JP2019517658A - 燃料を燃焼させる方法及びボイラー - Google Patents

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Abstract

本発明は、燃料を燃焼させる方法に関連し、本方法は、所定の水平バーナーレベル（４）又はその付近に配置された一組のバーナー（３）を通してボイラー炉（１）に燃料及び燃焼用空気を供給することを含む。各バーナーの炎は、燃料供給管（５）に炎安定化リング（７）を設けることによって安定化される。本方法は、さらに、各ウイングバーナー（９）の空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）を０．９５以上に設定することと、少なくとも１つの中央バーナー（８）の空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を０．９以下に設定することと、各ウイングバーナー（９）を通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を０〜０．３に設定することと、炎安定化リング（７）の下流に生成された内側再循環領域の周囲に外側再循環領域を生成することによって、少なくとも１つの中央バーナー（８）の炎の形状を広げることと、を含む。本発明はさらにボイラーに関する。

Description

本発明は、燃料を燃焼させる方法及びボイラーに関連する。
ボイラー炉内の燃料の燃焼は、異なるボイラー動作変数間のバランスをとることを必要とする。さまざまな有害物質の排出量を許容限度未満に保つ必要がある。さらに、ボイラーの動作及びボイラーの利用可能性に関するいくつかの問題を考慮に入れる必要がある。
燃焼プロセスを最適化して有害物質の低排出量を達成する一方で、良好な炎安定性及びボイラーの利用可能性を達成するようにボイラー動作を設計することが困難であることが多い。近い将来、欧州連合の加盟国では、有害物質に対するかなり厳しい新たな排出制限が施行されようとしている（産業排出指令、ＩＥＵ）。新しい排出制限により、燃焼の最適化はさらにより困難になる。
バーナーの炎は、二次空気又は三次空気を接線方向の運動に設定することによって安定化されることが多い。これは、スワーラを通して炉内に空気を指向することによって達成することができ、スワーラはそれを通して流れる空気に接線方向の運動を与える。スワーラは、空気流の方向を変えるために所定の角度に設定された羽根を含む。空気のスワール数Ｓは、空気に所定の接線方向の速度を与えるように設定される。スワール数Ｓは、空気流の軸方向の運動量に対する接線方向の運動量の比を特徴付ける。スワール数が低いと、弱いスワールが発生し、流れの再循環はほとんど又はまったく存在しない。スワール数が高いと、再循環領域が形成される。
スワール数が増加すると、強い再循環領域が達成され、炎が安定化される。しかし、スワール数を増加させると、燃料が熱伝達壁の近くで渦を起こす。熱伝達は、高温流と熱伝達壁との間にある燃料ダストによって損なわれる。追加的に、スワール数を増加させると、燃焼中に形成された一酸化炭素が炉壁の近くの接線方向の空気流と共に移動し、それによって熱伝達面に深刻な腐食問題を引き起こす。
本発明の目的は、燃料の豊富な煙道ガスが炉壁から炉の中央まで同伴するのを助ける流れパターンを生じさせるように炉内の流体力学が影響を受ける、燃料を燃焼させる方法及びボイラーを提供することであり、それによって炉壁の腐食を低減する。また、一酸化炭素と窒素酸化物の排出量を許容限度未満に保つことが目的である。
本発明による方法は、請求項１に提示されているものによって特徴付けられる。
本発明によるボイラーは、請求項１５に提示されているものによって特徴付けられる。
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供し、本明細書の一部を構成するために含まれ、本発明の実施形態を例示し、発明を実施するための形態と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。
２つの対向する炉壁における一実施形態による一組のバーナーを含むボイラーの概略斜視図である。 一実施形態によるバーナーの概略断面図である。 第２実施形態に係るバーナーの概略断面図である。 ボイラー炉内における所定の水平バーナーレベルにある全体の流れ場の概略断面図である。
一態様によれば、燃料を燃焼させる方法が提供され、本方法は、バーナーの１つ以上によって炎を生成するために所定の水平バーナーレベル又はその付近にて炉壁上に配置された一組のバーナーを通して、炉壁を含むボイラー炉に燃料及び燃焼用空気を供給することを含む。燃焼用空気は一次空気と二次空気とを含む。燃料は、下流端を含む燃料供給管を通して供給される。各バーナーの炎は、炎安定化リングの下流に内側再循環領域を生成するために、燃料供給管の下流端に炎安定化リングを設けることによって安定する。各バーナーは空気係数（ＳＲｗｉｎｇ、ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を有し、バーナーを通して供給される二次空気はスワール数（Ｓｗｉｎｇ、Ｓｃｅｎｔｅｒ）を有する。一組のバーナーは、少なくとも１つの中央バーナーと、その少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された少なくとも１つのウイングバーナーと、を含む。本方法はさらに、
− 各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）を０．９５以上に、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を０．９以下に設定する。
− 各ウイングバーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を０〜０．３に設定する。
− 少なくとも１つの中央バーナーの炎安定化リングの下流に生成された内側再循環領域の周囲に外側再循環領域を生成することによって、少なくとも１つの中央バーナーの炎の形状を広げる。
一態様によれば、炉壁を含むボイラー炉と、所定の水平バーナーレベル又はその付近にて炉壁上に配置された一組のバーナーと、を含むボイラーが提供される。一組のバーナーの各バーナーは、
下流端を含み、ボイラー炉内に燃料を供給するための燃料供給管と、
燃料供給管の周囲に配され、ボイラー炉内に二次空気を供給するための二次空気流チャネルと、
燃料供給管の下流端に取り付けられ、炎安定化リングの下流に内側再循環領域を生成するための炎安定化リングと、を含む。各バーナーは空気係数（ＳＲｗｉｎｇ、ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を有し、バーナーを通して供給される二次空気はスワール数（Ｓｗｉｎｇ、Ｓｃｅｎｔｅｒ）を有する。
一組のバーナーは、少なくとも１つの中央バーナーと、その少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された少なくとも１つのウイングバーナーと、を含む。各ウイングバーナーは、各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が０．９５以上となるような量でボイラー炉内に燃焼用空気を供給するように構成され、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．９以下となるような量でボイラー炉内に燃焼用空気を供給するように構成される。
各ウイングバーナーは、各ウイングバーナーを通して供給される二次空気に０〜０．３のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を与えるように構成される。
少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーの炎の形状を広げるために、少なくとも１つの中央バーナーの炎安定化リングの下流に生成された内側再循環領域の周囲に外側再循環領域を生成するように構成される。
本明細書に記載の方法は、所定の水平バーナーレベルにあるバーナーが、中央バーナーとウイングバーナーに対して異なる空気係数が提供されるように動作する二段燃焼システムである。本方法によれば、最も外側のウイングバーナーの炎の形状は狭く保たれる一方、最も内側の中央バーナーの炎の形状は幅広く短く保たれる。結果として、炉壁の近くにより酸素に富んだ状態をもたらす流れパターンが作成され、炉壁の腐食速度の減少に有利に働く。流れのパターンは、燃料に富んだ煙道ガスを炉壁から炉の中心に同伴させる。
流れパターンは一組のバーナーの適切な動作及び構成により達成される。ハイブリッドバーナーの構成と動作の組み合わせは、ウイングバーナーと中央バーナーの運動量の流れに違いをもたらす。
一組のバーナーは、少なくとも１つの中央バーナーと、その少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された少なくとも１つのウイングバーナーと、を含む。一実施形態では、一組のバーナーは、少なくとも１つの中央バーナーと、その少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された少なくとも１つのウイングバーナーとからなる。一組の中央バーナーを形成するいくつかの中央バーナーがある場合、少なくとも一つのウイングバーナーが一組の中央バーナーの両側に配置される。したがって、ウイングバーナーは、水平バーナーレベルにて炉壁と最も外側の中央バーナーとの間に配置される。中央バーナー間にウイングバーナーはない。一組のバーナーは、所定の水平バーナーレベルにて１つの炉壁上に隣接バーナーを含む。一組のバーナーは、例えば、３、４、５、６、７又は８つのバーナーからなってよい。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは１つの中央バーナーからなる。少なくとも１つの中央バーナーは、例えば、２、３、４、５又は６つの中央バーナーからなってよい。
一実施形態では、一組のバーナーは、中央部と、その中央部の両側にある側部と、を含む。中央部は少なくとも１つの中央バーナーを含む。側部は少なくとも１つのウイングバーナーを含む。一実施形態では、中央部は少なくとも１つの中央バーナーからなる。一実施形態では、側部は少なくとも１つのウイングバーナーからなる。
一組のバーナーのバーナーは実質的に同じ水平バーナーレベルに配置される。バーナーは正確に同じ水平バーナーレベルに配置される必要はなく、バーナーの水平レベルは互いにわずかに異なることがある。一実施形態では、一組のバーナーは、所定の水平バーナーレベルにて炉壁上に配置される。
それぞれが２つの対向する炉壁上に一組のバーナーを含む水平バーナーレベルの数は、例えば１、２、３、４又は５としてよい。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーの構造は、各ウイングバーナーの構造と同じである。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーの構造は、各ウイングバーナーの構造とは異なる。
各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）は０．９５以上に設定されている。従って、各ウイングバーナーはほぼ化学量論比の空気と燃料で動作する。各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）は相対的に高いため、ウイングバーナーでの燃焼中に形成される一酸化炭素の量は少なく保たれ、部分的には、一酸化炭素によって引き起こされる炉壁の腐食を減少させるのを助ける。
一酸化炭素の形成が、各ウイングバーナーの相対的に高い空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）によって低く保たれる一方で、高い空気係数は、ウイングバーナーでの燃焼中に形成される窒素酸化物の排出量を上昇させる。炉内で生成される窒素酸化物の総量は、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を０．９以下に調整することによって許容限界未満に保たれ、中央バーナーでの燃焼において生成される窒素酸化物の量は、ウイングバーナーでの燃焼において生成される窒素酸化物の量よりもかなり少ないようにする。
少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）は０．９以下に設定されている。従って、各中央バーナーは、準化学量論比の空気と燃料で動作する。低い空気係数は、中央バーナーでの燃焼中に形成される窒素酸化物の量を低減する。同時に、準化学量論比の空気係数は、中央バーナーでの燃焼中に形成される一酸化炭素の量を増加させる。しかし、中央バーナーは水平バーナー列の最も内側のバーナーであるため、形成された一酸化炭素は炉壁から遠ざけられ、炉壁の近くに形成された一酸化炭素と同じ位で炉壁の腐食をもたらさない。少なくとも１つの中央バーナーの空気係数係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）の値は、炉内で生成される一酸化炭素の全体の量が許容限界未満に保たれるように調整される。
中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）は、ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）よりも小さい。ウイングバーナーと中央バーナーの空気係数の違いにより、炉内の全体の流れ場が変化する。ウイングバーナーのバーナー領域付近よりも、中央バーナーのバーナー領域付近における空気量がより少ないため、ウイングバーナーの下流の圧力と比較して、中央バーナーの下流で負圧が生じる。中央バーナーの下流の負圧により、ウイングバーナーの炎が炉壁から離れて炉の中心に向かって曲がるようにする。これは一酸化炭素を炉壁から遠ざけ続けるのを助け、側壁の腐食の減少につながる。
用語空気係数の意味は、当業者にとって明らかである。空気係数又は化学量論比ＳＲは、燃料の完全燃焼に必要な理論（化学量論）空気量と比較して、燃焼にどれだけの空気が使用されるかを示す。準化学量論燃焼では、空気係数ＳＲは１未満であり、超化学量論燃焼では、空気係数ＳＲは１を超える。バーナーの空気係数は、バーナーを通して供給される燃料の完全燃焼に必要な理論空気量と比較して、バーナーを通してどれだけの空気が供給されるかを示す。
バーナーを通して供給される燃焼用空気量又はバーナーの空気係数（ＳＲ）は、本分野で知られている従来の手段を使用して調整される。各バーナーを通して供給される燃焼用空気量は、バーナーを通して供給される燃料量と望ましい空気係数とに基づいて計算される。一実施形態では、バーナーを通して供給される燃焼用空気量は、ダンパ又は制御バルブによって調整される。ダンパ又は制御バルブによって、所定量の燃焼用空気がそれらを通して流れることができる。一実施形態では、バーナーを通して供給される燃焼用空気量は、バーナーに接続された共通のウインドボックスからのバーナーの圧力損失に対して燃焼用空気をバーナーに指向することによって調整される。各バーナーでの圧力損失は、例えば、バーナーを通して供給される燃焼用空気のスワール数を変更することによって調整することができる。
各ウイングバーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）は、０〜０．３に設定されている。一実施形態では、各ウイングバーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）は、０．０１〜０．３又は０．１〜０．３に設定されている。一実施形態では、燃焼用空気は三次空気を含み、各ウイングバーナーを通して供給される三次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）は、０〜０．３、０．０１〜０．３、又は０．１〜０．３に設定されている。一実施形態では、各ウイングバーナーは、各ウイングバーナーを通して供給される三次空気に０〜０．３、０．０１〜０．３又は０．１〜０．３のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を与えるように構成される。燃料供給管の下流端に取り付けられた炎安定化リングは、炎を安定させることによってスワール数を減少させることを可能にする。一実施形態では、各ウイングバーナーを通して供給される二次空気又は三次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）は、０〜０．１に設定される。一実施形態では、各ウイングバーナーは、各ウイングバーナーを通して供給される二次空気又は三次空気に０〜０．１のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を与えるように構成される。一実施形態では、各ウイングバーナーを通して供給される二次空気又は三次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）は０に設定される、すなわちスワールは空気に提供されない。従って、炉壁近くに配置された各ウイングバーナーを通して供給される二次空気又は三次空気は、非渦運動であるか、又は弱い旋回が提供される。バーナー領域付近での空気と燃料の集中的な分離は避けられるが、むしろ、空気と燃料の流れは、炉壁への燃料の曲がりを避けるためにより軸方向である。
一実施形態では、各ウイングバーナーの二次空気流チャネル又は三次空気流チャネルは、羽根によって二次空気又は三次空気を指向するためのスワーラを含む。スワーラは、各ウイングバーナーを通して供給される二次又は三次空気に、０〜０．３、０．０１〜０．３、０．１〜０．３、０〜０．１又は０のスワール数を与えるように構成される。羽根は、二次空気又は三次空気の流れに対して角度βで配される。角度βは、各ウイングバーナーを通して供給される二次空気又は三次空気に、０〜０．３、０．０１〜０．３、０．１〜０．３、０〜０．１又は０のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を与えるように設定されている。一実施形態では、二次空気流チャネル又は三次空気流チャネルはスワーラを含まない。
ウイングバーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を０〜０．３に設定することによって、炎の広がりが回避される、又は抑えられる。従って、一酸化炭素は改善された流れ場によって炉壁から離れるように指向される。炉壁近くの一酸化炭素の量が削減され、一酸化炭素による炉壁の腐食を減少させる。十分な軸方向の運動量フラックスは、流れの良好な進入をもたらす。追加的に、空気と燃料の軸方向の流れは、炉壁に対して燃料、例えば、微粉炭の広がりを抑える。高温流と熱伝達面との間の燃料の量が削減されるため、熱伝達が改善される。改善された熱伝達は炉出口のガス温度（ＦＥＧＴ）の低下を引き起こす。
スワール数Ｓは、空気流の軸方向の運動量に対する接線方向の運動量の比を特徴付ける。スワール数の概念は、当業者に常識である。スワール数の計算方法は、例えば、Beer, J. and Chigier, N.，Combustion Aerodynamics，1972，109-115ページに見つけることができる。空気流のスワール数は、空気流の方向に対してある角度に設定された羽根を含むスワーラを通して空気流を指向することによって変えることができる。スワーラは、それを通して流れる空気に接線方向の運動を与える。スワール数は、羽根の角度を調整し、空気の速度を変えることで調整することができる。燃焼用空気に所定のスワール数Ｓを供給するのに必要な羽根の角度は、スワーラの種類に依存する。スワーラは通常、二次又は三次空気流チャネル内に配置されている。
各組のバーナー、すなわち中央バーナーとウイングバーナーの両方に、炎安定化リングが設けられている。一実施形態では、燃料供給管はさらに外壁と出口とを含み、二次空気は燃料供給管の周囲に配された二次空気流チャネルを通して供給され、二次空気流チャネルは出口を含み、炎安定化リングは、燃料供給管の出口を囲み、二次空気流チャネルの出口に向かって突出するように、燃料供給管の外壁に取り付けられている。炎安定化リングは、二次空気流チャネルの出口の一部を塞いでいる。一実施形態では、燃料供給管はさらに外壁と出口とを含み、二次空気流チャネルは出口を含み、炎安定化リングは、燃料供給管の出口を囲み、二次空気流チャネルの出口に向かって突出するように、燃料供給管の外壁に取り付けられている。
燃料供給管を通して供給される燃料キャリアガス及び燃料は炎安定化リングの一方側を流れ、二次空気流チャネルを通して供給される二次空気は炎安定化リングの他方側を流れる。炎安定化リングは、二次空気流チャネルの出口の一部を塞いでいる。二次空気流の一部は炎安定化リングと衝突し、それによって空気の流れ場が変化する。内側再循環領域は炎安定化リングの下流に形成されている。内側再循環領域は、燃焼用空気をバーナーに逆流させることによって形成される。内側再循環領域は、炎安定化リングによって径方向、すなわち燃料供給管の中心軸に垂直な方向に、区切られている。二次空気流チャネルにおける炎安定化リングの背後、すなわち上流には、減圧フィールドが設けられて、炎の安定化を引き起こすか、又は少なくとも炎の安定性を高める。追加的に、炎は、炎安定化リングがない場合よりも炎安定化リングによってより良好に着火する。燃料は炎安定化リングの内側で発生した再循環流内で着火する。炎安定化リングは、炎を狭く保つように炎の流れ場を変える。
炎安定化リングは、バーナーノズルのすぐ近くで燃料を点火する。より正確には、燃料は炎安定化リングの内側で発生した再循環流内で着火される。改善された着火の結果として、燃料の燃焼度は増加し、そしてその結果、炉の上部の煙道ガス温度は約２０〜５０℃低下し、それはボイラー効率を上げる。バーナー領域内での燃焼が高まるため、過熱器に入るときの煙道ガスはより低い温度にあり、また煙道ガス内の温度分布はより均一となる。その結果、過熱器及び再熱器の材料温度はより低くかつより均一に保たれる。実験によれば、これによって加熱面での材料損傷が著しく減少することが示されている。
炎安定化リングの断面の直径は、ボイラー炉の中心に向かう方向に大きくなっている。炎安定化リングは炉壁の方向に広がっている。炎安定化リングは、ボイラー炉の中心及び炉壁に向かって開くように、実質的に円錐台形としてよい。炎安定化リングは、炎の流れ場を望ましい方向に変える限り、他の形状を有してよい。炎安定化リングの形状は、燃料供給管に固定された炎安定化リングの端部が燃料供給管の中心軸に対して垂直であり、炎安定化リングがボイラー炉の中心に向かってその取り付け点からある距離で回転するようにずらして配置してよい（staggered）。
一実施形態では、炎安定化リングは、燃料供給管の出口から離れる方向に広がる環状部分を含む。また、炎安定化リングは、燃料供給管内に径方向に延びる多数の歯状突起を含んでよい。一実施形態では、炎安定化リングの広がっている環状部分の壁厚は、火安定化リングの自由端に向かって着実に減少する。一実施形態では、燃料供給管の上流端は薄くされており、炎安定化リングは燃料供給管の薄くされた端部の周囲に嵌合されかつ固定リングによって固定され得る均一な環状部分を含む。一実施形態では、炎安定化リングは耐熱鋼製である。炎安定化リングは、一つ以上の部分からなってよい。歯状突起は、耐熱鋼又は耐熱セラミック材料で作ることができる。
本明細書で提供される方法及びボイラーでは、少なくとも１つの中央バーナーの炎の形状は、少なくとも１つの中央の炎安定化リングの下流に生成された内側再循環領域の周囲に外側再循環領域を生成することによって広げられる。外側再循環領域は、燃焼用空気をバーナーに逆流させることによって形成される。外側再循環領域は着火性を改善し、炎を広げる。炎の広がりは窒素酸化物の量を削減するのに役立つ。中央バーナーの炎は、ウイングバーナーの炎よりも幅広く、軸方向、すなわち燃料供給管の中心軸方向に短い。炎の形状が広げられるため、バーナー領域付近での空燃比は最適に保たれ、さらなる燃焼用空気を燃料に混合する前に揮発性成分及び窒素を燃料から効率的に放出させることができる。それによって高温炎が生成される。本明細書に記載の方法及びボイラーを用いて、ボイラー炉における効率的な窒素酸化物の削減が達成される。
外側再循環領域は、内側再循環領域の周囲に形成されている。したがって、外側再循環領域は内側再循環領域を囲む。外側再循環領域は、炎安定化リングの外側に供給された燃焼用空気をボイラー炉の中心に運び、そこで燃焼用空気は加熱される。次いで、加熱された燃焼用空気は再循環流によってバーナー領域付近に引き戻され、バーナー領域付近に熱をもたらし、中央バーナーで効率的な燃焼を生成する。
本明細書で説明する方法及びボイラーでは、十分な空気ステージング効果が、バーナー領域付近、すなわち燃料と燃焼用空気の流れの分離において達成される。外側再循環領域は空気ステージング効果を向上させる。炎安定化リングの外側から供給される燃焼用空気と燃料との混合は後に起こり、各中央バーナーのバーナー領域付近で高温の還元状態が提供される。
一実施形態では、燃料は微粉燃料である。一実施形態では、燃料は微粉炭である。燃料は他の種類の燃料、例えば微粉木質ペレット又は微粉バイオマスであってもよい。一実施形態では、燃料は燃料供給管を通して供給される。一実施形態では、燃料はキャリアガスと一緒に供給される。一実施形態では、キャリアガスは空気である。一実施形態では、キャリアガスは一次空気である。一実施形態では、キャリアガスは空気と煙道ガスとの混合物である。
一実施形態では、バーナーは燃料供給管を含む。二次空気流チャネルが燃料供給管の周囲に配されている。二次空気流チャネルは、燃料供給管と、燃料供給管の周囲に同軸に配された第１の管とによって区切られている。二次空気流チャネルの断面は環状である。三次空気流チャネルが二次空気流チャネルの周囲に配されている。三次空気流チャネルは、第１の管と、第１の管の周囲に同軸に配された第２の管とによって区切られている。三次空気流チャネルの断面は環状である。
一実施形態では、燃料を燃焼させる方法は、各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）を０．９５〜１．１に設定することを含む。一実施形態では、各ウイングバーナーは、各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が０．９５〜１．１となるような量で燃焼用空気を供給するように構成される。各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が０．９５〜１．１であるとき、ウイングバーナーでの燃焼中に生成される一酸化炭素の量は、炉壁の広範な腐食を引き起こさないように十分に低く保たれる。一実施形態では、燃料を燃焼させる方法は、各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）を１．０に設定することを含む。一実施形態では、各ウイングバーナーは、各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が１．０となるような量で燃焼用空気を供給するように構成される。
一実施形態では、燃料を燃焼させる方法は、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を０．６〜０．９に設定することを含む。一実施形態では、燃料を燃焼させる方法は、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を０．７〜０．８に設定することを含む。一実施形態では、燃料を燃焼させる方法は、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を０．７５に設定することを含む。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．６〜０．９となるような量で燃焼用空気を供給するように構成される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．７〜０．８となるような量で燃焼用空気を供給するように構成される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．７５となるような量で燃焼用空気を供給するように構成される。少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．６〜０．９であるとき、中央バーナーでの燃焼中に生成される窒素酸化物の量は、全体の窒素酸化物排出量を許容限界未満に保つように十分に低く保たれる。
窒素酸化物の還元は、過剰燃焼の前の炉の中心（炉内ＮＯｘ還元）と、中央バーナーのバーナー領域付近で最も強く起こる）。不均衡なバーナー操作のために、未燃燃料（灰中の未燃カーボン、ＣＯ）がボイラー炉の中心により集中するため、過燃焼用空気（ＯＦＡ）システムはそれに応じて修正され得る。
ＣＦＤ計算によれば、各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が０．９５〜１．１であり、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．６〜０．９であるとき、良好な全体的な流体力学が達成される。空気係数がこれらの値に設定されると、ウイングバーナーの炎は炉壁から離れ、炉の中心に向かうように曲げられることで、炉壁近くの一酸化炭素の量が減少する。中央バーナー及びウイングバーナーの空気係数をこれらの値に設定すると、流れ場全体が良好になる。炉壁から炉の中心へのガスの同伴は、バーナー動作によって引き起こされる不均衡効果を相殺する。結果として、炉の横断面におけるガスの上方質量流束は悪影響を受けない。
一実施形態では、過燃焼用空気ポートの前の燃焼領域内の全体の空気係数ＳＲは、０．８５〜０．９未満（below 0.85-0.9）である。
一実施形態では、燃料を燃焼させる方法は、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を０．６〜１．５に設定することによって外側再循環領域を生成することを含む。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気に０．６〜１．５のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように構成される。このようにして、二次空気は相対的に強いスワールを与えられる、すなわち二次空気の接線方向の速度が増大する。接線方向に流れる二次空気は、中央バーナーの炎を広げる。その結果、炎を安定化させる外側再循環領域が内側再循環領域の周囲に形成される。炎の形状を広げると、燃焼も改善する。各中央バーナーにおける十分なスワール及び低い空気比は、ウイングバーナーの炎と比較して、より短い中央バーナーの炎をもたらす。
一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーの二次空気流は、二次空気を羽根によって指向するためのスワーラを含む。羽根は、二次空気の流れに対して角度βで配されている。少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気が０．６〜１．５若しくは０．９〜１．５又は１．１〜１．３のスワール数を提供するように角度βを設定することによって外側再循環領域を生成するように構成される。
一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）は、０．９〜１．５又は１．１〜１．３に設定されている。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気に０．９〜１．５又は１．１〜１．３のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように構成される。一実施形態では、燃焼用空気は三次空気を含み、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）は０．６〜１．５に設定されている。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気に０．６〜１．５のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように構成される。一実施形態では、燃焼用空気は三次空気を含み、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）は、０．９〜１．５又は１．１〜１．３に設定される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気に０．９〜１．５又は１．１〜１．３のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように構成される。
中央バーナーを通して供給される二次空気に相対的に強いスワールを提供する代わりに、外側再循環領域を中央バーナーにウイングバーナーとは異なる構造を使用することによって生成してよい。一実施形態では、二次空気流チャネルはさらに下流端と外壁とを含み、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される燃焼用空気は三次空気を含み、三次空気は、二次空気流チャネルの周囲に配される三次空気流チャネルを通してボイラー炉に供給される。三次空気流チャネルは出口を含み、本方法は、二次空気流チャネルの下流端に二次空気流チャネルの外側壁に取り付けられた空気案内デバイスを設けることによって、二次空気流チャネルの出口を囲み、三次空気流チャネルの出口に向かって突出するようにして、外側再循環領域を提供することを含む。
一実施形態では、二次空気流はさらに下流端と外壁とを含み、少なくとも１つの中央バーナーは、ボイラー炉内に三次空気を供給するために二次空気流チャネルの周囲に配された三次空気流チャネルを含み、三次空気流チャネルは出口を含み、少なくとも１つの中央バーナーは、二次空気流チャネルの下流端に二次空気流チャネルの外側壁に取り付けられた空気案内デバイスを設けることによって二次空気流チャネルの出口を囲み、三次空気流チャネルの出口に向かって突出するようにして、外側再循環領域を提供するように構成される。
一実施形態では、空気案内デバイスは実質的に円錐台形である。一実施形態では、空気案内デバイスは、二次空気流チャネルの外側壁の拡張部分である。空気案内装置の横断面の直径はボイラー炉の中心に向かって増加する。空気案内デバイスは、三次空気流チャネルの出口の方向に広がる。空気案内デバイスは、三次空気流チャネルの出口の一部を塞いでいる。三次空気の一部は空気案内デバイスと衝突し、それによって空気の流れ場が変化する。空気案内デバイスは、三次空気を径方向外向きに流れるように回転させ、三次空気と燃料との混合を遅らせる。その結果、炎が広がり、効率的な燃焼をもたらす。炎を安定化させる外側再循環領域が内側循環領域の周囲に形成される。
一実施形態では、空気案内デバイスは、燃料供給管の中心軸の方向に対して角度αで配され、角度αは２５〜４５度である。一実施形態では、角度αは３０〜４０度である。一実施形態では、角度αは３５度である。ＣＦＤ計算によれば、角度αが２５〜４５度のときに良好な流体力学が達成される。
一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）は０〜０．５に設定される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）は、０．２〜０．３又は０．０１〜０．５若しくは０．１〜０．５又は０に設定される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）は０〜０．５に設定される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）は、０．２〜０．３又は０．０１〜０．５若しくは０．１〜０．５又は０に設定される。
一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気に０〜０．５のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を供給するように構成される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気に０．２〜０．３又は０．０１〜０．５若しくは０．１〜０．５又は０のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように構成される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気に０〜０．５のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように構成される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気に０．２〜０．３又は０．０１〜０．５又は０．１〜０．５又は０のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように構成される。少なくとも１つの中央バーナーの二次空気流チャネル又は三次空気流チャネルは、二次空気又は三次空気の流れに対して角度βで配された羽根によって二次空気又は三次空気を指向するためのスワーラを含む。角度βは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気又は三次空気に、０〜０．５又は０．２〜０．３又は０．０１〜０．５若しくは０．１〜０．５又は０のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように設定される。一実施形態では、二次空気流チャネル又は三次空気流チャネルはスワーラを含まない。
一実施形態では、一組のバーナーの少なくとも一部は、燃料供給管の内側に同軸に配されたコア空気ダクトを含む。一実施形態では、コア空気はコア空気ダクトを通して供給される。一実施形態では、コア空気ダクトを通して空気は供給されない。一実施形態では、コア空気ダクトを通して供給される空気は少しだけである。コア空気ダクトを通して空気がまったく供給されないか又は少しだけ供給される場合、コア空気ダクトは炎安定性を向上させるブラフ体として作用する。
一実施形態では、各ウイングバーナーは、燃料供給管の内側に同軸に配されたコア空気ダクトを含む。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、燃料供給管の内側に同軸に配されたコア空気ダクトを含む。一実施形態では、各ウイングバーナーと少なくとも１つの中央バーナーの両方が、燃料供給管の内側に同軸に配されたコア空気ダクトを含む。
一実施形態では、各バーナーの二次空気流出口における二次空気の速度は、４０〜６０ｍ／ｓに設定される。一実施形態では、各バーナーの二次空気流チャネルの出口における二次空気の速度は、４０〜６０ｍ／ｓになるように配される。一実施形態では、二次空気流チャネルの出口における各バーナーの二次空気流チャネルの断面積は、二次空気の速度が４０〜６０ｍ／ｓとなるように配される。一実施形態では、各バーナーの三次空気流チャネルの出口における三次空気の速度は４０〜６０ｍ／ｓに設定される。一実施形態では、三次空気流チャネルの出口における各バーナーの三次空気チャネルの断面積は、三次空気の０速度が４０〜６０ｍ／ｓになるように配される。一実施形態では、各バーナーの二次空気流チャネルの出口における二次空気及び三次空気流チャネルの出口における三次空気の両方の速度は、４０〜６０ｍ／ｓに設定される。
二次又は三次空気に４０〜６０ｍ／ｓの速度を与えることによって、空気のスワール数が増加し、内側及び外側再循環領域の両方が改善される。炎安定化リングの上流の再循環流は拡大する。また、炎の着火性も改善される。二次空気又は三次空気の速度は、空気の流路を狭めることによって増加させることができる。高速の二次又は三次空気は強力な乱流を発生させ、それが燃焼用空気と燃料の効率的な混合、及び急速な着火と高温の炎をもたらす。
二次又は三次空気流チャネルの出口における二次空気又は三次空気の速度は、空気の体積流量及び流れチャネルの出口における二次又は三次空気流チャネルの断面積に依存する。体積流量Ｑは、式Ｑ＝ｖ・Ａによって定義され、ここで、ｖは空気の速度であり、Ａは流路の断面積である。体積流量及び所望の速度を知っていれば、当業者は、チャネルの出口における二次又は三次空気流チャネルの断面積を決定することができる。バーナーによって遭遇する空気圧降下は、通常１５０ｍｍＨ２Ｏである。この圧力降下は、二次空気と三次空気をボイラーに供給する強制通風ファンによって処理される。
空気の体積流量はいくつかの要因によって異なります。各バーナーによる燃焼に必要な化学量論的量の空気は、バーナーの大きさに依存する。この方法で使用されるバーナーのサイズは、通常３０〜１２０ＭＷです。燃料の完全燃焼に必要な理論的（化学量論的）空気量と比較して、所望の空気係数、すなわち燃焼に使用される空気量を知っていれば、当業者は燃焼に使用される空気の体積流量を決定することができる。
空気は、一次空気、二次空気、及び任意選択で三次空気としてボイラーに導入される。一次空気は、燃料、例えば、微粉炭とともにボイラー炉内に供給される。一次空気の量は、燃料の揮発性物質の燃焼のために必要な空気の量に相当し、通常はバーナーを通して供給される空気の総量の２０〜２５％である。
一次、二次、三次空気の体積流量は、例えば３〜５で決定することができる。例えば、バーナーの空気係数が０．９である場合、バーナーを通して供給される一次空気の空気係数は、燃料中の揮発分量に応じて、例えば、０．２〜０．３としてよい。０．６〜０．７の空気係数に対応し、０．９の全体の空気係数を達成するのに必要とされる残りの空気量は、二次空気又は二次及び三次空気として供給される。典型的には、一次空気に加えて二次空気及び三次空気の両方が供給される場合、二次空気及び三次空気の総量の約１／６から１／３が二次空気であり、残りが三次空気である。
一実施形態では、シールド空気が、少なくとも１つの中央バーナーの下に配置された少なくとも１つの空気ノズルを通して、少なくとも１つの中央バーナーの下から供給される。一実施形態では、ボイラーは、少なくとも１つの中央バーナーの下からボイラー炉内にシールド空気を供給するために、少なくとも１つの中央バーナーの下に配置された少なくとも１つの空気ノズルを含む。一実施形態では、１つの空気ノズルが各中央バーナーの下に配置されている。一実施形態では、シールド空気は、最も低い水平バーナーレベルに配置された少なくとも１つの中央バーナーの下から供給される。一実施形態では、ボイラーは、最も低い水平バーナーレベルで少なくとも１つの中央バーナーの下に配置された少なくとも１つの空気ノズルを含む。一実施形態では、１つの空気ノズルが最も低い水平バーナーレベルで各中央バーナーの下に配置されている。シールド空気の目的は、一酸化炭素の量を減らすことによって一酸化炭素の腐食を引き起こす影響から炉壁を保護することである。シールド空気は、中央バーナーで形成される一酸化炭素の量を減らす。
一実施形態では、一組のバーナーは、少なくとも１つの中央バーナーと、その少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された２つのウイングバーナーと、を含む。一実施形態では、ボイラーは、少なくとも１つの中央バーナーと、その少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された２つのウイングバーナーと、を含む。一実施形態では、一組のバーナーは、少なくとも１つの中央バーナーと、その少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された２つのウイングバーナーと、からなる。中央バーナーの数が多い、例えば、４つの場合、所望の全体の流れ場を達成するために、２つのウイングバーナーは、一組の中央バーナーの両側に設けられてよい。
一実施形態では、本方法は対向壁燃焼用である。一実施形態では、ボイラーは対向壁燃焼用である。対向壁燃焼では、バーナーはボイラー炉の対向壁に配置されている。一実施形態では、複数組のバーナーが、２つの対向炉壁上の異なる水平バーナーレベルに配置されている。例えば、４つの水平バーナーレベル、又は任意の他の数のバーナーレベルがあり得る。
本明細書に記載された燃料を燃焼させる方法及びボイラーは、先行技術に対して顕著な利点を提供し得る。本明細書に記載された実施形態の少なくともいくつかは、炉壁の近くの一酸化炭素の存在が大幅に低減される方法及びボイラーを提供する。結果として、炉壁の腐食が低減され、ボイラーの利用可能性が改善される。同時に、本明細書に記載された実施形態の少なくともいくつかは、一酸化炭素排出量に実質的な変化を伴うことなく、窒素酸化物排出量の大幅な削減を提供する。追加的に、本明細書に記載の実施形態の少なくともいくつかは、炉ガス出口温度（ＦＥＧＴ）を低下させる。低下したＦＥＧＴはボイラー効率を改善する。スワールを発生させることなく安定した炎が実現される。
窒素酸化物排出量の削減は、窒素酸化物の還元に使用されるアンモニアの消費量の削減、及び触媒材料のより長い寿命をもたらす。
上記の本発明の実施形態は、互いに任意に組み合わせて使用してよい。実施形態のいくつかは、本発明のさらなる実施形態を形成するために互いに組み合わせてよい。本発明が関連する方法及びボイラーは、上記の本発明の実施形態の少なくとも１つを含み得る。
実施例
ここで本発明の実施形態を詳細に参照するが、その例は添付の図面に示されている。
簡単にするために、構成要素を繰り返す場合、参照番号は以下の例示的な実施形態で維持される。
一実施形態によるボイラーの概略斜視図である。図１のボイラーは、対向壁燃焼用に使用される。ボイラーは、ボイラー炉１と、ボイラー炉１内に燃料及び燃焼用空気を供給するために４つの水平バーナーレベル４にあるバーナー３と、を含む。４つの水平バーナーレベル４が存在し、各水平バーナーレベルは、２つの対向する炉壁２に一組のバーナー３を含む。
各組のバーナー３は、２つの中央バーナー８と、２つの中央バーナー８の一方側にある１つのウイングバーナー９と、２つの中央バーナー８の他方側にある別のウイングバーナー９と、を含む。行内の最も外側のバーナーは、ウイングバーナー９であり、行内の最も内側のバーナーは中央バーナー８である。
所定の水平バーナーレベル４にある図１のボイラーのバーナーは、異なる空気係数が中央バーナー８及びウイングバーナー９に供給されるように動作する。ウイングバーナー９は、ウイングバーナー９の空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が０．９５以上、又は０．９５〜１．１の範囲になるような量の燃焼用空気を供給するように構成される。中央バーナー８は、中央バーナー８の空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．９以下、又は０．６〜０．９若しくは０．７〜０．８の範囲になるような量の燃焼用空気を供給するように構成される。
ウイングバーナー９は、ウイングバーナー９を通して供給される二次空気に０〜０．３、０．０１〜０．３、０．１〜０．３、０〜０．１又は０のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を与えるように構成される。すなわち、ウイングバーナー９を通して供給される二次空気には、弱いスワールが与えられるか、又はスワールが与えられない。
中央バーナー８は、炎安定化リングの下流に生成された内側再循環領域の周囲に外側再循環領域を生成するように構成される。外側再循環領域は、中央バーナー８の炎の形状を広げる。
中央バーナー８の構造は、ウイングバーナー９の構造と同じであってもよく、又はウイングバーナー９の構造と異なっていてもよい。バーナー３の動作及び／又は構成により、ウイングバーナー９の炎が炉壁２から離れるようにボイラー炉１の中心に向かって曲がるようにする全体的な流れ場が達成される。従って炉壁２の近くの一酸化炭素の量が削減される。所定の水平バーナーレベルでの全体の流れ場を図４に示す。
水平バーナーレベル４の数は、ボイラー構造に応じて変わり得る。また、一組のバーナー３の中央バーナー８及びウイングバーナー９の数は異なり得る。
図１のボイラーは、２つの対向する炉壁２において最も低い水平バーナーレベル４の下に２つの空気ノズル２０を含む。１つの空気ノズル２０は、最も低い水平バーナーレベル４にある各中央バーナー８の下に配置される。空気ノズル２０の数は２以外としてよい。シールド空気が、空気ノズル２０を通してボイラー炉１内に供給される。シールド空気は、一酸化炭素の量を削減することによって一酸化炭素によって引き起こされる腐食から炉壁２を保護するために使用される。
図２は、一実施形態によるバーナー３の概略断面図である。このバーナーは、中央バーナー８又はウイングバーナー９として使用してよい。
バーナー３は、燃料供給管５と、燃料供給管５の周囲に配された二次空気流チャネル１２とを含む。微粉燃料とキャリアガスとの混合物は、燃料供給管５を通してボイラー炉内に供給される。燃料空気混合物は、燃料供給管５の出口１１を通してボイラー炉内に供給される。二次空気は、二次空気流チャネル１２を通してボイラー炉内に供給される。二次空気流チャネル１２の断面は環状である。燃料供給管５は、外壁１０と、下流端６と、出口１１とを含む。二次空気流チャネル１２は、出口１３を含む。
燃料供給管５の下流端６には炎安定化リング７が取り付けられている。炎安定化リング７は燃料供給管５の外壁１０に取り付けられている。炎安定化リング７は燃料供給管５の出口１１を囲み、二次空気流チャネル１２の出口１３に向かって突出している。したがって、炎安定化リング７は、二次空気流１２の出口１３の一部を塞いでいる。二次空気流チャネル１２を通して供給される二次空気の一部は、炎安定化リング７と衝突し、空気の流れ場が変化する。炎安定化リング７は、炎安定化リング７の下流に内側再循環領域の形成を引き起こす。炎安定化リング７は、着火性を向上させ、炎を狭く保つ。炎安定化リング７は炎の安定化を引き起こす。
図２のバーナー３の炎安定化リング７は、燃料供給管５に固定された炎安定化リング７の端部が燃料供給管５の中心軸の方向に対して垂直となるようにずらして配置されている。炎安定化リング７は、その取り付け点からボイラー炉１の中心に向かってある距離で回転する。炎安定化リングは、それが望ましいやり方で流れ場を変える限り、円錐台形のような別の形状でもよい。
二次空気流１２は、図２におけるように、１つのみのチャネル又は２つのチャネルからなることができる。図２のバーナー３の二次空気流チャネル１２ａ、１２ｂには、二次空気流チャネルを内側二次空気流チャネル１２ａと外側二次空気流チャネル１２ｂに分割する環状隔壁２１を設けている。内側二次空気流チャネル１２ａと外側二次空気流１２ｂの両方には、スワーラ２２、すなわちスワールジェネレータを設けてよい。しかし、内側二次空気流チャネル１２ａ及び外側二次空気流チャネル１２ｂは必ずしもスワーラ２２を含む必要はない。
外側二次空気流１２ｂにおけるスワーラ２２のみ、図２に示す。内側二次空気流チャネル１２ａ及び外側二次空気流１２ｂ内に配置されたスワーラは、内側二次空気流チャネル１２ａ又は外側二次空気流チャネル１２ｂに入る二次空気流に回転又はカーリング運動を加えることができる。スワーラ２２は、二次空気流チャネル１２ａ、１２ｂを通して供給される二次空気に旋回運動を与えるように構成され得る。スワーラは、本分野で一般的に知られている従来の構造を有する。スワーラは通常羽根を含み、羽根の位置は燃焼用空気に所定のスワール数Ｓを与えるように調整される。
バーナーは、二次又は三次空気に特定のスワール数を与えるように構成される。所望のスワール数は、バーナー３が中央バーナーとして使用されるのか、又はウイングバーナーとして使用されるのかに依存する。
環状隔壁２１もボイラー炉の中心の方向にさらに延びてもよく、その場合、バーナーは別個の二次空気流チャネル１２及び三次空気流チャネル（図２には示さず）を含んでよい。
第２実施形態に係るバーナーの概略断面図である。このバーナーは、中央バーナー８として使用してよい。
図２のバーナーと同様に、図３のバーナー３は、燃料供給管５と、燃料供給管５の周囲に配された二次空気流チャネル１２と、を含む。微粉燃料とキャリアガスの混合物は、燃料供給管５を通してボイラー炉に供給される。燃料−空気混合物は、燃料供給管５の出口１１を通してボイラー炉内に供給される。二次空気は、二次空気流１２を通してボイラー炉内に供給される。二次空気流チャネル１２の断面は環状である。燃料供給管５は、外壁１０と、下流端６と、出口１１とを含む。また、二次空気流チャネル１２は、外壁１５と、下流端１４と、出口１３とを含む。
環状隔壁２１は、二次空気流チャネル１２の出口領域まで延びる。従って、バーナー３は、図２のバーナーのように内側及び外側の二次空気流チャネルの代わりに別々の二次空気流チャネル１２及び三次空気流チャネル１６を含む。三次空気流１６は、二次空気流１２の周囲に配されている。三次空気流は、三次空気流チャネル１６の出口１７を通してボイラー炉内に供給される。
図２のバーナーのように、炎安定化リング７が燃料供給管５の下流端６に取り付けられている。炎安定化リング７は燃料供給管５の外壁１０に取り付けられている。炎安定化リング７は燃料供給管５の出口１１を囲み、二次空気流チャネル１２の出口１３に向かって突出している。したがって、炎安定化リング７は二次空気流チャネル１２の出口１３の一部を塞いでいる。二次空気流チャネル１２を通して供給された二次空気の一部は、炎安定化リング７と衝突し、空気の流れ場が変化する。炎安定化リング７は、炎安定化リング７の下流に内側再循環領域の形成を引き起こす。炎安定化リング７は、着火性を向上させ、炎を狭く保つ。炎安定化リング７は炎の安定化を引き起こす。炎安定化リングは、それが望ましいやり方で流れ場を変化させる限り、円錐台形のような任意の形状のものでよい。
二次空気流チャネル１２及び三次空気流チャネル１６の両方は、二次空気及び三次空気を接線方向の運動に設定するためのスワーラ２２を含んでよい。スワーラは、本分野で一般的に知られている従来の構造を有する。二次空気流１２のスワーラは図示しない。図３のバーナーが中央バーナーとして使用されるとき、バーナーは、中央バーナーを通して供給される二次空気及び／又は三次空気に０〜０．５、０．２〜０．３、０．０１〜０．５、０．１〜０．５又は０のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を与えるように構成されてよい。すなわち、スワーラ２２の羽根角度は、二次空気及び三次空気に０〜０．５、０．２〜０．３、０．０１〜０．５又は０．１〜０．５又は０のスワール数を与えるように設定される。スワーラの設定は、スワーラの種類とスワーラの製造業者に依存する。二次空気流チャネル１２及び三次空気流チャネル１６は、必ずしもスワーラ２２を含む必要はない。
空気案内デバイス１８が、二次空気流チャネル１２の下流端及び二次空気流チャネル１２の外壁１５に取り付けられている。空気案内デバイス１８は、二次空気流チャネル１２の出口１３を囲み、三次空気流チャネル１６の出口１７に向かって突出する。空気案内デバイス１８は、三次空気流チャネル１６を通して供給される三次空気を半径方向外向きに向け、三次空気と燃料との混合を遅らせる。外側再循環領域は、炎安定化リング７の下流に形成された内側再循環領域の周囲に生成される。外側再循環領域は、炎の形状を広げ、着火性を向上させる。
図３のバーナーの空気案内デバイス１８は実質的に円錐台形であり、燃料供給管５の中心軸の方向に対して角度αで配されている。角度αは２５〜４５度である。
図４は、ボイラー炉１内で所定の水平バーナーレベルにある全体の流れ場の概略断面図である。２つの対向する炉壁２は、ボイラー炉１内に燃料及び燃焼用空気を供給するために一組のバーナー８、９を含む。各組のバーナーは、２つの中央バーナー８と、中央バーナー８の一方側に配置された１つのウイングバーナー９と、中央バーナー８の他方側に配置された別のウイングバーナー９と、を含む。ウイングバーナー８は図２に示す構造を有してよく、中央バーナー８は図２又は図３に示す構造を有してよい。各バーナー８、９には、炎安定化リング（図示せず）を設けている。
ウイングバーナー９の炎の形状は狭く長く保たれている。ウイングバーナー９を通して供給される二次空気及び／又は三次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）は、０〜０．３、０．０１〜０．３、０．１〜０．３、０〜０．１又は０に保たれる。
中央バーナー８の炎の形状は幅広く短く保たれている。これは、炎安定化リングの下流に生成された内側再循環領域の周囲に外側再循環領域を生成することによって達成される。外側再循環領域は、中央バーナー８を通して供給される二次空気及び／又は三次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を０．６〜１．５、０．９〜１．５又は１．１〜１．３に設定することによって生成され得る。代替的には、外側再循環領域は、中央バーナーに空気案内デバイスを設けることによって、すなわち図３に示すバーナー構造を使用することによって生成され得る。外側再循環領域の形成は、中央バーナーの炎の形状を広げる。
ウイングバーナー９は、ウイングバーナー９の空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が０．９５以上、又は０．９５〜１．１の範囲となるような量で燃焼用空気を供給するように構成される。中央バーナー８は、中央バーナー８の空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．９以下、又は０．６〜０．９若しくは０．７〜０．８の範囲となるような量の燃焼用空気を供給するように構成される。中央バーナー８を通してよりも少ない空気がウイングバーナー９を通してボイラー炉１内に供給されるため、低圧領域がボイラー炉１の中央部２３内に引き起こされる。炉壁の近くにより酸素に富んだ状態をもたらす流れパターンが生成され、炉壁の腐食速度の減少に有利に働く。流れのパターンは、燃料に富んだ煙道ガスを炉壁から炉の中心に同伴させる。
以下において、本明細書に提供される方法は、実施例を参照することによって説明される。
実施例１
この実施例では、燃料の燃焼を従来のボイラーと本明細書で説明するボイラーとの間で比較した。従来のボイラーでは、ウイングバーナーと中央バーナーは実質的に同じ空気係数とスワール数で動作させた。また、ウイングバーナーと中央バーナーの構造は同様だった。
これら２つのボイラーにおける窒素酸化物と一酸化炭素の排出量及び炉壁の腐食を比較した。下記の値はＣＦＤ計算に基づく。
両方のボイラーにおいて、燃料と燃焼用空気は２つの対向する炉壁にある一組のバーナーを通して４つの水平バーナーレベルで供給された。燃料は微粉炭だった。一組のバーナーは、４つのバーナーを含んでいた。バーナーは、コア空気ダクトと、コア空気ダクトの周囲に同軸に配された燃料供給管と、燃料供給管の周囲に配された内側二次空気流チャネルと、内側二次空気流チャネルの周囲に配された外側二次空気流チャネル、とを含む。
各バーナーの炎は、バーナーに燃料供給管の下流端に取り付けられた炎安定化リングを設け、燃料供給管の出口を囲むことによって安定化された。シールドの空気は、一酸化炭素の腐食を引き起こす影響から炉壁を保護するために、２つの最も内側のバーナーの下に配置された２つの空気ノズルから供給された。
従来のボイラーでは、各組のバーナーは実質的に同じスワール数Ｓで動作させた。また、各組のバーナーは実質的に同じ空気係数ＳＲで動作させた。各バーナーのスワール数は１．０であり、各バーナーの空気係数は０．９０であった。
本明細書に記載のボイラーでは、一組のバーナーは、２つの中央バーナーと、中央バーナーの両側に配された１つのウイングバーナーと、を含んでいた。両方のウイングバーナーの空気係数ＳＲｗｉｎｇを１．０に設定した。また、ＳＲｗｉｎｇの任意の他の値が、０．９５、１．０５、１．１等の０．９５〜１．１の範囲で選択され得る。両方の中央バーナーの空気係数ＳＲｃｅｎｔｅｒは、０．７５に設定した。また、ＳＲｃｅｎｔｅｒの任意の他の値が、０．６、０．７、０．８、０．９等の０．６〜０．９の範囲で選択され得る。各ウイングバーナーを通して供給される二次空気のスワール数Ｓｗｉｎｇは、０〜０．３に設定した。０、０．１、０．２、０．３等の０〜０．３の範囲の任意の値のＳｗｉｎｇが選択され得る。各中央バーナーを通して供給される二次空気のスワール数Ｓｃｅｎｔｅｒは、０．６〜１．５に設定した。０．６、０．７５、０．９、１．１、１．３、１．５等の０．６〜１．５の範囲の任意の値のＳｃｅｎｔｅｒが選択され得る。
ＣＦＤ計算によると、燃料を燃焼させる従来の方法及び従来のボイラーを使用した場合、炉の側壁の腐食速度は高かった。窒素酸化物の排出量は、約９５０ｍｇＮＯ２／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。さらに、一酸化炭素の排出量は約３５ｍｇＣＯ／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。ＳＨ２前の炉壁への熱伝達率は約７３０ＭＷであった。ＳＨ２より前の炉出口ガス温度は１２３４℃だった。
ＣＦＤ計算によると、本明細書に記載の方法及びボイラーを使用した場合、炉の側壁の腐食速度は低かった。窒素酸化物の排出量は約４１５ｍｇＮＯ２／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。さらに、一酸化炭素の排出量は約７５ｍｇＣＯ／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。ＳＨ２より前の炉壁への熱伝達率は約７５０ＭＷであった。炉出口ガス温度は１２００℃だった。
その結果に基づいて、本明細書に記載の方法及びボイラーを使用した場合、従来のボイラーにおいて燃料を燃焼させる従来の方法と比較して、炉の側壁の腐食速度は著しく減少した。一酸化炭素の排出量は実質的に影響を受けなかったのに対し、窒素酸化物の排出量はかなり削減された。炉出口ガス温度は約３５℃低下した。
実施例２
この実施例では、燃料の燃焼を従来のボイラーと本明細書に記載のボイラーとの間で比較した。従来のボイラーでは、ウイングバーナーと中央バーナーは実質的に同じ空気係数とスワール数で動作させた。また、ウイングバーナーと中央バーナーの構造は同様だった。これら２つのボイラーにおける窒素酸化物と一酸化炭素の排出量及び炉壁の腐食を比較した。下記の値はＣＦＤ計算に基づく。
両方のボイラーにおいて、燃料と燃焼用空気は２つの対向する炉壁の一組のバーナーを通して４つの水平バーナーレベルで供給された。燃料は微粉炭だった。一組のバーナーは、４つのバーナーを含んでいた。バーナーは、コア空気ダクトと、コア空気ダクトの周囲に同軸に配された燃料供給管と、を含んでいた。従来のボイラーでは、内側二次空気流チャネルが燃料供給管の周囲に配され、外側二次空気流チャネルが内側二次空気流の周囲に配されていた。本明細書に記載のボイラーでは、ウイングバーナーの構造は従来のボイラーのバーナーと同じであった。しかし、中央バーナーの構造は異なっていた。中央バーナーは、二次空気流チャネルの下流端に取り付けられ、燃料供給管の中心軸に対して２５〜４５度の角度で配された空気案内デバイスを含んでいた。空気案内デバイスは、二次空気流チャネルの出口を囲み、三次空気流チャネルの出口の一部を塞いで、三次空気と燃料との混合を遅らせる。
各バーナーの炎は、燃料供給管の下流端に取り付けられ、かつ燃料供給管の出口を囲む炎安定化リングをバーナーに設けることによって安定化された。シールド空気は、一酸化炭素の腐食を引き起こす影響から炉壁を保護するために、２つの最も内側のバーナーの下に配置された２つの空気ノズルから供給された。
従来のボイラーでは、各組のバーナーは実質的に同じスワール数Ｓで動作させた。また、各組のバーナーは実質的に同じ空気係数ＳＲで動作させた。各バーナーのスワール数は１．０であり、各バーナーの空気係数は０．９０であった。
本明細書に記載のボイラーでは、一組のバーナーは、２つの中央バーナーと、中央バーナーの両側に配置された１つのウイングバーナーと、を含んでいた。両方のウイングバーナーの空気係数ＳＲｗｉｎｇを１．０に設定した。ＳＲｗｉｎｇの任意の他の値が、０．９５、１．０５、１．１等の０．９５〜１．１の範囲で選択され得る。両方の中央バーナーの空気係数ＳＲｃｅｎｔｅｒは、０．９に設定した。また、ＳＲｃｅｎｔｅｒの任意の他の値が、０．６、０．７、０．８等の、０．６〜０．９の範囲で選択され得る。各ウイングバーナーを通して供給される二次空気のスワール数は０〜０．３に設定した。０、０．１、０．２、０．３等の０〜０．３の範囲の任意の値のＳｗｉｎｇが選択され得る。各中央バーナーを通して供給される二次空気のスワール数Ｓｃｅｎｔｅｒは、０〜０．５に設定した。０、０．１、０．２５、０．４、０．５等の０〜０．５の範囲の任意の値のＳｃｅｎｔｅｒが選択され得る。
ＣＦＤ計算によると、燃料を燃焼させる従来の方法及び従来のボイラーを使用した場合、炉の側壁の腐食速度は高かった。窒素酸化物の排出量は、約９５０ｍｇＮＯ２／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。さらに、一酸化炭素の排出量は約３５ｍｇＣＯ／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。ＳＨ２前の炉壁への熱伝達率は約７３０ＭＷであった。ＳＨ２より前の炉出口ガス温度は１２３４℃だった。
ＣＦＤ計算によると、本明細書に記載の方法及びボイラーを使用した場合、炉の側壁の腐食速度は低かった。窒素酸化物の排出量は約５１０ｍｇＮＯ２／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。さらに、一酸化炭素の排出量は約５ｍｇＣＯ／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。ＳＨ２より前の炉壁への熱伝達率は約７５０ＭＷであった。炉出口ガス温度は１１８９℃だった。
その結果に基づいて、本明細書に記載の方法及びボイラーを使用した場合、従来のボイラーにおいて燃料を燃焼させる従来の方法と比較して、炉の側壁の腐食速度は著しく減少した。一酸化炭素の排出量は実質的に影響を受けなかったのに対し、窒素酸化物の排出量はかなり削減された。炉出口ガス温度は約４５℃低下した。
技術の進歩により、本発明の基本概念が様々な方法で実施され得ることは当業者にとって明らかである。したがって、本発明及びその実施形態は上記の例に限定されず、代わりにそれらは特許請求の範囲内で変更することができる。
本発明は、燃料を燃焼させる方法及びボイラーに関連する。
ボイラー炉内の燃料の燃焼は、異なるボイラー動作変数間のバランスをとることを必要とする。さまざまな有害物質の排出量を許容限度未満に保つ必要がある。さらに、ボイラーの動作及びボイラーの利用可能性に関するいくつかの問題を考慮に入れる必要がある。
燃焼プロセスを最適化して有害物質の低排出量を達成する一方で、良好な炎安定性及びボイラーの利用可能性を達成するようにボイラー動作を設計することが困難であることが多い。近い将来、欧州連合の加盟国では、有害物質に対するかなり厳しい新たな排出制限が施行されようとしている（産業排出指令、ＩＥＵ）。新しい排出制限により、燃焼の最適化はさらにより困難になる。
背景技術は、米国特許第３８９００８４号明細書及び米国特許第５６８５２４２号明細書において論じられる。米国特許第３８９００８４号は、バーナーの排気放出量を削減する方法を開示している。最高炎温度が理論的に得られる最高温度より低くなるように燃料を燃焼させる。これは、燃焼チャンバ壁との接触を介してチャンバ内の炎を冷却することと、２段階で炎の中央部分を燃焼させることとによって達成される。米国特許第５６８５２４２号は、微粉炭ノズルと、微粉炭ノズルと同心関係に設けられた二次および三次空気ノズルとを含む微粉炭燃焼バーナーを開示している。微粉炭ノズルの出口端に炎安定化リングが設けられ、微粉炭ノズル内に分離壁が設けられて、このノズル内の通路を二つの通路に分割する。微粉炭の着火性及び燃焼速度が向上し、ＮＯｘの排出量を削減する。
バーナーの炎は、二次空気又は三次空気を接線方向の運動に設定することによって安定化されることが多い。これは、スワーラを通して炉内に空気を指向することによって達成することができ、スワーラはそれを通して流れる空気に接線方向の運動を与える。スワーラは、空気流の方向を変えるために所定の角度に設定された羽根を含む。空気のスワール数Ｓは、空気に所定の接線方向の速度を与えるように設定される。スワール数Ｓは、空気流の軸方向の運動量に対する接線方向の運動量の比を特徴付ける。スワール数が低いと、弱いスワールが発生し、流れの再循環はほとんど又はまったく存在しない。スワール数が高いと、再循環領域が形成される。
スワール数が増加すると、強い再循環領域が達成され、炎が安定化される。しかし、スワール数を増加させると、燃料が熱伝達壁の近くで渦を起こす。熱伝達は、高温流と熱伝達壁との間にある燃料ダストによって損なわれる。追加的に、スワール数を増加させると、燃焼中に形成された一酸化炭素が炉壁の近くの接線方向の空気流と共に移動し、それによって熱伝達面に深刻な腐食問題を引き起こす。
本発明の目的は、燃料の豊富な煙道ガスが炉壁から炉の中央まで同伴するのを助ける流れパターンを生じさせるように炉内の流体力学が影響を受ける、燃料を燃焼させる方法及びボイラーを提供することであり、それによって炉壁の腐食を低減する。また、一酸化炭素と窒素酸化物の排出量を許容限度未満に保つことが目的である。
本発明による方法は、請求項１に提示されているものによって特徴付けられる。
本発明によるボイラーは、請求項１５に提示されているものによって特徴付けられる。
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供し、本明細書の一部を構成するために含まれ、本発明の実施形態を例示し、発明を実施するための形態と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。
２つの対向する炉壁における一実施形態による一組のバーナーを含むボイラーの概略斜視図である。 一実施形態によるバーナーの概略断面図である。 第２実施形態に係るバーナーの概略断面図である。 ボイラー炉内における所定の水平バーナーレベルにある全体の流れ場の概略断面図である。
一態様によれば、燃料を燃焼させる方法が提供され、本方法は、バーナーの１つ以上によって炎を生成するために所定の水平バーナーレベル又はその付近にて炉壁上に配置された一組のバーナーを通して、炉壁を含むボイラー炉に燃料及び燃焼用空気を供給することを含む。燃焼用空気は一次空気と二次空気とを含む。燃料は、下流端を含む燃料供給管を通して供給される。各バーナーの炎は、炎安定化リングの下流に内側再循環領域を生成するために、燃料供給管の下流端に炎安定化リングを設けることによって安定する。各バーナーは空気係数（ＳＲｗｉｎｇ、ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を有し、バーナーを通して供給される二次空気はスワール数（Ｓｗｉｎｇ、Ｓｃｅｎｔｅｒ）を有する。一組のバーナーは、少なくとも１つの中央バーナーと、その少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された少なくとも１つのウイングバーナーと、を含む。本方法はさらに、
− 各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）を０．９５以上に、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を０．９以下に設定する。
− 各ウイングバーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を０〜０．３に設定する。
− 少なくとも１つの中央バーナーの炎安定化リングの下流に生成された内側再循環領域の周囲に外側再循環領域を生成することによって、少なくとも１つの中央バーナーの炎の形状を広げる。
一態様によれば、炉壁を含むボイラー炉と、所定の水平バーナーレベル又はその付近にて炉壁上に配置された一組のバーナーと、を含むボイラーが提供される。一組のバーナーの各バーナーは、
下流端を含み、ボイラー炉内に燃料を供給するための燃料供給管と、
燃料供給管の周囲に配され、ボイラー炉内に二次空気を供給するための二次空気流チャネルと、
燃料供給管の下流端に取り付けられ、炎安定化リングの下流に内側再循環領域を生成するための炎安定化リングと、を含む。各バーナーは空気係数（ＳＲｗｉｎｇ、ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を有し、バーナーを通して供給される二次空気はスワール数（Ｓｗｉｎｇ、Ｓｃｅｎｔｅｒ）を有する。
一組のバーナーは、少なくとも１つの中央バーナーと、その少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された少なくとも１つのウイングバーナーと、を含む。各ウイングバーナーは、各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が０．９５以上となるような量でボイラー炉内に燃焼用空気を供給するように構成され、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．９以下となるような量でボイラー炉内に燃焼用空気を供給するように構成される。
各ウイングバーナーは、各ウイングバーナーを通して供給される二次空気に０〜０．３のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を与えるように構成される。
少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーの炎の形状を広げるために、少なくとも１つの中央バーナーの炎安定化リングの下流に生成された内側再循環領域の周囲に外側再循環領域を生成するように構成される。
本明細書に記載の方法は、所定の水平バーナーレベルにあるバーナーが、中央バーナーとウイングバーナーに対して異なる空気係数が提供されるように動作する二段燃焼システムである。本方法によれば、最も外側のウイングバーナーの炎の形状は狭く保たれる一方、最も内側の中央バーナーの炎の形状は幅広く短く保たれる。結果として、炉壁の近くにより酸素に富んだ状態をもたらす流れパターンが作成され、炉壁の腐食速度の減少に有利に働く。流れのパターンは、燃料に富んだ煙道ガスを炉壁から炉の中心に同伴させる。
流れパターンは一組のバーナーの適切な動作及び構成により達成される。ハイブリッドバーナーの構成と動作の組み合わせは、ウイングバーナーと中央バーナーの運動量の流れに違いをもたらす。
一組のバーナーは、少なくとも１つの中央バーナーと、その少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された少なくとも１つのウイングバーナーと、を含む。一実施形態では、一組のバーナーは、少なくとも１つの中央バーナーと、その少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された少なくとも１つのウイングバーナーとからなる。一組の中央バーナーを形成するいくつかの中央バーナーがある場合、少なくとも一つのウイングバーナーが一組の中央バーナーの両側に配置される。したがって、ウイングバーナーは、水平バーナーレベルにて炉壁と最も外側の中央バーナーとの間に配置される。中央バーナー間にウイングバーナーはない。一組のバーナーは、所定の水平バーナーレベルにて１つの炉壁上に隣接バーナーを含む。一組のバーナーは、例えば、３、４、５、６、７又は８つのバーナーからなってよい。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは１つの中央バーナーからなる。少なくとも１つの中央バーナーは、例えば、２、３、４、５又は６つの中央バーナーからなってよい。
一実施形態では、一組のバーナーは、中央部と、その中央部の両側にある側部と、を含む。中央部は少なくとも１つの中央バーナーを含む。側部は少なくとも１つのウイングバーナーを含む。一実施形態では、中央部は少なくとも１つの中央バーナーからなる。一実施形態では、側部は少なくとも１つのウイングバーナーからなる。
一組のバーナーのバーナーは実質的に同じ水平バーナーレベルに配置される。バーナーは正確に同じ水平バーナーレベルに配置される必要はなく、バーナーの水平レベルは互いにわずかに異なることがある。一実施形態では、一組のバーナーは、所定の水平バーナーレベルにて炉壁上に配置される。
それぞれが２つの対向する炉壁上に一組のバーナーを含む水平バーナーレベルの数は、例えば１、２、３、４又は５としてよい。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーの構造は、各ウイングバーナーの構造と同じである。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーの構造は、各ウイングバーナーの構造とは異なる。
各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）は０．９５以上に設定されている。従って、各ウイングバーナーはほぼ化学量論比の空気と燃料で動作する。各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）は相対的に高いため、ウイングバーナーでの燃焼中に形成される一酸化炭素の量は少なく保たれ、部分的には、一酸化炭素によって引き起こされる炉壁の腐食を減少させるのを助ける。
一酸化炭素の形成が、各ウイングバーナーの相対的に高い空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）によって低く保たれる一方で、高い空気係数は、ウイングバーナーでの燃焼中に形成される窒素酸化物の排出量を上昇させる。炉内で生成される窒素酸化物の総量は、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を０．９以下に調整することによって許容限界未満に保たれ、中央バーナーでの燃焼において生成される窒素酸化物の量は、ウイングバーナーでの燃焼において生成される窒素酸化物の量よりもかなり少ないようにする。
少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）は０．９以下に設定されている。従って、各中央バーナーは、準化学量論比の空気と燃料で動作する。低い空気係数は、中央バーナーでの燃焼中に形成される窒素酸化物の量を低減する。同時に、準化学量論比の空気係数は、中央バーナーでの燃焼中に形成される一酸化炭素の量を増加させる。しかし、中央バーナーは水平バーナー列の最も内側のバーナーであるため、形成された一酸化炭素は炉壁から遠ざけられ、炉壁の近くに形成された一酸化炭素と同じ位で炉壁の腐食をもたらさない。少なくとも１つの中央バーナーの空気係数係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）の値は、炉内で生成される一酸化炭素の全体の量が許容限界未満に保たれるように調整される。
中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）は、ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）よりも小さい。ウイングバーナーと中央バーナーの空気係数の違いにより、炉内の全体の流れ場が変化する。ウイングバーナーのバーナー領域付近よりも、中央バーナーのバーナー領域付近における空気量がより少ないため、ウイングバーナーの下流の圧力と比較して、中央バーナーの下流で負圧が生じる。中央バーナーの下流の負圧により、ウイングバーナーの炎が炉壁から離れて炉の中心に向かって曲がるようにする。これは一酸化炭素を炉壁から遠ざけ続けるのを助け、側壁の腐食の減少につながる。
用語空気係数の意味は、当業者にとって明らかである。空気係数又は化学量論比ＳＲは、燃料の完全燃焼に必要な理論（化学量論）空気量と比較して、燃焼にどれだけの空気が使用されるかを示す。準化学量論燃焼では、空気係数ＳＲは１未満であり、超化学量論燃焼では、空気係数ＳＲは１を超える。バーナーの空気係数は、バーナーを通して供給される燃料の完全燃焼に必要な理論空気量と比較して、バーナーを通してどれだけの空気が供給されるかを示す。
バーナーを通して供給される燃焼用空気量又はバーナーの空気係数（ＳＲ）は、本分野で知られている従来の手段を使用して調整される。各バーナーを通して供給される燃焼用空気量は、バーナーを通して供給される燃料量と望ましい空気係数とに基づいて計算される。一実施形態では、バーナーを通して供給される燃焼用空気量は、ダンパ又は制御バルブによって調整される。ダンパ又は制御バルブによって、所定量の燃焼用空気がそれらを通して流れることができる。一実施形態では、バーナーを通して供給される燃焼用空気量は、バーナーに接続された共通のウインドボックスからのバーナーの圧力損失に対して燃焼用空気をバーナーに指向することによって調整される。各バーナーでの圧力損失は、例えば、バーナーを通して供給される燃焼用空気のスワール数を変更することによって調整することができる。
各ウイングバーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）は、０〜０．３に設定されている。一実施形態では、各ウイングバーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）は、０．０１〜０．３又は０．１〜０．３に設定されている。一実施形態では、燃焼用空気は三次空気を含み、各ウイングバーナーを通して供給される三次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）は、０〜０．３、０．０１〜０．３、又は０．１〜０．３に設定されている。一実施形態では、各ウイングバーナーは、各ウイングバーナーを通して供給される三次空気に０〜０．３、０．０１〜０．３又は０．１〜０．３のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を与えるように構成される。燃料供給管の下流端に取り付けられた炎安定化リングは、炎を安定させることによってスワール数を減少させることを可能にする。一実施形態では、各ウイングバーナーを通して供給される二次空気又は三次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）は、０〜０．１に設定される。一実施形態では、各ウイングバーナーは、各ウイングバーナーを通して供給される二次空気又は三次空気に０〜０．１のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を与えるように構成される。一実施形態では、各ウイングバーナーを通して供給される二次空気又は三次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）は０に設定される、すなわちスワールは空気に提供されない。従って、炉壁近くに配置された各ウイングバーナーを通して供給される二次空気又は三次空気は、非渦運動であるか、又は弱い旋回が提供される。バーナー領域付近での空気と燃料の集中的な分離は避けられるが、むしろ、空気と燃料の流れは、炉壁への燃料の曲がりを避けるためにより軸方向である。
一実施形態では、各ウイングバーナーの二次空気流チャネル又は三次空気流チャネルは、羽根によって二次空気又は三次空気を指向するためのスワーラを含む。スワーラは、各ウイングバーナーを通して供給される二次又は三次空気に、０〜０．３、０．０１〜０．３、０．１〜０．３、０〜０．１又は０のスワール数を与えるように構成される。羽根は、二次空気又は三次空気の流れに対して角度βで配される。角度βは、各ウイングバーナーを通して供給される二次空気又は三次空気に、０〜０．３、０．０１〜０．３、０．１〜０．３、０〜０．１又は０のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を与えるように設定されている。一実施形態では、二次空気流チャネル又は三次空気流チャネルはスワーラを含まない。
ウイングバーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を０〜０．３に設定することによって、炎の広がりが回避される、又は抑えられる。従って、一酸化炭素は改善された流れ場によって炉壁から離れるように指向される。炉壁近くの一酸化炭素の量が削減され、一酸化炭素による炉壁の腐食を減少させる。十分な軸方向の運動量フラックスは、流れの良好な進入をもたらす。追加的に、空気と燃料の軸方向の流れは、炉壁に対して燃料、例えば、微粉炭の広がりを抑える。高温流と熱伝達面との間の燃料の量が削減されるため、熱伝達が改善される。改善された熱伝達は炉出口のガス温度（ＦＥＧＴ）の低下を引き起こす。
スワール数Ｓは、空気流の軸方向の運動量に対する接線方向の運動量の比を特徴付ける。スワール数の概念は、当業者に常識である。スワール数の計算方法は、例えば、Beer, J. and Chigier, N.，Combustion Aerodynamics，1972，109-115ページに見つけることができる。空気流のスワール数は、空気流の方向に対してある角度に設定された羽根を含むスワーラを通して空気流を指向することによって変えることができる。スワーラは、それを通して流れる空気に接線方向の運動を与える。スワール数は、羽根の角度を調整し、空気の速度を変えることで調整することができる。燃焼用空気に所定のスワール数Ｓを供給するのに必要な羽根の角度は、スワーラの種類に依存する。スワーラは通常、二次又は三次空気流チャネル内に配置されている。
各組のバーナー、すなわち中央バーナーとウイングバーナーの両方に、炎安定化リングが設けられている。一実施形態では、燃料供給管はさらに外壁と出口とを含み、二次空気は燃料供給管の周囲に配された二次空気流チャネルを通して供給され、二次空気流チャネルは出口を含み、炎安定化リングは、燃料供給管の出口を囲み、二次空気流チャネルの出口に向かって突出するように、燃料供給管の外壁に取り付けられている。炎安定化リングは、二次空気流チャネルの出口の一部を塞いでいる。一実施形態では、燃料供給管はさらに外壁と出口とを含み、二次空気流チャネルは出口を含み、炎安定化リングは、燃料供給管の出口を囲み、二次空気流チャネルの出口に向かって突出するように、燃料供給管の外壁に取り付けられている。
燃料供給管を通して供給される燃料キャリアガス及び燃料は炎安定化リングの一方側を流れ、二次空気流チャネルを通して供給される二次空気は炎安定化リングの他方側を流れる。炎安定化リングは、二次空気流チャネルの出口の一部を塞いでいる。二次空気流の一部は炎安定化リングと衝突し、それによって空気の流れ場が変化する。内側再循環領域は炎安定化リングの下流に形成されている。内側再循環領域は、燃焼用空気をバーナーに逆流させることによって形成される。内側再循環領域は、炎安定化リングによって径方向、すなわち燃料供給管の中心軸に垂直な方向に、区切られている。二次空気流チャネルにおける炎安定化リングの背後、すなわち上流には、減圧フィールドが設けられて、炎の安定化を引き起こすか、又は少なくとも炎の安定性を高める。追加的に、炎は、炎安定化リングがない場合よりも炎安定化リングによってより良好に着火する。燃料は炎安定化リングの内側で発生した再循環流内で着火する。炎安定化リングは、炎を狭く保つように炎の流れ場を変える。
炎安定化リングは、バーナーノズルのすぐ近くで燃料を点火する。より正確には、燃料は炎安定化リングの内側で発生した再循環流内で着火される。改善された着火の結果として、燃料の燃焼度は増加し、そしてその結果、炉の上部の煙道ガス温度は約２０〜５０℃低下し、それはボイラー効率を上げる。バーナー領域内での燃焼が高まるため、過熱器に入るときの煙道ガスはより低い温度にあり、また煙道ガス内の温度分布はより均一となる。その結果、過熱器及び再熱器の材料温度はより低くかつより均一に保たれる。実験によれば、これによって加熱面での材料損傷が著しく減少することが示されている。
炎安定化リングの断面の直径は、ボイラー炉の中心に向かう方向に大きくなっている。炎安定化リングは炉壁の方向に広がっている。炎安定化リングは、ボイラー炉の中心及び炉壁に向かって開くように、実質的に円錐台形としてよい。炎安定化リングは、炎の流れ場を望ましい方向に変える限り、他の形状を有してよい。炎安定化リングの形状は、燃料供給管に固定された炎安定化リングの端部が燃料供給管の中心軸に対して垂直であり、炎安定化リングがボイラー炉の中心に向かってその取り付け点からある距離で回転するようにずらして配置してよい（staggered）。
一実施形態では、炎安定化リングは、燃料供給管の出口から離れる方向に広がる環状部分を含む。また、炎安定化リングは、燃料供給管内に径方向に延びる多数の歯状突起を含んでよい。一実施形態では、炎安定化リングの広がっている環状部分の壁厚は、火安定化リングの自由端に向かって着実に減少する。一実施形態では、燃料供給管の上流端は薄くされており、炎安定化リングは燃料供給管の薄くされた端部の周囲に嵌合されかつ固定リングによって固定され得る均一な環状部分を含む。一実施形態では、炎安定化リングは耐熱鋼製である。炎安定化リングは、一つ以上の部分からなってよい。歯状突起は、耐熱鋼又は耐熱セラミック材料で作ることができる。
本明細書で提供される方法及びボイラーでは、少なくとも１つの中央バーナーの炎の形状は、少なくとも１つの中央の炎安定化リングの下流に生成された内側再循環領域の周囲に外側再循環領域を生成することによって広げられる。外側再循環領域は、燃焼用空気をバーナーに逆流させることによって形成される。外側再循環領域は着火性を改善し、炎を広げる。炎の広がりは窒素酸化物の量を削減するのに役立つ。中央バーナーの炎は、ウイングバーナーの炎よりも幅広く軸方向、すなわち燃料供給管の中心軸方向に短い。炎の形状が広げられるため、バーナー領域付近での空燃比は最適に保たれ、さらなる燃焼用空気を燃料に混合する前に揮発性成分及び窒素を燃料から効率的に放出させることができる。それによって高温炎が生成される。本明細書に記載の方法及びボイラーを用いて、ボイラー炉における効率的な窒素酸化物の削減が達成される。
外側再循環領域は、内側再循環領域の周囲に形成されている。したがって、外側再循環領域は内側再循環領域を囲む。外側再循環領域は、炎安定化リングの外側に供給された燃焼用空気をボイラー炉の中心に運び、そこで燃焼用空気は加熱される。次いで、加熱された燃焼用空気は再循環流によってバーナー領域付近に引き戻され、バーナー領域付近に熱をもたらし、中央バーナーで効率的な燃焼を生成する。
本明細書で説明する方法及びボイラーでは、十分な空気ステージング効果が、バーナー領域付近、すなわち燃料と燃焼用空気の流れの分離において達成される。外側再循環領域は空気ステージング効果を向上させる。炎安定化リングの外側から供給される燃焼用空気と燃料との混合は後に起こり、各中央バーナーのバーナー領域付近で高温の還元状態が提供される。
一実施形態では、燃料は微粉燃料である。一実施形態では、燃料は微粉炭である。燃料は他の種類の燃料、例えば微粉木質ペレット又は微粉バイオマスであってもよい。一実施形態では、燃料は燃料供給管を通して供給される。一実施形態では、燃料はキャリアガスと一緒に供給される。一実施形態では、キャリアガスは空気である。一実施形態では、キャリアガスは一次空気である。一実施形態では、キャリアガスは空気と煙道ガスとの混合物である。
一実施形態では、バーナーは燃料供給管を含む。二次空気流チャネルが燃料供給管の周囲に配されている。二次空気流チャネルは、燃料供給管と、燃料供給管の周囲に同軸に配された第１の管とによって区切られている。二次空気流チャネルの断面は環状である。三次空気流チャネルが二次空気流チャネルの周囲に配されている。三次空気流チャネルは、第１の管と、第１の管の周囲に同軸に配された第２の管とによって区切られている。三次空気流チャネルの断面は環状である。
一実施形態では、燃料を燃焼させる方法は、各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）を０．９５〜１．１に設定することを含む。一実施形態では、各ウイングバーナーは、各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が０．９５〜１．１となるような量で燃焼用空気を供給するように構成される。各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が０．９５〜１．１であるとき、ウイングバーナーでの燃焼中に生成される一酸化炭素の量は、炉壁の広範な腐食を引き起こさないように十分に低く保たれる。一実施形態では、燃料を燃焼させる方法は、各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）を１．０に設定することを含む。一実施形態では、各ウイングバーナーは、各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が１．０となるような量で燃焼用空気を供給するように構成される。
一実施形態では、燃料を燃焼させる方法は、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を０．６〜０．９に設定することを含む。一実施形態では、燃料を燃焼させる方法は、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を０．７〜０．８に設定することを含む。一実施形態では、燃料を燃焼させる方法は、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を０．７５に設定することを含む。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．６〜０．９となるような量で燃焼用空気を供給するように構成される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．７〜０．８となるような量で燃焼用空気を供給するように構成される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．７５となるような量で燃焼用空気を供給するように構成される。少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．６〜０．９であるとき、中央バーナーでの燃焼中に生成される窒素酸化物の量は、全体の窒素酸化物排出量を許容限界未満に保つように十分に低く保たれる。
窒素酸化物の還元は、過剰燃焼の前の炉の中心（炉内ＮＯｘ還元）と、中央バーナーのバーナー領域付近で最も強く起こる）。不均衡なバーナー操作のために、未燃燃料（灰中の未燃カーボン、ＣＯ）がボイラー炉の中心により集中するため、過燃焼用空気（ＯＦＡ）システムはそれに応じて修正され得る。
ＣＦＤ計算によれば、各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が０．９５〜１．１であり、少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．６〜０．９であるとき、良好な全体的な流体力学が達成される。空気係数がこれらの値に設定されると、ウイングバーナーの炎は炉壁から離れ、炉の中心に向かうように曲げられることで、炉壁近くの一酸化炭素の量が減少する。中央バーナー及びウイングバーナーの空気係数をこれらの値に設定すると、流れ場全体が良好になる。炉壁から炉の中心へのガスの同伴は、バーナー動作によって引き起こされる不均衡効果を相殺する。結果として、炉の横断面におけるガスの上方質量流束は悪影響を受けない。
一実施形態では、過燃焼用空気ポートの前の燃焼領域内の全体の空気係数ＳＲは、０．８５〜０．９未満（below 0.85-0.9）である。
一実施形態では、燃料を燃焼させる方法は、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を０．６〜１．５に設定することによって外側再循環領域を生成することを含む。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気に０．６〜１．５のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように構成される。このようにして、二次空気は相対的に強いスワールを与えられる、すなわち二次空気の接線方向の速度が増大する。接線方向に流れる二次空気は、中央バーナーの炎を広げる。その結果、炎を安定化させる外側再循環領域が内側再循環領域の周囲に形成される。炎の形状を広げると、燃焼も改善する。各中央バーナーにおける十分なスワール及び低い空気比は、ウイングバーナーの炎と比較して、より短い中央バーナーの炎をもたらす。
一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーの二次空気流は、二次空気を羽根によって指向するためのスワーラを含む。羽根は、二次空気の流れに対して角度βで配されている。少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気が０．６〜１．５若しくは０．９〜１．５又は１．１〜１．３のスワール数を提供するように角度βを設定することによって外側再循環領域を生成するように構成される。
一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）は、０．９〜１．５又は１．１〜１．３に設定されている。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気に０．９〜１．５又は１．１〜１．３のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように構成される。一実施形態では、燃焼用空気は三次空気を含み、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）は０．６〜１．５に設定されている。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気に０．６〜１．５のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように構成される。一実施形態では、燃焼用空気は三次空気を含み、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）は、０．９〜１．５又は１．１〜１．３に設定される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気に０．９〜１．５又は１．１〜１．３のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように構成される。
中央バーナーを通して供給される二次空気に相対的に強いスワールを提供する代わりに、外側再循環領域を中央バーナーにウイングバーナーとは異なる構造を使用することによって生成してよい。一実施形態では、二次空気流チャネルはさらに下流端と外壁とを含み、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される燃焼用空気は三次空気を含み、三次空気は、二次空気流チャネルの周囲に配される三次空気流チャネルを通してボイラー炉に供給される。三次空気流チャネルは出口を含み、本方法は、二次空気流チャネルの下流端に二次空気流チャネルの外側壁に取り付けられた空気案内デバイスを設けることによって、二次空気流チャネルの出口を囲み、三次空気流チャネルの出口に向かって突出するようにして、外側再循環領域を提供することを含む。
一実施形態では、二次空気流はさらに下流端と外壁とを含み、少なくとも１つの中央バーナーは、ボイラー炉内に三次空気を供給するために二次空気流チャネルの周囲に配された三次空気流チャネルを含み、三次空気流チャネルは出口を含み、少なくとも１つの中央バーナーは、二次空気流チャネルの下流端に二次空気流チャネルの外側壁に取り付けられた空気案内デバイスを設けることによって二次空気流チャネルの出口を囲み、三次空気流チャネルの出口に向かって突出するようにして、外側再循環領域を提供するように構成される。
一実施形態では、空気案内デバイスは実質的に円錐台形である。一実施形態では、空気案内デバイスは、二次空気流チャネルの外側壁の拡張部分である。空気案内装置の横断面の直径はボイラー炉の中心に向かって増加する。空気案内デバイスは、三次空気流チャネルの出口の方向に広がる。空気案内デバイスは、三次空気流チャネルの出口の一部を塞いでいる。三次空気の一部は空気案内デバイスと衝突し、それによって空気の流れ場が変化する。空気案内デバイスは、三次空気を径方向外向きに流れるように回転させ、三次空気と燃料との混合を遅らせる。その結果、炎が広がり、効率的な燃焼をもたらす。炎を安定化させる外側再循環領域が内側循環領域の周囲に形成される。
一実施形態では、空気案内デバイスは、燃料供給管の中心軸の方向に対して角度αで配され、角度αは２５〜４５度である。一実施形態では、角度αは３０〜４０度である。一実施形態では、角度αは３５度である。ＣＦＤ計算によれば、角度αが２５〜４５度のときに良好な流体力学が達成される。
一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）は０〜０．５に設定される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）は、０．２〜０．３又は０．０１〜０．５若しくは０．１〜０．５又は０に設定される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）は０〜０．５に設定される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）は、０．２〜０．３又は０．０１〜０．５若しくは０．１〜０．５又は０に設定される。
一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気に０〜０．５のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を供給するように構成される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気に０．２〜０．３又は０．０１〜０．５若しくは０．１〜０．５又は０のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように構成される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気に０〜０．５のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように構成される。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される三次空気に０．２〜０．３又は０．０１〜０．５又は０．１〜０．５又は０のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように構成される。少なくとも１つの中央バーナーの二次空気流チャネル又は三次空気流チャネルは、二次空気又は三次空気の流れに対して角度βで配された羽根によって二次空気又は三次空気を指向するためのスワーラを含む。角度βは、少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される二次空気又は三次空気に、０〜０．５又は０．２〜０．３又は０．０１〜０．５若しくは０．１〜０．５又は０のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を提供するように設定される。一実施形態では、二次空気流チャネル又は三次空気流チャネルはスワーラを含まない。
一実施形態では、一組のバーナーの少なくとも一部は、燃料供給管の内側に同軸に配されたコア空気ダクトを含む。一実施形態では、コア空気はコア空気ダクトを通して供給される。一実施形態では、コア空気ダクトを通して空気は供給されない。一実施形態では、コア空気ダクトを通して供給される空気は少しだけである。コア空気ダクトを通して空気がまったく供給されないか又は少しだけ供給される場合、コア空気ダクトは炎安定性を向上させるブラフ体として作用する。
一実施形態では、各ウイングバーナーは、燃料供給管の内側に同軸に配されたコア空気ダクトを含む。一実施形態では、少なくとも１つの中央バーナーは、燃料供給管の内側に同軸に配されたコア空気ダクトを含む。一実施形態では、各ウイングバーナーと少なくとも１つの中央バーナーの両方が、燃料供給管の内側に同軸に配されたコア空気ダクトを含む。
一実施形態では、各バーナーの二次空気流出口における二次空気の速度は、４０〜６０ｍ／ｓに設定される。一実施形態では、各バーナーの二次空気流チャネルの出口における二次空気の速度は、４０〜６０ｍ／ｓになるように配される。一実施形態では、二次空気流チャネルの出口における各バーナーの二次空気流チャネルの断面積は、二次空気の速度が４０〜６０ｍ／ｓとなるように配される。一実施形態では、各バーナーの三次空気流チャネルの出口における三次空気の速度は４０〜６０ｍ／ｓに設定される。一実施形態では、三次空気流チャネルの出口における各バーナーの三次空気チャネルの断面積は、三次空気の０速度が４０〜６０ｍ／ｓになるように配される。一実施形態では、各バーナーの二次空気流チャネルの出口における二次空気及び三次空気流チャネルの出口における三次空気の両方の速度は、４０〜６０ｍ／ｓに設定される。
二次又は三次空気に４０〜６０ｍ／ｓの速度を与えることによって、空気のスワール数が増加し、内側及び外側再循環領域の両方が改善される。炎安定化リングの上流の再循環流は拡大する。また、炎の着火性も改善される。二次空気又は三次空気の速度は、空気の流路を狭めることによって増加させることができる。高速の二次又は三次空気は強力な乱流を発生させ、それが燃焼用空気と燃料の効率的な混合、及び急速な着火と高温の炎をもたらす。
二次又は三次空気流チャネルの出口における二次空気又は三次空気の速度は、空気の体積流量及び流れチャネルの出口における二次又は三次空気流チャネルの断面積に依存する。体積流量Ｑは、式Ｑ＝ｖ・Ａによって定義され、ここで、ｖは空気の速度であり、Ａは流路の断面積である。体積流量及び所望の速度を知っていれば、当業者は、チャネルの出口における二次又は三次空気流チャネルの断面積を決定することができる。バーナーによって遭遇する空気圧降下は、通常１５０ｍｍＨ２Ｏである。この圧力降下は、二次空気と三次空気をボイラーに供給する強制通風ファンによって処理される。
空気の体積流量はいくつかの要因によって異なります。各バーナーによる燃焼に必要な化学量論的量の空気は、バーナーの大きさに依存する。この方法で使用されるバーナーのサイズは、通常３０〜１２０ＭＷです。燃料の完全燃焼に必要な理論的（化学量論的）空気量と比較して、所望の空気係数、すなわち燃焼に使用される空気量を知っていれば、当業者は燃焼に使用される空気の体積流量を決定することができる。
空気は、一次空気、二次空気、及び任意選択で三次空気としてボイラーに導入される。一次空気は、燃料、例えば、微粉炭とともにボイラー炉内に供給される。一次空気の量は、燃料の揮発性物質の燃焼のために必要な空気の量に相当し、通常はバーナーを通して供給される空気の総量の２０〜２５％である。
一次、二次、三次空気の体積流量は、例えば３〜５で決定することができる。例えば、バーナーの空気係数が０．９である場合、バーナーを通して供給される一次空気の空気係数は、燃料中の揮発分量に応じて、例えば、０．２〜０．３としてよい。０．６〜０．７の空気係数に対応し、０．９の全体の空気係数を達成するのに必要とされる残りの空気量は、二次空気又は二次及び三次空気として供給される。典型的には、一次空気に加えて二次空気及び三次空気の両方が供給される場合、二次空気及び三次空気の総量の約１／６から１／３が二次空気であり、残りが三次空気である。
一実施形態では、シールド空気が、少なくとも１つの中央バーナーの下に配置された少なくとも１つの空気ノズルを通して、少なくとも１つの中央バーナーの下から供給される。一実施形態では、ボイラーは、少なくとも１つの中央バーナーの下からボイラー炉内にシールド空気を供給するために、少なくとも１つの中央バーナーの下に配置された少なくとも１つの空気ノズルを含む。一実施形態では、１つの空気ノズルが各中央バーナーの下に配置されている。一実施形態では、シールド空気は、最も低い水平バーナーレベルに配置された少なくとも１つの中央バーナーの下から供給される。一実施形態では、ボイラーは、最も低い水平バーナーレベルで少なくとも１つの中央バーナーの下に配置された少なくとも１つの空気ノズルを含む。一実施形態では、１つの空気ノズルが最も低い水平バーナーレベルで各中央バーナーの下に配置されている。シールド空気の目的は、一酸化炭素の量を減らすことによって一酸化炭素の腐食を引き起こす影響から炉壁を保護することである。シールド空気は、中央バーナーで形成される一酸化炭素の量を減らす。
一実施形態では、一組のバーナーは、少なくとも１つの中央バーナーと、その少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された２つのウイングバーナーと、を含む。一実施形態では、ボイラーは、少なくとも１つの中央バーナーと、その少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された２つのウイングバーナーと、を含む。一実施形態では、一組のバーナーは、少なくとも１つの中央バーナーと、その少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された２つのウイングバーナーと、からなる。中央バーナーの数が多い、例えば、４つの場合、所望の全体の流れ場を達成するために、２つのウイングバーナーは、一組の中央バーナーの両側に設けられてよい。
一実施形態では、本方法は対向壁燃焼用である。一実施形態では、ボイラーは対向壁燃焼用である。対向壁燃焼では、バーナーはボイラー炉の対向壁に配置されている。一実施形態では、複数組のバーナーが、２つの対向炉壁上の異なる水平バーナーレベルに配置されている。例えば、４つの水平バーナーレベル、又は任意の他の数のバーナーレベルがあり得る。
本明細書に記載された燃料を燃焼させる方法及びボイラーは、先行技術に対して顕著な利点を提供し得る。本明細書に記載された実施形態の少なくともいくつかは、炉壁の近くの一酸化炭素の存在が大幅に低減される方法及びボイラーを提供する。結果として、炉壁の腐食が低減され、ボイラーの利用可能性が改善される。同時に、本明細書に記載された実施形態の少なくともいくつかは、一酸化炭素排出量に実質的な変化を伴うことなく、窒素酸化物排出量の大幅な削減を提供する。追加的に、本明細書に記載の実施形態の少なくともいくつかは、炉ガス出口温度（ＦＥＧＴ）を低下させる。低下したＦＥＧＴはボイラー効率を改善する。スワールを発生させることなく安定した炎が実現される。
窒素酸化物排出量の削減は、窒素酸化物の還元に使用されるアンモニアの消費量の削減、及び触媒材料のより長い寿命をもたらす。
上記の本発明の実施形態は、互いに任意に組み合わせて使用してよい。実施形態のいくつかは、本発明のさらなる実施形態を形成するために互いに組み合わせてよい。本発明が関連する方法及びボイラーは、上記の本発明の実施形態の少なくとも１つを含み得る。
実施例
ここで本発明の実施形態を詳細に参照するが、その例は添付の図面に示されている。
簡単にするために、構成要素を繰り返す場合、参照番号は以下の例示的な実施形態で維持される。
一実施形態によるボイラーの概略斜視図である。図１のボイラーは、対向壁燃焼用に使用される。ボイラーは、ボイラー炉１と、ボイラー炉１内に燃料及び燃焼用空気を供給するために４つの水平バーナーレベル４にあるバーナー３と、を含む。４つの水平バーナーレベル４が存在し、各水平バーナーレベルは、２つの対向する炉壁２に一組のバーナー３を含む。
各組のバーナー３は、２つの中央バーナー８と、２つの中央バーナー８の一方側にある１つのウイングバーナー９と、２つの中央バーナー８の他方側にある別のウイングバーナー９と、を含む。行内の最も外側のバーナーは、ウイングバーナー９であり、行内の最も内側のバーナーは中央バーナー８である。
所定の水平バーナーレベル４にある図１のボイラーのバーナーは、異なる空気係数が中央バーナー８及びウイングバーナー９に供給されるように動作する。ウイングバーナー９は、ウイングバーナー９の空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が０．９５以上、又は０．９５〜１．１の範囲になるような量の燃焼用空気を供給するように構成される。中央バーナー８は、中央バーナー８の空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．９以下、又は０．６〜０．９若しくは０．７〜０．８の範囲になるような量の燃焼用空気を供給するように構成される。
ウイングバーナー９は、ウイングバーナー９を通して供給される二次空気に０〜０．３、０．０１〜０．３、０．１〜０．３、０〜０．１又は０のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を与えるように構成される。すなわち、ウイングバーナー９を通して供給される二次空気には、弱いスワールが与えられるか、又はスワールが与えられない。
中央バーナー８は、炎安定化リングの下流に生成された内側再循環領域の周囲に外側再循環領域を生成するように構成される。外側再循環領域は、中央バーナー８の炎の形状を広げる。
中央バーナー８の構造は、ウイングバーナー９の構造と同じであってもよく、又はウイングバーナー９の構造と異なっていてもよい。バーナー３の動作及び／又は構成により、ウイングバーナー９の炎が炉壁２から離れるようにボイラー炉１の中心に向かって曲がるようにする全体的な流れ場が達成される。従って炉壁２の近くの一酸化炭素の量が削減される。所定の水平バーナーレベルでの全体の流れ場を図４に示す。
水平バーナーレベル４の数は、ボイラー構造に応じて変わり得る。また、一組のバーナー３の中央バーナー８及びウイングバーナー９の数は異なり得る。
図１のボイラーは、２つの対向する炉壁２において最も低い水平バーナーレベル４の下に２つの空気ノズル２０を含む。１つの空気ノズル２０は、最も低い水平バーナーレベル４にある各中央バーナー８の下に配置される。空気ノズル２０の数は２以外としてよい。シールド空気が、空気ノズル２０を通してボイラー炉１内に供給される。シールド空気は、一酸化炭素の量を削減することによって一酸化炭素によって引き起こされる腐食から炉壁２を保護するために使用される。
図２は、一実施形態によるバーナー３の概略断面図である。このバーナーは、中央バーナー８又はウイングバーナー９として使用してよい。
バーナー３は、燃料供給管５と、燃料供給管５の周囲に配された二次空気流チャネル１２とを含む。微粉燃料とキャリアガスとの混合物は、燃料供給管５を通してボイラー炉内に供給される。燃料空気混合物は、燃料供給管５の出口１１を通してボイラー炉内に供給される。二次空気は、二次空気流チャネル１２を通してボイラー炉内に供給される。二次空気流チャネル１２の断面は環状である。燃料供給管５は、外壁１０と、下流端６と、出口１１とを含む。二次空気流チャネル１２は、出口１３を含む。
燃料供給管５の下流端６には炎安定化リング７が取り付けられている。炎安定化リング７は燃料供給管５の外壁１０に取り付けられている。炎安定化リング７は燃料供給管５の出口１１を囲み、二次空気流チャネル１２の出口１３に向かって突出している。したがって、炎安定化リング７は、二次空気流１２の出口１３の一部を塞いでいる。二次空気流チャネル１２を通して供給される二次空気の一部は、炎安定化リング７と衝突し、空気の流れ場が変化する。炎安定化リング７は、炎安定化リング７の下流に内側再循環領域の形成を引き起こす。炎安定化リング７は、着火性を向上させ、炎を狭く保つ。炎安定化リング７は炎の安定化を引き起こす。
図２のバーナー３の炎安定化リング７は、燃料供給管５に固定された炎安定化リング７の端部が燃料供給管５の中心軸の方向に対して垂直となるようにずらして配置されている。炎安定化リング７は、その取り付け点からボイラー炉１の中心に向かってある距離で回転する。炎安定化リングは、それが望ましいやり方で流れ場を変える限り、円錐台形のような別の形状でもよい。
二次空気流１２は、図２におけるように、１つのみのチャネル又は２つのチャネルからなることができる。図２のバーナー３の二次空気流チャネル１２ａ、１２ｂには、二次空気流チャネルを内側二次空気流チャネル１２ａと外側二次空気流チャネル１２ｂに分割する環状隔壁２１を設けている。内側二次空気流チャネル１２ａと外側二次空気流１２ｂの両方には、スワーラ２２、すなわちスワールジェネレータを設けてよい。しかし、内側二次空気流チャネル１２ａ及び外側二次空気流チャネル１２ｂは必ずしもスワーラ２２を含む必要はない。
外側二次空気流１２ｂにおけるスワーラ２２のみ、図２に示す。内側二次空気流チャネル１２ａ及び外側二次空気流１２ｂ内に配置されたスワーラは、内側二次空気流チャネル１２ａ又は外側二次空気流チャネル１２ｂに入る二次空気流に回転又はカーリング運動を加えることができる。スワーラ２２は、二次空気流チャネル１２ａ、１２ｂを通して供給される二次空気に旋回運動を与えるように構成され得る。スワーラは、本分野で一般的に知られている従来の構造を有する。スワーラは通常羽根を含み、羽根の位置は燃焼用空気に所定のスワール数Ｓを与えるように調整される。
バーナーは、二次又は三次空気に特定のスワール数を与えるように構成される。所望のスワール数は、バーナー３が中央バーナーとして使用されるのか、又はウイングバーナーとして使用されるのかに依存する。
環状隔壁２１もボイラー炉の中心の方向にさらに延びてもよく、その場合、バーナーは別個の二次空気流チャネル１２及び三次空気流チャネル（図２には示さず）を含んでよい。
第２実施形態に係るバーナーの概略断面図である。このバーナーは、中央バーナー８として使用してよい。
図２のバーナーと同様に、図３のバーナー３は、燃料供給管５と、燃料供給管５の周囲に配された二次空気流チャネル１２と、を含む。微粉燃料とキャリアガスの混合物は、燃料供給管５を通してボイラー炉に供給される。燃料−空気混合物は、燃料供給管５の出口１１を通してボイラー炉内に供給される。二次空気は、二次空気流１２を通してボイラー炉内に供給される。二次空気流チャネル１２の断面は環状である。燃料供給管５は、外壁１０と、下流端６と、出口１１とを含む。また、二次空気流チャネル１２は、外壁１５と、下流端１４と、出口１３とを含む。
環状隔壁２１は、二次空気流チャネル１２の出口領域まで延びる。従って、バーナー３は、図２のバーナーのように内側及び外側の二次空気流チャネルの代わりに別々の二次空気流チャネル１２及び三次空気流チャネル１６を含む。三次空気流１６は、二次空気流１２の周囲に配されている。三次空気流は、三次空気流チャネル１６の出口１７を通してボイラー炉内に供給される。
図２のバーナーのように、炎安定化リング７が燃料供給管５の下流端６に取り付けられている。炎安定化リング７は燃料供給管５の外壁１０に取り付けられている。炎安定化リング７は燃料供給管５の出口１１を囲み、二次空気流チャネル１２の出口１３に向かって突出している。したがって、炎安定化リング７は二次空気流チャネル１２の出口１３の一部を塞いでいる。二次空気流チャネル１２を通して供給された二次空気の一部は、炎安定化リング７と衝突し、空気の流れ場が変化する。炎安定化リング７は、炎安定化リング７の下流に内側再循環領域の形成を引き起こす。炎安定化リング７は、着火性を向上させ、炎を狭く保つ。炎安定化リング７は炎の安定化を引き起こす。炎安定化リングは、それが望ましいやり方で流れ場を変化させる限り、円錐台形のような任意の形状のものでよい。
二次空気流チャネル１２及び三次空気流チャネル１６の両方は、二次空気及び三次空気を接線方向の運動に設定するためのスワーラ２２を含んでよい。スワーラは、本分野で一般的に知られている従来の構造を有する。二次空気流１２のスワーラは図示しない。図３のバーナーが中央バーナーとして使用されるとき、バーナーは、中央バーナーを通して供給される二次空気及び／又は三次空気に０〜０．５、０．２〜０．３、０．０１〜０．５、０．１〜０．５又は０のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を与えるように構成されてよい。すなわち、スワーラ２２の羽根角度は、二次空気及び三次空気に０〜０．５、０．２〜０．３、０．０１〜０．５又は０．１〜０．５又は０のスワール数を与えるように設定される。スワーラの設定は、スワーラの種類とスワーラの製造業者に依存する。二次空気流チャネル１２及び三次空気流チャネル１６は、必ずしもスワーラ２２を含む必要はない。
空気案内デバイス１８が、二次空気流チャネル１２の下流端及び二次空気流チャネル１２の外壁１５に取り付けられている。空気案内デバイス１８は、二次空気流チャネル１２の出口１３を囲み、三次空気流チャネル１６の出口１７に向かって突出する。空気案内デバイス１８は、三次空気流チャネル１６を通して供給される三次空気を半径方向外向きに向け、三次空気と燃料との混合を遅らせる。外側再循環領域は、炎安定化リング７の下流に形成された内側再循環領域の周囲に生成される。外側再循環領域は、炎の形状を広げ、着火性を向上させる。
図３のバーナーの空気案内デバイス１８は実質的に円錐台形であり、燃料供給管５の中心軸の方向に対して角度αで配されている。角度αは２５〜４５度である。
図４は、ボイラー炉１内で所定の水平バーナーレベルにある全体の流れ場の概略断面図である。２つの対向する炉壁２は、ボイラー炉１内に燃料及び燃焼用空気を供給するために一組のバーナー８、９を含む。各組のバーナーは、２つの中央バーナー８と、中央バーナー８の一方側に配置された１つのウイングバーナー９と、中央バーナー８の他方側に配置された別のウイングバーナー９と、を含む。ウイングバーナー８は図２に示す構造を有してよく、中央バーナー８は図２又は図３に示す構造を有してよい。各バーナー８、９には、炎安定化リング（図示せず）を設けている。
ウイングバーナー９の炎の形状は狭く長く保たれている。ウイングバーナー９を通して供給される二次空気及び／又は三次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）は、０〜０．３、０．０１〜０．３、０．１〜０．３、０〜０．１又は０に保たれる。
中央バーナー８の炎の形状は幅広く短く保たれている。これは、炎安定化リングの下流に生成された内側再循環領域の周囲に外側再循環領域を生成することによって達成される。外側再循環領域は、中央バーナー８を通して供給される二次空気及び／又は三次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を０．６〜１．５、０．９〜１．５又は１．１〜１．３に設定することによって生成され得る。代替的には、外側再循環領域は、中央バーナーに空気案内デバイスを設けることによって、すなわち図３に示すバーナー構造を使用することによって生成され得る。外側再循環領域の形成は、中央バーナーの炎の形状を広げる。
ウイングバーナー９は、ウイングバーナー９の空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が０．９５以上、又は０．９５〜１．１の範囲となるような量で燃焼用空気を供給するように構成される。中央バーナー８は、中央バーナー８の空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．９以下、又は０．６〜０．９若しくは０．７〜０．８の範囲となるような量の燃焼用空気を供給するように構成される。中央バーナー８を通してよりも少ない空気がウイングバーナー９を通してボイラー炉１内に供給されるため、低圧領域がボイラー炉１の中央部２３内に引き起こされる。炉壁の近くにより酸素に富んだ状態をもたらす流れパターンが生成され、炉壁の腐食速度の減少に有利に働く。流れのパターンは、燃料に富んだ煙道ガスを炉壁から炉の中心に同伴させる。
以下において、本明細書に提供される方法は、実施例を参照することによって説明される。
実施例１
この実施例では、燃料の燃焼を従来のボイラーと本明細書で説明するボイラーとの間で比較した。従来のボイラーでは、ウイングバーナーと中央バーナーは実質的に同じ空気係数とスワール数で動作させた。また、ウイングバーナーと中央バーナーの構造は同様だった。
これら２つのボイラーにおける窒素酸化物と一酸化炭素の排出量及び炉壁の腐食を比較した。下記の値はＣＦＤ計算に基づく。
両方のボイラーにおいて、燃料と燃焼用空気は２つの対向する炉壁にある一組のバーナーを通して４つの水平バーナーレベルで供給された。燃料は微粉炭だった。一組のバーナーは、４つのバーナーを含んでいた。バーナーは、コア空気ダクトと、コア空気ダクトの周囲に同軸に配された燃料供給管と、燃料供給管の周囲に配された内側二次空気流チャネルと、内側二次空気流チャネルの周囲に配された外側二次空気流チャネル、とを含む。
各バーナーの炎は、バーナーに燃料供給管の下流端に取り付けられた炎安定化リングを設け、燃料供給管の出口を囲むことによって安定化された。シールドの空気は、一酸化炭素の腐食を引き起こす影響から炉壁を保護するために、２つの最も内側のバーナーの下に配置された２つの空気ノズルから供給された。
従来のボイラーでは、各組のバーナーは実質的に同じスワール数Ｓで動作させた。また、各組のバーナーは実質的に同じ空気係数ＳＲで動作させた。各バーナーのスワール数は１．０であり、各バーナーの空気係数は０．９０であった。
本明細書に記載のボイラーでは、一組のバーナーは、２つの中央バーナーと、中央バーナーの両側に配された１つのウイングバーナーと、を含んでいた。両方のウイングバーナーの空気係数ＳＲｗｉｎｇを１．０に設定した。また、ＳＲｗｉｎｇの任意の他の値が、０．９５、１．０５、１．１等の０．９５〜１．１の範囲で選択され得る。両方の中央バーナーの空気係数ＳＲｃｅｎｔｅｒは、０．７５に設定した。また、ＳＲｃｅｎｔｅｒの任意の他の値が、０．６、０．７、０．８、０．９等の０．６〜０．９の範囲で選択され得る。各ウイングバーナーを通して供給される二次空気のスワール数Ｓｗｉｎｇは、０〜０．３に設定した。０、０．１、０．２、０．３等の０〜０．３の範囲の任意の値のＳｗｉｎｇが選択され得る。各中央バーナーを通して供給される二次空気のスワール数Ｓｃｅｎｔｅｒは、０．６〜１．５に設定した。０．６、０．７５、０．９、１．１、１．３、１．５等の０．６〜１．５の範囲の任意の値のＳｃｅｎｔｅｒが選択され得る。
ＣＦＤ計算によると、燃料を燃焼させる従来の方法及び従来のボイラーを使用した場合、炉の側壁の腐食速度は高かった。窒素酸化物の排出量は、約９５０ｍｇＮＯ２／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。さらに、一酸化炭素の排出量は約３５ｍｇＣＯ／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。ＳＨ２前の炉壁への熱伝達率は約７３０ＭＷであった。ＳＨ２より前の炉出口ガス温度は１２３４℃だった。
ＣＦＤ計算によると、本明細書に記載の方法及びボイラーを使用した場合、炉の側壁の腐食速度は低かった。窒素酸化物の排出量は約４１５ｍｇＮＯ２／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。さらに、一酸化炭素の排出量は約７５ｍｇＣＯ／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。ＳＨ２より前の炉壁への熱伝達率は約７５０ＭＷであった。炉出口ガス温度は１２００℃だった。
その結果に基づいて、本明細書に記載の方法及びボイラーを使用した場合、従来のボイラーにおいて燃料を燃焼させる従来の方法と比較して、炉の側壁の腐食速度は著しく減少した。一酸化炭素の排出量は実質的に影響を受けなかったのに対し、窒素酸化物の排出量はかなり削減された。炉出口ガス温度は約３５℃低下した。
実施例２
この実施例では、燃料の燃焼を従来のボイラーと本明細書に記載のボイラーとの間で比較した。従来のボイラーでは、ウイングバーナーと中央バーナーは実質的に同じ空気係数とスワール数で動作させた。また、ウイングバーナーと中央バーナーの構造は同様だった。これら２つのボイラーにおける窒素酸化物と一酸化炭素の排出量及び炉壁の腐食を比較した。下記の値はＣＦＤ計算に基づく。
両方のボイラーにおいて、燃料と燃焼用空気は２つの対向する炉壁の一組のバーナーを通して４つの水平バーナーレベルで供給された。燃料は微粉炭だった。一組のバーナーは、４つのバーナーを含んでいた。バーナーは、コア空気ダクトと、コア空気ダクトの周囲に同軸に配された燃料供給管と、を含んでいた。従来のボイラーでは、内側二次空気流チャネルが燃料供給管の周囲に配され、外側二次空気流チャネルが内側二次空気流の周囲に配されていた。本明細書に記載のボイラーでは、ウイングバーナーの構造は従来のボイラーのバーナーと同じであった。しかし、中央バーナーの構造は異なっていた。中央バーナーは、二次空気流チャネルの下流端に取り付けられ、燃料供給管の中心軸に対して２５〜４５度の角度で配された空気案内デバイスを含んでいた。空気案内デバイスは、二次空気流チャネルの出口を囲み、三次空気流チャネルの出口の一部を塞いで、三次空気と燃料との混合を遅らせる。
各バーナーの炎は、燃料供給管の下流端に取り付けられ、かつ燃料供給管の出口を囲む炎安定化リングをバーナーに設けることによって安定化された。シールド空気は、一酸化炭素の腐食を引き起こす影響から炉壁を保護するために、２つの最も内側のバーナーの下に配置された２つの空気ノズルから供給された。
従来のボイラーでは、各組のバーナーは実質的に同じスワール数Ｓで動作させた。また、各組のバーナーは実質的に同じ空気係数ＳＲで動作させた。各バーナーのスワール数は１．０であり、各バーナーの空気係数は０．９０であった。
本明細書に記載のボイラーでは、一組のバーナーは、２つの中央バーナーと、中央バーナーの両側に配置された１つのウイングバーナーと、を含んでいた。両方のウイングバーナーの空気係数ＳＲｗｉｎｇを１．０に設定した。ＳＲｗｉｎｇの任意の他の値が、０．９５、１．０５、１．１等の０．９５〜１．１の範囲で選択され得る。両方の中央バーナーの空気係数ＳＲｃｅｎｔｅｒは、０．９に設定した。また、ＳＲｃｅｎｔｅｒの任意の他の値が、０．６、０．７、０．８等の、０．６〜０．９の範囲で選択され得る。各ウイングバーナーを通して供給される二次空気のスワール数は０〜０．３に設定した。０、０．１、０．２、０．３等の０〜０．３の範囲の任意の値のＳｗｉｎｇが選択され得る。各中央バーナーを通して供給される二次空気のスワール数Ｓｃｅｎｔｅｒは、０〜０．５に設定した。０、０．１、０．２５、０．４、０．５等の０〜０．５の範囲の任意の値のＳｃｅｎｔｅｒが選択され得る。
ＣＦＤ計算によると、燃料を燃焼させる従来の方法及び従来のボイラーを使用した場合、炉の側壁の腐食速度は高かった。窒素酸化物の排出量は、約９５０ｍｇＮＯ２／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。さらに、一酸化炭素の排出量は約３５ｍｇＣＯ／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。ＳＨ２前の炉壁への熱伝達率は約７３０ＭＷであった。ＳＨ２より前の炉出口ガス温度は１２３４℃だった。
ＣＦＤ計算によると、本明細書に記載の方法及びボイラーを使用した場合、炉の側壁の腐食速度は低かった。窒素酸化物の排出量は約５１０ｍｇＮＯ２／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。さらに、一酸化炭素の排出量は約５ｍｇＣＯ／ｍ３ｎ（ドライ６％Ｏ２）だった。ＳＨ２より前の炉壁への熱伝達率は約７５０ＭＷであった。炉出口ガス温度は１１８９℃だった。
その結果に基づいて、本明細書に記載の方法及びボイラーを使用した場合、従来のボイラーにおいて燃料を燃焼させる従来の方法と比較して、炉の側壁の腐食速度は著しく減少した。一酸化炭素の排出量は実質的に影響を受けなかったのに対し、窒素酸化物の排出量はかなり削減された。炉出口ガス温度は約４５℃低下した。
技術の進歩により、本発明の基本概念が様々な方法で実施され得ることは当業者にとって明らかである。したがって、本発明及びその実施形態は上記の例に限定されず、代わりにそれらは特許請求の範囲内で変更することができる。

Claims (28)

  1. 燃料を燃焼させる方法であって、当該方法は、バーナーの１つ以上によって炎を生成するために所定の水平バーナーレベル又はその付近で炉壁上に配置された一組のバーナーを通して、該炉壁を含むボイラー炉に燃料及び燃焼用空気を供給することを含み、該燃焼用空気が一次空気及び二次空気を含み、該燃料が下流端を含む燃料供給管を通して供給され、各バーナーの炎は、炎安定化リングの下流の内側再循環領域を生成するために該炎安定化リングを該燃料供給管の下流端に設けることによって安定化され、各バーナーは空気係数（ＳＲｗｉｎｇ、ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を有し、前記バーナーを通じて供給される該二次空気はスワール数（Ｓｗｉｎｇ、Ｓｃｅｎｔｅｒ）を有し、
    前記一組のバーナーは、少なくとも１つの中央バーナーと、該少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された少なくとも１つのウイングバーナーと、を含み、
    当該方法は、
    − 各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）を０．９５以上に設定し、前記少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を０．９以下に設定することと、
    − 各ウイングバーナーを通して供給される二次空気のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を０〜０．３に設定することと、
    − 前記少なくとも１つの中央バーナーの前記炎安定化リングの下流に生成された前記内側再循環領域の周囲に外側再循環領域を生成することによって、前記少なくとも１つの中央バーナーの炎の形状を広げることと、を含む、方法。
  2. 前記燃料供給管は、外壁と、出口と、をさらに含み、前記二次空気は、前記燃料供給管の周囲に配された二次空気流チャネルを通して供給され、該二次空気流チャネルは、出口を含み、前記炎安定化リングは、前記燃料供給管の出口を囲み、前記二次空気流チャネルの出口に向かって突出するように、前記燃料供給管の外壁に取り付けられている、請求項１に記載の燃料を燃焼させる方法。
  3. 当該方法が、各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲＷｉｎｇ）を０．９５〜１．１に設定することを含む、請求項１又は２に記載の燃料を燃焼させる方法。
  4. 当該方法が、前記少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を０．６〜０．９に設定することを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料を燃焼させる方法。
  5. 当該方法は、前記少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される前記二次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を０．６〜１．５に設定することによって前記外側再循環領域を生成することを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料を燃焼させる方法。
  6. 前記二次空気流チャネルは、下流端と、外壁と、をさらに含み、前記少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される前記燃焼用空気は三次空気を含み、該三次空気は前記二次空気流チャネルの周囲に配された三次空気流チャネルを通して前記ボイラー炉内に供給され、該三次空気流チャネルは、出口を含み、当該方法は、前記二次空気流チャネルの出口を囲み、前記三次空気流チャネルの出口に向かって突出するように、前記二次空気流チャネルの外壁に取り付けられた空気案内デバイスを前記二次空気流チャネルの下流端に設けることによって前記外側再循環領域を生成することを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料を燃焼させる方法。
  7. 前記空気案内デバイスが、前記燃料供給管の中心軸の方向に対して角度αで配され、該角度αが２５〜４５度である、請求項１〜４、６のいずれか一項に記載の燃料を燃焼させる方法。
  8. 前記少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される前記二次空気のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）が０〜０．５に設定される、請求項１〜４、６、７のいずれか一項に記載の燃料を燃焼させる方法。
  9. 前記一組のバーナーの少なくとも一部が、前記燃料供給管の内側に同軸に配されたコア空気ダクトを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料を燃焼させる方法。
  10. 各バーナーの前記二次空気流チャネルの出口における前記二次空気の速度が４０〜６０ｍ／ｓに設定される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料を燃焼させる方法。
  11. 各バーナーの前記三次空気流チャネルの出口における前記三次空気の速度が４０〜６０ｍ／ｓに設定される、請求項６〜１０のいずれか一項に記載の燃料を燃焼させる方法。
  12. シールド空気が、前記少なくとも１つの中央バーナーの下に配置された少なくとも１つの空気ノズルを通じて前記少なくとも１つの中央バーナーの下から供給される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の燃料を燃焼させる方法。
  13. 前記一組のバーナーが、少なくとも１つの中央バーナーと、該少なくとも１つ中央バーナーの両側に配置された２つのウイングバーナーとを含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の燃料を燃焼させる方法。
  14. 当該方法が、対向壁燃焼用である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃料を燃焼させる方法。
  15. 炉壁と、所定の水平バーナーレベル又はその付近で前記炉壁上に配置された一組のバーナーと、を含むボイラー炉を含むボイラーであって、該一組のバーナーの各バーナーは、
    下流端を含み、前記ボイラー炉内に燃料を供給するための燃料供給管と、
    前記燃料供給管の周囲に配され、前記ボイラー炉内に二次空気を供給するための二次空気流チャネルと、
    炎安定化リングであって、該炎安定化リングの下流に内側再循環領域を生成するために前記燃料供給パイプの下流端に取り付けられている炎安定化リングと、を含み、
    各バーナーは空気係数（ＳＲｗｉｎｇ、ＳＲｃｅｎｔｅｒ）を有し、前記バーナーを通して供給される前記二次空気はスワール数（Ｓｗｉｎｇ、Ｓｃｅｎｔｅｒ）を有し、
    前記一組のバーナーは、少なくとも１つの中央バーナーと、該少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された少なくとも１つのウイングバーナーとを含み、
    各ウイングバーナーは、各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が０．９５以上となるような量で燃焼用空気をボイラー炉内に供給するように構成され、前記少なくとも１つの中央バーナーは、前記少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．９以下となるような量で燃焼用空気をボイラー炉内に供給するように構成され、
    各ウイングバーナーは、各ウイングバーナーを通して供給される前記二次空気に０〜０．３のスワール数（Ｓｗｉｎｇ）を与えるように構成され、
    前記少なくとも１つの中央バーナーは、前記少なくとも１つの中央バーナーの炎の形状を広げるために、前記少なくとも１つの中央バーナーの前記炎安定化リングの下流に生成された前記内側再循環領域の周囲に外側再循環領域を生成するように構成される、ボイラー。
  16. 前記燃料供給管は、外壁と、出口と、をさらに含み、前記二次空気流チャネルは出口を含み、前記炎安定化リングは、前記燃料供給管の出口を囲み、前記二次空気流チャネルの出口に向かって突出するように、前記燃料供給管の外壁に取り付けられている、請求項１５に記載のボイラー。
  17. 前記各ウイングバーナーは、前記各ウイングバーナーの空気係数（ＳＲｗｉｎｇ）が０．９５〜１．１となるような量で燃焼用空気を供給するように構成される、請求項１５又は１６に記載のボイラー。
  18. 前記少なくとも１つの中央バーナーは、前記少なくとも１つの中央バーナーの空気係数（ＳＲｃｅｎｔｅｒ）が０．６〜０．９となるような量で燃焼用空気を供給するように構成される、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載のボイラー。
  19. 前記少なくとも１つの中央バーナーは、前記少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される前記二次空気に０．６〜１．５のスワール数を与えるように構成される、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載のボイラー。
  20. 前記二次空気流チャネルは、下流端と、外壁と、を含み、前記少なくとも１つの中央バーナーは、前記ボイラー炉内に三次空気を供給するために前記二次空気流チャネルの周囲に配された三次空気流チャネルを含み、該三次空気流チャネルは、出口を含み、前記少なくとも１つの中央バーナーは、前記二次空気流チャネルの出口を囲み、前記三次空気流チャネルの出口に向かって突出するように、前記二次空気流チャネルの外壁に取り付けられている空気案内デバイスを前記二次空気流チャネルの下流端に設けることによって、前記外側再循環領域を生成するように構成される、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載のボイラー。
  21. 前記空気案内デバイスは、前記燃料供給管の中心軸の方向に対して角度αで配され、該角度αは、２５〜４５度である、請求項１５〜１８、２０のいずれか一項に記載のボイラー。
  22. 前記少なくとも１つの中央バーナーが、前記少なくとも１つの中央バーナーを通して供給される前記二次空気に、０〜０．５のスワール数（Ｓｃｅｎｔｅｒ）を与えるように構成される、請求項１５〜１８、２０、２１のいずれか一項に記載のボイラー。
  23. 前記一組のバーナーの少なくとも一部が、前記燃料供給管の内側に同軸に配されたコア空気ダクトを含む、請求項１５から２２のいずれか一項に記載のボイラー。
  24. 各バーナーの二次空気流チャネルの出口における前記二次空気の速度が、４０〜６０ｍ／ｓに調整される、請求項１５から２３のいずれか一項に記載のボイラー。
  25. 各バーナーの三次空気流チャネルの出口における前記三次空気の速度が、４０〜６０ｍ／ｓに調整される、請求項２０から２４のいずれか一項に記載のボイラー。
  26. 当該ボイラーは、前記少なくとも１つの中央バーナーの下から、前記ボイラー炉内にシールド空気を供給するために、前記少なくとも１つの中央バーナーの下に配置された少なくとも１つの空気ノズルを含む、請求項１５〜２５のいずれか一項に記載のボイラー。
  27. 少なくとも１つの中央バーナーと、該少なくとも１つの中央バーナーの両側に配置された２つのウイングバーナーとを含む、請求項１５から２６のいずれか一項に記載のボイラー。
  28. 対向壁燃焼用である、請求項１５から２７のいずれか一項に記載のボイラー。
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