JP2008121924A

JP2008121924A - バーナ構造

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Publication number: JP2008121924A
Application number: JP2006303780A
Authority: JP
Inventors: Ryuhei Takashima; 竜平高島; Koutarou Fujimura; 皓太郎藤村; Munehiro Kakimi; 宗洋垣見; Iwamaro Amano; 五輪麿天野; Toshihiro Hirata; 利広平田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: MX2007013654A; KR100887018B1; CN101178176B; JP4898393B2; TWI354084B; TW200835888A; US8302544B2; CL2007003099A1; US20080113309A1; CA2609563A1; CA2609563C; KR20080042692A; CN101178176A

Abstract

【課題】少ない空気量で効率的にノズル本体を冷却するとともに、クリンカの落下や輻射熱に対する有効な保護対策が施されているバーナ構造を提供すること。
【解決手段】バーナ中心部に配置されて燃料及び一次空気の混合気を供給する微粉炭混合気通路１１と、微粉炭混合気通路１１の外周部に配置されて二次空気を供給する二次空気通路１２と、二次空気通路１２の外周部または上下に配置されて冷却空気を供給する冷却空気通路１３とを具備し、微粉炭混合気通路１１及び二次空気通路１２の火炉側端部に取り付けられて先端部に保炎器１６を備えているチルト可能なノズル本体１７と、冷却空気通路１３の火炉側端部に取り付けられてチルト可能な冷却空気ノズル１８とを備えたバーナ構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、微粉炭炊きボイラ等の各種燃焼装置に適用されるバーナ構造に関する。

従来、たとえば微粉炭や石油コークス等のように、粉体の燃料を使用して燃焼させるボイラが使用されている。
微粉炭を燃料とする微粉炭炊きボイラに使用されるバーナ構造は、バーナ中心部に配置される微粉炭及び一次空気からなる微粉炭混合気系統と、その外周部に配置される二次空気系統と、さらに、場合によっては二次空気系統の外周部または上下に配置される冷却空気（三次空気）系統とにより構成されている。

図５は、従来の微粉炭焚きバーナ構造を示す断面図である。
図示のバーナ１０は、微粉炭混合気系統である微粉炭混合気通路１１の外周部に、二次空気系統となる二次空気通路１２が設けられている。さらに、二次空気通路１２の上部には、冷却空気（三次空気）系統となる冷却空気通路１３が設けられている。
微粉炭混合気通路１１及び二次空気通路１２の火炉側端部には、微粉炭ノズル１４及び二次空気ノズル１５を一体化して先端部に保炎器１６を設けて取り付けたノズル本体１７が取り付けられている。また、冷却空気通路１３の火炉側淡部には、冷却空気ノズル１８が取り付けられている。この冷却空気ノズル１８は、火炉内の上部から落下するクリンカがバーナ１０に衝突することを防ぐとともに、火炎輻射熱を遮断する機能も有している。なお、図中の符号１９は風箱である。

このようなバーナ１０においては、窒素酸化物（ＮＯx ）の規制に対応するため、一次空気、二次空気、三次空気の合計量を、燃焼のため投入した微粉炭量の理論空気量未満となるように投入して主燃焼ゾーンを還元雰囲気に保っている。そして、微粉炭燃焼で発生したＮＯx を還元した後、主燃焼ゾーンの後流に設けられているアディショナルエアノズル（不図示）から追加空気を投入して酸化燃焼を行い、燃焼を完結するといった燃焼方法が採用されている。このため、主燃焼ゾーンの微粉炭流の周囲には、十分な空気量が配分されている。

また、上述した従来のバーナ１０は、蒸気温度や出口ＮＯx を制御するため、図６に示すように、ノズル本体１７はチルト可能な構造を採用しているが、冷却空気ノズル１８は固定構造となっている。
また、上述した冷却空気ノズル１８に相当する空気流路を含めて、ノズル全体がチルトするように構成されたものもある。（たとえば、特許文献１参照）
米国特許６，２６０，４９１号公報

近年、保炎器１６の強化等により着火性が年々向上しているので、バーナ１０を構成する素材は熱的に厳しい状況に曝されている。その一方で、冷却空気ノズル１８に配分する冷却空気の割合を大きくして冷却能力を増すと、燃焼温度の低下による未燃分の増加等により排ガス特性が低下するため、少ない空気量で効率的にノズル本体１７を冷却する必要がある。
さらに、従来のバーナ１０は、ノズル本体１７のみチルトして冷却空気ノズル１８が固定された構造となっているため、ノズル本体１７が傾いた状態では輻射熱に曝されるという問題がある。

一方、ノズル全体がチルトする特許文献１に記載された構成では、空気流路の面積比に応じて空気量が分配されるため、運転中に空気量を調整することができないという問題を有している。
また、冷却空気ノズル１８に相当する部分は、微粉炭等の粉体を燃料とする場合に発生するクリンカの落下や輻射熱からノズル本体を保護する機能を有していないので、長い部品寿命を確保するという面では不利になる。

このような背景から、空気量の調整が可能で少ない空気量により効率的にノズル本体を冷却でき、しかも、クリンカの落下や輻射熱に対しても有効な対策が施されたバーナ構造が望まれる。
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、少ない空気量により効率的にノズル本体を冷却できるとともに、クリンカの落下や輻射熱に対する有効な保護対策が施されているバーナ構造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。
本発明に係るバーナ構造は、バーナ中心部に配置されて燃料及び一次空気の混合気を供給する燃料混合気系統と、該燃料混合気系統の外周部に配置されて二次空気を供給する二次空気系統と、該二次空気系統の外周部または上下に配置されて冷却空気を供給する冷却空気系統とを具備して構成されるバーナ構造であって、
前記燃料混合気系統及び前記二次空気系統の火炉側端部に取り付けられて先端部に保炎器を備えているチルト可能なノズル本体と、前記冷却空気系統の火炉側端部に取り付けられてチルト可能な冷却空気ノズルと、を備えていることを特徴とするものである。

このようなバーナ構造によれば、燃料混合気系統及び二次空気系統の火炉側端部に取り付けられて先端部に保炎器を備えているチルト可能なノズル本体と、冷却空気系統の火炉側端部に取り付けられてチルト可能な冷却空気ノズルとを備えているので、二次空気と冷却空気とが各々独立した空気の供給系統となる。このため、空気の供給系統毎に、空気量の調整・制御が可能になる。

上記の発明において、前記冷却空気ノズルの先端位置は、前記ノズル本体及び前記冷却空気ノズルのチルト可能範囲内で前記保炎器の先端位置と略一致していることが好ましく、これにより、落下したクリンカや輻射熱の影響をノズル本体に及ぶことの防止または抑制が可能となる。

上記の発明において、前記冷却空気ノズルは、筒体内部を仕切る庇型部材を備え、該庇型部材の先端位置を前記ノズル本体及び前記冷却空気ノズルのチルト可能範囲内で前記保炎器の先端位置と略一致させることが好ましく、これにより、冷却空気ノズルを軽量化するとともに、落下したクリンカや輻射熱の影響をノズル本体に及ぶことの防止または抑制が可能となる。

上記の発明において、前記冷却空気ノズルに冷却フィンを設けることが好ましく、これにより、冷却効率を向上させることができる。
また、上記の発明において、前記ノズル本体と前記冷却空気ノズルとのチルト軸を同一にすることが好ましく、これにより、チルト機構を簡略化することができる。

上記の発明において、前記冷却空気ノズルは前記ノズル本体に着脱可能に取り付けられていることが好ましく、これにより、冷却空気ノズル単体での部品交換が可能になる。
この場合、前記冷却空気及び前記二次空気に供給する空気量が断面積比により分配されることにより、風箱の構造を簡略化することができる。

上述した本発明のバーナ構造によれば、空気量の調整を可能にして少ない空気量により効率的にノズル本体を冷却でき、さらに、クリンカの落下や輻射熱に対してもノズル本体を保護することができる。

以下、本発明に係るバーナ構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
図１に示す実施形態のバーナ構造は、微粉炭を燃料として燃焼させる微粉炭焚きボイラに使用される微粉炭焚きバーナである。
このバーナ１０Ａは、燃料の微粉炭及び燃焼用の一次空気を混合した微粉炭混合気を供給する燃料混合気系統として、微粉炭混合気通路１１がバーナ中心部に配置されている。微粉炭混合気通路１１の外周部には、燃焼用の二次空気を供給する二次空気系統として、二次空気通路１２が配置されている。さらに、二次空気通路１２の上部には、冷却用の三次空気（以下、「冷却空気」と呼ぶ）を供給する冷却空気系統として、冷却空気通路１３が設けられている。

微粉炭を燃料とする場合の一例では、バーナ中心部の微粉炭混合気通路１１に約８０℃の微粉炭混合気が供給される。また、二次空気通路１２及び冷却空気通路には、約３００℃〜３５０℃の二次空気及び冷却空気が供給される。

微粉炭混合気通路１１及び二次空気通路１２の火炉側端部にはノズル本体１７が取り付けられ、図示しないチルト機構を設けたことにより、吹出角度を水平方向から変化させるチルト操作が可能とされる。このノズル本体１７は、微粉炭混合気を噴出させる微粉炭ノズル１４と、二次空気を噴出させる二次空気ノズル１５とを一体化し、さらに、両ノズルの先端部に保炎器１６を一体に取り付けたものである。

ノズル本体１７の具体的な構成を説明すると、微粉炭ノズル１４は先端を絞った筒状とされ、その外周を取り囲むようにして、同じく先端を絞った大径筒状の二次空気ノズル１５が一体に取り付けられている。そして、二重の筒状となる微粉炭ノズル１４及び二次空気ノズル１５の先端部には、同じく二重の筒状とされ、先端出口側へ拡径する保炎器１６が一体に取り付けられている。

冷却空気通路１１の火炉側端部には、ノズル本体１７と別体の冷却空気ノズル１８が取り付けられている。この冷却空気ノズル１８は、ノズル本体１７と同様に、図示しないチルト機構を設けたことにより、吹出角度を水平方向から変化させるチルト操作が可能とされる。この冷却空気ノズル１８は筒状とされ、その出口側先端位置は、ノズル本体１７及び冷却空気ノズル１８のチルト可能範囲内において、保炎器１６の先端位置と略一致していることが好ましい。

このように構成されたバーナ１０Ａは、冷却空気ノズル１８に冷却空気を供給する冷却空気通路１３が微粉炭混合気通路１１及び二次空気通路１２から独立しているので、冷却空気量を単独で調整・制御することができる。具体的には、冷却空気通路１３にダンパ等の流量調整手段を設けることにより、微粉炭混合気や二次空気とは別に独自の流量制御を行うことができる。
この結果、流路断面積比により空気量の分配が決まる従来構造と比較し、正確できめ細かい冷却空気流量の調整・制御が可能になるので、運転状況に応じて冷却空気量を最適化すればノズル本体１７を効率よく冷却することができる。また、冷却空気ノズル１８がノズル本体１７から独立しているので、定期検査等により交換が必要になった場合は、冷却空気ノズル単体での交換が可能である。

また、冷却空気ノズル１８がチルトすることにより、ノズル本体１７をチルトさせた場合においても、冷却空気ノズル１８を最適位置にチルトさせることで、落下したクリンカは先に冷却空気ノズル１８に当たる。このため、クリンカが本体１７に当たって付着することを防止できるだけでなく、輻射熱についても冷却空気ノズル１８により遮断できるので、ノズル本体１７が直接輻射熱を受けることはない。
このようにしてクリンカ及び輻射熱からノズル本体１７を保護するためには、冷却空気ノズル１８の出口側先端位置が、ノズル本体１７及び冷却空気ノズル１８のチルト可能範囲内において保炎器１６の先端位置と略一致していることでより確実になる。

ところで、冷却空気ノズル１８のチルト操作によりノズル本体１７をクリンカ及び輻射熱から保護する場合、冷却空気ノズル１８及びノズル本体１７のチルト軸を同一にしておけば、チルト機構を共用するなど構造の簡素化が可能となる。なお、冷却空気ノズル１８及びノズル本体１７を一体化することにより、両ノズルが常に同じ方向へ同時にチルトされるようにしてもよい。

＜第２の実施形態＞
続いて、本発明に係るバーナ構造について、第２の実施形態を図２に示して説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態におけるバーナ１０Ｂは、冷却空気ノズル１８Ａの筒状内部に冷却フィン２０を備えている。この冷却フィン２０は、図２（ｂ）に示すように、筒状内部の上面及び下面から交互に突出して設けられているが、特に限定されるものではない。このようにして、冷却空気ノズル１８Ａに冷却フィン２０を設けた構成とすれば、冷却空気との接触面積を増すことで冷却効率が向上する。なお、この冷却空気ノズル１８Ａも、上述した冷却空気ノズル１８と同様のチルトが可能である。

＜第３の実施形態＞
続いて、本発明に係るバーナ構造について、第３の実施形態を図３に示して説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態におけるバーナ１０Ｃは、冷却空気ノズル１８Ｂの筒状内部を仕切る板状の庇型部材２１を備えており、上述した冷却空気ノズル１８と同様にチルト可能である。この庇型部材２１は、筒状本体１８ａを短くした冷却空気ノズル１８Ｂの内部を上下に仕切るように取り付けられている。また、庇型部材２１の先端位置は、ノズル本体１７及び冷却空気ノズル１８のチルト可能範囲内において保炎器１６の先端位置と略一致している。

また、必要に応じて庇型部材２１の上面等に冷却フィン２０を取り付ければ、冷却効率を向上させることができる。図示の例では、庇型部材２１の下面及びノズル本体１７の上面から交互に突出して設けられているが、これに限定されるものではない。
このような構成の冷却空気ノズル１８Ｂは、筒状本体１８ａが短くなることでノズル自体の軽量化を可能にする。さらに、庇型部材２１は、クリンカがノズル本体１７に当たって付着することを防止できるだけでなく、輻射熱についても遮断できるので、ノズル本体１７が直接輻射熱を受けることはない。
さらに、ボルト等を用いて庇型部材２１を筒状本体１８ａに着脱可能な構成とすれば、定期検査等により交換が必要となった場合、庇型部材２１のみを単独で交換することも可能である。

また、図４に示す変形例のように、風箱１９内を仕切って二次空気通路１２と冷却空気通路１３とに分割している部材を廃止し、断面積比により二次空気と冷却空気との空気量を分割するようにしてもよい。このようにすれば、風箱構造を簡素化して軽量化することができる。
また、ノズル本体１７に冷却空気ノズル１８Ｂをボルト等で着脱可能に取り付けて一体化すれば、チルト操作を同時に行うことができるとともに、冷却空気ノズル１８Ｂのみを単独で交換することができる。

このように、本発明のバーナ構造によれば、空気量の調整が可能になるため少ない空気量により効率的にノズル本体１７を冷却でき、さらに、クリンカの落下や輻射熱に対してもノズル本体１７を保護することができる。
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、たとえば石油コークスや重油等のように燃料が微粉炭に限定されないなど、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。

本発明に係るバーナ構造の第１の実施形態を示す断面図である。本発明に係るバーナ構造の第２の実施形態を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は冷却空気ノズルを出口側の正面から見た図である。本発明に係るバーナ構造の第３の実施形態を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）はバーナを出口側の正面から見た図である。図３に示した第３の実施形態の変形例を示す断面図である。従来のバーナ構造を示す断面図である。従来のバーナ構造をチルトさせた状態を示す断面図である。

符号の説明

１０Ａ〜Ｄバーナ
１１微粉炭混合気通路
１２二次空気通路
１３冷却空気通路
１４微粉炭ノズル
１５二次空気ノズル
１６保炎器
１７ノズル本体
１８，１８Ａ〜Ｂ冷却空気ノズル
１９風箱
２０冷却フィン
２１庇型部材

Claims

バーナ中心部に配置されて燃料及び一次空気の混合気を供給する燃料混合気系統と、該燃料混合気系統の外周部に配置されて二次空気を供給する二次空気系統と、該二次空気系統の外周部または上下に配置されて冷却空気を供給する冷却空気系統とを具備して構成されるバーナ構造であって、
前記燃料混合気系統及び前記二次空気系統の火炉側端部に取り付けられて先端部に保炎器を備えているチルト可能なノズル本体と、前記冷却空気系統の火炉側端部に取り付けられてチルト可能な冷却空気ノズルと、を備えていることを特徴とするバーナ構造。
前記冷却空気ノズルの先端位置が、前記ノズル本体及び前記冷却空気ノズルのチルト可能範囲内で前記保炎器の先端位置と略一致していることを特徴とする請求項１に記載のバーナ構造。
前記冷却空気ノズルが、筒体内部を仕切る庇型部材を備え、該庇型部材の先端位置を前記ノズル本体及び前記冷却空気ノズルのチルト可能範囲内で前記保炎器の先端位置と略一致させたことを特徴とする請求項１に記載のバーナ構造。
前記冷却空気ノズルに冷却フィンを設け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バーナ構造。
前記ノズル本体と前記冷却空気ノズルとのチルト軸を同一にしたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のバーナ構造。
前記冷却空気ノズルが前記ノズル本体に着脱可能に取り付けられていることを特徴とする請求項３に記載のバーナ構造。
前記冷却空気及び前記二次空気に供給する空気量が断面積比により分配されることを特徴とする請求項６に記載のバーナ構造。