JP4600850B2

JP4600850B2 - ガスバーナ

Info

Publication number: JP4600850B2
Application number: JP2006294805A
Authority: JP
Inventors: 俊一津村; 治雄深澤; 徹小橋; 仁高杉; 豊冠木; 稔副島; 豊高松
Original assignee: Volcano Co Ltd
Current assignee: Volcano Co Ltd
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2026-10-30
Also published as: JP2008111591A

Description

本発明はガス焚きボイラなどのガスバーナにおける燃焼振動を抑制すると共に、低ＮＯｘ（排ガス中の窒素酸化物の濃度を低くすること）かつ高効率な燃焼を実現するための技術に関するものである。

従来、低ＮＯｘ燃焼技術の一環としてガスバーナの開発が行われてきた。事業用ボイラ用の火炉においては信頼性が高く、バーナの大容量化に適した図５に示すようなマルチスパッドタイプのガスバーナが主に使用されている。また、産業用ボイラにおいては、マルチスパッドタイプの他に構造が簡単で低ＮＯｘ化に適したセンターガスノズルタイプのガスバーナが使用されてきた。

図５に示すマルチスパッドタイプのバーナは、バーナの中央部先端に保炎器１７を設け、該保炎器１７の周囲に複数のガスノズルを含むガスエレメント１６を周方向に均等に複数個配列した構成からなるが、保炎器１７の後流側（火炉内側）に２次空気と３次空気とからなる燃焼用空気とガス燃料を適量注入することで、燃焼振動の無い安定な火炎を形成することができる。
マルチスパッドタイプのガスバーナでは、複数本のガスエレメント１６があることから、ガス供給路を各ガスエレメント１６に接続して保炎器１７の後流側に燃料を安定供給することができる。

また、センターガスノズルタイプのバーナノズル先端の側断面図を図６に示し、その正面図を図７に示すが、バーナ中央部にガスノズル１を設けたセンターガスノズルタイプの産業用ボイラバーナにおいては、主孔２を有するガスノズル１を備えていた。

一般に、燃焼振動はバーナとボイラなどの火炉との組合せで発生するので、バーナと火炉とのマッチングが悪いと燃焼振動が発生することになる。燃焼振動はバーナでのガス燃料の燃焼音が火炉内で共鳴するために生じるが、この現象は音圧によってガスバーナの空気量もしくは燃料量が変化し、発熱変動が発生し、これが音圧変動へと連鎖的に変化して生じる。

従来のセンターガスノズルタイプのガスバーナでは図６、図７に示すように主孔２しか用いないので、この燃料が一部拡散して保炎器９（図３参照）に戻ることから、連続燃焼を可能としていた。しかし、保炎を目的とした副孔がないため、保炎が弱く、燃焼条件によっては燃焼振動を発生するポテンシャルを有する構造であった。

下記特許文献１記載の発明には、燃焼ガスの燃焼量が減少しても振動がない図８に示すガスバーナが開示されている。その構造はバーナの中心線Ｃ’に対して斜め外方にガスを噴出するガス噴出孔２０ｂを有するメインノズル２０ａと、該メインノズル２０ａと同軸で、該ノズル２０ａの周囲に設けた一次燃焼用空気通路を有する内筒２１とを設け、さらにメインノズル２０ａの上流側から先端部側に円錐状に拡大し、複数の小孔２２を有する保炎板２３を設けたガスバーナが開示されている。
特開平１０−２１３３１１号公報

前記特許文献１記載の発明は、燃焼ガスの燃焼量が減少しても振動がなく、燃焼量の広い範囲で使用できるガスバーナである。
しかし、このバーナはガス燃焼専用のバーナであり、石油を燃料とする油バーナをガスバーナに転用するための構成でないのでガス燃料を燃焼させることだけに配慮したものである。そのため、そのまま油バーナをガスバーナに転用するためのバーナとしては利用できない。

本発明の課題は、（１）燃焼振動の防止、（２）火炎の安定化と長炎化、（３）簡単構造及び（４）広い安定燃焼範囲が達成できるガス燃焼バーナ及び油バーナ転用型ガスバーナを提供することである。

本発明の上記課題は、次の解決手段で解決される。
すなわち、請求項１記載の発明は、バーナの中心軸上に設けたガス燃料を供給するガスノズルと、該ガスノズルの中心軸と同軸上であってガスノズルの外周部に中心軸側から順に設けた、少なくとも一次空気流路と二次空気流路からなる燃焼用空気流路と、ガスノズル先端部分に設けた保炎器とを備えたガス燃料を燃焼するガスバーナにおいて、ガスノズル先端部にガスバーナの中心軸に対して３５°〜４５°の噴射角度でガスを噴出する主孔を、前記中心軸を挟んで対称的に、バーナ中心軸の周りにそれぞれ均等に複数個設け、バーナの中心軸に対して４５°〜５５°の噴射角度でガスを噴出する副孔を２つずつが同一径方向に並列配置し、第１グループの副孔の前記中心軸Ｃからの距離が同一で、第２グループの副孔の中心軸Ｃからの距離が同一となるようにバーナ中心軸の周りにそれぞれ均等に複数個設け、前記主孔と副孔の開口面積比率が８０：２０〜９０：１０の間になるように設けたことを特徴とするガスバーナである。

請求項１記載の発明のガスバーナは、保炎用ガス燃料と負荷用ガス燃料を分離して燃焼させること及び主孔のバーナ中心軸に対する噴射角度を従来より狭くすることで燃焼振動の防止をするものである。燃焼振動はバーナでのガス燃料の燃焼音が火炉内で共鳴するために生じるが、この現象は音圧によってガスバーナの空気量もしくは燃料量が変化し、発熱変動が発生し、音圧変動へと連鎖的に変化するために生じることは、先に説明したとおりである。これらの変動はフィードバックループであることから、ループを形成している何かの要因を取り除いてやれば燃焼振動は発生しない。そして発熱変動の主たる原因は着火不良によるため、ガスバーナの保炎を強化すれば、火炉内からの音圧変動を受けても大きな発熱変動につながらないので燃焼振動が発生しない。

請求項１記載の発明によれば、主孔の前記噴射角度が４５°を超えると火炉内の圧力変動による振動ポテンシャルが大きくなり過ぎ、また主孔の前記噴射角度が３５°未満になると、長炎化が過ぎてボイラの熱吸収特性に影響を与えるため、主孔の前記噴射角度を３５°〜４５°とすることにより、火炎の安定化と長炎化が両立されることから燃焼振動を抑制できること、及び燃焼用空気とガス燃料の混合が若干抑制されることから、火炎の温度が従来技術と比較して低くなり、この結果サーマルＮＯｘの抑制が可能になることが特徴である。

また、副孔の前記噴射角度が４５°未満であると保炎効果が弱くなり振動ポテンシャルが上昇する。一方、副孔の前記噴射角度が５５°を超えると、バーナ近傍での保炎のバランスが崩れ振動ポテンシャルが大きくなる。従って、副孔の噴射角度は４５°〜５５°が適正である。

このように、請求項１記載の発明のバーナは、従来技術のガスバーナと比較して、燃焼振動を抑制でき、サーマルＮＯｘの抑制が可能になり、また、副孔から投入する保炎用燃料をバーナ構成に拘わらず、焼損を防ぎながら保炎器近傍に適正量の燃料を投入可能となり、保炎効果を高めながら、振動ポテンシャルを抑えることができ、単純な構造であるのでメンテナンス性が従来より向上する。

本発明の実施例を図面と共に説明する。
図１と図２に本実施例のガスバーナのガスノズル１の先端部を示し、図１は図２のＡ−Ａ線断面矢視図、図２は先端部側（火炉内側）から見た正面図である。
ガスノズル１の先端部には４つの主孔２と８つの副孔３が設けられ、全主孔を流れるガス燃料は全ガス燃料流量の８０％、全副孔を流れるガス燃料は全ガス燃料流量の２０％が流れる構成になっている。

図１に示すガスノズル１の先端部の各主孔２はガスノズル１の中心軸Ｃを挟んで対称的に噴射角度が７０°（中心軸Ｃに対する仰角３５°）となるように設けられ、各副孔３はガスノズル１の中心軸Ｃを挟んで対称的に噴射角度が１１０°（中心軸Ｃに対する仰角５５°）となるように設けられている。また４つの主孔２と８つの副孔３はそれぞれガスノズル１の先端部に中心軸Ｃの周りに均等に配置され、図１、図２に示す例では８つの副孔３の２つずつが同一径方向に並列配置され、第１グループの４つの副孔３のガスノズル１の中心軸Ｃからの距離が同一で、第２グループの４つの副孔３のガスノズル１の中心軸Ｃからの距離が同一となる位置にそれぞれ設けられている。

図３には本実施例のガスノズル１を備えたガスバーナ５の側断面図を示す（図３のバーナは油バーナを装着可能）。図３はガス燃料２００ｍ³Ｎ／ｈのモデルバーナの断面図であるが、基本的に実機バーナと相似形である。

ガスバーナ５はガスノズル１と該ガスノズル１の外周部に設けられる一次空気流路７と該一次空気流路７の外周部に設けられる二次空気流路８の三重構造からなっており、ガス燃料はバーナ中心部分に配置され、その先端部のガスノズル１の前記主孔２と副孔３から燃料を火炉内に噴射する構造となっている。なお、二次空気流路８の外周部に三次空気流路（図示せず）を設けても良い。

中心空気である一次空気７ａは直進流であるが、ノズル１の出口部分に設けたスワラー（保炎器）９によって、一次空気７ａのうちの一部に旋回力が与えられ、スワラー９の後流側の領域にガス燃料が同伴されることで、火炎の安定保持が可能となる。

一方、一次空気７ａの周囲の二次空気８ａも二次空気流路８の入口部に設けられたレジスタタイプの旋回装置１０により旋回される。
二次空気流路８の入口部に設けられるレジスタタイプの旋回装置１０はスワラータイプの旋回装置より低圧力損失で強い旋回が得られるためにガス燃料の完全燃焼用の二次空気流路８に設置される。またバーナ５の一次空気流路７と二次空気流路８の入口部にはダンパ１３，１４がそれぞれ設けられている。

事業用ボイラの燃焼用バーナは、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度を低減させるために、通常２段燃焼システムを採用しており、バーナ部分における空気比は完全燃焼用の空気量に比較して０．７〜０．９程度に設定されることが多い。一方、産業用ボイラの燃焼用バーナは、燃焼用空気温度が一般に事業用に比較して低く、ＮＯｘレベルも低いことから、２段燃焼用ポートを具備せず、全燃焼用空気をバーナスロートから投入するシステムを採ることが多い。

ガスバーナは石炭用バーナや油用バーナと比較すると、燃料中の揮発分が多く、燃焼性すなわち燃焼速度が非常に大きいので、燃焼振動が発生しやすくなる。この理由は、燃焼振動がバーナ近傍での発熱量が最大になると発生しやすい特性を有しているためである。

表１に１３Ａ都市ガス（メタンを主成分とし、その他にエタン、プロパン及びブタンからなるガス）の流量を２００ｍ³Ｎ／ｈとした場合のバーナによる燃焼試験を実施した場合のデータを比較した。

各ガスノズル番号（番号Ｔ−１〜Ｔ−８について３回又は４回の実験を繰り返したテスト結果データの平均値を表示している。）について以下に示す。
Ｔ−１：主孔６孔ノズル、ガス噴射仰角４５°
Ｔ−２：８孔ノズル（主孔４孔＋副孔４孔ノズル）、ガス噴射仰角４５°、主孔、副孔燃料流量比９０／１０
Ｔ−３：８孔ノズル（主孔４孔＋副孔４孔ノズル）、ガス噴射仰角４５°、主孔、副孔燃料流量比８０／２０
Ｔ−４：８孔ノズル（主孔４孔（噴射仰角４５°）＋副孔４孔（噴射仰角６０°））、主孔、副孔燃料流量比９０／１０
Ｔ−５：８孔ノズル（主孔４孔（噴射仰角４０°）＋副孔４孔（噴射仰角５５°））、主孔、副孔燃料流量比９０／１０、
Ｔ−６、７：８孔ノズル（主孔４孔（噴射仰角３５°）＋副孔４孔（噴射仰角５５°））、主孔、副孔燃料流量比９０／１０
Ｔ−８：８孔ノズル（主孔４孔（噴射仰角３５°）＋副孔４孔（噴射仰角５５°））、主孔、副孔燃料流量比８０／２０

スワラー羽根枚数：スワラーの羽根の枚数
ガス流量：２００ｍ³Ｎ／ｈ（バーナ負荷が約１００％）
炉内温度：覗き窓より測定した炉内温度
排ガス特性：火炉出口排ガスの分析データ
Ｉ０（全振幅）：火炉の炉内圧力変位の最大の振り幅（ｍｍＡｑ）
Ｉ１（振幅）：火炉奥行き方向の固有振動数の位置における振り幅（ｍｍＡｑ）
Ｉ１／Ｉ０：この値が大きい程振動レベルが高い

表１の結果は、Ｉ１（振幅）を比較して、振動のレベルを検討した。
この表１から、Ｔ−８の条件における燃焼において、最も低振動レベルであった。
また、表１のＴ−１とＴ−２の比較において、従来ガスノズルである主孔単独（６穴）の噴射角度４５°から、主孔（４穴）と副孔（４穴）を分割し、主孔の噴射角度を４５°、副孔の噴射角度を４５°とすることにより、Ｉ１が半減、Ｉ１／Ｉ０が約４０％低減し、振動レベルが下がることを実証した。

表１のＴ−２、Ｔ−４、Ｔ−５の比較において、副孔の噴射角度を６０°に拡げるとＩ１及びＩ１／Ｉ０のレベルが上昇し、振動のポテンシャルが上昇することを確認した。

また、表１のＴ−１から副孔の噴射角度が４５°未満であると保炎効果が弱くなり振動ポテンシャルが上昇することが分かる。従って、副孔の噴射角度は４５°〜５５°が適正である。

さらに、表１のＴ−５とＴ−６の比較において、主孔の噴射角度は４０°に比較し３５°に狭めた方がＩ１及びＩ１／Ｉ０のレベルが下がり、振動のポテンシャルは低くなることを確認した。但し、主孔の噴射角度を狭くしすぎると、長炎化によりボイラの熱吸収特性に影響を与えるため、主孔の噴射角度は３５°〜４５°が適正である。

本実施例のガスノズル１では、副孔３における燃料流量を全体の１０〜２０％の割合で投入することで、副孔３から噴出する燃料が再循環ガス領域１２（図４参照）にうまく取り込まれ、燃焼振動を低く抑えることができる。

さらに、表１において、Ｔ−２とＴ−３の比較及びＴ−６とＴ−８の比較で、主孔／副孔流量比９０／１０に比較し８０／２０の方が振動レベルが下がることが確認される。但し、副孔に２０％以上ガスを投入すると保炎器（スワラー）９の焼損が懸念されるため適正範囲は１０〜２０％である。

この理由について図４の模式図を用いて説明する。図４にはスワラー（保炎器）９の後流部分におけるガス流れを示す。ガス燃料は、ガスノズル１の先端部分から角度を持って噴射される。従来型のノズルは、図中矢印Ｐから均等に噴射燃焼される。一方、本実施例のガスノズル１においては、主孔２と副孔３があるため、それぞれ矢印Ｍと矢印Ｓの方向にガスが噴射される。

スワラー９の後流側の火炉内には、再循環ガス領域１２が形成される。従来燃焼方式では矢印Ｐのように、燃料ガスが再循環ガス領域１２を突き抜けることから、一部、再循環ガス領域１２に取り込まれるものの、この領域１２における燃料濃度が低く、安定な燃焼を継続することができない。一方、本実施例のガスノズル１では、副孔３における燃料流量を全体の１０〜２０％の割合で投入し、また副孔３の数を増やすことで、その運動量を抑えることが可能で、副孔３から噴出する燃料が再循環ガス領域１２にうまく取り込まれるために必要事項である。ただし、スワラー９の径が大きく再循環ガス領域１２が広く取れる場合においては、必ずしも必要な事項ではない。

本発明によれば、特に産業用ボイラのように、排ガス混合装置や２段燃焼用のＡＡＰ（アフターエアポート）を具備していないシステムにおいて、バーナのガスノズルを変更するだけで、燃焼振動を抑制できると共に、低ＮＯｘ運用が可能となる。

本発明になるガスバーナ構造のうちガスバーナノズルの側断面図（図２のＡ−Ａ線断面矢視図）である。図１のガスノズルの火炉内側から見た正面図である。図１のガスバーナ構造の全体構造図である。図１のガスバーナ構造のうちガスバーナノズルの保炎器周囲のガス流れを示す模式図である。従来技術の事業用のマルチスパッドタイプのガスバーナの側断面図である。従来技術のセンターガスノズルタイプのバーナノズル先端の側断面図である。図６のガスノズル先端の正面図である。従来技術の燃焼ガスの燃焼量が減少しても振動がないガスバーナの側断面図である。

符号の説明

１ガスノズル２主孔
３副孔５ガスバーナ
７一次空気流路７ａ一次空気
８二次空気流路８ａ二次空気
９スワラー（保炎器）１０旋回装置
１２再循環ガス領域１３，１４ダンパ
１６ガスエレメント１７保炎器
２０ａメインノズル２０ｂガス噴出口
２１内筒２２小孔
２３保炎板Ｃ，Ｃ’ 中心軸

Claims

バーナの中心軸上に設けたガス燃料を供給するガスノズルと、該ガスノズルの中心軸と同軸上であってガスノズルの外周部に中心軸側から順に設けた、少なくとも一次空気流路と二次空気流路からなる燃焼用空気流路と、ガスノズル先端部分に設けた保炎器とを備えたガス燃料を燃焼するガスバーナにおいて、
ガスノズル先端部にガスバーナの中心軸に対して３５°〜４５°の噴射角度でガスを噴出する主孔を、前記中心軸を挟んで対称的に、バーナ中心軸の周りにそれぞれ均等に複数個設け、
バーナの中心軸に対して４５°〜５５°の噴射角度でガスを噴出する副孔を２つずつが同一径方向に並列配置し、第１グループの副孔の前記中心軸Ｃからの距離が同一で、第２グループの副孔の中心軸Ｃからの距離が同一となるようにバーナ中心軸の周りにそれぞれ均等に複数個設け、
前記主孔と副孔の開口面積比率が８０：２０〜９０：１０の間になるように設けたことを特徴とするガスバーナ。