JP5490291B2 - 旋回燃焼ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、たとえば微粉炭等の粉体燃料を焚くボイラに適用される旋回燃焼ボイラに関する。

従来、微粉炭焚きボイラとしては、旋回燃焼ボイラ及び対向燃焼ボイラが知られている。
このうち、微粉炭焚きの旋回燃焼ボイラにおいては、燃料の微粉炭とともに石炭バーナから投入される１次空気の上下に２次空気投入用の２次空気投入ポートを設置し、石炭バーナ周囲の２次空気について流量調整を行っている。なお、２次空気投入用の２次空気投入ポートは、オイルバーナを兼ねる場合もある。

上述した１次空気は、燃料の微粉炭を搬送するために必要な空気量であり、石炭を粉砕して微粉炭とするローラミル装置において空気量が規定される。
上述した２次空気は、旋回燃焼ボイラ内において火炎全体を形成するために必要となる空気量を吹き込むものである。従って、旋回燃焼ボイラの２次空気量は、概ね微粉炭の燃焼に必要な全空気量から１次空気量を差し引いたものとなる。

一方、対向燃焼ボイラのバーナにおいては、１次空気（微粉炭供給）の外側に２次空気及び３次空気を導入して空気導入量の微調整を行うことが提案されている。（たとえば、特許文献１参照）

特開２００６−１８９１８８号公報

ところで、上述した従来の旋回燃焼ボイラにおいては、石炭バーナの上下に設けられる２次空気投入用の２次空気投入ポートが各々１本とされ、２次空気投入ポートから投入される２次空気量の微調整はできない構成となっている。このため、火炎の外周には高温酸素残存領域が形成されることとなり、特に２次空気が集中する領域では、高温酸素残存領域が強くなってＮＯｘ発生量を増加させる要因となるため好ましくない。

一方、対向燃焼ボイラにおいては、バーナの周囲にさらに３次空気を設置し、２次空気あるいは３次空気に旋回をかけることで、より外周に空気を拡散させる工夫がなされてきたが、流量調整に加え、旋回角度を微調整する必要があった。

このような背景から、従来の旋回燃焼ボイラにおいては、火炎の外周に形成される高温酸素残存領域を抑制し、ＮＯｘ発生量を低減することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、火炎の外周に形成される高温酸素残存領域を抑制（弱く）することにより、ＮＯｘ発生量の低減を可能にした旋回燃焼ボイラを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る旋回燃焼ボイラは、粉体燃料及び空気を炉内へ投入するバーナが各段の各コーナ部あるいは壁面部に配置される旋回燃焼方式のバーナ部とされ、各段にそれぞれ１または複数の旋回火炎が形成される旋回燃焼ボイラにおいて、前記バーナが、１次空気により搬送された粉体燃料を投入するコール１次ポートと、該コール１次ポートの周囲を取り囲むように設けられて２次空気の一部を投入するコール２次ポートとを備えて粉体燃料及び空気を投入する燃料バーナと、該燃料バーナの上下に各々配置され、流量調整手段を有するとともに前記燃料バーナの上下方向に多段の独立した複数の流路に分割された２次空気投入用の２次空気投入ポートとを備え、前記２次空気投入ポートから投入する前記２次空気は、２次空気量を所望の値に流量配分して前記粉体燃料及び空気と同方向へ向けて火炎の外周に投入されることを特徴とするものである。

このような旋回燃焼ボイラによれば、バーナが、１次空気により搬送された粉体燃料を投入するコール１次ポートと、該コール１次ポートの周囲を取り囲むように設けられて２次空気の一部を投入するコール２次ポートとを備えて粉体燃料及び空気を投入する燃料バーナと、該燃料バーナの上下に各々配置され、流量調整手段を有するとともに燃料バーナの上下方向に多段の独立した複数の流路に分割された２次空気投入用の２次空気投入ポートとを備え、２次空気投入ポートから投入する２次空気は、２次空気量を所望の値に流量配分して粉体燃料及び空気と同方向へ向けて火炎の外周に投入されるので、火炎の外周に投入される２次空気量について、複数に分割された流路毎に流量調整手段を操作して所望の値となるよう流量配分を行うことが可能になる。従って、火炎外周に投入される２次空気量の適正化により、高温酸素残存領域の形成を抑制または防止することができる。

本発明の旋回燃焼ボイラにおいて、前記バーナは、前記燃料バーナの左右に１または複数の２次空気投入ポートを備えていることが好ましく、これにより、２次空気を火炎の左右にも分配可能となる。従って、２次空気が火炎の上下で過剰になることを防止し、火炎の外周に投入される２次空気量のより精密な流量配分が可能になる。

本発明の旋回燃焼ボイラにおいて、前記燃料バーナは、ノズル先端部にスプリットを備えていることが好ましく、これにより、保炎を強化して高温酸素残存領域の形成を防止または抑制することができる。

本発明の旋回燃焼ボイラにおいて、前記２次空気投入ポートは角度調整機構を備えていることが好ましく、これにより、火炎のさらに外側への２次空気供給が可能となる。また、旋回を利用しないため、火炎の過剰な拡がりを防止しながら、高温酸素残存領域の形成を防止または抑制することができる。

本発明の旋回燃焼ボイラにおいて、前記２次空気投入ポートから投入される空気量の配分については、未燃分及び窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量に基づいてフィードバック制御されることが好ましく、これにより、２次空気の配分を自動的に最適化することができる。この場合、未燃分が多い場合には、火炎の外周面に近い内側への２次空気配分を増加させ、窒素酸化物の排出量が高い場合には、火炎の外周面から遠い外側への２次空気配分を増加させる。なお、未燃分の計測については、たとえばレーザー光の散乱から炭素濃度を測定する計器を採用すればよい。

本発明の旋回燃焼ボイラにおいて、前記２次空気投入ポートから投入される空気量は、前記バーナ部から追加空気投入部までの領域を還元雰囲気とする空気の多段投入との間で分配されることが好ましく、これにより、火炎外周に形成される高温酸素残存領域の抑制による窒素酸化物低減と、還元雰囲気にして燃焼排ガス中の窒素酸化物を低減することとの相乗効果により、窒素酸化物の発生量をより一層低減することができる。

上述した本発明の旋回燃焼ボイラによれば、２次空気の投入を調整することにより、火炎外周に対する２次空気の集中を防止または抑制できるようになり、この結果、火炎の外周に形成される高温酸素残存領域を抑制して窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量を低減することが可能になる。

本発明に係る旋回燃焼ボイラの一実施形態を示す図で、（ａ）はバーナの構成例を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）のバーナを火炉内から見た正面図、（ｃ）は空気の供給系統を示す図である。 図１に示した旋回燃焼ボイラの第１変形例として、（ａ）はスプリットを備えたバーナの構成例を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）のバーナを火炉内から見た正面図である。 図１に示した旋回燃焼ボイラの第２変形例として、側部２次空気ポートを備えたバーナを火炉内から見た正面図である。 図１（ａ）に示すバーナの２次空気投入ポートがチルト機構を備えている構成例を示す縦断面図である。 追加空気投入部を備えて空気を多段投入する旋回燃焼ボイラの構成例を示す図である。

以下、本発明に係る旋回燃焼ボイラの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図５に示す旋回燃焼ボイラ１０は、火炉１１内へ空気を多段で投入することにより、バーナ部１２から追加空気投入部（以下、「ＡＡ部」と呼ぶ）１４までの領域を還元雰囲気にして燃焼排ガスの低ＮＯｘ化を図っている。還元雰囲気となるバーナ部１２からＡＡ部１４までの距離については、すなわち、還元燃焼ゾーンの距離（高さ）については、長くなるほど燃焼ガスの滞留時間が長くなってＮＯｘ発生量は小さくなる。なお、図中の符号２０は微粉炭等の粉体燃料及び空気を投入するバーナ、１５は追加空気を投入する追加空気投入ノズルであり、以下の説明では、旋回燃焼ボイラ１０が、粉体燃料として微粉炭を使用する微粉炭焚きとする。

このように、上述した旋回燃焼ボイラ１０は、微粉炭（粉体燃料）及び空気を火炉１１内へ投入するバーナ２０が各段の各コーナ部に配置される旋回燃焼方式のバーナ部１２とされ、各段にそれぞれ１または複数の旋回火炎が形成される旋回燃焼方式を採用している。そして、バーナ部１２の各バーナ２０は、たとえば図１に示すように、微粉炭及び空気を投入する微粉炭バーナ２１と、該微粉炭バーナ２１の上下に各々配置されて２次空気を投入する２次空気投入ポート３０とを備えている。

微粉炭バーナ２１は、１次空気により搬送された微粉炭を投入する矩形状のコール１次ポート２２と、コール１次ポート２２の周囲を取り囲むように設けられて２次空気の一部を投入するコール２次ポート２３とを備えている。
微粉炭バーナ２１の上下には、２次空気投入用として２次空気投入ポート３０が設けられている。この２次空気投入ポート３０は、各々が独立した複数の流路及びポートに分割されており、各流路には、２次空気の流量調整手段として開度調整可能なダンパ４０が設けられている。

図示の構成例では、微粉炭バーナ２１の上下に配置された２次空気投入ポート３０がいずれも上下方向に３分割されており、微粉炭バーナ２１に近い内側から外側へ向けて、内部２次空気ポート３１ａ，３１ｂ、中間２次空気ポート３２ａ，３２ｂ及び外部２次空気ポート３３ａ，３３ｂの順に配置されている。なお、このような２次空気投入ポート３０の分割数は３分割に限定されることはなく、諸条件に応じて適宜変更可能である。

上述したコール２次ポート２３、内部２次空気ポート３１ａ，３１ｂ、中間２次空気ポート３２ａ，３２ｂ及び外部２次空気ポート３３ａ，３３ｂは、たとえば図１（ｃ）に示すように、各ポートが図示しない空気供給源を有する空気供給ライン５０に接続されており、各ポートに連通する流路に各々設けられているダンパ４０の開度を調整することにより、ポート毎に独立した２次空気供給量の調整が可能となっている。

このような旋回燃焼ボイラ１０によれば、各バーナ２０が、微粉炭及び空気を投入する微粉炭バーナ２１及び微粉炭バーナ２１の上下に配置された３分割の２次空気投入ポートを備えているので、３分割した２次空気投入ポート３０のポート毎にダンパ４０の開度を調整することにより、火炎Ｆの外周に投入される２次空気量を所望の値に流量配分することができる。従って、たとえば火炎Ｆの外周に最も近い内部２次空気ポート３１ａ，３１ｂの２次空気投入量について配分割合を小さくし、その分中間２次空気ポート３２ａ，３２ｂ及び外部２次空気ポート３３ａ，３３ｂへ投入する２次空気量の投入割合を順次大きくすれば、火炎Ｆの外周に形成されていた局所的な高温酸素残存領域（図中のハッチング部）Ｈを抑制することができる。

すなわち、火炎Ｆから離間した外側に対する２次空気量の投入割合を増し、火炎Ｆの外周近傍に投入される２次空気量の投入割合を小さくすることにより、２次空気の拡散を遅くすることができる。この結果、火炎Ｆの周辺に２次空気が集中することを防止または抑制できるようになり、従って、局所的な高温酸素残存領域Ｈは弱く小さなものとなるため、旋回燃焼ボイラ１０のＮＯｘ発生量を低減することができる。換言すれば、火炎Ｆの外周に投入される２次空気量の適正化により、高温酸素残存領域Ｈの形成を抑制または防止し、旋回燃焼ボイラ１０の低ＮＯｘ化を達成することができる。

一方、微粉炭の性状等により２次空気の拡散が必要となる場合には、２次空気投入ポート３０の流量配分について、内外を逆転させて内部２次空気ポート３１ａ，３１ｂの配分割合を大きくすればよい。すなわち、たとえば揮発分が多いなど燃料比が異なる石炭を粉砕した微粉炭を使用する場合でも、複数に分割された２次空気投入ポート３０の各ポートから投入する２次空気の流量配分を適宜調整することにより、ＮＯｘまたは未燃分を低減した適正な燃焼を選択することができる。

ところで、上述した微粉炭バーナ２１は、たとえば図２に示す第１変形例のように、ノズル先端部に開口面積を上下に分割するスプリット２４を備えたものが望ましい。図示のスプリット２４は三角形断面を有しており、ノズル内部を流れる微粉炭及び一次空気を上下方向に分離・拡散させるように配置されることにより、保炎が強化されるとともに高温酸素残存領域Ｈの形成を抑制または防止している。
すなわち、スプリット２４を通過することにより、微粉炭濃度の高い流れがスプリット２４の外周で形成され、保炎の強化に有効となる。また、スプリット２４を通過した微粉炭濃度の流れは、図中に破線矢印ｆａで示すように、スプリット２４の下流側に形成される負圧領域に流れ込む。この結果、この空気の流れにより火炎Ｆも負圧領域に引き込まれるので、保炎がさらに強化される結果、燃焼が促進されて酸素を早く消費することができる。なお、スプリット２４は複数体で形成されてもよいし、適宜形状を工夫してもよい。

また、上述したバーナ２０は、たとえば図３に示す第２変形例のように、微粉炭バーナ２１の左右に１または複数の側部２次空気ポート３４Ｌ、３４Ｒを備えていることが好ましい。図示の構成例では、微粉炭バーナ２１の左右に対して各々がダンパ（不図示）を備えた１つの側部２次空気ポート３４Ｌ，３４Ｒを設けてあるが、複数に分割してそれぞれの流量制御を実施できるようにしてもよい。
このような構成とすれば、２次空気を火炎Ｆの左右にも分配可能となるので、２次空気が火炎Ｆの上下で過剰になることを防止することができる。すなわち、火炎Ｆの外周に投入される２次空気量について、上下及び左右の分配を適宜調整することができるので、より精密な流量配分が可能になる。

また、上述した旋回燃焼ボイラ１０において、２次空気投入ポート３０は、たとえば図４に示すように、火炉１１内へ向けた２次空気の投入方向を上下に変化させる角度調整機構として、チルト機構を備えていることが望ましい。このチルト機構は、水平を基準とした２次空気投入ポート３０のチルト角度θを上下に変化させるものであり、２次空気の拡散を促進して高温酸素残存領域Ｈの形成を防止または抑制することができる。なお、この場合に好適なチルト角度θは、±３０度程度となる。
このようなチルト機構を備えることにより、２次空気投入ポート３０から火炉１１内の火炎Ｆに向けて投入される２次空気の角度調整が可能になるので、火炉１１内における空気拡散のより精密なコントロールが可能になる。特に、微粉炭燃料の炭種が極端に変わった場合など、２次空気の投入角度を変えることで、より低ＮＯｘ化の効果を向上させることができる。

また、上述した旋回燃焼ボイラ１０において、２次空気投入ポート３０から投入される空気量の配分は、未燃分及びＮＯｘ排出量に基づいてダンパ４０の開度をフィードバック制御して調整されることが望ましい。すなわち、旋回燃焼ボイラ１０において未燃分が多い場合には、火炎Ｆの外周面に近い内部２次空気ポート３１ａ，３１ｂの２次空気配分を増加させ、ＮＯｘ排出量が高い場合には、火炎Ｆの外周面から遠い外部２次空気ポート３３ａ，３３ｂの２次空気配分を増加させる。この場合、未燃分の計測については、レーザー光の散乱から炭素濃度を測定する計器を採用すればよく、ＮＯｘ排出量については、公知の測定機器を採用すればよい。
このようなフィードバック制御を行うことにより、２次空気の配分を燃焼状況に応じて自動的に最適化することができる旋回燃焼ボイラ１０となる。

また、上述した旋回燃焼ボイラ１０において、２次空気投入ポート３０から投入される２次空気量は、バーナ部１２からＡＡ部１４までの領域を還元雰囲気とする空気の多段投入との間で分配されることが望ましい。すなわち、複数に分割された２次空気投入ポート３０から投入する２次空気量については、ＡＡ部１４から空気を多段投入する二段燃焼との併用により、２次空気投入ポート３０から投入される２次空気量を低減できる。従って、火炎Ｆの外周に形成される高温酸素残存領域Ｈの抑制による低ＮＯｘ化と、還元雰囲気にして燃焼排ガスの低ＮＯｘ化を図ることとの相乗効果により、ＮＯｘの発生量をより一層低減することができる。

このように、上述した本発明の旋回燃焼ボイラ１０によれば、複数に分割した２次空気投入ポート３０から投入する２次空気量をポート毎に調整することにより、火炎Ｆの外周に対する２次空気の集中を防止または抑制できるようになり、この結果、火炎Ｆの外周に形成される高温酸素残存領域Ｈを抑制してＮＯｘの発生量を低減することができる。
また、上述した実施形態では、バーナ部１２からＡＡ部１４までの領域を還元雰囲気とする空気の多段投入の旋回燃焼ボイラ１０として説明したが、本発明はこれに限定されることはない。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば粉体燃料が微粉炭に限定されないなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１０ 旋回燃焼ボイラ
１１ 火炉
１２ バーナ部
１４ 追加空気投入部（ＡＡ部）
２０ バーナ
２１ 微粉炭バーナ
２２ コール１次ポート
２３ コール２次ポート
２４ スプリット
３０ ２次空気投入ポート
３１ａ，３１ｂ 内部２次空気ポート
３２ａ，３２ｂ 中間２次空気ポート
３３ａ，３３ｂ 外部２次空気ポート
３４Ｌ，３４Ｒ 側部２次空気ポート
４０ ダンパ
Ｆ 火炎
Ｈ 高温酸素残存領域

Claims (6)

1. 粉体燃料及び空気を炉内へ投入するバーナが各段の各コーナ部あるいは壁面部に配置される旋回燃焼方式のバーナ部とされ、各段にそれぞれ１または複数の旋回火炎が形成される旋回燃焼ボイラにおいて、
   前記バーナが、１次空気により搬送された粉体燃料を投入するコール１次ポートと、該コール１次ポートの周囲を取り囲むように設けられて２次空気の一部を投入するコール２次ポートとを備えて粉体燃料及び空気を投入する燃料バーナと、
   該燃料バーナの上下に各々配置され、流量調整手段を有するとともに前記燃料バーナの上下方向に多段の独立した複数の流路に分割された２次空気投入用の２次空気投入ポートとを備え、
   前記２次空気投入ポートから投入する前記２次空気は、２次空気量を所望の値に流量配分して前記粉体燃料及び空気と同方向へ向けて火炎の外周に投入されることを特徴とする旋回燃焼ボイラ。
2. 前記バーナが、前記燃料バーナの左右に１または複数の２次空気投入ポートを備えていることを特徴とする請求項１に記載の旋回燃焼ボイラ。
3. 前記燃料バーナが、ノズル先端部にスプリットを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の旋回燃焼ボイラ。
4. 前記２次空気投入ポートが、角度調整機構を備えていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の旋回燃焼ボイラ。
5. 前記２次空気投入ポートから投入される空気量の配分が、未燃分及び窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量に基づいてフィードバック制御されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の旋回燃焼ボイラ。
6. 前記２次空気投入ポートから投入される空気量が、前記バーナ部から追加空気投入部までの領域を還元雰囲気とする空気の多段投入との間で分配されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の旋回燃焼ボイラ。
   

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