JP2021001700A - ノズル及びノズルを備えたボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】有効に燃焼に使用される空気量を増加できるノズル及びこのノズルを備えたボイラを提供する。【解決手段】ノズルは、空気が流通する複数の空気流路が区画されている。ノズルは、筒状の筐体を備え、複数の空気流路は、筐体内部が仕切板によって区画されることによって構成されてもよい。【選択図】図３

Description

本開示は、ノズル及びこのノズルを備えたボイラに関する。

特許文献１には、微粉炭を固体燃料として使用する固体燃料焚きボイラが記載されている。このボイラの火炉内に微粉炭及び空気を投入するための固体燃料焚きバーナは、微粉炭及び１次空気を投入するための微粉炭バーナと、微粉炭バーナの上下から２次空気を投入するための２次空気投入ポートとを備え、各２次空気投入ポートから同量の２次空気を投入することで、均一に燃焼するようにしている。

ガス燃料又は油等の液体燃料と石炭とを混焼するボイラでは、ガス燃料又は液体燃料を使用しない場合、ガス燃料又は液体燃料を供給するためのノズルは、石炭燃焼用の空気を供給するためのノズルとして使用することが多い。ところが、石炭の燃焼に対しては、ガス燃料又は液体燃料を燃焼するのに必要な空気量では多くなりすぎることが多いので、空気流速を低下させて石炭の燃焼に必要な空気量を供給する必要があり、この場合には、空気と石炭との混合が遅れて、ボイラの性能悪化の要因となる。

ガス燃料又は液体燃料を供給するための従来のノズルとして、例えば図６及び７に示される構成のノズル１００を用いることができる。ノズル１００は、空気供給用の流路１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃがそれぞれ形成された３つの筒状のポート部材１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃと、ガス燃料又は液体燃料供給用の流路１０４が形成された筒状のポート部材１０３とを備えている。３つの筒状のポート部材１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃは上下方向に一列に配置されており、これらの真ん中のポート部材１０１ｂ内に含まれるようにポート部材１０３が設けられている。

図７に示されるように、流路１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃのそれぞれは、流路１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃを介して、図示しない空気の供給源と連通している。流路１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃのそれぞれに、空気の流量を調整するためのダンパ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃを設置し、石炭のみを燃焼させる時にはダンパ１０６ｂを閉めることで、ボイラの性能悪化を抑制することができる。

特許第５７７８５００号公報

しかしながら、ノズル１００では、ガス燃料又は液体燃料を使用しない場合に流路１０２ａ及び１０２ｃのそれぞれを流れる空気の流速を確保できるものの、各ポート部材間に隙間が形成されてしまい、空気の一部がこの隙間から流出してしまう。このような隙間から流出する空気の流速は遅いことから、隙間から流出後すぐに周囲に拡散してしまい、燃焼には有効に活用されないといった問題点があった。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、有効に燃焼に使用される空気量を増加できるノズル及びこのノズルを備えたボイラを提供することを目的とする。

本開示の少なくとも１つの実施形態に係るノズルは、空気が流通する複数の空気流路が区画されている。この構成によると、隣り合う空気流路間に隙間が存在しないので、有効に燃焼に使用される空気量を増加することができる。

いくつかの実施形態では、筒状の筐体を備え、複数の空気流路は、筐体の内部が仕切壁によって区画されることによって構成されてもよい。この構成によると、隣り合う空気流路間に確実に隙間が存在しないようにすることができる。

いくつかの実施形態では、ガス燃料又は液体燃料が流通する燃料流路がさらに区画されてもよい。この構成によると、ガス燃料又は液体燃料が流通する燃料流路を有するノズルすなわちバーナでも、空気流路と燃料流路との間に隙間が存在しないので、有効に燃焼に使用される空気量を増加することができる。

いくつかの実施形態では、ガス燃料又は液体燃料が流通する燃料流路がさらに区画され、燃料流路は、筐体の内部に設けられた筒状の壁部材の内部に形成されてもよい。この構成によると、空気流路と燃料流路との間に確実に隙間が存在しないようにすることができる。

いくつかの実施形態では、壁部材の外周面は、燃料流路の上流端から下流側に向かって凸状の円弧状に湾曲した断面形状の湾曲部を有してもよい。ノズルが上下方向に回動可能な場合、ノズルの回動によって、燃料流路の上流端と燃料供給源に連通する燃料管の下流端部との連結部に隙間が生じるおそれがある。これに対して、燃料流路を画定する壁部材の外周面に、燃料流路の上流端から下流側に向かって凸状の円弧状に湾曲した断面形状の湾曲部が設けられていれば、壁部材を燃料管内に挿入するようにして両者を接続したときに、湾曲部が燃料管の内壁に当接する。そうすると、ノズルを回動させても、燃料管の内壁への湾曲部の当接が維持されるので、当該連結部に隙間が生じるおそれを低減することができる。

本開示の少なくとも１つの実施形態に係るボイラは上記ノズルを備える。この構成によると、ノズルから供給される空気のうち、有効に燃焼に使用される空気量を増加することができるので、ボイラの性能悪化を抑制することができる。

いくつかの実施形態では、ノズルと連通するように設けられた風箱をさらに備え、風箱の内部には、複数の空気流路のそれぞれに連通する内部流路が形成され、各内部流路には、各内部流路を流通する空気の流量を調整する空気流量調整部材が設けられてもよい。この構成によると、状況に応じて、各空気流路からの空気流量を調整することができる。

いくつかの実施形態では、ボイラの出力を検出するボイラ出力検出部と、空気流量調整部材を制御する制御部とを備え、制御部は、ボイラ出力検出部による検出値に基づいて、各内部流路を流通する空気の流量を調整してもよい。この構成によると、ボイラの出力に応じて、各空気流路からの空気流量を調整することができる。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、空気が流通する複数の空気流路が区画されていることにより、隣り合う空気流路間に隙間が存在しないので、有効に燃焼に使用される空気量を増加することができる。

本開示の一実施形態に係るボイラの一部の構成を模式的に示す図である。 本開示の一実施形態に係るノズルの構成を模式的に示す正面端面図である。 本開示の一実施形態に係るノズル及びノズルと連通するように設けられた風箱の構成を模式的に示す断面図である。 本開示の別の実施形態に係るノズルの構成を模式的に示す正面端面図である。 本開示の別の実施形態に係るノズル及びノズルと連通するように設けられた風箱の構成を模式的に示す断面図である。 従来のノズルの一例を示す正面端面図である。 従来のノズルの一例を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１に示されるように、本開示の一実施形態に係るボイラ１は、ガス燃料又は液体燃料（以下では、ガス燃料を例に説明するが、油等の液体燃料であってもよい。）と石炭とを混焼するボイラであり、火炉２と、火炉２に設けられたバーナ部３とを備えている。バーナ部３は、空気供給用のノズル４と、石炭供給用のノズル５と、ガス燃料及び空気供給用のノズル６と、ノズル４〜６のそれぞれに連通するように設けられた風箱７とを備えている。尚、ノズル５及び６はそれぞれ、石炭及びガス燃料を供給してそれらが燃焼するので、バーナの構成を有している。

図２に示されるように、ノズル６は、矩形の断面形状を有する筒状の筐体１４と、筐体１４内に互いに面するとともに間隔をあけて設けられる２つの仕切壁１０ａ，１０ｂと、矩形の断面形状を有する筒状の壁部材１２とを含んでいる。２つの仕切壁１０ａ，１０ｂは筐体１４内を３つの領域に区画し、これら３つの領域は、空気が流通する３つの空気流路１１ａ，１１ｂ，１１ｃを構成している。壁部材１２は、３つの空気流路の内の真ん中に位置する空気流路１１ｂ内に設けられ、壁部材１２の内部に、ガス燃料が流通する燃料流路１３が形成されている。空気流路１１ａ，１１ｂ，１１ｃ及び燃料流路１３は、筐体１４内で仕切壁１０ａ，１０ｂ及び壁部材１２によって区画されているので、空気流路１１ａ，１１ｂ間、空気流路１１ｂ，１１ｃ間、空気流路１１ｂ及び燃料流路１３間のいずれにも隙間が存在しない。

図３に示されるように、ノズル６に連通する風箱７内には、断面がＬ字状の２つの仕切板２３ａ，２３ｂが互いに対して間隔をあけて面するように設けられている。仕切板２３ａ，２３ｂによって、風箱７内が３つの領域に区画され、これら３つの領域は空気流路１１ａ，１１ｂ，１１ｃのいずれかと連通している。空気流路１１ａに連通する領域が内部流路２４を構成し、空気流路１１ｂに連通する領域が内部流路２５を構成し、空気流路１１ｃに連通する領域が内部流路２６を構成する。

壁部材１２の端部は、風箱７の外部から風箱７を貫通して風箱７内を延びるように設けられた燃料管２１の端部と接続されている。この構成により、風箱７の外部に設けられたガス燃料の供給源から、燃料管２１を介して燃料流路１３にガス燃料を供給することができる。また、燃料管２１にはフレキシブル管部２２を設けてもよい。

内部流路２４〜２６のそれぞれには、後述する動作で風箱７内に供給された空気が各内部流路を流れる流量を調整するための空気流量調整部材であるダンパ３１，３２，３３を設けてもよい。ダンパ３１〜３３のそれぞれは、内部流路２４〜２６のそれぞれを流れる空気の流量を調整するようにダンパ３１〜３３のそれぞれを制御する制御部３０と電気的に接続してもよい。制御部３０は、ボイラ１（図１参照）の出力を検出するボイラ出力検出部４０と電気的に接続されている。ボイラ出力検出部４０の構成は特に限定しないが、例えば、ボイラ１で生成した蒸気によって発電する図示しない発電装置における発電量を検出するための発電量検出器等であってもよい。制御部３０には、例えば、ボイラ１の出力と各ダンパ３１〜３３の開度との関係を定めたマップを予め組み込んでおくことができる。

ノズル６は、上下方向（矢印Ａの方向）に回動可能に風箱７と接続してもよい。ノズル６が上下方向に回動可能な場合、壁部材１２の外周面１２ａは、燃料流路１３の上流端１３ａから下流側に向かって凸状の円弧状に湾曲した断面形状の湾曲部１５を有するように構成してもよい。このように構成した場合、壁部材１２の一方の端部を燃料管２１内に挿入するようにして両者を連結させたときに、湾曲部１５が燃料管２１の内壁２１ａに当接する。そうすると、ノズル６を上下方向に回動させても、燃料管２１の内壁２１ａへの湾曲部１５の当接が維持されるので、壁部材１２と燃料管２１との連結部に隙間が生じるおそれを低減することができる。

また、仕切壁１０ａ，１０ｂと仕切板２３ａ，２３ｂとが互いに接するようにして、仕切壁１０ａ，１０ｂの一方の端部を仕切板２３ａ，２３ｂ間に、すなわち内部流路２５内に挿入するようにして、空気流路１１ｂと内部流路２５とを連通させることができる。この場合、仕切壁１０ａ，１０ｂのそれぞれに、湾曲部１５と同様の構成を有した湾曲部１０ａ１，１０ｂ１を設けてもよい。仕切壁１０ａ，１０ｂのそれぞれに湾曲部１０ａ１，１０ｂ１を設けると、湾曲部１０ａ１，１０ｂ１がそれぞれ仕切板２３ａ，２３ｂに当接する。そうすると、ノズル６を上下方向に回動させても、仕切板２３ａ，２３ｂそれぞれへの湾曲部１０ａ１，１０ｂ１の当接が維持されるので、空気流路１１ｂと内部流路２５との連結部に隙間が生じるおそれを低減することができる。

さらに、筐体１４の外周面１４ａと風箱７の内周面７ａとが互いに接するようにして、筐体１４の一方の端部側の一部を風箱７内に挿入するようにして、空気流路１１ａ，１１ｃと内部流路２４，２６とを連通させることができるが、この場合、筐体１４の外周面１４ａに、湾曲部１５と同様の構成を有した湾曲部１４ａ１を設けてもよい。筐体１４の外周面１４ａに湾曲部１４ａ１を設けると、湾曲部１４ａ１が風箱７の内周面７ａに当接する。そうすると、ノズル６を上下方向に回動させても、風箱７の内周面７ａへの湾曲部１４ａ１の当接が維持されるので、空気流路１１ａ，１１ｃと内部流路２４，２６との連結部に隙間が生じるおそれを低減することができる。

次に、本実施形態に係るボイラ１の動作について説明する。図１に示されるように、図示しない供給ラインを介して、ノズル５及び６のそれぞれには、石炭及びガス燃料が供給される。また、図示しない送気ラインを介して各風箱７に空気が供給される。ノズル４からは空気が火炉２内に供給され、ノズル５からは石炭及び空気が火炉２内に供給され、ノズル６からはガス燃料及び空気が火炉２内に供給される。ノズル５から供給された石炭及びノズル６から供給されたガス燃料は火炉２内で燃焼し、その燃焼で得られた熱を図示しない熱交換器で水に伝えて水蒸気を生成し、その水蒸気を用いて、図示しない発電装置で発電を行うことができる。

図３に示されるように、ノズル６と連通する風箱７に供給された空気は、ノズル６の各空気流路１１ａ〜１１ｃを流通して火炉２内に供給される。一方、図示しない供給源から供給されたガス燃料は、燃料管２１を流通し、次いで燃料流路１３を流通して火炉２内に供給され、火炉２内に供給された空気によって燃焼する。上述したように、ノズル６において、空気流路１１ａ，１１ｂ間、空気流路１１ｂ，１１ｃ間、空気流路１１ｂ及び燃料流路１３間のいずれにも隙間が存在しない。このような隙間が存在すると、隙間から噴出した空気は噴出後すぐに周囲に拡散してしまい、燃焼には有効に活用されないが、このような隙間が存在しないので、燃焼に有効に活用されない空気を低減すること、すなわち、有効に燃焼に使用される空気量を増加することができる。その結果、燃焼に有効に活用されない空気が低減することに起因するボイラ１の性能悪化を抑制することができる。

また、風箱７内に、空気流路１１ａに連通する内部流路２４と、空気流路１１ｂに連通する内部流路２５と、空気流路１１ｃに連通する内部流路２６とを形成し、内部流路２４〜２６のそれぞれにダンパ３１〜３３を設けた場合、ボイラ１の運転状況に応じて、空気流路１１ａ〜１１ｃのそれぞれからの空気流量を調整することができる。

例えば、ガス燃料の燃焼を行わず石炭燃焼のみを行う場合には、ダンパ３１及び３３の開度を全開にするとともにダンパ３２の開度を約５％程度にする、すなわちダンパ３２をわずかに開くようにすることで、ノズル６の最も上側及び下側に位置する空気流路１１ａ及び１１ｃを介して空気を火炉２内に供給してもよい。代替的に、ダンパ３２の開度を全開にするとともにダンパ３１及び３３の開度を約５％程度にする、すなわちダンパ３１及び３３をわずかに開くようにすることで、ノズル６の中央に位置する空気流路１１ｂを介して空気を火炉２内に供給してもよい。尚、ダンパ３１〜３３をわずかに開くときの開度を「約５％」としているが、あくまでも開度の目安を例示したものに過ぎず、その状況に応じて具体的な開度は調整可能である。

さらに、各ダンパ３１〜３３の開度を制御する制御部３０と、図示しない発電装置における発電量を検出するための発電量検出器等であるボイラ出力検出部４０とを設けた場合、制御部３０が、ボイラ出力検出部４０による検出値から、制御部３０に予め組み込まれたマップに基づいて各ダンパ３１〜３３の開度を制御するようにすることにより、ボイラ１の出力に応じて、空気流路１１ａ〜１１ｃのそれぞれからの空気流量を調整することができる。

例えば、ガス燃料の燃焼及び石炭の燃焼の両方を行う場合、ボイラ出力検出部４０による検出値から、制御部３０に予め組み込まれたマップに基づいて各ダンパ３１〜３３の開度を６０〜１００％の範囲で制御するようにすることができる。

本実施形態では、空気流路の数が３つであったが、３つに限定するものではなく、少なくとも２つであれば個数に限定はない。また、図１には、ノズル４及び５がそれぞれ２つずつ設けられるとともにノズル６が１つ設けられるように描かれているが、それぞれのノズルの個数は、ボイラ１のサイズ等に応じて任意に変更可能である。

尚、ノズル６の特徴的な構成は、バーナだけでなく、空気ノズルにも適用することができる。例えば、図４には、石炭焚きボイラに設けられた空気供給用のノズル５０が示されているが、このノズル５０は、ノズル６の特徴的な構成（図２及び３）を備えたものである。

ノズル５０は、矩形の断面形状を有する筒状の筐体５４と、筐体５４内において互いに面するとともに間隔をあけて設けられる２つの仕切壁５０ａ，５０ｂとを含んでいる。２つの仕切壁５０ａ，５０ｂは筐体５４内を３つの領域に区画し、これら３つの領域は、空気が流通する３つの空気流路５１ａ，５１ｂ，５１ｃを構成している。空気流路５１ａ，５１ｂ，５１ｃは、筐体５４内で仕切壁５０ａ，５０ｂによって区画されているので、空気流路５１ａ，５１ｂ間、空気流路５１ｂ，５１ｃ間のいずれにも隙間が存在しない。

図５に示されるように、石炭焚きボイラに設けられた空気供給用のノズル５０には、上述した実施形態に係るボイラ１と同様に、ノズル５０と連通する風箱７が設けられている。風箱７内に２つの仕切板２３ａ，２３ｂを互いに対して間隔をあけて面するように設けることにより、風箱７内を３つの領域に仕切り、空気流路５１ａに連通する領域を内部流路２４とし、空気流路５１ｂに連通する領域を内部流路２５とし、空気流路５１ｃに連通する領域を内部流路２６としてもよい。

仕切壁５０ａ，５０ｂのそれぞれに、ノズル６（図３参照）の仕切壁１０ａ，１０ｂ（図３参照）のそれぞれに設けられた湾曲部１０ａ１，１０ｂ１（図３参照）と同様の構成を有した湾曲部５０ａ１，５０ｂ１を設けてもよい。また、筐体５４の外周面５４ａに、筐体１４（図３参照）の外周面１４ａ（図３参照）に設けられた湾曲部１４ａ１と同様の構成を有した湾曲部５４ａ１を設けてもよい。これにより、ノズル５０が矢印Ａの方向に回動可能に設けられている場合にノズル５０を回動させても、空気流路５１ｂと内部流路２５との連結部、空気流路５１ａ，５１ｃと内部流路２４，２６との連結部との連結部のいずれにも、隙間が生じるおそれを低減することができる。

さらに、上述した実施形態に係るボイラ１と同様に、内部流路２４〜２６のそれぞれにダンパ３１，３２，３３を設けてもよく、ダンパ３１〜３３のそれぞれは制御部３０と電気的に接続してもよい。制御部３０は、ノズル５０が設けられる石炭焚きボイラの出力を検出するボイラ出力検出部４０と電気的に接続されている。

ノズル５０においても、ノズル６（図３参照）と同様に、空気流路５１ａ，５１ｂ間、空気流路５１ｂ，５１ｃ間のいずれにも隙間が存在しないので、有効に燃焼に使用される空気量を増加することができる。その結果、燃焼に有効に活用されない空気が低減することに起因するボイラの性能悪化を抑制することができる。

また、ダンパ３１〜３３を設けた場合、ボイラの運転状況に応じて空気流路５１ａ〜５１ｃのそれぞれからの空気流量を調整することができることも、ボイラ１と同様である。さらに、各ダンパ３１〜３３の開度を制御する制御部３０と、ボイラ出力検出部４０とを設けた場合、ボイラの出力に応じて、空気流路５１ａ〜５１ｃのそれぞれからの空気流量を調整することができることも、ボイラ１と同様である。

例えば、発電負荷が１００％であることをボイラ出力検出部４０が検出した場合には、制御部３０は、ダンパ３１〜３３が全開（開度が１００％）となるように、ダンパ３１〜３３を制御する。これにより、最大流量の空気を供給することができる。また、発電負荷が５０％であることをボイラ出力検出部４０が検出した場合には、制御部３０は、ダンパ３１及び３３の開度はそのままでダンパ３２の開度が約５％程度となるように、すなわちダンパ３２がわずかに開いた状態になるように、ダンパ３１〜３３を制御する。これにより、発電負荷が５０％に適した燃焼状態となる流量の空気を供給することができる。さらに、発電負荷が３０％であることをボイラ出力検出部４０が検出した場合には、制御部３０は、ダンパ３２が全閉（開度が０％）となるとともにダンパ３１及び３３の開度が約５％程度となるように、すなわちダンパ３１及び３３がわずかに開いた状態になるように、ダンパ３１〜３３を制御する。これにより、発電負荷が３０％に適した燃焼状態となる流量の空気を供給することができる。

１ ボイラ
６ ノズル
７ 風箱
１０ａ 仕切壁
１０ｂ 仕切壁
１１ａ 空気流路
１１ｂ 空気流路
１１ｃ 空気流路
１２ 壁部材
１２ａ （壁部材の）外周面
１３ 燃料流路
１３ａ （燃料流路の）上流端
１４ 筐体
１５ 湾曲部
２４ 内部流路
２５ 内部流路
２６ 内部流路
３０ 制御部
３１ ダンパ
３２ ダンパ
３３ ダンパ
４０ ボイラ出力検出部
５０ ノズル
５０ａ 仕切壁
５０ｂ 仕切壁
５１ａ 空気流路
５１ｂ 空気流路
５１ｃ 空気流路
５４ 筐体

Claims (8)

1. 空気が流通する複数の空気流路が区画されているノズル。
2. 筒状の筐体を備え、
   前記複数の空気流路は、前記筐体の内部が仕切壁によって区画されることによって構成されている、請求項１に記載のノズル。
3. ガス燃料又は液体燃料が流通する燃料流路がさらに区画されている、請求項１に記載のノズル。
4. ガス燃料又は液体燃料が流通する燃料流路がさらに区画され、
   前記燃料流路は、前記筐体の内部に設けられた筒状の壁部材の内部に形成されている、請求項２に記載のノズル。
5. 前記壁部材の外周面は、前記燃料流路の上流端から下流側に向かって凸状の円弧状に湾曲した断面形状の湾曲部を有している、請求項４に記載のノズル。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のノズルを備えるボイラ。
7. 前記ノズルと連通するように設けられた風箱をさらに備え、
   前記風箱の内部には、前記複数の空気流路のそれぞれに連通する内部流路が形成され、
   各内部流路には、各内部流路を流通する空気の流量を調整する空気流量調整部材が設けられている、請求項６に記載のボイラ。
8. 前記ボイラの出力を検出するボイラ出力検出部と、
   前記空気流量調整部材を制御する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、前記ボイラ出力検出部による検出値に基づいて、各内部流路を流通する空気の流量を調整する、請求項７に記載のボイラ。

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