JP2005265300A - ボイラ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明のボイラ装置は、固体燃料の燃焼により発生する燃焼ガスを燃焼させる火炉10と、固体燃料の燃焼により発生する飛灰(溶融灰)を燃焼ガスから分離し、燃焼ガスを火炉10に噴出して主火炎を形成させる部分燃焼炉25と、部分燃焼炉内に固体燃料を噴出させて副火炎を形成させる燃料ノズル26bと、火炉から抽気した燃焼排気ガスにより燃焼用空気を固体燃料の着火温度以上に加熱して高温燃料用空気を生成し、副火炎近傍に還元雰囲気を形成させるように噴出させる熱交換手段22、高温空気供給手段26aと、燃焼用空気を予熱して燃焼用二次空気を生成し、主火炎近傍に噴出させる空気予熱手段15、二次空気供給手段17とを備える。
【選択図】 図1
Description
(1)揮発性の低い炭種も含めた種々の炭種或いは汚泥、バイオマス燃料を燃料として、低負荷から高負荷まで広い作動範囲で安定な低NOx燃焼が可能であること。
(2)高温の燃焼排気ガス中に含まれる飛灰(粉塵)が火炉内の水管や蒸気管等、或は、高温燃焼用空気を生成する熱交換器等に付着して、それらの伝熱機能の低下、ガスの流れる管路の閉塞等を生じることを防止できること。
(3)既存の重油焚ボイラから石炭を燃料とするボイラへの改造が、特に(2)の粉塵対策も十分に考慮した上で、短期間、低コストで容易に実施できること。
微粉炭は、ボイラ内で加熱されガス化して燃焼するが、かかるガスの発生のしやすさ(揮発性)は炭種により異なり、例えば、炭化度が高く煙の少ない無煙炭の揮発性は低く着火性が極端に悪い。無煙炭を含む種々の炭種を燃料として、低負荷から定格運転までの広い作動範囲で安定して燃焼させることは殆ど不可能である。
次に(2)について説明する。
また、微粉炭の燃焼により発生し、燃焼ガスの流れに同伴して飛散する灰(フライアッシュ)のことを本明細書においては「飛灰」と記載しているが、これら飛灰は、本発明による高温空気燃焼の燃焼火炎中、及び部分燃焼炉内では溶融した状態で存在しているので、それらを、特に「溶融灰」という。
前記部分燃焼炉は、該部分燃焼炉下部に配設された溶融灰回収手段を備え、 前記燃料ノズル及び高温空気供給手段の空気噴出ノズルは、該部分燃焼炉内壁に沿って螺旋状の噴流が形成されるように、前記固体燃料、前記高温燃焼用空気を噴出させることとしてもよく(請求項4)、さらに、一端が閉止し、他端が前記火炉に開口して開口噴出部を形成する円筒形状物として、前記燃料ノズル及び高温空気供給手段の空気噴出ノズルは、円筒状の該部分燃焼炉の接線方向に、前記固体燃料及び高温燃焼用空気を噴出することとしてもよい(請求項5)。
互いに対向する前記火炉の各壁面に、前記部分燃焼炉開口噴出部と前記二次空気供給手段の空気噴出ノズルとをそれぞれ対向して配置してもよく(請求項7)、前記燃料ノズル手段及び燃焼用空気供給手段は、前記火炉内の水平な仮想円の接線方向に、前記燃料及び燃焼用空気をそれぞれ噴出させ、前記火炉内に旋回流を発生させつつ前記固体燃料を燃焼させることとしてもよい(請求項8)。
前記空気予熱手段は、前記火炉からの排気ガスにより燃焼用空気を予熱することとしても良い(請求項11)。
本発明のボイラ装置においては、汚泥や木材チップ等のバイオマス燃料等様々の固体燃料が使用できるが、固体燃料として、微粉炭を選択した場合には、前記高温燃焼用空気を、800℃以上に加熱することが望ましい(請求項12)。
前記火炉からの排気ガスを搬送ガスとし、該搬送ガスにより前記固体燃料を前記燃料ノズルに搬送することとしてもよく(請求項13)、それに加えて、石炭を微粉炭に粉砕するミル装置を備え、前記火炉からの排気ガスを雰囲気ガスとし、該排気ガスをミル装置に供給して微粉炭を製造するととしてもよく(請求項14)、前記火炉からの排気ガス中の灰儘を除去する粉塵除去手段をさらに備えることが好ましい(請求項15)。
(1)必要最小量の高温燃焼用空気により、高温かつ還元性の雰囲気下における予備的な部分燃焼(予備燃焼)を生ぜしめて着火性の向上を実現し、炭種によらず安定な低NOx燃焼を確保する。
(2)(1)の予備的な部分燃焼は、火炉に臨む小区画である部分燃焼炉内で生ぜしめ、その際に発生する飛灰(火炎内では溶融して、溶融灰として存在)は該小区画に閉じ込めて、別途回収し、火炉内へは、燃焼に際して飛灰を生じない燃焼ガスのみを噴出させる。このため、火炉内、燃焼排気ガスの抽気系及び排気ガス系には飛灰等の粉塵は殆ど流入せず、従って粉塵付着等の問題も生じない。
(3)高温燃焼用空気の供給により部分燃焼炉内全体が高温に加熱されているので火炎中で溶融していた飛灰が部分燃焼炉下部に落下しても冷えて固まることがなく、溶融スラグ流を形成して流れるので、かかる溶融灰の回収を、例えば重力流の利用により容易に行うことができる。
(4)火炉内では、部分燃焼炉から噴出する燃焼ガスに、固体燃料の着火温度に比較すれば低温の燃焼用二次空気を供給して燃焼(後段燃焼)させ、燃焼を完結させる。ここで燃焼する燃料は、予備燃焼において揮発発生した燃焼ガスであるので、着火性がよく、消炎の恐れがなく、また、窒素成分は予備燃焼において還元されて安定化しているのでフュ−エルNOの発生も少ない。
この二次燃焼用空気の温度は高くはないが、既に予備燃焼において高温燃焼用空気によって燃焼反応が進んでおり、一部は未燃の燃焼ガスとして、一部は燃焼が完了していない活性種を含む中間反応種として、残余は既燃ガスとして後段燃焼域に達し、ただちに燃焼用二次空気と反応することができる。すなわち、予備燃焼に必要な高温燃焼用空気のみにより燃焼全体を安定な高温空気燃焼とすることができる。
また、高温燃焼用空気量が少なくてすむので、高温燃焼用空気を発生させる設備も小型化がはかれる。この特徴は、特に、従来型ボイラの改造により高温燃焼用空気を供給する設備を付加して本発明を適用する場合において、既存の設備の多くをそのまま利用して改造の規模を小規模なものとできることから重要である。
請求項4の発明によっては、部分燃焼炉は、該部分燃焼炉下部に配設された溶融灰回収手段を備え、燃料ノズル及び高温空気供給手段の空気噴出ノズルは、該部分燃焼炉内壁に沿って螺旋状の噴流が形成されるように、固体燃料、高温燃焼用空気を噴出させることとしたので、固体燃料が燃焼して形成する火炎内の溶融灰が該噴流に沿って螺旋状に流れ、部分燃焼炉内壁に衝突して落下し溶融灰スラグとなって溶融灰回収手段によって回収される。このため溶融灰(飛灰)を効率良く回収して、飛灰が火炉に流入することを防止し、燃焼ガスのみを火炉に噴出させることができる。そのような部分燃焼炉として、具体的には、一端が閉止し、他端が火炉に開口して開口噴出部を形成する円筒形状物であり、燃料ノズル及び高温空気供給手段の空気噴出ノズルは、円筒状の該部分燃焼炉の接線方向に、固体燃料及び高温燃焼用空気を噴出する構造とすることもできる(請求項5)。
互いに対向する火炉の各壁面に、部分燃焼炉の開口噴出部と二次空気供給手段の空気噴出ノズルとをそれぞれ対向して配置して、火炉の軸心近傍に安定な主燃焼領域を形成させることもできるし(請求項7)、部分燃焼炉開口噴出部と二次空気供給手段の空気噴出ノズルは、火炉内の水平な仮想円の接線方向に、燃焼ガスと燃焼用二次空気とをそれぞれ噴出させ、火炉内に旋回流を発生させつつ固体燃料を燃焼させ、火炉内に水平な環状の旋回流を形成させて該燃料を燃焼させ、燃焼の安定性を向上させることもできる。(請求項8)。
請求項11の発明は、好ましくは、空気予熱手段として火炉からの排気ガスにより燃焼用空気を予熱することとしたので、排気ガスの熱量を有効に利用して大気中に放散される熱量を減少させ、エネルギー効率を高めるとともに、予熱バーナ等の設備や燃料等のコストの発生を防止することができる。
請求項13の発明によれば、好ましくは、火炉からの排気ガスを搬送ガスとし、該搬送ガスにより固体燃料を燃料ノズルに搬送することとしたので、燃料の搬送に使用して燃料とともに部分燃焼炉内の予備燃焼領域に噴出させる空気の酸素濃度が低下し着火点近傍における酸素不足による還元性雰囲気をさらに容易に実現することができる。通常、搬送用空気中の酸素濃度を低下させ、着火点近傍の酸素濃度を下げると燃焼が不安定になるが、高温燃焼用空気の存在により着火点近傍の温度が高温となっているので、燃焼の安定性が維持できる。搬送用空気中の酸素濃度低下による別の効果として、微粉炭が予期しない燃焼をすることを抑止し、また該予期しない燃焼を防止するための温度制御等の条件を緩和することができる。
まず、本発明の第1の実施例を図1を参照して説明する。第1実施例に係るボイラ装置1は、微粉炭の燃焼により発生する燃焼ガスを燃焼させる主燃焼領域10aを有する火炉10と、火炉10から燃焼排気ガスEGの一部を抽気し、抽気した燃焼排気ガスにより燃焼用空気BAを微粉炭の着火温度以上の温度(例えば、800℃)に加熱して高温燃焼用空気BA2を生成する多管式熱交換器(熱交換手段)22と、火炉底部近傍に設置され、微粉炭燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、該燃焼ガスから溶融灰(飛灰)を分離して火炉10に噴出させて燃焼させるスラグタップバーナ(部分燃焼炉)25と、微粉炭及び高温燃焼用空気BA2とをスラグタップバーナ25に噴出させ燃焼させる同軸ノズル26と、火炉10の排気口13から排出される排気ガスEG1を熱源として燃焼用空気BAを予熱して燃焼用二次空気BA1とする空気予熱器(空気予熱手段)15と燃焼用二次空気BA1を火炉10のスラグタップバーナ25の開口噴出部27より後流側に噴出させる二次空気ノズル(二次空気供給手段)17等を備える。
また、火炉本体11側壁の、開口噴出部27より上部(主火炎MFに沿って後流側)に燃焼用二次空気を噴出させる二次空気ノズル(二次空気供給手段)17が配設され、さらにその上部の炉頂部近傍には、微粉炭の燃焼により発生する高温の燃焼排気ガスEGの一部を抽気する抽気管21を備える。対流伝熱部12の底部には、火炉10内での熱交換により温度の低下した(〜400℃)排気ガスEG1の排気口13があり、排気口13から排出された排気ガスEG1は、脱硝装置14を介して空気予熱器15に流入する構造となっている。
スラグタップ開口噴出部27近傍には、図示しない着火装置があり、噴出する燃焼ガスに着火できる構造となっていることはいうまでもなく、開口噴出部の開口径、形状等は噴出する燃焼ガスの流速等を考慮して主燃焼領域10aに安定な火炎が形成されるように適宜設定される。
また、運転状態情報に基づき搬送用空気ブロワ32の吐出圧力、流量等或いはミル31において粉砕処理する石炭量等を設定、制御する機能も併せて備える。
次に、上記ボイラ装置1の作用について説明する。
このとき、微粉炭から発生する飛灰(溶融灰)はその殆どが、予備燃焼において発生し、該飛灰は、スラグタップバーナ25内の雰囲気が高温燃焼用空気の供給と副火炎の輻射熱により高温となっているため、溶融灰スラグとなってスラグタップバーナ25下部を重力流として流れ、スラグタップバーナ25の抜き出し管(溶融灰回収装置)28によって、容易に溶融回収される。このため、火炉10内へは飛灰は殆ど移行せず、また、後段燃焼は、未燃焼の燃焼ガスが燃焼するのみであり、飛灰が殆ど発生しないことから、結局火炉本体及びその燃焼排気ガス抽出系、排気ガス処理系においては飛灰に対する対策が不要となる。このため、特に既存の重油焚ボイラの燃料を転換して微粉炭焚ボイラに改造する場合に、バーナ部分を本実施例において説明したスラグタップバーナに交換することにより、かかる粉塵対策を十分施していない火炉本体を改造する必要がなく、極めて容易に燃料を転換することができる。
まず、燃料ノズル26bからスラグタップバーナ25内の予備燃焼領域25aに微粉炭を噴出させ、着火して副火炎SFを形成して燃焼させる。同時に微粉炭供給量や炭種、及び運転負荷状態等を勘案して設定される所定量の高温燃焼用空気BA2が、高温空気ノズル26aからスラグタップバーナ25に供給される。
副火炎SF近傍に供給される高温燃焼用空気BA2量が適切に調節されるので、着火点SF1近傍では、還元性雰囲気が維持され、フュ−エルNOを含むNOxの発生が抑制される。また、高温燃焼用空気BA2の温度が高いので、揮発性の低い炭種の場合であっても、微粉炭から燃焼性ガスが十分に揮発して着火性が保たれ、消炎することなく安定な燃焼が継続する。これらに加えて、微粉炭を搬送する搬送用空気A1の量も必要に応じて調整することにより着火点SF1近傍に最適な還元性雰囲気を達成することができる。
本実施例においては、燃料ノズルと高温空気ノズルとを1個の同軸ノズルとしてスラグタップバーナの接線方向に燃料と高温燃焼用空気とを噴出させ、螺旋状の旋回流を形成させているが、副火炎がスラグタップバーナ内に螺旋状の旋回流を形成する範囲においては、該ノズルを、例えば、スラグタップバーナの軸に垂直な平面に(図5)に複数配置してもよい。旋回流をより強力なものとして壁面との衝突による溶融灰(飛灰)の分離効率をより高めることができるからである。また、これらのバーナは同軸ノズルでなく、燃料ノズルと高温空気ノズルとがそれぞれ分離した離間ノズルであってもよい。
本実施例においては、固体燃料を微粉炭としたが、例えば、細かく砕いた木材チップなどのバイオマス燃料を用いてもよい。さらに多量の水分を含む汚泥等も搬送用空気による搬送の代わりにポンプにより火炉内に噴出させ、高温の燃焼用空気及び燃焼火炎からの輻射熱により水分を蒸発させ、乾燥した汚泥をさらに加熱して汚泥に含まれる可燃性成分を揮発させて燃焼することとしてもよい。従来技術によっては、例えば含水率60%程度以上の汚泥を燃焼させる場合には、予め汚泥を予熱して乾燥させておくか、オイル混焼等の手段を講ずる必要があったが、本発明によってはそのような必要はなく、より含水率の高い、例えば80%程度の汚泥を燃焼させることが可能である。
第1実施例においては、微粉炭の搬送ガスとして搬送用空気A1を使用することとしたが、第3の実施例に係るボイラ装置60は、空気予熱器61において燃焼用空気を予熱した後の排気ガスEG1を搬送用ガス及びミル64における微粉炭製造時の雰囲気ガスとして使用する。
本ボイラ装置60の作用を以下に説明する。
すなわち、排気ガスEG1の一部を集塵器62の出口から抽気して搬送用空気A1の代替及び微粉炭製造時の雰囲気ガスとしてミル64に搬送空気ブロワ63により供給する。排気ガスEG1は、酸素濃度が低下しているので、微粉炭製造時に予期しない微粉炭燃焼を生じる虞が少なく、また、該予期しない微粉炭燃焼を防止するための温度制御等の条件を緩和することができる。さらに、副火炎の着火点近傍の酸素不足による還元性雰囲気を維持するのに好適に使用できる。このとき、副火炎の着火点近傍の温度が、高温燃焼用空気の存在により高温に維持されていることから、搬送ガス中の酸素濃度が減少しても安定な燃焼が維持されることは言うまでもない。
なお、ここで説明した実施形態は一つの例であって、本発明はこれのみに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において変更を加えうることはいうまでもない。
10 火炉
10a 主燃焼領域
15、61 空気予熱器
17 二次空気ノズル
21 抽気管
22 多管式熱交換器
25、44、55、66 スラグタップバーナ
25a 予備燃焼領域
26 同軸ノズル
26a、45 高温空気ノズル
26b、67 燃料ノズル
27 開口噴出部
28 抜き出し管
31、64 ミル
32、63 搬送用空気ブロワ
43 後段高温空気ノズル
56 水平円
Claims (15)
- 固体燃料の燃焼により発生する燃焼ガスを燃焼させる主燃焼領域を有する火炉と、
該火炉から燃焼排気ガスの一部を抽気し、抽気した燃焼排気ガスにより燃焼用空気を固体燃料の着火温度以上の温度に加熱して高温燃焼用空気を生成する熱交換手段と、
前記火炉に臨んで設置され、該火炉を臨む開口噴出部と、前記固体燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させる予備燃焼領域とを有し、前記固体燃料の燃焼により発生する溶融灰を前記燃焼ガスから溶融灰スラグとして分離するとともに、前記開口噴出部から前記燃焼ガスを火炉の主燃焼領域に噴出させて主火炎を形成させる部分燃焼炉と、
前記予備燃焼領域に前記固体燃料を噴出させて副火炎を形成させる燃料ノズルと、
前記部分燃焼炉内の、前記燃料ノズル近傍に配設され、副火炎近傍に還元雰囲気を形成させるように前記高温燃焼用空気を噴出させる高温空気供給手段と、
燃焼用空気を高温燃焼用空気より低い温度に予熱して燃焼用二次空気を生成する空気予熱手段と、
前記主燃焼領域の主火炎近傍に前記燃焼用二次空気を噴出させる二次空気供給手段と
を備えることを特徴とするボイラ装置。 - 前記燃料ノズルおよび前記高温空気供給手段を、該燃料ノズルの燃料噴出位置と該高温空気供給手段の空気噴出位置とを互いに離間させて配置することを特徴とする、請求項1又は2のいずれかに記載のボイラ装置。
- 前記燃料ノズルおよび前記高温空気供給手段を、該燃料ノズルの燃料噴出中心と該高温空気供給手段の空気噴出中心とを互いに同軸に配置することを特徴とする、請求項1又は2のいずれかに記載のボイラ装置。
- 前記部分燃焼炉は、該部分燃焼炉下部に配設された溶融灰回収手段を備え、
前記燃料ノズル及び高温空気供給手段の空気噴出ノズルは、該部分燃焼炉内壁に沿って螺旋状の噴流が形成されるように、前記固体燃料、前記高温燃焼用空気を噴出させることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載のボイラ装置。 - 前記部分燃焼炉は、一端が閉止し、他端が前記火炉に開口して開口噴出部を形成する円筒形状物であり、
前記燃料ノズル及び高温空気供給手段の空気噴出ノズルは、円筒状の該部分燃焼炉の接線方向に、前記固体燃料及び高温燃焼用空気を噴出することを特徴とする、請求項4に記載のボイラ装置。 - 前記部分燃焼炉の開口噴出部位置より後流の主燃焼領域に、前記高温燃焼用空気の一部を噴出させる後段高温空気供給手段を備えることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記載のボイラ装置。
- 互いに対向する前記火炉の各壁面に、前記部分燃焼炉開口噴出部と前記二次空気供給手段の空気噴出ノズルとをそれぞれ対向して配置することを特徴とする、請求項1乃至6のいずれかに記載のボイラ装置。
- 前記部分燃焼炉開口噴出部と前記二次空気供給手段の空気噴出ノズルは、前記火炉内の水平な仮想円の接線方向に、前記燃焼ガスと前記燃焼用二次空気とをそれぞれ噴出させ、前記火炉内に旋回流を発生させつつ前記固体燃料を燃焼させることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれかに記載のボイラ装置。
- 前記熱交換手段は、多管式熱交換器であることを特徴とする、請求項1乃至8に記載のボイラ装置。
- 前記熱交換手段は、畜熱式熱交換器であることを特徴とする、請求項1乃至8に記載のボイラ装置。
- 前記空気予熱手段は、前記火炉からの排気ガスにより燃焼用空気を予熱することを特徴とする、請求項1乃至10のいずれかに記載のボイラ装置。
- 前記固体燃料は、微粉炭であり、前記高温燃焼用空気を、800℃以上に加熱することを特徴とする、請求項1乃至11のいずれかに記載のボイラ装置。
- 前記火炉からの排気ガスを搬送ガスとし、該搬送ガスにより前記固体燃料を前記燃料ノズルに搬送することを特徴とする、請求項1乃至12のいずれかに記載のボイラ装置。
- 石炭を微粉炭に粉砕するミル装置を備え、前記火炉からの排気ガスを雰囲気ガスとし、該排気ガスをミル装置に供給して微粉炭を製造すると共に、該排気ガスを搬送ガスとして微粉炭をミル装置から燃料ノズルに搬送することを特徴とする、請求項1乃至13のいずれかに記載のボイラ装置。
- 前記火炉からの排気ガス中の灰儘を除去する粉塵除去手段を備えることを特徴とする、請求項13または14のいずれかに記載のボイラ装置。
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