JP2013108731A - 微粉炭バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】スラッギング性の高い燃料（低灰融点・高付着性）を燃焼した際に、溶融灰がボイラ内の各部へ付着する事を低減させ、ボイラの安定運転を提供することを目的とする。
【解決手段】微粉炭と１次空気との混合気をボイラ１の火炉内に供給する１次供給口と、１次供給口に隣接した周囲に設けられ、２次空気を供給する２次供給口と、を備え、ボイラ１の火炉内で旋回燃焼を行う微粉炭バーナ２であって、２次供給口に隣接して設けられ、ボイラ１の火炉内壁５の壁面に沿って３次空気４を供給する３次供給口３を備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば陸用微粉炭焚きボイラに用いられて好適な微粉炭バーナに関するものである。

一般に、旋回燃焼方式を採用した微粉燃料燃焼ボイラでは、２重構造とされた微粉炭バーナが用いられている。具体的には、図８に示されているように、微粉炭バーナ１０２は、内側から１次空気と微粉燃料との混合気を供給する１次供給口１０７と、その外周から２次空気を供給する２次供給口１０８が備えられている。このように、微粉炭バーナ１０２は、微粉炭燃料及び１次空気と、２次空気とを同軸方向に供給するようになっている。

このような微粉炭バーナ１０２を用いてスラッギング性の高い石炭（低灰融点・高付着性）を燃焼させた場合には、溶融灰がボイラ内の火炉内壁面等の各部に付着し易くなる。そして、ボイラ火炉内壁面に灰の付着量が多くなり、スラッギングが成長すると、ボイラの伝熱阻害を引き起こすことや、大塊クリンカの落下による、ボイラ火炉の炉底損傷などの問題があった。また、灰付着によるバーナ部の閉塞という問題もあった。

これらのスラッギングトラブルを避ける為に、ボイラ体格の大型化や、ボイラ負荷を下げるなどの対策が考えられる。しかし、このような対策は、ボイラのコンパクト化や高負荷運用に逆行することになり、好ましくない。

また、上述したスラッギングトラブルは、火炉内壁面付近の灰の粒子濃度が高く、灰の衝突頻度が高いことに起因するものである。このような対策について開示された文献として、下記特許文献１乃至３がある。

特許文献１には、火炉内のスラグの付着場所若しくは付着量を制御可能とした微粉炭バーナ及びそれを用いた低灰融点亜瀝青微粉炭燃焼方法が示されている。

特許文献２には、炉本体の各側壁において、濃微粉炭と、淡微粉炭との２種類の混合気の噴出用ノズルの近傍から二次空気をまとめて投入することにより燃料の着火安定性を向上させるとともに、三次空気の投入による空気層の形成によって炉側壁への溶融灰の付着を防止して伝熱性を向上させることができ、よって難燃性の石炭でも良好に燃焼させることが示されている。

特許文献３には、発電用あるいは工場用等の蒸気の発生を行う微粉炭焚きボイラにおいて、ボイラに装着するバーナ本数の増加、または、バーナ１本当たりの大容量化ではなしにバーナの大容量化を可能とすること、バーナに隣接した空気供給口が、ボイラ火炉の壁面側を流れ、灰の衝突防止と酸化雰囲気を形成して灰の溶融温度を上げることが示されている。

特開２００５−１５６０１５号公報 特公平６−５２１２２号公報 特開平１０−２１３３０９号公報

特許文献１及び３には、ボイラ火炉壁面付近に２次空気を流し、壁面への灰の付着を防ぐ方法が記載されている。しかし、２次空気は２次燃焼用空気として用いられるため、２次燃焼領域では燃焼熱により温度が上昇してしまい、火炉壁面付近の温度もつられて上昇してしまうおそれがある。

特許文献２には、ボイラ火炉壁に３次空気を供給する為の供給口を設け、旋回燃焼する火炎に向けて、ボイラ火炉壁付近を流して供給する方法が記載されているが、３次空気供給口は、バーナとは別に火炉本体に開口したものとなっている為、ボイラ火炉の構造が複雑となるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、スラッギングトラブルを低減するために、より簡便な構造で空気をボイラ火炉内壁面に供給し、火炉内壁面近傍領域の温度を確実に低下させることができる微粉炭バーナを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の微粉炭バーナは以下の手段を採用する。
本発明の微粉炭バーナは、微粉炭と１次空気との混合気をボイラ火炉内に供給する１次供給口と、該１次供給口に隣接した周囲に設けられ、２次空気を供給する２次供給口と、を備え、前記ボイラ火炉内で旋回燃焼を行う微粉炭バーナであって、前記２次供給口に隣接して設けられ、前記ボイラ火炉内壁面に沿って３次空気を供給する３次供給口を備えていることを特徴とする。

２次供給口に隣接して３次供給口を設け、この３次供給口からボイラ火炉内壁面に沿って３次空気を供給することとした。このように火炉内壁面に沿って３次空気の流れを形成することにより、灰がボイラ火炉内壁面に衝突する頻度を低減することができる。
また、２次供給口とは独立した３次供給口から３次空気がボイラ火炉内壁面に沿って流れるので、この領域を酸化雰囲気とするとともに確実に温度を低減することができる。これにより、還元雰囲気かつ高温で灰が溶融しやすい傾向にある環境を回避することができる。
また、２次空気供給口に隣接して３次空気供給口を設けることとしたので、簡便な構造で３次空気をボイラ火炉内壁面に沿って供給できる微粉炭バーナを提供することができる。
なお、灰の火炉内壁面衝突頻度を下げるため、３次空気の流速は、２次空気よりも大きくすることが好ましい。

さらに、本発明にかかる微粉炭バーナでは、前記３次供給口は、前記２次供給口に対して傾斜した状態で配置されていることを特徴とする。

３次供給口を２次供給口に対して傾斜した状態で配置することにより、２次供給口は旋回燃焼を行う方向に向ける一方で、３次供給口をボイラ火炉内壁面に沿う方向に向けることができる。これにより、３次供給口を２次供給口と一体化した微粉炭バーナを実現することができ、３次供給口を別置きとする必要がなくなる。
なお、２次供給口に対する３次供給口の傾斜角度は、例えば２０°以上とすることが好ましい。

さらに、本発明にかかる微粉炭バーナでは、前記３次供給口は、前記１次供給口および前記２次供給口と共通の風箱に接続されていることを特徴とする。

３次供給口を２次供給口と共通の風箱に接続することとし、２次空気と共通の空気を用いることとした。これにより、簡素化された構造の微粉炭バーナを提供することができる。

さらに、本発明にかかる微粉炭バーナでは、前記３次供給口は、前記２次供給口の上流側流路に接続されており、さらに該上流側流路が前記１次供給口と共通の前記風箱に接続されていることを特徴とする。

３次供給口を２次供給口の上流側流路に接続することにより、さらに構造を簡素化することができる。

さらに、本発明にかかる微粉炭バーナでは、前記１次供給口および前記２次供給口の上方および下方に設けられ、前記１次供給口および前記２次供給口から供給された微粉炭、１次空気および２次空気によって形成された火炎に向けて追加空気を供給する追加空気供給口を備えていることを特徴とする。

火炎上下からの追加空気によるボイラ火炉内壁面シールで、灰の壁面衝突頻度を更に低減させる事が可能であり、火炉内壁面付近の酸化雰囲気を強化することにより、灰の溶融点の温度を上げて、灰の溶融を低減させることができる。

本発明によれば、ボイラ火炉内壁面に沿って３次空気が流れる為、ボイラ火炉内壁面付近で、酸化雰囲気を形成し、かつガス温度を下げることにより、スラッギング性の高い燃料（低灰融点・高付着性）を燃焼した際でも、溶融灰がボイラ内の各部に付着することを防ぎ、ボイラ火炉内壁面付近で灰が溶融させにくい状態として、また、灰のボイラ火炉内壁面への衝突頻度を低下させることができる。
したがって、火炉内壁面への灰付着を防ぐことで、伝熱阻害や、大塊クリンカ落下による炉底損傷、バーナの閉塞などのリスクを軽減することができる。

本発明に係るバーナが適用されるボイラ火炉を示した横断面図である。 本発明に係るバーナの第１実施形態を示した正面図である。 図２に示したバーナの側断面図である。 図３に示したバーナの変形例を示した側断面図である。 本発明に係るバーナの第２実施形態を示した正面図である。 図５に示したバーナの側断面図である。 微粉炭焚きボイラの概略構成を示した縦断面図である。 従来の微粉炭バーナを示した側断面図である。

以下、本発明の微粉炭バーナ（以下、単に「バーナ」という。）の一実施形態について、図面を用いて説明する。
図７には、本発明の各実施形態にかかるバーナが適用される微粉炭焚きボイラ１の概略構成が示されている。微粉炭焚きボイラ１は、図示しないミルによって石炭を粉砕して得られた微粉炭を燃焼するボイラである。微粉炭焚きボイラ１は、火炉壁を貫通して設けられた複数のバーナ２を有している。これらバーナ２により、空気と共に、微粉炭燃料を送入し、ボイラ火炉内で燃焼させることにより、火炉壁水管１３、過熱器１１および、節炭器１２を加熱する。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
図１には、図７に示した微粉炭焚きボイラ１の火炉部分における横断面図が示されている。
図１に示されるように、微粉炭焚きボイラ１は、略正方形とされた横断面形状を有する。微粉炭焚きボイラ１の各コーナに一つずつ、バーナ２が備えられ、本実施形態では４つのバーナ２を備えている。このように各バーナ２をコーナに配置することによって、旋回燃焼を行うようになっている。
バーナ２は、ボイラ１の火炉内壁５の壁面側に、隣接して設けられた３次空気４を供給する３次供給口３を備えている。この３次供給口３によって、ボイラ１の火炉内壁５の壁面に沿って、２次空気８の流速以上で、３次空気４を供給している。

図２に示されているように、バーナ２は、微粉炭と１次空気を混ぜ合わせた混合気７を供給する１次供給口１０と、この１次供給口１０の外側を囲むように設けられ、二次空気８を供給する２次供給口９とを備えている。このように、バーナ２は、１次供給口１０と２次供給口９を備えた二重構造となっている。具体的には、１次供給口１０は第１壁部２０の内側に形成されており、２次供給口９は第１壁部２０の外側と第２壁部２１の内側との間に形成されている。
図３に示されているように、１次供給口１０と２次供給口９は、１次空気と２次空気８とが同軸方向に供給されるように構成されている。

本実施形態では、二重構造のバーナ２の１次供給口１０及び２次供給口９とは別に、ボイラ火炉内壁５側に３次供給口３を設けて３次空気４をボイラ火炉内壁５に沿うように流す構成となっている。具体的には、図３に示すように、第２壁部２１の下流側の途中位置にある分岐点２１ａをから下流側に延在する分岐壁部２３が設けられており、この分岐壁部２３と、その外側の第３壁部２２によって囲まれた領域に３次供給口３が設けられている。このように、３次供給口３は２次供給口９に隣接した状態で一体とされている。２次供給口９及び３次供給口３は、上流側にて同一の風箱（図示せず）に接続されている。このように、３次空気４を流す３次供給口３と２次供給口９とを一体としたバーナ２とされている。

次に上記構成のバーナの動作について説明する。
図示しないミルによって粉砕された微粉炭は、１次空気とともに１次供給口１０へと導かれる。１次供給口１０から火炉内へ導かれた混合気７は、着火して火炎６を形成する。一方、１次供給口１０と同じ風箱に接続された２次供給口９から２次空気８が火炉内へと供給される。２次空気８は火炎６の周囲へと導かれ、２次燃焼を行う。
また、１次供給口１０及び２次供給口９と同じ風箱に接続された３次供給口３から３次空気４が火炉内へ供給される。３次空気４は、火炉内壁５に沿って供給され、２次空気８以上の流速で供給される。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
３次空気４を、ボイラ１の火炉内壁５側に供給することによって、ボイラ火炉内壁５付近に酸素を供給することができる。このようにして酸化雰囲気とすることで、還元雰囲気に比べて灰の溶融温度を上昇させ、火炉内壁５における灰の付着を抑制することができる。
この時３次空気４の空気量は２次空気８の５％〜１０％程度が好ましく、空気量が５％未満の場合では、十分な酸化雰囲気状態とならず、灰の溶融温度を上昇させることができない。また、１０％を超えるとバーナ近傍で空気不足になり、火炎の着火位置が離れＮＯｘが増加してしまう。なお、より好ましくは、７％〜１０％程度である。
３次空気４が、１次供給口１０より吹き出される混合気７以上の流速で、火炉内壁５側に向けて供給される為、火炉内壁５への灰の衝突頻度を低減させることができる。
３次空気４の流速は、混合気７の流速の１．１倍以上とすることが好ましく、さらに好ましくは１．２倍以上の流速とすることである。例えば、本実施形態においては、混合気７の流速が２５ｍ／ｓの場合、３次空気４の流速は３０ｍ／ｓ以上と設定されている。なお、３次空気４の流速は、所定の流速となるよう３次供給口３の開口面積を設定する。
１次供給口１０及び２次供給口９とは異なり、火炉内壁５に向けて３次供給口３が備えられている為、火炉中心温度と比べて、低い温度で、火炉内壁５に向けて３次空気４を供給することができる。これにより、ボイラ火炉内壁５付近の温度が冷やされて、灰の溶融を低減させて、火炉内壁５に灰が衝突した際でも、付着を低減することができる。
３次空気４を流す供給口３と２次供給口９とを一体としたバーナ２としたので、３次空気供給口３を別置きとすることなく、簡便な構造とすることが出来、ボイラ１の小型化が可能となる。

なお、上述したバーナ２は、第２壁部２１によって３次空気４と２次空気８とが独立させた構成とされているが、図４のように変形しても良い。
図４に示すように、第２壁部２１の上流側端部２１ｂを分岐点２１ａの上流側の途中位置に配置し、さらにその上流側では第２壁部２１を省略することにより３次空気４と２次空気８とを共有させる構成としてもよい。
すなわち、２次空気８と３次空気４とを上流側で一体にして用いても良い。２次空気８と３次空気４を一体にして用いることで、簡便な構造とすることが出来、ボイラ１の小型化が可能となる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図５〜図６を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態に示したバーナ２に加えて、上下から火炎６に向けて追加空気を供給するようになっている。したがって、第１実施形態と同様の構成には同一符号を付しその説明を省略する。
図５で示されているように、２次供給口９の上下には、第１追加吸気供給口１４及び第２追加空気供給口１５がそれぞれ設けられている。さらに、第１追加空気供給口１４の火炉壁面側（同図において左方）には第３追加空気供給口１６が設けられ、第２追加空気供給口１５の火炉壁面側には第４追加空気供給口１７が設けられている。追加空気供給口１６，１７は、図６に示すように、第１供給口９及び第２供給口１０によって形成された火炎６に向けて追加空気を供給するようになっている。
第１追加供給口１４及び第２追加供給口１５は、１次供給口１０及び２次供給口９と同軸方向に向けて追加空気を流すようになっている。
図６に示すように、３次供給口３の上部に位置する第３追加空気供給口１６は、火炉内壁５へ向けて火炎６の上方から追加空気を供給し、３次供給口３の下部に位置する第４追加空気供給口１７は、火炉内壁５へ向けて火炎６の下方から追加空気を供給する。上部及び下部の３次空気４の供給角度は、火炎の中間点付近で交差させるように設定されることが好ましい。
なお、３次空気４の供給角度を変えられるように、３次供給口３の先端を可変機構としても良く、火炎の強弱により火炎の中間点位置が多少ずれた場合であっても、これに応じて中間点付近で３次空気４を交差させることができる。

本実施形態によれば、第３追加空気供給口１６及び第４追加空気供給口１７から、火炉内壁５へ向けて火炎６の上下から、追加空気を供給することとしたので、火炎６の上下に位置する火炉内壁５に対しても灰の衝突を低減することができる。

１ ボイラ
２ 微粉炭バーナ
３ ３次供給口
４ ３次空気
５ ボイラ火炉内壁
６ 火炎
７ 混合気（石炭＋1次空気）
８ ２次空気
９ ２次供給口
１０ １次供給口
１１ 過熱器
１２ 節炭器
１３ 火炉壁水管
１４ 上部追加供給口
１５ 下部追加供給口
１６ 第３追加空気供給口
１７ 第４追加空気供給口
２０ 第１壁部
２１ 第２壁部
２１ａ 分岐点
２１ｂ 第２壁部上流側端部
２２ 第３壁部
２３ 分岐壁部
１０２ 従来型微粉炭バーナ
１０７ 従来型微粉炭バーナ１次供給口
１０８ 従来型微粉炭バーナ２次供給口

Claims (5)

1. 微粉炭と１次空気との混合気をボイラ火炉内に供給する１次供給口と、
   該１次供給口に隣接した周囲に設けられ、２次空気を供給する２次供給口と、
   を備え、前記ボイラ火炉内で旋回燃焼を行う微粉炭バーナであって、
   前記２次供給口に隣接して設けられ、前記ボイラ火炉内壁面に沿って３次空気を供給する３次供給口を備えていることを特徴とする微粉炭バーナ。
2. 前記３次供給口は、前記２次供給口に対して傾斜した状態で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の微粉炭バーナ。
3. 前記３次供給口は、前記１次供給口および前記２次供給口と共通の風箱に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の微粉炭バーナ。
4. 前記３次供給口は、前記２次供給口の上流側流路に接続されており、さらに該上流側流路が前記１次供給口と共通の前記風箱に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の微粉炭バーナ。
5. 前記１次供給口および前記２次供給口の上方および下方に設けられ、前記１次供給口および前記２次供給口から供給された微粉炭、１次空気および２次空気によって形成された火炎に向けて追加空気を供給する追加空気供給口を備えている事を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の微粉炭バーナ。

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