JP2007163032A - 衝突型噴霧器を用いた油焚き管巣燃焼ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス焚きボイラでは、水管群内で燃料を燃焼させる管巣燃焼ボイラがすでに存在するが、油焚きボイラでは達成されていない。衝突噴霧は粒径が非常に小さいので、油焚き管巣燃焼に利用できるが、粗粒も含まれるのでその短炎燃焼が必要である。
【解決の手段】 短円筒形燃焼室の前面と側面を耐火材で造り、予混合燃焼では予混合気に強力な旋回を、拡散燃焼では衝突噴霧に強い旋回を加えた燃焼用空気を与えると、噴霧の粗粒は燃焼室の前面と側面の両面に付着し、これに沿って流れ、面上で燃焼する。旋回が強いと殆ど静止している粗粒を燃焼用空気が擦過するので、激しい燃焼が起こり、粗粒は短炎で燃える。燃焼室を小さくするために噴霧粒径の小さい衝突噴霧を用いるが、予混合燃焼では予混合気が燃焼室へ噴出される際粗粒が微粒化される。粗粒は高温燃焼となるので、ＮＯｘは高くなるが、２段燃焼を行うことにより抑制する。
【選択図】 図３

Description

本発明は油焚きボイラにおいて、水管群内において燃料を燃焼させることにより、燃焼室が著しく小さく、同時に低ＮＯｘ化も達成できる油焚き管巣燃焼ボイラに関するものである。

ガス焚きボイラにおいては、特許文献１に示すように、水管群内で燃料を燃焼させることにより燃焼室を無くした、いわゆる管巣燃焼ボイラがすでに存在する。
特開平２−２７２２０７

ガス焚き管巣燃焼ボイラは卓越した技術である。油焚きボイラでもこの型式を採用したいが達成できていない。噴霧燃焼の場合は油の噴霧に空間が必要であり、油滴が大きい場合にはその燃焼に時間、従って空間が必要であるからである。油焚きの場合、この空間を縮めると油滴が水管に付着し、そこで燃焼するので、未燃が生じたり、水管が焼損したりする。

本出願人らが発表している衝突型噴霧器（非特許文献１参照）は油の平均噴霧粒径がＳＭＤ（Sauter Mean Diameter）＝５〜１０μｍと非常に小さくなる。しかし、この噴霧器でも、３０μｍ程度の粗粒が含まれるので、そのまま燃焼させると小さい燃焼室では燃え切らずに燃焼中の油滴が管巣に入り、急冷されて未燃を生じたり、水管を焼損したりする。従って、この粗粒を小さな燃焼室で完全に燃焼させることが必要である。
「衝突噴流型噴霧器の微粒化特性」日本エネルギー学会誌、第７８巻、第４号、１９９９年、ｐ．２７５〜２７９

油焚きボイラで燃焼室をなくすためには噴霧粒径を非常に小さくし燃焼させることが必要である。また、噴霧によって生じる粗粒を水管群内に入る前に完全に燃焼させることが必要である。衝突噴霧は上述のように粒径が非常に小さいので、油焚き管巣燃焼に利用できる可能性があるが、粗粒も含まれるのでその短炎燃焼が必要である。

予混合室で衝突噴霧を行い、ここで予混合気を造り、これを燃焼室に噴出させ燃焼させる予混合バーナでは噴霧量の約３０％が予混合室壁に付着する。これには上述の粗粒も含まれるので、そのまま燃焼室に吹き込んでも短炎燃焼は行わない。

燃焼室で衝突噴霧を行い、これに燃焼用空気を供給する拡散炎バーナでも上述の粗粒の燃焼が問題で、粗粒の短炎燃焼化が必要である。

短円筒形燃焼室の前面と側面を耐火材で造り、予混合燃焼では予混合気に強力な旋回を、拡散燃焼では衝突噴霧に強い旋回を加えた燃焼用空気を与えると、噴霧の粗粒は燃焼室の前面と側面の両面に付着し、これに沿って流れ、面上で燃焼する。旋回が強いと殆ど静止している粗粒を燃焼用空気が擦過するので、激しい燃焼が起こる。従って粗粒は短炎で燃える。

ＮＯｘについて言えば、噴霧の細粒はかなりの部分が管群の中で冷やされながら低温で燃焼するのでＮＯｘは低くなる。しかし粗粒は冷却されないから高温燃焼となりＮＯｘは高くなる。これを避けるため、燃焼用空気を２段階に分割して供給し、所謂２段燃焼を行うことによりＮＯｘの発生を抑制する。

ガス焚き管巣燃焼ボイラでは燃焼室はなく、燃焼は管巣内で行われる。油焚きボイラでもこの型式を採りたいが、油燃焼では噴霧過程があるためその空間が必要で、粒径の非常に小さい衝突噴霧でも３０μｍ程度の粗粒が存在するのでこれを燃焼させる空間が必要である。

予混合燃焼の場合には、細粒はガス焚き管巣燃焼とほぼ同様な燃焼状態になるが、粗粒の燃焼には燃焼空間が必要である。予混合燃焼の場合には予混合気に強力な旋回を与えて、拡散燃焼の場合には燃焼用空気に強力な旋回を与えて、粗粒を燃焼室の前面と側面に付着させて短炎で燃焼させることにより燃焼室を極端に短くできる。これにより疑似管巣燃焼ボイラが得られる。

予混合室では噴霧の約３０％が壁に付着し、これにより粒径も増大するので、この粗粒を微細化することが必要である。予混合室の他端に設けた中実円錐形ブラフボディの外側において予混合気を高速で噴出させると粗粒は微粒化する。

粗粒は高温燃焼となるので、ＮＯｘは高くなるが、燃焼用空気を２段階に分割して供給し、２段燃焼を行うことにより抑制する。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例で説明する。

図１は本発明の予混合燃焼の場合の一実施例である。予混合燃焼の場合には、図１に示すごとく、衝突噴霧を円筒形予混合室で行い、燃焼用空気を旋回させながら供給して予混合気を造り、これを予混合室の他端に設けた中実円錐形ブラフボディの外側から強力に旋回させつつ高速で予混合室に続く短円筒形燃焼室に噴き出す。細粒は短炎で燃え、一部は管巣内で燃える。粗粒は微細化し、一部は燃焼室の中央で短炎で燃え、その残りは管巣内で燃え、一部は粗粒とともに燃焼室の前面と側面に付着して短炎燃焼する。これにより燃焼室の長さは極端に小さくなり、疑似管巣燃焼が得られる。

このように、予混合気の粗粒はブラフボディの外側を通る際に高速噴流のため再微粒化されるので、粗粒は減少し、次に述べる拡散燃焼の場合より燃焼室は小さくてすむ。

図２は本発明の拡散燃焼の場合の一実施例である。拡散燃焼の場合には、図２に示すごとく、衝突噴霧を中空円錐形ブラフボディの内で行い、燃焼用空気に強力な旋回を与えて短円筒形燃焼室に噴き出す。噴霧の細粒は短炎で燃え、一部は管巣内で燃える。粗粒は燃焼室の前面と側面に付着して短炎燃焼する。これにより燃焼室の長さは極端に小さくなり、疑似管巣燃焼が得られる。

図３は本発明の予混合燃焼で、低ＮＯｘ燃焼を図るために２段燃焼を行う場合の一実施例である。理論燃焼空気量の７０〜８０％程度の空気を予混合室に供給し、残りの燃焼用空気を燃焼室の前面に設けた空気噴孔から供給する。これにより２段燃焼が行われるが、噴霧粗粒にも細粒にも２段燃焼用空気が有効適切に供給され、ＮＯｘの発生が抑制される。

図４は本発明の拡散燃焼で、低ＮＯｘ燃焼を図るために２段燃焼を行う場合の一実施例である。理論燃焼空気量の７０〜８０％程度の空気をブラフボディ付近から供給し、残りの燃焼用空気を燃焼室の前面に設けた空気噴孔から供給する。これにより２段燃焼が行われるが、噴霧粗粒にも細粒にも２段燃焼用空気が有効適切に供給され、ＮＯｘの発生が抑制される。

ガス焚き管巣燃焼ボイラは大きな空間を占める燃焼室がないため、小型・軽量かつ保守の容易なボイラである。油焚きボイラでこの燃焼方式を採用するには噴霧粒径の極端に小さい衝突噴霧を用いる。衝突噴霧は得られる粒径がＳＭＤ＝５〜１０μｍと非常に小さいが、３０μｍ程度の粗粒を含むためその燃焼を小さな空間で行う必要がある。

本発明は微細な噴霧による燃焼室の縮小と粗粒の燃焼室壁面での短炎燃焼を図ったもので、予混合燃焼の場合には衝突噴霧を予混合室で行い、予混合気を予混合室から燃焼室に高速で噴出させて再微粒化を図り、強力な旋回を与えて短円筒形燃焼室に噴き出し、粗粒を遠心力により分離し、燃焼室の前面と側面に付着させて短炎燃焼を行わせることによって、この目的を達成する。拡散燃焼の場合には衝突噴霧をブラフボディの底面で行い、燃焼用空気に強力な旋回を与えて短円筒形燃焼室に噴き出し、粗粒を遠心力により分離し、燃焼室の前面と側面に付着させて短炎燃焼を行わせることによって、この目的を達成する。

これにより噴霧の細粒は燃焼室の中央で短炎で燃え、一部は管巣内で燃える。粗粒は燃焼室の前面と側面に付着して短炎燃焼するので、燃焼室の長さは極端に小さくなり、疑似管巣燃焼が得られる。

噴霧の細粒はかなりの部分が管群の中で冷やされながら低温で燃焼するのでＮＯｘは低くなる。しかし粗粒は冷却されないから高温燃焼となりＮＯｘは高くなる。これを避けるため、燃焼用空気を分割して供給し、２段燃焼を行うことによりＮＯｘの発生を抑制する。

予混合燃焼の場合の油焚き管巣燃焼ボイラの一実施例である。 拡散燃焼の場合の油焚き管巣燃焼ボイラの一実施例である。 予混合燃焼で２段燃焼を行う場合の油焚き管巣燃焼ボイラの一実施例である。 拡散燃焼で２段燃焼を行う場合の油焚き管巣燃焼ボイラの一実施例である。

Claims (3)

1. 円筒形の予混合室の一端に衝突噴霧器を設けて油を衝突噴霧させ、これに燃焼用空気を旋回させつつ供給して予混合気を造り、これを予混合室の他端に設けた中実円錐形ブラフボディの外側から予混合室に続く短円筒形燃焼室へ強力に旋回させつつ供給して燃焼させ、噴霧の細粒を燃焼室の中央で、粗粒を燃焼室の前面と側面に沿って流し燃焼させることを特徴とする油焚き管巣燃焼ボイラ。
2. 短円筒形燃焼室の一端に中空円錐形ブラフボディを設け、その中に衝突噴霧器を設けて油を衝突噴霧させ、円錐の外側から燃焼用空気を強力に旋回させつつ供給してこの噴霧気を燃焼させ、噴霧の細粒を燃焼室の中央で、粗粒を燃焼室の前面と側面に沿って流し燃焼させることを特徴とする油焚き管巣燃焼ボイラ。
3. 請求項１または請求項２のボイラにおいて、理論燃焼空気量の７０〜８０％程度の空気をバーナに供給して１次燃焼させ、残りの燃焼用空気を燃焼室の前面、または前面および側面から供給して２次燃焼させることによりＮＯｘの発生を抑制することを特徴とする油焚き管巣燃焼ボイラ。