特開 2024-142339 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】P2024142339

(43)【公開日】2024-10-11

(54)【発明の名称】燃焼装置

(51)【国際特許分類】

   F23D 14/22 20060101AFI20241003BHJP

   F23L 1/00 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

F23D14/22 D

F23L1/00 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023054437

(22)【出願日】2023-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】000154668

【氏名又は名称】株式会社ヒラカワ

(74)【代理人】

【識別番号】110001298

【氏名又は名称】弁理士法人森本国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】川端 朋子

(72)【発明者】

【氏名】藤原 孝太郎

(72)【発明者】

【氏名】香川 晋一郎

(72)【発明者】

【氏名】木下 正成

【テーマコード（参考）】

3K019

3K023

【Ｆターム（参考）】

3K019AA01

3K019AA02

3K019BA02

3K019BB02

3K019BD07

3K023BA02

3K023BA13

(57)【要約】

【課題】燃焼装置における燃焼用空気に偏流が発生することを防止できるようにする。
【解決手段】 燃料ノズル１４の一端側とブラストチューブ１２の一端側との間に燃焼用空気３２の噴出口３５、３６が形成される。ウインドボックス１１における燃料ノズルの他端側とブラストチューブ１２の他端側との間に燃焼用空気３２の流入口３１が形成される。空気ダクト３９が、ウインドボックス１１に向けてブラストチューブ１２の燃焼用空気の供給路３３における空気流の方向と交差する方向に空気３８を供給する。ウインドボックス１１の内部におけるブラストチューブ１２よりも径方向の外側の位置に整流管４３が設けられる。整流管４３の一端４５の側はウインドボックス１１の内部において開口する。整流管４３の他端４７の側は、ウインドボックス１１の内部において開口せずに燃焼用空気３２の流入口３１と連通する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ブラストチューブの内部に管状の燃料ノズルが配置されるとともに、ブラストチューブと燃料ノズルとの間の環状の空間が燃焼用空気の供給路とされ、
燃料ノズルの一端側に燃料の噴出口が形成され、
燃料ノズルの一端側とブラストチューブの一端側との間に燃焼用空気の噴出口が形成され、
燃料ノズルの他端側とブラストチューブの他端側との間に燃焼用空気の流入口が形成され、
ブラストチューブにおける少なくとも燃焼用空気の流入口が形成された部分がウインドボックスの内部に配置され、
ウインドボックスに向けて前記燃焼用空気の供給路における空気流の方向と交差する方向に空気を供給する空気ダクトが設けられ、
ウインドボックスの内部におけるブラストチューブよりも径方向の外側の位置に整流管が設けられ、
整流管の一端側はウインドボックスの内部において開口し、
整流管の他端側は、ウインドボックスの内部において開口せずに前記燃焼用空気の流入口と連通していることを特徴とする燃焼装置。

【請求項2】

整流管の内部における周方向に沿った複数の位置に整流板が設けられ、
各整流板は、整流管の内周面から径方向の内向きに配置されるとともに、前記整流板の板面が、ブラストチューブと燃料ノズルとの間の燃焼用空気の供給路における空気流の方向に沿った方向に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は燃焼装置に関し、特にボイラなどにおいて好適に用いることができる燃焼装置に関する。

【背景技術】

【0002】

燃焼装置として、特許文献１には、ブラストチューブの内部に管状の燃料ノズルが配置されるとともに、ブラストチューブと燃料ノズルとの間の環状の空間が燃焼用空気の供給路とされ、燃料ノズルの一端側に燃料の噴出口が形成され、燃料ノズルの一端側とブラストチューブの一端側との間に燃焼用空気の噴出口が形成され、燃料ノズルの他端側とブラストチューブの他端側との間に燃焼用空気の流入口が形成され、ブラストチューブにおける少なくとも燃焼用空気の流入口が形成された部分がウインドボックスの内部に配置され、ウインドボックスに向けて空気を供給する空気ダクトが設けられたものが記載されている。

【0003】

特許文献１の燃焼装置では、装置を必要以上に大型化させないために、空気ダクトは、ブラストチューブと燃料ノズルとの間の燃焼用空気の供給路における空気流の方向と交差する方向に設置されている。そのため、ウインドボックスに空気を供給する空気ダクトにおける空気流の方向と、燃焼用空気の供給路における空気流の方向とが交差している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平６－２９４５０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、ウインドボックスに空気を供給する空気ダクトにおける空気流の方向と、燃焼用空気の供給路における空気流の方向とが交差していると、ブラストチューブと燃料ノズルとの間の燃焼用空気の供給路において偏流が発生した場合などには、供給路における燃焼用空気の圧力分布が不均一になる。圧力分布が不均一になると、火炎が偏心して燃焼室の側面に衝突する。すると、ボイラの場合には水管や炉筒が過熱状態となったり、一酸化炭素を含む未燃ガスが発生したりする。さらに、燃焼用空気の圧力分布が不均一になると、パイロット火炎が不安定になったり、燃料の不着火が生じたり、バックファイアーが起きたりするなどの問題点が発生する原因となりやすい。

【0006】

そこで本発明は、このような問題点を解決して、燃焼装置における燃焼用空気に偏流が発生することを防止できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この目的を達成するため本発明の燃焼装置は、
ブラストチューブの内部に管状の燃料ノズルが配置されるとともに、ブラストチューブと燃料ノズルとの間の環状の空間が燃焼用空気の供給路とされ、
燃料ノズルの一端側に燃料の噴出口が形成され、
燃料ノズルの一端側とブラストチューブの一端側との間に燃焼用空気の噴出口が形成され、
燃料ノズルの他端側とブラストチューブの他端側との間に燃焼用空気の流入口が形成され、
ブラストチューブにおける少なくとも燃焼用空気の流入口が形成された部分がウインドボックスの内部に配置され、
ウインドボックスに向けて前記燃焼用空気の供給路における空気流の方向と交差する方向に空気を供給する空気ダクトが設けられ、
ウインドボックスの内部におけるブラストチューブよりも径方向の外側の位置に整流管が設けられ、
整流管の一端側はウインドボックスの内部において開口し、
整流管の他端側は、ウインドボックスの内部において開口せずに前記燃焼用空気の流入口と連通していることを特徴とする。

【0008】

本発明の燃焼装置によれば、
整流管の内部における周方向に沿った複数の位置に整流板が設けられ、
各整流板は、整流管の内周面から径方向の内向きに配置されるとともに、前記整流板の板面が、ブラストチューブと燃料ノズルとの間の燃焼用空気の供給路における空気流の方向に沿った方向に配置されていることが好適である。

【発明の効果】

【0009】

本発明の燃焼装置に寄れば、整流管を設けたことによって、燃料ノズルの他端側とブラストチューブの他端側との間に形成された燃焼用空気の流入口から、ブラストチューブと燃料ノズルとの間に形成された燃焼用空気の供給路に向けて入り込む空気流の方向を、燃焼用空気の供給路における空気流の方向に近づけることができる。このため、燃焼用空気の供給路および燃焼用空気の供給路の下流側において、燃焼用空気の空気流に偏流が発生することを効果的に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施の形態の燃焼装置の正面視の断面図である。

【図2】図１の燃焼装置の側面図である。

【図3】図１におけるＡ－Ａ線に沿った断面図である。

【図4】本発明の実施の形態の燃焼装置における空気の流れを示す図である。

【図5】本発明の他の実施の形態の燃焼装置の正面視の断面図である。

【図6】図１におけるウインドボックスの入口での風圧特性を示すグラフである。

【図7】図１および図２における燃焼用空気の噴出口での風圧の分布特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１～図３に示される本発明の実施の形態の燃焼装置１０は、ボイラ１において使用される。燃焼装置１０は、炉壁２を有したボイラ１に取り付けられることで、ボイラ１の燃焼室３において必要な燃焼を行う。

【0012】

図１に示すように、ボイラ１の炉壁２には、ウインドボックス１１が取り付けられている。ウインドボックス１１の内部から炉壁２の内部に至るブラストチューブ１２が設けられている。ブラストチューブ１２の一端側には、炉壁２の内部においてフレームファンネル１３が接続されている。フレームファンネル１３は、炉壁２を貫通したうえで燃焼室３において開口している。ブラストチューブ１２は横断面円形に形成され、このブラストチューブ１２の内部には管状の燃料ノズル１４が同心状に配置されている。燃料ノズル１４の内部には中央空気管１５が同心状に配置されている。ウインドボックス１１における炉壁２とは反対側の部分には、マニホールドチャンバ１６が取り付けられている。マニホールドチャンバ１６は、ウインドボックス１１に連通している。

【0013】

燃料ノズル１４と中央空気管１５とは、ブラストチューブ１２とフレームファンネル１３との接続部の近傍から、ウインドボックス１１を通って、マニホールドチャンバ１６に達している。中央空気管１５の内部には中央空気供給路１７が形成され、中央空気管１５と管状の燃料ノズル１４との間の環状空間には気体燃料供給路１８が形成されている。中央空気管１５はブラストチューブ１２とフレームファンネル１３との接続部の近傍において一端側が開口しており、その開口によって燃焼用一次空気１９のための中央空気噴出口２０が形成されている。燃料ノズル１４も中央空気噴出口２０に対応した位置において一端側が開口しており、その開口によって、すなわち燃料ノズル１４の一端側の開口と中央空気管１５の一端側の部分とによって、環状の気体燃料噴出口２１が形成されている。

【0014】

中央空気管１５は他端側がマニホールドチャンバ１６において開口しており、その開口によって空気流入口２２が形成されている。管状の燃料ノズル１４は、マニホールドチャンバ１６の内部において、中央空気管１５の開口により形成されている空気流入口２２よりもウインドボックス１１に近い位置にて開口しており、それによって、燃料ノズル１４の内周面と中央空気管１５の外周面との間に環状の気体燃料流入口２３が形成されている。気体燃料流入口２３と空気流入口２２との間における中央空気管１５の部分は、気体燃料２４を流入口２３に案内するための環状の案内部材２５によって覆われている。案内部材２５の一端２６は管状の燃料ノズル１４の端部に被さっており、案内部材２５の他端２７は中央空気管１５の端部に被さっている。このため、案内部材２５は、その内部空間が気体燃料流入口２３に連通している。環状の案内部材２５における周方向の１個所には、接続ポート２８が設けられている。接続ポート２８は、マニホールドチャンバ１６の外部からの気体燃料２４を、この接続ポート２８と案内部材２５と流入口２３とを通して、気体燃料供給路１８へ送り込むことができる。

【0015】

ブラストチューブ１２は、炉壁２からウインドボックス１１の内部まで配置されている。このためブラストチューブ１２は、マニホールドチャンバ１６の内部には到達していない。ウインドボックス１１の内部におけるブラストチューブ１２の他端側の開口は、燃焼用空気の流入口３１を形成している。ブラストチューブ１２と管状の燃料ノズル１４との間の環状空間は、燃焼用二次空気３２のための空気供給路３３を形成している。

【0016】

燃料ノズル１４の一端の周囲には、ディフューザ３４が設けられている。ディフューザ３４は、環状板の形態であり、その内周縁が燃料ノズル１４の一端に接続されている。ディフューザ３４の外周縁とフレームファンネル１３の内周面との間には、空気供給路３３に連通する環状の二次空気噴出口３５が形成されている。図１および図２に示すように、ディフューザ３４自体にも、二次空気噴出口３６が貫通状態で複数形成されている。

【0017】

空気供給路３３には、パイロットバーナ３７が設置されている。パイロットバーナ３７は、公知の構成を有する。

【0018】

ウインドボックス１１には、このウインドボックス１１に燃焼用空気３８を供給するための空気ダクト３９が接続されている。空気ダクト３９は、ブラストチューブ１２の長さ方向と交差する方向に、すなわち図示の例ではブラストチューブ１２の長さ方向と直交する方向に配置されている。このため、空気ダクト３９は、燃焼用空気３８を、ウインドボックス１１に向けて、ブラストチューブ１２の長さ方向と交差する方向に、すなわち図示の例では直交する方向に供給する。

【0019】

空気ダクト３９には、ウインドボックス１１に供給する燃焼用空気３８の量を調節するためのダンパ４０が設けられている。ダンパ４０は、図外のモータなどのアクチュエータによって、その開度が調節される。

【0020】

ウインドボックス１１の内部には、整流管４３が設けられている。図１および図３に示すように、整流管４３の内部における周方向に沿った複数の位置には、それぞれ整流板４４が設けられている。整流板４４の設置数は、たとえば、整流管４３の周方向に沿った一定角度おきに６～１２枚程度であることが好適である。

【0021】

整流管４３は、ブラストチューブ１２よりも径方向に沿った外側の位置において、ブラストチューブ１２と同心状に配置されている。整流管４３は、その一端４５がウインドボックス１１の内部における炉壁２に近い位置に開口している。この開口によって、ブラストチューブ１２の周囲に、整流管４３のための環状の空気流入口４６が形成されている。整理管４３の他端４７は、ウインドボックス１１における炉壁２から離れた場所に位置する壁体４８に、すなわちウインドボックス１１におけるマニホールドチャンバ１６が取り付けられた壁体４８に、接続されている。このため、整流管４３の他端４７は、ウインドボックス１１の内部では開口せずに、ブラストチューブ１２の他端側に形成された燃焼用空気の流入口３１に連通している。また整流管４３の他端４７は、ウインドボックス１１にマニホールドチャンバ１６が取り付けられた部分に形成された連通口４９であって、管状の燃料ノズル１４の周囲において環状に形成された連通口４９を介して、マニホールドチャンバ１６の内部に連通している。

【0022】

各整流板４４は、長方形状に形成され、その長さが整流管４３の長さと同等になるようにされている。各整流板４４は、その板面５２が整流管４３の径方向および長さ方向に向くように配置されて、整流管４３の内面５３から径方向の内向きに配置されている。つまり、各整流板４４は、その板面５２が、ブラストチューブ１２と燃料ノズル１４との間の燃焼用二次空気３２の供給路３３における空気流の方向に沿った方向に配置されている。整流管４２の径方向に沿った整流板４４の内縁５４は、ブラストチューブ１２の外周面よりも径方向に沿ったわずかに外側に位置するようにされている。

【0023】

このような構成の燃焼装置１０を稼働させる場合には、外部から案内部材２５の接続ポート２８に気体燃料２４を供給するとともに、図外の送風機からの燃焼用空気３８を、空気ダクト３９を経てウインドボックス１１に供給する。

【0024】

気体燃料２４は、接続ポート２８から案内部材２５を経て気体燃料供給路１８へ送り込まれ、気体燃料噴出口２１からフレームファンネル１３の内部に噴出される。

【0025】

ウインドボックス１１に供給された燃焼用空気３８は、整流管４３によって形成された空気流入口４６から整流管４３の内部に入り込む。整流管４３の内部に入り込んだ燃焼用空気３８の一部は、流入口３１からブラストチューブ１２の内部に入り込み、燃焼用二次空気３２として空気供給路３３を流れ、二次空気噴出口３５、３６からフレームファンネル１３の内部に噴出される。整流管４３の内部に入り込んだ燃焼用空気３８の残部は、連通口４９を通ってマニホールドチャンバ１６に入り込み、さらに空気流入口２２から中央空気管１５に入り込んで、燃焼用一次空気１９として中央空気供給路１７を流れ、中央空気噴出口２０からフレームファンネル１３の内部に噴出される。

【0026】

フレームファンネル１３においては、上述のようにして噴出された気体燃料２４と一次空気１９と二次空気３２とが、混合されたうえで燃焼に供される。燃焼により生じた燃焼ガス６０は、フレームファンネル１３の開口６１からボイラ１の燃焼室３の内部に送り出される。

【0027】

燃焼用空気３８の流れの詳細について説明する。空気ダクト３９からウインドボックス１１に向けて、ブラストチューブ１２の長さ方向と交差する方向に供給された燃焼用空気３８は、整流管４３に当たることで、図３に示すように整流管４３の外周に沿って流れるように方向転換される。また同時に、整流管４３に当たることで、図１に示すように炉壁２に近づく方向にも方向転換される。

【0028】

このように方向転換された燃焼用空気３８は、整流管４３の一端４５の空気流入口４６において再度方向転換されることで、空気流入口４６から整流管４３の内部に入り込む。整流管４３の内部に入り込んだ燃焼用空気３８は、整流管４３の内面５３と整流板４４とに案内されることで、整流管４３の軸心方向すなわちブラストチューブ１２の軸支方向に沿った流れとなるように、その流れの方向が矯正される。換言すると、整流管４３の内部に入り込んだ燃焼用空気３８は、ブラストチューブ１２と燃料ノズル１４との間の燃焼用二次空気３２の供給路３３における空気流の方向に沿った方向に、その流れの方向が矯正される。その結果、燃焼用空気３８の偏流が発生することを防止できる。

【0029】

図４は、このように整流管４３によって流れの方向が矯正される燃焼用空気３８の流線５８の例を示す。

【0030】

燃焼用空気３８がこのように整流管４３の内部で流れの方向が矯正されて偏流の発生が防止されることで、整流管４３の内部における燃焼用空気３８の圧力分布、および整流管４３よりも後流側の各部における圧力分布、特に燃焼用二次空気３２のための空気供給路３３における圧力分布について、その均一化を図ることができる。それによって、上述した圧力分布が不均一になった場合に発生する不都合を、ことごとく解消することができる。

【0031】

整流管４３の内部における燃焼用空気３８の圧力分布が均一化すると、その影響が、空気ダクト３９がウインドボックス１１に接続された部分の連通口６２にも及ぶ。反対に、連通口６２における圧力分布を測定することで、それよりも後流側における燃焼用空気３８の圧力分布を知ることができる。

【0032】

このように圧力分布が均一化された燃焼用空気３８の一部は、前述のように流入口３１からブラストチューブ１２の内部に入り込み、圧力分布が均一化された状態の燃焼用二次空気３２として、二次空気噴出口３５、３６からフレームファンネル１３の内部に噴出される。圧力分布が均一化された燃焼用空気３８の残部は、連通口４９を通ってマニホールドチャンバ１６に入り込み、さらに中央空気管１５に入り込んで、燃焼用一次空気１９として、中央空気噴出口２０からフレームファンネル１３の内部に噴出される。

【0033】

上記の実施の形態では、整流管４３の内部に整流板４４が設けられた形態について説明した。しかし、図５に示すように、整流板４４を設けずに、整流管４３だけを設けた構成とすることもできる。図５に示す整流管４３だけを設けた構成であると、図１～図４に示すように整流板４４を設けた形態に比べて、同等に近い程度の圧力分布の均一化を図ることができるとともに、構造の簡単化を図ることができる。反対に図１～図４に示すように整流板４４を設けた形態であると、さらなる整流効果にもとづく圧力分布のいっそうの均一化を図ることができる。

【0034】

［測定例］
次に、燃焼用空気の圧力分布の測定結果について説明する。図６は、図１および図３における、空気ダクト３９がウインドボックス１１に接続された部分の連通口６２でのウインドボックス１１の内部の燃焼用空気３８の圧力分布の測定結果のグラフを示す。図６では、気体燃料２４を低燃焼させたときの測定結果と、気体燃料２４を高燃焼させたときの測定結果とを示す。図６における低燃焼とは、燃料にメタンガスを用いたときの負荷２０％～３０％程度の燃焼状態をいう。また高燃焼とは、定格燃焼量（最大燃焼量）、負荷１００％の燃焼状態をいう。圧力は、横断面円形で呼び径が２５０ｍｍの空気ダクト３９のダクト壁４１における、炉壁２から最も離れた位置を原点として、原点から空気ダクト３９の径方向に２５ｍｍの位置の、図１に示された「ａ点」と、同１２５ｍｍの位置の「ｂ点」と、同２２５ｍｍの位置の「ｃ点」とにおいて測定した。図６では、図１に示される整流板４４を備えた整流管４３を設けた「整流管有」のときと、整流管４３を設けなかった「整流管無」のときとについての測定結果をそれぞれ示す。

【0035】

図６から分かるように、特に低燃焼の場合において、「整流管無」のときは測定点ごとの圧力値が大きく変化して、圧力分布に大幅な変動が生じていた。これに対し「整流管有」のときは、「整流管無」のときに比べて圧力分布に大きな変動はなく、また「整流管無」のとき場合に比べて測定圧力値自体も向上していることから、燃焼用空気３８が良好に供給されていることを確認できた。

【0036】

高燃焼の場合は、「整流管無」のときと「整流管有」のときとで、圧力分布の変動状態は大差なかったが、測定圧力値が向上していることを確認できた。

【0037】

図７は、図１および図２における、燃焼用二次空気３２の噴出口３５の位置での、上記と同様の低燃焼の場合での、燃焼用二次空気３２の圧力分布の測定結果のグラフを示す。測定は、環状の噴出口３５の周方向に沿った「ｄ点」、「ｅ点」、「ｆ点」、「ｇ点」の９０度おきの４点で行った。「ｄ点」、「ｅ点」、「ｆ点」、「ｇ点」は、いずれも、ディフューザ３４の近傍における、ディフューザ３４よりも空気流の上流側の位置とした。このうち、「ｄ点」は噴出口３５の最も上側の位置の測定点であり、「ｆ点」は噴出口３５の最も下側の位置の測定点であった。測定は、「整流管無」のときと、整流管４３は設置したが整流板は設置していない「板無整流管有」のときと、整流管４３と整流板４４との双方を設置した「板付整流管有」のときとについて行った。

【0038】

図７から分かるように、「整流管無」のときでは測定点ごとの圧力値が大きく変化して、圧力分布に大幅な変動が生じていた。これに対し「板無整流管有」のときと、「板付整流管有」のときとでは、いずれも圧力分布に実質的な変動がなく、均一な圧力分布になっていることを確認できた。さらに、「板無整流管有」のときと、「板付整流管有」のときとにおいては、「整流管無」のときと比べて測定圧力値自体も向上しており、燃焼用二次空気３２が良好に供給されていることを確認できた。「板付整流管有」のときは、「板無整流管有」ときよりもさらに測定圧力値が向上していた。

【符号の説明】

【0039】

１１ ウインドボックス
１２ ブラストチューブ
１４ 燃料ノズル
１５ 中央空気管
１８ 気体燃料供給路
１９ 燃焼用一次空気
２０ 中央空気噴出口
２１ 気体燃料噴出口
２２ 空気流入口
３１ 流入口
３２ 燃焼用二次空気
３３ 空気供給路
３５ 二次空気噴出口
３６ 二次空気噴出口
３８ 燃焼用空気
３９ 空気ダクト
４３ 整流管
４４ 整流板
４５ 一端
４６ 空気流入口
４７ 他端
５２ 板面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】