JP2011208886A

JP2011208886A - 微粉炭バーナー

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Publication number: JP2011208886A
Application number: JP2010077613A
Authority: JP
Inventors: Yuji Shimizu; 祐司清水; Takashi Miyazawa; 隆宮澤
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP5471713B2

Abstract

【課題】ブラックゾーンを小さくするとともに、簡易な制御方法によりフレーム位置を調整することができる微粉炭バーナーを提供する。
【解決手段】周方向に沿って配置した微粉炭噴出口２１の半径方向内側に1次空気噴出口１１、半径方向外側に２次空気噴出口３１が中心軸Ｏに対して同心円筒状に配置された微粉炭バーナー１００であって、１次空気噴出口１１は、１次空気を半径方向外向きに噴出させるコーン状に設けられた一対のシールド板１２の間に、１次空気を旋回させて噴出させる複数の旋回羽根１３が設けられて構成され、２次空気噴出口３１は、２次空気を直進又は内向きに噴出させるように設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、微粉炭を搬送して燃焼させる微粉炭バーナーに関する。

微粉炭を燃焼させるバーナーとして、特許文献１から特許文献３に記載されているように、バーナーの噴出口で燃焼用空気と微粉炭とを混合させて噴射し、燃焼させるものが知られているが、微粉炭を燃料とするバーナーは、重油や天然ガスに比べて着火性が悪いため、着火点がバーナー噴出口から遠くなり、バーナー噴出口から着火点までの未着火領域（ブラックゾーン）をなくすことが難しい。
ところで、廃棄物焼却炉等で廃棄物を焼却するような場合、廃棄物の性状が一定でないために、炉内において、着火性及び燃焼性が悪い廃棄物の燃え残りが局所的に生じることがある。そのため、そのような焼却炉に用いる助燃用の微粉炭バーナーには、フレームの位置を変化させることで、着火及び燃焼しにくい場所での廃棄物の燃焼を促し、安定した燃焼を達成することが求められる。例えば、バーナーの噴出口付近で着火させること及びフレーム位置を自在に調整することが求められている。

特許文献１及び特許文献２に提案されている微粉炭バーナーにおいては、微粉炭の噴出口を複数設け、それぞれの運転条件（微粉炭量、空気量）を個別に調整することによりフレーム長さ及び形状の制御性を高めている。
このように、１つのバーナーに微粉炭の供給量を制御可能な複数の供給ラインを設ける等して、制御パラメータを増やせば、フレームの調整に対応することは可能であるが、コスト面での負荷が大きくなるという問題が生じる。

特許文献３の微粉炭バーナーにおいては、微粉炭搬送用の一次空気と燃焼用の補助空気とを噴出させる際に衝突するように構成し、さらに旋回流による補助空気によって微粉炭に分散力を与えている。燃焼用の補助空気は、バーナー先端に広がるように配置されたコーン状の構造体に沿って、外向きに噴出するようになっている。コーン状構造物の炉側（バーナー噴出口の中央部）は負圧になるため、この負圧部に向かう気流が生じて、バーナーの噴出口近傍での着火を促していると考えられる。
しかしながら、これら微粉炭搬送用空気や補助空気による微粉炭の分散は十分ではなく、直進成分が残るために着火点がバーナー噴出口から遠くなり、さらに、フレーム位置の調整機能が備えられていないために、廃棄物の着火及び燃焼しにくい場所での安定した燃焼が達成できない。

特開平１０−１６０１３１号公報特開平１０−３０００２１号公報特開昭５９−１９５０１４号公報

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ブラックゾーンを小さくするとともに、簡易な制御方法によりフレーム位置を調整することができる微粉炭バーナーを提供することを目的とする。

本発明の微粉炭バーナーは、周方向に沿って配置した微粉炭噴出口の半径方向内側に1次空気噴出口、半径方向外側に２次空気噴出口が中心軸に対して同心円筒状に配置された微粉炭バーナーであって、前記１次空気噴出口は、１次空気を半径方向外向きに噴出させるコーン状に設けられた一対のシールド板の間に、前記１次空気を旋回させて噴出させる複数の旋回羽根が設けられて構成され、前記２次空気噴出口は、２次空気を直進又は内向きに噴出させるように設けられていることを特徴とする。

微粉炭を分散させる１次空気の噴出口に、外向きの流れを付与するシールド板と旋回する流れを付与する旋回羽根とを設けることで、微粉炭に外向き及び旋回する流れを同時に付与することができる。1次空気の外向き及び旋回する流れは、微粉炭と周囲の高温ガスとの接触を早め、ブラックゾーンを短くすることができる。また、１次空気の外向きの流れは、周囲の高温ガスを巻き込んでバーナーの噴出口に向かう再循環流を生じさせるため、燃焼の安定性を高めることができる。
さらに、２次空気を直進もしくは内向きに噴出させるように２次空気噴出口が設けられているので、この２次空気の噴出速度を調整することで、微粉炭の滞留位置を調整して、フレーム位置を調整することができる。２次空気の気流は、１次空気とは逆に微粉炭と周囲の高温ガスとの接触を遮り、ブラックゾーンが長いフレームを形成することから、１次空気と２次空気との流量のバランスによって、フレーム位置を調整することができる。

また、本発明の微粉炭バーナーの設計方法は下記のとおりである。本発明の微粉炭バーナーにおいて、前記中心軸に対する前記シールド板の傾斜角度をθ、前記中心軸と平行な方向に対する前記旋回羽根の周方向に沿う開き角度をφ、前記一対のシールド板の前記中心軸と直交する半径方向の開口間隔をａ、前記シールド板の前記中心軸方向の長さをｄ_１とした場合、以下の（１）〜（３）式を満たすように設けられているとよい。
４０°＜θ＜６５°・・（１）
ｄ_１ｔａｎθ≧ａ・・（２）
０．６＜（ｓｉｎ^２φ＋ｓｉｎ^２θ）／（ｃｏｓφ＋ｃｏｓθ）^２＜１．５・・（３）

上記の（１）式を満たさず、シールド板の傾斜角度θが４０°以下と小さい場合には、噴出された微粉炭をバーナー先端部付近の高温ガス中に十分に拡散できず、ブラックゾーンを短くすることはできない。また、角度θが６５°以上と大きい場合には、微粉炭が周辺に飛散しすぎてしまい、バーナーの前方に安定したフレームを形成することができない。
上記の（２）式を満たすようにシールド板を配置すると、バーナーの噴出口正面から見た場合、シールド板の上流側の端部が隠れるように配置されることになる。このため、１次空気噴出口から噴出される１次空気に中心軸に沿う方向の直進成分をなくし、１次空気全体をシールド板の傾斜角度θに沿う流れとすることができ、微粉炭を確実に拡散させることができる。
旋回羽根の設計は、上記の（３）式を満たすように、シールド板と合わせた設計が必要である。旋回羽根の開き角度φが小さすぎる場合には、バーナー先端部付近の高温ガス中への巻き込み効果が小さく、微粉炭を拡散させる効果が小さいため、ブラックゾーンを短くすることができない。また、角度φが大きい場合には、微粉炭が周辺に飛散しすぎてしまい、バーナーの前方に安定したフレームを形成することができない。

また、本発明の微粉炭バーナーにおいて、前記１次空気噴出口の内周縁の半径をｒ_１、前記２次空気噴出口の外周縁の半径をＲとした場合、以下の（４）式を満たすように設けられているとよい。
０．３＜ｒ_１／Ｒ＜０．７・・（４）

２次空気噴出口の外周縁に対して、１次空気噴出口の内周縁が小さ過ぎる場合には、再循環流が小さくなり、フレームが不安定となるため、失火し易くなる。そのため、２次空気噴出口の外周縁の半径Ｒに対する１次空気噴出口の内周縁の半径ｒ_１の比率ｒ_１／Ｒは０．３よりも大きくすることが好ましい。また、ｒ_１／Ｒが０．７以上となると、各噴出口の形成が困難である。

本発明に係る微粉炭バーナーによれば、微粉炭を拡散させる１次空気噴出口に、外向き及び旋回の流れを同時に付与するシールド板及び旋回羽根を設けることにより、微粉炭と周囲の高温ガスとの接触を早め、ブラックゾーンを短くするとともに、微粉炭と周囲の高温ガスとの接触を遮る２次空気と１次空気との流量バランスを調整することにより、フレームの位置を調整することができる。

本発明の微粉炭バーナーの一実施形態を示す正面図である。図１の微粉炭バーナー先端部の斜視図である。微粉炭バーナーの構造を説明する断面図である。図１の矢印Ｘ方向から見た旋回羽根を説明する図である。各バーナーによるフレームの状態を示す模式図である。シールド板の傾斜角度の違いによる１次空気の流れを説明する図である。２次空気噴出口の外周縁の半径と１次空気噴出口の内周縁の半径との比率の違いによる再循環流の発生状態を説明する図である。

以下、本発明の微粉炭バーナーの一実施形態について図面を参照しながら説明する。
本実施形態の微粉炭バーナー１００は、図１から図３に示すように、中心側から外周側に向かって順次同心に設けられた１次空気噴出路１０、微粉炭噴出路２０、２次空気噴出路３０を備えており、周方向に沿って配置した微粉炭噴出口２１の半径方向内側に1次空気噴出口１１、半径方向外側に２次空気噴出口３１が微粉炭バーナー１００の軸芯（中心軸Ｏ）に対して同心円筒状に配置された全体構成とされている。微粉炭バーナー１００の中心部分には、不図示のオイルバーナーが挿入できるように中空部４０が設けられている。

１次空気噴出路１０の噴出口１１は、バーナー１００の先端に向かって開いたコーン状の一対のシールド板１２の間に、複数の旋回羽根１３が設けられた構成とされている。
シールド板１２は、図３に示すように、そのコーンの母線が中心軸Ｏに対して所定角度で半径方向外方に傾斜した状態に設けられている。その傾斜角度をθとする。また、この一対のシールド板１２はそれぞれが傾斜角度は同じ（母線が平行）とされ、シールド板１２の傾きに沿って１次空気を半径方向外向きに噴出する構成となっている。

微粉炭噴出路２０は、中心軸Ｏ方向と平行に１次空気噴出路１０と２次空気噴出路３０との間の円周上に等間隔に６箇所設けられており、搬送空気とともに微粉炭をバーナー前方に噴出させる。
２次空気噴出路３０は、中心軸Ｏ方向と平行に、かつ、微粉炭バーナー１００の最も外周側に設けられている。この２次空気噴出路３０には、円環路の周方向に複数のスペーサーを設置し、２次空気噴出口３１の半径方向の幅が周方向に対して均一になるようにしている。

シールド板１２は、傾斜角度θが４０°以下と小さすぎる場合には、噴出された微粉炭をバーナー先端部付近の領域に十分に拡散できず、ブラックゾーンを短くすることができないし、６５°以上の大きすぎる場合には、微粉炭が周辺に飛散しすぎてしまい、バーナーの前方に安定したフレームを形成することができないため、中心軸Ｏに対するシールド板１２の傾斜角度θは、下記に示す（１）式の条件を満たすように設けられていることが好ましい。
４０°＜θ＜６５° ・・（１）

また、この一対のシールド板１２は、噴出口１１をバーナー１００の正面から見た際に、シールド板１２の上流側の端部が隠れるように設けられている。これにより、１次空気の中心軸Ｏに沿う方向の直進成分の流れをなくし、１次空気全体をシールド板１２の傾斜角度θに沿う流れとすることができ、微粉炭を確実に拡散させることができるようにしている。この条件は、図３に示すように、一対のシールド板１２の中心軸Ｏと直交する半径方向の開口間隔をａとし、シールド板１２の中心軸Ｏ方向の長さをｄ_１とした場合、次の（２）式で表すことができる。
ｄ_１ｔａｎθ≧ａ・・（２）

さらに、一対のシールド板１２の間には、１２枚の旋回羽根１３が周方向に均等配置されている。これら旋回羽根１３は、図４に示すように、バーナー１００の中心軸Ｏに沿う矢印Ａの方向に対する開き角度φを有して設けられており、シールド板１２により付与された１次空気の外向きの流れに、さらに旋回する流れを付与する。
旋回羽根１３の設計は、シールド板１２と合わせた設計が必要であり、旋回羽根１３の開き角度φが小さすぎる場合には、バーナー先端部付近の高温ガス中への巻き込み効果が小さく、微粉炭を拡散させる効果が小さくなり、開き角度φが大きい場合には、微粉炭が周辺に飛散しすぎてしまうため、次に示す（３）式を満たすように設けるとよい。
０．６＜（ｓｉｎ^２φ＋ｓｉｎ^２θ）／（ｃｏｓφ＋ｃｏｓθ）^２＜１．５・・（３）

また、バーナー先端部の最も外側部に位置する１次空気の噴出口１１より内周側の空間部５０は、後述するように、１次空気の半径方向外向きの流れにより圧力が低下する負圧部となることから、図３に示すように、２次空気等の直進する流れ（矢印Ａの方向）とは逆向きの流れ（再循環流Ｂ）を生じさせる。この再循環流Ｂによって負圧部に微粉炭と高温ガスとの混合流を滞留させることで、燃焼の安定性を高めることができる。
この際、空間部５０の面積が小さすぎる場合、つまり２次空気噴出口３１の外周縁に対して、１次空気噴出口１１の内周縁が小さすぎる場合には、再循環流Ｂが小さくなり、フレームが不安定となるため、１次空気噴出口１１の内周縁の半径ｒ_１と２次空気噴出口３１の外周縁の半径Ｒとの比率（ｒ_１／Ｒ）を、次の（４）式で示す条件を満たすように設けられることが好ましい。また、各噴出口を配置する関係上、ｒ_１／Ｒは、０．７未満とされる。
０．３＜ｒ_１／Ｒ＜０．７・・（４）

次に、このように構成した微粉炭バーナー１００の使用方法について説明する。
まず、微粉炭噴出路２０から噴出された微粉炭が、１次空気噴出路１０から噴出された１次空気によって、拡散させられ、高温ガスと接触させられる。
１次空気噴出路１０の噴出口１１には、外向きの流れを付与するシールド板１２と旋回する流れを付与する旋回羽根１３とが設けられているので、微粉炭に外向き及び旋回する流れを同時に付与することができる。この際、1次空気の外向き及び旋回する流れは、微粉炭と周囲の高温ガスとの接触を早め、バーナー１００の噴出口直後の領域で微粉炭を燃焼させることができ、ブラックゾーンを短くすることができる。また、１次空気の外向きの流れは、バーナー１００の噴出口に向かう再循環流Ｂを生じさせるため、燃焼の安定性を高めることができる。
一方、バーナー１００の最も外周側には、１次空気とは逆に微粉炭と周囲の高温ガスとの接触を遮る２次空気を噴出する２次空気噴出路３０が設けられているため、２次空気の噴出口３１から直進する流れの噴出速度を調整することによって、微粉炭の滞留位置を調整して、フレーム位置を調整することができる。このように、１次空気と２次空気との流量のバランスによってフレーム位置を調整することができるので、従来のバーナーに比べて簡易な構造とすることができる。

（実施例および比較例）
次に、本発明の微粉炭バーナーに係る実施例および比較例について図５〜図７を参照して説明する。実施例１のバーナーを１０１、比較例１〜６のバーナーを１０２〜１０７とする。
まず、上述した条件式（１）及び（３）の影響を確認した。図５は、各バーナー１０１〜１０５のフレーム状態を示す模式図であり、（ａ）が実施例１、（ｂ）が比較例１，３、（ｃ）が比較例２，４のシミュレーション結果を示している。実施例１及び比較例１〜４の条件は、以下の通りである。

（実施例１）
傾斜角度θ：５０°
開き角度φ：５５°
ｄ_１ｔａｎθ＝ａ
（ｓｉｎ^２φ＋ｓｉｎ^２θ）／（ｃｏｓφ＋ｃｏｓθ）^２＝１．１
ｒ_１／Ｒ＝０．３５
（比較例１）
傾斜角度θ：３５°
開き角度φ：５５°
ｄ_１ｔａｎθ＝ａ
（ｓｉｎ^２φ＋ｓｉｎ^２θ）／（ｃｏｓφ＋ｃｏｓθ）^２＝０．５
ｒ_１／Ｒ＝０．３５
（比較例２）
傾斜角度θ：６７°
開き角度φ：５５°
ｄ_１ｔａｎθ＝ａ
（ｓｉｎ^２φ＋ｓｉｎ^２θ）／（ｃｏｓφ＋ｃｏｓθ）^２＝１．６
ｒ_１／Ｒ＝０．３５
（比較例３）
傾斜角度θ：５０°
開き角度φ：４０°
ｄ_１ｔａｎθ＝ａ
（ｓｉｎ^２φ＋ｓｉｎ^２θ）／（ｃｏｓφ＋ｃｏｓθ）^２＝０．５
ｒ_１／Ｒ＝０．３５
（比較例４）
傾斜角度θ：５０°
開き角度φ：７２°
ｄ_１ｔａｎθ＝ａ
（ｓｉｎ^２φ＋ｓｉｎ^２θ）／（ｃｏｓφ＋ｃｏｓθ）^２＝１．６
ｒ_１／Ｒ＝０．３５

この実施例１のバーナー１０１においては、条件式（１）〜（４）の全てを満たしている。図５（ａ）に示すように、バーナー１０１から噴出された微粉炭を拡散させ、着火を早める能力が高いため、図に実線で示すフレームＦのように、ブラックゾーンが全く生じない状態でフレームを形成することができる。また、２次空気を３倍に増流することにより着火を遅らせ、破線で示すフレームＦのように、安定した燃焼状態のまま、ブラックゾーンを３ｍ（図中のＬ１）まで伸ばすことができる。
比較例１のバーナー１０２においては、条件式（１）及び（３）を満たしていない。シールド板１２の傾斜角度θが小さいことから、バーナー１０２から噴出された微粉炭を拡散させる能力が低いため、図５（ｂ）に示すように、フレームＦは、バーナー先端から２〜３ｍ（図中のＬ２）の位置で移動させることはできるが、１次空気または２次空気の流量を調整してもブラックゾーンを２ｍ（図中のＬ３）以下にすることができなかった。
比較例２のバーナー１０３も、上述の比較例１と同様に条件式（１）及び（３）を満たしていない。この比較例２の場合は、シールド板１２の傾斜角度θが大きいことから、バーナー１０３から噴出された微粉炭を拡散させ過ぎてしまい、図５（ｃ）に示すように、１次空気または２次空気の流量を調整してもバーナー１０３の前方にフレームＦを形成することができなかった。
比較例３のバーナー１０４においては、条件式（３）が下限値以下となっている。この条件式（３）については、比較例１と同じ値を有しており、上述した比較例１と同様の結果となった。
比較例４のバーナー１０５においては、比較例３と同様に条件式（３）のみ満たしていない。このバーナー１０５の条件式（３）の値は、上限値を超えている。この条件式（３）については、比較例２と同じ値を有しており、上述の比較例２と同様の結果となった。

次に、条件式（２）の影響をシミュレーションにより確認した。図６は、シールド板１２の傾斜角度θの違いによる１次空気の流れを説明する図であり、（ａ）が実施例１、（ｂ）が比較例５のシミュレーション結果を示している。実施例１の条件は上述した通りであり、比較例５の条件は、以下の通りである。
（比較例５）
傾斜角度θ：５０°
開き角度φ：５５°
ｄ_１ｔａｎθ＜ａ
（ｓｉｎ^２φ＋ｓｉｎ^２θ）／（ｃｏｓφ＋ｃｏｓθ）^２＝１．１
ｒ_１／Ｒ＝０．３５
比較例５のバーナー１０６においては、条件式（２）を満たしていないことから、図６（ｂ）に示すように、（ａ）の実施例１と比べて、１次空気の流れに直進成分が残り、微粉炭を拡散させる能力が低いため、比較例１と同様に、ブラックゾーンを２ｍ以下に制御することができなかった。

最後に、条件式（４）の影響をシミュレーションにより確認した。図７は、２次空気噴出口３１の外周縁の半径Ｒと１次空気噴出口１１の内周縁の半径ｒ_１との比率の違いによる再循環流Ｂの発生状態を説明する図であり、（ａ）が実施例１、（ｂ）が比較例６のシミュレーション結果を示している。実施例１の条件は上述した通りであり、比較例６の条件は、以下の通りである。
（比較例６）
傾斜角度θ：５０°
開き角度φ：５５°
ｄ_１ｔａｎθ＝ａ
ｒ_１／Ｒ＝０．２
（ｓｉｎ^２φ＋ｓｉｎ^２θ）／（ｃｏｓφ＋ｃｏｓθ）^２＝１．１
比較例６のバーナー１０７においては、条件式（４）を満たしておらず、図７（ｂ）に示すように、（ａ）の実施例１と比べて、再循環流Ｂが小さいため、炉内の高温ガスと混合させる能力が低く、保炎効果が十分に発揮されずに失火し易かった。

以上から、条件式（１）〜（４）を満たす実施例１では、微粉炭と周囲の高温ガスとの接触を早め、ブラックゾーンを短くできるとともに、２次空気によって、１次空気との流量バランスを調整することにより、フレームＦの位置を調整できることが確認できた。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、２次空気噴出路３０の噴出口３１は、２次空気をバーナー１００の中心軸Ｏ方向に直進して噴出させるようにしたが、若干内向きに噴出させるように設けてもよい。
また、本実施形態においては、中空部４０にオイルバーナーを挿入しない状態で説明したが、オイルバーナーを配置して、重油等の燃料を供給することにより、バーナー起動時での燃焼開始を容易にするとともに、低負荷燃焼時においても燃料を供給することにより燃焼が維持できるようにしてもよい。

１０１次空気噴出路
１１，２１，３１噴出口
１２シールド板
１３旋回羽根
２０微粉炭噴出路
３０２次空気噴出路
４０中空部
５０空間部
１００〜１０７微粉炭バーナー

Claims

周方向に沿って配置した微粉炭噴出口の半径方向内側に1次空気噴出口、半径方向外側に２次空気噴出口が中心軸に対して同心円筒状に配置された微粉炭バーナーであって、前記１次空気噴出口は、１次空気を半径方向外向きに噴出させるコーン状に設けられた一対のシールド板の間に、前記１次空気を旋回させて噴出させる複数の旋回羽根が設けられて構成され、前記２次空気噴出口は、２次空気を直進又は内向きに噴出させるように設けられていることを特徴とする微粉炭バーナー。
前記中心軸に対する前記シールド板の傾斜角度をθ、前記中心軸と平行な方向に対する前記旋回羽根の周方向に沿う開き角度をφ、前記一対のシールド板の前記中心軸と直交する半径方向の開口間隔をａ、前記シールド板の前記中心軸方向の長さをｄ_１とした場合、以下の（１）〜（３）式を満たすように設けられていることを特徴とする請求項１記載の微粉炭バーナー。
４０°＜θ＜６５°・・（１）
ｄ_１ｔａｎθ≧ａ・・（２）
０．６＜（ｓｉｎ^２φ＋ｓｉｎ^２θ）／（ｃｏｓφ＋ｃｏｓθ）^２＜１．５・・（３）
前記１次空気噴出口の内周縁の半径をｒ_１、前記２次空気噴出口の外周縁の半径をＲとした場合、以下の（４）式を満たすように設けられていることを特徴とする請求項２記載の微粉炭バーナー。
０．３＜ｒ_１／Ｒ＜０．７・・（４）