CN102414512A - 燃烧器及具备该燃烧器的锅炉 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃烧器(1)，该燃烧器(1)具备：对将固体燃料和一次空气混合而得到的燃料气体进行喷射的燃料喷嘴(2)；从燃料喷嘴(2)的外周喷射二次空气的二次空气喷嘴(3、4)；在燃料喷嘴的开口部配置的火焰稳定器(5)。在该燃烧器(1)中，火焰稳定器(5)具有沿燃料气体的流动方向扩宽的分裂形状。并且，在燃料喷嘴(2)的包括中心轴的截面中的火焰稳定器(5)的扩宽方向的剖视下，从燃料喷嘴(2)的中心轴到火焰稳定器(5)的扩宽端的最大距离(h)与燃料喷嘴(2)的开口部(21)的内径(r)具有h/(r/2)＜0.6的关系。

Description

燃烧器及具备该燃烧器的锅炉
技术领域
本发明涉及燃烧器及具备该燃烧器的锅炉，进一步详细而言，涉及能够减少NOx产生量的燃烧器及具备该燃烧器的锅炉。
背景技术
在以往的燃烧器中，通常采用对燃烧火焰进行外部保焰的结构。在这样的结构中，在燃烧火焰的外周部形成高温高氧区域，因此存在NOx产生量增加这一问题。作为采用这样的结构的以往的燃烧器，公知有专利文献1中记载的技术。
【专利文献1】日本专利第2781740号公報
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够减少NOx产生量的燃烧器及具备该燃烧器的锅炉。
为了实现上述目的，本发明的燃烧器具备：对将固体燃料和一次空气混合而得到的燃料气体进行喷射的燃料喷嘴；从所述燃料喷嘴的外周喷射二次空气的二次空气喷嘴；在所述燃料喷嘴的开口部配置的火焰稳定器，所述燃烧器的特征在于，所述火焰稳定器具有沿所述燃料气体的流动方向扩宽的分裂形状，并且，在所述燃料喷嘴的包括中心轴的截面中的所述火焰稳定器的扩宽方向的剖视下，从所述燃料喷嘴的中心轴到所述火焰稳定器的扩宽端的最大距离h与所述燃料喷嘴的开口部的内径r具有h/(r/2)＜0.6的关系。
【发明效果】
在本发明的燃烧器中，由于实现燃烧火焰的内部保焰(燃料喷嘴的开口部的中央区域的保焰)，因此与进行燃烧火焰的外部保焰(燃料喷嘴的外周的保焰或者燃料喷嘴的开口部的内壁面附近的区域的保焰)的结构相比，燃烧火焰的外周部成为低温。因此，能够降低因二次空气而处于高氧氛围下的燃烧火焰的外周部的温度。由此具有能够减少燃烧火焰的外周部的NOx产生量的优点。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的燃烧器的结构图。
图2是表示图1中记载的燃烧器的开口部的主视图。
图3是表示图1中记载的燃烧器的火焰稳定器的说明图。
图4是表示图1中记载的燃烧器的作用的说明图。
图5是表示图1中记载的燃烧器的性能试验的结果的曲线图。
图6是表示图3中记载的火焰稳定器的作用的说明图。
图7是表示燃烧器的性能试验的结果的曲线图。
图8是表示图1中记载的燃烧器的整流结构的说明图。
图9是表示图8中记载的整流结构的整流环的说明图。
图10是表示图1中记载的燃烧器的变形例的说明图。
图11是表示图1中记载的燃烧器的变形例的说明图。
图12是表示图1中记载的燃烧器的变形例的说明图。
图13是表示燃烧器的性能试验的结果的曲线图。
图14是表示图1中记载的燃烧器的变形例的说明图。
图15是表示图1中记载的燃烧器的变形例的说明图。
图16是表示图1中记载的燃烧器的变形例的说明图。
图17是表示图1中记载的燃烧器的变形例的说明图。
图18是表示图1中记载的燃烧器的变形例的说明图。
图19是表示图1中记载的燃烧器的变形例的说明图。
图20是表示图1中记载的燃烧器适用于采用补给空气方式的锅炉时的NOx产生量的说明图。
图21是表示图1中记载的燃烧器适用于采用补给空气方式的锅炉时的NOx产生量的说明图。
图22是表示通常的煤粉焚烧锅炉的结构图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明进行详细地说明。需要说明的是，没有通过该实施方式限定本发明。并且，该实施方式的构成要素中包括在维持发明的同一性的同时能够置换且置换显而易见的要素。另外，该实施方式中记载的多个变形例在本领域技术人员显而易见的范围内能够任意组合。
[煤粉焚烧锅炉]
图22是表示通常的煤粉焚烧锅炉的结构图。煤粉焚烧锅炉100是焚烧煤粉而获取热能的锅炉，例如，用于发电用途、工业用途等。
煤粉焚烧锅炉100具备火炉110、燃烧装置120、蒸气产生装置130(参照图22)。火炉110是用于焚烧煤粉的火炉，具有燃烧室111和与该燃烧室111的上方连接的烟道112。燃烧装置120是使煤粉燃烧的装置，具有燃烧器121、向燃烧器121供给煤粉的煤粉供给系统122、向燃烧器121供给二次空气的空气供给系统123。该燃烧装置120中，燃烧器121与火炉110的燃烧室111连接配置。另外，在该燃烧装置120中，空气供给系统123将用于使煤粉的氧化燃烧完结的补给空气向燃烧室111供给。蒸气产生装置130是通过与燃料气体的热交换来对锅炉供水进行加热而产生蒸气的装置，具有节煤器131、再热器132、过热器133及锅筒(省略图示)。该蒸气产生装置130构成为在火炉110的烟道112上逐级配置节煤器131、再热器132及过热器133。
在该煤粉焚烧锅炉100中，首先，在燃烧装置120中，煤粉供给系统122将煤粉及一次空气向燃烧器121供给，并且，空气供给系统123将燃烧用的二次空气向燃烧器121供给(参照图22)。接着，燃烧器121对煤粉、一次空气及二次空气的燃料气体进行点火，并将该燃料气体向燃烧室111喷射。于是，该燃料气体在燃烧室111中燃烧，从而产生燃料气体。接着，该燃料气体从燃烧室111内通过烟道112而被排出。此时，蒸气产生装置130使燃料气体和锅炉供水进行热交换而产生蒸气。之后，该蒸气向外部的设备(例如，汽轮机等)供给。
需要说明的是，在该煤粉焚烧锅炉100中，一次空气的供给量和二次空气的供给量之和设定为相对于煤粉的供给量而小于理论空气量，从而将燃烧室111保持为还原氛围。并且，因煤粉的燃烧而产生的NOx在燃烧室111内被还原，之后，追加供给补给空气(AA)而使煤粉的氧化燃烧完结(补给空气方式)。由此，使煤粉的燃烧引起的NOx的产生量减少。
[燃烧器]
图1是表示本发明的实施方式的燃烧器的结构图。该图表示燃烧器的中心轴处的高度方向的剖视图。图2是表示图1中记载的燃烧器的开口部的主视图。
该燃烧器1是用于使固体燃料燃烧的固体燃料焚烧燃烧器，例如，作为图22中的煤粉焚烧锅炉100的燃烧器121使用。在此，作为一例，对使用煤粉作为固体燃料，且燃烧器1适用于煤粉焚烧锅炉100的情况进行说明。
该燃烧器1具备燃料喷嘴2、主二次空气喷嘴3、二次空气喷嘴4、火焰稳定器5(参照图1及图2)。燃料喷嘴2是对将煤粉(固体燃料)和一次空气混合而得到的燃料气体(含有固体燃料的一次空气)进行喷射的喷嘴。主二次空气喷嘴3是向从燃料喷嘴2喷射出的燃料气体的外周喷射主二次空气(煤二次空气)的喷嘴。二次空气喷嘴4是向从主二次空气喷嘴3喷射出的主二次空气的外周喷射二次空气的喷嘴。火焰稳定器5是燃料气体的点火用及保焰用的设备，配置在燃料喷嘴2的开口部21。
例如，在本实施方式中，燃料喷嘴2及主二次空气喷嘴3具有长条的管状结构，且具有矩形形状的开口部21、31(参照图1及图2)。并且，构成以燃料喷嘴2为中心而在外侧配置有主二次空气喷嘴3的双重管。另外，二次空气喷嘴4具有双重管结构，且具有环状的开口部41。并且，燃料喷嘴2及主二次空气喷嘴3插入而配置在该二次空气喷嘴4的内环中。由此，燃料喷嘴2的开口部21配置在中心，在燃料喷嘴2的开口部21的外侧配置主二次空气喷嘴3的开口部31，在主二次空气喷嘴3的开口部31的外侧配置二次空气喷嘴4的开口部41。并且，上述的喷嘴2～4的开口部21～41在同一面上对齐配置。另外，火焰稳定器5被从燃料气体的上游侧通过板材(省略图示)支承，从而配置在燃料喷嘴2的开口部21。另外，火焰稳定器5的下游侧端部(扩宽端部)与喷嘴2～4的开口部21～41在同一面上对齐。
在该燃烧器1中，将煤粉和一次空气混合而得到的燃料气体从燃料喷嘴2的开口部21喷射(参照图1)。此时，燃料气体在燃料喷嘴2的开口部21由火焰稳定器5分支点火，从而燃烧而成为燃料气体。另外，将主二次空气从主二次空气喷嘴3的开口部31向该燃料气体的外周喷射，来促进燃料气体的燃烧。并且，将二次空气从二次空气喷嘴4的开口部41向燃烧火焰的外周供给，来冷却燃烧火焰的外周部。
[火焰稳定器的配置]
在此，在该燃烧器1中，为了减少煤粉的燃烧引起的NOx产生量，使火焰稳定器5相对于燃料喷嘴2的开口部21的配置适当。以下，对该方面进行说明。
首先，在燃料喷嘴2的包括中心轴的截面中的火焰稳定器5的扩宽方向的剖视下，火焰稳定器5具有沿着燃料气体(煤粉与一次空气的混合气体)的流动方向扩宽的分裂形状(参照图1及图3)。并且，从燃料喷嘴2的中心轴到火焰稳定器5的扩宽端(分裂形状的下游侧端部)的最大距离h与燃料喷嘴2的开口部21的内径r具有h/(r/2)＜0.6的关系。
例如，在该实施方式中，燃料喷嘴2具有矩形形状的开口部21，该燃料喷嘴2设置成其高度方向朝向铅垂方向且其宽度方向朝向水平方向(参照图1及图2)。并且，在该燃料喷嘴2的开口部21配置有火焰稳定器5。另外，火焰稳定器5具有沿燃料气体的流动方向扩宽的分裂形状，且在与该扩宽方向正交的方向上具有长条的形状。并且，火焰稳定器5配置成其长度方向朝向燃料喷嘴2的宽度方向，从而沿宽度方向大致横贯燃料喷嘴2的开口部21。另外，火焰稳定器5配置在燃料喷嘴2的开口部21的中心线上，从而沿高度方向将燃料喷嘴2的开口部21二等分。
另外，火焰稳定器5具有大致等腰三角形截面且具有长条的大致棱镜形状(参照图1及图3)。并且，在燃料喷嘴2的轴向剖视下，火焰稳定器5配置在燃料喷嘴2的中心轴上。此时，火焰稳定器5配置成其顶部朝向燃料气体的上游侧，且其底部与燃料喷嘴2的开口部21对齐。由此，火焰稳定器5具有沿着燃料气体的流动方向扩宽的分裂形状。另外，火焰稳定器5的分裂角(等腰三角形的顶角)θ及分裂宽度(等腰三角形的底边长度)L设定为规定的大小。
另外，具有这样的分裂形状的火焰稳定器5配置在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域(参照图1及图2)。在此，开口部21的“中央区域”是指在火焰稳定器5具有沿燃料气体的流动方向扩宽的分裂形状时，在燃料喷嘴2的包括中心轴的截面中的火焰稳定器5的扩宽方向的剖视下，从燃料喷嘴2的中心轴到火焰稳定器5的扩宽端(分裂形状的下游侧端部)的最大距离h与燃料喷嘴2的开口部21的内径r具有h/(r/2)＜0.6的关系的区域。需要说明的是，在该实施方式中，由于火焰稳定器5配置在燃料喷嘴2的中心轴上，因此从燃料喷嘴2的中心轴到火焰稳定器5的扩宽端的最大距离h为火焰稳定器5的分裂宽度的一半L/2。
在该燃烧器1中，由于火焰稳定器5具有分裂形状，因此燃料气体在燃料喷嘴2的开口部21被火焰稳定器5分支开(参照图1)。此时，火焰稳定器5配置在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域，在该中央区域进行燃料气体的点火及保焰。由此，实现燃烧火焰的内部保焰(燃料喷嘴2的开口部21的中央区域的保焰)。
在这样的结构中，与进行燃烧火焰的外部保焰(燃料喷嘴的外周的保焰，或者燃料喷嘴的开口部的内壁面附近的区域的保焰)的结构(省略图示)相比，燃烧火焰的外周部Y成为低温(参照图4)。因此，能够降低因二次空气而处于高氧氛围下的燃烧火焰的外周部Y的温度。由此，使燃烧火焰的外周部Y的NOx产生量减少。
图5是表示图1中记载的燃烧器的性能试验的结果的曲线图。该图表示燃料喷嘴2的开口部21中的火焰稳定器5的位置h/(r/2)与NOx产生量的关系的试验结果。
在该性能试验中，在图1所记载的燃烧器1中改变火焰稳定器5的距离h时，测定NOx产生量。此时，燃料喷嘴2的内径r、火焰稳定器5的分裂角θ以及分裂宽度L等被设定为固定。需要说明的是，NOx产生量由以进行燃烧火焰的外部保焰的结构(火焰稳定器配置在燃料喷嘴的外周的结构。参照专利文献1。)为基准(h/(r/2)＝1)的相对值表示。
如试验结果所示，可知随着火焰稳定器5的位置接近燃料喷嘴2的开口部21的中心，而NOx产生量减少(参照图5)。具体而言，通过使火焰稳定器5的位置成为h/(r/2)＜0.6，从而NOx产生量减少10％以上，因而认为具有优越性。
需要说明的是，在燃烧器1中，优选火焰稳定器5的长度方向的端部与燃料喷嘴2的开口部21的内壁面抵接。但是，在通常的设计中，考虑构件的热伸长而在火焰稳定器5的端部与燃料喷嘴2的内壁面之间形成有几mm左右的微小的间隙d(参照图2)。如此，在火焰稳定器5的端部与燃料喷嘴2的内壁面接近配置的结构中，火焰稳定器5的端部受到来自燃烧火焰的辐射。由此，能够得到从火焰稳定器5的端部向内部的火焰传播，因此优选。
[火焰稳定器的分裂角及分裂宽度]
另外，在该燃烧器1中，为了抑制固体燃料的燃烧引起的NOx产生量，优选使火焰稳定器5的分裂形状适当。以下，对该点进行说明。
如上所述，在该燃烧器1中，火焰稳定器5具有用于对燃料气体进行分支的分裂形状(参照图3)。此时，优选火焰稳定器5具有三角形截面的分裂形状，且其顶部朝向燃料气体的流动方向上游侧配置(参照图6(a))。在这样的三角形截面的火焰稳定器5中，分支后的燃料气体沿着火焰稳定器5的侧面流动，并在差压的作用下向底边侧卷入。因此，燃料气体难以向火焰稳定器5的径向外侧扩散，因此能够适当地确保(或加强)燃烧火焰的内部保焰。由此，燃烧火焰的外周部Y(参照图4)成为低温，因此与二次空气的混合引起的NOx产生量降低。
需要说明的是，在火焰稳定器具有板状形状的分裂形状的结构(参照图6(b))中，分支后的燃料气体从火焰稳定器朝向燃料喷嘴的内壁面流动。在既存的燃烧器中，这样通过火焰稳定器对燃料气体进行分支并沿着燃料喷嘴的内壁面对燃料气体进行引导的结构为通常的结构。在这样的结构中，与燃料喷嘴的中央区域相比，内壁面附近区域成为燃料气体富有区，从而燃烧火焰的外周部Y比内部X温度高(参照图4)。于是，在该燃烧火焰的外周部Y，与二次空气混合引起的NOx产生量可能增加。
另外，在上述的结构中，优选具有三角形截面的火焰稳定器5的分裂角θ为θ＜90[deg](参照图3)。并且，更优选火焰稳定器5的分裂角θ为θ＜60[deg]。由此，能够抑制分支后的燃料气体向没有燃料喷嘴的壁面侧扩散的情况，因此能够更适当地进行燃烧火焰的内部保焰。
例如，在该实施方式中，火焰稳定器5具有截面等腰三角形的分裂形状，其分裂角θ设定为θ＜90[deg](参照图3)。另外，通过将火焰稳定器5相对于燃料气体的流动方向配置成左右对称，而将侧面的倾斜角(θ/2)设定为小于30[deg]。
并且，在上述的结构中，优选具有三角形截面的火焰稳定器5的分裂宽度L与燃料喷嘴2的开口部21的内径r具有0.06≤L/r的关系，更优选具有0.10≤L/r的关系。由此，使火焰稳定器5的分裂宽度L与燃料喷嘴2的内径r的比L/r适当，从而减少NOx产生量。
图7是表示燃烧器的性能试验的结果的曲线图。该图表示火焰稳定器5的分裂宽度L与燃料喷嘴2的开口部21的内径r的比L/r和NOx产生量的关系的试验结果。
在该性能试验中，测定在图1所记载的燃烧器1中改变火焰稳定器5的分裂宽度L时的NOx产生量。此时，燃料喷嘴2的内径r、火焰稳定器5的距离h、分裂角θ等设定为固定。需要说明的是，NOx产生量由将燃烧火焰的分裂宽度L为L＝0时作为基准的相对值表示。
如试验结果所示，可知火焰稳定器5的分裂宽度L越大，NOx产生量越减少。具体而言，通过使0.06≤L/r，从而NOx产生量减少20％，通过使0.10≤L/r，从而NOx产生量减少30％以上。但是，当0.13＜L/r时，NOx产生量的减少存在降至最低点的倾向。
需要说明的是，分裂宽度L的上限由其与燃料喷嘴2的开口部21中的火焰稳定器5的位置h/(r/2)的关系来限制。即，当分裂宽度L变得过于大时，火焰稳定器的位置接近燃料喷嘴2的内壁面而燃烧火焰的内部保持产生的效果降低，从而不优选(参照图5)。因此，优选火焰稳定器5的分裂宽度L通过其与燃料喷嘴2的开口部21的内径r的关系(比L/r)以及与火焰稳定器5的位置h/(r/2)的关系而适当化。
需要说明的是，在该实施方式中，火焰稳定器5具有三角形截面形状，但不局限于此，火焰稳定器5也可以具有V字截面形状(省略图示)。即使形成为这样的结构，也能得到同样的效果。
但是，与V字截面形状相比，更优选火焰稳定器5具有三角形截面形状。例如，在V字截面形状时，(1)在油焚烧时因辐射而火焰稳定器可能变形。另外，灰可能滞留而附着在火焰稳定器的内部并增长。因此，通过使火焰稳定器5为三角形截面形状，且使火炉侧为陶瓷制，从而缓和灰的附着。
[燃料喷嘴的整流结构]
图8是表示图1中记载的燃烧器的整流结构的说明图。图9是表示图8中记载的整流结构的整流环的说明图。
在以往的燃烧器中，在对燃烧火焰进行外部保焰的结构中，燃料气体或二次空气成为回旋流或急剧地改变角度的流动而进行供给。由此，在燃料喷嘴的外周形成再循环区域，从而有效地进行外部点火及外部保焰(省略图示)。
与此相对，在该燃烧器1中，由于如上所述那样采用对燃烧火焰进行内部保焰的结构，因此燃料气体及二次空气(主二次空气及二次空气)成为直行流而进行供给，从而优选(参照图1)。即，优选燃料喷嘴2、主二次空气喷嘴3及二次空气喷嘴4具有不使燃料气体或二次空气回旋而成为直行流进行供给的结构。
例如，优选燃料喷嘴2、主二次空气喷嘴3及二次空气喷嘴4为在内部的气体通路中不具有阻碍燃料气体或二次空气的直行流那样的障碍物的结构(参照图1)。这样障碍物例如包括用于形成回旋流的回旋叶片、将气体流动向内壁面附近区域引导的结构物等。
在这样的结构中，由于燃料气体及二次空气成为直行流进行喷射而形成燃烧火焰，因此在对燃烧火焰进行内部保焰的结构中，能够抑制燃烧火焰内的气体循环。由此，燃烧火焰的外周部Y(参照图4)维持低温的状态，因此与二次空气混合引起的NOx产生量降低。
并且，在该燃烧器1中，优选燃料喷嘴2具有整流机构6(参照图8及图9)。该整流机构6为对向燃料喷嘴2供给的燃料气体的流动进行整流的机构，例如，具有使通过燃料喷嘴2内的燃料气体产生压力损失，从而抑制燃烧气体的流量偏差的功能。在这样的结构中，通过整流机构6在燃料喷嘴2内形成燃料气体的直行流。并且，通过使火焰稳定器5配置在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域，从而进行燃烧火焰的内部保焰(参照图1)。由此，能够适当地确保内部保焰，因此燃烧火焰的外周部Y(参照图4)的NOx产生量降低。
例如，在该实施方式中，燃料喷嘴2在燃料气体的上游侧(燃烧器1的根部)具有圆管结构，且截面形状逐渐变化而在开口部21成为矩形的截面形状(参照图2、图8及图9)。另外，由环状的节流孔构成的整流机构6配置在燃料喷嘴2内的上游部。并且，燃料喷嘴2从该整流机构6的位置到开口部21具有直线的燃料气体的流路(笔直形状)。另外，在燃料喷嘴2的内部中的从整流机构6到开口部21(火焰稳定器5)的范围内，未设有阻碍直行流的障碍物。由此，形成通过整流机构6对燃料气体进行整流，而将燃料气体的直行流原状态向燃料喷嘴2的开口部21供给的结构(燃烧气体的整流结构)。
需要说明的是，优选整流机构6与燃料喷嘴2的开口部21的距离相对于燃烧器1的高度H而言为2H以上，更优选为10H。由此，能够降低整流机构6的设置对燃烧气体流动的不良影响，从而形成适当的直行流。
[火焰稳定器的形状的变形例1]
在该实施方式中，在燃料喷嘴2的主视观察下，燃料喷嘴2具有矩形形状的开口部21，火焰稳定器5大致横贯燃料喷嘴2的开口部21的中央区域配置(参照图2)。另外，长条的火焰稳定器5单独配置。
但是，不局限于此，在该燃烧器1中，一对火焰稳定器5、5可以并列配置在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域(参照图10)。在这样的结构中，在燃料喷嘴2的开口部21形成被一对火焰稳定器5、5夹着的区域(参照图11)。于是，在该被夹着的区域产生空气不足。因此，在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域形成空气不足引起的还原氛围。由此，燃烧火焰的内部X(参照图4)中的NOx产生量降低。
例如，在该实施方式中，长条的一对火焰稳定器5、5配置成其长度方向朝向燃料喷嘴2的开口部21的宽度方向且平行地对齐(参照图10)。并且，上述的火焰稳定器5、5沿宽度方向大致横贯燃料喷嘴2的开口部21，由此燃料喷嘴2的开口部21在高度方向上被划分为三个区域。此时，在燃料喷嘴2的包括中心轴的截面中的火焰稳定器5的扩宽方向的剖视下，上述的火焰稳定器5、5分别具有三角形截面的分裂形状，且它们的扩宽方向分别朝向燃料气体的流动方向配置(参照图11)。另外，一对火焰稳定器5、5这双方构成为位于燃料喷嘴2的开口部21的中央区域。具体而言，从燃料喷嘴2的中心轴到一对火焰稳定器5、5的扩宽端的最大距离h与燃料喷嘴2的开口部21的内径r具有h/(r/2)＜0.6的关系。由此，进行燃烧火焰的内部保焰。
需要说明的是，在上述的结构中，配置有一对火焰稳定器5、5(参照图10及图11)。但是，不局限于此，也可以为三个以上的火焰稳定器5并列配置在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域(省略图示)。即使形成为这样的结构，在由相邻的火焰稳定器5、5夹着的区域也形成空气不足引起的还原氛围。由此，燃烧火焰的内部X(参照图4)中的NOx产生量减少。
[火焰稳定器的形状的变形例2]
另外，在该燃烧器1中，也可以为一对火焰稳定器5、5交叉连结且它们的交叉部位于燃料喷嘴2的开口部21的中央区域配置(参照图12)。在这样的结构中，通过使一对火焰稳定器5、5交叉连结，从而在它们的交叉部形成强的点火面。并且，通过将该交叉部配置在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域，从而能够适当地进行燃烧火焰的内部保焰。由此，燃烧火焰的内部X(参照图4)中的NOx产生量减少。
例如，在该实施方式中，长条的一对火焰稳定器5、5配置成其长度方向分别朝向燃料喷嘴2的开口部21的宽度方向及高度方向(参照图12)。并且，上述的火焰稳定器5、5分别沿宽度方向及高度方向大致横贯开口部21。另外，上述的火焰稳定器5、5分别配置在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域。由此，火焰稳定器5、5的交叉部位于燃料喷嘴2的开口部21的中央区域。另外，从燃料喷嘴2的中心轴到火焰稳定器5的扩宽端的最大距离h(h’)与燃料喷嘴2的开口部21的内径r(r’)具有h/(r/2)＜0.6的关系((h’/(r’/2)＜0.6)的关系)。由此，可实现燃烧火焰的内部保焰。
需要说明的是，在上述的结构中，配置有一对火焰稳定器5、5(参照图12)。但不局限于此，也可以为三个以上的火焰稳定器5交叉连结且它们的交叉部位于燃料喷嘴的开口部的中央区域配置(省略图示)。即使形成为这样的结构，火焰稳定器5、5的交叉部也形成在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域。由此能够适当地进行燃烧火焰的内部保焰，从而燃烧火焰的内部X(参照图4)中的NOx产生量降低。
图13是表示燃烧器的性能试验的结果的曲线图。该图表示图10中记载的燃烧器1与图12中记载的燃烧器1的比较试验的结果。上述的燃烧器1在都将一对火焰稳定器5、5配置在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域这一点上相同。但是，在如下方面不同，即，图10中记载的燃烧器1具有一对火焰稳定器5、5并列配置的结构(并列分裂结构)，图12中记载的燃烧器1具有一对火焰稳定器5、5交叉配置成十字状的结构(交叉分裂结构)。需要说明的是，燃料气体的未燃成分的数值是以图10中记载的燃烧器1为基准(1.00)的相对值。
如试验结果所示，可知在图12所记载的燃烧器1中，燃料气体的未燃成分相对地减少。
[火焰稳定器的形状的变形例3]
并且，在该燃烧器1中，也可以为多个火焰稳定器5组合成井字形，并且由上述的火焰稳定器5包围的部分位于燃料喷嘴2的开口部21的中央区域(参照图14)。即，可以组合图10的结构与图12的结构。在这样的结构中，在由火焰稳定器5包围的部分形成强的点火面。并且，通过使由该火焰稳定器5包围的部分配置在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域，从而能够适当地进行燃烧火焰的内部保焰。由此，燃烧火焰的内部X(参照图4)中的NOx产生量减少。
例如，在该实施方式中，长条的四个火焰稳定器5连结成井字形，且它们的长度方向分别朝向燃料喷嘴2的宽度方向或高度方向配置(参照图14)。另外，各火焰稳定器5分别沿宽度方向或高度方向大致横贯燃料喷嘴2的开口部21。四个火焰稳定器5分别配置在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域。由此，由火焰稳定器5包围的部分配置在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域。另外，从燃料喷嘴2的中心轴到火焰稳定器5的扩宽端的最大距离h与燃料喷嘴2的开口部21的内径r具有h/(r/2)＜0.6的关系。由此，能够适当地进行燃烧火焰的内部保焰。
需要说明的是，在上述的结构中，优选较密地设定多个火焰稳定器5的配置间隔(参照图14)。在这样的结构中，由火焰稳定器5包围的部分的自由区域变小。于是，火焰稳定器5的分裂形状引起的压力损失相对地变大，燃料喷嘴2内的燃烧气体的流速降低。由此，能够迅速地进行燃料气体的点火。
另外，在上述的结构中，四个火焰稳定器5连结成井字形(参照图14)。但是，不局限于此，可以将任意个数(例如，高度方向两根且宽度方向三根)的火焰稳定器5连结，从而形成由火焰稳定器5包围的部分(省略图示)。并且，通过使由该火焰稳定器5包围的部分位于燃料喷嘴2的开口部21的中央区域，从而能够适当地进行燃烧火焰的内部保焰。
[燃料喷嘴的开口部为圆形时的适用例]
在该实施方式中，在燃料喷嘴2的主视观察下，燃料喷嘴2具有矩形形状的开口部21，在该开口部21配置火焰稳定器5(参照图2、图10、图12及图14)。但是不局限于此，也可以为燃料喷嘴2具有圆形形状的开口部21，在该开口部21配置火焰稳定器5(参照图15及图16)。
例如，在图15所示的燃烧器1中，在圆形形状的开口部21配置具有交叉分裂结构的火焰稳定器5(参照图12)。另外，在图16所示的燃烧器1中，在圆形形状的开口部21配置连结成井字形的火焰稳定器5(参照图14)。在上述的结构中，通过使火焰稳定器5的交叉部(参照图12)或由火焰稳定器5包围的部分(参照图14)配置在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域，从而能够适当地进行燃烧火焰的内部保焰。
另外，例如，通过形成为圆形形状的开口部21，且将二次空气在同心圆上多重供给，从而可将二次空气均匀地供给。由此，能够抑制局部的高氧区域的产生，因而优选。
[二次空气喷嘴的挡板结构]
通常，燃烧火焰的外周部Y因二次空气的供给而容易成为局部地高温且高氧的区域(参照图4)。因此，优选通过调整二次空气的供给量，来缓和该高温且高氧的状态。另一方面，在燃料气体的未燃成分多的情况下，优选缓和该燃料气体的未燃成分多的状态。
因此，在该燃烧器1中，在主二次空气喷嘴3的外周配置多个(在此为三根)二次空气喷嘴4(参照图17)。另外，通过主二次空气喷嘴3及各二次空气喷嘴4具有挡板结构，来调整主二次空气及二次空气的供给量。此时，优选各二次空气喷嘴4能够在±30[deg]的范围内对二次空气的喷射方向进行调整。
在这样的结构中，通过使靠外侧配置的二次空气喷嘴4比靠内侧配置的二次空气喷嘴4更多地喷射二次空气，来缓和二次空气的扩散。于是，燃烧火焰的外周部Y的高温且高氧的状态得以缓和。另一方面，在这样的结构中，通过使靠内侧配置的二次空气喷嘴4比靠外侧配置的二次空气喷嘴4更多地喷射二次空气，来促进二次空气的扩散。于是，能够抑制燃料气体的未燃成分的增加。因此，通过对来各二次空气喷嘴4的二次空气的喷射量进行调整，从而能够适当地控制燃烧火焰的状态。
需要说明的是，上述的结构在将具有彼此不同的燃料比的固体燃料切换使用时有益。例如，在以挥发量多的煤作为固体燃料使用时，通过执行提前进行二次空气的扩散的控制，能够适当地控制燃烧火焰的状态。
另外，在上述的结构中，优选始终运用全部的二次空气喷嘴4。在这样的结构中，与存在未运用的二次空气喷嘴的结构相比，能够抑制因来自火炉的火焰辐射而二次空气喷嘴烧坏的情况。例如，始终运用全部的二次空气喷嘴4。另外，特定的二次空气喷嘴4以不烧坏的程度的最低限度的流速喷射二次空气。并且，其它的二次空气喷嘴4以较宽范围的流量及流速供给二次空气。由此，能够根据锅炉的运转条件的变化适当地进行二次空气的供给。例如，在锅炉的低负载运转时，一部分二次空气喷嘴4以不烧坏的程度的最低限度的流速喷射二次空气。并且对来自其它的二次空气喷嘴4的二次空气的供给量进行调整。由此，能够维持二次空气的流速，从而能够适当地维持燃烧火焰的状态。
另外，在上述的结构中，多个二次空气喷嘴4中的一部分可以兼作供油口(参照图18)。在这样的结构中，例如，在将燃烧器1适用于煤粉焚烧锅炉100时，一部分二次空气喷嘴4用作供油口。并且，该二次空气喷嘴4供给锅炉的起动运转所需要的油。在这样的结构中，不需要增设供油口或二次空气喷嘴，因此能够降低锅炉的高度。
另外，在上述的结构中，优选向主二次空气喷嘴3供给的主二次空气和向二次空气喷嘴4供给的二次空气从相互不同的供给系统供给(参照图19)。在这样的结构中，在设置有多个二次空气喷嘴(主二次空气喷嘴3及多个二次空气喷嘴4)时，它们的运用及调整变得容易。
[向对置燃烧锅炉的适用]
另外，优选该燃烧器1适用于对置燃烧锅炉(省略图示)。在这样的结构中，由于为逐渐供给二次空气的结构，因此容易控制空气的供给量。由此，NOx产生量减少。
[补给空气方式的采用]
另外，优选该燃烧器1适用于采用补给空气方式的煤粉焚烧锅炉100(参照图22)。
即，在该燃烧器1中，采用对燃烧火焰进行内部保焰的结构(参照图1)。由此，来促进燃烧火焰的内部X中的均匀的燃烧，降低燃烧火焰的外周部Y的温度，从而减少燃烧器1中的NOx产生量(参照图4及图5)。于是，燃烧器1中的空气的供给比率增加，从而能够减少补给空气的供给比率。由此，补给空气引起的NOx产生量减少，从而锅炉整体的NOx产生量降低。
图20及图21是表示该燃烧器1适用于采用补给空气方式的锅炉时的NOx产生量的说明图。
在现有的燃烧器中，采用对燃烧火焰进行外部保焰的结构(参照专利文献1)。在这样的结构中，在燃烧火焰的内部X(参照图4)产生氧的残存区域。因此，为了充分地进行NOx还原，通常需要将补给空气的供给比率设定为30％～40％左右，并将从燃烧器到补给空气供给区域的空气比设定为0.8左右(参照图20左侧)。于是，存在在补给空气供给区域产生大量的NOx的问题。
与此相对，在该燃烧器1中，采用对燃烧火焰进行内部保焰的结构(参照图1)。在这样的结构中，由于促进燃烧火焰的内部X(参照图4)中的均匀的燃烧，因此在燃烧火焰的内部X形成还原气氛。因此，能够增加从燃烧器1到补给空气供给区域的空气比(参照图21)。因此，能够使从燃烧器1到补给空气供给区域的空气比增加到0.9左右，另一方面能够使补给空气的供给比率减少至0％～20％(参照图20右侧)。由此，补给空气供给区域中的NOx产生量减少，因此锅炉整体的NOx产生量降低。
需要说明的是，在该燃烧器1中，通过燃烧火焰的内部保焰，从而锅炉整体的空气过剩率能够降低到1.0～1.1(通常，以空气比1.15左右运用)。由此，锅炉效率增加。
[效果]
如以上说明所示，在该燃烧器1中，在燃料喷嘴2的包括中心轴的截面中的火焰稳定器5的扩宽方向的剖视下，火焰稳定器5具有沿燃料气体的流动方向扩宽的分裂形状(参照图1及图3)。另外，从燃料喷嘴2的中心轴到火焰稳定器5的扩宽端(分裂形状的下游侧端部)的最大距离h(h’)与燃料喷嘴2的开口部21的内径r(r’)具有h/(r/2)＜0.6的关系(参照图1、2、图10～图12及图14～图16)。在这样的结构中，可实现燃烧火焰的内部保焰(燃料喷嘴的开口部的中央区域的保焰)，因此与进行燃烧火焰的外部保焰(燃料喷嘴的外周的保焰、或者燃料喷嘴的开口部的内壁面附近的区域的保焰)的结构(省略图示)相比，燃烧火焰的外周部Y成为低温(参照图4)。因此，能够降低因二次空气而处于高氧氛围下的燃烧火焰的外周部Y的温度。由此，具有能够减少燃烧火焰的外周部Y(参照图4)的NOx产生量的优点。
需要说明的是，在该燃烧器1中，燃料喷嘴2的开口部21的“中央区域”」是指在火焰稳定器5具有沿燃料气体的流动方向扩宽的分裂形状时，在燃料喷嘴2的包括中心轴的截面中的火焰稳定器5的扩宽方向的剖视下，从燃料喷嘴2的中心轴到火焰稳定器5的扩宽端(分裂形状的下游侧端部)的最大距离h(h’)与燃料喷嘴2的开口部21的内径r(r’)具有h/(r/2)＜0.6的关系((h’/(r’/2)＜0.6)的关系)的区域(参照图1、2、图10～图12及图14～图16)。另外，最大距离h(h’)是指在火焰稳定器5的扩宽端存在多个时，上述的距离h(h’)中的最大值。
另外，燃烧喷嘴2的内径在燃料喷嘴2的开口部21为矩形的情况下，是指其宽度方向及高度方向的内侧尺寸r、r’(参照图2、图10、图12及图14)。另外，在燃料喷嘴2的开口部21为圆形的情况下，是指其直径r(参照图15及图16)。另外，在燃料喷嘴2的开口部21为椭圆形的情况下，是指其长径及短径(省略图示)。
另外，在该燃烧器1中，火焰稳定器5的分裂形状的分裂宽度L与燃料喷嘴2的开口部21的内径r具有0.06≤L/r的关系(参照图1及图3)。在这样的结构中，由于火焰稳定器5的分裂宽度L与燃料喷嘴2的内径r的比L/r适当，因此能够适当地确保内部保焰。由此，具有能够降低燃烧火焰的外周部Y(参照图4)的NOx产生量的优点。
另外，在该燃烧器1中，燃料喷嘴2及二次空气喷嘴3、4具有使燃料气体或二次空气成为直行流而进行喷射的结构(参照图1、图8及图11)。在这样的结构中，由于燃料气体及二次空气成为直行流进行喷射而形成燃烧火焰，因此在对燃烧火焰进行内部保焰的结构中，能够抑制燃烧火焰内的气体循环。由此，将燃烧火焰的外周部维持为低温的状态，从而与二次空气混合引起的NOx产生量减少。
另外，在该燃烧器1中，多个火焰稳定器5并列配置在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域(参照图10、图11、图14及图16)。在这样的结构中，在被相邻的火焰稳定器5、5夹着的区域中形成空气不足引起的还原氛围。由此，具有燃烧火焰的内部X(参照图4)中的NOx产生量减少的优点。
在该燃烧器1中，一对火焰稳定器5、5交叉连结且交叉部位于燃料喷嘴2的开口部21的中央区域配置(参照图12、图14～图16)。在这样的结构中，通过使一对火焰稳定器5、5交叉连结，从而在该交叉部形成强的点火面。并且，通过将该交叉部配置在燃料喷嘴2的开口部21的中央区域，从而能够适当地进行燃烧火焰的内部保焰。由此，燃烧火焰的内部X(参照图4)中的NOx产生量减少。
另外，在该燃烧器1中，配置有多个二次空气喷嘴(二次空气喷嘴4)，并且上述的二次空气喷嘴能够对二次空气的供给量进行相互调整(参照图17)。在这样的结构中，通过对来自各二次空气喷嘴4的二次空气的喷射量进行调整，从而具有能够适当地控制燃烧火焰的状态的优点。
另在，在该燃烧器1中，在上述的结构中始终运用全部的二次空气喷嘴(二次空气喷嘴4)。在这样的结构中，与存在未运用的二次空气喷嘴的结构相比，具有抑制因来自火炉的火焰辐射而二次空气喷嘴烧坏的优点。
另外，在该燃烧器1中，在上述的结构中，二次空气喷嘴4中的一部分兼作供油口或进气口(参照图18)。在这样的结构中，例如，在将燃烧器1适用于煤粉焚烧锅炉100时，能够经由作为供油口或进气口的二次空气喷嘴4供给锅炉的起动运转所需要的油。由此，不需要增设供油口或二次空气喷嘴，因此具有能够降低锅炉的高度的优点。
[工业实用性]
如以上所示，本发明的燃烧器及具备该燃烧器的锅炉在能够减少NOx产生量的方面有用。
【符号说明】
1  燃烧器
2  燃料喷嘴
21  开口部
3  主二次空气喷嘴
31  开口部
4  二次空气喷嘴
41  开口部
5  火焰稳定器
6  整流机构
100  锅炉
110  火炉
111  燃烧室
112  烟道
120  燃烧装置
121  燃烧器
122  煤粉供给系统
123  空气供给系统
130  蒸气产生装置
131  节煤器
132  再热器
133  过热器

Claims (11)

1.一种燃烧器，其具备：对将固体燃料和一次空气混合而得到的燃料气体进行喷射的燃料喷嘴；从所述燃料喷嘴的外周喷射二次空气的二次空气喷嘴；在所述燃料喷嘴的开口部配置的火焰稳定器，所述燃烧器的特征在于，
所述火焰稳定器具有沿所述燃料气体的流动方向扩宽的分裂形状，并且，
在所述燃料喷嘴的包括中心轴的截面中的所述火焰稳定器的扩宽方向的剖视下，从所述燃料喷嘴的中心轴到所述火焰稳定器的扩宽端的最大距离h与所述燃料喷嘴的开口部的内径r具有h/(r/2)＜0.6的关系。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，
所述火焰稳定器的分裂形状的分裂宽度L与所述燃料喷嘴的开口部的内径r具有0.06≤L/r的关系。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于，
所述燃料喷嘴及所述二次空气喷嘴具有使燃料气体或二次空气成为直行流而进行喷射的结构。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃烧器，其特征在于，
多个所述火焰稳定器并列配置在所述燃料喷嘴的开口部的中央区域。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃烧器，其特征在于，
多个所述火焰稳定器配置成交叉连结且使交叉部位于所述燃料喷嘴的开口部的中央区域。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃烧器，其特征在于，
所述燃料喷嘴具有矩形形状或椭圆形形状的开口部，并且所述火焰稳定器配置成大致横贯所述燃料喷嘴的开口部的中央区域。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的燃烧器，其特征在于，
所述燃料喷嘴具有圆形形状的开口部，并且所述火焰稳定器配置成大致横贯所述燃料喷嘴的开口部的中央区域。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的燃烧器，其特征在于，
配置有多个所述二次空气喷嘴且所述二次空气喷嘴能够相互调整二次空气的供给量。
9.根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，
始终运用全部的所述二次空气喷嘴。
10.根据权利要求8或9所述的燃烧器，其特征在于，
多个所述二次空气喷嘴中的一部分二次空气喷嘴兼作为供油口或进气口。
11.一种锅炉，其具备权利要求1～10中任一项所述的燃烧器。
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