ボイラ
【課題】 灯油やＡ重油等の液体燃料を用いて、燃焼室負荷が高い状態においても燃焼を完結させ、低Ｏ２、低煤塵、低ＣＯ、および高いターンダウン化を実現可能なボイラを提供することを課題とする。
【解決手段】 本発明は、複数の水管を用いて構成された缶体１０と、缶体１０内の燃焼室１６に対して液体燃料を噴霧するバーナ２０とを備えたボイラ１であって、バーナ２０が、缶体１０における燃焼室負荷を５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内とすべく、燃焼室１６内に液体燃料を噴霧するノズル部７０を有し、ノズル部７０が、液体燃料以外の流体を混入させて、混入された液体燃料以外の流体と液体燃料との混合流体を噴霧可能に構成されており、噴霧される液体燃料の粒子径を４０μｍ以下とすべく、液体燃料以外の流体として圧縮空気が用いられることを特徴としている。
【解決手段】 本発明は、複数の水管を用いて構成された缶体１０と、缶体１０内の燃焼室１６に対して液体燃料を噴霧するバーナ２０とを備えたボイラ１であって、バーナ２０が、缶体１０における燃焼室負荷を５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内とすべく、燃焼室１６内に液体燃料を噴霧するノズル部７０を有し、ノズル部７０が、液体燃料以外の流体を混入させて、混入された液体燃料以外の流体と液体燃料との混合流体を噴霧可能に構成されており、噴霧される液体燃料の粒子径を４０μｍ以下とすべく、液体燃料以外の流体として圧縮空気が用いられることを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、環境汚染問題は社会的に大きく取り上げられており、ボイラにおいても、有害物質（ＣＯ、煤塵等）の低減が求められている。
【０００３】
ガス燃料を用いた燃焼装置を備えたボイラについては、燃焼性向上技術および有害物質（ＣＯ、煤塵等）の低減化技術に関して多くの提案がなされており（例えば、特許文献１参照）、その中には実際に効果を得て実用化されているものも少なくない。
【０００４】
しかしながら、灯油やＡ重油等の液体燃料を用いた燃焼装置を備えたボイラについては、種々の提案がなされてはいるものの、ガス燃料を用いた燃焼装置ほど、燃焼性向上技術および有害物質（ＣＯ、煤塵等）の低減化技術は進んでいない。
【０００５】
特に、高いターンダウンを実施しようとすれば、最小燃焼状態（最小燃料を供給したときの燃焼状態）あるいは最大燃焼状態（最大燃料を供給したときの燃焼状態）のいずれかにおいて燃焼状態が不安定になりやすく、この不安定な燃焼状態に起因して、有害物質の低減化も達成されにくい。
【０００６】
例えば、最小燃焼状態と最大燃焼状態とのターンダウン比を大きく設定し、ボイラの燃焼室（燃焼室負荷）を最小燃焼状態のときに適切な状態であるように構成すると、最大燃焼状態のときに、燃焼室負荷が大きくなりすぎて、燃焼室内で燃焼が完結し難くなる。つまり、燃焼が完結しないことによって、煤塵やＣＯ等の有害物質の低減化を実現できないこととなる。
【０００７】
さらに、近年においては、環境汚染問題に加えて省エネルギ等の要請もあって、より一層の有害物質の低減が求められている。つまり、環境汚染問題の解決と省エネルギ化とを実現するために、より高いレベルでの有害物質低減化技術が求められている。
【０００８】
具体的には、省エネルギ化のために、低Ｏ２、すなわち排気ガス中の残存酸素量低減（例えば、排気ガス中の残存酸素量３％）、低煤塵、低ＣＯを実現可能なボイラが求められている。しかしながら、従来技術においては、かかるボイラの実現は困難である。
【０００９】
【特許文献１】特開平８−６１６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題を解決するためになされたものであって、灯油やＡ重油等の液体燃料を用いて、燃焼室負荷が高い状態においても燃焼を完結させ、低Ｏ２、低煤塵、低ＣＯ、および高いターンダウン化を実現可能なボイラを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、複数の水管を用いて構成された缶体と、前記缶体内の燃焼室に対して液体燃料を噴霧するバーナとを備えたボイラであって、前記缶体における燃焼室負荷を５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内とし、前記バーナが前記燃焼室内に前記液体燃料を噴霧するノズル部を有し（前記ノズル部は、前記缶体における燃焼室負荷を５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内とすべく、前記燃焼室内に前記液体燃料を噴霧する能力を有し）、前記ノズル部が、前記液体燃料以外の流体を混入させて、混入された前記液体燃料以外の流体と前記液体燃料との混合流体を噴霧可能に構成されており、噴霧される前記液体燃料の粒子径を４０μｍ以下とすべく、前記液体燃料以外の流体として圧縮空気が用いられることを特徴としている。
【００１２】
また、本発明にかかるボイラにおいては、前記ノズル部から噴霧される前記液体燃料と前記圧縮空気との混合流体に対して、「４５×ｍ×（Ｔ＋２７３．１５）／２７３．１５」（ｍ／ｓ）以上の流速を有する燃焼用空気が供給される構成であることが好ましい。ここで、「ｍ」は空気比を示し、「Ｔ」は温度（℃）を示している。したがって、例えば、空気比１．０５で温度５０℃の場合、本発明にかかるボイラにおいては、５６（＝４５×１．０５×（５０＋２７３．１５）／２７３．１５）ｍ／ｓ以上の流速を有する燃焼用空気が供給される構成であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明にかかるボイラにおいては、前記ノズル部に設けられた前記混合流体を噴霧する噴霧孔部の数と、前記ノズル部の周囲に設けられた前記燃焼用空気を供給する空気供給孔部の数とが、対応すべく設けられている構成であることが好ましい。より具体的には、前記噴霧孔部と前記空気供給孔部とが同数設けられており、それぞれの前記空気供給孔部が、各噴霧孔部から噴出される前記混合流体に対して、効果的なミキシング作用を及ぼす位置に設けられている。ただし、本発明は、前記噴霧孔部の数と前記空気供給孔部の数とが同数である場合に限定されるものではない。すなわち、前記混合流体と前記燃焼用空気とが効果的にミキシング可能であるように、前記噴霧孔部と前記空気供給孔部とがそれぞれ対応して設けられておればよく、これらの数が同数でない場合も含む概念である。例えば、六つの前記噴霧孔部に対応させて、三つの前記空気供給孔部を設けてもよい。つまり、適切なミキシング作用を得ることが可能であれば、この例のように、二つの前記噴霧孔部に、一つの前記空気供給孔部を対応させるような構成としてもよい。
【００１４】
また、本発明にかかるボイラにおいては、前記混合流体と、前記燃焼用空気との接触角度が、４５°以上である構成が好ましい。
【００１５】
また、本発明にかかるボイラにおいては、前記噴霧孔部から噴出される前記混合流体の噴霧角度が１０°前後であり、前記空気供給孔部の開口角度が３２°〜３７°である構成が好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、灯油やＡ重油等の液体燃料を用いて、燃焼室負荷が高い状態においても燃焼を完結させ、低Ｏ２、低煤塵、低ＣＯ、および高いターンダウン化を実現可能なボイラを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態を説明する前に、本明細書において使用する用語について説明する。
【００１８】
本明細書において、単に「ガス」と称する場合、ガスとは、燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスの少なくとも一方を含む概念であり、燃焼ガスと称することもできる。つまり、ガスとは、燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスの両方を有する場合、燃焼反応中のガスのみを有する場合、あるいは燃焼反応が完了したガスのみを有する場合の、いずれをも含む概念である。以下、特に説明しない場合は同様の概念である。
【００１９】
また、排ガスとは、燃焼反応が完了または殆ど完了したガスを意味する。さらに、特に説明しない場合は、排ガスとは、ボイラの缶体内を通過して煙突部に達したガス、および缶体内にて循環するガスの両方あるいはいずれかを意味するものとする。
【００２０】
また、ガス温度は、特に説明しない限り、燃焼反応中のガスの温度を意味し、燃焼温度あるいは燃焼火炎温度と同義である。さらに、ガス温度の抑制とは、ガス（燃焼火炎）温度の最高値を低く抑えることを意味する。なお、通常、燃焼反応は、上述した「燃焼反応が完了したガス」中においても極微量であるが継続しているので、「燃焼反応の完了」とは、燃焼反応の１００％完結を意味するものではない。
【００２１】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
まず、本実施形態の第一態様にかかるボイラは、複数の水管を用いて構成された缶体と、缶体内の燃焼室に対して液体燃料を噴霧するバーナとを備えたボイラであって、缶体における燃焼室負荷を５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内とし、バーナが燃焼室内に液体燃料を噴霧するノズル部を有し、このノズル部が、液体燃料以外の流体を混入させて、混入された液体燃料以外の流体と液体燃料との混合流体を噴霧可能に構成されており、噴霧される液体燃料の粒子径を４０μｍ以下とすべく、液体燃料以外の流体として圧縮空気が用いられることを特徴としている。
【００２３】
このような構成によれば、缶体における燃焼室負荷が高負荷状態（５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内）として、缶体の燃焼室内で燃焼を早期に完結させ、低Ｏ２、低煤塵、低ＣＯ、および高いターンダウン化を実現可能なボイラとすることができる。より具体的には、本実施形態にかかるボイラによれば、バーナを構成するノズル部が、液体燃料以外の流体を混入させて、混入された液体燃料以外の流体と液体燃料との混合流体を噴霧可能に構成されており、この「液体燃料以外の流体」として圧縮空気が用いられるため、噴霧される液体燃料の粒子径を４０μｍ以下とすることができる。つまり、高圧の圧縮空気と液体燃料とをノズル部内でミキシングして、細かい粒子径（４０μｍ以下）にて液体燃料が噴霧されるため、バーナ（を構成するノズル部）から缶体における燃焼室負荷を５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内とすべく液体燃料が噴霧されても、ボイラの燃焼室内における燃焼が早期に完結し、上述したように、低煤塵、低ＣＯ等を実現することができる。
【００２４】
また、本実施形態の第二態様にかかるボイラは、上述したノズル部から噴霧される液体燃料と圧縮空気との混合流体に対して、「４５×ｍ×（Ｔ＋２７３．１５）／２７３．１５」（ｍ／ｓ）以上の流速を有する燃焼用空気が供給されるべく構成されている。ここで、「ｍ」は空気比、「Ｔ」は温度（℃）である。一例をあげれば、５６ｍ／ｓ（空気比１．０５、温度５０℃時）以上の流速を有する燃焼用空気が供給されるべく構成されている。
【００２５】
このような構成によれば、高速で供給される燃焼用空気と混合流体とが早期に混合するため、燃焼用空気と混合流体とのミキシングが早い段階で促進され、燃焼室内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００２６】
また、本実施形態の第三態様にかかるボイラは、ノズル部に設けられた混合流体を噴霧する噴霧孔部の数と、ノズル部の周囲に設けられた燃焼用空気を供給する空気供給孔部の数とが、対応すべく設けられている。つまり、噴霧孔部と空気供給孔部とが同数設けられており、それぞれの空気供給孔部が、各噴霧孔部から噴出される前記混合流体に対して、効果的なミキシング作用を及ぼす位置に設けられている。
【００２７】
このような構成によれば、燃焼用空気と混合流体とのミキシングが無駄なく効率的に行われるため（燃焼用空気が無駄なく使用されるため）、燃焼室内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００２８】
また、本実施形態の第四態様にかかるボイラは、混合流体と、燃焼用空気との接触角度が、４５°以上となるように構成されている。換言すれば、燃焼用空気が垂直方向に噴出して供給される場合には、混合流体の中心軸を挟んだ噴霧角度は９０°以上となるように構成されている。
【００２９】
このような構成によれば、燃焼用空気と混合流体との接触角度が大きいため、互いに略垂直方向に噴出される場合と比較すれば、ミキシングがより効率的に行われることとなる。したがって、このような構成によれば、ミキシングが効率的に行われ、燃焼室内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００３０】
また、本実施形態の第五態様にかかるボイラは、噴霧孔部から噴出される混合流体の噴霧角度が１０°前後であり、空気供給孔部の開口角度が３２°〜３７°であるべく構成されている。
【００３１】
このような構成によれば、燃焼用空気と混合流体とのミキシングが無駄なく効率的に行われるため（燃焼用空気が無駄なく使用されるため）、燃焼室内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００３２】
以下、図面に基づき、本発明の実施例にかかるボイラについて説明する。
【００３３】
図１は、本発明の実施例にかかるボイラの概略図を示したものである。ここで、図１は、本実施例にかかるボイラの縦断面の説明図を示している。また、図２は、図１のII−II線に沿う横断面の説明図を示している。さらに、図３および図４は、本実施例にかかるボイラに設けられたバーナの概略図を示したものである。ここで、図３は、本実施例にかかるボイラを構成するバーナの縦断面の説明図を示し、図４は、図３に示したバーナの下面図を示している。また、図５は、本実施例にかかるバーナの部分拡大説明図を示している。より詳細には、この図５は、本実施例にかかるバーナを構成するノズル部の縦断面の説明図を示している。
【００３４】
図１および図２に示すように、本実施例にかかるボイラ１は、環状に配列された水管群を有する缶体１０と、これらの水管群の中央部に配設されたバーナ２０とを用いて構成されており、バーナ２０上方位置には、燃焼用空気をバーナ２０に供給する、ウインドボックス４０が設けられている。
【００３５】
缶体１０は、上部ヘッダ１１と下部ヘッダ１２との間に複数の水管群（内側水管群１３、外側水管群１４）を立設して構成されている。それぞれの水管群１３，１４は、略同心円上の環状に配列されており、内側水管群１３から所定間隔を隔てて外側水管群１４が設けられ、内側水管群１３と外側水管群１４との間に環状ガス流路１８が形成される。また、本実施例においては、これらの環状に配設された水管群１３，１４の内側が、燃焼室１６として機能し、この燃焼室１６の上方位置に、先述したバーナ２０が設けられている。
【００３６】
また、本実施例においては、内側水管群１３は、各内側水管１３ａ同士を密接させた状態、あるいは隣接する内側水管１３ａ間を内側フィン部１３ｂで連接した状態で環状に構成されており、その一部にガス排出口１７が設けられている。このガス排出口１７は、水管の長軸方向に沿って開口されており、内側水管群１３内部の燃焼室１６で生成されたガスを環状ガス流路１８に導くべく機能する。
【００３７】
さらに、外側水管群１４は、各外側水管１４ａ間に略均等の所定間隔を有した状態で環状に構成されており、各外側水管１４ａ間には、隣接する外側水管１４ａ間の隙間をなくすべく連接された外側フィン部１４ｂが設けられている。この外側水管群１４の一部には、外側開口部１９が設けられており、この外側開口部１９は、燃焼反応のほぼ完了したガスを缶体外部に排出するための排出部として機能する。つまり、バーナ２０によって生成されたガスは、外側開口部１９に集められた後、缶体の下方位置に設けられた排気筒（図示省略）を介して缶体１０外部に排出される。
【００３８】
図３および図４に示すように、本実施例にかかるボイラ１を構成するバーナ２０は、このバーナ２０に対して燃焼用空気を供給する空気供給手段たるウインドボックス４０内の隔壁４１に設置されている。具体的には、バーナ２０を構成する載置板２１を隔壁４１に上方から載置して、ボルト等の締結手段（図示省略）にて載置板２１を隔壁４１に締結することによって、バーナ２０をウインドボックス４０内の隔壁４１に設置している。なお、本実施例においては、ウインドボックス４０内に空気を供給する送風機の構成は、周知の技術であるため省略している。
【００３９】
本実施例にかかるバーナ２０は、図３および図４に示すように、液体燃料と圧縮空気とを混合させて噴霧させるノズル部７０と、ウインドボックス４０から供給される空気をノズル部７０から噴霧される液体燃料（を含む混合流体）に混合させるために設けられた空気供給経路（一次空気供給用の第一空気供給経路２４，二次空気供給用の第二空気供給経路２５）と、第一空気供給経路２４から供給された空気を燃焼室１６側に噴出させる中央空気噴出部２６と、第二空気供給経路２５から供給された空気を燃焼室１６側に噴出させる複数の周囲空気供給孔部２７（本発明の「空気供給孔部」に相当）（第一周囲空気供給孔部２７ａ〜第六周囲空気供給孔部２７ｆ）とを用いて構成されている。なお、本実施例においては、ノズル部７０から噴霧される混合流体に着火を行うための着火手段（例えば、着火碍子等）の記載は、図面の煩雑化を避けるために省略している。
【００４０】
本実施例にかかるノズル部７０は、図５等に示すように、ノズル部本体７０Ａと、このノズル部本体７０Ａ先端部に設けられたノズルヘッド７１等とを用いて構成されている。また、本実施例においては、このノズル部本体７０Ａに対して、圧縮空気供給配管５１と、燃料供給配管６１とが接続されている。なお、本実施例にかかる図５等においては、図面の煩雑化を避けるために、圧縮空気供給配管５１および燃料供給配管６１の一方側端部（ノズル部本体７０Ａに接続されていない方の端部）の構成（例えば、エアコンプレッサ等）については省略している。
【００４１】
ノズル部本体７０Ａには、圧縮空気供給配管５１から供給される圧縮空気を流通させる圧縮空気流通経路５２、および燃料供給配管６１から供給される液体燃料を流通させる燃料流通経路６２が設けられており、これらの流通経路５２，６２は、ノズル部本体７０Ａとノズルヘッド７１とで形成されるミキシング部７３に連通すべく設けられている。また、ノズルヘッド７１内部には、ミキシング部７３の下流側に設けられた絞り部７４、およびこの絞り部７４のさらに下流側に設けられた拡散部７５が設けられており、ノズルヘッド７１の先端部には、液体燃料と圧縮空気との混合流体Ｍを噴霧すべく複数の噴霧孔部７２（第一噴霧孔部７２ａ〜第六噴霧孔部７２ｆ）が設けられている。
【００４２】
また、本実施例においては、圧縮空気供給配管５１に供給される圧縮空気の供給圧力および燃料供給配管６１に供給される液体燃料の供給圧力の少なくとも一方を制御することによって、ノズルヘッド７１の噴霧孔部７２から噴霧される液体燃料の供給量が調整される。つまり、必要とされるボイラの燃焼室負荷に応じて、それぞれの供給圧力を適宜調整し、ボイラの燃焼量を制御している。本実施例は、このような構成を有するため、単なる二段階の制御（低燃焼状態と高燃焼状態との切り換え制御）のみならず、それぞれの供給圧力を適宜調整することによって、三段階以上の多段階制御（燃焼量の多段階制御）を実施することができる。
【００４３】
バーナ２０を構成する第一空気供給経路２４は、ノズル部７０の外側に設けられた第一筒部材３４を用いて構成されており、第二空気供給経路２５は、第一筒部材３４の外側に設けられた第二筒部材３５を用いて構成されている。つまり、第一筒部材３４の内側領域が第一空気供給経路２４として機能し、第一筒部材３４と第二筒部材３５との間に形成される領域が第二空気供給経路２５として機能する。
【００４４】
第一筒部材３４の先端開口部（ボイラ１の燃焼室１６側の開口部）は、中央空気噴出部２６として機能し、ウインドボックス４０から供給された空気は、この中央空気噴出部２６を介して、燃焼室１６側に噴出される。また、第二筒部材３５の先端部（ボイラ１の燃焼室１６側端部）には、略台形状である複数の周囲空気供給孔部２７（第一周囲空気供給孔部２７ａ〜第六周囲空気供給孔部２７ｆ）が穿孔された空気供給制御板３７が設けられており、ウインドボックス４０から供給された空気Ａは、中央空気噴出部２６のみならず、これら複数の周囲空気供給孔部２７を介しても燃焼室１６側に噴出される。
【００４５】
周囲空気供給孔部２７（本発明の「空気供給孔部」に相当）は、図３および図４に示すように、ノズル部７０の周囲に設けられている。より具体的には、本実施例にかかるそれぞれの周囲空気供給孔部２７ａ〜２７ｆは、上述したノズル部７０のノズルヘッド７１に設けられた複数の噴霧孔部７２ａ〜７２ｆに対応して設けられている（図４参照）。
【００４６】
本実施例においては、ノズルヘッド７１の先端部に六つの噴霧孔部７２ａ〜７２ｆが設けられているため、これに対応すべく、各噴霧孔部７２ａ〜７２ｆから噴霧される混合流体Ｍの上方位置に、空気供給制御版３７に開口された六つの周囲空気供給孔部２７ａ〜２７ｆが設けられている。つまり、各噴霧孔部７２ａ〜７２ｆの直下にて、燃焼用空気Ａａ〜Ａｆと混合流体Ｍａ〜Ｍｆとが接触して混合すべく、周囲空気供給孔部２７ａ〜２７ｆが設けられている。
【００４７】
また、本実施例においては、それぞれの噴霧孔部７２から混合流体が円錐状に噴霧角度１０°前後で噴霧され、空気供給制御板３７に開口された扇状の周囲空気供給孔部２７の開口角度θ２（図４参照）が、３２°〜３７°に設定されている。このような構成によれば、燃焼用空気と混合流体とのミキシングが無駄なく効率的に行われるため（燃焼用空気が無駄なく使用されるため）、燃焼室内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００４８】
本実施例にかかるボイラ１は、以上のように構成されており、その構成に基づき、次のような作用効果を有する。
【００４９】
本実施例にかかるボイラ１を構成するバーナ２０を作動させる場合には、まずは、送風機（図示省略）を駆動させ、ウインドボックス４０を介して第一空気供給経路２４および第二空気供給経路２５に空気が供給される。次いで、ノズルヘッド７１の各噴霧孔部７２ａ〜７２ｆから混合流体Ｍａ〜Ｍｆが噴霧されるタイミングに合わせて、着火手段（例えば、着火碍子）にて着火処理が行われる。
【００５０】
つまり、本実施例においては、第一空気供給経路２４および第二空気供給経路２５を介して、中央空気噴出部２６および周囲空気供給孔部２７から空気Ａａ〜Ａｆが噴出され、この空気と各噴霧孔部７２ａ〜７２ｆから噴霧される混合流体Ｍａ〜Ｍｆとのミキシングが行われる。そして、ノズル部７０の近傍に設けられた、通電されることによって電気火花を形成する着火碍子等（図示省略）を用いて、空気Ａとミキシングされた混合流体Ｍに対して着火が行われる。この着火によって、ノズル部７０から噴霧された混合流体Ｍが燃焼し、ボイラにおいて必要とされる燃焼状態が維持されることとなる。
【００５１】
さて、上記のようにして着火処理等が行われる混合流体Ｍであるが、これは、図５等から明らかなように、ノズル部７０内で液体燃料と圧縮空気とをミキシングさせて構成されている。具体的には、圧縮空気供給配管５１および圧縮空気流通経路５２を経て供給された圧縮空気と、燃料供給配管６１および燃料流通経路６２を経て供給された液体燃料とが、ミキシング部７３内で混合され、この混合された混合流体が絞り部７４で一度絞られ、次いで、ノズルヘッド７１内の拡散部７５に導かれることによって、さらに混合状態が促進され、この混合状態が促進された混合流体が、六つの噴霧孔部７２ａ〜７２ｆのそれぞれから噴霧される。
【００５２】
そして、ボイラ１の燃焼量については、先にも述べたように、圧縮空気供給配管５１に供給される圧縮空気の供給圧力および燃料供給配管６１に供給される液体燃料の供給圧力の少なくとも一方を制御することによって、その制御を行うことが可能である。例えば、圧縮空気の供給圧力のみを制御することによって、ボイラ１の燃焼量を調整することも可能である。この場合には、圧縮空気流通経路５２からミキシング部７３に供給される圧縮空気によって、燃料供給配管６１中の液体燃料が燃料流通経路６２を経てミキシング部７３に引き込まれることとなるため、圧縮空気の供給圧力によって液体燃料の供給量を制御することが可能となる。但し、これは一例であって、勿論、それぞれの供給配管５１，６１における供給圧力を適宜制御して、ボイラ１の燃焼量を調整してもよい。
【００５３】
本実施例にかかるバーナ２０においては、以上のように、それぞれの供給配管５１，６１における供給圧力を適宜制御することによって、停止状態、低燃焼状態、および高燃焼状態のいずれかへの切り換え、あるいは三段階以上の多段的な燃焼状態の切り換えが可能である。また、当然のことながら、燃焼状態継続時において、低燃焼から高燃焼、あるいは高燃焼から低燃焼への切り換え、さらに燃焼量の多段的な切り換えも可能である。
【００５４】
バーナ２０に対する空気の供給量は、一般にウインドボックス４０と送風機との間のダクト内に設けられたダンパ（図示省略）や、送風機の回転数を制御するインバータ等（図示省略）を用いて調整される。そして、この空気は、液体燃料の供給量に対応して供給される。例えば、低燃焼時に供給される空気量を「１」とすれば、高燃焼時（例えば、低燃焼の二倍の燃焼量）に供給される空気量を「２」とする。このような空気量の調整をダンパやインバータを用いて行っている。
【００５５】
以上のように構成され機能するボイラ１においては、ノズル部７０内で液体燃料と圧縮空気とをミキシングすることによって、液体燃料の微粒化が行われている。具体的には、噴霧孔部７２から燃焼室１６に噴霧される液体燃料の粒子径を４０μｍ以下とすべく、液体燃料と圧縮空気との混合処理が行われている。
【００５６】
本実施例によれば、以上のように液体燃料の微粒化が行われるため、ボイラの燃焼室内における燃焼が早期に完結する。つまり、本実施例によれば、缶体１０における燃焼室負荷が高負荷状態（５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内）となるように、液体燃料が供給された場合であっても、缶体１０の燃焼室１６内で燃焼を早期に完結させることが可能となるため、低Ｏ２、低煤塵、低ＣＯ、および高いターンダウン化を実現可能なボイラとすることができる。例えば、本実施例によれば、空気比１．０５程度の低空気比（低Ｏ２）にて、良好な燃焼状態を実現可能である。また、本実施例によれば、１：５程度の高いターンダウンを実現可能である。なお、燃焼室負荷を５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内とする場合の一例としては、燃焼室内の容積（炉容積）を０．３０６ｍ３として、この燃焼室内にて燃焼量を１．６５ＭＷ〜２．６３ＭＷとする場合があげられる。
【００５７】
また、本実施例にかかるボイラ１においては、図３および図４に示すように、バーナ２０を構成するノズル部７０の六つの噴霧孔部７２から、中心軸を挟んだ噴霧角度θ０が９０°程度となるように、混合流体Ｍが噴霧される。これに対し、燃焼用空気Ａは、周囲空気供給孔部２７から、略垂直方向に噴出される。したがって、本実施例においては、混合流体Ｍと燃焼用空気Ａとの接触角度θ１は、略４５°程度となる（図３参照）。なお、本実施例は、この接触角度θ１を略４５°に設定した場合を示しているが、本発明はこの構成に限定されず、４５°以上であることが好ましい。
【００５８】
このように、接触角度θ１を４５°以上に設定すれば、燃焼用空気と混合流体のそれぞれが垂直方向に（つまり、それぞれが略平行に）噴出される場合と比較して、燃焼用空気Ａと混合流体Ｍとの接触角度θ１が大きくなる。したがって、このような構成によれば、ミキシングが効率的に行われ、燃焼室１６内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００５９】
また、本実施例においては、周囲空気供給孔部２７から噴出される燃焼用空気Ａが、５６ｍ／ｓ以上の流速を有することが好ましい。このような構成によれば、高速で供給される燃焼用空気Ａと混合流体Ｍとが早期に混合するため、燃焼用空気Ａと混合流体Ｍとのミキシングが早い段階で促進され、燃焼室１６内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００６０】
また、本実施例においては、ノズル部７０に設けられた混合流体Ｍを噴霧する噴霧孔部７２の数と、ノズル部７０の周囲に設けられた燃焼用空気Ａを供給する周囲空気供給孔部２７の数とが、対応すべく設けられている。つまり、噴霧孔部７２と周囲空気供給孔部２７とが同数（本実施例においては六つ）設けられており、それぞれの周囲空気供給孔部２７が、各噴霧孔部７２から噴出される混合流体Ｍに対して、効果的なミキシング作用を及ぼす位置に設けられている。より具体的には、図４に示すように、噴霧される混合流体Ｍａ〜Ｍｆのそれぞれの上方位置に、第一周囲空気供給孔部２７ａ〜第六周囲空気供給孔部２７ｆが設けられている。
【００６１】
このような構成によれば、各混合流体Ｍａ〜Ｍｆと、対応する各燃焼用空気Ａａ〜Ａｆとが、最短距離で接触して、これらのミキシング処理が無駄なく効率的に行われるため（燃焼用空気Ａが無駄なく使用されるため）、燃焼室内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００６２】
さらに、本実施例においては、以下の理由に基づき、燃焼室負荷が高負荷状態（５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内）であっても、缶体１０の燃焼室１６内における早期燃焼完結を実現可能としている。
すなわち、本実施例によれば、高速空気により液体燃料を微粒化させる二流体噴霧ノズルを用い、液滴粒子径を４０μm以下とし、噴霧孔部を六ヶ所以上設け、混合流体の中心軸を挟んだ噴霧角度を９０°以上とし、個々の噴霧孔部から噴霧される混合流体の噴霧角度を１０°前後とし、燃焼用空気の噴出位置を噴霧孔の位置と合わせ、３２°〜３７°の開口角度を有する空気供給孔部から５６ｍ／ｓ以上（空気比１．０５、温度５０℃の条件下）の高速で空気を噴出させることによって、燃焼室負荷が高負荷状態（５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内）であっても、缶体１０の燃焼室１６内における早期燃焼完結を実現可能としている。
【００６３】
また、本実施例においては、以下の理由に基づき、低Ｏ２（低空気比）での早期燃焼完結を実現している。
すなわち、本実施例によれば、高速空気により液体燃料を微粒化させる二流体噴霧ノズルを用い、液滴粒子径を４０μm以下とし、噴霧孔部を六ヶ所以上設け、混合流体の中心軸を挟んだ噴霧角度を９０°以上とし、個々の噴霧孔部から噴霧される混合流体の噴霧角度を１０°前後とし、燃焼用空気の噴出位置を噴霧孔の位置と合わせ、３２°〜３７°の開口角度を有する空気供給孔部から５６ｍ／ｓ以上（空気比１．０５、温度５０℃の条件下）の高速で空気を噴出させることによって、低Ｏ２（低空気比）での早期燃焼完結を実現している。
【００６４】
以上説明したように、本実施例にかかるボイラ１によれば、液体燃料を用いて、燃焼室負荷が高い状態においても燃焼を完結させ、低Ｏ２、低煤塵、低ＣＯ、および高いターンダウン化を実現可能なボイラを得ることができる。
【００６５】
なお、本発明は、上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で必要に応じて種々の変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００６６】
上記実施例においては、バーナ２０を構成するノズル部７０に六つの噴霧孔部７２が設けられ、この噴霧孔部７２に対応して六つの周囲空気供給孔部２７が設けられる構成について説明したが、本発明は、この構成に限定されない。したがって、本発明においては、ボイラの燃焼量に応じて、噴霧孔部の数を変更し、この変更した噴霧孔部の数に対応させて周囲空気供給孔部を設けてもよい。例えば、本実施例よりも小さな燃焼量のボイラに対して本発明を適用する場合においては、ノズル部に設けられる噴霧孔部の数を減少させて（例えば、四つとして）、この減少させた噴霧孔部の数に対応した周囲空気供給孔部を設けてもよい。逆に、本実施例よりも大きな燃焼量のボイラに対応させる場合には、必要に応じて、噴霧孔部および周囲空気供給孔部の数を六つ以上設けてもよい。
【００６７】
また、上記各実施例においては、液体燃料の種類については特に説明しなかったが、本発明は何等かの液体燃料に限定されず、灯油、Ａ重油、Ｂ重油、Ｃ重油等の液体燃料について適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施例にかかるボイラの縦断面の説明図を示したものである。
【図２】図１のII−II線に沿う横断面の説明図を示したものである。
【図３】本実施例にかかるバーナの縦断面の説明図を示したものである。
【図４】図３に示したバーナの下面図を示したものである。
【図５】本実施例にかかるバーナを構成するノズル部の縦断面の説明図を示したものである。
【符号の説明】
【００６９】
１…ボイラ
１０…缶体
１１…上部ヘッダ
１２…下部ヘッダ
１３…内側水管群
１３ａ…内側水管
１３ｂ…内側フィン部
１４…外側水管群
１４ａ…外側水管
１４ｂ…外側フィン部
１６…燃焼室
１７…ガス排出口
１８…環状ガス流路
１９…外側開口部
２０…バーナ
２１…載置板
２４…第一空気供給経路
２５…第二空気供給経路
２６…中央空気噴出部
２７…周囲空気供給孔部
２７ａ〜２７ｆ…第一周囲空気供給孔部〜第六周囲空気供給孔部
３４…第一筒部材
３５…第二筒部材
３７…空気供給制御板
４０…ウインドボックス
４１…隔壁
５１…圧縮空気供給配管
５２…圧縮空気流通経路
６１…燃料供給配管
６２…燃料流通経路
７０…ノズル部
７０Ａ…ノズル部本体
７１…ノズルヘッド
７２…噴霧孔部
７２ａ〜７２ｆ…第一噴霧孔部〜第六噴霧孔部
７３…ミキシング部
７４…絞り部
７５…拡散部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、環境汚染問題は社会的に大きく取り上げられており、ボイラにおいても、有害物質（ＣＯ、煤塵等）の低減が求められている。
【０００３】
ガス燃料を用いた燃焼装置を備えたボイラについては、燃焼性向上技術および有害物質（ＣＯ、煤塵等）の低減化技術に関して多くの提案がなされており（例えば、特許文献１参照）、その中には実際に効果を得て実用化されているものも少なくない。
【０００４】
しかしながら、灯油やＡ重油等の液体燃料を用いた燃焼装置を備えたボイラについては、種々の提案がなされてはいるものの、ガス燃料を用いた燃焼装置ほど、燃焼性向上技術および有害物質（ＣＯ、煤塵等）の低減化技術は進んでいない。
【０００５】
特に、高いターンダウンを実施しようとすれば、最小燃焼状態（最小燃料を供給したときの燃焼状態）あるいは最大燃焼状態（最大燃料を供給したときの燃焼状態）のいずれかにおいて燃焼状態が不安定になりやすく、この不安定な燃焼状態に起因して、有害物質の低減化も達成されにくい。
【０００６】
例えば、最小燃焼状態と最大燃焼状態とのターンダウン比を大きく設定し、ボイラの燃焼室（燃焼室負荷）を最小燃焼状態のときに適切な状態であるように構成すると、最大燃焼状態のときに、燃焼室負荷が大きくなりすぎて、燃焼室内で燃焼が完結し難くなる。つまり、燃焼が完結しないことによって、煤塵やＣＯ等の有害物質の低減化を実現できないこととなる。
【０００７】
さらに、近年においては、環境汚染問題に加えて省エネルギ等の要請もあって、より一層の有害物質の低減が求められている。つまり、環境汚染問題の解決と省エネルギ化とを実現するために、より高いレベルでの有害物質低減化技術が求められている。
【０００８】
具体的には、省エネルギ化のために、低Ｏ２、すなわち排気ガス中の残存酸素量低減（例えば、排気ガス中の残存酸素量３％）、低煤塵、低ＣＯを実現可能なボイラが求められている。しかしながら、従来技術においては、かかるボイラの実現は困難である。
【０００９】
【特許文献１】特開平８−６１６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題を解決するためになされたものであって、灯油やＡ重油等の液体燃料を用いて、燃焼室負荷が高い状態においても燃焼を完結させ、低Ｏ２、低煤塵、低ＣＯ、および高いターンダウン化を実現可能なボイラを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、複数の水管を用いて構成された缶体と、前記缶体内の燃焼室に対して液体燃料を噴霧するバーナとを備えたボイラであって、前記缶体における燃焼室負荷を５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内とし、前記バーナが前記燃焼室内に前記液体燃料を噴霧するノズル部を有し（前記ノズル部は、前記缶体における燃焼室負荷を５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内とすべく、前記燃焼室内に前記液体燃料を噴霧する能力を有し）、前記ノズル部が、前記液体燃料以外の流体を混入させて、混入された前記液体燃料以外の流体と前記液体燃料との混合流体を噴霧可能に構成されており、噴霧される前記液体燃料の粒子径を４０μｍ以下とすべく、前記液体燃料以外の流体として圧縮空気が用いられることを特徴としている。
【００１２】
また、本発明にかかるボイラにおいては、前記ノズル部から噴霧される前記液体燃料と前記圧縮空気との混合流体に対して、「４５×ｍ×（Ｔ＋２７３．１５）／２７３．１５」（ｍ／ｓ）以上の流速を有する燃焼用空気が供給される構成であることが好ましい。ここで、「ｍ」は空気比を示し、「Ｔ」は温度（℃）を示している。したがって、例えば、空気比１．０５で温度５０℃の場合、本発明にかかるボイラにおいては、５６（＝４５×１．０５×（５０＋２７３．１５）／２７３．１５）ｍ／ｓ以上の流速を有する燃焼用空気が供給される構成であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明にかかるボイラにおいては、前記ノズル部に設けられた前記混合流体を噴霧する噴霧孔部の数と、前記ノズル部の周囲に設けられた前記燃焼用空気を供給する空気供給孔部の数とが、対応すべく設けられている構成であることが好ましい。より具体的には、前記噴霧孔部と前記空気供給孔部とが同数設けられており、それぞれの前記空気供給孔部が、各噴霧孔部から噴出される前記混合流体に対して、効果的なミキシング作用を及ぼす位置に設けられている。ただし、本発明は、前記噴霧孔部の数と前記空気供給孔部の数とが同数である場合に限定されるものではない。すなわち、前記混合流体と前記燃焼用空気とが効果的にミキシング可能であるように、前記噴霧孔部と前記空気供給孔部とがそれぞれ対応して設けられておればよく、これらの数が同数でない場合も含む概念である。例えば、六つの前記噴霧孔部に対応させて、三つの前記空気供給孔部を設けてもよい。つまり、適切なミキシング作用を得ることが可能であれば、この例のように、二つの前記噴霧孔部に、一つの前記空気供給孔部を対応させるような構成としてもよい。
【００１４】
また、本発明にかかるボイラにおいては、前記混合流体と、前記燃焼用空気との接触角度が、４５°以上である構成が好ましい。
【００１５】
また、本発明にかかるボイラにおいては、前記噴霧孔部から噴出される前記混合流体の噴霧角度が１０°前後であり、前記空気供給孔部の開口角度が３２°〜３７°である構成が好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、灯油やＡ重油等の液体燃料を用いて、燃焼室負荷が高い状態においても燃焼を完結させ、低Ｏ２、低煤塵、低ＣＯ、および高いターンダウン化を実現可能なボイラを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態を説明する前に、本明細書において使用する用語について説明する。
【００１８】
本明細書において、単に「ガス」と称する場合、ガスとは、燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスの少なくとも一方を含む概念であり、燃焼ガスと称することもできる。つまり、ガスとは、燃焼反応中のガスおよび燃焼反応が完了したガスの両方を有する場合、燃焼反応中のガスのみを有する場合、あるいは燃焼反応が完了したガスのみを有する場合の、いずれをも含む概念である。以下、特に説明しない場合は同様の概念である。
【００１９】
また、排ガスとは、燃焼反応が完了または殆ど完了したガスを意味する。さらに、特に説明しない場合は、排ガスとは、ボイラの缶体内を通過して煙突部に達したガス、および缶体内にて循環するガスの両方あるいはいずれかを意味するものとする。
【００２０】
また、ガス温度は、特に説明しない限り、燃焼反応中のガスの温度を意味し、燃焼温度あるいは燃焼火炎温度と同義である。さらに、ガス温度の抑制とは、ガス（燃焼火炎）温度の最高値を低く抑えることを意味する。なお、通常、燃焼反応は、上述した「燃焼反応が完了したガス」中においても極微量であるが継続しているので、「燃焼反応の完了」とは、燃焼反応の１００％完結を意味するものではない。
【００２１】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
まず、本実施形態の第一態様にかかるボイラは、複数の水管を用いて構成された缶体と、缶体内の燃焼室に対して液体燃料を噴霧するバーナとを備えたボイラであって、缶体における燃焼室負荷を５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内とし、バーナが燃焼室内に液体燃料を噴霧するノズル部を有し、このノズル部が、液体燃料以外の流体を混入させて、混入された液体燃料以外の流体と液体燃料との混合流体を噴霧可能に構成されており、噴霧される液体燃料の粒子径を４０μｍ以下とすべく、液体燃料以外の流体として圧縮空気が用いられることを特徴としている。
【００２３】
このような構成によれば、缶体における燃焼室負荷が高負荷状態（５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内）として、缶体の燃焼室内で燃焼を早期に完結させ、低Ｏ２、低煤塵、低ＣＯ、および高いターンダウン化を実現可能なボイラとすることができる。より具体的には、本実施形態にかかるボイラによれば、バーナを構成するノズル部が、液体燃料以外の流体を混入させて、混入された液体燃料以外の流体と液体燃料との混合流体を噴霧可能に構成されており、この「液体燃料以外の流体」として圧縮空気が用いられるため、噴霧される液体燃料の粒子径を４０μｍ以下とすることができる。つまり、高圧の圧縮空気と液体燃料とをノズル部内でミキシングして、細かい粒子径（４０μｍ以下）にて液体燃料が噴霧されるため、バーナ（を構成するノズル部）から缶体における燃焼室負荷を５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内とすべく液体燃料が噴霧されても、ボイラの燃焼室内における燃焼が早期に完結し、上述したように、低煤塵、低ＣＯ等を実現することができる。
【００２４】
また、本実施形態の第二態様にかかるボイラは、上述したノズル部から噴霧される液体燃料と圧縮空気との混合流体に対して、「４５×ｍ×（Ｔ＋２７３．１５）／２７３．１５」（ｍ／ｓ）以上の流速を有する燃焼用空気が供給されるべく構成されている。ここで、「ｍ」は空気比、「Ｔ」は温度（℃）である。一例をあげれば、５６ｍ／ｓ（空気比１．０５、温度５０℃時）以上の流速を有する燃焼用空気が供給されるべく構成されている。
【００２５】
このような構成によれば、高速で供給される燃焼用空気と混合流体とが早期に混合するため、燃焼用空気と混合流体とのミキシングが早い段階で促進され、燃焼室内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００２６】
また、本実施形態の第三態様にかかるボイラは、ノズル部に設けられた混合流体を噴霧する噴霧孔部の数と、ノズル部の周囲に設けられた燃焼用空気を供給する空気供給孔部の数とが、対応すべく設けられている。つまり、噴霧孔部と空気供給孔部とが同数設けられており、それぞれの空気供給孔部が、各噴霧孔部から噴出される前記混合流体に対して、効果的なミキシング作用を及ぼす位置に設けられている。
【００２７】
このような構成によれば、燃焼用空気と混合流体とのミキシングが無駄なく効率的に行われるため（燃焼用空気が無駄なく使用されるため）、燃焼室内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００２８】
また、本実施形態の第四態様にかかるボイラは、混合流体と、燃焼用空気との接触角度が、４５°以上となるように構成されている。換言すれば、燃焼用空気が垂直方向に噴出して供給される場合には、混合流体の中心軸を挟んだ噴霧角度は９０°以上となるように構成されている。
【００２９】
このような構成によれば、燃焼用空気と混合流体との接触角度が大きいため、互いに略垂直方向に噴出される場合と比較すれば、ミキシングがより効率的に行われることとなる。したがって、このような構成によれば、ミキシングが効率的に行われ、燃焼室内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００３０】
また、本実施形態の第五態様にかかるボイラは、噴霧孔部から噴出される混合流体の噴霧角度が１０°前後であり、空気供給孔部の開口角度が３２°〜３７°であるべく構成されている。
【００３１】
このような構成によれば、燃焼用空気と混合流体とのミキシングが無駄なく効率的に行われるため（燃焼用空気が無駄なく使用されるため）、燃焼室内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００３２】
以下、図面に基づき、本発明の実施例にかかるボイラについて説明する。
【００３３】
図１は、本発明の実施例にかかるボイラの概略図を示したものである。ここで、図１は、本実施例にかかるボイラの縦断面の説明図を示している。また、図２は、図１のII−II線に沿う横断面の説明図を示している。さらに、図３および図４は、本実施例にかかるボイラに設けられたバーナの概略図を示したものである。ここで、図３は、本実施例にかかるボイラを構成するバーナの縦断面の説明図を示し、図４は、図３に示したバーナの下面図を示している。また、図５は、本実施例にかかるバーナの部分拡大説明図を示している。より詳細には、この図５は、本実施例にかかるバーナを構成するノズル部の縦断面の説明図を示している。
【００３４】
図１および図２に示すように、本実施例にかかるボイラ１は、環状に配列された水管群を有する缶体１０と、これらの水管群の中央部に配設されたバーナ２０とを用いて構成されており、バーナ２０上方位置には、燃焼用空気をバーナ２０に供給する、ウインドボックス４０が設けられている。
【００３５】
缶体１０は、上部ヘッダ１１と下部ヘッダ１２との間に複数の水管群（内側水管群１３、外側水管群１４）を立設して構成されている。それぞれの水管群１３，１４は、略同心円上の環状に配列されており、内側水管群１３から所定間隔を隔てて外側水管群１４が設けられ、内側水管群１３と外側水管群１４との間に環状ガス流路１８が形成される。また、本実施例においては、これらの環状に配設された水管群１３，１４の内側が、燃焼室１６として機能し、この燃焼室１６の上方位置に、先述したバーナ２０が設けられている。
【００３６】
また、本実施例においては、内側水管群１３は、各内側水管１３ａ同士を密接させた状態、あるいは隣接する内側水管１３ａ間を内側フィン部１３ｂで連接した状態で環状に構成されており、その一部にガス排出口１７が設けられている。このガス排出口１７は、水管の長軸方向に沿って開口されており、内側水管群１３内部の燃焼室１６で生成されたガスを環状ガス流路１８に導くべく機能する。
【００３７】
さらに、外側水管群１４は、各外側水管１４ａ間に略均等の所定間隔を有した状態で環状に構成されており、各外側水管１４ａ間には、隣接する外側水管１４ａ間の隙間をなくすべく連接された外側フィン部１４ｂが設けられている。この外側水管群１４の一部には、外側開口部１９が設けられており、この外側開口部１９は、燃焼反応のほぼ完了したガスを缶体外部に排出するための排出部として機能する。つまり、バーナ２０によって生成されたガスは、外側開口部１９に集められた後、缶体の下方位置に設けられた排気筒（図示省略）を介して缶体１０外部に排出される。
【００３８】
図３および図４に示すように、本実施例にかかるボイラ１を構成するバーナ２０は、このバーナ２０に対して燃焼用空気を供給する空気供給手段たるウインドボックス４０内の隔壁４１に設置されている。具体的には、バーナ２０を構成する載置板２１を隔壁４１に上方から載置して、ボルト等の締結手段（図示省略）にて載置板２１を隔壁４１に締結することによって、バーナ２０をウインドボックス４０内の隔壁４１に設置している。なお、本実施例においては、ウインドボックス４０内に空気を供給する送風機の構成は、周知の技術であるため省略している。
【００３９】
本実施例にかかるバーナ２０は、図３および図４に示すように、液体燃料と圧縮空気とを混合させて噴霧させるノズル部７０と、ウインドボックス４０から供給される空気をノズル部７０から噴霧される液体燃料（を含む混合流体）に混合させるために設けられた空気供給経路（一次空気供給用の第一空気供給経路２４，二次空気供給用の第二空気供給経路２５）と、第一空気供給経路２４から供給された空気を燃焼室１６側に噴出させる中央空気噴出部２６と、第二空気供給経路２５から供給された空気を燃焼室１６側に噴出させる複数の周囲空気供給孔部２７（本発明の「空気供給孔部」に相当）（第一周囲空気供給孔部２７ａ〜第六周囲空気供給孔部２７ｆ）とを用いて構成されている。なお、本実施例においては、ノズル部７０から噴霧される混合流体に着火を行うための着火手段（例えば、着火碍子等）の記載は、図面の煩雑化を避けるために省略している。
【００４０】
本実施例にかかるノズル部７０は、図５等に示すように、ノズル部本体７０Ａと、このノズル部本体７０Ａ先端部に設けられたノズルヘッド７１等とを用いて構成されている。また、本実施例においては、このノズル部本体７０Ａに対して、圧縮空気供給配管５１と、燃料供給配管６１とが接続されている。なお、本実施例にかかる図５等においては、図面の煩雑化を避けるために、圧縮空気供給配管５１および燃料供給配管６１の一方側端部（ノズル部本体７０Ａに接続されていない方の端部）の構成（例えば、エアコンプレッサ等）については省略している。
【００４１】
ノズル部本体７０Ａには、圧縮空気供給配管５１から供給される圧縮空気を流通させる圧縮空気流通経路５２、および燃料供給配管６１から供給される液体燃料を流通させる燃料流通経路６２が設けられており、これらの流通経路５２，６２は、ノズル部本体７０Ａとノズルヘッド７１とで形成されるミキシング部７３に連通すべく設けられている。また、ノズルヘッド７１内部には、ミキシング部７３の下流側に設けられた絞り部７４、およびこの絞り部７４のさらに下流側に設けられた拡散部７５が設けられており、ノズルヘッド７１の先端部には、液体燃料と圧縮空気との混合流体Ｍを噴霧すべく複数の噴霧孔部７２（第一噴霧孔部７２ａ〜第六噴霧孔部７２ｆ）が設けられている。
【００４２】
また、本実施例においては、圧縮空気供給配管５１に供給される圧縮空気の供給圧力および燃料供給配管６１に供給される液体燃料の供給圧力の少なくとも一方を制御することによって、ノズルヘッド７１の噴霧孔部７２から噴霧される液体燃料の供給量が調整される。つまり、必要とされるボイラの燃焼室負荷に応じて、それぞれの供給圧力を適宜調整し、ボイラの燃焼量を制御している。本実施例は、このような構成を有するため、単なる二段階の制御（低燃焼状態と高燃焼状態との切り換え制御）のみならず、それぞれの供給圧力を適宜調整することによって、三段階以上の多段階制御（燃焼量の多段階制御）を実施することができる。
【００４３】
バーナ２０を構成する第一空気供給経路２４は、ノズル部７０の外側に設けられた第一筒部材３４を用いて構成されており、第二空気供給経路２５は、第一筒部材３４の外側に設けられた第二筒部材３５を用いて構成されている。つまり、第一筒部材３４の内側領域が第一空気供給経路２４として機能し、第一筒部材３４と第二筒部材３５との間に形成される領域が第二空気供給経路２５として機能する。
【００４４】
第一筒部材３４の先端開口部（ボイラ１の燃焼室１６側の開口部）は、中央空気噴出部２６として機能し、ウインドボックス４０から供給された空気は、この中央空気噴出部２６を介して、燃焼室１６側に噴出される。また、第二筒部材３５の先端部（ボイラ１の燃焼室１６側端部）には、略台形状である複数の周囲空気供給孔部２７（第一周囲空気供給孔部２７ａ〜第六周囲空気供給孔部２７ｆ）が穿孔された空気供給制御板３７が設けられており、ウインドボックス４０から供給された空気Ａは、中央空気噴出部２６のみならず、これら複数の周囲空気供給孔部２７を介しても燃焼室１６側に噴出される。
【００４５】
周囲空気供給孔部２７（本発明の「空気供給孔部」に相当）は、図３および図４に示すように、ノズル部７０の周囲に設けられている。より具体的には、本実施例にかかるそれぞれの周囲空気供給孔部２７ａ〜２７ｆは、上述したノズル部７０のノズルヘッド７１に設けられた複数の噴霧孔部７２ａ〜７２ｆに対応して設けられている（図４参照）。
【００４６】
本実施例においては、ノズルヘッド７１の先端部に六つの噴霧孔部７２ａ〜７２ｆが設けられているため、これに対応すべく、各噴霧孔部７２ａ〜７２ｆから噴霧される混合流体Ｍの上方位置に、空気供給制御版３７に開口された六つの周囲空気供給孔部２７ａ〜２７ｆが設けられている。つまり、各噴霧孔部７２ａ〜７２ｆの直下にて、燃焼用空気Ａａ〜Ａｆと混合流体Ｍａ〜Ｍｆとが接触して混合すべく、周囲空気供給孔部２７ａ〜２７ｆが設けられている。
【００４７】
また、本実施例においては、それぞれの噴霧孔部７２から混合流体が円錐状に噴霧角度１０°前後で噴霧され、空気供給制御板３７に開口された扇状の周囲空気供給孔部２７の開口角度θ２（図４参照）が、３２°〜３７°に設定されている。このような構成によれば、燃焼用空気と混合流体とのミキシングが無駄なく効率的に行われるため（燃焼用空気が無駄なく使用されるため）、燃焼室内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００４８】
本実施例にかかるボイラ１は、以上のように構成されており、その構成に基づき、次のような作用効果を有する。
【００４９】
本実施例にかかるボイラ１を構成するバーナ２０を作動させる場合には、まずは、送風機（図示省略）を駆動させ、ウインドボックス４０を介して第一空気供給経路２４および第二空気供給経路２５に空気が供給される。次いで、ノズルヘッド７１の各噴霧孔部７２ａ〜７２ｆから混合流体Ｍａ〜Ｍｆが噴霧されるタイミングに合わせて、着火手段（例えば、着火碍子）にて着火処理が行われる。
【００５０】
つまり、本実施例においては、第一空気供給経路２４および第二空気供給経路２５を介して、中央空気噴出部２６および周囲空気供給孔部２７から空気Ａａ〜Ａｆが噴出され、この空気と各噴霧孔部７２ａ〜７２ｆから噴霧される混合流体Ｍａ〜Ｍｆとのミキシングが行われる。そして、ノズル部７０の近傍に設けられた、通電されることによって電気火花を形成する着火碍子等（図示省略）を用いて、空気Ａとミキシングされた混合流体Ｍに対して着火が行われる。この着火によって、ノズル部７０から噴霧された混合流体Ｍが燃焼し、ボイラにおいて必要とされる燃焼状態が維持されることとなる。
【００５１】
さて、上記のようにして着火処理等が行われる混合流体Ｍであるが、これは、図５等から明らかなように、ノズル部７０内で液体燃料と圧縮空気とをミキシングさせて構成されている。具体的には、圧縮空気供給配管５１および圧縮空気流通経路５２を経て供給された圧縮空気と、燃料供給配管６１および燃料流通経路６２を経て供給された液体燃料とが、ミキシング部７３内で混合され、この混合された混合流体が絞り部７４で一度絞られ、次いで、ノズルヘッド７１内の拡散部７５に導かれることによって、さらに混合状態が促進され、この混合状態が促進された混合流体が、六つの噴霧孔部７２ａ〜７２ｆのそれぞれから噴霧される。
【００５２】
そして、ボイラ１の燃焼量については、先にも述べたように、圧縮空気供給配管５１に供給される圧縮空気の供給圧力および燃料供給配管６１に供給される液体燃料の供給圧力の少なくとも一方を制御することによって、その制御を行うことが可能である。例えば、圧縮空気の供給圧力のみを制御することによって、ボイラ１の燃焼量を調整することも可能である。この場合には、圧縮空気流通経路５２からミキシング部７３に供給される圧縮空気によって、燃料供給配管６１中の液体燃料が燃料流通経路６２を経てミキシング部７３に引き込まれることとなるため、圧縮空気の供給圧力によって液体燃料の供給量を制御することが可能となる。但し、これは一例であって、勿論、それぞれの供給配管５１，６１における供給圧力を適宜制御して、ボイラ１の燃焼量を調整してもよい。
【００５３】
本実施例にかかるバーナ２０においては、以上のように、それぞれの供給配管５１，６１における供給圧力を適宜制御することによって、停止状態、低燃焼状態、および高燃焼状態のいずれかへの切り換え、あるいは三段階以上の多段的な燃焼状態の切り換えが可能である。また、当然のことながら、燃焼状態継続時において、低燃焼から高燃焼、あるいは高燃焼から低燃焼への切り換え、さらに燃焼量の多段的な切り換えも可能である。
【００５４】
バーナ２０に対する空気の供給量は、一般にウインドボックス４０と送風機との間のダクト内に設けられたダンパ（図示省略）や、送風機の回転数を制御するインバータ等（図示省略）を用いて調整される。そして、この空気は、液体燃料の供給量に対応して供給される。例えば、低燃焼時に供給される空気量を「１」とすれば、高燃焼時（例えば、低燃焼の二倍の燃焼量）に供給される空気量を「２」とする。このような空気量の調整をダンパやインバータを用いて行っている。
【００５５】
以上のように構成され機能するボイラ１においては、ノズル部７０内で液体燃料と圧縮空気とをミキシングすることによって、液体燃料の微粒化が行われている。具体的には、噴霧孔部７２から燃焼室１６に噴霧される液体燃料の粒子径を４０μｍ以下とすべく、液体燃料と圧縮空気との混合処理が行われている。
【００５６】
本実施例によれば、以上のように液体燃料の微粒化が行われるため、ボイラの燃焼室内における燃焼が早期に完結する。つまり、本実施例によれば、缶体１０における燃焼室負荷が高負荷状態（５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内）となるように、液体燃料が供給された場合であっても、缶体１０の燃焼室１６内で燃焼を早期に完結させることが可能となるため、低Ｏ２、低煤塵、低ＣＯ、および高いターンダウン化を実現可能なボイラとすることができる。例えば、本実施例によれば、空気比１．０５程度の低空気比（低Ｏ２）にて、良好な燃焼状態を実現可能である。また、本実施例によれば、１：５程度の高いターンダウンを実現可能である。なお、燃焼室負荷を５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内とする場合の一例としては、燃焼室内の容積（炉容積）を０．３０６ｍ３として、この燃焼室内にて燃焼量を１．６５ＭＷ〜２．６３ＭＷとする場合があげられる。
【００５７】
また、本実施例にかかるボイラ１においては、図３および図４に示すように、バーナ２０を構成するノズル部７０の六つの噴霧孔部７２から、中心軸を挟んだ噴霧角度θ０が９０°程度となるように、混合流体Ｍが噴霧される。これに対し、燃焼用空気Ａは、周囲空気供給孔部２７から、略垂直方向に噴出される。したがって、本実施例においては、混合流体Ｍと燃焼用空気Ａとの接触角度θ１は、略４５°程度となる（図３参照）。なお、本実施例は、この接触角度θ１を略４５°に設定した場合を示しているが、本発明はこの構成に限定されず、４５°以上であることが好ましい。
【００５８】
このように、接触角度θ１を４５°以上に設定すれば、燃焼用空気と混合流体のそれぞれが垂直方向に（つまり、それぞれが略平行に）噴出される場合と比較して、燃焼用空気Ａと混合流体Ｍとの接触角度θ１が大きくなる。したがって、このような構成によれば、ミキシングが効率的に行われ、燃焼室１６内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００５９】
また、本実施例においては、周囲空気供給孔部２７から噴出される燃焼用空気Ａが、５６ｍ／ｓ以上の流速を有することが好ましい。このような構成によれば、高速で供給される燃焼用空気Ａと混合流体Ｍとが早期に混合するため、燃焼用空気Ａと混合流体Ｍとのミキシングが早い段階で促進され、燃焼室１６内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００６０】
また、本実施例においては、ノズル部７０に設けられた混合流体Ｍを噴霧する噴霧孔部７２の数と、ノズル部７０の周囲に設けられた燃焼用空気Ａを供給する周囲空気供給孔部２７の数とが、対応すべく設けられている。つまり、噴霧孔部７２と周囲空気供給孔部２７とが同数（本実施例においては六つ）設けられており、それぞれの周囲空気供給孔部２７が、各噴霧孔部７２から噴出される混合流体Ｍに対して、効果的なミキシング作用を及ぼす位置に設けられている。より具体的には、図４に示すように、噴霧される混合流体Ｍａ〜Ｍｆのそれぞれの上方位置に、第一周囲空気供給孔部２７ａ〜第六周囲空気供給孔部２７ｆが設けられている。
【００６１】
このような構成によれば、各混合流体Ｍａ〜Ｍｆと、対応する各燃焼用空気Ａａ〜Ａｆとが、最短距離で接触して、これらのミキシング処理が無駄なく効率的に行われるため（燃焼用空気Ａが無駄なく使用されるため）、燃焼室内における早期燃焼完結を効果的に実現することができる。
【００６２】
さらに、本実施例においては、以下の理由に基づき、燃焼室負荷が高負荷状態（５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内）であっても、缶体１０の燃焼室１６内における早期燃焼完結を実現可能としている。
すなわち、本実施例によれば、高速空気により液体燃料を微粒化させる二流体噴霧ノズルを用い、液滴粒子径を４０μm以下とし、噴霧孔部を六ヶ所以上設け、混合流体の中心軸を挟んだ噴霧角度を９０°以上とし、個々の噴霧孔部から噴霧される混合流体の噴霧角度を１０°前後とし、燃焼用空気の噴出位置を噴霧孔の位置と合わせ、３２°〜３７°の開口角度を有する空気供給孔部から５６ｍ／ｓ以上（空気比１．０５、温度５０℃の条件下）の高速で空気を噴出させることによって、燃焼室負荷が高負荷状態（５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内）であっても、缶体１０の燃焼室１６内における早期燃焼完結を実現可能としている。
【００６３】
また、本実施例においては、以下の理由に基づき、低Ｏ２（低空気比）での早期燃焼完結を実現している。
すなわち、本実施例によれば、高速空気により液体燃料を微粒化させる二流体噴霧ノズルを用い、液滴粒子径を４０μm以下とし、噴霧孔部を六ヶ所以上設け、混合流体の中心軸を挟んだ噴霧角度を９０°以上とし、個々の噴霧孔部から噴霧される混合流体の噴霧角度を１０°前後とし、燃焼用空気の噴出位置を噴霧孔の位置と合わせ、３２°〜３７°の開口角度を有する空気供給孔部から５６ｍ／ｓ以上（空気比１．０５、温度５０℃の条件下）の高速で空気を噴出させることによって、低Ｏ２（低空気比）での早期燃焼完結を実現している。
【００６４】
以上説明したように、本実施例にかかるボイラ１によれば、液体燃料を用いて、燃焼室負荷が高い状態においても燃焼を完結させ、低Ｏ２、低煤塵、低ＣＯ、および高いターンダウン化を実現可能なボイラを得ることができる。
【００６５】
なお、本発明は、上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で必要に応じて種々の変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００６６】
上記実施例においては、バーナ２０を構成するノズル部７０に六つの噴霧孔部７２が設けられ、この噴霧孔部７２に対応して六つの周囲空気供給孔部２７が設けられる構成について説明したが、本発明は、この構成に限定されない。したがって、本発明においては、ボイラの燃焼量に応じて、噴霧孔部の数を変更し、この変更した噴霧孔部の数に対応させて周囲空気供給孔部を設けてもよい。例えば、本実施例よりも小さな燃焼量のボイラに対して本発明を適用する場合においては、ノズル部に設けられる噴霧孔部の数を減少させて（例えば、四つとして）、この減少させた噴霧孔部の数に対応した周囲空気供給孔部を設けてもよい。逆に、本実施例よりも大きな燃焼量のボイラに対応させる場合には、必要に応じて、噴霧孔部および周囲空気供給孔部の数を六つ以上設けてもよい。
【００６７】
また、上記各実施例においては、液体燃料の種類については特に説明しなかったが、本発明は何等かの液体燃料に限定されず、灯油、Ａ重油、Ｂ重油、Ｃ重油等の液体燃料について適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施例にかかるボイラの縦断面の説明図を示したものである。
【図２】図１のII−II線に沿う横断面の説明図を示したものである。
【図３】本実施例にかかるバーナの縦断面の説明図を示したものである。
【図４】図３に示したバーナの下面図を示したものである。
【図５】本実施例にかかるバーナを構成するノズル部の縦断面の説明図を示したものである。
【符号の説明】
【００６９】
１…ボイラ
１０…缶体
１１…上部ヘッダ
１２…下部ヘッダ
１３…内側水管群
１３ａ…内側水管
１３ｂ…内側フィン部
１４…外側水管群
１４ａ…外側水管
１４ｂ…外側フィン部
１６…燃焼室
１７…ガス排出口
１８…環状ガス流路
１９…外側開口部
２０…バーナ
２１…載置板
２４…第一空気供給経路
２５…第二空気供給経路
２６…中央空気噴出部
２７…周囲空気供給孔部
２７ａ〜２７ｆ…第一周囲空気供給孔部〜第六周囲空気供給孔部
３４…第一筒部材
３５…第二筒部材
３７…空気供給制御板
４０…ウインドボックス
４１…隔壁
５１…圧縮空気供給配管
５２…圧縮空気流通経路
６１…燃料供給配管
６２…燃料流通経路
７０…ノズル部
７０Ａ…ノズル部本体
７１…ノズルヘッド
７２…噴霧孔部
７２ａ〜７２ｆ…第一噴霧孔部〜第六噴霧孔部
７３…ミキシング部
７４…絞り部
７５…拡散部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の水管を用いて構成された缶体と、前記缶体内の燃焼室に対して液体燃料を噴霧するバーナとを備えたボイラであって、
前記缶体における燃焼室負荷を５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内とし、前記バーナが前記燃焼室内に前記液体燃料を噴霧するノズル部を有し、
前記ノズル部が、前記液体燃料以外の流体を混入させて、混入された前記液体燃料以外の流体と前記液体燃料との混合流体を噴霧可能に構成されており、
噴霧される前記液体燃料の粒子径を４０μｍ以下とすべく、前記液体燃料以外の流体として圧縮空気が用いられる
ことを特徴とするボイラ。
【請求項２】
前記ノズル部から噴霧される前記液体燃料と前記圧縮空気との混合流体に対して、以下の関係式を満足する流速を有する燃焼用空気が供給される
請求項１に記載のボイラ。
燃焼用空気の流速（ｍ／ｓ）≧４５×ｍ×（Ｔ＋２７３．１５）／２７３．１５
ｍ：空気比
Ｔ：温度（℃）
【請求項３】
前記ノズル部に設けられた前記混合流体を噴霧する噴霧孔部の数と、前記ノズル部の周囲に設けられた前記燃焼用空気を供給する空気供給孔部の数とが、対応すべく設けられている
請求項２に記載のボイラ。
【請求項４】
前記混合流体と、前記燃焼用空気との接触角度が、４５°以上である
請求項２または３に記載のボイラ。
【請求項５】
前記噴霧孔部から噴出される前記混合流体の噴霧角度が１０°前後であり、前記空気供給孔部の開口角度が３２°〜３７°である
請求項３または４に記載のボイラ。
【請求項１】
複数の水管を用いて構成された缶体と、前記缶体内の燃焼室に対して液体燃料を噴霧するバーナとを備えたボイラであって、
前記缶体における燃焼室負荷を５．４ＭＷ／ｍ３〜８．６ＭＷ／ｍ３の範囲内とし、前記バーナが前記燃焼室内に前記液体燃料を噴霧するノズル部を有し、
前記ノズル部が、前記液体燃料以外の流体を混入させて、混入された前記液体燃料以外の流体と前記液体燃料との混合流体を噴霧可能に構成されており、
噴霧される前記液体燃料の粒子径を４０μｍ以下とすべく、前記液体燃料以外の流体として圧縮空気が用いられる
ことを特徴とするボイラ。
【請求項２】
前記ノズル部から噴霧される前記液体燃料と前記圧縮空気との混合流体に対して、以下の関係式を満足する流速を有する燃焼用空気が供給される
請求項１に記載のボイラ。
燃焼用空気の流速（ｍ／ｓ）≧４５×ｍ×（Ｔ＋２７３．１５）／２７３．１５
ｍ：空気比
Ｔ：温度（℃）
【請求項３】
前記ノズル部に設けられた前記混合流体を噴霧する噴霧孔部の数と、前記ノズル部の周囲に設けられた前記燃焼用空気を供給する空気供給孔部の数とが、対応すべく設けられている
請求項２に記載のボイラ。
【請求項４】
前記混合流体と、前記燃焼用空気との接触角度が、４５°以上である
請求項２または３に記載のボイラ。
【請求項５】
前記噴霧孔部から噴出される前記混合流体の噴霧角度が１０°前後であり、前記空気供給孔部の開口角度が３２°〜３７°である
請求項３または４に記載のボイラ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−５７１８４（Ｐ２００７−５７１８４Ａ）
【公開日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２４５３２３（Ｐ２００５−２４５３２３）
【出願日】平成１７年８月２６日（２００５．８．２６）
【出願人】（０００１７５２７２）三浦工業株式会社 (1,055)
【出願人】（５０４１４３５２２）株式会社三浦プロテック (488)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月２６日（２００５．８．２６）
【出願人】（０００１７５２７２）三浦工業株式会社 (1,055)
【出願人】（５０４１４３５２２）株式会社三浦プロテック (488)
【Ｆターム（参考）】
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