の隣角θ_３は、薄膜の広角火
炎を形成させるために、ノズル孔径を小さくして孔数を
増やしながらノズル噴射角度θ_１を広角にする必要があ
ることから、１１゜程度にすることが好ましい。

【００２８】また、主噴孔１よりも前方側に多数の副噴
孔２が主噴孔１よりも僅かに狭いノズル噴射角度θ_２例
えば８０〜８５゜（９５゜でなくとも良いですか）、好
ましくは主噴孔１の全角θ_１よりも５゜程度狭い角度と
なるように設けられている。このとき、主噴孔１とそれ
よりも前方の副噴孔２とは同じノズル噴射角度（θ_１＝
θ_２）か、若しくは副噴孔２のノズル噴射角度θ_２の方
が主噴孔１のノズル噴射角度θ_１よりもやや小さめの関
係（θ_１＞θ_２）で形成され、噴射後に前方において交
差し、主火炎を副燃料が貫通することがないように設け
られる。主噴孔１は、合成噴流が薄膜となるため小孔で
形成されている。

【００２９】このときの主噴孔１のノズル噴射角度θ_１
は、バーナを装着する燃焼室の大きさや形状、バーナス
ロート１０内でのノズル配置位置などに対応して適宜変
更されるものであり、比較的細長い燃焼室の場合にはノ
ズル噴射角度θ_１は小さくなり、比較的幅広で奥行きが
短い場合にはノズル噴射角度θ_１は大きくなり、更にノ
ズル配置位置がバーナスロートの開口付近か奥側かで異
なる。ノズルの位置を前へ移動させバーナタイル１０の
開口に接近させることは、炉内からのふく射の影響を大
きく受けたり点火バーナから離れ過ぎて着火に問題を起
こす虞が生じることから好ましくない。そこで、図１の
実施形態のバーナのように、バーナスロート１０の開口
１３で噴射され主燃料噴流がバーナタイル１０の開口１
３との間に旋回燃焼空気が流出できる僅かな隙間が生じ
る位置に形成されるようにする場合には、ノズル噴射角
度θ_１は、９０°〜１００°の範囲において採るのが好
ましい。ノズル噴射角度θ_１と火炎長さとの関係から、
９０°未満になると比表面積の減少による混合不良によ
る燃焼不良から煤塵の増大を招き、１００°を超えると
バ―ナタイルに未燃油が直接当たってカーボン付着を招
いたり、油垂れを起す不良燃焼状態となるからである。
このノズル噴射角度θ_１は燃料油として微粒化が困難な
重質油となるほど広角とすることが好ましい。

【００３０】少なくとも主燃料噴流は、円周上に多数の
小噴孔を隣角１０〜１４゜の範囲、好ましくは１１゜程
度で配置することによって、噴射直後に噴流同士を干渉
させて円錐形状に開く膜状の噴流を形成するように設け
られている。そして、主噴孔１と副噴孔２との口径比即
ち流量比は、８０〜９０：２０〜１０を越えない範囲に
おいて燃料二段燃焼を成立させる条件等に照して決定す
ることが好ましく、例えば約８０：２０に採るようにし
ている。尚、噴射角θが燃焼性に与える影響は無視でき
ないので、噴流衝突効果が得られる状態で合成噴流が所
定の合成噴射角θを形成するように夫々の口径を設定す
ることが望ましい。そこで、図３に示すように、副噴孔
２のヘッダ部５にはオリフィス４が設けられて減圧さ
れ、燃料油と霧化流体との混合流体の噴射圧力を主噴孔
１よりも弱めるようにしている。これにより、副燃料噴
流（副火炎）７が主燃料噴流（主火炎）６を貫通しない
ようにしている。

【００３１】以上のように構成されたバ―ナにあって
は、内部混合形ノズルの混合室３で混合された油と蒸気
の混合流体を多数の小孔群からなる主噴孔１の群と副噴
孔２の群とから噴射されると、膨張自爆によって微粒化
された後、更にこの噴流が隣りの噴孔から噴出される噴
流と干渉して拡げられ燃焼空気を取込み易い薄くて広い
膜状噴流即ち円噴流より極めて比表面積が大きな膜状噴
流に形成される。したがって、油燃料であってもガス燃
料の拡散燃焼状態と同じような燃焼状態を実現できる。

【００３２】そこに、スワラ―などを用いて強制的に旋
回させられた燃焼空気が衝突して安定的に主火炎を形成
する。この主火炎は旋回燃焼空気の流れを比表面積の大
きな薄膜状の燃料噴流で遮ることにより混合されて初期
燃焼を良好に完結させている。一方、主火炎内では副噴
孔群から噴射された副燃料が主火炎を通過した一部の燃
焼排ガスで還元燃焼を起こす。主火炎を通過する際に酸
素を消費して低酸素濃度となった燃焼排ガスは、副燃料
を燃焼させて還元雰囲気を形成して主火炎で生成された
ＮＯｘを還元すると共に主火炎内に負圧が生じて火炎が
萎むのを防いで主火炎の開き角を維持することができ
る。更に下流において、燃焼が進んでいない副燃料は主
燃料を燃焼させた燃焼排ガスと接触して完全燃焼させら
れる。

【００３３】ここで、燃焼空気は、円錐形状に広がる薄
膜環状噴流から成る主燃料噴流によって直進する流れが
遮断され、バーナスロート開口付近で主燃料と混合され
て主火炎を形成し、主火炎の内に噴射される副燃料とは
噴射直後に接触することがない。燃焼空気の一部が主火
炎を貫通して主火炎の内側に入っても、主火炎を通過す
る間に酸素を使い低酸素状態で副燃料と接触する。そこ
で、主火炎の内に噴射される副燃料は還元炎を生成して
主火炎の内側の表面で主火炎中のＮＯｘを還元する。即
ち、一次燃焼の結果、主火炎の内側の面の残存Ｏ_２ 濃
度は極度に減少し、続いて主火炎の内側で噴射される副
燃料はこの過少Ｏ_２ の薄膜燃焼ガスに最初に接触する
ため急激な酸化反応が抑制されると同時に一部ＮＯｘの
還元反応を促す。その後、未燃の副燃料と主火炎を通過
した燃焼空気とが炉内に拡がって主火炎の下流において
接触・混合され、燃焼する。

【００３４】なお、上述の実施形態は本発明の好適な実
施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能
である。例えば、本実施形態では第１及び第２のエアレ
ジスタ１５，１６とスワラー１１を用いて燃焼空気に旋
回力を与えていたがこれに特に限定されるものではな
く、場合によってはスワラー１１だけで所望の旋回燃焼
空気を得るようにしても良い。また、本実施形態では主
に油燃料を燃焼させるものについて説明したが、これに
特に限定されるものではなく、ガスバ―ナに応用するこ
とも可能である。この場合には、噴流衝突によってガス
燃料の噴流が押し拡げられて燃焼空気を取込み易い薄い
けど隙間無く広くて薄い膜状の噴流に変えられ比表面積
の飛躍的増大を図る一方、膜状噴流によって噴射速度に
低下を防ぎ火炎内の低圧化の影響を排除できる。したが
って、狭い空間での高負荷燃焼が可能となる。特に、ガ
スタ―ビンの燃焼器に使用する場合、スワラ―を用いて
燃焼空気を強制的に旋回させなくとも、噴射されるガス
燃料同士を噴流衝突させて比表面積の大きな薄膜状の合
成噴流として周囲の燃焼空気を火炎内部に取込む一方、
噴流合成によって大きな噴流広がり角度を形成し合成噴
射角を維持して火炎の窄りを防ぐことができるので有益
である。また、本発明の油バーナを水管ボイラの燃焼器
として応用する場合には、初期燃焼が完結し高温となる
主火炎はその周囲の水管で早い時期に熱吸収され火炎が
冷却されるため、ＮＯｘの発生量が少ない。

【００３５】

【実施例】（実施例バーナ） バーナタイル １８゜角 スワラー １４枚羽根（開き角４５゜） ノズル 主噴孔 ２４穴、全角（９０゜）配列、隣角１１゜ 副噴孔 ２０穴、全角（８５゜）配列、隣角１１゜
（主噴孔と副噴孔のノズル孔面積比率は、主８３：副１
７としており、副噴孔ヘッダー部に固定オリフィスを装
備することにより、副噴孔ノズル面積を１０〜１７％の
範囲で使用することにして主噴孔と副噴孔との面積比率
を可変調整できる構造とした。オリフィス４の径は副噴
孔から噴出した燃料が主火炎を貫通しない大きさに決定
される。）のバーナを製作した。

【００３６】 のバーナを製作した。

【００３７】これらバーナをMcr.（最大連続負荷率）１
７ｔ／ｈの自然循環式水管形ボイラに装備して、Ｃ重油
（Ｆ．Ｎ．（含有窒素分）０．２ｗｔ％以下、Ｃ．Ｒ．
（含有炭素分）１０ｗｔ％以下）を燃焼させた。その結
果、図５に示すような結果が得られた。即ち、４％Ｏ_２
濃度換算ＮＯｘ値は基準値（150ｐｐｍ）を下回る１３
０ｐｐｍ台であり、負荷に対してほとんどフラットであ
った。尚、差圧を上げ燃焼性を良くしているため、更に
ＮＯｘ値の低減は可能である。また、ダスト濃度は基準
値（0.25ｍｇ／Ｎｍ^３）を大きく下回る０．０８ｍｇ／
Ｎｍ^３（４％Ｏ _２換算）であった。また、１２５０〜１
２０ｌ／ｈの広い範囲でターンダウンできた。したがっ
て、工場などでの負荷率が下がってきたときなどのボイ
ラのオンオフ運転（点火と消火とを繰り返す運転）が減
少し、効率良く運営することが可能となり、継続して低
燃焼で運用でき。バーナ燃焼停止時の放熱による熱損失
で燃焼効率が悪化するのを防ぐことができる。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、請求項
１及び２記載の内部混合形高圧気流噴霧式燃焼方法並び
に油バーナによると、主燃料を適正空気比を遙かに超え
る超空気過剰状態で燃焼させた後、この主火炎中のＮＯ
ｘを副燃料で還元し、更にその後炉内において高温の燃
焼空気と副燃料とを混合させて二次燃焼を起こさせるこ
とができるので、主火炎は超空気過剰状態での燃焼のた
めＮＯｘの発生が抑制される上に副燃料による還元作用
によって更にＮＯｘが低減され、更に下流において副燃
料が一次燃料を燃焼させた低酸素濃度の燃焼排ガスによ
って燃焼を完結して全体として完全燃焼するため、全体
としてＮＯｘの発生を従来よりも大幅に低減できる。ま
た、噴霧蒸気量を増やしても（微粒化が促進され、燃焼
性が向上する）、ＮＯｘの急増はない。しかも、主火炎
の燃焼状態は、低ＮＯｘバーナとはおもえないほど良好
で安定することからターンダウン比も大きくできる。更
に、全体として完全燃焼し、煤塵の発生を防ぐことがで
きるので、煤塵量が各段に少ない。

【００３９】したがって、従来のバーナでは、ＮＯｘを
規制値内に納めようとすると、煤塵量が増加する傾向に
あるが、本発明のバーナによると、ＮＯｘが十分に低く
さらに煤塵量も各段に低くなる。

【００４０】また、請求項３記載の発明によると、主ノ
ズルと副ノズルの面積比だけでなくオリフィスでも制限
されるので副ノズルからの噴射燃料が少なくなり、貫通
力がなくなり主火炎を貫通することが無く、副燃料を新
鮮空気から確実に遮断することができる。したがって、
副火炎を確実に還元燃焼とすることができる。

【００４１】更に、請求項４記載の発明によると、薄膜
状の主燃料噴流を形成することができる。

【００４２】更に、請求項５記載の発明によると、主燃
料が燃焼を完結してその噴射モーメンタムを失っても、
主火炎を副燃料が貫通することがないので、火炎が乱れ
ることがなく燃料二段燃焼を良好でかつ安定したものと
できる。

【００４３】更に、請求項６記載の発明によると、燃焼
空気の流れを遮るような広がりを以て薄膜状に形成され
た主燃料噴流の根元部分で空気と混合されるので、火炎
の根本部分の初期燃焼が促進され、主火炎の燃焼状態が
良好でかつ安定したものとできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の内部混合形高圧気流噴霧式燃焼方法を
実現する油バーナの一実施形態を示す縦断面図である。

【図２】図１のバーナの正面図である。

【図３】ノズルチップ部分の拡大縦断面図である。

【図４】図３のノズルチップの半分を示す正面図であ
る。

【図５】本発明の一実施例にかかる内部混合形高圧気流
噴霧式油バーナを燃焼させたときのＮＯｘ排出量を示す
グラフである。

【図６】従来の釣鐘方式の低ＮＯｘ型油バーナの原理図
である。

【図７】従来の二段燃焼空気供給方式の低ＮＯｘ型油バ
ーナの原理図である。

【図８】従来の二段燃焼空気供給方式の低ＮＯｘ型油バ
ーナの他の例を示す原理図である。

【図９】従来の燃料２段供給方式の低ＮＯｘ型油バーナ
の原理図である。

【図１０】従来の分割火炎方式の低ＮＯｘ型油バーナの
原理図である。

【符号の説明】

１ 主噴孔 ２ 副噴孔 ３ 混合室 ４ オリフィス ５ 副噴孔のヘッダ部 ６ 主燃料噴流 ７ 副燃料噴流 ８ ノズルチップ ９ 燃料ノズル １０ バーナタイル １１ スワラー １３ バーナタイル出口 θ_１ 主噴孔のノズル噴射角度 θ_２ 副噴孔のノズル噴射角度 θ_３ 主噴孔の隣角 Ｏ_１ ノズル軸 Ｏ_２ 主噴孔軸 Ｏ_３ 副噴孔軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松井 啓司 神奈川県川崎市幸区大宮町六番地 日本フ ァーネス工業株式会社エンジニアリング・ サービス事業本部内 (72)発明者 小泉 憲彦 神奈川県川崎市幸区大宮町六番地 日本フ ァーネス工業株式会社エンジニアリング・ サービス事業本部内 Ｆターム(参考） 3K023 EA02 EA09 3K052 GA06 GC01 GC03 GD03 GE05 3K056 AA06 AB01 AC01 AC03 AD01 CA00 CB03 CB07 3K065 TA01 TA04 TA12 TB01 TB02 TB04 TD04 TH04 TH06 TH14 TJ03 TJ06 TJ10 TP02

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料油と霧化流体とを混合室で混合した
   のちノズルより噴出させて膨張、自爆により前記燃料油
   を霧化させて燃焼させる噴霧燃焼方法において、燃焼空
   気を旋回させてバーナタイルから噴出させる一方、前記
   旋回燃焼空気を遮る円錐状の薄膜環状噴流から成る主燃
   料噴流と、該主燃料噴流の下流において前記主燃料噴流
   の内側で前記主燃料噴流に沿って流れ前記主燃料噴流を
   貫通することのない円錐状の薄膜環状噴流から成る副燃
   料噴流との２段に分けて燃料を噴霧させ、前記主燃料噴
   流と前記旋回燃焼空気とで超空気過剰状態で燃焼させて
   薄膜主火炎を形成すると共に、前記主火炎を通過した低
   酸素濃度の一部の燃焼排ガスで前記副燃料を燃焼させて
   還元雰囲気を形成して前記主火炎で生成されたＮＯｘを
   還元すると共に更に下流において前記主燃料を燃焼させ
   た燃焼排ガスで前記副燃料を完全燃焼させることを特徴
   とする内部混合形高圧気流噴霧式燃焼方法。
2. 【請求項２】 燃料油と霧化流体とを混合室で混合した
   のちノズルより噴出させて膨張、自爆により前記燃料油
   を霧化させる高圧油バーナにおいて、前記ノズルの周り
   のバーナタイル内を流れる燃焼空気に旋回を与えるスワ
   ラーと、前記ノズルに円錐状の薄膜環状噴流から成る主
   燃料噴流を形成する主噴孔と前記主燃料噴流の内側で前
   記主燃料噴流に沿って流れ前記主燃料噴流を貫通するこ
   とのない円錐状の薄膜環状噴流から成る副燃料噴流を形
   成する副噴孔とを備え、前記主噴孔から噴射される薄膜
   環状噴流から成る主燃料と旋回燃焼空気とで超空気過剰
   状態で初期燃焼させて主火炎を安定形成すると共に該主
   火炎により前記副燃料への新鮮空気の供給を遮断して低
   酸素濃度の一部の燃焼排ガスで前記副燃料の還元燃焼を
   起こして前記主火炎で生成されたＮＯｘを還元すると共
   に更に下流において前記主燃料を燃焼せさた燃焼排ガス
   で前記副燃料を完全燃焼させる特徴とする内部混合形高
   圧気流噴霧式油バーナ。
3. 【請求項３】 前記副噴孔のヘッダ部にオリフィスを設
   け、燃料油と霧化流体との混合流体の噴射圧力を前記主
   噴孔よりも弱めることを特徴とする請求項２記載の内部
   混合形高圧気流噴霧式油バーナ。
4. 【請求項４】 前記主噴孔の隣角は１０〜１４゜の範囲
   であることを特徴とする請求項２または３記載の内部混
   合形高圧気流噴霧式油バーナ。
5. 【請求項５】 前記主噴孔のノズル噴射角度に対し前記
   副噴孔のノズル噴射角度が僅かに狭いことを特徴とする
   請求項２から４のいずれかに記載の内部混合形高圧気流
   噴霧式油バーナ。
6. 【請求項６】 前記主燃料噴流はバーナタイルの開口と
   の間に旋回燃焼空気が流出できる僅かな隙間が生じる位
   置に形成されることを特徴とする請求項２から５のいず
   れかに記載の内部混合形高圧気流噴霧式油バーナ。