JP2954656B2 - 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燃火力においては、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、15％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理由によつ
て軽油，重油，ガス等が用いられている。

例えば起動時に補助燃料として軽油，重油を用いる場
合には、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
炭量を多くし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６図および第７図を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６図及び第７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である。

第６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７図に示す微粉炭バーナ７の軽油点火バ
ーナ２により、ボイラ負荷の15％まで焚き上げる。その
後に重油起動用バーナ３を点火する。そして、重油起動
用バーナ３のみで、ボイラ負荷の25〜35％まで焚き上げ
る。その後にボイラ火炉４の火炉内温度が十分に上つた
時点で、第６図に示すミル５から第７図に示す微粉炭供
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６図に示すエアヒータ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７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
用バーナ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15が設けられ、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６図の符号16は重油タンク、
17は軽油タンクである。

一方、ミル５（微粉炭バーナ７）の負荷が低い領域で
ミル５から供給される微粉炭−空気流中の微粉炭濃度
（C/A）が低くなるため、着火安定性が悪くなる。

第11図は横軸にバーナ負荷、縦軸にバーナ（ミル）負
荷に対するミル５から微粉炭バーナ７に供給される微粉
炭（Ｃ）と空気（Ａ）の重量比（以下C/Aと称す）を示
す特性曲線図である。

この第11図から、バーナ（ミル）負荷の低下に伴つて
C/Aが低くなることが分かるが、これは、微粉炭の搬
送、分級のために止むを得ないミル特有の現象である。

バーナ負荷15％時におけるC/Aは第11図に示すように
0.08となり、微粉炭は極めて希薄となり、また、その時
の１次空気量が燃焼に及ぼす空気比としては、第10図に
示すように炭種により異なるが、いずれの場合でも１を
越える。従つて、この負荷においては１次空気のみで空
気過剰となるために、2,3次空気は不要となるが、実際
には、フアンの特性上また、微粉炭バーナ７の焼損防止
対策として２次,3次空気をかなり供給するために、微粉
炭バーナ近傍における空気比はかなり高い値となり、微
粉炭粒子は、さらに希釈されることになる。このため火
炎が不安定となる。

この微粉炭粒子の希釈に対処するために、ミル５から
の低C/A微粉炭流を、慣性力等を利用して、濃厚微粉炭
流と希薄微粉炭流に分け、濃厚微粉炭流をバーナ部での
安定燃焼に用いるのが有効である。

第８図は従来技術の微粉炭バーナを示す断面図、第９
図は第８図の微粉炭バーナにおける微粉炭濃度を示した
模式図である。

第８図および第９図において、符号４から13までは第
７図のものと同一のものを示す。

18はサイクロン式濃縮器、19は高濃度側微粉炭流路、
20は低濃度側微粉炭流路、21は濃厚微粉炭流、22は比較
微粉炭流である。

このような構造において、第７図のものと異なる点
は、サイクロン式濃縮器18によつて微粉炭を濃厚微粉炭
流21と希薄微粉炭流22に分離し、濃厚微粉炭流21は高濃
度側微粉炭流路19より、希薄微粉炭流22は低濃度側微粉
炭流路20よりそれぞれ火炉４内に供給される点である。
つまり、微粉炭バーナ７の中心部に濃厚微粉炭流21を、
その周囲に希薄微粉炭流22を供給し、その周囲に燃焼用
の２次,3次空気が旋回して供給される。従つて、希薄微
粉炭流22の微粉炭は、濃厚微粉炭流21の微粉炭により形
成される火炎からの輻射熱を効率良く受けるために、安
定燃焼が可能となる。

しかしながら、このサイクロン式濃縮器18による微粉
炭流の分離では、せつかく微粉炭バーナ７の入口で分離
濃縮した濃厚微粉炭流21が微粉炭バーナ７の出口部分で
低濃度側微粉炭流路20の希薄微粉炭流22と再度混合して
しまう。この状態を第９図に模式化して示す。

第９図の微粉炭バーナ７の中心部からは微粉炭バーナ
７の入口においてサイクロン式濃縮器18で分離濃縮され
た微粉炭流のうち実線の矢印で示すように濃厚微粉炭流
21が供給される。一方、破線の矢印で示す希薄微粉炭流
22はその周囲から供給されることになる。バーナ出口ノ
ズル部における軸方向距離を換えて各々の位置における
半径方向の微粉炭濃度を曲線で示しているが、双方の噴
流はその境界面で、混合するため、微粉炭バーナ７から
の距離が離れるにつれて、せつかく高濃度化した濃厚微
粉炭流21が希薄微粉炭流22によつて希釈されることにな
る。なお、双方のバーナ出口部における噴出流速に差が
有る場合は流速の差に応じて、強い剪断応力がかかり、
乱流拡散が促進され、一層希釈化が進行する。

このような現象がつきまとうために、微粉炭濃縮部に
おいてはこの希釈現象を考慮して予め着火に必要な微粉
炭濃度以上に濃縮する必要があり、このことによつて微
粉炭濃縮に要する動力費用が増加し、微粉炭搬送用の空
気の圧力損失や、その空気量の増加を伴い好ましくな
い。

［発明が解決しようとする課題］ このように補助燃料を用いる微粉炭バーナでは、頻繁
な起動停止運転毎に補助燃料の使用量が増加し、直接ミ
ルから微粉炭バーナへ微粉炭−空気流を供給する燃焼シ
ステムではミル（バーナ）負荷が低い場合、微粉炭バー
ナの着火性が悪くなるために未燃分が増加し、サイクロ
ン式濃縮器で高濃度化すると動力費用が増加する等の欠
点があつた。

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、補助燃料を削減し、しか
も微粉炭バーナの着火安定性を向上させることにより、
DSS運転での低負荷運転を行なうことができる微粉炭バ
ーナを提供することにある。

［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、火炉側先端に
保炎器を設けた微粉炭ノズルと、入口側開口端と、出口
側開口端と、前記微粉炭ノズル内を流れる微粉炭流を微
粉炭ノズルの内面側に案内するガイド部と、そのガイド
部の微粉炭流れ方向下流側に設けられて周壁を貫通した
分離穴とを有し、前記微粉炭ノズルの内側に微粉炭ノズ
ルの軸方向に沿って移動可能に設けられた濃縮器と、そ
の濃縮器の入口側開口端側に配置されて、その入口側開
口端を開閉するプラグとを設け、前記微粉炭ノズルと濃
縮器の間に高濃度側微粉炭流路を形成している。

そしてバーナの極低負荷時、前記プラグで濃縮器の入
口側開口端を塞ぎ、濃縮器を微粉炭ノズルの軸方向に沿
って火炉側に移動し、濃縮器の出口側開口端を前記保炎
器よりも火炉側に突出させ、微粉炭ノズル内を流れる微
粉炭流を濃縮器のガイド部により微粉炭ノズルの内面側
に案内し、その微粉炭流の一部が希薄微粉炭流となり分
離穴から出口側開口端側に流れ、残りの微粉炭流が濃厚
微粉炭流となり保炎器の内側に流れるように構成されて
いることを特徴とするものである。

［作用］ バーナ負荷が40％以上の高負荷運用時には濃縮器とプ
ラグを離して火炎を安定化し、バーナ負荷が25％〜40％
の低負荷運用時にはプラグを前進させて保炎器の内側に
濃厚微粉炭流を形成させ、バーナ負荷が15％〜25％の極
低負荷運用時にはプラグと濃縮器を前進させて濃厚微粉
炭流と希薄微粉炭流の混合を遅らせることによつて達成
される。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を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先端部
の上半分を示した拡大断面図、第２図は微粉炭バーナの
全体構成図、第３図は高負荷運用時における微粉炭バー
ナの拡大断面図、第４図は低負荷運用時における微粉炭
バーナの拡大断面図、第５図は極低負荷運用時における
微粉炭バーナの拡大断面図である。

第１図から第５図において、符号３から符号22は従来
のものと同一のものを示す。

23は微粉炭ノズル８内に設けられた濃縮器、24は濃縮
器23の上流側に設けたプラグ、25は濃縮器23とプラグ24
を前進，後退させる駆動装置、26は低流速領域、27は入
口側開口端、28は出口側開口端、29はガイド部、30は分
離穴である。

このような構造において、ミルから空気輸送されてき
た第２図に示す微粉炭供給管６内の微粉炭は、微粉炭バ
ーナ７の負荷に応じてプラグ24を駆動装置25によつて前
進させることによつて、内側の低濃度側微粉炭流路20に
は希薄微粉炭流22を、外側の高濃度側微粉炭流路19には
濃厚微粉炭流21を分配して流れるようにする。

つまり、微粉炭バーナ７が高負荷状態で運転される場
合には、プラグ24は第１図の実線で示した位置に位置
し、微粉炭濃縮器23に対しては離れた状態となり、微粉
炭は高濃度側微粉炭流路19と低濃度側微粉炭流路20の両
方に濃厚微粉炭流21が流れる。

微粉炭バーナ７が低負荷状態で運転される場合には、
プラグ24を前進させてプラグ24と微粉炭濃縮器23が接触
して第２図の一点鎖線で示す位置に位置し、濃縮器23に
よる分流で高濃度側微粉炭流路19には濃厚微粉炭流21
が、低濃度側微粉炭流路20には希薄微粉炭流22が流れ
る。

微粉炭バーナ７が極低負荷状態で運転される場合に
は、濃縮器23とプラグ24を第１図の破線で示す位置へ前
進させて、高濃度側微粉炭流路19には濃厚微粉炭流21
を、低濃度側微粉炭流路20には希薄微粉炭流22をそれぞ
れ流す。

そして、濃縮器23の先端がボイラ火炉４内へ挿入され
ることによつて、高濃度側微粉炭流路19における濃厚微
粉炭流21の噴出速度が減衰して、保炎器15の内側で着火
の安定性が計れるとともに高濃度側微粉炭流路19の濃厚
微粉炭流21と低濃度側微粉炭流路20の希薄微粉炭22の混
合が遅延されるため、より一層微粉炭の火炎安定性が向
上する。

以下、第３図から第５図を用いて、高負荷運用時、低
負荷運用時、極低負荷運用時の様子について説明する。

第３図はバーナ負荷が40％以上の高負荷運用時での濃
縮器23、プラグ24の位置を示している。

バーナ負荷が高い場合には、第11図において既に説明
したように、ミル５は高C/A（C/A＞0.25）で運転が可能
である。このために微粉炭バーナ７の保炎性は十分であ
り、しかも、微粉炭の流量が増加するために微粉炭バー
ナ７においては、圧力損失を抑制するため、微粉炭が低
濃度側微粉炭流路20へ流れて、濃縮器23をバイパスする
運転となる。

このため、プラグ24に沿つて流れる高負荷運用時での
低濃度側微粉炭流路20の微粉炭は、従来の濃縮器の無い
微粉炭バーナ７と機能的に変らない運転状態となる。

第４図は、バーナ負荷が25％から40％の中間負荷運用
時における濃縮器23とプラグ24の位置を示している。

つまり、第３図に示す微粉炭バーナの高負荷運用時と
第４図に示す微粉炭バーナの低負荷運用時の異なる点
は、プラグ24がボイラ火炉４側へ移動したのみである。

つまり、プラグ24は、第４図に示すように濃縮器23に
挿入されて入口側開口端27が塞がれた状態となり、微粉
炭流は第４図に示すようにガイド部29の案内で微粉炭ノ
ズル８の外側（内面側）を流れるようになる。そして濃
縮器23の分離穴30の存在で反転流ができるため、低濃度
側微粉炭流路20には希薄微粉炭流22が微粉炭バーナ７の
中心部に流れ、一方、高濃度側微粉炭流路19には濃厚微
粉炭流21が流れ、濃厚微粉炭流21が保炎器15の内側を通
過する。従つて、濃厚微粉炭流21が保炎器15の内側で滞
留して、保炎が確実となる。この状態での微粉炭の分配
率は高濃度側微粉炭流路19側に70〜90％、１次空気の分
配率は高濃度側微粉炭流路19に５〜30％、入口側に対す
る高濃度側微粉炭流路19の濃縮率は２〜4.5倍程度とな
り、保炎に必要なC/Aを確保できる。

第５図はバーナ負荷が15％から25％の極低負荷時にお
ける濃縮器23とプラグ24の位置を示している。

つまり、第４図に示す微粉炭バーナの低負荷運用時と
第５図に示す微粉炭バーナの極低負荷運用時の異なる点
は、濃縮器23とプラグ24が図に示すように微粉炭ノズル
８の軸方向に沿ってボイラ火炉４側へ移動し、濃縮器23
の先端を保炎器15よりもボイラ火炉４側へ突出させた点
である。

すなわち、濃縮器23での反転流によつて第５図の矢印
で示すように低濃度側微粉炭流路20には希薄微粉炭流22
が、他方、高濃度側微粉炭流路19には濃厚微粉炭流21が
流れるが、濃縮器23の先端が保炎器15よりもボイラ火炉
４側へ突出しているので、希薄微粉炭流22による濃厚微
粉炭流21の希釈をそれだけ遅らせることができる。

従つて、極低負荷時においても安定燃焼ができる。

また、保炎器15の内側に濃厚微粉炭流21による低流速
領域26が形成されるので、極低負荷時であつても保炎は
安定する。

なお、極低負荷運用時から、高負荷運用時へ移行する
場合には、今まで説明した逆の操作を行なう必要があ
る。それは、先にも述べたが、濃縮器23の先端をボイラ
火炉４内に挿入したまま負荷を増加させると、火炎から
の輻射熱を受けやすくなり、焼損する可能性があるから
である。また、同様の理由により微粉炭バーナ７の停止
時及び油起動用バーナでの燃焼時には濃縮器23やプラグ
24を引戻しておくことが必要である。

［発明の効果］ 本発明によれば、低負荷時や極低負荷時においても火
炎の安定性が向上し、油，ガス等の補助燃料の使用量が
低下することから、経費の大幅な節減ができる。

さらに、外部微粉炭高濃度器等の補機を使用しないた
め省スペース化が計られ、特に既設の微粉炭バーナへの
改造に適用できる。

【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先端部の
上半分を示した拡大断面図、第２図は微粉炭バーナの全
体構成図、第３図は高負荷運用時における微粉炭バーナ
の拡大断面図、第４図は低負荷運用時における微粉炭バ
ーナの拡大断面図、第５図は極低負荷運用時における微
粉炭バーナの拡大断面図、第６図は微粉炭焚ボイラの概
略系統図、第７図および第８図は従来技術の微粉炭バー
ナを示す断面図、第９図は微粉炭ノズル近傍における微
粉炭濃度を模式的に示した説明図、第10図は縦軸に１次
空気の空気比を示し、横軸にバーナ負荷を示した特性曲
線図、第11図は縦軸にC/A、横軸にバーナ負荷を示した
特性曲線図である。 ３……起動用バーナ、８……微粉炭ノズル、15……保炎
器、23……濃縮器、24……プラグ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 啓信 茨城県日立市久滋町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 平３−241208（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−50408（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−110308（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−142610（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭59−32812（ＪＰ，Ｙ２) (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】火炉側先端に保炎器を設けた微粉炭ノズル
   と、 入口側開口端と、出口側開口端と、前記微粉炭ノズル内
   を流れる微粉炭流を微粉炭ノズルの内面側に案内するガ
   イド部と、そのガイド部の微粉炭流れ方向下流側に設け
   られて周壁を貫通した分離穴とを有し、前記微粉炭ノズ
   ルの内側に微粉炭ノズルの軸方向に沿って移動可能に設
   けられた濃縮器と、 その濃縮器の入口側開口端側に配置されて、その入口側
   開口端を開閉するプラグとを設け、 前記微粉炭ノズルと濃縮器の間に高濃度側微粉炭流路を
   形成し、 バーナの極低負荷時、プラグで濃縮器の入口側開口端を
   塞ぎ、濃縮器を微粉炭ノズルの軸方向に沿って火炉側に
   移動し、濃縮器の出口側開口端を保炎器より火炉側に突
   出させ、微粉炭ノズル内を流れる微粉炭流を濃縮器のガ
   イド部で微粉炭ノズルの内面側に案内し、その微粉炭流
   の一部が希薄微粉炭流となり分離穴から出口側開口端側
   に流れ、残りの微粉炭流が濃厚微粉炭流となり保炎器の
   内側に流れるように構成されていることを特徴とする微
   粉炭バーナ。