JP4808133B2

JP4808133B2 - ガスバーナ

Info

Publication number: JP4808133B2
Application number: JP2006297697A
Authority: JP
Inventors: 伸章林本; 聡吉本; 博規小西
Original assignee: Takuma KK
Current assignee: Takuma KK
Priority date: 2006-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2026-11-01
Also published as: JP2008116077A

Description

本発明は、簡単な構造で排ガスの再循環および燃焼空気の分割による多段燃焼を可能にし、ＮＯｘ濃度の低減を図ることができるガスバーナに関するものである。

従来、燃焼機器などで燃焼に伴い発生する有害燃焼排気物質の低減化について、特にＮＯｘの低減化を図る技術については、種々の提案がなされている。その一例として燃焼空気を一次、二次に分割して供給する方法では、部分予混合式ガスバーナを用い、予混合気の噴出口部の下流域に薄膜円筒状の予混合気流を形成し、この予混合気流へ向けて外方から燃焼用二次空気を細分化して噴出させ、多数の小炎を形成することにより局部的な高温部を発生させずに完全燃焼させてＮＯｘの低減化を図る方法が特許文献1によって知られている。

この従来の技術においては、前述のように二次空気を一次空気の供給ラインから分流して、多数の小孔を通じて一次燃焼部に吹き込むことで、一次燃焼部で同時的に二次燃焼させるようにされている。したがって、燃焼排ガスと二次空気とを混合して燃焼部に供給し、完全燃焼させるようにすることができない。また、火炎の直進性を向上させることも困難であるので、例えば小型貫流ボイラに用いるバーナとした場合、燃焼効率を向上させ難いという問題点がある。

そこで、本発明者らは、図８（ａ）（ｂ）に示されるように、外筒５０の先端部内で燃料噴出口５２と同軸線延長位置にラバルノズル形成部６０が設けられ、そのラバルノズル形成部６０の吸込み部６１の外周縁６２と前記外筒５０の内面５０ａとの間に分流空気の流通部５４が形成され、前記ラバルノズル形成部６０のスロート部６３に連なるディフューザ６４出口前方に、前記流通部５４で分岐された空気と燃焼排ガスとの混合による二次燃焼ガス吸込み孔６６を複数備える二次燃焼ガスの吸入部６５が設けられている構成のガスバーナ７０を先願発明（特願２００６−１１９３６）により得たのである。このように構成されるガスバーナ７０は、簡易な構成で排ガスの再循環および燃焼用空気の分割により多段混合して燃焼効率を高め、完全燃焼させ得て低ＮＯｘ化を実現でき、小型貫流ボイラなどのように火炎流路が狭い場合でも火炎形状や燃焼状態が影響を受け難く、効果的な燃焼が行われることにより有効である。図中黒塗り矢印は燃料ガス、白抜き矢印は空気、斜線入り矢印は混合気を、それぞれ示している。

特許第３４１７３６７号公報

しかしながら、前記先願発明によるガスバーナ７０は、燃焼室の燃焼ガス進行方向に対して直交する断面が円形あるいは正方形（縦横比が１：１）であれば有効であるが、前記燃焼室断面が長方形で縦横比が大きい（例えば燃焼室が縦に長く幅が狭い）場合には、幅方向(横方向)の排ガス再循環流れが弱くなったり、縦方向の上端および下端での伝熱面まで火炎が届かず有効に熱伝達が行われなくなるという問題点がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、縦横比の大きい断面を持つ燃焼室に対応して有効に機能するガスバーナを提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明によるガスバーナは、
ラバルノズル形状の混合手段を備えるガスバーナにおいて、
外筒の先端部内で燃料ガス供給手段と同軸線延長位置にラバルノズル形成部が設けられ、前記ラバルノズル形成部の吸込み部開口縁と前記外筒内面との間に分流空気流通部が形成され、前記ラバルノズル形成部のディフューザ出口前方に、前記分流空気流通部で分岐された空気と燃焼排ガスとの混合による二次燃焼ガスの吸入部が設けられる構造をもち、前記ラバルノズル形成部の混合気噴出口が噴射方向と交差する方向に細長く形成されていることを特徴とするものである（第１発明）。

前記発明において、前記燃料ガス供給手段には、燃料ガス噴出孔が空気流れに交差するようにして単段または多段に設けられているのがよい（第２発明）。また、この燃料ガス供給手段はラバルノズル形成部に対し軸方向に前後移動させることにより空気と燃料ガスの混合気割合を変えることができる構成であるのがよい（第３発明）。

第４発明に係るガスバーナは、
ラバルノズル形成部を有する混合手段を備えるガスバーナにおいて、
前記混合手段は、前記ラバルノズル形成部の吸込み部内に、その軸心線に合致させて燃料ガス供給手段が配され、この燃料ガス供給手段のガス噴出孔が前記吸込み部内面と燃料ガス供給手段の側面との間に形成される空気流通部内で開口縁より下流側にて開口され、ディフューザ出口前方に、燃焼排ガスの吸入部が設けられる構造をもち、前記ラバルノズル形成部の混合気噴出口が噴射方向と交差する方向に細長く形成されていることを特徴とするものである。

第１発明によれば、バーナを細長い形状とすることにより、例えばこのバーナを縦長に配置すれば、バーナ先端部における分流空気と燃焼排ガスとの混合による二次燃焼ガスの吸入部が縦長となるので、排ガス再循環がその二次燃焼排ガスの吸入部から均一に行うことができる。また、火炎が燃焼室の上下端部に届くようになり、火炎が縦に長く横幅が狭い状態で燃焼し、火炎の表面積が大きくなって伝熱面への熱吸収が有効に行われるという効果を奏する。

また、この発明においては、前記先願発明とは異なり、燃料ガス供給手段において供給される空気に対して燃料ガスが交差するように噴出されることで空気と燃料ガスとの混合を促進させることができる。しかも、この燃料ガス供給手段を軸方向に前後動させてラバルノズル形成部の吸込み部における開口縁と燃料ガス供給手段との間に形成される隙間を変化させることにより、ラバルノズル形成部へ流れる一次空気量を変化させ分流される二次空気量との比を変えて燃焼状態の調整ができる。言換えると一次空気量を調整できる。また、燃料ガス供給手段におけるガス噴出孔を軸方向に上流側と下流側とに設けることで、燃焼部に対する一次と二次の混合気を生成することができ、この燃料ガス供給手段を前後動させると、それぞれ異なる空気比に設定できる。また、上流側のガス噴出孔と下流側のガス噴出孔との面積比を変えてガス噴出量比を変えることにより、一次と二次の空気比の調整ができ、一次と二次の濃淡燃焼が可能になる。
このように、ガスの供給方法を変えることにより、多段燃焼、濃淡燃焼、全一次混合燃焼と燃焼方法を変えることができる。そして、ラバルノズル部から噴出する混合ガスは高速であり、火炎が縦長で非常に厚さが薄い状態になるから、単位火炎面積当りの燃焼排ガス引き込み効果が大きく、通常の多段燃焼、濃淡燃焼、全一次予混合燃焼と比較してＮＯｘ低減効果が大きいという効果を奏する。

また、第４発明によれば、燃焼用空気と燃料ガスとをラバルノズル形成部の吸込み部内においてすべて混合し、この予混合気をスロート部で高圧縮してディフューザ出口から高速で噴射して燃焼させ、この燃焼ガスの直進噴出により先端部でバーナ周囲の燃焼排ガスを誘引して再燃焼させることなり、第１発明に係るバーナに比べて予混合気をより高速で噴射できるので、バーナ先端部で排ガスをより強く吸引できるから、燃焼排ガスの吸引循環領域を広げることができ、より有効に燃焼効果を高めることができる。

次に、本発明によるガスバーナの具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１には本発明の一実施形態に係るガスバーナの要部を模式的に表わす断面図が示されている。図２には、図１におけるII−II視図が、図３にはバーナの外観を一部を切除して表わす斜視図が、図４には一次混合気の空気比可変の説明図が、図５には一次と二次の混合気の空気比を可変にする場合の説明図が、図６には一次と二次の混合気を同空気比にする場合の説明図が、それぞれ示されている。

この実施形態のガスバーナ１０は、燃焼装置のバーナ取付部に装着できる取付構造（図示せず）を備えた長方形断面の外部ケース１１（本発明における外筒に相当）と、この外部ケース１１内に軸心線Ｑを揃えて火炎を噴出させるように設けられる燃料ガスと燃焼用空気とを混合する混合手段２０と、燃料ガス供給手段３０とで構成されている。なお、この実施形態のガスバーナ１０は縦長に構成されたものについて説明する。

前記外部ケース１１は、所要内法の縦長の長方形断面で前面を開放した偏平な長方体形状に形成され、その軸心線上に混合手段２０と燃料ガス供給手段３０が組み込まれるようにされている。また、外部ケース１１の後端（燃焼側と反対の方向）には、具体的な構造は図示省略しているが送風機による空気供給口が接続される。

前記混合手段２０は、前述のように外部ケース１１内に収まる寸法で、図１に示されるように、その長手方向（軸方向）にラバルノズル形状（以下、「ラバルノズル形成部２１」という。）にされ、先端部を前記外部ケース１１の先端から突出するようにして外部ケース１１の軸心線Ｑ上に中心線が合致するように配置されている。

このラバルノズル形成部２１は、入口部２２(本発明の吸込み部に対応)を中間のスロート部２３に向かって絞縮する平断面形状に形成され、その開口縁２２ａに前記外部ケース１１の内壁面１２と所要の間隔をもって空気流通部１５（本発明の分流空気流通部に対応）が形成されるように配置されている。また、ディフューザ２４の先端にはその開口面積よりも広い面積で軸方向に所要長さで形成される二次燃焼ガスの吸入部２５が連設されている。また、このラバルノズル形成部２１は、前記入口部２２と前記燃料ガス供給手段３０のボックス外面との間隙をその燃料ガス供給手段３０のガス噴出孔３４からの燃料ガス供給で一次空気の吸引を効果的に行える距離をとって配置される。なお、このラバルノズル形成部２１は、外部ケース１１に対してその姿勢が維持できるように外面部分で図示されない支持部材によって取付けられて支持されている。

前記ラバルノズル形成部２１の先端部に形成される二次燃焼ガスの吸入部２５は、前述のように前記外部ケース１１の先端から突出すようにして配され、両側面に二次燃焼ガスの吸入孔２６が複数個所要の間隔で上下長手方向に断続して設けられている。

前記燃料ガス供給手段３０としては、前記外部ケース１１の内側に配置されるラバルノズル形成部２１（混合手段）の入口部２２に前部が挿入できる先端部３３を尖らせた偏平なボックス形にされたガス供給ボックス３１からなり、後端部に燃料ガス供給部と接続されるガス供給管３２（図３参照）が取付けられている。そして、前記先端部３３の両側面に所要間隔で複数のガス噴出孔３４が、前記ラバルノズル形成部２１の入口部２２の内面とこのガス供給ボックス３１の外面とで形成される混合気流入路に交差する向きで設けられている。また、このガス供給ボックス３１は、取付部において所要距離前後方向に移動可能に設けられるのがよい。こうすると、このガス供給ボックス３１を進退させることにより前記入口部２２での一次空気と燃料ガスとの混合比を変化させて燃焼状態を調節することができる。

また、このガス供給ボックス３１内には、図示省略するが（以下、同様）必要に応じて複数の整流板を配置して、各ガス噴出孔３４からの燃料ガスの噴出をむらなく平均化させるのに有効である。一方、このガス供給ボックス３１の外側面またはラバルノズル形成部２１の入口部２２内面に、空気流通方向に平行して複数の整流板を取付けて、吸込まれる空気（混合気）がスロート部２３へむらなく流動するようにされるのが好ましい。なお、外部ケース１１内の空気流通部１５側にも整流板を設けるようにするのが望ましい。

このように構成されるガスバーナ１０は、例えば小型貫流ボイラに付設して使用される。この際、燃料としては都市ガスを用い、燃料ガス供給手段（ガス供給ボックス３１）によって供給し、一方空気比１．０〜１．２となるように流量を制御される空気と燃料ガスとを混合させて燃焼部に供給される。

図１（図４）に示されるように、ガス供給ボックス３１から供給される燃料ガスＧ（黒塗り矢印で示す）に対して燃焼用の空気Ａ（白抜き矢印で示す）は、外部ケース１１内においてラバルノズル形成部２１の入口部２２（吸込み部）の開口縁２２ａによって外側の空気流通部１５と入口部２２の内部とに分流される。ラバルノズル形成部２１の入口部２２内に導入される空気に対してガス供給ボックス３１のガス噴出孔３４から噴出する燃料ガスＧが、流入する一次空気と交差して混合促進されて予混合気Ｇ′となって吸込み部からスロート部２３に流入する。吸込み部（入口部２２）で圧縮された予混合気Ｇ′は狭隘なスロート部２３でさらに圧縮されてディフューザ２４出口から高速で噴出される。ディフューザ２４の出口（本発明の混合気噴出口に相当）に連なる二次燃焼ガスの吸入部２５では、流路が急拡大するために、噴出する予混合気の一部が再循環領域を形成しながら主流は直進する。この直進する予混合気Ｇ′に対して図示されないバーナ付属の着火手段により着火して燃焼させる。

一方、外部ケース１１でラバルノズル形成部２１の外側の空気流通部１５に分流された空気は、そのまま外部ケース１１内を流動して前記二次燃焼ガスの吸入部２５に設けられた吸入孔２６で噴出する予混合気Ｇ′のと出力に伴う誘引作用により吸引されて二次燃焼ガスＧ″として燃焼部に供給される。この際、燃焼部で発生したバーナ周囲の燃焼排ガスＧ″も同時に吸引されて再燃焼される。こうすることで、酸素濃度の低い二次燃焼ガスを作成して燃焼部の火炎（図示せず）に向かって供給できるので、局所的高温の少ない燃焼を実現することができ、更なる低ＮＯｘ化を図ることができる。

本実施形態のガスバーナ１０は、バーナを燃焼室（図示せず）の形状に対応させて長方形で縦長比が大きい形状にされているので、前述のようにして燃焼される火炎が幅方向に薄くて縦長形状になって燃焼し、しかも混合気が高速噴射されるから、二次燃焼ガスＧ″が噴出している予混合気Ｇ′の主流に向かって流れることになり、火炎の拡散を抑えるように作用し、火炎に直進性を持たせることが可能になる。したがって、縦長の厚さが薄い状態の火炎となって火炎の表面積が大きくなり、直進性を備えることから、小型貫流ボイラのように火炎流路が狭く曲進する場合でも、上下に火炎が届いて伝熱面への熱吸収効果を高めることができる。

また、前記燃焼操作において、燃料ガスの供給手段として前述のように混合手段２０における一次空気に対する燃料ガスＧの供給を、空気の流れに交差する方向で噴出させるようにすれば、空気Ａと燃料ガスＧの混合を促進させることができる。また、燃料ガス供給手段（ガス供給ボックス３１）を前後に動かして、ガス供給ボックス３１の先端部３３とラバルノズル形成部２１の開口縁２２ａとの隙間ｔ（図４参照）を変化させることにより、ラバルノズル形成部２１へ流れる一次空気量とラバルノズル形成部２１の外側の空気流通部１５を流れる二次空気量の比を変えることができる。言換えると一次空気比の調整が容易に行えることになる。

また、図５によって示されるように、ガス供給ボックス３１（燃料ガス供給手段３０）において、先端部のガス噴出孔３４以外に、上流側にもガス噴出孔３４′を設けるようにすると、混合気を二次側（空気流通部１５）にも流すことができる。こうすると、一次側と二次側の混合気Ｇ′ａ，Ｇ′ｂをそれぞれ異なる空気比に設定することができる。この一次側と二次側との混合気Ｇ′ａ，Ｇ′ｂの空気比は、前述のように、ガス供給ボックス３１（燃料ガス供給手段３０）を軸方向に前後動させてガス供給ボックス３１の先端部３３とラバルノズル形成部２１の開口縁２２ａとの隙間ｔを変えることにより、ラバルノズル形成部２１へ流れる一次空気量とラバルノズル形成部２１外側の空気流通部１５を流れる二次空気量との比を変えることで調整することができる。あるいは燃料ガス供給手段３０を固定して上流側のガス噴出孔３４′と下流側のガス噴出孔３４との面積比を変えて、燃料ガスの噴出量比を変えることにより、一次側と二次側との空気比の調整ができる。こうすることにより、一次と二次の濃淡燃焼が可能となる。

さらに、図６に示されるように、燃料ガス供給手段３０（ガス供給ボックス３１）のガス噴出孔３４′をラバルノズル形成部２１の開口縁２２ａよりも上流側のみとすると、同じ空気比の混合気をＧａ′を一次側と二次側へ流すことができる。

本実施形態では、このように燃料ガスの供給方法を変えることにより、多段燃焼、濃淡燃焼、全一次予混合燃焼と言う具合に燃焼方法を変えることができるのである。いずれの方法でも、ラバルノズル形成部から噴出する混合気は高速であり、また燃焼する火炎は縦長でその厚みが非常に薄いので、単位火炎面積あたりの燃焼排ガス引き込み効果が大きく、通常の多段燃焼、濃淡燃焼、全一次予混合燃焼と比較してＮＯｘの低減効果が大きくなるという利点がある。

次に、一次空気と燃料ガスとによる全一次予混合気を用いるガスバーナの実施形態について説明する。図７に模式図で示されるように、このガスバーナ１０Ｂは、ラバルノズル形成部２１とその先端部に連設される燃焼ガス吸入部２５および燃料ガス供給手段３０とで構成されている。これら各部の構造については、前記実施形態における構造とほぼ同じである。したがって、これら各部については、前記実施形態の構造と同一の符号を付して詳細な説明は省略するものとする。

このガスバーナ１０Ｂにおいては、前記実施形態のガスバーナにおける外部ケースを備えておらず、ラバルノズル形成部２１とそのディフューザ２４出口に連なる燃焼ガスの吸入部２５とが一体に形成され、予混合気の噴出方向に交差して所要長さ寸法で縦長に形成された構造のものである。そして、燃料ガス供給手段３０を構成するガス供給ボックス３１が先端部を尖らせて、吸込み部２２の内面とそのガス供給ボックス３１の外側面との間に所要幅寸法で混合気の流通部１５ａが形成されている。また、そのガス供給ボックス３１に設けられるガス噴出孔３４は、前記吸込み部２２の開口縁２２ａより下流側にて前記流通部１５ａに向かって空気流れに交差して開口するように設けられている。

このように構成されるこのガスバーナ１０Ｂは、外部ケースを備えていないので、一次空気が全量ラバルノズル形成部２１の吸込み部２２内に吸入されて流通部１５ａを流動する間に、ガス供給ボックス３１のガス噴出孔３４から噴出される燃料ガスと混合され、全一次予混合気となってスロート部２３に到るまでに狭まる流通部１５ａで圧縮されつつスロート部２３で高圧縮されて通過し、ディフューザ２４で圧力開放されて出口から前方に直進噴出される。また、全一次予混合気となってバーナ出口から直噴射されるので、前記実施形態の場合よりもより高速で噴射されることになり、燃焼ガスの吸入部２５ではより強く周囲の燃焼排ガスを吸引でき、予混合気は着火されることにより、直進性を保って幅狭い状態で縦長になって燃焼し、バーナ周辺での燃焼排ガスの再循環領域を拡大して燃焼効果を一層高めることができる。

以上の説明においては、ガスバーナを縦長の状態で用いられる場合について記載したが、本発明の趣旨に則すれば、必要に応じてバーナの向きを縦方向以外に配置することも可能であり、燃焼室の形状に応じてバーナの向きを横長にすること，あるいは傾斜させて配置することなども任意なし得る。

本発明の一実施形態に係るガスバーナの要部を模式的に表わす断面図図１におけるＡ−Ａ視図バーナの外観を一部切除して表わす斜視図一次混合気の空気比可変の説明図一次と二次の混合気の空気比を可変にする場合の説明図一次と二次の混合気を同空気比にする場合の説明図他の実施形態のガスバーナを表わす模式図先願発明に係るガスバーナの模式図（ａ）とその平面視図（ｂ）

符号の説明

１０，１０Ｂガスバーナ
１１外部ケース
１５空気流通部
２０混合手段
２１ラバルノズル形成部
２２入口部（吸込み部）
２３スロート部
２４ディフューザ
２５二次燃焼ガスの吸入部
２６二次燃焼ガスの吸入孔
３０燃料ガス供給手段
３１ガス供給ボックス
３４，３４′ ガス噴出孔
Ｑ軸心線

Claims

外筒の先端部内で燃料ガス供給手段と同軸線延長位置にラバルノズル形成部が設けられ、前記ラバルノズル形成部の吸込み部開口縁と前記外筒内面との間に分流空気流通部が形成され、前記ラバルノズル形成部のディフューザ出口前方に、前記分流空気流通部で分岐された空気と燃焼排ガスとの混合による二次燃焼ガスの吸入部が設けられる構造をもち、前記ラバルノズル形成部の混合気噴出口が噴射方向と交差する方向に細長く形成されていることを特徴とするガスバーナ。
前記燃料ガス供給手段には、燃料ガス噴出孔が空気流れに交差するようにして単段または多段に設けられている請求項１に記載のガスバーナ。
燃料ガス供給手段はラバルノズル形成部に対し軸方向に前後移動させることにより空気と燃料ガスの混合気割合を変えることができる構成である請求項１または２に記載のガスバーナ。
ラバルノズル形成部を有する混合手段を備えるガスバーナにおいて、
前記混合手段は、前記ラバルノズル形成部の吸込み部内に、その軸心線に合致させて燃料ガス供給手段が配され、この燃料ガス供給手段のガス噴出孔が前記吸込み部内面と燃料ガス供給手段の側面との間に形成される空気流通部内で開口縁より下流側にて開口され、ディフューザ出口前方に、燃焼排ガスの吸入部が設けられる構造をもち、前記ラバルノズル形成部の混合気噴出口が噴射方向と交差する方向に細長く形成されていることを特徴とするガスバーナ。