JP2021188841A - 粉体燃料バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】安定燃焼範囲を低負荷側に広げる。【解決手段】少なくとも粉体燃料を噴射する略円筒状のバーナノズルと、バーナノズルの内面に形成され、前記バーナノズルの先端部における燃料流路の周方向における流路面積を最少とする周方向濃縮部材とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、粉体燃料バーナに関する。

下記特許文献１には、微粉炭バーナの濃度調整リングが開示されている。この濃度調整リングは、バーナ内筒に外嵌されたリング状部材であり、バーナ外筒内において一次空気を内側へ迂回させることにより微粉炭を外側へ濃縮するものであり、また微粉炭バーナの軸線方向における断面形状を最適化することにより、バーナ外筒内において外側への微粉炭の濃縮効果を従来より向上させると共に、濃度調整リング自体及びバーナ外筒の内周面における摩耗を防止し、かつ微粉炭堆積層の形成を防止するものである。

特開平９−２８０５１２号公報

ところで、上記濃度調整リングは、バーナ外筒内において微粉炭を外側へ濃縮することができるので、微粉炭バーナの動作域を低負荷側に広げることができる。しかしながら、上記濃度調整リングは、微粉炭よりも粒径が大きな粉体燃料（例えばバイオマス燃料）では十分な濃縮効果を発揮することができない。したがって、従来の粉体燃料バーナは、低負荷状態において粉体燃料の濃縮性能が不十分であり、安定燃焼範囲が狭いという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、安定燃焼範囲を低負荷側に広げることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、粉体燃料バーナに係る第１の解決手段として、少なくとも粉体燃料を噴射する略円筒状のバーナノズルと、前記バーナノズルの内面に形成され、前記バーナノズルの先端部における燃料流路の周方向における流路面積を最少とする周方向濃縮部材とを備える、という手段を採用する。

本発明では、粉体燃料バーナに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記バーナノズルは、前記粉体燃料の内側への集中を抑制する半径方向濃縮部材を備える、という手段を採用する。

本発明では、粉体燃料バーナに係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記粉体燃料は、前記バーナノズル内を中心軸周りに旋回流として流通する、という手段を採用する。

本発明では、粉体燃料バーナに係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記断面積は、前記先端部に向かって直線的あるいは曲線的に増大する、という手段を採用する。

本発明では、粉体燃料バーナに係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記周方向濃縮部材は、前記先端部における形状が台形状である、という手段を採用する。

本発明では、粉体燃料バーナに係る第６の解決手段として、上記第１〜第５のいずれかの解決手段において、前記周方向濃縮部材は、前記燃料流路の外周部における周方向の流路面積を最小とする、という手段を採用する。

本発明では、粉体燃料バーナに係る第７の解決手段として、上記第１〜第６のいずれかの解決手段において、前記周方向濃縮部材は、前記バーナノズルを構成する外側ダクトの内面に付設されている、という手段を採用する。

本発明では、粉体燃料バーナに係る第８の解決手段として、上記第１〜第７のいずれかの解決手段において、前記周方向濃縮部材は、前記燃料流路の外周部を周方向において複数に等配する、という手段を採用する。

本発明では、粉体燃料バーナに係る第９の解決手段として、上記第１〜第８のいずれかの解決手段において、前記周方向濃縮部材は、前記バーナノズルの周方向における断面積が前記バーナノズルの先端部において最大となることによって前記流路面積を最少とする、という手段を採用する。

本発明によれば、安定燃焼範囲を低負荷側に広げることが可能である。

本発明の一実施形態に係る粉体燃料バーナの全体構成を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る粉体燃料バーナの左側面図（ａ）及び右側面図（ｂ）である。 本発明の一実施形態における周方向濃縮部材２ａの作用を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る粉体燃料バーナＡは、粉体燃料としてバイオマス（主燃料）を燃焼させるバーナであり、図１に示すように火炉壁Ｈに形成された火炉開口Ｒに設けられている。この粉体燃料バーナＡは、図示するように内側ダクト１、外側ダクト２、オイルガン３、点火トーチ４、内側スロート部材５、内側ダンパ６、外側スロート部材７、外側ダンパ８及び半径方向濃縮部材９等を備えている。

火炉壁Ｈは、ボイラーの火炉を形成する構造物であり、地上において所定の高さ範囲に延在する。この火炉壁Ｈは、水平断面形状が矩形であり、互いに対抗する２壁に複数の粉体燃料バーナＡが対向するように設けられている。図１では、このような複数の粉体燃料バーナＡの1つを示している。

火炉開口Ｒは、火炉壁Ｈに形成された貫通孔である。すなわち、この火炉開口Ｒは、火炉の内外を貫通する円形の開口であり、上記２壁に複数設けられている。図１では、このような複数の火炉開口Ｒの１つを示している。本実施形態に係る粉体燃料バーナＡは、火炉壁Ｈに複数形成された火炉開口Ｒ毎に、かつ火炉壁Ｈの外側に設けられている。このような粉体燃料バーナＡにおいて、火炉壁Ｈに近い側が先端であり、火炉壁Ｈに遠い近い側が後端である。

内側ダクト１は、中心軸線に沿って直径が徐々に変化する金属製の円筒状部材であり、図1に示すように火炉壁Ｈの外側かつ火炉壁Ｈに対して直交する姿勢で固定されている。この内側ダクト１において、火炉壁Ｈに近い側が先端であり、火炉壁Ｈに遠い近い側が後端である。すなわち、この内側ダクト１は、先端に向かって直径が徐々に縮径する円筒状部材である。このような内側ダクト１は、図１に示すように外周面の先端近傍部位に半径方向濃縮部材９が設けられている。

外側ダクト２は、上記内側ダクト１の外周に二重筒状に設けられており、中心軸線に沿って直径が徐々に変化する金属製の円筒状部材である。この外側ダクト２は、火炉壁Ｈの外側かつ火炉壁Ｈに対して直交する姿勢で固定されており、火炉壁Ｈに近い側が先端であり、火炉壁Ｈに遠い近い側が後端である。

すなわち、この外側ダクト２は、先端に向かって直径が徐々に縮径する円筒状部材である。このような外側ダクト２と上記内側ダクト１とによって形成される円環状の空間は、バイオマス（主燃料）が一次燃焼用空気と共に流通する主燃料流路である。バイオマス（主燃料）は、一次燃焼用空気と混合された主燃料混合流Ｆとして主燃料流路を流通し、上記内側ダクト１及び外側ダクト２の先端から火炉内に噴射される。このような内側ダクト１及び外側ダクト２は、本発明のバーナノズルを構成している。

ここで、上記主燃料混合流Ｆは、主燃料流路の後端かつ接線方向から主燃料流路に流入する。すなわち、この主燃料混合流Ｆは、主燃料流路を中心軸周りに旋回流として流通して先端から火炉内に噴射される。このような主燃料混合流Ｆに含まれるバイオマス（主燃料）には、上記旋回流に起因する遠心力が作用する。したがって、本実施形態における主燃料混合流Ｆは、バイオマス（主燃料）が主燃料流路の半径方向において外側（外側ダクト２側）に濃縮された偏流である。

このような外側ダクト２の内側（内面）には、図１及び図２にも示すように周方向濃縮部材２ａを備えている。この周方向濃縮部材２ａは、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ダクト本体２ａの内面から突出する突条であり、周方向に所定間隔を空けて複数条設けられている。なお、図２では、一例として周方向濃縮部材２ａが１０条設けられた状態を示している。

また、この周方向濃縮部材２ａは、粉体燃料バーナＡの周方向における断面積が内側ダクト１及び外側ダクト２の先端部（つまりバーナノズルの先端部）に向かって直線的に増大し、バーナノズルの先端部における主燃料流路の周方向における流路面積を最少とする。さらに、この周方向濃縮部材２ａは、後端部における断面形状が図２（ａ）に示すように三角形であり、また先端部における断面形状が図２（ｂ）に示すように台形状である。

すなわち、複数の周方向濃縮部材２ａは、主燃料流路において所定高さL（外周端から中心方向の寸法）を有し、粉体燃料バーナＡの周方向における断面形状が三角形（後端部）から台形状（先端部）に徐々に変形することにより、粉体燃料バーナＡの周方向における断面積が直線的に増大する突条である。

このような複数の周方向濃縮部材２ａは、主燃料混合流Ｆに対して障害物として作用し、主燃料流路の外周部を周方向において複数（１０個）に等配分する。主燃料混合流Ｆに含まれるバイオマス（主燃料）は、複数の周方向濃縮部材２ａを迂回して周方向濃縮部材２ａの間の空隙を経由して火炉内に流れ込む。すなわち、このような周方向濃縮部材２ａは、粉体燃料であるバイオマス（主燃料）の濃度が局所的に高い領域（濃縮領域）を主燃料流路の周方向において複数個所形成させる。

このような周方向濃縮部材２ａは、周知のディフレクタアングルとしても機能すると共に粉体燃料バーナＡの周方向においてバイオマス（主燃料）を局所的に濃縮する。なお、ディフレクタアングルは、主燃料流路の周方向におけるバイオマス（主燃料）の濃度分布を均一化させるものである。

オイルガン３は、内側ダクト１内に同軸状に設けられた直管状部材であり、前進後退自在である。このオイルガン３は、粉体燃料バーナＡの着火時に前進して液体燃料を火炉内に向けて噴射し、バイオマス（主燃料）への着火が完了すると、液体燃料の噴射を完了して後退する。

点火トーチ４は、外側ダクト２の外側かつ上方に設けられた直管状部材であり、先端部が火炉開口Ｒに臨む姿勢で設けられている。この点火トーチ４は、先端部から火花を火炉内に向けて放射することにより、オイルガン３によって火炉内に噴射された液体燃料を着火させる。

内側スロート部材５は、上記外側ダクト２の外周側に同軸状に設けられた略円筒状部材である。この内側スロート部材５は、二次燃焼用空気の流れを内側流と外側流とに区画するためのものである。上記内側流は、外側ダクト２の外周において外側ダクト２により近い領域を流れる二次燃焼用空気の流れである。また、上記外側流は、外側ダクト２の外周において内側流よりも外側ダクト２から遠い領域を流れる二次燃焼用空気の流れである。

内側ダンパ６は、図１（ａ）に示すように内側スロート部材５の後側つまり外側ダクト２の先端部により近い側に設けられている。この内側ダンパ６は、内側スロート部材５と外側ダクト２の外周に設けられた補助部材とによって挟まれた状態かつ内側スロート部材５及び補助部材に対して回動自在に支持されている。このような内側ダンパ６は、図示しない駆動機構によって上記内側流が流通する内側流路の開口面積を可変調節する。

外側スロート部材７は、図１（ａ）に示すように火炉壁Ｈの外側に設けられた略円板状部材である。この外側スロート部材７は、内側スロート部材５と共に上記外側流が流通する外側流路を形成する。

外側ダンパ８は、図１（ａ）に示すように内側スロート部材５の前側つまり外側ダクト２の先端部からより遠い側に設けられている。この外側ダンパ８は、内側スロート部材５と外側スロート部材７とによって挟まれた状態かつ内側スロート部材５及び外側スロート部材７に対して回動自在に支持されている。このような外側ダンパ８は、図示しない駆動機構によって上記外側流が流通する外側流路の開口面積を可変調節する。

半径方向濃縮部材９は、内側ダクト１の外周面において、先端近傍部位に設けられた円環状の突条である。すなわち、この半径方向濃縮部材９は、内側ダクト１の外周面において内側ダクト１の中心軸線に直交する姿勢で、つまり主燃料流路の周方向に延在する。

このような半径方向濃縮部材９は、上述した主燃料流路を後端から先端に向かって流通する主燃料混合流Ｆに対して障害物として作用する。すなわち、半径方向濃縮部材９は、主燃料混合流Ｆに含まれるバイオマス（主燃料）を内側ダクト１から離して外側ダクト２に近付けるものであり、主燃料流路の内側へのバイオマス（主燃料）の集中を抑制する。このような半径方向濃縮部材９は、主燃料混合流Ｆに含まれるバイオマス（主燃料）を主燃料流路の半径方向における外側（外側ダクト２側）に濃縮するものである。

次に、本実施形態に係る粉体燃料バーナＡの動作について、図３をも参照して詳しく説明する。

この粉体燃料バーナＡでは、図１に示すように主燃料混合流Ｆが主燃料流路の後端から先端に向けて流通し、最終的に先端部から火炉内に噴射される。そして、主燃料混合流Ｆに含まれるバイオマス（主燃料）は、火炉内において一次燃焼用空気及び二次燃焼用空気等の酸化剤の存在下で燃焼することにより排ガス（燃焼排ガス）となる。そして、このような粉体燃料バーナＡが複数備えられるボイラは、排ガスとの熱交換によって水蒸気を発生させる。

このような粉体燃料バーナＡでは、主燃料混合流Ｆが主燃料流路に流入して火炉内に噴射されるまでの間に以下のような流体作用を受ける。すなわち、主燃料混合流Ｆは、円筒状の主燃料流路に対して接線方向から流入するので、主燃料流路内を後端から先端に向かう旋回流として流通する。この旋回流は、主燃料混合流Ｆに含まれるバイオマス（主燃料）に対して遠心力を作用させる。

主燃料混合流Ｆは、上記遠心力に起因して、バイオマス（主燃料）が主燃料流路の半径方向において外側（外側ダクト２側）に濃縮された偏流となる。すなわち、バイオマス（主燃料）は、主燃料流路内を旋回しつつ先端部に向かって流れる間に、徐々に主燃料流路の半径方向における外側（外側ダクト２側）に濃縮される。

また、この粉体燃料バーナＡでは、内側ダクト１の外周面に半径方向濃縮部材９が設けられているので、主燃料混合流Ｆではバイオマス（主燃料）が主燃料流路の半径方向における外側（外側ダクト２側）に濃縮される。すなわち、バイオマス（主燃料）は、上述した旋回流に起因する遠心力に加え、半径方向濃縮部材９の作用によって主燃料流路の半径方向における外側（外側ダクト２側）に濃縮される。

さらに、この粉体燃料バーナＡでは、周方向濃縮部材２ａがディフレクタアングルとして機能するので、主燃料流路の周方向におけるバイオマス（主燃料）の濃度分布を均一化させる。また、この粉体燃料バーナＡでは、周方向濃縮部材２ａが周方向における濃縮機能を発揮するので、主燃料混合流Ｆのバイオマス（主燃料）が主燃料流路の周方向において局所的に濃縮される。

すなわち、この粉体燃料バーナＡでは、図３（ａ）に示すように、主燃料流路の先端部かつ外周部において周方向濃縮部材２ａの間にバイオマス（主燃料）の濃縮領域Ｎが等配分された状態で複数形成される。この濃縮領域Ｎは、周方向濃縮部材２ａがバーナノズルの先端部における主燃料流路の外周部における流路面積を最小化させることによって形成されたものである。

また、主燃料流路では、周方向濃縮部材２ａの断面積が主燃料流路の先端部に向かって徐々に増大する。このような断面積の変化に起因して、また主燃料混合流Ｆに含まれるバイオマス（主燃料）の比重が空気よりも大きいために、主燃料混合流Ｆは、バイオマス（主燃料）が濃縮された濃縮流Ｆ１として主燃料流路の半径方向における外側（外側ダクト２側）を火炉内に向かって流れる。

これに対して、主燃料混合流Ｆに含まれる一次燃焼用空気は、比重がバイオマス（主燃料）よりも小さい。したがって、周方向濃縮部材２ａの断面積が主燃料流路の先端部に向かって徐々に増大する関係で、主燃料混合流Ｆは、バイオマス（主燃料）の含有量が極めて少ない希釈流Ｆ２として主燃料流路の半径方向における内側（内側ダクト１側）を火炉内に向かって流れる。

このような本実施形態によれば、安定燃焼範囲を低負荷側に広げることが可能である。すなわち、負荷が軽くなって主燃料混合流Ｆに含まれるバイオマス（主燃料）の量が減少した状態においても、周方向濃縮部材２ａによってバイオマス（主燃料）が周方向において濃縮されるので、バイオマス（主燃料）の燃焼が不安定になることがない。したがって、失火に至る低負荷側の安定燃焼範囲を従来よりも広げることが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、周方向濃縮部材２ａにおける後端部の断面形状を三角形とし、先端部における断面形状を台形状としたが、本発明はこれに限定されない。本発明における周方向濃縮部材は、バーナノズルの内面に形成されたディフレクタアングルであって、バーナノズルの周方向における断面積がバーナノズルの先端部において最大となることを最も基本的な特徴点とするものであり、よって断面形状は三角形及び台形状以外の形状であってもよい。

（２）上記実施形態では、周方向濃縮部材２ａにおいて粉体燃料バーナＡの周方向における断面積をバーナノズルの先端部に向かって直線的に増大させたが、本発明はこれに限定されない。この直線的な断面積の変化は、主燃料混合流Ｆをできるだけスムーズに流すための工夫である。したがって、直線的な断面積の変化に代えて曲線的に断面積を変化させてもよい。

（３）上記実施形態では、半径方向濃縮部材９を設けたが、本発明はこれに限定されない。主燃料混合流Ｆは主燃料流路を旋回流として流れるので、バイオマス（粉体燃料）は旋回流の作用によって主燃料流路の半径方向外側（外側ダクト２側）にある程度濃縮される。したがって、必要に応じて半径方向濃縮部材９を省略してもよい。

（４）上記実施形態では、主燃料をバイオマスとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、微粉炭を主燃料としてもよい。ただし、バイオマスと微粉炭とを比較すると、バイオマスは、微粉炭よりも粒径が大きいので、旋回流の作用によって微粉炭よりも主燃料流路の半径方向外側（外側ダクト２側）に集まり易い。したがって、周方向濃縮部材２ａによる濃縮作用が顕著に現れるのは、微粉炭よりもバイオマスである。

Ａ 粉体燃料バーナ
Ｆ 主燃料混合流
Ｆ１ 濃縮流
Ｆ２ 希釈流
Ｈ 火炉壁
Ｒ 火炉開口
１ 内側ダクト
２ 外側ダクト
２ａ 周方向濃縮部材（ディフレクタアングル）
３ オイルガン
４ 点火トーチ
５ 内側スロート部材
６ 内側ダンパ
７ 外側スロート部材
８ 外側ダンパ
９ 半径方向濃縮部材

Claims (9)

1. 少なくとも粉体燃料を噴射する略円筒状のバーナノズルと、
   前記バーナノズルの内面に形成され、前記バーナノズルの先端部における燃料流路の周方向における流路面積を最少とする周方向濃縮部材と
   を備えることを特徴とする粉体燃料バーナ。
2. 前記バーナノズルは、前記粉体燃料の内側への集中を抑制する半径方向濃縮部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の粉体燃料バーナ。
3. 前記粉体燃料は、前記バーナノズル内を中心軸周りに旋回流として流通することを特徴とする請求項１または２に記載の粉体燃料バーナ。
4. 前記断面積は、前記先端部に向かって直線的あるいは曲線的に増大することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の粉体燃料バーナ。
5. 前記周方向濃縮部材は、前記先端部における形状が台形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の粉体燃料バーナ。
6. 前記周方向濃縮部材は、前記燃料流路の外周部における周方向の流路面積を最小とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の粉体燃料バーナ。
7. 前記周方向濃縮部材は、前記バーナノズルを構成する外側ダクトの内面に付設されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の粉体燃料バーナ。
8. 前記周方向濃縮部材は、前記燃料流路の外周部を周方向において複数に等配することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の粉体燃料バーナ。
9. 前記周方向濃縮部材は、前記バーナノズルの周方向における断面積が前記バーナノズルの先端部において最大となることによって前記流路面積を最少とすることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の粉体燃料バーナ。
   

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