JP2012189311A

JP2012189311A - 燃焼装置とその運転方法

Info

Publication number: JP2012189311A
Application number: JP2012030945A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Aoyanagi; 祐介青▲柳▼; Kenji Ishikura; 健志石倉; Hiroshi Maeda; 洋前田; Yuji Nakanishi; 裕士中西
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: JP5971970B2

Abstract

【課題】燃料としてメタンを主成分とする燃料ガスを使用し、粉状炭化物を確実に燃焼させることのできる燃焼装置とその運転方法の提供。
【解決手段】燃料噴出管５、１次空気供給管７、粉状炭化物を供給する炭化物供給管１１、２次空気供給管１４を備えた燃焼バーナ１が、燃焼室開口部３に向けて配設され、燃料噴出管５が、メタンを主成分とする燃料ガスを噴出し、１次空気が、燃料噴出管５の周りを旋回して環状に供給され、炭化物供給管１１が燃料噴出管５よりも噴出方向の先端側に開口し、粉状炭化物が、１次空気供給管７の周りを旋回して環状に供給され、２次空気が、炭化物供給管１１の周りを旋回して環状に供給され、燃焼室開口部３が、断面積をバーナ燃焼部側から燃焼室２側に向けて徐々に縮小されて最小径部１８に至り、その後、徐々に拡大されて燃焼室２に至るように構成されている燃焼装置とその運転方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料を噴出する燃料噴出管と、その燃料噴出管の外周から燃焼用の１次空気を供給する１次空気供給管と、その１次空気供給管の外周から空気搬送される処理対象物としての粉状炭化物を供給する炭化物供給管と、その炭化物供給管の外周から燃焼用の２次空気を供給する２次空気供給管とを備えた燃焼バーナが、そのバーナ燃焼部を燃焼室に連通する燃焼室開口部に向けて配設されている燃焼装置に関するとともに、その燃焼装置の運転方法に関する。

このような燃焼装置としては、例えば、燃焼バーナの中心に位置する燃料噴出管から油またはガスなどの燃料を噴出し、その燃料噴出管に外嵌する燃焼用空気供給管から、燃焼用の空気を燃料噴出管の周りに供給し、その燃焼用空気供給管内に位置し、かつ、燃料噴出管の周りに分散・配設した複数の粉体噴出管から、粉状炭化物を搬送用空気と一緒に噴出させて燃焼させ、粉状炭化物の燃焼に伴う熱量を回収するように構成したサーマル・リサイクル方式の燃焼装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３０３８５３３号公報

上記公報に記載の燃焼装置では、燃料噴出管から噴出される燃料の周りに燃焼用空気が供給されるので、燃料と燃焼用空気との混合が良好に行われて燃料の燃焼が促進される。
しかしながら、粉状炭化物については、燃料噴出管の周りに分散・配設された複数の炭化物供給管から、それぞれ量的にまとまった状態で局部的に供給されるので、必ずしも完全に燃焼されるとは限らず、この点で改善の余地があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目したもので、その目的は、燃料としてメタンを主成分とする燃料ガスを使用し、粉状炭化物を確実に燃焼・処理することのできる燃焼装置とその運転方法を提供することにある。

本発明の第１の特徴構成は、燃料を噴出する燃料噴出管と、その燃料噴出管の外周から燃焼用の１次空気を供給する１次空気供給管と、その１次空気供給管の外周から空気搬送される処理対象物としての粉状炭化物を供給する炭化物供給管と、その炭化物供給管の外周から燃焼用の２次空気を供給する２次空気供給管とを備えた燃焼バーナが、そのバーナ燃焼部を燃焼室に連通する燃焼室開口部に向けて配設されている燃焼装置であって、前記燃料噴出管が、燃料としてメタンを主成分とする燃料ガスを噴出するように構成され、前記１次空気供給管からの１次空気が、１次空気旋回手段により前記燃料噴出管の周りを旋回する状態で環状に供給され、前記炭化物供給管が前記燃料噴出管よりも噴出方向の先端側に開口して、その炭化物供給管からの粉状炭化物が、炭化物旋回手段により前記１次空気供給管の周りを旋回する状態で環状に供給され、前記２次空気供給管からの２次空気が、２次空気旋回手段により前記炭化物供給管の周りを旋回する状態で環状に供給されるように構成され、前記燃焼室開口部が、その断面積を前記バーナ燃焼部側から前記燃焼室側に向けて徐々に縮小されて最小径部に至り、その後、徐々に拡大されて前記燃焼室に至るように構成されているところにある。

ここで、本願におけるメタンを主成分とする燃料ガスとは、メタンを主成分（８０％以上）とし、発熱量調整用に、メタンより炭素数の大きい炭化水素が混合された燃料ガスを意味する。
本発明の第１の特徴構成によれば、燃料噴出管が、燃料としてメタンを主成分とする燃料ガスを噴出し、１次空気供給管からの１次空気が、１次空気旋回手段により燃料噴出管の周りを旋回する状態で環状に供給され、炭化物供給管が燃料噴出管よりも噴出方向の先端側に開口して、その炭化物供給管からの粉状炭化物が、炭化物旋回手段により１次空気供給管の周りを旋回する状態で搬送用空気と一緒に環状に供給され、さらに、２次空気供給管からの２次空気が、２次空気旋回手段により炭化物供給管の周りを旋回する状態で環状に供給されるので、燃料であるメタンを主成分とする燃料ガスを中心として、その外周に燃焼用の１次空気が、その１次空気の外周に粉状炭化物と搬送用空気が、さらに、その粉状炭化物と搬送用空気の外周に燃焼用の２次空気が、それぞれ旋回しながら層状になって供給され、その結果、粉状炭化物を燃焼・処理することができる。

そして、この構成の燃焼装置を使用するに際して、例えば、メタンを主成分とする燃料ガスと１次空気との空気比を１．０〜１．８に維持して粉状炭化物を燃焼させるとともに、メタンを主成分とする燃料ガスおよび粉状炭化物に対する総空気比を１．０５〜１．７０に維持して燃焼させることで、粉状炭化物を良好に燃焼させることができる。
そして、燃焼バーナの前面に位置する燃焼室開口部が、その断面積をバーナ燃焼部側から燃焼室側に向けて徐々に縮小されて最小径部に至るように構成されているので、最小径部に至るまでの間に噴流が燃焼室開口部により適切に拘束され、その後、徐々に拡大されて燃焼室に至るように構成されているので、メタンを主成分とする燃料ガスと１次空気との層、粉状炭化物の層、および、２次空気の層の分布を維持した状態で、粉状炭化物の燃焼が噴流方向で良好に進むとともに、その燃焼を完結するができる。
その結果、メタンを主成分とする燃料ガス、例えば、１３Ａなどの都市ガスを燃料として使用して、粉状炭化物を確実に燃焼させることが可能となる。

本発明の第２の特徴構成は、第１の特徴構成を備えた燃焼装置において、前記燃料噴出管、前記１次空気供給管、および、前記炭化物供給管が、この記載順に噴出方向の先端側に開口され、前記燃焼室開口部の最小径部が、前記炭化物供給管の開口部より噴出方向の先端側に設けられているところにある。

本発明の第２の特徴構成によれば、燃料噴出管、１次空気供給管、および、炭化物供給管が、この記載順に噴出方向の先端側に開口されているので、メタンを主成分とする燃料ガスを中心として、その外周への１次空気による旋回層の形成、１次空気旋回層の外周への粉状炭化物と搬送用空気による旋回層の形成、および、粉状炭化物と搬送用空気の旋回層の外周への２次空気による旋回層の形成が、より一層確実なものとなり、さらに、燃焼室開口部の最小径部が、炭化物供給管の開口部より噴出方向の先端側に設けられているので、粉状炭化物の燃焼を一層確実に行うことができる。

本発明の第３の特徴構成は、第１または第２の特徴構成を備えた燃焼装置において、前記１次空気旋回手段が、前記１次空気供給管内に設けられた１次空気旋回羽根により構成され、前記２次空気旋回手段が、前記２次空気供給管内に設けられた２次空気旋回羽根により構成され、前記炭化物旋回手段が、前記炭化物供給管の軸心方向視において、その炭化物供給管の軸心から偏心した位置に連通された炭化物搬送管により構成されているところにある。

本発明の第３の特徴構成によれば、１次空気旋回手段が、１次空気供給管内に設けられた１次空気旋回羽根により、また、２次空気旋回手段が、２次空気供給管内に設けられた２次空気旋回羽根により構成されているので、１次空気供給管から供給される１次空気に対しては１次空気旋回羽根により、また、２次空気供給管から供給される２次空気に対しては２次空気旋回羽根により、それぞれ確実に旋回力を付与して旋回流を発生されることができる。
そして、炭化物旋回手段は、炭化物供給管の軸心方向視において、その炭化物供給管の軸心から偏心した位置に連通された炭化物搬送管により構成されているので、粉状炭化物を搬送するために必要不可欠な炭化物搬送管を利用して、粉状炭化物とその搬送用空気に対して、確実に旋回力を付与することができる。

本発明の第４の特徴構成は、第１〜第３のいずれかの特徴構成を備えた燃焼装置の運転方法において、前記メタンを主成分とする燃料ガスと前記１次空気との空気比が１．０〜１．８になるように設定し、前記メタンを主成分とする燃料ガスおよび粉状炭化物に対する総空気比が１．０５〜１．７０になるように設定して運転するところにある。

本発明の第４の特徴構成によれば、メタンを主成分とする燃料ガスと１次空気との空気比が１．０〜１．８になるように設定し、メタンを主成分とする燃料ガスおよび粉状炭化物に対する総空気比が１．０５〜１．７０になるように設定して運転するので、後述する実験結果からも明らかなように、上述したような粉状炭化物の良好な燃焼を実行して、メタンを主成分とする燃料ガスを燃料とする粉状炭化物の燃焼処理を行うことができる。

ここで、メタンを主成分とする燃料ガスおよび粉状炭化物に対する総空気比が１．０５未満になると、ＣＯ濃度が高くなり、１．７０を越えると、火炎が不安定になることが実験により確認された。そこで、メタンを主成分とする燃料ガスおよび粉状炭化物に対する総空気比が１．０５〜１．７０とされることで、結果的に、粉状炭化物の処理をメタンを主成分とする燃料ガス、例えば、都市ガスを利用して良好に実現できる。

本発明の第５の特徴構成は、第４の特徴構成を備えた燃焼装置の運転方法において、前記処理対象物である粉状炭化物として有機性汚泥から揮発性有機物と水分を除去した処理物を使用するところにある。

本発明の第５の特徴構成によれば、処理対象物である粉状炭化物として、例えば、下水汚泥から揮発性有機物と水分を取り除いた後の処理物を使用するので、粉状炭化物の焼却処理に伴って、有機性汚泥を確実に焼却して処理することができる。

燃焼装置の縦断側面図燃焼装置の背面図実験結果を示す図表

本発明による燃焼装置とその運転方法について、その実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明の燃焼装置は、図１および図２に示すように、燃焼バーナ１と、燃焼室２の耐火製壁体の一部を構成し、燃焼室２に連通する燃焼室開口部３を備えた耐火壁部４などにより構成され、燃焼バーナ１の燃料には、メタンを主成分とする燃料ガス、例えば、１３Ａなどの都市ガスが使用される。
燃焼バーナ１は、その中心（軸心）Ｌに燃料である都市ガスを供給して噴出する断面が円形の燃料噴出管５が配設され、燃料噴出管５の基端部に設けられた燃料入口６から都市ガスを供給するように構成されている。燃料噴出管５の先端側には、断面円形の１次空気供給管７が同心状に外嵌され、１次空気供給管７内の先端開口部近くには、１次空気旋回手段としての１次空気旋回羽根８が配設されて燃料噴出管５に固定保持されている。

燃料噴出管５の基端側には、１次空気供給管７に連通する断面円形の１次空気室管９が同心状に外嵌され、１次空気室管９に設けられた１次空気入口１０から供給される燃焼用の１次空気が、１次空気室管９と１次空気供給管７を通り、かつ、１次空気旋回羽根８により燃料噴出管５の周りを旋回する旋回流となって、１次空気供給管７の先端開口部から円環状に供給される。
その１次空気供給管７には、断面円形の炭化物供給管１１が同心状に外嵌され、炭化物供給管１１には、炭化物入口１２を備えた炭化物搬送管１３が連通されている。その炭化物搬送管１３は、図１に示すように、側面視において、炭化物供給管１１の軸心Ｌに対してほぼ４５度の傾斜角αで交差するように傾斜した状態で、かつ、図２に示すように、炭化物供給管１１の軸心方向視において、炭化物供給管１１の軸心Ｌから偏心した位置に連通されている。

炭化物入口１２から供給される処理対象物としての粉状炭化物、例えば、下水汚泥などの有機性汚泥を焼却して揮発性有機物と水分を取り除いた後の処理物は、空気搬送によって炭化物搬送管１３から炭化物供給管１１内に供給される。その際、炭化物搬送管１３が、側面視において、炭化物供給管１１の軸心Ｌに対して傾斜角αで交差し、その軸心方向視において、軸心Ｌから偏心した位置に連通されているので、炭化物搬送管１３は、粉状炭化物に旋回流を付与する炭化物旋回手段として機能し、粉状炭化物は、搬送用空気と一緒に炭化物供給管１１の先端開口部から１次空気供給管７の周りを旋回する状態で円環状に供給される。
炭化物供給管１１の先端側には、断面円形の２次空気供給管１４が同心状に外嵌され、その２次空気供給管１４内の先端開口部近くには、２次空気旋回手段としての２次空気旋回羽根１５が配設されて、炭化物供給管１１と２次空気供給管１４にわたって固定保持されている。

その２次空気供給管１４には、断面円形の２次空気室管１６が同心状に外嵌され、２次空気室管１６に設けられた２次空気入口１７から供給される燃焼用の２次空気が、２次空気室管１６から２次空気供給管１４を通り、かつ、２次空気旋回羽根１５により炭化物供給管１１の周りを旋回する旋回流となって、２次空気供給管１４の先端開口部から円環状に供給される。
すなわち、燃焼バーナ１は、燃料噴出管５を中心として、１次空気供給管７、炭化物供給管１１、２次空気供給管１４、および、２次空気室管１６が、この記載順に外嵌され、さらに、燃料噴出管５、１次空気供給管７、および、炭化物供給管１１が、この記載順に燃料の噴出方向の先端側に開口するように構成されている。

燃焼バーナ１の噴出方向前方に設けられる燃焼室開口部３は、２次空気供給管１４の内径Ｄ３と同一の内径を有して２次空気供給管１４の開口部に連通され、その断面積が、バーナ燃焼部側から燃焼室２側に向けて徐々に小さくなるように円錐状に縮小されて一定の内径Ｄ２を有する最小径部１８に至り、その後、断面積が、徐々に大きくなるようにほぼ４５度の拡径角βで円錐状に拡大されて、その放出口１９が、燃焼室２に開口するように構成されている。
すなわち、燃焼室開口部３は、その最小径部１８の内径Ｄ２より入口内径Ｄ３の方が大きく、その入口内径Ｄ３より放出口１９の出口内径Ｄ４の方が大きくなるように設定され、炭化物供給管１１の内径Ｄ１が、最小径部１８の内径Ｄ２より小さくなるように設定されている。

その燃焼室開口部３と燃焼バーナ１が、同一の軸心Ｌ上に位置するように配設され、燃料噴出管５の開口部が、燃焼室開口部３の入口より基端側に位置して開口するように配設され、１次空気供給管７の開口部が、燃焼室開口部３の入口とほぼ一致する位置で開口するように配設されている。
そして、炭化物供給管１１の開口部が、燃焼室開口部３内に挿入された状態で、燃焼室開口部３の最小径部１８より基端側に位置して開口するように、言い換えると、燃焼室開口部３の最小径部１８が、炭化物供給管１１の開口部より噴出方向の先端側に位置するように配設され、燃焼室開口部３を有する耐火壁部４に燃焼バーナ１への着火装置２０が取り付けられている。

この燃焼装置は、図外の制御装置による制御のもとで運転されるものであり、つぎに、その運転方法について説明する。
燃料噴出管５の燃料入口６からメタンを主成分とする燃料ガス、例えば、１３Ａの都市ガスが供給され、燃焼バーナ１の中心に位置する燃料噴出管５から燃焼室開口部３に向けて噴出される。
その１３Ａに対して、１次空気供給管７からの１次空気が旋回流となって供給されて混合され、その混合気に対して、炭化物供給管１１からの粉状炭化物が搬送用空気と一緒に、１次空気と同じ方向へ旋回しながら混合気の外周部へ円環状に供給され、さらに、２次空気供給管１４からの２次空気が、１次空気および粉状炭化物と同じ方向へ旋回しながら粉状炭化物の外周部へ円環状に供給されて燃焼される。

この燃焼装置による効果を確認するため、図１および図２に示す構成の燃焼装置を使用し、メタンを主成分とする燃料ガスとして１３Ａの都市ガスを使用して各種の実験を行ったので、その実験結果の一部について言及する。
図３の図表は、（粉状炭化物中の炭素成分量／１３Ａ中の炭素成分量）の割合を２３．６％に維持して燃焼させたときの実験結果を示す。
つまり、従来では、（粉状炭化物中の炭素成分量／１３Ａ中の炭素成分量）の割合が１２％程度であったが、その割合を２３．６％にまで上げたときの燃焼結果を示す図表であり、総空気比λ（計算値）の欄は、１３Ａおよび粉状炭化物に対する総空気比λの計算値を示し、火炎形状の欄において、◎印は非常に安定した火炎形成を示し、○印は◎印程ではないが安定した火炎形成を示す。また、排ガス組成の欄はＣＯ濃度（ｐｐｍ）を示す。

図３の実験結果から、たとえ（粉状炭化物中の炭素成分量／１３Ａ中の炭素成分量）の割合を２３．６％程度にまで上げても、１３Ａおよび粉状炭化物に対する総空気比λが１．０８〜１．６６の範囲内であれば、ＣＯ濃度を１００ｐｐｍ以下（６０〜８７ｐｐｍ）に維持しながら、安定した火炎形成が可能となることが解る。この総空気比λに関しては、別の燃焼実験によって、総空気比λが１．０５未満になると、ＣＯ濃度が高くなって１００ｐｐｍ前後になり、１．７０を越えると、火炎が不安定になることが確認された。
したがって、総空気比λは、１．０５〜１．７０の範囲内に設定するのがよく、１．３０〜１．４５の範囲内がより好ましいことが判明した。
そして、この燃焼実験において、１３Ａと１次空気との空気比λは１．０〜１．８、好ましくは１．３〜１．５程度になるように設定制御され、いずれにせよ、１３Ａの含有成分組成は、真発熱量が４０．６ＭＪ／ｍ³Ｎ（例えば、メタン８０％以上）となるように調整されているため、上述した各部位における空気比λの維持制御は、比較的容易かつ確実となる。

〔別実施形態〕
（１）先の実施形態では、燃料噴出管５、１次空気供給管７、および、炭化物供給管１１が、この記載順に噴出方向の先端側に開口された構成を示したが、例えば、１次空気供給管７と炭化物供給管１１がほぼ同じ位置で開口するように構成し、両開口部が燃料噴出管５の開口部よりも噴出方向の先端側に位置するように構成することもできる。
また、１次空気旋回手段が１次空気旋回羽根８により、２次空気旋回手段が２次空気旋回羽根１５により、炭化物旋回手段が炭化物搬送管１３により構成された例を示したが、これらの旋回手段については従来公知の種々の構成を採用することができる。

（２）先の実施形態では、メタンを主成分とする燃料ガスの一例として１３Ａの都市ガスを示したが、都市ガス以外の各種のガスを燃料として使用することもでき、また、処理対象物についても、下水汚泥の処理物以外に、各種の粉状炭化物を使用することができる。

以上説明したように、燃料としてメタンを主成分とする１３Ａなどの都市ガスを使用し、各種の粉状炭化物を確実に燃焼させることのできる燃焼装置とその運転方法を提供することができる。

１燃焼バーナ
２燃焼室
３燃焼室開口部
５燃料噴出管
７１次空気供給管
８１次空気旋回羽根（１次空気旋回手段）
１１炭化物供給管
１３炭化物搬送管（炭化物旋回手段）
１４２次空気供給管
１５２次空気旋回羽根（２次空気旋回手段）
１８燃焼室開口部の最小径部

Claims

燃料を噴出する燃料噴出管と、その燃料噴出管の外周から燃焼用の１次空気を供給する１次空気供給管と、その１次空気供給管の外周から空気搬送される処理対象物としての粉状炭化物を供給する炭化物供給管と、その炭化物供給管の外周から燃焼用の２次空気を供給する２次空気供給管とを備えた燃焼バーナが、そのバーナ燃焼部を燃焼室に連通する燃焼室開口部に向けて配設されている燃焼装置であって、
前記燃料噴出管が、燃料としてメタンを主成分とする燃料ガスを噴出するように構成され、前記１次空気供給管からの１次空気が、１次空気旋回手段により前記燃料噴出管の周りを旋回する状態で環状に供給され、前記炭化物供給管が前記燃料噴出管よりも噴出方向の先端側に開口して、その炭化物供給管からの粉状炭化物が、炭化物旋回手段により前記１次空気供給管の周りを旋回する状態で環状に供給され、前記２次空気供給管からの２次空気が、２次空気旋回手段により前記炭化物供給管の周りを旋回する状態で環状に供給されるように構成され、前記燃焼室開口部が、その断面積を前記バーナ燃焼部側から前記燃焼室側に向けて徐々に縮小されて最小径部に至り、その後、徐々に拡大されて前記燃焼室に至るように構成されている燃焼装置。
前記燃料噴出管、前記１次空気供給管、および、前記炭化物供給管が、この記載順に噴出方向の先端側に開口され、前記燃焼室開口部の最小径部が、前記炭化物供給管の開口部より噴出方向の先端側に設けられている請求項１に記載の燃焼装置。
前記１次空気旋回手段が、前記１次空気供給管内に設けられた１次空気旋回羽根により構成され、前記２次空気旋回手段が、前記２次空気供給管内に設けられた２次空気旋回羽根により構成され、前記炭化物旋回手段が、前記炭化物供給管の軸心方向視において、その炭化物供給管の軸心から偏心した位置に連通された炭化物搬送管により構成されている請求項１または２に記載の燃焼装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼装置において、前記メタンを主成分とする燃料ガスと前記１次空気との空気比が１．０〜１．８になるように設定し、前記メタンを主成分とする燃料ガスおよび粉状炭化物に対する総空気比が１．０５〜１．７０になるように設定して運転する燃焼装置の運転方法。
前記処理対象物である粉状炭化物として有機性汚泥から揮発性有機物と水分を除去した処理物を使用する請求項４に記載の燃焼装置の運転方法。