特開 2025-24428 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】P2025024428

(43)【公開日】2025-02-20

(54)【発明の名称】バーナ及び燃焼炉

(51)【国際特許分類】

   F23D 14/48 20060101AFI20250213BHJP

   F23D 17/00 20060101ALN20250213BHJP

   F23D 14/58 20060101ALN20250213BHJP

【ＦＩ】

F23D14/48 B

F23D17/00 103

F23D14/58 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023128530

(22)【出願日】2023-08-07

(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

【テーマコード（参考）】

3K017

3K065

【Ｆターム（参考）】

3K017CA04

3K017CA06

3K017CB02

3K017CD02

3K017CE01

3K017CF00

3K065QA01

3K065QB11

3K065QC02

3K065RA01

(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、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、下流へ向かって拡径する截頭円錐形状を有し、第１ノズルの先端において主燃料出口の周縁に配置され、下流に保炎渦を生じさせる保炎板と、主燃料出口を囲う二次空気出口を有し、二次空気出口から二次空気を吹き出す第２ノズルと、第１ノズルと第２ノズルの間において二次空気が流れる第２流路に配置され、保炎板の外面又は第１ノズルの外面に沿ってＮ分を含むガス燃料を噴出する補助燃料出口を有する補助燃料ノズルと、を備える。保炎板は、補助燃料出口の下流に配置され、保炎板の外面で周方向に連続する突起を有する。
【選択図】図３

【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、
下流へ向かって拡径する截頭円錐形状を有し、前記第１ノズルの先端において前記主燃料出口の周縁に配置され、下流に保炎渦を生じさせる保炎板と、
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、
前記第１ノズルと前記第２ノズルの間において前記二次空気が流れる第２流路に配置され、前記保炎板の外面又は前記第１ノズルの外面に沿ってＮ分を含むガス燃料を噴出する補助燃料出口を有する補助燃料ノズルと、を備え、
前記保炎板は、前記補助燃料出口の下流に配置され、前記保炎板の外面で周方向に連続する突起を有する、
バーナ。

【請求項2】

前記バーナ軸線と平行な座標軸を規定し、当該座標軸における前記保炎板の基端の座標を－Ｌ、前記保炎板の先端の座標を０と規定したときに、前記突起の座標は－Ｌ／２以上０未満である、
請求項１に記載のバーナ。

【請求項3】

前記バーナ軸線を含む断面において、前記突起の前面と前記保炎板の外面とがなす角度が９０度以上１３５度以下である、
請求項１に記載のバーナ。

【請求項4】

前記バーナ軸線を含む断面において、前記突起の前面の突出端と前記保炎板の先端とを結ぶ直線と、前記保炎板の外面とがなす角度は５度以上２０度以下である、
請求項２に記載のバーナ。

【請求項5】

燃焼室と、
前記燃焼室の壁に配置された請求項１乃至４のいずれかに記載のバーナと、を備える、
燃焼炉。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、アンモニアなどのＮ分を多く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、保炎板の下流であって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。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、アンモニア等のＮ分を含むガス燃料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、
下流へ向かって拡径する截頭円錐形状を有し、前記第１ノズルの先端において前記主燃料出口の周縁に配置され、下流に保炎渦を生じさせる保炎板と、
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、
前記第１ノズルと前記第２ノズルの間において前記二次空気が流れる第２流路に配置され、前記保炎板の外面又は前記第１ノズルの外面に沿ってＮ分を含むガス燃料を噴出する補助燃料出口を有する補助燃料ノズルと、を備え、
前記保炎板は、前記補助燃料出口の下流に配置され、前記保炎板の外面で周方向に連続する突起を有するものである。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、アンモニア等のＮ分を含むガス燃料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】

【0009】

【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バーナ軸線を含む断面の概略図である。

【図3】図３は、図２に示すバーナの出口のバーナ軸線を含む断面の拡大図である。

【図4】図４は、保炎板のバーナ軸線を含む断面の拡大図である。

【図5】図５は、保炎板のバーナ軸線を含む断面の拡大図である。

【図6】図６は、保炎板のバーナ軸線を含む断面の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。

【0011】

《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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

《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、アンモニアなどのＮ分を多く含むガス燃料９０を補助燃料として利用する混焼バーナである。本実施形態に係る固体燃料は、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。また、本実施形態に係るガス燃料９０は、５０体積％以上のアンモニアを含む可燃性ガスである。但し、ガス燃料９０は、Ｎ分を含むガスであれば、アンモニアガスに限定されない。ガス燃料９０は、可燃性の窒素化合物（例えば、シアン化水素、メチルアミン、ヒドラジンなど）を５０体積％以上含むガスであってもよい。ガス燃料９０は、メタンやプロパンなどの可燃性ガスと窒素や窒素化合物などのＮ分を含有するガスとの混合ガスであってもよい。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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、主燃料出口７１ａからバーナ軸線方向Ｘへ向けて噴出する。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

バーナ５は、補助燃料としてガス燃料９０を噴出する補助燃料ノズル９１を備える。複数の補助燃料ノズル９１は、第１ノズル７１の外面に周方向に並んで配置されている。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の下流端である補助燃料出口９１ａを有する。補助燃料ノズル９１の補助燃料流路９１ｆには、ガス燃料源からガス燃料９０が供給され、ガス燃料９０は補助燃料出口９１ａから噴出する。

【0026】

複数の補助燃料出口９１ａは、二次空気出口７２ａの中に配置され、第１ノズル７１又は保炎板７７の外面に沿って周方向に並んでいる。保炎板７７の第１流路７１ｆへ向いた面を内面と称し、保炎板７７の第２流路７２ｆへ向いた面を外面と称する。保炎板７７の外面には、周方向に連続する突起７５が設けられている。突起７５は、保炎板７７に一体的に形成されていてもよいし、保炎板７７に固定されたものであってもよい。複数の補助燃料出口９１ａは突起７５の上流に配置されており、突起７５は補助燃料出口９１ａから出たガス燃料９０の噴出流の障害物となる。

【0027】

《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て、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。

【0028】

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。

【0029】

保炎渦５５の内周側において循環領域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。

【0030】

補助燃料ノズル９１から噴出したガス燃料９０は、第２流路７２ｆに配置された補助燃料出口９１ａから第１ノズル７１の外面に沿って流れ出る。ガス燃料９０の流れの一部、特に、第１ノズル７１の外面に沿って流れる境界層を含む部分が突起７５に当接する。これによりガス燃料９０の流れが第１ノズル７１の外面から剥離し、突起７５の後方には剥離渦９２が生じる。剥離渦９２が生じる領域は、バーナ軸線方向Ｘにおいて、保炎板７７の先端よりも上流から二次空気出口７２ａの下流にまで至る。剥離渦９２では、外側を流れるガス燃料９０及び二次空気５２の作用によって、内側へ巻き込む流体の流れが生じている。一方、保炎板７７の下流に生じた保炎渦５５では、混合流体５１の流れの作用によって、外側へ巻き込む流体の流れが生じている。剥離渦９２の流れと保炎渦５５の流れは一帯の渦領域を形成し、保炎渦５５が実質的に外周側へ拡張される。

【0031】

剥離渦９２の外側を通過するガス燃料９０及び二次空気５２の流れは、剥離渦９２を迂回するように剥離渦９２の外縁に沿って外側へ膨らむが、剥離渦９２の領域を通過すると剥離渦９２の圧力分布によって強制的に内側へ方向を変えて、保炎渦５５へ向かう。ガス燃料９０の流れは保炎渦５５に巻き込まれて、ガス燃料９０は酸素濃度の低い環境で燃焼する。その結果、燃焼後のＮＯｘの排出が抑制される。また、保炎渦５５に巻き込まれたガス燃料９０が燃焼することにより保炎渦５５の火炎が安定し、安定した燃焼に寄与する。更に、ガス燃料９０の流れが剥離渦９２を回避したあと内側へ向くことによって、保炎渦５５の脇を素通りして三次空気５３へ衝突するガス燃料９０の流れを抑制できる。これにより、ガス燃料９０が三次空気５３と急速に混合して酸素過多の環境で燃焼することにより多量のＮＯｘが排出されることを回避できる。

【0032】

以下では、保炎板７７に設けられた突起７５の好適な態様を説明する。図４に示すように、バーナ軸線７０と平行なバーナ軸線方向Ｘの座標軸を規定し、バーナ軸線方向Ｘの座標軸における保炎板７７の基端の座標を［－Ｌ］、保炎板７７の先端の座標を［０］と規定する。このバーナ軸線方向Ｘの座標軸は、主燃料を含む混合流体５１の流れの下流へ行くほど値が大きくなる。バーナ軸線方向Ｘの座標軸において、突起７５の座標Ｐは、［－Ｌ／２］以上０未満であることが好ましい。換言すれば、突起７５は、保炎板７７の先端から保炎板７７のバーナ軸線方向Ｘの長さＬの１／２までの間に配置されていることが好ましい。この場合、補助燃料出口９１ａの座標は［－Ｌ／２］より小さい。バーナ軸線方向Ｘの座標軸において、補助燃料出口９１ａの座標は［－Ｌ］以上［－Ｌ／２］未満であって、補助燃料出口９１ａは保炎板７７の外面に沿って設けられていてもよいし、補助燃料出口９１ａの座標は［－Ｌ］より小さく補助燃料出口９１ａは保炎板７７よりも上流に配置されていてもよい。このように配置された突起７５によって、ガス燃料９０の流れが剥離した際に剥離渦９２が生じる領域は、エアコーン７２ｂの後端、即ち、二次空気出口７２ａの下流にまで至る。これにより、保炎板７７で生じた保炎渦５５と剥離渦９２とを確実に干渉させることができる。

【0033】

突起７５においてガス燃料９０の流れが衝突する面を前面とし、その反対側の面を後面とする。図５に示すように、バーナ軸線７０を含む断面において、突起７５の前面と保炎板７７の外面とがなす角度θは、９０度以上１３５度以下が好ましい。このように角度θが設定されることによって、突起７５に衝突したガス燃料９０の流れは径方向外側へより大きく膨らんで、その反動で剥離渦９２が拡張され、剥離渦９２と保炎渦５５との干渉を強めることができる。

【0034】

また、図６に示すように、バーナ軸線７０を含む断面において、突起７５の前面の突出端と保炎板７７の先端とを結ぶ直線と、保炎板７７の外面とがなす角度αは、５度以上２０度以下が好ましい。但し、補助燃料出口９１ａから噴出したガス燃料９０の流れの一部は突起７５と衝突し、残部は突起７５と衝突せずに下流へ流れるように、突起７５の保炎板７７の外面からの突出高さが設計されている。二次空気流速が流路平均で２０ｍ／ｓ以上４０ｍ／ｓ以下で、補助燃料ガス流速が５０ｍ／ｓ以上１００ｍ/ｓ以下の条件下において、角度αが５度未満であれば、剥離渦９２が保炎板７７の下流端よりも下流に到達せず、剥離渦９２と保炎渦５５との干渉が生じにくい。また、同条件下において、角度αが２０度を超えると、剥離渦９２が径方向外側へ過度に拡張されて、二次空気流路７２ｆが圧迫される。なお、二次気流路７２ｆが過度に圧迫されると、二次空気流速が過剰となり、三次空気流速と三次空気流速とのバランスが崩れる。

【0035】

〔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、
下流へ向かって拡径する截頭円錐形状を有し、第１ノズル７１の先端において主燃料出口７１ａの周縁に配置され、下流に保炎渦５５を生じさせる保炎板７７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、
第１ノズル７１と第２ノズル７２の間において二次空気５２が流れる第２流路７２ｆに配置され、保炎板７７の外面又は第１ノズル７１の外面に沿ってＮ分を含むガス燃料９０を噴出する補助燃料出口９１ａを有する補助燃料ノズル９１と、を備え、
保炎板７７は、補助燃料出口９１ａの下流に配置され、保炎板７７の外面で周方向に連続する突起７５を有するものである。

【0036】

上記構成のバーナ５では、燃焼を開始すると、保炎板７７の下流に保炎渦５５が生じる。また、保炎板７７の外面に沿って流れるガス燃料９０の噴出流の一部は突起７５に衝突して保炎板７７の外面から剥離し、突起７５の下流に剥離渦９２が生じる。剥離渦９２の流れは保炎渦５５の流れに巻き込まれて、保炎渦５５が外側へ拡張された渦領域が生じる。剥離渦９２の外縁に沿って流れるガス燃料９０及び二次空気５２の流れは、剥離渦９２の領域を通過すると剥離渦９２の圧力分布によって強制的に内側へ方向を変えて、保炎渦５５へ向かう。このようにしてガス燃料９０の流れは保炎渦５５に巻き込まれて、ガス燃料９０は酸素濃度の低い環境で燃焼する。その結果、燃焼後のＮＯｘの排出が抑制されるとともに、保炎渦５５でのガス燃料９０の燃焼により火炎が安定する。また、ガス燃料９０の流れが剥離渦９２を回避したあと内側へ向くことによって、保炎渦５５の脇を素通りして三次空気５３へ衝突するガス燃料９０の流れを抑制して、燃焼後のＮＯｘの排出を抑制できる。

【0037】

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、
バーナ軸線７０と平行な座標軸を規定し、当該座標軸における保炎板７７の基端の座標を－Ｌ、保炎板７７の先端の座標を０と規定したときに、突起７５の座標は－Ｌ／２以上０未満であるものである。

【0038】

上記構成のバーナ５では、上記のように突起７５が配置されることによって、突起７５の下流に生じた剥離渦９２の領域は、第２ノズル７２の二次空気出口７２ａより下流の保炎渦５５の領域まで到達し、保炎渦５５に剥離渦９２を巻き込むことができる。

【0039】

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、
バーナ軸線７０を含む断面において、突起７５の前面と保炎板７７の外面とがなす角度θが９０度以上１３５度以下であるものである。

【0040】

これにより、補助燃料出口９１ａから出たガス燃料９０の噴出流は、突起７５に衝突して径方向外側へより大きく膨らんで、その反動で剥離渦９２が拡張され、剥離渦９２と保炎渦５５との干渉を強めることができる。

【0041】

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、
バーナ軸線７０を含む断面において、突起７５の前面の突出端と保炎板７７の先端とを結ぶ直線と、保炎板７７の外面とがなす角度αは５度以上２０度以下であるものである。

【0042】

これにより、二次空気流速と三次空気流速とのバランスを保持した状態で、剥離渦９２を保炎渦５５に干渉させることができる。

【0043】

本開示の第５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４のいずれかの項目のバーナ５とを備えるものである。

【0044】

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。

【0045】

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】

【0046】

２ ：燃焼炉
５ ：バーナ
２０ ：燃焼室
５１ ：混合流体
５２ ：二次空気
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
７２ｆ ：第２流路
７５ ：突起
７７ ：保炎板
９０ ：ガス燃料
９１ ：補助燃料ノズル
９１ａ ：補助燃料出口
９２ ：剥離渦

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】