JP2005024136A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元性物質を生成させるに必要な保炎のための低流速と、還元性物質をバーナ火炎の主流まで十分に到達させるに必要な高流速の両方の条件を満足でき、炉内脱硝効果を最大限に発揮できるバーナを有する燃焼装置を提供すること。
【解決手段】微粉炭と搬送用気体との混合流体が導入される微粉炭ノズル６の先端に保炎リング７を有し、微粉炭ノズル６内に径方向に２つ以上の流路に分割する微粉炭内部ノズル１０を設け、得られた複数の燃料流路のうち、最も外側に設けた燃料流路を除く他の燃料流路のいずれかの流路からの前記混合流体の噴出速度が最も速くなるような構成にした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は微粉状固体燃料をバーナに導き、燃焼ガス中のＮＯｘ発生量を極力低減させた状態で燃焼させる燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境保全のための公害防止規制は年々厳しくなっているが、特に前記石炭を燃焼させる微粉炭ボイラでは燃焼ガス中のＮＯｘ発生量を極力低減すること（以下、低ＮＯｘ化という）が要請されている。また、未燃分低減燃焼が可能な技術を用いることも不可欠になっている。その燃焼技術を具体化した装置の構成及び燃焼方法には次のものが用いられている。
【０００３】
（１）火炉構造による方式（二段燃焼方式：外部式）
従来のボイラ等に用いられる固体燃料（以下の説明では、固体燃料として微粉炭を用いた場合を例にして説明する）燃焼システムには、分級機を内蔵した微粉炭機で石炭を粉砕し、分級により所定の大きさ以下の微粉炭を搬送用気体でバーナ部に直接供給して燃焼させる燃焼システムが実用化されている。この微粉炭燃焼システムの低ＮＯｘ化燃焼技術としては、二段燃焼方式が代表的である。
【０００４】
二段燃焼方式は、火炉のバーナゾーンでの空気比（バーナ部から火炉内へ投入する燃焼用空気流量の投入微粉炭を完全燃焼させるのに必要な空気流量（以下、理論空気流量）に対する割合）を１以下にした燃料リッチな条件に保つことで固体燃料の燃焼により生成するＮＯｘを還元し、燃焼ガス中の低ＮＯｘ化を図り、このときの未燃焼燃料については、バーナゾーン後流側の空気投入口から燃焼用空気を投入して燃焼させる方式であり、次に述べる低ＮＯｘバーナによる燃焼方式と区別して外部式と呼ばれる。
【０００５】
（２）低ＮＯｘバーナ方式（空気分割供給方式：内部式）
低ＮＯｘバーナは、燃焼用空気を二次、三次空気に分割し、この二次、三次空気を旋回させて火炉内に投入するものであり、微粉炭と該微粉炭搬送用の一次空気からなる固気混合相流中の一次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方式を採ることにより、バーナゾーンでの燃焼ガス中の低ＮＯｘ化を図るものである。さらに前記分割した二次、三次空気の流れの間に分離器を設置して外側の燃焼用空気と微粉炭流との火炉内での混合をできるだけ遅らせて、より燃焼ガス中のＮＯｘ生成量を低減する燃焼法（特開平１−５７００４号、特開平１−７０６０６号など）も開発され、実用化されている。この低ＮＯｘバーナでの空気分割供給方式も、段階的に燃焼用空気が投入されることで二段燃焼法と呼ばれ、前記（１）の二段燃焼法と区別するために、内部式ということがある。
【０００６】
（３）上記（１）、（２）の燃焼法の組み合わせ
一般的に最近のボイラでは、前記外部式及び内部式二段燃焼法の併用による燃焼ガス中の低ＮＯｘ化を図っている。この組み合わせにより、ボイラ出口での燃焼排ガス中のＮＯｘ排出量が１５０から２００ｐｐｍ前後（燃料比＝固定炭素／揮発分の値が２、石炭中Ｎ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。
【０００７】
図６には、バーナ２、３と二段燃焼用空気投入口４が設置されたボイラ火炉１の内部構造を示す。
最上段（最下流）バーナを空気比０．３から０．６程度で燃焼させ、燃焼過程の中間生成物がＮＯｘを還元する特性を積極的に活用してＮＯｘ排出を抑える、いわゆる炉内脱硝法のシステム例を示す。本例ではバーナ空気比を１．０以下の通常の低ＮＯｘ燃焼を行う主バーナ２が三段配置されている。主バーナ２の上部に、バーナ空気比０．３から０．６の極低空気比で燃焼させる脱硝バーナ３が一段配置されている。脱硝バーナ３の上部には、完全燃焼のために必要な空気を供給する二段燃焼用空気投入口４が設置されている。最上段（最下流）バーナの極低空気比条件下の燃焼で、燃料中の炭化水素（ＣｍＨｎと略す）から、中間生成物である炭化水素ラジカル（ラジカルを・で表すこととし、炭化水素ラジカルの代表として例えば・ＣＨを示す。）が生成する。前記炭化水素ラジカルは燃焼過程で発生した窒素酸化物（ＮＯ）と化学反応を起こし、窒素元素（Ｎ）を含むラジカル（例えば・ＮＨ）に転換する。ＮＯはさらにＮを含むラジカルと結びつき、窒素分子（Ｎ_２）に還元される。この一連の反応を下記反応式で示す。
ＣｍＨｎ→・ＣＨ＋Ｘ（その他の中間生成物）
ＮＯ＋・ＣＨ→・ＮＨ＋ＣＯ
ＮＯ＋・ＮＨ→Ｎ_２＋・ＯＨ
上記反応を効果的に行わせるには、脱硝バーナ３での着火を確実に行い燃焼過程で・ＣＨ、・ＮＨなどの還元性物質を多量に生成させるとともに、発生した還元性物質を、ＮＯを多く含むバーナ火炎の主流５に十分に到達させることが必要である。
【０００８】
図７に従来の低ＮＯｘ微粉炭バーナの概略断面構成図を示す。燃料と搬送用空気（一次空気）の混合流体を火炉１に導く微粉炭ノズル６の先端に、保炎を司る保炎リング７が取り付いている。保炎リング７の後流には、強い渦流（循環流）１９が形成され、安定した燃焼が維持される。微粉炭ノズル６の外周部には、二次空気流路８及び三次空気流路９が設置され、燃焼用空気を分離供給し火炎中心に燃料過剰な還元雰囲気を形成することで、火炎内でのＮＯｘ低減を可能としている。図７に示すバーナは、例えば、本出願人による特開２００１−８２７０６号公報など記載されている。なお、図７のバーナの中心軸部には燃料着火用の油バーナ３１が設けられている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−８２７０６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の低ＮＯｘ微粉炭バーナにおいては、保炎のために、保炎リング７の設置とともに、微粉炭ノズル６の出口の燃料を含む流体の流速を最高でも２０ｍ／ｓ台に抑える考慮が払われている。これらの考慮事項は火炎を安定に維持して上述の還元性物質を多量に生成させるためには有効であるが、還元性物質を、ＮＯを多く含むバーナ火炎の主流５に十分に到達させるためには、流速が不足する。しかしながら還元性物質をバーナ火炎主流５まで十分に到達させるために流速を上げると、今度は保炎性が低下し、安定した火炎が維持できず還元性物質の生成が阻害される。
【００１１】
本発明の課題は、還元性物質を生成させるに必要な保炎のための低流速と、還元性物質をバーナ火炎の主流まで十分に到達させるに必要な高流速の両方の条件を満足でき、炉内脱硝効果を最大限に発揮できるバーナを有する燃焼装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の課題は次の解決手段で達成される。
すなわち、請求項１記載の発明は、微粉状固体燃料と搬送用気体との混合流体が導入される燃料流路の先端に保炎機構を有し、前記燃料流路の外側に１つ以上の燃焼用空気流路を有するバーナを有する燃焼装置において、前記バーナは、その燃焼流路内に該燃料流路を径方向に２つ以上の流路に分割した複数の燃料流路を設け、該複数の燃料流路のうち、最も外側に設けた燃料流路を除く他の燃料流路のいずれかの流路からの前記混合流体の噴出速度が最も速くなるような構成にしたことを特徴とするバーナを有する燃焼装置である。
【００１３】
請求項１記載の発明において、前記最も外側に設けた燃料流路を他の燃料流路より前記混合流体の噴出速度が遅い燃料流路断面を備えたバーナは、次のような構成が考えられる。
（１）前記分割により形成された複数の燃料流路のうち、最も外側に設けた燃料流路の入口または該燃料流路内の中間部に絞りを設けた構成、
（２）前記分割燃料流路より上流側の燃料流路内に前記分割後の燃料流路の最も外側に設けた燃料流路の内壁面近傍の燃料濃度を高める燃料濃度調整機構を設けた構成
【００１４】
また、請求項４記載の発明は、微粉状固体燃料と搬送用気体との混合流体が導入される燃料流路の先端に保炎機構を有し、前記燃料流路の外側に１つ以上の燃焼用空気流路を有するバーナを有する燃焼装置において、前記バーナは、その燃料流路内の軸方向に該燃料流路を貫通して少なくとも１つの内部燃料流路を設け、前記燃料流路とその内部に前記内部燃料流路に、それぞれ微粉状固体燃料と搬送用気体との混合流体を別個に供給する混合流体搬送系統を接続し、該混合流体搬送系統には、それぞれ混合流体を分岐して供給する分岐部を備えた混合流体供給装置を接続し、該混合流体供給装置の前記分岐部にはそれぞれの混合流体搬送系統への混合流体の供給量を調整する流量調整機構を備えたバーナを有する燃焼装置である。
前記請求項４記載の発明の構成において、混合流体供給装置の前記分岐部の上流側には、微粉状固体燃料の濃度を調整する機構を設けた構成を採用することもできる。
【００１５】
本発明には、前記バーナを有する燃焼装置を設けたボイラも含まれる。
【００１６】
【作用】
本発明によれば、バーナの最も外側に設けた燃料流路出口では還元性物質を多量に生成させるに必要な保炎のための比較的低速流の燃料が噴出する。一方、バーナの内側を通る混合流体は燃料流路出口では比較的高速流となり、多量に発生する還元性物質を燃焼装置内のバーナ火炎の主流まで到達させるに必要な流速の確保できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
以下の各実施例のバーナは図６の燃焼装置１の主バーナ２に用いられるバーナである。
【００１８】
【実施例１】
図１に示す実施例のバーナは、微粉炭と搬送用気体からなる混合流体が流れる微粉炭ノズル６が設けられ、微粉炭ノズル６の先端には、微粉炭の着火と保炎のための保炎リング７が設けられている。また、微粉炭ノズル６内部の先端部（火炉１への出口部）には、微粉炭ノズル６を、その軸方向に２つの流路に分割する流路分割ノズル１０を設ける。流路分割ノズル１０は、ノズル径方向断面積が流路上流側の径が大きく下流側（火炉出口側）が小さい軸方向のノズル径が二段階にわたり変化した構成を有する。そのため、流路分割ノズル１０と微粉炭ノズル６の内壁との間隔が流路上流側では狭く、流路下流側では広くなっている。
また、微粉炭ノズル６の前記流路分割ノズル１０の設置部より上流側の内壁には流体流路を縮小する流路縮流部材１１が設けられている。
【００１９】
さらに、微粉炭ノズル６の外周にはウインドボックス８から燃焼用空気が供給される二次空気流路１２と三次空気流路１３が設けられ、各流路１２、１３内には空気旋回器１５、１６がそれぞれ設けられる。
【００２０】
なお、微粉炭の搬送用気体としては空気を用いても良いが、着火しやすい微粉炭が微粉炭ノズル６出口に搬送される間に着火するのを防ぐために火炉１から排出する燃焼排ガスを用いてもよい。
【００２１】
上記構成からなる図１のバーナでは、微粉炭ノズル６に流入した微粉炭と搬送用気体の混合流体は、流路縮流部材１１により燃料搬送用気体より慣性力が大きい燃料粒子（微粉炭）の流れがバーナ中心軸方向に絞られる効果がある。
【００２２】
流路縮流部材１１により燃料粒子（微粉炭）の流れがバーナ中心軸方向に絞られた混合流体の中で、微粉炭ノズル６の内壁と流路分割ノズル１０の外周壁との間隙部に達した混合流体は流路分割ノズル１０で一旦絞られ、その後は比較的広い流路内を流れ、流路上流側から下流側にかけて混合流体が比較的低速流となる。 また、保炎リング７部を通過する微粉炭ノズル６の内壁側の混合流体の流速は低下し、保炎にとって最適な値となり、循環流１９の高温ガスと接触して着火し易くなり、燃焼安定性も向上しる。
【００２３】
一方、バーナ中心軸を含む流路分割ノズル１０内を流れる混合流体は、流路上流側から下流側にかけて流路が絞られるので火炉１の出口部では比較的高速流となり、バーナ出口で多量に発生する還元性物質をバーナ火炎主流５（図６）まで到達させるために必要な流速の確保が可能となる。
なお、流路分割ノズル１０は微粉炭ノズル６の中心軸部の回りに同心円状に複数個設置してもよい。
【００２４】
【実施例２】
図２は図１の微粉炭ノズル６の中心軸に沿ってノズル径が変化する流路分割ノズル１０に代えて軸方向のノズル径が同じ流路分割ノズル１０’を設け、該流路分割ノズル１０の外周壁の軸方向中間部に絞り部１０’ａを設けた実施例である。
【００２５】
図２に示すバーナでは、微粉炭ノズル６の内壁と流路分割ノズル１０’との間隔を流れる微粉炭と搬送用気体の混合流体が絞り部１０’ａにより一旦絞られ、その後は比較的広い流路を流れて、バーナ出口に達する。
【００２６】
この絞り部１０’ａによる混合流体の流動抵抗が最適値になるように設定することにより、図１に示すバーナと同等の効果が得られる。しかし図２に示すバーナでは、図１に示すバーナに比較して混合流体の全体の流動抵抗が大きくなるため、燃料ノズル６の圧力損失が大きくなる。
【００２７】
【実施例３】
図３に示す微粉炭バーナは、微粉炭ノズル６の流路縮流部材１１と流路分割ノズル１０の間の微粉炭ノズル６の中心軸部に微粉炭の濃縮器１８を設けたことが図１のバーナとは異なる。
濃縮器１８を流路縮流部材１１より下流側に設けることで、バーナ中心軸方向に流路縮流部材１１で絞られた燃料粒子（微粉炭）の流れが、濃縮器１８を通過後、微粉炭ノズル６内の流路に沿って広がって流れる微粉炭は燃料搬送用気体より慣性力が大きいため、微粉炭ノズル６の内壁面側に片寄って流れてバーナ出口に向けて直進する。このため、微粉炭ノズル６の内壁面側に濃縮された微粉炭流が生じて、保炎リング７の後流側にできる循環流１９の高温ガスと接触して着火し易くなり、燃焼安定性も向上し、還元性物質生成促進に有効となる。濃縮器１８はサポート１９により微粉炭ノズル６を構成する壁面に支持されている。
【００２８】
【実施例４】
図４に示す微粉炭バーナは、図１に示す微粉炭バーナの微粉炭ノズル６の内部に配置していた流路分割ノズル１０と流路縮流部材１１と濃縮器１８を取り除き、微粉炭ノズル６の内部に、その軸方向を貫通して内部微粉炭ノズル２２を設置したものである。そして、前記微粉炭ノズル６と内部微粉炭ノズル２２とに別個に微粉炭と搬送用気体の混合流体をそれぞれ導入するために、微粉炭と搬送用気体の混合流体供給装置２３を設けている。
【００２９】
前記混合流体供給装置２３に微粉炭ノズル６と内部微粉炭ノズル２２とに別個に混合流体をそれぞれ導入できるように各微粉炭ノズル６、２２にそれぞれに接続した流体供給系２５、２６を接続し、また、混合流体供給装置２３の先端部には、前記各流体供給系２５、２６に混合流体を分岐して供給するための分岐部２３ａを設け、該分岐部２３ａには混合流体の流量を個別に調整できる機構（図４では流路の開度の調整ができるダンパ）２７、２８をそれぞれ設けている。
【００３０】
こうして、個別の流体供給系２５、２６から微粉炭ノズル６と内部微粉炭ノズル２２に燃料と搬送用気体の混合流体が流量調整された上で供給されるので、例えば、ダンパ２８のある流路の開度を大きくなるように、ダンパ２８を回転させると共にダンパ２５を逆に回転させて、ダンパ２５のある流路の開度が小さくなるようにすることで、微粉炭ノズル６の内壁側の流量を低下させ、同時に内部微粉炭ノズル２２内の流量を増加させることができる。微粉炭ノズル６の内壁側の流量を低下させることで保炎リング７の近傍では低流速の混合流体を得て、燃料の着火性と燃焼安定性を確保し、同時に内部微粉炭ノズル２２内の流量を増加させることでバーナ出口中央部では高流速の条件が達成できる。その結果、バーナ出口で多量に発生する還元性物質をバーナ火炎主流５（図６）まで到達させるために必要な流速の確保が可能となる。
【００３１】
【実施例５】
図５に示す微粉炭バーナは、図４に示す微粉炭バーナの混合流体供給装置内の混合流体の流量調整機構（ダンパ）２７、２８が設けられた流路分岐部２３ａの上流側に単一の流路内を流れる微粉炭濃度の調整機構３０を設置したものである。
微粉炭濃度調整機構３０を用いて微粉炭ノズル６の内壁側に導かれる流体供給系統の微粉炭濃度を向上させることにより、燃焼安定性は向上し、還元性物質生成が促進される。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、還元性物質を生成させるに必要な保炎のための低流速と、還元性物質をバーナ火炎の主流まで十分に到達させるに必要な高流速の両方の条件を満足できるため、炉内脱硝効果を最大限に発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のバーナを有する燃焼装置の概略側断面図である。
【図２】本発明の実施例のバーナを有する燃焼装置の概略側断面図である。
【図３】本発明の実施例のバーナを有する燃焼装置の概略側断面図である。
【図４】本発明の実施例のバーナを有する燃焼装置の概略側断面図である。
【図５】本発明の実施例のバーナを有する燃焼装置の概略側断面図である。
【図６】燃焼装置の概略側断面図である。
【図７】従来技術のバーナを有する燃焼装置のが概略側断面図である。
【符号の説明】
１ 火炉 ２ 主バーナ
３ 脱硝バーナ ４ 二段燃焼用空気投入口
５ 主バーナ火炎主流 ６ 微粉炭ノズル
７ 保炎リング ８ ウインドボックス
１０，１０’ 微粉炭内部ノズル
１０’ａ 絞り部 １２ ２次空気流路
１３ ３次空気流路 １８ 濃縮器
１９ サポート ２２ 内部微粉炭ノズル
２３ 混合流体供給装置 ２５、２６ 流体供給系
２７、２８ ダンパ ３０ 調整機構（ダンパ）

Claims (6)

1. 微粉状固体燃料と搬送用気体との混合流体が導入される燃料流路の先端に保炎機構を有し、前記燃料流路の外側に１つ以上の燃焼用空気流路を有するバーナを有する燃焼装置において、
   前記バーナは、その燃焼流路内に該燃料流路を径方向に２つ以上の流路に分割した複数の燃料流路を設け、該複数の燃料流路のうち、最も外側に設けた燃料流路を除く他の燃料流路のいずれかの流路からの前記混合流体の噴出速度が最も速くなるような構成にしたことを特徴とするバーナを有する燃焼装置。
2. 前記複数の分割燃料流路のうち、最も外側に設けた燃料流路の入口または該燃料流路内の中間部に絞りを設けたことを特徴とする請求項１記載のバーナを有する燃焼装置。
3. 前記分割燃料流路より上流側の燃料流路内に前記分割燃料流路の最も外側に設けた燃料流路の内壁面近傍の燃料濃度を高める燃料濃度調整機構を設けたことを特徴とする請求項１記載のバーナを有する燃焼装置。
4. 微粉状固体燃料と搬送用気体との混合流体が導入される燃料流路の先端に保炎機構を有し、前記燃料流路の外側に１つ以上の燃焼用空気流路を有するバーナを有する燃焼装置において、
   前記バーナは、その燃料流路内の軸方向に該燃料流路を貫通して少なくとも１つの内部燃料流路を設け、
   前記燃料流路とその内部に設けた前記内部燃料流路に、それぞれ微粉状固体燃料と搬送用気体との混合流体を別個に供給する混合流体搬送系統を接続し、
   該混合流体搬送系統には、それぞれ前記混合流体を分岐して供給する分岐部を備えた混合流体供給装置を接続し、
   該混合流体供給装置の前記分岐部にはそれぞれの混合流体搬送系統への混合流体の供給量を調整する流量調整機構を備えたことを特徴するバーナを有する燃焼装置。
5. 前記混合流体供給装置の前記分岐部の上流側には、微粉状固体燃料の濃度を調整する機構を設けたことを特徴とする請求項４記載のバーナを有する燃焼装置。
6. 請求項１又は４記載のバーナを有する燃焼装置を設けたボイラ。

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