JP4664180B2

JP4664180B2 - ボイラ設備

Info

Publication number: JP4664180B2
Application number: JP2005301441A
Authority: JP
Inventors: 明仁折井; 正行谷口; 久幸折田; 研二山本; 彰馬場
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2025-10-17
Also published as: JP2007107850A

Description

本発明はボイラ設備に係り、特に、空気不足の状態で燃料を燃焼させる燃料バーナの下流側に、この燃料バーナからの不完全燃焼ガスを燃焼させる燃焼空気を供給するアフタエアノズルを備えたボイラ設備に関する。

一般に、燃料バーナによる不完全燃焼ガスを燃焼させるために、燃料バーナの下流側にアフタエアノズルを備えたボイラ設備は、例えば特許文献１に開示されているように、既に提案されている。この種ボイラ設備は、燃料が持つ窒素成分が酸化されて生成される燃料ＮＯｘの濃度増加を抑えるために、燃料である例えば微粉炭を空気不足の状態で不完全燃焼させ、その後、下流側に設けたアフタエアノズルから空気を供給して不完全燃焼ガスを完全燃焼させてＣＯの生成を抑制するものである。このようなアフタエアノズルを備えたボイラ設備において、空気の供給により不完全燃焼ガスが燃焼して燃焼温度が高くなると、燃焼ガス中の窒素成分が酸化されて生成される熱ＮＯｘの濃度が増加するので、前記アフタエアノズルに、熱ＮＯｘの濃度を低減するために、旋回流で空気を供給する空気ノズルを備えたものが、特許文献２等によって提案されている。

特開平６−２０１１０５号公報特許第３２５８０４１号公報

上記特許文献１，２に記載のボイラ設備によれば、燃焼炉内の燃焼ガス温度の分布について考慮されておらず、したがって、燃焼炉内に燃焼ガス中のＣＯ濃度が増加する領域、特に、アフタエアノズルの配列端部と燃焼炉側壁との間に燃焼ガス温度が低い領域が存在し、この領域においてＣＯ濃度が増加することがある。しかし、上記特許文献１，２は、このＣＯ濃度の低減は勿論のこと、ＮＯｘ濃度とＣＯ濃度をバランスよく低減させることについての配慮がなされていなかった。

本発明の目的は、簡単な構成によってＮＯｘの生成を抑制しながら、ＣＯの生成をバランスよく低減させることができるボイラ設備を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、熱交換手段を設けた燃焼炉内に空気不足の状態で燃料を供給して燃焼させる燃料バーナと、この燃料バーナによる燃焼ガスの流出方向に対して直交する方向に複数並設され前記燃焼ガスに旋回流の空気を供給する旋回流空気ノズルを有するアフタエアノズルとを備えたボイラ設備において、前記並設された複数のアフタエアノズルのうち端部に位置するアフタエアノズルに、縮流による空気を供給する旋回流空気ノズルを設けたのである。

上記構成のうち、複数並設した殆どのアフタエアノズルから噴出される旋回流による燃焼空気の供給によって、燃焼ボイラからの不完全燃焼ガスを緩慢に混合して燃焼させることでＮＯｘの生成を抑制させ、また、複数並設した配列の端部に位置するアフタエアノズルと燃焼炉側壁間の燃焼温度が低い不完全燃焼ガスを、複数並設した配列の端部に位置するアフタエアノズルから噴出される縮流による燃焼空気の副流によって効率良く混合することで完全燃焼させ、ＣＯの生成を抑制することができるのである。

また、複数並設した配列の端部に位置するアフタエアノズルについてのみ、縮流空気ノズルを設けるので、簡単な構成でＮＯｘとＣＯの生成を低減することができる。

以上説明したように本発明によれば、簡単な構成によってＮＯｘの生成を抑制しながら、ＣＯの生成をバランスよく低減させることができるボイラ設備を得ることができる。

以下本発明によるボイラ設備の一実施の形態を図１〜図４に示す微粉炭焚きボイラ設備に基づいて説明する。

微粉炭焚きボイラ設備１は、縦方向に設置され矩形断面を有する燃焼炉２と、この燃焼炉２の矩形断面の対向する壁面２Ａ，２Ｂの夫々に上下方向に複数段で上下方向と直交する横方向に並設配列した複数の燃焼バーナ３と、これら燃焼バーナ３からの燃焼ガスの下流側における前記対向する壁面２Ａ，２Ｂの上下方向（燃焼ガス流出方向）と直交する横方向に並設配列した複数のアフタエアノズル４，５とを備えている。

前記燃焼炉２には、燃焼ガスと熱交換する熱交換手段（図示せず）として蒸気発生装置（図示せず）が設けられており、この蒸気発生装置で得られた蒸気を図示しない例えば蒸気タービンに供給して回転駆動させている。

前記燃料バーナ３は、微粉炭と空気を噴出して燃焼させるものであり、前記アフタエアノズル４，５と共に図４に示すような共通の通風箱６で囲まれて燃焼炉２の外壁側に位置している。

前記アフタエアノズル４は、図示は省略するが、後述するアフタエアノズル５において縮流空気ノズルを省いた構造と同じでありで、中心部に設けられ前記燃焼炉２内に直進する空気を噴出させる直進空気ノズルと、この直進空気ノズルの外周に同心状に配置され旋回流の空気を前記燃焼炉２内に噴出させる旋回流空気ノズルとを備えている。

一方、前記アフタエアノズル５は、並設配列した複数のアフタエアノズル４の端部に隣接して設置され、詳細を図４に示すように、中心部に前記燃焼炉２の対向する壁面２Ａ，２Ｂに直交して開口し直進する空気ａを噴出させる直進空気ノズル７を設けており、この直進空気ノズル７の外周に同心状に配置され旋回流の空気ｂを噴出させる旋回流空気ノズル８と、この旋回流空気ノズル８の開口部近傍の外周に同心状に配置され縮流の空気ｃを噴出する縮流空気ノズル９と、この縮流空気ノズル９の開口と壁面２Ａ，２Ｂ間に設けられた水管１０とを備えている。

前記直進空気ノズル７，旋回流空気ノズル８，縮流空気ノズル９の夫々は、ノズル先端とは反対側に空気量調整機構である開閉弁１１，１２，１３で空気流量を調節される空気取入口１４，１５，１６が設けられている。また、前記旋回流空気ノズル８の空気取入口１５の近傍には空気レジスタ１７が軸支されており、空気レジスタ１７を空気取入方向に対して傾斜させることで取入れられた空気に旋回力が付与されるのである。

ところで、通風箱６内に供給される空気は、燃焼バーナ３で消費される空気量とアフタエアノズル４，５で消費される空気量とに分配され、さらに、アフタエアノズル４，５に取入れられる空気は、開閉弁１１，１２，１３によって直進空気ノズル７，旋回流空気ノズル８，縮流空気ノズル９で消費される空気量に分配される。即ち、開閉弁１１，１２を開き、開閉弁１３を閉じると、直進空気ノズル７，旋回流空気ノズル８のみに空気を供給でき、アフタエアノズルから噴出される燃焼空気は旋回流となる。また、開閉弁１１，１２を閉じ、開閉弁１３を開くと、縮流空気ノズル９のみに空気が供給されるので、燃焼空気は縮流となる。縮流空気ノズル９は、直進空気ノズル７の空気噴出方向に対して中心側に向かって噴出されるように傾斜されており、空気は出口で絞られて縮流噴流となる。この縮流噴流は、旋回流や直進流と異なって、噴出口近傍で周辺の燃焼ガスを巻き込む副流ｄが発生するので、燃焼ガスに対する燃焼空気の混合を促進することができる。

上記構成の微粉炭焚きボイラ設備１を運転する場合、燃焼バーナ３から微粉炭とそれを燃焼させるために必要な空気を混合した燃料を噴出させて燃焼する。空気の混合量は、微粉炭を不完全燃焼させて燃焼温度を低くしてＮＯｘの生成を抑えるために、微粉炭を完全燃焼させるのに必要な空気量（理論空気量）に対して少なくし、空気比（供給する空気量／理論空気量）０．７〜０．９で運用する。燃焼バーナ３から噴出して燃焼した不完全燃焼ガスＧ１は、ＮＯｘが生成されてもＮＨ３やＣＮなどの還元ガスによりＮ２に還元されるために、ＮＯｘ濃度が抑えられる。一方、燃焼バーナ３からの不完全燃焼ガスＧ１により、ＣＯが生成され易くなる。

そこで、アフタエアノズル４から、不完全燃焼ガスＧ１（未燃焼分と燃焼分）中のＣＯなどの可燃成分を燃焼させてＣＯの生成を抑制するために、燃焼空気を供給する。供給される燃焼空気の空気比は、例えば１．１〜１．２で運用する。ここで、空気比が１を超える空気過剰状態で燃焼炉内温度が約１５００℃を超える場合には、熱ＮＯｘが生成されやすくなる。特に、燃焼空気と不完全燃焼ガスＧ１とを急激に混合して燃焼させると、熱ＮＯｘが生成されるので、その場合には、直進空気ノズル７から直進する空気ａと旋回流空気ノズル８から旋回流の空気ｂとを供給してアフタエアノズル４からは、旋回流とした燃焼空気を供給し、この旋回流による燃焼空気と不完全燃焼ガスＧ１との混合を緩慢にして完全燃焼させ、燃焼ガスＧ２内の熱ＮＯｘの生成を抑制するのである。

ところで、上述のように、燃焼バーナ３とアフタエアノズル４とは、矩形断面の対向する壁面２Ａ，２Ｂに横方向に複数並設配列している。このような配列において、特に、燃焼バーナ３からの不完全燃焼ガスＧ１は、図３に示すように、並設されたアフタエアノズル４の端部と側壁２Ｃの間の比較的大きな空間をすり抜けて上昇する。そのため燃焼温度の低い不完全燃焼ガスＧ１の流れの領域Ｓ１が２点鎖線で示すように存在し、これがアフタエアノズル４からの旋回流による燃焼空気と十分に混合せず、生成されたＣＯの濃度を維持したまま燃焼炉出口２Ｄに至ることになる。

このようなすり抜ける不完全燃焼ガスＧ１の流れの領域Ｓ１を少なくして、不完全燃焼ガスＧ１を可能な限り完全燃焼させてＣＯの生成を抑制するために、縮流空気ノズル９を備えたアフタエアノズル５を、アフタエアノズル４の配列の端部に設け、さらに、図２に示すように、アフタエアノズル５の中心から、対向する壁面２Ａ，２Ｂに隣接する側壁２Ｃまでの寸法（距離）Ｘ２を、側壁２Ｃの最も近接している燃焼バーナ３の中心から側壁２Ｃまでの寸法（距離）Ｘ１より小さく（短く）したのである。

このように、アフタエアノズル５を配置することで、縮流空気ノズル９から縮流の空気ｃを噴出させることで、縮流に伴う副流ｄを生じさせ、この副流ｄによって前記領域Ｓ１を通過する不完全燃焼ガスＧ１を巻き込んで撹拌混合し燃焼を促進させるので、通過する不完全燃焼ガスＧ１の領域をＳ２のように縮小できるのである。その結果、不完全燃焼ガスＧ１を効果的に燃焼させＣＯの生成、さらには未燃焼分を削減できるのである。

図５は、縮流空気ノズル９からのみ燃焼空気を供給した場合と、直進空気ノズル７及び旋回流空気ノズル８とから燃焼空気を供給した場合の燃焼ガス中の酸素（Ｏ_２）の濃度分布を示す。酸素濃度が破線で示すように平坦であれば、燃焼炉内に投入した燃焼空気が均一に分布されていることであり、不完全燃焼ガスとの混合が十分に行われて完全燃焼し、ＣＯや未燃焼分が削減できることを意味している。図中の破線Ｍが縮流による燃焼空気で、実線Ｎが旋回流を主とした燃焼空気での酸素分布を示しており、図から明らかなように、縮流による燃焼空気は旋回流を主とした燃焼空気よりも不完全燃焼ガスとの混合が十分に行われ、短時間で燃焼炉内の不完全燃焼ガスを均一に燃焼させることが分かる。

図６は、図１〜図４に示す実施の形態の第１の変形例で、アフタエアノズル４，５を２段に配置したものである。

このような２段配置とすることで、上記実施の形態と同様な効果が得られると共に、アフタエアノズル４，５の１つ当たりの空気供給量が少なくなるので、より緩慢に燃焼空気を供給することができ、熱ＮＯｘの生成をより少なくできる効果がある。尚、アフタエアノズル４，５は３段以上に配列してもよい。

ところで、縮流による燃焼空気の供給は、不完全燃焼ガスＧ１との混合を促進するものである。しかし、燃焼空気との混合か促進されて燃焼温度が上昇すると、熱ＮＯｘの増加が懸念される。

ところで、図７は、燃焼炉内の燃焼ガスの温度分布を示すもので、燃焼炉の壁面や側壁２Ｃには水管が配設されていて燃焼ガスの熱を奪っているので、中央部に比べて側壁２Ｃ部は低温となっている。そして側壁２Ｃ部に接近する燃焼ガス温度の低い領域においては図６に示すように、端部に配列したアフタエアノズル５の縮流によって、温度の低い燃焼ガスとの急速な混合を行うことができるので、ＣＯの抑制と共に熱ＮＯｘの発生をも抑制することができる。逆に、燃焼ガス温度が高い燃焼路中央部においては、縮流よりも混合が緩慢な旋回流による燃焼空気で燃焼ガスとの緩慢な混合を行うことで、熱ＮＯｘの生成を抑制することができる。

尚、本実施の形態においては、旋回流空気ノズルを有するアフタエアノズル４を備えた既設のボイラ設備に対しては、側壁２Ｃに近接する端部のアフタエアノズル４のみ新設のアフタエアノズル５に交換するか、既設のアフタエアノズル４に縮流空気ノズル９を新設することで、簡単に必要とする微粉炭焚きボイラ設備１を得ることができる。

図８は、図１〜図４に示す実施の形態の第２の変形例で、縮流空気ノズルを備えたアフタエアノズル５を、他の旋回流空気ノズルを備えたアフタエアノズル４の上流側で燃焼バーナ３よりも下流側に配置したものである。

このような配置とすることで、旋回流空気ノズルを備えたアフタエアノズル４からの燃焼空気よりも先に燃焼バーナ３からの不完全燃焼ガスＧ１と急速な混合を行わせ、その後、アフタエアノズル４からの燃焼空気と緩慢な混合を行わせるので、ＮＯｘ濃度の低減は勿論のこと、ＣＯ濃度や未燃焼分を削減することができる。また、上流側で、縮流空気ノズルを備えたアフタエアノズル５から縮流による燃焼空気の供給が行われることで、燃焼炉２の側壁２Ｃ部を通過する不完全燃焼ガスＧ１を、破線矢印で示すように、中央側へ導くことができるので、燃焼ガス温度の均一化が行える利点がある。

図９は、アフタエアノズル４，５を２段に配列にした第３の変形例を示すもので、基本的には、図８に示す第２の変形例と同じである。そして、２段配列にしたことにより、図６に示す第１の変形例と同じように、アフタエアノズル４，５の１つ当たりの空気供給量が少なくなるので、より緩慢に燃焼空気を供給することができ、熱ＮＯｘの生成をより少なくできる効果がある。

図１０は、図１〜図４に示す実施の形態の第４の変形例で、縮流空気ノズルを備えたアフタエアノズル５を、他の旋回流空気ノズルを備えたアフタエアノズル４の下流側に配置したものである。

このように構成することで、さらに燃焼ガス温度が低くなった下流側の側壁２Ｃ近傍の領域で縮流による燃焼空気を供給できるので、熱ＮＯｘの生成をより抑制することができる。

図１１に実機における微粉炭焚きボイラ設備の燃焼炉の高さと燃焼ガス温度の平均温度分布の測定結果を示す。１６００℃以上ある燃焼ガス温度は、３０ｍ高さにあるアフタエアノズルからの低温（約１５０℃）の燃焼空気の供給により低下し、燃焼空気の混合後は、下流に行くにしたがって、云い代えれば燃焼炉２の高さ位置が高くなるにしたがって側壁２Ｃに配置された水管によって除熱されるので、燃焼温度は徐々に低下してゆく。ところで、熱ＮＯｘは燃焼温度が１５００℃以上で生成されるので、熱ＮＯｘの生成を抑制するには、１５００℃以下で燃焼させればよい。しかし、１５００℃未満の燃焼温度となる燃焼炉の高さは、４０ｍ以上にもなって非現実的であり、ある程度低い燃焼温度ΔＴとなる燃焼炉の高さ、例えば３０ｍの高さで燃焼空気を供給し、熱ＮＯｘの発生を抑制する必要がある。熱ＮＯｘに有意な温度差として現れるように、現状のアフタエアノズルでの燃焼温度から３０℃低い燃焼温度を想定して計算すると、縮流空気ノズルを備えたアフタエアノズル５を変位させる変位距離Ｚは、アフタエアノズル４から下流側へ約３ｍとなった。この計算は、図１０の配置において、アフタエアノズル４の口径Ｄが１ｍの条件であり、前記変位距離Ｚは口径Ｄの３倍に相当する。したがって、上記条件では、アフタエアノズル５をアフタエアノズル４の設置位置から下流側に、アフタエアノズル４の口径Ｄの３倍以上離れた位置に設置すればよい。

図１２は、図１〜図４に示す実施の形態の第５の変形例で、図１０に示すアフタエアノズル４，５配列としたものである。

上記構成とすることで、図１０に示す第４の変形例と同じように、燃焼ガス温度が低くなった下流側の側壁２Ｃ近傍の領域で縮流による燃焼空気を供給できるので、熱ＮＯｘの生成をより抑制することができると共に、図６に示す第１の変形例と同じように、アフタエアノズル４，５の１つ当たりの空気供給量が少なくなるので、より緩慢に燃焼空気を供給することができ、熱ＮＯｘの生成をより少なくできる効果がある。

以上説明したように本実施の形態によれば、高濃度のＣＯ領域に燃焼炉内の酸素濃度を急速に均一化できる縮流による燃焼空気を供給することで、ＣＯの生成や未燃焼分の低減を効率よく行うことができ、さらに、燃焼温度の低い領域での不完全燃焼ガスと縮流による燃焼空気の急速混合は、同時に熱ＮＯｘの生成も抑制できるので、ＣＯ濃度とＮＯｘ濃度をバランスよく抑制できる微粉炭焚きボイラ設備を得ることができる。

ところで、本発明は、燃料として石炭（微粉炭）を用いた微粉炭焚きボイラ設備を一例に説明したが、他の燃料、例えば石油を燃焼させるボイラ設備にも適用できることは云うまでもない。

本発明によるボイラ設備の一実施の形態を示す微粉炭焚きボイラ設備の燃焼路の概略側面図。図１の燃焼バーナとアフタエアノズルの配置を示す拡大正面図。図１のＡ−Ａ線に沿う拡大横断平面図。図３の端部に位置するアフタエアノズルの概略を示す拡大銃弾側面図。燃焼炉内の酸素濃度の分布図。図１の第１の変形例を示す図２相当図。燃焼炉内の燃焼ガス温度の分布図。図１の第２の変形例を示す図２相当図。図１の第３の変形例を示す図８相当図。図１の第４の変形例を示す図８相当図。燃焼炉高さと燃焼ガス温度の分布図。図１の第５の変形例を示す図１０相当図。

符号の説明

１…微粉炭焚きボイラ設備、２…燃焼炉、２Ａ，２Ｂ…壁面、２Ｃ…側壁、３…燃焼バーナ、４，５…アフタエアノズル、７…直流空気ノズル、８…旋回流空気ノズル、９…縮流空気ノズル、１１，１２，１３…開閉弁。

Claims

熱交換手段を設けた燃焼炉内に空気不足の状態で燃料を供給して燃焼させる燃料バーナと、この燃料バーナによる燃焼ガスの流出方向に対して直交する方向に複数並設され前記燃焼ガスに旋回流の空気を供給する旋回流空気ノズルを有するアフタエアノズルとを備えたボイラ設備において、前記並設された複数のアフタエアノズルのうち端部に位置するアフタエアノズルに、縮流による空気を供給する縮流空気ノズルを設けたことを特徴とするボイラ設備。
熱交換手段を設けた燃焼炉内に空気不足の状態で燃料を供給して燃焼させる燃料バーナと、この燃料バーナによる燃焼ガスの流出方向に対して直交する方向に複数並設され前記燃焼ガスに旋回流の空気を供給する旋回流空気ノズルを有する第１のアフタエアノズルとを備えたボイラ設備において、前記第１のアフタエアノズルの並設方向端部に隣接して、旋回流の空気を供給する旋回流空気ノズルと縮流の空気を供給する縮流空気ノズルとを有する第２のアフタエアノズルを並設したことを特徴とするボイラ設備。
熱交換手段を設けた燃焼炉内に空気不足の状態で燃料を供給して燃焼させる燃料バーナと、この燃料バーナによる燃焼ガスの流出方向に対して直交する方向に複数並設され前記燃焼ガスに旋回流の空気を供給する旋回流空気ノズルを有する第１のアフタエアノズルと、この第１のアフタエアノズルの並設方向端部に隣接して配置され旋回流の空気を供給する旋回流空気ノズルと縮流の空気を供給する縮流空気ノズルとを有する第２のアフタエアノズルとを備えたことを特徴とするボイラ設備。
熱交換手段を備え矩形断面に形成された燃焼炉内に空気不足の状態で燃料を供給して燃焼させる燃料バーナを、前記矩形断面の対向する壁面に燃焼ガス流出方向と直交する方向に複数並設し、旋回流の空気を前記燃焼炉内に供給する旋回流空気ノズルを有する第１のアフタエアノズルを前記燃料バーナの燃焼ガス下流側で燃焼ガスの流出方向に対して直交する方向に前記矩形断面の対向する壁面に複数並設したボイラ設備において、前記第１のアフタエアノズルの並設方向端部に隣接して、旋回流の空気を供給する旋回流空気ノズルと縮流の空気を供給する縮流空気ノズルとを有する第２のアフタエアノズルを並設すると共に、並設された端部に位置する前記燃料バーナとこの燃焼バーナの並設方向延長端に位置する燃焼炉の壁面との間隔よりも、前記第２のアフタエアノズルと前記第１のアフタエアノズルの並設方向延長端に位置する燃焼炉の壁面との間隔を小さくしたことを特徴とするボイラ設備。
前記縮流空気ノズルを有するアフタエアノズルは、他のアフタエアノズルよりも不完全燃焼ガスの流出方向の上流側に位置していることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載のボイラ設備。
前記縮流空気ノズルを有するアフタエアノズルは、他のアフタエアノズルよりも不完全燃焼ガスの流出方向の下流側に位置していることを特徴とする請求項１，２又は３記載のボイラ設備。
前記下流側に位置するアフタエアノズルと他のアフタエアノズルとの変位寸法は、他のアフタエアノズルの噴出口径の３倍以上であることを特徴とする請求項６記載のボイラ設備。