JP2013234843A - 固体燃料焚きバーナ及び固体燃料焚きボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】火炎の外周に形成される高温酸素残存領域を抑制し、最終的なＮＯｘ発生量の低減を可能にした固体燃料焚きバーナを提供する。
【解決手段】粉体の固体燃料及び空気を炉内へ投入する固体燃料焚きバーナ２０が、燃料バーナ２１と２次空気投入ポート３０とを備え、さらに、燃料バーナ２０が、内部保炎を有し固体燃料及び１次空気を炉内へ投入するコール１次ポート２２と、コール１次ポート２２の周囲を取り囲むように設けられて２次空気の一部を投入する保炎しないコール２次ポート２３とを備え、２次空気投入ポート３０は、燃料バーナ２０の上下及び／または左右に各々配置されて流量調整手段を有し、内部保炎が、コール１ポート２２の流路前方部に配設された１または複数のスプリット部材２４によりなされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば微粉炭等の固体燃料（粉体燃料）を焚く固体燃料焚きバーナ及び固体燃料焚きボイラに関する。

従来、固体燃料焚きのボイラには、たとえば固体燃料として微粉炭（石炭）を焚く微粉炭焚きボイラがある。このような微粉炭焚きボイラにおいては、旋回燃焼ボイラ及び対向燃焼ボイラという二種類の燃焼方式が知られている。
このうち、微粉炭焚きの旋回燃焼ボイラにおいては、燃料の微粉炭とともに石炭焚きバーナ（固体燃料焚きバーナ）から投入される１次空気の上下に２次空気投入用の２次空気投入ポートを設置して、石炭焚きバーナ周囲の２次空気について流量調整を行っている。（たとえば、特許文献１参照）

上述した１次空気は、燃料の微粉炭を搬送するために必要な空気量であるから、石炭を粉砕して微粉炭とするローラミル装置において空気量が規定される。
上述した２次空気は、旋回燃焼ボイラ内において火炎全体を形成するために必要となる空気量を吹き込むものである。従って、旋回燃焼ボイラの２次空気量は、概ね微粉炭の燃焼に必要な全空気量から１次空気量を差し引いたものとなる。

一方、対向燃焼ボイラのバーナにおいては、１次空気（微粉炭供給）の外側に２次空気及び３次空気を導入して空気導入量の微調整を行うことが提案されている。（たとえば、特許文献２参照）

特許第３６７９９９８号公報 特開２００６−１８９１８８号公報

ところで、上述した従来の旋回燃焼ボイラにおいては、石炭焚きバーナの上下に設けられる２次空気投入用の２次空気投入ポートが各々１本とされ、２次空気投入ポートから投入される２次空気量の微調整はできない構成となっている。このため、火炎の外周には高温酸素残存領域が形成されることとなり、特に２次空気が集中する領域では、高温酸素残存領域が強くなってＮＯｘ発生量を増加させる要因となるため好ましくない。

また、従来の石炭焚きバーナは、バーナ外周に保炎機構（先端角度の調整、旋回等）を設置し、さらに、すぐ外周に近接して２次空気（あるいは３次空気）の投入ポートを設置することが一般的である。このため、火炎の外周で着火が起こり、火炎の外周において大量の空気が混合されることとなる。この結果、火炎外周の燃焼は、火炎外周の高温酸素残存領域において酸素濃度が高い高温状態で進行することになり、従って、ＮＯｘは火炎外周で発生していた。
このようにして、火炎外周の高温酸素残存領域で発生したＮＯｘは、火炎の外周を通過するので、火炎内部と比較して還元が遅れることとなり、これが石炭焚きボイラからＮＯｘを発生させる要因となっていた。

一方、対向燃焼ボイラにおいても、旋回により、火炎外周で着火するため、火炎の外周で同様にＮＯｘが発生する要因となっていた。

このような背景から、上述した従来の石炭焚きバーナ及び石炭焚きボイラのように、粉体の固体燃料を焚く固体燃料焚きバーナ及び固体燃料焚きボイラにおいては、火炎の外周に形成される高温酸素残存領域を抑制し、追加空気投入部から排出される最終的なＮＯｘ発生量を低減することが望まれる。
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、火炎の外周に形成される高温酸素残存領域を抑制（弱く）することにより、追加空気投入部から排出される最終的なＮＯｘ発生量の低減を可能にした固体燃料焚きバーナ及び固体燃料焚きボイラ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。
本発明の請求項１に係る固体燃料焚きバーナは、バーナ部と追加空気投入部とに分けて低ＮＯｘ燃焼を行う固体燃料焚きボイラの前記バーナ部に用いられ、粉体の固体燃料及び空気を炉内へ投入する固体燃料焚きバーナが、前記固体燃料及び空気を炉内へ投入する燃料バーナと、２次空気を投入する２次空気投入ポートとを備え、前記燃料バーナが、内部保炎を有し前記固体燃料及び１次空気を炉内へ投入するコール１次ポートと、該コール１次ポートの周囲を取り囲むように設けられて前記２次空気の一部を投入する保炎しないコール２次ポートとを備え、前記２次空気投入ポートは、前記燃料バーナの上下及び／または左右に各々配置されて流量調整手段を有し、前記内部保炎が、前記コール１次ポートの流路前方部に配設された１または複数のスプリット部材によりなされることを特徴とするものである。

このような本発明の固体燃料焚きバーナによれば、固体燃料焚きバーナを構成する燃料バーナが、内部保炎を有し固体燃料及び１次空気を炉内へ投入するコール１次ポートと、コール１次ポートの周囲を取り囲むように設けられて２次空気の一部を投入する保炎しないコール２次ポートとを備え、２次空気投入ポートは、燃料バーナの上下及び／または左右に各々配置されて流量調整手段を有し、内部保炎は、コール１次ポートの流路前方部に配設された１または複数のスプリット部材によりなされるので、追加空気投入部の空気量（追加空気投入量）を低減することができる。

上述した追加空気投入量の低減は、内部保炎を有する燃料バーナのコール１次ポート及び保炎しないコール２次ポートの採用により、燃料バーナの着火がコール１次ポートの内部保炎により強化されることと、火炎内部への空気拡散が良好になり、火炎内に形成される酸素残存領域が抑制されることとによって可能になる。すなわち、火炎の外周に形成される高温酸素残存領域が抑制され、しかも、着火の強化により火炎内でＮＯｘを発生させて効果的なＮＯｘ還元が行われるようになるので、追加空気投入部に到達するＮＯｘ量は減少する。さらに、追加空気投入部においては、追加空気投入量が減少しているので、追加空気投入部で発生するＮＯｘ量も減少し、この結果、最終的に排出されるＮＯｘ量を低減することができる。
また、保炎しないコール２次ポートの採用は、火炎外周で発生するＮＯｘ量の低減にも有効である。

そして、本発明の固体燃料焚きバーナは、コール１次ポートの流路前方部に配設された１または複数のスプリット部材を備えているので、このスプリット部材は、燃料バーナの出口開口中央付近で内部保炎機構として機能する。このスプリット部材により、内部保炎が可能となるため、中央部がより空気不足となってＮＯｘ還元が進行する。

本発明の請求項２に係る固体燃料焚きバーナは、バーナ部と追加空気投入部とに分けて低ＮＯｘ燃焼を行う固体燃料焚きボイラの前記バーナ部に用いられ、粉体の固体燃料及び空気を炉内へ投入する固体燃料焚きバーナが、前記固体燃料及び空気を炉内へ投入する燃料バーナと、２次空気を投入する２次空気投入ポートとを備え、前記燃料バーナが、内部保炎を有し前記固体燃料及び１次空気を炉内へ投入するコール１次ポートと、該コール１次ポートの周囲を取り囲むように設けられて前記２次空気の一部を投入する保炎しないコール２次ポートとを備え、前記２次空気投入ポートは、前記燃料バーナの上下及び／または左右に各々配置されて流量調整手段を有し、前記内部保炎が、前記コール１ポートの流路前方部に配設された複数方向のスプリット部材によりなされることを特徴とするものである。
このような固体燃料焚きバーナによれば、粉体燃料及び空気を炉内へ投入する固体燃料焚きバーナが、コール１次ポートの流路前方部に配設された複数方向のスプリット部材を備えているので、燃料バーナの出口開口中央付近に対し、内部保炎機構として機能するスプリット部材の交差部を容易に設けることができる。

このため、スプリット部材が交差する燃料バーナのコール１次ポート出口開口中央付近においては、粉体燃料及び空気の流れが流路を分割するスプリット部材の存在により乱される。この結果、空気の混合・拡散が火炎の内部まで促進され、さらに着火面が細分化されることになるため、着火位置が火炎の中央に寄り、燃料の未燃分が低減される。すなわち、スリット部材に沿って火炎の中心部まで酸素が入り込みやすくなるので、火炎外周の高温酸素残存領域を抑制して内部着火が効果的に行われるようになる。こうして火炎内部の着火が促進されることにより、火炎外周の高温酸素残存領域で着火する場合と比較すれば、火炎内部で迅速な還元が行われるようになるため、ＮＯｘの発生量は低減する。
なお、このような固体燃料焚きバーナでは、従来バーナ外周に設置していた保炎器をなくしたほうが望ましく、これにより、火炎外周でのＮＯｘ発生をより抑制することができる。

また、本発明の固体燃料焚きバーナは、前記スプリット部材により形成される着火面長さ（Ｌｆ）を前記燃料バーナの出口開口周長（Ｌ）よりも大きく（Ｌｆ＞Ｌ）なるように設定することが好ましい。
このようにしてスプリット部材の長さを設定すると、火炎外周で着火させるよりも着火面長さ（Ｌｆ）によって与えられる着火面が広くなるので、火炎外周着火と比較して内部着火が強化され、火炎内部における迅速な還元が促進される。
さらに、スプリット部材により火炎が内部で細分化されるため、火炎内部における迅速な燃焼が可能になる。

また、本発明の固体燃料焚きバーナは、前記スプリット部材が、前記燃料バーナの出口開口中央を密にして配置されていることが好ましい。
このようにして、内部保炎機構であるスプリット部材の配置が出口開口の中央で密になると、スプリット部材は燃料バーナの中央部に集中して配置されているので、火炎中央部の着火がより一層促進され、ＮＯｘは火炎内部で発生して迅速に還元される。
また、中央に配置するスプリット部材を密にすると、燃料バーナ内部のフリーエリアが小さくなるので、スプリット部材の圧力損失は相対的に大きくなる。従って、燃料バーナ内部を流れる粉体燃料及び空気の流速が低下し、より迅速な着火を生じさせることができる。

また、本発明の固体燃料焚きバーナにおいて、前記２次空気投入ポートは、各々に流量調整手段を有する独立した複数の流路に分割されていることが好ましい。
このように構成した固体燃料焚きバーナは、火炎の外周に投入される２次空気量について、複数に分割された流路毎に流量調整手段を操作して所望の値となるよう流量配分を行うことが可能になる。従って、火炎外周に投入される２次空気量の適正化により、高温酸素残存領域の形成を抑制または防止することができる。

また、本発明の固体燃料焚きバーナは、前記２次空気投入ポートが各々流量調整手段を有する独立した複数の流路に分割され、かつ、前記燃料バーナの流路前方部にスプリット部材を配設することが好ましい。

このような固体燃料焚きバーナによれば、２次空気投入ポートは、各々流量調整手段を有する独立した複数の流路に分割され、かつ、燃料バーナの流路前方部に配設したスプリット部材を備えているので、火炎の外周に投入される２次空気量について、複数に分割された流路毎に流量調整手段を操作して所望の値となるよう流量配分を行うことができる。従って、火炎外周に投入される２次空気量を適正化することにより、高温酸素残存領域の形成を抑制または防止することができる。

また、燃料バーナの流路前方部にスプリット部材を設けたことにより、粉体燃料及び空気の流れに乱れを生じさせて火炎内部で着火させることが可能になる。この結果、ＮＯｘは火炎内部で発生し、発生したＮＯｘは還元作用がある炭化水素類を多く含み、空気不足である火炎内で迅速に還元される。すなわち、スプリット部材により内部保炎を強化し、高温酸素残存領域の形成を防止または抑制することができる。
従って、このような固体燃料焚きバーナでは、従来バーナ外周に設置していた保炎器はないほうが望ましい。

また、本発明の固体燃料焚きバーナは、前記粉体の固体燃料及び空気の流れに圧力損失を付与する整流機構を前記スプリット部材の上流側に設けておくことが望ましい。
このような整流機構は、流路に設けられたベンドを通過することにより生じた粉体燃料の流量偏差を解消するので、スプリット部材による内部保炎機構を有効に活用することができる。

また、本発明の固体燃料焚きバーナにおいて、前記２次空気投入ポートは、角度調整機構を備えていることが望ましい。
このように、２次空気投入ポートが角度調整機構を備えていれば、２次空気ポートから火炎のさらに外側へ向けて、最適な２次空気の供給が可能となる。さらに、旋回を利用しないため、火炎の過剰な拡がりを防止しながら、高温酸素残存領域の形成を防止または抑制することができる。

また、本発明の固体燃料焚きバーナは、前記２次空気投入ポートから投入される空気量の配分を、未燃分及び窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量に基づいてフィードバック制御することが望ましい。
このようなフィードバック制御を実施することにより、２次空気の配分を自動的に最適化することができる。この制御において、たとえば未燃分が多い場合には、火炎の外周面に近い内側への２次空気配分を増加させ、窒素酸化物の排出量が高い場合には、火炎の外周面から遠い外側への２次空気配分を増加させる。
なお、未燃分の計測については、たとえば採取した灰を都度分析してもよいし、あるいは、レーザー光の散乱から炭素濃度を測定する計器を採用してもよい。

また、本発明の固体燃料焚きバーナにおいて、前記２次空気投入ポートから投入される空気量は、前記バーナ部から追加空気投入部までの領域を還元雰囲気とする空気の多段投入との間で分配されることが望ましい。
このようして空気量を分配すると、火炎外周に形成される高温酸素残存領域の抑制による窒素酸化物低減と、還元雰囲気にして燃焼排ガス中の窒素酸化物を低減することとの相乗効果により、窒素酸化物の発生量をより一層低減することができる。

また、本発明の固体燃料焚きバーナは、前記燃料バーナのコール２次ポートへ空気を供給する系統と、前記２次空気投入ポートへ空気を供給する系統とを分離することが望ましい。
このような空気供給系統にすれば、２次空気投入ポートが複数に分割された多段になっても、空気量の調整を確実に実施することができる。

また、本発明の固体燃料焚きバーナにおいて、前記２次空気投入ポートの複数の流路は、前記燃料バーナを円形として外周方向へ同心円状の多段に設けられていることが望ましい。
このように構成された固体燃料焚きバーナは、特に、対向燃焼ボイラ用のバーナとして適用可能である。また、円周から均一に空気が導入されることから、より精密に高温高酸素領域を低減できる。

本発明の固体燃料焚きボイラは、前記粉体の固体燃料及び空気を炉内へ投入する請求項１から１１のいずれか１項に記載の固体燃料焚きバーナが、前記炉内のコーナ部あるいは壁面部に配置されていることを特徴とするものである。

本発明の固体燃料焚きボイラによれば、粉体の固体燃料及び空気を炉内へ投入する請求項１から１１のいずれか１項に記載の固体燃料焚きバーナを備えているので、燃料バーナのコール１次ポート出口開口中央付近に配置されて内部保炎機構として機能するスプリット部材が粉体燃料及び空気の流路を分割して流れを乱す。この結果、空気の混合及び拡散が火炎の内部まで促進され、さらに着火面が細分化されることにより、着火位置が火炎の中央に寄って燃料の未燃分を低減する。すなわち、火炎の中心部まで酸素が入り込みやすくなるので、内部着火が効果的に行われるようになり、従って、火炎内部で迅速な還元が行われてＮＯｘの発生量は低減される。

本発明の参考例となる固体燃料焚きバーナの運転方法は、バーナ部と追加空気投入部とに分けて低ＮＯｘ燃焼を行う固体燃料焚きボイラの前記バーナ部に用いられ、粉体の固体燃料及び空気を炉内へ投入する固体燃料焚きバーナが、前記固体燃料及び空気を炉内へ投入する燃料バーナと、２次空気を投入する２次空気投入ポートとを備え、さらに、前記燃料バーナが、内部保炎を有し前記固体燃料及び１次空気を炉内へ投入するコール１次ポートと、該コール１次ポートの周囲を取り囲むように設けられて前記２次空気の一部を投入する保炎しないコール２次ポートとを備え、前記燃料バーナの空気比を０．８５以上に設定して運転することを特徴とするものである。

このような固体燃料焚きバーナの運転方法によれば、固体燃料焚きバーナの燃料バーナが、内部保炎を有し固体燃料及び１次空気を炉内へ投入するコール１次ポートと、コール１次ポートの周囲を取り囲むように設けられて２次空気の一部を投入する保炎しないコール２次ポートとを備え、燃料バーナの空気比が０．８５以上に設定して運転されるので、追加空気投入部の空気量（追加空気投入量）は、たとえば空気比０．８の場合と比較して低減する。この結果、追加空気投入量が減少した追加空気投入部においては、最終的なＮＯｘ発生量が減少する。

上述した本発明の固体燃料焚きバーナ及び固体燃料焚きボイラによれば、固体燃料焚きバーナの燃料バーナが、内部保炎を有するコール１次ポートと、保炎しないコール２次ポートとを備えているので、追加空気投入量の低減により追加空気投入部のＮＯｘ発生量も低減する。
また、火炎の外周に形成される高温酸素残存領域が抑制され、予混合燃焼に近い燃焼をする火炎内部で発生したＮＯｘが効果的に還元されることから、追加空気投入部に到達するＮＯｘ量の減少及び追加空気投入により発生するＮＯｘ量の減少により、追加空気投入部から最終的に排出されるＮＯｘ量が減少する。

そして、燃料バーナのコール１次ポート出口開口に内部保炎機構として機能する複数方向のスプリット部材を設けたので、スプリット部材が交差する燃料バーナの出口開口中央付近では、粉体燃料及び空気の流路を分割して流れを乱す。この結果、空気の混合及び拡散が火炎の内部まで促進され、さらに、スプリット部材が着火面を細分化するので、着火位置が火炎の中央に寄り、燃料の未燃分は低減される。これは、火炎の中心部まで酸素が入り込みやすくなるためであり、この酸素によって内部着火が効果的に行われるようになるので、火炎内部で迅速な還元が行われるようになり、固体燃料焚きボイラから最終的に排出されるＮＯｘの発生量は低減される。

また、２次空気の投入を調整することにより、火炎外周に対する２次空気の集中を防止または抑制できるようになり、この結果、火炎の外周に形成される高温酸素残存領域を抑制して窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を低減することが可能になる。

本発明に係る固体燃料焚き（石炭燃料焚きバーナ）について第１の実施形態を示す図で、（ａ）は固体燃料焚きバーナを火炉内から見た正面図、（ｂ）は（ａ）に示す固体燃料焚きバーナのＡ−Ａ断面図（固体燃料焚きバーナの縦断面図）である。 図１の固体燃料焚きバーナに空気を供給している空気供給系統を示す図である。 本発明に係る固体燃料焚きボイラ（石炭焚きボイラ）の構成例を示す縦断面図である。 図３の横（水平）断面図である。 追加空気投入部を備えて空気を多段投入する固体燃料焚きボイラの概要を示す説明図である。 図１に示した固体燃料焚きバーナのスプリット部材について、（ａ）は断面形状の一例を示す図、（ｂ）断面形状の第１変形例を示す図、（ｃ）は断面形状の第２変形例を示す図、（ｄ）は断面形状の第３変形例を示す図である。 図１に示す固体燃料焚きバーナのコール１次ポートについて、（ａ）はスプリット部材の配置が異なる第１変形例を示す正面図、（ｂ）は着火面長さ（Ｌｆ）の定義を補足する説明図である。 図１に示す固体燃料焚きバーナのコール１次ポートについて、スプリット部材の配置が異なる第２変形例を示す正面図である。 第１の実施形態に係る固体燃料焚きバーナの第３変形例として、バーナ根元に整流機構を設けた構成例を示す縦断面図である。 本発明に係る固体燃料焚きバーナについて、（ａ）は第２の実施形態を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示す固体燃料焚きバーナを火炉内から見た正面図、（ｃ）は（ａ）及び（ｂ）の固体燃料焚きバーナに空気を供給している空気供給系統を示す図である。 図１０に示した固体燃料焚きバーナの第１変形例として、（ａ）はスプリット部材を備えた固体燃料焚きバーナの構成例を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示す固体燃料焚きバーナを火炉内から見た正面図である。 図１０に示した固体燃料焚きバーナの第２変形例として、側部２次空気ポートを備えた固体燃料焚きバーナを火炉内から見た正面図である。 図１０（ａ）に示す固体燃料焚きバーナの２次空気投入ポートが角度調整機構を備えている構成例を示す縦断面図である。 図１０（ｃ）に示す空気供給系統の変形例を示す図である。 図９に示した第１の実施形態の第３変形例と、図１０に示した第２の実施形態とを組み合わせた構成例を示す固体燃料焚きバーナの縦断面図である。 対向燃焼ボイラに好適な固体燃料焚きバーナを火炉内から見た正面図である。 内部保炎の保炎器位置（保炎器位置／実質微粉炭流幅）と、ＮＯｘ発生量（相対値）との関係を示す実験結果のグラフである。 図１７に示したグラフの保炎器位置について、燃料バーナの比較例を示す図である。 スプリット占有率とＮＯｘ発生量（相対値）との関係を示す実験結果のグラフである。 同一方向スプリット及びクロススプリットについて、未燃分発生量の相対値を示す実験結果のグラフである。 従来及び本発明について、バーナ部、バーナ部〜ＡＡ部間及びＡＡ部におけるＮＯｘ発生量の相対値を示す実験結果のグラフである。 従来及び本発明について、バーナ部〜ＡＡ部間の空気比とＮＯｘ発生量（相対値）との関係を示す実験結果のグラフである。

以下、本発明に係る固体燃料焚きバーナ及び固体燃料焚きボイラの一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、固体燃料焚きバーナ及び固体燃料焚きボイラの一例として、微粉炭（粉体の固体燃料である石炭）を燃料とする固体燃料焚きバーナを備えた旋回燃焼ボイラについて説明するが、これに限定されることはない。
図３〜図５に示す旋回燃焼ボイラ１０は、火炉１１内へ空気を多段で投入することにより、バーナ部１２から追加空気投入部（以下、「ＡＡ部」と呼ぶ）１４までの領域を還元雰囲気にして燃焼排ガスの低ＮＯｘ化を図っている。

図中の符号２０は微粉炭（粉体の固体燃料）及び空気を投入する固体燃料焚きバーナ、１５は追加空気を投入する追加空気投入ノズルである。固体燃料焚きバーナ２０には、たとえば図３に示すように、微粉炭を１次空気で搬送する微粉炭混合気輸送管１６及び２次空気を供給する送気ダクト１７が接続され、追加空気投入ノズル１５には、２次空気を供給する送気ダクト１７が接続されている。
このように、上述した旋回燃焼ボイラ１０は、粉体燃料の微粉炭（石炭）及び空気を火炉１１内へ投入する固体燃料焚きバーナ２０が各段の各コーナ部に配置される旋回燃焼方式のバーナ部１２とされ、各段にそれぞれ１または複数の旋回火炎が形成される旋回燃焼方式を採用している。

＜第１の実施形態＞
図１に示す固体燃料焚きバーナ２０は、微粉炭及び空気を投入する微粉炭バーナ（燃料バーナ）２１と、微粉炭バーナ２１の上下に各々配置された２次空気投入ポート３０とを備えている。
２次空気投入ポート３０は、ポート毎の空気流量調整を可能にするため、たとえば図２に示すように、送気ダクト１７から分岐した２次空気の供給ライン毎に、流量調整手段として開度調整可能なダンパ４０を備えている。

上述した微粉炭バーナ２１は、１次空気により搬送された微粉炭を投入する矩形状のコール１次ポート２２と、コール１次ポート２２の周囲を取り囲むように設けられて２次空気の一部を投入するコール２次ポート２３とを備えている。なお、コール２次ポート２３についても、図２に示すように、流量調整手段として開度調整可能なダンパ４０を備えている。なお、コール１次ポート２２は、円形や楕円でもよい。

微粉炭バーナ２１の流路前方部には、すなわち、コール１次ポート２２の流路前方部には、複数方向のスプリット部材２４が配設されている。このスプリット部材２４は、たとえば図１（ａ）に示すように、コール１次ポート２２の出口開口部において上下方向及び左右方向に各々２本ずつ、合計４本が所定の間隔を有する格子状に配設されている。
すなわち、４本のスプリット部材２４は、上下方向及び左右方向の異なる２方向に向けて格子状に配設されることで、微粉炭バーナ２１におけるコール１次ポート２２の出口開口部を細分化（９分割）している。

上述したスプリット部材２４は、たとえば図６（ａ）〜図６（ｄ）に示すような断面形状を採用することにより、微粉炭及び空気の流れをスムーズに分離させて乱すことができる。
図６（ａ）に示すスプリット部材２４は、三角形の断面形状を有している。図示の三角形は正三角形や二等辺三角形であり、火炉１１内に向けた出口側の一辺が微粉炭及び空気の流れ方向と略直交するように配置されている。換言すれば、三角形断面を形成する角部の１つを、微粉炭及び空気の流れ方向に向けた配置が採用されている。

図６（ｂ）に示すスプリット部材２４Ａは、略Ｔ字状の断面形状を有し、火炉１１内に向けた出口側に微粉炭及び空気の流れ方向と略直交する面が配置されている。なお、このような略Ｔ字状断面形状を変形させることにより、たとえば図６（ｃ）に示すように、台形状の断面形状を有するスプリット部材２４Ａ′としてもよい。

また、図６（ｄ）に示すスプリット部材２４Ｂは、略Ｌ字状の断面形状を有している。すなわち、上述した略Ｔ字状の一部を切り取ったような断面形状であり、特に、左右（水平）方向に配置する場合においては、上方の凸部を除去した略Ｌ字形状にすれば、スプリット部材２４Ｂに微粉炭が堆積することを防止できる。なお、上方の凸部を除去した分、下方の凸部を大きくすることで、スプリット部材２４Ｂに必要な分離性能を確保することができる。
しかし、上述したスプリット部材２４等の断面形状については、たとえば略Ｙ字形状等のように、図示の例に限定されることはない。

このように構成した固体燃料焚きバーナ２０において、微粉炭バーナ２１の出口開口中央付近に設置したスプリット部材２４は、微粉炭及び空気の流路を分割して流れを内部で乱すとともにスプリットの前方に再循環域が形成されるため、内部保炎機構として機能する。
一般に、従来の固体燃料焚きバーナ２０は、火炎外周で輻射を受けて燃料の微粉炭に着火する。火炎外周で微粉炭に着火すると、ＮＯｘは高温の酸素が残存する火炎外周の高温酸素残存領域Ｈ（図１（ｂ）参照）で発生し、十分に還元されないまま残存してＮＯｘ排出量を増加させている。

しかし、内部保炎機構として機能するスプリット部材２４が設けられたことにより、微粉炭は火炎内部で着火するようになる。このため、ＮＯｘは火炎内部で発生し、火炎内部で発生したＮＯｘは還元作用を有する炭化水素類を多く含んでいることから、空気不足の状態にある火炎内で迅速に還元される。従って、火炎外周に保炎器を設置する保炎をやめて、すなわち、バーナ外周に保炎機構を設置しない構造の固体燃料焚きバーナ２０とし、火炎外周でのＮＯｘ発生を抑制することも可能になる。

特に、複数方向のスプリット部材２４を配設することにより、微粉炭バーナ２１の出口開口中央付近に対し、異なる方向のスプリット部材２４を交差させた交差部を容易に設けることができる。このような交差部が微粉炭バーナ２１の出口開口中央付近に存在していると、微粉炭バーナ２１の出口開口においては、中央付近で微粉炭及び空気の流路が複数に分割されるので、複数に分流する際に流れが乱される。
すなわち、スプリット部材２４が左右一方向の場合、中央部における空気の拡散や着火が遅れて未燃分増加の原因になるが、スプリット部材２４を複数方向に配設して交差部が形成されると、空気の混合が促進されるとともに着火面が細分化されるので、火炎の中心部まで空気（酸素）が入り込みやすくなり、結果として未燃分の低減が可能になる。

換言すれば、交差部を形成するようにスプリット部材２４を配設すれば、空気の混合・拡散が火炎の内部まで促進され、さらに着火面が細分化されることにより、着火位置が火炎の中央部（軸中心部）に寄って微粉炭の未燃分を低減する。すなわち、火炎の中心部まで酸素が入り込みやすくなるので、内部着火が効果的に行われるようになり、従って、火炎内部で迅速な還元が行われてＮＯｘの発生量は低減される。
この結果、火炎外周に設置した保炎器による保炎をやめ、火炎外周に保炎器のない固体燃料焚きバーナ２０を用いて火炎外周でのＮＯｘ発生を抑制することは、より一層容易になる。

続いて、図１（ａ）に示した固体燃料焚きバーナ２０のコール１次ポート２２について、スプリット部材２４の配置が異なる第１変形例を図７（ａ）及び図７（ｂ）に基づいて説明する。
この変形例では、コール１次ポート２２の流路前方部に、出口開口の上下方向に配設した２本のスプリット部材２４と、出口開口の左右方向に配設した１本のスプリット部材２４とを備えている。

図示のスプリット部材２４においては、スプリット部材２４により形成される着火面長さ（Ｌｆ）が、微粉炭バーナ２１を構成するコール１次ポート２２の出口開口周長（Ｌ）より大きく（Ｌｆ＞Ｌ）なるように設定されている。
ここで、コール１次ポート２２の出口周長（Ｌ）は、矩形を構成する４辺の長さを合計したものであるから、縦寸法Ｈ及び横寸法Ｗにより、Ｌ＝２Ｈ＋２Ｗで表される。

一方、スプリット部材２４の着火面長さ（Ｌｆ）は、幅を有するスプリット部材２４の両側に着火面が形成されることから、スプリット部材２４の長さをＳとすれば、３本あるスプリット部材２４の両側の合計長さは、Ｌｆ＝６Ｓで表される。この場合の長さＳは、上下方向に配設した短いスプリット部材２４の長さを採用しているので、交差部の存在を考慮しても、算出される着火面長さ（Ｌｆ）は安全サイドの概算値となる。
なお、着火面長さ（Ｌｆ）については、たとえば図７（ｂ）に示すように、スプリット製作の方法等により両端部に細い部分２４ａを有する構造のスプリット部材２４′の場合、両端の細い部分２４ａも着火面として考える。

このようにしてスプリット部材２４の長さを設定すると、火炎外周で着火させるよりも着火面長さ（Ｌｆ）によって与えられる着火面が広くなる。従って、出口開口周長（Ｌ）により定まる火炎外周着火と比較すれば、着火面長さ（Ｌｆ）により定まる内部着火が強化されるので、火炎内で発生したＮＯｘの迅速な還元が可能となる。
さらに、スプリット部材２４により火炎が内部で細分化されるため、火炎の中心部まで空気（酸素）が入り込みやすくなり、火炎内部における迅速な燃焼により未燃分の低減が可能になる。

続いて、図１（ａ）に示した固体燃料焚きバーナ２０のコール１次ポート２２について、スプリット部材２４の配置が異なる第２変形例を図８に基づいて説明する。
この変形例では、５本のスプリット部材２４が、燃料バーナのコール１次ポート２２において、出口開口中央を密にして格子状に配置されている。すなわち、上下方向に３本及び左右方向に２本を配設したスプリット部材２４は、コール１次ポート２２の中央部において互いの間隔を狭めた状態で配置されている。このため、スプリット部材２４により格子状に細分化された出口開口面積は、コール１次ポート２２の中央部が外周側よりも小さくなっている。

このようにして、内部保炎機構であるスプリット部材２４の配置がコール１次ポート２２の中央で密になると、スプリット部材２２は微粉炭バーナ２１の中央部に集中して配置されているので、火炎中央部の着火がより一層促進され、ＮＯｘは火炎内部で迅速に発生して還元される。

また、中央に配置するスプリット部材２４を密にすると、微粉炭バーナ２１の内部においてはフリーエリアが小さくなる。すなわち、微粉炭バーナ２１のコール１次ポート２２を流れる微粉炭及び空気は、障害のない略真っ直ぐな流路断面積を通過する割合が小さくなるので、スプリット部材２４の圧力損失は相対的に大きくなる。従って、燃料バーナ２１においては、コール１次ポート２２の内部を流れる微粉炭及び空気の流速が圧力損失増加の影響を受けて低下するので、より迅速な着火を生じさせることができる。

続いて、図１（ａ）に示した固体燃料焚きバーナ２０のコール１次ポート２２について、バーナ根元に整流機構を設けた第３変形例の構成例を図９に基づいて説明する。なお、図示の構成例では略Ｔ字状の断面形状を有するスプリット部材２４Ａを採用しているが、これに限定されることはない。
この構成例では、微粉炭及び空気の流れに圧力損失を付与するため、スプリット部材２４Ａの上流側に整流機構２５が設けられている。この整流機構２５は、ポート断面方向における流量偏差を防止するものであり、たとえば流路断面積を２／３程度まで、望ましくは１／２程度まで絞ることができるオリフィスやベンチュリの設置が有効である。

このような整流機構２５は、燃料の微粉炭を１次空気により搬送する粉体輸送の流れに対して、一定の圧力損失を与えることができればどのような構成でもよく、従って、オリフィスに限定されることはない。
また、上述した整流機構２５は、固体燃料焚きバーナ２０と一体である必要はなく、スプリット部材２４Ａの上流側において、微粉炭及び１次空気が流れる流路の最終的な直管部（ベントやダンパ等がないストレートな流路部分）に設置されていればよい。

ところで、整流機構２５がオリフィスである場合には、オリフィスによる影響が残らないようにするため、オリフィスの出口先端からコール１次ポート２２の出口まで、具体的には、スプリット部材２４Ａの入口側端部まで延在する直管部（Ｌｏ）を設けることが望ましい。この直管部（Ｌｏ）としては、コール１次ポート２２の高さをｈとすれば、少なくとも２ｈ以上の長さを確保する必要があり、より好ましい直管部（Ｌｏ）は、１０ｈ以上の長さを確保したものである。

このような整流機構２５を設けると、コール１次ポート２２に微粉炭及び１次空気を供給する流路に設けられているベンドを通過することにより、粉体燃料の微粉炭が遠心力の影響を受けて流路断面上の分布に偏りを生じる流量偏差を解消することができる。
すなわち、１次空気で搬送される微粉炭は、ベント通過により外側（ベント大径側）へ偏った分布となるが、整流機構２５を通過することにより、流路断面上の分布が解消されて略均一な状態でスプリット部材２４Ａに流入する。この結果、整流機構２５を備えた微粉炭バーナ２１は、スプリット部材２４Ａよる内部保炎機構を有効に活用することができる。

また、上述した実施形態及びその変形例では、コール１次ポート２２の流路前方部に、複数方向（縦及び横）のスプリット部材２４が配設されているが、たとえば横方向または縦方向に１または複数のスプリット部材を設けてもよい。このようなスプリット部材２４を設けると、微粉炭バーナ２１の出口開口中央付近で内部保炎機構として機能するので、スプリット部材２４による内部保炎が可能となり、中央部がより空気不足となってＮＯｘ還元が進行する。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る固体燃料焚きバーナを図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図示の固体燃料焚きバーナ２０Ａにおいて、微粉炭バーナ２１は、１次空気により搬送された微粉炭を投入する矩形状のコール１次ポート２２と、コール１次ポート２２の周囲を取り囲むように設けられて２次空気の一部を投入するコール２次ポート２３とを備えている。

固体燃料焚きバーナ２１の上下には、２次空気投入用として２次空気投入ポート３０Ａが設けられている。この２次空気投入ポート３０Ａは、各々が独立した複数の流路及びポートに分割されており、各流路には、２次空気の流量調整手段として開度調整可能なダンパ４０が設けられている。
図示の構成例では、微粉炭バーナ２１の上下に配置された２次空気投入ポート３０Ａがいずれも上下方向に３分割されており、微粉炭バーナ２１に近い内側から外側へ向けて、内部２次空気ポート３１ａ，３１ｂ、中間２次空気ポート３２ａ，３２ｂ及び外部２次空気ポート３３ａ，３３ｂの順に配置されている。なお、このような２次空気投入ポート３０の分割数は３分割に限定されることはなく、諸条件に応じて適宜変更可能である。

上述したコール２次ポート２３、内部２次空気ポート３１ａ，３１ｂ、中間２次空気ポート３２ａ，３２ｂ及び外部２次空気ポート３３ａ，３３ｂの各ポートは、たとえば図１０（ｃ）に示すように、各ポートが図示しない空気供給源を有する空気供給ライン５０に接続されている。空気供給ライン５０から分岐して各ポートに連通する流路には、流路毎にダンパ４０が設けられている。従って、各ダンパ４０の開度を調整することにより、ポート毎に独立した２次空気供給量の調整が可能となっている。

このような固体燃料焚きバーナ２０Ａ及びこれを備えた旋回燃焼ボイラ１０によれば、各固体燃料焚きバーナ２０Ａが、微粉炭及び空気を投入する微粉炭バーナ２１及び微粉炭バーナ２１の上下に配置された３分割の２次空気投入ポートを備えているので、３分割した２次空気投入ポート３０Ａのポート毎にダンパ４０の開度を調整することにより、火炎Ｆの外周に投入される２次空気量を所望の値に流量配分することができる。
従って、たとえば火炎Ｆの外周に最も近い内部２次空気ポート３１ａ，３１ｂの２次空気投入量について配分割合を小さくし、その分中間２次空気ポート３２ａ，３２ｂ及び外部２次空気ポート３３ａ，３３ｂへ投入する２次空気量の投入割合を順次大きくすれば、火炎Ｆの外周に形成されていた局所的な高温酸素残存領域（図中のハッチング部）Ｈを抑制することができる。

すなわち、火炎Ｆから離間した外側に対する２次空気量の投入割合を増すとともに、火炎Ｆの外周近傍に投入される２次空気量の投入割合を小さく設定すれば、２次空気の拡散を遅くすることができる。この結果、火炎Ｆの周辺に２次空気が集中することを防止または抑制できるようになり、従って、局所的な高温酸素残存領域Ｈは弱く小さなものとなるため、旋回燃焼ボイラ１０のＮＯｘ発生量を低減することができる。換言すれば、火炎Ｆの外周に投入される２次空気量の適正化により、高温酸素残存領域Ｈの形成を抑制または防止し、旋回燃焼ボイラ１０の低ＮＯｘ化を達成することができる。

一方、微粉炭の性状等により２次空気の拡散が必要となる場合には、２次空気投入ポート３０Ａの流量配分について、内外を逆転させて内部２次空気ポート３１ａ，３１ｂの配分割合を大きくすればよい。
すなわち、たとえば揮発分が多いなど燃料比が異なる石炭を粉砕した微粉炭を使用する場合でも、複数に分割された２次空気投入ポート３０の各ポートから投入する２次空気の流量配分を適宜調整することにより、ＮＯｘまたは未燃分を低減した適正な燃焼を選択することができる。
このような２次空気投入ポート３０Ａの多段化は、上述した第１の実施形態で説明した固体燃料焚きバーナ２０にも適用することができる。

ところで、上述した固体燃料焚きバーナ２０Ａは、たとえば図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示す本実施形態の第１変形例のように、微粉炭バーナ２１のノズル先端部に開口面積を上下に分割するように設置したスプリット部材２４を備えたものが望ましい。
図示のスプリット部材２４は三角形断面を有しており、ノズル内部を流れる微粉炭及び１次空気を上下方向に分離して拡散させるような配置とすることにより、保炎が強化されるとともに、高温酸素残存領域Ｈの形成を抑制または防止することができる。

すなわち、スプリット部材２４を通過することにより、微粉炭濃度の高い流れがスプリット部材２４の外周で形成され、保炎の強化に有効となる。また、スプリット部材２４を通過した微粉炭濃度の流れは、図中に破線矢印ｆａで示すように、スプリット部材２４の下流側に形成される負圧領域に流れ込む。この結果、この空気の流れにより火炎Ｆも負圧領域に引き込まれるので、保炎がさらに強化される結果、燃焼が促進されて酸素を早く消費することができる。
なお、スプリット部材２４については１本に限定されることはなく、たとえば同方向の複数本や、第１の実施形態で説明したように異なる方向の複数本で形成されてもよく、また、スプリット部材２４の断面形状についても、適宜形状を工夫してもよい。

また、上述した固体燃料焚きバーナ２０Ａは、たとえば図１２に示す本実施形態の第２変形例のように、微粉炭バーナ２１の左右に１または複数の側部２次空気ポート３４Ｌ、３４Ｒを備えていることが好ましい。図示の構成例では、微粉炭バーナ２１の左右に対して、各々がダンパ（不図示）を備えた１つの側部２次空気ポート３４Ｌ，３４Ｒを設けてあるが、複数に分割してそれぞれの流量制御を実施できるようにしてもよい。

このような構成とすれば、２次空気を火炎Ｆの左右にも分配可能となるので、２次空気が火炎Ｆの上下で過剰になることを防止することができる。すなわち、火炎Ｆの外周に投入される２次空気量について、上下及び左右の分配を適宜調整することができるので、より精密な流量配分が可能になる。
このような２次空気ポート３４Ｌ，３４Ｒは、上述した第１の実施形態においても適用可能である。

また、上述した旋回燃焼ボイラ１０において、２次空気投入ポート３０Ａは、たとえば図１３に示すように、火炉１１内へ向けた２次空気の投入方向を上下に変化させる角度調整機構を備えていることが望ましい。この角度調整機構は、水平を基準とした２次空気投入ポート３０Ａのチルト角度θを上下に変化させるものであり、２次空気の拡散を促進して高温酸素残存領域Ｈの形成を防止または抑制することができる。なお、この場合に好適なチルト角度θは±３０度程度となり、より望ましいチルト角度θは±１５度となる。

このような角度調整機構を備えることにより、２次空気投入ポート３０Ａから火炉１１内の火炎Ｆに向けて投入される２次空気の角度調整が可能になるので、火炉１１内における空気拡散をより精密にコントロールすることができる。特に、微粉炭燃料の炭種が極端に変わった場合など、２次空気の投入角度を適宜変化させれば、低ＮＯｘ化の効果をより一層向上させることができる。
このような角度調整機構は、上述した第１の実施形態においても適用可能である。

また、上述した旋回燃焼ボイラ１０において、２次空気投入ポート３０Ａから投入される空気量の配分は、未燃分及びＮＯｘ排出量に基づいてダンパ４０の開度をフィードバック制御して調整されることが望ましい。
すなわち、旋回燃焼ボイラ１０において未燃分が多い場合には、火炎Ｆの外周面に近い内部２次空気ポート３１ａ，３１ｂへの２次空気配分を増加させ、ＮＯｘ排出量が高い場合には、火炎Ｆの外周面から遠い外部２次空気ポート３３ａ，３３ｂへの２次空気配分を増加させる。
この場合、未燃分の計測については、たとえばレーザー光の散乱から炭素濃度を測定する計器を採用し、ＮＯｘ排出量については、公知の測定機器を採用すればよい。
このようなフィードバック制御を行うことにより、２次空気の配分を燃焼状況に応じて自動的に最適化することができる旋回燃焼ボイラ１０となる。

また、上述した旋回燃焼ボイラ１０において、２次空気投入ポート３０Ａから投入される２次空気量は、バーナ部１２からＡＡ部１４までの領域を還元雰囲気とする空気の多段投入との間で分配されることが望ましい。
すなわち、複数に分割された２次空気投入ポート３０Ａから投入する２次空気量については、ＡＡ部１４から空気を多段投入する二段燃焼との併用により、２次空気投入ポート３０Ａから投入される２次空気量を低減できる。従って、火炎Ｆの外周に形成される高温酸素残存領域Ｈの抑制による低ＮＯｘ化と、還元雰囲気にして燃焼排ガスの低ＮＯｘ化を図ることとの相乗効果により、ＮＯｘの発生量をより一層低減することができる。

このように、上述した本発明の旋回燃焼ボイラ１０によれば、複数に分割した２次空気投入ポート３０Ａから投入する２次空気量をポート毎に調整することにより、火炎Ｆの外周に対する２次空気の集中を防止または抑制できるようになり、この結果、火炎Ｆの外周に形成される高温酸素残存領域Ｈを抑制してＮＯｘの発生量を低減することができる。
また、上述した実施形態では、バーナ部１２からＡＡ部１４までの領域を還元雰囲気とする空気の多段投入の旋回燃焼ボイラ１０として説明したが、本発明はこれに限定されることはない。

また、上述した固体燃料焚きバーナ２０Ａは、たとえば図１４に示すように、微粉炭バーナ２１のコール２次ポート２３へ空気を供給する系統と、２次空気投入ポート３０Ａへ空気を供給する系統とを分離することが望ましい。図示の構成例では、空気供給ライン５０がコール２次ポート供給ライン５１及び２次空気投入ライン５２に分岐され、それぞれの供給ライン５０，５１にダンパ４１を備えている。

このような空気供給系統を採用することにより、コール２次ポート供給ライン５１及び２次空気投入ライン５２毎にダンパ４１の開度調整を行って空気量の分配を行い、さらに各ダンパ４０の開度調整によってポート毎の空気量を調整することが可能になる。この結果、２次空気投入ポート３０Ａが複数に分割された多段になっても、各ポートの空気量を確実に調整することができる。

上述した第１の実施形態及び第２の実施形態は、それぞれ単独で適用するだけでなく、二つを組み合わせた構成としてもよい。
図１５に示す固体燃料焚きバーナ２０Ｂは、図９に示した微粉炭バーナ２１の上下に配置された２次空気投入ポート３０Ａがいずれも上下方向に３分割されている。すなわち、図示の固体燃料焚きバーナ２０Ｂは、スプリット２４及び整流機構２５により達成される内部保炎と、多段２次空気ポートとを組み合わせた構成例である。

このように構成された固体燃料焚きバーナ２０Ｂは、内部保炎によるＮＯｘ低減に加えて、２次空気の拡散速度を調整して火炎内の空気拡散を適正化できるので、揮発分やチャーの燃焼に必要な空気量を適正なタイミングで供給することができる。すなわち、内部保炎及び２次空気の拡散速度調整を実施することにより、両者の相乗効果によってさらなる低ＮＯｘ化が可能となる。
なお、スプリット部材２４の断面形状や配置、整流機構２５の有無、２次空気投入ポート３０Ａの分割数や側部２次空気ポート３４Ｌ，３４Ｒの有無等については、図示の構成に限定されることはなく、適宜選択して組み合わせた構成が可能である。

また、２次空気投入ポート３０Ａを多段にした実施形態及び変形例においては、２次空気投入ポート３０Ａの一部をオイルポートとして使用することも可能である。
すなわち、旋回燃焼ボイラ１０のような固体燃料焚きボイラにおいては、ボイラ運転の立ち上げ時にガスまたはオイルを燃料とする運用が必要であり、従って、火炉１１内へオイルを投入するオイルバーナが必要となる。そこで、オイルバーナが必要な立ち上げ時に、多段とした２次空気投入ポート３０Ａのうち、たとえば外部２次空気ポート３３ａ，３３ｂを一時的にオイルポートとして使用すれば、固体燃料焚きバーナのポート数を低減してボイラ高さを抑制することができる。

続いて、対向燃焼ボイラに好適な固体燃料焚きバーナについて、図１６を参照して説明する。
図示の固体燃料焚きバーナ２０Ｃには、円形断面としたコール１次ポート２２Ａの外周に、複数の同心円状とした２次空気投入ポート３０Ｂが設けられている。図示の２次空気投入ポート３０Ｂは、内部２次空気投入ポート３１及び外部２次空気投入ポート３３の２段で構成されるが、これに限定されることはない。

また、コール１次ポート２２Ａの出口中心部には、異なる２方向（縦及び横）のスプリット部材２４が格子状に合計４本配設されている。なお、この場合のスプリット部材２４については、第１の実施形態で説明した数、配置及び断面形状等を適用可能である。
このように構成された固体燃料焚きバーナ２０Ｃは、２次空気を徐々に供給するため極端な還元雰囲気にはならず、一般的に短炎で還元雰囲気が強く、発生した硫化水素による硫化腐食等も軽減することができる。

このように、上述した実施形態及び変形例の固体燃料焚きバーナは、微粉炭バーナの出口開口に内部保炎機構として機能する複数方向のスプリット部材を設けたことにより、スプリット部材が交差する燃料バーナの出口開口中央付近において、粉体燃料及び空気の流路を分割して流れを乱している。この乱れにより、空気の混合及び拡散は火炎の内部まで促進され、さらに、スプリット部材が着火面を細分化することにより、火炎の中心部まで酸素が入り込みやすくなるので、着火位置が火炎の中央に寄って燃料の未燃分は低減することとなる。すなわち、火炎中心部の酸素によって内部着火が効果的に行われるため、火炎内部で迅速な還元が行われるようになり、この結果、固体燃料焚きバーナを備えた固体燃料焚きボイラから最終的に排出されるＮＯｘの発生量は低減される。

また、２次空気投入ポートを多段にして２次空気の投入を調整すれば、火炎外周に対する２次空気の集中を防止または抑制できるようになるので、火炎の外周に形成される高温酸素残存領域を抑制して窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を低減することができる。
さらに、本発明の固体燃料焚きバーナ及びこれを備えた固体燃料焚きボイラは、火炎の内部で強力に着火するとともにバーナ部の空気比を増加できるので、ボイラ全体の過剰空気率を１．０〜１．１程度まで低減することができ、従って、ボイラ効率を向上させる効果もある。なお、従来の固体燃料焚きバーナ及び固体燃料焚きボイラは、通常１．１５程度の過剰空気率で運用されているので、おおよそ０．０５〜０．１５程度の空気比低減が可能になる。

図１７〜図２２は、本発明の作用効果を示す実験結果のグラフである。
図１７は、内部保炎の保炎器位置と、ＮＯｘ発生量（相対値）との関係を示す実験結果のグラフである。この場合の保炎器位置は、図１８に示す比較例において、保炎器として機能するスプリット部材２４Ａの幅（高さ）を保炎器位置ａとし、実際に微粉炭が流れる流路幅を実質微粉炭流幅ｂとして算出される「ａ／ｂ」を横軸にして、縦軸にＮＯｘ発生量の相対値を示したグラフである。なお、図１８では、図６（ｂ）に示すスプリット部材２４Ａを採用しているが、これに限定されることはない。
この実験では、１次空気及び微粉炭の流速、２次空気の流速、及び１次空気／２次空気の空気配分を同一とし、図１８に示す比較例１（ａ／ｂ＝０．７７）及び比較例２（ａ／ｂ＝０．４）で発生したＮＯｘ量を測定した。

ここで、比較例１のコール１次ポート２２は、流路内部に障害物となる逆中子２６が設置されており、従って、微粉炭は逆中子２６の内壁幅と略一致する幅ｂでそのまま流出することとなる。一方、比較例２のコール１次ポート２２は、障害物のない流路内壁に沿って略そのままの幅ｂで流出する。このため、保炎器位置ａが同じで、かつ、同じ内径のコール１次ポート２２でも、障害物の有無により分母の実質微粉炭流幅ｂに差が生じ、この結果としてＮＯｘ発生量も異なっている。

換言すれば、図１７に示す実験結果は、スプリット部材の幅ａが実質微粉炭流幅ｂに占める割合（ａ／ｂ）について、概ね７５％以下となるように設定すれば、ＮＯｘ発生量が低減することを示している。
すなわち、この実験結果によれば、スプリット部材の幅ａが実質微粉炭流幅ｂに占める割合（ａ／ｂ）を０．７７から０．４まで小さくすることにより、発生するＮＯｘ量の相対値が０．７５まで低下して、約２５％の減少をしていることが分かる。換言すれば、内部保炎機構として機能するスプリット部材は、スプリット部材の幅ａを最適化することにより、固体燃料焚きバーナ及び固体燃料焚きボイラのＮＯｘ低減に有効であることが分かる。
このとき、整流機構２５を設けずに偏流が生じた場合には、微粉炭の流れに対してスプリット部材が外側の位置となる可能性もあり、この結果としてＮＯｘが増加するため、整流機構は重要である。

次の図１９は、スプリット占有率とＮＯｘ発生量（相対値）との関係を示す実験結果のグラフである。すなわち、上述したスプリット部材の幅ａが、コール１次ポート２２の高さ（幅）に占める割合に応じて、ＮＯｘ発生量がどのように変化するかを示す実験グラフである。
この実験結果によれば、スプリット占有率が大きくなるほどＮＯｘ発生量は減少しており、従って、スプリット部材の設置はＮＯｘ低減に有効であることが分かる。
一方、上述した図１７の実験結果によれば、スプリット部材の幅ａが実質微粉炭流幅ｂに占める割合（ａ／ｂ）を小さくすると発生するＮＯｘ量の相対値も低下しているので、ＮＯｘ発生量の低減には、適度な幅ａを有するスプリット部材の設置が必要である。すなわち、内部保炎においては、適度なスプリット幅ａを有するスプリット部材を設置して着火を強化し、これによりＮＯｘをより早期に放出して還元することがＮＯｘ発生量の低減に重要である。

図２０は、未燃分の発生量について、スプリット部材を同一方向に配置した同一方向スプリットと、スプリット部材を複数方向に配設したクロススプリットとを比較したものである。この実験では、図１７の実験と同様に諸条件を同一とし、同一方向スプリット及びクロススプリットについて未燃分発生量を比較している。
この実験結果によれば、同一方向スプリットで発生した未燃分量を基準にして、クロススプリットで発生した未燃分量の相対値は０．７５であり、約２５％減少していることが分かる。すなわち、スプリット部材を複数方向に配設するクロススプリットは、固体燃料焚きバーナ及び固体燃料焚きボイラの未燃分低減に有効であることが分かる。

図２０の実験結果により、スプリット部材を異なる方向に配置することで、火炎内部の着火がより強化されるとともに、火炎内部への空気拡散が良好となるため、未燃分が減少しているものと考えられる。
一方、同一方向スプリットの場合に未燃分が多くなるのは、外側の火炎に空気が供給され、内部に形成される火炎への空気拡散が遅れるためと考えられる。

図２１に示す実験結果は、従来型の固体燃料焚きバーナ及び本発明による固体燃料焚きバーナについて、バーナ部、バーナ部〜ＡＡ部、ＡＡ部について、それぞれの領域におけるＮＯｘ発生量を比較したものであり、従来のＡＡ部におけるＮＯｘ発生量を基準値の１とした相対値が示されている。なお、この実験結果は、たとえば図１（ａ）に示すような複数方向のスプリット部材を採用している。

また、この実験結果は同一未燃分での比較であり、バーナ部〜ＡＡ部間の空気比（全空気投入量を基準として、全空気投入量から追加空気投入量を引いた空気投入量の割合を示す比）は、従来において０．８とし、本発明において０．９とした。ここでの全空気投入量は、過剰空気率を考慮して定める実際の空気投入量である。なお、追加空気投入率を３０％とし、過剰空気率を１．１５に設定すると、バーナ部〜ＡＡ部間の空気比は、略０．８となる。
（バーナ部〜ＡＡ部間の空気比＝１．１５×（１−０．３）≒０．８）

この実験結果によれば、ＡＡ部より発生する最終的なＮＯｘ発生量は、従来比で４０％減の０．６まで低減した。これは、本発明は複数方向のスプリット部材を配設した内部保炎型とし、さらに、スプリット部材により着火が強化されることにより、火炎内でＮＯｘを発生させ、効果的にＮＯｘ還元を実施しているためと考えられる。
また、本発明の場合、火炎内の混合が良好なため、燃焼が予混合燃焼に近くなり、より均一に燃焼されるため、空気比が０．９でも十分に還元力を有することを確認できた。

すなわち、従来は火炎外周に高温高酸素領域が生じるため、十分なＮＯｘ還元を行うためには３０％程度の追加空気投入（ＡＡ）が必要であるから、バーナ部〜ＡＡ部間の空気比は０．８程度まで下げる必要があった。このため、ＡＡ領域では、過剰空気率を考慮した全空気投入量の３０％程度の空気が投入されるため、ＮＯｘはＡＡ領域でも発生していた。
しかし、本発明の場合、バーナ部〜ＡＡ部間は、０．９程度の空気比でも燃焼可能であるため、追加空気投入量は、過剰空気率を考慮した全空気投入量の０〜２０％程度まで低減できるようになり、従って、ＡＡ部でのＮＯｘ発生量も抑制することができるので、最終的には４０％程度のＮＯｘ発生量低減が可能となっている。

図２２は、横軸を「バーナ部〜ＡＡ部間の空気比」とし、縦軸に「ＮＯｘ発生量の相対値」を示したものである。この実験結果によれば、本発明の場合、バーナ付近の空気比が０．９で最適値をとり、約４０％のＮＯｘ低減が確認された。従って、「過剰空気率を考慮した全空気投入量」と「全空気投入量から追加空気投入量を引いた空気投入量」との比である「バーナ部〜ＡＡ部間の空気比」は、図２２より、約３０％のＮＯｘを低減できる０．８５以上に設定することが好ましく、より好適には最適値の０．９以上に設定することが望ましい。

本発明の実験結果において、０．８付近の空気比でＮＯｘ発生量が１以上に増加しているのは、追加空気投入によるＮＯｘ発生のためである。
また、空気比の上限は燃料比に応じて異なり、燃料比が１．５以上の場合は０．９５となり、燃料比が１．５未満の場合は１．０となる。この場合の燃料比は、燃料中の固定炭素と揮発分との割合（固定炭素／揮発分）である。

このように、上述した本実施形態によれば、内部保炎を有する微粉炭バーナ２１と、保炎しない２次空気投入ポート３０とを備え、微粉炭バーナ２１の空気比が０．８５以上、好適には０．９以上に設定されているので、ＡＡ部１４における追加空気投入量が低減されたことにより、ＡＡ部１４のＮＯｘ発生量も低減する。また、火炎の外周に形成される高温酸素残存領域Ｈが抑制され、予混合燃焼に近い燃焼の火炎内部で発生したＮＯｘが効果的に還元されることから、ＡＡ部１４に到達するＮＯｘ量の減少と、ＡＡ部１４で追加空気の投入により発生するＮＯｘ量の減少とにより、ＡＡ部１４から最終的に排出されるＮＯｘ量は減少する。

この結果、ＡＡ部１４から排出される最終的なＮＯｘ発生量を低減した固体燃料焚きバーナ２０及び旋回燃焼ボイラ１０となる。
また、微粉炭バーナ２１の空気比を０．８５以上に設定して運転する固体燃料焚きバーナの運転方法により、ＡＡ部１４の空気量（追加空気投入量）は、たとえば空気比０．８の場合と比較して低減するので、追加空気投入量が減少したＡＡ部１４においては、最終的なＮＯｘ発生量が減少する。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば粉体の固体燃料が微粉炭に限定されないなど、そ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。

１０ 旋回燃焼ボイラ
１１ 火炉
１２ バーナ部
１４ 追加空気投入部（ＡＡ部）
２０，２０Ａ〜２０Ｃ 固体燃料焚きバーナ
２１ 微粉炭バーナ（燃料バーナ）
２２ コール１次ポート
２３ コール２次ポート
２４，２４Ａ，２４Ｂ スプリット部材
２５ 整流機構
３０，３０Ａ ２次空気投入ポート
３１，３１ａ，３１ｂ 内部２次空気ポート
３２ａ，３２ｂ 中間２次空気ポート
３３，３３ａ，３３ｂ 外部２次空気ポート
３４Ｌ，３４Ｒ 側部２次空気ポート
４０，４１ ダンパ
Ｆ 火炎
Ｈ 高温酸素残存領域

Claims (12)

1. バーナ部と追加空気投入部とに分けて低ＮＯｘ燃焼を行う固体燃料焚きボイラの前記バーナ部に用いられ、粉体の固体燃料及び空気を炉内へ投入する固体燃料焚きバーナが、前記固体燃料及び空気を炉内へ投入する燃料バーナと、２次空気を投入する２次空気投入ポートとを備え、
   前記燃料バーナが、内部保炎を有し前記固体燃料及び１次空気を炉内へ投入するコール１次ポートと、該コール１次ポートの周囲を取り囲むように設けられて前記２次空気の一部を投入する保炎しないコール２次ポートとを備え、
   前記２次空気投入ポートは、前記燃料バーナの上下及び／または左右に各々配置されて流量調整手段を有し、
   前記内部保炎が、前記コール１次ポートの流路前方部に配設された１または複数のスプリット部材によりなされることを特徴とする固体燃料焚きバーナ。
2. バーナ部と追加空気投入部とに分けて低ＮＯｘ燃焼を行う固体燃料焚きボイラの前記バーナ部に用いられ、粉体の固体燃料及び空気を炉内へ投入する固体燃料焚きバーナが、前記固体燃料及び空気を炉内へ投入する燃料バーナと、２次空気を投入する２次空気投入ポートとを備え、
   前記燃料バーナが、内部保炎を有し前記固体燃料及び１次空気を炉内へ投入するコール１次ポートと、該コール１次ポートの周囲を取り囲むように設けられて前記２次空気の一部を投入する保炎しないコール２次ポートとを備え、
   前記２次空気投入ポートは、前記燃料バーナの上下及び／または左右に各々配置されて流量調整手段を有し、
   前記内部保炎が、前記コール１ポートの流路前方部に配設された複数方向のスプリット部材によりなされることを特徴とする固体燃料焚きバーナ。
3. 前記スプリット部材により形成される着火面長さ（Ｌｆ）が前記燃料バーナの出口開口周長（Ｌ）より大きく（Ｌｆ＞Ｌ）なるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の固体燃料焚きバーナ。
4. 前記スプリット部材は、前記燃料バーナの出口開口中央が密となるように配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の固体燃料焚きバーナ。
5. 前記２次空気投入ポートは、各々が流量調整手段を有する独立した複数の流路に分割されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の固体燃料焚きバーナ。
6. 前記粉体の固体燃料及び空気の流れに圧力損失を付与する整流機構を前記スプリット部材の上流側に設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体燃料焚きバーナ。
7. 前記２次空気投入ポートが、角度調整機構を備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の固体燃料焚きバーナ。
8. 前記２次空気投入ポートから投入される空気量の配分が、未燃分及び窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量に基づいてフィードバック制御されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の固体燃料焚きバーナ。
9. 前記２次空気投入ポートから投入される空気量が、前記バーナ部から追加空気投入部までの領域を還元雰囲気とする空気の多段投入との間で分配されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の固体燃料焚きバーナ。
10. 前記燃料バーナの前記コール２次ポートへ空気を供給する系統と、前記２次空気投入ポートへ空気を供給する系統とが分離されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の固体燃料焚きバーナ。
11. 前記２次空気投入ポートの複数の流路は、前記燃料バーナを円形として外周方向へ同心円状の多段に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の固体燃料焚きバーナ。
12. 前記粉体の固体燃料及び空気を炉内へ投入する請求項１から１１のいずれか１項に記載の固体燃料焚きバーナが、前記炉内のコーナ部あるいは壁面部に配置されていることを特徴とする固体燃料焚きボイラ。
    

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