JP5233912B2 - 微粉燃焼試験装置 - Google Patents

Description

本発明は微粉燃焼試験装置に関する。

石炭或いはバイオマス等の固体燃料を利用するボイラやガス化炉或いはその他の燃焼装置を有する火炉を設計したり、或いは火炉での安定した運転を達成するためには、火炉に供給する固体燃料の燃焼性能を事前に知っておく必要がある。

微粉炭の燃焼試験には、一次元層流燃焼炉を用いた微粉炭基礎燃焼試験が従来より知られており、この種の燃焼試験装置の目的は、微粉炭の燃焼速度（微粉粒子がどれだけの速さで燃えるか）を計測することにある。

尚、微粉炭の燃焼試験装置の一般的な技術水準を示す先行技術文献としては、特許文献１がある。

特開２００１−３３７０６０号公報

しかし、引用文献１の燃焼試験装置は、微粉炭の燃焼状態をカメラ撮影によって測定するというものであり、火炎を形成する燃焼流体中の異なる位置（燃焼時間が異なる位置）での微粉炭の実際の燃焼状態を正確に測定するようなことはできなかった。又、一次元層流燃焼炉内において、燃焼流体の流れの中から燃焼粒子を取り出すことにより、回収した燃焼粒子を調査することで固体燃料の正確な燃焼状態を測定することも考えられているが、安定した燃焼流体（火炎）の流れを形成させ、且つ、燃焼流体の流動方向の任意の位置、即ち、燃焼時間を任意に変化させた位置から燃焼粒子を精度良く回収することは難しく、又、安定した燃焼流体の流れを形成しつつ多くの燃焼粒子を回収することも難しいという課題がある。従って、燃焼時間が正確に設定されない位置から回収された燃焼粒子の場合には、正確な燃焼状態を測定することができず、又、回収される燃焼粒子が少ない場合には、分析等の測定が十分に実施できないことによって、試験の信頼性に問題が生じる場合があった。又、従来の試験装置によって燃焼粒子のサンプリング量を十分に確保するためには、上記試験装置を長時間に亘って運転する必要があり、試験作業に長時間を要するという問題を有していた。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、燃焼流体の燃焼時間を任意に変化させた位置から燃焼粒子を精度良く回収することができ、且つ燃焼粒子の回収量を増加できるようにした微粉燃焼試験装置を提供しようとするものである。

本発明は、管状の加熱炉の一端に微粉ノズルを介して微粉燃料を供給する燃料供給フィーダと、前記微粉ノズルの外周から加熱炉内に燃焼用ガスを供給する給気ブロワと、前記加熱炉の他端外部から加熱炉内に挿入されて取出口の挿入位置を調節可能なプローブ管と、該プローブ管の外側端にフィルタを介して接続された吸引圧力調節手段と、前記加熱炉の他端に接続された排気圧力調節手段とを備え、前記プローブ管内に導かれた燃焼流体からフィルタによって燃焼粒子を分離するようにした微粉燃焼試験装置において、
前記給気ブロワによる給気圧を検出する給気圧力計と、前記排気圧力調節手段により調節された排気圧を検出する排気圧力計と、前記吸引圧力調節手段により調節された吸引圧を検出する吸引圧力計と、各圧力計からの検出圧力を入力して、前記吸引圧力調節手段による吸引圧と排気圧力調節手段による排気圧を自動調節する制御器とを備えたことを特徴とする微粉燃焼試験装置、に係るものである。

上記微粉燃焼試験装置において、前記プローブ管の内部と外部を流動する燃焼流体が同一の流速になるように、吸引圧力調節手段による吸引圧と排気圧力調節手段による排気圧を調節してもよい。

又、上記微粉燃焼試験装置において、加熱炉内の燃焼流体が自然流速を保持して流動するように、吸引圧力調節手段による吸引圧と排気圧力調節手段による排気圧を調節してもよい。

又、上記微粉燃焼試験装置において、排気圧力調節手段による排気圧を正圧に設定してもよい。

又、上記微粉燃焼試験装置において、前記正圧は＋５ｍｍＨ_２Ｏであってもよい。

本発明の微粉燃焼試験装置によれば、加熱炉内に一端から他端に向かって形成される燃焼流体内にプローブ管を挿入して該プローブ管を吸引圧力調節手段で吸引すると共に、加熱炉の他端を排気圧力調節手段で排気し、前記プローブ管内に導かれた燃焼流体からフィルタによって燃焼粒子を分離するようにしたので、プローブ管の挿入位置を変えることによって燃焼時間を変化させた位置の燃焼粒子を精度良く取り出すことができ、よって、固体燃料の燃焼速度を正確に測定できるという優れた効果を奏し得る。

又、吸引圧力調節手段による吸引圧と排気圧力調節手段による排気圧を自動調節する制御器を備えたことにより、試験作業を容易に安定して行える効果がある。

又、プローブ管の内部と外部を流動する燃焼流体が同一の流速になるように、吸引圧力調節手段による吸引圧と排気圧力調節手段による排気圧を調節すると、安定した燃焼流体の流れから燃焼粒子を分離できる効果がある。

又、加熱炉内の燃焼流体が自然流速を保持して流動するように、吸引圧力調節手段による吸引圧と排気圧力調節手段による排気圧を調節すると、自然流速が保持された燃焼流体の正確な燃焼時間を経た位置から燃焼粒子を取り出せる効果がある。

又、排気圧力調節手段による排気圧を正圧、例えば＋５ｍｍＨ_２Ｏとすることにより、プローブ管に流入する燃焼流体の流量を増加させることができ、よってフィルタによって回収される燃焼粒子の回収量を増加できる効果がある。

本発明の微粉燃焼試験装置の一実施例を示す切断側面図である。 本発明の微粉燃焼試験装置の他の実施例を示す切断側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１は本発明の微粉燃焼試験装置の一実施例を示すものであり、図１中、１は鉛直に設けられたアルミナ管等からなる加熱炉であり、該加熱炉１は、アルミナ管に蛇行配置された発熱体１ａ（ヒータ）によって内部空間を例えば１２００℃の温度まで加熱できるようになっている。図１の加熱炉１の一端（上端）には、燃料供給フィーダ２に接続された微粉ノズル３が加熱炉１と同心に設けられている。微粉ノズル３は水冷構造を有しており、４は水冷用の給排水口である。

又、前記微粉ノズル３における供給口３'の上部外周にはメッシュ材５が設けてあり、該メッシュ材５の上部には、燃焼用ガス供給管６を介して給気ブロワ７が接続されており、空気、窒素、或いはその他のガスを必要に応じて混合したものを燃焼用ガス８として、前記給気ブロワ７により微粉ノズル３の外周に供給するようになっている。９は燃焼用ガスを予熱するための予熱器である。

加熱炉１の上下方向所要位置には加熱炉１内の温度を検出するための温度計１０（熱電対）が設けられていると共に、加熱炉１の加熱温度を制御するための温度コントローラ１１が設けられている。又、前記微粉ノズル３の直下位置の加熱炉１外周には着火挙動観察窓１２が設けてられている。図１中、１３は前記加熱炉１の外周に設けた発熱体１ａの外周を覆う断熱材１３である。

前記加熱炉１の他端（下端）には、上端に取出口１４'を有するプローブ管１４が同心状に挿入されており、該プローブ管１４は矢印で示すように昇降させることによって、取出口１４'の高さ位置を任意に変更できるようになっている。プローブ管１４は水冷構造を有しており、１５は水冷用の給排水口である。

プローブ管１４が加熱炉１外に導かれた下端には、固形粒子を回収するフィルタ１６を備えた吸引管１７が設けてあり、該吸引管１７には、調節弁１８ａと吸引ファン１８ｂとからなる吸引圧力調節手段１８が接続されている。

又、前記加熱炉１内の他端（下端）に形成されている灰受け部１９よりも高い位置には排気管２０が接続されており、該排気管２０には、調節弁２１ａと排気ファン２１ｂとからなる排気圧力調節手段２１が接続されている。図１中、２２は給気ブロワ７による給気圧を検出するように燃焼用ガス供給管６に設けた給気圧力計、２３は前記排気圧力調節手段２１による排気圧を検出するように排気管２０に設けた排気圧力計、２４は前記吸引圧力調節手段１８による吸引圧を検出するように吸引管１７に設けた吸引圧力計である。

図１の微粉燃焼試験装置においては、前記加熱炉１のアルミナ管を発熱体１ａによって例えば１２００℃に加熱した状態とし、更に、前記吸引ファン１８ｂ及び排気ファン２１ｂを作動して吸引した状態において、燃料供給フィーダ２により微粉炭Ｃによる微粉燃料Ｆを一定の供給量（１ｇ／ｍｉｎ）で加熱炉１に供給すると共に、給気ブロワ７により一定の供給量で燃焼用ガス８を供給する。すると、微粉炭Ｃは加熱炉１の壁面からの輻射熱により加熱されて着火し、燃焼火炎による燃焼流体Ｗが下方へ向かって流動する。

加熱炉１内で微粉燃料Ｆと燃焼用ガス８の燃焼が行われると、膨張した燃焼流体Ｗが発生するため、この膨張した燃焼流体Ｗはその体積に応じて加熱炉１内を一定の自然流速Ｖで流動するようになる。

従って、上記したように加熱炉１内に燃焼流体Ｗが流動した状態において、プローブ管１４を昇降させて微粉ノズル３の供給口３'とプローブ管１４の取出口１４'までの距離Ｌを調節すると、燃焼時間が変化した位置での燃焼流体Ｗがプローブ管１４に取り込まれ、プローブ管１４が冷却されていることにより冷却・消火が行われた後フィルタ１６により燃焼粒子が回収され、回収した燃焼粒子から燃焼時間が変化した微粉炭Ｃの燃焼性能を測定することができる。

本発明者は、上記微粉燃焼試験装置を用いた試験において、先ず、排気圧力調節手段２１による排気圧を−５ｍｍＨ_２Ｏに設定し、このときプローブ管１４の外側を流動する燃焼流体Ｗの流速に対して、プローブ管１４の内部を流動する燃焼流体Ｗの流速が略同一流速になるように、前記吸引圧力調節手段１８により吸引圧力を調節するようにした第一試験を行った。このとき、前記プローブ管１４の内部と外部を流れる燃焼流体Ｗの流速は、プローブ管１４の内部と外部の断面積と、プローブ管１４の内部と外部の圧力とから求めることができる。上記したように排気圧を−５ｍｍＨ_２Ｏに設定した場合に、プローブ管１４の内部と外部を流れる燃焼流体Ｗの流速が略同一となるようにするには、プローブ管１４及びフィルタ１６による圧力損失を考慮して、吸引圧力調節手段１８による吸気圧は−５ｍｍＨ_２Ｏよりも僅かに低い圧力に設定される。尚、前記吸引圧力調節手段１８による吸引圧力の設定は、調節弁１８ａと吸引ファン１８ｂの一方又は両方を手動によって調節することで行うことができ、又、前記排気圧力調節手段２１による排気圧力の調節は、調節弁２１ａと排気ファン２１ｂの一方又は両方を手動によって調節することで行うことができる。

プローブ管１４を一定の挿入位置として、前記第一試験を行った際に得られた燃焼粒子のデータは下記表１の如くであった。

上記第一試験によって得られた燃焼粒子のデータによれば、微粉炭Ｃの燃焼性能を評価するのに十分な結果を得ることができた。

しかし、上記した第一試験のように、排気圧力調節手段２１による排気圧を−５ｍｍＨ_２Ｏに設定し、且つプローブ管１４の内側と外側の燃焼流体Ｗの流速が同一になるように吸引圧力調節手段１８による吸引圧を調節した場合には、プローブ管１４に導かれる燃焼流体Ｗの量が断面積の比で決まってしまうために、プローブ管１４からフィルタ１６に導かれて回収される燃焼粒子の量が少ないという問題がある。

回収した燃焼粒子は、回収量を測定すると共に、どれだけの可燃分が燃焼したかを熱天秤等を用いて測定し、更に、分析によって固定炭素、灰分、揮発分等の成分を測定するようにしているが、回収される燃焼粒子の量が少ないと、分析等の測定を十分に行えない場合があり測定の信頼性に問題を生じる場合があった。又、燃焼粒子のサンプリング量を十分に確保するためには、上記燃焼試験を長時間に亘って実施する必要があり、よって、試験に長時間を要するという問題があった。

このため、燃焼粒子の回収量を増加するための第二試験を行った。

第二試験では、燃焼流体Ｗの自然流速Ｖが常に保持されるように、前記吸引圧力調節手段１８及び排気圧力調節手段２１による吸引を調節するようにした。このように、燃焼流体Ｗの自然流速Ｖが常に保持されるように、吸引圧力調節手段１８による吸引圧と排気圧力調節手段２１による排気圧を調節すると、吸引圧力調節手段１８と排気圧力調節手段２１による吸引のバランスを変えても、自然流速Ｖが保持された燃焼流体Ｗの正確な燃焼時間を経た位置から燃焼粒子を回収できるようになる。

ここで、前記排気圧力調節手段２１による排気圧を例えば＋５ｍｍＨ_２Ｏのような正圧になるように手動で設定する。このように排気圧力調節手段２１による排気圧を正圧に設定した場合には、排気圧力調節手段２１に向かう燃焼流体Ｗが減少することになるが、この場合においても、前記したようにプローブ管１４の取出口１４'に向かう燃焼流体Ｗの移動速度が自然流速Ｖに保持されるように、吸引圧力調節手段１８による吸引圧を手動によって調節する。圧力の設定には、微粉燃料Ｆの供給量と燃焼用ガス８の供給量と加熱炉１の温度とから加熱炉１内に発生する燃焼流体Ｗの発生量を予め求めておき、この燃焼流体Ｗの発生量に対して、排気圧力調節手段２１の排気圧を＋５ｍｍＨ_２Ｏとしたときにプローブ管１４の取出口１４'に向かう燃焼流体Ｗの移動速度が自然流速Ｖに保持されるように、プローブ管１４の内外の断面積に基づいて前記吸引圧力調節手段１８による吸引圧を設定する。

上記によれば、プローブ管１４から吸引圧力調節手段１８に向かう燃焼流体Ｗの流量が増加することになるので、結果的にフィルタ１６で回収される燃焼粒子の量が増加されることになる。

上記排気圧力調節手段２１の排気圧を＋５ｍｍＨ_２Ｏに設定した第二試験を、前記第一試験と同じ時間だけ行った際に得られた燃焼粒子のデータを、第一試験のデータとともに表１に示した。

表１に示すように、第一試験と第二試験において回収された燃焼粒子の固定炭素、灰分等の成分は略同一であり、よって第二試験のデータにおいても第一試験と同様に、微粉炭Ｃの燃焼性能を評価するのに十分な結果を得ることができた。

更に、第二試験においては、同一の試験時間において、第一試験での燃焼粒子の回収量が０．２７ｇであったのに対し、第二試験での燃焼粒子の回収量は０．４８ｇであり、第二試験によれば、第一試験に比して約２倍の回収量を得ることができた。

図２は、本発明の他の実施例を示したものであり、この実施例が図１の実施例と違う点は、前記給気ブロワ７による給気圧を検出する給気圧力計２２と、前記排気圧力調節手段２１による排気圧を検出する排気圧力計２３と、前記吸引圧力調節手段１８による吸引圧を検出する吸引圧力計２４からの各計測圧力を制御器２５に入力しており、加熱炉１を加熱した状態において、制御器２５に指令信号２６を入力すると、制御器２５は燃料供給フィーダ２により一定量の微粉燃料Ｆを供給すると共に、給気ブロワ７により一定供給量の燃焼用ガス８を供給し、更に、前記排気圧力調節手段２１の排気圧と、前記吸引圧力調節手段１８による吸引圧を自動で制御するようになっている点である。

図２の実施例においては、前記第一試験のように、排気圧力調節手段２１による排気圧が−５ｍｍＨ_２Ｏになるように自動設定し、このときプローブ管１４の外側を流動する燃焼流体Ｗの流速に対して、プローブ管１４の内部を流動する燃焼流体Ｗの流速が略同一流速になるように、前記吸引圧力調節手段１８により吸引圧力を調節するように制御器２５によって自動制御することができる。又、第二試験のように、前記排気圧力調節手段２１の排気圧が例えば＋５ｍｍＨ_２Ｏの正圧に保持されるように前記排気圧力調節手段２１による排気を自動設定すると共に、このときにプローブ管１４の取出口１４'に向かう加熱炉１内の燃焼流体Ｗの移動速度が自然流速Ｖを保持するように前記吸引圧力調節手段１８による吸引圧を制御器２５によって自動制御することができる。

上記したように、制御器２５によって自動で試験を行うことにより、試験作業を容易に安定して行えるようになる。

尚、本発明の微粉燃焼試験装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 加熱炉
２ 燃料供給フィーダ
３ 微粉ノズル
７ 給気ブロワ
８ 燃焼用ガス
１４ プローブ管
１４' 取出口
１５ 給排水口
１６ フィルタ
１８ 吸引圧力調節手段
２０ 排気管
２１ 排気圧力調節手段
２２ 給気圧力計
２３ 排気圧力計
２４ 吸引圧力計
２５ 制御器
２６ 指令信号
Ｆ 微粉燃料
Ｗ 燃焼流体
Ｖ 自然流速

Claims (5)

1. 管状の加熱炉の一端に微粉ノズルを介して微粉燃料を供給する燃料供給フィーダと、前記微粉ノズルの外周から加熱炉内に燃焼用ガスを供給する給気ブロワと、前記加熱炉の他端外部から加熱炉内に挿入されて取出口の挿入位置を調節可能なプローブ管と、該プローブ管の外側端にフィルタを介して接続された吸引圧力調節手段と、前記加熱炉の他端に接続された排気圧力調節手段とを備え、前記プローブ管内に導かれた燃焼流体からフィルタによって燃焼粒子を分離するようにした微粉燃焼試験装置において、
   前記給気ブロワによる給気圧を検出する給気圧力計と、前記排気圧力調節手段により調節された排気圧を検出する排気圧力計と、前記吸引圧力調節手段により調節された吸引圧を検出する吸引圧力計と、各圧力計からの検出圧力を入力して、前記吸引圧力調節手段による吸引圧と排気圧力調節手段による排気圧を自動調節する制御器とを備えたことを特徴とする微粉燃焼試験装置。
2. 前記プローブ管の内部と外部を流動する燃焼流体が同一の流速になるように、吸引圧力調節手段による吸引圧と排気圧力調節手段による排気圧を調節することを特徴とする請求項１に記載の微粉燃焼試験装置。
3. 加熱炉内の燃焼流体が自然流速を保持して流動するように、吸引圧力調節手段による吸引圧と排気圧力調節手段による排気圧を調節することを特徴とする請求項１に記載の微粉燃焼試験装置。
4. 排気圧力調節手段による排気圧を正圧に設定することを特徴とする請求項３に記載の微粉燃焼試験装置。
5. 前記正圧は＋５ｍｍＨ_２Ｏであることを特徴とする請求項４に記載の微粉燃焼試験装置。

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