JP2004077008A - Combustion control method and device for tubular flame burner - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炉や燃焼器に備えるバーナに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
特開平11−281015号公報に、一端が開放された管状の燃焼室を有し、この燃焼室の閉塞端部近傍に燃料ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルが、前記燃焼室の内周面の接線方向に向けて設けられている管状火炎バーナが示されている。
【0003】
この管状火炎バーナは、高速の旋回流中で安定な火炎がバーナ内に形成されるので、燃焼設備の小型化が達成されると共に、燃焼火炎の温度のバラツキが小さく、局所的な高温領域が形成されない上に、酸素比又は空気比を下げることもできるので、NOxなどの有害物質、炭化水素等の未燃焼分、煤煙といった環境汚染源を低減することができるバーナである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の管状火炎バーナにおいては、以下のような問題がある。
【0005】
すなわち、上記の管状火炎バーナでは、管状の火炎を形成させるため、管状の燃焼室に設けられた管軸方向のスリットに、管軸方向に偏平させた供給ノズルを接続し、接線方向に吹き込み強旋回をかけながら、燃料ガス及び酸素含有ガスを管状の燃焼室に吹き込んでいる。そのため、スリット部での圧力損失が相対的に高くなるという問題がある。つまり、通常、燃料ガス及び酸素含有ガスの供給元圧が一定に決まっているため、燃焼負荷を増加させる場合、燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量を増加させる必要があるが、その吹き込み速度の2乗に比例してスリット部の圧力損失も増加し、さほど燃焼負荷を増加させることができない。
【0006】
また、スリット部の圧力損失を低減させるためにスリット断面積を大きめにとると、小さな燃焼負荷に対応するために燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量を減らしたときに、燃焼室内周面に対する接線方向の燃料ガス及び酸素含有ガスの吹き込み速度が著しく低下し、管状の火炎を形成させることができず、逆に、NOx・煤煙等の発生量が増加するという欠点があった。
【0007】
このように、従来の管状火炎バーナにおいては、燃焼負荷の増減に対応して、燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量を増減させることになるが、その際に、必ずしも適切な吹き込み速度が得られない場合があり、広い燃焼負荷範囲で安定した燃焼を行うことが難しいという問題があった。
【0008】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、管状の燃焼室内に管状の火炎を形成させる管状火炎バーナにおいて、燃焼負荷の増減に応じて、燃料及び酸素含有ガスの供給流量を増減させても、燃料及び酸素含有ガスの適切な吹き込み速度が得られ、より広い燃焼負荷範囲で安定した燃焼を可能とする管状火炎バーナの燃焼制御方法及び燃焼制御装置を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
【0010】
[1]先端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口し、燃料と酸素含有ガスを別々にあるいは予混合して吹き込むノズルを備え、該ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナにおいて、前記ノズル噴射口の開口面積を可変とする調整手段を設け、管状火炎バーナの燃焼負荷に応じて、前記ノズルからの噴射速度が予め設定された範囲の値になるように、前記調整手段によってノズル噴射口の面積を調整することを特徴とする管状火炎バーナの燃焼制御方法。
【0011】
[2]先端が開放された管状の燃焼室と、ノズル噴射口が前記燃焼室の内面に開口し、燃料と酸素含有ガスを別々にあるいは予混合して吹き込むノズルを備え、該ノズルの噴射方向が燃焼室内周面の接線方向とほぼ一致している管状火炎バーナの燃焼を制御する装置であって、前記ノズル噴射口の開口面積を可変とする調整手段と、管状火炎バーナの燃焼負荷に応じて、前記ノズルからの噴射速度が予め設定された範囲の値になるように、前記調整手段によってノズル噴射口の面積を調整する制御手段とを備えていることを特徴とする管状火炎バーナの燃焼制御装置。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図1〜図4に示す。図1は、この実施形態に用いる管状火炎バーナの側面図、図2は、図1におけるA−A矢視の断面図である。図3は、この実施形態に係る管状火炎バーナの燃焼制御装置の全体構成図であり、図4は、この実施形態における管状火炎バーナの燃焼制御方法を説明する説明図である。
【0013】
図1において、10は管状の燃焼室であり、先端10aが開放されて燃焼排ガスの排出口になっている。そして、燃焼室10の後端10bの近傍に、燃焼室10へ燃料ガスを吹き込むノズルと酸素含有ガスを吹き込むノズルが取り付けられている。
【0014】
図1及び図2に示すように、燃焼室10へのノズル噴射口として管軸方向に沿った細長いスリット12が燃焼室10の同一管周上の4個所に形成されており、それぞれのスリット12に管軸方向に細長い偏平形状のノズル11a、11b、11c、11dが接続されている。それぞれのノズル11a、11b、11c、11dの噴射方向は、燃焼室10の内周面の接線方向でかつ同一回転方向になるように設けられている。それら4個のノズルの内、ノズル11aとノズル11cの2個は燃料ガス吹き込みノズルであり、ノズル11bとノズル11dの2個は酸素含有ガス吹き込みノズルである。
【0015】
燃料ガス吹き込みノズル11a、11cからは燃料ガスが燃焼室10の内周面の接線方向に向かって高速で吹き込まれ、酸素含有ガス吹き込みノズル11b、11dからは酸素含有ガスが燃焼室10の内周面の接線方向に向かって高速で吹き込まれ、燃焼室10の内周面に近い領域で燃料ガスと酸素含有ガスが効率良く混合されながら旋回流が形成されるようになっている。その旋回流となった混合ガスに点火プラグ又はパイロットバーナ等の点火装置(図示せず)によって点火すると、燃焼室10内に管状の火炎が生成される。その燃焼ガスは燃焼室10の先端10aから排出される。
【0016】
なお、上記の酸素含有ガスは、空気、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を供給するガスを指している。
【0017】
そして、図1及び図2に示すように、スリット12の設けられている位置に、スリット12の開口面積を変更するためのスリット開口面積調整リング13が、燃焼室10に内接するようにして取り付けられている。スリット開口面積調整リング13は、薄肉の円筒形状で、4個のスリット12と対応する円周方向の4個所に切り欠き部が設けられており、このスリット開口面積調整リング13を管周方向に回転させることにより、4個のスリット12の開口面積を変更することができる。
【0018】
すなわち、図2(a)は、スリット開口面積調整リング13の切り欠き部がスリット12に重なって、スリット12の開口面積が最大になっている状態を示しているが、この状態からスリット開口面積調整リング13を所定の角度だけ回転させると、図2(b)に示すように、スリット12の一部がスリット開口面積調整リング13で塞がれて、スリット12の開口面積が狭くなる。
【0019】
そして、図3に全体構成図を示すように、この実施形態の管状火炎バーナの燃焼制御装置においては、燃料ガスを供給する配管中には、燃料ガス吹き込みノズル11a、11cに供給する燃料ガスの供給流量を調整するための燃料ガス流量調整弁17が設けられており、酸素含有ガスを供給する配管中には、酸素含有ガス吹き込みノズル11b、11dに供給する酸素含有ガスの供給流量を調整するための酸素含有ガス流量調整弁18が設けられている。燃料ガス流量調整弁17と酸素含有ガス流量調整弁18は供給制御装置20によって制御され、燃焼負荷に応じて、供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの流量を調整するようになっている。すなわち、燃焼負荷が小さい場合は、燃料ガス流量調整弁17及び酸素含有ガス流量調整弁18の開度を絞って供給流量を減少させ、燃焼負荷が大きい場合は、燃料ガス流量調整弁17及び酸素含有ガス流量調整弁18の開度を広げて供給流量を増加させる。
【0020】
なお、燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量は、燃料ガスの流量計21と酸素含有ガスの流量計22によって測定されており、その測定値は供給制御装置20に送られ、燃料ガス流量調整弁17及び酸素含有ガス流量調整弁18の開度調整に利用されるようになっている。
【0021】
また、スリット開口面積調整リング13の角度位置を調整するためのモータ14が設けられており、モータ14は供給制御装置20によって制御され、スリット開口面積調整リング13の角度位置を変更することによって、スリット12の開口面積を調整するようになっている。なお、モータ14に替わって、油圧シリンダ、空気シリンダ等のアクチュエータを用いてもよい。
【0022】
上記のように構成された管状火炎バーナの燃焼制御装置を用いて、管状火炎バーナの燃焼制御を行う方法を図3、図4を用いて説明する。
【0023】
この管状火炎バーナの燃焼制御方法では、燃焼負荷に応じて供給流量を増減する際に、燃焼室10に吹き込まれる燃料ガス及び酸素含有ガスの初期流速が、圧力損失から決まる許容最大流速Vpと、管状火炎を形成するために必要な最小流速Vqとの範囲になるように、スリット12の開口面積を調整している。
【0024】
すなわち、スリット12の開口面積を狭くした場合は、図4(a)中のL1線に示されるように、吹き込みノズル11a〜11dの初期流速は、供給流量の増加、すなわち燃焼負荷の増加に伴って急速に増加する。その結果、管状火炎を形成するために必要な最小流速Vqに直ちに達することができるが、圧力損失から決まる許容最大流速Vpも直ぐに越えてしまう。
【0025】
これに対して、スリット12の開口面積を多少広くした場合は、図4(a)中のL2線に示されるように、吹き込みノズルからの初期流速は、供給流量の増加、すなわち燃焼負荷の増加に伴って比較的緩やかに増加する。その結果、管状火炎を形成するために必要な最小流速Vqに比較的遅く達するが、圧力損失から決まる許容最大流速Vpを越えるのも比較的遅くなる。
【0026】
さらに、スリット12の開口面積を最大に広くした場合は、図4(a)中のL3線に示されるように、吹き込みノズルからの初期流速は、供給流量の増加、すなわち燃焼負荷の増加に伴って非常に緩やかに増加する。その結果、管状火炎を形成するために必要な最小流速Vqに達するのがかなり遅くなるが、圧力損失から決まる許容最大流速Vpを越えるのも相当遅くなる。
【0027】
そして、上記のような関係に基づいて、この燃焼制御方法では、燃焼負荷に応じて、燃焼室10に吹き込まれる燃料ガス及び酸素含有ガスの初期流速が、圧力損失から決まる許容最大流速Vpと、管状火炎を形成するために必要な最小流速Vqの範囲になるように、供給制御装置20がスリット開口面積調整リング13の角度位置を制御して、スリット12の開口面積を調整している。
【0028】
つまり、図4(b)に示すように、所定最小燃焼負荷から約1/3の燃焼負荷まではスリット12の開口面積を狭め、約1/3の燃焼負荷から約2/3の燃焼負荷まではスリット12の開口面積をやや広げ、約2/3の燃焼負荷から所定最大燃焼負荷まではスリット12の開口面積を最大に広げて燃焼を行う。
【0029】
これによって、図4(a)中のM1線に示すように、吹き込みノズルからの初期流速が、圧力損失から決まる許容最大流速Vpと、管状火炎を形成するために必要な最小流速Vqの範囲に常に収まり、必要な高速度に維持しつつ、圧力損失が過剰に大きくならないようにすることができる。
【0030】
なお、上記のように、燃焼負荷に応じてスリット12の開口面積を段階的に変更する燃焼制御方法だけでなく、図4(b)に示すように、燃焼負荷に応じてスリット12の開口面積を連続的に変更することにより、図4(a)中のM2線に示すように、吹き込みノズルからの初期流速が、圧力損失から決まる許容最大流速Vpと、管状火炎を形成するために必要な最小流速Vqの範囲で、かつ常に一定の流速となるようにする燃焼制御を行うこともできる。
【0031】
なお、この実施形態では、燃料ガス吹き込みノズル及び酸素含有ガス吹き込みノズルを、噴射方向が燃焼室内周面の接線方向に一致するように設けているが、必ずしも燃焼室内周面の接線方向に一致する必要はなく、燃焼室にガスの旋回流を形成できる程度に、噴射方向が燃焼室内周面の接線方向から外れていても良い。
【0032】
また、この実施形態では、燃焼室への噴射口として管軸方向に沿ってスリットを設け、そのスリットに偏平形状の燃料ガス吹き込みノズル及び酸素含有ガス吹き込みノズルを接続しているが、燃焼室への噴射口として複数の小孔を管軸方向に配し、その小孔列に燃料ガスあるいは酸素含有ガスを吹き込むためのノズルを接続するようにしても良い。
【0033】
また、この実施形態では、燃料ガスを吹き込んでいるが、液体燃料を吹き込んでも良い。液体燃料としては、灯油、軽油、アルコール、A重油等の比較的低い温度で気化するものが好適である。
【0034】
また、この実施形態では、燃料ガスと酸素含有ガスを別々に吹き込んでいるが、燃料ガスと酸素含有ガスを予混合して吹き込んでも良い。
【0035】
【発明の効果】
本発明においては、燃焼負荷の増減に対応して、燃料及び酸素含有ガスの供給流量を増減させても、所定の吹き込み速度が得られるように、ノズル噴射口の開口面積を調整するようにしているので、より広い燃焼負荷範囲で安定した燃焼を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に用いる管状火炎バーナの側面図である。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】本発明の一実施形態に係る管状火炎バーナの燃焼制御装置の全体構成図である。
【図4】本発明の一実施形態における燃焼制御方法の説明図である。
【符号の説明】
10 燃焼室
10a 燃焼室の先端
10b 燃焼室の後端
11a、11c 燃料ガス吹き込みノズル
11b、11d 酸素含有ガス吹き込みノズル
12 スリット
13 スリット開口面積調整リング
14 モータ
17 燃料ガスの流量調整弁
18 酸素含有ガスの流量調整弁
20 供給制御装置
21 燃料ガスの流量計
22 酸素含有ガスの流量計[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a burner provided in a furnace or a combustor.
[0002]
[Prior art]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-281015 has a tubular combustion chamber having an open end, and a nozzle for blowing a fuel gas near the closed end of the combustion chamber and a nozzle for blowing an oxygen-containing gas are provided inside the combustion chamber. A tubular flame burner provided tangentially to the peripheral surface is shown.
[0003]
In this tubular flame burner, a stable flame is formed in the burner in a high-speed swirling flow, so that the combustion equipment can be miniaturized, and the temperature variation of the combustion flame is small, and the local high-temperature region is small. Since it is not formed and the oxygen ratio or the air ratio can be reduced, it is a burner that can reduce harmful substances such as NOx, unburned components such as hydrocarbons, and environmental pollution sources such as soot.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the tubular flame burner has the following problems.
[0005]
That is, in the above-described tubular flame burner, in order to form a tubular flame, a supply nozzle which is flattened in the tube axis direction is connected to a slit in the tube axis direction provided in the tubular combustion chamber, and blows tangentially. The fuel gas and the oxygen-containing gas are blown into the tubular combustion chamber while turning. Therefore, there is a problem that the pressure loss at the slit portion becomes relatively high. That is, since the supply pressures of the fuel gas and the oxygen-containing gas are usually fixed, it is necessary to increase the supply flow rates of the fuel gas and the oxygen-containing gas when increasing the combustion load. The pressure loss at the slit also increases in proportion to the square, and the combustion load cannot be increased so much.
[0006]
Also, if the slit cross-sectional area is made large to reduce the pressure loss of the slit portion, the tangent to the peripheral surface of the combustion chamber when the supply flow rate of the fuel gas and the oxygen-containing gas is reduced in order to respond to a small combustion load. There is a disadvantage that the blowing speed of the fuel gas and the oxygen-containing gas in the direction is remarkably reduced, so that a tubular flame cannot be formed, and conversely, the generation amount of NOx, soot and the like increases.
[0007]
As described above, in the conventional tubular flame burner, the supply flow rates of the fuel gas and the oxygen-containing gas are increased or decreased in accordance with the increase or decrease of the combustion load. At this time, an appropriate blowing speed is not necessarily obtained. In some cases, it is difficult to perform stable combustion over a wide combustion load range.
[0008]
The present invention has been made to solve the above problems, and in a tubular flame burner for forming a tubular flame in a tubular combustion chamber, the supply flow rate of fuel and oxygen-containing gas according to the increase or decrease of the combustion load. It is an object of the present invention to provide a combustion control method and a combustion control device for a tubular flame burner that can obtain appropriate injection speeds of fuel and oxygen-containing gas even if the amount of fuel is increased or reduced, and enable stable combustion in a wider combustion load range. It is to be.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention has the following features.
[0010]
[1] A tubular combustion chamber having an open end, and a nozzle having a nozzle injection opening which opens into the inner surface of the combustion chamber and in which fuel and oxygen-containing gas are blown separately or premixed, and the injection direction of the nozzle is provided. In a tubular flame burner, which is substantially coincident with the tangential direction of the peripheral surface of the combustion chamber, an adjusting means for changing the opening area of the nozzle injection port is provided, and injection from the nozzle is performed according to the combustion load of the tubular flame burner A method for controlling combustion of a tubular flame burner, characterized in that the adjusting means adjusts the area of the nozzle injection port so that the speed becomes a value within a preset range.
[0011]
[2] A tubular combustion chamber having an open end, and a nozzle having a nozzle injection opening which opens into the inner surface of the combustion chamber and in which fuel and oxygen-containing gas are blown separately or premixed, and the injection direction of the nozzle is provided. Is a device for controlling the combustion of a tubular flame burner substantially coincident with the tangential direction of the peripheral surface of the combustion chamber, wherein the adjusting means for varying the opening area of the nozzle injection port, according to the combustion load of the tubular flame burner And control means for adjusting the area of the nozzle injection port by the adjusting means so that the injection speed from the nozzle falls within a preset range. Control device.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
One embodiment of the present invention is shown in FIGS. FIG. 1 is a side view of a tubular flame burner used in this embodiment, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA in FIG. FIG. 3 is an overall configuration diagram of a combustion control device for a tubular flame burner according to this embodiment, and FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a combustion control method for a tubular flame burner in this embodiment.
[0013]
In FIG. 1,
[0014]
As shown in FIG. 1 and FIG. 2,
[0015]
Fuel gas is blown at high speed from the fuel gas blowing
[0016]
The oxygen-containing gas refers to a gas that supplies oxygen for combustion, such as air, oxygen, oxygen-enriched air, and a mixed gas of oxygen and exhaust gas.
[0017]
As shown in FIGS. 1 and 2, a slit opening
[0018]
That is, FIG. 2A shows a state in which the notch of the slit opening
[0019]
As shown in the overall configuration diagram in FIG. 3, in the combustion control device for a tubular flame burner of this embodiment, the fuel gas supplied to the fuel
[0020]
The supply flow rates of the fuel gas and the oxygen-containing gas are measured by a fuel
[0021]
Further, a
[0022]
A method of controlling the combustion of the tubular flame burner using the combustion control device for the tubular flame burner configured as described above will be described with reference to FIGS.
[0023]
According to the combustion control method of this tubular flame burner, when the supply flow rate is increased or decreased according to the combustion load, the initial flow velocity of the fuel gas and the oxygen-containing gas blown into the
[0024]
That is, when the opening area of the
[0025]
On the other hand, when the opening area of the
[0026]
Further, when the opening area of the
[0027]
Then, based on the above relationship, in this combustion control method, the initial flow velocity of the fuel gas and the oxygen-containing gas blown into the
[0028]
That is, as shown in FIG. 4B, the opening area of the
[0029]
As a result, as shown by the line M1 in FIG. 4A, the initial flow velocity from the blowing nozzle falls within the range of the maximum allowable flow velocity Vp determined by the pressure loss and the minimum flow velocity Vq necessary to form a tubular flame. The pressure loss can be kept constant and maintained at the required high speed, while preventing the pressure loss from becoming excessively large.
[0030]
In addition, as described above, not only the combustion control method of changing the opening area of the
[0031]
In this embodiment, the fuel gas injection nozzle and the oxygen-containing gas injection nozzle are provided such that the injection direction coincides with the tangential direction of the peripheral surface of the combustion chamber, but does not necessarily coincide with the tangential direction of the peripheral surface of the combustion chamber. It is not necessary, and the injection direction may deviate from the tangential direction of the peripheral surface of the combustion chamber to the extent that a swirling flow of gas can be formed in the combustion chamber.
[0032]
Further, in this embodiment, a slit is provided along the pipe axis direction as an injection port to the combustion chamber, and a flat fuel gas injection nozzle and an oxygen-containing gas injection nozzle are connected to the slit. A plurality of small holes may be arranged in the direction of the pipe axis as the injection ports, and a nozzle for blowing a fuel gas or an oxygen-containing gas may be connected to the small hole row.
[0033]
In this embodiment, fuel gas is blown, but liquid fuel may be blown. As the liquid fuel, those which vaporize at a relatively low temperature, such as kerosene, light oil, alcohol, and heavy oil A, are preferable.
[0034]
Further, in this embodiment, the fuel gas and the oxygen-containing gas are separately blown, but the fuel gas and the oxygen-containing gas may be premixed and blown.
[0035]
【The invention's effect】
In the present invention, in response to the increase or decrease in the combustion load, even if the supply flow rate of the fuel and the oxygen-containing gas is increased or decreased, the opening area of the nozzle injection port is adjusted so that a predetermined blowing speed is obtained. Therefore, stable combustion can be performed in a wider combustion load range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a tubular flame burner used in one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG.
FIG. 3 is an overall configuration diagram of a combustion control device for a tubular flame burner according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a combustion control method according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
Claims (2)
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