JPH05296411A

JPH05296411A - 窒素酸化物低減バーナ

Info

Publication number: JPH05296411A
Application number: JP10301892A
Authority: JP
Inventors: Koichi Matsui; 孝一松井
Original assignee: Takuma Co Ltd
Current assignee: Takuma Co Ltd
Priority date: 1992-04-22
Filing date: 1992-04-22
Publication date: 1993-11-09
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JP2759306B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ＮＯｘ，煤塵，ＣＯの発生を効果的に抑制で
きるようにする。【構成】バーナスロート４から燃焼室２内に理論燃焼
空気量より少ない一次空気１２を旋回流をなして供給
し、バーナスロート４の側方に設けた複数の空気噴出ノ
ズル１６から燃焼室２内に一次空気１２量より多い二次
空気１８を供給する。空気噴出ノズル１６は、バーナス
ロート４の周辺環状領域に、二次空気１８を一次空気１
２による一次燃焼部１４の下流側中心に向けて噴出させ
るべく且つ空気噴出ノズル１６からの噴出空気流１８´
がその上流側においては相互に干渉しないように、燃焼
室２の軸線に対して１０°〜３０°に傾斜された状態で
所定間隔を隔てて配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として比較的小型の
ボイラにおいて好適に使用される窒素酸化物低減バーナ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のバーナにおいては、窒素酸化物
（ＮＯｘ）の低減対策として、排ガス循環燃焼，水添燃
焼，水蒸気噴射燃焼等の方式が採用されている。

【０００３】すなわち、排ガス循環燃焼方式は、排ガス
の一部をバーナ部に再循環して酸素分圧を下げることに
よって低ＮＯｘ化を図るものであり、また水添燃焼，水
蒸気噴射燃焼方式は、燃焼室に水，水蒸気を吹き込んで
火炎温度を下げることによって低ＮＯｘ化を図るもので
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、排ガス循環燃
焼方式では、燃焼用送風機により排ガスを強制循環させ
る場合、火炎の不安定や燃焼用空気系の汚れ等を避ける
ために、排ガス再循環量を或る程度以上増大させること
ができず、充分な低ＮＯｘ化を図り得ない。また排ガス
を自己循環させる場合、低負荷条件下では排ガスの再循
環率が低下するために、効果的な低ＮＯｘ化を図り得な
い。さらに、何れの場合にも送風機能力を必要以上に高
くしておく必要があり、コスト面での問題もある。

【０００５】また、水添燃焼，水蒸気噴射燃焼方式で
は、方式では、水の吹き込みにより缶体腐食が生じる虞
れがあり、ボイラ効率も低下する。さらに、ポンプ等の
水吹き込み装置が別途必要となり、コスト面でも問題が
ある。一方、水蒸気噴射燃焼方式では、ボイラの発生蒸
気を利用すると、ボイラ効率が低下し、ボイラの発生蒸
気を利用しない場合或いは利用できない場合には、蒸気
発生装置等が別途必要となり、大幅なコストアップとな
る。

【０００６】本発明は、かかるボイラ機能上，コスト上
での問題を生じることなく、ＮＯｘの発生を大幅に低減
することができ、しかも煤塵，ＣＯの発生も効果的に抑
制しうる極めて実用的なバーナを提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明の窒素酸化物低減バーナは、バーナスロートから燃焼
室内に理論燃焼空気量より少ない一次空気を旋回流をな
して供給する一次燃焼用空気供給機構と、バーナスロー
トの側方に設けた複数の空気噴出ノズルから燃焼室内に
一次空気量より多い二次空気を供給する二次燃焼用空気
供給機構とを具備するものであり、特に、空気噴出ノズ
ルを、バーナスロートの周辺環状領域に、二次空気を一
次空気による一次燃焼部の下流側中心に向けて噴出させ
るべく且つ空気噴出ノズルからの噴出空気流がその上流
側においては相互に干渉しないように、燃焼室の軸線に
対して傾斜された状態で所定間隔を隔てて配置しておく
ことを提案するものである。

【０００８】

【作用】一次空気，二次空気の供給により二段燃焼が行
われ、酸化炎と還元炎との混合，拡散作用により、ＮＯ
ｘ，ＣＯ，煤塵の発生が効果的に抑制されることにな
る。かかる抑制効果は、特に、空気噴出ノズルを上記し
た傾斜状態で環状領域上に並列配置しておくことによっ
て奏せられるものである。すなわち、このように配置し
て、二次空気の噴出空気流が拡散することなく干渉しな
い上流側領域において、図３に示す如く、還元炎の周囲
に噴出空気流による酸化炎が部分的に食い込んで両炎の
境界面積が大きくなるようにしておくことによって、Ｎ
Ｏｘ等の効果的な抑制が達成されるのであり、図１０に
示す如く両炎の境界領域が小さい場合にはＮＯｘ等の抑
制は不充分となる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の構成を図１及び図２に示す実
施例に基づいて具体的に説明する。

【００１０】この実施例は、螺旋状水管壁で囲繞形成さ
れる燃焼室を有する貫流ボイラ（蒸気ボイラ等）であっ
て、特に、ＮＯｘ低減が困難とされる比較的小容量（油
量３０〜１５０Ｋｇ／ｈ）のボイラに装備されたバーナ
に、本発明を適用した例に係る。

【００１１】この実施例のバーナ１は、図１に示す如
く、燃焼室２（径５６５ｍｍ，軸線方向長さ１１５０ｍ
ｍ）の端部炉壁２ａに装着されており、炉壁２ａの中心
部に設けたバーナスロート４（バーナスロートリング径
１０９ｍｍ）に燃料噴霧ノズル５及び点火電極６を設け
且つその近傍直下位に配してディフューザ（保炎板）７
（径１００ｍｍ）を設けると共に、次のような一次燃焼
用空気供給機構８及び二次燃焼用空気供給機構９を設け
てなる。

【００１２】すなわち、一次燃焼用空気供給機構８は、
図１及び図２に示す如く、炉壁２ａ上に、バーナスロー
ト４に連通する一次空気用ウインドボックス１０を配設
してなる。ウインドボックス１０内には旋回ベーン１１
…が設けられていて、一次空気１２を旋回させながらバ
ーナスロート４から燃焼室２内に供給しうるようになっ
ている。一次空気１２のスワール数Ｓはバーナスロート
４の径，旋回ベーン１１の形状等によって決定される
が、通常、旋回流のスワール数Ｓが０．３〜０．６とな
るように設計しておくことが好ましい。けだし、スワー
ル数Ｓが０．３未満であると、火炎が長大になって、燃
焼室２が大型化し、０．６を超えると、ノズル５からの
噴霧燃料（この実施例では灯油）が燃焼室２の周壁２ｂ
に衝突して、カーボン化する虞れがあるからである。な
お、スワール数とはＳ＝Ｇφ／（Ｇｘ／（ｄ／２））で
定義される旋回の度合をいう（Ｇφ：噴流内の角運動
量，Ｇｘ：噴流内の軸線方向運動量，ｄ：バーナスロー
トの直径）。また、ウインドボックス１０の入口部１０
ａには風量制御ダンパ１３が配設されていて、バーナス
ロート４からの一次空気供給量を理論燃焼空気量以下に
調整しうるようになっており、通常、理論燃焼空気量に
対して０．１〜０．６に設定される。

【００１３】かかる一次燃焼空気供給機構８によれば、
空気１２を理論燃焼空気量より少ない状態で燃焼室２に
供給させるから、点火電極６の放電により燃料噴霧ノズ
ル５からの噴霧油に着火させると、還元燃焼且つ気化燃
焼をなす一次燃焼部１４が形成されることになる。そし
て、この一次燃焼部１４においては、一次空気１２が旋
回流をなして供給されることから、ディフューザ５によ
る負圧部の形成と相俟って、生成した還元ガスたる燃焼
ガス１２´が再循環せしめられて、滞留時間の増大，噴
霧油の気化促進が図られ、安定した燃焼が継続されるこ
とになる。

【００１４】また、二次燃焼用空気供給機構９は、図１
及び図２に示す如く、炉壁２ａに、複数の空気噴出ノズ
ル１６…を設けると共に、前記ウインドボックス８を囲
繞して噴出ノズル１６…に連通する二次空気用ウインド
ボックス１７を設けてなり、二次空気１８を各ノズル１
６から燃焼室２内に噴出させるように構成されている。
ノズル１６…は、バーナスロート４の周囲環状領域に所
定間隔を隔てて並列配置されており、二次空気１８を一
次燃焼部１４の下流側中心に向けて噴出させるべく、燃
焼室２の軸線に対して所定角度θをなす傾斜姿勢とされ
ている。また、ウインドボックス１７の入口部１７ａに
は風量制御ダンパ１９が配設されていて、全ノズル１６
…からの二次空気噴出量を一次空気供給量に応じて調整
しうるようになっている。この二次空気噴出量は、一次
空気供給量より多く、所定の必要空気量から一次空気供
給量を差し引いた量に設定される（例えば、必要な燃焼
空気比を１．２として、一次空気比が０．３であるとき
は、二次空気比は０．９とされる）。なお、バーナ１は
３位置制御，オン・オフ制御，比例制御されるが、この
実施例では３位置制御されており、一次空気１２及び二
次空気１８の供給量（風量制御ダンパ１３，１９の開
度）がボイラ負荷に応じて自動的に制御されるようにな
っている。

【００１５】ところで、各ノズル１６からの噴出空気流
１８´は下流側に向かうに従って漸次拡散されていく
が、ノズル１６…の相互間隔，本数及び傾斜角度θは、
噴出空気流１８´…が上流側においては相互に干渉せ
ず、下流側において拡散，相互干渉して、一次燃焼ガス
１２´の再循環領域の下方に入り込む（以下「適正二次
空気供給形態」という）ように、一次燃焼ガス１４の再
循環力，燃焼室２の形状等に応じて適宜に設定される。
一般には、４，５本のノズル１６…を１０〜３０°の傾
斜姿勢で等間隔配置しておくのが好ましく、この実施例
では、４本のノズル（口径３５．６ｍｍ）１６…を２０
°の傾斜姿勢で等間隔配置してある。なお、二次空気１
２の噴出速度も、上記した適正二次空気供給形態を確保
するために必要な条件であり、一般には、当該ボイラに
おける最低の負荷条件下において１５ｍ／ｓ以上となる
ように設定しておくことが好ましく、この実施例では１
５ｍ／ｓとしてある。

【００１６】かかる二次燃焼用空気供給機構９によれ
ば、二次空気１８を上記した適正二次空気供給形態で吹
き込むから、一次燃焼ガス１２´の再循環領域の下流側
において拡散燃焼による二次燃焼部２０が形成され、燃
焼室２内での完全燃焼が達成されることになる。すなわ
ち、噴出空気流１８´…が下流側においては拡散混合し
て、均一な緩慢燃焼が行われ、噴出空気流１８´…の上
流側では空気が拡散しないで顕著な酸化燃焼が行われ
る。したがって、噴出空気流１８´…の拡散することな
く相互に干渉しない上流側部分においては、図３に示す
如く、還元炎（輝炎）２１の周囲に酸化炎（目視透明）
２２が部分的に食い込んだ炎形態（以下「適正炎形態」
という）を呈するのであり、ノズル１６…直下の環状領
域において還元炎２１と酸化炎２２とが明瞭に区別され
て混在し、両炎２１，２２の境界面積が大きくなってい
る。

【００１７】したがって、以上のような一次空気１２及
び二次空気１８の供給により、上流側においては還元炎
２１と酸化炎２２とが明瞭に区別されて混在し、下流側
に至るに従って両炎２１，２２が徐々に拡散，混合して
いく状態で二段燃焼されることから、ＮＯｘ低減が困難
とされる高負荷燃焼で比較的小容量型の油焚きボイラに
おいても、ＮＯｘを大幅に低減することができ、ＣＯ，
煤塵の発生も良好に抑制することができる。

【００１８】上記実施例の構成のものにおいて、負荷１
００％，５０％の条件下で燃焼実験を行ったところ、上
記適正炎形態（図３）が確認され、図４〜図６に示す如
く、ＮＯｘ発生量（ｐｐｍ（Ｏ₂＝０％換算、以下にお
いて同じ）），ＣＯ発生量（ｐｐｍ），スモールスケー
ルＮｏ．（煤塵発生度の主たる指標）についてはこれら
が著しく低減されることが確認された。なお、図４〜図
６において、実線は１００％負荷の場合を示し、鎖線は
５０％負荷の場合を示す。このような灯油を燃料とした
燃焼実験の結果からも明らかなように、本発明に係るバ
ーナ１によれば、都道府県自治体のうち最も厳しい東京
都の規制（油焚きでＮＯｘ＜８０ｐｐｍ，ガス焚きでＮ
Ｏｘ＜６０ｐｐｍ）をも充分クリアすることができ、し
かも、将来、油焚きについてもガス焚き並みの規制が行
われるような場合にも、これに充分対処することができ
る。

【００１９】また、比較例として、空気噴出ノズル１６
…の数を上記実施例の２倍の８本に増やして、同一条件
で実験してみたところ、図１１〜図１３に示す如く、Ｎ
Ｏｘ，ＣＯ，煤塵の低減率が大幅に低下した。この実験
においては、ノズル数が２倍となったため、上流側にお
いても噴出空気流１８´…が相互に干渉して、図１０に
示す如く、空気流１８´…による酸化炎２２が還元炎２
１を囲繞する環状形状に形成されることになり、図３の
場合に比して環状炎２１と酸化炎２２との境界面積が大
幅に小さくなった。なお、図１１〜図１３において、実
線は１００％負荷の場合を示し、鎖線は５０％負荷の場
合を示す。

【００２０】また、他の比較例として、ノズル傾斜角度
θを０°とした場合においても実験したが、適正炎形態
が得られず、ＮＯｘ等の低減率は上記比較例における場
合より更に低下した。さらに、混合不良により、スモー
ルスケールＮｏ．も高く、ＣＯ発生量も増加した。

【００２１】かかる比較実験の結果から、ＮＯｘ等の低
減効果は、特に、二次空気１８を前記した適正二次空気
供給形態で吹き込み且つ上記した適正炎形態が得られる
ことによって達成されるものと推測される。したがっ
て、空気噴出ノズル１６…の数及び傾斜角度θ等は、燃
焼条件等に応じて、適正二次空気供給形態及び適正炎形
態が得られるように設定しておくことが必要である。

【００２２】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲におい
て適宜に改良・変更することができる。

【００２３】例えば、図７に示す如く、ディフューザ７
に代えてコーン２３を設け、一次空気１２をコーン２３
の内外に分流１２ａ，１２ｂしてバーナスロート４から
燃焼室２に供給させるようにしてもよい。この場合、コ
ーン２３の内側を通過する分流空気１２ａにも旋回ベー
ン１１ａにより旋回を与えるようにする。この分流空気
量１２ａは、通常、一次空気１２の全供給量の１／３程
度となるように設定される。また、図８に示す如く、上
部炉壁２ａのキャスタ部をフラットとせず、凹部２ｃと
してもよい。さらに、本発明は燃焼室２が横向き，倒立
状態となるボイラにも適用できることはいうまでもな
い。

【００２４】また、空気噴出ノズル１６…の数、傾斜角
度θ、相互間隔、ノズル口径は、前記した適正二次空気
供給形態及び適正炎形態が得られる範囲内において、燃
焼条件，燃焼室形状等に応じて適宜に変更することがで
きる。例えば、燃焼室２の径が大きい場合、前記した如
くＮＯｘ低減率が低いとされた８本でもよい場合がある
と思われる。ただ、本発明が特に対象とする小型ボイラ
にあっては、一般に、４，５本程度が最適であろう。ま
た、ノズル１６…の傾斜角度θ，相互間隔，ノズル口径
は同一でなくともよい。例えば、図９に示す如く、上下
ヘッダ間を環状に並列する水管２４ａ…，２５ａ…から
なる水管壁２４，２５で連結し、内側水管壁２４の水管
間に形成された燃焼ガス出口２６…から水管壁２４，２
５間に形成される燃焼ガス通路２７へと燃焼ガスを排出
するように構成された多管式の貫流ボイラにあっては、
未燃焼ガスが燃焼ガス出口２６から燃焼ガス通路２７へ
と侵入して、煤を発生し易いが、かかる場合にあって
は、出口２６直上位のノズル１６´の口径を他のノズル
１６…よりも大きくして、その噴出量を多くしておくこ
とによって、未燃ガスの通路２７への侵入を阻止するこ
とができる。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明によれば、ＮＯｘ，ＣＯ，煤塵の発生を大幅に抑制す
ることができ、近時の低ＮＯｘ燃焼の要請を充分満足さ
せることができる。特に、高負荷燃焼の小容量ボイラに
おいても、油焚きであると否とに拘わらず、現在最も厳
しい東京都のガス焚き規制枠内に収めることが可能とな
り、将来、益々規制が厳格になるであろう低ＮＯｘ燃焼
化の要請に充分応えることができる。しかも、必要以上
の高能力送風機や水，蒸気の吹き込み装置等を必要せ
ず、ボイラの大幅なコンパクト化を図ることができ、コ
スト的にも極めて有利となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るバーナの一実施例を示す縦断側面
図である。

【図２】図１のII−II線に沿う横断平面図である。

【図３】図１のIII−III線に沿う横断平面図である。

【図４】ＮＯｘ発生量についての測定結果を示すグラフ
である。

【図５】ＣＯ発生量についての測定結果を示すグラフで
ある。

【図６】スモールスケールＮＯ．についての測定結果を
示すグラフである。

【図７】他の実施例を示す縦断側面図である。

【図８】更に他の実施例を示す縦断側面図である。

【図９】更に他の実施例を示す横断平面図である。

【図１０】比較例における図３相当の横断平面図であ
る。

【図１１】比較例におけるＮＯｘ発生量についての測定
結果を示すグラフである。

【図１２】比較例におけるＣＯ発生量についての測定結
果を示すグラフである。

【図１３】比較例におけるスモールスケールＮＯ．につ
いての測定結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１…バーナ、２…燃焼室、４…バーナスロート、９…一
次燃焼用空気供給機構、１０…二次燃焼用空気供給機
構、１０，１７…ウインドボックス、１１，１１ａ…旋
回ベーン、１２，１２ａ，１２ｂ…一次空気、１２´…
再循環燃焼ガス、１４…一次燃焼部、１６，１６´…空
気噴出ノズル、１８…二次空気、１８´…噴出空気流、
２０…二次燃焼部、２１…還元炎、２２…酸化炎。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バーナスロートから燃焼室内に理論燃焼
空気量より少ない一次空気を旋回流をなして供給する一
次燃焼用空気供給機構と、バーナスロートの側方に設け
た複数の空気噴出ノズルから燃焼室内に一次空気量より
多い二次空気を供給する二次燃焼用空気供給機構とを具
備し、空気噴出ノズルは、バーナスロートの周辺環状領
域に、二次空気を一次空気による一次燃焼部の下流側中
心に向けて噴出させるべく且つ空気噴出ノズルからの噴
出空気流がその上流側においては相互に干渉しないよう
に、燃焼室の軸線に対して傾斜された状態で所定間隔を
隔てて配置されているものであることを特徴とする窒素
酸化物低減バーナ。