JP3253343B2 - 微粉炭焚バーナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バーナ部の焼損および
スラグ付着を防ぎ、高燃料比炭の使用や低負荷運用をす
るのに好適な微粉炭焚バーナに関する。

【０００２】

【従来の技術】昨今、石油資源の枯渇のために、火力発
電用燃料として主に石炭が用いられるようになつた。石
炭中には天然ガスや石油に比べて多量に含まれている窒
素化合物（Ｆｕｅｌ Ｎ）が燃焼時にＮＯ（Ｆｕｅｌ
ＮＯ）に転換されるため、一般に石炭焚ボイラからの燃
焼排ガス中には高濃度の窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれ
る。ＮＯｘは酸性雨や光化学オキシダントの原因物質と
され、ＮＯｘの生成は大気汚染問題として切実である。

【０００３】公害防止対策としての低ＮＯｘ化方法は、
大別して燃焼の改善によるＮＯｘ生成抑制と外部脱硝装
置の追設によるＮＯｘ除去の２種類が挙げられ、国内の
石炭火力発電ボイラにはその両者が適用されている。燃
焼の改善によつてＮＯｘを低減させれば、当然のことな
がら外部に追設する脱硝装置に掛かるコストを下げるこ
とができるので、このような目的に沿う燃焼法の開発が
望まれる。

【０００４】具体的には、火炉全体でＮＯｘの低減を図
る方法（２段燃焼法など）と、バーナ部でＮＯｘの低減
を図る方法があるが、前者は燃料過剰燃焼領域と残存可
燃成分燃焼領域を組み合わせた方法であるために両者の
混合時間分だけ火炉を大きくしなければならないため、
ボイラが大型化しコストが増大するという欠点があつ
た。

【０００５】そこで最近開発されたバーナとしては、燃
焼用空気を１次、２次、３次と複数に分割し、火炎中心
部にＮＯｘの還元雰囲気を形成し易いように、完全燃焼
用の３次空気と火炎中心部の燃料過剰火炎との混合を遅
らせるバーナ（特開昭６０−２２６６０９号公報等）が
ある。

【０００６】さらに燃料過剰燃焼法を実現するには、３
次空気が混合する前に、可能な限り少ない空気で微粉炭
を着火させる必要があり、この目的にあつたものとして
は微粉炭ノズル内の分散性を粒子分散調整器等で変化さ
せるバーナ（特開昭６３−８７５０８号公報等）があ
る。

【０００７】これらのバーナはＮＯｘの低減効果は大き
いが、さらに性能の高い低ＮＯｘ化と火炉の小型化を達
成するために火炎を短くし、着火性を向上することを目
的として開発された。

【０００８】このバーナを図５に示す。図５に示すバー
ナは微粉炭とこれを搬送するための１次空気を噴出する
１次空気流路９、その外周に設置され２次空気を噴出す
るための円管状の２次空気流路１０および２次空気流路
１０の外周上に設置される円管状の３次空気流路１１に
よつて構成される。またこのバーナは液体燃料ノズル２
と１次空気流路９の間に、円管状で１次空気流路９の内
周壁の径を大きくするための粒子分散調節器６を設置し
ていることを特徴とし、この上流にはベンチユリー部５
がある。粒子分散調節器６は火炉側の急拡大部で微粉炭
および搬送用空気噴流を半径方向に広げ、慣性力により
微粉炭粒子を１次空気流路９の外周壁にとどめることに
より微粉炭濃度に濃淡をつけバーナ近傍に高温還元域を
形成させる。次に保炎器８は前記粒子分散調節器６によ
つて形成された粒子濃度の高い噴流を衝突させ、流速を
低下させると同時に混合器の噴出方向と直角方向の流速
を発生させ、保炎器８の火炉側に形成される循環流に微
粉炭粒子を供給する。このようにこのバーナでは短炎化
とＮＯｘの低減をそれなりに図つている。

【０００９】なお、１は微粉炭と１次空気の混合噴流、
４は火炉内壁、７は２次ベーン、１３は３次レジスタ、
１５は空気分離器、１６は冷却隙である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は短炎化
によるバーナ近傍の高温還元域形成のため、空気分離
器、スロート部などの冷却、スラグ付着が問題となる。

【００１１】

【００１２】また、従来法では主に低ＮＯｘ化について
考慮されており、負荷変化運転（特に低負荷運転）や揮
発分が少ないために燃焼しにくい高燃料比炭の燃焼につ
いては考慮されていない。

【００１３】また、原子力発電における負荷変動の困難
さに伴つて、火力発電での負荷変動対応が要求され、ガ
ス焚ボイラのみならず石炭専焼の火力発電ボイラにおい
ても低負荷運転の必要性が高まつているが、負荷を低く
するために給炭量を減少させても搬送用空気量は給炭量
に見合うだけ減少させることができず、微粉炭および搬
送用空気中の微粉炭濃度（Ｃ／Ａ）が低くなるために、
着火安定性が悪くなる。

【００１４】本発明の目的は空気分離器の冷却効果を高
め、スラグ付着を防止し、かつ負荷変化範囲および使用
燃料炭種を広げることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、微粉炭とこ
の微粉炭を搬送するための１次空気とが流れる第１のノ
ズルと、該第１のノズルの外部に燃焼用空気が流れる少
なくとも第２のノズルを備えた微粉炭焚バーナにおい
て、 前記第１のノズルの内側に設けられて前記微粉炭の
慣性力を利用して微粉炭と前記１次空気の一部を分離す
る例えばベンチュリー部などの分離手段と、 その分離手
段の下流側に入口が設けられて例えば空気分離器やスロ
ート部などのバーナ部の高温域に延びたバイパス流路と
を設置し、 前記第１のノズルにより供給された微粉炭と
１次空気の噴流が前記分離手段を通過することにより、
微粉炭の慣性力で微粉炭と１次空気の一部が分離され、
その分離手段を通過した後の前記１次空気の一部を抜き
取って前記バイパス流路を経てバーナ部の高温域に供給
するとともに、 そのバイパス流路側に１次空気の一部を
逃がすことにより微粉炭濃度を濃くして火炉へ噴出する
ように構成されることによつて達成される。微粉炭搬送
用の１次空気は温度が低いので（約８０℃）、冷却効率
もよい。

【００１６】また、１次空気の一部を他に逃すことによ
り微粉炭濃度を濃くすることができるので、火炎が吹き
飛ぶことなく安定した低負荷運転が可能となる。燃料の
濃縮効果のために、同時に従来技術に比べて燃料比（＝
固定炭素／揮発分）の高い石炭を使用することができる
ようになる。

【００１７】また上記目的は、微粉炭搬送用空気である
１次空気の一部を空気分離器内に導入することによつて
達成される。空気分離器内は１次空気流路に比べて差圧
が低いために、１次空気は空気分離器側へ抜け易くな
る。また１次空気は微粉炭搬送用であるために、燃焼用
の２次空気（約３５０℃）に比べて温度が低く（約８０
℃）、冷却効果を上げることができる。

【００１８】同時に、１次空気の一部を他に逃すことに
より燃料（微粉炭）の濃縮を図ることができるので、従
来よりも低負荷運転が可能となる。一方、定格運転を行
う際にも、燃料の濃縮効果のために従来技術に比べてよ
り燃料比の高い石炭を使用することができるようにな
る。

【００１９】また、必要があれば空気分離器に流入した
１次空気を３次空気流路に逃がすことによつてより幅広
い負荷変化に対応できる。

【００２０】

【作用】燃料である微粉炭は粉砕機で粉砕され、微粉炭
搬送用１次空気との混合噴流としてバーナ部に供給され
て燃焼する。その際、微粉炭と１次空気の一部を慣性力
や差圧等の作用によつて分離し、１次空気の一部を他所
へ流出させることにより、該空気を焼損の激しい部分の
冷却用、およびスラグが付着しやすい部分のスラグ付着
防止用として用いることができる。

【００２１】また、搬送用１次空気の一部が流出するこ
とで、微粉炭濃度Ｃ／Ａ（石炭量／搬送用空気量）はバ
ーナ出口で高くなる。Ｃ／Ａ値はバーナの燃焼安定性に
関係しており、Ｃ／Ａの値がそのバーナの最低負荷を決
定する因子となる。Ｃ／Ａの最低値はバーナによつて決
まつており、その値よりも低くなると搬送用空気の過剰
によつて火炎は吹き飛ぶ。負荷を下げるために微粉炭量
を減少させると、最低Ｃ／Ａ値を保つために搬送用空気
量もまた減少させなければならないが、あまり少ないと
搬送能力を失い給炭できなくなる。ここで搬送用１次空
気の一部が流出すればＣ／Ａ値は高くなり、微粉炭量を
さらに減少させることができるので、本来のバーナ機能
を生かしたまま低負荷運転が可能になる。

【００２２】さらに、燃料比（＝固定炭素／揮発分）の
高い石炭を使用する場合、石炭中の揮発分が少ないため
に燃焼し難く、着火安定性などの問題により油等の助燃
剤が必要であつたが、本発明によれば着火ゾーンにおけ
る微粉炭濃度を高くすることができるので、助燃剤を使
用せずにより高い燃料比の石炭を使用することができ
る。

【００２３】微粉炭および１次空気の噴流１はベンチユ
リー部５で混合されて、１次空気流路９へと流れる。こ
の時、微粉炭は慣性力によつて粒子分散調節器６の外周
に沿つて火炉３へ噴出するが、搬送用１次空気の一部は
微粉炭濃縮弁１４から差圧の小さい空気分離器１５の方
へ送られる。空気分離器１５の火炉側先端には冷却用空
気の噴出する冷却隙１６があり、この冷却隙１６から低
温の１次空気を噴出させて空気分離器火炉側のスラツギ
ングを防ぐと共に空気分離器１５を冷却し、燃焼時の高
温雰囲気から空気分離器１５を保護する。

【００２４】搬送用１次空気の一部が空気分離器１５に
流出することで、燃料（微粉炭）が濃縮されることによ
り、低負荷運転時にもＣ／Ａを低下させることなく運用
することができる。同様に高負荷運転時には、より高い
燃料比の石炭を用いることができる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００２６】図１および図２に本発明の第１、第２の実
施例に係わる微粉炭焚バーナの断面図の一例を示す。

【００２７】構成は微粉炭焚バーナの１次空気噴出ノズ
ルに微粉炭濃縮弁１４と１次空気バイパス流路２０を設
けてあり、バーナ部の冷却およびスラグ付着防止を必要
とする個所（ここでは一例として、ガイドスリーブ２１
およびスロート部２２を図示した）に１次空気の一部を
送り込み、そこでの冷却を図る。

【００２８】図１に示した本発明の実施例において、粉
砕機から供給される微粉炭および１次空気の噴流１はベ
ンチユリー部５で混合されて、１次空気流路９に沿つて
火炉３へ噴出する。この時、搬送用１次空気の一部は微
粉炭濃縮弁１４から１次空気バイパス流路を通つて、差
圧の小さい２次空気流路１０の方へ送られるが、微粉炭
は慣性力によつてバイパス流路２０内に流れることな
く、火炉３へ噴出する。２次空気流路側へ導入した１次
空気の一部は、焼損およびスラグ付着のし易いガイドス
リーブ２１へ噴出し、冷却すると共にスラグ付着を防止
する。燃料過剰で送られてきた燃料空気混合流は、２次
空気および３次空気を燃焼用空気として火炉３にて燃焼
する。

【００２９】１次空気バイパス流路２０も、２次空気側
のみではなく３次空気側に設けることも可能である。焼
損あるいはスラグ付着の可能性はガイドスリーブ２１だ
けには限定されない。例えば図２のように、スロート部
２２などの部分へ１次空気を流出させて、焼損およびス
ラグ付着を防止することができる。

【００３０】図３に本発明の第３の実施例に係わる微粉
炭バーナの濃縮部の断面図を示す。この実施例では、１
次空気バイパス流路２０がベンチュリー部５と空気分離
器１５の間に設けられている。

【００３１】図３に示した実施例において、粉砕機から
供給される微粉炭および１次空気の噴流１は、ベンチユ
リー部５で混合されて粒子分散調節器６の外壁に沿つて
流れ、火炉３へ噴出する。この時、搬送用１次空気の一
部は、微粉炭濃縮弁１４から差圧の小さい空気分離器１
５の方へ送られるが、微粉炭は慣性力によつて空気分離
器１５内に流れることなく、粒子分散調節器６の外周に
沿つて火炉３へ噴出する。空気分離器１５内には３次空
気流路１１へつながる可動ダンパ１９を設けておき、空
気分離器１５内の空気量の調節をする。また、空気分離
器１５の火炉側先端には冷却用空気の噴出する冷却隙１
６があり、この隙間から１次空気が噴出して空気分離器
火炉側のスラツギングを防ぐとともに冷却し、燃焼時の
高温雰囲気から空気分離器１５を保護する。

【００３２】１次空気から空気分離器１５に導入する空
気量は総空気量の５％〜２０％とし、７．５％〜１５％
の範囲が望ましい。この範囲が最大値でありこの範囲よ
りも少なければ図４に示すフイルムクーリングエア１８
の量が減少し、スラツギング除去の効果がない。このフ
イルムクーリングエア量は可動ダンパ１９の開閉によつ
て調節する。

【００３３】微粉炭は空気分離器１５に流れなかつた残
りの搬送用１次空気と共に火炉へと噴出するが、搬送用
空気はベンチュリー部通過時の流量よりも減り、微粉炭
はベンチュリー部通過時よりも濃縮された状態で噴出す
る。例えば空気分離器１５に流す空気量を１次空気の５
０％にしたとすれば、同じ燃料（微粉炭）を供給するに
も１次空気は現状の半分になるため、Ｃ／Ａは２倍とな
る。Ｃ／Ａはバーナの燃焼安定性に関係しており、Ｃ／
Ａの値がそのバーナの最低負荷を決定する因子となる。
最低Ｃ／Ａはバーナによつて決まつているので、搬送用
空気量を減らせば同一燃料量でのＣ／Ａが高くできるの
で、最低負荷を低減することができる。従つて搬送用空
気量を空気分離器１５によつて５０％にした場合、Ｃ／
Ａを２倍にできることから最低負荷を５０％に低減でき
る。

【００３４】また高燃料比炭を用いる場合、火炎を安定
して燃焼させるためには、より高いＣ／Ａが要求され
る。前述と同様に搬送用空気量を低減すればＣ／Ａを上
げることになり、より高燃料比炭の燃焼が可能となる。

【００３５】本発明の第４の実施例を図４に示す。本実
施例は図３に示した微粉炭濃縮弁をベンチユリー部より
も上流に設け、直接１次空気を空気分離器１５内に送風
する構造になつている。この実施例の効果は空気分離器
冷却用空気の流路を予め確保することにより、バーナ構
造が簡単になるということが挙げられる。この例では微
粉炭濃縮弁をベンチユリー部よりも上流側に設けてある
が、この部分では微粉炭＋１次空気の混合がよくなされ
ていない状態であるから、慣性力のために空気分離器１
５内には殆ど微粉炭は入つて来ず、前述の本発明になる
バーナと同様の効果が得られる。

【００３６】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、バーナの
特徴を損なうことなく１次空気を流出させることによつ
てバーナ部で焼損の激しい個所を効率よく冷却し、高温
から保護すると共に、スラグ付着を防止する効果があ
る。また、１次空気の一部を流出させることにより燃料
（微粉炭）を濃縮できるので、Ｃ／Ａの低下を防ぎ低負
荷運転を可能にする。さらに、高燃料比炭の使用を可能
にする効果がある。

【００３７】請求項２および３記載の発明によれば、１
次空気を空気分離器内に逃がすことができるので、効率
よく空気分離器を冷却し、高温から保護する効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る微粉炭焚バーナの
濃縮部の断面図である。

【図２】本発明の第２の実施例に係る微粉炭焚バーナの
濃縮部の断面図である。

【図３】本発明の第３の実施例に係る微粉炭焚バーナの
濃縮部の断面図である。

【図４】空気分離器の冷却隙部分の拡大断面図である。

【図５】従来のバーナの断面図である。

【符号の説明】

１ 混合噴流 ２ 液体燃料ノズル ３ 火炉 ４ 火炉内壁 ５ ベンチユリー ９ １次空気流路 １０ ２次空気流路 １１ ３次空気流路 １２ ２次レジスタ １３ ３次レジスタ １４ 微粉炭濃縮弁 １５ 空気分離器 １６ 冷却隙 １９ 可動ダンパ ２０ １次空気バイパス流路 ２１ ガイドスリーブ ２２ スロート部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 野村 伸一郎 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 森田 茂樹 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 特開 昭61−72906（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−271007（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23D 1/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微粉炭とこの微粉炭を搬送するための１
   次空気とが流れる第１のノズルと、該第１のノズルの外
   部に燃焼用空気が流れる少なくとも第２のノズルを備え
   た微粉炭焚バーナにおいて、前記第１のノズルの内側に設けられて前記微粉炭の慣性
   力を利用して微粉炭と前記１次空気の一部を分離する分
   離手段と、 その分離手段の下流側に入口が設けられてバーナ部の高
   温域に延びたバイパス流路とを設置し、 前記第１のノズルにより供給された微粉炭と１次空気の
   噴流が前記分離手段を通過することにより、微粉炭の慣
   性力で微粉炭と１次空気の一部が分離され、 その分離手段を通過した後の前記１次空気の一部を抜き
   取って前記バイパス流路を経てバーナ部の高温域に供給
   するとともに、 そのバイパス流路側に１次空気の一部を逃がすことによ
   り微粉炭濃度を濃くして火炉へ噴出するように構成され
   ている ことを特徴とする微粉炭焚バーナ。
2. 【請求項２】 微粉炭とこの微粉炭を搬送するための１
   次空気とが流れる第１のノズルと、燃焼用２次空気を送
   る第２のノズルと、燃焼用３次空気を送る第３のノズル
   と、２次空気と３次空気を分ける空気分離器とを備えた
   微粉炭焚バーナにおいて、前記第１のノズルの内側に設けられて前記微粉炭の慣性
   力を利用して微粉炭と前記１次空気の一部を分離する分
   離手段と、 その分離手段の下流側に入口が設けられて前記空気分離
   器に連通したバイパス流路とを設置し、 前記第１のノズルにより供給された微粉炭と１次空気の
   噴流が前記分離手段を通過することにより、微粉炭の慣
   性力で微粉炭と１次空気の一部が分離され、 その分離手段を通過した後の前記１次空気の一部を抜き
   取って前記バイパス流路を経て前記空気分離器内に供給
   するとともに、 そのバイパス流路側に１次空気の一部を逃がすことによ
   り微粉炭濃度を濃くして火炉へ噴出するように構成され
   ている ことを特徴とする微粉炭焚バーナ。
3. 【請求項３】 請求項２記載において、前記空気分離器
   から３次空気流路へ、余剰の１次空気を流す流路を設け
   たことを特徴とする微粉炭焚バーナ。