JP2000009720A

JP2000009720A - 固体燃料の着火条件予測方法および着火条件測定装置

Info

Publication number: JP2000009720A
Application number: JP10179867A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Taniguchi; 正行谷口; Yoshinobu Kobayashi; 啓信小林; Hirofumi Okazaki; 洋文岡▼崎▲; Kenji Yamamoto; 研二山本; Hidetaka Muto; 英隆武藤; Kenji Kiyama; 研滋木山
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 2000-01-14
Anticipated expiration: 2018-06-26
Also published as: JP3472955B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡便な方法および装置構成で、燃料種類，燃
料粒径，加熱条件等が変化しても着火条件を正しく予測
できる固体燃料の着火条件予測方法を提供する。【解決手段】固体燃料の工業分析値，元素分析値，熱
分解速度パラメータ等の情報を入力し、固体燃料を粒径
に応じて複数に分割し、設定した粒子温度および設定し
た反応時間のもとで、粒径毎に熱分解反応により気相中
に放出された揮発分量を計算し、各粒径の粒子から放出
された揮発分量の総和を計算し、揮発分量と周囲の空気
量との比から計算した気相空気比(気相中の酸素量／気
相中に存在する燃料の酸化に必要な理論酸素量)が所定
値以下になったら着火したと判定する。種々の燃焼シス
テムに対応した種々加熱条件のもとで、着火温度や燃焼
限界濃度を簡便に予測できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体燃料の着火条
件予測方法および着火条件測定装置に係り、特に、石炭
燃焼装置や廃棄物燃焼装置において、固体燃料の着火温
度，安定燃焼条件，燃焼下限濃度等を予測する手段に関
する。

【０００２】

【従来の技術】微粉炭ボイラ等においては、固体燃料の
着火性能が、ＮＯｘ排出濃度や運用負荷範囲等を支配す
る。そのため、対象とする固体燃料の着火性能を設計段
階において予測する必要がある。

【０００３】固体燃料の着火温度等の測定例は、『Comb
ustion and Flame』第72巻pp.111−118(1988年)の論
文、特開平7−092159号公報等に記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、固体燃料の加
熱速度が極めて速い微粉炭ボイラ等における着火性能を
予測する手段、および、燃料種類の変化，燃料粒径の変
化，加熱条件の変化が着火性能に及ぼす影響を簡便に予
測する手段は、従来は提案されていなかった。

【０００５】本発明の目的は、簡便な方法および装置構
成で、燃料種類，燃料粒径，加熱条件等が変化しても着
火条件を正しく予測できる固体燃料の着火条件予測方法
および着火条件測定装置を提供することである。

【０００６】

【発明を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、固体燃料を粒径に応じて複数に分割し、
粒径毎に熱分解反応により気相中に放出された揮発分量
を計算し、各粒径の粒子から放出された揮発分量の総和
を計算し、揮発分量と周囲の空気量との比から計算した
気相空気比が所定値以下になった時に着火したと判定す
る固体燃料の着火条件予測方法を提案する。

【０００７】前記熱分解反応計算に用いる熱分解反応速
度のパラメータは、(２)式を満たすように規格化され揮
発分の放出速度：−dＶM／dt を表わす(１)式中の頻度
因子：Ａおよび活性化エネルギーの分布関数：ｆ(Ｅ)で
ある。ただし、ＶMは揮発分量、ｔは時間、Ａは頻度
因子、Ｅは活性化エネルギー、Ｒは気体定数、Ｔは固体
燃料粒子の温度、ｆ(Ｅ)は活性化エネルギーの分布関数
を表している。

【０００８】

【数４】

【０００９】

【数５】

【００１０】ここで、活性化エネルギーの分布関数：ｆ
(Ｅ)の関数形は、複数の正規分布関数の和(３)式で表わ
される場合がある。

【００１１】

【数６】

【００１２】本発明は、また、上記目的を達成するため
に、より具体的には、固体燃料を燃焼させる火炉内空間
の温度分布とガス組成分布の少なくとも一方を予測する
固体燃料の燃焼状態予測方法において、火炉内空間を２
次元または３次元の複数のセルに分割し、火炉の設計上
の固有データおよび運転情報を入力条件として各セル毎
にガスの流動計算，ガス反応計算，固体燃料の熱分解計
算および着火判定，固体燃料と気体との反応計算，放射
伝熱量計算を実行し、これらの計算を収束するまで繰り
返して火炉内の温度分布とガス組成分布の少なくとも一
方を予測する固体燃料の燃焼状態予測方法であって、熱
分解計算および着火判定手順として、上記いずれかの固
体燃料の着火条件予測方法を備えた固体燃焼状態予測方
法を提案する。

【００１３】本発明は、さらに、上記目的を達成するた
めに、触媒燃焼させた高温ガス気流に固体燃料を吹き込
み、開放系で着火させる固体燃料の着火条件測定装置に
おいて、ガス燃料と空気を燃焼させて形成した高温気体
噴流を形成する手段と、高温気体噴流を開放空間に噴出
させ周囲高温ガス領域を形成する触媒またはセラミック
と、周囲高温ガス領域の中心部に固体燃料を噴出させる
ノズルとを備えた固体燃料の着火条件測定装置を提案す
る。

【００１４】本発明では、固体燃料の炭種情報，粒径分
布，粒子の濃度，粒子の温度，反応時間を入力して、固
体燃料の着火条件を出力しまたは着火の有無を判定す
る。ここで、炭種情報とは、固体燃料の銘柄，工業分析
値，元素分析値，熱分解反応速度のパラメータである。
また、固体燃料の粒子の温度および反応時間の代わりに
昇温速度を入力して、固体燃料の着火条件を出力するこ
ともできる。

【００１５】その際、固体燃料中の揮発分が、活性化エ
ネルギーの異なる複数の成分からなると仮定し、この成
分を、活性化エネルギーと揮発分放出率の関数：ｆ(Ｅ)
で表現し、熱分解反応による揮発分の放出速度と放出量
を予測する。具体的には、揮発分の放出速度を(１)式で
表現して計算し、(２)式を満たすように規格化する。ま
た、ｆ(Ｅ)は、(３)式で表わされるように、複数の正規
分布関数の和で表現する。

【００１６】より具体的には、固体燃料を粒径に応じて
複数に分割し、粒径毎に熱分解反応により気相中に放出
された揮発分量を計算し、各粒径の粒子から放出された
揮発分量の総和を計算し、揮発分量と周囲の空気量との
比から計算した気相空気比が一定値以下となったとき
に、着火したと判定する。

【００１７】また、固体燃料を粒径に応じて複数に分割
し、粒径毎に熱分解反応により気相中に放出された揮発
分量を計算し、各粒径の粒子から放出された揮発分量の
総和を計算し、放出揮発分量の総和と周囲の気体中の元
素比率から計算した気相空気比が一定値以下となったと
きに、着火したと判定することもできる。

【００１８】さらに、所定粒径以下の微粒子から放出さ
れた揮発分量を計算し、揮発分量と周囲の空気量との比
から計算した気相空気比が一定値以下となったときに、
着火したと判定することも可能である。

【００１９】微粉炭ボイラ火炉等の複雑な流れ場におけ
る燃焼状態を予測するには、火炉内空間を２次元または
３次元の複数のセルに分割し、火炉の設計上の固有デー
タと運転情報を入力条件として、各セル毎にガスの流動
計算，ガス反応計算，固体燃料の熱分解計算，固体燃料
と気体との反応計算，放射伝熱量計算、固体燃料の着火
判定を実行し、これらの計算を収束するまで繰り返して
火炉内の温度分布とガス組成分布との少なくとも一方を
求める。熱分解速度および着火条件は、本発明による上
記いずれかの方法により求める。

【００２０】このような着火条件予測方法を開発するに
は、固体燃料の着火性能を実火炉に近い条件で測定でき
る着火条件測定装置が必要である。この着火条件測定装
置としては、触媒またはセラミック表面で、ガス燃料と
空気を燃焼させて形成した高温気体噴流を開放区間に形
成し、この噴流の中心部に固体燃料を噴出する手段を備
えた固体燃料の着火条件測定装置が最適である。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、図１〜図１５を参照して、
本発明による固体燃料の着火条件予測方法の実施例およ
び固体燃料の着火条件測定装置を説明する。

【００２２】図１は、本発明による固体燃料の着火条件
予測方法の一実施例の処理手順を示すフローチャートで
ある。

【００２３】最初に、対象燃料の粒径分布と炭種情報と
を入力する。炭種情報とは、対象燃料の工業分析値，元
素分析値，熱分解速度パラメータである。工業分析値と
しては、揮発分含有率，固定炭素含有率，灰分含有率を
入力する。工業分析値のうちの二つを入力すれば、残り
の一つは計算で求められる。元素分析値としては、炭
素，水素，酸素，窒素，硫黄の含有率を入力する。必要
があれば、他の元素組成も入力してよい。着火条件予測
には、少なくとも炭素，水素，酸素の比率が必要であ
る。

【００２４】次に、粒径分布に基づき、対象燃料をいく
つかの粒径に分割し、代表粒径を定める。図１では、di
が代表粒径を表わす。分割数は、対象燃料の加熱条件，
粒径分布の値，必要な計算精度に応じて決定する。最も
簡単な分割は、特定粒径以下の微粒子と特定粒径を越え
た粗粒子とに分ける方法である。

【００２５】反応条件を設定する。ここでは、粒子濃
度，対象粒子周囲のガスの元素比率，粒子温度，反応時
間，固体中に残留する揮発分量を設定する。固体中に残
留する揮発分量の初期値は、工業分析値の揮発分量に所
定値を掛け、さらに粒子濃度を掛けた値である。工業分
析値の揮発分量に所定値を掛けるのは、最終的に到達す
る反応温度により、熱分解で発生する揮発分量が異なる
ためである。通常は、反応温度に応じて、１.０〜１.５
の間の数値を掛ける。なお、揮発分量を工業分析値と異
なる値にしたときは、揮発分，固定炭素，灰分割合の総
和が工業分析値と同じになるように、固定炭素量を変更
する。

【００２６】反応条件を設定したのち、粒径毎に揮発分
放出量を計算する。粒径毎に粒子温度が異なるためであ
る。このとき、一部の粒径の粒子は温度が低く、揮発分
放出量を無視できる場合がある。その場合は、一部の粒
径の粒子についての計算を省略してもよい。

【００２７】揮発分放出速度は、(１)式で表わされる。
(１)式中の−dＶM／dｔは、固体中の揮発分の減少速度
を表わす。ここで、ＶMは揮発分量、ｔは時間、Ａは頻
度因子、Ｅは活性化エネルギー、Ｒは気体定数、Ｔは固
体燃料粒子の温度、ｆ(Ｅ)は活性化エネルギーの分布関
数である。(１)式中の関数ｆ(Ｅ)は、(２)式を満たすよ
うに規格化する。

【００２８】

【数７】

【００２９】

【数８】

【００３０】石炭等の固体燃料に含まれる揮発分は、複
雑な組成の化学物質からなるので、その熱分解特性は、
昇温速度等の加熱条件の影響を受ける。本発明の固体燃
料の着火条件予測方法では、昇温速度等の加熱条件の影
響を表現できるように、揮発分が種々の活性化エネルギ
ーを持つ複数の成分から構成されると仮定し、活性化エ
ネルギーの分布関数で表現した。熱分解過程では、活性
化エネルギーの小さな分解しやすい揮発成分から順次放
出されるから、活性化エネルギー分布関数の形状は、揮
発分放出率により変化する。この現象を表現するため
に、活性化エネルギーの分布関数の形状が、揮発分放出
率の影響を受けるように関数形状を設定した。

【００３１】(１)式の揮発分放出速度と設定した反応条
件とから、ガス中に放出される揮発分量を粒径毎に求
め、さらに、この揮発分量の総和を(３)式で求める。

【００３２】

【数９】

【００３３】揮発分が放出されると、粒子周囲のガス中
の元素比率が変化する。放出された揮発分の量および元
素比率と、反応計算前のガス相の元素比率とから、揮発
分放出後のガス中の元素比率を求める。

【００３４】計算した元素比率に従い、気相空気比を計
算する。気相空気比は、いくつかの方法で求められる。
計算方法の詳細は、例えば、特開平9−133321号公報に
記載されている。その一例は、ガス中に存在する炭素お
よび水素を完全に酸化するのに必要な酸素原子のモル数
で、ガス中の酸素原子のモル数を割る方法である。

【００３５】計算した気相空気比が設定値より小さい場
合、着火したと判定する。このときの粒子またはガスの
温度が着火温度であり、加熱開始から着火するまでの時
間が着火遅れ時間となる。

【００３６】粒子の温度や濃度が時間的に変化する場合
には、破線で示すように、再計算ループ１を必要な回数
だけ繰り返す。

【００３７】図２および図３は、本発明による固体燃料
の着火条件予測方法を用いて歴青炭の熱分解過程を計算
した例を示す図である。

【００３８】図２は、固体の昇温速度が極めて遅いとき
の熱分解過程を示している。図２にプロットした測定値
は、示差熱天秤による実験値である。この場合の昇温速
度は、０.３３Ｋ／ｓである。この昇温速度は、緩やか
に燃料を加熱するストーカ燃焼炉や流動層燃焼炉等より
も遅い。図２から明らかなように、本発明の予測方法に
よる計算結果は、実験結果を精度良く再現できている。

【００３９】図３は、特開平7−82159号公報に記載の実
験装置を用いて得られた揮発分の放出状態および固体温
度の測定結果と本発明による予測結果とを示す図であ
る。測定結果の詳細は、日本機械学会論文集Ｂ編 62巻
p.2466(1996年)および『Fuel』第74巻 p.323(1997年)
の論文に記載されている。本発明の予測方法による計算
結果を図３(ａ)中に実線で示した。このときの昇温速度
は、約４×１０₅ Ｋ／ｓである。この昇温速度は、実用
燃焼装置の中で最も急速に燃料を加熱する微粉炭ボイラ
と同等か、それ以上である。

【００４０】図３の時間は、レーザ照射を開始してから
の経過時間である。時間が０ｓのときに、微粉炭にレー
ザを約１５０μｓだけ照射し、急速加熱する。その後
は、微粉炭自身の燃焼熱により温度が変化する。高速度
ビデオカメラにより、微粉炭の燃焼状態を確認した。撮
影した写真のスケッチを図３(ａ)に示す。スケッチ中の
弱い発光２が、熱分解によりガス中に放出された揮発分
である。弱い発光２の領域が大きくなるとき、揮発分放
出速度は極大値をとる。図３の実験では、弱い発光２の
領域が大きくなる時間帯が、３回観測された。１番目は
レーザ照射時(スケッチは省略)、２番目は照射開始から
４〜７ｍｓ後(７ｍｓのスケッチ)、３番目は２０〜３０
ｍｓ後(２５ｍｓのスケッチ)である。図３(ａ)の実線
は、測定温度を用いて、揮発分放出速度を計算した結果
である。実験結果と同じ時間帯で、揮発分放出速度に
は、極大値が３度現われ、実験結果を再現できている。

【００４１】図２および図３の結果から、本発明の予測
方法を用いると、現在実用化されているほぼ全ての固体
燃焼システムに関して、揮発分放出特性を予測できるこ
とがわかる。

【００４２】図４ないし図８は、燃料性状が揮発分放出
特性に与える影響を検討した結果を示す図である。燃料
性状が変わっても、本発明の予測方法による計算結果
は、実験結果を再現できる。石炭では、亜歴青炭から無
煙炭まで、いずれの結果も再現できている。図７は、廃
棄物を乾留したチャー、図８は、ＲＤＦである。本発明
の予測方法は、石炭のみならず、廃棄物燃焼システムの
計算にも適用可能であることを確認できた。

【００４３】図９は、本発明による固体燃料の着火条件
測定装置の一実施例の構成の概略を示すブロック図であ
る。この固体燃料の着火条件測定装置は、触媒燃焼させ
た高温ガス気流の中心に微粉炭を吹き込み、開放系で着
火させる装置である。微粉炭は、高温ガスの熱により、
着火する。そのため、実燃焼器並みの大きな昇温速度で
石炭を加熱でき、しかも、火炎の計測が容易である。

【００４４】層流の平面火炎の中心に微粉炭を吹き込
み、着火させる実験方法が『第１８回国際燃焼シンポジ
ウム』論文集 p.1239(1981年)等に報告されている。

【００４５】図９の本発明による着火条件測定装置は、
この従来装置と比較すると、ガス火炎の影響を受けず
に微粉炭を着火できること、高温ガスの温度，流速，
ガス組成を容易に制御できること、微粉炭濃度が実機
なみに濃く、流速が速い条件で実験できること等の利点
がある。

【００４６】図９(ａ)は、本発明による着火条件測定装
置の縦断面図であり、図９(ｂ)は、本装置の平面図であ
る。微粉炭は、１次空気で搬送され、ノズル１１から噴
出する。ノズル１１はステンレス製の二重管である。微
粉炭および１次空気１２は、内管から供給され、内管と
外管との間には、冷却水１３が流れる。微粉炭流の周囲
には、高温ガス１４が流れる。高温ガス１４は、本装置
出口のハニカム１５から供給される。微粉炭は、この高
温ガス１４で加熱され、着火する。ノズル１１は、ハニ
カム１５の中心に設置されている。

【００４７】高温ガス１４は、空気とプロパンの触媒燃
焼により生成される。空気は、空気ヒータ１８により約
７００Ｋに加熱された後、プロパンと混合し、ハニカム
触媒１６に送られる。触媒燃焼により約１０００Ｋに加
熱された燃焼気体は、プロパンを更に混合されて、Ｓｉ
Ｃハニカム１７に供給される。プロパンは、ＳｉＣハニ
カム１７表面で燃焼し、気体を約１６００Ｋに加熱す
る。燃焼後の気体および微粉炭は、ブロワ２０で吸引
し、排出される。燃焼排出ガス中の固体は、サイクロン
１９により取り除かれる。

【００４８】この着火条件測定装置では、供給されたプ
ロパンが、ハニカム触媒１６およびＳｉＣハニカム１７
の表面で燃焼するために、火炎を生じない。ハニカム触
媒１６およびＳｉＣハニカム１７を加熱した後は、プロ
パンの流量，空気の加熱温度を制御すると、高温ガス１
４の温度を任意に制御できる。本装置では、室温から１
６００Ｋまでのガスを生成できる。また、空気に窒素を
混合すると、高温ガス１４の酸素濃度を制御できる。

【００４９】高温ガスと微粉炭および１次空気とを開放
系で混合して、開放火炎を形成させる。約５００ｍｍの
十分な開放空間が確保されているので、火炎の計測は、
容易である。また、固体表面での燃焼により高温ガスを
生成するため、ガス火炎の影響無しに、微粉炭の着火過
程を検討できる。さらに、高温ガスの温度と酸素濃度の
影響とを独立して検討できる。

【００５０】図１０は、図９の着火条件測定装置を用い
て、バーナからの距離をパラメータとして、着火の状
況，揮発分放出率，ガス温度を測定した結果を示す図で
ある。図１０(ａ)には、着火の状況のスケッチも示して
ある。微粉炭は、バーナから約２００ｍｍ下流で着火
し、火炎を形成する。図１０(ｂ)は、固体の粒径毎の燃
焼率と全体の燃焼率とを測定した結果を示している。粒
径毎の燃焼率は、７〜３７μｍの微粒子，３７〜７４μ
ｍの中粒径の粒子，７４〜１５０μｍの粗粒子について
示した。対象炭の揮発分含有率は、無水無灰条件で３
６.５wt％である。

【００５１】粒径による燃焼率の違いを検討する。微粒
子の熱分解は速く進む。微粒子に含まれる揮発分の約半
分が、粒子群が着火する前に分解した。粒子群の着火に
は、微粒子から放出された揮発分が、強く寄与すると考
えられる。中粒径の粒子においては、粒子群の着火前に
は、ほとんど熱分解していない。しかし、粒子群の着火
後は、燃焼率が急速に増加する。中粒径の粒子の燃焼率
は、３００ｍｍより下流では、微粒子の燃焼率と同じか
やや高くなる。中粒径の粒子群は、着火にはあまり寄与
しない。

【００５２】図１１は、バーナからの距離に対するガス
温度の測定結果を示す図である。燃焼時の結果と非燃焼
時の結果とを併せて示した。供給した微粉炭と１次空気
との質量比(Ｃ／Ａ)は、０.３である。熱伝対で測定し
た時間平均温度の変化を図１１に示した。中心軸上と、
中心軸から半径方向に５ｍｍ離れた位置で時間平均温度
を測定し、その平均値を示した。２００ｍｍより下流で
は、着火すると、燃焼時の温度が高くなる。燃焼時の温
度が、非燃焼時より高くなり始める温度を着火温度と定
義した。また、加熱開始から着火するまでの時間が、着
火遅れ時間となる。なお、本装置での粒子の昇温速度
は、約３０,０００Ｋ／ｓである。

【００５３】図１２は、粒径が微粉炭の加熱速度と熱分
解速度とに及ぼす影響を計算で調べた結果を示す図であ
る。ガス温度には実験値を用い、粒径が１０，３０，５
０，７０，１１０μｍの５種類の粒子の粒子温度および
熱分解率の時間変化を計算した。

【００５４】図１２(ａ)は、粒子温度の変化を示す図で
ある。１０μｍの粒子は、ガス温度の変化に追従する。
粒径が大きくなると、粒子の加熱が遅れる。粒子群着火
条件であるガス温度が１０００Ｋのときの粒子温度を比
べた。３０μｍまでの粒子では、ガス温度との差は５０
Ｋ以下である。一方、５０μｍ以上の粒子の温度は、ガ
ス温度より３００Ｋ以上低い。ガス温度が１３００Ｋ以
上になると、ある粒径の粒子温度は、ガス温度よりも高
くなる。これは、表面酸化反応の影響による。ただし、
粒子群が着火する温度条件では、表面酸化反応の影響は
小さい。

【００５５】図１２(ｂ)は、揮発分放出率の変化を示す
図である。図１２(ｂ)のプロット値は、実験結果であ
る。粒子群が着火するまでの加熱領域では、計算値と実
験値とは一致する。実験では、３７μｍ以下の微粒子
が、着火前に熱分解した。計算でも同じ結果が得られ
た。

【００５６】図１３は、微粉炭濃度および炭種を変えて
着火温度を測定したと計算結果とを併せて示す図であ
る。着火温度の測定実験には、特開平7−92159号公報に
記載の装置も用いた。着火するときの気相空気比は、図
１０の実験結果から求めた。図１０の実験では、着火直
前および直後の対象燃料の熱分解率や周囲ガス濃度を容
易に測定でき、対象燃料の濃度は実験条件から判る。し
たがって、着火時の気相空気比の判定は容易である。計
算による予測着火温度は、実験結果と一致しており、炭
種と微粉炭濃度の影響をよく再現する。

【００５７】図１４は、本発明による固体燃料の着火条
件予測方法を用いて燃焼状態を予測する対象となる微粉
炭ボイラの概略構造を示す図である。予測対象となる微
粉炭ボイラの全体構成を示す図である。微粉炭ボイラ
は、本体として火炉５１を備えている。この火炉５１内
には、ここでは図示していないが、炉壁に沿って伝熱管
が配置されており、火炉５１の出口５３側には複数の蒸
発器５２が配置されている。

【００５８】これら伝熱管と蒸発器とを含めた熱交換器
には、図示しない給水器を介して水または蒸気が供給さ
れ、各熱交換器からは火炉５１での燃焼に伴って蒸気が
発生し、発生した蒸気が蒸気タービンに供給される。さ
らに、火炉５１の炉壁には、複数のバーナ５４およびア
フターエアポート５５が配置されている。バーナ５４お
よびアフターエアポート５５には、図示しない空気流量
調節器を介して、ブロワ５６から空気５７が供給され
る。石炭は、貯炭場から石炭ミル５８に供給され、粉砕
される。粉砕された石炭は、気流で搬送される。１次空
気と石炭５９は、バーナ５４へ送られ、火炉５１内で着
火し、燃焼する。

【００５９】火炉５１内での燃焼状態は、次のような手
順で予測する。まず、火炉５１の形状，バーナ５４の形
状，バーナ５４の位置等の火炉設計上の固有のデータを
入力する。次に、燃料量，空気量，炭種情報等の運転情
報を入力し、燃焼状態を計算する。

【００６０】図１５は、本発明による固体燃料の着火条
件予測方法を用いて、微粉炭ボイラの燃焼状態を予測す
る処理手順の一例を示すフローチャートである。ステップ１０，１１：インプットデータを計算機に入力
する。ステップ１３〜１８：本発明による着火条件予測方法に
基づいて、処理を繰り返して実行し、各処理結果から火
炉５１内の温度分布，ガス組成分布を予測演算する。こ
の予測演算を実行するに際して、火炉５１内を二次元
(高さ×奥行き)または三次元(高さ×奥行き×幅)の複数
の要素(計算上設定されたセル)に分割する。火炉５１を
複数のセルに分割することは、例えば上記特開平9−133
321号公報に記載されている。ステップ１３：各セルについて、セル間相互の影響を考
慮し、各セル毎のガス流速を求める流動計算を実行す
る。ステップ１４：熱分解計算と着火判定とを行う。ステップ１５：ガス反応計算を実行する。ステップ１６：固体−ガス反応計算を行う。ステップ１７：放射伝熱計算を実行する。ステップ１８：収束判定を実行する。ステップ１３〜１８の計算では、各計算結果がセル毎に
お互いに影響する。したがって、各計算結果が収束した
値となるまで、各計算を順次繰り返す必要がある。ステ
ップ１８で、各計算結果が収束した値を示すと判定され
たら、ステップ１９において、各計算結果から、火炉内
のガス組成分布や温度分布を求める。

【００６１】ステップ１３の流動計算，ステップ１５の
ガス反応計算，ステップ１６の固体−ガス反応計算，ス
テップ１７の放射伝熱計算は、特開平9−133321号公報
等に記載されている方法を用いるとよい。

【００６２】ガス反応計算には、各セル内で化学平衡仮
定を用いて計算する方法がある。このとき、化学平衡計
算をする代わりに、気相空気比を指標にしてガス組成を
表示した表Ｓ２を用意し、これを参照してガス反応計算
を行う方法がある。この方法は、特開平9−133321号公
報に記載されており、計算時間を短縮できる。

【００６３】本発明による着火条件予測方法で予測した
温度分布やガス組成分布および着火条件を利用すると、
ａ．各バーナを失火させずに運転するには各バーナに供
給する空気量や石炭量をどのように制御すればよいか、
ｂ．本発明による固体燃料の着火条件予測方法を用い
て、微粉炭ボイラの燃焼状態を石炭ミルで石炭をどの程
度粉砕すればよいか、ｃ．各バーナに供給する空気量や
石炭量により蒸気発生量はどの程度変化するか等のボイ
ラ性能を運転前に予測できる。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、固体燃料を粒径に応じ
て複数に分割し、粒径毎に熱分解反応により気相中に放
出された揮発分量を計算し、各粒径の粒子から放出され
た揮発分量の総和を計算し、揮発分量と周囲の空気量と
の比から計算した気相空気比が所定値以下になった時に
着火したと判定するので、燃料種類，燃料粒径，加熱条
件等が変化しても、現在使用されている全ての固体燃焼
システムに対して、固体燃料の着火温度や燃焼限界濃度
等の着火条件，炉内の温度分布，ガス組成分布等の燃焼
状態を正しく予測できる固体燃料の着火条件予測方法お
よび着火条件測定装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体燃料の着火条件予測方法の一
実施例の処理手順を示すフローチャートである。

【図２】本発明による固体燃料の着火条件予測方法を用
いて歴青炭の熱分解過程を計算した例を示す図である。

【図３】実験装置を用いて得られた揮発分の放出状態お
よび固体温度の測定結果と本発明による予測結果とを示
す図である。

【図４】亜歴青炭について燃料性状が揮発分放出特性に
与える影響を検討した結果を示す図である。

【図５】半無煙炭について燃料性状が揮発分放出特性に
与える影響を検討した結果を示す図である。

【図６】無煙炭について燃料性状が揮発分放出特性に与
える影響を検討した結果を示す図である。

【図７】廃棄物乾留チャーについて燃料性状が揮発分放
出特性に与える影響を検討した結果を示す図である。

【図８】ＲＤＦについて燃料性状が揮発分放出特性に与
える影響を検討した結果を示す図である。

【図９】本発明による固体燃料の着火条件測定装置の一
実施例の構成の概略を示すブロック図である。

【図１０】図９の着火条件測定装置を用いて、バーナか
らの距離をパラメータとして、着火の状況，揮発分放出
率，ガス温度を測定した結果を示す図である。

【図１１】バーナからの距離に対するガス温度の測定結
果を示す図である。

【図１２】粒径が微粉炭の加熱速度と熱分解速度とに及
ぼす影響を計算で調べた結果を示す図である。

【図１３】微粉炭濃度および炭種を変えて着火温度を測
定したと計算結果とを併せて示す図である。

【図１４】本発明による固体燃料の着火条件予測方法を
用いて燃焼状態を予測する対象となる微粉炭ボイラの概
略構造を示す図である。

【図１５】本発明による固体燃料の着火条件予測方法を
用いて微粉炭ボイラの燃焼状態を予測する処理手順の一
例を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１再計算ループ２揮発分の弱い発光３固体の強い発光８空気ヒータ１１ノズル１２微粉炭＋１次空気１３冷却水１４周囲高温ガス１５ハニカム１６ハニカム触媒１７ＳｉＣハニカム１９サイクロン２０ブロワ５１火炉５２蒸発器５３火炉出口５４バーナ５５アフタエアポート５６ブロワ５７空気５８石炭ミル５９１次空気と石炭

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林啓信茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者岡▼崎▲ 洋文茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者山本研二茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者武藤英隆東京都港区浜松町二丁目４番１号世界貿易センタービル７階バブッコク日立株式会社内 (72)発明者木山研滋広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体燃料を粒径に応じて複数に分割し、
粒径毎に熱分解反応により気相中に放出された揮発分量
を計算し、各粒径の粒子から放出された揮発分量の総和
を計算し、前記揮発分量と周囲の空気量との比から計算
した気相空気比が所定値以下になった時に着火したと判
定する固体燃料の着火条件予測方法。
【請求項２】請求項１に記載の固体燃料の着火条件予
測方法において、前記熱分解反応計算に用いる熱分解反
応速度のパラメータが、(２)式を満たすように規格化さ
れ揮発分の放出速度：−dＶM／dt を表わす(１)式中の
頻度因子：Ａおよび活性化エネルギーの分布関数：ｆ
(Ｅ)であることを特徴とする固体燃料の着火条件予測方
法。【数１】【数２】ＶM：揮発分量ｔ：時間Ａ：頻度因子Ｅ：活性化エネルギーＲ：気体定数Ｔ：固体燃料粒子の温度ｆ(Ｅ)：活性化エネルギーの分布関数
【請求項３】請求項２に記載の固体燃料の着火条件予
測方法において、前記活性化エネルギーの分布関数：ｆ(Ｅ)の関数形が、
複数の正規分布関数の和(３)式で表わされることを特徴
とする固体燃料の着火条件予測方法。【数３】
【請求項４】固体燃料を燃焼させる火炉内空間の温度
分布とガス組成分布の少なくとも一方を予測する固体燃
料の燃焼状態予測方法において、前記火炉内空間を２次元または３次元の複数のセルに分
割し、前記火炉の設計上の固有データおよび運転情報を
入力条件として各セル毎にガスの流動計算，ガス反応計
算，固体燃料の熱分解計算および着火判定，固体燃料と
気体との反応計算，放射伝熱量計算を実行し、これらの
計算を収束するまで繰り返して火炉内の温度分布とガス
組成分布の少なくとも一方を予測する固体燃料の燃焼状
態予測方法であって、前記熱分解計算および着火判定手順として、請求項１な
いし３のいずれか一項に記載の固体燃料の着火条件予測
方法を備えたことを特徴とする固体燃焼状態予測方法。
【請求項５】触媒燃焼させた高温ガス気流に固体燃料
を吹き込み、開放系で着火させる固体燃料の着火条件測
定装置において、ガス燃料と空気を燃焼させて形成した高温気体噴流を形
成する手段と、前記高温気体噴流を開放空間に噴出させ周囲高温ガス領
域を形成する触媒またはセラミックと、前記周囲高温ガス領域の中心部に固体燃料を噴出させる
ノズルとを備えたことを特徴とする固体燃料の着火条件
測定装置。