JP2009162441A

JP2009162441A - バーナ構造

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Publication number: JP2009162441A
Application number: JP2008001342A
Authority: JP
Inventors: Ryuhei Takashima; 竜平高島; Takuichiro Daimaru; 卓一郎大丸; Shinya Hamazaki; 慎也濱崎
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2008-01-08
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2028-01-08
Also published as: EP2230452A1; CN101910726B; EP2230452A4; BRPI0821498A2; WO2009087787A1; BRPI0821498B1; JP4969464B2; EP2230452B1; RU2010126732A; TWI357482B; US8561554B2; CN101910726A; MY155213A; CL2008002198A1; US20110185952A1; TW200930952A; RU2446351C2

Abstract

【課題】バーナ単体でより精度の高い燃焼用空気の空気流量制御を可能にしたバーナ構造を提供すること。
【解決手段】火炉１内へ燃焼用空気を投入する風箱１２の空気流路１１が火炉直前に曲がり部１３を有し、該曲がり部１３の空気流路１１内に１または複数のガイドベーン１４が設けられているボイラのバーナ構造において、ガイドベーン１４により複数に分割された空気流路１１毎の流路抵抗比を可変とする偏流制御ダンパ１６が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種燃料に対応したボイラ用のバーナ構造に関する。

近年、石炭や重油焚きのボイラにおいては、低ＮＯｘ化や一酸化炭素（ＣＯ）低減を達成するため、バーナへ供給する空気や燃料を配分する際に生じるアンバランスの低減が求められている。
図３は、ボイラのバーナ構造を示す水平方向の断面図である。この従来構造において、バーナ１０は、ボイラの火炉１内へ燃料及び燃焼用空気を投入する装置である。なお、図中の符号２は火炉壁面、３は火炉壁面２の火炉側に形成された水冷壁であり、図示のバーナ１０は、ボイラのコーナー部に配置された構成例である。

バーナ１０は、火炉１内へ燃焼用空気を投入する空気流路１１を形成している風箱１２と、火炉１内へ燃料を投入するバーナノズル２０とを備えている。
風箱１２内に形成された空気流路１１は、ボイラをコンパクト化するために受ける配置経路の制約等から、一般的には火炉１の直前で９０°以上に大きく曲がった曲がり部１３を有する形状となることが多い。このような曲がり部１３では、燃焼用空気の流れに剥離や偏流が生じるため、風箱１２内の空気流路１１にガイドベーン１４を設置して剥離や偏流を防止する構造が採用されている。なお、燃図中の符号１５は、燃焼用空気の流量を調整するため、ガイドベーン１４の手前（上流）に設けたダンパである。

また、ボイラの燃焼に関する従来技術として、バーナポートや空気投入ポート毎の偏差を改善したり、逆にバイアスを強化するものがある。（たとえば、特許文献１参照）
特開平７−１２３１０号公報

上述した従来構造のバーナ１０においては、空気流路１１の曲がり部１３にガイドベーン１４を設けて燃焼用空気流の剥離や偏流を防止しているが、このようなガイドベーン１４は、剥離防止機能はあるものの、バーナ出口部における空気偏流（火炉内幅方向における空気流量のアンバランス）を完全に是正することはできなかった。
具体的に説明すると、曲がり部１３を通過した空気流は、遠心力等の影響により流路外側の流速を増すので、バーナ出口から火炉１へ投入される燃焼用空気の流速には、たとえば図４（ａ）に示すような火炉内幅方向（左右方向）の流速差を生じることとなる。すなわち、曲がり部１３の外側を流れた燃焼用空気は、図３の紙面上（右）側から火炉１内へ流出するので、図４（ａ）における火炉内幅方向位置の下（左）側より上（右）側の流速が高くなり、この結果、燃焼用空気量が不足気味となる火炉内幅方向位置の下（左）側ではＣＯの発生量を増すことになる。

このように、曲がり部１３を有するバーナ１０においては、燃焼用空気量の左右アンバランスに伴い、たとえば図４（ｂ）に示すように、燃焼用空気量が少ない火炉内幅方向位置の下（左）側の領域では、ＣＯや揮発性有機化合物（ＶＯＣ）等の発生量を増す傾向にある。しかしながら、従来のバーナ１０は、バーナ出口部の左右で燃焼用空気量の調整をすることはできなかった。
また、ボイラの燃焼改善については、複数あるバーナポートや空気投入ポート毎に偏差を改善する従来技術や、バイアスを強化することで対応する従来技術はあるものの、バーナ単体での流量偏差改善に関する技術は見当たらない。すなわち、バーナ１０の単体に着目し、バーナ１０内に生じる空気偏流やアンバランスの解消を狙った従来技術はなく、従って、今後のＣＯやＶＯＣの厳しい規制に対応するためには、バーナ単体でより精度の高い燃焼用空気の空気流制御を実施することが求められる。

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、バーナ単体でより精度の高い燃焼用空気の空気流量制御を可能にしたバーナ構造を提供することにある。また、本発明の他の目的は、精度の高い燃焼用空気の空気流量制御が可能になったバーナ単体において、その空気流量制御を有効利用した逆運用により、燃焼性の高い火炉に対するスラッギング防止対策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、火炉内へ燃焼用空気を投入する風箱の空気流路が火炉直前に曲がり部を有し、該曲がり部の空気流路内に１または複数のガイドベーンが設けられているボイラのバーナ構造において、前記ガイドベーンにより複数に分割された空気流路毎の流路抵抗比を可変とする偏流制御手段を設けた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、ガイドベーンにより複数に分割された空気流路毎の流路抵抗比を可変とする偏流制御手段が設けられているので、空気流路の流量抵抗を適宜調整することで、バーナ出口における空気流速（空気流量）のアンバランスを解消または低減することができる。

上記の発明において、前記偏流制御手段は、燃焼用空気流量を制御するダンパの下流に、前記複数の空気流路の１つを除いて設置された偏流制御ダンパであることが好ましく、これにより、偏流制御ダンパの開度調整により空気流路の流路抵抗が変化するので、空気流路の流量抵抗を適宜調整することができる。従って、偏流制御ダンパの開度調整により、バーナ出口における空気流速（空気流量）のアンバランスを解消または低減することができる。

上記の発明においては、前記風箱の内部に設置されたバーナノズルの近傍で前記燃焼用空気の流れ（流量または流速）を検出するセンサが各空気流路毎に設けられ、該センサの検出値に応じて前記流路抵抗比の制御を行うことが好ましく、これにより、各空気流路毎に検出した実際の流れに応じて空気流路の流路抵抗を調整し、空気流速（空気流量）を正確に最適化することができる。

上記の発明において、前記流路抵抗比は、高スラッギング性燃料及び腐食性燃料の使用時に火炉壁面側となる流路の流路抵抗を下げる方向に制御されることが好ましく、これにより、火炉壁面側の空気流量を増すことができる。この場合の腐食性燃料は、硫黄含有量が多い燃料のことであり、火炉壁面の空気流量を増すことにより酸素濃度も増すので、還元雰囲気から酸化雰囲気になって腐食原因の硫化水素濃度が低減される。

上述した本発明によれば、空気流路毎の流路抵抗比を可変とする偏流制御ダンパのような偏流制御手段を設けたので、バーナ単体のバーナ出口において空気流速（空気流量）のアンバランスが解消または低減され、精度の高い燃焼用空気の空気流量制御が可能なバーナ構造を提供することができる。
また、精度の高い燃焼用空気の空気流量制御が可能なバーナ構造は、バーナ単体の空気流量制御を有効利用した逆運用により、高スラッギング性燃料の使用時には、火炉壁面側の空気流量を増すことで燃焼性の高い火炉に対するスラッギング防止が可能になる。さらに、腐食性燃料の使用時には、火炉壁面側の空気流量を増すことで腐食原因の硫化水素濃度が低減するので、火炉壁面の腐食防止に有効である。

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。
図１に示すボイラのバーナ構造において、石炭や重油炊きのボイラに取り付けられるバーナ１０Ａは、火炉１内へ燃料及び燃焼用空気を投入して燃焼させる装置である。図示のバーナ１０Ａは、一例としてボイラコーナ部に配設された構成例を示している。なお、図中の符号２は火炉壁面、３は火炉壁面２の火炉側に形成された水冷壁である。

バーナ１０Ａは、火炉１内へ燃焼用空気を投入する空気流路１１を形成している風箱１２と、火炉１内へ燃料を投入するバーナノズル２０とを備えている。
風箱１２内に形成された空気流路１１は、火炉１の直前で９０°以上に大きく曲がった曲がり部１３を有する形状となっている。このような曲がり部１３では、燃焼用空気の流れに剥離や偏流が生じるため、風箱１２内の空気流路１１には剥離防止用のガイドベーン１４が設置されている。図示の例では、空気流路１１の曲がり部１３がガイドベーン１４によって内外（左右）の空気流路１１Ａ，１１Ｂに２分割されている。
なお、図中の符号１５は、燃焼用空気の流量を調整するダンパであり、ガイドベーン１４の手前（上流）に設置することで空気流路１１に供給される空気流量を一括制御することができる。

そして、本実施形態のバーナ１０Ａは、ガイドベーン１４により２分割された空気流路１１Ａ，１１Ｂ毎の流路抵抗比を可変とする偏流制御手段として、偏流制御ダンパ１６を備えている。
この偏流制御ダンパ１６は、燃焼用空気流量を制御するダンパ１５の下流に設けられている。また、この偏流制御ダンパ１６は、ガイドベーン１４で２分割された空気流路１１Ａ，１１Ｂの両方に設置し、両方のダンパ開度制御を実施するようにしてもよいが、２分割された空気流路１１Ａ，１１Ｂ毎の流路抵抗比が可変となればよいので、いずれか一方のみに設けたダンパの開度制御をすればよい。従って、図示のバーナ１０Ａでは、ガイドベーン１４で仕切られた二つの空気流路１１Ａ，１１Ｂのうち、略Ｕ字状となる曲がり部１３において流路外周（大径）側となる空気流路１１Ｂで、かつ、曲がり部１３の入口部近傍となる位置に、偏流制御用ダンパ１６が設置されている。

このような構成とすれば、ダンパ１５で流量制御された燃焼用空気は、空気流路１１Ｂの曲がり部１３において、入口部に設置された偏流制御ダンパ１６の開度調整を行うことにより、図２（ａ）に示すように、曲がり部１３を通過することで空気流路１１Ａ，１１Ｂに生じる空気流量のアンバランスを解消または低減することができる。すなわち、ガイドベーン１４で分割された左右の空気流路１１Ａ，１１Ｂでは、曲がりの外側となる空気流路１１Ｂの流速が高くなって空気流量も多くなるので、偏流制御ダンパ１６の開度を絞るように調整することで流路抵抗を増加させる。この結果、空気流路１１Ａ，１１Ｂの流路抵抗比が変化し、ダンパ１５で流量制御された燃焼用空気は、相対的に流路抵抗が小さくなった空気流路１１Ａ側に流れる流速及び流量を増すこととなる。
なお、図１及び図２の火炉内幅方向において、壁面との距離は右側が近い壁面寄りとなっている。

このようにして空気流路１１Ａ，１１Ｂの流路抵抗比を変化させると、従来構造では燃焼用空気の流速及び流量が大きくなる空気流路１１Ｂについては、流路抵抗が増して流速及び流量は低下する反面、従来構造では燃焼用空気の流速及び流量が小さくなる空気流路１１Ａについては、相対的な流路抵抗が低下して流速及び流量は増加する。従って、空気流路１１Ａ，１１Ｂにおける燃焼用空気の流速及び流量について、適切に増減を調整することにより、両流路に分割されて流れる燃焼空気量を略同じにしてアンバランスを解消することができ、図２（ｂ）に示すように、ＣＯの発生量についても略全域で低減することができる。
すなわち、偏流制御ダンパ１６の開度調整により空気流路１１Ｂの流路抵抗が変化するので、偏流制御ダンパ１６の開度調整により空気流路１１Ａ，１１Ｂの流路抵抗比を適切に設定して、バーナ出口の左右における空気流速（空気流量）のアンバランスを解消または低減するとともに、ＣＯの発生量も低減することができる。

ところで、上述した偏流制御ダンパ１６は、空気流路１１Ｂ側に設置されているが、空気流路１１Ａ側に設置してもよい。この場合の偏流制御ダンパ１６は、燃焼用空気の流速及び流量が小さくなる傾向にある空気流路１１Ａについて、流路抵抗を低減する方向に開度制御して流量抵抗比を変化させ、バーナ出口の左右における空気流速（空気流量）のアンバランスを解消または低減することができる。
また、上述した実施形態では、ガイドベーン１４が空気流路１１を２分割した構成例を示しているが、３分割またはそれ以上に分割されている場合には、たとえば最も内側の１箇所を除く分割空気流路毎に各々独立した開度制御が可能な偏流制御ダンパ１６を設け、各分割空気流路毎の流路抵抗比を調整するようにすればよい。

また、上述したバーナ１０Ａにおいては、風箱１２の内部に設置されたバーナノズル２０の近傍で燃焼用空気の流れを検出するセンサ１７Ａ，１７Ｂを空気流路１１Ａ，１１Ｂ毎に設けることが好ましい。これらのセンサ１７Ａ，１７Ｂは、燃焼用空気の流量または流速を検出するセンサである。
センサ１７Ａ，１７Ｂで検出した流量等の検出値は、偏流制御ダンパ１６の開度制御を行う制御部１８に入力される。なお、図示の構成例では、制御部１８が偏流制御ダンパ１６の駆動モータ１６ａとともにダンパ１５の駆動モータ１５ａも制御するように構成されているが、これに限定されるものではない。

このような構成とすれば、センサ１７Ａ，１７Ｂの検出値により燃焼用空気の実際の流れを検出することができるので、この検出値が所望の範囲内でバランスするように偏流制御ダンパ１６の開度を調整して流路抵抗比の制御を行うことができる。すなわち、空気流路１１Ａ，１１Ｂにおける実際の流れを空気流路毎に検出し、空気流速または空気流量をより正確に最適化することができる。

また、上述した流路抵抗比は、バーナ１０Ａが亜瀝青炭等の高スラッギング性燃料を使用する場合、火炉壁面２側となる流路の流路抵抗を下げる方向に制御することにより、火炉壁面２側の空気流量を増してスラッギングを抑制または防止することができる。また、硫黄含有量の多い腐食性燃料を使用する場合にも、火炉壁面２側となる流路の流路抵抗を下げる方向に制御することにより、火炉壁面２側の空気流量を増して腐食を防止または抑制することができる。すなわち、矩形断面を形成する炉壁の複数箇所に設けたバーナ１０Ａから火炉内へ向けて投入される燃料及び燃焼用空気が旋回流を形成して燃焼するように構成された旋回燃焼型のボイラ構造においては、火炉壁面２に対して傾斜するバーナ１０Ａから投入される燃焼用空気を火炉壁面２側に多く分配するように偏流させる。なお、空気流量が増すことは酸素量も増すことを意味しているので、腐食の原因となる硫化水素濃度が高濃度となる還元雰囲気を酸化雰囲気とすることで、硫化水素濃度を低下させて腐食を防止することができる。
このように、アンバランスを解消するために設けた偏流制御ダンパ１６を逆運用することにより、火炉壁面２側へ積極的に燃焼用空気を流すことができるので、有効なスラッギング防止対策となる。

このように、上述した本発明のバーナ構造によれば、空気流路１１毎の流路抵抗比を可変とする偏流制御手段の偏流制御ダンパ１６を設けたので、バーナ１０Ａ単体のバーナ出口において空気流速（空気流量）のアンバランスを解消または低減することができ、精度の高い燃焼用空気の空気流量制御が可能となる。
また、精度の高い燃焼用空気の空気流量制御が可能なバーナ構造は、バーナ１０Ａ単体の空気流量制御を有効利用した逆運用により、火炉壁面２側の空気流量を増すことで燃焼性の高い火炉に対するスラッギングを防止し、腐食性燃料使用時の腐食を防止することができる。
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、たとえばバーナ配置がコーナー配置や壁面配置の場合に適用することにより、左右の偏差解消や逆運用による腐食防止が可能になるなど、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一実施形態を示す水平断面図である。本発明に係るバーナ構造の作用効果を示す図で、（ａ）は出口近傍における燃焼用空気の流速分布を火炉内幅方向位置に対応させて示す図、（ｂ）は出口近傍におけるＣＯの分布を火炉内幅方向位置に対応させて示す図である。バーナ構造の従来例を示す水平断面図である。図３に示すバーナ構造の作用効果を示す図で、（ａ）は出口近傍における燃焼用空気の流速分布を火炉内幅方向位置に対応させて示す図、（ｂ）は出口近傍におけるＣＯの分布を火炉内幅方向位置に対応させて示す図である。

符号の説明

１火炉
２火炉壁面
１０Ａバーナ
１１，１１Ａ，１１Ｂ空気流路
１２風箱
１３曲がり部
１４ガイドベーン
１５ダンパ
１６偏流制御ダンパ
１７Ａ，１７Ｂセンサ
１８制御部

Claims

火炉内へ燃焼用空気を投入する風箱の空気流路が火炉直前に曲がり部を有し、該曲がり部の空気流路内に１または複数のガイドベーンが設けられているボイラのバーナ構造において、
前記ガイドベーンにより複数に分割された空気流路毎の流路抵抗比を可変とする偏流制御手段が設けられていることを特徴とするバーナ構造。
前記偏流制御手段が、燃焼用空気流量を制御するダンパの下流に、前記複数の空気流路の１つを除いて設置された偏流制御ダンパであることを特徴とする請求項１に記載のバーナ構造。
前記風箱の内部に設置されたバーナノズルの近傍で前記燃焼用空気の流れを検出するセンサが各流路毎に設けられ、該センサの検出値に応じて前記流路抵抗比の制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のバーナ構造。
前記流路抵抗比が、高スラッギング性燃料及び腐食性燃料の使用時に火炉壁面側となる流路の流路抵抗を下げる方向に制御される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。