JP2012247176A - 固体燃料バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】固体燃料ノズル内壁下部に集中した固体燃料を分散させることで、酸素不足領域が発生するのを防止し、バーナ出口での着火性低下を防止することができる固体燃料バーナを提供すること。
【解決手段】固体燃料バーナ１内の固体燃料濃縮器１０を固体燃料ノズル３内で支持する部材として、固体燃料濃縮器１０設置部より下流の固体燃料ノズル内壁に沿った曲面板状の基部１１ｂと固体燃料流路に平行な板状部材１１ａを固体燃料バーナ１の中心軸に対して放射状に配置して、固体燃料ノズル３の内壁下部から固体燃料濃縮器１０の下面を支える複数の支持部１１ａとを一体化した分散支持部材１１を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体燃料バーナに係り、特に低負荷時の着火性を高めるため、筒状の固体燃料ノズル内に固体燃料濃縮器を備えた固体燃料バーナの構造に関する。

なお、以下には、固体燃料として微粉炭を用い、固体燃料の搬送気体及び燃焼用気体として空気を用いるバーナを例に説明をしているが、本発明の対象とする固体燃料バーナは、固体燃料、搬送気体及び燃焼用気体の種類・組成を問わない。

石炭以外にも褐炭や植物由来の固体燃料を微粉化したものやそれらの混合物、搬送気体及び燃焼用気体としては、空気と燃焼排ガスとの混合気体や高濃度の酸素と燃焼排ガスとの混合気体などを用いる固体燃料バーナ（固体燃料、搬送気体及び燃焼用気体の種類・組成等を切り替えて運用するものも含む）にも適用できる。

火力発電プラント用ボイラに用いられる固体燃料バーナは、負荷に応じて燃料流量を減少させた際に、燃料ノズル内に燃料が堆積しないように搬送気体の流量を一定以上に保持する必要がある。そうすると搬送気体に対する燃料が相対的に少なくなり、着火性が低下する。そこで、燃料ノズル内に固体燃料濃縮器を設け、局部的に燃料濃度を高めた流れを形成して着火性を確保している。

図５は、従来技術になるボイラ火炉壁面に設置された固体燃料バーナを側方から見た断面概略図を示し、図６には、図５のＸ−Ｘ線矢視図を示す。

筒状の固体燃料ノズル３には、微粉炭またはバイオマスなどの固体燃料とその搬送気体の固気二相流が供給され、ノズル３出口から火炉１２内に固気二相流を噴出させる。固体燃料ノズル３の中心軸に固体燃料着火用の液体燃料ノズル２を設け、固体燃料ノズル３の外周には、燃焼用気体噴出ノズル４、５が設けられており、各ノズル４、５の火炉１２側の開口面が同心円状に形成されている。

固体燃料ノズル３のノズル内壁側には固気二相流を中心部の液体燃料ノズル２側に絞り込むベンチュリー９が設けられ、ベンチュリー９の後流側の液体燃料ノズル２の外周には固体燃料濃縮器１０が設けられている。

図５、図６に示すベンチュリー９で固体燃料ノズル３の流路が縮小された後、拡大される。さらにベンチュリー９の後流側に設けられた固体燃料濃縮器１０で固体燃料ノズル３内の流路が再び縮小されるため固体燃料粒子はその流速が加速される。さらに、一旦加速された固体燃料粒子は搬送用気体に比べて質量が大きいため、固体燃料濃縮器１０の下流側の流路拡大部において固体燃料ノズル３の内壁側に固体燃料粒子が流れやすくなる。この固体燃料粒子の濃度が高くなった固体燃料ノズル３の出口部に配置した保炎器１７に衝突して、該保炎器１７の下流側の火炉１２内で逆流を生じさせて、燃料粒子の着火性を高める。

図５に示すような、固体燃料ノズル３内にベンチュリー９と固体燃料濃縮器１０を配置したバーナは特許文献１を始め、従来から多数出願されている。

また、微粉炭ノズル内の中央部に微粉炭セパレータを配置して微粉炭と搬送気体の混合流体の流れを微粉炭セパレータの外周部に偏らせることで、固体燃料ノズル３の内壁側の微粉炭濃度を高める構成が特許文献２に開示されている。特許文献２に開示されている微粉炭セパレータは微粉炭ノズル内壁の下面上に配置された移動用レール上に配置され、微粉炭ノズル内を前後方向に移動可能な構成である。

特開２０１０−２４２９９９号公報 特開平９−２６４５１０号公報

図５に示す固体燃料ノズル３の中心部に配置される固体燃料濃縮器１０は、その外側全周を保持する円筒形支持部１４を有し、これをノズル内壁の三方向から支持板１３を支持している。

このような固体燃料濃縮器１０の支持構造には、以下のような課題がある。

すなわち、固体燃料ノズル３内の固体燃料を均一に濃縮するためには、固体燃料濃縮器１０の外周と固体燃料ノズル３の内周の間の距離を一定にする必要がある。このためには、固体燃料濃縮器１０を固体燃料燃焼バーナ１内の中心に正確に設置する必要があるが、複数の支持板１３の製作時の製作誤差により、固体燃料濃縮器１０をバーナ１の中心に正確に設置することは困難であった。

固体燃料ノズル３内を流れる固気二相流の流速は最大２０ｍ／秒と高速であり、固体燃料濃縮器１０および支持板１３への固体燃料粒子の衝突による摩耗が発生するため、これらの部材は交換が不可欠である。

従来の固体燃料バーナ１は固体燃料濃縮器１０を複数箇所（図６では３箇所）で支持板１３と円筒形支持部１４により支持・固定しているため、交換時の取り外しが容易ではなかった。

さらに、固体燃料ノズル３内では固体燃料濃縮器１０と支持板１３の間に微粉が衝突、付着することにより固体燃料濃縮器１０と支持板１３が固着する現象が見られるが、従来のように円筒形支持部１４と支持板１３を用いた場合、固体燃料濃縮器１０と支持板１３の接触面積が大きくなり、当該接触面への微粉進入、固着が発生しやすくなり、固体燃料濃縮器１０の交換が困難となるという問題点もあった。なお、円筒形支持部１４とは固体燃料濃縮器１０の大径部を覆うカバー部材である。

また、固体燃料ノズル３内では燃料粒子が固体燃料ノズル３の内壁下部に集中する傾向があり、固体燃料ノズル３の内壁底面では、固体燃料搬送気体に対する燃料濃度が局所的に過剰となる。特許文献２に開示されているような、微粉炭ノズル内壁の底面上に配置された移動用レール上に設置され、微粉炭ノズル内を前後方向に移動可能な構成からなる微粉炭セパレータでは、微粉炭ノズル内壁底面で微粉炭が燃焼するために必要な酸素が不足する領域が発生し、バーナ出口で微粉炭が着火しにくくなるという課題がある。

本発明の課題は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、固体燃料ノズル内壁下部に集中した固体燃料を分散させることで、酸素不足領域が発生するのを防止し、バーナ出口での着火性低下を防止することができる固体燃料バーナを提供することである。

本発明の上記課題は次の解決手段で解決される。
すなわち、請求項１記載の発明は、固体燃料とその搬送気体からなる固気二相流からなる混合流体を噴出させ、中心軸に液体燃料ノズルを備えた筒状の固体燃料ノズルと、この固体燃料ノズルの外周に該固体燃料ノズルと同心円状に形成される燃焼用気体噴出ノズルと、前記固体燃料ノズルの内壁側に配置される固気二相流の流れを一旦中心軸方向に向けて絞るベンチュリーと、ベンチュリーの後流側で固体燃料ノズルの流路を内壁側に拡大するように前記液体燃料ノズルの外周に設けられる固体燃料濃縮器とを備えた固体燃料バーナであって、前記固体燃料濃縮器を前記固体燃料ノズル内壁で支持する部材として、該固体燃料濃縮器の下方の前記固体燃料ノズル内壁に沿った曲面板状の基部と、前記流路に平行な板状部材を前記中心軸に対して放射状に配置して前記基部の両端に接続して固体燃料ノズル内壁下部から前記固体燃料濃縮器の下面を支える一対の支持部とからなり、前記曲面板状の基部と一対の支持部を一体化した分散支持部材を設けたことを特徴とする固体燃料バーナである。

請求項２記載の発明は、前記固体燃料ノズル内の固気二相流の流路の前記ベンチュリーから前記分散支持部材までの間に配置され、前記固体燃料ノズル内壁に平行で、該内壁面からの垂直方向高さが前記分散支持部材の該内壁面からの垂直方向の高さと同じであり、前記固体燃料濃縮器を前記中心軸方向に移動させる際のガイドとなる案内部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の固体燃料バーナである。

（作用）
本発明の固体燃料濃縮器の支持構造と従来の固体燃料濃縮器の支持構造との差異を以下に述べる。従来の固体燃料ノズルは、固体燃料ノズル内になるべく抵抗体となるような部材を設置せず、全周にわたって均一な流路が形成されるようにするというものであったため、固体燃料濃縮器の支持部は固体燃料ノズル内の一部に局所的に配置するのではなく、等間隔で複数個設置することで固体燃料ノズル内を流れる燃料と搬送ガスの固気二相流が局所的に妨害されることを防いでいた。

しかし、実際には、図７に示すように燃料粒子２０は固体燃料ノズル３内で下側に集中する傾向があり、周方向で分布が生じるのは不可避である。固体燃料ノズル３の下側に集中する燃料粒子２０は却って着火性の低下などの燃焼性にマイナスの影響を及ぼすため、固体燃料ノズル下部に集中した粒子は、固体燃料濃縮流２１として分散支持部材１１の基部（分散材）１１ｂに当てて固体燃料分散流２２としてある程度再分散させて、固体燃料２３として火炉内で分散させた方が望ましいことが明らかになってきた。

本発明は、この知見に基づいており、固体燃料濃縮器の支持材を固体燃料濃縮器の下部に設置し、固体燃料濃縮器を前記支持部材で下方から支え、固体燃料濃縮器の側部側から上方には構造物を設置しない構造にすることで固体燃料ノズル下部に集中した粒子を衝突・分散させることを可能としている。

支持部材を固体燃料濃縮器の下方のみから支える構造とすることで、支持構造が簡便となるとともに固体燃料濃縮器および支持部材自体の設置・除去を容易とすることができる。また、支持部材が固体燃料濃縮器を支持する部位の数が減少するため、製作誤差の発生リスクを低減することが可能となる。さらに、固体燃料濃縮器と支持部材の接する面積が低下するため、微粉の付着、固着を低減することが可能となる。

また、固体燃料濃縮器を固体燃料ノズル内に設置または除去する際に固体燃料濃縮器を運ぶレールとして作用する固体燃料ノズルの内周に案内板を設置することで、固体燃料ノズル内へ固体燃料濃縮器を容易に挿入、または引き抜くことが可能になる。

本発明によれば、固体燃料濃縮器の性能を維持すると同時に固体燃料ノズルの下側に集中する固体燃料の濃縮流を分散支持部材の基部（分散材）に当てて固体燃料を分散流としてある程度再分散させて、火炉内に噴出させて安定着火を良くした固体燃料燃焼バーナを提供することができる。

本発明の実施形態に係る固体燃料燃焼バーナの概略構成図を示す。 図１におけるＸ−Ｘ線矢視図を示す。 本発明のその他の実施形態に係る固体燃料燃焼バーナの概略構成図を示す。 図３におけるＹ−Ｙ断面図を示す。 従来の固体燃料燃焼バーナの概略構成図を示す。 図４におけるＸ−Ｘ断面図を示す。 固体燃料ノズル内の固体燃料の流れ図を示す。

以下、発明の実施形態を図面とともに説明する。
図１は、本実施例の固体燃料燃焼バーナの概略構成図を示す。固体燃料燃焼バーナ１の中心に液体燃料噴出ノズル２を配置し、その外周に固体燃料搬送用空気によって燃料である固体燃料を火炉１２に供給する固体燃料ノズル３を配置し、さらにその外周から燃焼用空気を火炉１２に噴出する燃焼用空気噴出ノズル（２次空気ノズル）４と、該２次空気ノズル４の外周にバーナ出口で旋回流を形成するためのエアレジスタ６を設置した燃焼用空気噴出ノズル（３次空気ノズル）５を備え、固体燃料ノズル３の内周壁に流路縮小部（ベンチュリ）９を設置し、該ベンチュリ９より後流側の固体燃料ノズル３内であって液体燃料噴出ノズル２の外周に固体燃料濃縮器１０を配置し、該固体燃料濃縮器１０を保持するための分散支持部材１１を固体燃料ノズル３の内周壁に支持させる。また、固体燃料濃縮器１０は図１に示すように径の大きな円筒部１０ａとその前後に一体的に設けられる固気二相流の流路縮小部１０ｂと流路拡大部１０ｃからなる。

分散支持部材１１の構造例を図２に示す。分散支持部材１１は、固体燃料ノズル３内の固体燃料と固体燃料搬送用空気の固気二相流の流路方向に沿った複数の平板状部材である支持部１１ａと円筒状の固体燃料ノズル３の内壁に沿った曲面板状の分散材（基部）１１ｂが一体となって構成されている。

分散支持部材１１の支持部１１ａは、それぞれ固体燃料ノズル３の中心軸から径方向に向かって放射状に配置され、固体燃料ノズル３の下側から固体燃料濃縮器１０を支持する。

分散材（基部）１１ｂは、分散支持部材１１を固体燃料濃縮器１０の下側で固体燃料ノズル３の内壁に固定し、固体燃料ノズル３の内壁下部側に沿って流れる固体燃料粒子を分散させる機能を有する。

固体燃料濃縮器１０を支持部１１ａだけでなく、支持部１１ａと一体の分散材１１ｂを使用して支持することにより、分散支持部材１１の強度が向上し、支持部１１ａが固体燃料濃縮器１０の重みで変形することなく、固体燃料濃縮器１０を支持することが可能となる。

分散支持部材１１は固体燃料燃焼バーナ１の火炎から受ける輻射の影響を抑え、かつ支持強度を確保するために、固体燃料濃縮器１０の円筒部１０ａの前後方向の長さと同程度の長さにすることが望ましい。固体燃料ノズル３から均等に固体燃料を噴出するために、分散支持部材１１は中心を空洞部（図２中のＡの部分）を有する構造とし、分散支持部材１１による固体燃料ノズル３内の固体燃料混合気流の流路妨害面積を縮小することが望ましい。

固体燃料濃縮器１０は、本来、固体燃料ノズル３の径方向内壁に沿って固体燃料濃度が高まった固気二相流を形成するためのものであり、火炉出口部では固体燃料ノズル３内の円周方向全周にわたって均一に高濃度の固体燃料が含まれる固気二相流領域であることが望ましい。

しかし、実際には固体燃料の自重により、固体燃料ノズル３内部の下側の固体燃料濃度が高まる傾向がある。
固体燃料濃度は高すぎても着火性が低下するので、固体燃料ノズル３内部の最も下側近傍に集中する固体燃料粒子を分散させることが望ましい。

本実施例に用いる分散支持部材１１は、固体燃料ノズル３と接し、分散支持部材１１の設置位置を固定する基部（分散材）１１ｂを有する。

この分散材１１ｂが固体燃料の衝突材として機能することで、図７に示すように固体燃料ノズル３の下部に濃縮された固体燃料が分散し、固体燃料濃度が局所的に高くなる部位の発生を防ぐことができる。同時に、固体燃料粒子は固体燃料ノズル３で出口部まで達すると流速が低下して、下流側の着火領域での滞留時間が長くなるので着火性が向上する。

分散支持部材１１には固体燃料が衝突するため、分散支持部材１１の磨耗を抑えるために、材質は耐磨耗材を使用することが望ましい。この分散支持部材１１の部材はコンパクトな構造であるので、鋳物で容易に製作でき、また鋳物であれば、成形性に優れ、寸法精度の高いものを製作できるから、固体燃料濃縮器１０を固体燃料ノズル３内で精度良く支持でき、流路を均一に構成できる。

分散支持部材１１の上部構造をなす支持部１１ａは、図２に示すように２点で固体燃料濃縮器１０を支持する構造とすることが望ましい。これにより、固体燃料濃縮器１０の外周近傍における固体燃料の流れを妨害することなく、固体燃料ノズル３から固体燃料を噴出することが可能となる。さらに、固体燃料濃縮器１０と分散支持部材１１の接触面積が少なくなるため、固体燃料濃縮器１０と分散支持部材１１の間への微粉の進入、固着を低減することが可能となる。

図３は本発明の他の実施例を示したものである。
本実施例の固体燃料燃焼バーナは図１に示す固体燃料ノズル３における固体燃料濃縮器１０を支持する分散支持部材１１の前流側に位置する固体燃料ノズル３の内壁に一対の案内部材１５を追設した構成からなるものである。この構造で設置する案内部材１５は、垂直方向の高さＨ２が分散支持部材１１の鉛直方向の高さＨ１と同じになるように設置することが望ましい。上記案内部材１５は、固体燃料濃縮器１０を固体燃料ノズル３内に設置または除去する際に固体燃料濃縮器１０を運ぶレールとして作用するため、この案内部材１５を設置することにより、固体燃料ノズル３内へ固体燃料濃縮器１０を容易に挿入、または引き抜くことが可能になる。

上記案内部材１５は、固体燃料ノズル３内を流れる固体燃料混合気流１６の流路を妨げないようにするため、図４に示すように分散支持部材１１の支持部１１ａと案内部材１５は固体燃料混合気流１６の流れ方向に沿って設置し、また、分散支持部材１１の一対の支持部１１ａ間の距離Ｌ１と一対の案内部材１５間の距離Ｌ２が同等になるように設置する。すなわち、固体燃料燃焼バーナ１を火炉１２方向から見た場合、案内部材１５と分散支持部材１１の投影面が重なるように設置することが固体燃料混合気流１６の流路を妨げないために望ましい。

１ 固体燃料燃焼バーナ ２ 液体燃料噴出ノズル
３ 固体燃料ノズル ４・・・燃焼用空気噴出（２次空気）ノズル
５ 燃焼用空気噴出（３次空気）ノズル
６ エアレジスタ ７ ウィンドボックス
９ ベンチュリ １０ 固体燃料濃縮器
１１ 分散支持部材 １１ａ 板状支持部
１１ｂ 基部（分散材） １２ 火炉
１３ 支持板 １４ 円筒形支持部
１５ 案内部材 １６ 固体燃料混合気流
１７ 保炎器 ２０ 固体燃料
２１ 固体燃料濃縮流 ２２ 固体燃料分散流
２３ 分散後の固体燃料

Claims (2)

1. 固体燃料とその搬送気体からなる固気二相流からなる混合流体を噴出させ、中心軸に液体燃料ノズルを備えた筒状の固体燃料ノズルと、この固体燃料ノズルの外周に該固体燃料ノズルと同心円状に形成される燃焼用気体噴出ノズルと、前記固体燃料ノズルの内壁側に配置される固気二相流の流れを一旦中心軸方向に向けて絞るベンチュリーと、ベンチュリーの後流側で固体燃料ノズルの流路を内壁側に拡大するように前記液体燃料ノズルの外周に設けられる固体燃料濃縮器とを備えた固体燃料バーナであって、
   前記固体燃料濃縮器を前記固体燃料ノズル内壁で支持する部材として、該固体燃料濃縮器の下方の前記固体燃料ノズル内壁に沿った曲面板状の基部と、前記流路に平行な板状部材を前記中心軸に対して放射状に配置して前記基部の両端に接続して固体燃料ノズル内壁下部から前記固体燃料濃縮器の下面を支える一対の支持部とからなり、前記曲面板状の基部と一対の支持部を一体化した分散支持部材を設けたことを特徴とする固体燃料バーナ。
2. 前記固体燃料ノズル内の固気二相流の流路の前記ベンチュリーから前記分散支持部材までの間に配置され、前記固体燃料ノズル内壁に平行で、該内壁面からの垂直方向高さが前記分散支持部材の該内壁面からの垂直方向の高さと同じであり、前記固体燃料濃縮器を前記中心軸方向に移動させる際のガイドとなる案内部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の固体燃料バーナ。

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