JP2008101883A

JP2008101883A - 難燃性燃料用バーナ

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Publication number: JP2008101883A
Application number: JP2006286692A
Authority: JP
Inventors: Ryuhei Takashima; 竜平高島; Koutarou Fujimura; 皓太郎藤村; Akiyasu Okamoto; 章泰岡元; Takayuki Sudo; 隆之須藤; Iwamaro Amano; 五輪麿天野; Toshihiro Hirata; 利弘平田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2008-05-01
Anticipated expiration: 2026-10-20
Also published as: TWI429853B; CN101165400A; JP5021999B2; CL2007002944A1; TW200829833A; MX2007012952A; US20080092789A1; CA2608051A1; EP1916476A3; KR20080035966A; EP1916476A2; KR100951214B1; CA2608051C

Abstract

【課題】ボイラ負荷等の変動に応じてガス量が変化しても、良好な着火性や安定燃焼を確保できるようにした難燃性燃料用バーナを提供すること。
【解決手段】空気とともに供給される粉末状の難燃性燃料をセパレータ２０で分離し、火炉１内に配設された濃部ノズル２４及び淡部ノズル２６に分配して燃焼させる難燃性燃料用バーナ１０において、セパレータ２０の下流から濃部ノズル２４及び淡部ノズル２６に連通する高粒子濃度ガス配管２３及び低粒子濃度ガス配管２５の少なくとも一方に、中子２７や流量調整・遮断弁２９のような可変制御手段を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、難燃性燃料を使用する微粉炭焚きボイラ等の各種燃焼装置に適用される難燃性燃料用バーナに関する。

従来、たとえば無煙炭や石油コークス等のような難燃性燃料を細かい粉末状にして使用する微粉炭焚きボイラにおいては、粉末状とした難燃性燃料を燃焼させる難燃性燃料用バーナ（以下、「バーナ」と呼ぶ）が使用されている。
たとえば図４及び図５に示すように、無煙炭を細かい粉末状にした微粉炭を燃料としてボイラの火炉１内で燃焼させる従来のバーナ１０Ａには、バーナ中心部に位置して微粉炭及び一次空気の混合流体を流す約１００℃の微粉炭混合気系統と、その外周部に位置して約３００〜３５０℃の二次空気を流す二次空気系統と、により構成されたものがある。

一次空気系統は、着火性の向上を目的としてバーナ部の上流に設置したセパレータ２０Ａを備えている。このセパレータ２０Ａは、サイクロンの原理を利用したものであり、燃料粒子が濃い箇所（濃部）と薄い箇所（淡部）とを形成することができる。
一次空気系統のセパレータ下流側は、燃料粒子の濃度が高い高粒子濃度ガスを導入して燃焼させる濃部ノズル２４と、燃料粒子の濃度が低い低粒子濃度ガスを導入して燃焼させる淡部ノズル２６とに分岐されている。難燃性燃料を使用する場合には、着火性を向上させるため、バーナ１０Ａ全体を下向きに傾斜させて設置するのが一般的である。

また、淡部ノズル２６については、火炉１を形成する火炉壁２側に設置することにより酸化雰囲気とし、スラッギングを防止するように構成されている。
なお、図中の符号２３は、セパレータ２０Ａから濃部ノズル２４に高粒子濃度ガスを導く高粒子濃度ガス配管、図中の符号２５は、セパレータ２０Ａから淡部ノズル２６に低粒子濃度ガスを導く低粒子濃度ガス配管である。（たとえば、特許文献１参照）
特開平８−１７８２１０号公報（図５参照）

しかしながら、上述した従来技術によれば、ボイラ負荷等の変動に応じてガス量が変化すると、着火性や安定燃焼に影響を受けることがある。さらに、難燃性燃料を使用する場合は特に、隣接するノズル間の火炎が干渉することによっても着火性や安定燃焼に影響を受ける。
具体的に説明すると、燃料粒子の濃淡分布効率はセパレータ２０Ａの効率により決定される。このため、ガス供給量が低下する部分負荷時においては、遠心力の低下によりセパレータ２ＯＡの分離効率も低下するので、濃部ノズル２４及び淡部ノズル２６に所望の濃淡分布率を得ることは困難になる。
また、部分負荷時や予備バーナにてバーナを使用しない場合には、淡部ノズル配管２５からセパレータ２０Ａの方向へ負圧によりガスの逆流が起こりうる。

上述した濃淡分布率の変動やガスの逆流、さらには隣接するノズル間の火炎干渉は、難燃性燃料の燃料粒子をセパレータ２０Ａにより分配するように構成された難燃性燃料用バーナ１０Ａの着火性や安定燃焼に影響を及ぼすものであるから、この問題を解決した難燃性燃料用バーナの開発が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ボイラ負荷等の変動に応じてガス量が変化しても、良好な着火性や安定燃焼を確保できるようにした難燃性燃料用バーナを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る難燃性燃料用バーナは、空気とともに供給される粉末状の難燃性燃料をセパレータで分離し、火炉内に配設された濃部ノズル及び淡部ノズルに分配して燃焼させる難燃性燃料用バーナにおいて、前記セパレータの下流から前記濃部ノズル及び前記淡部ノズルに連通するガス流路内の少なくとも一方に、流路断面積の可変制御手段を設けたことを特徴とするものである。

本発明の難燃性燃料用バーナによれば、セパレータの下流から濃部ノズル及び淡部ノズルに連通するガス流路内の少なくとも一方に、流路断面積の可変制御手段を設けたので、ガス流路の流路断面積を適宜変化させることで部分負荷等の運転状況に応じた最適値に調整することができる。

上記の発明において、前記可変制御手段は、前記セパレータから前記濃部ノズルへ高粒子濃度ガスを供給するガス流路内に設けられた可動式抵抗体であることが好ましく、これにより、濃部ノズルへ高粒子濃度ガスを供給するガス流路の流路断面積を適宜変化させることが可能になる。従って、運転状況に応じて高粒子濃度ガスを供給するガス流路内のガス流量を調整し、セパレータの分離効率を部分負荷等の運転状況に応じて最適化することができる。

上記の発明において、前記可変制御手段は、前記セパレータから前記淡部ノズルへ低粒子濃度ガスを供給するガス流路内に設けられた流量調整・遮断弁であることが好ましく、これにより、淡部ノズルへ低粒子濃度ガスを供給するガス流路の断面積を全開から全閉まで適宜変化させることが可能になる。従って、運転状況に応じて低粒子濃度ガスを供給するガス流路内のガス流量を調整したり、あるいは、バーナ不使用時にガス流路を遮断することができる。

上記の発明において、前記セパレータ内に供給された難燃性燃料が衝突する壁面に耐摩耗処理を施すことが好ましく、これにより、難燃性燃料が衝突する壁面の耐摩耗性が向上する。

本発明に係る難燃性燃料用バーナは、空気とともに供給される粉末状の難燃性燃料をセパレータで分離し、火炉内に配設された濃部ノズル及び淡部ノズルに分配して燃焼させる難燃性燃料用バーナにおいて、前記濃部ノズルと前記淡部ノズルの吹出角度を上下方向にオフセットしたことを特徴とするものである。

このような難燃性燃料用バーナによれば、濃部ノズルと淡部ノズルの吹出角度を上下方向にオフセットしたので、ノズル間の火炎干渉を防止することができる。

本発明に係る難燃性燃料用バーナは、空気とともに供給される粉末状の難燃性燃料をセパレータで分離し、火炉内に配設された濃部ノズル及び淡部ノズルに分配して燃焼させる難燃性燃料用バーナにおいて、前記淡部ノズルの吹出角度を水平方向の炉壁側へ向けてオフセットしたことを特徴とするものである。

このような難燃性燃料用バーナによれば、淡部ノズルの吹出角度を水平方向の炉壁側へ向けてオフセットしたので、ノズル間の火炎干渉を防止するとともに、火炉壁面のスラッギングを防止することができる。

上述した本発明によれば、難燃性燃料の燃料粒子をセパレータにより分配するように構成された難燃性燃料用バーナにおいて、運転状況に応じた濃淡分布率の変動やガスの逆流が防止されるので、良好な着火性及び安定燃焼を確保することができる。
また、隣接するノズル間の火炎干渉を防止することによっても、良好な着火性及び安定燃焼を確保することができる。

以下、本発明に係る難燃性燃料用バーナの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１から図３に示す難燃性燃料用バーナ（以下、「バーナ」と呼ぶ）１０は、たとえば微粉炭焚きボイラ等の火炉１内に設置される。このバーナ１０は、空気とともに供給される難燃性燃料の粉粒体（細かい粉末状）を火炉１内で燃焼させるものである。ここで、難燃性燃料の具体例をあげると、無煙炭や石油コークス等がある。
以下では、難燃性燃料の無煙炭を細かい粉末状とした燃料である微粉炭の供給を受けて燃焼させるバーナ１０について説明する。

バーナ１０は、約１００℃と比較的低温の一次空気とともに微粉炭の供給を受ける微粉炭供給系統と、約３００〜３５０℃と比較的高温にした二次空気の供給を受ける二次空気系統とにより構成されている。
微粉炭供給系統は、概ねバーナ１０の中心部に位置しており、着火性の向上を目的として、一次空気及び微粉炭の混合流体を後述する濃部及び淡部に分配するセパレータ２０を備えている。このセパレータ２０は、遠心分離を利用したサイクロンの構成とされ、外筒２１の側面には、接線方向から混合流体を供給する一次空気配管２２が接続されている。そして、外筒２１を円錐台形状に絞った細径部２１ａに高粒子濃度ガス配管２３が接続され、その先端部には、火炉１内に向けて開口する濃部ノズル２４が設けられている。

さらに、外筒２１の内部には、低粒子濃度ガス配管２５が同心に挿入されている。この低粒子濃度配管２５は、外筒２１から高粒子濃度ガス配管２３と反対側へ出てＵターンしており、その先端部には、濃部ノズル２４と略同一レベルで隣接するようにして淡部ノズル２６が設けられている。なお、低粒子濃度ガス配管２５の開口部２５ａは、混合流体の流れ方向において一次空気配管２２の接続部より下流側（濃部ノズル２４側）となる。
濃部ノズル２４及び淡部ノズル２６の位置関係は、低粒子濃度ガスを燃焼させる淡部ノズル２６が火炉１を形成する火炉壁２側に配置されている。

セパレータ２０の下流には、濃部ノズル２４及び淡部ノズル２６に連通するガス流路内の少なくとも一方に、流路断面積を可変とする可変制御手段が設けられている。
図示の構成では、セパレータ２０から濃部ノズル２４へ高粒子濃度ガスを供給する高粒子濃度ガス配管２３と接続された細径部２１ａ内に、ガス流れ方向に往復移動可能な可動式抵抗体として、たとえば三角形断面の中子２７が設けられている。この中子２７は、細径部２１ａ内を矢印２８で示す軸方向へ移動することにより、セパレータ２０から高粒子濃度ガス配管２３に連通する流路断面積が変化するので、実質的に高粒子濃度ガス配管２３の流路断面積を変化させることと同じになる。
なお、可動式抵抗体としては、図示の中子２７に限定されることはなく、たとえばバタフライ弁のように、高粒子濃度ガス配管２３の流路断面積を変化させることができるものであればよい。

セパレータ２０から淡部ノズル２６へ低粒子濃度ガスを供給するガス流路内には、すなわち低粒子濃度ガス配管２５内の適所には、可変制御手段としてバタフライ弁等の流量調整・遮断弁２９が設けられている。この流量調整・遮断弁２９は、弁体を全閉位置から全開位置まで変化させることにより、セパレータ２０から低粒子濃度ガス配管２５に連通する流路断面積を調整することができる。また、この流量調整・遮断弁２９は、必要に応じて低粒子濃度ガス配管２５を全閉（流路断面積＝０）とすることもできる。

濃部ノズル２４及び淡部ガス２６の外周部には、両ノズルの周囲を取り囲むようにして火炉１内へ連通する二次空気供給流路３０が設けられている。なお、この二次空気供給流路３０が、両ノズル２４，２６に比較的高温の空気を供給するために設けた二次空気系統となる。

上述したセパレータ２０では、一次空気配管２２から供給された混合流体が外筒２１の内部で低粒子濃度ガス配管２５の周囲を旋回して流れることにより、外周側の濃部と中心部側の淡部とに遠心分離される。この結果、微粉炭の粒子濃度が高い濃部の高粒子濃度ガスは、低粒子濃度ガス配管２５の周囲をガス流れ方向へ流れ、細径部２１ａ及び高粒子濃度ガス配管２３を通って濃部ノズル２４に導かれる。一方、微粉炭の粒子濃度が低い淡部の低粒子濃度ガスは、低粒子濃度ガス配管２５の周囲に沿ってガス流れ方向へ流れた後、Ｕターンして低粒子濃度ガス配管２５の開口部２５ａに入り、低粒子濃度ガス配管２５を通って濃部ノズル２６に導かれる。
無煙炭を粉末状とした微粉炭を燃料とする場合に好適な燃料粒子の濃淡分配率は、すなわち、良好な着火性及び安定した燃焼を継続するのに好適な微粉炭粒子の濃淡分配率は、全混合流体のうち、濃部ノズル２４に微粉炭の９３〜９５％程度及び空気量の５０〜５５％程度を分配し、淡部ノズル２６に微粉炭の５〜７％程度及び空気量の４５〜５０％程度を分配するものである。

上述した構成のノズル１０においては、ボイラ負荷の変動等に応じて混合ガスの供給量が変動した場合、燃料粒子の濃淡分配率も変動するので、中子２７の位置を調整して所定の濃淡分配率を維持する。
具体的に説明すると、低粒子濃度ガス配管２５の開口部２５ａは、定格運転時等所定の運転状態において供給される混合ガスの供給量で所望の濃淡分配率となるように設定されているので、混合ガスの供給量が減少した場合には、遠心力の低下により高粒子濃度ガス側に分配される微粉炭が低下する傾向にある。そこで、混合ガス供給量の低下に応じて中子２７を矢印２８の方向に移動させ、セパレータ２０から高粒子濃度ガス配管２３に連通する流路断面積を増してやる。この結果、濃部ノズル２４に至る流路抵抗が減少し、濃部ノズル２４側に分配される微粉炭量が増加するので、微粉炭の濃淡分配率は所定の値に調整される。

一方、混合ガスの供給量が増加した場合には、遠心力の増大により高粒子濃度ガス側に分配される微粉炭が増加する傾向にある。そこで、混合ガス供給量の増加に応じて中子２７を矢印２８の方向に移動させ、セパレータ２０から高粒子濃度ガス配管２３に連通する流路断面積を減少させる。この結果、濃部ノズル２４に至る流路抵抗が増大し、濃部ノズル２４側に分配される微粉炭量が減少するので、この場合も同様に、微粉炭の濃淡分配率は所定の値に調整される。

また、このような濃淡分配率の調整は、低粒子濃度ガス配管２５に設けた流量調整・遮断弁２９を操作して行うことも可能である。
具体的に説明すると、混合ガスの供給量が減少した場合には、混合ガス供給量の低下に応じて流量調整・遮断弁２９を閉じる方向に操作し、低粒子濃度ガス配管２５の流路断面積を減少させる。この結果、淡部ノズル２６に至る流路抵抗が増加する反面、濃部ノズル２４に至る流路抵抗が相対的に減少するので、濃部ノズル２４側に分配される微粉炭量が増加して微粉炭の濃淡分配率は所定の値に調整される。

一方、混合ガスの供給量が増加した場合には、混合ガス供給量の増加に応じて流量調整・遮断弁２９を開く方向に操作し、低粒子濃度ガス配管２５の流路断面積を増加させる。この結果、淡部ノズル２６に至る流路抵抗が低下する反面、濃部ノズル２４に至る流路抵抗が相対的に増加するので、濃部ノズル２４側に分配される微粉炭量が減少して微粉炭の濃淡分配率は所定の値に調整される。
このように、微粉炭の濃淡分配率は、中子２７または流量調整・遮断弁２９のいずれか一方を操作して調整可能であるため、少なくともいずれか一方を備えていればよいが、両方を同時に操作して調整することも可能である。
また、流量調整・遮断弁２９については、これを全閉位置にして低粒子濃度ガス配管２５を遮断することができるため、たとえばバーナ１０を使用しない場合に淡部ノズル２６からセパレータ２０側への逆流を防止することができる。

ところで、上述したセパレータ２０の外筒２１には、一次空気配管２２から高速で流入した微粉炭の粒子が衝突する領域がある。そこで、この領域の内壁面に対して、たとえば図２に示すように、必要に応じて耐摩耗処理を施した耐摩耗壁面２１ｂを形成する。
この場合に好適な耐摩耗処理の具体例としては、たとえばセラミック材の貼付や耐摩耗硬化肉盛り（２５Ｃｒ鋳鉄，ＣＨＲ−３等）が採用可能である。このような耐摩耗壁面２１ｂを形成することにより耐摩耗性が向上するので、微粉炭の粒子が衝突しても早期に減肉するようなことはなく、セパレータ２０の耐久性を増すことができる。

また、上述した濃部ノズル２４及び淡部ノズル２６については、淡部ノズル２６を火炉壁２側に寄せた配置とするが、さらに、淡部ノズル２６を水平方向の火炉壁２側へオフセットして取り付けることが好ましい。すなわち、淡部ノズル２６の吹出角度は、平面視の図１に示すように、水平方向において火炉壁２と平行な吹出方向の濃部ノズル２４からオフセットされ、その吹出方向は、火炉壁２側へ向けられている。この場合の好適な吹出角度θｈは、水平方向において濃部ノズル２４から火炉壁２側へ、１０度程度傾斜した角度である。

このように、淡部ノズル２６の吹出角度を水平方向で火炉壁２側へオフセットすると、隣接する濃部ノズル２４及び淡部ノズル２６のノズル間に発生する火炎干渉を防止することができるので、未燃分を低減した良好な燃焼の継続が可能になるとともに、着火性を向上させることもできる。さらに、淡部ノズル２６の吹出方向がオフセットにより火炉壁２に向けられることにより、火炉１の壁面に炭素等の異物が付着するスラッギングを緩和することも可能になる。

また、上述した濃部ノズル２４及び淡部ノズル２６については、淡部ノズル２６を火炉壁２側に寄せた配置とするが、さらに、図３に示すように、濃部ノズル２４及び淡部ノズル２６の吹出角度を上下方向にオフセットして取り付けることが好ましい。具体的には、淡部ノズル２６の吹出角度を水平に設定し、濃部ノズル２４の吹出角度θｖを下向きに傾斜させることが好ましい。この場合、濃部ノズル２４の好適な傾斜角度θｖは、水平位置を基準として下向きを正（＋）とすれば、概ね−１０度〜３０度の範囲であるが、最も好ましい傾斜角度θｖは下向きに３０度である。これは、傾斜角度θｖを３０度以上に大きく設定すると、今度は隣接する上下の濃部ノズル２４間で火炎干渉が生じるためである。

このように、濃部ノズル２４及び淡部ノズル２６の吹出角度を上下方向でオフセットさせることにより、隣接する濃部ノズル２４及び淡部ノズル２６のノズル間に発生する火炎干渉を防止することができるので、未燃分を低減した良好な燃焼の継続が可能になるとともに、着火性を向上させることもできる。
なお、上述した濃部ノズル２４及び淡部ノズル２６の吹出角度は、水平方向及び上下方向のオフセットを組み合わせることにより、火炎干渉の防止がより一層容易になる。

上述した本発明によれば、難燃性燃料の燃料粒子をセパレータ２０により分配するように構成されたバーナ１０において、中子２７や流量調整・遮断弁２９の操作により、運転状況に応じた濃淡分布率の変動やガスの逆流が防止されるので、良好な着火性及び安定燃焼を確保することができる。また、濃部ノズル２４及び淡部ノズル２６の吹出方向にオフセットを設け、隣接するノズル間の火炎干渉を防止することによっても良好な着火性及び安定燃焼を確保することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る難燃性燃料用バーナの一実施形態を示す横断面図である。図１のセパレータ及び一次空気配管の構成例を示す縦断面図である。濃部ノズル及び淡部ノズルに設定された吹出角度の一例を示す縦断面図である。従来の難燃性燃料用バーナを示す横断面図である。図４の濃部ノズル及び淡部ノズルに設定された吹出角度を示す縦断面図である。

符号の説明

１火炉
２火炉壁
１０難燃性燃料用バーナ（バーナ）
２０セパレータ
２１外筒
２１ｂ耐摩耗壁面
２２一次空気配管
２３高粒子濃度ガス配管
２４濃部ノズル
２５低粒子濃度ガス配管
２６淡部ノズル
２７中子（可動式抵抗体）
２９流量調整・遮断弁
３０二次空気配管

Claims

空気とともに供給される粉末状の難燃性燃料をセパレータで分離し、火炉内に配設された濃部ノズル及び淡部ノズルに分配して燃焼させる難燃性燃料用バーナにおいて、
前記セパレータの下流から前記濃部ノズル及び前記淡部ノズルに連通するガス流路内の少なくとも一方に、流路断面積の可変制御手段を設けたことを特徴とする難燃性燃料用バーナ。
前記可変制御手段が、前記セパレータから前記濃部ノズルへ高粒子濃度ガスを供給するガス流路内に設けられた可動式抵抗体であることを特徴とする請求項１に記載の難燃性燃料用バーナ。
前記可変制御手段が、前記セパレータから前記淡部ノズルへ低粒子濃度ガスを供給するガス流路内に設けられた流量調整・遮断弁であることを特徴とする請求項１に記載の難燃性燃料用バーナ。
前記セパレータ内に供給された難燃性燃料が衝突する壁面に耐摩耗処理を施したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の難燃性燃料用バーナ。
空気とともに供給される粉末状の難燃性燃料をセパレータで分離し、火炉内に配設された濃部ノズル及び淡部ノズルに分配して燃焼させる難燃性燃料用バーナにおいて、
前記濃部ノズルと前記淡部ノズルの吹出角度を上下方向にオフセットしたことを特徴とする難燃性燃料用バーナ。
空気とともに供給される粉末状の難燃性燃料をセパレータで分離し、火炉内に配設された濃部ノズル及び淡部ノズルに分配して燃焼させる難燃性燃料用バーナにおいて、
前記淡部ノズルの吹出角度を水平方向の炉壁側へ向けてオフセットしたことを特徴とする難燃性燃料用バーナ。