JP2007192475A - Boiler device and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、石炭焚きボイラなどの燃焼装置とその運転方法に係り、特に排ガス中の窒素酸化物及び一酸化炭素を低減するのに好適な燃焼装置とその運転方法に関する。 The present invention relates to a combustion apparatus such as a coal-fired boiler and an operation method thereof, and more particularly to a combustion apparatus suitable for reducing nitrogen oxides and carbon monoxide in exhaust gas and an operation method thereof.
日本国内における発電は従来火力発電が主力であり、原子力発電が普及しつつある現在においても依然、火力発電が基盤発電を担っている。火力発電の燃料としては、石油が多いが、オイルショック以降、特に1980年代以降は安価な海外石炭焚きボイラの需要が増えている。火力発電所で石炭等の化石固体燃料を燃焼する場合、窒素酸化物等の環境汚染物質低減や、燃焼率向上によるプラント効率増加に関する問題が生じる。これらの問題に対し、1980年代以降さまざまな技術が発明されている。 Conventionally, thermal power generation is the main power generation in Japan, and thermal power generation is still responsible for basic power generation even when nuclear power generation is spreading. Petroleum is the fuel for thermal power generation, but since the oil shock, especially since the 1980s, demand for cheap overseas coal-fired boilers has increased. When fossil solid fuel such as coal is burned at a thermal power plant, there are problems related to reduction of environmental pollutants such as nitrogen oxides and increase in plant efficiency due to improvement of combustion rate. Various techniques have been invented for these problems since the 1980s.
例えば、特許第2954643号では、火炉内を燃焼域、還元域、再燃焼域に分け、還元域での窒素酸化物(NOxということがある。)低減効果を示している。
現在ではこのような燃焼域では量論空気比以下で燃料を燃焼させ、燃料中の窒素分から発生した窒素酸化物を低酸素濃度の還元領域において還元し、炉出口での窒素酸化物量を低減する二段燃焼方式が主流になっている。その他の窒素酸化物低減方法としては、ボイラ下流に脱硝装置を設け、触媒等により物理的に還元する方式がある。
Currently, in such a combustion zone, fuel is burned at a stoichiometric air ratio or less, and nitrogen oxides generated from the nitrogen content in the fuel are reduced in a reduction region with a low oxygen concentration, and the amount of nitrogen oxides at the furnace outlet is reduced. The two-stage combustion method has become mainstream. As another nitrogen oxide reduction method, there is a method in which a denitration device is provided downstream of the boiler and is physically reduced by a catalyst or the like.
前記特許文献1〜3には、比較的低温の火炉出口排ガスをバーナとアフターエアポートの間の火炉壁から炉内に供給してサーマルNOx及びフューエルNOxの発生量を抑えることができることが開示されている。
しかし、これら特許文献記載の方法でも火炉内での異なる燃焼状態のガス同士が十分均一に混合できなく、燃焼ガス中のCO濃度とNOx濃度の低減化効果が不十分であった。
However, even in the methods described in these patent documents, gases in different combustion states in the furnace cannot be sufficiently uniformly mixed, and the effect of reducing the CO concentration and NOx concentration in the combustion gas is insufficient.
本発明の課題は、火炉内で石炭などの固体燃料の燃焼性を損なうこと無く、燃焼ガス中のCO濃度とNOx濃度の低減化効果が達成できるボイラ装置とその運転方法を提供することである。 The subject of this invention is providing the boiler apparatus which can achieve the reduction effect of CO concentration and NOx concentration in combustion gas, and its operating method, without impairing the combustibility of solid fuels, such as coal, in a furnace. .
本発明の上記課題は次の構成により解決される。
請求項1記載の発明は、石炭を含む固体燃料を火炉で燃焼させるボイラ装置において、理論空気比以下の空気量で固体燃料を燃焼させるバーナを一段毎に複数個、かつ燃焼ガス流れ方向に一段以上設け、前記バーナの下流側であって、該バーナでの固体燃料の燃焼に不足する燃焼用空気を火炉内に噴出するアフターエアポートを一段毎に複数個、かつ燃焼ガス流れ方向に一段以上設け、前記バーナの下流側であって、かつ前記アフターエアポートの上流側にボイラから排出するボイラ排ガスの一部を供給する混合促進ポートを一段毎に複数個、かつ燃焼ガス流れ方向に一段以上設け、バーナとアフターエアポートと混合促進ポートは火炉の対向する一対の壁面にそれぞれ配置し、各段の各混合促進ポートは対向する火炉壁面でそれぞれ同一水平位置であって、相対向する位置又は前記対向位置からずれた位置に配置(バーナ、アフターエアポート又は混合促進ポートのこの配置様式を以後、千鳥配列ということがある。)され、混合促進ポートがガス流れ方向に複数段ある場合は各段の各混合促進ポートは隣接する段の隣接する2つの混合促進ポートの中間位置に配置されるボイラ装置である。
The above-described problems of the present invention are solved by the following configuration.
According to the first aspect of the present invention, in a boiler apparatus for burning a solid fuel containing coal in a furnace, a plurality of burners for burning the solid fuel with an air amount equal to or less than the theoretical air ratio are provided in one stage in the combustion gas flow direction. A plurality of after-air ports are provided downstream of the burner and for injecting combustion air, which is insufficient for solid fuel combustion in the burner, into the furnace, and at least one stage in the combustion gas flow direction. A plurality of mixing promotion ports for supplying a part of boiler exhaust gas discharged from the boiler to the downstream side of the burner and upstream of the after-air port, and one or more stages in the combustion gas flow direction, The burner, after-air port, and mixing promotion port are arranged on a pair of opposing wall surfaces of the furnace, and each mixing promotion port of each stage has the same water content on the opposing furnace wall surface. It is arranged at a position that is opposite to or opposite to the opposite position (this arrangement mode of the burner, after-air port, or mixing promotion port may be hereinafter referred to as a staggered arrangement), and the mixing promotion port is a gas When there are a plurality of stages in the flow direction, each mixing promotion port in each stage is a boiler device arranged at an intermediate position between two adjacent mixing promotion ports in adjacent stages.
請求項1記載の発明によれば、混合促進ポートを複数段設ける場合には、各段の各混合促進ポートは上下方向で隣接する段の隣接する2つの混合促進ポートの中間位置に配置(バーナ、アフターエアポートを含めこれらの配置様式も以後、千鳥配列ということがある。)することにより、火炉内のバーナで形成された燃焼ガス領域とその他の未燃焼ガス領域の混合を促進する効果があり、バーナからの燃焼ガス中の未燃分も完全燃焼し、ボイラの燃焼効率が従来より向上する。 According to the first aspect of the present invention, when a plurality of mixing promotion ports are provided, each mixing promotion port of each stage is disposed at an intermediate position between two adjacent mixing promotion ports of the adjacent stage in the vertical direction (burner These arrangements, including after-airports, may also be referred to hereinafter as a staggered arrangement.), Which has the effect of promoting mixing of the combustion gas region formed by the burner in the furnace with other unburned gas regions. In addition, the unburned portion in the combustion gas from the burner is completely burned, and the combustion efficiency of the boiler is improved as compared with the conventional one.
また、バーナ火炎で形成された燃焼ガス領域とその他未燃焼ガス領域が混在する状態のガス中に混合促進ポートから燃焼ガスを高速で吹き込むことにより、炉内のガスの流動状態を変化させ、燃焼ガスと未燃分の混合を促進する効果がある。 Also, by blowing the combustion gas at a high speed from the mixing promotion port into the gas in a state where the combustion gas region formed by the burner flame and other unburned gas regions coexist, the flow state of the gas in the furnace is changed and combustion is performed. It has the effect of promoting the mixing of gas and unburned matter.
また、混合促進ポートから混合促進ガスを吹き込むことで、燃焼ガス領域に残存する一酸化炭素と未燃焼ガスとの混合が促進されることにより、未燃焼ガス領域に存在する残存酸素濃度による酸化作用により一酸化炭素が最終生成物である二酸化炭素に変換される。 Further, by blowing the mixing promotion gas from the mixing promotion port, the mixing of the carbon monoxide remaining in the combustion gas region and the unburned gas is promoted, so that the oxidation action due to the residual oxygen concentration existing in the unburned gas region is promoted. As a result, carbon monoxide is converted into carbon dioxide as a final product.
請求項2記載の発明は、混合促進ポートを最上段バーナでの燃料の燃焼が緩慢になった領域に混合促進ガスを吹き込むことができる箇所の火炉壁に設ける請求項1記載のボイラ装置である。
The invention according to
請求項2記載の発明によれば、混合促進ポートから、最上段バーナでの燃料の燃焼が緩慢になったあたりで混合促進ガスを吹き込むことで、最上段バーナの火炎を壊すことなくガスを混合することができ、かつ混合促進ポートからアフターエアポートまでの距離を保つことで炉内のガス流れを均一にした後の還元促進効果を充分に得ることが出来る。また、最上段バーナの燃焼が緩慢になった位置で、混合促進ポートから燃焼ガス噴流を吹き込むことにより、炉内の燃焼ガスと未燃焼ガス領域の混合が促進され、混合ガスは均一のNOx濃度となり、アフターエアポートまでの還元領域で充分な還元作用が得られ、炉出口では低NOx濃度となる。火炉内のガス中のCO濃度にも同様の作用がある。すなわち、燃焼ガス領域に残存する一酸化炭素と未燃焼ガスとの混合が促進されることにより、未燃焼ガス領域に存在する残存酸素濃度による酸化作用により一酸化炭素が最終生成物である二酸化炭素に変換される。 According to the second aspect of the present invention, the gas is mixed without destroying the flame of the uppermost burner by injecting the mixing promotion gas from the mixing promotion port when the combustion of the fuel in the uppermost burner becomes slow. In addition, by maintaining the distance from the mixing promotion port to the after-air port, the reduction promotion effect after making the gas flow in the furnace uniform can be sufficiently obtained. In addition, by blowing the combustion gas jet from the mixing promotion port at the position where the combustion of the uppermost burner becomes slow, the mixing of the combustion gas in the furnace and the unburned gas region is promoted, and the mixed gas has a uniform NOx concentration. Thus, a sufficient reduction action is obtained in the reduction region up to the after-airport, and a low NOx concentration is obtained at the furnace outlet. There is a similar effect on the CO concentration in the gas in the furnace. That is, by promoting the mixing of the carbon monoxide remaining in the combustion gas region and the unburned gas, carbon monoxide is the final product due to the oxidation action due to the residual oxygen concentration existing in the unburned gas region. Is converted to
請求項3記載の発明は、混合促進ポートを、バーナとアフターエアポートが配置される火炉の対向する2つの壁面ではなく、前記対向する2つの壁面の両端部同士を接続する対向する2つの側壁面に配置した請求項1又は2に記載のボイラ装置である。
In the invention according to
請求項3記載の発明によれば、バーナを対向する2つの火炉壁に配置する対向燃焼方式においては、特に前後2つの火炉壁の両端部同士を接続する2つの側壁近傍に不完全燃焼領域が形成されやすいので、混合促進ポートをバーナを配置した火炉壁ではなく、前記側壁に配置することで、火炉内のガスの混合促進を図ることができる。 According to the third aspect of the present invention, in the opposed combustion method in which the burner is disposed on the two furnace walls facing each other, the incomplete combustion region is particularly located in the vicinity of the two side walls connecting the two end portions of the two front and rear furnace walls. Since it is easy to form, mixing promotion of the gas in a furnace can be aimed at by arrange | positioning a mixing promotion port not to the furnace wall which has arrange | positioned the burner but to the said side wall.
請求項4記載の発明は、混合促進ポートが混合促進ガスの旋回流を形成して火炉内へ混合促進ガスを供給する旋回部を備えている請求項1ないし3のいずれかに記載のボイラ装置である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the boiler device according to any one of the first to third aspects, wherein the mixing promotion port includes a swirling portion that forms a swirling flow of the mixing promoting gas and supplies the mixing promoting gas into the furnace. It is.
請求項4記載の発明によれば、混合促進ポートから投入する混合促進ガスを旋回流で投入することにより、混合促進ポートからの噴流に火炉前後壁近傍の未燃分が同伴され、燃焼ガスと未燃分の混合促進の効果が得られる。
前記旋回流の旋回力は、旋回速度成分/軸方向速度成分の比が0.2〜0.8の範囲にすることにより、壁面近傍の排ガス同伴量を増やし、かつ火炉中央での上昇流との混合を促進する作用がある。旋回速度成分/軸速度成分比が1.0以上になると、壁面近傍の同伴ガス量は増えるが、火炉中央までの貫通力が低減するため、火炉中央での混合促進が悪くなる。混合促進ガスに旋回力をつけることにより、直進流よりも火炉壁面近傍での排ガス同伴量が増加する。しかし混合促進ガスに旋回力がありすぎると、火炉壁面近傍の同伴量が多すぎ、火炉中央まで排ガスを到達させることができなくなる。
According to the invention of
The swirl force of the swirl flow is such that the ratio of swirl speed component / axial speed component is in the range of 0.2 to 0.8, thereby increasing the amount of exhaust gas entrainment in the vicinity of the wall surface and increasing the flow at the center of the furnace. Has the effect of promoting mixing. When the swirl speed component / shaft speed component ratio is 1.0 or more, the amount of entrained gas near the wall surface increases, but the penetration force to the center of the furnace is reduced, so the mixing promotion at the center of the furnace is worsened. By applying a swirl force to the mixing promoting gas, the amount of exhaust gas entrained in the vicinity of the furnace wall surface increases more than the straight flow. However, if the mixing promoting gas has a swirling force, the amount of entrainment in the vicinity of the furnace wall surface is too large, and the exhaust gas cannot reach the center of the furnace.
請求項5記載の発明は、混合促進ポートの出口部には、該混合促進ポートから火炉内に吹き出すガスを水平方向に分割するガス分割部材を設けた請求項1ないし3のいずれかに記載のボイラ装置である。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the gas dividing member according to any one of the first to third aspects, wherein a gas dividing member that divides the gas blown out from the mixing promoting port into the furnace in the horizontal direction is provided at the outlet of the mixing promoting port. It is a boiler device.
請求項6記載の発明は、ガス分割部材が、混合促進ポートから火炉内に吹き出すガスの方向が互いに同一方向にならないような形状を有する請求項5記載のボイラ装置である。
The invention according to
請求項5記載の発明と請求項6記載の発明によれば、火炉内に噴出するガスを水平方向に複数個に分割して噴出方向を変えることで、水平断面に幅広く噴流を形成してバーナからの燃焼ガスの混合を促進することができ、排ガス中のNOx濃度、CO濃度の低減効果がある。
According to the invention described in
請求項7記載の発明は、最上段の複数のバーナは、対向する一対の火炉壁面でそれぞれ同一水平面上にあって、相対向する位置からずれた位置にそれぞれ配置され、各段の複数のアフターエアポートは、対向する一対の火炉壁面でそれぞれ同一水平面上にそれぞれ配置され、最上段バーナの下流側の同一壁面に設けられる最下段の各アフターエアポートは前記最上段の複数のバーナの中の隣接する2つのバーナの中間位置の上方に配置される請求項1ないし6のいずれかに記載のボイラ装置である。
According to the seventh aspect of the present invention, the plurality of burners at the uppermost stage are arranged on the same horizontal plane with a pair of opposing furnace wall surfaces and are shifted from positions facing each other. The airports are respectively disposed on the same horizontal plane with a pair of opposing furnace wall surfaces, and the lowermost after-airports provided on the same wall surface downstream of the uppermost burner are adjacent to each other in the uppermost burners. It is a boiler apparatus in any one of
請求項7記載の発明によれば、バーナ部における未燃分を含んだ燃焼ガスが火炉内で良く混合される。 According to the seventh aspect of the present invention, the combustion gas containing the unburned portion in the burner portion is well mixed in the furnace.
請求項8記載の発明は、少なくとも一段の各アフターエアポートがその上流側の同一壁面に設けられる最上段の複数のバーナの中の隣接する2つのバーナの中間位置の上方に配置されている請求項1ないし6のいずれかに記載のボイラ装置である。
The invention according to
請求項8記載の発明によれば、バーナ部における未燃分を含んだ燃焼ガスがアフターエアポートの噴出口近くに上昇してくるので未燃分の燃焼を促進できる。 According to the eighth aspect of the present invention, the combustion gas containing the unburned portion in the burner portion rises near the outlet of the after-air port, so that combustion of the unburned portion can be promoted.
請求項9記載の発明は、各段の各アフターエアポートが、それぞれ互いに上下段でそれぞれ隣接する2つのアフターエアポートの中間位置に配置されている請求項7又は8記載のボイラ装置である。
The invention according to
請求項9記載の発明によれば、バーナ部における未燃分を含んだ燃焼ガスが拡散してもアフターエアポートの噴出口近くに上昇してくるので未燃分の燃焼を促進できる。 According to the ninth aspect of the invention, even if the combustion gas containing the unburned portion in the burner portion diffuses, it rises near the outlet of the after-air port, so that the combustion of the unburned portion can be promoted.
請求項10記載の発明は、請求項1ないし9のいずれかに記載のボイラ装置の混合促進ポートから火炉内に吹き出すボイラ燃焼ガス量が全燃焼用空気量の10%以下であり、かつ混合後の空気比が理論空気比以下であるボイラ装置の運転方法である。
In the invention described in
請求項10記載の発明によれば、混合促進ポートより投入するガスを、投入後の空気比が理論空気比以下になるように投入してバーナからアフターエアポートまでの還元作用を損なうことなく未燃分の燃焼性を維持できる。もし、混合促進ガスとして空気等の高酸素濃度ガスを投入して投入後の空気比を理論空気比以上にすると、火炉内の未燃分と混合することにより燃焼反応が生じ、バーナからアフターエアポートまでの還元作用を損なうことになる。
また、混合促進ポートから投入するボイラ燃焼ガス量が燃焼用空気量の10%を超えると、燃焼性が悪くなり、排ガス中の未燃分が増加するという問題が生じる。
According to the invention described in
Further, when the amount of boiler combustion gas introduced from the mixing promotion port exceeds 10% of the amount of combustion air, there arises a problem that the combustibility deteriorates and the unburned content in the exhaust gas increases.
請求項11記載の発明は、混合促進ポートから火炉内に吹き出すガス流速は、50m/s以上である請求項10記載のボイラ装置の運転方法である。
The invention according to
請求項11記載の発明によれば、混合促進ポートから高速噴流で混合促進ガスを投入することにより、周囲のガスを巻き込み、少量のガス量で混合促進の効果が得られる。 According to the eleventh aspect of the present invention, by introducing the mixing promoting gas from the mixing promoting port with a high-speed jet, the surrounding gas is entrained, and the effect of promoting the mixing can be obtained with a small amount of gas.
請求項1記載の発明によれば、混合促進ガスにより火炉内のバーナで形成された燃焼ガス流領域とその他の未燃焼ガス領域の混合を促進する効果があり、バーナからの燃焼ガス中の未燃分も完全燃焼し、ボイラの燃焼効率が従来より向上し、火炉出口での排ガス中の一酸化炭素濃度と窒素酸化物濃度を低減するという効果がある。 According to the first aspect of the present invention, there is an effect of promoting the mixing of the combustion gas flow region formed by the burner in the furnace with the mixing promoting gas and the other unburned gas region, and the unburned gas in the combustion gas from the burner is not mixed. The fuel is completely burned, the combustion efficiency of the boiler is improved, and the carbon monoxide concentration and the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas at the furnace outlet are reduced.
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、炉内のガス流れを均一にした後の還元促進効果を充分に得ることが出来る。
According to the invention described in
請求項3記載の発明によれば、請求項1又は2に記載の発明の効果に加えて、より一層の燃焼ガスと未燃分の混合促進の効果が得られる。
According to the invention described in
請求項4記載の発明によれば、請求項1ないし3のいずれかに記載の発明の効果に加えて、燃焼ガスと未燃分の混合促進の効果が得られる。
According to the invention described in
請求項5記載の発明と請求項6記載の発明によれば、請求項1ないし3のいずれかに記載の発明の効果に加えて、火炉水平断面に幅広く噴流を形成してバーナからの燃焼ガスと未燃分の混合を促進することができ、排ガス中のNOx濃度、CO濃度の低減効果がある。
According to the invention described in
請求項7記載の発明によれば、請求項1ないし6のいずれかに記載の発明の効果に加えて、バーナ部における未燃分を含んだ燃焼ガスは火炉内で良く混合され、より一層の燃焼ガスと未燃分の混合促進の効果が得られる。
According to the invention of
請求項8記載の発明によれば、請求項1ないし6のいずれかに記載の発明の効果に加えて、一層の未燃分の燃焼促進効果がある。 According to the eighth aspect of the invention, in addition to the effect of the invention according to any one of the first to sixth aspects, there is a further combustion promotion effect of unburned content.
請求項9記載の発明によれば、請求項7又は8に記載の発明の効果に加えて、アフターエアポートの噴出口近くに上昇してくる未燃分のより一層の燃焼促進効果がある。 According to the ninth aspect of the invention, in addition to the effect of the seventh or eighth aspect of the invention, there is a further combustion promoting effect of the unburned portion rising near the outlet of the after airport.
請求項10記載の発明によれば、バーナからアフターエアポートまでの還元作用を損なうことなく燃焼性を維持できる。
According to the invention described in
請求項11記載の発明によれば、請求項10記載の発明の効果に加えて、混合促進ポートから高速噴流で混合促進ガスを投入することにより、周囲のガスを巻き込み、少量のガス量で燃焼ガスと未燃分の混合促進の効果が得られる。 According to the eleventh aspect of the invention, in addition to the effect of the tenth aspect, by introducing the mixing promotion gas from the mixing promotion port with a high-speed jet, the surrounding gas is entrained and burned with a small amount of gas. The effect of promoting the mixing of gas and unburned content is obtained.
本発明の実施の形態を図面とともに説明する。
図1には本実施例の石炭焚きボイラの系統図を示す。
バンカ11から供給する石炭はフィーダ12で流量調整され微粉炭製造装置(ミル)2へ一次空気によって搬送される。ミル2で微粉に粉砕された石炭(微粉炭)は送炭管10をPAF3により搬送されて火炉壁面に設けられたバーナ6に供給されて火炉1内で燃焼される。FDF9により導入され微粉炭を燃焼させる燃焼用空気は熱交換器4で300〜400℃くらいの高温空気となり、火炉壁面に設けられた風箱5からバーナ6の外周部及びアフターエアポート7から燃焼用空気が火炉1内へ投入される。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a system diagram of a coal fired boiler according to this embodiment.
The flow rate of coal supplied from the
ボイラ火炉1内での石炭の燃焼により生成した排ガスは脱硝装置13に送られ、脱硝装置13で窒素酸化物を低減された後、熱交換器4でガス温度が下げられて電気集塵機14で除塵される。除塵された後の排ガスは脱硫装置15で硫黄酸化物を低減して煙突16より大気へ放出される。
The exhaust gas generated by the combustion of coal in the
火炉1の前壁と後壁の下部領域に設けられたバーナ6と火炉の前壁と後壁の上部領域に設けられたアフターエアポート7の間の火炉前壁と後壁には、炉内のガス流動の混合を促進するための混合促進ポート8が設けられている。混合促進ポート8にはGRF17で吸引したボイラ排ガスを高速噴流で投入する。
The furnace front and rear walls between the
なお、図2にはボイラ火炉から排出した排ガスの一部をGRF17で吸引して火炉底部に再循環させる排ガス循環流路に分岐排ガス流路を設け、該分岐排ガス流路の先端を火炉の側壁(火炉前壁と後壁の各両端部を接続した壁面)に設けた複数の混合促進ポート8に接続する構成を示している。
In FIG. 2, a branch exhaust gas passage is provided in the exhaust gas circulation passage for sucking a part of the exhaust gas discharged from the boiler furnace by the
図3に混合促進ポート8を火炉壁に設けたときの炉内のガス流れ方向で、それぞれ異なる部位の水平断面内でのNOx濃度(平均値)の変化を示す。混合促進ポート8を設けたことにより、還元領域でのNOx還元速度が促進し、炉出口での窒素酸化物濃度が低減する。
FIG. 3 shows the change in the NOx concentration (average value) in the horizontal cross section of each different part in the gas flow direction in the furnace when the mixing
図4に混合促進ポート8から噴出する燃焼ガスの旋回流と直進流とで貫通力を同一にした場合における壁面近傍のガスの同伴量(AAP噴流に取り込まれる周囲のガス量)を示す。ここでx/Yは、混合促進ポート8から火炉内方向への距離xを壁面から火炉中央までの距離Yで無次元化した値、Me/M0は、x地点での同伴量Meを火炉中央で直進流によって同伴された周囲のガス量M0で無次元化した値である。
FIG. 4 shows the amount of gas entrained in the vicinity of the wall surface (the amount of ambient gas taken into the AAP jet) when the penetration force is the same for the swirl flow and the straight flow of the combustion gas ejected from the mixing
混合促進ポート8から火炉1内方向へ噴出するガスの貫通力を一定にした場合、旋回流はx/Yが小さいところ、すなわち壁面近傍での旋回流による周囲ガスの同伴量は直進流による周囲ガスの同伴量に比べて多く、直進流はx/Yが大きいところ、すなわち火炉中央部に行くほど直進流による周囲ガスの同伴量が多くなる。図4には混合促進ポート8から投入する旋回流の旋回速度成分/軸速度成分(Sw数)を変化させた場合の前記同伴量変化を併せて示す。
When the penetration force of the gas ejected from the mixing
Sw数が高くなるにつれて、旋回流の壁面近傍での排ガス同伴量は増加するが、火炉中央での前記同伴量は減少する。Sw数が1.0以上になると、火炉中央での旋回流の前記同伴量が直進流の前記同伴量よりも少なくなる。これは旋回力が強いため、旋回流の貫通力が弱くなるためである。そのため旋回力の強さとしては、Sw数が0.2〜0.8の範囲が望ましい。 As the Sw number increases, the amount of exhaust gas entrained near the wall surface of the swirl flow increases, but the amount of entrainment in the center of the furnace decreases. When the Sw number is 1.0 or more, the entrainment amount of the swirling flow at the center of the furnace becomes smaller than the entrainment amount of the straight flow. This is because the penetrating force of the swirling flow becomes weak because the swirling force is strong. Therefore, as the strength of the turning force, the Sw number is preferably in the range of 0.2 to 0.8.
図5に混合促進ポート8の縦断面図の一例を示す。混合促進ポート8の中心からは混合促進用燃焼ガスの直進流、その外周から燃焼ガスの旋回流を火炉内へ投入する構造になっている。前記中心直進流と外周旋回流の割合は外周流路内に設けたレジスタ構造18により調整することが可能となる。
FIG. 5 shows an example of a longitudinal sectional view of the mixing
バーナ6から火炎で形成された燃焼ガス領域と空気を多く含む未燃焼ガス領域が混在する雰囲気に混合促進ポート8から燃焼ガスを高速で吹き込むことにより、炉内の流動状態を変化させ、燃焼ガスと未燃焼ガスの混合を促進する効果がある。最上段バーナ6の燃焼が緩慢になった付近で混合促進ポート8から燃焼ガスを吹き込むのが望ましい。最上段バーナ6の燃焼が緩慢になった位置で、混合促進ポート8から高速な燃焼ガスの旋回噴流を吹き込むことにより、炉内の燃焼ガス領域と未燃焼ガス領域の混合が促進され、排ガス中のNOx濃度が均一となり、アフターエアポート7までの還元領域で充分な還元作用が得られ、火炉出口では排ガス中のNOx濃度が低濃度となる。
The combustion gas is blown from the mixing
混合促進ポート8から投入する燃焼ガスは少量の高速噴流であることが望ましい。混合促進ポート8は炉内の流動状態を均一化するためのものであり、酸化反応等の化学反応を伴わないのが望ましいため、少量で吹き込む必要がある。少量での吹き込みでは火炉1内の流動状態の混合を促進することは難しいが、高速の旋回噴流で吹き込むことにより、周囲の排ガスを巻き込み、火炉1内のガスの混合状態をよくする作用が生じる。
そこで混合促進ポートから投入する燃焼ガスにボイラの前記火炉再循環排ガスを用いることにより、還元領域での化学反応を抑制する作用がある。
The combustion gas introduced from the mixing
Therefore, by using the furnace recirculation exhaust gas of the boiler as the combustion gas introduced from the mixing promotion port, there is an effect of suppressing a chemical reaction in the reduction region.
さらに、混合促進ポート8から高速な燃焼ガスの旋回噴流を吹き込むことで排ガス中のCO濃度が低減する作用もある。その理由は、炉内の燃焼ガス領域に残存する一酸化炭素が、未燃ガス領域との混合促進により、未燃ガス領域内の残存酸素と反応して最終生成物である二酸化炭素となるためである。
In addition, blowing a high-speed swirling jet of combustion gas from the mixing
対向燃焼方式の場合、バーナ部上方の側壁(火炉前壁と後壁の両端部同士を接続する一対の火炉側壁)近傍に不完全燃焼しているCO濃度の高い領域が形成される(図17,図18参照)。従って、前記CO濃度の高い領域に混合促進ポート8が設置される。なお、図17には従来の対向燃焼方式のボイラ装置のバーナ6の対向配列による燃焼排ガス中のO2濃度の鉛直方向の分布図(図17(a))と水平断面方向の分布図(図17(b))を示し、図18は図17(b)で示す同じ火炉水平断面内の燃焼排ガス中のCO濃度の分布図である。
In the case of the opposed combustion method, an incompletely combusted region with high CO concentration is formed in the vicinity of the side wall above the burner (a pair of furnace side walls connecting both ends of the front and rear walls of the furnace) (FIG. 17). , See FIG. Therefore, the mixing
図6は、火炉の前壁1a又は後壁1bに設けられるバーナ6、混合促進ポート8及びアフターエアポート7の配置を示す側面図であり、図7は混合促進ポート8の火炉壁面への設置状態を示す火炉水平断面図である。
FIG. 6 is a side view showing the arrangement of the
バーナ6及びアフターエアポート7は火炉前壁と火炉後壁とで対向位置に配置しているが、図7に示すように混合促進ポート8は火炉前壁1aと後壁1bとで互い違いに千鳥配列する。混合促進ポート8は、それぞれ隣接位置にあるバーナ6とアフターエアポート7の間の中間位置よりもバーナ6側に寄った位置にある。
The
混合促進ポート8をアフターエアポート7よりバーナ6に近い位置に配置することにより、混合促進ポート8から噴出する燃焼ガスからなる混合促進ガスがアフターエアポート7に至るまでの滞留時間を長くでき、前記混合促進ガスとアフターエアの混合促進によるNOxの還元効果がより大きくなる。
By arranging the mixing
図19に従来技術の炉内のNOx濃度分布を、図8に混合促進ポート8を火炉前壁1aと後壁1bの対向位置に配置した場合の炉内のNOx濃度分布を、図9に混合促進ポート8を火炉前壁1aと後壁1bの対向位置からずれた位置に互いに千鳥配置した場合の炉内のNOx濃度分布を示す。
FIG. 19 shows the NOx concentration distribution in the furnace of the prior art, FIG. 8 shows the NOx concentration distribution in the furnace when the mixing
最上段バーナ6で形成された高NOx濃度領域と低NOx濃度領域は混ざらずに燃焼排ガスは炉内を上昇し、従来技術ではアフターエアポート7で混合するまで濃度偏差が存在する。しかし、図8に示すバーナ6とアフターエアポート7の間の対向する火炉前壁1aと火炉後壁1bの対向する位置にそれぞれ混合促進ポート8を配置した場合には、従来よりもNOx濃度の濃度偏差は解消されるが、高NOx濃度領域と低NOx濃度領域が混ざらずにアフターエアポート7まで上昇する。
The high NOx concentration region and the low NOx concentration region formed by the
また、図9に示すように対向する壁面に混合促進ポート8を千鳥状に配列した場合、混合促進ポート8の炉壁取付部の近傍の火炉内領域で高NOx濃度領域と低NOx濃度領域が混ざることにより、炉壁取付部の近傍の火炉内領域でのNOx濃度は均一化する効果がある。
Further, when the mixing
図10に混合促進ポート8から混合促進流体として火炉1から排出した燃焼排ガスを投入する場合のNOx濃度と灰中未燃分の変化を示す。
混合促進ポート8より投入するボイラ燃焼ガス投入量を変化させたときのボイラ出口の灰中未燃分濃度は、図10から明らかな通り、燃焼ガス量が燃焼用空気量の20%を超えると急増する。また前記投入燃焼ガス量の増大により、該当燃焼ガス投入位置での燃焼ガス温度が低下する。さらに、投入する燃焼ガス量が燃焼用空気量の10%を超えると、燃焼ガス温度は100℃以上低下し、熱効率の低下を招き、さらにNOx還元反応が遅延するおそれがあるので、それ以上投入しても燃焼ガスを燃焼用空気に混合促進することによる低NOx化の効果は、あまり大きくならない。従って、混合促進ポート8より投入するボイラ燃焼ガス量は燃焼空気量の10%以下にすることが望ましい。
FIG. 10 shows changes in the NOx concentration and unburned ash content when the combustion exhaust gas discharged from the
As is clear from FIG. 10, the unburned ash concentration in the ash at the boiler outlet when the amount of boiler combustion gas input from the mixing
また、図11に示すように、混合促進ポート8内の混合促進ガス流路を複数個に区分して火炉内に混合促進ガスを供給できる構造にしてもよい。図11(a)には混合促進ポート8の鉛直方向の断面図を示し、図11(b)には水平方向の断面図を示す。
Further, as shown in FIG. 11, the mixing promotion gas flow path in the mixing
混合促進ポート8には該ポート8の中心部に火炉内に向けて2つの仕切板20,20を配置して混合促進ガス流路を3個に区分しているので、該ポート8の中心部を火炉内に向けて流れる主流21とその両側の副流22,22が形成される。仕切板20,20と混合促進ポート8の内壁の間にできる副流22用の流路は混合促進ポート8の出口部側に向けて狭い通路となるように仕切り板20,20は出口部側に向けて末広がり状であると共に混合促進ポート8の内周側は出口部側に向けて流路縮流部材29を配置している。また、ポート8の基部には主流流入孔24と副流流入孔25が設けられ、該流入孔24,25の開口面積を各流量調節器26,27のスライドにより調整できる構成である。
このように混合促進ポート8から火炉内に噴出する噴流を水平方向に分割することにより、バーナ6からの燃焼ガスの炉内での均一混合促進効果がある。
Since the mixing
Thus, by dividing the jet flow ejected from the mixing
図12には混合促進ポート8から火炉内に噴出する噴流を水平方向に3分割した場合の炉内ガス中のNOx濃度とCO濃度が、水平方向に3分割していない混合促進ポート8を用いる場合に比較して低下する様子を示す。
In FIG. 12, the mixing
また、複数段あるバーナ部において、火炉前壁1a及び後壁1bの上下方向に同列に、それぞれバーナ6を対向位置に配置(対向配列という場合がある。)するのではなく、図13(a)の側壁1c側から見た火炉の概略構造図と図13(b)の火炉前壁面又は後壁面の側面図に示すように、少なくとも最上段バーナ6においては、対向する前壁1aと後壁1bの最上段バーナ6を互いに千鳥配列とすることで、バーナ部における未燃分を含んだ燃焼ガスは良く混合される。
このとき、混合促進ポート8は炉内の流動状態を均一化するためのものであり、出来るだけ少量で吹き込むことが望ましい。そのためには図13に示すように混合促進ポート8を火炉側壁1cに設置すれば側壁1c近傍の混合を促進することができる。
Further, in the burner portion having a plurality of stages, the
At this time, the mixing
図14にバーナ6の千鳥配列と対向配列の違いによる燃焼排ガス中のNOx低減効果を数値解析により確認した結果を示す。
また、図15(a)には全バーナ6を対向配列させた場合(図15(b)参照)、最上段バーナ6を千鳥配列させた場合(図15(c)参照)及び最上段バーナ6とアフターエアポート7を互いに千鳥配列させた場合の排ガス中の燃焼排ガス中のNOx低減効果とCO低減効果を数値解析により確認した結果を示す。
FIG. 14 shows the result of confirming the NOx reduction effect in the combustion exhaust gas due to the difference between the staggered arrangement and the opposed arrangement of the
15A shows the case where all the
ただし、一方の壁面の最上段バーナ6からの微粉炭を含んだ噴流は対向壁からのバーナ噴流と炉内中央で衝突せず中央部から対向壁側に寄った位置で湾曲上昇する。そこで、図16の火炉の斜視図に示すように、対向する前壁1aと後壁1bに設けられるアフターエアポート7を最上段バーナ6とは逆の千鳥配列(同一壁面のバーナ6の直上にはアフターエアポート7を配置しないで、該バーナ6からの微粉炭噴流と対向壁面のアフターエアポート7からのエア噴流が当たるようにする配列)にして、対向壁面からのアフターエア噴流が上記バーナ6からの湾曲上昇噴流を直撃して混合促進する。
However, the jet including pulverized coal from the
排ガス中のNOx濃度とCO濃度を低下させることができるボイラ装置として産業上の利用可能性が高い。 Industrial applicability is high as a boiler device capable of reducing the NOx concentration and the CO concentration in the exhaust gas.
1 火炉 1a 前壁
1b 後壁 1c 側壁
2 ミル 3 PAF
4 熱交換器 5 風箱
6 バーナ 7 アフターエアポート
8 混合促進ポート 9 FDF
10 送炭管 11 バンカ
12 フィーダ 13 脱硝装置
14 電気集塵機 15 脱硫装置
16 煙突 17 GRF
18 レジスタ 20 仕切板
21 混合促進ガス主流 22 混合促進ガス副流
24 主流流入孔 25 副流流入孔
26,27 混合促進ガス流量調節器
29 流路縮流部材
1
4
DESCRIPTION OF
18
Claims (11)
理論空気比以下の空気量で固体燃料を燃焼させるバーナを一段毎に複数個、かつ燃焼ガス流れ方向に一段以上設け、
前記バーナの下流側であって、該バーナでの固体燃料の燃焼に不足する燃焼用空気を火炉内に噴出するアフターエアポートを一段毎に複数個、かつ燃焼ガス流れ方向に一段以上設け、
前記バーナの下流側であって、かつ前記アフターエアポートの上流側にボイラから排出するボイラ排ガスの一部を供給する混合促進ポートを一段毎に複数個、かつ燃焼ガス流れ方向に一段以上設け、バーナとアフターエアポートと混合促進ポートは火炉の対向する一対の壁面にそれぞれ配置し、
各段の各混合促進ポートは対向する火炉壁面でそれぞれ同一水平位置であって、相対向する位置又は前記対向位置からずれた位置に配置され、混合促進ポートがガス流れ方向に複数段ある場合は各段の各混合促進ポートは隣接する段の隣接する2つの混合促進ポートの中間位置に配置されることを特徴とするボイラ装置。 In a boiler device that burns solid fuel containing coal in a furnace,
A plurality of burners for burning solid fuel with an air amount less than the theoretical air ratio are provided for each stage, and one or more burners are provided in the combustion gas flow direction.
A plurality of after-air ports, each downstream of the burner, for injecting combustion air that is insufficient for solid fuel combustion in the burner into the furnace, and one or more stages in the combustion gas flow direction;
A plurality of mixing promotion ports for supplying a part of boiler exhaust gas discharged from the boiler downstream of the burner and upstream of the after-air port, and one or more mixing promotion ports are provided in the combustion gas flow direction; And the after-air port and the mixing promotion port are arranged on a pair of opposing wall surfaces of the furnace,
When each mixing promotion port of each stage is arranged at the same horizontal position on the opposite furnace wall surface, at a position opposed to each other or at a position deviated from the facing position, and when there are a plurality of mixing promotion ports in the gas flow direction, Each mixing promotion port of each stage is disposed at an intermediate position between two adjacent mixing promotion ports of adjacent stages.
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JP2011526355A (en) * | 2008-06-25 | 2011-10-06 | アルストム テクノロジー リミテッド | Furnace equipment with internal flue gas recirculation |
JP6025983B2 (en) * | 2013-07-09 | 2016-11-16 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | Combustion device |
-
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- 2006-01-19 JP JP2006011650A patent/JP2007192475A/en not_active Withdrawn
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