JPS5949403A - 燃焼装置 - Google Patents

燃焼装置

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JPS5949403A
JPS5949403A JP16045682A JP16045682A JPS5949403A JP S5949403 A JPS5949403 A JP S5949403A JP 16045682 A JP16045682 A JP 16045682A JP 16045682 A JP16045682 A JP 16045682A JP S5949403 A JPS5949403 A JP S5949403A
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gas
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Ryozo Echigo
越後 亮三
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Daido Steel Co Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F23C99/006—Flameless combustion stabilised within a bed of porous heat-resistant material

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion Of Fluid Fuel (AREA)

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】 この発明は、燃焼方法およびその装置に関−4ろもので
あって、一層詳細には、空隙率の充分大きい所謂通気性
固体中で混気燃料の高負荷燃力°口d1って均一な温度
分布を得、窒素酸化物(NOx)の発生や−・酸化炭素
(CO)、未燃炭化水素(UIIC)等の未燃分の発生
を抑制し、併せて高温の燃焼ガスを容易に得ることので
きる燃焼方法およびこれを実施するための燃焼装置に関
するもので、ちる。
各種燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを得、これをボー
rうや炉等の加熱源とし、たり、ストーブ等の暖房源に
利用したりするに際して、燃料と気体との混合物からな
る混気燃料をバーナ(例えばシュバンクバーナ)から圧
力供給し、これに点火して火炎燃焼を行うのが一般的で
ある。しかるにこの所謂火炎燃焼では、その燃焼411
・賊におりる均一な燃焼の達成が困難である。このため
、火炎中に温度の局所的に高い部分や低い部分が存在し
、燃焼時の副産物どして有害な窒素酸化物(NOx)が
発生したり、その他−酸化炭素(CO)や未燃炭化水素
(UUC)が容易に発生する傾向がある。
従って、公害防止の見地から行政上の排出量規制が強化
されるに伴い、硫黄分や窒素分の少い燃料への転換や1
1¥煙脱硝装置の設置、その他低NOx化等の努力がな
されているが、設ff1l費用の増大や技術的な問題か
ら、規制値達成が困イ、な現状となっている。
このような所謂「サーマルN0xJは、燃料の燃焼時に
空気中の窒素と酸素とが反応して生成するものであるが
、燃焼温度が高くなるにつれて前記反応が激しくなり、
従ってその最大温度によりサーマルNOxの排出量が決
定されることが判明している。
そして、通常の炎燃焼では温度分布が一定していないた
め、局部的に高温(例えば1400℃)の個所が生じ、
サーマルNOx発生増大の原因とな〕でいる。
また、前記−酸化炭素(CO)や未燃炭化水素(UII
C)の発生も、燃焼ガスの燃焼温度と密接に関連してお
り、後述する触媒を用いた接触燃焼実験によれば、燃焼
温度が900°C以]・の@合に1,0、Ull〔は急
激に増大し、1000℃以上ではc、o、 uncとも
殆んど発生しないことが、確認されでいる。このように
サーマルNOxやC01UUCは、燃りJ℃高湿度関係
するため、高性能の触媒を用いた接触燃焼法の研究が近
時なされ、1000℃以」二の高湿度領域の燃焼を均一
かつ安定に行うことにより、NOx雪の光生を有効か−
)大幅に低減させる実績が得られている。
しかしなが1゛、、この触媒を使用する接触燃焼法をボ
イラ等の熱源用の燃焼装置やガスタービン等に応用する
に際しネックとなるのは、高温領域で長寿命の触媒【J
未だ開発されておらず、またこれに近い性能の触媒は極
めて高価となるため、ランニングコス1−が経済」二見
合わないことである。
更に、従来の火炎燃焼では、火炎としての燃焼反応が終
了した後に得られる高温の燃焼ガスは、その顕熱を充分
に熱源として在勤利用されないまま(すなわち大量の熱
エネルギーを未だ保有したまま)大気中に放散排出され
ているのが現状であって、ガス顕熱の有効利用が、省エ
ネルギーの見地から未解決1iIfI題として残されて
いた。
このような前記の問題点に鑑み、サーマルNOxやCO
,tlllc等の発生を低減抑制することができ、しか
も燃焼ガス中の顕熱を有効に引出し71高温の燃焼ガス
を得ることのできる新規な燃焼力法を求めて、発明者は
鋭意研究に努めた結果、空隙率の充分大きい所謂通気性
固体を使用して燃3ft、:l’ Illツクを構成し
、この燃焼ブロック中で燃1’lガスと空気との混合物
からなる混気燃料を燃焼さ田るようにすれば、後に述べ
るように通気性固体の大きな表面rtt(伝熱面積)故
に、近接する気体1)固体とほとんど等しい温度になり
、一方円体間は強い0輻射の授受により温度分布が平滑
化されるため均一・に燃焼し、その結果としてサーマル
NOxの発生が抑制され、更に未燃焼成分も高温に加熱
された通気性固体の細線に接触して再燃焼し、COやU
IICの発生も有効に抑制されることを突き止めた。
しかも、後述する特性を有する通気性固体中で燃焼が行
われる結果として、燃焼ガスに含まれる顕熱が大量の輻
射熱に変換さiシるので極めて燃焼効率に優れ、高温の
燃焼ガスが容易に得られて、省エネルギーに大きく寄与
することも判った。
従って本説明に係る燃焼方法は、燃料ガスと空気との混
合物からなる混気燃料を、空隙率の、充分大きい通気性
固体で構成した燃焼ブロックに供給し、この燃焼ブロッ
ク中で前記混気燃料の燃焼を行うことを特徴とする特 また、本発明に係る燃焼装置i″fは、燃料ガスと空気
との混合物を供給する混気燃料供給管の開口側に、空隙
率の充分大きい通気性固体からなる燃焼ブロックを接続
したことを特徴と・1゛る。。
また、本願の別の発明に係る燃焼装置は、燃料ガスど空
気どのd1合物を供給する混気燃料供給管の開口側に、
空隙率の充分大きい通気性固体からなる燃焼ブロックを
接続し、この燃焼ブロックの燃焼ガスJJC出側に、該
ブロックを構成する通気性固体よりも空隙率の小さい通
気性固体を接続配置したことを特徴とする。
更に本願の別の発明に係る燃焼装置は、燃料ガスと空気
との混合物を供給する混気燃料供給管の開口側に、空隙
率の小さい通気性固体を介して空隙率の充分大きい通気
性固体からなる燃焼ブロックを接続し、この燃焼ブロッ
クの燃焼ガス排出側に、該ブロックを構成する通気性固
体よりも空隙率の小さい通気性固体を接続配置11シた
ことを特徴とする。
なお、本願発明において、所、!PI通気性固体は、極
めて重要なウェイトを占めるものであるので、好適実施
例の説明に先立ち、この通気性固体の概略を述べること
とする。木明III −!に所謂通気4′1固体とは、
金属、セラミックス等の耐熱性材料を網状、ハニカム状
、繊維状等の名神形態に成形して通気性を持たせ、かつ
光その他熱線を透過さu f+Tiい適宜厚さの固体媒
体と定義することができる、。
これは、細線または細粒が多数焦合して構成されたもの
と考えられ、その実質的な表面積は極め一〇太きい。そ
して、固体の輻射射出能力は気体よりも充分高いもので
あるから、前記通気性固体に燃焼ガスを通過させると、
燃焼ガスの顕熱が表面積の極めて大きい固体と接触して
高効率の熱交換が行われ、大量の固体輻射熱を発生する
。この上′)な特性を有する固体伝熱変換素子を通気性
固体と称する。なお、この通気性固体は、燃焼ガスのト
流で熱交換により熱を奪フても、IニーAt側には殆ん
ど影響がでない、という特性がある。
前記通気性固体Sの輻射熱射出状態について、第1図に
示す模式図により説明すると、通気性固体Sは燃焼ガス
Gの流通方向に厚さXを有するため、燃焼ガス(]が固
体Sを通過・l−るとその層内で対流熱伝達が行わ扛1
曲線Cでii< 1’ W、11度勾配を生じる。そし
て古層χ1・・・・χ5におい”C燃焼ガスの顕熱は固
体帽η・1烈y、・・・・y5.乙・・・・z5に変換
さh、夫々燃焼ガスGの上流側(’/)及び単流側(Z
)に向かうが、この固体輻射熱の内’74 g¥5及び
乙、7.2は通気性固体Sの前後方向の厚みに応じて遮
蔽されて減衰し、その結果大部分の輻射熱J(が燃焼ガ
スGの」二流側(Y)に射出される。
次に、本発明に係る燃焼方法およびその装置につき、先
ず燃焼装置の好適な実施例を挙げて添伺図面を参照しな
がら説明し、作用効果に関連して燃焼方法の説明に及ぶ
ことどする。第2図は本発明に係る燃焼装置の1実施例
を示すものであって、燃料ガス(例えば都市ガス、天然
ガス、炉頂部ガス等の可燃性気体)と空気との混合物か
らなる混気燃料M1・′が、燃料供給源(図示せず)が
ら供給されて、混気燃料供給管1oに送給されるように
なっている。なお、燃焼ガス排出側から吸引ファン等に
より燃焼排ガスを吸引するようにずれば、d^気燃流M
Fを加圧供給しなくてもj;い。l、た、L1シ気燃料
MFは、後述のブロック体に流入する直前で燃料ガスと
空気とを混合するようにしてもよい。
図中、参照符号12は、空隙率の充づ〉人さな通気性固
体からなる適宜立体形状のブロック体を示し、このブロ
ック体12の内部で、後述するように燃料の燃焼が行わ
れるので、以下これを燃焼ブロックと称する。
前記温気燃料供給管10は図示の如く長形の開口部14
を有し、この開口側に、+’+if記空隙串の空隙大き
な通気性固体からなる燃焼プロッタ12が接続配置され
ている。この場合、供給’i’ I Oの開口部14と
燃焼ブロック12との間には、セラミックプレー1−に
多数の細孔を穿設してなる整流格子の如き整流手段16
を介在させで、供給管1゜から加圧供給される温気燃料
M r”を均一に勺赦し。
た後、燃焼ブロック12中に送り込むよう構成するのが
好ましい。
この燃焼ブロック12を構成する通気性固体の空隙率は
、99%またはそれ以」二(換言すれば。
充填率1%またはそれ以下)とするのが好ましく、この
ように空隙率の充分大きい通気性固体としては、例えば
耐熱性の金属細線を綿状に集塊させたブロック体や、耐
熱金網の多重積層体、その他セラミックス材料を軽石状
に発泡固化させた多孔質物体等がりf適に使用される。
この場合、通気性固体がどのR1度の空隙率であれば1
充分大きい」と云い得るか、が問題となるが、金網のよ
うにメツシュ数で表現するよりも、光学的厚さを基準と
して判断するのが最も適当である。)’/i学的厚さの
測定は、光源と照度計との間に被測定対象物どなる通気
性固体を介在させ、光がどれ位吸収されているか、を前
記照度側により求めるものであって、金属細線の線径そ
の他吸収系数を考慮して決定される。本実施例の場合、
燃焼ブロック12を構成する通気性固体として、燃焼ブ
ロック自体の大きさに応じて光学的厚さが1乃至1oの
範囲にある金属細線の集塊を使用したところ、好適な結
果が得られた。
更にこの燃焼ブロック12は、混気燃料が流入して来る
上流側および燃焼ガスがfJN出される一1砦4ε側を
除いて、その外周を耐火性の断熱材料2oて囲繞して、
該ブロック12の外周からの輻射熱の逃出を遮蔽するよ
う構成しである。ずなわら、これによって輻射熱が、ブ
ロック12中に閉し込められることになる。
第3図は、本願に係る別の発明の実施例を示すものであ
って、第2図に示す熱交換装置を基本どし、その燃焼ブ
ロック12の燃力℃ガス排出側に、該ブロック12を構
成する通気性固体よりも空隙率の小さい通気性固体22
が接続配置されCいる。
この通気性固体22の空隙率は、90%乃至95%また
はそれ以上(換言すれば、充填率10%乃至5%または
それ以下)とするのが好ましい。本実施例の場合も、温
気燃料供給管の開し1部14と燃焼ブロック12との間
には、多孔板の如き整流手段16が介装されて、混気燃
料M Fを均一・に分1fRさせて該ブロック12中に
送り込むよう構成されており、更に燃焼ブロック12及
び通気性固体22の外周には、混欝1料が流入する上流
側および燃焼ガスが排出される下流側を除いて、耐火性
の断点材料20で囲繞しである。
第4図は、本願に係る更に別の発明の実施例を示ずもめ
であって、第2図に示す基本構成において、燃焼ブロッ
ク12の燃焼ガスJ−,’tAt側および下流側に、夫
々該ブロック12を構成する通気性固体よりも空隙率の
小さい通気性固体24を接続配置したものである。この
通気性固体24の空隙率は、90%乃至95%またはそ
れ以L(換言すれば、充填率10%乃至5%またはぞJ
L以下)とするのが好ましい。この実施例の@合、混気
燃料供給管10の開11部14は一方の通気性固体24
に接続されていて、供給管10から加圧送給された温気
燃料は、この通気性固体24を通過する際に均一に分散
されるので、前記第2図及び第3図に示す実施例のよう
に整流手段16を別途配設する必要はない。イ11シ、
燃焼ブロック12および通気性固体24.24の外周か
ら輻射熱が逃出するのを遮蔽する目的で、耐火性の断熱
月料20によす図示の通り囲繞しであることは、第2図
及び第3図に示す実施例と同様である。
次に、このように構成した本発明に係る燃がC1々置の
作用および効果につき、燃焼方法との関係において、以
下説明する。第2図に示す実施例において、供給管10
を介して混気燃IIM+”を供給すると、この混気燃料
は整流手段16によりその流れを整えられると共に均一
に分散して、燃焼ブロック12中に送給される。参照狩
野2Gで示す点火手段(例えばヒーータまたはスパーク
プラグ)により混気燃料に点火すると、ブ【」ツタ12
としで画成される通気性固体の空間中に封じ込められた
状態で、燃焼が開始される。通気性固体は、先に述べた
ように、実質的な比表面積が極めて大きく、固体の輻射
射出能力は気体より’b充づ)に高いtJのであるから
、燃焼反応が終了した高温の燃焼ガスが通気性固体に接
触することにより高効宇の熱交換が行われ、燃焼ガス中
の顕熱lよ大川の固体中1.1 り=1熱に変換される
。このとき、固体接触の効果により燃焼ガスの低い温度
のところは’jl−,1:げらit、また高い温度のと
ころは押えられるため、全体として温度が平担化し、均
一な燃焼が得られる(通常の火炎燃焼では、火炎面に局
部的に高い温度や低い温度のところが生じる)。このよ
うに温度が均一化される結果として、サーマルNOxの
発生が低減化される。これは、サーマルNOxは燃焼温
度が高くなると共に窒素と酸素との反応が激しくなるが
、本発明に係る装置では、その原因となる局所的な温度
上昇がないからである。また、通常はサーマルNOxを
低減させるべく燃焼温度?r降下させると、COやUI
IC等の未燃分が発生するが1本発明装置では、未燃分
は高温の金属細線等の通気性固体に接触して燃焼がなさ
れるので、COや01IC等の未燃分が発生して大気を
汚染する惧れがない。
次に、第3図に示す実施例では、燃焼ブロック12の燃
焼ガス排出側に通気性固体2.2が接続配置されている
。このため、高温の燃焼ガスが前記通気性固体22に流
入して、ここでも高効率の熱交換が行われ、該燃焼ガス
中の顕熱が大量の固体輻射熱に変換される。しかも、第
1図に示す模式図を参照して理論説明したように、得ら
れる大量の輻射熱の大部分は燃焼ガスの」−流側、すな
わち燃焼ブロック12に向けて射出されるから、該ブロ
ック12中の輻射熱は更に増大し、燃焼ガスの温度が一
層上昇してかつ平担化することになる。
また、第4図に示す実施例では、燃焼プロ7り12を挾
んで両側に通気性固体2 /Iが夫々接続配置されてい
る。そして、混気燃料M Fの燃焼は、第2図に示す実
施例と同様に、燃焼ブロック12中で行われる訳である
から、各通気性固体24に対する燃焼ガスの」二流側は
、常に当該ブロック12中に存在することになる。従っ
て、該ブし1ツク12中で生成した高温の燃焼ガスが、
各通気性固体24に流入してガス中の顕熱を大量の固体
輻射熱に変換させると、得られたIIq4射熱は、第3
図に示す実施例と同様に、燃焼ガスの−1−流側である
燃焼ブロック12に向けて射出されることになる。
しかも本実施例の場合は、ブロック12を挾んで両側か
ら輻射熱が射出されるようになっているので、該ブロッ
ク12中の燃焼温度は極めて」二4し、かつ平担化され
る。
そして、第2図乃至第3図に示す何れの燃焼装置におい
ても、燃焼ブロック12中で得られた温度分布の平担化
した高温の燃焼ガスは、図示のようにド流側に向けて封
、出され、ガスタービンや大型ボイラ、その他」二業用
炉や暖房装置等の熱源として利用される。
以」二詳細に説明したように、本発明に係る燃焼方法及
びその装置によれば、混気燃料を通気性固体からなる燃
焼ブロック中で燃焼させることにより、固体接触の効果
によって燃焼時の温度分布を均一にさせることができ、
こ」tによってサーマルNOXの発生や、CO,ull
c等の未燃分の発生を有効に抑制することができる。し
かも通気性固体の特性として、燃焼ガスが比表面積の1
4I)で大きい該通気性固体と接触する際に高効率の熱
交換が行われ、燃焼ガスの顕熱は大量の固体輻射熱に変
換されるものであるため、燃焼ブロック中での燃焼温度
が均一に上昇し、優れた燃焼効率が得られるものである
。
【図面の簡単な説明】
第1図は通気性固体の輻射熱量状態を示す模式図、第2
図は本発明に係る燃焼方法に実施するための燃焼装置の
概略構成図、第:3図は別の発明しこ係る燃焼装置の概
略構成図、第4図3,1更に別の発明に係る燃焼装置の
概略構成図である。 10・・・・混気燃料供給管 12=、、−°燃焼ブロ
ック。 14・・・・開口部     16・・・・整流手段2
0・・・・耐火性断熱材 22.24・・・・通気性固体 26・・・・点火手段 特許出願人  越 後 亮 三 同          吉  澤  着  男同   
    大同特殊m株式会社 手続補正書(自発) 昭和58年12月12日 特許庁長官 若 杉 和 夫 殿 1、事件の表示  昭和57年特許願第160456号
2、発明の名称  燃焼方法およびその装置3、補正を
する者 事件との関係  特許出願人 住 所  東京都江東区越中島1丁目3番17−603
号氏名 越後亮三(はが2名) 4、代理人〒460 (1)明細書の「特許請求の範囲」の欄および「発明の
詳細な説明」の欄 補正書 特願昭57−160456号 1、明細書第1頁第4行〜第2頁第15行特許請求の範
囲を次の通り補正する。 「2、特許請求の範囲 (1)燃料ガスと贅人■育欠盗上を、空隙率の充分大き
い通気性固体で構成した皿焼ブロックに供給し、この燃
焼ブロック中で前記燃料ガスおよび酸素含有気体の燃焼
を行うことを特徴とする燃焼方法。 (2)燃料ガス供給管および酸素含有気体供給管の開口
側に、空隙率の充分大きい通気性固体からなる燃焼ブロ
ックを接続したことを特徴とする燃焼装置。 (3)麓圭Jフ1」■リムロ、!1fJJJ免生供給管
の開口部と燃焼ブロックとの間に、好ましくは星豆ガス
と酸素含有気体とを均一に分散して流通させるための整
流手段を介在させてなる特許請求の範囲第2項記載の燃
焼2装置。 (4)燃料ガス(b および 、′−鵠供給管の開口側
に、空隙率の充分大きい通気性固体からなる燃焼ブロッ
クを接続し、この燃焼ブロックの燃焼ガス排出側に、該
ブロックを構成する通気性固体よりも空隙率の小さい通
気性固体を接続配置したことを特徴とする燃焼装置。 (5)監且左ス應1 およびmへ一供給管の開口部と燃
焼ブロックとの間に、好ましくはlガスと一醸jW君」
1りd本(工を均一に分散して流通させるための整流手
段を介在させてなる特許請求の範囲第4項記載の燃焼装
置。 (6)燃料ガス(給管および酸素含有気体供給管の開口
側に、空隙率の小さい通気性固体を介して空隙率の充分
大きい通気性固体からなる燃焼ブロックを接続し、この
燃焼ブロックの燃焼ガス排出側に、該ブロックを構成す
る通気性固体よりも空隙率の小さい通気性固体を接続配
置、したことを特徴とする燃焼装置。」 2、同第6頁第16行〜第17行 「空気・・・燃料」を、 「酸素含有気体」と補正する。 3、同第6頁第19行 「混気燃料」を、 [燃料ガスおよび酸素含有気体」と補正する。 4、同第7頁第1行〜第2行 「と空気・・・燃料」を、 「供給管および酸素含有気体」と補正する。 5、同第7頁第6行 「と空気・・・燃料」を、 「供給管および酸素含有気体」と補正する。 6、同第7頁第13行 「と空気・・燃料」を、 「供給管および酸素含有気体」と補正する。 7、同第17頁第20行の次に、以下の通り加入する。 [なお前述した好適実施例については、燃料ガスと空気
との混合物からなる温気燃料を、共通の2rL気′燃料
供給管を介して燃焼ブロックに送り込む場合につき説明
したが、燃料ガス供、lI@管および空気供給管を独立
して設け、夫々の供給管を前記燃焼ブロックに接続して
、該燃焼ブロック中で燃Ji4ガスと空気との混合およ
び燃焼を行うようにしてもよい。更に前記燃焼ブロック
に入る以前または該ブロック中で燃料ガスと混合される
気体は、一般に空気とされるが、その他酸素を含有して
いる気体が適宜使用されるものである。」 16−

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (])燃料ガスと空気との混合物からなる温気燃料を、
    空隙率の充分大きい通気性固体で構成した焼焼プロッタ
    に供給し、この燃焼ブロック中で前記混気燃料の燃焼を
    行うことを特徴とする燃焼方法。 (2)燃料ガスと空気との混合物を供給する混気燃料供
    給管の開1.1側に、空隙率の/I、分大きい通気性固
    体からなる燃焼ブロック登接続したことを特徴とする燃
    焼装置。 (3)混気燃料供給管の開1111部ど燃に17iソ【
    」ツクどの間に、好ましくは混気燃料を均一に分散して
    流通させるための整流手段を介在させてなる特許請求の
    範囲第2項記載の燃焼装置。 (4)燃料ガスと空気との混合物を供給する混気燃料供
    給管の開口側に、空隙率の充分大きい通気性固体からな
    る燃焼ブロックを接続し、この燃焼ブロックの燃焼ガス
    排出側に、該フロックを構成する通気性固体よりも空隙
    ′6の小さい通気性固体を接続配置したことを特徴とす
    る燃焼装置。 (5)混気燃料供給管の開口部と燃焼ブロックとの間に
    、好ましくは混気燃料を均一に分11女し°C流通させ
    るための整流手段を介在させてなる特il’1請求の範
    囲第4項記載の燃焼装置。 (6)燃料ガスと空気との混合物を供給する混気燃料供
    給管の開口側に、空隙率の小さい通気性固体を介して空
    隙率の充分大きい通気性(J、1体かC)なる燃焼ブロ
    ックを接続し、この燃焼ブし】〉・りの燃焼ガス排出側
    に、該ブロックを構成する通気性固体よりも空隙率の小
    さい通気性固体!115′続配置したことを特徴とする
    燃焼装置。
JP16045682A 1982-09-14 1982-09-14 燃焼装置 Granted JPS5949403A (ja)

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