JP3080440B2 - 燃焼装置 - Google Patents

燃焼装置

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JP3080440B2
JP3080440B2 JP03183879A JP18387991A JP3080440B2 JP 3080440 B2 JP3080440 B2 JP 3080440B2 JP 03183879 A JP03183879 A JP 03183879A JP 18387991 A JP18387991 A JP 18387991A JP 3080440 B2 JP3080440 B2 JP 3080440B2
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正 神保
国男 程塚
彰 馬場
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    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D17/00Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D1/00Burners for combustion of pulverulent fuel

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  • Saccharide Compounds (AREA)
  • Heterocyclic Carbon Compounds Containing A Hetero Ring Having Oxygen Or Sulfur (AREA)
  • Pharmaceuticals Containing Other Organic And Inorganic Compounds (AREA)
  • Nonmetallic Welding Materials (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は燃焼装置に係り、例えば
微粉炭焚ボイラなどの燃焼装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】周知のように微粉炭焚ボイラにおいて
は、微粉炭と空気との混合流体を混合流体供給管を通し
て炉内に噴射する。噴射されたこの混合流体は着火さ
れ、炉内に火炎が形成される。
【0003】米国特許明細書第4,545,307 号に開示され
ているように、混合流体供給管の先端部には半径方向外
方に開拡した保炎リングが設けられている。この保炎リ
ングに沿つて混合気体の渦流が形成され、これにより保
炎リング近傍に微粉炭の高濃度領域が形成される。その
結果、混合流体供給管の炉内側端部より着火し、高温で
かつ強い還元状態の火炎が形成され、窒素酸化物(NO
x)の発生を抑制することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前記保炎リングに灰が
付着してそれが溶融して、しかも強還元雰囲気下であ
り、しかも火炉からの輻射熱により高温に晒されてい
る。これらの条件は、保炎リングを焼損させたり、また
はボイラの運転操作が適性に行われないとき、場合によ
つては保炎リング上でのスラグの成長を助長することが
ある。このように保炎リングが焼損したり、スラグが成
長すると、保炎リングの効果が低下して着火状態が不安
定となり、NOxの発生が増加し、また装置の故障を誘
発するなどの欠点を有している。
【0005】本発明の目的は、このような従来技術の欠
点を解消し、燃焼装置のユニツト容量または運転負荷に
かかわらず、安定した低NOx燃焼ができる、信頼性の
高い燃焼装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、粉状燃料と酸素含有気体との混合流体を
炉内に供給するために該炉内に露出している混合流体供
給管と、この混合流体供給管の先端部に設けられた保炎
手段と、前記混合流体供給管の半径方向外方に酸素含有
気体を前記炉内に供給するために設けられた気体供給流
路と、半径方向における前記気体供給流路と前記混合流
体供給管との間であつて、かつ前記保炎手段を越えて前
記炉内に延びて、前記保炎手段に対する炉内からの輻射
を遮断する突出体と、その突出体の前記炉内露出面の周
りに酸化雰囲気を形成する手段とを備え 前記突出体
は、前記混合流体供給管とほぼ平行に延びた外周壁と内
周壁と仕切り周壁を有し、外周壁と内周壁の炉側端部は
端円板で連結され、前記仕切り周壁は外周壁と内周壁の
間に配置されて、外周壁と仕切り周壁の間に第1流路部
分が形成され、仕切り周壁と内周壁の間に第2流路部分
が形成されて、仕切り周壁の炉側先端部は前記端円板か
ら離れて前記第1流路部分と第2流路部分が連通し、内
周壁と前記混合流体供給管の間に前記第2流路部分と連
通した第3流路部分が形成され、 前記第1流路部分に供
給された酸素含有気体が、仕切り周壁の炉側先端部と端
円板の間を通り、前記第2流路部分ならびに第3流路部
分を順次流れて炉内に噴出さ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。
【0007】上記目的を達成するために、さらに本発明
は、粉状燃料と酸素含有気体との混合流体を炉内に供給
するために該炉内に露出している混合流体供給管と、こ
の混合流体供給管の先端部に設けられた保炎手段と、前
記混合流体供給管の半径方向外方に酸素含有気体を前記
炉内に供給するために設けられた気体供給流路と、前記
混合流体供給管と同軸状に、その混合流体供給管の内側
に配設された粉状燃料/酸素含有気体分離部材とを備え
ており、この分離部材は、前記混合流体供給管との間に
おいて流路断面積が略一定である混合気体供給流路部分
を形成する直円筒部と、前記混合流体供給管との間にお
いて混合流体の流れに沿つて流路断面積が徐々に増加す
る流路部分を形成するため、前記直円筒部から混合流体
の流れ方向の下流に向かって先細りに延びた円錐部とを
有し、その円錐部には、剥離流を生じる部分と、剥離流
を生じない部分とが周方向に設けられていることを特徴
とするものである。
【0008】
【作用】本発明は前述のように、保炎手段を越えて炉内
に突出体を延設させ、炉内からの輻射熱を適度に遮断し
て、過度の温度上昇を抑え、よつて保炎手段の焼損なら
びに保炎手段でのスラツキングの発生を抑制する。さら
に突出体の内部ならびに突出体と混合流体供給管の間に
第1流路部分、第2流路部分、第3流路部分を形成して
酸素含有気体をジグザグ状に流すことにより、突出体の
温度上昇を抑制して焼損を防止するとともに、酸素含有
気体は流通する間に加熱されて燃焼効率の向上が図れ
る。
【0009】また本発明は前述のように、混合流体供給
管の内側に粉状燃料/酸素含有気体分離部材を配設し、
この分離部材は、前記混合流体供給管との間において流
路断面積が略一定である混合気体供給流路部分を形成す
る直円筒部と、前記混合流体供給管との間において混合
流体の流れに沿つて流路断面積が徐々に増加する流路部
分を形成するため、前記直円筒部から混合流体の流れ方
向の下流に向かつて先細りに延びた円錐部とを有してい
る。そしてその円錐部には、剥離流を生じる部分と、剥
離流を生じない部分とが周方向に設けられている。した
がつて、粉状燃料の高濃度領域を保炎手段の周囲に平衡
して、かつ位置的に安定して確実に形成することがで
き、燃焼装置のユニツト容量または運転負荷にかかわら
ず着火状態が非常に安定して、信頼性の高い燃焼装置を
提供することができる。
【0010】
【実施例】次に本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図1はこの実施例に係る燃焼装置の断面図、図2は
図1のII−II線から見た正面図である。この燃焼装
置は、微粉炭などを粉体燃料とし、一次空気または燃焼
排ガスを一部含んだ一次空気を酸素含有気体とし、粉体
燃料と酸素含有気体とを適当な比率に混合して、この混
合流体を混合流体供給管1から炉2内に噴射している。
この混合流体供給管1は、その一端部が炉2の炉壁21
に形成された開口部22を通して炉2内に面しており、
他端部は石炭粉砕機(図示せず)に連通している。微粉
炭と一次空気(あるいは燃焼排ガスを一部含んだ一次空
気)との混合流体がこの混合流体供給管1内を流れ、炉
2内に噴射されて着火し、炉2内に火炎が形成される。
混合流体供給管1の先端周端部には、断面形状が略L字
形をした保炎リング3が設けられている。
【0011】図2に詳細に示されているように、混合流
体供給管1の半径方向外方には、それと同心状に環状の
流路4が形成されており、この流路4を通つて三次空気
が炉2内に供給される。
【0012】混合流体供給管1と流路4との間には、環
状の突出体6が配設されている。この突出体6は、図1
に示すよう前記保炎リング3を越えて炉2内に延びてい
る。突出体6の外周壁61は混合流体供給管1と平行に
延びており、内周壁62はその端部分が半径方向に拡が
つている。そしてこの外周壁61と内周壁62の炉側端
部は、端円板63で連結されている。
【0013】図1および図3に示されているように、突
出体6の内部は、仕切り管64(仕切り周壁)により2
層に仕切られている。二次空気は、突出体6の外周壁6
1と仕切り管64とで区画されている流路部分(第1流
路部分)、突出体6の内周壁62と仕切り管64とで区
画されている流路部分(第2流路部分)、および突出体
6の内周壁62と混合流体供給管1とで区画されている
流路部分(第3流路部分)を、矢印(図3参照)で示さ
れているようにジグザグに流れ、最終的には炉2内に噴
出されて燃焼に供される。
【0014】突出体6の内周壁62はその端部分が半径
方向に拡がつているので、二次空気はその流速が低下さ
れ、そのために前記混合流体の噴流を乱すことなく、そ
の一部が保火のために消費される。よつて安定した高温
還元火炎が形成、保持され、これによりNOxの発生が
有効に抑制される。
【0015】保炎リング3の周りは還元雰囲気下にあ
り、かつ渦流により保炎リング3の近傍には微粉炭の高
濃度領域が形成されている。さらに通常、保炎リング3
は図1および図3において破線で示されているように、
炉2からの輻射熱により高温に晒される。しかし、前述
のように突出体6が、この保炎リング3を越えて炉2内
に延びているから、保炎リング3への輻射熱を適度に遮
断し、保炎リング3は過度に高温になることはない。よ
つて、燃焼装置のユニツト容量が大(例えば50MWサ
ーマル以上)になつても保炎リング3の焼損、または保
炎リング3におけるスラグの発生を防ぐことが出来る。
【0016】逆に突出体6に灰が付着してそれが溶融し
て、しかも還元雰囲気下におかれ、さらに炉2からの輻
射熱によつて高温に晒されることになる。このため、突
出体6にスラツキングが発生する恐れがある。これを防
ぐため、本発明では後述するように、突出体6は還元雰
囲気でなく、酸化雰囲気下におかれている。これにより
スラツキング発生の要因の1つが排除され、スラツキン
グの発生を防止することが出来る。
【0017】前述の酸化雰囲気を形成するため、図4な
いし図6に示されているように、端円板63には周方向
に沿って等間隔に多数の半径方向に延びるスリツト63
(開口)が形成されている。二次空気の一部はこのス
リツト631から噴出され、案内板632によつて案内
されて、突出体6の表面上を周方向に流れる。これによ
り突出体6は酸化雰囲気下におかれ、スラツキングの発
生が有効に防止出来る。
【0018】なお、この実施例においては、二次空気が
突出体6の外周壁61と仕切り管64との間の流路部
分、内周壁62と仕切り管64との間の流路部分、およ
び内周壁62と混合流体供給管1との間の流路部分を流
れる間に、突出体6を冷やすことになり、炉2からの輻
射熱による突出体6先端部の焼損を防止するようになつ
ている。
【0019】300℃前後の二次空気を流すことによ
り、突出体6の温度をスラグが発生し難い温度、すなわ
ち950℃以下に抑えることが出来る。これにより、突
出体6でのスラツキングの発生をさらに難しくするとと
もに、突出体6の寿命を延ばすことが出来る。逆に、炉
2からの輻射熱により二次空気の温度が40℃前後上昇
するため、燃焼効率が向上する。
【0020】図7および図8は突出体6の変形例を示す
図で、端円板63に周方向に沿つて延びたスリツト63
3が、周方向に沿つて等間隔に多数形成されており、二
次空気の一部は、案内板634によつて案内され、突出
体6の表面上を半径方向に流れる。これにより前述と同
様に、スラグの発生が防止できる。
【0021】図9に示されている突出体6の変形例にお
いては、端円板63の一部を切断し、傾斜させることに
より、二次空気の噴出口と案内板とを同時に形成してい
る。
【0022】図10は、さらに別の燃焼装置の実施例を
示している。この実施例の場合、混合流体供給管1の壁
面近傍で微粉炭の濃度を高めるため、管状の微粉炭/空
気分離部材7が、この混合流体供給管1の内側に同心状
に配設されている。
【0023】この分離部材7は、柄部71で混合流体供
給管1に取り付けられている。分離部材7は、混合流体
供給管1に設けられた突起体11とでスロート部を形成
するフレアー部72を有しており、このスロート部では
混合流体の流速が下がる。
【0024】さらに分離部材7は、直円筒部73と、そ
の直円筒部73から混合流体の流れ方向下流側に向かつ
て延びてかつ先細り状になつた円錐部74とを備えてい
る。前記直円筒部73は、混合流体供給管1との間にお
いて一定の流路断面積を有する流路部分Iを形成する。
また円錐部74は、混合流体供給管1との間において流
路断面積が徐々に増加する流路部分IIを形成する。
【0025】微粉炭と一次空気との混合流体は、前記流
路部分Iにおいてその流速が高められ、流路部分IIを
通過する際に、一次空気の方は流路部分Iの拡がりに沿
つて流れの幅が拡がり、一方、微粉炭のほとんどはその
流れの慣性により一次空気流から分離される形で略直進
する。これにより保炎リング3の近傍に微粉炭の高濃度
領域が形成され、燃焼装置の負荷が低く(例えば、バー
ナ負荷を石炭粉砕機負荷で表したとき、石炭粉砕機の負
荷が30%程度になつても)NOxの発生量が少なく、
高効率の燃焼が行われる。
【0026】しかし、前記円錐部74が一様に先細りに
なつていると、混合流体がその円錐部74から剥離する
恐れがある。一旦剥離が生じると、保炎リング3の近傍
に形成された微粉炭高濃度領域がこの剥離流によつて半
径方向内方に引き戻され、保炎リング3近傍の微粉炭濃
度が低下する心配がある。また、この剥離の発生場所を
特定することができず、剥離流が発生する位置が常に不
安定である。
【0027】そこでこの実施例では円錐部74の所定位
置に、流れの剥離を確実に、また強制的に起こるように
している。また、これら剥離が起こる部分は周方向に複
数設けられている。よつて剥離が起こらない部分も円錐
部74の周方向に沿つて等間隔に複数形成されることに
なる。これにより、保炎リング3近傍での微粉炭の高濃
度領域が周方向に沿つて平衡して生じ、かつ位置的にも
定まつているので、安定した燃焼状態が得られる。
【0028】前述のような効果を奏するため、本発明の
実施例においては、図11ないしい図14に示されてい
るように、円錐部74には、軸線方向に対する先細り角
度θ1の部分741と、軸線方向に対する先細り角度θ
2(>θ1)の部分742とが、円錐部74の周方向に
沿つて交互に複数形成されている。そして前記部分74
1の軸線方向に対する先細り角度θ1よりも、部分74
2の軸線方向に対する先細り角度θ2の方が大きくなつ
ている(θ2>θ1)。
【0029】前記部分741の先細り角度θ1を5〜1
5度の範囲にすれば、当該部分では剥離流が生じない。
一方、前記部分742の先細り角度θ2を25〜65度
の範囲にすれば、当該部分で剥離流が生じることが実験
で確認されている。さらに部分741の占有面積が部分
742の占有面積よりも大きくなつており、これによつ
て剥離の影響を最小にすることが出来、よつて安定した
燃焼状態が得られる。
【0030】なお、部分741と部分742の接続部
は、図12に示すように滑らかであつても、図14に示
すように急激であつてもよい。
【0031】なお、剥離が生じる部分の先細り角度θ2
は25〜65度の範囲に限定されるものではなく、図1
5ならびに図16に示すように、先細り角度θ2が90
度、すなわち部分742がスリツトであつても同様の効
果が得られる。
【0032】また、例えば図17ないし図19に示して
いるように、部分741(あるいは部分742)の形状
を適宜変更してもよく、例えば図17あるいは図18に
示すように部分741どうしの形状が異なつてもよい。
【0033】なお、この実施例においては、突出体6と
微粉炭/空気分離部材7の両方を用いたが、いずれか一
方を設けてもよい。
【0034】さらに本発明は、図20に示されている起
動用の油バーナ8および補助ガスバーナ9を備えた微粉
炭燃焼装置に適用することも出来る。同図に示されてい
るように、油バーナ8は、微粉炭/空気分離部材7の内
部に挿入され、円錐部74の先端まで延びている。前記
補助ガスバーナ9は、炉2からの輻射熱に晒されない範
囲で突出体6の内周壁62を貫通して炉2内に延びてい
る。
【0035】
【発明の効果】本発明は前述のように、保炎手段を越え
て炉内に突出体を延設させ、炉内からの輻射熱を適度に
遮断して、過度の温度上昇を抑え、よつて保炎手段の焼
損ならびに保炎手段でのスラツキングの発生を抑制し
て、燃焼装置の耐用寿命を延長することが出来る。さら
に突出体の内部ならびに突出体と混合流体供給管の間に
第1流路部分、第2流路部分、第3流路部分を形成して
酸素含有気体をジグザグ状に流すことにより、突出体の
温度上昇を抑制して焼損を防止するとともに、酸素含有
気体は流通する間に加熱されて燃焼効率の向上が図れ
る。
【0036】また本発明は前述のように、混合流体供給
管の内側に粉状燃料/酸素含有気体分離部材を配設し、
この分離部材は、前記混合流体供給管との間において流
路断面積が略一定である混合気体供給流路部分を形成す
る直円筒部と、前記混合流体供給管との間において混合
流体の流れに沿つて流路断面積が徐々に増加する流路部
分を形成するため、前記直円筒部から混合流体の流れ方
向の下流に向かつて先細りに延びた円錐部とを有してい
る。そしてその円錐部には、剥離流を生じる部分と、剥
離流を生じない部分とが周方向に設けられている。した
がつて、粉状燃料の高濃度領域を保炎手段の周囲に平衡
して、かつ位置的に安定して確実に形成することがで
き、燃焼装置のユニツト容量または運転負荷にかかわら
ず着火状態が非常に安定して、信頼性の高い燃焼装置を
提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る燃焼装置の断面図であ
る。
【図2】図1のII−IIから見た正面図である。
【図3】その燃焼装置に用いる突出体の一部拡大断面図
である。
【図4】突出体の一部正面図である。
【図5】突出体の変形例を示す一部正面図である。
【図6】図5のVI−VI線上の断面図である。
【図7】突出体の変形例を示す一部正面図である。
【図8】図7のVIII−VIII線上の断面図であ
る。
【図9】突出体の変形例を示す一部断面図である。
【図10】本発明の他の実施例に係る燃焼装置の断面図
である。
【図11】その燃焼装置に用いる微粉炭/空気分離部材
の側面図である。
【図12】図11のXII−XIIから見た正面図であ
る。
【図13】微粉炭/空気分離部材の変形例を示す側面図
である。
【図14】図13のXIV−XIVから見た正面図であ
る。
【図15】微粉炭/空気分離部材の変形例を示す側面図
である。
【図16】図15のXVI−XVIから見た正面図であ
る。
【図17】微粉炭/空気分離部材の変形例を示す正面図
である。
【図18】微粉炭/空気分離部材の変形例を示す正面図
である。
【図19】微粉炭/空気分離部材の変形例を示す正面図
である。
【図20】本発明の他の実施例に係る燃焼装置の断面図
である。
【符号の説明】
1 混合流体供給管 2 炉 3 保炎リング 4 流路 6 突出体 7 微粉炭/空気分離部材 73 直円筒部 74 円錐部 631 スリツト 632 案内板 633 スリツト 634 案内板 741 先細り角度θ1の部分 742 先細り角度θ2の部分 I 流路部分 II 流路部分 θ1 先細り角度 θ2 先細り角度
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 敬二 東京都千代田区大手町二丁目6番2号 バブコツク日立株式会社内 (72)発明者 神保 正 広島県呉市宝町6番9号 バブコツク日 立株式会社 呉工場社内 (72)発明者 程塚 国男 広島県呉市宝町6番9号 バブコツク日 立株式会社 呉工場社内 (72)発明者 馬場 彰 広島県呉市宝町3番36号 バブコツク日 立株式会社呉研究所内 (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 (56)参考文献 実開 平1−144608(JP,U) 実開 昭62−142610(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F23D 1/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 粉状燃料と酸素含有気体との混合流体を
    炉内に供給するために該炉内に露出している混合流体供
    給管と、 この混合流体供給管の先端部に設けられた保炎手段と、 前記混合流体供給管の半径方向外方に酸素含有気体を前
    記炉内に供給するために設けられた気体供給流路と、 半径方向における前記気体供給流路と前記混合流体供給
    管との間であつて、かつ前記保炎手段を越えて前記炉内
    に延びて、前記保炎手段に対する炉内からの輻射を遮断
    する突出体と、 その突出体の前記炉内露出面の周りに酸化雰囲気を形成
    する手段とを備え 前記突出体は、前記混合流体供給管とほぼ平行に延びた
    外周壁と内周壁と仕切り周壁を有し、外周壁と内周壁の
    炉側端部は端円板で連結され、前記仕切り周壁は外周壁
    と内周壁の間に配置されて、外周壁と仕切り周壁の間に
    第1流路部分が形成され、仕切り周壁と内周壁の間に第
    2流路部分が形成されて、仕切り周壁の炉側先端部は前
    記端円板から離れて前記第1流路部分と第2流路部分が
    連通し、内周壁と前記混合流体供給管の間に前記第2流
    路部分と連通した第3流路部分が形成され、 前記第1流路部分に供給された酸素含有気体が、仕切り
    周壁の炉側先端部と端円板の間を通り、前記第2流路部
    分ならびに第3流路部分を順次流れて炉内に噴出される
    ように構成されている ことを特徴とする燃焼装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載において、前記端円板の周
    方向に沿って多数の開口が形成され、前記第1流路部分
    に供給された酸素含有気体の一部が前記開口から噴出さ
    れることにより、突出体の炉内露出面の周りに酸化雰囲
    気を形成することを特徴とする燃焼装置。
  3. 【請求項3】 粉状燃料と酸素含有気体との混合流体を
    炉内に供給するために該炉内に露出している混合流体供
    給管と、 この混合流体供給管の先端部に設けられた保炎手段と、 前記混合流体供給管の半径方向外方に酸素含有気体を前
    記炉内に供給するために設けられた気体供給流路と、 前記混合流体供給管と同軸状に、その混合流体供給管の
    内側に配設された粉状燃料/酸素含有気体分離部材を備
    えており、 この分離部材は、前記混合流体供給管との間において流
    路断面積が略一定である混合気体供給流路部分を形成す
    る直円筒部と、前記混合流体供給管との間において混合
    流体の流れに沿つて流路断面積が徐々に増加する流路部
    分を形成するため、前記直円筒部から混合流体の流れ方
    向の下流に向かつて先細りに延びた円錐部とを有し その円錐部には、剥離流を生じる部分と、剥離流を生じ
    ない部分とが周方向に設けられている ことを特徴とする
    燃焼装置。
  4. 【請求項4】 請求項記載において、前記剥離流が生
    じる部分の周方向寸法が、剥離流を生じない部分の周方
    向寸法よりも短いことを特徴とする燃焼装置。
  5. 【請求項5】 請求項記載において、前記円錐部の周
    面には、その円錐部の軸線に対する先細り角度の異なる
    部分が形成されていることを特徴とする燃焼装置。
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