JP3361283B2 - 予混合ガス噴出ノズルの構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、温水ボイラや煙管
式ボイラ、サイクロン式灰溶融装置等の燃焼装置に用い
られるものであり、ガス燃料と燃焼用空気とを予め混合
させて成る予混合ガスを断面形状が円形の予混合ガス噴
出ノズルから噴出して燃焼させるようにした予混合ガス
噴出ノズルの構造に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】一般に、温水ボイラや煙管式ボイラ、サ
イクロン式灰溶融装置等に用いられる燃焼装置には、ガ
ス燃料（天然ガス、石油精製ガス、高炉ガス等）と燃焼
用空気とを予め混合させて成る予混合ガスを燃焼室内に
噴出して燃焼させるようにした予混合ガス噴出ノズルが
用いられている。 【０００３】即ち、前記予混合ガス噴出ノズルは、断面
形状が円形の金属製ノズルをボイラ等の燃焼室に臨むよ
うに配設し、ガス燃料と燃焼用空気とを予め混合させて
成る予混合ガスを金属製ノズルから燃焼室内へ噴出して
燃焼させるようにしたものである。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】ところで、予混合ガス
を予混合ガス噴出ノズルから燃焼室内に噴出して燃焼さ
せるようにした予混合燃焼は、拡散燃焼（燃料のみをノ
ズルから噴出させ、その後その周辺の空気と接触させて
燃焼させる）に比較して燃焼が極めて速く完了する特徴
がある反面、火炎は拡散燃焼に比較して不安定である。
即ち、燃焼条件によって、火炎がノズルの中に逆火する
ことがある。従って、上述した構造の予混合ガス噴出ノ
ズルに於いては、逆火をどのようにして防ぐかが大きな
問題となっている。 【０００５】一般に、逆火の発生の主たる原因として、
予混合ガスの噴出速度が挙げられる。予混合ガスの噴出
速度が遅いと、逆火が発生することが知られている。即
ち、火炎は、燃焼速度と予混合ガスの供給速度のバラン
スするところに形成される為、予混合ガスの供給速度が
ある範囲よりも小さくなると、ノズルの中に逆火するこ
とになる。又、燃焼速度は、乱流燃焼になると層流燃焼
に対して非常に速くなる。更に、逆火は、予混合ガスの
供給速度の遅いところが存在すると、その点より発生す
ると考えられる。通常予混合ガス噴出ノズルの先端部断
面に於ける流速分布は、大きくは予混合ガスの供給配管
の形状で決まるが、必ずしも均一ではない。特に、ノズ
ルの内周面と予混合ガスとの境界部に於ける予混合ガス
の流速は低くなっている。 【０００６】従って、従来の予混合ガス噴出ノズルに於
いては、逆火を防止する為に予混合ガスの供給速度を高
く設定する必要があった。特に、工業用での燃焼形態は
乱流燃焼であるので予混合ガスの供給速度をより高く設
定する必要がある。又、燃焼自体は常に圧力変動を伴っ
ている為、この圧力変動分も考慮すると、予混合ガスの
供給速度をより高く設定する必要がある。然し乍ら、予
混合ガスの供給速度を高く設定した場合には、圧力損失
の増加を招くと云う問題があった。 【０００７】又、従来の予混合ガス噴出ノズルに於いて
は、予混合ガスの供給速度を高く設定する他に、図６に
示す如く、予混合ガス噴出ノズル１０のガス噴出口１０
ａ直前にリング状の円板１１を配設し、予混合ガス噴出
ノズル１０の内周面と予混合ガスＧとの境界部に発生す
る予混合ガスＧの低速部に於ける逆火を防止するように
している。然し乍ら、予混合ガス噴出ノズル１０内にリ
ング状の円板１１を配設した場合には逆火対策にはなる
が、リング状の円板１１の下流側に再循環域が形成され
るうえ、予混合ガスＧの噴出流が乱れると云う別の問題
が発生することになる。 【０００８】本発明は、このような問題点に鑑みて為さ
れたものであり、その目的は圧力損失の増加を招くこと
なく逆火の発生を防止できるようにした予混合ガス噴出
ノズルの構造を提供することにある。 【０００９】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願発明の請求項１に記載の発明は、ガス燃料と燃
焼用空気とを予め混合させて成る予混合ガスを断面形状
が円形の予混合ガス噴出ノズルから噴出して燃焼させる
ようにした予混合ガス噴出ノズルの構造に於いて、前記
予混合ガス噴出ノズルの軸線位置で且つ予混合ガス噴出
ノズルのガス噴出口よりも上流側位置に、両端部が円錐
状若しくは角錐状に形成された棒状の挿入体を配設する
と共に、前記挿入体の上流側端部の頂角を２０°以上に
及び下流側端部の頂角を３０°以下に夫々設定し、更
に、前記挿入体のガス噴出ノズルの軸線と垂直な方向の
断面積を予混合ガス噴出ノズルの断面積の１０％〜２０
％となるように設定したことを発明の基本構成とするも
のである。 【００１０】 【００１１】 【００１２】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態
に係る予混合ガス噴出ノズル１の構造を示し、当該予混
合ガス噴出ノズル１は、温水ボイラに構成されたサイク
ロン形燃焼装置に用いられて居り、ガス燃料（天然ガス
や石油精製ガス等）と燃焼用空気とを所定比率で混合さ
せた予混合ガスＧを予混合ガス燃焼部たる燃焼室２に噴
出供給するように構成されている。 【００１３】即ち、サイクロン形燃焼装置は、図１乃至
図３に示す如く、本体ケース３に燃焼室２、熱交換器
４、予混合ガス噴出ノズル１及び着火器（図示省略）等
を設けて成る。 【００１４】本体ケース３は、図１乃至図３に示す如
く、矩形箱状をなす金属板壁構造のものであり、所定量
の被加熱媒体たる熱媒水Ｗが貯留されている。又、熱媒
水Ｗの貯留領域の上方空間は、所定圧に減圧した減圧領
域とされている。この減圧領域には、通常の温水ボイラ
と同様に、給湯や暖房等の為の温水循環路（図示省略）
が配置されている。 【００１５】燃焼室２は、図１乃至図３に示す如く、後
端部（図１の右側）を燃焼ガス出口２ａとした炉筒構造
を呈して居り、円筒状の周壁２ｂとその前端部（図１の
左側）を閉塞する円板状の端壁２ｃとから成る金属板製
のものである。又、燃焼室２は、その軸線を水平とした
状態で且つ端壁２ｃを本体ケース３の前壁３ａから所定
距離だけ離間させた状態で、熱媒水Ｗの領域に浸漬配置
されている。即ち、周壁２ｂ及び端壁２ｃは、その全面
が熱媒水Ｗに接触する伝熱壁に構成されて居り、熱媒水
Ｗとの熱交換により冷却されるようになっている。尚、
端壁２ｃは、適宜のステー（図示省略）により本体ケー
ス３の前壁３ａに取り付けられている。又、端壁２ｃに
は、安全対策上、予混合ガス噴出ノズル１口からの火炎
の状態を検出する火炎検出器（図示省略）が設けられて
いる。 【００１６】熱交換器４は、図１及び図２に示す如く、
燃焼室２の後方（図１の右側方向）に位置して熱媒水Ｗ
の貯留領域に浸漬配置されて居り、燃焼室２の燃焼ガス
出口２ａに接続された角筒状の周壁４ａとその上下端部
に貫通支持された複数の伝熱水管４ｂとから成る。各伝
熱水管４ｂは、上下方向に延びて居り、上下端部を上記
貯留領域に開口されている。又、各伝熱水管４ｂは、図
２に示すように千鳥状に配置されて居り、周知のよう
に、水管４ｂ相互の間隔（ピッチ）を燃焼ガス出口２ａ
から後方へ向かうに従って小さくなるように設定すると
共に、後方側の水管４ｂの外周面には適宜形状のフィン
４ｃが取り付けられている。尚、熱交換器４の後端部に
は、金属筒で構成される煙道５が連通接続されている。
燃焼室２で発生した燃焼ガスＧ′は、燃焼ガス出口２ａ
から水管４ｂ群を通過して煙道５に排出されるが、各水
管４ｂ内の熱媒水Ｗは燃焼ガスＧ′との熱交換により加
熱され、自然循環せしめられる。 【００１７】予混合ガス噴出ノズル１は、ガス燃料と燃
焼用空気とを予め混合させて成る予混合ガスＧを遅速部
分や淀み部分を生じさせることなく円滑に流動させ得る
断面形状が円形の金属パイプで構成されている。この予
混合ガス噴出ノズル１は、燃焼室２の周壁２ｂで且つ端
壁２ｃから燃焼ガス出口２ａ側へ所定距離Ｌ₁ だけ離間
した位置に貫通状に設けられて居り、予混合ガスＧを燃
焼室２に開口するガス噴出口１ａから燃焼室２の内周面
に沿ってその接線方向へ噴出できるようになっている。
又、予混合ガス噴出ノズル１の内周面と周壁２ｂの内周
面とは、図３に示すように、面一状に連なっている。 【００１８】尚、予混合ガス噴出ノズル１と端壁２ｃと
の距離Ｌ₁ は、ガス噴出口１ａと端壁２ｃとの間に於け
る領域で燃焼ガスＧ′の再循環が行われるように、ノズ
ル１の内径ｄ₁ に応じて設定しておくことが好ましい。
実験により確認したところでは、Ｌ₁ ＞ｄ₁ となるよう
に設定しておくことが好ましい。又、予混合ガス噴出ノ
ズル１の内径ｄ₁ は、燃焼室２の内径Ｄに応じて設定し
ておくことが好ましい。実験により確認したところで
は、サイクロン燃焼を効果的に行わしめる為にはＤ／ｄ
₁ ＞４．５に設定しておくことが好ましい。更に、予混
合ガス噴出ノズル１と燃焼ガス出口２ａとの距離Ｌ
₂ は、サイクロン燃焼が行われるように、燃焼室２の内
径Ｄに応じて設定しておくことが好ましい。実験により
確認したところでは、予混合ガス噴出ノズル１と燃焼ガ
ス出口２ａとの距離Ｌ₂ は、Ｌ₂ ＞１．５Ｄとなるよう
に設定しておくことが好ましい。又、実験により確認し
たところでは、サイクロン燃焼を良好に行う為には、ガ
ス噴出口１ａからの予混合ガスＧの噴出速度を１５ｍ／
ｓ以上に設定しておくことが好ましい。 【００１９】そして、前記予混合ガス噴出ノズル１に
は、ノズル１内への逆火を防止できるように両端部が円
錐状若しくは角錐状に形成された棒状の挿入体６が配設
されている。この実施の形態に於いては、挿入体６は、
図４及び図５に示すように、金属材により両端部が円錐
状に形成された断面形状が円形の棒状に形成されて居
り、予混合ガス噴出ノズル１の軸線位置で且つガス噴出
口１ａよりも上流側（図４の下方側）へ所定距離Ｌ₃ だ
け入った位置に配置され、予混合ガス噴出ノズル１内に
配設した整流板７により予混合ガス噴出ノズル１の内周
面へ固定支持されている。尚、挿入体６の上流側端部６
ａは、予混合ガス噴出ノズル１の内周面と予混合ガスＧ
との境界部に発生する予混合ガスＧの低速部の存在をな
くせるように円錐状に形成されている。実験により確認
したところでは、挿入体６の上流側端部６ａの頂角θ₁
は、２０°以上になるように設定しておくことが好まし
い。又、挿入体６の下流側端部６ｂは、予混合ガスＧが
再循環域を作らず且つ圧力（静圧）の回復を図れるよう
に円錐状に形成されている。実験により確認したところ
では、挿入体６の下流側端部６ｂの頂角θ₂ は、３０°
以下になるように設定しておくことが好ましい。更に、
挿入体６の外径ｄ₂ は、予混合ガス噴出ノズル１の断面
積に応じて設定しておくことが好ましい。実験により確
認したところでは、挿入体６の外径ｄ₂は、その断面積
が予混合ガス噴出ノズル１の断面積の５％以上になるよ
うに設定しておくことが好ましい。より具体的には、挿
入体６の外径ｄ₂ は、その断面積が予混合ガス噴出ノズ
ル１の断面積の１０％〜２０％となるように設定してお
くことが好ましい。 【００２０】前記挿入体６を支持する整流板７は、予混
合ガス噴出ノズル１の内周面と挿入体６の外周面との間
に配置されて居り、挿入体６を予混合ガス噴出ノズル１
内で固定支持すると共に、予混合ガスＧを整流して予混
合ガス噴出ノズル１のガス噴出口１ａから直進流で噴出
させる役目を果たすものである。即ち、整流板７は、図
４及び図５に示す如く、予混合ガス噴出ノズル１の軸線
方向に沿う姿勢で且つ挿入体６の周囲に放射状に配置さ
れて居り、予混合ガスＧの流れを整流して直進流でガス
噴出口１ａから噴出させるようになっている。この実施
の形態に於いては、挿入体６の周囲に四枚の整流板７を
９０°毎に配置している。 【００２１】着火器（図示省略）は、予混合ガス噴出ノ
ズル１のガス噴出口１ａ近傍に配設されたパイロットバ
ーナから成り、パイロットバーナによるパイロット炎に
より、ガス噴出口１ａから燃焼室２内へ噴出される予混
合ガスＧに着火させるようになっている。このパイロッ
トバーナは、予混合ガスＧの着火後に停止されるもので
ある。 【００２２】次に、上述した予混合ガス噴出ノズル１の
構造を用いたサイクロン形燃焼装置の作用について説明
する。 【００２３】ガス燃料と燃焼用空気とを予め混合させて
成る予混合ガスＧは、予混合ガス噴出ノズル１内へ供給
され、ガス噴出口１ａから燃焼室２内に噴出される。 【００２４】予混合ガスＧが燃焼室２内に噴出される
と、着火器（パイロットバーナ）によりガス噴出口１ａ
から噴出される予混合ガスＧが着火され、サイクロン燃
焼が開始される。即ち、予混合ガスＧが燃焼室２の内周
面の接線方向に噴出されることから、ガス噴出口１ａか
ら燃焼室２の内周面つまり周壁２ｂの内周面に沿って当
該内周面を嘗めるように延びる円弧状の火炎が形成され
る。従って、燃焼室２内の燃焼ガスＧ′は、燃焼室２の
内周面に沿う旋回流をなして燃焼ガス出口２ａ側へ流れ
ることになり、所謂サイクロン流れを形成する。 【００２５】このとき、燃焼ガスＧ′のサイクロン流れ
によって燃焼室２の中心部や燃焼ガスＧ′の噴出部分に
負圧部が形成され、燃焼室２の中心部や燃焼ガスＧ′の
噴出部分に於いて燃焼ガスＧ′による再循環領域が形成
されることになる。このような燃焼ガスＧ′による再循
環作用により、ＮＯｘの生成が抑制されることになる。
又、燃焼室２の周壁２ｂは、熱媒水Ｗに接触する伝熱壁
となっていることから、上記火炎は熱媒水Ｗにより冷却
されることになる。このような火炎の冷却、低温化によ
り、サーマルＮＯｘの生成が抑制されることになる。 【００２６】ところで、火炎を冷却すると、ＮＯｘの生
成を抑制できる反面、火炎が不安定になるといった問題
が生じる虞れがある。しかし、前述した如く、予混合ガ
ス噴出ノズル１から端壁２ｃまでの距離Ｌ₁ を前記した
如く設定して予混合ガス噴出ノズル１口の前部側に燃焼
ガスＧ′の再循環領域が形成されるようにしたことか
ら、上記問題は生じず、火炎が安定する。 【００２７】そして、燃焼室２内の燃焼ガスＧ′は、熱
交換器４へ流入して熱媒水Ｗにより熱回収された後、煙
道５から排出される。 【００２８】このように、本発明の予混合ガス噴出ノズ
ル１の構造は、予混合ガス噴出ノズル１内のガス噴出口
１ａよりも上流側位置に、両端部が円錐状に形成された
断面形状円形の棒状の挿入体６を配設する構成としてい
る為、予混合ガス噴出ノズル１の内周面と予混合ガスＧ
との境界部が乱され、境界部に発生する予混合ガスＧの
低速部の存在がなくなる。又、予混合ガス噴出ノズル１
の内周面と挿入体６との間の予混合ガスＧの流速は、ガ
ス噴出口１ａの予混合ガスＧの流速よりも速くなってい
る。従って、本発明の予混合ガス噴出ノズル１の構造に
於いては、火炎の一部が予混合ガス噴出ノズル１のガス
噴出口１ａから上流側へ移行（逆火）しようとしても、
上記構成によって火炎の逆火を防止することができる。
又、挿入体６の下流側端部６ｂを円錐状に形成している
為、挿入体６の下流側領域に再循環域が形成されると云
うことがなく、予混合ガスＧの噴出流が乱れると云うこ
ともない。更に、挿入体６は、予混合ガス噴出ノズル１
内に配設されている為、燃焼室２からの輻射熱を過度に
受けると云うこともなく、焼損が防止される。 【００２９】尚、上記実施の形態に於いては、挿入体６
を断面形状が円形の棒状に形成し、その上流側端部６ａ
及び下流側端部６ｂを夫々円錐状に形成するようにした
が、他の実施の形態に於いては、挿入体６を断面形状が
多角形（例えば四角形、六角形、八角形等）の棒状に形
成し、その上流側端部６ａ及び下流側端部６ｂを夫々角
錐状（四角錐、六角錐、八角形等）に形成するようにし
ても良い。 【００３０】上記実施の形態に於いては、挿入体６の上
流側端部６ａ及び下流側端部６ｂを夫々円錐状に形成す
るようにしたが、他の実施の形態に於いては、挿入体６
の上流側端部６ａの先端をカットして平坦形状とし、予
混合ガス噴出ノズル１の内周面と予混合ガスＧとの境界
部に発生する予混合ガスＧの低速部の存在を無くすよう
にしても良い。 【００３１】上記実施の形態に於いては、挿入体６を予
混合ガス噴出ノズル１の軸線位置で且つガス噴出口１ａ
よりも上流側位置に配設するようにしたが、他の実施の
形態に於いては、挿入体６をその下流側端部６ｂの先端
がガス噴出口１ａ（燃焼室２の内周面）と面一になるよ
うに予混合ガス噴出ノズル１の軸線位置に配設するよう
にしても良い。 【００３２】上記実施の形態に於いては、予混合ガス噴
出ノズル１と挿入体６との間に四枚の整流板７を配設す
るようにしたが、整流板７の数は上記実施の形態のもの
に限定されるものではなく、挿入体６を支持できて整流
効果を発揮することができれば、如何なる枚数であって
も良い。 【００３３】上記実施の形態に於いては、予混合ガス噴
出ノズル１を燃焼室２の周壁２ｂに一個所だけ設けるよ
うにしたが、他の実施の形態に於いては、予混合ガス噴
出ノズル１を燃焼室２の周壁２ｂに複数個所設けるよう
にしても良い。例えば、予混合ガス噴出ノズル１を燃焼
室２の軸線方向に齟齬することなく燃焼室２の周方向に
１８０°間隔を隔てて配置し、各予混合ガス噴出ノズル
１から同一方向で且つ燃焼室２の内周面に沿う接線方向
に燃焼ガスＧ′を噴出させるようにしても良く、或い
は、予混合ガス噴出ノズル１を燃焼室２の周方向に齟齬
することなく燃焼室２の軸線方向に近接して並列配置
し、各予混合ガス噴出ノズル１から同一方向で且つ燃焼
室２の内周面に対する接線方向に燃焼ガスＧ′を噴出さ
せるようにしても良い。 【００３４】上記実施の形態に於いては、着火器（図示
省略）にパイロットバーナを使用するようにしたが、他
の実施の形態に於いては、着火器に点火電極（図示省
略）を使用し、この点火電極を予混合ガス噴出ノズル１
のガス噴出口１ａ近傍に配設するようにしても良い。 【００３５】上記実施の形態に於いては、予混合ガス噴
出ノズル１を温水ボイラに構成されたサイクロン形燃焼
装置に用いたが、他の実施の形態に於いては、予混合ガ
ス噴出ノズル１を煙管ボイラに構成されたサイクロン形
燃焼装置（図示省略）やサイクロン式灰溶融装置に用い
るようにしても良い。 【００３６】 【発明の効果】上述の通り、本発明の予混合ガス噴出ノ
ズルの構造は、予混合ガス噴出ノズル内に両端部が円錐
状若しくは角錐状に形成された挿入体を配設する構成と
している為、予混合ガス噴出ノズルの内周面と予混合ガ
スとの境界部が乱され、境界部に発生する予混合ガスの
低速部の存在がなくなる。又、予混合ガス噴出ノズルの
内壁面と挿入体との間の予混合ガスの流速は、ガス噴出
口の予混合ガスの流速よりも速くなっている。従って、
本発明の予混合ガス噴出ノズルの構造に於いては、火炎
の一部が予混合ガス噴出ノズルのガス噴出口から上流側
へ移行（逆火）しようとしても、上記構成によって火炎
の逆火を防止することができる。又、挿入体の下流側端
部を円錐状に形成している為、挿入体の下流側領域に再
循環域が形成されると云うことがなく、予混合ガスの噴
出流が乱れると云うこともない。しかも、挿入体の下流
側部分に於いて圧力の回復が図られる為、圧力損失が増
加すると云うこともない。更に、挿入体は、予混合ガス
噴出ノズル内に配設されている為、燃焼室からの輻射熱
を過度に受けて焼損すると云うこともない。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施の形態に係る予混合ガス噴出ノズ
ルの構造を用いたサイクロン形燃焼装置の縦断面図であ
る。 【図２】図１のＩ−Ｉ線断面図である。 【図３】図１のII−II線断面図である。 【図４】予混合ガス噴出ノズルの概略拡大断面図であ
る。 【図５】図４のIII −III 線断面図である。 【図６】従来の予混合ガス噴出ノズルの構造を示す概略
断面図である。 【符号の説明】 １は予混合ガス噴出ノズル、１ａはガス噴出口、６は挿
入体、６ａは挿入体の上流側端部、６ｂは挿入体の下流
側端部、Ｇは予混合ガス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−174613（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−133132（ＪＰ，Ａ) 特開 昭47−22529（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−103906（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−75325（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23D 14/02 F23D 14/48 F23D 14/70 F23R 3/28

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 ガス燃料と燃焼用空気とを予め混合させ
   て成る予混合ガスを断面形状が円形の予混合ガス噴出ノ
   ズルから噴出して燃焼させるようにした予混合ガス噴出
   ノズルの構造に於いて、前記予混合ガス噴出ノズルの軸
   線位置で且つ予混合ガス噴出ノズルのガス噴出口よりも
   上流側位置に、両端部が円錐状若しくは角錐状に形成さ
   れた棒状の挿入体を配設すると共に、前記挿入体の上流
   側端部の頂角を２０°以上に及び下流側端部の頂角を３
   ０°以下に夫々設定し、更に、前記挿入体のガス噴出ノ
   ズルの軸線と垂直な方向の断面積を予混合ガス噴出ノズ
   ルの断面積の１０％〜２０％となるようにしたことを特
   徴とする予混合ガス噴出ノズルの構造。