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エネルギー管理士熱分野!特製テキストシリーズ!!各種燃焼バーナーとは?燃焼装置とは?

燃焼バーナーと燃焼装置については、過去の試験に頻繁に出題されています。

過去の出題傾向を見ても、100%出題されてますので、ここは、得点源となります。

気体、液体、固体とありますので、確実に覚えることをお勧めします。

(関連記事)エネルギー管理士熱分野!合格者が教える!過去問から学ぶ超効率的勉強法とは?

気体燃料の燃焼形態は?

気体燃料の燃焼形態は、この2種類に分かれます。

バーナー燃焼(定常燃焼)

流れの中に静止した火炎を作ります!

止まっている火炎を作ってるんですね!

容器内燃焼(非定常燃焼)
1.容器中に可燃混合気を閉じ込めて点火する方法

2.高温空気を閉じ込めて燃料を噴射し着火させ、非定常火炎を作る方法があります!

容器内に閉じ込めて燃焼させる方式ですね!
ここで

非定常火炎という単語が出てきました。解説すると

炎の形が燃焼中に変化するんです。エンジン内でガソリンが燃える時や

プロパンガスが爆発するときに起こります。

強力な火炎のイメージですね。

ちなみに、定常火炎は炎の形が一定です。ローソクなど!

その他の別れ方としては

この三つに分けられます。

予混合燃焼

部分予混合燃焼

拡散燃焼

です。一つ一つ解説していきますね。

予混合燃焼とは?

予混合燃焼は空気を予め混合した上で燃焼させるもので、火炎が伝播するという特徴があります。
(拡散燃焼では、火炎の伝播はなかったですね!)

また、層流から乱流に変わると火炎の厚みが増すとともに 、予混合燃焼では、火炎の伝播速度が加速されます。

予混合炎(プレゼント炎)とは?

可燃混合気を円筒状のバーナーから吹き出して燃焼させると、 円すい形の火炎を作って燃焼します。

このような火炎を予混合炎またはプレゼント炎といいます。

内炎の頂角を測定することにより混合気の燃焼速度を求めることができます。

内炎の頂角を 2a

混合気の流速をv

燃焼速度をVf

とすると

Vf=v sin a

となり、混合気の燃焼速度を求めることができます。

層流炎とは?

混合気の流れがそういうの範囲では、内縁の輪郭は明瞭で鮮明な火炎形状を作ります。

この場合内縁の火炎面は薄く、約0.1 mm の厚みです。

このようなか火炎を層流炎といいます。

乱流炎とは?

層流炎とは違い、流速が次第に速くなって乱流の範囲に入ると瞬間的に内縁の表面が凹凸を持って揺れ動きます。

このような火炎を乱流炎といいます。

乱流炎は層流炎に比べて燃焼速度がかなり大きな値になります。

予混合炎の外炎は、内炎の表面で燃焼できなかった残りの未燃ガスが、周囲の空気中の酸素と拡散によって燃焼する拡散炎です。

予混合燃焼の長所と短所

長所

予混合燃焼の燃料ガスの燃料量を大きくすることができるので高負荷燃焼に適します。

短所

混合気流速が 課題になると吹き飛びが起きて消炎します。

混合気流速が 燃焼速度より小さい時は逆火が生じます。

また混合気の温度が高くなると 、さらに逆火を生じやすくするため燃料の予熱あるいは空気予熱によって余熱利用をすることは難しいです。

燃料濃度が大きくなるに従いあって燃焼領域が広くなるので、吹き飛びや逆火などが起きにくくなります。

部分予混合燃焼とは?

部分予混合燃焼とは、拡散燃焼を加速するために火炎が伝播しない程度の空気を燃料に混合しておくものです。

拡散燃焼とは?

拡散燃焼とは、燃料と空気の境界で燃焼が起こるもので、その火炎には伝播性はない。

具体的には、ガス燃料をバーナーから吹き出し、外部の空気と接触させて転生を行う方法です。

この方法で作られた火炎を拡散炎といいます。

拡散炎の特徴としては、外部の空気中の酸素が燃料ガスの流れに向かって拡散するので、極めて薄いそう内で燃焼を完了します。

従って安定な火炎を作れることが特徴です。

火炎付近の流れが層流から乱流に変わると火炎の大面積当たりの燃焼率は増大します。

具体的には、火炎の長さは竜速2比例します。

層流域では、流速の増加にだいたい比例して火炎は長くなります。

乱流域に入ると乱流拡散によって拡散速度が増大するため火炎の長さは次第に減少します。

完全乱流になると流速に関係なく火炎の長さはほぼ一定になります。

なぜ一定になるかと言いますと、燃料ガスの供給が流速に比例して増大するのに対し、酸素の乱流拡散速度流速に比例して大きくなるため両者が平均になるのです。

拡散燃焼のいいところは?

①炎が安定で、ガス量や空気量の調節範囲は広く逆火の危険性がない。 

②低品位ガスでも各々吹き飛びが起こりにくい。

③ガスの高温予熱ができるなどの利点があり大型ボイラーやガスタービン燃焼器などに利用される。

しかし開放大気中では極めて小さいこの以外は不完全燃焼を起こしやすい欠点があります。

ここで確認問題です。

可燃濃度範囲とは?

予混合気には、温度と圧力によって決まる可燃濃度範囲がある。これにより燃料の濃度が高くても低くても、火炎は伝搬しない。この濃度範囲の下限を希薄化燃限界濃度といい、上限を過濃可燃限界濃度という。

混合気の可燃濃度範囲を比較

プロパン―空気 2~10%

メタン―空気 5~15%

水素―空気 4~75%

となっていて、水素―空気の可燃濃度範囲が極めて広いことがわかります。

気体燃料の燃焼装置について

気体燃料の燃焼装置としては、部分予混合燃焼バーナーと完全予混合燃焼バーナー、そして拡散燃焼バーナーがあります。逆火や吹き飛びといった、キーワードも出てきますので、それぞれ解説していきますね!

予混合燃焼バーナーとは?

予混合燃焼ガスバーナーのは2パターンあります。

一つ目は、予混合燃焼ガスバーナーは、一次空気と燃料ガスを予混合してノズルから噴出させ残りの必要な空気を2次空気として供給する部分予混合燃焼。
二つ目は、燃焼に必要な空気の全量を燃料ガスと完全に予混合し、空気を必要としない完全予混合燃焼。

部分予混合ガスバーナーとは?

部分予混合ガスバーナーは大気圧ガスバーナーともいい、空気の予混合にはベンチュリー管を使用し、ガス圧の持つ動圧エネルギーによって1次空気を大気中から吸引します。

予混合される空気の量は全燃焼空気の30~80%程度で、この予混合空気量の調節によって 炎の長さや輝度を変えることができます。

また予混合によってほとんどの場合、可燃混合気が形成されるので逆火に対する配慮が必要です。

完全予混合ガスバーナーとは?

完全予混合ガスバーナーは、燃焼用2次空気を必要とせず不輝炎による急速燃焼が可能なバーナーです。

ガスと空気の混合比率の調節をすれば必要な炉内雰囲気を作り出すことができます 。

急速な燃焼が行われるため燃焼室を小形とすることができ、高温が得られるため高熱炉や雰囲気炉用バーナーとして適しています。

また、逆火に対しては十分な配慮が必要です。

ガスと燃焼用空気の混合については、各バーナーごとに独立した混合気を持つものと、集合式の混合器から混合気を供給するものがあります。

拡散燃焼バーナとは?

拡散燃焼ガスバーナーは、ガス及び燃焼用空気をそれぞれ別のところから放出させ、両者の接触面でガスと空気を乱流拡散及び分子拡散によって混合燃焼させるものです。

拡散燃焼バーナーの長所は?

①逆火の危険なしに、燃焼量を広範囲に調節できる。

②重要ワードですが、予熱空気も 使用できることから工業用ガスバーナーとして最もよく用い入れられています。

拡散燃焼バーナーの短所は?

①反応速度に関しては、予混合に比べて小さい

②炭素生成がが多いためて輝炎になりすすが発生しやすい。

拡散燃焼バーナーの種類

拡散燃焼バーナーの種類としては、ボート形とノズル形があり、ノズル形に関しては、 低NOXタイプのものがあります。

一つ一つ説明していきます。

拡散燃焼バーナーのポート形の特徴

断面積の広いポート(噴孔)を持っている耐火レンガ製のバーナーで燃焼用空気と燃焼ガスの予熱ができます。

耐火レンガ製というのが最大のメリットです。

耐火レンガ製の材料で作られたことにより燃焼室で予熱ができます。

また、予熱した燃焼ガスと空気は、上下に分かれて吹き出しな孔より炉内へ噴出します。

拡散燃焼バーナーのノズル形の特徴

ノズル型バーナーは、ガスを噴出させる簡単な構造のノズルと、燃焼用空気を旋回させるためのエヤーレジスター(空気旋回器)からなります。

ノズルの形状により三つの形に分かれます。

ガン形 比較的高圧用(0.1~0.25MPa)

リング形 低圧用

マルチスパット形 比較的高圧用(0.1~0.25MPa)などがあります。

これ バーナーは中心に重油バーナーを 配置すれば、ガス重油混焼バーナーになります。

ノズル型バーナーのメリットとしては、噴孔の径、個数、配置、角度を変えることにより燃焼室の形状に適合したもので燃焼させることができます。

ノズル型バーナーの低NOXバーナーについて

ノズル型バーナーには低NOXタイプのものがあります。

具体的には、二段燃焼法、排ガス再循環法、濃淡燃焼法などのNOX抑制技術を単独または組み合わせて適用したものです。

2段燃焼式バーナー

通常の燃焼の空気比は、(1.0~1.2)の範囲で燃焼するのでNOXが最大になりますが、この燃焼方式は、1段目に低空気比(0.8~0.9)で燃焼させ残りをその下流に空気を導入して完全燃焼させる方法です。

一般的には大容量バーナーには適用されてません。

局所排ガス混入式

燃焼による排ガスの一部をファンによって昇圧し、その昇圧した排ガスを火炉入り口の燃焼用空気中に混入することにより燃焼反応域のピーク温度を下げれます。

これをやることによりNOXは抑制されます。

濃淡燃焼式バーナー

二段燃焼法では、全てのバーナーを理論空気量以下で燃焼させるのに対して、この濃淡燃焼式バーナーは、多数のバーナーを二手に分けさせて理論空気量以下で燃焼させるものと、過剰空気で燃焼させるものに分けてNOXの生成を抑制します。

【試験に出る超重要ワード3選】

消炎距離

火炎が伝搬できなくなる距離の事。

フレームトラップ

混合気の供給流路に多孔板や鋼球充填層を設けて逆火を防止するもの。

吹飛び

逆火とは正反対の現象で、炎と空気が接触せずに消えてしまうことです。
炭化水素系の可燃ガスと空気の混合気の噴出速度が高すぎる場合には、火炎が下流側に流れ去り、実在火炎が形成されない状態。

逆火

ガス火炎を使用中に、火炎が火口がらガスの供給側へ戻る現象。それにより、機器類を破裂させることがあります。

噴出速度が低すぎる場合に、火炎が円筒ノズル内に入り込む現象。

吹き飛びは噴出速度が高いから発生し、逆火は噴出速度が低い場合に起こります!

※吹き飛びと逆火については、紛らわしいので確実に理解してください。

重要ワードは過去に何回も試験に出ている、狙われているワードです。

出題者が今回も狙ってくるかもしれないので、注意しましょう。

続いて、液体の燃焼方式から始めて行きます。

液体の燃焼方式

液体燃焼方式は4種類あります!

どれも特徴を抑えれば、問題なく暗記できると思います。

液面燃焼

火炎から放射や対流によって燃料表面に熱が伝えられて蒸発が起こり、発生した蒸気が空気と接触して液面の上部で拡散燃焼を行うものです!

さらに、液面燃焼は3種類あります!

a.ポット燃焼

燃料容器を上向き空気流中に置きます。
b.境界層燃焼

油面と平行に空気を流します!
c.伝搬燃焼

油面と平行に火炎が伝搬します!

蒸発燃焼

火炎によって加熱される蒸発管の内部で液体燃料を蒸発させ、気体燃料と同様に燃焼させるものです!

灯芯燃焼

木綿やガラス繊維の太ひも、厚布によって毛細管現象により液だまりから液を吸い上げ、火炎からの対流や放射伝熱で蒸発させ燃焼させるものです!

噴霧燃焼

液体燃料を数µm~数百µmの油敵に微粒化し、表面積を飛躍的に増加させて燃焼するものです!工業的には、この方法が多く利用されます

※ここで、燃料の重油の加熱が出てきました!おさらいしておくと、A重油B重油は加熱しないで使えますが、

C重油は送油では、20~30℃、噴霧燃料では、80~90℃に加熱する必要があります!

ここは、試験にも出たことがあるから重要です!

重要なので何度も言いますが、液体燃料で重油に関する問題は過去に多く出題されているから重油の特性は暗記するべきです!

液体燃焼装置

液体燃焼装置は大きくと分かて蒸発式と噴霧式の2つに分かれるよ!

主に、使われていて試験にも比較的出題されているのは、噴霧式です

蒸発式の概略

灯油や軽油などの良質燃料にしか使用できません。

始動性、負荷応答性が良くないです。

噴霧式の分類

バーナー形式
油圧 (MPa)
流体媒体
容量
(L/h)
特徴
主な用途
種類
圧力 (MPa)


油圧噴霧式
0.6~3.0
なし

-
30~3000
広角の火炎
湯量調節範囲が狭い
大型ボイラ
高圧気流形
0.15~0.5

蒸気又は空気

0.4~2.1
2~2000
狭角の長炎
湯量調節範囲が広い
連続加熱炉
セメントキルンなどのこ高温加熱炉
低圧気流形
0.13~0.15
空気
0.104~0.106
2~300
比較的狭角の短炎

小型加熱炉
回転式
0.13~0.15
機械的遠心力と空気
0.103~0.104
5~1000
比較的広角の火炎
小型ボイラー
噴霧式は4つに分類されます!

1 油圧式バーナー

燃料油に高い圧力をかけノズルの小さな孔から燃料油を円錐状に噴射させて霧化させます!

油圧式には非戻り式と戻り油式があります!
なんか読んで字の如くって感じがするバーナーですが、説明すると!

非戻り油式

供給した燃料の全量を噴射させる方式で、噴射量の調節は燃料油の供給圧力を変化させて行います!噴射量が少ない時は供給圧力を低くするため噴霧粒径が大きくなり、燃焼が不安定になるので、噴霧量の調節範囲が狭いです

戻り油式

供給した燃料の余分な分を戻り孔から戻す方式で、供給圧力を一定にし、戻り側の圧力を調節して噴霧量を調節できます。このため、油量調節範囲が比較的広く、安定して霧化ができるので、大型ボイラーに使われます!

2.回転式バーナー

回転式バーナーは回転力を利用して燃料油を霧化します。

中・小型ボイラー用として使用され、比較的広角の火炎が得られます!

3.低圧気流式バーナー

低圧気流式バーナーは、低圧の空気を用いて燃料油を微粒化しまう。

狭角の短炎で、小型加熱ように使用されます!

4.高圧気流式バーナー

高圧気流式バーナーは、ボイラーで発生した蒸気または空気圧縮機からの圧縮空気を利用して、バーナー先端部から放出し、吸引作用により燃料油を霧化します!

狭角の長炎で、油量の調節範囲が広いのが特徴です!

以上が液体燃焼装置の特徴です!

ここで、油バーナーの参考となる動画がありましたのでご紹介いたします。

まとめ

気体燃料の燃焼装置で、予混合と拡散燃焼は試験によく出ているので、確実に覚えておこう!

液体燃焼装置は、バーナーの特徴について聞かれるからここも、重要なので、覚えるべきだよ!

例えば、高圧気流式バーナは挟角の短炎である。 〇か× どっち?

正解 挟角の短炎ではなく長炎である。など

このように出題されるので、特徴を抑えといた方が良いです。

気体燃料のバーナーと液体燃料のバーナーは試験によくでるので、覚えておこう!