特開 2023-494 フレームレス燃焼装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023000494

(43)【公開日】2023-01-04

(54)【発明の名称】フレームレス燃焼装置

(51)【国際特許分類】

   F23D 14/22 20060101AFI20221222BHJP

   F23D 14/66 20060101ALI20221222BHJP

   F23C 99/00 20060101ALI20221222BHJP

【ＦＩ】

F23D14/22 C

F23D14/66 B

F23C99/00 315

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021101354

(22)【出願日】2021-06-18

(71)【出願人】

【識別番号】598148913

【氏名又は名称】株式会社エコム

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100214813

【弁理士】

【氏名又は名称】中嶋 幸江

(74)【代理人】

【識別番号】100132883

【弁理士】

【氏名又は名称】森川 泰司

(74)【代理人】

【識別番号】100130281

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 道幸

(74)【代理人】

【識別番号】100165489

【弁理士】

【氏名又は名称】榊原 靖

(72)【発明者】

【氏名】高梨 智志

(72)【発明者】

【氏名】野田 進

(72)【発明者】

【氏名】田邉 淳一

(72)【発明者】

【氏名】瀧本 典昭

【テーマコード（参考）】

3K017

3K019

3K065

【Ｆターム（参考）】

3K017DC03

3K019AA06

3K019BB02

3K019BD03

3K065TA01

3K065TE04

3K065TJ06

(57)【要約】

【課題】
小型で、常温空気から高温空気の広い温度範囲の空気でフレームレス燃焼が可能なフレームレス燃焼装置を提供することにある。
【解決手段】
一段目燃焼器が、二段目環状空気流路部材の内側に配置され、二段目燃焼器の二段目空気噴出口と二段目燃料噴出口とが略同一面上になるように二段目環状空気流路部材と二段目燃料パイプとが配置され、一段目燃焼器の旋回火炎によって生じる旋回する一段目既燃ガスが、二段目環状空気流路部材と二段目燃料パイプとの間を炉内の方向に向かって進んだ後に炉内に噴出されることを特徴とする。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

炉内にフレームレス燃焼を生じさせるフレームレス燃焼装置において、
一段目燃料と一段目空気とを混合して燃焼させて旋回火炎を形成させるプロペラ状の旋回羽根からなる一段目燃焼器と、
円筒状で外壁内側に二段目空気が流れる環状流路を有すると共に該炉内に向かう先端側に該環状流路と連通して該二段目空気を噴出する複数の二段目空気噴出口を有する二段目環状空気流路部材と、
円筒棒状で、該炉内に向かう先端側に二段目燃料を噴出する二段目燃料噴出口を有し、該二段目環状空気流路部材の半径中心である略軸位置に延設された二段目燃料パイプと、からなる二段目燃焼器と、
を備え、
該一段目燃焼器が、該二段目環状空気流路部材の内側に配置され、
該二段目燃焼器の該二段目空気噴出口と該二段目燃料噴出口とが略同一面上になるように該二段目環状空気流路部材と該二段目燃料パイプとが配置され、
該一段目燃焼器の該旋回火炎によって生じる旋回する一段目既燃ガスが、該二段目環状空気流路部材と該二段目燃料パイプとの間を該炉内の方向に向かって進んだ後に該炉内に噴出されることを特徴とするフレームレス燃焼装置。

【請求項2】

前記二段目燃料パイプが、前記一段目燃焼器の前記旋回羽根の略軸中心に直立するように配置され、
前記一段目燃焼器の前記旋回火炎によって生じる旋回する前記一段目既燃ガスの旋回軸が、該二段目燃料パイプの軸と略同軸であることを特徴とする請求項１記載のフレームレス燃焼装置。

【請求項3】

前記一段目燃焼器の前記旋回羽根が、略軸方向に向かって開口する複数の一段目燃料噴出口を有する複数のブレードからなり、
該ブレード間の間隙を前記一段目空気が通過すると前記一段目空気が旋回し、該一段目燃料噴出口から噴出される前記一段目燃料と旋回する該一段目空気とが混合されて燃焼し、前記旋回火炎を形成させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のフレームレス燃焼装置。

【請求項4】

前記二段目環状空気流路部材と前記二段目燃料パイプとの間が、前記一段目燃焼器の一段目燃焼室であることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のフレームレス燃焼装置。

【請求項5】

前記二段目環状空気流路部材の前記二段目空気噴出口と前記二段目燃料パイプの前記二段目燃料噴出口とが、該二段目環状空気流路部材の半径方向に所定の距離を持って離間していることを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか１項に記載のフレームレス燃焼装置。

【請求項6】

前記二段目環状空気流路部材の前記二段目空気噴出口と前記二段目燃料パイプの前記二段目燃料噴出口とが、該二段目環状空気流路部材の半径方向に所定の距離をもって離間し、
該所定の距離が、
該二段目空気噴出口から噴出された前記二段目空気と該二段目燃料噴出口から噴出された前記二段目燃料とが該二段目空気噴出口及び該二段目燃料噴出口の直近で混合されず、該二段目空気と該二段目燃料とがそれぞれ前記一段目既燃ガスにより高温化及び希釈化された後に混合されて、フレームレス燃焼を生じ得る距離である、
ことを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか１項に記載のフレームレス燃焼装置。

【請求項7】

前記二段目環状空気流路部材の前記二段目空気噴出口が、互いに所定の距離をもって離間していることを特徴とする請求項１～請求項６のいずれか１項に記載のフレームレス燃焼装置。

【請求項8】

前記二段目環状空気流路部材の前記二段目空気噴出口が、互いに所定の距離をもって離間し、
該所定の距離は、
前記一段目燃焼器と前記二段目燃焼器との燃焼によって生じた前記炉内の炉内既燃ガスが、該二段目空気噴出口から噴出された二段目空気及び前記二段目燃料噴出口から噴出された前記二段目燃料の方向に流入されて、流入された該炉内既燃ガスにより該二段目空気噴出口から噴出された該二段目空気及び該二段目燃料噴出口から噴出された該二段目燃料が高温化及び希釈化されて、フレームレス燃焼を生じ得る距離である、
ことを特徴とする請求項１～請求項６のいずれか１項に記載のフレームレス燃焼装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炉の内部（炉内）にフレームレス燃焼を生じさせるフレームレス燃焼装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、高温空気燃焼は、酸化剤である空気を燃焼排熱等で加熱するとともに、既燃ガスで希釈することで高効率燃焼及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出低減を実現している。高温空気燃焼は、フレームレス燃焼或いは緩慢燃焼とも呼ばれ、輝炎の存在しない１８００［Ｋ］以下の平坦な温度分布を持つ火炎となる。ＮＯｘは、１８００［Ｋ］以上の火炎温度で生成されるため、高温空気燃焼は、ＮＯｘ排出低減燃焼技術である。

【0003】

従来のフレームレス燃焼を実現するリジェネバーナ（フレームレス燃焼装置）は、一対の蓄熱体と燃焼器からなり、既燃ガスで蓄熱体を加熱し、高温となった蓄熱体に空気を流すことで高温空気を生成している。さらに、この従来のリジェネバーナは、燃料ノズルと空気ノズルに距離を持たすことで、浮き上がり火炎を形成させ、浮き上がり火炎基部で高温空気と既燃ガスの混合を促進させ、高温空気の希釈を行うことで低ＮＯｘまた高効率となる燃焼を実現する。この従来のリジェネバーナの欠点は一対の燃焼装置が必要となること、燃料ノズルと空気ノズルに距離を持たすためシステムが大がかりになること、である。

【0004】

このような従来のフレームレス燃焼装置の課題を解決するために、本願出願人は、特許文献１に示すフレームレス燃焼装置を提案している。特許文献１に示すフレームレス燃焼装置は、レキュペレータ（熱交換器）を備えた二段燃焼方式による燃焼器で、一段目燃焼器の既燃ガスで二段目燃焼器のための高温空気と燃料を同時に希釈することで高効率低ＮＯｘ高温空気燃焼（フレームレス燃焼）を実現している。

【0005】

特許文献１に示すフレームレス燃焼装置は、具体的には、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とをるつぼ炉（炉）の内部に供給し、フレームレス燃焼により発生する発生ガスをるつぼ炉の外部に排気する。そして、特許文献１に示すフレームレス燃焼装置は、発生ガスが有する熱エネルギーは、熱交換装置において空気を加熱する。また、特許文献１に示すフレームレス燃焼装置は、燃焼ガス発生装置で燃料を希薄燃焼させて、酸素ガスの体積濃度が１３［％］未満で、温度が１２００［Ｋ］よりも高い燃焼ガスを発生させ、燃焼ガスは、るつぼ炉の内部に放出されて、このるつぼ炉の内部で空気と混合される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１７－３２１９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、従来の本願出願人が提案したフレームレス燃焼装置は、フレームレス燃焼を安定的に生じさせることが可能であるが、燃焼装置の更なる小型化が求められている。

【0008】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、小型で、常温空気から高温空気の広い温度範囲の空気でフレームレス燃焼が可能なフレームレス燃焼装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

請求項１記載のフレームレス燃焼装置は、一段目燃料と一段目空気とを混合して燃焼させて旋回火炎を形成させるプロペラ状の旋回羽根からなる一段目燃焼器と、円筒状で外壁内側に二段目空気が流れる環状流路を有すると共に炉内に向かう先端側に環状流路と連通して二段目空気を噴出する複数の二段目空気噴出口を有する二段目環状空気流路部材と、円筒棒状で、炉内に向かう先端側に二段目燃料を噴出する二段目燃料噴出口を有し、二段目環状空気流路部材の半径中心である略軸位置に延設された二段目燃料パイプと、からなる二段目燃焼器と、を備え、一段目燃焼器が、二段目環状空気流路部材の内側に配置され、二段目燃焼器の二段目空気噴出口と二段目燃料噴出口とが略同一面上になるように二段目環状空気流路部材と二段目燃料パイプとが配置され、一段目燃焼器の旋回火炎によって生じる旋回する一段目既燃ガスが、二段目環状空気流路部材と二段目燃料パイプとの間を炉内の方向に向かって進んだ後に炉内に噴出されることを特徴とする。

【0010】

請求項２記載のフレームレス燃焼装置は、二段目燃料パイプが、一段目燃焼器の旋回羽根の略軸中心に直立するように配置され、一段目燃焼器の旋回火炎によって生じる旋回する一段目既燃ガスの旋回軸が、二段目燃料パイプの軸と略同軸であることを特徴とする。

【0011】

請求項３記載のフレームレス燃焼装置は、一段目燃焼器の旋回羽根が、略軸方向に向かって開口する複数の一段目燃料噴出口を有する複数のブレードからなり、ブレード間の間隙を一段目空気が通過すると一段目空気が旋回し、一段目燃料噴出口から噴出される一段目燃料と旋回する一段目空気とが混合されて燃焼し、旋回火炎を形成させることを特徴とする。

【0012】

請求項４記載のフレームレス燃焼装置は、二段目環状空気流路部材と二段目燃料パイプとの間が、一段目燃焼器の一段目燃焼室であることを特徴とする。

【0013】

請求項５記載のフレームレス燃焼装置は、二段目環状空気流路部材の二段目空気噴出口と二段目燃料パイプの二段目燃料噴出口とが、二段目環状空気流路部材の半径方向に所定の距離を持って離間していることを特徴とする。

【0014】

請求項６記載のフレームレス燃焼装置は、二段目環状空気流路部材の二段目空気噴出口と二段目燃料パイプの二段目燃料噴出口とが、二段目環状空気流路部材の半径方向に所定の距離をもって離間し、所定の距離が、二段目空気噴出口から噴出された二段目空気と二段目燃料噴出口から噴出された二段目燃料とが二段目空気噴出口及び二段目燃料噴出口の直近で混合されず、二段目空気と二段目燃料とがそれぞれ一段目既燃ガスにより高温化及び希釈化された後に混合されて、フレームレス燃焼を生じ得る距離である、ことを特徴とする。

【0015】

請求項７記載のフレームレス燃焼装置は、二段目環状空気流路部材の二段目空気噴出口が、互いに所定の距離をもって離間していることを特徴とする。

【0016】

請求項８記載のフレームレス燃焼装置は、二段目環状空気流路部材の二段目空気噴出口が、互いに所定の距離をもって離間し、所定の距離は、一段目燃焼器と二段目燃焼器との燃焼によって生じた炉内の炉内既燃ガスが、二段目空気噴出口から噴出された二段目空気及び二段目燃料噴出口から噴出された二段目燃料の方向に流入されて、流入された炉内既燃ガスにより二段目空気噴出口から噴出された二段目空気及び二段目燃料噴出口から噴出された二段目燃料が高温化及び希釈化されて、フレームレス燃焼を生じ得る距離である、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本願の発明によれば、小型化が可能で、常温空気から高温空気の広い温度範囲の空気でフレームレス燃焼が可能である。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明に係るフレームレス燃焼装置が、炉に備え付けられた状態の一例を炉を断面で示す説明図である。

【図2】同フレームレス燃焼装置の外観を示す説明図である。

【図3】同フレームレス燃焼装置の一部を断面で示す説明図である。

【図4】同フレームレス燃焼装置の先端側の面を示す説明図である。

【図5】同フレームレス燃焼装置の一段目燃焼器の旋回羽根を示す説明図である。

【図6】同フレームレス燃焼装置の全体の断面を示す説明図である。

【図7】同フレームレス燃焼装置の動作を示す説明図である。

【図8】同フレームレス燃焼装置の炉内温度とＮＯｘ排出量との関係をグラフで示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。図１は、本発明に係るフレームレス燃焼装置が、炉に備え付けられた状態の一例を炉を断面で示す説明図である。図２は、同フレームレス燃焼装置の外観を示す説明図である。図３は、同フレームレス燃焼装置の一部を断面で示す説明図である。図４は、同フレームレス燃焼装置の先端側の面を示す説明図である。図５は、同フレームレス燃焼装置の一段目燃焼器の旋回羽根を示す説明図である。図６は、同フレームレス燃焼装置の全体の断面を示す説明図（図４のＡ－Ａ線部分の矢視方向の断面を、縦方向にして示した図面）である。図７は、同フレームレス燃焼装置の動作を示す説明図である。図８は、同フレームレス燃焼装置の炉内温度とＮＯｘ排出量との関係をグラフで示す説明図である。

【0020】

フレームレス燃焼装置１は、図１に示すように、例えば、加熱炉や、アルミニウムの地金を溶解するるつぼ炉のような炉１００に用いる燃焼装置であり、炉１００の内部である炉内１１０にフレームレス燃焼を生じさせるためのものである。

【0021】

フレームレス燃焼装置１は、図１～図７に示すように、全体として略円筒状で、その円筒の外周側（二段目環状空気流路部材５４の外壁５４ａ）にフランジ１６を張り出させている。そして、フレームレス燃焼装置１は、図１に示すように、後述する二段目燃焼器５０の燃焼側（後述する先端側）が炉内１１０に配置されるように、炉１００の炉壁１２０に貫通され、炉壁１２０の外側にフランジ１６が当接されてフランジ１６を炉壁１２０の外側にボルト等で固定することにより、炉１００に取り付けられる。尚、各部材に共通して、フレームレス燃焼装置１の炉内１１０に向かう側を先端側とし、逆側を後端側とする。

【0022】

フレームレス燃焼装置１は、基本構造としては二段燃焼方式であり、一段目燃焼器３０と二段目燃焼器５０とで構成されている。フレームレス燃焼装置１の一段目燃焼器３０は、一段目燃料４４と一段目空気４６とを混合して燃焼させて旋回火炎を形成させるプロペラ状の旋回羽根３２等から構成される。また、フレームレス燃焼装置１の二段目燃焼器５０は、二段目環状空気流路部材５４や二段目燃料パイプ５２等から構成される。

【0023】

二段目燃焼器５０の二段目環状空気流路部材５４は、円筒状で内部に二段目空気６２が流れる環状流路を有すると共に炉内１１０に向かう先端側に環状流路と連通して二段目空気６２を噴出する複数の二段目空気噴出口５６ａを有する。また、二段目燃焼器５０の二段目燃料パイプ５２は、円筒棒状で、炉内１１０に向かう先端側に二段目燃料６０を噴出する二段目燃料噴出口５２ｃを有し、二段目環状空気流路部材５４の内側の略軸位置に略同軸で延設されている。

【0024】

フレームレス燃焼装置１は、一段目燃焼器３０が、二段目環状空気流路部材５４の内側（必ずしも、内側に限定されず、後端側であってもよい）に配置され、二段目燃焼器５０の二段目空気噴出口５６ａと二段目燃料噴出口５２ｃとが略同一面上になるように二段目環状空気流路部材５４と二段目燃料パイプ５２とが配置されている。そして、フレームレス燃焼装置１は、一段目燃焼器３０の旋回火炎によって生じる旋回する一段目既燃ガス４８が、二段目環状空気流路部材５４と二段目燃料パイプ５２との間を炉内１１０の方向に向かって進んだ後に、炉内１１０に噴出されるものである。

【0025】

このような、フレームレス燃焼装置１の基本構造により、一段目燃焼器３０の旋回火炎で生成される一段目既燃ガス４８が、二段目燃料６０及び二段目空気６２に二段燃焼の開始直前で混合し、希薄高温燃料と希薄高温空気を生成する機能を持つ。フレームレス燃焼装置１では、この希薄高温燃料と希薄高温空気とが混合されて燃焼することで、フレームレス燃焼が生じることになる。そして、フレームレス燃焼装置１の基本構造により、小型で、常温空気から高温空気の広い温度範囲の空気で低ＮＯｘ高温空気燃焼（フレームレス燃焼）が可能である。

【0026】

また、二段目燃料パイプ５２を、一段目燃焼器３０の旋回羽根３２の略軸中心に直立するように配置し、一段目燃焼器３０の旋回火炎によって生じる旋回する一段目既燃ガス４８の旋回軸が、二段目燃料パイプ５２の軸と略同軸になるようにしてもよい。

【0027】

さらに、一段目燃焼器３０の旋回羽根３２を、軸方向に向かって開口する複数の一段目燃料噴出口３４ｅを有する複数のブレード３４から構成させ、ブレード３４間の間隙を一段目空気４６が通過すると一段目空気４６が旋回し、一段目燃料噴出口３４ｅから噴出される一段目燃料４４と旋回する一段目空気４６とが混合されて燃焼し、旋回火炎を形成させるようにしてもよい。

【0028】

このように、旋回羽根３２のブレード３４に設けられた一段目燃料噴出口３４ｅからの一段目燃料４４は一段目空気流中（一段目空気４６の気流中）に噴出されるので、基本的には拡散燃焼であるが、一段目燃料４４が多数の一段目燃料噴出口３４ｅから噴出されて一段目空気４６と急速混合されるために予混合燃焼に近い燃焼形態を持つことになる。そして、旋回火炎は、一段目既燃ガス４８が旋回火炎自身を予熱及び希釈することで、広い安定燃焼範囲と低ＮＯｘ燃焼を実現することになる。

【0029】

さらに、二段目環状空気流路部材５４と二段目燃料パイプ５２との間を、一段目燃焼器３０の一段目燃焼室４０にするようにしてもよい。

【0030】

さらに、二段目環状空気流路部材５４の二段目空気噴出口５６ａと二段目燃料パイプ５２の二段目燃料噴出口５２ｃとを、二段目環状空気流路部材５４の半径方向に離間させるようにしてもよい。このように、二段目空気噴出口５６ａと二段目燃料噴出口５２ｃとが距離を持って設けられることで、二段目燃焼７０には、着火遅れが生じることになる。この着火遅れ時間において、二段目燃料６０及び二段目空気６２が高温希釈される。

【0031】

さらに、二段目環状空気流路部材５４の二段目空気噴出口５６ａを、互いに離間させるようにしてもよい。二段目空気噴出口５６ａを互いに離間させることにより、炉内既燃ガス７２の巻き込み（流入）による高温希釈が生じる。

【実施例0032】

以下、より具体的なフレームレス燃焼装置１の実施例を説明する。フレームレス燃焼装置１は、図１～図７に示すように、全体として略円筒状で、外形的には、主に、円柱部材であるハブ１０と、ハブ１０の炉内１１０に向かう先端側に設けられた略円筒状の二段目環状空気流路部材５４とで構成されている。

【0033】

フレームレス燃焼装置１のハブ１０の先端側には、ハブ１０よりも大径な円盤状で中央に穴を有するハブフランジ１２を有し、ハブフランジ１２のハブ１０とは反対側（先端側）には円環状の燃焼器フランジ１４が密接するように設けられている。そして、燃焼器フランジ１４から、円筒状の二段目環状空気流路部材５４が、ハブ１０、ハブフランジ１２及び燃焼器フランジ１４と軸が略同一になるように先端側に向かって起立するように設けられている。

【0034】

ハブ１０の略軸中心から、円筒棒状の二段目燃料パイプ５２が先端側に向かって起立している。二段目燃料パイプ５２は、先端側に二段目燃料噴出口５２ｃを有し、二段目環状空気流路部材５４の内側の略軸位置に略同軸で延設された配置となっている。二段目燃料パイプ５２の後端側は、ハブ１０に刺さり込んでいるような構造であり、ハブ１０の外周面に向かって穿設された二段目燃料口５２ｂに連通し、二段目燃料パイプ５２の内側は、先端側に向かう二段目燃料６０の流れる二段目燃料流路５２ａになっている。二段目燃料パイプ５２の先端側の二段目燃料噴出口５２ｃの位置は、二段目環状空気流路部材５４の先端側の端部と、略同一面になるような位置である。

【0035】

二段目燃料パイプ５２の長手方向の略中央には、プロペラ状の旋回羽根３２が設けられ、二段目燃料パイプ５２が旋回羽根３２の略軸中心に直立するような配置である。旋回羽根３２は、複数のブレード３４を有し、各ブレード３４には、旋回羽根３２の略軸方向（すなわち、先端側）に向かって開口する複数の一段目燃料噴出口３４ｅが穿設されている。

【0036】

旋回羽根３２は、より具体的には、図３～図５に示すように、円柱状の中心部材３２ａから複数のブレード３４が放射状に延びて設けられている。個々のブレード３４は、前面３４ａ側（先端側）から後面３４ｄ側（後端側）に向かって傾斜する端部である前縁３４ｂに、旋回羽根３２の中心に向かって複数の一段目燃料噴出口３４ｅが穿設されている。各ブレード３４の前縁３４ｂに対向する後縁３４ｃは、前縁３４ｂと逆の傾きを有している。そして、前縁３４ｂと隣り合うブレード３４の後縁３４ｃとが、略平行して対向した状態で離間し、前縁３４ｂと隣り合うブレード３４の後縁３４ｃの傾きがあることで、前縁３４ｂと隣り合うブレード３４の後縁３４ｃとの間を通過する一段目空気４６が旋回させられることになる。尚、各ブレード３４の複数の一段目燃料噴出口３４ｅは、中心部材３２ａの後端側に向かって開口する連通孔３２ｂに連通している。

【0037】

旋回羽根３２の後端側とハブ１０との間には、二段目燃料パイプ５２を覆うように、円筒状の一段目燃料流路部材３６が設けられている。具体的には、一段目燃料流路部材３６は、旋回羽根３２の中心部材３２ａの後端側の径と略同径で、先端側が中心部材３２ａの後端側に略同軸で密接し、後端側がハブフランジ１２及び燃焼器フランジ１４を抜けてハブ１０に挿嵌されている。そして、一段目燃料流路部材３６の内周と二段目燃料パイプ５２の外周との間が、ハブ１０の外周面に向かって穿設された一段目燃料口３６ｂに連通している。このような構成により、一段目燃料口３６ｂから一段目燃料流路部材３６の内周と二段目燃料パイプ５２の外周との間に、一段目燃料流路３６ａが形成され、この一段目燃料流路３６ａが、旋回羽根３２の中心部材３２ａの連通孔３２ｂに連通している。

【0038】

二段目燃料パイプ５２及び旋回羽根３２の外側には、円筒状の二段目環状空気流路部材５４が設けられている。二段目環状空気流路部材５４は、実際には、円筒状の外周を形成する円筒状の外壁５４ａと、円筒状の内周を形成する円筒状の先端側内壁５４ｂと後端側内壁５４ｃとで、構成されている。

【0039】

二段目環状空気流路部材５４は、外壁５４ａである筒体と、先端側内壁５４ｂと後端側内壁５４ｃとからなる筒体の２つで構成され、後端側は、燃焼器フランジ１４によって密封されるように燃焼器フランジ１４に固定され、先端側は、円環状の二段目空気ノズル板５６で、外壁５４ａと先端側内壁５４ｂとの間が封止されるような形態になっている。二段目空気ノズル板５６は、所定の間隔で、複数の二段目空気噴出口５６ａが穿設されている。

【0040】

二段目環状空気流路部材５４の外壁５４ａの後端側には、外側方向に突出する円筒状の一段目空気口部材３８ａが挿嵌され、一段目空気口部材３８ａの一端の開口が一段目空気口３８ｂとなり、他端側が、一段目燃料流路部材３６と後端側内壁５４ｃとの間に連通している。これにより、一段目空気口３８ｂから一段目空気口部材３８ａを抜けて、一段目燃料流路部材３６と後端側内壁５４ｃとの間に通じる部分が、一段目空気流路３８ｃとなっている。

【0041】

また、二段目環状空気流路部材５４の外壁５４ａの後端側には、外側方向に突出する円筒状の二段目空気口部材５４ｄが挿嵌され、二段目空気口部材５４ｄの一端の開口が二段目空気口５４ｅとなり、他端側が、外壁５４ａと先端側内壁５４ｂ及び後端側内壁５４ｃとの間に連通している。これにより、二段目空気口５４ｅから二段目空気口部材５４ｄを抜けて、外壁５４ａと先端側内壁５４ｂ及び後端側内壁５４ｃとの間に通じる部分が、二段目空気流路５４ｆとなっている。そして、二段目空気流路５４ｆの先端側は、二段目空気ノズル板５６の二段目空気噴出口５６ａへと繋がる。

【0042】

このように、二段目環状空気流路部材５４の後端側内壁５４ｃは、二段目空気流路５４ｆを形成させると共に、一段目空気流路３８ｃを形成させる一段目空気流路部材３８をも兼ねることになる。

【0043】

尚、二段目環状空気流路部材５４の先端側内壁５４ｂと二段目燃料パイプ５２との間は、一段目燃焼器３０の一段目燃焼室４０となり、先端側は、二段目空気ノズル板５６の一段目既燃ガス噴出口５６ｂを介して、炉内１１０に向かって開放されている。このように、二段目環状空気流路部材５４の二段目空気噴出口５６ａと、二段目燃料パイプ５２の二段目燃料噴出口５２ｃとが、二段目環状空気流路部材５４の半径方向に離間している。

【0044】

このように、フレームレス燃焼装置１は、二段燃焼方式であり、一段目燃焼器３０と二段目燃焼器５０とで構成されている。フレームレス燃焼装置１の一段目燃焼器３０は、一段目燃料４４と一段目空気４６とを混合して燃焼させて旋回火炎を形成させるプロペラ状の旋回羽根３２等から構成され、二段目燃焼器５０は、二段目環状空気流路部材５４や二段目燃料パイプ５２等から構成されている。

【0045】

次に、フレームレス燃焼装置１の動作を説明する。まず、一段目燃焼器３０の動作を説明する。一段目空気口部材３８ａの一段目空気口３８ｂから、常温の一段目空気４６を供給し、一段目空気４６を一段目空気流路３８ｃへと流すようにする。すると、一段目空気４６は、旋回羽根３２の各ブレード３４の後面３４ｄ側から前面３４ａ側に向かって、前縁３４ｂと隣り合うブレード３４の後縁３４ｃとの間を通過する。前縁３４ｂと隣り合うブレード３４の後縁３４ｃとの間を通過した一段目空気４６は、旋回羽根３２により、旋回させられて、一段目燃焼室４０に噴出されることになる。

【0046】

また、ハブ１０の一段目燃料口３６ｂから、一段目燃料４４を供給し、一段目燃料４４を一段目燃料流路３６ａへと流すようにする。すると、一段目燃料４４は、旋回羽根３２の中心部材３２ａの連通孔３２ｂから、各ブレード３４の一段目燃料噴出口３４ｅから、一段目燃焼室４０に噴出されることになる。

【0047】

そして、多数の一段目燃料噴出口３４ｅから噴出する一段目燃料４４が、旋回する一段目空気４６と急速混合され、図示しない着火手段により点火されて、一段目燃焼器３０の燃焼が行われ、旋回燃焼（旋回火炎）が生じ、さらに旋回火炎により旋回する一段目既燃ガス４８が生じることになる。この一段目既燃ガス４８は、一段目燃焼室４０を二段目燃料パイプ５２の周囲を旋回しつつ、先端側の方向に向かって進み、旋回した状態のままで、二段目空気ノズル板５６の一段目既燃ガス噴出口５６ｂから、炉内１１０に噴出される。

【0048】

すなわち、一段目燃焼器３０の旋回火炎によって生じる旋回する一段目既燃ガス４８が、二段目環状空気流路部材５４と二段目燃料パイプ５２との間を炉内１１０の方向に向かって進んだ後に、炉内１１０に噴出されるものである。そして、一段目燃焼器３０の旋回火炎によって生じる旋回する一段目既燃ガス４８の旋回軸が、二段目燃料パイプ５２の軸と略同軸である。

【0049】

尚、この一段目燃焼器３０の一段目燃料４４は、旋回羽根３２に設けられた一段目燃料噴出口３４ｅから一段目空気４６中に噴出されるので、基本的には拡散燃焼であるが、多数の一段目燃料噴出口３４ｅから一段目燃料４４が噴出され一段目空気４６と急速混合されるため、予混合燃焼に近い燃焼形態を持つことになる。そして、一段目燃焼は、旋回火炎が、一段目既燃ガス４８により旋回火炎自身を予熱及び希釈されることで、広い安定燃焼範囲と低ＮＯｘ燃焼を実現する。

【0050】

次に、二段目燃焼器５０の動作を説明する。二段目空気口部材５４ｄの二段目空気口５４ｅから、常温から高温の広い温度範囲のうち任意の温度の二段目空気６２を供給し、二段目空気６２を二段目空気流路５４ｆへと流すようにする。すると、二段目空気６２は、二段目空気ノズル板５６の二段目空気噴出口５６ａから、炉内１１０に噴出される。

【0051】

また、ハブ１０の二段目燃料口５２ｂから、二段目燃料６０を供給し、二段目燃料６０を二段目燃料パイプ５２へと流すようにする。すると、二段目燃料６０は、二段目燃料パイプ５２の内部の二段面燃料流路５２ａを通って、二段目燃料噴出口５２ｃから、炉内１１０に噴出される。

【0052】

そして、フレームレス燃焼器１の先端側で、一段目燃焼器３０の旋回火炎で生成される一段目既燃ガス４８が、二段目燃料６０と二段目空気６２を二段目燃焼の開始直前で混合し、希薄高温燃料と希薄高温空気を生成することになる。希薄高温燃料となった二段目燃料６０と希薄高温になって二段目空気６２とが混合され、フレームレス燃焼条件となり自着火によって、二段目燃焼器５０の二段目燃焼７０が行われることになる。

【0053】

実際には、二段目空気噴出口５６ａと二段目燃料噴出口５２ｃとが、二段目環状空気流路部材５４の半径方向に離間していることから、図７に示すように、二段目燃焼７０には着火遅れＤが生じる。さらに、二段目空気噴出口５６ａが互いに離間していることから、図７の炉内既燃ガス７２の矢印の動きのように、炉内既燃ガス７２が、二段目燃料６０の流れや二段目空気６２の流れや一段目既燃ガス４８の旋回する流れによって生じる伴流に影響されて、より、二段目燃料６０や二段目空気６２が高温希釈されることになる（隣接する二段目空気噴出口５６ａ間から流入する炉内既燃ガス７２による高温化及び希釈化）。

【0054】

フレームレス燃焼器１は、一段目燃焼器３０による一段目既燃ガス４８による希釈や炉内既燃ガス７２の巻き込みによる希釈によって高温希釈燃料化された二段目燃料６０と高温希釈空気化された二段目空気６２により、燃焼温度が１８００［Ｋ］以下の平坦な温度分布を持つ低ＮＯｘフレームレス燃焼（高温空気燃焼、緩慢燃焼）が実現する。

【0055】

以上のように構成されたフレームレス燃焼装置１によれば、常温空気から高温空気の広い温度範囲の空気で低ＮＯｘ高温空気燃焼（フレームレス燃焼）が可能である。尚、本実施の形態のフレームレス燃焼装置１の性能としては、図８の炉内温度とＮＯｘ排出量との関係をグラフで示すように、３００度の余熱空気を用いた場合と、常温空気を用いた場合とで、ＮＯｘ排出量の排出量は、共に十分に抑えられており、炉内温度的にも、低ＮＯｘ高温空気燃焼（フレームレス燃焼）が実現されていることを示している。

【0056】

尚、二段目環状空気流路部材５４の二段目空気噴出口５６ａと二段目燃料パイプ５２の二段目燃料噴出口５２ｃとが、二段目環状空気流路部材５４の半径方向に所定の距離をもって離間しているが、その所定の距離は、二段目空気噴出口５６ａから噴出された二段目空気６２と二段目燃料噴出口５２ｃから噴出された二段目燃料６０とが二段目空気噴出口５６ａ及び二段目燃料噴出口５２ｃの直近で混合されず、二段目空気６２と二段目燃料６０とがそれぞれ一段目既燃ガス４８により高温化及び希釈化された後に混合されて、フレームレス燃焼を生じ得る距離である。

【0057】

また、二段目環状空気流路部材５４の二段目空気噴出口５６ａが、互いに所定の距離をもって離間しているが、その所定の距離は、一段目燃焼器３０と二段目燃焼器５０との燃焼によって生じた炉内１１０の炉内既燃ガス７２が、二段目空気噴出口５６ａから噴出された二段目空気６２及び二段目燃料噴出口５２ｃから噴出された二段目燃料６０の方向に流入されて、流入された炉内既燃ガス７２により二段目空気噴出口５６ａから噴出された二段目空気６２及び二段目燃料噴出口５２ｃから噴出された二段目燃料６０が高温化及び希釈化されて、フレームレス燃焼を生じ得る距離である。

【0058】

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

【産業上の利用可能性】

【0059】

以上のように、本発明によれば、小型で、常温空気から高温空気の広い温度範囲の空気でフレームレス燃焼が可能なフレームレス燃焼装置を提供することができる。

【符号の説明】

【0060】

１・・・・・フレームレス燃焼装置
１０・・・・ハブ
１２・・・・ハブフランジ
１４・・・・燃焼器フランジ
１６・・・・フランジ
３０・・・・一段目燃焼器
３２・・・・旋回羽根
３２ａ・・・中心部材
３２ｂ・・・連通孔
３４・・・・ブレード
３４ａ・・・前面
３４ｂ・・・前縁
３４ｃ・・・後縁
３４ｄ・・・後面
３４ｅ・・・一段目燃料噴出口
３６・・・・一段目燃料流路部材
３６ａ・・・一段目燃料流路
３６ｂ・・・一段目燃料口
３８・・・・一段目空気流路部材
３８ａ・・・一段目空気口部材
３８ｂ・・・一段目空気口
３８ｃ・・・一段目空気流路
４０・・・・一段目燃焼室
４４・・・・一段目燃料
４６・・・・一段目空気
４８・・・・一段目既燃ガス
５０・・・・二段目燃焼器
５２・・・・二段目燃料パイプ
５２ａ・・・二段目燃料流路
５２ｂ・・・二段目燃料口
５２ｃ・・・二段目燃料噴出口
５４・・・・二段目環状空気流路部材
５４ａ・・・外壁
５４ｂ・・・先端側内壁
５４ｃ・・・後端側内壁
５４ｄ・・・二段目空気口部材
５４ｅ・・・二段目空気口
５４ｆ・・・二段目空気流路
５６・・・・二段目空気ノズル板
５６ａ・・・二段目空気噴出口
５６ｂ・・・一段目既燃ガス噴出口
６０・・・・二段目燃料
６２・・・・二段目空気
７０・・・・二段目燃焼（フレームレス燃焼）
７２・・・・炉内既燃ガス
１００・・・炉
１１０・・・炉内
１２０・・・炉壁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】