JP3664832B2 - 微粉炭バーナ - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は発電用あるいは工場用等の蒸気の発生を行う微粉炭焚きボイラに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のこの種ボイラについて図4ないし図7に基づいて説明する。
【0003】
01はボイラ炉本体で、その四隅それぞれに上下方向に複数のバーナ本体02を配設している。同バーナ本体02は燃料用空気ノズル03、補助用空気ノズル04、及び微粉炭混合気ノズル05等で構成され、微粉炭混合気輸送管06、送気ダクト07、主バーナ空気用ダクト08及びアディショナル空気用ダクト09等を経て、微粉炭混合気10、燃焼用空気11、主バーナ用空気12及びアディショナル空気13等を供給される。
【0004】
14は上方位置に配置したアディショナル空気ノズル、15は火炉内を示し、同火炉内15には微粉炭火炎16が形成される。17は各バーナ本体02に組み入れられた空気調節ダンパ、18は説明の便宜上火炉16内に想定した仮想円、19は火炉16内に形成されるファイアボルテックスである。
【0005】
前記の部材を備えた従来の微粉炭焚きボイラにおいて、図示省略の石炭粉砕設備に送り込まれた石炭は微粉化され、同時に送り込まれた搬送用空気(温風)と混合して微粉炭混合気10を形成、微粉炭混合気輸送管06を通してバーナ本体02に設けられた微粉炭混合気ノズル05へ送り込まれる。
【0006】
バーナ本体02はボイラ火炉本体01の四隅に設置されており、各バーナ本体01には燃料用空気ノズル03と、その中心部に設けられた微粉炭混合気ノズル05及び燃料用空気ノズル03の上下に設けられた補助用空気ノズル04とからなるバーナが複数組内蔵されている。(なお、バーナ本体02はボイラ火炉本体01の四隅だけでなく、図6に示すように壁面にも設置される場合もある。)
これ等の各ノズル、即ち燃料用空気ノズル03、補助用空気ノズル04、微粉炭混合気ノズル05は、ボイラ火炉本体01の水平断面上の中心部に仮想円18を設定し、その仮想円18に対して接線方向に微粉炭混合気10及び主バーナ用空気12を吹込むよう装着されている。図7に従来の微粉炭混合気ノズル05の組立図の1例を示す。
【0007】
ボイラ火炉本体01にはバーナ本体02の上方の四隅にアディショナル空気ノズル14が設けられている。アディショナル空気ノズル14はバーナ本体02の前記各ノズル03,04,05に対する仮想円18と同径の仮想円18をボイラ火炉本体01の水平断面上の中心部に設定してその仮想円18に対して接線方向にアディショナル空気13を吹込むよう装着されている。
【0008】
バーナ本体02に設けられた微粉炭混合気ノズル05へ送り込まれて来た微粉炭混合気10は、同ノズル05から火炉内15へ吹込まれる。一方、燃焼用空気11は図示されてない搬送設備によって送気ダクト07を通して送気され、バーナ本体02へ入る前に主バーナ用空気12とアディショナル空気13とに分流される。
【0009】
主バーナ用空気12は主バーナ空気用ダクト08を通してバーナ本体02へ送り込まれ、燃料用空気ノズル03と補助用空気ノズル04から火炉内15へ吹込まれる。
【0010】
主バーナ用空気12の量は通常、微粉炭混合気10として吹込まれた微粉炭量の量論比以下としてアディショナル空気ノズル14よりも下部の火炉内15を還元雰囲気に保持し、微粉炭の燃焼によって発生した窒素酸化物(以下、NOx と略称)を還元する。
【0011】
主バーナ用空気12と分流されたアディショナル空気13はアディショナル空気ノズル14へ送り込まれ、火炉内15へ吹込まれて還元燃焼により燃焼ガス中に残存した可燃分の燃焼完結のために使用される。
【0012】
ボイラ火炉本体01の四隅から火炉内15へ吹込まれた微粉炭混合気10は図示されてない着火源によって着火され、微粉炭火炎16を形成する。それらの微粉炭火炎16は旋回流となってファイアボルテックス19を形成し、旋回しながら火炉内15を上昇するといった旋回燃焼である。
【0013】
前述の如く、バーナ本体02から吹込まれる主バーナ用空気12の量は、微粉炭混合気ノズル05から微粉炭混合気10として吹込まれた微粉炭量の量論比以下であり、アディショナル空気ノズル14部よりも下方の火炉内15は還元雰囲気となる。
【0014】
従って微粉炭の燃焼によって発生した燃焼排ガスは可燃分を含有したものとなるが、微粉炭燃焼によって発生した燃焼排ガス中のNOx は還元され、代ってNH3 ,HCN等の中間生成物が発生する。
【0015】
この還元領域におけるNOx の還元は主バーナ用空気12と微粉炭混合気10の拡散混合を効率良く行って燃焼させることが重要で、主バーナ用空気12によって供給される酸素を完全に消費してしまう程、NOx 還元率が高くなる。
【0016】
可燃分を含有した燃焼排ガスはアディショナル空気ノズル14部でアディショナル空気13を吹込まれ、火炉出口迄に燃焼を完結する。
【0017】
このような従来のものの微粉炭燃焼で、ボイラ火炉本体01の水平断面上の中心部に設定した仮想円18径が過小の場合は、微粉炭火炎16同志が衝突してファイアボルテックス19の形成が不良となり燃焼が劣化する。逆に仮想円18径が過大な場合は微粉炭火炎16が火炉内15側壁に衝突する等によりスラッギングが激しくなる上、燃焼も劣化するといった現象が生じる。
【0018】
そのため従来から仮想円18径の決定に当っては実績をも考慮して慎重に行われて来たが、それでも高速度で吹込まれる主バーナ用空気12によって火炉内15側壁と微粉炭火炎16の間に負圧が生じ、微粉炭火炎16が、側壁へ引き寄せられる、いわゆるコ・アンダ効果のため、微粉炭火炎16同志が形成するファイアボルテックス19はその径が仮想円18径よりもかなり大きな中空のドーナツ状のファイアボルテックス19となって火炉内15を流れるので、スラッギングが激しくなる。
【0019】
バーナ容量が大きくなると微粉炭混合気ノズル05から吹込まれる微粉炭混合気10の噴出モーメンタムが大きくなるので、火炉内15側壁への微粉炭火炎16の衝突度合が高まる上に安定した着火性の確保が困難となる。この結果、従来の微粉炭焚きバーナは大容量化が難しいといった欠点を有していた。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
ボイラの大容量化を図る場合、必然的に燃焼量が増大するが、それに対応するためには、(1)ボイラへ装着するバーナ本数の増加、(2)バーナ(1本当り)の大容量化が必要となる。
【0021】
このうち、バーナ本数の増加はボイラ火炉本体01の水平断面上のバーナ本数が決っているのでバーナ段数を増加することになるが、これはボイラ高さが高くなってボイラ建設コストが増大する。
【0022】
従ってボイラの大容量化に対してはバーナ1本当りの大容量化で対応せざるを得ないが、従来のバーナでファイアボルテックス19を形成させる燃焼を行うと、バーナ容量の増大に伴って微粉炭混合気ノズル05から吹き込まれる微粉炭混合気10の噴出モーメンタムが大きくなるので、火炉内15側壁への微粉炭火炎16の衝突度合が高まってスラッギング量が増大すると共に微粉炭火炎16の着火安定性確保が困難となるといった問題点がある。
【0023】
本発明は前記した従来のものにおける問題点を解消し、微粉炭混合気ノズル内に濃淡分離体を配設することにより、また微粉炭混合気ノズル先端を上下に分割し噴出口との間に着火促進用空気を導入することにより、また、空気ノズルに対して微粉炭混合気ノズルを偏心させることにより、また、燃焼用空気に旋回をかけることにより、更にまた、バーナ先端部の向きを調整すること等により、火炉内の水平面内における仮想円に対して接線方向に投入し、燃焼させる微粉炭混合気を前記仮想円の中心側で濃くなるようにして、微粉炭焚きバーナの大容量化を可能としたものを提供することを課題とするものである。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記した課題を解決すべくなされたもので、その第1の手段として、火炉内の水平面内における仮想円に対して接線方向に微粉炭混合気を投入して燃焼させる微粉炭バーナにおいて、前記微粉炭混合気が前記仮想円の中心側が濃くなるように微粉炭混合気ノズル内に濃淡分離体を配設し、同微粉炭混合気ノズル先端の混合気噴出口を上下に分割してこの分割された噴出口の間に着火促進用空気を導く手段を設けた微粉炭バーナを提供するものである。
すなわち、同第1の手段によれば、微粉炭混合気ノズルから吹込まれる微粉炭混合気を火炉内中心部に形成されるファイアボルテックスの外周側を低濃度で、内部側を高濃度で吹込み、且つ微粉炭混合気ノズルの外周に設けられた例えば燃料用空気ノズルから投入される燃料用空気を、淡濃度の微粉炭混合気側からの投入量を多くしたことにより、微粉炭火炎の火炉内壁面への衝突を防ぐのでスラッギングが低減し、微粉炭焚きバーナの大容量化を可能とし、かつ、微粉炭混合気ノズルから吹込まれる微粉炭混合気を上下2方向に分割してその1方向から吹込まれる微粉炭混合気量を半減し、且つ2方向から吹込まれる微粉炭混合気間に高温の燃料用空気を吹込むようにしたことにより微粉炭火炎の着火安定性が向上し、微粉炭焚きバーナの大容量化を可能としたものである。
【0026】
また本発明は、第2の手段として、火炉内の水平面内における仮想円に対して接線方向に微粉炭混合気を投入して燃焼させる微粉炭バーナにおいて、前記微粉炭混合気が前記仮想円の中心側が濃くなるように微粉炭混合気ノズルとその周りを囲む空気ノズルは同微粉炭混合気ノズルの軸と空気ノズルの軸をずらして空気ノズルに対して微粉炭混合気ノズルを偏心させた微粉炭バーナを提供するものである。
すなわち、同第2の手段によれば、微粉炭混合気ノズルから火炉内に形成されたファイアボルテックスの外周側(火炉壁面より)に吹き込まれる微粉炭混合気の微粉炭濃度を低くし、ファイアボルテックスの内部側へ吹き込まれる微粉炭濃度が濃くなるように微粉炭混合気ノズルの軸と、空気ノズルの軸をずらし、偏心させたことにより、微粉炭火炎の火炉壁への衝突防止及び火炉内壁面への壁近傍の空気量を多くすることで酸化雰囲気にし、灰融点を上げることにより、溶融灰の付着を防止することができるようにしたものである。
【0027】
また、本発明は、第3の手段として前記第2の手段に加えて、前記微粉炭混合気ノズルの外周から供給する燃焼用空気に旋回をかける手段を設けた微粉炭バーナを提供し、燃焼用空気に旋回をかけ、必要に応じ例えば保炎器を組み合せ使用して、バーナ容量増加における着火安定性、負荷変化時の火炎安定性、及び短炎化、低ばいじんを確保する事ができるようにしたものである。
【0028】
更にまた、本発明は、第4の手段として前記第3の手段に加えて、バーナ先端部を上下左右方向に向きを変える手段を設けた微粉炭バーナを提供し、上下左右方向にノズル方向変化可能な構造とすることにより、ファイアボルテックス位置変化を可能にし、火炉内熱負荷分布が調整可能となるようにしたものである。
【0029】
【発明の実施の形態】
図1ないし図3に基づいて本発明実施の第1形態について説明する。なお前記した従来のものに対応させ、これと同一の部位については図中100台の符号を付して示し、相互の関連が理解し易い様に工夫して重複する説明は極力省略するようにした。
【0030】
即ち、符号101ないし119は、従来のものにおける符号01ないし19に対応するので説明を極力簡略化し、微粉炭混合気ノズル105に設けた着火促進用空気孔120、着火促進用空気室121、着火促進用空気室入口孔122、案内板123及び濃淡分離体124等につき詳細に説明する。
【0031】
図示省略の石炭粉砕設備に送り込まれた石炭はそこで微粉化され、同時に送り込まれた搬送用空気(温風)と混合して微粉炭混合気110を形成、微粉炭混合気輸送管106を通してバーナ本体102に設けられた微粉炭混合気ノズル105へ送り込まれる。
【0032】
微粉炭混合気ノズル105は、微粉炭混合気輸送管106に連結された微粉炭混合気管と、その先端に装着された混合気噴出ノズルからなっている。混合気噴出ノズルの入口近傍の微粉炭混合気管内には、濃淡分離体124が設けられている。
【0033】
混合気噴出ノズルはその噴出口が任意の角度、例えば水平軸に対し片側10°〜30°の角度をもって上下2方向に分岐されており、その上下噴出口の間には着火促進用空気室121が設けられている。
【0034】
混合気噴出ノズルの外周には燃料用空気ノズル103が設けられており、送り込まれてきた主バーナ用空気112を、混合気噴出ノズルと燃料用空気ノズル103によって構成された吹込口から火炉内114へ吹込む。
【0035】
微粉炭混合気ノズル105へ送り込まれてきた微粉炭混合気110は、微粉炭混合気管出口部で濃淡分離体124によって偏流する。その結果、微粉炭混合気110は微粉炭粒子の慣性力によって混合気噴出ノズル出口において濃淡分離体124装着側の微粉炭濃度が淡くなり、逆に反装着側の微粉炭濃度が濃くなる。
【0036】
混合気噴出ノズルと燃料用空気ノズル103によって形成される主バーナ用空気112の吹出口は、微粉炭混合気110の淡微粉炭濃度側を広く、濃微粉炭濃度側を狭くして形成する。
【0037】
火炉内115中央部にファイアボルテックス119を形成して行う旋回燃焼では、混合気噴出ノズルから噴出される微粉炭混合気110は、ファイアボルテックス119中心側へ吹込まれる側が旋回燃焼流の上流側となるので、隣接の微粉炭火炎116からの輻射熱量が大きく着火しやすい状態にある。従って、微粉炭混合気110は、濃微粉炭濃度側がファイアボルテックス119中心側へ吹込まれるように設定する。
【0038】
混合気噴出ノズルと燃料用空気ノズル103によって形成される主バーナ用空気112吹出口から吹込まれる主バーナ用空気112は、ファイアボルテックス119中心側への吹込量を少なく、ファイアボルテックス119外周側(火炉壁面側)への吹込量を多くなるよう主バーナ用空気112吹出口面積を設定してあるので、微粉炭火炎116の火炉内115壁面への衝突を防いで、スラッギング及び未燃分発生を抑制できる。
【0039】
このような配慮をした上で、本実施の形態では更に、微粉炭火炎116の着火安定性向上を図って混合気噴出ノズルに新な工夫を施した。
【0040】
即ち、前述の如く混合気噴出ノズルはその噴出口が任意の角度をもって上下2方向に分岐され、その上下噴出口の間には着火促進用空気室121が設けられ、同空気室121の入口には案内板123と着火促進用空気室入口孔122が設けられている。
【0041】
着火促進用空気室121は、火炉内115に面した側に板を設けて形成するが、その板には着火促進用空気孔120が穿孔されていて、着火促進用空気室入口孔122を通って着火促進用空気室121へ流入した主バーナ用空気112を混合気噴出ノズルから噴出された2つの微粉炭混合気110流間に吹込む。
【0042】
着火促進用空気孔120から吹込まれる主バーナ用空気112は混合気噴出ノズルの2つの噴出口から吹込まれた微粉炭混合気110流の早期合流を防止することと、一般に微粉炭混合気110温度が100℃以下(多くの場合約80℃)の低温であるのに対して主バーナ用空気112温度は約300℃の高温であるため微粉炭混合気110流間の揮発分発生が促進されるといった効果があり、微粉炭火炎116の着火安定性が確保できる。
【0043】
次に本発明の実施の第2形態について図4及び図5に基づいて説明する。なお本実施の形態では、代表的なバーナ本体を1個抜き出して説明するが、前記実施の第1形態の各バーナ配列の内の1つが抜すいして示されたものであることは容易に理解されるであろう。
【0044】
201は微粉炭混合気ノズルでその周囲には2次空気ノズル202、更に3次空気ノズル203が配設されている。
【0045】
204はスワラで、前記3次空気ノズル203の出口より上流位置に配置されている。205は中空中子で、微粉炭混合気ノズル201の出口より上流位置に設けられている。
【0046】
206はチルトバーで前記各ノズル201,202,203の先端部の球面状連結部210へ連結され、これを図示矢印のように左右動させることにより各ノズル201,202,203をこの連結部201を中心として上下方向に向きを変えることができる。
【0047】
なお、3次空気ノズル203へ連結されたチルトバー206が同3次空気ノズル203の上下方向の動きを受け持ち、支え棒207で微粉炭混合気ノズル201と連結された2次空気ノズル202へ連結されたチルトバー206により同微粉炭混合気ノズル201と2次空気ノズル202が連動して上下方向に向きを変えられる。
【0048】
また、図示省略の別のチルトバーが前記球面状連結部210でほゞ90°回転した位置に連結されており、それにより各ノズル201,202,203の先端部が左右方向に向きを変えうるものであることは容易に理解されるであろう。また、208は保炎器で、各ノズル201,202,203の先端に配設され、保炎効果を発揮するものである。
【0049】
従って本実施の形態にあっては、微粉炭混合気ノズル201内の中空中子205により微粉炭混合気噴流における微粉炭濃度分布を周囲側で濃くし、そしてまた保炎器208により着火安定性を増加させるものである。
【0050】
そしてまた、チルトバー206を前後に動かすことにより、微粉炭混合気、2次空気、3次空気噴流方向を上下、左右に変化させることができる。なお、微粉炭混合気及び2次空気は支え棒107にて固定されているので連動し、同一方向に噴流が向かう。
【0051】
以上、本発明を図示の実施の形態について説明したが、本発明はかかる実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【0052】
【発明の効果】
以上本出願の請求項1の発明によれば、微粉炭混合気ノズル内に配設した濃淡分離体により、火炉内へ吹込む微粉炭混合気の微粉炭濃度をファイアボルテックス中心側へ吹込む方を濃く、外周側へ吹込む方を淡くすることにより、微粉炭火炎の火炉内壁面への衝突を防ぐのでスラッギングが低減し、微粉炭焚きバーナの大容量化を可能としたものである。
また、微粉炭混合気ノズル先端の混合気噴出口を上下方向に分割して各噴出口から吹き込まれる微粉炭混合気量をそれぞれ半減することにより、上下噴出口間に設けた着火促進用空気室の着火促進用空気孔から高温の主バーナ用空気の一部を上下噴出口から噴出された微粉炭混合気噴流間に吹込むことにより、上下微粉炭混合気噴流の早期合流を防止し、且つ、揮発分発生が促進されるので微粉炭火炎の安定した着火・燃焼が可能となり、微粉炭焚きバーナの大容量化を可能としたものである。
【0054】
また、請求項の発明によれば、微粉炭混合気ノズルから火炉内に形成されたファイアボルテックスの外周側、即ち火炉壁面寄りに吹き込まれる微粉炭混合気の微粉炭濃度を低くし、ファイアボルテックスの内部側へ吹き込まれる微粉炭濃度が濃くなるように微粉炭混合気ノズルの軸と、空気ノズルの軸をずらして偏心させたことにより、微粉炭火炎の火炉壁への衝突防止及び火炉内壁面への壁近傍の空気量を多くすることで酸化雰囲気にし、灰融点を上げることにより、溶融灰の付着を防止することができたものである。
【0055】
また、請求項の発明によれば、前記請求項2の発明に加えて、燃焼用空気に旋回をかける手段を設け、旋回流空気を噴出することにより、バーナを大容量化した場合においても、着火安定性、負荷追従性、短炎化、低ばいじん性、及び溶融灰の付着防止を可能としたものである。
【0056】
更にまた、請求項の発明によれば、前記請求項3の発明に加えて、バーナ先端部を上下左右にその向きを自在に変える構造を採用し、状況に応じてノズル開口の最適位置を選び、ファイアボルテックス位置変化を可能とし、火炉内熱負荷分布を調整可能にすることができたものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の第1形態に係るボイラの系統を示し、図2のI−I断面から見た説明図。
【図2】図1のボイラの水平断面を示し、図1のII−II断面図。
【図3】図1、2のボイラにおける微粉炭混合気ノズルの概要を示し、(a)は(b)のa−a断面、(b)は(a)のb−b断面、(c)は(a)のc−c断面を示す説明図。
【図4】本発明の実施の第2形態に係るバーナの正面図。
【図5】図4のバーナの垂直断面図。
【図6】従来のボイラの系統を示し、図7のVI−VI断面から見た説明図。
【図7】図6のボイラのVII −VII 断面図。
【図8】従来のボイラにおけるバーナの配置を示し、(a),(b),(c),(d)夫々異る形態の説明図。
【図9】従来のボイラにおける微粉炭混合気ノズルを示し、(a)は断面図、(b)は(a)のB−B断面図。
【符号の説明】
01,101 ボイラ火炉本体
02,102 バーナ本体
03,103 燃料用空気ノズル
04,104 補助用空気ノズル
05,105 微粉炭混合気ノズル
06,106 微粉炭混合気輸送管
07,107 送気ダクト
08,108 主バーナ空気用ダクト
09,109 アディショナル空気用ダクト
10,110 微粉炭混合気
11,111 燃焼用空気
12,112 主バーナ用空気
13,113 アディショナル空気
14 114 アディショナル空気ノズル
15,115 火炉内
16,116 微粉炭火炎
17,117 空気調節ダンパ
18,118 仮想円
19,119 ファイアボルテックス
120 着火促進用空気孔
121 着火促進用空気室
122 着火促進用空気室入口孔
123 案内板
124 濃淡分離体
201 微粉炭混合気ノズル
202 2次空気ノズル
203 3次空気ノズル
204 スワラ
205 中空中子
206 チルトバー
207 支え棒
208 保炎器
210 連結部

Claims (4)

  1. 火炉内の水平面内における仮想円に対して接線方向に微粉炭混合気を投入して燃焼させる微粉炭バーナにおいて、前記微粉炭混合気が前記仮想円の中心側が濃くなるように微粉炭混合気ノズル内に濃淡分離体を配設し、同微粉炭混合気ノズル先端の混合気噴出口を上下に分割してこの分割された噴出口の間に着火促進用空気を導く手段を設けたことを特徴とする微粉炭バーナ。
  2. 火炉内の水平面内における仮想円に対して接線方向に微粉炭混合気を投入して燃焼させる微粉炭バーナにおいて、前記微粉炭混合気が前記仮想円の中心側が濃くなるように微粉炭混合気ノズルとその周りを囲む空気ノズルは同微粉炭混合気ノズルの軸と空気ノズルの軸をずらして空気ノズルに対して微粉炭混合気ノズルを偏心させたことを特徴とする微粉炭バーナ。
  3. 前記微粉炭混合気ノズルの外周から供給する燃焼用空気に旋回をかける手段を設けたことを特徴とする請求項に記載の微粉炭バーナ。
  4. バーナ先端部を上下左右方向に向きを変える手段を設けたことを特徴とする請求項に記載の微粉炭バーナ。
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