JPH09101007A - 燃料二段供給式低ＮＯｘバーナー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料に不活性ガスを混入することで低ＮＯｘ
化を期待し得るが、実機の各種加熱炉用やボイラー用と
して使用すると、不活性ガスの消費量はかなり多くな
り、コスト的に採算が合わない。 【解決手段】 バーナー１，２において焚口６，７に燃
料を噴射させたとき、燃料の噴射エネルギーにより、噴
出流周囲に存在する燃焼ガスを吸引して流体吸引経路1
2，13で逆流させ、燃料に混合させて希薄化する。これ
により、燃料に対する酸素濃度を低くして燃焼を緩慢に
行え、不活性ガスを混入することなくＮＯｘの発生を抑
制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば各種加熱
炉、燃焼炉、ボイラーなどに適用される燃料二段供給式
低ＮＯｘバーナーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図９、図10に従来型の燃料二段燃焼方式
の燃焼炉30が示されている。すなわち横向きの炉壁31の
一端側には、一次バーナー32や二次バーナー33からなる
バーナー34が配設されている。このバーナー34の風箱35
には、一次ノズル36や二次ノズル37から供給される燃料
の全量を燃焼するのに必要な量とほぼ同量の燃焼用空気
が供給され、さらに全燃料の一部が一次ノズル36から噴
射されるとともに残部が二次ノズル37から噴射され、以
てバーナー34により燃焼されるものである。

【０００３】この方式によると、燃料を両ノズル36，37
に分割供給させたとき、一次ノズル36から噴射させた一
次燃料は、全供給燃料を燃焼するに必要な約理論量の空
気量、すなわち空気比1.7 以上の高空気比の一次燃焼と
なるため、一次バーナー32での燃焼温度は著しく低くな
り、熱ＮＯｘ、即発（プロンプト）ＮＯｘの発生が抑制
される。さらに二次ノズル37から噴射させた二次燃料
は、二次ノズル37の噴射エネルギーによって、噴出流周
囲に存在する酸素濃度の低い燃焼ガス（一次燃焼排ガ
ス）を吸い込むことになり、以て二次燃料は希薄化され
た後、二次燃焼される。

【０００４】この効果により、炉内温度が低い場合は、
二次バーナー33の二次燃焼が緩慢に行われ、燃焼温度が
低くなって熱ＮＯｘの生成が抑制され、また二次燃料が
希薄化されていることにより即発ＮＯｘの生成が抑制さ
れる。

【０００５】このような燃焼方式において、一次ノズル
36と二次ノズル37との少なくとも一方に供給する燃料
に、予め不活性ガスを混入させておけば、燃料とその周
囲との境界面における局所的な熱発生を抑えて、いっそ
う緩慢な燃焼を行え、全体的なＮＯｘの発生を抑制し得
る。

【０００６】すなわち、図６において、実験例に基づい
たＮＯｘ発生抑制効果を説明すると、実曲線は従来の燃
焼方式で、不活性ガス（プロパンガス）を用いて空気比
1.15で実施した場合のＮＯｘの発生抑制効果を示してお
り、その際に不活性ガスの混入割合は、燃料に対して体
積で４割である。ここで実曲線Ａは、両ノズル36，37共
にそれぞれ供給する全燃料に予め不活性ガスを混入した
場合、実曲線Ｂは、二次ノズル37のみに不活性ガスを混
入した場合を示している。また実曲線Ｃは、いずれの燃
料にも不活性ガスを混入しなかった場合である。

【０００７】実曲線で分かるように、不活性ガスを混入
しなかった実曲線Ｃに対して、両ノズル36，37共に不活
性ガスを混入した実曲線Ａ、ならびに二次ノズル37のみ
に不活性ガスを混入した実曲線Ｂのいずれの場合も、不
活性ガスの混入により、ＮＯｘ濃度を低下して低ＮＯｘ
化を図れる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した不活
性ガスの混入方式によると、その不活性ガスの混入割合
を増すことで、いっそう低ＮＯｘ化を期待し得るもの
の、この燃料二段供給式低ＮＯｘバーナを実機の各種加
熱炉用やボイラー用として使用すると、不活性ガスの消
費量はかなり多くなり、コスト的に採算が合わないとい
う問題がある。

【０００９】また、上記した従来型の燃料二段燃焼方式
の燃焼炉30では、水冷壁を有するボイラーにおいても、
水冷壁が各ノズル36，37の先端部までであり、二次バー
ナー33の先端付近の冷却効果はない。すなわち、低ＮＯ
ｘバーナーの二次バーナー33は、本来、燃料を希釈の状
態で燃焼を行い、低温で燃焼させて、低ＮＯｘ化を図る
ものであるが、火炉負荷が非常に高いボイラーや加熱炉
のように炉内温度が高い場合、ＮＯｘの抑制効果は炉内
温度が高くなるに従って減少していた。

【００１０】この主な原因は、高温になるに従って着火
が早まり、二次燃料が燃焼ガスで十分に希釈される以前
に燃焼が開始されるために、一次バーナー32や二次バー
ナー33から生成するＮＯｘの量が、高温になるに従って
急激に増加し、ＮＯｘの抑制効果が炉内温度が高くなる
にしたがって減少するためであることがわかった。

【００１１】そこで本発明のうち請求項１記載の発明
は、燃料中に不活性ガスを混入することなく、不活性ガ
ス混入時と同様の効果でＮＯｘの発生を抑制し得る燃料
二段供給式低ＮＯｘバーナーを提供することを目的とし
たものである。

【００１２】また請求項２記載の発明は、二次バーナー
の焚口を積極的に冷却することにより、二次バーナーか
ら生成するＮＯｘの発生を抑え得る燃料二段供給式低Ｎ
Ｏｘバーナーを提供することを目的としたものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明のうちで請求項１記載の燃料二段供給式
低ＮＯｘバーナーは、一次バーナーと二次バーナーとを
有し、両バーナーのうち少なくとも一方のバーナーの焚
口に流体吸引経路を設けて、焚口に噴射される燃料の噴
射エネルギーにより、噴出流周囲に存在する燃焼ガスを
流体吸引経路に吸引し、燃料を希薄化した後に緩慢に燃
焼させることを特徴としたものである。

【００１４】したがって請求項１の発明によると、バー
ナーにおいて焚口に燃料を噴射させたとき、その燃料の
噴射エネルギーにより、噴出流周囲に存在する燃焼ガス
を吸引して流体吸引経路で逆流し得、そして燃料に混合
させて希薄化し得る。これにより、燃料に対する酸素濃
度を低くして、燃焼を緩慢に行え、ＮＯｘの発生を抑制
し得る。

【００１５】また本発明の請求項２記載の燃料二段供給
式低ＮＯｘバーナーは、上記した請求項１記載の構成に
おいて、二次バーナーの焚口に流体吸引経路を設け、こ
の二次バーナーの焚口を冷却したことを特徴としたもの
である。

【００１６】したがって請求項２の発明によると、二次
バーナーにおいて焚口に燃料を噴射させたとき、その二
次燃料の噴射エネルギーにより、炉内の燃焼ガスを流体
吸引経路で逆流させながら、直ちに強制的に冷却し得、
そして二次燃料と混合させて希薄化し得る。これによ
り、二次燃料に対する酸素濃度を低くして、二次燃料と
その周囲との境界面における局所的な熱発生を抑え得、
比較的低温中で緩慢な燃焼を行えて、ＮＯｘの生成を抑
制し得る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を、
燃料二段供給方式の燃焼炉に採用した状態として図１、
図２に基づいて説明する。

【００１８】すなわち、横向きの燃焼炉14の一端側に
は、一次バーナー１や二次バーナー２からなるバーナー
３が配設され、これら一次バーナー１や二次バーナー２
は、一次ノズル４や二次ノズル５の先端部をそれぞれの
焚口６，７に臨ませて構成されている。前記バーナー３
の風箱８には内筒９が配設され、この内筒９により一次
バーナー１の焚口６が形成されている。

【００１９】前記風箱８には、一次ノズル４や二次ノズ
ル５から供給される燃料の全量を燃焼するのに必要な量
とほぼ同量の空気量が供給され、さらに全燃料の一部が
一次ノズル４から噴射されるとともに、残部が二次ノズ
ル５から噴射され、以てバーナー３により燃焼されるも
のである。

【００２０】各焚口６，７にはそれぞれベンチュリー1
0，11が設けられ、これらベンチュリー10，11の外側に
流体吸引経路12，13が形成され、焚口６，７に噴射され
る燃料の噴射エネルギーにより、噴出流周囲に存在する
燃焼ガスが流体吸引経路12，13に吸引されるよう構成さ
れている。

【００２１】以下に、上記した実施の形態における作用
を説明する。一次バーナー１においては、一次ノズル４
からベンチュリー10に向けて一次燃料を噴射させたと
き、その噴射された一次燃料の噴射エネルギーにより、
噴出流周囲に存在する燃焼ガスが内筒９とベンチュリー
10との間から吸引されて流体吸引経路12で逆流され、そ
して一次ノズル４からの予混合燃料と混合されることに
なって、この予混合燃料は希釈される。これにより、燃
料に対する酸素濃度は低くなり、燃焼が緩慢に行われ、
生成するＮＯｘの発生を抑え、以て熱ＮＯｘの発生を抑
制し得る。

【００２２】なお二次バーナー２においても、同様の原
理で燃焼ガスが吸引され低ＮＯｘ化を図れる。次に、図
６において実験例に基づいたＮＯｘ発生抑制効果を説明
する。

【００２３】すなわち、点曲線Ｄは、不活性ガスを用い
ず、両焚口６，７にベンチュリー10，11を設けた場合を
示している。点曲線Ｄで分かるように、両ノズル共に不
活性ガスを混入した実曲線ＡよりもＮＯｘ濃度はさらに
下回る値となり、いっそうの低ＮＯｘ化を図れる。

【００２４】上記した実施の形態では、両焚口６，７に
流体吸引経路12，13が形成されているが、これは両焚口
６，７のうち、いずれか一方にのみ流体吸引経路を形成
した構成であってもよい。なお、二次バーナー２のみに
流体吸引経路13を形成したものは、図６において、二次
ノズルのみに不活性ガスを混入した実曲線Ｂと大差なか
った。

【００２５】次に、本発明の別の実施の形態を図３に基
づいて説明する。すなわち、二次バーナー２の周りに冷
却管20による水冷壁が配設され、これにより二次バーナ
ー２の焚口７が冷却されている。

【００２６】この別の実施の形態によると、二次ノズル
５からベンチュリー11に向けて二次燃料を噴射させたと
き、その噴射された二次燃料の噴射エネルギーにより、
炉内の燃焼ガスが流体吸引経路13で逆流されながら、直
ちに冷却管20により強制的に冷却され、そして二次ノズ
ル５からの二次燃料と混合されることになって、この予
混合燃料は希釈される。これにより、二次燃料に対する
酸素濃度は低くなり、二次燃料とその周囲との境界面に
おける局所的な熱発生が抑えられて、比較的低温中で緩
慢な燃焼が行われ、以て熱ＮＯｘの生成を抑制し得る。

【００２７】次に、図７、図８において実験例を説明す
る。図７には本実験で使用した燃料二段燃焼方式の燃焼
炉14が示されている。すなわち横向きの炉内側壁16の内
面には断熱材17がはりめぐらされており、また炉内側壁
16の外面に冷却水18が供給されることで、断熱材17と炉
内側壁16を介した外側は冷却されている。

【００２８】このような燃焼炉14を使用しての本実験で
は、断熱材17の面積とＮＯｘ発生量の関係を調べ、水冷
の効果、すなわち炉内温度がＮＯｘ発生に与える影響を
事前に調べた。その結果、図８に示すように、水冷壁の
面積割合が低いほど炉内温度が上昇され、それに応じて
ＮＯｘ濃度が増加される。

【００２９】このような状態で二次バーナー２の焚口７
が冷却されると、たとえば水冷壁の面積割合が０％のと
き、二次ノズル５の周囲におけるＮＯｘ濃度は100 ppm
付近から40 ppm付近に減少される。すなわち炉内温度が
1200℃付近の場合、発生ＮＯｘ量は900 ℃に相当する温
度まで低減されることになる。

【００３０】また、図６において実験例に基づいたＮＯ
ｘ発生抑制効果を説明すると、鎖曲線Ｅは、不活性ガス
を用いず、両焚口６，７にベンチュリー10，11を設ける
とともに、二次バーナー２の周囲を冷却した場合を示し
ている。鎖曲線Ｅで分かるように、不活性ガスを用い
ず、両焚口６，７にベンチュリー10，11を設けたのみの
点曲線ＤよりもＮＯｘ濃度はさらに下回る値となり、い
っそうの低ＮＯｘ化を図れる。

【００３１】このように、二次バーナー２の周囲を冷却
することにより、この二次バーナー２から生成するＮＯ
ｘの発生を抑え、高温炉においても低ＮＯｘ化を図り
得、以て各種加熱炉やボイラーの低ＮＯｘバーナーに適
用し得る。

【００３２】図４、図５には、本発明の別の実施の形態
の変形例が示されている。すなわち図４は、ベンチュリ
ー11も水冷管21を使用したしきり壁構造にされており、
この方式では、図３の方式よりも冷却効果が高いため、
さらに低ＮＯｘ化を期待し得る。また図５は、ベンチュ
リー11との間で流体吸引経路13を形成する壁が水冷ジャ
ケット22により形成されており、この方式も図３と同様
の効果を期待し得る。

【００３３】

【発明の効果】上記した本発明の請求項１によると、焚
口に燃料を噴射させたときの噴射エネルギーにより、噴
出流周囲に存在する燃焼ガスを吸引して流体吸引経路で
逆流させ、燃料に混合させて希薄化でき、これにより、
燃料に対する酸素濃度を低くでき、燃焼を緩慢に行うこ
とができてＮＯｘの発生を抑制でき、以て燃料中に不活
性ガスを混入することなく、不活性ガス混入したときと
同程度の低ＮＯｘ化を図ることができる。

【００３４】また上記した本発明の請求項２によると、
炉内の燃焼ガスを流体吸引経路で逆流させながら直ちに
強制的に冷却でき、二次燃料とその周囲との境界面にお
ける局所的な熱発生を抑えて、比較的低温中で緩慢な燃
焼を行うことができ、ＮＯｘの生成を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例を示し、燃料二段供
給式低ＮＯｘバーナーの縦断面図である。

【図２】同燃料二段供給式低ＮＯｘバーナーの一次バー
ナー部分の縦断面図である。

【図３】本発明の別の実施の形態を示し、燃料二段供給
式低ＮＯｘバーナーの縦断面図である。

【図４】同変形例を示し、二次バーナー部分の縦断面図
である。

【図５】同他の変形例を示し、二次バーナー部分の縦断
面図である。

【図６】従来方式と両実施の形態との実験結果であっ
て、ＮＯｘの発生抑制効果を示すグラフ図である。

【図７】実験に使用された燃焼炉の概略縦断面図であ
る。

【図８】同従来方式と別の実施の形態との実験結果であ
って、水冷壁面積割合とＮＯｘ濃度，炉内温度の関係を
示すグラフ図である。

【図９】従来例を示し、不活性ガス混入燃料による燃料
二段供給式低ＮＯｘバーナーを装備した燃焼炉の縦断面
図である。

【図１０】同燃料二段供給式低ＮＯｘバーナーの縦断面
図である。

【符号の説明】

１ 一次バーナー ２ 二次バーナー ３ バーナー ４ 一次ノズル ５ 二次ノズル ６ 焚口 ７ 焚口 10 ベンチュリー 11 ベンチュリー 12 流体吸引経路 13 流体吸引経路 14 燃焼炉

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 和範 大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28号 日立造船株式会社内 (72)発明者 山崎 勝彦 大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28号 日立造船株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一次バーナーと二次バーナーとを有し、
   両バーナーのうち少なくとも一方のバーナーの焚口に流
   体吸引経路を設けて、焚口に噴射される燃料の噴射エネ
   ルギーにより、噴出流周囲に存在する燃焼ガスを流体吸
   引経路に吸引し、燃料を希薄化した後に緩慢に燃焼させ
   ることを特徴とする燃料二段供給式低ＮＯｘバーナー。
2. 【請求項２】 二次バーナーの焚口に流体吸引経路を設
   け、この二次バーナーの焚口を冷却したことを特徴とす
   る請求項１記載の燃料二段供給式低ＮＯｘバーナー。