JP2635294B2

JP2635294B2 - 微粉炭の低ＮＯｘ燃焼方法

Info

Publication number: JP2635294B2
Application number: JP22138494A
Authority: JP
Inventors: 茂小豆畑; 清 ▲楢▼戸; 啓信小林; 憲一相馬; 徹稲田; 紀夫嵐; 博宮寺; 正男桝谷
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1994-09-16
Filing date: 1994-09-16
Publication date: 1997-07-30
Anticipated expiration: 2012-07-30
Also published as: JPH07151309A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃焼ガス中の窒素酸化
物（以下「ＮＯｘ」と略称する）を低減できる燃焼方法
に係り、特に、微粉炭の燃焼時に大幅な低ＮＯｘ化を達
成できる微粉炭用低ＮＯｘ燃焼方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】化石燃料中には、炭素，水素等の燃料成
分の他に窒素（Ｎ）分が含まれている。特に、石炭は気
体燃料や液体燃料に比較してＮ分含有量が多い。従っ
て、石炭の燃焼時に発生するＮＯｘは、気体燃料の燃焼
時に発生するＮＯｘよりも多く、このＮＯｘを極力低減
することが要望されている。

【０００３】種々な燃料の燃焼時に発生するＮＯｘは、
その発生形態により、サーマルNOxとフューエルＮＯｘ
とに分類される。サーマルＮＯｘは燃焼用空気中の窒素
が酸素によって酸化されて生成するものであり、フュー
エルＮＯｘは燃料中のＮ分の酸化によって生成するもの
である。これらのＮＯｘの発生を抑制するため、従来、
燃焼用空気を多段に分割して供給する多段燃焼法，低酸
素濃度の燃焼排ガスを燃焼領域に混入する排ガス再循環
法などがある。これらの低ＮＯｘ燃焼法に共通の原理
は、燃焼火炎の温度を低下させることにより、窒素と酸
素の反応を抑制することにある。しかし、燃焼温度の低
下によって発生を抑制できるのはサーマルＮＯｘであ
り、フューエルＮＯｘの発生は燃焼温度に対する依存性
が小さい。従って、火炎温度を低下させる燃焼法は、Ｎ
分含有量の少ない燃料からのＮＯｘ低減においてのみ有
効である。D.W PershingおよびJ.O.L Wendt の実験によ
って明らかなように、石炭の燃焼の場合には、フューエ
ルＮＯｘが約８０％を占めるため〔ザインフルエンス
オブフレームテンパレーチャアンドコールコ
ンポジションオンサーマルアンドフューエル
エヌオーエックス；ザシツクステーンスシンポジウム
オンコンバッションＰ３８９−３９９ザコンバ
ツションインスティテュート１９７６(The influen
ce of flametemperature and coal composition on the
rmal and fuel NOx；The SixteenthSymposium（Interna
tional）on Combustion，P389−399，The Combustion
Institute，1976)〕、従来の低ＮＯｘ燃焼法は効果
が小さい。

【０００４】石炭中の可燃成分は揮発成分と固体成分と
に大別できる。この石炭固有の性質に従い、微粉炭の燃
焼構成は揮発成分が放出される微粉炭の熱分解過程、更
に、熱分解後の可燃性固体成分（以下チャーと称す）の
燃焼過程からなる。揮発成分の燃焼速度は固体成分の燃
焼速度よりはやく、揮発成分は燃焼の初期過程で燃焼す
る。また、熱分解過程では、石炭中に含有されるＮ成分
も、他の可燃成分と同様に揮発放出されるものとチャー
中に残るものとに分かれる。従って、微粉炭燃焼時に発
生するフューエルＮＯｘは、揮発性Ｎ分からのＮＯｘと
チャー中のＮ分からのＮＯｘとに分かれる。

【０００５】しかし、D.W.PershingおよびJ.O.L.Wendt
の指摘のように、石炭燃焼の場合には、揮発性Ｎ分から
発生するＮＯｘが大半であり、低ＮＯｘ燃焼法として
は、これを対象とする技術が要求される。

【０００６】揮発性Ｎ分は、燃焼の初期過程及び酸素不
足の燃焼領域において、ＮＨ₃，ＨＣＮ等の化合物にな
ることが知られている。これらの窒素化合物は、酸素と
反応してＮＯｘになる他に、発生したＮＯｘと反応して
ＮＯｘを窒素に分解する還元剤にもなる。この窒素化合
物によるＮＯｘ還元反応は、ＮＯｘとの共存系において
進行するものであり、ＮＯｘが共存しない反応系では、
大半の窒素化合物はＮＯｘに酸化される。この還元反応
は、燃焼のような高温度条件下では、低酸素濃度雰囲気
になる程進行し易い。従って、石炭燃焼火炎から発生す
るＮＯｘを低減するには、如何にして、この低酸素濃度
雰囲気を作るかが、技術的な鍵になる。

【０００７】これ迄に知られている低酸素濃度雰囲気を
火炎内に形成させるためのバーナには、実開昭57−9400
4 号，特公昭55−30161 号公報、あるいは、文献（D.M.
Zallen,R.Gershman,M.P.Heap and W.H.Nurick,“The Ge
neralization of Low Emission Coal Burner Technolo
g”Proceedings of the Third Stationary SourceCombu
stion System,volume II,p.73−109,1976年）に示され
るように、燃焼用の二次あるいは三次空気を、燃料噴出
孔より離すことにより、過剰空気と低空気比燃焼火炎と
の混合を遅らせるバーナがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の燃焼法で
は、燃料噴出口より半径方向に離れた空気ノズルから、
直進流として二次或いは三次空気が噴出される。従っ
て、低空気比火炎と過剰空気との混合が遅れ、低空気比
火炎内に、酸素濃度の低い領域の形成は容易であるが、
混合の遅れる分だけ、燃焼時間が長くなり、燃焼率が低
下する、あるいは、燃焼装置が大型化する等の問題があ
った。

【０００９】本発明の目的は、過剰空気と低空気火炎の
混合法を改良した、低ＮＯｘ燃焼方法を提供することに
ある。更に、詳細には、火炎中心部に効率良く、低酸素
濃度領域を形成させ、この領域でＮＯｘが還元減少した
後に、この領域中に残存する未燃燃料と完全燃焼用空気
との混合を低酸素濃度領域後流で、早急に進ませること
により、燃焼率の低下、燃焼装置の大型化を防ぐと同時
に、ＮＯｘの低減を図る手段を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、燃焼用空気
と燃料との混合法を更に改良することによって達成され
る。すなわち、微粉炭ノズルから微粉炭と一次空気との
混合気流を直進流で噴出し、微粉炭ノズルと同心状にそ
の外周に配置された二次空気ノズルから二次空気を噴出
し、微粉炭ノズルと同心状に二次空気ノズルの外周に配
置された三次空気ノズルから三次空気を噴出して微粉炭
を燃焼するようにした燃焼方法において、微粉炭ノズル
の先端に保炎板を設けて前記混合気流と一次空気流との
間に渦流を形成し且つ二次空気を旋回流で噴出すること
によって、微粉炭を一次空気と二次空気により着火して
火炎中心部に低空気比の還元雰囲気を形成させ、二次空
気ノズルと三次空気ノズルの間に円環状のスペーサを設
置して二次空気と三次空気との混合を遅延させると共に
三次空気ノズルの外管を微粉炭ノズル及び二次空気ノズ
ルよりも長くし且つ三次空気を旋回流として噴出するこ
とにより、火炎後流での三次空気の混合を促進し、前記
還元雰囲気中に残存する未燃燃料を三次空気により燃焼
するようにしたことを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明の燃焼法に使用するバーナにおいて、二
次空気ノズルと三次空気ノズル間に設置するスペーサ
は、公知例のバーナと同様、二次空気と三次空気との半
径方向の距離をとることによって両者の混合を遅らせ、
ＮＯｘの還元を行うための還元領域を形成させる。三次
空気ノズルに設置する旋回流発生器は、更に、三次空気
を旋回流とすることにより直進流として噴出する燃料と
の混合を遅らせ、旋回流内部に発生する静圧の低い領域
を利用して、還元雰囲気中に残存する未燃燃料と三次空
気との混合を、火炎後流で促進し、火炎の長火炎化及び
燃焼性の低下を防ぐことができる。また、三次空気ノズ
ルは、三次空気の旋回強度を大きくした時に現われる、
三次空気が半径方向に拡がり過ぎる現象を防止し、ま
た、三次空気旋回流発生の効率を向上するために、三次
空気ノズルの外管を他のノズルよりも長くし、旋回流の
助長区間を設ける。

【００１２】更に、本発明では、燃焼用空気を二次空気
及び三次空気に分割して投入できる構造をとるため、着
火及び低空気化火炎用の二次空気と完全燃焼用の三次空
気の空気量，噴出速度等を独立して制御できるため、使
用する石炭の種類が変化してもこれに対処できる。二次
空気ノズルと三次空気ノズル間に設置するスペーサ及び
旋回流発生器は、それぞれの空気の役割を明瞭に区分す
る作用をする。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。図１は、本発明による燃焼法に使用する微粉炭バー
ナの実施例のひとつである。バーナは、微粉炭とこれを
搬送するための一次空気との混合気が噴出する微粉炭ノ
ズル１１、その外周に配置され、二次空気を噴出するた
めの円環状の二次空気ノズル１２、及び二次空気ノズル
１２の外周上に設置される円環状の三次空気ノズル１３
によって構成される。微粉炭ノズル１１中には、燃焼炉
の予熱時に使用する液体燃料ノズル１４が配置され、予
熱時に重油等の液体燃料が噴出される。微粉炭ノズル１
１の先端の保炎板１５は、微粉炭と一次空気との混合気
噴出と二次空気流との間に渦流を形成し、ここでの微粉
炭の着火性を向上するのに用いられる。

【００１４】二次空気及び三次空気ノズル１２，１３に
は、それぞれ旋回流発生器１６，１７が設置され、二次
及び三次空気噴流の旋回強度を調整するのに用いられ
る。三次空気ノズル１３に設置される旋回流発生器１６
は、図２に示すような、半径流式の発生器であり、半径
方向から流入する三次空気の、接線方向の速度成分（旋
回成分）の大きさを、羽根２１の角度αを変化させるこ
とによって調整する。二次空気ノズル１２に取り付けら
れる旋回流発生器１７は、図３に示すような軸流式の発
生器であり、流れ方向に設置した羽根３１の角度βを変
化させることにより、二次空気噴流の旋回強度を調整す
る。

【００１５】二次空気ノズル１２と三次空気ノズル１３
の間には、三次空気と二次空気との混合を遅くするた
め、円環上のスペーサ１８を設置してある。燃料と空気
はスロート２０を通して、燃焼炉内へ噴出され、スロー
ト２０を形成するブロック１９は、各ノズル出口より、
拡大部までの間が直線構造となるような形状としてあ
る。

【００１６】上記構成の微粉炭バーナでは、燃料ノズル
１１より噴出される微粉炭が、これを搬送するための一
次空気と、二次空気によって着火され、火炎中心部に、
低空気比の火炎が形成される。この低空気比火炎は、保
炎板１５及び二次空気流量及びその旋回強度調整によっ
て、安定化される。本バーナでは、三次空気と二次空気
噴流との間に配置されるスペーサ１８によって、三次空
気と低空気比火炎との混合が遅れるため、低空気比火炎
では、バーナスロート２０の近傍で、燃焼空気中の酸素
が、着火によって消費された後に、酸素濃度の低い還元
雰囲気が形成される。三次空気は、還元雰囲気内でＮＯ
ｘが還元された後に、残存する未燃燃料分を完全燃焼す
るのに使用される。従って、ＮＯｘが還元された後に
は、三次空気は急速に中心部の流れと混合し、残存する
未燃燃料を酸化する必要がある。これには、前述の公知
例に示されるバーナの様に、三次空気を半径方向に離し
た位置より直進流として噴出するバーナは、中心部の噴
流と三次空気噴流の混合が緩慢に進行するため、還元雰
囲気の形成には有効であるが、還元雰囲気中に残る未燃
燃料と急速に混合することもないため、火炎が長くな
る。または、未燃燃料の排出量が多くなる欠点をもつ。
これに対して、図１に示す微粉炭バーナでは、三次空気
が旋回流として噴出する。旋回流として噴出する三次空
気は、直進流として噴出する燃料とは、流れの向きが異
なるため、バーナ出口付近で、直進流として噴出するよ
りも混合し難い。また、旋回強度が大きくなると、中心
部の静圧が低くなるため、火炎後流で、燃料の流れ方向
とは逆に、後流からバーナ面に向う流れを伴う循環流が
形成され、この循環流によって、後流における三次空気
と中心部の流れとの混合が促進される。従って、図１に
示すバーナによれば、バーナ近傍での燃料と三次空気と
の混合が抑制され、後流での混合が促進されるため、Ｎ
Ｏｘの還元に必要な還元雰囲気が形成され易く、また、
還元雰囲気形成後に、残存する未燃燃料を酸化し易くな
る。

【００１７】三次空気と火炎中心部の流れをこの様に最
適な混合状態とするには、三次空気の旋回強度を最適値
に設定し、旋回流発生効率を大きくする必要がある。こ
れには、三次空気ノズル外管の長さを他のノズルよりも
長くするのが有効であることが実験を通じて明らかとな
った。このような改良を行うと、保炎板周囲だけでな
く、二次，三次空気ノズル間に設置したスペーサ１８の
周囲にも循環流が安定に形成されるために、保炎性が向
上する。図１の実施例では、三次空気ノズル１３の外管
はブロック１９によって形成される。このノズル外管の
形状は、図１の他にも種々考えられる。この外管の直径
はできるだけ大きくするのが有効であるが、ボイラのよ
うに、バーナ周囲の燃焼室が水管で形成される場合に
は、既存の燃焼室の改造が容易ではないため、外管直径
を大きくするのが不可能な場合が多い。ノズル外管のブ
ロック１９の形状は、図４の実施例に示すように、二次
空気ノズル１２の先端の位置から、拡大管とすること
も可能であり、このような形状にすると、還元領域の形
成は更に容易になる。

【００１８】容易に想像できるように、二次，三次空気
ノズル間に設置するスペーサ１８はできるだけ大きく
し、二次空気ノズル１２と三次空気ノズル１３間の間隔
を大きくすることにより、三次空気の燃料との混合を遅
くするのが低ＮＯｘ化には有効であるが、スペーサ１８
を大きくすると三次空気ノズル１３を構成する円環の幅
が小さくなり、工作が困難になる。図４のような、ブロ
ック１９の構造にすると、三次空気の旋回速度を大きく
することにより、ブロック内壁に沿って三次空気を噴出
できるため、スペーサ１８を大きくして、二次空気と三
次空気ノズル間の間隔を大きくするのと同様な効果が得
られる。

【００１９】また、本発明は微粉炭ノズルを二重管に
し、微粉炭を分割して供給するバーナでも有効である。
微粉炭を分割するバーナは、分割する操作が入る分だ
け、運転操作及び制御が複雑になる欠点をもつが、微粉
炭を半径方向にバーナ出口で分散できるため、着火用の
二次空気との混合が促進されるために、着火，保炎性を
向上できる。従って、バーナ近傍での酸素の消費が促進
されるため、還元領域の形成が容易になり、低ＮＯｘ化
には有効である。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、完全燃焼用空気と、低
空気比火炎との混合をバーナ近傍で遅くすることがで
き、火炎内に還元雰囲気を形成できるために、ＮＯｘを
低減でき、還元雰囲気後流における完全燃焼用空気と未
燃燃料の混合を急速に進行させることができる。ＮＯｘ
低減，燃焼率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の微粉炭バーナの断面図。

【図２】三次空気ノズルの旋回流発生器の構造図。

【図３】二次空気ノズルの旋回流発生器の構造図。

【図４】本発明の他の実施例の微粉炭バーナの断面図。

【符号の説明】

１１…微粉炭ノズル、１２…二次空気ノズル、１３…三
次空気ノズル、１６，１７…旋回流発生器、１８…スペ
ーサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林啓信茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者相馬憲一茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者稲田徹茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者嵐紀夫茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者宮寺博茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者桝谷正男茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (56)参考文献特開昭58−127005（ＪＰ，Ａ) 実開昭60−71811（ＪＰ，Ｕ) 実公昭59−9156（ＪＰ，Ｙ２) 実公昭58−18007（ＪＰ，Ｙ２) 特公平７−54162（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】微粉炭ノズルから微粉炭と一次空気との混
合気流を直進流で噴出し、前記微粉炭ノズルと同心状に
その外周に配置された二次空気ノズルから二次空気を噴
出し、前記微粉炭ノズルと同心状に、前記二次空気ノズ
ルの外周に配置された三次空気ノズルから三次空気を噴
出して微粉炭を燃焼するようにした燃焼方法において、前記微粉炭ノズルの先端に保炎板を設けて前記混合気流
と一次空気流との間に渦流を形成し且つ前記二次空気を
旋回流で噴出することによって、微粉炭を一次空気と二
次空気により着火して火炎中心部に低空気比の還元雰囲
気を形成させ、前記二次空気ノズルと前記三次空気ノズ
ルの間に円環状のスペーサを設置して前記二次空気と前
記三次空気との混合を遅延させると共に前記三次空気ノ
ズルの外管を前記微粉炭ノズル及び前記二次空気ノズル
よりも長くし且つ前記三次空気を旋回流として噴出する
ことにより、火炎後流での三次空気の混合を促進し、前
記還元雰囲気中に残存する未燃燃料を三次空気により燃
焼するようにしたことを特徴とする微粉炭の低ＮＯｘ燃
焼方法。