JP2954628B2 - 微粉炭バーナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は微粉炭の燃焼装置に係り、特にミルと微粉炭
バーナを直接連結して運転する燃焼システムにおける負
荷変化の運用幅を拡大するのに好適な微粉炭バーナに関
する。

［従来の技術］ 近年、我が国においては重油供給量のひつ迫から、石
油依存度の是正を計るために、従来の重油専焼から石炭
専焼へと燃料を変換しつつあり、特に事業用火力発電ボ
イラにおいては、石炭専焼の大容量火力発電所が建設さ
れている。

一方、最近の電力需要の特徴として、原子力発電の伸
びと共に、負荷の最大、最小差も増加し、火力発電用ボ
イラをベースロード用から負荷調整用へと移行する傾向
にあり、この火力発電用ボイラを負荷に応じて圧力を変
化させて変圧運転する、いわゆる全負荷運転では超臨界
圧域、部分負荷運転では亜臨界圧域で運転する変圧運転
ボイラとすることによつて、部分負荷運転での発電効率
を数％向上させることができる。

このためにこの石炭専焼火力においては、ボイラ負荷
が常に全負荷で運転されるものは少なく、負荷を昼間は
75％負荷、50％負荷、25％負荷へと負荷を上げ、下げし
て運転したり、あるいは夜間は運転を停止するなど、い
わゆる高頻度起動停止（Daily Start Stop以下単にDSS
という）運転を行なつて中間負荷を担う石炭専焼火力へ
と移行しつつある。

またDSS運転を行なう石炭専焼ボイラにおいては、起
動時から全負荷に至るまで微粉炭のみで全負荷帯を運転
するものは少なく、石炭専焼ボイラといえども起動時、
低負荷時には微粉炭以外の軽油，重油，ガス等を補助燃
料として用いている。

それは起動時においては石炭専焼ボイラからミルウオ
ーミング用の排ガス、加熱空気が得られず、このために
ミルを運転することができないので石炭を微粉炭に粉砕
することができないからである。

また、低負荷時にはミルのターンダウン比がとれない
こと、微粉炭自体の着火性が悪いことなどの利用によつ
て軽油，重油，ガス等が用いられている。

例えば起動時には軽油，重油を用いる場合は、起動時
から15％負荷までは軽油を補助燃料としてボイラを焚き
上げ、15％負荷から40％負荷までは軽油から重油へ補助
燃料を変更して焚き上げ、40％負荷以上になると補助燃
料の重油と主燃料の微粉炭を混焼して順次補助燃料の重
油量を少なくするとともに主燃料の微粉炭量を多くいて
微粉炭の混焼比率を上げて実質的な石炭専焼へと移行す
る。

以下、第７図および第８図に用いて微粉炭焚ボイラの
起動時における概要について説明する。

第７図及び第８図は微粉炭焚ボイラの概略系統図およ
び従来の微粉炭バーナの拡大断面図を示す。

第７図に示す微粉炭焚ボイラ１をコールドスタートす
る際は、まず第８図に示す微粉炭バーナ７の軽油点火バ
ーナ２により、重油起動バーナ３を点火する。そして、
重油起動バーナ３のみで、ボイラ負荷の25〜35％まで焚
き上げる。そして、ボイラ火炉４の火炉内温度が十分に
上つた時点で、第７図のミル５から微粉炭供給管６、微
粉炭バーナ７へ微粉炭燃料を供給して微粉炭ノズル８か
らボイラ火炉４内へ送り、微粉炭専焼へと切り換える。

微粉炭の搬送用媒体は、第７図のエアヒータ９によつ
て、ボイラ排ガスと熱交換された後ミル５に送られ、コ
ールバンカ10から供給される塊炭に付着した水分の除去
と、ミル５に内蔵した図示していない分級器の分級エア
として、さらには、ミル５で粉砕された微粉炭を微粉炭
バーナ７まで搬送するための搬送用空気として使用され
る。

第８図には従来技術の微粉炭バーナ７を示しているが
この微粉炭バーナ７には、軽油点火バーナ２と重油起動
バーナ３が取り付けられており、微粉炭バーナ７を構成
している。風箱11内の燃焼用空気は、二次エアレジスタ
12と三次エアレジスタ13により、旋回が加えられた後、
ボイラ火炉４内に投入される。一方、微粉炭は微粉炭供
給管６を通り微粉炭バーナ７の微粉炭ノズル８へ送られ
るが、その間にベンチユリー14を通過するのみで、ほぼ
自由噴流に近い状態でボイラ火炉４内に吹き込まれる。
この微粉炭バーナ７には保炎器がなく、燃焼用空気の旋
回によつて、逆流域が生じ、火炎の伝播速度以下の流速
域で、火炎が保持されるのみであつた。したがつて微粉
炭粒子の拡散は良いが、一方では火炎が不安定になり、
微粉炭バーナ７の空気側の操作条件に極めて左右されや
すい。なお、第７図の符号15は重油タンク、16は軽油タ
ンクである。

第５図は縦軸に濃厚側の微粉炭（Ｃ）と空気（Ａ）の
重量比（以下単にC/Aという）を示し、横軸にバーナ負
荷を示した特性曲線図である。

第５図の実線Ａで示すように、バーナ負荷の低下に伴
つてC/Aが低くなることが判る。

これは、微粉炭の搬送、分級のために止むを得ない現
象である。

それは最低負荷時においては、ボイラ火炉４から微粉
炭バーナ７への逆火、微粉炭バーナ７の微粉炭ノズル８
内での微粉炭の堆積を防止するために最低負荷時におい
ても空気量は最大負荷時の70％以下には低下させること
ができないからである。

従来の微粉炭バーナ７においては、ミル５から空気輸
送されてきた微粉炭を高効率でかつ、低公害で燃焼する
ために、燃焼用空気を二次エアレジスタ12、三次エアレ
ジスタ13によつて分割して複数に供給したり、着火性保
炎性の向上を計るために、微粉炭ノズル８の先端に図示
していない外周保炎器を設けて最適化が計られるが、微
粉炭の濃度即ちC/Aの調整はできなかつた。一方、ボイ
ラ等に一般的に使用されている石炭の燃料比FR（固定炭
素／揮発分）は、0.8〜2.5程度であり、2.5以上の高燃
料比炭及び、４以上の無煙炭のようにFRが高い石炭で
は、C/Aを高くするか、もしくは微粉炭の粒度を細かく
する等の手段によらなければならない。しかし前述の第
８図に示す特性を持つ微粉炭バーナを使用すると、FRの
高い石炭及び低負荷域でのC/Aの低い状態では、着火が
不安定になり、ボイラの安全運転上問題がある。

これらに対処するために第９図に示すようにミル５か
らの低C/A微粉炭粒を、濃縮器18の慣性力等を利用し
て、高C/A流体（微粉濃厚）と低C/A流体（低濃度）に分
岐し、高C/A流体を微粉炭バーナ７での安定燃焼に用い
る方法が有効である。

第９図は、この考え方の例を示したもので、ミル５か
らの微粉炭供給管６に例えば、濃縮器18を設置し、濃縮
器18の慣性力で高C/Aになつた微粉炭流を外側流路19の
外周保炎器17の内側に供給し、一方、低C/Aになつた微
粉炭流を内側流路20に供給するものが提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来技術のうち第９図に示す濃縮器（サイクロン方
式）18の場合、外側流路19の微粉炭流を高濃度にできる
反面、内側流路20の低濃度側の空気の処理が問題とな
る。濃縮器18の入口流速は負荷に応じて変化するため
に、濃縮器18における微粉炭の分離効率も変動する。こ
のために、内側流路20の低濃度側にも、かなりの微粉炭
が流入することになり、ボイラ火炉４内に放出する場
合、未燃分の増加、もしくは、ボイラ火炉４内での異常
燃焼にもつながる。したがつて微粉炭の高濃度もさるこ
とながら、低濃度側の微粉炭粒子を、安定に燃焼する工
夫が必要となる。また、せつかく分離して高濃度化した
微粉炭を微粉炭バーナ７からボイラ火炉４に投入する場
合、高濃度側の微粉炭と低濃度側の微粉炭が干渉するた
めに、安定燃焼が困難であつた。

さらに所定の微粉炭濃度にまで濃縮しようとすると、
かなり大きな濃縮器（サイクロン）18が必要になり、数
十台もの微粉炭バーナ７を用いる事業用ボイラには、バ
ーナ周りの制約から適応が難しい。

本発明はかかる従来の欠点を解消しようとするもの
で、その目的とするところは、高燃料比炭、低負荷燃焼
時であつても微粉炭を安定に燃焼させることができ、し
かも補助燃料量を節約できる微粉炭バーナを得ようとす
るものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は前述の目的を達成するために、微粉炭ノズル
の先端に外周保炎器を設け、かつ前記微粉炭ノズルと微
粉炭供給管の途中に濃縮器と、該濃縮器の上流の微粉炭
供給管に開閉する切り替えダンパと、該切り替えダンパ
の開閉により分割された微粉炭の低負荷時流路と高負荷
時流路とを設け、前記切り替えダンパの開閉によって、
低負荷または高負荷での微粉炭ノズル内での微粉炭の分
布状態を可変とした微粉炭バーナにおいて、 前記微粉炭ノズルの先端の外周保炎器の内側に濃厚側
微粉炭ノズルと、微粉炭バーナの中心部に希薄側微粉炭
ノズルとを設けると共に、前記濃厚側微粉炭ノズルと希
薄側微粉炭ノズルとを壁によって離すように設けたこと
を特徴とするものである。

［作用］ 微粉炭高濃度化は、微粉炭粒子の慣性力によるもので
あるが、濃縮した微粉炭流を複数の濃厚側微粉炭ノズル
によつて微粉炭バーナの外周保炎器の内側へ供給するの
で、高燃料比炭や時間的なC/Aの変化が発生しても、流
速変動に対して優れた保炎効果を維持できる。

また、濃縮器の持つ欠点である低濃度側微粉炭の処理
が容易となる。すなわち、高濃度微粉炭は、低濃度微粉
炭の周囲に供給されるために中心部の低濃度微粉炭粒子
は、周囲からの輻射熱によつて、安定に着火することが
できる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について図面を用いて説明す
る。

第１図は本発明の実施例に係る微粉炭バーナの縦断面
図、第２図は第１図のII−II線拡大側面図、第３図およ
び第４図は第１図の先端部を示す拡大図、第５図は縦軸
に濃厚側C/A、横軸にバーナ負荷を示した特性曲線図で
ある。

第１図から第４図において、符号３から符号20は従来
のものと同一のものを示す。

21は切り替えダンパ、22は微粉炭流、23は低負荷時流
路、24は高負荷時流路、25は濃厚側微粉炭ノズル、26は
希薄側微粉炭ノズル、27は内壁、28は外壁である。

第１図において、図示していないミルから空気輸送さ
れてきた微粉炭流22は、バーナ負荷に応じて流路切り替
えダンパ21によつて、高負荷時流路24もしくは低負荷時
流路23に流れる。

低負荷時には、切り替えダンパ21は第１図の実線で示
すように下向きに、高負荷時には、第１図中の破線で示
すように斜めに位置する。低負荷時流路23から流入した
微粉炭と１次空気は、濃縮器18に接線方向に流入し、旋
回噴流となるが、濃縮器18のベンチユリー14の後方に設
けた濃厚側微粉炭ノズル25で旋回成分が消されるために
自由噴流となり、個々の濃厚側微粉炭ノズル25よりボイ
ラ火炉４内に噴出される。

一方、高負荷時流路24から流入した微粉炭と１次空気
は、濃縮器18の内部に旋回がかけられずに投入されるた
めに、切り替えダンパ21が破線の位置で最も旋回強度が
低くなる。

濃縮器18に流入した微粉炭は、第１図に示すように濃
縮器18内を帯状に内壁を沿うように流れ、ベンチユリー
14を通過した後に拡大部で減速されて、微粉炭の濃厚側
微粉炭ノズル25と希薄側微粉炭ノズル26に分かれる。

一方、燃焼用空気は微粉炭を搬送する１次空気に加え
て二次エアレジスタ12からの２次空気と三次エアレジス
タ13からの３次空気に分割されて供給され、バーナ部で
空気比（バーナに供給される微粉炭量の理論空気流量に
対する比率）0.7から1.2の範囲になるように微粉炭バー
ナ負荷もしくは炉出口のNOxの濃度に応じて調整する。

高濃度の微粉炭流は、従来の微粉炭バーナによく見ら
れるように同軸で供給することなく、複数の濃厚側微粉
炭ノズル25によつて供給するために、希薄側微粉炭ノズ
ル26との距離を離すことが出来、濃厚な微粉炭粒子の分
散を極力抑えることができる。

以下、第２図と第10図を用いてその差異について説明
するが、第２図は第１図のII−II線側面拡大図で本発明
の実施例に係る微粉炭バーナを示し、第10図は第９図の
Ｘ−Ｘ線側面拡大図で従来の微粉炭バーナを示す。な
お、重油起動バーナ３は図面では省略してある。

第２図および第10図において、８は微粉炭ノズル、17
は外周保炎器、19は外側通路、20は内側通路、25は濃厚
側微粉炭ノズル、26は希薄側微粉炭ノズル、27は内壁、
28は外壁である。

第10図における微粉炭バーナにおいては、希薄側微粉
炭流はバーナ中心部の内側流路20へ、一方濃厚側微粉炭
流は第10図の斜線で示す外側流路19へ流れる。通常、希
薄，濃厚側に流れる搬送用の１次空気流量配分比は固定
されるために、それぞれの流路断面積比率は一定であ
る。また、微粉炭を図示していない濃縮器18で濃縮する
ために、外側流路19の１次空気流量は内側流路20の１次
空気流量と比較すると、かなり低く設定するために、微
粉炭噴流を同軸で供給する場合、外側流路19は非常に薄
いドーナツ状の断面となる。これでは、微粉炭を、濃縮
しても、バーナ後流において、内側流路20の微粉炭噴流
と混合し、分散してしまうために、微粉炭の濃縮による
着火保炎効果が低下してしまう。

一方、第２図に示す微粉炭バーナによれば、濃厚側微
粉炭ノズル25と希薄側微粉炭ノズル26の距離を内壁27,
外壁28によつて離すことができるため濃縮された微粉炭
流は、分散することなく確実に外周保炎器17へ供給され
るために着火することができる。ちなみにバーナ中心か
ら濃厚側噴流の中心までの距離R₁,r₁と希薄側噴流半径R
₂,r₂の比率で比較してみると、第10図に示すr₁/R₂と比
較して第２図に示すR₁/R₂の方が大きいことからも明ら
かである。

また、濃厚側微粉炭ノズル25からの微粉炭流を分割す
ることによつて、外周保炎器17の半径方向距離（外周保
炎器17の厚み）を増すことができるために保炎効果の向
上を計ることができ、低負荷において、濃厚側のC/Aが
低下するようなことがあつても、安定な燃焼が可能とな
る。

他方、第３図は微粉炭ノズル８先端における濃厚，希
薄に分離する際の微粉炭流れを示すが、この微粉炭ノズ
ル８の先端部においても、従来の微粉炭バーナとは異な
る。

つまり、第９図，第10図に示す従来の微粉炭バーナに
おいては、外側流路19の濃厚側微粉炭流と、内側流路20
の希薄側微粉炭流が同軸状に形成されるが、第３図のも
のにおいては濃厚側微粉炭ノズル25からの濃厚側微粉炭
流と希薄側微粉炭ノズル26からの希薄側微粉炭流は別々
に形成される。

つまり、第３図の実線で示すように濃厚側微粉炭流を
複数の濃厚側微粉炭ノズル25より供給し、希薄側微粉炭
流を破線で示すように希薄側微粉炭ノズル26より供給
し、しかも、濃厚側微粉炭流と希薄側微粉炭流の間に内
壁27,外壁28で距離をもつことができるので保炎効果が
向上する。

第４図は他の実施例を示すもので、第３図のものと異
なる点は、第３図のものにおいては濃厚側微粉炭ノズル
25を内壁27に面一に設けたが、第４図のものにおいて
は、濃厚側微粉炭ノズル25の上流側を内壁27から突出さ
せて分散ノズル29を設けたものである。

第４図に示すように分散ノズル29を内壁27から突出さ
せることによつて分散ノズル29と内壁27の間には、微粉
炭の循環領域30が形成されるので、偏流した微粉炭流が
直接濃厚側微粉炭ノズル25に飛込む確率が少なくなり安
定した火炎が形成される。

第６図（ａ），（ｂ）に燃焼特性のうち火炉出口部に
おける灰中未燃分と排ガス中のNOx濃度について従来の
微粉炭バーナのものは曲線C,D、本発明の実施例に係る
微粉炭バーナのものは曲線E,Fで比較して示した。これ
は微粉炭50Kg/hのテスト炉で得た実験データであるが、
排ガス中のNOx濃度に関しては第６図（ｂ）の曲線D,Fで
示すように負荷50％以上ではほとんど差がないのに対
し、負荷50％以下では差があり、灰中未燃分では第６図
（ａ）の曲線C,Eで示すようにバーナ負荷50％以下で本
発明の実施例に係る微粉炭バーナの灰中未燃分が大きく
減少している。これは第５図の直線Ａから曲線Ｂへの低
負荷燃焼時においても安定燃焼が可能になつたことを示
している。

このように本発明の実施例に係る微粉炭バーナを実機
に適用すると油，ガス等の補助燃料の使用頻度が低下す
ることから、経費の大幅な節減ができる。

さらに、外部に微粉炭の濃縮器等の補機を設置しない
ため省スペース化が計られ、特に既設の微粉炭焚ボイラ
等の微粉炭バーナの改造に適している。

［発明の効果］ 本発明によれば、濃厚側微粉炭ノズルによつて微粉炭
バーナの負荷が30％以下であつても微粉炭専焼ができ、
補助燃料を大幅に節減できる。

また、微粉炭バーナ単独でこのような低負荷燃焼が可
能になることによつて、ミルのカツト（バーナカツト）
が不要となるために、補助燃料費用とは別に急速な負荷
変化運用（DSS運転）が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る微粉炭バーナの縦断面
図、第２図は第１図のII−II線拡大側面図、第３図は第
１図の先端部を示す拡大図、第４図は第３図の他の実施
例を示す拡大図、第５図は縦軸に濃厚側C/A、横軸にバ
ーナ負荷を示した特性曲線図、第６図（ａ），（ｂ）は
縦軸に灰中未燃分、排ガス中のNOx濃度、横軸に負荷を
示した特性曲線図、第７図は微粉炭焚ボイラの概略系統
図、第８図および第９図は従来の微粉炭バーナの縦断面
図、第10図は第９図のＸ−Ｘ線側面拡大図である。 ６……微粉炭供給管、８……微粉炭ノズル、17……外周
保炎器、18……濃縮器、19……外側流路、20……内側流
路、21……切り替えダンパ、25……濃厚側微粉炭ノズ
ル。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−75403（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−193006（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−23516（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F23D 1/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】微粉炭ノズルの先端に外周保炎器を設け、
   かつ前記微粉炭ノズルと微粉炭供給管の途中に濃縮器
   と、該濃縮器の上流の微粉炭供給管に開閉する切り替え
   ダンパと、該切り替えダンパの開閉により分割された微
   粉炭の低負荷時流路と高負荷時流路とを設け、前記切り
   替えダンパの開閉によって、低負荷または高負荷での微
   粉炭ノズル内での微粉炭の分布状態を可変とした微粉炭
   バーナにおいて、 前記微粉炭ノズルの先端の外周保炎器の内側に濃厚側微
   粉炭ノズルと、微粉炭バーナの中心部に希薄側微粉炭ノ
   ズルとを設けると共に、前記濃厚側微粉炭ノズルと希薄
   側微粉炭ノズルとを壁によって離すように設けたことを
   特徴とする微粉炭バーナ。