JP2004205161A - 固体燃料ボイラ及びボイラ燃焼方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】溶融灰の火炉壁等への強固な付着が防げ、サーマルＮＯｘ、フューエルＮＯｘ及び未燃分を低減すること。
【解決手段】複数の固体燃料バーナを備え壁面燃焼を行う火炉壁を有する火炉と、前記火炉の下流から前記火炉に燃焼排ガスの一部を還流する流路と、前記火炉の壁面と前記火炉の下流側の空間に備えた伝熱管と、前記バーナの出口近傍の火炎と合流させることなく、前記火炉内のバーナの還元炎部に前記燃焼排ガスを供給する戻り燃焼排ガス供給口を設けた固体燃料ボイラ。
【選択図】 図１
【解決手段】複数の固体燃料バーナを備え壁面燃焼を行う火炉壁を有する火炉と、前記火炉の下流から前記火炉に燃焼排ガスの一部を還流する流路と、前記火炉の壁面と前記火炉の下流側の空間に備えた伝熱管と、前記バーナの出口近傍の火炎と合流させることなく、前記火炉内のバーナの還元炎部に前記燃焼排ガスを供給する戻り燃焼排ガス供給口を設けた固体燃料ボイラ。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体燃料ボイラ及びその燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体燃料ボイラでは、環境問題から高効率での燃焼，低ＮＯｘ、低ＣＯ化が要望されている。これらの要望に対し，低空気比での燃焼，二段燃焼法，排ガス再循環，低ＮＯｘバーナの採用などの方法がとられている。
【０００３】
二段燃焼法では，燃焼用空気をバーナとバーナ下流に設置した空気投入口（以下，アフタエアポートと記す）の２箇所から投入する。バーナ部分の空気量を少なくして，火炉内に酸素不足の還元域を形成することで低ＮＯｘ化を図る。さらに，アフタエアポートから空気を供給し，未燃焼分の低減を図る。
【０００４】
排ガス再循環は，火炉から排出される排ガスの一部を火炉のバーナ段の上流側やアフタエアポートの下流側に設けた排ガスポートから火炉内に導入する方法である。排ガスを火炉内に戻すことで，火炉内を流れるガス流量を増し，火炉壁に設けた伝熱面（水管）と火炉の出口に接続された煙道内に設置した伝熱面での熱吸収割合を調整し，より高温，高圧の蒸気を安定に生産し，高効率な運転が可能となる。
【０００５】
特開２０００−４６３０４号公報には、サーマルＮＯｘ濃度を低減するため、燃焼排ガスの一部を火炉に循環する技術が開示されている。
【０００６】
この従来技術においては、バーナスロート、二次空気供給口及び三次空気供給口を取り囲むように、断面が環状の燃焼排ガスの供給口をウインドボックス内に設けている。このような環状の供給口を設けると、バーナのスロート近傍の初期火炎（温度約１０００℃）と排ガスが混合して火炎が不安定になることがある。初期化炎の燃焼が不安定になる結果、フューエルＮＯｘも十分に低下できないことになる。特にバーナの空気ノズルから噴出する空気に旋回を加える場合、バーナスロート近傍での初期火炎と戻り排ガスの混合は顕著になる。
【０００７】
また、燃焼排ガスを火炉の底部付近から供給する方式もある（特開平３−９３５０２号公報）が、火炎が吹き消されたりする恐れがあり、安定な燃焼ができない。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−４６３０４号公報（要約）
【特許文献２】特開平３−９３５０２号公報（特許請求の範囲）
【発明が解決しようとする課題】
上述のように，火炉の熱負荷の高い部分では，火炎温度をいかに低下するかが課題であり，火炉の熱負荷の低い部分では火炎温度をいかに維持するかが別の課題である。火炎の最高温度を抑制すれば，壁面での燃焼灰の溶融や軟化により生じる灰付着の障害や，窒素酸化物（サーマルＮＯｘ）の発生を抑制することが可能である。また火炉の熱負荷の低い部分（初期火炎であって、その温度は約１０００℃程度である）での安定な燃焼ができればフューエルＮＯｘ及び未燃分を低減することができる。
【０００９】
本発明の目的は、火炎安定性を損なわないでサーマルＮＯｘ及びフューエルＮＯｘ、未燃分ならびに火炉壁における溶融灰の付着を低減することができる固体燃料ボイラ及びその燃焼方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃焼排ガスの一部を火炉に戻す方式の固体燃料ボイラにおいて、ボイラの火炉内におけるバーナ初期火炎と混合しないように、そして還元炎とは混合するように戻り排ガスを火炉内に供給するようにしたものである。これにより、バーナ火炎の安定性を維持しつつＮＯｘを生成する高温領域（約１５００℃以上）の温度を下げてサーマルＮＯｘを低減する。
【００１１】
図２に示すように、本発明のボイラにおいて、気体供給口から噴射する燃焼排ガスはバーナのスロート近傍における初期火炎とは接したり、混合したりしないように供給され、高温の還元炎（約１５００℃以上）と良く混合するように供給される。
【００１２】
本発明のボイラは複数のバーナを備えて壁面燃焼を行う火炉と、火炉の下流から火炉に燃焼排ガスを一部還流する流路と、火炉壁面と火炉の下流側の空間に伝熱管を備えたボイラであって、火炉のバーナ設置面または非設置面に燃焼排ガスを火炉内に供給する気体供給口を設けたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
ボイラ火炉の運転は、通常の場合、高効率化のため，低空気比での運転が指向される。さらに，近年は低ＮＯｘ化のため二段燃焼方式がとられることが多い。二段燃焼時は，火炉内のバーナ配置部（以下，バーナゾーンと記す）では，空気供給量は燃料投入量に対する理論空気量以下の空気不足の状態となる。火炎温度は空気比１．０近傍（特に，若干空気不足の０．９５程度）で最も高くなることから，バーナゾーンでの火炎温度が高くなる。また，低コスト化のため，火炉を小さくすることが求められており，火炉断面当りの熱負荷は近年高くなる傾向がある。
【００１４】
複数のバーナは複数の列（縦列）と複数の段（横列）を構成するように配置される。上段のバーナに対し、戻り排ガス供給口がその上側にくるように配置する。また、特に中央のバーナ列に対し供給口を配置し、全体として火炉の中心部のバーナの高温領域に対して戻り燃焼排ガスが供給されるようにする。
【００１５】
火炉から排出される窒素酸化物（以下，ＮＯｘと記す）は燃料中の窒素分に起因するＮＯｘ（以下，フューエルＮＯｘと記す）と，火炎内で空気中の窒素が高温でＮＯｘへと酸化される反応（以下，サーマルＮＯｘ反応と記す）の２種類が主である。
【００１６】
高温の火炎内ではサーマルＮＯｘ反応に起因するＮＯｘの生成が促進される。このため，熱負荷の高いボイラではＮＯｘ生成量が増える傾向がある。また，火炉壁面の熱負荷が高くなると，壁面に設けられた水管上に付着する燃焼灰の温度が上がり，燃焼灰の溶融することがある。溶融により燃焼灰は水管に強固に付着し，燃焼灰が付着しやすくなる。
【００１７】
このため，熱負荷が高くなると表面が溶融した燃焼灰同士が固まりを成すことで燃焼灰の排出を妨げたり，バーナから噴出する気体の流動を妨げるなどの運転障害を起こすことが考えられる。特に，使用する燃料の燃焼灰の溶融温度や軟化温度が低い場合，この障害が起き易い。
【００１８】
排ガス再循環法を適用し，火炉底部から排ガスを混合する場合，バーナゾーンに流れ込む排ガスの熱容量により火炎温度が低下する。また，火炉内の上昇流速が上がるため，バーナゾーンでの燃料の滞留時間が短くなる。このため，火炎温度が下がり，燃焼灰の火炉壁面での付着による障害が起こりにくくなる。
【００１９】
しかし，火炉底部から排ガスを混合すると，炉内の流動状況により，排ガスの流れが特定の部分を偏って流れることが考えられる。対向壁にバーナを備えた火炉において，炉底から排ガスを吹き込む方式を例に取ると、燃焼ガスがバーナ設置面に沿って流れる場合，バーナ近くでの燃料の着火を阻害し，未燃焼分やＣＯの増大，あるいは火炎の吹き飛び，失火をもたらす可能性がある。
【００２０】
また，側壁に沿って流れる場合，火炉中央部の最も熱負荷が高くなる部分を排ガスが流れないため，排ガス混合の効果が得られないことが考えられる。特に，バーナのうち，最下段部に設置されたバーナでは，周囲の炉壁面の温度が低いため，排ガス再循環により火炎温度を下げると燃焼が不安定になりやすい。
【００２１】
本発明によれば、複数の固体燃料バーナを備え壁面燃焼を行う火炉壁を有する火炉と、前記火炉の下流から前記火炉に燃焼排ガスの一部を還流する流路と、前記火炉の壁面と前記火炉の下流側の空間に備えた伝熱管と、前記バーナの出口近傍の火炎と合流させることなく、前記火炉内のバーナの還元炎部に前記燃焼排ガスを供給する戻り燃焼排ガス供給口を設けた固体燃料ボイラが提供される。
【００２２】
本発明の一実施形態において、前記戻り燃焼排ガス供給口を、前記火炉のバーナ設置面に設ける。前記戻り燃焼排ガス供給口の中心は前記バーナのスロートの中心と同じか、それよりも高い位置に設ける。
【００２３】
他の実施形態においては、前記戻り燃焼排ガス供給口を、前記ボイラのウインドボックスの外部であって前記火炉のバーナ設置面に設ける。また他の実施形態においては、前記戻り燃焼排ガス供給口の断面中心が、前記バーナのスロートの外周から該スロート直径（水力直径）の１倍以上離れている場所に設ける。
【００２４】
また、前記燃焼排ガス供給口の断面中心が、前記バーナの直径の１．１倍から４倍、特に１．３倍〜１．７倍離れている場所に設置するのが好ましい。本発明において、バーナスロートや排ガス供給口の直径を言うときは、水力直径を意味する。
【００２５】
前記燃焼排ガス供給口の断面形状は、供給口の製造上及びバーナの初期火炎との不要な混合を避けるため、実質的に円形であることが好ましい。供給口が周の長い断面形状を持っていると、排気ガスがバーナスロートの初期火炎と混合しやすくなる。
【００２６】
前記燃焼排ガス供給口は、前記火炉のバーナ設置面とは異なる面に設けることができる。この場合、バーナ設置面に供給口を設ける場合とは異なった条件が考慮される。すなわち、バーナゾーンの高温領域に対して戻り排ガスが高率的に混合されるように、供給口の断面中心がバーナスロートの断面中心とほぼ同じ高さか、それよりもやや上側にあるように設ける。
【００２７】
供給口を火炉のバーナ設置面と同じ面に設ける場合、供給口の中心軸が火炉面に対して直角であっても、１５度とか１０度とかある程度傾いていてもよい。重要なことは戻り排ガスがバーナの初期火炎と混合しないようにすることである。バーナ設置面と同じ火炉面に供給口を設置するときは、この傾斜が大きいと、バーナスロートと供給口が近接しすぎて、初期火炎と排ガスが混合するので、このような配置を避ける。しかし、バーナ設置面でない火炉壁に供給口を設けるときは、上記の条件は緩やかになる。
【００２８】
勿論戻り排ガス供給口は、前記火炉のバーナ設置面及び該設置面とは異なる面に設けることもできる。この場合、それぞれの面に設置された供給口は上述のような条件を考慮して設計される。
【００２９】
前記気体供給口は前記バーナのうち、火炉中心に近い部分のバーナに近接して設けるのが好ましい。火炉中心部以外のバーナに近接して設けても、戻り排ガス供給の効果が小さい。同様に、前記戻り排ガス供給口は前記バーナのうち、上側バーナ列の近く、または、最上部バーナ列の直上に設けるのがよい。
【００３０】
前記気体供給口から供給される気体は、燃焼排ガスと空気との混合流体が好ましい。このとき、前記気体供給口から供給される気体に含まれる酸素濃度は、好ましくは３〜１５％である。この酸素リッチ混合ガスを供給すると、火炎温度の低減と燃焼促進による未燃分の低減が図られる。
【００３１】
本発明のボイラの燃焼方法において、前記気体供給口から噴出する気体の流量を火炉の運転負荷（燃料供給量）に合わせて変更し、運転負荷が設定条件以上のときは、噴出量を増やすように制御する。
【００３２】
また、前記火炉壁に火炎の放射強度、火炉壁温度、伝熱管温度の少なくとも１つを計測する計測手段を設け、前記計測手段による前記放射強度、火炉壁温度、伝熱管温度の信号強度の少なくとも１つが設定条件を超えた場合に前記気体供給口から噴出する気体の流量を増やす。
【００３３】
前記運転負荷や信号強度の設定条件を前記火炉で燃焼する固体燃料の燃焼灰融点や軟化点を基準としてボイラの燃焼制御を行う。更に、前記運転負荷や信号強度の設定条件を前記火炉で燃焼する固体燃料の燃焼灰融点や軟化点を基準としてボイラを制御する。
【００３４】
バーナ設置面に燃焼排ガスを含む気体供給口を設けることで火炉内の最も熱負荷の高い部分に効果的に燃焼排ガスを送り込める。このため、熱負荷の高い部分で火炎温度を低下させることができる。火炎温度の低下により、火炉壁面での燃焼灰の温度を低減し、溶融、軟化による灰付着障害の発生を抑制できる。また、火炎温度が低下することで、高温において活発となる空気中の窒素から窒素酸化物（サーマルＮＯｘ）への酸化反応を抑制できる。
【００３５】
本発明の他の実施態様においては、複数のバーナの後流に複数の２段燃焼用空気投入口を備えて壁面燃焼を行う火炉を持っているボイラを対象とする。前記火炉の下流から前記火炉に燃焼排ガスを一部還流する流路と、前記火炉の壁面と前記火炉の下流側の空間に伝熱管を備えたボイラを対象とする。ここにおいて、前記火炉のバーナ設置面に前記燃焼排ガスを含む気体を火炉内に供給する気体供給口を設けることも可能である。
【００３６】
燃焼排ガスを火炉内に混合することで、火炉内の流動と燃料と空気との混合が促進される。また、前記気体供給口から噴出する気体の流量を火炉の運転負荷（燃料供給量）に合わせて変更し、運転負荷が設定条件以上のときは、噴出量を増やすことも可能である。
【００３７】
通常、戻り排ガスの量は、火炉に供給される空気量の約２０容量％であり、気体供給口のガス流速は３０〜５０ｍ／秒に設定するのが好ましい。
【００３８】
サーマルＮＯｘの生成は、高い運転負荷の場合に顕著であるから、高い運転負荷の場合にのみ燃焼排ガスの流量を高めるようにしても良い。
【００３９】
低い運転負荷の場合は、燃焼排ガスの流量を低減し、燃焼排ガスの導入による所要動力の削減を図り、燃焼装置の総合効率（送電端効率）の向上を図ることができる。
【００４０】
なお、火炉壁信号強度の設定条件は、火炉で燃焼する固体燃料の燃焼灰融点や軟化点を基準とすることも可能である。
【００４１】
本発明によるボイラは微粉炭やバイオマス，廃棄物などの固体燃料を燃料として利用するボイラに特に効果的である。
【００４２】
以下本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
【００４３】
（実施例１）
以下に本発明の第１の実施形態を図１と図２を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示す微粉炭ボイラの概略図である。図１において、燃料は燃料供給装置１，粉砕機２を通り，燃料供給管１１を通って，バーナ５に供給される。燃焼用空気はブロア４からバーナ５用と、アフターエアポート６用に，ダンパ（図示せず）により、所定の流量に調整され、火炉３内へ供給される。燃焼用空気は、バーナ５の部分（空気不足域またはバーナゾーン２０）で還元燃焼に使用される。
【００４４】
さらに、火炉３内を上昇し、アフターエアポート６からの燃焼用空気が混合する領域２１で未燃焼分や一酸化炭素を燃焼し，燃焼排ガスは火炉３の上部より煙道７へ排出される。火炉３の上部から煙道７にかけては伝熱管群８が配置される。
【００４５】
図１はバーナ５を火炉の前後の壁面に設けた対向燃焼を示す。しかしバーナを片側壁面に設けた片面燃焼や，周囲壁や角部に設け，火炉３内に旋回流を発生させるコーナファイアリングの場合も同様の効果が得られる。
【００４６】
排ガス再循環用の気体供給口９を火炉３のバーナ５間に設けている。排ガスは煙道７で一部が分岐され，排ガス再循環ブロアまたはファン１０，配管１２を戻り排ガス供給口９に供給される。
【００４７】
図２は本発明のボイラの燃焼原理を説明する概念図である。図において、バーナの燃料ノズル３６から火炉に吹き込まれた燃料２８は、空気３１と混合され、着火域（初期火炎）３２において着火し還元域３４を取り込む酸化域３３が火炉内を上昇する。
【００４８】
ノズルはウインドボックス（空気箱３７）内に設置されるのが好ましい。アフターエアポート６から空気３１が火炎２１に供給され、完全燃焼する。
【００４９】
図１のように排ガス再循環法を適用し，バーナゾーンに排ガスを混合する場合，排ガスの熱容量により火炎温度が低下する。また，火炉内の上昇流速が上がるため，バーナゾーンでの燃料の滞留時間が短くなる。このため，火炎温度が下がり，燃焼灰の火炉壁面での付着による障害が起こりにくくなる。
【００５０】
しかし，従来技術のように火炉底部から排ガスを混合すると，炉内の流動状況により，排ガスの流れが特定の部分を偏って流れることが考えられる。また、対向壁にバーナを備えた火炉を例にとると，バーナ設置面に沿って流れる場合，火炉下部のバーナでの燃料の着火を阻害し，未燃焼分やＣＯの増大，あるいは火炎の吹き飛び，失火をもたらす可能性がある。
【００５１】
また，側壁に沿って流れる場合，火炉中央部の最も熱負荷が高くなる部分を排ガスが流れないため，排ガス混合の効果が得られないことが考えられる。特に，バーナのうち，最下段部に設置されたバーナでは，周囲の炉壁面の温度が低いため，排ガス再循環により火炎温度を下げると燃焼が不安定になりやすい。
【００５２】
一方、図１に示される本発明の実施例の場合、バーナ設置面に燃焼排ガスの供給口を設けることで火炉内の最も熱負荷の高い部分に効果的に燃焼排ガスを送り込める。このため、熱負荷の高い部分で火炎温度を低下させることができる。火炎温度の低下により、火炉壁面での燃焼灰の温度を低減し、溶融、軟化による灰付着障害の発生を抑制できる。
【００５３】
また、火炎温度が低下することで、高温において活発となる空気中の窒素から窒素酸化物（ＮＯｘ）への酸化反応を抑制できる。このため，火炉３出口でのＮＯｘの発生を抑制できる。
【００５４】
図１に示す本実施例では燃焼用空気をバーナとその下流のアフタエアポートから投入する二段燃焼方法の火炉に適用したが，バーナから全ての燃焼用空気を投入する単段燃焼方法の火炉に適用しても効果は同じである。
【００５５】
また、図１に示されるように、再循環用の燃焼排ガスを分岐し、バーナ設置面に燃焼排ガスの気体供給口９を設けるとともに、火炉底部に噴出口１９を設けても良い。燃焼排ガスの分岐量を調整弁１３，１４で調整することで、火炉下部での熱吸収量を調整することができる。バーナと気体供給口の関係は図３から図６に示したとおりである。
図３には図１に示される火炉３を正面から見た部分図を示す。図４は図３の火炉を持つボイラの斜視図で、バーナ及びアフターエアポートと戻り排ガス供給口との関係を示す。図３において、円形は気体供給口やバーナのノズルの最縮流部分を示す。この場合、燃焼排ガスを含む気体供給口はバーナ列に対し、垂直方向に設置する。
【００５６】
バーナから噴出する燃料は浮力により上方に広がるため、バーナの上側に気体供給口を設けると、燃焼排ガスが火炎の高温部分に到達しやすくなる。このため、火炎温度の低下のために効果的である。図４において、図１と同じ符号は同じ要素を示す。
【００５７】
供給口をバーナ列に対し垂直に設けることは必須要件ではない。バーナから噴出する燃料は浮力により情報に広がるため、バーナの上側に気体供給口を設けると、燃焼排ガスが火炎の高温部分に到達しやすくなる。これにより火炎の温度を効果的に低下させる。
【００５８】
気体供給口と、バーナのうち気体供給口に最も近いバーナとの距離はバーナノズルの最縮流部（スロート部）の外径に対し１．１倍以上特に１．３倍以上の距離を持たせる。また，気体供給口の最縮流部は前記バーナノズルの最縮流部（スロート部）の外径に対し，０．７５倍以下の外径となることが望ましい。
【００５９】
気体供給口とバーナとの間隔を上記の関係とすることで，気体供給口とバーナからの噴流（初期化炎）が噴出直後に干渉し，噴出方向が変わったり，振動することが無くなる。
【００６０】
図５に示されるように、気体供給口９をバーナの横方向に設ける場合、最上段バーナ９の左右またはそれよりも上方に設けることが火炎の最高温度の低減に効果的である。
【００６１】
図６は図５の火炉を備えたボイラの斜視図である。図６において、図１、図４と同じ符号は同じ要素を意味する。火炉中心軸に近い部分や、最上段バーナ５の近傍は周囲のバーナで形成される火炎からの放射熱を受けるため、熱負荷が特に高くなりやすい。このため、燃焼排ガスの供給口をこれらの部分に集中的に設けると、火炎の最高温度の低減に効果的である。
【００６２】
火炉内の熱負荷の高いバーナゾーン中央部に燃焼排ガスを送り込むことで、火炎の最高温度を低減できる。火炎温度の低下により、火炉壁面での燃焼灰の温度を下げ、軟化、溶融による灰付着障害の発生を抑制する。また、火炎温度が低下することで、高温（１５００℃以上）で活発となる空気中の酸素から窒素酸化物（ＮＯｘ）への酸化反応を抑制し、サーマルＮＯｘを低減する。
【００６３】
図３及び図５に示す実施例では、バーナの設置されている火炉の前壁２５と後壁２６から気体供給口９までの距離をバーナノズルの最縮流部（スロート部）の径（水力直径）の１倍以上離している。
【００６４】
図５、図６では、対向燃焼のボイラの場合を示したが、１つの壁面に設ける片面燃焼の場合も、バーナ設置面以外の壁面に気体供給口を設けることで同様の効果が得られる。特に片面燃焼の場合は、バーナ設置面と対向する壁面に気体供給口を設けると、燃焼灰の付着を効果的に抑制することができる。
【００６５】
また、図４に示されるように、気体供給口９をバーナの横方向に設ける場合、最上段バーナ９の左右かあるいはやや上方に設けることが火炎の最高温度の低減に効果的である。火炉中心軸に近い部分や、最上段バーナ５の近傍は周囲のバーナで形成される火炎からの放射熱を受けるため、熱負荷が特に高くなりやすい。このため、燃焼排ガスの供給口をこれらの部分に集中的に設けると、火炎の最高温度の低下に効果的である。
【００６６】
燃焼排ガスを火炉に再循環させる配管１２に空気を導入する配管１５とダンパ１６を設置すると、気体供給口から噴出する気体は、燃焼排ガスと空気との混合流体である。
【００６７】
火炉内の混合を良くするために燃焼排ガスを大量に投入すると、酸素濃度が８％程度以下の領域を形成することがある。この領域では急激な酸素濃度の低下により、燃焼反応が中断してしまい、また燃料粒子が急冷されてしまい、再び酸素濃度が高くなっても燃焼反応が進みにくくなり、未燃焼分や一酸化炭素の増大をもたらす可能性がある。
【００６８】
酸素濃度を燃焼排ガスの濃度よりも高めることで、酸素濃度が８％以下の領域の形成を防ぐことができる。このため、火炎温度の低減とともに、燃焼反応を継続することが可能である。また、燃焼排ガスに空気を付加することで噴出量が増える。このため、バーナゾーンでの火炉内の流動と燃料と空気との混合が促進される。
【００６９】
火炉壁に火炎の放射強度、火炉壁温度、伝熱管温度の少なくとも１つを計測する計測器２２を設ける。計測器２２からの信号はボイラ制御装置２３に接続する。制御装置２３からは燃料流量や空気流量を調整することが可能である。本実施例では、制御装置２３から再循環ガス流量の調整弁２４に信号を送ることができる。
【００７０】
計測器２２の信号が火炎の放射強度、火炉壁温度、伝熱管温度の少なくとも１つの設定条件を超えた場合は、気体供給口から噴出する気体の流量を増やし、火炎の最高温度を低減する。高い熱負荷により火炉壁面での灰付着の障害を防ぐことができる。また、火炎の高温部で活発となる、空気中の窒素からＮＯｘが生成する反応（サーマルＮＯｘ反応）を抑制し、火炉から排出されるＮＯｘ濃度を抑制することができる。この制御システムは図２の場合も設けられている。
【００７１】
計測器２２は図１に示すように火炉壁に設ける場合のほか、火炉下部や上部に設け、例えば、放射強度計のように非接触型の計測器により測定する場合でも良い。また、煙道に設けたＮＯｘ濃度計の信号を用いることも可能である。火炎の高温部ではサーマルＮＯｘ反応が活発となる。
【００７２】
この反応を利用し、ＮＯｘ濃度の挙動を計測することで、火炉内に高温部分が形成されているかどうか判断することが可能である。ＮＯｘ濃度が高い場合には気体供給口から供給する気体の流量を増やし、火炎の最高温度を低減し、サーマルＮＯｘ反応によるＮＯｘの増加を防ぐことができる。また、高い熱負荷により火炉壁面での灰付着の障害を防ぐことができる。
【００７３】
以上説明した本発明の実施例によれば、バーナ設置面に燃焼排ガスを含む気体供給口を設けることで火炉内の最も熱負荷の高い部分に効果的に燃焼排ガスを送り込める。このため、熱負荷の高い部分で火炎温度を低下させることができる。火炎温度の低下により、火炉壁面での燃焼灰の温度を低減し、溶融、軟化による灰付着障害の発生を抑制できる。
【００７４】
また、火炎温度が低下することで、高温において活発となる空気中の窒素から窒素酸化物（ＮＯｘ）への酸化反応を抑制する。上記のごとく，本発明の実施例によれば，バーナ設置面に燃焼排ガスの供給口を設けることで火炉内の最も熱負荷の高い部分に効果的に燃焼排ガスを送り込める。このため、熱負荷の高い部分で火炎温度を低下させることができる。
【００７５】
火炎温度の低下により、火炉壁面での燃焼灰の温度を低減し、溶融、軟化による灰付着障害の発生を抑制できる。また、火炎温度が低下することで、高温において活発となる空気中の窒素から窒素酸化物（ＮＯｘ）への酸化反応を抑制できる。このため，火炉出口でのＮＯｘの発生を抑制できる。
【００７６】
（実施例２）
図７はバーナの設置面とは異なった火炉壁面に戻り燃焼排ガスの供給口を設置した例を示す。図７において、図１、図４、図６と同じ符号は同じ要素を示す。
バーナ５を火炉３の前壁２５と後壁２６に設けた対抗燃焼ボイラでは、バーナから噴出した燃料が火炉中心で衝突し、側壁２７に向かう流れが生じることがある。このとき、側壁に燃焼灰を含む燃料粒子が衝突しやすくなるため、特に熱負荷の高い側壁中央部は燃焼は胃の付着が置きやすい。
図７に示される実施例では排ガス再循環用の気体供給口９を側壁２７の中央近くに設けている。このため、火炉中央から側壁２７に向かう流れは、気体供給口９からの排ガスの噴流により緩和される。側壁に燃焼灰が衝突しにくくなるため、側壁への灰付着を抑制できる。
この実施例の場合、先述の実施例のようにバーナ列又は段との関係では無くなり、図２に示すように高温還元炎に戻り排ガスが混合するようになればよい。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、溶融灰の火炉壁等への強固な付着が防げ、サーマルＮＯｘ、フューエルＮＯｘ及び未燃分を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる微粉炭ボイラの概略図である。
【図２】本発明におけるバーナ火炎と戻り排ガス噴射との関係を説明する図である。
【図３】気体供給口の設置方法の一例を示す正面図である。
【図４】図３の斜視図である。
【図５】気体供給口設置方法の他の例を示す正面図である。
【図６】図５の斜視図である。
【図７】第２の実施形態に係わる微粉炭ボイラの概略図である。
【符号の説明】
１…燃料供給装置、２…粉砕機、３…火炉、４…燃焼空気用ブロア、５…バーナ、６…アフタエアポート、７…煙道、８…伝熱管群、９…気体供給口、１０…排ガス再循環ブロア、１１…燃料供給管、１２…配管、１３，１４…調整弁、１５…配管、１６…ダンパ（流量調整弁）、２０…空気不足域（バーナゾーン）、２１…完全燃焼域、２２…計測器、２３…制御装置、２４…調整弁。
【発明の属する技術分野】
本発明は固体燃料ボイラ及びその燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体燃料ボイラでは、環境問題から高効率での燃焼，低ＮＯｘ、低ＣＯ化が要望されている。これらの要望に対し，低空気比での燃焼，二段燃焼法，排ガス再循環，低ＮＯｘバーナの採用などの方法がとられている。
【０００３】
二段燃焼法では，燃焼用空気をバーナとバーナ下流に設置した空気投入口（以下，アフタエアポートと記す）の２箇所から投入する。バーナ部分の空気量を少なくして，火炉内に酸素不足の還元域を形成することで低ＮＯｘ化を図る。さらに，アフタエアポートから空気を供給し，未燃焼分の低減を図る。
【０００４】
排ガス再循環は，火炉から排出される排ガスの一部を火炉のバーナ段の上流側やアフタエアポートの下流側に設けた排ガスポートから火炉内に導入する方法である。排ガスを火炉内に戻すことで，火炉内を流れるガス流量を増し，火炉壁に設けた伝熱面（水管）と火炉の出口に接続された煙道内に設置した伝熱面での熱吸収割合を調整し，より高温，高圧の蒸気を安定に生産し，高効率な運転が可能となる。
【０００５】
特開２０００−４６３０４号公報には、サーマルＮＯｘ濃度を低減するため、燃焼排ガスの一部を火炉に循環する技術が開示されている。
【０００６】
この従来技術においては、バーナスロート、二次空気供給口及び三次空気供給口を取り囲むように、断面が環状の燃焼排ガスの供給口をウインドボックス内に設けている。このような環状の供給口を設けると、バーナのスロート近傍の初期火炎（温度約１０００℃）と排ガスが混合して火炎が不安定になることがある。初期化炎の燃焼が不安定になる結果、フューエルＮＯｘも十分に低下できないことになる。特にバーナの空気ノズルから噴出する空気に旋回を加える場合、バーナスロート近傍での初期火炎と戻り排ガスの混合は顕著になる。
【０００７】
また、燃焼排ガスを火炉の底部付近から供給する方式もある（特開平３−９３５０２号公報）が、火炎が吹き消されたりする恐れがあり、安定な燃焼ができない。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−４６３０４号公報（要約）
【特許文献２】特開平３−９３５０２号公報（特許請求の範囲）
【発明が解決しようとする課題】
上述のように，火炉の熱負荷の高い部分では，火炎温度をいかに低下するかが課題であり，火炉の熱負荷の低い部分では火炎温度をいかに維持するかが別の課題である。火炎の最高温度を抑制すれば，壁面での燃焼灰の溶融や軟化により生じる灰付着の障害や，窒素酸化物（サーマルＮＯｘ）の発生を抑制することが可能である。また火炉の熱負荷の低い部分（初期火炎であって、その温度は約１０００℃程度である）での安定な燃焼ができればフューエルＮＯｘ及び未燃分を低減することができる。
【０００９】
本発明の目的は、火炎安定性を損なわないでサーマルＮＯｘ及びフューエルＮＯｘ、未燃分ならびに火炉壁における溶融灰の付着を低減することができる固体燃料ボイラ及びその燃焼方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃焼排ガスの一部を火炉に戻す方式の固体燃料ボイラにおいて、ボイラの火炉内におけるバーナ初期火炎と混合しないように、そして還元炎とは混合するように戻り排ガスを火炉内に供給するようにしたものである。これにより、バーナ火炎の安定性を維持しつつＮＯｘを生成する高温領域（約１５００℃以上）の温度を下げてサーマルＮＯｘを低減する。
【００１１】
図２に示すように、本発明のボイラにおいて、気体供給口から噴射する燃焼排ガスはバーナのスロート近傍における初期火炎とは接したり、混合したりしないように供給され、高温の還元炎（約１５００℃以上）と良く混合するように供給される。
【００１２】
本発明のボイラは複数のバーナを備えて壁面燃焼を行う火炉と、火炉の下流から火炉に燃焼排ガスを一部還流する流路と、火炉壁面と火炉の下流側の空間に伝熱管を備えたボイラであって、火炉のバーナ設置面または非設置面に燃焼排ガスを火炉内に供給する気体供給口を設けたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
ボイラ火炉の運転は、通常の場合、高効率化のため，低空気比での運転が指向される。さらに，近年は低ＮＯｘ化のため二段燃焼方式がとられることが多い。二段燃焼時は，火炉内のバーナ配置部（以下，バーナゾーンと記す）では，空気供給量は燃料投入量に対する理論空気量以下の空気不足の状態となる。火炎温度は空気比１．０近傍（特に，若干空気不足の０．９５程度）で最も高くなることから，バーナゾーンでの火炎温度が高くなる。また，低コスト化のため，火炉を小さくすることが求められており，火炉断面当りの熱負荷は近年高くなる傾向がある。
【００１４】
複数のバーナは複数の列（縦列）と複数の段（横列）を構成するように配置される。上段のバーナに対し、戻り排ガス供給口がその上側にくるように配置する。また、特に中央のバーナ列に対し供給口を配置し、全体として火炉の中心部のバーナの高温領域に対して戻り燃焼排ガスが供給されるようにする。
【００１５】
火炉から排出される窒素酸化物（以下，ＮＯｘと記す）は燃料中の窒素分に起因するＮＯｘ（以下，フューエルＮＯｘと記す）と，火炎内で空気中の窒素が高温でＮＯｘへと酸化される反応（以下，サーマルＮＯｘ反応と記す）の２種類が主である。
【００１６】
高温の火炎内ではサーマルＮＯｘ反応に起因するＮＯｘの生成が促進される。このため，熱負荷の高いボイラではＮＯｘ生成量が増える傾向がある。また，火炉壁面の熱負荷が高くなると，壁面に設けられた水管上に付着する燃焼灰の温度が上がり，燃焼灰の溶融することがある。溶融により燃焼灰は水管に強固に付着し，燃焼灰が付着しやすくなる。
【００１７】
このため，熱負荷が高くなると表面が溶融した燃焼灰同士が固まりを成すことで燃焼灰の排出を妨げたり，バーナから噴出する気体の流動を妨げるなどの運転障害を起こすことが考えられる。特に，使用する燃料の燃焼灰の溶融温度や軟化温度が低い場合，この障害が起き易い。
【００１８】
排ガス再循環法を適用し，火炉底部から排ガスを混合する場合，バーナゾーンに流れ込む排ガスの熱容量により火炎温度が低下する。また，火炉内の上昇流速が上がるため，バーナゾーンでの燃料の滞留時間が短くなる。このため，火炎温度が下がり，燃焼灰の火炉壁面での付着による障害が起こりにくくなる。
【００１９】
しかし，火炉底部から排ガスを混合すると，炉内の流動状況により，排ガスの流れが特定の部分を偏って流れることが考えられる。対向壁にバーナを備えた火炉において，炉底から排ガスを吹き込む方式を例に取ると、燃焼ガスがバーナ設置面に沿って流れる場合，バーナ近くでの燃料の着火を阻害し，未燃焼分やＣＯの増大，あるいは火炎の吹き飛び，失火をもたらす可能性がある。
【００２０】
また，側壁に沿って流れる場合，火炉中央部の最も熱負荷が高くなる部分を排ガスが流れないため，排ガス混合の効果が得られないことが考えられる。特に，バーナのうち，最下段部に設置されたバーナでは，周囲の炉壁面の温度が低いため，排ガス再循環により火炎温度を下げると燃焼が不安定になりやすい。
【００２１】
本発明によれば、複数の固体燃料バーナを備え壁面燃焼を行う火炉壁を有する火炉と、前記火炉の下流から前記火炉に燃焼排ガスの一部を還流する流路と、前記火炉の壁面と前記火炉の下流側の空間に備えた伝熱管と、前記バーナの出口近傍の火炎と合流させることなく、前記火炉内のバーナの還元炎部に前記燃焼排ガスを供給する戻り燃焼排ガス供給口を設けた固体燃料ボイラが提供される。
【００２２】
本発明の一実施形態において、前記戻り燃焼排ガス供給口を、前記火炉のバーナ設置面に設ける。前記戻り燃焼排ガス供給口の中心は前記バーナのスロートの中心と同じか、それよりも高い位置に設ける。
【００２３】
他の実施形態においては、前記戻り燃焼排ガス供給口を、前記ボイラのウインドボックスの外部であって前記火炉のバーナ設置面に設ける。また他の実施形態においては、前記戻り燃焼排ガス供給口の断面中心が、前記バーナのスロートの外周から該スロート直径（水力直径）の１倍以上離れている場所に設ける。
【００２４】
また、前記燃焼排ガス供給口の断面中心が、前記バーナの直径の１．１倍から４倍、特に１．３倍〜１．７倍離れている場所に設置するのが好ましい。本発明において、バーナスロートや排ガス供給口の直径を言うときは、水力直径を意味する。
【００２５】
前記燃焼排ガス供給口の断面形状は、供給口の製造上及びバーナの初期火炎との不要な混合を避けるため、実質的に円形であることが好ましい。供給口が周の長い断面形状を持っていると、排気ガスがバーナスロートの初期火炎と混合しやすくなる。
【００２６】
前記燃焼排ガス供給口は、前記火炉のバーナ設置面とは異なる面に設けることができる。この場合、バーナ設置面に供給口を設ける場合とは異なった条件が考慮される。すなわち、バーナゾーンの高温領域に対して戻り排ガスが高率的に混合されるように、供給口の断面中心がバーナスロートの断面中心とほぼ同じ高さか、それよりもやや上側にあるように設ける。
【００２７】
供給口を火炉のバーナ設置面と同じ面に設ける場合、供給口の中心軸が火炉面に対して直角であっても、１５度とか１０度とかある程度傾いていてもよい。重要なことは戻り排ガスがバーナの初期火炎と混合しないようにすることである。バーナ設置面と同じ火炉面に供給口を設置するときは、この傾斜が大きいと、バーナスロートと供給口が近接しすぎて、初期火炎と排ガスが混合するので、このような配置を避ける。しかし、バーナ設置面でない火炉壁に供給口を設けるときは、上記の条件は緩やかになる。
【００２８】
勿論戻り排ガス供給口は、前記火炉のバーナ設置面及び該設置面とは異なる面に設けることもできる。この場合、それぞれの面に設置された供給口は上述のような条件を考慮して設計される。
【００２９】
前記気体供給口は前記バーナのうち、火炉中心に近い部分のバーナに近接して設けるのが好ましい。火炉中心部以外のバーナに近接して設けても、戻り排ガス供給の効果が小さい。同様に、前記戻り排ガス供給口は前記バーナのうち、上側バーナ列の近く、または、最上部バーナ列の直上に設けるのがよい。
【００３０】
前記気体供給口から供給される気体は、燃焼排ガスと空気との混合流体が好ましい。このとき、前記気体供給口から供給される気体に含まれる酸素濃度は、好ましくは３〜１５％である。この酸素リッチ混合ガスを供給すると、火炎温度の低減と燃焼促進による未燃分の低減が図られる。
【００３１】
本発明のボイラの燃焼方法において、前記気体供給口から噴出する気体の流量を火炉の運転負荷（燃料供給量）に合わせて変更し、運転負荷が設定条件以上のときは、噴出量を増やすように制御する。
【００３２】
また、前記火炉壁に火炎の放射強度、火炉壁温度、伝熱管温度の少なくとも１つを計測する計測手段を設け、前記計測手段による前記放射強度、火炉壁温度、伝熱管温度の信号強度の少なくとも１つが設定条件を超えた場合に前記気体供給口から噴出する気体の流量を増やす。
【００３３】
前記運転負荷や信号強度の設定条件を前記火炉で燃焼する固体燃料の燃焼灰融点や軟化点を基準としてボイラの燃焼制御を行う。更に、前記運転負荷や信号強度の設定条件を前記火炉で燃焼する固体燃料の燃焼灰融点や軟化点を基準としてボイラを制御する。
【００３４】
バーナ設置面に燃焼排ガスを含む気体供給口を設けることで火炉内の最も熱負荷の高い部分に効果的に燃焼排ガスを送り込める。このため、熱負荷の高い部分で火炎温度を低下させることができる。火炎温度の低下により、火炉壁面での燃焼灰の温度を低減し、溶融、軟化による灰付着障害の発生を抑制できる。また、火炎温度が低下することで、高温において活発となる空気中の窒素から窒素酸化物（サーマルＮＯｘ）への酸化反応を抑制できる。
【００３５】
本発明の他の実施態様においては、複数のバーナの後流に複数の２段燃焼用空気投入口を備えて壁面燃焼を行う火炉を持っているボイラを対象とする。前記火炉の下流から前記火炉に燃焼排ガスを一部還流する流路と、前記火炉の壁面と前記火炉の下流側の空間に伝熱管を備えたボイラを対象とする。ここにおいて、前記火炉のバーナ設置面に前記燃焼排ガスを含む気体を火炉内に供給する気体供給口を設けることも可能である。
【００３６】
燃焼排ガスを火炉内に混合することで、火炉内の流動と燃料と空気との混合が促進される。また、前記気体供給口から噴出する気体の流量を火炉の運転負荷（燃料供給量）に合わせて変更し、運転負荷が設定条件以上のときは、噴出量を増やすことも可能である。
【００３７】
通常、戻り排ガスの量は、火炉に供給される空気量の約２０容量％であり、気体供給口のガス流速は３０〜５０ｍ／秒に設定するのが好ましい。
【００３８】
サーマルＮＯｘの生成は、高い運転負荷の場合に顕著であるから、高い運転負荷の場合にのみ燃焼排ガスの流量を高めるようにしても良い。
【００３９】
低い運転負荷の場合は、燃焼排ガスの流量を低減し、燃焼排ガスの導入による所要動力の削減を図り、燃焼装置の総合効率（送電端効率）の向上を図ることができる。
【００４０】
なお、火炉壁信号強度の設定条件は、火炉で燃焼する固体燃料の燃焼灰融点や軟化点を基準とすることも可能である。
【００４１】
本発明によるボイラは微粉炭やバイオマス，廃棄物などの固体燃料を燃料として利用するボイラに特に効果的である。
【００４２】
以下本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
【００４３】
（実施例１）
以下に本発明の第１の実施形態を図１と図２を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示す微粉炭ボイラの概略図である。図１において、燃料は燃料供給装置１，粉砕機２を通り，燃料供給管１１を通って，バーナ５に供給される。燃焼用空気はブロア４からバーナ５用と、アフターエアポート６用に，ダンパ（図示せず）により、所定の流量に調整され、火炉３内へ供給される。燃焼用空気は、バーナ５の部分（空気不足域またはバーナゾーン２０）で還元燃焼に使用される。
【００４４】
さらに、火炉３内を上昇し、アフターエアポート６からの燃焼用空気が混合する領域２１で未燃焼分や一酸化炭素を燃焼し，燃焼排ガスは火炉３の上部より煙道７へ排出される。火炉３の上部から煙道７にかけては伝熱管群８が配置される。
【００４５】
図１はバーナ５を火炉の前後の壁面に設けた対向燃焼を示す。しかしバーナを片側壁面に設けた片面燃焼や，周囲壁や角部に設け，火炉３内に旋回流を発生させるコーナファイアリングの場合も同様の効果が得られる。
【００４６】
排ガス再循環用の気体供給口９を火炉３のバーナ５間に設けている。排ガスは煙道７で一部が分岐され，排ガス再循環ブロアまたはファン１０，配管１２を戻り排ガス供給口９に供給される。
【００４７】
図２は本発明のボイラの燃焼原理を説明する概念図である。図において、バーナの燃料ノズル３６から火炉に吹き込まれた燃料２８は、空気３１と混合され、着火域（初期火炎）３２において着火し還元域３４を取り込む酸化域３３が火炉内を上昇する。
【００４８】
ノズルはウインドボックス（空気箱３７）内に設置されるのが好ましい。アフターエアポート６から空気３１が火炎２１に供給され、完全燃焼する。
【００４９】
図１のように排ガス再循環法を適用し，バーナゾーンに排ガスを混合する場合，排ガスの熱容量により火炎温度が低下する。また，火炉内の上昇流速が上がるため，バーナゾーンでの燃料の滞留時間が短くなる。このため，火炎温度が下がり，燃焼灰の火炉壁面での付着による障害が起こりにくくなる。
【００５０】
しかし，従来技術のように火炉底部から排ガスを混合すると，炉内の流動状況により，排ガスの流れが特定の部分を偏って流れることが考えられる。また、対向壁にバーナを備えた火炉を例にとると，バーナ設置面に沿って流れる場合，火炉下部のバーナでの燃料の着火を阻害し，未燃焼分やＣＯの増大，あるいは火炎の吹き飛び，失火をもたらす可能性がある。
【００５１】
また，側壁に沿って流れる場合，火炉中央部の最も熱負荷が高くなる部分を排ガスが流れないため，排ガス混合の効果が得られないことが考えられる。特に，バーナのうち，最下段部に設置されたバーナでは，周囲の炉壁面の温度が低いため，排ガス再循環により火炎温度を下げると燃焼が不安定になりやすい。
【００５２】
一方、図１に示される本発明の実施例の場合、バーナ設置面に燃焼排ガスの供給口を設けることで火炉内の最も熱負荷の高い部分に効果的に燃焼排ガスを送り込める。このため、熱負荷の高い部分で火炎温度を低下させることができる。火炎温度の低下により、火炉壁面での燃焼灰の温度を低減し、溶融、軟化による灰付着障害の発生を抑制できる。
【００５３】
また、火炎温度が低下することで、高温において活発となる空気中の窒素から窒素酸化物（ＮＯｘ）への酸化反応を抑制できる。このため，火炉３出口でのＮＯｘの発生を抑制できる。
【００５４】
図１に示す本実施例では燃焼用空気をバーナとその下流のアフタエアポートから投入する二段燃焼方法の火炉に適用したが，バーナから全ての燃焼用空気を投入する単段燃焼方法の火炉に適用しても効果は同じである。
【００５５】
また、図１に示されるように、再循環用の燃焼排ガスを分岐し、バーナ設置面に燃焼排ガスの気体供給口９を設けるとともに、火炉底部に噴出口１９を設けても良い。燃焼排ガスの分岐量を調整弁１３，１４で調整することで、火炉下部での熱吸収量を調整することができる。バーナと気体供給口の関係は図３から図６に示したとおりである。
図３には図１に示される火炉３を正面から見た部分図を示す。図４は図３の火炉を持つボイラの斜視図で、バーナ及びアフターエアポートと戻り排ガス供給口との関係を示す。図３において、円形は気体供給口やバーナのノズルの最縮流部分を示す。この場合、燃焼排ガスを含む気体供給口はバーナ列に対し、垂直方向に設置する。
【００５６】
バーナから噴出する燃料は浮力により上方に広がるため、バーナの上側に気体供給口を設けると、燃焼排ガスが火炎の高温部分に到達しやすくなる。このため、火炎温度の低下のために効果的である。図４において、図１と同じ符号は同じ要素を示す。
【００５７】
供給口をバーナ列に対し垂直に設けることは必須要件ではない。バーナから噴出する燃料は浮力により情報に広がるため、バーナの上側に気体供給口を設けると、燃焼排ガスが火炎の高温部分に到達しやすくなる。これにより火炎の温度を効果的に低下させる。
【００５８】
気体供給口と、バーナのうち気体供給口に最も近いバーナとの距離はバーナノズルの最縮流部（スロート部）の外径に対し１．１倍以上特に１．３倍以上の距離を持たせる。また，気体供給口の最縮流部は前記バーナノズルの最縮流部（スロート部）の外径に対し，０．７５倍以下の外径となることが望ましい。
【００５９】
気体供給口とバーナとの間隔を上記の関係とすることで，気体供給口とバーナからの噴流（初期化炎）が噴出直後に干渉し，噴出方向が変わったり，振動することが無くなる。
【００６０】
図５に示されるように、気体供給口９をバーナの横方向に設ける場合、最上段バーナ９の左右またはそれよりも上方に設けることが火炎の最高温度の低減に効果的である。
【００６１】
図６は図５の火炉を備えたボイラの斜視図である。図６において、図１、図４と同じ符号は同じ要素を意味する。火炉中心軸に近い部分や、最上段バーナ５の近傍は周囲のバーナで形成される火炎からの放射熱を受けるため、熱負荷が特に高くなりやすい。このため、燃焼排ガスの供給口をこれらの部分に集中的に設けると、火炎の最高温度の低減に効果的である。
【００６２】
火炉内の熱負荷の高いバーナゾーン中央部に燃焼排ガスを送り込むことで、火炎の最高温度を低減できる。火炎温度の低下により、火炉壁面での燃焼灰の温度を下げ、軟化、溶融による灰付着障害の発生を抑制する。また、火炎温度が低下することで、高温（１５００℃以上）で活発となる空気中の酸素から窒素酸化物（ＮＯｘ）への酸化反応を抑制し、サーマルＮＯｘを低減する。
【００６３】
図３及び図５に示す実施例では、バーナの設置されている火炉の前壁２５と後壁２６から気体供給口９までの距離をバーナノズルの最縮流部（スロート部）の径（水力直径）の１倍以上離している。
【００６４】
図５、図６では、対向燃焼のボイラの場合を示したが、１つの壁面に設ける片面燃焼の場合も、バーナ設置面以外の壁面に気体供給口を設けることで同様の効果が得られる。特に片面燃焼の場合は、バーナ設置面と対向する壁面に気体供給口を設けると、燃焼灰の付着を効果的に抑制することができる。
【００６５】
また、図４に示されるように、気体供給口９をバーナの横方向に設ける場合、最上段バーナ９の左右かあるいはやや上方に設けることが火炎の最高温度の低減に効果的である。火炉中心軸に近い部分や、最上段バーナ５の近傍は周囲のバーナで形成される火炎からの放射熱を受けるため、熱負荷が特に高くなりやすい。このため、燃焼排ガスの供給口をこれらの部分に集中的に設けると、火炎の最高温度の低下に効果的である。
【００６６】
燃焼排ガスを火炉に再循環させる配管１２に空気を導入する配管１５とダンパ１６を設置すると、気体供給口から噴出する気体は、燃焼排ガスと空気との混合流体である。
【００６７】
火炉内の混合を良くするために燃焼排ガスを大量に投入すると、酸素濃度が８％程度以下の領域を形成することがある。この領域では急激な酸素濃度の低下により、燃焼反応が中断してしまい、また燃料粒子が急冷されてしまい、再び酸素濃度が高くなっても燃焼反応が進みにくくなり、未燃焼分や一酸化炭素の増大をもたらす可能性がある。
【００６８】
酸素濃度を燃焼排ガスの濃度よりも高めることで、酸素濃度が８％以下の領域の形成を防ぐことができる。このため、火炎温度の低減とともに、燃焼反応を継続することが可能である。また、燃焼排ガスに空気を付加することで噴出量が増える。このため、バーナゾーンでの火炉内の流動と燃料と空気との混合が促進される。
【００６９】
火炉壁に火炎の放射強度、火炉壁温度、伝熱管温度の少なくとも１つを計測する計測器２２を設ける。計測器２２からの信号はボイラ制御装置２３に接続する。制御装置２３からは燃料流量や空気流量を調整することが可能である。本実施例では、制御装置２３から再循環ガス流量の調整弁２４に信号を送ることができる。
【００７０】
計測器２２の信号が火炎の放射強度、火炉壁温度、伝熱管温度の少なくとも１つの設定条件を超えた場合は、気体供給口から噴出する気体の流量を増やし、火炎の最高温度を低減する。高い熱負荷により火炉壁面での灰付着の障害を防ぐことができる。また、火炎の高温部で活発となる、空気中の窒素からＮＯｘが生成する反応（サーマルＮＯｘ反応）を抑制し、火炉から排出されるＮＯｘ濃度を抑制することができる。この制御システムは図２の場合も設けられている。
【００７１】
計測器２２は図１に示すように火炉壁に設ける場合のほか、火炉下部や上部に設け、例えば、放射強度計のように非接触型の計測器により測定する場合でも良い。また、煙道に設けたＮＯｘ濃度計の信号を用いることも可能である。火炎の高温部ではサーマルＮＯｘ反応が活発となる。
【００７２】
この反応を利用し、ＮＯｘ濃度の挙動を計測することで、火炉内に高温部分が形成されているかどうか判断することが可能である。ＮＯｘ濃度が高い場合には気体供給口から供給する気体の流量を増やし、火炎の最高温度を低減し、サーマルＮＯｘ反応によるＮＯｘの増加を防ぐことができる。また、高い熱負荷により火炉壁面での灰付着の障害を防ぐことができる。
【００７３】
以上説明した本発明の実施例によれば、バーナ設置面に燃焼排ガスを含む気体供給口を設けることで火炉内の最も熱負荷の高い部分に効果的に燃焼排ガスを送り込める。このため、熱負荷の高い部分で火炎温度を低下させることができる。火炎温度の低下により、火炉壁面での燃焼灰の温度を低減し、溶融、軟化による灰付着障害の発生を抑制できる。
【００７４】
また、火炎温度が低下することで、高温において活発となる空気中の窒素から窒素酸化物（ＮＯｘ）への酸化反応を抑制する。上記のごとく，本発明の実施例によれば，バーナ設置面に燃焼排ガスの供給口を設けることで火炉内の最も熱負荷の高い部分に効果的に燃焼排ガスを送り込める。このため、熱負荷の高い部分で火炎温度を低下させることができる。
【００７５】
火炎温度の低下により、火炉壁面での燃焼灰の温度を低減し、溶融、軟化による灰付着障害の発生を抑制できる。また、火炎温度が低下することで、高温において活発となる空気中の窒素から窒素酸化物（ＮＯｘ）への酸化反応を抑制できる。このため，火炉出口でのＮＯｘの発生を抑制できる。
【００７６】
（実施例２）
図７はバーナの設置面とは異なった火炉壁面に戻り燃焼排ガスの供給口を設置した例を示す。図７において、図１、図４、図６と同じ符号は同じ要素を示す。
バーナ５を火炉３の前壁２５と後壁２６に設けた対抗燃焼ボイラでは、バーナから噴出した燃料が火炉中心で衝突し、側壁２７に向かう流れが生じることがある。このとき、側壁に燃焼灰を含む燃料粒子が衝突しやすくなるため、特に熱負荷の高い側壁中央部は燃焼は胃の付着が置きやすい。
図７に示される実施例では排ガス再循環用の気体供給口９を側壁２７の中央近くに設けている。このため、火炉中央から側壁２７に向かう流れは、気体供給口９からの排ガスの噴流により緩和される。側壁に燃焼灰が衝突しにくくなるため、側壁への灰付着を抑制できる。
この実施例の場合、先述の実施例のようにバーナ列又は段との関係では無くなり、図２に示すように高温還元炎に戻り排ガスが混合するようになればよい。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、溶融灰の火炉壁等への強固な付着が防げ、サーマルＮＯｘ、フューエルＮＯｘ及び未燃分を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる微粉炭ボイラの概略図である。
【図２】本発明におけるバーナ火炎と戻り排ガス噴射との関係を説明する図である。
【図３】気体供給口の設置方法の一例を示す正面図である。
【図４】図３の斜視図である。
【図５】気体供給口設置方法の他の例を示す正面図である。
【図６】図５の斜視図である。
【図７】第２の実施形態に係わる微粉炭ボイラの概略図である。
【符号の説明】
１…燃料供給装置、２…粉砕機、３…火炉、４…燃焼空気用ブロア、５…バーナ、６…アフタエアポート、７…煙道、８…伝熱管群、９…気体供給口、１０…排ガス再循環ブロア、１１…燃料供給管、１２…配管、１３，１４…調整弁、１５…配管、１６…ダンパ（流量調整弁）、２０…空気不足域（バーナゾーン）、２１…完全燃焼域、２２…計測器、２３…制御装置、２４…調整弁。
Claims (19)
- 複数の固体燃料バーナと、壁面燃焼を行う火炉壁を有する火炉と、前記火炉の下流から前記火炉に燃焼排ガスの一部を還流する流路と、前記火炉の壁面と前記火炉の下流側の空間に備えられた伝熱管と、前記火炉内のバーナの酸素不足の燃焼域（還元炎部）に前記燃焼排ガスを供給する戻り燃焼排ガス供給口を設けてなり、上記燃焼排ガス供給口は，最上流側に位置するバーナとアフタエアポートとの間に位置し、かつ上記燃焼排ガス供給口は上記バーナから該バーナの直径の１倍以上離れていることを特徴とする固体燃料ボイラ。
- 前記戻り燃焼排ガス供給口を、前記火炉のバーナ設置面に設けたことを特徴とする請求項１記載の固体燃料ボイラ。
- 前記戻り燃焼排ガス供給口を、前記ボイラのウインドボックスの外部であって前記火炉のバーナ設置面に設けたことを特徴とする請求項１記載の固体燃料ボイラ。
- 前記戻り燃焼排ガス供給口の断面中心が、最も近い前記バーナの燃料ノズルの断面中心から前記バーナのスロート直径の１．１倍から４倍離れていることを特徴とする請求項１記載の固体燃料ボイラ。
- 前記戻り燃焼排ガス供給口の断面形状が、実質的に円形であることを特徴とする請求項１記載の固体燃料ボイラ。
- 複数の固体燃料バーナと、該バーナを備え壁面燃焼を行う火炉壁を有する火炉と、前記火炉の下流から前記火炉に燃焼排ガスの一部を還流する流路と、前記火炉の壁面と前記火炉の下流側の空間に備えられた伝熱管と、前記火炉のバーナ設置面に設けられ前記燃焼排ガスを火炉内に供給する複数の戻り燃焼排ガス供給口を有し、記供給口の断面中心が、前記バーナのスロートの外周から該スロートの直径の１．１倍から４倍離れていることを特徴とする固体燃料ボイラ。
- 前記戻り燃焼排ガス供給口を、前記火炉のバーナ設置面とは異なる面に設けたことを特徴とする請求項６記載の固体燃料ボイラ。
- 複数の固体燃料バーナと、該バーナを備え壁面燃焼を行う火炉壁を有する火炉と、前記火炉の下流から前記火炉に燃焼排ガスの一部を還流する流路と、前記火炉の壁面と前記火炉の下流側の空間に備えた伝熱管と、前記火炉のバーナ設置面とは異なった面に設けられ前記燃焼排ガスを火炉内に供給する複数の戻り燃焼排ガス供給口を有し、該供給口の断面中心の高さは前記バーナのスロートの中心と同じか、それよりも高い位置にあることを特徴とする固体燃料ボイラ。
- 前記戻り燃焼排ガス供給口を、前記火炉のバーナ設置面ならびに該設置面とは異なる面に設けたことを特徴とする請求項８記載の固体燃料ボイラ。
- 前記バーナ設置面に設けられた供給口は前記ボイラのウインドボックスの外部に設けられ、前記供給口の断面中心が、前記バーナのスロートの外周から該スロート直径の１．１倍から４倍離れており、前記バーナ設置面とは異なった面に設けられた供給口の断面中心の高さは前記バーナのスロートの中心と同じか、それよりも高い位置にあることを特徴とする請求項９記載の固体燃料ボイラ。
- 前記排ガス供給口を火炉中心に近いバーナに対応して設けたことを特徴とする請求項１、６及び８のいずれかに記載の固体燃料ボイラ。
- 前記バーナは複数の列と段を構成するように配置され、戻り排ガス供給口はバーナ最上段の上部に設けられたことを特徴とする請求項１、６及び８のいずれかに記載の固体燃料ボイラ。
- 前記気体供給口と前記バーナのうち前記気体供給口に最も近いバーナとの距離は、前記バーナノズルのスロート部の外径に対し１．３倍以上であり、前記気体供給口のスロート部の外径は、前記バーナノズルスロート部の外径の０．７５倍以下であることを特徴とする請求項１，６及び８のいずれかに記載の固体燃料ボイラ。
- 固体燃料とその搬送気体を噴出するノズルと燃焼用空気の一部を噴出する空気ノズルとを有する複数の固体燃料バーナと、前記固体燃料バーナの下流側に燃焼用空気の残りを噴出する二段燃焼用の空気ノズルを複数備え壁面燃焼を行う火炉と、前記火炉の下流から前記火炉の上流に燃焼排ガスの一部を還流する流路と、前記火炉の壁面と前記火炉の下流側の空間に伝熱管を備え、前記固体燃料バーナのうち、最も上流側に位置するバーナ（最下段バーナ）と、前記二段燃焼用の空気ノズルとの間に設けた前記燃焼排ガスを火炉内に供給する気体供給口を有し，前記気体供給口と前記バーナまたは前記二段燃焼用の空気ノズルとの間隔は、前記バーナノズルの直径（水力直径）の１倍から４倍であることを特徴とする固体燃料ボイラ。
- 燃焼排ガスの一部を火炉に戻す方式の固体燃料ボイラにおいて、ボイラの火炉内におけるバーナスロートから離れた位置に設置された気体供給口から、戻り燃焼排ガスを含む気体が前記スロートの近くの初期火炎（着火域）と混合するのを回避しながら、しかし１５００℃以上の還元炎とは混合するように、該気体を火炉内に供給することを特徴とする固体燃料ボイラの燃焼方法。
- 前記気体は、燃焼排ガスと空気との混合流体であることを特徴とする請求項１５記載のボイラ燃焼方法。
- 前記気体供給口から噴出する気体の流速を、３０〜５０ｍ／秒とすることを特徴とする請求項１５記載のボイラ燃焼方法。
- 前記気体供給口から噴出する気体の流量を火炉の運転負荷に併せて制御することを特徴とする請求項１５記載のボイラ燃焼方法。
- 前記火炉の壁に設けたセンサにより火炎の放射強度、火炉壁温度及び伝熱管温度の少なくとも１つを計測し、計測信号に基づいて気体供給口から噴出する気体の流量を制御することを特徴とする請求項１５記載のボイラ燃焼方法。
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