JP3213113U - ロータリーキルン用バーナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータリーキルン用バーナ装置において、火炎の制御性を向上するとともに、微粉炭又は低質固体粉末燃料を主燃料として使用した混焼運転において、混焼率を高めて燃料費を軽減又は低廉化する。【解決手段】旋回空気噴射口(4,6)は、旋回空気流を形成する空気流変向手段を有し、燃料供給口(2)は、燃料流(C)を直進流形態に噴射する。内流直進空気噴射口(3)及び内流旋回空気噴射口(4)には、第１空気圧送装置(32a)を介装した助燃空気供給系の流路(31a)が接続される。助燃料(OL)の燃焼反応に要する助燃空気(A)が内流側の空気噴射口(3,4)に供給される。外流直進空気噴射口(5)及び外流旋回空気噴射口(6)には、第２空気圧送装置(32b)を介装した主燃焼空気供給系の流路(31b)が接続される。比較的高速な一次空気流を形成する燃焼用空気(A)が外流側の空気噴射口(5,6)に供給される。【選択図】図７

Description

本考案は、ロータリーキルン用バーナ装置に関するものであり、より詳細には、主燃料供給口の外側環状帯域及び内側環状帯域に外流空気噴射口及び内流空気噴射口を夫々環状配列又は環状配置するとともに、内流空気噴射口の径方向内方に助燃料供給口を配置した構成を有するロータリーキルン用バーナ装置に関するものである。

一般に、ロータリーキルン用バーナ装置（以下、「バーナ装置」という。）は、微粉炭等の固体粉末燃料を噴射する環状配列又は環状配置の燃料噴射口と、常温（大気温度）の燃焼用空気を一次空気として噴射する空気噴射口とを備える。空気噴射口は、燃料噴射口の外側環状帯域及び内側環状帯域に環状配列又は環状配置される。この種のロータリーキルンにおいては、バーナ装置の外側（径方向外方）の環状炉内領域に二次空気が供給される。セメント焼成等の用途に使用される汎用的なロータリーキルンにおいては、二次空気は、ロータリーキルンの廃熱回収手段によって１０００℃以上に予熱された燃焼用空気であり、他方、セラミック原料の製造等の特定用途に使用されるロータリーキルンにおいては、二次空気は、２００℃程度に予熱された燃焼用空気である。予熱後の二次空気は、バーナ装置の軸線方向に沿ってバーナ装置廻りの環状領域又は環状流路から炉内領域に流入する。

このようなバーナ装置において、空気噴射口の一次空気流を変向して旋回空気流を形成する可動羽根等の可動部材を空気噴射口に配設した構成のものが知られている。この形式のバーナ装置は、可動部材の位置及び／又は方向性を制御することにより、旋回流の旋回特性又は旋回強度を可変制御し、高速の一次空気流によって火炎形状、火炎径及び火炎長等を制御するように構成されていた。

他の形式のバーナ装置として、旋回空気流を形成する固定式の空気流変向手段を備えた内流旋回空気噴射口を燃料噴射口の内側環状帯域に環状に配列又は配置した構成のものが知られている。この形式のバーナ装置においては、直進流形態の空気流を噴射する外流直進空気噴射口及び内流直進空気噴射口が、燃料噴射口の外側環状帯域及び内側環状帯域に環状に配列又は配置される。なお、このようなバーナ装置の構成が本書の図２に示されているが、その具体的構成については、後述する。

また、内流旋回空気噴射口、外流直進空気噴射口及び内流直進空気噴射口を備えたバーナ装置において、外流旋回空気噴射口を燃料噴射口の外側環状帯域に更に環状配列又は環状配置した構成のバーナ装置が、特許文献１（特開2003-279003号公報）に記載されている。外流旋回空気噴射口は、内流旋回空気噴射口と同じく、旋回空気流を形成する固定式の空気流変向手段を備える。なお、このような形式のバーナ装置の基本構成が本書の図３に示されているが、その具体的構成については、後述する。但し、特許文献１に記載されたバーナ装置では、燃料噴射口も又、微粉炭等の固体粉末燃料を旋回流形態に噴射するように構成されているので、その点において図３の構成と実質的に相違する。

特開2003-279003号公報

しかしながら、可動旋回羽根等の可動部材を高温雰囲気の空気噴射口に配設した従来のバーナ装置おいては、空気噴射口の構造が複雑化するばかりでなく、可動部材の維持・管理及び調整等が困難であることから、可動部材の作動の信頼性を所望の如く確保し難いという問題が過去に指摘されていた。

他方、固定式の空気流変向手段を有する従来のバーナ装置によれば、高温雰囲気における可動部材の作動等に起因した課題を解消し得る。しかしながら、固定式の空気流変向手段を備えたバーナ装置においては、全空気量（一次空気量及び二次空気量の合計流量）に対する一次空気量の割合（即ち、一次空気流量比）が１０％以上の値に設定され、一次空気供給系は、比較的多量の一次空気を空気噴射口に供給するように構成されていた。このため、一次空気供給系を構成する給気ブロワ又は給気ファンの動力又は負荷が増大するので、これを低減すべく、一次空気供給系の空気圧を比較的低圧（１０〜１５ｋＰａ程度の圧力）に設定せざるを得ず、この結果、空気噴射口おける一次空気流の流速は、１４０〜１６０m/s程度の流速に設定し得るにすぎなかった。

即ち、固定式の空気流変向手段を有する従来のバーナ装置では、一次空気流量比を１０％以上に増大して一次空気量を増大する一方、一次空気供給系の動力又は負荷を低減すべく一次空気流の流速を低下しており、このため、一次空気流の軸方向運動量は、約６kgm/s²未満の範囲であるにすぎず、この結果、火炎形状、火炎径及び火炎長等を所望の如く制御し難いという問題が生じていた。しかも、このように一次空気流量比を１０％以上に設定したバーナ装置では、低温の一次空気の流量が相対的に増大する結果、燃焼系全体の熱効率が低下するという問題が生じていた。なお、通常は、比較的低温の空気（大気温程度の空気）が一次空気として使用される。

これに対し、本考案者等は、環状配列又は環状配置された燃料供給口と、燃料供給口の外側環状帯域に環状配列又は環状配置され、直進流形態及び旋回流形態の一次空気流を夫々噴射する外流直進空気噴射口及び外流旋回空気噴射口と、燃料供給口の内側環状帯域に環状配列又は環状配置され、直進流形態及び旋回流形態の一次空気流を夫々噴射する内流直進空気噴射口及び内流旋回空気噴射口とを有するロータリーキルン用バーナ装置において、外流旋回空気噴射口及び内流旋回空気噴射口は、旋回空気流を形成する固定式の空気流変向手段を有し、燃料供給口は、燃料流を直進流形態に噴射するように構成され、空気噴射口に一次空気を供給する一次空気供給系は、空気噴射口から噴射する一次空気の流速を２００〜３００m/s範囲内に設定し且つ一次空気流の軸方向運動量を６．０〜８．０kgm/s²の範囲内に設定すべく、一次空気流量比を６％以上且つ１０％未満の範囲内に設定し且つ空気圧を２０〜５０ｋＰａの範囲内に設定した空気流を空気噴射口に供給するように構成されたロータリーキルン用バーナ装置を既に開発している。このバーナ装置は、本書の図５に記載された構成を有し、その詳細については、後述するが、一次空気は、一次空気供給系を構成する単一の空気圧送装置（給気ブロワ）によって、外流直進空気噴射口、外流旋回空気噴射口、内流直進空気噴射口及び内流旋回空気噴射口に供給され、この空気圧送装置の給気圧力下に炉内に噴射する。

このバーナ装置の実証試験においては、助燃料を要しない微粉炭専焼運転や、助燃料を要しない比較的良質の炭化水素系燃料を使用した燃焼運転の場合、火炎形状、火炎径及び火炎長等の制御性（即ち、火炎制御性）を向上し、これにより、炉内温度分布の可変制御性又は可変制御範囲を向上又は拡大するとともに、一次空気の空気量を低減し、燃焼系全体の熱効率を低下し得ることが確認された。

しかしながら、助燃料（重油等）を用いた微粉炭混焼運転や、助燃料を要する廃棄物由来の固体粉末燃料（廃プラスチック、肉骨粉、ＲＰＦ等）のような低質固体粉末燃料を主燃料として使用した混焼運転においては、一次空気噴流の高速化と関連した助燃料のターンダウン比の最低限界（助燃料供給量の最小値）、火炎の安定性、或いは、助燃料の燃焼安定性等を考慮すると、助燃料の使用量を所望の如く削減し得ないことが判明した。このため、微粉炭や低質固体粉末燃料の混焼運転においては、「微粉炭又は低質固体粉末燃料の量／助燃料を含む全燃料の量」として定義される混焼率の値を所望の如く増大することができず、燃料費を容易に軽減又は低廉化し難いという問題が生じた。

本考案は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、火炎の制御性を向上するとともに、微粉炭又は低質固体粉末燃料を主燃料として使用した混焼運転において混焼率を高めて燃料費を軽減又は低廉化することができるロータリーキルン用バーナ装置及びその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本考案は、環状配列又は環状配置された主燃料供給口と、該主燃料供給口の外側環状帯域に環状配列又は環状配置された外流空気噴射口と、前記主燃料供給口の内側環状帯域に環状配列又は環状配置された内流空気噴射口と、内流空気噴射口の径方向内方に配置された助燃料供給口とを有するロータリーキルン用バーナ装置において、
前記主燃料供給口は、燃料流を直進流形態に噴射するように構成され、
一次空気供給系は、助燃料の燃焼反応に要する一次空気を前記内流空気噴射口に供給する内流空気供給系と、前記外流空気噴射口に一次空気を供給して、高速の前記一次空気流を前記外流空気噴射口から噴流せしめる外流空気供給系とを有し、
前記内流空気供給系の一次空気流路には、第１空気圧送装置が介装され、前記外流空気供給系の一次空気流路には、第２空気圧送装置が介装されることを特徴とするロータリーキルン用バーナ装置を提供する。

本考案の上記構成によれば、第２空気圧送装置の条件設定により、外流空気噴射口が炉内に噴流する一次空気の空気圧を増大し、外流側の一次空気流の流速のみを高速化し且つその軸方向運動量を増大することができ、これにより、火炎径を縮小し且つ火炎長を増大した火炎、或いは、炉内領域の温度勾配又は温度差の影響を受け難い火炎を炉内に生成することができる。火炎形状、火炎長及び火炎径等は、外流空気噴射口が炉内に噴射する一次空気流の運動量を制御することにより、可変制御することができる。

また、本考案の上記構成によれば、第１空気圧送装置の条件設定により、内流空気噴射口から炉内に流出する一次空気流の空気圧を相対的に低下し、内流側の空気噴射口の給気流速を低減することができる。助燃料供給口の助燃料は、内流空気噴射口から炉内に流出する比較的低速の一次空気流と混合接触して燃焼反応するので、火炎の安定性や、燃焼安定性を確保しつつ、助燃料のターンダウン比の最低限界（助燃料供給量の最小値）を低下することができる。従って、本発明によれば、助燃料の供給量を相対的に低下して混焼率を増大し、燃料費を軽減し又は低廉化することが可能となる。

好ましくは、外流空気噴射口は、直進流形態の一次空気流を噴射する外流直進空気噴射口からなり、内流空気噴射口は、旋回流形態の一次空気流を噴射する内流旋回空気噴射口からなる。

本発明の好適な実施形態においては、ロータリーキルン用バーナ装置は、内流空気噴射口として、直進流形態の一次空気流を噴射する内流直進空気噴射口を更に有し、外流空気噴射口として、旋回流形態の一次空気流を噴射する外流旋回空気噴射口を更に有する。

好ましくは、上記旋回空気噴射口は、旋回空気流を形成する固定式の空気流変向手段を有し、空気流変向手段は、方向性及び位置を固定された固定式の空気流変向部材を備える。旋回空気流を形成する「固定式」の空気流変向手段は、位置及び方向性を固定した羽根又はガイドベーン等の空気流変向部材によって周方向又は旋回方向の運動成分を空気噴流に与えて旋回空気流を形成する定常的又は固定的な空気流路（斜行流路等）である。このような構成の空気流変向手段によれば、内流側及び外流側の旋回空気噴射口の構造が簡素化するとともに、その維持・管理及び調整等も容易であり、旋回空気噴射口の信頼性を確保することができる。なお、本明細書において、「直進流」は、概ねバーナ装置の軸線方向に噴射された噴流を意味し、「旋回流」は、バーナ装置の軸線を中心とした周方向又は接線方向の運動成分を噴射時に積極的に与えられた噴流を意味するものとする。

好適には、第１空気圧送装置は、内流空気噴射口における助燃空気の流速が３０〜１００m/sの範囲内に設定されるように吐出側圧力を設定した給気ブロワ又は給気ファンからなる。

好ましくは、第２空気圧送装置は、外流空気噴射口が噴射する一次空気流の流速を２００〜３００m/sの範囲内に設定し且つ一次空気流の軸方向運動量を６．０〜８．０kgm/s²の範囲内に設定し得る送風能力を有する。更に好ましくは、第２空気圧送装置は、全圧を２０〜５０ｋＰａの範囲内に設定した給気ブロアからなり、外流空気噴射口が噴射する一次空気の流速は、２２０m/s以上且つ２７０m/s以下に設定される。望ましくは、全空気量に対する内流空気供給系及び外流空気供給系の一次空気量（合計流量）の割合として定義される一次空気流量比は、６％以上且つ１０％未満の範囲内に設定され、第２空気圧送装置を構成する給気ブロワは、このような一次空気流量比に相応した流量の一次空気流を外流空気噴射口に供給する送風能力を有する。

このように流速及び軸方向運動量を増大した一次空気流を外流空気噴射口から噴射するバーナ装置によれば、火炎径が縮小し且つ火炎長が増大した火炎、或いは、炉内領域の温度勾配又は温度差の影響を受け難い火炎を比較的容易に炉内に生成することができ、しかも、火炎形状、火炎長及び火炎径等は、外流側の一次空気流の運動量を制御することにより、比較的容易に可変制御することができる。

本考案に係るロータリーキルン用バーナ装置によれば、火炎の制御性を向上するとともに、微粉炭又は低質固体粉末燃料を主燃料として使用した混焼運転において、混焼率を高めて燃料費を軽減又は低廉化することができる。

図１は、ロータリーキルンの全体構成を概略的に示す縦断面図である。 図２は、従来技術に係るロータリーキルン用バーナ装置の構成を示す正面図である。 図３は、本考案の好適な実施形態に係るロータリーキルン用バーナ装置の正面図である。 図４は、図３に示すロータリーキルン用バーナ装置の部分斜視図である。 図５は、図３及び図４に示すロータリーキルン用バーナ装置に適用可能な燃料供給系及び一次空気供給系の構成に関し、本考案の比較例を示す概略フロー図である。 図６は、図５に示す装置系に関し、一次空気流量比、給気ブロワの吐出側圧力（全圧）、一次空気の軸方向運動量および給気ブロワの動力の相関関係を示す線図である。 図７は、図３及び図４に示すロータリーキルン用バーナ装置に適用可能な燃料供給系及び一次空気供給系の構成に関し、本考案の好適な実施形態を示す概略フロー図である。

以下、添付図面を参照して、本考案の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、ロータリーキルンの全体構成を概略的に示す縦断面図である。

ロータリーキルンＫは、例えば、セメント焼成や、生石灰、軽量骨材、セラミック原料等の製造、或いは、廃プラスチック、都市廃棄物等の焼却などの用途に使用される加熱炉、焼成炉又は焼却炉である。ロータリーキルンＫの端部には、炉内領域に火炎を生成するバーナ装置Ｄが配設される。バーナ装置Ｄには、一次空気Ａが供給されるとともに、微粉炭等の固体粉末燃料Ｃが、搬送空気とともに供給される。ロータリーキルンＫは、断熱・耐火材料を内張りした円筒状の鉄皮Ｓを一定の速度で軸線廻りに回転させるとともに、バーナ装置Ｄの燃焼作動により、例えば、１４００℃の温度に炉内雰囲気を昇温させる。焼成すべきセメント原料等の原料Ｍは、バーナ装置Ｄとは反対の側に位置する原料装入口ＪからロータリーキルンＫの炉内領域αに装入され、炉内領域αにおいて焼成される。焼成クリンカ等の被焼成物Ｗは、バーナ装置Ｄ側の端部に移動して炉外に導出され、冷却装置Ｅを介して系外に排出される。バーナ装置Ｄの外周領域に二次空気Ｂとして供給すべき外界空気が、冷却装置Ｅに供給される。外界空気は、ロータリーキルンＫの炉内領域から排出された被焼成物Ｗ’と熱交換し、１０００℃以上に予熱された二次空気Ｂとして、バーナ装置Ｄの外側の環状領域βに供給される。

図２は、従来技術に係るロータリーキルン用バーナ装置１００（以下、「バーナ装置１００」という。）の構成を示す正面図である。バーナ装置１００は、上記バーナ装置ＤとしてロータリーキルンＫに配設される。図２には、ロータリーキルンＫの炉内領域αの側から見たバーナ装置１００の姿図が概略的に示されている。なお、図２に示すバーナ装置１００は、本出願人の過去製品に係るロータリーキルン用バーナ装置であり、これは、従来技術として本書の冒頭で説明した構成のものである。図２を参照して、従来のバーナ装置１００の構成について説明する。

バーナ装置１００は、重油噴霧式のオイルガン１１１、パイロットバーナ等の補助燃焼装置１１２等を中心領域に備えるとともに、搬送空気中に浮遊した微粉炭等の固体粉末燃料Ｃを搬送空気とともに直進流形態に噴射する環状の燃料噴射口１０２を備える。燃料噴射口１０２の径方向内方には、直進流形態の一次空気Ａを噴射する環状の内流直進空気噴射口１０３が配設され、内流直進空気噴射口１０３の径方向内方には、旋回流形態の一次空気Ａを噴射する環状の内流旋回空気噴射口１０４が配設される。内流旋回空気噴射口１０４は、旋回空気流を形成する固定式の空気流変向部材（図示せず）を備える。他方、燃料噴射口１０２の径方向外方には、直進流形態の一次空気Ａを噴射する環状の外流直進空気噴射口１０５が配設される。なお、バーナ装置１００のハウジング１０８は、耐火・断熱材料１０９によって被覆される。

バーナ装置１００は、ロータリーキルンＫの端部中心領域に配置され、高温の二次空気Ｂが供給される環状領域β（図１）が、バーナ装置１００の外周面とロータリーキルンＫの環状炉壁面との間に形成される。ロータリーキルンＫの定常運転状態では、燃料噴射口１０２は、固体粉末燃料Ｃを含む燃料供給流をバーナ装置１００の軸方向に噴射し、オイルガン１１１は、助燃料として重油を噴霧し、空気噴射口１０３、１０４、１０５は、一次空気Ａの空気流を噴射する。バーナ装置１００は、固体粉末燃料Ｃ及び助燃料（重油）を使用した混焼形態で燃焼作動し、一次空気Ａは、固体粉末燃料Ｃ及び助燃料（重油）と燃焼反応して炉内領域α（図１）に火炎を生成する。前述の混焼率は、［固体粉末燃料Ｃの供給量］／［固体粉末燃料Ｃの供給量＋オイルガン１１の重油噴霧量］として定義することができる。

図３及び図４は、本考案の好適な実施形態に係るロータリーキルン用バーナ装置の正面図及び斜視図である。

図３及び図４には、本考案の好適な実施形態に係るロータリーキルン用バーナ装置１（以下、「バーナ装置１」という。）の構成が示されている。バーナ装置１は、図２に示すバーナ装置１００と同様、重油噴霧式のオイルガン１１及び補助燃焼装置１２等を中心領域に備えるとともに、搬送空気中に浮遊した微粉炭等の固体粉末燃料Ｃを搬送空気とともに直進流形態に噴射する環状の燃料噴射口２を備える。オイルガン１１は、助燃料として重油を噴霧する。バーナ装置１も又、固体粉末燃料Ｃ及び助燃料（重油）を使用した混焼形態で燃焼作動し、混焼率は、［固体粉末燃料Ｃの供給量］／［固体粉末燃料Ｃの供給量＋オイルガン１１の重油噴霧量］として定義することができる。

燃料噴射口２の径方向内方には、直進流形態の一次空気Ａを噴射する多数の内流直進空気噴射口３が環状配列され、内流直進空気噴射口３の径方向内方には、旋回流形態の一次空気Ａを噴射する環状の内流旋回空気噴射口４が配設される。内流旋回空気噴射口４は、旋回空気流を形成する固定式の空気流変向部材（図示せず）を備える。

図２に示すバーナ装置１００と同様、燃料噴射口２の径方向外方には、直進流形態の一次空気Ａを噴射する多数の外流直進空気噴射口５が環状配列される。加えて、バーナ装置１においては、バーナ装置１００と異なり、旋回流形態の一次空気Ａを噴射する環状の外流旋回空気噴射口６が、燃料噴射口２と外流直進空気噴射口５との間に更に配設される。外流旋回空気噴射口６は、旋回空気流を形成する固定式の空気流変向部材（図示せず）を備える。なお、バーナ装置１のハウジング８は、断熱・耐火材料９によって被覆される。

図５は、バーナ装置１に関し、本考案者等が本考案の創作前に開発した燃料供給系２０及び一次空気供給系３０の構成を比較例として示す概略フロー図である。図５には又、ロータリーキルンＫの二次空気供給系５０の構成が概略的に示されている。なお、図５において、各空気流路に介装された流量計は、符号Ｆで示され、各空気流路に介装された圧力計は、符号Ｐで示されている。

バーナ装置１の燃料供給系２０（一点鎖線で示す）が、搬送空気に浮遊した固体粉末燃料Ｃをバーナ装置１に供給するための燃料供給源（図示せず）に接続される。搬送空気を含む固体粉末燃料Ｃの供給流が、燃料供給系２０の燃料供給流路を流通し、バーナ装置１の軸方向且つ直進流形態に燃料噴射口２から噴射する。燃料供給系２０の燃料供給流路には、燃料供給流Ｃの流量及び圧力（全圧）を検出するための流量計Ｆ及び圧力計Ｐが介装される。バーナ装置１の助燃料供給系６０（一点鎖線で示す）が、助燃料供給源（図示せず）に接続され、助燃料（重油）ＯＬをオイルガン１１に供給する。オイルガン１１は、バーナ装置１の中心部から助燃料ＯＬを噴霧する。助燃料供給系６０の助燃料供給流路には、助燃料供給流の流量及び圧力（全圧）を検出するための流量計Ｆ及び圧力計Ｐが介装される。

一次空気供給系３０は、外界雰囲気（大気温度）の空気の取入れ口に接続された給気流路３１と、給気流路３１に介装された給気ブロワ３２とから構成される。給気流路３１は、流路３３、３４、３５、３６に分岐し、流路３３、３４、３５、３６は夫々、各空気噴射口３、４、５、６に接続される。給気流路３１には、給気ブロワ３２の吐出側圧力（全圧）及び給気流量を検出する圧力計Ｐ及び流量計Ｆが介装される。各流路３３〜３６には、各流路３３〜３６の給気流量を検出する流量計Ｆと、各流路３３〜３６の圧力損失を可変制御又は可変設定するダンパ４３、４４、４５、４６とが介装される。空気噴射口３、４、５、６の給気流量は、各ダンパ４３〜４６の開度制御により、可変制御又は可変設定される。

二次空気供給系５０は、外界雰囲気（大気温度）の空気の取入れ口に接続された給気流路５１と、給気流路５１に介装された給気ファン５２とを有する。給気流路５１は、図１に示すロータリーキルンＫの冷却装置Ｅを介して二次空気供給路５４に接続される。ロータリーキルンＫの炉内領域で焼成された被焼成物Ｗが、冷却装置Ｅ内に導入されるとともに、給気ファン５２の吸引圧力下に二次空気Ｂとして取込まれた大気温度の空気が、冷却装置Ｅに導入される。二次空気Ｂは、冷却装置Ｅ内の被焼成物Ｗ’と熱交換して１０００℃以上の温度（例えば、１２００℃）に加熱され、被焼成物Ｗ’は冷却される。冷却後の被焼成物Ｗ’は、系外に排出される。加熱後の二次空気Ｂは、二次空気供給路５４を介して二次空気供給口５５に供給され、二次空気供給口５５から環状領域β（図１)に吐出する。

ロータリーキルンＫは、燃料供給系２０、一次空気供給系３０及び二次空気供給系５０の作動を制御する制御ユニットＣＵを備える。制御ユニットＣＵは、制御信号線（図示せず）を介して各系統の流量計Ｆ及び圧力計Ｐに接続され、各流量計Ｆ及び各圧力計Ｐの検出結果が、制御ユニットＣＵに入力される。制御ユニットＣＵは又、二点鎖線で示す制御信号線によって給気ブロワ３２及び給気ファン５２の駆動制御部に接続され、給気ブロワ３２及び給気ファン５２の作動を制御する。また、制御ユニットＣＵは、制御信号線（図示せず）を介してダンパ４３〜４６の駆動制御部に接続される。制御ユニットＣＵは、給気ブロワ３２及び給気ファン５２の作動を制御して給気ブロワ３２及び給気ファン５２の吐出側圧力（全圧）及び送風量を可変制御するとともに、各流路３３〜３６の圧力損失をダンパ４３〜４６によって可変制御して各空気噴射口３、４、５、６の給気流量を可変制御することができる。

前述のとおり、本例のバーナ装置１においては、空気噴射口３、５は、軸方向流を噴射し、空気噴射口４、６は、旋回流を噴射する。空気噴射口３〜６が噴射する空気流の軸方向運動量は、給気ブロワ３２の吐出側圧力（全圧）及び送風量と関連して変化する。給気ブロワ３２の吐出側圧力（全圧）及び送風量は、給気ブロワ３２の動力と関連して変化する。

図６は、一次空気流量比η、給気ブロワ３２の吐出側圧力（全圧）Ｐｔ、一次空気の軸方向運動量Ｐｍおよび給気ブロワ３２の動力Ｐｅの相関関係を示す線図である。

図６に破線矢印γで例示する如く、一次空気流量比ηを１０％に設定し、給気ブロワ３２の吐出側圧力（全圧）Ｐｔを１２ｋＰａに設定した場合、燃焼量1ＭＷ当りの一次空気の軸方向運動量Ｐｍは、約５．７kg・m/s²であり、給気ブロワ３２の動力Ｐｅは、約０．７ｋＷである。このような設定値は、図２に示す従来構成のバーナ装置１００において採用されていた設定値である。このような条件設定では、給気ブロワ３２の動力Ｐｅを低下させることができるが、一次空気流量比ηが比較的大きいことから、熱効率が低下し、しかも、一次空気Ａの軸方向運動量Ｐｍが比較的小さいので、火炎の制御性が低下する。

このような条件設定は、具体的には、下記のとおり求めることができる。
単位重量当りの微粉炭の発熱量q＝6500kcal／kg
単位重量当りの微粉炭の理論燃焼空気量a＝7.2m³ _N／kg
燃焼量換算率λ＝860,000kcal／MW
空気比α＝1.2
燃焼量１ＭＷ当りの実際空気量（全空気量）Ａ₀＝λ×a×α／q＝1143 m³ _N／h
一次空気流量比η＝0.1
燃焼量１ＭＷ当りの一次空気の実際空気量Ａ₁＝Ａ₀×η＝114 m³ _N／h
空気の密度ρ＝1.205 kg／m³ (20℃)
燃焼量１ＭＷ当りの一次空気の質量流量Ｇ₁＝Ａ₁×ρ＝0.04106kg／s
一次空気の空気圧(全圧)Pt＝12kPa
空気圧Ptより求めた空気流速V＝140m／s
燃焼量１ＭＷ当りの一次空気の軸方向運動量Pm＝G₁×V＝5.7kgm／s²

他方、図６に破線矢印μで例示する如く、一次空気流量比ηを８．５％に設定し、給気ブロワ３２の吐出側圧力（全圧）Ｐｔを５０ｋＰａに設定した場合、燃焼量１ＭＷ当りの一次空気Ａの軸方向運動量Ｐｍは、約１０kg・m/s²であり、給気ブロワ３２の動力Ｐｅは、２．２ｋＷである。このような条件設定では、一次空気流量比ηが比較的小さいので、熱効率が向上し、しかも、一次空気の軸方向運動量Ｐｍが比較的大きいので、火炎の制御性が向上する。しかし、給気ブロワ３２の動力Ｐｅが増大するので、ロータリーキルンＫ全体のエネルギー効率が比較的大きく低下する。

これに対し、一次空気流量比ηを７．０％に設定し、給気ブロワ３２の吐出側圧力（全圧）Ｐｔを４０ｋＰａに設定した場合、図６に破線矢印εで示す如く、燃焼量１ＭＷ当りの一次空気Ａの軸方向運動量Ｐｍは、７．５kg・m/s²であり、給気ブロワ３２の動力Ｐｅは、１．５ｋＷである。このような条件設定においては、一次空気流量比ηが比較的小さいことから、熱効率が向上し、しかも、一次空気Ａの軸方向運動量Ｐｍが比較的大きいことから、火炎の制御性が向上する。しかも、給気ブロワ３２の動力Ｐｅが比較的小さく、ロータリーキルンＫのエネルギー効率も大きく低下しない。

従って、バーナ装置１の設定においては、一次空気流量比η、給気ブロワ４３の吐出側圧力Ｐｔ、一次空気Ａの軸方向運動量Ｐｍおよび給気ブロワ３２の動力Ｐｅに関し、図６にハッチング（斜線）で示す適正領域が存在する。図６には、一次空気流量比ηが６％以上且つ１０％未満の範囲内であり、一次空気流の軸方向運動量Ｐｍが６．０〜８．０kgm/s²の範囲内であり、給気ブロワ４３の吐出側圧力Ｐｔが２０〜５０ｋＰａの範囲内である領域が、適正領域として示されている。空気噴射口３〜６のノズル開口面積にも依るが、この種のバーナ装置において一般に採用されるノズル開口面積においては、２０〜５０ｋＰａの範囲内の吐出側圧力Ｐｔは、空気噴射口３〜６の空気噴流の流速Ｖを２００〜３００m/sの範囲内に設定し得る空気圧である。

好ましくは、一次空気流量比ηは、８．０％以下に設定される。この領域は、図６にクロスハッチング（交差斜線）で示されている。更に好ましくは、空気噴射口３、４、５、６における一次空気Ａの流速Ｖは、２２０m/s〜２７０m/sの範囲内に設定され、一次空気Ａの軸方向運動量Ｐｍは、６．５kgm/s²以上（好適には、７．０kgm/s²以上）に設定される。

かくして、図５に示す比較例の一次空気供給系３０では、各空気噴射口３、４、５、６の空気圧は、単一の一次空気供給系を構成する給気ブロワ３２によって一元的に管理され又は制御され、一次空気流量比η、給気ブロワ３２の吐出側圧力Ｐｔ、一次空気Ａの軸方向運動量Ｐｍおよび給気ブロワ３２の動力Ｐｅは、図６に示す適正領域の値に設定され、一次空気Ａの流速Ｖは、２００〜３００m/sの範囲内（好ましくは、２２０ｍ／ｓ〜２７０m/sの範囲内）に設定される。

このような一次空気供給系を有するバーナ装置１によれば、一次空気流量比ηを低減して燃焼系全体の熱効率が改善することができ、しかも、火炎長が長く、火炎径が縮小した火炎をキルン内に生成することができる。また、直進流及び旋回流の各運動量をダンパ４３〜４６によって制御することにより、火炎長及び火炎径を所望の如く可変制御することが可能となる。

しかしながら、このようなバーナ装置１においては、比較的多量の助燃料ＯＬ（本例ではオイルガン１１が噴霧する重油）を要する微粉炭混焼運転や、比較的多量の助燃料ＯＬを要する廃棄物由来の固体粉末燃料（廃プラスチック、肉骨粉、ＲＰＦ等）のような低質固体粉末燃料を主燃料として使用した混焼運転の場合、助燃料ＯＬのターンダウン比の限界値（助燃料ＯＬの必要最小供給量）や助燃料ＯＬの燃焼安定性等を考慮すると、助燃料ＯＬの供給量を所望の如く削減し難いことが判明した。即ち、燃料費は、混焼率を増大して微粉炭や低質固体粉末燃料の使用量を相対的に増大することにより、軽減又は低廉化し得るが、一次空気Ａの軸方向運動量Ｐｍ及び流速Ｖを増大すると、助燃料ＯＬの吹き消え等の現象が発生し易くなり、火炎の安定性や燃焼安定性等が損なわれるので、混焼率を容易に増大し難く、従って、燃料費を所望の如く低廉化し得ないという課題が生じた。

図７は、本考案の好適な実施形態に係るバーナ装置１に関し、燃料供給系２０及び一次空気供給系３０の構成を示す概略フロー図である。図７に示す一次空気供給系３０は、給気流路３１を第１流路３１ａ及び第２流路３１ｂに分岐し、各流路３１ａ、３１ｂに給気ブロワ３２ａ、３２ｂを夫々設けた二系統の給気系構成を有する点において、図５に示す一次空気供給系３０と相違する。以下、図７に示す一次空気供給系３０の構成について説明する。なお、図７において、一次空気供給系３０以外の構成は、図５に示すものと実質的に同一又は同等であるので、その説明を省略する。

一次空気供給系３０は、外界雰囲気（大気温度）の空気の取入れ口に接続された給気流路３１を備える。給気流路３１は、第１流路３１ａ及び第２流路３１ｂに分岐する。第１流路３１ａは、流路３３、３４に分岐し、第２流路３１ｂは、流路３５、３６に分岐する。流路３３、３４、３５、３６は夫々、空気噴射口３、４、５、６に接続される。

第１流路３１ａ及び第２流路３１ｂには、第１給気ブロワ３２ａ及び第２給気ブロワ３２ｂが夫々介装される。第１流路３１ａ及び第２流路３１ｂには、第１及び第２給気ブロワ３２ａ、３２ｂの吐出側圧力（全圧）及び給気流量を夫々検出する圧力計Ｐ及び流量計Ｆが介装される。各流路３３〜３６には、各流路３３〜３６の給気流量を検出する流量計Ｆと、各流路３３〜３６の圧力損失を可変制御又は可変設定するダンパ４３、４４、４５、４６とが介装される。空気噴射口３、４、５、６の給気流量は、各ダンパ４３〜４６の開度制御により、可変制御又は可変設定される。

第１流路３１ａ、流路３３、３４及び空気噴射口３、４は、燃料噴射口２の径方向内方において一次空気Ａを炉内に噴射するための空気供給系を構成する。この系統は、オイルガン１１が噴霧する助燃料ＯＬの燃焼反応に直接的に関与する一次空気Ａの部分を噴射する空気供給系（以下、「内流空気供給系」という。）である。第１給気ブロワ３２ａは、前述の第１空気圧送装置を構成する。他方、第２給気ブロワ３２ｂ、第２流路３１ｂ、流路３５、３６及び空気噴射口５、６は、燃料噴射口２の径方向外方において一次空気Ａを炉内に噴射するための空気供給系を構成する。この系統は、固体粉末燃料Ｃの燃焼反応に直接的に関与する一次空気Ａの部分を噴射する空気供給系（以下、「外流空気供給系」という。）である。第２給気ブロワ３２ｂは、前述の第２空気圧送装置を構成する。

外流空気供給系の設計条件は、前述した条件、即ち、一次空気流の軸方向運動量Ｐｍが６．０〜８．０kgm/s²の範囲内であり、給気ブロワ３２ｂの吐出側圧力Ｐｔが２０〜５０ｋＰａの範囲内であり、空気噴射口３〜６の空気噴流の流速Ｖが２００〜３００m/sの範囲内であるという条件に設定される。また、一次空気流量比ηは、６％以上且つ１０％未満の範囲内に設定され、給気ブロワ３２ｂは、このような一次空気流量比ηに相応した一次空気流を外流直進空気噴射口及び外流旋回空気噴射口に供給する送風能力又は吐出圧力を有する。なお、一次空気流量比ηは、二次空気量に対する内流空気供給系及び外流空気供給系の一次空気量（合計空気量）の割合であり、給気ブロワ３２ｂの給気流量は、一次空気量から給気ブロワ３２ａの給気流量を減じた流量である。

他方、内流空気供給系の設計条件は、空気噴射口おける一次空気流の流速が３０〜１００m/s程度の流速であり、給気ブロワ３２ａの吐出側圧力Ｐｔが８〜１５ｋＰａの範囲内、例えば１０ｋＰａ程度であるという条件に設定される。オイルガン１１が噴霧する助燃料ＯＬは、比較的低速な一次空気噴流と混合接触して燃焼反応するので、助燃料ＯＬのターンダウン比の限界値（助燃料ＯＬの必要最小供給量）を低下することができ、従って、固体粉末燃料Ｃの供給量を相対的に増量して混焼率を増大し、燃料費を低廉化することができる。なお、第１空気圧送装置として、給気ブロワ３２ａに換えて、ターボファン等の給気ファンを使用することも可能である。

以上、本考案の好適な実施例について詳細に説明したが、本考案は上記実施例に限定されるものではなく、実用新案登録請求の範囲に記載された本考案の範囲内で種々の変形又は変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、空気噴射口及び燃料噴射口の具体的配置、構造及び寸法等は、本考案の技術に従って適宜設計変更することができる。

また、上記実施形態では、主燃料として微粉炭を使用した混焼運転について説明したが、廃棄物由来の固体粉末燃料（廃プラスチック、肉骨粉、ＲＰＦ等）等の低質固体粉末燃料を主燃料として使用した混焼運転において本考案を適用しても良い。更に、助燃料の種類は、重油等の液体燃料に限定されるものではなく、ガス燃料等の気体燃料などを助燃料として使用しても良い。バーナ装置の具体的構成は、燃料の特性等に相応して適宜設計変更される。

本考案は、主燃料供給口の外側環状帯域及び内側環状帯域に外流空気噴射口及び内流空気噴射口を夫々環状配列又は環状配置するとともに、内流空気噴射口の径方向内方に助燃料供給口を配置した構成を有するロータリーキルン用バーナ装置に適用される。本考案のロータリーキルン用バーナ装置によれば、火炎の制御性を向上するとともに、微粉炭又は低質固体粉末燃料を主燃料として使用した混焼運転において、混焼率を高めて燃料費を軽減又は低廉化し得るので、その実用的効果は、顕著である。

１ ロータリーキルン用バーナ装置
２ 燃料供給口
３ 内流直進空気噴射口
４ 内流旋回空気噴射口
５ 外流直進空気噴射口
６ 外流旋回空気噴射口
１１ オイルガン
２０ 燃料供給系
３０ 一次空気供給系
３１ 給気流路
３１ａ 第１流路
３１ｂ 第２流路
３２ａ 第１給気ブロワ
３２ｂ 第２給気ブロワ
３３、３４、３５、３６ 流路
５０ 二次空気供給系
６０ 助燃空気供給系
Ａ 一次空気
Ｂ 二次空気
Ｃ 固体粉末燃料
ＯＬ 助燃料
Ｋ ロータリーキルン

Claims (9)

1. 環状配列又は環状配置された主燃料供給口と、該主燃料供給口の外側環状帯域に環状配列又は環状配置された外流空気噴射口と、前記主燃料供給口の内側環状帯域に環状配列又は環状配置された内流空気噴射口と、内流空気噴射口の径方向内方に配置された助燃料供給口とを有するロータリーキルン用バーナ装置において、
   前記主燃料供給口は、燃料流を直進流形態に噴射するように構成され、
   一次空気供給系は、助燃料の燃焼反応に要する一次空気を前記内流空気噴射口に供給する内流空気供給系と、前記外流空気噴射口に一次空気を供給して、高速の前記一次空気流を前記外流空気噴射口から噴流せしめる外流空気供給系とを有し、
   前記内流空気供給系の一次空気流路には、第１空気圧送装置が介装され、前記外流空気供給系の一次空気流路には、第２空気圧送装置が介装されることを特徴とするロータリーキルン用バーナ装置。
2. 前記外流空気噴射口は、直進流形態の一次空気流を噴射する外流直進空気噴射口からなり、前記内流空気噴射口は、旋回流形態の一次空気流を噴射する内流旋回空気噴射口からなることを特徴とする請求項１に記載のロータリーキルン用バーナ装置。
3. 前記内流空気噴射口として、直進流形態の一次空気流を噴射する内流直進空気噴射口を更に有することを特徴とする請求項２に記載のロータリーキルン用バーナ装置。
4. 前記外流空気噴射口として、旋回流形態の一次空気流を噴射する外流旋回空気噴射口を更に有することを特徴とする請求項２又は３に記載のロータリーキルン用バーナ装置。
5. 前記旋回空気噴射口は、旋回空気流を形成する固定式の空気流変向手段を有し、該空気流変向手段は、方向性及び位置を固定された固定式の空気流変向部材を備えることを特徴とする請求項２又は４に記載のロータリーキルン用バーナ装置。
6. 前記第１空気圧送装置は、内流空気噴射口における助燃空気の流速が３０〜１００m/sの範囲内の速度に設定されるように吐出側圧力を設定した給気ブロワ又は給気ファンからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のロータリーキルン用バーナ装置。
7. 前記第２空気圧送装置は、前記外流空気噴射口が噴射する前記一次空気流の流速を２００〜３００m/sの範囲内の速度に設定し且つ該一次空気流の軸方向運動量を６．０〜８．０kgm/s²の範囲内の運動量に設定し得る送風能力を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のロータリーキルン用バーナ装置。
8. 前記第２空気圧送装置は、全圧を２０〜５０ｋＰａの範囲内の圧力に設定した給気ブロアからなり、前記外流空気噴射口は、前記一次空気の流速を２２０m/s以上且つ２７０m/s以下の範囲内の速度に設定した空気噴射口であることを特徴とする請求項７に記載のロータリーキルン用バーナ装置。
9. 前記第２空気圧送装置は、二次空気量を含む全空気量に対する前記内流空気供給系及び外流空気供給系の一次空気量の割合として定義される一次空気流量比が６％以上且つ１０％未満の範囲内に設定されるように送風量を設定した給気ブロワであることを特徴とする請求項７又は８に記載のロータリーキルン用バーナ装置。

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