JP2006162208A - バーナとその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで低ＮＯｘ化燃焼効果があり、また、石炭燃焼時の低ＮＯｘ化燃焼性能を維持したまま、重油燃焼時には、低ばいじん性能を発揮するプラグインバーナを提供すること。
【解決手段】微粉状固体燃料と搬送用気体との混合流体が流れる混合流体ノズル５の中心部分に油バーナ６を設け、混合流体ノズル５の外周部に一以上の燃焼用空気流路３，４を設け、さらに油バーナ６の外周部にコアエアが流れ、コアエアの噴出方向をバーナ中心軸方向に偏向させる偏向ハブ１１を有するコアエア流路８を設けたバーナである。
コアエアを油燃料と効果的に混合可能であることから、油バーナ６の起動時に黒煙を発生することなく安定して燃焼でき、また保炎器２の後流部に油が直接接触することを防止できることから、保炎器２の焼損防止と、油燃焼に起因する未燃分付着を防止することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は微粉状固体燃料と石油などの液体燃料を混焼させるため又は微粉状固体燃料と液体燃料を切り替えで燃焼させる石炭焚きボイラ等で利用されるバーナとその運転方法に関するものである。

微粉状固体燃料は微粉炭が代表例であるので微粉炭バーナについて以下説明する。
図７に従来の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Ｆを火炉１に導く微粉炭ノズル５の先端に、保炎を司る保炎器２が取り付けている。保炎器２の後流側には、強い渦流（循環流領域）１９が形成され、安定した燃焼が維持される。微粉炭ノズル５の外周部には、二次空気流路３及び三次空気流路４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の発生量を低く抑えることができる。図７に示す低ＮＯｘ化燃焼が可能なバーナは、例えば、本出願人の発明になる特開２００１−８２７０６号公報などに同類のバーナが記載されている。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６が設けられ、また油バーナ６の外周部には濃縮器１３が設けられている。

ところで、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、海外向けの事業用石炭焚きボイラは、国内向けの石炭焚きボイラと比較して、排ガス中のＮＯｘ濃度を所定濃度以下に制限するための規制が緩やかであることから、燃料の低ＮＯｘ化燃焼が図れる二段燃焼方式の機器が具備されていない場合が多い。

二段燃焼方式とは、火炉１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る。

しかしながら近年の環境規制により低ＮＯｘ化対応が必須であることから、低コストで低ＮＯｘ化効果のある方法が望まれるのであるが、従来は国内の事業用ボイラへ適用している、高価な低ＮＯｘ化技術を海外向けの事業用石炭焚きボイラでも適用する方法がとられていた。
特開２００１−８２７０６号公報

前述したように海外においても排ガスのＮＯｘ濃度規制が強化される傾向にあるが、従来海外向けの事業用石炭焚きボイラは、国内向けの石炭焚きボイラと比較して、二段燃焼用の機器が具備されていない場合が多い。そのために海外向けの石炭焚きボイラにも低ＮＯｘ化対応を施した機器を設置することが必要であるが、既設のボイラは二段燃焼用ポートを備えていない。そこで既設の石炭焚きボイラの燃焼システムにおいて、バーナを取り替えるだけで、比較的費用をかけないで対応できる低ＮＯｘ化効果のあるバーナの開発が望まれている。

また石炭焚きボイラでは石炭燃焼だけでなく、バーナ起動時などには重油などの石油を燃焼させるために油バーナを備えている。従って石炭燃焼時の低ＮＯｘ化燃焼の性能を維持したまま、重油燃焼時には、低ばいじん性能が要求される。

本発明の課題は、低コストで低ＮＯｘ化燃焼効果があり、また、微粉炭などの微粉状固体燃料の燃焼時の低ＮＯｘ化燃焼性能を維持したまま、重油などの液体燃料の燃焼時には、低ばいじん性能のバーナとその運転方法を提供することである。

本発明の上記課題は、次の解決手段で解決される。
請求項１記載の発明は、火炉を取り囲む水壁の開口部に挿入して設けられた、微粉状固体燃料と液体燃料を火炉で混焼させるかまたは微粉状固体燃料と液体燃料とを切り替えて火炉で燃焼させるバーナにおいて、バーナ中心軸周辺に前記微粉状固体燃料と搬送用気体との混合流体が流れる混合流体ノズルと、該混合ノズル内に前記液体燃料が流れる油バーナと、該混合流体ノズルの外周部に燃焼用空気が流れる一以上の燃焼用空気流路と、該油バーナの外周部にコアエアが流れ、該コアエアの火炉内への噴出方向をバーナ中心軸に対して半径方向外側に偏向させるコアエア偏向手段を有するコアエア流路を設けたバーナである。

請求項２記載の発明は、混合流体ノズルの先端部に保炎機構を備えた請求項１記載のバーナである。

請求項３記載の発明は、コアエア流路内のコアエア流量を調整するコアエア流量調整手段を備えた請求項１又は２記載のバーナである。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のバーナの運転方法であって、油バーナ起動時には、コアエア流路内のコアエア流量を該コアエア流路内の最大設定流量で流し、微粉状固体燃料のみを燃焼させる時には、コアエア流量を該コアエア流路内の最小設定流量で流すバーナの運転方法である。

（作用）
請求項１記載の発明によれば、コアエアの火炉内への噴出方向をバーナ中心軸に対して半径方向外側にコアエア偏向手段（偏向ハブ１１）により必要に応じて燃焼用空気を供給できるので、微粉状固体燃料と液体燃料の同軸混焼バーナの欠点であった油バーナ起動時の黒煙対策として、バーナ中心部分に油燃焼用のコアエアを供給することができ、またコアエアの供給により排ガス中のＮＯｘ濃度の低減を図る。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の作用に加えて、コアエア偏向手段（偏向ハブ１１）により保炎機構（保炎器２）の後方に向けてコアエアを効果的に流すことができ、保炎機構（保炎器２）の後方にある還元燃焼領域を破壊することなく、これを縮小することが可能で、酸化燃焼領域の拡大が図れ、液体燃料（油）専焼時において煤塵濃度の低減が図れ、またコアエアの流量を調節することで排ガス中のＮＯｘ濃度の低減を図ることが可能となる。

請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の発明の作用に加えて、コアエア流量調整手段により、燃料の燃焼状態に応じてコアエア流路内の燃焼用空気流量が容易に調整でき、ボイラ起動時など火炉の起動時と停止時の油燃焼時にコアエアを流し、また通常の微粉状固体燃料燃焼時におけるコアエア流量を最小流量とすることができる。

請求項４記載の発明によれば、油バーナ起動時には、コアエア流路内のコアエア流量を該コアエア流路内の最大設定流量で流すことで油バーナ起動時において黒煙を発生することなく安定した燃焼を維持できる。また、微粉状固体燃料のみを燃焼させる時には、コアエア流量は最小設定流量で流すことで排ガス中のＮＯｘ濃度の低減を図る。

請求項１記載の発明によれば、コアエアの供給量の調節で油バーナ起動時におけるバーナ先端部にすすが付着することを防ぎ、また燃焼ガス中のＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、コアエアの供給により保炎機構（保炎器２）の後方にある還元燃焼領域を破壊することなく、これを縮小することが可能で、酸化燃焼領域の拡大による排ガス中のＮＯｘ濃度の低減が図れ、また保炎機構の焼損防止が可能となる。

請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の発明の効果に加えて、火炉の起動時と停止時及び通常の微粉状固体燃料燃焼時におけるコアエア流量を適切な量に調整できる。

請求項４記載の発明によれば、油バーナ起動時において黒煙を発生することなく安定した燃焼を維持でき、また、微粉状固体燃料のみを燃焼させる時には、コアエア流量は最小設定流量で流すことで排ガス中のＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。

本発明の実施例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２に示す低ＮＯｘ微粉炭バーナに用いられるバーナである。
図２には本実施例の低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５の先端に、保炎を司る保炎器２を取り付けている。微粉炭ノズル５の外周部には、二次空気流路３及び三次空気流路４が設置され、二次空気及び三次空気を分離してバーナに供給し、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濃度の低減に可能としている。
なお、図示していないが火炉１のバーナ設置部の後流側にはアフタエアポートを設けており、還元燃焼している火炎に酸素を供給して燃料の完全燃焼を図っている。

また、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５がバーナの中心部に設けられ、微粉炭ノズル５の内部中心軸部にはバーナ起動時に用いられることが多い油バーナ６と該油バーナ外周部にコアエア流路８が設けられている。コアエア流路８にはウインドボックス７から燃焼用空気が供給される。ウインドボックス７からコアエア流路８への流入部にはダンパ１０を設けてコアエアの流量調節をしている。

図１には図２に示すバーナの一部拡大図を示す。
微粉炭ノズル５の内部中心軸部にはバーナ起動時に用いられることが多い油バーナ６と該油バーナ６の外周部にコアエア流路８が設けられる。コアエア流路８の先端部には偏向ハブ１１が設けられており、該偏向ハブ１１はコアエアを油バーナ６に向けて流れ方向を偏向させる機能を有している。また、コアエア流路８の外壁には微粉炭ノズル５の前記混合流体流路を縮小する濃縮器１３が設けられている。

さらに、微粉炭ノズル５の外周にはウインドボックス７から燃焼用空気が供給される二次空気流路３と三次空気流路４が設けられ、三次空気流路４には空気旋回器１４が設けられる。また図示していないが二次空気流路３内には空気旋回器を設けてもよい。さらに二次空気流路３の入口には二次空気流量調節用のスライド式ダンパ１５を設けている。

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５の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。

上記構成からなる図１、図２に示すバーナでは、微粉炭ノズル５に流入した微粉炭と搬送用気体の混合流体は、燃料搬送用気体より慣性力が大きい燃料粒子（微粉炭）の流れが濃縮器１３により微粉炭ノズル５の内周壁側に流れ方向を変えられ、その後内周壁側に沿って流れ、微粉炭ノズル５の出口では保炎器２により巻き込まれた二次空気と混合して微粉炭濃度の比較的高い循環流を形成する。循環流内での濃度の比較的高い微粉炭は着火し易くなり、また着火した微粉炭の保炎にとって循環流が好都合となり、燃焼安定性も向上する。

図３にはコアエアを流さない場合のバーナ後部の火炉内での燃料の燃焼状況を示し、図４にはコアエアを流した場合の火炉内での燃料の燃焼状況を示す。
図３に示すようにコアエアを流さずに油燃焼を実施すると、バーナ後流部には、図示するような酸化領域１７と還元領域１８、１９が形成される。特に保炎器２の後方に大きな還元領域１９が形成されるが、これが原因で未燃分やすすが発生する。また、還元領域１９は前述のように循環流形成領域でもあり、広大な領域であることから、油バーナ６から噴出する油の液滴が飛散して、この還元領域１９に油滴が取り込まれて、保炎器２に付着し、局所で発熱するので、保炎器２の焼損につながる場合がある。

一方、図４にはコアエアを流した場合のバーナ後流部分における燃焼状況について示した。コアエアの火炉内への噴出方向をバーナ中心軸に対して半径方向外側に偏向ハブ１１により保炎器２の後方に向けて効果的に流すことで、還元領域１９を破壊することなく、これを縮小することが可能で、酸化領域１７の拡大が図れる。結果的に、油専焼時において煤塵濃度を低減することが可能となる。

図５と図６に示すようにコアエアを効果的に噴射するバーナ先端部のノズル構造は、コアエア流路８の先端部に微粉炭ノズル５の中心軸部の周りに同心円状に複数個の偏向ハブ１１の間にコアエア噴射ノズル２１を設置している。

コアエア流路８の流路断面積は、バーナ中心部分に配置されているので二次空気流路断面積や三次空気断面積と比較して小さくなることは避けられない。しかもコアエアはバーナの先端部分で流れ方向を変えるため、さらに小さい流路断面積に制限がかかる。したがって、できるだけ開口比率（ノズル面積/主軸方向流路断面）を大きくする工夫が必要である。

図５はコアエアの流れを変える偏向ハブ１１をスリット構造としたノズルを火炉内から見た図である。コアエア噴射ノズル２１は、バーナ中心部分が円周方向で切断されていて櫛状になっている。この構造で、コアエア流路８の内側の壁が不要となることから、コアエアの供給断面積の拡大が図れる利点がある。

図６は、円形のコアエア噴射ノズル２２を円周方向にアレンジした偏向ハブ１１を設けたノズルを火炉内から見た図である。これは、リング状の偏向ハブ１１に楕円形のノズル２２を複数個設けた構造であり、図５に示すスリット構造のコアエア噴射ノズル２１と比較して、コアエアの噴射方向を正確に設定できる特徴を有する。しかしコアエア噴射ノズル２２の開口比率が大きく取れない。

なお、上記実施例のバーナはボイラなどの火炉に既に設置されている従来の微粉炭バーナなどのバーナに代えてコアエア流路を備えたプラグイン可能なバーナとして利用できる。

この発明は微粉状固体燃料と石油燃料を混焼させるため又は微粉状固体燃料と石油燃料を切り替えで燃焼させる石炭焚きボイラ等で利用されるバーナに利用できる。

本発明の実施例のバーナの風箱から火炉に至るまでの構造に関する側断面図である。 図１のバーナのコアエア導入部分を含めた断面図である。 図１のバーナで、コアエアを流さない場合のバーナ後部の燃焼状況を説明する図である。 図１のバーナで、コアエアを流した場合のバーナ後部の燃焼状況を説明する図である。 図１のコアエア噴出部分の偏向ハブ部を火炉内から見た図である。 図１のコアエア噴出部分の他の実施例の偏向ハブ部を火炉内から見た図である。 従来の微粉炭バーナの概略断面構成図である。

符号の説明

１ 火炉 ２ 保炎器
３ 二次空気流路 ４ 三次空気流路
５ 微粉炭ノズル ６ 油バーナ
７ ウインドボックス ８ コアエア流路
１０ ダンパ １１ 偏向ハブ
１３ 濃縮器 １４ 空気旋回器
１５ スライド式ダンパ １７ 酸化領域
１８、１９ 還元領域 ２１、２２ コアエア噴射ノズル

Claims (4)

1. 火炉を取り囲む水壁の開口部に挿入して設けられ、微粉状固体燃料と液体燃料を火炉で混焼させるかまたは微粉状固体燃料と液体燃料とを切り替えて火炉で燃焼させるバーナにおいて、
   バーナ中心軸周辺に前記微粉状固体燃料と搬送用気体との混合流体が流れる混合流体ノズルと、
   該混合ノズル内に前記液体燃料が流れる油バーナと、
   該混合流体ノズルの外周部に燃焼用空気が流れる一以上の燃焼用空気流路と、
   該油バーナの外周部にコアエアが流れ、該コアエアの火炉内への噴出方向をバーナ中心軸に対して半径方向外側に偏向させるコアエア偏向手段を有するコアエア流路を設けたことを特徴とするバーナ。
2. 混合流体ノズルの先端部に保炎機構を備えたことを特徴とする請求項１記載のバーナ。
3. コアエア流路内のコアエア流量を調整するコアエア流量調整手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載のバーナ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のバーナの運転方法であって、
   油バーナ起動時には、コアエア流路内のコアエア流量を該コアエア流路内の最大設定流量で流し、微粉状固体燃料のみを燃焼させる時には、コアエア流量を該コアエア流路内の最小設定流量で流すことを特徴とするバーナの運転方法。

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