JP5203489B2

JP5203489B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP5203489B2
Application number: JP2011133533A
Authority: JP
Inventors: 祐作河本; 和也北村; 雄介朝山; 智樹片山
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-06-15
Also published as: KR101341681B1; KR20130079317A; TW201245635A; CN103026138A; CN103026138B; WO2012172846A1; JP2013002706A; TWI445906B

Description

本発明は、燃焼装置に関する。

リジェネレイティブバーナのように、燃焼排ガス中の熱を回収して燃焼装置に供給される燃焼用空気を加熱することによって熱効率を高めた燃焼装置が使用されている。燃焼用空気の温度が高い燃焼装置では、一般的にＮＯｘ濃度が高くなりやすい。このため、燃焼用空気と燃料との混合を遅らせて緩慢に燃焼させることで、ＮＯｘの発生を抑制する方法が採用される。緩慢燃焼すると、当然ながら、火炎の長さは長くなる。しかしながら、炉の幅が狭い場合には、火炎が対向する炉壁に達して不完全燃焼となるため、十分に燃焼を遅らせることができない。

特許文献１には、燃焼用空気を円錐状の空間に接線方向に吹き込むことで、旋回気流を形成し、この気流に載せて火炎を旋回させることにより、火炎長を長くすると共に、炉内において火炎が径方向に広がるようにした燃焼装置が記載されている。

特許文献１では、複数の板材を組み合わせて、円錐状の燃焼空間と、燃焼用空気を吹き込むための流路とを形成している。リジェネレイティブバーナのように、燃焼用空気が極めて高温になる場合には、燃焼空間や流路を形成する板材に高い耐熱性が要求される。しかしながら、そのような高温に耐え得る材料は非常に高価であり、工業炉に適用するには経済的合理性が得られない。

特許第３９０４６４４号公報

前記問題点に鑑みて、本発明の課題は、高温の燃焼用空気を使用でき、且つ、旋回して径方向に広がる火炎を形成できる燃焼装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による燃焼装置は、円筒形の円筒空間を画定する円筒部と、前記円筒空間から炉内に向かって拡径する拡径空間を画定する拡径部と、前記円筒空間に接する平面からなる第１の側面と、前記第１の側面に対向する平面からなる第２の側面と、前記第２の側面から屈曲して延伸し、前記円筒空間に接する平面からなる第３の側面とを有し、蓄熱体を収容した蓄熱室に連通するノズル流路とを備えるものとする。

この構成によれば、第１の側面に沿って円筒空間に接線方向に燃焼用空気を吹き込んで螺旋状の旋回気流を形成するノズル流路に、円筒空間に接するように開放する第３の側面を設けたことで、円筒空間からノズル流路に燃焼ガスを排出する際の流路抵抗を低減して十分な流量を確保できる。また、第３の側面が第２の側面から屈曲して延伸するため、ノズル流路の側面と円筒部の内壁との間に形成される角が大きくなり、燃焼装置内壁全面に十分な厚みを持たせることが可能である。このため、燃焼装置を耐熱性に優れる材料で形成し、高温の燃焼用空気を使用して燃焼することも、高温の燃焼ガスを排出することも可能になる。また、燃焼室が拡径部を有することで、旋回気流を径方向に大きくし、炉内においてさらに旋回気流が径方向に拡大することを容易にする。

また、本発明の燃焼装置において、前記第３の側面は、前記第２の側面から９０°以下の角度だけ屈曲して延伸することが好ましい。

この構成によれば、燃焼室内に鋭角に突出する角が形成されないので、強度を高くできる。

また、本発明の燃焼装置において、前記第３の側面は、前記第１の側面との間に形成する前記円筒空間側の角度が９０°以下であることが好ましい。

この構成によれば、ノズル流路から燃焼ガスを排出する際、第３の側面に沿った気流が第１の側面に対して、第２の側面に向かう方向に入射および反射するので、排気抵抗が小さくなる。

また、本発明の燃焼装置において、前記拡径部は、階段状に拡径してもよい。

この構成によれば、拡径空間において、炉内に向かって流れる燃焼用空気、混合気または燃焼ガスは、拡径部の各段差において壁面から剥離して、その流れを阻害する渦を生じる。このため、円筒空間において形成された螺旋状の流れが、拡径空間においても旋回を維持する。

また、本発明の燃焼装置において、前記円筒部の内壁に、連続または断続した螺旋状の溝または突起が設けられてもよい。

この構成によれば、旋状の溝または突起が燃焼用空気を案内して、旋回気流の形成を促進する。

また、本発明の燃焼装置において、前記溝または突起は、前記拡径部に近付くほど幅が広くなってもよい。

この構成によれば、旋回気流に偏りを生じて、周方向の一部にだけ火炎が長く伸びることを防止できる。

また、本発明の燃焼装置において、前記溝または突起は、断続的に設けられ、周方向に隣接する前記溝または突起が、軸方向に互い違いに配置されてもよい。

この構成によれば、溝の内部または突起の間に形成される旋回気流の上流と下流とで燃焼用空気の入れ換えを行えるので、火炎の拡散効果が高い。

本発明の第１実施形態の燃焼装置の軸方向断面図である。図１の燃焼装置の軸直角断面図である。図１の燃焼装置の異なる方向の軸方向断面図である。本発明の第２実施形態の燃焼装置の軸方向断面図である。図４の燃焼装置の軸直角断面図である。本発明の第３実施形態の燃焼装置の軸方向断面図である。本発明の第４実施形態の燃焼装置の軸方向断面図である。本発明の第５実施形態の燃焼装置の軸方向断面図である。図８の燃焼装置の軸直角断面図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１乃至３は、本発明の第１実施形態の燃焼装置を示す。

本実施形態の燃焼装置は、炉内空間１を画定する炉壁２に、バーナ本体３を取り付けてなる。バーナ本体３は、その内部に円筒形の円筒空間４を確定する円筒部５を構成する。炉壁２には、円筒空間４から炉内空間１に向かって拡径する拡径空間６を画定する拡径部７が形成されている。この円筒空間４と拡径空間６とは、本実施形態の燃焼装置の特徴的な形状を有する燃焼室を構成している。本実施形態の拡径空間６は、炉内空間１側ほど、拡径率が大きくなっている。

また、バーナ本体３は、円筒空間４の上部に開口するノズル流路８を有する。ノズル流路８は、円筒空間４の円筒面に接する平面からなる第１の側面８ａと、第１の側面８ａに対向して第１の側面８ａと平行に延伸する平面からなる第２の側面８ｂと、第２の側面８ｂから屈曲して９０°の角度で延伸し、円筒空間４に接する平面からなる第３の側面８ｃとを備える。また、ノズル流路８の天面は円筒空間４の天面８ｄに連続するように延伸し、ノズル流路８の底面８ｅは、天面に平行である。つまり、ノズル流路８の天面および底面は、円筒空間４の中心軸に直角にする平面である。

ノズル流路８は、第１の側面８ａと第２の側面８ｂとによって画定され、断面が一定なスリット状の助走部９と、９０°以下の角度で互いに交差する円筒空間４の２つの接面である第１の側面８ａと第３の側面８ｃとによって画定された開口部１０とからなる。

ノズル流路８の他端は、蓄熱体を収容した蓄熱室１１に連通している。詳しくは、ノズル流路８の他端は、断面形状がノズル流路８と一致する矩形形状から、蓄熱室１１に連通する接続流路１２と一致する円形形状に遷移する遷移流路１３に接続されている。

またノズル流路８の開口部１０において、第１の側面８ａの天面８ｄに近い位置には、燃料ガスを供給するためのガスノズル１４が開口している。ガスノズル１４は、１次燃焼用空気も供給され、点火装置を内蔵している。

本実施形態において、蓄熱室１１において加熱されてから供給される燃焼用空気は、ノズル流路８から円筒部５の内壁に沿って接線方向に吹き込まれ、円筒空間４内に螺旋状に旋回する気流を形成する。ガスノズル１４から供給された燃料が燃焼して形成される火炎は、この旋回気流に乗って、螺旋状に延伸する。

火炎（旋回気流）が拡径部７に達すると、その形状に合わせて、旋回気流の旋回半径が拡大してゆく。そして、炉内空間１に到達した旋回気流は、径方向外側に、炉壁２の内面に沿って全周に広がるような渦状の流れを形成する。これにより、見かけ上の火炎は傘状に広がったものとなり、燃料の燃焼を遅らせて緩慢燃焼しても、見かけ上の燃焼火炎の長さが短くなる。このため、本実施形態の燃焼装置は、対向する炉壁が近距離にあるような幅の狭い炉にも適用できる。

また、このように燃焼ガスによって渦を形成すると、渦の中心部は負圧となる。このため、渦状の流れから脱離した燃焼ガスは、渦の中心に吸引され、火炎の中に巻き込まれる。これによって、燃焼ガス中の未燃燃料ガスを完全燃焼させられるので、燃焼温度を低くして低ＮＯｘ化できる。

本発明において、ノズル流路８は、円筒空間４に供給する燃焼用空気を整流するための助走部９を備える。このため、ノズル流路８は、円筒部５の内壁に沿って流れるように、燃焼用空気を吹き込むことができる。

また、ノズル流路８は、円筒空間４に向かって大きく開いた開口部１０を備える。このため、蓄熱室１１において熱回収するために円筒空間４を介して炉内空間１の燃焼ガスを排気する際には、円筒空間４上部の広い範囲から燃焼ガスがノズル流路８に流れ込むことができる。つまり、開口部１０は、炉内空間１の燃焼ガスを排気する際の流路抵抗を低減して、排気効率を高める。

このように、排気効率を高めるためには、第３の側面８ｃに沿った気流が、第１の側面８ａに対して、円筒空間４側から遷移流路１３側に向かって入射および反射するような角度にすることが好ましい。つまり、図２に二点鎖線で示した第３の側面８ｃ’のように、第１の側面８ａとの間に９０°よりも大きな角度を円筒空間４側に形成するものでないことが好ましい。

また、本発明の燃焼装置は、第３の側面８ｃが第２の側面８ｂから９０°の角度で延伸しているため、図２に二点鎖線で示した第２の側面８ｂと第３の側面８ｃ’との間に形成される角のように、内部の空間に突出する細い構造体がないので、内面全体を、キャスタブル耐火物のような機械的な強度には劣るが耐熱性が高い材料で覆うことができる。このため、本発明の燃焼装置は、蓄熱室１１において高温に熱せられた燃焼用空気によっても損傷しないように設計できる。

図４乃至５に、本発明の第２実施形態の燃焼装置を示す。尚、これ以降の実施形態の説明では、先に説明した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

本実施形態において、円筒空間４を形成する円筒部５の内壁には、螺旋状の溝１５が形成されている。また、本実施形態の拡径空間６は、階段状に拡径している。換言すると、拡径部７の内壁面は、径が段階的に大きくなる複数の円筒によって構成されている。

螺旋状の溝１５は、ノズル流路８から吹き込まれた燃焼用空気が溝１５に沿って旋回するように案内する。これにより、旋回気流の形成を確実にする。また、溝１５のピッチを小さくすれば、円筒空間４内における燃焼用空気の旋回の回数を多くすることができる。これにより、円筒空間４内における火炎の実質的な長さを長くすることができ、燃焼をより遅らせてさらなる低ＮＯｘ化ができる。

階段状の拡径部７は、周方向に旋回する気流に対しては流れに沿って平坦な壁面であるが、炉内空間１に向かう気流に対しては、凹凸のある壁面である。従って、炉内空間１に向かう気流は、各段差を乗り越えるたびに、壁面から剥離して、その流れを阻害する渦を生じる。これにより、円筒空間４において形成された旋回気流が拡径部７において軸方向に向きを変えることを阻害し、燃焼用空気および燃焼ガスの旋回を維持する。これにより、炉内空間１に形成される傘状の火炎を大きく開いた形状とする。

また、本実施形態において、ノズル流路８の第２の側面８ｂは、第１の側面８ａに対してやや傾斜した方向に延伸している。つまり、第１の側面８ａと第２の側面８ｂとは、互いに対向し合い、スリット状の流路を形成するが、形成する流路の幅が必ずしも一定でなくてもよい。例えば、第２の側面８ｂは、円筒空間４に向かって流路の幅が狭くなるような方向に延伸してもよい。

また、本実施形態のように、ノズル流路８の第３の側面８ｃは、第２の側面８ｂから９０°よりも小さい角度だけ屈曲して延伸してもよい。これにより、炉内空間１の燃焼ガスを排気する際の流路抵抗をさらに低減して、排気効率を高めることができ、また、第２の側面８ｂと第３の側面８ｃとが形成する角を鈍角にして、高い強度を得やすくできる。

図６に、本発明の第３実施形態の燃焼装置を示す。本実施形態では、円筒部５の内壁には、拡径空間６に近付くに従って、一定の割合で軸方向の幅が広くなる螺旋状の溝１５が形成されている。

このように、溝１５の幅が拡大することで、旋回気流の流速が周方向に均一になる。特に、円筒部５の下部において、溝１５同士が接近し、円筒空間４の下端において略全周に亘って溝１５が存在するようになることが好ましい。そのようにすれば、旋回気流が偏って、火炎が一方向にだけ長く伸びることを防止でき、全周から略均等に火炎を噴射できる。

また、本実施形態の拡径部７は、角が丸く面取りされた階段状の内壁面を有する。このような形状でも、気流の旋回を維持する機能を果たし得る。

図７に、本発明の第４実施形態の燃焼装置を示す。本実施形態では、円筒部５の内壁には、螺旋状の突起１６が形成されている。

この突起１６も、第２実施形態の溝１５と同様に、ノズル流路８から吹き込まれた燃焼用空気を螺旋状に旋回するように案内する。

また、本実施形態に示すように、拡径部７は、円錐状の拡径空間６を形成してもよい。

図８および９に、本発明の第５実施形態の燃焼装置を示す。本実施形態では、円筒部５の内壁には、約半周毎に断続的に設けた螺旋状の突起１６が形成されている。さらに、本実施形態では、周方向に隣接し合う突起１６が、円筒空間４の軸方向に互い違いになるように２分の１ピッチだけ軸方向にずらして配置されている。

本実施形態において、軸方向に隣接する２つの突起１６の間に案内された燃焼用空気（並びに燃料および燃焼ガス）の塊は、周方向に下流側の次の突起１６によって２つに分割される。このようにして、旋回気流の隣接する上流の燃焼用空気と下流の燃焼用空気とを部分的に互いに入れ替えることにより、火炎の拡散効果を高められる。

１…炉内空間
２…炉壁
３…バーナ本体
４…円筒空間
５…円筒部
６…拡径空間
７…拡径部
８…ノズル流路
８ａ…第１の側面
８ｂ…第２の側面
８ｃ…第３の側面
９…助走部
１０…開口部
１１…蓄熱室
１２…接続流路
１３…遷移流路
１４…ガスノズル
１５…溝
１６…突起

Claims

円筒形の円筒空間を画定する円筒部と、
前記円筒空間から炉内に向かって拡径する拡径空間を画定する拡径部と、
前記円筒空間に接する平面からなる第１の側面と、前記第１の側面に対向する平面からなる第２の側面と、前記第２の側面から屈曲して延伸し、前記円筒空間に接する平面からなる第３の側面とを有し、蓄熱体を収容した蓄熱室に連通するノズル流路とを備えることを特徴とする燃焼装置。
前記第３の側面は、前記第２の側面から９０°以下の角度だけ屈曲して延伸することを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
前記第３の側面は、前記第１の側面との間に形成する前記円筒空間側の角度が９０°以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼装置。
前記拡径部は、階段状に拡径することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃焼装置。
前記円筒部の内壁に、連続または断続した螺旋状の溝または突起が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃焼装置。
前記溝または突起は、前記拡径部に近付くほど幅が広くなることを特徴とする請求項５に記載の燃焼装置。
前記溝または突起は、断続的に設けられ、周方向に隣接する前記溝または突起が、軸方向に互い違いに配置されていることを特徴とする請求項５または６に記載の燃焼装置。