JP2001349533A - バーナ装置及び該装置からの燃焼用空気の噴出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 火炉側壁部のバーナ付近の側壁に沿って燃焼
用空気が流れることを防止したバーナ構造を提供するこ
とである。 【解決手段】 バーナスロート８のコーン部に燃焼用空
気流剥離装置５２を設けることで、滑らかに壁に沿って
流れることなくスロート部のコーン部の傾斜角度に基づ
いた方向に流れ、未燃分が増加し煤塵量が増えることを
なくすことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料を使用するボ
イラ等で用いられる燃料を燃焼させる装置（以下、バー
ナと称す）に係わり、特に、燃焼性能を低下させ、未燃
分を増大させたり、又は燃焼状態を不安定にするバーナ
出口から壁面に沿った燃焼用空気の流れの防止に好適な
バーナに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、窒素酸化物低減対策として、石炭
と比較して、燃料中の窒素分が少ない油、ガス等の燃料
に対しては、緩慢燃焼法により燃焼用空気中の窒素から
高温領域で発生するサーマルＮＯｘの低減を図ってき
た。一方、石炭等の窒素分を比較的多く含む燃料に対し
ては、火炎内に高温で、しかも酸素分圧の少ない領域を
設け、この火炎内で窒素酸化物を還元する方法である火
炎内脱硝方法が用いられている。前記両方の燃焼方法に
おいて、通常バーナに用いられる最外周の燃焼用空気
（ここでは、以下、三次燃焼用空気と称す）の流れを燃
料から離し、バーナ出口から遠い部分で混合すること
で、燃焼の促進を図るように工夫されている。燃料から
燃焼用空気を離す方法として、燃焼用空気に旋回をかけ
て遠心力によりバーナ中心から外周へ流す方法、また
は、燃焼用空気噴流のバーナ出口部に円錐形状等の広が
り構造を設けることで燃焼用空気噴流の方向を外側へ向
ける方法などが採られている。

【０００３】従来の油焚きボイラの系統を図９に示す。
従来のボイラは、火炉１５、火炉１５内に設けられたバ
ーナ７、二段燃焼用空気噴出孔３８、これらバーナ７と
二段燃焼用空気噴出孔３８を内部に備えた風箱４８、風
箱４８に空気を供給する押し込み送風機１４、押し込み
送風機１４から風箱４８に供給する空気をボイラ出口排
ガスで予熱する熱交換器３９、バーナ７に燃料を供給し
て噴射させる燃料噴射装置４３、燃料噴射装置４３に燃
料を供給する燃料タンク４１、燃料タンク４１と燃料噴
射装置４３を結ぶ流路に設けた燃料量調整弁４５と蒸気
ヘッダ５３と燃料噴射装置４３を結ぶ流路に設けた噴霧
蒸気調整弁４９、燃料の燃焼で得られる高温排ガスで加
熱する火炉壁面を構成する水壁２６、節炭器２８、再熱
器２１、過熱器１６、ボイラ出口排ガスを熱交換器３９
で熱交換したのちに排ガス中の集塵をする集塵機２５、
煙突１３等からなる。

【０００４】図９に示す油焚きボイラにおいて、燃料
は、圧力をかけられバーナ７の図示しない噴射ノズルよ
り噴射される。このとき、通常、蒸気又は空気等の噴射
媒体と共に噴射され、液体の微粒化を促進させる。噴射
された燃料は押し込み送風機１４から送られ、開閉弁３
３で流量調節された燃焼用空気１０と混合され、燃焼さ
れる。バーナ７部の燃焼用空気量は炉内二段燃焼法を用
いた場合、理論空気量の０．８０〜０．９５倍程度で運
用されるのが一般的である。その後、二段燃焼用空気噴
出孔３８からの残りの燃焼用空気が供給され、完全燃焼
させる。これが、前述の二段燃焼法である。

【０００５】このとき、バーナ７及び二段燃焼用空気噴
出孔３８から投入される燃焼用空気量の合計は理論燃焼
用空気量の１．０５〜１．１０倍程度である。

【０００６】一方、ガス焚きボイラの場合は、油タンク
の代わりにガスタンクを用いる。通常、ガス燃料自体が
火炉圧よりも十分高いためポンプ等の燃料供給装置はな
く、そのまま火炉１５内へ噴出する形態をとる。

【０００７】図９のボイラに用いられる基本的なバーナ
７を図１０（ａ）の断面図と図１０（ｂ）の火炉内側か
ら見た正面図に示す。バーナ７は火炉側壁のバーナスロ
ート８に設けられ、中心部の燃料噴射装置４３からガス
燃料が油バーナ６を介して火炉内に噴出される。油バー
ナ６の周囲には中心部から順に一次燃焼用空気流路１
１、二次燃焼用空気流路３６、三次燃焼用空気流路２４
が配置され、二次燃焼用空気流路３６には二次エアレジ
スタ３４が設けられ、三次燃焼用空気流路２４には三次
エアレジスタ２２が設けられ、二次燃焼用空気３５及び
三次燃焼用空気２３はそれぞれ二次エアレジスタ３４及
び三次エアレジスタ２２により旋回が与えられる構造で
ある。また、一次燃焼用空気流路１１内の先端部のバー
ナ起動時などに使用する油バーナ６の外周には燃料の着
火促進用の保炎器５０が取り付けられている。

【０００８】図示しない押し込み送風機より送られ、流
量が風箱ダンパ３３で調整された燃焼用空気１０は一次
燃焼用空気１０、二次燃焼用空気３５、三次燃焼用空気
２３に分けられる。

【０００９】二次燃焼用空気３５と三次燃焼用空気２３
は、前述の緩慢燃焼を行うために、二次エアレジスタ３
４、三次エアレジスタ２２で旋回が与えられることで、
二次燃焼用空気流路３６、三次燃焼用空気流路２４から
噴出された燃焼用空気３５、２３は外周方向へと導か
れ、徐々に燃料と混合されることで、サーマルＮＯｘが
急激に増加する１５００℃以上の最高温度を持たずに１
２００〜１３００℃程度以下の最高温度で抑えられる。
これにより、サーマルＮＯｘ排出量が低減できるもので
ある。

【００１０】図１１にガスバーナを備えた図９のボイラ
に用いられるバーナ７の断面図を示す。図１０のバーナ
断面図で用いた部材番号と同一部材には同じ番号を付し
て、その説明は省略する。このバーナ７はガス噴射用の
ガスバーナ２を三次燃焼用空気流路２４部分に設けたも
のである。このタイプのガスバーナ２は、通常バーナ７
の中心軸から同心円上に６〜１２本程度の等間隔で配置
される。このバーナ７ではバーナ中心部に油バーナ６を
設け、油も使用できるようにしてある。

【００１１】従来技術の石炭焚きボイラを図１２に示
す。基本的なボイラの構成は図９に示すボイラ構造と同
じであり、図９で用いた部材番号と同一部材には同じ番
号を付して、その説明は省略する。図１２に示すボイラ
のバーナ７には、燃料の石炭は、石炭粉砕機（以下、ミ
ルと称す）５４で粉砕され、搬送用の一次燃焼用空気１
０でバーナ７に供給される。また、排ガス再循環用送風
機４６から火炉１５の底部に燃焼排ガスが再循環され
る。

【００１２】現在、事業用の石炭焚きボイラの場合、微
粉炭燃焼が一般的であり、この場合、燃料供給装置はミ
ル５４を用いる直接式と、ミル５４で粉砕した微粉炭を
一旦、ビン（図示せず）に貯蔵する間接式がある。

【００１３】燃焼用空気１０は、大気中より押し込み送
風機１４で送風される。燃焼用空気１０は、熱交換器３
９を用いてボイラから排出される排ガス５５で所定の温
度まで加熱された後に、風箱４８を介して、バーナ７出
口で前述の燃料と混合され、火炉１５に送り込まれる。
また、一部の燃焼用空気は熱交換器３９を経た後、二段
燃焼用空気として二段燃焼用空気噴出孔３８から火炉１
５内に供給される。燃料と燃焼用空気は石炭燃焼に利用
された後に、燃焼ガスとして、火炉１５内で燃焼反応を
進行させ、火炉１５出口から排ガス５５として排出され
る。排ガス５５は集塵機２５、脱硝装置３２、脱硫装置
３１を通った後、前述のように一部は熱交換器３９を通
った後、煙突１３から排出される。一方、残りの部分は
排ガス再循環用送風機４６を通って、火炉１５の底部等
より再び火炉１５内に送り込まれる。

【００１４】図１３に微粉炭バーナ７の構造を示す。微
粉炭バーナ７において、一次燃焼用空気流路１１は微粉
炭ノズルとして用いる。二次燃焼用空気流路３６、三次
燃焼用空気流路２４は油、ガスバーナと同様、それぞれ
二次エアレジスタ３４と三次エアレジスタ２２で旋回を
かける構造である。またバーナ中心部にはバーナ燃焼初
期に微粉炭の着火用の油燃料油バーナ６’が配置されて
いる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上記、従来技術の各種
バーナでは、近年、更に厳しくなった燃焼排ガス中の窒
素酸化物の濃度規制のために、さらなる窒素酸化物排出
量の低減が求められている。このため、三次燃焼用空気
を燃料からより遠くへ隔離することで、燃焼排ガス中の
窒素酸化物低減効果を高めることが行われている。この
ためには、三次エアレジスタ２２での三次燃焼用空気の
旋回力の強化、バーナスロート８のコーン部の傾斜角度
の適正化（例えば、より外周方向にコーンの傾斜角度を
向けること）などが考えられる。燃焼用空気の旋回力の
強化、又はバーナスロート８のコーン部の傾斜角度を大
きくした場合、概して、燃焼排ガス中の窒素酸化物の低
減効果が大きくなる。しかしながら、コアンダ効果によ
り燃焼用空気の噴流が火炉壁面に沿って流れてしまう現
象が起きることが少なくない。

【００１６】図１４に示すように、このときの三次燃焼
用空気流路２４からの流れ２３は火炉壁面部に沿う方向
に向かう。また、ボイラ火炉１５内での三次燃焼用空気
の流れ２３を図１５（平面図）、図１６（側面図）に模
式的に示す。

【００１７】図１５、図１６には、三段四列対向のバー
ナ７の配列を持つボイラ９の火炉１５内の様子を示す。
通常、バーナ７の配列を決定する上で火炉１５の熱負荷
の分布が均等になることを考慮して隣接する２つのバー
ナ７間のピッチを同じにする。また幅方向の両端に配置
されたバーナ７と火炉側壁とのピッチは、バーナ７間の
ピッチの１／２になるようにする。

【００１８】しかしながら、火炎１が直接火炉１５の側
壁と接触した場合、局所的に燃焼物が急冷され、未燃分
が多くなったり、火炉側壁へ炭素分が付着したりするこ
となどがある。通常のボイラで火炉壁面に沿う燃焼用空
気の流れ２３となった場合、２つの隣接バーナ７間では
噴流同士が衝突し、中心部分の燃料に燃焼用空気２３が
供給されるが、火炉側壁部の左右上下の端部に配置され
たバーナ７から噴出する燃焼用空気は側壁に沿って流れ
る燃焼用空気の流れ２３が生じ、燃料の火炉１５内の燃
焼部への三次燃焼用空気２３（図１４）の供給が遅くな
ったり、供給量が少なくなることがある。このこと等を
原因として、火炉１５内での燃料の未燃分が増加し、煤
塵量が増える。特に火炉最下段バーナ７と最上段のバー
ナ７では、下側又は上側に隣接するバーナ７が無いこと
から、この現象から受ける影響が更に大きくなる。この
影響のある部分をバーナ配置からハッチングで示したも
のが図１７である。

【００１９】本発明の課題は、特に前記火炉側壁部のバ
ーナ付近の側壁に沿って燃焼用空気が流れることを防止
したバーナ構造を提供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の上記課題は、火
炉の末広がり形状部（コーン部）を有するバーナスロー
ト部に燃料及び燃焼用空気を噴出する中心部の燃料噴出
ノズルと該ノズルの周囲に一以上の燃焼用空気流路とそ
の出口部を設けた燃焼燃焼用のバーナ装置において、バ
ーナスロート部のコーン部の端部に最外周部の燃焼用空
気流路の出口部からの燃焼用空気噴流が火炉壁面に沿っ
て流れることを防止する突起物または段差などの流剥離
装置を設けるバーナ装置により解決される。

【００２１】このとき、燃焼用空気流路には空気を旋回
させる旋回器を設ける場合が多い。また、水壁で構成さ
せる火炉側壁のバーナスロート部の中の一本又は複数本
の水壁管をバーナスロート部のコーン部の端部に突出さ
せるように配置しても良い。また、バーナスロート出口
部分に設ける突起物内に燃焼用空気の噴出孔を設けても
良い。

【００２２】また、本発明には、火炉のコーン部を有す
るバーナスロート部に燃料及び燃焼用空気を噴出する中
心部の燃料噴出ノズルと該ノズルの周囲に一以上の燃焼
用空気流路とその出口部を設けた燃焼燃焼用のバーナ装
置からの燃焼用空気の噴出方法であって、バーナスロー
ト部のコーン部の端部に最外周部の燃焼用空気流路の出
口部から火炉壁面に沿って燃焼用空気噴流が流れないよ
うに直進流を噴出させるバーナ装置からの燃焼用空気の
噴出方法も含まれる。

【００２３】

【作用】例えば図１に示すように本発明のバーナ装置に
おけるバーナスロート８のコーン部に燃焼用空気流剥離
装置５２を設けることで、図１４に示した滑らかに壁に
沿って流れることなくスロート部のコーン部の傾斜角度
に基づいた方向に流れるので、バーナでの未燃分が増加
し、煤塵量が増えることをなくすことができる。

【００２４】図６及び図７は、燃焼用空気流剥離装置の
有無を比較して流動分布（同一流速範囲内の空気流は同
一模様とする）を示したものである。この流動分布は実
機大のバーナを用い、バーナに燃焼用空気を流し、火炉
を想定した実験室で燃焼用空気の流速分布を測定したコ
ールド試験結果を示してある。図６は燃焼用空気流剥離
装置５２が有る場合を示している。また図７に示す燃焼
用空気流剥離装置５２が無い場合、二、三次燃焼用空気
は壁面に沿って流れる壁面噴流となり本来のバーナの持
つ性能を得られていないと予想される。このように燃焼
用空気流剥離装置５２が有ると、それが無い場合に比較
して燃焼用空気の流動分布が、よりバーナ近傍で広がっ
ていることが分かる。

【００２５】また、図８に示したグラフは、バーナの下
側又は上側に隣接するバーナが無い火炉最下段、最上段
のバーナのバーナスロート部に燃焼用空気流剥離装置５
２を配置した場合及び配置しない場合のバーナ前方での
流速分布を示したものである。図８より、二、三次燃焼
用空気部分の流速が燃焼用空気流剥離装置５２が有る場
合は一次燃焼用空気の約０．８倍程度の流速の噴流が前
方にあることが確認できるが、燃焼用空気流剥離装置５
２が無い場合、一次燃焼用空気流のみ確認でき、二、三
次燃焼用空気流が前方に吹き出ていないことがよく分か
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について以
下、図面と共に説明する。本発明の実施の形態のバーナ
装置は図９から図１３に示すボイラのバーナに適用され
る。

【００２７】図１に示す実施の形態は、火炉側壁部のバ
ーナスロート８のコーン部の端部に水平方向に伸びる突
起状の燃焼用空気流剥離装置５２を設けたものである。

【００２８】図２に示す実施の形態は、通常、水壁２６
は水管で形成されるバーナスロート８の中の一本又は複
数本をバーナスロート８出口部分に突出させるように配
置して燃焼用空気流剥離装置５２としたものである。

【００２９】図３に示す実施の形態は、燃焼用空気流剥
離装置５２をバーナスロート８に隣接する火炉壁側へ配
置したものである。燃焼用空気流剥離装置５２は火炉壁
側に配置しても同様の効果が得られる。

【００３０】図４に示す実施の形態は、燃焼用空気流剥
離装置５２をバーナスロート８の複数箇所に分割配置し
たものである。この場合、燃焼用空気流剥離装置５２の
ない部分で燃焼用空気流は火炉壁面（水壁２６）に沿っ
た噴流になろうとするが、燃焼用空気流剥離装置５２の
ある部分に流れる燃焼用空気の影響で水壁２６に沿った
噴流を起こさないことが、前述のコールドモデル試験で
確認されている。

【００３１】図５に示す実施の形態は、バーナスロート
８の傾斜面上に燃焼用空気流剥離装置５２を設け、燃焼
用空気流剥離装置５２内には空気流路と、その出口５６
を火炉側に設ける。またバーナスロート８の内部に三次
燃焼用空気２３の分岐流路５１を設け、当該分岐流路５
１からバーナスロート８の傾斜面上に設けた燃焼用空気
流剥離装置５２の下流部にある出口５６から火炉内に三
次燃焼用空気２３を噴出させる。この部分の三次燃焼用
空気２３の分岐流路５１は火炉壁面（水壁２６）への灰
付着防止効果と燃焼用空気流剥離装置５２内の空冷効果
を狙ったものである。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、バーナからの燃焼用空
気噴出を適正に保持でき、窒素酸化物、煤塵の発生量を
低い状態で安定させることができ、クリーンなバーナが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態になるバーナのバーナス
ロート部の燃焼用空気流れを示す説明図を表す。

【図２】 本発明の実施の形態になるバーナのバーナス
ロート部の説明図を表す。

【図３】 本発明の実施の形態になるバーナのバーナス
ロート部の説明図を表す。

【図４】 本発明の実施の形態になるバーナのバーナス
ロート部の説明図を表す。

【図５】 本発明の実施の形態になるバーナのバーナス
ロート部の説明図を表す。

【図６】 本発明の実施の形態になるバーナ下流部の燃
焼用空気の流れの説明図を表す。

【図７】 従来技術によるバーナ下流部の燃焼用空気の
流れの説明図を表す。

【図８】 本発明になるバーナと従来技術によるバーナ
の燃焼用空気の流速分布を表す説明図を表す。

【図９】 従来技術による油又はガス焚きボイラの系統
を示す説明図を表す。

【図１０】 従来技術による油を燃料とするバーナの断
面略図を表す。

【図１１】 従来技術によるガスを燃料とするバーナの
説明図を表す。

【図１２】 従来技術による石炭焚きボイラの系統を示
す説明図を表す。

【図１３】 従来技術による石炭を燃料とするバーナの
説明図を表す。

【図１４】 従来技術によるバーナのバーナスロート部
の流れを示す説明図を表す。

【図１５】 従来技術によるボイラ内の流れを示す説明
図を表す。

【図１６】 従来技術によるボイラ内の流れを示す説明
図を表す。

【図１７】 従来技術によるボイラ内の影響の度合いを
示す説明図を表す。

【符号の説明】

１ 火炎 ２ ガスバーナ ６、６’ 油バーナ ７ バーナ ８ バーナスロート ９ ボイラ １０ 一次燃焼用空気 １１ 一次燃焼用空気
流路 １２ 一次燃焼用空気量調整用ダンパ １３ 煙突 １４ 押し込み送風機 １５ 火炉 １６ 過熱器 ２１ 再熱器 ２２ 三次エアレジス
タ ２３ 三次燃焼用空気 ２４ 三次燃焼用空気
流路 ２５ 集塵機 ２６ 水壁 ２８ 節炭器 ３１ 脱硫装置 ３２ 脱硝装置 ３３ 二、三次燃焼用
空気用風箱ダンパ ３４ 二次エアレジスタ ３５ 二次燃焼用空気 ３６ 二次燃焼用空気流路 ３７ 二次燃焼用空気
量調整用ダンパ ３８ 二段燃焼用空気噴出孔 ３９ 熱交換器 ４１ 燃料タンク ４３ 燃料噴射装置 ４５ 燃料量調整弁 ４６ 排ガス再循環用
送風機 ４８ 風箱 ４９ 噴霧蒸気調整弁 ５０ 保炎器 ５１ 分岐流路 ５２ 燃焼用空気流剥離装置 ５３ 蒸気ヘッダ ５４ ミル ５５ 排ガス ５６ 出口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 津村 俊一 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉事業所内 (72)発明者 倉増 公治 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉事業所内 Ｆターム(参考） 3K023 DA01 DA08 DB02 DC02 DC03 EA02 EA09 3K065 TA01 TA04 TB02 TB08 TC01 TE01 TE10 TG01 TJ03 TJ06

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 火炉の末広がり形状のコーン部を有する
   バーナスロート部に燃料及び燃焼用空気を噴出する中心
   部の燃料噴出ノズルと該ノズルの周囲に一以上の燃焼用
   空気流路とその出口部を設けた燃料燃焼用のバーナ装置
   において、 バーナスロート部のコーン部の端部に最外周部の燃焼用
   空気流路の出口部からの燃焼用空気噴流が火炉壁面に沿
   って流れることを防止する突起物または段差を設けるこ
   とを特徴とするバーナ装置。
2. 【請求項２】 燃焼用空気流路には空気を旋回させる旋
   回器を設けたことを特徴とする請求項１記載のバーナ装
   置。
3. 【請求項３】 水壁で構成させる火炉側壁のバーナスロ
   ート部の中の一本又は複数本の水壁管をバーナスロート
   部のコーン部の端部に突出させるように配置したことを
   特徴とする請求項１記載のバーナ装置。
4. 【請求項４】 バーナスロート出口部分に設ける突起物
   内に燃焼用空気の噴出孔を設けたことを特徴とする請求
   項１記載のバーナ装置。
5. 【請求項５】 火炉の末広がり形状のコーン部を有する
   バーナスロート部に燃料及び燃焼用空気を噴出する中心
   部の燃料噴出ノズルと該ノズルの周囲に一以上の燃焼用
   空気流路とその出口部を設けた燃料燃焼用のバーナ装置
   からの燃焼用空気の噴出方法であって、 バーナスロート部のコーン部の端部に最外周部の燃焼用
   空気流路の出口部から火炉内に向けて直進流を噴出させ
   ることを特徴とするバーナ装置からの燃焼用空気の噴出
   方法。