JP2004125184A - 自己再循環バーナ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】中央に燃料噴射ノズル1、燃焼噴射ノズル1の周囲に一次空気筒2及び二次空気筒3を設け、一次空気筒内を一次空気流路4、一次空気筒と二次空気筒の間を二次空気流路5とし、二次空気流路下流側端面には、燃料噴射ノズルよりも下流側に延出している複数の空気ノズル6を配置しており、二次空気流路下流側端面よりも下流側には、両端を開口している環状の燃焼コーン7を設けている自己再循環バーナにおいて、環状に配置している空気ノズル列の外周径をDとしたとき、燃焼コーンの内径はD以上であって1.2D以下とする。
【選択図】 図1
Description
【産業上の利用分野】
本発明は燃焼コーンを持った自己再循環バーナに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
特開2001−254913号公報には、二次空気流路下流側端面から下流側に延出した空気ノズルと、空気ノズルを覆う環状の燃焼コーンを設けたバーナが記載されている。本バーナの場合、燃焼コーンの先側へ噴出した燃焼排ガスの一部が、燃焼コーンの周囲を通って燃焼コーンの上流側へ還流し、燃焼コーンの上流側に設置している空気ノズルの間を通って燃焼コーン内に循環するため、排ガス再循環の作用によってNOx発生量を削減することができる。該バーナの場合、それ以前のバーナに比べるとNOx発生量を大幅に削減することができたが、燃焼室負荷が高い小型ボイラ等に適用する場合においては、NOx発生量の更なる削減が望まれていた。また、燃焼コーンを設けることで、排ガス再循環の効果は大幅に向上するが、循環している排ガスは高温であるために排ガスが燃焼コーンを加熱することになり、温度の上昇によって燃焼コーンの寿命が短くなるという問題があった。
【0003】
【特許文献1】特開2001−254913号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、NOx発生量の更なる低減を図り、さらに燃焼コーンの過熱を抑制してバーナの耐久性を向上させることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、中央に燃料噴射ノズル、燃焼噴射ノズルの周囲に一次空気筒、一次空気筒の周囲に二次空気筒を設け、一次空気筒内を一次空気流路、一次空気筒と二次空気筒の間を二次空気流路とし、二次空気流路下流側端面は、燃料噴射ノズルよりも下流側に延出している複数の空気ノズルを配置した以外の部分を閉塞しており、二次空気流路下流側端面よりも下流側には、両端を開口している環状の燃焼コーンを設け、空気ノズル及び燃焼コーンは、燃料噴射ノズルから噴射する燃料の噴射角外に設置している自己再循環バーナにおいて、環状に配置している空気ノズル列の外周径をDとしたとき、燃焼コーンの内径はD以上であって1.2D以下としたことを特徴とする自己再循環バーナである。
【0006】
請求項2に記載の発明は、前記の自己再循環バーナにおいて、燃焼コーンの長さをLとしたとき、空気ノズルと燃焼コーンの重なり幅は0以上であってL/5以下としたことを特徴とする自己再循環バーナである。
【0007】
請求項3に記載の発明は、中央に燃料噴射ノズル、燃焼噴射ノズルの周囲に一次空気筒、一次空気筒の周囲に二次空気筒を設け、一次空気筒内を一次空気流路、一次空気筒と二次空気筒の間を二次空気流路とし、二次空気流路下流側端面は、燃料噴射ノズルよりも下流側に延出している複数の空気ノズルを配置した以外の部分を閉塞しており、二次空気流路下流側端面よりも下流側には、両端を開口している環状の燃焼コーンを設け、空気ノズル及び燃焼コーンは、燃料噴射ノズルから噴射する燃料の噴射角外に設置している自己再循環バーナにおいて、燃焼コーンは上流側開口径よりも下流側開口径の方が小さくなるように先細りの構造としたことを特徴とする自己再循環バーナである。
【0008】
請求項4に記載の発明は、前記の自己再循環バーナにおいて、一次空気流路下流側端面から燃焼コーン開口面までの距離よりも、二次空気流路下流側端面から燃焼コーン開口面までの距離の方が大きくなるようにしたことを特徴とする自己再循環バーナである。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図1は本発明の第1実施例におけるバーナの断面図、図2は図1のA−A断面図、図3は第2実施例におけるバーナの断面図、図4は従来バーナ(特開2001−254913号公報)の断面図である。なお、各図において、構成部品自体は共通するため、同じ符号を付記しておく。
【0010】
まず第1実施例の構成から説明する。中央に燃料噴射ノズル1、燃焼噴射ノズル1の周囲に円筒形の一次空気筒2、一次空気筒2のさらに周囲にも円筒形の二次空気筒3を設ける。一次空気筒2及び二次空気筒3の上流側には、ウインドボックス9(一部のみ記載)を設けておき、一次空気筒2の内側を一次空気流路4、一次空気筒2と二次空気筒3の間を二次空気流路5とする。一次空気流路4の下流側端面は、燃料噴射孔と一次空気孔を設けたディフューザ8で閉塞し、二次空気流路5の下流側端面には、二次空気流路5の先端よりも下流側へ向けて延出している複数の空気ノズル6を設け、空気ノズル6を設けている部分以外の面は閉塞する。空気ノズル6は、周方向に一定の間隔を開けて環状に配置した8本のパイプからなり、複数設置した空気ノズル6の先端を覆うように環状の燃焼コーン7を設ける。燃焼コーン7は、二次空気流路5の下流側先端面から所定の間隔を開けて配置している円筒であり、上流側と下流側の両端は開口している。燃焼コーン7の下流側は先細りになるようにテーパ構造としており、下流側の開口径を上流側の開口径よりも小さく絞り込んでいる。
【0011】
燃料噴射ノズル1は、燃料を末広がりの円錐状に噴射するものであり、下流側では燃料噴射範囲が広くなるため、空気ノズル6及び燃焼コーン7は、燃料噴射ノズル1から噴射した燃料の直射を受けないように、燃料噴射ノズル1から噴射する燃料の噴射角外に設置しておく。環状に配置している空気ノズル列の外周径をDとし、燃焼コーン7の上流側開口から下流側開口までの長さをLとする。この時、燃焼コーン7の上流側開口部における内径は、D以上であって1.2D以下とし、空気ノズル6と燃焼コーン7の重なり幅は、0以上であってL/5以下としておく。
【0012】
バーナの燃焼を行う場合、燃料噴射ノズル1から噴射する燃料と、ディフューザ8及び空気ノズル6から噴射する燃焼用空気を混合しながら燃焼を行う。燃料噴射ノズル1から噴射した燃料は、まず一次空気流路4を通ってディフューザ8から噴射された一次空気と混合し、その後に二次空気流路5を通って空気ノズル6から噴射された二次空気と混合する。燃料は燃焼用空気と混合することで燃焼し、燃焼コーン7の下流側開口部から先へ火炎となって噴出する。この場合、ディフューザ8の下流側に負圧が発生するため、燃焼によって発生した燃焼ガスの一部は排ガス再循環用の排ガスとなり、燃焼コーン7の外側を通って燃焼コーン上流側から燃焼コーン内へ循環する排ガス自己再循環を形成する。
【0013】
本実施例のバーナでは、空気ノズル列の外周径をDとしたとき、燃焼コーンの上流側開口部における内径をD以上であって1.2D以下としており、空気ノズル6と燃焼コーン7の間隔を狭くしている。空気ノズル6の噴射口から二次空気の噴射を行うと、空気流は末広がりに拡散することになるが、空気ノズル6と燃焼コーン7の間隔を狭くしていると、空気ノズル6から燃焼コーン7の壁面側、つまり周方向へ広がる空気流は、燃焼コーン7の内壁に沿って流れることになり、それ以上に拡散することはなくなる。
【0014】
従来のバーナの場合、燃焼コーン7の径を空気ノズル列の外周径と対応させて設定することは行っておらず、空気ノズル6と燃焼コーン7の間隔は比較的広く空いていた。空気ノズル6と燃焼コーン7の間隔が広いと、空気ノズル6から周方向へ広がる空気流は、空気ノズル列の外周径から外側へ大きく広がっていくことになり、空気流の直進性が弱まることになる。燃焼コーン7内での空気流の直進性が弱まると、燃焼コーン7から噴射する燃焼ガスの流速が遅くなるため、排ガスの循環が少なくなり、また燃焼コーン7から噴射した後の火炎は拡散することになっていた。
【0015】
本発明では、空気ノズル6と燃焼コーン7の間隔を狭めることで、空気流の周方向への拡散を防止し、空気流の直進性を向上しているため、排ガス自己再循環を促進することができ、NOx発生量を削減することができる。また、排ガス循環量を多くすると、排ガスの熱によって噴射燃料の気化が促進されるため、燃焼性を向上することができる。
【0016】
さらに、空気ノズル6と燃焼コーン7の間隔を狭くすると、燃焼コーン7の温度上昇を防止することができるという効果も得ることができる。循環している排ガスは高温であり、排ガスが燃焼コーン7を加熱するため、燃焼コーン7は高温となって寿命が短くなるという問題があった。空気ノズル6と燃焼コーン7の間隔が広い場合には、循環してきた排ガスが空気ノズル6と燃焼コーン7の間を通ることになり、また、空気ノズル6から拡散している空気流が燃焼コーン7の内壁面に達するまでに時間が掛かり、燃焼コーン7の内壁面に沿って流れる空気量が少なくなるため、燃焼コーン7が高温になっていた。しかし、空気ノズル6と燃焼コーン7の間隔が狭くすると、空気ノズル6と燃焼コーン7のすきまを通る排ガス量は少なくなるために燃焼コーン7への加熱量が少なくなり、燃焼コーン7の内壁面に沿って流れる空気量が多くなるため、燃焼コーン7を内側から冷却することができるようになる。空気流による冷却によって燃焼コーン7の温度上昇を抑制することができるので、燃焼コーン7の耐久性を向上させることができる。
【0017】
燃焼コーン7の内径が、空気ノズル列の外周径Dの1.2倍より大きくなると、空気ノズル6と燃焼コーン7の間隔が広くなるために上記の効果は少なくなる。燃焼コーン7は空気ノズル6の外側に設けるため、燃焼コーン7の内径は空気ノズル列の外周径Dより小さくなることはないが、空気ノズル6と燃焼コーン7の間隔は0であってもよい。そのため、燃焼コーン7の内径はD以上であって1.2D以下の範囲内とする。
【0018】
また、本実施例のバーナは、燃焼コーン7の長さをLとしたとき、空気ノズル6と燃焼コーン7の重なり幅を、0以上であってL/5以下となるように、空気ノズル6と燃焼コーン7の重なり幅を小さくしている。
【0019】
従来のバーナの場合、空気ノズル6と燃焼コーン7の重なり幅を燃焼コーン7の長さと対応させて設定することは行っておらず、空気ノズル6は燃焼コーン7の下流側開口近くまで延出していた。空気ノズル6の先端から燃焼コーン7の下流側開口までの距離が短いと、空気流が燃焼コーン7の内壁に沿って流れる距離は短くなり、空気流を燃焼コーン7の内壁に沿わせて整流することによる直進性向上の作用を得ることができなくなり、空気流の直進性が損なわれると排ガスの循環量が少なくなる。
【0020】
本発明では、空気ノズル6と燃焼コーン7の重なり幅を小さくすることで、空気流が燃焼コーン7の内壁に沿って流れる距離を長くしているため、空気流の直進性を向上することができ、排ガス自己再循環の促進によってNOx発生量を削減することができる。
【0021】
さらに、空気ノズル6と燃焼コーン7の重なり幅を小さくすることは、燃焼コーン7を冷却する効果を得ることにもつながる。空気ノズル6と燃焼コーン7の重なり幅が大きい場合には、空気流の燃焼コーン7の内壁面に沿って流れる距離が短くなり、空気流による燃焼コーン7の冷却効果は少なくなっていた。しかし、空気ノズル6と燃焼コーン7の重なり幅を小さくして、空気流が燃焼コーン内壁面に沿って流れる距離を長くすると、空気流による燃焼コーン7の冷却量を増加することができる。空気流による冷却によって燃焼コーン7の温度上昇を抑制することで、燃焼コーン7の耐久性を向上させることができる。
【0022】
空気ノズル6と燃焼コーン7の重なり幅が、燃焼コーン7の長さLの20%よりより大きくなると、上記の効果は少なくなる。また、空気ノズル6と燃焼コーン7が全く重なっていないと、空気ノズル6から噴射した空気流が燃焼コーン7内に入らずに漏れ出る恐れがあるため、重なり幅を0より小さくすることはできない。そのため、空気ノズル6と燃焼コーン7の重なり幅は0以上であってL/5以下の範囲内とする。
【0023】
燃焼コーン7の上流側開口径よりも下流側開口径の方が小さくなるように、燃焼コーン7を先細りの構造とした場合にも、空気ノズル6と燃焼コーン7の間隔を狭めた場合と同様な効果を得ることができる。燃焼コーン7が先細りの構造であれば、下流側へ行くほど空気ノズル6の延長線と燃焼コーン7の間隔が狭まるため、空気ノズル6から噴射した空気流は燃焼コーン7の内壁面に沿って流れ、燃焼コーン7の内壁による整流によって直進性がアップすることになる。
【0024】
また、燃焼コーン7の開口面積を先細りにしたことにより、燃焼コーン7内を移動する燃焼ガスの流速自体が上昇することになる。燃焼ガスの流速が上昇すれば、燃焼コーン7の上流側と下流側における圧力差が増大するため、排ガスの循環量が増加し、NOxの発生を更に抑制することができる。また、燃焼ガスの流速上昇は火炎を下流側へシフトさせる作用もあり、火炎の局部高温領域の形成を抑制することによるNOx低減効果を得ることもできる。燃焼コーン7の内径、空気ノズル6と燃焼コーン7の重なり幅、燃焼コーン7の先細り構造は、いずれかのみを実施した場合でも効果があり、複数を組み合わせることでより大きな効果を得ることができる。
【0025】
次に第2の実施例である図3に基づいて説明を行う。図3の場合、基本的には図1と同じであり、二次空気筒先端までの長さを短縮し、ディフューザ8から燃焼コーン7の開口面までの距離よりも、二次空気流路5の下流側端面から燃焼コーン7の開口面までの距離の方が大きくなるようにしたことと、燃焼コーン7のテーパ構造を燃焼コーン7の全体にしたことで相違している。
【0026】
一次空気筒2の長さを短くすることで燃料噴射ノズル1から燃焼コーン7までの距離が長くなると、燃料噴射ノズル1から末広がりに噴射している燃料が燃焼コーン7に付着するなどの制約があるため、一次空気筒2の長さを自由に短くすることはできない。これに対し、二次空気筒3の長さを短くすることで二次空気流路の下流側端面から燃焼コーン7までの距離を長くする場合には、前記の制約はない。一次空気流路4の下流側端面と二次空気流路5の下流側端面を段違いとすることで、燃料噴射ノズル1から燃焼コーン7までの距離は変えずに、二次空気流路5から燃焼コーン7までの距離のみを伸ばすことができる。
【0027】
二次空気流路5の下流側端面から燃焼コーン7までの距離を大きくすると、二次空気流路5から燃焼コーン7までの間に形成される負圧領域を大きく確保することができ、排ガスが循環しやすくなるため排ガス自己再循環量を増加することができる。また、空気ノズル6と燃焼コーン7の重なり幅を小さくするために空気ノズル6の長さを短くした場合、空気ノズル6内での二次空気流の直進性が不十分になることがあるが、二次空気流路5と燃焼コーン7の距離を大きくすれば、空気ノズル6の長さは長くなるため、二次空気流の直進性を確保することもできる。
【0028】
燃焼コーン7のテーパ構造は、燃焼コーン7の下流側部分で一気に絞る形状と、燃焼コーン7の上流側から下流側にかけて直線的に絞る形状が考えらるが、燃焼コーン7の上流側と下流側における圧力差の増大作用は、いずれでも得られるため、状況に応じて選択することができる。
【0029】
燃焼コーン7の径を途中までは一定とし、燃焼コーン7の下流側部分で絞る形状とした場合、燃焼コーン7の内壁を沿って流れている空気流は、テーパ部によって内側に方向転換することで、末広がりの燃焼ガス流と大きな角度を持って衝突することになるため、テーパ部分で空気流が減速する。そのため、燃焼コーン7の上流側から燃焼コーン7内へ入ってきた循環排ガス流は、燃焼コーン7の内壁付近へ向かう流れが減少し、燃焼コーン7の中央へ向かう流れが増加する。燃焼コーン7の中央部へ送る循環排ガス量を増加することで、燃料の気化を促進することができ、燃焼性を向上させることができる。
【0030】
また、燃焼コーン7の全体で直線的に絞る形状とした場合、燃焼コーン7の内壁を沿って流れている空気流と、末広がりの燃焼ガス流との衝突角度は小さくなるため、空気流の減速は少ない。そのため、空気流が燃焼コーン7の内壁に沿って流れやすくなり、燃焼コーン7を冷却する効果が高くなる。
【0031】
【発明の効果】
本発明を実施することで、NOx発生量の更なる低減を行うことができ、燃焼コーンの過熱を抑制してバーナの耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例におけるバーナの断面図
【図2】図1のA−A断面図
【図3】本発明の第2実施例におけるバーナの断面図
【図4】従来バーナの断面図
【符号の説明】
1 燃料噴射ノズル
2 一次空気筒
3 二次空気筒
4 一次空気流路
5 二次空気流路
6 空気ノズル
7 燃焼コーン
8 ディフューザ
9 ウインドボックス
Claims (4)
- 中央に燃料噴射ノズル、燃焼噴射ノズルの周囲に一次空気筒、一次空気筒の周囲に二次空気筒を設け、一次空気筒内を一次空気流路、一次空気筒と二次空気筒の間を二次空気流路とし、二次空気流路下流側端面は、燃料噴射ノズルよりも下流側に延出している複数の空気ノズルを配置した以外の部分を閉塞しており、二次空気流路下流側端面よりも下流側には、両端を開口している環状の燃焼コーンを設け、空気ノズル及び燃焼コーンは、燃料噴射ノズルから噴射する燃料の噴射角外に設置している自己再循環バーナにおいて、環状に配置している空気ノズル列の外周径をDとしたとき、燃焼コーンの内径はD以上であって1.2D以下としたことを特徴とする自己再循環バーナ。
- 請求項1に記載の自己再循環バーナにおいて、燃焼コーンの長さをLとしたとき、空気ノズルと燃焼コーンの重なり幅は0以上であってL/5以下としたことを特徴とする自己再循環バーナ。
- 中央に燃料噴射ノズル、燃焼噴射ノズルの周囲に一次空気筒、一次空気筒の周囲に二次空気筒を設け、一次空気筒内を一次空気流路、一次空気筒と二次空気筒の間を二次空気流路とし、二次空気流路下流側端面は、燃料噴射ノズルよりも下流側に延出している複数の空気ノズルを配置した以外の部分を閉塞しており、二次空気流路下流側端面よりも下流側には、両端を開口している環状の燃焼コーンを設け、空気ノズル及び燃焼コーンは、燃料噴射ノズルから噴射する燃料の噴射角外に設置している自己再循環バーナにおいて、燃焼コーンは上流側開口径よりも下流側開口径の方が小さくなるように先細りの構造としたことを特徴とする自己再循環バーナ。
- 請求項1から3のいずれかに記載の自己再循環バーナにおいて、一次空気流路下流側端面から燃焼コーン開口面までの距離よりも、二次空気流路下流側端面から燃焼コーン開口面までの距離の方が大きくなるようにしたことを特徴とする自己再循環バーナ。
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Cited By (3)
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JP2015094583A (ja) * | 2013-11-12 | 2015-05-18 | 韓国生産技術研究院Korea Institute Of Industrial Technology | 燃焼ガスの内部再循環による超低窒素酸化物燃焼装置およびその運転方法 |
-
2002
- 2002-09-30 JP JP2002285393A patent/JP2004125184A/ja active Pending
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