JP3518626B2

JP3518626B2 - 微粉炭燃焼装置

Info

Publication number: JP3518626B2
Application number: JP29304094A
Authority: JP
Inventors: 彰馬場; 伸一郎野村; 邦夫沖浦; 紀之大谷津; 茂樹森田; 啓信小林
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1994-11-28
Filing date: 1994-11-28
Publication date: 2004-04-12
Anticipated expiration: 2019-04-12
Also published as: JPH08152105A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微粉炭焚炉に用いられる
微粉炭燃焼装置に係り、特に難燃性燃料を用いたものや
負荷変化の著しいバーナを低ＮＯｘでかつ安定に燃焼す
るに好適な燃焼システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、油燃料の価格の不安定性から、微
粉炭焚きボイラの需要が急速に増加している。微粉炭焚
きボイラにおいて使用される補助燃料は着火性のよい軽
油、重油が主流であり、これらの油燃料も、主燃料に油
を使用した場合と比較するとその使用比率は低いもの
の、例えば発電用ボイラにおいては、近年石炭焚きボイ
ラも、他の油やガス焚きボイラと同様に中間負荷運用が
多発しており、点火起動の頻度も以前と比較すると高
く、その燃料費用の主燃料に対する比率も増加してい
る。

【０００３】従来、ボイラ等に用いられている微粉炭燃
焼システムは、分級機が内蔵されている微粉砕機（以下
ミルと称する）を用いて粉砕、分級された石炭を微粉炭
バーナに直接供給する燃焼システムが実用化されてい
る。このシステムでは、ミルに供給される原炭の乾燥ミ
ル内部における分級およびバーナへの微粉炭の搬送用と
して加熱空気を導入する。従って、原炭の水分、粉砕性
や燃焼性に応じてＰＡＦ（押し込み送風機；一次空気用
ファン）からの空気量およびミル入口の１次空気の温度
が決定される。

【０００４】図６には従来の高燃料比炭燃焼用ボイラの
燃焼系統図を示した。

【０００５】石炭は、石炭バンカ３５に貯蔵され、燃焼
装置の負荷に応じて石炭フィーダ３７からミル３６に送
られる。ミル３６で粉砕された石炭は、微粉炭として１
次空気で微粉炭バーナ３１０まで微粉炭管３８を経由し
て搬送される。

【０００６】一方、燃焼用空気は、押し込み送風機３２
によって大気からの空気を加圧して、ボイラ燃焼排ガス
３１１と空気予熱器３３で熱交換し、さらに空気用ダク
ト３４を経由した後、風箱３９に送られる。この風箱３
９には複数のバーナが設置されており、これらのバーナ
に対して燃焼用空気を供給する。３１はボイラ火炉を示
す。

【０００７】図７には微粉炭濃縮装置を有さない従来型
バーナの構造図を示す。

【０００８】微粉炭は、搬送用の１次空気４７と共にバ
ーナまで搬送される。バーナの微粉炭ノズル４６には、
逆火防止と微粉炭を分散させるためのベンチュリー４９
を設けてある。バーナの中心部分には、起動用の油バー
ナ４２が設置してあり、炉内の温度が上昇するまでは、
微粉炭バーナと言えども、微粉炭を流さずに油のみの運
転となる。燃焼用空気は、風箱４１３から、各々のバー
ナに送られる。バーナには通常、１次空気４７の他に空
気のみを供給する２次空気４５および３次空気４４が送
り込まれる。

【０００９】これらの流路には、火炎の安定化を図る目
的で旋回器が設けられ、それぞれ、２次ダンパ調整装置
４１２、２次ベーン調整装置４１０、３次レジスタ調整
装置４１１によって、各々の流量調整と旋回力の調整を
行う。微粉炭火炎は、保炎器４３の後方に形成される循
環域で流速が低くなることから、着火してその後方に微
粉炭火炎が形成される。なお、４１は火炉、４８は２次
空気旋回ベーンである。

【００１０】図８には従来型の内部濃縮装置付きの微粉
炭バーナの断面図を示した。

【００１１】バーナへの微粉炭および燃焼用空気の供給
方法は、内部濃縮器がない従来の微粉炭バーナにおける
方法と同じであるため、ここでは説明を省く。

【００１２】微粉炭バーナ内部にこの濃縮器を備えるこ
とによって、高濃度粒子は、バーナの外側に流れ、図８
における外周保炎リング５１で保炎する。一方、希薄粒
子は、バーナの中心部を流れる。バーナ負荷が低い場合
には、粒子速度が低下し、粒子濃度を高めなければない
ないために、プラグ駆動装置５２を抜いた状態とする。

【００１３】一方、バーナ負荷が高い場合、バーナ入口
の微粉炭濃度は高くなるために、可動プラグ５３を差し
込んだ状態とし、１次空気と微粉炭の全てがシリンダ５
４の外側を流れるようにする。

【００１４】この操作によって、バーナ負荷によらず常
に高濃度微粉炭流を外周保炎器に送り込むことができる
ため、低品位炭から高燃料比炭まで幅広い炭種を燃焼し
た場合においても、幅広い負荷帯でも常に安定した燃焼
が可能となる。５５はコーンを示す。

【００１５】図１０にはミル負荷に対するミルからバー
ナに供給される微粉炭Ｃと空気Ａの重量比（以下Ｃ／Ａ
と称する）を示す。

【００１６】この図から、ミル負荷の低下に伴ってＣ／
Ａが低くなることが分かる。

【００１７】図９に微粉炭を搬送する１次空気量とバー
ナ負荷との関係について示す。

【００１８】バーナ負荷が低下するにつれて１次空気流
量も低下するが、バーナ負荷５０％以下になると、一定
の流量を保持する運用とする。

【００１９】これは、（１）微粉炭が送炭管内部に堆積
しないように、送炭管内部の空気流速を約１５ｍ／ｓ以
上に保持する、（２）分級器の石炭粒子の分離性能を維
持する、（３）微粉炭の水分（付着水分）を蒸発させ
る、という３つの理由から、搬送用空気流量を確保する
ために止む得ない運転条件である。ボイラ等に一般的に
使用されている石炭の燃料比（固定炭素重量／揮発分重
量比率：ＦＲ）は０．８〜２．５程度であり、２．５以
上の高燃料比炭および８以上の無煙炭のようにＦＲが高
い石炭やバーナ低負荷では、Ｃ／Ａを高くしないと安定
に着火できない。

【００２０】このため、前述の図１０に示す特性を持つ
ミルを使用すると、ＦＲの高い石炭やバーナ低負荷域で
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。

【００２１】これに対処するには、ミルからの微粉流を
慣性力等を利用して、高Ｃ／Ａ流体（微粉濃厚）と低Ｃ
／Ａ流体（希薄）に分岐し、前者をバーナ部での安定燃
焼に利用する方法が有効である。この考え方を具体化し
たもので、ミルからの燃料配管にサイクロン分離器を設
置し、遠心力で高Ｃ／Ａになった側の流路配管を濃厚バ
ーナに接続し、一方、低Ｃ／Ａ側は希薄側バーナに接続
する。もしくは、ベントとして炉内へ噴出する構造等が
ある（特開昭６１−１９２１１３号公報、実開昭６２−
２４２０９号公報等）。

【００２２】しかし、微粉炭粒子は、その慣性力を利用
すればこのようなサイクロンを用いなくても容易に濃縮
できることが実験でも分かってきた。

【００２３】さて、低ＮＯｘ燃焼、着火安定性、微粉炭
の濃縮の関係について述べる。微粉炭で低ＮＯｘ燃焼を
行う際に重要なことは、如何に高温で還元領域を広く取
るかに尽きる。他の燃料と比較して、石炭には燃料中に
Ｎ分が多く含まれており、固体から気相に放出される際
に、ＮＯ，ＨＣＮやＮＨ₃などＮを含んだガスとして存
在することになる。Ｏ₂が多く含まれる環境では、これ
らのうちＨＣＮやＮＨ₃とＯ₂が反応してＮＯｘになり
易いが、Ｏ₂が少ない状態では、ＮＯと反応してＮ₂ま
で還元され易い。

【００２４】従って、バーナ近傍において、出来るだけ
Ｏ₂を減らす方法がＮＯｘ低減に効果的である。このた
めには、微粉炭搬送用の空気を減らすことが重要な手段
となる。特にバーナ負荷が５０％以下になると、急速に
微粉炭濃度が希薄になることから、その濃縮技術が重要
となる。

【００２５】さて、還元反応もアレニウス式の反応速度
をとることが知られているので、還元反応を進行させる
ためには周囲温度と滞留時間が必要であり、温度を維持
するには粒子が炉内に投入された場合、早い時期に昇温
する、即ち、着火の促進が重要となる。

【００２６】このためには、微粉炭の濃縮と粒子速度の
抑制が必要であり、バーナ近傍における還元領域の拡大
と着火の促進のためには、微粉炭の濃縮が低ＮＯｘ化の
ためには不可欠であることが分かる。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】従来の微粉炭濃縮器付
きのバーナの欠点は、以下の通りである。

【００２８】（１）バーナ負荷１５％以下の極低負荷燃
焼時における安定着火が十分に確保できない。

【００２９】（２）微粉炭濃縮器の構造が複雑であり、
製作や調整が難しい。

【００３０】（３）項目２に関連するが、濃縮器内部の
空気と微粉炭粒子の流れが複雑であることから、この部
分における圧力損失が大きく、１次空気を搬送するファ
ンの動力が増加する。

【００３１】項目１の原因は、バーナ負荷１５％以下の
極低負荷において微粉炭の濃縮が十分に行われない点に
ある。

【００３２】図１１に従来の内部濃縮器の濃縮効率につ
いて、バーナ入口部分における微粉炭濃度を横軸にとっ
て濃縮率との関係で示した。

【００３３】濃縮率は図中に示した出口Ｃ／Ａ（濃縮側
における局所微粉炭濃度）をバーナ入口部分におけるＣ
／Ａで割った値を示す。図中、安定燃焼を維持するため
に必要なＣ／Ａ＞０．２５の領域を示したが、この濃縮
器ではバーナ負荷１５％が限界であることが分かる。

【００３４】この理由は微粉炭粒子の凝集性にある。即
ち、バーナ負荷１５％以上のバーナ負荷としては、低負
荷から中間負荷においては、粒子は静電凝集しやすく見
掛けの粒子直径が大きくなることから、これら造粒した
粒子の慣性力が粉砕粒子各々の粒子の慣性力と比較して
増加する傾向が見られ、粒子の慣性を利用した比較的簡
単な濃縮装置でも濃縮が期待できたのであるが、バーナ
負荷１５％以下の極低負荷時においては、粒子濃度が希
薄であり、バーナ負荷１５％以上の粒子群と比較する
と、粉砕粒子径に近い状態で搬送されていると推測され
るからである。

【００３５】これを解決するためには、粒子の分離効率
を向上させることが必要となる。しかし、図１２に、図
１１と対応させて圧力損失とバーナ負荷との関係につい
て示したが、この図から濃縮率を増加させようとする
と、濃縮器における圧力損失が増加することが分かる。
従って、１次空気の圧力増加をできるだけ抑制して濃縮
効率も増加できる方法が望まれている。

【００３６】本発明は、このような背景に基づいてなさ
れたものであり、ボイラ低負荷燃焼時に微粉炭濃度が希
薄になることで、着火が不安定になったり、ＮＯｘが増
加する現象を回避することができる微粉炭燃焼装置を提
供することを目的とするものである。

【００３７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、分離器を有
する微粉炭バーナの１次空気流路に燃焼用空気の一部を
導入することで解決される。

【００３８】

【作用】極低負荷でも、それ以上の負荷における状態と
同じような濃縮効果を得ようとするならば、濃縮器入口
部分における粒子の速度を増加してやればよい。しか
し、単純に粒子搬送用の１次空気の流量を増やして流速
を確保した場合、平均粒子濃度が希薄になることから、
十分な濃縮効果は期待できない。

【００３９】しかるに、１次空気の平均流速を従来と比
較してあまり増加しないで、粒子のみの速度増加を図る
手段として、１次空気より高圧で供給される２，３次空
気を１次空気の流路に導く方法が有効である。微粉炭バ
ーナ入口部分の元圧が濃縮器を設置した場合、最大でも
７０ｍｍＡｑにしかならないのに対して、２，３次空気
は最低でも１５０ｍｍＡｑあるからである。

【００４０】また、２，３次空気を含む燃焼用空気流量
は、１次空気流量の約５倍もあることから、当然ファン
の容量も大きく、その一部を１次空気系統に分岐して
も、ファンの動力増加に大きくは影響しないと考えられ
る。

【００４１】このような理由から、この燃焼用空気を微
粉炭の供給系統にうまく導入すれば、粒子の分離に有効
であると考えた。燃焼用空気の導入流量は最小にし、元
圧が高い特徴を利用して、その噴出流速を１次空気の流
速以上に設定して運動量を増加する。

【００４２】さて、燃焼用空気を導入する場合、濃縮効
率の増加に加えて、粒子温度が増加することから、着火
が促進され、低負荷時の安定燃焼は勿論、ＮＯｘ濃度の
低減効果も期待できる。何故ならば、着火が早くなれ
ば、微粉炭粒子から揮発分が急速に放出され、特にＨＣ
ＮやＮＨ₃等のＮ化合物がガス相に燃焼過程の早い時期
に移行することから、ＮＯと反応してＮ₂へ還元反応す
る時間が十分に取れるからである。従って、低ＮＯｘ燃
焼が可能である。

【００４３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００４４】図１は実施例に係る広域負荷対応低ＮＯｘ
微粉炭装置の断面図である。

【００４５】基本的な内部濃縮器部分の構造は、従来と
ほぼ同じである。濃縮原理も粒子の慣性力を利用したも
ので、プラグ１３部分で微粉炭の流れ方向を変えて、保
炎器１２が設置してある微粉炭ノズル１１３の管内壁に
近い部分の濃度を増加する。一度分離した粒子の再混合
を抑止するために、バーナ出口部分においては、流路分
割壁１４を設けて、高濃度の微粉炭流を保炎器１２の内
側に集める構造とした。

【００４６】一方、微粉炭搬送用１次空気の大半は、バ
ーナ中心部分から炉内へ噴出される。バーナ負荷が５０
％以下になった場合、燃焼用空気のうち２次空気１８の
一部を分岐し、エジェクタ空気として１次空気１１２の
流路に導入する。

【００４７】空気噴射方法は、ベンチュリー１６部分に
空気噴出ノズル１５を設置して、プラグ１３の表面に空
気を噴射して、その表面における空気および粒子の流速
を増加する。１次空気１１２および微粉炭粒子の流速と
比較して、エジェクタ１５からの空気流速は高速に設定
する。その空気流量の調整は、エジェクタ空気調整ダン
パ１１０の開閉操作で行う。

【００４８】なお、１１は火炉、１７は２次空気旋回ベ
ーン、１９は３次空気、１１１はエジェクタ空気流路で
ある。

【００４９】図２には微粉炭バーナに本発明になるとこ
ろの内部濃縮器を設置した場合の内部濃縮器周りの微粉
炭流れについて概念図を示した。

【００５０】エジェクタからは１次空気と比較して、高
速の空気２２をプラグ２４の表面に沿うように噴出す
る。この空気は周囲の微粉炭を同伴してプラグ２４の表
面に沿って流れる。表面における粒子速度は、従来の内
部濃縮器を設けたバーナにおけるプラグ表面の粒子速度
よりも高速になるように、エジェクタの噴出流量と流速
を調整した構造とする。

【００５１】微粉炭粒子は、プラグ２４の表面で加速さ
れ、その慣性力で微粉炭管の壁面に近い領域の微粉炭濃
度が増加する。一方、微粉炭を搬送する１次空気は、流
路抵抗の少ないバーナ中心部の流路を通過して炉内へ噴
出する。このような微粉炭濃縮器構造によって、微粉炭
管の出口外壁に取り付けられた保炎器近傍の微粉炭濃度
が増加して着火が促進される。

【００５２】なお、２１は１次空気と微粉炭の混合物、
２３は空気噴出ノズル、２５はベンチュリー、２６は希
薄側空気、２７は濃縮側空気、２８は剥離部分、２９は
起動用油バーナである。

【００５３】さて、図３には、バーナ入口Ｃ／Ａと微粉
炭濃縮率との関係について示す。

【００５４】図中バーナ入口Ｃ／Ａとバーナ負荷の関係
は対応しているものとして実験した。コールドモデルを
用いて従来の内部濃縮器を設置したバーナについて実験
し、そこで得られたデータを表した。従来型バーナの場
合、バーナ負荷が低下した場合、濃縮率も低下する。

【００５５】一方、本発明の場合でも同じように、バー
ナ負荷の低下と共に濃縮率が低下する傾向を示すが、バ
ーナ負荷２０％以下でエジェクタ空気を導入すること
で、濃縮率の増加傾向が得られた。

【００５６】図４には、濃縮器部分における圧力損失と
バーナ負荷との関係について示した。

【００５７】従来型バーナの場合、バーナ負荷が低下す
るに連れて圧力損失も低下する傾向を示すが、本発明に
なるバーナの場合、バーナ負荷２０％以下において若干
ではあるが圧力損失が増加する傾向が得られた。

【００５８】これは、低負荷時において濃縮率が低下す
ることが予測されるために、エジェクタ空気を１次空気
に噴射したために、微粉炭管内部におけるガス流量が若
干増加したことが直接原因である。

【００５９】しかし、従来バーナの圧力損失と比較して
増加は僅かであり、システムのロスには大きく影響しな
いと考えられる。

【００６０】一方、濃縮率は、図３に示すように大きく
増加することから、着火性能が向上して低負荷時におい
ても安定燃焼が持続できる。

【００６１】さて、燃焼用の高温空気を微粉炭の搬送ラ
インに導入すると、微粉炭粒子温度が増加する。従っ
て、着火性能の向上が期待された。実際に微粉炭流量が
５ｔ／ｈ程度のパイロット装置において、濃縮器なしの
バーナで瀝青炭を燃焼した際に、搬送用空気温度を８０
℃から１１０℃に増加したところ、火炉出口のベースで
ＮＯｘが約８％、未燃分が約１０％減った実績がある。

【００６２】従って、本発明においても、搬送用空気の
適量流量に対して導入空気のそれは僅かである（何故な
ら、ΔＰの確保が主）ため、微粉炭の昇温はパイロット
実験程度になろうかと考えるが、同じように着火性の向
上によるＮＯｘ、未燃分の低減効果が期待できる。

【００６３】図５は従来型の内部濃縮装置を有さないバ
ーナにおいて、高温の燃焼用空気を導入したことを特徴
としたバーナ構造を示す。

【００６４】このバーナは、微粉炭の１次搬送用流路に
燃焼用空気１１１を導入した構造とする。

【００６５】バーナ負荷が低くなると、微粉炭濃度が希
薄になって着火保炎が難しくなることから、微粉炭粒子
の初期温度を増加して着火までの遅れ時間を短くするこ
とを目的に、バーナ低負荷時においても、２００度以上
の温度を維持できる、燃焼用空気の一部を微粉炭流路に
同伴する。

【００６６】このような単純なバーナ構造においても、
低負荷時の安定燃焼を維持できる。

【００６７】

【発明の効果】本発明になる、高ターンダウン低ＮＯｘ
微粉炭燃焼装置によれば、通常の微粉炭バーナでなし得
なかった次の効果を奏する。

【００６８】（１）ボイラ負荷１０％〜１００％までの
石炭専焼が可能となる。

【００６９】（２）ミルカットおよびバーナカットなし
で上記（１）の実現ができる。

【００７０】（３）ボイラ低負荷時におけるＮＯｘ低減
により、脱硝装置におけるアンモニア消費量を削減でき
る。

【００７１】（４）微粉炭の内部濃縮器の簡略化が図ら
れることから、装置費用および、定期点検費用の大幅な
縮小が可能となる。

【００７２】（５）燃焼用空気を一部微粉炭流路に導入
する必要が生じるが、燃焼用空気の運動量を確保するの
みの利用であることから、既設管の改造の場合、最小の
改造で済み、現状のバーナ周りのレイアウトを大幅に変
更することはない。従って、最小の設備投資で、既設ボ
イラが低ＮＯｘ、広域負荷運用可能になる。

【００７３】さらに、火炎の安定化が大幅に改良される
ことから、燃料比が４を越える高燃料比炭の専焼が可能
になる。さらに、瀝青炭の燃焼においても、ミル出口の
Ｃ／Ａが低下する部分負荷運用においても、安定した燃
焼が可能となり、油、ガス等の補助燃料の使用頻度が低
下することから、運転経費の大幅な節減ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る広域負荷対応低ＮＯｘ微
粉炭装置の断面図である。

【図２】広域負荷対応低ＮＯｘ微粉炭装置において、内
部濃縮器近傍の空気と微粉炭流れの模式図である。

【図３】濃縮率とバーナ入口Ｃ／Ａとの関係を示す特性
図である。

【図４】バーナ部分圧力損失とバーナ負荷との関係を示
す特性図である。

【図５】従来型の内部濃縮装置を有さないバーナにおい
て、高温の燃焼用空気を導入したことを特徴としたバー
ナ構造を示す断面図である。

【図６】微粉炭焚きボイラの燃焼系統図である。

【図７】微粉炭内部濃縮器を持たない従来型のバーナの
断面図である。

【図８】微粉炭内部濃縮器を有した従来型のバーナの断
面図である。

【図９】１次空気流量とバーナ負荷の関係を示す特性図
である。

【図１０】バーナ入口における微粉炭濃度とボイラ負荷
との関係を示す特性図である。

【図１１】従来型の微粉炭濃縮器による、濃縮率とバー
ナ負荷との関係を示す特性図である。

【図１２】従来型の微粉炭濃縮器による、圧力損失とバ
ーナ負荷との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１１火炉１２保炎器１３プラグ１４流路分割壁１５空気噴出ノズル（エジェクタ）１６ベンチュリー１７２次空気旋回ベーン１１１エジェクタ空気流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大谷津紀之広島県呉市宝町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大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (56)参考文献特開平４−20702（ＪＰ，Ａ) 特開平４−24404（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23C 11/00 319 F23C 11/00 ZAB

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】石炭粉砕機出口からバーナ出口の間の微
粉炭搬送用流路に、燃焼用空気の一部を噴出させる流路
を設けたことを特徴とする微粉炭燃焼装置。
【請求項２】１次空気流路内に、濃縮微粉炭流を形成
するための濃縮装置を備えた微粉炭燃焼装置において、前記濃縮装置の上流側に、燃焼用空気の一部をその濃縮
装置の傾斜面に沿って噴出させる流路を設けたことを特
徴とする微粉炭燃焼装置。