JP4119873B2

JP4119873B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP4119873B2
Application number: JP2004218536A
Authority: JP
Inventors: 章泰岡元; 竜平高島; 健有賀; 彰橋本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2024-07-27
Also published as: JP2006038340A

Description

本発明は、石炭炊きボイラ等の燃焼装置に関するものである。

燃料を炉内で燃焼させて高温の燃焼ガスを得る燃焼装置としては、例えば、後記の特許文献１に記載の燃焼装置等がある。
特許文献１記載の燃焼装置は、多段燃焼法を用いたものである。多段燃焼法とは、燃料を燃焼させるバーナ部に供給する空気を絞ることによって、燃焼によるＮＯ_Ｘの発生を抑えるとともに燃焼ガスを還元雰囲気として、燃焼によって発生したＮＯ_Ｘを還元し、さらにその後流で燃焼ガスに空気を投入することで燃焼ガス中の未燃分を完全燃焼させる方法である。
このように燃焼によって生じるＮＯ_Ｘの量を低減することで環境負荷を低減することができ、燃焼ガス中の未燃分を低減することで燃料の利用効率を向上させて燃焼装置の運転コストを低減することができる。
多段燃焼法では、一般に、バーナ部の直上位置に空気を投入する、ＯＦＡ（Over Fire Air）という手法が用いられる。

特開平９−１２６４１６号公報（第２頁、第３頁，及び図１）

燃焼によって発生したＮＯ_Ｘを還元するには炉内で燃焼ガスをある程度の時間滞留させる必要がある。
しかし、炉の設置スペースや設備コスト等の制限から、炉自体の大きさには限度がある。このため、ＮＯ_Ｘを滞留させるための領域（以下還元領域とする）の大きさには制限があり、発生したＮＯ_Ｘを十分に還元することは困難であった。
一方、還元領域を拡大すると、その分だけ完全燃焼用の空気を投入する位置が後流側に移動するので、空気を投入された燃焼ガスの炉内滞留時間が短くなって未燃分が完全燃焼しにくくなり、排ガス中の未燃分が増加してしまう。
さらに、燃焼ガスに単純に空気を投入した場合、燃焼ガス中に含まれるアンモニアやシアン等の中間生成物がＮＯ_Ｘに転換してしまい、急激にＮＯ_Ｘの量が増加してしまう場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、設備コストの大幅な増加を招くことなく、排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘ及び未燃分を低減した燃焼装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃焼装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる燃焼装置は、燃焼部で燃料を燃焼させて燃焼ガスを得る燃焼装置であって、前記燃焼部内に前記燃焼ガスの流れる方向での位置の異なる複数箇所からそれぞれ３００°Ｃ以上の高温低酸素濃度ガスを供給する高温低酸素濃度ガス供給装置を有している。

このように構成される燃焼装置では、燃焼部で発生した燃焼ガスには、その流れる方向の各部でそれぞれ３００°Ｃ以上（好ましくは５００°Ｃ〜８００°Ｃ）の高温低酸素濃度ガスが供給される。すなわち、燃焼ガスには、後流側に流れてゆく過程で少しずつ酸素が加えられる。
これにより、燃焼ガスは、高温の還元雰囲気とされて燃焼ガスの還元が十分に行われかつ酸素投入によるＮＯ_Ｘの急激な発生が抑えられた状態のまま、含まれている未燃分が酸素と反応して燃焼することとなり、未燃分が低減される。
ここで、高温低酸素濃度ガス供給装置が供給する高温低酸素濃度ガスの酸素濃度は、燃焼ガスが還元雰囲気となる濃度で、かつ燃焼ガス中の未燃分を燃焼させるのに十分なだけの濃度（例えば０％を越え１０％以下）に設定される。

また、この燃焼装置は、前記高温低酸素濃度ガス供給装置による前記燃焼部への前記高温低酸素濃度ガスの吐出方向、もしくは吐出位置と吐出方向との両方が、前記燃焼部の前記燃焼ガスの流れる方向での位置ごとに異なっている。

このように構成される燃焼装置では、燃焼ガスには、その流れる方向の位置ごとに、異なる位置及び／または吐出方向で高温低酸素濃度ガスが供給されるので、燃焼ガス全体に均一に酸素を供給することができる。

本発明にかかる燃焼装置によれば、設備コストの大幅な増加を招くことなく、排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘ及び未燃分を低減することができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一参考例］
以下、本発明の第一参考例について、図１及び図２を用いて説明する。
本参考例では、微粉炭炊きボイラに係る例について示す。
微粉炭炊きボイラ１は、炉本体２に、燃料である微粉炭の燃焼が行われる燃焼部３と、燃焼部３で発生した燃焼ガスから熱を回収する対流伝熱部４とが設けられた燃焼装置である。

燃焼部３は、上下方向に延びる断面略四角形の煙突状をなしており、その内部の下部領域が主燃焼領域Ｂとされている。また、燃焼部３の底部には、微粉炭の燃焼によって生じた炉底灰を外部に排出するための炉底ホッパ３ａが設けられている。

燃焼部３において主燃焼領域Ｂを構成する下部には、その壁面３ｂの同一高さとなる位置に、バーナ１１が、それぞれ先端を燃焼部３の中心軸に向けた状態にして複数配置されている。これらバーナ１１は、図示せぬ燃料供給装置から空気とともに微粉炭を供給されて、燃焼部３の中心軸に向けて略水平に火炎を発生させるものである。本参考例では、これらバーナ１１の組は、上下方向に沿って複数組配列されている。

壁面３ｂのうち、バーナ１１の直上位置には、燃焼部３内のバーナ１１の直上位置に空気を供給するための空気供給口１２が設けられている。この空気供給口１２には、図示せぬ空気供給装置から空気が供給されており、空気供給口１２から燃焼部３内に任意の量の空気が供給されるようになっている。すなわち、空気供給口１２及び空気供給装置は、ＯＦＡを行うための構成である。

燃焼部３の上端には、略水平方向に延びるダクト状の対流伝熱部４が接続されている。
対流伝熱部４内には、燃焼部３から対流伝熱部４内に流入した燃焼ガスの熱を回収する熱交換器１６が設置されている。
また、対流伝熱部４には、対流伝熱部４内へ酸素含有ガスを供給する酸素供給装置２１が設けられていて、炉本体２内の燃焼部３のバーナ１１の直上位置から対流伝熱部４までの領域が、燃焼ガスを還元する還元領域Ｄとされている。

酸素供給装置２１は、炉本体２内の還元領域Ｄ以降の領域に少なくとも一部が挿入される吐出部２２を有している。吐出部２２の炉本体２内に挿入される部分には、酸素含有ガスを吐出する吐出口２３が複数設けられている。

本参考例では、酸素供給装置２１は、炉本体２から排出された排ガスと外気とを混合して、３００°Ｃ以上（好ましくは５００°Ｃ〜８００°Ｃの温度範囲内）、酸素濃度が０％超１０％以下の酸素含有ガスを調製して吐出部２２に供給する調製装置２４を有している。
また、吐出部２２としては、例えば対流伝熱部４の天井部４ａから、対流伝熱部４内での燃焼ガスの流れに略直交する方向（すなわち略鉛直方向）に沿って炉本体２に挿入されるパイプが用いられている。図２に示すように、これら吐出部２２は、燃焼ガスの流れに略直交する仮想平面上で、その挿入方向とは略直交する方向に複数本並列に配置されている。これら吐出部２２では、全ての吐出口２３が、炉本体２内での燃焼ガスの流れる方向と交差する方向に向けて開口している。

このように構成される微粉炭炊きボイラ１では、燃焼部３でバーナ１１に点火して高温の燃焼ガスを発生させ、空気供給口１２及び空気供給装置を用いてＯＦＡを行うことで、燃焼部３内で燃焼ガスが適切な還元雰囲気に調製される。
このように調製された燃焼ガスは、熱対流によって燃焼部３内を上昇してゆき、還元領域Ｄ内で還元させられた後に、対流伝熱部４に送り込まれる。
対流伝熱部４では、熱交換器１６によって燃焼ガスの熱が回収されるとともに、酸素供給装置２１によって燃焼ガスに酸素が供給されて、燃焼ガス中の未燃分が燃焼させられる。

この微粉炭炊きボイラ１では、炉本体２には、燃焼部３から対流伝熱部４までにわたって、燃焼ガスの還元が行われる還元領域Ｄが形成されている。すなわち、この微粉炭炊きボイラ１では、炉本体２を大型化することなしに、還元領域Ｄが十分に確保されているので、燃焼ガスの還元が十分に行われる。
そして、対流伝熱部４では酸素含有ガスが供給されることによって還元領域Ｄを通過した燃焼ガス中の未燃分が燃焼し、これによって発生した熱も、対流伝熱部によって回収することができる。

さらに、対流伝熱部４に供給される酸素含有ガスは、３００°Ｃ以上の高温低酸素濃度ガスであるので、燃焼ガスは、高温の還元雰囲気とされて燃焼ガスの還元が十分に行われかつ酸素投入によるＮＯ_Ｘの急激な発生が抑えられた状態のまま、含まれている未燃分が酸素と反応して燃焼することとなり、未燃分が低減される。
また、この微粉炭炊きボイラ１において、酸素供給装置２１が、炉本体２内に少なくとも一部が挿入される吐出部２２を有しており、吐出部２２の炉本体２内に挿入される部分には、酸素含有ガスを吐出する吐出口２３が複数設けられている。
これにより、吐出部２２の各吐出口２３から周囲に向けて酸素含有ガスが吐出されて、対流伝熱部４内で燃焼ガスと酸素含有ガスとが速やかに混合されるので、炉本体２内での燃焼ガスの滞留時間が短くても燃焼ガス中の未燃分が効果的に燃焼する。すなわち、炉本体２を大型化することなしに、未燃分を効果的に低減することができる。

また、吐出口２３は、燃焼ガスの流れる方向と略直交する方向に開口しており、この吐出口２３から、燃焼ガスの流れのうち吐出部２２から離間した部分に向けて酸素含有ガスが吐出されるようになっている。
これにより、燃焼ガスの流れには、その流れに略直交する方向の各部（すなわち燃焼ガスの流れの酸素供給部分における断面全体）に速やかに酸素含有ガスが供給されて、燃焼ガスと酸素含有ガスとがより均一に混合されることとなり、燃焼ガス中の未燃分の燃焼がさらに促進される。

ここで、酸素供給装置２１による高温低酸素濃度ガスの供給量は、燃焼ガスが還元雰囲気となり、かつ燃焼ガス中の未燃分を燃焼させるのに十分なだけの量に設定される。また、対流伝熱部４内に一気に酸素含有ガスを供給して燃焼ガスと酸素含有ガスとの混合が迅速に行われるように、吐出口２３から吐出される酸素含有ガスの流速は、４０ｍ／ｓ〜８０ｍ／ｓ、好ましくは６０ｍ／ｓ〜８０ｍ／ｓとされている。

このように、本参考例にかかる微粉炭炊きボイラ１によれば、設備コストの大幅な増加を招くことなく、排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘ及び未燃分を低減することができる。

ここで、本参考例では、燃焼部３に空気を供給するための空気供給口１２を設けた例を示したが、これに限られることなく、空気供給口１２を省いて、酸素供給装置２１のみによって燃焼ガスへの酸素の供給を行うようにしてもよい。

［第二参考例］
次に、本発明の第二参考例について、図３を用いて説明する。
本参考例にかかる微粉炭炊きボイラ４１は、第一参考例で示した微粉炭炊きボイラ１において、対流伝熱部４を、燃焼部３の上端よりも低位置に設けたことを主たる特徴とするものである。以下、第一参考例で示した微粉炭炊きボイラ１と同様または同一の部分については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。

燃焼部３の上端と対流伝熱部４の入口とは、燃焼部３の上端の側方から下方に向かって延びる煙突状の下降流路４２を介して接続されている。
また、この微粉炭炊きボイラ４１では、対流伝熱部４に酸素供給装置２１を設置する代わりに、下降流路４２の下端近傍に、酸素供給装置４３が設置されている。
酸素供給装置４３は、前記の調製装置２４によって調製された前記酸素含有ガスを、下降流路４２の側壁４２ａの下端近傍に設けられた吐出口４３ａから炉本体２内に吐出するものである。
この微粉炭炊きボイラ４１では、還元領域Ｄは、燃焼部３の主燃焼領域Ｂの上端から燃焼部３の上端を経由して下降流路４２と対流伝熱部４の酸素供給装置２１の設置位置までとされている。

このように構成される微粉炭炊きボイラ４１では、重量のある対流伝熱部４が、燃焼部３の上でなく、より低い位置に設けられているので、対流伝熱部４を支持するための支持構造（図示せず）が小規模で済み、微粉炭炊きボイラ４１全体が小型となる。
さらに、燃焼ガスは、燃焼部３の上端から下降流路４２を介して対流伝熱部４に供給されるので、燃焼部３の上端に対流伝熱部４を連結した場合に比べて燃焼ガスの流通経路が長い。このため、燃焼ガスの滞留時間が長くなり、ＮＯ_Ｘ及び未燃分が低減される。
このように、この微粉炭炊きボイラ４１によれば、設備コストの大幅な増加を招くことなく、排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘ及び未燃分を低減することができる。

ここで、この微粉炭炊きボイラ４１において、酸素供給装置４３を設置する代わりに、下降流路４２の下端近傍または対流伝熱部４に酸素供給装置２１を設置してもよい。

［実施形態］
次に、本発明の一実施形態について、図４及び図５を用いて説明する。
本実施形態にかかる微粉炭炊きボイラ５１は、第一参考例にかかる微粉炭炊きボイラ１において、対流伝熱部４に酸素供給装置２１を設ける代わりに、燃焼部３に高温低酸素濃度ガス供給装置５２を設置したことを主たる特徴とするものである。

高温低酸素濃度ガス供給装置５２は、前記の調製装置２４によって調製された前記酸素含有ガス（高温低酸素濃度ガス）を、燃焼部３の主燃焼領域Ｂ以上の領域に設けられた複数の高温低酸素濃度ガス供給口５３から、燃焼部３内に供給するものである。
これら高温低酸素濃度ガス供給口５３は、燃焼部３の壁面３ｂの同一高さとなる位置に、それぞれ燃焼部３の中心軸に向けた状態にして複数配置されている。また、これら高温低酸素濃度ガス供給口５３の組は、上下方向に沿って複数組配列されており、各組ごとに燃焼部３の中心軸回りの位置がずらされている。

本実施形態では、燃焼部３には、高温低酸素濃度ガス供給口５３の組として、下側から順に、第一組５３ａ，第二組５３ｂ，第三組５３ｃの三つの組が設けられている。また、図５に示すように、第一組５３ａ及び第三組では、高温低酸素濃度ガス供給口５３は、燃焼部３の各側壁３ｂの中央に設けられており、第二組では、燃焼部３の各コーナーに設けられている。ここで、図５では、第一組５３ａ，第三組５３ｃから吐出される高温低酸素濃度ガスの流れを一点鎖線で示し、第二組５３ｂから吐出される高温低酸素濃度ガスの流れを二点鎖線で示している。

このように構成される微粉炭炊きボイラ５１では、燃焼部３で発生した燃焼ガスには、その流れる方向の各部でそれぞれ３００°Ｃ以上の高温低酸素濃度ガスが供給される。すなわち、燃焼ガスには、後流側に流れてゆく過程で少しずつ酸素が加えられる。
これにより、燃焼ガスは、高温の還元雰囲気とされて燃焼ガスの還元が十分に行われかつ酸素投入によるＮＯ_Ｘの急激な発生が抑えられた状態のまま、含まれている未燃分が酸素と反応して燃焼することとなり、未燃分が低減される。
ここで、高温低酸素濃度ガス供給装置５２が供給する高温低酸素濃度ガスの酸素濃度は、燃焼ガスが還元雰囲気となる濃度で、かつ燃焼ガス中の未燃分を燃焼させるのに十分なだけの濃度（例えば０％を越え１０％以下）に設定される。

また、この微粉炭炊きボイラ５１では、高温低酸素濃度ガス供給装置５３による燃焼部３への高温低酸素濃度ガスの吐出位置及び吐出方向が、燃焼部３の燃焼ガスの流れる方向での位置ごとに異なっているので、燃焼ガス全体に均一に酸素を供給することができる。

このように、本実施形態にかかる微粉炭炊きボイラ５１によれば、設備コストの大幅な増加を招くことなく、排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘ及び未燃分を低減することができる。

本発明の第一参考例にかかる微粉炭炊きボイラ（燃焼装置）の構成を示す縦断面図である。図１のＡ−Ａ矢視断面図である。本発明の第二参考例にかかる微粉炭炊きボイラの構成を示す縦断面図である。本発明の一実施形態にかかる微粉炭炊きボイラの構成を示す縦断面図である。図４のＣ−Ｃ矢視断面図である。

符号の説明

１，４１，５１微粉炭炊きボイラ（燃焼装置）
２炉本体
３燃焼部
４対流伝熱部
２１，４３酸素供給装置
２２吐出部
２３吐出口
５２高温低酸素濃度ガス供給装置
Ｄ還元領域

Claims

燃焼部で燃料を燃焼させて燃焼ガスを得る燃焼装置であって、
前記燃焼部内に前記燃焼ガスの流れる方向での位置の異なる複数箇所からそれぞれ３００°Ｃ以上の高温低酸素濃度ガスを供給する高温低酸素濃度ガス供給装置を有しており、
前記高温低酸素濃度ガス供給装置による前記燃焼部への前記高温低酸素濃度ガスの吐出方向、もしくは吐出位置と吐出方向との両方が、前記燃焼部の前記燃焼ガスの流れる方向での位置ごとに異なっていることを特徴とする燃焼装置。