JP4526431B2

JP4526431B2 - 燃焼コーンを持った自己再循環バーナ

Info

Publication number: JP4526431B2
Application number: JP2005124514A
Authority: JP
Inventors: 健吾重高; 博史高島
Original assignee: 株式会社サムソン
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2025-04-22
Also published as: JP2006300441A

Description

本発明は燃焼コーンを持った自己再循環バーナに関するものである。

特開２００４−１２５１８４号公報には、中央部に燃料噴射ノズル、燃焼噴射ノズルの周囲に空気ノズルを配置し、中央から噴射する燃料と周囲から噴射する空気を混合させて燃焼を行う構成のバーナであって、燃料噴射ノズル及び空気ノズルの設置位置よりも下流側には、上流側及び下流側の両端を開口しており、上流側開口径よりも下流側開口径の方が小さくなるように先細りの構造とした燃焼コーンを設け、燃料噴射ノズルから噴射した燃料と空気ノズルから噴射した空気を燃焼コーン内で混合し、燃料空気混合ガスを燃焼コーン下流側開口部から燃焼室へ噴射しながら燃焼を行う自己再循環バーナが記載されている。

この自己再循環バーナは、燃焼コーンを先細りとしているため、燃焼コーン下流側開口部から噴射する燃料空気混合ガスの流速を高めることができ、火炎の揺れを防いで火炎の安定化を図ることができる。そして火炎は燃焼コーン下流側で保炎されるため、火炎のリフト化により局部高温領域を大幅に削減でき、ＮＯｘ発生量はより一層低減できる。

また、燃焼コーンを先細りとしている自己再循環バーナでは、燃焼コーン先細り部の外側に他の部分より圧力の低い負圧域が発生する。そして、全ての燃焼装置に共通することであるが、燃料に対して空気量が不足した部分があると、燃焼は緩慢となり未燃成分が発生する。未燃分は、後からでも空気が供給されれば完全燃焼することができるが、その前にバーナ表面等に付着すると、未燃分がススとして固形化することになる。燃焼コーン外側の負圧域は、燃焼ガス流内に含まれている未燃分を取り込み、未燃分は負圧域内で滞留することになるため、燃焼コーン外側表面はススの付着が多くなりやすい。時間の経過による累積によってススが堆積していった場合、着火時あるいは燃焼移行時の衝撃によってススの一部が剥離すると、ススが燃焼排ガスとともに煙突から外気中へ飛散する問題が発生する。
特開２００４−１２５１８４号公報

本発明が解決しようとする課題は、燃焼コーン外側表面にススが付着することを防止することにある。

請求項１に記載の発明は、中央部に燃料噴射ノズル、燃焼噴射ノズルの周囲に空気ノズルを配置し、中央から噴射する燃料と周囲から噴射する空気を混合させて燃焼を行う構成のバーナであって、燃料噴射ノズル及び空気ノズルの設置位置よりも下流側には、上流側及び下流側の両端を開口しており、上流側開口径よりも下流側開口径の方が小さくなるように先細りの構造とした燃焼コーンを設け、燃料噴射ノズルから噴射した燃料と空気ノズルから噴射した空気を燃焼コーン内で混合し、燃料空気混合ガスを燃焼コーン下流側開口部から燃焼室へ噴射しながら燃焼を行っており、燃焼コーン下流側開口部から噴射した燃料空気混合ガスの一部は、燃焼コーンの外側に渦流を発生させることで、燃焼の進んだ燃焼ガスを燃料空気混合ガス流内へ循環させる自己再循環バーナにおいて、前記燃焼コーンの側壁に燃焼コーン内部から外部へ空気を流出させる燃焼コーン側壁開口部を設けることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記の燃焼コーンを持った自己再循環バーナにおいて、燃焼コーンは根元側の円筒部材と先端側のテーパ部材からなるものであり、前記燃焼コーン側壁開口部は燃焼コーンの円筒部材とテーパ部材の間に隙間を開けて接続することで構成したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記の燃焼コーンを持った自己再循環バーナにおいて、前記燃焼コーン側壁開口部は燃焼コーン先端近くのテーパ部材部分に複数の貫通孔を間隔を開けて配置することで構成したことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記の燃焼コーンを持った自己再循環バーナにおいて、燃焼コーン内の一部に空気の不足する領域が発生するバーナの場合、空気量が不足する領域の下流側に該当する燃焼コーン側壁開口では、他の部分よりも空気流出量が多くなるように、燃焼コーン側壁開口部の開口面積を他の部分よりも大きくしたことを特徴とする。

本発明を実施すると、燃焼コーンの外側表面部における空気量が増加するため、燃焼コーン外側表面部の圧力が増加して負圧域が削減でき、燃焼コーン外側表面部分に未燃分が滞留することを防止できる。また、燃焼コーンの外側表面に沿って流れる空気流は、未燃分が燃焼コーン外側表面に付着しないように吹き飛ばす効果もあるため、燃焼コーン外側表面におけるススの付着を回避することができる。

また、燃料と空気の混合状態に片寄りが発生するバーナの場合、空気量が少なくなる部分では未燃分の発生が多くなる。そのため、空気比が少ない部分の下流側に当たる燃焼コーン側壁開口部の開口面積を大きくすることで、燃焼コーンへのスス付着を効率的に防止することができ、ススの付着が問題とならない部分では燃焼ガスの循環作用を高く保つことができる。

さらに、燃焼コーンの外側表面に沿って流す空気は、燃焼コーンを冷却する効果があるため、バーナで最も加熱される部分である燃焼コーン先端部の過熱防止作用によって、燃焼コーンの耐久性を向上させるという効果を得ることもできる。

本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は本発明の第１実施例におけるバーナの断面図、図２は図１のバーナを燃焼室側からみた正面図、図３は図１のバーナ先端部分における斜視図、図４は第２実施例におけるバーナ先端部分の一部切り欠き斜視図である。

まず第１実施例の構成から説明する。中央部に燃料噴射ノズル１、燃焼噴射ノズル１の周囲に円筒形の一次空気筒２、一次空気筒２のさらに外側にも一次空気筒２とは同心である円筒形の二次空気筒３を設ける。一次空気筒２の内側を一次空気流路４、一次空気筒２と二次空気筒３の間を二次空気流路５とする。一次空気流路４の下流側端面に燃料噴射孔を設ける。二次空気流路５の下流側端面には、空気を分割供給するための開口部を一定の間隔を開けて設置しており、二次空気流路先端の開口部が空気ノズル６となる。なお、空気ノズル６は第２実施例にあるように二次空気流路５の先端からも下流側へ向けて延びるものであってもよい。

燃料噴射ノズル１は、燃料を円錐状に噴射するものであり、高燃焼用燃料噴射ノズル１Ｈと低燃焼用燃料噴射ノズル１Ｌからなる。低燃焼時には低燃焼用燃料噴射ノズル１Ｌからのみ燃料を噴射し、高燃焼時には両方の燃料噴射ノズルから燃料を噴射することで燃料噴射量を調節する。

燃料噴射ノズル１の下流側に燃焼コーン７を設ける。燃焼コーン７は、二次空気流路５の下流側先端面から所定の間隔を開けて配置している円筒であり、燃焼コーン７の上流側と下流側の両端は開口している。燃焼コーン７は根元側の円筒部材１０と先端側のテーパ部材１１からなっており、下流側の開口径を上流側の開口径よりも小さく絞り込んでいる。燃焼コーン７の円筒部材１０とテーパ部材１１の間は、隙間を設けて接続しており、円筒部材１０とテーパ部材１１の隙間を燃焼コーン側壁開口部９とする。

バーナの燃焼を行う場合、燃料噴射ノズル１から噴射する燃料と、空気ノズル６から噴射する燃焼用空気を混合しながら燃焼を行う。燃料噴射ノズル１は円錐状に燃料を噴射するものであるため、燃料噴射ノズル１から噴射した燃料は燃焼コーン７内で拡散していく。空気ノズル６から噴射する空気も、燃焼コーン下流側開口部８の方向へ流れながら末広がりに拡散していくため、燃料噴射ノズル１から噴射した燃料と、空気ノズル６から噴射した燃焼用空気は、燃焼コーン７内で混合して燃料空気混合ガスとなる。この時、燃料噴射ノズル１の噴射角は、燃焼コーン７に燃料が直接当たることのない角度とし、周縁部に設置している空気ノズル６から末広がりに拡散する空気は、燃焼コーン７の内周面に接すると、燃焼コーン７の内側壁面に沿って流れていく。そのため、燃焼コーン７の内側壁面にそっては空気の割合が高い層ができる。

燃料空気混合ガスは、燃焼コーン７の先端付近から火炎となり、燃焼コーン下流側開口部８からその先に設けている燃焼室へ向けて噴出する。燃焼コーン７は先細りの構造としているため、燃焼コーン下流側開口部８から噴射する燃料空気混合ガスの流速は速くなり、燃焼コーン下流側開口部８付近の圧力は上昇する。燃焼コーン下流側の圧力は燃料噴射ノズル付近の圧力より高くなり、二次空気流路５の下流側先端面と燃焼コーン７の間には間隔を開けているため、燃焼コーン７から噴射した燃焼ガスの一部は、燃焼コーン７の外側を通って二次空気流路５先端と燃焼コーン７の間から燃焼コーン７内へ入る。燃焼の進んだ燃焼排ガスを燃料空気混合ガスへ循環させることで火炎の温度が低下するため、ＮＯｘの発生量は少なくなる。また、燃焼コーンを先細りの構造とすると、燃焼コーン下流部分と燃焼コーン外側表面部分には圧力差が発生し、燃焼コーンの外側表面部分の負圧域では、燃焼コーン下流側開口部８から噴射している燃料空気混合ガスを吸引する作用が生まれるため、排ガス自己再循環の効果が強まる。ただし、燃焼コーンの外側表面に負圧域ができた場合、燃料空気混合ガス内に含まれている未燃分が引き寄せられて滞留するため、燃焼コーン７の外側表面に未燃分が付着することがある。

本実施例のバーナでは、燃焼コーン７の円筒部材１０とテーパ部材１１の間に燃焼コーン側壁開口部９を設けているため、燃焼コーン７の内側壁面に沿って流れていた空気の一部は燃焼コーン側壁開口部９から燃焼コーン７の外側へと流れ出る。燃焼コーン側壁開口部９から流れ出た空気は、燃焼コーン７の外側表面に沿って流れるため、燃焼コーン７の外側表面部分では圧力が上昇して負圧域が削減され、燃焼コーン外側に未燃分が滞留することを防止できる。さらに、燃焼コーンの外側表面に沿って流れる空気流は、未燃分が燃焼コーン７の外側表面に付着しないように、未燃分を吹き飛ばす作用もあるため、燃焼コーン外側表面へのスス付着防止効果を高めることができる。

また、燃焼コーン側壁開口部９の開口面積は、図１及び図３の向かって左側を広くし、右側を狭くしている。開口面積に広狭を設けるのは、２本設置している燃料噴射ノズル１の燃料噴射量に大小を設けている場合など、燃焼コーン７内の一部に空気の不足する領域が発生する場合において、ススの付着を防止するためである。

本実施例は、高燃焼と低燃焼の２段階で燃焼を行うバーナであって、燃料噴射ノズル１は２本設置しており、低燃焼用燃料噴射ノズル１Ｌよりも高燃焼用燃料噴射ノズル１Ｈから噴射する燃料噴射量が多くなるように、噴射量を設定している場合のものである。この場合、高燃焼用燃料噴射ノズル１Ｈから噴射する燃料量を多くしているため、高燃焼用燃料噴射ノズル１Ｈを設置している側では、燃料に対する空気の比率が低くなり、このことが未燃分の発生とスス付着に結びつく。逆に、低燃焼用燃料噴射ノズル１Ｌを設置している側では、燃料の噴射量が少なくなるため、未燃分の発生は少なく、ススの付着が問題となることはない。

そのため、高燃焼用燃料噴射ノズル１Ｈを設置している側の燃焼コーン側壁開口部９を広くすることで、スス付着が問題となる側における燃焼コーンへのスス付着防止作用を強くする。燃焼コーン側壁開口部９を広くすれば、燃焼コーン側壁開口部９から燃焼コーン７の外側へ出ていく空気量が多くなるため、燃焼コーン７外側表面部分での未燃分滞留を防止する作用と、未燃分を吹き飛ばす作用が高くなる。また、ススの付着が少ない部分に該当する燃焼コーン側壁開口部９では、燃焼コーン側壁開口部の開口面積を狭くすると、燃焼排ガスの循環作用を高くすることができるため、燃焼排ガス自己再循環によるＮＯｘ発生量の削減効果を高く維持することができる。

次に第２実施例である図４に基づいて説明を行う。基本的には前記第１実施例と第２実施例は同じであり、異なるのは燃焼コーン側壁開口部９の形状である。また、空気ノズル６は二次空気流路５の先端よりも下流側へ延びているパイプ状としている点も第１実施例とは異なっている。空気ノズル６は燃焼コーン７内まで延びるパイプとした方が燃焼排ガスの循環作用を高めることができる点で有利であり、第２実施例の燃焼コーン側壁開口部９の場合、空気ノズル６をパイプ状とした方が効果がより明確に現れる。

第２実施例の場合、燃焼コーン側壁開口部９は燃焼コーンのテーパ部材部分で貫通する複数の穴を開けることで形成している。穴の配置は、間隔を開けて配置している空気ノズル６の中間部分（空気遮蔽部分）を、空気ノズル６の空気噴射方向に延長した燃焼コーン側壁部分に設けており、空気ノズル６と燃焼コーン側壁開口部９は同一ピッチ角で半ピッチずらした配置となっている。

空気ノズル６は間隔を開けて配置しており、隣り合う空気ノズル６の間は空気を遮蔽しているため、燃焼コーン７内の空気ノズル直下部分と、空気ノズル直下から外れた部分では空気量が異なる。つまり、空気ノズル６の直下部分は空気量が多いために未燃分の発生量は少なくなり、空気ノズル６の直下から外れた部分では空気量が少ないために未燃分の発生量が多くなる。そのため、燃焼コーン７にススが付着する部分である空気ノズル６の直下から外れた部分に燃焼コーン側壁開口部９を設けることで、燃焼コーン７にススが付着する部分へ集中的にスス付着防止用の空気を送ることができる。

また、第２実施例においても、低燃焼用燃料噴射ノズル１Ｌ側における燃焼コーン側壁開口部９の開口面積を小さくし、高燃焼用燃料噴射ノズル１Ｈ側の燃焼コーン側壁開口部９は大きくしている。これは第１実施例で燃焼コーン側壁開口部の広狭を設けたのと同じ理由によるものであり、燃焼コーン側壁開口部９の開口面積を大きくするのはスス付着が問題となる側、つまり空気が不足する側とする。なお、本実施例では高燃焼用燃料噴射ノズル１Ｈの燃料噴射量の方が多く、高燃焼用燃料噴射ノズル１Ｈ側で空気が不足するため、高燃焼用燃料噴射ノズル１Ｈ側の開口面積を大きくするというものである。燃料噴射ノズルの燃料噴射量ではなく、燃料噴射ノズルの配置や空気供給構造などによって空気不足域が定まるバーナであれば、燃焼コーン側壁開口部の開口面積は燃料噴射ノズルの燃料噴射量に関係なく空気不足域に応じて定めることになる。

本発明の第１実施例におけるバーナの断面図図１のバーナを燃焼室側からみた正面図図１のバーナ先端部分における斜視図第２実施例におけるバーナ先端部分の一部切り欠き斜視図

符号の説明

１燃料噴射ノズル
２一次空気筒
３二次空気筒
４一次空気流路
５二次空気流路
６空気ノズル
７燃焼コーン
８燃焼コーン下流側開口部
９燃焼コーン側壁開口部
１０円筒部材
１１テーパ部材

Claims

中央部に燃料噴射ノズル、燃料噴射ノズルの周囲に空気ノズルを配置し、中央から噴射する燃料と周囲から噴射する空気を混合させて燃焼を行う構成のバーナであって、燃料噴射ノズル及び空気ノズルの設置位置よりも下流側には、上流側及び下流側の両端を開口し、根元側の円筒部材と先端側のテーパ部材からなっており、上流側開口径よりも下流側開口径の方が小さくなるように先細りの構造とした燃焼コーンを設け、燃料噴射ノズルから噴射した燃料と空気ノズルから噴射した空気を燃焼コーン内で混合し、燃料空気混合ガスを燃焼コーン下流側開口部から燃焼室へ噴射しながら燃焼を行っており、燃焼コーン下流側開口部から噴射した燃料空気混合ガスの一部は、燃焼コーンの外側に渦流を発生させることで、燃焼の進んだ燃焼ガスを燃料空気混合ガス流内へ循環させる自己再循環バーナにおいて、前記燃焼コーン先端側の側壁に燃焼コーン内部から外部へ空気を流出させる燃焼コーン側壁開口部を設けたことを特徴とする燃焼コーンを持った自己再循環バーナ。
請求項１に記載の燃焼コーンを持った自己再循環バーナにおいて、燃焼コーンは根元側の円筒部材と先端側のテーパ部材からなるものであり、前記燃焼コーン側壁開口部は燃焼コーンの円筒部材とテーパ部材の間に隙間を開けて接続することで構成したことを特徴とする燃焼コーンを持った自己再循環バーナ。
請求項１に記載の燃焼コーンを持った自己再循環バーナにおいて、前記燃焼コーン側壁開口部は燃焼コーン先端近くのテーパ部材部分に複数の貫通孔を間隔を開けて配置することで構成したことを特徴とする燃焼コーンを持った自己再循環バーナ。
請求項１から３のいずれかに記載の燃焼コーンを持った自己再循環バーナにおいて、燃焼コーン内の一部に空気の不足する領域が発生するバーナの場合、空気量が不足する領域の下流側に該当する燃焼コーン側壁開口では、他の部分よりも空気流出量が多くなるように、燃焼コーン側壁開口部の開口面積を他の部分よりも大きくしたことを特徴とする燃焼コーンを持った自己再循環バーナ。