JP2014001908A

JP2014001908A - 固体燃料バーナ及び固体燃料バーナを備えた酸素燃焼装置

Info

Publication number: JP2014001908A
Application number: JP2012138679A
Authority: JP
Inventors: Satohiko Mine; 聡彦嶺; Kenji Kiyama; 研滋木山; Satoshi Tadakuma; 聡多田隈; Kimiharu Kuramasu; 公治倉増; Kenichi Ochi; 健一越智
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2014-01-09

Abstract

【課題】燃料の搬送用ガスに低酸素濃度ガスのみを用いても、燃料ノズル内の燃料粒子と高酸素濃度ガスの混合領域の形成が促進され、確実に着火、安定燃焼が可能となるバーナの提供である。
【解決手段】
オイルガン２４の外周で同軸に固体燃料と低酸素濃度の搬送気体を噴出する燃料ノズル１１と、燃料ノズル１１内の流路を中心軸側に縮小するベンチュリ３２と、ベンチュリ３２の後流で流路を燃料ノズル１１内壁側に縮小する濃縮器３３と、濃縮器３３の後流で流路を燃料ノズル１１の内壁側と中心軸側に分配する分配器３５とを備えた固体燃料バーナであって、ベンチュリ３２と濃縮器３３との間の流路、及び分配器３５と燃料ノズル１１壁面との間の流路に高酸素濃度ガスを燃料ノズル１１内に噴出する噴出口１２ａ，１３ａを設ける。燃料ノズル１１断面の全周にわたって内壁近傍が高酸素且つ高燃料粒子濃度となる領域が形成され、確実に着火し安定燃焼が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体燃料を燃焼させる固体燃料バーナ及び固体燃料バーナを備えた酸素燃焼装置に関するものである。

近年、地球温暖化が環境問題として大きく取り上げられており、化石燃料を主体とした現在の火力発電システムにおいて、地球温暖化の一因であるＣＯ_２の排出削減が求められている。特に、ＣＯ_２排出量の多い石炭焚ボイラプラントでは必要不可欠で、研究開発が盛んに行われている。

例えば、化石燃料、特に石炭の燃焼に伴って発生する二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量を削減するため、石炭焚ボイラプラントにおける燃焼によって生じる排ガス中のＣＯ_２を効率的に分離し回収する技術が研究開発されている。

この技術として酸素燃焼式ボイラシステム（以下、酸素燃焼システムと称することもある）は、ＣＯ_２を含む排ガスの一部を再循環させて、例えば深冷分離法等を用いた高酸素濃度ガス供給装置から供給される、例えば酸素濃度８０％以上の高酸素濃度のガスと混合して燃焼用ガスとするものである。これにより、排ガス中のＣＯ_２濃度を高めてＣＯ_２の回収を容易にできる。

下記特許文献１には、ボイラから排出されたガスを少なくとも脱塵処理した後、脱硫装置の排ガス流路の前流から火炉に排ガスを再循環させる再循環系統を設けた構成が開示されている。
この構成により、排ガス中のＣＯ_２濃度が高まり、ボイラの排ガス流路の後流側に備えたＣＯ_２回収装置で効率的にＣＯ_２を分離し回収することが可能となる。そして、ボイラの負荷指令や収熱量からボイラ本体に供給する酸素の量や排ガスの再循環量を設定、制御し、ボイラ本体に供給する酸素濃度を調節することで燃焼を安定に制御できる。

一方、燃料の酸化剤として空気を用いる空気燃焼式ボイラシステムに用いられる固体燃料バーナとして、下記特許文献２には、固体燃料とその搬送用空気との固気二相流の一次流路とその外周に二次流路と三次流路を備えた燃焼バーナにおいて、バーナ内部に固気二相流とそれよりも高温の空気（二次空気）との混合部を設け、一次流路内周の混合部よりも上流側にベンチュリを設け、バーナ出口にブラフボディ型保炎器を設けた構成が開示されている。

この構成によれば、固気二相流中の石炭粉から揮発ガス成分を放出させ、ブラフボディ型保炎器でその後流部分に形成される再循環領域に揮発ガスを巻き込んで着火性を高めることができる。

また、燃焼によって生じた排ガスを固体燃料の搬送気体として用いる固体燃料バーナとして、下記特許文献３に、固体燃料とその搬送気体との混合流体を噴出する燃料ノズル内に分配器と空気を噴出する追加空気ノズルとを設け、追加空気ノズルの出口を分配器とバーナ軸に対して垂直方向から見たときに重なる位置にした構成が開示されている。

この構成によれば、分配器の追加空気側流路である燃料ノズルから空気を噴出し、燃料ノズルの外側隔壁の内周に沿って酸素濃度を高くすることで、燃焼反応を進ませて燃焼ノズルの火炎を安定に形成させている。

更に、酸素濃度の低いガスを固体燃料の搬送気体として用いる固体燃料バーナとして、下記特許文献４に、固体燃料とその搬送気体との混合流体を噴出する燃料ノズル内に追加空気ノズルを設けた構成が開示されている。

そして、下記特許文献５には、低酸素濃度のガスで搬送される燃料の燃焼を安定化させるために、燃料ノズルの周方向の速度成分を持つ追加空気を噴出させる追加空気ノズルを燃料ノズル内に突出させて設け、追加空気ノズルのうち少なくとも一つは燃料ノズルの周方向にノズル出口を有する固体燃料バーナの構成が開示されている。この構成では、追加空気ノズルから周方向に噴出する空気と軸方向に流れる燃料との混合が促進されることで燃焼反応が進みやすくなる。

特開２００７−１４７１６２号公報特開平１０−３８２１７号公報特開２００３−２４０２２７号公報国際公開第０２／０１２７９１号パンフレット特許第４１５０９６８号

一般的なボイラ（以下、空気燃焼式ボイラ又は単に空気燃焼式と言う）及び酸素燃焼式ボイラシステムでも、起動時等は燃料の燃焼用ガスには空気を用いるが（以下、空気燃焼モードと言う）、酸素燃焼式ボイラシステムの定常運転時（以下、酸素燃焼モードと言う）は、燃焼用ガスとして、高酸素濃度のガスと排ガスの再循環ガスとの混合ガスを用いるため、燃焼用ガス中のＣＯ_２濃度と水分濃度が高くなる。

燃焼用ガス中のＣＯ_２濃度と水分濃度が高くなると、ガスの輻射強度が高くなり、火炎の伝播速度が低下する。このため、空気燃焼式（及び空気燃焼モード）よりも、投入する酸素の濃度を高くしないと、燃料の着火性及び保炎性の低下や、火炉での熱吸収量の低下などの問題が生じる。

特に、燃料ノズルからの搬送気体の酸素濃度は、燃料の着火に大きな影響を及ぼす。
一方で、粉砕機で粉砕された固体燃料（例えば微粉炭）は、高温及び高酸素濃度の雰囲気下では、非常に高温となって安全性の面で好ましくないため、空気よりも酸素濃度の高いガスを燃料の搬送に用いることは望ましくない。

そこで、酸素燃焼モードでは、安全性を考慮して、固体燃料の粉砕及び搬送に用いるガス（燃料搬送用ガス）の酸素濃度を、例えば空気の酸素濃度である約２１％（体積％、以下同じ）よりも下げてバーナの燃料ノズルへ導き、燃料ノズルの外周に設けた外周ノズルからは、酸素濃度がやや高めの燃焼用ガスを噴出させることで、バーナ全体としては、燃料搬送用ガスと燃焼用ガスとを合わせた投入ガスの酸素濃度を２５〜３０％とすることが考えられる。

更に、酸素燃焼式ボイラシステムの構成の簡素化が図れると共に、排ガスの再循環系統にあるファン等が故障した際、一時的に高酸素濃度のガスが燃料の搬送用ガス系統を流れることを回避するために、酸素燃焼モードにおいては、搬送用ガスには専ら排ガスのみを用いるように、高酸素濃度のガス供給装置が搬送用ガス系統には接続されない構成とすることが望ましい。

しかし、再循環系統の排ガスの酸素濃度は、通常３〜６％程度と低く、上述のとおりＣＯ_２濃度と水分濃度が高い。したがって、従来の空気燃焼式ボイラシステムに用いられる固体燃料バーナにおいて、搬送用ガスに専ら排ガスのみを供給した場合、たとえ外周ノズルから、酸素濃度がやや高めの燃焼用ガスを噴出させたとしても、バーナノズル出口における着火が困難である。

上記特許文献２で示される、固気二相流と高温空気とを混合するバーナの場合に適用すると、高酸素濃度のガスは一次流路の内壁近傍に均一に混合するが、高温空気を一次空気流の外周壁に沿って流すため、高温空気流は固気二相流（燃料流）と平行な流れになるので、燃料と高温空気との混合が促進されない。したがって、高温空気と燃料との混合不良は生じるため、安定した着火性や保炎性が得られないという問題がある。

また、上記特許文献３で示される、燃料ノズル内に追加空気ノズルを設けるバーナの場合に適用すると、追加空気ノズルから噴出される高酸素濃度のガスの噴出量が増えると燃料ノズル内の燃料を吹き飛ばし、結果としてバーナ出口での燃料と高酸素濃度ガスの混合不良やノズル出口での噴出速度の増加などにより、着火性や保炎性が悪くなるという問題が生じる。

また、上記特許文献４で示される、燃料ノズル内に追加空気ノズルを設けるバーナの場合、追加空気ノズルから噴出される追加空気は燃料流と平行流であるため、空気と燃料との混合が促進されない。
更に、上記特許文献５で示される、追加空気ノズルのうち少なくとも一つは燃料ノズルの周方向にノズル出口を有する固体燃料バーナの場合、追加空気ノズルから噴出する高酸素濃度ガスの噴出量が増えると燃料ノズル内の燃料を吹き飛ばし、安定した着火及び保炎が困難になる。

本発明の課題は、燃料の搬送用ガスに低酸素濃度のガスのみを用いても、燃料ノズル内での燃料粒子と高酸素濃度ガスとの混合領域の形成が促進され、確実に着火させ安定に燃焼させることができる固体燃料バーナ及び固体燃料バーナを備えた酸素燃焼装置を提供することである。

上記課題は、酸素濃度が空気よりも高い燃焼用ガスを、固体燃料ノズル内で濃縮させた燃料粒子を分散させないように２段階に分けて混合し、固体燃料ノズル断面の全周にわたってほぼ均一に固体燃料ノズルの内壁近傍が高酸素濃度且つ高燃料粒子濃度となる領域が形成されるようにすることで解決される。具体的には、以下の手段により解決することができる。

請求項１記載の発明は、中心軸に設けられる助燃用の燃料ノズルと、該助燃用の燃料ノズルの外周で同軸に設けられ、固体燃料と空気よりも酸素濃度の低い搬送気体とを搬送し噴出する固体燃料ノズルと、前記固体燃料ノズル内に設けられ、固体燃料ノズル内の固体燃料と搬送気体の搬送流路を中心軸側に縮小するベンチュリと、前記固体燃料ノズル内であって前記ベンチュリよりも前記固体燃料と搬送気体の搬送流路の後流側に設けられ、該搬送流路を固体燃料ノズルの内壁側に縮小する燃料濃縮器と、前記固体燃料ノズル内であって前記燃料濃縮器よりも前記固体燃料と搬送気体の搬送流路の後流側に設けられ、該搬送流路を固体燃料ノズルの内壁側と中心軸側に分配する分配器とを備えた固体燃料バーナであって、前記ベンチュリと前記燃料濃縮器との間の搬送流路に設けられ、空気よりも酸素濃度の高い燃焼用ガスを固体燃料ノズルの内壁近傍に噴出する第１の燃焼用ガス噴出口と、前記分配器と固体燃料ノズル壁面との間の搬送流路に設けられ、空気よりも酸素濃度の高い燃焼用ガスを固体燃料ノズル内に噴出する第２の燃焼用ガス噴出口とを設けた固体燃料バーナである。

請求項２記載の発明は、前記第１の燃焼用ガス噴出口は、燃焼用ガスの噴出方向が前記固体燃料と搬送気体の搬送方向に沿うように固体燃料ノズルの内壁で該固体燃料ノズルと同軸に形成されている請求項１に記載の固体燃料バーナである。
請求項３記載の発明は、前記第２の燃焼用ガス噴出口は、燃焼用ガスの噴出方向が固体燃料ノズルの周方向に沿うように固体燃料ノズルの内壁に形成されている請求項２に記載の固体燃料バーナである。

請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体燃料バーナを設けたボイラと、該ボイラから燃焼により排出される排ガスをボイラへ再循環させる排ガス再循環部と、空気よりも酸素濃度の高いガスを前記ボイラへ供給する高酸素濃度ガス供給部とを設けた酸素燃焼装置であって、前記固体燃料ノズルに前記排ガス再循環部の再循環ガスが供給される再循環ガス供給部と、前記固体燃料ノズルの第１の燃焼用ガス噴出口及び第２の燃焼用ガス噴出口に前記排ガス再循環部の再循環ガスと前記高酸素濃度ガス供給部の高酸素濃度ガスとの混合ガスが供給される混合ガス供給部とを設けた固体燃料バーナを備えた酸素燃焼装置である。

請求項１記載の発明によれば、ベンチュリと濃縮器との間の搬送流路及び分配器と燃料ノズル壁面との間の搬送流路の二箇所から高酸素濃度ガスが燃料ノズル内に噴出される。まず、固体燃料はベンチュリに沿って流れ、燃料ノズルの内壁近傍に粒子濃度の高い領域を形成する。そして、この領域に高酸素濃度ガスが噴出されることで、粒子濃度と酸素濃度が高い領域を形成できる。

更に、濃縮器によって、燃料ノズルの内壁近傍の粒子濃度が高められ、分配器によって粒子濃度の高い領域を燃料ノズルの出口まで維持すると共に、分配器と燃料ノズル壁面との間から高酸素濃度ガスが噴出されることで、固体燃料バーナの出口に形成される循環流の高温域近傍で粒子濃度の高い領域を形成させることができる。

すなわち、第１の燃焼用ガス噴出口から噴出される高酸素濃度ガスによって燃料ノズル内壁の酸素濃度を高め、ベンチュリ及び濃縮器によって燃料ノズル内壁近傍の粒子濃度を高め、分配器により酸素濃度と粒子濃度を高く保ったまま固体燃料バーナの出口まで燃料を搬送し、第２の燃焼用ガス噴出口から噴出される高酸素濃度ガスによって安定燃焼に必要な酸素濃度まで高めることができる。

また、請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の作用に加えて、高酸素濃度ガスが固体燃料の搬送方向に沿うように噴出されるため、燃料ノズル内に燃料を吹き飛ばすことなく、燃料噴流の流れに同伴して混合が促進される。

また、請求項３記載の発明によれば、上記請求項２記載の発明の作用に加えて、高酸素濃度ガスが燃料ノズルの内壁近傍で周方向に沿うように噴出されるため、固体燃料及び搬送気体の燃料噴流とほぼ垂直に交差し、混合されることで、燃料噴流との混合が促進される。また、燃料ノズルの内壁近傍が高酸素濃度且つ高燃料粒子濃度となる領域が形成される。

更に、請求項４記載の発明によれば、酸素燃焼システムの酸素燃焼モードにおいて、燃料の搬送用ガスに低酸素濃度の再循環ガスのみを用いても、上記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体燃料バーナの作用によって、高酸素濃度ガスと燃料との混合不良が生じることなく、確実に着火させ安定に燃焼させることができる。

請求項１記載の発明によれば、ベンチュリと濃縮器との間の搬送流路及び分配器と燃料ノズル壁面との間の搬送流路の二箇所から高酸素濃度ガスを噴出することで、燃料ノズルの断面の全周にわたってほぼ均一に燃料ノズルの内壁近傍が高酸素濃度且つ高燃料粒子濃度となる領域が形成されるため、燃料との混合不良が生じることなく、確実に着火させ安定に燃焼させることができる。
請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、高酸素濃度ガスと燃料との混合が促進される。

請求項３記載の発明によれば、上記請求項２記載の発明の効果に加えて、高酸素濃度ガスと燃料噴流との混合が促進されるため、混合不良が生じることなく、確実に着火させ安定燃焼が可能となる。また、燃料ノズルの内壁近傍が高酸素濃度且つ高燃料粒子濃度となる領域が形成されるため、燃料ノズルの出口で火炎が安定に形成される。

請求項４記載の発明によれば、酸素燃焼システムの酸素燃焼モードにおいて、燃料の搬送用ガスに低酸素濃度の再循環ガスのみを用いても、上記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体燃料バーナの効果を有するため、燃料ノズル内での燃料粒子と高酸素濃度ガスの混合領域の形成が促進され、確実に着火させ安定に燃焼させることができる。

本発明の一実施形態の固体燃料バーナの構造を示した平面断面図である。本発明の一実施形態の固体燃料バーナを備えた燃焼装置の系統図である。混合ノズルの一例を示した図である。固体燃料バーナの出口で形成される循環流近傍における固体燃料ノズルの周方向の酸素濃度と燃料／ガス質量比との関係を示した図である。

以下に、本発明の実施例について説明する。

図１には、本発明の一実施形態の固体燃料バーナの構造を示した平面断面図を示す。
固体燃料バーナ４２は、中心軸Ｃに助燃用の燃料ノズルとしてオイルガン２４を備え、オイルガン２４の外周に、燃料噴流すなわち固体燃料（微粉炭）及びその搬送気体を噴出する燃料ノズル１１を備えている。したがって、燃料ノズル１１内に固体燃料と搬送気体の搬送流路が形成されている。固体燃料として、微粉炭の他には、バイオマス、オイルコークス等がある。

燃料ノズル１１の中心部を貫通して設けられた助燃用のオイルガン２４は、固体燃料バーナ４２の起動時に燃料の着火に使用する。なお、助燃用の燃料ノズルとして、オイルガンの他に固体燃料やガス燃料の助燃用の燃料ノズルを用いても良い。例えば、ガススパッド等が考えられる。

燃料ノズル１１の外側には、酸素を含む燃焼用ガス噴出用の外側ガスノズル（二次ガスノズル１４、三次ガスノズル１５）などがあり、それぞれ二次燃焼用ガス流１７と三次燃焼用ガス流１８を形成する。これら燃料ノズル１１、二次ガスノズル１４、三次ガスノズル１５はオイルガン２４の中心軸Ｃと同軸上にある。本実施例において、二次ガスノズル１４及び三次ガスノズル１５には、ガスに旋回力を与えるための旋回器２７，２８が設置されている。二次ガスノズル１４と三次ガスノズル１５は隔壁２９で隔てられ、隔壁２９の先端部分は三次燃焼用ガス流１８が中心軸Ｃに対して角度を持って噴出されるように、末広がり状のガイド（スリーブ）を形成している。

火炉壁を構成するバーナスロート３０は、三次ガスノズル１５の外周壁を兼ねている。また、火炉壁には、水管３１が設けられており、燃料ノズル１１外側の先端部すなわち火炉出口側には、保炎器２３と呼ばれる障害物が設けられている。保炎器２３は、燃料ノズル１１から噴出する燃料とその搬送気体とからなる燃料噴流（固体燃料とその搬送気体との混合物の流れ）１６や二次ガスノズル１４を流れる二次燃焼用ガス流１７に対して、障害物として働く。

固体燃料バーナ４２の出口では、保炎器２３の下流側(火炉４１側)の圧力が低下し、この部分（燃料噴流１６と外側ガスノズルから噴出されるガス（二次燃焼用ガス流１７）の間）に、燃料噴流１６や二次燃焼用ガス流１７とは逆方向の流れが誘起される。この逆方向の流れを循環流１９と呼ぶ。循環流１９内には、バーナ出口の後流側から燃料の燃焼で生じた高温ガスが流れ込み、滞留する。この高温ガスと燃料噴流１６中の燃料とが、固体燃料バーナ４２の出口で混合し、更に火炉４１内からの輻射熱により燃料粒子の温度が上昇して、着火する。

燃料ノズル１１内には、固体燃料と搬送気体の搬送流路を中心軸Ｃ側に縮小するベンチュリ３２と、ベンチュリ３２の後流側（火炉４１側）で搬送流路を燃料ノズル１１の内壁側に縮小する濃縮器３３が設けられている。ベンチュリ３２は燃料ノズル１１の流路断面積を外周側からなめらかに縮小し拡大する形状を有し、濃縮器３３は燃料ノズル１１の流路断面積を内側からなめらかに縮小し拡大する形状を有している。燃料粒子は搬送気体よりも慣性力が大きいため、ベンチュリ３２で絞られた中心軸Ｃ側に向かう燃料粒子の流れが濃縮器３３を通過後、効果的に燃料ノズル１１の内壁面に沿って広がって流れる。したがって、濃縮器３３によって、燃料ノズル１１の内壁近傍の粒子濃度が高められる。

更に、濃縮器３３の後流側には、搬送流路を燃料ノズル１１の内壁側と中心軸Ｃ側に分配する分配器３５が設けられている。分配器３５によって粒子濃度の高い領域を燃料ノズル１１出口まで維持し、循環流１９の高温域近傍で粒子濃度の高い領域を形成させることができる。

固体燃料を固体燃料バーナ４２の出口で安定して着火させ、保炎させるためには、循環流１９の高温域近傍に、粒子濃度と酸素濃度が高い領域を形成する必要があるが、搬送気体は空気よりも酸素濃度の低い（酸素濃度が２１％未満のガスであり、以下、低酸素濃度ガスという）燃焼用ガスであるため、例えば再循環される排ガスなどの酸素濃度は通常３〜６％程度で、そのままでは安定した着火性、保炎性が困難である。

本実施例の固体燃料バーナ４２は、燃料ノズル１１の出口における循環流１９の高温域に空気よりも酸素濃度の高いガス（酸素濃度が２１％以上のガスであり、以下、高酸素濃度ガスという）と燃料粒子濃度の高い領域を形成するために、以下の方法を用いて、高酸素濃度のガスを燃料ノズル１１内で混合する。

ベンチュリ３２のノズル出口側末端より後流と、濃縮器３３の平行部３３ａより前流の間の燃料ノズル１１壁面には、高酸素濃度ガスを燃料ノズル１１の内壁近傍に噴出する第１の混合ノズル１２のガス噴出口１２ａが中心軸Ｃと同軸に設けられている。高酸素濃度ガスは第１の混合ノズル１２のガス噴出口１２ａから固体燃料の搬送方向（中心軸Ｃ方向）に沿って、すなわち燃料噴流１６と平行に噴出される。

また、分配器３５と燃料ノズル１１の壁面との間の搬送流路には、高酸素濃度ガスを燃料ノズル１１内に噴出する第２の混合ノズル１３のガス噴出口１３ａが設けられており、高酸素濃度ガスは第２の混合ノズル１３のガス噴出口１３ａから燃料ノズル１１の周方向へ噴出される。分配器３５によって固体燃料と搬送気体の流路を隔てることで燃料粒子や搬送気体の混合が抑制されて粒子濃度の高い領域が形成されると共に、高酸素濃度ガスが燃料粒子を吹き飛ばしても燃料の分散や高酸素濃度ガスの中心軸Ｃ側への拡散が防止される。

また、このガスの噴流２１は、燃料噴流１６とほぼ垂直に交差し、混合されることで、燃料噴流１６との混合が促進されるため燃料ノズル１１の出口で火炎が安定に形成される。

燃料ノズル１１内を流れる粒子の挙動は以下のようになる。
ベンチュリ３２でノズル中心軸Ｃ近傍に集められた粒子が、濃縮器３３によって燃料ノズル１１の内壁近傍に集められ、分配器３５によって内壁近傍に燃料粒子の濃い濃度を保ったまま、保炎器２３で乱されて炉内へ放出される。第１の混合ノズル１２のガス噴出口１２ａは、濃縮器３３によって燃料粒子を燃料ノズル１１の内壁近傍に集めているところにあるため、周方向へガスを噴出すると、粒子の流れを乱すことになり、燃料ノズル１１の内壁近傍へ燃料粒子を濃縮させる効果が小さくなるため、内壁に沿ってガスを噴出することが望ましい。第２の混合ノズル１３のガス噴出口１３ａは、分配器３５外周と燃料ノズル１１内壁との間に位置するため、高酸素濃度ガスを周方向に噴出することで、燃料粒子の混合を促進できる。

なお、第１の混合ノズル１２からは燃料ノズル１１の周方向へ噴出し、第２の混合ノズル１３からは燃料ノズル１１の内壁に沿って噴出したり、両方の混合ノズル１２，１３の噴出方向を燃料ノズル１１の内壁に沿わせたり、両方の混合ノズル１２，１３の噴出方向を燃料ノズル１１の周方向に沿わせたりしても、燃料粒子の混合効果は期待できるが、第１の混合ノズル１２からは燃料ノズル１１の内壁（長手方向）に沿って噴出し、第２の混合ノズル１３からは燃料ノズル１１の周方向へ噴出することで最も効果的に燃料粒子の混合を促進できる。

第１の混合ノズル１２、第２の混合ノズル１３から噴出する高酸素濃度ガスは、外側ガスノズル１４，１５から供給される二次燃焼用ガスや三次燃焼用ガスと同じく風箱２６から分岐して供給される。なお、第１の混合ノズル１２、第２の混合ノズル１３の接続元は、風箱２６ではなくても良く、個別に酸素濃度を調整できるように低酸素濃度ガス系統と高濃度酸素ガス供給系統とが各ノズルに独立して接続されるようにしても良い。そして、第１の混合ノズル１２と第２の混合ノズル１３への供給ラインにダンパ６１（図２）やガス流量計６４ａや高濃度酸素流量計６４ｂ（酸素濃度計でも良い）などを設け、図示しない制御装置によって各混合ノズル１２，１３の流量調節弁３４ａ，３４ｂを調節して各混合ノズル１２，１３へのガス流量や酸素濃度などを調整しても良い。

各混合ノズル１２，１３から噴出するガスの酸素濃度に関しては、第１の混合ノズル１２から噴出するガスの酸素濃度よりも第２の混合ノズル１３から噴出するガスの酸素濃度の方が高い方が望ましい。燃料ノズル１１の出口近傍で酸素濃度を高めることで、より安定に燃焼する。

本実施例により、酸素濃度を空気よりも高めた燃焼用ガスを少量ずつ二段階で、燃料粒子の濃縮した領域に局部的に混合することにより、循環流１９の高温域近傍に酸素濃度が高く且つ粒子濃度の高い領域が形成されて、安定した着火が可能となる。

酸素燃焼システムの場合、燃料ノズル１１内で酸素濃度に分布ができたとしても、循環流１９に近いところで酸素濃度が２１％以上の高い領域ができれば、着火が促進され、安定燃焼が可能となる。

高酸素濃度ガスを含んだ燃焼用ガスを二段階に分けて混合する場合に、一段階目で固体燃料の粉砕機の後流側で且つ燃料ノズルの前流側（搬送ガスライン）で燃焼用ガスの一部を混合することも考えられるが（二段階目は燃料ノズル内）、搬送用ガスと燃焼用ガスの一部の混合が促進され、燃料ノズル断面における酸素濃度が均一になる。したがって、燃料ノズルの内壁近傍に局部的に酸素濃度が高いガス流れを形成するのが困難になる。

しかし、本実施例では、ベンチュリ３２のノズル出口側末端より後流と、濃縮器３３の平行部３３ａより前流の間の搬送流路及び分配器３５と燃料ノズル１１壁面との間の搬送流路の二箇所から高酸素濃度ガスが燃料ノズル１１内に噴出される。

まず、固体燃料はベンチュリ３２に沿って流れるため、ベンチュリ３２を通過した固体燃料は燃料ノズル１１の内壁近傍に粒子濃度の高い領域を形成する。そして、この領域に高酸素濃度ガスが噴出されることで、粒子濃度と酸素濃度が高い領域を形成できる。

更に、濃縮器３３によって、燃料ノズル１１の内壁近傍の粒子濃度が高められ、分配器３５によって粒子濃度の高い領域を燃料ノズル１１出口まで維持すると共に、分配器３５と燃料ノズル１１壁面との間から高酸素濃度ガスが噴出されることで、循環流１９の高温域近傍で粒子濃度の高い領域を形成させることができる。

したがって、燃料ノズル１１の断面の全周にわたってほぼ均一に燃料ノズル１１の内壁近傍が高酸素濃度且つ高燃料粒子濃度となる領域が形成されるため、燃料との混合不良が生じることなく、確実に着火させ安定に燃焼させることができる。

図２には、本発明の一実施形態の固体燃料バーナを備えた燃焼装置の系統図を示す。火炉４１での燃焼によって発生した排ガスは脱硝装置５２、再生式熱交換器５３、除塵装置５４、誘因通風機５８、脱硫装置５５、二酸化炭素回収装置５６を介して排ガス中の窒素酸化物や硫黄酸化物が処理された後、煙突５７から大気中に排出される。この排ガス処理工程を排ガス処理系統４３と言う。

酸素燃焼システムは、概ね排ガス処理系統４３から排出された排ガスを火炉４１に戻す再循環ガスファン４４と、再循環ガスファン４４により火炉４１に排ガスを戻す再循環ライン４５を備える。除塵装置５４と脱硫装置５５との間に設けたダンパ６１によって再循環ライン４５に流れる排ガス量が調整される。

図２には、脱硝装置５２、再生式熱交換器５３、除塵装置５４などで窒素酸化物及び排ガス中の煤塵を処理した排ガスを再循環用のガスとして抜き出す系統を示している。
再循環ライン４５は、燃料搬送ライン４６と燃焼用ガスライン４７とに分岐され、再循環ライン４５に設けたダンパ６１によって燃料搬送ライン４６と燃焼用ガスライン４７に流れる排ガス量が調整される。そして、これら再循環ライン４５、燃料搬送ライン４６、燃焼用ガスライン４７などにより排ガス再循環系統を構成しており、この排ガス再循環系統を流れる排ガスを再循環ガスと言う。

また、本実施例における固体燃料バーナ４２を用いる燃焼装置（燃焼システム）では、固体燃料を燃焼させるための酸素を、酸素発生装置５１から燃焼ガスライン４７に供給している。なお、酸素発生装置５１は空気を原料として酸素を製造する装置である。酸素発生装置５１から燃焼ガスライン４７に供給される酸素の流量は高濃度酸素流量計６４ｂによって測定される流量が適切になるように弁６２によって調整される。また、燃焼ガスライン４７では再循環ガス量が排ガス流量計６４ａによって測定されており、二酸化炭素回収装置５６へ流れるガス量と、再循環ライン４５から供給される再循環ガス量が各ダンパ６１，６１により調整されている。

そして、再循環ライン４５から分岐した燃料搬送ライン４６には固体燃料を混合、粉砕するための燃料粉砕機５０を備え、燃料粉砕機５０により粉砕された固体燃料は固体燃料バーナ４２の燃料ノズル１１に供給される。

燃焼用ガスライン４７には、燃料搬送ライン４６との分岐部よりも後流側に、酸素発生装置５１から発生した高純度酸素と再循環ガスとを混合するための混合装置６３を備え、混合装置６３により混合された高純度酸素と再循環ガスは、風箱２６に供給される。

第１の混合ノズル１２のガス噴出口１２ａ及び第２の混合ノズル１３のガス噴出口１３ａから燃料ノズル１１内に供給される混合ガスは、風箱２６から分岐し、供給される。なお、図示していないが、混合ガスは風箱２６からではなく、個別に酸素濃度を調整したガスを用いてもよい。

図３には、混合ノズルの一例を示す。図３（ａ）には、第１の混合ノズル１２のガス噴出口１２ａの断面図（概略図）を示し、図３（ｂ）には、第２の混合ノズル１３の形状を示した斜視図を示す。また、図３（ｃ）には、第２の混合ノズル１３のガス噴出口１３ａの断面図（概略図）を示し、図３（ｄ）には、第２の混合ノズル１３の平面図（概略図）を示す。
なお、実施例１でも図３に示すような混合ノズルを用いても良い。また、混合ノズルは、高酸素濃度ガスと燃料噴流の混合を促進するものであれば、これ以外の形状でも問題はない。実施例１でも同様である。

図３（ｂ）において、左上から右下方向が中心軸Ｃ方向を示し、右上から左下方向が燃料ノズル１１の周方向を示し、上下方向が燃料ノズル１１の径方向を示す。第２の混合ノズル１３は燃料ノズル１１の外側（風箱２６側）に突出する部分が円筒形で、燃料ノズル１１の内壁側が搬送流路の前流と後流にそれぞれ狭まる直方体の形状である。

図３（ｂ）において、燃料噴流１６は燃料ノズル１１の軸方向、すなわち左上から右下方向に流れる。また、第２の混合ノズル１３からの噴流２１は円筒形の上部から入り直方体形状の側面のガス噴出口１３ａから燃料ノズル１１内に噴出する。この噴流２１は燃料ノズル１１の周方向への速度成分を持ち、軸方向に噴出する燃料噴流１６と略直交するため、噴流２１と燃料噴流１６との混合が促進される。また、燃料ノズル１１の内壁の周方向に沿って噴流２１が噴出されることで、中心軸Ｃ側に噴出される場合と比べて燃料ノズル１１の内壁近傍が高酸素濃度且つ高燃料粒子濃度となる領域が形成されるため、燃料との混合不良が生じることなく、確実に着火させ安定に燃焼させることができる。

更に、第２の混合ノズル１３の側壁間の幅は搬送流路の前流側と後流側が狭くて中間部が広く、すなわち搬送流路の断面積を前流側から後流側にかけて滑らかに縮小した後拡大するような形状である。このような形状にすることで、第２の混合ノズル１３の隔壁の断面積が滑らかに変わるため、燃料噴流１６の乱れを防止して燃料噴流１６の分散を抑制できる。また、ガス噴出口１３ａを第２の混合ノズル１３の側壁に設けると、燃料ノズル１１内を流れる燃料粒子が第２の混合ノズル１３内に流れることを防止でき、ガス噴出口１３ａの摩耗も抑制される。

酸素燃焼システムでは、前述のように再循環される排ガスの割合が大きく、ＣＯ_２濃度が高いため火炎の伝播速度が遅くなり、着火遅れが生じやすい。
この際、燃料ノズル１１の出口近傍で燃料粒子の周囲に空気よりも酸素濃度の高い雰囲気を形成すれば、着火性は良くなるが、搬送用ガスとして再循環ガス（Ｏ_２濃度３〜６％）を用いたときには、燃料ノズル１１の出口近傍で混合する高酸素濃度ガスを含んだ燃焼用ガスを多く混合しなければ、循環流１９に近いところで酸素濃度が２１％以上の領域は形成されない。

しかし、燃料ノズル１１の出口近傍で大量の燃焼用ガスを混合することは、燃料を分散させてしまうため、酸素濃度２１％以上の領域に燃料がないことになり、着火には至らない。
そのため、酸素燃焼システムにおいて燃料を安定燃焼させるためには、循環流１９により酸素濃度が２１％以上の領域を形成し、且つそこに燃料粒子が存在していることが必要条件となる。
図４には、循環流１９の近傍における燃料ノズル１１の周方向の酸素濃度と燃料／ガス質量比との関係を示す。

周方向の酸素濃度とは燃料ノズル１１出口の内壁近傍の酸素濃度であり、搬送ガスと、第１の混合ノズル１２及び第２の混合ノズル１３から噴出される混合ガスとが混ざったガスの酸素濃度である。また、燃料／ガス質量比とは、燃料ノズル１１出口の内壁近傍の微小面積あたりに流れる、ガスの質量と固体燃料の質量比である。これら周方向の酸素濃度及び燃料／ガス質量比は数値解析での評価を示している。

なお、周方向の酸素濃度や燃料／ガス質量比は流動試験装置でも測定可能である。安定燃焼域の基準は燃料や燃焼条件によって燃料／ガス質量比が異なってくる。ここでは燃料／ガス質量比が０．５以上を安定燃焼としているが、この条件は、実際の燃焼で安定した条件を数値解析でデータを作成し、その際の燃料／ガス質量比を評価して求めたものである。
図４から、安定した着火には、循環流１９の高温域近傍の酸素濃度が２１％以上、燃料／ガス質量比が０．５以上であることが望ましい。

表１には、以下に示す(ａ)〜(ｅ)の５種類のバーナ構造を用いたときの、火炎の安定性と燃料搬送ライン４６の安全性を評価した結果を示す。表中のマル（○）は、その項目が安定燃焼もしくは搬送ガスラインの安全性に必要な条件を十分に満足する場合を示し、表中のバツ（×）は、その項目が安定燃焼もしくは搬送ガスラインの安全性の条件を満足しない場合を示す。(ａ)〜(ｅ)の条件は以下の通りである。

(ａ)は、通常の空気燃焼用バーナを酸素燃焼システムに適用した例である。この空気燃焼用バーナは、固体燃料ノズルとその外周の外側ガスノズルから構成されており、固体燃料ノズル内に高酸素濃度ガスを混合する混合ノズルは設けていない。そして、燃料搬送用のガスとして、再循環ガスに高酸素濃度ガスを混合したものを用いた。

この場合、固体燃料ノズル内は安定した燃焼に必要な酸素濃度で均一になり、かつ燃料／ガス質量比も一定に保たれるため、循環流１９の高温域での酸素濃度と粒子濃度の分布は、図４に示す安定燃焼域に存在する。したがって、固体燃料バーナ４２の出口では安定した燃焼状態となる。このときの搬送ガスラインの酸素濃度は、２１％以上になる。一方で、高酸素濃度ガス（２１％以上の酸素濃度のガス）を含んでいるため、安全性を考慮すると酸素燃焼システムには適さない。

（ｂ）は、固体燃料ノズル内に高酸素濃度ガスを混合する混合ノズルを一段（一箇所）設けた例である。なお、固体燃料ノズル内であればどこでも構わないが、この例では第２の混合ノズル１３と同等位置に設けた場合を想定している。この条件は褐炭の燃焼用バーナなどに相当する。

搬送用ガスと混合する高酸素濃度ガスの割合を低くして搬送用ガスの酸素濃度を低くし、固体燃料ノズル内で高酸素濃度ガスを含んだ燃焼用ガスの一部を混合ノズルから混合した。この場合も循環流１９の高温域での酸素濃度と粒子濃度の分布は、図３に示す安定燃焼域に存在する。したがって、安定した燃焼状態となるが、搬送用ガスの酸素濃度は１０％程度までしか低減できないため、搬送用ガスに高酸素濃度ガスを混合させることが必要であり、褐炭等の発火しやすい燃料を用いた場合の安全性を考慮すると酸素燃焼システムには適さない。

（ｃ）は、（ｂ）と同じく固体燃料ノズル内に高酸素濃度ガスを混合する混合ノズルを一段（一箇所）設けた場合のバーナ構造の例であるが、固体燃料の搬送用ガスとして再循環される排ガス(酸素濃度が３〜６％）のみを使用し、固体燃料ノズル内で高酸素濃度ガスを含んだ燃焼用ガスの一部を一段で混合した場合を示す。この場合、循環流１９の高温域で酸素濃度は２１％以上であるが、燃料／ガス質量比が低下し、安定した燃焼状態が得られない。これには、特許文献２で開示されているようなバーナ構造も含まれる。

（ｄ）は、固体燃料ノズル内に高酸素濃度ガスを混合する混合ノズルを二段（燃料搬送方向の前流側と後流側に二箇所）設けた例である。固体燃料の搬送用ガスとして再循環される排ガス(酸素濃度が３〜６％）のみを使用し、高酸素濃度ガスを含んだ燃焼用ガスの一部を二段階で混合させるものだが、第一段階の混合を粉砕機よりも排ガス流路の後流であって且つベンチュリの前流で行った場合を示す。なお、二段階目はベンチュリの後流側近傍とした。

この場合、循環流１９の高温域で酸素濃度が２１％未満になるため、安定した燃焼状態が得られない。酸素濃度を高くする場合は、混合する燃焼用のガス量を増やさないといけないため、燃料／ガス質量比が低下し、安定燃焼は困難になる。以上、(ａ)〜（ｄ）は比較例である。

（ｅ）は、本実施例の固体燃料バーナ４２（図１）を用いた場合である。搬送用ガスとして再循環される排ガス(酸素濃度が３〜６％）のみを使用し、高酸素濃度ガスを含んだ燃焼ガスの一部を、第一にベンチュリ３２の後流側且つ濃縮器３３の平行部より前流側で混合し、第二に分配器３５と燃料ノズル１１壁面との間から混合した例を示す。この場合、燃料ノズル１１出口で安定燃焼に必要な酸素濃度と燃料／ガス質量比が得られる。また、燃料ノズルまでは再循環燃焼ガスを搬送用ガスとしているため、酸素燃焼システムに適用しても安全性が保たれる。

すなわち、本実施例により、高酸素濃度ガスを含んだ燃焼用ガスの一部を、燃料ノズル１１内で前流側と後流側の二段階に分けて混合することで、燃料ノズル１１出口の循環流１９近傍で、酸素濃度が高い領域（２１％以上）を形成し、かつ燃料粒子が高濃度で存在する（燃料／ガス質量比を保つ）ため、固体燃料バーナ４２出口で安定した燃焼状態となる。
燃料の搬送用ガスとしては、専ら再循環される排ガスを用いることができるので、安全性も保たれる。

本発明によれば、石炭焚ボイラプラントなどの各種プラント等において使用される固体燃料バーナとして利用可能性がある。

１１燃料ノズル１２第１の混合ガスノズル
１３第２の混合ガスノズル
１４外側ガスノズル（二次ガスノズル）
１５外側ガスノズル（三次ガスノズル）
１６燃料とその搬送気体の流れ（燃料噴流）
１７二次燃焼用ガスの流れ１８三次燃焼用ガスの流れ
１９循環流２１混合ガスの噴流
２３障害物（保炎器）２４オイルガン
２６風箱２７，２８旋回器
２９隔壁３０バーナスロート
３１水管３２流路縮小部材（ベンチュリ）
３３障害物（濃縮器）３４流量調節弁
３５分配器４１火炉
４２固体燃料バーナ４３排ガス処理系統
４４再循環ガスファン４５再循環ライン
４６燃料搬送ライン４７燃焼用ガスライン
５０粉砕機５１酸素発生装置
５２脱硝装置５３再生式熱交換器
５４除塵装置５５脱硫装置
５６二酸化炭素回収装置５７煙突
５８誘因通風機５９押込み通風機
６０搬送ガス用通風機６１ダンパ
６２弁６３混合装置
６４流量計６４ａ排ガス流量計
６４ｂ高濃度酸素流量計

Claims

中心軸に設けられる助燃用の燃料ノズルと、
該助燃用の燃料ノズルの外周で同軸に設けられ、固体燃料と空気よりも酸素濃度の低い搬送気体とを搬送し噴出する固体燃料ノズルと、
前記固体燃料ノズル内に設けられ、固体燃料ノズル内の固体燃料と搬送気体の搬送流路を中心軸側に縮小するベンチュリと、
前記固体燃料ノズル内であって前記ベンチュリよりも前記固体燃料と搬送気体の搬送流路の後流側に設けられ、該搬送流路を固体燃料ノズルの内壁側に縮小する燃料濃縮器と、
前記固体燃料ノズル内であって前記燃料濃縮器よりも前記固体燃料と搬送気体の搬送流路の後流側に設けられ、該搬送流路を固体燃料ノズルの内壁側と中心軸側に分配する分配器と
を備えた固体燃料バーナであって、
前記ベンチュリと前記燃料濃縮器との間の搬送流路に設けられ、空気よりも酸素濃度の高い燃焼用ガスを固体燃料ノズルの内壁近傍に噴出する第１の燃焼用ガス噴出口と、
前記分配器と固体燃料ノズル壁面との間の搬送流路に設けられ、空気よりも酸素濃度の高い燃焼用ガスを固体燃料ノズル内に噴出する第２の燃焼用ガス噴出口と
を設けたことを特徴とする固体燃料バーナ。
前記第１の燃焼用ガス噴出口は、燃焼用ガスの噴出方向が前記固体燃料と搬送気体の搬送方向に沿うように固体燃料ノズルの内壁で該固体燃料ノズルと同軸に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体燃料バーナ。
前記第２の燃焼用ガス噴出口は、燃焼用ガスの噴出方向が固体燃料ノズルの周方向に沿うように固体燃料ノズルの内壁に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の固体燃料バーナ。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体燃料バーナを設けたボイラと、
該ボイラから燃焼により排出される排ガスをボイラへ再循環させる排ガス再循環部と、
空気よりも酸素濃度の高いガスを前記ボイラへ供給する高酸素濃度ガス供給部と
を設けた酸素燃焼装置であって、
前記固体燃料ノズルに前記排ガス再循環部の再循環ガスが供給される再循環ガス供給部と、
前記固体燃料ノズルの第１の燃焼用ガス噴出口及び第２の燃焼用ガス噴出口に前記排ガス再循環部の再循環ガスと前記高酸素濃度ガス供給部の高酸素濃度ガスとの混合ガスが供給される混合ガス供給部と
を設けたことを特徴とする固体燃料バーナを備えた酸素燃焼装置。