JP5535522B2 - 石炭焚ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、たとえば微粉炭等の石炭を燃料として焚く石炭焚ボイラに関する。

従来、固体燃料焚きのボイラには、たとえば固体燃料として微粉炭を焚く微粉炭焚きボイラがある。このような微粉炭焚きボイラにおいては、旋回燃焼ボイラ及び対向燃焼ボイラという二種類の燃焼方式が知られている。
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。（たとえば、特許文献１参照）

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２参照）

特許第３６７９９９８号公報 特開２００６−１８９１８８号公報

ところで、上述した従来の石炭焚ボイラにおいては、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するため、一般的には追加空気投入（Additional Air；ＡＡ）を用いた二段燃焼を行い、バーナ付近では還元燃焼が行われている。
また、従来のバーナでは、微粉炭バーナの外周に保炎機構（先端角部の調整、旋回等）を設置し、さらに、微粉炭バーナのすぐ外周に近接して２次空気、あるいは３次空気を投入するための空気投入ポートを設置した構成が一般的である。このため、微粉炭バーナにおいては、投入された微粉炭への着火が火炎外周で起こり、火炎外周の着火領域では空気投入ポートからの空気が多量に混合されることとなる。

この結果、微粉炭バーナの火炎には、火炎外周にＮＯｘを発生させる高温酸素残存領域が形成される。この高温酸素残存領域は、酸素濃度が高くなり、高温での燃焼が進行する火炎外周の領域であるから、ＮＯｘを発生しやすい燃焼環境となっている。従って、従来の微粉炭バーナに形成される火炎においては、高温酸素残存領域を形成する火炎外周からのＮＯｘ発生量が多くなる。
こうして、微粉炭バーナの火炎外周から発生したＮＯｘは、そのまま火炎外周を通過することになるので、燃焼環境が異なる火炎内部と比較すれば、還元が遅れることとなる。この結果、火炎外部で発生したＮＯｘは還元されずに残り、この残存したＮＯｘが従来の微粉炭バーナ及び石炭焚ボイラにおけるＮＯｘ発生の原因となっている。

このような背景から、微粉炭等の固体燃料を焚く石炭焚ボイラにおいては、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石炭焚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。
本発明に係る石炭焚ボイラは、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石炭焚ボイラにおいて、前記バーナが、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または左右に各々配置されて流量調整手段を有する２次空気投入ポートとを備え、前記燃料バーナの流路内に前記粉体燃料の流れをバーナ軸中心部へ集中させる濃炎部形成部材を設けるとともに、前記燃料バーナと前記２次空気投入ポートとの間に、前記燃料バーナから炉内へ向けて形成される火炎に前記２次空気投入ポートから投入される２次空気が干渉しない程度の離間距離を設けたことを特徴とするものである。

このような石炭焚ボイラによれば、前記バーナが、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または左右に各々配置されて流量調整手段を有する２次空気投入ポートとを備え、前記燃料バーナの流路内に前記粉体燃料の流れをバーナ軸中心部へ集中させる濃炎部形成部材を設けるとともに、前記燃料バーナと前記２次空気投入ポートとの間に、前記燃料バーナから炉内へ向けて形成される火炎に前記２次空気投入ポートから投入される２次空気が干渉しない程度の離間距離を設けたので、濃炎部形成部材が粉体燃料を火炎内部に集中させるとともに下流の流れを乱し、同時に、２次空気投入ポートから火炎に対する２次空気の供給を緩慢にして火炎中の酸素濃度を下げることができる。

この結果、粉体燃料を集中させた火炎内部には濃炎部が形成され、この濃炎部形成と濃炎部形成部材の下流に生じる流れの乱れとによって安定した着火を確保することができるので、低酸素濃度の環境下において粉体燃料を安定燃焼させることができる。
また、火炎と干渉しない程度に離間した配置の２次空気投入ポートから２次空気を緩慢に供給することにより、低温の２次空気による火炎の温度低下（冷却）が最小限に抑えられるため、火炎が空気不足の状況にあるにもかかわらず、火炎が高温化して安定した着火を継続するので、高温かつ低酸素濃度での燃焼が可能になる。すなわち、火炎の外周に形成されていた高温酸素残存領域が抑制され、ＮＯｘ及び未燃分を大幅に低減した燃焼が可能になる。
なお、濃炎部形成部材が粉体燃料を火炎内部に集中させることにより、燃料バーナの濃炎部形成部材下流側では、粉体燃料により内壁が摩耗することを抑制できる。

請求項１に記載の石炭焚ボイラにおいて、前記濃炎部形成部材は、前記燃料バーナの壁面に設置されて流路中央部を部分的に開口させる中央開放型キッカであることが好ましく、これにより、粉体燃料の流れを流路中央部に集め、流路中央部の部分的な開口から火炎内部へ向けて集中させた燃料投入（濃炎部の形成）が可能になる。この場合の中央開放型キッカは、燃料バーナの流路を形成する壁面の全周にわたって設けられたものでもよいし、あるいは、２次空気投入ポートが配置されているのと同方向（上下または左右）の壁面にのみ設けられたものでもよい。
この場合、前記濃炎部形成部材は、前記中央開放型キッカの上流に流路中央部を部分的に塞ぐ中央閉鎖型キッカを備えていることが好ましく、これにより、粉体燃料の流れは中央閉鎖型キッカによりいったん外周側（壁面側）へ分離するので、この流れを中央部へ折り返して中央開放型キッカの開口から火炎内部へ向けて集中させることで、より一層集中度を増した燃料投入（濃炎部の形成）が可能になる。

請求項２または３に記載の石炭焚ボイラにおいて、前記中央開放型キッカの開口部に凹凸を設けることが好ましく、これにより、より一層集中度を増した燃料投入（濃炎部の形成）が可能になるとともに、流れの乱れについてもより一層促進することができる。なお、この場合の凹凸は、矩形形状に限定されることはなく、たとえば三角形状や半円形状等の採用も可能である。

請求項１に記載の石炭焚ボイラにおいて、前記濃炎部形成部材は、前記燃料バーナ内に形成されたサイクロン部であることが好ましく、これにより、遠心力を利用して粉体燃料の流れを火炎内部へ集中させ、濃炎部を形成することができる。

請求項２から５のいずれかに記載の石炭焚ボイラにおいて、前記燃料バーナの先端出口部に１または複数本のスプリット部材を設けることが好ましく、これにより、バーナ前方に保炎機構が形成され、より安定した着火を保つことができる。特に、先端出口部の中央部に間隔を設けて２本以上のスプリット部材を配設すると、火炎は外側に広がることなく中央部に濃炎部を形成するので、ＮＯｘを火炎内部に発生させるとともに、着火を強く維持することができる。

請求項２から６のいずれかに記載の石炭焚ボイラにおいて、前記バーナの先端出口部に流路断面積を絞る補助ノズルを設けることが好ましく、これにより、中央部の流速を下げることで着火をより一層安定させることができる。
なお、請求項６に記載したようなスプリット部材を併用し、補助ノズルの先端部に保炎機構を設けると、着火をより一層安定させることができる。

請求項１から７のいずれかに記載の石炭焚ボイラにおいて、前記２次空気投入ポートは、前記燃料バーナの軸中心から外向きの角度となるように設置されていることが好ましく、これにより、２次空気投入ポートの設置位置を燃料バーナに近づけても、燃料バーナから炉内へ向けて形成される火炎に２次空気投入ポートから投入される２次空気が干渉しないため、バーナ高さの低減が可能になる。
また、２次空気投入ポートが隣接する場合には、２次空気を火炎に対して斜めに投入することにより、２次空気と火炎との混合を遅延させることができる。

請求項１から７のいずれかに記載の石炭焚ボイラにおいて、前記２次空気投入ポートの流路内部には、リブを設けてもよいし、あるいは、旋回羽根を設けてもよい。
ここで、２次空気投入ポートの流路内部に、たとえば流路内側（燃料バーナ側）にリブを設けることにより、火炎に対する２次空気の混合を調整することができる。また、流路内部に旋回羽根車を設けることにより、バーナ高さを抑制して２次空気の流れが火炎と干渉しないように離すことも可能になる。

上述した本発明の石炭焚ボイラによれば、微粉炭等の固体燃料を焚く石炭焚ボイラにおいて、火炎の外周に形成される高温酸素残存領域を抑制し、ＮＯｘ発生量を低減するという顕著な効果が得られる。
すなわち、燃料バーナから投入される微粉炭等の粉体燃料を火炎中央部に集中させることで火炎内部に濃炎部を形成し、濃炎部形成と濃炎部形成部材下流に生じる流れの乱れとの相乗効果によって安定した着火を確保することができるようになるので、低酸素濃度の環境下においても粉体燃料を安定燃焼させることができる。さらに、火炎と干渉しない程度に離間して配置された２次空気投入ポートから２次空気が緩慢に供給されるため、低温の２次空気による火炎の温度低下（冷却）を最小限に抑え、火炎が空気不足の状況にあるにもかかわらず、高温の火炎を維持して安定した着火が継続される。従って、本発明の石炭焚ボイラは、高温かつ低酸素濃度の環境下での燃焼が可能になり、ＮＯｘ及び未燃分ともに大幅に低下させた燃焼が可能になる。

本発明に係る石炭焚ボイラの一実施形態を示す図であり、（ａ）はバーナ構造を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）のバーナを火炉内から見た正面図である。 図１に示すバーナ構造について、２次空気の供給系統を示す図である。 本発明に係る石炭焚ボイラの構成例を示す縦断面図である。 図３の横（水平）断面図である。 図１に示したバーナ構造の第１変形例を示す縦断面図である。 図１に示したバーナ構造の第２変形例を示す図であり、（ａ）はバーナ構造の縦断面図、（ｂ）はバーナを火炉内から見た正面図である。 図１に示したバーナ構造の第３変形例を示す縦断面図である。 図１に示したバーナ構造の第４変形例を示す縦断面図である。 図１に示したバーナ構造の第５変形例を示す図であり、（ａ）はバーナ構造の縦断面図、（ｂ）はバーナを火炉内から見た正面図である。 図１に示したバーナ構造の第６変形例を示す縦断面図である。 図１に示したバーナ構造の第７変形例を示す縦断面図である。 図１に示したバーナ構造の第８変形例を示す縦断面図である。 図１に示したバーナ構造の第９変形例を示す縦断面図である。 図１に示したバーナ構造の第１０変形例を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はバーナを火炉内から見た正面図である。 図１に示したバーナ構造の第１１変形例を示す平面図である。

以下、本発明に係る石炭焚ボイラの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図３及び図４に示す石炭焚ボイラ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る。

以下の実施形態では、石炭焚ボイラ１０が粉体燃料として微粉炭を使用する微粉炭焚きとして説明するが、これに限定されることはない。従って、微粉炭焚きのバーナ２０には、微粉炭を１次空気で搬送する微粉炭混合気輸送管１６及び２次空気を供給する送気ダクト１７が接続され、追加空気投入ノズル１５には、２次空気を供給する送気ダクト１７が接続されている。

このように、上述した石炭焚ボイラ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、各段にはそれぞれ１または複数（図示の例では１個）の旋回火炎が形成される旋回燃焼方式を採用している。すなわち、図３及び図４に示す石炭焚ボイラ１０は、微粉炭及び空気を火炉１１の内部（炉内）へ投入するバーナ２０が、略正方形とした断面形状を有する火炉１１内で各段の各コーナ部に配置されることにより、１個の旋回火炎を形成するものである。しかし、以下に説明する本発明は、たとえば長方形断面形状を有する火炉１１内のコーナ部及び壁面部にバーナ２０を配置することにより、２個の旋回火炎を形成する旋回燃焼方式のバーナ部等にも適用可能であり、特に限定されることはない。

本実施形態の石炭焚ボイラ１０において、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（燃料バーナ）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から投入される微粉炭は、火炉１１内へ向けて略真っ直ぐに流れる。

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が略平行に設けられている。この２次空気投入ポート３０は、各々が独立した流路及びポートに分割されており、２次空気投入ポート３０から投入される２次空気は、火炉１１内へ向けて略真っ直ぐに流れる。
２次空気投入ポート３０の各流路及びコール２次ポート２３には、たとえば図２に示すように、送気ダクト１７から各々分岐した流路を介して供給される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。なお、２次空気投入ポート３０の位置については、微粉炭バーナ２１の上下に限定されることはなく、左右であってもよい。

図示の構成例では、バーナ２０の燃料バーナ２１が、燃料バーナ２１のコール１次ポート（燃料流路）２２内に、微粉炭の流れをバーナ軸中心部へ集中させる濃炎部形成部材としてキッカ２４を備えている。この場合のキッカ２４は、コール１次ポート２２の壁面２２ａに設置されて流路中央部を部分的に開口させた中央開放型キッカであり、中央開放型キッカは、コール１次ポート２２を形成する壁面２２ａの全周にわたって設けられたものでもよいし、あるいは、２次空気投入ポート３０が配置されているのと同方向（図示の例では上下）の壁面２２ａにのみ設けられたものでもよい。

また、燃料バーナ２１と２次空気投入ポート３０との間には、燃料バーナ２１から火炉１１内へ向けて形成される火炎Ｆに２次空気投入ポート３０から投入される２次空気が干渉しない程度の離間距離Ｌが設けられている。この離間距離Ｌは、２次空気投入ポート３０から投入される２次空気の供給を緩慢にして火炎Ｆ中の酸素濃度を下げるものであり、換言すれば、離間距離Ｌは、低温の２次空気が火炎Ｆに到達しにくい適度な距離である。すなわち、離間距離Ｌは、２次空気が火炎Ｆに混合されることを抑制できる程度の距離であり、２次空気を投入する圧力等の諸条件にもよるが、コール１次ポート２２の内部高さ寸法ｈ（図１参照）を基準にして１ｈ〜３２ｈ程度が必要となる。
このような離間距離Ｌを設けることにより、火炎Ｆに混合される２次空気量が減少するので、火炎Ｆ内の酸素濃度を減少させるとともに、火炎温度の低下を最小限に抑えて比較的高温の状態に維持することができる。

このように構成されたバーナ２０は、キッカ２４が微粉炭の流れをコール１次ポート２２内の流路中央部に集め、流路中央部に形成された部分的な開口２４ａから火炎Ｆの内部へ向けて微粉炭を集中させた燃料投入を行うので、火炎Ｆの内部には高濃度の微粉炭を燃焼させる濃炎部Ｆａが形成される。また、上述したキッカ２４は、微粉炭を火炎Ｆの内部に集中させて投入するだけでなく、キッカ２４の下流側で１次空気に搬送されてきた微粉炭の流れを乱す機能も有している。すなわち、微粉炭の流れは、キッカ２４を通過することにより乱れを生じることとなる。

このように、上述したバーナ２０を備えた石炭焚ボイラ１０によれば、キッカ２４がコール１次ポート２２の流路内で微粉炭の流れをバーナ軸中心部へ集中させた後に火炎Ｆへ投入し、同時に、微粉炭バーナ２１と２次空気投入ポート３０との間に設けた離間距離Ｌが火炎Ｆと２次空気との干渉を抑制している。このため、火炎Ｆの中心部には高濃度の微粉炭が投入され、しかも、２次空気投入ポート３０から火炎Ｆに対して２次空気が緩慢に供給されるため、火炎内部の酸素濃度を低下させることができる。

この結果、微粉炭が集中投入された火炎内部には濃炎部Ｆａが形成され、濃炎部Ｆａの形成とキッカ２４の下流に生じる流れの乱れとによって、部粉炭の安定した着火を確保することができる。従って、離間距離Ｌを設けて低酸素濃度とした火炎Ｆの内部環境下においても、微粉炭を安定燃焼させることができる。
このとき、離間距離Ｌを設けて配置した２次空気投入ポート３０から２次空気が緩慢に供給されるため、低温の２次空気による火炎Ｆの温度低下を最小限に抑えることができ、従って、火炎Ｆが空気不足で低酸素濃度の状況にあるにもかかわらず、火炎Ｆが高温化して安定した着火を継続し、高温かつ低酸素濃度での燃焼が可能になる。すなわち、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Ｈが抑制されることで小さく弱いものとなるので、ＮＯｘ及び未燃分を大幅に低減した燃焼が可能になる。

また、上述したキッカ２４は、微粉炭を火炎Ｆの内部に集中させて流すため、微粉炭バーナ２１においてキッカ２４が設置されたコール１次ポート２２では、キッカ２４の下流側で内部の壁面２２ａに衝突する微粉炭が減少する。この結果、キッカ２４の下流側壁面では、微粉炭の衝突による摩耗を抑制することができる。

ところで、上述したバーナ２０の微粉炭バーナ２１は、たとえば図５に示す第１変形例のように、中央開放型としたキッカ２４の上流に流路中央部を部分的に塞ぐ中央閉鎖型キッカ２５を備えていることが好ましい。
中央開放型のキッカ２４と中央閉鎖型キッカ２５とを併用することにより、微粉炭の流れは中央閉鎖型キッカ２５によりいったん外周側の壁面２２ａ側へ分離するので、この流れを中央開放型のキッカ２４が再度中央部へ折り返し、火炎Ｆの中央部へ集中させた投入を行うことになる。従って、中央開放型のキッカ２４を単独で使用する場合と比較して、
外向きの流れを中央に導くことでより一層集中度を増した燃料投入（濃炎部の形成）が可能になる。

また、上述したバーナ２０の微粉炭バーナ２１は、たとえば図６に示す第２変形例のように、開口部２４ａ′に凹凸を設けた開放型のキッカ２４Ａを採用することが望ましい。すなわち、キッカ２４Ａ自体が凹凸を有する形状とされ、微粉炭の流れが通り抜ける開口部２４ａ′の凹凸は、図示の矩形形状に限定されることはなく、たとえば三角形状や半円形状等を採用してもよい。
このようなキッカ２４Ａを設置することにより、火炎Ｆに投入される微粉炭の集中度をより一層増した燃料投入（濃炎部の形成）が可能になり、さらに、キッカ２４Ａの下流では、流れに生じる乱れをより一層促進することができる。

また、上述したバーナ２０の微粉炭バーナ２１は、たとえば図７に示す第３変形例のように、濃炎部形成部材として微粉炭バーナ２１のコール１次ポート２２内に形成されたサイクロン部２６を採用してもよい。すなわち、微粉炭及び１次空気の流れが遠心力を利用するサイクロン部２６に導かれて螺旋状流路を通過し、コール１次ポート２２の中心部に開口する出口２６ａから流出することにより、微粉炭の流れを火炎Ｆの内部へ集中させた投入が可能になる。従って、火炎Ｆの内部に濃炎部Ｆａを形成するように、微粉炭を火炎内部へ集中させた燃料投入が可能になる。

また、上述したバーナ２０の微粉炭バーナ２１は、たとえば図８に示す第４変形例のように、燃料バーナ２１のコール１次ポート２２に対し、先端出口部に１または複数本のスプリット部材２７を設けることが好ましい。図示の構成例では、一対のスプリット部材２７が出口中央部に間隔を設けて配置されており、この結果、燃焼バーナ２１の前方にスプリット部材２７による保炎機構が形成されるとともに、中央部に濃炎部を形成することもできる。このような保炎機構の形成は、１本のスプリット部材２７を配置することによっても可能になり、より安定した着火を維持することができる。

特に、先端出口部の中央部に所定の間隔を設けて２本以上のスプリット部材２７を配設する構成は、火炎Ｆを外側に広げることなく中央部に濃炎部を形成できるので、ＮＯｘを火炎Ｆの内部に発生させるとともに、安定した着火を強く維持することができる。

また、上述したバーナ２０の微粉炭バーナ２１は、たとえば図９に示す第５変形例のように、バーナ２０の先端出口部に、具体的にはコール１次ポート２２の先端出口部に流路断面積を絞る補助ノズル５０を設けてもよい。
図示の補助ノズル５０は、コール１次ポート２２の先端出口から火炉１１側へ上下方向に流路断面積を狭める上下一対の外壁部５１と、中央部に所定の間隔を設けて略平行に配置された上下一対のガイド板５２とを備えている。ガイド板５２の間に形成される所定の間隙は、流路断面積に変化のないガイド流路５３となり、このガイド流路５３は、火炉１１側から見た正面視においてキッカ２４が形成する開口２４ａと略一致するように設けられている。なお、外壁部５１とガイド板５２との間には、流路断面積が出口側へ減少する絞り流路５４が形成されている。

このような補助ノズル５０を設けることにより、コール１次ポート２２から流出する微粉炭の流れは、補助ノズル５０を通過する際にガイド流路５３と上下の絞り流路５４とに分割される。このうち、絞り流路５４を通過する微粉炭の流れは、流路断面積の減少に伴って増速されるため、補助ノズル５０の先端出口においては、流速変動のない中央部のガイド流路５３を流れた微粉炭の流速が相対的に低速となる。このため、火炎Ｆの中央部に投入される微粉炭は、キッカ２４で微粉炭が集中して微粉炭濃度の高い低流速の流れとなる。従って、補助ノズル５０を備えた微粉炭バーナ２１は、中央部の流速を相対的に下げたことにより、着火をより一層安定させることができる。

この場合、たとえば図１０に示す第６変形例のように、上述した補助ノズル５０の先端出口部に図８のスプリット部材２７を設けることにより、補助ノズル５０とスプリット部材２７とを併用した構造の補助ノズル５０Ａを採用してもよい。
このような補助ノズル５０は、補助ノズル５０Ａの先端部にスプリット部材２７による保炎機構が形成されている。具体的には、ガイド板５２の先端部側にスプリット部材２７を取り付けて保炎機構を形成したので、着火をより一層安定させることができる。

また、上述したバーナ２０の微粉炭バーナ２１は、たとえば図１１に示す第７変形例のように、バーナ２０の２次空気投入ポート３０Ａが、微粉炭バーナ２１の軸中心から上下方向外向きに角度θだけ傾斜させた設置としてもよい。なお、図１１に示す構成例は、図１０の第６変形例に示す２次空気投入ポート３０を微粉炭バーナ２１側へ近づけるとともに、２次空気投入ポート３０を上下方向外向きに角度θまで傾斜させたものであるが、補助ノズル５０がない他の実施形態や変形例にも同様に適用可能である。

このように、上下方向外向きに傾斜させた２次空気投入ポート３０Ａを採用すると、２次空気投入ポート３０Ａの設置位置を微粉炭バーナ２１に近づけても、微粉炭バーナ２１から火炉１１内へ向けて形成される火炎Ｆに２次空気投入ポート３０Ａから投入される２次空気が干渉しないため、バーナ高さの低減が可能になる。すなわち、２次空気投入ポート３０Ａから投入された２次空気は、火炎Ｆから離間する方向に流れるので、諸元を同じにして比較する場合、図１１に示す最大の離間距離Ｌ１を平行配置の離間距離Ｌよりも小さく設定することが可能になる。
この結果、微粉炭ノズル２１の上下に２次空気投入ポート３０Ａが配設されたバーナ２０は、離間距離Ｌ１が低減されたことにより、バーナ２０の全高寸法を小さくすることができる。

また、図１２に示す第８変形例では、傾斜配置した２次空気投入ポート３０Ａの流路内部にリブ３１を設けてある。すなわち、図示の例では、２次空気投入ポート３０Ａの出口内側（微粉炭ノズル２１側）にリブ３１を設けてあり、２次空気の流れをリブ３１に衝突させることにより、２次空気の流れに変化が生じるようになっている。特に、２次空気投入ポート３０Ａの出口内側に設けたリブ３１は、２次空気の流れを火炎Ｆから離間させる方向に変化させるので、リブ３１の高さ等を適宜調整することにより、火炎Ｆに対する２次空気の混合を調整することができる。

また、図１３に示す第９変形例では、２次空気投入ポート３０Ｂの流路内に複数の旋回羽根３２を設けてある。この場合の２次空気投入ポート３０Ｂは、微粉炭バーナ２１と平行に形成されている。旋回羽根３２は、たとえば翼断面を有するものであり、２次空気の流れを火炎Ｆから効率よく離間させることができる。なお、上述した２次空気投入ポート３０Ｂは、火炉１１側の出口近傍で外向きの角度θとなるように傾斜させてもよく、旋回羽根３２と流路出口に設けた外向きの傾斜角度θとが協働して、２次空気の流れを火炎Ｆからより一層効率よく離間させることができる。
このような構成を採用すれば、バーナ高さを最小限に抑えて２次空気の流れが火炎と干渉しないように離間させることも可能になる。

また、図１４に示す第１０変形例は、２次空気投入ポート３０Ｃが隣接する左吹出口３０Ｌ，右吹出口３０Ｒを備えている場合であり、２次空気を火炎Ｆに対して斜めに投入することにより、２次空気と火炎Ｆとの混合を遅延させることができる。すなわち、図１４（ａ）に示す変形例では、平面視がＹ字状に分岐して左吹出口３０Ｌ，右吹出口３０Ｒから火炉１１内に２次空気を投入する２次空気投入ポート３０Ｃとされ、微粉炭バーナ２１の軸線から左右方向外向きに傾斜した左吹出口３０Ｌ及び右吹出口３０Ｒが隣接して配置されているので、２次空気は火炎Ｆから離間する方向に流出して混合が遅延する。

また、このような２次空気投入ポート３０Ｃにおいても、たとえば図１５に示す第１１変形例のように、左吹出口３０Ｌ，右吹出口３０Ｒの出口内側（微粉炭ノズル２１の軸中心側）にリブ３１を設けてもよい。このようなリブ３１を設けることにより、２次空気の流れがリブ３１に衝突して流れに変化を生じるので、２次空気の混合において遅延が大きい場合など、リブ３１の高さ等を適宜調整して火炎Ｆに対する２次空気の混合を調整することができる。

このように、上述した実施形態及び各変形例の石炭焚ボイラ１０によれば、微粉炭等の固体燃料を焚く石炭焚ボイラにおいて、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発生量の低減が可能になる。すなわち、微粉炭バーナ２１から投入される微粉炭（粉体燃料）は、キッカ２４により火炎Ｆの中央部に集中することで火炎Ｆの内部に濃炎部Ｆａを形成し、濃炎部Ｆａの形成とキッカ２４の下流に生じる流れの乱れとの相乗効果によって、安定した着火を確保することができるようになる。このため、低酸素濃度の環境下にある濃炎部Ｆａにおいても、微粉炭等の粉体燃料を安定燃焼させることができる。

さらに、火炎Ｆと干渉しない程度に離間して配置された２次空気投入ポート３０から２次空気が緩慢に供給されるため、低温の２次空気による火炎の温度低下（冷却）を最小限に抑えることができる。このため、２次空気の供給が緩慢で空気不足の状況にある火炎Ｆにおいても、高温の火炎Ｆを維持して安定した着火を継続できる。従って、本発明の石炭焚ボイラ１０は、高温かつ低酸素濃度の環境下でも微粉炭等の粉体燃料を燃焼させることができ、しかも、ＮＯｘ及び未燃分ともに大幅に低下させた燃焼が可能になる。

ところで、上述した各実施形態及び変形例は、図示に基づいて説明した以外にも適宜組合せが可能である。また、上述した実施形態では、バーナ部１２からＡＡ１４までの領域を還元雰囲気とする空気の多段投入の石炭焚ボイラ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 石炭焚ボイラ
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（燃料バーナ）
２２ コール１次ポート（燃料流路）
２３ コール２次ポート
２４，２４Ａ キッカ（濃炎部形成部材）
２５ 中央閉鎖型キッカ
２６ サイクロン部
２７ スプリット部材
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ ２次空気投入ポート
３１ リブ
３２ 旋回羽根
５０，５０Ａ 補助ノズル
Ｆ 火炎
Ｆａ 濃炎部
Ｈ 高温酸素残存領域

Claims (7)

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石炭焚ボイラにおいて、
   前記バーナが、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または左右に各々配置されて流量調整手段を有する２次空気投入ポートとを備え、
   前記燃料バーナの流路内に前記粉体燃料の流れをバーナ軸中心部へ集中させる濃炎部形成部材を設けるとともに、
   前記燃料バーナと前記２次空気投入ポートとの間に、前記燃料バーナから炉内へ向けて形成される火炎に前記２次空気投入ポートから投入される２次空気が干渉しない程度の離間距離を設け、
   前記濃炎部形成部材は、前記燃料バーナの壁面に設置されて流路中央部を部分的に開口させる中央開放型キッカであり、
   前記燃料バーナの先端出口部に複数本のスプリット部材が出口中央部に間隔を設けて配置されていることを特徴とする石炭焚ボイラ。
2. 前記濃炎部形成部材は、前記中央開放型キッカの上流に流路中央部を部分的に塞ぐ中央閉鎖型キッカを備えていることを特徴とする請求項１に記載の石炭焚ボイラ。
3. 前記中央開放型キッカの開口部に凹凸を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の石炭焚ボイラ。
4. 前記バーナの先端出口部に流路断面積を絞る補助ノズルを設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の石炭焚ボイラ。
5. 前記２次空気投入ポートは、前記燃料バーナの軸中心から外向きの角度となるように設置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の石炭焚ボイラ。
6. 前記２次空気投入ポートの流路内部にリブを設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の石炭焚ボイラ。
7. 前記２次空気投入ポートの流路内部に旋回羽根を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の石炭焚ボイラ。
   

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