JP2001082706A - 低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 ＮＯｘ排出濃度が低く、安定した燃焼が得ら
れる。 【解決手段】 固体燃料と輸送用気体からなる固気二相
流が流れる一次流路と燃焼用空気がその周囲に流れる空
気流路を有し、バーナ出口部分の一次流路壁先端部に設
けた保炎器、並びに次流路出口部に低NOx及び燃焼促進
器を有する固体燃料燃焼バーナであって、低NOx及び燃
焼促進器は径方向に切れ込みがある円環リング形状であ
り、つぎのa）〜e）の条件の少くとも一つを満足する、
a）円環リングの幅dが30ｍｍ以上、 b）径方向の切れ込みの凹部深さd'が円環リング幅dに対
する比が0.3〜0.4 c）径方向の切れ込みの周方向の長さrθ'の最大値が5.5
〜8.0 d)径方向の切れ込みが等間隔で間隔の比率θ'/θが0.2
〜0.45 e)保炎器の位置からバーナ軸線に下した垂線に対し前後
15度以内に設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微粉炭燃焼装置に
係わり、特に低ＮＯｘ燃焼及び未燃焼分の低減が要求さ
れるバーナにおいて超低ＮＯｘで高燃焼率かつ安定に燃
焼するのに好適な低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体
燃料燃焼バーナに関する。

【０００２】

【従来の技術】オイルショック以降、我が国の事業用火
力発電ボイラにおいては微粉炭焚ボイラが急速に増加
し、数多く建設されている。これら事業用火力発電ボイ
ラに用いられる微粉炭燃焼システムの一例を図１１に示
す。図１１に示すように分級機を内蔵した微粉炭機１２
４（以下ミルと称す）で石炭を粉砕し、分級により所定
の大きさ以下の微粉を搬送用空気でボイラ火炉１２１の
バーナ部１２８へ直接供給する燃焼システムが実用化さ
れている。そして、微粉炭燃焼用バーナとしては、ＮＯ
ｘ低減を目的としたもの、広域負荷（最低負荷の切り下
げ）を目的としたものを中心に開発実用化が行われてい
る。

【０００３】微粉炭バーナの低ＮＯｘ化技術としては、
例えば、図３（ａ）に示すように燃焼用空気を一次流、
二次流及び三次流に分割し、火炎中心部にＮＯｘ還元領
域１３を形成しやすいように、二次流、三次流にそれぞ
れ旋回をかけて、一次流空気のみで着火燃焼している微
粉炭流との混合を遅らせる燃焼用空気の３分割方式バー
ナがあり、微粉炭低ＮＯｘバーナ（特許第１７５０４５
９号他）で実用化されている。

【０００４】また、広域負荷対応（バーナ最低負荷の切
り下げ）技術としては、 ａ．サイクロン、ベント管など空気を抜くことで濃縮す
る固気分離器をバーナ外部に設置する方法（特許第１９
０７２９６号、実用新案登録第１９５６７２７号他）、 ｂ．微粉炭流の固体濃度を高めるために固体とガスの慣
性力の差を利用した分離装置をバーナ内部に設置する方
法（特開平１−２１００４４号他）、 ｃ．バーナ出口に保炎器と称する突起を設置すること
（特許第１７５０４５９号）で、その後流に微粉炭流の
渦流再循環領域を形成し、着火保炎を促進する方法など
が考案され、実用化されている。

【０００５】図１（ａ）に一例として低ＮＯｘバーナの
断面概略図を示す。火炉壁５に設けられるバーナ中心部
にある一次流路をミル１２４（図１１）からの微粉炭と
搬送用空気の混相流が流れ、その外周に二次流路２と三
次流路３が設けられ、それぞれ二次燃焼用空気と三次燃
焼用空気が流れている。一次流路１内には、逆火防止の
ためのベンチュリ部７が設けられており、また、一次流
路壁バーナ出口先端には、流れを遮る位置に置かれた外
周保炎器８があり、その後流には再循環領域１５が形成
される。この再循環領域１５内へは３０μｍ以下の小さ
い粒子がガス流れに同伴されて巻き込まれ、燃焼して高
温のガス体を形成しており、その温度が高ければ高いほ
ど保炎器８近傍を通過する未着火の微粉炭への着火保炎
を促進する。

【０００６】こうして現状のバーナ構造は、低ＮＯｘを
目的とした燃焼用空気３分割方式を持ち、着火性の向上
を図る目的で、前述のａ．かｂ．のどちらかの方法、そ
れらにｃ．の方法を組み合わせたａ＋ｃ、またはｂ＋ｃ
方法を採用して、バーナ単体での低ＮＯｘ化及び広域負
荷（最低負荷の切り下げ）運転を達成しようとしてい
る。その結果、燃料比（固定炭素／揮発分）１〜２前後
の微粉炭（２００メッシュパス８０％）に対して、ボイ
ラ出口での排出ＮＯｘ値は１５０〜２００ｐｐｍ（６％
Ｏ_２換算）、未燃分５％以下を達成できる技術を確立し
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述の低ＮＯｘバーナ
を設置した微粉炭焚きボイラにおいて、燃料である石炭
の種類としては、比較的燃焼性のよい燃料比（固定炭素
／揮発分）が１〜２前後の石炭が用いられ、その粒度は
２００メッシュ通過率（２００メッシュパス）で８０％
前後である。

【０００８】そして、外部及び内部二段燃焼法の併用及
び単段燃焼用バーナによる低ＮＯｘ化の技術により、ボ
イラ出口でのＮＯｘ排出量が１００〜１５０ｐｐｍ前後
（燃料比が２、石炭中の窒素分１．５％の基準炭で、灰
中未燃分５％以下）まで下げられるようになった。しか
しながら、環境対策としての燃焼排ガスに含まれるＮＯ
ｘ排出量の規制は厳しくなる一方で、ボイラ出口ＮＯｘ
排出濃度も１００ｐｐｍ以下の低い値が要求される。こ
れに加えて、石炭の輸入依存度が１００％に近い我が国
では炭種に依らず、安定した低ＮＯｘ化ができる技術の
確立は必要不可欠である。

【０００９】また、ＮＯｘ排出量が１００ｐｐｍ以下に
する燃焼排ガス中の低ＮＯｘ化対策としては、バーナ部
での内部二段燃焼法のさらなる強化をねらって、一次流
路壁の外周保炎器８からの着火保炎だけでなく、微粉炭
を搬送している一次空気の流れの中に低ＮＯｘ及び燃焼
促進器１１（図１参照）を設置し、着火・保炎を強化す
る方法（特開平９−２０３５０５号、特開平１０−３８
２１７号、特開平１０−２２０７０７号）を提案してい
る。

【００１０】しかし、この低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１
については、大きさ、形状、設置位置などの違いによっ
て、その着火促進性及び保炎性に大きな差があり、最適
な設計のものを用いないと目標としているＮＯｘ排出濃
度が得られない。しかし前記最適値がどこにあるか、全
く分かっていないのが現状である。

【００１１】本発明の課題は、炭種に依らず、ＮＯｘ排
出濃度が低く、安定した燃焼が得られる固体燃料燃焼バ
ーナを提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の上記課題は、固
体燃料と輸送用気体からなる固気二相流が流れる一次流
路と燃焼用空気がその周囲に流れる空気流路を有し、バ
ーナ出口部分の一次流路壁先端部に保炎器を設け、かつ
一次流路出口部の一次流路内に低ＮＯｘ及び燃焼促進器
を設けた固体燃料燃焼バーナであって、低ＮＯｘ及び燃
焼促進器は径方向に切れ込みがある円環リング形状であ
り、その寸法及び寸法比が ａ．円環リングの幅（ｄ）が３０ｍｍ以上 ｂ．径方向の切れ込みの凹部深さ（ｄ’）が円環リング
幅（ｄ）に対する比（ｄ’／ｄ）が０．３≦ｄ’／ｄ≦
０．４ ｃ．径方向の切れ込みの周方向の長さ（ｒθ’）の最大
値が５．５≦ｒθ’≦８．０ ｄ．径方向の切れ込みが等間隔にあり、その間隔の比率
（θ’／θ）が０．２≦θ’／θ≦０．４５であり、 ｅ．低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置位置が前記保炎器の
位置から鉛直方向に下ろした垂線を基準にしてバーナ軸
方向に対して、前後１５度以内 である条件ａ．〜ｅ．の少なくとも一つの条件を満足す
る低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナ
により解決される。

【００１３】また、低ＮＯｘ及び燃焼促進器のバーナの
半径方向の取付位置を一次流路半径（ｒ_ｏ）に対し、中
心軸から０．５ｒ_ｏ〜０．７ｒ_ｏとすることが望まし
い。

【００１４】また、低ＮＯｘ及び燃焼促進器の一次流路
内の固気二相流の流れ方向の投影面積が、前記条件ａ．
〜ｄ．の内、少なくとも一つの条件を満足する低ＮＯｘ
及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナでもよい。

【００１５】

【作用】図３に微粉炭バーナの低ＮＯｘ化機構を示す。
図３（ａ）は低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設けない
例、図３（ｂ）は低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設けた
例を示す。図３の微粉炭バーナには微粉炭と搬送用空気
の混相流が流れる一次流路１があり、その外周に二次流
路２と三次流路３が設けられ、それぞれ二次燃焼用空気
と三次燃焼用空気が流れ、火炉１２１内でこれらの旋回
流が形成される。一次流路壁バーナ出口先端には外周保
炎器８が設けられ、その後流には再循環領域１５が形成
される。一次流路１から火炉１２１内に噴出する混相流
は未着火領域１２を形成した後、酸素を消費して燃焼す
るが、酸素（Ｏ_２）消失点１４を過ぎるとＮＯｘ還元領
域１３を形成する。

【００１６】前記燃焼ガスの低ＮＯｘ化にはバーナ出口
での微粉炭流への着火を促進し、ＮＯｘ還元領域１３の
開始点である酸素消失点１４をバーナ近傍へ近づけるこ
とによりＮＯｘ還元領域１３を拡大することが必要であ
る。そのため、本発明では、図３（ｂ）に示すように最
適形状等を有する低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設け
る。

【００１７】微粉炭粒子の着火促進には、バーナ出口で
着火に必要なエネルギー（簡単には熱、更には温度）が
十分供給されなければならないことから、微粉炭粒子が
着火領域にかなりの時間の間、滞留することが必要とな
ってくる。すなわち、微粉炭粒子速度を低減させること
が有効である。

【００１８】図５に示すバーナ近傍の火炉１２１内での
微粉炭を含む混相流を模擬した一次空気の流動の例で説
明すると、低流速域（ＬＶＲ、流速１０ｍ／ｓ以下の領
域とする）２０が広いほど、より多くの粒子がバーナの
近くで着火する。なお、図５（ｂ）、図５（ｃ）の断面
は図５（ａ）のＬ／ｒ_ｏ＝０．４の位置での流動解析結
果である。

【００１９】更に図２の火炉側から見たバーナ正面の１
／４部分図に示すように、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１
を設置することにより、その外周長（濡れぶち長さ）が
長くなり、火炉１２１（図１１）からの輻射熱を受けや
すくなる。

【００２０】また、バーナ出口での混相流の乱れも重要
で、乱流熱伝達が促進され、粒子の昇温を早め、着火を
加速する。微粉炭を含む混相流中に低ＮＯｘ及び燃焼促
進器１１を設置することは、図９（ｂ）に示すように，
その後流に形成される混相流の逆流域（再循環領域）２
６がその周辺の微粉炭流をも巻き込んで低流速域２０
（図５（ｂ）に対応）を広げるだけでなく、保炎器８の
端からの乱流渦（再循環領域）１５生成による乱流域形
成２１（図５（ｃ）に対応）の役目をして着火・保炎促
進を行っている。

【００２１】これらは低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の大
きさ、形状に大きく依存し、コールドモデル流動実験
で、いろいろな形状の低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設
置したときのバーナ出口の低流速域２０と強乱流域（乱
流エネルギ４０ｍ^２／ｓ^２以上）２１を測定し、最適な
形状を見いだした。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について説明
する。図１１に微粉炭焚きボイラの燃焼系統図を示す。
石炭はバンカ１３３に貯蔵され、燃焼装置の付加に応じ
て石炭フィーダ１３４からミル１２４に送られる。微粉
炭搬送用空気はＰＡＦ１２５で加圧され、熱交換器１２
１０を通過後、一次熱空気ダクト１３０と一次熱空気ダ
ンパ１２２を経由してミル１２４に送られる。ミル１２
４で粉砕された微粉炭は送炭管１３２を通して微粉炭バ
ーナ１２８に搬送される。一方、燃焼用空気は、ＦＤＦ
（Force Draft Fan）１２９から熱交換機１２１０を通
過後、風箱１２７に入り、図１（ａ）に示すバーナ部の
ウインドボックス６を経て二次流路２と三次流路３へ搬
送される。ボイラ火炉１２１での微粉炭の燃焼により生
成した排ガスは脱硝装置１３５、熱交換機１２１０を通
過後、集塵機１３６、脱硫装置１３７で順次浄化処理さ
れる。また、ボイラ火炉１２１出口の排ガスの一部はＧ
ＲＦ１２１１を経由して火炉１２１の底部にあるＧＲ投
入ダクト１２１２から火炉１２１に再循環する。

【００２３】バーナ部の側断面図は図１（ａ）に示す通
りである。微粉炭と一次空気の混合流体が供給される一
次流路１の外側に二次空気供給用の二次流路２があり、
更にその外側に三次空気供給用の三次流路３がある。二
次流路２、三次流路３には燃焼用空気を旋回させるため
のベーン９、スワーラ１０がそれぞれ設けられている。
一次流路１の中心部には微粉炭着火用のオイルガン４を
設け、一次流路１出口部の前流側にはベンチュリ７が設
置されている。また、一次流路１と二次流路２を仕切る
ノズル先端に外周保炎器８を設け、一次流路１出口には
低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１が設置されている。低ＮＯ
ｘ及び燃焼促進器１１は図１（ｂ）、図１（ｃ）に示す
ように幅ｄのリング状平面を有し、その平面部には半径
方向の外周と内周の円周方向に均等間隔の複数の切込み
１１ａ、１１ｂを設けている。

【００２４】図１１に示す微粉炭焚きボイラの燃焼系統
図において、燃焼用空気は、ＦＤＦ１２９から熱交換機
１２１０内で約３５０℃に加熱後、風箱１２７に入り、
図１（ａ）に示すバーナ部の二次流路２、三次流路３へ
搬送される。ミル１２４で粉砕された微粉炭は微粉炭バ
ーナ１２８に搬送され、図１（ａ）に示すバーナの一次
流路１へ導かれる。

【００２５】一次流路１に供給される一次空気と混合後
の微粉炭の濃度（Ｃ／Ａ）は混合前に比べて低下するの
で、一次流路１の出口部の前流側には固体粒子と空気と
の慣性力の差を利用したベンチュリ７によって、微粉炭
流（混相流）に濃縮をかけ、濃縮流を一次流路１の外周
側、希薄流を一次流路１の中心側に分離して供給する。
そして、濃縮流は二次流路２の出口近傍の外周保炎器８
を囲むように通過する。外周保炎器８と低ＮＯｘ及び燃
焼促進器１１近傍では、その後流に乱流渦による再循環
領域１５、２６が形成され、この領域１５、２６内に２
０μｍ以下の比較的小さい微粉炭粒子が巻き込まれ、そ
の巻き込まれた微粉炭が燃焼することで、微粉炭が着火
し易くなっている。

【００２６】また、図２に示すように低ＮＯｘ及び燃焼
促進器１１を設置したことにより、一次空気の受熱面積
が拡大して火炉１２１内からの輻射熱を多く取り入れ、
高温再循環領域２６が高温ガスの火種となって、近傍を
通過する微粉炭の着火促進に役立っている。

【００２７】例えば，燃料比２以下の比較的燃焼性のよ
い石炭の２００メッシュパス６０％の粒度の粗いものを
用いた場合、２０μｍ以下の微粒子の割合が小さく、再
循環領域２６へ巻き込まれる微粉炭量が減り、着火性を
悪くする。そこで、バーナ内部で高温の二次空気とベン
チュリ７の後流側の一次流路１の壁面近くで間接的に接
触させることにより、微粉炭は昇温され、一部の揮発成
分を放出させ、その揮発ガスが再循環領域２６へ巻き込
まれることで、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１後流の再循
環領域２６の着火性を維持できる。

【００２８】また、粒度は２００メッシュパス８０％以
上あるが、揮発分の少ない高燃料比の微粉炭の場合、高
温の二次空気との接触で微粉炭粒子自身の温度を高める
ことで着火性を維持する。

【００２９】これらの効果は低ＮＯｘ及び燃焼促進器１
１の形状及び設置位置によって顕著に現れる。そこで適
正な低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の形状を見いだすべく
数値計算及びコールドモデルによる流れ解析結果より条
件を決定した。

【００３０】まず、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１近傍の
微粉炭粒子の着火機構の解析結果から決定する。実機に
おける流速２２ｍ／ｓ、２００メッシュパス８０％の燃
料比１〜２の微粉炭を対象とし、低ＮＯｘ及び燃焼促進
器１１の幅ｄを変化させて、再循環領域１５、２６内で
着火に必要な最小の微粉炭濃度（Ｃ／Ａ）を計算した。
その結果を図９（ｂ）に示す。

【００３１】図９（ｂ）によると、微粉炭濃度（Ｃ／
Ａ）の値が小さいほど着火性が良好である、つまり、微
粉炭の濃度が薄くても着火をすることを意味し、着火性
の目安となる。結果は、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の
幅ｄを１０ｍｍ、２０ｍｍと大きくすると着火性は向上
する。そして、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の幅ｄが３
０ｍｍを過ぎると、着火性改善効果は小さくなり、５０
ｍｍ以上では変化しなくなる。すなわち、着火性を損な
わない最小の低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の幅ｄは３０
ｍｍであることが判明した。

【００３２】次に、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の外周
部に設けた切込み１１ａの形状（切込み込み幅（ｒ
θ’）（ｒはバーナ中心軸からの燃焼促進器１１の幅ｄ
の中心部までの半径方向の距離とする）、深さ
（ｄ’）、隣接する切込み１１ａ同士の間隔（θ’／
θ））を決めるため、コールドモデルによる流動実験を
行った。図４にコールドモデル流動実験装置の系統を示
す。

【００３３】低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の内周部に設
けた切込み１１ｂの形状（切込み込み幅、深さ）は外周
側のそれらと同じとする。

【００３４】図４に示すモデルバーナは一次流路１のみ
を備えたものであり、一次空気はＰＡＦ（Primary Air
Fan）１２５から供給する。モデルバーナの一次流路１
途中でトレーサ粒子１７を一次空気に混入し、レーザ流
速計（ＬＤＶ：Laser Doppler Velosimeter（レーザド
ップラ流速計）、ＰＤＰＡ：Phase Doppler ParticleAn
alyzer（位相ドップラ粒子解析装置））１６と信号処理
機１８を用いてバーナ出口部分の流速分布を計測した。

【００３５】流速分布を計測した後のトレーサ粒子１７
はＩＤＦ１９で吸引される空気流に同伴されてバグフィ
ルタ１３６で回収される。

【００３６】また、二次空気流の乱れについては等方性
乱流渦を仮定した乱流エネルギー３／２ｕ'^２（ｕ'は軸
方向流速変動）分布を求めた。実験は、低ＮＯｘ及び燃
焼促進器１１の切込み１１ａ、１１ｂの形状について、
低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の断面積一定の条件で、切
込み幅（ｒθ’）、凹凸比（ｄ’／ｄ）、切込み間隔
（θ’／θ）を変えて実験をした。

【００３７】図５にバーナ近傍の空気流動を示すよう
に、バーナ出口近傍の軸方向流速分布及び乱流エネルギ
ー分布計測結果から、低流速域２０（ＬＶＲ：１０ｍ／
ｓ以下）と強乱流域２１（ＳＴＲ：４０ｍ^２／ｓ^２以
上）の占める割合の大きい形状を選択し、解析をした。

【００３８】また、図６にはコールドモデル流動実験結
果の一例として、従来の低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を
設けてない低ＮＯｘバーナ（基準型バーナ：日立−ＮＲ
２型を模擬）と低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１（タイプ１
とタイプ２）を設置したバーナの、各々の一次流路１出
口の等速度分布及び等乱流エネルギ分布を示す。

【００３９】この図の流速分布については分かりやすい
ように、高流速域２３（２０ｍ／ｓ以上の領域）と流速
変動幅３ｍ／ｓ以上の領域２４にそれぞれ斜線を入れて
いる。低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１は、幅７ｍｍで深さ
１０ｍｍの切込み１１ａ、１１ｂを３５度間隔で設けた
とき（低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１：タイプ２）が最も
良く、基準型では、低流速域２０は６５％、強乱流域２
１は２８％なのに対し、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１付
きのバーナでは低流速域２０は６４％、強乱流域２１は
４１％となった。低流速域２０の変動は小さいものの強
乱流域２１の増大が顕著で、着火・保炎性能は向上する
と期待される。図６のハッチングのない部分は低流速域
２０を表し、ハッチングのある部分は強乱流域２１を表
す。

【００４０】図６に示す結果に基づき、低ＮＯｘ及び燃
焼促進器１１として、切込み１１ａ、１１ｂのない円環
状のものと、切込み１１ａ、１１ｂを入れたものを作製
し、燃焼実験を行い、火炉１２１（図１１）出口のＮＯ
ｘ濃度を測定、確認した。結果を図８に示すように、低
ＮＯｘ及び燃焼促進器１１としては切込み１１ａ、１１
ｂを入れたものの方がＮＯｘ値は低く、切込み１１ａ、
１１ｂがあることによる効果が示された。

【００４１】そこで、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の適
正形状であるが、更にコールドモデルによっていろいろ
な形状について流動実験を行い、バーナ近傍の低流速域
（ＬＶＲ）２０と強乱流域（ＳＴＲ）２１を測定し、そ
の結果を図７に示し、図７により低ＮＯｘ及び燃焼促進
器１１の適正形状を決めた。

【００４２】切込み１１ａ、１１ｂの凹凸比（ｄ’／
ｄ）は、図７（ｂ）に示すように切込み深さｄ’を変え
て実験をすると、低流速域（ＬＶＲ）２０はほとんど変
わらない。しかし、強乱流域（ＳＴＲ）２１は切込み深
さｄ’が大きくなる流れの剥離が大きくなるため、その
領域は増加し、切込み深さｄ’が７ｍｍ以上になるとほ
とんど変わらなくなる。ただし、切込み深さｄ’を１０
ｍｍ以上にすると若干低流速域２０が小さくなるので、
これを上限とした。凹凸比（ｄ’／ｄ）で表せば０．３
≦ｄ’／ｄ≦０．４となる。

【００４３】つぎに、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の凹
部切込み１１ａ、１１ｂの周方向長さ（ｒθ’）を決め
る。図７（a）に周方向長さ（ｒθ’）を変えてコール
ドモデル実験をしたときの結果を示す。低流速域（ＬＶ
Ｒ）２０及び強乱流域（ＳＴＲ）２１が最大となる周方
向長さ長さは７ｍｍである。そこを境にそれぞれの領域
が小さくなるが、それぞれの領域が最大値とほぼ変わら
ない周方向長さ（ｒθ’）は、下は５．５ｍｍ、上は
８．０ｍｍまである。従って、それら以下または以上に
すると低流速域（ＬＶＲ）２０及び強乱流域（ＳＴＲ）
２１が小さくなり、着火の促進及びＮＯｘ還元領域１３
の拡大につながらなくなる。つまり切込み幅（ｒθ’）
は５．５〜８．０ｍｍで最大の効果を示すことになるこ
とが分かった。

【００４４】さらに、その切込み間隔（θ’／θ）の条
件であるが、最適条件を見つけるべく、その間隔を変え
て行ったコールドモデル実験結果を図７（ｃ）に示す。
この間隔（θ’／θ）は低流速域（ＬＶＲ）２０にはあ
まり影響はなく、強乱流域（ＳＴＲ）２１への影響が大
きい。つまり切込み１１ａ、１１ｂの数が多い程乱流を
発生させる。従って切込み間隔（θ’／θ）が大きくな
ると強乱流域（ＳＴＲ）２１は大きくなる。しかし、実
験結果では０．２［−］以上になると，その影響は薄れ
ほぼ一定になる。この乱れから乱流渦（再循環流）２６
を発生させ、乱流熱伝達を促進させるためには、切込み
間隔（θ’／θ）の下限値は０．２［−］とする。最大
値としては、切込み間隔（θ’／θ）を０．５［−］と
すると、低流速域（ＬＶＲ）２０が大きく減少するた
め、０．４５［−］とする。したがって、切れ込み間隔
（θ’／θ）は０．２≦θ’／θ≦０．４５［−］とす
ることが望ましい。

【００４５】この低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の軸（流
れ）方向への設置位置であるが、この軸方向の位置によ
り炭種、粒度に応じて二次空気との接触混合時間を調節
し、着火性の劣るものは混合位置をより前流側に設置し
て着火性の確保を図る。図示はしないが、コールドモデ
ルによる実験では外周保炎器８より前流側へ低ＮＯｘ及
び燃焼促進器１１を移動させると、一次空気の外周空気
が中心軸方向へ流れるパターンへ変わる。

【００４６】つまり、一次空気の外周の暖かい二次空気
が一次空気へ流れ、一次空気の温度を上昇させ着火の促
進、ＮＯｘ還元領域１３（図３）の拡大が図れる。特に
外周保炎器８の位置から鉛直方向に下ろした垂線を基準
にしてバーナ軸方向に対して、前流側へ１５度の位置で
中心軸方向への流れが強くなることが分かった。従っ
て、使用する炭種による空気との混合条件をも加味する
と、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の軸方向の設置位置は
外周保炎器８の位置を基準にして３０度以内（図１
（ｂ）参照）にすることが望ましい。

【００４７】図９（ａ）に示すように、従来の日立−Ｎ
Ｒ型、ＮＲ２型バーナは一次流路１出口に保炎器８があ
り、後流に再循環領域（逆流域）１５を形成する。これ
が高温の火種となって、近傍を通過する微粉炭を着火す
る。このとき、火炎は一次流路１の外周側から中心部へ
進行するが、バーナ近傍の中心部には未着火領域１２が
形成される。このバーナの一次流路１内に低ＮＯｘ及び
燃焼促進器１１を設置すると、低ＮＯｘ及び燃焼促進器
１１の後流側の再循環領域（逆流域）２６からも火炎伝
播が起こり、バーナ中心部の未着火域１２の大きさを減
少させる。この未着火域１２の体積は低ＮＯｘ及び燃焼
促進器１１の半径方向の位置によって変化し、無次元半
径方向位置ｒ／ｒ_０が０．６［−］で最小となる。

【００４８】図９（ａ）の縦軸の無次元未着火領域は外
周保炎器８のみの未着火領域１２の体積で無次元化した
ものである。図９（ａ）から、低ＮＯｘ及び燃焼促進器
１１をｒ／ｒ_０＝０．６［−］に設置すると、外周保炎
器８のみを設置した場合（ｒ／ｒ_０＝１．０［−］）に
対し、未着火領域１２は約１／３に減る。したがって、
低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を設置すると、これだけ着
火が早まり、バーナ出口近傍のＮＯｘ還元領域１３を拡
大し、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度の低減に役立つのであ
る。バーナの半径方向の低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の
取付位置としては、その前後で未着火領域１２が変わら
ない範囲として０．５ｒ_０〜０．７ｒ_０とすることが望
ましい。

【００４９】これまでの適正条件を基に低ＮＯｘ及び燃
焼促進器１１を製作、従来の基準型バーナ（図６のＮＲ
２型）のＮＯｘ濃度と比較した結果を図１０に示す。従
来の基準型バーナより２６％ＮＯｘ濃度の低減効果を達
成できることが分かり、最適形状の低ＮＯｘ及び燃焼促
進器１１を設置することにより、要求されている環境基
準値である低ＮＯｘ濃度１００ｐｐｍ以下を達成するこ
とが可能となる。

【００５０】また、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１の後流
側での流体の流れや渦の発生は流体の抵抗係数（例えば
車の形状係数Ｃｄ値（Ｃｄ＝Ｄ／（１／２ρｕ^２Ａ）、
Ｄ：抵抗力 ρ：密度 ｕ：主流速度 Ａ：投影面
積）など）に大きく影響する。

【００５１】従って、低ＮＯｘ及び燃焼促進器１１を正
面から見た時の面積（投影面積）及びその形状を規定し
た条件（請求項３のａ．〜ｄ．）の１つ若しくは複数の
条件を満足するときは同等な性能を発揮する。

【００５２】

【発明の効果】本発明になる微粉炭燃焼装置によれば、
従来の微粉炭バーナではなし得なかった燃料比の比較的
高い高燃料比炭に対しても、低ＮＯｘで且つ高効率燃焼
（低未燃分）が可能である。また、通常の２００メッシ
ュパス８０％の微粉炭を本発明の低ＮＯｘ及び燃焼促進
器を取り付けて燃焼させる場合には、バーナ近傍でのＮ
Ｏｘ低減効果が非常に大きくなるため、バーナ部後流の
完全燃焼用アディショナル空気投入位置をよりバーナ部
に近くにすることが可能となり、これはボイラ火炉のコ
ンパクト化へ大きく貢献する。

【００５３】また燃焼用二次空気、三次空気の投入の無
い単段燃焼用ボイラにおいてもバーナ近傍の受熱が多く
なり，保炎器などの保炎部の着火促進及び燃焼性に優
れ、低ＮＯｘ燃焼及び高効率燃焼（低未燃分）が可能と
なる。更に広範囲の燃料種における石炭にも安定着火が
得られ、広域負荷運転なども可能となり、バーナ操作の
安定性に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の低ＮＯｘ及び燃焼促進器を取り付け
た微粉炭燃焼用バーナの側断面図（図１（ａ））、図１
の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置部分のバーナの１／４
側断面の拡大図（図１（ｂ））と図１の低ＮＯｘ及び燃
焼促進器の１／４平面の拡大図（図１（ｃ））である。

【図２】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器設置によるバ
ーナ近傍の着火促進効果を説明するバーナの火炉側から
見た１／４部分平面図である。

【図３】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による
作用（図３（ｂ））を従来例（図３（ａ））と比較して
説明する図である。

【図４】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による
効果のコールドモデル流動実験装置の説明図である。

【図５】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による
バーナ近傍の流動体の流動分布などの一例を示す図であ
る。

【図６】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による
効果のコールドモデル実験結果を説明する図である。

【図７】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の形状による
低流速及び強乱流域の影響をグラフ化した図である。

【図８】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置による
燃焼実験結果（１）を従来技術と比較して示す図であ
る。

【図９】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器のの半径方向
位置（図９（ａ））と幅（図９（ｂ））を説明する図で
ある。

【図１０】 図１の低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置によ
る燃焼実験結果（２）を従来技術と比較して示す図であ
る。

【図１１】 微粉炭焚きボイラ系統図である。

【符号の説明】

１ 一次空気流路 ２ 二次空気流路 ３ 三次空気流路 ４ オイルガン ５ 炉壁 ６ ウインドボッ
クス ７ ベンチュリ ８ 外周保炎器 ９ ベーン（旋回器） １０ スワーラ
（旋回器） １１ 低ＮＯｘ及び燃焼促進器 １２ 未着火領域 １３ ＮＯｘ還元領域 １４ ＮＯｘ還元
領域開始点 １５ 再循環領域 １６ レーザ流速
計 １７ トレーサ粒子 １８ 信号処理機 １９ 誘引通風機（ＩＤＦ） ２０ 低流速域（ＬＶＲ：流速１０ｍ／ｓ以下の領域） ２１ 強乱流域（ＳＴＲ：乱れ度４０ｍ^２／ｓ^２） ２３ 高流速域（２０ｍ／ｓ以 上） ２４ 流速変動大の領域（変動幅３ｍ／ｓ以上） ２６ 逆流域（再循環領域） １２５ ＰＡＦ １３６ バグフィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 馬場 彰 広島県呉市宝町３番36号 バブコック日立 株式会社呉研究所内 (72)発明者 下郡 三紀 広島県呉市宝町３番36号 バブコック日立 株式会社呉研究所内 (72)発明者 嶺 聡彦 広島県呉市宝町３番36号 バブコック日立 株式会社呉研究所内 Ｆターム(参考） 3K065 QA02 QB01 QB11 QC03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体燃料と輸送用気体からなる固気二相
   流が流れる一次流路と燃焼用空気がその周囲に流れる空
   気流路を有し、バーナ出口部分の一次流路壁先端部に保
   炎器を設け、かつ一次流路出口部の一次流路内に低ＮＯ
   ｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナであっ
   て、 低ＮＯｘ及び燃焼促進器は径方向に切れ込みがある円環
   リング形状であり、その寸法及び寸法比が ａ．円環リングの幅（ｄ）が３０ｍｍ以上 ｂ．径方向の切れ込みの凹部深さ（ｄ’）が円環リング
   幅（ｄ）に対する比（ｄ’／ｄ）が０．３≦ｄ’／ｄ≦
   ０．４ ｃ．径方向の切れ込みの周方向の長さ（ｒθ’）の最大
   値が５．５≦ｒθ’≦８．０ ｄ．径方向の切れ込みが等間隔にあり、その間隔の比率
   （θ’／θ）が０．２≦θ’／θ≦０．４５であり、 ｅ．低ＮＯｘ及び燃焼促進器の設置位置が前記保炎器の
   位置から鉛直方向に下ろした垂線を基準にしてバーナ軸
   方向に対して、前後１５度以内である条件ａ．〜ｅ．の
   少なくとも一つの条件を満足することを特徴とする低Ｎ
   Ｏｘ及び燃焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナ。
2. 【請求項２】 低ＮＯｘ及び燃焼促進器のバーナの半径
   方向の取付位置の中心を一次流路半径（ｒ_ｏ）に対し、
   中心軸から０．５ｒ_ｏ〜０．７ｒ_ｏとすることを特徴と
   する請求項１記載の低ＮＯｘ及び燃焼促進器を設けた固
   体燃料燃焼バーナ。
3. 【請求項３】 低ＮＯｘ及び燃焼促進器の一次流路内の
   固気二相流の流れ方向の投影面積が、 ａ．円環リングの幅（ｄ）が３０ｍｍ以上 ｂ．径方向の切れ込みの凹部深さ（ｄ’）が円環リング
   幅（ｄ）に対する比（ｄ’／ｄ）が０．３≦ｄ’／ｄ≦
   ０．４ ｃ．径方向の切れ込みの周方向の長さ（ｒθ’）の最大
   値が５．５≦ｒθ’≦８．０ ｄ．径方向の切れ込みが等間隔にあり、その間隔の比率
   （θ’／θ）が０．２≦θ’／θ≦０．４５ である条件ａ．〜ｄ．の内、少なくとも一つの条件を満
   足することを特徴とする請求項１記載の低ＮＯｘ及び燃
   焼促進器を設けた固体燃料燃焼バーナ。