JP4969015B2 - 固体燃料バーナと固体燃料バーナを用いた燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は、本発明は固体燃料を気流搬送して燃焼する固体燃料用バーナおよびその燃焼方法に関し、特に水分や揮発分の多い微粉炭、木材又はピートを燃料として燃焼するのに適した幅広い火炉負荷変化に対応でき、しかも燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を低下させる燃焼を可能とする固体燃料用バーナ及び該バーナを用いた燃焼方法及び該バーナを備えた火炉、加熱炉または熱風発生炉等の燃焼装置とその運用方法、さらには石炭焚きボイラとそのシステム、石炭火力発電システムに関する。

環境保全のための公害防止規制は年々厳しくなっているが、特に前記石炭を燃焼させる微粉炭ボイラでは燃焼ガス中のＮＯｘ発生量を極力低減すること（以下、低ＮＯｘ化という）が要請されている。燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度を低下させる燃焼技術（低ＮＯｘ化技術）としては二段燃焼法がある。二段燃焼法としては火炉全体でＮＯｘ発生量を下げるものとバーナ単体でＮＯｘ濃度を下げるものと２通りがある。火炉全体でＮＯｘ発生量を下げる場合は火炉のバーナゾーンでの空気比（燃料に対する必要空気の割合であり、空気比１が量論的当量である）を１以下の燃料リッチな条件に保つことで生成ＮＯｘを還元し、低ＮＯｘ化を図るというものである。この際の未燃焼燃料についてはバーナゾーン後流側に設置した空気挿入口から空気を投入し、燃焼させる。

また、微粉炭バーナ等の固体燃料バーナ（以下、単にバーナと記すことがある）単体でＮＯｘ発生量を下げる低ＮＯｘ化燃焼法（以下、この種のバーナを低ＮＯｘ化バーナという）は二次空気及び三次空気に旋回をかけて一次空気のみで着火している微粉炭流との混合を遅らせることにより大きな還元領域を形成させるというものであり、ある種の低ＮＯｘ化微粉炭バーナ（特開昭６０−１７６３１５号、特開昭６２−１７２１０５号）で実用化されている。

これらの技術により排ガス中のＮＯｘ濃度を１３０ｐｐｍ（燃料比＝固定炭素／揮発分が２、石炭中の窒素分１．５％、灰中未然分５％以下）まで低減させることができるようになった。しかし、排ガス中のＮＯｘ濃度規制値は年々厳しくなる傾向にあり、今後要求される排ガス中のＮＯｘ規制値は１００ｐｐｍ以下である。

ＮＯｘ発生量１００ｐｐｍ以下の低ＮＯｘ化バーナとして、バーナ部での低ＮＯｘ化燃焼法をさらに強化する内部保炎器付きバーナや微粉炭と微粉炭搬送用気体の混合流体の流れる燃料ノズルの外周部に設けられた外部保炎器と前記内部保炎器の間に橋渡しをするような保炎器を設置したバーナが開発されている。

また、エネルギー需要の増大が見込まれている地域では、今後は水分や灰分が多く、発熱量の低い低品位炭の利用が主体になると考えられる。低品位炭の中でも褐炭や亜れき青炭等の高水分含有炭は埋蔵量が多いものの、れき青炭に比べ火炎温度が低下すること及び燃焼性が良くないこと等、燃料としての性能が劣ることが懸念される。褐炭は東欧を中心に存在する石炭であり、灰分２０％以上、水分３０％以上の比較的若い石炭である。

また、褐炭や亜炭に代表される石炭化度の低い石炭や木材、ピートは加熱時に気体として放出される成分（以下、揮発分と記す）や、燃料中に含まれる水分が多い。また、発熱量が瀝青炭や無煙炭などの石炭化度の高い石炭に比べて低く、一般に粉砕性が悪い。さらに、燃焼灰の溶融温度が低いという特徴がある。揮発分が多いため、空気雰囲気では貯蔵や粉砕過程において自然発火しやすく、瀝青炭などに比べて扱いにくい。このため、褐炭や亜炭などを微粉砕し、燃焼させる場合は、燃料の搬送用気体として燃焼排ガスと空気との混合気体が使われる。前記混合気体は酸素濃度が低いので、燃料の自然発火を防げる。また、燃焼排ガスの保有熱によって前記混合気体で搬送する燃料中の水分を蒸発させることができる。

しかし、低酸素濃度雰囲気下で燃料を搬送することにより、バーナから噴出する燃料は空気と混合した後でないと燃焼反応が進まない。燃焼反応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に比べて燃焼速度が低下する。このため、燃料の燃え切り時間が瀝青炭の燃焼に比べて長くなり、火炉出口での未燃焼分が増える。

低酸素濃度の搬送用気体で搬送される燃料の着火を早める方法として、燃料ノズル先端に空気噴出ノズルを設け、燃料搬送用気体の酸素濃度を高める方法がある。たとえば特開平１０−７３２０８号公報には燃料ノズルの外側に空気ノズルを設けたバーナが示されている。また、燃料ノズルの中心に空気ノズルを設け、燃料ノズル出口での燃料と空気との混合を促進させるバーナも良く用いられている。

また、特開平４−２１４１０２号公報には微粉炭とその搬送用気体の混合物を噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルの外側に配置された二次空気ノズルと三次空気ノズルを有し、さらに前記燃料ノズルから噴出する微粉炭から得られる火炎を保持する保炎器を前記燃料ノズルと二次空気ノズルを隔てる隔壁先端部に設けたバーナが開示されている。

特開昭６０−１７６３１５号公報 特開昭６２−１７２１０５号公報 特開平１０−７３２０８号公報 特開平４−２１４１０２号公報

以上述べたように、褐炭等は安価な燃料であるが、高灰分、高水分、低発熱量という性状に基因して、その燃焼性や灰付着性に問題がある。その燃焼性に関しては、いかに着火を促進し、安定な火炎を形成するかが高効率燃焼のキーテクノロジーとなる。またバーナ構造体、火炉壁面などへの灰付着性が高い原因は融点が低いことが原因である。褐炭等はカルシウムやナトリウム等の含有量が多い等の灰性状による問題点の他、炉内に多量に供給するため（瀝青炭に比べ、発熱量が少ないため、投入石炭量を増やす必要がある）、灰生成量が多い等、スラッギング・ファウリングに対して好ましくない条件が重なる石炭でもある。従って褐炭や亜炭などの低品位炭をバーナで使用するためには、その高効率燃焼性と灰付着性低減の両方を達成することが必要である。

海外で用いられている一般的な褐炭燃焼の方式はタンジェンシャルファイヤリング方式とコーナファイヤリング方式である。前者は火炉側壁に燃料流路と燃焼用空気流路からなるバーナコンパートメントを設置した方式であり、後者は火炉の四隅に燃料流路と燃焼用空気流路からなるバーナコンパートメントを設置した方式である。

これらの燃焼方式が、国内瀝青炭燃焼時によく用いられる対向する火炉壁面に対になるようにバーナ群を配置する、いわゆる対向燃焼方式と異なる点を述べる。

対向燃焼方式は各バーナ（燃料と燃焼用空気の多重管）を自己保炎方式で運用するものであるのに対し、前記褐炭燃焼の方式はバーナ出口近傍で自己保炎させるのではなく燃焼用空気の噴流に運動量を持たせ、火炉中心部又はその近傍で混合燃焼させることにより燃料を安定燃焼させる方式である。

図３０はコーナファイヤリング方式またはタンジェンシャル方式のバーナコンパートメント３７の一例を火炉側から見た正面図である。燃焼用空気はその役割により流速が異なり、たとえば中心空気ノズル１２４は排ガスで供給される燃料ノズル１２５からの燃料と速やかに混合し、酸素濃度を高めることにより燃焼を促進するのが目的であり、最外側空気ノズル１２６は５０ｍ／ｓ以上の貫通力のある噴流で火炉中心部からその近傍にかけて燃焼の安定化をはかるのが目的である。

従来ほとんど経験のなかった褐炭を主とした低品位炭の燃焼分野において、世界中の市場で優位性を持つために必要不可欠な技術は、電力の需要増減に応じた負荷変化に対応して運用できる微粉炭バーナを開発することである。東欧では電力需要に対して、時に３０％の部分負荷でボイラを運転することが望まれる。これに対し、従来技術には次のような問題点があった。

先に述べたように、褐炭燃焼に関する従来技術（コーナファイヤリング方式またはタンジェンシャル方式）で重要なのは、燃料と燃焼用空気の混合流体の噴流に貫通力を持たせ、火炉内での安定燃焼を行うことである。火炉の負荷を下げていくとバーナコンパートメント３７からの前記噴流の運動量が少なくなるため、火炎が不安定になる。図３１はコーナファイヤリング方式における火炉４１の負荷が高負荷から低負荷に下がる時の火炎形状の変化を例として示す火炉４１内の水平断面図である。図３１（ａ）に示す高負荷時にはバーナコンパートメント３７からの前記噴流はバーナの根元付近で吹き飛び部３８を形成し、火炉４１中央部からその近傍にかけて安定した燃焼領域を形成し、効率良い燃焼が行われる。

しかし、低負荷時にはバーナコンパートメント３７からの各噴流の流速が下がり、運動量が減少するため、図３１（ａ）に示す安定した燃焼領域が形成されず、燃焼が不安定になる（図３１（ｂ）に示すように火炉４１全体が薄暗くなる）。低負荷時におけるバーナ失火防止対策上、火炉４１内で安定した燃焼領域が形成されているかどうかを監視するために、図３２の火炉４１の側断面図に示すように、火炉４１の上部のアフタエアポート４９付近に火炎検知器４８が設置されているが、図３１（ｂ）に示すように火炉４１内の輝度が下がると、失火判定を出す。

このような理由により、火炉４１内での安定した燃焼領域の形成が各バーナからの噴流の運動量に左右される従来の方式では、低負荷時での運用は困難である。なお、図３１（ａ）、図３１（ｂ）には火炉４１下部にバーナコンパートメント３７を設けており、バーナコンパートメント３７からの燃料と燃焼用気体の混合流体の噴流がアフターエアポート４９からの燃焼用空気の供給により火炎が形成させる。

また、上述の従来技術のバーナに供給する燃料量が多くなる燃焼装置（火炉）の高負荷運転条件では、火炎からの輻射熱によりバーナ構造物が高温となる。褐炭や亜炭などの石炭化度の低い燃料は燃焼灰の溶融温度が低いため、バーナ構造物の前記高温部分に燃焼灰が付着すると、次第に溶融し、さらに溶融物が成長する。大きくなった溶融物は燃料の燃焼に対して障害となることがある。このため、高負荷運転条件での燃焼時は火炎をバーナから離して形成する必要がある。

本発明の課題は、燃焼装置（火炉）の高負荷運転条件から低負荷運転条件まで、広範囲にわたって安定燃焼でき、また褐炭や亜炭などの石炭化度の低い燃料を用いることができる固体燃料バーナ、該バーナを用いた燃焼方法及び該バーナを備えた燃焼装置とその運用方法、さらには石炭焚きボイラを提供することである。

また、本発明の課題は褐炭など灰性状が劣悪な粉砕炭でもバーナ出口近傍で速やかに高効率で燃焼させて、バーナ周りの灰付着を防止することができる対向燃焼方式のバーナとして使用できるバーナ及び該バーナを備えた燃焼装置を提供することである。

さらに、本発明の課題はコーナファイヤリング方式やタンジェンシャル方式のバーナを用いる場合に、火炉の燃焼負荷が低下したときにも火炉中心に安定した燃焼領域が形成され、なお、かつ火炉側壁での灰付着も防止することができるバーナと該バーナを備えた燃焼装置を提供することである。

さらに、本発明の課題は対向燃焼方式又はコーナファイヤリング方式やタンジェンシャル方式のバーナとして使用できる多重管式のバーナ及び該バーナを備えた燃焼装置を提供することである。

さらに、上記従来技術からなる低ＮＯｘ化バーナは、通常のれき青炭燃焼における燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度低減に関して適した構造となっている。しかしながら、褐炭やピート等の発火性の高い燃料を使用する燃焼装置においては、発火防止の観点から、搬送用ガスとして一次空気の代りに酸素含有率の低い燃焼排ガスが用いられている。この場合には、バーナ近傍での着火が困難なため、下記２つの問題点が存在する。

（１）バーナ近傍での保炎が困難なため、油やガスでの助燃を必要としない運転は、燃焼炉内の温度が高い、高負荷域に限られる。

（２）バーナ近傍の空気に対して燃料が過剰に存在する領域での燃焼率が低いため、すなわち二次空気、三次空気が混合した後の燃焼率が高いために、低ＮＯｘ化燃焼が得られない。

上記の問題点は酸素濃度の低いガスを石炭の搬送用ガスとして用いていることが原因であり、その対策として、バーナ出口近傍の燃料ノズル内に燃焼用空気を供給して酸素濃度を高めることが考えられるが、この場合には、微粉炭濃度が低下して、着火性能は向上しない。

そこで、本発明の課題は褐炭など灰性状が劣悪な粉砕炭でもバーナ出口近傍で速やかに高効率で燃焼させ、低ＮＯｘ化燃焼が可能な固体燃料バーナ及び該バーナを備えた燃焼装置を提供することである。

本発明のバーナは、褐炭や亜炭などの石炭化度の低い石炭からなる固体燃料と、酸素濃度が２１％よりも低い搬送用気体の混合流体を用いる場合に特に適したバーナである。

請求項１記載の発明は、固体燃料とその搬送用気体の混合流体を噴出する燃料ノズル（１１）と、前記燃料ノズル（１１）の外側に配置された燃焼用空気を噴出する一以上の外側空気ノズル（１３，１４）と、該燃料ノズル（１１）の内側壁面に設けられた、バーナ上流側から下流側に向けて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流部材（３２）と、前記燃料ノズル（１１）内部の流路縮流部材（３２）よりバーナ下流側に設けた、バーナ上流側から下流側に向けて順に断面積が増加する部分と断面積が減少する部分を有する濃縮器（３３）と、前記濃縮器（３３）より下流側であって、前記燃料ノズル（１１）の内側壁面に設けられた、該燃料ノズル（１１）の出口より上流側に出口がある空気を噴出する追加空気孔または追加空気ノズル（１２）と、前記燃料ノズル（１１）と前記外側空気ノズル（１３）を隔てる壁面先端部に、前記燃料ノズル（１１）から噴出する固体燃料混合物と空気の流れに対抗するように設けた保炎器（２３，３６）を有することを特徴とする固体燃料バーナである。
本発明のバーナには燃料ノズルの中心軸部に燃焼用空気を供給する中心空気ノズルを備えた第一のバーナと燃料ノズルの中心軸部に中心空気ノズルを備えていない第二のバーナがある。
以下には、まず、燃料ノズルの中心軸部に燃焼用空気を供給する中心空気ノズルを備えた第一のバーナについて述べる。
（１）本発明の第一のバーナは、空気を噴出する中心空気ノズルと、該中心空気ノズルの外側に配置された固体燃料とその搬送用気体の混合流体を噴出する燃料ノズルと、前記燃料ノズルの内側壁面に配置された空気を噴出する追加空気孔または追加空気ノズルと、前記燃料ノズルの外側に配置された燃焼用空気を噴出する一以上の外側空気ノズルとを有する固体燃料バーナである。

上記バーナは、前記燃料ノズルの壁面内側に沿って空気を噴出する追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気量を増やすことができる。追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気により、燃料ノズル壁面内側近傍の酸素濃度が高まる。こうして燃料の燃焼は酸素濃度が低い場合よりも促進されるため、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。

また、上記バーナは、前記中心空気ノズル内に旋回器を備えることで、燃焼負荷に応じて、前記中心空気ノズルから噴出する空気を（１）直進流として噴出する場合又は弱い旋回流として噴出する場合と（２）強い旋回流として噴出する場合とのいずれかの噴出方法が可能になる。

このとき、（ａ）前記中心空気ノズル及び／又は（ｂ）前記追加空気孔またはノズル出口が前記燃料ノズルの出口よりもバーナ内部の上流側に位置するようにする。前記構成により燃料ノズル内部において（ａ）前記中心空気ノズル及び／又は（ｂ）追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気が燃料と混合するため、燃料搬送用気体の酸素濃度を部分的に高めることができる。

なお、燃料ノズル出口から前記中心空気ノズルや前記追加空気孔または追加空気ノズルの出口までの距離は燃料ノズル内での火炎形成による逆火や焼損がないようにするため、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、燃料搬送用気体は流速１０〜２０ｍ／ｓで燃料ノズル内を流れるので、前記距離は１〜２ｍ以下となる。

また、上記バーナの燃料ノズルの壁面内側に、バーナ上流側から順に前記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流部材を設けることで燃料搬送用気体（燃焼排ガスなど）より慣性力が大きい燃料粒子（微粉炭）の流れがバーナ中心軸方向に絞られる効果がある。さらに中心空気ノズルの壁面外側に、バーナ上流側から順に断面積が漸増する円錐部と断面積が漸減する円錐部から成る濃縮器を流路縮流部材より下流側に設けることで、バーナ中心軸方向に絞られた燃料粒子（微粉炭）の流れが、濃縮器を通過後、燃料ノズル内の流路に沿って広がって流れる。このとき燃料粒子（微粉炭）は燃料搬送用気体（燃焼排ガス）より慣性力が大きいため、燃料ノズルの壁面側に片寄って流れて出口に向けて直進する。このため、燃料ノズル壁面側に濃縮された微粉炭流が生じて、燃料ノズル出口付近で外側空気（燃焼用空気）と触れる機会が増えて、さらに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易くなる。

また、本発明の上記バーナが高負荷条件下で運用される場合には、燃料ノズルから噴出する燃料は火炉内からの高い輻射熱により温度が上昇するため、高い流速で燃料ノズルから噴出しても安定に燃焼できる。このとき、中心空気ノズルから噴出する空気を直進流もしくは弱い旋回流（スワール数で０．３以下）とすることで、火炎をバーナ近くから吹き飛ばし、火炎をバーナより離れた位置で形成させ、火炎輻射熱によりバーナ構造物が高温になることを防ぐことができる。

さらに、本発明の上記バーナが低負荷条件下で運用される場合には、中心空気ノズルから噴出する空気を強い旋回流（スワール数で０．５以上）とすることで、空気と燃料噴流との混合を促進させる。また、中心空気ノズルから噴出する空気に与える旋回流によりバーナ中心軸上の燃料の噴出流速が減速されるため、燃料ノズル近くでの燃料の滞留時間が長くなる。こうして、燃料ノズル近くで燃料が燃焼するために必要な温度に到達するので、火炎が燃料ノズル近くから形成される。

また、本発明の上記バーナは燃焼負荷に応じて、中心空気ノズルと追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気量の割合を変えることもできる。たとえば、燃焼負荷が低い場合は、中心空気ノズルから噴出する空気量を減らして、同時に追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気量の割合を増やし、燃焼負荷が高い場合は中心空気ノズルから噴出する空気量を増やして、同時に追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気量の割合を減らす燃焼方法を採用する。

本発明の上記バーナでは、バーナの燃料ノズル、中心空気ノズルおよび追加空気孔または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の比（以下、揮発分に対する空気比と記す）を０．８５〜０．９５となるように空気量を調整して燃焼させることが望ましい。
また、前記燃料ノズルと外側空気ノズルの隔壁先端部に、前記燃料ノズルから噴出する気体や外側空気ノズルから噴出する空気の流れに対する障害物（保炎器）を設けることが望ましい。

前記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流れ（以下、循環流と記す）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や燃料のほか、下流からの高温の既燃焼ガスが滞留する。このため、循環流内は高温となり、その側を流れる燃料噴流の着火源として作用する。このため、火炎は燃料ノズル出口部分から安定に形成される。
また、燃料ノズル出口内側壁にさめ歯状突起を有する保炎器を設ける構成でも燃料の着火が促進される。

また、本発明の上記バーナの中心空気ノズルの下流側の流路断面積を前記中心空気ノズルの上流側の流路断面積に比較して小さくして、例えば前記中心空気ノズル内の旋回器の設置位置を該中心空気ノズル内でバーナ中心軸方向に移動可能に配置しても良い。この構成で、燃焼負荷によって旋回器の設置位置を調整して、空気流れの旋回強度を変化させることができる。

燃焼負荷が低い場合には旋回器を中心空気ノズルの下流側の流路断面積が比較的小さい位置に移動させ、中心空気ノズルの空気噴出流に強い旋回をかけてバーナの近傍で火炎を形成させる、また燃焼負荷が高い場合には旋回器を中心空気ノズルの上流側の流路断面積が比較的大きい位置に移動させ中心空気ノズルの空気噴出流に弱い旋回をかけてバーナから離れた火炉内の位置で火炎を形成させることができる。

さらに、バーナやその外側の火炉壁の温度が高すぎると燃焼灰がバーナ構造物や火炉壁に付着し、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。このスラッキングを抑制するためにバーナやその周囲の火炉壁に設けた温度計もしくは放射強度計などからの信号に基づき、前記中心空気ノズルから噴出する空気量や空気旋回強度を変えるか又は前記追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気量を変えることができる。前記空気量や空気旋回強度を変えることで、火炉内での火炎の形成位置を変えてバーナや火炉壁への輻射熱量を調整することができる。

高負荷条件では火炉内の熱負荷が高いため、火炎をバーナから離れた位置に形成させることが望ましい。また、低負荷条件では火炉内の熱負荷は低いので、火炎をバーナに近づけてもバーナやその周囲の火炉壁の温度は高負荷条件の場合よりも低くなる。

前記燃焼装置に本発明のバーナを用いる場合、中心空気ノズルは円筒形状とし、該中心空気ノズルの上流側の部位に空気供給用の配管として一対の空気配管を接続し、該一対の空気配管を中心空気ノズルの円筒断面の対向する位置の接線方向から空気を流入させるようにそれぞれ接続した燃焼装置を用いて、該燃焼装置を高い燃焼負荷（例えば６０〜７０％以上）で運用する場合には一対の空気供給用配管から同じ空気流量を中心空気ノズル内に供給し、燃焼装置を低い燃焼負荷（例えば６０〜７０％以下）で運用する場合には一対の空気供給配管から中心空気ノズル内に供給する空気流量の配分に差異を持たせることにより、それぞれの負荷に応じた中心空気流れの旋回強度を調整することができる。

（２）次に本発明の第二のバーナ、すなわち燃料ノズルの中心軸部に燃焼用空気を供給する中心空気ノズルを備えていないバーナについて述べる。
本発明の第二のバーナは固体燃料とその搬送用気体の混合流体を噴出する燃料ノズルと、前記燃料ノズルの壁面の内側に配置された空気を噴出する追加空気孔または追加空気ノズルと、前記燃料ノズルの壁面の外側に配置された空気を噴出する一つ以上の外側空気ノズルとを有する固体燃料バーナである。第二のバーナは第一のバーナが有する空気を噴出する中心空気ノズルを持たないバーナである。

本発明の上記第二のバーナにおいて、燃料ノズルの壁面内側に空気を噴出する追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気量を増やすことができる。追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気により、燃料ノズルの壁面内側近傍の酸素濃度が高まる。このため、燃料の燃焼反応は酸素濃度が低い場合よりも促進されるため、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。

また、上記バーナは、前記追加空気孔または追加空気ノズル出口（先端部）が前記燃料ノズルの出口（先端部）よりもバーナ内部の上流側に位置している。前記構成により燃料ノズル内部において前記追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気が燃料と混合するため、燃料搬送用気体の酸素濃度を部分的に高めることができる。なお、燃料ノズル出口から前記追加空気孔または追加空気ノズルの出口までの距離は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、燃料搬送用気体は流速１０〜２０ｍ／ｓで燃料ノズル内を流れるので、前記距離は１〜２ｍ以下とする。

また、上記バーナの燃料ノズルの壁面内側にバーナ上流側から下流側に順に前記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流部材を設けることが望ましい。燃料ノズルの流路断面積を縮小することで、燃料ノズル内を流れる燃料搬送用気体の流速が高まる。このため、瞬間的な燃料流速の低下による燃料ノズル内での火炎形成が起きたとしても、火炎は流路縮流部材の流路縮小部分よりも上流側への逆火を防ぐことができる。さらに、燃料ノズルの内部にバーナ上流側から下流側に順に断面積が増加する部分と断面積が減少する部分からなる濃縮器を流路縮流部材よりも下流側に設けることで、流路縮流部材によりバーナ中心軸方向に絞られた燃料粒子（微粉炭）の流れが、濃縮器により燃料ノズル内の流路に広がって流れる。このとき、燃料粒子（微粉炭）は燃料搬送用気体より慣性力が大きいため、燃料ノズルの壁面内側に片寄って流れて出口に到達する。このため、燃料ノズル内側壁面側に濃縮された微粉炭流が生じて、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易くなる。
また、前記燃料ノズルと外側空気ノズルを隔てる壁面の先端部に、前記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抗するように保炎器を設けことが望ましい。

前記保炎器の下流側の火炉内では圧力が低下し、下流から上流に向かう循環流が形成される。循環流内には燃料ノズルや外側空気ノズルなどから噴出する空気や燃料、燃料搬送用気体の他、火炉内のバーナ設置位置より下流側の領域からの高温ガスが滞留する。このため、循環流内は高温となり、燃料噴流の着火源として作用する。このため、火炎は燃料ノズル出口部分から安定に形成される。
また、燃料ノズルの壁面先端（出口）部の壁面内側にさめ歯状突起を有する保炎器を設ける構成でも燃料の着火が促進される。

固体燃料の搬送用気体として燃焼排ガスを用いても、前記追加空気孔または追加空気ノズル出口を、前記濃縮器の断面積が漸減する円錐部と前記保炎器との間に配置することで燃焼に必要な酸素量を有する混合気体が得られ、これが保炎器に衝突して保炎器での着火が効果的に行える。また火炉の燃焼負荷が小さい時で褐炭等の灰性状が劣悪な粉砕炭でもバーナ出口近傍で速やかに高効率で燃焼させ、燃焼ガスの低ＮＯｘ化とバーナ周りの火炉壁面への灰付着を防止することができる。
また、上記本発明のバーナは、燃焼装置（火炉）の燃焼負荷に応じて、追加空気孔または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。

本発明の上記固体燃料バーナに限らないが、一般に固体燃料バーナでは、燃焼装置（火炉）の燃焼負荷が高い場合は、固体燃料バーナから離れた火炉内の位置から固体燃料の火炎を形成し、燃焼装置（火炉）の燃焼負荷が低い場合は、固体燃料の燃料ノズル出口直後の火炉壁面付近から固体燃料の火炎を形成させることが望ましい。

例えば、固体燃料バーナに追加空気孔または追加空気ノズルが設けられていると、燃焼装置（火炉）の燃焼負荷が低い場合は、前記追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気量を増やす方法を採用することができる。このとき、追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気により、燃料ノズル壁面内側近傍の酸素濃度が高まる。このため、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出口（先端部）近くから形成できる。

また、燃焼装置（火炉）の燃焼負荷が高い場合は、前記追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気量を減らすことで、燃料ノズル壁面内側近傍の酸素濃度が比較的に低くなり、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火炉内の位置で火炎を形成させることができる。

燃焼装置（火炉）の燃焼負荷が高い場合には固体燃料バーナやその外側の火炉壁の温度が高くなるので、燃焼灰がバーナ構造物や火炉壁に付着し、付着物が成長するスラッキングと呼ばれる現象が生じやすい。そこで燃焼装置（火炉）の燃焼負荷が高い場合には火炎の形成位置をバーナから離すことで、バーナやその外側の火炉壁の温度を比較的低くし、バーナ構造物や火炉壁にスラッキングができることを抑制する。さらに、燃焼負荷が低い場合は、バーナの燃料ノズルから供給される空気量（追加空気孔または追加空気ノズルがある場合には追加空気孔または追加空気ノズルからの空気量も含めて）と燃料中の揮発分を完全燃焼させるのに必要な空気量の比（揮発分に対する空気比）を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。燃焼負荷が低い場合は安定燃焼が難しいが、揮発分に対する空気比を０．８５〜０．９５とすることで火炎温度が高くなり、安定燃焼を維持し易くなる。

また、バーナ構造物や火炉壁にスラッキングが生じることを抑制するために、バーナやその周囲の火炉壁に設けた温度計もしくは放射強度計などからの信号に基づき、前記追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気量を調整することができる。空気量を調整することで、火炉内での火炎の形成位置を変えて、バーナや火炉壁への輻射熱量を調整することができる。

前述のように燃焼装置の高負荷条件では火炉内の熱負荷が高いため、火炎をバーナから離れた火炉内の位置に形成させることが望ましく、低負荷条件では火炉内の熱負荷は低いので、バーナやその周囲の火炉壁の温度は高負荷条件の場合よりも低くなり、火炉内での火炎形成位置をバーナに近づけても良い。

また、本発明の前記第一のバーナと第二バーナの燃焼方法によると、燃焼装置の高負荷条件ではバーナから離れた位置で燃料が着火し、火炎は火炉中心部に形成される。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はバーナの火炎が集まる燃焼装置中央部分の火炎を監視することが望ましい。また、燃焼装置の低負荷条件ではバーナ近くで燃料が着火して火炎を形成するが、個別のバーナ毎に火炎が形成され、火炉内で前記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、低負荷条件では個別の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。

また、本発明の第一のバーナと第二のバーナの追加空気孔は追加空気ノズルの代りに用いることができるが、燃料ノズルの壁面の設けた円形、楕円形、長方形、正方形の孔であり、燃料ノズルの径方向に均等に合計４個、８個、最高２０個程度設けることができる。燃料ノズルの径方向全体に一つのスリットで追加空気孔を形成すると当該スリットから噴出する追加空気が燃料ノズル内で偏流を生じるので、好ましくない。

また、前記追加空気孔は追加空気ノズルには加熱された空気を供給することが望ましい。該加熱源としては微粉炭生成用にファンミルに供給される加圧空気またはバーナの燃焼用の加熱された風箱に供給される空気を用いることができる。ファンミルに供給される加圧空気が比較的圧力が高いのでより好ましく用いられる。

また、本発明の前記第一のバーナと第二のバーナの追加空気孔または追加空気ノズルへの空気供給部は、前記外側空気ノズルに燃焼用空気（二次空気又は三次空気等の外側空気）を供給するために設けられる風箱に接続して良いが、該空気供給部に燃焼用気体を供給するために専用に設けられた燃焼用気体供給装置に接続することが望ましい。

追加空気孔または追加空気ノズルへの空気供給部に専用の燃焼用空気供給装置に接続することで、微粉炭等の固体燃料の燃焼性に応じて、又は燃焼装置の負荷が低下したときなどに酸素濃度を増した気体（以下酸素富化気体）又は純酸素を容易に供給することができる。また燃焼用空気流量調節機構を専用の燃焼用気体供給装置に設置できるので、その供給量の制御が可能となる。

また、燃料の着火時に有効な燃焼用気体（空気）を専用の燃焼用空気供給装置からバーナに導入すると、風箱で得られる燃焼用気体（空気）圧力とは異なる燃焼用気体（空気）圧力とすることができるため、着火用の燃焼用気体の供給口の大きさを自由に選定できる。また、専用の燃焼用空気供給装置に燃焼用空気流量調節機構を設置できるので、その供給量の制御が簡単に行える。

さらに、本発明の上記第一のバーナと第二のバーナの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、三次空気と称することがある）の広がりをある程度設けて広がり火炎を形成させる。ただし、前記ガイドのバーナ中心軸に対して４５度以下の傾斜角度とすることで、排ガスと微粉炭などの混合流体を巻き込む外側空気ノズルからの燃焼用空気の噴流に運動量を持たせることができる。この運動量の大きな空気噴流により火炎が狭まり、火炉内に安定した火炎（燃焼領域）を形成させることができ、高効率な微粉炭燃焼を行える。

また、最も外側の最外側空気ノズルからの噴流を誘導する前記ガイドを外側空気噴流がバーナやその外側の火炉壁に沿うような角度で取り付けると、外側空気噴出流はバーナやその外側の火炉壁を外側空気で冷却することができ、前記スラッキングを抑制する。

本発明の前記第一のバーナと第二のバーナを複数本火炉壁面の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）焚きボイラ等の火炉、加熱炉、及び熱風炉がある。

本発明の前記第一のバーナと第二のバーナ又は該バーナの外側の火炉壁面に温度計又は放射強度計を設置し、これらの計測装置の信号に基づき、バーナの中心空気ノズルから噴出する空気量及び／又は空気旋回強度又は追加空気孔または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ことで、負荷変化に応じて火炎が適正な火炉位置で形成されるように制御することができる。

また、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火炉内の固体燃料火炎の先端が燃料ノズル出口外側の火炉壁面付近で形成され、燃焼装置が高負荷の場合には燃料ノズル中心軸上で燃料ノズル出口から０．５ｍ以上離れた火炉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。

また、燃焼装置を前記高負荷で運用する場合は本発明のバーナの火炎が集まる火炉内の中央部分又はその近傍の火炎を火炎検知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。

また、本発明の固体燃料バーナは以下の石炭焚きボイラシステムと石炭火力発電システムに用いることができる。

（ａ）前記石炭焚きボイラと、該ボイラの排ガスの流路となる煙道と、該煙道に設けられた排ガス浄化装置と、ボイラに設けた本発明の前記バーナに石炭を微粉炭として搬送する微粉炭搬送装置と、該微粉炭搬送装置からバーナに供給する微粉炭量を調整する微粉炭供給量調整装置と、該バーナから噴出する空気量を調整する空気量調整装置とを備えた石炭焚きボイラシステム。

（ｂ）本発明の前記バーナを複数本配置する壁面を設けた火炉と、該バーナにより固体燃料を燃焼させて得られる燃焼熱により水を加熱して蒸気を発生させるボイラと、該ボイラで得られた蒸気により駆動する蒸気タービンと、該蒸気タービンより駆動する発電機を備えた石炭火力発電システムにおいて、前記バーナとして本発明の固体燃料バーナを用いる石炭火力発電システム。

本発明の前記第一のバーナと第二バーナは、従来火炉の低負荷での運用が困難なコーナファイヤリング方式またはタンジェンシャル方式のバーナを、高負荷域においては火炉内の中心部からその近傍にかけて安定した火炎の燃焼領域を形成させる方式で運用し、低負荷域では自己保炎型方式で運用するものである。

このとき、本発明の固体燃料バーナを一ユニットとして、その複数ユニットを四隅あるいは対向する側壁面にそれぞれ対に成るように配置した火炉を用いることができる。

前記燃焼方式を用いることにより、褐炭、亜炭などの低品位炭を燃料として用いる火炉でも電力需要に応じた幅広い火炉の負荷変化（具体的には３０％〜１００％）に対応できる。

具体的には、高負荷域ではバーナの燃料噴流根元に吹き飛び部を形成させ、低負荷域ではバーナの燃料噴流の根元から燃焼させ、自己保炎型とするバーナの運用を行う。使用するバーナの燃焼用空気（外側空気及び最外側空気）の空気の流量配分を調整すること、及び／又はバーナの外側空気ノズルに設けた旋回器を用いて燃焼用空気の旋回力を調整することによって、バーナの燃料噴流根元の吹き飛び、あるいは着火を制御する。

本発明のバーナをボイラ火炉に適用することにより、電力需要に対応したボイラ火炉の運用ができるため、ボイラ火炉では電力用蒸気を必要以上に発生させることがなく、効率的なボイラ火炉の運用ができ、運用上大幅なコストダウンが図れる。

本発明の固体燃料バーナと該固体燃料バーナを用いる燃焼方法によれば、燃料ノズルの壁面内側に空気を噴出する追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気量を増やすことができる。追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気により、燃料ノズルの壁面内側近傍の酸素濃度が高まる。このため、燃料の燃焼反応は酸素濃度が低い場合よりも促進されるため、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。
また、本発明の固体燃料バーナは、前記追加空気孔または追加空気ノズルの出口が前記燃料ノズルの出口（先端部）よりもバーナ内部の上流側に位置しているので、燃料ノズル内部において前記追加空気孔または追加空気ノズルから噴出する空気が混合流体と混合するため、固体燃料周囲の酸素濃度を部分的に高めることができる。
また、本発明の固体燃料バーナの燃料ノズルの壁面内側に設けた流路縮流部材により燃料ノズルの流路断面積を縮小することで、燃料ノズル内を流れる燃料搬送用気体の流速が高まる。このため、瞬間的な燃料流速の低下による燃料ノズル内での火炎形成が起きたとしても、火炎は流路縮流部材の流路縮小部分よりも上流側への逆火を防ぐことができる。
さらに、バーナ上流側から下流側に順に断面積が増加する部分と断面積が減少する部分からなる濃縮器を流路縮流部材よりも下流側に設けることで、流路縮流部材によりバーナ中心軸方向に絞られた燃料粒子（微粉炭）の流れが、濃縮器により燃料ノズル内の流路に広がって流れる。このとき、燃料粒子（微粉炭）は燃料搬送用気体より慣性力が大きいため、燃料ノズルの壁面内側に片寄って流れて出口に到達する。このため、燃料ノズル内側壁面側に濃縮された微粉炭流が生じて、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、前記燃料ノズルと外側空気ノズルを隔てる壁面の先端部に保炎器を設けているので、保炎器の下流側の火炉内では圧力が低下し、下流から上流に向かう循環流が形成される。循環流内には燃料ノズルや外側空気ノズルなどから噴出する空気や燃料、燃料搬送用気体の他、火炉内のバーナ設置位置より下流側の領域からの高温ガスが滞留する。このため、循環流内は高温となり、燃料噴流の着火源として作用する。このため、火炎は燃料ノズル出口部分から安定に形成される。

本発明の第１の実施例に係わる微粉炭バーナの低負荷運用時の断面図である。 図１の微粉炭バーナの高負荷運用時の断面図である。 図１の微粉炭バーナを火炉側から見た正面図である。 図１の微粉炭バーナの変形例の正面図である。 図１の微粉炭バーナの参考例の断面図である。 図１の微粉炭バーナの変形例の断面図である。 本発明の第２の実施例に係わる微粉炭バーナの高負荷運用時の断面図である。 図７の微粉炭バーナのＡ-Ａ線矢視図である。 本発明の第３の実施例に係わる微粉炭バーナ断面図である。 図９の微粉炭バーナを火炉側から見たバーナ正面図 本発明の第４の実施例に係わる固体燃料バーナの低負荷運用時の断面図である。 図１１の固体燃料バーナの高負荷運用時の断面図である。 図１１の固体燃料バーナを火炉側から見た正面図である。 図１１の固体燃料バーナの高負荷運用時の変形例の断面図である。 図１１の固体燃料バーナの変形例を火炉側から見た正面図である。 図１１の固体燃料バーナの変形例の断面図である。 本発明の参考例に係わる固体燃料バーナの低負荷運用時の断面図である。 図１７の固体燃料バーナの高負荷運用時の断面図である。 本発明の第５の実施例に係わる固体燃料バーナの断面図である。 は、図１９の固体燃料バーナを火炉側から見た正面図である。 本発明の第６の実施例のバーナの断面図（図２１（ａ））と正面図（図２１（ｂ））である。 本発明の第７の実施例のバーナの断面図（図２２（ａ））と正面図（図２２（ｂ））である。 本発明の実施例の火炉内でのバーナ（コーナファイヤリング方式）配置による火炎の形成状態を示す火炉水平断面図である（図２３（ａ）は高負荷時、図２３（ｂ）は低負荷時）。 本発明の実施例のバーナを火炉内で（タンジェンシャルファイヤリング方式）配置による火炎の形成状態を示す火炉水平断面図である（図２４（ａ）は高負荷時、図２４（ｂ）は低負荷時）。 本発明の実施例の火炉内でのバーナ（タンジェンシャルファイヤリング方式）配置による火炎の形成状態を示す火炉水平断面図である（図２５（ａ）は高負荷時、図２５（ｂ）は低負荷時）。 一般的な褐炭焚きボイラの構成図である（図２６（ａ）は側面図、図２６（ｂ）は火炉水平断面図）。 本発明の実施例に係わる燃焼装置の概略図である。 図２７の燃焼装置の水平断面図である。 本発明の実施例に係わる微粉炭ボイラシステムの概略図である。 従来技術におけるバーナコンパートメントの一例を示す火炉側から見た正面図である。 従来技術におけるバーナのコーナファイヤリング燃焼方式における負荷下げ時の火炉内の燃焼領域の変化を示す火炉水平断面図である（図３１（ａ）は高負荷時、図３１（ｂ）は低負荷時）。 従来技術における火炉中心部を監視する炉内用火炎検知器の配置位置を示す火炉縦断面図である。

本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
図２６に一般的な褐炭焚きボイラ火炉４１の構成を示す。図２６（ａ）はタンジェンシャルファイヤリング方式の褐炭焚きボイラ火炉４１の側面図であり、図２６（ｂ）は図２６（ａ）の火炉４１の水平断面図である。

褐炭焚きボイラでは通常、火炉４１上部より排ガスダクト５５（図２８、図２９）を用いて燃焼ガス（約１０００℃）を火炉４１内から引き出し、ファンミル４５で石炭バンカ４３から供給された褐炭の乾燥・粉砕を同時に行う。火炉４１内部の上部には過熱器５０（図２９）などの伝熱管５９が配置される。コーナファイヤリング及びタンジェンシャルファイヤリング方式のバーナではバーナコンパートメント３７（図３０参照）毎に１台のファンミル４５を設置する。

（第１の実施例）
図１と図２は本発明に係わる第１の実施例の固体燃料バーナ（以下、単にバーナという）４２の断面図であり、図１は低負荷条件下にあるバーナ４２から噴出される燃料が火炉４１で燃焼している状態を示し、図２は高負荷条件下にあるバーナ４２から噴出される燃料が火炉４１で燃焼している状態を示す。図３は図１に示すバーナ４２を火炉４１側から見た概略図である。

バーナ４２の中心部に助燃用のオイルガン２４が設けられ、該オイルガン２４の周りに空気を噴出する中心空気ノズル１０が設けられ、該中心空気ノズル１０の外側に該中心空気ノズル１０と同心状に流路を形成した燃料とその搬送用気体の混合流体を噴出する燃料ノズル１１が設けられる。燃料ノズル１１の２２の内側に追加空気孔（図示せず）または追加空気ノズル１２が設けられる。本実施例では図３に示すように燃料ノズル１１の外側隔壁２２の内側に沿って複数本の追加空気ノズル１２を配置しているか、外側隔壁２２に複数個の追加空気孔を配置している。また、燃料ノズル１１の外側には該燃料ノズル１１と同心円状の空気噴出用の二次空気ノズル１３と三次空気ノズル１４（これらを合わせて単に外側空気ノズルということがある）がある。燃料ノズル１１外側の先端部（火炉出口側）には保炎器２３と呼ばれる障害物を設ける。保炎器２３は燃料ノズル１１から噴出する燃料とその搬送用気体の混合物の流れ（以下、微粉炭流と記す）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。このため、保炎器２３の下流側（火炉側４１）の圧力が低下し、この部分は微粉炭噴流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と呼ぶ。循環流１９内には下流から微粉炭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中の微粉炭がバーナ４２出口の火炉４１内で混合することと、火炉４１内からの輻射熱で微粉炭粒子の温度が上昇し、着火する。

図１に示すバーナ４２では、中心空気ノズル１０には風箱２６内の燃焼用空気が供給される構成になっており、ダンパ３とその開閉装置４が設けられている。そのため中心空気ノズル１０を経由してバーナ４２に供給する中心空気量を火炉の負荷に応じて調整することができる。

中心空気ノズル１０の中心部を貫通して設けられた助燃用のオイルガン２４はバーナ起動時に燃料着火用に使用する。また、中心空気ノズル１０から噴出する空気に旋回力を与える旋回器１０ａが中心空気ノズル１０の先端部に設けられ、空気を供給する風箱２６に供給される空気は二次空気ノズル１３と三次空気ノズル１４から火炉４１内に供給される。二次空気ノズル１３と三次空気ノズル１４から噴出する空気に旋回力を与える旋回器２７、２８をそれぞれのノズル１３、１４内に設ける。

二次空気ノズル１３と三次空気ノズル１４は隔壁２９で隔てられ、隔壁２９の先端部分は微粉炭噴流１６に対して三次空気流１８が角度を持つように噴出させるガイド（スリーブ）２５を形成している。火炉壁を構成するバーナスロート３０は三次空気ノズル１４の外側壁を兼ねる。また、火炉壁には水管３１が設けられている。

燃料ノズル１１内に設けられた流路を一時的に縮小して後に元の大きさに拡大する流路縮流部材３２が燃料ノズル１１の上流側の外側隔壁２２内側にあり、また燃料を燃料ノズル１１の隔壁２２側に濃縮するための濃縮器３３が中心空気ノズル１０の外側部に設けられている。濃縮器３３は流路縮流部材３２よりバーナ下流側（火炉側）に設けられている。

前記流路縮流部材３２を設けたことで燃料搬送用気体である燃焼排ガスより慣性力が大きい燃料粒子（微粉炭）の流れがバーナ中心軸方向に絞られる効果がある。さらに濃縮器３３を流路縮流部材３２より下流側に設けることで、バーナ中心軸方向に流路縮流部材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内の流路に沿って広がって流れる。

燃料ノズル１１内の流路に沿って広がって流れる燃料粒子（微粉炭）は燃料搬送用気体（燃焼排ガス）より慣性力が大きいため、燃料ノズル１１内壁面側に片寄って流れて出口に向けて直進する。このため、燃料ノズル１１の壁面側に濃縮された微粉炭流が生じて、燃料ノズル１１出口付近で外側空気（燃焼用空気）と触れる機会が増えて、されに保炎器２３の後流側にできる循環流１９の高温ガスと接触して着火し易くなる。

本実施例では燃料の搬送用気体に燃焼排ガスを利用し、微粉炭流１６中の酸素濃度が低い場合のバーナ４２の構成と燃焼方法を説明する。このような燃焼方法を適用する事例として、褐炭や亜炭の燃焼が挙げられる。

既に述べたように、褐炭や亜炭に代表される石炭化度の低い石炭の燃焼は揮発分や水分が多く、また、発熱量が石炭化度の高い石炭に比べて低く、一般に粉砕性が悪く、燃焼灰の溶融温度が低いという特徴がある。揮発分が多いため空気雰囲気では貯蔵や粉砕過程において自然発火しやすいので褐炭や亜炭を微粉砕して燃焼する場合は、燃料の搬送用気体として酸素濃度が低い燃焼排ガスと空気との混合気体が使われる。また、燃焼排ガスの保有熱によって微粉炭中の水分を蒸発させることができる。

低い酸素濃度雰囲気下では褐炭や亜炭などの燃焼速度が空気中での燃焼速度に比べて遅い。そして、低い酸素濃度の搬送用気体で褐炭や亜炭などの微粉炭を搬送することにより、その燃焼速度は褐炭や亜炭などと空気の混合速度に制約され、空気で搬送できる瀝青炭に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バーナ４２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の吹き飛びや失火が生じやすい。また、褐炭や亜炭などは、その燃え切り時間が瀝青炭に比べて長くなり、火炉出口での未燃焼分が増える。このため、空気との混合の促進が必要となる。また、燃焼量を増やし、高い熱負荷で褐炭や亜炭等を燃焼させた場合に空気との混合が良い条件では、揮発分が多いためバーナ４２近くで燃える燃料量が多くなる。このようにバーナ４２近くの熱負荷が局所的に高くなり、輻射熱によりバーナ構造物や火炉壁が高温となると、燃焼灰が付着、溶融し、バーナ構造物や火炉壁にスラッキングが生じるおそれがある。特に褐炭や亜炭は燃焼灰の溶融温度が低いため、バーナ構造物や火炉壁にスラッキングが生じやすい。

本実施例では石炭化度の低い石炭を用いる時のバーナ４２の高負荷条件と低負荷条件で、燃料の燃焼状態が異なることで生じる前記不具合は、バーナ４２の負荷に応じて火炎２０の形成位置を変えることで解決する。すなわち、高負荷条件では火炎２０をバーナ４２から離れた位置に形成させ、低負荷条件では火炎２０を燃料ノズル１１の出口から形成する。低負荷条件では火炎２０を火炉壁やバーナ４２に近づけても火炉４１内の熱負荷が低いため、バーナ４２やその周囲の火炉壁の温度は高負荷条件の場合よりも低くなる。このため、バーナ構造物や火炉壁にスラッキングが生じない。

低負荷条件では火炎２０を燃料ノズル１１の出口から形成させるため、本実施例では保炎器２３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ほかに、追加空気孔または追加空気ノズル１２から空気をバーナ内に供給することで保炎器２３近くの微粉炭噴流１６中の酸素濃度を高める。そのため燃焼速度が酸素濃度が低い場合に比較して高くなり、燃料粒子の着火が早まり、火炎２０が燃料ノズル１１近くから形成できる。

また、中心空気ノズル１０から空気を供給する方法も微粉炭噴流１６中の酸素濃度を高め、微粉炭の着火を早めるのに有効である。このとき、図１に示すように中心空気ノズル１０中に旋回器１０ａを設け、中心空気の流れ１５に旋回強度を与えて微粉炭噴流１６との混合を促すことが有効である。中心空気の流れ１５に旋回強度を与えることで中心空気ノズル１０から出た空気の流れ１５は遠心力で外側に広がるため、火炉中心部に向かう流速が低下する。このため、微粉炭粒子がバーナ出口付近での滞留する時間が長くなり、バーナ４２の近くで燃焼が始まる。

また、中心空気ノズル１０や追加空気孔または追加空気ノズル１２は燃料ノズル１１出口よりも上流側に設けている。このとき、燃料ノズル１１内での微粉炭の着火による燃料ノズル１１の焼損や逆火現象を防ぐため、燃料ノズル１１内での微粉炭の滞留時間が微粉炭の着火遅れ時間よりも短くなるように中心空気ノズル１０や追加空気孔または追加空気ノズル１２の燃料ノズル１１内での配置位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を目安にする。例えば、燃料ノズル１１出口と中心空気ノズル１０出口の間の距離や燃料ノズル１１出口と追加空気孔または追加空気ノズル１２の出口の間の距離を１ｍ程度以内とする。

高負荷条件では火炎をバーナ４２から離れた位置に形成させることでバーナ近くの熱負荷を低減させる。このため、本実施例では追加空気孔または追加空気ノズル１２からの空気供給量を低負荷条件の場合に比べて低減する。また、中心空気ノズル１０からの空気供給量を増やし、その空気流速も燃料ノズル１１内の微粉炭噴流１６の噴出流速より高める。追加空気の供給量が減ることにより、保炎器２３近くでの微粉炭噴流１６中の酸素濃度は低負荷条件のときより低くなり、燃焼速度も遅くなる。このため、保炎器２３下流側にできる循環流１９の温度は低くなり、バーナ構造物の受ける輻射熱は抑制される。また、中心空気ノズル１０からの空気の流速が高まることで微粉炭噴流１６の燃料ノズル１１出口での流速は高くなる。このため、バーナ近くでの燃料粒子の滞留時間は短くなり、燃料の大部分はバーナ４２から離れた位置で着火する。こうして火炎から受ける輻射熱を低減し、バーナ構造物や火炉壁にスラッキングができることを抑制できる。

また、本実施例では中心空気ノズル１０に旋回器１０ａを設け、中心空気１５に旋回強度を与える。このため、中心空気１５はバーナ４２から離れると、広がって流れるので流速が低下し、バーナ４２から離れた位置では空気流速と火炎伝播の速度がつりあい、安定に微粉炭が燃焼する。さらに、本実施例のように保炎器２３の下流側に循環流１９を形成させ、燃料の一部を、この循環流１９内で燃焼させることで、この領域の火炎がいわゆる袖火（種火）となる。得られた種火からバーナ４２より離れた位置で形成される火炎へ高温のガスを安定供給できるため、バーナ４２から離れた位置の火炎は安定し、失火の危険は低減される。

また、微粉炭の燃焼により発生する排ガス中のＮＯｘ濃度を低減するには、燃料ノズル１１、中心空気ノズル１０及び追加空気孔または追加空気ノズル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の比（揮発分に対する空気比）が０．８５〜０．９５になるように、空気量を調整することが望ましい。微粉炭の大部分は燃料ノズル１１から供給される空気と混合、燃焼し（第一段階）、その後、二次空気流れ１７や三次空気流れ１８が混合し、燃焼する（第二段階）。さらに、バーナ４２より下流側の火炉４１内に空気を供給するアフターエアポート４９（図２７参照）が設置されている場合には、このアフターエアポート４９から供給される空気と混合し、微粉炭は完全燃焼する（第三段階）。燃料中の揮発分は固定炭素に比べて燃焼速度が速いため前記第一段階で燃焼する。

このとき、揮発分に対する空気比を０．８５〜０．９５とすることで酸素不足ではあるが、微粉炭の燃焼は促進され、高い火炎温度で微粉炭の燃焼が行われる。前記第一段階での燃焼で微粉炭を酸素が不足する還元燃焼をさせることから、微粉炭中の窒素や空気中の窒素から生じるＮＯｘを無害な窒素に転換し、火炉４１から排出されるＮＯｘ量を低減できる。また、高温で反応するため、前記第二段階の反応が促進され、未燃焼分が低減できる。表１には空気量を変えた場合の火炉出口から排出されるＮＯｘの濃度を比較した結果を示す。ここで、燃料には褐炭を用い、燃料比（固定炭素／揮発分の比）０．８２である。

条件Ａに比べて条件Ｂは揮発分に対する空気比（表１のＤ欄）が０．７９から０．８４となることで窒素酸化物の濃度を低減できる。

また、本実施例のバーナ４２は図３の火炉側から見た正面図に示すように円柱状の空気ノズル１０、燃料ノズル１１、追加空気ノズル１２、二次空気ノズル１３及び三次空気ノズル１４が同心円状に配置された円形状であるが、燃料ノズル１１が角型の場合や、図４のバーナ４２を火炉側から見た正面図に示すように二次空気ノズル１３及び三次空気ノズル１４等の外側空気供給用ノズルの少なくとも一部で燃料ノズル１１を挟むように設置した空気ノズル構造としても良い。また、図５のバーナ断面図に示すように外側空気を１つのノズル（二次空気ノズル１３）から供給する場合や、三以上に分割したノズル構造（図示せず）としても良い。また、本実施例は図１、図２に示されるように燃料ノズル１１内に流路を縮小する流路縮流部材３２や燃料粒子を燃料ノズル外側隔壁２２側に濃縮するための濃縮器３３を設けている。
また、本実施例では図１や図２に示すように燃料ノズル１１の外側隔壁２２の先端に保炎器２３を設けたが、図５に示すように保炎器２３を設けないで外側空気の流れ（二次空気の流れ１７）に旋回強度を与え、外側隔壁２２の先端の下流に循環流１９を誘起するための拡管部材２２ａを設けても良い。

また、図６には図１に示すバーナ４２の変形例を示す。
このバーナ４２の追加空気ノズル１２への空気供給部は、風箱２６から燃焼用空気ではなく、該空気供給部に燃焼用気体を供給するために専用に設けられた燃焼用気体供給装置（図示せず）に接続した例である。追加空気ノズル１２への空気供給部に専用の燃焼用空気供給装置に接続することで、微粉炭等の固体燃料の燃焼性に応じて、又は火炉４１の負荷が低下したときなどに酸素濃度を増した気体又は純酸素を追加空気ノズル１２へ容易に供給することができる。また燃焼用空気流量調節機構（図示せず）を専用の燃焼用気体供給装置に設置できるので、その供給量の制御が可能となる。

また、燃料の着火時に有効な燃焼用気体（空気）を専用の燃焼用空気供給装置から追加空気ノズル１２を経由してバーナ４２に導入すると、風箱２６で得られる燃焼用空気圧力とは異なる燃焼用空気圧力とすることができる。また、専用の燃焼用空気供給装置に燃焼用空気流量調節機構を設置できるので、その供給量の制御が簡単に行える。

（第２の実施例）
図７には本発明の第２の実施例のバーナ４２の断面図を示す。図７には火炉４１が高負荷条件で運用されている場合のバーナ４２の運用状態を示すが、本実施例は第１の実施例とは中心空気ノズル１０内の旋回器１０ａの配置位置を移動可能な構成にしたことが相違している。本実施例のバーナ４２を低負荷条件で運用する場合は、図１に示す第１の実施例の低負荷条件下でのバーナ４２の運用状態を示す図と全く同一であり、旋回器１０ａの配置位置を中心空気ノズル１０の先端部に移動させる。また、高負荷条件でのバーナ運用状態は図２に示す場合の高負荷条件での運用状態と比較して中心空気ノズル１０に配置した旋回器１０ａの位置を上流側に移動させたことが異なる。また旋回器１０ａを中心空気ノズル１０の上流側に移動させた場合には、中心空気ノズル１０のノズル断面積を大きくして、該ノズル断面積に対して旋回器１０ａの占める割合を中心空気ノズル１０の先端部（下流側）に旋回器１０ａを配置した場合に比較して小さくしたことが前記第１の実施例のバーナ４２とは異なる。

本実施例のバーナ４２を用いた場合に、火炉４１が高負荷条件下にあるときの中心空気の流れ１５の旋回流速を変えた場合について、以下説明する。
高負荷条件下では、第１の実施例と比較して旋回器１０ａの設置位置を中心空気ノズル１０の上流側に移動させ、火炎をバーナ４２から離して形成させることでバーナ近くの熱負荷を低減させる。このため、本実施例では、高負荷条件下での追加空気孔（図示せず）または追加空気ノズル１２からの空気供給量を低負荷条件下での運用時に比べて低減する。

また、高負荷条件下では中心空気ノズル１０の流路幅内での旋回器１０ａの断面積が低負荷条件下に比べて大きくなるので中心空気ノズル１０から噴出する空気に与える旋回強度が低減される。このため、旋回強度が高い場合と比べて中心空気の流れ１５はノズル１０から火炉４１内への噴出後に広がらない。従って、バーナ近くでの燃料粒子の滞留時間は短くなり、バーナ近くで燃焼する燃料量が少なくなる。こうして、バーナ構造体及び火炉壁が火炎から受ける輻射熱が低減し、バーナ構造物や火炉壁にスラッキングが生成することを抑制できる。また、保炎器２３下流の循環流１９の温度も火炎からの輻射熱の低減に伴って低くなる。

本実施例では中心空気の流れ１５の旋回流速を変化させ場合の効果について述べたが、第１の実施例のように各空気ノズル１０〜１４に供給する空気量を変える方法を併用しても良い。このときの作用は第１の実施例に述べたのと同様である。

また、本実施例では、中心空気ノズル１０から噴出する空気に旋回強度を与える方法として、空気の流れに対し傾いて設置された羽根により旋回強度を誘起する旋回器１０ａを用いた場合を示す。また旋回強度を変える方法として、本実施例では旋回器１０ａの設置位置を中心空気ノズル１０内で変え、ノズル断面積に対し旋回器１０ａの占める割合を変更する方法を用いている。前記旋回強度を変える方法としては、旋回器１０ａの羽根の傾き角度を変える方法を用いてもよい。また、図８の中心空気ノズル１０の断面図に示すように中心空気ノズル１０の上流側の配管６６を２つの配管６６ａ、配管６６ｂに分け、中心空気ノズル１０の断面に対して接線方法に空気を流入させることで前記旋回強度を変える方法でもよい。この場合、高負荷条件下では対向する２つの配管６６ａ、配管６６ｂを用いることで旋回強度は相殺される。また、低負荷条件下では片方の配管６６ａ又は配管６６ｂから主に空気を流入させることで、前記旋回強度を強くすることができる。

（第３の実施例）
本発明の実施例の固体燃料として褐炭、亜炭などの石炭を燃料とするバーナ４２の断面図を図９に示し、図１０はこのバーナを火炉側から見た正面図である。

燃料の微粉炭と燃料排ガスの混合流体は、燃料ノズル１１を通して火炉４１に供給される。燃料ノズル１１の先端には断面Ｌ型のさめ歯保炎器３６が設置され、その後流側に形成される循環流１９の効果によりバーナ近傍から火炎が形成される。図９に示すバーナの特徴的な構成はさめ歯状の保炎器２３の間に着火用空気が流入するように追加空気孔（図示せず）または追加空気ノズル１２を設けている（図１０参照）ので、微粉炭はさめ歯状の保炎器３６を廻り込んで着火しやすくなる（さめ歯状の保炎器３６の後側で着火する）。

（第４の実施例）
図１１と図１２は本発明に係わる第４の実施例を示すバーナ４２の断面図であり、図１１は低負荷条件にあるバーナ４２から噴出される燃料が火炉４１で燃焼している状態を示し、図１２及び図１４は高負荷条件下にあるバーナ４２から噴出される燃料が火炉４１で燃焼している状態を示す。図１３は図１１に示すバーナ４２を火炉４１側から見た概略図である。

第４の実施例に示すバーナ４２は、中心部に助燃用のオイルガン２４が設けられ、該オイルガン２４の周囲に燃料とその搬送用気体の混合流体を噴出する燃料ノズル１１が設けられる。燃料ノズル１１の壁面２２の内側に沿って複数本の追加空気孔（図示せず）または追加空気ノズル１２を配置している。また、燃料ノズル１１の外側には該燃料ノズル１１と同心円状の空気噴出用の二次空気ノズル１３と三次空気ノズル１４がある。燃料ノズル１１の壁面先端部（火炉４１出口側）の外側には保炎器２３が設けられている。保炎器２３は燃料ノズル１１から噴出する微粉炭流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。このため、保炎器２３の下流側（火炉４１内部）の圧力が低下し、この部分は微粉炭流１６や二次空気の流れ１７とは逆方向の流れが誘起され、循環流１９を生じ、該循環流１９において火炉４１内からの輻射熱で燃料粒子の温度が上昇し、着火する。

また、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）の出口に外側空気の噴出方向をバーナ４２の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と共に循環流１９が容易に形成される。

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はバーナ４２起動時に燃料着火用に使用される。また、二次空気ノズル１３と三次空気ノズル１４から噴出する空気に旋回力を与える旋回器２７、２８をそれぞれのノズル１３、１４内に設ける。

二次空気ノズル１３と三次空気ノズル１４は隔壁２９で隔てられ、隔壁２９の先端部分は微粉炭流１６に対して三次空気流１８が外側に広がるように噴出させるガイド２５を形成している。火炉４１壁を構成するバーナスロート３０は三次空気ノズル１４の外周壁を兼ねる。また、火炉４１壁には水管３１が設けられている。

燃料ノズル１１内に設けられた流路を縮小する流路縮流部材３２が燃料ノズル１１の上流側の隔壁２２内側にあり、また、燃料を燃料ノズル１１の隔壁２２側に濃縮するための濃縮器３３がオイルガン２４の外側部に設けられている。濃縮器３３は流路縮流部材３２よりバーナ４２の下流側（火炉４１側）に設けられている。

本実施例では、燃料の搬送用気体に火炉４１から排出する燃焼排ガスを利用し、微粉炭流１６中の酸素濃度が低い場合のバーナ構成と褐炭や亜炭の燃焼方法を説明する。

石炭化度の低い燃料を用いる時のバーナ４２の高負荷条件と低負荷条件で、燃焼状態が異なることで生じる低負荷で燃焼時の火炎の吹き飛びや失火の不具合や、
高負荷燃焼時の燃焼灰がバーナ構造部などへ付着、溶融する不具合は、本実施例ではバーナ４２の負荷に応じて火炉４１内での火炎の形成位置を変えることで解決する。すなわち、高負荷条件では火炎をバーナ４２から離れた火炉４１内の位置に形成させ、低負荷条件では火炎を燃料ノズル１１の出口付近の火炉４１内から形成させる。低負荷条件では火炎を火炉４１壁やバーナ４２に近づけても火炉４１内の熱負荷が低いため、バーナ４２やその周囲の火炉壁の温度は高負荷条件の場合よりも低くなる。このため、バーナ構造部や火炉壁にスラッキングが生じない。

低負荷条件では火炎を燃料ノズル１１の出口付近の火炉４１内から形成させるため、本実施例では保炎器２３及びガイド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他に、追加空気孔（図示せず）または追加空気ノズル１２から空気を供給することで保炎器２３近くの微粉炭流１６中の酸素濃度を高めることができる。このため、燃焼速度は酸素濃度が低い場合に比べて高くなるので、燃料粒子の着火が早まり、火炎が燃料ノズル１１近くの火炉４１内から形成できる。

また、追加空気孔（図示せず）または追加空気ノズル１２は燃料ノズル１１の先端部（火炉４１出口部）よりも上流側に設ける。このとき、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ため、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孔または追加空気ノズル１２の燃料ノズル１１内で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を目安にする。例えば、燃料ノズル１１出口と追加空気孔（図示せず）または追加空気ノズル１２出口の距離を１ｍ程度以内とする。

火炉４１の高負荷条件では、火炎をバーナ４２から離れた火炉４１内の位置に形成させることでバーナ４２近くの熱負荷を低減させる。このため、本実施例では追加空気孔（図示せず）または追加空気ノズル１２からの空気供給量を低負荷条件の場合に比べて低減させる。追加空気の供給量が減ることにより、保炎器２３近くでの微粉炭流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下流側にできる循環流１９の温度は低くなり、バーナ構造物の受ける輻射熱を低減し、スラッキングを抑制できる。

本実施例のように、保炎器２３の下流側に循環流１９を形成させ、燃料の一部をこの循環流１９内で燃焼させることで、この領域の火炎がいわゆる袖火（種火）となる。得られた袖火からバーナ４２より離れた火炉４１内の位置で形成される火炎へ高温のガスを安定供給できるため、バーナ４２から離れた位置の火炎は安定し、失火の危険は低減される。

また、図１４には火炉４１の高負荷条件において、バーナ４２の火炎を保炎器２３の下流側の循環流１９から離れて形成させた場合を示す。この場合、失火の危険を低減するため、火炎は図２３（ａ）に示す本発明のバーナ４２を用いた燃焼装置（火炉４１）の水平断面図のように、火炎２０同士を火炉４１内で混合することで、炉内で安定燃焼させることが望ましい。図２３（ａ）ではバーナ４２が火炉４１壁の四隅に設置される場合を示すが、対向する火炉４１壁にバーナ４２が配置される対向燃焼方式の場合も同じである。

また、燃焼により発生するＮＯｘ濃度を低減させるには、燃料ノズル１１と追加空気孔または追加空気ノズル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の比（揮発分に対する空気比）を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。燃料の大部分は燃料ノズル１１内の追加空気孔または追加空気ノズル１２から供給される空気と混合、燃焼し（第一段階）、その後、二次空気流れ１７や三次空気流れ１８と混合され、燃焼する（第二段階）。さらに、バーナ４２より下流側の火炉４１内に空気を供給するアフタエアーポート４９（図２７参照）が設置されている場合には、このアフタエアーポート４９から供給される空気と混合し、燃料は完全燃焼する（第三段階）。燃料中の揮発分は固定炭素に比べて燃焼速度が速いため上記の第一段階で燃焼する。

このとき、揮発分に対する空気比を０．８５〜０．９５とすることで、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。前記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ことから、燃料中の窒素や空気中の窒素から生じるＮＯｘを無害な窒素に転換し、火炉４１から排出されるＮＯｘ量を低減でき、前記第二段階の反応が促進され、未燃焼分が低減できる。表２には空気量を変えた場合の火炉４１出口から排出される窒素酸化物の濃度を比較した結果を示す。ここで、燃料には褐炭を用い、燃料比（固定炭素／揮発分の比）０．８２である。

表２中の揮発分に対する空気比（表２のＣ欄）が条件Ａでは０．７０であるが、条件Ｂでは０．８５となるため、火炎中の窒素酸化物の濃度を低減できる。

また、本実施例のバーナ４２は図１３の火炉４１側から見た正面図に示すように円柱状の燃料ノズル１１、二次空気ノズル１３及び三次空気ノズル１４が同心円状に配置された円形状であるが、燃料ノズル１１が角型の場合や濃縮器３３が角型の場合、図１５（バーナ４２を火炉４１側から見た正面図）に示すように二次空気ノズル１３及び三次空気ノズル１４等の外側空気ノズルの少なくとも一部が燃料ノズル１１を挟むように設置した空気ノズル構造としても良い。また、図１５のバーナ４２に示されるように追加空気ノズル１２を燃料ノズル１１の壁面２２に沿って設けた１つのノズルとしても良い。

また、図１６のバーナ４２の断面図に示すように外側空気を１つのノズル（二次空気ノズル１３）から供給する場合や、三つ以上に分割したノズル構造（図示せず）としても良い。また、本実施例は図１１、図１２に示されるように燃料ノズル１１内に流路を縮小する流路縮流部材３２や燃料粒子を燃料ノズル１１の壁面２２の内側に濃縮するための障害物（濃縮器）３３を設けているが、これらの構成物がない場合でも図１１〜図１５に示すバーナ４２と同じ作用が得られる。

また、本実施例では図１１や図１２に示すように燃料ノズル１１の先端部壁面２２に保炎器２３を設けたが、図１６に示すように燃料ノズル１１から離れる方向に外側空気の流れ（二次空気の流れ１７）を噴出させるガイド２２ａを設けることで該ガイド２２ａの裏側（火炉４１の中心側）近傍に循環流１９を形成させる方法でもかまわない。

（参考例）
図１７と図１８は本発明に係わる参考例を示すバーナ４２の断面図であり、図１７は低負荷条件にあるバーナ４２から噴出される燃料が火炉４１で燃焼している状態を示し、図１８は高負荷条件下にあるバーナ４２から噴出される燃料が火炉４１で燃焼している状態を示す。

本参考例が第４の実施例と異なる主なところは、燃料ノズル１１の壁面２２の先端に保炎器２３やガイド２２ａを設けていないことである。保炎器２３やガイド２２ａを設けずに火炎形状を変えるため、本実施例では二次空気流路に設けた旋回器２７を用いる。

火炉４１の低負荷条件では火炎を燃料ノズル１１の出口から形成させる。このため、追加空気孔（図示せず）または追加空気ノズル１２から空気を供給することで燃料ノズル１１の隔壁２２近くでは微粉炭流１６中の酸素濃度を高める。このため、燃焼速度は酸素濃度が低い場合に比べて高くなるので、燃料粒子の着火が早まり、火炎が燃料ノズル１１近くから形成できる。

さらに本実施例では二次空気ノズル１３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、微粉炭流１６から離れる方向に広がる。このとき、微粉炭流１６と二次空気の流れ１７の間の領域では圧力が低下し、微粉炭流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。また、二次空気ノズル１３に流量を減らすダンパ（図示せず）を取り付け、二次空気の流量をゼロ近くまで減らすことで、三次空気ノズル１４内の三次空気の流れ１８と微粉炭流１６の間に循環流１９を誘起できる。

火炉４１の高負荷条件では、火炎をバーナ４２から離れた火炉４１内の位置に形成させることでバーナ４２近くの熱負荷を低減させる。このため、追加空気孔または追加空気ノズル１２からの空気供給量を低負荷条件の場合に比べて低減する。追加空気の供給量が減ることにより、燃料ノズル１１の壁面２２近くでは微粉炭流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。さらに本実施例では二次空気ノズル１３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。このため二次空気の流れ１７は二次空気ノズル１３から噴出後、微粉炭流１６と平行に流れるため、微粉炭流１６と二次空気の流れ１７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。また、二次空気ノズル１３に取り付けたダンパ（図示せず）を開け、二次空気の流量を増やすことで、微粉炭流１６と二次空気の流れ１７の間の領域に逆方向の流れである循環流１９を生じないようにさせることができる。

（第５の実施例）
図１９は本発明の第５の実施例による固体燃料バーナ４２の断面図を示し、図２０はこのバーナ４２を火炉４１側から見た正面図である。

燃料と燃焼排ガスの混合流体は、燃料ノズル１１を通して火炉４１に供給される。燃料ノズル１１の先端には断面Ｌ型のさめ歯保炎器３６が設置され、その後流側（火炉４１の内側）に形成される循環流１９の効果によりバーナ４２近傍から火炎が形成される。図１９に示すバーナ４２の特徴的な構成はさめ歯状の保炎器３６の間に着火用空気が流入するように追加空気孔（図示せず）または追加空気ノズル１２（図２０参照）を設けているので、燃料はさめ歯状の保炎器３６を回りこんで着火しやすくなる（さめ歯状の保炎器３６の後側で着火する）
（第６の実施例）
本発明の第６の実施例について説明する。第６の実施例のバーナの断面図を図２１に示す。図２１（ａ）はバーナ断面、図２１（ｂ）は火炉側から見たバーナ正面図である。

燃料の微粉炭と搬送用気体（一次空気）の混合流体は燃料ノズル１１を通して火炉４１に供給される。燃料ノズル１１の先端には断面Ｌ型のさめ歯保炎器３６が設置され、その後流側に形成される循環流１９の効果によりバーナ近傍から火炎が形成される。

燃料ノズル１１の内部には濃縮器３３が設置されており、保炎器３６近傍の微粉炭濃度を高めることにより、着火を促進している。燃料ノズル１１外周には風箱２６より燃焼用空気（二次空気流れ１７及び三次空気流れ１８）が供給される。三次空気流れ１８は旋回器２８によって適正な旋回が与えられ、低ＮＯｘ燃焼に最適な条件が設定される。三次空気流れ１８は更に案内板２９によって外側に広げられ、火炎中心部を空気不足とする、いわゆる燃料過剰な条件が形成されて、微粉炭燃焼の低ＮＯｘ化に適した燃焼が得られる。

図２１に示すバーナの特徴的な構成は、濃縮器３３と燃料ノズル１１の内壁の間に着火用の追加空気孔（図示せず）または追加空気ノズル１２を設けていることである。濃縮器３３により燃料ノズル１１の内壁側に濃縮されて流れる微粉炭流に着火用追加空気が供給されることで、微粉炭濃度が所定濃度以上に維持された条件下で酸素濃度が高まるので、着火性が向上する。またバーナ４２の中心軸部にはバーナ起動時に用いられる油バーナ２４が配置されている。燃料ノズル１１先端部の濃縮器３３と保炎器３６との間に着火用追加空気と混合流体の混合領域Ｓを設けている。これにより着火用空気２１と燃料ノズル１１内の混合流体の混合が充分に行える。さらに、さめ歯状の保炎器３６の間に着火用追加空気孔または追加空気ノズル１２の出口を設けている（図２１（ｂ）参照）ので、さめ歯状の保炎器３６を廻り込んで着火しやすくなる（さめ歯状の保炎器３６の風下で着火）。

また、外側空気ノズル（二次空気流れ１７、三次空気流れ１８）の流路出口に外側空気の噴出方向を拡げる方向に誘導するガイド３６’を設けても良い。ガイド３６’は保炎器３６と共に循環流１９がさらに容易に形成される。このガイド３６‘は低負荷時に火炉壁近傍で火炎を形成するのに有利である。またガイド３６’が必ずしも設ける必要はない。

（第７の実施例）
図２２（図２２（ａ）はバーナ４２の断面図、図２２（ｂ）は火炉側から見たバーナ正面図である。）に示す第７の実施例のバーナ４２の特徴は、着火用追加空気孔または追加空気ノズル専用の供給ライン６９から着火用追加空気孔（図示せず）または追加空気ノズル１２を介して着火用空気６７を、該着火用追加空気６７と燃料ノズル１１内の混合流体の混合領域Ｓに導入する構成である。

図２２に示すバーナ４２では、供給ライン６９から導入される着火用追加空気６７は風箱２６で得られる空気圧力とは異なる空気圧力とすることができるため、追加空気孔（図示せず）または追加空気ノズル１２の大きさを自由に選定できる。また、専用の着火用追加空気ライン６９に着火用空気流量調節機構（図示せず）を設置できるので、その供給量の制御が簡単に行える。また着火用空気６７として酸素富化気体を用いることで、着火性をさらに向上させることができる。

図２３に本発明の前記実施例のいずれかのバーナをコーナファイヤリング方式のバーナとして用いた火炉４１の水平断面図を示す。
コーナファイヤリング方式のバーナにおいては通常、火炉４１四隅にバーナコンパートメント３７（図３０参照）を設置するための水平部を設けてある。図２３（ａ）に示す火炉４１の高負荷時にはバーナコンパートメント３７の各バーナからの噴流はバーナ根元に吹き飛び部３８を形成し、火炉４１内に安定した燃焼領域を形成する。

図２３に示すコーナファイヤリング方式のバーナの運用の一例として、例えば、火炉内の安定した燃焼領域の形成に寄与する最外側の三次空気ノズル１４の三次空気流１８の流速は５０ｍ／ｓ以上、排ガスで供給される微粉炭流１６の流速は５ｍ／ｓ〜３０ｍ／ｓ、燃料の着火を促進する中心空気ノズル１０の空気流速は５ｍ／ｓ〜２０ｍ／ｓである。

図２３（ｂ）に示す火炉４１が低負荷条件下にあるときには後で燃焼用空気の配分や旋回を変化させ、各バーナから自己保炎型火炎Ｆを形成させる。図２４は火炉４１の各側壁に設けた４つのバーナコンパートメント３７から燃料を火炉４１内に供給した場合の一実施例を示し、図２５は火炉４１の各側壁に設けた６つのバーナコンパートメント３７から燃料を火炉４１内に投入する場合の一実施例である。図２５（ａ）は高負荷時を示し、図２５（ｂ）は低負荷時を示す。

以上の設定により、高負荷時にはバーナ４２の根元では酸素濃度が低く、高温ガスの循環などの熱源もないため、燃料は着火せず、吹き飛び部３８を形成する。火炉４１の中央部でその他のバーナ４２から噴流及び最外側の空気ノズル１４と混合し、安定した燃焼領域を形成することによって初めて安定燃焼する。高負荷での運用おける最外側の空気ノズル１４の役割は従来と同様、火炉内の燃焼領域の形成の安定化であり、例えば流速は５０ｍ／ｓ以上が望ましい。

すなわち、本発明では、従来のコーナファイヤリング及びタンジェンシャルファイヤリング方式の火炉４１において、高負荷時には燃料噴流のバーナ４２の根元に吹き飛び部３８を形成し、火炉４１内に安定した燃焼領域を形成する方式、低負荷時には燃料噴流のバーナ４２の根元から保炎させる自己保炎方式をそれぞれ用いることによって、幅広い火炉４１の負荷変化までの負荷変化に対応可能とするものである。

具体的な方法として、各火炉壁面の水壁構造を改造せず、バーナコンパートメント３７の一部を燃料と複数の燃焼用空気流路からなるバーナ構造に改造し、各燃焼用空気の配分、燃料と燃焼用空気の噴流の旋回の有無により、火炉の低負荷及び高負荷での運用を制御するものである。

また、ここでは、水壁を改造せず、バーナコンパートメント３７の一部を改造する方式のみを示しているが、新設されるボイラにおいて隣接する二つのバーナ４２の間に水壁構造を設ける場合にも本発明は適用できる。

図２７は本発明の褐炭、亜炭などの石炭バーナを用いた燃焼装置の概略図である。また、図２８は図２７の水平断面図である。以下、図２７と図２８に従って説明する。

燃焼装置の火炉４１にバーナ４２を上下方向に二段、水平方向に火炉４１の四隅から中央に向かってバーナ４２を設置している。石炭等のは燃料ホッパ４３から給炭機４４を通してファンミル４５に供給される。ファンミル４５で粉砕された後、微粉炭は燃料配管５４を通じてバーナ４２に供給される。このとき、火炉４１の上部から抜き出した燃焼排ガスを給炭機４４の下流側の排ガスダクト５５内で石炭と混合してファンミル４５に導入している。石炭を高温の燃焼ガスと混合することで石炭中に含まれる水分が蒸発する。また、酸素濃度が低下するため、ファンミル４５で粉砕の際に高温と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。バーナ４２とその下流側に設けたアフタエアポート４９に供給する空気はブロア４６から供給される。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が、アフタエアポート４９を設けず、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でもかまわない。

バーナ４２では燃焼装置（火炉４１）の負荷に伴って燃焼方式を変更する。すなわち、高負荷条件では火炎をバーナ４２から離れた位置に形成させることでバーナ４２近くの熱負荷を低減させる。また、低負荷条件では火炎を燃料ノズル１１出口から形成する。このとき、燃焼装置を安全に運用するため、火炎の監視が必要となる。本発明では燃焼方式が負荷に伴って変更するため、火炎の監視方式も変更する方が望ましい。すなわち、低負荷条件ではバーナ４２毎に形成される火炎を監視するため、火炎検知機４７を個々のバーナ４２に設置する必要がある。また、高負荷条件ではバーナ４２から離した位置に火炎を形成するため、火炉中心部を監視する火炎検知機４８を設置する要がある。それぞれの負荷と燃焼方法に応じて、火炎検知機４７、４８の信号を選択し火炎を監視する。

また、高負荷条件でのバーナ構造物及び火炉壁へのスラッキングを低減するため、図示していな温度計や輻射量測定器を火炉壁や微粉炭バーナ４２に設置し、その信号に基づいて追加空気流量や中心空気流量を調整することも可能である。

固体燃料として褐炭、亜炭などの石炭を燃料とする本発明の前記実施例記載の各種バーナを微粉炭ボイラシステムに適用した場合の構成図を図２９に示す。

図２９に示す微粉炭ボイラは二段燃焼方法を用いるバーナ４２の配列とアフターエアポート４９を備えている。バーナ４２は複数本設けられ、火炉４１の高さ方向に三段配列され、火炉４１の水平方向にも五列配列されている。火炉４１の水平方向のバーナ配列は図示していないが、バーナ４２の本数と配列はバーナ単体の容量（最大微粉炭燃焼量、ボイラ容量など）及びボイラの構造によって決定される。

各バーナ４２は各段毎に風箱２６に収納される。バーナ４２には助燃用のオイルを空気を搬送用気体として噴出するアトマイザを備え、助燃料は分配器５８を介して各バーナ４２のオイルノズル２４に供給される。燃焼用空気５１は熱交換器５２によって昇温し、約３００℃程度の加熱空気としてダンパ５６で流量が調整された後、風箱２６に導入され、各バーナ４２から火炉４１内に噴出できるように構成されている。燃焼用空気５１はさらにアフタエアポート４９にダンパ５７を介して供給される。

火炉出口の排ガス出口部付近に接続される燃焼排ガスダクト５５から燃焼排ガスが取り出され、給炭機４４へ供給される。微粉炭は搬送用排ガスと共にファンミル４５に供給され、ここで粉砕され、粒径分布が調整された後、バーナ４２に供給される。バーナ４２へ供給される微粉炭の粒径とその分布はボイラ負荷によって変化させる。火炉４１の壁面は通常水冷却構造に成っており、ここで一次蒸気を生成させ、この一次蒸気を過熱器５０で過熱して過熱蒸気として、図示しない蒸気タービンに送る。蒸気タービンは発電機に直結しているので、発電機が作動して電力を得ることができる。

微粉炭ボイラの燃焼排ガスを煙突６３から大気中に排出するための煙道には脱硝装置６０、電気集塵器６１及び脱硫装置６２などからなる排ガス浄化装置が設けられている。

各バーナ４２に供給される燃焼用空気量は石炭の理論空気量の８９〜９０容量％とし、アフターエアポート４９からのアフターエア量は、石炭の理論空気量の４０〜３０容量％程度にして全空気量として石炭の理論空気量の１２０％程度になるように設定する。微粉炭バーナ４２による火炎は理論空気量より少ない空気量で燃焼させ、アフターエアによって燃料の未燃分を少なくする。

また、本発明のバーナ４２を使用し、該バーナ４２を複数本火炉壁面に設け、これらのバーナ４２により微粉炭を燃焼させて得られる燃焼熱により水を加熱して蒸気を発生させる石炭焚きボイラと、このボイラで得られた蒸気により駆動する蒸気タービンと、該蒸気タービンより駆動する発電機（図示せず）を備えた石炭火力発電システムを用いることで、褐炭や亜炭などの石炭化度の低い石炭を利用した火力発電が可能になる。

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、高負荷条件から低負荷条件まで、広範囲にわたって安定燃焼ができる固体燃料バーナ、該バーナを用いた燃焼方法及び該バーナを備えた火炉、加熱炉または熱風発生炉等の燃焼装置とその運用方法、さらには石炭焚きボイラとそのシステム、石炭火力発電システムが得られる。

本発明によれば、搬送用気体として酸素濃度の低いガスを用いる場合でも、バーナ近傍からの着火を可能とする。そのため低負荷域でも、褐炭など灰性状が劣悪な粉砕炭でもバーナ出口近傍で速やかに高効率で燃焼させて、燃焼ガスの低ＮＯｘ化とバーナ周りの灰付着を防止することができる。

Claims (24)

1. 固体燃料とその搬送用気体の混合流体を噴出する燃料ノズル（１１）と、
   前記燃料ノズル（１１）の外側に配置された燃焼用空気を噴出する一以上の外側空気ノズル（１３，１４）と、
   該燃料ノズル（１１）の内側壁面に設けた、バーナ上流側から下流側に向けて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流部材（３２）と、
   前記燃料ノズル（１１）内部の流路縮流部材（３２）よりバーナ下流側に設けた、バーナ上流側から下流側に向けて順に断面積が増加する部分と断面積が減少する部分を有する濃縮器（３３）と、
   前記濃縮器（３３）より下流側であって、前記燃料ノズル（１１）の内側壁面に設けられ、該燃料ノズル（１１）の出口より上流側に出口がある空気を噴出する追加空気孔または追加空気ノズル（１２）と、
   前記燃料ノズル（１１）と前記外側空気ノズル（１３）を隔てる壁面先端部に、前記燃料ノズル（１１）から噴出する固体燃料混合物と空気の流れに対抗するように設けた保炎器（２３，３６）
   を有することを特徴とする固体燃料バーナ。
2. 前記燃料ノズル（１１）の中央部に空気を噴出する中心空気ノズル（１０）を設けたことを特徴とする請求項１記載の固体燃料バーナ。
3. 前記外側空気ノズル（１３，１４）内に旋回器（２７，２８）を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の固体燃料バーナ。
4. 前記中心空気ノズル（１０）内に旋回器（１０ａ）を設けたことを特徴とする請求項２又は３記載の固体燃料バーナ。
5. 前記中心空気ノズル（１０）内の旋回器（１０ａ）の設置位置を該中心空気ノズル（１０）内でバーナ中心軸方向に移動可能に配置したことを特徴とする請求項４記載の固体燃料バーナ。
6. 燃焼負荷によって空気流れの旋回強度を変化させる旋回器（１０ａ）を前記中心空気ノズル（１０）内に設けたことを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の固体燃料バーナ。
7. 前記外側空気ノズル（１３，１４）の出口に外側空気の噴出方向を決めるガイド（２２ａ，２５）を設けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の固体燃料バーナ。
8. 前記ガイド（２２ａ，２５）は、バーナ中心軸に対して外側に４５度以下の傾斜角度で傾斜していることを特徴とする請求項７記載の固体燃料バーナ。
9. 前記燃料ノズル（１１）出口内側に向けて突出するさめ歯状突起を有する保炎器（３６）を設けたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の固体燃料バーナ。
10. 前記追加空気孔または追加空気ノズル（１２）への空気供給部は、前記外側空気ノズル（１３，１４）に燃焼用空気を供給するために設けられる風箱（２６）に接続していることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の固体燃料バーナ。
11. 追加空気孔または追加空気ノズル（１２）には加熱及び／または加圧された空気の供給部が接続していることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の固体燃料バーナ。
12. 前記追加空気孔または追加空気ノズル（１２）への空気供給部は、該空気供給部に燃焼用気体を供給するために専用に設けられた燃焼用気体供給装置に接続していることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の固体燃料バーナ。
13. 前記燃焼用気体供給装置には、酸素濃度を増した気体もしくは純酸素を供給する手段を接続することを特徴とする請求項１２ないし１１のいずれかに記載の固体燃料バーナ。
14. 燃焼用気体流量調節機構を前記燃焼用気体供給装置に設けることを特徴とする請求項１２または１３記載の固体燃料バーナ。
15. 前記中心空気ノズル（１０）の下流側の流路断面積が前記中心空気ノズル（１０）の上流側の流路断面積に比較して小さいことを特徴とする請求項２ないし１４のいずれかに記載の固体燃料バーナ。
16. 固体燃料バーナの中心空気ノズル（１０）は円筒形状であり、該中心空気ノズル（１０）の上流側の部位に空気供給用の配管として一対の空気配管（６６ａ，６６ｂ）を接続し、該一対の空気配管（６６ａ，６６ｂ）を中心空気ノズル（１０）の円筒断面の対向する位置の接線方向から空気を流入させるようにそれぞれ接続したことを特徴とする請求項２ないし１５のいずれかに記載の固体燃料バーナ。
17. 請求項１ないし１６のいずれかに記載の固体燃料バーナを用いる燃焼方法であって、燃焼負荷が低い場合は、燃焼負荷が高い場合に比較して追加空気孔または追加空気ノズル（１２）から供給する空気量を増やし、燃焼負荷が高い場合は燃焼負荷が低い場合に比較して追加空気孔または追加空気ノズル（１２）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を用いる燃焼方法。
18. 燃焼負荷が低い場合は、燃焼負荷が高い場合に比較して前記追加空気孔または追加空気ノズル（１２）から供給する空気量を増やし、前記外側空気ノズル（１３，１４）のうち、前記燃料ノズル（１１）に最も近い外側空気ノズル（１３）から供給する空気流量を減らすか又は旋回強度を上げ、また、燃焼負荷が高い場合は、燃焼負荷が低い場合に比較して前記追加空気孔または追加空気ノズル（１２）から供給する空気量を減らし、前記外側空気ノズル（１３，１４）のうち、前記燃料ノズル（１１）に最も近い外側空気ノズル（１３）から供給する空気量を増やすか又は旋回強度を下げることを特徴とする請求項１７記載の固体燃料バーナを用いる燃焼方法。
19. 中心空気ノズル（１０）を用いる場合は、燃焼負荷に応じて、中心空気ノズル（１０）から噴出する空気を直進流又は弱い旋回流からなる空気噴出方法と強い旋回流の空気噴出方法の二通りの空気噴出方法のいずれかを選択可能なことを特徴とする請求項１７または１８記載の固体燃料バーナを用いる燃焼方法。
20. 燃焼負荷が低い場合は、前記中心空気ノズル（１０）から強い空気旋回流を噴出し、燃焼負荷が高い場合は、前記中心空気ノズル（１０）から弱い空気旋回流又は直進流を噴出することを特徴とする請求項１９記載の固体燃料バーナを用いる燃焼方法。
21. 燃焼負荷に応じて、中心空気ノズル（１０）と追加空気孔または追加空気ノズル（１２）から噴出する空気量の割合を変えることを特徴とする請求項１９または２０記載の固体燃料バーナを用いる燃焼方法。
22. 燃焼負荷が低い場合は、中心空気ノズル（１０）から噴出する空気を減らして、同時に追加空気孔または追加空気ノズル（１２）から噴出する空気の割合を増やし、燃焼負荷が高い場合は中心空気ノズル（１０）から噴出する空気量を増やして、同時に追加空気孔または追加空気ノズル（１２）から噴出する空気量の割合を減らすことを特徴とする請求項１９ないし２１のいずれかに記載の固体燃料バーナを用いる燃焼方法。
23. 燃料ノズル（１１）内に、中心空気ノズル（１０）および追加空気孔または追加空気ノズル（１２）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の比を０．８５〜０．９５となるように空気量を調整して燃焼させることを特徴とする請求項１９ないし２２のいずれかに記載の固体燃料バーナを用いる燃焼方法。
24. 固体燃料の搬送用気体として燃焼排ガスを用いることを特徴とする請求項１７ないし２３のいずれかに記載の固体燃料バーナを用いる燃焼方法。

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