特開 2024-168313 バーナ及び燃焼炉

(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】P2024168313

(43)【公開日】2024-12-05

(54)【発明の名称】バーナ及び燃焼炉

(51)【国際特許分類】

   F23D 17/00 20060101AFI20241128BHJP

   F23C 1/12 20060101ALI20241128BHJP

   F23D 1/02 20060101ALI20241128BHJP

   F23D 14/74 20060101ALI20241128BHJP

   F23D 14/48 20060101ALI20241128BHJP

   F23C 99/00 20060101ALI20241128BHJP

   F23J 7/00 20060101ALI20241128BHJP

   F23D 1/00 20060101ALN20241128BHJP

【ＦＩ】

F23D17/00 103

F23C1/12

F23D1/02 Z

F23D14/74 D

F23D14/48 B

F23C99/00 323

F23C99/00 317

F23C99/00 325

F23D1/00 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023084871

(22)【出願日】2023-05-23

(71)【出願人】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】加藤 篤徳

(72)【発明者】

【氏名】矢原 俊

(72)【発明者】

【氏名】山口 泰申

(72)【発明者】

【氏名】小嶺 貴史

(72)【発明者】

【氏名】岡村 昌哉

【テーマコード（参考）】

3K017

3K065

3K091

【Ｆターム（参考）】

3K017CA04

3K017CA06

3K017CB02

3K017CD04

3K017CD05

3K017CF00

3K065QA01

3K065QB09

3K065QB11

3K065QC03

3K091AA01

3K091BB02

3K091CC23

3K091DD01

(57)【要約】

【課題】アンモニアを燃焼するバーナにおいて、安定燃焼とＮＯｘ排出量の抑制とを両立する。
【解決手段】バーナは、主燃料及び一次空気の混合流体を噴出する主燃料出口を有する第１ノズル、主燃料出口を囲う二次空気出口から二次空気を吹き出す第２ノズル、主燃料出口の周縁の下流に保炎渦を生じさせる保炎板、二次空気出口を囲う三次空気出口から三次空気の旋回流を吹き出す第３ノズル、及び、主燃料出口内に配置された第１補助燃料出口からアンモニアを含む第１ガス燃料を噴出する第１補助燃料ノズルを備える。燃焼時に流体が保炎渦の内縁に沿って主燃料出口から離れる向きに流れる順流部と、流体がバーナ軸線上を主燃料出口へ近づく向きに流れる逆流部と、逆流部から順流部への転換部とを含む循環流が生じる。第１補助燃料ノズルは、循環流のうち順流部又は転換部へ循環流の流れに沿って第１ガス燃料を噴出する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

バーナ軸線を中心とする筒状を呈し、主燃料及び一次空気の混合流体を噴出する主燃料出口を有する第１ノズルと、
前記主燃料出口を囲う二次空気出口を有し、前記二次空気出口から二次空気を吹き出す第２ノズルと、
前記主燃料出口の周縁の下流に保炎渦を生じさせる保炎板と、
前記二次空気出口を囲う三次空気出口を有し、前記三次空気出口から三次空気の旋回流を吹き出す第３ノズルと、
前記主燃料出口内に配置された第１補助燃料出口を有し、前記第１補助燃料出口からアンモニアを含む第１ガス燃料を噴出する第１補助燃料ノズルと、を備え、
燃焼時に、前記三次空気の働きによって、流体が前記保炎渦の内縁に沿って前記主燃料出口から離れる向きに流れる順流部と、前記流体が前記バーナ軸線上を前記主燃料出口へ近づく向きに流れる逆流部と、前記逆流部から前記順流部への転換部とを含む循環流が生じ、前記第１補助燃料ノズルは、前記循環流のうち前記順流部又は前記転換部へ前記循環流の流れに沿って前記第１ガス燃料を噴出する、
バーナ。

【請求項2】

複数の前記第１補助燃料出口が前記バーナ軸線を中心として環状に並んでおり、複数の前記第１補助燃料出口の開口軸線は、前記バーナ軸線から偏心している、
請求項１に記載のバーナ。

【請求項3】

前記第１補助燃料出口の開口軸線は、前記バーナ軸線と平行である、
請求項１又は２に記載のバーナ。

【請求項4】

前記保炎板の周縁に配置された第２補助燃料出口を有し、前記第２補助燃料出口からアンモニアを含む第２ガス燃料を噴出する第２補助燃料ノズルを、更に備え、
前記第２補助燃料ノズルは、前記保炎渦の順流部へ前記保炎渦の流れに沿って前記第２ガス燃料を噴出する、
請求項１又は２に記載のバーナ。

【請求項5】

前記第２補助燃料ノズルから噴出する前記第２ガス燃料に含まれるアンモニアの単位時間当たりの総流量は、前記第１補助燃料ノズルから噴出する前記第１ガス燃料に含まれるアンモニアの単位時間あたりの総流量よりも多い、
請求項４に記載のバーナ。

【請求項6】

燃焼室と、
前記燃焼室の壁に配置された請求項１又は２に記載のバーナと、を備える、
燃焼炉。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、アンモニアを含むガス燃料を燃焼するバーナ及び当該バーナを備える燃焼炉に関する。

【背景技術】

【0002】

二酸化炭素（ＣＯ_２）排出削減の時流から、燃焼で二酸化炭素を排出しない燃料としてアンモニア（ＮＨ_３）が注目されている。アンモニアを燃料とするための課題として、都市ガスの主成分であるメタンと比較して燃焼速度が遅く火炎温度が低いことから、燃え難く安定燃焼し難い点と、Ｎ分を多く含むことからＮＯｘ排出量が増加しやすい点が挙げられる。そこで、特許文献１に開示されるように、アンモニアを燃料とするバーナにおいて、ＮＯｘ排出量を抑制する技術の開発が行われている。

【0003】

特許文献１のバーナは、微粉炭などの固体燃料と該固体燃料の搬送ガスとの混合流体を噴き出す燃料供給ノズルと、燃料供給ノズルの外側に配置されて、燃焼用空気を混合流体から外周側へ分離して噴き出す空気ノズルと、燃料供給ノズルの出口よりも下流側からアンモニアガスを噴き出すアンモニア供給ノズルとを備える。アンモニア供給ノズルは空気ノズルに通されており、空気ノズルの空気出口にアンモニア出口が配置されている。アンモニア供給ノズルは、燃料供給ノズルの出口の直ぐ下流において燃料の燃焼によって酸素が消費されて低酸素濃度となった高温還元領域へ向けて、アンモニアガスを供給する。アンモニアが高温還元領域で燃焼することによって、燃焼で生じたＮＯｘは還元反応により窒素となるため、ＮＯｘ排出量が抑制される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－２０３６３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１のバーナでは、混合流体の流れと燃焼用空気の流れに挟まれた位置に保炎渦が生じる。また、保炎渦の内周の高温還元領域では、循環流が生じる。火炎が安定し難いアンモニア燃焼では、保炎のために保炎渦及び循環流の保護が重要となる。特許文献１のバーナでは、アンモニア供給ノズルから出たアンモニアガスの流れは、保炎渦及び混合流体の流れを貫いて高温還元領域へ向かう。そのため、アンモニアガスの流量が少ないと、保炎渦や混合流体の流れに遮られて、アンモニアガスが混合還元領域へ到達できないことが懸念される。また、アンモニアガスの流量が多いと、保炎渦や循環流が乱されて保炎できず燃焼が不安定となることが懸念される。

【0006】

本開示は以上の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アンモニアを燃焼するバーナにおいて、安定燃焼とＮＯｘ排出量の抑制とを両立する技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るバーナは、
バーナ軸線を中心とする筒状を呈し、主燃料及び一次空気の混合流体を噴出する主燃料出口を有する第１ノズルと、
前記主燃料出口を囲う二次空気出口を有し、前記二次空気出口から二次空気を吹き出す第２ノズルと、
前記主燃料出口の周縁の下流に保炎渦を生じさせる保炎板と、
前記二次空気出口を囲う三次空気出口を有し、前記三次空気出口から三次空気の旋回流を吹き出す第３ノズルと、
前記主燃料出口内に配置された第１補助燃料出口を有し、前記第１補助燃料出口からアンモニアを含む第１ガス燃料を噴出する第１補助燃料ノズルと、を備え、
燃焼時に、前記三次空気の働きによって、流体が前記保炎渦の内縁に沿って前記主燃料出口から離れる向きに流れる順流部と、前記流体が前記バーナ軸線上を前記主燃料出口へ近づく向きに流れる逆流部と、前記逆流部から前記順流部への転換部とを含む循環流が生じ、前記第１補助燃料ノズルは、前記循環流のうち前記順流部又は前記転換部へ前記循環流の流れに沿って前記第１ガス燃料を噴出するものである。

【0008】

また、本開示の一態様に係る燃焼炉は、燃焼室と、前記燃焼室の壁に配置された前記バーナとを備えるものである。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、アンモニアを燃焼するバーナにおいて、安定燃焼とＮＯｘ排出量の抑制とを両立する技術を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本開示の一実施形態に係るバーナを備えるボイラの概略構成を示す図である。

【図2】図２は、本開示に係るバーナの概略断面図である。

【図3】図３は、図２に示すバーナの出口の拡大断面図である。

【図4】図４は、バーナの出口をバーナ軸線方向の前方から見た図である。

【図5】図５は、変形例に係るバーナの出口をバーナ軸線方向の前方から見た図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して本開示の実施の形態を説明する。まず、本開示の一実施形態に係るバーナ５を備えるボイラ１０の概略構成から説明する。

【0012】

《ボイラ１０の概略構成》
図１は、本開示の一実施形態に係るバーナ５を備えるボイラ１０の概略構成を示す図である。図１に示すボイラ１０は、燃料を燃焼する燃焼炉２と、燃焼炉２の燃焼熱を利用して蒸気を生成するボイラ本体４０とを備える。ボイラ１０は、微粉炭焚きの火力ボイラであって、粉体又は粒体状の化石燃料（即ち、固体燃料）を主燃料とする。但し、本開示に係るバーナ５が適用されるボイラは、微粉炭焚きボイラに限定されず、微粉炭及びバイオマスを主燃料とする混焼ボイラ、石油残渣を主燃料とする石油残渣焚きボイラなどであってもよい。

【0013】

燃焼炉２は内部に竪型の燃焼室２０を有する。本実施形態に係る燃焼炉２は倒立式の竪型炉であって、燃焼室２０の上部には高温還元ゾーン２１が形成され、燃焼室２０の下部には低温酸化ゾーン２２が形成され、高温還元ゾーン２１と低温酸化ゾーン２２との間には絞り部２３が設けられている。但し、燃焼炉２は、燃焼室２０の下部に高温還元ゾーン２１が形成され、燃焼室２０の上部に低温酸化ゾーン２２が形成された竪型炉であってもよい。

【0014】

燃焼炉２の内壁のうち高温還元ゾーン２１を形成している部分は耐火材２５で覆われている。燃焼炉２の高温還元ゾーン２１の炉壁には、上下方向に少なくとも１段のバーナ段が設けられており、各バーナ段は水平方向に並ぶ複数のバーナ５で形成されている。各バーナ５は、高温還元ゾーン２１へ燃料及び一段目燃焼用の空気を吹き出し、火炎を生じさせる。高温還元ゾーン２１の出口は、絞り部２３を介して低温酸化ゾーン２２の入口と接続されている。

【0015】

燃焼炉２の低温酸化ゾーン２２の炉壁には、複数の空気ノズル２６が設けられている。各空気ノズル２６から低温酸化ゾーン２２へ二段目燃焼用の空気が吹き出す。低温酸化ゾーン２２のうち絞り部２３と複数の空気ノズル２６との上下間は冷却部２４であり、冷却部２４の炉壁はボイラ本体４０の水管が張り巡らされた水冷壁となっている。低温酸化ゾーン２２の出口１１は煙道２８の入口と接続されている。煙道２８には、ボイラ本体４０の伝熱管４３が設けられている。煙道２８の出口には排ガス処理系統３０が接続されている。

【0016】

上記構成のボイラ１０において、高温還元ゾーン２１に供給される燃料と一段目燃焼用の空気との空気比は、１未満（例えば、０．７程度）に維持される。その上、耐火材２５で覆われた高温還元ゾーン２１は、炉の他の部分と比較して炉内温度が下がりにくい。これにより、高温還元ゾーン２１は平均約１５００℃の高温の還元雰囲気（即ち、空気量が理論空気量よりも低い空気不足の雰囲気）となっており、高温還元ゾーン２１では燃料のガス化が促進される。

【0017】

高温還元ゾーン２１では、燃料の熱分解によってガス化燃料が生じる。ガス化燃料は、絞り部２３を通じて低温酸化ゾーン２２に流入する。空気ノズル２６から低温酸化ゾーン２２へ供給される二段目燃焼用の空気によって、低温酸化ゾーン２２の空気比は１以上（例えば、１．１程度）に維持される。これにより、低温酸化ゾーン２２は酸化雰囲気となっており、低温酸化ゾーン２２ではガス化燃料の燃焼が促進される。

【0018】

低温酸化ゾーン２２では、燃料の燃焼が完結する。低温酸化ゾーン２２からの燃焼排ガスは、煙道２８を通じて排ガス処理系統３０へ流出する。煙道２８や炉壁に設けられた伝熱管４３で燃焼排ガスの熱が回収され、ボイラ本体４０で蒸気が生成される。生成された蒸気は、例えば、発電設備の蒸気タービンで利用される。

【0019】

《バーナ５の構成》
ここで、上記構成のボイラ１０が備えるバーナ５の構成について説明する。バーナ５は、固体燃料を主燃料とし、アンモニアを含むガス燃料を補助燃料として利用する混焼バーナである。固体燃料は、例えば微粉炭などの、粉体又は粒体状の化石燃料である。但し、バーナ５の主燃料は化石燃料に限定されず、バイオマスや、石油残渣であってもよい。

【0020】

図２は、本開示に係るバーナ５の概略断面図であり、図３は、図２のバーナ５の出口近傍の拡大図である。図２及び図３に示すように、バーナ５は、バーナ軸線７０を中心として同軸に配置された第１ノズル７１、第２ノズル７２、及び、第３ノズル７３から成る多重ノズルを備える。バーナ軸線７０の延伸方向を「バーナ軸線方向Ｘ」と称する。

【0021】

第１ノズル７１は、内部にバーナ軸線方向Ｘに延びる第１流路７１ｆを有し、先端に第１流路７１ｆの下流端である主燃料出口７１ａを有する。主燃料出口７１ａの周囲には、保炎板７７が設けられている。保炎板７７は、下流へ向けて拡径する截頭円錐形状を呈する。第１流路７１ｆには、旋回抑制板７１１が設けられている。また、第１流路７１ｆにおいて旋回抑制板７１１の上流には分散羽根７１３が設けられている。

【0022】

第１ノズル７１の軸心部には、バーナ軸線７０と重複して配置された重油バーナ７９が挿通されている。重油バーナ７９の出口は主燃料出口７１ａの略中央に配置されている。重油バーナ７９は主に点火に用いられる。

【0023】

第１流路７１ｆには、固体燃料及び一次空気が供給される。一次空気は、燃料の燃焼用空気であるとともに、固体燃料の搬送用気体である。固体燃料及び一次空気から成る混合流体５１は、分散羽根７１３の作用によって旋回し、旋回抑制板７１１の作用によってその旋回力が弱められてから、主燃料出口７１ａからバーナ軸線方向Ｘへ向けて噴出する。

【0024】

第１ノズル７１の外周には、第２ノズル７２が設けられている。第１ノズル７１と第２ノズル７２との間には、流路断面が環状の第２流路７２ｆが形成されている。第２流路７２ｆの下流端である二次空気出口７２ａは、主燃料出口７１ａの外周を囲っている。二次空気出口７２ａの周縁には、下流へ向けて拡径するエアコーン７２ｂが設けられている。第２流路７２ｆには、風箱から二次空気５２が供給される。二次空気５２は、二次空気出口７２ａから混合流体５１の流れの外周へ向けて吹き出す。保炎板７７及びエアコーン７２ｂによって、二次空気出口７２ａから吹き出した二次空気５２は、第１ノズル７１から噴き出した混合流体５１から外側へ離れるように案内される。

【0025】

第２ノズル７２の外周には、第３ノズル７３が設けられている。第３ノズル７３と第２ノズル７２の間には、流路断面が環状の第３流路７３ｆが形成されている。第３流路７３ｆの下流端である三次空気出口７３ａは、二次空気出口７２ａの外周を囲っている。三次空気出口７３ａの周縁には、下流へ向けて拡径するエアコーン７３ｂが設けられている。第３流路７３ｆには、旋回ベーン７３１が配置されている。第３流路７３ｆには、風箱から三次空気５３が供給される。三次空気５３は、旋回ベーン７３１の作用によって旋回しながら、三次空気出口７３ａから二次空気５２の外周へ向けて吹き出す。エアコーン７２ｂ及びエアコーン７３ｂによって、第３ノズル７３から吹き出した三次空気５３は、第２ノズル７２から吹き出した二次空気５２から外側へ離れるように案内される。

【0026】

バーナ５は、第１ガス燃料８０を噴出する第１補助燃料ノズル８１と、第２ガス燃料９０を噴出する第２補助燃料ノズル９１とを備える。第１ガス燃料８０及び第２ガス燃料９０は、アンモニアガスを含む可燃性ガスである。第１ガス燃料８０及び第２ガス燃料９０は、アンモニアガスに限定されず、アンモニアを主成分とする可燃性ガス、即ち、５０体積％以上のアンモニアを含む可燃性ガスであればよい。第１ガス燃料８０と第２ガス燃料９０は、同じ組成あってもよいし異なる組成であってもよい。

【0027】

図４は、バーナ５の出口をバーナ軸線方向Ｘの前方から見た図である。図２，３及び４に示すように、少なくとも１本の第１補助燃料ノズル８１が第１ノズル７１に挿入されている。第１補助燃料ノズル８１は、内部に補助燃料流路８１ｆを有し、先端に補助燃料流路８１ｆの下流端である第１補助燃料出口８１ａを有する。第１補助燃料出口８１ａは、主燃料出口７１ａ内に位置する。図４に示す例では、複数の第１補助燃料出口８１ａが重油バーナ７９の周囲を囲むように環状に並んで配置されている。この場合、複数の第１補助燃料出口８１ａの開口軸線はバーナ軸線７０から偏心している。なお、第１補助燃料出口８１ａの開口軸線は、第１補助燃料出口８１ａの略中央を通り、第１補助燃料出口８１ａから噴出する第１ガス燃料８０の向きと平行な直線と規定される。或いは、図５に示すように、第１補助燃料ノズル８１は、重油バーナ７９の周囲を囲む環状の第１補助燃料出口８１ａを有していてもよい。このように、第１補助燃料出口８１ａは、バーナ軸線７０を避けて配置されている。第１補助燃料ノズル８１の補助燃料流路８１ｆには、ガス燃料源から第１ガス燃料８０が供給され、第１ガス燃料８０は第１補助燃料出口８１ａから噴出する。

【0028】

複数の第２補助燃料ノズル９１は、第１ノズル７１の外周面に周方向に並んで配置されている。第２補助燃料ノズル９１は、内部に補助燃料流路９１ｆを有し、先端に補助燃料流路９１ｆの下流端である第２補助燃料出口９１ａを有する。複数の第２補助燃料出口９１ａは、主燃料出口７１ａと二次空気出口７２ａとの間に配置され、保炎板７７の外周縁に沿って周方向に並んでいる。第２補助燃料ノズル９１の補助燃料流路９１ｆには、ガス燃料源から第２ガス燃料９０が供給され、第２ガス燃料９０は第２補助燃料出口９１ａから噴出する。第２補助燃料ノズル９１の補助燃料流路９１ｆには、第２ガス燃料９０に加えて、燃焼用空気が供給されてもよい。

【0029】

複数の第２補助燃料ノズル９１から噴出する第２ガス燃料９０に含まれるアンモニアの単位時間当たりの総流量は、第１補助燃料ノズル８１から噴出する第１ガス燃料８０に含まれるアンモニアの単位時間あたりの総流量よりも多い。バーナ５が複数の第１補助燃料ノズル８１を備える場合は、複数の第２補助燃料ノズル９１から噴出する第２ガス燃料９０に含まれるアンモニアの単位時間当たりの総流量は、複数の第１補助燃料ノズル８１から噴出する第１ガス燃料８０に含まれるアンモニアの単位時間あたりの総流量よりも多い。但し、複数の第２補助燃料ノズル９１からの燃料噴出を停止する、即ち、複数の第２補助燃料ノズル９１から噴出する第２ガス燃料９０の流量をゼロとする運転も可能であり、この場合、第１補助燃料ノズル８１から噴出する第１ガス燃料８０に含まれるアンモニアの流量は上記の制約から外れてもよい。

【0030】

《バーナ５の燃焼方法》
続いて、上記構成のバーナ５の燃焼方法について説明する。図２及び３に示すように、バーナ５では、第１ノズル７１へ供給された固体燃料と一次空気の混合流体５１が、分散羽根７１３の作用によって旋回し、旋回抑制板７１１の作用によってその旋回力が弱められたのち、主燃料出口７１ａから旋回流れとして噴出する。また、主燃料出口７１ａの外周側において、二次空気出口７２ａから二次空気５２が吹き出し、三次空気出口７３ａから三次空気５３が吹き出す。二次空気５２は、保炎板７７及びエアコーン７２ｂに案内されて、バーナ軸線７０を中心として外周側へ広がるように吹き出す。同様に、三次空気５３は、エアコーン７２ｂ及びエアコーン７３ｂに案内されて、旋回しながら外周側へ広がるように吹き出す。

【0031】

主燃料出口７１ａから噴出した混合流体５１中の固体燃料は熱分解してガス化し、このガス化燃料が一次空気によって燃焼する。主燃料出口７１ａの直ぐ下流には、燃焼によって酸素が消費されて高温還元雰囲気となった再循環領域４９が生じる。保炎板７７の直ぐ下流には、保炎板７７の作用によって保炎渦５５が生じる。保炎渦５５を形成する流体は、燃焼により生じた比較的高い温度の既燃ガスを含む。保炎渦５５は、流体が二次空気５２の流れに沿って主燃料出口７１ａから離れる向きに流れる順流部と、流体が主燃料出口７１ａへ近づく向きに流れる逆流部とを有する。

【0032】

保炎渦５５の内周側において再循環領域４９には、三次空気５３の旋回流によって、保炎渦５５の内縁に沿って下流へ流れた流体をバーナ軸線７０に沿って主燃料出口７１ａへ戻す循環流５０が生じる。循環流５０は、流体が保炎渦５５の内縁に沿って主燃料出口７１ａから離れる向きに流れる順流部と、流体がバーナ軸線７０に沿って主燃料出口７１ａへ近づく向きに流れる逆流部と、逆流部から順流部へ流体の流れが転換する転換部と、順流部から逆流部へ流体の流れが転換する転換部とを含む。循環流５０を形成する流体は、比較的高い温度の既燃ガスを含む。保炎渦５５と循環流５０によって、ガス化燃料と一次空気の混合気や未燃ガスと高温の既燃ガスとの熱交換が絶えず行われて、燃焼が促進され、火炎を安定化する。更に、二次空気５２、三次空気５３の順に段階的に燃焼用空気と燃料とが混合して燃焼が生じる。

【0033】

第１補助燃料ノズル８１は、少なくとも重油バーナ７９よりも外側に配置されるため、主燃料出口７１ａの下流には、第１補助燃料出口８１ａから噴出した第１ガス燃料８０が到達しない不達領域６０が規定されている。不達領域６０は図２においてハッチングで示されている。不達領域６０は、主燃料出口７１ａの直ぐ下流でバーナ軸線７０上にある点を起点として主燃料出口７１ａから離れる方向に延びる、バーナ軸線７０を中心とする円柱状の領域である。不達領域６０の半径は、重油バーナ７９の半径と同じ又はそれよりも小さい。不達領域６０には、循環流５０の逆流部のうちバーナ軸線７０に沿って流れる部分が存在する。

【0034】

第１補助燃料ノズル８１は、噴出した第１ガス燃料８０が第１目標位置に到達し且つ不達領域６０に直接に到達しないように、単位時間当たりの噴出流量と噴出方向が調整されている。第１目標位置は、循環流５０の順流部の始端領域、又は、循環流５０の流れが逆流から順流に変わる転換領域にある。第１目標位置へ向けて噴出した第１ガス燃料８０は、望ましくは、循環流５０の流れに沿って流れて第１目標位置へ到達する。ここで、好ましくは、第１補助燃料ノズル８１の噴出方向、即ち、第１補助燃料ノズル８１の出口の中心軸である第１補助燃料出口軸線の延伸方向は、バーナ軸線方向Ｘと平行である。これにより、第１補助燃料ノズル８１から噴出した第１ガス燃料８０と保炎渦５５との干渉を回避でき、更に、第１ガス燃料８０の流れによって一次空気と主燃料との混合流体の流れが乱れない。第１目標位置へ到達した第１ガス燃料８０は、循環流５０の順流部又は転換部で循環流５０の流れに取り込まれて燃焼する。第１ガス燃料８０はアンモニアを含むが、第１ガス燃料８０が既燃ガス等によって酸素濃度が希釈された領域で、低流速域である循環流５０の流れに乗って緩慢に燃焼することによって、燃焼後のＮＯｘの排出が抑制される。また、第１補助燃料出口８１ａから噴出した第１ガス燃料８０は、不達領域６０に直接に到達しないので、第１ガス燃料８０の噴出流によって循環流５０の逆流部の流れが乱れない。よって、正常な循環流５０が維持され、火炎の安定性を保つことができる。

【0035】

第２補助燃料ノズル９１は、噴出した第２ガス燃料９０が第２目標位置に到達するように、単位時間当たりの噴出流量と噴出方向が調整されている。第２目標位置は、保炎渦５５の順流部にある。第２ガス燃料９０の噴出流は、保炎渦５５の順流部の外縁に沿って流れて第２目標位置へ到達し、保炎渦５５の順流部で保炎渦５５の流れに取り込まれ、保炎渦５５内で燃焼する。第２ガス燃料９０の噴出流によって保炎渦５５の流れが乱されないので、保炎渦５５が維持され、火炎の安定性を保つことができる。また、第２ガス燃料９０はアンモニアを含むが、第２ガス燃料９０は酸素濃度が希釈された保炎渦５５内で燃焼することによって、燃焼後のＮＯｘの排出が抑制される。

【0036】

〔総括〕
本開示の第１の項目に係るバーナ５は、
バーナ軸線７０を中心とする筒状を呈し、主燃料及び一次空気の混合流体５１を噴出する主燃料出口７１ａを有する第１ノズル７１と、
主燃料出口７１ａを囲う二次空気出口７２ａを有し、二次空気出口７２ａから二次空気５２を吹き出す第２ノズル７２と、
主燃料出口７１ａの周縁の下流に保炎渦５５を生じさせる保炎板７７と、
二次空気出口７２ａを囲う三次空気出口７３ａを有し、三次空気出口７３ａから三次空気５３の旋回流を吹き出す第３ノズル７３と、
主燃料出口７１ａ内に配置された第１補助燃料出口８１ａを有し、第１補助燃料出口８１ａからアンモニアを含む第１ガス燃料８０を噴出する第１補助燃料ノズル８１と、を備え、
燃焼時に、三次空気５３の働きによって、流体が保炎渦５５の内縁に沿って主燃料出口７１ａから離れる向きに流れる順流部と、流体がバーナ軸線７０上を主燃料出口７１ａへ近づく向きに流れる逆流部と、逆流部から順流部への転換部とを含む循環流５０が生じ、第１補助燃料ノズル８１は、循環流５０のうち順流部又は転換部へ循環流５０の流れに沿って第１ガス燃料８０を噴出する。

【0037】

上記構成のバーナ５では、第１ガス燃料８０の噴出流は循環流５０の順流部又は転換部で循環流５０の流れに取り込まれて、還元雰囲気下で燃焼する。第１ガス燃料８０はアンモニアを含むが、アンモニアが還元雰囲気下で燃焼することにより、燃焼後のＮＯｘ排出量が抑制される。また、第１ガス燃料８０の噴出流は循環流５０の逆流部の流れに干渉しないことから、循環流５０の正常な流れが第１ガス燃料８０の噴出流によって阻害されない。更に、第１補助燃料出口８１ａは主燃料出口７１ａ内に配置されており、第１ガス燃料８０の噴出流は保炎渦５５に干渉せずに循環流５０の順流部又は転換部へ到達できる。よって、第１ガス燃料８０が噴出しても、正常な循環流５０及び保炎渦５５が維持されて安定して保炎される結果、バーナ５の安定燃焼を維持できる。

【0038】

第２の項目に係るバーナ５は、第１の項目に係るバーナ５において、複数の第１補助燃料出口８１ａがバーナ軸線７０を中心として環状に並んでおり、複数の第１補助燃料出口８１ａの開口軸線は、バーナ軸線７０から偏心しているものである。

【0039】

上記のバーナ５では、複数の第１補助燃料出口８１ａの開口軸線がバーナ軸線７０から偏心しているので、バーナ軸線７０の上を通る循環流５０の逆流部の流れを阻害しない。よって、循環流５０の流れが保持される。

【0040】

第３の項目に係るバーナ５は、第１又は２の項目に係るバーナ５において、第１補助燃料出口８１ａの開口軸線は、バーナ軸線７０と平行であるものである。

【0041】

上記のバーナ５では、第１補助燃料出口８１ａからバーナ軸線７０と平行に第１ガス燃料８０が噴出するので、第１ガス燃料８０の流れは主燃料出口７１ａの出口周縁に形成される保炎渦５５と干渉しない。よって、保炎渦５５が保持される。

【0042】

第４の項目に係るバーナ５は、第１乃至３のいずれかの項目に係るバーナ５において、保炎板７７の周縁に配置された第２補助燃料出口９１ａを有し、第２補助燃料出口９１ａからアンモニアを含む第２ガス燃料９０を噴出する第２補助燃料ノズル９１を、更に備え、
第２補助燃料ノズル９１は、保炎渦５５の順流部へ当該順流部の流れに沿って第２ガス燃料９０を噴出するものである。

【0043】

上記構成のバーナ５では、第２ガス燃料９０の噴出流は保炎渦５５の順流部で保炎渦５５の流れに取り込まれて、保炎渦５５内で燃焼する。第２ガス燃料９０はアンモニアを含むが、アンモニアが還元雰囲気下で燃焼することにより、燃焼後のＮＯｘ排出量が抑制される。また、第２ガス燃料９０の噴出流は保炎渦５５の逆流部の流れに干渉しないことから、保炎渦５５の正常な渦流が第２ガス燃料９０の噴出流に阻害されない。よって、第２ガス燃料９０が噴出しても、正常な保炎渦５５が維持されて安定して保炎される結果、バーナ５の安定燃焼を維持できる。更に、バーナ５において、循環流５０と保炎渦５５へそれぞれに独立したノズルから補助燃料としてガス燃料が供給されることによって、循環流５０及び保炎渦５５を維持して保炎しつつ補助燃料の総合的な供給量を増やすことができる。

【0044】

第５の項目に係るバーナ５は、第４の項目に係るバーナ５において、
第２補助燃料ノズル９１から噴出する第２ガス燃料９０に含まれるアンモニアの単位時間当たりの総流量は、第１補助燃料ノズル８１から噴出する第１ガス燃料８０に含まれるアンモニアの単位時間あたりの総流量よりも多いものである。ここで、アンモニアの流量は、質量流量又は体積流量であってよい。

【0045】

第１補助燃料ノズル８１から噴出するアンモニアの流量と第２補助燃料ノズル９１から噴出するアンモニアの流量とがこのような関係を有することにより、低発熱量ガスであるアンモニアが供給された循環流５０及び保炎渦５５の正常な流れを維持できる。

【0046】

本開示の第６の項目に係る燃焼炉２は、燃焼室２０と、燃焼室２０の壁に配置された第１乃至５のいずれかの項目のバーナ５とを備えるものである。

【0047】

上記構成のバーナ５は、燃焼炉２に備えられるバーナ５として好適である。

【0048】

以上の本開示の議論は、例示及び説明の目的で提示されたものであり、本開示を本明細書に開示される形態に限定することを意図するものではない。例えば、前述の詳細な説明では、本開示の様々な特徴は、本開示を合理化する目的で１つの実施形態に纏められているが、複数の特徴のうち幾つかが組み合わされてもよい。また、本開示に含まれる複数の特徴は、上記で論じたもの以外の代替の実施形態、構成、又は態様に組み合わされてもよい。

【符号の説明】

【0049】

２ ：燃焼炉
５ ：バーナ
２０ ：燃焼室
５０ ：循環流
５１ ：混合流体
５２ ：二次空気
５３ ：三次空気
５５ ：保炎渦
７０ ：バーナ軸線
７１ ：第１ノズル
７１ａ ：主燃料出口
７２ ：第２ノズル
７２ａ ：二次空気出口
７３ ：第３ノズル
７３ａ ：三次空気出口
７７ ：保炎板
８０ ：第１ガス燃料
８１ ：第１補助燃料ノズル
８１ａ ：第１補助燃料出口
９０ ：第２ガス燃料
９１ ：第２補助燃料ノズル
９１ａ ：第２補助燃料出口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】