JPH07190367A - ガス燃焼用の燃料ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】環境問題解決の一環として、燃焼によって発生
する窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を低減する燃焼を実現す
る為には、火炎の安定化がどの程度まで出来るかによっ
て決定される。本発明は、この火炎の安定化を拡大して
究極的にＮＯｘの発生を最小限に抑制することが目的で
ある。 【構成】空気流に直交するように保炎リング（保炎プレ
ートも含む）を設け、その保炎リングの背面に保炎燃料
を流して火炎の安定性を拡大し、同時に保炎リングの温
度を低く抑えるようにしたものである。 【効果】本発明により、以下の効果が得られる。１．低
ＮＯｘ燃焼時の火炎安定性の確保。２．燃焼振動の完全
な防止。３．確実な燃焼による燃焼機器の信頼性の確
保。４．静かな燃焼による燃焼機器の長寿命化。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス燃料を燃焼させる
燃焼機器に関し、例えばガス燃焼ボイラ，ガスタービン
燃焼器，ガス燃焼炉，ガス燃焼器具等に利用される燃料
ノズルに関する。特に、燃焼器の安定燃焼領域を拡大
し、低ＮＯｘ燃焼時に発生しやすい燃焼振動を防止し、
静かで信頼性の高いガス燃焼器に利用するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガス燃料ノズルに関して、本発明に最も
近い技術について説明する。例えば、特開昭50−2221号
公報では、図８，図９，図１０に示されているように、
開口４４より噴射された保炎用燃料（図示では６噴口と
して示している。）は、開口部４７，４８より供給する
空気と混合した後、保炎板４６で安定燃焼が行われるよ
うに示されている。周知のように、ガス燃料と空気を予
め混合した後、燃焼させるものでは、空気との混合割合
によってその燃焼範囲が決定され、しかも燃焼が狭い欠
点を有し、又予混合が進めば逆火現象も発生するもので
ある。

【０００３】図８について説明すると、図は燃料ノズル
を正面より示したものであり、燃料ノズル４０の先端に
主ガス噴口４２が周方向に８分割され、半径方向に二重
として合計１６個設けられている。更にその外周には、
空気取入口Ａ４７が８個設けられている。その外側に保
炎リング４６が設けられている。図９は、図１０のＸ−
Ｘ断面を示すもので、燃料供給管４１の先端に、燃料ノ
ズル４０が設けてある。燃料ノズル４０は、先端部に主
ガス噴口４２が設けられている他、その上流に保炎用ガ
ス噴口４４が設けられている。そして、保炎用ガス噴口
４４より混合室４９に供給されている。

【０００４】一方、混合筒には空気取入口Ａ４７が底部
に設けられている他、筒部の周囲にも空気取入口Ｂ４８
が設けられている。つまり、混合室４９の中で保炎用ガ
スと空気が混合して保炎リング４６で保炎をする構造と
なっている。図１０は、図１６のＹ−Ｙ断面を示すもの
であり、燃料供給管４１の外側の設けられた燃料ノズル
４０に保炎用ガス噴口４４が６個設けられている。そし
て、混合筒５０の底部に設けた空気取入口Ａ４７が設け
られている。これらの構造から判るように、保炎用ガス
は、混合室４９において、混合させた後、保炎リング４
６で火炎の安定化を図っている。

【０００５】以上のように、従来技術では、予め保炎用
ガスと空気を混合させた後、保炎リング４６で火炎の安
定化を図っているので、安定燃焼幅が狭く、時には逆火
するなどの欠点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
している目的は、安定な燃焼幅を拡大して裕度の広いガ
スバーナを提供することにある。

【０００７】本発明の第２の目的は、例えば低ＮＯｘ燃
焼時のように限界に近い燃焼状態において、燃焼振動を
完全に防止することであり、又その結果として大幅なＮ
Ｏｘ（窒素酸化物）の低減を達成することである。

【０００８】本発明の第３の目的は、焼損や過熱の危険
がなく高信頼性で且つ長寿命のガスバーナを提供するこ
とである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記従来技
術とは異なり、安定燃焼幅を拡大する為に、予め空気と
の混合を避け燃料自体を直接的に保炎リングに供給する
ものである。又、燃焼の安定幅拡大の為に、空気流に出
来るだけ直交するように保炎リングを設け、その後流に
出来る渦によって確実な保炎を確保することにある。さ
らに、保炎リングの過熱を防止する為に、保炎リングの
背面（火炎が存在する部分）に可燃限界をはずれた濃い
燃料を流し、火炎と保炎リングとの直接的な接触を出来
るだけ避ける構造としている。つまり、保炎リングへの
伝熱量を最小とするように構成している。

【００１０】

【作用】本発明による作用は、以下の通りである。

【００１１】（１）空気流に直交するように保炎リング
を設け、主ガス噴口より供給するガス燃料とは別に、保
炎用ガス噴口より供給する保炎用燃料を設け、空気と混
合することを避けて保炎リング背面上に供給して、保炎
リング後流に出来る強い渦のなかに供給して、安定燃焼
幅の拡大を図る。

【００１２】（２）（１）の保炎用燃料が保炎リングの
背面上に可燃限界をはずれた状態で供給されるので保火
炎リングの後流にて発生する火炎と保炎リングとの直接
的な接触を出来るだけ避けることにより、結果的に保炎
リングの過熱を防止することが出来る。

【００１３】（３）主ガス噴口と保炎用ガス噴口との面
積の比率が常に一定となる為に、全ガス燃料流量の変化
に対応してその比率が一定に保たれるので、負荷変化に
対する耐力を大幅に向上することが出来る。

【００１４】（４）保炎用リングの後流に出来る強い渦
により、保炎用燃料と空気との拡散が急激に進むため
に、そこで発生するＮＯｘの量を極小に抑えることが出
来る。特に空気流速が速いほど、この効果が著しくな
る。

【００１５】（５）保炎用リングで発生した燃焼ガス
（Ｏ₂ 分圧が低下している）が、後流で供給される主燃
料ガスと混合し、一種の排ガス混合効果により、一層の
低ＮＯｘ化を図ることが出来る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明について図面を用いて詳細に説
明する。図１は、本発明による燃料ノズルと燃焼室の断
面を示す図である。ガス燃料１は、矢印のように左端よ
り供給され、大部分は複数個の主噴口２より燃焼室２５
に或る角度をもって噴射し供給される。極く僅かのガス
燃料は、保炎燃料供給孔３より、保炎燃料室４に供給さ
れ、第１段絞り５、保炎燃料通路１７、第２段絞り７を
通り保炎燃料分配部１０にて保炎燃料の方向を転換し保
炎リング１１の背面を流れ、その周辺に供給される。一
方、空気流１２は、主燃焼空気孔１３を通り、保炎リン
グ１１で流れを一部堰き止められた後、燃焼筒１４で構
成される燃焼室２５内に供給され、燃焼する。周知のご
とく、空気流１２が主燃焼空気孔１３より流入した後、
保炎リング１１により流れの一部が堰き止められると、
保炎リング１１の先端ａ部より流れが剥離して、その後
流に渦が発生する。この渦の強さは、空気流１２の流速
によって決定され、流速が速いほど、渦が強くなる。こ
の渦部に保炎リング１１の背面より燃料を供給して安定
した火炎を形成させることが出来る。ガイドリング９
は、上記保炎燃料の方向を転換させ、保炎リング１１の
背面に沿う燃料の流れ作る上で重要な役割を果たしてい
る。又、このガイドリング９は、保炎リング１１の温度
上昇を防止する上でも重要な役割を果している。保炎リ
ングの背面に出来る火炎は、先端部ａの極く近傍での熱
伝達率はかなり高くなることは、周知の通りであるが、
保炎リングの背面に可燃限界を外れた濃い燃料ガスが流
れるので、火炎との直接的な接触が防止され、伝熱量を
少なくなるので保炎リングの温度を低く抑えることが出
来るものである。更に、ガイドリング９によって燃焼室
２５で出来る火炎からの輻射熱も遮断出来る効果があ
り、保炎リング１１の温度を低く抑えることが出来るも
のである。一方、ガイドリング９の伝熱量は、保炎リン
グ１１のように大きくなく、主として燃焼室２５内に出
来る火炎からの輻射熱であり、内部からのガス燃料１や
主噴口２を流れる燃料によって冷却され、充分低温に保
つことが出来る。本発明のように、保炎燃料を空気と予
混合することなく保炎リングの背面を流すことは、安定
な燃焼範囲を拡大するのみならず保炎リング１１を熱的
に遮断し冷却面として作用するので、広い燃焼範囲に亘
って、その温度を低く保つことが出来る特徴を持たせる
ことが出来る。

【００１７】図２は、図１のＡ視図を示すものであり、
特に多噴口化した主噴口２の状況を示す一例である。主
噴口は、燃焼室２５の形状によって、供給する燃料の分
散状態によって決定されることが多く必ずしも図示の配
置とは、限らない。つまり、燃焼の目的や燃焼室２５の
形状に対応して決定されるべき性格のものである。尚、
図１の主噴口２の断面は、図２のＥ−Ｅ断面を示してい
る。

【００１８】図３は、図１のＢ−Ｂ断面の一例を示す断
面である。図１に示した保炎燃料供給孔３は、主噴口２
に比べてその面積は、高々数％以下であり、１個又は２
個程度であり、周方向に燃料流量のアンバランスを生じ
易い。そこで、本発明では保炎燃料室４に流れた燃料
が、第１段絞り５に設けられた保炎燃料絞り孔１５で周
方向に均一に流れるようにしたものである。そして、保
炎燃料通路１７更に第２段絞り７で更に均一化して、保
炎燃料分配部１０を通り、保炎リング１１の背面に流れ
るようにしたものである。

【００１９】図４は図１のＣ−Ｃ断面の一例を示すもの
であり、図３と類似の構造となっている。しかし、保炎
燃料が減圧される為に、その通路自体は大きくなるの
で、第２段保炎燃料の絞り孔１６は、保炎燃料絞り孔１
５に対して大きく構成されている。

【００２０】図５は、図１のＤ−Ｄ断面の一例を示すも
のである。保炎燃料出口通路１８より供給された保炎燃
料は、燃料分配通路１９を流れて保炎リング１１の背面
に供給されることになる。周知のように、燃料流量変化
の広い範囲にわたり、安定に燃焼出来ることが、良いバ
ーナの条件となるので、本発明では、ガイドリング９の
周上に供給する燃料に或る分布を持たせるように、突起
部２０を設けた一例を示している。図では、燃料の分配
通路が６分割の例を示しているが、特に分配数に限定し
てはいない。又、燃料分配通路１９の幅を変化すること
も出来るし、突起部２０に狭く浅いガス通路を設けても
良い。要は、ガイドリング９の周辺より供給する保炎燃
料に或る流量分布を与えて、燃料流量が少ない場合にも
多い場合にも安定した火炎を保炎リング１１の上に作る
ことが重要なことである。

【００２１】図６は、この関係を図として示したもので
ある。例えば、図５でガイドリング９の周上で燃料流量
が多いＲ部は、全燃料流量が比較的少ない時に、保炎に
充分な燃料を供給することが出来るので火炎の安定領域
は図６で示すようになる。

【００２２】一方、ガイドリング９の周上で燃料流量が
少ないＳ部は、全燃料流量が多い時に保炎に適度な保炎
燃料量を保炎リング１１に供給することが出来る。結
局、その燃料ノズルの保炎リング１１で安定な火炎が形
成出来る領域は、図示のように広く拡大することが出来
る。当然のことながら、Ｒ部とＳ部の間は、連続的につ
ながっているから、例えば、図６でＲ部とＳ部がラップ
しなくても、或る程度まで連続的に安定した火炎を作る
ことが出来る。つまり、通常の燃焼幅の２倍以上の安定
燃焼幅を実現することが出来ることになる。このよう
に、保炎リング上に供給する保炎燃料量に或る流量分布
を与えることは、幅広い燃焼に対して極めて有効な手段
となるものである。

【００２３】以上は保炎リング１１が円形の場合につい
ての説明であるが、本発明の他の実施例として、保炎リ
ングでなく、直線的（必ずしも直線でなく、曲線状でも
本発明に含まれる）な形状についても全く同様に適用す
ることが出来る。

【００２４】図７は、直線状に展開した場合の具体例を
部分的に示したものである。先ず図について説明する
と、腹プレート３１と背プレート３２で構成される保炎
燃料通路３７に絞り３６が設けられ、保炎燃料３５が図
示のように流れる。保炎燃料通路３７の出口には、保炎
燃料分配プレート３８が流れに直交するように設けてあ
り、保炎プレート３３の背面に保炎燃料が或る分布を持
たせて供給される。絞り３６は図では一段として示して
いるが、均一性を重視する場合には、多段としても良
い。腹プレート３１の腹部及び背プレート３２の背部に
空気流３９が存在する。この空気流３９は、時には燃料
と空気で生成した予混合気であっても良い。このような
構成は、まさしく上記リング形状の応用であるが、これ
も本発明に含まれる。

【００２５】本発明は、燃焼の安定性、特にガス体燃料
の燃焼を大幅に改善できる方法を提案するものである。
特に、最近燃焼により発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）を
出来るだけ抑制する燃焼方法が提案されているが、低Ｎ
Ｏｘ燃焼状態では、火炎が不安定になりやすく、その結
果として例えば燃焼振動、消炎による不具合、燃焼器の
寿命短縮又は機器としての信頼性等々の解決しなければ
ならない技術的課題を持っている。本発明によって、こ
れらの技術的課題を解決出来るものである。

【００２６】以下、本発明の効果について説明する。本
発明の第１の効果は、火炎の安定化が広い燃焼範囲に亘
って確実に実現出来るので、燃焼により発生する炉内や
燃焼室の圧力変動を抑制することが出来、静かな燃焼状
態を得ることが出来ることである。本発明による第２の
効果は、燃焼幅が広い例えば、ガスタービン燃焼器に対
して着火時の火炎の吹消え現象を解決することが出来る
ことである。これにより、ガスタービンの起動を確実な
ものとすることが出来るので、高い信頼性を確保するこ
とが出来る。

【００２７】本発明による第３の効果は、上記静かな燃
焼状態を実現することが出来るので、炉や燃焼器の振動
や振動によって生じる摩耗を抑制することが出来るの
で、機器の寿命を大幅に延ばすことが出来る。本発明に
よる第４の効果は、保炎に必要な燃料量が主燃料量に対
して数％以下の極く僅かの燃料で充分であるために、主
燃料の低ＮＯｘ化に及ぼす悪影響を極限に抑制できるの
で、例えば稀薄燃焼による低ＮＯｘ燃焼が容易に実現す
ることが出来ることである。本発明による第５の効果
は、保炎燃料の燃焼が先行して進むので、その燃焼によ
り発生する燃焼ガスが主燃料と混合して低ＮＯｘ化を促
進することが出来ることである。本発明による第６の効
果は、極く少量の保炎燃料によって確実に火炎を安定化
することができるので、例えば主燃料を予め燃焼空気と
混合させて予混合気とした後、燃焼を行わせる予混合燃
焼が容易に実現することが出来るものである。つまり、
極限の低ＮＯｘ燃焼を実現することが出来る。本発明に
よる第７の効果は、保炎燃料によって、燃焼器内の火炎
の伝ぱを確実に且つ容易に実現することが出来ることで
ある。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明は燃焼器の性能向
上、信頼性確保及び長寿命化に対して極めて効果的であ
り、その経済的なメリットや環境に対するメリットが極
めて大きいものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃焼部の詳細な説明図であり、燃
料と空気との係り合いを示す断面図。

【図２】燃料ノズルの正面図で図１のＡ視図。

【図３】図１に示す本発明による燃料ノズルのＢ−Ｂ断
面図。

【図４】図１に示す本発明による燃料ノズルのＣ−Ｃ断
面図。

【図５】図１に示す本発明による燃料ノズルのＤ−Ｄ断
面図。

【図６】保炎燃料分配部の効果を説明する為の図であ
り、保炎リングの周方向に燃料流量に或る分布を与えた
時に、安定燃焼領域が拡大出来ることを示す説明図。

【図７】本発明による他の具体例として、保炎リングを
直線化した場合の保炎構造を示す説明図。

【図８】従来技術の具体例を示す図。

【図９】従来技術の具体例を示す図。

【図１０】従来技術の具体例を示す図。

【符号の説明】

１…ガス燃料、２…主噴口、３…保炎燃料供給孔、４…
保炎燃料室、５…第１段絞り、６…燃料ノズル本体、７
…第２段絞り、８…外筒、９…ガイドリング、１０…保
炎燃料分配部、１１…保炎リング。

フロントページの続き (72)発明者 佐藤 勲 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼用空気を供給し、ガス燃料を燃焼させ
   る燃焼装置に於いて、ガス燃料を供給する燃料ノズルを
   １個又は複数個有し、その各々の燃料ノズルに主燃料噴
   口を１個または複数個有し、さらに主燃料とは別に保炎
   用燃料供給孔を１個または複数個設け、保炎用燃料通路
   を通してその断面がＬ字状の保炎リングに供給すること
   を特徴としたガス燃焼用の燃料ノズル構造。
2. 【請求項２】請求項１の燃料ノズルに於いて、保炎燃料
   通路を通して供給する保炎燃料を保炎リングの背面に沿
   うて流し、保炎リングの先端に供給するようにしたこと
   を特徴としたガス燃焼用の燃料ノズル構造。
3. 【請求項３】請求項１の燃料ノズルに於いて、保炎燃料
   供給孔の後流に保炎燃料通路の周方向に保炎燃料流量を
   均一化するために１段又は複数段の絞りを設けたことを
   特徴としたガス燃焼用の燃料ノズル構造。
4. 【請求項４】請求項１の燃料ノズルに於いて、保炎燃料
   通路を通して供給する保炎燃料を保炎燃料分配部を通し
   て供給し、保炎リングの周方向に供給する保炎燃料に流
   量変化を与えるようにしたことを特徴とするガス燃焼用
   の燃料ノズル構造。
5. 【請求項５】請求項１の燃料ノズルに於いて、保炎燃料
   通路の先端にガイドリングを設け、保炎燃料を保炎リン
   グの背面に沿う流れとし、保炎リングの先端に供給する
   ようにしたことを特徴とするガス燃焼用の燃料ノズル構
   造。
6. 【請求項６】腹プレートと背プレートにより、保炎燃料
   通路を１個又は複数個構成し、腹プレートの先端を断面
   がＬ字状として保炎プレートを構成し、保炎プレーの背
   面に保炎燃料を供給して火炎の安定化を図ることを特徴
   としたガス燃焼の構造。
7. 【請求項７】請求項６のガス燃焼の構造に於いて、腹プ
   レートと背プレートで構成する保炎燃料通路に１段又は
   複数段の絞りを設けて通路断面方向の保炎燃料流量分布
   を均一化するようにしたことを特徴とするガス燃焼の構
   造。
8. 【請求項８】請求項６のガス燃焼の構造に於いて、腹プ
   レートと背プレートで構成する保炎燃料通路の先端に保
   炎燃料分配プレートを設けて保炎プレートへ供給する保
   炎燃料に流量変化を与えるようにしたことを特徴とする
   ガス燃焼の構造。
9. 【請求項９】請求項６のガス燃焼の構造に於いて、保炎
   プレートの背面に断面がＬ字状のガイドプレートを設
   け、保炎燃料を保炎プレートの背面に供給したことを特
   徴とするガス燃焼の構造。