JP2007057138A - 微粉炭焚きボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】微粉炭焚きボイラにおいて、アフタエアノズルの構造と配置の工夫によりＮＯｘ・ＣＯ排出濃度低減を図る。
【解決手段】火炉の前壁４５と後壁４６に主アフタエアノズル６を設置する。主アフタエアノズル６の下流側に副アフタエアノズル７を設置する。副アフタエアノズル７は、火炉の側壁４８の前壁４５側と後壁４６側に設置し、前壁４５または後壁４６に沿って空気を噴出する。前壁４５または後壁４６付近に滞留する未燃焼ガスを、副アフタエア７から供給する空気で完全燃焼させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、微粉炭焚きボイラの二段燃焼式火炉で用いられるアフタエアノズルの構造と配置に関する。

微粉炭焚きボイラでは、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度低減が求められており、この要求に応えるために、二段燃焼法が適用されている。この方法は、燃料を空気不足の状態で燃焼させた後、完全燃焼用の空気をアフタエアノズルから供給する方法である。

アフタエアノズルには、空気の混合と燃焼状態の改善のため、いくつかの構造が提案されている。

たとえば、アフタエアノズルに、空気流路の外径が空気噴出口に向かってしだいに縮小する縮流部を持つ構造（特許文献１の図１）、流路の内部に、空気の噴出方向を変更するルーバーを持つ構造（特許文献２の図１）、アフタエア空気の中心部を直進流として噴出する構造（特許文献３の図１０）、旋回流として噴出する構造（特許文献３の図１１）が提案されている。

また、燃焼ガスの主流れ方向にアフタエアノズルを二段に分けて配置する構成（特許文献４の図１、特許文献５の図１）も提案されている。

ただし、最近の微粉炭焚きボイラでは、ＮＯｘとＣＯの同時低減が求められているが、これらの構成ではＮＯｘかＣＯの一方しか低減できないと云う問題があった。

特開平１０−１２２５４６号公報（特許請求の範囲、図１） 特開平９−１１２８７８号公報（特許請求の範囲、図１） 特開２００３−２５４５１０号公報（図１０、図１１） 特開平１０−１５３３０２号公報（図１） 特開２００１−１０８２２９号公報（図１０、図１１）

本発明は、上記の問題に鑑み、ＮＯｘとＣＯ排出量が少ない微粉炭焚きボイラと、この微粉炭焚きボイラに設置されるアフタエアノズルを提案することを目的とする。

本発明は、前壁部と側壁部と後壁部を有する火炉と、前壁部および後壁部に設けられ、微粉炭と空気を混ぜて空気不足の状態で燃焼させるバーナと、前壁部および後壁部で、かつ前記バーナの下流側に空気を供給して、バーナで燃焼させた燃焼ガスを完全燃焼させる主アフタエアノズルとを備え、バーナと主アフタエアノズルを複数個設け、主アフタエアノズルより下流側に空気を供給する副アフタエアノズルを側壁部に備えたことを特徴とする。

本発明によれば、排気中のＮＯｘとＣＯの濃度を低くすることができる。

以下、図面を用いて、本発明の構成を説明する。

図１は、本発明の実施形態の一例である、微粉炭焚きボイラの火炉の構成図である。

火炉の壁面は、上部の火炉天井４４、下部のホッパ４７、前壁部４５、後壁部４６、及び側壁部４８で囲われ、それぞれの壁面には、図示しない水管が設置される。

この水管により、火炉燃焼空間２３で発生した燃焼熱の一部が吸収される。火炉燃焼空間２３で生成した燃焼気体は下方から上方へ流れ、燃焼後の気体４３となって排出される。燃焼後の気体４３は、図示しない後部伝熱部を通り、ここで気体中に含まれる熱が、さらに回収される。

火炉の下部には、バーナ５が設置され、ここで空気不足の火炎（図４に図示）が形成される。バーナ５は、火炉の前壁部４５と後壁部４６に設置する。

石炭は図示しない粉砕器で、およそ１５０μｍ以下に粉砕した後、空気で搬送され、バーナ用１次空気と微粉炭は、バーナから火炉内に噴出される。バーナ用２次、３次空気も同時に、バーナ用ウインドボックス（図４に図示）を経て、バーナから噴出される。

バーナの上方には、主アフタエアノズル６が設置される。主アフタエアノズル６の下流側には、副アフタエアノズル７が設置される。アフタエアノズル構造の詳細は、図５、６で後述する。

バーナ部で形成された空気不足の火炎から発生したＣＯなどの未燃焼成分の大部分は、主アフタエアの空気と混合することで完全燃焼（酸化）する。ただ、火炉内の全域を均一に混合するのは困難であり、ＣＯ排出量を低くするには、アフタエアノズルの構造と配置に工夫が必要である。

主アフタエアノズル６は、火炉の前壁部４５と後壁部４６に設置する。副アフタエアノズル７は、火炉の側壁部４８に設置する。このとき、副アフタエアノズル７を、前壁部側と後壁部側の両方に設置すると、ＣＯの排出量を低く出来る。

また、副アフタエアノズル７を主アフタエアノズル６の下流側に設置することで、ＮＯｘ排出濃度を低く出来る。主アフタエアノズルを図１の構成とすると、火炉の中心付近には空気が到達し易く、この領域のＣＯ低減は容易である。

しかし、アフタエアノズルとアフタエアノズルの間を流れる未燃焼成分をアフタエア空気と混合させるのが難しい。発明者らが測定した結果では、火炉の前壁部４５と火炉の後壁部４６近くは酸素濃度が低く、ＣＯが残留し易い領域が形成される。一方、火炉の中心部では酸素濃度が高く、ＣＯが残留しにくかった。

酸素濃度の測定結果については、図７で詳しく述べる。

火炉の前壁部４５と後壁４６部付近に残留するＣＯを酸化するには、この領域に向かって、副アフタエアの空気を供給すると良い。最も容易な方法は、副アフタエアノズル７を火炉の側壁部の前壁部４５側と後壁部４６側に設置し、副アフタエア空気を、前壁４５または後壁４６側に沿って供給することである。

ここで、副アフタエアノズル７は、火炉中央部（側壁部と後側壁部の中央部）には設置しない。火炉中央部には、主アフタエアノズル６から供給される空気が到達し易いので、酸素濃度が高く、ＣＯ発生量が少ないからである。

図２は、図１のＡ−Ａ’断面図である。主アフタエアノズル６が火炉の前壁部４５側と後壁部４６側に対称に配置される。図３は、図１のＢ−Ｂ’断面図である。副アフタエアノズル７が、火炉の側壁部４８の前壁部４５側と後壁部４６側に配置される。

図４は、本発明の実施形態の一例である、微粉炭焚きボイラの火炉の系統図である。

火炉の下部には、バーナ３６が設置され、ここで空気不足の火炎３７が形成される。石炭は図示しない粉砕器で、およそ１５０μｍ以下に粉砕した後、空気で搬送され、バーナ用１次空気と微粉炭４２は、バーナから火炉内に噴出される。

バーナ用２次、３次空気４１も同時に、バーナ用ウインドボックス３８を経て、バーナから噴出される。

バーナの上方には、主アフタエアノズル６が設置される。主アフタエアノズルの下流側には、副アフタエアノズル７が設置される。

燃焼用空気４９は、空気流量配分調整機構ａ５１で、バーナ用２次、３次空気４１とアフタエア空気４０に配分される。アフタエア空気４０は空気流量配分調整機構ｃ５３で、前壁側のアフタエアに流れる空気と後壁部側のアフタエアに流れる空気に配分される。

火炉の後壁部４６の上部には、ノーズ３９が設けられることが多い。このノーズ３９の影響により、アフタエア３５廻りの燃焼気体の流れは非対称になる。前壁部側と後壁部側に流れるアフタエア空気の配分を調整することで、非対称な流れ場でもＮＯｘとＣＯを低減できる。

アフタエア空気４０はさらに、主／副アフタエア空気流量配分調整機構５０により、主／副アフタエアから供給する空気量を調整する。噴出流速の調節により、ＮＯｘとＣＯの排出濃度を制御する。

噴出流速が高すぎるときには副アフタエア空気量を増やし、噴出流速が低すぎるときには逆にする。このとき副アフタエアの噴出流速も変化する。

ただし、副アフタエアはガス温度の低い、主アフタエアの下流側に設置されており、また、流量も少ないので、ＮＯｘ（サーマルＮＯｘ）発生に与える影響は小さい。

また、副アフタエアを用いて主アフタエア空気量を調整できるので、バーナへ供給される２次、３次空気流量は常に一定にできる。これは、バーナ部で形成される空気不足の火炎３７の燃焼条件を、ここでのＮＯｘ発生量が最も少なくなる最適条件で常に運用できることを意味する。

この結果、ＣＯ排出量を常に最小に保つと同時に、主アフタエアの空気噴出条件をＮＯｘとＣＯの総合性能が最適になるよう保つこともできる。

なお、バーナへ供給される２次、３次空気４１もアフタエア空気４０と同様に、空気流量配分調整機構ｂ５２で、前壁側のバーナに流れる空気と後壁側のバーナに流れる空気に配分される。

〔アフタエアノズルの構造例〕
図５は、本発明によるアフタエアノズルの一例を示した断面図である。

アフタエアノズルの中心に１次ノズル３０、１次ノズル３０の外側に２次ノズル３１が設置されている。ここで、２次ノズル３１の噴出方向は、噴流中心軸１に平行である。２次空気の流れ１７には、２次空気レジスタ３３により旋回力を与えられるようになっている。なお、３４はダンパである。

〔アフタエアノズル構造の変形例〕
図６は、本発明によるアフタエアノズルの変形例の一例を示した断面図である。

アフタエアノズルの中心に１次ノズル３０、１次ノズル３０の外側に２次ノズル３１、２次ノズル２の外側に縮流３次ノズル２９が設置されている。

３次ノズル２９から噴出する３次空気の流れ１５は、２次ノズル３１の出口で２次空気の流れ１７と合流して燃焼空間２３に流入する。ここで、２次ノズル３１の噴出方向は、噴流中心軸８に平行である。

さらに、２次空気の流れ１７には、２次空気レジスタ３３により旋回力を与えられるようになっている。３次ノズル２９は噴流中心軸８に対して内向きに設置されており、縮流を形成させることができる。

この縮流を形成することにより、アフタエア空気とバーナ部で発生した未燃焼成分の混合を促進できる。

なお、１３はウインドボックス外壁、１４は水管である。

〔アフタエアノズルの運用方法の例〕
発明者らは、主アフタエアを供給した後の、火炉内の酸素濃度分布を測定した。

図７は、測定結果の一例であり、主アフタエアノズルの下流で、酸素濃度を測定した結果である。

曲線６１は、アフタエア流量が少ないときの、酸素濃度分布である。主アフタエア空気は炉中央に向かって噴出するため、酸素濃度は火炉中央部分でもっとも高くなる。

火炉中央部では充分な酸素が存在するため、ＣＯは残留しにくい。一方、火炉の壁部付近の酸素濃度は低く、ＣＯが残留しやすい。火炉の壁部付近へも酸素を供給できるように、アフタエアの構造、配置、運用方法を工夫する必要がある。

曲線６０は、アフタエア流量を増やしたときの、酸素濃度の分布である。アフタエア流量が少ないときと比べて、炉壁付近の酸素濃度が増加しており、ＣＯの低減に有利である。

ただし、アフタエア空気の総供給量は、火炉の運転条件で決まるため、一部のアフタエアノズルで供給空気量を増やすことは出来るが、全てのアフタエアノズルで増やすことは出来ない。

図８は、主アフタエア空気のみを供給したときの、図１のＣ−Ｃ‘断面における、炉内の酸素濃度分布を示す。

火炉の前壁部４５と後壁部４６付近に、低酸素領域６２が形成される。火炉中央付近には、高酸素領域６３が形成される。

酸素濃度から、火炉中心部へ供給される空気量と、側壁部側へ供給される空気量の差を見積もると、火炉中心側へ供給される空気量のほうが、２０〜３０％多かった。副アフタエアから２０〜３０％の不足分の空気を供給することで、アフタエア空気（主アフタエア：７０〜８０％、副アフタエア２０〜３０％、の合計）を、火炉内へほぼ均等に供給することができる。

副アフタエアを用いたときの、アフタエアの運用方法とそのときの酸素濃度分布を図９に示す。

まず、主アフタエアへ供給する空気量を、火炉の側壁部側と火炉中央側で変化させる。側壁部側の主アフタエア空気６６供給量を増やし、中央側の主アフタエア空気６７供給量を減らす。

火炉の中央側では、アフタエア空気量が少ないため前壁部４５と後壁部４６近傍に低酸素領域６４が形成されやすい。一方、側壁部４８側では、アフタエア空気量が多いため、低酸素領域は形成されにくい。

副アフタエア空気は、側壁部４８の前壁部側と後壁部側から、供給する。副アフタエア空気の流れ６５は、前壁部及び後壁部に沿って形成され、副アフタエア空気は低酸素領域６４に向かって流れる。

最も酸素濃度が低くなり易い領域に向かって副アフタエア空気が供給されるため、局所的な低酸素領域が形成されにくくなる。

本発明で示した、アフタエアノズルの構造と配置の工夫により、ＣＯの排出量を少なく出来る。

本発明の実施例１による微粉炭火炉部の構造図である。 本発明の実施例１による火炉の横断面図（図１のＡ−Ａ’断面）である。 本発明の実施例１による火炉の横断面図（図１のＢ−Ｂ’断面）である。 本発明の実施例２による微粉炭ボイラの火炉部の断面と、空気及び微粉炭の供給系統を示す図である。 本発明の実施例によるアフタエアノズルの空気流れに垂直な方向の断面図である。 本発明の実施例によるアフタエアノズルの空気流れに垂直な方向の断面図（変形例）である。 本発明の実施例による主アフタエア供給後の、炉内の酸素濃度分布を示す図である。 本発明の実施例による主アフタエア供給後の、炉内の酸素濃度分布を示す図（図１のＣ−Ｃ‘断面）である。 本発明の実施例による主／副アフタエアノズルを用いたときの、炉内の酸素濃度分布を示す図（図１のＣ−Ｃ‘断面）である。

符号の説明

１…噴流中心軸、５…バーナ、６…主アフタエアノズル、７…副アフタエアノズル、８…副アフタエア空気、１３…ウインドボックス外壁、１４…水管、１５…３次空気の流れ、１６…１次空気の流れ、１７…２次空気の流れ、２３…火炉内燃焼空間、２９…３次ノズル、３０…１次ノズル、３１…２次ノズル、３３…２次空気レジスタ、３４…ダンパ、３７…空気不足の火炎、３８…バーナ用ウインドボックス、３９…ノーズ、４０…アフタエア空気、４１…バーナ用２次、３次空気、４２…バーナ用１次空気と微粉炭、４３…燃焼後の気体、４４…火炉天井、４５…火炉前壁、４６…火炉後壁、４７…ホッパ、４８…火炉側壁、４９…燃焼用空気、５０…主／副アフタエア空気流量配分調整機構、５１…空気流量配分調整機構ａ、５２…空気流量配分調整機構ｂ、５３…空気流量配分調整機構ｃ、５８、６２…低酸素領域、６３…高酸素領域、６４…低酸素領域、６５…副アフタエア空気の流れ、６６…側壁側の主アフタエア空気、６７…中央側の主アフタエア空気。

Claims (6)

1. 前壁部と側壁部と後壁部を有する火炉と、前記前壁部および前記後壁部に設けられ、微粉炭と空気を混ぜて空気不足の状態で燃焼させるバーナと、前記前壁部および前記後壁部で、かつ前記バーナの下流側に空気を供給して、前記バーナで燃焼させた燃焼ガスを完全燃焼させる主アフタエアノズルとを備え、
   前記バーナと前記主アフタエアノズルを複数個設け、
   前記主アフタエアノズルより下流側に空気を供給する副アフタエアノズルを前記側壁部に備えたことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
2. 請求項１に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、
   前記副アフタエアノズルを前記前壁部と前記後壁部にも設けたことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
3. 請求項２に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、
   前記火炉は、前記後壁部にノーズを有し、
   前記副アフタエアノズルを前記ノーズよりも上流側に配置したことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
4. 請求項２に記載の微粉炭焚きボイラにおいて、
   前記主アフタエアノズルおよび副アフタエアノズルの少なくとも一方は、アフタエアノズルの出口に向けて流路が縮小する、縮流ノズルを有する構造であることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の微粉炭焚きボイラにおいて、
   前記主アフタエアノズルおよび副アフタエアノズルへ供給する空気の全量を調節する機構と、前記主アフタエアノズルおよび副アフタエアノズルへ供給する空気量の比を調節する機構を設けたことを特徴とする微粉炭焚きボイラ。
6. 請求項１から４のいずれかに記載の微粉炭焚きボイラにおいて、
   前記主アフタエアノズルのうち、前記側壁部の近くに設けられた端側に位置する主アフタエアノズルから供給する空気量を多くし、前記前壁部および前記後壁部の中央部に設けられた主アフタエアノズルから供給する空気量を少なくすることを特徴とする微粉炭焚きボイラ。

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