JP3667837B2 - バーナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラ、ガスタービン等の燃焼施設に使用する液体燃料使用のバーナに関し、特に、窒素酸化物（以下、ＮＯ_X ）の発生量の少ない所謂低ＮＯ_X バーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保存の観点から、ボイラ、ガスタービン等の各種燃焼機器から発生する排気中のＮＯ_X 或いは一酸化炭素、炭化水素等の低減が求められている。
燃焼機器におけるＮＯ_X の低減には、バーナのＮＯｘ低減燃焼技術が有効であり、この技術として、排ガス再循環方式、分割火炎方式、２段燃焼方式等が従来より知られており、種々のバーナで実用化されている。
【０００３】
特に、上記の排ガス再循環方式は、バーナから排出される燃焼排ガスの一部を再循環させて、燃焼前の新鮮空気に混合して燃焼させる方式であり、かかる方式では、主に排ガスと新鮮空気の混合により、
（１）燃焼用空気の増加による火炎温度の低下
（２）燃焼用空気中の酸素分圧の低下
によってＮＯｘを低減する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の排ガス再循環方式にあっては、以下のような問題点もある。
即ち、循環する排ガスの温度が例えば３００°Ｃ程度と低い場合には、火炎温度低下の効果が大きいが、排ガス温度が高くなるほど、火炎温度低下の効果が小さくなる。
【０００５】
又、排ガスの循環量は多いほどＮＯｘ低減効果が大きいが、あまり多くすると、燃焼用空気中の酸素分圧が低くなり、燃焼が不安定になり、極端な場合にはばいじんが発生する。
一方、前記の分割火炎方式は、火炎を分割して燃料濃度の高い還元火炎と、燃料濃度の低い酸化火炎の組み合わせと、火炎からの放熱により火炎温度を低下させ、ＮＯｘを低減する方法である。
【０００６】
かかる分割火炎方式においては、大型バーナでは噴霧口を複数にして比較的自由に分割火炎を作ることができるが、小型のガンタイプバーナでノズルを複数個装着して分割火炎を作ると、経済性が悪くなる。又、分割火炎は放熱が大きく、火炎温度が低くなるので、油燃料を使用する場合に燃料の噴霧が充分でないと、ばいじんの発生が起こる。
【０００７】
更に、前記の２段燃焼方式は、燃焼用空気を２段に分割し、１段目で燃料濃度の高い還元火炎を作り、２段目で酸化火炎を作り、各段での燃焼温度の低下と、全体として緩慢燃焼を行うことによりＮＯｘを低減する方法である。
しかし、油燃料でこの２段燃焼方式を行うと、燃料の噴霧が充分でない場合に、還元火炎での燃焼性が悪化し、ばいじんが発生する。一方で、還元火炎での燃焼性が良くなりすぎると、ＮＯｘ低減の効果が低下してしまう。
【０００８】
かかる従来の各方式の問題点に鑑み、例えば、特開平４−１６０７０９号公報に開示された従来技術では、油バーナで２段燃焼を行い、分割火炎を形成するための燃焼用空気及び再循環ガスの新規な供給方法を提供し、ＮＯｘの大幅な低減を図るようにしている。
即ち、この従来技術では、燃焼用空気を２段に分割して供給し、１段目を還元雰囲気で燃焼し、２段目の空気を自己再循環ガスと円周上に交互に配列して供給し、酸化燃焼領域と還元燃焼領域を交互に構成し、遠心的に拡がる環状の還元燃焼気流の中で分割火炎を形成するようにし、酸化燃焼領域で燃焼が完了し、残存する空気は還元燃焼領域へ拡散し、酸素分圧の低い状況で緩慢な燃焼を行わせて、ＮＯｘを低減する。
【０００９】
かかる従来技術によるバーナは、規模の小さい温水ボイラでは大きなＮＯｘ低減効果が得られる。
しかし、近年では、ボイラの小型化高出力化が進んでおり、貫流ボイラのようにコンパクトで火炉負荷が高く、炉内圧も温水ボイラより１オーダ以上も高いものが主流となっている。
【００１０】
前記従来技術によるバーナにおける自己再循環ガス流路は、再循環ガス吸引口の手前にバッフルを設置し、２次空気を絞って流速を高め、前記吸引口から再循環ガスを吸引し、２次空気と再循環ガスが混合されて吹き出される構造となっており、この部分における流動抵抗は大きい。
従って、かかるバーナを炉内圧の高い貫流ボイラに使用すると、自己再循環ガス流路における排ガス再循環が困難となり、ＮＯｘ低減効果が小さくなる。
【００１１】
又、自己再循環ガス流路の流れが停滞するので、排ガスがこの部分に停滞し含有されていたコークやばいじんが溜まり易くなるという問題もある。
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、例えば貫流ボイラ等のように火炉負荷と炉内圧の高いボイラにあっても、効果いＮＯｘ低減効果を得ることのできるバーナを提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
１次空気供給用の内筒と２次空気供給用の外筒との内外２重円筒体部を備えたバーナ本体と、
前記バーナ本体の前記内筒内に配設され、先端噴孔が該内筒先端開口部から外方に臨む液体燃料噴射ノズルと、
を含んで構成され、
前記２次空気供給用の外筒は、新鮮な空気のみを供給する新鮮空気流路と、新鮮な空気と燃焼排ガスを再循環させた再循環ガスとを内周側と外周側に分割された流路から供給する分割ガス流路と、を交互に配置した構成とした。
【００１３】
請求項２に係る発明は、
１次空気供給用の内筒と２次空気供給用の外筒との内外２重円筒体部を備えたバーナ本体と、
前記バーナ本体の前記内筒内に配設され、先端噴孔が該内筒先端開口部から外方に臨む液体燃料噴射ノズルと、
を含んで構成され、
前記２次空気供給用の外筒は、新鮮な空気のみを供給する新鮮空気流路と、新鮮な空気と燃焼排ガスを再循環させた再循環ガスとを内周側と外周側に分割された流路から供給する分割ガス流路と、再循環ガスのみを供給する再循環ガス流路と、を交互に配置した構成とした。
【００１４】
請求項３に係る発明
前記再循環ガス流路は、２次空気の供給を遮断するバッフルを有し、再循環ガスを当該再循環ガス流路の外側に設けられた再循環ガス吸入口から吸入するようにした。
請求項４に係る発明は、
前記１次空気供給用の内筒に、燃焼用空気の一部を供給するための複数の空気吸入口を設けるようにした。
【００１５】
請求項５に係る発明は、
前記分割ガス流路は、その通路が内周側と外周側とに分割され、内周側の通路に２次空気を供給してその流速を高め、当該分割ガス流路の外側に設けられた再循環ガス吸入口から吸入した再循環ガスを、前記外周側の通路を流れるように構成した。
【００１６】
かかる請求項１に係る発明において、バーナが内筒と外筒とに分割されており、燃焼用空気は２段に分割され、１次空気が内筒に、２次空気が外筒に供給される。
この場合、１次空気供給用の内筒に設けられた複数の空気吸入口から燃焼用空気の一部が内筒に供給される（請求項４に係る発明）。
【００１７】
これにより、１次空気で空気比の低い還元火炎が形成され、２次空気で空気比の高い酸化火炎が形成されてＮＯｘが低減される。
特に、２次空気供給用の外筒が複数の流路に分割されることで分割火炎が形成され、火炎からの放熱が効率良く行われ、ＮＯｘ低減効果が高められる。
又、前記分割された流路は、新鮮な空気のみを供給する新鮮空気流路と、新鮮な空気と再循環ガスとを供給する分割ガス流路とで構成され、これらは交互に配置される。
【００１８】
分割ガス流路は、例えば内周側と外周側とに分割され、内周の流路を新鮮な２次空気が流れ、外周の流路には複数の排ガス吸引口が開設されている（請求項５に係る発明）。
このとき、新鮮な空気は、内周の流路のみを通ることになるので、流速が高められて供給されることになり、再循環ガスが排ガス吸引口から吸引されて、外周の流路を流れる。
【００１９】
このことにより、分割火炎の一部は、新鮮な２次空気と再循環ガスとの混合雰囲気下で形成されるので、新鮮な２次空気を分割しただけの場合よりもさらにＮＯｘ低減効果が高められる。
更に、新鮮空気流路と分割ガス流路の他に、再循環ガスの混合ガスのみが流れる再循環ガス流路が設けられ、これらは交互に設置される（請求項２に係る発明）。
【００２０】
この再循環ガス流路には２次空気を流れないようにするバッフルと排ガス吸入口が設けられており、再循環ガス流路に隣接する新鮮空気流路を空気が流れることにより、排ガスが誘引される（請求項３に係る発明）。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
先ず、本発明の第１の実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。
即ち、これらの図において、バーナの構成を概略的に説明すると、バーナ１は、バーナ本体２と、液体燃料噴射ノズル３と、燃焼用空気を供給する送風手段としての図示しない送風機と、点火手段としてのイグナイタ４と、を含んで構成される。
【００２２】
ここで、前記バーナ本体２は、同軸状に配設された１次空気供給用の内筒２ａと２次空気供給用の外筒２ｂとによる内外２重円筒体から構成され、内筒２ａと外筒２ｂの先端面は開放され、後端面は閉塞される。
前記液体燃料噴射ノズル３は、円筒棒状のノズルアダプタ３ａと、該ノズルアダプタ３ａの先端部に連接されるノズル形成部材３ｂと、から構成され、該ノズル形成部材３ｂの先端部には噴孔３ｃが開設されている。
【００２３】
かかる液体燃料噴射ノズル３は、前記内筒２ａ内部にその中心軸に沿って配設され、前記先端噴孔３ｃが該内筒２ａ先端開放部から外方に臨むように位置される。
前記イグナイタ４は、前記燃料噴射ノズル３のノズルアダプタ３ａ外周に固定取付され、その先端点火部４ａは該燃料噴射ノズル３のノズル形成部材３ｂの先端噴孔３ｃ近傍に位置される。
【００２４】
前記内筒２ａの先端開口部には、保炎板５が配設され、該保炎板５は、図示しないステーを介して燃料噴射ノズル３に支持される。
前記保炎板５には中心開口部５ｂが形成されると共に、この中心開口部５ｂの外周側に、周方向に所定角度をもって離間して設けられたスリット５ａが形成される。
【００２５】
スリット５ａは、保炎板５に切溝を形成し、この切溝に囲まれた部分を立て起こすことにより形成され、立て起こした部分は、フィン５ｃとなるようになっている。
そして、保炎板５の中心開口部５ｂからは、前記ノズル３の噴孔３ｃが臨まされる。
【００２６】
更に、バーナ１の構成をその作用を交えて説明すると、６は給油ライン、７は給油の戻りラインであり、燃料は給油ライン６を通り液体燃料噴射ノズル３に供給される。燃焼用空気は前記送風機により供給されるが、その一部は内筒２ａの周壁に開設された１次空気吸入口８から１次空気として内筒内に吸入される。そして、この１次空気に対し液体燃料噴射ノズル３から噴霧された液体燃料がイグナイタ４により点火され、燃焼が開始される。
【００２７】
このとき、１次空気は理論空気量よりも少なくなっており、１次空気では燃料過剰の緩慢な燃焼が行われ、ＮＯｘの発生が抑制される。そして、この部分で燃焼が完結せずに残った液体燃料は、外周側に拡がり、２次空気供給用の外筒２ｂに供給された２次空気により燃焼される。
ここで、２次空気供給用の外筒２ｂは、新鮮な２次空気のみを供給する新鮮空気流路９と、新鮮な２次空気空気と燃焼排ガスを再循環させた再循環ガスとを内周側と外周側に分割された流路から供給する分割ガス流路１０と、周方向に交互に配置した構成となっている。
【００２８】
即ち、外筒２ｂと内筒２ａとの間には、半径方向に延びる隔壁１１が所定角度間隔をもって複数（実施形態では６）が装着されており、隣り合う隔壁１１間に新鮮空気流路９と分割ガス流路１０とが交互に形成される。
又、分割ガス流路１０を構成する一対の隔壁１１間には、周方向に延びる隔壁（後述するバッフル１２）が夫々装着されており、バッフル１２によって新鮮空気用の内周流路１０Ａと再循環ガス用の外周流路１０Ｂとが隔離形成される。
【００２９】
前記内周流路１０Ａと外周流路１０Ｂとを隔離形成する隔壁は、一端部が外筒２ｂ内周面に固定取付され、他端部が外筒２ｂと内筒２ａとの間の略中間部において空気下流方向に延びるように配設されたバッフル１２から構成される。
このようなバッフル１２を設けることにより、内筒２ａと外筒２ｂとの間の新鮮２次空気の流路９がバッフル１２の他端部の空気下流方向に延びる部分において絞られ、新鮮２次空気の流速が高められるようになっている。
【００３０】
又、前記バッフル１２の一端部の固定取付部分の空気下流側に位置する外筒２ｂ周壁には再循環ガスの吸入口１３が開設され、内周流路１０Ａを流通する新鮮な２次空気によって前記吸入口１３から再循環ガスが誘引されて外周流路１０Ｂに流入されるようになっている。
従って、かかる構成によると、１次空気で燃焼が完結しなかった燃料は、外筒２ｂから分割して吹き出す新鮮空気（新鮮空気流路９を通る新鮮空気）、若しくは新鮮空気と再循環ガス（分割ガス流路１０を通る新鮮空気と再循環ガス）により燃焼する。
【００３１】
かかる燃焼では、分割火炎が形成されて、火炎から効率良く放熱が行われる効果と、再循環ガスによる燃焼が得られる効果によって、更にＮＯｘ低減が効果的になされる。
次に、図３及び図４に基づいて本発明の第２の実施形態について説明する。
即ち、これらの図において、２次空気供給用の外筒２ｂは、新鮮な２次空気のみを供給する新鮮空気流路９と、新鮮な２次空気空気と燃焼排ガスを再循環させた再循環ガスとを内周側と外周側に分割された流路から供給する分割ガス流路１０と、再循環ガスのみを供給する再循環ガス流路１４と、を周方向に交互に配置した構成となっている。
【００３２】
即ち、先の実施形態と同様に、外筒２ｂと内筒２ａとの間には、半径方向に延びる隔壁１１が所定角度間隔をもって複数（実施形態では６）が装着され、更に、隣り合う隔壁１１間位置には、半径方向に延びる２つの隔壁１５が所定角度間隔をもって夫々装着されており、新鮮空気流路９と分割ガス流路１０と再循環ガス流路１４とが周方向に交互に形成される。
【００３３】
又、分割ガス流路１０を構成する一対の隔壁１１間には、先の実施形態と同様に、周方向に延びるバッフル１２が夫々装着されており、このバッフル１２によって新鮮空気用の内周流路１０Ａと再循環ガス用の外周流路１０Ｂとが隔離形成され、先の実施形態と同様に、外筒２ｂ周壁に再循環ガスの吸入口１３が開設されている。
【００３４】
更に、再循環ガス流路１４には、新鮮２次空気の供給を遮断するバッフル１５がその空気上流端部側に装着されている。
この再循環ガス流路１４のバッフル１５の空気下流側に位置する外筒２ｂ周壁には再循環ガスの吸入口１６が開設され、再循環ガス流路１４に隣接する新鮮空気流路９を流通する新鮮な２次空気によって前記吸入口１６から再循環ガスが誘引されて再循環ガス流路１４に流入されるようになっている。
【００３５】
従って、かかる構成によると、１次空気で燃焼が完結しなかった燃料は、外筒２ｂから分割して吹き出す新鮮空気、若しくは再循環ガスにより燃焼する。
かかる燃焼では、分割火炎が形成されて、火炎から効率良く放熱が行われる効果と、再循環ガスによる燃焼が得られる効果によって、更にＮＯｘ低減が効果的になされる。
【００３６】
表１は、上述した第１の実施形態と第２の実施形態によるバーナの燃焼特性を示している。
【００３７】
【表１】

【００３８】
試験ボイラには、相当蒸発量７５０ｋｇ／ｈで火炉負荷が１８０万ｋｃａｌ／ｈ・ｍ³ の一般の蒸気ボイラを使用した。
この表１から明らかなように、何れの実施形態もＮＯｘ及びばいじんの排出の少ないバーナとなっていることが判る。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１及び２に係る発明によれば、１次空気で空気比の低い還元火炎が形成され、２次空気で空気比の高い酸化火炎が形成されてＮＯｘが低減され、特に、２次空気供給用の外筒が複数の流路に分割されることで分割火炎が形成され、火炎からの放熱が効率良く行われ、ＮＯｘ低減効果が高められる。
【００４０】
請求項３及び５に係る発明によれば、再循環ガスが効果的に供給でき、さらにＮＯｘ低減効果が高められる。
請求項４係る発明によれば、１次空気供給用の内筒に、燃焼用空気の一部を効果的に供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１に係る発明の一実施形態を示す正面図
【図２】 図１中Ａ−Ａ矢視断面図
【図３】 請求項２に係る発明の一実施形態を示す正面図
【図４】 図３中Ｂ−Ｂ矢視断面図
【符号の説明】
１ バーナ
２ バーナ本体
２ａ 内筒
２ｂ 外筒
３ 液体燃料噴射ノズル
４ イグナイタ
９ 新鮮空気流路
１０ 分割ガス流路
１０Ａ 内周流路
１０Ｂ 外周流路
１２ バッフル
１３ 再循環ガスの吸入口
１４ 再循環ガス流路
１５ バッフル
１６ 再循環ガスの吸入口

Claims (5)

1. １次空気供給用の内筒と２次空気供給用の外筒との内外２重円筒体部を備えたバーナ本体と、
   前記バーナ本体の前記内筒内に配設され、先端噴孔が該内筒先端開口部から外方に臨む液体燃料噴射ノズルと、
   を含んで構成され、
   前記２次空気供給用の外筒は、新鮮な空気のみを供給する新鮮空気流路と、新鮮な空気と燃焼排ガスを再循環させた再循環ガスとを内周側と外周側に分割された流路から供給する分割ガス流路と、を交互に配置した構成とした
   ことを特徴とするバーナ。
2. １次空気供給用の内筒と２次空気供給用の外筒との内外２重円筒体部を備えたバーナ本体と、
   前記バーナ本体の前記内筒内に配設され、先端噴孔が該内筒先端開口部から外方に臨む液体燃料噴射ノズルと、
   を含んで構成され、
   前記２次空気供給用の外筒は、 新鮮な空気のみを供給する新鮮空気流路と、新鮮な空気と燃焼排ガスを再循環させた再循環ガスとを内周側と外周側に分割された流路から供給する分割ガス流路と、再循環ガスのみを供給する再循環ガス流路と、を交互に配置した構成とした
   ことを特徴とするバーナ。
3. 再循環ガス流路は、２次空気の供給を遮断するバッフルを有し、再循環ガスを当該再循環ガス流路の外側に設けられた再循環ガス吸入口から吸入することを特徴とする請求項２記載のバーナ。
4. 前記１次空気供給用の内筒に、燃焼用空気の一部を供給するための複数の空気吸入口を設けるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のバーナ。
5. 前記分割ガス流路は、その通路が内周側と外周側とに分割され、内周側の通路に２次空気を供給してその流速を高め、当該分割ガス流路の外側に設けられた再循環ガス吸入口から吸入した再循環ガスを、前記外周側の通路を流れるように構成したことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載のバーナ。

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