JP3899457B2 - Solid fuel burner and combustion method of solid fuel burner - Google Patents

Solid fuel burner and combustion method of solid fuel burner Download PDF

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【発明の属する技術分野】
【0001】
本発明は、固体燃料を気流搬送して燃焼する固体燃料バーナに係り、特に、微粉炭,木材,ピートなどの水分や揮発分の多い燃料を燃焼させるのに適した固体燃料バーナ,固体燃料バーナの燃焼方法,固体燃料バーナを備えた燃焼装置,燃焼装置の運用方法に関する。
【従来の技術】
【0002】
褐炭や亜炭に代表される石炭化度の低い石炭,木材,ピートは、水分および加熱時に気体として放出される揮発分が多い。また、瀝青炭や無煙炭などの石炭化度の高い石炭と比べて発熱量が低く、一般に粉砕性が悪い。さらに、燃焼灰の溶融温度が低い。
【0003】
これらの燃料は、揮発分が多いので、空気雰囲気では、貯蔵過程や粉砕過程において、自然発火しやすく、瀝青炭などと比べると扱いにくい。自然発火を防止するために、褐炭や亜炭などを微粉砕して燃焼する場合は、燃料の搬送気体として、燃焼排ガスと空気との混合気体が使われる。燃焼排ガスは、酸素濃度を低下させ、燃料の自然発火を防ぐ。一方、燃焼排ガスの保有熱は、燃料中の水分を蒸発させる。
【0004】
しかし、低酸素濃度の搬送気体で搬送された燃料は、固体燃料バーナから噴出する際に、空気と混合されないと、燃焼反応が進まない。燃焼反応は、燃料と空気との混合速度により制限され、空気で搬送できる瀝青炭と比べて燃焼速度が低い。したがって、燃料の燃え切り時間が瀝青炭の燃焼と比べて長くなり、燃焼装置すなわち火炉の出口における未燃焼分が増える。
【0005】
低酸素濃度の搬送気体で搬送された燃料の着火を早める方法として、燃料ノズル先端に追加空気ノズルを設け、燃料搬送気体の酸素濃度を高める方法がある。例えば、特開平10−73208号公報は、燃料ノズルの外側に追加空気ノズルを設けた固体燃料バーナを示している。
【0006】
また、特開平11−148610号公報に記載されているように、燃料ノズルの中心に追加空気ノズルを設け、燃料ノズル出口での燃料と空気との混合を促進する固体燃料バーナも用いられている。
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記従来の固体燃料バーナは、追加空気ノズルを燃料ノズルの外側や内部に設け、固体燃料と空気との混合を早め、燃焼反応を促進させている。追加空気ノズルを燃料ノズル内に設ける場合、固体燃料とその搬送気体との混合流体からなる燃料噴流と追加空気ノズルから噴出する空気とが、燃料ノズル出口で十分に混合することが望ましい。
【0008】
しかし、上記従来例のように、追加空気ノズルから噴出する空気が燃料噴流と平行に噴出すると、燃料噴流と追加空気との流速差が小さいので、燃料噴流と追加空気との混合は、緩慢となる。
【0009】
通常、追加空気ノズル出口から燃料ノズル出口までの距離は1m以内である。燃料噴流の流速は、約12m/s以上である。したがって、燃料ノズル内での燃料粒子と追加空気との混合時間は、約0.1秒以下と短く、燃料粒子と空気とは十分に混合できない。
【0010】
一方、燃料ノズル内での燃料粒子と追加空気との混合時間を長くすると、燃料ノズル内で着火するいわゆる逆火現象が生じる危険性があるので、追加空気ノズル出口から燃料ノズル出口までの距離を長くできない。
【0011】
また、特開平11−148610号公報に記載されているように、追加空気の一部をテーパ状の噴出部から斜め下流方向に噴出させると、追加空気が燃料ノズル外周部に到達しにくくなる。
【0012】
さらに、この従来例では、追加空気の噴出口を燃料ノズルの流路急拡大部に設けてあるために、燃料と搬送気体との混合気体の流れが乱れ、外周部分に燃料の濃縮領域を形成できない。
【0013】
本発明の目的は、褐炭などの低品位固体燃料の搬送気体に酸素濃度の低い気体を利用する固体燃料バーナにおいて、追加空気ノズル出口から燃料ノズル出口までの距離を変えずに、高負荷条件から低負荷条件まで、広範囲にわたって、燃料ノズル内での燃料粒子と空気との混合を促進し安定燃焼させる手段を備えた固体燃料バーナを提供することである。
【0014】
本発明の他の目的は、前記燃料粒子と空気との混合を促進し安定燃焼させる手段を備えた固体燃料バーナの燃焼方法,前記固体燃料バーナを備えた燃焼装置,前記燃焼装置の運用方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明は、上記目的を達成するために、固体燃料とその搬送気体の混合流体を噴出する燃料ノズルと、燃料ノズルの中心部側に配置され、燃料ノズル内の流路断面積を縮小させる部分と拡大させる部分をバーナ上流側から順に備える濃縮器と、燃料ノズル内に混合流体の流れに対して略垂直に空気を噴出する追加空気ノズルと、燃料ノズルの外側に配置され空気を噴出する少なくとも1つの外側空気ノズルとを有し、追加空気ノズルの出口が、燃料ノズルの出口よりもバーナ上流側であって、濃縮器による流路断面積拡大部に設けた固体燃料バーナを提案する。
【0016】
追加空気ノズルは、燃料ノズルの中央部に配置してもよいし、燃料ノズルと外側空気ノズルとを隔てる隔壁部に配置してもよい。
【0017】
混合流体の流れに対して略垂直に空気を噴出する追加空気ノズルを濃縮器による流路断面積縮小部またはその下流の流路拡大部に設けてもよい。
【0018】
燃料ノズルの隔壁に、バーナ上流側から順に燃料ノズルの流路断面積を一旦縮小した後、元の大きさまで拡大する流路縮小部材を設けることも可能である。
【0019】
外側空気ノズルに旋回器を設ける場合もある。
【0020】
外側空気ノズル出口に外側空気の噴出方向を決めるガイドを設けることができる。
【0021】
燃料ノズルと外側空気ノズルの間にノズルから噴出する固体燃料とその搬送気体や空気の流れを妨げる保炎器を設けてもよく、燃料ノズル出口の内側壁面に歯付き(toothed)保炎器を設けてもよい。
【0022】
燃焼負荷が低い場合は、追加空気ノズルから供給する空気量を増やし、燃焼負荷が高い場合は、追加空気ノズルから供給する空気量を減らす固体燃料バーナの燃焼方法を採用する。
【0023】
燃焼負荷が低い場合は、追加空気ノズルから供給する空気量を増やし、外側空気ノズルのうち燃料ノズルに最も近い外側空気ノズルから供給する空気量を減らしまたは旋回流速を増やし、燃焼負荷が高い場合は、追加空気ノズルから供給する空気量を減らし、外側空気ノズルのうち燃料ノズルに最も近い空気ノズルから供給する空気量を増やしまたは旋回強度を減らす固体燃料バーナの燃焼方法を採用することもできる。
【0024】
燃料ノズルの出口断面において中央部に対して外周部の酸素濃度を高める固体燃料バーナの燃焼方法を採用することができる。
【0025】
燃料ノズルの出口断面において中央部に対して外周部の酸素濃度と燃料濃度とを高める固体燃料バーナの燃焼方法を採用してもよい。
【0026】
本発明は、また、上下方向に少なくとも二段,水平方向に中央に向かって対向するように設置された上記いずれかの固体燃料バーナと、燃料ホッパと、給炭機と、給炭機の下流側の燃焼排ガス配管内で燃焼装置の上部から抜き出した燃焼排ガスと混合した燃料を導入する粉砕機と、粉砕機で粉砕された燃料を固体燃料バーナに供給する燃料配管と、固体燃料バーナに空気を供給するブロアと、低負荷条件において固体燃料バーナ毎に形成される火炎を監視する低負荷火炎検知器と、高負荷条件においては固体燃料バーナから離れた位置に形成される火炎を監視する高負荷火炎検知器と、負荷および燃焼方法に応じて低負荷火炎検知器または高負荷火炎検知器の信号を選択し燃料および空気の供給量を制御する制御手段とを備えた燃焼装置を提案する。
【0027】
燃焼装置は、温度計または放射強度計を燃焼装置の壁または固体燃料バーナに設置し、制御手段が、温度信号に基づいて追加空気流量を調整する手段を含むこともできる。
【0028】
上記いずれかの燃焼装置の運用方法において、燃焼装置を高い燃焼負荷で運用する場合は、固体燃料バーナから離れた位置から固体燃料の火炎を形成し、燃焼装置を低い燃焼負荷で運用する場合は、固体燃料バーナの燃料ノズル出口直後から固体燃料の火炎を形成する。
【0029】
本発明は、上記いずれかの固体燃料バーナを複数本壁面に備えた燃焼装置と、燃焼装置内に設けられ、燃焼装置内での固体燃料の燃焼で生じた燃焼熱で水を加熱し、蒸気を発生させる熱交換器とを備えた石炭焚きボイラを提案する。
【0030】
本発明の固体燃料バーナは、褐炭や亜炭などの石炭化度の低い固体燃料と酸素濃度が21%よりも低い搬送気体との混合流体を用いる場合に特に適した固体燃料バーナである。
【0031】
本発明の固体燃料バーナは、固体燃料とその搬送気体との混合流体を噴出する燃料ノズルと、燃料ノズル内に混合流体の流れに対して略垂直に空気を噴出する追加空気ノズルと、燃料ノズルの外側に配置された空気を噴出する少なくとも1つの外側空気ノズルとを有し、追加空気ノズルの出口が燃料ノズルの出口よりもバーナ上流側に位置する固体燃料バーナである。
【0032】
追加空気ノズルは、燃料ノズルの中央に配置しても、燃料ノズルの隔壁に配置してもよい。
【0033】
追加空気ノズルから噴出する追加空気噴流を燃料噴流に対して略垂直に噴出させると、平行に噴出させる場合よりも燃料粒子と追加空気噴流との速度差が大きくなり、混合が進む。特に、燃料粒子は、気体に比べて密度が大きいので、慣性力により追加空気噴流中に混合する。
【0034】
このとき、燃料粒子周囲の低酸素濃度の搬送ガスが燃料粒子と分離するので、燃料粒子の周囲の酸素濃度は、搬送ガスの酸素濃度よりも高くなる。したがって、燃料ノズルから噴出した後は、高い酸素濃度により燃焼反応が進み、燃料ノズル出口に火炎を安定に形成する。
【0035】
このとき、燃料ノズル内での火炎形成による逆火や焼損を防ぐため、燃料ノズル内での燃料の滞留時間が燃料の着火遅れ時間(約0.1秒)以下となることが望ましい。通常、燃料搬送気体は、流速12〜20m/sで燃料ノズル内を流れるので、燃料ノズル出口から追加空気ノズルの出口までの距離は1m以下となる。
【0036】
本発明の固体燃料バーナの燃料ノズルの内側壁に、バーナ上流側から順にノズルの断面積を一旦縮小した後、元の大きさまで拡大する流路縮小部材を設けることが望ましい。流路断面積を縮小すると、燃料ノズル内を流れる燃料搬送気体の流速が高まるので、瞬間的な流速低下により燃料ノズル内で火炎が形成されたとしても、流路縮小部材よりも上流側への逆火を防止できる。
【0037】
さらに、燃料ノズルの内部にバーナ上流側から順に燃料ノズルの流路断面積を縮小させる部分と拡大させる部分とからなる濃縮器を設けると、燃料粒子には濃縮器に沿って外周方向に向かう速度成分が誘起される。燃料粒子は搬送気体よりも慣性力が大きいので、燃料ノズルの内側壁面に片寄って流れてノズル出口に到達する。その結果、燃料ノズルの内側壁面に濃縮された燃料噴流が生じる。
【0038】
このとき、燃料噴流に対して略垂直方向に追加空気ノズルから空気を噴出し、燃料ノズルの内側壁面に沿って酸素濃度を高くすると、燃料ノズルの内側壁面に沿って、燃料濃度が高くかつ酸素濃度が高い領域を形成できる。その結果、燃料ノズルから噴出後、高い酸素濃度により燃焼反応が進み、燃料ノズル出口に火炎を安定に形成できる。
【0039】
燃料ノズルの内側壁面近傍を流れる微粉炭は、燃料ノズル出口付近で外側空気ノズルから噴出する空気と触れる機会が増える。また、後述の保炎器の後流側にできる循環流の高温ガスと接触して着火しやすくなる。
【0040】
追加空気ノズルは、外周の隔壁から中心に向かって噴出しても、空気を燃料ノズルの内部から外側に向かって噴出してもよい。
【0041】
追加空気ノズルは、燃料ノズルの流路が拡大する部分に設けることが望ましい。燃料粒子は、気体と比べて慣性力が強い。流路から壁面に向かう速度成分を誘起しにくい流路拡大部に追加空気ノズル出口を設けると、燃料粒子が追加空気ノズル内に進入しまたは堆積することを抑制できる。
【0042】
燃料ノズルと外側空気ノズルの隔壁先端部に、燃料ノズルから噴出する固体燃料混合物や空気の流れに対する保炎器を設けることが望ましい。保炎器の下流側では圧力が低下し、下流から上流に向かう循環流が形成される。循環流内には、外側のノズル群から噴出する空気,燃料,燃料搬送気体と、下流からの高温ガスとが滞留する。その結果、循環流内が高温となり、燃料噴流の着火源として作用する。したがって、火炎は燃料ノズル出口部分から安定に形成される。
【0043】
燃料ノズル出口の内側壁に歯付き(toothed)保炎器を設けると、燃料の着火が促進される。
【0044】
本発明の固体燃料バーナは、燃焼負荷に応じて、追加空気ノズルから噴出する空気量を変えることもできる。
【0045】
燃焼負荷が低い場合は、追加空気ノズルから噴出する空気量を増やす。このとき、追加空気ノズルから噴出する空気により、燃料ノズル内の酸素濃度が高まるので、燃料の燃焼反応は酸素濃度が低い場合よりも促進され、燃料の着火が早まり火炎が燃料ノズル近くから形成できる。
【0046】
燃焼負荷が高い場合は、追加空気ノズルから噴出する空気量を減らす。このとき、燃料ノズル内の酸素濃度が低いので、燃料の燃焼反応が進まず、燃料の着火が遅れ、燃料ノズルから離れた燃焼装置内の位置に火炎を形成できる。
【0047】
固体燃料バーナやその外側の燃焼装置壁の温度が高すぎると、燃焼灰が固体燃料バーナ構造物や燃焼装置壁に付着し、付着物が成長するスラッキングと呼ばれる現象が現れる。
【0048】
本発明により火炎が固体燃料バーナから離れると、固体燃料バーナやその外側の燃焼装置壁の温度が低下し、スラッキングを抑制できる。
【0049】
スラッキングを抑制するために、固体燃料バーナやその周囲の燃焼装置壁に設けた温度計または放射強度計などからの信号に基づき、追加空気ノズルから噴出する空気量を変更する。
【0050】
一方、燃焼負荷が低い場合は、固体燃料バーナの燃料ノズルおよび追加空気ノズルからそれぞれ供給される空気量の合計と燃料中の揮発分を完全燃焼させるのに必要な空気量との比(揮発分に対する空気比)が0.85〜0.95となるように空気量を調整することが望ましい。
【0051】
燃焼負荷が低い場合は、安定燃焼が難しい。そこで、揮発分に対する空気比を0.85〜0.95とすると、火炎温度が高くなり、安定燃焼を維持しやすくなる。空気量を変えると、燃焼装置内での火炎の形成位置を変えて、固体燃料バーナや燃焼装置壁への輻射熱量を調整できる。
【0052】
高負荷条件においては、燃焼装置内の熱負荷が高いので、火炎を固体燃料バーナから離れた位置に形成させることが望ましい。
【0053】
本発明の固体燃料バーナの燃焼方法によると、燃焼装置の高負荷条件においては、固体燃料バーナから離れた位置で燃料が着火し、火炎は燃焼装置中心部に形成される。固体燃料バーナから形成される火炎を監視するには、高負荷条件で運用する場合には、固体燃料バーナの火炎が集まる燃焼装置の中央部分の火炎を監視することが望ましい。
【0054】
低負荷条件においては、燃焼装置内の熱負荷は低いので、火炎を固体燃料バーナに近づけても、固体燃料バーナやその周囲の燃焼装置壁の温度は、高負荷条件の場合よりも低く、スラッキングは生じにくい。
【0055】
燃焼装置の低負荷条件においては、固体燃料バーナ近くで燃料が着火して火炎を形成する。このとき、個別の固体燃料バーナ毎に火炎が形成され、燃焼装置内で火炎がそれぞれ分かれて形成される場合もある。そのため、低負荷条件においては、個別の固体燃料バーナ出口に形成される個々の火炎を監視することが望ましい。
【0056】
本発明の固体燃料バーナでは、外側空気ノズルの出口に外側空気の噴出方向を決めるガイドを設けて、外側空気(二次空気、三次空気)をバーナ中心軸から広げて噴出させることができる。このとき、燃料は外側空気に沿って広がるので、燃料のバーナ近くでの速度が下がり、固体燃料バーナ近くでの滞留時間が増える。このため、燃焼装置内での燃料の滞留時間が増えることで燃焼装置での燃焼効率が上がる。
【0057】
最も外側の最外側空気ノズルからの噴流を誘導するガイドを外側空気噴流が固体燃料バーナやその外側の燃焼装置壁に沿うような角度とすると、外側空気は固体燃料バーナやその外側の燃焼装置壁を冷却でき、スラッキングを抑制できる。
【0058】
本発明の固体燃料バーナを複数本燃焼装置壁面に設けた燃焼装置としては、石炭焚きボイラ,ピート焚きボイラ,バイオマス(木材)焚きボイラなどがある。
【0059】
本発明の固体燃料バーナまたは固体燃料バーナの外側の燃焼装置壁面に温度計または放射温度計を設置し、これらの計測装置の信号に基づき、固体燃料バーナの追加空気ノズルから噴出する空気量を変えるように燃焼装置を運用すると、燃焼負荷変化に応じて火炎が適正な燃焼装置位置に形成されるように制御できる。
【0060】
火炎が適正な位置で形成されているかどうかの目安は、例えば次のように決める。すなわち、燃焼装置が低負荷の場合には、燃焼装置内の固体燃料火炎の先端が燃料ノズル出口外側の燃焼装置壁面付近から形成され、燃焼装置が高負荷の場合には、燃料ノズル出口から0.5m以上離れた燃焼装置内の位置で火炎が形成されるように燃焼装置を運用する。
【0061】
燃焼装置を高負荷で運用する場合は、本発明の固体燃料バーナの火炎が集まる燃焼装置内の中央部分またはその近傍の火炎を火炎検出器あるいは目視で監視し、燃焼装置を低負荷で運用する場合は、本発明の固体燃料バーナ出口に形成される個々の火炎を監視して燃焼装置を適正に運用する。
【発明の実施の形態】
【0062】
次に、図1ないし図12を参照して、本発明による固体燃料バーナ,固体燃料バーナの燃焼方法,固体燃料バーナを備えた燃焼装置,燃焼装置の運用方法の実施形態を説明する。
【実施形態1】
【0063】
図1は、本発明による固体燃料バーナの実施形態1の構造を示す断面図であり、実施形態1の固体燃料バーナを低負荷条件で使用する場合に、固体燃料バーナの火炎を保炎器の下流側の循環流近くから形成させた状態を示す図である。図2は、本実施形態1の固体燃料バーナを燃焼装置41の内側から見た概略構造を示す図である。
【0064】
本実施形態1の固体燃料バーナは、中心部に助燃用オイルガン24を備え、助燃用オイルガン24の周囲に燃料とその搬送気体との混合流体を噴出する燃料ノズル11を備えている。ノズル出口が燃料ノズル11の外側隔壁22から固体燃料バーナ中心軸に向かう方向に複数本の追加空気ノズル12を配置してある。
【0065】
燃料ノズル11の中心部を貫通して設けられた助燃用のオイルガン24は、固体燃料バーナの起動時に燃料着火用に使用する。
【0066】
燃料ノズル11の外側には、燃料ノズル11と同心円状の空気噴出用の外側空気ノズル(二次空気ノズル13,三次空気ノズル14など)がある。
【0067】
燃料ノズル11外側の先端部すなわち燃焼装置出口側には、保炎器23と呼ばれる障害物が設けられている。保炎器23は、燃料ノズル11から噴出する燃料とその搬送気体とからなる燃料噴流16や二次空気ノズル13を流れる二次空気の流れ17に対して障害物として働く。したがって、保炎器23の下流側すなわち燃焼装置41側の圧力が低下し、この部分には、燃料噴流16や二次空気の流れ17とは逆方向の流れが誘起される。この逆方向の流れを循環流19という。
【0068】
循環流19内には、下流から燃料の燃焼で生じた高温ガスが流れ込み、滞留する。この高温ガスと燃料噴流16中の燃料とが、固体燃料バーナ出口の燃焼装置41内で混合すると、燃焼装置41内からの輻射熱で燃料粒子の温度が上昇して、着火する。
【0069】
二次空気ノズル13と三次空気ノズル14とは、隔壁29で隔てられ、隔壁29の先端部分は、燃料噴流16に対して三次空気の流れ18が角度を持つように噴出させるガイド25を形成してある。外側空気ノズル(二次空気ノズル13,三次空気ノズル14など)の流路出口に外側空気の噴出方向をバーナ中心軸から離れる方向に誘導するガイド25を設けると、保炎器23とともに、循環流19を容易に形成するために役立つ。
【0070】
二次空気ノズル13および三次空気ノズル14から噴出する空気に旋回力を与えるために、ノズル13,14内に旋回器27,28を設ける。
【0071】
燃焼装置壁を構成するバーナスロート30は、三次空気ノズルの外周壁を兼ねる。燃焼装置壁には水管31が設けられている。
【0072】
本実施形態1では、燃料の搬送気体に燃焼排ガスを利用し、燃料ノズル11を流れる燃料噴流16中の酸素濃度を低くする。このような燃焼方法を適用する例としては、褐炭や亜炭の燃焼がある。
【0073】
瀝青炭や無煙炭などの石炭化度の高い石炭と比べて発熱量が低く、一般に粉砕性が悪い。さらに、燃焼灰の溶融温度が低い。これらの燃料は、揮発分が多いので、空気雰囲気では、貯蔵過程や粉砕過程において、自然発火しやすく、瀝青炭などと比べると扱いにくい。自然発火を防止するために、褐炭や亜炭などを微粉砕して燃焼する場合は、燃料の搬送気体として、燃焼排ガスと空気との混合気体が使われる。燃焼排ガスは、酸素濃度を低下させ、燃料の自然発火を防ぐ。また、燃焼排ガスの保有熱により、燃料中の水分を蒸発させることができる。
【0074】
低い酸素濃度雰囲気下では、燃焼速度は空気中での燃焼速度と比べて遅い。低い酸素濃度の搬送気体で褐炭や亜炭などの微粉炭を搬送すると、その燃焼速度は燃料と空気の混合速度に制約され、空気で搬送できる瀝青炭と比べて燃焼速度が低下する。このため、燃料の燃焼量が少ない固体燃料バーナの低負荷条件で褐炭や亜炭などを燃焼させると、瀝青炭の燃焼の場合よりも火炎20の吹き飛びや失火が生じやすい。
【0075】
本実施形態1では、燃料ノズル11内に燃料噴流に対して略垂直に空気を噴出する追加空気ノズル12を有する。追加空気ノズル12から噴出する空気噴流(追加空気噴流)21を燃料噴流に対し略直角に噴出させると、燃料粒子と空気との速度差が平行に噴出する場合よりも大きくなり、混合が進む。特に、燃料粒子は気体に比べて密度が大きいため、慣性力により追加空気噴流中に混合する。
【0076】
このとき、燃料粒子の周囲の搬送ガス(低酸素濃度)は燃料粒子と分離するため、燃料粒子の周囲は、酸素濃度が搬送ガスよりも高くなる。このため、燃料ノズルから噴出後、高い酸素濃度により燃焼反応は進みやすく、燃料ノズル出口で火炎20が安定に形成される。
【0077】
燃料ノズル出口から追加空気ノズル12の出口までの距離は、燃料ノズル11内での火炎20形成による逆火や焼損を防ぐために、燃料ノズル内での燃料の滞留時間が燃料の着火遅れ時間(約0.1秒)以下となる長さであることが望ましい。通常、燃料搬送気体は、流速12〜20m/sで燃料ノズル内を流れるので、前記距離は、1m以下となる。
【0078】
さらに、本実施形態1では、燃料ノズル11内に設けられた流路を縮小する流路縮小部材32が、燃料ノズル11の上流側の外側隔壁22に設けられている。燃料ノズル11内に流路を一旦縮小した後に拡大するための障害物(濃縮器)33が、燃料ノズル中心部のオイルガン24の外側に設けられている。障害物33は、流路縮小部材32よりも固体燃料バーナの下流側(燃焼装置41側)に設けられている。
【0079】
流路縮小部材32は、燃料搬送気体より慣性力が大きい燃料粒子(微粉炭)に燃料ノズルの中心軸の方向の速度成分を誘起させる。濃縮器33を流路縮小部材32より下流側に設けると、バーナ中心軸方向に流路縮小部材32で絞られた燃料粒子(微粉炭)の流れが、濃縮器33を通過後、燃料ノズル11の流路に沿って隔壁22に向かって流れる。燃料ノズル内の流路に沿って流れる燃料粒子(微粉炭)は、燃料搬送気体よりも慣性力が大きいので、燃料ノズル11内壁面(隔壁22)側に片寄って流れて出口に向かう。したがって、燃料ノズル11内壁面(隔壁22)側に燃料が濃縮される。
【0080】
追加空気ノズルから噴出する空気も燃料ノズル11内壁面(隔壁22)側に噴出するので、燃料濃度が高くかつ酸素濃度の高い領域が形成される。その結果、燃料が燃料ノズル11から噴出した後、高い酸素濃度により燃焼反応が進みやすく、火炎20が燃料ノズル出口に安定に形成される。燃料ノズル11内壁面(隔壁22)側を流れる燃料噴流は、燃料ノズル11出口付近で外側空気ノズルから噴出する空気と混合しやすくなる。
【0081】
さらに、保炎器23の後流側にできる循環流の高温ガスと混合すると、燃料粒子の温度が上がり、着火しやすくなる。結果として、火炎20が燃料ノズル出口に安定に形成される。
【0082】
このように追加空気ノズル12から燃料ノズル11内を流れる燃料噴流に対して略垂直に空気を噴出させると、燃料粒子と空気との混合が進み、火炎20が燃料ノズル出口に安定に形成されるので、従来よりも低い負荷で安定に燃焼を継続できる。
【0083】
高い熱負荷で褐炭や亜炭を燃焼させる場合、空気と燃料の混合が良い条件においては、揮発分が多いので、固体燃料バーナ近くで燃える燃料量が多くなる。このように、固体燃料バーナ近くの熱負荷が局所的に高くなり、火炎20からの輻射熱により固体燃料バーナ構造物や燃焼装置壁が高温となると、燃焼灰が付着して溶融し、スラッキングが生じる恐れがある。特に、褐炭や亜炭は、燃焼灰の溶融温度が低いので、スラッキングが生じやすい。
【0084】
本実施形態1では、固体燃料バーナの負荷に応じて火炎20の形成位置を変えて、石炭化度の低い燃料を用いるときの固体燃料バーナの高負荷条件と低負荷条件とで燃焼状態が異なるために生じる不具合を解決する。すなわち、高負荷条件においては、固体燃料バーナから離れた位置に火炎20を形成させ、低負荷条件においては、燃料ノズル11の出口近くから火炎20を形成させる。低負荷条件においては、火炎20を燃焼装置壁や固体燃料バーナに近づけても燃焼装置41内の熱負荷が低いので、固体燃料バーナやその周囲の燃焼装置壁の温度は、高負荷条件の場合よりも低くなる。したがって、スラッキングが生じない。
【0085】
本実施形態1では、低負荷条件においては、火炎20を燃料ノズル11の出口近くから形成させ、保炎器23およびガイド25の下流側に形成される循環流19に高温ガスを滞留させる。さらに、追加空気ノズル12の流量調節弁34を開けて空気を供給し、保炎器23近くの燃料噴流16中の酸素濃度を高める。その結果、酸素濃度が低い場合と比べて、燃焼速度が高くなるので、燃料粒子の着火が早まり、燃料ノズル11近くから火炎20を形成できる。
【0086】
高負荷条件においては、固体燃料バーナから離れた位置に火炎20を形成させ、固体燃料バーナ近くの熱負荷を低減させる。このため、本実施形態1では、追加空気ノズル12の流量調節弁34を閉めて低負荷条件の場合と比べて空気供給量を低減する。このとき、保炎器23近くでの燃料噴流16中の酸素濃度は、低負荷条件のときよりも低くなり、燃焼速度も遅くなる。このため、保炎器23の下流側にできる循環流19の温度が低くなり、固体燃料バーナ構造物が受ける輻射熱を低減し、スラッキングを抑制できる。
【0087】
図3は、本実施形態1の固体燃料バーナを高負荷条件で使用する場合に、固体燃料バーナの火炎20を保炎器23の下流側の循環流19から離して形成させた状態を示す図である。
【0088】
図4は、本実施形態1の固体燃料バーナ42を用いた燃焼装置の構造を示す水平断面図である。固体燃料バーナ42を図3に示すように高負荷条件で使用する場合、失火の危険を低減するため、火炎20は、火炎20同士を燃焼装置41内で混合し、安定燃焼させることが望ましい。
【0089】
図4では、固体燃料バーナ42が燃焼装置壁の四隅に設置される構造を示しているが、固体燃料バーナ42が対向する燃焼装置壁に配置される対向燃焼方式の場合も同じである。
【0090】
燃焼により発生する窒素酸化物NOxを低減するには、燃料ノズル11および追加空気ノズル12から供給される空気量の合計と燃料中の揮発分を完全燃焼させるのに必要な空気量との比(揮発分に対する空気比)が0.85〜0.95となるように、空気量を調整することが望ましい。
【0091】
燃料の大部分は、燃料ノズル11内に含まれる上記のノズルから供給される空気と混合して燃焼し(第一段階)、その後、二次空気17や三次空気の流れ18が混合して燃焼する(第二段階)。さらに、固体燃料バーナより下流側の燃焼装置41内に空気を供給するアフタエアポート49(図11参照)が設置されている場合、燃料は、このアフタエアポート49から供給される空気と混合し、完全燃焼する(第三段階)。燃料中の揮発分は、固定炭素と比べて燃焼速度が速いので、上記第一段階で燃焼する。
【0092】
このとき、揮発分に対する空気比を0.85〜0.95とすると、酸素不足ではあるが、燃料の燃焼は促進され、高い火炎温度で燃焼できる。第一段階での燃焼で、燃料は酸素が不足する還元燃焼をさせるので、燃料中の窒素や空気中の窒素から生じる窒素酸化物(NOx)を無害な窒素に転換し、燃焼装置41から排出されるNOx量を低減できる。燃料は高温で反応するので、第二段階の反応が促進され、未燃焼分が低減できる。
【0093】
本実施形態1の固体燃料バーナは、燃焼装置側から見た図2に示すように、円柱状の燃料ノズル11,二次空気ノズル13,三次空気ノズル14が同心円状に配置された円形状である。
【0094】
図5は、固体燃料バーナのノズル部の別な例を示す図である。燃料ノズル11が角型の場合や、濃縮器33が角型の場合、または、二次空気ノズル13,三次空気ノズル14などの外側空気ノズルの少なくとも一部が燃料ノズル11を挟むように設置された空気ノズル構造としてもよい。外側空気を1つのノズルから供給する場合や、三つ以上に分割したノズル構造としてもよい。
【実施形態2】
【0095】
図6は、追加空気ノズルの設置位置を変更した本発明による固体燃料バーナの実施形態2の構造を示す断面図である。追加空気ノズル12は、図1に示すように、空気を燃料ノズルの内部から外側に向けて噴出する代わりに、図6に示すように、外周の隔壁から中心に向けて噴出してもよい。
【0096】
追加空気ノズル12は、燃料ノズル11の流路が拡大する部分に設けることが望ましい。流路から壁面に向かう速度成分を誘起しにくい流路拡大部に追加空気ノズル12の出口を設けると、燃料粒子が追加空気ノズル内に進入しまたは堆積することを抑制できる。
【0097】
燃料ノズル11内での燃料の着火による燃料ノズル11の焼損や逆火現象を防ぐには、燃料ノズル11内での燃料の滞留時間が燃料の着火遅れ時間よりも短くなるように、追加空気ノズル12の配置を決めることが望ましい。通常は、微粉炭などよりも着火遅れ時間の短いガス燃料の着火遅れ時間約0.1秒と、燃料ノズル11内の流速10〜20m/sとを目安にする。例えば、燃料ノズル11出口と追加空気ノズル12出口との距離を1m程度以内にする。
【実施形態3】
【0098】
図7は、濃縮器33を持たない固体燃料バーナの実施形態3の構造を示す断面図である。実施形態1では、燃料ノズル11内に濃縮器33を設けたが、図7に示すように、濃縮器33を持たない場合でも、燃料ノズル11内を流れる燃料噴流に略垂直に追加ノズルから噴出する空気を噴出すると、燃料ノズル11内での燃料噴流と空気とは、実施形態1の場合と同様に混合される。
【実施形態4】
【0099】
図8および図9は、本発明による固体燃料バーナの実施形態4の構造を示す断面図である。図8は、低負荷条件にある固体燃料バーナから噴出される燃料が燃焼装置41で燃焼している状態を示し、図9は、高負荷条件にある固体燃料バーナから噴出される燃料が燃焼装置41で燃焼している状態を示す。
【0100】
本実施形態4と実施形態1との主な違いは、燃料ノズル11の外側隔壁22の先端に保炎器23やガイド25を設けていないことである。本実施形態4では、保炎器23やガイド25を設けずに、火炎20の形状を変えるため、二次空気流路に設けた旋回器27を用いる。
【0101】
低負荷条件においては、追加空気ノズル12から空気を供給し、燃料ノズル11の外側隔壁22近くで、燃料噴流16中の酸素濃度を高める。燃焼速度は、酸素濃度が低い場合と比べて高くなるので、燃料粒子の着火が早まり、燃料ノズル11近くから火炎20を形成できる。
【0102】
本実施形態4では、さらに、二次空気流路に設けた旋回器27により二次空気に強い旋回流速(通常、スワール数で1以上)を与える。旋回流速による遠心力で二次空気の流れ17は、二次空気ノズル13から噴出後、燃料噴流16から離れる方向に広がる。このとき、燃料噴流16と二次空気の流れ17の間の領域では圧力が低下し、燃料噴流16や二次空気の流れ17とは逆方向の流れである循環流19が誘起される。二次空気流路に流量を減らすダンパを取り付け、二次空気の流量をゼロ近くまで減らすと、三次空気の流れ18と燃料噴流16の間に循環流を誘起できる。
【0103】
高負荷条件においては、火炎20を固体燃料バーナから離れた位置に形成させて、固体燃料バーナ近くの熱負荷を低減させる。このため、低負荷条件の場合と比べて、追加空気ノズル12からの空気供給量を減らす。追加空気の供給量が減ると、燃料ノズル11の外側隔壁22近くでは、燃料噴流16中の酸素濃度が低負荷条件のときよりも低くなり、燃焼速度も遅くなる。
【0104】
さらに、本実施形態4では、二次空気流路に設けた旋回器27により二次空気に与える旋回流速を弱める。二次空気の流れ17は、二次空気ノズル13から噴出後、燃料噴流16と平行に流れるので、燃料噴流16と二次空気の流れ17との間の領域には、逆方向の流れである循環流19が生じない。二次空気流路に取り付けたダンパを開け、二次空気の流量を増やすと、燃料噴流16と二次空気の流れ17との間の領域に、逆方向の流れである循環流19が生じないようにすることができる。
【0105】
図10は、保炎器の別な構造の例を示す図である。本実施形態4では、図10に示すように、歯付き(toothed)保炎器54を設けることもできる。燃料は、歯付き(toothed)保炎器54を回りこんで着火しやすくなる。すなわち、歯付き(toothed)保炎器54の後側で着火する。
【実施形態5】
【0106】
図11は、本発明による固体燃料バーナを用いた燃焼装置の概略構造を示す図であり、図12は、図11の燃焼装置の水平断面図である。
【0107】
本実施形態5では、燃焼装置(火炉)41の上下方向に二段,水平方向に燃焼装置41の四隅から中央に向かって、固体燃料バーナ42を設置してある。燃料は、燃料ホッパ43から給炭機44を通して粉砕機45に供給される。このとき、燃料は、給炭機44の下流側の燃焼排ガス配管55内で、燃焼装置41の上部から抜き出した燃焼排ガスと混合し、粉砕機45に導入している。粉砕機45で粉砕された燃料は、燃料配管56を通じて固体燃料バーナ42に供給される。
【0108】
燃料を高温の燃焼排ガスと混合すると、燃料中に含まれる水分が蒸発する。また、燃焼排ガスを燃料と混合すると、酸素濃度が低下するので、粉砕機45で粉砕する際に高温になっても、自然着火や爆発を抑制できる。褐炭の場合、酸素濃度は8〜15%程度のことが多い。固体燃料バーナ42とその下流側に設けたアフタエアポート49には、ブロア46から空気を供給する。
【0109】
本実施形態5では、固体燃料バーナ42から燃料の完全燃焼に必要な空気量より少ない空気を投入し、アフタエアポート49から残りの空気を供給する二段燃焼方式を用いる。
【0110】
本発明は、アフタエアポート49を設けず、固体燃料バーナ42から必要な空気をすべて投入する単段燃焼方式にも適用できる。
【0111】
固体燃料バーナ42では、燃焼装置41の負荷に伴って燃焼方式を変更する。すなわち、高負荷条件においては、火炎20を固体燃料バーナ42から離れた位置に形成させ、固体燃料バーナ42近くの熱負荷を低減させる。低負荷条件においては、火炎20を燃料ノズル11出口近くから形成する。このとき、燃焼装置を安全に運用するため、火炎20の監視が必要となる。
【0112】
本発明では、燃焼方式が負荷に伴って変更するため、監視方式も変更する方が望ましい。すなわち、低負荷条件においては、固体燃料バーナ42毎に形成される火炎20を監視するため、低負荷火炎検知器47を個々の固体燃料バーナ42に設置する。高負荷条件においては、固体燃料バーナ42から離れた位置に火炎20を形成するため、燃焼装置中心部を監視する高負荷火炎検知器48を設置する必要がある。負荷および燃焼方法に応じて低負荷火炎検知器47または高負荷火炎検知器8の信号を選択し燃料および空気の供給量を制御する制御手段とを設ける。
【0113】
さらに、高負荷条件での固体燃料バーナ構造物および燃焼装置壁へのスラッキングを低減するために、図示していない温度計または放射強度計を燃焼装置壁や固体燃料バーナ42に設置し、その信号に基づいて追加空気流量を調整することも可能である。
【発明の効果】
【0114】
本発明によれば、褐炭や亜炭などの石炭化度の低い石炭など燃焼性が比較的劣る固体燃料であっても、追加空気ノズル出口から燃料ノズル出口までの距離を変えずに、高負荷条件から低負荷条件まで、広範囲にわたって、燃料ノズル内での燃料粒子と空気との混合を促進し安定燃焼させしかも燃焼灰に起因するスラッキングを防止する手段を備えた固体燃料バーナが得られる。
【0115】
また、燃料粒子と空気との混合を促進し安定燃焼させしかも燃焼灰に起因するスラッキングを防止する手段を備えた固体燃料バーナの燃焼方法,固体燃料バーナを備えた燃焼装置,燃焼装置の運用方法,石炭焚きボイラが得られる。
【図面の簡単な説明】
【0116】
【図1】 本発明による固体燃料バーナの実施形態1の構造を示す断面図であり、実施形態1の固体燃料バーナを低負荷条件で使用する場合に、固体燃料バーナの火炎を保炎器の下流側の循環流近くから形成させた状態を示す図である。
【図2】 実施形態1の固体燃料バーナを燃焼装置の内側から見た概略構造を示す図である。
【図3】 実施形態1の固体燃料バーナを高負荷条件で使用する場合に、固体燃料バーナの火炎を保炎器の下流側の循環流から離して形成させた状態を示す図である。
【図4】 実施形態1の固体燃料バーナを用いた燃焼装置の構造を示す水平断面図である。
【図5】 固体燃料バーナのノズル部の別な例を示す図である。
【図6】 追加空気ノズルの設置位置を変更した本発明による固体燃料バーナの実施形態2の構造を示す断面図である。
【図7】 濃縮器を持たない固体燃料バーナの実施形態3の構造を示す断面図である。
【図8】 本発明による固体燃料バーナの実施形態4の構造を示す断面図であり、低負荷条件にある固体燃料バーナから噴出される燃料が燃焼装置で燃焼している状態を示す図である。
【図9】 本発明による固体燃料バーナの実施形態4の構造を示す断面図であり、高負荷条件にある固体燃料バーナから噴出される燃料が燃焼装置で燃焼している状態を示す図である。
【図10】 保炎器の別な構造の例を示す図である。
【図11】 本発明による固体燃料バーナを用いた燃焼装置の概略構造を示す図である。
【図12】 図11の燃焼装置の水平断面図である。
【符号の説明】
【0117】
11 燃料ノズル
12 追加空気ノズル
13 二次空気ノズル(外側空気ノズル)
14 三次空気ノズル(外側空気ノズル)
16 燃料とその搬送気体の流れ(燃料噴流)
17 二次空気の流れ
18 三次空気の流れ
19 循環流
20 火炎
21 追加空気の流れ
22 燃料ノズルの外側隔壁
23 障害物(保炎器)
24 オイルガン
25 ガイド
26 風箱
27 旋回器
28 旋回器
29 隔壁、
30 バーナスロート
31 水管
32 流路縮小部材(ベンチュリ)
33 障害物(濃縮器)
34 流量調節弁
41 燃焼装置(火炉)
42 固体燃料バーナ
43 燃料ホッパ
44 給炭機
45 粉砕機
46 ブロア
47 低負荷火炎検知器
48 高負荷火炎検知器
49 アフタエアポート
54 歯付き(toothed)保炎器
55 燃焼排ガス配管
56 燃料配管
BACKGROUND OF THE INVENTION
[0001]
The present invention relates to a solid fuel burner that burns by transporting solid fuel in an air flow, and in particular, a solid fuel burner and a solid fuel burner that are suitable for burning fuel with a high water content and volatile content such as pulverized coal, wood, and peat. The combustion method of this invention, the combustion apparatus provided with the solid fuel burner, and the operation method of the combustion apparatus.
[Prior art]
[0002]
Coal, wood, and peat, which have a low degree of coalification such as lignite and lignite, have a large amount of moisture and volatile matter released as a gas when heated. Moreover, compared with coal with high coalification degree, such as bituminous coal and anthracite, calorific value is low, and generally grindability is bad. Furthermore, the melting temperature of combustion ash is low.
[0003]
Since these fuels have a large amount of volatile components, they tend to spontaneously ignite in the air atmosphere during storage and pulverization, and are difficult to handle compared to bituminous coal. In order to prevent spontaneous ignition, when lignite or lignite is pulverized and burned, a mixed gas of combustion exhaust gas and air is used as a fuel carrier gas. Combustion exhaust gas reduces oxygen concentration and prevents spontaneous ignition of fuel. On the other hand, the retained heat of the combustion exhaust gas evaporates moisture in the fuel.
[0004]
However, when the fuel transported by the transport gas having a low oxygen concentration is ejected from the solid fuel burner, the combustion reaction does not proceed unless it is mixed with air. The combustion reaction is limited by the mixing speed of fuel and air, and the combustion speed is lower than that of bituminous coal that can be conveyed by air. Therefore, the burn-out time of the fuel becomes longer than the combustion of bituminous coal, and the unburned portion at the combustion device, that is, the outlet of the furnace increases.
[0005]
As a method for accelerating the ignition of the fuel conveyed by the carrier gas having a low oxygen concentration, there is a method for increasing the oxygen concentration of the fuel carrier gas by providing an additional air nozzle at the tip of the fuel nozzle. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-73208 shows a solid fuel burner in which an additional air nozzle is provided outside the fuel nozzle.
[0006]
Further, as described in JP-A-11-148610, a solid fuel burner is also used in which an additional air nozzle is provided in the center of the fuel nozzle to promote mixing of fuel and air at the fuel nozzle outlet. .
[Problems to be solved by the invention]
[0007]
In the conventional solid fuel burner, an additional air nozzle is provided outside or inside the fuel nozzle to accelerate mixing of the solid fuel and air and promote a combustion reaction. When the additional air nozzle is provided in the fuel nozzle, it is desirable that the fuel jet composed of the mixed fluid of the solid fuel and the carrier gas and the air ejected from the additional air nozzle are sufficiently mixed at the fuel nozzle outlet.
[0008]
However, when the air ejected from the additional air nozzle is ejected in parallel with the fuel jet as in the above-described conventional example, the difference between the flow velocity of the fuel jet and the additional air is small, so the mixing of the fuel jet and the additional air is slow. Become.
[0009]
Usually, the distance from the additional air nozzle outlet to the fuel nozzle outlet is within 1 m. The flow velocity of the fuel jet is about 12 m / s or more. Therefore, the mixing time of the fuel particles and the additional air in the fuel nozzle is as short as about 0.1 second or less, and the fuel particles and the air cannot be sufficiently mixed.
[0010]
On the other hand, if the mixing time of the fuel particles and the additional air in the fuel nozzle is lengthened, there is a risk of a so-called flashback phenomenon that ignites in the fuel nozzle, so the distance from the additional air nozzle outlet to the fuel nozzle outlet is increased. Can't be long.
[0011]
Further, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-148610, when a part of the additional air is ejected obliquely downstream from the tapered ejection portion, the additional air is unlikely to reach the outer peripheral portion of the fuel nozzle.
[0012]
Furthermore, in this conventional example, since the additional air injection port is provided in the rapid expansion portion of the flow path of the fuel nozzle, the flow of the mixed gas of the fuel and the carrier gas is disturbed, and a fuel concentration region is formed in the outer peripheral portion. Can not.
[0013]
An object of the present invention is to use a gas having a low oxygen concentration as a carrier gas for low-grade solid fuel such as lignite. solid In the fuel burner, the mixing of fuel particles and air in the fuel nozzle is promoted and stably burned over a wide range from high load conditions to low load conditions without changing the distance from the additional air nozzle outlet to the fuel nozzle outlet. A solid fuel burner with means is provided.
[0014]
Another object of the present invention is to provide a combustion method of a solid fuel burner provided with means for promoting stable mixing of the fuel particles and air, a combustion device including the solid fuel burner, and an operation method of the combustion device. Is to provide.
[Means for Solving the Problems]
[0015]
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel nozzle that ejects a mixed fluid of solid fuel and its carrier gas; A concentrator that is arranged on the center side of the fuel nozzle and comprises a portion for reducing the cross-sectional area of the flow passage in the fuel nozzle and a portion for increasing the size in order from the burner upstream side; An additional air nozzle that ejects air substantially perpendicular to the flow of the mixed fluid in the fuel nozzle, and at least one outer air nozzle that is disposed outside the fuel nozzle and ejects air, and an outlet of the additional air nozzle However, the burner upstream side of the fuel nozzle outlet And provided in the channel cross-sectional area enlarged portion by the concentrator A solid fuel burner is proposed.
[0016]
The additional air nozzle may be disposed in the center of the fuel nozzle, or may be disposed in a partition that separates the fuel nozzle and the outer air nozzle.
[0017]
You may provide the additional air nozzle which ejects air substantially perpendicular | vertical with respect to the flow of a mixed fluid in the flow-path cross-sectional area reduction part by a concentrator, or the flow-path expansion part downstream.
[0018]
It is also possible to provide the fuel nozzle partition wall with a flow path reducing member that once reduces the flow path cross-sectional area of the fuel nozzle in order from the burner upstream side and then expands to the original size.
[0019]
A swirler may be provided on the outer air nozzle.
[0020]
A guide for determining the jet direction of the outer air can be provided at the outer air nozzle outlet.
[0021]
A flame holder may be provided between the fuel nozzle and the outer air nozzle to block the flow of solid fuel ejected from the nozzle and its carrier gas and air, and a toothed flame holder is provided on the inner wall surface of the fuel nozzle outlet. It may be provided.
[0022]
When the combustion load is low, the amount of air supplied from the additional air nozzle is increased, and when the combustion load is high, a solid fuel burner combustion method is adopted in which the amount of air supplied from the additional air nozzle is reduced.
[0023]
If the combustion load is low, increase the amount of air supplied from the additional air nozzle, decrease the amount of air supplied from the outer air nozzle closest to the fuel nozzle among the outer air nozzles or increase the swirl flow rate, and if the combustion load is high Alternatively, a solid fuel burner combustion method may be employed in which the amount of air supplied from the additional air nozzle is reduced, the amount of air supplied from the air nozzle closest to the fuel nozzle among the outer air nozzles is increased, or the swirl strength is reduced.
[0024]
A combustion method of a solid fuel burner that increases the oxygen concentration in the outer peripheral portion relative to the central portion in the outlet cross section of the fuel nozzle can be adopted.
[0025]
You may employ | adopt the combustion method of the solid fuel burner which raises the oxygen concentration and fuel concentration of an outer peripheral part with respect to the center part in the exit cross section of a fuel nozzle.
[0026]
The present invention also includes any one of the above-described solid fuel burners, a fuel hopper, a coal feeder, and a downstream of the coal feeder that are installed so as to face at least two stages in the vertical direction and toward the center in the horizontal direction. A pulverizer that introduces fuel mixed with the flue gas extracted from the upper part of the combustion device in the flue gas piping on the side, and the fuel pulverized by the pulverizer solid Fuel piping for supplying to the fuel burner; solid A blower that supplies air to the fuel burner and low load conditions solid A low-load flame detector that monitors the flame formed for each fuel burner, and in high-load conditions solid A high-load flame detector that monitors the flame formed at a position away from the fuel burner, and a low-load flame detector or a high-load flame detector signal depending on the load and combustion method, and the supply amount of fuel and air A combustion apparatus comprising a control means for controlling the combustion is proposed.
[0027]
Combustion equipment is equipped with a thermometer or radiation intensity meter on the wall of the combustion equipment or solid The control means may be included in the fuel burner, and the control means may include means for adjusting the additional air flow rate based on the temperature signal.
[0028]
In any of the above combustion apparatus operating methods, when the combustion apparatus is operated at a high combustion load, a solid fuel flame is formed from a position away from the solid fuel burner, and the combustion apparatus is operated at a low combustion load. A solid fuel flame is formed immediately after the fuel nozzle exit of the solid fuel burner.
[0029]
The present invention provides a combustion apparatus provided with a plurality of the above-described solid fuel burners on a wall surface, and water is heated by combustion heat provided by combustion of solid fuel in the combustion apparatus, A coal-fired boiler equipped with a heat exchanger that generates heat is proposed.
[0030]
The solid fuel burner of the present invention is a solid fuel burner particularly suitable when a mixed fluid of a solid fuel having a low degree of coalification such as lignite and lignite and a carrier gas having an oxygen concentration lower than 21% is used.
[0031]
A solid fuel burner of the present invention includes a fuel nozzle that ejects a mixed fluid of a solid fuel and its carrier gas, an additional air nozzle that ejects air substantially perpendicular to the flow of the mixed fluid in the fuel nozzle, and a fuel nozzle A solid fuel burner having at least one outer air nozzle that ejects air disposed outside the fuel nozzle, the outlet of the additional air nozzle being located upstream of the outlet of the fuel nozzle.
[0032]
The additional air nozzle may be arranged in the center of the fuel nozzle or in the partition wall of the fuel nozzle.
[0033]
When the additional air jet ejected from the additional air nozzle is ejected substantially perpendicularly to the fuel jet, the speed difference between the fuel particles and the additional air jet becomes larger than that in the case of jetting in parallel, and mixing proceeds. In particular, since the fuel particles have a higher density than the gas, they are mixed in the additional air jet by inertia force.
[0034]
At this time, since the carrier gas having a low oxygen concentration around the fuel particles is separated from the fuel particles, the oxygen concentration around the fuel particles is higher than the oxygen concentration of the carrier gas. Therefore, after jetting from the fuel nozzle, the combustion reaction proceeds with a high oxygen concentration, and a flame is stably formed at the fuel nozzle outlet.
[0035]
At this time, in order to prevent backfire and burning due to the formation of flame in the fuel nozzle, it is desirable that the residence time of the fuel in the fuel nozzle is not longer than the ignition delay time (about 0.1 second) of the fuel. Usually, since the fuel carrier gas flows in the fuel nozzle at a flow rate of 12 to 20 m / s, the distance from the fuel nozzle outlet to the outlet of the additional air nozzle is 1 m or less.
[0036]
It is desirable to provide a flow path reducing member that once reduces the cross-sectional area of the nozzle in order from the burner upstream side and then expands to the original size on the inner wall of the fuel nozzle of the solid fuel burner of the present invention. When the flow path cross-sectional area is reduced, the flow velocity of the fuel carrier gas flowing in the fuel nozzle increases, so even if a flame is formed in the fuel nozzle due to a momentary drop in the flow velocity, Backfire can be prevented.
[0037]
Furthermore, if a concentrator comprising a portion for reducing the flow passage cross-sectional area of the fuel nozzle and a portion for enlarging the fuel nozzle in order from the upstream side of the burner is provided inside the fuel nozzle, the speed of the fuel particles toward the outer circumference along the concentrator Ingredients are induced. Since the fuel particles have an inertial force larger than that of the carrier gas, they flow toward the inner wall surface of the fuel nozzle and reach the nozzle outlet. As a result, a concentrated fuel jet is generated on the inner wall surface of the fuel nozzle.
[0038]
At this time, if air is ejected from the additional air nozzle in a direction substantially perpendicular to the fuel jet and the oxygen concentration is increased along the inner wall surface of the fuel nozzle, the fuel concentration is increased along the inner wall surface of the fuel nozzle and the oxygen concentration is increased. A region having a high concentration can be formed. As a result, after ejection from the fuel nozzle, the combustion reaction proceeds with a high oxygen concentration, and a flame can be stably formed at the fuel nozzle outlet.
[0039]
The pulverized coal flowing in the vicinity of the inner wall surface of the fuel nozzle is more likely to come into contact with the air ejected from the outer air nozzle in the vicinity of the fuel nozzle outlet. Moreover, it becomes easy to ignite in contact with a circulating high-temperature gas formed on the downstream side of the flame holder described later.
[0040]
The additional air nozzle may be ejected from the outer peripheral partition wall toward the center, or air may be ejected from the inside of the fuel nozzle toward the outside.
[0041]
The additional air nozzle is desirably provided in a portion where the flow path of the fuel nozzle is enlarged. Fuel particles have a higher inertial force than gas. Providing the additional air nozzle outlet at the flow channel expanding portion that hardly induces the velocity component from the flow channel toward the wall surface can suppress the fuel particles from entering or accumulating in the additional air nozzle.
[0042]
It is desirable to provide a flame holder for the flow of the solid fuel mixture and the air jetted from the fuel nozzle at the front ends of the partition walls of the fuel nozzle and the outer air nozzle. The pressure decreases on the downstream side of the flame holder, and a circulating flow is formed from the downstream to the upstream. In the circulation flow, air, fuel, fuel carrier gas ejected from the outer nozzle group, and hot gas from the downstream stay. As a result, the inside of the circulating flow becomes high temperature and acts as an ignition source for the fuel jet. Therefore, the flame is stably formed from the fuel nozzle outlet portion.
[0043]
Providing a toothed flame holder on the inner wall of the fuel nozzle outlet facilitates fuel ignition.
[0044]
The solid fuel burner of the present invention can change the amount of air ejected from the additional air nozzle according to the combustion load.
[0045]
When the combustion load is low, the amount of air ejected from the additional air nozzle is increased. At this time, since the oxygen concentration in the fuel nozzle is increased by the air ejected from the additional air nozzle, the combustion reaction of the fuel is accelerated as compared with the case where the oxygen concentration is low, and the ignition of the fuel is accelerated and the flame can be formed from the vicinity of the fuel nozzle. .
[0046]
When the combustion load is high, the amount of air ejected from the additional air nozzle is reduced. At this time, since the oxygen concentration in the fuel nozzle is low, the combustion reaction of the fuel does not proceed, the ignition of the fuel is delayed, and a flame can be formed at a position in the combustion apparatus away from the fuel nozzle.
[0047]
solid If the temperature of the fuel burner or the outer combustion unit wall is too high, solid A phenomenon called “slacking” occurs in which deposits grow on the fuel burner structure and the combustion apparatus wall.
[0048]
Flames according to the present invention solid When you leave the fuel burner, solid The temperature of the fuel burner and the combustion device wall outside the fuel burner is lowered, and slacking can be suppressed.
[0049]
In order to suppress the slacking, the amount of air ejected from the additional air nozzle is changed based on a signal from a thermometer or a radiation intensity meter provided on the solid fuel burner or the surrounding combustion apparatus wall.
[0050]
On the other hand, if the combustion load is low, solid The ratio of the total amount of air supplied from the fuel nozzle and the additional air nozzle of the fuel burner to the amount of air necessary for complete combustion of the volatile components in the fuel (the ratio of air to volatile components) is 0.85 to 0. It is desirable to adjust the amount of air so as to be .95.
[0051]
When the combustion load is low, stable combustion is difficult. Therefore, when the air ratio to the volatile component is set to 0.85 to 0.95, the flame temperature becomes high and stable combustion is easily maintained. By changing the amount of air, it is possible to adjust the amount of radiant heat to the solid fuel burner and the combustion device wall by changing the flame formation position in the combustion device.
[0052]
Under high load conditions, the heat load in the combustion device is high, solid It is desirable to form it at a position away from the fuel burner.
[0053]
According to the combustion method of the solid fuel burner of the present invention, in the high load condition of the combustion apparatus, solid Fuel is ignited at a position away from the fuel burner, and a flame is formed at the center of the combustion apparatus. solid To monitor the flame formed from the fuel burner, when operating under high load conditions, solid It is desirable to monitor the flame in the center of the combustion device where the fuel burner flame collects.
[0054]
Under low load conditions, the heat load in the combustor is low, so solid Even close to the fuel burner, solid The temperature of the fuel burner and the surrounding combustion apparatus wall is lower than in the case of high load conditions, and slacking hardly occurs.
[0055]
In the low load condition of the combustion device, solid The fuel ignites near the fuel burner to form a flame. At this time, individual solid A flame may be formed for each fuel burner, and the flame may be formed separately in the combustion apparatus. Therefore, it is desirable to monitor individual flames formed at individual solid fuel burner outlets at low load conditions.
[0056]
In the solid fuel burner of the present invention, a guide for determining the direction in which the outer air is ejected can be provided at the outlet of the outer air nozzle so that the outer air (secondary air, tertiary air) can be expanded and ejected from the burner central axis. At this time, the fuel spreads along the outside air, so the speed of the fuel near the burner decreases, solid Increased residence time near fuel burner. For this reason, the combustion efficiency in a combustion apparatus rises because the residence time of the fuel in a combustion apparatus increases.
[0057]
The outer air jet guides the guide from the outermost outermost air nozzle. solid If the angle is along the fuel burner or the outer combustion unit wall, the outside air will be solid The fuel burner and the combustion device wall outside the fuel burner can be cooled, and slacking can be suppressed.
[0058]
Examples of the combustion apparatus provided with a plurality of solid fuel burners of the present invention on the wall of the combustion apparatus include a coal fired boiler, a peat fired boiler, and a biomass (wood) fired boiler.
[0059]
The solid fuel burner of the present invention or solid Install a thermometer or radiation thermometer on the combustion device wall outside the fuel burner, and based on the signals from these measurement devices, solid When the combustion apparatus is operated so as to change the amount of air ejected from the additional air nozzle of the fuel burner, it is possible to control the flame to be formed at an appropriate combustion apparatus position in accordance with the change in the combustion load.
[0060]
For example, whether or not the flame is formed at an appropriate position is determined as follows. That is, when the combustion apparatus has a low load, the tip of the solid fuel flame in the combustion apparatus is formed near the combustion apparatus wall surface outside the fuel nozzle outlet. Operate the combustor so that a flame is formed at a position within the combustor at a distance of .5 m or more.
[0061]
When operating the combustion device at a high load, solid When the flame in the center of the combustion apparatus where the flame of the fuel burner gathers or in the vicinity thereof is monitored with a flame detector or visually, and the combustion apparatus is operated at a low load, solid The individual flames formed at the fuel burner outlet are monitored to ensure proper operation of the combustion system.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0062]
Next, an embodiment of a solid fuel burner, a combustion method of a solid fuel burner, a combustion apparatus equipped with a solid fuel burner, and an operation method of the combustion apparatus will be described with reference to FIGS.
Embodiment 1
[0063]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of Embodiment 1 of the solid fuel burner according to the present invention. solid When using the fuel burner under low load conditions, solid It is a figure which shows the state which formed the flame of the fuel burner from the circulating flow vicinity of the downstream of a flame holder. FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic structure of the solid fuel burner according to the first embodiment as viewed from the inside of the combustion device 41.
[0064]
The solid fuel burner of the first embodiment includes an auxiliary combustion oil gun 24 in the center, and a fuel nozzle 11 that ejects a mixed fluid of fuel and its carrier gas around the auxiliary combustion oil gun 24. Nozzle outlet from outer partition wall 22 of fuel nozzle 11 solid A plurality of additional air nozzles 12 are arranged in a direction toward the central axis of the fuel burner.
[0065]
An oil gun 24 for auxiliary combustion provided through the center of the fuel nozzle 11 is solid Used for fuel ignition when starting the fuel burner.
[0066]
Outside the fuel nozzle 11, there is an outer air nozzle (secondary air nozzle 13, tertiary air nozzle 14, etc.) for air ejection concentric with the fuel nozzle 11.
[0067]
An obstacle called a flame holder 23 is provided at the front end of the fuel nozzle 11, that is, at the combustion device outlet side. The flame holder 23 acts as an obstacle to the fuel jet 16 composed of the fuel ejected from the fuel nozzle 11 and the carrier gas and the secondary air flow 17 flowing through the secondary air nozzle 13. Therefore, the pressure on the downstream side of the flame holder 23, that is, the combustion device 41 side is lowered, and a flow in the opposite direction to the fuel jet 16 and the flow 17 of the secondary air is induced in this portion. This reverse flow is referred to as a circulating flow 19.
[0068]
In the circulating flow 19, hot gas generated by fuel combustion flows from the downstream and stays there. This hot gas and the fuel in the fuel jet 16 are solid When mixed in the combustion device 41 at the outlet of the fuel burner, the temperature of the fuel particles rises due to the radiant heat from the combustion device 41 and ignites.
[0069]
The secondary air nozzle 13 and the tertiary air nozzle 14 are separated by a partition wall 29, and a tip portion of the partition wall 29 forms a guide 25 that ejects the fuel air flow 16 so that the flow of the tertiary air 18 has an angle. It is. If a guide 25 that guides the direction in which the outer air is ejected away from the central axis of the burner is provided at the outlet of the flow path of the outer air nozzle (secondary air nozzle 13, tertiary air nozzle 14, etc.), the circulating flow is 19 to help form easily.
[0070]
In order to give a swirling force to the air ejected from the secondary air nozzle 13 and the tertiary air nozzle 14, swirlers 27 and 28 are provided in the nozzles 13 and 14.
[0071]
The burner throat 30 constituting the combustion device wall also serves as the outer peripheral wall of the tertiary air nozzle. A water pipe 31 is provided on the combustion apparatus wall.
[0072]
In the first embodiment, combustion exhaust gas is used as the fuel carrier gas, and the oxygen concentration in the fuel jet 16 flowing through the fuel nozzle 11 is lowered. As an example of applying such a combustion method, there is combustion of lignite or lignite.
[0073]
Compared with coal with high degree of coalification such as bituminous coal and anthracite, calorific value is low, and generally pulverization is poor. Furthermore, the melting temperature of combustion ash is low. Since these fuels have a large amount of volatile components, they tend to spontaneously ignite in the air atmosphere during storage and pulverization, and are difficult to handle compared to bituminous coal. In order to prevent spontaneous ignition, when lignite or lignite is pulverized and burned, a mixed gas of combustion exhaust gas and air is used as a fuel carrier gas. Combustion exhaust gas reduces oxygen concentration and prevents spontaneous ignition of fuel. Further, moisture in the fuel can be evaporated by the retained heat of the combustion exhaust gas.
[0074]
Under a low oxygen concentration atmosphere, the burning rate is slower than the burning rate in air. When pulverized coal such as lignite and lignite is transported with a carrier gas having a low oxygen concentration, the combustion speed is limited by the mixing speed of fuel and air, and the combustion speed is lower than that of bituminous coal that can be transported by air. For this reason, the amount of fuel combustion is small solid When lignite, lignite, or the like is burned under a low load condition of the fuel burner, the flame 20 is likely to blow off or misfire more than in the case of burning bituminous coal.
[0075]
In the first embodiment, the fuel nozzle 11 has an additional air nozzle 12 that ejects air substantially perpendicular to the fuel jet. When the air jet (additional air jet) 21 ejected from the additional air nozzle 12 is ejected at a substantially right angle to the fuel jet, the speed difference between the fuel particles and the air becomes larger than when jetted in parallel, and the mixing proceeds. In particular, since the fuel particles have a higher density than the gas, they are mixed in the additional air jet by inertia.
[0076]
At this time, since the carrier gas (low oxygen concentration) around the fuel particles is separated from the fuel particles, the oxygen concentration around the fuel particles is higher than that of the carrier gas. For this reason, after ejection from the fuel nozzle, the combustion reaction easily proceeds due to the high oxygen concentration, and the flame 20 is stably formed at the fuel nozzle outlet.
[0077]
The distance from the outlet of the fuel nozzle to the outlet of the additional air nozzle 12 is determined so that the residence time of the fuel in the fuel nozzle 11 is approximately the ignition delay time of the fuel in order to prevent backfire and burning due to the formation of the flame 20 in the fuel nozzle 11. It is desirable that the length be 0.1 second or less. Usually, since the fuel carrier gas flows through the fuel nozzle at a flow rate of 12 to 20 m / s, the distance is 1 m or less.
[0078]
Furthermore, in the first embodiment, the flow path reducing member 32 that reduces the flow path provided in the fuel nozzle 11 is provided in the outer partition wall 22 on the upstream side of the fuel nozzle 11. An obstacle (concentrator) 33 is provided outside the oil gun 24 at the center of the fuel nozzle for temporarily reducing the flow path in the fuel nozzle 11 and then expanding it. The obstacle 33 is more than the flow path reducing member 32. solid It is provided on the downstream side (combustion device 41 side) of the fuel burner.
[0079]
The flow path reducing member 32 induces a velocity component in the direction of the central axis of the fuel nozzle in fuel particles (pulverized coal) having an inertial force larger than that of the fuel carrier gas. When the concentrator 33 is provided on the downstream side of the flow path reducing member 32, the flow of fuel particles (pulverized coal) squeezed by the flow path reducing member 32 in the burner central axis direction passes through the concentrator 33 and then the fuel nozzle 11. It flows toward the partition wall 22 along the flow path. Since the fuel particles (pulverized coal) flowing along the flow path in the fuel nozzle have an inertial force larger than that of the fuel carrier gas, the fuel particles flow toward the inner wall surface (partition wall 22) of the fuel nozzle 11 and go to the outlet. Therefore, the fuel is concentrated on the inner wall surface (partition wall 22) side of the fuel nozzle 11.
[0080]
Since the air ejected from the additional air nozzle is also ejected toward the inner wall surface (partition wall 22) of the fuel nozzle 11, a region having a high fuel concentration and a high oxygen concentration is formed. As a result, after the fuel is ejected from the fuel nozzle 11, the combustion reaction easily proceeds due to the high oxygen concentration, and the flame 20 is stably formed at the fuel nozzle outlet. The fuel jet flowing on the inner wall surface (partition wall 22) side of the fuel nozzle 11 is easily mixed with the air jetted from the outer air nozzle in the vicinity of the fuel nozzle 11 outlet.
[0081]
Further, when mixed with a circulating high-temperature gas formed on the downstream side of the flame holder 23, the temperature of the fuel particles rises and ignition is easy. As a result, the flame 20 is stably formed at the fuel nozzle outlet.
[0082]
When the air is ejected from the additional air nozzle 12 substantially perpendicularly to the fuel jet flowing in the fuel nozzle 11, the mixing of the fuel particles and the air proceeds and the flame 20 is stably formed at the fuel nozzle outlet. Therefore, combustion can be continued stably at a lower load than in the past.
[0083]
When burning lignite and lignite with high heat load, there are many volatile components under conditions where air and fuel are well mixed. solid The amount of fuel burned near the fuel burner increases. in this way, solid The heat load near the fuel burner increases locally, and radiant heat from the flame 20 solid When the fuel burner structure and the combustion apparatus wall become high temperature, the combustion ash adheres and melts, and there is a risk of causing slacking. In particular, lignite and lignite have a low melting temperature of combustion ash, and thus are prone to slacking.
[0084]
In the first embodiment, solid Change the formation position of the flame 20 according to the load of the fuel burner, when using fuel with a low degree of coalification solid To solve the problem caused by the combustion state being different between the high and low load conditions of the fuel burner. That is, under high load conditions solid The flame 20 is formed at a position away from the fuel burner, and the flame 20 is formed near the outlet of the fuel nozzle 11 under a low load condition. Under low load conditions, the flame 20 may be solid Even if it is close to the fuel burner, the heat load in the combustion device 41 is low. solid The temperature of the fuel burner and the surrounding combustion device wall is lower than in the case of high load conditions. Therefore, no slacking occurs.
[0085]
In the first embodiment, under the low load condition, the flame 20 is formed near the outlet of the fuel nozzle 11, and the high temperature gas is retained in the circulating flow 19 formed on the downstream side of the flame holder 23 and the guide 25. Further, the flow control valve 34 of the additional air nozzle 12 is opened to supply air, and the oxygen concentration in the fuel jet 16 near the flame holder 23 is increased. As a result, since the combustion speed is higher than when the oxygen concentration is low, the ignition of the fuel particles is accelerated, and the flame 20 can be formed from the vicinity of the fuel nozzle 11.
[0086]
Under high load conditions solid The flame 20 is formed at a position away from the fuel burner, solid Reduce the heat load near the fuel burner. For this reason, in this Embodiment 1, the flow rate adjustment valve 34 of the additional air nozzle 12 is closed, and an air supply amount is reduced compared with the case of a low load condition. At this time, the oxygen concentration in the fuel jet 16 near the flame holder 23 becomes lower than that in the low load condition, and the combustion speed also becomes slower. For this reason, the temperature of the circulating flow 19 that is made downstream of the flame holder 23 is lowered, solid The radiant heat received by the fuel burner structure can be reduced, and slacking can be suppressed.
[0087]
FIG. 3 shows the first embodiment. solid When using the fuel burner under high load conditions, solid It is a figure which shows the state which formed the flame 20 of the fuel burner away from the circulation flow 19 of the downstream of the flame holder 23.
[0088]
FIG. 4 is a horizontal sectional view showing the structure of a combustion apparatus using the solid fuel burner 42 of the first embodiment. When the solid fuel burner 42 is used under a high load condition as shown in FIG. 3, it is desirable that the flame 20 is stably burned by mixing the flames 20 in the combustion device 41 in order to reduce the risk of misfire.
[0089]
In FIG. solid Although the fuel burner 42 is shown at the four corners of the combustion device wall, solid The same applies to the case of the opposed combustion system in which the fuel burner 42 is disposed on the opposed combustion device wall.
[0090]
In order to reduce nitrogen oxides NOx generated by combustion, the ratio between the total amount of air supplied from the fuel nozzle 11 and the additional air nozzle 12 and the amount of air required to completely burn volatiles in the fuel ( It is desirable to adjust the amount of air so that the ratio of air to volatile components is from 0.85 to 0.95.
[0091]
Most of the fuel is mixed with the air supplied from the nozzles contained in the fuel nozzle 11 and burned (first stage), and then the secondary air 17 and the tertiary air flow 18 are mixed and burned. (Second stage). further, solid When an after-air port 49 (see FIG. 11) for supplying air is installed in the combustion device 41 on the downstream side of the fuel burner, the fuel is mixed with the air supplied from the after-air port 49 and completely burned ( Third stage). The volatile matter in the fuel burns in the first stage because it has a higher combustion speed than fixed carbon.
[0092]
At this time, if the air ratio to the volatile component is 0.85 to 0.95, the combustion of the fuel is promoted and combustion can be performed at a high flame temperature although oxygen is insufficient. In the combustion in the first stage, the fuel is reduced and burned with oxygen shortage, so nitrogen oxide (NOx) generated from nitrogen in the fuel and nitrogen in the air is converted into harmless nitrogen and discharged from the combustion device 41 The amount of NOx produced can be reduced. Since the fuel reacts at a high temperature, the second stage reaction is promoted and the unburned portion can be reduced.
[0093]
In the first embodiment solid The fuel burner has a circular shape in which cylindrical fuel nozzles 11, secondary air nozzles 13, and tertiary air nozzles 14 are arranged concentrically as shown in FIG.
[0094]
FIG. solid It is a figure which shows another example of the nozzle part of a fuel burner. When the fuel nozzle 11 is square, the concentrator 33 is square, or at least some of the outer air nozzles such as the secondary air nozzle 13 and the tertiary air nozzle 14 are installed so as to sandwich the fuel nozzle 11. An air nozzle structure may be used. A case where the outside air is supplied from one nozzle or a nozzle structure divided into three or more may be used.
Embodiment 2
[0095]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of Embodiment 2 of the solid fuel burner according to the present invention in which the installation position of the additional air nozzle is changed. As shown in FIG. 1, the additional air nozzle 12 may eject air from the outer peripheral partition wall toward the center, as shown in FIG. 6, instead of ejecting air from the inside of the fuel nozzle toward the outside.
[0096]
The additional air nozzle 12 is desirably provided in a portion where the flow path of the fuel nozzle 11 expands. Providing the outlet of the additional air nozzle 12 at the channel expansion portion where it is difficult to induce a velocity component from the channel toward the wall surface can prevent fuel particles from entering or depositing in the additional air nozzle.
[0097]
In order to prevent the fuel nozzle 11 from being burned out and back-fired due to the ignition of fuel in the fuel nozzle 11, the additional air nozzle is set so that the residence time of the fuel in the fuel nozzle 11 is shorter than the fuel ignition delay time. It is desirable to determine 12 arrangements. Usually, the ignition delay time of the gas fuel having an ignition delay time shorter than that of pulverized coal or the like is about 0.1 second, and the flow velocity in the fuel nozzle 11 is 10 to 20 m / s. For example, the distance between the outlet of the fuel nozzle 11 and the outlet of the additional air nozzle 12 is set within about 1 m.
Embodiment 3
[0098]
FIG. 7 does not have the concentrator 33 solid It is sectional drawing which shows the structure of Embodiment 3 of a fuel burner. In the first embodiment, the concentrator 33 is provided in the fuel nozzle 11. However, as shown in FIG. When the air to be ejected is ejected, the fuel jet and air in the fuel nozzle 11 are mixed in the same manner as in the first embodiment.
Embodiment 4
[0099]
8 and 9 are according to the invention. solid It is sectional drawing which shows the structure of Embodiment 4 of a fuel burner. FIG. 8 is in a low load condition solid FIG. 9 shows a state in which the fuel ejected from the fuel burner is combusted in the combustion device 41, and FIG. 9 is under a high load condition. solid The state in which the fuel ejected from the fuel burner is combusting in the combustion device 41 is shown.
[0100]
The main difference between the fourth embodiment and the first embodiment is that the flame holder 23 and the guide 25 are not provided at the tip of the outer partition wall 22 of the fuel nozzle 11. In the fourth embodiment, the swirler 27 provided in the secondary air flow path is used to change the shape of the flame 20 without providing the flame holder 23 and the guide 25.
[0101]
Under low load conditions, air is supplied from the additional air nozzle 12 to increase the oxygen concentration in the fuel jet 16 near the outer partition wall 22 of the fuel nozzle 11. Since the combustion speed is higher than when the oxygen concentration is low, the ignition of the fuel particles is accelerated, and the flame 20 can be formed from the vicinity of the fuel nozzle 11.
[0102]
In the fourth embodiment, the swirler 27 provided in the secondary air flow path gives a strong swirl flow velocity (usually 1 or more in swirl number) to the secondary air. The secondary air flow 17 spreads in a direction away from the fuel jet 16 after being ejected from the secondary air nozzle 13 by the centrifugal force generated by the swirling flow velocity. At this time, the pressure is reduced in the region between the fuel jet 16 and the secondary air flow 17, and a circulation flow 19 is induced that is a flow in the opposite direction to the fuel jet 16 and the secondary air flow 17. When a damper for reducing the flow rate is attached to the secondary air flow path and the flow rate of the secondary air is reduced to near zero, a circulation flow can be induced between the tertiary air flow 18 and the fuel jet 16.
[0103]
Under high load conditions, flame 20 solid It is formed at a position away from the fuel burner, solid Reduce the heat load near the fuel burner. For this reason, compared with the case of a low load condition, the air supply amount from the additional air nozzle 12 is reduced. When the supply amount of the additional air decreases, the oxygen concentration in the fuel jet 16 becomes lower near the outer partition wall 22 of the fuel nozzle 11 than in the low load condition, and the combustion speed also becomes slower.
[0104]
Furthermore, in this Embodiment 4, the swirl | vortex flow velocity given to secondary air is weakened with the swirler 27 provided in the secondary air flow path. Since the secondary air flow 17 flows in parallel with the fuel jet 16 after being ejected from the secondary air nozzle 13, the flow is in the opposite direction in the region between the fuel jet 16 and the secondary air flow 17. Circulation flow 19 does not occur. When the damper attached to the secondary air flow path is opened and the flow rate of the secondary air is increased, the circulating flow 19 that is the reverse flow is not generated in the region between the fuel jet 16 and the secondary air flow 17. Can be.
[0105]
FIG. 10 is a diagram showing an example of another structure of the flame holder. In the fourth embodiment, as shown in FIG. 10, a toothed flame holder 54 may be provided. The fuel goes around the toothed flame holder 54 to facilitate ignition. That is, it ignites behind the toothed flame holder 54.
Embodiment 5
[0106]
FIG. 11 is a diagram showing a schematic structure of a combustion apparatus using a solid fuel burner according to the present invention, and FIG. 12 is a horizontal sectional view of the combustion apparatus of FIG.
[0107]
In the fifth embodiment, the combustion device (furnace) 41 has two stages in the vertical direction and in the horizontal direction from the four corners of the combustion device 41 toward the center. solid A fuel burner 42 is installed. The fuel is supplied from the fuel hopper 43 to the pulverizer 45 through the coal feeder 44. At this time, the fuel is mixed with the combustion exhaust gas extracted from the upper part of the combustion device 41 in the combustion exhaust gas pipe 55 on the downstream side of the coal feeder 44 and introduced into the pulverizer 45. The fuel pulverized by the pulverizer 45 passes through the fuel pipe 56. solid It is supplied to the fuel burner 42.
[0108]
When the fuel is mixed with high-temperature combustion exhaust gas, moisture contained in the fuel evaporates. Further, when the combustion exhaust gas is mixed with fuel, the oxygen concentration decreases, so that spontaneous ignition and explosion can be suppressed even when the temperature is high when pulverizing with the pulverizer 45. In the case of lignite, the oxygen concentration is often about 8 to 15%. solid Air is supplied from the blower 46 to the fuel burner 42 and an after air port 49 provided downstream thereof.
[0109]
In the fifth embodiment, solid A two-stage combustion method is used in which less air than the amount necessary for complete combustion of fuel is supplied from the fuel burner 42 and the remaining air is supplied from the after air port 49.
[0110]
The present invention does not provide the after-air port 49, solid The present invention can also be applied to a single-stage combustion method in which all necessary air is supplied from the fuel burner 42.
[0111]
solid In the fuel burner 42, the combustion method is changed according to the load of the combustion device 41. That is, under high load conditions, the flame 20 is solid Formed at a position away from the fuel burner 42; solid The heat load near the fuel burner 42 is reduced. Under the low load condition, the flame 20 is formed near the outlet of the fuel nozzle 11. At this time, it is necessary to monitor the flame 20 in order to safely operate the combustion apparatus.
[0112]
In the present invention, since the combustion method changes with the load, it is desirable to change the monitoring method. In other words, under low load conditions solid In order to monitor the flame 20 formed for each fuel burner 42, the low-load flame detector 47 is individually connected. solid Installed in the fuel burner 42. Under high load conditions solid In order to form the flame 20 at a position away from the fuel burner 42, it is necessary to install a high-load flame detector 48 for monitoring the center of the combustion apparatus. Control means for selecting the signal of the low load flame detector 47 or the high load flame detector 8 in accordance with the load and the combustion method and controlling the supply amount of fuel and air is provided.
[0113]
Furthermore, under high load conditions solid In order to reduce the slack to the fuel burner structure and the combustor wall, a thermometer or a radiation intensity meter (not shown) solid It is also possible to install the fuel burner 42 and adjust the additional air flow rate based on the signal.
【The invention's effect】
[0114]
According to the present invention, even in the case of a solid fuel with relatively low combustibility such as coal with a low degree of coalification such as lignite and lignite, high load conditions without changing the distance from the outlet of the additional air nozzle to the outlet of the fuel nozzle Thus, a solid fuel burner having means for promoting the mixing of fuel particles and air in the fuel nozzle in a wide range from a low load condition to a stable combustion and preventing the slack caused by the combustion ash can be obtained.
[0115]
Also, a combustion method of a solid fuel burner having means for promoting the mixing of fuel particles and air to achieve stable combustion and preventing slacking caused by combustion ash, a combustion device having a solid fuel burner, and operation of the combustion device Method, coal fired boiler is obtained.
[Brief description of the drawings]
[0116]
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a first embodiment of a solid fuel burner according to the present invention. solid When using the fuel burner under low load conditions, solid It is a figure which shows the state which formed the flame of the fuel burner from the circulating flow vicinity of the downstream of a flame holder.
FIG. 2 is a view showing a schematic structure of the solid fuel burner according to the first embodiment as viewed from the inside of the combustion apparatus.
FIG. 3 shows the first embodiment. solid When using the fuel burner under high load conditions, solid It is a figure which shows the state which formed the flame of the fuel burner away from the circulation flow of the downstream of a flame holder.
FIG. 4 is a horizontal sectional view showing a structure of a combustion apparatus using the solid fuel burner of Embodiment 1.
[Figure 5] solid It is a figure which shows another example of the nozzle part of a fuel burner.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of Embodiment 2 of the solid fuel burner according to the present invention in which the installation position of the additional air nozzle is changed.
[Fig. 7] Without a concentrator solid It is sectional drawing which shows the structure of Embodiment 3 of a fuel burner.
FIG. 8 is according to the present invention. solid It is sectional drawing which shows the structure of Embodiment 4 of a fuel burner, and is in a low load condition solid It is a figure which shows the state which the fuel injected from a fuel burner is combusting with a combustion apparatus.
FIG. 9 is according to the present invention. solid It is sectional drawing which shows the structure of Embodiment 4 of a fuel burner, and exists in a high load condition solid It is a figure which shows the state which the fuel injected from a fuel burner is combusting with a combustion apparatus.
FIG. 10 is a diagram showing another example of the structure of the flame holder.
FIG. 11 is a view showing a schematic structure of a combustion apparatus using a solid fuel burner according to the present invention.
12 is a horizontal sectional view of the combustion apparatus of FIG. 11. FIG.
[Explanation of symbols]
[0117]
11 Fuel nozzle
12 Additional air nozzle
13 Secondary air nozzle (outside air nozzle)
14 Tertiary air nozzle (outside air nozzle)
16 Flow of fuel and its carrier gas (fuel jet)
17 Flow of secondary air
18 Flow of tertiary air
19 Circulating flow
20 flame
21 Additional air flow
22 Outer bulkhead of fuel nozzle
23 Obstacle (flame holder)
24 oil gun
25 Guide
26 Windbox
27 Swivel
28 Swivel
29 Bulkhead,
30 Burner Throat
31 water pipe
32 Channel reduction member (Venturi)
33 Obstacle (concentrator)
34 Flow control valve
41 Combustion device (furnace)
42 solid Fuel burner
43 Fuel hopper
44 coal feeder
45 Crusher
46 Blower
47 Low load flame detector
48 High load flame detector
49 After Airport
54 Toothed flame holder
55 Combustion exhaust gas piping
56 Fuel piping

Claims (19)

固体燃料とその搬送気体の混合流体を噴出する燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの中心部側に配置され、前記燃料ノズル内の流路断面積を縮小させる部分と拡大させる部分をバーナ上流側から順に備える濃縮器と、
前記燃料ノズル内に前記混合流体の流れに対して略垂直に空気を噴出する追加空気ノズルと、
前記燃料ノズルの外側に配置され空気を噴出する少なくとも1つの外側空気ノズルとを有し、
前記追加空気ノズルの出口が、前記燃料ノズルの出口よりもバーナ上流側であって、前記濃縮器による流路断面積拡大部に設けたことを特徴とする固体燃料バーナ。
A fuel nozzle that ejects a mixed fluid of solid fuel and its carrier gas;
A concentrator which is arranged on the center side of the fuel nozzle and comprises a portion for reducing the cross-sectional area of the flow passage in the fuel nozzle and a portion for increasing the size in order from the burner upstream side;
An additional air nozzle for injecting air into the fuel nozzle substantially perpendicular to the flow of the mixed fluid;
At least one outer air nozzle that is disposed outside the fuel nozzle and ejects air;
The solid fuel burner characterized in that the outlet of the additional air nozzle is provided on the upstream side of the burner with respect to the outlet of the fuel nozzle, and is provided in the channel cross-sectional area enlarged portion by the concentrator .
請求項1に記載の固体燃料バーナにおいて、The solid fuel burner according to claim 1,
酸素濃度を空気より低下させた気体を前記搬送気体に使用することを特徴とする固体燃料バーナ。A solid fuel burner using a gas having an oxygen concentration lower than that of air as the carrier gas.
請求項1に記載の固体燃料バーナにおいて、The solid fuel burner according to claim 1,
燃焼排ガスと空気との混合気体を前記搬送気体に使用することを特徴とする固体燃料バーナ。  A solid fuel burner using a mixed gas of combustion exhaust gas and air as the carrier gas.
請求項1に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記追加空気ノズルが、前記燃料ノズルの中央部に配置されていることを特徴とする固体燃料バーナ。
The solid fuel burner according to claim 1,
A solid fuel burner, wherein the additional air nozzle is disposed at a central portion of the fuel nozzle.
請求項1に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記追加空気ノズルが、前記燃料ノズルと前記外側空気ノズルとを隔てる隔壁部に配置されていることを特徴とする固体燃料バーナ。
The solid fuel burner according to claim 1,
The solid fuel burner, wherein the additional air nozzle is disposed in a partition wall that separates the fuel nozzle and the outer air nozzle.
請求項1ないし5のいずれか一項に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズルの隔壁に、バーナ上流側から順に前記燃料ノズルの流路断面積を一旦縮小した後、元の大きさまで拡大する流路縮小部材を設けたことを特徴とする固体燃料バーナ。
In the solid fuel burner according to any one of claims 1 to 5,
A solid fuel burner, characterized in that a flow path reduction member is provided in a partition wall of the fuel nozzle in order from the upstream side of the burner, once the flow path cross-sectional area of the fuel nozzle is reduced and then expanded to the original size.
請求項1ないし6のいずれか一項に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記外側空気ノズルに旋回器を設けたことを特徴とする固体燃料バーナ。
The solid fuel burner according to any one of claims 1 to 6,
A solid fuel burner characterized in that a swirler is provided in the outer air nozzle.
請求項1ないし7のいずれか一項に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記外側空気ノズル出口に外側空気の噴出方向を決めるガイドを設けたことを特徴とする固体燃料バーナ。
The solid fuel burner according to any one of claims 1 to 7,
A solid fuel burner characterized in that a guide for determining the direction of ejection of outside air is provided at the outlet of the outside air nozzle.
請求項1ないし8のいずれか一項に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズルと前記外側空気ノズルの間に固体燃料とその搬送気体や空気の流れを妨げる保炎器を設けたことを特徴とする固体燃料バーナ。
The solid fuel burner according to any one of claims 1 to 8,
Solid fuel burner, characterized in that a flame holder to prevent the solid material fuel and the flow of the carrier gas or air between the outer air nozzle and the fuel nozzle.
請求項9に記載の固体燃料バーナにおいて、
前記燃料ノズル出口の内側壁面に歯付き(toothed)保炎器を設けたことを特徴とする固体燃料バーナ。
The solid fuel burner according to claim 9,
A solid fuel burner, wherein a toothed flame holder is provided on an inner wall surface of the fuel nozzle outlet.
請求項1ないし10のいずれか一項に記載の固体燃料バーナの燃焼方法において、
燃焼負荷が低い場合は、前記追加空気ノズルから供給する空気量を増やし、
燃焼負荷が高い場合は、前記追加空気ノズルから供給する空気量を減らすことを特徴とする固体燃料バーナの燃焼方法。
In the combustion method of the solid fuel burner according to any one of claims 1 to 10,
If the combustion load is low, increase the amount of air supplied from the additional air nozzle,
A combustion method for a solid fuel burner, characterized in that when the combustion load is high, the amount of air supplied from the additional air nozzle is reduced.
請求項1ないし10のいずれか一項に記載の固体燃料バーナの燃焼方法において、
燃焼負荷が低い場合は、前記追加空気ノズルから供給する空気量を増やし、
前記外側空気ノズルのうち前記燃料ノズルに最も近い外側空気ノズルから供給する空気量を減らし、
燃焼負荷が高い場合は、前記追加空気ノズルから供給する空気量を減らし、前記外側空気ノズルのうち前記燃料ノズルに最も近い空気ノズルから供給する空気量を増やことを特徴とする固体燃料バーナの燃焼方法。
In the combustion method of the solid fuel burner according to any one of claims 1 to 10,
If the combustion load is low, increase the amount of air supplied from the additional air nozzle,
To reduce the amount of air supplied from the nearest outer air nozzle to the fuel nozzle among said outer air nozzles,
If the combustion load is high, the additional air reduces the amount of air supplied from the nozzle, the solid fuel burners, characterized in increasing and to be an amount of air supplied from the nearest air nozzle to the fuel nozzle among said outer air nozzles Combustion method.
請求項1ないし10のいずれか一項に記載の固体燃料バーナの燃焼方法において、
燃焼負荷が低い場合は、前記追加空気ノズルから供給する空気量を増やし、
前記外側空気ノズルのうち前記燃料ノズルに最も近い外側空気ノズルから供給する空気量を減らすとともに旋回流速を増やし、
燃焼負荷が高い場合は、前記追加空気ノズルから供給する空気量を減らし、前記外側空気ノズルのうち前記燃料ノズルに最も近い空気ノズルから供給する空気量を増やすとともに旋回流速を減らすことを特徴とする固体燃料バーナの燃焼方法。
In the combustion method of the solid fuel burner according to any one of claims 1 to 10,
If the combustion load is low, increase the amount of air supplied from the additional air nozzle,
Reducing the amount of air supplied from the outer air nozzle closest to the fuel nozzle among the outer air nozzles and increasing the swirl flow velocity;
If the combustion load is high, characterized in that reducing the additional air reduces the amount of air supplied from the nozzle, the turning velocity with increasing and to the amount of air supplied from the nearest air nozzle to the fuel nozzle among said outer air nozzles A method for burning a solid fuel burner.
請求項11ないし13に記載の固体燃料バーナの燃焼方法において、
前記燃料ノズルの出口断面において中央部に対して外周部の酸素濃度を高めることを特徴とする固体燃料バーナの燃焼方法。
The method for burning a solid fuel burner according to any one of claims 11 to 13 ,
A method for burning a solid fuel burner, wherein an oxygen concentration in an outer peripheral portion is increased with respect to a central portion in an outlet cross section of the fuel nozzle.
請求項11ないし13に記載の固体燃料バーナの燃焼方法において、
前記燃料ノズルの出口断面において中央部に対して外周部の酸素濃度と燃料濃度とを高めることを特徴とする固体燃料バーナの燃焼方法。
The method for burning a solid fuel burner according to any one of claims 11 to 13 ,
A combustion method of a solid fuel burner, wherein an oxygen concentration and a fuel concentration in an outer peripheral portion are increased with respect to a central portion in an outlet cross section of the fuel nozzle.
上下方向に少なくとも二段、水平方向に中央に向かって対向するように設置された請求項1ないし10のいずれか一項に記載の固体燃料バーナと、
燃料ホッパと、
給炭機と、
前記給炭機の下流側の燃焼排ガス配管内で燃焼装置の上部から抜き出した燃焼排ガスと混合した燃料を導入する粉砕機と、
前記粉砕機で粉砕された燃料を前記固体燃料バーナに供給する燃料配管と、
前記固体燃料バーナに空気を供給するブロアと、
低負荷条件において前記固体燃料バーナ毎に形成される火炎を監視する低負荷火炎検知器と、
高負荷条件においては前記固体燃料バーナから離れた位置に形成される火炎を監視する高負荷火炎検知器と、
負荷および燃焼方法に応じて低負荷火炎検知器または高負荷火炎検知器の信号を選択し燃料および空気の供給量を制御する制御手段とを備えた燃焼装置。
The solid fuel burner according to any one of claims 1 to 10, which is installed so as to face at least two stages in the vertical direction and toward the center in the horizontal direction.
A fuel hopper,
A coal feeder,
A pulverizer for introducing fuel mixed with the combustion exhaust gas extracted from the upper part of the combustion apparatus in the combustion exhaust gas pipe on the downstream side of the coal feeder;
A fuel pipe for supplying fuel crushed by the pulverizer to the solid fuel burner;
A blower for supplying air to the solid fuel burner;
A low load flame detector for monitoring the flame formed for each solid fuel burner under low load conditions;
A high-load flame detector for monitoring a flame formed at a position away from the solid fuel burner in a high-load condition;
A combustion apparatus comprising control means for controlling a supply amount of fuel and air by selecting a signal of a low load flame detector or a high load flame detector according to a load and a combustion method.
請求項16に記載の燃焼装置において、
温度計または放射強度計を前記燃焼装置の壁または前記固体燃料バーナに設置し、
前記制御手段が、温度信号に基づいて追加空気流量を調整する手段を含むことを特徴とする燃焼装置。
The combustion device according to claim 16 , wherein
A thermometer or radiation intensity meter is installed on the wall of the combustion device or the solid fuel burner;
The combustion apparatus characterized in that the control means includes means for adjusting an additional air flow rate based on a temperature signal.
請求項16または17に記載の燃焼装置の運用方法において、
前記燃焼装置を高い燃焼負荷で運用する場合は、固体燃料バーナから離れた位置から固体燃料の火炎を形成し、
前記燃焼装置を低い燃焼負荷で運用する場合は、固体燃料バーナの燃料ノズル出口直後から固体燃料の火炎を形成することを特徴とする燃焼装置の運用方法。
The operation method of the combustion apparatus according to claim 16 or 17 ,
When operating the combustion device at a high combustion load, form a solid fuel flame from a position away from the solid fuel burner,
When operating the said combustion apparatus with a low combustion load, the flame of a solid fuel is formed immediately after the fuel nozzle exit of a solid fuel burner, The operating method of the combustion apparatus characterized by the above-mentioned.
請求項1ないし10のいずれか一項に記載の固体燃料バーナを複数本壁面に備えた燃焼装置と、
前記燃焼装置内に設けられ、前記燃焼装置内での固体燃料の燃焼により生じた燃焼熱で水を加熱し蒸気を発生させる熱交換器とを備えた石炭焚きボイラ。
A combustion apparatus comprising a plurality of wall surfaces of the solid fuel burner according to any one of claims 1 to 10,
A coal-fired boiler provided with a heat exchanger that is provided in the combustion device and heats water with combustion heat generated by combustion of solid fuel in the combustion device to generate steam.
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