JPH043802A - 低ＮＯ↓ｘボイラ用バーナ並びに低ＮＯ↓ｘボイラ及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、低Ｎ　Ｏｘボイラ用バーナ並びに低ＮＯｘボ
イラ及びボイラの運転方法に関する。

〔従来の技術〕

光化学スモッグの原因となるＮ０ｘ（窒素酸化物）に対
する排出規制は年々厳しくなっており、ＮＯｘ排出量を
低減するための技術開発が盛んに行われている。また、
燃焼時に発生する公害成分含有量の少ないボイラ用燃料
として液化天然ガス（ＬＮＧ）などがあり、これらの燃
料使用量は増加する傾向にある。このような窒素含有量
の少ない気体燃料が燃焼する際、発生するＮＯｘは、燃
焼用空気中の窒素が高温雰囲気内で酸化されて生成され
るサーマルＮ　Ｏｘである。サーマルＮ　Ｏｘの生成は
温度依存性が高く、火炎温度が高くなるにつれて増加す
る。火炎温度は、燃料と燃焼用空気との混合比いわゆる
空気過剰率によって異なり、燃料を完全燃焼させるのに
過不足のない空気量（理論空気量）で燃焼させる時に火
炎温度は最も高くなる。

通常の燃焼装置においては、拡散燃焼がよく使用される
。この燃焼法は、燃料と燃焼用空気とを別々のノズルよ
り燃焼室内に投入し、燃焼室内で両者を混合することに
より火炎を形成する方法であり、火炎の安定性に優れる
のが特徴である。しかしながらこの燃焼法では、燃料−
空気の混合過程において、空気過剰率が１に近くなる領
域が必ず存在し、この領域で火炎温度は高くなり、ＮＯ
ｘの発生が多くなる。

火炎温度の低減によりＮＯｘの発生量を低減する目的で
、希薄燃焼、二段燃焼、排ガス再循環法等の燃焼法が既
に開発され、多くの燃焼装置に採用されている。二段燃
焼及び排ガス再循環法は、Ｎ　Ｏｘ低減の効果において
は優れるが、未燃分が放出され易い。これを防ぐには燃
焼装置を大きくする必要があり、経済的には不利な燃焼
法である。

また、希薄燃焼法は空気過剰率を高くして燃焼する方法
である。この燃焼法では過剰空気が増えるため、ボイラ
から燃焼ガスにより糸外へ排出される熱が増加し、ボイ
ラの熱効率が低下する。

予混合火炎を採用した燃焼装置の一例として、空気不足
の拡散火炎と空気過剰の予混合火炎を組合せて燃焼する
方法（特開昭５２−２８２５１号公報、特開昭５７−１
３６０１１号公報、特開昭５８−１０４４１４号公報）
がある。この燃焼法はＮ　Ｏｘ低減効果は大きいが、空
気比１以下の拡散火炎は長炎化し、燃焼装置が大きくな
る。また、空気不足の火炎から排出された可燃性気体を
燃焼するのに、空気過剰で燃焼した燃焼ガス中の酸素を
使用するには、両者の混合に要する時間だけ燃焼装置は
大きくなる。更に他の従来技術として米国特許第４，１
５０，５３９号明細書及び米国特許第３，９６１，４７
５号明細書が挙げられるが、混合気噴流の外周からの燃
焼ガスの導入が困難な構造であり、高負荷でしかも低Ｎ
　Ｏｘを図るには不充分であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の火炎温度の低減を目的に開発された燃焼法は、燃
焼装置が大きくなり経済性が悪くなる。

またこれを補うために短炎の予混合火炎を採用する場合
でも、空気過剰率の高い条件下で燃焼するとボイラ効率
低下の一因となる。

本発明の目的は、高負荷であっても燃焼装置を大型化せ
ずに、更にはより小型化した燃焼装置でもＮＯｘを低減
できる低Ｎ　Ｏｘボイラ用バーナ並びに低ＮＯｘボイラ
及びその運転方法を提供することにある。すなわち、空
気過剰率が１．０付近で燃焼しても予混合火炎から発生
するＮ　Ｏｘを低減できるようにするのが目的である。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明に係る低ＮＯｘボイラ
用バーナは、燃料と空気とをそれぞれ異なるノズルから
噴出する拡散火炎用バーナと、該拡散火炎用のバーナの
周囲に設けられ燃料と空気とを混合した混合気を噴出す
る予混合火炎用バーナと、この予混合火炎用バーナの噴
出口の下流位置に設けられ噴出ガスが衝突して循環流を
形成する保炎器と、を備えたものである。

また、本発明に係る低ＮＯｘボイラ用バーナは燃料と空
気とをそれぞれ異なるノズルから噴出する拡散火炎用バ
ーナと、該拡散火炎用バーナの周囲に複数個設けられ燃
料と空気とを混合した混合気を噴出する予混合火炎用バ
ーナと、この各々の予混合火炎用バーナの噴出口内に設
けられ前記混合気の中心部に火炎が形成され前記混合気
に循環流を形成させる保炎器を有するバーナと、を備え
たものである。

上記低ＮＯｘボイラ用バーナにおいて、予混合火炎用バ
ーナは円環状断面を有する流路を複数個に分割してノズ
ルを形成し、このノズル噴出口上流に燃料と燃焼用空気
を混合する混合手段を備えたものがよい。また、上記バ
ーナにおいて、予混合火炎用バーナはその噴出口上流に
燃料と燃焼用空気を混合する混合手段が設けられている
のがよい。ここで、予混合火炎用バーナの複数個の噴出
口は円筒形状又は角筒形状であるものが挙げられる。ま
た、混合手段とノズル噴出口との間に混合気の整流手段
が設けられているものがよい。また、保炎器は混合気の
ノズル噴射口の形状と略相似形であり且つノズル噴出口
の断面積より小さな面積のものであるのがよい。

本発明に係る低Ｎ　Ｏｘボイラは、ボイラ本体と、この
ボイラ本体に設けられた燃焼装置と、ボイラ本体の燃焼
室内に配設された伝熱管群と、を備えた低ＮＯｘボイラ
において、前記燃焼装置は前記いずれかの低Ｎ　Ｏｘボ
イラ用バーナで構成されているものである。ここで、予
混合火炎用バーナより噴出される混合気噴流の径より燃
焼室空間が大きく形成されているものがよい。また、燃
焼炉の熱負荷は２００万Ｋｃａ　Ｑ　／　ｒｎ’　ｈ以
上であるものがよい。

本発明に係る低Ｎ　Ｏｘボイラの運転方法は、ボイラ起
動時は拡散火炎用バーナによる拡散火炎を形成し、ボイ
ラ負荷の上昇と共に予混合火炎用バーナから混合気を噴
出し、予混合火炎が安定に形成された状態で前記拡散火
炎の形成を停止させるものである。ここで、予混合火炎
用バーナは複数個のノズルを備えるものであり、ボイラ
負荷の上昇と共に予混合火炎用バーナの各ノズルから順
次混合気が噴出され、負荷に応じて混合気を噴出するノ
ズルの数を変えるものがよい。

〔作用〕

ボイラ効率を向上させるには、理論空気量に近い空気量
で燃焼し、ボイラ系外へ排出される熱量を低減するのと
同時に、燃焼室を小さくして放散熱を少なくするのが重
要である。これには、先ず燃焼室を小さくするのに火炎
の長さを短縮できる予混合火炎を採用する。予混合火炎
でＮＯｘを低減するには従来過剰空気で燃焼するのが主
流の技術であるが、発明者らは、鋭意検討の結果、燃料
−空気の混合気噴流の中心に高温の燃焼ガスを導入し、
また混合気が燃焼する前に、燃焼ガスの１部が混合気に
混合すればＮＯｘを低減できることを確認した。噴流の
中心部に導入された燃焼ガスは、ここからの熱の移動に
より混合気を着火し、火炎を安定化する。また、このよ
うな着火法により火炎は噴流中心部より噴流の外側に向
かって伝播する。更に、噴流の外周において保炎器によ
って燃焼ガスの一部が循環流となって混合気に混合する
ことにより、火炎の高温領域が縮小されサーマルＮ　Ｏ
ｘの発生が抑制される。

このような燃焼法を実現するだめの一部の手段が、保炎
器である。保炎器は、燃料と空気の混合気の主流方向に
平行とならないよう、直進流の混合気が衝突するように
設置され、保炎器の後流に高温の燃焼ガスの循環流を形
成する。他の手段は、予混合気を噴出するノズルの中心
部に更に別の即ち第３のバーナを設置し、この第３のバ
ーナで形成される火炎からの燃焼ガスが混合気の中心部
に流れるように、該第３のバーナを配置する手法である
。このとき中心部に配置される第３のバーナは火炎安定
性に優れるものが良く、保炎器を設置した予混合燃焼バ
ーナあるいは拡散燃焼用バーナ等が良い。

混合気噴流の外周から燃焼ガスが混合するのを促進する
手段の−っは、混合気噴出ノズルの噴出口付近に燃焼ガ
スが循環できる燃焼器構造とする手法である。これは混
合気噴流の径よりも、混合気が噴出する空間を大きくす
ることにより達成される。

予混合火炎は一般に拡散火炎に比べて不安定であり、安
定燃焼の範囲が狭い。また負荷が頻繁に変わるボイラで
は、燃焼空気と燃料の供給量をできるだけ速く変化させ
る必要がある。このような時には、火炎が不安定になり
やすく、これを防ぐため、本発明では負荷の低いときに
拡散火炎を形成し、予混合火炎の安定化を図る燃焼方法
とした。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図を用いて説明する。

第１図及び第２図は、本発明に係る低Ｎ　Ｏｘボイラ用
バーナの構造を示す。このバーナは中心に設置された円
筒状の拡散火炎用バーナ１と、その外周に設置された円
環状の予混合火炎用バーナ２から構成されている。拡散
火炎用バーナ１では、中心に燃料ノズル３が設置され、
その外周に空気ノズル４が設置されている。空気ノズル
４には旋回流発生器５が設置され、燃焼用空気の旋回強
度が調整される。またバーナスロートには水管６が配置
され、バーナの焼損が防止される。

予混合火炎用バーナ２は、円環状の流路を４分割した４
つのノズル７Ａ、７Ｂ、７Ｃ，７Ｄから構成される。各
ノズル７Ａ〜７Ｄでは、噴出口上流に燃料と空気との混
合手段８、この混合手段８と噴出口の間に混合気の整流
手段９が設置されている。混合手段８は複数の噴出口を
有する燃料ノズル１０で構成され、燃料は分散して空気
供給管１１の空気流内に投入される。整流手段９はハニ
カム構造の抵抗体であり、均一な速度分布の流れを形成
する整流作用と同時に、ここでは流路断面積が縮小され
るため流速が高くなり、予混合火炎の逆火防止の作用も
有する。ノズル７Ａ〜７Ｄの各噴出口には混合気噴流の
主流方向に直角に板状の保炎器１２が設置されている。

保炎器１２の各辺の長さはノズル７Ａ〜７Ｄの噴出口の
対応する各辺の長さより小さく、略相似形状に形成され
ている。これは、例えば、保炎器１２の長手方向の長さ
がその噴出口より長い場合には、混合気噴流の一部が主
流直角方向に曲げられて噴出されるため、火炎の安定性
が悪くなるためである。同図において、１３は保炎器、
１４，１５は流量調整弁。

１６は空気供給管、１７は仕切板を示す。

ボイラ起動時には、中心に設置された拡散燃焼用バーナ
ｌが使用され、ボイラ負荷の上昇と共に予混合火炎用バ
ーナ２から燃料−空気の混合気が噴出される。予混合火
炎用バーナ２の使用法として、本実施例の場合、４つの
ノズル７Ａ〜７Ｄのいずれか一つから先ず混合気が噴出
され、負荷が上昇すると共に次々に各ノズル７Ａ〜７Ｄ
から混合気が噴出される。拡散火炎用バーナ１は予混合
火炎を安定化するのに利用され、予混合火炎が安定に形
成される条件下では拡散火炎用バーナ１から燃料、空気
を噴出するのが停止される。

第３図は第１図に示す低ＮＯｘボイラ用バーナ２ｏを設
置したボイラの一例である。このボイラは自然循環型水
管ボイラである。水ドラム１８に蓄えられた水は木管を
通して蒸気ドラム１９へ導かれる。蒸気ドラム１９では
気水分離器により水と蒸気が分離され、水は水ドラム１
８に戻される。

２１は高性能伝熱管群で、ボイラ本体２２の燃焼室２３
内に配設されている。後述の実施例において述べるよう
に、予混合気噴流はバーナ口径より口径の大きな領域に
噴出される方が良く、予混合火炎用バーナ１のノズル噴
出口が燃焼室の炉壁の面に一致するように設置される。

また、本発明の予混合燃焼法では、Ｎｏχ発生量は燃焼
負荷に依らず、更に火炎を短くできるため、燃焼炉の熱
負荷は２００万Ｋｃａｌ／ｍ’ｈ以上にとられる。火炎
の長さは通常５０ａｎであり、燃焼炉の奥行き方向の長
さは１ｍあれば十分である。このボイラの特徴は、ボイ
ラ容量を増加する際、水ドラム１８と蒸気ドラム１９の
長さ方向にボイラを伸ばし、伝熱面積を増加すれば良い
ことにある。これは、本発明のバーナを使用すれば、バ
ーナ容量を増加しても火炎の長さがほとんど変化しない
ことにより可能になる。当然、予混合ノズルの数を増加
することにより容量の増加を図ることも可能である。

第５図はボイラ負荷と各ノズルから供給する燃料供給率
の関係を示す。縦軸の燃料供給率は、各ノズルで使用さ
れる燃料と、ボイラ負荷が１００％の時にボイラで使用
される燃料との比を百分率で表わす。ボイラの負荷が２
０％までは拡散火炎用バーナ１だけを使用し、負荷が２
０％に達すると予混合火炎用バーナ２のノズル７Ａより
燃料と空気が投入される（第４図参照）。この時ノズル
内へ火炎がもどる、即ち逆火するのを防ぐには、予混合
気の噴出速度を２０ｍ／ｓ以上に保つのが安全である。

従ってノズル７Ａから噴出速度２０ｍ／ｓで空気比１．
１の予混合気を噴出するには、これに相当する燃料と空
気とを拡散火炎用バーナ１から減少し、この減少する燃
料と空気とをノズル７Ａから噴出することになる。次に
ボイラ負荷が３０％に達するまでノズル７Ａから噴出す
る燃料と空気とを増加し、３０％到達時に、ノズル７Ｂ
から空気比１．１の予混合気を噴出速度２０ｍ　／　ｓ
で噴出する。この時、ノズル７Ａからはノズル７Ｂから
噴出する予混合気に相当する量の予混合気を減少する。

負荷が５０％、７０％に達する時にこれと同様の操作を
繰り返し、ノズル７Ｃ。

ノズル７Ｄから予混合気を噴出する。負荷が９０％に達
する時に拡散火炎用バーナ１の使用を停止し、拡散火炎
用バーナ１から噴出していた燃料と空気に相当する予混
合気をノズル７Ａ、ノズル７Ｂから投入する。又、９０
％から１０％の負荷変化に対しては、ノズル７Ｃ，７Ｄ
から投入する予混合気の量を変化させることにより対応
する。

第６図は予混合気噴出口から下流に設置した保炎器１２
により安定化した予混合火炎の吹き消え限界を調べたも
のである。横軸は予混合気体の空気過剰率、縦軸は予混
合気噴出速度である。図中の白丸は予混合火炎が安定に
燃焼している時、黒丸は予混合火炎が不安定になり吹き
消えた時である。保炎器１２により安定化された予混合
火炎の安定な燃焼範囲は空気過剰率が大きくなるにつれ
て狭くなっていることがわかる。ボイラを運転する時に
予混合気の空気過剰率を１．０がら１．３の範囲に設定
すれば、予混合気噴出速度が５０ｍ／Ｓ程度では安定に
燃焼していることがわかる。この結果より第５図のボイ
ラ運転方法において、ノズル７Ａへの燃料供給率が２５
％の時の予混合気噴出速度を５０ｍ／ｓにすると、予混
合気の空気過剰率−完工で予混合気噴出速度を減少する
ことで、ボイラ負荷を低下させるとすると、ボイラ負荷
１０％時の予混合気噴出速度は２０　ｍ　／　ｓとなり
、予混合火炎を逆火させずに安定に燃焼させることがで
きる。

第７図は保炎器により安定化した予混合火炎のＮＯｘ低
減効果を調べたものである。横軸は予混合気の空気過剰
率、縦軸は燃焼器からの排出Ｎ○Ｘ濃度である。第８図
は基礎燃焼試験装置である。

この装置は本発明の保炎器により予混合火炎を安定化す
る技術であり、予混合器噴出口２４の下流に設置した保
炎器２５の外周端近辺には、予混合気体が矢印のように
渦を形成して、ここが着火点となる。着火後、予混合気
体の噴出量を増大させていくと、予混合火炎２７の内部
と外部に矢印で示すように高温燃焼生成物２６が循環す
るため、これより連続的に燃焼のためのエネルギーを予
混合気体へ供給でき、予混合火炎２７を安定して形成す
ることができる。第９図は比較例であり、パイロットフ
レームにより予混合火炎を安定化する技術である。予混
合気供給管２８に空気過剰率１゜０近辺の予混合気体を
供給し、円筒状の予混合噴出口２９の外周に設置された
円環状ノズルに、安定したパイロットフレーム３０を形
成する。予混合気噴出口２９からの予混合気体へは、パ
イロットフレーム３０からエネルギーが供給されて、予
混合火炎３１を形成する。前記第７図において以上の二
種類の予混合火炎からのＮ　Ｏｘ濃度を比較してみると
、空気過剰率１．０５において、パイロット保炎予混合
火炎３１からは約８０ｐｐｍのＮＯｘを排出しているの
に対し、保炎器保炎予混合火炎２７からは２５ｐｐｍの
ＮＯｘしか排出しない。

予混合気の空気過剰率が１．０から１．３の範囲におい
て、保炎器保炎予混合火炎２７からの排出Ｎ　Ｏｘ濃度
はパイロット保炎予混合火炎３１からのＮＯｘ濃度の約
１７３に低減できている。保炎器保炎予混合火炎２７で
Ｎ　Ｏｘが低減できるのは、第８図の矢印で示すような
炭酸ガスなどの燃焼生成物２６が火炎内部及び外部に循
環し、燃焼が進行している火炎帯内に流入して、サーマ
ルＮＯｘの発生量を左右する酸素分圧を下げるために、
発生するＮ　Ｏｘ濃度は低下したと考えられる。第７図
の白丸に添えた数字は燃焼負荷であり、単位は１０　’
　Ｋｃａｌ／　ｍ　ｈである。第７図から解るように燃
焼負荷が６６　Ｘ　Ｉ　Ｏ’Ｋｃａｌ／　ｒｎ’　ｈか
ら２６７×１０　’　Ｋｃａｌ／　ｒｎ’　ｈの間で変
化してもＮＯｘ濃度はほとんど変化しないことより、本
発明の予混合燃焼方式を採用すれば高負荷でかつ低ＮＯ
ｘのボイラが実現できることが解る。

第１０図は保炎器保炎予混合火炎から発生するＮＯｘ濃
度に対する燃焼器内径Ｄ３と予混合噴出口径Ｄ２の比の
影響を調べたものである。第１０図から解るように、Ｄ
３／Ｄ２が４より小さくなるとＮ　Ｏｘ濃度は増大して
いることがわかる。これは燃焼器内径Ｄ３が狭くなると
、火炎の外側の燃焼生成物の循環流が形成されにくくな
るので、火炎帯内の酸素分圧を低減する効果が薄れ、Ｎ
　Ｏｘ濃度は増大したと考えられる。この結果を基に、
前記第４図に示す低Ｎ　Ｏｘバーナの配置を考えると、
予混合気火炎用バーナ２のノズル噴出口の中心３２から
ノズルの外周３３までの距離はＤ２／２、予混合気噴出
口中心３２からボイラ壁面３４までの距離はＤ３／２で
あるので、Ｄ３／Ｄ２が４より大きくなるように設置す
れば、火炎外部の燃焼生成物の循環流の形成がボイラ壁
面により妨げられないようになり、低ＮＯｘ化を達成で
きる。

第１１図は第１図に示した低Ｎ　Ｏｘバーナの変形例で
ある。本発明では気体燃料と燃焼用空気の均一な予混合
気体を形成するのに、ベンチュリー３５を使用している
。バーナは中心に設置された着火用の円筒状の拡散火炎
用バーナ１と、その外周に設置された円環状の予混合火
炎用バーナ２から構成される。拡散火炎用バーナ１では
バーナ中心軸と同心軸上に燃料ノズル３が設置され、そ
の外周に空気ノズル１６が設置される。燃料ノズル３の
上端には保炎器１３が設置されており、これは拡散火炎
を保炎するためのものである。空気ノズル１６には旋回
流発生器５が設置され、燃焼用空気の旋回強度が調整さ
れる。この旋回流発生器５により燃料と空気の混合を促
進し、拡散火炎を短炎化する。予混合火炎用バーナ２は
、予混合気噴出口の上流に噴出口の開口と同心位置に、
一定間隔で複数の予混合燃焼ノズル１０を有し、ここよ
り噴出される気体燃料と空気供給管１１から供給される
燃焼用空気は、ベンチュリー３５を通過する過程で混合
されて均一な予混合気体を形成する。予混合気噴出口か
ら下流位置には板状の保炎器１２が設置されており、保
炎Ｗ１１２はその外周端近辺に予混合気体の循環流を形
成することにより予混合火炎の安定性を向上させ、更に
燃焼生成物を火炎内及び外に循環させることによりＮＯ
ｘを低減できる作用がある。気体燃料と空気の混合が進
行する予混合室は仕切り板によって複数個に分離されて
おり、ボイラ負荷に応じて各々の予混合室に燃料及び空
気を供給していく。

第１２図及び第１３図は複数個の円筒状の予混合器噴出
口を備えた低Ｎ　Ｏｘボイラ用バーナの構造を示す。バ
ーナは中心に設置された第１の着火用の円筒状の拡散火
炎用バーナ１と、それを囲むように設置された複数個の
予混合火炎用バーナ２から構成され、各々の予混合気噴
出口中心軸と同心軸上に第３のバーナとなる着火用の円
筒状の拡散火炎用バーナ３６を有する。第１の拡散火炎
用バーナ１ではバーナ中心軸と同心軸上に燃料ノズル３
が設置され、その外周に空気ノズル１６が設置される。

空気ノズル１６には旋回流発生器５が設置され、燃焼用
空気の旋回強度が調整される。

予混合火炎用バーナ２は、それぞれ予混合気噴出口３７
の上流に予混合燃焼用燃料ノズル１０を設置し、ここか
ら噴出する気体燃料と空気供給管１１から供給される燃
焼用空気は、ベンチュリー３５を通過する過程で均一な
予混合気体を形成する。

又、予混合気噴出口３７と同心軸上にはもう一つの拡散
火炎用バーナ３６が設置されており、バーナ中心軸と同
心軸上に燃料ノズル３８が設置され、その外周に空気ノ
ズル３９が設置される。空気ノズル３９には旋回流発生
器４ｏが設置され、第２の拡散火炎を短炎化する。予混
合気噴出口３７がら噴出する予混合気体に対し、中心の
拡散火炎用バーナ１の第１の拡散火炎からの大移りが困
難な時は、この拡散火炎用バーナ３６の第２の拡散火炎
を形成し、全ての予混合気体に着火する。前記の２種類
の拡散火炎はボイラ負荷変動時に、予混合気体に着火す
る時に使用する。空気ノズル３９の上端には保炎器４１
が設置されており、これは保炎器４１の外周端近辺に予
混合気体の循環流を形成することにより予混合火炎の安
定性を向上させ、更に燃焼生成物を火炎内及び外に循環
させることによりＮＯｘを低減できる作用がある。４２
は燃料供給管、４３は空気供給管、４４は燃料ノズル、
４５は空気ノズルを示す。

第１４図及び第１５図は複数個の円筒状の予混合気噴出
口を備えた低ＮＯｘボイラ用バーナの変形例を示す。バ
ーナは中心に設置された第１の着火用の円筒状の拡散火
炎用バーナ１と、それを囲むように設置された複数個の
予混合火炎用バーナ２から構成され、各々の予混合気噴
出口中心軸と同心軸上に第２の拡散火炎用バーナ３６を
有する。

第１の拡散火炎用バーナ１ではバーナ中心軸と同心軸上
に燃料ノズル４４が設置され、その外周に空気ノズル４
５が設置される。空気ノズル４５には旋回流発生器５が
設置され、燃焼用空気の旋回強度が調整される。予混合
火炎用バーナ２は、予混合気噴出口３７の上流に予混合
燃料用ノズル１０を設置し、ここから噴出する気体燃料
と空気供給管１１から供給される燃焼用空気は、旋回流
発生器４６の作用により均一な予混合気体を形成する。

この混合手段と予混合気噴出口３７の間には整流手段４
７が設置されており、これにより予混合気噴出口３７の
半径方向に予混合気体の均一な速度分布を形成できるよ
うにする。予混合気噴出ｏ３７と同心軸上には第２の拡
散火炎バーナ３６の燃料ノズル３８が設置されている。

予混合気噴出口３７から噴出する予混合気体に対し、第
１の拡散火炎用バーナ１からの大移りが困難な時は、拡
散火炎用バーナ３６により第２の拡散火炎を形成し、全
ての予混合気体に着火する。前記の２種類の拡散火炎は
ボイラ負荷変動時に、予混合気体に着火する時に使用す
る。予混合気噴出口３７から下流位置には保炎器４１が
設置されており、保炎器４１の外周端近辺に予混合気体
の循環流を形成することにより予混合火炎の安定性を向
上させ、更に燃焼生成物を火炎内及び外に循環させるこ
とによりＮＯｘを低減できる作用がある。

第１６図に気体燃料と空気との予混合気体を第１４図の
整流手段４７により整流した時の効果について述べる。

第１６図（ａ）は予混合気噴出口３７の出口を半径方向
にピトー管で圧力を測定した結果を示す圧力分布、第１
６図（ｂ）は予混合気噴出口半径方向の予混合気の速度
分布である。

４８．４９は整流手段を設置しない時の圧力、速度分布
、５０．５１は整流手段としてハニカムを設置した時の
圧力、速度分布である。第１６図（ａ）の曲線４８にお
いて整流手段４７を設置しない時は、旋回流発生器４６
の作用によりノズル中心から約２０ｓ＋ｉ＋の位置まで
負圧領域が形成されている。又、第１６図（ｂ）の曲線
４９において整流手段４７を設置しない時は、旋回流発
生器４６の作用により予混合気体は遠心力を受けて、噴
出口の外周付近に集まり、保炎器４１の上流側には予混
合気体は分布しない。この結果、予混合火炎は噴出口の
外周から保炎され、その結果生じる高温排ガスは噴出口
中心に広がる負圧領域に引きこまれるので、噴出口中心
付近では噴出口内から火炎が形成されるため、保炎器４
１は上流側から加熱されて劣化するという問題が生じる
。整流手段４７としてハニカムを設置した時は、第１６
図（、）の曲線５ｏに示すように負圧領域はほとんど形
成されておらず、又、第１６図（ｂ）の曲線５１に示す
ように保炎器４１の上流側には予混合気体が分布してお
り、この結果、第８図に示すような循環流が保炎器４１
の外周端近辺に形成され、ここより予混合火炎が保炎さ
れるようになる。

第１７図及び第１８図は複数個の角柱状の予混金気噴出
口を備えた高負荷低ＮＯｘコンパクトボイラ用バーナの
変形例を示す。バーナは中心に設置された円筒状の拡散
火炎用バーナ１と、それを囲むように設置された複数個
の角筒形状の予混合火炎用バーナ２から構成されている
。拡散火炎用バーナ１ではバーナ中心軸と同心軸上に燃
料ノズル４４が設置され、その外周に空気ノズル５２が
設置される。燃料ノズル４４の上端には保炎器１３が設
置されており、これは拡散火炎を保炎するためのもので
ある。空気ノズル５２に設置しである旋回流発生器５３
の作用により、燃料と空気の混合を促進し拡散火炎を短
炎化する。予混合火炎用バーナ２は、予混合気噴出口３
７の上流には複数の噴出口を有する燃料ノズル５４が設
置してあり、ここより噴出する気体燃料と空気供給管５
５から供給される空気とは予混合気噴出口３７から噴出
する前に均一に混合される。燃焼用空気量は空気ダンパ
５６により調整する。５７はフレームアレスターであり
、予混合火炎の逆火を防止する。予混合気噴出口３７の
下流には板状の保炎器１２が設置してあり、これにより
予混合火炎を安定化する。保炎器１２の面積は予混合気
噴出口より小さく設計する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、予混合気ノズル噴出口の下流に、噴出
される予混合気体の主流方向に平行にならないように設
置した板等の保炎器の作用により、予混合気の燃焼が噴
流の中心部より進行し易くすることで、予混合火炎の安
定性を向上することができ、かつ混合気の燃焼が始まる
前に、混合気噴流の外周において燃焼ガスの一部を混合
気に混入させることで、空気過剰率１．０近辺において
も予混合火炎からのＮＯｘを大幅に低減することができ
る。又、本発明の予混合燃焼方式では同じ空気過剰率下
での発生ＮＯｘは、燃焼負荷を増大させてもほとんど変
化しないため、高負荷でかつ低ＮＯｘのボイラが実現で
きる。又、予混合ノズルを複数個設置し、かつこれらに
保炎用の拡散燃焼バーナを近接して設置することにより
、ボイラ負荷を１０％から１００％まで安定して変化す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るバーナの正面図、第２図は第１図
の■−■線断面図、第３図は本発明に係るボイラの一部
切欠の概略斜視図、第４図はボイラとバーナの寸法関係
を説明するための正面図、第５図はボイラの運転方法を
説明するタイムチャート、第６図は予混合火炎の安定性
の説明図、第７図は予混合火炎からのＮＯｘ比較データ
の説明図、第８図は燃焼試験装置の概略図、第９図は比
較例の燃焼試験装置の概略図、第１０図は低ＮＯｘ化の
最適化実験の説明図、第１１図は他実施例の断面図、第
１２図は更に他実施例の正面図、第１３図は第１２図の
ｘｍ−ｘｍ線断面図、第１４図は更に他実施例の正面図
、第１５図は第１４図のｘｖ−ｘｖ線断面図、第１６図
は整流手段の効果の説明図、第１７図は更に他実施例の
正面図、第１８図は第１７図のｘｖｍ−ｘｖｍ線断面図
である。 １・・・拡散火炎用バーナ、２・・・予混合火炎用バー
す、 １２・・・保炎器、 ３６・・・拡散火炎用バーナ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料と空気とをそれぞれ異なるノズルから噴出する
   拡散火炎用バーナと、該拡散火炎用のバーナの周囲に設
   けられ燃料と空気とを混合した混合気を噴出する予混合
   火炎用バーナと、この予混合火炎用バーナの噴出口の下
   流位置に設けられ噴出ガスが衝突して循環流を形成する
   保炎器と、を備えた低ＮＯｘボイラ用バーナ。 ２、燃料と空気とをそれぞれ異なるノズルから噴出する
   拡散火炎用バーナと、該拡散火炎用バーナの周囲に設け
   られ燃料と空気とを混合した混合気を噴出する複数個の
   予混合火炎用バーナと、この複数個の予混合火炎用バー
   ナの夫々の噴出口内に設けられ前記混合気の中心部に火
   炎が形成され前記混合気に循環流を形成させる保炎器を
   有するバーナと、を備えた低ＮＯｘボイラ用バーナ。 ３、請求項１において、予混合火炎用バーナは円環状断
   面を有する流路を複数個に分割してノズルを形成し、こ
   のノズル噴出口上流に燃料と燃焼用空気を混合する混合
   手段を備えたものである低ＮＯｘボイラ用バーナ。 ４、請求項２において、予混合火炎用バーナはその噴出
   口上流に燃料と燃焼用空気を混合する混合手段が設けら
   れている低ＮＯｘボイラ用バーナ。 ５、請求項２又は４において、予混合火炎用バーナの複
   数個の噴出口は円筒形状又は角筒形状である低ＮＯｘボ
   イラ用バーナ。 ６、請求項３又は４において、混合手段とノズル噴出口
   との間に混合気の整流手段が設けられている低ＮＯｘボ
   イラ用バーナ。 ７、請求項１〜６のいずれかにおいて、保炎器は混合気
   のノズル噴射口の形状と略相似形であり且つノズル噴出
   口の断面積より小さな面積のものである低ＮＯｘボイラ
   用バーナ。 ８、ボイラ本体と、このボイラ本体に設けられた燃焼装
   置と、ボイラ本体の燃焼室内に配設された伝熱管群と、
   を備えた低ＮＯｘボイラにおいて、前記燃焼装置は請求
   項１〜７のいずれかの低ＮＯｘボイラ用バーナであるこ
   とを特徴とする低ＮＯｘボイラ。 ９、請求項８において、予混合火炎用バーナより噴出さ
   れる混合気噴流の径より燃焼室空間が大きく形成されて
   いる低ＮＯｘボイラ。 １０、請求項８において、燃焼炉の熱負荷は２００万Ｋ
   ｃａｌ／ｍ＾３ｈ以上である低ＮＯｘボイラ。 １１、ボイラ起動時は拡散火炎用バーナによる拡散火炎
   を形成し、ボイラ負荷の上昇と共に予混合火炎用バーナ
   から混合気を噴出し、予混合火炎が安定に形成された状
   態で前記拡散火炎の形成を停止させることを特徴とする
   請求項８記載の低ＮＯｘボイラの運転方法。 １２、請求項１１において、予混合火炎用バーナは複数
   個のノズルを備えるものであり、ボイラ負荷の上昇と共
   に予混合火炎用バーナの各ノズルから順次混合気が噴出
   され、負荷に応じて混合気を噴出するノズルの数を変え
   ることを特徴とする請求項８記載の低ＮＯｘボイラの運
   転方法。