JP3040457B2 - 燃焼設備を運転する方法 - Google Patents

燃焼設備を運転する方法

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JP3040457B2 JP2318180A JP31818090A JP3040457B2 JP 3040457 B2 JP3040457 B2 JP 3040457B2 JP 2318180 A JP2318180 A JP 2318180A JP 31818090 A JP31818090 A JP 31818090A JP 3040457 B2 JP3040457 B2 JP 3040457B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、予混合バーナを用いて燃焼を行なうための
燃焼設備を運転する方法に関する。さらに、本発明は前
記方法を実施するためのバーナおよび該バーナを運転す
る方法に関する。
［従来の技術］ たとえばセントラルヒーティングに用いられる燃焼設
備において、汎用の構造では、燃料がノズルを介して燃
焼室に噴射され、この場所で燃料空気が供給されて燃焼
させられる。原則的に、このような燃焼設備の運転はガ
ス状または液状の燃料によって可能である。しかし液体
燃料を使用する場合には、最小のNox−、Co−、UHC放出
量を達成するために、燃料の良好な霧化および燃焼空気
との充分な混合が達成されなければならない。
したがって液体燃料が使用されると、低い有害物質放
出量という点で見て燃焼の特性は、燃料／新鮮な空気の
混合気の最適な混合度を提供することができるかに、つ
まり液体燃料の可能な完全気化を保証することができる
かに著しく関連している。この場合には、欧州特許出願
公開第0166329号明細書に記載されているような部分負
荷運転の範囲における問題をも指摘しなければならな
い。部分負荷運転時に希薄状態で運転するという別の公
知の種々の試みは決まって失敗に帰している。それとい
うのは、この場合に燃焼が悪化し、かつCO/UHC放出量が
極めて著しく増大してしまうからである。専門用語で、
このような状態はCO/UHCとNOxとの反比例の度合いとい
う表現で表わされる。また、燃料／空気の混合気のため
の予混合区域を本来の燃焼区域の手前に設けるという手
段は運転確実なバーナという目的にはつながらない。そ
れというのは、燃焼区域から予混合区域への戻し着火が
バーナを損なってしまうという内在的な危険が生じるか
らである。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明の課題は、冒頭で述べた形式の燃焼設備におい
て、有害物質放出値を最小限に抑えるような方法を提供
することである。さらに本発明は上記方法を実施するた
めの有利なバーナならびに該バーナを運転する有利な方
法を提供することである。
［課題を解決するための手段］ この課題を解決するために本発明の方法では、バーナ
用の燃焼空気として、新鮮な空気と、再循環させられた
煙道ガスとから成る混合気を使用し、この場合、前記燃
焼空気を前記空気と前記煙道ガスとの単段式または多段
式の混合から形成して、前記燃焼空気に単段式または多
段式の予熱を行なうようにした。
さらに、上記課題を解決するために、本発明によるバ
ーナの構成では、バーナが流れ方向で見て、重なり合っ
て位置決めされた中空の少なくとも２つの部分円錐体か
ら成っており、両部分円錐体の中心軸線が前記部分円錐
体の長手方向で見て互いにずらされて延びていて、バー
ナの内室に対して接線方向の燃焼空気用の流入スリット
が形成されており、前記部分円錐体によって形成された
前記内室でバーナの始端部に第１の燃料ノズルが配置さ
れており、該燃料ノズルの燃料供給部が前記部分円錐体
の互いにずらされた前記中心軸線の真ん中に位置してい
るようにした。さらに、上記課題を解決するために、前
記バーナを運転する本発明による方法では、流れ方向で
見て拡張していて前記内室の壁を湿らさない円錐状の燃
料噴射形状をバーナの内室に形成し、この場合、前記燃
料噴射形状を、接線方向で流入する燃焼空気の流れと、
軸方向で近付けられる燃焼空気の流れとによって取り囲
んで、前記両燃焼空気／燃料−混合気の着火をバーナの
出口で行ない、バーナ開口の範囲で逆流区域によって火
炎前面の安定化を生ぜしめるようにした。
［発明の効果］ 本発明の大きな利点は次の点に認められる。すなわ
ち、バーナ用の新鮮な空気が煙道ガス成分と混合され、
この場合、単段式または多段式の予熱と単段式または多
段式の予混合とを行なう煙道ガス再循環が行なわれる。
ほぼ化学量論的な燃焼を得るためには、予混合区間なし
で、約40％の煙道ガス戻しで運転されるバーナが使用さ
れる。この場合に、空気／煙道ガスの混合気はバーナへ
の流入時に約400℃の温度を有していると望ましい。こ
れら２つの条件を満たすことは、一面、約1450℃の充分
に低い一次区域温度を生ぜしめ、このことは低いNOx放
出量を達成するための重要な前提条件となっており、他
面、前記条件を満たすことはノズル供給された液体燃料
の所望通りに迅速な蒸発をも生ぜしめる。この目的のた
めに、煙道ガスは燃焼設備の燃焼室内で、またはこの燃
焼室の後方で取り出されて、外部のブロワで新鮮な空気
と混合される。第２の方法段として、この混合気は燃焼
室自体で、この場所に設けられた熱交換器を介してさら
に加熱され、次いでジェットインゼクタに供給される。
この場所で前記混合気に別の煙道ガスが混加され、これ
によりバーナによって最適の燃焼空気温度ならびにO2濃
度の減少を提供することができる。このような系の利点
はさらに次の点に認められる。すなわち、燃焼空気混合
気の場合によっては設定されている２段式の加熱によ
り、ジェットインゼクタにとって良好な密度比が得られ
る。つまり、ジェットインゼクタの一層高い出力が要求
されているような場合に、前記２段式の加熱によって前
記要件を満たすことができる。その上、再循環させたい
煙道ガスの一部が既にブロワに供給され得るので、この
ような配置構成が用いられると、ジェットインゼクタに
よって搬送されなければならない煙道ガス量が減少す
る。熱交換器が有利には火炎を取り囲むように燃焼室に
配置されることによって、この火炎から直接に熱が取り
出され、このことはNOxの形成に対して同じく有利に作
用する。このことから、本発明の付加的な利点が得られ
る。すなわち、本発明を、付加的な手間をかけることな
く、与えられた条件に適合させることができる。たとえ
ば、熱交換面を適宜に大きくすることによって、煙道ガ
スの外部での前記再循環を不要にすることができ、これ
によって予熱は単段式となる。得られる利点は２段式の
予熱の場合と同じである。付加的にこのような構成は、
何らかの理由で燃焼室から煙道ガスを導出することがで
きないような場合に有利であることが判明した。また、
燃焼室外部での予熱も不可能であると、ジェットインゼ
クタは相応する設計において、必要とされる煙道ガス量
全体を混合することができる。混合区間がジェットイン
ゼクタよりも下流側で相応に構成されると、この場所で
充分な予熱および混合をも構成することができる。
［実施例］ 以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明す
る。本発明を直接理解するためには必要でない全ての要
素は省略されている。種々の図面中、それぞれ同一の要
素は同一の符号を備えている。
第１図には燃焼設備が示されており、この燃焼設備の
燃焼室１内には、熱交換器２とジェットインゼクタ３と
バーナ４と煙道ガス取り出し部７とが示されている。ブ
ロワ５は燃焼室の外部で作用する。この場所で吸い込ま
れた新鮮な空気６は、燃焼室１に配置された煙道ガス取
出部７を介して近づけられる煙道ガスの成分と混合され
る。この新鮮な空気／煙道ガスの混合気８は燃焼室１に
戻され、この場合、前記混合気は熱交換器２を貫流す
る。こうして予熱された混合気９が燃焼空気としてバー
ナ４に供給される前に、前記混合気は一列のジェットイ
ンゼクタ３を介して煙道ガスとの別の混合を受け、この
ことはこの燃焼空気10の温度を高める。第２の熱交換器
2aが煙道ガス流７と空気／煙道ガスの混合気８との間に
生じる。
バーナ４をほぼ化学量論的に運転したい場合、このバ
ーナは約40％の煙道ガス戻しと共に運転され、この場
合、２段式の予混合において煙道ガスの成分を相応に分
配することができる。第２の条件は、燃焼空気として使
用された空気／煙道ガスの混合気10がバーナへの流入時
に約400℃の温度を有していると望ましいことである。
このような予熱は第１図に示した構成では、混合気が３
つの段を介して処理されることで達成され得る。すなわ
ち、第１の予熱はブロワ５において吸い込まれた新鮮な
空気６に対して行なわれ、この場所で熱い煙道ガス７と
の第１の混加が行なわれる。第２の予熱段は熱交換器２
によって形成され、この場合、混合気８は前記熱交換器
２への流路で、煙道ガス７によって運転可能な熱交換器
2aを通過する。このような手段は、ブロワ５でカロリ負
荷が減少しているような場合には前記ブロワに有利に作
用する。第３の予熱はジェットインゼクタ３の範囲で行
なわれ、この場合で再び別の煙道ガス７が、予熱された
空気／煙道ガスの混合気９に供給される。前記両条件
（約40％の煙道ガス戻しおよび約400℃を有する燃焼空
気）が満たされると、約1450℃の充分に低い一次区域温
度を得ることができ、この温度は低いNOx放出量を得る
ための条件である。第２に、液体燃料の小滴の迅速な蒸
発を達成することができる。煙道ガス７の混合と燃焼空
気10の予熱とを複数の段を介して実施すること自体は絶
対必要な前提条件ではない。前記両条件を規定の燃焼設
備においてたとえばたんにジェットインゼクタでの煙道
ガスの混加だけで満たすことができる場合には、ブロワ
５における第１の予熱と熱交換器２における予熱とを不
要にすることができる。単数または複数の段による前記
の予混合および予熱の利点は一般に次のようにまとめる
ことができる。
すなわち、燃焼空気10の一層高い温度が高度の燃料蒸
発を生ぜしめ、その結果、小さなNOx放出量が生じる。
一層高い再循環率が燃焼空気中のO2濃度の一層の減
少、ひいては一層低い火炎温度を生ぜしめ、これによっ
てNOx放出量を低くすることができる。
第２図は熱交換器２の構成を示している。この熱交換
器は燃焼室１に配置されている。新鮮な空気と煙道ガス
との混合気８は熱交換器２を貫流して、熱くなる。その
後に、混合気９は別の煙道ガスを混加されて燃焼空気10
としてバーナ４に供給される。第２図には、燃焼室１の
扉11が示されている。この扉は内部が耐火性の絶縁体12
から成っており、この絶縁体自体は鋼ケース（図示しな
い）によって取り囲まれている。燃焼室１には、別のプ
レート13が設けられており、このプレートはバーナ４と
熱交換器２とのための結合装置として働く。前記空気／
煙道ガスの混合気８のための供給導管には、バーナ４を
運転するための燃料に用いられる燃料ノズル14が位置し
ており、この燃料ノズルは燃料供給部15を備えている。
このような配置構成では、約120℃までの燃料の付加的
なカロリ調整が得られ、このことは、この場所で有利に
は霧化される液体燃料の小滴の迅速な蒸発に対して付加
的な有利な作用を及ぼす。このような付加作用は当然な
がら、ブロワにおいて新鮮な空気に特定量の熱い煙道ガ
スが供給されるような場合、つまり第１図に示した回路
により運転される場合にしか与えられていない。
バーナ４の役目を判かり易くするために、第３図と第
４図を同時に説明する。さらに、第３図を見易くするた
めに、第４図に示した混合区間とジェットインゼクタは
第３図に図示されていない。
第３図に示したバーナ４は半分の中空の２つの部分円
錐体16,17から成っており、両部分円錐体は互いにずら
されて重なり合っている。流れ方向で見た図示の部分円
錐体16,17の円錐形状は規定された固定の角度を有して
いる。当然ながら、前記部分円錐体16,17は流れ方向で
見て増大する円錐傾斜（凸状の形状）または減少する円
錐傾斜（凹状の形状）を有していてもよい。前記両形状
は、容易に推測可能であるので図示されていない。最終
的にどの形状を使用するのかは燃焼の種々のパラメータ
に関連している。部分円錐体16,17の各中心軸線16a,17a
が互いにずらされていることにより、鏡像対称的な配置
形式における両側で、接線方向の各１つの空気流入スリ
ット16b,17bが開放されており（第４図）、この空気流
入スリットを通って燃料空気10（前記空気／煙道ガスの
混合物）はバーナ４の内室、つまり円錐中空室18に流入
する。両部分円錐体16,17は円筒状の各１つの始端部16
c,17cを有しており、これらの始端部もやはり部分円錐
体16,17と同様に互いにずらされて延びているので、接
線方向の前記空気流入スリット16b,17bは始端部から存
在している。前記始端部16c,17cには、燃料ノズル14が
収納されている。もちろんバーナ４は純然たる円錐状
で、つまり円筒状の始端部16c,17cなしで構成されてい
てもよい。両部分円錐体16,17は選択的に各１つの別の
燃料導管16d,17dを有しており、この燃料導管は開口19
を備えている。燃料導管16d,17dにより、有利にはガス
状の燃料20が接線方向で空気流入スリット16b,17bを介
して燃焼空気10と一緒になって燃焼室に導入される。前
記燃料導管16d,17dの位置は第４図から概略的に認めら
れる。すなわち、燃料導管16d,17dは接線方向の空気流
入スリット16b,17bの範囲に設けられているので、この
場所で、流入する燃焼空気10に対するガス状の燃料20の
混加21が行なわれる。当然ながら、両種類の燃料の混合
運動が可能である。燃焼室１の側で前記バーナはカラー
状のプレート22を有しており、このプレートには必要に
応じて孔（図示しない）が設けられ、これによりバーナ
４の前方部分に希薄空気または冷空気が供給される。燃
料ノズル14を通って流入する有利には液状の燃料23は鋭
角で内室18に供給され、この場合、バーナ出口平面にで
きるだけ均一な円錐状の噴霧像が生じるようにする。燃
料供給部15は空気補助式霧化部または圧力式霧化部であ
ってよい。円錐状の液体燃料噴射形状24は接線方向で流
入する燃焼空気10の流れと、軸方向で近か付けられる別
の燃焼空気10aの流れとによって取り囲まれる。軸方向
で見て、液体の燃料23の濃度は混入された燃焼空気10に
よって連続的に減じられる。ガス状の燃料20/21が使用
されると、燃焼空気10との混合気形成は内室18への空気
流入スリット16b,17bの範囲で直接に行なわれる。液状
の燃料23のノズル供給時に、渦流破裂の範囲で、つまり
逆流区域25の範囲で、均一な最適の燃料濃度が横断面全
体にわたって得られる。着火は逆流区域25の先端で行な
われる。この位置でしか、安定した火炎前面26は生じる
ことができない。公知の予混合区間では、バーナ４の内
部への火炎の戻りが常に与えられていてよく、これに対
して複雑な保炎器を用いる手段が講じられているが、本
発明による構成では、このような火炎の戻りを心配しな
いで済む。第１図で説明したようにして燃焼空気10が予
熱されていると、バーナ４の出口において混合気の着火
が行なわれ得る着火点が達成される前に、液状の燃料23
の加速された全体的な蒸発が生ぜしめられる。蒸発の度
合はもちろんバーナ４の大きさ、滴の大きさおよび燃焼
空気10,10aの流れの温度に関連している。燃焼区域への
流入前に完全な蒸発が行なわれると、有害物質放出値は
最も低くなる。部分円錐体16,17を形成する際には、円
錐頂角と、接線方向の空気流入スリット16b,17bの幅に
関して狭い範囲を維持すると望ましい。これにより、火
炎安定化のためのバーナ開口部の範囲に、逆流区域25を
備えた空気の所望の流れ領域が生じる。一般に云えるこ
とは、空気流入スリット16b,17bを小さくすることが逆
流区域25をさらに上流側にシフトするということであ
る。しかしながらこの場合には、混合気が早期に着火し
てしまうことになる。いずれにせよ、一度幾何学的に固
定された逆流区域25自体は位置安定となることが云え
る。何故ならば、ねじれ数が流れ方向で見て、バーナの
円錐形状の範囲で増加するからである。さらに、軸方向
速度には、燃焼空気10aの軸方向の供給によって影響を
与えることができる。バーナの構造は、バーナの規定の
全長において接線方向の空気流入スリット16b,17bの大
きさを変えるために有利に適しており、この場合、部分
円錐体16,17が互いに接近する方向または互いに離れる
方向でシフトされ、これにより両中心軸線16a,17aの間
隔が小さくなるか、もしくは大きくなり、これに相応し
て前記空気流入スリット16b,17bのギャップの大きさが
変化する（第４図参照）。当然ながら、部分円錐体16,1
7は別の平面においても互いに接近する方向でシフト可
能であり、これにより両部分円錐体のオーバラップさえ
も制御することができる。もちろん、部分円錐体16,17
を逆向きの回動運動によって螺旋状に互いにずらすこと
も可能である。したがって、前記空気流入スリット16b,
17bの形状と大きさとを任意に変化させることができ、
これによりバーナ４をその全長を変えることなく個々に
調整することができる。
第４図には、第３図のIV−IV線に沿ったバーナのほぼ
中央部の断面図が示されている。鏡像対称的に接線方向
で配置された流入部27,28は混合区域として構成されて
おり、この混合区域では、燃焼空気10の最終的な調整が
行なわれる。新鮮な空気／煙道ガスの混合気９は熱交換
器を貫流した後にジェットインゼクタ３に供給され、こ
のジェットインゼクタは前記空気流入スリット16b,17b
の上流側でバーナ４の内室18に作用する。この作用と
は、ジェットインゼクタ３を通る前記混合気９の流れか
ら生ぜしめられる吸込み力が、別の成分である煙道ガス
７を前記流れに導入するために利用されることにある。
この新しい成分である煙道ガス７と前記混合気９との混
合は混合区間である前記流入部27,28で行なわれる。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の実施例を示すものであって、第１図は２
段式の予混合と多段式の予熱とを行なう燃焼設備を概略
的に示す図、第２図はバーナ用の燃焼空気混合気の予熱
段として設けられた熱交換器を示す図、第３図は液状お
よび／またはガス状の燃料を用いた運転のためのバーナ
の斜視図、第４図は第３図のIV−IV平面に沿った断面図
である。 １……燃焼室、2,2a……熱交換器、３……ジェットイン
ゼクタ、４……バーナ、５……ブロワ、６……空気、７
……煙道ガス取出し部、8,9……混合気、10,10a……燃
焼空気、11……扉、12……絶縁体、13……プレート、14
……燃料ノズル、15……燃料供給部、16,17……部分円
錐体、16a,17a……中心軸線、16b,17b……空気流入スリ
ット、16c,17c……始端部、16d,17d……燃料導管、18…
…室内、19……開口、20……燃料、21……混加、22……
プレート、23……燃料、24……燃料噴射形状、25……逆
流区域、26……火炎前面、27,28……流入部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハンス・ペーター スイス国シユリーレン・シユールシユト ラーセ 30 (56)参考文献 特開 平２−293512（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−275202（ＪＰ，Ａ) 実開 昭54−141523（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭55−46915（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭55−14975（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭54−75427（ＪＰ，Ｕ) 欧州特許出願公開392158（ＥＰ，Ａ ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F23C 11/00 318 - 321 F23D 14/02 F23D 14/24 F23D 14/62

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】バーナ（４）用の燃焼空気（10,10a）とし
    て、新鮮な空気（６）と、再循環させられた煙道ガス
    （７）とから形成された混合気（９）を使用し、該混合
    気（９）を引き続きバーナ（４）への経路で少なくとも
    １回の予熱に施して、バーナ（４）を用いて燃焼を行な
    うための燃焼設備を運転する方法において、混合気
    （９）に、最後の予熱部（２）の下流側でかつバーナ
    （４）の上流側で、ジェットインゼクタ系（３）におい
    て、再循環させられた別の煙道ガス（７）による別の予
    熱および混合を行なうことを特徴とする、燃焼設備を運
    転する方法。
  2. 【請求項２】燃焼空気（10,10′）が、50〜500℃の温度
    で20〜50％の煙道ガス成分を有している、請求項１記載
    の方法。
  3. 【請求項３】請求項１記載の方法を実施するための燃焼
    設備であって、当該燃焼設備が、主としてバーナ（４）
    と、該バーナ（４）に後置された燃焼室（１）と、該燃
    焼室（１）の外部に配置された、新鮮な空気（６）と、
    戻された煙道ガス（７）とから成る混合気（９）から燃
    焼空気（10,10a）を形成するための手段と、燃焼空気
    （10,10a）を形成するための前記手段の下流側でかつバ
    ーナ（４）の上流側に配置された少なくとも１つの熱交
    換器（2,2a）とから成っている形式のものにおいて、バ
    ーナ（４）が、流れ方向で重なり合って位置決めされた
    中空の少なくとも２つの部分円錐体（16,17）から成っ
    ており、該部分円錐体（16,17）の中心軸線（16a,17a）
    が、該部分円錐体（16,17）の長手方向で互いにずらさ
    れて延びていて、バーナ（４）の内室（18）に対して接
    線方向の燃焼空気（10）用の流入スリット（16b,17b）
    が形成されており、前記部分円錐体（16,17）によって
    形成された前記内室（18）でバーナ（４）の始端部に燃
    料ノズル（14）が配置されており、該燃料ノズル（14）
    の燃料供給部（15）が、前記部分円錐体（16,17）の互
    いにずらされた前記中心軸線（16a,17a）の真ん中に位
    置しており、各流入スリット（16b,17b）の上流側で、
    前記部分円錐体（16,17）によって形成されたバーナ
    （４）の外部に、燃焼空気（10）のための流入通路（2
    7,28）が延びており、該流入通路（27,28）に少なくと
    も１つのジェットインゼクタ系（３）が設けられている
    ことを特徴とする燃焼設備。
  4. 【請求項４】前記部分円錐体（16,17）が流れ方向で見
    て一定の角度で拡開している、請求項３記載の燃焼設
    備。
  5. 【請求項５】前記部分円錐体（16,17）が流れ方向で見
    て増大する円錐傾斜を有している、請求項３記載の燃焼
    設備。
  6. 【請求項６】前記部分円錐体（16,17）が流れ方向で見
    て減少する円錐傾斜を有している、請求項３記載の燃焼
    設備。
  7. 【請求項７】接線方向の流入スリット（16b,17b）の範
    囲に、別の燃料ノズル（16d,17d）が設けられている、
    請求項３記載の燃焼設備。
  8. 【請求項８】バーナ（４）の始端部に設けられた燃料ノ
    ズル（14）によって液体燃料が供給可能であり、接線方
    向の流入スリット（16b,17b）の範囲に設けられた燃料
    ノズル（16d,17d）によってガス燃料が供給可能であ
    る、請求項３または７記載の燃焼設備。
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