JP2003240227A - 固体燃料バーナと固体燃料バーナの燃焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 褐炭などの低品位固体燃料の搬送気体に酸素
濃度の低い燃焼排ガスを利用するバーナにおいて、燃料
の着火を促進し、燃焼灰に起因するスラッキングを防止
する手段を備えた固体燃料バーナおよびその燃焼方法を
提供する。 【解決手段】 燃料ノズル１１内に追加空気ノズル１２
と流路を分割する分配器３５とを設け、バーナ軸に対し
て垂直方向から見たときに追加空気ノズル１２の出口が
分配器３５と重なる位置にあるようにし、燃料ノズル１
１を流れる燃料噴流と略垂直方向に追加空気を噴出さ
せ、燃料ノズル１１内での燃料と空気との混合を促進す
る。燃焼負荷に応じ追加空気ノズル１２からの空気量を
変える。低負荷時は追加空気ノズル１２からの空気量を
増やし、燃料ノズル１１出口外側の下流部に形成される
循環流１９の酸素濃度を高め、安定に燃焼させる。高負
荷時は追加空気ノズル１２からの空気量を減らし、燃料
ノズル１１から離れた位置に火炎を形成させ、固体燃料
バーナ構造物や火炉壁が受ける輻射熱を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体燃料を気流搬
送して燃焼する固体燃料バーナに係り、特に、木材，ピ
ート，石炭などの水分および揮発分の多い燃料を粉砕
し、気流搬送し、浮遊燃焼させるのに適した固体燃料バ
ーナ，固体燃料バーナの燃焼方法，固体燃料バーナを備
えた燃焼装置，燃焼装置の運用方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】木材，ピート，褐炭や亜炭に代表される
石炭化度の低い石炭は、燃料中に含まれる水分が多い。
また、これらの燃料は、加熱時に気体として放出される
成分である揮発分，固体として残る成分であるチャー，
不燃物として残る成分である灰分，水分に分けると、揮
発分や水分が多く、チャーが少ない。瀝青炭や無煙炭な
どの石炭化度の高い石炭と比べて、発熱量が低く、一般
に粉砕性が悪い。さらに、燃焼灰の溶融温度が低いとい
う性質がある。

【０００３】これらの燃料は、揮発分が多いので、空気
雰囲気では、貯蔵，粉砕，搬送過程において自然発火し
やすく、瀝青炭などと比べて扱いにくい。自然発火を防
止するために、これらの燃料を粉砕して燃焼する場合
は、燃料の搬送気体として、酸素濃度を低下させた燃焼
排ガスと空気との混合気体が使われる。燃焼排ガスは、
燃料周囲の酸素濃度を低下させ、燃料の酸化反応(燃焼)
を抑制し、自然発火を防ぐ。また、燃焼排ガスの保有熱
により、燃料中の水分を乾燥させる作用もある。

【０００４】しかし、低酸素濃度の搬送気体で搬送され
た燃料は、固体燃料バーナから噴出する際の酸化反応
が、燃料周囲の酸素濃度により制限され、空気で搬送し
た場合と比べて、燃焼速度が低い。通常、燃料は、空気
ノズルから噴出した空気と混合した後に、酸化反応が活
発となるので、燃焼は、空気との混合速度で律速され
る。したがって、燃料の燃え切り時間は、空気で搬送す
る場合と比べて長くなり、燃焼装置すなわち火炉の出口
における未燃焼分が増える。また、緩慢に燃焼するた
め、火炎温度が低い。その結果、高温(約１０００℃以
上)の還元雰囲気で活発となる窒素酸化物ＮＯｘの窒素
への還元反応を利用しにくくなり、火炉出口におけるＮ
Ｏｘは、燃料を空気搬送する場合と比べて、高くなる傾
向がある。

【０００５】低酸素濃度の搬送気体で搬送された燃料の
着火を早める方法として、燃料ノズル先端に追加空気ノ
ズルを設け、燃料搬送気体の酸素濃度を高める方法があ
る。例えば、特開平１０−７３２０８号公報は、燃料ノ
ズルの外側に空気ノズルを設けた固体燃料バーナを示し
ている。

【０００６】また、特開平１１−１４８６１０号公報に
記載されているように、燃料ノズルの中心に空気ノズル
を設け、燃料ノズル出口での燃料と空気との混合を促進
する固体燃料バーナも用いられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記、従来の固体燃焼
バーナは、追加空気ノズルを燃料ノズル内に設け、固体
燃料と空気との混合を早め、燃焼反応を促進させてい
る。このとき、固体燃料とその搬送気体との混合流体か
らなる燃料噴流と追加空気ノズルから噴出する空気と
が、燃料ノズル出口で十分に混合することが望ましい。

【０００８】しかし、上記従来例のように、追加空気ノ
ズルから噴出する空気が、燃料噴流と平行に噴出する
と、燃料噴流と追加空気ノズルから噴出する空気との流
速差が小さいので、燃料噴流と追加空気との混合は、緩
慢となる。

【０００９】通常、追加空気ノズル出口から燃料ノズル
出口までの距離は、１ｍ以内である。燃料噴流の流速
は、約１２ｍ／ｓ以上である。したがって、燃料ノズル
内での燃料粒子と追加空気との混合時間は、約０.１秒
以下と短く、燃料粒子と追加空気とは、十分に混合でき
ない。

【００１０】一方、燃料ノズル内での燃料粒子と追加空
気との混合時間を長くするため、追加空気ノズルの設置
位置を燃料ノズルの上流側に設ける場合、燃料ノズル内
で燃料が着火するいわゆる逆火現象が生じる危険性があ
る。したがって、追加空気ノズル出口から燃料ノズル出
口までの距離を長くできない。

【００１１】また、特開平１１−１４８６１０号公報に
記載されているように、追加空気の一部をテーパ状の噴
出部から斜め下流方向に噴出させると、追加空気は、燃
料ノズル外周部に到達しにくくなる。

【００１２】本発明の目的は、褐炭などの低品位固体燃
料の搬送気体に酸素濃度の低い気体を利用する固体燃料
バーナにおいて、追加空気ノズル出口から燃料ノズル出
口までの距離を変えずに、高負荷条件から低負荷条件ま
で、広範囲にわたって、燃料ノズル内での燃料粒子と空
気との混合を促進し、かつ、燃料ノズル内の燃料濃度と
酸素濃度とが燃料ノズル内の平均値よりも高い領域を形
成し、安定燃焼させる手段を備えた固体燃料バーナを提
供することである。

【００１３】本発明の他の目的は、燃料粒子と空気との
混合を促進し安定燃焼させる手段を備えた固体燃料バー
ナの燃焼方法，固体燃料バーナを備えた燃焼装置，燃焼
装置の運用方法を提供することである。

【００１４】

【課題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、固体燃料とその搬送気体との混合流体を
噴出する燃料ノズルと、燃料ノズルの外側に配置され空
気を噴出する少なくとも１つの空気ノズルと、燃料ノズ
ル内に混合流体の流れに対して略垂直に空気を噴出する
追加空気ノズルと、燃料ノズル内に流路を分割する分配
器とを有し、搬送気体が、空気よりも酸素濃度の低い気
体であり、バーナ軸に対して垂直方向から見たときに追
加空気ノズルの出口が分配器と重なる位置にある固体燃
料バーナを提案する。

【００１５】燃料ノズル内の分配器の上流側に、バーナ
上流側から順に、燃料ノズル内の流路断面積を減少させ
る部分と増加させる部分からなる障害物を設けることも
できる。

【００１６】分配器により分割される燃料ノズル流路の
うち分配器の上流側先端部において追加空気ノズルが設
置されている側の流路断面積の方を、障害物により縮小
された流路断面積よりも大きくしてもよい。

【００１７】追加空気ノズルは、燃料ノズルの外側隔壁
部に設置される場合もある。

【００１８】分配器が、筒状またはテーパ状の薄板構造
物で構成され、分配器の上流側に、燃料ノズルの外周側
から流路を狭める流路縮小部材と、流路縮小部材の下流
側に燃料ノズルの中心軸側から流路を狭める濃縮器とを
有することも可能である。

【００１９】上記いずれかの固体燃料バーナにおいて、
燃料ノズルと空気ノズルとを隔てる隔壁先端に、燃料ノ
ズルから噴出する固体燃料とその搬送気体との流れおよ
び空気ノズルから噴出する空気の流れを妨げる障害物を
設けることもできる。障害物は、燃料ノズル出口の壁面
に設けられた歯付き(toothed)保炎器とする場合もあ
る。

【００２０】空気ノズルに旋回器を設けることができ
る。

【００２１】空気ノズル出口に空気の噴出方向を決める
ガイドを設けてもよい。

【００２２】これらの固体燃料バーナの燃焼方法におい
て、燃焼負荷が低い場合は、追加空気ノズルから供給す
る空気量を増やし、燃焼負荷が高い場合は、追加空気ノ
ズルから供給する空気量を減らす固体燃料バーナの燃焼
方法を採用することもできる。

【００２３】または、燃焼負荷が低い場合は、追加空気
ノズルから供給する空気量を増やし、空気ノズルから供
給する空気流量を減らし、燃焼負荷が高い場合は、追加
空気ノズルから供給する空気量を減らし、空気ノズルか
ら供給する空気流量を増やし、固体燃料バーナから供給
する空気量と燃料の割合を一定に保つ固体燃料バーナの
燃焼方法を採用する場合もある。

【００２４】燃料ノズルの出口断面において、中央部と
外周部で燃料濃度と酸素濃度がいずれも高い領域と、い
ずれも低い領域とに別れる固体燃料バーナの燃焼方法を
採用することができる。例えば、空気ノズルが、燃料ノ
ズルの外周にある場合は、燃料ノズルの出口断面におけ
る燃料濃度および酸素濃度の平均値に対して、燃料濃度
および酸素濃度がいずれも高い外周領域と、燃料濃度お
よび酸素濃度がいずれも低い中央領域とを形成すること
が望ましい。

【００２５】本発明は、また、上記いずれかの固体燃料
バーナを複数本備えた火炉と、燃料ホッパと、給炭機
と、給炭機の下流側の燃焼排ガス配管内で燃焼装置の上
部から抜き出した燃焼排ガスと混合した燃料を導入する
粉砕機と、粉砕機で粉砕された燃料を固体燃料バーナに
供給する燃料配管と、固体燃料バーナに空気を供給する
ブロアとを備えた燃焼装置を提案する。

【００２６】本発明は、さらに、上記いずれかの固体燃
料バーナを複数本備えた火炉と、燃料ホッパと、給炭機
と、給炭機の下流側の燃焼排ガス配管内で燃焼装置の上
部から抜き出した燃焼排ガスと混合した燃料を導入する
粉砕機と、粉砕機で粉砕された燃料を固体燃料バーナに
供給する燃料配管と、固体燃料バーナに空気を供給する
ブロアと、低負荷条件において固体燃料バーナ毎に形成
される火炎を監視する低負荷火炎検知器または温度計ま
たは放射強度計と、高負荷条件においては固体燃料バー
ナから離れた位置に形成される火炎を監視する高負荷火
炎検知器または温度計または放射強度計と、計測器から
の信号に基づき追加空気ノズルから噴出する空気量を制
御する制御手段とを備えた燃焼装置を提案する。

【００２７】燃焼装置を高い燃焼負荷で運用する場合
は、固体燃料バーナから離れた位置から固体燃料の火炎
を形成し、燃焼装置を低い燃焼負荷で運用する場合は、
固体燃料バーナの燃料ノズル出口直後から固体燃料の火
炎を形成する燃焼装置の運用方法を採用する。

【００２８】本発明は、上記いずれかの固体燃料バーナ
を複数本壁面に備えた火炉と、火炉壁および火炉内に設
置され火炉内での固体燃料の燃焼により生じた燃焼熱で
水を加熱し蒸気を発生させる熱交換器とを備えたボイラ
プラントを提案する。

【００２９】本発明の固体燃料バーナは、石炭や木材、
ピートなどの水分や揮発分の多い固体燃料を粉砕し、気
流搬送させて浮遊燃焼させる際に、燃料の搬送気体の酸
素濃度が２１％よりも低い場合に特に適した固体燃料バ
ーナである。

【００３０】本発明の固体燃料バーナは、固体燃料とそ
の搬送気体との混合流体を噴出する燃料ノズルと、空気
を噴出する少なくとも１つの空気ノズルと、燃料ノズル
内に混合流体の流れに対して略垂直に空気を噴出する追
加空気ノズルと、燃料ノズル内に流路を分割する分配器
とを有し、バーナ軸に対して垂直方向から見たときに追
加空気ノズルの出口は分配器と重なる位置にある固体燃
料バーナである。

【００３１】追加空気ノズル出口は、燃料ノズルの流路
の中央に配置しても、燃料ノズルの隔壁に配置してもよ
い。燃料粒子による磨耗防止の観点からは、燃料ノズル
の隔壁に配置することが望ましい。

【００３２】追加空気ノズルから噴出する追加空気噴流
を燃料噴流に対し略垂直に噴出させると、平行に噴出さ
せる場合よりも燃料粒子と追加空気噴流との速度差が大
きくなり、混合が進む。特に、燃料粒子は、気体に比べ
密度が大きいので、慣性力により追加空気噴流中に混合
する。

【００３３】本発明においては、バーナ軸に対して垂直
方向から見たときに追加空気ノズルの出口は分配器と重
なる位置にあるので、追加空気ノズルから噴出する追加
空気噴流は、分配器が障害となり、燃料ノズルのうち、
追加空気ノズルと分配器に挟まれた追加空気側流路のみ
に混合する。追加空気流路では、追加空気噴流が燃料噴
流に混合するので、燃料噴流の流れに対し流動抵抗が増
える。このため、追加空気の流量を増やすと、搬送気体
は、追加空気流路を避けて流れる。

【００３４】しかし、燃料粒子は、慣性力により気体よ
りも直進性が強いので、追加空気流路側を流れる。分配
器の追加空気流路側では、搬送気体の流量の減少に比
べ、燃料粒子の減少が少ない。

【００３５】その結果、搬送気体が追加空気噴流に置き
換わり、燃料粒子の周囲の酸素濃度は、搬送ガスの酸素
濃度よりも高くなる。燃料ノズルから噴出した後は、高
い酸素濃度により燃焼反応が進み、燃料ノズル出口に火
炎を安定に形成する。

【００３６】燃料ノズル出口から追加空気ノズルの出口
までの距離は、燃料ノズル内での火炎形成による逆火や
焼損を防ぐ意味から、燃料ノズル内での燃料の滞留時間
が、燃料の着火遅れ時間(約０.１秒)以下となることが
望ましい。通常、燃料搬送気体は、流速１２〜２０ｍ／
ｓで燃料ノズル内を流れるので、燃料ノズル出口から追
加空気ノズルの出口までの距離は、１ｍ以下となる。

【００３７】本発明の固体燃料バーナの燃料ノズルに、
バーナ上流側から順に燃料ノズルの断面積を一旦縮小し
た後、拡大する流路縮小部材を設けることが望ましい。
流路断面積を縮小すると、燃料ノズルを流れる燃料搬送
気体の流速が高まるので、瞬間的な流速低下により燃料
ノズル内に火炎が形成されたとしても、流路縮小部材よ
りも上流側への逆火を防止できる。

【００３８】なお、流路縮小部材は、燃料搬送気体の流
動抵抗を減らすため、ベンチュリのように、流路断面積
が滑らかに変化する形状が望ましい。

【００３９】さらに、燃料ノズルの内部に、バーナ上流
側から順に、燃料ノズルの流路断面積を減少させる部分
と増加させる部分とからなる濃縮器を設けると、燃料粒
子には、濃縮器に沿って外周方向に向かう速度成分が誘
起される。燃料粒子は、搬送気体よりも慣性力が大きい
ので、燃料ノズルの外側隔壁の内周に片寄って流れてノ
ズル出口に到達する。したがって、燃料ノズルの外側隔
壁の内周に濃縮された燃料噴流が生じる。

【００４０】そこで、バーナ軸に対して垂直方向から見
たときに追加空気ノズルの出口が分配器と重なる位置に
ある場合、燃料噴流に対して略垂直方向に追加空気ノズ
ルから空気を噴出し、分配器の追加空気側流路である燃
料ノズルの外側隔壁の内周に沿って酸素濃度を高くする
と、燃料ノズルの外側隔壁の内周に沿って、燃料濃度が
高く、かつ、酸素濃度が高い領域を形成できる。その結
果、燃料ノズルから噴出後、高い酸素濃度により燃焼反
応が進み、燃料ノズル出口に火炎を安定に形成できる。

【００４１】燃料ノズルの外側隔壁の内周に沿って流れ
る燃料粒子は、燃料ノズル出口付近で燃料ノズル外側の
空気ノズルから噴出する空気と混合する。また、後述の
保炎器の後流側にできる循環流の高温ガスと接触して着
火しやすくなる。

【００４２】このように、燃料ノズルの外側隔壁の内周
に追加空気ノズルを設け、バーナ中心軸に向かい追加空
気を噴出させ、燃料ノズル内に設けた分配器により分割
される流路のうち、外側流路を流れる燃料と搬送気体と
の混合流体の酸素濃度を高める方法がある。

【００４３】一方、燃料ノズルの内側隔壁の外周に追加
空気ノズルを設け、バーナ中心軸に対し外向きに追加空
気を噴出し、燃料ノズル内に設けた分配器により分割さ
れる流路のうち、内側流路を流れる燃料と搬送気体との
混合流体の酸素濃度を高める方法の場合も、上記と同様
の作用となる。

【００４４】燃料ノズルと空気ノズルとの隔壁先端部
に、燃料ノズルから噴出する固体燃料混合物や空気の流
れに対する障害物(保炎器)を設けることが望ましい。保
炎器の下流側では、圧力が低下し、下流から上流に向か
う循環流が形成される。循環流内には、燃料ノズルや空
気ノズルから噴出する燃料，燃料搬送気体，空気と、下
流からの高温ガスとが滞留する。その結果、循環流内が
高温となり、燃料噴流の着火源として作用する。したが
って、火炎は、燃料ノズル出口部分から安定に形成され
る。

【００４５】燃料ノズル出口に燃料噴流に対し障害とな
る向きに歯付き(toothed)保炎器を設けると、保炎器に
より燃料噴流の乱れが増加して空気と混合し、燃焼反応
が進み、燃料の着火が促進される。

【００４６】本発明の固体燃料バーナは、燃焼負荷に応
じて、追加空気ノズルから噴出する空気量を変えること
もできる。

【００４７】燃焼負荷が低い場合は、追加空気ノズルか
ら噴出する空気量を増やす。この場合は、追加空気ノズ
ルから噴出する空気により、分配器で隔てられた燃料ノ
ズル流路のうち、追加空気ノズルが設置された流路で
は、酸素濃度が高まる。その結果、燃料の燃焼反応が促
進され、燃料の着火が早まり、燃料ノズル近くから火炎
を形成できる。

【００４８】燃焼負荷が高い場合は、追加空気ノズルか
ら噴出する空気量を減らす。この場合は、搬送気体の酸
素濃度が低いので、燃料の燃焼反応が進まず、燃料の着
火が遅れ、燃料ノズルから離れた位置に火炎を形成でき
る。

【００４９】固体燃料バーナやその外側の火炉壁の温度
が高すぎると、燃焼灰が固体燃料バーナ構造物や火炉壁
に付着し、付着物が成長するスラッキングと呼ばれる現
象が現れる。

【００５０】本発明により火炎が固体燃料バーナから離
れると、固体燃料バーナやその外側の火炉壁の温度が低
下し、スラッキングを抑制できる。

【００５１】固体燃料バーナやその周囲の火炉壁に設け
た温度計，放射温度計，火炎検知器などからの信号に基
づき、追加空気ノズルから噴出する空気量を変更する
と、固体燃料バーナの火炎の形成位置を制御できる。

【００５２】これまでは、固体燃料の燃焼灰の融点が低
く、スラッキングが生じやすい場合の対策を述べた。固
体燃料の燃焼灰の融点が高い場合、または、火炉の熱負
荷が低くスラッキングが問題にならない場合は、燃料ノ
ズル出口から固体燃料バーナの火炎を形成してもよい。

【００５３】一方、燃焼負荷が低い場合は、固体燃料バ
ーナの燃料ノズルおよび追加空気ノズルからそれぞれ供
給される空気量の合計と燃料中の揮発分を完全燃焼させ
るのに必要な空気量との比、すなわち、揮発分に対する
空気比を０.８５〜０.９５となるように空気量を調整す
ることが望ましい。

【００５４】燃焼負荷が低い場合は、安定燃焼が難し
い。そこで、揮発分に対する空気比を０.８５〜０.９５
とすると、火炎温度が高くなり、安定燃焼を維持しやす
くなる。空気量を変えると、火炉内での火炎の形成位置
を変えて、固体燃料バーナや火炉壁への火炎からの放射
(輻射)熱量を調整できる。

【００５５】高負荷条件においては、火炉内の熱負荷が
高いので、火炎を固体燃料バーナから離れた位置に形成
させることが望ましい。

【００５６】本発明の固体燃料バーナの燃焼方法による
と、燃焼装置の高負荷条件においては、固体燃焼バーナ
から離れた位置で燃料が着火し、火炎は、火炉中央部分
に形成される。高負荷条件で火炎を監視するには、固体
燃料バーナの火炎が集まる火炉の中央部分の火炎を監視
することが望ましい。

【００５７】低負荷条件においては、火炉内の熱負荷が
低いので、火炎を固体燃料バーナに近づけても、固体燃
料バーナやその周囲の火炉壁の温度は、高負荷条件の場
合よりも低く、スラッキングは、生じにくい。

【００５８】燃焼装置の低負荷条件においては、固体燃
料バーナ近くで燃料が着火して火炎を形成する。このと
き、個別の固体燃料バーナ毎に火炎が形成され、火炉内
で火炎がそれぞれ分かれて形成される場合もある。ま
た、火炉内の温度が高負荷条件の場合と比べて低いの
で、燃料の燃えきりにかかる時間が長くなる。したがっ
て、固体燃料バーナから火炎が離れると、燃料が火炉出
口に到達する前に燃え切ることができず、燃焼効率の低
下や未燃焼分の増大の恐れがある。そこで、低負荷条件
においては、個別の固体燃料バーナ出口に形成される個
々の火炎を監視することが望ましい。

【００５９】本発明の固体燃料バーナでは、燃料ノズル
の外側に空気ノズル(外側空気ノズル)を設け、外側空気
ノズルの出口に空気の噴出方向を決めるガイドを設け、
外側空気をバーナ中心軸から広げて噴出させることがで
きる。このような構造の場合、燃料は、外側空気に沿っ
て広がるので、燃料ノズルから噴出後の燃料の速度が下
がり、固体燃料バーナ近くでの滞留時間が増える。その
結果、火炉内での燃料の滞留時間が増えて、燃焼効率が
上がり、未燃焼分の排出が減る。

【００６０】また、最外側空気ノズルからの噴流を誘導
するガイドを調節し、外側空気噴流が固体燃料バーナや
その外側の火炉壁に沿うような角度とすると、外側空気
は、固体燃料バーナやその外側の火炉壁を冷却でき、ス
ラッキングを抑制できる。

【００６１】本発明の固体燃料バーナを複数本火炉壁面
に設けた燃焼装置としては、石炭焚きボイラ，ピート焚
きボイラ，バイオマス(木材)焚きボイラなどがある。

【００６２】本発明の固体燃料バーナまたは固体燃料バ
ーナの外側の火炉壁面に温度計または放射温度計を設置
し、これらの計測器の信号に基づき、固体燃料バーナの
追加空気ノズルから噴出する空気量を変えるように燃焼
装置を運用すると、燃焼負荷変化に応じて火炎が適正な
位置に形成されるように制御できる。

【００６３】火炎が適正な位置に形成されているかどう
かの目安は、例えば次のように決める。燃焼装置が低負
荷の場合には、火炉内の火炎の先端が燃料ノズル出口外
側の火炉壁面付近から形成され、燃焼装置が高負荷の場
合には、燃料ノズル出口から０.５ｍ以上離れた火炉内
で火炎が形成されるように燃焼装置を運用する。

【００６４】燃焼装置を高負荷で運用する場合は、本発
明の固体燃料バーナの火炎が集まる火炉内の中央部分ま
たはその近傍の火炎を火炎検出器または目視で監視し、
燃焼装置を低負荷で運用する場合は、本発明の固体燃料
バーナ出口に形成される個々の火炎を監視して燃焼装置
を適正に運用する。

【００６５】

【発明の実施の形態】次に、図１ないし図１１を参照し
て、本発明による固体燃料バーナ，固体燃料バーナの燃
焼方法，固体燃料バーナを備えた燃焼装置，燃焼装置の
運用方法の実施形態を説明する。

【００６６】

【実施形態１】図１は、本発明による固体燃料バーナの
実施形態１の構造を示す断面図であり、実施形態１の固
体燃料バーナを低負荷条件で使用する場合に、固体燃料
バーナの火炎２０を保炎器２３の下流側の循環流１９近
くから形成させた状態を示す図である。図２は、実施形
態１の固体燃料バーナを火炉４１の内側から見た概略構
造を示す図である。

【００６７】本実施形態１の固体燃料バーナは、中心部
に助燃用のオイルガン２４を備え、助燃用のオイルガン
２４の周囲に燃料とその搬送気体との混合流体を噴出す
る燃料ノズル１１を備えている。ノズル出口が燃料ノズ
ル１１の外側隔壁２２から固体燃料バーナ中心軸に向か
う方向に複数本の追加空気ノズル１２を配置してある。

【００６８】燃料ノズル１１の中心部を貫通して設けら
れた助燃用のオイルガン２４は、固体燃料バーナの起動
時に燃料着火用に使用する。

【００６９】燃料ノズル１１内には、上流側から流路縮
小部材(ベンチュリ)３２，障害物(濃縮器)３３，分配器
３５を設置してある。また、追加空気ノズル１２は、燃
料ノズル１１の外側隔壁２２に噴出する空気が燃料ノズ
ル１１を流れる混合流体と略垂直となる向きに設けられ
る。したがって、バーナ軸に対して垂直方向から見たと
きに追加空気ノズル１２の出口は、分配器３５と重なる
位置にある。

【００７０】燃料ノズル１１の外側には、燃料ノズル１
１と同心円状の空気噴出用の外側空気ノズル(二次空気
ノズル１３，三次空気ノズル１４など)がある。

【００７１】燃料ノズル１１外側の先端部すなわち火炉
出口側には、保炎器２３と呼ばれる障害物が設けられて
いる。保炎器２３は、燃料ノズル１１から噴出する燃料
とその搬送気体とからなる燃料噴流１６や二次空気ノズ
ル１３を流れる二次空気の流れ１７に対して、障害物と
して働く。したがって、保炎器２３の下流側(火炉４１
側)の圧力が低下し、この部分には、燃料噴流１６や二
次空気の流れ１７とは、逆方向の流れが誘起される。こ
の逆方向の流れを循環流１９と呼ぶ。

【００７２】循環流１９内には、下流から燃料の燃焼で
生じた高温ガスが流れ込み、滞留する。この高温ガスと
燃料噴流１６中の燃料とが、固体燃料バーナ出口で混合
し、さらに火炉４１内からの輻射熱により燃料粒子の温
度が上昇して、着火する。

【００７３】二次空気ノズル１３と三次空気ノズル１４
とは、隔壁２９で隔てられ、隔壁２９の先端部分は、燃
料噴流１６に対して三次空気の流れ１８が角度を持つよ
うに噴出させるガイド２５を形成してある。外周空気ノ
ズル(二次空気ノズル１３，三次空気ノズル１４など)の
流路出口に空気の噴出方向をバーナ中心軸から離れる方
向に誘導するガイド２５を設けると、保炎器２３ととも
に、循環流１９を形成するのに役立つ。

【００７４】二次空気ノズル１３および三次空気ノズル
１４から噴出する空気に旋回力を与えるために、二次空
気ノズル１３，三次空気ノズル１４に、旋回器２７，２
８を設ける。

【００７５】火炉壁を構成するバーナスロート３０は、
三次空気ノズルの外周壁を兼ねる。火炉壁には、水管３
１が設けられている。

【００７６】本実施形態１では、燃料の搬送気体に燃焼
排ガスを利用し、燃料ノズル１１を流れる燃料噴流１６
中の酸素濃度を低くする。このような燃焼方法を適用す
る事例として、褐炭や亜炭に代表される石炭化度の低い
石炭，ピート，木材の燃焼がある。

【００７７】これらの燃料は、瀝青炭や無煙炭などの石
炭化度の高い石炭と比べて、発熱量が低く、一般に粉砕
性が悪い。また、燃焼灰の溶融温度が低い。さらに、揮
発分が多いので、空気雰囲気では、貯蔵，粉砕，搬送過
程において自然発火しやすく、瀝青炭などと比べて、扱
いにくい。自然発火を防止するために、褐炭や亜炭など
を微粉砕して燃焼させる場合は、燃料の搬送気体とし
て、燃焼排ガスと空気との混合気体が使われる。燃焼排
ガスは、酸素濃度を低下させ、燃料の酸化反応(燃焼)を
抑制し、自然発火を防ぐ。また、燃焼排ガスの保有熱を
燃料中の水分の乾燥に利用できる。

【００７８】低酸素濃度の搬送気体で搬送された燃料
は、固体燃料バーナから噴出する際の酸化反応が、燃料
周囲の酸素濃度により制限される。このため、空気で搬
送した場合と比べて、燃焼速度が低い。通常、燃料は、
空気ノズルから噴出した空気と混合後に酸化反応が活発
となるので、燃焼は、空気との混合速度で制限される。
したがって、燃料の燃焼量の少ない固体燃料バーナの低
負荷条件で、褐炭や亜炭などの燃料を燃焼させると、瀝
青炭の燃焼の場合よりも火炎２０の吹き飛びや失火が生
じやすい。また、燃料の燃え切り時間は、空気で搬送す
る場合と比べて長くなり、火炉４１の出口における未燃
焼分が増える。さらに、緩慢に燃焼するから、火炎温度
は低い。その結果、約１０００℃以上の高温還元雰囲気
で窒素酸化物ＮＯｘの窒素への還元反応を利用しにくい
ため、火炉出口におけるＮＯｘは、燃料を空気搬送する
場合と比べて高い。

【００７９】本実施形態１では、燃料ノズル１１内に燃
料噴流に対して略垂直に空気を噴出する追加空気ノズル
１２を備えている。追加空気ノズル１２から噴出する追
加空気噴流２１を燃料噴流に対し略直角に噴出させる
と、燃料粒子と空気との速度差が、平行に噴出する場合
よりも大きくなり、混合が進む。特に、燃料粒子は、気
体と比べて密度が高いので、慣性力により追加空気噴流
中に混合する。

【００８０】さらに、本実施形態１では、バーナ軸に対
して垂直方向から見たときに追加空気ノズル１２の出口
が、分配器３５と重なる位置にある。このため、追加空
気噴流２１は、分配器３５により噴出方向を妨げられ、
分配器３５の内側流路３６には、広がらず、外側流路３
７を流れる。

【００８１】分配器３５の外側流路３７は、追加空気噴
流２１が混合するので、内側流路３６と比べて、流動抵
抗が大きい。追加空気量を増やすと、分配器３５の外側
流路３７を流れる搬送気体が減る。一方、燃料粒子は、
慣性力が気体と比べて大きいことから、流動抵抗に関わ
らず外側流路３７に流入するため、燃料粒子量は、ほと
んど変わらない。

【００８２】したがって、追加空気量を増やすと、燃料
粒子とともに外側流路３７に入る搬送気体が減る。搬送
気体が、追加空気に置き換わるので、搬送気体と追加空
気とが単純に混合する場合と比べて、酸素濃度の希釈が
少なく、酸素濃度が高くなる。また、分配器３５は、追
加空気と搬送気体との混合時に発生する乱れにより燃料
粒子が分散することを抑制できる。このため、分配器３
５の外側流路３７側は、酸素濃度が高く、かつ、燃料濃
度が高くなる。

【００８３】本実施形態１によれば、燃料ノズル１１か
ら噴出後、高い酸素濃度と燃料濃度とにより燃焼反応が
進みやすく、燃料ノズル出口で火炎２０が安定に形成さ
れる。

【００８４】追加空気ノズル１２の出口から燃料ノズル
１１の出口までの距離は、燃料ノズル１１内での燃料の
着火による燃料ノズル１１の焼損や逆火を防ぐために、
燃料ノズル１１内での追加空気の流れ２１との混合後の
燃料の滞留時間が、燃料の着火遅れ時間よりも短くする
ことが望ましい。通常は、微粉炭などよりも着火遅れ時
間の短いガス燃料の着火遅れ時間(約０.１秒)を目安に
する。燃料搬送気体は、流速１２〜２０ｍ／ｓで燃料ノ
ズル内を流れるので、追加空気ノズル１２の出口から燃
料ノズル１１の出口までの距離は、１ｍ以下となる。

【００８５】さらに、本実施形態１では、燃料ノズル１
１内に設けられた流路を縮小する流路縮小部材(ベンチ
ュリ)３２が、燃料ノズル１１の上流側の外側隔壁２２
に設けられている。燃料ノズル１１内に流路を一旦縮小
した後に拡大するための障害物(濃縮器)３３が、燃料ノ
ズル中心部のオイルガン２４の外側部に設けられてい
る。障害物３３は、流路縮小部材３２よりもバーナ下流
側(火炉４１側)に設けられている。

【００８６】ベンチュリ３２は、燃料搬送気体および燃
料粒子に燃料ノズル中心方向の速度成分を誘起させる。
さらに、濃縮器３３をベンチュリ３２よりも下流側に設
けると、燃料搬送気体と燃料粒子は、燃料ノズルの外側
隔壁２２方向への速度成分を誘起される。燃料粒子は、
燃料搬送気体と比べて、慣性力が大きいので、燃料搬送
気体の流れに追随できない。このため、燃料粒子は、流
路の変更方向と反対側壁面近くに高濃度の領域を形成す
る。ベンチュリ３２と濃縮器３３とにより燃料ノズルの
外側隔壁２２方向への速度成分を誘起されることで、分
配器３４の外側流路３７の燃料が、燃料ノズル１１の外
側隔壁２２に沿って流れる。

【００８７】追加空気ノズル１２から噴出する空気は、
分配器３５の外側流路３７に噴出するので、燃料濃度が
高く、かつ、酸素濃度の高い領域が、燃料ノズル１１の
外側隔壁２２の内側壁面に片寄って形成される。その結
果、燃料ノズル１１から噴出した燃料粒子は、高い燃料
濃度と酸素濃度とにより燃焼反応が進みやすく、火炎２
０が燃料ノズル出口に安定に形成される。

【００８８】このとき、燃料ノズル１１の外側隔壁２２
の内側壁面を流れる燃料噴流は、燃料ノズル１１の出口
付近で外側空気ノズルから噴出する空気と混合しやす
い。さらに、保炎器２３の後流側にできる循環流の高温
ガスと混合すると、燃料粒子の温度が上がり、着火しや
すくなる。その結果、火炎２０が、燃料ノズル出口に安
定に形成される。

【００８９】このように、追加空気ノズル１２から燃料
ノズル１１内を流れる燃料噴流に対して、略垂直に空気
を噴出させ、かつ、燃料ノズル１１内に分配器３５を設
け、バーナ軸に対して垂直方向から見たときに追加空気
ノズル１２の出口が、分配器３５と重なる位置にあるよ
うに設置すると、燃料ノズル１１の外側隔壁２２近傍の
酸素濃度が高くなる。燃料粒子と空気との混合が進み、
火炎２０が、燃料ノズル１１の出口に安定に形成され
る。したがって、従来よりも低い負荷で安定に燃焼を継
続できる。

【００９０】図１では、燃料ノズル１１中の障害物３３
の直径よりも、分配器３５の上流側先端における直径の
方が小さい。すなわち、障害物３３により縮小された流
路断面積よりも、分配器３５により分割される燃料ノズ
ル流路のうち、分配器３５の上流側先端部における外側
流路３７の流路断面積の方が大きい。このような燃料ノ
ズル構造とすると、燃料ノズル１１の上流側から燃料の
噴出方向を見た場合、分配器３５の上流側先端部分が障
害物３３に隠れる。このため、燃料粒子は、慣性力によ
り分配器３５の外側流路３７に入りやすくなる。

【００９１】分配器３５の上流側先端に衝突し、流れを
乱す燃料粒子が減るため、燃料ノズル１１の外周側流路
の燃料濃度が高くなる。また、分配器３５の磨耗を抑制
できる。

【００９２】高い熱負荷で褐炭や亜炭を燃焼させる場
合、空気と燃料との混合が良い条件においては、燃料に
含まれる揮発分が多いので、固体燃料バーナの近くで燃
える燃料量が多くなり、熱負荷が局所的に高くなる。こ
のとき、火炎２０からの輻射熱により、バーナ構造物や
火炉壁が高温となる。

【００９３】燃焼灰の溶融温度が低い場合、燃焼灰が付
着して溶融し、スラッキングが生じる恐れがある。スラ
ッキングにより付着した燃焼灰が成長すると、固体燃料
バーナの流路の閉塞や、火炉壁の熱吸収バランスの不安
定化を招く恐れがある。最悪の場合、燃焼装置を停止さ
せる必要が生じる場合がある。特に、褐炭や亜炭は、燃
焼灰の溶融温度が瀝青炭と比べて低いので、スラッキン
グが生じやすい。

【００９４】本実施形態１では、固体燃料バーナの負荷
に応じて火炎２０の形成位置を変え、高負荷で生じやす
いスラッキングによる不具合を解決する。すなわち、高
負荷条件においては、固体燃料バーナから離れた位置に
火炎２０を形成させ、低負荷条件においては、燃料ノズ
ル１１の出口近くから火炎２０を形成させる。低負荷条
件においては、火炎２０を火炉壁や固体燃料バーナに近
づけても、固体燃料バーナから投入される燃料量が定格
負荷と比べて、十分に低いので、火炉４１内の熱負荷が
低く、固体燃料バーナやその周囲の火炉壁の温度は、高
負荷条件の場合よりも低くなる。したがって、スラッキ
ングが生じない。

【００９５】本実施形態１では、低負荷条件において
は、火炎２０を燃料ノズル１１の出口近くから形成さ
せ、保炎器２３およびガイド２５の下流側に形成される
循環流１９に高温ガスを滞留させる。さらに、追加空気
ノズル１２の流量調節弁３４を開けて空気を供給し、保
炎器２３近くの燃料噴流１６中の酸素濃度を高める。そ
の結果、酸素濃度が低い場合と比べて、燃焼速度が早く
なるので、燃料粒子の着火が早まり、燃料ノズル１１近
くから火炎２０を形成できる。

【００９６】高負荷条件においては、固体燃料バーナか
ら離れた位置に火炎２０を形成させ、固体燃料バーナ近
くの熱負荷を低減させる。本実施形態１では、追加空気
ノズル１２の流量調節弁３４を閉めて低負荷条件の場合
と比べて、空気供給量を低減させる。このとき、保炎器
２３近くでの燃料噴流１６中の酸素濃度は、低負荷条件
のときよりも低くなり、燃焼速度も遅くなる。その結
果、保炎器２３の下流側にできる循環流１９の温度が低
くなり、固体燃料バーナ構造物が受ける輻射熱量を低減
し、スラッキングを抑制できる。

【００９７】図３は、実施形態１の固体燃料バーナを高
負荷条件で使用する場合に、固体燃料バーナの火炎２０
を保炎器２３の下流側の循環流１９から離して形成させ
た状態を示す図である。

【００９８】図４は、実施形態１の固体燃料バーナ４２
を用いた火炉の構造を示す水平断面図である。固体燃料
バーナ４２を図３に示すように高負荷条件で使用する場
合、失火の危険を低減するため、火炎２０は、火炎２０
同士を火炉４１内で混合し、安定燃焼させることが望ま
しい。

【００９９】図４では、固体燃料バーナ４２が、火炉壁
の四隅に設置される構造を示している。固体燃料バーナ
４２が、燃焼装置の対向する面に設置される対向燃焼方
式の場合も同じである。

【０１００】本実施形態１では、固体燃料の燃焼灰の融
点が低く、スラッキングを生じやすい場合の対策を述べ
た。固体燃料の燃焼灰の融点が高い、または、火炉の熱
負荷が低くスラッキングが問題にならない場合は、図１
に示すように、燃料ノズル出口から固体燃料バーナの火
炎を形成してもよい。

【０１０１】燃焼により発生する窒素酸化物ＮＯｘを低
減するには、燃料ノズル１１および追加空気ノズル１２
から供給される空気量の合計と燃料中の揮発分を完全燃
焼させるのに必要な空気量との比、すなわち、揮発分に
対する空気比を０.８５〜０.９５となるように、空気量
を調整することが望ましい。

【０１０２】燃料の大部分は、燃料ノズル１１内に含ま
れる上記ノズルから供給される空気と混合して燃焼し
(第一段階)、その後、二次空気の流れ１７や三次空気の
流れ１８が混合して燃焼する(第二段階)。さらに、固体
燃料バーナよりも下流側の火炉４１内に空気を供給する
アフタエアポート４９(図９参照)が設置されている場
合、燃料は、このアフタエアポート４９から供給される
空気と混合し、完全燃焼する(第三段階)。燃料中の揮発
分は、固定炭素と比べて、燃焼速度が速いので、上記第
一段階で燃焼する。

【０１０３】揮発分に対する空気比を０.８５〜０.９５
とすると、酸素不足であるが、燃料の燃焼は、促進さ
れ、高い火炎温度で燃焼できる。第一段階での燃焼で、
燃料は、酸素が不足する還元燃焼となり、燃料中の窒素
や空気中の窒素から生じる窒素酸化物ＮＯｘを無害な窒
素に転換し、火炉４１から排出されるＮＯｘ量を低減で
きる。燃料は、高温で反応するから、第二段階の反応が
促進され、未燃焼分を低減できる。

【０１０４】本実施形態１の固体燃料バーナは、火炉４
１内から見た図２に示すように、円柱状の燃料ノズル１
１，二次空気ノズル１３，三次空気ノズル１４が、同心
円状に配置された円形状である。

【０１０５】図５は、固体燃料バーナのノズル部の別な
例を示す図である。燃料ノズル１１が角型の場合や、濃
縮器３３が角型の場合、または、二次空気ノズル１３，
三次空気ノズル１４などの外側空気ノズルの少なくとも
一部が、燃料ノズル１１を挟むように設置された空気ノ
ズル構造としてもよい。外側空気を１つのノズルから供
給する場合や、三つ以上に分割したノズル構造としても
よい。

【０１０６】図６は、本発明による固体燃料バーナの更
に別な例を示す断面図である。本例では、固体燃料バー
ナの燃料ノズル１１内に内側空気ノズル３８を設け、風
箱２６と配管で接続されている。固体燃料バーナに供給
される空気の一部を内側空気ノズル３８から噴出する。

【０１０７】空気を燃料ノズル内から混合すると、外側
空気ノズル１３，１４のみから混合する場合に比べて、
燃料と空気との混合が早まる。また、内側空気ノズル３
８から多量の空気を噴出すると、側を流れる燃料噴流１
６の流速が早まり、燃料の着火位置を固体燃料バーナか
ら離すことができる。このため、高負荷条件において固
体燃料バーナから離れた位置に火炎を形成する場合、追
加空気ノズル１２から噴出する空気流量を減らし、内側
空気ノズル３８から噴出する空気流量を増やすことで対
応できる。

【０１０８】また、図６に示す固体燃料バーナの分配器
３５は、上流側がテーパ状になっている。テーパ状にす
ると、分配器３５で隔てられた内側流路３６と外側流路
３７とを流れる燃料噴流１６の割合を変えられる。

【０１０９】図６に示す固体燃料バーナの場合、分配器
３５の外側流路３７では、流路断面積がテーパ形状によ
り広がるため、流速が低下し、追加空気ノズル１２から
噴出した追加空気２１が、分配器３５に到達しやすくな
る。また、燃料ノズル１１出口外周部での燃料とその搬
送気体との流れ１６の流速が下がるので、燃料粒子が固
体燃料バーナ近くで着火しやすくなる。このため、火炎
２０を固体燃料バーナの近くから形成しやすくなる。

【０１１０】図７は、別な構造の保炎器を採用した固体
燃料バーナを火炉側から見た概略構造を示す図である。
本実施形態では、図７に示すように、燃料ノズル１１の
出口に板形状のエッジを突き出した歯付き(toothed)保
炎器５４を設けてもよい。燃料は、歯付き(toothed)保
炎器５４を回りこんで着火しやすくなる。すなわち、歯
付き(toothed)保炎器５４の下流側で着火する。

【０１１１】

【実施形態２】図８は、濃縮器を持たない固体燃料バー
ナの実施形態２の構造を示す断面図であり、低負荷条件
にある固体燃料バーナから噴出される燃料が燃焼装置で
燃焼している状態を示す図である。実施形態１では、燃
料ノズル１１内に濃縮器３３を設けた。これに対して、
本実施形態２のように、濃縮器３３を持たない場合で
も、燃料ノズル１１内を流れる燃料噴流に略垂直に追加
空気ノズルから空気を噴出すると、燃料粒子と空気との
速度差が、平行に噴出する場合よりも大きくなり、実施
形態１と同様に、燃料粒子と空気との混合が進む。

【０１１２】さらに、追加空気ノズル１２と分配器３５
とが、燃料ノズル１１から噴出する混合流体の噴出方向
の垂直方向に重なる位置に配置されている。したがっ
て、追加空気噴流２１は、分配器３５により噴出方向を
妨げられ、分配器３４の内側流路３６には広がらず、外
側流路３７を流れる。

【０１１３】分配器３５の外側流路３７は、追加空気噴
流２１が混合するので、内側流路３６と比べて、流動抵
抗が大きい。追加空気量を増やすと、分配器３５の外側
流路３７を流れる搬送気体が減る。一方、燃料粒子は、
慣性力が気体と比べて大きいから、流動抵抗に関わらず
外側流路３７に流入するため、燃料粒子量は、ほとんど
変わらない。

【０１１４】したがって、追加空気量を増やすと、燃料
粒子とともに外側流路３７に入る搬送気体が減り、搬送
気体が追加空気に置き換わり、追加空気が搬送気体に平
行に流れる場合と比べて、酸素濃度の搬送気体による希
釈が少なく、酸素濃度が高くなる。また、分配器３５
は、追加空気と搬送気体との混合時に発生する乱れによ
り燃料粒子が分散することを抑制できる。その結果、実
施形態１と同様に、追加空気が搬送気体に平行に流れる
場合と比べて、分配器３５の外側流路３７側は、酸素濃
度が高く、かつ、搬送気体が内側流路３６を多く流れる
ので、外側流路３７は、搬送気体に対する燃料濃度が高
くなる。

【０１１５】

【実施形態３】図９は、本発明による固体燃料バーナの
実施形態３の構造を示す断面図であり、低負荷条件にあ
る固体燃料バーナから噴出される燃料が燃焼装置で燃焼
している状態を示す図である。本実施形態３と実施形態
１との主な違いは、燃料ノズル１１が角型であり、燃料
ノズル１１の隣に空気ノズル１３を有する点である。

【０１１６】燃料ノズル１１内は、上流側から障害物
(濃縮器)３３と分配器３５とで構成され、障害物３３
は、燃料ノズル１１の空気ノズル１３とは、反対側の隔
壁に位置する。追加空気ノズル１２は、燃料ノズル１１
の外側隔壁２２に噴出する空気が、燃料ノズル１１を流
れる混合流体と略垂直となる向きに設けられる。このと
き、追加空気ノズル１２の出口は、バーナ軸に対して分
配器３５と重なる位置にある。

【０１１７】燃料ノズル１１と空気ノズル１３とを隔て
る隔壁２２の先端部すなわち火炉出口側には、保炎器２
３と呼ばれる障害物が設けられている。保炎器２３は、
燃料ノズル１１から噴出する燃料とその搬送気体とから
なる燃料噴流１６や空気ノズル１３を流れる空気の流れ
１７に対して障害物として働く。したがって、保炎器２
３の下流側(火炉４１側)の圧力が低下し、この部分に
は、燃料噴流１６や空気の流れ１７とは、逆方向の流れ
が誘起される。この逆方向の流れを循環流１９と呼ぶ。

【０１１８】火炎２０は、空気ノズル１３から噴出する
空気と燃料粒子が、混合しやすい燃料ノズル１１と空気
ノズル１２を隔てる隔壁２２の下流から形成しやすい。
この隔壁２２の下流に保炎器２３を設けることで、火炉
４１内から高温の燃焼ガスが、循環流１９に滞留する。
この高温ガスと燃料噴流１６中の燃料とが、固体燃料バ
ーナ出口で混合し、さらに火炉４１内からの輻射熱によ
り燃料粒子の温度が上昇して、着火する。

【０１１９】保炎器２３の空気ノズル１３側は、空気の
流れ１７が、燃料噴流１６に対して角度を持つように噴
出させるガイド２５を形成してある。ガイド２５を設け
ると、空気の噴出方向をバーナ中心軸から離れる方向に
誘導されるので、保炎器２３の下流側の圧力が低下し、
循環流１９を形成するのに役立つ。

【０１２０】本実施形態３では、燃料ノズル１１内に燃
料噴流に対して略垂直に空気を噴出する追加空気ノズル
１２を備えている。追加空気ノズル１２から噴出する追
加空気噴流２１を燃料噴流に対し略直角に噴出させる
と、燃料粒子と空気との速度差が、平行に噴出する場合
よりも大きくなり、混合が進む。特に、燃料粒子は、気
体に比べ、密度が大きいため、慣性力により追加空気噴
流中に混合する。

【０１２１】さらに、本実施形態３では、追加空気ノズ
ル１２の出口が、バーナ軸に対して分配器３５と重なる
位置にある。追加空気噴流２１は、分配器３５により噴
出方向を妨げられ、分配器３５の空気ノズル側流路３７
を流れる。

【０１２２】分配器３５の空気ノズル側流路３７は、追
加空気噴流２１が混合するので、反対側の流路３６と比
べて、流動抵抗が大きい。追加空気量を増やすと、空気
ノズル側流路３７を流れる搬送気体が減る。一方、燃料
粒子は、慣性力が気体と比べて、大きいことから流動抵
抗に関わらず外側流路３７に流入するので、燃料粒子量
は、ほとんど変わらない。

【０１２３】したがって、追加空気量を増やすと、燃料
粒子とともに空気ノズル側流路３７に入る搬送気体が減
る。搬送気体が追加空気に置き換わるので、搬送気体と
追加空気とが単純に混合する場合と比べて、酸素濃度の
希釈が少なく、酸素濃度が高くなる。また、分配器３５
は、追加空気と搬送気体との混合時に発生する乱れによ
り燃料粒子が分散することを抑制できる。その結果、分
配器３５の空気ノズル側流路３７では、酸素濃度が高く
なる。

【０１２４】また、障害物(濃縮器)３３により燃料搬送
気体と燃料粒子とは、燃料ノズルの外側隔壁２２方向へ
の速度成分を誘起される。燃料粒子は、燃料搬送気体と
比べて、慣性力が大きいため、燃料粒子は、分配器３５
の空気ノズル側流路３７に沿って流れ、この領域の燃料
濃度が高くなる。

【０１２５】

【実施形態４】図１０は、本発明の固体燃料バーナを用
いた燃焼装置の概略図であり、図１１は、図１０の火炉
の水平断面図である。

【０１２６】本実施形態４では、燃焼装置(火炉)４１の
上下方向に二段、水平方向に火炉４１の四隅から中央に
向かって固体燃料バーナ４２を設置してある。燃料は、
燃料ホッパ４３から給炭機４４を通して粉砕機４５に供
給される。燃料は、粉砕機４５で粉砕された後、燃料配
管を通じてバーナ４２に供給される。このとき、火炉４
１の上部から抜き出した燃焼排ガスの一部を給炭機４４
の下流側の燃焼排ガス配管５５内で燃料と混合して粉砕
機４５に導入している。

【０１２７】燃料を高温の燃焼ガスと混合すると、燃料
中に含まれる水分が蒸発する。また、酸素濃度が低下す
るので、粉砕機４５で粉砕の際に高温となっても、自然
着火や爆発を抑制できる。褐炭の場合、搬送気体の酸素
濃度は、６〜１５％程度のことが多い。固体燃料バーナ
４２とその下流側に設けたアフタエアポート４９には、
ブロア４６から空気を供給する。

【０１２８】本実施形態４では、固体燃料バーナ４２か
ら燃料の完全燃焼に必要な空気量よりも少ない空気を投
入し、アフタエアポート４９から残りの空気を供給する
二段燃焼方式を用いる。

【０１２９】なお、本発明は、アフタエアポートを設け
ずに、固体燃料バーナ４２から必要な空気をすべて投入
する単段燃焼方式にも適用できる。

【０１３０】本実施形態４では、粉砕機４５と固体燃料
バーナ４２の間に一時的な燃料貯蔵部を持たない。

【０１３１】

【実施形態５】図１２は、本発明による固体燃料バーナ
を用いた燃焼装置の別の例の概略構造を示す図である。
本発明は、図１２に示すように、粉砕機４５と固体燃料
バーナ４２との間に、燃料ホッパ５７を持ち、粉砕機４
５から燃料ホッパ５７までの配管５５を流れる搬送気体
と、燃料ホッパ５７から固体燃料バーナ４２までの燃料
配管５６を流れる搬送気体とを違う気体とする燃料供給
方式にも適用できる。

【０１３２】図１２に示す燃料供給方式では、配管５５
内で燃料粒子の水分蒸発により熱容量の大きくなった搬
送気体を燃料ホッパ部で分離し、火炉４１の固体燃料バ
ーナ４２よりも下流側で火炉４１内に投入している。

【０１３３】このように搬送気体を分離すると、固体燃
料バーナ４２に供給される搬送気体に含まれる水分が減
るので、固体燃料バーナ４２で形成される火炎２０の火
炎温度が上がり、窒素酸化物や未燃焼分の量が低下す
る。

【０１３４】高い燃焼負荷で固体燃料を燃焼させる場
合、燃焼灰が固体燃料バーナ構造物や火炉壁に付着し、
付着物が成長するスラッキングと呼ばれる現象が、現れ
ることがある。スラッキングの可能性が高い場合、燃焼
負荷により固体燃料バーナ４２の燃焼方式を変更する
と、スラッキングを抑制できる。

【０１３５】すなわち、高負荷条件においては、固体燃
料バーナ４２から離れた位置に火炎２０を形成させる
と、固体燃料バーナ４２近くの熱負荷を低減させる。ま
た、低負荷条件においては、燃料ノズル１１出口から火
炎２０を形成する。このような燃焼方式において、燃焼
装置を安全に運用するには、火炎の監視が必要となる。

【０１３６】本発明では、燃焼方式が負荷に伴って変わ
るので、監視方式も変更する方が望ましい。すなわち、
低負荷条件において、固体燃料バーナ４２毎に形成され
る火炎を監視するには、火炎検知器４７を個々の固体燃
料バーナ４２に設置する必要がある。一方、高負荷条件
において、固体燃料バーナ４２から離した位置に火炎を
形成するには、火炉中心部を監視する火炎検知器４８を
設置する必要がある。それぞれの負荷と燃焼方法とに応
じて、火炎検知器４７，４８の信号を選択し、火炎を監
視する。

【０１３７】さらに、高負荷条件における固体燃料バー
ナ構造物および火炉４１壁へのスラッキングを低減する
ために、図示していない温度計や輻射量測定器を火炉４
１壁面や固体燃料バーナ４２に設置し、その信号に基づ
いて追加空気流量を調整することも可能である。

【０１３８】

【発明の効果】本発明によれば、褐炭や亜炭などの石炭
化度の低い石炭など燃焼性が比較的劣る固体燃料であっ
ても、追加空気ノズル出口から燃料ノズル出口までの距
離を変えずに、高負荷条件から低負荷条件まで、広範囲
にわたって、燃料ノズル内での燃料粒子と空気との混合
を促進し安定燃焼させしかも燃焼灰に起因するスラッキ
ングを防止する手段を備えた固体燃料バーナが得られ
る。

【０１３９】また、燃料粒子と空気との混合を促進し安
定燃焼させしかも燃焼灰に起因するスラッキングを防止
する手段を備えた固体燃料バーナの燃焼方法，固体燃料
バーナを備えた燃焼装置，燃焼装置の運用方法，石炭焚
きボイラが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体燃料バーナの実施形態１の構
造を示す断面図であり、実施形態１の固体燃料バーナを
低負荷条件で使用する場合に、固体燃料バーナの火炎を
保炎器の下流側の循環流近くから形成させた状態を示す
図である。

【図２】実施形態１の固体燃料バーナを火炉の内側から
見た概略構造を示す図である。

【図３】実施形態１の固体燃料バーナを高負荷条件で使
用する場合に、固体燃料バーナの火炎を保炎器の下流側
の循環流から離して形成させた状態を示す図である。

【図４】実施形態１の固体燃料バーナを用いた火炉の構
造を示す水平断面図である。

【図５】図１に示す固体燃料バーナの別な例を示す図で
ある。

【図６】本発明による固体燃料バーナの更に別な例を示
す断面図である。

【図７】別な構造の保炎器を採用した固体燃料バーナを
火炉側から見た概略構造を示す図である。

【図８】濃縮器を持たない固体燃料バーナの実施形態２
の構造を示す断面図であり、低負荷条件にある固体燃料
バーナから噴出される燃料が燃焼装置で燃焼している状
態を示す図である。

【図９】本発明による固体燃料バーナの実施形態３の構
造を示す断面図であり、低負荷条件にある固体燃料バー
ナから噴出される燃料が燃焼装置で燃焼している状態を
示す図である。

【図１０】本発明による固体燃料バーナを用いた燃焼装
置の概略構造を示す図である。

【図１１】図１０の燃焼装置の水平断面図である。

【図１２】本発明による固体燃料バーナを用いた燃焼装
置の別の例の概略構造を示す図である。

【符号の説明】

１１ 燃料ノズル １２ 追加空気ノズル １３ 外側空気ノズル(二次空気ノズル) １４ 外側空気ノズル(三次空気ノズル) １６ 燃料とその搬送気体の流れ(燃料噴流) １７ 二次空気の流れ １８ 三次空気の流れ １９ 循環流 ２０ 火炎の輪郭 ２１ 追加空気の流れ ２２ 燃料ノズルの外側隔壁 ２３ 障害物(保炎器) ２４ オイルガン ２５ ガイド ２６ 風箱 ２７ 旋回器 ２８ 旋回器 ２９ 隔壁 ３０ バーナスロート ３１ 水管 ３２ 流路縮小部材(ベンチュリ) ３３ 障害物(濃縮器) ３４ 流量調節弁 ３５ 分配器 ３６ 分配器で隔てられた内側流路 ３７ 分配器で隔てられた外側流路 ３８ 内側空気ノズル ４１ 火炉 ４２ 固体燃料バーナ ４３ 燃料ホッパ ４４ 給炭機 ４５ 粉砕機 ４６ ブロア ４７ 低負荷火炎検知器 ４８ 高負荷火炎検知器 ４９ アフタエアポート ５４ 歯付き(toothed)保炎器 ５５ 燃焼排ガス配管 ５６ 燃料配管 ５７ 燃料ホッパ ５８ 燃料排ガス排出口 ５９ 燃焼排ガス吸引口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷口 正行 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (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 ▲高▼橋 芳孝 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） 3K065 QB09 QB11 QC03

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体燃料とその搬送気体との混合流体を
   噴出する燃料ノズルと、 前記燃料ノズルの外側に配置され空気を噴出する少なく
   とも１つの空気ノズルと、 前記燃料ノズル内に前記混合流体の流れに対して略垂直
   に空気を噴出する追加空気ノズルと、 前記燃料ノズル内に流路を分割する分配器とを有し、 前記搬送気体が、空気よりも酸素濃度の低い気体であ
   り、 バーナ軸に対して垂直方向から見たときに前記追加空気
   ノズルの出口が、前記分配器と重なる位置にあることを
   特徴とする固体燃料バーナ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の固体燃料バーナにおい
   て、 前記燃料ノズルの分配器の上流側に、バーナ上流側から
   順に前記燃料ノズル内の流路断面積を縮小させる部分と
   増加させる部分とからなる障害物を設けたことを特徴と
   する固体燃料バーナ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の固体燃料バーナにおい
   て、 前記分配器により分割される燃料ノズル流路のうち前記
   分配器の上流側先端部において追加空気ノズルが設置さ
   れている側の流路断面積の方が、前記障害物により縮小
   された流路断面積よりも大きいことを特徴とする固体燃
   料バーナ。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか一項に記載
   の固体燃料バーナにおいて、 前記追加空気ノズルが、前記燃料ノズルの外側隔壁部に
   設置されていることを特徴とする固体燃料バーナ。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の固体燃料バーナにおい
   て、 前記分配器が、筒状またはテーパ状の薄板構造物で構成
   され、 前記分配器の上流側に、前記燃料ノズルの外周側から流
   路を狭める流路縮小部材と、前記流路縮小部材の下流側
   に前記燃料ノズルの中心軸側から流路を狭める濃縮器と
   を有することを特徴とする固体燃料バーナ。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれか一項に記載
   の固体燃料バーナにおいて、 前記燃料ノズルと前記空気ノズルとを隔てる隔壁先端
   に、前記燃料ノズルから噴出する固体燃料とその搬送気
   体との流れおよび前記空気ノズルから噴出する空気の流
   れを妨げる障害物を設けたことを特徴とする固体燃料バ
   ーナ。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の固体燃料バーナにおい
   て、 前記障害物が、前記燃料ノズル出口の壁面に設けられた
   歯付き(toothed)保炎器であることを特徴とする固体燃
   料バーナ。
8. 【請求項８】 請求項１ないし７のいずれか一項に記載
   の固体燃料バーナにおいて、 前記空気ノズルに旋回器を設けたことを特徴とする固体
   燃料バーナ。
9. 【請求項９】 請求項１ないし８のいずれか一項に記載
   の固体燃料バーナにおいて、 前記空気ノズル出口に空気の噴出方向を決めるガイドを
   設けたことを特徴とする固体燃料バーナ。
10. 【請求項１０】 請求項１ないし９のいずれか一項に記
    載の固体燃料バーナの燃焼方法において、 燃焼負荷が低い場合は、前記追加空気ノズルから供給す
    る空気量を増やし、 燃焼負荷が高い場合は、前記追加空気ノズルから供給す
    る空気量を減らすことを特徴とする固体燃料バーナの燃
    焼方法。
11. 【請求項１１】 請求項１ないし９のいずれか一項に記
    載の固体燃料バーナの燃焼方法において、 燃焼負荷が低い場合は、前記追加空気ノズルから供給す
    る空気量を増やし、 前記空気ノズルから供給する空気流量を減らし、 燃焼負荷が高い場合は、前記追加空気ノズルから供給す
    る空気量を減らし、 前記空気ノズルから供給する空気流量を増やすことを特
    徴とする固体燃料バーナの燃焼方法。
12. 【請求項１２】 請求項１０または１１に記載の固体燃
    料バーナの燃焼方法において、 前記燃料ノズルの出口断面における燃料濃度および酸素
    濃度の平均値に対して、燃料濃度および酸素濃度がいず
    れも高い領域と、燃料濃度および酸素濃度がいずれも低
    い領域とを形成することを特徴とする固体燃料バーナの
    燃焼方法。
13. 【請求項１３】 請求項１０または１１に記載の固体燃
    料バーナの燃焼方法において、 前記燃料ノズルの出口断面における燃料濃度および酸素
    濃度の平均値に対して、燃料濃度および酸素濃度がいず
    れも高い外周領域と、燃料濃度および酸素濃度がいずれ
    も低い中央領域とを形成することを特徴とする固体燃料
    バーナの燃焼方法。
14. 【請求項１４】 請求項１ないし９のいずれか一項に記
    載の固体燃料バーナを複数本備えた火炉と、 燃料ホッパと、 給炭機と、 前記給炭機の下流側の燃焼排ガス配管内で燃焼装置の上
    部から抜き出した燃焼排ガスと混合した燃料を導入する
    粉砕機と、 前記粉砕機で粉砕された燃料を前記固体燃料バーナに供
    給する燃料配管と、 前記固体燃料バーナに空気を供給するブロアとを備えた
    燃焼装置。
15. 【請求項１５】 請求項１ないし９のいずれか一項に記
    載の固体燃料バーナを複数本備えた火炉と、 燃料ホッパと、 給炭機と、 前記給炭機の下流側の燃焼排ガス配管内で燃焼装置の上
    部から抜き出した燃焼排ガスと混合した燃料を導入する
    粉砕機と、 前記粉砕機で粉砕された燃料を前記固体燃料バーナに供
    給する燃料配管と、 前記固体燃料バーナに空気を供給するブロアと、 低負荷条件において前記固体燃料バーナ毎に形成される
    火炎を監視する低負荷火炎検知器または温度計または放
    射強度計と、 高負荷条件においては前記固体燃料バーナから離れた位
    置に形成される火炎を監視する高負荷火炎検知器または
    温度計または放射強度計と、 前記計測器からの信号に基づき前記追加空気ノズルから
    噴出する空気量を制御する制御手段とを備えた燃焼装
    置。
16. 【請求項１６】 請求項１４または１５に記載の燃焼装
    置の運用方法において、 前記燃焼装置を高い燃焼負荷で運用する場合は、固体燃
    料バーナから離れた位置から固体燃料の火炎を形成し、 前記燃焼装置を低い燃焼負荷で運用する場合は、固体燃
    料バーナの燃料ノズル出口直後から固体燃料の火炎を形
    成することを特徴とする燃焼装置の運用方法。
17. 【請求項１７】 請求項１ないし９のいずれか一項に記
    載の固体燃料バーナを複数本壁面に備えた火炉と、 前記火炉壁および火炉内に設置され前記火炉内での固体
    燃料の燃焼により生じた燃焼熱で水を加熱し蒸気を発生
    させる熱交換器とを備えたボイラプラント。