特許 7183343 ガスバーナ及びボイラ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-25

(45)【発行日】2022-12-05

(54)【発明の名称】ガスバーナ及びボイラ

(51)【国際特許分類】

   F23L 7/00 20060101AFI20221128BHJP

【ＦＩ】

F23C99/00 334

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021106851

(22)【出願日】2021-06-28

【審査請求日】2021-06-28

(73)【特許権者】

【識別番号】516047175

【氏名又は名称】三菱重工パワーインダストリー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】ＳＳＩＰ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】津村 俊一

(72)【発明者】

【氏名】高嶋 洋平

(72)【発明者】

【氏名】冠木 豊

(72)【発明者】

【氏名】上妻 富明

(72)【発明者】

【氏名】田口 雄三

【審査官】豊島 ひろみ

(56)【参考文献】

【文献】実公昭５２－０２８１７１（ＪＰ，Ｙ２）

【文献】特開２００８－１１１５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－１２３２０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５１－１４８８２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０９１５９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５５－１７１８１２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開昭５０－０６６６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５６－０８９５０９（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２３Ｌ ７／００

Ｆ２３Ｃ ９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスバーナは、
燃焼空間にガス燃料を供給するためのガス燃料ノズルと、
前記ガス燃料ノズルから噴出した前記ガス燃料に混合させる一次空気が流通する一次空気通路を含む一次空気通路部と、
前記一次空気が混合された前記ガス燃料に混合させる二次空気が流通する二次空気通路を含む二次空気通路部と、
前記二次空気通路に設けられ、前記燃焼空間に水又は蒸気を噴霧するための少なくとも一つの噴霧ノズルと、
を備え、
前記ガス燃料ノズルは、少なくとも一つの主孔と、前記主孔より孔径が小さく少なくとも二つの副孔と、を含み、
前記少なくとも１つの主孔と前記少なくとも二つの副孔は、前記ガスバーナの中心軸線の周りに互いに間隔を空けて配置され、
前記少なくとも１つの噴霧ノズルは、前記ガスバーナの中心軸線を中心とした周方向において、前記少なくとも２つの副孔の間に位置し、
前記ガスバーナの中心軸線及び前記主孔の出口中心位置を通る直線を基準線とし、前記周方向において、前記少なくとも一つの主孔の前記基準線からの角度位置をθ１、前記少なくとも一つの噴霧ノズルの前記基準線からの角度位置をθ２とした場合に、下記式（１）を満たす、
ガスバーナ。
θ２－１０°≦θ１≦θ２＋１０°・・・（１）

【請求項2】

前記少なくとも一つの噴霧ノズルは、前記少なくとも一つの噴霧ノズルの中心軸線の延在方向が、前記主孔から噴出する前記ガス燃料が燃焼することで形成される主燃焼火炎を通過するように構成された、
請求項１に記載のガスバーナ。

【請求項3】

前記少なくとも一つの主孔は、前記ガスバーナの中心軸線の周りに互いに間隔を空けて配置された複数の主孔を含み、
前記少なくとも一つの噴霧ノズルは、前記ガスバーナの前記中心軸線の周りに互いに間隔を空けて配置された複数の噴霧ノズルを含み、
前記複数の主孔の数と前記複数の噴霧ノズルの数とは同数であり、
前記複数の噴霧ノズルの各々は、前記複数の噴霧ノズルの各々の中心軸線の延在方向が、前記複数の主孔の各々から噴出する前記ガス燃料が燃焼することで形成される主燃焼火炎をそれぞれ通過するように構成された、
請求項１又は２に記載のガスバーナ。

【請求項4】

前記少なくとも一つの主孔は、前記ガスバーナの前記中心軸線の周りに互いに間隔を空けて配置された複数の主孔を含み、
前記少なくとも一つの噴霧ノズルは、前記ガスバーナの前記中心軸線の周りに互いに間隔を空けて配置された複数の噴霧ノズルを含み、
前記複数の主孔の数と前記複数の噴霧ノズルの数とは同数であり、
前記複数の主孔の各々および前記複数の噴霧ノズルの各々は、前記（１）式を満たすように構成された、
請求項１又は２に記載のガスバーナ。

【請求項5】

前記ガス燃料は水素ガスを含むガス燃料である、
請求項１乃至４の何れか一項に記載のガスバーナ。

【請求項6】

前記燃焼空間が内部に形成される火炉と、
前記火炉に設けられた請求項１乃至５の何れか一項に記載のガスバーナと、
を備える、
ボイラ。

【請求項7】

ボイラ給水を加熱して蒸気を生成するための蒸発器と、
前記蒸気を前記噴霧ノズルに供給するための蒸気供給ラインと、
を備える、
請求項６に記載のボイラ。

【請求項8】

蒸気ドラムから過熱器に送られる飽和蒸気が流通する接続管をさらに備え、
前記蒸気供給ラインは、前記接続管と前記噴霧ノズルとを接続し、前記飽和蒸気を前記噴霧ノズルに供給する、
請求項７に記載のボイラ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ガスバーナ及び該ガスバーナを備えるボイラに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、火力発電プラントにおいては、地球環境への影響を考慮して、二酸化炭素排出量を削減することが課題となっており、化石燃料の消費量削減や化石燃料に代わるエネルギ資源への転換が求められている。このような低炭素社会に適したエネルギ資源として水素が注目されている。水素は、炭素を含有しないため、燃焼時に二酸化炭素を生じない。しかし、水素は燃焼速度が速く燃焼性が優れているため、水素をボイラなどに設けられたバーナの燃料として用いたとき、火炎温度が高くなり、ＮＯｘ（窒素酸化物）が発生しやすくなる。

【0003】

特許文献１には、ＮＯｘの発生を抑制可能なガスバーナが記載されている。このガスバーナは、天然ガスなどのガス燃料を用い、バーナ中心部に一次空気が供給される一次空気通路部と、一次空気通路部の周囲に二次空気が供給される二次空気通路部とを備えている。そして、ガス燃料ノズルから噴出するガス燃料と一次空気との燃料リッチの混合気が燃焼する第一燃焼反応領域と、二次空気を含む空気リッチの混合気が燃焼する第二燃焼反応領域とを形成することで、ＮＯｘ発生量を抑制可能にすると共に、一次空気通路のほぼ径方向中央に水噴霧管を設け、該水噴霧管から水又は蒸気を燃焼反応領域に噴霧することにより、燃焼ガス温度を下げ、ＮＯｘ発生量を抑制するようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００４－１９７９７０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記載の低ＮＯｘバーナは、一次空気通路のほぼ中央に設けられた水噴霧管から、ガス燃料と一次空気とで燃料リッチ燃焼が行われる第一燃焼反応領域に水又は蒸気が噴霧される。第一燃焼反応領域は、ガス燃料と二次空気とで燃料希薄燃焼が行われる第二燃焼反応領域より温度が低いため、ＮＯｘ発生量は第二燃焼反応領域より少ない。従って、ＮＯｘ低減効果は限定的なものになる。また、水噴霧管は第二燃焼反応領域から離れているため、必要以上に噴霧量を多くすることになり、ランニングコストが増加するという問題がある。

【0006】

本発明は、上述の課題に鑑み、ガス燃料を用いるガスバーナにおいて、低ＮＯｘ効果を高めることが可能なガスバーナを提案することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本開示に係るガスバーナの一態様は、燃焼空間にガス燃料を供給するためのガス燃料ノズルと、前記ガス燃料ノズルから噴出した前記ガス燃料に混合させる一次空気が流通する一次空気通路を含む一次空気通路部と、前記一次空気が混合された前記ガス燃料に混合させる二次空気が流通する二次空気通路を含む二次空気通路部と、前記二次空気通路に設けられ、前記燃焼空間に水又は蒸気を噴霧するための少なくとも一つの噴霧ノズルと、を備える。

【発明の効果】

【0008】

本開示に係るガスバーナ及びボイラの一態様によれば、燃料リッチ燃焼と空気リッチ燃焼とを二段階に行うことで、ＮＯｘの発生を抑制できると共に、ガスバーナの二次空気通路に設けられた噴霧ノズルから火炉内の燃焼空間に水又は蒸気を噴霧することで、高温となるためＮＯｘが多く発生しやすい空気リッチ燃焼が行われる燃焼領域の温度を低減することができる。これによって、ＮＯｘの発生を効果的に抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】一実施形態に係るガスバーナの一部断面を示す概略側面断面図、及び該ガスバーナへのガス燃料供給システム図である。

【図2】図１中の矢印Ａ方向から視認した模式的正面図である。

【図3】一実施形態に係るガス燃料ノズルの先端部の側面断面図（図４中のＢ―Ｂ線に沿う断面矢視図）である。

【図4】一実施形態に係るガス燃料ノズルを火炉内から視認した正面図である。

【図5】一実施形態に係るボイラの模式的断面図である。

【図6】別な実施形態に係るボイラの模式的断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

【0011】

図１～図４は、一実施形態に係るガスバーナ１を示す。図１及び図２に示すように、例えばボイラなどを構成する火炉３の側壁に、ガスバーナ１を設置するための開口部を形成するバーナスロート部５が設けられ、該開口部にガスバーナ１が設置されている。ガスバーナ１は、火炉３の内部に形成される燃焼空間４に水素ガスを含むガス燃料を供給するためのガス燃料ノズル７と、ガス燃料ノズル７の外周部に一次空気通路９を形成する一次空気通路部１３と、一次空気通路部１３の外周側に二次空気通路１１を形成する二次空気通路部１５と、の三重構造からなっている。二次空気通路１１には燃焼空間４に水又は蒸気を噴霧するための少なくとも一つの噴霧ノズル１６が設けられている。

【0012】

図３及び図４に示すように、ガス燃料ノズル７の先端部７ａにガス燃料ｇを燃焼空間４に向けて噴出する燃料噴出孔２５及び２７が形成されている。上述した一次空気通路９から供給される一次空気Ｆ１は、ガス燃料ｇに対する空気比が１未満になるように設定されている。なお、空気比とはガス燃料を完全燃焼させるのに必要な空気量を１としたときの空気量の比率をいう。

【0013】

このような構成において、まず、噴出孔２５及び２７から噴出するガス燃料ｇと一次空気通路９から供給される一次空気Ｆ１とが混合した、空気比が１未満の燃料リッチ混合気による燃料リッチ燃焼が行われる。次に、さらに二次空気通路１１から供給される二次空気Ｆ２を加えた、空気比が１以上の空気リッチ混合気による空気リッチ燃焼を二段階に行うことで、ＮＯｘの発生を抑制できる。

【0014】

空気リッチ燃焼が行われる燃焼領域は高温となるためＮＯｘが多く発生しやすい。二次空気通路１１に設けられた噴霧ノズル１６から水又は蒸気を噴霧することで、該燃焼領域の温度を低減することができる。これによって、ＮＯｘの発生を効果的に抑制できる。
図１及び図２において、破線２０は噴霧ノズル１６から燃焼空間４に噴霧された水又は蒸気の噴霧領域を示す。

【0015】

本実施形態において、噴霧ノズル１６は、二次空気通路１１に設けられるため、ガス燃料ノズル７の中心軸線Ｃ１を中心とした径方向において、特許文献１のように一次空気通路９に設けられる場合よりも外側に設けられる。そのため、中心軸線Ｃ１を中心とした径方向において、噴霧ノズル１６を空気リッチ燃焼が形成される燃焼領域に近い位置に配置できる。従って、少量の噴霧量で該燃焼領域を効率良く冷却できる。

【0016】

比較例として、燃焼用空気の供給経路又は排ガスの排出経路に水又は蒸気を噴霧する場合、火炎冷却が不要な領域を含めて満遍なく投入することになり、必要以上の多量の噴霧量を投入することになり、ランニングコストが高くなる。特許文献１のように、一次空気通路９に噴霧ノズルを配置した場合、噴霧位置と空気リッチ燃焼が行われる領域との距離が離れているため、必要以上に噴霧することになり、ランニングコストが高くなる。

【0017】

一実施形態では、噴霧ノズル１６の中心軸線Ｃ２は、火炉３の側壁面３ａに対して直交する方向に沿って配置される。これによって、中心軸線Ｃ２が火炉３の側壁面３ａに対して斜めに配置された場合と比べて、水又は蒸気を火炉３の側壁面３ａから燃焼空間４の奥側にさらに離れた位置まで到達させることができる。そのため、水又は蒸気を空気リッチ燃焼が行われる燃焼領域又は該燃焼領域の近くに噴霧することができる。

【0018】

一実施形態では、ガスバーナ１の先端部７ａ、一次空気通路部１３の出口端１３ａ及び噴霧ノズル１６の出口端１６ａは、ガス燃料ノズル７の中心軸線Ｃ１に沿う方向において、火炉３の側壁面３ａの内面（燃焼空間４に面する面）と側壁面３ａの外側面との間の位置に配置される。これによって、噴霧ノズル１６の先端部の焼損を抑制しつつ、出口端１６ａから噴霧される水又は蒸気の噴霧角度（図１の破線２０の中心軸線Ｃ２に対する角度）の自由度を確保できる。

【0019】

図１に示す実施形態では、ガスバーナ１の中心軸線は、ガス燃料ノズル７の中心軸線Ｃ１と一致する。

【0020】

一実施形態では、ガス燃料ノズル７、一次空気通路部１３及び二次空気通路部１５は、夫々円筒形状に形成される。一次空気通路９は一次空気通路部１３を形成する隔壁の内側に形成され、二次空気通路１１は二次空気通路部１５を形成する隔壁の内部に形成されている。なお、二次空気通路部１５の外周側にさらに三次空気流路（不図示）を形成する三次空気流路部を設けてもよい。

【0021】

一実施形態では、ガス燃料ｇは水素ガスを含むガス燃料が用いられる。水素ガスを含むガス燃料を用いることで、燃焼速度を速め燃焼性を高めることができると共に、燃焼時に二酸化炭素の発生を抑制できる。また、火炎温度が高くなりＮＯｘが発生しやすい水素ガスを含むガス燃料を上述のガスバーナに用いても、ＮＯｘの発生を効果的に抑制できる。

【0022】

本実施形態で用いられるガス燃料は、水素ガスと他の燃料（例えば、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を含む都市ガスやプロパン、ブタンを主成分とするＬＰＧ（液化石油ガス）など）を含む場合（混焼）、及び水素ガスのみ場合（専焼）を含む。混焼の場合、水素ガスが主たる燃料である場合（水素ガスの体積割合が５０％以上）及び他の燃料が主たる燃料である場合（水素ガスの体積割合が５０％未満）を含む。

【0023】

水素ガスは、都市ガスやＬＰＧと比較して燃焼速度が速く燃焼性が良いため、保炎性に優れた本実施形態に係るガスバーナ１に適用すると、保炎性即ち燃焼の安定性がさらに強化され、燃焼振動のポテンシャルは都市ガスやＬＰＧより低減できると考えられる。従って、ガス燃料に占める水素ガスの含有率を高くすることで燃焼安定性を向上できるため、燃焼振動を抑制しつつＮＯｘの発生を抑制できる。

【0024】

一実施形態では、水素ガスを含むガス燃料を用いる場合、一次空気Ｆ１の空気比は０．２～０．９であり、二次空気Ｆ２の空気比は、０．６～１．１であり、一次空気Ｆ１と二次空気Ｆ２の合計の空気比は１．０～２．０である。一次空気Ｆ１の空気比は、好ましくは０．２～０．５であり、二次空気Ｆ２の空気比は、好ましくは０．６～０．９である。水素ガスを含むガス燃料は、メタン、プロパン等の炭化水素系燃料と比べて燃焼速度が速く燃焼性が優れているため、一次空気Ｆ１の空気比の下限値を炭化水素系燃料より下げ、又は二次空気Ｆ２の空気比の上限値を炭化水素系燃料より増加しても燃焼が可能である。

【0025】

図１及び図２に示す実施形態では、一次空気通路９を流れる中心空気である一次空気Ｆ１は直進流であるが、ガス燃料ノズル７の出口部分、即ち、一次空気通路９の出口部分に設けられたスワラ（保炎器）１７によって、一次空気Ｆ１のうちの一部に旋回力が与えられ、スワラ１７の後流側の火炉３内の領域に淀み領域１９が形成される。この淀み領域１９にガス燃料ｇが取り込まれることで、火炎の安定保持が可能となる。

【0026】

また、一次空気通路９の入口部には一次空気開口部２１が設けられ、一次空気開口部２１から一次空気通路９に一次空気Ｆ１が導入される。二次空気通路１１の入口部には、エアレジスタ２３が設置されて、レジスタタイプの旋回装置によって二次空気通路１１に流入する二次空気Ｆ２に旋回力が与えられる。

【0027】

また、火炉３の側壁に形成されたガスバーナ１用の開口部分であるバーナスロート部５の外周部には、開口部の周囲を冷却するようにボイラ給水が流れる水管６が開口部を囲うように設置されている。

【0028】

次に、図１を参照してガスバーナ１に水素ガスを含むガス燃料を供給するシステム構成について説明する。水素を含むガス燃料が貯蔵される水素ガスタンク２９の出口には、入口弁３１が設けられ、水素ガスタンク２９からのガス燃料の供給及び遮断が制御される。入口弁３１の出口側に減圧弁３３が設けられ、ガス燃料は所定の圧力に減圧される。

【0029】

減圧弁３３の下流側には、順に、流量計３５、温度計３７、遮断弁３９、圧力計４１、流量調整弁４３、遮断弁４５、バーナ入口圧力計４７、バーナ入口弁４９が設けられている。バーナ入口弁４９を開弁することで、ガスバーナ１のガス燃料ノズル７にガス燃料ｇが供給される。

【0030】

一実施形態では、図３及び図４に示すように、ガス燃料ノズル７の先端部７ａに設けられた燃料噴出孔２５及び２７は、少なくとも一つの主孔２５と、主孔２５より孔径が小さい少なくとも一つの副孔２７と、を有する。主孔２５から噴出するガス燃料ｇが燃焼することによって主燃焼火炎２６が形成され、副孔２７から噴出するガス燃料ｇが燃焼することによって副燃焼火炎２８が形成される。噴霧ノズル１６は、噴霧ノズル１６の中心軸線Ｃ２の延在方向が、主燃焼火炎２６を通過するように構成される。

【0031】

図１及び図２に示すように、主燃焼火炎２６及び副燃焼火炎２８は、ガス燃料ｇの噴出方向に沿って延在する。主孔２５は孔径が大きいためにガス燃料ｇの噴出量が多く、主燃焼火炎２６の割合（燃焼火炎が広がる範囲、燃焼火炎が到達する距離、等）は、副燃焼火炎２８より大きい。二次空気Ｆ２が加わることによって起こる空気リッチ燃焼が行われる燃焼領域は、ガス燃料ｇと一次空気Ｆ１とによって形成される、燃料リッチ燃焼が行われる燃焼領域よりもガス燃料ノズル７の先端部７ａより離れた場所で形成される。主燃焼火炎２６の方が副燃焼火炎２８より到達距離が長いため、空気リッチ燃焼の形成に与える影響度は副燃焼火炎２８より主燃焼火炎２６の方が大きい。本実施形態では、噴霧ノズル１６の中心軸線Ｃ２の延在方向が、主燃焼火炎２６を通過するように構成されるため、噴霧ノズル１６から噴霧される水又は蒸気を主燃焼火炎２６に正確に吹き付けることができる。そのため、空気リッチ燃焼が行われる燃料領域の温度を効果的に低減できる。

【0032】

一実施形態では、噴霧ノズル１６が二次空気通路１１に配置され、かつ噴霧ノズル１６の中心軸線Ｃ２は、火炉３の側壁面３ａに対して直交する方向に沿って配置される。これによって、噴霧ノズル１６から噴霧される水又は蒸気を主燃焼火炎２６の延在方向中心部に向けて噴霧することができる。そのため、空気リッチ燃焼が行われる燃料領域の温度を効果的に低減できる。

【0033】

なお、副孔２７の孔径を主孔２５の孔径より小さくし、副孔２７から噴出するガス燃料ｇの流量を主孔２５から噴出するガス燃料ｇの流量より小さくすることで、副孔２７から噴出するガス燃料ｇは一次空気Ｆ１の一部に旋回力を与えるスワラ１７の下流側に形成される淀み領域１９に取り込まれやすくなる。これによって、火炎を安定保持でき、燃焼振動を抑制できる。

【0034】

また、図３に示すように、主孔２５の中心軸線Ｃ１に対する仰角を主孔噴出角度α１とし、副孔２７の中心軸線Ｃ１に対する仰角を副孔噴出角度α２としたとき、α１＜α２となるように構成される。これによって、主燃焼火炎２６を長炎化でき緩慢燃焼を促進させることができる。そのため、火炎温度が低下しＮＯｘの発生を抑制できる。また、α１＜α２とすることで、副燃焼火炎２８によって保炎効果を向上できる。

【0035】

また、図３に示す実施形態では、ガス燃料ノズル７の内部にガス燃料通路８が形成されている。また、主孔２５は、主孔２５の中心軸線Ｃ３がガス燃料通路８に連通する入口開口２５ａから出口開口２５ｂまで直線となるように形成される。また、副孔２７は、副孔２７の中心軸線Ｃ４がガス燃料通路８に連通する入口開口２７ａから出口開口２７ｂまで直線となるように形成される。即ち、主孔２５及び副孔２７は、入口開口から出口開口まで直線状に形成され、曲線状に形成されたり、途中で曲折したりしていない。また、主孔２５及び副孔２７の孔径は入口開口２５ａから出口開口２５ｂまで同一となるように形成されている。さらに、主孔２５及び副孔２７は、中心軸線Ｃ３及びＣ４の一端側が中心軸線Ｃ１に交わるように形成されている。

【0036】

また、主孔２５及び副孔２７は横断面が円形を有するが、必ずしも円形に限定されない。

【0037】

一実施形態では、図４に示すように、ガスバーナ１の中心軸線（図４に示す実施形態ではガス燃料ノズル７の中心軸線Ｃ１）を中心とした周方向において、中心軸線Ｃ１及び一つの主孔２５の出口中心位置２５ｃを通る基準線Ｌｃを中心軸線Ｃ１の周方向における基準線としたとき、少なくとも一つの主孔２５の基準線Ｌｃからの角度位置をθ１、少なくとも一つの噴霧ノズル１６の基準線Ｌｃからの角度位置をθ２とした場合に、下記式（１）を満たすように構成される。
θ２－１０°≦θ１≦θ２＋１０°・・・（１）
即ち、主孔２５の角度位置θ１と噴霧ノズル１６の角度位置θ２とは、Δθ＝｜θ１－θ２｜≦１０°の関係にある。

【0038】

このような構成によれば、孔径が大きいためにガス燃料ｇの噴出量が多い主孔２５の周方向角度位置と噴霧ノズル１６の周方向角度位置とを合致させるか又は接近させることができる。これによって、噴霧ノズル１６から噴霧される水又は蒸気を、空気リッチ燃焼が行われる燃焼領域の形成に対する寄与度が大きい主燃焼火炎２６に正確に吹き付けることができる。そのため、空気リッチ燃焼が行われる燃焼領域の温度を効果的に低減できる。

【0039】

上述のように、噴霧ノズル１６は、二次空気通路１１に設けられているため、中心軸線Ｃ１を中心とした径方向においても、中心軸線Ｃ１から離れた位置に配置されている。その結果、噴霧ノズル１６から噴霧される水又は蒸気を主燃焼火炎２６の延在方向中心部に正確に吹き付けることができるため、空気リッチ燃焼が行われる燃焼領域の温度を効果的に低減できる。

【0040】

一実施形態では、図２及び図４に示すように、ガス燃料ノズル７の先端部にガスバーナ１の中心軸線Ｃ１の周りに互いに間隔を空けて配置された複数の主孔２５と、中心軸線Ｃ１の周りに互いに間隔を空けて配置された複数の噴霧ノズル１６と、が設けられる。複数の主孔２５の数と複数の噴霧ノズル１６の数とは同数であり、噴霧ノズル１６の各々は、複数の噴霧ノズル１６の各々の中心軸線Ｃ２の延在方向が、複数の主孔２５の各々から噴出するガス燃料ｇが燃焼することで形成される主燃焼火炎２６をそれぞれ通過するように構成される。なお、図４では、１個の噴霧ノズル１６のみを模式的に図示し、他の噴霧ノズル１６の図示を省略している。

【0041】

この実施形態によれば、複数の主孔２５と複数の噴霧ノズル１６とを夫々一対一に対応させた配置とすることができる。これによって、複数の主孔２５に対して１個の噴霧ノズル１６を配置する場合と比べて、主燃焼火炎２６の温度を確実に低減でき、ＮＯｘ抑制効果を高めることができる。また、１個の主孔２５に対して複数の噴霧ノズル１６を配置する場合と比べて、設備費及び水又は蒸気の噴霧量を低減でき、経費節減に寄与できる。

【0042】

また、複数の噴霧ノズル１６は二次空気通路１１に設けられているため、特許文献１のように一次空気通路９に設けられた場合と比べて、ガス燃料ノズル７の中心軸線Ｃ１から離れた位置に設けられる。従って、中心軸線Ｃ１の周方向において噴霧ノズル１６間の距離を長くすることができる。そのため、複数の噴霧ノズル１６の各々から噴霧される水又は蒸気の互いの干渉を回避できるか、あるいは干渉領域を最小化できるため、噴霧量も最小化できる。

【0043】

一実施形態では、図４に示すように、複数の主孔２５と複数の副孔２７はそれぞれ、中心軸線Ｃ１の周りに主孔２５と副孔２７とが交互に均等に配置されている。即ち、中心軸線Ｃ１の周りに各孔間のピッチ角度βが等しい間隔となっている。このように、主孔２５は、中心軸線Ｃ１の周りに中心軸線Ｃ１を挟んで互いに対称となるように、ガス燃料ノズル７の先端部に複数形成されているので、主孔２５から噴出されるガス燃料ｇは、ガスバーナ１の中心に対して偏りなく均等に噴出される。

【0044】

また、副孔２７についても、中心軸線Ｃ１の周りに中心軸線Ｃ１を挟んで互いに対称となるように、ガス燃料ノズル７の先端部に複数形成されているので、副孔２７から噴出されるガス燃料ｇは、ガスバーナ１の中心に対して偏りなく均等に噴出される。

【0045】

図４に示す実施形態では、４個の主孔２５と４個の副孔２７はそれぞれ、中心軸線Ｃ１の周りに主孔２５と副孔２７とが交互に均等に配置されている。即ち、中心軸線Ｃ１の周りに主孔２５と副孔２７との間のピッチ角度が中心軸線Ｃ１の周方向全周において４５°と等しい間隔となっている。

【0046】

また、主孔２５の出口開口２５ｂの中心位置２５ｃと、副孔２７の出口開口２７ｂの中心位置２７ｃとは、ガス燃料ノズル７の中心軸線Ｃ１から距離が同一となるように設けられている。主孔２５及び副孔２７の出口開口２５ｂ、２７ｂの中心位置２５ｃ、２７ｃが中心軸線Ｃ１から同一距離であっても、主孔２５の孔径が副孔２７の孔径より大きいためにガス燃料ｇの噴出量が多く、かつ（主孔２５の噴出角度α１）＜（副孔２７の噴出角度α２）であるために、図１に示すように、主孔２５からの主燃焼火炎２６の到達距離は副孔２７からの副燃焼火炎２８の到達距離より長くなる。

【0047】

一実施形態では、図２及び図４に示すように、ガス燃料ノズル７の先端部分にガスバーナ１の中心軸線Ｃ１の周りに互いに間隔を空けて配置された複数の主孔２５と、中心軸線Ｃ１の周りに互いに間隔を空けて配置された複数の噴霧ノズル１６と、が設けられる。複数の主孔２５の数と複数の噴霧ノズル１６の数とは同数であり、複数の主孔２５の各々及び複数の噴霧ノズル１６の各々は、前記（１）式を満たすように構成される。

【0048】

これによって、複数の主孔２５と複数の噴霧ノズル１６とを夫々一対一に対応させた配置とすることができる。そのため、複数の主孔２５に対して１個の噴霧ノズル１６を配置する場合と比べて、主燃焼火炎２６の温度を確実に低減でき、ＮＯｘ抑制効果を高めることができる。また、１個の主孔２５に対して複数の噴霧ノズル１６を配置する場合と比べて、設備費及び水又は蒸気の噴霧量を低減でき、経費節減に寄与できる。

【0049】

また、複数の噴霧ノズル１６は二次空気通路１１に設けられ、上記実施形態と同様に、ガス燃料ノズル７の中心軸線Ｃ１から離れた位置にあり、従って、中心軸線Ｃ１の周方向において噴霧ノズル１６間の距離を長くすることができる。これによって、複数の噴霧ノズル１６の各々から噴霧される水又は蒸気の互いの干渉を回避できるか、あるいは干渉領域を最小化できるため、噴霧量も最小化できる。

【0050】

図５及び図６は、幾つかの実施形態に係るボイラを示す模式的断面図である。ボイラ５０（５０Ａ、５０Ｂ）は、内部に燃焼空間５４が形成される火炉５２を備え、火炉５２を構成する隔壁に、上述した幾つかの実施形態に係るガスバーナ１を備えている。ガスバーナ１には、水素ガスを含むガス燃料ｇと、一次空気Ｆ１及び二次空気Ｆ２となる燃焼用空気ａが供給される。燃焼空間５４に伝熱管群で構成される蒸発器５５が設けられている。蒸発器５５を構成する伝熱管群を流れるボイラ給水Ｗｂは燃焼空間５４に形成される燃焼火炎５８の熱を吸収して蒸気となる。ボイラ５０で生成された蒸気は蒸気タービン（不図示）に送られ、該蒸気タービンを駆動する動力源となる。

【0051】

このような構成によれば、上述した構成のガスバーナ１を備えるため、高温となるためＮＯｘが多く発生しやすい空気リッチ燃焼が行われる燃焼領域の温度を低減することができる。従って、ＮＯｘの発生を効果的に抑制できるボイラを実現できる。

【0052】

図５及び図６に示す実施形態では、蒸発器５５より燃焼ガスの流れ方向上流側の燃焼空間５４に過熱器５６及び５７が設けられている。蒸発器５５で生成された蒸気は一時蒸気ドラム６４に貯留され、その後過熱器５６及び５７に送られ、過熱器５６及び５７で過熱蒸気となって蒸気タービンに送られる。ガスバーナ１より上方のボイラ５０の隔壁にアフタエアポート６２が設けられ、アフタエアポート６２から燃焼空間５４で完全燃焼させるためのアディショナルエアＡａが供給される。

【0053】

一実施形態では、図５に示すように、蒸発器５５で生成された蒸気を噴霧ノズル１６に供給するための蒸気供給ライン６８を備えている。蒸気供給ライン６８を備えているため、燃焼空間５４への噴霧に必要な蒸気をボイラ５０（５０Ａ）で生成された蒸気の一部で賄うことができる。そのため、別な蒸気供給源を必要とせず、設備費を低コスト化できる。

【0054】

また、蒸気を噴霧ノズル１６に供給するため、水を供給するために必要な給水ポンプを必要とせず、蒸気を噴霧ノズル１６に供給するための設備費が高価とならない。また、水と比べて燃焼空間５４に均一に散布できると共に、高圧にして噴霧することができるため、噴霧領域を広げることができる、等の利点がある。

【0055】

図５に示す実施形態では、蒸気供給ライン６８に、止め弁７０，流量調整弁７２，流量計７４，圧力計７６及び温度計７８が設けられている。これらの計器によって、噴霧ノズル１６に供給される蒸気の温度、圧力等の状態量を検出でき、かつ流量などを調整できる。

【0056】

図５に示す実施形態では、蒸気供給ライン６８の上流側始端は、蒸気ドラム６４と過熱器５７とを接続する接続管６６に接続されている。接続管６６には、蒸気ドラム６４から過熱器５７に送られる飽和蒸気が流れている。このように、過熱器５７で過熱蒸気となる前の低温の飽和蒸気を蒸気供給ライン６８に供給しているため、過熱蒸気を蒸気供給ライン６８に供給する場合と比べて、過熱蒸気より冷却効果を高めることができる。また、過熱蒸気より熱保有量が少ないため、ボイラプラント全体の熱効率の低下を抑制できる。

【0057】

なお、図５に示す実施形態では、過熱蒸気となる前の飽和蒸気を蒸気供給ライン６８に供給しているが、必ずしもこの実施形態に限定されず、蒸気ドラム６４に貯留された蒸気など、他の部位の蒸気を供給するようにしてもよい。

【0058】

一実施形態では、図６に示すように、上水Ｗｃを噴霧ノズル１６に供給するための水供給ライン８０が設けられている。そのため、水道水などの上水Ｗｃを水供給ライン８０を介して噴霧ノズル１６に供給することができる。このように、水を噴霧ノズル１６に供給する場合、水道水などを供給源とすることができると共に、蒸気と比べて冷却効果が高いという利点がある。

【0059】

別な実施形態では、ボイラ給水Ｗｂをヘッダ６０などに供給する配管から分岐して噴霧ノズル１６に供給する供給ラインを設け、ボイラ給水Ｗｂの一部を噴霧ノズル１６に供給するようにしてもよい。

【0060】

図６に示す実施形態では、水供給ライン８０には、蒸気供給ライン６８と同様の計器類が設けられているため、これらの計器によって、噴霧ノズル１６に供給される蒸気の温度、圧力等の状態量を検出でき、かつ流量などを調整できる。

【0061】

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

【0062】

１）一態様に係るガスバーナは、燃焼空間（４）に水素ガスを含むガス燃料（ｇ）を供給するためのガス燃料ノズル（７）と、前記ガス燃料ノズル（７）から噴出した前記ガス燃料（ｇ）に混合させる一次空気（Ｆ１）が流通する一次空気通路（９）を含む一次空気通路部（１３）と、前記一次空気（Ｆ１）が混合された前記ガス燃料（ｇ）に混合させる二次空気（Ｆ２）が流通する二次空気通路（１１）を含む二次空気通路部（１５）と、前記二次空気通路（１１）に設けられ、前記燃焼空間（４）に水又は蒸気を噴霧するための少なくとも一つの噴霧ノズル（１６）と、を備える。

【0063】

このような構成によれば、水素ガスを含むガス燃料（ｇ）と一次空気通路部（１３）から供給される一次空気（Ｆ１）との燃料リッチ混合気によって燃焼する燃料リッチ燃焼と、一次空気（Ｆ１）に二次空気通路部（１５）から供給される二次空気（Ｆ２）を加えた空気リッチ混合気によって燃焼する空気リッチ燃焼とを二段階に行うことで、ＮＯｘの発生を抑制できる。また、二次空気通路（１３）に設けられた上記噴霧ノズル（１６）から水又は蒸気を噴霧することで、高温となるためＮＯｘが多く発生しやすい空気リッチ燃焼が行われる燃焼領域の温度を低減することができる。これによって、ＮＯｘの発生を効果的に抑制できる。

【0064】

噴霧ノズル（１６）は、二次空気通路（１１）に設けられるため、ガスバーナ（１）の中心軸線（Ｃ１）を中心とした径方向において、特許文献１のように一次空気通路（９）に設けられる場合よりも外側に設けられる。そのため、中心軸線（Ｃ１）を中心とした径方向において、噴霧ノズル（１６）を空気リッチ燃焼が形成される燃焼領域に近い位置に配置できる。従って、少量の噴霧量で効率良く該燃焼領域を冷却できる。

【0065】

２）別な態様に係るガスバーナは、１）に記載のガスバーナにおいて、前記ガス燃料ノズル（７）は、少なくとも一つの主孔（２５）と、前記主孔（２５）より孔径が小さい少なくとも一つの副孔（２７）と、を含み、前記少なくとも一つの噴霧ノズル（１６）は、前記少なくとも一つの噴霧ノズル（１６）の中心軸線（Ｃ２）の延在方向が、前記主孔（２５）から噴出する前記ガス燃料（ｇ）が燃焼することで形成される主燃焼火炎（２６）を通過するように構成される。

【0066】

孔径が副孔（２７）より大きい主孔（２５）から噴出するガス燃料（ｇ）によって形成される主燃焼火炎（２６）は、副孔（２７）から噴出するガス燃料（ｇ）によって形成される副燃焼火炎（２８）より長炎化する。従って、主燃焼火炎（２６）は、空気リッチ燃焼の形成に寄与する寄与度は副燃焼火炎（２８）より大きい。上記２）の構成によれば、噴霧ノズル（１６）の中心軸線（Ｃ２）の延在方向が、主燃焼火炎（２６）を通過するように構成されているため、噴霧ノズル（１６）から噴霧される水又は蒸気を副燃焼火炎（２６）に正確に吹き付けることができる。これによって、空気リッチ燃焼が行われる燃焼領域の温度を効果的に低減できる。

【0067】

３）さらに、別な態様に係るガスバーナは、１）又は２）に記載のガスバーナにおいて、前記ガス燃料ノズル（７）は、少なくとも一つの主孔（２５）と、前記主孔（２５）より孔径が小さい少なくとも一つの副孔（２７）と、を含み、前記ガスバーナ（１）の前記中心軸線（Ｃ１）を中心とした周方向において、前記少なくとも一つの主孔（２５）の角度位置をθ１、前記少なくとも一つの噴霧ノズル（１６）の角度位置をθ２とした場合に、下記式（１）を満たす。
θ２－１０°≦θ１≦θ２＋１０°・・・（１）

【0068】

このような構成によれば、ガスバーナ（１）の中心軸線（Ｃ１）を中心とした周方向において、主孔（２５）の角度位置θ１と噴霧ノズル（１６）の角度位置θ２とが上記（１）式を満たすため、主孔（２５）と噴霧ノズル（１６）の周方向角度位置を合致させるか又は接近させることができる。そのため、噴霧ノズル（１６）から噴霧される水又は蒸気を空気リッチ燃焼の形成に対して寄与度が大きい主燃焼火炎（２６）に正確に吹き付けることができる。これによって、空気リッチ燃焼が行われる燃焼領域の温度を効果的に低減できる。

【0069】

４）さらに別な態様に係るガスバーナは、２）に記載のガスバーナにおいて、前記少なくとも一つの主孔（２５）は、前記ガスバーナ（１）の前記中心軸線（Ｃ１）の周りに互いに間隔を空けて配置された複数の主孔（２５）を含み、前記少なくとも一つの噴霧ノズル（１６）は、前記ガスバーナ（１）の前記中心軸線（Ｃ１）の周りに互いに間隔を空けて配置された複数の噴霧ノズル（１６）を含み、前記複数の主孔（２５）の数と前記複数の噴霧ノズル（１６）の数とは同数であり、前記複数の噴霧ノズル（１６）の各々は、前記複数の噴霧ノズル（１６）の各々の中心軸線（Ｃ２）の延在方向が、前記複数の主孔（２５）の各々から噴出する前記ガス燃料（ｇ）が燃焼することで形成される前記主燃焼火炎（２６）をそれぞれ通過するように構成される。

【0070】

このような構成によれば、複数の主孔（２５）と複数の噴霧ノズル（１６）とを夫々一対一に対応させた配置とすることができる。これによって、複数の主孔（２５）に対して１個の噴霧ノズル（１６）を配置する場合と比べて、主燃焼火炎（２６）の温度を確実に低減でき、ＮＯｘ抑制効果を高めることができる。また、１個の主孔（２５）に対して複数の噴霧ノズル（１６）を配置する場合と比べて、設備費及び水又は蒸気の噴霧量を低減でき、経費節減に寄与できる。

【0071】

また、複数の噴霧ノズル（１６）は二次空気通路（１１）に設けられているため、ガスバーナ（１）の中心軸線（Ｃ１）から比較的離れた位置に設けられる。従って、複数の噴霧ノズル（１６）の各々から噴霧される水又は蒸気の互いの干渉を回避できるか、あるいは干渉領域を最小化できるため、噴霧量も最小化できる。

【0072】

５）さらに別な態様に係るガスバーナは、３）に記載のガスバーナにおいて、前記少なくとも一つの主孔（２５）は、前記ガスバーナ（１）の前記中心軸線（Ｃ１）の周りに互いに間隔を空けて配置された複数の主孔（２５）を含み、前記少なくとも一つの噴霧ノズル（１６）は、前記ガスバーナ（１）の前記中心軸線（Ｃ１）の周りに互いに間隔を空けて配置された複数の噴霧ノズル（１６）を含み、前記複数の主孔（２５）の数と前記複数の噴霧ノズル（１６）の数とは同数であり、前記複数の主孔（２５）の各々および前記複数の噴霧ノズル（１６）の各々は、前記（１）式を満たすように構成される。

【0073】

このような構成によれば、複数の主孔（２５）と複数の噴霧ノズル（１６）とを夫々一対一に対応させた配置とすることができる。これによって、複数の主孔（２５）に対して１個の噴霧ノズル（１６）を配置する場合と比べて、主燃焼火炎（２６）の温度を確実に低減でき、ＮＯｘ抑制効果を高めることができる。また、１個の主孔（２５）に対して複数の噴霧ノズル（１６）を配置する場合と比べて、設備費及び水又は蒸気の噴霧量を低減でき、経費節減に寄与できる。
また、上記４）の構成と同様に、複数の噴霧ノズル（１６）の各々から噴霧される水又は蒸気の互いの干渉を回避できるか、あるいは干渉領域を最小化できるため、噴霧量も最小化できる。

【0074】

６）さらに別な態様に係るガスバーナは、１）乃至５）の何れかに記載のガスバーナにおいて、前記ガス燃料は水素ガスを含むガス燃料である。

【0075】

上記構成のガスバーナによれば、ガス燃料（ｇ）が水素ガスを含むガス燃料であるため、燃焼速度が速く燃焼性が向上すると共に、ガス燃料（ｇ）の火炎温度が高くなりＮＯｘが発生しやすい水素ガスを含む場合でも、上述のガスバーナに用いることで、ＮＯｘの発生を効果的に抑制できる。

【0076】

７）本開示に係るボイラの一態様によれば、前記燃焼空間（５４）が内部に形成される火炉（５２）と、前記火炉（５２）に設けられた１）乃至６）の何れかに記載のガスバーナ（１）と、を備える。

【0077】

このような構成によれば、１）乃至５）の何れかに記載のガスバーナ（１）を備えるため、ガスバーナ（１）が行う二段燃焼により低ＮＯｘ化できると共に、二次空気通路（１１）に設けられた噴霧ノズル（１６）から水又は蒸気を燃焼空間（５４）に向けて噴霧することで、空気リッチ燃焼が行われ高温となるためＮＯｘが多く発生しやすい燃焼領域の温度を低減することで、さらに低ＮＯｘ化が可能になる。従って、ＮＯｘの発生を効果的に抑制できる。

【0078】

８）別な態様に係るボイラは、７）に記載のボイラにおいて、ボイラ給水（Ｗｂ）を加熱して蒸気を生成するための蒸発器（５５）と、前記蒸気を前記噴霧ノズル（１６）に供給するための蒸気供給ライン（６８）と、を備える。

【0079】

このような構成によれば、噴霧ノズル（１６）から噴霧される蒸気を蒸気供給ライン（６８）を介して噴霧ノズル（１６）に供給できるため、噴霧ノズル（１６）に供給するための蒸気をボイラ（５０）で生成された蒸気の一部で賄うことができる。そのため、別な蒸気供給源を必要とせず、設備費を低コスト化できる。

【符号の説明】

【0080】

１ ガスバーナ
３、５２ 火炉
３ａ 側壁面
５ バーナスロート部
４、５４ 燃焼空間
６ 水管
７ ガス燃料ノズル
７ａ 先端部
８ ガス燃料通路
９ 一次空気通路
１１ 二次空気通路
１３ 一次空気通路部
１３ａ 出口端
１５ 二次空気通路部
１６ 噴霧ノズル
１６ａ 出口端
１７ スワラ（保炎器）
１９ 淀み領域
２０ 噴霧領域
２１ 一次空気開口部
２３ エアレジスタ
２５ 主孔
２５ａ 入口開口
２５ｂ 出口開口
２５ｃ 出口中心位置
２６ 主燃焼火炎
２８ 副燃焼火炎
２７ 副孔
２７ａ 入口開口
２７ｂ 出口開口
２７ｃ 出口中心位置
２９ 水素タンク
３１ 入口弁
３３ 減圧弁
３５、７４ 流量計
３７、７８ 温度計
３９、４５ 遮断弁
４１、７６ 圧力計
４３、７２ 流量調整弁
４７ バーナ入口圧力計
４９ バーナ入口弁
５０（５０Ａ、５０Ｂ） ボイラ
５５ 蒸発器
５６、５７ 過熱器
５８ 燃焼火炎
６０ ヘッダ
６２ アフタエアポート
６４ 蒸気ドラム
６６ 接続管
６８ 蒸気供給ライン
７０ 止め弁
８０ 水供給ライン
Ａａ アディショナルエア
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ 中心軸線
Ｆ１ 一次空気
Ｆ２ 二次空気
Ｌｃ 基準線
Ｗｂ ボイラ給水
Ｗｃ 上水
ｇ ガス燃料
α１ 主孔噴出角度
α２ 副孔噴出角度

【要約】

【課題】ガス燃料を用いるガスバーナにおいて、低ＮＯｘ効果を高めることが可能なガスバーナを提案する。
【解決手段】本開示に係るガスバーナの一態様は、燃焼空間にガス燃料を供給するためのガス燃料ノズルと、ガス燃料ノズルから噴出したガス燃料に混合させる一次空気が流通する一次空気通路を含む一次空気通路部と、一次空気が混合されたガス燃料に混合させる二次空気が流通する二次空気通路を含む二次空気通路部と、二次空気通路に設けられ、燃焼空間に水又は蒸気を噴霧するための少なくとも一つの噴霧ノズルと、を備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】